JP2009139222A - 回転・直動複合型モータの位置検出装置および回転・直動複合型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型の回転・直動複合型モータの位置検出装置を提供する。
【解決手段】位置検出装置２を複数個の位置検出用磁石１０と３個のホール素子から構成する。隣り合う位置検出用磁石の磁化方向１５は軸方向に互いに反転し、第一のホール素子１１を位置検出用磁石１０に対向するように配置し、第一のホール素子１１の位置から、周方向に９０度だけ回転した位置に第二のホール素子１２を配置し、第一のホール素子１１の位置から、軸方向に位置検出用磁石１０の磁極ピッチの１／２だけ離した位置に第三のホール素子１３を配置し、第一〜第三のホール素子の出力電圧Ｖ1〜Ｖ３を用いて、出力軸の回転位置θをθ＝ｔａｎ−１（Ｖ１／Ｖ２）、直動位置ｚをｚ＝ｔａｎ−１（Ｖ１／Ｖ３）で計算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転・直動複合型モータの出力軸の位置を検出する回転・直動複合型モータの位置検出装置および回転・直動複合型モータに関する。

従来、回転・直動複合型モータの出力軸の回転と直動の位置をそれぞれ別の位置検出装置用いて検出する回転・直動複合型モータが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
図７は従来の回転・直動複合型モータの回転用の位置検出装置の構造を示す側断面図、図８は直動用の位置検出装置の構造を示す側断面図である。

先ず、回転用の位置検出装置の構造について説明する。
図７において、１はモータ部、２１は回転用の位置検出装置である。
モータ部１において、１６は回転・直動軸受で、出力軸９は回転方向および直動方向に移動できるように支持されている。

回転用の位置検出装置２１において、３は直動軸受、４は回転軸受である。直動軸受３はボールスプライン軸受構造となっており、インナーレース側は出力軸９に固定され、アウターレース側は回転軸受４に回転自在に取り付け支持されている。５は直動軸受３のアウターレース側に固定された回転信号発生部で、回転信号発生部５は直動軸受３に同期回転して出力軸９の回転信号を発生する。６は回転信号検出器で、回転信号検出器６は、回転信号発生部５からの信号を定位置で受けて出力軸９の回転位置を検出する。

次に、直動用の位置検出装置の構造について説明する。
図８において、２２は直動用の位置検出装置である。
直動用の位置検出装置２２において、７は直動信号発生部で、出力軸９の直動方向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、出力軸９の直動信号を発生する。直動軸受３が回転軸受４を介してモータの出力軸９の下端部を支持している。８は直動信号検出器で、直動信号発生部７からの信号を定位置で受けて、出力軸９の直動位置を検出する。

このように、従来の回転・直動複合型モータは、出力軸の回転位置と直動位置をそれぞれ別の装置用いて検出していた。
特開２０００−１４１１５号公報

しかしながら、従来の回転・直動複合型モータの位置検出装置は、回転と直動の位置検出装置を別々に備え、これらを組み合わせてできているので、小型化することが困難であ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、小型の、直動・複合型モータの位置検出装置を実現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ものである。
請求項１に記載の発明は、回転方向および直動方向に移動する出力軸を有するモータ部と、前記出力軸の回転位置および直動位置を検出する位置検出装置とで構成される回転・直動複合型モータの位置検出装置において、前記位置検出装置は、円板状で円板状の平面に対して水平方向に一方向に磁化され、隣り合う磁化方向が互いに反転するよう直動方向に前記平面を垂直にして等間隔に配置された複数個の位置検出用磁石を備えたことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記位置検出装置は、前記位置検出用磁石の周方向の側面に対して空隙を介して配置された第一のホール素子と、前記第一のホール素子の位置から周方向に９０度だけ回転した位置に配置された第二のホール素子と、前記第一のホール素子の位置から直動方向に前記位置検出用磁石の磁極ピッチの１／２ピッチだけ離した位置に配置された第三のホール素子とを備え、前記第一のホール素子と前記第二のホール素子の出力電圧から前記回転位置を求め、前記第一のホール素子と前記第三のホール素子の出力電圧から前記直動位置を求めることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、前記回転位置を前記第一のホール素子と前記第二のホール素子の出力電圧の逆正接演算によって求め、前記直動位置を前記第一のホール素子と前記第三のホール素子の出力電圧の逆正接演算によって求めることを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、前記位置検出装置は、前記位置検出用磁石の周方向の側面に対して空隙を介して配置された第一のホール素子と、前記第一のホール素子の位置から周方向に９０度だけ回転した位置に配置された第二のホール素子と、前記第一のホール素子の位置から直動方向に前記位置検出用磁石の磁極ピッチの１／２ピッチだけ離した位置に配置された第三のホール素子と、前記第二のホール素子の位置から直動方向に前記位置検出用磁石の磁極ピッチの１／２ピッチだけ離した位置に配置された第四のホール素子とを備え、前記第一のホール素子と前記第二のホール素子の出力電圧、もしくは前記第三のホール素子と前記第四のホール素子の出力電圧から前記回転位置を求め、前記第一のホール素子と前記第三のホール素子の出力電圧、もしくは前記第二のホール素子と前記第四のホール素子の出力電圧から前記直動位置を求めることを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、前記第一のホール素子と前記第二のホール素子の出力電圧の逆正接演算、もしくは前記第三のホール素子と前記第四のホール素子の出力電圧の逆正接演算によって求め、前記直動位置を前記第一のホール素子と前記第三のホール素子の出力電圧の逆正接演算、もしくは前記第二のホール素子と前記第四のホール素子の出力電圧の逆正接演算によって求めることを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、回転・直動複合型モータが請求項１に記載の回転・直動複合型モータの位置検出装置を備えたことを特徴とする特徴としている。

請求項１乃至３に記載の発明によると、位置検出装置が、円板状で円板状の平面に対して水平方向に一方向に磁化され、隣り合う磁化方向が互いに反転するよう直動方向に円板状の平面を垂直にして等間隔に配置された複数個の位置検出用磁石を備えているので、出力軸の回転および直動の両方の位置検出ができ、位置検出装置を小型化することができる。

また、請求項４および請求項５に記載の発明によると、出力軸の回転および直動の両方の位置検出を位置検出用磁石と４個のホール素子のみで行なえば、位置検出装置を小型化することができるとともに、任意の回転位置・直動位置の検出精度を向上することができる。

また、請求項６に記載の発明によると、小型の位置検出装置を備えた回転・直動複合型モータが得られる。

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、本発明の第１実施例を示す回転・直動複合型モータの側断面図である。
図１において、回転・直動複合型モータはモータ部１と位置検出装置２から構成される。モータ部１では、出力軸９が回転方向および直動方向に移動できるように、回転・直動軸受１６に支持されている。位置検出装置２は出力軸９の回転と直動の絶対位置を検出する。

位置検出装置２は、複数個の位置検出用磁石と３個のホール素子から構成される。
図２は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は図１の位置検出装置部分の側断面図である。また、図４は本実施例における位置検出装置の位置検出用磁石と３個のホール素子の配置を概略的に示した斜視図である。ただし、出力軸９は省略している。
図２において、１０は位置検出用磁石で、円板形状をしており、円板の平面に対して水平方向に一方向に磁化されている。
また、図３において、複数個の円板状の永久磁石は、直動方向に対して隣接する永久磁石の間隔に等しい磁極ピッチ１９が構成されるよう、円板状の平面を直動方向に対して垂直にして等間隔に配置し、さらに、磁化方向１５が交互に反転するように配置した。

図２と図３において、１１は第一のホール素子、１２は第二のホール素子、１３は第三のホール素子である。第一のホール素子１１を位置検出用磁石１０の周方向の側面に対して空隙を介して配置し、第一のホール素子１１の位置から周方向に９０度だけ回転した位置に第二のホール素子１２を配置し、第一のホール素子１１の位置から直動方向に位置検出用磁石１０の磁極ピッチ１９の１／２ピッチ２０だけ離した位置に第三のホール素子１３を配置した。

次に、出力軸９の回転位置および直動位置を検出する原理について説明する。
定位置に固定された第一のホール素子１１は、位置検出用磁石１０から発生する磁界をホール素子の感受面に対して垂直な向きの成分として検出する。ここで、出力軸９の直動位置ｚを固定し、回転位置θを変動させると、ホール素子が検出する磁界の大きさは回転位置θの大きさに応じて正弦波状に変化し、同時にホール素子の出力電圧Ｖ１も回転位置θに関して正弦波となる。また、回転位置θを固定し、直動位置ｚを変動させると、第一のホール素子１１の出力電圧Ｖ１は直動位置ｚに関して正弦波となる。

したがって、出力軸９の回転位置θと直動位置ｚに対する第一のホール素子１１の出力電圧Ｖ１は図５に示すグラフのようになり、数式で表すと以下のようになる。
Ｖ１＝ｓｉｎθ・ｓｉｎｚ （１）
ここで、出力軸９の直動位置ｚは、位置検出用磁石１０の磁極ピッチ１９を角度１８０度に対応させた電気角で表現しており、ホール素子の出力電圧の振幅は１[Ｖ]と設定した。
図２では、１７が回転位置θの原点であり、第一ホール素子１１に対する出力軸９の回転位置θが９０度の場合を示している。また、図３では、１８が直動位置ｚの原点であり、第一ホール素子１１に対する出力軸９の直動位置ｚが９０度の場合を示している。

次に、第二のホール素子１２の出力電圧Ｖ２および第三のホール素子１３の出力電圧Ｖ３について説明する。
図１において出力軸９を上から見たとき右回転方向を正方向の回転方向とし、出力軸９が下から上に移動する方向を正方向の直動方向とすると第二のホール素子１２の出力電圧Ｖ２は、回転位置θについてＶ１よりもπ／２だけ位相が進んでおり、第三のホール素子１３の出力電圧Ｖ３は直動位置ｚについて、Ｖ１よりもπ／２だけ位相が進んでいるので、Ｖ２およびＶ３はそれぞれ以下に示す（２）式および（３）式で表される。
Ｖ２＝ｓｉｎ（θ＋π／２）・ｓｉｎｚ＝ｃｏｓθ・ｓｉｎｚ （２）
Ｖ３＝ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ｚ＋π／２）＝ｓｉｎθ・ｃｏｓｚ （３）

従って、出力軸９の回転位置θは第一、第二のホール素子の出力電圧Ｖ１とＶ２を用いて、
θ＝ｔａｎ^−１（Ｖ１／Ｖ２） ［ｒａｄ］ （４）
で計算することができ、
出力軸９の直動位置ｚは第一、第三のホール素子の出力電圧Ｖ１とＶ３を用いて、
ｚ＝ｔａｎ^−１（Ｖ１／Ｖ３） ［ｒａｄ］ （５）
で計算することができる。

（５）式では、出力軸９の直動位置ｚを電気角で表現しているので、距離で表現した直動位置ｚ’は、
ｚ’＝ｚ・Ｌ／π ［ｍ］ （６）
で表すことができる。ここで、Ｌは位置検出用磁石の磁極ピッチ［ｍ］を表す。

以上に示したように、本発明では、位置検出用磁石１０とホール素子３個を用いて、出力軸９の回転位置と直動位置の検出を同時に行えるようにしたので、位置検出装置を小型化することができる。

図６は、本発明の第２実施例を示す回転・直動複合型モータの位置検出装置における、位置検出用磁石とホール素子の配置を表す斜視図である。
図６において、１４は第四のホール素子である。本実施例が実施例１と異なるのは、第二のホール素子１２の位置から位置検出用磁石１０の磁極ピッチ１９の１／２の距離２０だけ軸方向に離した位置に、第四のホール素子１４を追加した点である。

実施例１の場合と同様な計算により、第四のホール素子１４の出力電圧Ｖ４は以下に示す（７）式で表される。
Ｖ４＝ｓｉｎ（θ＋π／２）・ｓｉｎ（ｚ＋π／２）＝ｃｏｓθ・ｃｏｓｚ （７）
なお、第一〜第三のホール素子の出力電圧Ｖ１〜Ｖ３は、実施例１に記載した（１）〜（３）式でそれぞれ表される。

はじめに、出力軸９の回転位置θを検出する原理について説明する。位置検出用磁石１０が回転したとき、第一のホール素子１１の出力電圧Ｖ１と第三のホール素子１３の出力電圧Ｖ３の大きさを比較して、第一のホール素子１１の出力電圧Ｖ１の方が大きいときは、第一のホール素子１１の出力電圧Ｖ１と第二のホール素子１２の出力電圧Ｖ２を用いて出力軸９の回転位置θの計算を行い、第三のホール素子１３の出力電圧Ｖ３の方が大きいときは、第三のホール素子１３の出力電圧Ｖ３と第四のホール素子１４の出力電圧Ｖ４を用いて出力軸の回転位置θの計算を行う。

すなわち、以下の（８）又は（９）式を用いて計算する。
θ＝ｔａｎ^−１（Ｖ１／Ｖ２） （Ｖ１＞Ｖ３のとき） （８）
θ＝ｔａｎ^−１（Ｖ３／Ｖ４） （Ｖ１≦Ｖ３のとき） （９）

次に、出力軸９の直動位置ｚを検出する原理について説明する。
出力軸９が直動したとき、第一のホール素子１１の出力電圧Ｖ１と第二のホール素子１２の出力電圧Ｖ２の大きさを比較して、第一のホール素子の出力電圧Ｖ１の方が大きいときは、第一のホール素子１１の出力電圧Ｖ１と第三のホール素子１３の出力電圧Ｖ３を用いて出力軸９の直動位置ｚの計算を行い、第二のホール素子１２の出力電圧Ｖ２の方が大きいときは、第二のホール素子１２の出力電圧Ｖ２と第四のホール素子１４の出力電圧Ｖ４を用いて位置検出用磁石１０の直動位置ｚの計算を行う。

すなわち、以下の（１０）又は（１１）式を用いて計算する。
ｚ＝ｔａｎ^−１（Ｖ１／Ｖ３） （Ｖ１＞Ｖ２のとき） （１０）
ｚ＝ｔａｎ^−１（Ｖ２／Ｖ４） （Ｖ１≦Ｖ２のとき） （１１）

上述のように出力軸９の回転位置と直動位置を計算することにより、回転位置θが１８０°の状態で直動位置ｚが変動する場合や、直動位置ｚが１８０°の状態で、回転位置θが変動する場合に、第一のホール素子１１の出力信号が常に０[Ｖ]となり、位置検出が困難となることを回避することができる。

本発明では位置検出素子として、ホール素子を用いたが、磁気抵抗効果素子等の他の磁気検出素子を用いても良い。

第１実施例を示す回転・直動複合型モータの側断面図 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図 図１の位置検出装置の側断面図 第１実施例における位置検出用磁石とホール素子の斜視図 回転位置θと直動位置ｚに関する第一のホール素子の出力電圧波形のグラフ 第２実施例における位置検出用磁石とホール素子の斜視図 従来の回転・直動複合型モータの回転用の位置検出装置の構造を示す側断面図 従来の回転・直動複合型モータの直動用の位置検出装置の構造を示す側断面図

符号の説明

１ モータ部
２ 位置検出装置
２１ 回転用の位置検出装置
２２ 直動用の位置検出装置
３ 直動軸受
４ 回転軸受
５ 回転信号発生部
６ 回転信号検出器
７ 直動信号発生部
８ 直動信号検出器
９ 出力軸
１０ 位置検出用磁石
１１ 第一のホール素子
１２ 第二のホール素子
１３ 第三のホール素子
１４ 第四のホール素子
１５ 磁化方向
１６ 回転・直動軸受
１７ θ＝０の位置
１８ ｚ＝０の位置
１９ 磁極ピッチ
２０ 磁極ピッチの１／２

Claims (6)

1. 回転方向および直動方向に移動する出力軸を有するモータ部と、前記出力軸の回転位置および直動位置を検出する位置検出装置とで構成される回転・直動複合型モータの位置検出装置において、
   前記位置検出装置は、円板状で円板状の平面に対して水平方向に一方向に磁化され、隣り合う磁化方向が互いに反転するよう直動方向に前記平面を垂直にして等間隔に配置された複数個の位置検出用磁石を備えたことを特徴とする回転・直動複合型モータの位置検出装置。
2. 前記位置検出装置は、前記位置検出用磁石の周方向の側面に対して空隙を介して配置された第一のホール素子と、
   前記第一のホール素子の位置から周方向に９０度だけ回転した位置に配置された第二のホール素子と、
   前記第一のホール素子の位置から直動方向に前記位置検出用磁石の磁極ピッチの１／２ピッチだけ離した位置に配置された第三のホール素子とを備え、
   前記第一のホール素子と前記第二のホール素子の出力電圧から前記回転位置を求め、
   前記第一のホール素子と前記第三のホール素子の出力電圧から前記直動位置を求めることを特徴とする請求項１記載の回転・直動複合型モータの位置検出装置。
3. 前記回転位置を前記第一のホール素子の出力電圧と前記第二のホール素子の出力電圧の逆正接演算によって求め、前記直動位置を前記第一のホール素子の出力電圧と前記第三のホール素子の出力電圧の逆正接演算によって求めることを特徴とする請求項２記載の回転・直動複合型モータの位置検出装置。
4. 前記位置検出装置は、前記位置検出用磁石の周方向の側面に対して空隙を介して配置された第一のホール素子と、
   前記第一のホール素子の位置から周方向に９０度だけ回転した位置に配置された第二のホール素子と、
   前記第一のホール素子の位置から直動方向に前記位置検出用磁石の磁極ピッチの１／２ピッチだけ離した位置に配置された第三のホール素子と、
   前記第二のホール素子の位置から直動方向に前記位置検出用磁石の磁極ピッチの１／２ピッチだけ離した位置に配置された第四のホール素子とを備え、前記第一のホール素子と前記第二のホール素子の出力電圧、もしくは前記第三のホール素子と前記第四のホール素子の出力電圧から前記回転位置を求め、前記第一のホール素子と前記第三のホール素子の出力電圧、もしくは前記第二のホール素子と前記第四のホール素子の出力電圧から前記直動位置を求めることを特徴とする請求項１記載の回転・直動複合型モータの位置検出装置。
5. 前記回転位置を前記第一のホール素子と前記第二のホール素子の出力電圧の逆正接演算、もしくは前記第三のホール素子と前記第四のホール素子の出力電圧の逆正接演算によって求め、前記直動位置を前記第一のホール素子と前記第三のホール素子の出力電圧の逆正接演算、もしくは前記第二のホール素子と前記第四のホール素子の出力電圧の逆正接演算によって求めることを特徴とする請求項４記載の回転・直動複合型モータの位置検出装置。
6. 請求項１記載の回転・直動複合型モータの位置検出装置を備えたことを特徴とする回転・直動複合型モータ。

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