JPH0580964B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は可動体の駆動位置及び形心位置（ギヤ
ツプ）とを単一の検出器で検出し得る多機能型検
出器に関する。

（従来の技術） 従来、ステツプモータ、同期モータなどを使用
した磁気浮上型のアクチユエータはそれほど開発
されておらず、また、係るアクチユエータの可動
体の駆動位置とギヤツプとの両方を単一の検出器
で検出し得るものはいまだ見あたらない。

ここでは、先行技術として、従来の磁気浮上型
アクチユエータのギヤツプ検出方法と同期モータ
の位置検出方法について説明する。

(1) 回転形ロータを有する磁気浮上型アクチユエ
ータの場合のギヤツプ検出例 第４図は係る従来のギヤツプ検出器の構成図で
あり、これはギヤツプの変位を検出コイルの自己
インダクタンスの変化として検出するものであ
る。ここで、ロータ３のターゲツト部及び検出器
のステータ１の芯部分２は磁性体で構成され、そ
の磁極部分に検出コイルX₁，X₂，Y₁，Y₂が巻回
される。

第５図は第４図に示されるギヤツプ検出器から
Ｘ方向、Ｙ方向のギヤツプを検出する回路図であ
り、Ｘ方向においては、検出コイルは二つのＸ方
向コイルX₁，X₂と二つのダミーコイルX_D1，X_D2
とでブリツジが構成され、このブリツジの両端に
発振器４からの正弦波が加えられる。そこで、コ
イルX₁とコイルX₂の両方のインダクタンスが等
しい場合には、コイルX₁とコイルX₂の接続点と、
ダミーコイルX_D1とダミーコイルX_D2の接続点と
の電位差がなくなり、Ｘ方向の変位検出値は０と
なる。また、ロータ３がＸ軸のコイルX₁の方向
に近づくとコイルX₁のインダクタンスが大きく
なり、コイルX₂のインダクタンスが小さくなる
ため、そのセンタータツプの電圧を検出すること
により、変位が測定できる。つまり、前記センタ
ータツプの電圧は差動増幅器５で増幅され、同期
整流器６を介してＸ方向のギヤツプを検出するこ
とができる。なお、Ｙ方向においても同様であ
る。これはＸ，Ｙ二方向へのギヤツプ検出例であ
り、ロータ３の回転方向の検出は別の検出器を用
いて行つている。また、他の検出方法としては、
この検出器の代わりに渦電流型の検出器や静電型
の検出器を用いた例もある。

(2) 回転型の同期型モータの位置検出例 同期型モータは速度制御システムにおいても、
モータのロータの位置検出器が必要となり、ロー
タの磁極位置を検出するようにしている。

簡単なものでは第６図に示されるように、ロー
タ７の磁極の位置をホール素子８で検出してモー
タを回転させるようにしている。即ち、指令信号
と位置信号の差、つまり、位置偏差に比例した電
圧を入力として加えると、その偏差電圧に比例し
たモータトルクが生じる。そして、このモータの
位置は位置センサとしてのホール素子８で検出さ
れ、増幅器９によつて増幅され、コイルＸを励磁
するように構成されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、可動体の磁気浮上を行う場合、
磁気浮上可動体の重量に対抗して作用する吸引用
電磁石の働く表面積と、可動体の位置決め（回
転、直線駆動）の駆動力の働くモータ部の表面積
に対して、ギヤツプセンサと、位置センサ（回
転、直線駆動）の表面積の占める割合をいかにし
て小さくするかが、性能上の課題となつてきてい
る。

特に、非接触状態で可動体を磁気浮上させる場
合、その可動体は永久磁石（同期型モータ）か、
歯が形成されている可動体（ステツプモータ）
か、二次側導体（誘導モータ）になるが、いずれ
にしろ位置決めを位置フイードバツクを用いて行
うためには、その可動体の磁極位置を知るセンサ
が必要になる。ギヤツプセンサとこの位置センサ
のスペースを別々にとると、可動体の他のスペー
ス（回転力、吸引力）が圧縮され、結果として、
性能低下を招いてしまう。

本発明は、上記問題点を除去し、ギヤツプセン
サと位置センサとを一体化し、占有スペースを低
減すると共に、磁気浮上可動体の小型化、軽量化
を図り得る多機能型検出器を提供することを目的
とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記問題点を解決するために、表面
に一定ピツチの歯を形成した磁気浮上可動体を設
け、該歯に対向して該歯を検出し、正弦波状及び
余弦波状の各二対の検出値を出力する第１の磁気
検出手段と、該第１の磁気検出手段に対して前記
可動体の基準位置を中心にして対称な位置に前記
第１の磁気検出手段と同一の機能を有する第２の
磁気検出手段とを配設し、前記第１及び第２の磁
気検出手段の各正弦波状の検出値の加減演算によ
り、前記可動体の移動方向の変位に関する正弦波
状位置信号を求め、前記第１及び第２の磁気検出
手段の各余弦波状の検出値の加減演算により、前
記可動体の移動方向の変位に関する余弦波状位置
信号を求め、該検出値に基づいて前記可動体の駆
動位置を検出するとともに、前記第１の磁気検出
手段の検出値の合計と前記第２の磁気検出手段の
検出値の合計との減算値に基づいて前記可動体と
固定部間のギヤツプを検出するようにしたもので
ある。

（作用） 本発明によれば、磁気浮上可動体の表面には一
定ピツチの歯が形成され、第１の磁気検出手段は
この歯に対向してこの歯を検出し、正弦波状及び
余弦波状の各二対の検出値を出力する。一方、第
２の磁気検出手段は前記第１の磁気検出手段と同
一の機能を有しており、第１の磁気検出手段に対
して前記可動体を中心にして対称な位置に配設さ
れる。

そこで、前記第１及び第２の磁気検出手段の各
正弦波状の検知値の加減演算により、前記可動体
の移動方向の変位に関する正弦波状位置信号を求
め、前記第１及び第２の磁気検出手段の各余弦波
状の検出値の加減演算により、前記可動体の移動
方向の変位に関する余弦波状位置信号を求め、該
検出値に基づいて前記可動体の駆動位置を検出す
るとともに、前記第１の磁気検出手段の検出値の
合計と前記第２の磁気検出手段の検出値の合計と
の減算値に基づいて前記可動体と固定部間のギヤ
ツプを検出する。

したがつて、前記可動体の駆動位置と、前記可
動体と固定部間のギヤツプを単一の検出器で検出
することができる。

より具体的には、 (1) 磁気浮上可動体が回転体の場合は、回転体の
表面に一定ピツチの歯が形成され、その歯に対
向してこの歯を検出する第１の磁気検出手段を
備え、該第１の磁気検出手段は前記歯を検出す
ることにより、正弦、余弦波状の各二対の検出
値を出力し、更に、回転体の回転中心に対して
点対称の位置に前記第１の磁気検出手段と同一
の機能を有する第２の磁気検出手段を設け、こ
の正弦、余弦波状各々四つの検出値を加減する
演算回路とにより、回転体の歯数分の回数の
sinθ状、cosθ状の出力と、二つの検出器の間に
ある回転体の位置を表す出力とを検出し、この
sinθ状、cosθ状の検出値から回転位置に変換す
る変換器とにより、回転体の回転位置と磁気浮
上のための回転体の位置、つまり、ギヤツプを
一体化した検出器で検出する。

(2) 磁気浮上可動体が直線運動を行う可動体（推
進可動体）の場合は、推進可動体の両側の表面
に一定ピツチの歯が形成され、その片側の歯に
対向して、この歯を検出する第１の磁気検出手
段を備え、該第１の磁気検出手段は前記歯を検
出することにより、正弦、余弦波状の各二対の
検出値を出力し、更に、推進可動体を中心にし
てその可動方向に対して線対称の位置に前記対
の磁気検出手段と同一の機能を有する第２の磁
気検出手段を設け、前記(1)のようにして、第１
及び第２の磁気検出手段の各検出値に基づいて
前記可動体の駆動位置と該可動体と固定部間の
ギヤツプとを単一の検出器で検出する。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しながら詳
細に説明する。

第１図は本発明の第１実施例を示す多機能型検
出器の構成図である。

図中、１０は円筒状の固定枠、１１は第１の検
出器、１２は第２の検出器、１３は磁性体からな
る磁気浮上ロータ、１４は磁性体からなる凹部が
連設された芯部材、１５，２１はその芯部材１４
の基部に巻回され、搬送波が印加される励磁コイ
ル、１６，２２は第１の検出コイルであり、この
第１の検出コイル１６と２２は磁気浮上ロータ１
３の回転中心に対して点対称の位置に配置され
る。１７，２３は第２の検出コイル、１８，２４
は第３の検出コイル、１９，２５は第４の検出コ
イルであり、上記第１の検出コイル１６，２２同
様に、各検出コイルは磁気浮上ロータ１３の回転
中心に対して点対称の位置に配置され、各検出コ
イルは芯部材１４の先端の突極片に巻回される。
なお、各検出器側はケースに内蔵され固定枠１０
に固定される。

この多機能型検出器の動作について説明する。

ここで、ω：発振角周波数、d₁：第１の検出器
とロータ間のギヤツプ、d₂：第２の検出器とロー
タ間のギヤツプ、θ：ロータ回転電気角、α：変
調率、ｋ：信号伝達の定数である。

まず、これらの第１の検出器１１、第２の検出
器１２の各々の励磁コイル１５，２１には搬送波 sin（ωt−φ） を印加する。

そこで、第１の検出器１１の検出コイルの出力
をギヤツプd₁とロータ回転電気角θで近似する
と、それぞれの検出コイルの出力は次のようにな
る。

V_C1+＝（ｋ／d₁）（１＋α cosθ）sin ωt V_C1-＝（ｋ／d₁）（１−α cosθ）sin ωt V_S1+＝（ｋ／d₁）（１＋α sinθ）sin ωt V_S1-＝（ｋ／d₁）（１−α sinθ）sin ωt 同様に、第２の検出器１２の検出コイルの出力
は下側のギヤツプd₂とロータ回転電気角θで近似
すると、 V_C2+＝（ｋ／d₂）（１＋α cosθ）sin ωt V_C2-＝（ｋ／d₂）（１−α cosθ）sin ωt V_S2+＝（ｋ／d₂）（１＋α sinθ）sin ωt V_S2-＝（ｋ／d₂）（１−α sinθ）sin ωt となる。

これらを利用して、 (1) cos出力を得るためには、第１の検出器１１
の検出コイルの各出力を下記のように加減演算
する。

V_C1+−V_C1-＋V_C2+−V_C2- ＝2kα〔（１／d₁）＋（１／d₂）〕 ×cosθ sinωt (2) sin出力を得るためには、同様に V_S1+−V_S1-＋V_S2+−V_S2- ＝2kα〔（１／d₁）＋（１／d₂）〕 ×sinθ sinωt (3) ギヤツプ検出値は、 上側の合計−下側の合計 ＝4k〔（１／d₁）−（１／d₂）〕 ×sinωt となる。

ここで、線型近似を用いて、ギヤツプd₁とギヤ
ツプd₂の等しい位置を基準値d₀とし、それと基準
値からのずれΔdで近似すると、 （１／d₁）＋（１／d₂） ≒〔（１／d₀）−（１／d₀ ²）×Δd〕 ＋〔（１／d₀）−（１／d₀ ²）×−Δd〕 ＝２／d₀ つまり、Δdの変化によらず一定である。

（１／d₁）−（１／d₂） ≒〔（１／d₀）−（１／d₀ ²）×Δd〕 −〔（１／d₀）−（１／d₀ ²）×−Δd〕 ＝−（２／d₀ ²）×Δd つまり、ギヤツプの変位に比例する。

そして、上記(1)，(2)，(3)を同期整流と低域通過
フイルタ処理することにより、sinωtの周波数を
消し、cosθ，sinθ及びギヤツプ検出値を得ること
ができる。

cosθ，sinθの出力から、例えば、デイジタルで
位置θを得る方法は、Ｒ／Ｄ（レゾルバ・デイジ
タル）コンバータなどがあるので、それらを用い
ることができる。

このように構成することにより、検出器１１，
１２は磁気浮上ロータ１３の回転位置とギヤツプ
の両方を検出することができる。

次に、本発明の第２の実施例を第２図を用いて
説明する。

図中、１０は固定枠、１３は磁気浮上ロータ、
３１は第１の検出器、３２は第２の検出器、３３
は芯部材、３４，４１は永久磁石、３５，４２は
第１の検出素子、３６，４３は第２の検出素子、
３７，４４は第３の検出素子、３８，４５は第４
の検出素子である。なお、検出器側はケースに内
蔵され固定枠１０に固定される。

ここで、この検出器３１，３２は前記した搬送
波を印加する励磁コイル１５，２１に代えて永久
磁石３４，４１を用い、磁気浮上ロータ１３と検
出器との歯の相対位置変化をギヤツプの磁気抵抗
変化として検出し、それによる磁束の変化をホー
ル素子或いは磁気抵抗素子などの磁束を検出する
検出素子により検出し、これに基づいて磁気浮上
ロータ１３の回転位置とギヤツプとを検出するよ
うにしている。

そこで、V_C1+のギヤツプとV_C1-のギヤツプの
総和は磁気浮上ロータ１３の回転位置によらず、
略一定なので第１の検出器３１の検出素子の出力
は、第１の検出器３１のギヤツプd₁とロータ回転
電気角θで近似すると、 V_C1+＝（ｋ／d₁）（１＋α cosθ） V_C1-＝（ｋ／d₁）（１−α cosθ） V_S1+＝（ｋ／d₁）（１＋α sinθ） V_S1-＝（ｋ／d₁）（１−α sinθ） となる。

同様に、第２の検出器３２の検出コイルの出力
は下側のギヤツプd₂とロータ回転電気角θで近似
すると、 V_C2+＝（ｋ／d₂）（１＋α cosθ） V_C2-＝（ｋ／d₂）（１−α cosθ） V_S2+＝（ｋ／d₂）（１＋α sinθ） V_S2-＝（ｋ／d₂）（１−α sinθ） となる。

これらを利用して、 (1) cos出力を得るためには、第１の検出器の検
出素子の各出力を下記のように加減演算する。

V_C1+−V_C1-＋V_C2+−V_C2- ＝2kα〔（１／d₁）＋（１／d₂）〕 ×cosθ (2) sin出力を得るためには、同様に V_S1+−V_S1-＋V_S2+−V_S2- ＝2kα〔（１／d₁）＋（１／d₂）〕 ×sinθ (3) ギヤツプ検出値は、 上側の合計−下側の合計 ＝4k〔（１／d₁）−（１／d₂）〕 これより以降は、前記した第１実施例と同様に
cosθ，sinθ及びギヤツプ検出値を得ることができ
る。

次に、本発明の第３の実施例を第３図に基づい
て説明する。

この実施例においては、可動体が直線方向に駆
動されるリニア型の場合の可動体の直線方向への
変位とギヤツプの検出を単一の検出器で行うよう
にしたものである。

図中、５０は直線方向に駆動される可動体（推
進可動体）、５１は第１の検出器、５２は第２の
検出器、５３は芯部材、５５，６５は励磁コイ
ル、５６，６６は第１の検出コイル、５７，６７
は第２の検出コイル、５８，６８は第３の検出コ
イル、５９，６９は第４の検出コイルである。ま
た、各検出器側はケースに内蔵され固定枠に固定
される。

第３図に示されるように、二つの検出器は推進
可動体５０の中心線Ａ−A′に対して、上下が線
対称になるように配置されており、矢印方向（右
方向）の変位に対して各検出コイルの検出値は上
下ともに同様なエンベローブを出力する。

ここで、ω：発振角周波数、ｘ：歯相対変位、
d₁：第１の検出器５１と推進可動体５０との間の
ギヤツプ、d₂：第２の検出器５２と推進可動体５
０との間のギヤツプ、τ：歯ピツチである。

まず、この検出器５１，５２の励磁コイル５
５，６５には搬送波 sin（ωt−φ） を印加する。すると、各検出コイルには以下のよ
うな検出値が出力される。即ち、 V_C1+＝（ｋ／d₁）〔１＋α cos（２Лｘ／τ）〕×
sinωt V_C1-＝（ｋ／d₁）〔１−α cos（２Лｘ／τ）〕×
sinωt V_S1-＝（ｋ／d₁）〔１−α sin（２Лｘ／τ）〕×
sinωt V_S1+＝（ｋ／d₁）〔１＋α sin（２Лｘ／τ）〕×
sinωt 同様に下側の各検出コイルには V_C2+＝（ｋ／d₂）〔１＋α cos（２Лｘ／τ）〕×
sinωt V_C2-＝（ｋ／d₂）〔１−α cos（２Лｘ／τ）〕×
sinωt V_S2-＝（ｋ／d₂）〔１−α sin（２Лｘ／τ）〕×
sinωt V_S2+＝（ｋ／d₂）〔１＋α sin（２Лｘ／τ）〕×
sinωt が出力される。

これらを利用して、 (1) cos出力を得るためには第１の検出器５１の
検出コイルの各出力を下記のように加減演算す
る。

V_C1+−V_C1-＋V_C2+−V_C2- ＝2kα〔（１／d₁）＋（１／d₂）〕 ×cos（２Лｘ／τ）〕×sinωt (2) sin出力を得るためには、同様に V_S1+−V_S1-＋V_S2+−V_S2- ＝2kα〔（１／d₁）＋（１／d₂）〕 ×sin（２Лｘ／τ）〕×sinωt (3) ギヤツプ検出値は、 上側の合計−下側の合計 ＝4k〔（１／d₁）−（１／d₂）〕 ×sinωt ここで、線型近似を用いて、ギヤツプd₁とギヤ
ツプd₂の等しい位置を基準値d₀とし、それと基準
値からのずれΔdで近似すると、 （１／d₁）＋（１／d₂） ≒〔（１／d₀）−（１／d₀ ²）×Δd〕 ＋〔（１／d₀）−（１／d₀ ²）×−Δd〕 ＝２／d₀ つまり、基準点のまわりで略一定となる。

（１／d₁）−（１／d₂） ≒〔（１／d₀）−（１／d₀ ²）×Δd〕 −〔（１／d₀）−（１／d₀ ²）×−Δd〕 ＝−（２／d₀ ²）×Δd つまり、基準点のまわりで略ギヤツプ変位に比
例する。

このように構成することにより、第１の検出器
５１及び第２の検出器５２は磁気浮上推進可動体
５０の駆動位置とギヤツプ位置の両方を検出する
ことができる。

また、磁気浮上可動体はデイスク状円板にする
こともできる。この場合には、このデイスク状円
板の表裏に放射状に一定ピツチの歯を形成し、こ
のデイスク状円板を中心にして、その表裏に対称
に前記第１の磁気検出手段と第２の磁気検出手段
とを対向させるように配置する。

更に、上記磁気浮上ロータ型の実施例において
は、そのロータの回りに第１及び第２の検出器を
配置するようにしているが、磁気浮上の用途によ
つては、このギヤツプ変位方向と直交する方向に
も同一の型の検出器を配設して、この検出器から
の出力も足し合わせ、直交する計４個の検出器か
らの回転検出信号を利用することにより、ギヤツ
プ変位の干渉のない回転位置信号を得ることがで
きる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるもので
はなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可
能であり、これらを本発明の範囲から排除するも
のではない。

（発明の効果） 以上、詳細に説明したように、本発明によれ
ば、表面に一定ピツチの歯を形成した磁気浮上可
動体を設け、該歯に対向して該歯を検出し、正弦
波状及び余弦波状の各二対の検出値を出力する第
１の磁気検出手段と、該第１の磁気検出手段に対
して前記可動体の基準位置を中心にして対称な位
置に前記第１の磁気検出手段と同一の機能を有す
る第２の磁気検出手段とを配設し、前記第１及び
第２の磁気検出手段の各正弦波状の検出値の加減
演算により、前記可動体の移動方向の変位に関す
る正弦波状位置信号を求め、前記第１及び第２の
磁気検出手段の各余弦波状の検出値の加減演算に
より、前記可動体の移動方向の変位に関する余弦
波状位置信号を求め、該検出値に基づいて前記可
動体の駆動位置を検出するとともに、前記第１の
磁気検出手段の検出値の合計と前記第２の磁気検
出手段の検出値の合計との減算値に基づいて前記
可動体と固定部間のギヤツプを検出するようにし
たので、 (1) 検出器をコンパクトにすることができると共
に、磁気浮上可動体の検出用基準面を小さくす
ることができるため、検出のための占有スペー
スを低減し、磁気浮上可動体の軽量化による磁
気浮上性能の向上を図ることができる。

(2) 検出器が可動体を中心にして対称に配置され
るため、駆動、つまり、回転或いは推進とギヤ
ツプとの干渉を低減することができる。

(3) 可動体を検出器により挟み込む形となり、イ
ンダクタンスの双曲線的な非線形性を上下足し
合わせる形にすることができ、ギヤツプ変位に
対してある範囲内において略直線的な変位検出
値を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す多機能型検
出器の構成図、第２図は本発明の第２実施例を示
す多機能型検出器の構成図、第３図は本発明の第
３実施例を示す多機能型検出器の構成図、第４図
は従来のギヤツプ検出器の構成図、第５図はその
ギヤツプ検出回路図、第６図は従来の他のギヤツ
プ検出器の構成図である。 １０……固定枠、１１，３１，５１……第１の
検出器、１２，３２，５２……第２の検出器、１
３……磁気浮上ロータ、１４，３３，５３……芯
部材、１５，２１，５５，６５……励磁コイル、
１６，２２，５６，６６……第１の検出コイル、
１７，２３，５７，６７……第２の検出コイル、
１８，２４，５８，６８……第３の検出コイル、
１９，２５，５９，６９……第４の検出コイル、
３４，４１……永久磁石、３５，４２……第１の
検出素子、３６，４３……第２の検出素子、３
７，４４……第３の検出素子、３８，４５……第
４の検出素子、５０……推進可動体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面に一定ピツチの歯を形成した磁気浮上可
   動体を設け、該歯に対向して該歯を検出し、正弦
   波状及び余弦波状の各二対の検出値を出力する第
   １の磁気検出手段と、該第１の磁気検出手段に対
   して前記可動体の基準位置を中心にして対称な位
   置に前記第１の磁気検出手段と同一の機能を有す
   る第２の磁気検出手段とを配設し、前記第１及び
   第２の磁気検出手段の各正弦波状の検出値の加減
   演算により、前記可動体の移動方向の変位に関す
   る正弦波状位置信号を求め、前記第１及び第２の
   磁気検出手段の各余弦波状の検出値の加減演算に
   より、前記可動体の移動方向の変位に関する余弦
   波状位置信号を求め、該検出値に基づいて前記可
   動体の駆動位置を検出するとともに、前記第１の
   磁気検出手段の検出値の合計と前記第２の磁気検
   出手段の検出値の合計との減算値に基づいて前記
   可動体と固定部間のギヤツプを検出するようにし
   たことを特徴とする多機能型検出器。 ２ 前記磁気浮上可動体は円筒状の回転体であ
   り、該回転体の円筒表面に一定ピツチの歯を形成
   し、該回転体の回転中心に対して点対称の位置に
   前記第１の磁気検出手段と第２の磁気検出手段と
   を対向させるようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の多機能型検出器。 ３ 前記磁気浮上可動体は直線運動を行う推進可
   動体であり、該可動体の両面に一定ピツチの歯を
   形成し、該可動体の可動方向の中心線に対して線
   対称の位置に前記第１の磁気検出手段と第２の磁
   気検出手段とを対向させるようにしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の多機能型検出
   器。 ４ 前記磁気浮上可動体はデイスク状円板であ
   り、該円板の表裏に放射状に一定ピツチの歯を形
   成し、該デイスク状円板を中心にしてその表裏に
   前記第１の磁気検出手段と第２の磁気検出手段と
   を対向させるようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の多機能型検出器。