(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置検出のための目盛が長手方向に沿って設けられた平板かつ長尺の光学スケールと、
上記光学スケール上を走行しかつ上記目盛を読み取って位置検出信号を得る光学系の検出ヘッドが設けられたスライダと、
上記スライダと連結されかつ上記スライダを上記光学スケールの長手方向に沿って走行させるキャリアとを備え、
上記光学スケールは、上記長手方向に沿って配設される筐体内に設けられ、
上記スライダには、上記筐体の内壁と接する転がり軸受けが設けられ、
上記転がり軸受けは、上記筐体の内壁のうち該転がり軸受けと対向する位置にガイドバーが設けられ、該ガイドバーを介して該内壁と接し、
上記キャリアには、上記スライダの走行方向に沿って該スライダ側に突出形成されるとともに、該スライダと対向する端部が球面とされる第１の軸受け部材が設けられ、
上記スライダには、上記第１の軸受け部材と対向しかつ上記第１の軸受け部材の球面を受ける略円錐状の凹部を有する第２の軸受け部材が配設され、
上記第１の軸受け部材には、上記球面の中心を通り、上記スライダと対向する側に開口を有する第１の通し穴が設けられ、
上記第２の軸受け部材には、上記球面の中心を通る上記スライダの走行方向と平行をなす直線上に第２の通し穴が設けられ、
上記キャリアと上記スライダとが、上記第１及び第２の通し穴に挿通され、上記球面の中心を通る該スライダの走行方向と平行をなす直線上で、一方の端部が上記キャリアに、他方の端部が該スライダに係止され、該スライダの走行方向と平行な向きの付勢力を該キャリアに対して付与する弾性部材で、上記第１の軸受け部材の球面が上記第２の軸受け部材の凹部に対して押圧されて連結される測尺装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、相対的に直線移動する可動部を有する工作機械や産業機械、精密測定機器等の機械本体に対して取り付けられ、該可動部の相対移動距離や相対移動位置等の測定に使用される測尺装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測尺装置は、工作機械や産業機械、精密測定機器等（以下、単に機械本体と称する。）において相対的に直線移動する相対向する可動部に取り付けられ、例えば該可動部の相対移動位置や相対移動距離等の測定に用いられる。
【０００３】
従来の測尺装置は、上述した可動部における直線移動の際の位置検出用の目盛が設けられた長尺のスケールが可動部の一方に取り付けられ、このスケールに設けられた目盛を読み取る検出ヘッドが配設された検出ユニットが可動部の他方に取り付けられる。検出ユニットは、スケール上に位置して配設され検出ヘッドにて目盛の変位を読み取るスライダと、このスライダと連結され機械本体の他方の可動部とともに移動するキャリアとが連結部を介して連結されてなる。
【０００４】
上述した構成の測尺装置においては、機械本体の可動部の直線移動に伴いキャリアが移動すると、スライダがキャリアとの連結部を介して牽引又は押進されてスケール上をその長手方向に沿って走行する。測尺装置は、上述したようなスライダの走行により、該スライダに配設された検出ヘッドにて目盛の変位を読み取って、相対移動位置や相対移動距離の測定を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の測尺装置においては、上述したように取り付けられる機械本体の可動部の直線移動に伴ってキャリアが移動し、その移動は機械本体の蛇行やうねりに追従する。また、測尺装置においては、スライダがスケールに接して配設され、スケールの平面度、具体的にはその蛇行やうねりに追従して走行する。すなわち、測尺装置においては、異なる運動に拘束されるスライダとキャリアとによって相対移動位置や相対移動距離の測定が行われ、スライダとキャリアとの位置が測定の際の移動に伴ってずれるおそれがある。このスライダとキャリアとの位置ずれは、連結部を介してスライダに伝達される。
【０００６】
従来の測尺装置においては、スライダとキャリアとの連結部における接点とは無関係にスライダ又はキャリアに対して力を加えることにより、両者を連結しているため、上述したような位置ずれによりスライダの走行方向以外の方向、換言するとスライダの直線移動を阻害する方向の力学的ベクトルが生じ、戻り誤差や繰り返し精度の低下に起因する測定誤差が発生するという問題がある。
【０００７】
測尺装置においては、特に高性能、高分解能を達成するほどスライダとキャリアとの連結部分において生じる力学的ベクトルによる接触摩擦力が運動を阻害する力となって繰り返し精度、戻り誤差に影響を与える。
【０００８】
そこで、本発明は、スライダの走行方向以外に向かう力学的ベクトルを発生させないようにスライダとキャリアとを連結し、戻り誤差の防止や繰り返し精度の改善を図り、測定誤差の低減を達成する測尺装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成する本発明に係る測尺装置は、位置検出のための目盛が長手方向に沿って設けられた平板かつ長尺の光学スケールと、光学スケール上を走行しかつ目盛を読み取って位置検出信号を得る光学系の検出ヘッドが設けられたスライダと、スライダと連結されかつスライダを光学スケールの長手方向に沿って走行させるキャリアとを備える。そして、光学スケールは、長手方向に沿って配設される筐体内に設けられ、スライダには、筐体の内壁と接する転がり軸受けが設けられ、転がり軸受けは、筐体の内壁のうち該転がり軸受けと対向する位置にガイドバーが設けられ、該ガイドバーを介して該内壁と接し、キャリアには、スライダの走行方向に沿ってスライダ側に突出形成されるとともに、スライダと対向する端部が球面とされる第１の軸受け部材が設けられ、スライダには、第１の軸受け部材と対向しかつ第１の軸受け部材の球面を受ける略円錐状の凹部を有する第２の軸受け部材が配設され、第１の軸受け部材には、球面の中心を通り、スライダと対向する側に開口を有する第１の通し穴が設けられ、第２の軸受け部材には、球面の中心を通るスライダの走行方向と平行をなす直線上に第２の通し穴が設けられ、キャリアとスライダとが、第１及び第２の通し穴に挿通され、球面の中心を通るスライダの走行方向と平行をなす直線上で、一方の端部がキャリアに、他方の端部がスライダに係止され、スライダの走行方向と平行な向きの付勢力をキャリアに対して付与する弾性部材で、第１の軸受け部材の球面が第２の軸受け部材の凹部に対して押圧されて連結される。
【００１０】
上述した構成を有する本発明に係る測尺装置によれば、スライダとキャリアとの連結を球面を有する第１の軸受け部材と、この球面を受ける凹部を有する第２の軸受け部材とを介して連結し、凹部において回転する球面の中心とスライダからキャリアに対して付勢力を付与する点とを、球面の中心を通りスライダの走行方向と平行な直線上に位置させ、スライダの走行方向と平行に引っ張り付勢を付与することで、スケール又は機械本体の蛇行やうねりによるスライダとキャリアとの位置ずれを吸収して、スライダの走行方向以外に向かう力学的ベクトルの発生を防止して、戻り誤差の発生や繰り返し精度の低下を防ぎ、相対移動位置や相対移動距離の測定における測定誤差の低減を可能とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る測尺装置の具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態に係る測尺装置１は、図１に示すように、産業機械、工作機械等（以下、機械本体５０と称して説明する。）の一部として構成されかつ相対的に直線移動する可動部５０ａ、５０ｂの相対移動位置や相対移動距離を測定するものであり、略矩形の筒状を呈する筐体２と、検出ユニット３とを備えて構成される。測尺装置１は、上述した筐体２が機械本体５０の一方の可動部５０ａに、また検出ユニット３の駆動部であり詳細を後述するキャリアが他方の可動部５０ｂに対して取り付けられる。
【００１２】
筐体２は、その内部に平板かつ長尺形状を呈するスケール４が、その長手方向と筐体２の長手方向とが一致するように収納される。筐体２は、その一側面、具体的には配設された検出ユニット３と対向する側面が、その長手方向にわたって切り欠かれてスリット５が形成されている。測尺装置１においては、スリット５から後述するように検出ユニット３の検出部たるスライダと駆動部たるキャリアとを連結する連結部を構成するアームが筐体２の内部に進入する。
【００１３】
スケール４は、筐体２の長手方向の両端部に配設された一対のブラケット６により、その両端が支持されて筐体２内の所定位置に固定される。スケール４は、図２に示すように、その一方主面（以下、スケール面と称する。）４ａ上に、位置検出用の目盛４ｂが設けられている。目盛４ｂは、スケール４の長手方向に沿って所定間隔で連続して記録された位置信号であり、その形態としては例えば所定の間隔でピットやマークが形成されたものやスケール面４ａ上にグレーティングが施されたもの、また外観上目盛としてはあらわれないが所定の記録波長で極性が反転する磁気信号が着磁されたもの等がある。スケール４は、後述するように目盛４ｂを読み取り位置信号を検出する検出ヘッドの種類によりその材料を代えて成形され、例えば検出ヘッドに光学系の検出ヘッドを用いる場合にはガラス等の硝材材料、磁気ヘッドを検出ヘッドとして用いる場合には金属材料により成形される。
【００１４】
検出ユニット３は、図２に示すように、スケール面４ａに設けられた目盛４ｂの変位を読み取って位置信号を検出する検出部となるスライダ７と、このスライダ７に連結されかつスライダ７を牽引又は押進して走行させる駆動部となるキャリア８とを備えて構成される。
【００１５】
スライダ７は、スケール４上に、すなわち筐体２の内部に配設され、スケール４のスケール面４ａ上をその長手方向に沿って走行する。スライダ７には、スケール４上を走行する際に、スケール面４ａ上に設けられた目盛４ｂの変位を読み取って、この目盛４ｂの変位を位置信号として検出する検出ヘッド９が目盛４ｂと対向する位置に配設される。検出ヘッド９は、上述したスケール４の材料や目盛４ｂの形態に応じて、磁気ヘッドや光学系の検出ヘッド等を使用する。
【００１６】
スライダ７は、筐体２内において弾性部材、例えば図３に示す押圧バネ１０によって、スケール４と垂直をなす筐体２の内壁２ａの方向に対して押圧されている。また、スライダ７は、上述した内壁２ａの方向に対する押圧と同様に、詳しい図示は省略するが弾性部材、例えば押圧バネによってスケール４のスケール面４ａの方向に対して押圧される。さらに、スライダ７は、上述した筐体２の内壁２ａ及びスケール４のスケール面４ａと複数の転がり軸受け１１を介して接している。スライダ７は、上述したように筐体２の内壁２ａ及びスケール４のスケール面４ａに対して弾性部材で押圧されかつ押圧されている部位に対して転がり軸受け１１を介して接することにより、スケール面４ａの平面度、具体的にはそのうねりや蛇行に追従して、円滑に走行する構造とされる。なお、測尺装置１においては、詳しい図示を省略するがスライダ７が走行する際の摩耗を低減し、また転がり軸受け１１が接する内壁２ａの平面度を担保するため、転がり軸受け１１が内壁２ａに接する位置にスチール製のガイドバーを埋め込み、このガイドバー上を転がり軸受け１１が移動する構成としてもよい。
【００１７】
キャリア８は、筐体２の外部に配設されるとともに、筐体２及びスケール４の長手方向に沿って上述した機械本体５０の他方の可動部５０ｂに対して取り付けられる。キャリア８には、スライダ７の検出ヘッド９が目盛４ｂを読み取って検出した位置信号を図示を省略する制御装置に対して供給する信号ケーブル１２が接続されている。
【００１８】
キャリア８は、上述したように機械本体５０の他方の可動部５０ｂに対して取り付けられているため、機械本体５０を構成する可動部５０ｂとともに筐体２の長手方向に沿って直線移動する。すなわち、キャリア８は、可動部５０ｂを有する機械本体５０自体の蛇行やうねりに追従して移動する構造とされる。
【００１９】
検出ユニット３においては、上述した構成を有するスライダ７とキャリア８とが連結部１３により連結され、この連結部１３を介して上述したキャリア８がスライダ７を牽引又は押進して、スライダ７を走行させる。連結部１３は、キャリア８に設けられるとともに筐体２のスリット５から筐体２内部に進入するアーム１４と、このアーム１４から突出形成される第１の軸受け部材１５と、スライダ７側に設けられ第１の軸受け部材１５と対向して配設される第２の軸受け部材１６とにより構成される。
【００２０】
第１の軸受け部材１５は、アーム１４からスライダ７の走行方向に沿ってスライダ７側に突出形成され、そのスライダ７側の先端部分が球面１５ａとされた球面軸受けである。第１の軸受け部材１５には、球面１５ａに開口しかつ球面１５ａをその外周面の一部として有する球の中心（以下、単に球面１５ａの中心と称して説明する。）に相当する位置まで達する第１のバネ通し穴１５ｂが形成されている。
【００２１】
第２の軸受け部材１６は、スライダ７側に配設され、上述した第１の軸受け部材１５の球面１５ａを受ける略円錐状の凹部１６ａが設けられてなる自動調芯軸受けである。第２の軸受け部材１６には、略中央にスライダ７側から凹部１６ａの底面に貫通し、詳細を後述するコイルバネが挿通される第２のバネ通し孔１６ｂが形成されている。
【００２２】
検出ユニット３は、キャリア８側に設けられた第１の軸受け部材１５の球面１５ａがスライダ７側に引張り付勢され、スライダ７に配設された第２の軸受け部材１６の凹部１６ａに押圧されて、この第１の軸受け部材１５と第２の軸受け部材１６とが連結部１３とされて連結される。連結部１３は、一端がスライダ７に設けられた係止ピン１７に係止され、他端が第２のバネ通し穴１６ｂ及び第１のバネ通し穴１５ｂに挿通されて球面１５ａの中心に相当する位置に係止されたコイルバネ１８により第１の軸受け部材１５に対してスライダ７側に引張り付勢力が付与されている。連結部１３は、上述したコイルバネ１８が球面１５ａ、具体的にはキャリア８をスライダ７側に引っ張る方向が、スライダ７の走行方向である図３に示す矢印Ａ方向と平行をなすようにスライダ７とキャリア８とを連結する。換言すると、測尺装置１は、スライダ７側でコイルバネ１８を係止する係止ピン１７が、コイルバネ１８の他端側を係止する球面１５ａの中心を通りかつスライダ７の走行方向と平行な直線上に設けられ、この係止ピン１７からキャリア８に対して引張り付勢力が付与されている。
【００２３】
測尺装置１においては、上述した構成を有する連結部１３によりスライダ７とキャリア８とを連結しかつ連結部１３を介してキャリア８によりスライダ７を牽引又は押進して走行させることにより、スケール４又は機械本体５０から異なる拘束を受けて共に移動するスライダ７とキャリア８との位置がずれた場合でも、スライダ７のスケール４の矢印Ａ方向への走行を阻害する方向に向かう力学的ベクトルが発生しない。すなわち、測尺装置１は、例えば図４に示すように機械本体５０側の位置ずれにより、可動部５０ｂに取り付けられたキャリア８の位置がずれた場合でも、凹部１６ａの円錐状を呈する内周面で球面１５ａがその中心を回転中心として回転して凹部１６ａ内を滑り、球面１５ａの中心位置を変位させずにずれを吸収する。このため、測尺装置１は、スライダ７からキャリア８に対して引張り付勢力を付与するコイルバネ１８を係止する位置が変わらず、キャリア８に付与される引張り付勢力の方向をスライダ７の走行方向と平行に維持され、スライダ７の走行方向以外に向かう力学的ベクトルがキャリア８のずれによって発生しない。
【００２４】
上述したように測尺装置１においては、ずれを吸収する第１の軸受け部材１５の球面１５ａの回転中心とキャリア８に対して引張り付勢力を付与するコイルバネ１８のスライダ側の係止点とをスライダ７の走行方向と平行な直線上に位置させ、かつスライダ７とキャリア８とを連結するための引張り付勢力の方向をスライダ７の走行方向と平行に維持することで、スライダ７の走行方向以外の力学的ベクトルが発生せず、重要な性能の一つである戻り誤差の発生が防止され、相対移動位置や相対移動距離の測定における測定誤差の軽減が図られる。
【００２５】
なお、本実施の形態においては、測尺装置１を上述した構成を有するものとして説明したが、これに限定されないことは勿論であり、例えば図５に示す形状の第２の軸受け部材２０を使用してスライダ７とキャリア８とを連結してもよい。第２の軸受け部材２０は、上述した第２の軸受け部材１６と同様に略円錐状の凹部２０ａで第１の軸受け部材１５の球面１５ａを受けてスライダ７とキャリア８とを連結するものであり、スライダ７により近い位置での連結を可能とする。
【００２６】
また、図６に示す測尺装置３０の如く、スライダ７側からキャリア８に対して引張り付勢力を付与する位置を変更し、連結部１３と別の位置にコイルバネ１８を配設してもよい。測尺装置３０においては、スライダ７と、スライダ７に設けられた切欠き部７ａに突き出て設けられたキャリア８の係止棒３１とにコイルバネ１８の両端部がそれぞれ係止されることにより、スライダ７からキャリア８に対して引張り付勢力が付与されている。なお、測尺装置３０においても、スライダ７側でコイルバネ１８を係止してキャリア８を引っ張る点と、第１の軸受け部材１５の球面１５ａの中心とが、スライダ７の走行方向と平行な直線上に位置して配設される。
【００２７】
さらに、図７に示す測尺装置４０の如く、第１の軸受け部材１５とスライダ７とに棒状の係止バー４１ａ、４１ｂがそれぞれ配設され、この係止バー４１ａ、４１ｂ同士を２本のコイルバネ１８で繋ぐことにより、スライダ７からキャリア８に引張り付勢力を付与して連結するものでもよい。このような場合、測尺装置４０においては、キャリア８を引っ張るスライダ７上の２点の中点ｘが、第１の軸受け部材１５の球面１５ａの中心を通るスライダ７の走行方向と平行な直線上に位置するように２本のコイルバネ１８が配設される。
【００２８】
さらにまた、上述した各本実施の形態においては、コイルバネ１８を用いてキャリア８に引張り付勢力を付与しているが、これに限定するものではなく、コイルバネ１８に代えて他の弾性部材、例えばゴム等を用いてキャリア８に対して引張り付勢力を付与してもよい。また、上述した各本実施の形態においては、キャリア８に引張り付勢力を付与してスライダ７とキャリア８とを連結しているが、コイルバネや板バネ、棒バネ、ゴム等の弾性部材の付勢力を利用してキャリア８をスライダ７方向に押圧してスライダ７とキャリア８とを連結する構成としてもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明に係る測尺装置によれば、スライダとキャリアとの連結を球面とこの球面を受ける凹部とを介して連結し、凹部において回転する球面の中心とスライダからキャリアに対して付勢力を付与する点とを、スライダの走行方向と平行な直線上に位置させ、スライダの走行方向と平行に引っ張り付勢を付与することで、スケール又は機械本体の蛇行やうねりによるスライダとキャリアとの位置ずれを吸収しつつ、スライダの走行方向以外に向かう力学的ベクトルが発生することを防止して、戻り誤差の発生や繰り返し精度の低下を防ぎ、相対移動位置や相対移動距離の測定誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  機械本体に対して取り付けられた測尺装置の斜視図である。
【図２】  検出ユニット及びスケールの斜視図である。
【図３】  筐体内の検出ユニットとスケールとの状態を示す要部水平断面図である。
【図４】  キャリア側で位置ずれが生じた状態を説明するための要部水平断面図である。
【図５】  他の実施の形態に係る測尺装置の要部水平断面図である。
【図６】  さらに他の実施の形態に係る測尺装置の要部水平断面図である。
【図７】  さらに他の実施の形態に係る測尺装置の要部水平断面図である。
【符号の説明】
１  測尺装置，２  筐体，３  検出ユニット，４  スケール，５  スリット，７  スライダ，８  キャリア，９  検出ヘッド，１３  連結部，１４  アーム，１５  第１の軸受け部材，１５ａ  球面，１５ｂ  第１のバネ通し孔，１６  第２の軸受け部材，１６ａ  凹部，１６ｂ  第２のバネ通し孔，１７  コイルバネ，１８  係止ピン
【図１】
0004154082.tif 000002
【図２】
0004154082.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0004154082.tif 000007
【図７】
0004154082.tif 000008