シャフト型リニアモータの位置検出装置
【課題】 シャフト型リニアモータの位置決め制御システムにおける大幅なコストダウンを可能にし、シャフト型リニアモータの用途を飛躍的に拡張することができるだけでなく、シャフト型リニアモータにおける位置検出装置の一体化を容易にし、コンパクト化が求められる分野での利用を促進する。
【解決手段】 複数の棒状磁石が直列状に配列されたシャフト2と、該シャフト2にスライド自在に外嵌する可動子3とを備え、該可動子3の内部に設けられるコイルの励磁により、可動子3を直線的に駆動させるシャフト型リニアモータ1の位置検出装置4であって、可動子3に、シャフト2の磁束を検出する磁気センサSを設けると共に、該磁気センサSの検出信号に基づいて可動子3の位置を推定する。
【解決手段】 複数の棒状磁石が直列状に配列されたシャフト2と、該シャフト2にスライド自在に外嵌する可動子3とを備え、該可動子3の内部に設けられるコイルの励磁により、可動子3を直線的に駆動させるシャフト型リニアモータ1の位置検出装置4であって、可動子3に、シャフト2の磁束を検出する磁気センサSを設けると共に、該磁気センサSの検出信号に基づいて可動子3の位置を推定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、可動子をシャフトに沿って直線的に駆動させるシャフト型リニアモータの位置検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、直線駆動する電気アクチュエータとしてシャフト型リニアモータが注目されている(例えば、特許文献1参照)。この種のシャフト型リニアモータは、複数の棒状磁石が直列状に配列されたシャフトと、該シャフトにスライド自在に外嵌する可動子とを備え、該可動子の内部に設けられるコイルの励磁により、可動子を直線的に駆動させる。このような構成によれば、コギングや速度ムラが少ないので、様々な分野での応用が検討されている。
【0003】
シャフト型リニアモータを位置決め制御する場合は、通常、可動子の位置を検出するための位置検出装置が別途付加されている。この種の位置検出装置としては、リニアスケールやリニアエンコーダが一般的であるが、リニアスケールやリニアエンコーダは高価であるため、システム全体のコストアップを招き、シャフト型リニアモータの用途が制限されるという問題があった。また、リニアスケールやリニアエンコーダを付加すると、シャフト型リニアモータの周辺が大型化するので、コンパクト化が求められる分野での利用が制限されるという実情がある。
【特許文献1】特開2004−125699号公報
【特許文献2】特開2004−129440号公報
【特許文献3】特開2004−129441号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、上記の如き問題点を一掃すべく創案されたものであって、シャフト型リニアモータの位置決め制御システムにおける大幅なコストダウンを可能にし、シャフト型リニアモータの用途を飛躍的に拡張することができるだけでなく、シャフト型リニアモータにおける位置検出装置の一体化を容易にし、コンパクト化が求められる分野での利用を促進することができるシャフト型リニアモータの位置検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するために本発明のシャフト型リニアモータの位置検出装置は、複数の棒状磁石が直列状に配列されたシャフトと、該シャフトにスライド自在に外嵌する可動子とを備え、該可動子の内部に設けられるコイルの励磁により、前記可動子を直線的に駆動させるシャフト型リニアモータの位置検出装置であって、前記可動子に、前記シャフトの磁束を検出する磁気センサを設けると共に、該磁気センサの検出信号に基づいて前記可動子の位置を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【0006】
本発明は、上記のように構成したことにより、シャフト型リニアモータの位置決め制御システムにおける大幅なコストダウンを可能にし、シャフト型リニアモータの用途を飛躍的に拡張することができるだけでなく、シャフト型リニアモータにおける位置検出装置の一体化を容易にし、コンパクト化が求められる分野での利用を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
以下、本発明の実施の形態を好適な実施の形態として例示するシャフト型リニアモータの位置検出装置を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの斜視図である。この図に示すように、シャフト型リニアモータ1は、複数の棒状磁石2aが互いに密接されて直列状に配列されたシャフト2と、該シャフト2にスライド自在に外嵌する可動子3とを備え、該可動子3の内部に設けられるコイル(図示せず)の励磁により、可動子3を直線的に駆動させる。
【0008】
図2は、本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの位置検出装置に適用される位置検出方式の概念を示すブロック図である。このようなシャフト型リニアモータ1を位置決め制御する場合は、可動子3の位置を検出するための位置検出装置4が付加される。本発明に係る位置検出装置4は、可動子3に設けられる磁気センサ(ホール素子等)Sを備えて構成され、該磁気センサSが検出するシャフト2の磁束変化に基づいて可動子3の位置推定を行う。位置検出装置4をこのように構成すると、高価なリニアスケール等を用いる場合に比べ、位置決め制御システムの大幅なコストダウンが可能になるので、シャフト型リニアモータ1の用途を飛躍的に拡張することができ、しかも、シャフト型リニアモータ1における位置検出装置4の一体化が容易になるので、コンパクト化が求められる分野での利用を促進することができる。
【0009】
磁気センサSによる可動子3の位置検出方式としては、まず、二つの磁気センサSが出力する二相のアナログ信号からの演算で位置(機械角)を得る方式が考えられる。この方式は、二つの磁気センサSから得られるアナログ信号が互に直交する正弦波であることが前提となる。つまり、シャフト2の磁束分布が正弦波状でない場合は、得られる位置情報に誤差が生じる。実際のシャフト2では、磁束分布が正弦波状とは言い難く、多くの空間高調波を含んでいる。そこで、磁気センサSをシャフト2から遠ざけることにより、磁気センサSを貫く磁束を平滑化して空間高調波を除去することが考えられるが、高調波の完全な除去は難しい。しかも、磁気センサSの出力レベルの低下するので、SN比の悪化や外部磁束による外乱の影響が懸念される。
【0010】
図2に示す本発明の実施形態に係る位置検出装置4の位置検出方式は、シャフト2の軸心方向に所定の間隔を存して配列される複数(例えば4つ)の磁気センサS0〜S3を用い、各磁気センサS0〜S3の出力にそれぞれ所定の重み係数を乗じて加算することにより二相のアナログ信号を得る。磁気センサSの個数は、得ようとするフィルタリング特性によって適切に選ぶ必要があるが、少なくとも2つは必要となる。実用にあたっては、磁気センサSを多数使うことによるコスト上昇や磁気センサSの検出感度のバラツキ等の解決すべき問題があるものの、個数の選択によってフィルタリング特性を容易に決定できるという利点がある。尚、シャフトのマグネット部より、正弦波に近い波形を取り出すことができれば、磁気センサ(例えば、S0〜S3)が出力するアナログ信号を直接位置検出に利用することも可能である
【0011】
重み係数演算及び加算演算をオペアンプ回路で行った場合、きわめて簡単な回路構成で二相のアナログ信号(A相、B相の直交信号)が得られる。この場合、得られた二相信号をコントローラに入力すればよいので、コントローラのA/D入力は従来と同様に二つでよく、既存のコントローラをそのまま利用することが可能となる。一方、重み係数演算及び加算演算をコントローラのマイコン内部で行う場合は、磁気センサSの数だけA/D入力が必要となるが、磁気センサSの感度のバラツキ等をソフト的な処理で吸収できるという利点がある。また、重み係数を必要に応じてマイコン内部で変化させることも可能となる。
【0012】
図3は、シャフトの磁束密度分布例を示すグラフ図である。この図に示すように、シャフト2の表面近傍における磁束密度分布は、正弦波ではなく、多くの空間高調波を含んでいる。ここで、磁気センサSを7個用い、それらを5mm間隔で配置した構成について考えてみる。各磁気センサS0〜S6に乗じる重み係数は、図4に示すように設定する。磁気センサS0〜S6の間隔が5mm、磁束分布の周期が60mmとした場合、磁束の周期の12倍でサンプリングしていると考えれば、磁束周期の約1.44倍調波以下を通過させる設定といえる。この係数設定を用いて得られた二相信号を図5に示す。この図に示すように、高調波は大幅に低減され、ほぼ正弦波状になっていることがわかる。また、図6は、この二相信号からの演算で求めた位置の誤差を示している。
【0013】
図8は、磁気センサS0〜S5を5mm間隔で6個配置して、シャフト2の磁束分布に含まれる3次高調波の成分のみを取り出すように帯域通過フィルタを構成したときのアナログ二相出力である。なお、重み係数は、図7に示すように設定した。ここでは、3次高調波を利用しているため、0.1mmの分解能を必要とした場合、演算では1.8degの分解能が要求されるが、基本波を利用する方式に比べれば高精度化が容易になる。図9は、演算により位置検出を行った際の誤差を示している。更なる高分解能を目標とする場合には、補正等の微調整が必要となる。
【0014】
シャフト2の表面における空間高調波は、5次調波もかなり大きく、磁気センサSを可及的にシャフト2に近づければ、5次調波を利用した位置検出も十分可能である。この場合、磁気センサSの個数は多数となるが、安定して高精度が得られる。図11は、磁気センサSを3mm間隔で10個使用して5次調波を検出した結果を示している。なお、重み係数は、図10に示すように設定した。ここでは、磁気センサSの間隔が狭いので、磁気センサSを一列に並べることが困難になることが予想されるが、サイズが小さい表面実装タイプのチップ型磁気センサであれば、一列に並べることができる。
【0015】
また、図12の(A)〜(D)に示すように、磁気センサSを複数列に分けて配置してもよい。例えば、図12の(A)に示すように、シャフト2を挟んで180゜対向するように磁気センサSを5個ずつ配置してもよい。この場合、各列の磁気センサSは、実質的な間隔が3mmとなるように6mm間隔で配置する。このような配置にしても、位置検出に利用可能な5次調波の二相信号が得られる。また、磁気センサSの各列を対称(正対面)に配設し、或いは位置ズレさせて配設することにより、例えば10個の磁気センサSを一列に並べる場合に比し、可動子3の長さを1/2に短くでき、コンパクト化に有効である。また、各列を位置ズレさせて配設した場合、磁束の位相差の値に対してセンサリングが行え、検知精度や検知効率を高めることができる。
【0016】
つぎに、本発明の実施形態に係る位置検出装置4の具体的な構成について、図13を参照して説明する。図13は、本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの位置決め制御システムを示すブロック図である。この図に示すように、シャフト型リニアモータ1の位置決め制御システムは、複数の磁気センサS、ミキシング部5、A/D変換部6、デジタル信号処理部7、D/A変換部8、電流アンプ部9等を備えて構成されている。
【0017】
本実施形態では、磁気センサS0〜S9を3mm間隔で10個配置している。磁気センサS0〜S9としては、例えばホール素子が使用される。各ホール素子の出力は、それぞれ差動アンプで検出している。このようにして得られた10本のアナログ信号は、ミキシング部5でミキシングされる。
【0018】
ミキシング部5は、前述したように、磁気センサS0〜S9の出力にそれぞれ所定の重み係数を乗じて加算することにより二相のアナログ信号を得る。例えば、本実施形態のミキシング部5は、24個のOPアンプで構成されるが、8〜12個のOPアンプでも実現可能と思われる。
【0019】
A/D変換部6は、5次調波の二相信号(5A、5B)と、基本波の二相信号(1A、1B)をデジタル信号処理部7に取り込むために、A/D変換器6aを備えて構成されている。
【0020】
デジタル信号処理部7は、例えば、DSP(Digital Signal Processor)であり、その内部には、位置推定部11、推定位置補正部12、モータ駆動部13等が構成される。位置推定部11は、A/D変換器で取り込まれた5次調波の二相信号(5A、5B)から演算ブロック11aで位相角θを演算する。5次調波を検出しているので、実際の磁束周期60mmの1/5、すなわち12mm移動すると、θが2π変化する。このθを周回カウンタブロック11bで監視し、位相角θの周回数Nをカウントする。そして、位相角θ及び周回数Nを用いて推定位置取得ブロック11cで推定位置を演算する。
【0021】
推定位置補正部12は、位置推定部11が演算した推定位置の補正を行う。すなわち、位置推定部11で得られた推定位置には、磁石長や磁束密度のバラツキに起因する誤差が含まれているので、補正データを用いて推定位置の補正を行う。補正データは、補正データテーブルブロック12aにより予め作成されたものであり、例えば、リニアスケール値と推定位置の差を0.1mm間隔で記録したものであり、補正データテーブルブロック12aは、推定位置に応じた誤差値を与える。例えば、推定位置5.23mmの誤差値は、5.2mmと5.3mmの誤差値をテーブルから読み、その2点を直線補間して近似値を得る。そして、推定位置から補正データを減じて補正済み推定位置が得られ、この補正済み推定位置をモータ駆動部13に入力してPID制御が実行される。
【0022】
モータ駆動部13は、コイル電流指令を基本波の二相信号(1A、1B)から生成している。位相シフトブロック13aでは、二相信号(1A、1B)の位相を調整し、トルク角が適切になるようにしている。位相を調整した後、1B相のみ30゜シフトして120゜の位相差を持つ二相信号を得ている。この二相信号にPIDブロック13bの出力値を掛けることでPID出力に比例した推進力が得られるコイル電流値が出力される。なお、電流アンプ部9は、パワーOPアンプ9aを用いて構成される。つまり、シャフト型リニアモータ1への電力供給はPWM方式ではなく、パワーOPアンプ9aを用いて、指令信号に比例した電流を供給するようにしている。勿論、PWM方式の電流アンプも利用可能である。この電流アンプ部9に対する指令信号は、D/A変換器8aを備えるD/A変換部8を介して行われる。
【0023】
つぎに、本発明の実施形態に係る位置検出装置4の検出精度について、図14〜図17を参照して説明する。図14は、補正データテーブルによる補正を行わなかった場合の位置検出誤差を示している。この図に示すように、補正データテーブルによる補正を行わなかった場合、±0.6mm程度の誤差が生じているが、高精度を要求しない用途では、補正なしでも使用可能と考えられる。
【0024】
図15は、リニアスケール値と推定位置の差を0.5mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示し、図16は、リニアスケール値と推定位置の差を0.2mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示し、図17は、リニアスケール値と推定位置の差を0.1mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示している。これらの図に示すように、補正データテーブルによる補正後の誤差は、補正データ間隔に応じて小さくなるが、補正データ数の増加を考慮すると、本実施形態の例ではバランス的に0.2mm間隔の補正データが好ましい。
【0025】
叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、複数の棒状磁石が直列状に配列されたシャフト2と、該シャフト2にスライド自在に外嵌する可動子3(可動子3を固定子とし、シャフト2をスライド自在に外嵌する構成を含む)とを備え、該可動子3の内部に設けられるコイルの励磁により、可動子3を直線的に駆動させるシャフト型リニアモータ1の位置検出を行うにあたり、可動子3に、シャフト2の磁束を検出する磁気センサSを設けると共に、該磁気センサSの検出信号に基づいて可動子3の位置を推定するようにしたので、リニアスケールやリニアエンコーダを付加する場合に比べ、シャフト型リニアモータ1の位置決め制御システムにおける大幅なコストダウンを可能にし、シャフト型リニアモータ1の用途を飛躍的に拡張することができる。しかも、シャフト型リニアモータ1における位置検出装置4の一体化が容易になるので、コンパクト化が求められる分野での利用を促進することができる。
【0026】
また、本実施形態に係るシャフト型リニアモータ1の位置検出装置4は、シャフト2の軸心方向に所定の間隔を存して配列される複数の磁気センサSと、各磁気センサSの出力にそれぞれ所定の重み係数を乗じて加算することにより二相の正弦波を得るミキシング部5と、二相の正弦波に基づいて可動子3の推定位置を演算する位置推定部11とを備えて構成されるので、シャフト2の磁束分布が多くの空間高調波を含んでいても、二相の正弦波を得ることができるだけでなく、この二相正弦波に基づいて可動子3の位置を高精度に検出することが可能になる。
【0027】
また、本実施形態では、補正データテーブルを用いて推定位置の補正を行うので、位置推定部11で得られた推定位置に磁石長や磁束密度のバラツキに起因する誤差が含まれていても、これらの誤差を可及的に排除し、位置検出精度をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの斜視図である。
【図2】本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの位置検出装置に適用される位置検出方式の概念を示すブロック図である。
【図3】シャフトの磁束密度分布例を示すグラフ図である。
【図4】高調波低減のための重み係数を示す表図である。
【図5】図4の重み係数により得られた二相アナログ信号の波形図である。
【図6】図5の二相アナログ信号から演算した推定位置の誤差を示す説明図である。
【図7】3次調波抽出のための重み係数を示す表図である。
【図8】図7の重み係数により得られた二相アナログ信号の波形図である。
【図9】図8の二相アナログ信号から演算した推定位置の誤差を示す説明図である。
【図10】5次調波抽出のための重み係数を示す表図である。
【図11】図10の重み係数により得られた二相アナログ信号の波形図である。
【図12】(A)〜(D)は磁気センサの配置例を示す斜視図である。
【図13】本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの位置決め制御システムを示すブロック図である。
【図14】図13の位置決め制御システムにおいて、補正データテーブルによる補正を行わなかった場合の位置検出誤差を示す説明図である。
【図15】図13の位置決め制御システムにおいて、リニアスケール値と推定位置の差を0.5mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示す説明図である。
【図16】図13の位置決め制御システムにおいて、リニアスケール値と推定位置の差を0.2mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示す説明図である。
【図17】図13の位置決め制御システムにおいて、リニアスケール値と推定位置の差を0.1mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示す説明図である。
【符号の説明】
【0029】
1 シャフト型リニアモータ
2 シャフト
2a 棒状磁石
3 可動子
4 位置検出装置
5 ミキシング部
6 A/D変換部
6a A/D変換器
7 デジタル信号処理部
8 D/A変換部
8a D/A変換器
9 電流アンプ部
9a パワーOPアンプ
11 位置推定部
11a 演算ブロック
11b 周回カウンタブロック
11c 推定位置取得ブロック
11d オフセットブロック
12 推定位置補正部
12a 補正データテーブルブロック
13 モータ駆動部
13a 位相シフトブロック
13b PIDブロック
S 磁気センサ
【技術分野】
【0001】
本発明は、可動子をシャフトに沿って直線的に駆動させるシャフト型リニアモータの位置検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、直線駆動する電気アクチュエータとしてシャフト型リニアモータが注目されている(例えば、特許文献1参照)。この種のシャフト型リニアモータは、複数の棒状磁石が直列状に配列されたシャフトと、該シャフトにスライド自在に外嵌する可動子とを備え、該可動子の内部に設けられるコイルの励磁により、可動子を直線的に駆動させる。このような構成によれば、コギングや速度ムラが少ないので、様々な分野での応用が検討されている。
【0003】
シャフト型リニアモータを位置決め制御する場合は、通常、可動子の位置を検出するための位置検出装置が別途付加されている。この種の位置検出装置としては、リニアスケールやリニアエンコーダが一般的であるが、リニアスケールやリニアエンコーダは高価であるため、システム全体のコストアップを招き、シャフト型リニアモータの用途が制限されるという問題があった。また、リニアスケールやリニアエンコーダを付加すると、シャフト型リニアモータの周辺が大型化するので、コンパクト化が求められる分野での利用が制限されるという実情がある。
【特許文献1】特開2004−125699号公報
【特許文献2】特開2004−129440号公報
【特許文献3】特開2004−129441号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、上記の如き問題点を一掃すべく創案されたものであって、シャフト型リニアモータの位置決め制御システムにおける大幅なコストダウンを可能にし、シャフト型リニアモータの用途を飛躍的に拡張することができるだけでなく、シャフト型リニアモータにおける位置検出装置の一体化を容易にし、コンパクト化が求められる分野での利用を促進することができるシャフト型リニアモータの位置検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するために本発明のシャフト型リニアモータの位置検出装置は、複数の棒状磁石が直列状に配列されたシャフトと、該シャフトにスライド自在に外嵌する可動子とを備え、該可動子の内部に設けられるコイルの励磁により、前記可動子を直線的に駆動させるシャフト型リニアモータの位置検出装置であって、前記可動子に、前記シャフトの磁束を検出する磁気センサを設けると共に、該磁気センサの検出信号に基づいて前記可動子の位置を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【0006】
本発明は、上記のように構成したことにより、シャフト型リニアモータの位置決め制御システムにおける大幅なコストダウンを可能にし、シャフト型リニアモータの用途を飛躍的に拡張することができるだけでなく、シャフト型リニアモータにおける位置検出装置の一体化を容易にし、コンパクト化が求められる分野での利用を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
以下、本発明の実施の形態を好適な実施の形態として例示するシャフト型リニアモータの位置検出装置を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの斜視図である。この図に示すように、シャフト型リニアモータ1は、複数の棒状磁石2aが互いに密接されて直列状に配列されたシャフト2と、該シャフト2にスライド自在に外嵌する可動子3とを備え、該可動子3の内部に設けられるコイル(図示せず)の励磁により、可動子3を直線的に駆動させる。
【0008】
図2は、本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの位置検出装置に適用される位置検出方式の概念を示すブロック図である。このようなシャフト型リニアモータ1を位置決め制御する場合は、可動子3の位置を検出するための位置検出装置4が付加される。本発明に係る位置検出装置4は、可動子3に設けられる磁気センサ(ホール素子等)Sを備えて構成され、該磁気センサSが検出するシャフト2の磁束変化に基づいて可動子3の位置推定を行う。位置検出装置4をこのように構成すると、高価なリニアスケール等を用いる場合に比べ、位置決め制御システムの大幅なコストダウンが可能になるので、シャフト型リニアモータ1の用途を飛躍的に拡張することができ、しかも、シャフト型リニアモータ1における位置検出装置4の一体化が容易になるので、コンパクト化が求められる分野での利用を促進することができる。
【0009】
磁気センサSによる可動子3の位置検出方式としては、まず、二つの磁気センサSが出力する二相のアナログ信号からの演算で位置(機械角)を得る方式が考えられる。この方式は、二つの磁気センサSから得られるアナログ信号が互に直交する正弦波であることが前提となる。つまり、シャフト2の磁束分布が正弦波状でない場合は、得られる位置情報に誤差が生じる。実際のシャフト2では、磁束分布が正弦波状とは言い難く、多くの空間高調波を含んでいる。そこで、磁気センサSをシャフト2から遠ざけることにより、磁気センサSを貫く磁束を平滑化して空間高調波を除去することが考えられるが、高調波の完全な除去は難しい。しかも、磁気センサSの出力レベルの低下するので、SN比の悪化や外部磁束による外乱の影響が懸念される。
【0010】
図2に示す本発明の実施形態に係る位置検出装置4の位置検出方式は、シャフト2の軸心方向に所定の間隔を存して配列される複数(例えば4つ)の磁気センサS0〜S3を用い、各磁気センサS0〜S3の出力にそれぞれ所定の重み係数を乗じて加算することにより二相のアナログ信号を得る。磁気センサSの個数は、得ようとするフィルタリング特性によって適切に選ぶ必要があるが、少なくとも2つは必要となる。実用にあたっては、磁気センサSを多数使うことによるコスト上昇や磁気センサSの検出感度のバラツキ等の解決すべき問題があるものの、個数の選択によってフィルタリング特性を容易に決定できるという利点がある。尚、シャフトのマグネット部より、正弦波に近い波形を取り出すことができれば、磁気センサ(例えば、S0〜S3)が出力するアナログ信号を直接位置検出に利用することも可能である
【0011】
重み係数演算及び加算演算をオペアンプ回路で行った場合、きわめて簡単な回路構成で二相のアナログ信号(A相、B相の直交信号)が得られる。この場合、得られた二相信号をコントローラに入力すればよいので、コントローラのA/D入力は従来と同様に二つでよく、既存のコントローラをそのまま利用することが可能となる。一方、重み係数演算及び加算演算をコントローラのマイコン内部で行う場合は、磁気センサSの数だけA/D入力が必要となるが、磁気センサSの感度のバラツキ等をソフト的な処理で吸収できるという利点がある。また、重み係数を必要に応じてマイコン内部で変化させることも可能となる。
【0012】
図3は、シャフトの磁束密度分布例を示すグラフ図である。この図に示すように、シャフト2の表面近傍における磁束密度分布は、正弦波ではなく、多くの空間高調波を含んでいる。ここで、磁気センサSを7個用い、それらを5mm間隔で配置した構成について考えてみる。各磁気センサS0〜S6に乗じる重み係数は、図4に示すように設定する。磁気センサS0〜S6の間隔が5mm、磁束分布の周期が60mmとした場合、磁束の周期の12倍でサンプリングしていると考えれば、磁束周期の約1.44倍調波以下を通過させる設定といえる。この係数設定を用いて得られた二相信号を図5に示す。この図に示すように、高調波は大幅に低減され、ほぼ正弦波状になっていることがわかる。また、図6は、この二相信号からの演算で求めた位置の誤差を示している。
【0013】
図8は、磁気センサS0〜S5を5mm間隔で6個配置して、シャフト2の磁束分布に含まれる3次高調波の成分のみを取り出すように帯域通過フィルタを構成したときのアナログ二相出力である。なお、重み係数は、図7に示すように設定した。ここでは、3次高調波を利用しているため、0.1mmの分解能を必要とした場合、演算では1.8degの分解能が要求されるが、基本波を利用する方式に比べれば高精度化が容易になる。図9は、演算により位置検出を行った際の誤差を示している。更なる高分解能を目標とする場合には、補正等の微調整が必要となる。
【0014】
シャフト2の表面における空間高調波は、5次調波もかなり大きく、磁気センサSを可及的にシャフト2に近づければ、5次調波を利用した位置検出も十分可能である。この場合、磁気センサSの個数は多数となるが、安定して高精度が得られる。図11は、磁気センサSを3mm間隔で10個使用して5次調波を検出した結果を示している。なお、重み係数は、図10に示すように設定した。ここでは、磁気センサSの間隔が狭いので、磁気センサSを一列に並べることが困難になることが予想されるが、サイズが小さい表面実装タイプのチップ型磁気センサであれば、一列に並べることができる。
【0015】
また、図12の(A)〜(D)に示すように、磁気センサSを複数列に分けて配置してもよい。例えば、図12の(A)に示すように、シャフト2を挟んで180゜対向するように磁気センサSを5個ずつ配置してもよい。この場合、各列の磁気センサSは、実質的な間隔が3mmとなるように6mm間隔で配置する。このような配置にしても、位置検出に利用可能な5次調波の二相信号が得られる。また、磁気センサSの各列を対称(正対面)に配設し、或いは位置ズレさせて配設することにより、例えば10個の磁気センサSを一列に並べる場合に比し、可動子3の長さを1/2に短くでき、コンパクト化に有効である。また、各列を位置ズレさせて配設した場合、磁束の位相差の値に対してセンサリングが行え、検知精度や検知効率を高めることができる。
【0016】
つぎに、本発明の実施形態に係る位置検出装置4の具体的な構成について、図13を参照して説明する。図13は、本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの位置決め制御システムを示すブロック図である。この図に示すように、シャフト型リニアモータ1の位置決め制御システムは、複数の磁気センサS、ミキシング部5、A/D変換部6、デジタル信号処理部7、D/A変換部8、電流アンプ部9等を備えて構成されている。
【0017】
本実施形態では、磁気センサS0〜S9を3mm間隔で10個配置している。磁気センサS0〜S9としては、例えばホール素子が使用される。各ホール素子の出力は、それぞれ差動アンプで検出している。このようにして得られた10本のアナログ信号は、ミキシング部5でミキシングされる。
【0018】
ミキシング部5は、前述したように、磁気センサS0〜S9の出力にそれぞれ所定の重み係数を乗じて加算することにより二相のアナログ信号を得る。例えば、本実施形態のミキシング部5は、24個のOPアンプで構成されるが、8〜12個のOPアンプでも実現可能と思われる。
【0019】
A/D変換部6は、5次調波の二相信号(5A、5B)と、基本波の二相信号(1A、1B)をデジタル信号処理部7に取り込むために、A/D変換器6aを備えて構成されている。
【0020】
デジタル信号処理部7は、例えば、DSP(Digital Signal Processor)であり、その内部には、位置推定部11、推定位置補正部12、モータ駆動部13等が構成される。位置推定部11は、A/D変換器で取り込まれた5次調波の二相信号(5A、5B)から演算ブロック11aで位相角θを演算する。5次調波を検出しているので、実際の磁束周期60mmの1/5、すなわち12mm移動すると、θが2π変化する。このθを周回カウンタブロック11bで監視し、位相角θの周回数Nをカウントする。そして、位相角θ及び周回数Nを用いて推定位置取得ブロック11cで推定位置を演算する。
【0021】
推定位置補正部12は、位置推定部11が演算した推定位置の補正を行う。すなわち、位置推定部11で得られた推定位置には、磁石長や磁束密度のバラツキに起因する誤差が含まれているので、補正データを用いて推定位置の補正を行う。補正データは、補正データテーブルブロック12aにより予め作成されたものであり、例えば、リニアスケール値と推定位置の差を0.1mm間隔で記録したものであり、補正データテーブルブロック12aは、推定位置に応じた誤差値を与える。例えば、推定位置5.23mmの誤差値は、5.2mmと5.3mmの誤差値をテーブルから読み、その2点を直線補間して近似値を得る。そして、推定位置から補正データを減じて補正済み推定位置が得られ、この補正済み推定位置をモータ駆動部13に入力してPID制御が実行される。
【0022】
モータ駆動部13は、コイル電流指令を基本波の二相信号(1A、1B)から生成している。位相シフトブロック13aでは、二相信号(1A、1B)の位相を調整し、トルク角が適切になるようにしている。位相を調整した後、1B相のみ30゜シフトして120゜の位相差を持つ二相信号を得ている。この二相信号にPIDブロック13bの出力値を掛けることでPID出力に比例した推進力が得られるコイル電流値が出力される。なお、電流アンプ部9は、パワーOPアンプ9aを用いて構成される。つまり、シャフト型リニアモータ1への電力供給はPWM方式ではなく、パワーOPアンプ9aを用いて、指令信号に比例した電流を供給するようにしている。勿論、PWM方式の電流アンプも利用可能である。この電流アンプ部9に対する指令信号は、D/A変換器8aを備えるD/A変換部8を介して行われる。
【0023】
つぎに、本発明の実施形態に係る位置検出装置4の検出精度について、図14〜図17を参照して説明する。図14は、補正データテーブルによる補正を行わなかった場合の位置検出誤差を示している。この図に示すように、補正データテーブルによる補正を行わなかった場合、±0.6mm程度の誤差が生じているが、高精度を要求しない用途では、補正なしでも使用可能と考えられる。
【0024】
図15は、リニアスケール値と推定位置の差を0.5mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示し、図16は、リニアスケール値と推定位置の差を0.2mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示し、図17は、リニアスケール値と推定位置の差を0.1mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示している。これらの図に示すように、補正データテーブルによる補正後の誤差は、補正データ間隔に応じて小さくなるが、補正データ数の増加を考慮すると、本実施形態の例ではバランス的に0.2mm間隔の補正データが好ましい。
【0025】
叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、複数の棒状磁石が直列状に配列されたシャフト2と、該シャフト2にスライド自在に外嵌する可動子3(可動子3を固定子とし、シャフト2をスライド自在に外嵌する構成を含む)とを備え、該可動子3の内部に設けられるコイルの励磁により、可動子3を直線的に駆動させるシャフト型リニアモータ1の位置検出を行うにあたり、可動子3に、シャフト2の磁束を検出する磁気センサSを設けると共に、該磁気センサSの検出信号に基づいて可動子3の位置を推定するようにしたので、リニアスケールやリニアエンコーダを付加する場合に比べ、シャフト型リニアモータ1の位置決め制御システムにおける大幅なコストダウンを可能にし、シャフト型リニアモータ1の用途を飛躍的に拡張することができる。しかも、シャフト型リニアモータ1における位置検出装置4の一体化が容易になるので、コンパクト化が求められる分野での利用を促進することができる。
【0026】
また、本実施形態に係るシャフト型リニアモータ1の位置検出装置4は、シャフト2の軸心方向に所定の間隔を存して配列される複数の磁気センサSと、各磁気センサSの出力にそれぞれ所定の重み係数を乗じて加算することにより二相の正弦波を得るミキシング部5と、二相の正弦波に基づいて可動子3の推定位置を演算する位置推定部11とを備えて構成されるので、シャフト2の磁束分布が多くの空間高調波を含んでいても、二相の正弦波を得ることができるだけでなく、この二相正弦波に基づいて可動子3の位置を高精度に検出することが可能になる。
【0027】
また、本実施形態では、補正データテーブルを用いて推定位置の補正を行うので、位置推定部11で得られた推定位置に磁石長や磁束密度のバラツキに起因する誤差が含まれていても、これらの誤差を可及的に排除し、位置検出精度をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの斜視図である。
【図2】本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの位置検出装置に適用される位置検出方式の概念を示すブロック図である。
【図3】シャフトの磁束密度分布例を示すグラフ図である。
【図4】高調波低減のための重み係数を示す表図である。
【図5】図4の重み係数により得られた二相アナログ信号の波形図である。
【図6】図5の二相アナログ信号から演算した推定位置の誤差を示す説明図である。
【図7】3次調波抽出のための重み係数を示す表図である。
【図8】図7の重み係数により得られた二相アナログ信号の波形図である。
【図9】図8の二相アナログ信号から演算した推定位置の誤差を示す説明図である。
【図10】5次調波抽出のための重み係数を示す表図である。
【図11】図10の重み係数により得られた二相アナログ信号の波形図である。
【図12】(A)〜(D)は磁気センサの配置例を示す斜視図である。
【図13】本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータの位置決め制御システムを示すブロック図である。
【図14】図13の位置決め制御システムにおいて、補正データテーブルによる補正を行わなかった場合の位置検出誤差を示す説明図である。
【図15】図13の位置決め制御システムにおいて、リニアスケール値と推定位置の差を0.5mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示す説明図である。
【図16】図13の位置決め制御システムにおいて、リニアスケール値と推定位置の差を0.2mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示す説明図である。
【図17】図13の位置決め制御システムにおいて、リニアスケール値と推定位置の差を0.1mm間隔で記録した補正データテーブルによる補正後の位置検出誤差を示す説明図である。
【符号の説明】
【0029】
1 シャフト型リニアモータ
2 シャフト
2a 棒状磁石
3 可動子
4 位置検出装置
5 ミキシング部
6 A/D変換部
6a A/D変換器
7 デジタル信号処理部
8 D/A変換部
8a D/A変換器
9 電流アンプ部
9a パワーOPアンプ
11 位置推定部
11a 演算ブロック
11b 周回カウンタブロック
11c 推定位置取得ブロック
11d オフセットブロック
12 推定位置補正部
12a 補正データテーブルブロック
13 モータ駆動部
13a 位相シフトブロック
13b PIDブロック
S 磁気センサ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の棒状磁石が直列状に配列されたシャフトと、該シャフトにスライド自在に外嵌する可動子とを備え、該可動子の内部に設けられるコイルの励磁により、前記可動子を直線的に駆動させるシャフト型リニアモータの位置検出装置であって、前記可動子に、前記シャフトの磁束を検出する磁気センサを設けると共に、該磁気センサの検出信号に基づいて前記可動子の位置を推定することを特徴とするシャフト型リニアモータの位置検出装置。
【請求項2】
前記シャフトの軸心方向に所定の間隔を存して配列される複数の前記磁気センサと、各磁気センサの出力にそれぞれ所定の重み係数を演算処理することにより二相の正弦波を得るミキシング部と、前記二相の正弦波に基づいて前記可動子の推定位置を演算する位置推定部とを備えることを特徴とする請求項1に記載のシャフト型リニアモータの位置検出装置。
【請求項3】
補正データテーブルを用いて前記推定位置の補正を行う推定位置補正手段を備えることを特徴とする請求項1または2に記載のシャフト型リニアモータの位置検出装置。
【請求項4】
前記磁気センサは、複数列に対向配設されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のシャフト型リニアモータの位置検出装置。
【請求項5】
前記磁気センサの各列は、互いに、対称または位置ズレされて配設されていることを特徴とする請求項4に記載のシャフト型リニアモータの位置検出装置。
【請求項1】
複数の棒状磁石が直列状に配列されたシャフトと、該シャフトにスライド自在に外嵌する可動子とを備え、該可動子の内部に設けられるコイルの励磁により、前記可動子を直線的に駆動させるシャフト型リニアモータの位置検出装置であって、前記可動子に、前記シャフトの磁束を検出する磁気センサを設けると共に、該磁気センサの検出信号に基づいて前記可動子の位置を推定することを特徴とするシャフト型リニアモータの位置検出装置。
【請求項2】
前記シャフトの軸心方向に所定の間隔を存して配列される複数の前記磁気センサと、各磁気センサの出力にそれぞれ所定の重み係数を演算処理することにより二相の正弦波を得るミキシング部と、前記二相の正弦波に基づいて前記可動子の推定位置を演算する位置推定部とを備えることを特徴とする請求項1に記載のシャフト型リニアモータの位置検出装置。
【請求項3】
補正データテーブルを用いて前記推定位置の補正を行う推定位置補正手段を備えることを特徴とする請求項1または2に記載のシャフト型リニアモータの位置検出装置。
【請求項4】
前記磁気センサは、複数列に対向配設されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のシャフト型リニアモータの位置検出装置。
【請求項5】
前記磁気センサの各列は、互いに、対称または位置ズレされて配設されていることを特徴とする請求項4に記載のシャフト型リニアモータの位置検出装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【公開番号】特開2007−143226(P2007−143226A)
【公開日】平成19年6月7日(2007.6.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−330420(P2005−330420)
【出願日】平成17年11月15日(2005.11.15)
【出願人】(000229645)日本パルスモーター株式会社 (46)
【出願人】(800000068)学校法人東京電機大学 (112)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年6月7日(2007.6.7)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年11月15日(2005.11.15)
【出願人】(000229645)日本パルスモーター株式会社 (46)
【出願人】(800000068)学校法人東京電機大学 (112)
【Fターム(参考)】
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