JP7431152B2

JP7431152B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP7431152B2
Application number: JP2020217059A
Authority: JP
Inventors: 弘福嶋; 智子市川
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2024-02-14
Anticipated expiration: 2040-12-25
Also published as: JP2022102369A

Description

本発明は、リニアモータに関する。

電気エネルギーを直線運動に変換するためにリニアモータが利用される。リニアモータの一種として、マグネットがコイルに沿って走行するムービングマグネット型のリニアモータがある。例えば、特許文献１には、固定子に電機子コイルを有し、可動子に界磁磁石を有するムービングマグネット型のリニアスライダが記載されている。

国際公開第２００５／１２２３６９号

リニアモータでは、可動子１２の位置情報を使用してフィードバック制御することで、可動子１２を目標位置に高精度で位置決めできる。しかしながら、リニアモータは、それが用いられる装置やシステムの都合で定期または不定期に停止、起動され、一般にリニアモータ、具体的にはその制御装置の電源を切ると、制御装置が保持する可動子の位置情報は消失する。制御装置が位置情報を保持し続けるようにすることも考えられるが、電源が切れている間に可動子が移動されない保証はない。

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ムービングマグネット型のリニアモータにおいて、起動時に可動子の位置を特定できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のリニアモータは、複数のコイルを含む固定子と、界磁磁石を含み、固定子に対して移動する可動子と、可動子が移動可能な経路に沿って配置される、可動子を検出するための複数のセンサと、制御装置と、を備える。制御装置は、初期処理として、コイルに電流を流す通電制御を実行して可動子を移動させ、複数のセンサのうちのいずれかのセンサに当該可動子を検出させることによって当該可動子の位置を特定する。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、ムービングマグネット型のリニアモータにおいて、起動時に可動子の位置を特定できる。

実施の形態に係るリニアモータの概略構成図である。３相の電流の一例を示すグラフである。図３（ａ）、（ｂ）は、固定制御を説明するための図である。図４（ａ）～（ｃ）は、固定制御を実行したときの可動子１２の様子を示す図である。図５（ａ）、（ｂ）は、変化制御を説明するための図である。図６は、変化制御を実行したときの可動子１２の様子を示す図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して示す。

図１は、リニアモータ１００の概略構成図である。

以下、ＸＹＺ直交座標系をもとに説明する。Ｘ軸方向は、図１では紙面左右方向に対応する。Ｙ軸方向は、図１では紙面垂直方向に対応する。Ｚ軸方向は、図１では紙面上下方向に対応する。Ｙ軸方向およびＸ軸方向はそれぞれＸ軸方向に直交する。なお、この明細書では便宜的に、Ｘ軸方向の一方側（図１において左側）を左側といい、他方側（図１において右側）を右側という。また、Ｚ方向の一方側（図１において上側）を上側といい、他方側（図１において下側）を下側という。また、Ｚ軸方向の一方側（図１において上側）からの視点を「平面視」ということもある。このような方向の表記はリニアモータ１００の使用姿勢を制限するものではなく、リニアモータ１００は任意の姿勢で使用されうる。

リニアモータ１００は、固定子１０と、固定子１０に対して移動する可動子１２と、可動子１２に固定されるリニアスケール１４と、可動子１２が移動可能な経路に沿って配置される複数のセンサ１６と、リニアモータ１００を統括的に制御する制御装置１８と、を備える。

可動子１２は、キャリア３０と、２つの界磁磁石３２ａ，３２ｂと、を含む。２つの界磁磁石３２ａ，３２ｂは、固定子側（すなわち下側）の磁極が互いに異なるように、それぞれキャリア３０の下面に固定される。この例では、左側の界磁磁石３２ａは固定子側の磁極がＮ極、右側の界磁磁石３２ｂは固定子側の磁極がＳ極である。

固定子１０は、その限りではないが、複数のコイルモジュールを含む。固定子１０は、この例では、第１コイルモジュール１１ａ、第２コイルモジュール１１ｂ、第３コイルモジュール１１ｃ、第４コイルモジュール１１ｄ（以下、特に区別しない場合やまとめていう場合には「コイルモジュール１１」とよぶ）の４つのコイルモジュールを含む。第１コイルモジュール１１ａ、第２コイルモジュール１１ｂ、第３コイルモジュール１１ｃ、第４コイルモジュール１１ｄは、いずれもＸ軸方向に直線状に延在し、この順にＸ軸方向に連続して並べられている。したがって、本実施の形態の固定子１０は、平面視で直線状を呈する。

コイルモジュール１１は、例えば、平面視でＸ軸方向に長い矩形状をなし、長辺がＸ軸方向に沿い、短辺がＹ軸方向に沿うように配置される。コイルモジュール１１は、Ｘ軸方向に配列された複数のコイル２０を含む。複数のコイル２０の並びは経路を規定する。この例では経路は直線状であり、Ｘ軸方向に平行である。複数のコイル２０は、Ｚ軸の周りを周回するように巻かれたワイヤから構成される。複数のコイルモジュール１１の複数のコイル２０には、個別に電流を供給できる。コイル２０に駆動電流が供給されると、コイル２０は、Ｚ軸方向の磁束を発生させ、界磁磁石にＸ軸方向の推力を発生させる電機子コイルとして機能する。

コイルモジュール１１は、この例では、３相駆動を可能とするように、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相を形成する３つのコイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗを有する。本実施の形態のリニアモータ１００は、各コイルモジュール１１の３つのコイル２０に位相が１２０度ずつずれた３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電流をそれぞれ流すことで可動子１２を移動させる３相リニアモータである。

図２は、３相の電流の一例を示すグラフである。図２では、横軸は電気角であり、縦軸は電流値である。電気角は、正弦波の電流の１周期を３６０度（２πラジアン）としたときの位相（周期中の位置）である。

この例では、Ｕ相電流（コイル２０ｕに流す電流）の電流値は、電気角０度で「０」、９０度で「＋Ｉｍａｘ」、１８０度で「０」、２７０度で「－Ｉｍａｘ」、３６０度で「０」となっている。

Ｖ相電流（コイル２０ｖに流す電流）の電流値は、電気角３０度で「－Ｉｍａｘ」、１２０度で「０」、２１０度で「＋Ｉｍａｘ」、３００度で「０」、３９０度で「－Ｉｍａｘ」となっている。

Ｗ相電流（コイル２０ｗに流す電流）の電流値は、電気角６０度で「０」、１５０度で「－Ｉｍａｘ」、２４０度で「０」、３３０度で「＋Ｉｍａｘ」、４５０度で「０」となっている。

図２に示す３相の電流を各コイル２０に流すと、コイル２０で発生する磁界の磁極も電気角の変化に伴って変化する。つまり移動磁界が発生する。可動子１２のＮ極およびＳ極が、この移動磁界のＳ極およびＮ極にそれぞれ引き寄せられることで、可動子１２が移動する。

図１に戻り、リニアスケール１４は、キャリアに固定される。リニアスケール１４は、特に限定されないが、センサ１６が磁気式であれば磁石スケール、センサ１６が光学式であれば例えば目盛り付きのガラススケールやスチールテープである。

複数のセンサ１６は、可動子１２の経路に沿って配置される。センサ１６は、可動子１２のリニアスケール１４を読み取り、リニアスケール１４ひいては可動子１２がＲ［μｍ］（Ｒはセンサ１６の分解能）移動するごとに１パルスのパルス信号を制御装置１８に出力する。制御装置１８は、センサ１６が出力するパルス信号をカウントすることにより、後述するようにして可動子１２のＸ軸方向の位置を特定する。

複数のセンサ１６は、例えば等間隔に配置される。複数のセンサ１６は特に、可動子１２が経路上のどこにいても、いずれかのセンサ１６がリニアスケール１４を読み取り可能なように配置される。これにより、可動子１２が経路上のどこにいても、後述のように可動子１２の位置を特定できる。なお、複数のセンサ１６のそれぞれのＸ軸方向の位置は既知であるものとする。

図１には、制御装置１８の機能構成がブロック図で示されている。制御装置１８の各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

位置特定部４０と、移動制御部４２と、を含む。位置特定部４０は、センサ１６から出力されるパルス信号のカウント値に基づいて、可動子１２のセンサ１６からのＸ軸方向における距離、すなわちセンサ１６に対する可動子１２のＸ軸方向における相対位置を特定する。位置特定部４０は、センサ１６の位置に、特定した相対位置を加算することにより、可動子１２のＸ軸方向の位置を特定する。

移動制御部４２は、可動子１２の移動を制御する。具体的には移動制御部４２は、位置特定部４０によって特定される可動子１２のＸ軸方向の位置をフィードバックしながら、固定子１０の各コイルモジュール１１の各コイル２０への電流の供給を制御し、可動子１２を所望の位置に移動させる。

以上がリニアモータ１００の基本構成である。

ところで、一般に、リニアモータ、具体的にはその制御装置の電源を切ると、制御装置が保持する可動子の位置情報は消失する。電源が切れている間も制御装置が可動子の位置情報を保持し続けるようにすることも考えられるが、電源が切れている間に可動子が移動されない保証はない。したがってリニアモータを起動した際に、可動子の位置情報を特定する必要がある。

そこで本実施の形態のリニアモータ１００では、起動させた直後の初期処理として、可動子１２を移動させていずれかのセンサ１６に可動子１２を検出させることによって可動子１２の位置（初期位置）を特定する。制御装置１８は、初期処理において、可動子１２を移動させるべくコイルモジュール１１のコイル２０に電流を流す通電制御を実行する。

本実施の形態では、複数のコイルモジュール１１のそれぞれに対して時間差で順々に通電制御を実行する。この場合、可動子１２が検出されたら以降のコイルモジュールに対する通電制御を実行しなくてもよく、可動子１２の初期位置の特定に要する電力消費を節約できることが期待される。

例えば、図１の状態において第１コイルモジュール１１ａから第４コイルモジュール１１ｄに向かって順々に通電制御を実行する場合、第１コイルモジュール１１ａへの通電制御では可動子１２は移動しないため可動子１２はセンサ１６に検出されず、したがって可動子１２の位置は特定されない。次に実行される第２コイルモジュール１１ｂへの通電制御では可動子１２が移動するため可動子１２はセンサ１６に検出され、したがって可動子１２の位置が特定される。この場合、制御装置１８は、第３コイルモジュール１１ｃおよび第４コイルモジュール１１ｄへの通電制御を実行しなくてもよい。

なお変形例として、複数のコイルモジュール１１に対して実質的に同時に通電制御を実行してもよい。例えば、すべてのコイルモジュール１１に対して実質的に同時に通信制御を実行してもよい。この場合、可動子１２の初期位置の特定に要する時間を短くできる。

次に、通電制御について詳細に説明する。通電制御では、まず固定制御を実行し、続いて変化制御を実行する。

まず固定制御について説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、固定制御を説明するための図である。図３（ａ）は、固定制御において流す電流の電気角を示し、図３（ｂ）は、固定制御において流す電流の大きさ、言い換えるとトルク指令を示す。図４（ａ）～（ｃ）は、固定制御を実行したときの可動子１２の様子を示す図である。

図３（ａ）に示すように、固定制御では、コイルに流す電流の電気角を固定する。この例では電気角を０度に固定しているが、これには限定されず、例えば９０度や２７０度に固定してもよい。コイルに流す電流の電気角を固定することで、コイルで発生する磁界の磁極も固定される。この例では、Ｖ相コイルにＳ極の磁極が発生し、Ｗ相コイルにＮ極の磁極が発生する。

例えば、第２コイルモジュール１１ｂに対して固定制御を実行した場合、図４（ａ）～（ｃ）のように第２イルモジュール１１ｂ上に可動子１２があれば、界磁磁石３２ａのＮ極がＶ相コイルのＳ極と引き合い、Ｗ相コイルのＮ極と反発し合い、界磁磁石３２ｂのＳ極がＷ相コイルのＮ極と引き合い、Ｖ相コイルのＳ極と反発し合い、可動子１２はそれらのＸ軸方向の力成分が釣り合う位置（以下、電気角０度の位置という）に停止する。

詳しくは、図４（ａ）のように、可動子１２が起動時すなわち固定制御の実行前から既に電気角０度の位置にある場合、可動子１２は固定制御によって移動せずに電気角０度の位置に停止したままとなる。図４（ｂ）、（ｃ）のように、可動子１２が電気角０度の位置になかった場合、可動子１２は固定制御によって電気角０度の位置（破線で示した位置）に移動する。なお、図４（ｃ）では、可動子１２、特にその界磁磁石３２ａの一部が第１コイルモジュール１１ａにあるが、その大半は第２コイルモジュール１１ｂ上にあるため、第１コイルモジュール１１ａに対する固定制御では移動せず、第２コイルモジュール１１ｂに対する固定制御によってその電気角０度の位置に移動する。

図３（ｂ）に示すように、固定制御では、コイル２０に初めから大きな電流を流さずに、流す電流を徐々に大きくする。これにより、可動子１２が急に動いて別のコイルモジュール上に移動してしまうのなどの可動子１２の意図しない動きを避けられる。また、固定制御では、大きくとも定格電流以下の電流を流す。この例では、０アンペアから所定の最大電流まで流す電流を徐々に大きくしている。最大電流は、例えば定格電流である。定格電流以下の電流を流すことで、意図しない動きをした場合の安全が確保される。また、コイル２０での発熱が抑えられ、コイル２０が焼損することを防止できる。

また、図３（ｂ）に示すように、流す電流を最大電流まで大きくしたら、一定時間、その最大電流を流し続ける。最大電流をある程度長い時間流すことで、それによって移動する可動子１２を、確実に電気角０度の位置に到達させ、かつ、そこに停止させることができる。

続いて変化制御について説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、変化制御を説明するための図である。図５（ａ）は、変化制御において流す電流の電気角を示し、図５（ｂ）は、変化制御において流す電流の大きさ、言い換えるとトルク指令を示す。図６は、変化制御を実行したときの可動子１２の様子を示す図である。

図５（ａ）に示すように、変化制御では、コイルに流す電流の電気角を徐々に変化させる。変化制御では特に、固定制御において固定していた電気角から徐々に変化させる。この例では、固定制御において電気角を０度に固定していたため、変化制御では電気角を０度から変化させている。また、この例では、電気角を０度～３６０度の１周期分変化させている。

コイルに流す電流の電気角を変化させることで、コイルで発生する磁界の磁極も電気角の変化に伴って変化する。つまり移動磁界が発生する。

例えば、第２コイルモジュール１１ｂに対して変化制御を実行した場合、図６のように第２コイルモジュール１１ｂ上に可動子１２があれば、可動子１２の界磁磁石３２ａのＮ極および界磁磁石３２ｂのＳ極は、移動磁界のＳ極およびＮ極にそれぞれ引き寄せられ、可動子１２は移動する。この例では、電気角を０度～３６０度の１周期分変化させることにより、コイル２０ｕ，２０ｖ，２０ｗの３つのコイル分だけ移動する。つまり、可動子１２は右隣の第３コイルモジュール１１ｃまで移動する。

図５（ｂ）に示すように、変化制御では、一定の大きさの電流を流す。例えば、定格電流を流してもよいし、安全をみて定格電流よりも小さい電流を流してもよい。いずれにせよ、変化制御では定格電流以下の電流を流す。

例えば制御装置１８は、コイルモジュール１１に対する変化制御によっていずれかのセンサ１６が出力するパルス信号のカウントが所定の閾値を超えた場合、そのコイルモジュール上に可動子１２があると特定する。センサ１６がノイズを拾ってパルス信号を出力する場合もあるところ、パルス信号のカウントが所定の閾値を超えた場合に可動子１２があると特定することで、ノイズによるパルス信号に基づいてコイルモジュール１１上に可動子１２があると誤って特定することを抑止できる。

なお、固定制御において電気角０度の位置に可動子１２が移動したことにより、センサ１６が出力するパルス信号のカウントが所定の閾値を超える場合もある。この場合、変化制御を実行しなくてもよい。つまり、固定制御においてパルス信号のカウントが所定の閾値を超えた場合は、それをもってそのコイルモジュール１１上に可動子１２があると特定してもよい。もちろん、固定制御におけるパルス信号のカウント値によらず、必ず変化制御を実行するようにしてもよい。

以上説明した本実施の形態のリニアモータ１００によれば、起動した直後に通電制御を実行して可動子１２を移動させる。これにより、可動子１２がいずれかのセンサ１６に検出され、可動子１２の初期位置を特定できる。

また、本実施の形態のリニアモータ１００によれば、通電制御において変化制御が実行される。これにより、通電制御を実行するコイルモジュール１１にある可動子１２を確実に移動させ、センサ１６に検出させることができる。

また、本実施の形態のリニアモータ１００によれば、変化制御では、定格電流以下の電流を流す。これにより、可動子１２が意図しない動きをした場合の安全を確保できる。

また、本実施の形態のリニアモータ１００によれば、固定制御を実行した後に変化制御を実行する。特に、変化制御では、固定制御で固定した電気角から電気角を変化させる。これにより、可動子１２の意図しない動きを避けられる。また、コイル２０の焼損を防止できる。

また、本実施の形態に係るリニアモータ１００によれば、固定制御では、コイル２０に流す電流を徐々に大きくする。これにより、可動子１２が急に動いて別のコイルモジュール上に移動してしまうのなどの可動子１２の意図しない動きを避けられる。

また、本実施の形態に係るリニアモータ１００によれば、固定制御では、コイル２０に定格電流以下の電流に流す電流を徐々に大きくする。これにより、可動子１２が急に動いて別のコイルモジュール上に移動してしまうのなどの可動子１２の意図しない動きを避けられる。

また、本実施の形態に係るリニアモータ１００によれば、固定制御では定格電流以下の電流を流す。これにより、可動子１２が意図しない動きをした場合の安全を確保できる。

また、本実施の形態では、複数のコイルモジュール１１のそれぞれに対して時間差で順々に通電制御を実行する。これにより、可動子１２の初期位置が特定された以降の通電制御を実行しなくてもよく、可動子１２の初期位置の特定に要する電力消費を節約できることが期待される。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下変形例を示す。

固定子１０は、円弧状などの湾曲したコイルモジュール１１を含んでもよい。湾曲したコイルモジュール１１のコイル２０は、その湾曲形状に沿って配置されてもよい。

コイルモジュール１１に含まれるコイル２０の数は３つに限定されず、コイルモジュール１１は任意の数のコイル２０を含んでもよい。なお、特に限定しないが、３相駆動する場合は、コイル２０の数は３の整数倍であることが望ましい。

固定子１０は、コイル数が異なるコイルモジュール１１を組み合わせて構成されてもよい。

上述した実施の形態および変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

１０固定子、１２可動子、１６センサ、２０コイル、３２ａ界磁磁石、３２ｂ界磁磁石、１００リニアモータ。

Claims

複数のコイルを含む固定子と、
界磁磁石を含み、前記固定子に対して移動する可動子と、
前記可動子が移動可能な経路に沿って配置される、前記可動子を検出するための複数のセンサと、
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、初期処理として、コイルに電流を流す通電制御を実行して前記可動子を移動させ、前記複数のセンサのうちのいずれかのセンサに当該可動子を検出させることによって当該可動子の位置を特定し、
前記制御装置は、前記通電制御において、コイルに流す電流の電気角を変化させる変化制御を実行するリニアモータ。
前記制御装置は、前記変化制御では、コイルに定格電流以下の電流を流す請求項１に記載のリニアモータ。
前記制御装置は、前記通電制御において、コイルに流す電流の電気角を固定する固定制御を実行した後に前記変化制御を実行する請求項１または２に記載のリニアモータ。
前記制御装置は、前記固定制御では、コイルに流す電流を徐々に大きくする請求項３に記載のリニアモータ。
前記制御装置は、前記固定制御では、コイルに定格電流以下の電流を流す請求項３または４に記載のリニアモータ。
前記複数のコイルは、複数のコイルモジュールに区分けされており、
前記制御装置は、複数のコイルモジュールに対して時間差で前記通電制御を実行する請求項１から５のいずれかに記載のリニアモータ。