JP5072060B2 - シャフト型リニアモータの位置検出装置 - Google Patents

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検出装置に関する。

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。

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。
特開２００４−１２５６９９号公報 特開２００４−１２９４４０号公報 特開２００４−１２９４４１号公報

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。

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、複数の棒状磁石が互いに密接されて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、シャフトの軸線方向に所定の間隔を存して配列させて設け、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に、前記位置検出装置は、各磁気センサの出力信号をミキシングするミキシング部と、該ミキシング部から出力される信号に基づいて、前記可動子の推定位置を演算する位置推定部とを備え、前記ミキシング部は、各磁気センサの出力に、それぞれ所定の高調波低減または抽出のための前記センサ配列に応じた重み係数を設定し、該係数設定を用いて演算処理することにより二相の正弦波を得ると共に、前記位置推定部は、前記ミキシング部の算出により得られた二相の正弦波に基づいて可動子の位置を推定することを特徴とする。

本発明は、上記のように構成したことにより、複数の棒状磁石が互いに密接されて直列状に配列されたシャフトが採用されるシャフト型リニアモータでありながら、当該シャフトの磁束分布が多くの空間高調波を含んでいても、可動子に磁気センサを配設させた状態から、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の位置を高精度に検出することが可能となり、しかも、磁気センサの個数選択によってフィルタリング特性を容易に決定でき、磁気センサを可及的にシャフトに近づけた配置や、シャフトを挟んで対向するように複数配置しても位置検出に利用可能な高調波の二相信号が得ることができる。その結果、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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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の軸線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。

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。

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。 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。 シャフトの磁束密度分布例を示すグラフ図である。 高調波低減のための重み係数を示す表図である。 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。 ３次調波抽出のための重み係数を示す表図である。 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。 ５次調波抽出のための重み係数を示す表図である。 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。 （Ａ）〜（Ｄ）は磁気センサの配置例を示す斜視図である。 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

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

Claims (7)

1. 複数の棒状磁石が互いに密接されて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、シャフトの軸線方向に所定の間隔を存して配列させて設け、
   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に、
   前記位置検出装置は、各磁気センサの出力信号をミキシングするミキシング部と、該ミキシング部から出力される信号に基づいて、前記可動子の推定位置を演算する位置推定部とを備え、
   前記ミキシング部は、各磁気センサの出力に、それぞれ所定の高調波抽出のための前記センサ配列に応じた重み係数を設定し、該係数設定を用いて演算処理することにより二相の正弦波を得ると共に、
   前記位置推定部は、前記ミキシング部の算出により得られた二相の正弦波に基づいて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。
2. 前記演算処理は、前記重み係数を乗じて加算することにより行う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。
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。
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。
5. 前記磁気センサの各列は、互いに、対称に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。
6. 前記磁気センサの各列は、互いに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。
7. 前記ミキシング部は、複数のオペアンプ回路で構成されていることを特徴とする請求項１乃至６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。