| 【発明の名称】 |
位置検出装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】林 康一
【氏名】福井 憲之
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| 【要約】 |
【課題】従来の位置検出装置では、可動物の位置検出を間接的に演算で求めるため、精度が低く、位置決め誤差が生じるという問題点があったが、本発明では、可動物の位置を直接的に検出し、位置決め誤差を低減できる位置検出装置を提供する。
【解決手段】ボールネジ２０３のスプライン溝２０４の端部と、スプライン溝２０４に係合し、テーブル２１０に固定されたスプラインナット２０５とのそれぞれいずれかに、反射鏡１０８とレーザ発振ユニット１１０を対向配置し、レーザ発振ユニット１１０が、放射したレーザ光と、反射鏡１０８で反射して戻ってきたレーザ光とに基づいて、テーブル２１０の移動距離を検出する位置検出装置である。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 軸方向に沿った直線状のスプライン溝とスパイラル状のネジ溝とが外周に形成されたボールネジと、可動物に固定され、スプライン溝と係合して、ボールネジの軸方向に移動可能なスプラインナットと、可動物に回転自在に設けられ、ネジ溝と係合して回転駆動されるボールネジナットとを有する送り機構の位置検出装置であって、前記スプライン溝端部と、前記スプラインナットとのそれぞれいずれかに反射鏡とレーザ発振ユニットを対向配置し、前記レーザ発振ユニットは、前記反射鏡で反射したレーザ光と放射したレーザ光とに基づいて、前記可動物の移動位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットや工作機械等で使われるアームを駆動する送り機構としてのボールネジ駆動機構における位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】工具やワークについて、ＸＹＺ軸への移動だけでなく、傾きや、回転等の制御を行う次世代型５軸加工機が工作機械分野で注目されている。このような５軸加工機では、ボールネジ伸縮型パラレルリンクメカニズム機構が採用されている。
【０００３】図３は、従来のボールネジ伸縮型パラレルリンクメカニズム機構の一例を示す斜視図である。従来のボールネジ伸縮型パラレルリンクメカニズム機構は、６本のボールネジ３０１ａ〜ｆと、ボールネジ３０１に対応して設けられた中空型モータ３０３ａ〜ｆと、中空型モータ３０３に対応して設けられた中空型検出器３０２ａ〜ｆと、プラットフォーム３０４と、プラットフォーム３０４に各ボールネジ３０１を結合するジョイント３０６ａ〜ｆと、ベース３０５とから主に構成されている。尚、このようなボールネジ伸縮型パラレルリンクメカニズム機構については、「機械と工具」，工業調査会，１９９５年２月号の１０３ページから１１０ページ、「ＧＥＯＤＥＴＩＣＳ社の“ＨＥＸＡＰＯＤ”」（武野仲勝著）に詳しい説明があるので、ここでは、詳細な説明を省略する。
【０００４】ボールネジ３０１ａ〜ｆには軸回転を拘束するための溝（スプライン溝）が軸方向に延びて形成されており、その外周には、スパイラル状のネジ溝が形成されている。中空型モータ３０３ａ〜ｆは、ベース３０５に固定され、それぞれ対応するボールネジナットに接続されている。また、これらのボールネジナットは対応するボールネジのネジ溝に係合している。
【０００５】このため中空型モータ３０３ａ〜ｆの回転に伴ってボールネジナットが回転すると、中空型モータ３０３ａ〜ｆを貫通しているボールネジ３０１ａ〜ｆは、中空型モータ３０３ａ〜ｆを自在に出入りし、ジョイント３０６ａ〜３０６ｆを介して結合されたプラットフォーム３０４の位置及び傾き等が変化する。ここで、プラットフォーム３０４の位置及び傾き等を制御するためには、各ボールネジナットの移動距離（ボールネジの一端とボールネジナットまでの距離等）を検出する必要がある。ボールネジナットの移動距離は、対応する中空型モータ３０３がどれだけ回転したかを検出すれば、それを基に算出することができる。
【０００６】各中空型モータ３０３に取り付けられた中空型検出器３０２は、対応する中空型モータ３０３ａ〜ｆの回転角度検出を行う。このような中空型検出器３０２により中空型モータ３０３の回転角度を検出する方法では、ボールネジ３０１ａ〜ｆの熱変位や荷重による撓み等により、中空型モータ３０３ａ〜ｆの回転角度から換算して求めたボールネジナットの移動距離と、実際の移動距離とに差が生じることがある。この現象が起きると、ＮＣ等の制御側からプラットフォーム３０４をある位置及び傾き等に指令した場合において、実際に移動した位置及び傾きと指令値とに誤差が発生して、正確な位置決めを行うことが困難になる。
【０００７】次に、工作機械において、テーブルを平行移動する機構にナット駆動型モータを利用したときの例について説明する。図４は、従来のナット駆動型モータの機構の一例を示す断面図である。図４に示すように、スプライン付きボールネジ２０３は、中空型モータ２０７を貫通して、そのロータ軸２０８に同軸に配置され、スプライン溝２０４にスプラインナット２０５を係合して、可動物の軸回転を拘束している。
【０００８】中空型モータ２０７を回転させると、中空型モータ２０７のロータ軸２０８が回転し、ロータ軸２０８に直結されたボールネジナット２０９が回転して、テーブル２１０と結合した中空型モータ２０７本体がスプライン付きボールネジ２０３の軸方向に駆動される。この中空型モータ２０７に伴うテーブル２１０の移動距離は、中空型モータ２０７に取り付けられた中空型検出器４０１が検出する中空型モータ２０７の回転位置から間接的に算出される。この機構においても、スプライン付きボールネジ２０３の熱変位或いは荷重を受けた際の撓み或いはスプライン付きボールネジ２０３のロストモーション等によって、実際のテーブル２１０の移動距離と中空型検出器４０１の検出値とに誤差が生じる。また、可動物の軸回転を拘束するために備え付けられているスプラインナット２０５は、理想的には、スプライン付きボールネジ２０３を完全に軸回転方向に拘束するために、両ユニットを隙間無く係合したいが、スプライン部分に隙間がないように係合すると摩擦が発生し、静摩擦及び動摩擦ともに大きくなる。この静摩擦及び動摩擦が大きくなると、中空型モータ２０７の回転負荷が大きくなり、より大きな回転トルクを必要とすることになる。そのため、従来、このスプライン部分にはある程度の隙間を設けてあった。この隙間は、歯車の噛み合わせにおけるバックラッシと同様のもので、テーブル２１０の位置検出を中空型検出器４０１という間接的なユニットで行っているために中空型モータ２０７が正転方向から逆転方向或いはその逆の回転動作をする際に位置決め誤差が発生していた。更に、ボールネジナット２０９とスプライン付きボールネジ２０３との結合においても、ネジの性質上ある程度のネジガタを設けてあり、同様に正転方向から逆転方向或いはその逆の回転動作をする際に位置決め誤差が発生していた。
【０００９】このように、図３及び図４に示した機構で位置決め誤差が発生するのは、可動物の移動距離をモータの回転量から間接的に算出して得ているからである。
【００１０】これらの移動距離を直接的に検出する装置としては、従来、図５に示すように、リニアエンコーダが用いられている。図５は、リニアエンコーダを用いた位置検出装置の一例を示す斜視図である。ボールネジ５０１の両端は軸受で保持されており、このボールネジ５０１は、軸回転可能になっている。また、ボールネジ５０１の片方の端をモータと結合してボールネジ５０１を回転させ、ボールネジ５０１が回転すると、その動力はテーブル５０３に固定され且つ回転が拘束されたナット５０２に伝わり、テーブル５０３がボールネジ５０１の軸方向に駆動する。リニアエンコーダは、スライダー５０４と、スケール５０５とを含み、スライダー５０４はテーブル５０３に固定され、スケール５０５はベッド５０６に固定されている。ここで、スライダー５０４とスケール５０５との間のエアギャップが、駆動ストロークの全長に亘ってほぼ一定となるように、リニアエンコーダを配置して、検出誤差を減じている。
【００１１】このような機構における位置検出装置では、ボールネジ５０１の熱変位或いは荷重による撓み或いはロストモーション等による位置をも検出することができ、ＮＣ装置等からの指令値と実際の可動部分の位置との位置検出誤差を少なくできる。こういった直接的な位置検出手段は、より高精度な位置決めを必要とする工作機械分野等で頻繁に利用されている。
【００１２】しかし、軸回転を拘束したボールネジとナットの回転によりボールネジ軸方向にナットまたはボールネジが直線運動する機構では、ボールネジが移動する距離を測定するために、このリニアエンコーダを利用しようとすれば、スケール５０５に相当するユニットの取付位置がスプライン付きボールネジ上となる。しかし、これでは、スライダーを配置することができず、従って、上記の機構に、リニアエンコーダを利用することはできなかった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】このように、上記従来の位置検出装置では、ナットの回転により長手方向にボールネジが直線的に駆動される機構において、ナットを回転させる中空型モータの回転量から間接的にボールネジの移動距離を算出するので、ボールネジの熱変位や、荷重による撓み、ロストモーション等による位置を検出できず、ＮＣ装置等からの指令値との間に位置決め誤差が発生するという問題点があった。
【００１４】さらに、可動物のボールネジナット軸周りでの回転を拘束するために、スプライン溝を形成し、スプラインナットで軸回転を止めようとすると、このスプライン部分に隙間を設ける必要があって、軸回転の逆転時に位置検出誤差が発生するという問題点があった。
【００１５】本発明は、上述のような事情に鑑みなされたものであり、軸回転を拘束したボールネジをナットの回転により軸方向に直線的に駆動される機構において、ボールネジの熱変位や、荷重による撓み、ロストモーション等による位置決め誤差を低減できる位置検出装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記従来例の問題点を解決するための請求項１記載の発明は、軸方向に沿った直線状のスプライン溝とスパイラル状のネジ溝とが外周に形成されたボールネジと、可動物に固定され、スプライン溝と係合して、ボールネジの軸方向に移動可能なスプラインナットと、可動物に回転自在に設けられ、ネジ溝と係合して回転駆動されるボールネジナットとを有する送り機構の位置検出装置であって、前記スプライン溝端部と、前記スプラインナットとのそれぞれいずれかに反射鏡とレーザ発振ユニットを対向配置し、前記レーザ発振ユニットは、前記反射鏡で反射したレーザ光と放射したレーザ光とに基づいて、前記可動物の移動位置を検出することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】本発明の実施の形態に係る位置検出装置は、軸回転しないボールネジ上で、ボールネジナットにて駆動される可動物の移動量をレーザ測長器により直接検出する。これにより、ボールネジの熱変位或いは荷重による撓み或いはロストモーション等に起因する検出誤差の少ない位置決めを可能としている。
【００１９】以下、本実施の形態に係る位置検出装置について説明する。図１は、本実施の形態で用いるレーザ測長器を示す構成ブロック図である。図１に示すように、レーザ測長器は、レーザ発振ユニット１１０と、反射鏡１０８とを含む。また、レーザ発振ユニット１１０は、レーザ発振器１０１と、レーザ同調回路１０２と、テレスコープ１０３と、第１のビームスプリッタ１０４ａと、第２のビームスプリッタ１０４ｂと、第１のフォトデテクタ１０５ａと、第２のフォトデテクタ１０５ｂと、信号処理回路１０６と、干渉計１０７とから構成されている。
【００２０】この図１に示したレーザ測長器については、１９９２年１月に日刊工業新聞社から発行された小林春洋著の、「レーザのはなし［第２版］」の１５３ページ〜１５５ページに詳しい説明があるので、以下では、構造及び作用を簡便に説明する。
【００２１】レーザ発振器１０１は、周波数ｆ１と周波数ｆ２との２周波数成分を含むレーザ光を放射する。このレーザ光は、テレスコープ１０３を通って、第１のビームスプリッタ１０４ａに到達する。第１のビームスプリッタ１０４ａは、レーザ光の一部を、透過光としてそのままストレートに透過させるとともに、その残りを反射光として第２のビームスプリッタ１０４ｂが配置された方向に反射させる。この反射光は、第２のビームスプリッタ１０４ｂに達し、ここでも透過光と反射光とに分けられる。ビームスプリッタ１０４ｂで反射した反射光は、フォトデテクタ１０５ａでサンプリングされ、レーザ同調回路１０２に入力される。
【００２２】レーザ同調回路１０２は、発振された光の波長ｆ１，ｆ２が、予め設計された波長からずれると、光発振器内の間隔を調整し、常に一定波長で発振するフィードバック制御を行う。これによりレーザ発振器１０１は、安定した波長を生成する。
【００２３】一方、第２のビームスプリッタ１０４ｂをストレートに透過した透過光は、フォトデテクタ１０５ｂでサンプリングされた後、基準信号（ｆ１−ｆ２）として信号処理回路１０６へ出力される。
【００２４】また、第１のビームスプリッタ１０４ａをストレートに透過した透過光は、干渉計１０７に到達し、周波数ｆ２の成分の光は干渉計１０７により、受光素子１０９に向けてそのまま反射され、周波数ｆ１の成分の光は干渉計１０７を透過して反射鏡１０８に到達し、反射鏡１０８により、受光素子１０９に向けて反射される。この反射鏡１０８で反射される光の周波数ｆ１の成分は、反射鏡１０８に到達する前の周波数ｆ１から、反射鏡１０８と、干渉計１０７と一体の移動を行うレーザ発振ユニット１１０との間隔の変化に応じてレーザ光の周波数がｆ１±Δｆ１に変化する。反射鏡１０８から反射した、この周波数ｆ１±Δｆ１の光は、干渉計１０７を透過し、干渉計１０７でループした周波数ｆ２の光とともに受光素子１０９に入射する。
【００２５】受光素子１０９は、入射した光の周波数を、測長信号（ｆ１−ｆ２±Δｆ１）として信号処理回路１０６へ出力し、信号処理回路１０６は、第２のフォトデテクタ１０５ｂから入力される基準信号に対する測長信号のずれ量を演算処理し、反射鏡１０８と干渉計１０７間の距離を検出する。
【００２６】次に、本発明の実施の形態に係る位置検出装置について、図２を参照しつつ説明する。図２に示すように、本発明の実施の形態に係る位置検出装置において特徴的なことは、ボールネジの外周に、軸方向に沿って直線状に形成されたスプライン溝内に、反射鏡１０８と、レーザ発振ユニット１１０とを対向配置したことである。すなわち、具体的には、本発明の実施の形態に係る位置検出装置は、反射鏡１０８をボールネジ２０３のスプライン溝２０４の一方の端に配置し、スプラインナット２０５にレーザ発振ユニット１１０をスプライン溝に沿ってレーザ光が反射鏡１０８に向けて放射されるように固定する。つまり、レーザ発振ユニット１１０から放射されるレーザ光は、スプライン溝２０４を光路とし、反射鏡１０８で反射されてレーザ発振ユニット１１０に戻って入射し、レーザ発振ユニット１１０の信号処理回路１０６が反射鏡１０８とレーザ発振ユニット１１０間の距離を測り、スプラインナット２０５に固定された、可動物としてのテーブル２１０の位置検出を行う。
【００２７】ここで、ＮＣ（数値制御装置）等の制御装置から移動指令が出され、中空型モータ２０７のロータ軸２０８が回転して、ロータ軸２０８に直結されたボールネジナット２０９が回転し、テーブル２１０及び中空型モータ２０７がスプライン付きボールネジ２０３の軸方向へ駆動すると、テーブル２１０及び中空型モータ２０７の移動に伴って、スプラインナット２０５の筐体に固定されたレーザ発振ユニット１１０と、レーザ発振ユニット１１０の干渉計１０７も移動する。このとき、反射鏡１０８で反射され、レーザ発振ユニット１１０に戻るレーザ光の波長が変化し、波長の変化分により反射鏡１０８とレーザ発振ユニット１１０間の距離を測り、スプラインナットの移動量、すなわち可動物の移動量が検出される。尚、図では、反射鏡１０８をボールネジ２０３の端部に配置し、レーザ発振ユニット１１０をスプラインナット２０５に配置しているが、レーザ発振ユニット１１０をボールネジ２０３端部に配置し、反射鏡１０８をスプラインナット２０５に配置しても構わない。すなわち、スプライン溝２０４の端部とスプラインナット２０５とのそれぞれいずれかに反射鏡１０８とレーザ発振ユニット１１０を対向配置しておけばよい。
【００２８】このレーザ測長器は、スプライン付きボールネジ２０３の端（反射鏡１０８の取り付け位置）からスプラインナット２０５手前までの距離を直接検出している。これにより、スプライン付きボールネジ２０３の熱変位やロストモーション等によるずれを含めた距離を検出でき、位置決め誤差を軽減できる。また、反射鏡１０８を、コーナーキューブ（３枚の平面鏡を互いに直角に保持したもの）にすることにより、スプライン付きボールネジ２０３の荷重による撓みによって、スプライン溝が直線的でなくなっても、コーナーキューブにレーザ光が達する限り、位置を検出できる。
【００２９】さらに、本発明において特徴的なことは、ボールネジ２０３には、通常ボールネジカバー２１１を被せるので、このボールネジカバー２１１によって外乱光を遮ることができ、検出誤差を小さくできることである。また、このようにボールネジカバー２１１を設けることで、ボールネジカバー２１１内を真空に近い状態にして、位置検出の精度をより高めることができる。
【００３０】尚、ボールネジ２０３にスプライン溝２０４以外に、軸方向に別の溝を形成し、その溝をレーザ光の行路として用いても構わない。この場合には、当該溝内端部に反射鏡１０８を配置し、他端側の当該溝内にレーザ発振ユニット１１０を可動物に固定して配置することになる。
【００３１】また、ボールネジ伸縮型パラレルリンクメカニズム機構においても、各ボールネジごとに、そのスプライン溝端部と例えば中空型モータ部分のそれぞれいずれかに、反射鏡１０８と、レーザ発振ユニット１１０とを対向配置すればよい。このようにすれば、ボールネジ伸縮型パラレルリンクメカニズム機構のプラットフォームの移動位置を高い精度で検出でき、その位置決め誤差を低減できる。
【００３２】さらに、レーザ発振器を周波数ｆ１の１波とし、第１のビームスプリッタ１０４ａをハーフミラーとして、この第１のビームスプリッタ１０４ａを反射して、第２のビームスプリッタ１０４ｂを透過する光（周波数ｆ１）と、第１のビームスプリッタ１０４ａを透過して、反射鏡１０８で反射して戻ってきた光（周波数ｆ１±Δｆ１）とを混合し、混合によって生じた光のうなり（周波数Δｆ１）を第２のフォトデテクタ１０５ｂで検出して信号処理し、位置を検出してもよい。この場合には、受光素子１０９を用いずに、反射鏡１０８で反射して戻ってきた光を第２のフォトデテクタ１０５ｂに入射させ、もとの周波数ｆ１の光と混合させることになる。
【００３３】本実施の形態の位置検出装置によれば、軸回転しないボールネジの一端から、このボールネジのネジ溝に係合して回転駆動されるボールネジナットまでの距離を直接検出することができ、さらに、ボールネジカバーにより外乱光を遮って、検出精度を高めることができ、ＮＣ装置等からの指令値との間に位置決め誤差を低減できる。
【００３４】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、スプライン溝端部とスプラインナットとのそれぞれいずれかに反射鏡とレーザ発振ユニットを対向配置し、レーザ発振ユニットが放射したレーザ光と反射鏡で反射して戻ってきたレーザ光とに基づいてスプライン溝端部とスプラインナットとの距離を直接的に検出することで、スプラインナットに固定された可動物の移動位置を直接検出するので、位置検出の精度を高めることができ、ＮＣ装置等からの指令値との間に位置決め誤差を低減できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１４９０６６
【氏名又は名称】オークマ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年７月２日（１９９９．７．２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５２５８
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 研二 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１２９０３（Ｐ２００１−１２９０３Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１月１９日（２００１．１．１９） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１８８８０７ |
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