JP3070427B2 - 自走式直線運動駆動装置 - Google Patents

自走式直線運動駆動装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、低摩擦サーボ制御式の
精密直線運動駆動装置、特に回転運動を直線運動に変換
し、画像の記録、走査又は測定用の装置に使用するため
の精密直線運動駆動に関する。
【0002】
【従来技術及びその課題】ある種の画像走査装置におい
ては、画像は、走査装置が低速走査軸線と直角な高速走
査軸線に沿って画像を走査しながら印写装置の低速走査
軸線に沿って直線的に移動する直線運動システムにより
2次元で走査される。かかる印写装置は低速走査運動と
高速走査運動との間の正確な同期を必要とし、更に前進
方向の低速走査移動及び後退方向の低速走査移動の両者
について同期が維持されることが要求される。駆動部材
のバックラッシュ及び走査中に発生し得る機械的な共振
による印写誤差をもたらす誤差の可能性を最小にするこ
とが必要である。加えて、種々の電気的及び機械的シス
テムの共振、滑り、又は摩擦及び抵抗力の変動による速
度誤差も最小にすべきである。更に、画像走査の直線運
動システムは走査すべき画像の低速走査軸線と平行でか
つ高速走査軸線に垂直な軸線上を移動するので、直線運
動軸線は正確でかつ直線であることが有利である。
【0003】米国特許第1746407号に明らかにさ
れたこの形式の走査機構の例は、円筒状の内面を有し、
この面上を、回転軸に取り付けられたビームディフレク
ターにより光で走査する。円筒面は回転軸に取り付けら
れたビームディフレクターに関して摺動する形式の案内
の中を直線的に動かされる。リニヤ駆動のためのこの形
式の支持システムは、円筒体がビームディフレクターに
関して直線的に駆動されるので、円筒体の長さの2倍の
作動空間を必要とする。
【0004】別の直線運動駆動装置が英国特許第118
5115号に開示され、これにおいては、キャリッジ
は、キャリッジに組み込まれたナットと組み合い回転す
るねじにより円筒状のドラムの内部で直線的に動かされ
る。キャリッジのような僅かの部品しか必要でない駆動
装置は円筒体内の長手方向スロットにより案内される
が、このスロットが利用し得る走査領域を限定する。ね
じは円筒体の外側に取り付けられたモーターにより回さ
れる。画像走査装置に要求される精密な精度のため、か
かるシステムのリードねじは費用の大きな特別の公差で
機械加工しなければならない。リードねじの大きさ、慣
性及び大きな摩擦が所要速度での駆動に更なるモーター
動力を要求し、更なる費用増加を伴う。
【0005】同じ参考文献に示された別の実施例は、円
筒体の長さ内でキャリッジを直線的に引張るようにキャ
リッジに連結されたベルトを使用する。このベルトは、
円筒体の両端において円筒体の外部に取り付けられたプ
ーリーの手段により駆動される。このプーリーは補助モ
ーターにより駆動される。キャリッジは案内ローラーに
より支持され、これらローラーは円筒体の内面と接触し
かつ直線運動の軸線を円筒体の軸線と芯合わせする。キ
ャリッジが円筒体に関して回転することを防ぐために長
手方向の案内が設けられる。この両実施例は、印写シス
テム内の貴重な空間を必要としつつ円筒体の外部に取り
付けられたモーター及びその他の駆動システムを持つ。
【0006】従って、直線輸送システムのキャリッジに
取り付けられ、これにより外部駆動部材とは無関係にキ
ャリッジを推進しかつ低速走査軸線の長さと実質的に等
しい長さの最小の作業空間しか必要でない直線運動駆動
装置を提供することが本発明の目的である。
【0007】本発明のなお別の目的は、移動の低速走査
軸線上に摩擦駆動手段を提供すること及び精密なサーボ
フィードバックシステムでこの駆動手段を制御すること
である。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明により、自走式直
線駆動装置は、固定されたベース、この固定されたベー
ス上で移動可能に支持されたキャリッジ、キャリッジを
固定ベースに関して駆動するためにキャリッジに取り付
けられた駆動システムであって、固定ベースと駆動組合
いにされかつ固定ベースと駆動接触状態に強制される摩
擦車を有する前記駆動システム、キャリッジを固定ベー
スに関して移動可能に支持する支持システム、固定ベー
スに関するキャリッジの回転を防止する回転防止要素、
及びキャリッジを直線経路で固定ベースに沿って案内す
る案内具を備え、そして駆動システムはキャリッジによ
り回転可能に支持された軸とこの軸に取り付けられた摩
擦車とを持つ。
【0009】
【実施例】本発明の特徴及び目的は付属図面を参照した
以下の説明より明らかになるであろう。
【0010】さて、図1を参照すれば、一般に番号10
0で示された走査装置は、走査すべき対象物108を走
査のために固定する支持面106及び長手方向軸線10
4を有する部分円筒体の形状の内部ドラム102を備え
る。このドラム102は、更に上部支持構造110を支
持している構造体のベースの役も受け持つ。上部構造に
取り付けられた支持及び案内レール14及び16に動き
得るように掛けられた可動キャリッジ12は、組立ての
際の上部構造110とドラム102との整列によりドラ
ム軸線104と平行に作られたレール14、16により
定められた直線運動の軸線に沿って動く。ワイヤーハー
ネス112が、その第1の端部においてキャリッジ12
に接続され、その他方の端部においてはスキャナー制御
器(図示せず)に接続され、キャリッジ12に取り付け
られた電気構成部品に電力を供給し、かつキャリッジ1
2に取り付けられた電気構成部品とスキャナー制御器と
の間で電気信号を通過させる。ワイヤーハーネス112
はキャリッジ12と共に動き、キャリッジ12の移動の
第1の終点においては完全に延ばされ、キャリッジ12
が移動の他方の終点にあるときは弛んだループを形成す
る。
【0011】さて、図2を参照すれば、一般に番号10
で示された直線運動駆動装置は、上部支持構造110
(鎖線で表示)によりその全長にわたって支持された2
個の案内レール14、16に沿ってキャリッジ12(鎖
線で表示)を駆動する。一般に形状が長方形のキャリッ
ジ12は、安定性を得るために、長手方向側壁18に沿
った案内レール16及びキャリッジ12の長手方向側壁
20に沿った案内レール14を持つ。キャリッジ12
は、キャリッジ12がレールに沿って最小の摩擦で動く
ことを許す2個のボール循環式支承具22により、平行
な案内レール14、16に沿って直線運動ができるよう
に支持される。レール14はその上面26にV字形の溝
24を有し、V溝のレール14に対して転動するボール
循環式支承具22のボール28を受け入れる。支承具2
2はキャリッジ12の側壁20の外側に取り付けられ、
かつ案内レール14、16に関するキャリッジ12の回
転を防ぐためにV溝レール14に沿って間隔を空けられ
る。本発明の支持具を有するキャリッジと案内レールと
の低摩擦転動接触の境界面のため、従来技術のリードね
じと摩擦滑りとによる直線駆動と比較して、運動軸線に
沿ってキャリッジを動かすに要する駆動トルクを相当に
減少させる滑らかで一様なキャリッジの運動ができる。
【0012】図3に示される駆動軸30がキャリッジ1
2の内壁34に取り付けられた2個の球軸受32により
回転可能に支持される。「パンケーキ」型直流モーター
36がキャリッジ12に取り付けられ、駆動軸30を回
転させる。駆動軸30の一方の端部付近で、側壁18の
内側部分44にモーター固定子ハウジング42が固定さ
れ、ローター48が駆動軸30に固定されこれと一緒に
回転する。摩擦車50が駆動軸30の同じ端部に一体に
され、これは平らなレール16と転動接触し、駆動軸3
0が回転するとキャリッジ12をレール14、16に沿
って駆動する。駆動軸30の中央付近において、はずみ
車54が駆動軸30と共に回転するように駆動軸に固定
されて回転慣性を与え、有り得るモーター回転力のリッ
プルと移動摩擦の変動によるキャリッジの速度の乱れを
最小にする。
【0013】さて、図2及び4を参照すれば、キャリッ
ジ12の側壁18の外側部分に2個の永久磁石60、6
2が、摩擦車50の各側に1個ずつ固定される。各磁石
60、62と平レール16との間には空隙66、68が
設けられる。この磁石はこれと一体の強磁性部材を有す
ることができ、又は強磁性金属で構成することができ
る。磁石60、62と平レール16との間の吸引磁力が
摩擦車50を強制して平レール16との摩擦組合いをさ
せ、摩擦車50と平レール16との間の確りした接触を
与え、これにより滑りを最小にする。更に、図1のよう
に取り付けられたときは、キャリッジ12の重力荷重に
より摩擦車50と平レール16との間の摩擦接触が維持
されるが、重力荷重は磁力に比較して小さく、磁力によ
る荷重は水平方向の取付け及び直線運動に加えて垂直方
向の取付け及び直線運動を可能とするに十分である。
【0014】さて、図2を参照すれば、キャリッジ12
の反対側の側壁20には、2個の間隔を空けられたボー
ル循環式支承具22の間に大きな磁石80が置かれる。
先に説明されたように平レールと同様の強磁性部分を有
するV溝のレール14と大きな磁石80との間に空隙が
置かれる(図示せず)。空隙は、平レール16の取付け
について図示され説明された磁石60、62のための空
隙66、68と実質的に同じである。大きな磁石80は
ボール循環式支承具22をV溝のレール14に押し付け
る。磁石60、62と80及びレール14、16の間の
磁力による荷重の大きさは、キャリッジ壁18又は20
に関する各磁石の取付け位置を変えて空隙の幅を変化さ
せることにより調整することができる。
【0015】さて、図5を参照すれば、第1の精密回転
エンコーダー90が継手92により駆動軸30に直結さ
れ、直流モーター36及び取り付けられた駆動軸30と
摩擦車50の角度位置を表す電気信号300を発生す
る。キャリッジ12に取り付けられたモーター駆動制御
器の印刷回路板114は、直流モーター36の角速度を
監視しかつ修正するための通常の速度制御ループの一体
部品である。制御板114は信号処理器304で処理す
るために電気信号300を第1のエンコーダー90から
受け取る。第1のエンコーダー90からの信号300
は、信号処理器304により位置信号からキャリッジ速
度に比例した速度信号302に変換される。次いで、速
度信号302は、以下説明される位置誤差信号306及
び所望速度信号307と加算され、誤差速度信号308
を形成し、これが電力増幅器310により増幅される。
この増幅器は、誤差速度信号308に従って直流モータ
ー36の速度誤差を最小にするように直流モーター36
を加速させ又は減速させる。
【0016】キャリッジ12には、レール14、16の
一方に沿って乗って動く車96を有する第2の回転エン
コーダー94が取り付けられる。第2のエンコーダー9
4は、レール14、16に関する車96の角度位置を表
す電気信号312を発生する。第2のエンコーダー94
からの信号312は、希望角度位置に関する直流モータ
ー36の角度位置を監視し修正する通常の位置制御ルー
プが設けられた制御板114により処理される。制御板
114は第2のエンコーダー94から電気信号312を
受け取り、これと希望の位置信号314とを加算する。
この位置信号は後述される第3のエンコーダーの位置か
ら誘導されるが、適宜の希望位置信号とすることができ
る。位置信号314は時間変化形のものでもよく、この
場合は位置ループは位相固定ループになることが効果的
である。得られた和が、上述のように直流モーター36
の速度を変更させる位置誤差信号306を与える。
【0017】エンコーダーの信号300と312とを連
続的にサンプリングすることにより、制御板114は、
レール14、16に関するキャリッジ12の速度誤差及
び位置誤差を連続的に補償する。
【0018】第2の回転エンコーダー94は、図2にお
いてはその車96が平レール16に押し付けられて取り
付けられた状態で示され、図3においてはその車96が
V溝レール14に押し付けられて取り付けるためにキャ
リッジ12の反対側20に向いた状態で示される。第2
のエンコーダー94の車96は、これを2個の案内レー
ル14、16のどちらかに沿って乗って動くように、或
いは適宜の固定ベースに沿ったキャリッジ12の実際の
運動を追跡するために適宜の静止面に沿って乗って動く
ように取り付け得ることが注意される。
【0019】説明された自走式の駆動システムは、速度
及び位置の両方のフィードバックを与えるために1個の
エンコーダー90を使用できるので2個の回転エンコー
ダー90及び94の使用は不必要である。1個のエンコ
ーダー信号から速度及び位置の組合せ制御ループを与え
ることができる。この実施例は、摩擦駆動車50とレー
ル16との間の摩擦駆動の際に発生することが知られて
いる微小滑りがエンコーダー94及びその車96の実際
の位置を監視することにより補償されるという利点を提
供する。更に、キャリッジ12は、これを本実施例で示
されたものとは異なった同等手段により案内しかつ支持
することができ、或いは、静止の固定ベースに関するキ
ャリッジ12の実際の直線方向位置を測定するエンコー
ダー94を同等の位置フィードバック装置、例えばリニ
ヤエンコーダー又は干渉計式の装置と置換できる。
【0020】図6を参照すれば、一般に番号200で示
された放射ビーム走査装置がキャリッジ12に取り付け
られる。ビーム走査装置は、一般に、走査機能を遂行す
るためには、即ち掃引運動である角度範囲を通って放射
ビームを偏向させるためには、放射ビーム源及び回転デ
フレクター要素を要するだけである。本発明のこの実施
例においては、放射ビーム走査装置200は、特に記録
すべき画像を走査するためのものである。レーザー電流
励振用印刷回路板203により制御され励振されるレー
ザーダイオード202が、発散ビーム204を発生する
点状の電磁放射源を提供する。レーザーダイオード20
2とレーザー励振板203とは各がキャリッジ12に取
り付けられ、励振器203はモーター駆動制御板114
(図1)と連絡し電気信号を授受する。レーザー励振板
203は、後述されるように、キャリッジ12の運動と
同期して情報信号に従ってレーザーダイオード202を
励振しかつ変調させる励振電流を提供する。
【0021】ビーム204は、レンズ206により集光
され整形されて回転鏡208に通過し、この鏡は、ドラ
ム102のにおいて走査対象物108(図1)の表面に
向けて実質的に85゜の角度でビームを反射する。レン
ズ206は拡散ビーム204を走査対象物108の表面
における小さな点に焦点合わせを行う。この対象物は、
本発明の好ましい実施例においては、フィルム、紙又は
板材のような感光記録媒体のような画像記録物質であ
り、この上に放射ビーム走査装置により画像が記録され
る。
【0022】ビーム放射源202と回転反射器210と
の間に置かれたレンズ206の配置が湾曲した走査フィ
ールドを作ることが認められるであろう。或いは、レン
ズ206を回転反射器と走査対象物108との間に置
き、平坦な走査線のフィールドを作ることができる。こ
の場合は、対象物108は平らな支持面(図示せず)上
に置かれる。
【0023】別の実施例において、走査対象物から反射
されたエネルギー又はこの対象物を通過したエネルギー
を集めることにより対象物のある特性を決定するために
走査対象物を探査するように放射ビーム走査装置が使用
されるときは、走査対象物から反射され又はこれを通過
したエネルギーが集中する位置に放射ビーム検知器が置
かれる。かかる実施例は平坦なフィールドの走査装置に
より代表的に使用され、図6は、走査対象物から反射さ
れるエネルギーを集めるための放射ビーム検知器22
4、及び走査対象物を通過するエネルギーを集めるため
の放射ビーム検知器226を線図的に詳細に示す。いず
れの場合も、レンズ225が放射検知器224、226
の面上に焦点を合わせてエネルギーを集中させる。検知
器224、226は、これを、走査対象物の画像表現が
記録されるように放射ビームに応答する画像記録用材料
により置換することができる。
【0024】回転鏡208は、ビーム204を反射する
平面の反射面210を有し、かつ回転させるためにモー
ター軸214の第1の端部において回転用モーター21
2に取り付けられる。軸214及び取り付けられた回転
鏡208の角度位置の電気信号表現を提供するために精
密回転エンコーダー216が軸214の第2に端部に取
り付けられる。エンコーダー216からの信号は制御板
114に送られ、所望の位置信号314を発生するよう
な強さにされ、これにより回転器の角度位置をキャリッ
ジ12の位置と同期させる。
【0025】光学的走査装置200は、走査対象物の面
に焦点の合わせられたレーザー光点220を与える。レ
ーザー光点220は実質的に円形であり、その直径はレ
ーザーダイオード202及びレンズ206の関数であ
る。回転鏡208が回転すると、焦点の合わせられた光
点204は、鏡208の回転軸線に対して実質的に直角
方向に走査線222を掃引する。組立ての際にレール1
4、16に関する回転鏡212の位置を調整することに
より、回転鏡208の回転軸線は、ドラム102の長手
方向軸線104と実質的に一致しかつキャリッジ12の
移動軸線と実質的に平行に置かれる。これにより、走査
線222はドラム軸線104に対して本質的に垂直にな
る。
【0026】回転鏡208の1回転ごとに実質的にレー
ザー光点220の直径1個に相当する速度でキャリッジ
12をレール14、16に沿って移動させることによ
り、光点220の直径と実質的に等しい解像度で走査対
象物108の2次元走査が行われる。上述のように、キ
ャリッジ12に取り付けられた励振器制御板114によ
り、回転用モーター212、直流モーター36及びレー
ザーダイオード202の変調の同期が維持される。
【0027】レーザーダイオード202従ってレーザー
光点220は、走査対象物108の画像記録用物質に記
録された画像を表す情報信号に従って変調される。ビー
ムのエネルギーが記録用エネルギー閾値以上であるとき
は画素を記録するために、またビームエネルギーが記録
用エネルギー閾値以下であるときは画素を記録しないよ
うに、ビームエネルギーは、画像記録用物質の記録エネ
ルギー閾値より以上及び以下に変調される。変調は、通
常の手段により変調用の情報信号を受け入れる励振制御
板114により制御される。
【0028】本発明は種々の好ましい実施例について説
明されたが、熟練技術者は、適宜形式の走査対象物を走
査する適宜の放射走査装置の使用を含んだ本発明の精神
から離れることなく種々の変更、置換、省略及び変化を
なし得ることを認めるであろう。従って本発明の範囲
は、その同等事項を含んだ特許請求の範囲によってのみ
限定されることが意図される。
【0029】本発明の実施態様は次の通りである。
【0030】1.(a)固定ベース; (b)直線運動軸線に沿って動くために前記固定ベース
に関して可動に支持された可動キャリッジ手段、 (c)前記可動キャリッジを前記直線運動軸線に沿って
動かすために前記可動キャリッジ手段により支持された
直線運動駆動手段であって、前記固定ベースに関する前
記可動キャリッジ手段の運動を制御するための電子制御
手段を有する前記直線運動駆動手段; (d)前記摩擦車を前記固定ベースとの駆動接触に強制
する手段; (e)前記可動キャリッジ手段を前記直線運動軸線に沿
って動き得るように支持する支持手段;及び (f)前記直線運動軸線を定めかつ前記可動キャリッジ
を前記直線運動軸線に沿って案内する案内手段を備えた
直線運動駆動装置。
【0031】2.前記直線運動駆動手段が (a)前記可動キャリッジ手段に関して回転するように
支持された駆動軸; (b)前記可動キャリッジ手段に取り付けられかつ前記
駆動軸を回転させるための直流モーター手段;及び (c)前記駆動軸と機械的に結合されかつ前記直流モー
ター手段及び前記駆動軸の回転の際に前記可動キャリッ
ジ手段を前記直線運動軸線に沿って駆動するように前記
固定ベースと接触している摩擦車を備えた上記1の装
置。
【0032】3.(a)前記駆動軸と共に回転するよう
にこれに固定された慣性はずみ車; (b)前記電子制御手段内に含まれ前記固定ベースに関
する前記可動キャリッジ手段の速度を決定する速度フィ
ードバック手段;及び (c)前記電子制御手段内に含まれかつ前記固定ベース
に関する前記可動キャリッジ手段の希望の直線速度を維
持するために前記直流モーター手段の回転速度を調整す
る直流モーター制御手段を更に備えた上記2の装置。
【0033】4.(a)前記固定ベースに関する前記可
動キャリッジの位置を決定するための位置フィードバッ
ク手段;及び (b)前記電子制御手段内に含まれ、前記固定ベースに
関する前記可動キャリッジの実際の位置と前記固定ベー
スに関する前記可動キャリッジの所望位置とを連続的に
比較し、更に前記可動キャリッジ手段を前記固定ベース
に関する前記可動キャリッジの前記所望位置に維持する
ように前記直流モーター手段の回転速度を調整するため
に前記直流モーター制御手段と共同作用する位置修正手
段を更に備える上記3の装置。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による内部ドラム走査装置の一部を示す
等角図である。
【図2】図1の自走式キャリッジが沿って進む案内及び
支持部材の等角図である。
【図3】本発明による自走式キャリッジ装置の底視図で
ある。
【図4】図3の支持案内部材に対する図2のキャリッジ
の磁石式荷重用部材を示す線図的な図面である。
【図5】本発明に使用される制御システムの線図的な図
面である。
【図6】図2のキャリッジに取り付けられた光学式走査
装置の等角図である。
【符号の説明】
12 キヤリッジ 14 レール 16 レール 100 走査装置 102 内部ドラム 104 長手方向軸線 106 支持面 108 対象物 110 上部支持構造
フロントページの続き (72)発明者 ラルフ・エス・ハンセラー アメリカ合衆国マサチユセツツ州01845 ノースアンドーバー・フオレストストリ ート340 (72)発明者 デイビツド・ピー・ビオラ アメリカ合衆国マサチユセツツ州01810 アンドーバー・キヤボツトロード11 (56)参考文献 特開 平3−142182(JP,A) 米国特許4909093(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16H 19/00 - 19/02

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a)固定ベースと、 (b)前記固定ベースに関して可動に支持された可動キ
    ャリッジであって、 該可動キャリッジに設置され、該可動キャリッジの回転
    を防ぐように離間している2つの回転接触要素によって
    可動に支持されており、 2つの回転接触要素の各々が、該固定ベースに設置され
    た第1の案内レールと接触し、 該可動キャリッジが、更に、該キャリッジに設置され、
    該固定ベースに設置された該第2の案内レールに回転接
    触する第3の回転接触要素によって支持されており、 第2の案内レールが、第1の案内レールと実質的に平行
    に且つ離間して配置されており、 第1の案内レール及び該第2の案内レールが、該固定ベ
    ースに対する該キャリッジの移動のための直線運動軸線
    を規定している可動キャリッジと、 (c)摩擦駆動部材を有する直線運動駆動手段であっ
    て、摩擦駆動部材が、該キャリッジに設置され且つ該第
    2案内レールに回転接触する上記第3の回転接触要素を
    有する直線運動駆動手段と、 (d)2つの回転接触要素及び摩擦駆動部材の各々が、
    該第1及び第2案内レールの各々に回転接触するように
    強制する手段とを具備することを特徴とする直線運動駆
    動装置。
  2. 【請求項2】 直線運動駆動手段(30)が、 (a)該可動キヤリッジ装置(12)に対して回転可能
    に支持され、一方の端に取付けられた該摩擦駆動部材
    (50)を含む該駆動軸(30)と、 (b)該駆動軸(30)及び摩擦駆動部材(50)を回
    転するために、該駆動軸(30)及び該可動キヤリッジ
    装置(12)に設置されたDCモーター(36)を具備
    し、 該摩擦駆動部材(50)と該第2の案内レール(16)
    との間の回転接触が、DCモーターの回転に応答して該
    直線運動軸線に沿って可動キヤリッジ(12)を駆動す
    請求項1の直線運動駆動装置。
  3. 【請求項3】 駆動軸(30)と共に回転するように駆
    動軸(30)に固定されたはずみ車(54)を具備する
    請求項1の直線運動駆動装置。
  4. 【請求項4】 DCモーター(36)を駆動し、可動キ
    ヤリッジ(12)の速度を制御するように、速度制御ル
    ープを提供する信号処理器(304)を有する電子制御
    器(114)を具備する請求項1の直線運動駆動装置。
  5. 【請求項5】 信号処理器(304)が、可動キヤリッ
    ジ(12)の位置を制御する位置制御ループを提供する
    請求項1の直線運動駆動装置。
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