JP4591682B2 - 磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータ - Google Patents

Description

本発明は、産業用のサーボモータの回転位置を検出するためのセンサおよびこのセンサを用いた永久磁石同期モータに関する。

従来の、エンコーダと永久磁石同期モータとを機能的に組み合わせたユニット（以下、エンコーダ付き永久磁石同期モータと呼ぶ）は、通常、エンコーダと永久磁石同期モータとを各々単独で製作し、製造工程の後半で両者を組み合わせている。このような組み合せに供するエンコーダの一つとして、磁気式エンコーダがある（例えば、特許文献１参照）。
以下、従来の磁気式エンコーダの形態について図を参照して説明する。
図９は従来の磁気式エンコーダの構成図である。
図において、磁気式エンコーダ６は、発磁体（永久磁石）６１および磁界検出素子６２から構成される。磁界検出素子６２は、４つのホール素子６２ａ〜６２ｄを有し、これらは、紙面を貫く方向の回転軸５を有するモータ（図示せず）の回転位置検出用で、このモータの回転軸５に取り付けられた、１８０°異なる位置にＮ極とＳ極とを有する発磁体６１の外周に沿って配置されている。ここで、ホール素子６２ａおよび６２ｂはその出力電圧特性が電気角で９０°の位相差を有するように配置されており、また、ホール素子６２ａおよび６２ｃと、ホール素子６２ｂおよび６２ｄとはその出力電圧特性が電気角で１８０°の位相差を有するようにそれぞれ配置されている。ホール素子６２ｃおよび６２ｄは、それぞれホール素子６２ａおよび６２ｂの反転信号を出力して、回転位置の検出精度を向上するために設けられている。このように配置された磁気式エンコーダでは、ホール素子６２ａおよび６２ｃの出力から発磁体の回転位置に対応する正弦波信号を、またホール素子６２ｂおよび６２ｄの出力から余弦波信号を得ることができ、これらの信号をＡ/Ｄ変換器６３でディジタル化してＣＰＵで処理することにより、回転子の回転位置を得るようになっている。
このように、従来の磁気式エンコーダは、モータの回転軸に取り付けられた永久磁石の磁界を磁界検出手段によって検出し、回転子の回転位置を求めるのである。
特開２００１−５０７７４号公報（第２頁、図１）

従来の磁気式エンコーダは、発磁体である、モータの回転軸の先端に取り付けた永久磁石の磁界を検出する構成となっているので、モータ用とは別にエンコーダ専用の永久磁石が必要であり、その分コストアップを招くという問題があった。また、永久磁石を回転軸に取り付けるための工程が必要である。ここで、永久磁石は機械強度が不十分なため金属でできた回転軸へは焼きバメや締りバメといった強固な固定方法を用いることができず、このため一般には接着法が用いられるが、この接着が不十分だと永久磁石の脱落を起こしてしまうなど、信頼性の問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、低コストで信頼性が高く、少ない工程で製作することができる磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、永久磁石により構成された偶数極の界磁を持つ回転子と、前記回転子から突出した回転軸と、積層ケイ素鋼板などの軟磁性体からなるコアに多相の電機子巻線を配置した固定子と、前記固定子に対する前記回転子の相対角度を検出するための磁気式エンコーダとを備え、前記磁気式エンコーダが、前記回転軸の一端に形成され角度情報として供するための磁界を発生する発磁体と、前記発磁体と対向するよう前記固定子の端部に配置された磁界検出手段と、前記磁界検出手段の信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータにおいて、前記界磁が、一方の極と他方の極とで磁気的なアンバランスを有しており、前記発磁体の形成された回転軸が軟磁性体でできていることを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発磁体の前記磁界検出素子と対向する部分を前記回転軸に対して非対称形状としたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発磁体を、前記回転軸の先端を略斜めにカットした形状そのものとするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発磁体を、前記回転軸の先端に設けた偏心カム状の磁性体から構成するものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の界磁を、一方の極と他方の極とで異なる形状の永久磁石で構成するものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の界磁を、一方の極と他方の極とで磁気特性が異なる永久磁石により構成するものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の界磁の、一方の極を永久磁石、他方の極を突極形状の磁性体で構成するものである。

請求項１に記載の発明によると、モータの界磁が、一方の極と他方の極とで磁気的なアンバランスを有し、発磁体の形成された回転軸が軟磁性体で出来ているので、界磁のアンバランスによって回転軸に生じる漏れ磁界が、回転軸の先端に設けられた発磁体で変調されることにより空間的な磁界変化を発生し、これを検出することによって回転子の回転位置を得ることができる。このため磁気式エンコーダ専用の永久磁石が不要となり、その分低コスト化することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、発磁体の磁界検出素子と対向する部分を回転軸に対して非対称形状とすれば、容易に回転子１の同心円上に１サイクルの変調された磁界を形成でき、絶対位置を検出できる低コストのエンコーダが実現できる。
また、請求項３に記載の発明によると、発磁体を回転軸の先端を略斜めにカットした形状そのものとすれば、回転軸に対して非対称の発磁体を容易に製造することができるとともに、回転軸と発磁体とを取り付ける工程が不要となるので、低コスト化と高信頼性化を同時に達成することができる。
また、請求項４に記載の発明によると、発磁体を回転軸の先端に設けた偏心カム状の軟磁性体で構成すれば、発磁体の製造が容易であり、かつ共に金属でできた回転軸と発磁体との取り付けであり、焼きバメや締りバメといった強固な固定方法を用いることができるため、低コスト化と高信頼性化を同時に達成することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、界磁を構成する永久磁石の一方の極と他方の極とで異なる形状にすれば、モータの界磁のアンバランスを容易に実現することができ、その分低コスト化することができる。
また、請求項６に記載の発明によると、界磁を一方の極と他方の極とで磁気特性が異なる永久磁石により構成すれば、モータの界磁のアンバランスを容易に実現することができるとともに、従来のモータ製造設備を流用することができるため、その分低コスト化することができる。
また、請求項７に記載の発明によると、界磁のうち、一方の極を永久磁石で、他方の極を突極形状の軟磁性体で構成すれば、モータの界磁のアンバランスを容易に実現することができるとともに、モータの界磁用永久磁石の取り付け工程も略半分となるため、その分低コスト化することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、複数の図面において同一の機能・効果を示す部位は、同一の番号で表している。

図１は、本発明の磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの、磁界の流れを説明する６極の表面界磁を持つ永久磁石同期モータの正断面図である。
図において、１は回転子、１１ｎは回転子１の表面に等間隔で配置された表面をＮ極とする界磁用の永久磁石、１１ｓは同じく表面をＳ極とする界磁用の永久磁石、１２は回転軸、２は固定子である。
また、３は磁束の流れを表しており、永久磁石１１ｎあるいは１１ｓにより発生し、回転子と固定子との間のギャップおよび固定子内を回って永久磁石１１ｓあるいは１１ｎに至り、回転子１の内部を回って元の永久磁石１１ｎあるいは１１ｓに戻る。このように、界磁用の永久磁石１１ｎと１１ｓとが同一形状かつ同一特性であり、磁気的なバランスが取れている場合は、磁束３は図１に示すように回転子−固定子間を巡る。
なお、固定子２に含まれるべき電機子巻線や、電機子巻線を収納するスロットは図示していない。

図２は、本発明の界磁に磁気的なアンバランスが有る場合の磁界の流れを説明する永久磁石同期モータの側断面図である。図１に示した界磁用の永久磁石１１ｎと１１ｓに磁気的なアンバランスがあり、また回転軸１２が軟磁性体でできている場合は、Ｎ極あるいはＳ極の何れかが回転軸１２の方に漏れ出し、モータの軸方向の空間を通じて巡る磁束３１が生じる。即ち、回転軸１２の端部にはＮ極あるいはＳ極の磁極が生じる。

図３は、この回転軸１２の端部の磁極を利用した、本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの斜視図である。
図において、１は回転子で、回転子１に配置された界磁用の永久磁石は省略しているが、界磁の一方の極（例えばＮ極）と他方の極（例えばＳ極）とで磁気的なアンバランスを有する。４は、回転子１の軸端部に配置された磁気式エンコーダで、発磁体４１、磁界検出手段４２および信号処理回路４４を備えている。
発磁体４１は、軟磁性体製の回転軸１２の端部に同心円上に等ピッチの凹凸を形成している。
磁界検出手段４２は、発磁体４１と空隙を介して配設された固定板４３にＡ相検出素子４２ａとＢ相検出素子４２ｂの２個の磁界検出素子が、回転子１の回転中心の同心円上に、互いに周方向に電気角で９０ 度間隔で取り付けられている。
また、信号処理回路４４は、Ａ相検出素子４２ａと、Ｂ相検出素子４２ｂのそれぞれの出力信号を増幅するアンプ（図示せず）と、増幅された信号を矩形波に変換するコンパレータ（図示せず）と、矩形波をカウントするカウンタ（図示せず）とを備えている。
本発明が従来技術と異なる点は、磁気式エンコーダに専用の永久磁石を使用せずに発磁体を構成した点である。

次に、動作について説明する。
磁気式エンコーダ４は、Ａ相検出素子４２ａおよびＢ相検出素子４２ｂによって、発磁体４１表面の磁束を検出する。
界磁の漏れ磁界は、凹凸が形成された発磁体によって変調され、回転子が回転すると磁界検出素子に凹凸１ピッチの移動に対して、１サイクルの磁束密度変化が発生する。
Ａ相検出素子４２ａおよびＢ相検出素子４２ｂからの検出信号を信号処理回路４４によって処理し、信号処理回路内のカウンタの値から回転位置を検出する。なお、信号処理回路４４の動作については公知であるので詳細な説明は省略する。
このように、本実施例では、回転軸の端部に凹凸形状をもつ発磁体を形成し、発磁体の発生する磁界を基に生成された、１回転に複数サイクルの矩形波状のパルスをカウントし回転位置を得ているので、磁気式エンコータ（インクリメンタルエンコーダ）およびこれを用いた永久磁石同期モータを容易に製作することができ、低コスト化を実現することができる。

図４は、本発明の第２実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの斜視図である。
図において、４は回転子１の軸端部に配置された磁気式エンコーダで、発磁体４１、磁界検出手段４２および信号処理回路４５を備えている。
発磁体４１は、軟磁性体製の回転軸１２の先端部を斜めにカットした構成になっている。
磁界検出手段４２は、発磁体４１と空隙を介して配設された固定板４３に４個の磁界検出素子が、回転子の回転中心の同心円上に互いに周方向に９０ 度間隔で取り付けられている。すなわち、隣り合う４つの素子の位置関係は、Ａ相検出素子４２ａとＢ相検出素子４２ｂおよびＡ相検出素子４２cとＢ相検出素子４２d はそれぞれ機械角で９０度変位しており、Ａ相検出素子４２aと４２c およびＢ相検出素子４２ｂと４２ｄは、それぞれ機械角で１８０度変位している。
また、信号処理回路４５は、Ａ相検出素子４２ａと４２ｃそれぞれの出力信号の差動信号と、Ｂ相検出素子４２ｂと４２ｄそれぞれの出力信号の差動信号とを出力する差動アンプ（図示せず）と、差動信号から回転角度を検出する角度検出回路（図示せず）とを設けてある。
本発明が第１実施例と異なる点は、軟磁性体製の回転軸の先端部を斜めにカットして発磁体を構成した点と、差動信号を取るための磁界検出素子４２ｃおよび４２ｄを付加したした点と、絶対位置の回転位置を検出する信号処理回路を設けた点である。

次に、動作について説明する。
磁気式エンコーダ４は、上記の構成のようなＡ相、Ｂ相各２つずつの磁界検出素子４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ によって、発磁体４１表面の磁束を検出する。界磁の漏れ磁界は、斜めにカットされた発磁体によって変調され、一つの検出素子は回転子１の１回転に対して１サイクルの回転角位置に応じた正弦波状の磁束密度変化を検出する。磁界検出手段４２と発磁体４１とが偏心することがある場合は、検出した磁束密度の波形は偏心量に応じて変位する。しかし、Ａ相、Ｂ相は互いに１８０ 度位相がずれた２つの磁界検出素子の差動をとるので、偏心量は相殺され、互いに９０ 度位相がずれた正弦波と余弦波、すなわち回転角をθとしたとき、ｓｉｎ θとｃｏｓ θの波形が得られるので、Ａ 相、Ｂ 相を入力とする信号処理回路４５によって処理を行ない、絶対位置の回転位置を検出することができる。
このように、本発明では、磁気式エンコータに専用の永久磁石を使用しないので、磁気式エンコータおよびこれを用いた永久磁石同期モータの低コスト化を実現することができる。

図５は、本発明の第３実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの斜視図である。図において、４１は回転軸１２の端部に取り付けた、軟磁性体でできた偏心カム状の発磁体であり、その他の部位は第２実施例と同じである。

次に、動作について説明する。
界磁のアンバランスによって発生した漏れ磁界は、偏心カム状の発磁体によって変調され、一つの検出素子は回転子１の１回転に対して１サイクルの回転角位置に応じた正弦波状の磁束密度変化を検出する。これ以降は、第１実施例と同様な処理により、絶対位置の回転位置を検出することができる。
この構成によれば、第１実施例と同様に磁気式エンコータに専用の永久磁石を使用しないので、磁気式エンコータおよびこれを用いた永久磁石同期モータの低コスト化を実現することができる。また、回転軸１２と発磁体４１とを、共に軟磁性体の金属で構成することにより、接着以外にも焼きバメや締まりバメなどの強固な方法で連結することができる。

図６は、本発明の第４実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの回転子の斜視図であり、先述の第１乃至第３実施例において界磁の磁気的なアンバランスを生じさせるための具体的な方法を示している。
図において、回転子１の表面に配置された界磁用の永久磁石のうち、Ｓ極の界磁を構成する永久磁石１１ｓは、Ｎ極の界磁を構成する永久磁石１１ｎに比べて回転軸１２の方向の長さが短くなっている。このため、Ｎ極で発生する磁束の総量とＳ極で発生する磁束の総量にアンバランスが生じ、Ｎ極の磁束が回転軸１２に漏れ、更に発磁体４１の形状によって磁気的に変調される。
このように本実施例では、永久磁石のＮ極とＳ極の長さを変えることにより、簡単に発磁体が構成出来るので、磁気式エンコータおよびこれを用いた永久磁石同期モータを容易に製作することができ、低コスト化を実現することができる。

図７は、本発明の第５実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの回転子の断面図であり、先述の第１乃至第３実施例、あるいは第４実施例との組み合わせにおいて界磁の磁気的なアンバランスを生じさせるための具体的な方法を示すための図である。
図において、回転子１の表面に配置された界磁用の永久磁石のうち、Ｓ極の界磁を構成する永久磁石１１ｓは、Ｎ極の界磁を構成する永久磁石１１ｎに比べて磁気特性が低いものを使用する。このため、Ｎ極で発生する磁束の総量とＳ極で発生する磁束の総量にアンバランスが生じ、Ｎ極の磁束が回転軸１２に漏れ、更に発磁体（図示せず）の形状によって磁気的に変調される。
この構成によれば、磁気式エンコータおよびこれを用いた永久磁石同期モータを容易に製作することができ、低コスト化を実現することができる。

図８は、本発明の第６実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの回転子の断面図であり、先述の第１乃至第３実施例において界磁の磁気的なアンバランスを生じさせるための具体的な方法を示すための図である。
図において、回転子１の表面に配置される界磁用の永久磁石はＮ極のもの１１ｎだけであり、Ｓ極の界磁１１aは回転子の表面に設けられた突極にＮ極界磁用の永久磁石からの磁束が流れることによりＳ極を構成する。Ｓ極自体が起磁力を持たないのに対してＮ極は永久磁石１１ｎの起磁力が作用し、そのため界磁のＮ極とＳ極とで磁束の総量にアンバランスが生じ、Ｎ極の磁束が回転軸１２に漏れ、更に発磁体（図示せず）の形状によって磁気的に変調される。
この構成によれば、磁気式エンコータおよびこれを用いた永久磁石同期モータを容易に製作することができる。更に、モータの界磁用永久磁石の取り付け工程も略半分となるため、低コスト化を容易に実現することができる。

以上、第１実施例から第６実施例は、６極のモータの回転子を用いて具体的構成と特徴を説明したが、本発明が対象とする極数はこれに限定するものではない。また、モータとして回転子表面に界磁用の永久磁石を持つ、いわゆる表面磁石形モータで説明したが、回転子のコア内部に界磁用の永久磁石を埋め込んだ、いわゆる埋込磁石形モータにも本発明が適用可能であることは言うまでも無い。

エンコーダ専用の永久磁石およびその取り付け工程を省略することができ、さらにモータとしての信頼性も向上することができるので、家電製品やＯＡ 、電気自動車といった用途にも適用できる。

本発明の磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの磁界の流れを説明するための、永久磁石同期モータの正断面図 本発明の磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの磁界の流れを説明するための、永久磁石同期モータの側断面図 本発明の第１実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの斜視図 本発明の第２実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの斜視図 本発明の第３実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの斜視図 本発明の第４実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの回転子の斜視図 本発明の第５実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの回転子の断面図 本発明の第６実施例を示す磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータの回転子の断面図 従来の磁気式エンコーダの構成図

符号の説明

１ 回転子
２ 固定子
３、３１ 磁束
４、６ 磁気式エンコーダ
１１ｎ 永久磁石（Ｎ極界磁用）
１１ｓ 永久磁石（Ｓ極界磁用）
１１ａ 突極
１２、５ 回転軸
２１ コア
２２ 電機子巻線
４１、６１ 発磁体
４２ 磁界検出手段
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ 磁界検出素子
４３ 固定板
４４、４５ 信号処理回路
６３ Ａ/Ｄ変換器

Claims (7)

1. 永久磁石により構成された偶数極の界磁を持つ回転子と、前記回転子から突出した回転軸と、積層ケイ素鋼板などの軟磁性体からなるコアに多相の電機子巻線を配置した固定子と、前記固定子に対する前記回転子の相対角度を検出するための磁気式エンコーダとを備え、前記磁気式エンコーダが、前記回転軸の一端に形成され角度情報として供するための磁界を発生する発磁体と、前記発磁体と対向するよう前記固定子の端部に配置された磁界検出手段と、前記磁界検出手段の信号を処理する信号処理回路とを備えた磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータにおいて、
   前記界磁が、一方の極と他方の極とで磁気的なアンバランスを有しており、
   前記発磁体の形成された回転軸が軟磁性体でできていることを特徴とする磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータ。
2. 前記発磁体は、前記磁界検出素子と対向する部分が前記回転軸に対して非対称形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータ。
3. 前記発磁体が、前記回転軸の先端を略斜めにカットした形状そのものからなることを特徴とする請求項２に記載の磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータ。
4. 前記発磁体が、前記回転軸の先端に設けた偏心カム状の軟磁性体から構成されることを特徴とする請求項２に記載の磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータ。
5. 前記界磁を構成する永久磁石の形状が、一方の極と他方の極とで異なることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータ。
6. 前記界磁を構成する永久磁石の磁気特性が、一方の極と他方の極とで異なることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータ。
7. 前記界磁のうち、一方の極が永久磁石を有しており、他方の極は突極形状の軟磁性体で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の磁気式エンコーダ付き永久磁石同期モータ。

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