JP4592435B2

JP4592435B2 - エンコーダ付き小型モータ

Info

Publication number: JP4592435B2
Application number: JP2005024694A
Authority: JP
Inventors: 巌瀧本; 昌志高橋
Original assignee: Nidec Sankyo Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: CN100448142C; JP2006217672A; CN1815860A

Description

本発明は、ＡＣサーボモータ等の小型モータに関し、特に回転軸の回転軸位置のエンコーダに関するものである。

ＡＣサーボモータ等の小型モータにおいて、回転軸の回転角度や回転子の磁極位置を検出するのに磁気式ロータリーエンコーダが用いられている。図５は、特許文献１に記載されている従来の磁気式ロータリーエンコーダの一例を示す側断面図である。同図において、１は円板状の信号記録媒体であり、モータ本体１０の回転軸１１に取り付けられている。

３は円板状の信号記録マグネットであり、上記信号記録媒体１の上に遮断板４を介して載置され、回転軸１１の上端に取り付けられている。この信号用マグネット３は、モータ本体１０の図示せぬ回転子の磁極位置に対応して着磁されている。また、５はガラスエポキシ等の非磁性体からなる回路基板５であり、信号用マグネット３との対抗面５Ｓには、磁気抵抗効果素子あるいはホール素子から構成される磁気センサ６ａ〜６ｃが配設される共に、図示せぬ検出回路が設けられている。
信号記録媒体１の外周面には、その全周にわたって一定間隔でＮ極、Ｓ極が交互に着磁されている。磁気センサ（図中では、磁気抵抗素子）２は、信号記録媒体１の外周面と一定の間隔を隔てて対抗配置されている。この磁気センサ２は信号記録媒体１の回転（すなわち、回転軸１１の回転）により、外周面に一定間隔で着磁された磁極による磁界の変化を受け、回転検出信号を出力する。

モータ本体１０が駆動され、回転軸１１の回転に伴って信号記録媒体１が回転すると、磁気センサ２は信号記録媒体１の外周面に一定間隔で着磁された磁極の磁界の変化により回転検出信号を出力する。回転検出信号は図示せぬ検出回路に取り込まれ、回転軸１１の回転位置が検出される。

回転軸１１の回転に伴い信号用マグネット３が回転すると、回路基板５上の磁気センサ６ａ〜６ｃに対し磁極の位置が相対的に変化する。これにより、各磁気センサ６ａ〜６ｃは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の検出信号を出力する。これらの３相の検出信号が回路基板５内の検出回路に取り込まれ、モータ本体１０の図示せぬ回転子の磁極位置が検出されることになる。
また、特許文献２には、機体に取り付けられたサーボモータにエンコーダを所定の位置関係に取り付ける方法が提案されている。

特開平０６-８８７０５特開２００１−２９３２７６

しかしながら、従来の構成では以下のような問題点がある。磁極検出用の信号用マグネットと、回転軸の回転位置検出用の信号記録媒体が別体であり、モータの小型化が困難である。また、エンコーダの部材費がかかり、コストアップの要因となっている。駆動マグネットの磁極位置とエンコーダ部の信号用マグネットとの位置合わせ、回転軸と回転軸の回転位置記録媒体との位置合わせを各々別工程で行う為に、位置合わせ作業が複雑である。また、機枠に取り付けられたサーボモータに対してエンコーダを所定の位置関係に取り付けるには、回転軸を外部駆動体に固定した後、エンコーダの回転位置を合わせてモータ、あるいはモータが取り付けられた機枠に取り付けるために、作業には熟練を要する。

本発明は、上記の背景の下になされたものであり、小型で組立精度の高いＡＣサーボモータ等の小型モータの駆動マグネットの磁極検出と回転軸の回転位置検出が一体化されたエンコーダ付き小型モータを提供することを目的としている。

上述した課題を解決するための本発明の第１の形態は、駆動用マグネットと、該駆動用マグネットに対向する駆動コイルとを有するモータ本体と、前記駆動用マグネットの各磁極に対応した磁極位置の磁気信号を発生させるための磁極位置用着磁部と、前記モータ本体の回転軸の回転位置の磁気信号を発生させるための回転位置用着磁部とが前記回転軸に直交する同一面内に形成された信号用マグネットを有するエンコーダ部と、を備えるエンコーダ付き小型モータであって、前記磁極位置用着磁部と前記回転位置用着磁部とは、前記エンコーダ付き小型モータの径方向で分離して形成されるとともに、前記磁極位置用着磁部及び前記回転位置用着磁部には、前記エンコーダ付き小型モータの周方向でＮ極とＳ極とが交互に着磁され、前記回転位置用着磁部のＮ極とＳ極との切り替わりポイントは、前記磁極位置用着磁部のＮ極とＳ極との切り替わりポイントと、前記周方向で一致しており、かつ、前記回転位置用着磁部のＮ極とＳ極との切り替わりポイントを挟んだ前記回転位置用着磁部の２つの磁極のそれぞれと、前記回転位置用着磁部のＮ極とＳ極との切り替わりポイントと前記周方向で一致する前記磁極位置用着磁部のＮ極とＳ極との切り替わりポイントを挟んだ前記磁極位置用着磁部の２つの磁極のそれぞれとは、前記径方向において、同極となっているエンコーダ付き小型モータであることを特徴とする。

このような構成にすることにより、駆動用マグネットの各磁極に対応した磁極位置の磁気信号を発生させるための磁極位置用着磁部と、回転軸の回転位置の磁気信号を発生させるための回転位置用着磁部とが、一つの信号用マグネットの同一面に形成されるので、従来のように磁極位置の磁気信号用磁石と回転軸の回転位置の磁気信号用磁石を別体で設ける必要がない。これにより、エンコーダを小型化でき、さらに駆動マグネットの磁極検出と回転軸の回転位置検出の位置合わせを一回で行うことが出来る。

また、磁極位置用着磁部と回転位置用着磁部とが回転軸と直交する面に形成されているので、この面と対向する一つのセンサ基板に磁極位置の検出用の磁気センサと、回転位置検出用の磁気センサを形成できる。磁気センサ毎にセンサ基板を設ける必要がないので、小型化が可能である。

本発明において、前記回転軸には、基準位置マークが設けられ、前記回転位置用着磁部には、Ｎ極とＳ極とが１８０°ずつ着磁され、前記回転軸に直交する面において、前記回転軸の中心と前記基準位置マークの中心とを結ぶ線分と、前記回転軸と前記回転位置用着磁部のＮ極からＳ極への切り替わりポイントとを結ぶ線分とのなす角度が一定となっていることが好ましい。

このような構成にすることにより、回転軸と直交する面における回転軸の基準位置マークの中心の回転位置の磁気信号は、異なるエンコーダ付き小型モータ間においても同じとなる。これにより、エンコーダ付き小型モータを外部駆動系と接続する場合に、回転軸の基準位置マークを基準として取り付けるので、異なるエンコーダ付き小型モータにおいても回転位置の磁気信号は同位相とすることができる。なお、本発明において、前記基準位置マークは、目視で判別できるカット部、溝部、または、レーザによるマーキング部のいずれかであれば良い。

本発明では、駆動用マグネットの各磁極に対応した磁極位置の磁気信号を発生させるための磁極位置用着磁部と、回転軸の回転位置の磁気信号を発生させるための回転位置用着磁部とが、一つの信号用マグネットの同一面に形成されるので、従来のように磁極位置の磁気信号用磁石と回転軸の回転位置の磁気信号用磁石を別体で設ける必要がなく、エンコーダを小型化できる。

また、磁極位置用着磁部と回転位置用着磁部とが一つの信号用マグネットに形成されているので、組立作業において両着磁部の位置関係が狂うことが無い。また、従来のように、磁極位置用着磁部と回転位置用着磁部とを所定の位置に合わせる作業を行う必要がない。

駆動用マグネットと信号用マグネットが別体で構成されているので、駆動用コイルからの電磁ノイズや、ブレーキ付きサーボモータで使用されるブレーキ用電磁コイルのノイズの影響を受け難い構成とすることができ、信頼性の高いエンコーダ付き小型モータを構成できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わるエンコーダ付き小型モータを示しており、図１（Ａ）はエンコーダ付き小型モータの要部断面図、図１（Ｂ）はセンサ基板に取り付けられたセンサの配置を模式的に示している。図２は、信号用マグネットの磁極位置用着磁部の着磁パターンと回転位置用着磁部との着磁パターンの模式図である。図３は、回転軸の機械角に対する磁極位置検出用磁気センサからの出力信号と、回転位置検出用磁気センサの出力信号を示す線図である。

図１のようにエンコーダ付き小型モータ３０（モータ３０）は、モータ本体１０とエンコーダ部２０から構成されている。モータ本体１０は、カバーケース１４を有し、その内部に回転軸１１に固着された駆動用マグネット１２と、この駆動用マグネット１２の外周を同心円状に囲んでいる駆動用コイル１３が収納されている。回転軸１１の先端部は、エンコーダ部２０側と、エンコーダ部２０の反対側にそれぞれ突出している。

エンコーダ部２０は、外部からの磁気ノイズの侵入を防ぐため、磁性体からなるカップ状のカバー８によって覆われている。カバー８の内部には、回転軸１１の端部が突出しており、この外周にアルミニウム製の円板状のホルダー９が固着されている。ホルダー９の回転軸１１の突出端側には、磁性体からなるバックヨーク１５が、回転軸１１、もしくはホルダー９に固着されている。このバックヨーク１５の表面には、信号用マグネット３が取り付けられている。信号用マグネット３から回転軸線上に離れた位置にはセンサ基板５がバックヨーク１５と平行にネジ止め固定されている。センサ基板５には、信号用マグネット３と対向した位置に磁極位置検出用磁気センサ６（６ａ、６ｂ、６ｃからなる）、回転位置検出用磁気センサ７が固定されている。磁気センサとしては、ホール素子、またはＭＲ素子が用いられている。本実施例においては、３相交流によるＡＣサーボモータのため、磁極位置検出用磁気センサを３個としてあるが、駆動電流の相数により個数を選択することが出来る。

図２に示すように、信号用マグネット３はリング状であり、中心には孔３３が形成されている。回転位置用着磁部３１と磁極位置用着磁部３２は、回転軸１１と直交する同一の面に形成してある。同一面に着磁部を設けるため、回転位置用着磁部３１と磁極位置用着磁部３２とを同時に着磁できることや、両着磁部３１、３２を別々に着磁する方法に対して、着磁部３１、３２の着磁位置ずれが無い着磁パターンを構成できる特徴がある。信号用マグネット３としては、フェライトマグネット、希土類マグネットが使用できる。

磁極位置用着磁部３２には、モータ部１０の駆動用マグネット１２の磁極数と同一の磁極数が形成されている。センサ基板５上の磁極位置用着磁部３２と対向した位置には、磁極位置検出用磁気センサ６ａ〜６ｃが固定されている。回転位置用着磁部３１は、Ｎ極、Ｓ極が１８０°ずつ着磁されている。センサ基板５上の回転検出用着磁部３１と対向した位置には、回転位置検出用磁気センサ７が固定されている。

（動作）
実施例１のモータの動作を説明する。図３に示すＵ相、Ｖ相、Ｗ相の信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗがそれぞれ出力されると、この信号を元に、図示せぬモータ駆動回路よりＵ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動コイルに駆動電流が順次通電され、回転軸１１を回転させる。
回転軸１１の回転により、磁極検出用磁気センサ６ａ〜６ｃは、信号用マグネット３の磁極位置用着磁部３２の磁界の変化を受け、この３相の信号が図示せぬ検出回路に取り込まれ、モータ本体１０の駆動用マグネットの磁極位置が検出される。

また回転軸１１の回転により、回転位置検出用磁気センサ７は、信号用マグネット３の回転位置用着磁部３１の磁界の変化を受け、図３に示す信号Ｓｒを出力する。本実施例の回転位置用着磁部３１にはＮ極、Ｓ極を１８０°ずつ形成しているので、信号Ｓｒは１回転１周期の位相を有している。またＮ極からＳ極の切り替わり、Ｓ極からＮ極への切り替わりは、１回転当たりそれぞれ１パルスであるので、前記磁極切り替わりポイントのいずれか一方を回転位置原点として、図示せぬ検出回路で識別することができる。なお、本実施例では、信号用マグネット３の磁極位置用着磁部３２の一つのＮ極からＳ極への切り替わりポイントと、回転位置用着磁部３１のＮ極からＳ極への切り替わりポイントを、図２に示すように一致させている（図２のＡ）が、回転方向にずらすことも可能である。

モータ本体１０にエンコーダ部２０に取り付ける際に、回転軸１１を回転させるために必要な所定の位置関係（回転角）について説明する。本実施例では、モータ本体１０の駆動コイル１３はＵ相、Ｖ相、Ｗ相３つのコイルからなり、それぞれに１２０°ずつ位相がずれた正弦波電流を流す必要がある。エンコーダ部２０の磁極位置検出用着磁部３２の磁極位置が駆動マグネット１２の磁極位置が回転方向で一致している場合、磁極位置検出用の磁気センサ６ａ〜６ｃの出力信号（ロータ位相信号）をこのままの位相で図示せぬ駆動回路を介して駆動コイル１３に通電しても回転軸１１は回転しないか、滑らかに回転しない、若しくは所望のトルクが出ない。そのため、信号用マグネット３の回転位置用着磁部３２の磁極の位相は、駆動マグネット１２の磁極の位相と所定の機械角（若しくは電気角）だけずらす必要がある。ここで言う、所定の機械角（若しくは電気角）は、駆動するモータのロータ極数、駆動電流の相数、駆動回路等を正常に回転制御するため必要とされる角度であり、モータの設計が変わると変更される角度である。

（本形態の効果）
第１の実施の形態では、該駆動用マグネットの各磁極に対応した磁極位置の磁気信号と、該回転軸の回転位置の磁気信号が、一つの信号用マグネットの同一面に形成されるので、従来のように磁極位置の磁気信号用磁石と回転軸の回転位置の磁気信号用磁石を別体で設ける必要がない。これにより、エンコーダを小型化でき、さらに該駆動マグネットの磁極検出と回転軸の回転位置検出の位置合わせを一回で行うことが出来る。

図４には、本発明の第２の実施例のエンコーダ部２０側からのモータ３０の内部を示す。また、第２の実施例のモータの軸方向の断面図は、図１（Ａ）と同一である。

図４において、回転軸１１には、基準位置マーク４１が形成されている。基準位置マーカ４１は、Ｄ面カット、溝、レーザによるマーキング等の目視で判別できるマーカであれば良い。本実施例では、Ｄ面カットを基準位置マーカ４１として図示している。

回転軸１１には、駆動用マグネット１２が固定され、その外周を同心円状に取り囲む駆動用コイル１３が配置されている。基準位置マーク４１と信号用マグネット３の位置合わせは、回転軸１１の中心と基準位置マーク４１の中心を結ぶ線分と、回転軸１１と信号用マグネット３の回転位置の磁気信号のＮ極からＳ極への切り替わりポイントを結んだ線分のなす角度が実施例１で説明した所定の機械角（若しくは電気角）だけずらして固定する。また、駆動用マグネット１２の回転軸１１への固定は、実施例１で説明した駆動用マグネット１２と信号用マグネット３の回転検出用着磁部３２の磁極位置の関係を満たすように行われる。
このように構成することによって、回転軸１１の基準位置マーカ４１とエンコーダの回転位置原点の位相差は、異なるモータにおいても同じとなる。

（本形態の効果）
本実施例では、信号用マグネット３の回転位置の磁気信号をＮ極とＳ極を１８０°ずつ着磁し、基準位置マーク４１が設けられたモータ本体１０の回転軸１１と、該回転軸に直交する面において該回転軸の中心と該基準位置マークの中心を結ぶ線分と、該回転軸と該信号用マグネットの回転位置の磁気信号のＮ極からＳ極への切り替わりポイントを結んだ線分のなす角度を一定としたので、異なるモータにおいても回転軸１１の基準位置マーク１１の中心と、エンコーダの回転位置原点の位相差が同じとなる。

これにより、回転軸１１の回転位置を合わせて外部駆動体と固定する場合、基準位置マーク４１を基準にして固定すれば、回転軸１１の回転位置（エンコーダの回転位置信号）は同じとなる。従来のように、固定軸１１と外部駆動体を固定した後、エンコーダの回転位置信号をモニターしながら調整取り付けする必要が無いので、組み立て調整を簡略化できるとともに、取り付けスペースを小型化できる。

具体的な例としては、エンコーダ組付機能付きミシンのミシン針駆動用モータが上げられる。モータを構成する回転軸とミシン針駆動軸を取り付ける場合、ミシンの機枠に固定されたモータと回転軸が、所定の位置関係（位相）になるように取り付けることが重要である。モータの１回転がミシン針を１回上下する駆動源として本実施例のモータを用いると、ミシン針が縫製する布地より上側（ボビンより上側）にあるか、布地より下側（ボビン内）にあるかは、回転検出信号Ｓｒの回転位置原点により判別することが出来る。一般的にミシン針は、縫製する布地より上側の位置で止まるように制御される。本実施例おいては、回転位置原点の信号が布地の上側になるように、該基準位置マーク４１と回転位置原点との角度を設定すれば、エンコーダの回転位置原点により制御できる。また、回転軸１１の回転原点は正確な位置関係になっているので、基準位置マーカ４１を基準としてミシンの駆動体との取り付ければ良いため、作業性が向上する。

以上、本発明について具体的に説明してきたが、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

以上説明してきたとおり、本発明によれば、小型で組立精度の高いＡＣサーボモータ等の小型モータの駆動マグネットの磁極検出と、回転軸の回転位置検出が一体化されたエンコーダ付き小型モータを提供することができる。

（Ａ）本発明に係わる一実施形態のエンコーダ付き小型モータの側断面図、（Ｂ）センサ基板に配置された磁気センサの配置図である。本発明に係わる一実施形態における、エンコーダ部の信号用マグネットの着磁パターンの模式図である。本発明に係わる一実施形態における、エンコーダ部の磁気センサからの磁極信号と回転位置信号の線図である。本発明に係わる第２実施形態における、エンコーダ部側からのエンコーダ付き小型モータの概略正面図である。従来例のエンコーダ付き小型モータの要部断面図である。

符号の説明

３信号用マグネット
５基板
６磁気センサ
６ａ、６ｂ、６ｃ磁気センサ
７磁気センサ
１０モータ本体
１１回転軸
１２駆動マグネット
１３駆動コイル
１５バックヨーク
２０エンコーダ部
３０モータ
３１回転位置用着磁部
３２磁極位置用着磁部
４１基準位置合わせ用マーカ

Claims

駆動用マグネットと、該駆動用マグネットに対向する駆動コイルとを有するモータ本体と、
前記駆動用マグネットの各磁極に対応した磁極位置の磁気信号を発生させるための磁極位置用着磁部と、前記モータ本体の回転軸の回転位置の磁気信号を発生させるための回転位置用着磁部とが前記回転軸に直交する同一面内に形成された信号用マグネットを有するエンコーダ部と、を備えるエンコーダ付き小型モータであって、
前記磁極位置用着磁部と前記回転位置用着磁部とは、前記エンコーダ付き小型モータの径方向で分離して形成されるとともに、前記磁極位置用着磁部及び前記回転位置用着磁部には、前記エンコーダ付き小型モータの周方向でＮ極とＳ極とが交互に着磁され、
前記回転位置用着磁部のＮ極とＳ極との切り替わりポイントは、前記磁極位置用着磁部のＮ極とＳ極との切り替わりポイントと、前記周方向で一致しており、かつ、
前記回転位置用着磁部のＮ極とＳ極との切り替わりポイントを挟んだ前記回転位置用着磁部の２つの磁極のそれぞれと、前記回転位置用着磁部のＮ極とＳ極との切り替わりポイントと前記周方向で一致する前記磁極位置用着磁部のＮ極とＳ極との切り替わりポイントを挟んだ前記磁極位置用着磁部の２つの磁極のそれぞれとは、前記径方向において、同極となっていることを特徴とするエンコーダ付き小型モータ。
前記回転軸には、基準位置マークが設けられ、
前記回転位置用着磁部には、Ｎ極とＳ極とが１８０°ずつ着磁され、
前記回転軸に直交する面において、前記回転軸の中心と前記基準位置マークの中心とを結ぶ線分と、前記回転軸と前記回転位置用着磁部のＮ極からＳ極への切り替わりポイントとを結ぶ線分とのなす角度が一定となっていることを特徴とする請求項１のエンコーダ付き小型モータ。
前記基準位置マークは、目視で判別できるカット部、溝部、または、レーザによるマーキング部のいずれかであることを特徴とする請求項２記載のエンコーダ付き小型モータ。