JP2011101552A - リニアスケール、リニアモータ、及びリニアモータの制御装置 - Google Patents

リニアスケール、リニアモータ、及びリニアモータの制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】低廉なコストで基準点からの精緻な距離を求めること。
【解決手段】スケールの磁性体26、27が生成する磁束密度に応じた波形信号を出力するスケール検出手段を設ける。このスケール検出手段は、当該スケールの移動方向Xにおいて、同一位相の正弦波信号A(B)を出力して当該スケールを連続的に検出するように前記スケール長に対応する一定の間隔を隔てて配置された複数のセンサ17a、17b(18a、18b)であり、前記スケールの両端部は、同一極性に設定されているとともに、単独のセンサ17a、17b(18a、18b)で検出された際の出力電圧が、残余の部位が単独のセンサ17a、17b(18a、18b)で検出された際の出力電圧の1/2となるような仕様に決定されている。
【選択図】図6

Description

本発明はリニアスケール、リニアモータ、及びリニアモータの制御装置に関する。
リニアスケールは、例えば、半導体製造装置等で搬送に用いる長尺のムービングマグネット型(可動磁石型)のリニアスケールに用いられる。
可動磁石型リニアモータは、所定の直線状の移動方向を設定するとともに、電機子が取り付けられるベースフレームと、ベースフレームが設定する移動方向に沿って敷設されたレールと、レールに対し、前記移動方向に沿って相対的に往復移動自在に取り付けられるとともに、前記磁性体が取り付けられる可動部とを備えている。
リニアスケールは、リニアモータの可動部に設けられたスケールと、ベースフレームに設けられたセンサとを備え、基準位置からのスケールの距離をセンサの検出値で求めて可動部の位置を検出するものである。近年では、スケールの長さよりも長いストローク範囲にセンサを配設したシステムが開発されている。
例えば、特許文献1に開示されたシステムでは、ベースフレームに設けた複数の検出部のうち、何れの検出部が可動部のスケールを読み取っているのかを特定するために、検出部毎にフリップフロップ回路を設け、リニアスケールを検出している検出部に対応したフリップフロップ回路にトリガ信号を入力してフリップフロップ回路をイネイブルにラッチする一方、原点信号の出力に基づいてラッチを解除することにより、複数の検出部の中から現在読取りを行っている検出部を選択して読取り信号をカウントし、複数の検出部が出力したリニアモータの位置信号を合成している。
特開2005−143171号公報
しかしながら、各検出部にフリップフロップ回路や、このフリップフロップ回路をラッチするための機構(ANDゲート、微分回路等)を設けることは、コスト高になり、好ましくない。
他方、低廉な構成で、長尺のリニアモータ全領域での信号を精緻に合成し、リニアモータの基準点からの距離を求めることは容易ではない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、低廉なコストで基準点からの精緻な距離を求めることのできるリニアスケール、リニアモータ、及びリニアモータの制御装置を提供することを課題している。
上記課題を解決するために、本発明は、基準点からの距離を求めるリニアスケールにおいて、複数の磁性体を含むスケールと、このスケールのスケール長よりも長いストローク範囲に配設され、スケールの磁性体が生成する磁束密度に応じた波形信号を出力するスケール検出手段とを備え、前記スケール検出手段は、当該スケールの移動で、同一位相の波形信号を出力して当該スケールを連続的に検出するように前記スケール長に対応する一定の間隔を隔てて前記スケールの移動方向に配置された複数のセンサであり、前記スケールの両端部は、同一極性に設定されているとともに、単独のセンサで検出された際の出力電圧が、残余の部位が単独のセンサで検出された際の出力電圧の1/2となるような仕様に決定されていることを特徴とするリニアスケールである。この態様では、基準点からの距離を取得するに当たり、スケール検出手段を構成する複数のセンサが出力する波形信号を合成して、スケール長よりも長いストローク範囲の波形信号を得ることができる。この際、同一位相の波形信号を出力して当該スケールを連続的に検出するように、各センサが等間隔を隔てており、しかも、スケールの両端部は同一極性に設定され、単独のセンサで検出された際の出力電圧が、残余の部位が単独のセンサで検出された際の出力電圧の1/2となるような仕様に決定されているので、単純に(アナログ的に)同一位相の波形信号同士を合成して、ストローク長全長にわたる波形信号を生成することができる。この結果、センサ毎にフリップフロップ回路を設けるといった重厚な回路構成を構築することなく、スケールの長さよりも長いストローク範囲で基準点からの距離を求めることができる。
好ましい態様において、前記スケールは、極性を交互に違えて配置された一群の永久磁石であり、両端部に配置された永久磁石の前記移動方向に沿う幅は、残余の永久磁石の幅に対して1/2に設定されている。この態様では、両端部分の永久磁石による磁束密度を1/2にすることにより、各センサが検出した波形信号を合成した際に、合成部から滑らかな正弦波形を得ることができる。
別の好ましい態様において、前記スケールは、極性を交互に違えて配置された一群の永久磁石であり、両端部に配置された永久磁石が前記センサに対向する対向面は、残余の永久磁石が前記センサに対向する対向面よりも前記センサから遠ざかっている。この態様では、同一仕様の永久磁石を用いてスケールを構成することができるので、部品の管理やメンテナンスが容易になり、製品コストを低減することができる。
別の好ましい態様において、前記スケールは、極性を交互に違えて配置された一群の永久磁石であり、両端部に配置された永久磁石が前記センサに対向する対向面は、当該永久磁石の並ぶ方向において外側が前記センサから遠ざかるように傾斜している。この態様においても、同一仕様の永久磁石を用いてスケールを構成することができるので、部品の管理やメンテナンスが容易になり、製品コストを低減することができる。
本発明の別の態様は、上述したリニアスケールが装備されたリニアモータであって、前記スケールを担持する可動部と、前記可動部を往復移動可能に担持するベースフレームとを備え、前記センサは、所定の波形信号を出力する第1のセンサと、前記波形信号と位相のみが相対的にπ/2ずれた波形信号を出力する第2のセンサとがそれぞれ複数個設けられたものであることを特徴とするリニアモータである。
本発明の別の態様は、上述したリニアモータを制御するリニアモータの制御装置であって、前記第1のセンサが出力した波形信号の出力と前記第2のセンサが出力した波形信号の出力とに基づいて前記可動部の位置角度を算出することにより、前記スケールの基準点からの位置を特定する位置判定部を備えていることを特徴とするリニアモータの制御装置である。
以上説明したように、本発明によれば、リニアスケールによって基準点からの距離を求めるに当たり、単純に同一位相の波形信号を合成して、ストローク長全長にわたる波形信号を生成することができる結果、センサ毎にフリップフロップ回路を設けるといった重厚な回路構成を構築することなく、スケールの長さよりも長いストローク範囲で基準点からの距離を求めることができるので、低廉なコストで基準点からの精緻な距離を求めることができるという顕著な効果を奏する。
本発明の実施の一形態に係るリニアモータの斜視図である。 図1のリニアモータの側面略図である。 図1のリニアモータの可動部の説明図であり、(A)は側面略図、(B)は底面略図である。 図1のリニアモータの要部を示す平面拡大部分略図である。 図1のリニアモータの説明図である。 図1のリニアモータと本発明に係る制御装置とを接続したシステムのブロック線図である。 図6の制御装置の動作原理の説明図であり、(A)は、出力信号の波形図、(B)はリサージュ曲線の説明図である。 図6の制御装置の動作原理の説明図である。 本発明の別の実施形態を示すリニアモータの説明図である。 本発明のさらに別の実施形態を示すリニアモータの説明図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。
図1を参照して、本実施形態に係るリニアスケールSは、図1に示すモジュール体を必要に応じて複数個連結することにより構成されるリニアモータ10に装備されている。リニアモータ10を構成するモジュール体は、固定側のベースフレーム11を備えている。ベースフレーム11は、平面視長方形の板状部材である。なお、以下の説明では、便宜的にこのベースフレーム11の長手方向をX方向、幅方向をY方向、両方向に直交する方向をZ方向とする。
ベースフレーム11の一方の長辺部分には、Y方向外側が低くなる段部が形成されており、この段部には、センサ用プレート12の一辺部分が稜線を接合させた状態で着座し、一体的に固定されてY方向に延びている。また、ベースフレーム11の上には、一対のレール14が固定されている。レール14の間には、複数の固定子15が、当該ベースフレーム11の長手方向に沿って連設されている。各固定子15は、櫛型のコアと、コアに巻きつけられたコイルとを備えている。
レール14上には、可動部20が、X方向に往復移動可能に連結されている。
図2に示すように、可動部20は、板状の本体部分の底面にレール14毎に対応した一対のローラユニット21を有しており、各ローラユニット21に設けられた一対のローラ22、23を対応するレール14の上面と外側面とに転がり接触させて、滑らかに移動可能に連結されている。
可動部20の底部には、レール14間に連設された固定子15に対向する永久磁石24が固定されている。永久磁石24は、X方向(可動部20の往復移動方向)に沿って、N極とS極が交互に現れるように所定の間隔で1列に配設されている。従って、リニアモータ10の駆動時に、位相が異なるu相、v相、w相のうちのいずれかの相の電流を固定子15のコイルに供給することにより、コイルに生じる磁束と永久磁石24の生じる磁束とが相互に作用して、可動部20をX方向に沿って所定の速度で往復移動することが可能となる。
可動部20の側部には、ベースフレーム11のセンサ用プレート12の上面に面するセンサ用プレート25が固定されており、センサ用プレート25には、永久磁石26、27、28が貼着されている。他方、ベースフレーム11のセンサ用プレート12には、各永久磁石26、27の磁束密度を計測するスケール検出手段としてのセンサ17a、17b、18a、18b、17c、18cが設けられている。本実施形態のリニアスケールSは、これらセンサ17a、17b、18a、18b、17c、18cと永久磁石26〜28とを主要な要素としている。
以下、本実施形態のリニアスケールSについて詳述する。
まず、図3を参照して、可動部20のセンサ用プレート25には、スケールを構成する矩形の永久磁石26、27がX方向に沿って並設されている。永久磁石26、27は、S極とN極が交互に違えた状態で所定のスケール長L内に等間隔に並設されている。ここで、永久磁石26、27のうち、両端に配置された永久磁石27が何れも同一の極性(図示の例ではS極)になるように永久磁石26の個数が設定されているとともに、各永久磁石27のX方向の幅は、残余の永久磁石26の幅の1/2に設定されている。これにより、図5に模式的にΦで示したように、両端部分での永久磁石27の磁束密度の低減(永久磁石26の磁束密度の1/2)が図られている。
また、センサ用プレート25には、一群の永久磁石26、27と平行に並設された2対の永久磁石28が、X方向沿いに所定間隔を隔てて貼着されている。各永久磁石28も、交互に極性を違えている。
次に、図1並びに図4を参照して、ベースフレーム11のセンサ用プレート12には、センサヘッド16がX方向に沿って等間隔に配設されている。センサヘッド16の個数は、ベースフレーム11に設けられた固定子15の個数に対応しており、各固定子15の境界部分毎に一つのセンサヘッド16が設けられている。
各センサヘッド16には、X方向に沿う線上でZ方向に永久磁石26、27と対向する位置に並設されて対をなし、A相の波形信号としての正弦波信号Aを出力する第1のセンサ17a、18aと、B相の波形信号としての正弦波信号Bを出力する第2のセンサ17b、18bとが設けられているとともに、X方向に沿う線上でZ方向に永久磁石28と対向する位置に並設されて対をなし、Z相の信号を出力する第3のセンサ17c、18cが設けられている。各センサ17a〜18cは、例えばホールセンサで構成されており、対応する永久磁石26〜28の磁束密度を計測して、磁束密度に応じた出力電圧(振幅)の正弦波信号を出力するように構成されている。
図示の例において、図4の左側を一端側、右側を他端側とした場合、センサヘッド16の一端側には、一端側から他端側に第1のセンサ17aと第2のセンサ17bが、他端側には、一端側から他端側に第1のセンサ18aと第2のセンサ18bが、上述の順序で配設されている。
ある特定の第1のセンサ17aと、この第1のセンサ17aに隣接する第2のセンサ17bとの間隔は、ある特定の永久磁石26と、この永久磁石26の他端側に配置された隣の同極性の永久磁石26との間隔Mの1/4に設定され、第1のセンサ17aと第2のセンサ17bとがそれぞれ出力する波形信号の位相がπ/2だけずれる構成になっている。この結果、A相の正弦波信号AとB相の正弦波信号Bとは、正弦波と余弦波との関係になっている(図7(A)参照)。両正弦波信号A、Bは、位相が異なる他は、同じ振幅、同じ周期で出力される。
また、ある特定のセンサヘッド16の一端側に設けられた第1、第2のセンサ17a、17bが、当該センサヘッド16の他端側に隣接するセンサヘッド16の他端側に設けられた第1、第2のセンサ18a、18bとペアで連続的に可動部20の永久磁石26、27の磁束密度を検出するように対向間隔が構成されている。
具体的には、図5に示すように、可動部20が一端側から他端側に移動する場合には、ある特定のセンサヘッド16の一端側に設けられた第1のセンサ17a(または第2のセンサ17b)を永久磁石26、27の一端側が通過した直後に、他端側に隣接するセンサヘッド16の他端側に設けられた第1のセンサ18a(または第2のセンサ18b)を永久磁石27が通過することで、両第1のセンサ17a、18a(または第2のセンサ17b、18b)の検出する正弦波信号A、Bが同期するように、各センサヘッド16の対向間隔、各センサ17a〜18bの対向間隔が設定されている。この結果、可動部20が他端側から一端側に移動する場合には、ある特定のセンサヘッド16の他端側に設けられた第1のセンサ18a(または第2のセンサ18b)を永久磁石26、27の他端側が通過した直後に、一端側に隣接するセンサヘッド16の一端側に設けられた第1のセンサ17a(または第2のセンサ17b)を永久磁石27が通過することで、両第1のセンサ18a、17a(または第2のセンサ18b、17b)の検出する正弦波信号B、Aが同期する。
このように、二つ一組のセンサヘッド16に設けられた一端側の第1、第2のセンサ17a、17bと他端側の第1、第2のセンサ18a、18bとがペアになって、両センサヘッド16間に存在する一つの固定子15と可動部20との相対位置を精緻に検出することができるようになっている。
第3のセンサ17c、18cは、センサヘッド16が固定子15の境界とY方向沿いに対向する位置にY方向に沿って配設されている。本実施形態では、ある特定のセンサヘッド16の外側に設けられた第3のセンサ17cと、この第3のセンサ17cに係るセンサヘッド16の他端側に隣接するセンサヘッド16の内側に設けられた第3のセンサ18cとによって、両センサヘッド16間に存在する一つの固定子15の基準位置を精緻に検出することができるようになっている。
図5及び図6に示すように、各センサ17a〜18cの正弦波信号A、B、Zは、A相、B相、Z相毎に設けられた合成部31、32、33に合成され、モータ制御装置40に出力される。この際、第1、第2のセンサ17a、18a、17b、18bについては、ペアを構成する一端側のセンサ17a、17bの出力WV1と他端側のセンサ18a、18bの出力WV2が、それぞれA相毎、B相毎に合成波WVとして合成される(逆方向の検出も同様)。合成部31は、所定の振幅Kを有する位相角度αの正弦波(Ksinα)をA相の正弦波信号Aとして出力し、合成部32は、正弦波信号Aと同じ振幅K及び位相角度αの余弦波(Kcosα)をB相の正弦波信号Bとして出力する。
図6を参照して、モータ制御装置40は、各合成部31〜33からの出力A、B、Zが入力される位置判定部としての位置/速度判定部41と、位置/速度判定部41から角度θに関する出力が設定値とともに入力される位置制御部42と、位置制御部42の出力と位置/速度判定部41からの角速度(dθ/dt)に関する出力とが入力される速度制御部43と、速度制御部43の出力が入力される電流制御部44とを備えている。電流制御部44は、速度制御部43からの入力に基づいて、固定子15の駆動コイルに流れる電流を制御するものであり、このモータ制御装置40によって、可動部20が任意の方向と速度で駆動制御されることになる。
モータ制御装置40の位置/速度判定部41は、例えば内挿器で具体化されたものである。図7(A)に示すように、位置/速度判定部41は、各合成部31〜33からの正弦波信号A、Bに基づいてリサージュ曲線を求めるとともに、三角関数の合成式
Figure 2011101552
から、
Figure 2011101552
に基づき、固定子15と可動部20の相対位置を示す角度θを求め、さらに、Z相の波形信号に基づいて、各固定子15毎に対する相対位置であるか(すなわち、θが何周目の値であるか)を特定することができるようなっている。
このように、単純な三角関数の演算で、正弦波信号A、Bを合成し、スケール長Lよりも長いストローク範囲にわたって固定子15と可動部20の相対位置情報を取得するためには、図7(A)に示す正弦波信号A、Bが、滑らかな正弦波、または余弦波であることを必要とする。その精度を確保するために、本実施形態では、図3に示したように、第1、第2のセンサ17a〜18bに磁束密度が検出される永久磁石26、27のうち、両端に配置された永久磁石27のX方向の幅を残余のものの1/2に設定している。
これにより、図8(A)に示したように、スケールを検出しているセンサ17a(17b)の出力WV1の終端と次のセンサ18a(18b)の出力WV2の始端との合成部分の振幅が、図8(B)に示したように、単独のセンサ17a、17b(18a、18b)で検出される出力WV1(WV2)の途中部分の振幅と同じレベルで出力される結果、図7(B)に示したリサージュ曲線が真円形になり、精緻な検出が可能となるのである。
これに対して仮に図3で示したような対策がない場合には、図8(B)の仮想線で示したように、スケールを検出しているセンサが切り換えられた際の合成波WVの振幅が、過渡的に高くなる結果、図7(B)に示したリサージュ曲線が楕円形になってしまい、位置検出が不正確なものとなってしまうのである。これが、従来、単純な手法でスケール長Lよりも長いストローク範囲にわたって固定子15と可動部20の相対位置情報を取得することが困難となっていた理由であり、本実施形態では、スケールを構成する永久磁石26、27の磁束密度が、当該スケールの両端で弱くなるように設定することにより、波形信号を合成したときの精度を高めることに成功したのである。
以上説明したように、本実施形態によれば、可動部20の位置情報(基準点からの距離)を取得するに当たり、第1、第2のセンサ17a、18a、17b、18bによって出力されるA相の波形信号同士並びにB相の波形信号同士を接続してスケール長Lよりも長いストローク範囲の波形信号を得ることができる。この際、同一位相の波形信号を出力するセンサが、スケールとしての永久磁石26、27の一端を検出し終えた直後に他端を検出して、同一位相の波形信号を出力するセンサ17a、18a(17b、18b)が永久磁石26、27を連続的に検出するように、各センサ17a、18a(17b、18b)が等間隔を隔てており、しかも、永久磁石26、27の両端部は同一極性に設定され、単独のセンサで検出された際の出力電圧が、残余の部位が単独のセンサで検出された際の出力電圧の1/2となるような仕様に決定されているので、アナログ的に同一位相の波形信号を合成して、ストローク長全長にわたる波形信号を生成することができる。この結果、センサ毎にフリップフロップ回路を設けるといった重厚な回路構成を構築することなく、スケール長Lよりも長いストローク範囲で可動部20の位置情報を取得することができる。
また本実施形態では、スケールは、極性を交互に違えて配置された一群の永久磁石26、27であり、両端部に配置された永久磁石27の幅W2は、残余の永久磁石26の幅W1よりもX方向の幅が1/2に設定されている。このため本実施形態では、両端部分の永久磁石27の磁束密度を1/2にすることにより、各センサ17a〜18bが検出した正弦波信号A、Bを合成した際に滑らかな正弦波形を得ることができる。
従って、本実施形態によれば、低廉なコストで基準点からの精緻な距離を求めることができるという顕著な効果を奏する。
上述した実施形態は、本発明の好ましい具体例を例示したものに過ぎず、本発明は、上述した実施形態に限定されない。
図9に示した例では、スケールは、極性を交互に違えて配置された一群の永久磁石26であり、両端部に配置された永久磁石26は、可動部20に形成された凹部29に収容されている。これにより、両端部に配置された永久磁石26が第1、第2のセンサ17a〜18bに対向する対向面は、残余の永久磁石26が第1、第2のセンサ17a〜18bに対向する対向面よりもZ方向に第1、第2のセンサ17a〜18bから遠ざかり、両端部分での永久磁石26の磁束密度の低減(永久磁石26の磁束密度の1/2)が図られている。
また、図10に示した例では、スケールは、極性を交互に違えて配置された一群の永久磁石26であり、両端部に配置された永久磁石26は、可動部20に形成された斜面30に固定されている。図示の斜面30は、永久磁石26が並ぶ方向において、外側に行くにつれてセンサ17a〜18bからZ方向に遠ざかり、これによって両端部分での永久磁石26の磁束密度の低減(永久磁石26の磁束密度の1/2)が図られている。
図9や図10の実施形態では、同一仕様の永久磁石26を用いてスケールを構成することができるので、部品の管理やメンテナンスが容易になり、製品コストを低減することができる。
このように、上述した実施の形態は、本発明の好ましい具体例を例示したものに過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。
10 リニアモータ
11 ベースフレーム
14 レール
15 固定子
16 センサヘッド
17a、18a 第1のセンサ
17b、18b 第2のセンサ
17c、18c 第3のセンサ
20 可動部
24 永久磁石
25 センサ用プレート
26〜28 永久磁石
29 凹部
30 斜面
40 モータ制御装置
41 位置/速度判定部(位置判定部の一例)
A 正弦波信号(波形信号の一例)
B 正弦波信号(波形信号の一例)
L スケール長
M 間隔
S リニアスケール
W1 幅
W2 幅
θ 角度

Claims (6)

  1. 基準点からの距離を求めるリニアスケールにおいて、
    複数の磁性体を含むスケールと、
    このスケールのスケール長よりも長いストローク範囲に配設され、スケールの磁性体が生成する磁束密度に応じた波形信号を出力するスケール検出手段と
    を備え、
    前記スケール検出手段は、当該スケールの移動で、同一位相の波形信号を出力して当該スケールを連続的に検出するように前記スケール長に対応する一定の間隔を隔てて前記スケールの移動方向に配置された複数のセンサであり、
    前記スケールの両端部は、同一極性に設定されているとともに、単独のセンサで検出された際の出力電圧が、残余の部位が単独のセンサで検出された際の出力電圧の1/2となるような仕様に決定されている
    ことを特徴とするリニアスケール。
  2. 請求項1記載のリニアスケールにおいて、
    前記スケールは、極性を交互に違えて配置された一群の永久磁石であり、両端部に配置された永久磁石の前記移動方向に沿う幅は、残余の永久磁石の前記移動方向に沿う幅に対して1/2に設定されている
    ことを特徴とするリニアスケール。
  3. 請求項1記載のリニアスケールにおいて、
    前記スケールは、極性を交互に違えて配置された一群の永久磁石であり、両端部に配置された永久磁石が前記センサに対向する対向面は、残余の永久磁石が前記センサに対向する対向面よりも前記センサから遠ざかっている
    ことを特徴とするリニアスケール。
  4. 請求項1記載のリニアスケールにおいて、
    前記スケールは、極性を交互に違えて配置された一群の永久磁石であり、両端部に配置された永久磁石が前記センサに対向する対向面は、当該永久磁石の並ぶ方向において外側が前記センサから遠ざかるように傾斜している
    ことを特徴とするリニアスケール。
  5. 請求項1から4の何れか1項に記載のリニアスケールが装備されたリニアモータであって、
    前記スケールを担持する可動部と、前記可動部を往復移動可能に担持するベースフレームとを備え、
    前記センサは、所定の波形信号を出力する第1のセンサと、前記波形信号と位相のみが相対的にπ/2ずれた波形信号を出力する第2のセンサとがそれぞれ複数個設けられたものである
    ことを特徴とするリニアモータ。
  6. 請求項5記載のリニアモータを制御するリニアモータの制御装置であって、
    前記第1のセンサが出力した波形信号の出力と前記第2のセンサが出力した波形信号の出力とに基づいて前記可動部の位置角度を算出することにより、前記スケールの基準点からの位置を特定する位置判定部を備えている
    ことを特徴とするリニアモータの制御装置。
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