JP2010060478A - 直動回転モータの位置検出装置および直動回転モータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】位置置検出装置は直動変位検出部、回転変位検出部、直動方向に一定間隔に設けた直動目盛を有する円筒状の直動スケール、円筒状で、前記直動方向に対して垂直方向に2極着磁された永久磁石で構成される。回転変位検出部は出力軸の回転中心に対して異なる回転角に複数の磁界検出素子を設けている。出力軸の回転による永久磁石の発生磁界は、出力軸1回転につき1周期の正弦波状の変化を示す。この磁界の変化を複数の磁界検出素子で検出して、信号処理することにより、出力軸の絶対角度を検出する。
【選択図】図1
Description
この中で、出力軸の直動変位と回転変位を検出する装置として、図9の検出部が示されている。17は回転目盛、7は直動目盛である。回転目盛17と空隙を介して対向して回転検出器6が配置され、直動目盛7と対向して直動検出器5が配置された構成となっている。回転目盛17と直動目盛7は直列に配置されており、それに合わせて回転検出部6と直動検出部5も配置されている。回転目盛17と直動目盛7は、エッチングなどで製作された微小間隔の凹凸の光学的な目盛で構成されており、その目盛は全周にわたって施されている。一方、回転検出部6と直動検出部5には、レーザ光を照射し、凹凸の目盛を介して反射されたレーザ光を検知して、回転位置θと直動位置Zを読み取る光学式検出手段を備えている。ここで、回転目盛7および直動目盛17が取り付けられた出力軸が回転および直動すると、回転検出部6と直動検出部5によって、回転位置θと直動位置Zを得ることができる。
そのため、直動回転モータのシステムとして、回転基準位置に対する相対的な位置決め動作が必要な場合、外部原点センサを付加すれば可能となるが、そうした場合も
原点復帰動作が必要であり、始動に時間がかかるなどの問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、直動回転モータの絶対的な回転位置が検出できる位置検出装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、回転方向および直動方向に移動する出力軸を有するモータ部の前記出力軸の回転位置および直動位置を検出する 直動回転モータの位置検出装置において、前記位置検出装置は、直動方向に一定間隔に設けた直動目盛を有する円筒状の直動スケールと、円筒状で前記直動方向に対して垂直方向に、2極着磁された永久磁石と、前記直動スケールから直動方向の変位を検出する直動変位検出部と、前記永久磁石の磁界から回転方向の変位を検出する回転変位検出部を備えたことを特徴としている。
請求項5に記載の発明は請求項2記載の直動回転モータの位置検出装置において前記複数の磁石は2個であって、出力軸が特定の2カ所の直動位置に移動したとき、第1の永久磁石または第2の永久磁石が、回転変位検出部に近接するように取り付けていることを特徴としている。
請求項7に記載の発明は請求項3記載の直動回転モータの位置検出装置において前記複数の回転変位検出部は2個であって、前記出力軸が特定の2カ所の直動位置に移動したときに前記回転変位検出部のいずれかが前記永久磁石に近接するように取り付けられていることを特徴としている。
請求項9に記載の発明は請求項1から3のいずれか1項記載の直動回転モータの位置検出装置において前記直動スケールは磁気式スケールであり、前記直動変位検出部は磁気式センサであることを特徴としている。
請求項10に記載の発明は請求項1から3のいずれか1項記載の直動回転モータの位置検出装置において前記直動スケールは凹凸の形状もしくは滑らかな山谷形状を設けた軟磁性材料より形成するとともに、前記直動変位検出部はインダクタンス変化を検出する手段であることを特徴としている。
請求項11に記載の発明は請求項1から3のいずれか1項記載の直動回転モータの位置検出装置において前記回転変位検出部は前記出力軸の回転中心に対して複数の異なる回転角に磁界検出素子を設けたことを特徴としている。
請求項12に記載の発明は請求項11記載の直動回転モータの位置検出装置において前記磁界検出素子は前記出力軸回転中心に対して90度異なる回転角にホール素子または磁気抵抗素子をおのおの設けたことを特徴としている。
請求項13に記載の発明における直動回転モータが請求項1から3のいずれか1項記載の直動回転モータの位置検出装置を備えたことを特徴としている。
請求項2,4,5の発明によると、回転位置を検出したい特定の直動位置に円板状の磁石を配置するので、使用する磁石の体積を小さくでき、低コストで出力軸の特定の直動位置の絶対的な回転位置が検出できる。
請求項3,6,7の発明によると、円板状の磁石を1つだけ使用するので、使用する磁石の体積をより小さくでき、低コストで出力軸の特定の直動位置の絶対的な回転位置が検出できる。
請求項9,10の発明によると、直動回転位置の検出手段が磁気式、レゾルバ式であるので周囲温度が高い用途でも使用することができる。
請求項11,12の発明によると、絶対的な回転位置を演算により容易に演算できるとともに回転方向の検出ができる。
請求項13の発明によると、絶対的な回転位置に位置決め可能な直動回転モータが得られる。
図1において、直動回転モータはモータ部1と位置検出装置2から構成される。モータ部1では、出力軸3が回転方向および直動方向に移動できるように、回転・直動軸受4に支持されている。
位置検出装置2は、直動変位検出部5、回転変位検出部6、直動方向に一定間隔に設けた直動目盛を有する円筒状の直動スケール7、円筒状で前記直動方向に対して垂直方向に2極着磁された永久磁石8で構成されている。
前記直動スケール7は円筒状の部材の全周に目盛を形成した光学式スケールである。研磨した金属表面に直接目盛りを形成してもよいし、部材表面に製膜したクロム膜等の反射率の高い薄膜金属に目盛りを形成してもよい。、
8は円筒状の磁石であり、図2のように中実の形状であってもかまわないし、図3のように他の材料からなるシャフト9に固定された中空の形状であってもかまわない。
直動変位検出部5はLEDや半導体レーザからなる光源、固定スリット、フォトダイオード等の受光素子からなり、直動スケール7と組み合わせて、反射型リニアエンコーダの構成を取り、出力軸3が直動するとその直動方向の変位を検出できる。ただし、直動スケール7には全周にわたって目盛が形成されているので、出力軸3が任意の回転角に回転しても直動方向の位置を検出できる。
回転変位検出部6は出力軸3の回転中心に対して異なる回転角に複数の磁界検出素子を設けている。図4は、磁界検出素子として2つのホール素子10aと10bを用いた場合の図1のA−A線断面図である。
回転変位検出部の第1のホール素子10aは、永久磁石8から発生する半径方向の磁界を検出する。ここで、出力軸3の直動位置Zを固定し、回転位置θを変化させると、ホール素子10aが検出する磁界の大きさは、回転位置θの大きさに応じて、出力軸3の1回転につき1周期の正弦波状に変化する。これによりホール素子10aの出力電圧V1も回転位置θに関して正弦波となる。出力軸9の回転中心に対して、第1のホール素子10aと90度異なる位置に配置した第2のホール素子10bも同様に磁界の変化を検出し、出力電圧V2は、回転位置θに関してV1と90度位相が異なる 正弦波となる。
従って、出力軸3の回転位置θは第1、第2のホール素子の出力電圧V1とV2を用いて、
θ=tan−1(V1/V2) [rad]
で計算することができる。
得られた回転位置θは、出力軸3の絶対的な回転位置を示すものであり、 常に絶対的な回転位置を検出することができる。
本実施例の直動回転モータの位置検出装置を備えた直動回転モータは、外部原点センサを用いず、絶対的な位置決めが可能である。また、絶対位置が検出されるので、外部厳選センサを用いたときに必要となる原点復帰動作が不要であり、始動時間が短縮される。
図5において、第1の実施例と異なる点は、円筒状の永久磁石の代わりに、直動方向の異なる位置に円板状の永久磁石を2つ配置した点である。8aは第1の永久磁石、8bは第2の永久磁石である。第1の永久磁石8a、第2の永久磁石8bとも、中実の形状であってもかまわないし、他の材料からなるシャフトに固定された中空の形状であってもかまわない。また、図6に示すように、出力軸3が特定の2カ所の直動位置Z1(図6のAの状態)またはZ2(図6のBの状態)に移動したとき、第1の永久磁石8aまたは第2の永久磁石8bが、回転変位検出部6に近接するように取り付けている。
この構成の直動回転モータは直動位置が2点間の往復運動をし、上記のようにZ1とZ2の位置でのみ回転位置が計測できれば良い用途などに適し、実施例1の構成に対して永久磁石を円筒状から2枚の円板状にすることにより永久磁石の軽量化が図れる。
まず、出力軸3が直動位置Z1にあるとき、第2の永久磁石8bが回転変位検出部6に近接しているので、回転変位検出部6のホール素子は、出力軸3の回転位置θに応じた第2の永久磁石8bの磁界変化を検出する。
実施例1同様、回転変位検出部6の互いに90度異なる位置に配置された第1のホール素子10aと、第2のホール素子10bが検出する磁界の大きさは、回転位置θの大きさに応じてそれぞれ正弦波状に変化し、かつその位相は90度異なる。
従って、出力軸3の回転位置θ1は第1のホール素子10a、第2のホール素子10bの出力電圧V1とV2を用いて、
θ1=tan−1(V1/V2) [rad]
で計算することができる。
従って、出力軸3の回転位置θ2は実施例1同様の回転変位検出部6の第1のホール素子10a、第2のホール素子10bの出力電圧V1とV2を用いて、
θ2=tan−1(V1/V2) [rad]
で計算することができる。
また、出力軸3が直動位置Z1と直動位置Z2の間にあるときには、回転方向の位置の検出ができないが、直動位置Z1または直動位置Z2にまで移動が完了すれば、再び回転位置θ1または回転位置θ2が検出できる。これは、本実施例で得られる回転位置θ1および回転位置θ2それぞれが絶対的な回転位置だからである。
本実施例の直動回転モータの位置検出装置を備えた直動回転モータは、外部原点センサを用いず、絶対的な位置決めが可能である。また、絶対位置が検出されるので、外部厳選センサを用いたときに必要となる原点復帰動作が不要であり、始動時間が短縮される。
図7において、第1の実施例と異なる点は、円筒状の永久磁石の代わりに、円板状の永久磁石を用いるとともに、回転変位検出部を直動方向の異なる2カ所に配置した点である。
8dは永久磁石であり、中実の形状であってもかまわないし、他のシャフト部材に固定された中空の形状であってもかまわない。また、図8に示すように、出力軸3が特定の2カ所の直動位置Z1(図8のAの状態)またはZ2(図8のBの状態)に移動したとき、永久磁石8dが近接するように、それぞれ第1の回転変位検出部6aと第2の回転変位検出部6bを設けている。
まず、出力軸3が直動位置Z1にあるとき、永久磁石8dが第1の回転変位検出部6aに近接しているので、第1の回転変位検出部6aが、出力軸3の回転位置θに応じた永久磁石8dの磁界変化を検出する。
実施例1同様、第1の回転変位検出部6aの互いに90度異なる位置に配置された第1のホール素子10aと、第2のホール素子10bが検出する磁界の大きさは、回転位置θの大きさに応じてそれぞれ正弦波状に変化し、なおかつその位相は90度異なる。
従って、出力軸3の回転位置θ1は第1の回転変位検出部内の第1のホール素子10a、第2のホール素子10bの出力電圧V1とV2を用いて、
θ1=tan−1(V1/V2)[rad]
で計算することができる。
実施例1同様、第2の回転変位検出部6bの互いに90度異なる位置に配置された第3のホール素子と10a、第4のホール素子10bが検出する磁界の大きさも、回転位置θの大きさに応じてそれぞれ正弦波状に変化し、なおかつその位相は90度異なる。
従って、出力軸3の回転位置θ2は第2の回転変位検出部内の第3のホール素子10a、第4のホール素子10bの出力電圧V3とV4を用いて、
θ2=tan−1(V3/V4)[rad]
で計算することができる。
また、出力軸3が直動位置Z1と直動位置Z2の間にあるときには、回転方向の位置の検出ができないが、直動位置Z1または直動位置Z2にまで移動が完了すれば、再び回転位置θ1または回転位置θ2が検出できる。 これは、本実施例で得られる回転位置θ1および回転位置θ2それぞれが絶対的な回転位置だからである。
本実施例の直動回転モータの位置検出装置を備えた直動回転モータは、外部原点センサを用いず、絶対的な位置決めが可能である。また、絶対位置が検出されるので、外部厳選センサを用いたときに必要となる原点復帰動作が不要であり、始動時間が短縮される。
また、直動スケールとして上記説明では光学式スケール、直動変位検出部として反射型リニアエンコーダで説明したが、直動スケールとして一定間隔でN−S着磁された磁気スケールで、直動変位検出部として磁気式センサ、または直動スケールとして凹凸の形状もしくは滑らかな山谷形状を設けた軟磁性材料より形成されたスケールであり、前記直動変位検出部がインダクタンス変化を検出する手段で有っても良い。
2 位置検出装置
3 出力軸
4 回転・直動軸受
5 直動変位検出部
6 回転変位検出部
6a 第1の回転変位検出部
6b 第2の回転変位検出部
7 直動スケール
8、8d 永久磁石
8a 第1の永久磁石
8b 第2の永久磁石
9 シャフト
10a 第1のホール素子
10b 第2のホール素子
11 磁化方向
17 直動目盛
Claims (13)
- 回転方向および直動方向に移動する出力軸を有するモータ部の前記出力軸の回転位置および直動位置を検出する直動回転モータの位置検出装置において、
前記位置検出装置は、直動方向に一定間隔に設けた直動目盛を有する円筒状の直動スケールと、円筒状で前記直動方向に対して垂直方向に、2極に着磁された永久磁石と、前記直動スケールから直動方向の変位を検出する直動変位検出部と、前記永久磁石の磁界から回転方向の変位を検出する回転変位検出部を備えたことを特徴とする直動回転モータの位置検出装置。 - 回転方向および直動方向に移動する出力軸を有するモータ部の前記出力軸の回転位置および直動位置を検出する直動回転モータの位置検出装置において、
前記位置検出装置は、直動方向に一定間隔に設けた直動目盛を有する円筒状の直動スケールと、円板状で、前記直動方向に対して垂直方向に2極に着磁された複数の永久磁石と、前記直動スケールから直動方向の変位を検出する直動変位検出部と、前記永久磁石の磁界から回転方向の変位を検出する回転変位検出部を備えたことを特徴とする直動回転モータの位置検出装置。 - 回転方向および直動方向に移動する出力軸を有するモータ部の前記出力軸の回転位置および直動位置を検出する直動回転モータの位置検出装置において、
前記位置検出装置は、直動方向に一定間隔に設けた直動目盛を有する円筒状の直動スケールと、円板状で、前記直動方向に対して垂直方向に2極に着磁された永久磁石と、前記直動スケールから直動方向の変位を検出する直動変位検出部と、直動方向の異なる位置に前記永久磁石の磁界から回転方向の変位を検出する複数の回転変位検出部を備えたことを特徴とする直動回転モータの位置検出装置。 - 前記出力軸が特定の複数ケ所の直動位置に移動したとき、前記複数の永久磁石のいずれかが前記回転変位検出部に近接するように複数の永久磁石が配置されていることを特徴とする請求項2記載の直動回転モータの位置検出装置。
- 前記複数の磁石は2個であって、出力軸が特定の2カ所の直動位置に移動したとき、第1の永久磁石または第2の永久磁石が、回転変位検出部に近接するように取り付けていることを特徴とする請求項2記載の直動回転モータの位置検出装置。
- 前記出力軸が特定の複数ケ所の直動位置に移動したとき、前記永久磁石が前記複数の回転変位検出部のいずれかに近接するように前記回転変位検出部を設けていることを特徴とする請求項3記載の直動回転モータの位置検出装置。
- 前記複数の回転変位検出部は2個であって、前記出力軸が特定の2カ所の直動位置に移動したときに前記回転変位検出部のいずれかが前記永久磁石に近接するように取り付けられていることを特徴とする請求項3記載の直動回転モータの位置検出装置。
- 前記直動スケールは光学式スケールであり、前記直動変位検出部は反射型リニアエンコーダであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の直動回転モータの位置検出装置。
- 前記直動スケールは磁気式スケールであり、前記直動変位検出部は磁気式センサであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の直動回転モータの位置検出装置。
- 前記直動スケールは凹凸の形状もしくは滑らかな山谷形状を設けた軟磁性材料より形成するとともに、前記直動変位検出部はインダクタンス変化を検出する手段であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の直動回転モータの位置検出装置。
- 前記回転変位検出部は前記出力軸の回転中心に対して複数の異なる回転角に磁界検出素子を設けたことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の直動回転モータの位置検出装置。
- 前記磁界検出素子は前記出力軸回転中心に対して90度異なる回転角にホール素子または磁気抵抗素子をおのおの設けたことを特徴とする請求項11記載の直動回転モータの位置検出装置。
- 請求項1から3のいずれか1項記載の直動回転モータの位置検出装置を備えたことを特徴とする直動回転モータ。
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