(57)【要約】【課題】多数の磁気センサを用いずとも、可動子の位置検出を可能とし、棒状の可動子の回り止めも不要とすることができるセンサ付リニアモータを得る。【解決手段】固定子２と固定子２に対して直線移動可能な可動子１と、固定子２と可動子１のいずれか一方に設けられている駆動コイル５と、固定子２と可動子１のいずれか一方に設けられている固定子２に対する可動子１の位置を検出し駆動コイル５への通電を切り替えるためのセンサコイル６を有し、駆動コイル５は可動子の移動方向に磁極が交互に配置された駆動マグネット３に対向し、センサコイル６は可動子１の移動方向に透磁率や誘電率が異なる金属が交互に配置されてなる検出用金属４に対向し、駆動コイル５と検出用金属４は同一ピッチで配置されており、センサコイル６は励磁用コイルと検出用コイルとからなる、または、励磁用コイルと検出用コイルが一体となっている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、固定子に対して直線移動可能な可動子と、固定子と可動子のいずれか一方に設けられている駆動コイルと、固定子と可動子のいずれか一方に設けられ固定子に対する可動子の位置を検出し駆動コイルへの通電を切り替えるためのセンサコイルとを有してなるセンサ付きリニアモータであって、駆動コイルは可動子の移動方向に磁極が等ピッチで交互に配置された駆動マグネットに対向し、センサコイルは可動子の移動方向に透磁率の異なる磁性体や導電率の異なる金属が交互に配置されてなる検出用金属に対向し、駆動マグネットと検出用金属は同一ピッチで配置されており、センサコイルは励磁用コイルと検出用コイルとからなる、センサ付リニアモータ。
【請求項２】
請求項１記載のセンサ付きリニアモータにおいて、センサコイルは複数のコイルからなり、互いに位相の異なる信号を出力するように構成されていることを特徴とするセンサ付リニアモータ。
【請求項３】
請求項１記載のセンサ付リニアモータにおいて、センサコイルは２組のコイルからなり、互いに位相が９０度異なる信号を出力するセンサ付リニアモータ。
【請求項４】
請求項１記載のセンサ付リニアモータにおいて、検出用金属は、透磁率や導電率が異なるものを交互に配置してなるセンサ付リニアモータ。
【請求項５】
請求項１記載の検出用磁極体において、検出用金属は形状が異なる材質のものが交互に配置されてなるセンサ付きリニアモータ。
【請求項６】
請求項１記載のセンサ付リニアモータにおいて、駆動マグネットと検出用金属は、一定の間隔をおいて平行にかつ一体に形成され、上記駆動マグネット及び検出用金属と駆動コイル及びセンサコイルとが相対的に直線移動可能である、センサ付リニアモータ。
【請求項７】
請求項２記載のセンサコイルにおいて、複数のセンサコイルの検出信号をリニアエンコーダ出力として利用するセンサ付リニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータ、特に駆動マグネットと位置検出用金属を一体成型し、励磁コイルとセンサコイルを一体としてなる位置検出用コイルを位置検出用金属に対向させることで、小型かつ駆動制御量の信頼性を高めたセンサ付リニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のリニアモータはＮ極とＳ極を直線上にかつ交互に配した棒状の駆動マグネットを可動子とし、その可動子に外嵌する形状の固定子から構成されているのが普通である。固定子には駆動マグネットに対向する駆動コイルと、駆動コイルへの通電を切り替えるタイミングを検出する磁気センサが組み込まれている。
【０００３】
また、上記固定子と可動子は可逆的に使用することが可能であり、上記駆動マグネットを固定子とし、駆動コイル側を可動子とすることも可能である。
【０００４】
これらは可動子表面に段差を設け、その段差に可動子制御のための位置情報を提供する情報提供手段が設けられ、前記固定子に、該情報提供手段に対向接近配置されそこからの情報を読みとるエンコーダ用センサが搭載されてなるものである。
【０００５】
駆動マグネットに対向する駆動コイルは可動子に一定推力を連続的に与えてこれを駆動するために、駆動コイルの各部の界磁マグネットに対する位置を検出し、その位置で適切な大きさと方向の電流をコイル各部に流す。そのために、可動子には駆動マグネットからの磁気的信号を読みとるホール素子等の磁気センサが設けられる。
【０００６】
さらに、可動子上のモータ運転に用いる情報部分とこれを検出するセンサ類との位置関係を精度良く定める必要があるために可動子表面に設けた段差を、モータ自体を支持する支持材への系合部として利用することで、可動子の回転を抑え固定子に配置されている磁気センサと、可動子に配置されている磁気情報提供手段との対向精度を保つ工夫がされている（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８―２７５４８７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１記載の発明は、可動子上に設けられた磁気スケールと対向する磁気センサと、駆動コイルへの通電を切り替える為の磁気的情報を読みとる磁気センサなど、多くのセンサを配置する必要があり、さらに、可動子に対向配置された磁気センサと磁気的情報提供部分との乖離があってはならないので、可動子の回転を防止する機構が必要であった。
【０００９】
また、駆動マグネット上に、駆動マグネットとは別の磁気スケール用の着磁を微小な間隔で形成し、それを利用して位置検出に用いるため、強力な駆動マグネット上に別の微小間隔のマグネットを配置することになり、この別のマグネットによる位置検出用磁気的情報に対して、駆動マグネットが悪影響を与え、精度の良い可動子の制御が困難であった。
【００１０】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、
可動子に設けられた駆動マグネットと、固定子に設けられた駆動コイルへの通電を切り替える為の、センサコイルは、可動子に駆動マグネットと同一ピッチで設けられた検出用金属への励磁と磁気的信号検出を行う構成とすることで、多数の磁気センサを用いずとも、可動子の位置検出を可能とし、さらに、棒状の可動子の回り止めも不要とすることができるセンサ付リニアモータを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、固定子と固定子に対して直線移動可能な可動子と、固定子と可動子のいずれか一方に設けられている駆動コイルと、固定子と可動子のいずれか一方に設けられている固定子に対する可動子の位置を検出し駆動コイルへの通電を切り替えるためのセンサコイルを有し、駆動コイルは可動子の移動方向に磁極が交互に配置された駆動マグネットに対向し、センサコイルは可動子の移動方向に透磁率や誘電率が異なる金属が交互に配置されてなる検出用金属に対向し、駆動コイルと検出用金属は同一ピッチで配置されており、センサコイルは励磁用コイルと検出用コイルとからなる、または、励磁用コイルと検出用コイルが一体となっていることを特徴とする。
【００１２】
駆動コイルに通電されると、駆動マグネットとの間に生じる磁気的吸引、反発で可動子が固定子に沿って直線移動する。可動子の移動によりセンサコイルに電気信号が誘起される。この誘起信号は駆動コイルと検出用金属との相対的な位置関係によって、換言すれば、駆動コイルと駆動マグネットとの相対的な位置関係によって異なるので、上記誘起信号に応じて、駆動コイルへの通電を切り換えることにより、可動子の直線移動を続けることができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、センサコイルは複数のコイルからなり、互いに位相の異なる信号を出力することを特徴とする。検出用金属によって誘起される誘起信号を検出するコイルを複数用いることで、可動子の移動量を精度よく把握することができる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、センサコイルは２組のコイルからなり、互いに位相が９０度異なる信号を出力することを特徴とする。検出用金属によって誘起される誘起信号が２つのセンサコイルによって９０度の位相差があれば、その誘起信号は同一の値を示すことはなく、常に一意な信号の組み合わせとなる。これによって、検出用金属との相対的な位置を特定することができる。換言すれば、上記誘起信号によって可動子の位置制御を行うことができる。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、検出用金属は透磁率や導電率が異なる材質のものを交互に配置してなることを特徴とする。
透磁率や導電率が異なる材質のものを交互に配置して検出用金属を構成することにより、検出用金属によって誘起される誘起信号が連続的に異なることになり、検出用金属との相対的な位置を特定することができる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、検出用金属は形状が異なる材質のものが交互に配置されてなることを特徴とする。
形状が異なる材質のものを交互に配置して検出用金属を構成することにより、検出用金属によって誘起される誘起信号が連続的に異なることになり、検出用金属との相対的な位置を特定することができる。
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、駆動マグネットと検出用金属は、一定の間隔をおいて平行にかつ一体に形成され、上記駆動マグネット及び検出用金属と駆動コイル及びセンサコイルとが相対的に直線移動可能であることを特徴とする。
駆動マグネットと検出用金属を平行に配置することによって、センサ付リニアモータ全体の長さを短くすることが可能になる。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項２記載の発明において、複数のセンサコイルの検出信号をリニアエンコーダ出力として利用することを特徴とする。
複数のセンサコイルの検出信号を組み合わせて、検出用金属との相対位置を特定することができる。換言すれば、検出用金属と複数のセンサコイルに、磁気スケールとして機能させることが可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明にかかるセンサ付リニアモータの実施の形態について説明する。なお、実施の形態の説明において、センサコイルとは励磁用コイルと検出用コイルの組からなる、または、励磁用コイルと検出用コイルが一体化となっているものとする。
【００２０】
図１は本発明におけるリニアモータの基本構造を示している。このリニアモータは、棒状の可動子１とそれを外嵌する固定子２とによって構成され、可動子１は複数の磁極からなる駆動マグネット３と、複数の金属からなる検出用金属４を直線上に配置したものである。固定子２は駆動マグネット３と対向する複数の駆動コイル５と検出用金属４と対向する複数のセンサコイル６で構成され、各駆動コイル５は電気角が１２０度ずれた位置（尚、１２０度ずれた位置と同位相の位置でもよい）に配置した３相のリング上コイルからなっており、各センサコイル６は検出用金属４との相対移動によって互いに電気角が９０度ずれた検出信号が誘起される位置に配置されている。
【００２１】
図２は前記可動子１の構造をより詳細にあらわしたものである。駆動マグネット３と検出用金属４は等ピッチで配置されている。検出用金属４は異なる材質のものを交互に配置している。駆動マグネット３と検出用金属４は外形寸法が同じである。図２において、左側の約半分が駆動マグネット３で可動子１の長手方向にＮ極とＳ極が交互に配列されている。右側の約半分が検出用金属４で可動子１の長手方向に異なる材質の金属が交互に配列されている。
【００２２】
図３は上記実施の形態にかかるセンサ付リニアモータの動作を段階的に説明したものである。図３（ａ）は駆動前の状態を表している。図３（ａ）において、検出用金属４に対向するセンサコイル６は２つ配置されており、そのセンサコイルは互いに電気角９０度の差を持って信号を誘起するように位置をずらして配置されている。
【００２３】
駆動コイル５へ通電を行うと電気角を１周すなわち、３６０度進めた時点で図３（ｂ）の状態になる。検出用金属４と対向するセンサコイル６は、検出用金属４を構成する各金属との位置関係が図３（ａ）と同じような状態になる。さらに、３６０度進めた時点、すなわち、図３（ａ）の状態から電気角７２０度を進めた状態が図３（ｃ）である。
【００２４】
図３（ｃ）に示す状態においても検出用金属４とセンサコイル６の相対的な位置関係は同じになる。このように、特定の電気角において、センサコイル６が検出用金属４との磁気的な相対的位置関係が同じになり、この相対的な位置関係が同じ場合にはセンサコイル６に誘起される信号は同じであるから、この誘起信号によってセンサコイル６と検出用金属４との相対的位置の特定が可能である。また、図２で説明したとおり、駆動マグネット３と検出用金属４は同一ピッチで配置されている。したがって、検出用金属４とセンサコイル６の相対位置が特定できれば、駆動マグネット３と駆動コイル５の相対的な位置関係を特定することも可能となる。
【００２５】
検出用金属４とセンサコイル６との相対的な位置を特定するためには、検出用金属４が磁力を発し、それをセンサコイルによって検出することが必要となる。ここで、検出用金属４は永久磁石では無いため、励磁することによって磁化する必要がある。センサコイル６は、検出用金属４への励磁を行う励磁コイル（図示されていない）と、励磁された検出用金属から発する磁力によって誘起電力を発する検出コイル（図示されていない）によって構成されている。また、センサコイル６は励磁コイルと検出コイルを一体化して構成することもできる。
【００２６】
また、誘起される出力信号が区別できるようにするには、その要因となる誘起電力の特性が異なる必要があり、このことから、検出用金属４は異なる透磁率や誘電率をもつ材料を、可動子の移動方向（以下、「軸線方向」という）に交互に組み合わせて配置をしている。
【００２７】
ここで、検出用金属４とセンサコイル６の相対位置を特定する原理について説明する。図４はセンサコイル６が検出した誘起信号すなわち、センサコイル６の出力信号の例である。センサコイル６は軸線方向に位置を異ならせて配置された二つのコイルからなり、それぞれ異なる材質にて構成された磁性体４との相対的位置関係が異なっている。構図４（ａ）、（ｂ）は上記二つのコイルの出力信号を表しており、これらの出力信号の位相差は電気角９０度である。
【００２８】
このように、２つのセンサコイル６の出力は、９０度の位相差をもって出力されるため、電気角が１周（３６０度）間に、互いに同一の出力値は現れないことになる。従って、２つのセンサコイル６の出力の組み合わせを検出することによって、センサコイル６と検出用金属４の相対位置を特定することが可能となる。
【００２９】
また、検出用金属４の別の実施例として図５（ａ）に示すように同じ材質で、異なる形状のものを交互に組みあわせることで、前記検出用金属４と同等の効果を期待することもできる。さらに、図５（ｂ）のように異なる材質でかつ、異なる形状を交互に組みあわせるものでも良い。この場合の異なる形状とは、外径を異ならせたことである。ただし、全ての実施例において共通することは、検出用金属４を配置するピッチが駆動マグネット３の配列ピッチと同一ピッチとすることである。
【００３０】
駆動マグネット３のさらに別の実施例を図６（ａ）、図６（ｂ）に示す。図６（ａ）は、同磁極同士を隣り合わせにした配列したものである。このような配列にすることにより、マグネット外へ漏れる磁力線が増し、駆動コイルとの吸引、反発力を増加させ、可動子の推力を向上させることが可能となる。図６（ｂ）に示す駆動マグネットは、軸線方向に磁極が形成されたマグネットと半径方向に磁極が形成されたマグネットを軸線方向に配列したものを１つの単位マグネットとし、この単位マグネットを複数単位、軸線方向に配列したものである。単位マグネットは、軸線方向に磁極が互いに逆向きで半径方向の磁極が互いに逆向きのものの２種類があり、この２種類の単位マグネットが軸線方向に交互に配列されている。図６（ｂ）に示す駆動マグネットによれば、図６（ａ）に示したものよりもさらに、磁力線の量が増加し、可動子の推力をさらに向上させることができる。
【００３１】
駆動コイル５の別の実施例を図７（ａ）、図７（ｂ）に示す。図７（ａ）に示す例は、駆動コイル５間に間隔をあけ、駆動マグネット３との関係において２４０度の位相差で複数の駆動コイル５を配置したものである。結果的には駆動コイル５を１２０度の位相差で配置したものと同等である。図７（ｂ）に示す例は、駆動マグネット３との関係において電気角で１２０度に相当する幅の駆動コイル５を密に配置することにより、１２０度間隔で配置したものである。駆動コイル５は６つのコイルからなり、６つの駆動コイル５は例えば３相構成のコイルとして接続されている。
【００３２】
センサ用コイル６の別の実施例を図８（ａ）、図８（ｂ）に示す。図８（ａ）に示す例は、検出用金属４を構成する各磁性体の幅と同じ幅のセンサ用コイル６を２個密接させて単位コイルとし、この単位コイルを２単位、検出用金属４との関係において実質的に９０度の位相差をもって配置したものである。図８（ｂ）に示す例は、３個のセンサ用コイル６を検出用金属４との関係において２４０度で配置したもので、実質的には１２０度間隔で配置したのと同等の構成としたものである。３個のセンサ用コイル６からは１２０度位相差の信号が勇気され、この信号の組み合わせによってセンサ用コイル６の位置を検出することができ、結果として駆動コイル５の位置を検出することができる。
【００３３】
可動子１の別の実施例を図９に示す。この実施例のように、配置される駆動マグネット３の磁極数と検出用金属４の数は、同一でなくともよい。
【００３４】
また、センサ付リニアモータの別の実施例として図１０に示すように、駆動マグネット３と検出用金属４を平行に、かつ、Ｕ字型に一体に形成したものを可動子１として用いたものでもよい。駆動マグネット３の外側には駆動コイル５が相対移動可能に嵌められ、検出用金属４の外側にはセンサコイル６が相対移動可能に嵌められている。このように構成することで、センサ付リニアモータの全長を短くすることが可能となる。
【００３５】
従来のリニアモータにおける、駆動マグネットの磁極を検出して三つの磁気センサから得られる出力例を図１１に、またファイン着磁部とこれを検出する磁気センサから得られる出力例を図１２に示す。図１１のように各駆動マグネットに対応する磁気センサの出力は電気角１２０度ずつの位相差を持っている。そこで、駆動コイル５への通電切り換えも電気角１２０度間隔で行うことで、可動子を連続して移動させることができる。また、ファイン着磁部に対応する磁気センサから図１２に示すように微小な間隔で出力が得られることによって、微小な位置検出を行う意ことができる。
これに対して、これまで説明してきた本発明の実施形態によれば、検出用金属に対応するセンサコイルの出力によって、固定子と可動子との相対的位置関係を検出することができるため、この信号によって駆動コイルへの通電を切り換えて可動子に推力を発生させることができ、また、上記センサコイルの出力によってリニアエンコーダとしての機能を持たせることもできる。
【００３６】
本発明にかかるリニアモータは、図１３に示すように、固定子１が円柱状で、可動子２が固定子１の外側に嵌まる円柱状のものであってもよい。これまでの説明から明らかなように、駆動マグネットと駆動コイルによる推力の発生および検出用金属とセンサコイルによる位置検出は、固定子１と可動子２の回転方向の相対的な位置には依存しない。したがって、図１３に示す例のように、固定子１が円柱状で可動子２が円筒状で、相対回転可能な構成であってもなんら差し支えない。
固定子と可動子とが相対回転してはならないものであれば、図１４に示す例のように、固定子１を四角柱状に、可動子２を固定子１の外側に嵌まる四角筒状にして、相対的な回り止めがなされる構成にするとよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、固定子と、固定子に対して直線移動可能な可動子と、固定子と可動子のいずれか一方に設けられている駆動コイルと、固定子と可動子のいずれか一方に設けられ固定子に対する可動子の位置を検出し駆動コイルへの通電を切り替えるためのセンサコイルとを有してなるセンサ付きリニアモータであって、駆動コイルは可動子の移動方向に磁極が等ピッチで交互に配置された駆動マグネットに対向し、センサコイルは可動子の移動方向に透磁率の異なる磁性体や誘電率の異なる金属の異なる磁性体が交互に配置されてなる検出用金属に対向し、駆動マグネットと検出用金属は同一ピッチで配置されており、センサコイルは励磁用コイルと検出用コイルとからなる構成とした。そのため、駆動コイルへの通電切り換えをセンサコイルによる磁気的信号の検出によって行うことができ、これによって多数の磁気センサを用いずともリニアモータを駆動することが可能となり、構成が簡単化とコストの低廉化を図ることができる。また、駆動マグネットと駆動コイルが、円周方向に回転してもリニアモータの駆動に問題が無くなるので、回転を阻止する必要がなく、回転止めが不要となるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるリニアモータの長軸方向軸線を含水平面に沿って、切断した断面図である。
【図２】上記をリニアモータにおける可動子の構造を表した図である。
【図３】本発明にかかるリニアモータの動作説明図である。
【図４】本発明にかかるリニアモータにおけるセンサコイルの出力波形の例を示す波形図である。
【図５】本発明にかかるリニアモータの検出用金属の構造の別の例を示す断面図である。
【図６】本発明にかかるリニアモータの駆動マグネットの構造の別の例を示す断面図である。
【図７】本発明にかかるリニアモータの他の実施例の長軸方向軸線を含む水平面に沿って切断して示す断面図である。
【図８】本発明にかかるリニアモータのさらに他の実施例を長軸方向軸線を含む水平面に沿って切断して示す断面図である。
【図９】本発明にかかるリニアモータにおける可動子の別の例を示す断面図である。
【図１０】本発明にかかるリニアモータのさらに他の実施例を長軸方向軸線を含む水平面に沿って切断して示す断面図である。
【図１１】従来のリニアモータにおける駆動コイルと磁気センサの出力例を示すタイミングチャートである。
【図１２】従来のリニアモータにおけるファイン着磁部と磁気センサによる出力例を示す波形図である。
【図１３】本発明にかかるリニアモータの外観の例を示す斜視図である。
【図１４】本発明にかかるリニアモータの外観の別の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  固定子
２  可動子
５  駆動コイル
６  センサコイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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