JP2022105702A - エンコーダ装置、駆動装置、ステージ装置、及びロボット装置 - Google Patents
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Abstract
Description
第3の態様によれば、移動物体と、その移動物体を移動させる第2の態様の駆動装置と、を備えるステージ装置が提供される。
第4の態様によれば、第2の態様の駆動装置と、その駆動装置によって相対移動するアームと、を備えるロボット装置が提供される。
第1の実施形態につき図1から図5を参照して説明する。図1は、本実施形態に係るエンコーダ装置ECを示す。図1において、エンコーダ装置ECは、モータM(動力供給部)の回転軸SF(移動部)の回転位置情報を検出する。回転軸SFは、例えばモータMのシャフト(回転子)であるが、モータMのシャフトに変速機などの動力伝達部を介して接続されるとともに負荷に接続される作用軸(出力軸)であってもよい。エンコーダ装置ECが検出した回転位置情報は、モータ制御部MCに供給される。モータ制御部MCは、エンコーダ装置ECから供給された回転位置情報を使って、モータMの回転(例、回転位置、回転速度など)を制御する。モータ制御部MCは、回転軸SFの回転を制御する。
図2(A)、(B)において、磁石11は、回転によって、回転軸SFの中心を通る直線(対称軸)に平行な方向である軸方向(又はアキシャル方向ともいう。)における磁界の向き及び強さが変化するように構成されている。磁石11は、例えば回転軸SFと同軸の円環状の部材である。一例として、磁石11は、回転軸SFを囲むように順に配置されたそれぞれ開き角が90°の扇型のN極16A、S極16B、N極16C、及びS極16Dよりなる第1の円環状磁石と、N極16A~S極16Dと同じ形状でN極16A~S極16Dの一面にそれぞれ貼り合わせて配置されたS極17A、N極17B、S極17C、及びN極17Dよりなる第2の円環状磁石とから構成されている。磁石11は、回転軸SFの回りの円周方向(又は周方向、回転方向ともいう。)に沿って4対の極性を持つように着磁されて磁力が発生する永久磁石である。磁石11の主たる面である表面(図1のモータMと反対側の面)及び裏面(モータMと同じ側の面)は、それぞれ、回転軸SFとほぼ垂直である。言い替えると、磁石11において、表面側のN極16A~S極16Dと、裏面側のS極17A~N極17Dとは角度(例、互いのN極とS極との位置)が90°(位相で180°)ずれており、N極16A~S極16DのN極とS極との境界と、S極17A~N極17DのS極とN極との境界とは、周方向の位置(角度位置)がほぼ一致している。なお、上記の第1の円環状磁石と第2の円環状磁石とは、移動方向(例、周方向、回転方向)又は軸方向に連続して一体化され複数の極性を有する1つの磁石であり、それら磁石の内側に空間を有する中空状の磁石であってもよい。
位置11aから反時計回りに90°の第1区間において、磁石11の表面側にN極が配置され、磁石11の裏面側にS極が配置されている。この第1区間において、磁石11の磁界の軸方向の向きは、概ね磁石11の表面側から裏面側へ向かう軸方向AD1(図3(C)参照)に平行である。第1区間において、磁界の強さは、位置11aと位置11bとの中間において最大となり、位置11a,11bの近傍で最小となる。
本実施形態において、電気信号発生ユニット31A,31Bは、それぞれ、回転軸SFに直交する磁石11の径方向(例、ラジアル方向)又は該径方向に平行な方向に離れて、磁石11と非接触に設けられている。第1の電気信号発生ユニット31Aは、第1感磁性部41A、第1発電部42A、第1組の第1磁性体45A、及び第1組の第2磁性体46Aを備える。なお、第1磁性体45A及び第2磁性体46Aのうちの一方は省略可能である。第1感磁性部41A、第1発電部42A、第1磁性体45A、及び第2磁性体46Aは、磁石11の外部に固定されており、磁石11の回転に伴って磁石11上の各位置との相対位置が変化する。例えば、図2(B)では、第1電気信号発生ユニット31Aから反時計回りに45°の位置に、磁石11の位置11bが配置されており、この状態から磁石11が順方向(反時計回り)に1回転すると、電気信号発生ユニット31Aの近傍を位置11a,11d,11c,11bがこの順に通過する。
整流スタック61は、第1電気信号発生ユニット31Aから流れる電流を整流する整流器である。整流スタック61の第1入力端子61aは、第1電気信号発生ユニット31Aの端子42Aaと接続されている。整流スタック61の第2入力端子61bは、第1電気信号発生ユニット31Aの端子42Abと接続されている。整流スタック61の接地端子61gは、シグナルグランドSGと同電位が供給される接地線GLに接続されている。多回転情報検出部3の動作時に、接地線GLの電位は、回路の基準電位になる。整流スタック61の出力端子61cは、レギュレータ63の制御端子63aに接続されている。
レギュレータ63の入力端子63bは、バッテリー32に接続されている。レギュレータ63の出力端子63cは、電源線PLに接続されている。レギュレータ63の接地端子63gは、接地線GLに接続されている。レギュレータ63の制御端子63aはイネーブル端子であり、レギュレータ63は、制御端子63aに閾値以上の電圧が印加された状態で、出力端子63cの電位を所定電圧に維持する。レギュレータ63の出力電圧(上記の所定電圧)は、計数器67がCMOSなどで構成される場合に例えば3Vである。記憶部14の不揮発性メモリ68の動作電圧は、例えば、所定電圧と同じ電圧に設定される。なお、所定電圧は、電力供給に必要な電圧であり、一定の電圧値のことだけでなく、段階的に変化する電圧であってもよい。
磁気センサ51の電源端子51pは、電源線PLに接続されている。磁気センサ51の接地端子51gは、接地線GLに接続されている。磁気センサ51の出力端子51cは、アナログコンパレータ65の入力端子65aに接続されている。本実施形態において、磁気センサ51の出力端子51cは、図2(C)に示した第2出力端子51bの電位と基準電位との差に相当する電圧を出力する。アナログコンパレータ65は、磁気センサ51から出力される電圧を所定電圧と比較する比較器である。アナログコンパレータ65の電源端子65pは、電源線PLに接続されている。アナログコンパレータ65の接地端子65 gは、接地線GLに接続されている。アナログコンパレータ65の出力端子65bは、計数器67の第1入力端子67aに接続されている。アナログコンパレータ65は、磁気センサ51の出力電圧が閾値以上である場合に出力端子からHレベルの信号を出力し、閾値未満である場合に出力端子からLレベルの信号を出力する。
なお、バッテリー32は、一次電池36と二次電池37の少なくとも一方を備えればよい。また、上述の実施形態においては、一次電池36または二次電池37から択一的に電力を供給するが、一次電池36及び二次電池37から並行して電力を供給してもよい。例えば、位置検出系1の各処理部(例えば磁気センサ51、計数器67、不揮発性メモリ68)の消費電力に応じて、一次電池36が電力を供給する処理部と、二次電池37が電力を供給する処理部とが定められてもよい。なお、二次電池37は、電源部EC2から供給される電力と、電気信号発生ユニット31A,31Bで発生する電気信号の電力との少なくとも一方を用いて、充電されればよい。
例えば、前回の信号レベルの組が(H、H)であって、今回の信号レベルが(H、L)である場合には、前回の検出において角度位置225°であり、今回の検出において角度位置270°であるので、反時計回り(順回転)であることがわかる。計数器67は、今回のレベルの組が(H、L)であって、かつ前回のレベルの組が(H、H)である場合、カウンタをアップすることを示すアップ信号を記憶部14に供給する。記憶部14は、計数器67からのアップ信号を検出した場合に、記憶している多回転情報を1増加した値に更新する。このように、本実施形態に係る多回転情報検出部3は、回転軸SFの回転方向を判定しながら、多回転情報を検出できる。
第2の実施形態につき図6(A)から(E)を参照して説明する。なお、図6(A)から(D)において図3(A)から(C)に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図6(A)は本実施形態に係るエンコーダ装置の磁石11A及び電気信号発生ユニット31Dを示す平面図、図6(B)は図6(A)の側面図、図6(C)は図6(A)の一部の拡大図である。図6(A)、(B)において、磁石11Aは、回転によって回転軸SFに対する半径方向(又は径方向、ラジアル方向、若しくは放射方向)AD2における磁界の向きおよび強さが変化するように構成される。磁石11Aは、例えば回転軸SFと同軸の円環状の部材である。磁石11Aの主面(表面及び裏面)は、それぞれ、回転軸SFとほぼ垂直である。
第3の実施形態につき図7(A)から(C)を参照して説明する。なお、図7(A)から(C)において図6(A)から(C)に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図7(A)は本実施形態に係るエンコーダ装置の磁石11A及び電気信号発生ユニット31Fを示す平面図、図7(B)は図7(A)の磁石11Aを断面とした側面図である。図7(A)、(B)において、磁石11Aは、回転によって回転軸SFに対する半径方向AD2における磁界の向きおよび強さが変化するように構成されている。
磁石11Aの内側面に発生する磁力線を含む電気信号発生ユニット31Fにおけるパルス生成に不要な磁場成分は、感磁性部材47の長さ方向に直交しており、その不要な磁場成分は、磁石11Aの回転に伴う交流磁界の反転による感磁性部材47の一端から他端に向かう磁壁の発生には悪影響を与えない。このため、感磁性部材47を磁石11Aの内側面に配置して、電気信号発生ユニット31Fを小型化しても、その不要な磁場成分に影響されることなく、磁石11Aの回転による半径方向AD2の交流磁界の反転によって、電気信号発生ユニット31Fを用いて効率的に安定した高出力のパルス(電気信号)を発生することができる。この他の効果は上述の実施形態と同様である。
[第4の実施形態]
第4の実施形態につき図8(A)から(E)を参照して説明する。なお、図8(A)から(E)において図3(A)から(C)に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
第5の実施形態につき図9(A)及び(B)を参照して説明する。なお、図9(A)及び(B)において図3(A)から(C)に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図9(A)は本実施形態に係るエンコーダ装置の磁石11B、磁気センサ51,52(磁気検出部12)、及び電気信号発生ユニット31Aを示す平面図、図9(B)及は図9(A)の磁石11Bを断面で表した側面図である。図9(A)、(B)において、磁石11Bは、開き角が180°の扇型のN極16G及びS極16Hが回転軸SFの回転方向(θ方向)に配置された外周側の円環状磁石と、開き角が180°の扇型のS極16J及びN極16Iがθ方向に配置された内周側の円環状磁石とを備える。また、外周側のN極16G及びS極16Hの裏面に、同じ形状で極性が異なるS極17G及びN極17Hが貼着され、内周側のN極16I及びS極16Jの裏面に、同じ形状で極性が異なるS極17I及びN極17Jが貼着されている。このように磁石11Bの外周側の円環状磁石と内周側の円環状磁石とは位相が180°ずれている。また、磁石11Bは厚さ方向(軸方向AD1)にも互いに異なる2つの極性を有する。磁石11Bにおいて、内周側におけるS極16JとN極16Iとの境界は、外周側におけるN極16GとS極16Hとの境界と、θ方向の角度位置がほぼ一致している。
さらに、磁気センサ51及び52は、それぞれ磁石11Bの内周側の円環状磁石と外周側の円環状磁石との間に発生する磁力線MF4を含む磁界の変化を検出することができる。本実施形態におけるエンコーダ装置は、磁気センサ51及び52の検出結果を用いて回転軸SFの角度及び多回転情報を求めることができる。この他の効果は第1の実施形態と同様である。
第6の実施形態につき図10(A)及び(B)を参照して説明する。なお、図10(A)及び(B)において図9(A)及び(B)に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
なお、上述の第1実施形態において、磁石11は、周方向に4極と厚さ方向に2極とを有する8極の磁石であるが、このような構成に限定されず適宜変更できる。例えば、磁石11は、周方向の極数が2極又は4極以上であってもよい。
駆動装置の一例について説明する。図11は、駆動装置MTRの一例を示す図である。以下の説明において、上記した実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。この駆動装置MTRは、電動モータを含むモータ装置である。駆動装置MTRは、回転軸SFと、回転軸SFを回転駆動する本体部(駆動部)BDと、回転軸SFの回転位置情報を検出するエンコーダ装置ECとを有している。
ステージ装置の一例について説明する。図12は、ステージ装置STGを示す。このステージ装置STGは、図11に示した駆動装置MTRの回転軸SFのうち負荷側端部SFaに、回転テーブル(移動物体)TBを取り付けた構成である。以下の説明において、上記した実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。
ステージ装置STGは、エンコーダ装置ECのバッテリー交換の必要性が低い又は無いので、メンテナンスコストを減らすことができる。なお、ステージ装置STGは、例えば、旋盤等の工作機械に備える回転テーブル等に適用できる。
ロボット装置の一例について説明する。図13は、ロボット装置RBTを示す斜視図である。なお、図13には、ロボット装置RBTの一部(関節部分)を模式的に示した。以下の説明において、上記した実施形態と同一または同等の構成部分については同一符号を付けて説明を省略または簡略化する。このロボット装置RBTは、第1アームAR1と、第2アームAR2と、関節部JTとを有している。第1アームAR1は、関節部JTを介して、第2アームAR2と接続されている。
また、本明細書には以下の発明の態様も記載されている。
1)移動部の位置情報を検出する位置検出部と、前記移動部の移動方向に沿って複数の極性を持つ磁石と、前記磁石との相対的な移動に伴う磁界の変化によって磁気特性が変化する感磁性部を有し、前記感磁性部の磁気特性に基づいて電気信号を発生する電気信号発生部とを備え、前記感磁性部が、前記移動方向に沿った前記磁石の側面に対して前記移動方向に直交する方向に間隔を置き、かつ前記磁石の少なくとも一部の磁力線の接線方向に前記感磁性部の長さ方向が直交するように配置される、エンコーダ装置。
2)前記電気信号発生部は、前記磁石の磁力線を前記感磁性部の長さ方向に導くための磁性体を有する態様1に記載のエンコーダ装置。
3)前記磁石の磁力線のうち、前記感磁性部の長さ方向の略中心を通過する磁力線の接線方向に対して略直交するように、前記感磁性部の長さ方向が配置される態様1又は2に記載のエンコーダ装置
4)前記磁石は、前記移動方向に沿って平板状で、前記移動方向に直交する厚さ方向にも互いに異なる極性を有し、前記感磁性部は、長さ方向が前記平板状の磁石の一面に平行になるように、前記磁石の側面に配置される態様1から3のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
5)前記電気信号発生部は、前記移動方向において同じ位置にある前記磁石の互いに異なる極性の2つの部分からの磁力線を前記感磁性部の長さ方向に導くための磁性体を有する態様4に記載のエンコーダ装置。
6)前記電気信号発生部は、前記移動方向において異なる位置にある前記磁石の互いに異なる極性の2つの部分からの磁力線を前記感磁性部の長さ方向に導くための磁性体を有する態様4に記載のエンコーダ装置。
7)前記磁石は、前記移動方向に沿って平板状で、前記移動方向に直交する幅方向にも互いに異なる極性を有し、前記感磁性部は、長さ方向が前記平板状の磁石の一面に直交するように、前記磁石の側面に配置される態様1から3のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
8)前記電気信号発生部は、前記移動方向において異なる位置にある前記磁石の互いに異なる極性の2つの部分からの磁力線を前記感磁性部の長さ方向に導くための磁性体を有する態様7に記載のエンコーダ装置。
9)前記電気信号発生部は、前記幅方向において異なる位置にある前記磁石の互いに異なる極性の2つの部分からの磁力線を前記感磁性部の長さ方向に導くための磁性体を有する態様7に記載のエンコーダ装置。
11)前記電気信号発生部は、前記移動方向において前記感磁性部が配置される位置と異なる位置にある前記磁石の部分からの磁力線を前記感磁性部の長さ方向に導くための磁性体を有する態様10に記載のエンコーダ装置。
12)前記磁石は、前記移動方向に沿って平板状で、前記移動方向に直交する厚さ方向にも互いに異なる極性を有し、前記感磁性部は、長さ方向が前記平板状の磁石の一面に平行であるとともに、前記磁石の側面に垂直になるように、前記磁石の側面に配置される態様1から3のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
13)前記電気信号発生部は、前記移動方向において同じ位置にある前記磁石の2つの部分からの磁力線を前記感磁性部の長さ方向に導くための磁性体を有する態様12に記載のエンコーダ装置。
14)前記電気信号発生部は、前記移動方向において互いに異なる位置にある前記磁石の一面及び他面の2つの部分からの磁力線を前記感磁性部の長さ方向に導くための磁性体を有する態様12に記載のエンコーダ装置。
15)前記感磁性部は、前記磁石の移動に伴う磁界の変化によって大バルクハウゼンジャンプを生じる、態様1から14のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
16)前記電気信号発生部は、前記移動部の移動によってパルス状の電力を発生する、態様1から15のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
17)前記電気信号発生部で発生する電気信号に応じて、前記位置検出部で消費される電力の少なくとも一部を供給するバッテリーを備える態様1から16のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
18)前記電気信号発生部で発生する電気信号に応じて、前記バッテリーから前記位置検出部への電力の供給の有無を切り替える切替部を備える、態様17に記載のエンコーダ装置。
19)前記バッテリーは、一次電池又は二次電池を含む、態様17又は18に記載のエンコーダ装置。
21)前記位置検出用磁石は、前記電気信号発生部が電気信号を発生するための磁界の変化を起こす前記磁石が兼用する態様20に記載のエンコーダ装置。
22)前記位置検出部は、前記移動部と連動して移動するスケールと、前記スケールに光を照射する照射部と、前記スケールからの光を検出する光検出部と、を含む、態様1から21のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
23)前記移動部は回転軸を含み、前記磁石は輪帯状であり、前記感磁性部は、前記磁石の外側面の外側、又は内側面の内側に配置される態様1から22のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
24)前記位置検出部は、前記回転軸の1回転以内の角度位置情報を検出する角度検出部と、前記位置情報として前記回転軸の多回転情報を検出する多回転情報検出部と、を備える態様1から23のいずれか一項に記載のエンコーダ装置。
25)態様1から24のいずれか一項に記載のエンコーダ装置と、前記移動部に動力を供給する動力供給部と、を備える駆動装置。
26)移動物体と、前記移動物体を移動させる態様25に記載の駆動装置と、を備えるステージ装置。
27)態様25に記載の駆動装置と、前記駆動装置によって相対移動するアームと、を備えるロボット装置。
Claims (1)
- 移動部の位置情報を検出する位置検出部と、
前記移動部の移動方向に沿って複数の極性を持つ磁石と、
前記磁石との相対的な移動に伴う磁界の変化によって磁気特性が変化する感磁性部を有し、前記感磁性部の磁気特性に基づいて電気信号を発生する電気信号発生部とを備え、
前記感磁性部が、前記移動方向に沿った前記磁石の側面に対して前記移動方向に直交する方向に間隔を置き、かつ前記磁石の少なくとも一部の磁力線の接線方向に前記感磁性部の長さ方向が直交するように配置される、エンコーダ装置。
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