JP4210251B2 - 近接センサを使用した耐放射線回転検出装置による高精度位置検出制御方法及びこの方法に使用する装置 - Google Patents

Description

この発明は、ステッピングモータの回転運動を直線運動に変換し、ある物体を近距離において精密に直線移動させる際、近接センサを使用した回転検出装置により、高精度にその物体の位置を検出、制御する方法及びその装置に関するものであり、特に高放射線環境における使用に適した方法及びその装置である。

ステッピングモータの回転運動を直線運動に変換し、ある物体を近距離において精密に直線移動させる場合において、その物体の位置を検出するためには、ポテンショメータ等による絶対位置検出やエンコーダ等による回転検出が一般に知られている。しかしながら使用する場所が高放射線環境ではポテンショメータやエンコーダが放射線による劣化のため、使用できない。

そこで、これらを使用しない方法としてステッピングモータの駆動パルス数をカウントし、駆動パルス数と回転数が比例することから回転数を算出し、さらに回転数を直線移動距離に換算するという手法がある。この手法では、高放射線環境でも使用できる。しかし、この手法では、ステッピングモータに駆動パルスを与えても過負荷等の理由によりステッピングモータが回転しない、いわゆる「脱調」が発生した場合には、誤った物***置情報を提供することとなる。

そこで、この発明は、構造が簡単な近接センサを使用した耐放射線回転検出器を使用し、ステッピングモータのパルス制御を監視することにより、高放射線環境下においても、当該ステッピングモータによる直線移動対象物体の高精度の直線位置の検出、制御と当該移動対象物体の原点位置検出、制御を可能にした、高精度位置検出制御方法及びその装置を提供し、上記課題を解決しようとするものである。

請求項１の発明は、高放射線環境下で、ステッピングモータの回転軸の一端に接続された直線移動機構を設け、この直線移動機構から軸方向に動く直線移動ロッドを設け、この直線移動ロッドに係止された移動対象物体の位置制御方法において、上記ステッピングモータの回転軸の他端に接続された同期回転軸を軸支した回転検出装置を設け、この回転検出装置の回転軸にその中心孔を嵌めて固定した円板を設け、この円板の外周縁に沿って多数の切り欠き又は穴を設け、上記回転検出装置の、上記切り欠き又は穴の一つにそれぞれ対向する位置に第１近接センサ及び第２近接センサを固定し、これらの第１近接センサと第２近接センサとは、一方のセンサが上記切り欠き又は穴の一つに完全に対向したとき他方のセンサは上記切り欠き又は穴の他の一つに半分対向する位置になるように設け、上記第１近接センサ及び第２近接センサにより回転角度及び回転方向を検出して、上記移動対象物体の位置を検出する。

また、上記円板の、上記外周縁に沿って設けた多数の切り欠き又は穴の内側に、原点検出用穴を設け、この原点検出用穴に対向して第３近接センサを設け、また、上記直線移動機構の、移動対象物体を直線的に動かす直線移動ロッドの一側に原点検出用突起を設け、この突起に対向して第４近接センサを設け、上記ステッピングモータを回転させて当該第４近接センサが上記突起を検出してさらにステッピングモータを回転させて上記第３近接センサが上記円板の原点検出用穴を検出した位置を移動対象物体の真の原点として検出する、近接センサを使用した耐放射線回転検出装置による高精度位置制御方法とした。

請求項２の発明は、高放射線環境下で、ステッピングモータの回転軸の一端に接続された直線移動機構を設け、この直線移動機構から軸方向に動く直線移動ロッドを設け、この直線移動ロッドに係止された移動対象物体の位置制御方法において、上記ステッピングモータの回転軸の他端に接続された同期回転軸を軸支した回転検出装置を設け、この回転検出装置の回転軸にその中心孔を嵌めて固定した円板を設け、この円板の外周縁に沿って多数の切り欠き又は穴を設け、上記回転検出装置の、上記切り欠き又は穴の一つにそれぞれ対向する位置に第１近接センサ及び第２近接センサを固定し、これらの第１近接センサと第２近接センサとは、一方のセンサが上記切り欠き又は穴の一つに完全に対向したとき他方のセンサは上記切り欠き又は穴の他の一つに半分対向する位置になるように設け、上記第１近接センサ及び第２近接センサにより回転角度及び回転方向を検出して、上記移動対象物体の位置を検出し、上記直線移動機構の、移動対象物体を直線的に動かす直線移動ロッドの一側に原点検出用突起を設け、この突起に対向して第４近接センサを設け、上記ステッピングモータを回転させて一方から上記直線移動ロッドを動かして突起を第４近接センサに近づけ、当該第４近接センサが上記突起を検出した原点検出位置と、ステッピングモータを逆回転させて上記と逆方向から上記突起を第４近接センサに近づけ当該第４近接センサが上記突起を検出した原点検出位置との中間点を算出し、これを移動対象物の真の原点として検出する、近接センサを使用した耐放射線回転検出装置による高精度位置制御方法とした。

また、請求項３の発明は、高放射線環境下で、ステッピングモータの回転軸の一端に接続された直線移動機構を設け、この直線移動機構から軸方向に動く直線移動ロッドを設け、この直線移動ロッドに係止された移動対象物体を移動させる装置において、上記ステッピングモータの回転軸の他端に接続された同期回転軸を軸支した回転検出装置を設け、この回転検出装置の回転軸にその中心孔を嵌めて固定した円板を設け、この円板の外周縁に沿って多数の切り欠き又は穴を設け、上記回転検出装置の、上記切り欠き又は穴の一つにそれぞれ対向する位置に第１近接センサ及び第２近接センサを固定し、これらの第１近接センサと第２近接センサとは、一方のセンサが上記切り欠き又は穴の一つに完全に対向したとき他方のセンサは上記切り欠き又は穴の他の一つに半分対向する位置になるように設け、上記円板の、上記外周縁に沿って設けた多数の切り欠き又は穴の内側に、原点検出用穴を設け、この原点検出用穴に対向して第３近接センサを設け、また、上記直線移動機構の、移動対象物体を直線的に動かす直線移動ロッドの一側に原点検出用突起を設け、この突起に対向して第４近接センサを設け、上記ステッピングモータを回転させて当該第４近接センサが上記突起を検出してさらにステッピングモータを回転させて上記第３近接センサが上記円板の原点検出用穴を検出した位置を移動対象物体の真の原点とするよう構成した、近接センサを使用した耐放射線回転検出装置による高精度位置制御装置とした。

また、請求項４の発明は、高放射線環境下で、ステッピングモータの回転軸の一端に接続された直線移動機構を設け、この直線移動機構から軸方向に動く直線移動ロッドを設け、この直線移動ロッドに係止された移動対象物体を移動させる装置において、上記ステッピングモータの回転軸の他端に接続された同期回転軸を軸支した回転検出装置を設け、この上記この回転検出装置の回転軸にその中心孔を嵌めて固定した円板を設け、この円板の外周縁に沿って多数の切り欠き又は穴を設け、上記回転検出装置の、上記切り欠き又は穴の一つにそれぞれ対向する位置に第１近接センサ及び第２近接センサを固定し、これらの第１近接センサと第２近接センサとは、一方のセンサが上記切り欠き又は穴の一つに完全に対向したとき他方のセンサは上記切り欠き又は穴の他の一つに半分対向する位置になるように設け、上記直線移動機構の、移動対象物体を直線的に動かす直線移動ロッドの一側に原点検出用突起を設け、この突起に対向して第４近接センサを設け、上記ステッピングモータを回転させて一方から上記直線移動ロッドの突起を第４近接センサに近づけ、当該第４近接センサが上記突起を検出した原点検出位置と、ステッピングモータを逆回転させて上記と逆方向から上記突起を第４近接センサに近づけ当該第４近接センサが上記突起を検出した原点検出位置との中間点を算出し、これを移動対象物体の真の原点とする構成とした、近接センサを使用した耐放射線回転検出装置による高精度位置制御装置とした。

請求項１及び３の各発明によれば、ステッピングモータを使用する制御システムの位置検出において、近接センサを用いた極めて簡単な構造であるにもかかわらず、極めて正確に移動対象物体の位置を検出できる。しかも、製造、設置に際しての手間がかからず、安価にできる。また、ポテンショメータや汎用エンコーダ等の使用が困難な場所である５ＭＧｙ程度の高放射線環境下での使用も可能である。さらに、この方法に使用する近接センサの巻線として、例えば特開平１１−１４０１８７号公報に記載された耐放射線性に優れた巻線を使用することにより、更に高放射線環境における適応性をより高めることができる。
また、上記効果に加え、第４近接センサに求められる許容誤差はステッピングモータ１回転分の直線移動距離とされているが、この発明では第４近接センサによる検出と、この検出に続いてステッピングモータと同期回転する円盤の１回転以下の回転を第３近接センサが検出することにより原点位置を検出するため、第４近接センサの誤差を補正して真の原点を高精度に検出することができる。
また、請求項２及び４の発明は、上記請求項１及び３の発明の効果に加え、第４近接センサによる検出を移動対象物体を原点付近の両側からそれぞれ移動させて行い、双方の検出点の中間点を真の原点位置とするため、原点検出を極めて高精度に行うことが出来る。

ステッピングモータの回転運動を直線運動に変換する直線移動機構を介して移動対象物体を直線移動させる装置において、上記ステッピングモータの回転軸に接続された同期回転軸を軸支した回転検出装置を設け、この回転検出装置の回転軸にその中心孔を嵌めて固定した円板を設け、この円板の外周縁に沿って多数の切り欠き又は穴を設け、上記回転検出装置の、上記切り欠き又は穴の一つにそれぞれ対向する位置に第１近接センサ及び第２近接センサを固定し、これらの第１近接センサと第２近接センサとは、一方のセンサが上記切り欠き又は穴の一つに完全に対向したとき他方のセンサは上記切り欠き又は穴の他の一つに半分対向する位置になるように設け、上記円板の、上記外周縁に沿って設けた多数の切り欠き又は穴の内側に、原点検出用穴を設け、この原点検出用穴に対向して第３近接センサを設け、また、上記直線移動機構の、移動対象物体を直線的に動かす直線移動ロッドの一側に原点検出用突起を設け、この突起に対向して第４近接センサを設け、上記ステッピングモータを回転させて当該第４近接センサが上記突起を検出してさらにステッピングモータを回転させて上記第３近接センサが上記円板の原点検出用穴を検出した位置を移動対象物体の真の原点位置とする、近接センサを使用した耐放射線回転検出装置による高精度位置制御方法である。

図１はこの発明に使用する装置の概要を示す。
ステッピングモータ１の回転軸１ａを、回転運動を直線運動に変換する直線移動機構２の減速機３の入力軸と接続している。この直線移動機構２から、軸方向に動く直線移動ロッド４を設け、この直線移動ロッド４の先端に移動対象物体５を係止している。そして、ステッピングモータ１を回転させると直線移動機構２において回転運動を直線運動に変え直線移動ロッド４が直線運動し、これに伴って移動対象物体５が直線移動する。
また、上記直線移動機構２と反対側に回転検出装置６を設け、この回転検出装置６において、上記ステッピングモータ１の回転軸１ａに接続された同期回転軸７を軸支し、この同期回転軸７にその中心孔８ａを嵌めて固定した羽根車８を設け、この羽根車８に対向した位置に、第１近接センサＰＸ−Ａ、第２近接センサＰＸ−Ｂ、及び第３近接センサＰＸ−Ｃがフレーム９に支持されて設けられている。

図２は上記羽根車８と各近接センサの位置を示す図であり、羽根車８は、円板の外周に間隔をあけて８個の羽根８ｂを設けた形状で、さらに上記円板の内側一箇所に原点検出用穴８ｃを穿っている。そして、上記羽根８ｂの一つに対向する位置に第１近接センサＰＸ−Ａ及び第２近接センサＰＸ−Ｂがそれぞれ固定されている。そして、これらの第１近接センサＰＸ−Ａと第２近接センサＰＸ−Ｂとは、一方のセンサが上記羽根８ｂの中央に対向したとき、他方のセンサは上記羽根８ｂの他の一つに半分かかる位置になるように配置されている。また、第３近接センサＰＸ−Ｃは、当該羽根車８の回転により、上記センサ検出用孔８ｃに対向する位置に配置されている。

この装置を使ってステッピングモータ１の回転角度を検出する。ステッピングモータ１が１回転するごとに第１近接センサＰＸ−Ａが出力する８点の検出信号を使用する。つまり相対的な回転角度の検出は４５度となる。このとき羽根車８の羽根８ｂの数は８枚に限定するものではなく、近接センサが羽根８ｂを正しく検出できる大きさであれば、羽根は何枚としてもよく、枚数が多いほど検出能力が高まる。さらに、羽根車８の代わりに、図３に示すような、円板１０の外周縁にそって、上記第１近接センサＰＸ−Ａが検出できる８個の穴１０ｂを配置してもよい。このようにして、第１近接センサＰＸ−Ａの出力信号の数を基にし、直線移動機構２の減速機３の減速比とを勘案して、上記移動対象物体５の位置を検出する。従って、直線位置検出、制御の精度は直線移動機構２の減速比と当該回転検出装置６の検出能力によって決定される。
なお、図３に示す円板１０も、上記羽根車８と同様に、同期回転軸７に嵌める中心孔１０ａ、上記穴１０ｂ及び原点検出用穴１０ｃを有している。

また、上記ステッピングモータ１の回転方向検出は、第１近接センサＰＸ−Ａが羽根８ａの中心に重なるとき、第２近接センサＰＸ−Ｂが羽根８ｂの中心から羽根１／２枚分ずれる位置になるように取り付けられているため、第１近接センサＰＸ−Ａと第２近接センサＰＸ−Ｂの動作のタイミングを比較することにより判別する。図４はステッピングモータ１の正転時、逆転時の第１近接センサＰＸ−Ａと第２近接センサＰＸ−Ｂの動作のタイミングを示す図である。

次に、上記移動対象物体５の原点位置を検出する方法を示す。上記第３近接センサＰＸ−Ｃと直線移動機構２の原点位置を検出する第４近接センサＰＸ−Ｄを併用する。図１において、上記直線移動機構２の直線移動ロッド４の外周に原点検出用突起１１を設け、この突起１１を原点位置とする。そしてこの突起１１を検出する第４近接センサＰＸ−Ｄを上記直線移動ロッド４に対向して設けている。

原点検出制御はこの第４近接センサＰＸ−Ｄ単独で原点位置検出を行うと、第４近接センサＰＸ−Ｄの誤差がそのまま原点位置検出の誤差となる。そこで、第４近接センサＰＸ−Ｄと第３近接センサＰＸ−Ｃを組み合わせることにより高精度な原点検出制御を行う。 すなわち、ある位置から原点に近づくようにステッピングモータ１を回転させ、第４近接センサＰＸ−Ｄが上記直線移動ロッド４の突起１１により原点付近を検出したのちもステッピングモータ１の回転を継続させ、上記第３近接センサＰＸ−Ｃが羽根車８の原点検出用穴８ｃを検出した位置を真の原点とする。

この方法による原点検出誤差は、第３近接センサＰＸ−Ｃが回転する穴８ｃの位置を検出する際の回転角度誤差を直線移動距離に換算した値となるため、従来の第４近接センサＰＸ−Ｄの単独検出による誤差と比べ無視できるほどの値となる。また、装置を設置する場合には第４近接センサＰＸ−Ｄが原点付近を検出し、かつ第３近接センサＰＸ−Ｃが原点検出用孔８ｃを検出した状態が原点位置となるよう調整する。これにより、精度の高い設置を行うことができる。また、第３近接センサＰＸ−Ｃの検出対象は羽根車８の原点検出用穴８ｃとする以外に、ステッピングモータ１が回転するごとに第３近接センサＰＸ−Ｃを１回通過する検出対象物を別の方法で設けてもよい。

また、原点位置検出のもう一つの考え方として、第３近接センサＰＸ−Ｃを用いない方法も考えられる。第４近接センサＰＸ−Ｄの原点検出精度は温度や湿度等の外的環境条件により変動し誤差を生じるが、上記ステッピングモータ１を回転させて直線移動機構２の直線移動ロッド４を一方向から原点に近づけ、上記直線移動ロッド４の突起を第４近接センサＰＸ−Ｄが検出することにより原点検出した位置と、上記ステッピングモータ１を逆回転させて、直線移動ロッド４を逆方向から原点に近づけ、上記突起を第４近接センサＰＸ−Ｄが検出することにより原点検出した位置との中間点を算出し、これを真の原点とする。これにより高精度の原点位置の検出を行うことができる。

また、具体的な直線位置制御を行う場合には、原点位置制御により一旦直線移動機構２の直線移動ロッド４を原点に戻してから行い、原点位置から目標位置までの移動距離を直線移動機構２の減速比等から必要な駆動パルスを計算してステッピングモータ１を制御する。その際、当該回転検出装置６を使用してフィードバック制御を行うことにより制御精度を高めることができる。

また、上記実施例では回転角度検出等に羽根車又は円板を用いたが、羽根車はどのような形状でも良く、羽根車という言葉にとらわれず、円板の外周縁に沿って、適宜間隔で多数の切り欠きを設けたものも包含させる。また、上記実施例で使用した第１近接センサＰＸ−Ａ乃至第４近接センサＰＸ−Ｄの各近接センサの巻線として、例えば特開平１１−１４０１８７号公報に記載の、耐放射線性に優れた、絶縁被覆としてポリベンゾイミダゾールを有するポリベンゾイミダゾール電線を使用することもある。
以上により、この発明の構成となっている近接センサを使用した回転検出装置は耐放射線性に優れ、この発明の方法及びその装置は高放射線環境下で使用できるものである。

この発明の実施例の装置の概略構成図である。 この発明の実施例の装置の回転検出装置の羽根車と近接センサの位置を示す正面図である。 この発明の他の実施例の装置の回転検出装置の円板と近接センサの位置を示す正面図である。 この発明の実施例の装置のステッピングモータ１の正転時、逆転時の第１近接センサＰＸ−Ａと第２近接センサＰＸ−Ｂの動作のタイミングを示す図である。

符号の説明

１ ステッピングモータ
１ａ 回転軸
２ 直線移動機構
３ 減速機
４ 直線移動ロッド
５ 移動対象物体
６ 回転検出装置
７ 同期回転軸
８ 羽根車
８ａ 中心孔
８ｂ 羽根
８ｃ 原点検出用穴
９ フレーム
１０ 円板
１０ａ 中心孔
１０ｂ 穴
１０ｃ 原点検出用孔
１１ 原点検出用突起
ＰＸ―Ａ 第１近接センサ
ＰＸ−Ｂ 第２近接センサ
ＰＸ−Ｃ 第３近接センサ
ＰＸ−Ｄ 第４近接センサ

Claims (4)

1. 高放射線環境下で、ステッピングモータの回転軸の一端に接続された直線移動機構を設け、この直線移動機構から軸方向に動く直線移動ロッドを設け、この直線移動ロッドに係止された移動対象物体の位置制御方法において、
   上記ステッピングモータの回転軸の他端に接続された同期回転軸を軸支した回転検出装置を設け、この回転検出装置の回転軸にその中心孔を嵌めて固定した円板を設け、この円板の外周縁に沿って多数の切り欠き又は穴を設け、上記回転検出装置の、上記切り欠き又は穴の一つにそれぞれ対向する位置に第１近接センサ及び第２近接センサを固定し、これらの第１近接センサと第２近接センサとは、一方のセンサが上記切り欠き又は穴の一つに完全に対向したとき他方のセンサは上記切り欠き又は穴の他の一つに半分対向する位置になるように設け、上記第１近接センサ及び第２近接センサにより回転角度及び回転方向を検出して、上記移動対象物体の位置を検出し、
   上記円板の、上記外周縁に沿って設けた多数の切り欠き又は穴の内側に、原点検出用穴を設け、この原点検出用穴に対向して第３近接センサを設け、また、上記直線移動機構の、移動対象物体を直線的に動かす直線移動ロッドの一側に原点検出用突起を設け、この突起に対向して第４近接センサを設け、上記ステッピングモータを回転させて当該第４近接センサが上記突起を検出してさらにステッピングモータを回転させて上記第３近接センサが上記円板の原点検出用穴を検出した位置を移動対象物体の真の原点として検出することを特徴とする、近接センサを使用した耐放射線回転検出装置による高精度位置制御方法。
2. 高放射線環境下で、ステッピングモータの回転軸の一端に接続された直線移動機構を設け、この直線移動機構から軸方向に動く直線移動ロッドを設け、この直線移動ロッドに係止された移動対象物体の位置制御方法において、
   上記ステッピングモータの回転軸の他端に接続された同期回転軸を軸支した回転検出装置を設け、この回転検出装置の回転軸にその中心孔を嵌めて固定した円板を設け、この円板の外周縁に沿って多数の切り欠き又は穴を設け、上記回転検出装置の、上記切り欠き又は穴の一つにそれぞれ対向する位置に第１近接センサ及び第２近接センサを固定し、これらの第１近接センサと第２近接センサとは、一方のセンサが上記切り欠き又は穴の一つに完全に対向したとき他方のセンサは上記切り欠き又は穴の他の一つに半分対向する位置になるように設け、上記第１近接センサ及び第２近接センサにより回転角度及び回転方向を検出して、上記移動対象物体の位置を検出し、
   上記直線移動機構の、移動対象物体を直線的に動かす直線移動ロッドの一側に原点検出用突起を設け、この突起に対向して第４近接センサを設け、上記ステッピングモータを回転させて一方から上記直線移動ロッドを動かして突起を第４近接センサに近づけ、当該第４近接センサが上記突起を検出した原点検出位置と、ステッピングモータを逆回転させて上記と逆方向から上記突起を第４近接センサに近づけ当該第４近接センサが上記突起を検出した原点検出位置との中間点を算出し、これを移動対象物の真の原点として検出することを特徴とする、近接センサを使用した耐放射線回転検出装置による高精度位置制御方法。
3. 高放射線環境下で、ステッピングモータの回転軸の一端に接続された直線移動機構を設け、この直線移動機構から軸方向に動く直線移動ロッドを設け、この直線移動ロッドに係止された移動対象物体を移動させる装置において、
   上記ステッピングモータの回転軸の他端に接続された同期回転軸を軸支した回転検出装置を設け、この回転検出装置の回転軸にその中心孔を嵌めて固定した円板を設け、この円板の外周縁に沿って多数の切り欠き又は穴を設け、上記回転検出装置の、上記切り欠き又は穴の一つにそれぞれ対向する位置に第１近接センサ及び第２近接センサを固定し、これらの第１近接センサと第２近接センサとは、一方のセンサが上記切り欠き又は穴の一つに完全に対向したとき他方のセンサは上記切り欠き又は穴の他の一つに半分対向する位置になるように設け、上記円板の、上記外周縁に沿って設けた多数の切り欠き又は穴の内側に、原点検出用穴を設け、この原点検出用穴に対向して第３近接センサを設け、また、上記直線移動機構の、移動対象物体を直線的に動かす直線移動ロッドの一側に原点検出用突起を設け、この突起に対向して第４近接センサを設け、上記ステッピングモータを回転させて当該第４近接センサが上記突起を検出してさらにステッピングモータを回転させて上記第３近接センサが上記円板の原点検出用穴を検出した位置を移動対象物体の真の原点とするよう構成したことを特徴とする、近接センサを使用した耐放射線回転検出装置による高精度位置制御装置。
4. 高放射線環境下で、ステッピングモータの回転軸の一端に接続された直線移動機構を設け、この直線移動機構から軸方向に動く直線移動ロッドを設け、この直線移動ロッドに係止された移動対象物体を移動させる装置において、
   上記ステッピングモータの回転軸の他端に接続された同期回転軸を軸支した回転検出装置を設け、この上記この回転検出装置の回転軸にその中心孔を嵌めて固定した円板を設け、この円板の外周縁に沿って多数の切り欠き又は穴を設け、上記回転検出装置の、上記切り欠き又は穴の一つにそれぞれ対向する位置に第１近接センサ及び第２近接センサを固定し、これらの第１近接センサと第２近接センサとは、一方のセンサが上記切り欠き又は穴の一つに完全に対向したとき他方のセンサは上記切り欠き又は穴の他の一つに半分対向する位置になるように設け、上記直線移動機構の、移動対象物体を直線的に動かす直線移動ロッドの一側に原点検出用突起を設け、この突起に対向して第４近接センサを設け、上記ステッピングモータを回転させて一方から上記直線移動ロッドの突起を第４近接センサに近づけ、当該第４近接センサが上記突起を検出した原点検出位置と、ステッピングモータを逆回転させて上記と逆方向から上記突起を第４近接センサに近づけ当該第４近接センサが上記突起を検出した原点検出位置との中間点を算出し、これを移動対象物体の真の原点とする構成としたことを特徴とする、近接センサを使用した耐放射線回転検出装置による高精度位置制御装置。

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