JP2008190991A - リニアエンコーダ装置、リニアモータおよび単軸ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータ等の装置における立ち上がり時間を短縮する。
【解決手段】リニアスケール１１と、検出ヘッド１２と、コントローラ２０を備える。リニアスケール１１は、インクリメント指標部１５と基準指標部１３とを有する。基準指標部１３の各基準点情報１３ａは、基準指標部１３から任意に抽出される３個の連続した情報のうち特定の情報と他の各情報とのピッチの組合せが、他の３個の情報に関する同組合せの何れとも異なるように情報間ピッチが設定されている。コントローラ２０は、検出ヘッド１２により連続する３個の基準点情報１３を検出させ、これら情報に関する前記ピッチをインクリメント情報の検出信号に基づき演算し、さらにそのピッチの組合せに基づきリニアスケール１１上の絶対位置を求める。
【選択図】図３

Description

本発明は、リニアスケールとこれを読取る検出ヘッドを有するリニアエンコーダ装置と、このリニアエンコーダ装置を装備するリニアモータと、このリニアモータを用いた単軸ロボットに関するものである。

従来から、リニアモータ等において移動の制御及びモータの駆動の制御のためにリニアエンコーダ装置により位置の検出を行うようにしたものは知られている（例えば特許文献１）。このようなリニアエンコーダ装置としては、一般に、リニアスケール上の特定位置（例えばスケール両端）に設定した原点位置を基準として移動位置を検出するインクリメント型のものと、絶対位置を検出可能なアブソリュート型のものとが知られている。
特開２００５−５１８５６号公報

リニアモータ等の装置では、取扱い性およびコストの低廉化の要請からアブソリュート型のものに比べて簡素で安価なインクリメント型のリニアエンコーダ装置を用いる傾向にある。しかし、インクリメント型のものは、必ず原点位置を検出する必要があるため、リニアエンコーダ装置が組み込まれたリニアモータ等の装置では、電源投入時に必ず可動部を原点位置に移動させる原点復帰動作が必要となり、立ち上がり（準備）に時間を要するという欠点がある。そのため、インクリメント型の有する簡素性等の利点を保ちつつ立ち上がり時間を短縮できるようにすることが求められている。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、インクリメント型のリニアエンコーダ装置と同等の構成でリニアモータ等の装置における立ち上がり時間をより短縮できるようにすることを目的としている。

上記の事情に鑑み、本発明は、固定部に直線的に配置されて、磁気的又は光学的に読取り可能な位置情報をもつリニアスケールと、このリニアスケールに沿って移動する可動部に設けられて、前記リニアスケールの位置情報を読取る検出ヘッドと、この検出ヘッドからの信号を入力して演算処理する演算処理部を備えたリニアエンコーダ装置であって、前記リニアスケールは、前記位置情報として、インクリメント位置を示す複数の情報を一定ピッチで記録したインクリメント指標部と、前記インクリメント位置とは別の基準位置を示す複数の情報を所定ピッチで記録した基準指標部とを有し、この基準指標部は、前記基準位置を示す情報から任意に抽出される３個以上の連続する情報であって、かつ予め設定されたｎ個の情報のうちの特定の情報と他の各情報とのピッチの組合せが、他の前記ｎ個の情報に関する同組合せの何れとも異なるように各情報間のピッチが設定されるものであり、前記演算処理部は、前記検出ヘッドにより前記基準指標部の前記ｎ個の情報を検出させるとともに、当該情報に関する前記ピッチの組合せを求め、このピッチの組合せに基づき前記リニアスケール上の前記可動部の絶対位置を求めるように構成されているものである（請求項１）。

このリニアエンコーダ装置によると、検出ヘッドにより基準指標部の連続するｎ個の情報が検出され、前記演算処理部により、これらｎ個の情報に関する前記ピッチの組合せが求められ、この組合せに基づき可動部の絶対位置が求められる。つまり、基準指標部の情報間ピッチが上記のように設定されている結果、前記ｎ個の情報に関する前記ピッチの組合せはリニアスケール上の唯一の値（組合せ）となる。従って、この組合せに基づきリニアスケール上での当該組合せに係る情報の位置を調べることにより、可動部の絶対位置が特定されることとなる。

この場合、前記演算処理部は、前記検出ヘッドをリニアスケールに対して相対的に移動させつつ当該検出ヘッドにより前記基準指標部の前記ｎ個の情報とこれに対応する前記インクリメント指標部の情報とを検出させ、前記ｎ個の情報に関する前記ピッチの組合せを前記各情報の検出結果に基づき演算する（請求項２）。

この構成では、検出ヘッドの移動に伴い、基準指標部の前記ｎ個の情報と、当該移動に対応するインクリメント指標部の情報とが検出され、インクリメント指標部の情報の検出結果に基づき基準指標部の前記ｎ個の情報に関する前記ピッチその組合せが求められる。

この場合、前記ｎ個の情報を最端の情報から順に第１〜第ｎ情報としたときに、前記ピッチの組合せは、前記第１情報と他の各情報とのピッチの組合せとされる（請求項３）。

この構成では、検出ヘッドの移動に伴い、前記第１情報を基準とする前記ピッチの演算が効率的に行われることとなる。

一方、上記（請求項１）のリニアエンコーダ装置において、前記検出ヘッドは、前記基準指標部の前記ｎ個以上の情報を同時に検出可能に構成され、前記演算処理部は、前記検出ヘッドを静止させた状態で前記基準指標部の前記ｎ個の情報を同時に検出させ、当該検出結果に基づき前記ｎ個の情報に関する前記ピッチの組合せを求めるように構成されているものでもよい（請求項４）。

この構成では、検出ヘッドが静止した状態で前記基準指標部の前記ｎ個の情報が検出され、この検出結果から直接、すなわちインクリメント指標部の情報を用いることなく前記ピッチの組合せが求められる。

なお、上記のようなリニアエンコーダ装置において、前記基準指標部の情報は、リニアスケールの長手方向における前記インクリメント指標部の何れかの情報と同位置であって、かつインクリメント指標部の情報間ピッチの整数倍のピッチでそれぞれ記録されるのが好ましい（請求項５）。

この構成によれば、前記ｎ個の情報間ピッチを求める際の演算が容易になり、前記演算処理部の処理負担が軽減される。

一方、本発明に係るリニアモータは、上記のリニアエンコーダ装置を装備したリニアモータであって、一定ピッチで磁極が配列された直線的な固定子を有するリニアモータ本体と、上記固定子に対向する可動子を有して、上記リニアモータ本体に対し移動可能とされた可動部とを備え、上記リニアモータ本体にリニアスケールが固定子と平行に設けられる一方、上記可動子に、上記リニアスケールと対向するように前記検出ヘッドが設けられているものである（請求項６）。

このリニアモータによると、上記にリアエンコーダ装置を用いて可動部の移動位置の制御とリニアモータの駆動の制御とが適正に行われる。

さらに、本発明に係る単軸ロボットは、上記のリニアモータを備え、上記可動部に、作業部材が着脱可能に取付けられる作業部材支持用テーブルが設けられているものである（請求項７）。

このようにすると、本発明のリニアエンコーダを装備したリニアモータが単軸ロボットに有効に適用される。

本発明のリニアエンーダ装置によれば、リニアスケールに記録された基準指標部の連続する任意のｎ個の情報を検出することにより絶対位置を検出する構成となっているため、検出ヘッドがリニアスケールの途中にある場合でも、検出ヘッドを僅かに移動させるだけで速やかに絶対位置を検出することが可能となる。特に、静止した状態で前記ｎ個の情報を検出し得る検出ヘッドを適用したものによれば、検出ヘッドを移動させることなく絶対位置を検出することが可能となる。しかも、基準指標部の情報量が多い点を除けば、基本的な構成は従来のインクリメント型のリニアエンコーダ装置と同等の構成であるため、簡素かつ安価な構成で絶対位置を速やかに検出できるようになる。

従って、このようなリニアエンーダ装置を搭載した本発明に係るリニアモータや、さらにこのリニアモータを搭載した本発明に係る単軸ロボットによると、電源投入時等、可動部の絶対位置を速やかに検知することが可能となり、その分、立ち上がり時間を短縮することができる。

本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１及び図２は本発明のリニアエンコーダ装置を備えたリニアモータの適用の一例として単軸ロボットを示している。これらの図において、単軸ロボットＲは、リニアモータを用いて構成され、固定子を有するロボット本体（リニアモータ本体）１と、固定子に対向する可動子を有して、ロボット本体１に対して一定方向に直線的に移動可能となった可動部２とを備えている。

上記ロボット本体１は、ベース部３と両側壁部分を構成する一対のカバー部材４とからなり、一軸方向に延びる横長枠状に形成されている。

上記ロボット本体１内には、一定幅のガイドレール５がベース部３上に設けられるとともに、その上方にステータ部（固定子）６が配置されている。このステータ部６は、Ｎ，Ｓの磁極が交互に逆向きに位置するように軸方向に配列された多数個の環状の永久磁石（図示省略）を有し、シャフト状に形成され、その両端部がロボット本体１に支持されている。

また、可動部２は、上記ステータ部６を挿通させる中空の可動ブロック８を有し、この可動ブロック８の下端に、上記ガイドレール５に係合する被ガイド部９が設けられることにより、上記可動ブロック８がガイドレール５に摺動自在に支持されている。

上記可動ブロック８の中空部内周には、電機子を構成するコイル（可動子）７が固定されており、可動部２がロボット本体１に組み付けられた状態で、コイル７がステータ部６を囲繞するようになっている。

可動部２の上部には作業部材支持用のテーブル１０が設けられ、このテーブル１０に、用途に応じた各種の作業部材が取付けられるようになっている。このテーブル１０は、可動ブロック８にボルト止め等により取付けられている。

さらに上記単軸ロボットＲにはリニアエンコーダ装置が設けられている。このリニアエンコーダ装置は、磁気的又は光学的に読取り可能な位置情報を記録したリニアスケール１１と、このリニアスケール１１を読取る検出ヘッド１２と、検出ヘッド１２をリニアスケール１１に対して相対的に移動させつつ検出ヘッド１２からの信号を入力して演算処理する演算処理部（後記コントローラ２０）とを備えている。

当実施形態において上記リニアスケール１１は、位置情報を磁気的に記録した磁気スケールからなり、また検出ヘッド１２は磁気記録情報の読取りが可能なＭＲセンサからなっている。

そして、上記リニアスケール１１が、ガイドレール５の一側方においてベース部３の上面に、ベース部３の略全長にわたって設けられ、一方、検出ヘッド１２が、可動ブロック８の一側部下端に、上記リニアスケール１１に対向するように配置されている。

図３は上記単軸ロボットＲのリニアモータ機構部分の一部とリニアエンコーダ装置および制御手段を模式的に示している。

この図において、リニアスケール１１は、一定微小ピッチ毎の位置を示すインクリメント情報（出力信号相ではＡ相、Ｂ相）が記録されるインクリメント指標部１５と、このインクリメント情報に沿って複数の基準点情報（出力信号相ではＺ相）１３ａが所定のピッチで記録される基準指標部１３とを有している。なお、図３中、インクリメント情報は図示を省略しているが、リニアスケール１１の長手方向に狭ピッチで記録されている。

基準指標部１３の基準点情報１３ａは、インクリメント情報が記録される範囲内に記録されている。基準点情報１３ａの情報間ピッチは、図３に示すように、基準指標部１３から任意に抽出される３個の連続した情報のうちの一端（図３では左端）の情報と他の各情報とのピッチの組合せ（Ｐ１，Ｐ２）が、他の任意の連続する３個の情報に関する同組合せ（同図中の（Ｐ１′，Ｐ２′）（Ｐ１′′，Ｐ２′′）……等）の何れとも異なるように設定されている。また、基準点情報１３ａは、インクリメント情報の情報間ピッチの整数倍のピッチで、かつリニアスケール１１の長手方向においてインクリメント情報と同位置に並ぶように記録されている。つまり、検出ヘッド１２により基準点情報１３ａが検出される位置では必ずインクリメント情報も検出されるようになっている。

このようにリニアスケール１１が形成されることにより、リニアスケール１１上を検出ヘッド１２が移動するにつれ、Ａ相、Ｂ相およびＺ相の信号が出力される。検出ヘッド１２の出力信号はコントローラ２０に入力され、このコントローラ２０により、単軸ロボットＲのコイル７への供給電流が制御されることにより、リニアモータの駆動の制御及び可動部２の移動の制御が行われる。

前記コントローラ２０は、検出ヘッド１２をリニアスケール１１に対して相対的に移動させつつ検出ヘッド１２からの信号を入力して演算処理する演算処理部としての機能も有している。そして、このコントローラ２０には、各基準点情報１３の位置（絶対位置）およびピッチに関するデータを記憶した記憶部２１が機能的に含まれており、コントローラ２０は、上記検出ヘッド１２から与えられるＡ相、Ｂ相およびＺ相の信号と上記記憶部２１のデータとに基づき前記可動部２の絶対位置を検出するように構成されている。

このような可動部２の絶対位置を検出するためのコントローラ２０の制御の具体例を、図４のフローチャートによって説明する。

このフローチャートの処理がスタートすると、コントローラ２０は、先ずステップＳ１でＡ相、Ｂ相（インクリメント情報）およびＺ相（基準点情報１３ａ）の検出を開始する。この処理は、リニアモータ本体を駆動しつつ、リニアスケール１１に沿って検出ヘッド１２を現在位置から移動させる（可動部２を可動範囲の一端側に向かって移動させる）ことにより行う。

そして、検出ヘッド１２の移動に伴い連続する３個のＺ相信号の入力があると（ステップＳ２）、コントローラ２０は、Ｚ相信号の信号間ピッチ（つまり、図３中の基準点情報１３ａ間のピッチＰ１，Ｐ２）をＡ相又はＢ相信号のカウント値に基づき求め、さらに、そのピッチの組合せ（Ｐ１，Ｐ２）から可動部２の絶対位置を特定する（ステップＳ３，Ｓ４）。つまり、連続する３個のＺ相信号（基準点情報１３ａ）に関する前記ピッチの組合せ（Ｐ１，Ｐ２）は、各基準点情報１３ａのピッチが上述したように設定されている結果、基準指標部１３内の唯一の値（組合せ）となる。従って、コントローラ２０は、この組合せ（Ｐ１，Ｐ２）と記憶部２１に記憶されている各基準点情報１３のピッチに関するデータとを照合することにより検出された基準点情報１３を特定する。そしてさらに、その基準点情報１３の位置を記憶部２１のデータに基づいて特定し、この基準指標部１３の位置から可動部２の絶対位置を求めることとなる。

以上のような当実施形態によると、単軸ロボットＲの作業開始時等の電源投入時に、図４のフローチャートに示すような処理が行われることにより可動部２の絶対位置が調べられる。この場合、検出ヘッド１２が連続する３個の基準点情報１３を通過するように可動部２を移動させるだけでその絶対位置を検出することができるので、可動部２の絶対位置の検出を極めて速やかに（短時間）で行うことが可能となる。すなわち、可動部２を移動させて連続する３個の基準点情報１３ａを検出しさえすれば、従来のように特定の原点位置まで検出ヘッドを移動させる必要がなく、そのため可動部２の絶対位置を速やかに検出することが可能となる。特に、基準指標部１３の基準点情報１３ａを狭ピッチで記録しておけば、３個の基準点情報１３を通過するのに要する検出ヘッド１２の移動量がより小さくなり、その分、可動部２の絶対位置をより速やかに（短時間で）検出することが可能となる。従って、電源投入後、僅かな時間で単軸ロボットＲによる作業を開始することが可能となり、単軸ロボットＲの立ち上がり時間を短縮することができるようになる。

しかも、リニアエンコーダ装置は、Ｚ相信号を得るための基準点情報１３の数が複数設けられる点を除けば、基本構成は、Ａ，Ｂ，Ｚの各相信号を得るための情報を記録したリニアスケール１１と当該情報を読取るための検出ヘッド１２とを備えたもの、つまりいわゆるインクリメント型のリニアエンコーダ装置と同等の構成である。従って、インクリメント型のリニアエンコーダ装置と同様に簡単かつ安価な構成でもって、単軸ロボットＲの立ち上がり時間をより短縮することができるという利点がある。

なお、本発明の具体的構造は上記実施形態に限定されず、以下に述べるように種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、検出ヘッド１２を移動させて基準点情報１３ａ（Ｚ相信号）を検出することにより可動部２の絶対位置を求めているが、例えば、連続する３個の基準点情報１３ａを常に検出し得るような検出幅をもつ検出ヘッド１２を適用し、検出ヘッド１２の静止状態で連続する３個の基準点情報１３ａを同時に検出するようにしてもよい。この場合、コントローラ２０は、その検出結果から直接、すなわちインクリメント情報を用いることなく前記ピッチＰ１，Ｐ２を求めるようにすればよい。このような構成によれば、可動部２を駆動することなくその絶対位置を検出することが可能となるため、より一層、単軸ロボットＲの立ち上がり時間を短縮することが可能になる。

また、実施形態のリニアスケール１１では、基準点情報１３ａのピッチは、基準指標部１３から任意に抽出される３個の連続した情報のうち特定（図３では左端）の情報と他の各情報とのピッチの組合せ（Ｐ１，Ｐ２）が、他の連続する３個の情報に関する同組合せの何れとも異なるように設定されているが、基準点情報１３ａのピッチ設定に関する上記連続する情報の数は、４個、５個又はそれ以上であってもよい。

また、上記実施形態では磁気的なスケール１１と検出ヘッド１２とでリニアエンコーダを構成しているが、光学的なものであってもよく、例えば多数のスリットを有するテープによりリニアスケールを形成するとともに、光学的に上記スリットを検出するセンサにより検出ヘッドを形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態の単軸ロボットＲに用いられているリニアモータは、固定子が永久磁石、可動子がコイルで構成されているが、逆に固定子がコイル、可動子が永久磁石で構成されたリニアモータを用いてもよい。

また、本発明のリニアエンコーダは、単軸ロボットＲ以外にも各種用途に用いられるリニアモータに装備することができる。さらに、リニアモータに限らず、回転型のモータでボールねじ等を介して可動部を直線的に移動させるような駆動装置にも適用可能であり、この場合、可動部の移動範囲にわたって固定側にリニアスケールを設け、可動部に検出ヘッドを設けるとともに、モータの基準磁極位置に対応するリニアスケール上の位置を予め調べておいて、その位置を示す情報をリニアスケールに記録させておけばよい。

本発明が適用される単軸ロボットの一例を示す縦断平面図である。 図１のII−II線に沿った断面図である。 リニアモータ機構部分の一部とリニアエンコーダ及びコントローラを模式的に示す図である。 可動部の絶対位置を調べる処理を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｒ 単軸ロボット
１ ロボット本体
２ 可動部
６ ステータ部
７ コイル
１１ リニアスケール
１２ 検出ヘッド
１３ 基準点情報
１５ インクリメント情報
２０ コントローラ
２１ 記憶部

Claims (7)

1. 固定部に直線的に配置されて、磁気的又は光学的に読取り可能な位置情報をもつリニアスケールと、このリニアスケールに沿って移動する可動部に設けられて、前記リニアスケールの位置情報を読取る検出ヘッドと、この検出ヘッドからの信号を入力して演算処理する演算処理部を備えたリニアエンコーダ装置であって、
   前記リニアスケールは、前記位置情報として、インクリメント位置を示す複数の情報を一定ピッチで記録したインクリメント指標部と、前記インクリメント位置とは別の基準位置を示す複数の情報を所定ピッチで記録した基準指標部とを有し、
   この基準指標部は、前記基準位置を示す情報から任意に抽出される３個以上の連続する情報であって、かつ予め設定されたｎ個の情報のうちの特定の情報と他の各情報とのピッチの組合せが、他の前記ｎ個の情報に関する同組合せの何れとも異なるように各情報間のピッチが設定されるものであり、
   前記演算処理部は、前記検出ヘッドにより前記基準指標部の前記ｎ個の情報を検出させるとともに、当該情報に関する前記ピッチの組合せを求め、このピッチの組合せに基づき前記リニアスケール上の前記可動部の絶対位置を求めるように構成されていることを特徴とするリニアエンコーダ装置。
2. 請求項１に記載のリニアエンコーダ装置において、
   前記演算処理部は、前記検出ヘッドをリニアスケールに対して相対的に移動させつつ当該検出ヘッドにより前記基準指標部の前記ｎ個の情報とこれに対応する前記インクリメント指標部の情報とを検出させ、前記ｎ個の情報に関する前記ピッチの組合せを前記各情報の検出結果に基づき演算することを特徴とするリニアエンコーダ装置。
3. 請求項２に記載のリニアエンコーダ装置において、
   前記ｎ個の情報のうち最端の情報から順に第１〜第ｎ情報としたときに、前記ピッチの組合せは、前記第１情報と他の各情報とのピッチの組合せであることを特徴とするリニアエンコーダ装置。
4. 請求項１に記載のリニアエンコーダ装置において、
   前記検出ヘッドは、前記基準指標部の前記ｎ個以上の情報を同時に検出可能に構成され、
   前記演算処理部は、前記検出ヘッドを静止させた状態で前記基準指標部の前記ｎ個の情報を同時に検出させ、当該検出結果に基づき前記ｎ個の情報に関する前記ピッチの組合せを求めるように構成されていることを特徴とするリニアエンコーダ装置。
5. 請求項１乃至４に記載のリニアエンコーダ装置において、
   前記基準指標部の情報は、リニアスケールの長手方向における前記インクリメント指標部の何れかの情報と同位置であって、かつインクリメント指標部の情報間ピッチの整数倍のピッチでそれぞれ記録されていることを特徴とするリニアエンコーダ装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のリニアエンコーダ装置を装備したリニアモータであって、
   一定ピッチで磁極が配列された直線的な固定子を有するリニアモータ本体と、前記固定子に対向する可動子を有して、前記リニアモータ本体に対し移動可能とされた可動部とを備え、
   前記リニアモータ本体にリニアスケールが固定子と平行に設けられる一方、前記可動子に、前記リニアスケールと対向するように検出ヘッドが設けられていることを特徴するリニアモータ。
7. 請求項６に記載のリニアモータを備え、前記可動部に、作業部材が着脱可能に取付けられる作業部材支持用テーブルが設けられていることを特徴とする単軸ロボット。

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