JP2004226180A

JP2004226180A - 位置検出装置及び電動アクチュエータ

Info

Publication number: JP2004226180A
Application number: JP2003012942A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Serizawa; 一明芹沢
Original assignee: Howa Machinery Ltd
Current assignee: Howa Machinery Ltd
Priority date: 2003-01-22
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】アナログ式フォトインタラプタを用いて、温度変化や検出マークの反射率の低下などによる出力変動があっても、移動体の位置を検知できる位置検出装置を提供する。
【解決手段】モータカップリング外周に設けた山型検出マーク２２を反射式フォトインタラプタで検出し、その出力電圧から検出マーク内位置を演算する。検出マーク内位置は、出力電圧値Ｙ、出力電圧最大値ＭＡＸ、最小値ＭＩＮ、検出マーク１つ分に相当するスライダ移動量Ｌとすると、検出マーク２２前半部分では、Ｘ＝Ｌ（Ｙ−ＭＩＮ）／２（ＭＡＸ−ＭＩＮ）、検出マーク２２後半部分ではＬ−Ｘと演算され、次に、現在の検出マーク２２に到達する前までの原点からの検出マーク２２のパターン繰返数（Ｎ）と、先に求めた検出マーク内位置とからスライダの現在位置を演算する。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、反射式フォトインタラプタを用いた移動体の位置検出装置及びその位置検出装置を備えた電動アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１には、移動体に平行四辺形や三角形のマークを移動方向に連続して設け、これに対して投光して戻ってくる反射光を反射応答型検出センサから成るラインカメラで検出してその反射光量に基づき、移動体の位置を求めている。
特許文献２には、反射型フォトインタラプタの検知精度をあげるために、検出領域を限定するスリットを投受光素子の前においたものが開示されている。
特許文献３には、モータカップリングに回転ディスクを設け、モータケースに検出部を設けた透過型エンコーダが開示してある。
特許文献４には、モータと送りねじ機構の送りねじとをモータカップリングで接続して、後方にエンコーダを有するモータの回転で送りねじ機構を介してスライダを往復移動する電動アクチュエータが開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２１９７１１号公報
【特許文献２】
実開平５−８１７８０号公報
【特許文献３】
特開平８−３３１８２４号公報
【特許文献４】
特許２８９０３１３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１のラインカメラは、多数の反射応答型検出センサが細かなピッチでライン状に配置されたカメラであって高価であり、その出力はＯＮ，ＯＦＦのデジタル出力である。そのため、安価に移動体の位置検知をする場合には採用できない。特許文献２の反射型フォトインタラプタは検出マークを出力電圧変化として捉えるアナログ出力タイプの反射型フォトインタラプタであり、ラインセンサに比べて安価であるが，このようなアナログ出力タイプのセンサは、周囲の温度に影響されて出力変動しやすい欠点がある。また、検出マークの反射率によっても出力電圧が変動する。
特許文献３に示されるモータエンコーダは、モータカップリングを利用してエンコーダを構成しているため，このモータエンコーダを特許文献４の電動アクチュエータに適用することで、特許文献４のようにモータ後方にエンコーダを設ける場合に比べて軸方向に短くなる電動アクチュエータとなる利点があるが、周知のごとく回転ディスクは細いスリットが多数形成されていて加工に手間がかかる欠点があって高価となる。
この発明は，これら従来の位置検出装置の欠点に鑑み，安価なアナログ式のフィトインタラプタを用いて、しかも、温度変化や検出マークの反射率の変動などによるフォトインタラプタからの出力変動があっても、正しく移動体の位置を検知できる位置検出装置を提供しようとするものである。また、本願は、そのような位置検出装置を用いて全長を短くした電動アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため、本願位置検出装置では、移動体の移動方向に直交する方向の幅が変化する山型の検出マークを連続して設け、その検出マークを反射式フォトインタラプタで検出して検出マークからの反射光量データに基づき、検出した時点での検出マーク内位置を演算して移動体の移動位置を求める位置検出装置において、反射式フォトインタラプタが検出した反射光量データと反射光量の最低値と最高値とに基づいて、前記反射光量データを検出した時点の検出マーク内位置を演算する手段と、その検出マーク内位置を用いて移動体の移動位置を求める位置演算手段とを備えた。
【０００６】
これによれば、フォトインタラプタの出力電圧の最大値、最小値が、温度変化や検出マークの反射率の変化などで変動しても、それらの値に基づいて、検出マークにおいて検出された反射光量が得られた移動方向位置（検出マーク内位置）を演算でき、その結果を用いて移動体の移動位置を演算することができる。
山型の検出マークを、上下の頂部に、反射式フォトインタラプタの検出スリット幅と同じ幅の辺部を有する台形山型の検出マークとした。これによれば、反射式フォトインタラプタの検出スリット幅が比較的広い場合であっても、検出マークの頂部検出時の出力電圧が鋭く変化して光量変化を正確に捉えることができる。
反射式フォトインタラプタの受光素子の受光側に、受光領域を規制するための検出スリットより幅の狭い規制スリットを設けると、外部からの光が外乱として入射することが防止でき、また、検出マークを台形山型としなくても山形の頂部において光量変化を正確に捉えることができる。
【０００７】
また、本願電動アクチュエータは、モータ回転で送り手段を介して長手方向にスライダを往復移動させるようにした電動アクチュエータにおいて、モータと送り手段とを接続するモータカップリングの外周に検出マークを形成した金属シールを貼着した位置検出装置を備えていることを特徴とする。
この電動アクチュエータは、モータカップリング部分に検出マークを貼り付け、それと対向する位置に反射型フォトインタラプタを配置するため、モータ後方にエンコーダを設けるときよりも、アクチュエータの長手が短くなり，しかも、細かなスリットを形成した回転ディスクを使わないから、安価となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本願発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。往復アクチュエータ（電動アクチュエータ）１は、一端にパルスモータ２が連結されたボールネジ３によってスライダ４がベース部材５に対して往復移動するものであり、パルスモータ２は図示しない駆動制御装置からの駆動パルスに応じて回転駆動される。往復アクチュエータ１のベース部材５は、長手方向に渡ってその内部がスライダ収容空間７に形成されていると共に上方に開口するスリット８が形成されている。
ベース部材５の長手両端は塞ぎ部材９，１０が取付けられており、ベース部材５両端を塞いでいる。塞ぎ部材９，１０には軸受１１を介してスライダ収容空間７を挿通するボールネジ３の両端が軸支されている。このボールネジ（送り手段）３の一端側には、一方の塞ぎ部材１０に取付けられたパルスモータ２の出力軸１３がモータカップリング（移動体）１４を介して連結されている。
【０００９】
また、ボールネジ３は、スライダ４を貫通、螺合しており、スライダ４はスライダ収容空間７内をボールネジ３の回動によって軸線方向に往復移動可能となっている。また、スライダ４の下部の幅方向両側には案内子１５が設けられており、案内子１５がスライダ収容空間７内の幅方向両側に設けられた一対の案内レール１６によって案内されている。スライダ４は、その一部がベース部材５のスリット８から外部に突出したヨーク１７となっており、ヨーク１７にはマウント１８が一体に形成されている。マウント１８にはスリット８を外側から塞ぐアウタシールバンド１９が貫通しており、その長手両端が各塞ぎ部材９，１０と止めねじ１９ａとの間で挟持されている。
【００１０】
前記カップリング１４の外周面には、金属シール２０が全周に亘って貼着され、光に対する反射率の低い材質から成る暗部形成部材２１が、前記金属シール２０の、光反射率の高い表面に貼り付けられて、暗部形成部材２１で被覆されなかった表面部分が、カップリング１４の円周方向に連続する複数の山型の検出マーク２２を形成している。１つの検出マーク２２のカップリング１４円周方向長さは、図６に示すように、金属シール２０の全長（カップリング１４の全周）を８つに等分する長さであり、その長さだけカップリング１４が回転すると（カップリング１４が１／８回転すると）、ボールネジ３を介してスライダ４が移動量Ｌだけ移動するようになっている。
【００１１】
山型の検出マーク２２は、上下の頂部にカップリング１４の回転方向に沿った辺部２３を備えた台形の山型マークとなっている。その辺２３の長さは、検出マーク２２を検出する反射式フォトインタラプタ２４の投光、受光素子２５，２６を保持している素子ホルダ２７に形成された検出スリット２８の横幅Ｄと一致している。検出マーク２２の前記頂部におけるカップリング１４の回転方向と直交する方向の長さは、検出スリット２８の縦長さＷと一致している。上下の頂部（辺部２３と辺部２３）との間は、直線的に変化する傾斜辺部２９でつながれている。辺部２３長さを検出スリット２８の横幅Ｄと一致させ、かつ、検出マーク２２の前記頂部におけるカップリング１４の回転方向と直交する方向の長さを、検出スリット２８の縦長さＷと一致させたのは、検出マーク２２の頂部を図９に示すように尖り先形状Ｐとして、その尖り先形状とした検出マーク２８を比較的幅広（一般的には、０．６ｍｍ程度）の検出スリット２８を介して反射光を検知すると、図９（ａ）、（ｂ），（ｃ）のように検出スリット２８に頂部が対向して通過する時の反射光量の変化に乏しく，頂部通過時近傍では出力電圧値が図１０のＰ２部分に示すように変化に乏しく，その部分において位置演算するのに適当でないことを回避するためである。本願実施形態では、上下の頂部に対応した位置では、出力電圧が最大、または最小となり、その前後では必ず変化するため、出力電圧は図６（ｂ）に示すように、頂部に対応した部分で尖り先形状に変化することになるのである。
【００１２】
反射型フォトインタラプタ２４は、前記検出スリット２８が設けられた保持ケース２７に、投光、受光素子２５，２６が並べて設けてあり、投光素子２５からの光が前記検知マーク２２で反射して受光素子２６に受光されて、その受光光量に比例する電圧Ｙを制御装置３０に出力するようになっている。
制御装置３０は、演算装置を内蔵して図７に示すフローチャートに従う演算プログラムを実行するようになっており、反射型フォトインタラプタ２４からの受光光量に基づいて、その受光光量を得た時点での１つの検出マーク２２内における回転位置を特定して、移動の原点からの移動量（位置）を演算し、表示装置３１に表示するものである。
【００１３】
次にこの装置における動作を説明する。まず、アクチュエータ１を動作させる前に、アクチュエータ１の機械原点（例えば、往復移動方向の一端）にスライダ４が位置している状態において、カップリング１４の回転位置もしくはフォトインタラプタ２４の取り付け位置を調節して、フォトインタラプタ２４の検出スリット２８が検知マーク２２の下側頂点部分と完全に一致する位相としておく。こうすることで、機械原点においてのフォトインタラプタ２４からの出力電圧は、検出スリット２８が反射率の低い暗部形成部材２１と完全に対向しているので反射光量が最も少なく、出力電圧ＭＩＮとなる。そして、アクチュエータ１を駆動する（ステップＳ１：アクチュエータ駆動指令）。すると、ボールネジ機構によりスライダ４が原点から他端に向けて移動し、この移動に伴い、カップリング１４の回転で山型検出マーク２２が検出スリット２８の前を横切り、反射してくる光量が徐々に変化し、その変化が出力電圧の変化となって現われる。原点位置からだと、出力電圧は最小電圧ＭＩＮから徐々に増加し、最大電圧ＭＡＸとなった後徐々に減少する、というパターンを繰り返す。次にステップＳ２〜Ｓ５で、出力電圧から検出マーク内位置を演算する。ステップＳ２〜Ｓ５は、検出マーク２２内位置の演算手段である。出力電圧が電圧値Ｙである時点では、１つの検出マーク２２内の前半部分（ＭＡＸ到達以前）における基点（ＭＩＮ値出力時点）からの移動量は、比例配分によりステップＳ２に示される、
Ｘ＝Ｌ（Ｙ−ＭＩＮ）／２（ＭＡＸ−ＭＩＮ）
の式で計算される。Ｌは、検出マーク２２の１つ分に相当するスライダ４移動量である。そして、検出光量が増加中であるかどうか判別し（ステップＳ３：検出マーク内位置判別手段）、光量が増加中（検出マーク２２内の前半部分）であるときには検出マーク内位置はＸそのものとなり（ステップＳ４）、検出光量が減少中（１つの検出マーク２２内でのＭＡＸを通過した後）であれば、ステップＳ５で、検出マーク内位置はＬ−Ｘと演算される。
【００１４】
そして、ステップＳ６では、現在の検出マーク２２に到達する前までの、原点からの検出マーク２２のパターン繰返数（Ｎ）（制御装置３０内で逐次カウントされている）と、ステップＳ４、Ｓ５で求めた検出マーク２２内位置とから、
現在位置＝Ｎ＊Ｌ＋検出マーク内位置
を演算し、ステップＳ７で表示装置に表示する。
【００１５】
検出マーク２２が新しい時期には、図６（ｂ）の実線Ａで示される出力電圧を示していた場合であっても、経年変化により金属シール２０の反射面（検出シール２２）の反射率が低下すると、例えば、図６（ｂ）の破線Ｂで示すように出力電圧のＭＡＸ値が低下してくる。しかし、上記ステップＳ２において、出力されてくる出力電圧のＭＡＸ値とＭＩＮ値を用いて、出力電圧Ｙのときの検出マーク内位置Ｘ’（あるいはＬ−Ｘ’）が演算されてくるので、反射率が低下した時でも検出マーク内位置が正しく演算されてくる。さらに、フォトインタラプタ２４の周囲温度の変化により、出力電圧のＭＩＮ値、ＭＡＸ値の両方が変化した場合（図６（ｂ）の点線Ｃ）であっても、ステップＳ２の式に従って変化した出力電圧の最大値、最小値を基にして検出マーク内位置を演算するため、位置演算が正確に行なわれる。
【００１６】
この実施形態では、フォトインタラプタ２４の比較的広い検出スリット２８の横幅Ｄに一致させて山型検出マーク２２の頂点部分の辺部２３の長さを設定したので、検出スリット２８が上下の頂点２３部分と対向したときには、出力電圧は最大値ＭＡＸまたは最小値ＭＩＮとなり、その対向位置から少しでも外れると、出力電圧が変化して図６（ｂ）のような鋭く変化する頂点を持つ電圧出力となるが、このような鋭く変化する出力電圧とするための他の実施形態としては、フォトインタラプタ２４の検出スリット２８の前側（受光素子２９の受光側）に、その検出スリット２８よりさらに細い幅の別の規制スリット３５（図５に二点鎖線で示す）を設けて、検出領域を一層細くしてやってもよい。規制スリット３５の幅は、検出マーク２２の頂部を尖り先としても、その検出マーク２２の頂部検出時の出力電圧が、図６（ｂ）のように鋭く変化するような幅であり、この場合には、検出マーク２２の頂部には、上記した実施形態のような辺部２３は必要ない。（図８）。
【００１７】
【発明の効果】
以上のように本願では、フォトインタラプタの出力電圧の最大値、最小値が、温度変化や検出マークの反射率の低下などで変動しても、それらの値に基づいて、検出マークにおいて検出された反射光量が得られた移動方向位置（検出マーク内位置）を演算でき、その結果を用いて移動体の移動位置を演算することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動アクチュエータの縦断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】カップリング部分の斜視図である。
【図４】カップリング部分の側面図である。
【図５】図４の正面図である。
【図６】検出マークと出力電圧を説明する図である。
【図７】制御装置での処理を表すフローチャートである。
【図８】検出マークと規制スリットを説明する図である。
【図９】頂点が尖り先形状の検出マークと検出スリットの関係を示す図である。
【図１０】図９の状態での出力電圧を説明する図である。
【符号の説明】
１往復アクチュエータ
２パルスモータ
３ボールネジ（送り手段）
４スライダ
１４モータカップリング（移動体）
２０金属シール
２２検出マーク
２４反射式フォトインタラプタ
２８検出スリット
３５規制スリット

Claims

移動体の移動方向に直交する方向の幅が変化する山型の検出マークを連続して設け、その検出マークを反射式フォトインタラプタで検出して検出マークからの反射光量データに基づき、検出した時点での検出マーク内位置を演算して移動体の移動位置を求める位置検出装置において、反射式フォトインタラプタが検出した反射光量データと反射光量の最低値と最高値とに基づいて、前記反射光量データを検出した時点の検出マーク内位置を演算する手段と、その検出マーク内位置を用いて移動体の移動位置を求める位置演算手段とを備えた位置検出装置。
山型の検出マークを、上下の頂部に、反射式フォトインタラプタの検出スリット幅と同じ幅の辺部を有する台形山型の検出マークとしたことを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
反射式フォトインタラプタの受光素子の受光側に、受光領域を規制するための規制スリットを設けたことを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
モータ回転で送り手段を介して長手方向にスライダを往復移動させるようにした電動アクチュエータにおいて、移動体はモータと送り手段とを接続するモータカップリングであり、その外周に検出マークを形成した金属シールを貼着した請求項１〜３項の何れかに記載の位置検出装置を備えたことを特徴とする電動アクチュエータ。