JPH02146981A - リニアセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、リニアサーボモータにより高速搬送装置、高
速位置決めロボット等を構成するためのリニアセンサに
関する。

（従来の技術） 近年、各種のＯＡ機器、ロボット、あるいは高速搬送装
置等には、回転直進機構が不要で高速。

高精度化が比較的容易なリニアサーボモータ（以下、Ｌ
・サーボモータと記す）が多く用いられている。

第９図は、そのようなし・サーボモータの一実施例を示
す斜視図で、直流で動作する可動磁石形のブラシ付し・
サーボモータである。

７０は固定鉄心、７１は磁極歯、７２は駆動コイルで。

整流子セグメント７３に接続されている。７４は可動子
７５と一体になって上記整流子セグメント７３に接触し
て走行するブラシ、７６はブラシ７４を介して駆動コイ
ル７２に電流を供給する給電ケーブルである。

可動子７５は、磁極ヨーク７７と永久磁石７８とにより
構成され、固定鉄心７０の長さ方向に移動可能な。

図示しない走行ガイドを有している。

７９は位置を検出するための、可動子７５に固定された
リニアエンコーダのヘッド部で、固定側のガラススケー
ル８０と対で構成される。

第１０図は、第９図の構成のし・サーボモータの駆動回
路の制御系のブロック図である。

関数発生器８１は、位置指令信号８２を出力し、その出
力とリニアエンコーダ８３の出力のインクリメンタリ位
置のフィードバック信号８４とを偏差カウンタ８５で演
算し、Ｄ／Ａコンバータ８６により速度指令信号８７を
作成する。

また、速度フィードバック信号８８は、リニアエンコー
ダ８３の信号からＦ／Ｖ変換柵８９により作成される。

速度差分演算器９０により出力される速度差分信号９１
は、増幅器９２で電流増幅されて、ブラシ７４（第９図
）により選択された駆動コイルを駆動する。

位置決めの動作は、関数発生器８１からの位置指令信号
パルス数と、リニアエンコーダ８３から帰還されるパル
スの数が等しくなるまで位置指令信号８２が発生して、
リニアモータの駆動コイルを駆動する。そのため、関数
発生器８１からのパルス数を管理することにより、任意
の場所に可動子７５（第９図）を位置決め可能である５
なお、その位置決め前の基準位置設定用の原点復帰動作
、加速または減速プロフィールの制御は、従来の考え方
が適用される。

、（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述のような従来例は可動子をより高速
化し、高頻度往復運転し、あるいは長ストローク運転を
行う場合、高頻度、高速の運転する可動子の給電ケーブ
ルに大きなストレスを発生させ、したがって、ケーブル
芯線類に断線を来すことになり、また、長ストローク運
転する構成ではケーブルの布線の方法も困難である。

従来、上記問題を解決するため、ホール素子等を用いて
可動子位置に応じたコイル切換え信号を作成することに
よりブラシをなくし、したがって、ケーブルを使わなく
したり、また、リニアセンサヘッドへの給電ケーブルは
、そのヘッドを固定し、ガラススケールを可動子側に取
り付け、それを移動可能にすることにより、そのリニア
センサケーブルも無くすることが行われている。

しかし、可動子の長さに比し移動長が大幅に大きいとき
は、その移動長をカバーする長尺のガラススケールが可
動子とともに移動するので、スペース面や所定の精度で
ガラススケールを可動子に固定することが困難で、決定
的な問題点の解決ができない。

本発明は上述に鑑み、Ｌ・サーボモータの可動子位置検
出用のりニアセンサにおける、可動子に給電ケーブルが
不要なリニアセンサの提供を目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を、ホトトランジスタ（以下、ＰＴ
ｒと略す）を光検出素子として、可動子が移動する長手
方向に直線的に配列したＰＴｒアレイと、上記ＰＴｒを
走査する電流スイッチアレイとを備えてなるイメージセ
ンサと、これにレンズを介して対設した長手方向に複数
配置した光源と、この光源と上記レンズとの間の間隙を
非接触で長手方向に移動するセンサヨークを備えたサー
ボモータの可動子とからなり、上記センサヨークによっ
て前記イメージセンサのＰＴｒアレイへの入力光を一部
遮断させることにより、［４・サーボモータの可動子（
以下、単に可動子という）の任意の位置を検出する構成
によって達成する。

（作　用） 以上のように構成する本発明は、可動子には光遮断のた
めのセンサヨークだけを装着することにより、可動子の
位置が検出可能になるから、従来のような給電ケーブル
類が全く不要となり、したがって、給電ケーブルの寿命
や信頼性等を危惧する必要がなくなる。

（実施例） 以下１本発明の実施例を図面により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例のし・サーボモータ用リニア
センサの構成を示す斜視図で、０は固定子鉄心、〕は固
定子磁極歯で、駆動コイル２が巻回されている。３は可
動子であり、永久磁石４と磁極ヨーク５によって構成さ
れている。また、可動子３が固定子鉄心Ｏの上を設定さ
れた間隙を保って長手方向に移動するように走行ガイド
が設けである（図示しない）。

６は本発明のリニアセンサで、上記可動子３と長手方向
に移動するセンサヨーク７とが一体となって構成されて
いる。８は遮光検出部で、可動子３の動作ストローク全
域に配置されており、それに形成した隙間をセンサヨー
ク７が非接触で長手方向に移動になされている。

第２図はリニアセンサ６の断面図で、９はイメージセン
サであり、セラミック基板１０の表面に、所定長のＰＴ
ｒアレイのチップ１１と、それに対応させた電流スイッ
チアレイが長手方向に直線状に配置されている。１２は
光源としての発光ダイオード（Ｌ　Ｅ　Ｄと略す）で、
光集束性ファイバーレンズ（以下、単にレンズという）
１３を介してＰＴｒのチップ１１に光を入射するように
構成されている。

なお、電流スイッチアレイは１例えば商品名［密着型イ
メージセンサ」（投下電子部品ＩＩＩ）が。

また、レンズは「セルフォックレンズ」（日本板硝子［
）等があり、チップ１１．レンズ１３およびＬＥＤ１２
は長手方向に、かつ可動子３の動作ストロークをカバー
するように配置されている。

一方、可動子３とともに移動する、長手方向に所定の幅
を有するセンサヨーク７は、上記ＬＥＤ１２・とレンズ
１３の光軸を一部遮るように配置されており、センサヨ
ーク７の位置によってはチップ１１には光が入射されな
い。

第３図ないし第６図は、上記リニアセンサの動作原理説
明図である。

まず、第３図において、１４はイメージセンサであり、
光検出素子としてのＰ　Ｔ　ｒアレイのチップ１５と、
それらの各ＰＴｒアレイを操作する電流スイッチアレイ
１６とから構成されており、チップ１５は、半導体高密
度バイポーラプロセス等により作成され、例えば５１２
個のＰ　Ｔ　ｒを配列、ピッチを６３．５μｍとして構
成されている。

クロック発生器１７が出力するクロックパルス１８は、
電流スイッチアレイ１６の各スイッチを順次オンして、
定電流源１９から各ＰＴｒに電流を供給し、その電流が
供給されている間にＰＴｒに入射光があると、その光量
に比例した電気的出力信号を出力する。各ＰＴｒの出力
は共通に結合されており、ＰＴｒｌないしＰＴｒ５１２
のＰＴｒを１回走査することにより、入光しているＰＴ
ｒの数の信号ｖｏが出力され、それは波形整形回路２０
により整形され、ゲート２１でクロック発生器１７が出
力するクロック信号ＧＫと同期化さ九た後、バイナリ−
カウンタ２２に入力される。ラッチ回路２３は、バイナ
リ−カウンタ２２のデータを一時保持し、その出力はＣ
ＰＵ２４のデータバスに接続される。２５はラッチ回路
２３のカウント値が５１２になったときにフラグを送出
するワークフラグ回路である。

２６はタイミング制御回路で、ラッチ回路２３のデータ
をリセットし、あるいはＣＰＵ２４とのデータ受渡しタ
イミング等の調整を行う。また、クロック発生器１７の
出力２７は、スタート信号ＳＴとしてバイナリ−カウン
タ２２を上記の走査前にクリアしてイニシャライズし、
あるいはタイミング制御回路２６のスタートの基準信号
となる。

第４図は、第３図のチップ１５の全ＰＴｒに光が入射し
ている場合のクロック発生器１７の出力パルス波形を示
しており、２８は上記スタート信号ＳＴである。初めに
、Ｌレベルでバイナリ−カウンタ２２がイニシャライズ
され、クロック発生器１７がらのクロックパルス２９の
各パルス番号（１）ないしく５１２）は、第３図のチッ
プ１５の、対応する番号のＰＴｒに対応してＨレベルを
印加し、電流駆動し光が入射しているときには、その光
量に比例する信号を出力する。３０はＰＴｒの出力信号
ｖ０で。

応答速度の関係からなだらかに立上がる。３１はＰ　Ｔ
　ｒの出力信号３０を波形整形回路２ｏにより波形整形
した後、クロックパルス２９により同期化した信号で、
バイナリ−カウンタ２２に入力される。３２はラッチ回
路２３をそれがＣＰＵ２４にデータを渡した後にクリア
するリセット信号である。

以上のような動作により、チップ１５のすべてのＰＴｒ
−に光が入射している状態における１回の走査時間で、
５１２個のパルスがバイナリ−カウンタ２２でカウント
される。

第５図は、センサヨークによって光が一部遮光された場
合の第４図と同様な波形図で、チップ１５のＰＴｒ、な
いしＰ　Ｔ　ｒ　ｓ＊ｚを遮光した場合を示し、遮光区
間は電流スイッチ１６が走査しても出力信号はない、し
たがって、１回の走査時間内におけるＰＴｒ出力は３個
のパルス３３だけが出力され、バイナリ−カウンタ２２
の入力も３個のパルス３４になる。

したがって、これにより、ＰＴｒの配列ピッチ６３．５
μ■にバイナリ−カウンタ２２のカウント数を乗じて、
走査開始位置から遮光位置までの距離が検出でき、前記
走査を高速に繰返し行うことによって、遮光位置を連続
的に検出可能になる、当然のことながら、遮光用のセン
サヨークは１回の走査区間である６３．５μｍｍに５１
２を乗じた約３２゜５閣以トの幅を長手方向に保有して
おく必要があり、また。

上記のような乗算は第３図のＣＰＵ２４が処理する。

第３図におけるワークフラグ２５は、バイナリ−カウン
タ２２のカウント値が５１２パルス、つまり全ＰＴｒに
光が入射しているときにのみ立ち、１回の走査における
全入光の判別に利用できる。

第６図は、検出範囲を拡大する場合の説明図である。第
３図の説明はチップ１５が１個の場合で、検出範囲（距
離）は６３゜５μｍ　Ｘ　５１２＝約３２．５ｎｎと短
いため、実際は、第６図で示すように構成して検出範囲
を拡大する。

すなわち、第３同の構成をｎ個長手方向に配列して検出
長さを拡張する。イメージセンサは、セラミック基板３
５の表面にＰＴｒアレイのチップ３６を直線状にｎ個並
べ、それに対応させて電流スイッチアレイ３７をｎ個設
ける。ＬＥＤ３８の発光は、レンズ３９を介してＰＴｒ
アレイのチップ３６の全数に入射するように配置されて
いる。４０はセンサヨークで、その長さはＰＴｒアレイ
のチップ３６の１個の走査方向長より多少長めに設定さ
れている。

４１はイメージセンサ出力の波形整形回路、４２はバイ
ナリ−カウンタ、４３はラッチ回路とワークフラグであ
り、これら４１．４２．４３はそれぞれチップ３６に対
応してｎ個配列される。４４はクロック発生器。

４５はタイミング制御回路である。また、４ＧはＣＰＵ
であり、データバスを介してラッチ回路とワークフラグ
４３およびタイミング制御回路４５に接続されている。

この構成は、第３図の構成をｎ個並列させた形でＰＴｒ
アレイのチップがそれぞれ並列動作する。

すなわち、第１のチップから第ｎのチップ（ｃｂｊ　ｊ
からｃｈｉ　ｎ　）からなるイメージセンサは、クロッ
ク発生器４４のタロツクによって各チップが同期して走
査を開始し、同期して１回の走査を完了する、したがっ
て、１回の走査でセンサヨーク４０により遮光されたチ
ップはカウント値が５１２以下に、また、遮光されてい
ないチップはカウント値５１２になり、そのときワーク
フラグが立つ２次に、１回の走査を終了すると、ＣＰＵ
４６は各チップに対応するワークフラグを第１−のチッ
プから第ｎのチップの方向に順番に走査し、ワークフラ
グが立っていないチップの手前までに存在する。ワーク
フラグが立っているチップの数Ｎを取込む。次に、ワー
クフラグが立っていない最初のチップ、すなわち遮光さ
れているチップのカウント値ｍをラッチしているラッチ
回路４３のデータを取込み、その取込みの完了後、全ワ
ークフラグのりセラ１−オよびタイミング制御回路４５
を経由して、ラッチ回路もリセット（、・て次の走査を
開始する。ＣＰＵ４６は、次の走査が行われている間に
取込んだデータの演算を行い、センサヨーク遮光位置を
求める７遮光位置は、　（Ｎ　Ｘ　６３．５ＪＪＩｍ）
　＋　（ｎ　Ｘ　６３．５ｐｍ）になる。以上の走査と
演算を高速に繰返すことで、センサヨークの絶対位置を
連続して求めることができる、以上、詳細に本発明を比
較的高速処理を必要とする部分をハード回路により処理
し、その他をソフト処理しで説明したが、ＣＰ　Ｕの処
理速度が速ければソフト処理の範囲を拡大でき５回路の
簡素化が可能である。さらに、遮光用センサヨークが１
個の場合として説明したが、複数個の場合にも同様な考
え方が適用でき、センサ１台で複数の可動子の位置の検
出が可能である。

第７図は、第１図の１．・サー・ボモータと本発明のリ
ニアセンサを用いる制御系のブロック図である。４７は
本発明のリニアセンサで５各走査ごとの可動子位置情報
が出力される６位置情報４８と位置指令４９の値は２位
置偏差演算器５０により差分演算され１位置偏差出力５
１が出力され、それはＤ／Ａ変換器５２により速度指令
信号５３に変換されて、速度偏差演算器５４の一方の入
力とされる。また、位置情報４８は、速度検出器５５と
通電セクション演算器５６にも入力される。速度検出器
５５は、位置情報４８を微分してセンサヨークの、すな
わち可動子の速度に比例した信号を作成する部分である
。速度信号５７は、前記速度偏差演算器５４の他方の入
力とされ、速度偏差信号５８を出力し、増幅器５９によ
り増幅され、分配器６０に印加される。通電セクション
演算器５６は、リニアセンサ４７からの可動子位置情報
に基づいて、第１図のりニアセンサのどの駆動コイルに
通電すべきかを演算する回路で、第８図のように、可動
子位置に応じて１２０°位相差を有する３相通電セクシ
ョン信号６ｌ−ｕ１ないし６１−ｕ、が、各駆動コイル
に対応してそれぞれ必要の駆動コイル数が出力される。

分配器６０は、通電セクション演算器５６からの各駆動
コイルに対応した通電セクション信号に増幅器５９の出
力を分配する回路である。パワーユニット６２−ｕ、な
いし６２−ｗ、は１分配器６０から出力される各種コイ
ル信号を増幅して各種コイルに電流を流すパワーアンプ
である。

この第７図の動作は１位置指令４９から目標位置が設定
されると、リニアセンサ４７の現在位置情報との差分演
算により増幅器５９から速度誤差に比例した信号が出力
される。一方、可動子の現在位置に応じた駆動すべきコ
イルが通電セクション演算器５６から選択されて、分配
器６０により増幅器５９の信号に比例した信号が該当す
るパワーユニットに伝送され、駆動コイルが駆動される
。

次に、駆動コイルによる磁束と第１図の可動子の永久磁
石の磁束により、可動子は一方向の推力を得て移動を開
始し、その移動に応じて通電セクション演算器５６は順
次駆動すべき駆動コイルを選択し、一方向の連続した推
力を得る。

次に、可動子が目標位置に到達すると、増幅器５９の出
力はゼロになり、位置決めが完了する。

以上説明したように１本発明のリニアセンサは。

可動部の給電ケーブル等は全く必要がなく、非接触で可
動子の絶対位置情報が連続して得られ、また１位置決め
のための位置情報と可動子の位置に応じたコイルの選択
、言換えるとブラシレスモータとしての相切換信号の２
つの信号を生成することにより、可動部は永久磁石とセ
ンサヨークのみとなり、信頼性の高いし・サーボモータ
を構成することが可能になる。なお、ＰＴｒアレイのＰ
Ｔｒの配列ピッチを上述したよりも極小化することによ
り、位置の分解能を向上することはいうまでもない。

（発明の効果） 以上、詳細に説明して明らかなように、本発明は、光検
出素子としてのＰＴｒを直線状に複数個配列してなるＰ
Ｔｒアレイと、前記ＰＴｒを走査する電流スイッチアレ
イを備えたイメージセンサと、前記イメージセンサにレ
ンズを介して対向するように長手方向に配置された光源
と、その光源と前記レンズとの間を非接触で長手方向に
移動するセンサボークを備えたし・サーボモータ可動子
からなり、前記センサヨークによって前記イメージセン
サのＰｔｒアレイの入射光を一部遮光することにより、
前記Ｌ・サーボモータ可動子の任意の絶対位置を検出し
、その位置情報によって位置制御および可動子位置に応
じた駆動コイルの選択をすることで、すなわちブラシレ
スＬ・サーボモータの相切換を行うことによって、可動
子は永久磁石のみのＬ・サーボモータを構成しているの
で、可動子への給電ケーブル、センサケーブル等の給電
ケーブル類は不要になり、したがって、可動子の高速、
高頻度の長ストロークの往復運転等において発生してい
た上記給電上の問題点が一掃可能であり、近時のＯＡ機
器等におけるロボット等に用いれば、その信頼性が大き
く向上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のリニアセンサの構成斜視図
、第２図は第１図のリニアセンサの断面図、第３図ない
し第６図は第１図の動作説明図、第７図および第８図は
第１図の構成を用いたＬ・サーボモータ制御系を説明す
る図、第９図は従来のＬ・サーボモータの構成斜視図、
第１０図は第９図のＬ・サーボモータ駆動回路の制御系
のブロック図である。 Ｏ・・・固定子鉄心、　１・・・固定子磁極歯、２・・
・駆動コイル、　３・・・可動子、　４・・・永久磁石
、　５・・・磁極ヨーク、　６，４７・・・リニアセン
サ、　　７．４０・・・センサヨーク。 ８・・・遮光検出部、　９，１４・・・イメージセンサ
、　　１０，３５・・・セラミック基板、　　１１，１
５゜３６・・・チップ、　１２．３８・・・ＬＥＤ（光
源）。 １３、３９・・・光集束性ファイバーレンズ（レンズ）
、　１６．３７・・・電流スイッチアレイ。 １７、４４・・・クロック発生器、　１９・・・定電流
源。 ２０、４１・・・波形整形回路、　　２２．４２・・・
バイナリ−カウンタ、　２３・・・ラッチ回路、２４゜
４６・・・ＣＰＵ、　２５・・・ワークフラグ回路、２
６、４５・・・タイミング制御回路、４３・・・ラッチ
回路とワークフラグ。 第 図 Ｚ部側」イル 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 可動＋＃動乃陶−Ｘ（ ｍ） 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ホトトランジスタを光検出素子として、可動子の移動方
   向に直線的に配列したホトトランジスタアレイと、上記
   ホトトランジスタを走査する電流スイッチアレイとを有
   してなるイメージセンサと、これに集光性レンズを介し
   て対向させて配置した複数の光源と、この光源と上記レ
   ンズとの間を非接触で長手方向に移動するセンサヨーク
   を備えてなるサーボモータ可動子とからなり、上記セン
   サヨークによって前記イメージセンサのホトトランジス
   タアレイへの入力光を一部遮断することにより、リニア
   サーボモータの可動子の任意な位置を検出することを特
   徴とするリニアセンサ。