JP5343001B2 - リニアモータの位置検出システム - Google Patents

Description

本発明は、磁石の磁界とコイルに流れる電流によって推力を得るリニアモータの位置を検出するためのリニアモータの位置検出システムに関する。

リニアモータの一種であるロッドタイプリニアモータは、複数の円筒形のコイルを積層し、積層して出来たコイルの孔内にロッドを挿入した構成になっている。ロッドには、Ｎ極及びＳ極の磁極が交互に配列される。Ｕ・Ｖ・Ｗ相の三相に分けたコイルに１２０°ずつ位相が異なる三相電流を流し、コイルの軸線方向に移動する移動磁界を発生させたとき、ロッドが移動磁界により推力を得て、移動磁界の速さに同期して直線運動を行う。

ロッドの運動を制御するためには、ロッドの位置を検出する必要がある。従来、ロッドの位置を検出するセンサとして、磁気スケールと、磁気センサとから構成される磁気式のエンコーダが知られている（特許文献１参照）。例えば、固定子のコイル側には、Ｎ極及びＳ極が交互に着磁された磁気スケールが貼り付けられ、可動子のロッド側には、磁気スケールの磁界の大きさを検出する磁気センサが取り付けられる。

図３３に示されるように、磁気スケール４１には、Ｎ極の中心からＳ極の中心に向かう磁力線４２が出ている。磁気センサ４３は、磁気スケール４１が発生する磁界の大きさを検出する。磁界の大きさは、磁気センサがＮ極及びＳ極の分かれ目に近づいたときに最も大きく、Ｎ極及びＳ極の中心に近づいたときが最も弱くなる。磁界の大きさを検出することで、磁気スケール４１に対する磁気センサ４３の位置を知ることができる。
特許第３０３６２７４号公報

しかし、従来の磁気式のエンコーダにあっては、磁気スケールと磁気センサとの間のギャップを高精度に管理する必要があった。ロッドの移動中にもこの距離を一定に保つ必要があった。なぜならば、図３４に示されるように、もし磁気センサ４３の距離が(1)の位置から(2)の位置にずれるならば、磁気センサ４３に作用する磁界が小さくなり、磁気センサ４３が出力する正弦波状信号も(1)から(2)へと小さくなるからである。磁気センサ４３が出力する正弦波状信号の大きさから、磁気センサ４３の位置を求めているので、磁気センサ４３が出力する正弦波状信号が小さくなるときには、磁気センサ４３の正確な位置を求めることができなくなる。

このようなギャップの管理は、磁気スケール及び磁気センサをリニアモータに取り付ける作業を困難にするし、コストアップの要因にもなる。この問題を解決するために、図３５に示されるように、磁気スケール４１の反対側にもう一つの磁気センサ４３を設け、両者の差分をとって距離のずれを補償する方法が考えられる。しかし、このような方法は、磁気センサ４３の個数の増大を招く。

そこで本発明は、センサの取付け精度を厳しく管理する必要のない、より安価に実現できる位置検出システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、Ｎ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に並べられる可動子又は固定子の一方と、複数のコイルを含む可動子又は固定子の他方と、を有し、前記一方が発生する磁界と前記他方の前記コイルに流れる電流によって直線運動するための推力を得るリニアモータと、磁界の方向によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子を有し、前記固定子に対する前記可動子の相対的な直線運動によって生ずる前記磁界の方向の変化に伴って、９０°の位相差を持つ正弦波状信号及び余弦波状信号を出力する磁気センサと、前記正弦波状信号及び前記余弦波状信号に基づいて、前記固定子に対する前記可動子の相対的な位置を検出する位置検出回路と、を備え、前記磁気センサを、前記磁気抵抗素子の抵抗変化量が飽和する飽和感度領域以上の磁界強度が印加される位置に配置するリニアモータの位置検出システムである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリニアモータの位置検出システムにおいて、前記位置検出回路は、前記正弦波状信号及び前記余弦波状信号を所定の周期でサンプリングしてディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、前記ディジタルデータに変換された正弦成分と余弦成分から、位相角データを求める位相角データ算出手段と、位相角データに応じたパルス信号を生成するパルス信号出力手段と、を有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のリニアモータの位置検出システムにおいて、前記リニアモータは、前記可動子又は前記固定子の一方として、軸線方向の両端部にＮ極及びＳ極の磁極が着磁される複数のマグネットが、隣り合うマグネットのＮ極同士及びＳ極同士が向かい合うように軸線方向に並べられると共に、隣り合うマグネット間に軟質磁性材料が介在されるロッドを有し、前記可動子又は前記固定子の他方として、前記ロッドを囲む複数のコイルを有するロッドタイプリニアモータであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のリニアモータの位置検出システムにおいて、前記リニアモータは、さらに、前記複数のコイルが収容されるコイル収容ケースと、前記コイル収容ケースの前記軸線方向の端に設けられ、前記磁気センサが収容される磁気センサ収容部を有する磁気センサ収容ケースと、前記磁気センサ収容部に充填され、前記磁気センサを前記磁気センサ収容部に固定する充填材と、を有し、前記磁気センサ収容ケース及び前記充填材の少なくとも一方は、前記コイル収容ケースよりも熱伝導率が低いことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のリニアモータの位置検出システムにおいて、前記リニアモータは、さらに、前記磁気センサ収容ケースの前記軸線方向の端に取り付けられ、前記ロッドが直線運動するのを案内する軸受を有することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１又は２に記載のリニアモータの位置検出システムにおいて、前記リニアモータは、前記可動子又は前記固定子の一方として、前記軸線方向と直交する方向の両端面にＮ極及びＳ極の磁極が着磁される複数枚のマグネットが、前記軸線方向に並べられる界磁マグネットを有し、前記可動子又は前記固定子の他方として、前記界磁マグネットにすきまを介して対向する複数のコイルを有するフラットタイプリニアモータであることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、磁気センサが磁界の方向の変化を検出するので、たとえ可動子又は固定子の一方と磁気センサとの間の距離がずれても、磁気センサが出力する正弦波状信号及び余弦波状信号には変化が少ない。よって、可動子の正確な位置の検出が可能になると共に、磁気センサの取付け調整が容易になる。また本来、推力を発生させるための可動子又は固定子の一方の磁極を磁気スケールとして流用するので、より安価で小型な磁気センサを実現できる。

請求項２に記載の発明によれば、磁気センサが出力する正弦波状信号及び余弦波状信号を位置検出回路が内挿処理するので、磁気式エンコーダよりも磁極間のピッチが長い可動子又は固定子に一方の磁極を磁気スケールとして流用しても、分解能の高い位置検出システムが得られる。

請求項３に記載の発明によれば、ロッドのマグネット間に軟質磁性材料を介在させることで、ロッドに発生する磁束密度の分布を理想的な正弦波に近付けることができる。したがって、磁気センサによって可動子の正確な位置を検出することができる。

請求項４に記載の発明によれば、コイルが発生する熱を磁気センサに伝導しにくくなる。磁気センサは温度特性を持ち、温度の変化によって出力が影響を受ける。磁気センサの出力がコイルの熱によって影響されるのを防止することができる。

請求項５に記載の発明によれば、軸受がロッドを案内するので、ロッドと磁気センサとの間の距離をほぼ一定に保つことができる。

請求項６に記載の発明によれば、軸線方向と直交する方向の両端面にＮ極及びＳ極の磁極が着磁される複数のマグネットを軸線方向に並べることで、界磁マグネットに発生する磁束密度の分布を理想的な正弦波に近付けることができる。したがって、磁気センサによって可動子の正確な位置を検出することができる。

本発明の一実施形態における位置検出システムの構成図 リニアモータの斜視図（一部断面図を示す） コイルホルダに保持されたコイルユニットを示す斜視図 リニアモータのマグネットとコイルの位置関係を示す図 磁気センサの原理を示す斜視図 磁界の方向の角度θと磁気センサの抵抗値との関係を示すグラフ 磁気センサの強磁性薄膜金属の形状を示す平面図 図７の磁気センサの等価回路図 ホイーストン・ブリッジから構成される磁気センサを示す図 ロッドが発生する磁界と磁気センサとの位置関係を示す図 磁気センサが検出する磁気ベクトルの方向と、出力電圧の関係を示すグラフ 二組のフルブリッジ構成の磁気センサを示す図（図中（Ａ）は磁気センサの強磁性薄膜金属の形状を示す平面図、図中（Ｂ）は等価回路図） 磁気センサから出力される正弦波状信号及び余弦波状信号を示すグラフ ロッドと磁気センサの位置関係及び磁気センサの出力信号を示す概念図 正弦波及び余弦波によって描かれるリサージュ図形を示す図 エンドケースに取り付けられる磁気センサを示す側面図 エンドケースに取り付けられるブッシュを示す側面図 位置検出回路の構成図 ルックアップテーブルメモリのメモリ構成図 リニアモータの他の例を示す斜視図 リニアモータの他の例の正面図 電機子の移動方向に沿った断面図 駆動用マグネットの平面図（図中（ａ）は複数枚の駆動用マグネットの平面図を示し、図中（ｂ）は各駆動用マグネットの平面図を示す） シミュレーションにより計算した磁界強度（磁束密度）と正弦波を比較したグラフ 駆動用マグネットのが長方形の場合の比較例を示す平面図 駆動用マグネットが長方形の場合のシミュレーションの結果を示したグラフ 駆動用マグネットの他の例を示す平面図 駆動用マグネットの側面形状の他の例を示す側面図 駆動用マグネットの側面形状のさらに他の例を示す側面図 駆動用マグネットの上方を通過する磁気センサを示す側面図 磁気センサが出力する電圧信号を示す図 リニアモータの制御装置の構成図 従来のエンコーダを示す概念図 従来のエンコーダの、磁気スケールと磁気センサの位置関係及び磁気センサの出力信号を示す概念図 磁気スケールの両側に磁気センサを配置した例を示す図

符号の説明

１…ロッド
２…コイル収容ケース
３…マグネット
４…コイル
８…ブッシュ（軸受）
９…エンドケース（磁気センサ収容ケース）
１１…リニアモータ
１２…磁気センサ
１３…位置検出回路
１４…ドライバ
２１…ガラス基板
２２…磁気抵抗素子
２６…磁気センサ収容部
２７…充填材
３０…Ａ／Ｄ変換器
３２…信号処理部（位相角データ算出手段，パルス信号出力手段）

以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態におけるリニアモータの位置検出システムを示す。この位置検出システムは、リニアモータ１１と、リニアモータ１１のロッド１の位置を検出する磁気センサ１２と、磁気センサ１２が出力する信号を内挿処理する位置検出回路１３と、を備える。位置検出回路１３が出力する位置の信号は、リニアモータ１１のドライバ１４に出力される。ドライバ１４には、リニアモータ１１を制御するのに適した形態をした電力を供給するＰＷＭインバータ(PWM:Pulse Width Modulation)などの電力変換器、並びに位置検出回路１３からの信号及び上位コンピュータからの指令によって電力変換器を制御する制御器が組み込まれる。磁気センサ１２と位置検出回路１３とは、エンコーダケーブル１５によって接続される。リニアモータ１１のコイルとドライバの電力変換器とは、動力ケーブル１６によって接続される。

図２は、リニアモータ１１の斜視図（一部断面図）を示す。このリニアモータ１１は、コイル収容ケース２に対してロッド１が軸線方向に移動するロッドタイプリニアモータである。例えば、ロッド１の先端にチップ状の電子部品などを取り付け、電子部品を基板上の所定の位置にマウントするのに用いられる。リニアモータ１１は一軸のみで使用されてもよいし、作業効率を上げるための多軸のアクチュエータとして、複数個並べて使用されてもよい。

コイル収容ケース２内には、複数のコイル４が積層される。コイル収容ケース２の両端面それぞれには、エンドケース９が取り付けられる。エンドケース９には、ロッド１の直線運動を案内するための軸受であるブッシュ８が取り付けられる。

ロッド１は、例えばステンレス等の非磁性材からなり、パイプのように中空の空間を有する。ロッド１の中空空間には、円柱状の複数のマグネット３（セグメント磁石）が互いに同極が対向するように積層される。すなわちＮ極とＮ極が、Ｓ極とＳ極とが対向するように積層される。隣り合うマグネット３の間には、例えば鉄等の軟質磁性材料からなるポールシュー７（磁極ブロック）が介在される。ポールシュー７を介在させることで、ロッド１に発生する磁束密度を正弦波に近付けることができる。磁束密度を正弦波に近付け、かつ磁束密度を大きくするために、ポールシュー７の軸線方向の長さは、マグネット３の軸線方向の長さよりも短く設定される。この実施形態では、ボールシュー７の軸線方向の長さは、マグネット３の軸線方向の長さの約１／２に設定される。ロッド１は、積層されたコイル４内を貫通すると共に、コイル収容ケース２に軸線方向に移動可能に支持されている。

図３に示されるように、コイル４は銅線を螺旋状に巻いたもので、コイルホルダ５に保持されている。隣接するコイル４を絶縁させる必要があるので、コイル４間にはリング状の樹脂製スペーサ５ａが介在される。コイルホルダ５上にはプリント基板６が設けられる。コイル４の巻線の端部４ａは、プリント基板６に結線される。

この実施形態では、コイル４及びコイルホルダ５を金型にセットし、溶融した樹脂又は特殊セラミックスを金型内に注入するインサート成形によって、コイル収容ケース２をコイル４と一体に成形する。図２に示されるように、コイル収容ケース２には、コイル４の放熱性を高めるためにフィン２ａが複数形成される。なお、コイルホルダ５に保持されたコイル４をアルミ製のコイル収容ケース２に収納し、コイル４とコイル収容ケース２との間のすきまを接着剤で埋めて、コイル４及びコイルホルダ５をコイル収容ケース２に固定してもよい。

図４は、リニアモータのマグネット３とコイル４の位置関係を示す。ロッド１内の中空空間には、円盤状の複数のマグネット３（セグメント磁石）が互いに同極が対向するように配列される。コイル４は３つでＵ・Ｖ・Ｗ相からなる一組の三相コイルとなる。一組の三相コイルを複数組み合わせて、コイルユニットが構成される。Ｕ・Ｖ・Ｗ相の三相に分けた複数のコイルに１２０°ずつ位相が異なる三相電流を流すと、コイル４の軸線方向に移動する移動磁界が発生する。ロッド１は、移動磁界により推力を得て、移動磁界の速さに同期してコイル４に対して相対的に直線運動を行う。

図２に示されるように、磁気センサ収容ケースであるエンドケース９の一方には、ロッド１の位置を検出するための磁気センサ１２が取り付けられる。磁気センサ１２は、ロッド１から所定のすきまを開けて配置され、ロッド１の直線運動によって生ずるロッド１の磁界の方向（磁気ベクトルの方向）の変化を検出する。

図５に示されるように、磁気センサ１２は、Ｓｉ若しくはガラス基板２１と、その上に形成されたＮｉ，Ｆｅなどの強磁性金属を主成分とする合金の強磁性薄膜金属で構成される磁気抵抗素子２２を有する。磁気センサ１２は、特定の磁界方向で抵抗値が変化するためにＡＭＲ(Anisotropic-Magnetro-Resistance)センサ（異方性磁気抵抗素子）と呼ばれる。

磁気抵抗素子２２に電流を流し、抵抗変化量が飽和する磁界強度を印加し、その磁界(Ｈ)の方向を電流方向Ｙに対して角度変化θを与えたとする。図６に示されるように、抵抗変化量（△Ｒ）は、電流方向と磁界の方向が垂直（θ＝９０°，２７０°）の時に最大となり、電流方向と磁界の方向が平行（θ＝０°，１８０°）の時に最小となる。抵抗値Ｒは、電流方向と磁界方向の角度成分に応じて、下記の（１）式のように変化する。
（数１）
Ｒ＝Ｒ₀−△Ｒｓｉｎ²θ…（１）
Ｒ₀：無磁界中の強磁性薄膜金属の抵抗値
△Ｒ：抵抗変化量
θ：磁界方向を示す角度

飽和感度領域以上であれば、△Ｒは定数になり、抵抗値Ｒは磁界の強度には影響されなくなる。

飽和感度領域以上の磁界強度で、磁界の方向を検出する磁気センサ１２の強磁性薄膜金属の形状を図７に示す。縦方向に形成された強磁性薄膜金属エレメント（Ｒ１）と横方向のエレメント（Ｒ２）が直列に結線した形状になる。
エレメント（Ｒ１）に対して最も大きな抵抗変化を促す垂直方向の磁界は、エレメント（Ｒ２）に対し最小の抵抗変化となる。抵抗値Ｒ１とＲ２は次式で与えられる。
（数２）
Ｒ１＝Ｒ₀−△Ｒｓｉｎ²θ…（２）
（数３）
Ｒ２＝Ｒ₀−△Ｒｃｏｓ²θ…（３）
この磁気センサ１２の等価回路（ハーフブリッジ）を図８に示す。出力Ｖoutは次式で与えられる。
（数４）
Ｖout＝Ｒ1・Ｖcc／（Ｒ1＋Ｒ2）…（４）
（４）式に（２），（３）式を代入し、整理すると、
（数５）
Ｖout＝Ｖcc／２＋αｃｏｓ２θ…（５）
α＝△Ｒ・Ｖcc／２（２Ｒ₀−△Ｒ）
が成立する。

図９に示されるように強磁性薄膜金属の形状を形成すれば、一般的に知られているホイーストン・ブリッジの構成となる。二つの出力Ｖout＋とＶout−を用いることにより、中点電位の安定性の向上と増幅を行うことが可能になる。

ロッド１が直線運動するときの磁界方向の変化と磁気センサ１２の出力について説明する。図１０に示されるように、磁気センサ１２を、飽和感度領域以上の磁界強度が印加されるギャップｌの位置に、かつ磁界の方向変化がセンサ面に寄与するように配置する。図１１に示されるように、ロッド１が距離λを直線移動したとき、センサ面では磁界の方向が１回転となる。このときに電圧の信号は１周期の正弦波になる。より正確にいえば、（５）式のＶout＝Ｖcc／２＋αｃｏｓ２θより出力波形は２周期の波形となる。しかし、磁気センサ１２のエレメントの延伸方向に対して４５°にバイアス磁界を掛けるならば、周期が半減し、ロッド１がλを直線移動したときに１周期の出力波形が得られる。

運動の方向を知るためには、図１２に示されるように、二組のフルブリッジ構成のエレメントを、互いに４５°傾くように一つの基板上に形成すればよい。二組のフルブリッジ回路によって得られた出力ＶoutＡとＶoutＢは、図１３に示されるように、互いに９０°の位相差を持つ余弦波及び正弦波となる。

本実施形態によれば、磁気センサ１２がロッド１の磁界の方向の変化を検出するので、たとえ図１４に示されるように、磁気センサ１２の取付け位置が(1)から(2)にずれたとしても、磁気センサ１２が出力する正弦波及び余弦波には変化が少ない。図１５に示されるように、正弦波及び余弦波によって描かれるリサージュ図形も円の大きさが変化しにくくなる。このため、磁気ベクトル２４の方向θを正確に検出することができる。ロッド１と磁気センサ１２との間のギャップｌを高精度に管理しなくても、ロッド１の正確な位置を検出できるので、磁気センサ１２の取付け調整が容易になる。それだけでなく、ブッシュ８によって案内されるロッド１にがたを持たせることも可能になるし、ロッド１の多少の曲がりを許容することも可能になる。

図１６は、エンドケース９に取り付けられる磁気センサ１２を示す。エンドケース９には、磁気センサ１２を収容するための空間からなる磁気センサ収容部２６が設けられる。磁気センサ収容部２６内に磁気センサ１２を配置した後、磁気センサ１２の周囲を充填材２７で埋める。これにより、磁気センサ１２がエンドケース９に固定される。磁気センサ１２は温度特性を持ち、温度の変化によって出力が変化する。コイル４から受ける熱の影響を低減するため、エンドケース９及び充填材２７には、コイル収容ケース２よりも熱伝導率の低い材料が使用される。例えば、コイル収容ケース２にはエポキシ系の樹脂が使用され、エンドケース９及び充填材２７には、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が使用される。

図１７は、エンドケース９に取り付けられた軸受であるブッシュ８を示す。エンドケース９に軸受機能を持たせることで、ロッド１と磁気センサ１２との間のギャップが変動するのを防止することができる。

図１８は、位置検出回路１３の構成図を示す。磁気センサ１２が出力する正弦波状信号及び余弦波状信号は、位置検出回路１３に取り込まれる。内挿回路（インターポレータ）である位置検出回路１３は、９０°位相が異なる正弦波状信号及び余弦波状信号にディジタル的な内挿処理を加えて高分解能の位相角データを出力する。ロッド１の磁極間のピッチは例えば数十ｍｍのオーダーであり、磁気式のエンコーダの数百μｍのオーダーに比べてはるかに大きい。ロッド１を磁気スケールとして流用するときには、磁気センサ１２が出力する正弦波状信号及び余弦波状信号を細分化し、分解能を上げる必要がある。磁気センサ１２が出力する正弦波状信号及び余弦波状信号の変化は、分解能を上げた位置検出回路に大きな影響を及ぼす。このため、磁気センサ１２が出力する正弦波状信号及び余弦波状信号の変化は小さいことが望まれる。

９０°位相が異なる正弦波状信号及び余弦波状信号それぞれは、Ａ／Ｄ変換器３０に入力される。Ａ／Ｄ変換器３０は、正弦波状信号及び余弦波状信号それぞれを所定の周期でディジタルデータＤＡ，ＤＢにサンプリングする。

予め、図１９に示されるように、ルックアップテーブルメモリ３１には、逆正接関数（ＴＡＮ^-1）を用いた次の式に基づいて作成されたルックアップテーブルデータが記録されている。
ｕ＝ＡＴＡＮ^-1（ＤＢ／ＤＡ）

図１９には、８ビット×８ビットのアドレス空間に１周期１０００分割の位相角データを持たせる場合のルックアップテーブルメモリのメモリ構成が示されている。

位相角データ算出手段である信号処理部３２は、ディジタルデータＤＡ，ＤＢをそれぞれｘ，ｙアドレスとしてルックアップテーブルデータを検索し、ｘ，ｙアドレスに対応した位相角データｕを得る。これにより、１波長（０から２πまでの区間）内を分割・内挿することが可能になる。なお、ルックアップテーブルメモリを用いる替わりに、ｕ＝ＡＴＡＮ^-1（ＤＢ／ＤＡ）の演算をして、位相角データｕを算出することにより、１波長（０から２πまでの区間）内を分割・内挿してもよい。

次に、パルス信号発生手段である信号処理部３２は、位相角データｕからＡ相エンコーダパルス信号及びＢ相エンコーダパルス信号を生成し、１周期に１度のＺ相パルス信号を生成する。信号処理部３２が出力するＡ相パルス信号、Ｂ相パルス信号、Ｚ相パルス信号は、リニアモータ１１のドライバ１４に出力される。ドライバ１４はこの位置信号に基づいて、電力変換器を制御する。

図２０及び図２１は、リニアモータの他の例を示す。図２０はリニアモータの斜視図（テーブルの断面図を含む）を示し、図２１は正面図を示す。このリニアモータは、表面にＮ極又はＳ極が着磁される複数枚の板状の駆動用マグネット５５を有する界磁マグネットに対して、電機子６０が相対的に直線運動するフラットタイプのリニアモータである。電機子６０は界磁マグネットにすきまｇを介して対向する。

細長く伸びるベース５４上には、板状の複数枚の駆動用マグネット５５が軸線方向に一列に並べられる。これら複数枚の駆動用マグネット５５がリニアモータの固定子となる。ベース５４は、底壁部５４ａと、底壁部５４ａの幅方向の両側に設けられる一対の側壁部５４ｂとから構成される。底壁部５４ａの上面に駆動用マグネット５５が取り付けられる。

各駆動用マグネット５５には、軸線方向と直交する方向（図中上下方向）の両端面にＮ極及びＳ極が形成される。複数枚の駆動用マグネット５５の表面に交互にＮ極及びＳ極が形成されるように、各駆動用マグネット５５は隣接する一対の駆動用マグネット５５に対して、磁極を反転させた状態で並べられる。

ベース５４の側壁部５４ｂの上面には、リニアガイド５９の軌道レール５８が取り付けられる。軌道レール５８には、移動ブロック５７がスライド可能に組み付けられる。軌道レール５８と移動ブロック５７との間には、転がり運動可能に複数のボールが介在される（図示せず）。移動ブロック５７には、複数のボールを循環させるためのサーキット状のボール循環経路が設けられる。軌道レール５８に対して移動ブロック５７がスライドすると、複数のボールがこれらの間を転がり運動し、また複数のボールがボール循環経路を循環する。これにより、移動ブロック５７の円滑な直線運動が可能になる。

リニアガイド５９の移動ブロック５７の上面には、テーブル５３が取り付けられる。テーブル５３は例えばアルミなどの非磁性材料からなる。テーブル５３には、移動対象が取り付けられる。テーブル５３の下面には、リニアモータの可動子である電機子６０が吊り下げられる。図２１の正面図に示されるように、駆動用マグネット５５と電機子６０との間にはすきまｇが設けられる。リニアガイド５９は、電機子６０が駆動用マグネット５５に対して相対的に移動するときにも、このすきまｇを一定に維持する。

図２２は、電機子６０の移動方向に沿った断面図を示す。テーブル５３の下面には、断熱材６３を介して電機子６０が取り付けられる。電機子６０は、珪素鋼などの磁性材料からなるコア６４と、コア６４の突極６４ａ，６４ｂ，６４ｃに巻かれる三相コイル６６ａ，６６ｂ，６６ｃと、から構成される。三相コイル６６ａ，６６ｂ，６６ｃそれぞれには、１２０度の位相差をもつ三相交流電流が供給される。突極６４ａ，６４ｂ，６４ｃに三相コイル６６を巻いた後、三相コイル６６は樹脂封止される。

テーブル５３の下面には、電機子６０を挟んで一対の補助コア６７が取り付けられる。補助コア６７は、リニアモータに発生するコギングを低減するために設けられる。

図２１に示されるように、電機子６０には、磁気抵抗素子２２を有する磁気センサ６２が取り付けられる。磁気センサ６２は、電機子６０と共に移動しながら固定子である複数枚の駆動用マグネット５５の磁界の方向を検出する。

固定子である駆動用マグネット５５の形状及び駆動用マグネット５５が発生する磁界強度の分布について説明する。図２３（ａ）は、複数枚の駆動用マグネット５５の平面図を示し、図２３（ｂ）は各駆動用マグネット５５の幅方向の端部の平面図を示す。この実施形態では、駆動用マグネット５５の磁気センサ６２が通過する部分Ｌ１である端部５５ａ（正確にいえば磁気センサ６２が通過する部分Ｌ１の下方にある端部５５ａ）は、円弧形状に形成される。そして、この端部５５ａが円弧形状に形成されるので、電機子６０の移動方向の中央部６８の横幅Ｗ２が両端部６９の横幅Ｗ１よりも広い。

図２４は、シミュレーションにより計算した磁界強度（磁束密度）と正弦波を比較したものである。磁気センサ６２は、駆動用マグネット５５の円弧形状の端部５５ａの上方数ｍｍの位置を移動する。この図２４には、磁気センサ６２が移動する位置における磁界強度の分布が示されている。駆動用マグネット５５の中央部６８の横幅を両端部６９よりも広くすることで、駆動用マグネット５５の中央部６８に磁界強度のピークをもってくることができ、両端部６９の磁界強度を小さくすることができる。したがって、シミュレーションによって得られる磁界強度の分布が正弦波に近くなる。

図２５は、駆動用マグネット５５が長方形の場合の比較例を示す。図２６は、駆動用マグネット５５の幅方向の中央部の磁界強度を計算した結果である。シミュレーションの結果、駆動用マグネット５５が長方形の場合、磁界強度の分布が太った波形になり、理想的な正弦波から歪んだ。可動子の移動方向における駆動用マグネット５５の中央部の磁界強度が両端部の磁界強度に近くなり、ピークがでにくくなっていることが原因だと思われる。

図２７は、各駆動用マグネット５５の他の例を示す。図２７（ａ）は第一の実施形態のリニアモータと同様に、駆動用マグネット５５の幅方向の端部５５ａが円弧形状に形成される例を示す。図２７（ａ）の二点鎖線は、駆動用マグネット５５の幅方向の両端部５５ａ，５５ｂを円弧形状に形成した例を示す。このようにすると、コイルの有効長さの全長にわたって駆動用マグネット５５の磁界強度の分布を正弦波に近づけることができる。このため、リニアモータに発生するコギングを低減することができる。

図２７（ｂ）は、駆動用マグネット５５の幅方向の端部５５ｃを三角形状に尖らせた例を示す。図２７（ｂ）中の二点鎖線は、コギングを低減するために幅方向の両端部５５ｃ，５５ｄを三角形状に尖らせた例を示す。

図２７（ｃ）は、駆動用マグネット５５の幅方向の端部５５ｅを台形形状に尖らせた例を示す。図２７（ｃ）中の二点鎖線は、コギングを低減するために幅方向の両端部５５ｅ，５５ｆを台形形状に尖らせた例を示す。

図２７（ｄ）は、駆動用マグネット５５の幅方向の端部５５ｇを楕円形状に丸めた例を示す。図２７（ｄ）中の二点鎖線は、コギングを低減するために幅方向の両端部５５ｇ，５５ｈを楕円形状に丸めた例を示す。

図２７（ｅ）はコギングを低減するために、駆動用マグネット５５の全体を斜めに傾けた例を示す。駆動用マグネット５５の幅方向の端部５５ｉの平面形状は、円弧形状に形成されると共に、可動子の移動方向に直交する線Ｌ２に対して対称である。端部５５ｉの平面形状を線対称に形成することで、磁界強度の分布を正弦波に近づけることができる。

図２７（ｆ）はコギングを低減するために、駆動用マグネット５５の全体を斜めに傾けた例を示す。この例では、駆動用マグネット５５の端部５５ｊは、円弧形状に形成されると共に、傾けた中心線Ｌ３に対して対称に形成される。

図２８は、駆動用マグネットのさらに他の例を示す。この例の駆動用マグネット５６は、側面図において、各駆動用マグネット５６の磁気センサ６２が通過する部分の形状（正確には磁気センサ６２が通過する部分の下方の形状）は、半円形状に形成され、可動子の移動方向の中央部５６ａの高さが両端部５６ｂの高さよりも高い。駆動用マグネット５６の中央部５６ａの高さを高く、両端部５６ｂの高さを低くすることで、駆動用マグネット５６の中央部５６ａに磁界強度のピークをもってくることができ、両端部５６ｂの磁界強度を小さくすることができる。したがって、シミュレーションによって得られる磁界強度の分布７０も正弦波に近くなる。

駆動用マグネット５６を幅方向（図２８の紙面の直交方向）に断面一定の半円柱形状にすることで、磁気センサ６２の幅方向の取付け位置によらず、磁界強度の分布を正弦波に近づけることができる。また、駆動用マグネット５６の全体が発生する磁界の分布が正弦波に近づくので、コギングも低減できる。

図２９は、駆動用マグネット５６の側面形状のさらに他の例を示す。図２９（ａ）は、図２８の例と同様に、駆動用マグネット５６の側面形状を半円柱形状に形成した例を示す。図２９（ｂ）は三角形状に形成した例を、図２９（ｃ）は台形形状に形成した例を、図２９（ｄ）は六角形形状に形成した例を示す。図２９（ｅ）は駆動用マグネット５６の側壁５６ｃを直線形状にし、上部５６ｄを円弧形状にした例を示す。図２９（ｆ）は駆動用マグネット５６の側壁５６ｅを直線形状にし、上部５６ｆを直線と円弧の組み合わせで構成した例を示す。いずれの例においても、可動子の移動方向における駆動用マグネット５６の中央部の高さが両端部の高さよりも高く設定される。

図３０に示されるように、磁気センサ６２は駆動用マグネット５５，５６の上方の磁束密度の分布７８が正弦波に形成される部分を走行する。駆動用マグネット５５，５６は磁気センサ６２の下側にのみ配置される。駆動用マグネット５５，５６に発生する磁力線は空気を伝わって隣の駆動用マグネット５５，５６に伝わる。

磁気センサ６２を駆動用マグネット５５，５６から離せば離すほど、磁気センサ６２が通過する部分の磁束密度の分布７８を正弦波に近付けることができる。しかし、無駄なスペースが大きくなってしまう。駆動用マグネット５５の磁気センサ６２が通過する部分の平面形状を円弧形状に形成したり、駆動用マグネット５６の磁気センサ６２が通過する部分の側面形状を半円柱形状に形成したりすることで、磁気センサ６２を駆動用マグネット５５，５６からそれほど離さなくても、磁気センサ６２が通過する部分の磁束密度の分布を正弦波に近付けることができる。また、駆動用マグネット５６の側面形状を半円柱形状に形成すると、駆動用マグネット５６の磁束密度の大きさが若干小さくなる。駆動用マグネット５５の平面形状を円弧形状に形成することで、磁束密度の大きさも小さくなることがなく、リニアモータの推力を大きくすることができる。

磁気センサ６２は、駆動用マグネット５５，５６の磁界の方向を検出する。そして、図３１に示されるように、磁気センサ６２は、９０度位相がずれた正弦波状及び余弦波状の電圧信号を出力する。図３２に示されるように、磁気センサ６２が出力する電圧信号は、位置信号生成手段であるインターポレータ７４に出力される。インターポレータ７４は、正弦波状及び余弦波状の電圧信号に基づいて、可動子である電機子６０の位置情報を算出する。インターポレータ７４が算出した位置情報は、制御器７６に出力される。インターポレータ７４の回路図は、図１８に示される位置検出回路１３と同一である。上記制御器７６は、上位の指令器７３からの位置指令どおりに可動子が移動するように、ＰＷＭインバータ(PWM:Pulse Width Modulation)などの電力変換器７１を制御し、最終的にはリニアモータ７２の電機子６０に供給する電流を制御する。制御器７６の制御系は、位置制御を行う位置制御ループと、速度制御を行う速度制御ループと、電流制御を行う電流制御ループと、から構成される。

なお、本発明は上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更できる。

例えば、上記実施の形態では、ロッドがコイルに対して直線運動しているが、コイルがロッドに対して直線運動してもよい。

また、ロッドのストロークを短くしたくないとき、磁気センサをコイル収容ケースに取り付けてもよい。推力を発生させるロッドの磁界は強力なので、コイルが発生する磁界の影響を受けずに、ロッドの磁界の方向を検出することができる。

本明細書は、２００７年５月３１日出願の特願２００７−１４５６４１に基づく。この内容はすべてここに含めておく。

Claims (6)

1. Ｎ極及びＳ極の磁極が軸線方向に交互に並べられる可動子又は固定子の一方と、複数のコイルを含む可動子又は固定子の他方と、を有し、前記一方が発生する磁界と前記他方の前記コイルに流れる電流によって直線運動するための推力を得るリニアモータと、
   磁界の方向によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子を有し、前記固定子に対する前記可動子の相対的な直線運動によって生ずる前記磁界の方向の変化に伴って、９０°の位相差を持つ正弦波状信号及び余弦波状信号を出力する磁気センサと、
   前記正弦波状信号及び前記余弦波状信号に基づいて、前記固定子に対する前記可動子の相対的な位置を検出する位置検出回路と、
   を備え、
   前記磁気センサを、前記磁気抵抗素子の抵抗変化量が飽和する飽和感度領域以上の磁界強度が印加される位置に配置するリニアモータの位置検出システム。
2. 前記位置検出回路は、
   前記正弦波状信号及び前記余弦波状信号を所定の周期でサンプリングしてディジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記ディジタルデータに変換された正弦成分と余弦成分から、位相角データを求める位相角データ算出手段と、
   位相角データに応じたパルス信号を生成するパルス信号出力手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの位置検出システム。
3. 前記リニアモータは、
   前記可動子又は前記固定子の一方として、軸線方向の両端部にＮ極及びＳ極の磁極が着磁される複数のマグネットが、隣り合うマグネットのＮ極同士及びＳ極同士が向かい合うように軸線方向に並べられると共に、隣り合うマグネット間に軟質磁性材料が介在されるロッドを有し、
   前記可動子又は前記固定子の他方として、前記ロッドを囲む複数のコイルを有するロッドタイプリニアモータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータの位置検出システム。
4. 前記リニアモータは、さらに、
   前記複数のコイルが収容されるコイル収容ケースと、
   前記コイル収容ケースの前記軸線方向の端に設けられ、前記磁気センサが収容される磁気センサ収容部を有する磁気センサ収容ケースと、
   前記磁気センサ収容部に充填され、前記磁気センサを前記磁気センサ収容部に固定する充填材と、を有し、
   前記磁気センサ収容ケース及び前記充填材の少なくとも一方は、前記コイル収容ケースよりも熱伝導率が低いことを特徴とする請求項３に記載のリニアモータの位置検出システム。
5. 前記リニアモータは、さらに、前記磁気センサ収容ケースの前記軸線方向の端に取り付けられ、前記ロッドが直線運動するのを案内する軸受を有することを特徴とする請求項４に記載のリニアモータの位置検出システム。
6. 前記リニアモータは、
   前記可動子又は前記固定子の一方として、前記軸線方向と直交する方向の両端面にＮ極及びＳ極の磁極が着磁される複数枚のマグネットが、前記軸線方向に並べられる界磁マグネットを有し、
   前記可動子又は前記固定子の他方として、前記界磁マグネットにすきまを介して対向する複数のコイルを有するフラットタイプリニアモータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータの位置検出システム。

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