JP2000078809A

JP2000078809A - サーボモータ

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Publication number: JP2000078809A
Application number: JP10247917A
Authority: JP
Inventors: Takefumi Kabashima; 武文椛島; Toshihiro Matsuo; 智弘松尾; Kazunari Matsuzaki; 一成松崎
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2000-03-14
Anticipated expiration: 2018-09-02
Also published as: JP4103018B2

Abstract

(57)【要約】【課題】構造が簡単で、コストが低く高性能・高トルク
密度の超小型サーボモータを得る。【解決手段】本発明のサーボモータは、電機子コア13お
よび電機子コイル14を有するステータ11とステータの内
径側に空隙を介して設けた永久磁石17を有するロータと
からなるモータと、ロータの回転位置を検出するエンコ
ーダ2 とを備え、ロータの永久磁石は回転軸と直角方向
に着磁された２極の磁極をもつ直線異方性を有した磁石
であり、エンコーダはロータの磁界を検出する磁気セン
サ22を有する構成である。また、磁気センサを周方向に
９０度間隔で４個配置し、互いに１８０度で対向する位
置の磁気センサ間の信号の差動をとるようにするとさら
によい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石型の同
期サーボモータ、とくに磁気エンコーダを内蔵した小型
のサーボモータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、サーボモータは、エンコーダ部
をサーボモータの軸端に別体として取り付けたものがあ
り、その全体構成は、図９に示すブロック図のようにな
っている。すなわち、モータ１に付設した回転位置や速
度を検出するエンコーダ２の信号を信号処理回路３によ
り行い、その出力を制御回路４にフィードバックし、モ
ータ１をコントロールするものである。制御回路４はそ
れぞれ速度演算回路４１、位置アンプ４２、速度アンプ
４３、電流アンプ４４、パワー回路４５、電流センサ４
６により構成されている。エンコーダ２の方式として主
に磁気式のものと光学式のものとがある。磁気式の例と
して、符号板を多極着磁した永久磁石とし、その近傍に
永久磁石の漏れ磁束を検出する磁気センサをもうけたも
のがある。検出精度に応じて多極着磁した永久磁石のパ
ターン列を増加させ各パターン列にそれぞれ磁気を検出
する磁気センサをもうけている。一方、光学式の例とし
て、図８に示すような構造のものがある。これは、モー
タ１の軸端に別体のエンコーダ２を直列に結合したもの
である。ＬＥＤ２３１からの光を符号板であるスリット
を刻んだ回転スリット板２３３に照射してＰＤ（フォト
ダイオード）２３２で受光し、光電変換することにより
回転位置や回転速度を検出している。また、光学式の他
の例として、ＬＥＤやＰＤを用いずに光ファイバーと回
転スリット板で構成し、スリット部分に光ファイバーか
ら導いた光を照射して、その反射光を光ファイバーで受
光し、スリットの有無による反射光の光量の変化を光電
変換することにより回転位置や回転速度を検出している
ものもある（精密工学会誌vol.63,No.8,p1075,1997）。
この構成のうち光量検出部や光電変換部は大きくなるた
め外部に配置している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のサ
ーボモータは、磁気式または光式のエンコーダとも別体
になっているため、小型化に限界がある。磁気式では精
度を上げようとすれば、符号板である磁石のパターン列
が複数必要であり、このため軸長が長くなる。また、光
式においても、回転スリット板のスリットの寸法、ＬＥ
ＤやＰＤの寸法の小型化は、数ｍｍが限界でこれ以上小
さくできない。精度を上げようとすれば、符号板のスリ
ットとこれに対応する光ファイバーも増加させねばなら
ず、小型化はできない。また、磁気式または光式のエン
コーダとも部品点数も多いので、製作コストも高いとい
う問題がある。さらに、エンコーダ部の体積がモータ部
と同等以上の大きな体積となっているので、単位体積当
たりのトルク、すなわち、トルク密度も小さいという問
題がある。そこで、本発明は構造が簡単で、コストが低
く高性能・高トルク密度の超小型サーボモータを提供す
ることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め本発明は、電機子コアおよび電機子コイルを有するス
テータと前記ステータの内径側に空隙を介して設けた永
久磁石を有するロータとからなるモータと、前記ロータ
の回転位置を検出するエンコーダとを備えたサーボモー
タにおいて、前記ロータの永久磁石は回転軸と直角方向
に着磁された２極の磁極をもつ直線異方性を有した磁石
であり、前記エンコーダは前記ロータの磁界を検出する
磁気センサを用いた構成にしている。また、前記磁気セ
ンサを周方向に９０度間隔で４個配置し、互いに１８０
度の位置で対向する磁気センサ間の信号の差動をとるよ
うにしてもよい。また、前記磁気センサを前記ロータの
軸方向の端部または中央部のいずれかに配置してもよ
い。また、前記磁気センサがホール素子または磁気抵抗
効果素子にしてもよい。また、前記永久磁石は、フェラ
イト系、Ｓｍ−Ｃｏ系またはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系のいずれ
かにしてもよい。上記構成により、簡単な構造で、高性
能・高トルク密度の超小型サーボモータを得ることがで
きる。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図に基
づいて説明する。図１は本発明の実施例を示すサーボモ
ータの断面図、図２は図１Ａ−Ａ’線における断面図で
ある。図において、１１はステータ、１２はフレーム、
１５はロータ、２は磁気式のエンコーダである。本発明
のサーボモータは、２極、２相、４スロットの構造であ
り、ステータ１１とエンコーダ２とを結合しその両端面
にフレーム１２を固定し、ロータ１５はフレーム１２の
軸受１８で保持している。ステータ１１は、電機子コア
が磁性材料からなる突極部１３と、突極部１３の周囲に
巻回した電機子コイル１４からなる。ロータ１５は回転
軸１６の周囲に固定した永久磁石１７からなる。永久磁
石１７は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系からなる直線異方性の磁石
を用い、ステータ１１の突極部１３の軸方向の長さより
長くしてある。そして、軸と直角方向にＮ極とＳ極の２
極に着磁してある。エンコーダ２は、永久磁石１７を発
磁体とし円形状のセンサホルダー２１とその内側に設け
た磁気センサ２２とからなる。センサホルダー２１は、
プラスチック板の絶縁材からなる。磁気センサ２２は、
４個のホール素子２２１〜２２４からなりセンサホルダ
ー２１の内側に９０度の間隔で固定されている。なお、
フレーム１２の材質は特に限定されるものではないが、
モータ寸法が特に小さい場合は、磁性体を用いた方が波
形ひずみがなく、ノイズも遮断されるため、精度はさら
に向上する。つぎに、動作について述べる。電機子コイ
ル１３に図示しない電源から電圧を印加すると、ロータ
１５が回転する。ホール素子２２１〜２２４に永久磁石
１７の漏れ磁束が作用する。図３に永久磁石１７から発
生する漏れ磁束の磁束分布を示す。永久磁石１７は回転
軸と垂直に着磁されているため、漏れ磁束は円周方向に
連続的に分布している。ホール素子２２１〜２２４から
の信号は、図４に示す信号処理回路で処理される。信号
処理回路３は、１８０度対向するホール素子２２１と２
２３の信号Ｖ_a1、Ｖ_a2を差動アンプ３１により、２２２
と２２４の信号Ｖ_b1、Ｖ_b2を差動アンプ３２によりそれ
ぞれ差動をとりＡ相、Ｂ相の信号Ｖ_a、Ｖ_bとして信号
処理するようにしている。差動アンプ３１、３２によっ
て互いに９０度位相がずれたｓｉｎθとｃｏｓθの２つ
の正弦波波形が得られる。図５にＡ相、Ｂ相に２つの正
弦波波形を示す。つぎに、Ａ相、Ｂ相の出力信号を角度
演算回路３２３に入力すると、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖｂ
／Ｖａ）の演算が行われ絶対位置の角度が検出できる。
図６は高精度の基準エンコーダ（分解能１００万パルス
／１回転）の回転角度θに対する本実施例の検出角度お
よび検出誤差を示している。この図から回転角度θは
０．１％の精度で検出できることが分かる。すなわち、
この出力値から回転角を知ることができるので、設定値
とのずれ量をフィードバックしてロータ１５の位置を制
御することができる。ロータ１５の位置に応じてＡ相，
Ｂ相に駆動電流を流し、発生する回転磁界とロータ１５
との磁気力によりモータ１に回転力を与える。なお、ロ
ータ１５が偏心して回転しても、Ａ相とＢ相は互いに１
８０度位相がずれたＡ₁相とＡ₂相およびＢ₁相とＢ₂
相の差動をとるので、偏心量は相殺される。エンコーダ
の検出出力を測定した結果、小型で簡単な構造にもかか
わらず、１回転３２０００分割した検出精度の高い絶対
位置信号が得られた。一方、駆動トルクを測定した結
果、エンコーダを別体とした従来のサーボモータより、
トルク密度（トルク／体積）が２００％強まで向上し
た。図７は本発明の他の実施例を示すサーボモータの断
面図である。本実施例は、磁気センサ２２の取り付け位
置をロータ１５の軸方向の中央部に設置したものであ
る。同じ形状のステータ１１を２個作製して直列に合わ
せ、その間に磁気センサ２２を固定したセンサホルダー
２１を結合させている。磁気センサ２２として４個の磁
気抵抗効果素子を用い、永久磁石１７としてＳｍ−Ｃｏ
系の材質を用いた。他の構成は前述の実施例と同じであ
る。エンコーダの検出出力およびを駆動トルクは、前述
の実施例と同様に良好な結果であった。本実施例では、
エンコーダ２をモータ１の中央部に配置したので、永久
磁石１７の発生する磁界が均一で安定し、その結果さら
に検出精度が向上したものと考えられる。なお、本実施
例ではモータの構造を２極、２相、４スロットとした
が、これに限定されるものではなく、極数を３相とし、
コイル数およびスロット数も３個、６個、８個と増して
もよい。また、電機子コアを突極構造を持たないリング
状の構造のものでもよい。また、永久磁石１７にＮｄ−
Ｆｅ−Ｂ系およびＳｍ−Ｃｏ系の直線異方性磁石を用い
たが、モータ寸法が比較的大きいものでは、フェライト
系の磁石を用いてもよい。また、Ｓｍ−Ｃｏ系またはＮ
ｄ−Ｆｅ−Ｂ系の材料を高分子材料で結合した分散複合
型の磁石を用いてもよい。

【０００６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によればロ
ータの永久磁石に直線異方性の磁石を用い、これを回転
軸と直角方向に２極に着磁し、この永久磁石の一部の漏
れ磁束を検出して位置検出を行う構成にしたので、構造
が簡単で、コストが低く高性能・高トルク密度の小型サ
ーボモータを得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のサーボモータを示すの断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図３】本発明のサーボモータに用いた永久磁石の磁束
の分布を示す磁束分布図である。

【図４】本発明の実施例に用いた信号処理回路を示すブ
ロック図である。

【図５】本発明に用いた磁気エンコーダのＡ相、Ｂ相の
波形図である。

【図６】本発明に用いた磁気エンコーダの回転角度に対
する磁束密度を示す波形図である。

【図７】本発明の他の実施例を示すサーボモータの断面
図である。

【図８】従来のサーボモータを示す断面図である。

【図９】サーボモータの全体構成を示す制御ブロック図
である。

【符号の説明】

１モータ１１ステータ１２フレーム１３電機子コア１４電機子コイル１５ロータ１６回転軸１７永久磁石１８軸受２エンコーダ２１センサホルダー２２磁気センサ２２１〜２２４ホール素子２３光センサ２３１ＬＥＤ２３２ＰＤ（フォトダイオード）２３３回転スリット板３信号処理回路３１，３２差動アンプ３３角度演算回路４制御回路４１速度演算回路４２位置アンプ４３速度アンプ４４電流アンプ４５パワー回路４６電流センサ

フロントページの続きＦターム(参考） 2F077 AA43 JJ02 JJ04 JJ08 JJ09 JJ23 TT21 VV11 5H019 AA07 BB03 BB05 BB14 BB20 BB23 BB29 CC03 CC07 EE14 5H611 AA01 BB07 PP05 QQ01 QQ03 RR02 TT01 UA03 UB01 5H621 BB09 BB10 GA01 GA04 HH03 JK02 5H622 CA01 CA05 CA12 DD01 DD02 PP01 QB06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電機子コアおよび電機子コイルを有するス
テータと前記ステータの内径側に空隙を介して設けた永
久磁石を有するロータとからなるモータと、前記ロータ
の回転位置を検出するエンコーダとを備えたサーボモー
タにおいて、前記ロータの永久磁石は回転軸と直角方向に着磁された
２極の磁極をもつ直線異方性を有した磁石であり、前記
エンコーダは前記ロータの磁界を検出する磁気センサを
有することを特徴とするサーボモータ。
【請求項２】前記磁気センサを周方向に９０度間隔で４
個配置し、互いに１８０度の位置で対向する磁気センサ
間の信号の差動をとるようにした請求項１記載のサーボ
モータ。
【請求項３】前記磁気センサを前記ロータの軸方向の端
部または中央部のいずれかに配置した請求項１または２
記載のサーボモータ。
【請求項４】前記磁気センサがホール素子または磁気抵
抗効果素子である請求項１ないし３のいずれか１項に記
載のサーボモータ。
【請求項５】前記永久磁石は、フェライト系、Ｓｍ−Ｃ
ｏ系またはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系のいずれかである請求項１
ないし４のいずれか１項に記載のサーボモータ。