(57)【要約】【課題】  原点位置センサを使用せず原点位置を検出することが可能であり、また、ステッピングモータを使用した構成でありながら、脱調を起こすことなく可動部を原点位置に速やかに復帰させることが可能なようにする。【解決手段】  位置決め装置Ａは、可動部８に接触可能に設けられた原点ブロック６と、原点ブロック６に対する可動部８の接触時の衝撃を吸収してステッピングモータ２の脱調を回避するショックアブゾーバ７と、同モータ２の脱調の兆候を検出して脱調兆候信号として出力する脱調兆候検出器１と、入力位置指令ａに従ってモータ２の駆動を制御するコントローラ５とを備えている。コントローラ５は、原点復帰時には同モータ２を原点復帰方向に駆動させ、その後、脱調兆候信号ｂがモータ２の脱調兆候を示したときは同モータ２を逆転又は正転方向に駆動させ、この状態で励磁原点信号ｃがアクティブとなった時点で同モータ２の駆動を停止させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステッピングモータを用いて可動部を位置決め可能に移動させる位置決め装置において、原点ブロックと、原点ブロックに対する可動部の接触時の衝撃を吸収して同モータの脱調を回避する弾性部材と、同モータの各部の電圧又は電流に基づいて同モータの脱調の兆候を検出して脱調兆候信号として出力する脱調兆候検出部と、入力位置指令に従って同モータの駆動を制御する制御部とを備え、前記制御部は、同モータに関する脱調兆候信号及び励磁原点信号が入力され、原点復帰時には同モータを原点復帰方向に駆動させ、その後、脱調兆候信号が同モータの脱調兆候を示したときは同モータを逆転又は正転方向に微細駆動させ、この状態で励磁原点信号がアクティブとなった時点で同モータの駆動を停止させる構成となっていることを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
ステッピングモータの各相コイルの一端又は中間部が共通に接続されている場合の請求項１記載の位置決め装置において、前記脱調兆候検出部は、同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧のレベル、周波数又は波形に現れる変化を監視し、当該監視結果に基づいて同モータの脱調の兆候の有無を検出する構成となっていることを特徴とする位置決め装置。
【請求項３】
ステッピングモータの各相コイルが環状に接続されている場合の請求項１記載の位置決め装置において、前記各相コイルに対応して互いに星状に接続された抵抗体群であって前記各相コイルの各接続点に一端が接続された中点回路部を有し、前記脱調兆候検出部は、前記中点回路部の共通接続側の他端を同モータの各相コイルの結線上の中点とし当該中点の電圧のレベル、周波数又は波形に現れる変化を監視し、当該監視結果に基づいて同モータの脱調の兆候の有無を検出する構成となっていることを特徴とする位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はステッピングモータを用いて可動部を位置決め可能に移動させる位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
位置決めステージ等においては電源投入や停電回復等の際の初期設定として可動部を原点位置に復帰させることが必要不可欠になる。この場合、可動部が原点位置に復帰したか否かを検出するのに原点位置センサを使用するのが一般的であり、原点位置センサとして、例えば、ステージ等に配置された近接センサやスイッチの他、モータに取り付けられたエンコーダやポテションメータ等がある（例えば、特許文献１等）。この原点位置センサを用いた原点復帰方法を第１の従来例と称する。
【０００３】
また、可動部をステッピングモータを用いて移動する場合、原点位置センサを使用することなく原点位置に復帰したことを検出することができる方法が提案されている。即ち、原点復帰の際に同モータを脱調させるようにし、モータ電圧の変化を監視して脱調が検出されると、同モータを所定の励磁状態で停止させるようになっている（例えば、特許文献２等）。この脱調検出を利用した原点復帰方法を第２の従来例と称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３０９９９０号公報
【特許文献２】特開平９−９６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、第１の従来例による場合、機器の小型化及び配線省力化を図ることが困難であり、コスト高を招来するという問題がある。また、第２の従来例による場合、ステッピングモータを脱調させることから、機械的なダメージが大きく、低騒音化や低振動化を図ることも困難である。
【０００６】
本発明は上記した背景の下で創作されたものであって、その目的とするところは、原点位置センサを使用せず原点位置を検出することが可能であり、また、ステッピングモータを使用した構成でありながら、脱調を起こすことなく可動部を原点位置に速やかに復帰させることが可能な位置決め装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の位置決め装置は、ステッピングモータを用いて可動部を位置決め可能に移動させる装置であって、可動部に接触可能に設けられた原点ブロックと、原点ブロックに対する可動部の接触時の衝撃を吸収して同モータの脱調を回避する弾性部材と、同モータの各部の電圧又は電流に基づいて同モータの脱調の兆候を検出して脱調兆候信号として出力する脱調兆候検出部と、入力位置指令に従って同モータの駆動を制御する制御部とを備えている。制御部は、同モータに関する脱調兆候信号及び励磁原点信号が入力され、原点復帰時には同モータを原点復帰方向に駆動させ、その後、脱調兆候信号が同モータの脱調兆候を示したときは同モータを逆転又は正転方向に微細駆動させ、この状態で励磁原点信号がアクティブとなった時点で同モータの駆動を停止させる構成となっている。
【０００８】
この発明によると、原点復帰時において、ステッピングモータを原点復帰方向に駆動させると、可動部が移動し、その後、原点ブロックに接触する。可動部が原点ブロックに接触したときの衝撃が弾性部材により吸収されることから、同モータの脱調が回避され、脱調に近い状態になる。一方、脱調兆候信号が同モータの脱調の兆候を示すと、同モータを微細駆動させ、励磁原点信号がアクティブとなった時点で同モータの駆動を停止させることから、モータが脱調することなく可動部が原点位置に速やかに復帰する。
【０００９】
よって、原点位置センサを使用せず原点位置を検出することが可能であり、機器の小型化及び配線省力化を容易に図ることが可能である。また、ステッピングモータを使用した構成でありながら、脱調を起こすことなく可動部を原点位置に復帰させることが可能であり、低騒音化及び低振動化を容易に図ることが可能である。さらに、可動部が原点ブロックに接触したときの衝撃が弾性部材により吸収されることから、機械的なダメージが非常に小さい。即ち、従来装置に内在する欠点を全て解消されることから、装置の小型化、高性能化及び低コスト化を図る上で大きなメリットがある。
【００１０】
ステッピングモータの各相コイルの一端又は中間部が共通に接続されている場合の脱調兆候検出部については、同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧のレベル、周波数又は波形に現れる変化を監視し、当該監視結果に基づいて同モータの脱調の兆候の有無を検出する構成とすると良い。
【００１１】
ステッピングモータの各相コイルが環状に接続されている場合、各相コイルに対応して互いに星状に接続された抵抗体群であって各相コイルの各接続点に一端が接続された中点回路部を有した構成とすると良い。この場合の脱調兆候検出部については、中点回路部の共通接続側の他端を同モータの各相コイルの結線上の中点とし当該中点の電圧のレベル、周波数又は波形に現れる変化を監視し、当該監視結果に基づいて同モータの脱調の兆候の有無を判定する構成にすると良い。
【００１２】
このような脱調兆候検出方法は次のような新しい知見に基づいている。即ち、ステッピングモータが脱調に近い状態になると、同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧のレベル、周波数又は波形等に特有の変化が現れる。よって、同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧を検出して、中点の電圧のレベル、周波数又は波形に現れる変化を監視するようにすると同モータの脱調の兆候を検出することが可能になる。
【００１３】
上記した下位概念の発明によると、ステッピングモータの各相コイルの結線上の中点に脱調兆候検出部を接続しても同部に大きな電流が流れないことから、損失が非常に小さく、この点でモータ又はドライバ等の高効率化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る位置決め装置のブロック図である。
【図２】同装置の脱調兆候検出器の構成図である。
【図３】同装置のコントローラにおいて原点復帰時に処理されるソフトウェアのフローチャートである。
【図４】ステッピングモータの原点復帰時の各相コイルの結線上の中点の電圧を前置処理した後の信号の波形図である。
【図５】ステッピングモータの脱調直前の各相コイルの結線上の中点の電圧を前置処理した後の信号の波形図である。
【図６】ステッピングモータの脱調時の各相コイルの結線上の中点の電圧を前置処理した後の信号の波形図である。
【図７】３相スター型ステッピングモータの巻線構造図である。
【図８】新４相型ステッピングモータの巻線構造図である。
【図９】５相スター型ステッピングモータの巻線構造図である。
【図１０】３相デルタ型ステッピングモータの巻線構造図である。
【図１１】５相ペンタゴン型ステッピングモータの巻線構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態に係る位置決め装置を図１乃至図１１を参照して説明する。なお、特許請求の範囲に記載された発明特定事項と同装置の構成要素との間で対応関係が不明なものについては後記する符合の説明の欄において併せて示すものとする。
【００１６】
ここに例として挙げる位置決め装置Ａは、図１に示すようにステッピングモータ２及び位置決めステージ３を用いて可動部８を図示矢印方向に位置決め可能に移動させる装置である。図中１は脱調兆候検出器、４はドライバ、５はコントローラ、６は原点ブロック、７はショックアブゾーバである。これらの各部により位置決め装置Ａが構成される。
【００１７】
位置決めステージ３については、可動部８を水平方向且つ直線移動可能に支持するテーブルであって、フレーム３１外には可動部８を移動させるステッピングモータ２が取り付けられている一方、フレーム３１内には同モータ２の回転運動を可動部８の直線運動に変換する変換機構３２等が取り付けられている。なお、変換機構３２はボールネジ機構、ラック・ピニオン機構又はタイミングベルトを用いた機構等である。
【００１８】
原点ブロック６については、可動部８の一面に接触可能に位置決めステージ３のストローク端に配設された板状の位置決めブロックであって、ショックアブゾーバ７を介して位置決めステージ３のフレーム３１に固定されている。
【００１９】
ショックアブゾーバ７については、原点ブロック６に対する可動部８の接触時の衝撃を吸収するためのスプリング又はゴム等の弾性体であって、可動部８が原点ブロック６に接触した際にステッピングモータ２に作用する高負荷によっても同モータ２の脱調が回避される程度の弾性力に設定されている。
【００２０】
コントローラ５については、入力位置指令ａを受けてステッピングモータ２を同指令ａが示すパターンで駆動させるための指令パルスｄを生成する装置であり、入力位置指令ａ以外に脱調兆候検出器１から導かれた脱調兆候信号ｂ及びドライバ４から導かれた励磁原点信号ｃ等が入力されている。本実施形態においてはマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）が使用されており、原点復帰時に処理されるソフトウェアとして図３に示すものが使用されている。詳しいことは後述する。
【００２１】
ドライバ４については、コントローラ５の後段に接続されており、フルステップ、ハーフステップ又はマイクロステップ等の駆動方式で指令パルスｄに従ってステッピングモータ２を実際に駆動させるための各相励磁信号ｅの他、励磁タイミング上の原点を示す励磁原点信号ｃを生成する装置である。
【００２２】
ステッピングモータ２については、図２に示すようにロータ２１、Ａ相コイル２２及びＢ相コイル２３を有し、Ａ相コイル２２とＢ相コイル２３との各中間部が中点αとして共通に接続された巻線構造となっている。即ち、ステッピングモータ２は、本実施形態においては、新２相型ステッピングモータを使用している。
【００２３】
脱調兆候検出器１については、原点復帰時のステッピングモータ２の脱調の兆候を検出して脱調兆候信号ｂとして出力する回路であって、同モータ２の中点αに電気的に接続されたリード線１１と、リード線１１を通じて導かれた中点αの電圧を前置処理して中点電圧信号ｆとして出力する出力部１２と、中点電圧信号ａに基づいてステッピングモータ２の脱調の兆候の有無を検出する検出部１３とを有した構成となっている。
【００２４】
リード線１１については、一端がステッピングモータ２内の中点αに電気接続されている一方、他端が同モータ２外に取り出されている。ただ、同モータ２のリード端子の構造によっては、外部に取り出す必要がない場合もある。これは後述する中点回路部１４、１４’（図１０及び図１１参照）についても同様である。
【００２５】
出力部１２については、中点αの電圧を分圧するとともに直流成分の阻止等を行う分圧回路１２１と、同回路１２１の後段に接続された振幅制限回路１２２と、同回路１２２の後段に接続されたオペアンプ増幅回路１２３とを有した構成となっている。オペアンプ増幅回路１２３から出力される中点電圧信号ｆは、中点αの電圧を検出部１３の処理に適した形に前置処理された信号であるが、中点αの電圧のレベル、周波数、波形等の情報が含まれた内容になっている。
【００２６】
検出部１３については、アナログ形式の中点電圧信号ｆに基づいてステッピングモータ２の中点αの電圧のレベル、周波数又は波形に現れる変化を監視し、この監視結果に基づいて同モータ２の脱調の兆候の有無を検出し、その検出結果を脱調兆候信号ｂとして出力する構成となっており、本実施形態ではマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）を用いている。
【００２７】
図４乃至図６に示すグラフの縦軸は中点電圧信号ｆのＡ／Ｄ変換値、横軸はサンプリング時間を表している。ステッピングモータ２を原点復帰時の速度で駆動させた場合（入力周波数が１．５ＫＨｚ）において、図４はモータ正常回転時、図５はモータ脱調直前時、図６はモータ脱調時を各々示している。
【００２８】
即ち、ステッピングモータ２が図４に示す正常回転から図５に示す脱調直前に至ると、同モータ２の中点αの電圧のレベル、周波数又は波形等に特有の変化が現れる。また、同モータ２が脱調直前から図６に示す脱調に至った場合も同様であるが、同モータ２の中点αの電圧のレベル等の変化は脱調直前のものとは全く異なる。この現象は同モータ２の種類や駆動電流等のレベルに大きく左右されないことが実験により確かめられている。よって、同モータ２の原点復帰の過程で中点αの電圧のレベル、周波数又は波形等を常時監視することで同モータ２の脱調の兆候の有無を効果的に検出することが可能になる。
【００２９】
このような原理でもって検出部１３により同モータ２の脱調の兆候を検出している。本実施形態では、検出部１３での処理を簡単化にするために、中点αの電圧のレベルが基準値を超えたか否かを判定し、超えたときは、同モータ２の脱調の兆候が検出されたとして、脱調兆候信号ｂをアクティブにするようにしている。
【００３０】
なお、ステッピングモータ２の種類、駆動電流値及び入力周波数等により、脱調や高負荷状態を示す電圧が異なることから、脱調の兆候の有無を検出するのに必要な上記基準値については実験等を通じて適宜調整すれば良い。
【００３１】
脱調徴候検出器１の適用対象となるステッピングモータの相数及び巻線構造等については図２に示す新２相型ステッピングモータだけに止まらない。例えば、各相コイルの一端が中点として共通に接続されている第１タイプのステッピングモータ（例えば、図７、図８、図９に各々示された３相スター型、新４相型、５相スター型のステッピングモータ）の他、各相コイルが環状に接続された第２のタイプのステッピングモータ（例えば、図１０、図１１に各々示された３相デルタ型、５相ペンタゴン型のステッピングモータ）にも適用可能である。
【００３２】
ただ、第２のタイプのステッピングモータの場合、各相コイルの結線上の中点が存在しないことから、例えば、図１０に示す３相デルタ型のステッピングモータについては、高抵抗で同一抵抗値の３つの抵抗器Ｒを各相コイルに対応して互いに星状に接続された中央回路部１４を設け、中央回路部１４の一端を各相コイルの各接続点に接続し、共通接続側の他端を中点αとし、リード部１１を電気的に接続するようにする。図１１に示す５相ペンタゴン型のステッピングモータについても全く同様であり、高抵抗で同一抵抗値の５つの抵抗器Ｒを各相コイルに対応して互いに星状に接続された中央回路部１４’を設け、中央回路部１４’の一端を各相コイルの各接続点に接続し、共通接続側の他端を中点αとし、リード部１１を電気的に接続するようにする。
【００３３】
次にコントローラ５にて処理される原点復帰用のソフトウェアについて図３を参照して説明する。
【００３４】
電源投入や停電回復時の初期設定として図３に示す原点復帰用のソフトウエアが処理される。まず、ステッピングモータ２を駆動させ、可動部８を原点復帰方向に所定速度で移動させる（ｓ１）。この動作を脱調兆候信号ａがアクティブになるまで継続して行う（ｓ２，ｓ３）。
【００３５】
その後、可動部８が原点ブロック６に接触して同モータ２が脱調直前になると、その時点で脱調兆候信号ｂがアクティブとなる。すると、コントローラ５内の原点用一時メモリをＯＮにして（ｓ４）、ステッピングモータ２を微細駆動させ、可動部８を逆転又は正転方向に自起動速度で移動させる（ｓ５）。この動作を励磁原点信号ｂがアクティブになるまで継続して行う（ｓ６，ｓ７）。
【００３６】
ステッピングモータ２の回転角が励磁原点に達すると、励磁原点信号ｂがアクティブとなる。すると、原点用一時メモリをＯＦＦにして（ｓ８）、ステッピングモータ２を停止させる（ｓ９）。これで可動部８が原点位置に復帰し、図３に示す原点復帰用のソフトウエアの処理が終了となる。なお、上記原点用一時メモリについては、論理積を取るシーケンスの場合に必要となるもので、シーケンスによっては原点用一時メモリを省略してもかまわない。
【００３７】
上記のように構成された脱調徴候検出器１によると、原点位置センサを使用せず原点位置を検出することが可能であり、機器の小型化及び配線省力化を容易に図ることが可能である。しかも、ステッピングモータ２を使用した構成でありながら、脱調を起こすことなく可動部８を原点位置に復帰させることが可能である。これは、原点復帰時においてショックアブゾーバ７の弾性力により同モータ２の脱調が回避されるとともに可動部８の原点ブロック６に対する力を打ち消すことから、同モータ２の脱調直前の安定した位置で脱調の徴候が検出され、これに伴って可動部８を停止させることが可能だからである。さらに、可動部８が原点ブロック６に接触したときの衝撃がショックアブゾーバ７により吸収されることから、機械的なダメージが非常に小さく、同モータ２が脱調しないことも含めて低騒音化及び低振動化を容易に図ることが可能である。要するに、従来装置に比べて装置の小型化、高性能化及び低コスト化を図ることが可能になる。
【００３８】
なお、本発明に係る位置決め装置は、ステッピングモータを用いて可動部を位置決め可能に移動させる基本構成となっている限り、同モータの種類や数、同モータと可動部との間に介在された移動機構の種類等が問われず、ロボットハンド等にも適用可能である。
【００３９】
原点ブロックについては、可動部の機械的な原点位置決めに使用可能である限り、その形状や配置位置が問われず、可動部に間接的に接触する形態であっても良い。
【００４０】
弾性部材については、原点ブロックに対する可動部の接触時の衝撃を吸収してステッピングモータの脱調を回避する限り、種類や数が問われず、ステッピングモータと可動部との間に介在される機構に設ける形態であっても良い。
【００４１】
脱調徴候検出部については、ステッピングモータの各部の電圧又は電流に基づいて同モータの脱調の兆候を検出して脱調兆候信号として出力する機能を有している限り、その構成等が問われない。例えば、同モータの各相コイルの結線上の中点の電圧のレベル、周波数又は波形に現れる変化を監視し、当該監視結果に基づいて同モータの脱調の兆候の有無を検出する構成としたり、各相コイルの電圧や電流の変化を直接的又は間接的に監視し、この監視結果に基づいて同モータの脱調の徴候の有無を検出しても良い。また、ドライバやコントローラと一体化された形態であっても良い。
【００４２】
制御部については、入力位置指令に従ってステッピングモータの駆動を制御し、原点復帰時に同モータを原点復帰方向に駆動させ、その後、脱調兆候信号が同モータの脱調兆候を示したときは同モータを逆転又は正転方向に微細駆動させ、この状態で励磁原点信号がアクティブとなった時点で同モータの駆動を停止させる機能を有する限り、ステッピングモータの制御方式やハードウエアや使用するソフトウェアの内容が問われない。
【符号の説明】
【００４３】
Ａ  位置決め装置
１  脱調兆候検出器（脱調兆候検出部）
２  ステッピングモータ
３  位置決めステージ
４  ドライバ
５  コントローラ（制御部）
６  原点ブロック
７  ショックアブゾーバ（弾性部材）
８  可動部
α  中点（各相コイルの結線上の中点）
ａ  入力位置指令
ｂ  脱調兆候信号
ｃ  励磁原点信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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