JP3054159B2

JP3054159B2 - キャパシティブ的に整流されるブラシレスｄｃサーボモーター

Info

Publication number: JP3054159B2
Application number: JP1306763A
Authority: JP
Inventors: ロリマーミラーガブリエル
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1988-11-28
Filing date: 1989-11-28
Publication date: 2000-06-19
Anticipated expiration: 2015-06-19
Also published as: CA2000556C; US4958115A; KR0173974B1; KR900008743A; DE68922970D1; EP0371661A3; JPH02246757A; EP0371661A2; DE68922970T2; EP0371661B1; CA2000556A1

Description

【発明の詳細な説明】発明の技術分野本発明は一次元及び二次元の両方に精密な運動が可能
で、このために線形、ロータリー、プレーナー及び円筒
状のアクチュータを形成する効率的なブラシレスDCサー
ボモーターに関する。

発明の技術的背景電動モーターの分野においては、ブラシレス設計が有
望であることが知られている。これに関しては、著書D.
C.モーター、速度コントロール及びサーボシステム（D.
C.Mtors,Speed Controls and Servo Systems）、第６
章、エレクトロクラフト社（Electro-Craft Corporat
ion）、ホプキンズ（Hopkins）、MN（1980年）を参照す
ること。これらモーターは、典型的には、ホール効果
（Hall effect）磁気センサーを、モーターシャフト
に適当に取り付けられた永久磁石と共に、モーター巻線
に対する整流情報を提供するために採用する。これら広
く使用されている一次元ロータリーモーター設計はまた
光学あるいは磁気センサーを使用する、1985年４月２日
付けでN.ワカバヤシ（N.Wakabayashi）らに交付された
合衆国特許第4,509,001号、或は、1986年10月21日付け
でJ.イシ−シャロム（J.Ish-Shalom）に交付された合衆
国特許第4,618,808号に示されるような一次元リニア
アプリケーションに拡張されている。これら全てのケー
スにおいて、この位置センサーは、モーター自体に硬直
に取り付けられ、モーターの電機子に対して正確に位置
決めされた追加の要素である。これに加えて、先行技術
によるどのブラシレスDCモーターも一方向以外を任意的
な大きな距離を通じて自由に移動することはできない。

他方、ステッピングモーターと呼ばれる異なるクラ
スのモーターが存在する。これに関しては、ビンセント
デルトロ（Vincent Del Toro）らによる著書、「電
気マシーン及びパワーシステム（Electric Machine a
nd Power Systems）」、ページ433ff,プレンティスホ
ール（Prentice Hall）、エンジェルウッドクリフ（E
nglewood Cliffs）、N.J.1985年を参照すること。これ
らモーターは、モーター位置が逐次電気ドライビング信
号と調和して増分的に進む開ループデバイスである。
このタイプのモーターは、1972年７月18日付けでB.A.ソ
ウヤー（B.A.Sawyer）らに交付された合衆国特許No.RE2
7,436号に示されるように、任意の距離を通じて平坦な
表面上を完全な二次元運動を提供するように拡張されて
いる。また、このようなステッビングモーターからモ
ーターの位置を磁気的（但し、現時点においては二次
元）に測定し、この情報をモーター巻線を整流すために
使用することによって真の二次元ブラシレスDCモーター
を作る試みが幾つか見られる。但し、今日に至るまで、
これらスキームは、実現が困難で、複雑であり、商業的
に有望なこのタイプのモーターは報告されてない。これ
に関しては、1974年12月24日付けでB.A.ソーヤー（B.A.
Sawyer）らに交付された合衆国特許第3,857,078号を参
照すること。これら試みにおける一つの大きな問題は、
二次元整流（位置）情報を迅速に正確に、しかも、片方
向のモーションが直角方向に得られる位置情報を妨害す
ることなく決定することの困難さである。

但し、二次元の位置決定に対する異なるスキームが存
在し、これがこのタスクに有効であることが発見され
た。これは適当に設計された電極アレイと適当にパター
ン化された二次元表面の間のキャパシタンスの測定によ
る方法である。これに関しては、当出願人による1988年
５月24日付けで申請された未決の特許請願第197,800
号、「キャパシタンスエンコーダーの挿間（Interpol
ating Capacitive Encoders）」を参照すること。

本発明の一つの目的はこのキャパシタンス位置検出ス
キームを一次元及び二次元アクチュエータの両者に適用
することである。

単方向（unidirectional）ドライビング電流を使用す
る可変リラクタンスモーターに固有のもう一つの問題
は、各々の巻線内に存在する蓄積された磁気エネルギー
をターンオフの瞬間に散逸する問題である。この問題
は、モーターが細かな磁気ピッチを使用し、高速度にて
移動する場合は、悪化され、このため迅速なインダクタ
ースイッチング動作が必要となる。

可変リラクタンスモーターに対するエネルギー回復
スキームは存在するが、先行技術によるアプローチの幾
つかは、意図される結果を達成するためにモーター電機
子上に別個の複数の巻線を必要とする。これに関して
は、例えば、「電気自動車用の可変リラクタンスモー
ター（Variable Reluctance Motors for Electric Vech
icles）」、NASATECH.BRIEF,Vol.II,No.10,Item 113,JP
L発明報告NOP-16993ISC-1444,J.H.ラング（J.H.Lang）
及びN.L.チャルフィン（N.L.Chalfin）（1987年10月）
を参照すること。この別個のモーター巻線はモーターの
他の品質に悪影響を与える。

本発明のその他の目的は、ターンオフプロセスの
速度の向上、及び次のモーター巻線内のターンオン
プロセスの速度の向上の両者を達成し、更に、一つのモ
ーター巻線内の崩壊電磁場がこれによって生成されるバ
ック−emf（back-emf）をスイッチオンされるべき次
のモーターの巻線に供給される電圧を一時的に高めるた
めに使用し、更に、これらの全てを余分のモーター巻線
無しに達成し、これら全てを可逆三相モーターに適用す
ることにあるが、これらが、バックemf効果を使用する
ことによってステッピングモーターの電磁スイチッン
グ速度を向上させることを狙った先行技術による1969年
12月付けでG.W.バンクリーブ（G.W.Van Cleave）に交
付された合衆国特許第3,486,096号及び1985年８月６日
付けでJ.J.ロジャーズ（J.J.Rogers）らに交付された合
衆国特許第4,533,861号に開示されるのとは異なった方
法にて達成される。後者の二つの先行技術によるスキー
ムは方向の逆転を含む三相モーターを扱うのは困難であ
る。

発明の概要本発明によると、ブラシレスDCモーター動作が本発明
の全ての実現において、モーターの電機子と固定子の相
対位置をRFキャパシタンス測定によって決定し、この情
報をモーター巻線へのドライブ電流を制御するために使
用することによって達成される。このキャパシタンス測
定は、別個の電極構造を利用するか、或は、このモータ
ーの好ましい実施態様において見られるように、モータ
ーの強磁性コア自体をキャパシタンス検出要素として使
用することによって達成される。後者の場合は、外来の
位置検出要素を必要としない自己整合された（self-ali
gned）コンパクトな設計を与える。

平坦な正方形のエアベアリング（air bearing保持
プレートのエッジに沿って搭載された４つのこのような
キャパシティブにて整流されたリニアサーボモータ
ーを使用することにって、真の二次元サーボモーター
が得られる。この平面、例えば、工場のアセンブリー
ワークステーション内で動作できる二次元サーボモ
ーターを、さらに修正することによって、同一のアクチ
ュエーター内で同時的及び独立した回転及び軸変換を提
供する二次元円筒状サーボーモーターを得ることが可
能である。

これらモーター構造の全てがこれら自体高速のモーシ
ョンを与えるが、これは上に説明の周知の複数位相モー
ター動作の問題を提起する。つまり、モーター巻線内の
電磁場を迅速にまたシーケンスにてスイッチングするこ
とが困難になる。この問題は、ターンオフされる巻線
内のエネルギーをターンオンされる次のモーター巻線
に速やかに移すか、或は、これを電源に戻す本発明によ
るパシブシステムにて解決される。このエネルギー移
転スキームは任意の数の位相を持つモーターに対して使
用でき、更に、自動的にモーター方向の反転を扱うこと
ができる。

この方法はより具体的には新規のダイオード結合自動
変圧器スキームを使用する。これは、各々の誘導性巻線
の迅速なターンオフを可能とし、更に、本質的に全て
の利用できる蓄積された磁気エネルギーをドライビング
電源或は他の蓄積デバイスに各々のターンオフ遷移の
際に効率的に戻す。更に、この変圧器システムはこれを
使用可能なモーター巻線空間を全ったく浪費することな
く達成する。

当出願人による上に引用の未決特許においてスプリア
スキャパシタンスの効果を回避するために使用される
のと同一の技術をモーター自体内に使用することも可能
である。

本発明のこれら及びその他の長所は、図面及び詳細な
説明から一層明白となるものである。

実施例本発明の好ましい実施態様の基本フォームが第１図に
示される。

ここでは、３つの電気的に分離されてはいるが、同一
の強磁性コア1,2,3が均一な二次元パターンのホールを
含む平坦な電気的にアースされた強磁性プレート４のす
ぐ上に搭載される。各々のコアは別個の1:1:1:1マルチ
フィラーRF変圧器８上の巻き線5,6,7に接続され、この
一次巻線９はRF発振器10によってドライブされる。この
三つのコアは、各々がこれらの中央レッグ（第１図にお
いては簡潔のために省略されているが、第８図には示さ
れる）上に一つの巻線を含み、三つの全てのコアは特定
の間隔にて互いに機械的に硬直に取り付けられている。
この構成は、可変リラクタンスリニアモーターを構
成するが、ここで、アレイの強磁性コア（電磁石）が強
磁性プレート、つまり”プラテン”のすぐ上のエアベ
アリング（第15図参照）上に支持される。該当するコア
の中央レッグ巻線をオンすると、これは、これをプラテ
ン材料のホールを含まない最も近い”ライン”に調和す
るように引く傾向を持つ。従って、シーケンス的に適当
にこの電磁石をオン及びオフにすると、結果として、モ
ーターがこのプラトンを横断して移動することとなる。
突起、あるいは”ポスト”（これらを使用することもで
きるが）の代わりにアレイの”ホール”を持つ強磁性プ
ラテンを使用するこの構成は、製造上有利であり、より
高い正味磁化が可能であり、空気ベアリングに対して便
利であり、又より良好な位置検出信号を提供する。

勿論、電磁石の電流ドライブの同期が、各々がアレイ
のプラテンホールに対して、ピタリと正しい空間位置
にてオン及びオフされなければらなないために、非常に
重要となる。要求される位置検出がいかにして達成され
るかが第２図の単純な図面から理解できる。ここでは、
小さな伝導性の電極13がプラテン14の伝導性領域の真上
に来るか、或はホールを持つ領域の真上に来るかのいず
れかに示される（これらホールはプラスチックあるいは
他の誘電性の非強磁性材料にて満たしても満たさなくて
も好い）。この二つのケースにおいて、グランドヘの電
極の電気キャパシタンスは異なり、中間位置において対
応する中間値を持つことは明らかである。

第１図においてプラテンに対する電磁石コアの相対位
置を検出するために使用されるのはこのキャパシタンス
効果である。マルチファイラーRF変圧器を使用してこれ
が行なわれる方法は、本出願人によって1988年５月24日
付けで申請された未決特許出願第197800号「増分容量性
エンコーダの挿間（Interpolating Incremental Capaci
tive Encoders）において説明される方法と同一であ
る。基本スキームが第３図に示される。RF発振器17がバ
イフィラー1:1変圧器の一次巻線18をドライブする。二
次巻線19は対象となるキャパシティ検出電極20をドライ
ブするが、これは、好ましくは、これ自体が巻線18によ
ってドライブされる被トライブガード或はシールディ
ング電極21によって包囲される。こうして、電極20から
グランド22に流れるRF変位電流のみがポイント23におい
て測定される。この測定は、上に述べた本出願人による
未決の特許において詳細に述べられているように、コン
テンサC2、C3、C4及びC5の全ての潜在的な妨害効果と独
立して測定される。基本スキームは第１図において使用
される構成であり、勿論、第４図に示されるように複数
のセットのコアを使用するように直に拡張できる。ここ
で、コア25、26、27は共通の三相出力E1、E2、E3を与え
るように、類似する相対位置に、他の同一のコアと一緒
に接続される。全ての電極は、単一の共通のガード電極
28によってシールドされる。

この出力信号E1、E2、E3は、一方、第５図に示される
システムをドライブする。これも前述の特許において使
用されるのと同一である。キャパシティブ信号の差（E1
-E2）、（E2-E3）、及び（E3-E1）が同期整流器31、3
2、33をドライブする。これらは、次に、位置出力37、3
8、39を与える。RF発振器40は線形減衰器41を通じて増
幅器A3をドライブする。こうして、E1、E2、E3への総RF
振幅は、一定の総変位電流を与えるように自動制御され
る。この動作は、空間と独立した位置信号37、38、39並
びに独立した高さ出力信号42を提供する。

位置信号48、49、50（φ₁、φ₂、及びφ₃と命名され
るのフォームが第６図に示される。これらは１プラテン
期間51に対して、120°（空間）の角度をもってインタ
ーリーブされる。このキャパシタンスに基づく位置測定
システムの長所は、これがプラテンの広い領域を平均す
ることである。これは、このシステムが良好な差分線形
性（differential linearity）、つまり、モーターが動
いた時、良好なサイクル間の再現性を持つことを保証す
る効果を持つ。この結果として、対応する距離、例え
ば、ABとBCがかなり好く一致するようになるが、これ
は、正確な位置挿間にとって重要である。

これら三相位置信号φ₁、φ₂、及びφ₃が第７図に示
されるように結合されてサイン及びコサイン出力が提供
される。これら二つの信号が、次に、モーター位置を決
定するためにカウンターをアップあるいはダウンにドラ
イブするのに使用される。同一の信号が、また、８ビッ
トADCによってデジタル化され、１プラテン期間内の精
密な位置挿間が行なわれる。モーター整流信号は、これ
らφ₁、φ₂、及びφ₃位置信号から派生される。これら
整流信号は、後に説明される電流ドライバーと共にモー
ター動作に対する制御された力及び方向を与えるために
使用される。

最も正確な位置検出信号を得るためには、モーターの
強磁性コアと関連する全ての漂遊及び望ましくないキャ
パシタンスを最小限に低減することが要求される。これ
ら漂遊キャパシタンスの一つに、モーターの中央レッグ
上の巻線とコア自体との間のキャパシタンスが存在す
る。この漂遊キャパシタンスの影響は、第８図に示され
るスキームによって除去される。ここで、電磁石巻線61
は、RF変圧器上の二つの追加の巻線62及び63を通じてド
ライブされる。小さなコンデンサー66及び67が変圧器巻
線62及び63の各々の一端をRFグランドに保持するように
構成すると、この電磁石巻線61の全体が強磁性コア60の
残りと完全に和合してドライブされる。結果として、60
と61の間の漂遊キャパシタンスを通じてRF電流は実質的
に流れず、こうして、この望ましくないキャパシタンス
の影響が排除される。電磁石コイル61をドライブする大
きなDC電流は、（フェライトコアの）RF変圧器62、6
3、64、65に影響を与えることはない。これは、62及び6
3を流れる電流は、バイファイラー巻線を通じて反対方
向に流れ、従って、RFフェライトコアに正味磁束をリ
ンクしないためである。

原理的には、例えば、第１図の三つのコアの各々に対
してこの手順を反復するように構成することが可能であ
る。但し、同一の結果を第９図に示されるようにしてよ
り少ない巻線にて達成することができる。ここでは、六
つのコア70から75がこれらの六個の電磁石巻線85から90
とともに示される。八個のRF巻線（76から83）のみが必
要であり、任意の大きな数のコアに対して、これだけの
数のみが必要とされることに注意する。

三つのコア93、94、95の足跡が第10図にホール96のプ
ラテンアレイ上に重ねて示される。各々のコアは、横
方向の足跡長を持つため、丁度整数のプラテン期間のそ
の移動に独立した方向（motion-independent directio
n）においては、関連するキャパシタンス値はこの片方
の方向（移動と独立した方向）のトランスレーションに
対しては本質的に変化せず、他方（測定）の方向では本
質的に（要求されるように）正弦的に変化する。

前述のモーターに関する全ての記述は、モーター電機
子要素自体がそれら自体のキャパシティブ位置センサと
して機能するような状況を中心として行なわれた。これ
が可能でないケースにおいては、前述の未決特許におい
て述べられるタイプの別個のキャパシティブ位置検出ア
レイを使用することができる。第11図に一つの例が示さ
れる。これはトリプルのキャパシティブ検出要素98、9
9、100を持つ印刷回路基板アレイを示す。これらは少し
うねった”シェブロン（Chevron）パターンを形成する
が、これは更にこのセンサーが縦方向の移動のみを読み
出し、横方向の移動は読み出さないことを保証すること
を助ける。トリプルの電極の各々は印刷回路基板の裏側
において（プレートされた貫通口を介して）これら三つ
の共通の読み出しライン103、104、及び105に相互接続
される。このような構造は、リニアモーターの整流情
報を提供するために、適当なセットの電磁石、例えば、
コア70-75に硬直的に取り付けることができる。このア
プリケーションにおいてのホール効果（Hall effect）
或は他のセンサーに対するこの構成の長所は、これが大
きな面積を持ち、従って、高度の空間平均を提供する良
好な差分線形性を提供するという事実にある。

前に説明のシステムは全て一次元リニアモーターに
関するが、一次元ロータリーモーターへの拡張は明ら
かである。第13図にこの一例が示される。ここでは、三
つの電機子要素109、110、111が第１図のコア１、２、
３の方法と同一の方法にてこれら自体のキャパシティブ
位置検出要素として兼用されている。

同様に、このロータリーモーター電機子要素がこれ
ら自体の位置センサーとして兼用できない場合は、別個
のロータリーキャパシティブセンサーを提供するこ
とが可能である。この一例が第14図に示される。ここで
は、インターリーブされた三つの検出電極E1,E2,E3が印
刷回路基板115の片側上にリソグラフィック的に形成さ
れる。この印刷回路基板上の反対側上の金属化層116
（簡潔のために除去されて示される）は、これも前述と
同様にRFソースからドライブされ、電極E1、E2、E3と一
体となって移動し、このためドライブンシールドとし
て機能する。この検出アレイは、モーターシャフトに
硬直的に取り付けられた回転するアースされたパターン
を持つ電極117と少し離れて位置される。これは全体と
して平坦なディスク状のセンサーであるが、これを本質
的に円筒設計にいかに拡張できるかは明白である。

第１図に示されるタイプの一次元線形キャパシティブ
整流モーターに関しての説明から、これら複数のモータ
ーを一体となって動作するようにグループ化できること
は明白である。一例が第15図に示されるが、ここでは、
四つのこれらモーター120、121、122、123がエアベア
リングノズル（air-bearing nozzles）を持つ平坦な
正方形のエアベアリングプレート124のエッジに沿
って並ぶ。この設計は、原理的には無限の広がりであり
得る全プラテン面積を通じて制御された二次元モーショ
ンを提供する。センサ信号、モータードライブ信号、
（エアベアリングのための）パワー及び圧縮空気は、
フレキシブルなへそ状のコード125によって提供され
る。このシステムは、四つの別個の独立した位置読み信
号Ｘ₁、Ｘ₂、Ｙ₁、Ｙ₂を提供する。モーターの中心の位
置（Ｘ、Ｙ）はＸ＝1/2（Ｘ₁＋Ｘ₂）及びＹ＝1/2（Ｙ₁
＋Ｙ₂）によって定義される。モーターの角回転θ（現
在の設計においては、±５°に制限される）は、冗長的
に、（Ｘ₁−Ｘ₂）及び（Ｙ₁−Ｘ₂）から得られる。閉ル
ープサーボ制御に要求されるモーター位置は、第７図
に示されるように各々のモーターからのサインコサイ
ン出力からドライブされるアップダウンカウンター
によって提供される。このモーター設計は、フルの二次
元平面モーション及び小さな角度（鋭角）レンジを通じ
ての制御された回転の両方を提供することがわかる。整
流信号は、第15図の設計においては、約５°の回転の角
度まであいまいさを持たない。この角度コントロールは
これらモーターのアセンブリー動作へのアプリケーショ
ンに有効である。このモーター位置情報は、冗長であ
り、三つの位置パラメータＸ、Ｙ及びθを指定するため
に四つの数Ｘ₁、Ｘ₂、Ｙ₁及びＹ₂を提供する。これは、
コンイステンシークロスチェック（consistency cr
oss-check）を提供する。更に、第５図から思い出され
るように、この検出システムはまたそのローカルグラ
ウンド平面より上の各々のセンサーの高さｈ₁、ｈ₂、ｈ
₃、ｈ₄を提供する。これは各々のモーターの所のエア
ベアリングの厚さの測定値を提供するが、この情報も冗
長である。こうして、この４モーターセンサーはモー
ターモーションの六つの自由度の全ての冗長読み出力
を提供する。続くグループのモーターコアを同一のモ
ーション方向に対して前のグループから少しオフセット
することにより、第11図のシェブロンパターンと同一
の効果が得られることに注意する。

現実的な問題として、このプレーナモーターは、こ
れに加えて、四つのモーターの全てがオフにされた場合
でも、正常なエアベアリング動作を提供するように、
永久保持磁石126を使用する。この磁石は、モーター自
体は、真の可変リラクタンス設計を持ち、従って、ハイ
ブリッドステッパーモーターに使用されているよう
な永久磁石を含まないためである。

第15図の形式の二次元プレーナー設計の場合、必要で
あれば、第11図及び12図に示されるタイプの四つの別個
のキャパシティブ位置センサーを使用することもでき
る。また、どの形式のセンサーが使用されるかに関係な
く、これを第16図に示されるようなタイプの二次元の円
筒形モーターに変換できることも明らかである。ここ
で、第15図の強磁性プラテンは回りをシリンダーを形成
するように包まれるが、この表面は、前に述べたのと同
様に、ホール或はポストの二次元パターンを含む。この
円筒状の表面から離れて外側には、それぞれＺ及びθを
読み出すために、二つの別個のキャパシティブセンサ
ー130及び131が示される。勿論、同様に、これら二つの
センサーも、第１図及び第13図のタイプのＺ及びθのコ
ントロールを提供するための自己検出モーターであって
もよい。この円筒状のケースにおいては、このシリンダ
ーがＺ及びθのモーションのみが許されるように制約さ
れるために、読出し出力の冗長は存在しないことに注意
する。

上の全ての記述は異なるモーターの設計及びキャパシ
ティブ位置検出に関するものであり、モーターコイル
の実際の電気的なドライビングに関しては何も触れられ
なかった。典型的には、ここで議論されるタイプの小さ
なモーターに対しては、コイルインダクタンスは、恐
らく、≒10mhであり、最大ドライブ電流は≒２アンペア
である。対応する蓄積エネルギーは、従って、≒2x10^-2
ジュールである。高いモーター速度においては、スイッ
チング周波数は、≒1KHzであり、このため、コイルのフ
ライバックパワーは≒20ワットとなる。双極電流ドラ
イブを採用する従来のハイブリッドモーターにおいて
は、これらのエネルギーは全て自動的にドライビング電
源に戻された。（ここで使用されるタイプの）単一方向
のドライブを持つ本当の可変リラクタンスモーターに
おいては、状況は非常に異なり、このエネルギーは、通
常、意図的に抵抗体内において散逸され、或は、高電圧
ツェナーダイオード内において散逸される。ツェナー
ダイオードの長所は、これがコイルフライバック電
圧を高い一定の値（ドライビング電源よりかなり高い
値）にクランプし、この結果として、コイルの磁場が急
速に崩壊することが助けられることである。但し、これ
はエネルギーの損失となる。

第17図には、磁場が急速に崩壊する長所は保持する
が、これに加えて、利用できるフライバックエネルギ
ーが実質的に浪費されない単純なスキームが示される。
ここでは、三つのモーターコイル134、135、136が星
形に接続され、三つのパワートランジスタ137、138、
139によってドライブされる。例えば、137が今までオン
であって、突然オフにされたものと想定すると、インダ
クター134からのフライバック電圧は、第140がオンにな
るまで急激に上昇する。自動変圧器143は、N:1のステッ
プダウン比を持つため、インダクター134によって見
られるクランピング電圧は、本質的に、電源145のＮ倍
となる。これは、この電圧クランピング動作自体が第14
4がその陽極がグランド電位の１ダイオードドロップ
下でドライブされるためにオンされることに起因する。
これは、従って、非常に速い速度のコイルターンオ
フ動作を提供する一方に、同時的に、蓄積された磁気エ
ネルギーを電源に戻す働きをする。

このスキームは、便利で、効率が良く、そして単純で
あり、これに加えて、任意の整流シーケンスにてドライ
ブされる任意の数のモーター位相に対して動作する。但
し、これは高速の効率的なコイルのターンオフ動作の
みを提供するもので、対応するコイルのターンオン速
度の向上には何も寄与しない。

このターンオンプロセス自体は、適当なケースに
おいては、第17図の回路の特性を意図的に強化すること
によって速度化することができる。この特性とは、ダイ
オード144が（コイルフライバックの際に）ターン
オンした時、電圧源145の正の端子に正の電流が流れ戻
るという特性である。この結果として、この電源の出力
電圧は必然的にその出力インピーダンスに比例する規模
の小さな正の逸脱を経験する。この逸脱は、この代わり
に、第18図に示されるシステムを使用して、意図的に非
常に大きな値にすることができる。ここで、前と同様
に、トランジスタ151が今までオンであり（電流Ｉ_oを運
んでおり）、突然オンにされたものと想定すると、ダイ
オード154間の電圧は突然正となる、つまり、これがオ
ンとなる。但し、ここで、この1:1自動変圧器157及びコ
ンデンサー160のために、ダイオード154、158及び159が
全てオンとなると、この回路は、（キャパシタンスＣ
の）コンデンサー160を直接に横断する（インダクタン
スＬの）インダクター148を持つ単純な並列の共振LCタ
ンクと等価となる。この共振タンクの一サイクルの半分
においては、インダクター148内に最初に蓄積されたエ
ネルギーの全てはコンデンサー160に移される。これら
ダイオード154、158及び159が全てオフになった後の次
のモーターコイルをターンオンするために利用でき
る電圧はとなる。これはＶ_B自体よりもかなり大きく、従って、
オンにスイッチされるべき次のモーターインダクター
内の電流の蓄積速度を高める。

現実的には、第18図に示されるのと全く同一の回路を
使用することができるが、上に説明されるよりも状況は
複雑となる。ここで採用される整流サイクルは、パワー
トランジスタ151、152、及び153へのターンオン及
びターンオフ信号と完全に一致して起こる一度に一つ
のみのコイルのターンオンを持つ。理論的には、総磁
場スイッチング時間（一つのコイルの減衰及び次のビル
ドアップ）は、によって与えられる。但し、この時間は現実において
は、必然的に大きな渦電流及びこのプラテン及びモータ
ーコアの両方内の他の損失があるためこの値を取らな
い。これは、全ての磁場エネルギーが自動的に一つのコ
イルから次のコイルに移されることはなく、この差をダ
イオード161を通じて供給しなければならないことを意
味するが、これには追加の時間が要求される。但し、現
実的な状況において、２或は３倍の速度の向上が達成で
きる。

第18図には更に二つの特長がある。第一に、一度に一
つのコイルのみがオンであるために、共通の抵抗体162
が全てのコイルに対して電流フィードバック情報を提供
し、これが電流の自動制御に使用される。第二に、コイ
ル148、149、150へのパワー供給のシーケンスは、シス
テムの動作とは無関係なことは明らかである。但し、こ
れは完全にモーターの逆転と対応する。つまり、モータ
ーの逆転を自動的に扱うことができる。

最後に、前述の全ては三相モーター及び対応するトリ
プルキャパシティブピックアップ電極の使用に関
する。但し、当業者においては、ここに示される方法を
異なる数の位相を持つ異なる設計を扱うためにいかに修
正したらよいかは明白である。また、様々な異なる期間
及び位相オフセットのキャパシタンス要素及び／或は電
磁石コアの足跡を使用して測定方向の要求される正弦信
号を提供できることも明白である。

【図面の簡単な説明】

第１図はモーター電機子強磁性コア自体をキャパシタン
ス位置検出要素として使用する三相可変リラクタンス
リニアモーターの基本スキームを示す絵図及び略図で
あり；第２図はパターン化されたグランドプレーンの上の電
極の最大及び最小キャパシタンス値を示す断面図であ
り；第３図は電極からグランドへのキャパシタンスの測定す
るための変圧器結合自己シールディング法を示し；第４図は三相の空間的に平均化されたキャパシタンス位
置情報を提供するように強磁性モーターコアの線形ア
レイを相互接続する方法を示し；第５図はモーター電極キャパシタンスから三相位置出力
及び高さ情報を派生するための電子ブロック図を示し；第６図は位置検出システムによって提供される三相位置
出力信号φ₁、φ₂及びφ₃の形式の曲線を示し；第７図は三つの位相信号、並びにモーター巻線整流コマ
ンドからサイン／コサイン位置出力を派生するための構
成を示し；第８図は位置検出信号からモーター巻線キャパシタンス
の影響を除去する方法を図解し；第９図は巻線からコアヘのキャパシタンスが相殺される
ように複数のモーターコアを相互接続する方法を示
し；第10図は横方向のモーション信号の独立を示すために複
数のモーターコアの足跡を示し；第11図は”チェブロン”三相空間的平均印刷回路キャパ
シタンス位置検出要素の形式を示し；第12図は三相印刷回路位置検出電極の裏側の相互接続を
示し；第13図はモーターの電機子強磁性コアを位置検出要素と
して使用する一次元ロータリーモーターを示し；第14図は別個のキャパシタンス位置検出要素を使用する
一次元ロータリーモーターを示し；第15図は二次元プレーナーサーボモーターを示し；第16図は二次元円筒状サーボモーターを示し；第17図はエネルギー保存形高速モーター巻線ターンオ
フシステムの略図であり；そして第18図はエネルギー移転形高速モーター磁場スイッチン
グシステムの略図である。〈主要部分の符号の説明〉１、２、３……強磁性コア４……強磁性プレート５、６、７……巻線８……RF変圧器９……一次巻線 10……RF発振器 13……電極 14……プラテン 20……キャパシティ検出電極

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 29/06 H02K 11/00 H02K 41/035

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】モータであって、第１の表面を規定する複数の電磁素子（1,2,3）であっ
て、該電磁素子上の極が該第１の表面に面するようにな
っている複数の電磁素子（1,2,3）と、該第１の表面に対して本質的に平行な第２の表面を規定
し、該電磁素子との間での意図された相対運動の１又は
２以上の方向に空間的に変調された強磁性の部材（４）
とを含み、該電磁素子は該モータの励起の所望の数の位相に対応す
るいくつかのグループに編成され、該電磁素子の各々の
極間隔は第１の方向での該強磁性部材の空間変調に整合
し、該第１の方向での該電磁素子の内部素子間隔は該第
１の方向での該空間変調の周期を位相の数でわった値の
整数倍に等しくなっており、さらに該強磁性の部材と該電磁素子との間に多相電磁場を形成
して、該いくつかの方向のうちの少なくとも１つの方向
に運動力を与えるための手段（85-90,134-139）と、該強磁性の部材に対する該電磁素子の位置を検出するた
めの手段（8,10）と、該位置検出手段に応答して、該多相電磁場を整流して、
該運動力を実質的に連続的にするための手段とを含み、該極及び該強磁性の部材は導電性であり、該検出手段が該極と該強磁性の部材内の空間的変調との間の容量的効
果を感知するための手段（8,10,31-36）を含むモータ。
【請求項２】請求項１に記載のモータにおいて、該電磁素子の第１のグループ（120,122）及び第２のグ
ループ（121,123）が該極を有しており、該強磁性の部
材（４）がそれぞれ第１及び第２の直交する方向におけ
る空間変調を有し、該電磁場を形成する手段が該方向の
いずれか又は双方への運動を提供するよう作られてお
り、及び該感知する手段が該方向の双方における加速運
動に対して変化する容量的効果を感知するための手段を
含むモータ。
【請求項３】請求項２に記載のモータにおいて、該第１及び第２のグループの電磁素子が該第１及び第２
のそれぞれの方向に第１及び第２のそれぞれの特性周期
を有し、かつ該第２および第１の特性周期の整数倍にそ
れぞれ等しい該第２および第１の方向におけるそれぞれ
の寸法を有しており、これによりそれぞれ第２及び第１
の方向における加速運動に対してそれらを不感知にさせ
るようになっているモータ。
【請求項４】請求項１に記載のモータにおいて該強磁性の部材が、第１の材料を含み、かつ第２の材料
を規則的な配列にて含ませることにより該第２の表面に
対して空間的に変調されており、該第１および第２の材
料が導電性領域および非導電性領域のパターンを提供す
るものであるモータ。
【請求項５】請求項４に記載のモータにおいて、該第１の材料が強磁性の導体であり、該第２の材料が誘
電体であるモータ。
【請求項６】請求項１に記載のモータにおいて、該電磁素子および該強磁性部材が、本質的に平坦な該第
１の表面を有するように配置されているモータ。
【請求項７】請求項１に記載のモータにおいて、該電磁素子および該強磁性の部材が、本質的に円筒形の
該第１の表面を有するよう、かつ該電磁素子の異なるい
くつかについてモーメントが異なる選択された方向を有
するが該第１の表面に常に接するように配置されている
モータ。
【請求項８】請求項１に記載のモータにおいて、該多相電磁場を形成する手段が該電磁素子（60）上の界
磁巻線（61）を含み、および該感知手段が各電磁素子に接続された巻線（61）、および該界磁巻線
と該電磁素子と該強磁性の部材の間の奇生容量の影響を
減少させるための各界磁巻線の反対の端部に接続された
一対の巻線（62,63）を有する多線変圧器（62,63,64,6
5）を含み、該一対の巻線が該多線変圧器の変圧動作時
における多相電磁場の形成の影響を同時に減少させるも
のであるモータ。