DE112008001432T5

DE112008001432T5 - Linearmotor-Positionserfassungssystem

Info

Publication number: DE112008001432T5
Application number: DE112008001432T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Aso; Shuhei Yamanaka; Toshiro Tojo
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2028-05-31
Also published as: CN101680779B; KR101479364B1; JP5343001B2; WO2008149805A1; TW200912260A; TWI442026B; US8362720B2; DE112008001432B4; US20100171459A1; JPWO2008149805A1; CN101680779A; KR20100038176A

Abstract

Linearmotor-Positionserfassungssystem, umfassend:
einen Linearmotor, der einen aus einem Läufer und einem Stator, bei dem Magnetpole aus N-Pol und S-Pol alternierend in einer axialen Richtung angeordnet sind, und einen anderen aus dem Läufer und dem Stator aufweist, der eine Vielzahl von Spulen enthält, wobei der Linearmotor zum Erlangen von Schubkraft für lineare Bewegung mittels eines Magnetfelds, das durch den einen erzeugt wird, und Stroms vorgesehen ist, der durch die Spulen des anderen fließt;
einen Magnetsensor, der ein magnetoresistives Element aufweist, von dem sich ein Widerstand abhängig von einer Richtung des Magnetfelds ändert, und der zum Ausgeben eines Sinuswellensignals und eines Cosinuswellensignals vorgesehen ist, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, abhängig von der durch die lineare Bewegung des Läufers bezüglich des Stators erzeugten Richtungsänderung des Magnetfelds; und
einen positionserfassenden Schaltkreis zum Erfassen einer Position des Läufers bezüglich des Stators auf Grundlage des Sinuswellensignals und des Cosinuswellensignals.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Linearmotor-Positionserfassungssystem zum Erfassen einer Position eines Linearmotors, der Schubkraft von durch Spulen fließendem Strom und Magnetfeldern von Magneten erhält.
Technischer Hintergrund
Ein Linearmotor vom Stabtyp als ein Typ von Linearmotoren weist eine Vielzahl von kreiszylinderförmigen gestapelten Spulen und einen Stab auf, der in ein Loch der gestapelten Spulen gesteckt ist. Der Stab weist Magnetpole von N-Polen und S-Polen auf, die darin alternierend angeordnet sind. Wenn Dreiphasenstrom, der um 120 Grad unterschiedliche Phasen aufweist, durch die Spulen der Phasen U, V, W geschickt wird und ein sich bewegendes Magnetfeld erzeugt wird, das sich in der axialen Richtung der Spule bewegt, erhält der Stab Schubkraft von dem sich bewegenden Magnetfeld und bewegt sich linear synchron zur Geschwindigkeit des sich bewegenden Magnetfelds.
Die Steuerung der Bewegung des Stabs benötigt eine Erfassung der Position des Stabs. Herkömmlich ist als Sensor zum Erfassen der Position des Stabs ein magnetischer Codierer bekannt, der eine magnetische Skala und einen Magnetsensor aufweist (siehe Patentdokument 1). Zum Beispiel ist die magnetische Skala, bei der die N-Pole und S-Pole alternierend angeordnet sind, auf der Seite der Spulen als Stator montiert, und der Magnetsensor zum Erfassen der Größe des Magnetfelds der magnetischen Skala ist auf der Seite des Stabs als Läufer montiert.
Wie in 33 dargestellt, erstreckt sich im Magnetfeld 41 eine magnetische Kraftlinie 42 von der Mitte des N-Pols zur Mitte des S-Pols. Der Magnetsensor 43 erfasst die Größe des durch die magnetische Skala 41 erzeugten Magnetfelds. Die Größe des Magnetfelds wird am größten, wenn sich der Magnetsensor dem Trennpunkt des N-Pols und des S-Pols nähert, und wird am kleinsten, wenn sich der Magnetsensor der Mitte des N-Pols oder des S-Pols nähert. Durch Erfassen der Größe des Magnetfelds wird es möglich, die Position des Magnetsensors 43 bezüglich der magnetischen Skala 41 zu erfahren.

[Patentdokument 1] Japanisches Patent Nr. 3036274

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Jedoch besteht beim herkömmlichen magnetischen Codierer eine Notwendigkeit, einen Spalt zwischen der magnetischen Skala und dem Magnetsensor mit hoher Genauigkeit zu kontrollieren. Dieser Abstand muss eingehalten werden, auch wenn sich der Stab bewegt. Denn wenn sich der Magnetsensor 43, wie in 34 dargestellt, von der Position (1) zur Position (2) verschiebt, wird das auf den Magnetsensor 43 wirkende Magnetfeld klein, und auch ein Sinuswellensignal, das vom Magnetsensor 43 ausgegeben wird, wird von (1) nach (2) klein. Da die Position des Magnetsensors 43 durch die Stärke des Sinuswellensignals erhalten wird, das vom Magnetsensor 43 ausgegeben wird, ist es schwierig, eine genaue Position des Magnetsensors 43 zu erfassen, wenn das vom Magnetsensor 43 ausgegebene Sinuswellensignal klein wird.
Eine solche Spaltkontrolle macht den Montagevorgang der magnetischen Skala und des Magnetsensors am Linearmotor schwierig und verursacht eine Kostenerhöhung. Um dieses Problem zu lösen, wird, wie in 35 dargestellt, ein Verfahren erwogen, Versatz durch Vorsehen eines weiteren Magnetsensors 43 an der gegenüberliegenden Seite der Magnetskala 41 und Erhalten einer Differenz zu kompensieren. Jedoch führt dieses Verfahren zu einer Erhöhung der Anzahl der Magnetsensoren 43.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Positionserfassungssystem vor, das preiswert ist und die Notwendigkeit beseitigen kann, die Genauigkeit bei der Montage des Sensors streng zu kontrollieren.
Mittel zum Lösen der Probleme
Eine Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird nun nachstehend gegeben.
Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, ist die Erfindung nach Anspruch 1 ein Linearmotor-Positionserfassungssystem, das umfasst:
einen Linearmotor, der einen aus einem Läufer und einem Stator, bei dem Magnetpole aus N-Pol und S-Pol in einer axialen Richtung alternierend angeordnet sind, sowie einen anderen aus dem Läufer und dem Stator aufweist, der eine Vielzahl von Spulen enthält, wobei der Linearmotor zum Erhalten von Schubkraft für lineare Bewegung mittels eines Magnetfelds, das durch den einen erzeugt wird, sowie eines Stroms vorgesehen ist, der durch die Spulen des anderen fließt; einen Magnetsensor, der ein magnetoresistives Element aufweist, von dem ein Widerstand sich abhängig von einer Richtung des Magnetfelds ändert, und der zum Ausgeben eines Sinuswellensignals und eines Cosinuswellensignals vorgesehen ist, die um 90° gegeneinander phasenverschoben sind, abhängig von der durch die lineare Bewegung des Läufers bezüglich des Stators erzeugten Richtungsänderung des Magnetfelds; und einen positionserfassenden Schaltkreis zum Erfassen einer Position des Läufers bezüglich des Stators auf Grundlage des Sinuswellensignals und des Cosinuswellensignals.
Die Erfindung nach Anspruch 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass beim Linearmotor-Positionserfassungssystem nach Anspruch 1 der positionserfassende Schaltkreis umfasst: einen A/D-Wandler zum Abtasten des Sinuswellensignals und des Cosinuswellensignals in vorgegebenen Intervallen, um sie in digitale Daten umzuwandeln; eine Phasenwinkeldaten-berechnende Einrichtung zum Erhalten von Phasenwinkeldaten aus einer Sinuskomponente und einer Cosinuskomponente der umgewandelten digitalen Daten; und eine Pulssignal-ausgebende Einrichtung zum Erzeugen eines Pulssignals gemäß den Phasenwinkeldaten.
Die Erfindung nach Anspruch 3 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor in dem Linearmotor-Positionserfassungssystem nach Anspruch 1 oder 2 ein Linearmotor vom Stabtyp ist, der aufweist: in dem einen aus dem Läufer und dem Stator einen Stab, der eine Vielzahl von Magneten aufweist, die jeweils mit dem N-Pol und dem S-Pol an jeweiligen Enden davon in der axialen Richtung magnetisiert sind, wobei die Magnete in der axialen Richtung in einer solchen Weise angeordnet sind, dass der N-Pol jedes Magneten dem N-Pol eines benachbarten Magneten gegenübersteht und der S-Pol jedes Magneten dem S-Pol eines benachbarten Magneten gegenübersteht und ein weichmagnetisches Material zwischen benachbarten der Magnete eingefügt ist; sowie in dem anderen aus dem Läufer und dem Stator die vielfachen Spulen, die den Stab umgeben.
Die Erfindung nach Anspruch 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass beim Linearmotor-Positionserfassungssystem nach Anspruch 3 der Linearmotor weiter aufweist: ein Spulengehäuse zum Unterbringen der vielfachen Spulen, ein an einem Ende des Spulengehäuses in der axialen Richtung vorgesehenes und einen Magnetsensor-Unterbringungsteil zum Unterbringen des Magnetsensors aufweisendes Magnetsensorgehäuse sowie einen Füllstoff zum Ausfüllen des Magnetsensor-Unterbringungsteils zum Befestigen des Magnetsensors am Magnetsensor-Unterbringungsteil, und dass mindestens eins aus dem Magnetsensorgehäuse und dem Füllstoff eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit aufweist als diejenige des Spulengehäuses.
Die Erfindung nach Anspruch 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass beim Linearmotor-Positionserfassungssystem nach Anspruch 4 der Linearmotor weiter ein an einem Ende des Magnetsensorgehäuses in der axialen Richtung montiertes Lager zum Führen der linearen Bewegung des Stabs aufweist.
Die Erfindung nach Anspruch 6 ist dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor in dem Linearmotor-Positionserfassungssystem nach Anspruch 1 oder 2 ein Linearmotor vom Flachtyp ist, der aufweist: in dem einen aus dem Läufer und dem Stator einen Feldmagneten, der eine Vielzahl von Magneten aufweist, die jeweils mit dem N-Pol und dem S-Pol an jeweiligen Endflächen davon in der Richtung senkrecht zur axialen Richtung magnetisiert sind; sowie in dem anderen aus dem Läufer und dem Stator die vielfachen Spulen, die dem Feldmagneten gegenüberstehen, wobei dazwischen ein Spalt ausgebildet ist.
Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 verändern sich, wenn der Magnetsensor eine Änderung der Magnetfeldrichtung erfasst, das Sinuswellensignal und das Cosinuswellensignal kaum, die vom Magnetsensor ausgegeben werden, selbst wenn sich der Abstand zwischen dem Magnetsensor und dem einen aus dem Läufer und dem Stator ändert. Daher ist es möglich, die Position des Stators genau zu erfassen und die Justierung beim Montieren des Magnetsensors zu erleichtern. Außerdem kann der Magnetsensor, da die Magnetpole eines aus dem Läufer und dem Stator zum Erzeugen von Schubkraft auch als magnetische Skala benutzt werden, preiswert und verkleinert ausgeführt werden.
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 2 kann das Positionserfassungssystem mit höherer Auflösung erhalten werden, da der positionserfassende Schaltkreis eine Interpolation des vom Magnetsensor ausgegebenen Sinuswellensignals und des Cosinuswellensignals durchführt, falls die Magnetpole eines aus dem Läufer und dem Stator, deren Abstand zwischen den Magnetpolen länger ist als derjenige des magnetischen Codierers, auch als die magnetische Skala benutzt werden.
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 3 kann, da das weichmagnetische Material zwischen den Magneten des Stabs eingefügt ist, die Verteilung der magnetischen Flussdichte des Stabs einer idealen Sinuswelle angenähert werden. Daher wird es möglich, die genaue Position des Läufers durch den Magnetsensor zu erfassen.
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 4 verbreitet sich die in den Spulen erzeugte Wärme schwer zum Magnetsensor. Der Magnetsensor weist eine Temperaturabhängigkeit auf, und sein Ausgang wird durch eine Temperaturänderung beeinflusst. Es wird möglich zu verhindern, dass das Ausgangssignal des Magnetsensors durch Wärme der Spulen beeinflusst wird.
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 5 wird es möglich, den Abstand zwischen dem Stab und den Magnetsensor fast konstant zu halten, da das Lager den Stab führt.
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 6 kann, da die vielfachen, mit N-Pol und S-Pol an jeweiligen Endflächen in der Richtung senkrecht zur axialen Richtung magnetisierten Magnete in der axialen Richtung angeordnet sind, der Verlauf der Magnetflussdichte des Feldmagneten einer Sinuswelle angenähert werden. Daher wird es möglich, die genaue Position des Läufers durch den Magnetsensor zu erfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine strukturelle Ansicht eines Positionserfassungssystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Linearmotors (einschließlich einer teilweisen Schnittansicht).
3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine in einem Spulenhalter gehaltene Spulenbaugruppe darstellt.
4 ist eine Ansicht, die eine Positionsbeziehung zwischen dem Linearmotor und den Spulen darstellt.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die das Prinzip des Magnetsensors darstellt.
6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Widerstand des Magnetsensors und dem Winkel θ der Richtung des Magnetfelds darstellt.
7 ist eine Draufsicht, die ein ferromagnetisches Dünnfilmmetall des Magnetsensors darstellt.
8 stellt ein Ersatzschaltbild des Magnetsensors von 7 dar.
9 ist eine Ansicht, die den Magnetsensor mit Wheatstonebrücken-Aufbau darstellt.
10 ist eine Ansicht, die eine Positionsbeziehung zwischen dem Magnetsensor und dem durch den Stab erzeugten Magnetfeld darstellt.
11 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Richtung des durch den Magnetsensor erfassten magnetischen Vektors darstellt.
12A und 12B sind Ansichten, die den Magnetsensor aus zwei Vollbrücken-Aufbauten darstellen. (12A ist eine Draufsicht, welche die Form des ferromagnetischen Dünnfilmmetalls des Magnetsensors darstellt, und 12B ist ein Ersatzschaltbild.)
13 ist ein Diagramm, welches das Sinuswellensignal und das Cosinuswellensignal darstellt, die vom Magnetsensor ausgegeben werden.
14 ist ein konzeptuelles Diagramm, das ein Ausgangssignal des Magnetsensors und die Positionsbeziehung zwischen dem Magnetsensor und dem Stab darstellt.
15 ist eine Ansicht, welche die Lissajousfigur darstellt, die durch die Sinuswelle und die Cosinuswelle gezeichnet wird.
16 ist eine Seitenansicht, die den im Endgehäuse montierten Magnetsensor darstellt.
17 ist eine Seitenansicht, die eine im Endgehäuse montierte Buchse darstellt.
18 ist eine strukturelle Ansicht des positionserfassenden Schaltkreises.
19 stellt eine Speicherkonfiguration eines Nachschlagetabellen-Speichers dar.
20 ist eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel des Linearmotors darstellt.
21 ist eine Vorderansicht des anderen Beispiels des Linearmotors.
22 ist eine Schnittansicht entlang der Bewegungsrichtung eines Ankers.
23A und 23B sind Draufsichten von Antriebsmagneten. (23A ist eine Draufsicht von mehreren Antriebsmagneten und 23B ist eine Draufsicht jedes Antriebsmagneten.)
24 ist ein Diagramm zum Vergleichen der Sinuswelle und der Magnetfeldgröße (magnetischen Flussdichte), berechnet durch Simulation.
25 ist eine Draufsicht, die ein Vergleichsbeispiel zeigt, wenn jeder Antriebsmagnet rechteckig ist.
26 ist ein Diagramm, das Simulationsergebnisse darstellt, wenn jeder Antriebsmagnet rechteckig ist.
27(a) bis 27(f) sind Draufsichten, die andere Beispiele der Antriebsmagnete darstellen.
28 ist eine Seitenansicht, die ein weiteres Beispiel der Seitenflächenform des Antriebsmagneten darstellt.
29(a) bis 29(f) sind Seitenansichten, die andere Beispiele der Seitenflächenform des Antriebsmagneten darstellen.
30 ist eine Seitenansicht, die den oberhalb der Antriebsmagnete vorbeilaufenden Magnetsensor darstellt.
31 ist eine Ansicht, die ein vom Magnetsensor ausgegebenes Spannungssignal darstellt.
32 ist eine strukturelle Ansicht einer Regelungseinrichtung des Linearmotors.
33 ist ein konzeptuelles Diagramm, das einen herkömmlichen Codierer darstellt.
34 ist ein konzeptuelles Diagramm, das ein Ausgangssignal des Magnetsensors und die Positionsbeziehung zwischen der magnetischen Skala und dem Magnetsensor des herkömmlichen Codierers darstellt.
35 ist eine Ansicht, welche die an jeweiligen Seiten der magnetischen Skala angeordneten Magnetsensoren darstellt.
Bezugszahlen

1 ... Stab, 2 ... Spulengehäuse, 3 ... Magnet, 4 ... Spule, 8 ... Buchse (Lager), 9 ... Endgehäuse (Magnetsensorgehäuse), 11 ... Linearmotor, 12 ... Magnetsensor, 13 ... positionserfassender Schaltkreis, 14 ... Treiber, 21 ... Glassubstrat, 22 ... magnetoresistives Element, 26 ... Magnetsensor-Halterung, 27 ... Füllstoff, 30 ... A/D-Wandler, 32 ... signalverarbeitender Teil (Phasenwinkeldaten-berechnende Einrichtung und Pulssignal-Ausgabeeinrichtung)

Ausführungsweise der Erfindung
Mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen werden nachstehend beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein Linearmotor-Positionserfassungssystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieses Positionserfassungssystem weist einen Linearmotor 11, einen Magnetsensor 12 zum Erfassen der Position eines Stabs 1 des Linearmotors 11 und einen positionserfassenden Schaltkreis 13 zum Interpolieren eines vom Magnetsensor 12 ausgegebenen Signals auf. Ein Signal des Positionsausgangs vom positionserfassenden Schaltkreis 13 wird einem Treiber 14 des Linearmotors 11 zugeführt. Im Treiber 14 sind ein Leistungswandler, wie etwa ein PWM-(Pulsbreitenmodulations)Wechselrichter, zum Zuführen von Energie in einer zum Steuern des Linearmotors 11 geeigneten Form sowie ein Regler zum Regeln des Leistungswandlers nach Anweisungen von einem Computer einer höheren Ebene oder nach Signalen vom positionserfassenden Schaltkreis 13 eingebaut. Der Magnetsensor 12 und der positionserfassende Schaltkreis 13 sind über ein Codiererkabel 15 miteinander verbunden. Die Spulen des Linearmotors 11 und der Leistungswandler des Treibers sind über ein Stromversorgungskabel 16 verbunden.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Linearmotors (einschließlich einer teilweisen Schnittansicht). Dieser Linearmotor 11 ist ein Linearmotor vom Stabtyp, bei dem sich ein Stab 1 in einer axialen Richtung bezüglich eines Spulengehäuses 2 bewegt. Dies wird zum Beispiel benutzt, wenn ein chipförmiges elektronisches Teil am Spitzenende des Stabs 1 montiert ist und das elektronische Teil auf einer vorgegebenen Position auf dem Substrat montiert wird. Der Linearmotor 11 kann nur in einer Achse benutzt werden, oder mehrere Linearmotoren 11 können so angeordnet sein, dass sie zur Erhöhung der Betriebseffizienz als mehrachsiger Aktuator benutzt werden.
Im Spulengehäuse 2 ist eine Vielzahl von Spulen 4 gestapelt. An jeder Endfläche des Spulengehäuses 2 ist ein Endgehäuse 9 montiert. Das Endgehäuse 9 ist mit einer Buchse 8 als Lager zum Führen der linearen Bewegung des Stabs 1 versehen.
Der Stab 1 ist aus nichtmagnetischem Material, wie etwa Edelstahl, hergestellt und hat einen Hohlraum wie ein Rohr. Im Hohlraum des Stabs 1 ist eine Vielzahl von scheibenförmigen Magneten 3 (Segmentmagneten) in einer solchen Weise gestapelt, dass dieselben Pole einander gegenüberstehen. Das heißt, die Magnete 3 sind so gestapelt, dass der N-Pol dem N-Pol und der S-Pol dem S-Pol gegenübersteht. Ein aus weichmagnetischem Material, wie etwa Eisen oder dergleichen, hergestellter Polschuh 7 (Magnetpolblock) ist zwischen den benachbarten Magneten 3 angeordnet. Wie der Polschuh 7 angeordnet ist, kann die im Stab 1 erzeugte Magnetflussdichte einer Sinuswelle angenähert sein. Um die Magnetflussdichte der Sinuswelle anzunähern und die Magnetflussdichte zu erhöhen, ist die Länge des Polschuhs 7 in der axialen Richtung kürzer festgelegt als die Länge der Magnete 3 in der axialen Richtung. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist die Länge des Polschuhs 7 in der axialen Richtung auf ungefähr eine Hälfte der Länge der Magnete 3 in der axialen Richtung festgelegt. Der Stab 1 läuft durch die gestapelten Spulen 4 und wird im Spulengehäuse 2 in der axialen Richtung beweglich gehalten.
Wie in 3 dargestellt, ist die Spule 4 durch spiraliges Wickeln eines Kupferdrahts ausgebildet und wird im Spulenhalter 5 gehalten. Um jede benachbarte Spule 4 zu isolieren, ist eine ringförmige Kunstharz-Zwischenlage 5a zwischen den Spulen 4 angeordnet. Am Spulenhalter 5 ist eine Leiterplatte 6 vorgesehen. Das Ende 4a der Spulenwicklung ist mit der Leiterplatte 6 verbunden.
In dieser beispielhaften Ausführungsform wird das Spulengehäuse 2 als Gesamtheit mit den Spulen 4 durch Spritzgießen ausgebildet, indem die Spulen 4 und der Spulenhalter 5 in eine Gussform gesetzt werden und ein geschmolzenes Kunstharz oder eine Spezialkeramik in die Form gespritzt wird. Wie in 2 dargestellt, ist im Spulengehäuse 2 eine Vielzahl von Rippen 2a ausgebildet, um die Wärmeabgabekapazität der Spulen 4 zu erhöhen. Die Spulen 4 und der Spulenhalter 5 können am Spulengehäuse 2 befestigt sein, indem die durch den Spulenhalter 5 gehaltenen Spulen 4 in dem aus Aluminium hergestellten Spulengehäuse 2 gehalten werden und Zwischenräume zwischen den Spulen 4 und dem Spulengehäuse 2 mit einem Klebstoff gefüllt werden.
4 stellt eine Positionsbeziehung zwischen den Magneten 3 und den Spulen 4 des Linearmotors dar. Im Hohlraum des Stabs 1 sind die vielfachen scheibenförmigen Magnete 3 (Segmentmagnete) in einer solchen Weise angeordnet, dass dieselben Pole einander gegenüberstehen. Jeweils drei der Spulen bilden einen Spulensatz der Phasen U, V, W. Eine Vielzahl von dreiphasigen Spulensätzen ist zu einer Spulenbaugruppe kombiniert. Wenn Dreiphasenstrom von um 120 Grad unterschiedlichen Phasen durch die Spulen der Phasen U, V, W geschickt wird, wird das sich bewegende Magnetfeld erzeugt, das sich in der axialen Richtung der Spulen 4 bewegt. Der Stab 1 erhält Schubkraft von dem sich bewegenden Magnetfeld und bewegt sich linear bezüglich der Spulen 4 synchron zur Geschwindigkeit des sich bewegenden Magnetfelds.
Wie in 2 dargestellt, ist auf einem der Endgehäuse 9 als der Magnetsensorgehäuse der Magnetsensor 12 zum Erfassen der Position des Stabs 1 montiert. Der Magnetsensor 12 ist mit einem vorgegebenen Abstand zu dem Stab 1 angeordnet und erfasst Änderungen in der Richtung des Magnetfelds des Stabs 1, die durch eine lineare Bewegung des Stabs 1 erzeugt werden (Richtung des magnetischen Vektors).
Wie in 5 dargestellt, weist der Magnetsensor 12 ein Si- oder Glassubstrat 21 und ein darauf ausgebildetes magnetoresistives Element 22 auf, das aus einem ferromagnetischen Dünnfilmmetall aus einer Legierung hergestellt ist, die ferromagnetisches Metall wie etwa Ni oder Fe in größeren Anteilen enthält. Der Magnetsensor 12 ist ein AMR-Sensor (mit anisotropem magnetoresistivem Effekt), bei dem der Widerstand sich mit einer spezifischen Magnetfeldrichtung ändert.
Es wird angenommen, dass Strom durch das magnetoresistive Element 22 fließt, die Magnetfeldgröße, bei welcher die Widerstandsänderung gesättigt ist, anliegt sowie dem Magnetfeld (H) die Winkeländerung θ in der Stromrichtung Y erteilt ist. Wie in 6 dargestellt, ist die Widerstandsänderung (ΔR) maximiert, wenn die Stromrichtung und die Magnetfeldrichtung senkrecht zueinander stehen (θ = 90°, 270°), und minimiert, wenn die Stromrichtung und die Magnetfeldrichtung parallel zueinander stehen (θ = 0°, 180°). Der Widerstand R verändert sich gemäß Winkelkomponenten der Stromrichtung zur magnetischen Richtung, wie in der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt.
(Gleichung 1)

R = R0 – ΔR sin2θ (1)

R₀:: Widerstand in ferromagnetischem Dünnfilmmetall in einem nichtmagnetischen Feld
ΔR:: Widerstandsänderung
θ:: Winkel der Magnetfeldrichtung

Im Bereich der Sättigungsempfindlichkeit oder höher wird ΔR zu einer Konstanten, und der Widerstand R wird unbeeinflusst von der Magnetfeldstärke.
Die Form des ferromagnetischen Dünnfilmmetalls des Magnetsensors 12, der die Richtung des Magnetfelds erfasst, wobei die Magnetfeldstärke größer ist als diejenige im Bereich der Sättigungsempfindlichkeit, ist in 7 dargestellt. Die Form ist derart, dass ein längs ausgebildetes ferromagnetisches Dünnfilmmetall-Element (R1) und ein quer ausgebildetes ferromagnetisches Dünnfilmmetall-Element (R2) in Reihe geschaltet sind. Die Stärke in der vertikalen Richtung, welche die größte Widerstandsänderung des Elements (R1) erzeugt, erzeugt die kleinste Widerstandsänderung des Elements (R2). Die Widerstände R1 und R2 werden durch die folgenden Gleichungen angegeben.
(Gleichung 2)

R1 = R0 – ΔR sin2θ (2)

(Gleichung 3)

R2 = R0 – ΔR cos2θ (3)

Ein Ersatzschaltbild (Halbbrücke) dieses Magnetsensors 12 ist in 8 dargestellt. Der Ausgang Vout wird durch die folgende Gleichung angegeben.
(Gleichung 4)

Vout = R1·Vcc/(R1 + R2) (4)

Wenn die Gleichungen (2) und (3) in die Gleichung (4) eingesetzt werden, kann die folgende Gleichung erhalten werden.
(Gleichung 5)

Vout = Vcc/2 + α cos2θ (5)
α = ΔR·Vcc/2 (2R0 – ΔR)

Wie in 9 dargestellt, wird das ferromagnetische Dünnfilmmetall, wenn es erweitert wird, zu einem wohl bekannten Wheatstonebrücken-Aufbau. Wenn zwei Ausgänge Vout+ und Vout– benutzt werden, wird es möglich, zu verstärken und die Stabilität des Mittelpunktpotenzials zu erhöhen.
Hier erfolgt eine Beschreibung über die Änderung der Magnetfeldrichtung, wenn sich der Stab 1 linear bewegt, sowie über den Ausgang des Magnetsensors 12. Wie in 10 dargestellt, ist der Magnetsensor 12 an einer Position des Spalts 1 angeordnet, wo die Magnetfeldstärke größer als diejenige im Bereich der Sättigungsempfindlichkeit herrscht, und dies in einer Weise, dass die Richtungsänderung des Magnetfelds für die Sensorfläche verantwortlich ist. Wie in 11 dargestellt, vollführt die Magnetfeldrichtung eine volle Umdrehung bezüglich des Sensors, wenn sich der Stab 1 linear um die Strecke λ bewegt. In dieser Zeit wird das Spannungssignal zu einem Zyklus einer Sinuswelle. Genauer, das Ausgangsprofil wird zu einem Wellenprofil von zwei Zyklen nach der Gleichung (5) Vout = Vcc/2 + α cos 29. Wenn jedoch das Vormagnetisierungs-Magnetfeld um 45° bezüglich der Erstreckungsrichtung des Elements des Magnetsensors 12 steht, reduziert sich der Zyklus um die Hälfte, und wenn sich der Stab 1 linear um die Strecke λ bewegt, kann ein Ausgangsprofil von einem Zyklus erhalten werden.
Um die Bewegungsrichtung zu erfahren, können, wie in 12 dargestellt, zwei Elemente mit Vollbrückenaufbau auf dem einen Substrat in einer Weise ausgebildet sein, dass sie um 45° zueinander geneigt sind. Die durch die beiden Vollbrückenschalkreise erhaltenen Ausgänge Vout A und Vout B werden zu Cosinuswelle und Sinuswelle, die 90° Phasenunterschied aufweisen, wie in 13 dargestellt.
Gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform gibt es, da der Magnetsensor 12 eine Änderung der Richtung des Magnetfelds des Stabs 1 erfasst, fast keine Änderung bei der vom Magnetsensor 12 ausgegebenen Sinuswelle und Cosinuswelle, selbst wenn sich die Montageposition des Magnetsensors 12 von (1) nach (2) verschiebt, wie in 14 dargestellt. Wie in 15 dargestellt, ändert sich die Lissajousfigur, die durch die Sinuswelle und die Cosinuswelle gezeichnet wird, kaum in der Größe des Kreises. Daher wird es möglich, die Richtung θ des magnetischen Vektors 24 genau zu erfassen. Da die genaue Position des Stabs 1 erfasst werden kann, selbst wenn der Spalt 1 zwischen dem Magnetsensor 12 und dem Stab 1 nicht mit hoher Genauigkeit kontrolliert wird, wird es möglich, die Montageeinstellung des Magnetsensors 12 zu vereinfachen. Daneben ist es möglich, dem durch die Buchse 8 geführten Stab 1 Spiel zu gewähren und eine gewisse Biegung des Stabs 1 zuzulassen.
16 stellt den am Endgehäuse 9 montierten Magnetsensor 12 dar. Im Endgehäuse 9 ist ein Magnetsensorgehäuse 26 vorgesehen, das einen Raum zum Aufnehmen des Magnetsensors 12 aufweist. Nachdem der Magnetsensor 12 innerhalb des Magnetsensorgehäuses 26 angeordnet ist, wird das Gehäuse mit einem Füllstoff 27 um den Magnetsensor 12 gefüllt. Dann ist der Magnetsensor 12 am Endgehäuse 9 befestigt. Der Magnetsensor 12 weist eine Temperaturabhängigkeit auf, und sein Ausgang verändert sich abhängig von Temperaturänderungen. Um den Einfluss von Wärme von den Spulen 4 zu reduzieren, sind das Endgehäuse 9 und der Füllstoff 27 aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit hergestellt, die niedriger ist als diejenige des Spulengehäuses 2. Zum Beispiel ist das Spulengehäuse 2 aus Epoxidharz hergestellt, und das Endgehäuse 9 und der Füllstoff 27 sind aus Polyphenylensulfid (PPS).
17 stellt die am Endgehäuse 9 montierte Buchse 8 als Lager dar. Da sie dem Endgehäuse 9 eine Lagerfunktion verleiht, wird es möglich, Schwankungen des Spalts zwischen dem Stab 1 und dem Magnetsensor 12 zu verhindern.
18 ist eine strukturelle Ansicht des positionserfassenden Schaltkreises 13. Das Sinuswellensignal und das Cosinuswellensignal, die vom Magnetsensor 12 ausgegeben werden, werden in den positionserfassenden Schaltkreis 13 eingegeben. Der positionserfassende Schaltkreis 13 führt als Interpolator eine digitale Interpolationsbearbeitung des Sinuswellensignals und des Cosinuswellensignals durch, die um 90° gegeneinander phasenverschoben sind, und gibt Phasenwinkeldaten hoher Auflösung aus. Der Teilungsabstand zwischen den Magnetpolen des Stabs 1 liegt in der Größenordnung von einigen zehn Millimetern und ist viel größer als derjenige des magnetischen Codierers, der in der Größenordnung von einigen hundert μm liegt. Wenn der Stab 1 auch als eine magnetische Skala benutzt wird, müssen das Sinuswellensignal und das Cosinuswellensignal, die vom Magnetsensor 12 ausgegeben werden, segmentiert werden, um die Auflösung zu erhöhen. Eine Änderung beim Sinuswellensignal und beim Cosinuswellensignal, die vom Magnetsensor 12 ausgegeben werden, übt einen sehr großen Einfluss auf den positionserfassenden Schaltkreis erhöhter Auflösung aus. Daher ist es wünschenswert, dass Änderungen beim Sinuswellensignal und beim Cosinuswellensignal, die vom Magnetsensor 12 ausgegeben werden, klein sind.
Das Sinuswellensignal und das Cosinuswellensignal mit um 90° voneinander verschiedenen Phasen werden in den A/D-Wandler 30 eingegeben. Der A/D-Wandler 30 tastet das Sinuswellensignal und das Cosinuswellensignal in jeweiligen Intervallen ab, um die digitalen Daten DA und DB auszugeben.
Zuerst werden, wie in 19 dargestellt, vorab Nachschlagetabellen-Daten in einem Nachschlagetabellen-Speicher 31 gespeichert, die nach der folgenden Gleichung unter Verwendung des arctan (TAN^–1) erzeugt werden. U = TAN–1 (DB/DA)
19 stellt eine Speicherkonfiguration eines Nachschlagetabellen-Speichers dar, wenn Phasenwinkeldaten mit einer Teilung von 1000 pro Zyklus in einem Adressraum von 8 Bit×8 Bit verwaltet werden.
Der signalverarbeitende Teil 32 als Phasenwinkel-Berechnungseinrichtung sucht mit digitalen Daten DA und DB als Adressen x bzw. y in den Nachschlagetabellen-Daten und erhält Phasenwinkeldaten u, die den Adressen x, y entsprechen. Dann wird die Division und Interpolation in einer Wellenlänge (Bereich von 0 bis 2 π) möglich. Hier kann anstelle des Nachschlagetabellen-Speichers eine Berechnung von U = TAN^–1 (DB/DA) durchgeführt werden, um die Phasenwinkeldaten zu erhalten, sodass die Division und Interpolation in einer Wellenlänge (Bereich von 0 bis 2 π) möglich wird.
Zusammenfassung
Es ist ein Positionserfassungssystem vorgesehen, das preiswert ist und bei dem die Genauigkeit bei der Montage eines Sensors nicht streng kontrolliert werden muss.
Das Positionserfassungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung enthält: einen Linearmotor, der einen Stab 1, bei dem Magnetpole aus N-Pol und S-Pol alternierend in einer axialen Richtung angeordnet sind, sowie eine Vielzahl von Spulen 4 aufweist, die den Stab 1 umgeben; einen Magnetsensor 12 zum Erfassen einer durch die lineare Bewegung des Stabs 1 bezüglich der Spulen 4 verursachten Richtungsänderung des Magnetfelds des Stabs 1, um ein Sinuswellensignal und ein Cosinuswellensignal auszugeben, die um 90° gegeneinander phasenverschoben sind; und einen positionserfassenden Schaltkreis 13 zum Erfassen einer Position des Stabs 1 bezüglich der Spulen 4. Da der Magnetsensor 12 eine Richtungsänderung des Magnetfelds des Stabs 1 erfasst, verändern sich das Sinuswellensignal und das Cosinuswellensignal kaum, die vom Magnetsensor 12 ausgegeben werden, selbst wenn sich der Abstand zwischen dem Stab 1 und dem Magnetsensor ändert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 3036274 [0004]

Claims

Linearmotor-Positionserfassungssystem, umfassend: einen Linearmotor, der einen aus einem Läufer und einem Stator, bei dem Magnetpole aus N-Pol und S-Pol alternierend in einer axialen Richtung angeordnet sind, und einen anderen aus dem Läufer und dem Stator aufweist, der eine Vielzahl von Spulen enthält, wobei der Linearmotor zum Erlangen von Schubkraft für lineare Bewegung mittels eines Magnetfelds, das durch den einen erzeugt wird, und Stroms vorgesehen ist, der durch die Spulen des anderen fließt; einen Magnetsensor, der ein magnetoresistives Element aufweist, von dem sich ein Widerstand abhängig von einer Richtung des Magnetfelds ändert, und der zum Ausgeben eines Sinuswellensignals und eines Cosinuswellensignals vorgesehen ist, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, abhängig von der durch die lineare Bewegung des Läufers bezüglich des Stators erzeugten Richtungsänderung des Magnetfelds; und einen positionserfassenden Schaltkreis zum Erfassen einer Position des Läufers bezüglich des Stators auf Grundlage des Sinuswellensignals und des Cosinuswellensignals.
Linearmotor-Positionserfassungssystem gemäß Anspruch 1, wobei der positionserfassende Schaltkreis umfasst: einen A/D-Wandler zum Abtasten des Sinuswellensignals und des Cosinuswellensignals in vorgegebenen Intervallen, um sie in digitale Daten umzuwandeln; eine Phasenwinkeldaten-berechnende Einrichtung zum Erhalten von Phasenwinkeldaten aus einer Sinuskomponente und einer Cosinuskomponente der umgewandelten digitalen Daten; und eine Pulssignal-ausgebende Einrichtung zum Erzeugen eines Pulssignals gemäß den Phasenwinkeldaten.
Linearmotor-Positionserfassungssystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Linearmotor ein Linearmotor vom Stabtyp ist, der aufweist: in dem einen aus dem Läufer und dem Stator einen Stab, der eine Vielzahl von Magneten aufweist, die jeweils mit dem N-Pol und dem S-Pol an jeweiligen Enden davon in der axialen Richtung magnetisiert sind, wobei die Magnete in der axialen Richtung in einer solchen Weise angeordnet sind, dass der N-Pol jedes Magneten dem N-Pol eines benachbarten Magneten gegenübersteht und der S-Pol jedes Magneten dem S-Pol eines benachbarten Magneten gegenübersteht und ein weichmagnetisches Material zwischen benachbarten der Magnete eingefügt ist; und in dem anderen aus dem Läufer und dem Stator die vielfachen Spulen, die den Stab umgeben.
Linearmotor-Positionserfassungssystem gemäß Anspruch 3, wobei der Linearmotor weiter aufweist: ein Spulengehäuse zum Unterbringen der vielfachen Spulen, ein an einem Ende in der axialen Richtung des Spulengehäuses vorgesehenes und einen Magnetsensor-Unterbringungsteil zum Unterbringen des Magnetsensors aufweisendes Magnetsensorgehäuse sowie einen Füllstoff zum Ausfüllen des Magnetsensor-Unterbringungsteils zum Befestigen des Magnetsensors am Magnetsensor-Unterbringungsteil, wobei mindestens eins aus dem Magnetsensorgehäuse und dem Füllstoff eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit aufweist als diejenige des Spulengehäuses.
Linearmotor-Positionserfassungssystem gemäß Anspruch 4, wobei der Linearmotor weiter ein an einem Ende des Magnetsensorgehäuses in der axialen Richtung montiertes Lager zum Führen der linearen Bewegung des Stabs aufweist.
Linearmotor-Positionserfassungssystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Linearmotor ein Linearmotor vom Flachtyp ist, der aufweist: in dem einen aus dem Läufer und dem Stator einen Feldmagneten, der eine Vielzahl von Magneten aufweist, die jeweils mit dem N-Pol und dem S-Pol an jeweiligen Endflächen davon in einer Richtung senkrecht zur axialen Richtung magnetisiert sind; und in dem anderen aus dem Läufer und dem Stator die vielfachen Spulen, die dem Feldmagneten mit einem dazwischen ausgebildeten Spalt gegenüberstehen.