JP4613541B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、位置検出手段を備えた一対のリニアモータを有し、このリニアモータのステータを所定距離を隔てて平行に配置し、リニアモータのスライダ間をアーム部材で結合したリニアアクチュエータに関する。

図３はリニアアクチュエータの従来構成の一例を示す平面図である。

図３で、１は上位装置であり、パルス信号による目標位置信号Ｐｓを位置制御手段２に与える。位置制御手段２は、この目標位置信号Ｐｓと後述のリニアモータの位置検出信号Ｐｆａとの偏差を演算して位置制御ドライバ３及び推力制御ドライバ４に推力指令Ｆを出力する。

５は、マスタ軸を形成する第１のリニアモータであり、５１はステータ、５２はモータ部を有するスライダである。６は、スレーブ軸を形成する第２のリニアモータであり、６１はステータ、６２はモータ部を有するスライダである。

７は、第１のリニアモータ５のスライダ５２の位置検出手段であり、その位置検出信号Ｐｆａは、位置制御手段２にフィードバックされる。８は第２のリニアモータ６のスライダ６２の位置検出手段であり、その位置検出信号Ｐｆｂは、推力制御ドライバ４にフィードバックされる。

位置制御ドライバ３は、第１のリニアモータ５のスライダ５２のモータ部に駆動電流Ｉ１を与える。推力制御ドライバ４は、第２のリニアモータ６のスライダ６２のモータ部に駆動電流Ｉ２を与える。

第１のリニアモータ５のステータ５１と第２のリニアモータ６のステータ６１は、所定距離を隔てて平行に配置されている。９はアーム部材であり、これら一対のリニアモータのスライダ５２及び６２間を結合している。

９ａはアーム部材９の中点であり、最終的な位置決めの対象となるターゲットはこの中点位置に搭載される。Ｘａは位置制御されたスライダ５２の位置、Ｘｂは追従位置制御されたスライダ６２の位置、Ｘは位置制御された中点９ａの位置を示す。

図４は、位置制御手段２、位置制御ドライバ３、推力制御ドライバ４の詳細を示す機能ブロック図である。第１のリニアモータ５のスライダ５２のモータ部及び第２のリニアモータ６のスライダ６２のモータ部は、３相の交流モータで構成され、各相への交流電流の転流制御によりスライダが移動制御される。

位置制御ドライバ３及び推力制御ドライバ４の回路構成及び各モータ部の構成は同一であり、その動作については、特許文献１及び２に詳細に開示されているので、ここではその説明を省略する。

図５は位置検出手段７及び８の具体的な構成例を示す機能ブロック図であり、この動作原理についても特許文献１及び２に詳細に開示されているので、ここではその説明を省略する。
位置検出手段７及び８の位置検出信号Ｐｆａ及びＰｆｂは、ドライバのスキャン周期をｆｏ、リニアモータのスリットピッチをＰとするとき、ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸａ／Ｐ）及びｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｂ／Ｐ）で与えられる。

各ドライバ３，４では、これら位置検出信号とスキャン周期ｆｏとの位相差を入力する転流制御手段の出力と位置制御手段２からの推力指令Ｆに基づいて各モータ部の３相コイルへの電流をインバータにより制御する。

位置制御手段２において、２１は積算カウンタであり、上位装置１からパルス数で与えられる目標位置信号Ｐｓを積算し、ディジタルの目標位置信号Ｐｉに変換する。２２は位置検出手段７の位置検出信号Ｐｆａを入力してその周期を算出する周期検出手段である。

２３は位置変換手段、２４は速度変換手段であり、周期検出手段２２からの周期信号を取得して位置信号Ｐｆ及び速度信号Ｖｆに変換する。この動作原理についても特許文献１及び２に詳細に開示されているので、ここではその説明を省略する。

２５は位置制御手段であり、目標位置信号Ｐｉと位置信号Ｐｆの偏差を演算して速度指令信号Ｖｉを出力する。２６は速度制御手段であり、速度指令信号Ｖｉと速度信号Ｖｆの偏差を演算して推力指令Ｆを位置制御ドライバ３及び推力制御ドライバ４に出力する。

リニアモータに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開昭６３−２１３４９０号公報

特開２０００−６５９７０号公報

図３に戻り、従来のリニアアクチュエータの問題点を説明する。従来の位置制御の特徴は、位置制御手段２に入力される目標位置信号Ｐｓに対してフィードバック制御されるのは、マスタ軸である第１のリニアモータ５のスライダ５２の位置検出信号Ｐｆａであり、そのスライダ位置ＸａはＰｓに高精度で一致制御される。

しかしながら、スレーブ軸である第２のリニアモータ６のスライダ６２は、目標位置信号Ｐｓに対するフィードバック制御のループ外であり、位置制御手段２からの推力指令Ｆを入力する推力制御のみを推力制御ドライバ４で実行している。

従って、そのスライダ６２の位置Ｘｂは外力（摩擦、両ステータ間の振れによる力）の影響を受け、Ｘａとはずれが生じて一致しない。この結果、両スライダを結合するアーム部材９の中点９ａの位置ＸもＸａとはずれが生じて一致しないため、この中点を高精度で位置決めすることが困難となる。

更に、従来のリニアアクチュエータでは、同一構成の位置制御ドライバ及び推力制御ドライバの一対を別々に必要とし、ドライバの構成が煩雑であり、コストアップ及び小型化設計の障害要因となっている。

従って本発明が解決しようとする課題は、一対のリニアモータのスライダ間を結合するアーム部材の中点位置の制御性を向上すると共に、ドライバの構成を簡素化できるリニアアクチュエータを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）位置検出手段を備えた一対のリニアモータを有し、このリニアモータのステータを所定距離を隔てて平行に配置し、前記リニアモータのスライダ間をアーム部材で結合したリニアアクチュエータにおいて、
前記一対の位置検出手段の出力に基づき前記スライダ間の中点位置信号を算出する中点位置検出手段と、
前記中点位置信号と目標位置信号との偏差に基づき前記スライダを共通のドライバにより駆動する位置制御手段と、
を備え、
前記一対の位置検出手段の出力は、前記スライダの位置に応じて位相が変調される正弦波の位相変調信号であり、
前記中点位置検出手段は、前記一対の位置検出手段が出力する位相変調信号を平均演算することにより前記中点位置信号を算出することを特徴とするリニアアクチュエータ。

（２）前記スライダ位置Ｘａ，Ｘｂは、前記中点位置Ｘからのずれを±ΔＸとするとき、
Ｘａ＝Ｘ＋ΔＸ，Ｘｂ＝Ｘ−ΔＸで与えられ、
前記ドライバのスキャン周期をｆｏ、リニアモータのスリットピッチをＰとするとき、前記夫々の位置検出手段の出力は、
ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸａ／Ｐ），ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｂ／Ｐ）で与えられ、 前記中点位置Ｘは、これらの単純加算値、
２ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸ／Ｐ）で与えられることを特徴とする（１）に記載のリニアアクチュエータ。

（３）前記中点位置ＸからのずれΔＸは、前記スリットピッチＰに対し、ΔＸ＜＜Ｐであることを特徴とする（２）に記載のリニアアクチュエータ。

（４）前記中点位置検出手段の周期信号に基づき前記中点位置の位置信号及び速度信号に変換する位置変換手段及び速度変換手段を有することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。

（５）前記速度変換手段の速度信号と前記位置制御手段の出力との偏差に基づき、前記共通のドライバに推力を指令する速度制御手段を有することを特徴とする（４）に記載のリニアアクチュエータ。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）一対のリニアモータのスライダ間を結合するアーム部材の中点位置を演算で検出し、この位置を位置制御手段によりフィードバック制御することにより、中点を高精度で位置決めすることが可能となる。この中点位置に対する各スライダのずれは、中点位置の演算過程で吸収され、制御性を低下させる要因とはならない。

（２）従来のリニアアクチュエータでは、同一構成の位置制御ドライバ及び推力制御ドライバの一対を別々に必要としたが、本発明では１個の共通ドライバの構成でよいために、回路が簡素化され、コストアップダウン及び小型化設計に貢献することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は本発明を適用したリニアアクチュエータの一実施形態を示す平面図である。図３で説明した従来のリニアアクチュエータと同一要素には同一符号を付し、説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。

本発明では、スライダ間の中点（アーム部材の中点）を位置決めすべく、一対のスライダのモータを一つのモータとして扱う工夫をして制御性を高めると共に、ドライバを一つに共通化することによりコストダウンを図ることを主眼としている。

図１において、１００は共通ドライバであり、位置制御手段２からの推力指令Ｆｏを入力して第１のリニアモータ５のスライダ５２及び第２のリニアモータ６のスライダ６２に共通の駆動電流Ｉｏを供給して移動制御する。

２００は中点位置検出手段であり、一対の位置検出手段７及び８の位置検出信号Ｐｆａ及びＰｆｂを入力してスライダ間の中点位置信号Ｐｆｏを算出する。位置制御手段２は、上位装置１からの目標位置信号Ｐｓと中点位置信号Ｐｆｏとの偏差に基づき推力指令Ｆｏを演算して共通ドライバ１００に出力する。

本発明では、中点位置検出手段２００は、一対の位置検出手段７及び８の位置検出信号Ｐｆａ及びＰｆｂを単純な平均演算することにより中点位置信号Ｐｆｏを算出することを特徴としている。これは、位置検出信号Ｐｆａ及びＰｆｂが連続的な正弦波信号で与えられるメリットを利用したものである。

スライダ５２及び６２の位置Ｘａ，Ｘｂは、中点位置Ｘからのアーム部材９の回転によるずれを±ΔＸとするとき、Ｘａ＝Ｘ＋ΔＸ，Ｘｂ＝Ｘ−ΔＸで与えられ、共通ドライバ１００のスキャン周期をｆｏ、リニアモータのスリットピッチをＰとするとき、位置検出手段７及び８の出力は、
Ｐｆａ＝ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸａ／Ｐ） （１）
Ｐｆｂ＝ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｂ／Ｐ） （２）
で与えられる。

中点Ｘの位置Ｐｆｏは、（１），（２）式の単純加算値Ｐｆａ＋Ｐｆｂで与えられる。
Ｐｆｏ＝ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸａ／Ｐ）＋ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｂ／Ｐ）
＝ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸ／Ｐ＋２πΔＸ／Ｐ）
＋ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸ／Ｐ−２πΔＸ／Ｐ）
＝２ｃｏｓ２πΔＸ／Ｐ・ｓｉｎ２πｆｏｔ＋２πＸ／Ｐ） （３）

ここで、ずれΔＸがスリットピッチＰより十分小さい、ΔＸ＜＜Ｐであれば、（３）におけるｃｏｓ２πΔＸ／Ｐ≒１となるので、中点Ｘの位置Ｐｆｏは、
Ｐｆｏ＝２ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸ／Ｐ） （４）
で与えられる。演算によりこれを１／２倍した信号を中点Ｘの位置Ｐｆｏとする。

図２は、位置制御手段２、共通ドライバ１００、中点位置検出手段２００の詳細を示す機能ブロック図である。第１のリニアモータ５のスライダ５２のモータ部及び第２のリニアモータ６のスライダ６２のモータ部は、対応するＡ相，Ｂ相，Ｃ相夫々について同相同士を直列に接続し、共通ドライバ１００の三相インバータで転流制御する。

位置制御手段２の構成は、図４で説明した従来構成と同一であるが、位置変換及び速度変換のための周期検出手段２２には、中点位置検出手段２００で演算された中点位置信号Ｐｆｏが与えられる。共通ドライバ１００の構成及び動作は、図４で説明した従来の位置制御ドライバ３及び推力制御ドライバ４と同一である。

中点位置検出手段２００において、２０１は加算手段であり、一対の位置検出手段７及び８の位置検出信号Ｐｆａ及びＰｆｂを単純加算する。演算手段２０２はその加算値を入力し上記（３）式及び（４）式を演算して１／２倍した中点位置信号Ｐｆｏを出力する。

中点位置信号Ｐｆｏは、２ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸ／Ｐ）のようにアナログの正弦波信号で与えられるが、スキャン周期との位相差検出及び位置，速度変換のための周期検出の前段処理でコンパレータによりディジタル化されるので、振幅変動による影響が中点位置信号Ｐｆｏに誤差としてあらわれることはない。

本発明を適用したリニアアクチュエータの一実施形態を示す平面図である。 位置制御手段、共通ドライバ、中点位置検出手段の詳細を示す機能ブロック図である。 リニアアクチュエータの従来構成の一例を示す平面図である。 位置制御手段、位置制御ドライバ、推力制御ドライバの詳細を示す機能ブロック図である。 位置検出手段の具体的な構成例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ 上位装置
２ 位置制御手段
５ 第１のリニアモータ
５１ ステータ
５２ スライダ
６ 第２のリニアモータ
６１ ステータ
６２ スライダ
７，８ 位置検出手段
９ アーム部材
９ａ 中点

Claims (5)

1. 位置検出手段を備えた一対のリニアモータを有し、このリニアモータのステータを所定距離を隔てて平行に配置し、前記リニアモータのスライダ間をアーム部材で結合したリニアアクチュエータにおいて、
   前記一対の位置検出手段の出力に基づき前記スライダ間の中点位置信号を算出する中点位置検出手段と、
   前記中点位置信号と目標位置信号との偏差に基づき前記スライダを共通のドライバにより駆動する位置制御手段と、
   を備え、
   前記一対の位置検出手段の出力は、前記スライダの位置に応じて位相が変調される正弦波の位相変調信号であり、
   前記中点位置検出手段は、前記一対の位置検出手段が出力する位相変調信号を平均演算することにより前記中点位置信号を算出することを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記スライダ位置Ｘａ，Ｘｂは、前記中点位置Ｘからのずれを±ΔＸとするとき、
   Ｘａ＝Ｘ＋ΔＸ，Ｘｂ＝Ｘ−ΔＸで与えられ、
   前記ドライバのスキャン周期をｆｏ、リニアモータのスリットピッチをＰとするとき、前記夫々の位置検出手段の出力は、
   ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸａ／Ｐ），ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｂ／Ｐ）で与えられ、 前記中点位置Ｘは、これらの単純加算値、
   ２ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸ／Ｐ）で与えられることを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記中点位置ＸからのずれΔＸは、前記スリットピッチＰに対し、ΔＸ＜＜Ｐであることを特徴とする請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記中点位置検出手段の周期信号に基づき前記中点位置の位置信号及び速度信号に変換する位置変換手段及び速度変換手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記速度変換手段の速度信号と前記位置制御手段の出力との偏差に基づき、前記共通のドライバに推力を指令する速度制御手段を有することを特徴とする請求項４に記載のリニアアクチュエータ。

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