JPH03124292A - リニアサーボモータ用リニアセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はリニアサーボモータを用い、高速搬送装置、高
速位置決めロボット等を構成する場合に必要なリニアセ
ンサーに関するものである。

従来の技術 近年、回転直進機構が不要で高速高精度化への対応が比
較的容易なリニアサーボモータが各種ＯＡ機器、ロボッ
ト、高速搬送装置等に多く用いられつつある。

第９図は従来の可動磁石形ブラシ付すニアＤＣサーボモ
ータの構成図である。第９図において、６３は固定子鉄
心、６４は磁極歯、６５は磁極歯６４に巻かれた駆動コ
イルで、駆動コイル６５は、整流子セグメント６６に接
続される。６７は整流子セグメント６６に接触し可動子
６８と一体となって走行するブラシ、６９はブラシ６７
を通して駆動コイル６５に電流を供給するための給電デ
ープルである。可動子６８は、磁極ヨーク７０と永久磁
石７１から構成され、また可動子６８は図面で省略され
ているが固定子鉄心６３の長子方向に移動可能な走行ガ
イドを有している。７２は可動子６８に固定され可動子
６８の位置検出を行うためのリニアエンコーダのヘッド
部であり、固定側のガラススケール７３とペアで構成さ
れる。

以上のように構成された可動磁石形ブラシ付リニアサー
ボモータについて、以下その動作について説明する。第
１０図は駆動回路例の制御系ブロック図である。関数発
生器７４がら出力される位置指令信号７５とリニアエン
コータ７６から出力されるインクリメンタリ位置フィー
ドバック信号７７を偏差カウンタ７８で演算し、Ｄ／Ａ
コンバータ７９で速度指令信号８０を作成する。また速
度フィードバック信号８１はリニアエンコーダ７６の信
号からＦ／Ｖ変換器８２で作成される。

速度差分演算器８３で出力される速度誤差信号８４は増
幅器８５で電流増幅されて、第９図のブラシ６７で選択
された駆動コイル６５をドライブする。位置決めの動作
は第１０図の関数発生器７４から出力された位置指令信
号７５のパルス数とリニアエンコーダ７６からフィード
バックされるパルスの数が等しくなるまで位置指令信号
７５が発生し、リニアモータの駆動コイル６５をドライ
ブするため関数発生器７４から出力するパルス数を管理
することで任意の場所に第９図の可動子６８を位置決め
することが可能である。なお位置決め動作前の基準位置
設定用の原点復帰動作、加減速プロフィールの制御は従
来の回転型ザーボモータ方式と同様な考え方で対処する
。

発明が解決しようとする課題 しかしながら従来例の構成の場合、可動子をより高速化
、高頻度の往復運転または長ストローク化した場合に可
動子に接続されるケーブル類の信頼性が問題となる。す
なわち高頻度でかつ高速で動（可動子によりケーブルに
大きなストレスがかかり、ケーブル内の芯線の断線等が
発生するためケーブル交換が、高頻度に必要である。ま
た長ストロークのリニアサーボモータを構成した場合ケ
ーブル布線方法も困難である等の問題を有する。

対策としては給電用のブラシを無くず為にホール素子等
を用いて可動子位置に応じたコイル切替信号を作成しブ
ラシレス化することで給電ケープルは無くすことができ
る。またリニアセンサヘッドへのケーブルについてはセ
ンサヘッドを固定にし、ガラススケールを可動子側に取
り付け、ガラススケールが移動するように構成すればリ
ニアセンサケーブルも無くすることが可能である。

ところがこの場合、可動子移動方向の可動子長さに比較
して可動子移動ストロークが大幅に長い場合、可動子移
動ストロークをカバーする長尺のガラススケールが可動
子とともに移動することになり、スペース面、また長尺
ガラススケールを所定精度で可動子に固定することが困
難である等の問題があり現実的でない。

本発明は上記問題点に鑑み、リニアサーボモータの可動
子位置検出用リニアセンサにおいて可動部へのケーブル
が不要なりニアセンザを提供するものである。

課題を解決するための手段 上記問題点を解消するために本発明のリニアサーボモー
タ用リニアセンサは、光検出素子としてのホトトランジ
スタを長手方向にｆｉ綿線状並べたホトトランジスタア
レイと、前記各ホトトランジスタを走査する電流スイッ
チアレイを備えたイメージセンサと、前記イメージセン
サにレンズを介して対向するよう長手方向に配置された
発光源とを有し、リニアサーボモータ可動子のセンサヨ
ークが前記発光源と前記レンズのすき間を長手方向に、
かつ非接触で移動する際前記センサヨークによって前記
イメージセンサのホトトランジスタアレイへの入光を一
部さえぎることで前記リニアサーボモータ可動子の任意
の位置を検出するよう構成したことを特徴とするもので
ある。

作　　　用 本発明は上記構成によって、可動子には光じゃ開用のセ
ンサヨークのみを装備することで可動子の位置検出が可
能であり、従来例のような可動部へのケーブル類が不要
となるため、可動子の高速高頻度動作におけるケーブル
の信頼性等に配慮する必要がなくなる。。

実施例 以下、本発明の一実施例におけるリニアサーボモータ用
リニアセンサについて図面を参照しながら説明する。

第１図は本実施例におけるリニアサーボモータ用リニア
センサの構成例である。同図において１は固定子鉄心、
１ａは固定子磁極歯である。各固定子磁極歯１ａには駆
動コイル２が巻装しである。３は可動子で、永久磁石４
七磁石ヨーク５とから構成されている。図には省略しで
あるが可動子３が固定子鉄心１の上を所定のすき間を保
持しながら長手方向に移動可能なように走行ガイドが設
けられている。６が本実施例におけるリニアセンサ本体
であり、可動子３と一体となって長手方向に移動するセ
ンサヨーク７とから主に構成される。リニアセンサ本体
６は可動子３の動作ストローク全領域に配置され、しゃ
光検出部８のすき間をセンサヨーク７が非接触で長手方
向に移動する。第２図はリニアセンサ本体６の縦断面図
である。イメージセンサ（例えば松下電子部品■の密着
型イメージセンサ等からがある）９はセラミック基板１
０の表面に張り付けられたホトトランジスタアレイのチ
ップ１１とセラミック基板１０の表面に形成された電流
スイッチアレイ等から構成され、所定長さのチップ１１
と各チップ１１に対応する電流スイッチアレイが長手方
向に直線状に複数個配置されている。１２は発光源の１
．　Ｅ　Ｄであり、光集束性ファイバレンズ（日本板硝
子■の「セルフォックレンズ」等がある。）１３を介し
て、前記チップ１１に入光するよう構成されている。な
おこれらチップ１１．レンズ１３およびＬＥＤ１２は長
手方向に、かつ可動子３の動作ストロークをカバーする
ように配置される。一方可動子３とともに移動する長手
方向に所定幅をもったセンサヨーク７は前記ＬＥＤ１２
とレンズ１３の光軸を一部さえぎるよう配置されており
、センサヨーク７の存在する場所ではチップ１１への光
が遮光される。

以上のように構成されたリニアサーボモータ用リニアセ
ンサにおいてその動作について説明する。第３図〜第３
図〜第６図はリニアセンサの動作原理図である。第３図
はホトトランジスタアレイのデツプ１個の動作原理図で
あり、第３図においてイメージセンサ９は光検出素子と
してのホトトランジスタアレイのチップ１１と、各ホト
トランジスタアレイを順次走査する電流スイッチアレイ
１６とから構成されている。チップ１１は、半導体高密
度バイポーラプロセスで作成されており５１２個のホト
トランジスタからなっており、各ホトトランジスタのピ
ッチは６３．５μｍである。動作としては、クロック発
生器１７から出力されるクロックパルスＣＫが電流スイ
ッチアレイ１６の各スイッチを順次ＯＮして各ホトトラ
ンジスタを走査する。各スイッチの片側は定電流源１９
に接続されており、スイッチがＯＮしてホトトランジス
タに電流が流れている間に光がホトトランジスタに入光
すると光量に比例した出力信号がホトトランジスタより
出力される。各ホトトランジスタの出力は共通に結ばれ
ており、ホトトランジスタ１（ＰＴＩ）〜ホトトランジ
スタ５１２（ＰＴ　　５１２）を１回走査することで入
光しているホトトランジスタの数だけ信号Ｖ。が出力さ
れる。出力された信号Ｖ。は波形整形回路２０で整形さ
れゲート２１でクロックＣＫと同期化された後、バイナ
リカウンタ２２に入力される。２３は、バイナリカウン
タ２２のデータを一時保持するラッチ回路でその出力は
、ＣＰＵ２４データバスへ接続される。ワークフラグ２
５はバイナリカウンタ２２のカランＩ・値が５１２にな
ったとき立つフラグである。タイミング制御回路２６は
ラッチ回路２３のデータをリセッｌ−１，たりＣＰＵ２
４とのデータ受渡しタイミング等の調整を行う。クロツ
ク発生器１７スタート信号ＳＴはバイナリカウンタ２３
を走査前に零クリアしてイニシャライズしたり、またタ
イミング制御回路２６への基準信号となる。

第４図は第３図の１個のチップにおけるすべてのホトト
ランジスタに入光している状態での動作波形説明図であ
る。スタート信号はＬレベルで前記バイナリカウンタ２
２のイニシャライズをまず最初に行う。クロック発生器
１７から出力されるクロックパルスＣＫの各パルスに付
した数字（１）〜（５１２）は第３図のホトトランジス
タアレイのチップ１１の各ホトトランジスタＰＴｒ１〜
ＰＴｒ５１２にそれぞれ接続された電流スイッチ素子の
番号に対応しており、■４レベルで該当するホトトラン
ジスタに電流が流れ入光時はホトトランジスタから光量
に比例した信号が出力される。また電流スイッチで選択
されていないホトトランジスタからは出力信号は出ない
。３０は、ホトトランジスタから出力される信号Ｖ。で
ホトトランジスタの応答速度の関係から、なだらかに立
上がる波形となる。３１はホトトランジスタ出力信号Ｖ
。を第３図の波形整形回路２０で波形整形しクロックパ
ルスＣＫで同期化した時の信号でありバイナリカウンタ
２２に入力される。Ｒはラッチ回路２３がＣＰＵ２４へ
ラッチデータを渡したのちにラッチ回路２３をクリアす
るためのリセット信号である。

以上の動作により、第３図のチップ１１のすべてのホト
トランジスタに入光している状態においては１回の走査
時間内で５１２のパルスをパイナノカウンタ２２はカウ
ントすることになる。

次に前述のセンサヨーク７によって光が一部遮光された
場合の動作波形を第５図に示す。第５図は第３図におけ
るホトトランジスタアレイ１１のＰ　４〜ＰＴｒ５１２
を遮光した場合を示しておｒ す、遮光区間は第３図の電流スイッチ１６が走査しても
出力信号Ｖ。は出ない。したがって１回の走査時間内に
おけるホトトランジスタ出力波形は３３のように３個の
波形しか出力されずバイナリカウンタ２２に入力される
パルス３４も３個のみとなる。したがってホトトランジ
スタのピッチ６３．５μｍにカウント数を乗算すること
で走査開始位置から遮光位置までの距離を検出すること
ができ、前記走査を高速に繰り返し行うことによって遮
光位置を連続的に検出することが可能となる。

当然のことながら遮光に用いるセンサヨークは１回の走
査区間である６３．５μｍに５１２を乗算した約３２．
５μｍ以上の幅を長手方向に保有しておく必要がある。

また前記カウント数にホＩ・１ トランジスタピッチの６３．５μｍを乗算する演算はＣ
ＰＵ２４が処理するよう構成されている。

第３図におけるワークフラグ２５はバイナリカウンタ２
２のカウント値が５１２パルス、すなわち全ホトトラン
ジスタに入光している時にのみ立つため１回の走査にお
ける全入光の判別に利用できる。ところで第３図におけ
る説明はホトトランジスタアレイのチップ１１が１個の
場合で説明したが、前述の通り６３，５μ×５１２個ξ
３２，５胴の検出範囲しか得られないため実際は第６図
のように構成されている。すなわち第３図の構成をｎ個
長手方向に並べて検出範囲を拡張しである。イメージセ
ンサ９は、セラミック基板１０（第２図参照〉の表面に
ホトトランジスタアレイのチップ１１を直線状にｎ個並
べ、かつ前記ホトトランジスタアレイを走査する電流ス
イッチアレイ１６を各ホトトランジスタアレイのチップ
１１に対応してｎ個設けである。１２は発光源のＬＥＤ
、１３はレンズである発光源ＬＥＤ１２の光はレンズ１
３を介して各ホトトランジスタアレイのチップ全数　２ に入光するよう配置されている。センサヨーク７はホト
トランジスタアレイのチップ１個の走査方向長さより少
し長めにそのヨーク長さを設定しである。波形整形回路
２０．バイナリカウンタ２２゜ラッチ回路２３．ワーク
フラグ２５はそれぞれチップ１１に対応してｎ個配置さ
れる。ＣＰＵ２４はデータバスを介してラッチ回路２３
とワークフラグ２５およびタイミング制御回路２６と接
続されている。動作としては第３図〜第５図で説明した
動作をｎ個設けたホトトランジスタアレイのチップ１１
がそれぞれ並列動作する。すなわちｎ個のチップ１１を
備えたイメージセンサ９はクロック発生器１７のクロッ
クＣＫによって各チップ１１が同期して走査を開始し同
期して１回の走査を完了する。したがって１回の走査で
センサヨーク７で遮光されたチップ１１はカウント値が
５１２未満に、また遮光されていないチップ１１はカウ
ント値が５１２になりワークフラグが立つ。次に１回の
走査が終了するとＣＰＵ２４は、各チップ１１に対応す
るワークフラグ２５を第１チップ１１から第０番のチッ
プ１１の方向に順番に見て行き、ワークフラグの立って
いないチップ１１の手前までに存在するワークフラグの
立っているチップ数を取り込む。次にワークフラグの立
っていない最初のチップ１１、すなわち遮光されている
チップ１１のカウント値ｍをラッチしているラッチ回路
２３のデータを取り込み、取り込み完了後全ワークフラ
グ２５のリセット、およびタイミング制御回路２６を経
由してラッチ回路２３もリセットして次の走査を開始す
る。ＣＰＵ２４は次の走査が行われている間に取り込ん
だデータの演算を行いセンサヨーク７の遮光位置を求め
る。遮光位置の演算は、（ＭＸ６３．５μｍ）＋（ｍＸ
６３．５μｍ）で求めることができる。以上の走査と演
算を高速に繰り返すことでセンサヨーク７の絶対位置を
連続して求めることができる。

なお、以上の説明では比較的高速処理が必要な部分をハ
ード回路で処理しその他をソフト処理したがＣＰＵ２４
の処理速度が速ければソフト処理の範囲を拡大でき回路
の簡素化が可能である。さらにまた上記説明では遮光用
センサヨークが１個の場合で説明したが複数個の場合に
も同様な考え方で対応できるため、センサ１台で複数可
動子の位置検出が可能である。

第７図は第１図のリニアサーボモータと上記リニアセン
サを用いた制御系のブロック図である。

リニアセンサは各走査ごとの可動子位置情報４８が出力
される。位置情報４８と、位置指令４９の値は位置偏差
演算器５０で差分演算され位置偏差山号５１が出力され
る。位置偏差出力５１はＤ／Ａ変換器５２で速度指令信
号５３に変換されて、速度偏差演算器５４に入力される
。またリニアセンサ位置情報４８は速度検出回路５５と
通電セクション演算器５６にも入力される。速度検出回
路５５は位置情報４８を微分してセンーリ・ヨーク、す
なわち可動子の速度に比例した信号を作成する部分であ
る。速度信号５７は前記速度偏差演算器５４に入力され
速度誤差信号５８を出力する。速度誤差信号５８は増幅
器５９で増幅され分配器６０へ５ ６ 入力される。通電セクション演算器５６は、リニアセン
サ４７からの可動子位置情報４８に基づいて第１図のど
の駆動コイル２に通電ずべきかを演算する回路で、第８
図のように可動子位置に応じて、６１−（ハ〜６ｌ−Ｕ
２の１２０°位相差を有する３相通電セクション信号が
各駆動コイルに対応してそれぞれ必要駆動コイル数出力
される。分配器６０は通電セクション演算器５６から出
力される各駆動コイル２に対応した通電セクション信号
に増幅器５９の出力を分配する回路である。パワーユニ
ット６２−Ｕ〜６２−Ｗ２は分配器６０から出力される
各駆動コイル信号を増幅して各駆動コイル２に電流を流
すためのパワーアップである。

次に第７図のリニアサーボモータと本実施例のリニアセ
ンサの動作について説明する。第７図において位置指令
４９より目標位置が設定されるとリニアセンサ４７の現
在位置情報との差分演算により増幅器５９より速度誤差
に比例した信号が出力される。一方可動子３の現在位置
に応じた駆動すべきコイル２が通電セクション演算器５
６より選択されて分配器６０で増幅器５９の信号に比例
した信号が該当するパワーユニットへ６２−Ｕ〜６２−
Ｗ２へ伝送され、駆動コイル２をドライブする。次に駆
動コイル２による磁束と第１図可動子永久磁石磁束によ
り可動子３は一方向の推力を得て移動を開始する。可動
子３の移動に応じて通電セクション演算器５６は順次駆
動すべき駆動コイル２の選択を行い一方向の連続した推
力を可動子３は得ることができる。次に目標位置に到達
すると増幅器５９の出力は零になり位置決めを完了する
。

以上のように本実施例のリニアセンサは可動部にケーブ
ル等を有することなく非接触で可動子３の絶対位置情報
を連続して得ることができ、また位置決めのための位置
情報と、可動子３の位置に応じたコイル２の選択、すな
わちブラシレスモーフとしての相切替信号の２つの信号
を生成することで可動部は永久磁石４とセンサヨーク７
のみとなり、信頼性の高いリニアサーボモータを構成す
ることか可能となる。

なお」１記実施例において、ホトＩ・ランジスタアレイ
のピッチが６３．５μｍで説明したが、よりピッチの極
小化を行えば位置分解能を向上さぜることが可能である
ことはいうまでもない。

発明の効果 以上のように本発明は、センザヨークによってイメージ
センサのホトトランジスタアレイへの入光を一部さえぎ
ることでリニアサーボモータ可動子の任意の絶対位置を
検出し、その位置情報によって位置制御とさらに可動子
位置に応じた駆動コイルの選択、すなわちブラシレスリ
ニアザーボの相切替を行うことで、可動子は永久磁石の
みのリニアサーボモータを構成することが可能となった
。

その結果、可動子への給電ケーブル、センサケーブル等
が不要となり、可動子の高速化、高頻度の往復運転、長
ストロークの移動等におけるケーブルの布線、信頼性上
の問題を無くすことができその結果は大なるものがある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるリニア・リーーボモ
ータ用すニアセンザを備えたリニアサーボモータの斜視
図、第２図は同すニアセンザの縦断面図、第３〜第６図
は同すニアセンザの動作原理説明図、第７〜第８図は同
すニアセンザを用いたリニアサーボモータ制御系の説明
図、第９図は従来例のリニアサーボモータ構成図、第１
０図はその制御系説明図である。 ３・・・・・・可動子、７・・・・・・センザヨーク、
９・・・・・・イメージセンサ、１１・・・・・・ホト
トランジスタアレイチップ、１２・・・・・・発光源Ｌ
　Ｅ　Ｄ、】３・・・・・・レンズ、１６・・・・・・
電流スイッチアレイ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光検出素子としてのホトトランジスタを長手方向に直線
   状に複数個並べたホトトランジスタアレイと、前記各ホ
   トトランジスタを走査する電流スイッチアレイを備えた
   イメージセンサと、前記イメージセンサにレンズを介し
   て対向するよう長手方向に配置された発光源とを有し、
   リニアサーボモータ可動子のセンサヨークが前記発光源
   と前記レンズのすき間を長手方向に、かつ非接触に移動
   する際、前記センサヨークによって前記イメージセンサ
   のホトトランジスタアレイへの入光を一部さえぎること
   で前記リニアサーボモータ可動子の位置を検出するよう
   に構成したことを特徴とするリニアサーボモータ用リニ
   アセンサ。