JP3077074B2

JP3077074B2 - サーボモータ

Info

Publication number: JP3077074B2
Application number: JP05246688A
Authority: JP
Inventors: 里丘石山
Original assignee: 株式会社ヒルストン製作所
Priority date: 1993-10-01
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 2000-08-14
Anticipated expiration: 2015-08-14
Also published as: JPH07107706A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、サーボモータに関する
ものであり、より詳しくは、プリンターヘッド、磁気ヘ
ッド等の位置制御に好ましく使用し得るサーボモータに
関するものである。

【０００２】

【従来技術】位置制御機能を備えるモータとしては、一
般にステッピングモータとサーボモータが知られてい
る。サーボモータは、その回転角等の情報を制御回路に
帰還させ、この帰還信号に基づいてモータの駆動を制御
するため、高精度にその位置を制御する必要のある場合
には、ステッピングモータよりも適している。しかしな
がら、サーボモータは、面倒なフィードバック装置を必
要としないステッピングモータに比べ、制御手役を必要
とする点で構造上複雑となることは避けられない。

【０００３】サーボモータは、可動部の運動形態によ
り、ロータリ型（回転形）とリニア型（直進形）とに分
けられ、いずれも、駆動モータ、エンコーダを含む位置
測定装置、および制御回路を有している。

【０００４】従来のロータリ型サーボモータは、一般に
知られている回転子と固定子からなるロータリモータ本
体の回転軸の延長上に、別体として磁気や光学式等のロ
ータリエンコーダが設けられていた。また、従来のリニ
ア型サーボモータは、長手方向に延びる固定子と、固定
子上を移勤し、コイル移動型にあってはコイルが、磁石
移動型にあっては磁石が取付けられたハウジングとを備
えたリニアモータ本体の固定子と平行に、別体として光
学式ポジションスケール、磁気式ポジションスケール、
レーザ測長器等のリ二ア型エンコーダが設けられてい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】エンコーーダはロータ
リ型では回転子の回転角、また、リニア型では固定子上
を移動するハウジングの位置を精度良く検出するために
は、前者では回転軸と同軸上に、また後者では固定子と
平行に、エンコーダが位置決めされていなければならな
い。しかし、従来は、エンコーダがモータ本体と独立し
て設けられているため、両者間に距離があり、従って、
アッベの法則からも知られているように、測定誤差が生
じることは不可避で、高精度な位置検出が困難となる問
題を有していた。更に、両者間の距離が長くなればなる
ほど、ロータリ型では両者の同軸性を保つことが、また
リニア型では両者間の平行性を担保することがより困難
となり、この誤差は大きくなるという問題点があった。
また、両者が別体となっているので、サーボモータの構
成が複雑となるという問題点もあった。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、位置測定誤差を大幅に低減さ
せ、その制御精度をより一層高めることができる簡易な
構造のサーボモータを提供することを目的とするもので
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のかかる目的は、
駆動用着磁部分と位置検出用着磁部分とを、位置検出用
センサの出力波形のオフセット変動が３８％以内である
ように離間させて併置した駆動用磁石と、前記駆動用着
磁部分に対向して設けた駆動用コイル、および前記位置
検出用着磁部分に対向して設けられた位置検出用磁気セ
ンサとを備えたサーボモータによって達成される。

【０００８】本発明の好ましい実施態様においては、前
記駆動用着磁部分と前記位置検出用着磁部分とを、前記
位置検出用磁気センサの出力波形のオフセット変動が３
０％以内であるように、駆動用磁石上に離間させて併置
されている。

【０００９】本発明の好ましい実施態様においては、前
記駆動用磁石が機械加工が可能な強磁性磁石材料より構
成されている。

【００１０】また、本発明の好ましい実施態様において
は、前記駆動用コイルおよび前記位置検出用磁気センサ
は、共通ハウジングに取付けられている。

【００１１】本発明の更に好ましい実施態様において
は、前記駆動用磁石が長尺部材により構成されている。

【００１２】本発明の更に好ましい実施態様において
は、前記長尺部材は円筒状または角状である。

【００１３】本発明の更に好ましい実施態様において
は、前記長尺部材は中実である。

【００１４】本発明の好ましい実施態様においては、前
記長尺部材は中空である。

【００１５】本発明の更に好ましい実施態様において
は、前記位置検出用磁気センサはＭＲセンサまたはホー
ル素子で構成されている。

【００１６】本発明の更に好ましい実施態様において
は、前記強磁性磁石材料が、マンガンアルミ磁石材料、
鉄クロムコバルト磁石材料、および希土類プラスチック
磁石材料からなる群より選ばれる磁石材料で構成されて
いる。

【００１７】

【作用】本発明によれば、駆動用着磁部分と位置検出用
着磁部分とが駆動用磁石に併設され、一体化されている
ため、サーボモータの構造を簡易化することができる。
更に、駆動用着磁部分と位置検出用着磁部分とを近接し
て配置し得るとともに、リニア型においては両者間を平
行に、またロータリ型においては両者を同軸に配置する
ことが容易になるので、測定誤差が大幅に低減され、位
置制御精度を高めることが可能となる。また、位置検出
用センサの出力波形のオフセット変動が３８％以内であ
るように、駆動用着磁部分と位置検出用着磁部分とを離
間させて併置しているので、後者が前者の干渉を受ける
ことが防止される。

【００１８】

【実施例】以下、添付画面に基づいて、本発明の好まし
い実施例につき詳細に説明する。

【００１９】図１は、本発明の実施例に係るリニア型の
サーボモータを示す略側面図である。

【００２０】図１において、リニア型サーボモータ１０
は、駆動用着磁部分２２および位置検出用着磁部分２４
とを備えた駆動用磁石２０、並びにコイル部分３４およ
び磁気センサ３６をハウジング３２上に取付けた移動手
段３０を備えている。

【００２１】駆動用磁石２０は、中実の円筒状ロッドで
あり、その直径は、例えば１８ｍｍである。また、磁石
材料は脆くて欠け易く、従ってロッド状の磁石は製造が
困難であるが、この駆動用磁石２０は、長く延びる性質
である展延性を有し、かつ強磁性のマンガンアルミ磁石
材料で作られているため、十分な機械的強度を有してい
る。

【００２２】駆動用着磁部分２２は、図１において、駆
動用磁石２０の上部に沿って長手方向に所定の間隔、例
えば１０ｍｍ間隔で、Ｎ極またはＳ極に交互に着磁され
ており、他方、駆動用磁石２０の下部、すなわち駆動用
着磁部分２２とは直径方向反対側の部分には、駆動用着
磁部分２２と平行に、位置検出用着磁部分２４が着磁さ
れている。位置検出用着磁部分２４のＮ極とＳ極の間隔
は、駆動用着磁部分より小さく、例えば１０μｍ間隔
で、Ｎ極およびＳ極に交互に着磁されている。これら駆
動用着磁部分２２と位置検出用着磁部分２４との間の距
離は、前者の後者に対する干渉を防止し、位置検出用着
磁部分２４のエンコーダとしての機能が担保されるよう
に設定される必要がある。この距離は、位置検出用セン
サの出力波形のオフセット変動が、理論上ではピーク間
電圧Ｖｐ‐ｐの３８％以内となるような距離であること
を要し、好ましくは３０％以内になるように設定され
る。図２は、駆動用着磁部分と位置検出用着磁部分との
間の間隔と、磁気センサの出力波形のオフセット変動と
の関係を表したグラフである。図２のグラフに示すよう
に、このオフセット変動を３０％以内とするためには、
この間隔２６は少なくとも約０．５ｍｍ以上でなければ
ならず、約１ｍｍ以上に設定することが好ましい。本実
施例では、約１０ｍｍの距離に設定されている。

【００２３】駆動用着磁部分２２および位置検出用着磁
部分２４は、以下のように、駆動用磁石２０に着磁され
る。所定のギャップ幅を有するリング型ヘッド（図示せ
ず）を用いて、このリング型ヘッドに電流を流し、同時
に、リング型ヘッドを磁石材料からなるロッドに沿って
長手方向に所定の長さにわたって移動させることによっ
て、この所定の長さの部分をＮ極或いはＳ極の所定の極
に着磁し、次いで、電流を反転し、リング型ヘッドをロ
ッドに沿って長手方向に同じ長さにわたって移動させ
て、逆の極に着磁し、この工程をロッドの全長手方向に
沿って繰り返す。本実施例においては、例えば、駆動用
着磁部分２２については、ギャップ１ｍｍ、かつコイル
５００巻きのヘッドに５Ａの電流を流し、ロッドの中心
角１００°の範囲の湾曲した表面部分を、ロッドの長手
方向へ１０ｍｍの長さにわたり、Ｎ極或いはＳ極に着磁
し、電流を反転し、同じ方法で次の同一面積分の表面を
逆の極に着磁し、ロッドの全長にわたりこの工程を繰り
返す。また同様に、位置制御用着磁部分２４は、ギャッ
プ５μｍ、コイル５００巻きのヘッドに０．５Ａの電
流、ロッドの中心角２０°、ロッドの長手方向に１０μ
ｍの長さで、同様の工程を繰り返す。

【００２４】駆動用磁石２０上を移動するハウジング３
２は、機械的強度に十分な肉厚を有する中空の直方体に
形状、例えば、長手方向が６５ｍｍ、横３５ｍｍ、厚さ
３５ｍｍの直方体の形状を有し、非磁性材料、例えばプ
ラスチック材で作られている。ハウジング３２はその側
面に、駆動用磁石２０を移動可能に受け入れるよう、駆
動用磁石２０の直径より僅かに大きい貫通孔、例えば直
径１８．４ｍｍの貫通孔を有している。

【００２５】位置検出用磁気センサ３６は、ハウジング
３２が駆動用磁石２０を貫通孔内に受け入れたとき、位
置検出用着磁部分２４に対向するように、ハウジング３
２の中空部内に設けられている。具体的には、磁気セン
サ３６を位置検出用着磁部分２４に近接して位置決めで
きるように、中空ハウジング内に設けられた磁気センサ
支持合上に取付けられている。本実施例では、パーマロ
イ合金からなり、磁界が加わると磁気抵抗効果によっ
て、その電気抵抗が変化するＭＲセンサ（Magnetoresis
tance Senser）が用いられており、これには一定の電流
が流されている。従って、ＭＲセンサに電流を流し、そ
の電圧の変化を測定することによって、磁界の変化を検
出して、移動手段３０の位置を検出することができる。

【００２６】コイル部分３４は、ハウジング３２が駆動
用磁石２０を貫通孔内に受け入れたとき、駆動用着磁部
分２２に対向するように、ハウジング３２内に位置決め
されている。具体的には、駆動用磁石２０の表面に沿う
ように湾曲し、かつコイルを巻くためのコ了部分を儒え
るプラスチック部材に３０巻きした６固のコイルをルー
プ状に巻き、コイルが駆動用着磁部分２２に対向するよ
うに、中空ハウジング３２の中空部内の上部に取付けら
れている。コイルを駆動用磁石２０との接触から保護す
るため、コイル外面にはテフロンフィルム等の保護フィ
ルムが貼られている。このように、コイルは磁力線のロ
スを最小化するため、駆動用磁石２０の湾曲した駆動用
着磁部分２２の外面に沿うように配置されていることが
好ましい。

【００２７】図３は、リニア型サーボモータ１０および
それを制御するための制御回路のブロック図である。図
３に示すように、リニア型サーボモータ１０を制御する
サーボモータ制御部４０は、例えばコンピューター（図
示せず）から入力されるパルス状の指令信号とモータの
位置信号との間の偏差を算出する儒差カウンタ４２、偏
差カウンタ４２の値に基づいて、モータを勤かす条件電
力を算出するＣＰＵ４４およびＣＰＵ４４の信号に基づ
いて、モータを駆勤する電流を増幅して、出力する電力
増幅回路４６を備えている。また、エンコーダ用電子回
路５０は、磁気センサ３６からの信号を所定レベルまで
増幅し、シュミット回路によってパルス披に整形する波
形整形回路を備えている。

【００２８】本実施例において、サーボモータ１０は、
このサーボモータ制御部４０によって、以下のように作
動される。電力増幅回路４６から出力されたモータ駆動
電流によって、コイル部分３４に電流が流れ、コイル部
分３４と、駆動用着磁部分２２に形成されたＮ極或いは
Ｓ極との間に斥力が働き、移動手段３０が駆動用磁石２
０に沿って所定の方向に移動する。

【００２９】移動手段３０が、駆動用磁石２０に沿って
移動するのに伴って、移動手役３０に設けられた磁気セ
ンサ３６は、位置検出用着磁部分２４の上を通過する。
前述したように、位置検出着磁部分２４には、例えば、
１０μｍごとに、Ｎ極およびＳ極が形成されているた
め、各単位着磁部分の間を通過する毎に、磁気センサ３
６の抵抗値が変化する。この磁気センサ３６には一定の
電流が流されているから、移動手段３０が、駆動用磁石
２０に沿って移動すると、磁気センサ３６から略サイン
波の出力電圧信号がエンコーダ用電子回路５０に入力さ
れる。エンコーダ用電子回路５０は、この出力電圧信号
を増幅し、更に、波形整形することによって、所定のパ
ルス信号を生成し、偏差カウンタ４２に出力する。偏差
カウンタ４２は、エンコーダ用電子回路５０から出力さ
れたパルス信号と、指令信号との偏差を算出して、ＣＰ
Ｕ４４に偏差算出信号を出力する。ここに、指令信号は
パルス信号であるため、この偏差は、パルスの数の差を
表している。ＣＰＵ４４は、儒差カウンタ４２から入力
された偏差算出信号に基づいて、リニア型サーボモータ
１０を勤かす条件電力を算出し、電力増幅回路４６はこ
の条件電力に基づいて電流値を増幅して、モータ駆動電
流をコイル部分３４に出力する。サーボモータ１０およ
びサーボモータ制御部４０が、上述した動作を繰り返す
ことによって、移動手役３０は目的とする位置まで移動
される。

【００３０】本実施例によれば、駆動用磁石２０に、駆
動用磁石部分２２と位置検出用着磁部分２４とを一体に
設けているので、サーボモータＪ０の構造を簡易にする
ことができる。また、駆動用着磁部分２２と位置検出用
着磁部分２４の距離をきわめて近接させることができる
とともに、容易に両者を平行に配置することが可能にな
り、位置測定誤差を最小化することができる。更には、
駆動用磁石２０として、円筒状ロッドを用いているの
で、真直形状に加工が容易であり、駆動用着磁部分２２
と位置検出用着磁部分２４とを、特に容易に平行に形成
することができる。また、従来のステップモータとは異
なり、リニア型サーボモータであるので、プリンタヘッ
ドの位置制御に用いた場合に、回転運動を直線運動に変
換する機構を要せず、プリンタの構造を大幅に簡易化す
ることができる。

【００３１】本発明は、上記した実施例に限定されるこ
となく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種
々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含
されるものであることはいうまでもない。

【００３２】例えば、前記実施例においては、駆動用磁
石２０、７０の材料として、マンガンアルミ磁石材料を
用いているが、強磁性を有する他の材料、例えば鉄クロ
ムコバルト磁石材料を用いても、または例えば、サマリ
ウムコバルト磁石材料、ネオジ鉄磁石材料等の粉末をプ
ラスチックに混線して成型した希土類プラスチック磁石
など、十分な機械的強度をもって整形することのできる
磁石を使用しても良い。

【００３３】また、前記実施例においては、位置検出用
磁気センサ３６、８６として、ＭＲセンサを用いている
が、位置検出用磁気センサ３６、８６は、磁界の変化を
電気信号に変換できるものであれば良く、例えば、ホー
ル効果を利用したホール素子等でも良い。

【００３４】更に、図１ないし図３に示された実施例に
おいては、駆動用磁石２０として、中実の円筒状ロッド
を用いているが、他の形状を有する中空の円筒状ロッド
を使用しても良い。

【００３５】また、図１ないし図３に示された実施例に
おいては、駆動用着磁部分２２と位置検出用着磁部分２
４とは、直径方向反対側に対向して配置されているが、
必ずしもこのように配置する必要はない。前述のごと
く、駆動用着磁部分２２と位置検出用着磁部分２４と
は、磁気センサのオフセット変動が３８％以内、好まし
くは３０％以内になるように離間していれば足り、この
条件を満足する限り、これらの相対的位置は任意に設定
することができる。

【００３６】また、図１ないし図３に示された実施例に
おいては、ハウジング３２が駆動用磁石２０を３６０°
包囲する形状を有しているが、コイルおよび位置検出セ
ンサが両着磁部分にそれぞれ対向して配置できるような
形状であれば、必ずしも３６０°包囲する形状である必
要はない。例えば、駆動用磁石２０の上半分に整合する
半円リング状等でも良い。また、上記した実施例では、
共通のハウジングに、駆動用コイルおよび位置検出用磁
気センサを設けることにより、両者を一定の相対的位置
関係に保つことができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、位置測定誤差を大幅に
低減させ、その制御精度をより一層高めることができる
簡易な構造のサーボモータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るリニア型サーボモータの
略側面図である。

【図２】駆動用着磁部分と位置検出用着磁部分との間の
間隔と、磁気センザの出力波形のオフセット変動との関
係を表したグラフである。

【図３】サーボモータ制御回路図である。

【符号の説明】

１０リ
ニア型サーボモータ２０駆
動用磁石２２駆
動用着磁部分２４位
置検出用着磁部分２６間
隔３２ハ
ウジング３４コ
イル部分３６磁
気センサ４０サ
ーボモータ制御部５０エ
ンコーダ用電子回路

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 11/00 H02K 41/02 H02K 41/03 H02P 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒形状の長尺部材によって構成された
単一の駆動用磁石を備え、前記駆動用磁石は、前記円筒
形状の円周を分割するように、且つ、円筒形状の軸方向
に、互いに所定の間隔をおいて平行に着磁された駆動用
着磁部分及び位置検出用着磁部分とを有すると共に、前
記円筒形状の駆動用磁石上を移動する移動手段を備え、
当該移動手段は、コイル部分及び位置検出用磁気センサ
を収容する貫通孔を備えた単一のハウジングを有し、前
記駆動用磁石は、前記ハウジング内の貫通孔を通して延
在すると共に、前記コイル部分及び前記位置検出磁気セ
ンサは、前記ハウジング内で、前記駆動用磁石の前記駆
動用着磁部分及び前記位置検出用着磁部分とそれぞれ対
向するように設けられていることを特徴するサーボモー
タ。
【請求項２】請求項１において、前記駆動用着磁部分
と前記位置検出用着磁部分は、前記位置検出用センサの
出力波形のオフセット変動が３８％以内であるように、
前記円筒形状の円周方向に、離されていることを特徴と
するサーボモータ。
【請求項３】請求項２において、前記駆動用着磁部分
と前記位置検出用着磁部分は、前記位置検出用センサの
出力波形のオフセット変動が３０％以内であるように、
前記円筒形状の円周方向に、離されていることを特徴と
するサーボモータ。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかにおいて、前
記長尺部材が中実であることを特徴とするサーボモー
タ。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかにおいて、前
記長尺部材が中空であることを特徴とするサーボモー
タ。