JP2001352793A - 有限回転電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロータの回転角度に対応してロータとステー
タ間のギャップが変化するような場合においても、良好
な制御性能が得られ、ロータを高速かつ高精度に位置決
めすることができる有限回転電動機を提供する。 【解決手段】 ロータ２の回転角度を検出する回転角度
検出手段３８と、ロータの回転角度指令値２０と前記回
転角度検出手段により検出された回転角度をもとに前記
回転角度指令値に対応したトルク指令値を求め、回転角
度に対応して変化して非線形となるロータを回転させる
トルクとステータ巻線の電流値との関係を補正するため
に予め求めて記憶しておいた非線形補正係数を用いて、
前記トルク指令値と前記回転角度検出手段より検出され
た回転角度とから前記トルク指令値に対して線形化した
前記巻線の電流指令値３２，３４を演算出力する非線形
性補償制御装置４２とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステータに設けた
複数の電磁石を用いて磁性体のロータを吸引することで
有限回転角の回転力を生ずる有限回転電動機に関し、特
に、ロータに取り付けた光学的走査器などの負荷の高速
度かつ高精度な位置決めに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２５は例えば特公昭５７―５６３０４
号公報に示されている従来技術による有限回転電動機の
構成を示す図であり、（ａ）は基本構成を示すブロック
図、（ｂ）は断面図である。図２５において、２００は
制御増幅器、２０２は駆動信号、２１０はケーシング、
２１２はロータのシャフト、２１６は光学的走査器であ
る鏡、２１８は駆動コイルケーブル、２２０は変換器
（位置検出器）のリード線、２２２はロータ、２２４は
ステータ、２２６は棒ばね、２３４、２３６はボールベ
アリング、２３８、２４０は円筒形ロータ磁極面、２４
２はロータのスロット、２５２、２５４、２５６、２５
８はステータ２２４に設けられ、ロータ２２２と対向す
るステータティース、２６０は円筒形ステータ磁極面２
３８、２４０を規定する端面、２６６はエアギャップ、
２６８，２７０は永久磁石、２７２はヨーク、２７４，
２７６は巻線、２９０は位置検出器である。

【０００３】永久磁石２６８、２７０によりバイアス磁
束Ｆ１，Ｆ２が形成されている。巻線２７４，２７６に
電流を流すとステータティース２５２，２５８の磁束は
強められ、他方、ステータティース２５４，２５６の磁
束は弱められる。その結果、磁性体のロータ２２２はス
テータティース２５２，２５８に吸引されて時計周りに
回転する。なお、この従来技術では円筒形ロータ磁極面
２３８、２４０およびロータ２２２が回転しても対向す
るステータティース２５２，２５４，２５６，２５８と
の間のギャップは変化しないように構成されている。

【０００４】ロータ２２２の回転角は容量性位置検出器
組立体２９０からリード線２２０を通じて制御増幅器２
００に入力される。駆動信号が入力２０２により制御増
幅器２００に加えられ、制御増幅器２００の出力は巻線
２７４、２７６に加えられる。巻線２７４、２７６中の
電流は永久磁石２６８，２７０によって与えられるバイ
アス磁束Ｆ１，Ｆ２と相互作用する駆動磁束を生じさせ
てロータ２２２に角度的トルクを生じさせるが、これは
棒ばね２２６によって与えられる復帰力によって逆らわ
れる。従ってロータ２２２および鏡２１６はこのように
してボールベアリング２３４、２３６によつて規定され
る軸２１２の回りに回転状に駆動される。位置検出器２
９０からの帰還信号が閉ループ回路内の制御増幅器２０
０に線２２０通じて加えられてロータ２２２の位置の監
視および自動補正を行う。

【０００５】しかしながら、上記のように構成された従
来技術による有限回転電動機は、回転子２２２の構成が
複雑かつ大きいため回転慣性が増し高速化の妨げになる
という問題点があった。特に、磁路Ｆ１、Ｆ２が通る断
面積を大きくするためには円筒形回転子磁極面２３８、
２４０の断面積を大きくする必要があり、かつ、発生ト
ルクを大きくするためにはこれらの円筒形回転子磁極面
２３８、２４０を回転子の中心からなるべく離した方が
有利である。このため回転子の回転慣性は必然的に増す
が、回転子の剛性はそれほど高くすることができないた
め回転子の撓みと回転の固有振動数が低くなり高速化を
困難にしていた。

【０００６】そこで、このロータの回転慣性を下げ、か
つ、剛性を向上して上記のような従来技術の問題点を改
善した先行技術による有限回転電動機として図２６に示
す有限回転電動機が挙げられる。図２６は本願と同一出
願人によって先に出願された特願平１１−０１０８２０
号の明細書に記載されている先行技術による有限回転電
動機の構成を示す図であり、（ａ）は軸に垂直な断面
図、（ｂ）は軸方向の構造説明図である。図において、
１はシャフト、２はロータ、３，４，５，６はステータ
ティース、７，８，９，１０は巻線、１１はコアバッグ
である。１２、１３はシャフト１をコアバッグ１１に対
して、回転自由に保持する軸受、１４はシャフト１に保
持されたミラー、１５、１６はシャフト１に固定された
発光素子、１７，１８は発光素子１５，１６の光束を検
出する光検出器である。

【０００７】このように構成されたものにおいて、巻線
８，１０に電流を流す。このとき、ティース４とロータ
２との対向面がＮ極、ティース６とロータ２との対向面
がＳ極となるように巻線８，１０の巻き方向を設定して
いる。ティース４，６やロータ２やシャフト１やコアバ
ッグ１１は鉄などの磁性体であり、巻線８，１０の起磁
力によって図２２（ａ）の破線のように磁束が流れる。
ロータ２とテーィス４、６間の空隙の磁束密度Ｂ_gによ
りロータ２とティース４，６間には磁気吸引力を発生す
る。ロータ２とシャフト１は軸受１２、１３により回転
自由に支持されており、磁気吸引力Ｐによりロータ２は
ティース４、６に引き寄せられて反時計方向に回転す
る。この回転によりシャフト１に取り付けたミラー１４
が回転して光ビームを走査できる。また、反対の巻線
７，９に電流を流せば、ティース３→ロータ２→ティー
ス５→コアバッグ１１→ティース３に磁束が流れ、ロー
タ２はティース３，５に引き寄せられて時計方向に回転
する。巻線８，１０と巻線７，９の電流のバランスを制
御することでロータ２を正逆回転できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような先行技術
による有限回転電動機は以上のように構成されており、
ロータの回転角度に対応してロータとステータ間のギャ
ップが変化するため、電流−回転角度−トルクの間に強
い非線形の関係があり、良好な制御性能を得るのが困難
であるという問題点があった。

【０００９】本発明は、上記のような従来のものの問題
点を解決するためになされたものであり、ロータの回転
角度に対応してロータとステータ間のギャップが変化す
るような有限回転電動機においても、良好な制御性能が
得られ、ロータを高速かつ高精度に位置決めすることが
できる有限回転電動機を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成に係
る有限回転電動機は、ロータに磁性体の受動部を設ける
と共にステータに励磁用の巻線を巻回し前記受動部とギ
ャップを介して対向する複数個のティースを設け、前記
ステータの巻線による発生磁界で前記ギャップに磁束を
生じさせて前記ティースと前記受動部間に磁気吸引力を
生じさせることでトルクを発生し、所定の有限回転角度
の範囲内で前記ロータを回転させるように構成し、前記
ロータの回転角度に対応して前記ギャップが変化する有
限回転電動機であって、前記ロータの回転角度を検出す
る回転角度検出手段と、ロータの回転角度指令値と前記
回転角度検出手段により検出された回転角度をもとに前
記回転角度指令値に対応したトルク指令値を求め、回転
角度に対応して変化して非線形となる前記トルクと巻線
の電流値との関係を補正するために予め求めて記憶して
おいた非線形補正係数を用いて、前記トルク指令値と前
記回転角度検出手段より検出された回転角度とから前記
トルク指令値に対して線形化した前記巻線の電流指令値
を演算出力する非線形性補償制御装置とを備えたもので
ある。

【００１１】本発明の第２の構成に係る有限回転電動機
は、非線形性補償制御装置は、ロータの回転角度指令値
に基づいて軌道を生成する軌道演算手段と、この軌道と
ロータの回転角度との誤差を求める角度誤差演算手段
と、前記角度誤差演算手段で求められた角度誤差を増幅
する角度制御ゲイン演算手段と、前記角度制御ゲイン演
算手段の出力とロータの回転角速度との誤差を求める角
速度誤差演算手段と、前記角速度誤差演算手段で求めら
れた角速度誤差を増幅して前記回転角度指令値に対応し
たトルク指令値を出力する角速度制御ゲイン演算手段と
を備えたものである。

【００１２】本発明の第３の構成に係る有限回転電動機
は、補正係数は２次元多項式であるものである。

【００１３】本発明の第４の構成に係る有限回転電動機
は、ギャップの変化に応じて変化する巻線のインダクタ
ンスを、予め求めて記憶しておいたロータの回転角度と
インダクタンスとの関係を用いて補償するように構成し
たものである。

【００１４】本発明の第５の構成に係る有限回転電動機
は、非線形性補償制御装置より出力された電流指令値に
基づいて巻線に流す電流をフィードバック制御する手段
を備え、回転角度検出手段により検出されたロータの回
転角度に応じて前記電流フィードバック制御のゲインを
補償するようにしたものである。

【００１５】本発明の第６の構成に係る有限回転電動機
は、回転角度検出手段により検出されたロータの回転角
度に応じて、角度制御ゲイン演算手段の角度制御ゲイン
および角速度制御ゲイン演算手段の角速度制御ゲインを
補償するものである。

【００１６】本発明の第７の構成に係る有限回転電動機
は、ロータはシャフトと潤滑剤を用いた軸受とを介して
コアバックに対して回転可能に支持されており、前記軸
受近傍の温度を検出する温度検出手段を備えたものであ
る。

【００１７】本発明の第８の構成に係る有限回転電動機
は、温度検出手段によって検出された軸受近傍の温度に
応じて、角度制御ゲイン演算手段の角度制御ゲインおよ
び角速度制御ゲイン演算手段の角速度制御ゲインを補償
するようにしたものである。

【００１８】本発明の第９の構成に係る有限回転電動機
は、軸受近傍の温度を調節する温度調節手段を備え、温
度検出手段によって軸受近傍の温度を検出し、前記軸受
が所定の温度になるように前記温度調節手段を制御する
ようにしたものである。

【００１９】本発明の第１０の構成に係る有限回転電動
機は、ステータティースの磁束を検出する手段を備え、
検出された磁束に応じて電流指令値をフィードバック制
御する手段を備えたものである。

【００２０】本発明の第１１の構成に係る有限回転電動
機は、ロータの回転軸に直交する方向への撓みを検出す
る撓み検出手段を備え、検出されたロータの撓みを元へ
戻すように構成したものである。

【００２１】本発明の第１２の構成に係る有限回転電動
機は、複数個のティースに巻回された各巻線に流す電流
を独立に制御することによりロータの撓みを元へ戻すよ
うに構成したものである。

【００２２】本発明の第１３の構成に係る有限回転電動
機は、励磁用の巻線を巻回し受動部とギャップを介して
対向する４個のティースを、ロータの回転軸に沿って２
組設け、８本の上記巻線に流す電流を独立に制御するこ
とによりロータの撓みを元へ戻すように構成したもので
ある。

【００２３】本発明の第１４の構成に係る有限回転電動
機は、ロータに撓み力を発生するアクチュエータを設け
ることによりロータの撓みを元へ戻すように構成したも
のである。

【００２４】本発明の第１５の構成に係る有限回転電動
機は、ロータはシャフトと軸受とを介してコアバックに
対して回転可能に支持されており、前記軸受はシャフト
と非接触でこれを回転可能に支持するものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の実
施形態１による有限回転電動機の構成の概要を示すブロ
ック図、図２は図１の内部の構成をさらに詳細に示すブ
ロック図である。図１において、１はシャフト、２はロ
ータ、３，４，５，６はステータティース、７，８，
９，１０は各ティース３，４，５，６に巻かれた巻線で
ある。１１はステータのコアバッグであり、各ステータ
ティース３，４，５，６を外側から連結している。２０
は回転角度指令値（離散値）θ^*(ｋ)、３２は非線形性
補償制御装置４２の出力である電流指令値ｉ₁ ^*、３３は
電流指令値ｉ₁ ^*に基づいて巻線７，９に電流を流す電流
アンプ、３４は非線形性補償制御装置４２のもう一つの
出力である電流指令値ｉ₂ ^*、３５は電流指令値ｉ₂ ^*に基
づいて巻線８，１０に電流を流す電流アンプ、３６は巻
線７，９に流れる電流ｉ₁、３７は巻線８，１０に流れ
る電流ｉ₂である。３８はシャフト１とコアバック１１
との相対的角度を検出する角度検出器であり、例えばポ
テンショメータや光学式エンコーダが用いられ、コアバ
ッグ１１のミラー側あるいはミラーの反対側に設けられ
る。３９はシャフト１とコアバック１１との相対的角速
度を検出する角速度検出器であり、例えばタコジェネレ
ータが用いられ、角度検出器と同様にコアバッグ１１の
ミラー側あるいはミラーの反対側にに設けられる。な
お、角速度検出器の代わりにポテンショメータの角度信
号をオペアンプなどにより電気的に微分して用いること
もできる。同様に、光学式エンコーダの角度信号をデジ
タルコントローラ内で数値微分して用いることもでき
る。４０は角度検出器３８の出力である角度信号θ、４
１は角速度検出器３９の出力である角速度信号（ｄθ／
ｄｔ）である。４２は非線形性補償制御装置であり、ロ
ータの回転角度指令値２０（θ^*(ｋ)）と回転角度検出
手段３８により検出された回転角度４０（θ）をもとに
回転角度指令値２０（θ ^*(ｋ)）に対応したトルク指令
値を求め、回転角度４０（θ）に対応して変化して非線
形となるトルクと巻線の電流値との関係を補正するため
に予め求めて記憶しておいた非線形補正係数を用いて、
トルク指令値と回転角度検出手段３８より検出された回
転角度４０（θ）とからトルク指令値に対して線形化し
た巻線の電流指令値ｉ₁ ^*，ｉ₂ ^*を演算出力する。

【００２６】図２において、２１は離散的な指令角度２
０（θ^*(ｋ)）に基づいて連続した軌道を生成する軌道
演算手段、２２は軌道演算手段から出力される軌道角度
指令信号θ^*、２３は軌道角度信号２２（θ^*）とステー
タ回転角度検出器３８からの検出角度信号４０（θ）と
の差分を演算する角度誤差演算手段、２４は角度誤差信
号、２５は角度誤差信号２４を増幅する角度制御ゲイン
演算手段、２６は角度制御ゲイン演算手段２５からの角
度制御ゲイン演算出力信号、２７は角度制御ゲイン演算
出力信号２６と角速度検出器３９からの角速度信号４１
（ｄθ／ｄｔ）との差分を演算する角速度誤差演算手
段、２８は角速度誤差信号、２９は角速度誤差信号２８
を増幅する角速度制御ゲイン演算手段、３０は角速度制
御ゲイン演算手段２９の出力となるトルク指令値Ｔ_m ^*、
３１は回転角度４０（θ）に対応して変化して非線形と
なるトルクと巻線の電流値との関係を補正するために予
め求めて記憶しておいた非線形補正係数を用いて、トル
ク指令値Ｔ_m ^*３０と角度信号４０に基づきトルク指令値
Ｔ_m ^*３０に対して線形化した電流指令値ｉ₁ ^*，ｉ₂ ^*を出
力する非線形性補償演算手段である。非線形性補償制御
装置４２は、軌道演算手段２１、角度制御ゲイン演算手
段２５、角速度制御ゲイン演算手段２９、非線形性補償
演算手段３１などから構成され、例えばコンピュータで
実現されている。ここで、有限回転電動機の軸方向の構
造説明図は従来例の図２６（ｂ）と同一であるので説明
を省いている。

【００２７】次に、この有限回転電動機の動作について
説明する。はじめに、非線形性補償制御装置４２の主要
な構成要素である非線形性補償演算手段３１の演算処理
内容について説明する。有限回転電動機のロータ２に発
生するトルクＴ_mは用いるティース３，４，５，６やコ
アバッグ１１の材料の透磁率μが無限大で、磁気飽和や
磁束漏れや磁気ヒステリシスが生じていない理想的な場
合、次の式（１）で示される。

【００２８】

【数１】

【００２９】ここで、Ｔ_m1は巻線７，９に通電すること
でロータ２に時計回りの方向に発生するトルク、Ｔ_m2は
巻線８，１０に通電することでロータロータ２に反時計
回りの方向に発生するトルク、ｒはロータ２の有効腕長
さ、μ₀は真空の透磁率でありμ₀＝４π×１０^-7［Ｈ／
ｍ］、Ｎは巻線７，９のターン数を等しくＮ₁とする
と、これらを直列に接続したときＮ＝Ｎ₁×２、並列に
接続した場合はＮ＝Ｎ₁となるコイル巻数であり、ここ
では、何れも並列に接続した場合として巻線８，１０の
コイル巻数も等しくＮ＝Ｎ₁とする。Ｓは各ティースの
有効断面積、ｚ₀はティースとロータのエアギャップが
全て等しくなるロータ２の回転角度を０ｄｅｇとした時
のティース３，４，５，６，とロータ２の間にできる有
効エアギャップ、ｚはロータ２を回転することで変動す
るエアギャップである。なお、ｋは一般に電磁石吸引力
係数と呼ばれる係数である。また、エアギャップｚとロ
ータ２の回転角度θの関係は式（２）で近似できる。

【００３０】

【数２】

【００３１】ここで、ｂ、ｃはティースとロータ形状に
よって決まる定数である。

【００３２】図３（ａ）は本実施の形態による有限回転
電動機の動作を説明する図であり、具体的には、式
（１）に基づいて巻線７，９のみに電流ｉ₁をそれぞれ
ｉ₁＝５，１０，１５，２０Ａ流した時にロータ２に発
生する理想的トルクＴ_mを横軸をロータ２の回転角度
θ、縦軸を発生トルクＴ_mとしてプロットした図であ
る。図３（ａ）よりギャップの狭まる回転角度θのマイ
ナス側で発生トルクＴ_mは急激に増加すること、および
電流値の二乗でトルクが増加することがわかる。図３
（ｂ）は本実施の形態による有限回転電動機の動作を説
明する図であり、具体的には、実際の有限回転電動機の
巻線７，９に電流ｉ₁をそれぞれｉ₁＝５，１０，１５，
２０Ａ通電し、ロータ２に発生したトルクＴｍを実測し
た一例である。ｉ₁＝５Ａの実測ポイントを○印で、ｉ₁
＝１０Ａの実測ポイントを＊印で、ｉ₁＝１５Ａの実測
ポイントを×印で、ｉ₁＝２０Ａの実測ポイントを＋印
で、それぞれプロットしている。図３（ｂ）より実際の
有限回転電動機では磁束飽和や磁気漏れの影響が大きく
現れるため図３（ａ）の理想的な発生トルクＴ_mに比べ
てトルク値が大きい箇所で極端にトルク値が減少してい
ることが分かる。図４（ａ）は本実施の形態による有限
回転電動機の動作を説明する図であり、具体的には、図
３（ａ）の理想的発生トルクを横軸を巻線７，９電流ｉ
₁、縦軸を発生トルクＴ_mとしてロータ２の回転角度θご
とにプロットした図である。同じく、図４（ｂ）は実際
の有限回転電動機の発生トルクをまとめたものである。
図４（ａ）と図４（ｂ）を比較すると発生トルクＴ_mの
大きい領域で実際の有限回転電動機の発生トルクＴ_mが
著しく制限され式（１）の関数で記述できないことが分
かる。

【００３３】有限回転電動機を高速で高精度に位置決め
するには、図２の電流値３６（ｉ₁）、３７（ｉ₂）や角
度信号４０（θ）に関わらず、トルク指令値３０
（Ｔ_m ^*）に一致したトルクＴ_mをロータ２に発生させる
必要がある。しかし既に式（１）と式（２）に示したよ
うに、トルクＴ_mと、電流ｉと、ロータ角度θ（ギャッ
プｚに比例）との３つの変数の間には強い非線形性があ
り、図３および図４に示したように実際の有限回転電動
機では磁束飽和や磁気漏れにより非線形性がさらに強ま
る。そこで、これら全てを考慮して指令通りのトルクＴ
_mをロータ２に発生するために図２に示した非線形性補
償演算手段３１を用いる。非線形性補償演算手段３１の
内部には前述の理論式（１）および式（２）と実験値に
基づいた２次元多項式の補正係数を予めメモり上に記憶
してあり、入力としてトルク指令値３０（Ｔ_m ^*）と、ロ
ータ２の角度信号４０（θ）とを入力することで必要な
電流指令値３２（ｉ₁ ^*），３４（ｉ₁ ^*）を演算出力す
る。

【００３４】次に、具体的な非線形性補償演算手段３１
の内部に設定する２次元多項式の補正係数の導出方法の
一例を説明する。まず、電流ｉはトルクＴ_mと角度θの
関数ｆ（Ｔ_m、θ）であるので、これを式（３）に示す
ように２次元の線形多項式で近似する。

【００３５】

【数３】

【００３６】各係数ｂ₀₀〜ｂ_nmの導出を図５に示す具体
例にを基に説明すると次のようになる。図５（ａ）は本
実施の形態による有限回転電動機の動作を説明する図で
あり、具体的には、巻線７，９に電流ｉ₁＝５、１０，
１５、２０Ａ流したときのロータ２の発生トルクＴ_mを
縦軸に、ロータ２の回転角度θを横軸にして実験データ
を丸印で記述したデータの一例である。実験データは離
散値的であるので、この実験データをカーブフィットし
て連続的データとして、これを実線で示している。図４
の例では、７次の多項式近似を行っている。

【００３７】図５（ｂ）は本実施の形態による有限回転
電動機の動作を説明する図であり、具体的には、図５
（ａ）よりロータ２の回転角度θを−９ｄｅｇから９ｄ
ｅｇまで１ｄｅｇ刻みで読みとり、ロータ２の発生トル
クＴ_mを横軸に、電流値ｉ₁を縦軸に描いた特性図であ
る。図５（ａ）より読みとった点を丸印でプロットして
おり、各ロータ２の回転角度θごとに４点の丸印があ
り、さらに、これをなるべく低次の多項式で誤差が少な
くなるように近似する。図５においては３次関数で多項
式近似した結果を１９本の実線で記述している。このと
き、−９ｄｅｇ〜９ｄｅｇの１８個のトルクＴ_mと電流
ｉの３次関数の各係数は式（４）で示される。

【００３８】

【数４】

【００３９】式（４）より、具体的な形で図５（ｂ）の
結果より得られた係数ｃをマトリクスで書き示すと式
（５）のような値になる。

【００４０】

【数５】

【００４１】図６（ａ）は本実施の形態による有限回転
電動機の動作を説明する図であり、具体的には、図５
（ｂ）の多項式近似より得られた係数マトリクスｃをト
ルクＴ _mの０次の係数、１次の係数、２次の係数、３次
の係数の４つに分け横軸をロータ２の角度θとしてプロ
ットした結果である。次に、この係数を多項式近似して
その係数を求める。図６（ａ）の例では５次の多項式近
似により係数マトリクスｃをほぼ良好に近似でき、近似
した結果を実線で記述している。０次から３次までの係
数ａ_n（θ）（n=1，．．．，3）とロータ回転角θおよ
び５次多項式近似の係数の関係は式（６）で示される。

【００４２】

【数６】

【００４３】具体的な形で式（６）の結果より得られた
係数ａ_n（θ）マトリクスを書き示すと式（７）のよう
な値になっている。

【００４４】

【数７】

【００４５】式（７）をよく見るとマトリクスの第１行
の値は何れも零に近い小さい値であることが分かる。式
（３）でトルクＴｍ＝０とした場合、ｉ＝ａ0（θ）と
なる。トルクＴｍ＝０であれば必ず電流ｉ＝０であるの
で、ａ0（θ）はロータ２の回転角度θに関わらず零に
なる必要があることが分かる。このことから式（７）の
マトリクスの第一行は全て零であり、ここに示される値
は多項式近似演算における誤差である。このことから、
式（３）と式（７）は次式（８），（９）のように書き
改められる。

【００４６】

【数８】

【００４７】なお、式（８），（９）は巻線７，９に通
電した場合の電流値ｉ₁の演算方法の一例である。有限
回転電動機の各ティース３，４，５，６はロータ２に対
して対称な位置関係にあるので、巻線８，１０について
も式（２），（８），（９）においてロータ２の角度θ
をマイナスとして演算することで電流値ｉ₂が求まり、
係数マトリクスｂは同一である。

【００４８】図６（ｂ）は本実施の形態による有限回転
電動機の動作を説明する図であり、具体的には、式
（７）の係数を用いて式（３）よりロータ２の回転角度
θとトルクＴ_mを与えて、電流値ｉを再び計算した結果
であり、横軸を巻線７，９の電流値ｉ₁、縦軸をトルク
Ｔ_mとしている。ロータ２の回転角度θは−９ｄｅｇか
ら＋９ｄｅｇまで１ｄｅｇ刻みで与え、図６（ｂ）には
合計１９本の曲線が描かれている。図６（ｂ）に示す丸
印は電流値ｉ₁＝５、１０、１５、２０Ａに対応する点
を図５（ａ）の実験値を基に読みとりプロットした点で
ある。図６（ｂ）より丸印と曲線はよく一致しており、
式（３）に基づいて求めた２次元多項式近似による近似
が有効であることが確認できる。これより、図２に示す
トルク指令値３０（Ｔ_m ^*）とロータ２の回転角度４０
（θ）が予め与えられれば、ロータ２にトルク指令値Ｔ
_m ^*と同じトルクＴ_mを発生するのに必要な電流指令値３
２（ｉ₁ ^*），３４（ｉ₂ ^*）を演算して出力できる。

【００４９】図２の非線形性補償演算手段３１は前述の
式（７）の係数マトリクスａを用いる有限回転電動機の
特性に併せて予め実験的、解析的に求め、これを式
（３）でリアルタイムで演算出力するものである。係数
マトリクスｂの次数は有限回転電動機の特性に応じて変
わるが、たいていの場合ｎ×ｍ＝６×４程度でほぼ満足
できる近似が得られる。具体的な例として示した図５お
よび図６の例において、必要な乗算は２４回、加算が１
８回であり、ＤＳＰ（デジタル シグナル プロセッ
サ）などの高速演算素子を用いれば十分リアルタイムで
補償できる演算量に納まる。また、演算素子の処理能力
に余裕があれば、マトリクスの次数を上げることで精度
を向上できる。

【００５０】次に、非線形性補償制御装置４２の内部に
おける非線形性補償演算器３１以外の動作について説明
する。離散値的な角度指令値２０（θ^*（ｋ））がＮＣ
（数値制御装置）などの外部のコントローラから与えら
れると、軌道生成手段２１により連続的な軌道角度指令
信号２３が生成される。軌道角度指令信号２３（θ^*）
と角度検出器３８による角度信号４０（θ）との差分で
ある角度誤差信号２５が角度誤差演算手段２３により演
算される。角度誤差信号２５を比例要素、積分要素、微
分要素などの補償器を有する角度制御ゲイン演算手段２
５により増幅して角度制御ゲイン演算出力信号２６が生
成される。さらに、角速度検出器３９による角速度信号
４１（ｄθ／ｄｔ）との差分である角速度誤差信号２８
が角速度誤差演算手段２７により演算される。角速度誤
差信号２８を補償要素を有する角速度制御ゲイン演算手
段２９により増幅することでトルク指令値３０（Ｔ_m ^*）
が生成される。非線形性補償演算器３１にはトルク指令
値３０（Ｔ_m ^*）と角度信号４０（θ）が入力され、例え
ば、前述の式（２）と式（８），（９）により必要な電
流指令値３２（ｉ₁ ^*）、３４（ｉ₂ ^*）が求まる。ロータ
２を時計方向に回転するには、電流指令値３２（ｉ₁ ^*）
を電流アンプ３３に入力して巻線７，９に電流３６（ｉ
₁）を流し、ロータ２を反時計方向に回転するには、電
流指令値３４（ｉ₂ ^*）を電流アンプ３５に入力して巻線
８，１０に電流３７（ｉ₂）を流すことで、ロータ２は
トルク指令値３１（Ｔ_m ^*）と線形な関係で等しいトルク
Ｔ_mを、ロータ２の角度θに関わらず発生することがで
きる。

【００５１】図７は本実施の形態による有限回転電動機
の動作を説明する図であり、具体的には、前述のように
トルク指令値３０（Ｔ_m ^*）とロータ２の角度θより式
（８）、式（９）を演算して得られる巻線電流値３６
（ｉ₁），３７（ｉ₂）との関係を時刻歴波形で図示した
ものである。ここに用いた電磁石は吸引力を発生するこ
とはできるが反発力は発生できないため、正逆回転をロ
ータ２に発生するには、巻線７，９に電流を正（＋）側
のみとして零になる時点で巻線８，１０に瞬時に切り変
えて通電する。図７（ａ）にティース３，５とティース
４，６のエアギャップが等しいロータ２の角度θ＝０ｄ
ｅｇの場合の指令トルク３０（Ｔ_m ^*）と、巻線７，９の
電流３６（ｉ₁）と、巻線８，１０の電流３７（ｉ₂）と
の関係を横軸を時間としてその波形を図示している。ト
ルク指令Ｔ_m ^*として正弦波を与えた場合、トルクが正
（＋）側で巻線７，９に正弦波状に電流（ｉ₁）を通電
し、その間巻線８，１０の電流ｉ₂は零である。トルク
指令値Ｔ_m ^*が負（−）になる時点で電流ｉ₁は零とな
り、電流ｉ₂は正（＋）側に正弦波状に通電される。ロ
ータ２の角度θ＝０ｄｅｇの場合、理想的には正弦波状
の電流値はｉ₁とｉ₂で等しくなる。図７（ｂ）には、テ
ィース３，５のエアギャップが広くティース４，６のエ
アギャップが狭いロータ角度θ＝−８ｄｅｇの例を示し
ている。巻線７，９の電流ｉ₁が巻線８，１０の電流ｉ₂
に比べ大きくなることが示されている。図７（ｃ）に
は、ティース３，５のエアギャップが狭くティース４，
６のエアギャップが広いロータ角度θ＝８ｄｅｇの例を
示している。図８（ｂ）の場合とは逆に、巻線７，９の
電流ｉ₁が巻線８，１０の電流ｉ₂に比べ小さくなること
が示されている。なお、式（８），（９）から分かるよ
うに電流ｉとトルク値Ｔ_mは非線形な関係にあるので、
トルク指令値３０（Ｔ_m ^*）が正弦波でも電流値ｉ₁、ｉ₂
は必ずしも正弦波とはならない。

【００５２】以上のように構成した非線形性補償制御手
段４２を用いることでトルクと電流とロータ２の回転角
度に非線形性を有する有限回転電動機においても、線形
性が良好で高速かつ高精度な位置決め制御が実現でき
る。

【００５３】実施の形態２．図８は本発明の実施の形態
２による有限回転電動機の動作を説明するための図であ
り、具体的には有限回転電動機の制御装置の電流アンプ
の内部構成を示すブロック図である。図において、４５
は電流指令値３２，３４（ｉ１*，ｉ２*）と電流値３
６，３７（ｉ１，ｉ２）の差分を増幅する電流制御ゲイ
ン演算手段、４６は巻線に加える巻線電圧（ｖ）、４７
はラプラス演算子ｓを用いて表した電磁石モデル、４８
は回転推力定数、４９はロータ発生トルクである。

【００５４】図９は本発明の実施の形態２による有限回
転電動機の動作を説明するための図であり、具体的には
有限回転電動機の巻線７，９と巻線８，１０のインダク
タンスとロータ回転角の関係（図９（ａ））、および電
流アンプの制御帯域の変化を示す特性図（図９（ｂ））
である。

【００５５】図１０は本発明の実施の形態２による有限
回転電動機の構成の概要を示すブロック図である。図に
おいて、４３はロータ２の角度θによって各ティース
３，４，５，６とロータ２のエアギャップが変わること
で変化する巻線７，９と巻線８，１０のインダクタンス
を推定するインダクタンス演算手段、４４はインダクタ
ンス推定値Ｌ₁、Ｌ₂である。３３，３５はインダクタン
ス推定値４４により制御帯域を可変する電流アンプであ
る。それ以外の構成要素は前述の実施の形態１と同一で
ある。

【００５６】図１１は図１０の内部の構成をさらに詳細
に示すブロック図である。図において、５０はロータ角
度４０（θ）に応じて制御ゲインを可変できる角度可変
電流制御ゲイン演算手段、５１は電磁石の電圧入力、電
流出力の関係をラプラス演算子ｓを用いて記述した伝達
特性においてインダクタンスＬが角度θの関数とした角
度可変電磁石モデル、５２はラプラス演算子ｓを用いて
記述したロータ慣性モデル、５３は積分演算子である。

【００５７】次に動作について説明する。前述の実施の
形態１では、電流アンプ３３，３５は電流指令値３２
（ｉ₁ ^*），３４（ｉ₂ ^*）に比例した電流３６（ｉ₁），
３７（ｉ₂）が流せる理想的な場合を示しているが、実
際の電磁石には図８に示すような電流帰還制御系を用い
て電流アンプ３３，３５を構成している。電流指令値３
２（ｉ₁ ^*），３４（ｉ₂ ^*）と電流３６（ｉ₁），３７
（ｉ₂）の誤差を電流制御ゲイン演算手段４５で増幅す
る。なお、電流制御ゲイン演算手段４５内部には比例要
素、積分要素、微分要素などの補償器が含まれている。
電流３６（ｉ₁），３７（ｉ₂）が巻線７，８，９、１０
に通電されるとロータ角度と電流値の関数である回転推
力定数４８（Ｋ_t(θ)）に対応したトルク４９（Ｔｍ）
がロータ２に発生する。しかし、有限回転電動機に用い
られる電磁石の入力電圧と出力電流の関係はインダクタ
ンスＬと巻線抵抗Ｒの関数であり、さらに、インダクタ
ンスＬは次の式（１０）に示すようにエアギャップｚに
反比例している。

【００５８】

【数９】

【００５９】ロータ２回転角度θとエアギャップｚは式
（２）の関係にあり、このθとインダクタンスＬの関係
を図示した一例が図９（ａ）である。ロータ２の回転角
度θを横軸にコイルインダクタンスＬを縦軸に、巻線
７，９の特性を実線で巻線８，１０の特性を破線で示し
ている。ロータ２の回転角度θ＝０のとき実線と破線は
交わりインダクタンスＬ₀となる、エアギャップｚが式
（２）に基づき狭まることでインダクタンスＬは式（１
０）に従い反比例的に増加し、エアギャップｚが広がる
ことで反比例的に減少する。図９（ａ）に示すようにコ
イルインダクタンスの最大値Ｌ_Hと最小値Ｌ_Lは２倍近く
異なるため、図８に示した電流制御系の周波数帯域は図
９（ｂ）に示すようにエアギャップｚにより大きく変化
する。さらに、磁気飽和や磁束漏れなどの非線形的特性
も加わる。図９（ｂ）の実線はエアギャップｚが狭いと
き、破線はｚが広いときの特性を示し、横軸を対数スケ
ールの周波数、縦軸を電流指令値ｉ^*と電流値ｉの比
（ｉ／ｉ^*）のゲインをデシベル（ｄＢ）スケールで表
示している。ゲインが０ｄＢならば、指令値ｉ^*に一致
した電流ｉが出力されるが、例えば、図９（ｂ）に示す
ように電流制御周波数ｆ_iで折れ曲がり、これ以上の周
波数では電流出力ｉは−２０ｄＢ／ｄｅｃの傾きで減少
する。電流制御周波数ｆ_iは巻線抵抗Ｒ、インダクタン
スＬおよび電流制御ゲイン演算手段４５で決まり、電流
制御ゲイン演算手段４５の補償要素が比例要素Ｋ_iの場
合、ｆ_iは次の式（１１）で示される。

【００６０】

【数１０】

【００６１】式（１１）からインダクタンスＬが大きく
なるほど電流制御の帯域が狭くなることが分かる。ロー
タ２をより高速かつ高精度に位置決めするには前述の図
２の角度制御ゲイン演算手段２５および角速度制御ゲイ
ン演算手段２９などにより決まる角度制御の帯域ｆ_pを
大幅に高くする必要がある。この位置制御帰還ループよ
りも内側に帰還ループのある電流制御帯域ｆ_iは位置制
御帯域ｆ_pより数倍の高い制御帯域を持つ必要があり、
ｆ_iがｆ_pに近づいてくるとロータの位置制御の速度と精
度に悪影響を及ぼす。図９（ｂ）のｆ_iが２倍も異なれ
ば、角度θに応じてロータの位置決め精度が劣化してし
まう。そこでこのインダクタンスＬの変化を予め、実験
的、解析的に求めた図９（ａ）の関係からロータ２の回
転角度θよりインダクタンス演算手段４３によりインダ
クタンスＬを演算し、この値に基づき非線形性補償制御
装置の電流出力指令値３２（ｉ₁ ^*）、３４（ｉ₂ ^*）を補
償することで、電流制御帯域ｆ_iの変化を補償し、イン
ダクタンスの変化によらず電流制御帯域ｆ_iを一定に保
ち、高速で高精度なロータ２の位置決め制御が可能であ
る。

【００６２】次に、図１０および図１１で示した本発明
の実施の形態２による有限回転電動機の動作について説
明する。前述の図８および図９を用いた説明において示
したように、電流制御帯域ｆ_iとインダクタンスＬの関
係は式（１１）で示される。ｆ_iを一定に保つには角度
θによるＬの変化を電流制御ゲインＫ_iを調整すること
で補償すれば、電流制御帯域ｆ_iを一定に保つことがで
きる。式（１１）をＫ_iについての式に書き改めると次
の式（１２）を得る。

【００６３】

【数１１】

【００６４】ここで、Ｌ（θ）はインダクタンスＬが角
度θの関数であること、Ｋ_i（θ）は電流制御ゲインＫ_i
が角度θの関数であることを示す。あらかじめ、角度θ
に関するインダクタンスＬの変化が前述の図９（ａ）よ
うに与えられていれば、電流制御帯域ｆ_iを一定とする
電流制御ゲインＫ_i（θ）を与えることができる。図１
０に示すようにロータ２の角度４０（θ）をセンサで検
出し前述の図９（ａ）の関係に基づきインダクタンス演
算算手段４３によりインダクタンスＬの推定値を求め、
これに基づき電流アンプ３３、３５の制御ゲインを可変
すればよい。図１１に示すようにロータ２の角度４０
（θ）に応じて電流制御ゲイン演算手段５０により（Ｋ
_i（Ｌ）、なお、ここでＫ_i（Ｌ）は電流制御ゲインＫ_i
が角度Ｌの関数であることを示し、式（１２）のθの関
数ではなく、図９（ａ）の関係からインダクタンスＬの
関数として図示している。）を可変して角度θに応じて
特性の変わる角度可変電磁石モデル５１に加える電圧４
６（ｖ）を与えることで電流制御帯域ｆ_iは一定とでき
る。電流制御ゲインＫ_iの調整を行うにはオペアンプ等
のアナログ演算子で例えば式（１２）を演算する。ある
いは、角度信号θをＡＤ変換器でデジタル信号に変換し
デジタル計算機で演算しＤＡ変換器でアナログ出力する
ことでも実現できる。以上のように電流制御ゲイン演算
器５０を構成することでロータ２の角度θに関わらず高
速で高精度に位置決め制御することができる。

【００６５】実施の形態３．図１２は本発明の実施の形
態３による有限回転電動機の構成の概要を示すブロック
図である。図において、４２はロータ２の角度４０、ロ
ータ角速度４１、および、インダクタンス推定値４４に
基づき、電流指令値３２，３４を補正する非線形性補償
制御装置である。それ以外の構成要素は前述の実施の形
態２と同一である。

【００６６】図１３は図１２の内部の構成をさらに詳細
に示すブロック図である。図において、５４はロータ２
の角度４０（θ）に応じて変化するインダクタンスＬに
より角度ゲインを調整する角度可変角度制御ゲイン演算
手段、５５は角度４０（θ）に応じて変化するインダク
タンスＬにより角速度ゲインを調整する角度可変角速度
制御ゲイン演算手段である。

【００６７】次に動作について説明する。前述の実施の
形態２では電流制御ゲインＫ_iを角度θの関数とするこ
とで調整して電流制御帯域ｆ_iを一定に保っていたが、
位置決め制御を高速にするためには電流制御帯域ｆ_iは
非常に高い帯域にすることが必要である。そのためには
電流制御ゲインＫ_i（θ）をアナログ演算子であるオペ
アンプなどにより補償すればよいが、前述の図９（ａ）
に示すようにロータ回転角度θとコイルインダクタンス
Ｌの関係は反比例的な高次関数になる。このような関係
をオペアンプ等の回路素子で実現するのは難しく、近似
する関数を２次関数程度に下げて補償する必要がある。
一方、ＡＤ変換器等で角度θをデジタル変換しデジタル
補償すれば高次関数でも容易に補償できるが、ＡＤ変換
などによる変換時間やＣＰＵにおける演算時間による遅
れが大きくなり電流制御帯域ｆ_iが十分に高くすること
が困難であり何れも長所と短所がある。そこで、前述の
実施の形態２に変わる手段として、図１２に示すように
電流アンプ３３，３５内部の電流制御ゲインＫ_iを補償
する変わりに非線形性補償制御装置４２内部の角度制御
ゲインＫ_pと角速度制御ゲインＫ_vを角度θの関数として
補償することで、角度θによりコイルインダクタンスＬ
が変化する影響を補償する。

【００６８】角度θによりＬが変化すると前述の図９
（ｂ）に示すように電流制御帯域ｆ_iが変化し、これに
よりロータ２の位置決め制御における位置誤差が増加す
る。インダクタンスＬの変化によりロータ角度信号４０
（θ）の振動減衰が大きくなる（減衰不足状態）場合
は、図１３のブロック線図に示す角度可変角速度制御ゲ
イン演算手段５５の制御ゲインＫ_v（Ｌ）を大きくする
ことで減衰量を増して振動減衰を大きくすることで素早
く角度を静定できる。逆に、インダクタンスＬの変化に
よりロータ角度信号４０（θ）の振動減衰が小さいくな
り（過減衰状態）速やかに目標角度に到達できない場合
は、角度可変角速度制御ゲイン演算手段５５の制御ゲイ
ンＫ_v（Ｌ）を小さくすることで減衰量を減らして振動
減衰を小さくし、素早く目標角度に静定することができ
る。同様に、インダクタンスＬの変化によりロータ角度
信号４０（θ）の角度誤差信号２４が大きくなる場合
は、角度可変角度制御ゲイン演算手段５４の制御ゲイン
Ｋｐ（Ｌ）を大きくすることで制御による剛性を増して
位置誤差を小さくすることで素早く角度を静定できる。
逆に、インダクタンスＬの変化によりロータ角度信号４
０（θ）の発振気味になり速やかに目標角度に到達でき
ない場合は、角度可変角度制御ゲイン演算手段５４の制
御ゲインＫｐ（Ｌ）を小さくすることで制御による剛性
を減らして安定性を増し、素早く目標角度に静定するこ
とができる。以上のように角度θに応じた角度制御ゲイ
ンＫ_p（Ｌ）と角速度制御ゲインＫ_v（Ｌ）を用いること
でインダクタンスＬの変化があっても安定で速やかに静
定する角度制御系を実現できる。これらＫ_p（Ｌ）とＫ_v
（Ｌ）の演算は図１３のブロック図に示すように、電流
制御ゲイン演算手段４５による電流制御系の外側に位置
するので、電流制御帯域ｆ_iに比べ数分の一の制御帯域
で演算すれば良く、デジタル系の演算器で十分演算でき
るので実現が容易である。これにより、高速で高精度な
ロータ２の角度制御が可能である。

【００６９】実施の形態４．図１４は本発明の実施の形
態４による有限回転電動機の構成の概要を示すブロック
図である。図において、１４はシャフト１に固定された
ミラー、５７は有限回転電動機のミーラー１４側に位置
する軸受１２の近傍の温度を計測する前側軸受用温度検
出器、５９は前側軸受用温度検出器５７の検出信号を電
気信号に変換し増幅する温度検出器用アンプ、６２は温
度検出器用アンプ５９の出力信号である。

【００７０】次に動作について説明する。有限回転電動
機のロータ２を位置決め制御するには巻線７，８，９，
１０に通電してロータ２にトルクＴ_mを発生する必要が
ある。これに伴い電流値に比例して巻線７，８，９，１
０に発生する銅損、コアバッグ１１とステータティース
３，４，５，６に渦電流が発生することによる鉄損、ベ
アリング部の摺動摩擦による機械損などの損失が発生す
る。これらの損失は発熱量となり有限回転電動機の温度
を上昇させる。温度が上昇することでロータ２を支持す
る軸受１２，１３の温度も上昇する。軸受１２，１３と
しては例えば玉軸受や滑り軸受などの潤滑剤を用いた軸
受が用いられるのが一般的であり、軸受１２，１３の温
度上昇によって潤滑剤の温度も上昇する。一般に潤滑剤
の粘性は温度上昇に伴って減少するため、温度が上昇す
ると、ロータ２の回転に対する粘性抵抗が低下する。そ
の逆に、温度が低下すると粘性抵抗は増加する。これら
の軸受１２、１３における粘性抵抗の変化は、ロータ２
の位置決め精度に影響する。そこで、非常に高精度な位
置決め制御を行うにはこれらの粘性抵抗の変化が無視で
きない。そこで、本実施の形態では、有限回転電動機の
軸受１２または１３近傍の温度を温度検出器５７により
検出し、これを温度検出用アンプ５９で増幅し、この出
力信号６２を基に非線形性補償制御装置４２を用いて粘
性抵抗の影響を補正することにより、温度による位置決
め精度の低下を改善し、高速で高精度な角度制御が実現
できる。

【００７１】次に、図１５を用いてさらに詳細に説明す
る。図１５は図１４の要部の構成をさらに詳細に示すブ
ロック図である。図において、５６はシャフト１に設け
たシャフト用温度検出器、５７はコアバッグ１１に設け
た前側軸受用温度検出器、５８はコアバッグ１１に設け
た後側軸受用温度検出器であり、これらの温度検出器と
しては例えば熱電対などが用いられ、何れも軸受１２，
１３近傍の温度を検出するが、実質的には軸受１２，１
３の温度を検出している。５９はこれらの温度検出器５
６，５７，５８の検出信号を電気信号に変換し増幅する
温度検出器用アンプ、６０は温度検出器用アンプ５９の
出力信号６２に基づいて角度制御ゲインを調整する温度
可変角度制御ゲイン演算手段、６１は温度可変角速度制
御ゲイン演算手段、６２は温度検出器用アンプ５９の出
力である平均温度信号ｔである。

【００７２】次に動作について説明する。軸受１２，１
３近傍の温度を測定して軸受１２，１３の粘性抵抗の影
響を補正する手法としては様々な形態が考えられるが、
ここでは角度制御ゲインＫ_pと角速度制御ゲインＫ_vに着
目し、これらを温度ｔの関数として補正することで位置
決め制御の精度を向上することを考える。一般に、シャ
フト１に設けたシャフト用温度検出器５６、コアバッグ
１１に設けた前側軸受用温度検出器５７および後側軸受
用温度検出器５８により得られる温度ｔが上昇すると軸
受１２，１３の温度も上昇し、これに用いる潤滑剤の粘
性が低下する。粘性が低下することはロータ２に加わる
減衰量が低下することにほぼ等しい作用があり、ロータ
２の振動が増す（減衰不足）状態になる。これを防ぐに
は、温度可変角速度制御ゲイン演算手段６１により温度
ｔの上昇に応じて角速度ゲインＫ_v（ｔ）を増やすこと
で適正な減衰力をロータ２に与えることができる。ここ
でＫ_v（ｔ）は、Ｋ_vが温度ｔの関数であることを示す。
一方、角速度制御ゲインＫ_v（ｔ）を温度ｔに応じて増
やすことで適切な減衰力は与えられるが、実際には電流
アンプ３３、３５の制御帯域ｆ_iの制約により、無限に
角速度制御ゲインを大きくすることはできない。そこ
で、温度上昇により摺動抵抗が減るとこれに伴いロータ
２への外乱トルクＴ_dも減るので角度制御ゲインＫ_pを大
きくしなくても、温度上昇前と同じ静定時間で位置決め
制御が可能である。Ｋ_pを減らすことができれば、それ
に伴い角速度制御ゲインＫ_v（ｔ）も減らすことができ
る。そこで、温度可変角度制御ゲイン演算手段６０によ
り温度ｔに応じて角度制御ゲインＫ_p（ｔ）を調整して
制御系が不安定にならないようにすることができる。

【００７３】以上のように、有限回転電動機の軸受１
２，１３近傍の温度ｔに応じて角度制御ゲインＫ
_p（ｔ）と角速度制御ゲインＫ_v（ｔ）を適切に調整する
ことで、軸受１２，１３の温度変化に影響されず高速で
高精度なロータ２の角度制御が可能である。

【００７４】なお、軸受１２，１３近傍の温度は、シャ
フト用温度検出器５６、前側軸受用温度検出器５７、お
よび後側軸受用温度検出器５８の全てを用いずに、少な
くとも１つを用いて検出してもよい。

【００７５】実施の形態５．図１６は本発明の実施の形
態５による有限回転電動機の要部の構成を示すブロック
図である。図において、６４は軸受１２，１３近傍の温
度を調節する温度調節手段であり、例えばコアバック１
１に接して冷却水を循環させるように構成された水冷式
温度制御器が用いられる。軸受１２，１３が所定の温度
になるように温度調節手段６４を制御する温度制御装置
であり、例えばコンピュータにより実現されている。そ
の他の構成は前述の実施の形態４と同じである。

【００７６】次に動作について説明する。前述の実施の
形態４では、軸受１２，１３近傍の温度を検出して角度
制御ゲインＫ_p（ｔ）と角速度制御ゲインＫ_v（ｔ）を調
整することで、位置決め精度に対する軸受１２，１３の
温度変化の影響を排除したが、軸受１２、１３の潤滑剤
の温度を一定に保つことでも高精度な位置決めが可能と
なる。そこで、各温度検出器５６、５７、５８と温度検
出用アンプ５９から得られた温度６２（ｔ）を温度制御
装置６３に入力し、軸受１２，１３が所定の温度になる
ようにコアバッグ１１に設けた温度制御器６４を制御し
てコアバッグ１１の温度を制御する。具体的には、例え
ば、軸受１２，１３の測定温度ｔが所定温度より高かっ
た場合に、水冷式の温度制御器６４に冷却水を循環させ
て所定温度まで冷却する。これによりコアバッグ１１の
温度は一定に保たれ、その結果、軸受１２，１３の潤滑
剤の粘性も一定に保たれるので、高速で高精度なロータ
２の角度制御が可能である。

【００７７】なお、温度制御器６４は冷却制御に限ら
ず、例えば所定温度の水を循環させる等によりコアバッ
ク１１を加熱して所定温度に維持することも可能であ
る。

【００７８】実施の形態６．図１７は本発明の実施の形
態６による有限回転電動機の要部の構成を示すブロック
図である。図において、６５は前述の実施形態１で示し
た非線形性補償演算手段４２に代わる磁束指令値出力非
線形性補償演算手段であり、非線形性補償演算手段４２
が電流指令値ｉ₁ ^*，ｉ₂ ^*を出力した代わりに磁束指令値
φ₁ ^*，φ₂ ^*を出力する。６６，６７は磁束指令値、６
８、６９は磁束誤差演算手段、７０，７１は磁束誤差、
７２、７３は磁束制御ゲイン演算手段であり、これら磁
束指令値出力非線形性補償演算手段６５、磁束誤差演算
手段６８，６９および磁束制御ゲイン演算手段７２、７
３は例えばコンピュータで実現されている。７４ａ、７
４ｂ、７５ａ、７５ｂはそれぞれティース３，４，５，
６に設けられた磁束検出器であり、例えばホール素子が
用いられる。７６，７７は磁束検出器信号、７８、７９
は磁束検出器アンプ、８０，８１は磁束信号φ₁，φ₂で
ある。

【００７９】次に動作について説明する。巻線７，８，
９，１０に電流ｉを通電すると前述の式（１）に示すよ
うに各ティース３，４，５，６に磁気吸引力が発生し、
ロータ２にトルクＴ_mが発生する。しかし、現実には電
流ｉを流すことで、磁性体のティース３，４，５，６と
ロータ２とコアバッグ１１に式（１３）に示す磁束Ｂが
発生し、これに伴い式（１４）に示す磁気吸引力ｆ_mが
発生する。

【００８０】

【数１２】

【００８１】ここで、μ₀は真空の透磁率、Ｓは各ティ
ース３，４，５，６の有効断面積である。電流ｉを通電
するとただちに磁束Ｂが発生するが、非常に短い時間の
遅れは生じる。この遅れはトルク指令値Ｔ_m ^*から実際に
ロータ２に発生するトルクＴ _mの間の遅れとなる。この
遅れを改善するために、ティース３，４，５，６に磁束
検出器７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄを直接埋め込
み、この信号７６，７７を磁束検出器アンプ７８，７９
で増幅して各ティース３，４，５，６に発生する磁束信
号８０（φ₁），８１（φ₂）を検出する。この検出した
磁束信号と磁束指令値出力非線形補償演算手段６５から
の磁束指令値６６（φ₁ ^*），６７（φ₂ ^*）との差分を磁
束誤差演算手段６８、６９でとり、これらの磁束誤差７
０、７１を磁束制御ゲイン演算手段７２、７３で増幅し
電流指令値３２（ｉ₁ ^*），３４（ｉ ₂ ^*）を出力し電流ア
ンプ３３，３４で巻線７，８，９，１０に通電し、磁束
を一定に保つ磁束制御系を構成する。

【００８２】以上のような磁束制御系を電流制御系の変
わりに構成することにより、トルク指令値を与えてから
ロータ２のトルクが発生するまでの時間遅れの少ない制
御系が実現でき、ロータをより高速で高精度に角度制御
することが可能である。

【００８３】実施の形態７．図１８は本発明の実施の形
態７による有限回転電動機を説明する図であり、（ａ）
は全体構成を示すブロック図、（ｂ）は動作を説明する
ためにロータの１次撓み振動モードと電磁石の配置を示
す側面図である。図において、８２は非線形性補償制御
装置（４出力）であり、各巻線７，８，９，１０に流す
４つの電流指令値を出力する。８３、８４、８５、８６
は電流指令値ｉ₁ ^*，ｉ₂ ^*，ｉ₃ ^*，ｉ₄ ^*、８７、８８，８
９、９０は電流アンプ、９１は例えばコアバッグ１１に
設けられてロータ２の回転軸に直交する方向への撓みを
検出するロータ並進、並進速度検出器であり、例えば渦
電流式変位センサや静電容量式変位センサやレーザ式変
位センサおよび一定磁界にコイルを設けたサーチコイル
式速度センサなどが用いられる。なお、速度センサとし
ては上記各種変位センサの出力を電気的に微分して用い
ることもできる。９２は検出器９２から出力されるロー
タ並進、並進速度信号ｘ、ｄｘ／ｄｔである。

【００８４】次に動作について説明する。前述の実施の
形態１では、ロータの回転角度を制御してシャフト１の
先端に取り付けたミラー１４を角度制御する。しかし、
図１８（ｂ）に破線で示すように、シャフト１が回転軸
（ｙ軸）と直行する方向（ｘ軸方向）に撓むことで、ミ
ラー１４に当たる光線は角度制御した方向と直行した方
向に曲がってしまう。このようにシャフト１に撓み振動
が発生すると目的とする光を精度良く位置決めできなく
なる。そこで、図１８（ａ）のように有限回転電動機の
巻線７，８，９，１０にそれぞれ独立な電流ｉ₁，ｉ₂，
ｉ₃，ｉ₄を通電することでシャフト１に発生する撓み振
動を抑制する。例えば、図１８（ａ）において下側に位
置する巻線８，９に通電してロータ２を下側に押し下げ
る力を発生することで図１８（ｂ）の破線に示すような
シャフト１の一次の撓み振動を制御できる。回転制御は
前述の実施の形態１と同様に行い、これに加えてロータ
２の並進方向の状態量を検出器９１で検出し、この信号
９２基づいて非線形性補償制御装置８２により撓み振動
を抑制する電流指令値８３，８４，８５，８５を出力
し、電流アンプ８３、８４、８５，８６で巻線７，８，
９，１０に通電する。

【００８５】このように構成することで、シャフト１に
発生する撓み振動によるミラー１４の位置ずれを抑制
し、より高精度な位置決め制御が可能となる。

【００８６】実施の形態８．図１９は本発明の実施の形
態８による有限回転電動機を説明する図であり、（ａ）
は全体構成を示すブロック図、（ｂ）は動作を説明する
ためにロータの１次撓み振動モードと電磁石の配置を示
す側面図である。図において、９３は４個のティースに
励磁用の巻線を巻回した前側電磁石（４極）、９４は同
じく４個のティースに励磁用の巻線を巻回した後側電磁
石（４極）であり、ロータ２の回転軸に沿って設けられ
ており、８本の励磁用の巻線に流す電流ｉ₁，ｉ₂，
ｉ₃，ｉ₄，ｉ₅，ｉ₆，ｉ₇，ｉ₈をそれぞれ独立に制御す
るように構成されている。

【００８７】次に動作について説明する。前述の実施の
形態７では、４つの電磁石を独立に制御することでシャ
フトの１次撓み振動を抑制していたが、ロータ２にミラ
ー１４を付けた状態の回転方向の固有振動数に比べ撓み
振動の固有振動数が低いことが多く、撓みの１次、２次
振動の方が回転振動より固有振動数が低くなることが多
い。このため、シャフト１の１次の撓み振動を抑制した
だけでは十分でなく、より高精度なミラー１４の位置決
め制御を実現するには２次の撓み振動も抑制することが
望ましい。そこで、図１９（ａ）に示すように、４つ電
磁石をロータ２の回転軸に沿って２組設け、８本の巻線
に流す電流を独立に制御する。なお、図１９ではロータ
並進、並進速度検出器は図示していないが、電磁石が配
置された位置のロータ並進、並進速度を検出できるよう
にロータ２の回転軸に沿って２個設けられている。

【００８８】以上のように構成することで図１９（ｂ）
に破線で示す２次のシャフト撓み振動も抑制することが
可能となり、より高精度なミラー１４の位置決め制御が
可能である。

【００８９】実施の形態９．図２０は本発明の実施の形
態９による有限回転電動機を説明する図であり、（ａ）
は要部の構成を示す斜視図、（ｂ）は動作を説明するた
めにロータの１次撓み振動モードを示す側面図、（ｃ）
は要部の構成を示すブロック図である。図において、９
５、９６はピエゾアクチュエータアンプ、９７、９８は
ロータ２に設けたフィルム型ピエゾアクチュエータ、９
９、１００はロータ２に設けた撓み変位検出器であり、
例えば、フィルム型ピエゾ素子を撓みセンサとして用い
ることができる。１０１は撓み変位検出器アンプであ
る。１０２は撓み振動制御装置であり、例えばコンピュ
ータにより実現されている。

【００９０】次に動作について説明する。前述の実施の
形態７および８では、４個あるいは８個の電磁石を独立
に制御することでシャフトの撓みによる撓み振動を抑制
したが、本実施の形態では、ロータ２を所定の方向へ撓
ませるアクチュエータ９７，９８とロータ２の撓みを検
出するセンサ９９，１００をロータ２に直接設け、セン
サ９９，１００からの検出信号に応じて撓み振動制御装
置１０２でこれを抑制するための制御信号を発生し、ア
クチュエータ９７，９８を動作させることによっても同
様の効果が実現できる。図２０（ａ）には本実施の形態
におけるロータの構成を示しており、主な構成機器はミ
ラー１４、シャフト１およびロータ２である。図２０
（ｂ）ではこのように構成されたロータの１次撓み振動
の振動モードを点線で示している。軸受１２，１３を支
点としてロータ２の中央部が太鼓状に振れることでミラ
ー１４とセンサ３８も大きく振れている。この１次撓み
振動を抑制するには、図２０（ｃ）に示すように、１次
振動でよく撓むロータ２の上下に撓み振動を励起できる
ようにフィルム型のピエゾアクチュエータ９７、９８を
貼り付け、同様にこの撓み変位を検出する撓み検出器９
９，１００を設ける。検出器９９，１００の信号を撓み
変位検出アンプ１０１で増幅し、これを撓み振動制御装
置１０２に入力する。撓み振動制御装置はピエゾアクチ
ュエータアンプ９５、９６に撓み振動を抑制するように
電圧を与え、これによりフィルム型ピエゾアクチュエー
タ９７、９８が駆動されシャフト１の撓み振動を抑制す
る。ピエゾ式のアクチュエータ９７、９８は電磁石など
の強磁界の中でもこれに影響されることなく指令値通り
に駆動することが可能である。

【００９１】以上のように構成することにより、シャフ
ト１の撓み振動を抑制したより高精度なミラー１４の位
置決め制御が可能である。

【００９２】なお、上記実施の形態９ではロータの１次
撓み振動を抑制する場合について示したが、フィルム型
ピエゾアクチュエータ９７、９８および撓み検出器９
９，１００をロータ２の回転軸に沿って２組設け、各組
の撓み検出器９９，１００からの検出信号に応じて各組
のアクチュエータ９７、９８をそれぞれ独立に制御する
ことにより２次撓み振動を抑制することも可能である。

【００９３】実施の形態１０．図２１は本発明の実施の
形態１０による有限回転電動機の構成を示すブロック図
である。図において、１０６、１０７はシャフト２をコ
アバック１１と非接触に支持する磁気軸受であり、１０
３は磁気軸受制御装置、１０４、１０５は磁気軸受の制
御ケーブルである。

【００９４】次に動作について説明する。前述の実施の
形態１では、玉軸受１２，１３でシャフト１を支持して
いた。しかし、上記各実施の形態に示したような有限回
転電動機においては、シャフト１は高速に駆動され、か
つ狭い範囲を繰り返し高精度に位置決めするため、玉軸
受のような接触型の軸受を用いた場合には軸受寿命が著
しく短くなる。玉軸受１２，１３が寿命時間に達し摺動
面が摩耗すると、摺動抵抗は急激に増大し、また、滑ら
かな回転ができなくなる。このため、高速で高精度なミ
ラー１４の位置決め制御ができなくなる。本実施の形態
では、このような軸受の摩耗による寿命を改善するため
に、図２１に示すように磁気軸受１０６、１０７を用い
ている。磁気軸受１０６、１０７はロータ２とステータ
（コアバック１１）を非接触に支持することが可能であ
り、摺動による摩耗で軸受の寿命が著しく低下すること
がない。同様な効果は、摺動面が非接触となる空気軸
受、油面を用いた動圧軸受などでも実現可能である。以
上のように構成することで、高速で高精度なミラー１４
の位置決め制御を長期間に渡って維持することが可能で
ある。

【００９５】実施の形態１１．なお、上記各実施の形態
では本発明を例えば同一出願人によって先に出願された
特願平１１−０１０８２０号の明細書に記載されている
ロータが１軸回りに有限角度回転するように構成された
有限回転電動機に適用した場合に説明したが、これに限
るものではなく、例えば同一出願人によって先に出願さ
れた特願平１２−１０７９０６号の明細書に記載されて
いるロータが直交する２軸回りに有限角度回転するよう
に構成された有限回転電動機の一種である２次元のミラ
ースキャナに適用することも可能であり、この場合にも
回転角度に関係なくトルクと巻線電流との線形性が良好
で高速かつ高精度な位置決めが可能となる。

【００９６】先ず、図２２および図２３を用いて２次元
のミラースキャナの構成およびその動作について説明す
る。図２２は２次元のミラースキャナの主要部の構成を
説明する図であり、（ａ）は平面構造、（ｂ）は側面構
造をそれぞれ示す。図において、１１０はミラー、１１
３はこのミラー１１０を固定したロータ、１８０はこの
ロータ１１３に固定され、磁性体よりなる可動片すなわ
ち受動部、１５０ａ、１５０ｂはロータ１１３のＸ軸回
りの回転を許容するベアリング式軸受、１５１ａ、１５
１ｂはロータ１１３のＹ軸回りの回転を許容するベアリ
ング式軸受、１５２はこれらの軸受１５０ａ、１５０
ｂ、１５１ａ、１５１ｂを仲介する継手、１２５はベー
ス（スキャナ固定構造部分）、１１５は軸受１５１ａ、
１５１ｂをベース１２５に対して支持する支柱（スキャ
ナ固定構造部分）であり、軸受１５０ａ〜１５１ｂ及び
継手１５２は１枚のミラー１１０をＸ軸およびＹ軸の２
軸の回りに回転可能に支持する自在継手（支持手段）を
構成している。

【００９７】また、１２０ａ、１２０ｂは両者で馬蹄形
電磁石を構成するマグネットコアすなわちステータティ
ース、１２０ｃ、１２０ｄは両者で馬蹄形電磁石を構成
するマグネットコアすなわちステータティース、１２０
ｅ、１２０ｆは両者で馬蹄形電磁石を構成するマグネッ
トコアすなわちステータティース、１２０ｇ、１２０ｈ
は両者で馬蹄形電磁石を構成するマグネットコアすなわ
ちステータティース、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、
１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ、１３０ｇ、１３０ｈは
各々マグネットコア１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１
２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ、１２０ｇ、１２０ｈに巻
かれた巻線であり、可動片１８０とマグネットコア１２
０ａ〜１２０ｈおよび巻線１２０ａ〜１２０ｈとは１枚
のミラー１１０をＸ軸およびＹ軸の２軸の回りに回転さ
せるモーメント発生手段を構成している。なお、可動片
１８０の外側面は円錐台形状に形成されており、マグネ
ットコア１２０ａ〜１２０ｈの端面と対向している。

【００９８】さらに、１４０はロータ１１３の裏面側に
固定され、電流の供給を受けて光線を発するＬＥＤなど
の発光素子、１４１は支柱１１５に支持された固定片で
ある。

【００９９】ロータ１１３は軸受１５０ａ、１５０ｂ、
１５１ａ、１５１ｂによってベース１２５に対して図１
の（ａ）におけるＸ軸およびＹ軸の２つの軸回りの微小
回転が可能である。このロータ１１３にはレーザビーム
等の光線を反射するミラー１１０が固定されているの
で、ミラー１１０もまたベース１２５に対して２軸回り
の回転が可能である。

【０１００】図２３は図２２に示された２次元のミラー
スキャナにおける回転部の構造を模式的に示す分解斜視
図である。図２３において、１１３はミラーが固定され
るロータ、１１４ａ、１１４ｂはロータ１１３の下方に
延びて固定されたフランジであり、それぞれ軸受１５０
ａ、１５０ｂが設けられている。同様に、１１５ａ、１
１５ｂはベース１２５に固定されたフランジであり（な
お、図２２では支柱１５として説明されている）、それ
ぞれ軸受１５１ａ、１５１ｂが設けられている。これら
の軸受１５０ａおよび１５０ｂと１５１ａおよび１５１
ｂとは十文字状の継手１５２を介して結合されているの
で、ロータ１１３は継手１５２に対しては軸受１５０
ａ、１５０ｂによってＸ軸回りに回転可能であり、同様
に、継手１５２はベース１２５に対しては軸受１５１
ａ、１５１ｂによってＹ軸回りに回転可能であり、こう
してロータ１１３はベース１２５に対してはＸ軸および
Ｙ軸の２軸の回りに回転可能である。

【０１０１】次に、このミラースキャナの動作について
説明する。ロータ１１３には円錐台筒状の磁性体である
可動片１８０が固定されており、この可動片１８０はこ
れと対向して配置されたマグネットコア１２０ａ〜１２
０ｈによって吸引力を受ける。たとえば、巻線１３０ａ
と１３０ｂに電流ｉ₁を流し、マグネットコア１２０ａ
と１２０ｂの組が巻線１３０ａと１３０ｂの組によって
励磁されたとき、マグネットコア１２０ａと１２０ｂは
図の（ｂ）における矢印Ａ方向の吸引力をロータ１１３
に対して作用させることになる。従って、この吸引力は
ロータ１１３を図１の（ｂ）においてＹ軸回りに反時計
回り方向に回転させる。この時、ロータ可動片１８０と
マグネットコア２２０ｅ，２２０ｆ間のギャップは小さ
く、ロータ可動片１８０とマグネットコア２２０ａ，２
２０ｂ間のギャップは大きくなる。

【０１０２】同様にして、巻線１３０ｅと１３０ｆに電
流ｉ₂を流し、マグネットコア１２０ｅと１２０ｆの組
が巻線１３０ｅと１３０ｆの組によって励磁されたと
き、マグネットコア１２０ｅと１２０ｆは図１の（ｂ）
の矢印Ｂ方向の吸引力をロータ１３に対して作用させる
ことになる。従って、この吸引力はロータ１３を図１の
（ｂ）においてＹ軸回りに時計回り方向に回転させる。
この時には逆に、ロータ可動片１８０とマグネットコア
２２０ｅ，２２０ｆ間のギャップは大きく、ロータ可動
片１８０とマグネットコア２２０ａ，２２０ｂ間のギャ
ップは小さくなる。全く同様にして、巻線１３０ｅと１
３０ｆに電流ｉ₃を流し、マグネットコア１２０ｃと１
２０ｄの組が発生する吸引力はロータ１１３をＸ軸回り
に反時計回り方向に回転させ、マグネットコア１２０
ｇ、１２０ｈの組が発生する吸引力はロータ１１３をＸ
軸回りに時計回り方向に回転させる。この場合にも、ロ
ータ１１３の回転角度に対応してロータ可動片１８０と
マグネットコア２２０ｃ，２２０ｄ間のギャップと、ロ
ータ可動片１８０とマグネットコア２２０ｇ，２２０ｈ
間のギャップとは変化する。

【０１０３】次に、図２４を用いて本発明の実施の形態
１１による有限回転電動機について説明する。図におい
て、３００はｘ軸回りの回転角度指令値（離散値）θ_x ^*
(ｋ)、３０１はｙ軸回りの回転角度指令値（離散値）θ
_y ^*(ｋ)である。３０３は非線形性補償制御装置３０２の
出力である巻線１３０ａと１３０ｂに対する電流指令値
ｉ₁ ^*、３０４は電流指令値ｉ₁ ^*に基づいて巻線１３０ａ
と１３０ｂに電流を流す電流アンプ、３０５は巻線１３
０ａと１３０ｂに流れる電流である。３０６は非線形性
補償制御装置３０２のもう一つの出力である巻線１３０
ｇと１３０ｈに対する電流指令値ｉ₂ ^*、３０７は電流指
令値ｉ₂ ^*に基づいて巻線１３０ｇと１３０ｈに電流を流
す電流アンプ、３０８は巻線１３０ｇと１３０ｈに流れ
る電流である。３０９は非線形性補償制御装置３０２の
もう一つの出力である巻線１３０ｅと１３０ｆに対する
電流指令値ｉ₃ ^*、３１０は電流指令値ｉ₃ ^*に基づいて巻
線１３０ｅと１３０ｆに電流を流す電流アンプ、３１１
は巻線１３０ｅと１３０ｆに流れる電流である。３１２
は非線形性補償制御装置３０２のもう一つの出力である
巻線１３０ｃと１３０ｄに対する電流指令値ｉ₄ ^*、３１
３は電流指令値ｉ₄ ^*に基づいて巻線１３０ｃと１３０ｄ
に電流を流す電流アンプ、３１４は巻線１３０ｃと１３
０ｄに流れる電流である。３１５はロータ１１３とベー
ス１２５とのｘ軸回りの相対的角度および角速度を検出
する角度検出器および角速度検出器（共に図示せず）の
出力であるｘ軸回り角度信号θ_xおよびｘ軸回り角速度
信号（ｄ_xθ／ｄｔ）、３１６はロータ１１３とベース
１２５とのｙ軸回りの相対的角度および角速度を検出す
る角度検出器および角速度検出器（共に図示せず）の出
力であるｙ軸回り角度信号θ_yおよびｙ軸回り角速度信
号（ｄ_yθ／ｄｔ）である。３０２は非線形性補償制御
装置であり、ロータの回転角度指令値３００（θ
_x ^*(ｋ)）および３０１（θ_y ^*(ｋ)）と回転角度検出手段
により検出された回転角度３１５（θ_x）および３１６
（θ_y）をもとに回転角度指令値３００（θ_x ^*(ｋ)）お
よび３０１（θ_y ^*(ｋ)）に対応したトルク指令値を求
め、回転角度３１５（θ _x）および３１６（θ_y）に対応
して変化して非線形となるトルクと巻線の電流値との関
係を補正するために予め求めて記憶しておいた非線形補
正係数を用いて、トルク指令値と回転角度検出手段より
検出された回転角度３１５（θ_x）および３１６（θ_y）
とからトルク指令値に対して線形化した巻線の電流指令
値ｉ₁ ^*，ｉ₂ ^*，ｉ₃ ^*，ｉ₄ ^*を演算出力する。なお、非線
形性補償制御装置３０２の詳細な構成の一例は実施の形
態１と同様であり、実施の形態１の場合と同様にコンピ
ュータで実現されている。

【０１０４】以上のように、ロータ１１３の回転角度に
対応してロータ（可動片１８０）とステータ（マグネッ
トコア２０ａ〜２０ｅ）間のギャップが変化するように
構成された、トルクと電流とロータ１１３の回転角度に
非線形性を有する２軸回りに回転する有限回転電動機に
おいても、非線形性補償制御手段３０２を用いることで
線形性が良好で高速かつ高精度な位置決め制御が実現で
きる。

【０１０５】なお、上記実施の形態１１では実施の形態
１を図２２や図２３で示したような２軸回りに回転する
有限回転電動機に適用した場合について説明したが、実
施の形態２〜１０を適用することも可能である。

【０１０６】なお、上記各実施の形態では本発明を特願
平１１−０１０８２０号や特願平１２−１０７９０６号
の明細書に記載されている有限回転電動機に適用した場
合について説明したが、これに限るものではなく、本発
明は、ロータに磁性体の受動部を設けると共にステータ
に励磁用の巻線を巻回し受動部とギャップを介して対向
する複数個のティースを設け、ステータの巻線による発
生磁界でギャップに磁束を生じさせてティースと受動部
間に磁気吸引力を生じさせることでトルクを発生し、所
定の有限回転角度の範囲内でロータを回転させ、ロータ
の回転角度に対応してギャップが変化するように構成し
た全ての有限回転電動機に適用することが可能である。

【０１０７】

【発明の効果】以上のように、本発明の第１の構成によ
れば、ロータに磁性体の受動部を設けると共にステータ
に励磁用の巻線を巻回し前記受動部とギャップを介して
対向する複数個のティースを設け、前記ステータの巻線
による発生磁界で前記ギャップに磁束を生じさせて前記
ティースと前記受動部間に磁気吸引力を生じさせること
でトルクを発生し、所定の有限回転角度の範囲内で前記
ロータを回転させるように構成し、前記ロータの回転角
度に対応して前記ギャップが変化する有限回転電動機で
あって、前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出
手段と、ロータの回転角度指令値と前記回転角度検出手
段により検出された回転角度をもとに前記回転角度指令
値に対応したトルク指令値を求め、回転角度に対応して
変化して非線形となる前記トルクと巻線の電流値との関
係を補正するために予め求めて記憶しておいた非線形補
正係数を用いて、前記トルク指令値と前記回転角度検出
手段より検出された回転角度とから前記トルク指令値に
対して線形化した前記巻線の電流指令値を演算出力する
非線形性補償制御装置とを備えたので、ロータの回転角
度に係わらず良好な制御性能が得られ、ロータを高速か
つ高精度に位置決めすることができる。

【０１０８】本発明の第２の構成によれば、非線形性補
償制御装置は、ロータの回転角度指令値に基づいて軌道
を生成する軌道演算手段と、この軌道とロータの回転角
度との誤差を求める角度誤差演算手段と、前記角度誤差
演算手段で求められた角度誤差を増幅する角度制御ゲイ
ン演算手段と、前記角度制御ゲイン演算手段の出力とロ
ータの回転角速度との誤差を求める角速度誤差演算手段
と、前記角速度誤差演算手段で求められた角速度誤差を
増幅して前記回転角度指令値に対応したトルク指令値を
出力する角速度制御ゲイン演算手段とを備えたので、ロ
ータを高速かつ高精度に位置決めすることができる。

【０１０９】本発明の第３の構成によれば、補正係数は
２次元多項式であるので、ロータを高速かつ高精度に位
置決めすることができる。

【０１１０】本発明の第４の構成によれば、ギャップの
変化に応じて変化する巻線のインダクタンスを、予め求
めて記憶しておいたロータの回転角度とインダクタンス
との関係を用いて補償するように構成したので、制御性
能がより向上する。

【０１１１】本発明の第５の構成によれば、非線形性補
償制御装置より出力された電流指令値に基づいて巻線に
流す電流をフィードバック制御する手段を備え、回転角
度検出手段により検出されたロータの回転角度に応じて
前記電流フィードバック制御のゲインを補償するように
したので、ギャップ変化によるインダクタンスの変化に
よる影響を抑制して良好な制御性能が得られ、ロータを
高速かつ高精度に位置決めすることができる。

【０１１２】本発明の第６の構成によれば、回転角度検
出手段により検出されたロータの回転角度に応じて、角
度制御ゲイン演算手段の角度制御ゲインおよび角速度制
御ゲイン演算手段の角速度制御ゲインを補償するので、
ギャップ変化によるインダクタンスの変化による影響を
抑制して良好な制御性能が得られ、ロータを高速かつ高
精度に位置決めすることができる。

【０１１３】本発明の第７の構成によれば、ロータはシ
ャフトと潤滑剤を用いた軸受とを介してコアバックに対
して回転可能に支持されており、前記軸受近傍の温度を
検出する温度検出手段を備えたので、温度に応じて変化
する潤滑剤の粘性の影響を抑制することができ、制御性
能がより向上する。

【０１１４】本発明の第８の構成によれば、温度検出手
段によって検出された軸受近傍の温度に応じて、角度制
御ゲイン演算手段の角度制御ゲインおよび角速度制御ゲ
イン演算手段の角速度制御ゲインを補償するようにした
ので、温度変化による潤滑剤の粘性の変化を補償するこ
とにより温度変化に係わらず良好な制御性能が得られ、
ロータを高速かつ高精度に位置決めすることができる。

【０１１５】本発明の第９の構成によれば、軸受近傍の
温度を調節する温度調節手段を備え、温度検出手段によ
って軸受近傍の温度を検出し、前記軸受が所定の温度に
なるように前記温度調節手段を制御するようにしたの
で、温度変化による潤滑剤の粘性の変化を抑制して良好
な制御性能が得られ、ロータを高速かつ高精度に位置決
めすることができる。

【０１１６】本発明の第１０の構成によれば、ステータ
ティースの磁束を検出する手段を備え、検出された磁束
に応じて電流指令値をフィードバック制御する手段を備
えたので、制御性能がより向上する。

【０１１７】本発明の第１１の構成によれば、ロータの
回転軸に直交する方向への撓みを検出する撓み検出手段
を備え、検出されたロータの撓みを元へ戻すように構成
したので、ロータに発生する撓み振動を抑制し、より高
精度な位置決め制御が可能となる。

【０１１８】本発明の第１２の構成によれば、複数個の
ティースに巻回された各巻線に流す電流を独立に制御す
ることによりロータの撓みを元へ戻すように構成したの
で、１次の撓み振動を抑制することができる。

【０１１９】本発明の第１３の構成によれば、励磁用の
巻線を巻回し受動部とギャップを介して対向する４個の
ティースを、ロータの回転軸に沿って２組設け、８本の
上記巻線に流す電流を独立に制御することによりロータ
の撓みを元へ戻すように構成したので、２次の撓み振動
を抑制することができる。

【０１２０】本発明の第１４の構成によれば、ロータに
撓み力を発生するアクチュエータを設けることによりロ
ータの撓みを元へ戻すように構成したので、ロータに発
生する撓み振動を抑制し、より高精度な位置決め制御が
可能となる。

【０１２１】本発明の第１５の構成によれば、ロータは
シャフトと軸受とを介してコアバックに対して回転可能
に支持されており、前記軸受はシャフトと非接触でこれ
を回転可能に支持するものであるので、軸受の摩耗によ
る寿命の低下が無く、高速で高精度な位置決め制御を長
期間に渡って維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１による有限回転電動機
の構成の概要を示すブロック図である。

【図２】 図１における非線形性補償制御装置の内部お
よび結線状況をさらに詳細に示すブロック図である。

【図３】 本発明の実施の形態１による有限回転電動機
の動作を説明する図である。

【図４】 本発明の実施の形態１による有限回転電動機
の動作を説明する図である。

【図５】 本発明の実施の形態１による有限回転電動機
の動作を説明する図である。

【図６】 本発明の実施の形態１による有限回転電動機
の動作を説明する図である。

【図７】 本発明の実施の形態１による有限回転電動機
の動作を説明する図である。

【図８】 本発明の実施の形態２による有限回転電動機
の動作を説明する図である。

【図９】 本発明の実施の形態２による有限回転電動機
の動作を説明する図である。

【図１０】 本発明の実施の形態２による有限回転電動
機の構成の概要を示すブロック図である。

【図１１】 図１０内部の構成をさらに詳細に示すブロ
ック図である。

【図１２】 本発明の実施の形態３による有限回転電動
機の構成の概要を示すブロック図である。

【図１３】 図１２内部の構成をさらに詳細に示すブロ
ック図である。

【図１４】 本発明の実施の形態４による有限回転電動
機の構成の概要を示すブロック図である。

【図１５】 図１４の要部の構成をさらに詳細に示すブ
ロック図である。

【図１６】 本発明の実施の形態５による有限回転電動
機の要部の構成を示すブロック図である。

【図１７】 本発明の実施の形態６による有限回転電動
機の要部の構成を示すブロック図である。

【図１８】 本発明の実施の形態７による有限回転電動
機を説明する図である。

【図１９】 本発明の実施の形態８による有限回転電動
機を説明する図である。

【図２０】 本発明の実施の形態９による有限回転電動
機を説明する図である。

【図２１】 本発明の実施の形態１０による有限回転電
動機の構成を示すブロック図である。

【図２２】 本発明の実施の形態１１に係る２次元のミ
ラースキャナの主要部の構成を説明する図である。

【図２３】 図２２の要部の構成を模式的に示す分解斜
視図である。

【図２４】 本発明の実施の形態１１による有限回転電
動機の構成を示すブロック図である。

【図２５】 従来技術による有限回転電動機の構成を示
す図である。

【図２６】 先行技術による有限回転電動機の構成を示
す図である。

【符号の説明】

１ シャフト、２ ロータ、３，４，５，６ ステータ
ティース、７，８，９，１０ 巻線、１１ コアバッ
グ、１２，１３ 軸受、１４ ミラー、１５、１６ 発
光素子、１７，１８ 光束を検出する光検出器、２０
角度指令値、２１軌道演算手段、２２ 軌道角度指令信
号、２３ 角度誤差演算手段、２４ 角度誤差信号、２
５ 角度制御ゲイン演算手段、２６ 角度制御ゲイン演
算出力信号、２７ 角速度誤差演算手段、２８ 角速度
誤差信号、２９ 角速度制御ゲイン演算手段、３０ ト
ルク指令値Ｔ_m ^*、３１ 非線形性補償演算手段、３２
電流指令値ｉ₁ ^*、３３ 電流アンプ、３４ 電流指令値
ｉ₂ ^*、３５ 電流アンプ、３６ 電流ｉ₁、３７ 電流
ｉ₂、３８ 角度検出器、３９ 角速度検出器、４０角
度信号、４１ 角速度信号、４２ 非線形性補償制御装
置、４３ インダクタンス演算手段、４４ インダクタ
ンス推定信号、４５ 電流制御ゲイン演算手段、４６
巻線電圧、４７ 電磁石モデル、４８ 回転推力定数、
４９ ロータ発生トルク、５０ 角度可変電流制御ゲイ
ン演算手段、５１ 角度可変電磁石モデル、５２ ロー
タ慣性モデル、５３ 積分演算子、５４ 角度可変角度
制御ゲイン演算手段、５５ 角度可変角速度制御ゲイン
演算手段、５６ シャフト用温度検出器、５７ 前側軸
受用温度検出器、５８ 後側軸受用温度検出器、５９温
度検出器用アンプ、６０ 温度可変角度制御ゲイン演算
手段、６１ 温度可変角速度制御ゲイン演算手段、６２
平均温度信号、６３ 温度制御装置、６４温度制御
器、６５ 磁束指令値出力非線形性補償演算手段、６
６，６７ 磁束指令値、６８、６９ 磁束誤差演算手
段、７０，７１ 磁束誤差、７２、７３ 磁束制御ゲイ
ン演算手段、７４ａ、７４ｂ、７５ａ、７５ｂ 磁束検
出器、７６，７７ 磁束検出器信号、７８、７９ 磁束
検出器アンプ、８０，８１ 磁束信号、８２ 非線形
性補償演算手段（４出力）、８３、８４、８５、８６
電流指令値、８７、８８，８９、９０ 電流アンプ、９
１ ロータ並進、並進速度検出器、９２ ロータ並進、
並進速度信号、９３ 前側電磁石（４極）、９４ 後側
電磁石（４極）、９５、９６ ピエゾアクチュエータア
ンプ、９７、９８ フィルム型ピエゾアクチュエータ、
９９、１００ 撓み変位検出器、１０１ 撓み変位検出
器アンプ、１０２ 撓み振動制御装置、１０３ 磁気軸
受制御装置、１０４、１０５ 制御ケーブル、１０６、
１０７ 磁気軸受、１１０ ミラー、１１３ ロータ、
１１５ 支柱、１２０ａ〜１２０ｈ マグネットコア、
１２５ ベース、１３０ａ〜１３０ｈ 巻線、１４０
発光素子、１４１ 固定片、１５０ａ、１５０ｂ、１５
１ａ、１５１ｂ 軸受、１５２ 継手、１８０ 可動
片、３００、３０１ 角度指令値、３０２ 非線形性補
償制御装置、３０３、３０６、３０９、３１２ 電流指
令値、３０４、３０７、３１０、３１３ 電流アンプ、
３０５、３０８、３１１、３１４ 電流、３１５ｘ軸回
り角度信号およびｘ軸回り角速度信号、３１６ ｙ軸回
り角度信号およびｙ軸回り角速度信号。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上田 淳 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 齊藤 光伯 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 森安 雅治 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 高田 雅樹 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 八木 直樹 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 鉾館 俊之 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 祝 靖彦 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 井上 正夫 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H580 BB09 CA12 FA02 FA03 FA04 FA14 FB03 GG04 HH08 HH22 HH37

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータに磁性体の受動部を設けると共に
   ステータに励磁用の巻線を巻回し前記受動部とギャップ
   を介して対向する複数個のティースを設け、前記ステー
   タの巻線による発生磁界で前記ギャップに磁束を生じさ
   せて前記ティースと前記受動部間に磁気吸引力を生じさ
   せることでトルクを発生し、所定の有限回転角度の範囲
   内で前記ロータを回転させるように構成し、前記ロータ
   の回転角度に対応して前記ギャップが変化する有限回転
   電動機であって、 前記ロータの回転角度を検出する回転角度検出手段と、 ロータの回転角度指令値と前記回転角度検出手段により
   検出された回転角度をもとに前記回転角度指令値に対応
   したトルク指令値を求め、回転角度に対応して変化して
   非線形となる前記トルクと巻線の電流値との関係を補正
   するために予め求めて記憶しておいた非線形補正係数を
   用いて、前記トルク指令値と前記回転角度検出手段より
   検出された回転角度とから前記トルク指令値に対して線
   形化した前記巻線の電流指令値を演算出力する非線形性
   補償制御装置とを備えたことを特徴とする有限回転電動
   機。
2. 【請求項２】 非線形性補償制御装置は、 ロータの回転角度指令値に基づいて軌道を生成する軌道
   演算手段と、 この軌道とロータの回転角度との誤差を求める角度誤差
   演算手段と、 前記角度誤差演算手段で求められた角度誤差を増幅する
   角度制御ゲイン演算手段と、 前記角度制御ゲイン演算手段の出力とロータの回転角速
   度との誤差を求める角速度誤差演算手段と、 前記角速度誤差演算手段で求められた角速度誤差を増幅
   して前記回転角度指令値に対応したトルク指令値を出力
   する角速度制御ゲイン演算手段とを備えたことを特徴と
   する請求項１記載の有限回転電動機。
3. 【請求項３】 補正係数は２次元多項式である請求項１
   または２記載の有限回転電動機。
4. 【請求項４】 ギャップの変化に応じて変化する巻線の
   インダクタンスを、予め求めて記憶しておいたロータの
   回転角度とインダクタンスとの関係を用いて補償するよ
   うに構成したことを特徴とする請求項１または２記載の
   有限回転電動機。
5. 【請求項５】 非線形性補償制御装置より出力された電
   流指令値に基づいて巻線に流す電流をフィードバック制
   御する手段を備え、 回転角度検出手段により検出されたロータの回転角度に
   応じて前記電流フィードバック制御のゲインを補償する
   ようにしたことを特徴とする請求項４記載の有限回転電
   動機。
6. 【請求項６】 回転角度検出手段により検出されたロー
   タの回転角度に応じて、角度制御ゲイン演算手段の角度
   制御ゲインおよび角速度制御ゲイン演算手段の角速度制
   御ゲインを補償することを特徴とする請求項４記載の有
   限回転電動機。
7. 【請求項７】 ロータはシャフトと潤滑剤を用いた軸受
   とを介してコアバックに対して回転可能に支持されてお
   り、前記軸受近傍の温度を検出する温度検出手段を備え
   たことを特徴とする請求項１または２記載の有限回転電
   動機。
8. 【請求項８】 温度検出手段によって検出された軸受近
   傍の温度に応じて、角度制御ゲイン演算手段の角度制御
   ゲインおよび角速度制御ゲイン演算手段の角速度制御ゲ
   インを補償するようにしたことを特徴とする請求項７記
   載の有限回転電動機。
9. 【請求項９】 軸受近傍の温度を調節する温度調節手段
   を備え、温度検出手段によって軸受近傍の温度を検出
   し、前記軸受が所定の温度になるように前記温度調節手
   段を制御するようにしたことを特徴とする請求項７記載
   の有限回転電動機。
10. 【請求項１０】 ステータティースの磁束を検出する手
    段を備え、検出された磁束に応じて電流指令値をフィー
    ドバック制御する手段を備えたことを特徴とする請求項
    １または２記載の有限回転電動機。
11. 【請求項１１】 ロータの回転軸に直交する方向への撓
    みを検出する撓み検出手段を備え、検出されたロータの
    撓みを元へ戻すように構成したことを特徴とする請求項
    １または２記載の有限回転電動機。
12. 【請求項１２】 複数個のティースに巻回された各巻線
    に流す電流を独立に制御することによりロータの撓みを
    元へ戻すように構成したことを特徴とする請求項１１記
    載の有限回転電動機。
13. 【請求項１３】 励磁用の巻線を巻回し受動部とギャッ
    プを介して対向する４個のティースを、ロータの回転軸
    に沿って２組設け、８本の上記巻線に流す電流を独立に
    制御することによりロータの撓みを元へ戻すように構成
    したことを特徴とする請求項１１記載の有限回転電動
    機。
14. 【請求項１４】 ロータに撓み力を発生するアクチュエ
    ータを設けることによりロータの撓みを元へ戻すように
    構成したことを特徴とする請求項１１記載の有限回転電
    動機。
15. 【請求項１５】 ロータはシャフトと軸受とを介してコ
    アバックに対して回転可能に支持されており、前記軸受
    はシャフトと非接触でこれを回転可能に支持するもので
    あることを特徴とする請求項１または２記載の有限回転
    電動機。