JPH01218384A - ブラシレスリニアモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、位置決め動作可能で、かつ高速運転すること
のできるブラシレスリニアモータに関するものである。

従来の技術 近年、機構の簡素化及び信頼性の向上などの目的から回
転型モータに何らかの変換機構をつけ直線運動を得る方
法にかわって直線運動のダイレクトな駆動源としてリニ
アモータが注目されている。

またマイクロコンピュータ等の発達により産業上のあら
ゆる分野の機器のデジタル化が進んでいる。これらの機
器の駆動源としてはデジタル的に位置決め可能なモータ
が適しており、従来リニアステッピングモータや、ブラ
シレスリニアサーボモータが使用されていた。

以下図面を参照しながら従来のリニアステッピングモー
タについて説明する。

第１３図は従来の２相ハイブリツド型リニアステツピン
グモータの原理図を示すもので、１３１は固定子、１３
２は可動子コア、１３３は永久磁石、１３４はコイル、
１３５は走行輪で、可動子コア１３２を支持するハウジ
ング（図示せず）に装備されている。可動子の磁極歯部
はそれぞれ１／４ピツチずつずれて配置されているので
、前記コイル１３４を外部から順序よく励磁すれば、可
動子はコイル通電の状態により位置をかえて歩進する。

第１４図は第１３図に示すリニアステッピングモータの
位置−推力の分布を示すものである。推力の分布は１／
４ピツチずれた略正弦波状の分布をしているので位置保
持特性をもち、かつ外部信号に同期したスピードを得る
ことができる。

しかしリニアステッピングモータは、コイルのもっ時定
数や鉄損の影響により高スピードでは電流の立ち上がり
が遅れてタイミングよく推力が発生せず高速運転には向
いていない。特に位置分解能を上げる為磁極ピッチを細
かくした場合は、コイルのスイッチング周波数が大きく
なる為その影響が大きくでていた。

さらにリニアステッピングモータには、位置決め停止の
際、第１５図に示すように停止点を中心に振動的に止ま
るという減少が一般的にあり、位置の確定に時間がかか
るという欠点があった。なお、第１５図において、Ｑは
１ステツプの移動量である。

次に従来のブラシレスリニアサーボモータについて説明
する。

第１６図はブラシレスリニアサーボモータの主要部の構
成を示すもので、特公昭５７−４６６７０号に記載のモ
ータである。図において、１６１は一固定子、１６２は
可動子コア、１６３は磁石、１６４はコイル、１６５は
非接触センサである。

以上の構成のブラシレスリニアサーボモータでは、非接
触センサ１６５により、固定子磁極歯の凹凸を検出して
おり、その位置信号をもちいて最適相のコイルを励磁す
ることによって連続的な効率のよい推力を得ることがで
きる。さらに得られた位置信号を電機的に変換し、磁極
歯ピッチより細かな゛エンコーダ信号を得ている。

次に１７図にブラシレスリニアサーボモータを用いた位
置決めサーボ系を示す。第１７図において、１７０はブ
ラシレスリニアサーボモータ、１７１は駆動回路、１７
２は電子スケール回路、１７３は偏差カウンタを含む制
御回路である。以上のように構成された位置決めサーボ
系ではデジタルの位置指令に従って高速運転できかつ位
置決め特性を得ることができる。また電気的なダンピン
グを加えることができて、停止も撮動的ではない。しか
し、制御系の回路規模が大きくかつ高価であるという欠
点をもっている。

発明が解決しようとする課題 以上のように、リニアステッピングモータは高速運転で
きず位置確定までの時間が長いという欠点をもち、ブラ
シレスリニアサーボモータは制御系が高価であるという
欠点をもっていた。

本発明は上記問題点に鑑み、比較的簡単な回路構成で位
置決め機能と高速性をもったブラシレスリニアモータを
提供するものである。

課題を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明のブラシレスリニア
モータは、 （１）　　表面に一定のピッチできざまれた凹凸の磁極
歯を備えた磁性体よりなる固定子と、 Ｃ）固定子と空隙を介して対向し、その対向面に磁極歯
群を備えた可動子コアと、複数個のコイルと、磁石と、
固定子との空隙を保ち固定子に沿って安定に移動させる
走行手段とを備えた可動子と、（３）可動子にとりつけ
られ固定子磁極歯の凹凸を検出しこれを電気信号に変換
して互いに位相の異なる略正弦波状の位置信号を出力す
る非接触センサと、 （７Ｋ）位置信号の変化を速度出力に変換する速度検出
手段と、 （５）外部からの指令量により位置信号の位相を変化さ
せる第１の進相手段と、 （６）外部から入力される歩進指令信号数により第１の
進相手段で処理された位置信号を順序よく選択する電子
スイッチ手段と、 ａ）進相され選択された位置信号の変化量を出力する微
分手段と、 （８）進相され選択された位置信号を処理する手段と、 （９）選択処理された位置信号と、位置信号の変化量と
、速度信号との加算値を進相量としてセンサから得られ
た位置信号の位相を進ませる第２の進相手段と、 ＧＯ第２の進相手段により進相された位置信号によって
複数個のコイルを付勢する正弦波型駆動回路 からブラシレスリニアモータを構成したものである。

作用 本発明は上記の構成によって、可動子にとりつけられた
非接触センサにより得られる位置信号と、電子スイッチ
手段により選択された位置信号自身により第２の進相器
で進相させ、この進相された位置信号によってコイルを
付勢することにより歩進機能と位置決め機能を得ている
。さらに速度信号を進相指令量に加算°することにより
速度に応じて全体的に位置信号の進相量を増やして電流
の立ち上が゛り遅れをカバーし高速運転を行うことがで
きる。また、進相指令用位置信号の変化分を制動信号と
して進相量に加算することにより、動作停止時の振動を
抑制し位置確定までの時間を短くすることができる。そ
して、外部からの信号と第１の進相器とで上記動作の基
となる位置信号の位相を変化させることにより外部信号
に応じた停止位置の移動を行うことができるとともに、
推力の分布波形をかえて位置精度と再現性を向上させる
ことができる。

実施例 以下本発明の一実施例のブラシレスリニアモータについ
て図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の実施例のブラシレスリニアモータの機
構部を示すものであり、図において、１は磁性体表面に
磁極歯がきざまれた固定子、２は固定子対向面にそれぞ
れ１／３ピツチずつずれた磁極歯からなる三つの磁極歯
群を備えた可動子コア、３は磁石、４は３相３個のコイ
ル、５は１２０゜ずつ位相のずれた略正弦波状の信号を
出力する磁気抵抗素子からなる非接触センサ、６は走行
輪である。

第２図は第１図の実施例のブラシレスリニアモータの電
気回路部のブロック図である。第２図において、２０は
前述のモータの機構部で、２１は固定子、２５ａ、２５
ｂ、２５ｃは３相のコイル、２６は磁気抵抗素子からな
る非接触センサである。

３０ａ、３０ｂ、３０ｃは上記非接触センサ２６の３相
位置信号をそれぞれ増巾する位置信号増巾器である。３
１は位置微調入力端子３２からの指令量に応じて３相の
位置信号の位相を進ませたり遅らせたりする第１の進相
回路、３３ａ、３３ｂ。

３３ｃは３相の位置信号を反転する増巾器である。

３４は外部からの歩進指令信号を受けつけ、位置信号と
反転された位置信号の合計６信号から１つ選択して出力
する電子スイッチ回路である。３５は選択された進相指
令用の位置信号の変化をとり出し増巾する微分器である
。３６は選択された位置信号と、増申し振巾制限の処理
を行う処理回路である。３７は非接触センサ２６からの
位置信号の変化を速度信号に変換する周波数−電圧変換
（ＦＶ変換）回路、３８は加算器である。３９は加算器
３８の出力値により、モータからの３相位置信号の位相
を変化させる第２の進相回路であり、４０は３相モータ
のコイルに進相された位置信号に比例した電流を流す３
相正弦波型駆動回路である。

以上のように構成されたブラシレスリニアモータについ
て以下動作を説明する。

本実施例のモータのように固定子、可動子磁極歯が発生
する力を利用するリラクタンスタイプのモータではその
磁極歯の形状を工夫することにより固定子と可動子間の
空隙の磁束分布を正弦波に近づけることができる。

このようにしたとき各コイル相に一定電流を流した場合
、コイルの各相Ａ、Ｂ、Ｃによる推力は第３図に示すよ
うに進向方向Ｘに対し歯ピッチＬを周期とする正弦波と
して表せる。本実施例の場合、３相モータなので各トル
ク分布はＬ／３ピッチ電気角で１２０°ずつ位相がずれ
ている。

磁気抵抗素子よりなる非接触センサ２６はｌチップの中
に３相分のセンサエレメントが構成されており固定子２
１の磁極歯を検出する。第４図にセンサ配置と出力を示
す。第４図において、４１は固定子磁極歯、４２は非接
触センサである。可動子がＸ方向へ移動すると、センサ
も同時にＸ方向へ移動し、各センサエレメントの中心ａ
、ｂ、ｃと固定子磁極歯４１の相対位置の変化により３
相のセンサ出力が得られる。センサ出力も磁気抵抗素子
の取付位置やバイアス磁石４３の強さを調整することに
より正弦波状の出力を得ることができる。

非接触センサは基本的に第５図に示すように取りつける
。第５図において、５１は可動子１相の磁極歯、５２は
固定子磁極歯、５３は可動子磁極歯の相に対応する１相
のセンサである。第５図（ａ）のように可動子と固定子
の磁極歯が対向しているときトルクは発生しない。

（ｂ）の位置関係のとき磁極歯間の吸引力により反Ｘ方
向の推力がはたらく。（Ｃ）のときにはＸ方向の推力が
発生する。（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）に示すよう
に可動子磁極歯に対して配置すると、各相のトルク分布
とセンサ出力との関係は第５図（ｄ）に示すように９０
゜位相のずれた関係になる。但し励磁用センサ信号は第
２の進相回路３９により任意の角度進相されることにな
る。

本発明のように正弦波型駆動回路をもちいた場合、各相
のコイル電流は正弦波状の位置信号に従って変化する。

従って各相の推力は、 Ａ相　　　ＫＩ・Ｉ＾・Ｓｉｎθ Ｂ相　　　Ｋ１・ＩＢ−８ｉｎ（θ−−π）Ｃ相　　　
Ｋｔｌｃ−ｓｉｎ（θ−−π）ＫＩ：定数、Ｉ＾、　ｌ
ａ、　　ＩＣ：各相電流、２πＸ θ＝□ となる。

各相の電流はセンサ信号に比例するのでπ １＾＝に２・ｓ　ｉ　ｎ　（θ−−＋α２）′に２：定
数 α２：第２の進相回路によるセンサ信号の進相角度、 となって全体の推力分布は、 Ｆ（θ）＝Ｋｌ−に２　５ｉｎ（θ−−＋α２）・２　
　　　π ・　ｓｉｎ □（１） となる。

従来のブラシレスリニアサーボモータは、て連続的な推
力を発生する。

本発明のブラシレスリニアモータでは、進相量α２をセ
ンサ信号自身に応じて変化させ位置決め特性をもたせて
いる。

第２図中に示した第２の進相回路３９は上記正弦波状の
励磁用センサ信号の位相を進相指令電圧に応じて進ませ
る回路で、センサ信号のベクトル加算による方法や、指
令量により正弦的な値の変化をする基準信号とセンサ信
号の乗算による方法で得られる。センサ信号は相励磁用
として第２の進相回路３９に導かれると同時に進相指令
用としても用いられる。第２図に示すように３相のセン
サ信号は第１の進相回路３１を通った後それぞれ反転さ
れ、計６信号が電子スイッチ回路３４に入力される。第
１の進相回路は、位置微調入力端子３２からの信号によ
って、センサ信号の位相を変化させるもので、その構成
は第２の進相回路と同じである。また、電子スイッチ回
路３４は第６図に示すように６進の可逆カウンタ６１と
、カウンタ出力により６つの信号から１つの信号を選択
するデコーダ６２により構成される。この構成により両
方向の歩進指令に対して６つの信号を順序よく選択する
ことができる。

また、Ｆｖ変換回路３７はセンサ信号の変化から速度に
応じた電圧を発生させる回路で微分器を中心とした回路
で構成される。

さて、外部からのパルス指令の間隔が長く速度電圧がほ
とんど無視できる場合の本発明のブラシレスリニアモー
タの動作を説明する。

第７図に進相用の６信号の分布図を示す。センサ信号は
それぞれ反転させ、電気角で６０°ずっ位相のずれた正
弦波信号がつくられている。

それらは π ａ＝に３ａ　ｓ　ｉ　ｎ　（θ−＋（Ｅｌ　）ａ＝Ｋｓ
　　・　５ｉｎ（θ　−−−ｘ　　＋　ａｌ）とあられ
せる。・ Ｋ３：定数 α１：第１の進相回路によるセンサ信号の進相角度。

いま第１の進相回路３１による位相がなく電子スイッチ
回路３４により進相信号としてａが選ばれているとする
。また第２の進相回路３９の進相指令電圧−進相角度の
係数をβ２．処理回路３６の増巾率をγとすれば（１）
式より推力分布は、Ｆ（θ）　＝−ＫＩＫ２　・ｓ　ｉ
　ｎ　　β２ｍ　７　ｅ　Ｋ３’１１π ５ｉｎ（θ−−）　　　　　　　　　　　−（２）とな
る。

この推力分布は第８図に示すようにβ２　・γ・に３の
値により形状を変えるが、θ＝−πの点で位置保持特性
をもつことを示している。またβ２γに３の値を変える
ことにより、位置決め特性上重要な、位置決め点近傍の
推力分布の傾斜（Ｆ−θ特性）を変えることができるこ
とを示している。

即ち通常のリニアステッピングモータでは推力分布は Ｆ’　　（θ）　　＝−ＫＩＫＩＩ　ｓ　　ｉ　　ｎθ
となるが、このときの位置保持点近傍の傾斜は、第８図
のβ２γに３＝１の場合にほぼ等しい。

しかし本発明のブラシレスモーフの場合、β２γに３＝
−程度にすることにより、位置保持点近傍のＦ−θ特性
を約２倍に上げることができる。さらに、処理回路３６
の増巾率γに第９図（ａ）に示すような非線型性をもた
せ、βγに３の値がπ −を越えないような振巾制限を施すと第９図（ｂ）のよ
−うな分布が得られ第８図（Ｃ）、（６）のような推力
のへこみを気にすることな（、Ｆ−θ特性を大きくする
ことができる。

さて、進相信号ａの場合の推力分布と同じようにβに３
＝−とした場合のす、　ｅ、　ａ、　１１１ｉ＋τの進
相信号が選ばれたときの推力分布を第１０図に示す。図
かられかるように、磁極歯１ピツチ内に６つの位置保持
点をもつ推力分布のつらなりが得られることがわかる。

電子スイッチ回路が外部クロックにより進相用センサ信
号をａ＝τ−！ｂ　Ｅ　ａ　３　Ｃ３ｂの順番で可逆的
に選ぶように定めておき、現在ａの信号が選ばれている
とすれば、可動子はａで定まる推力分布Ｆａに従い第１
０図Φ点で安定し位置を保持する。

次に正方向への歩進指令が外部より入ると電子スイッチ
回路によりセンサ信号τが選ばれる。これにより可動子
は第１０図Ｆτ上の０点の正推力がはたらき■点まで接
動して位置を保持する。このようにして外部パルスの数
に応じて可動子は歩進していく。

■点で安定しているとき負方向への歩進指令が入ると進
相用センサ信号ａが選ばれ可動子には０点の負推力がは
たらき可動子は逆方向に移動し０点で安定し、外部パル
スに応じた可逆的な動きをすることがわかる。

また位置保持点近傍のＦ−θ特性を第１１図（ａ）のよ
うに線型化して考えると、センサ信号によるフィードバ
ック系（ｂ）を構成しているとみなすことができる。

（第１１図においてＭは可動子重量、Ｓはラプラス演算
子、Ｒ４，Ｋｓは定数である。）このような２次系のサ
ーボ系の場合、第１１図（Ｃ）のように位置の微分項Ｋ
ＳＳをフィードバックループ内に入れると位置決め時の
整定性を変化させることができる。

通常（ｂ）のように微分項がない場合、可動子は振動的
に停止するが、（Ｃ）のようにしてに５の値を適当に定
めることによりその振動を抑制することができ整定まで
の時間を短くすることができる。またに５の値の調整は
電気的に簡単に行うことができる。

さて位置決め特性は（１）式の推力分布により定まるが
、第２図３２の位置微調入力端子から任意の電圧に８を
与えた場合、センサ信号ａが選ばれているとすれば、進
相量は α＝β２に３’ｓ　ｉ　ｎ（θ−−＋β１−Ｋ１β１：
第１の進相器の進相係数、 となって推力分布は、 Ｆ（θ）＝−ＫＩＫ２ｓｉ　ｎ βに３＊５ｉｎ（θ−−＋βｔ・Ｒ８）　　　　（３）
となり、ｃ２）式の分布からβ、ＫＧだけ位相がずれた
分布になる。従って推力Ｏの安定点、即ち可動子の停止
位置を位置微調入力の値により任意に連続的に変えるこ
とができる。゛ 次に外部の歩進指令の間隔が短（なり、それに従って可
動予めスピードが増してくると、ＦＶ変換器３７の出力
電圧が大きくなり、この電圧が加算器３８により進相用
位置信号と加算され、相励磁用のセンサ信号はスピード
の遅い場合より進相量が大きくなる。ＦＶ変換出力のレ
ベルを適当に調整することによりスイッチング周波数の
増加に伴うコイル電流の立ち上がり遅れをカバーして高
速の運転を行うことができる。

以゛上のように本実施例によれば゛、非接触センサをと
りつけた３相のリラクタンスタイプ型のりニアモータと
、比較的簡単な制御回路により、位置整定性がよく高速
で運転できるブラシレスリニアモータを得ることができ
る。

次に本発明の第２の実施例を第１２図にもとづいて説明
する。

第１の実施例では推力分布のＦ−θ特性を上げるため進
相用位置信号を増申し振巾制限を施してＦ−θの大きな
推力分布を得ていた。ただこの方法は、モータによって
可動子のもつ機械共振周波数の影響等のために増巾率を
太き（とれない場合がある。そこで通常の位置決めサー
ボ系でとられるように低域のゲインのみを太き（する積
分補償の考え方をとり入れたものが本実施例である。本
実施例では第２図の処理回路３６を第１２図（ａ）。

（ｂ）に示すような増巾器と抵抗Ｒ１，Ｒ２，コンデン
サＣよりなる処理回路、あるいは増巾器と抵抗Ｒ３゜Ｒ
４，Ｒ５，コンデンサＣよりなる処理回路で構成する。

このような増巾回路を用いた場合の高周波領域の巾率は
（ａ）の場合では差動増巾器の最大の増巾率とに改善で
きる。

以上のように第２の実施例では、第１の実施例における
位置信号の増巾回路を積分器を含む増巾回路にすること
により、第１の実施例ではＦ−θ特性の改善しにくいモ
ータに対しても推力傾斜を太き（することができ、位置
決め機能を改善できるという効果が得られる。

尚、上記実施例では３相のモータとしたが、コイルの相
は２相以上の多相であれば同様の効果を得ることができ
る。

発明の効果 以上のように本発明は、表面に一定ピッチの磁極歯を備
えた磁性体よるなる固定子と、磁極歯群を備えた可動子
コア、磁石、多相のコイル及び走行手段よりなる可動子
と、固定子磁極歯を検出する非接触センサと速度検出手
段と、外部パルスを受けつける電子スイッチ手段と、第
１．第２の進相手段と、微分回路と、処理回路と正弦波
型駆動回路を設けることにより、整定性がよく外部より
位置微調整が可能なかつ保持特性のよい位置決め機能を
もち、外部の歩進パルスに同期し高速に運転できる廉価
なブラシレスリニアモータが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における構造図、第２図は本発
明の実施例における電気回路のブロック図、第３図は実
施例の各相推力分布を示す図、第４図は非接触センサの
出力を示す図、第５図は推力とセンサ出力の分布を説明
する図、第６図は実施例の電子スイッチ回路の構成図、
第７図は進相用位置信号の波形を示す図、第８図、第１
０図は実施例の推力分布を示す図、第９図、第１２図は
処理回路の説明図、第１１図はダンピング部分を説明す
る図、第１３図は従来のリニアステッピングモータの原
理図、第１４図は第１３図のモータの推力分布の図、第
１５図はリニアステッピングモータの位置の整定性を示
す図、第１６図は従来のブラシレスリニアサーボモータ
構造図、第１７図は従来のブラシレスリニアサーボモー
タの制御系ブロック図である。 １．２１・・・・・・固定子、２，１３２．１６２・・
・・・・可動子コア、３・・・・・・磁石、４，１３４
．１６４・・・・・・コイル、５．２６・・・・・・非
接触センサ、３１．３９・・・・・・進相回路、４０・
・・・・・正弦波型駆動回路、３４・・・・・・電子ス
イッチ回路、６１・・・・・・可逆カウンタ、６２・・
・・・・デコーダ、３７・・・・・・ＦＶ変換器、３５
・・・・・・微分器。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　ほか１名第１図 １−ｍ−固定子 ２−−一可動子コ７ （ａ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
４−ｍ−コイル（ｂ）　　　　　　　　　　３−娘 ２０−−−モータ蔀 第”２　図　　　　　　　　　　２６−ｊ！寝鯉よ、。 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 （ｂ） 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図 １３５　　　１３１　　１３３　　　　＋ｔ′３第１４
図 第１５図 第１６図 （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　表面に一定のピッチできざまれた凹凸の磁極歯を備え
   た磁性体よりなる固定子と、該固定子と空隙を介して対
   向し、かつ固定子との対向面に磁極歯群を備えた可動子
   コアと、複数個のコイルと、磁石と、固定子との空隙を
   保ち固定子に沿って安定に移動させる走行手段とを備え
   た可動子と、該可動子にとりつけられ、前記固定子の磁
   極歯の凹凸を検出しこれを電気信号に変換し、互いに位
   相の異なる略正弦波状の位置信号を出力する非接触セン
   サと、前記位置信号の変化を速度信号に変換する速度検
   出手段と、外部からの指令量により前記位置信号の位相
   を変化させる第１の進相手段と、外部からの歩進指令信
   号を受けつけ歩進指令信号数により前記多相の位置信号
   を順序よく選択する電子スイッチ手段と、選択された位
   置信号の変化量を出力する微分手段と、前記進相処理さ
   れた位置信号を処理する手段と、この選択処理された位
   置信号と位置信号の変化量と前記速度信号との加算値を
   進相量として、前記位置信号の位相を進ませる第２の進
   相手段と、この第２の進相手段により進相された位置信
   号によって前記複数個のコイルを付勢する正弦波駆動回
   路を備えたブラシレスリニアモータ。