JP6727945B2 - 作動機構の原点位置検出方法並びに原点位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明はモータを使った直動機構及び減速機構などの作動機構の原点位置検出方法並びに原点位置検出装置に関する。

モータを使った位置決め機構として代表的なものとして、図６のようなボールネジを使った直動機構が知られている。この直動機構は、モータ１００の回転軸１０１にカップリング１０２を介してボールねじシャフト１０３が連結されている。ボールねじシャフト１０３にはテーブル１０４内に取り付けられたボールねじナットが螺合して取り付けられており、モータ１００の回転に伴い、ボールネジシャフト１０３が回転し、テーブル１０４をガイドレール１０５に沿って直線方向に移動する。
このような直動機構においては、電源投入時に原点位置検出を行う動作が必要である。原点位置検出動作は、テーブル１０４に遮光板１０６を設け、一方、ガイドレール１０５の原点位置に設けられたセンサ１０７（センサ１）を遮光板１０６によって遮光することで行われる。すなわち、テーブル１０４が原点方向に移動し、原点位置に達すると遮光板１０６によりセンサ１０７が遮光され、これを原点位置として検出する。
機構上に設けたセンサ１０７だけで原点位置検出を行う場合、一般的に光電センサや磁気センサが使われる。光電センサの場合、発光素子と受光素子間を光が通過、または遮断を検出することにより移動体の位置を検出している。光の通過、遮断の遷移はアナログ的に変化し、信号のＯＮ、ＯＦＦを判別する閾値レベルは温度その他の外的要因の影響を受ける。その結果、光電センサをセンサ１０７に使用した場合、±２０μｍの検出誤差が生じ、ステッピングモータの移動量では２パルス分に相当する原点位置検出のばらつきを生じる。(一例として、リード１０ｍｍのボールねじシャフトに分解能５００パルスのステッピングモータの場合)。

直動機構で位置決めをする際にはサーボモータやステッピングモータが用いられるが、高い信頼性が必要な場合、エンコーダを搭載したサーボモータが用いられる。直動機構での原点位置検出には機構上に設けたセンサ１０７とエンコーダ出力信号の零相出力（Ｚ相出力）との論理積により正確な原点位置検出を行うことができる。
一方、高精度な位置決めを安価に実現する際に、オープンループ制御のステッピングモータを用いる場合がある。回転軸１０１の原点検出には一般的に回転軸１０１に設けられた回転板の一部にスリットを入れたスリット回転板１０８と光電センサ１０９（センサ２）などが用いられる。この場合、直動機構での原点位置検出には機構上に設けたセンサ１とセンサ２の検出値に基づきコントローラ１１０の論理積により原点位置検出を行っている。

特開平０２−２９２１９０号公報

このようにステッピングモータを使用したボールねじシャフトによる直動機構において、高精度な原点復帰をするためには、機構上の原点位置検出用センサ１０７(センサ１)とステッピングモータの回転軸上の原点(Ｚ相)を検出するセンサ１０９(センサ２)の２つのセンサが必要となる。
機構上の原点位置検出用センサに生じる検出誤差の影響を避けるために、センサ１の出力と回転軸上の原点(Ｚ相)を検出するセンサ２の出力の論理積をとる必要がある。２つのセンサを使用することでセンサ出力の演算が必要であることに加え、センサ、取り付け工数、配線などのコストや設置スペースが必要であるという問題も解決すべき課題である。

本発明は、モータを使った直動機構及び減速機構などの作動機構上の原点位置検出を単一の検出器で行うことができる作動機構の原点位置検出方法並びに原点位置検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、光を遮蔽する回転板を回転操作し、この回転板の軸線上に沿って直動操作される移動体を設け、前記回転板の板面に光を通す経路を設け、前記移動体に、回転板に向けて光を伝送する伝送路を設け、前記移動体の移動経路の途中の設定箇所に、前記移動体の伝送路に向けて光を照射する光源を設け、前記移動体と反対側の回転板の他方側に配置され、前記伝送路により伝送された光が前記回転板の光を通す経路を通して通過した光を検出する光検出器を設け、前記伝送路により光を伝送する位置と、前記回転板の光を通過する経路とが一致した位置を前記移動体の原点位置として検出することにある。
また、本発明は、回転操作される回転板と、前記回転板の軸線上に沿って直動操作される移動体と、前記回転板の軸方向に設けられ、光を通す経路と、前記移動体に設けられ、光を伝送する伝送路と、前記移動体の移動経路の途中の設定箇所に設けられ、前記移動体の伝送路に向けて光を照射する光源と、前記移動体と反対側の回転板の他方側に配置され、前記伝送路により伝送された光が前記回転板の光を通す経路を通して通過した光を検出する光検出器とを備え、前記伝送路により光を伝送する位置と、前記回転板の光を通過する経路とが一致した位置を前記移動体の原点位置として検出する前記光検出器とを備えたことにある。

本発明によれば、光を遮蔽する回転板を回転操作し、この回転板の軸線上に沿って直動操作される移動体を設け、前記回転板の板面に光を通す経路を設け、前記移動体に、回転板に向けて光を伝送する伝送路を設け、前記移動体の移動経路の途中の設定箇所に、前記移動体の伝送路に向けて光を照射する光源を設け、前記移動体と反対側の回転板の他方側に配置され、前記伝送路により伝送された光が前記回転板の光を通す経路を通して通過した光を検出する光検出器を設け、前記伝送路により光を伝送する位置と、前記回転板の光を通過する経路とが一致した位置を前記移動体の原点位置として検出するので、それぞれ１つの光源と光検出器によって、原点位置を検出できることから、部品点数の削減および小型化を図ることができる。
また、本発明によれば、回転操作される回転板と、前記回転板の軸線上に沿って直動操作される移動体と、前記回転板の軸方向に設けられ、光を通す経路と、前記移動体に設けられ、光を伝送する伝送路と、前記移動体の移動経路の途中の設定箇所に設けられ、前記移動体の伝送路に向けて光を照射する光源と、前記移動体と反対側の回転板の他方側に配置され、前記伝送路により伝送された光が前記回転板の光を通す経路を通して通過した光を検出する光検出器とを備え、前記伝送路により光を伝送する位置と、前記回転板の光を通過する経路とが一致した位置を前記移動体の原点位置として検出する前記光検出器とを備えたので、それぞれ１つの光源と光検出器によって、原点位置を検出できることから、部品点数の削減および小型化を図ることができる。

原点検出に使用する信号源が発光素子の場合の回転軸及び機構の原点位置検出装置の実施の形態で原点から離れた状態を示す斜視図である。 図１の側面図である。 図１に使用した回転板を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の縦断面図である。 図１の検出部を示す側面図である。 図１の原点位置検出装置の原点検出に至る過程を示し、（ａ）は信号経路と受信部の位置を示す回転板の正面図、（ｂ）は受信部から離れた状態の側面図である。 図１の原点位置検出装置の原点検出に至る過程を示し、（ａ）は信号経路と受信部の位置が一致した状態の回転板の正面図、（ｂ）は受信部からまだ離れた状態の側面図である。（ｃ）は（ｂ）の部分拡大図である。 図１の原点位置検出装置の原点検出に至る過程で検出位置を示し、（ａ）は信号経路と受信部の位置が一致した状態の回転板の正面図、（ｂ）は信号源と受信部との経路が一致して原点位置を検出する状態の側面図である。 従来のボールネジを使った直動機構を示す概念図である。

以下本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１ないし図５は、直動機構において検出対象を光とした場合の実施の形態で、信号源にＬＥＤ等の発光素子を用いたものである。
図１および図２において、１はステッピングモータ等のモータである。このモータ１にはドライバ２およびコントローラ３がリード線等を介して電気的に接続されており、ドライバ２によって設定速度で回転駆動されるものである。モータ１の回転軸にはカップリング４を介してボールねじシャフト５が直結されている。
ボールねじシャフト５には、モータ１側端部に、板面６ａに孔７が形成された回転板６が装着されており、かつボールねじシャフト５に螺合したテーブル等の移動体８が装着されている。移動体８にはボールねじシャフト５に螺合したボールねじナット５ａが内装されており、ボールねじナット５ａと共に移動体８が移動するものである。この移動体８は、移動体８の移動方向と平行に配置された走行用のガイドレール９にスライドブロック１０を介して装着されている。スライドブロック１０は移動体８の下面に装着されたスライダー用のブロックで、断面コ字形に形成された開口部１０ａが下面側に形成されている。前記開口部１０ａをガイドレール９に組み付けることにより、スライドブロック１０は、ガイドレール９に沿って走行し、移動体８を直線運動させるものである。

前記回転板６は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、中心部に設けられた円筒状の軸部６ｂを介してボールねじシャフト５に同心状に固定されており、ボールねじシャフト５の回転に伴って回転駆動されるものである。前記回転板６の孔７と同一半径の位置で、孔７と一致するときに孔７を通過する光線を検出する検出器となる光センサ１１が固定部に取り付けられている。一方、ガイドレール９が装着されたベース板１２には、前記移動体８が原点位置にあるとき移動体８に向けて光を照射するＬＥＤ等の発光素子を用いた光源となる信号源１３が設けられている。

また、移動体８には前記信号源１３からの光を通して前記回転板６の孔７に向けて光を照射する光の伝送路となるライトパイプ１４が設けられている。このライトパイプ１４は、一端を下面側に向け、他端を前記回転板６に向けてＬ字形に折り曲げられており、前記信号源１３と一致した時に光を通過させるパイプである。このライトパイプ１４は、前記移動体８が原点位置にあるとき信号源１３の光がライトパイプ１４に一致するとともに、前記回転板６の孔７と一致するように設定されており、前記ライトパイプ１４を通過した光が前記孔７を通して光センサ１１に照射されるように信号経路が設定されているものである。

次に上記原点位置検出装置による原点位置の検出方法を図５Ａないし図５Ｃを参照しながら説明する。
図５Ａは、移動体８が原点位置から離れた状態で、発光素子の信号源１３と受信部の光センサ１１間の信号経路も不一致の状態である。すなわち、信号源１３とライトパイプ１４との位置がずれているので、ライトパイプ１４には光が通過しない状態である（図５Ａ（ｂ）参照）。また、回転板６の孔７も光センサ１１とずれた位置にあるので、光センサ１１には光が検出されない状態である（図５Ａ（ａ）参照）。
そして、モータ１の回転に伴ってボールねじシャフト５が回転し、ガイドレール９に沿って移動体８が回転板６に近づいてきた状態にあるときを図５Ｂに示している。このとき、回転板６の孔７と光センサ１１とは一致する位置にあり（図５Ｂ（ａ））、光が当たれば検出できる状態にある。しかしながら、移動体８が原点位置から離れた状態にあるため、信号源１３とライトパイプ１４との位置がずれているので、ライトパイプ１４には光が通過しない状態である（図５Ｂ（ｂ）参照）。図５Ｂ（ｃ）は、信号源１３とライトパイプ１４とは信号経路を形成していないため、回転板６の孔７には光を照射することができない。
こうして、移動体８がさらにガイドレール９に沿って移動し、信号源１３とライトパイプ１４との位置が一致し、信号源１３の光がライトパイプ１４の内部に照射され、信号源１３からライトパイプ１４への信号経路が形成される。さらに、図５Ｃ（ａ）のように回転板６の孔７も光センサ１１と一致すると、ライトパイプ１４を通して照射される光が孔７を通して光センサ１１に達する。このように信号源１３の光と信号経路が一致し、光センサ１１によって原点位置Ｐが検出され、原点位置Ｐを確認することができる（図５Ｃ（ｂ）参照）。

上記実施の形態によると、原点位置の検出は、固定部に設置した検出器に移動体が接近し、検出可能な原点からの位置および回転板等に設けた信号経路の位置が一致した状態を原点とすることにより、単一の検出器で原点位置の検出を行うことが可能となる。よって、安価で高精度の原点位置Ｐを検出することができる。

本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、例えば、検出対象は、光を光検出器で検出し、光信号をライトパイプに誘導して原点検出範囲を特定したが、信号を誘導できるものであればライトパイプに限らず反射鏡のような鏡を用いることもできる。また、移動体を操作する直動機構にモータによって駆動される回転軸を用いているがベルト機構を用いることもできる等、本発明の技術的範囲を変更しない範囲内で適宜変更して実施し得ることは言うまでもない。

１ モータ
２ ドライバ
３ コントローラ
４ カップリング
５ ボールねじシャフト
５ａ ボールねじナット
６ 回転板
６ａ 板面
７ 孔（光を通す経路）
８ 移動体
９ ガイドレール
１０ スライドブロック
１１ 光センサ（光検出器）
１２ ベース板
１３ 信号源（光源）
１４ ライトパイプ（光伝送路）

Claims (3)

1. 光を遮蔽する回転板を回転操作し、この回転板の軸線上に沿って直動操作される移動体を設け、
   前記回転板の板面に光を通す経路を設け、
   前記移動体に、回転板に向けて光を伝送する伝送路を設け、
   前記移動体の移動経路の途中の設定箇所に、前記移動体の伝送路に向けて光を照射する光源を設け、
   前記移動体と反対側の回転板の他方側に配置され、前記伝送路により伝送された光が前記回転板の光を通す経路を通して通過した光を検出する光検出器を設け、
   前記伝送路により光を伝送する位置と、前記回転板の光を通過する経路とが一致した位置を前記移動体の原点位置として検出することを特徴とする原点位置検出方法。
2. 回転操作される回転板と、
   前記回転板の軸線上に沿って直動操作される移動体と、
   前記回転板の軸方向に設けられ、光を通す経路と、
   前記移動体に設けられ、光を伝送する伝送路と、
   前記移動体の移動経路の途中の設定箇所に設けられ、前記移動体の伝送路に向けて光を照射する光源と、
   前記移動体と反対側の回転板の他方側に配置され、前記伝送路により伝送された光が前記回転板の光を通す経路を通して通過した光を検出する光検出器とを備え、
   前記伝送路により光を伝送する位置と、前記回転板の光を通過する経路とが一致した位置を前記移動体の原点位置として検出する前記光検出器とを備えたことを特徴とする原点位置検出装置。
3. 前記移動体に伝送路としてライトパイプまたは反射鏡を装着したことを特徴とする請求項２に記載の直動機構及び減速機構の原点位置検出装置。

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