JP2012255732A

JP2012255732A - 位置検出装置

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Publication number: JP2012255732A
Application number: JP2011129562A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nishikawa; 博之西川; Tomotaka Hasegawa; 智隆長谷川; Yasunaka Sawazaki; 安央澤崎
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: JP5435748B2

Abstract

【課題】リニアモータの二次側の界磁を利用して移動体の位置を検出する位置検出装置は、検出信号の信頼性と検出精度とが低い。
【解決手段】複数の磁気センサ１０は、正弦波波形と余弦波波形の検出信号を出力する。デジタルフィルタ３０は、アナログデジタル変換器２０でデジタル変換された検出信号を移動平均して振動成分を濾波する。変位補正器４０は、不正な変位が発生する位相角帯域における正側にある検出信号を所定量マイナス方向に偏位させ、負側にある検出信号を所定量プラス方向に偏位させて、不正な変位を補正して除去する。位置演算器７０は、検出信号から位置データを生成して出力する。ピッチ補正器８０は、位置データを移動方向に合わせてピッチ補正値で補正して移動制御装置４に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体をリニアモータで移動させるリニアモータ方式の移動装置の位置検出装置に関する。特に、リニアモータの二次側の界磁を利用して移動体の位置を検出する位置検出装置に関する。

直線１軸方向に往復移動する移動体をリニアモータで移動させるリニアモータ方式の移動装置がある。リニアモータ方式の移動装置は、一般的に移動体の現在位置を検出して位置の誤差を補正しながら移動体を移動させる移動制御装置を備えている。

高精度工作機械、精密測定装置、あるいは半導体製造装置のような精密機器の移動装置では、比較的高速に移動する移動体を１０μｍ以下の高精度で位置決めすることが要求される。高速に移動する移動体を高精度に移動制御するためには、要求される位置決め精度に相応する検出速度と検出精度を有する位置検出装置が必要である。

リニアモータ方式の移動装置における高い検出精度を有する位置検出装置の位置検出器として、リニアエンコーダが有力である。リニアエンコーダは、光学式リニアエンコーダと磁気式リニアエンコーダとに大別される。光学式リニアエンコーダは、検出信号に対する信頼性が高く精確であるが、塵や埃の汚染に対して脆弱である。一方、磁気式リニアエンコーダは、光学式リニアエンコーダに比べて高い検出精度を得ることが難しいが、比較的低価格で取扱いが簡単である。

リニアエンコーダの最大の短所は、高精密であることに起因するコストの高さである。１μｍ以下の“超高精度”であることまでは要求されない精密機器の移動装置においては、リニアエンコーダの検出精度は過剰である。そのため、リニアエンコーダに要する費用が負担になっている。しかしながら、リニアエンコーダに代えることができる低廉で信頼性がある位置検出器が存在しないのが実情である。

特許文献１は、リニアモータの二次側の界磁を利用して移動体の位置を検出する位置検出装置を開示している。具体的には、特許文献１に開示される位置検出装置は、永久磁石列をスケールに見立てて、磁場もしくは磁界の大きさを検出するホール素子のような磁気センサの検出信号から移動体の現在位置を得る。特許文献１の発明では、塵や埃の影響に敏感であるスケールがないので、検出器の構成が比較的簡単であり、維持管理が容易である利点がある。

特開２００４−５６８９２号公報

しかしながら、磁気センサが出力するアナログの検出信号には、振幅が不特定で比較的大きい振動成分がノイズとして全周波数帯域で存在している。そのため、振動成分を濾波して取り除くだけでは、ノイズがない正規の正弦波波形の検出信号に十分近接した位置データを常に安定して得られるとは限らない。その結果、検出信号の信頼性が低く、精密機器の移動装置の位置検出装置として必要な程度まで検出精度を高くすることができない。

特に、磁気センサの正弦波波形の検出信号には、正負が反転する位置であるゼロクロス点でノイズに因る振動成分とは性質が異なる変位が発生していることが新たに判明した。この不正な変位は、位置に換算して±２０μｍに相当し、検出信号の波形に“段差”を与える。不正な変位は、結果的に移動体にしばしば異常な振動を発生させることが確認された。

本発明は、リニアモータの二次側の界磁を利用して移動体の位置を検出する位置検出装置であって、より高い検出精度を得ることができる改良された精密機器の移動装置に適用できる位置検出装置を提供することを主たる目的とする。本発明の位置検出装置の具体的ないくつかの利点については、実施の形態の移動装置を説明するときに詳細に説明される。

本発明の位置検出装置は、上記課題を解決するために、リニアモータ（２）の一次側に設けられ正弦波波形と余弦波波形の検出信号を出力する複数の磁気検出手段（１０）と、デジタル変換された検出信号を移動平均して振動成分を濾波する濾波手段（３０）と、検出信号のゼロクロス点における不正な変位を補正する変位補正手段（４０）と、検出信号から位置データを生成して出力する位置演算手段（７０）と、位置データを移動方向に合わせてピッチ補正値で補正する位置補正手段（８０）と、を含んでなるようにする。

特に、変位補正手段（４０）を、検出信号の不正な変位が発生する所定の位相角帯域における正側にある検出信号を不正な変位の半分に相当する所定量マイナス方向に偏位させ、負側にある検出信号を所定量プラス方向に偏位させるようにする。

本発明の位置検出装置は、移動平均によって磁気センサの検出信号から振動成分を除去するので、検出信号が不特定で比較的大きい振幅の振動成分を含んでいても、安定して正規の正弦波波形の検出信号に近接した位置データを得ることができる。また、複数のピッチ誤差データからピッチ補正値を計算し、位置データを補正して移動制御装置に与える。特に、正弦波波形の検出信号のゼロクロス点における不正な変位を取り除くので、移動体に異常な振動的動作が発生しない。

そのため、リニアモータの二次側の界磁を利用して移動体の位置を検出する位置検出装置であって、多くの精密機器の移動装置で許容される十分に高い検出精度を得ることができるとともに一層信頼性の高い検出信号を得ることができる。その結果、構成が比較的簡単で、位置検出装置に要する費用の負担を小さくすることができる。また、位置検出器の耐久性が高く、維持管理を容易にして作業性を向上させ、維持管理に要する費用を削減することができる。

移動体とリニアモータを模式的に示す断面図および位置検出装置の構成を示すブロック図である。検出信号の波形を示す図である。検出信号のゼロクロス点付近の波形を示す図である。

図１は、三相交流同期型リニアモータのモデルと位置検出装置および移動制御装置の構成を示す。移動体１は、直線１軸方向Ｘに往復移動する直線移動体である。移動体１は、図示しないガイドを介在させて基台の上に移動可能に搭載される。移動体１は、例えば、工作機械のテーブルあるいは半導体製造装置のステージである。

リニアモータ２は、移動体１を移動させるアクチュエータである。リニアモータ２は、一次側が励磁コイル２Ａであり、二次側の界磁が複数の永久磁石２Ｂである永久磁石型モータである。励磁コイル２Ａと永久磁石２Ｂは、数ｍｍ以下のギャップＧを隔てて設けられる。実施の形態のリニアモータ２は、一次側が可動子で二次側が固定子である。

励磁コイル２Ａは、冷却機構を含むコイルユニットＣＵの鉄心ＣＦに銅線を巻き回してなる。コイルユニットＣＵは、移動体１の下側に取り付けられる。励磁コイル２Ａは、直線１軸方向Ｘに沿ってＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相の順番に等間隔に設けられる。永久磁石板ＭＢには、直線１軸方向Ｘに沿って複数の平板形の永久磁石２Ｂが等間隔に固着されている。複数の永久磁石２Ｂは、上面側がＮ極の永久磁石と上面側がＳ極の永久磁石とが交互に所定の極ピッチＰで直線的に配列される。

位置検出装置３は、リニアモータ２の二次側の界磁を利用して移動体１の位置を検出する。位置検出装置３の本体３Ａは、移動体１ないしはコイルユニットＣＵに取り付けられる。設置条件によって本体３Ａの中に設けることができない部位は、本体３Ａから離れた場所３Ｂに設けられる。実施の形態の位置検出装置３では、移動制御装置４の中に本体３Ａから離れた場所３Ｂがある。

移動制御装置４は、図示しない指令装置から与えられる移動指令に従ってリニアモータ２を駆動制御する制御信号を出力するモータ制御装置と制御信号に基づいてリニアモータ２の一次側に所要の電流を供給する駆動装置とを含んでなる。指令装置は、入力装置と表示装置を含むヒューマンインターフェースを有する制御装置に設けられることが一般的である。

移動制御装置４は、移動体１の現在位置に基づいて位置の誤差を補正しながら移動体１を移動制御する。移動制御装置４は、位置検出装置３から現在位置を示す位置データを入力して移動指令と現在位置との誤差がなくなるように制御信号を演算して出力する。また、移動制御装置４は、同じように速度の誤差と電流の誤差がなくなるように補正しながら移動体１を移動制御する。したがって、移動制御装置４は、サーボ制御系を有するリニアモータ２の制御装置である。

図２は、デジタルの検出信号の波形を示す。図３は、正弦波波形の検出信号のゼロクロス点付近の波形を示す。以下に、図１ないし図３を用いて位置検出装置３の構成と動作を詳しく説明する。

位置検出装置３は、主に複数の磁気センサ１０と、アナログデジタル変換器２０と、デジタルフィルタ３０と、前記検出信号のゼロクロス点における不正な変位を補正する変位補正器４０と、パラレルシリアル変換器５０と、検出信号の波形を揃える波形補正器６０と、現在位置を示す位置データを求める位置演算器７０と、位置データをピッチ補正値で補正するピッチ補正器８０と、を含んでなる。

磁気センサ１０は、リニアモータ２のギャップＧに形成される磁場もしくは磁界の大きさを検出する磁気検出手段である。磁気センサ１０Ａは、正弦波波形の検出信号を出力する。磁気センサ１０Ｂは、磁気センサ１０Ａの検出信号に対して９０度の位相差を有する正弦波波形の検出信号を出力する。言い換えると、磁気センサ１０Ｂは、磁気センサ１０Ａの検出信号を基準にして余弦波波形の検出信号を出力する。

磁気センサ１０は、リニアモータ２の一次側のコイルユニットＣＵに設けられる。具体的に、磁気センサ１０Ａと磁気センサ１０Ｂは、図１に仮想で表わされている直線１軸方向ＸにおけるギャップＧの磁界の大きさの変化を表わすサイン曲線ＳＣに対して互いに位相角で９０度離れる位置に並設される。

アナログデジタル変換器２０は、差動増幅器で増幅された磁気センサ１０のアナログの検出信号をデジタルの検出信号に変換する変換手段である。アナログデジタル変換器３０は、磁気センサ１０Ａと磁気センサ１０Ｂの出力に対してそれぞれ設けられる。磁気センサ１０とアナログデジタル変換器２０との間は、アナログ信号を転送するシリアル通信線ＡＬで接続される。

アナログデジタル変換器２０は、位置検出装置３の本体３Ａに設置される。そのため、磁気センサ１０とアナログデジタル変換器２０との間を数十ｃｍ以下にできる。シリアル通信線ＡＬは可能な限り短くされる。実施の形態の位置検出装置３では、シリアル通信線ＡＬの全長は５ｃｍにされている。

アナログデジタル変換器２０が本体３Ａに設けられるので、アナログデジタル変換器２０が磁気センサ１０の近傍にある。そのため、シリアル通信線ＡＬの長さを可能な限り短くすることができ、磁気センサ１０から出力される検出信号に与えるノイズの影響が十分に小さくなるので、磁気センサ１０のライン出力電圧を１Ｖｐｐにすることができる。その結果、アナログデジタル変換器２０の電圧負荷に対する負担が軽減される。

アナログデジタル変換器２０は、所定のサンプリング周期毎に検出信号の値を保持して所定の量子化数で量子化する。アナログデジタル変換器２０の連続する出力信号は、デジタルの擬似正弦波波形と擬似余弦波波形の検出信号である。アナログデジタル変換器２０から出力される検出信号の分解能は、正弦波波形の半波を分割する量子化数で決まる。

実施の形態の位置検出装置３のアナログデジタル変換器２０は、具体的に、アナログ信号を１６ビットで量子化してデジタル信号に変換して出力する。したがって、例えば、極ピッチＰが４８ｍｍである場合では、検出信号の分解能は、１２ｍｍを６５５３６分割した約０．２μｍである。

デジタルフィルタ３０は、デジタル変換された磁気センサ１０の各検出信号を移動平均して振動成分を濾波する濾波手段である。移動平均の方法は、基本的には、単位時間毎に複数のデータを採取して平均する単純移動平均である。検出位置の移動に合わせて順次移動平均で振動成分を除去していくので、不特定の振幅の振動に関わらずに常に検出信号の正規の正弦波波形または余弦波波形に近接した値を得ることができる。そのため、位置検出装置３は、より高い検出精度を得ることができる。

実施の形態のデジタルフィルタ３０は、検出位置の移動にともなってｎ個のサンプルデータで１回の移動平均を行ないながら、ｍ回の移動平均を行なって得られるｍ個の値を移動平均することによって、結果としてサンプルデータの総数がｎ×ｍ個の移動平均をする。このとき、新しくｍ＋１回目の移動平均のデータを得るたびに現在位置から一番遠い位置にある移動平均のデータを捨てる。

したがって、十分な数のサンプルデータで移動平均を行なうので、信頼性が高い値を得ることができる。一方で、最初の４回の移動平均を除いて検出信号を出力するまでの時間は、常に１回の移動平均に要する時間とほぼ同じであるから、致命的な時間の遅れが発生しない。例えば、１６個のデータで１回の移動平均を行ないながら、４回の移動平均のデータで移動平均を行なうとき、結果的に６４個のデータで移動平均をしながら、移動平均に要する時間は、１６個のデータで１回の移動平均に要する時間とほぼ同じである。

濾波されていない正弦波波形の検出信号が図２Ａに示される。また、デジタルフィルタ３０で移動平均によって濾波された検出信号が図２Ｂに示される。検出信号を移動平均で濾波することによって振動の振幅をアナログデジタル変換器２０の分解能の単位に換算して２０カウント値以下まで小さくすることができる。例えば、アナログデジタル変換器２０の分解能が約０．２μｍであるときは、位置に換算すると約４μｍに相当する。

特に、正規の正弦波波形の検出信号に対して突出して離散した値が発生しない。そのため、単に検出精度が高くなるだけではなく、検出信号の信頼性が向上する。結果的に、制御信号の比例ゲインと積分ゲインを増加することができるようになるので、微分ゲインを下げることが可能になり、フォローイングエラーを約２５％改善することができる利点がある。

変位補正器４０は、正弦波波形と余弦波波形の各検出信号のゼロクロス点における不正な変位を補正する変位補正手段である。変位補正器４０は、不正な変位が発生する所定の位相角帯域（時間帯）におけるデジタルの検出信号に対して正側にある検出信号を不正な変位の半分に相当する所定量マイナス方向に偏位させ、負側にある検出信号を所定量プラス方向に偏位させる。

図３に、変位補正器４０で不正な変位が補正され除去された検出信号の波形が示される。不正な変位が発生する原因は不明であるが、磁気センサ１０の出力する検出信号に含まれている。不正な変位は、位置決め誤差の大きさと無関係に移動体１に不定の異常な振動を発生させる。変位補正器４０で不正な変位を取り除いた結果、移動体１の振動的な動作の発生が解消された。

パラレルシリアル変換器５０は、変位補正器４０から出力されるパラレルの検出信号のデータをシリアルの検出信号のデータに変換して位置検出装置３の本体３Ａから離れた場所３Ｂにある波形補正器６０に送信するデータ転送手段である。ただし、波形補正器６０を含む場所３Ｂに設けられている装置が位置検出装置３の本体３Ａに設けられているときは、パラレルシリアル変換器５０と場所３Ｂに設けられている各装置の配置が入れ換えられる。

パラレルシリアル変換器５０から出力されるシリアルの検出信号のデータは、シリアル通信線ＤＬを通して移動制御装置４に転送される。シリアル通信線ＤＬの長さが３ｍ〜５ｍあるが、検出信号のデータが十分な電圧差を有するデジタル信号であるので、ノイズによる位置データの転送エラーは発生しない。

波形補正器６０は、正弦波波形と余弦波波形の各検出信号の波形を揃える波形補正手段である。磁気センサ１０は、ギャップＧに形成される磁場もしくは磁界の大きさをアナログ信号で出力するので、検出信号が正電圧側または負電圧側に偏向したり、各検出信号間で出力差が発生することがある。波形補正器６０は、各検出信号に予め定められたオフセットとゲインを与えて各検出信号を補正して揃えることができる。

波形補正器６０は、パラレルシリアル変換器５０から入力されてくる各検出信号に同一または異なる所定のオフセットを付与して各検出信号の波形の偏向がなくなるように修正する。また、波形補正器６０は、偏向が修正されている各検出信号の一方または両方に同一または異なる所定のゲインを付与して検出信号間の出力差を修正する。

位置演算器７０は、検出信号から位置データを生成して出力する位置演算手段である。位置演算器７０は、アナログデジタル変換器２０でデジタル変換された正弦波波形と余弦波波形の各検出信号から計数信号を得る。位置演算器７０は、Ａ相の計数信号が進んで入力されるときには検出位置が直線１軸方向Ｘに沿って正の移動方向に移動していると判別する。Ａ相の計数信号が遅れて入力されるときには検出位置が負の移動方向に移動していると判別する。

位置演算器７０は、各相の計数信号を検出位置の移動方向に合わせて累積加減算する。位置演算器７０は、移動方向が正であるときは計数信号を加算し、移動方向が負であるときは計数信号を減算する。位置演算器７０は、計数信号のカウント値を位置データに変換する。このとき、位置データとして必要がない桁の数値は切り捨てられる。

位置演算器７０は、プラスマイナスの符号である移動方向のデータを位置データに付加してピッチ補正器８０に出力する。実施の形態の位置検出装置３は、最小単位が０．１８μｍとするデータ量が３２ビットの位置データを出力する。

ピッチ補正器８０は、位置演算器７０から出力される位置データを移動方向に合わせてピッチ補正値で補正する位置補正手段である。ピッチ補正器８０は、実測のピッチ誤差データからピッチ補正値を求めて位置データを補正する。ピッチ補正器８０は、ピッチ補正値で補正した位置データを位置検出装置３が出力する現在位置として移動制御装置４に与える。

ピッチ補正器８０は、予めピッチエラー測定によって獲得されて判明している単位距離毎のピッチ誤差データを記憶している。実施の形態の位置検出装置３のピッチ補正器８０は、正負の移動方向で別々に固有のピッチ誤差データを記憶する。以下、単位距離で決まる直線１軸方向Ｘにおける特定の点を定点という。

測定して保持しておく各定点毎の複数のピッチ誤差データは、正負の移動方向でそれぞれ複数回実施したピッチエラー測定で獲得したピッチ誤差の平均である。ピッチエラー測定の回数は任意であるが、３回程度が適当である。また、単位移動距離は、０．１ｍｍ〜１ｍｍが適当である。ピッチエラー測定で獲得した複数のピッチ誤差データは、移動方向で別々にデータテーブルに記録され記憶装置に記憶される。

ピッチ補正器８０は、位置演算器７０から位置データを入力したときに、位置データに含まれる移動方向を検出し、移動方向に対応して記憶装置に記憶されている移動方向に合うピッチ誤差データ群の中から入力した位置データに一致する定点または直近の２つの定点のピッチ誤差データを取得する。

位置データが定点と一致しないとき、ピッチ補正器８０は、取得した直近の２つの定点のピッチ誤差データから現在位置を示す位置データに一致する点におけるピッチ補正値を求める。具体的に、現在位置ｐ_ｘに直近の２つの定点ｐ_ｎとＰ_ｎ−１および各定点におけるピッチ誤差データｆ_ｎとｆ_ｎ−１とを既知の値として数１によって現在位置ｐ_ｘにおけるピッチ補正値ｆ_ｘを計算する。

ピッチ補正器８０は、位置演算器７０から入力した位置データをピッチ補正値で補正して移動制御装置４に出力する。このときのピッチ誤差は、永久磁石の取付誤差が原因で発生するものであるため、離散的である。実施の形態の位置検出装置３は、位置データを入力するたびに予め実測して獲得している現在位置に直近の２つの定点におけるピッチ誤差データからピッチ補正値を求めて位置データを補正するので、高い検出精度を得ることができる。

実施の形態の位置検出装置３を用いて実際にリニアモータ２を駆動して移動体１を移動制御して繰返し検出誤差を測定したところ、検出誤差が最大で７μｍであった。したがって、精密機器の移動装置の位置検出装置として要求される１０μｍ以下の検出精度を常に得ることができることが判明した。

本発明は、実施の形態の位置検出装置と全く同一の構成である必要はなく、実施の形態の位置検出装置に限定されない。すでにいくつかの例が挙げられているように、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で実施の形態の位置検出装置の構成を変更したり、応用したりすることが可能である。また、他の発明と組み合わせて実施することができる。

本発明は、リニアモータ方式の移動装置に幅広く適用される。本発明は、リニアモータの二次側の界磁を利用して移動体の位置を検出する位置検出装置を精密機器の移動装置に設置することを可能にする。本発明は、精密機器の普及と発展に貢献する。

１移動体
２リニアモータ
２Ａ永久磁石
２Ｂ電機子
３移動制御装置
４位置検出装置
１０磁気センサ
２０アナログデジタル変換器
３０デジタルフィルタ
４０変位補正器
５０パラレルシリアル変換器
６０波形補正器
７０位置演算器
８０ピッチ補正器

Claims

リニアモータの一次側に設けられ正弦波波形と余弦波波形の検出信号を出力する複数の磁気検出手段と、デジタル変換された前記検出信号を移動平均して振動成分を濾波する濾波手段と、前記検出信号のゼロクロス点における不正な変位を補正する変位補正手段と、前記検出信号から位置データを生成して出力する位置演算手段と、前記位置データを移動方向に合わせてピッチ補正値で補正する位置補正手段と、を含んでなる位置検出装置。
前記変位補正手段は、前記検出信号の前記不正な変位が発生する所定の位相角帯域における正側にある検出信号を前記不正な変位の半分に相当する所定量マイナス方向に偏位させ、負側にある検出信号を前記所定量プラス方向に偏位させることを特徴する請求項１に記載の位置検出装置。