三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015) 工作機械特集

製 品 紹 介70

過酷な環境に強く，精度向上に貢献する MP スケール
Environment-proof High Accuracy MP Scale機 械 ・設 備 システムドメイン
工作機械事業部
MP スケール技 術 営 業 チーム（窓 口 ）1970 年，工作機械における位置決め精度向上の要となる位置検出技術を確立するため，当社は，米国のスケールメーカであるインダクトシン社と技術提携しスケールの製造販売を開始した。
1990 年，製品名を MP スケール（Mitsubishi Precision Scale）に改称後，独自技術を盛り込んで市場ニーズに合わせた製品開発を進めてきた。現在では，過酷な環境に強い高速・高精度スケー
ルとして，当社の工作機械だけでなく，お客様の工作機械やプレス機械にも MP スケールを使用いただいている。
本稿では，直線位置を検出するリニア MP スケールと，小形化し更に性能向上した MP スケー
ル用コントローラ（A/D 変換器），そして更に A/D 変換器を内蔵した角度検出用のロータリ MP ス
ケールを紹介する。

|1. MP スケールの特徴(1) 高精度
工作機械の基本機能は，いかに高速に工具やワークを移動できるか，また，いかに精度良く位置決めできるかで決まる。
工作機械で検出したい位置は，工具が加工ワークのどこに接しているかという，いわゆる加工位置である。工作機械において高精度な位置決めを実現するには，加工位置近くに取付けできる高精度なスケールが必要となる。
直線位置検出用のリニア MP スケールは仕様精度５μmp-p/m（MPLC シリーズの場合）と高精度で，しかも，厚さ 19mm（図１）と薄いため，加工位置近くに取付けできる。図２は横型マシニングセンタへのリニア MP スケールの取付け例であるが，機械ヨーイングの影響を受けにくい加工位置近くにスケールを取り付けることで，加工精度を向上させることができる。

図１ リニア MP スケール
固定側のスケールと可動側のスライダとで構成される。スケールとスライダは非接触で，隙間を設けて取り付けるタイプである。ベースの材質は鉄なので割れたりすることは無い。

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71図２ 横型マシニングセンタへのリニア MP スケール取付け例
MP スケールを加工位置近くに取り付けることで，機械のヨーイング（湾曲）の影響を低減でき，加工精度が向上した。

ロータリ MP スケールも厚さ 19mm と薄く，仕様精度は２秒 p-p と高精度である（MPRZ-1236Bの場合）。更に，一般的なロータリスケールと異なり，検出パターンが 360°全周にわたって生成されているため，荷重やメカニカルなガタ等による偏芯が生じた場合でも，その誤差はキャンセルされる（図３）。

図３ ロータリ MP スケール

(2) 高速検出
可動側が高速移動するため，スケールにはベアリング等の摩耗部は無いほうが望ましい。
MP スケールは固定側と可動側が分離した非接触のオープンタイプで，摩耗部が無い。A/D 変換器の種類にもよるが，ロータリ MP スケールでは 10 000min-1 まで検出可能なので，回転テーブル等の回転軸だけでなく，高速で回転する旋盤の主軸にも用いられている（図４）。

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図４ 旋盤主軸用に取り付けられた例(3) 耐環境性
お客様は，高速・高分解能・高精度だけではなく，長期間安定して，高い稼働率を維持できるスケールを必要としている。
MP スケールは電磁誘導式のオープンタイプの検出器で，精度劣化の要因となる摩耗劣化部が無い。またベースの材質は鉄なのでガラスのように割れたりすることもない。
工作機械では，クーラントや切粉等がスケールに飛散しやすい環境であるため，スケールの耐環境性が重要である。
光学式スケールの場合，クーラント等から保護するために，スケールはケースで覆われたパッケージタイプで，その内部にはベアリングやシール等の摩耗部が存在するのが一般的である。そして更にスケール内への異物侵入を低減するため，エアパージ 注）等の対策が施されるが，パージエア等のミストによる曇りや結露がスケール面もしくは検出ヘッドに発生すると，位置検出できなくなることがある。
注）エアパージ：外部から圧縮空気を送り，その圧力で異物を除去すること

MP スケールは電磁誘導式なので，原理的に水・油・結露の影響は受けない。40 年以上にわたる工作機械での使用実績を元に，耐環境性に対する改良を積み重ねてきており，オープンタイプでありながら，エアパージは不要である。
水没させても正常動作しているロータリ MP スケールでの実験例を図５に，油がついていても７年間正常に安定稼働しているリニア MP スケールでの実例を図６に示す。

図５ ロータリ MP スケールの水没実験例

図６ リニア MP スケールの実機での使用例
７年間稼働した状況において，スケールに油が付着していても正常に位置検出している。

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また，一般的なスケールと異なり，検出パターンが広範囲にわたって生成されるため，多少の異物が目盛上にあっても，平均化効果によって目盛誤差の影響は軽減される（図７）。
ここで，極端な実験例の紹介になるが，鉄片，銅片，水滴でスケール面を覆った結果を示す（図８）。鉄片や銅片は光を完全に遮断し，MP スケールの動作原理である電磁誘導作用にも影響を与えるが，若干精度が悪化した程度で位置検出している。なお，水滴のある部分において精度変化は無かった。

図７ 一般のスケールと MP スケールの目盛誤差の影響

図８ スケール面への異物付着の影響
スケールに鉄片，銅片，水滴が付着してもほぼ正常に位置検出している|2. リニア MP スケールのラインナップ
リニア MP スケールは，３シリーズ（図９）あり多様な用途に対応している。
(1) MPLN
幅 30mm の最もコンパクトなタイプの小形機用。
(2) MPLC
幅 58mm と MPLN より広いが，MPLN よりも高精度な一般機械用。

三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015)74(3) MPS-C
MPLC と同じサイズ（幅 58mm），精度の大形機用。スケールは１本が１ｍ以下で，複数本を並べることによりストロークを延長できるようにしてある。他社の長尺スケールは１本タイプで，ストローク別に発注・在庫管理を要するが，MPS-C シリーズでは短ストローク品を連結できるので管理面でも利便性が高い。

図９ リニア MP スケールのラインナップ|3. 性能向上した A/D 変換器
A/D 変換器は MP スケールに接続する外部コントローラで，スケールの電磁誘導信号から位置を求め NC 装置に位置情報を出力する。一般的に制御盤に取り付けられる。
今般，この A/D 変換器を小形化した上，更に性能向上を図った新 A/D 変換器（Ｋタイプ）を開発した。従来製品（Ｊタイプ）との比較を表１に示す。
表１ ＡＤ変換器の新旧比較
従来品 Ｊタイプ

新製品 Ｋタイプ

サイズ

160×160×40mm

85×57×40mm

電源AC100V×0.4A

DC5V×0.35A

分解能

0.05μｍ

0.01μｍ

ゲイン調整
内挿精度調整要精度を見ながら変換器の内挿精度調整ボリュームで調整する。

DIN レール取付け

不要
機械を一定速で移動させ内挿誤差を自動取得し，その値を使って補正する。

×○(1) 小形化
容積は従来比 1/5 に小形化。
(2) 省配線化
Ｊタイプは AC 電源配線が必要であったが，Ｋタイプは NC 装置の DC５V 電源で駆動可能となり，電源用配線を別に用意する必要が無くなった。

三菱重工技報 Vol.52 No.3 (2015)75(3) 高分解能化
Ｊタイプと同じ 1800m/min の高速検出を維持しつつ，分解能（＝最小検出単位）を従来の0.05μｍから 0.01μｍに向上させた。
(4) ゲイン調整不要化
Ｊタイプではスケール信号の増幅ゲインボリュームをマニュアルで調整する必要があったが，Ｋタイプでは自動化しマニュアル調整を不要とした。
(5) 内挿誤差補正の自動化
一般的にスケールには等ピッチで目盛があり，１ピッチ内の位置は，電気的に分割補間（内挿）して求めている。１ピッチ範囲内の誤差を内挿誤差といい，各目盛に繰り返し現れる周期的誤差となる。Ｊタイプは，内挿誤差の周期成分を調整ボリュームで低減できるが，調整時にはレーザ測定等で誤差を測定する必要がある。
一方，Ｋタイプはスケールを一定速度で移動させれば内挿誤差の周期成分を自動的に抽出・記憶し，内挿誤差を補正する。そのため，レーザ測定やボリューム調整も不要である。それだけでなく，Ｊタイプでは除去しきれなかった周期成分も補正する。
内挿誤差はスケール個体やスケールの取付け状況にも依存するので，オンマシン（工作機械からスケールを取り外さない状態）で，お客様にて内挿誤差補正ができることも大きな特徴である。
図 10 に実例を示すが，MP スケールにこのＫタイプ A/D 変換器の内挿補正機能を合わせることで，周期誤差が除去され精度が向上する。

図 10 Ｋタイプ A/D 変換器による内挿誤差補正|4. A/D 変換器内蔵ロータリ MP スケール
今般，機械のコンパクト化・制御盤の小形化ニーズに応え，A/D 変換器を内蔵しコンパクト化したロータリ MP スケール MPZA シリーズを開発した。
(1) コンパクト
MPZA シリーズは現在２機種あり（表２），小口径タイプの MPZA-2024A は，従来製品（MPRZ536A＋コントローラ ADB-20J70）に対し，外径で 13％小さくなり，コントローラも 96％小型化され，スケール内部に内蔵している（図 11）。しかも厚さ 20mm と薄く，工作機械のコンパクト化に寄与できるスケールとなっている（図 12）。
表２ MPZA シリーズの主要諸元
項目

MPZA-2024A

MPZA-6036A

外径/内径 Outer/inner diameter

110/20mm

200/60mm

精度 Accuracy 秒（peek to peek）

５秒ｐｐ

４秒ｐｐ

223/rev（8388608 パルス／回転）

223/rev（8 388 608 パルス／回転）

10 000 min-1

10 000 min-1

分解能Resolution

最大応答回転速度 Speed
接続 NC Connectable NC

FANUC, Mitsubishi CNC, Siemens

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図 11 従来製品構成との比較

図 12 MPZA-2024A の取付構成(2) 高精度
一般的にスケール径が小さくなるほど内挿誤差が悪化する。それは，半径 ｒ の目盛の円周方向の誤差⊿は製造条件等で決まってしまい，それを角度換算すると誤差≒⊿/r となるためである。MPZA ではパターンの工夫と誤差補正機能（図 13）により，コンパクトさと高精度を両立している。

図 13 MPZA2024A の誤差補正機能

今後，コントローラ内蔵タイプの製品を拡充し魅力ある製品をラインナップしていく予定である。