以下に図面を参照して、この発明にかか� ��磁極位置検出装置及び方法の好適な実施の� ��態を詳細に説明する。

 図1は、この発明の一実施の形態による磁 極位置検出装置の構成を示すブロック図であ る。なお、この実施の形態では、リニアモー タに搭載して用いるものとして説明するが、 回転モータでも利用できるものである。

 図1に示すように、この実施の形態による 磁極位置検出装置は、2つの磁気センサのセ� �サ出力a,bと、センサ出力a,b間の位相差φとを 入力とし、それらに基づき磁極位置θを演算� ��力する装置である。

 図1に示す磁極位置検出装置は、乗算器20, 21、選択回路22,23、減算器24、割算器25、角度� ��算器26,27,28、減算器29、加算器30、乗算器31� �及び選択回路32を備えている。また、図示し てないが、位相差φを下記の式(3)によって求� ��る位相差演算部を備えている。

 この磁極位置検出装置は、次のような原� ��に基づき構成したものである。図2と図3を� �照して説明する。なお、図2は、リニアモー� ��に搭載する磁極位置検出装置のこの発明に� ��る磁極位置検出の原理を説明する図である� ��図3は、図2に示す磁極位置検出装置が備え� �2つの磁気センサの出力波形を示す波形図で� ��る。

 図2おいて、磁極位置検出装置1を搭載す� �リニアモータ2は、ガイド3に案内されて或る 長さ(磁極ピッチ)を有する磁石4の配列方向に 動くことができる。磁極位置検出装置1には� �2つの磁気センサ11,12が磁石4の配列方向にお� ��て間隔Lで配置されている。したがって、磁 極位置検出装置1が或る位置に位置するとき� �磁気センサ11,12の出力値は、N極からの距離� �異なるため違った値になる。

 磁極位置検出装置1がガイド3に沿って移動� �る場合、磁気センサ11,12の出力(センサ出力)a ,bは、図3に示すように、磁極位置検出装置1� �移動位置に応じて一定の位相差φ[rad]を持つ� ��弦波状になる。センサ出力a,bの位相差φは� �磁極PITと磁気センサ11,12の配置間隔Lとで決� �り、
  φ=2π×L/PIT[rad]   …(3)
と表せる。

 ここで、センサ出力aは、進相側に配置され る磁気センサ11の出力で、センサ出力bは、遅 相側に配置される磁気センサ12の出力である� ��すれば、磁気センサ11の出力aに比べて磁気� ��ンサ12の出力bは、φ=2π×L/PIT[rad]だけ位相が� ��れることになる。このときの磁極位置をθ� �して、正接値tanθ=a/bを求めると、
  a/b=sinθ/sin(θ+φ)=a/(a・cosφ+cosθsinφ)
となる。したがって、磁極位置θの余弦値cos� �は、
  cosθ=(b-a・cosφ)/sinφ  …(4)
と計算できる。

 従来の磁極位置検出手法では、磁気セン� ��11,12の出力a,bは、90度の位相差を有している ので、φ=90°となり、式(4)に適用すると、cosθ =bとなる。このように、式(4)は、従来手法の� ��張になっている。

 磁極位置θを従来手法と同じように正接値ta nθから算出すると、
 tanθ=sinθ/cosθ=a/cosθ=a・sinφ/(b-a・cosφ)となる ので、磁極位置θは、
  θ=tan ^-1 {(a・sinφ/(b-a・cosφ)}  …(5)
と算出することができる。

 式(5)は、磁極ピッチと、磁気センサ11,12� �配置間隔とから得られる位相差φをセンサ出 力a,bに対する補正係数として用い、センサ出 力a,bから磁極位置の正接値tanθを求めれば、� ��極位置θが得られることを示している。

 但し、式(5)において、sinφ=0となる条件で は、tanθ=0となるため、式(4)からcosθを求める ことができない。実際に、sinφ≪1のときは、 磁気センサ11,12の配置間隔Lが磁極ピッチPITに 比べて極めて小さく、磁気センサ11,12のセン� ��出力a,bの値がほぼ一致するため、式(5)からt anθを求めて磁極位置θを求めるのは困難にな る。また、磁気センサ11,12の配置間隔Lが磁極 ピッチPITの整数倍の場合にも、同じようにsin φ=0となり、式(5)からtanθを求めて磁極位置θ� ��求めるのは困難になる。

 そこで、このような場合は、センサ出力a,b� ��ら直接値sinθを求めて磁極位置θを算出する ことにする。すなわち、a=sinθ、b=sin(θ+φ)の� �係から、
  θ=sin ^-1 (a)
  θ=sin ^-1 (b)-φ
となるので、この2式を、磁極位置θを2つの� �ンサ出力a,bを利用して算出できるように、
 θ={sin ^-1 (a)+sin ^-1 (b)-φ}/2  …(6)
と変形する。このようにすれば、sinφが小さ� ��場合には、センサ出力a,bから直接sinθを計� �することによって磁極位置θを算出すること ができる。

 なお、回転モータの場合は、磁極ピッチP ITを極数とし、配置間隔Lと位相差φと磁極位� ��θをそれぞれ電気角で考えることにより、� �記と同様の手順で磁極位置を算出すること� �できる。

[規則91に基づく訂正 14.11.2008]
 図1は、以上の内容を処理ブロックの形に整 理して示したものである。図1において、値δ は、sinφ=sin(2π×L/PIT)の大きさに応じて、式(5) によってtanθを算出して磁極位置θを算出す� �か、式(6)によってsinθから磁極位置θを算出� ��るか、を決定する判定閾値である。この判� ��閾値δは、0<δ≪1の範囲内に定められる設 計値である。

 乗算器20は、センサ出力aにsinφを乗算し� �「a・sinφ」を選択回路22の一方の入力端15aに 出力する。乗算器21は、センサ出力aにcosφを� ��算した「a・cosφ」を選択回路23の一方の入� �端16aに出力する。選択回路22の他方の入力端 15bには、センサ出力aが直接入力される。選� �回路23の他方の入力端16bには、値0が入力さ� �る。

 選択回路22の出力は、割算器25の一方の入 力端と角度演算器27とに入力される。選択回� ��23の出力は、減算器24の一方の入力端に入力 される。減算器24は、他方の入力であるセン� ��出力bから選択回路23の出力を引き算した値� ��割算器25の他方の入力端と角度演算器28とに 出力する。

 角度演算器26は、割算器25の出力「tanθ」に� ��tan ^-1 」の角度演算を施して逆正接値(磁極位置)θ� �求め、選択回路32の一方の入力端17aに出力す る。

 角度演算器28は、減算器24の出力に「sin ^-1 」の角度演算を施し、求めた逆正弦値を減算 器29の一方の入力端に出力する。減算器29は� �角度演算器28の出力から他方の入力である位 相差φを引き算した値を加算器30の一方の入� �端に出力する。

 角度演算器27は、選択回路22の出力に「sin ^-1 」の角度演算を施し、求めた逆正弦値を加算 器30の他方の入力端に出力する。乗算器31は� �加算器30が出力する「(減算器29の出力」+(角� ��演算器27の出力)」に1/2を乗算した値を選択� ��路32の他方の入力端17bに出力する。

 以上の構成において、選択回路22,23,32は� �それぞれ、sinφ>δである場合は、一方の入 力端15a,16a,17aを選択し、sinφ≦δである場合は 、他方の入力端15b,16b,17bを選択する。

 そうすると、sinφ>δである場合は、選� �回路22の出力はa・sinφであり、選択回路23の� ��力はa・cosφである。減算器24の出力は、b-a� �cosφである。割算器25の出力は、a・sinφ/(b-a� �cosφ)=tanθとなる。したがって、角度演算器26 の出力には、式(5)の演算による磁極位置θが� ��られる。

 一方、sinφ≦δである場合は、選択回路22の� ��力はセンサ出力aであり、選択回路23の出力� ��値0である。減算器24の出力は、センサ出力b である。角度演算器27の出力は、θ=sin ^-1 (a)である。角度演算器28の出力は、θ=sin ^-1 (b)である。減算器29の出力は、θ=sin ^-1 (b)-φである。加算器30の出力は、2θ={sin ^-1 (a)+sin ^-1 (b)-φ}である。したがって、乗算器31の出力に は、式(6)の演算による磁極位置θが得られる� ��

 図1に示す構成によって、任意の配置間隔 Lにおいて磁極位置θを算出できるようになる ことが解る。そして、磁気センサ11,12の取り� ��けにおいて、配置間隔Lが理論値からずれた 場合でも、位相差φを補正係数として用いる� ��とで、特別な補正処理をせずに取り付けに� ��因する配置間隔Lの誤差を補正することがで きる。

 すなわち、磁気センサ11,12の取り付けに� �いて、配置間隔Lが理論値からずれた場合は� ��実際の配置間隔Lを実測したり、磁極位置誤 差波形の観測から取り付け位置の誤差を算出 して実際の配置間隔Lを推定したりして、配� �間隔Lの実際値を求め、それを式(3)に適用し� ��求めた位相差φを補正係数として図1におけ� ��φに適用すればよい。つまり、配置間隔Lに� ��差があっても、補正係数φを上記のように� �切に求めて図1の構成に適用すれば、自動的� ��正しい磁極位置が得られる。以下に、実施� ��として各種の具体的な態様を示す。

(実施例1)
 図4は、図2に示した構成において、配置間� �を5mm、磁極ピッチを30mmとした場合の磁極位� ��検出動作を説明する図である。図5は、図4� �示した条件の下でのシミュレーション結果� �従来手法と比較して示す図である。

 配置間隔Lが5mm、磁極ピッチPITが30mmの場� �の補正係数φは、式(3)から、φ=2π×5/30=π/3[rad ]となる。この補正係数φ=π/3を図1に示す構成 に適用して磁極位置θを算出する。

 図5では、横軸が実磁極位置[mm]であり、� �軸が磁極位置誤差[mm]である。図5において、 符号35は、図1に示す構成を用いる本手法によ って磁極位置検出を行った場合の特性を示し 、符号36は、式(2)の条件による従来手法によ� ��て磁極位置検出を行った場合の特性を示す� ��

 図5に示すように、補正係数φをπ/3に設定 したときには、本手法によれば、磁極位置誤 差はゼロとなり、磁極位置を正しく検出でき ることが解る。これに対して、従来手法では 、磁極位置に誤差を生じており、正しい磁極 位置を得られないことが解る。これは、従来 手法では、磁極ピッチと配置間隔との関係が 式(2)の制約条件を満足していないためである 。

 この場合、従来手法で正しく磁極位置を� ��出できるようにするには、配置間隔Lを磁極 ピッチPITの1/4である7.5mmにする必要がある。� ��まり、本手法を用いることにより、配置間� ��が7.5mmよりも短い5mmでも磁極位置検出が可� �になるので、磁極位置検出装置1の小型化を� ��ることができる。

(実施例2)
 図6は、図2に示した構成において、配置間� �を5mm、磁極ピッチを20mmとした場合の磁極位� ��検出動作を説明する図である。つまり、図6 は、磁極ピッチのみを実施例1と異ならせた� �合を示す。図7は、図6に示した条件の下での シミュレーション結果を従来手法と比較して 示す図である。

 配置間隔Lが5mm、磁極ピッチPITが20mmの場� �の補正係数φは、式(3)から、φ=2π×5/20=π/2[rad ]となる。この補正係数φ=π/2を図1に示す構成 に適用して磁極位置θを算出する。

 図7では、横軸が実磁極位置[mm]であり、� �軸が磁極位置誤差[mm]である。図7において、 符号37は、図1に示す構成を用いる本手法によ って磁極位置検出を行った場合と、式(2)の条 件による従来手法によって磁極位置検出を行 った場合との特性を示す。

 図7に示すように、本手法によれば、補正 係数φをπ/2に設定したときも磁極位置誤差は ゼロとなり、磁極位置が正しく検出できるこ とが解る。これに対して、従来手法でも正し く磁極位置検出ができ、磁極位置誤差はゼロ となっている。これは、図6に示す条件は、� �置間隔が磁極ピッチの1/4となっていて、従� �手法で用いる式(2)の制約条件を満たすから� �ある。

 このように、本手法では、図4と図6に示� �ように、磁極ピッチが異なっても補正係数φ を適切に設定すれば、磁極位置誤差をゼロに することができる。これに対して、従来手法 では、図4の条件では、式(2)の制約条件を満� �さないので、正しく磁極位置を算出できず� �磁極位置誤差が生ずる。

 したがって、本手法では、磁極ピッチの� ��なるリニアモータの間でも、補正係数φを� �切に設定することにより、共通の磁極位置� �出装置を使用して磁極位置を検出すること� �できるようになる。

(実施例3)
 図8は、図2に示した構成において、配置間� �が理論値からずれている場合に補正係数を� �出して求めた磁極位置のシミュレーション� �果を従来手法と比較して示す図である。図8� ��は、配置間隔Lの理論値は、図6に示す5mmで� �るが、実際の配置間隔が4.9mmであった場合に 、本手法によって補正を行った場合の特性38� ��、式(2)の条件による従来手法によって磁気� ��ンサ11,12のセンサ出力a,bから磁極位置検出� �行った場合の特性39とが示されている。なお 、図8では、横軸が実磁極位置[mm]で、縦軸が� ��極位置誤差[mm]である。

 図6に示す条件の場合、理論的には、従来 手法でも、式(2)の制約条件を満たしているの で、図7に示したように、正しく磁極位置検� �を行うことができる。今の例は、実際の取� �付けに誤差がある場合であるので、実際は� �(2)の制約条件を満たしていない場合に相当� �る。

 したがって、従来手法である式(2)によっ� ��磁極位置を算出した場合、センサ出力bが実 際には理論値よりも位相が進んでいるにもか かわらず、センサ出力bはcosθとして扱うため に、特性39に示すように、最大5.0-4.9=0.1mm程度 の誤差が発生する。

 これに対して、本手法では、取り付け後� ��磁気センサの配置間隔を実測したり、磁極� ��置誤差波形の振幅値から取り付け後の磁気� ��ンサの配置間隔を推定したりして、実際の� ��置間隔を取得し、それを式(3)に適用して補� ��係数φを算出し、図1の構成に適用すると、� ��り付けに起因する誤差を補正できる。今の� ��では、補正係数φに、φ=2π×4.9/20=1.53938を与� ��ることにより、取り付け誤差が補正される� ��で、特性38に示すように、磁極位置誤差が� �ロとなる。

 このように、磁気センサの配置間隔が理� ��値からずれている場合は、本手法により補� ��係数φを適切に設定することにより、誤差� �キャンセルされるのが分かる。

(実施例4)
 図9は、3つの磁気センサを用いて磁極位置� �出を行う方法を説明する図である。本手法� �用いた場合、磁気センサの位置に関する制� �が無いため、3以上の磁気センサを用いて磁� ��位置検出を行うことができる。

[規則91に基づく訂正 14.11.2008]
 例えば、図9に示すように、第3の磁気セン� �13を追加し、磁気センサ11,12を間隔L1=2.5mmの� �置に配置し、磁気センサ12,13を間隔L2=2.5mmの� ��置に配置する。磁極位置の検出は、3つの磁 気センサの組み合わせで行う。

 すなわち、磁気センサ11と磁気センサ12とを 用いて磁極位置θ12を計算し、磁気センサ11と 磁気センサ13とを用いて磁極位置θ13を計算し 、磁気センサ12と磁気センサ13とを用いて磁� �位置θ23計算し、磁極位置θを、
  θ=(θ12+θ13+θ23)/3
と算出する。

 このように、例えば、3つの磁気センサを 組み合わせて用いることができるので、ノイ ズなどによる影響を緩和し、検出精度を上げ ることができる。また、3つの磁気センサの� �ち1つが故障した場合でも残りの2つによって 磁極位置検出が行えるので、磁極検出装置の 信頼性を上げることができる。

 以上説明したように、この実施の形態に� ��れば、2つの磁気センサの配置間隔と磁極ピ ッチ(回転モータでは極数)との関係を規定す� ��式(3)によって算出した位相差φを補正係数� �して、2つのセンサ出力の各値を補正するよ� ��にしたので、磁極ピッチ(回転モータでは極 数)と磁気センサの配置間隔との間に制約の� �い磁極位置検出装置を実現することができ� �。

 また、磁極位置検出装置は、2つのセンサ 出力と、補正係数である位相差φとを入力と� ��て磁極位置θを演算検出する構成として、� �相差φの正弦値が1≫δ>0の範囲内に定めた� ��定閾値δよりも大きい場合は、式(5)によっ� �磁極位置θを演算検出し、位相差φの正弦sin� �が判定閾値δよりも小さい場合は、式(6)によ って磁極位置θを演算検出するように、位相� ��φの正弦値の大きさに応じて適切に切り換� �る構成としたので、2つの磁気センサの任意� ��配置間隔において磁極位置を検出すること� ��できる。

 したがって、2つの磁気センサの取り付け に誤差があり実際の配置間隔が理論値からず れている場合でも、計測した実際の配置間隔 を、或いは、磁極位置誤差波形の振幅値から 取り付け誤差を見出して推定した実際の配置 間隔を式(3)に適用して算出した補正係数φを� ��いることで、取り付け誤差を取り除くこと� ��できる。従来のような面倒な補正処理はし� ��いで済むようになる。

 また、従来のような磁極ピッチ(回転モー タでは極数)による制約がなくなり、2つの磁� ��センサは、任意の間隔で自由に配置できる� ��したがって、リニアモータに搭載する用途� ��磁極位置検出装置では、装置の小型化が可� ��となり、また、磁極ピッチが異なるリニア� ��ータ間での共用化が可能になる。

 加えて、磁気センサの配置の自由度が上� ��ることから、リニアモータに搭載する用途� ��磁極位置検出装置では、3以上の磁気センサ を搭載することが容易となり、磁気センサに 冗長性を持たせることができる。これによっ て、検出精度を向上させたり、信頼性を向上 させたりすることができるようになる。