JP2005253152A - 磁性体構造 - Google Patents
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Abstract
【解決課題】 モータやスライダに適用される磁性体構造において、コイルの配列構造を簡単に形成可能にした構造を提供する。
【解決課題】 一枚の基板上に複数の電磁コイルを形成し、この基板の一対を互いに対面させ、この間に交互に異極に着磁された磁性要素を複数備えた磁性体を配置させ、前記電磁コイルを交互に異極に励磁する励磁信号を供給して、前記磁性要素と前記電磁コイル間の吸引−反発によって前記磁性体を連続的に運動させるようにした。特に、両方の基板を対面させた際に、一方の電磁コイルと他方の電磁コイルとが重ならずに位相ずれを持つように、前記基板に電磁コイルのパターンが形成されている。
【選択図】 図11
【解決課題】 一枚の基板上に複数の電磁コイルを形成し、この基板の一対を互いに対面させ、この間に交互に異極に着磁された磁性要素を複数備えた磁性体を配置させ、前記電磁コイルを交互に異極に励磁する励磁信号を供給して、前記磁性要素と前記電磁コイル間の吸引−反発によって前記磁性体を連続的に運動させるようにした。特に、両方の基板を対面させた際に、一方の電磁コイルと他方の電磁コイルとが重ならずに位相ずれを持つように、前記基板に電磁コイルのパターンが形成されている。
【選択図】 図11
Description
本発明は、磁極を発生するコイルを線状に並べ、コイルを交互に着磁する周波数を持った励磁信号を供給して、永久磁石や強磁性体からなるロータを回転させ、或いはスライダを移動させる各種モータに係わる磁性体構造に関するものである。本発明は、駆動体としての電気自動車、電動カート、電動車椅子等や、その他電動玩具、電動飛行機、小型電動機器、MEMSに利用することができる。
交流などの周波数信号によって駆動されるACモータには、大きく分けるとシンクロナス(同期)モータとインダクション(誘導)モータの2種類がある。シンクロナスモータは、ロータに永久磁石や鉄などの強磁性体の積層コアを使い、電源周波数によって決まる回転磁界の速さと同じ回転速度で回転するモータである。
ロータの違いによって永久磁石を使ったマグネット型とコイルが巻いてある巻線型、鉄などの強磁性体を使ったリアクタンス形がある。このうちマグネット型は、ロータの永久磁石がステータの回転磁界に引かれて回転する。一方、インダクションモータは、導線がカゴのような形のロータに、電磁誘導作用によって別の磁界を発生させることで回転するモータである。
このようなモータの中には、回転しないで直線状に動いたり、平面を自由に動けるモータも存在する。この種のモータは、広くリニアモータと呼ばれ、磁極を発生するコイルを直線状に並べ、流す電流を順次切替えることで、その上に載った永久磁石や強磁性体を移動させている。直線状に配置されたコイル列はステータであって、ロータは平たくなってその上を滑動するのでスライダに相当する。
前記マグネット型のシンクロナスモータとして、例えば、特開平8−51745号公報(特許文献1)に記載された小型同期モータが存在する。この小型同期モータは、特許文献1の図1に示されるように、励磁コイル7を巻回したステータコア6と、内部にマグネット1を内蔵し周面にNS極が等間隔に配列されたロータコア2を有するロータ3とを備えた構成を持っている。
しかしながら、従来の技術で説明したモータは、発生トルクに比較して重量が嵩み、発生トルクを大きくしようとすると大型化してしまうという課題があった。そこで、この出願の発明者は、PCT/ JP03/14667において、第1の磁性体と第2の磁性体と、この磁性体間に配置され、前記第1及び第2の磁性体に対して所定方向に相対的に移動可能な第3の磁性体と、を備え、前記第1の磁性体及び第2の磁性体のそれぞれは、交互に異極に励磁可能な複数の電磁コイルを順番に配置してなる構成を備えており、前記第3の磁性体は、交互に異極に着磁された永久磁石を順番に配置してなる構成を備えており、前記第1の磁性体と前記第2の磁性体は、第1の磁性体の電磁コイルと第2の磁性体の電磁コイルとが互いに配列ピッチ差を持つように配置された構成を備えてなる磁性体構造を提案した。この磁性体構造によれば、各磁性体の電磁コイルを常時励磁する所定の周波数を電磁コイルに供給し、しかも第1の磁性体に供給される励磁信号の位相と第2の磁性体に供給される励磁信号の位相とをずれるようにすることにより、電磁コイルと永久磁石間の反発−吸引の切り替えによって永久磁石が連続的に回転できるようになる。
特開平8−51745号公報
既述の磁性体構造は例えば多層基板を利用すれば基板上に実現できる。すなわち、基板の表面に複数の電磁コイルのパターンを形成し、多層配線を利用して電磁コイル同士を直列又は並列に連結することができる。電磁コイルが基板に形成されるピッチを互いにずらした基板を2種類作成し、これを向き合うように配置し、この間に永久磁石を配置することによって、既述の磁性体構造を実現することができる。
しかしながら、この方法では、基板を2種類製造しなければならないという課題がある。このため、設計や製造上の負荷が生じ、コストやメンテナンスの分野でも負担が増す。本発明は、モータやスライダに適用される磁性体構造において、コイルの配列構造を簡単に形成可能にした磁性体構造を提供することを目的とするものである。
そこで本発明は、一枚の基板上に複数の電磁コイルを形成し、この基板の一対を互いに対面させ、この間に交互に異極に着磁された磁性要素を複数備えた磁性体を配置させ、前記電磁コイルを交互に異極に励磁する励磁信号を供給して、前記磁性要素と前記電磁コイル間の吸引−反発によって前記磁性体を連続的に運動させるようにして、既述の課題を解決するようにした。
例えば、両方の基板を対面させた際に、一方の電磁コイルと他方の電磁コイルとが重ならずに位相ずれを持つように、前記基板に電磁コイルのパターンが形成されてなることにより、1種類の基板のみから既述の磁性体構造に必要な第1及び第2の磁性体からなる組を実現することができる。
本発明の好適な形態では、前記基板が多層基板からなり、複数の電磁コイルが基板を介して直列又は並列に連結してなる。前記複数の電磁コイルが駆動回路から出力される励磁信号によって常時励磁されてなる。前記基板には前記磁性体の位置センサを備え、基板の一対を対面させると一方の位置センサと他方の基板の位置センサとが重ならずに位相ずれを持つように当該位置センサが前記基板に形成されてなる。前記位置センサがホール効果を利用したホール素子である。前記位置センサの出力が直接前記電磁コイルに供給されるか、又は位置センサの出力に基づいて形成された励磁信号が当該電磁コイルに供給されるように構成された。前記複数の電磁コイルが前記基板の中心線に対して非対称に形成されてなる。前記センサが前記基板の中心線に対して非対称に形成されてなる。
図1乃至図4は、本発明に係わる磁性体構造の模式図と動作原理を示したものである。この磁性体構造は、第1の磁性体(A相コイル)10及び第2の磁性体(B相コイル)12の間に永久磁石又は強磁性体からなる第3の磁性体14を介在した構成を備えている。これら磁性体は環状(円弧状、円状)或いは直線状のいずれに構成されても良い。磁性体が環状に形成された場合は、第3の磁性体又は第1・第2磁性体のいずれかがロータとして機能し、磁性体構造がリニアに形成された場合には、いずれかがスライダとなる。
第1の磁性体10は、交互に異極に励磁可能なコイル16が、所定間隔、好適には、均等間隔を介して順番に配列された構成を備えている。この第1の磁性体の等価回路図を図5に示す。図1−図4によれば、後述のとおり、2相の励磁コイルには、始動回転中(2π)中常時全コイルを既述した極性で励磁させている。したがって、ロータやスライダ等の被駆動手段を高トルクで回転・駆動することが可能となる。
図5(1)に示すように、複数の電磁コイル16(磁性単位)が等間隔に直列に接続されている。符号18Aはこの磁気コイルに周波数パルス信号を印加する励磁回路のブロックである。この励磁回路から電磁コイル16にコイルを励磁させるための励磁信号を流したとき、隣接するコイル間で交互に磁極の向きが変わるように、各コイルが励磁されるように予め設定されている。図5(2)に示すように、電磁コイル16が並列に接続されていても良い。
この励磁回路18Aから第1の磁性体10の電磁コイル16に、供給される励磁電流の極性の方向を所定の周期で交互に切り替えるための周波数を持った信号を印加すると、図1乃至図4に示すように、第3磁性体14の側の極性がN極→S極→N極と交互に変化する磁気パターンが形成される。周波数パルス信号が逆極性になると、第1磁性体の第3磁性体側の極性がS極→N極→S極と交互に変化する磁気パターンが発生する。この結果、第1の磁性体10に現れる励磁パターンは周期的に変化する。
第2の磁性体12の構造は、第1磁性体10と同様であるが、第2磁性体の電磁コイル18は第1磁性体の電磁コイル16に対して位置的にずれて配列されている、即ち電磁コイルが位相差を持って配置されている点が異なる。すなわち、特許請求の範囲に記載されているように、第1磁性体のコイルの配列ピッチと第2磁性体のコイルの配列ピッチとが所定のピッチ差(角度差)を持つように設定されている。このピッチ差は、永久磁石(第3の磁性体)14がコイル16,18に対して励磁電流の周波数の1周期(2π)に対応して動く距離、すなわち、片側相のN極+S極の一対数をMとするとπ/(2・M)=π/(2・3)=30°に対応する距離が好適である。
次に第3磁性体14について説明する。図1乃至図4に示されるように、この第3磁性体14は、第1の磁性体及び第2の磁性体の間に配置されており、交互に逆の極性を持った複数の永久磁石20(黒く塗り潰されている。)が線状(直線或いは円弧状)に、所定間隔、好適には均等間隔を介して配列されている。円弧状とは、完全な円、楕円など閉じられたループの他、不特定環状構造や、半円、扇型をも包含する。
第1の磁性体10と第2の磁性体12とは等距離を介して配置されており、第1の磁性体と第2の磁性体との中心位置に第3の磁性体14が配置されている。第3の磁性体において個々の永久磁石の配列ピッチは、殆ど第1磁性体10及び第2磁性体12における磁気コイルの配列ピッチと同じである。
次に第1磁性体10と第2磁性体12との間に既述の第3磁性体14が配置された磁気体構造の動作を、図1乃至図4を利用して説明する。既述の励磁回路(図5の18である。後に説明する。)によって、ある瞬間において第1磁性体及び第2磁性体の電磁コイル16,18には、図1の(1)に示すような励磁パターンが発生する。
この時、第1磁性体10の第3磁性体14側に臨む表面の各コイル16には、→S→N→S→N→S→のパターンで磁極が生じ、第2磁性体12の第3磁性体14側に臨む表面のコイル18には、→N→S→N→S→N→のパターンで磁極が生じる。ここで、図中実線で表示される矢印は引力を示し、一点鎖線で表示される矢印は反力を示す。
次の瞬間、(2)に示すように、第1の磁性体に駆動回路18(図5)を介して印加されるパルス波の極性が反転すると、(1)の第1の磁性体10のコイル16に発生する磁極と第3の磁性体14の表面の永久磁石20の磁極との間に反発力が発生し、一方、第2の磁性体12のコイル18に発生している磁極と第3の磁性体14の永久磁石の表面の磁極との間に引力が発生しているために、(1)乃至(5)に示すように、第3の磁性体は、図示右方向に順次移動する。
第2の磁性体12のコイル18に、第1の磁性体の励磁電流とは位相がずれたパルス波が印加されており、(6)乃至(8)に示すように、第2の磁性体12のコイル18の磁極と第3の磁性体14の永久磁石20の表面の磁極とが反発して第3の磁性体14をさらに右方向に移動させる。(1)乃至(8)は永久磁石がπに対応する距離を移動した場合を示しており、(9)乃至(16)が残りのπに対応する距離を移動した場合、すなわち、(1)乃至(16)で電磁コイル16,18に供給される周波数信号の1周期分(2π)に相当する距離を第3の磁性体が第1・第2磁性体に対して相対的に移動する。
このように、第1の磁性体(A相)と第2の磁性体(B相)とに互いに位相が異なる周波数信号をそれぞれ供給することにより、第3の磁性体14をリニアにスライドさせることができるか、或いは第3の磁性体14をロータとして回転させることができる。
第1の磁性体、第2の磁性体、及び第3の磁性体を円弧状にすると、図1に示す磁気構造は回転モータを構成するものとなり、これら磁性体を直線状に形成すると、この磁気構造はリニアモータを構成するものとなる。ケース、ロータ等の永久磁石と電磁コイルを除く部分は、導体で形成することもできるが、非磁性体である樹脂、アルミニウム、マグネシウム等の軽量体から形成することがより好ましく、こうすることにより軽量であり、かつ磁気回路が開放された、磁気効率に優れたモータ等の回転駆動体を実現できる。
この磁気構造によれば、第3の磁性体には第1の磁性体及び第2の磁性体から磁力を受けて動くことができるために、第3の磁性体を動かす際のトルクが大きくなり、トルク/重量バランスが優れたものになるので、高トルクで駆動可能な小型軽量モータを提供することが可能となる。
図6は第1の磁性体の電磁コイル(A相電磁コイル)16、及び第2の磁性体の電磁コイル(B相電磁コイル)18に励磁電流を印加するための励磁回路18Aの一例を示すブロック図である。
この励磁回路は、A相電磁コイル16及びB相電磁コイル18にそれぞれ制御されたパルス周波数信号を供給するように構成されている。符号30は水晶発振器であり、符号31はこの発振周波数信号をM分周して基準パルス信号を発生させるためのM−PLL回路31である。
符号34は第3の磁性体(この場合はロータ)14の回転速度に対応した位置検出信号を発生するセンサである。このセンサとしてはホールセンサ(磁気センサ)、光学式のものが好適に選択できる。符合34Aは、A相電磁コイルのドライバ回路に検出信号を供給するためのA相側センサであり、符号34Bは、B相電磁コイルのドライバ回路に検出信号を供給するためのB相側センサである。
このセンサ34A,Bからの検出信号はそれぞれ、第1・第2の磁性体に励磁電流を供給するためのドライバ32に出力されている。符号33はCPUであり、M―PLL回路31及びドライバ32に所定の制御信号を出力する。
図7は、ドライバ部の詳細構成を示すブロック図である。このドライバ部は、A相側極性切替部32Aと、B相側極性切替部32Bと、A相側位相補正部32Cと、B相側位相補正部32Eと、A相バッファ32Gと、B相バッファ32Hと、D−PLL回路32Iと、正転/逆転切替部32Jと、を備えて構成されている。
このドライバ32には、水晶発振器の発振周波数をM分周した基本波31が入力される。この基本波は、A相コイル(第1磁性体)用の極性切替部32Aによって極性が切り替えられ、A相コイル用位相補正部32Cに入力される。また、この基本波31は、B相コイル(第2磁性体)用位相切替部32Bによって位相が制御され、B相コイル用位相補正部32Eに出力される。
CPU33の制御信号は、ロータ又はスライダの正転(前進)/逆転(後進)の切替部32Jに出力され、切替部32JはCPU33による制御の下、正転/逆転に合わせて、前記A、B相極性切替部32A,32Bを制御する。
A相センサ34Aからの出力は、A相コイル用位相補正部32Cに出力され、B相センサ34Bからの出力は、B相コイル用位相補正部32Eに出力される。また、A相極性切替部32Aから出力された、極性が切り替えられた基本波がA相位相補正部32Cに出力され、B相極性切替部からの基本波がB相位相補正部32Eに出力される。なお、基本波がさらにD−PLL回路32Iにおいて位相ロック後分周率(D)でてい倍された周波数信号がA相位相補正部32CとB相位相補正部32Eにそれぞれ入力される。
前記CPU33は、図示しない運転入力手段からの入力情報に基づき、第3の磁性体であるロータの回転速度、又は、スライダの速度を制御するために、既述のM分周率を所定のメモリから読み出してこの読み出し値(M)によって基本波の周波数を変化させる。また、後述するが、D−PLLの分周率(D)についても同様である。これら分周率はロータの回転速度、スライダの移動速度等磁性体の動作特性の値に応じて変化するが、この変化特性がメモリテーブルの形式で所定のメモリ領域に予め設定記憶されている。
A相位相補正部32CとB相位相補正部32Eは、第3の磁性体であるロータやスライダを回転又は直進させるために、A相コイルとB相コイルのそれぞれに互いに適切に位相差を持たせた励磁用周波数信号を出力するために、A相用励磁周波数信号とB相用励磁周波数信号の位相をそれぞれ既述のセンサ34A、34Bの信号に同期させるようにして補正する。
A相バッファ部32Gは、A相コイルに位相補正された周波数信号を供給するための回路手段であり、B相バッファ部32Hは、B相コイルに位相補正された周波数信号を供給するための回路手段である。
図8は、既述の磁性体構造の概要を示したものであり、(1)はロータ(第3磁性体)の概略平面図、(2)はA相電磁コイル(第1磁性体)、(3)はB相電磁コイルを示したものである。図8に付された符号は、既述の図において対応する構成部分と同じものである。
この磁性体構造は、ステータに相当する一対のA相磁性体10とB相磁性体12を備え、そしてロータを構成する既述の第3の磁性体14とを備え、A相磁性体とB相磁性体との間にロータ14が軸37を中心に回転自在に配置されている。ロータには6つの永久磁石が円周方向に均等に設けられ、そして永久磁石の極性は交互に反対になるようになっており、ステータには6つの電磁コイルが円周方向に均等に設けられている。A相磁性体10とB相磁性体12の電磁コイル同士16,18は(2)及び(3)に示すような位相差を持つ様にこれら二つの磁性体同士が向き合って置かれ、これらの間にロータ14が配置される。
A相センサ34AとB相センサ34Bとが、特定の距離T(π/6に相当する位相差)を介してそれぞれの磁性体に対して置かれている。A相センサ34AとB相センサ34Bと設置位置の位相差は、A相コイル16に供給される周波数信号とB相コイル18に供給される周波数信号とに所定の位相差を設けるために設けられている。図9に示すように、各相センサが回転するロータの永久磁石から放出される磁束の強度を連続的に検出して、永久磁石の回転位置を検出し、これを電磁コイルへの励磁信号出力に反映される。
図10は、ドライバ32において成されるコイル励磁用周波数信号のための信号処理に係わる波形図を示すものである。以下の説明においては、必要に応じて図8を参照すると良い。(1)は基本周波数波形であり、(2)はA相センサ34Aからの信号、(3)はB相センサ34Bからの信号である。既述のとおり、A相センサとB相センサとは特定の位相差を持つようにして設置されている(図8参照)。
前記A相位相補正部32Cは公知のPLL制御を実行して、A相センサの出力波形(2)の位相と基本波(1)の位相とを同期させ、(4)のようなA相コイル16を励磁するためのパルス波をA相コイル用バッファ回路32Gに出力する。
バッファ回路は周波数を持った入力パルスによって、A相コイルに励磁電流を通電するための、このバッファ回路にあるトランジスタをPWM制御する。B相位相補正部32Eの動作も同じである。(5)はB相位相補正部32EからB相電磁コイル用バッファ回路32Hに出力される駆動波形である。(4)と(5)を比較して分かるように、A相コイル16へ供給される励磁信号とB相コイル18へ供給される励磁信号とは互いに位相が異なる。
既述のような第1磁生体及び第2磁性体の実例として、複数の電磁コイルを多層基板に形成したものがある。図11は4つ電磁コイル(A相コイルとなる場合は16であり、B相コイルとなる場合は18である。)が中心点110を中心に円周方向に均等に基板111上に形成されている様子を示している。電磁コイルの形成はエッチング技術を利用してパターン形成することが簡単である。複数の電磁コイルは中心軸112を介して非対称に形成されている。すなわち、図12に示すように、電磁コイル16又は18となるべきコイルパターンが中心軸112から22.5°図示時計方向にずれて形成されている。図11に示すように、センサー35A,35Bと成るパターンも中心軸112から同様にずれて形成されている。図11に示す基板と同じ基板同士を互いに対面させて組み合わせると、図13に示すように、既述のA相コイルとB相コイルとの組み合わせ体が実現できる。すなわち、ひとつの基板Aの電磁コイル16と他の基板Bの電磁コイル18とが重ならないで、位相差(22.5°の2倍)が出るように基板の組み合わせが実現できる。基板自体は、二つの同一基板を対面させて整合させるだけでこのような位相差を持ってA相コイルとB相コイルの対面構造及びA相センサとB相センサの対面構造が実現できるように矩形とした。図13はA相コイル・センサとB相コイル・センサとの組み合わせを一方の基板から透視させたものである。各電磁コイルは多層配線技術によって互いに図5に示すように直列又は並列に接続されている。
図14はコイルパターンが基板上に6個形成されている状態を示している。この実施形態においては、図15に示すように基板の中心線に対してπ/(2・4)=30°で30°/2=15°ずれてコイルパターンが形成されている。
この基板同士を対面させて配置することによって、A相コイルとB相コイルの組み合わせ体が構成され、そのときの両相間での電磁コイルのずれは15°の2倍となる。
以上のように図11や図14に示すコイルパターンを持った1種類の基板を作成し、同じ基板を向き合わせて配置するだけで、二つの電磁コイル列が電磁コイルの配列ピッチの点で位相差を持って対面する構造を実現できる。
なお、既述の実施形態の変形として、各センサの出力を直接電磁コイルに供給するようにしても良い。既述の位相差の数値は好適な例であり、これに限定されるものではない。
Claims (9)
- 一枚の基板上に複数の電磁コイルを形成し、この基板の一対を互いに対面させ、この間に交互に異極に着磁された磁性要素を複数備えた磁性体を配置させ、前記電磁コイルを交互に異極に励磁する励磁信号を供給して、前記磁性要素と前記電磁コイル間の吸引−反発によって前記磁性体を連続的に運動させるようにした磁性体構造。
- 両方の基板を対面させた際に、一方の電磁コイルと他方の電磁コイルとが重ならずに位相ずれを持つように、前記基板に電磁コイルのパターンが形成されてなる請求項1記載の磁性体構造。
- 前記基板が多層基板からなり、複数の電磁コイルが基板を介して直列又は並列に連結してなる請求項1又は2記載の磁性体構造。
- 前記複数の電磁コイルが駆動回路から出力される励磁信号によって常時励磁されてなる請求項1記載の磁性体構造。
- 前記基板には前記磁性体の位置センサを備え、基板の一対を対面させると一方の位置センサと他方の基板の位置センサとが重ならずに位相ずれを持つように当該位置センサが前記基板に形成されてなる請求項2記載の磁性体構造。
- 前記位置センサがホール効果を利用したホール素子である請求項5記載の磁性体構造。
- 前記位置センサの出力が直接前記電磁コイルに供給されるか、又は位置センサの出力に基づいて形成された励磁信号が当該電磁コイルに供給されるように構成された請求項5又は6記載の磁性体構造。
- 前記複数の電磁コイルが前記基板の中心線に対して非対称に形成されてなる請求項1乃至7のいずれか1項記載の磁性体構造。
- 前記センサが前記基板の中心線に対して非対称に形成されてなる請求項5乃至7のいずれか1項記載の磁性体構造。
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