JP2009271054A - 位置検出装置およびそれを備えた回転直動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型かつ精度の良い位置検出装置および回転直動モータを提供する。
【解決手段】 回転直動モータの位置検出装置を、モータ軸１６に固定された円錐台形状の永久磁石１５と、固定体１３に取り付けられた磁界検出素子１４で構成し、磁界検出素子１４を回転方向に２個配置し、電気的に９０度の位相差をもった２つの信号が得られるようにし、磁界検出素子１４が検出する磁束密度は、円周方向には正弦波状に変化し、直動方向には磁束密度の振幅が位置に関して直線的に変化するように構成し、第１の磁界検出素子１４１の出力信号Ｖ１、第２の磁界検出素子１４２の出力信号Ｖ２から、モータ軸の回転角θおよび直動位置ｚを求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転運動と直動運動を行う軸の回転位置と直動位置を同時に検出する位置検出装置およびそれを備えた回転直動モータに関する。

従来のモータ軸の回転運動と軸方向への運動(以下、直動運動)を同時に行う回転直動モータの位置検出装置は、回転運動と直動運動の位置検出を別々の装置で行うようにしていた。（例えば、特許文献１、２参照）。

図１４は特許文献１に記載された回転直動モータの回転に関する位置検出部の側断面図である。
図において、モータ部１では、モータ軸９が回転運動を行うような構成をしており、回転用の位置検出部２は、直動軸受３が回転軸受４に回転自在に取り付け支持されている。従って、直動軸受３はモータ軸９と同期回転し、モータ軸９の軸方向の移動が可能となっている。回転信号発生部５は直動軸受３に同期回転してモータ軸の回転信号を発する。回転信号検出部６は、回転信号発生部５からの信号を定位置で受けてモータ軸９の回転位置を検出する。

また図１５は回転直動モータの直動に関する位置検出部の側断面図を示したものである。図において、モータ部１では、モータ軸９が直動運動を行うような構成をしており、直動用の位置検出部２では、直動軸受３が回転軸受４を介してモータ軸９の下端部を支持している。直動信号発生部７はモータ軸９の直動運動に対してのみ直動軸受３と同期して移動することにより、モータ軸９の直動信号を発する。直動信号検出部８は、直動信号発生部７からの信号を受けて、モータ軸９の直動位置を検出する。

従来の回転直動モータでは、回転位置と直動位置を同時に検出する場合、モータ軸９を長く延ばし、図１４と図１５に示した回転用と直動用の位置検出部２を直動方向に並べて構成する必要があった。

特開２０００−１４１１５号公報（第６−７頁、図１、図４） 特開２００４−４５０８０号公報（第１０頁、図１、図２、図３）

このように、従来の回転直動モータは、モータ軸の回転・直動位置を検出する装置を別々に組み合わせて構成していたため、位置検出装置が大きくなるという問題があった。
さらに、モータ軸の回転・直動運動がそれぞれ、回転・直動位置の検出に干渉しないよう、位置検出部に回転軸受と直動軸受を組み合わせて使用するため、回転軸受と直動軸受の組み立て精度や軸受のあそびの影響により検出誤差が発生するという問題があった。
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、小型かつ精度の良い位置検出装置およびそれを備えた回転直動モータ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のである。
請求項１に記載の発明は、回転運動と直動運動が可能となるよう支持された軸と、
前記軸に固定された永久磁石と、
前記永久磁石に空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた磁界検出素子と、
前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた位置検出装置において、前記磁界検出素子は前記永久磁石の回転方向側面に２個配置され、
２個の磁界検出素子からの検出信号は９０度の位相差をもち、
前記磁界検出素子が検出する磁束密度は前記軸の回転方向に対して正弦波状に変化し、
直動方向に対して磁束密度の振幅が位置に関して変化するように構成した磁気回路を備え、
前記磁界検出素子からの２検出信号から回転位置と直動位置を求める。
請求項２に記載の発明は、前記２個の磁界検出素子の２つの検出信号の比の逆正接演算から回転位置を、また前記２つの検出信号の二乗和の平方根演算により直動位置を検出する。

請求項３に記載の発明は、前記永久磁石は前記軸の直動方向に円錐台形状となっており、前記軸に対して垂直方向に２極着磁されている。
請求項４に記載の発明は、前記永久磁石を焼結磁石またはボンド磁石で円錐台形状に成形の後、前記軸に対して垂直方向に２極着磁されている。
請求項５に記載の発明は、前記永久磁石は複数個の永久磁石が前記軸の直動方向に並べて配置され、各々の前記永久磁石は前記軸に対して垂直方向に２極着磁され、各々の前記永久磁石の極は同じ方向になるように並べられ、各々の前記永久磁石の半径は前記軸の直動方向とともに変えられており、前記軸の直動方向に並べたときに前記複数の永久磁石が形成する稜線が円錐台形状になるようにしている。

請求項６に記載の発明は、前記円錐台形状の永久磁石の稜線を凹曲面としている。
請求項７記載の発明は、前記円錐台形状の永久磁石の稜線を凸曲面としている。
請求項８記載の発明は、前記円錐台形状の永久磁石の稜線を凹曲面と凸曲面を組み合わせた形状としている。
請求項９、１４記載の発明は、前記軸がモータの回転軸である。
請求項１０、１５記載の発明は、前記位置検出装置を搭載した回転直動モータである。

請求項１１記載の発明は、回転運動と直動運動が可能となるよう支持された軸と、
前記軸に固定された円筒状の永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた磁界検出素子と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた位置検出装置において、前記磁界検出素子は前記永久磁石の回転方向側面に２個配置され、２個の磁界検出素子からの検出信号は９０度の位相差をもち、前記円筒状の永久磁石は磁界検出素子が検出する磁束密度が前記軸の回転方向に対して正弦波状に変化し、
直動方向に対しては磁束密度の振幅が位置に関して線形特性又は一価関数の非線形特性で変化するように着磁されており、前記磁界検出素子からの２検出信号から回転位置と直動位置を求めることを特徴としている。
請求項１２記載の発明は、前記永久磁石は焼結磁石またはボンド磁石で円筒形状に成形の後、前記軸に対して垂直方向に２極着磁したことを特徴としている。
請求項１３記載の発明は、前記２個の磁界検出素子の２つの検出信号の比の逆正接演算から回転位置を検出し、直動位置検出に関し、前記磁束密度特性が線形特性の場合は前記２つの検出信号を二乗和の平方根演算して得られる値から直動位置を検出し、前記磁束密度が前記非線形特性の場合は更に前記一価関数の逆関数を計算することにより直動位置を検出することを特徴としている。

請求項１、２または１１に記載の発明によると、磁界検出素子が検出する磁束密度が円周方向には正弦波状に変化し、軸の軸方向に向かって直線状に変化するようにし、磁界検出素子は９０度間隔で２個設けられており、軸の回転位置を２つの検出信号の比の逆正接演算から、また軸の直動位置を２つの検出信号の二乗和の平方根演算により求めることができるので、磁気式エンコーダを小型化することができる。
また、構成が単純なため組み立て精度や軸受のあそびの影響による検出誤差を小さくすることができる。

請求項３に記載の発明によると、前記永久磁石は軸の軸方向に円錐台形状となっており、２極着磁されているので、磁束密度が回転方向には正弦波状に変化し、軸の直動方向に直線状に変化するように分布させることが可能になる。
請求項４に記載の発明によると、前記永久磁石を焼結磁石またはボンド磁石を用いることによって容易に成形することができる。

請求項５に記載の発明によると、前記永久磁石は複数の永久磁石を軸の直動方向に並べて構成され、それぞれの永久磁石は２極着磁されており、それぞれの永久磁石の極は同じ方向になるように並べられ、それぞれの永久磁石の半径は軸の直動方向とともに変えられており、軸の直動方向に並べたときに円錐台形状になるようにしたので、磁束密度が円周方向には正弦波状に変化し、軸の直動方向に向かって直線状に変化するように分布させることができる。

請求項６乃至８に記載の発明によると、円錐台の稜線を曲線形状とすることで、軸方向位置に対する磁束密度変化の直線性を向上させることが可能になる。
請求項９、１４記載の発明によると軸をモータの回転軸を用い直接に磁石を取り付けることにより小型に構成できる。
請求項１０、１５記載の発明によると、小型の位置検出装置を取付けることにより回転直動モータ自体を小型に構成できる。
請求項１２記載の発明によると、永久磁石を円筒形状にすることによって容易に製造することができる。また、軸の直動方向の移動ストロークを長くすることができる。
請求項１３記載の発明によると、軸方向の特性が非線形特性であっても一価関数で表される特性であれば補正することで高精度の直動位置を測定できる。

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は本発明の回転直動モータの位置検出装置の構造を示す断面図である。
図１において１１はモータ部であり、１２は位置検出部である。１５は円錐台形状の永久磁石であり、モータ軸に対して垂直方向に２極に着磁されている。１３は固定体であり、磁気回路を形成するために、鉄や電磁鋼板などの磁性体で構成される。１４は磁界検出素子であり、第１の磁界検出素子１４１と第２の磁界検出素子１４２で構成され、第１の磁界検出素子１４１と第２の磁界検出素子１４２は永久磁石１５の回転方向側面に、それぞれ検出信号が９０度位相のずれた信号になるように配置されている。１６はモータ軸であり、回転運動と直動運動が可能となるよう支持されている。ただし、ここでは支持機構を省略している。円錐台形状の永久磁石１５は例えば圧粉磁心材料を用いた焼結磁石、もしくはフェライト磁石などの磁石を砕いてゴムやプラスチックに練り込んだ柔軟性のあるボンド磁石を用いて形成することができる。

図２は図１のＡ−Ａ’における磁石の断面と磁化方向を示したものである。
磁石１５を２極としているので、第１の磁界検出素子１４１と第２の磁界検出素子１４２の検出信号をモータ軸の回転に対して９０度位相のずれた信号とするために、２つの磁界検出素子をそれぞれ機械角で９０度離れた位置に配置する。
本実施例が従来の実施例と異なる点は、これまで別々の検出装置を用いて検出していた回転方向と直動方向の位置検出を、２個の磁界検出素子を用いて回転方向と直動方向の位置を同時に検出する点である。
本実施例の動作について説明する。図３は軸の回転位置と直動位置に対する磁界検出素子の検出磁束密度の変化を示したものである。軸の回転運動に対して磁界検出素子の検出磁束密度は正弦波状に変化し、軸の直動運動に対しては、検出磁束密度は直線的に変化する。図４は回転方向の位置をある位置に固定して、直動方向の位置を変化させた時の磁束密度の振幅の変化を模式的に示したものである。
直動方向の位置ｚの検出範囲をＺ１，Ｚ２とし、Ｚ１，Ｚ２の位置における磁束密度をＢ１，Ｂ２とすれば、この磁束密度分布は次式で表すことができる。

回転角θｐ、直動方向の位置をＺｐとすれば、この位置における第１の磁界検出素子１４１および第２の磁界検出素子１４２が出力する電圧Ｖ１，Ｖ２は次のようになる。


ここでＫは磁界検出素子が出力する電圧と磁束密度との比例定数である。
従って回転角θpは２つの磁界検出素子の検出信号の比の逆正接演算により、すなわち次式で求めることができる。

また、直動位置Ｚpは２つの磁界検出素子の検出信号の二乗和の平方根演算、すなわち次式で求めることができる。

ここでＣ1,Ｃ2は定数であり、次のように表される。


このように本実施例では、回転位置と直動位置の検出が２個の磁界検出素子の出力を用いることで可能になるので、小型の位置検出装置が実現することができる。

図５は第２の実施例を示す回転直動モータの位置検出装置の断面図である。図において１７は半径が異なる円筒状の永久磁石を複数重ね、稜線を円錐台形状としたものである。各々の永久磁石は２極に着磁されており、磁極が同じ方向になるように重ねられている。図６は図５のＢ−Ｂ’における磁石の断面と磁化方向を示したものである。
このように本実施例では、焼結磁石やボンド磁石のような一体の成形磁石を使用しなくても実施例１と同機能の位置検出装置を実現することができる。

図７は第３の実施例を示す磁石の形状である。図７（a）は永久磁石を一体で形成した場合を示し、図７（b）は円筒状の永久磁石を複数個積み重ねた場合を示す。磁石端部において漏れ磁束の影響が大きくなる場合、磁石端部付近に磁界検出素子が対抗すると、検出磁束密度が著しく減少するため、図に示すように端部付近の磁石の径を大きくし、円錐台形状の稜線を凹曲面にすることで、軸方向位置の変化に対する磁束密度の直線性を向上させることができる。

図８は第４の実施例を示す磁石の形状である。図８（a）は永久磁石を一体で形成した場合を示し、図８（b）は円筒状の永久磁石を複数個積み重ねた場合を示す。磁石端部の漏れ磁束の影響が無視できる場合、中央部の磁石の径を大きくし、端部の磁石の径を小さく円錐台形状の稜線を凸曲面にし、軸方向位置の変化に対する磁束密度の直線性を向上させることができる。このような形状にする理由を以下に述べる。
磁界検出素子の検出磁束密度の大きさは、磁石の発生する磁束密度の大きさと、磁石周面から磁界検出素子までの距離に依存する。磁石の発生する磁束密度は磁石形状と周辺に存在する磁性体により定まるパーミアンス係数で決まる。磁石径が大きい場合、内部に発生する反磁界が減少するとともに、磁石と磁性体でできた固定体までの距離が短くなるため、パーミアンス係数が大きくなり、磁石の発生する磁束密度は大きくなる。さらに、磁石径が大きい場合、磁石面から磁界検出素子までの距離が短くなるため、磁界検出素子の検出磁束密度は大きくなる。以上の２つの効果により、検出磁束密度は磁石の径に対して、単純に比例するのではなく、１．５〜２乗程度に比例する。したがって、円錐台磁石の中央部を凸曲面にすることで、軸方向位置の変化に対する磁束密度の直線性を向上させることができる。

図９は第５の実施例を示す磁石の形状である。図９（a）は永久磁石を一体で形成した場合を示し、図９（b）は円筒状の永久磁石を複数個積み重ねた場合を示す。
磁石端部近傍については、実施例３に示したように、漏れ磁束による磁束密度の減少分を補正するために、磁石径を大きくし、円錐台形状の稜線を凹曲面にする。
一方、磁石中央部の径については、実施例４に示したように、磁石のパーミアンス係数と磁界検出素子までの距離を考慮して、円錐台形状の稜線を凸曲面にする。
このような磁石形状にすることで、直動方向の広い領域で、軸方向位置の変化に対する磁束密度の直線性を向上させることができる。

図１０は本発明の第６の実施例を示す回転直動モータの位置検出装置の構造を示す断面図である。 実施例１との違いは１５が円筒形状の永久磁石であり、モータ軸１６に対して垂直方向に２極に着磁され、軸方向に磁化が漸増するように着磁されていることである。他の構成要素は同じであるので説明は省略する。本実施例では２極で構成しているが、多極であっても同様に構成することができる。
図１１は図１０の永久磁石１５のみを取り出した側断面図であり、磁化の様子を示したものである。永久磁石１５は軸方向に磁化が漸増するように着磁される。すなわち、第１の磁界検出素子１４１および、第２の磁界検出素子１４２の検出信号がモータ軸の直動位置に対して、概ね線形的に増減するように、着磁が施される。
本実施例の動作は実施例１で説明した動作と同じになるためここでは説明を省略する。

図１２に本実施例における永久磁石の着磁方法に関し、着磁器と永久磁石の断面図を示した例である。図において１５は円筒状の永久磁石であり、着磁コイル２１に通電を行い、着磁磁極２０から発生する磁束を受け、着磁が施される。
この場合、永久磁石１５は軸に対して垂直方向に２極着磁され、軸方向には永久磁石の磁化が漸増するように着磁される。すなわち、上部においては永久磁石１５の周面から着磁磁極面までの距離が長いため永久磁石１５の磁化は低いが、永久磁石１５の下部に行くほど磁化は大きくなる。このようにして、一度の通電により、永久磁石１５を着磁することができる。

永久磁石の周方向に磁束密度が正弦波状に変化させるような着磁を行うことはさほど難しくないが、円筒状永久磁石の軸方向に磁束密度が線形的に変化させるように着磁するのは比較的難しい。図１３に示すように軸方向の位置Ｚに対して、検出磁束密度Ｂは非線形に変化することがある。
このような場合、検出磁束密度Ｂ（θ，ｚ）は、直動位置ｚの一価関数ｆ（ｚ）を用いて、以下のように表すことができる。

ここで、モータ軸のある回転角θｐ、直動方向の位置Ｚｐおいて、第１の磁界検出素子１４１および第２の磁界検出素子１４２が出力する、それぞれの電圧Ｖ１，Ｖ２は次のようになる。

ここで、ｆ（Ｚｐ）は第１、第２の磁界検出素子が出力する電圧Ｖ１，Ｖ２から、

と表されるので、直動位置Ｚｐは


で定められる。ただし、一般的にはｆ^−１（Ｚｐ）を理論的に求めることが困難であるので、あらかじめ、位置と出力電圧に対する複数個のサンプリングデータを取得し、ｆ^−１（Ｚｐ）を例えば多項式補間などを行い表現することができる。
このようにして、直動位置Ｚｐを定めることができる。

以上のように磁界検出素子が検出する磁束密度が軸の回転方向には正弦波状に変化し、かつ、軸の直動方向には磁束密度の振幅が直線状に変化するように構成した磁気回路と、その磁界変化を２つの磁界検出素子で検出し、９０度位相の異なる検出信号から回転と直動の位置を検出するようにしたので、回転と直動の位置を同時に検出する小型の磁気式エンコーダ装置を実現することができる。
なお、上記実施例の説明では軸としてモータ軸としたが軸はモータ軸に限らず、たとえば検出器としての専用の軸であっても良い。

本発明によればモータ軸などの軸の回転位置と直動位置を小型の検出器で検出することができるので、回転直動モータなどの軸の位置検出装置としての用途へ適用することができる。

第１実施例を示す回転直動モータの位置検出装置の側断面図 第１実施例の回転直動モータの位置検出装置のＡ−Ａ’に沿った断面図 回転と直動方向全体の磁束密度分布を示す模式図 直動方向の位置に対する磁束密度の振幅の変化を示す模式図 第２実施例を示す回転直動モータの位置検出装置の側断面図 第２実施例の回転直動モータの位置検出装置のＢ−Ｂ’に沿った断面図 第３実施例を示す磁石の側断面図 第４実施例を示す磁石の側断面図 第５実施例を示す磁石の側断面図 第６実施例を示す回転直動モータの位置検出装置の側断面図 第６実施例を示す永久磁石の側断面図 第６実施例での永久磁石の着磁方法の構成を示す側断面図 直動方向の位置に対する磁束密度の振幅の変化を示す模式図 従来の回転位置を検出する位置検出装置の側断面図 従来の直動位置を検出する位置検出装置の側断面図

符号の説明

１ モータ部
２ 位置検出部
３ 直動軸受
４ 回転軸受
５ 回転信号発生部
６ 回転信号検出部
７ 直動信号発生部
８ 直動信号検出部
９ モータ軸
１１ モータ部
１２ 位置検出部
１３ 固定体
１４ 磁界検出素子
１４１ 第１の磁界検出素子
１４２ 第２の磁界検出素子
１５ 永久磁石
１６ モータ軸
１７ 永久磁石
２０ 着磁磁極
２１ 着磁コイル

Claims (15)

1. 回転運動と直動運動が可能となるよう支持された軸と、前記軸に固定された永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた磁界検出素子と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた位置検出装置において、
   前記磁界検出素子は前記永久磁石の回転方向側面に２個配置され、
   ２個の磁界検出素子からの検出信号は９０度の位相差をもち、
   前記磁界検出素子が検出する磁束密度は前記軸の回転方向に対して正弦波状に変化し、
   直動方向に対して磁束密度の振幅が位置に関して直線で変化するように構成した磁気回路を備え、前記磁界検出素子からの２検出信号から回転位置と直動位置を求めることを特徴とする位置検出装置。
2. 前記２個の磁界検出素子の２つの検出信号の比の逆正接演算から回転位置を、また前記２つの検出信号の二乗和の平方根演算により直動位置を検出することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
3. 前記永久磁石は前記軸の直動方向に円錐台形状となっており、
   前記軸に対して垂直方向に２極着磁されていることを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
4. 前記永久磁石は焼結磁石またはボンド磁石で円錐台形状に成形の後、前記軸に対して垂直方向に２極着磁したことを特徴とする請求項３記載の位置検出装置。
5. 前記永久磁石は複数個の永久磁石が前記軸の直動方向に並べて配置され、
   各々の前記永久磁石は前記軸に対して垂直方向に２極着磁され、
   各々の前記永久磁石の極は同じ方向になるように並べられ、
   各々の前記永久磁石の半径は前記軸の直動方向とともに変えられており、
   前記軸の直動方向に並べたときに前記複数の永久磁石が形成する稜線が円錐台形状になるようにしたことを特徴とする請求項１または３記載の位置検出装置。
6. 前記円錐台形状の永久磁石の稜線を凹曲面としたことを特徴とする請求項３または５記載の位置検出装置。
7. 前記円錐台形状の永久磁石の稜線を凸曲面としたことを特徴とする請求項３または５記載の位置検出装置。
8. 前記円錐台形状の永久磁石の稜線を凹曲面と凸曲面を組み合わせた形状としたことを特徴とする請求項３または５記載の位置検出装置。
9. 前記軸がモータ軸であることを特徴とする請求項１または３記載の位置検出装置。
10. 前記位置検出装置を搭載した請求項１または３記載の回転直動モータ。
11. 回転運動と直動運動が可能となるよう支持された軸と、前記軸に固定された円筒状の永久磁石と、前記永久磁石に空隙を介して対向し、固定体に取り付けられた磁界検出素子と、前記磁界検出素子からの信号を処理する信号処理回路とを備えた位置検出装置において、
    前記磁界検出素子は前記永久磁石の回転方向側面に２個配置され、
    ２個の磁界検出素子からの検出信号は９０度の位相差をもち、
    前記円筒状の永久磁石は磁界検出素子が検出する磁束密度が前記軸の回転方向に対して正弦波状に変化し、直動方向に対しては磁束密度の振幅が位置に関して線形特性又は一価関数の非線形特性で変化するように着磁されており、前記磁界検出素子からの２検出信号から回転位置と直動位置を求めることを特徴とする位置検出装置。
12. 前記永久磁石は焼結磁石またはボンド磁石で円筒形状に成形の後、前記軸に対して垂直方向に２極着磁したことを特徴とする請求項１１記載の位置検出装置。
13. 前記２個の磁界検出素子の２つの検出信号の比の逆正接演算から回転位置を検出し、
    直動位置検出に関し、前記磁束密度が線形特性の場合は前記２つの検出信号を二乗和の平方根演算して得られる値から直動位置を検出し、前記磁束密度が前記非線形特性の場合は更に前記一価関数の逆関数を計算することにより直動位置を検出することを特徴とする請求項１１記載の位置検出装置。
14. 前記軸がモータ軸であることを特徴とする請求項１１記載の位置検出装置。
15. 前記位置検出装置を搭載した請求項１１記載の回転直動モータ。