JP4472283B2

JP4472283B2 - リニアエンコーダ装置、リニアモータ及び単軸ロボット

Info

Publication number: JP4472283B2
Application number: JP2003203885A
Authority: JP
Inventors: 基樹長森; 秀幸菊地
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2023-07-30
Also published as: JP2005051857A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
このようなリニアエンコーダにおいては、リニアスケール上の特定位置に原点が設定され、この原点位置が検出されることにより、位置制御にあたっての較正が行なわれるようになっている。
【０００４】
リニアモータを用いた単軸ロボット等にリニアエンコーダ装置が装備される場合に、制御性をよくするため、通常、リニアスケールの両端からそれぞれ一定距離の位置に原点位置が設定される。この場合、上記原点位置とモータの磁極の基準位置とは必ずしも一致しないので、磁極位置に応じてモータのコイルへ供給する電流の位相を調整すべくコイルへの通電を制御するといったモータ駆動のための制御に必要な磁極の基準位置のデータが不足する。
【０００５】
これに対する対策としては、通常の位置情報を与えるリニアスケール及び検出ヘッドに加え、磁極位置検出のためのスケール及び検出ヘッドをさらに設けるようにし（例えば特許文献１参照）、あるいは、原点位置と磁極の基準位置とのずれを予め調べておき、これをロボット制御用のコントローラに記憶させるようにするといった手法が考えられている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−１５９８１０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来考えられている手法のうち、前者による場合は、リニアエンコーダに磁極位置検出のためのスケール及び検出ヘッドを余分に付設する必要があるために、装置の複雑化、大型化及びコストアップを招く。また、後者による場合、各ロボット毎に個別に原点位置と磁極の基準位置とのずれを調べて、そのデータを当該ロボットに対するコントローラに記憶させておく必要があり、コントローラが交換された場合は上記データを書き換える必要がある等の不都合がある。
【０００８】
なお、他の手法として、原点位置をモータの磁極の基準位置に合わせて設定することも考えられるが、ロボットのストロークによっては、原点位置から可動範囲終端までの長さが可動範囲の一端側と他端側とで磁極ピッチ分だけずれ、磁極ピッチが大きい場合にそれに伴って上記ずれが大きくなり、商品性を損ねる。なお、このように原点位置から可動範囲終端までの長さが可動範囲の一端側と他端側とで大きくずれる場合の対策として、可動範囲終端側に設けられるダンパーの厚みを調整することにより可動範囲終端位置を調整することが考えられるが、その調整作業が面倒であるとともに、磁極ピッチが大きい場合はダンパーの厚みの調整代が大きくなり、商品性の面からも好ましくない。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、簡単な構造によりながら、モータの磁極基準位置と原点位置とをそれぞれ設定することができ、かつ、磁極ピッチが大きい場合でも、原点位置から可動範囲終端までの長さが可動範囲の一端側と他端側とで大きくずれることがなく、商品性を向上することができるリニアエンコーダ装置、リニアモータ及び単軸ロボットを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のリニアエンコーダ装置は、一定ピッチで磁極が配列された固定子を有するリニアモータ本体に直線的に配置されて、磁気的又は光学的に読取可能な位置情報を記録したリニアスケールと、モータの駆動によりリニアモータ本体に対して移動する可動部に設けられて、上記リニアスケールを読取る検出ヘッドと、この検出ヘッドを上記リニアスケールに対して相対的に移動させつつ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、上記可動部の可動範囲両端に夫々、衝撃吸収のためのダンパが設けられ、上記リニアスケールの両端の近傍の各１箇所であって、モータの特定磁極に対応する箇所に、基準磁極位置を示す情報を記録した指標部が設けられるとともに、上記演算処理部に、上記リニアスケール上の上記各指標部とスケール端部との間に原点位置を設定する原点位置設定手段が設けられ、この原点位置設定手段は、上記検出ヘッドをリニアスケールに対してその中央側から上記指標部を通過させてスケール端部側へ移動させつつ、上記指標部を検出してから、予め、磁極ピッチと比べて充分に小さく、かつ、可動部が可動範囲終端へ突き当ったときの上記ダンパの撓み量よりは大きくなるように設定された移動距離毎に仮想指標を設定し、そのうちの何れか１つの仮想指標の位置を原点位置として設定するように構成されているものである。
【００１１】
この発明によると、検出ヘッドが上記指標部を通るときに基準磁極位置が検出され、さらにこの基準磁極位置を利用して演算処理により仮想指標が設定されて、所定の仮想指標の位置が原点位置として設定されることにより、簡単な構造によりながら、磁極基準位置と原点位置の両方が調べられ、それに基づいて可動部の移動位置の制御とモータの駆動の制御とが適正に行われる。
【００１２】
また、仮想指標の間隔を磁極ピッチと比べて充分に小さくすることができ、これにより、原点位置から可動範囲終端までの長さが可動範囲の一端側と他端側とで大きくずれることが避けられる。
【００１３】
本発明のエンコーダ装置において、上記原点位置設定手段は、検出ヘッドが移動終端位置に達した後に移動方向を反転して移動する間に、その移動終端に最も近い仮想指標の位置を原点位置として検出するようになっていればよい。このようにすれば、原点位置から可動範囲終端までが適度の長さとなるように調整される。
【００１４】
また、本発明のリニアモータは、上記リニアエンコーダ装置を装備したものであって、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検出ヘッドが設けられているものである。
【００１５】
このリニアモータによると、上記リニ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。
【００１６】
また、本発明の単軸ロボットは、上記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。
【００１７】
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。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
また、上記可動部２の可動範囲両端に相当するロボット本体１両端の内壁部には、衝撃吸収のためのダンパ３０が設けられている。
【００２６】
さらに上記単軸ロボットＲにはリニアエンコーダが設けられている。このリニアエンコーダは、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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及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情報（出力信号相ではＡ相、Ｂ相）１５が記録されるとともに、基準点情報（出力信号相ではＺ相）１３が両端近傍の２箇所に記録されている。これらの基準点情報（Ｚ相）１３は、基準磁極位置を示す情報を記録する指標部に相当するものであり、ステータ部６の特定磁極に対応する箇所に設けられている。
【００３０】
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１５の信号が出力されるとともに、リニアスケール１１の両端近傍の４箇所ではＺ相１３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。
【００３１】
上記コントローラ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、原点位置を設定する原点位置設定手段２１が機能的に含まれている。この原点位置設定手段２１は、上記検出ヘッド１２をリニアスケール１１に対してその中央側から上記Ｚ相１３を通過させてスケール端部側へ移動させつつ、上記Ｚ相１３を検出してから所定移動距離ａ毎に仮想Ｚ相（仮想指標）１４を設定し（図４参照）、そのうちの特定の仮想Ｚ相１４の位置を原点位置として設定するように構成されている。上記距離ａは、予め、磁極ピッチｂと比べて充分に小さく、かつ、可動部２が可動範囲終端へ突き当ったときのダンパ３０の撓み量よりは大きくなるように設定されている。
【００３２】
上記コントローラ２０による基準磁極位置の判別および原点位置設定のための処理の具体例を、図５のフローチャートによって説明する。
【００３３】
このフローチャートの処理がスタートすると、先ずステップＳ１でＺ相検出処理が行われる。この処理は、検出ヘッド１２をリニアスケール１１の中央側から一端側へ移動させる（可動部２を可動範囲の一端側に移動させる）ようにリニアモータを駆動しつつ、Ｚ相１３の信号の有無を調べるものである。そして、この処理によりＺ相１３が検出されたか否かを判定する（ステップＳ２）。
【００３４】
Ｚ相１３が検出されたときは、その位置が基準磁極位置であると判別されて、磁極位置のデータがクリアされる（ステップＳ３）。続いて、仮想Ｚ相設定処理（ステップＳ４）が行われ、さらに突き当て検出処理（ステップＳ５）が行なわれる。上記仮想Ｚ相設定処理は、上記検出ヘッド１２を引き続き移動させつつ、上記基準磁極位置からの移動距離をＡ相、Ｂ相１５の信号によって調べ、所定移動距離ａ毎にその位置を仮想Ｚ相１４として記憶するものである。また、上記突き当て検出処理は、検出ヘッド１２の移動範囲終端への到達（可動部２の可動範囲終端への突き当り）を調べるものである。そして、上記突き当て検出処理に基づいて突き当たりを検出したか否かが判定され（ステップＳ６）、その判定がＮＯの間はステップＳ４，Ｓ５が繰返されることにより、上記基準磁極位置から上記移動範囲終端までの区域に一定間隔（上記所定距離）ａおきに１乃至複数の仮想Ｚ相１４が設定される。
【００３５】
ステップＳ６で突き当たりを検出したことが判定されると、検出ヘッド１２の移動方向が反転され（ステップＳ７）、リニアスケール１１の中央側へ向けて検出ヘッド１２が移動するようにリニアモータが制御される。このように検出ヘッド１２の移動が行われつつ、所定の仮想Ｚ相１４の位置まで移動したか否かが判定される（ステップＳ８）。所定の仮想Ｚ相１４とは、前述のステップＳ４の処理によって上記基準磁極位置から上記移動範囲終端までの区域に複数の仮想Ｚ相１４が設定されている場合、移動終端側から数えて所定数個目、例えば１個目の仮想Ｚ相１４（移動終端に最も近い仮想Ｚ相１４）である。
【００３６】
所定の仮想Ｚ相１４の位置まで移動したことが判定されると、その位置が原点位置とされ、位置がクリアされる（ステップＳ９）。
【００３７】
このような図５に示す処理は、リニアスケール１１の一端側と他端側とにおいてそれぞれ行なわれる。
【００３８】
以上のような当実施形態によると、単軸ロボットＲの作業開始時や所定期間おき等の適当な時期に、図５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、Ｚ相１３の検出によって磁極基準位置が調べられるとともに、この磁極基準位置を利用してコントローラ２０内の原点位置検出手段２１の演算処理で一定間隔ａおきの仮想Ｚ相１４が原点位置とされ、磁極基準位置および原点位置の較正が適正に行なわれる。
【００３９】
そして、上記原点位置及び磁極基準位置が調べられた後は、原点位置からの移動につれて検出ヘッド１２から出力されるＡ，Ｂ相の信号がカウントされることにより位置が検出され、可動部材２の移動位置の制御が行われるともに、磁極基準位置からの移動量によってステータ部６の磁極位置が調べられ、磁極位置に応じてコイル７へ供給する電流の位相を制御するといったリニアモータ駆動のための制御が適正に行われる。
【００４０】
上記のように、１組のリニアスケール１１及び検出ヘッド１２によって原点位置及び磁極基準位置を調べることができるため、従来のように原点位置と磁極基準位置とを別個の検出手段で検出する場合と比べ、リニアエンコーダ装置の構造が簡単になり、コストを低減し得る。
【００４１】
さらに、原点位置と磁極基準位置とのずれを予めコントローラ２０に記憶させておく必要がなく、コントローラ２０の互換性を損ねることがない。
【００４２】
また、上記仮想Ｚ相１４の間隔ａは、磁極ピッチｂと比べて充分に小さく、かつ、可動部２が可動範囲終端へ突き当ったときのダンパ３０の撓み量よりは大きくなるように予め設定されているため、上記のような効果を有効に発揮し得るともに、ダンパ３０の調整代を少なくしつつ、原点位置から可動範囲終端までの長さを可動範囲の一端側と他端側とで略同一にすることができる。
【００４３】
すなわち、上記可動部２の可動範囲終端位置は上記ダンパ３０の撓み加減によってずれる可能性があるので、このような可動範囲終端位置のずれによって仮想Ｚ相１４の設定や検出が不正確になることを避けるため、上記間隔ａがダンパ３０の撓み量より大きくされている。また、初期調整の段階で、所定の仮想Ｚ相１４の位置である原点位置から可動範囲終端位置間での距離が可動範囲の一端側と他端側とで略同一となるように上記ダンパ３０の厚みの調整によって可動範囲終端位置が調整され、例えば、可動範囲終端にもっとも近い仮想Ｚ相１４が原点位置とされる場合、可動範囲両端側とも上記原点位置から可動範囲終端間での距離が上記間隔ａの略１／２となるように上記ダンパ３０の厚みが調整されるが、上記間隔ａができるだけ小さくされることで上記ダンパ３０の厚みの調整代が小さくなる。
【００４４】
従って、初期調整の段階での上記ダンパ３０の厚み調整による可動範囲終端位置の調整作業が簡単になるとともに、商品性が向上される。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、上記リニアスケールの両端の近傍の各１箇所であって、モータの特定磁極に対応する箇所に、基準磁極位置を示す情報を記録した指標部が設けられるとともに、演算処理部に設けられた原点位置設定手段により、上記指標部を検出してから所定移動距離毎に仮想指標を設定し、そのうちの何れか１つの仮想指標の位置を原点位置として設定するように構成されているため、上記指標部と上記原点位置とに基づいてモータの駆動の制御と可動部の移動位置の制御とを適正に行うことができる。
【００５０】
しかも、１組のリニアスケール及び検出ヘッドにより基準磁極位置を検出できるとともに演算処理により原点位置を求めることができ、従来のように原点位置と磁極基準位置とを別個の検出手段で検出する場合と比べ、リニアエンコーダ装置の構造を簡単にし、コストを低減することができる。また、原点位置から可動範囲終端位置まで距離を可動範囲の一端側と他端側とで略同じにすることができ、商品性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】図１のII−II線に沿った断面図である。
【図３】リニアモータ機構部分の一部とリニアエンコーダ及び制御手段を模式的に示す図である。
【図４】Ｚ相およ仮想Ｚ相を示す説明図である。
【図５】原点位置及び基準磁極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
１３Ｚ相（基準点情報）
１４仮想Ｚ相
２０コントローラ
２１原点位置検出手段

Claims

一定ピッチで磁極が配列された固定子を有するリニアモータ本体に直線的に配置されて、磁気的又は光学的に読取可能な位置情報を記録したリニアスケールと、モータの駆動によりリニアモータ本体に対して移動する可動部に設けられて、上記リニアスケールを読取る検出ヘッドと、この検出ヘッドを上記リニアスケールに対して相対的に移動させつつ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、
上記可動部の可動範囲両端に夫々、衝撃吸収のためのダンパが設けられ、
上記リニアスケールの両端の近傍の各１箇所であって、モータの特定磁極に対応する箇所に、基準磁極位置を示す情報を記録した指標部が設けられるとともに、
上記演算処理部に、上記リニアスケール上の上記各指標部とスケール端部との間に原点位置を設定する原点位置設定手段が設けられ、
この原点位置設定手段は、上記検出ヘッドをリニアスケールに対してその中央側から上記指標部を通過させてスケール端部側へ移動させつつ、上記指標部を検出してから、予め、磁極ピッチと比べて充分に小さく、かつ、可動部が可動範囲終端へ突き当ったときの上記ダンパの撓み量よりは大きくなるように設定された移動距離毎に仮想指標を設定し、そのうちの何れか１つの仮想指標の位置を原点位置として設定す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。
上記原点位置設定手段は、検出ヘッドが移動終端位置に達した後に移動方向を反転して移動する間に、その移動終端に最も近い仮想指標の位置を原点位置として検出することを特徴とする請求項１記載のリニアエンコーダ装置。
請求項１又は２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、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。
請求項３記載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単軸ロボット。