JPH01234041A - 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ノ【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は是行輪で、可動子コア１３２を支持するハウシ
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、コイルのもつ時定
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
（した場合は、コイルのスイッチング周波数が太き（な
る為その影響が太き（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
るという現象が一般的にあり、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、固定子磁極術の凹凸を検出して
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、停止も振動的ではない。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だ凹凸の磁極
歯を備えた磁性体よりなる固定子と、 （２）　　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、 （４）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）外部からの歩進指令信号を受けつけ、歩進指令信
号数により上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、 （６）選択された位置信号の変化量を出力する微分手段
と、 （７）選択された位置信号を処理する処理手段と、（８
）速度信号と選択され処理された位置信号と、位置信号
の変化量と、外部からの指令量との加算値を進相量とし
て位置信号の位相を進ませる進相手段と、− （９）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 を１濤えたものである。

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を、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相励磁用位置
信号を進相させ、上記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もつ
ブラシレスリニアモータを得ている。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
置信号の変化分をダンピング信号として進相量に加算す
ることにより、停止時の振動を抑制し位置確定までの時
間を短くしている。そして、外部からの信号を進相量に
加算す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。さらに、推力の分布波形をかえて位
置精度と再現性を向上することができる。

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、（ａ）　、　（ｂ）は主要部の
構造図、及び縦断面図である。

第１図において、ｌは磁性体表面に磁極歯がきざまれだ
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
っ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、２５　ａ　、
２５　ｂ　＋　２５　ｃ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は進相指令量に応じて３相の位置信号の位相を進ませ
たり遅らせたりする進相回路、３２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。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つを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
た位置信号を、増巾するとともに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は加算器であり、その出力が進相回路
３１の進相指令信号となる。

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１チツプの中
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ｌ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推力は発生しない。

（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、各相の推力分布と
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進相
回路３１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　　　Ｋ＋ＩＡ−ｓｉｎθ Ｂ相　　　Ｋ＋ＩＢ−ｓｉｎ（θ−−π）Ｃ相　　　Ｋ
１１ｃｍ５ｉｎ（θ−−π〉に１：定数、ｌ＾、　　Ｉ
Ｂ、　　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 ＩＡ＝に２−　Ｓ　ｉ　ｎ　（θ−−＋α）２　　　　
π に２二定数　　　　α：センサ信号の進相角度、となっ
て全体の推力分布は、 Ｆ（θ）＝ＫｚＫ２５ｉｎ（θ−−＋α）・□（１） となる。

従来のブラシレスリニアサーボモータは、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α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図の進相回路３１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進相回路
３１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。

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（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°ずつ位相のずれた正
弦波信号がつくられている。

それらは π ａ＝に３・５ｉｎ（θ−一） ε＝に３・５ｉｎ（θ−−−−〉 π 五＝に３・５ｉｎ（θ−−−π） π　４ ｃ＝に３・５ｉｎ（θ−−−　−ｙｒ　）π　　５ とあられせる。

いま電子スイッチ回路３４により進相信号としてａが選
ばれているとする。また進相回路３１の進相指令電圧−
進相角度の係数をβ、処理回路３６の増１１季をγとす
れば（１）式より推力分布は、Ｆ（θ）　＝−に＋に２
　・ｓ　ｉ　ｎ　　β−７−に３−π ５ｉｎ（θ−−’）　　　　　　　　　　　−（２）と
なる。

この推力分布は第８図に示すようにβγに３の値により
形状を変えるが、θ−−πの点で位置保持持性をもつこ
とを示している。またβγ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−〇特性）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）＝−ＫＩＫ２Ｓ　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βγ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タの場合、βγに３＝−
稈度にすることにより、位置保持点近傍のＦ−〇特性を
杓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（ｂ）のような推
力分布が得られ第８図（ｃ）　、　（ｄ）のような推力
のへこみを気にすることなく、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
＝−とじた場合のす、ｃ、ａ、■、正の進相信号が選ば
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　戸ｃ　＝ｂ３　ａ−ｃ≧ｂ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１０図
■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Ｆｃ上の■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（。

■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（９点の負推力が
はたらき可動子は逆方向に移動し９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、Ｋ４．に５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／＜）ツクル−プ内に入ると位置決め時
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力くでき整定ま
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
、この進相量αに第２図３９の位置微調入力端子から任
意の電圧に６を与えた場合、センサ信号ａが選ばれてい
るすれば、進相量は α−βｒ　Ｋ３’　ｓ　　ｉ　　ｎ（θ−−＋β１　・
　Ｋ６）となって推力分布は、 βγに３・５ｉｎ（θ−−＋βｒ　Ｋ　ｅ　）　　−Ｃ
３）となり、（２）式の分布からβγに６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１ｉｌこ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
動子のスピードが増してくると、Ｆｖ変換器３７の出力
電圧が太き（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太き（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（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
相用位置信号を増巾し、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
ては可動子のもつ機械共振周波数の影響等のために増巾
率を大きく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Ｒ’＋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’　＋　Ｒ５ｒコンデンサＣよりなる処理回
路で構成する。

このような増巾器を用いた場合の高周波領域の増率は（
ａ）の場合では差動増巾器の最大の増巾率となに改善で
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、第１．第２の実施例において、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
えた磁性体よりなる固定子と、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位置センサと、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、進相手段と、微分回路と、信号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
施例の各相離力分布を示す図、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９
図、第１０図は実施例の推力分布を示す図、第１１図は
ダンピング部分を説明する図、第１２図は処理回路を示
す図、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
の構造図、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・旧
・・可動子コア、３・・・・・・磁石、４，１３４．１
６４・・・・・・コイル、５，２６・・・１非接触セン
サ、３１．・・・・・・進相回路、３２・・・・・・正
弦波型駆動回路、３４・・・・・・電子スイッチ回路、
３５・・・・・・微分器、３７・旧・・ＦＶ変換器、６
１・・・・・・可逆カウンタ、６２・・・・・・デコー
ダ、。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はが１２第　２　”
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
２０−一そ−夕艶第３図 セレヅ土か 第５図 第６図 第７図 ８　［≦１ 第９図 第１０図 第１１図 り７り　１２　　冒 第１３図 第１４図 第１５図 第１６図 第１７図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （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、前記選択された位置信号を処理す
   る手段と、前記速度信号と選択され処理された位置信号
   と位置信号の変化量と外部からの指令量との進相量とし
   て、前記位置信号の位相を進ませる進相手段と、前記進
   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。