JP4734876B2 - 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関する。

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５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。

１は上位装置であり、パルス信号による目標位置信号Ｐｓを第１位置制御手段２及び第２位置制御手段３に与える。第１位置制御手段２は、この目標位置信号Ｐｓと後述の第１リニアモータ６の位置検出信号Ｐｆａとの偏差を演算して第１位置制御ドライバ４に推力指令Ｆ１を出力する。

同様に、第２位置制御手段３は、この目標位置信号Ｐｓと後述の第２リニアモータ７の位置検出信号Ｐｆｂとの偏差を演算して第２位置制御ドライバ５に推力指令Ｆ２を出力する。

６は第１リニアモータであり、６１は固定配置されるステータ、６２はモータ部を有するスライダである。７は第２リニアモータであり、７１は固定配置されるステータ、７２はモータ部を有するスライダである。

８は、第１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Ｐｆａは、第１位置制御手段２にフィードバックされる。９は、第２リニアモータ７のスライダ７２の位置検出手段であり、その位置検出信号Ｐｆｂは、第２位置制御手段３にフィードバックされる。

第１位置制御ドライバ４は、第１リニアモータ６のスライダ６２のモータ部に駆動電流Ｉ１を与える。第２位置制御ドライバ５は、第２リニアモータ７のスライダ７２のモータ部に駆動電流Ｉ２を与える。

第１リニアモータ６のステータ６１と第２リニアモータ７のステータ７１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間をリジッドに結合している。

アーム部材１０において、Ｘａは第１位置制御手段２で位置制御された第１リニアモータ６のスライダ６２の位置、Ｘｂは第２位置制御手段３で位置制御された第２リニアモータ７のスライダ７２の位置を示す。

図６は、第１位置制御手段２及び第１位置制御ドライバ４の詳細を示す機能ブロック図である。第２位置制御手段３及び第２位置制御ドライバ５の構成は、第１位置制御手段２及び第１位置制御ドライバ４の構成と同一のため、詳細表示を省略してある。

第１リニアモータ６のスライダ６２のモータ部及び第２リニアモータ７のスライダ７２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。

第１及び第２位置制御ドライバ４及び５の回路構成及び各モータ部の構成と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。

位置検出手段８及び９の具体的な構成及び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８及び９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。

各位置制御ドライバ４，５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各位置制御手段２，３からの推力指令Ｆ１，Ｆ２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。

第１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８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Ｆ１を位置制御ドライバ４に出力する。第２位置制御手段３及び第２位置制御ドライバ５の構成及び動作も同一である。

図５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。従来の位置制御では、共通の目標位置信号Ｐｓに対し第１位置制御手段２及び第２位置制御手段３には、夫々の制御対象であるリニアモータのスライダの位置検出信号Ｐｆａ及びＰｆｂがフィードバックされ、各スライダ位置Ｘａ及びＸｂは独立して位置制御される。

この場合、各スライダは、制御開始点位置を基準にした移動量により位置が制御されるため、制御開始点の位置関係に、ガイドのアンバランスや外力によりばらつきがあると、それがそのまま姿勢ずれとして残留する。

従って、そのスライダ６２の位置Ｘａとスライダ７２の位置Ｘｂは、図示のようにＸ軸方向の位置ずれが発生し、この位置ずれは各リニアモータの独立した位置制御では本質的に補正することができない。従って、アーム部材１０のＹ軸方向位置では各点で位置制御の精度がばらつくこととなり、高精度の位置決め制御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アーム部材で結合するリニアモータで発生する各モータ間の位置誤差を補正して高精度の位置決め制御を可能とす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の和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、
前記一対の位置検出手段の出力の差に基づき前記スライダ間の位置誤差信号を算出する位置誤差検出手段と、
前記中点位置信号と目標位置信号との偏差に基づく推力指令によりドライバを介して前記リニアモータのスライダを駆動する中点位置制御手段と、
前記位置誤差信号を演算した補正信号を前記推力指令に差動的に重畳させる姿勢制御手段と、
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し、
前記位置誤差検出手段は、前記一対の位置検出手段が出力する位相変調信号の位相差を演算することにより前記位置誤差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）前記一対のリニアモータスライダ位置Ｘａ，Ｘｂは、前記中点位置Ｘｃからのずれを±ΔＸとするとき、
Ｘａ＝Ｘｃ＋ΔＸ，Ｘｂ＝Ｘｃ−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信号は、
ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸａ／Ｐ），ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｂ／Ｐ）で与えられ、 前記中点位置信号Ｐｆｃは、これらの単純加算値、
２ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｃ／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）前記一対のリニアモータスライダ位置Ｘａ，Ｘｂは、前記中点位置Ｘｃからのずれを±ΔＸとするとき、
Ｘａ＝Ｘｃ＋ΔＸ，Ｘｂ＝Ｘｃ−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信号は、
ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸａ／Ｐ），ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｂ／Ｐ）で与えられ、 前記位置誤差信号Ｐｅは、これら出力信号の位相差、２π・２ΔＸ／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。

（４）前記中点位置Ｘｃ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）又は（３）に記載のリニアアクチュエータ。

（５）前記中点位置制御手段は、中点位置信号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（４）のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。

（６）前記姿勢制御手段は、位置誤差信号の位相差に基づき前記スライダ間の位置誤差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（４）のいずれか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、この位置を各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。

（２）各スライダの制御開始点での位置関係のばらつきは、位置誤差検出手段により検出され、姿勢制御手段により各リニアモータの推力を差動的に修正することで補正されるので、アーム部材の各点の位置制御精度のばらつきを解消することが可能となる。

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５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と共に、スライダ間の位置誤差を修正する姿勢制御手段を備えることにより位置制御の精度を高めることを主眼としている。

図１において、１００は中点位置制御手段、２００は姿勢制御手段、３００は中点位置検出手段、４００は位置誤差検出手段である。中点位置制御手段１００は、目標位置信号Ｐｓと中点位置検出手段３００からの中点位置信号Ｐｆｃとの偏差に基づく共通の推力指令Ｆｃを算出して第１位置制御ドライバ４及び第２位置制御ドライバ５に与え、一対のスライダのモータを一つのモータとして位置制御する。

姿勢制御手段２００は、位置誤差ゼロの目標値と位置誤差検出手段４００からの位置誤差検出信号Ｐｅとの偏差に基づく補正信号Ｆｅを算出し、加算器５０１及び減算器５０２により共通の推力指令Ｆｃにこれを差動的に重畳させて位置誤差がゼロとなる姿勢制御を実行する。

中点位置検出手段３００は、加算器３０１と平均演算器３０２よりなり、一対の位置検出手段８及び９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Ｐｆｃ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６２及び７２の位置Ｘａ，Ｘｂは、中点位置Ｘｃ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＝Ｘｃ＋ΔＸ，Ｘｂ＝Ｘｃ−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Ｘｃの位置検出信号Ｐｆｃは、（１），（２）式の単純加算値Ｐｆａ＋Ｐｆｂで与えられる。
Ｐｆｃ＝ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸａ／Ｐ）＋ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｂ／Ｐ）
＝ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｃ／Ｐ＋２πΔＸ／Ｐ）
＋ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｃ／Ｐ−２πΔＸ／Ｐ）
＝２ｃｏｓ２πΔＸ／Ｐ・ｓｉｎ２πｆｏｔ＋２πＸｃ／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Ｘｃの位置信号Ｐｆｃは、
Ｐｆｃ＝２ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｃ／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Ｘｃの位置信号Ｐｆｃとする。

位置誤差検出手段４００は、一対の位置検出手段８及び９の位置検出信号Ｐｆａ及びＰｆｂを、バッファを介して入力する位相差検出器４０１よりなり、位置検出信号Ｐｆａ及びＰｆの差より導かれる位相差を算出する。

（１）式及び（２）式より、
Ｐｆａ＝ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸａ／Ｐ）
＝ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｃ／Ｐ＋２πΔＸ／Ｐ） （５）
Ｐｆｂ＝ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｂ／Ｐ）
＝ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｃ／Ｐ−２πΔＸ／Ｐ） （６）
（５）式及び（６）式より、両者の位相差は２π・２ΔＸ／Ｐとなり、ΔＸ＜＜Ｐであれば、転流制御の理論からこの位相差が位置誤差検出信号Ｐｅとなる。

図２は、中点位置制御手段１００、第１位置制御ドライバ４、姿勢制御手段２００の詳細を示す機能ブロック図である。第２位置制御ドライバ５の構成は、第１位置制御ドライバ４と同一のため、詳細表示を省略してある。

第１リニアモータ６のスライダ６２のモータ部及び第２リニアモータ７のスライダ７２のモータ部は、三相モータ構成とされ、Ａ相，Ｂ相，Ｃ相夫々について位置制御ドライバ４及び５の三相インバータで転流制御される。第２リニアモータ７においても同様である。

中点位置制御手段１００の構成は、図６で説明した従来の第１位置制御手段２の構成と基本的に同一である。積算カウンタ１０１、周期検出手段１０２、位置変換手段１０３、速度変換手段１０４、位置制御手段１０５、速度制御手段１０６の機能は、図６の構成要素２１乃至２６と同一機能を有する。

本発明特有の構成としては、位置変換及び速度変換のための周期検出手段１０２には、中点位置検出手段３００で算出された中点位置信号Ｐｆｃが与えられ、第１位置制御ドライバ４の転流信号が第２位置制御ドライバ５の転流信号として与えられる。

姿勢制御手段２００の構成は、基本的に中点位置制御手段１００の構成と同一である。位置誤差検出手段４００からの位相差信号Ｐｅは、位置変換手段２０３及び速度変換手段２０４に入力され、夫々位置及び速度のフィードバック信号Ｐｆｅ及びＶｆｅに変換される。

位置制御手段２０５は、位置誤差の設定値ゼロと位置変換手段２０３からのフィードバック信号Ｐｆｅとの偏差を演算して速度指令Ｖｉｅを出力する。速度制御手段２０６は、この速度指令Ｖｉｅと速度変換手段２０４からのフィードバック信号Ｖｆｅとの偏差を演算して推力の補正信号Ｆｅを出力する。

中点位置検出手段３００において、３０１は加算器であり、一対の位置検出手段８及び９の位置検出信号Ｐｆａ及びＰｆｂを単純加算する。平均演算器３０２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Ｐｆｃを出力する。

中点位置信号Ｐｆｃ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Ｐｆｃに誤差としてあらわれることはない。

図３は、本発明の他の実施形態を示すリニアアクチュエータの平面図である。この実施形態の基本構成は、一対の位置検出手段と目標位置信号との偏差に基づく推力指令によりリニアモータのスライダをドライバを介して駆動する一対の位置制御手段とを備えており、図５に示した従来のリニアアクチュエータと同一構成である。

この実施形態の特徴は、一対の位置検出手段の位置検出信号の差から算出した補正信号を一対の位置制御手段への目標位置信号に差動的に重畳させる位置誤差修正手段を設けた点にある。

６００は位置誤差修正手段であり、補正手段６０１、加算器６０２、減算器６０３を備えている。補正手段６０１は、位置検出手段８の位置検出信号Ｐｆａと位置検出手段９の位置検出信号Ｐｆｂの差信号と設定値ゼロとの偏差を演算した補正信号Ｍｅを算出する。

この補正信号Ｍｅは、加算器６０２及び減算器６０３により目標位置信号Ｐｓに差動的に重畳され、目標位置信号Ｐｓ１及びＰｓ２として第１位置制御手段２及び第２位置制御手段３に入力される。

図４は、第１位置制御手段２、第１位置制御ドライバ４、位置誤差修正手段６００の詳細を示す機能ブロック図である。第２位置制御手段３及び第２位置制御ドライバ５の構成は、第１位置制御２及び第１位置制御ドライバ４と同一のため、詳細表示を省略してある。

第１位置制御ドライバ４及び第２位置制御ドライバ５構成は、図６に示した従来構成と同一である。第１位置制御手段２及び第２位置制御手段３の構成は、図６に示した従来構成と同一であるが、位置変換手段２３の出力Ｐｆをパルス信号に戻すパルス変換器２７が追加されている。これは、上位装置１からの目標位置信号Ｐｓの信号形態に合わせるためである。

誤差修正手段６００において、６０４及び６０５は積算カウンタであり、 第１位置制御手段２のパルス変換器２７及び第２位置制御手段３のパルス変換器３７（図示せず）からの位置信号パルスを積算する。これら積算カウンタの出力は減算器６０６で位置誤差が算出される。算出された位置誤差と設定値ゼロとの偏差が補正手段６０１で演算され補正信号Ｍｅが算出され、加算器６０２及び減算器６０３に導かれる。

上位装置１からの目標位置信号Ｐｓは、積算カウンタ６０７及び６０８で積算される。これら積算カウンタの出力は、加算器６０２及び減算器６０３に導かれて補正信号Ｍｅが差動的に重畳される。

加算器６０２及び減算器６０３の出力は、パルス変換器６０９及び６１０により再びパルス信号に戻され、第１位置制御手段２及び第２位置制御手段３へ補正された目標位置信号Ｐｓ１及びＰｓ２として入力される。

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１の回路構成の詳細を示す機能ブロック図である。 本発明の他の実施形態を示すリニアアクチュエータの平面図である。 図３の回路構成の詳細を示す機能ブロック図である。 従来のリニアアクチュエータの一例示す平面図である。 図５の回路構成の詳細を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ 上位装置
４ 第１位置制御ドライバ
５ 第２位置制御ドライバ
６ 第１リニアモータ
７ 第２リニアモータ
６１，７１ ステータ
６２，７２ スライダ
８，９ 位置検出手段
１０ アーム部材
Ｃ 中点
１００ 中点位置制御手段
２００ 姿勢制御手段
３００ 中点位置検出手段
３０１ 加算器
３０２ 平均値演算器
４００ 位置誤差検出手段
４０１ 位相差検出器
５０１ 加算器
５０２ 減算器

Claims (6)

1. 位置検出手段を備えた一対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の和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、
   前記一対の位置検出手段の出力の差に基づき前記スライダ間の位置誤差信号を算出する位置誤差検出手段と、
   前記中点位置信号と目標位置信号との偏差に基づく推力指令によりドライバを介して前記リニアモータのスライダを駆動する中点位置制御手段と、
   前記位置誤差信号を演算した補正信号を前記推力指令に差動的に重畳させる姿勢制御手段と、
   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し、
   前記位置誤差検出手段は、前記一対の位置検出手段が出力する位相変調信号の位相差を演算することにより前記位置誤差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. 前記一対のリニアモータのスライダ位置Ｘａ，Ｘｂは、前記中点位置Ｘｃからのずれを±ΔＸとするとき、
   Ｘａ＝Ｘｃ＋ΔＸ，Ｘｂ＝Ｘｃ−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信号は、
   ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸａ／Ｐ），ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｂ／Ｐ）で与えられ、 前記中点位置信号Ｐｆｃは、これらの単純加算値、
   ２ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｃ／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. 前記一対のリニアモータのスライダ位置Ｘａ，Ｘｂは、前記中点位置Ｘｃからのずれを±ΔＸとするとき、
   Ｘａ＝Ｘｃ＋ΔＸ，Ｘｂ＝Ｘｃ−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信号は、
   ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸａ／Ｐ），ｓｉｎ（２πｆｏｔ＋２πＸｂ／Ｐ）で与えられ、 前記位置誤差信号Ｐｅは、これら出力信号の位相差、２π・２ΔＸ／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。
4. 前記中点位置Ｘｃ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又は３に記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記中点位置制御手段は、中点位置信号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４のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
6. 前記姿勢制御手段は、位置誤差信号の位相差に基づき前記スライダ間の位置誤差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４のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。

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