JP4414217B2 - 磁気式エンコーダ装置内蔵モータ - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転速度や回転位置を制御するために必要なパルスを発生するエンコーダ装置に関し、特にエンコーダ装置の中でも、粉塵、結露などに強く耐環境性に優れた磁気式エンコーダ装置内蔵モータに関する。

磁気式エンコーダ装置内蔵モータとしては、特許文献１のように、モータ内部のロータに磁石コードリングを取付け、磁石コードリングの円周側面に多極着磁して、その磁束をエンドベル（ケース蓋）内側に取り付けた磁気センサで回転信号として読み取る方式がある。しかしながら、エンドベル内側に磁気センサがあると、モータ界磁マグネットによる磁束（界磁妨害磁束）とロータによる磁束（ロータ妨害磁束）の影響を受けることになる（以降、界磁妨害磁束とロータ妨害磁束を合わせて妨害磁束と呼ぶ）。

回転検出信号は、矩形波パルスに変換して出力することにより後段の回路における処理が容易となるが、妨害磁束の影響を受けると、矩形波変換のもととなるコードリング出力信号が乱されて、回転に対応した適切な矩形波パルスを発生できないようなことが生じる。また、モータに電流を流してもモータが拘束されているような場合は回転せず、このような場合、磁気センサは回転信号を出力すべきでないにもかかわらず、妨害磁束の影響を受けて、回転信号を出力するようなことも生じる。

従来の技術は、モータ界磁マグネットによる磁束（界磁妨害磁束）とロータによる磁束（ロータ妨害磁束）の影響を考慮して、磁石コードリングは、十分大きな磁束を出すように構成していた。即ち、磁石コードリングの出力を上げるために、高価な磁石を用いたり、磁石コードリングの着磁ピッチを大きく取ったりしていた。

或いは、特許文献２に見られるように、センサー用マグネット及び検知用ホールＩＣを、妨害磁束の影響を受けないようにモータの外側に取り付けることも行われている。しかし、このような取付構成は、その分だけモータ全体の体積が大きくなるので、省スペースの観点から望ましいものではない。
特開平４−１８３２４５号公報 特許第２９２８４２０号公報

従来の技術では、磁石コードリングの出力を上げるために、高価な磁石を用いていたためにコストアップになっていた。或いは、磁石コードリングの着磁ピッチを大きく取ることで、エンコーダ装置の１回転当たりの発生パルス数が少数パルスとなったりするが、モータをより精密に制御させる必要のあるＯＡ機器用とか電装機器用の用途においては、モータ１回転当たり５０パルス、さらには１００パルス程度の多数パルスを発生させることも求められている。

また、ロータ妨害磁束は、モータ入力電流と共に変化するので、入力電流の変動により回転検出信号が不安定になることがある。エンコーダ装置をモータの外部に取り付けることにより、このような妨害磁束の影響を受けないようにすることは可能であるが、この場合には、その分だけモータ体積が大きくなる。

そこで、本発明は、係る問題点を解決して、エンコーダ装置をモータ内部に内蔵することにより全体として省スペースを図りつつ、妨害磁束による磁気センサへの影響を低減し、１回転当たりの多数パルスの発生を可能にする磁気式エンコーダ装置内蔵の小型モータを提供することを目的としている。

本発明の磁気式エンコーダ装置内蔵モータは、シャフト上にコア及び該コアに巻いた巻線を備えてロータを構成し、このロータに多極着磁した磁石コードリングをモータ内部で取り付ける一方、該磁石コードリングより発生した磁束を検出するためにそれに対応したモータ内部の固定子側の位置に磁気センサを備え、該磁石コードリングによる磁束を検出する。そして、モータ界磁マグネットと磁気センサの間に磁性材からなる外側磁性板を備え、かつ、コアの側面に支持具を介して固定された磁石コードリングの内周側に磁性材からなる内側磁性板を備える。磁気センサは、磁石コードリングの外表面の半径方向外側の位置で前記固定子側に固定する。

本発明によれば、妨害磁束による磁気センサへの影響を低減することができ、さらにこれにより、高価な磁石を用いて磁石コードリングの出力を上げる必要はない。

また、妨害磁束を低減したことにより、磁石コードリングの着磁ピッチを小さくすることを可能にして、エンコーダ装置の１回転当たりの発生パルス数を多くすることができるため、モータをより精密に制御させる必要のある用途において使用可能となる。

さらに、エンコーダ装置をモータ内部に内蔵することにより全体として省スペースを図ることができる。

図１は、本発明に基づき構成した磁気式エンコーダ装置内蔵モータの一部断面の正面図である。金属材料により有底中空筒状に形成されたケース１１の内周面に、界磁マグネット１が取り付けられている。また、金属ケース１１の外周にはヨーク１３が取り付けられる。このケース１１の開口部は、ケース蓋１４が嵌着されて、それによって閉じられている。ケース蓋１４の中央部には、シャフト８のための軸受け１５が収容される。シャフト８の他端は、有底中空筒状のケース１１の底部中央に設けられた軸受け１６によって支持されている。このシャフト８上には、積層コア１７と、該積層コア１７上に巻いた巻線１８と、整流子１９とが備えられて、ロータを構成している。整流子１９に接触するブラシ２０は、また通常のように、ケース蓋１４に支持されると共に、ブラシ２０に接続された入力端子２１が電気的接続のためにケース蓋１４を貫通して外部に突出している。

図１に例示のモータは、以上説明した通常のモータ構成に加えて、さらにロータ回転（位置）検出のための磁気式エンコーダ装置を内蔵している。この磁気式エンコーダ装置は、回転するロータ側において、支持具５を介してコア１７の側面に固定された磁石コードリング６及びその内径側に固定された内側磁性板４と、固定子側において、磁石コードリング６に対応しケース蓋14に固定されケース11の内周面に沿った所に位置する磁気センサ２と、該磁気センサ２と界磁マグネット１の間でケース１１の内周面に固定された外側磁性板３とから構成される。

リング構成の磁石コードリング６、及びホール素子とか磁気抵抗素子等により構成できる磁気センサ２自体はそれぞれ通常の構成のものを用いることができる。また、図示の磁気式エンコーダ装置は、整流子の径方向外側のスペースを利用して、コア１７の整流子側に備えたものを例示しているが、この整流子側とは反対側のコア側面でも取付可能である。

このような磁気式エンコーダ装置の構成を、さらに図２を参照して説明する。図２は、図１に例示のモータ構成を、一部断面で示す概略斜視図であり、エンコーダ装置の配置を分かり易くする目的で、巻線などの図示を省略している。

ロータのコア１７の端面に、支持具５を介して磁石コードリング６が固定される。この磁石コードリング６は、その円周の外周面上が多極着磁されて、これによって着磁部を構成している。着磁部は、界磁マグネット１の影響を受けないように界磁マグネット１からできるだけ離すことが望ましく、さらに着磁極数を多くするためには着磁部の径をできるだけ大きくするのが望ましい。このように磁石コードリング６を界磁マグネット１からシャフト軸方向に離し、さらにコア外径よりも大きな外径の磁石コードリング６を、コア端面に固定するために、磁気抵抗の大きな（低い透磁率の）、例えば樹脂からなる支持具５を用いている。このように支持したことにより、磁石コードリング６は、ロータと一体に回転する。

例示の支持具５は、コア外径と同一外径を有する円筒部５’とこの円筒部端部から垂直に径方向外側に立ち上がってより大きな外径の磁石コードリング６を支持する壁面部５”とから構成されている。磁石コードリング６をフェライト等の磁気抵抗の比較的大きなマグネット材質で構成したときは、支持具５もまたフェライト等によって磁石コードリング６と一体に構成することができる。

この磁石コードリング６の外表面の半径方向外側に間隔を開けて、ケース蓋14におけるケース11の内周面に沿った位置に磁気センサが固定され、これによって、磁石コードリング６の磁束を読み取ることにより、回転（位置）信号を発生する。

磁気センサ２及び磁石コードリング６の着磁部と、界磁マグネット１との間に、ディスク型の外側磁性板３が、圧入或いは接着等により、或いはケース蓋に押さえ部材を備えてケース蓋を閉じたときの押さえ部材の押圧力により、また界磁マグネットの磁力によって、ケース１１の内周面側に固定される。図示の構成は、界磁マグネット１と外側磁性板３の間に隙間（空隙）を設けるように、それらの間に樹脂スペーサ９を用いている。この樹脂スペーサ９は、リング状にして円周上の全体に設けることができるが、所定の間隔を維持できるものであれば必ずしも円周方向に連続したものにする必要は無い。

このように、界磁マグネット１と磁気センサ２の間に、外側磁性板３を置くことにより、界磁妨害磁束の大部分とロータ妨害磁束の一部が、外側磁性板を通り、ケース等へ抜けるようになり、磁気センサへの影響を防ぐことが可能になる。また、界磁マグネット１と外側磁性板３の間に隙間（空隙）を設けることで、界磁マグネット１と外側磁性板３の間の磁気抵抗を高め、さらに、磁気センサ２と外側磁性板３の間に隙間を設けることで、磁気センサ２と外側磁性板３の間の磁気抵抗を高め、外側磁性板へ到達する妨害磁束の量が減り遮蔽効果が高くなる。

図３は、外側磁性板の形状を例示する図である。磁性板形状は、上述のディスク型以外に、リング型、帽子型などが考えられる。（ａ）に示すディスク型は、界磁マグネット１によるシャフト軸平行方向からの影響を円周上の全体で遮蔽することを意図したものである。（ｂ）に示す帽子型は、上記ディスク型に加えて、センサ挿入穴を有する円筒部を付加したものである。これによって、シャフト軸平行方向からの影響の遮蔽に加えて、周方向側面からの影響も遮蔽しようとするものである。（ｃ）に示す扇型は、シャフト軸平行方向からの影響を、少なくとも磁気センサ側面で遮蔽しようとするものである。この扇型のように、外側磁性板は、モータシャフト８を中心とした円周方向につながっている必要は必ずしも無い。

磁石コードリング６の内周側に、ディスク型或いはリング型の内側磁性板４を接着、圧入等により固定する。この内側磁性板４は、主としてロータ妨害磁束の影響を遮蔽するのである。加えて、磁石コードリング６の径方向内側であって、かつ、積層コア端面と磁石コードリング６との軸方向内側であれば、妨害磁束の影響を遮蔽できる。この場合、積層コアと内側磁性板４との間に隙間（空隙）を設けることで、積層コアと内側磁性板４の間の磁気抵抗を高め、内側磁性板４へ到達する妨害磁束の量が減り遮蔽効果が高くなる。内側磁性板４は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ディスク型或いはリング型に構成することができる。内側磁性板４は、モータシャフト８を中心とした円周方向へつながっている方が良い。遮蔽効果は、内側磁性板４の体積によって最も影響を受けるので、シャフト８周囲の穴の大きさ、シャフト軸方向の厚みを変えることにより、調整することができる。

このように、磁石コードリング６の内部に内側磁性板４を置くことにより、外側磁性板３で防げなかった磁石コードリング内部から漏れてくるロータ妨害磁束の大部分が、内側磁性板４を通って、ロータコアへ戻るようになり、磁気センサへの影響を防ぐことができる。さらに、ロータと内側磁性板４の間に空隙を設けることで、コアに巻かれたロータ巻線より離して、そこから発生した磁束に対する磁気抵抗を高める。

内側磁性板４及び外側磁性板３は、鉄のような透磁率の高い磁性材料から構成することができ、さらに内側磁性板４については、回転磁界にさらされるので、ケイ素鋼板のような電磁鋼板にして、モータの損失を減らすことが望ましい。

次に、妨害磁束について説明する。図６、図７のグラフは、縦軸を磁気センサが受ける妨害磁束の影響の大きさ、横軸をモータ入力電流にとったものである。入力電流ゼロの時の妨害磁束が界磁妨害磁束を表し、入力電流と共に大きくなる部分がロータ妨害磁束を表している。

図６は、外側磁性板による遮蔽効果を示すグラフであり、ここに示されるように、外側磁性板を設けることにより、磁性板なしの場合に対比して、界磁妨害磁束だけでなく、ロータ妨害磁束についても大きく低減できることが示されている。図７は、外側磁性板に併せて内側磁性板による遮蔽効果を示すグラフである。このグラフにおいて、外側磁性板のみの場合は、図６と同じものであるが、外側磁性板に内側磁性板を組み合わせた場合には、その組み合わせによって、入力電流に対する妨害磁束の磁気センサへの影響を制御することができる。即ち、図７のグラフにおいて傾きを変えることができる。これにより、モータ機種によって異なる最適な磁性板（厚み、内径、外径、体積）を選定すれば、入力電流が大きくなっても、妨害磁束の影響が大きくならないようにすることができ安定した回転信号を得ることができる。図７ではディスク型が良いが、モータ機種によってはリング型が良いこともある。

図５は、図１及び図２に例示の磁気式エンコーダ装置とは別の例を示す図である。図示の例において、磁石コードリング着磁面に沿って、間隔をあけて複数個（２個として図示）の磁気センサ２，２を配置して、多相式の磁気式エンコーダ装置を構成したものである。内側磁性板４及び外側磁性板３による妨害磁束の低減効果は、各磁気センサに対して同様に作用する。各磁気センサ２，２は、検出信号位相が異なるのを除いて同じ回転（位置）信号を検出することができ、両回転信号を対比することにより回転方向を判別することが可能になる。

本発明に基づき構成した磁気式エンコーダ装置内蔵モータの一部断面で示す正面図である。 図１に例示のモータ構成を、一部断面で示す概略斜視図である。 外側磁性板の形状を例示する図である。 内側磁性板の形状を例示する図である。 図１及び図２に例示の磁気式エンコーダ装置とは別の例を示す図である。 外側磁性板の遮蔽効果を表すグラフである。 外側磁性板に加えて内側磁性板を用いた際の遮蔽効果を表すグラフである。

符号の説明

１ 界磁マグネット
２ 磁気センサ
３ 外側磁性板
４ 内側磁性板
５ 支持具
６ 磁石コードリング
８ モータシャフト
９ 樹脂スペーサ
１１ ケース
１３ ヨーク
１４ ケース蓋
１５，１６ 軸受け
１７ 積層コア
１８ 巻線
１９ 整流子
２０ ブラシ
２１ 入力端子

Claims (5)

1. シャフト上にコア及び該コアに巻いた巻線を備えてロータを構成し、このロータに多極着磁した磁石コードリングをモータ内部で取り付ける一方、該磁石コードリングより発生した磁束を検出するためにそれに対応したモータ内部の固定子側の位置に磁気センサを備え、該磁石コードリングによる磁束を検出することによりロータの回転を検出する磁気式エンコーダ装置内蔵モータにおいて、
   モータ界磁マグネットと前記磁気センサの間に磁性材からなる外側磁性板を備え、かつ、前記コアの側面に支持具を介して固定された前記磁石コードリングの内周側に磁性材からなる内側磁性板を備え、
   前記磁気センサは、前記磁石コードリングの外表面の半径方向外側の位置で前記固定子側に固定したことから成る磁気式エンコーダ装置内蔵モータ。
2. 前記界磁マグネットと前記外側磁性板の間に空隙を設けた請求項１に記載の磁気式エンコーダ装置内蔵モータ。
3. 前記磁気センサと前記外側磁性板の間に空隙を設けた請求項１に記載の磁気式エンコーダ装置内蔵モータ。
4. 前記内側磁性板を電磁鋼板により構成した請求項１に記載の磁気式エンコーダ装置内蔵モータ。
5. 前記内側磁性板とロータの間に空隙を設けた請求項１に記載の磁気式エンコーダ装置内蔵モータ。
   

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