JP5637457B2 - リニアモータシステム - Google Patents

Description

開示の実施形態は、リニアモータシステムに関する。

特許文献１には、可動子と固定子を有するリニアモータと、固定子側にスケールを有し、可動子側に検出部を有するリニアエンコーダと、を備えたリニアモータシステムが記載されている。

特開２００５−１６０２０９号公報（図１、図２）

上記リニアモータシステムでは、ストローク分の固定子を設ける必要があることから、長いストロークが必要な場合にはリニアモータそのものの全長が長くなり、システムが長大化するという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、システムの長大化を抑えつつストロークを確保することが可能なリニアモータシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、複数のリニアモータを有するリニアモータシステムであって、第１固定子及び第１可動子を有する第１リニアモータと、前記第１固定子及び前記第１可動子の一方に設けられた第１スケール及び他方に設けられ前記第１スケールを検出する第１検出部を有する第１リニアエンコーダと、前記第１可動子に設けられた第２固定子及び第２可動子を有する第２リニアモータと、前記第２固定子及び前記第２可動子の一方に設けられた第２スケール及び他方に設けられ前記第２スケールを検出する第２検出部を有する第２リニアエンコーダと、前記第１検出部及び前記第２検出部の検出結果に基づき、前記第１リニアモータ及び前記第２リニアモータの駆動を制御するモータ制御装置と、を備え、前記第１リニアエンコーダと前記第２リニアエンコーダは、前記第１可動子の移動方向と前記第２可動子の移動方向が平行となるように結合され、前記第２固定子の前記移動方向の寸法は、前記第１可動子の前記移動方向の寸法よりも長いリニアモータシステムが提供される。

本発明のリニアモータシステムによれば、システムの長大化を抑えつつストロークを確保することができる。

一実施形態に係るリニアモータシステムの外観及びシステム構成を表した図である。 同じストロークを有する実施形態のリニアモータシステムと単一のリニアモータとを比較して示す図である。 実施形態のリニアモータシステムと単一のリニアモータのそれぞれの最も短縮化した全長を比較して示す図である。 各コンバータの入出力信号を比較して示す図である。 ２つのリニアモータにそれぞれ対応するピッチ、分割数、及び分解能を比較して示す図である。 第１可動子と第２可動子を同時に同じ方向に移動させた場合と、同時に反対方向に移動させた場合を示す図である。

以下、一実施形態を図面を参照しつつ説明する。

＜リニアモータシステムの構成＞
図１は、一実施形態に係るリニアモータシステムの外観及びシステム構成を表した図である。この図１に示す例おいて、リニアモータシステム１００は２つのリニアモータ１，２、２つのコンバータ３，４、及び１つのサーボアンプ５を有している。

２つのリニアモータ１，２は、この例では各部の構造や寸法設定が全く同一であり、それぞれ固定子１１，２１と可動子１２，２２を備えている。この例では、特に詳細に図示はしていないが、それぞれの固定子１１，２１側が電機子として機能し、可動子１２，２２側が界磁として機能している。なお、この例に限られず、固定子１１，２１と可動子１２，２２が相互に逆の機能を有してもよい。各固定子１１，２１に対して後述するサーボアンプ５から個別に制御電力が供給されることにより、各可動子１２，２２は対応する固定子１１，２１の長手方向に沿って個別に直線往復移動するよう制御される。

そして、２つのリニアモータ１，２は、それぞれの長手方向（可動子１２，２２の移動方向）が互いに平行な状態で、一方の可動子１２に他方の固定子２１を固定的に結合している。以下では適宜、結合している可動子１２を備える側のリニアモータ１を「第１リニアモータ１」と記載し、結合している固定子２１を備える側のリニアモータ２を「第２リニアモータ２」と記載する。また、第１リニアモータ１を構成しているものを「第１固定子１１」及び「第１可動子１２」と記載し、第２リニアモータ２を構成しているものを「第２固定子２１」及び「第２可動子２２」と記載する。

また、各リニアモータ１，２は、それぞれ固定子１１，２１側に設けられたリニアスケール１３，２３と、可動子１２，２２側に設けられた検出部１４，２４とで構成されるリニアエンコーダ１５，２５を備えている。各可動子１２，２２が対応する固定子１１，２１に対して相対移動することにより、それぞれの相対変位量に対応する位相の正弦波状のアナログ信号が各可動子１２，２２の検出部１４，２４から出力される（後述の図４参照）。なお、第１リニアモータ１が備えるリニアエンコーダ１５が各請求項記載の第１リニアエンコーダの一例に相当し、このリニアエンコーダ１５を構成するリニアスケール１３と検出部１４がそれぞれ各請求項記載の第１スケール及び第１検出部の一例に相当する。また、第２リニアモータ２が備えるリニアエンコーダ２５が各請求項記載の第２リニアエンコーダの一例に相当し、このリニアエンコーダ２５を構成するリニアスケール２３と検出部２４がそれぞれ各請求項記載の第２スケール及び第２検出部の一例に相当する。なお、上記構成に限られず、固定子１１，２１側に検出部を設け、可動子１２，２２側にリニアスケールを設ける構成としてもよい。

２つのコンバータ３，４は、それぞれ対応するリニアモータ１，２の検出部１４，２４が検出したアナログ信号を入力し、それらアナログ信号を後述のサーボアンプ５が読み取り可能でかつ各リニアモータ１，２の駆動位置を計測可能なシリアル形式のデジタル信号に変換する。またこれら２つのコンバータ３，４は、所定のパラメータを変更することで信号のＡ／Ｄ変換処理における分解能を任意に設定できる（後述の図４、図５参照）。以下では適宜、第１リニアモータ１に対応するコンバータ３を「第１コンバータ３」と記載し、第２リニアモータ２に対応するコンバータ４を「第２コンバータ４」と記載する。なお、第１コンバータ３が各請求項記載の第１信号処理部の一例に相当し、第２リニアモータ２に対応するコンバータ４が第２コンバータ４となり、各請求項記載の第２信号処理部の一例に相当する。

サーボアンプ５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及びパワーアンプ等を有し、上記２つのコンバータ３，４から入力されたデジタル信号に基づいて各リニアモータ１，２の駆動位置を算出し、それら位置情報を統合して２つのリニアモータ１，２の駆動制御を行う。この駆動制御として具体的には、この例における各リニアモータ１，２の電機子である固定子１１，２１に対して個別に制御電力を供給することにより、各可動子１２，２２が個別に所望の推進力、移動速度、及び位置を得られるよう制御する。なお、このサーボアンプ５が各請求項記載のモータ制御装置の一例に相当する。

＜システムの長さと得られるストローク＞
以上のように構成されるリニアモータシステム１００においては、２つのリニアモータ１，２の結合体全体における総ストロークＳ、つまり第１固定子１１に対する第２可動子２２の相対移動可能距離が、図２（ａ）に示すように各リニアモータ１，２における可動子１２，２２の個別ストロークｓ１，ｓ２を合算した長さで得られる。仮に、この総ストロークＳと同じ長さのストロークを単体のリニアモータ２００で得るためには、図２（ｂ）に示すような長尺の固定子２１１が必要となる。

しかし、それぞれの固定子１１，２１，２１１はその全体の長さが不変であるため、図３（ｂ）に示すように単体のリニアモータ２００における全体の長さは長尺のまま不変である。しかしその一方で、本実施形態のリニアモータシステム１００におけるリニアモータ結合体１，２では、図３（ａ）に示すように２つの固定子１１，２１の両端を揃えるように第１可動子１２を位置させることで、全体の長手方向の長さを大幅に短くすることができる。つまり、図３での比較で明らかなように、本実施形態のリニアモータシステム１００はシステム全体の長大化を抑えつつ総ストロークＳを長めに確保できる。

なお図示する例では、第１可動子１２が第２固定子２１に対してその長手方向略中央位置で固定されているため、第１可動子１２が第１固定子１１の中立位置（個別ストロークｓ１の中央位置）に位置している際にリニアモータシステム１００全体を最も短尺化できる。しかし、このような長手方向中央位置での固定構成に限らずに、第１可動子１２が第２固定子２１の実質固定子長（後に詳述）の範囲内であればどの位置で結合しても同等の短尺化と総ストロークＳの確保が可能である。

＜リニアエンコーダの分解能＞
図４は、各コンバータ３，４の入出力信号を比較して示す図であり、図４（ａ）は第１コンバータ３の入力信号と出力信号を重ねて示し、図４（ｂ）は第２コンバータ４の入力信号と出力信号を重ねて示している。各図において、正弦波状のアナログ値で示している信号が入力信号（各可動子１２，２２の検出部１４，２４からの出力信号）であり、離散値のレベルで示している信号が出力信号（サーボアンプ５への入力信号）を示している。なお各図における横軸は時間軸ではなく、それぞれ対応する可動子１２，２２の変位を示している。

まず、各入力信号は、各リニアエンコーダ１５，２５において検出器１４，２４がリニアスケール１３，２３との間の透過光あるいは反射光の強度を検出したものであり、固定子１１，２１に対する可動子１２，２２の相対移動に連動したいわゆるモアレ縞の周期的な位相変化を示している。このモアレ縞の位相変化の検出については公知の手法を用いるものとし、ここでは詳細な説明を省略する。第１リニアモータ１と第２リニアモータ２のそれぞれから検出される正弦波状のアナログ信号の間では、振幅と、可動子基準位置０における位相（０°）が同じであるものの、可動子変位に対する変化周期が相違しており、この例では第１リニアモータ１からの入力信号の方が周期が長く、第２リニアモータ２からの入力信号の方が周期が短い。以下においてはこのアナログ信号の周期をピッチといい、このピッチはリニアモータ１，２側におけるリニアスケール１３，２３と検出器１４，２４のハードウェア的な設定により決定される。

これら正弦波状の入力信号に対して、各コンバータ３，４は、それぞれの１ピッチ（１周期）分の可動子変位距離においてどれだけのサンプル数で分割して標本化するかを定義するパラメータを任意に設定できる。以下においてはこのパラメータを分割数といい、図示する例では第１コンバータ３側で分割数が１２に、第２コンバータ４側で分割数が１６に設定されている。なお、各コンバータ３，４の出力信号は、その時点で標本化された離散値レベルに対応する符号付きの直列ビットデータ、つまり上述したシリアル形式のデジタル信号で出力される。なお、上述したように図４（ａ）、図４（ｂ）の各横軸は時間軸ではなく各可動子１２，２２の変位を示しているため、上記の「周期（ピッチ）」や「分割数」は可動子変位の変化に連動して適用されるパラメータであり、それぞれの単位は例えば「μｍ（ピッチ）」や「個数（分割数）」となる。

以上説明した本実施形態の場合における信号処理の各パラメータの比較を、図５にまとめて示す。上記図４に示したように、第１リニアモータ１の検出部１４から検出される正弦波アナログ信号のピッチは相対的に長く、第２リニアモータ２の検出部２４から検出される正弦波アナログ信号のピッチは相対的に短い。また、第１コンバータ３におけるアナログ信号の分割数は相対的に少なく（１２）、第２コンバータ４におけるアナログ信号の分割数は相対的に多い（１６）。

ここで、一般にピッチ（μｍ）を分割数（個数）で割った値がリニアエンコーダの分解能となる。この分解能の値は、対応する各リニアモータにおける可動子変位の変化に対する検出精度の高さを示す指標となる。そして図５に示すピッチと分割数の対比関係から、必然的に第２リニアエンコーダ２５の分解能が第１リニアエンコーダ１５の分解能よりも高いことになる。この分解能が高い場合には、対応するコンバータにおいて処理するビット量が多くなるため、可動子を移動させる際の最高速度が制限される。しかし分解能が低い場合には、逆にコンバータで処理するビット量が少なくなるため、比較的速い速度で可動子を移動させることができる。これにより本実施形態のリニアモータシステム１００では、分解能の低い第１リニアモータ１で第２可動子２２の迅速な粗動制御を行い、分解能の高い第２リニアモータ２で第２可動子２２の変位を微調整できる。

＜リニアモータシステムの最高速度と最低速度＞
また、一般的な単体のリニアモータでは、制御できる可動子の最高速度と最低速度の間の速度範囲が定格値で有限的に限定される。しかし本実施形態のリニアモータシステム１００では、図６（ａ）に示すように、第１可動子１２と第２可動子２２を同時に同じ方向に移動させるようサーボアンプ５が駆動制御することで、第１リニアモータ１と第２リニアモータ２の速度ｖ１、ｖ２を合計した最高速度Ｖｍａｘを得ることができ、通常の単体での定格最高速度を超えた速い移動速度を得ることができる。また、図６（ｂ）に示すように、第１可動子１２と第２可動子２２を同時に反対方向に移動させるようサーボアンプ５が駆動することで、第１リニアモータ１と第２リニアモータ２の速度ｖ１、ｖ２の差分による最低速度Ｖｍｉｎを得ることができ、通常の単体での定格最低速度を下回る遅い移動速度を得ることができる。

＜実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態のリニアモータシステム１００によれば、総ストロークＳが第１リニアモータ１の個別ストロークｓ１と第２リニアモータ２の個別ストロークｓ２を合計したものとなるので、長い総ストロークＳを確保できると共に、中立状態におけるシステム全長はいずれかのリニアモータ（本実施形態の例では第１、第２リニアモータ１，２の両方。各リニアモータのストロークが異なる場合には最もストロークの長いリニアモータ）の全長程度に抑えることが可能となる。したがって、システムの長大化を抑えつつストロークを確保することができる。

また、本実施形態では特に、第１リニアモータ１の第１リニアエンコーダ１５と第２リニアモータ２の第２リニアエンコーダ２５の分解能を異ならせている。これにより、サーボアンプ５が第１リニアモータ１と第２リニアモータ２の駆動を切り替えることで、駆動中に分解能を任意に変更（選択）することが可能となる。その結果、リニアエンコーダの分解能が低い方の第１リニアモータ１を粗動に用い、リニアエンコーダの分解能が高い方の第２リニアモータ２を微動に用いることによって、粗微動一体型のリニアモータシステム１００を実現することができる。

また、本実施形態では特に、第１リニアエンコーダ１５と第２リニアエンコーダ２５のそれぞれにおけるピッチを異ならせることにより、次のような効果を得る。すなわち、単一のリニアモータを用いるシステムの場合、高精度な位置決めを行うにはピッチが小さなリニアエンコーダをストロークの全体に亘って設ける必要があり、コストが高くなるという問題がある。本実施形態では、微動用の第２リニアモータ２の個別ストロークｓ２部分のみにピッチが小さな第２リニアエンコーダ２５を設ければよいので、コストを削減できる。

また、本実施形態では特に、第１リニアエンコーダ１５と第２リニアエンコーダ２５のそれぞれにおけるピッチのみでなく、さらに第１コンバータ３と第２コンバータ４のそれぞれにおける信号の分割数を異ならせる。これにより、両者の分解能の組み合わせが多様となり、要求される仕様に柔軟に対応可能なリニアモータシステム１００を実現することができる。

また、本実施形態によれば、次のような効果をも得る。すなわち、単一のリニアモータを用いるシステムの場合、リニアエンコーダにおけるピッチやコンバータの分割数を駆動中に任意に切り替えることができない（分解能が一定）ので、最高速度と最低速度の間の速度範囲が比較的狭い範囲に制限され、汎用性が低い。これに対し、本実施形態によれば、前述したようにサーボアンプ５が第１可動子１２と第２可動子２２を同時に同じ方向に駆動することで、第１リニアモータ１と第２リニアモータ２の速度ｖ１、ｖ２を合計した最高速度Ｖｍａｘを得ることができる。また、サーボアンプ５が第１可動子１２と第２可動子２２を同時に反対方向に駆動することで、第１リニアモータ１と第２リニアモータ２の速度差による最低速度Ｖｍｉｎを得ることができる。したがって、上記単一のリニアモータを用いる場合に比べて最高速度と最低速度の速度範囲を大幅に拡大することが可能となり、汎用性を向上できる。

なお、同様の手法によって、第１固定子１１に対する第２可動子２２の推力についても最高推力と最低推力の推力範囲を大幅に拡大することも可能であり、汎用性を向上できる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態では、２つのリニアモータ１，２を結合してリニアモータシステム１００を構成していたが、本発明はこれに限られず、３つ以上のリニアモータを結合して構成してもよい。

また、上記実施形態では、各コンバータ３，４が各リニアエンコーダ１５，２５及びサーボアンプ５と別体として構成されていたが、これに限られない。例えば、各コンバータ３，４をそれぞれ対応する各リニアエンコーダ１５，２５と一体に構成して各リニアモータ１，２が備えてもよいし、または各コンバータ３，４をサーボアンプ５と一体に構成してもよい。

また、本実施形態では、第１リニアモータ１に対応する第１リニアエンコーダ１５の分解能を低くして当該第１リニアモータ１を粗動に用い、第２リニアモータ２に対応する第２リニアエンコーダ２５の分解能を高くして当該第２リニアモータ２を微動に用いていたが、これに限られない。すなわち、各リニアエンコーダ１５，２５の分解能の対応関係を反対にして第１リニアモータ１を微動に用い、第２リニアモータ２を粗動に用いてもよい。また、それぞれの場合の仕様を、上記図５に示した以外の組み合わせを適用して実現してもよい。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 第１リニアモータ
２ 第２リニアモータ
３ 第１コンバータ（第１信号処理部）
４ 第２コンバータ（第２信号処理部）
５ サーボアンプ（モータ制御装置）
１１ 第１固定子
１２ 第１可動子
１３ 第１リニアスケール（第１スケール）
１４ 第１検出部
１５ 第１リニアエンコーダ
２１ 第２固定子
２２ 第２可動子
２３ 第２リニアスケール（第２スケール）
２４ 第２検出部
２５ 第２リニアエンコーダ
１００ リニアモータシステム
２００ 単一のリニアモータ

Claims (5)

1. 複数のリニアモータを有するリニアモータシステムであって、
   第１固定子及び第１可動子を有する第１リニアモータと、
   前記第１固定子及び前記第１可動子の一方に設けられた第１スケール及び他方に設けられ前記第１スケールを検出する第１検出部を有する第１リニアエンコーダと、
   前記第１可動子に設けられた第２固定子及び第２可動子を有する第２リニアモータと、
   前記第２固定子及び前記第２可動子の一方に設けられた第２スケール及び他方に設けられ前記第２スケールを検出する第２検出部を有する第２リニアエンコーダと、
   前記第１検出部及び前記第２検出部の検出結果に基づき、前記第１リニアモータ及び前記第２リニアモータの駆動を制御するモータ制御装置と、を備え、
   前記第１リニアエンコーダと前記第２リニアエンコーダは、前記第１可動子の移動方向と前記第２可動子の移動方向が平行となるように結合され、
   前記第２固定子の前記移動方向の寸法は、前記第１可動子の前記移動方向の寸法よりも長い
   ことを特徴とするリニアモータシステム。
2. 前記第１リニアエンコーダと前記第２リニアエンコーダは、
   分解能が異なる
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータシステム。
3. 前記第１スケールと前記第２スケールは、
   ピッチが異なる
   ことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータシステム。
4. 前記第１検出部からのアナログ信号をデジタル信号に変換する第１信号処理部と、
   前記第２検出部からのアナログ信号をデジタル信号に変換する第２信号処理部と、をさらに有し、
   前記第１信号処理部と前記第２信号処理部は、
   信号の分割数が異なる
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のリニアモータシステム。
5. 前記モータ制御装置は、
   前記第１可動子と前記第２可動子が同時に同じ方向又は反対方向に駆動するように制御する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリニアモータシステム。
   

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