JP2008148484A - Positioning device of shaft type linear motor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positioning device of a shaft type linear motor, which can be employed in a field requiring compaction by reducing the setting range of a magnetic scale by limiting the detection region and enables positioning device of a moving segment even in a region where the magnetic scale is not set, while the positioning device performs highly accurate positioning with a linear scale. <P>SOLUTION: The positioning device of the shaft type linear motor includes a first position detecting means 4A which performs position detection in a detection region partially set in the linear driving range of the moving segment 3 and a second position detecting means 4B which performs position detection over the entire linear driving range. The first position detecting means 4A is constituted of a linear scale capable of performing precise position detection, while the second position detecting means 4B detects the position of the moving segment 3 by detecting the magnetic flux of a shaft 2 with a magnetic sensor S provided on the moving segment 3. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

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決め装置に関する。   The present invention relates to a positioning device for a shaft type linear motor that linearly drives a mover along a shaft.

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。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、該可動子の内周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。   In recent years, shaft-type linear motors have attracted attention as electric actuators that are linearly driven. This type of shaft-type linear motor includes a shaft in which a plurality of bar-shaped magnets are arranged in series, and a mover that is slidably fitted to the shaft, and a coil provided on the inner periphery of the mover. The mover is driven linearly by excitation. According to such a configuration, since there is little cogging and speed unevenness, application in various fields is being studied.

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位置検出手段が別途付加される(例えば、特許文献1〜3参照)。この種の位置検出手段としては、リニアスケール(リニアエンコーダ)が一般的であり、精密な位置決めが可能になる。しかしながら、リニアスケールは、可動子に設けられる磁気ヘッド(位置情報読み取り部)と、該磁気ヘッドの移動軌跡に沿って対向状に配置される磁気スケール(位置情報記憶部)とからなり、磁気ヘッドで磁気スケールの磁気目盛を読み取ることにより可動子の位置を検出するので、シャフトの全長に亘って磁気スケールを並設しなければならない。その結果、シャフト型リニアモータの周辺が大型化し、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問題があった。
特開2004−125699号公報 特開2004−129440号公報 特開2004−129441号公報
When positioning control of a shaft type linear motor is performed, a position detecting unit for detecting the position of the mover is usually added separately (for example, see Patent Documents 1 to 3). As this type of position detection means, a linear scale (linear encoder) is generally used, and precise positioning is possible. However, the linear scale is composed of a magnetic head (position information reading unit) provided on the mover and a magnetic scale (position information storage unit) arranged opposite to each other along the movement trajectory of the magnetic head. Since the position of the mover is detected by reading the magnetic scale of the magnetic scale, the magnetic scale must be arranged in parallel over the entire length of the shaft. As a result, there is a problem that the periphery of the shaft type linear motor is enlarged, and the use in a field where compactness is required is limited.
JP 2004-125699 A JP 2004-129440 A JP 2004-129441 A

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、リニアスケールによる高精度な位置決めを行うものでありながら、その検出区間を限定して磁気スケールの設置範囲を小さくすることにより、コンパクト化が求められる分野でも利用することができるようになり、しかも、磁気スケールが設置されていない区間においても、可動子の位置検出を行うことができるシャフト型リニアモータの位置決め装置を提供することを目的としている。   The present invention was devised to eliminate the above-described problems, and performs high-accuracy positioning using a linear scale, while limiting the detection section to reduce the installation range of the magnetic scale. Thus, a shaft type linear motor positioning device capable of detecting the position of the mover even in a section where a magnetic scale is not installed can be used even in a field where downsizing is required. It is intended to provide.

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決め装置は、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、該可動子の内周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決め装置であって、前記可動子の直線駆動範囲に部分的に設定された検出区間で前記可動子の位置検出を行う第一位置検出手段と、前記第一位置検出手段の検出区間を除く直線駆動範囲、又は直線駆動範囲全域で前記可動子の位置検出を行う第二位置検出手段とを備え、前記第一位置検出手段は、前記可動子に設けられる位置情報読み取り部と、該位置情報読み取り部の移動軌跡に沿って対向状に配置される位置情報記憶部とを有し、前記位置情報読み取り部で前記位置情報記憶部の位置情報を読み取ることにより前記可動子の位置検出を行い、前記第二位置検出手段は、前記可動子に設けられる磁気センサを有し、該磁気センサで前記シャフトの磁束を検出することにより前記可動子の位置検出を行うことを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, a positioning apparatus for a shaft type linear motor according to the present invention includes a shaft in which a plurality of bar-shaped magnets are arranged in series, and a mover that is slidably fitted on the shaft. A shaft type linear motor positioning device that linearly drives the movable element by excitation of a coil provided on an inner peripheral portion of the element, and in a detection section partially set in a linear driving range of the movable element First position detection means for detecting the position of the mover, and second position detection means for detecting the position of the mover in the linear drive range excluding the detection section of the first position detection means, or in the entire linear drive range. The first position detecting means includes a position information reading unit provided in the mover, and a position information storage unit arranged in an opposing manner along a movement trajectory of the position information reading unit, The position information reading unit performs position detection of the mover by reading position information in the position information storage unit, and the second position detection unit includes a magnetic sensor provided in the mover, and the magnetic sensor The position of the mover is detected by detecting the magnetic flux of the shaft.

本発明は、上記のように構成したことにより、リニアスケールによる高精度な位置決めを行うものでありながら、その検出区間を限定して磁気スケールの設置範囲を小さくすることにより、コンパクト化が求められる分野でも利用することができるようになり、しかも、磁気スケールが設置されていない区間においても、可動子の位置検出を行うことができる。   Although the present invention is configured as described above to perform highly accurate positioning using a linear scale, it is required to be compact by limiting the detection section and reducing the installation range of the magnetic scale. In addition, the position of the mover can be detected even in a section where the magnetic scale is not installed.

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決め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(磁気スケールは省略)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の内周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。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A shaft type linear motor positioning device that exemplifies an embodiment of the present invention as a preferred embodiment will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view of a shaft type linear motor (magnetic scale is omitted) according to an embodiment of the present invention. As shown in this figure, the shaft type linear motor 1 includes a shaft 2 in which a plurality of rod-shaped magnets 2a are arranged in series, and a mover 3 that is slidably fitted to the shaft 2 and includes the mover. The mover 3 is linearly driven by excitation of a coil (not shown) provided on the inner peripheral portion of the arm 3.

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の位置を検出する位置検出手段4が付加される。本発明に係るシャフト型リニアモータ1の位置決め装置は、可動子3の直線駆動範囲に部分的に設定された検出区間で可動子3の位置検出を行う第一位置検出手段4Aと、第一位置検出手段4Aの検出区間を除く直線駆動範囲、又は直線駆動範囲全域で可動子3の位置検出を行う第二位置検出手段4Bとを備える点に特徴があり、以下、第一位置検出手段4A及び第二位置検出手段4Bについて説明する。   When positioning control of such a shaft type linear motor 1 is performed, position detecting means 4 for detecting the position of the mover 3 is added. The positioning device for the shaft type linear motor 1 according to the present invention includes a first position detecting means 4A for detecting the position of the mover 3 in a detection section partially set in the linear drive range of the mover 3, and a first position. It is characterized in that it includes a linear drive range excluding the detection section of the detection means 4A, or a second position detection means 4B that detects the position of the mover 3 in the entire linear drive range, and hereinafter, the first position detection means 4A and The second position detection unit 4B will be described.

第二位置検出手段4B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の位置検出を行う。すなわち、この第二位置検出手段4Bによれば、リニアスケールのように磁気スケールを設けることなく、シャフト2の磁束変化を利用して可動子3の位置を検出するので、位置検出機能を備えるシャフト型リニアモータ1のコンパクト化が図れる。   The second position detection means 4B is configured to include a magnetic sensor (Hall element or the like) S provided on the mover 3, and detects the position of the mover 3 based on a change in magnetic flux of the shaft 2 detected by the magnetic sensor S. Do. That is, according to the second position detecting means 4B, the position of the mover 3 is detected using the magnetic flux change of the shaft 2 without providing a magnetic scale like a linear scale. The linear motor 1 can be made compact.

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。   As a position detection method of the mover 3 by the magnetic sensor S, first, a method of obtaining a position (mechanical angle) by calculation from two-phase analog signals output from the two magnetic sensors S can be considered. This method is based on the premise that the analog signals obtained from the two magnetic sensors S are sine waves orthogonal to each other. That is, when the magnetic flux distribution of the shaft 2 is not sinusoidal, an error occurs in the obtained position information. In the actual shaft 2, it is difficult to say that the magnetic flux distribution is sinusoidal and includes many spatial harmonics. Thus, it is conceivable to remove the spatial harmonics by smoothing the magnetic flux penetrating the magnetic sensor S by moving the magnetic sensor S away from the shaft 2, but it is difficult to completely remove the harmonics. Moreover, since the output level of the magnetic sensor S decreases, there is a concern about the deterioration of the SN ratio and the influence of disturbance due to external magnetic flux.

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決め装置に適用される第二位置検出手段の検出概念を示すブロック図である。この図に示すように、本発明の実施形態に係る第二位置検出手段4Bの位置検出方式は、シャフト2の軸線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。   FIG. 2 is a block diagram showing a detection concept of the second position detection means applied to the shaft type linear motor positioning device according to the embodiment of the present invention. As shown in this figure, the position detection method of the second position detection means 4B according to the embodiment of the present invention is a plurality of (for example, four) magnets arranged at predetermined intervals in the axial direction of the shaft 2. Two-phase analog signals are obtained by using the sensors S0 to S3 and multiplying the outputs of the magnetic sensors S0 to S3 by respective predetermined weighting factors. The number of magnetic sensors S needs to be appropriately selected according to the filtering characteristics to be obtained, but at least two are necessary. In practical use, although there are problems to be solved such as an increase in cost due to the use of many magnetic sensors S and variations in detection sensitivity of the magnetic sensors S, there is an advantage that the filtering characteristics can be easily determined by selecting the number. If a waveform close to a sine wave can be extracted from the magnet portion of the shaft, an analog signal output from a magnetic sensor (for example, S0 to S3) can be directly used for position detection.

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。   When the weighting factor calculation and the addition calculation are performed by the operational amplifier circuit, two-phase analog signals (A-phase and B-phase orthogonal signals) can be obtained with a very simple circuit configuration. In this case, since the obtained two-phase signal may be input to the controller, the controller may have two A / D inputs as in the conventional case, and the existing controller can be used as it is. On the other hand, when the weighting factor calculation and the addition calculation are performed inside the controller microcomputer, A / D inputs are required for the number of the magnetic sensors S. However, variations in sensitivity of the magnetic sensors S can be absorbed by software processing. There is an advantage. It is also possible to change the weight coefficient inside the microcomputer as required.

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。   FIG. 3 is a graph showing an example of the magnetic flux density distribution of the shaft. As shown in this figure, the magnetic flux density distribution in the vicinity of the surface of the shaft 2 includes many spatial harmonics instead of a sine wave. Here, consider a configuration in which seven magnetic sensors S are used and arranged at intervals of 5 mm. The weighting factors to be multiplied by the magnetic sensors S0 to S6 are set as shown in FIG. When the interval between the magnetic sensors S0 to S6 is 5 mm and the period of the magnetic flux distribution is 60 mm, if the sampling is performed at 12 times the period of the magnetic flux, it is set to pass about 1.44 harmonics or less of the magnetic flux period. It can be said. The two-phase signal obtained using this coefficient setting is shown in FIG. As shown in this figure, it can be seen that the harmonics are greatly reduced and are almost sinusoidal. FIG. 6 shows a position error obtained by calculation from the two-phase signal.

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。   FIG. 8 shows an analog two-phase output when six magnetic sensors S0 to S5 are arranged at intervals of 5 mm and a band-pass filter is configured so as to extract only the third harmonic component contained in the magnetic flux distribution of the shaft 2. It is. The weighting factor was set as shown in FIG. Here, since the third harmonic is used, if a resolution of 0.1 mm is required, the calculation requires a resolution of 1.8 deg. However, the accuracy is higher than the method using the fundamental wave. Becomes easier. FIG. 9 shows an error when position detection is performed by calculation. When a higher resolution is targeted, fine adjustment such as correction is required.

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。   The spatial harmonics on the surface of the shaft 2 have a considerably large fifth harmonic, and if the magnetic sensor S is brought as close to the shaft 2 as possible, position detection using the fifth harmonic is sufficiently possible. In this case, the number of magnetic sensors S is large, but stable and high accuracy can be obtained. FIG. 11 shows the result of detecting the fifth harmonic using ten magnetic sensors S at intervals of 3 mm. The weighting factor was set as shown in FIG. Here, since the interval between the magnetic sensors S is narrow, it is expected that it will be difficult to arrange the magnetic sensors S in a line. However, if the surface-mounted chip type magnetic sensor having a small size is arranged, the magnetic sensors S are arranged in a line. Can do.

また、図12の(A)〜(C)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。   Further, as shown in FIGS. 12A to 12C, the magnetic sensors S may be arranged in a plurality of rows. For example, as shown in FIG. 12A, five magnetic sensors S may be arranged so as to face each other by 180 ° with the shaft 2 interposed therebetween. In this case, the magnetic sensors S in each row are arranged at an interval of 6 mm so that the substantial interval is 3 mm. Even with such an arrangement, a fifth-order harmonic two-phase signal that can be used for position detection can be obtained. Further, by arranging each row of the magnetic sensors S symmetrically (facing the front) or by shifting the positions thereof, for example, compared to a case where ten magnetic sensors S are arranged in a row, the mover 3 The length can be shortened to ½, which is effective for downsizing. In addition, when each row is disposed so as to be displaced, sensoring can be performed with respect to the value of the phase difference of the magnetic flux, and detection accuracy and detection efficiency can be improved.

つぎに、第二位置検出手段4Bによる位置決め制御について、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(第二位置検出手段)を示すブロック図である。この図に示すように、第二位置検出手段4Bによりシャフト型リニアモータ1を位置決めする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等を備えて構成することができる。   Next, positioning control by the second position detecting means 4B will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a block diagram showing a shaft type linear motor positioning control system (second position detecting means) according to an embodiment of the present invention. As shown in this figure, the positioning control system for positioning the shaft type linear motor 1 by the second position detecting means 4B includes a plurality of magnetic sensors S, a mixing unit 5, an A / D conversion unit 6, a digital signal processing unit 7, A D / A conversion unit 8, a current amplifier unit 9 and the like can be provided.

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。   In the present embodiment, ten magnetic sensors S0 to S9 are arranged at intervals of 3 mm. For example, Hall elements are used as the magnetic sensors S0 to S9. The output of each Hall element is detected by a differential amplifier. The ten analog signals obtained in this way are mixed by the mixing unit 5.

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。   As described above, the mixing unit 5 obtains a two-phase analog signal by multiplying the outputs of the magnetic sensors S0 to S9 by respective predetermined weighting factors and adding them. For example, the mixing unit 5 of the present embodiment is composed of 24 OP amplifiers, but it can be realized with 8 to 12 OP amplifiers.

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。   The A / D converter 6 is an A / D converter for taking in the fifth-order harmonic two-phase signal (5A, 5B) and the fundamental two-phase signal (1A, 1B) into the digital signal processing unit 7. 6a.

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。   The digital signal processing unit 7 is, for example, a DSP (Digital Signal Processor), and includes a position estimating unit 11, an estimated position correcting unit 12, a motor driving unit 13, and the like. The position estimation unit 11 calculates the phase angle θ from the fifth-order harmonic two-phase signal (5A, 5B) captured by the A / D converter by the calculation block 11a. Since fifth-order harmonics are detected, θ changes by 2π when moved by 1/5 of the actual magnetic flux period of 60 mm, that is, 12 mm. This θ is monitored by the circulation counter block 11b, and the number N of rotations of the phase angle θ is counted. Then, the estimated position is calculated by the estimated position acquisition block 11c using the phase angle θ and the number of rotations N.

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。   The estimated position correction unit 12 corrects the estimated position calculated by the position estimation unit 11. That is, since the estimated position obtained by the position estimating unit 11 includes an error due to variations in magnet length and magnetic flux density, the estimated position is corrected using the correction data. The correction data is created in advance by the correction data table block 12a. For example, the difference between the linear scale value and the estimated position is recorded at an interval of 0.1 mm. The correction data table block 12a is at the estimated position. The corresponding error value is given. For example, the error value of the estimated position 5.23 mm is obtained by reading the error values of 5.2 mm and 5.3 mm from the table and linearly interpolating the two points to obtain an approximate value. Then, the corrected estimated position is obtained by subtracting the correction data from the estimated position, and the corrected estimated position is input to the motor drive unit 13 to execute PID control.

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。   The motor drive unit 13 generates a coil current command from the fundamental two-phase signals (1A, 1B). The phase shift block 13a adjusts the phase of the two-phase signal (1A, 1B) so that the torque angle becomes appropriate. After adjusting the phase, only the 1B phase is shifted by 30 ° to obtain a two-phase signal having a phase difference of 120 °. By multiplying the two-phase signal by the output value of the PID block 13b, a coil current value is obtained that provides a propulsive force proportional to the PID output. The current amplifier unit 9 is configured using a power OP amplifier 9a. That is, the power supply to the shaft type linear motor 1 is not the PWM system, but the power OP amplifier 9a is used to supply a current proportional to the command signal. Of course, a PWM current amplifier can also be used. The command signal for the current amplifier unit 9 is performed via the D / A conversion unit 8 including the D / A converter 8a.

つぎに、本発明の実施形態に係る第二位置検出手段4B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。   Next, the detection accuracy of the second position detection unit 4B according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 14 shows a position detection error when correction by the correction data table is not performed. As shown in this figure, when correction by the correction data table is not performed, an error of about ± 0.6 mm is generated. However, in applications that do not require high accuracy, it can be used without correction.

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。   FIG. 15 shows the position detection error after correction by the correction data table in which the difference between the linear scale value and the estimated position is recorded at intervals of 0.5 mm. FIG. 16 shows the difference between the linear scale value and the estimated position at intervals of 0.2 mm. FIG. 17 shows the position detection error after correction by the correction data table in which the difference between the linear scale value and the estimated position is recorded at intervals of 0.1 mm. . As shown in these figures, the error after correction by the correction data table is reduced according to the correction data interval, but considering the increase in the number of correction data, in the example of this embodiment, the 0.2 mm interval is balanced. The correction data is preferable.

つぎに、第一位置検出手段4Aについて、図18を参照して説明する。図18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装置に適用される第一位置検出手段の構成を示す説明図である。この図に示すように、第一位置検出手段4Aは、可動子3に設けられる位置情報読み取り部としての磁気ヘッドTと、磁気ヘッドTの移動軌跡に沿って対向状に配置される位置情報記憶部としての磁気スケールUとを有し、磁気ヘッドTで磁気スケールUの磁気目盛(位置情報)を読み取ることにより可動子3の位置検出を行う磁気方式のリニアスケール(位置検出装置)であるが、その他、発光源の半導体レーザ,受光部のフォトディテクタに,回折格子であるホログラムスケール(ホログラム格子)を組み合わせたレーザ式のもの、基本的にロータリーエンコンーダと同じ動作原理による方式で電気信号をカウンタで計数し変位量を測定する光電方式のもの等を用いても良い。つまり、第一位置検出手段4Aは、前述のように可動子3の直線駆動範囲に部分的に任意設定された検出区間(例えば、図18の夫々異なる検出ストローク区間として設定したA区間、C区間、E区間)でのみ可動子3の位置検出を行うよう構成したものとになっている。すなわち、高精度な位置決めが要求される区間でのみ第一位置検出手段4Aによる位置検出を行うことにより、磁気スケールUの設置範囲を小さくすることができるので、シャフト2の全長に亘って磁気スケールUを並設する場合に比べ、シャフト型リニアモータ1の周辺をコンパクト化することが可能になり、その結果、コンパクト化が求められる分野でもシャフト型リニアモータ1の利用を促進することができる。   Next, the first position detection unit 4A will be described with reference to FIG. FIG. 18 is an explanatory diagram showing the configuration of the first position detecting means applied to the shaft type linear motor positioning device according to the embodiment of the present invention. As shown in this figure, the first position detection means 4A includes a magnetic head T as a position information reading unit provided in the movable element 3, and a position information storage arranged in an opposing manner along the movement locus of the magnetic head T. A magnetic linear scale (position detecting device) that detects the position of the mover 3 by reading the magnetic scale (position information) of the magnetic scale U with the magnetic head T. In addition, a laser type that combines a semiconductor laser as a light source and a photodetector at a light receiving portion with a hologram scale (hologram grating) as a diffraction grating, and basically uses the same operating principle as that of a rotary encoder. A photoelectric type that counts with a counter and measures the amount of displacement may be used. That is, the first position detection means 4A is a detection section partially set arbitrarily in the linear drive range of the mover 3 as described above (for example, A section and C section set as different detection stroke sections in FIG. , E section), the position of the mover 3 is detected only. That is, the position of the magnetic scale U can be reduced by performing position detection by the first position detection means 4A only in a section where high-precision positioning is required, so that the magnetic scale can be extended over the entire length of the shaft 2. Compared with the case where U is arranged in parallel, the periphery of the shaft type linear motor 1 can be made compact, and as a result, the use of the shaft type linear motor 1 can be promoted even in a field where compactness is required.

磁気スケールUが設置されていない区間(例えば、図18のB区間、D区間)においては、第二位置検出手段4Bで可動子3の位置検出を行うことができる。第一位置検出手段4Aによる位置決め動作(リニアスケール駆動)と、第二位置検出手段4Bによる位置決め動作(センサレス駆動)は、第一位置検出手段4Aの磁気ヘッドTが磁気スケールUの磁気目盛を読み取っているか否かに基づいて切換えることが可能であるが、位置決め動作の切換え(リニアスケール用カウンタのリセット処理等)を確実かつ迅速に行うには、磁気ヘッドTに原点センサVを設け、磁気スケールUの原点位置を検出することが好ましい。原点センサVは、磁気スケールUの原点位置に設けられる原点検出子Wを磁気ヘッドTとは異なる方式で検出するものであり、例えば、反射式の光学センサを用いて構成することができる。   In a section where the magnetic scale U is not installed (for example, section B and section D in FIG. 18), the position of the mover 3 can be detected by the second position detection means 4B. In the positioning operation (linear scale driving) by the first position detecting means 4A and the positioning operation (sensorless driving) by the second position detecting means 4B, the magnetic head T of the first position detecting means 4A reads the magnetic scale of the magnetic scale U. However, in order to switch the positioning operation (such as reset processing of the linear scale counter) reliably and quickly, the magnetic head T is provided with an origin sensor V, and the magnetic scale It is preferable to detect the origin position of U. The origin sensor V detects the origin detector W provided at the origin position of the magnetic scale U by a method different from that of the magnetic head T, and can be configured using, for example, a reflective optical sensor.

次に、第一位置検出手段4A(リニアスケール位置検出システム)及び第二位置検出手段4B(センサレス位置検出システム)を併用したシャフト型リニアモータ1の具体的な位置決め制御について、図19及び図20を参照して説明する。図19に示すように、第一位置検出手段4A及び第二位置検出手段4Bによる可動子3の位置情報は、ドライバX(又はコントローラ)に入力される。第一位置検出手段4AからドライバXに入力される位置情報は、任意区間の精密位置情報であり、また、原点センサVの検出信号も含まれる。一方、第二位置検出手段4BからドライバXに入力される位置情報は、全区間の粗雑位置情報である。   Next, specific positioning control of the shaft type linear motor 1 using both the first position detecting means 4A (linear scale position detecting system) and the second position detecting means 4B (sensorless position detecting system) will be described with reference to FIGS. Will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 19, the position information of the mover 3 by the first position detection means 4A and the second position detection means 4B is input to the driver X (or controller). The position information input from the first position detection means 4A to the driver X is precise position information in an arbitrary section, and also includes a detection signal from the origin sensor V. On the other hand, the position information input from the second position detection means 4B to the driver X is rough position information for all sections.

ドライバXは、第一位置検出手段4A及び第二位置検出手段4Bから入力した位置情報を内部でソフトウエア的に処理し、シャフト型リニアモータ1を位置決め駆動させる。具体的には、図20に示すように、まず、第一位置検出手段4Aの磁気ヘッドTが磁気スケールUを検出しているか否かを判断し(S1)、この判断結果がYESの場合は、第一位置検出手段4Aの位置情報に基づいた位置決め動作(リニアスケール駆動)を行う(S2)。また、リニアスケール駆動状態であっても、第二位置検出手段4Bによる位置検出動作は続行される。一方、上記ステップS1の判断結果がNOの場合は、第二位置検出手段4Bの位置情報に基づいた位置決め動作(センサレス駆動)を行う(S3)。この状態では、原点センサVによる原点検出を判断しており(S4)、この判断結果がYESになったら、リニアスケール用カウンタをリセットし(S5)、リニアスケール駆動(S2)に移行する。   The driver X internally processes the position information input from the first position detecting means 4A and the second position detecting means 4B by software, and drives the shaft type linear motor 1 to be positioned. Specifically, as shown in FIG. 20, first, it is determined whether or not the magnetic head T of the first position detecting means 4A detects the magnetic scale U (S1), and if this determination result is YES, Then, a positioning operation (linear scale driving) based on the position information of the first position detecting means 4A is performed (S2). Even in the linear scale driving state, the position detecting operation by the second position detecting means 4B is continued. On the other hand, if the determination result in step S1 is NO, a positioning operation (sensorless driving) based on the position information of the second position detecting means 4B is performed (S3). In this state, the origin detection by the origin sensor V is determined (S4). If the determination result is YES, the linear scale counter is reset (S5) and the process proceeds to linear scale drive (S2).

叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、シャフト型リニアモータ1の位置決め装置は、リニアスケールからなる第一位置検出手段4Aを有し、可動子3の位置を精密に検出するのであるが、第一位置検出手段4Aによる位置検出は、可動子3の直線駆動範囲に部分的に1又は複数の任意ストローク(異なるストロークであっても良い)に設定された検出区間でのみ行うようになっているので、磁気スケールU(位置情報記憶部)の設置範囲を小さくすることができる。これにより、シャフト2の全長に亘って磁気スケールUを並設する場合に比べ、シャフト型リニアモータ1の周辺をコンパクト化することが可能になり、その結果、コンパクト化が求められる分野でもシャフト型リニアモータ1の利用を促進することができる。   In the embodiment of the present invention configured as described above, the positioning device for the shaft type linear motor 1 has first position detecting means 4A composed of a linear scale, and accurately detects the position of the mover 3. However, the position detection by the first position detection means 4A is performed only in the detection section partially set in the linear drive range of the mover 3 to one or a plurality of arbitrary strokes (may be different strokes). Therefore, the installation range of the magnetic scale U (position information storage unit) can be reduced. As a result, it is possible to make the periphery of the shaft type linear motor 1 more compact than in the case where the magnetic scale U is arranged along the entire length of the shaft 2, and as a result, the shaft type can be used even in fields where compactness is required. The use of the linear motor 1 can be promoted.

また、磁気スケールUが設置されていない区間においては、第二位置検出手段4Bで可動子3の位置検出を行うことができる。すなわち、第二位置検出手段4Bは、シャフト2の磁束検出により可動子3の位置を検出するものであり、磁気スケールUが設置されていない区間でも位置検出を行うことができる。   In the section where the magnetic scale U is not installed, the position of the mover 3 can be detected by the second position detecting means 4B. That is, the second position detecting means 4B detects the position of the mover 3 by detecting the magnetic flux of the shaft 2, and can detect the position even in the section where the magnetic scale U is not installed.

そして、第一位置検出手段4Aによる位置決め動作と、第二位置検出手段4Bによる位置決め動作は、第一位置検出手段4Aの磁気ヘッドTが磁気スケールUの磁気目盛を読み取っているか否かに基づいて切換えることが可能であるが、本実施形態では、磁気ヘッドTに原点センサVを設け、磁気スケールUの原点位置を検出するようにしたので、位置決め動作の切換えを確実かつ迅速に行うことができる。   The positioning operation by the first position detection unit 4A and the positioning operation by the second position detection unit 4B are based on whether the magnetic head T of the first position detection unit 4A is reading the magnetic scale of the magnetic scale U. In this embodiment, since the origin sensor V is provided in the magnetic head T and the origin position of the magnetic scale U is detected, the positioning operation can be switched reliably and quickly. .

本発明の実施形態に係るシャフト型リニアモータ(磁気スケールは省略)の斜視図である。It is a perspective view of a shaft type linear motor (magnetic scale is omitted) according to an embodiment of the present invention. 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装置に適用される第二位置検出手段の検出概念を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detection concept of the 2nd position detection means applied to the positioning apparatus of the shaft type linear motor which concerns on embodiment of this invention. シャフトの磁束密度分布例を示すグラフ図である。It is a graph which shows the magnetic flux density distribution example of a shaft. 高調波低減のための重み係数を示す表図である。It is a table | surface figure which shows the weighting coefficient for a harmonic reduction. 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。FIG. 5 is a waveform diagram of a two-phase analog signal obtained by the weighting factor of FIG. 4. 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。It is explanatory drawing which shows the error of the estimated position calculated from the two-phase analog signal of FIG. 3次調波抽出のための重み係数を示す表図である。It is a table | surface figure which shows the weighting coefficient for a 3rd harmonic extraction. 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。FIG. 8 is a waveform diagram of a two-phase analog signal obtained by the weighting factor of FIG. 7. 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。It is explanatory drawing which shows the error of the estimated position calculated from the two-phase analog signal of FIG. 5次調波抽出のための重み係数を示す表図である。It is a table | surface figure which shows the weighting coefficient for 5th harmonic extraction. 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。FIG. 11 is a waveform diagram of a two-phase analog signal obtained by the weighting factor of FIG. 10. (A)〜(C)は磁気センサの配置例を示す斜視図である。(A)-(C) are perspective views which show the example of arrangement | positioning of a magnetic sensor. 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(第二位置検出手段)を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the positioning control system (2nd position detection means) of the shaft type linear motor which concerns on embodiment of this invention. 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。It is explanatory drawing which shows the position detection error at the time of not correcting by a correction data table in the positioning control system of FIG. 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。In the positioning control system of FIG. 13, it is explanatory drawing which shows the position detection error after the correction | amendment by the correction data table which recorded the difference of a linear scale value and an estimated position at 0.5 mm space | interval. 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。In the positioning control system of FIG. 13, it is explanatory drawing which shows the position detection error after the correction | amendment by the correction data table which recorded the difference of a linear scale value and an estimated position by 0.2 mm space | interval. 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。In the positioning control system of FIG. 13, it is explanatory drawing which shows the position detection error after the correction | amendment by the correction data table which recorded the difference of a linear scale value and an estimated position at 0.1 mm space | interval. 第二位置検出手段の説明図である。It is explanatory drawing of a 2nd position detection means. 第一位置検出手段及び第二位置検出手段を併用する位置決め制御システムのブロック図である。It is a block diagram of the positioning control system which uses together a 1st position detection means and a 2nd position detection means. 第一位置検出手段及び第二位置検出手段を併用する位置決め制御システムのフローチャートである。It is a flowchart of the positioning control system which uses together a 1st position detection means and a 2nd position detection means.

符号の説明Explanation of symbols

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
4A 第一位置検出手段
4B 第二位置検出手段
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
14 カウンタブロック
S 磁気センサ
T 磁気ヘッド
U 磁気スケール
V 原点センサ
W 原点検出子
X ドライバ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Shaft type linear motor 2 Shaft 2a Bar magnet 3 Movable element 4A 1st position detection means 4B 2nd position detection means 5 Mixing part 6 A / D conversion part 6a A / D converter 7 Digital signal processing part 8 D / A conversion Unit 8a D / A converter 9 current amplifier unit 9a power OP amplifier 11 position estimation unit 11a calculation block 11b circuit counter block 11c estimated position acquisition block 11d offset block 12 estimated position correction unit 12a correction data table block 13 motor drive unit 13a phase Shift block 13b PID block 14 Counter block S Magnetic sensor T Magnetic head U Magnetic scale V Origin sensor W Origin sensor X Driver

Claims (2)

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、該可動子の内周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決め装置であって、
前記可動子の直線駆動範囲に部分的に設定された検出区間で前記可動子の位置検出を行う第一位置検出手段と、
前記第一位置検出手段の検出区間を除く直線駆動範囲、又は直線駆動範囲全域で前記可動子の位置検出を行う第二位置検出手段とを備え、
前記第一位置検出手段は、前記可動子に設けられる位置情報読み取り部と、該位置情報読み取り部の移動軌跡に沿って対向状に配置される位置情報記憶部とを有し、前記位置情報読み取り部で前記位置情報記憶部の位置情報を読み取ることにより前記可動子の位置検出を行い、
前記第二位置検出手段は、前記可動子に設けられる磁気センサを有し、該磁気センサで前記シャフトの磁束を検出することにより前記可動子の位置検出を行う
ことを特徴とするシャフト型リニアモータの位置決め装置。
A shaft having a plurality of rod-shaped magnets arranged in series and a mover that is slidably fitted to the shaft are provided, and the mover is linearly excited by excitation of a coil provided on the inner periphery of the mover. A shaft type linear motor positioning device to be driven by
First position detection means for detecting the position of the mover in a detection section partially set in the linear drive range of the mover;
A linear drive range excluding a detection section of the first position detection means, or a second position detection means for detecting the position of the mover in the entire linear drive range;
The first position detection unit includes a position information reading unit provided in the movable element, and a position information storage unit arranged in an opposing manner along a movement locus of the position information reading unit, and reads the position information. The position of the mover is detected by reading the position information in the position information storage unit at the unit,
The second position detection unit includes a magnetic sensor provided on the mover, and detects the position of the mover by detecting the magnetic flux of the shaft with the magnetic sensor. Positioning device.
前記位置情報読み取り部は、前記位置情報記憶部の原点位置を検出する原点センサを備えることを特徴とする請求項1記載のシャフト型リニアモータの位置決め装置。   2. The shaft type linear motor positioning apparatus according to claim 1, wherein the position information reading unit includes an origin sensor that detects an origin position of the position information storage unit.
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