(57)【要約】【課題】  従来の歯付きベルトを用いたアクチュエータの高剛性、高精度位置決めを目的に歯付きプーリと２つのガイドプーリ構成のオメガ駆動機構のキャリッジを歯付きベルト上に移動させる機構はあったが、ベルト機構の特長であるボールねじ機構で実現できない長尺、リニアモータの高速移動機構の低価格化とうに対応する高機能制御方式、信号伝送方式が貧弱であった。【解決手段】本発明は一対の歯付きベルト０３とオメガ駆動キャリッジ駆動機構０２とドライバ０４およびコントローラ０５を含めたトータル制御系で、上記長尺対応および高速化を歯付きベルト０１にエバネセント波や電波による無線媒体機能をもたせて実現した。さらに同一歯付きベルト上に複数のオメガ機構キャリッジのある機構およびＶ字機構では、クロス制御ループをもちいた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンコーダ付モータ系（モータ本体、エンコーダ、ブレーキ、ギアを含む）、互いの歯が噛み合っている一対の歯付きベルトの片側、タイミングプリー、ガイドプリー、エキサイタまたはアンテナを有したキャリジと、一対の歯付きベルトの両端を固定するクランプ、アルミサッシ、モータドライバ、オメガ駆動機構全体のコントローラを有したシャシ部、とで構成されている高精度位置決めおよび同期が可能な歯付ベルトオメガ駆動制御および機構で、上記歯付ベルトオメガ駆動制御および機構は、長尺機構および歯付きベルト上に複数のキャリッジを有する場合は一対の歯付きベルトのシャシ側歯付ベルトを無線伝搬媒体とした歯付ベルトオメガ駆動制御および機構。
【請求項２】
一対の歯付きベルトのシャシ側歯付ベルトに導電メッシュ層、誘電体層を内蔵させ、エンコーダ信号で変調されたＧＨｚ帯のエバネセント波（Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ  ｗａｖｅ）をベルト内は誘電体伝搬させ、キャリッジからベルトおよびベルトから外部のドライやコントローラには空間無線伝搬させ、制御ループを構成する、導電メッシュ層、誘電体層、電磁遮蔽層を有する「請求項１」の歯付きベルトオメガ駆動制御および機構。
【請求項３】
一対の歯付きベルトのシャシ側歯付ベルトに漏洩同軸を平面展開した導電メッシュ層、誘電体層、導電メッシュ層を内蔵させ、エンコーダ信号で変調されたＭＨｚ〜ＧＨｚ帯の電波をベルト内は誘電体伝搬、キャリッジからベルトおよびベルトからキャリッジ外ドライバやコントローラには空間無線伝搬させ、キャリッジ外部のドライバやコントローラと制御ループを構成する、「請求項１」の歯付きベルトオメガ駆動制御および機構。
【請求項４】
同一の歯付ベルトに２つのオメガ駆動キャリッジを有する歯付きベルト２オメガ駆動機構で、それぞれのモータエンコーダ信号を前記エンコーダ信号の伝播によって、他のモータのドライバやコントローラに入力し制御ループを構成し、歯付きベルトの回転摩擦や負荷による伸びやたわみや振動の影響を軽減し、高精度位置決め、制定時間短縮、振動抑制した〔請求項１〕の歯付ベルトオメガ駆動機構の制御システム。機構が長尺でない場合は、エンコーダ信号を有線で伝搬し、制御ループを組んでもよい。またオメガ駆動キャリッジが３つ以上の機構へも展開できる。
【請求項５】
同一の無線歯付ベルトオメガ駆動機構上に２つのキャリッジをＶ字機構にし、それぞれのキャリッジの正逆および相対速度制御によって、ＸＹ２軸の２次元ステージ動作をさせる。〔請求項４〕と同様な制御ループを用いて、高精度位置決め、制定時間短縮、振動抑制ができる〔請求項１〕の歯付ベルトオメガ駆動機構の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、ループ状に接続された歯付きベルトをプリーで回転移動させずに、逆にアルミニウムとうのベース（シャシ）に歯付きベルトを固定し、このベルト上に置かれたキャリッジの歯付きプリーを回転させ、キャリッジを移動させ、高精度な位置決めをさせる。モータに内蔵または外付けされたセンサによるフィードバック制御およびフィードフォワード制御、上記ベルトに無線伝搬媒体機能を持たせフィードバック制御信号およびフィードフォワード制御信号の伝送、同一ベルト上に複数キャリッジが存在する場合、の制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  歯付きベルトを回転移動させるのではなく、逆にアルミニウムとうのベース（シャシ）に固定された歯付きベルトに噛み合わせた歯付きプリーを回転させ、これを含むキャリッジを移動させ、歯付きベルトの回転摩擦や負荷による伸びやたわみ、振動とうに関与するベルト長を短くし、これらを低減させた駆動機構（参考文献１）はあるが、モータに内蔵または外付けされたセンサによって制御ループを構成する場合は、センサ信号線を移動するキャリッジにあわせて移動・伸縮させなければならない。数メータ以上の長尺機構の場合の長いセンサ信号線へモータ電源線などの外乱、同一ベルト上の複数オメガ駆動キャリッジ間のセンサ信号の相互影響などで、質の良い制御ループを組む大きな課題であった。この伝送を閉じ込められた無線、エバネセント波（参考文献２）や漏洩同軸（参考文献３）で行い、同一歯付きベルト上の複数軸（キャリッジ）の数十μｍ以下の高精度位置決め制御、同期制御および数メータを越す長尺機構に歯付きベルトオメガ駆動機構制御技術は対応できていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２２９７１７
【特許文献２】再表２００６−０３５５３４
【特許文献３】特開２００８−２８２１８８
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】
【非特許文献２】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】歯付きベルトをループ状に接続し、歯付きプリーで回転移動させるタイプの機構では、歯付きベルトの回転摩擦や負荷による伸びやたわみや振動にプリー間のベルトが全て関与し、位置決め精度や同期精度に限界がある。１ｍｍ以下の高精度位置決めをする場合はエンコーダ付のモータや外部にリニアスケールを用いなければならなかった。この場合でもプリー間にあるベルトの伸びやたわみや振動が影響し、歯付きベルト機構の剛性は、リニアモータやボールねじを用いた機構にくらべて高くできない。
またエンコーダ付のモータや外部にリニアスケールを用いても数メータ以上の長尺機構ではキャリッジからのセンサ信号線が長くなり、モータ電源線、同一ベルト上の他のキャリッジからのセンサ信号とうの外乱により、高精度位置決めや同期を実現する質の良い制御ループを組むには大きな課題があった。本発明はボールねじ機構よりはるかに安価に構成できる長尺の歯付きベルト機構での高精度位置決めや同期を実現するために、歯付きベルト自体に高信頼性の電波伝搬機能を持たせ、モータに内蔵または外付けされたセンサ信号等を無線伝搬し制御ループを構成、また同一歯付ベルト上にエンコーダ付モータ内蔵のサーボ制御方式のオメガ駆動キャリッジを２つ用いた機構では、モータのエンコーダ信号をローパスフィルタとうで処理し、それぞれ他のキャリッジのフィードバック信号入力とし、歯付きベルトの回転摩擦や負荷による伸びやたわみや振動の影響を軽減し、高精度位置決めや同期を実現、２つのキャリッジをＶ字形にした歯付きベルト機構の場合は同様な制御で１つの歯付ベルトで高精度な２軸ステージ（ＸＹステージ）を実現、したことを特徴とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記目的を達成するために、本発明の歯付ベルトオメガ駆動機構は、従来モータ供給電源線とモータエンコーダ信号線をともにキャリッジの移動にあわせて移動させる必要がある。
機構が数メートルを越す長尺の場合や同一歯付きベルト上に複数のオメガ駆動キャリッジが存在する場合に、エンコーダ信号はモータ電源線、同一ベルト上の他のキャリッジからのセンサ信号とうの外乱の影響を軽減するために歯付きベルトを電波伝搬媒体にしてエンコーダ信号線をなくした。
上記本発明は〔請求項２〕で示すように、２次元伝搬シート表面に発生した垂直方向に対数関数的に急激に減衰するエバネセント波をもちい、外乱電波の発生および影響を抑制できることを特徴とするものである。
ベルト幅やベルトとキャリッジの間隔によってＧＨｚ帯をもちいることが好ましい。エンコーダ信号はこのキャリアを変調して、ベルトからキャリッジ外のドライバやコントローラに伝搬され、歯付ベルトオメガ駆動機構の制御ループを構成する。
上記本発明は、〔請求項３〕に示すように〔請求項２〕のエバネセント波のかわりに、距離の２乗に反比例して減衰する電波を誘電体伝搬し、エンコーダ信号の伝搬に必要充分な電界強度をスリットで調整できる漏洩同軸ケーブルを平面展開した構成を用いることができることを特徴とするものである。
高速移動やベルトとキャリッジの間隔が広い場合にもちいることが好ましい。
上記本発明は〔請求項４〕に示すように、同一歯付きベルト上に２つ以上のオメガ駆動機構のキャリッジが存在する機構でのそれぞれ異なる動作（速度や加減速など）による歯付きベルトの回転摩擦や負荷による伸びやたわみ、振動とうの影響が加算されることを抑制し、高精度位置決め、高精度同期をさせる他のキャリッジのエンコーダ信号を取り込むことを特徴とするものである。
歯付ベルトオメガ駆動機構が短尺の場合や低速の場合はエンコーダ信号を有線で伝送することも可能である。
上記本発明は、〔請求項５〕で示すように、１つの歯付きベルト上に２つにキャリッジをＶ字機構にして、それぞれのキャリッジの正逆および相対速度制御によって、ＸＹ２軸の２次元テーブルを構成できる。前記請求項の手段をもちいることによって、数メートルを越す長尺機構の高精度位置決め、高精度同期かつ安価な２次元テーブルを構成することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】  本発明によれば、歯付きベルト機構は安価でシンプルであるが、ボールねじによる同種の機構に比べて位置決め精度や同期が格段に貧弱であった。
エンコーダによる制御ループを構成した本発明の歯付きベルトオメガ機構では１０μｍレベルの位置決めが可能で、しかも安価である。またボールねじ適用機構では２〜３ｍを越す長尺機構の構築は困難であるが、本発明の無線伝搬により数十メートルの機構も構築できる。さらに歯付きベルトの軽量と歯付きプリーとの低摩擦特性により、リニアモータの領域の数十メートル／分の高速化まで可能な機構であることを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】誘電体無線伝播機能を有した歯付ベルト構成例
【図２】エバネセント波伝搬機能付歯付きベルト構成例
【図３】電波伝搬機能付歯付きベルト構成例
【図４】歯付きベルト媒体の無線伝搬
【図５】Ｖ字キャリッジによる同一ベルトによるＸＹ軸構成例
【発明を実施するための形態】
【０００９】以下添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る歯付きベルトオメガ駆動機構制御を説明する。
図１は、本発明のエンコーダ付モータを用いた歯付ベルトオメガ駆動機構０１のキャリッジ部機構０２、シャシ部（固定機構部）の一部固定側歯付きベルト周り、ベルトとモータドライバ、コントローラを含む構成および制御系の実施例の模式図である。
コントローラ０５の動作プログラムの指示がドライバ０４に伝えられ、制御されたモータ電源がキャリッジ部０２のエンコーダ付きモータ０６に供給され、連動している歯付きプーリ０７が回転して、２つのガイドプリー０８とで歯付きベルト０３上をキャリッジが移動する。
歯付きプーリと噛み合わせられた歯付きベルトは、２つのガイドプリー０８の左右はシャシ部にクランプ０９で固定された歯付きベルト０３と噛み合っている。
また、キャリッジに実装されている無線発振・変調・出力部１３からエンコーダ信号で変調されている電波やエバネセント波が、歯付きベルト０３に非接触に設置されているエキサイタ１０から供給伝播される。
供給された電波やエバネセント波は、歯付きプリー０７と噛み合う歯付きベルト０３に非接触で設置さされている受信アンテナ１１で受信され、受信・復調部１２で復調されエンコーダの回転速度／キャリッジの位置情報にされ、ドライバ０４やコントローラ０５に入力される、制御ループを有する制御系を構成することができる。
図２は、歯付きプリー０８と噛み合わせられた歯付きベルト０３に供給伝搬される、キャリッジ部駆動機構０２のモータに実装されているエンコーダ信号で変調されるキャリアがエバネセント波である場合の、歯付きプリー０７と噛み合わせられる側の歯付きベルト構成と歯付きベルトオメガ駆動機構制御系の実施例の模式図である。
制御系は図１と同じである。歯付きベルトオメガ駆動機構の形状、動作精度によって、エバネセント波の周波数、エキサイタ１０の形状／構成、受信アンテナ１１の形状／利得等を考慮して設計される。
エバネセント波の伝搬媒体としての歯付きベルト０３の構成は導電メッシュ層２１、誘電体層２２を使用する歯付きベルトの強度、疲労、寿命、延びとうを考慮して設計される。
ステンレス繊維やカーボン繊維等を用いている歯付きベルト０３は無線媒体としての導電メッシュ２１と共用することも可能である。
図３は、歯付きプリー０８と噛み合わせられた歯付きベルト０３に供給伝搬される、キャリッジ部駆動機構０２のモータに実装されているエンコーダ信号で変調されるキャリアが電波で、歯付きプリー０８と噛み合わせられる側の歯付きベルトが漏洩同軸ケーブルを平面に展開した構成の場合の歯付きベルトオメガ駆動機構制御系の実施例の模式図である。
図１、図２のエキサイタは（電波）送信アンテナ３１になり、キャリア周波数が数百ＭＨｚ以下になる。歯付きベルト０３の構成は歯の最上位が電波を必要最低限に漏洩させるスリットを有する導電メッシュ層３３、誘電体層３４、スリットのない導電メッシュ層３５の構成になる。
制御系は図１と同じである。歯付きベルトオメガ駆動機構の形状、動作精度によって、電波の周波数、送信アンテナ）３１および受信アンテナ１１の利得／形状／構成、等を考慮して設計される。
図４は、同一の歯付きベルト上に２つのオメガ機構キャリッジを有し、それぞれのキャリッジが自律して移動動作する２自由度の歯付きベルト２オメガ駆動キャリッジ機構制御の高精度位置決め、整定時間短縮、振動抑制を目的にした機構および制御系の実施例の模式図である。
ドライバ１−４１と対応するオメガ駆動キャリッジ１−４２とエキサイタ１−４４、ドライバ２−４５と対応するオメガ駆動キャリッジ２−４３とエキサイタ２−４７、オメガ駆動キャリッジ１−４２のエンコーダ１−４８、オメガ駆動キャリッジ２−４３のエンコーダ２−４９、受信／復調＆信号分離部５０、受信アンテナ５１で構成される。
受信／復調＆信号分離部５０では２つのキャリッジのエンコーダで変調された無線波を受信し、復調し、信号処理して、ドライバ１−４１にはエンコーダ２−４９の信号、ドライバ２−４５にはエンコーダ１−４８の信号を入力させる制御ループを構成する。機構が短尺の場合はエンコーダ信号を無線でなく有線にすることも可能である。
図５は、同一の歯付きベルト上に２つのオメガ機構キャリッジをＶ字機構にし、それぞれのキャリッジの正逆および相対速度制御によって、ＸＹ２軸の２次元ステージ動作を高精度位置決め、整定時間短縮、振動抑制させること目的にした機構および制御系の実施例の模式図である。
Ｖ字機構のテーブル座標は次式で表せる。
Ｘ＝（ｘ１＋ｘ２）／２
Ｙ＝√｛Ｌ２−（ｘ２２−２ｘ１ｘ２＋ｘ１２）｝／２
Ｖ字キャリッジ機構１−５１、Ｖ字キャリッジ機構２−５３、ＸＹテーブル５２で構成されている。
【符号の説明】
【００１０】１０  キャリッジ部駆動機構
１１  歯付きベルト
１２  エキサイタ
１３  無線送信部・センサ信号変調部
１４  モータドライバ
１５  歯付きプリー
１６  ガイドローラ
１７  復調部・受信部
１８  受信アンテナ
１９  導電メッシュ
２０  誘電体層
２１  送信アンテナ
２２  Ｖ字キャリッジ
２３  ＸＹテーブル
２４  ２次元ステージ
【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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