JP5467472B2 - シャフト型リニアモータの位置検出装置 - Google Patents

シャフト型リニアモータの位置検出装置 Download PDF

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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。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、該可動子の内周部に設けられるコイルの励磁によって、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(リニアエンコーダ)が一般的であるが、リニアスケールは高価であるため、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ていた。
そこで、本出願人は、リニアスケールが不要なシャフト型リニアモータの位置検出装置を提案した(特許文献1参照)。このシャフト型リニアモータの位置検出装置は、可動子に設けられる磁気センサと、磁気センサが検出したシャフトの磁束に基づいて可動子の位置を検出する位置検出手段と、予め作成された補正データテーブルを用いて、可動子の検出位置を補正する検出位置補正手段とを備えるものであって、シャフトの磁束に基づいて可動子の位置検出を行うものでありながら、シャフトの磁石長や磁束密度のバラツキに起因する誤差も解消し、良好な位置検出精度が得られるようになっている。
しかしながら、予め作成された補正データテーブルを用いて、可動子の検出位置を補正するには、可動子の原点位置を認識し、補正データテーブルとの同期化を行う必要があるが、従来では、可動子を機械原点であるシャフト端に手動で移動し、ここで電源投入を行うことで、補正データテーブルとの同期化を行っていたため、使い勝手が問題となっていた。また、手動で行われる機械原点への可動子移動は、必ずしも正確に行われるという保証はなく、仮に機械原点以外で同期化が行われた場合には、位置検出精度が著しく低下してしまうという問題があった。
特開2007−143226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、予め作成された補正データテーブルを用いて、可動子の検出位置を補正するにあたり、補正データテーブルとの同期化を容易にして、使い勝手の向上が図れるだけでなく、原点位置以外で同期化が行われることを防止し、誤った同期化による位置検出精度の低下を回避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設けられる可動子とを備え、該可動子の内周部に設けられるコイルの励磁によって、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、前記可動子に設けられる磁気センサと、磁気センサが検出したシャフトの磁束に基づいて可動子の位置を検出する位置検出手段と、予め作成された補正データテーブルを用いて、可動子の検出位置を補正する検出位置補正手段と、可動子の原点位置を認識し、補正データテーブルとの同期化を行う補正同期手段とを備え、前記原点位置は、予め作成された原点データに基づいて特定される電気原点であり、前記補正データテーブルは、リニアスケールを用いて、シャフトの一端から他端まで可動子を移動させながら実際位置を測定しつつ、磁気センサのアナログデータから演算されるカウンタの値をテーブルNo.とし、これにアナログデータを補正データとして保存することにより作成し、前記補正同期手段は、磁気センサの検出信号から得られる検出データが原点データに一致したとき、現在の可動子位置を原点位置として認識し、前記検出位置補正手段は、磁気センサのアナログデータから演算される補正前検出位置となるカウンタの値を前記テーブルNo.として補正データを読み出すことで、前記補正データテーブルによって可動子の検出位置を補正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、予め作成された補正データテーブルを用いて、可動子の検出位置を補正するにあたり、補正データテーブルは、リニアスケールを用いて測定した可動子の実際位置データによって、磁気センサのアナログデータから演算される補正前検出位置となるカウンタの値をもつテーブルNo.の補正データを読み出して使用することがてきるように作成されているので、シャフト型リニアモータを実際に使用する際には、高価なリニアスケールを必要とすることがなく、しかも、補正データテーブルとの同期化を容易かつ自動的に行うことを可能にして、使い勝手の向上が図れるだけでなく、原点位置以外で同期化が行われることを防止し、単純にシャフトの磁束を磁気センサで検出し、二相のアナログ信号として取り出して可動子の位置を演算した場合の、アナログ信号の波形の歪みや、シャフトの磁石長や磁束密度のバラツキに起因して、良好な位置検出精度が得られずに、誤った同期化による位置検出精度の低下を回避できる。
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の内周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。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の位置検出を行う。なお、シャフト2と可動子3との配設構成は、本実施例に限定されず、凹凸嵌合状態で外嵌される構成は勿論、単に対面配設した構成であっても良い。
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。この図に示すように、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の軸心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(正弦波)を得る。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。
単純にシャフト2の磁束を磁気センサSで検出し、二相のアナログ信号として取り出して可動子3の位置を演算した場合、アナログ信号の波形の歪み、シャフト2の磁石長や磁束密度のバラツキに起因し、良好な位置検出精度が得られない可能性がある。そのため、位置検出装置4は、予め作成された補正データテーブルを用いて、可動子3の検出位置を補正するようになっている。
予め作成された補正データテーブルを用いて、可動子3の検出位置を補正するには、可動子3の原点位置を認識し、補正データテーブルとの同期化を行う必要がある。従来では、可動子3を機械原点であるシャフト端に手動で移動し、ここで電源投入を行うことで、補正データテーブルとの同期化を行っており、使い勝手に問題があった。また、手動で行われる機械原点への可動子移動は、必ずしも正確に行われるという保証はなく、仮に機械原点以外で同期化が行われた場合には、位置検出精度が著しく低下してしまう可能性があった。
そこで、位置検出装置4は、可動子3の原点位置を、予め作成された原点データ(原点データテーブル)に基づいて特定される電気原点とし、磁気センサSの検出信号から得られる検出データが原点データに一致したとき、現在の可動子位置を原点位置として認識するようにしてある。したがって、電源投入後、電気原点位置を通過するように可動子3を駆動させるだけで、可動子3の原点位置が認識され、補正データテーブルとの同期化を自動的に行うことが可能になる。
原点データには、原点位置において磁気センサSから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データとが含まれることが好ましい。このようにすると、電源投入後又は所定信号の入力後、磁気センサSから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データとが原点データに一致したとき、現在の可動子位置を原点位置として認識することができる。
さらに好ましくは、可動子3に、3相モータを構成する複数のコイル(図示せず)と、そのコイルピッチで配置され、シャフト2の磁極位置を検出する複数のホールセンサHとを備えており、原点データには、原点位置において磁気センサSから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データと原点位置において複数のホールセンサHから得られる磁極位置検出信号の組み合わせパターンとが含まれるようにする。このようにすると、電源投入後又は所定信号の入力後、磁気センサSから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データと、複数のホールセンサHから得られる磁極位置検出信号の組み合わせパターンとが原点データに一致したとき、現在の可動子位置を原点位置として認識することができる。
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3を参照して説明する。図3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の構成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の位置検出装置4は、センサボード5とインタポレータボード6を備えて構成されている。センサボード5には、複数の磁気センサSと、磁気センサSの検出信号を増幅するアンプ回路7と、複数のホールセンサHが設けられている。
インタポレータボード6には、アンプ回路8、ADコンバータ9、ADデータ読み出し部10、位置演算カウンタCNT1、分解能設定部11、補正データ設定部12、補正データテーブル13、位置演算カウンタCNT2、AB相出力回路14、ABZ出力I/F15、原点検出演算回路16、原点データテーブル17、原点入出力I/F18及びUVW出力I/F19が設けられている。なお、本実施形態では、特許請求の範囲に記載した位置検出手段が位置演算カウンタCNT1、検出位置補正手段が補正データ設定部12及び位置演算カウンタCNT2、補正同期手段が原点検出演算回路16に相当する。
アンプ回路8は、磁気センサSの検出信号から得られる二相のアナログ信号1、2を増幅し、ADコンバータ9は、増幅された二相のアナログ信号1、2をデジタル信号(アナログ信号データ1、2)に変換し、ADデータ読み出し部10は、変換されたアナログ信号データ1、2を位置演算カウンタCNT1、補正データ設定部12及び原点位置演算回路16に入力する。位置演算カウンタCNT1(カウンタ1)は、デジタル変換されたアナログ信号データ1、2から可動子3の検出位置(補正前検出位置)を演算する。分解能設定部11は、デジスイッチ設定に応じて位置検出の分解能を切換える。補正データ設定部12は、補正データテーブル13を用いて、位置演算カウンタCNT1(カウンタ1)の値をアナログ信号データ1A、2Bに補正変換する。位置演算カウンタCNT2(カウンタ2)は、補正変換されたアナログ信号データ1A、2Bから可動子3の検出位置(補正後検出位置)を演算する。AB相出力回路14は、位置演算カウンタCNT2(カウンタ2)から90°位相差のAB相矩形波信号(位置検出信号)を生成し、ABZ出力I/F15を介して外部に出力する。原点検出演算回路16は、アナログ信号データ1、2やホールセンサHの信号を入力すると共に、原点データテーブル17を参照して電気原点を認識して、原点入出力I/F18を介して原点検出信号を外部に出力する。UVW出力I/F19は、ホールセンサHの検出信号を外部に出力するインタフェースである。
つぎに、前述した検出位置補正手段の具体的な補正方法について、図4を参照して説明する。
最初に、可動子3の実際位置データを測定する。この測定は、シャフト型リニアモータ1にリニアスケール(リニアエンコーダ)を連結してサーボ制御を行い、シャフト2の一端(機械原点)から他端まで可動子3を一定速度で移動させながら、アナログ信号1、2のデータと、そのデータを演算して作成したカウンタ1の値をラッチして、不揮発性メモリに保存する(図4の表1参照)。
つぎに、測定値から補正データテーブル(図4の表2参照)を作成する。この補正データテーブルは、カウンタ1の値を補正データテーブルのNo.とし、補正データ(アナログ信号データ1A、2A)を読み出すためのものである。例えば、テーブルNo.8に入れる値の決め方について説明すると、表1から、カウンタ1=8のときには、現在位置が10(同じ値がある場合には小さい方の値を取る)になる必要があるので、カウンタ1=10となるアナログ信号データ1、2(−64、1469)をテーブルNo.8に入れる。また、テーブルNo.9に入れる値の決め方について説明すると、表1から、カウンタ1=9のときには、現在位置が12になる必要があるので、カウンタ1=12となるアナログ信号データ1、2(−80、1460)をテーブルNo.9に入れる。同様にして全補正データテーブルを作成する。
シャフト型リニアモータ1を実際に使用する際には、リニアスケールが外されており、補正データテーブルは以下の手順で使用される。まず、磁気センサSで測定したアナログ信号データ1、2の値を演算処理してカウンタ1を作成する。つぎに、カウンタ1の値をテーブルNo.として、補正データテーブルからアナログ信号データ1A、2Aを読み出し、再度演算処理してカウンタ2を作成する。カウンタ2の下位2ビットを利用して、90度位相差のAB相信号を作成する。このAB相信号を利用することにより、精度良い位置制御が可能となる。
なお、カウンタ値を直接転送(高速シリアル通信等)できるドライバを作成すれば、補正データテーブルには、カウンタ2の値を書き込んで、再度の演算処理を省略することができる。
つぎに、前述した補正同期手段の具体的な補正同期方法について、図5を参照して説明する。
最初に、原点位置データを測定する。この測定は、シャフト型リニアモータ1にリニアスケール(リニアエンコーダ)を連結してサーボ制御を行い、シャフト2の一端(機械原点)から原点位置(電気原点:原点位置は任意に設定可能)まで可動子3を一定速度で移動させ、原点位置1と原点位置2(原点位置1+分解能単位)において、アナログ信号データ1、2と、そのデータを演算して作成したカウンタ1の値と、磁極位置検出信号(Puvw)をラッチする。そして、アナログ信号データ1、2を演算(Calz=An1*1000/An2)し、これらの値を原点データテーブルとして、不揮発性メモリに保存する(図5の表1参照)。
シャフト型リニアモータ1を実際に使用する際には、リニアスケールが外されており、補正データテーブルとの同期化は以下の手順で行われる。まず、電源投入後、原点位置1、2の方向に可動子3を移動させる。このとき、アナログ信号データ1、2(An1,An2)と磁極位置検出信号(Puvw)の読み出し、アナログ信号の演算(Calz値)を定期的に行う。そして、測定した値が、下記の3つ条件に一致したとき、原点位置であると認識し、カウンタ1に原点データテーブルのカウンタ1(pAB_tb)の値を代入する。これで同期化が完了し、以降は、その位置を電気原点(Z相位置)として利用することができる。
条件1.測定したアナログ信号データ1、2(An1,An2)の値の極性が、原点データテーブル(An1_tb,An2_tb)の極性と一致する。
条件2.磁極位置検出信号(Puvw)の値が、原点データテーブルの値(Puvw_tb)と一致する。
条件3.原点データテーブル最小値(Calz_min)<アナログ信号の演算値(Calz)<原点データテーブル最大値(Calz_max)を満たす。
つぎに、上記の条件2について、詳細に説明する。例えば、二相のアナログ信号1、2がシャフト2の磁束を直接検出した信号の空間高調波を利用して5逓倍にした信号であり、モータ磁石のN−N間が60mmピッチの場合、アナログ信号の周期は12mmピッチになる。つまり、原点位置を認識するのに、二相のアナログ信号1、2だけを演算して実測値と比較した場合、12mmピッチで一致してしまう場所が発生する可能性がある。一方、磁極位置検出信号(Puvw)は、モータを駆動するために、3相モータのコイルピッチ(20mm)にホールセンサHを配置して磁束を直接検出したデジタル信号であり、例えば、モータ磁石のN−N間で図6に示すような6つの磁極検出パターンが生成される。この磁極位置検出信号(Pu,Pv,Pw)を利用(ANDをとる)することにより、原点位置の認識箇所12mmピッチを60mmピッチに広げることができる。
なお、磁極位置検出信号(Pu,Pv,Pw)を利用することにより、原点位置の認識箇所12mmピッチを60mmピッチにすることが可能であるが、例えば、可動範囲が300mmのものであれば、60mmピッチごと(全部で5箇所)に一致箇所が発生してしまう(補正データを正しく使えるのは1箇所のみ)。そこで、回路的には、機械原点信号(ORG)入力ON後の最初の一致箇所を原点位置と認識するようにしてある。例えば、軸端のエンドリミット信号をORG信号とし、正しい一致位置を軸端からの最初の位置におけば、軸端のエンドリミット信号ON後、可動子3を逆方向に戻すことにより、最初の一致位置を原点位置として認識することができる。
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2a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とを備え、該可動子3の内周部に設けられるコイルの励磁によって、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の位置検出装置4であって、可動子3に設けられる磁気センサSと、磁気センサSが検出したシャフト2の磁束に基づいて可動子3の位置を検出すると共に、予め作成された補正データテーブル13を用いて、可動子3の検出位置を補正するにあたり、可動子3の原点位置を認識し、補正データテーブル13との同期化を行う必要があるが、原点位置は、予め作成された原点データに基づいて特定される電気原点とし、補正データテーブル13は、リニアスケールを用いて、シャフト2の一端から他端まで可動子3を一定速度で移動させながら、可動子3の実際位置データを測定し、磁気センサSのアナログデータから演算されるカウンタ1の値をテーブルNo.とし、これにアナログデータを補正データ(アナログ信号データ1A、2A)として保存することにより作成し、補正同期手段(原点検出演算回路16)は、磁気センサSの検出信号から得られる検出データが原点データに一致したとき、現在の可動子位置を原点位置として認識し、検出位置補正手段(補正データ設定部12及び位置演算カウンタ2)は、磁気センサSのアナログデータから演算されるカウンタ1の値をテーブルNo.として補正データ(アナログ信号データ1A、2A)を読み出すことで、補正データテーブル13によって可動子3の検出位置を補正するように構成されている。
そのため、予め作成された補正データテーブル13を用いて、可動子3の検出位置を補正するものでありながら、補正データテーブル13は、リニアスケールを用いて測定した可動子3の実際位置データによって、磁気センサSのアナログデータから演算される補正前検出位置となるカウンタ1の値をもつテーブルNo.の補正データ(アナログ信号データ1A、2A)を読み出して使用することがてきるように作成されているので、シャフト型リニアモータ1を実際に使用する際には、高価なリニアスケールを必要とすることがなく、可動子3を機械原点であるシャフト端に手動で移動し、ここで電源投入を行うことで、補正データテーブルとの同期化を行っていた従来に比べ、補正データテーブル13との同期化を容易かつ自動的に行うことを可能にして、使い勝手の向上が図れる。しかも、原点位置以外で同期化が行われることを防止できるので、単純にシャフト2の磁束を磁気センサSで検出し、二相のアナログ信号として取り出して可動子3の位置を演算した場合の、アナログ信号の波形の歪みや、シャフト2の磁石長や磁束密度のバラツキに起因して、良好な位置検出精度が得られずに、誤った同期化による位置検出精度の低下も回避することができる。
また、原点データには、原点位置において磁気センサSから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データとが含まれているので、電源投入後又は所定信号の入力後、磁気センサSから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データとが原点データに一致したとき、現在の可動子位置を原点位置として認識することができる。
またさらに、可動子3に、3相モータを構成する複数のコイル(図示せず)と、そのコイルピッチで配置され、シャフトSの磁極位置を検出する複数のホールセンサHとを備えており、原点データには、原点位置において磁気センサSから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データと原点位置において複数のホールセンサHから得られる磁極位置検出信号の組み合わせパターンとが含まれるので、電源投入後又は所定信号の入力後、磁気センサSから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データと、複数のホールセンサHから得られる磁極位置検出信号の組み合わせパターンとが原点データに一致したとき、現在の可動子位置を原点位置として認識することができる。
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。 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の構成を示すブロック図である。 補正データテーブルの説明図である。 原点データテーブルの説明図である。 磁極位置検出信号の説明図である。
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 センサボード
6 インタポレータボード
7 アンプ回路
8 アンプ回路
9 ADコンバータ
10 ADデータ読み出し部
11 分解能設定部
12 補正データ設定部
13 補正データテーブル
14 AB相出力回路
15 ABZ出力I/F
16 原点検出演算回路
17 原点データテーブル
18 原点入出力I/F
19 UVW出力I/F
CNT1 位置演算カウンタ
CNT2 位置演算カウンタ
H ホールセンサ
S 磁気センサ

Claims (3)

  1. 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設けられる可動子とを備え、該可動子の内周部に設けられるコイルの励磁によって、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、
    前記可動子に設けられる磁気センサと、
    該磁気センサが検出したシャフトの磁束に基づいて可動子の位置を検出する位置検出手段と、
    予め作成された補正データテーブルを用いて、可動子の検出位置を補正する検出位置補正手段と、
    可動子の原点位置を認識し、補正データテーブルとの同期化を行う補正同期手段とを備え、
    前記原点位置は、予め作成された原点データに基づいて特定される電気原点であり、
    前記補正データテーブルは、リニアスケールを用いて、シャフトの一端から他端まで可動子を移動させながら実際位置を測定しつつ、磁気センサのアナログデータから演算されるカウンタの値をテーブルNo.とし、これにアナログデータを補正データとして保存することにより作成し、
    前記補正同期手段は、磁気センサの検出信号から得られる検出データが原点データに一致したとき、現在の可動子位置を原点位置として認識し、
    前記検出位置補正手段は、磁気センサのアナログデータから演算される補正前検出位置となるカウンタの値を前記テーブルNo.として補正データを読み出すことで、前記補正データテーブルによって可動子の検出位置を補正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. 前記原点データは、原点位置において磁気センサから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データとを含み、
    前記補正同期手段は、電源投入後又は所定信号の入力後、磁気センサから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データとが原点データに一致したとき、現在の可動子位置を原点位置として認識することを特徴とする請求項1記載のシャフト型リニアモータの位置検出装置。
  3. 前記可動子は、3相モータを構成する複数のコイルと、コイルピッチで配置され、シャフトの磁極位置を検出する複数のホールセンサとをさらに備え、
    前記原点データは、原点位置において磁気センサから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データと、
    原点位置において複数のホールセンサから得られる磁極位置検出信号の組み合わせパターンとを含み、
    前記補正同期手段は、電源投入後又は所定信号の入力後、磁気センサから得られる複数のアナログ信号の極性と、複数のアナログ信号から演算される演算結果データと、複数のホールセンサから得られる磁極位置検出信号の組み合わせパターンとが原点データに一致したとき、現在の可動子位置を原点位置として認識することを特徴とする請求項1又は2記載のシャフト型リニアモータの位置検出装置。
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