JP2024105664A - 長尺リニア永久磁石モータのための位置センサ - Google Patents

Abstract

【課題】より信頼性が高く且つ単純であり、これにより費用効果が高く、リニアモータの性能に影響を及ぼさないリニア永久磁石モータの位置決め性能を提供する。
【解決手段】本発明では、可動子が、運動方向に沿って移動するように配置されている。位置検出装置が、永久磁石のアレイの磁場を感知するように動作可能とされる検知素子を備えており、検知素子が、固定子ユニットに固定されている。永久磁石のアレイが、永久磁石のアレイ及び少なくとも１つのコイルによって生成される電磁場が相互に作用することによってトラクションを発生させるように構成されている空隙によって、固定子ユニットから離隔して配置されている。検知素子が、永久磁石のアレイが検知素子に対応して配置されている場合に、検知素子が永久磁石のアレイの漏洩磁場の内部に位置するように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニア永久磁石モータに関し、より具体的には、固定子に対する可動子の位置を検出又は決定するための位置センサを具備する長尺リニア永久磁石モータに関する。

特許文献１は、可動子と呼ばれる可動ユニットの絶対位置を測定可能とされるリニアモータを開示している。複数のホールセンサが、固定子ユニットに設けられている。永久磁石とは異なる材料から形成されている基準部分が、永久磁石を具備する可動部に取り付けられているので、基準部分の近傍において磁場を変化させることができる。ホールセンサは、変化した磁場を感知可能であるように配置されている。

従って、ホールセンサは、可動子の基準部分が通過するときに検出し、絶対位置を決定することができる。しかしながら、欠点を１つ挙げると、可動部は、隣接する永久磁石とは異なる磁気特性を有する材料から作られた基準部分を備える必要がある。従って、このような基準部分は、モータの性能を低下させる。他の欠点を挙げると、永久磁石が移動する際にホールセンサが永久磁石の主磁場の内部に位置するので、アナログ測定の場合にセンサが飽和してしまう。アナログ計測は、あまり多くのセンサを付加しないで、より高い分解能を有する位置センサを得るために必要とされる。さらなる他の欠点を挙げると、ホールセンサがコイル同士の間に、及び／又は、コイルに隣接して取り付けられているので、動作中にコイルが加熱され、ホールセンサの温度が上昇してしまう。ホールセンサの感度は温度依存性を有しているので、信頼性の高い測定が困難になる場合がある。

大韓民国特許出願公開第１０２０１５０１４５４０７号明細書

本発明における実施態様の目的は、上述の欠点を克服することである。特に、より信頼性が高く且つ単純であり、これにより費用効果が高く、リニアモータの性能に影響を及ぼさないリニア永久磁石モータの位置決め性能を提供することを目的とする。

本発明における実施態様の目的は、例えばリニアエンコーダのような高価な部品を使用することなく、より正確な位置決め性能を有するリニア永久磁石モータを提供することである。本発明の目的は、長行程に亘って正確な位置決めが可能なリニア永久磁石モータを提供することである。

本発明は、特許請求の範囲に記載のリニア（すなわち、直線的な行程を有している）永久磁石モータを提供する。モータは、少なくとも１つの、優位には複数の固定子ユニットと、一の可動子、又は複数の可動子とを備えている。固定子ユニットはそれぞれ、磁場を発生させるための少なくとも１つのコイルを備えている。可動子は、固定子ユニットから離隔して配置されている永久磁石のアレイを備えている。空隙が、永久磁石のアレイと固定子ユニットの間に介在している。アレイの永久磁石の電磁場と、少なくとも１つのコイルによって発生される電磁場とが空隙の内部で相互作用することによって、可動子が固定子ユニットに対してトラクションを発生させる。可動子は、運動方向に沿って移動するように配置されている。優位には、アレイの永久磁石は、運動方向に沿って所定の間隔で互いから離隔している。優位には、永久磁石のアレイは、空隙に対して露呈している表面を有している。当該表面は、優位には平坦で有、運動方向に対して平行とされる。モータは、固定子ユニット（それぞれ）に対する可動子の位置を決定するように動作可能とされる位置検出装置を備えている。

位置検出装置は、（アレイの永久磁石の）可動子の磁場を感知するように動作可能とされる検知素子を備えている。検知素子は、固定子ユニットに固定されている。

本発明における第１の実施態様では、検知素子は、永久磁石のアレイが運動方向に沿って検知素子に対応して配置されている場合に、検知素子が永久磁石のアレイの漏洩磁場の内部に位置するように位置決めされている。漏洩磁場とは、可動子によって発生される磁場のうち、固定子ユニットによって連結されていない部分である。言い換えれば、漏洩磁場は、永久磁石のアレイが通過する場合に固定子ユニットのコイルと接続しない磁力線から形成されている。

第１の実施態様と組み合わせて又は第１の実施態様から独立して実現可能な、本発明における第２の実施態様では、永久磁石のアレイの露呈された表面に対して平行とされる空隙の正中面に対する検知素子の直交投影が、運動方向に沿って移動する場合における正中面に対する永久磁石のアレイの（外周の）直交投影によって形成された帯の外部に位置されるように、検知素子は位置決めされている。優位には、検知素子が永久磁石のアレイの漏洩磁場の内部に位置決めされている場合に、空隙の正中面に対する検知素子の位置の直交投影が、運動方向に沿って移動する場合における正中面に対する永久磁石アレイの直交投影によって形成される帯の外部に位置している。

上述の第１の実施態様又は第２の態様における検知素子を配置させることによって、検知素子は、可動子が通過するときに永久磁石のアレイの磁場の強度が大きく減少する位置に位置決めされるので、検知素子の飽和が回避される。その結果として、感知素子は、感知された磁場の強度に連続的に比例する出力を提供するので、固定子ユニットに対する可動子の位置を正確に決定することができ、優位には、高価なエンコーダに頼ることなく感知素子のみに基づいて、可動子の絶対位置を正確に決定することができる。これにより、正確な位置検出のために感知素子を利用可能となり、リニアエンコーダの必要性を排除することができる。

このような位置では、漏洩磁場が主磁場より顕著に弱いので、例えばホールセンサや磁気抵抗センサのような検知素子が飽和する恐れがほとんど解消される。従って、アナログ測定に好適であるので、その結果として、検知素子を追加することなく、位置測定の解像度を高めることができる。

さらに、このような永久磁石から遠位の位置では、検知素子は、従来技術と比較してコイルからさらに遠位に取り付けられるので、コイルの発熱に起因してセンサが温度上昇する恐れがほとんど解消される。

さらには、（直交投影で見ると）永久磁石の上方又は下方の位置が可能であるので、その結果として、固定子ユニットのコイルを互いに近接させて配置させ、より高い力密度を有するモータを得ることができる。

本発明における実施態様について、添付図面を参照しつつ詳述するが、同一の参照数字は同一の形態を示している。
［付記項１］
少なくとも１つのコイル（１４）を具備する固定子ユニット（１１）と、
永久磁石（１３１）のアレイを具備する可動子（１２）であって、前記可動子（１２）が、運動方向（１０１）に沿って移動するように配置されており、前記永久磁石（１３１）のアレイが、前記永久磁石（１３１）のアレイ及び少なくとも１つの前記コイル（１４）によって生成される電磁場が相互に作用することによってトラクションを発生させるように構成されている空隙（１８）によって、固定子ユニット（１１）から離隔して配置されている、前記可動子（１２）と、
前記固定子ユニット（１１）に対する前記可動子（１２）の位置を決定するように動作可能とされる位置検出装置（１６）と、
を備えているリニア永久磁石モータ（１０）において、
前記位置検出装置（１６）が、前記永久磁石（１３１）のアレイの磁場を感知するように動作可能とされる検知素子（１６１）を備えており、前記検知素子が、前記固定子ユニット（１１）に固定されており、
前記検知素子（１６１）が、前記永久磁石のアレイが前記検知素子に対応して配置されている場合に、前記検知素子が前記永久磁石（１３１）のアレイの漏洩磁場（１３４）の内部に位置するように配置されていることを特徴とするリニア永久磁石モータ。
［付記項２］
前記空隙（１８）が、前記永久磁石（１３１）のアレイと少なくとも１つの前記コイル（１４）との間に挿置されていることを特徴とする請求項１に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項３］
前記永久磁石（１３１）のアレイが、前記空隙（１８）に対して露呈された表面（１３３）を有しており、前記表面（１３３）が、平坦であり、且つ、前記運動方向（１０１）に対して平行とされ、前記空隙が、前記表面（１３３）に対して平行とされる正中面（１８１）を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項４］
前記検知素子（１６１）が、正中面（１８１）に対する検知素子の直交投影が、前記運動方向（１０１）に沿って移動している場合における前記正中面（１８１）に対する前記永久磁石（１３１）のアレイの直交投影によって形成された帯（１３２）の外部に位置するように配置されることを特徴とする請求項３に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項５］
前記検知素子（１６１）が、前記空隙（１８）に対応する位置に、前記正中面（１８１）に対して垂直とされる方向に沿って位置決めされていることを特徴とする請求項３又は４に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項６］
前記検知素子（１６１）が、前記可動子（１２）に対応する位置に、前記正中面（１８１）に対して垂直とされる方向に沿って位置決めされていることを特徴とする請求項３又は４に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項７］
前記検知素子（１６１）が、前記永久磁石（１３１）のアレイに対応する位置に、前記正中面（１８１）に対して垂直とされる方向に沿って位置決めされていることを特徴とする請求項６に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項８］
前記検知素子（１６１）が、固定子ユニット（１１）に対応する位置に、正中面（１８１）に垂直な方向に沿って配置されていることを特徴とするリニア永久磁石モータ。
［付記項９］
前記検知素子（１６１）が、少なくとも１つの前記コイル（１４）の位置に対応する位置に、前記運動方向（１０１）に沿って位置決めされていることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項１０］
前記検知素子（１６１）が、非磁性材料で作られた支持体（１１１）に埋設されており、前記固定子ユニット（１１）に固定されていることを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項１１］
前記支持体が、前記正中面（１８１）に対する前記支持体の直交投影が前記帯（１３２）の外部に位置するように位置決めされていることを特徴とする請求項４を引用する請求項１０に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項１２］
前記支持部（１１１）が、前記正中面（１８１）に対して垂直とされる方向に沿って前記固定子ユニット（１１）から前記空隙（１８）に向かって突出していることを特徴とする請求項４を引用する請求項１０に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項１３］
前記位置検出装置（１６）が、前記空隙（１８）に向いている前記永久磁石（１３１）のアレイの第１の側面と前記永久磁石（１３１）のアレイの前記第１の側面と反対側の第２の側面とに配置されている複数の前記検知素子（１６１）を備えていることを特徴とする請求項１～１２のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項１４］
前記位置検出装置（１６）が、前記空隙（１８）に向いている少なくとも１つの前記コイル（１４）の第１の側面と少なくとも１つの前記コイル（１４）の前記第１の側面の反対側の第２の側面とに配置されている複数の前記検知素子（１６１）を備えていることを特徴とする請求項１～１３のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項１５］
前記位置検出装置（１６）が、一対の前記検知素子を備えており、一対の前記検知素子の間の示差測定によって位置を決定するように動作可能とされることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項１６］
前記固定子ユニット（１１）は、運動方向（１０１）に沿って互いに並設された複数のものであることを特徴とする請求項１？３のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項１７］
前記リニア永久磁石モータが、複数の前記固定子ユニット（１１）それぞれのために、一の前記位置検出装置（１６）を備えていることを特徴とする請求項１６に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項１８］
前記可動子（１２）が、ポータル構造体（１２２）と、運動方向（１０１）に沿って同じ位置に、かつ、少なくとも１つのコイル（１４）に対して両側にポータル構造体に取り付けられた前記永久磁石（１３１）のアレイの組とを備えていることを特徴とするリニア永久磁石モータ。先行する請求項のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータであって、
［付記項１９］
前記永久磁石のアレイの前記永久磁石（１３１）が、極性を交互にして前記運動方向（１０１）に沿って並置され、同一のピッチで離隔して配置されており、
前記位置検出装置（１６）が、複数の前記検知素子の数量で前記ピッチを割った値に等しい距離で前記運動方向に沿って離隔して配置されている複数の前記検知素子（１６１）を備えていることを特徴とする請求項１～１８のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項２０］
前記検知素子（１６１）が、ホール効果センサであることを特徴とする請求項１～１９のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項２１］
前記リニア永久磁石モータが、前記検知素子（１６１）の出力を読み取るように動作可能とされる制御ユニット（１５）を備えており、
前記制御ユニットが、少なくとも１つの前記コイル（１４）の磁場に対する出力を補償するように動作可能とされることを特徴とする請求項１～２０のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
［付記項２２］
前記リニア永久磁石モータが、前記検知素子（１６１）の出力を読み取るように動作可能とされる制御ユニット（１５）を備えており、
前記制御ユニットが、前記検知素子の出力に基づいて少なくとも１つの前記コイル（１４）に印加すべき相電流の振幅を決定するように動作可能とされることを特徴とする請求項１～２１のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。

本発明の実施態様における永久磁石リニアモータの概略的な平面図である。 図１に表わす永久磁石リニアモータの、断面Ａ－Ａに沿った断面図である。 磁石ヨークの磁場が最も高い帯を示した図１に表わす平面図である。 図３のような帯を示した図２に表わす断面図である。 磁場センサの位置が変更された、図２に表わす永久磁石リニアモータの断面図である。 センサのためのコイル磁場補償機能を具備する固定子ユニットのための駆動装置の動作スキームを表わす。 互いからτ_ｐ／３の等距離で位置決めされた３つのホール効果センサによって感知された、接近する磁石ヨークの波形のグラフである。

図１及び図２を参照すると、本発明の実施例におけるリニアモータ１０は、静止状態を維持するように配置されている少なくとも１つの、典型的には複数の固定子ユニット１１と、固定子ユニットに対して相対的に移動するように配置されている少なくとも１つの可動子１２とを備えている。図１に表わす実施例は、固定子ユニット１１のアレイに沿って移動するように配置されている２つの可動子１２を示している。図示のシステムは、例えばエレベーター、搬送ライン、磁気浮上列車等のような輸送システムにおいて有用である。

可動子は、磁石ヨーク１３を備えている。磁石ヨーク１３は、典型的には１つ以上のアレイに配置されている複数の永久磁石１３１を備えている。永久磁石１３１は、運動方向１０１において交番磁場パターンを形成するように配向されており、当該交番磁場パターンは、固定子ユニット１１に取り付けられているコイル１４に向かって方向づけられている。図２に表わすように、磁石１３１は、磁束のための低い磁気抵抗を有する戻り経路を形成するために任意であるが鉄から作られたバックプレート１２１に取り付けている。

さらに図２を参照すると、可動子１２は、固定子ユニット１１を覆うように配置されている略逆Ｕ字状のポータル構造体１２２を備えている。永久磁石１３１は、Ｕ字の脚部それぞれに１つずつ、２つのアレイに配置されており、固定子ユニット１１のコイル１４は、当該２つのアレイの間に挿置されている。優位には、ポータル構造体は、可動子構造体の実施可能な一例にすぎず、例えばコイル１４の片側のみに永久磁石の単一アレイが配置された可動子や固定子ユニットの２つのアレイを具備するダブルポータル構造体のような、他の構造体であっても利用可能であることに留意すべきである。

固定子ユニット１１と可動子１２／磁石ヨーク１３とは、空隙１８によって分離されている。永久磁石１３１の電磁場と、コイル１４が発生させる電磁場とが、固定子ユニット１１に対する可動子１２のトラクションを発生させるために、空隙１８において相互作用する。

典型的には、固定子ユニット１１それぞれが、駆動ユニット１５に結合されている複数のコイル１４を備えている。図１を参照すると、リニアモータ１０は、個別の／独立した駆動ユニット１５（１５_１，１５_２，１５_３，．．．，１５_Ｎ）を有している複数の固定子ユニット１１（１１_１，．．．，１１_Ｎ）を備えている。固定子ユニット１１のコイル１４はそれぞれ、所定の数の相（一般的には３相）に分けられている。駆動ユニット１５は、磁石ヨーク１３によって生成される磁場と相互作用する位相シフトされた交番磁場を生成するために、コイル１４を流れる電流を制御する。相それぞれの電流は、位置とは無関係に略一定のスラスト力を得るために、駆動ユニット１５によって調整される。可動子１２が固定子ユニット１１に対して一定速度で移動している場合には、磁石ヨーク１３の交番磁場によって正弦波電圧がコイルに誘起される。このように誘起された電圧と同位相の正弦波電流が相それぞれに印加される場合には、様々な振幅を有する正の力が得られる。相の最小数が３相であり、且つ、相それぞれが運動方向にｎ２τ_ｐ／Ｐだけ物理的に変位される場合には、位置とは無関係に略一定の力が得られる（τ_ｐは磁石の南北方向における距離、いわゆる極ピッチであり、Ｐは相数であり、ｎはＰの倍数を除く整数である）。位置とは無関係に略一定の力を得るためにこれら電流を制御することを整流と言う。電流の大きさは、力の全大きさを調整する。

典型的な応用例としては、走行距離が磁石ヨーク１３の長さよりも遙かに長いので、固定子ユニット１１を磁石ヨークの長さよりも遙かに長くする必要がある。磁石ヨークに重なっていないコイルは、力を発生させずに熱を放散させるにすぎないので、コイルは、磁石ヨークの接近に従って作動する（switched on）ようになっている複数の小さな固定子ユニット１１に分割されている。また、複数の可動子が考えられる場合には、固定子ユニット１１は、優位には独立した駆動ユニット１５それぞれによって、個別に制御される。固定子ユニットに対する可動子の位置が異なるからである。

特定の固定子ユニット１１のコイル１４を作動させるタイミングを知るためには、接近している可動子１２の位置を決定する必要がある。位置検出は、（コイルと（１つ以上の）磁石ヨークとの相対位置に従って多相電流を制御する）整流と、（１つ以上の）磁石ヨークの位置制御との両方のために必要とされる。上述のような典型的な移動する磁石の利用については、一般に、０．１ｍｍオーダーの精度と（１ｍｍ以上のオーダーの）大きな空隙の変動とが要求される。

この目的を達成するために、本発明の実施態様では、固定子ユニット１１それぞれが、固定子ユニット１１に対する可動子１２の位置を感知するように動作可能とされる位置検出装置１６を備えている。位置検出装置１６は、磁場センサ１６１を利用して磁石ヨークの磁場を感知することによって、磁石ヨークの位置を決定するように構成されている。適切なセンサの具体例としては、ホール効果センサ及び磁気抵抗（ＭＲ）センサが挙げられる。優位には、磁場センサ１６１は、運動方向１０１における固定子ユニット１１の端部に配置されている。そうすることによって、可動子１２が固定子ユニットそれぞれに接近するに従って検出可能となる。優位には、位置検出装置１６はそれぞれ、複数のセンサ（例えば３つのセンサ）を備えている。当該センサはそれぞれ、同一の方向又は異なる直交方向、例えば図１に表わすようなＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向において磁場を測定するように動作可能とされる。

本発明の実施態様では、センサ１６１は、可動子１２が通過する際に磁石ヨーク１３の磁場の強さが小さくなる位置に配置されている。特にセンサ１６１は、磁石ヨーク１３（永久磁石１３１）の漏洩磁場に対応する位置に配置されている。このようにすることによって、センサ１６１の飽和が回避されるか、又は大幅に低減されるので、測定精度及び分解能を向上させることができる。

図３を参照すると、磁石ヨーク１３の（外周）をＸＺ平面に直交投影し、運動方向１０１に沿って並進させることによって得られるハッチングされた帯１３２は、永久磁石１３１とコイル１４との間における磁気的相互作用が最も高い領域を表している。このような帯１３２を固定子ユニット１１上にＹ軸に対して平行に延長させることによって、永久磁石１３１が通過する際に最も高い磁場強度を受ける部分が示される。このような部分が、図４においてハッチングされた帯１３２によって示されている。図３及び図４のハッチングされた帯を組み合わせると、磁気的相互作用が高い部分の容積を得ることができる。従って、センサ１６１は、当該容積の外側に位置決めされる必要がある。図４から理解されるように、優位には、センサ１６１が通過する磁石ヨーク１３を感知するように、帯１３２によって示される容積の外側にセンサ１６１を配置させることによって、その結果として、センサは永久磁石の漏洩磁場１３４を測定することができる。本発明の態様では、センサ１６１は、可動子１２が固定子ユニット１１それぞれに沿って通過する際に、主磁場ではなく、磁石ヨーク１３／永久磁石１３１の漏洩磁場１３４を感知するように位置決めされている。

帯１３２とセンサ１６１との両方を投影し、帯１３２とセンサ１６１とが重なり合っているか否かを確認することによって、センサ１６１が帯１３２の外側に位置決めされているか否か判定することができる。図２を参照すると、白抜きの矢印は、永久磁石１３１の北から南に向かう磁気軸の方向を示している。空隙１８内の磁力線は、実質的にＹ軸と平行に進行した後に、固定子ユニット１１の内部において偏向する。また、ＸＺ平面は、空隙１８の内部の磁力線に対して垂直とされる平面に実質的に対応している。さらに、ＸＺ平面は、運動方向１０１に対して平行とされる。従って、ＸＺ平面に対して平行とされる空隙１８の正中面１８１を定義することができる。正中面１８１は、空隙１８に対して露出すると共に固定子ユニット１１に面する磁石ヨーク１３の表面１３３と、固定子ユニット１１、例えば、空隙に対して露出する固定子ユニット１１の表面１２３との間の中央に位置している。帯１３２及びセンサ１６１を正中面１８１に、又は代替的にＸＺ平面に対して平行とされる任意の他の平面に直交投影することによって、帯１３２とセンサ１６１との重なり合った領域が存在するか否か決定することができるようになる。

優位には、センサ１６１は、磁石ヨーク１３の磁場強度が、帯１３２の内側の空隙１８における（平均）磁場より２０％低い、優位には１５％低い、優位には１０％低い位置に配置されている。

帯１３２の外側には、センサ１６１を位置決めするのに優位な位置が複数存在する。図１に表わすように、センサ１６１は、コイル１４の下方に（直接）配置されている（又は、代替的にコイル１４の上方に（直接）配置されている）。すなわち、センサ１６１は、動作方向１０１に沿って（すなわち、Ｘ軸に沿って）、コイル１４と略同一の位置に配置されている。センサが運動方向１０１に沿ってコイル１４の前方又は後方に配置されている場合と比較すると、下方又は上方の位置は、固定子ユニット１１（ひいてはコイル１４）を互いに対して一層近接配置させることができるので、リニアモータの力密度を増加させることができるという利点を有している。利用可能な容積が、より効率的に利用されるからである。

図２を参照すると、センサ１６１は、永久磁石１３１と同一のＹ方向位置に配置されている。すなわち、センサ１６１は、永久磁石の下方（又は上方）に直接配置されている。より一般的には、センサ１６１は、可動子１２と同一のＹ方向位置に配置することができる。あるいは、図５に示すように、センサ１６１は、コイル１４と同じＹ方向位置、すなわち、コイルの直下（又は直上）に配置することができる。より一般的には、センサ１６１は、固定子ユニット１１と同じＹ方向位置に配置することができる。さらに代替的には、センサ１６１は、空隙１８と同じＹ方向位置に配置することができる。帯１３２の外側の上記いずれかの位置では、コイル１４が発生する磁場が弱く、センサ信号がコイル磁場の影響を受けにくくなるようになっている。さらに、それらの位置では、センサは、典型的にはコイル１４の領域に対応する、リニアモータの熱的ホットスポットからさらに離れて配置される。そのため、センサは、コイルを流れる電流によって発生する熱によって温められる可能性が低くなる。

位置検出装置１６は、センサ１６１が配置されたプリント回路基板（ＰＣＢ）１６２を備えており、対応する電子機器を備えている場合がある。優位には、ＰＣＢ１６２は固定子ユニット１１に固定されている一方、電子機器は固定子ユニット（ＰＣＢ１６２）に、又はアドオンモジュールとして組み込まれている。優位には、固定子ユニットは支持体１１１を備えており、センサ１６１は支持体１１１に埋設されている。支持体１１１は、例えばアルミニウムのような非磁性材料から作られている。優位には、支持体１１１は帯１３２の領域の外部に位置している。

優位には、位置検出装置１６それぞれが、運動方向１０１においてτ_ｐ／Ｎの等距離で位置決めされている少なくとも２つのセンサ１６１を備えている。ここで、τ_ｐは磁石ヨーク１３の極ピッチであり、Ｎはセンサ１６１の数量である。このような配置によって、例えば図７に表わすような複数の変位波形を得ることができるので、可動子１２の位置のみならず、可動子１２の運動方向も決定することができる。センサ信号の振幅は、磁石ヨーク１３に対するセンサ１６１の位置、磁石ヨークの大きさ、永久磁石の大きさ、及び永久磁石の材質に依存する。センサ信号の周波数は、速度と極ピッチτ_ｐに依存する。

図６を参照すると、駆動ユニット１５は、センサ１６１によって測定された磁場に基づいて磁石ヨーク１３の位置を決定するように構成されている位置センサアルゴリズムを実行するための計算ユニット１５４を備えている。センサ１６１によって測定された磁場Ｂ_ｍ，１，．．．，Ｂ_ｍ，Ｎに基づいて、磁石ヨーク１３の位置を計算するアルゴリズムは、以下のように導出することができる。初期状態では、固定子ユニットの上方には磁石ヨーク１３が存在しないので、磁場が計測されず、ひいては位置も決定されない。磁石ヨークは「範囲外」とみなされ、ｒ＝０とされる。

磁石ヨーク１３に起因する磁場のみが関心の対象であるので、コイル１４によって生成される磁場を補償する必要がある。この目的を達成するために、計算ユニット１５４は、以下のように動作可能とされるコイル磁場補償ユニット１５５を備えている。コイルを流れる駆動電流を測定し、［数１］に基づく補償ゲインマトリックスを乗じることによって、コイル１４の磁場を補償することができる。

ここで、Ｂ_ｍ，ｉはセンサ１６１による磁場の測定値を含むベクトルであり、Ｉはコイルの測定された位相電流のベクトルであり、Ｃは補償行列である。測定された磁場は、電流の大きさに略線形に依存しているので、補償された磁場の測定値は、Ｎ個のセンサ１６１とＰ個の相の場合には、以下のように完全に記述することができる。

Ｃでは、要素それぞれが、センサ１６１それぞれに対する相電流の結合係数を、例えばテスラ／アンペア単位で記述している。補償行列Ｃは、
－相それぞれに電流を流しつつ、磁石ヨークが存在しない磁場を測定し、
－分析的に導出し、及び／又は
－有限要素解析を実施することによって、
得られる。
コイルユニットが互いに対して非常に近接して設置されている場合には、隣り合う駆動装置の電流測定値が相互に共有され、必要に応じて制度を改善するために、補正マトリクスに反映させることができる。

磁石ヨーク１３（可動子１２）の存在が、様々な方法のうち一の方法又はその組み合わせによって検出可能とされる。１つ又は様々な方法の組み合わせによって検出することができる。適切な方法は、
－センサ信号それぞれの振幅が所定の閾値より大きいことを確認するステップと、
－センサ信号それぞれの振幅の合計が所定の閾値より大きいことを確認するステップと、
－センサ信号それぞれの二乗の合計が所定の閾値より大きいことを確認するステップと、
を含んでいる。
方法及び閾値に依存して、精度が低くなるという犠牲を払って、磁石ヨークを迅速に検出することができる。正確な位置情報を抽出するには、磁場が小さく且つ不十分であるからである。

計算ユニット１５４は、「範囲内」であることを検出する計数ユニット１５６を備えている。磁石ヨークがセンサの範囲内に位置している際に、磁石ヨークが右から入る場合には、カウンタｋがゼロにリセットされ、磁石ヨークが左から入る場合には、カウンタｋがＮ_ｐ／２－１に設定される（ここで、Ｎ_ｐは磁石ヨークの極数である）。このような区別は、
－センサ１６１それぞれの信号を確認し比較し、及び／又は
－例えばＮ＝３である図１に表わすように、２つのセンサ群（左及び右）を利用することによって、
実行することができる。この場合には、ウィンドウイング機能（windowing function）を利用することによって、両方のセンサ群から得た位置情報が合成される。

以下の説明では、センサ１６１から成る単一群の利用を想定している。磁石ヨーク１３が検出された場合には、位相情報は、［数３］によってセンサの測定値Ｂ_ｃ，ｉから推定することができる。

ここで、ａｔａｎ２は、適切な四分円を考慮した２つの引数を利用した逆正接関数である。係数Ｋ_ｓｉ及びＫ_ｃｉは、［数４］の如く付与される。

この数式からは、０～２πの範囲内の一意の値しか得られないので、磁石ヨークが検出された瞬間にリセットされ、且つ、２π～０又は０～２πの遷移の数をカウントするカウンタｋが含まれている。従って、絶対位置情報は。［数５］により得られる。

ここで、ｘ_ＣＵは、基準点を基準としたコイルユニットの総合位置である。

ａｔａｎ２関数を使用することによって、当該方法の精度は、図７に表わす波形の振幅から独立するので、Ｙ方向及びＺ方向における横方向変位には大きく依存しなくなる。Ｙ方向及びＺ方向における横方向変位は、依然として、図７に表わす波形の高調波成分に僅かな影響を及ぼす。この影響を最小限に抑えるために、図２に示すように、両面測定（double sided measurement）が考えられる。センサ１６１の二重セットが、同一のＹ方向位置においてコイルアレイに関して対称に配置されている。代替的には、センサ１６１、１６１′の二重セットが、磁石ヨーク１３に関して対称に配置されている。両面測定は、Ｙ方向における横方向変位に対して、より優れたロバスト性を提供することができる。この場合、両方の測定値が、［数６］のように組み合わされる。

ここで、Ｂ_ｍｌ，ｉは、左側のセンサ１６１′によって感知された信号であり、Ｂ_ｍｒ，ｉは、右側のセンサ１６１によって感知された信号である。これは、空隙１８に大きい変動が存在する場合に、特に有効である。

図７を参照すると、センサ１６１は、磁石ヨークの有限長に起因して、接近又は離脱する磁石ヨーク１３の端部効果を感知することができる。信号それぞれが、領域７１、７２に表されている。これら端部効果によって、磁石ヨークが感知領域に入る瞬間を検出することができるので、絶対位置を測定することができる。領域７０では、磁石ヨークが範囲内に位置しており、上述のように相対的な測定が実施される。従って、上述のようなセンサは、絶対位置検出機能と相対位置検出機能との両方を一の同一の検知素子に統合することができる。

上述の測定手順は、センサ１６１が飽和レベルより下のレベルで連続的に動作している場合に限り可能であるが、優位にはセンサ１６１を上述の位置に配置することによって可能とされる。優位には、センサ１６１が上述の位置に配置されている場合に、センサ１６１によって感知される磁場のレベルは１００ｍＴ以下、優位には９０ｍＴ以下とされる。飽和が無い場合には、センサ１６１によって捕捉された信号は、図７に表わすような正弦状とされるので、ヨークの位置の完全なアナログ測定を実施することができる。これにより、リニアエンコーダが不要となり、本発明におけるリニア永久磁石モータのコストを一層削減することができる。

従って、再び図６を参照すると、駆動装置１５は、（通過する磁石ヨーク１３の磁場に関連する）センサ１６１の出力Ｈ_１，．．．，Ｈ_Ｎを読み取るように、且つ、センサ１６１の出力に基づいて、固定子コイル１４に印加される相電流Ｉ_１，Ｉ_２，．．．，Ｉ_Ｐの振幅を決定するように構成されている。この目的を達成するために、磁石ヨークの「範囲内」の位置が検出されたか否かを示す検出・計数ユニット１５６から出力されるバイナリインジケータｒ（例えば、磁石ヨークが範囲内に位置する場合にｒ＝１、磁石ヨークが範囲外に位置する場合にｒ＝０）と、計算ユニット１５４から得られる絶対位置情報ｘ_ＭＹとが、整流ユニット１５８と位相電流Ｉ_１、Ｉ_２、．．．、Ｉ_Ｐを送出するエンドステージ１５９とに結合されるモーション制御ユニット１５７に供給される。

１０ リニアモータ
１１ 固定子ユニット
１２ 可動子
１３ 磁石ヨーク
１４ コイル
１５ 駆動ユニット
１６ 位置検出装置
１０１ 運動方向
１１１ 支持体
１３１ 永久磁石
１３２ 帯
１６１ センサ
１６２ プリント回路基板（ＰＣＢ）

Claims (22)

1. 少なくとも１つのコイル（１４）を具備する固定子ユニット（１１）と、
   永久磁石（１３１）のアレイを具備する可動子（１２）であって、前記可動子（１２）が、運動方向（１０１）に沿って移動するように配置されており、前記永久磁石（１３１）のアレイが、前記永久磁石（１３１）のアレイ及び少なくとも１つの前記コイル（１４）によって生成される電磁場が相互に作用することによってトラクションを発生させるように構成されている空隙（１８）によって、固定子ユニット（１１）から離隔して配置されている、前記可動子（１２）と、
   前記固定子ユニット（１１）に対する前記可動子（１２）の位置を決定するように動作可能とされる位置検出装置（１６）と、
   を備えているリニア永久磁石モータ（１０）において、
   前記位置検出装置（１６）が、前記永久磁石（１３１）のアレイの磁場を感知するように動作可能とされる検知素子（１６１）を備えており、前記検知素子が、前記固定子ユニット（１１）に固定されており、
   前記検知素子（１６１）が、前記永久磁石のアレイが前記検知素子に対応して配置されている場合に、前記検知素子が前記永久磁石（１３１）のアレイの漏洩磁場（１３４）の内部に位置するように配置されており、
   前記リニア永久磁石モータが、前記検知素子（１６１）の出力を読み取るように動作可能とされる制御ユニット（１５）をさらに備えており、
   前記制御ユニットが、少なくとも１つの前記コイル（１４）を流れる駆動電流の測定値に基づいて、少なくとも１つの前記コイル（１４）の磁場に対する前記検知素子（１６１）の出力を補償するように動作可能とされることを特徴とするリニア永久磁石モータ。
2. 前記空隙（１８）が、前記永久磁石（１３１）のアレイと少なくとも１つの前記コイル（１４）との間に挿置されていることを特徴とする請求項１に記載のリニア永久磁石モータ。
3. 前記永久磁石（１３１）のアレイが、前記空隙（１８）に対して露呈された表面（１３３）を有しており、前記表面（１３３）が、平坦であり、且つ、前記運動方向（１０１）に対して平行とされ、前記空隙が、前記表面（１３３）に対して平行とされる正中面（１８１）を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニア永久磁石モータ。
4. 前記検知素子（１６１）が、正中面（１８１）に対する検知素子の直交投影が、前記運動方向（１０１）に沿って移動している場合における前記正中面（１８１）に対する前記永久磁石（１３１）のアレイの直交投影によって形成された帯（１３２）の外部に位置するように配置されることを特徴とする請求項３に記載のリニア永久磁石モータ。
5. 前記検知素子（１６１）が、前記空隙（１８）に対応する位置に、前記正中面（１８１）に対して垂直とされる方向に沿って位置決めされていることを特徴とする請求項３又は４に記載のリニア永久磁石モータ。
6. 前記検知素子（１６１）が、前記可動子（１２）に対応する位置に、前記正中面（１８１）に対して垂直とされる方向に沿って位置決めされていることを特徴とする請求項３又は４に記載のリニア永久磁石モータ。
7. 前記検知素子（１６１）が、前記永久磁石（１３１）のアレイに対応する位置に、前記正中面（１８１）に対して垂直とされる方向に沿って位置決めされていることを特徴とする請求項６に記載のリニア永久磁石モータ。
8. 前記検知素子（１６１）が、固定子ユニット（１１）に対応する位置に、正中面（１８１）に垂直な方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のリニア永久磁石モータ。
9. 前記検知素子（１６１）が、少なくとも１つの前記コイル（１４）の位置に対応する位置に、前記運動方向（１０１）に沿って位置決めされていることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
10. 前記検知素子（１６１）が、非磁性材料で作られた支持体（１１１）に埋設されており、前記固定子ユニット（１１）に固定されていることを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
11. 前記支持体が、前記正中面（１８１）に対する前記支持体の直交投影が前記帯（１３２）の外部に位置するように位置決めされていることを特徴とする請求項４を引用する請求項１０に記載のリニア永久磁石モータ。
12. 前記支持体（１１１）が、前記正中面（１８１）に対して垂直とされる方向に沿って前記固定子ユニット（１１）から前記空隙（１８）に向かって突出していることを特徴とする請求項４を引用する請求項１０に記載のリニア永久磁石モータ。
13. 前記位置検出装置（１６）が、前記空隙（１８）に向いている前記永久磁石（１３１）のアレイの第１の側面と前記永久磁石（１３１）のアレイの前記第１の側面と反対側の第２の側面とに配置されている複数の前記検知素子（１６１）を備えていることを特徴とする請求項１～１２のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
14. 前記位置検出装置（１６）が、前記空隙（１８）に向いている少なくとも１つの前記コイル（１４）の第１の側面と少なくとも１つの前記コイル（１４）の前記第１の側面の反対側の第２の側面とに配置されている複数の前記検知素子（１６１）を備えていることを特徴とする請求項１～１３のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
15. 前記位置検出装置（１６）が、一対の前記検知素子を備えており、一対の前記検知素子の間の示差測定によって位置を決定するように動作可能とされることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のリニア永久磁石モータ。
16. 前記固定子ユニット（１１）は、運動方向（１０１）に沿って互いに並設された複数のものであることを特徴とする請求項１～１５のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
17. 前記リニア永久磁石モータが、複数の前記固定子ユニット（１１）それぞれのために、一の前記位置検出装置（１６）を備えていることを特徴とする請求項１６に記載のリニア永久磁石モータ。
18. 前記可動子（１２）が、ポータル構造体（１２２）と、運動方向（１０１）に沿って同じ位置に、かつ、少なくとも１つのコイル（１４）に対して両側にポータル構造体に取り付けられた前記永久磁石（１３１）のアレイの組とを備えていることを特徴とするリニア永久磁石モータ。請求項１～１７のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
19. 前記永久磁石のアレイの前記永久磁石（１３１）が、極性を交互にして前記運動方向（１０１）に沿って並置され、同一のピッチで離隔して配置されており、
    前記位置検出装置（１６）が、複数の前記検知素子の数量で前記ピッチを割った値に等しい距離で前記運動方向に沿って離隔して配置されている複数の前記検知素子（１６１）を備えていることを特徴とする請求項１～１８のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
20. 前記検知素子（１６１）が、ホール効果センサであることを特徴とする請求項１～１９のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
21. 前記制御ユニットが、補償ゲインマトリックスが乗じられた前記駆動電流に基づいて、少なくとも１つの前記コイル（１４）の磁場に対する前記検知素子（１６１）の出力を補償するように動作可能とされることを特徴とする請求項１～２０のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。
22. 前記リニア永久磁石モータが、前記検知素子（１６１）の出力を読み取るように動作可能とされる制御ユニット（１５）を備えており、
    前記制御ユニットが、前記検知素子の出力に基づいて少なくとも１つの前記コイル（１４）に印加すべき相電流の振幅を決定するように動作可能とされることを特徴とする請求項１～２１のいずれか一項に記載のリニア永久磁石モータ。