JP5200778B2 - 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

Description

本発明は、直動回転モータの出力軸の位置を検出する直動回転モータの位置検出装置およびそれを用いた直動回転モータに関する。

１つのアクチュエータで、回転と直動の２つの動作をおこなう直動回転モータが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
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。

また、図１０は、回転目盛７と直動目盛１７を磁気的な目盛で構成したものである。
特開２００７−１４３３８５号公報

回転位置について注目すれば、従来の直動回転モータの回転位置検出装置は、等間隔に刻まれた回転目盛を使用している。したがって、原点基準位置がないため、任意の点を基準にした相対的は変位量しか検出できず、原点基準位置に対する相対的な回転位置すら検出出来ないという問題点があった。
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。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
本発明の一観点による直動回転モータの位置検出装置は、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。

本発明の他の観点による直動回転モータの位置検出装置は、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、円板状で、前記直動方向に対して垂直方向に２極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している。

本発明の更に他の観点による直動回転モータの位置検出装置は、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と、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している。

また、この直動回転モータの位置検出装置では、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てもよい。
また、この直動回転モータの位置検出装置では、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てもよい。

また、この直動回転モータの位置検出装置では、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てもよい。
また、この直動回転モータの位置検出装置では、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てもよい。

また、この直動回転モータの位置検出装置では、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ってもよい。
また、この直動回転モータの位置検出装置では、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ってもよい。
また、この直動回転モータの位置検出装置では、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ってもよい。
また、この直動回転モータの位置検出装置では、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てもよい。
また、この直動回転モータの位置検出装置では、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てもよい。
本発明の更に他の観点による直動回転モータは、上記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。

本発明の各観点による直動回転モータの位置検出装置によると、円筒状で底面に対して水平方向に一方向に磁化された永久磁石の発生磁界を検出するので、出力軸の絶対的な回転位置の検出ができる。
また、この直動回転モータの位置検出装置によると、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。
また、この直動回転モータの位置検出装置によると、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。

また、この直動回転モータの位置検出装置によると、直動位置を精密に刻まれた光学スケールを用い、光学式検出手段で検出するため正確な直動位置を検出することができる。
また、この直動回転モータの位置検出装置によると、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。
また、この直動回転モータの位置検出装置によると、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。
また、この直動回転モータの位置検出装置を有すれば、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。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施例を示す直動回転モータの側断面図である。
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。

次に、出力軸３の回転位置を検出する原理について説明する。
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は、本発明の第２実施例を示す直動回転モータの側断面図である。
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。

次に、出力軸３の回転位置を検出する原理について説明する。
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。

つぎに、出力軸３が直動位置Ｚ２にあるとき、第１の永久磁石８ａが回転変位検出部６の磁気検出素子に近接している。回転変位検出部６は、出力軸３の回転位置θに応じた第１の永久磁石８ａの磁界変化を検出する。
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。

出力軸３が直動位置Ｚ１にあるときの出力軸３の回転位置θ１および、出力軸３が直動位置Ｚ２にあるときの出力軸３の回転位置θ２は、第１の永久磁石８aと第２の永久磁石８ｂの回転方向の取り付け精度により異なることも考えられるが、θ１、θ２はそれぞれ絶対的な回転位置を検出するため、常にその差は等しく、必要に応じて図示しない後段の信号処理回路で、あらかじめ差の値を記憶していれば、補正可能である。
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は、本発明の第３実施例を示す直動回転モータの側断面図である。
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。

次に、出力軸３の回転位置を検出する原理について説明する。
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。

つぎに、出力軸３が直動位置Ｚ２にあるとき、永久磁石８ｄが第２の回転変位検出部６ｂに近接しているので、第２の回転変位検出部６ｂ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。

出力軸３が直動位置Ｚ１にあるときの出力軸３の回転位置θ１および、出力軸３が直動位置Ｚ２にあるときの出力軸３の回転位置θ２は、第１の回転変位検出部６ａと第２の回転変位検出部６ｂの回転方向の取り付け精度により異なることも考えられるが、θ１、θ２はそれぞれ絶対的な回転位置を検出するため、常にその差は等しく、必要に応じて図示しない後段の信号処理回路で、あらかじめ差の値を記憶していれば、補正可能である。
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。

上記説明ではＺ１，Ｚ２の２点の位置での検出用として説明をしたが、２点に限定されることなく、２点以上の複数の直動位置での直動回転モータの位置検出にも適用可能である。また、本発明では位置検出素子として、ホール素子を用いたが、磁気抵抗効果素子等の他の磁気検出素子を用いても良い。
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。

第１実施例を示す直動回転モータの側断面図 第１実施例の永久磁石の１例の斜視図 第１実施例の永久磁石の他の例の斜視図 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図 第２実施例を示す直動回転モータの側断面図 第２実施例の動作を示す直動回転モータの側断面図 第３実施例を示す直動回転モータの側断面図 第３実施例の動作を示す直動回転モータの側断面図 従来の直動回転モータの位置検出装置の構造を示す側断面図 従来の直動回転モータの位置検出装置の構造を示す側断面図

符号の説明

１ モータ部
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 (7)

1. 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出力軸に連結され、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、
   前記出力軸に連結され、円筒状を有し、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、前記出力軸の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、前記出力軸の回転方向の変位を検出する回転変位検出部と、
   を備え、
   前記永久磁石として、所定の間隔をあけて、直動方向に併設された複数の永久磁石を備えた、直動回転モータの位置検出装置。
2. 前記複数の永久磁石は、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、該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位置に配置される、請求項１記載の直動回転モータの位置検出装置。
3. 前記複数の永久磁石は、２個である、請求項２記載の直動回転モータの位置検出装置。
4. 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出力軸に連結され、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、
   前記出力軸に連結され、円筒状を有し、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、前記出力軸の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、前記出力軸の回転方向の変位を検出する回転変位検出部と、
   を備え、
   前記回転変位検出部として、直動方向の異なる位置に配置された複数の回転変位検出部を備えた、直動回転モータの位置検出装置。
5. 前記複数の回転変位検出部は、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、該複数の回転変位検出部のいずれかに前記永久磁石が近接する位置に配置される、請求項４記載の直動回転モータの位置検出装置。
6. 前記複数の回転変位検出部は２個である、請求項５記載の直動回転モータの位置検出装置。
7. 請求項１〜６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、直動回転モータ。

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