JP2003075143A

JP2003075143A - 位置検出装置及び位置決め装置

Info

Publication number: JP2003075143A
Application number: JP2001271701A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Koizumi; 豊小泉; Ryuichi Jinbo; 隆一神保; Manabu Fueki; 学笛木
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成の追加で速度検出と速度制御の機
能を追加できる位置検出装置及び位置決め装置を実現す
る。【解決手段】位置センサで移動体の位置を検出する位
置検出装置において、前記位置センサの前回の検出位置
と今回の検出位置との差分をもとに前記移動体の移動速
度を求める速度検出部を有することを特徴とする位置検
出装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置センサで移動
体の位置を検出する位置検出装置及び位置センサの検出
位置をもとに移動体を位置決めする位置決め装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は、従来における位置検出装置を備
えた位置決め装置の構成図である。位置決め装置１０１
は、移動体１０２を固定体１０３に沿って移動させてこ
の移動体１０２を所定の位置に位置決めする装置であ
る。位置決め装置１０１は、例えば、半導体部品などを
垂直方向又は水平方向（直線方向）に搬送するマテリア
ルハンドリング用の直線移動装置（リニアアクチュエー
タ）などである。位置決め装置１０１は、図３に示すよ
うに、移動体１０２と、固定体１０３と、位置検出装置
１０４と、位置誤差増幅器１１７と、モータ電流駆動回
路１１８と、リニアモータ１１９とを備えている。

【０００３】移動体１０２は、図示しない位置決め対象
物を保持して図中矢印方向に移動するスライダである。
移動体１０２は、移動方向に沿って所定の間隔で歯が形
成されている。固定体１０３は、移動体１０２を移動自
在にガイドするステータである。固定体１０３は、水平
方向又は垂直方向に配置されており、移動体１０２側の
歯と対向して長さ方向に沿って所定の間隔で歯が形成さ
れている。

【０００４】位置検出装置１０４は、移動体１０２の位
置を検出する装置である。位置検出装置１０４は、磁性
体に磁界を加えて磁気歪みを発生させるとこの磁性体が
振動し、この磁性体に磁気歪みが発生すると磁界が変化
する磁歪効果を利用して、移動体１０２の絶対位置を検
出する磁歪式超音波ポテンシオメータなどの磁歪センサ
である。位置検出装置１０４は、図３に示すように、磁
歪線部１０５と、磁歪発生部１０６と、磁歪検出部１０
７ａ，１０７ｂと、位置検出部１０８とを備えている。

【０００５】磁歪線部１０５は、移動体１０２の移動方
向に沿って磁気歪みによる振動が伝播する磁歪スケール
部である。磁歪線部１０５は、例えば、ニッケルやフェ
ライトなどの磁性体で形成されたパイプ状の部材であ
る。磁歪線部１０５は、磁歪発生部１０６及び磁歪検出
部１０７ａ，１０７ｂを通過して、固定体１０３と平行
に配置されている。

【０００６】磁歪発生部１０６は、移動体１０２側から
磁歪線部１０５に磁気歪みを発生させる部分である。磁
歪発生部１０６は、移動体１０２に固定された磁歪ドラ
イブコイルを備えている。磁歪発生部１０６は、磁歪ド
ライブコイルに磁歪ドライブ電流が流れると磁歪線部１
０５に磁界を発生し、磁歪効果を利用して、磁歪線部１
０５に超音波を発生させる。磁歪発生部１０６は、移動
体１０２と一体となって図中矢印方向に移動する。

【０００７】磁歪検出部１０７ａ，１０７ｂは、磁歪線
部１０５を伝播する磁気歪みによる振動を磁歪線部１０
５側で検出する部分である。磁歪検出部１０７ａは、磁
歪線部１０５の一方の端部１０５ａに固定された磁歪検
出コイルを備えており、磁歪検出部１０７ｂは磁歪線部
１０５の他方の端部１０５ｂに固定された磁歪検出コイ
ルを備えている。磁歪検出部１０７ａ，１０７ｂは、超
音波が到達すると磁界が変化する磁歪効果を利用して、
バイアス磁界を加えた状態で磁歪検出コイルに発生する
磁歪検出電圧（誘導電圧）を検出する。

【０００８】位置検出部１０８は、磁歪発生部１０６か
ら磁歪検出部１０７ａ，１０７ｂに磁気歪みによる振動
が到達する到達時間に基づいて、移動体１０２の位置を
検出する部分である。位置検出部１０８は、磁歪検出部
１０７ａ，１０７ｂが出力する磁歪検出電圧（磁歪信
号）を位置検出電圧（位置検出信号）に変換して、移動
体１０２の位置及び速度を検出する磁歪信号変換回路で
ある。位置検出部１０８は、図３に示すように、クロッ
ク信号を発生するクロック発生回路１０９と、このクロ
ック発生回路１０９が出力するクロック信号に同期して
磁歪発生部１０６に磁歪ドライブコイル電流を流す駆動
回路（コイル電流駆動回路）１１０と、磁歪検出部１０
７ａが出力する磁歪検出電圧を波形整形するコンパレー
タ１１１ａと、磁歪検出部１０７ｂが出力する磁歪検出
電圧を波形整形するコンパレータ１１１ｂと、積分電流
切替スイッチ１１５ａ，１１５ｂの切替動作とサンプル
ホールド回路１１６のサンプルホールド動作のタイミン
グを調整するタイミング調整回路１１２と、基準電圧
（＋ＶＲＥＦ）を発生する基準電圧発生回路１１３ａ
と、基準電圧（−ＶＲＥＦ）を発生する基準電圧発生回
路１１３ｂと、抵抗Ｒ１〜Ｒ４（抵抗Ｒ（Ω））、コン
デンサＣ（静電容量Ｃ（Ｆ））及び演算増幅器ＯＰで構
成され基準電圧に基づいて時間／電圧変換する積分回路
１１４と、この積分回路１１４に流れる電流を切り替え
る切替スイッチ１１５ａ，１１５ｂと、サンプルホール
ド動作に応じて積分回路１１４が出力する出力電圧を位
置検出電圧として出力するサンプルホールド回路１１６
とを備えている。

【０００９】位置誤差増幅器１１７は、図示しない位置
指令部が出力する位置指令入力電圧と位置検出部１０８
が出力する位置検出電圧との差分を演算してＰＩＤ処理
し推力指令電圧を出力する回路である。モータ電流駆動
回路１１８は、位置誤差増幅器１１７が出力する推力指
令電圧に基づいてリニアモータ１１９を制御する制御部
である。リニアモータ１１９は、移動体１０２を駆動す
る駆動部である。リニアモータ１１９は、モータ電流駆
動回路１１８によって励磁されるモータコイルを備えて
おり、移動体１０２側の歯と固定体１０３側の歯との間
に磁気吸引力を発生させて、移動体１０２を駆動するた
めの推力を発生する。リニアモータ１１９は、移動体１
０２に搭載されている。

【００１０】次に、図３の位置検出装置の検出動作を説
明する。図４は、図３の位置検出装置における検出のし
かたを説明するための図である。図４に示すＬは、磁歪
検出部１０７ａと磁歪検出部１０７ｂとの間の距離であ
る。ｘは、磁歪検出部１０７ａと磁歪検出部１０７ｂと
の中間点から磁歪発生部１０６までの距離であり移動体
１０２の位置である。従来の位置検出装置１０４は、温
度による音速の変化をキャンセルするために、磁歪発生
部１０６から磁歪検出部１０７ａに超音波が到達する到
達時間Ｔ１と、磁歪発生部１０６から磁歪検出部１０７
ｂに超音波が到達する到達時間Ｔ２とを計測する。従来
の位置検出装置１０４は、移動体１０２の絶対位置を以
下の数１によって演算する。

【００１１】

【数１】

【００１２】数１の到達時間Ｔ１とＴ２は計測によって
得られ、距離Ｌは既知である。従って、数１から距離ｘ
が求められる。

【００１３】図５は、図３の位置検出装置の検出動作を
説明するためのタイミングチャートである。図５で、時
刻ｔ１において、クロック発生回路１０９がクロック信
号を発生すると、このクロック信号に同期して駆動回路
１１０が磁歪発生部１０６に磁歪ドライブコイル電流を
流す。その結果、磁歪発生部１０６が磁歪線部１０５に
超音波を発生させてこの超音波が磁歪線部１０５を伝播
する。また、時刻ｔ１において、クロック発生回路１０
９がクロック信号を発生すると、タイミング調整回路１
１２が切替スイッチ１１５ａ，１１５ｂをＯＮ動作する
とともに、サンプルホールド回路１１６をサンプルから
ホールドに切り替える。その結果、基準電圧発生回路１
１３ａ，１１３ｂから積分回路１１４に基準電圧（＋Ｖ
ＲＥＦ，−ＶＲＥＦ）が加わり、積分回路１１４の積分
器出力Ｖｉが出力電圧値Ｖ_XN-1から徐々に増加する。タ
イミング調整回路１１２がサンプルホールド回路１１６
をサンプルからホールドに切り替えているために、サン
プルホールド回路１１６が位置検出出力Ｖｘとして積分
器出力Ｖｉ＝Ｖ_XN-1を出力する。

【００１４】時刻ｔ２において、磁歪線部１０５を伝播
する超音波が磁歪検出部１０７ａに到達して磁歪検出部
１０７ａがこの超音波を検出すると、磁歪検出部１０７
ａがコンパレータ１１１ａに磁歪検出電圧Ｖ１を出力
し、コンパレータ１１１ａがコンパレータ出力Ｐ１を発
生する。その結果、タイミング調整回路１１２が積分電
流切替スイッチ１１５ａをＯＦＦ動作して、積分回路１
１４の積分器出力Ｖｉが徐々に減少する。

【００１５】時刻ｔ３において、磁歪線部１０５を伝播
する超音波が磁歪検出部１０７ｂに到達して磁歪検出部
１０７ｂがこの超音波を検出すると、磁歪検出部１０７
ｂがコンパレータ１１０ｂに磁歪検出電圧Ｖ２を出力
し、コンパレータ１１１ｂがコンパレータ出力Ｐ２を発
生する。その結果、タイミング調整回路１１２が積分電
流切替スイッチ１１５ｂをＯＦＦ動作して、積分回路１
１４の積分器出力Ｖｉが出力電圧値Ｖ_XNになる。

【００１６】時刻ｔ４において、クロック発生回路１０
９がクロック信号を停止すると、タイミング調整回路１
１１がサンプルホールド回路１１６をホールドからサン
プルに切り替える。その結果、サンプルホールド回路１
１６が位置検出出力Ｖｘとして積分器出力Ｖｉ＝Ｖ_XNを
出力する。

【００１７】位置検出部１０８は、磁歪発生部１０６が
発生する超音波の音速がｖ（ｍ／ｓ）であり、磁歪検出
部１０７ａ，１０７ｂに超音波が到達する時間がＴ１，
Ｔ２であるときには、以下の数２により距離ｘを演算す
る。

【００１８】

【数２】

【００１９】ここで、図５に示す位置検出出力Ｖ_XNは、
以下の数３によって演算される。

【００２０】

【数３】

【００２１】ここで、Ｔ１＋Ｔ２≒ＣＲとすると、位置
検出出力Ｖ_XNは、以下の数４によって表される。

【００２２】

【数４】

【００２３】数４に示す位置検出出力Ｖ_XNが位置検出値
（位置検出電圧）となり、検出感度は、ＶＲＥＦ／（Ｔ
１＋Ｔ２）・Ｖ（Ｖ／ｍ）である。

【００２４】しかし、上述した従来例では次の問題点が
あった。（ａ）移動体１０２の位置検出に用いる磁歪センサの出
力は位置検出信号のみであるため、位置制御ループしか
構成できない。このため、高速応答を実現するための速
度制御ループを実現できなかった。（ｂ）上述した理由から速度指令値を入力できない。こ
のため、速度指令を行うタイプの制御装置と組み合わせ
て使用できなかった。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した問題
点を解決するためになされたものであり、位置センサの
前回の検出位置と今回の検出位置との差分をもとに移動
体の移動速度を求める速度検出部を設けることにより、
簡単な構成の追加で速度検出と速度制御の機能を追加で
きる位置検出装置及び位置決め装置を実現することを目
的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明は次のとおりの構
成になった位置検出装置及び位置決め装置である。

【００２７】（１）位置センサで移動体の位置を検出す
る位置検出装置において、前記位置センサの前回の検出
位置と今回の検出位置との差分をもとに前記移動体の移
動速度を求める速度検出部を有することを特徴とする位
置検出装置。

【００２８】（２）前記速度検出部は、前回の検出位置
をホールドする第１のサンプルホールド回路と、この第
１のサンプルホールド回路にホールドした前回の検出位
置と、位置センサで新たに求めた今回の検出位置の差分
をとる差分検出回路と、この差分検出回路で求めた差分
をホールドする第２のサンプルホールド回路とを有する
ことを特徴とする（１）記載の位置検出装置。

【００２９】（３）前記位置センサは、前記移動体の移
動方向に沿って磁気歪みによる振動が伝播する磁歪線部
と、この磁歪線部側に固定され磁歪線部に磁気歪みを発
生させる磁歪発生部と、前記磁歪線部を伝播する磁気歪
みによる振動を前記移動体側及び前記磁歪線部側で検出
する磁歪検出部と、前記磁歪発生部から前記磁歪検出部
に磁気歪みによる振動が到達する到達時間に基づいて、
前記移動体の位置を検出する位置検出部とを備えた磁歪
センサであることを特徴とする（１）記載の位置検出装
置。

【００３０】（４）（１）から（３）までのいずれかに
記載の位置検出装置を備え、前記移動体を移動するモー
タと、位置指令値と前記位置センサの検出位置の偏差を
もとに速度指令値を求める位置制御部と、速度指令値と
前記速度検出部の検出速度の偏差をもとに推力指令信号
を求める速度制御部と、前記推力指令信号をもとにモー
タを駆動するモータ駆動回路と、前記位置制御部が出力
する速度指令値を前記速度制御部に与える接続状態と、
外部からの速度指令値を前記速度制御部に直接与える接
続状態との切替を行うスイッチ手段とを有することを特
徴とする位置決め装置。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成図であ
る。図１で前出の図と同一のものは同一符号を付ける。
図１で、差分検出回路１３０は、サンプルホールド回路
１１６にホールドした前回の検出位置と、積分回路１１
４で新たに求めた今回の検出位置の差分をとる。サンプ
ルホールド回路１３１は、差分検出回路１３０で求めた
差分をホールドする。位置検出は一定のサンプリング周
期毎に行われ、サンプリング周期は既知であるため、差
分検出回路１３０で求めた位置の差分から移動体の速度
を求められる。従って、サンプルホールド回路１３１で
ホールドした差分から検出速度が得られる。

【００３２】位置誤差増幅器１１７の出力は速度指令値
となる。速度誤差増幅器１３２は、図の速度指令入力電
圧として与えられている外部からの速度指令値と、サン
プルホールド回路１３１でホールドした差分から検出速
度の偏差を増幅し推力指令信号を求める。外部からの速
度指令値は、例えば速度指令部（図示せず）が出力す
る。モータ電流駆動回路１１８は、この推力指令信号を
もとにリニアモータ１１９を駆動する。スイッチ手段１
３３は、モード切替スイッチとして機能する。スイッチ
手段１３３は、Ｓ１側に接続されているときは、位置誤
差増幅器１１７が出力する速度指令値を速度誤差増幅器
１３２に与える接続状態にする。また、Ｓ２側に接続さ
れているときは、外部からの速度指令値を速度誤差増幅
器１３２に直接与える接続状態との切替を行う。スイッ
チ手段１３３がＳ１側に接続されているときは、速度制
御のマイナーループをもつ位置制御ループが構成され
る。スイッチ手段１３３がＳ２側に接続されているとき
は、速度制御ループのみが構成される。

【００３３】請求範囲でいう速度検出部は、サンプルホ
ールド回路１１６，１３１と差分検出回路１３０からな
る部分である。また、請求範囲でいう位置制御部及び速
度制御部は、位置誤差増幅器１１７及び速度誤差増幅器
１３２に相当する。

【００３４】図２は図１の実施例の検出動作を説明する
ためのタイミングチャートである。位置検出の動作につ
いては図５のタイミングチャートと同様であるため、説
明を省略し、速度検出の動作について説明する。積分回
路１１４によって今回の検出位置が求められると、差分
検出回路１３０は、今回の検出位置とサンプルホールド
回路１１６にホールドされている前回の検出位置との差
分をとる。このとき、サンプルホールド回路１３１は、
所定時間だけサンプル状態になった後にホールド状態に
なる。これによって、サンプルホールド回路１３１の速
度検出出力はＶ_ＶＮ−１からＶ_ＶＮに更新される。サン
プルホールド回路１３１が新たな速度検出出力Ｖ_ＶＮを
ラッチした後にサンプルホールド回路１１６は今回の検
出位置Ｖ_ＸＮをサンプリングする。これによって、今回
の検出位置どうしの差分をとった検出速度をサンプルホ
ールド回路１３１にホールドすることを防げる。

【００３５】速度を離散時間で表すと、Ｖｎ＝｛Ｘ（ｔ）−Ｘ（ｔ−Δｔ）｝／ΔｔＶｎ：速度、ｔ：時間、Ｘ（ｔ）：時間ｔにおける位
置、Δｔ：時間差磁歪センサでは、クロック発生回路１０９のクロックに
同期して検出される位置の差分Ｖ_ＶＮ＝Ｖ_ＸＮ−Ｖ
_ＸＮ−１が速度になる。クロック発生回路１０９が発生
するクロックの周期をＴとすると、速度検出感度はＶＲ
ＥＦ・Ｔ／（Ｔ１＋Ｔ２）・ｖ［Ｖ／ｍ／ｓ］である。

【００３６】なお、実施例ではリニアモータを用いた場
合について説明したが、磁歪線部を円弧状に湾曲するこ
とによって、回転型のモータに用いてもよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば次の効果が得られる。

【００３８】請求項１乃至請求項３記載の発明によれ
ば、位置センサの前回の検出位置と今回の検出位置との
差分をもとに移動体の移動速度を求める速度検出部を設
けることにより、位置検出機能しか持たない位置検出装
置に簡単な構成を追加するだけで速度検出機能を追加で
きる。

【００３９】請求項４記載の発明によれば、位置制御機
能だけしか位置決め装置に簡単な構成を追加するだけで
速度制御機能を追加できる。また、スイッチ手段によ
り、速度制御のマイナーループをもつ位置制御ループと
速度制御ループのみをもつ制御ループに切り替えること
ができる。このため、高速応答を実現するための速度制
御ループを実現し、制御特性を改善できる。さらに、速
度指令を行うタイプの制御装置と組み合わせて使用する
ことができる。従来における位置決め装置では、サンプ
リング周期毎に得られる階段状の位置検出信号を微分し
て速度検出信号を得るものがあった。しかし、この位置
決め装置では、階段状の位置検出信号を微分したときに
大きなノイズが発生するという問題がある。これに対し
て本発明にかかる位置決め装置では、位置センサの前回
の検出位置と今回の検出位置との差分をもとに速度を求
めているため、微分演算に伴うノイズが発生することは
なく、ローノイズ化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】図１の実施例の検出動作を説明するためのタイ
ミングチャートである。

【図３】従来における位置検出装置を備えた位置決め装
置の構成図である。

【図４】図３の位置検出装置における検出のしかたを説
明するための図である。

【図５】図３の位置検出装置における検出のしかたを説
明するための図である。

【符号の説明】

１０１位置決め装置１０２移動体１０５磁歪線部１０６磁歪発生部１０７ａ，１０７ｂ磁歪検出部１０８位置検出部１１７位置誤差増幅器１１６，１３１サンプルホールド回路１３０差分検出回路１３２速度誤差増幅器１３３スイッチ手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F068 AA02 BB04 CC04 DD07 DD12 EE02 FF03 GG02 QQ44 2F077 AA21 AA31 CC02 LL03 PP06 TT06 TT25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位置センサで移動体の位置を検出する位
置検出装置において、前記位置センサの前回の検出位置と今回の検出位置との
差分をもとに前記移動体の移動速度を求める速度検出部
を有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】前記速度検出部は、前回の検出位置をホ
ールドする第１のサンプルホールド回路と、この第１の
サンプルホールド回路にホールドした前回の検出位置
と、位置センサで新たに求めた今回の検出位置の差分を
とる差分検出回路と、この差分検出回路で求めた差分を
ホールドする第２のサンプルホールド回路とを有するこ
とを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項３】前記位置センサは、前記移動体の移動方向に沿って磁気歪みによる振動が伝
播する磁歪線部と、この磁歪線部側に固定され磁歪線部
に磁気歪みを発生させる磁歪発生部と、前記磁歪線部を
伝播する磁気歪みによる振動を前記移動体側及び前記磁
歪線部側で検出する磁歪検出部と、前記磁歪発生部から
前記磁歪検出部に磁気歪みによる振動が到達する到達時
間に基づいて、前記移動体の位置を検出する位置検出部
とを備えた磁歪センサであることを特徴とする請求項１
記載の位置検出装置。
【請求項４】請求項１から請求項３までのいずれかに
記載の位置検出装置を備え、前記移動体を移動するモータと、位置指令値と前記位置
センサの検出位置の偏差をもとに速度指令値を求める位
置制御部と、速度指令値と前記速度検出部の検出速度の
偏差をもとに推力指令信号を求める速度制御部と、前記
推力指令信号をもとにモータを駆動するモータ駆動回路
と、前記位置制御部が出力する速度指令値を前記速度制
御部に与える接続状態と、外部からの速度指令値を前記
速度制御部に直接与える接続状態との切替を行うスイッ
チ手段とを有することを特徴とする位置決め装置。