JP5195188B2 - 回転直動位置検出装置および回転直動位置検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、１ つのモータで、回転と移動の２ つのモーションを精密に行う回転直動モータの回転直動位置検出装置および位置検出方法に関する。

従来の回転直動モータの回転直動位置検出装置は、直動軸受に設けられたモータ出力軸とともに移動する回転スケールおよび直動スケールを、それぞれ回転検出器および直動検出器で用いて読み取り位置を検出する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図１３のＡ）において、１はモータ出力軸、２はモータフレーム、３は検出器フレーム、４は回転軸受、５は直動軸受、５１は直動軸受インナーレース、５２は直動軸受アウターレース、６は回転スケール、７は回転検出器である。ここで、回転軸受４は、直動軸受５を介してモータ出力軸１と結合している。回転スケール６は直動軸受アウターレース５２に設けられているため、モータ出力軸１および直動軸受５に同期回転する。この回転スケール６を回転検出器７で読み取ることで回転方向の位置を検出している。さらに、図１３のＢ）において、８は直動動スケール、９は直動検出器である。ここで、直動軸受５は、回転軸受４を介してモータ出力軸１と結合している。直動スケール８は直動軸受インナーレース５１に設けられているため、モータ出力軸１および回転軸受４に同期直動する。この直動スケール８を直動検出器９で読み取ることで直動方向の位置を検出している。

また、図１４に例を示すようにモータ出力軸の一端に、回転スケール６および直動スケール８を取り付け、それぞれ回転検出器７および直動検出器９で用いて読み取り位置を検出する方法も開示されている。（例えば、特許文献２参照）。
特許第３４３９９８８号公報（第６頁、図２、図４） 特開２００７−１４３３８５号公報（第１７頁、図１０）

しかしながら、特許文献１の場合では、回転軸受けおよび直動軸受けの外周部に回転検出器および直動動検出器を配置するので、モータ外形が太くなるという問題があった。また、特許文献２の場合では、回転スケールおよび直動スケールを直線状に配置するので、回転スケールと直動スケールを足し合わせた長さは、モータストロークの２倍以上の長さが必要となり、モータ外形が長くなるという問題もあった。

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、モータ外形太さを細くするとともにモータ外形長さを短くすることができ、モータ出力軸のストロークを長く取れる回転直動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のである。
本発明の一観点による回転直動位置検出装置は、モータ出力軸１の一端に設けられ回転位置を検出するための回転スケール６と前記回転スケールの外周固定端に設けられた回転検出器７とモータ出力軸１の直動方向の直動位置を検出するための直動スケール８と前記直動スケールの外周固定端に設けられた直動検出器９を備えた回転直動モータの回転直動位置検出装置において、
前記回転スケール６と前記直動スケール８は円柱状で同じ長さｄを持ち、モータ出力軸の一端に直列に配置され、全体のスケールは前記回転スケール６と前記直動スケール８の組み合わせを複数組直列に備え、前記回転検出器７は前記回転スケール６の長さｄと同じ間隔で２組備え、前記直動検出器９は前記直動スケール８の長さｄと同じ間隔で２組備えたことを特徴とするものである。
また、この回転直動位置検出装置は、前記２組の回転検出器７は、前記回転スケール６に対して、位相が９０度ずれた信号を得るための回転Ａ相検出器７１１，７２１および回転Ｂ相検出器７１２，７２２と、前記回転Ａ相検出器７１１，７２１および前記Ｂ相検出器７１２，７２２のおのおのの出力信号に対して１８０度位相のずれた信号を出力する回転／Ａ相検出器７１３，７２３および回転／Ｂ相検出器７１４，７２４からなり、前記２組の直動検出器９は、前記直動スケール８に対して、位相が９０度ずれた信号を得るための直動Ａ相検出器９１１、９２１および直動Ｂ相検出器９１２，９２２と、前記直動Ａ相検出器９１１，９２１および前記直動Ｂ相検出器９１２．９２２のおのおのの出力信号に対して１８０度位相のずれた信号を出力する直動／Ａ相検出器９１３，９２３および、直動／Ｂ相検出器９１４、９２４を備えてもよい。
また、この回転直動位置検出装置は、交互に配置された前記回転スケール６と前記直動スケール８の組み合わせを２組備えてもよい。
また、この回転直動位置検出装置は、前記回転検出器７および前記直動検出器９のＢ相検出器１０１１，１０２１を１つの素子で共用してもよい。
また、この回転直動位置検出装置は、前記回転検出器７および前記直動検出器９のＡ相検出器を１つの素子で共用してもよい。
また、この回転直動位置検出装置は、前記回転スケール６と前記直動スケールをＮ極とＳ極が一定間隔で磁化された永久磁石により形成するとともに、前記回転検出器７および前記直動検出器９が磁気式検出器からなってもよい。
また、この回転直動位置検出装置は、前記回転スケール６と前記直動スケール８を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により形成すると共に、前記回転検出器７および前記直動検出器９がインダクタンス変化を検出するレゾルバ式検出器からなってもよい。
また、この回転直動位置検出装置は、前記回転スケール６と前記直動スケール８を凹凸の形状もしくは明暗の印刷パターンにより形成するとともに、前記回転検出器７および前記直動検出器９が光学式検出器からなってもよい。
また、この回転直動位置検出装置は、１組目の前記回転検出器のＡ相検出器７１１の出力Ｖθ１ａ、／Ａ相検出器７１３の出力Ｖθ１／ａ、Ｂ相検出器７１２の出力Ｖθ１ｂ、／Ｂ相検出器７１４の出力Ｖθ１／ｂを求め、２組目の前記回転位置検出器のＡ相検出器７２１の出力Ｖθ２ａ、／Ａ相検出器７２３の出力Ｖθ２／ａ、Ｂ相検出器７２２の出力Ｖθ２ｂ、／Ｂ相検出器７２４の出力Ｖθ２／ｂを求め、これら出力信号から演算により回転方向の回転位置θを求めてもよい。
また、本発明の他の観点による回転直動位置検出方法は、上記回転直動位置検出装置を使用して、１組目の前記直動検出器の直動Ａ相検出器９１１の出力ＶＺ１ａ、直動／Ａ相検出器９１３の出力ＶＺ１／ａ、直動Ｂ相検出器９１２の出力ＶＺ１ｂ、直動／Ｂ相検出器９１４の出力ＶＺ１／ｂを求め、２組目の前記直動検出器の直動Ａ相検出器９２１の出力ＶＺ２a、直動／Ａ相検出器９２３の出力ＶＺ２／a、直動Ｂ相検出器９２２の出力ＶＺ２ｂ、直動／Ｂ相検出器９２４の出力ＶＺ２／ｂを求め、これら出力信号から演算により直動方向の直動位置Ｚを求めることを特徴とするものである。
また、本発明の更に他の観点による回転直動位置検出方法は、上記回転直動位置検出装置を使用して、１組目の前記回転検出器の回転Ａ相検出器の出力Ｖθ１ａ、回転／Ａ相検出器の出力Ｖθ１／ａ、回転Ｂ相検出器の出力Ｖθ１ｂ、回転／Ｂ相検出器の出力をＶθ１／ｂ、を求め、２組目の前記回転検出器の回転Ａ相検出器の出力Ｖθ２ａ、回転／Ａ相検出器の出力Ｖθ２ａ、回転Ｂ相検出器の出力Ｖθ２ｂ、回転／Ｂ相検出器の出力Ｖθ２／ｂを求め、前記出力信号から演算により回転位置θを、次に１組目の前記直動検出器の直動Ａ相検出器の出力ＶＺ１ａ、直動／Ａ相検出器の出力ＶＺ１／ａ、直動Ｂ相検出器の出力ＶＺ１ｂ、直動／Ｂ相検出器の出力ＶＺ１／ｂを求め、２組目の前記直動検出器の直動Ａ相検出器の出力ＶＺ２a、直動／Ａ相検出器の出力ＶＺ２／a、直動Ｂ相検出器の出力ＶＺ２ｂ、直動／Ｂ相検出器の出力ＶＺ２／ｂを求め、これら出力信号から演算により直動方向の直動位置Ｚを求めることを特徴とするものである。
また、本発明の更に他の観点による回転直動位置検出方法は、上記回転直動位置検出装置を使用して、１組目の、前記回転検出器の回転Ａ相検出器７１１の出力Ｖθ１ａ、回転／Ａ相検出器７１３の出力Ｖθ１／ａ、前記直動検出器の直動Ａ相検出器９１１の出力ＶＺ１ａ、直動／Ａ相検出器９１３の出力ＶＺ１／ａ、前記回転検出器および前記直動検出器で共用の直動回転Ｂ相検出器１０１１の出力ＶθＺ１ｂ、前記回転検出器および前記直動検出器で共用の直動回転／Ｂ相検出器１０１２の出力ＶθＺ１／ｂを求め、次に２組目の前記回転検出器の回転Ａ相検出器７２１の出力Ｖθ２ａ、回転／Ａ相検出器７２３の出力Ｖθ２／ａ、前記直動検出器の直動Ａ相検出器９２１の出力ＶＺ２a、直動／Ａ相検出器９２３の出力ＶＺ２／a、前記回転検出器および前記直動検出器で共用の直動回転Ｂ相検出器１０２１の出力ＶθＺ２ｂ、前記回転検出器および前記直動検出器で共用の直動回転／Ｂ相検出器１０２２の出力ＶθＺ２／ｂを求め、これら出力信号から演算により回転方向の回転位置θおよび直動方向の直動位置Ｚを求めることを特徴とするものである。

本発明の各観点による回転直動位置検出装置及び回転直動位置検出方法によると、回転スケールと直動スケールを交互に配置しているので、モータ外形を小さくすることでき、さらにモータ出力軸のストロークを長くすることができる。
また、この回転直動位置検出装置及び回転直動位置検出方法によると、回転検出器と直動検出器のＢ相検出器と／Ｂ相検出器もしくはＡ相検出器と／Ａ相検出器を共用するため、回転検出器と直動検出器の検出素子数を減らすことができる。
また、この回転直動位置検出装置及び回転直動位置検出方法によると、検出手段が磁気式やレゾルバであるので、周囲温度が高い用途やオイルミスト雰囲気中でも使用することができる。
また、この回転直動位置検出装置及び回転直動位置検出方法によると、精密に刻まれた目盛を光学式検出手段を用いているので高精度な角度と位置を検出することができる。

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、本発明の回転直動位置検出装置の断面図である。図において、１はモータ出力軸、２はモータフレーム、３は検出器フレーム、４はモータフレーム２に取り付けられた回転軸受、５はモータ出力軸１と回転軸受４に取り付けられた直動軸受、６はモータ出力軸１の端に取り付けられた回転スケール、７は固定端の検出器フレーム３に取り付けられた回転検出器、８は回転スケール６の端に取り付けられた直動スケール、９は固定端の検出器フレーム３に取り付けられた直動検出器となっている。また、回転スケール６と回転検出器７は、モータ出力軸１の長手方向に２組取り付けられている。また、２組の回転スケール６と直動スケール８は円柱状で長さは同じ長さｄである。

本発明が従来技術と異なる部分は、回転スケール６と直動スケール８をモータ出力軸１の長手方向に交互に２組備え、回転スケール６と直動スケール８の周囲に、回転検出器７と直動検出器９を２組備えた部分である。

図２から図４を用いて、回転検出器７および直動検出器９の詳細な構成を説明する。図２は、本発明の回転直動位置検出装置の回転検出器７および直動検出器９の詳細を示す断面図、図３は、図２のＡ断面図およびＡ’ 断面図、図４は、本発明の回転直動位置検出装置の直動検出器９の詳細をあらわす図３のＢ断面図である。図２から図４に示すように、回転スケール６の外周囲に回転Ａ相検出器１ａ ７１１を配置し、回転スケール６の外周囲に回転Ａ相検出器１ａ ７１１を基準として９０度の位置に回転Ｂ相検出器１ｂ ７１２、１８０度の位置に回転／Ａ相検出器１／ａ ７１３、２７０度の位置に回転／Ｂ相検出器１／ｂ ７１４を夫々配置し１組の回転検出器７を構成する。また、回転Ａ相検出器１ａからモータ出力軸１の長手方向に長さｄはなれた位置に、回転Ａ相検出器２ａ ７２１を配置し、直動スケール８の外周囲に回転Ａ相検出器２ａ ７２１を基準として９０度の位置に回転Ｂ相検出器２ｂ ７２２、１８０度の位置に回転／Ａ相検出器２／ａ ７２３、２７０度の位置に回転／Ｂ相検出器２／ｂ ７２４を夫々配置し別の回転検出器７を構成する。

さらに、図４に示すように回転スケール６１および直動スケール８１の外周囲に直動Ａ相検出器１ａ ９１１を配置し、回転スケール６１の長手方向に長さ1／４ｄはなれた位置に直動Ｂ相検出器１ｂ ９１２を配置する。また、回転スケール６１の外周囲に直動Ａ相検出器１ａ ９１１に対して１８０度対向位置に直動／Ａ相検出器１／ａ ９１３、長さ1／４ｄはなれた位置に直動／Ｂ相検出器２／ｂ ９１４を配置し、１組の直動検出器９を構成する。また同様に、直動Ａ相検出器１ａ ９１１にして、モータ出力軸１の長手方向に長さｄはなれた位置に、直動Ａ相検出器２ａ ９２１を配置し、長さ1／４ｄはなれた位置に直動Ｂ相検出器２ｂ ９２２を配置する。また、直動Ａ相検出器２ａ ９２１に対して１８０度対向位置に直動／Ａ相検出器２／ａ ９２３、長さ1／４ｄはなれた位置に直動／Ｂ相検出器２／ｂ ９２４を夫々配置し別の直動検出器９を構成する。

ここで、回転スケール６と回転検出器７および直動スケール８と直動検出器９の位置検出方法は、磁気式、光学式、レゾルバ式などが用いられる。各検出方式の構成は後ほど述べる。

その位置検出動作を、図５を用いて説明する。ここでは磁気式による位置検出方法で説明を行う。回転スケール６１，６２の図５のＣ断面図で示す着磁の様子を図６(１)、直動スケール８１，８２の図５のＤ断面図で示す着磁の様子を図６(２)に示すようにそれぞれ２極着磁されている。ここでは、回転スケール６１，６２と直動スケール８１，８２ともに２極着磁としたが、多極着磁としてもかまわない。モータ出力軸１の端には、回転スケールａ６１、続いて直動スケールａ８１、回転スケールｂ６２、直動スケールｂ８２が取り付けられている。回転検出器７と直動検出器９は磁界検出素子で構成されている。回転検出器７と直動検出器９に用いられる磁界検出素子としては、ホール素子やＭＲ素子などが挙げられる。

回転検出器７が検出した信号を、それぞれＶθ１ａ、Ｖθ１ｂ、Ｖθ１／ａ、Ｖθ１／ｂ、Ｖθ２ａ、Ｖθ２ｂ、Ｖθ２／ａ、Ｖθ２／ｂ、直動検出器９が検出した信号を、ＶＺ１ａ、ＶＺ１ｂ、ＶＺ１／ａ、ＶＺ１／ｂ、ＶＺ２ａ、ＶＺ２ｂ、ＶＺ２／ａ、ＶＺ２／ｂとそれぞれすると、回転方向の回転位置θは、

直動方向の直動位置Ｚは、

で求められる、。以下この理由について回転位置θをよび直動位置Ｚの検出原理を説明する。

ここで、モータ出力軸１が各位置にあるときの、回転検出器７と直動検出器９の検出した信号と位置の関係について述べる。まず、モータ出力軸１が最上点にある図５(１)の位置では、回転Ａ相検出器２ａ ７２１の出力Ｖθ２ａと回転／Ａ相検出器２／ａ ７２３の出力Ｖθ２ａは磁界強度は同じ強度で同極性となるので、Ｖθ２ａ−Ｖθ２／ａ＝０となる。同様の理由で、回転Ｂ相検出器２ｂ ７２２の出力Ｖθ２ｂと回転／Ｂ相検出器２／ｂ ７２４の出力Ｖθ２／ｂは磁界強度は同じ強度で同極性となるので、Ｖθ２ｂ−Ｖθ２／ｂ＝０となり、図５(１)の位置での回転位置θは式（１）より、

となる。このように、回転位置θは回転スケールａ６１の磁界変化のみが反映されることになる。また、直動Ａ相検出器１ａ ９１１の出力ＶＺ１ａと直動／Ａ相検出器１／ａ９１３の出力ＶＺ１／ａの磁界強度は同じ強度で極性が逆となるので、ＶＺ１ａ＋ＶＺ１／ａ＝０となる。同様の理由で、直動Ｂ相検出器１ｂ ９１２の出力ＶＺ１ｂと直動／Ｂ相検出器１／ｂ ９１４の出力ＶＺ１／ｂの磁界強度は同じ強度で極性が逆となるので、ＶＺ１ｂ＋ＶＺ１／ｂ＝０となり、図５(１)の位置での直動位置Ｚは式（２）より、

となる。このように、直動位置Ｚは直動スケールａ８１の磁界変化のみを検出することになる。ここで、上記式中のＶＺ２ａ＋ＶＺ２／ａとＶＺ２ｂ＋ＶＺ２／ｂの値は、近傍の回転スケールａ６１の磁界の影響を受けるが、ＶＺ２ａとＶＺ２／ａ、もしくはＶＺ２ｂとＶＺ２／ｂへの回転スケールａ６１の磁界強度は、同じ強度で極性が逆となるので、キャンセルされ直動位置Ｚの算出には影響をおよばさない。

つぎに、モータ出力軸１が図５(２)の位置では図５(１)の位置のときと同様に、回転Ａ相検出器２ａ ７２１の出力Ｖθ2ａと回転／Ａ相検出器２／ａ ７２３の出力Ｖθ2／ａは磁界強度は同じ強度で同極性となるので、Ｖθ2ａ−Ｖθ2／ａ＝０と、Ｖθ2ｂ−Ｖθ2／ｂ＝０となり、回転位置θは式（１）より、

となる。このように、回転位置θは回転スケールａ６１の磁界変化のみが反映されることになる。また、直動Ｂ相検出器１ｂ ９１２の出力ＶＺ１ｂと直動／Ｂ相検出器１／ｂ９１４の出力ＶＺ１／ｂの磁界強度は同じ強度で極性が逆となるので、ＶＺ１ｂ＋ＶＺ１／ｂ＝０、ＶＺ２ａ＋ＶＺ２／ａ＝０となり、図５(２)の位置での直動位置Ｚは式（２）より、

となる。このように、直動位置Ｚは直動スケールａ ８１の磁界変化のみが反映されることになる。

つぎに、モータ出力軸１が図５(３)の位置では、Ｖθ１ａ−Ｖθ１／ａ＝０と、Ｖθ１ｂ−Ｖθ１／ｂ＝０となり、回転位置θは式（１）より、

となる。このように、回転位置θは回転スケールｂ ６２の磁界変化のみが反映されることになる。また、ＶＺ２ａ＋ＶＺ２／ａ＝０、ＶＺ２ｂ＋ＶＺ２／ｂ＝０となり、直動位置Ｚは式（２）より、

となる。このように、直動位置Ｚは直動スケールａ８１の磁界変化のみが反映されることになる。

最後に、モータ出力軸１が最下点にある図５(４)の位置では、Ｖθ2ａ−Ｖθ2／ａ＝０と、Ｖθ2ｂ−Ｖθ2／ｂ＝０となり、回転位置θは式（１）より、

となる。このように、回転位置θは回転スケールｂ６２の磁界変化のみが反映されることになる。また、ＶＺ１ａ＋ＶＺ１／ａ＝０、ＶＺ１ｂ＋ＶＺ１／ｂ＝０となり、直動位置Ｚは式（２）より、

となる。このように、直動位置Ｚは直動スケールｂ ８２の磁界変化のみが反映されることになる。

以上のように、モータ出力軸１がどこの位置にあっても、回転位置θには回転スケール６の磁界変化のみが、直動位置Ｚには直動スケール８の磁界変化のみが反映されることになり、回転方向および直動方向の位置を正確に検出することが出来る。また、回転スケール６と直動スケール８の２組分である全スケール長さＬ２は、モータ出力軸１のストロークＬ１と回転検出器７と直動検出器９の長さＬ３を加えた値となる。ここでは、全スケール長さＬ２は、モータ出力軸１のストロークＬ１の約１６/１１倍となり、従来技術で説明したものより短いスケールを構成することが出来る。

以上、モータ出力軸１の端に回転スケールａ ６１、続いて直動スケールａ ８１、回転スケールｂ ６２、直動スケールｂ ８２が取り付けられている場合について、説明をしたが、回転スケール６と直動スケール８の順番を入れ替えた場合であっても、位置の検出が可能である。また、回転検出器７と直動検出器９の配置の関係は、モータ出力軸１のストロークを制限しない範囲であれば、どこでも配置可能である。

図７は第２実施例の構成を示す図である。図に示すように、回転スケール６と直動スケール８の組み合わせを多層に積み上げている。図７では回転スケール６１〜６６と直動スケール８１〜８６が６組積層されている。位置検出動作の原理は実施例１と同じなので、説明は割愛する。ここで、回転スケール６と直動スケール８の組み合わせの２組分の長さＬ２は、モータ出力軸１のストロークＬ１の約４８/４３倍となり、実施例１よりもさらに短いスケールを構成することが出来る。一般に、全ての回転スケール６と直動スケール８の長さＬ２’は、モータ出力軸１のストロークＬ１’と回転検出器７と直動検出器９の長さＬ３を加えた値となる。ここで、回転スケール６と直動スケール８の組み合わせの積層数をｐとすると、回転スケール６と直動スケール８の組み合わせの２組分の長さＬ２’は、

となる。このように、回転スケール６と直動スケール８の組み合わせの積層数を増やすことで、回転スケール６と直動スケール８の組み合わせの２組分の長さＬ２’を短く構成することが可能となる。

図８および図９は第３実施例の構成を示す図である。図に示すように、回転スケール６の外周囲に回転Ａ相検出器１ａ ７１１を配置し、回転スケール６の外周囲に回転Ａ相検出器１ａ ７１１を基準として９０度の位置に回転直動Ｂ相検出器１ｂ １０１１、１８０度の位置に回転／Ａ相検出器１／ａ ７１３、２７０度の位置に回転直動Ｂ相検出器２／ｂ １０１２をそれぞれ配置し１組の回転検出器７を構成する。また同様にして、回転Ａ相検出器１ａ ７１１を基準としてモータ出力軸１の長手方向に長さｄはなれた位置に、回転Ａ相検出器２ａ ７２１を配置し、直動スケール８の外周囲に回転Ａ相検出器２ａ ７２１を基準として９０度の位置に回転直動Ｂ相検出器２ｂ １０２１、１８０度の位置に回転／Ａ相検出器２／ａ７２３、回転直動／Ｂ相検出器２／ｂ １０２２を夫々配置し別の回転検出器７を構成する。

さらに、回転スケール６の外周囲に回転直動Ｂ相検出器１ｂ １０１１を基準として、長さ1／４ｄはなれた位置に直動Ａ相検出器１ａ ９１１を配置する。また、回転スケール６の外周囲に回転直動／Ｂ相検出器１／ｂ １０１２を基準として、長さ1／４ｄはなれた位置に直動／Ａ相検出器１／ａ ９１３を配置し、直動Ａ相検出器１ａ ９１１、直動／Ａ相検出器１／ａ ９１３、回転直動Ｂ相検出器１ｂ １０１１、回転直動／Ｂ相検出器１／ｂ １０１２により１組の直動検出器９を構成する。このように、回転検出器７と直動検出器９は、回転直動Ｂ相検出器１ｂ １０１１と回転直動／Ｂ相検出器１／ｂ １０１２を共用する。また同様にして、回転スケール６の外周囲に回転直動Ｂ相検出器２ｂ １０２１を基準として、長さ1／４ｄはなれた位置に直動Ａ相検出器２ａ ９２１を配置する。また、回転スケール６の外周囲に回転直動／Ｂ相検出器２／ｂ １０２２を基準として、長さ1／４ｄはなれた位置に直動／Ａ相検出器２／ａ ９２３を配置し、直動Ａ相検出器２ａ ９２１、直動／Ａ相検出器２／ａ ９２３、回転直動Ｂ相検出器２ｂ １０２１、回転直動／Ｂ相検出器２／ｂ １０２２により１組の直動検出器９を構成する。このように、回転検出器７と直動検出器９は、回転直動Ｂ相検出器２ｂ １０２１と回転直動／Ｂ相検出器２／ｂ １０２２を共用する。

その位置検出動作を、図１０を用いて説明する。ここでは、磁気式による位置検出方法で説明を行う。モータ出力軸１の端には、回転スケールａ ６１、続いて直動スケールａ８１、回転スケールｂ ６２、直動スケールｂ ８２が取り付けられている。回転検出器７と直動検出器９は磁界検出素子で構成されている。回転検出器７と直動検出器９に用いられる磁界検出素子としては、ホール素子やＭＲ素子などが挙げられる。回転Ａ相検出器１ａ ７１１、回転／Ａ相検出器１／ａ ７１３、回転Ａ相検出器２ａ ７２１、回転／Ａ相検出器２／ａ ７２３が検出した信号を、それぞれＶθ１ａ、Ｖθ１／ａ、Ｖθ２ａ、Ｖθ２／ａ、直動Ａ相検出器１ａ ９１１、直動／Ａ相検出器１／ａ ９１３、直動Ａ相検出器２ａ ９２１、直動／Ａ相検出器２／ａ ９２３が検出した信号を、ＶＺ１ａ、ＶＺ１／ａ、ＶＺ２ａ、ＶＺ２／ａ、回転直動Ｂ相検出器１ｂ １０１１、回転直動／Ｂ相検出器１／ｂ １０１２、回転直動Ｂ相検出器２ｂ １０２１、回転直動／Ｂ相検出器２／ｂ １０２２が検出した信号を、ＶθＺ１ｂ、ＶθＺ１／ｂ、ＶθＺ２ｂ、ＶθＺ２／ｂとそれぞれすると、回転方向の回転位置θは、

直動方向の直動位置Ｚは、

で求められる。以下この理由についてに回転位置θをよび直動位置Ｚの検出原理を説明する。

ここで、モータ出力軸１が各位置にあるときの、回転検出器７と直動検出器９および回転直動検出器１０の検出した信号と位置の関係について述べる。まず、モータ出力軸１が最上点にある図１０(１)の位置では、Ｖθ２ａとＶθ２／ａの磁界強度は同じ強度で同極性となるので、Ｖθ２ａ−Ｖθ２／ａ＝０となる。同様の理由で、ＶθＺ２ｂ−ＶθＺ２／ｂ＝０となり、図５(１)の位置での回転位置θは式（３）より、

となる。このように、回転位置θは回転スケールａ ６１の磁界変化のみが反映されることになる。また、ＶＺ１ａとＶＺ１／ａの磁界強度は同じ強度で極性が逆となるので、ＶＺ１ａ＋ＶＺ１／ａ＝０となる。同様の理由で、ＶθＺ１ｂ＋ＶθＺ１／ｂ＝０となり、図５(１)の位置での直動位置Ｚは式（４）より、

となる。このように、直動位置Ｚは直動スケールａ ８１の磁界変化のみを検出することになる。

つぎに、モータ出力軸１が図１０(２)の位置では図１０(１)の位置のときと同様に、Ｖθ２ａ−Ｖθ２／ａ＝０と、ＶθＺ２ｂ−ＶθＺ２／ｂ＝０となり、回転位置θは式（３）より、

となる。このように、回転位置θは回転スケールａ ６１の磁界変化のみが反映されることになる。また、ＶθＺ１ｂ＋ＶθＺ１／ｂ＝０、ＶＺ２ａ＋ＶＺ２／ａ＝０となり、図５(２)の位置での直動位置Ｚは式（４）より、

となる。このように、直動位置Ｚは直動スケールａ ８１の磁界変化のみが反映されることになる。

つぎに、モータ出力軸１が図１０(３)の位置では、Ｖθ１ａ−Ｖθ１／ａ＝０と、ＶθＺ１ｂ−ＶθＺ１／ｂ＝０となり、回転位置θは式（３）より、

となる。このように、回転位置θは回転スケールｂ ６２の磁界変化のみが反映されることになる。また、ＶＺ２ａ＋ＶＺ２／ａ＝０、ＶθＺ２ｂ＋ＶθＺ２／ｂ＝０となり、直動位置Ｚは式（４）より、

となる。このように、直動位置Ｚは直動スケールａ ８１の磁界変化のみが反映されることになる。

最後に、モータ出力軸１が最下点にある図１０(４)の位置では、Ｖθ２ａ−Ｖθ２ａ＝０と、θＺ２ｂ−θＺ２／ｂ＝０となり、回転位置θは式（３）より、

となる。このように、回転位置θは回転スケールｂ ６２の磁界変化のみが反映されることになる。また、ＶＺ１ａ＋ＶＺ１／ａ＝０、ＶθＺ１ｂ＋ＶθＺ１／ｂ＝０となり、直動位置Ｚは式（４）より、

となる。このように、直動位置Ｚは直動スケールｂ ８２の磁界変化のみが反映されることになる。

以上のように、モータ出力軸１がどこの位置にあっても、回転位置θには回転スケール６の磁界変化のみが、直動位置Ｚには直動スケール８の磁界変化のみが反映されることになり、正確に位置を検出することが出来る。実施例３が実施例１と異なる点は、回転検出器７と直動検出器９が、回転直動Ｂ相検出器１０を共用することで、検出器の素子数を減らすことが可能となる点である。 また、ここでは回転検出器７と直動検出器９のＢ相検出器を共用する説明をしたが、回転検出器７と直動検出器９のＡ相検出器を共用する形態をとっても同様の効果が得られる。

図１１は第４実施例の構成を示す図である。実施例４ が実施例１ 、３ と異なる点は、回転スケール６ａおよび直動スケール８ａを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により構成し、回転検出器７ａおよび直動検出器９ａに励磁巻線と検出巻線を有するいわゆるレゾルバの原理で検出する手段を設けた点である。回転スケール６ａの表面は円周方向に凹凸が一定間隔に設けられており、直動スケール８ａの表面は長手方向に凹凸が一定間隔に設けられている。この凹凸によりできるギャップ長の変化をインダクタンス変化として検出する。このインダクタンス変化は温度変化やミストなどの影響を受けにくいため、周囲温度が高い用途やオイルミスト雰囲気中でも使用することができる。

図１２は第５実施例の構成を示す図である。実施例５が実施例１と異なる点は、回転スケール６ｂおよび直動スケール８ｂを光学スケールにより構成し、回転検出器７ｂおよび直動検出器９ｂに光学検出器を設けた点である。回転スケール６ｂの表面は円周方向に一定間隔にスケールが設けられており、直動スケール８ｂの表面は長手方向に一定間隔にスケールが設けられている。このスケールを回転検出器７ｂおよび直動検出器９ｂを用いて光学的明暗の変化として検出する。回転スケール６ｂおよび直動スケール８ｂには、精密にスケールを刻むことができるので、高精度位置を検出することができる。

本発明は、直動動作を実現する小型回転直動アクチュエータを提供することができる。よって、直動と回転の２自由度動作が要求されるチップマウンタ装置のマウンタヘッドや各種検査装置の検査ヘッドなどの用途に適用することができる。

本発明の第１実施例を示す回転直動位置検出装置の断面図 本発明の第１実施例を示す回転スケールおよび直動スケールの断面図 本発明の第１実施例を示す回転検出器および直動検出器の断面図 本発明の第１実施例を示す回転検出器および直動検出器の側断面図 本発明の第１実施例の位置検出動作を示す断面図 本発明の第１実施例を示す回転スケールおよび直動スケールの着磁状態の断面図 本発明の第２実施例の位置検出動作を示す断面図 本発明の第３実施例を示す回転スケールおよび直動スケールの断面図 本発明の第３実施例を示す回転検出器および直動検出器の断面図 本発明の第３実施例の位置検出動作を示す断面図 本発明の第４実施例を示す回転スケールおよび直動スケールの断面図 本発明の第５実施例を示す回転スケールおよび直動スケールの断面図 従来の回転直動位置検出装置の側断面図 従来の回転直動位置検出装置の側断面図

符号の説明

１ モータ出力軸
２ モータフレーム
３ 検出器フレーム
４ 回転軸受
５ 直動軸受
５１ 直動軸受インナーレース
５２ 直動軸受アウターレース
６ 回転スケール
６ａ 回転スケール
６ｂ 回転スケール
６１ 回転スケールａ
６２ 回転スケールｂ
６３ 回転スケールｃ
６４ 回転スケールｄ
６５ 回転スケールｅ
６６ 回転スケールｆ
７ 回転検出器
７ａ 回転検出器
７ｂ 回転検出器
７１１ 回転Ａ相検出器１ａ
７１２ 回転Ｂ相検出器１ｂ
７１３ 回転／Ａ相検出器１／ａ
７１４ 回転／Ｂ相検出器１／ｂ
７２１ 回転Ａ相検出器２ａ
７２２ 回転Ｂ相検出器２ｂ
７２３ 回転／Ａ相検出器２／ａ
７２４ 回転／Ｂ相検出器２／ｂ
８ 直動スケール
８ａ 直動スケール
８ｂ 直動スケール
８１ 直動スケールａ
８２ 直動スケールｂ
８３ 直動スケールｃ
８４ 直動スケールｄ
８５ 直動スケールｅ
８６ 直動スケールｆ
９ 直動検出器
９ａ 直動検出器
９ｂ 直動検出器
９１１ 直動Ａ相検出器１ａ
９１２ 直動Ｂ相検出器１ｂ
９１３ 直動／Ａ相検出器１／ａ
９１４ 直動／Ｂ相検出器１／ｂ
９２１ 直動Ａ相検出器２ａ
９２２ 直動Ｂ相検出器２ｂ
９２３ 直動／Ａ相検出器２／ａ
９２４ 直動／Ｂ相検出器２／ｂ
１０ 回転直動検出器
１０１１ 回転直動Ｂ相検出器１ｂ
１０１２ 回転直動Ｂ相検出器１／ｂ
１０２１ 回転直動Ｂ相検出器２ｂ
１０２２ 回転直動Ｂ相検出器２／ｂ

Claims (12)

1. モータ出力軸の一端に接続され、該モータ出力軸と同一の軸を中心とした円柱状に延長形成されたスケールと、
   前記スケールに対向して固定配置され、前記モータ出力軸の回転方向の回転位置及び直動方向の直動位置を検出する検出器と、
   を備え、
   前記スケールは、前記軸に沿って、長さが同一で交互に配置された２以上の回転スケール及び２以上の直動スケールを有し、
   前記検出器は、
   前記回転スケールの長さと同一の間隔で前記軸に沿って配置され、それぞれ前記回転スケールから前記回転位置を検出する２組の回転検出器と、
   前記直動スケールの長さと同一の間隔で前記軸に沿って配置され、それぞれ前記直動スケールから前記直動位置を検出する２組の直動検出器と
   を有する、回転直動位置検出装置。
2. ２組の前記回転検出器のそれぞれの組は、
   前記回転スケールに対して、位相が９０度ずれた信号を得るための回転Ａ相検出器および回転Ｂ相検出器と、
   前記回転Ａ相検出器および前記回転Ｂ相検出器のおのおのの出力信号に対して１８０度位相のずれた信号を出力する回転／Ａ相検出器および回転／Ｂ相検出器と、
   を有し、
   ２組の前記直動検出器のぞれぞれの組は、
   前記直動スケールに対して、位相が９０度ずれた信号を得るための直動Ａ相検出器および直動Ｂ相検出器と、
   前記直動Ａ相検出器および前記直動Ｂ相検出器のおのおのの出力信号に対して１８０度位相のずれた信号を出力する直動／Ａ相検出器および直動／Ｂ相検出器と、
   を有する、請求項１記載の回転直動位置検出装置。
3. 前記回転検出器および前記直動検出器のＢ相検出器を１つの素子で共用する、請求項２記載の回転直動位置検出装置。
4. 前記回転検出器および前記直動検出器のＡ相検出器を１つの素子で共用する、請求項２又は３に記載の回転直動位置検出装置。
5. 前記回転スケールおよび前記直動スケールは、Ｎ極とＳ極が一定間隔で磁化された永久磁石により形成され、
   前記回転検出器および前記直動検出器は、磁気式検出器からなる、請求項１〜４のいずれか１項記載の回転直動位置検出装置。
6. 前記回転スケールおよび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により形成され、
   前記回転検出器および前記直動検出器は、インダクタンス変化を検出するレゾルバ式検出器からなる、請求項１〜４のいずれか１項記載の回転直動位置検出装置。
7. 前記回転スケールおよび前記直動スケールは、凹凸の形状もしくは明暗の印刷パターンにより形成され、
   前記回転検出器および前記直動検出器は、光学式検出器からなる、請求項１〜４のいずれか１項記載の回転直動位置検出装置。
8. 交互に配置された前記回転スケールと前記直動スケールの組み合わせを２組備えている、請求項１〜７のいずれか１項記載の回転直動位置検出装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項記載の回転直動位置検出装置を使用して、
   １組目の前記回転検出器の回転Ａ相検出器の出力Ｖθ１ａ、回転／Ａ相検出器の出力Ｖθ１／ａ、回転Ｂ相検出器の出力Ｖθ１ｂ、回転／Ｂ相検出器の出力Ｖθ１／ｂを求め、
   ２組目の前記回転検出器の回転Ａ相検出器の出力Ｖθ２ａ、回転／Ａ相検出器の出力Ｖθ２／ａ、回転Ｂ相検出器の出力Ｖθ２ｂ、回転／Ｂ相検出器の出力Ｖθ２／ｂを求め、
   これら出力信号から演算により回転方向の回転位置θを求める、回転位置検出方法。
10. 請求項１〜８のいずれか１項記載の回転直動位置検出装置を使用して、
    １組目の前記直動検出器の直動Ａ相検出器の出力ＶＺ１ａ、直動／Ａ相検出器の出力ＶＺ１／ａ、直動Ｂ相検出器の出力ＶＺ１ｂ、直動／Ｂ相検出器の出力ＶＺ１／ｂを求め、
    ２組目の前記直動検出器の直動Ａ相検出器の出力ＶＺ２a、直動／Ａ相検出器の出力ＶＺ２／a、直動Ｂ相検出器の出力ＶＺ２ｂ、直動／Ｂ相検出器の出力ＶＺ２／ｂを求め、
    これら出力信号から演算により直動方向の直動位置Ｚを求める、直動位置検出方法。
11. 請求項１〜８のいずれか１項記載の回転直動位置検出装置を使用して、
    １組目の前記回転検出器の回転Ａ相検出器の出力Ｖθ１ａ、回転／Ａ相検出器の出力Ｖθ１／ａ、回転Ｂ相検出器の出力Ｖθ１ｂ、回転／Ｂ相検出器の出力Ｖθ１／ｂを求め、
    ２組目の前記回転検出器の回転Ａ相検出器の出力Ｖθ２ａ、回転／Ａ相検出器の出力Ｖθ２／ａ、回転Ｂ相検出器の出力Ｖθ２ｂ、回転／Ｂ相検出器の出力Ｖθ２／ｂを求め、
    これら出力信号から演算により回転方向の回転位置θを求め、
    １組目の前記直動検出器の直動Ａ相検出器の出力ＶＺ１ａ、直動／Ａ相検出器の出力ＶＺ１／ａ、直動Ｂ相検出器の出力ＶＺ１ｂ、直動／Ｂ相検出器の出力ＶＺ１／ｂを求め、
    ２組目の前記直動検出器の直動Ａ相検出器の出力ＶＺ２a、直動／Ａ相検出器の出力ＶＺ２／a、直動Ｂ相検出器の出力ＶＺ２ｂ、直動／Ｂ相検出器の出力ＶＺ２／ｂを求め、
    これら出力信号から演算により直動方向の直動位置Ｚを求める、回転直動位置検出方法。
12. 請求項３記載の回転直動位置検出装置を使用して、
    １組目の、前記回転検出器の回転Ａ相検出器の出力Ｖθ１ａ、回転／Ａ相検出器の出力Ｖθ１／ａ、前記直動検出器の直動Ａ相検出器の出力ＶＺ１ａ、直動／Ａ相検出器の出力ＶＺ１／ａ、前記回転検出器および前記直動検出器で共用の直動回転Ｂ相検出器の出力ＶθＺ１ｂ、前記回転検出器および前記直動検出器で共用の直動回転／Ｂ相検出器の出力ＶθＺ１／ｂを求め、
    ２組目の、前記回転検出器の回転Ａ相検出器の出力Ｖθ２ａ、回転／Ａ相検出器の出力Ｖθ２／ａ、前記直動検出器の直動Ａ相検出器の出力ＶＺ２a、直動／Ａ相検出器の出力ＶＺ２／a、前記回転検出器および前記直動検出器で共用の直動回転Ｂ相検出器の出力ＶθＺ２ｂ、前記回転検出器および前記直動検出器で共用の直動回転／Ｂ相検出器の出力ＶθＺ２／ｂを求め、
    これら出力信号から演算により回転方向の回転位置θおよび直動方向の直動位置Ｚを求める、回転直動位置検出方法。