JPH04308450A - リニア直流モータ - 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】

【０００１】

【技術分野】本発明は、リニア直流モータ、より詳細に
は、イメージスキャナ等の走行系に用いて好適なリニア
直流モータに関する。

【０００２】

【従来技術】図１３は、位置及び推進速度検出機構を有
するリニア直流モータの従来技術の一例を説明するため
の斜視図、図１４は縦断面図で、可動界面マグネット型
直流リニアモータ３０は、鉄板等の長板状の磁性体ヨー
ク３１の上面にプリント基板３２を貼着して有する。こ
のプリント基板３２は磁性体ヨーク３１の両側部３１ａ
，３１ｂを除くように、該プリント基板３２を磁性体ヨ
ーク３１の上面に貼着することで、プリント基板３２の
側面部でガイドローラ３３のガイドレールを形成してい
る。プリント基板３２の上面には、その長手方向に沿っ
て矩形枠状に巻回形成された電機子コイル３４が互いに
重畳しないように適宜な間隔で配置してある。電機子コ
イル３４の枠内空胴部内のプリント基板３２上には、位
置検知素子として用いるホール素子、ホールＩＣ等の磁
電変換素子３５が配設されている。移動子３６は、固定
子３７の電機子コイル３４と相対的直線運動をなすよう
にしている。移動子３６は、断面コ字状に形成された磁
性体ヨーク３８の側面部に軸３９によって回動自在にし
たガイドローラ３３を固設し、上記磁性体ヨーク３８の
電機子コイル３４と対向する内面部には、界磁マグネッ
ト４０が貼着固設されている。界磁マグネット４０は、
長手方向に沿って、交互にＮ極，Ｓ極を有する、例えば
、図に示すような３極のものを用いる。磁性体ヨーク３
１の支持脚３１ａ，３１ｂの側面には、主尺４１を支持
するための支持体４２が固設されており、これにより、
磁性体ヨーク３１と水平に主尺４１を支持することがで
きる。主尺４１は、図に示すように、交互等間隔に透明
部と不透明部を有するスリット板などからなる。

【０００３】磁性体ヨーク３８の側面部には、プリズム
やインデックス４３を支持する支持体４４が固設されて
いる。インデックス４３は図に示すように、主尺４１と
同様に長手方向にスリット状に透明部と不透明部を設け
ている。また、インデックス４３は、主尺４１と対向す
るように磁性体ヨーク３８の側面部に固設されている。 上記主尺４１及びインデックス４３を介して２個の三角
プリズム４５，４６を上記支持体４４に対向配設してい
る。三角プリズム４５，４６は透明体からなり、それぞ
れの傾斜面には、コーティング等により反射面４５ａ，
４６ａが形成されている。これら傾斜反射面４５ａと傾
斜反射面４６ａとは、対称に上記支持体４４に固設され
ている。三角プリズム４５，４６は互いに面４５ｃと４
６ｃとが平行になるように固設され、面４５ｂは光波長
受信素子４７に向けられ、面４６ｂは光波長発生素子４
８に向けられている。赤外線、レーザ、ランプ、超音波
等からなる光波長発生素子４８及びホトトランジスタ等
の光波長受信素子４７は、リニアモータ３０の端部固定
側に略平行に配設されパッケージ５０に収容されている
。素子４７及び４８の前面部には、それぞれコンデンサ
ーレンズ５１，５２が設けられている。

【０００４】上記リニア直流モータは、光波長発生素子
からの光を可動子側に設けた傾斜反射面で反射させ、光
波長受信素子で受信することにより、簡単な構成で可動
子の位置及び推進速度を検出するもので、これによれば
、位置及び推進速度検知が容易に行えるので、リニアパ
ルスモータと比較して高精度な移動又は停止が可能とな
る。また、可動子と共に光波長発生素子及び光波長受信
素子を移動させなくても良いため、電源コード等が不要
となるので、可動子を長距離移動する際に電源コード等
がじゃまにならないというメリットがある。上述のよう
に上記従来技術では、リニアパルスモータと比較して高
精度な移動及び停止を実現するためにリニア直流モータ
を用い、さらに、リニアエンコーダ（前述の従来例では
、光波長発生素子、可動子に設けた傾斜反射面、光波長
受信素子がこれに相当する。）を附設し、可動子の位置
及び推進速度を検出している。ところがリニアエンコー
ダは一般に高価なうえ、これを取りつけることにより機
構が複雑になるという欠点がある。

【０００５】更に、リニア直流モータでは、コイルへの
励磁により、コイルの温度が上昇すると、コイルが焼損
する等のトラブルが発生する。そこで、従来のリニア直
流モータでは、固定子の各コイルと対応する部位の抵抗
が並列接続となるように電極を設けた温度検知素子をす
べてのコイルと接触したり（実開昭５９−９５７８９）
、コイル駆動電流を測定し、その値からコイルの温度を
求めたり（特願平２−１７９８９６号公報）することに
より温度上昇を求めている。また、求めたコイルの温度
上昇に基づいて可動子の停止を命じる制御回路をＣＰＵ
からの制御信号と並列に設け、さらには、コイルの温度
異常信号を初期化するまで保持することにより、コイル
の焼損を防止している。これらの従来技術では、コイル
の温度が上昇し、焼損等の危険温度に達した時に初めて
動作し、コイルの焼損を防ぐものである。そのため、た
とえコイルの温度が上昇しても危険温度に達しなければ
初期に設定したパラメータで制御を続ける。ところが、
コイルの温度が上昇すると、コイル電機子抵抗が変化す
る。そのため初期の電機子抵抗値を用いて制御し続ける
と、制御に誤差が生じ正確な制御ができなくなるという
欠点がある。

【０００６】

【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、請求項１に記載の発明は、位置検出用のホール
素子出力信号を制御用フィードバック信号としても用い
ることにより、リニアエンコーダの不要な安価なリニア
直流モータを提供することを目的とする。請求項２に記
載の発明は、動作中のコイルの抵抗を求め、その値と初
期のコイル抵抗値との比を補正係数として入力電圧を補
正することにより、動作中にコイルの温度が上昇し、コ
イルの抵抗が変動しても正確な制御を行うことのできる
リニア直流モータを提供することを目的とする。請求項
３の発明では、請求項２の発明において、コイルの温度
を測定し、その測定値から動作中のコイルの抵抗を求め
ることにより容易に補正係数を求めることを目的とする
。請求項４の発明は、請求項３の発明において、様々な
コイルの温度に対する補正係数を一覧表としてメモリ内
に保持し、その一覧表にもとづいて補正係数を決定する
ことによりコイルの温度が測定されると直ちに補正係数
を決定し、時間遅れなく入力電圧を補正することを目的
としてなされたものである。

【０００７】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
Ｎ．Ｓの磁極を交互に長手方向に有する界磁マグネット
から成る固定子と、該界磁マグネットに相対向する電機
子コイル群および位置検出用のホール素子から成る可動
子とを有する可動コイル型リニア直流モータにおいて、
前記位置検出用のホール素子の出力信号を制御用フィー
ドバック信号としても用いること、或いは、（２）Ｎ．
Ｓの磁極を交互に長手方向に有する界磁マグネットと、
該界磁マグネットに相対向して配置された１以上の駆動
用の電機子コイル群を有し、上記界磁マグネット又は電
機子コイル群のいずれか一方を可動子とし、他方を固定
子としたリニア直流モータにおいて、前記電機子コイル
の動作中のコイル抵抗を求め、その値と初期のコイル抵
抗値との比を補正係数として制御用の入力電圧を補正す
ることを特徴としたものであり、更には、前記（２）に
記載のリニア直流モータにおいて、（３）動作中のコイ
ル温度を測定し、その測定値から動作中のコイル抵抗を
求めること、或いは、（４）あらかじめ複数のコイルの
温度に対する補正係数を一覧表としてメモリ内に保持し
、コイルの温度測定後、その一覧表にもとづいて制御用
入力電圧を補正することを特徴としたものである。以下
、本発明の実施例に基いて説明する。

【０００８】図１乃至図７は、請求項１に記載した可動
コイル型リニア直流モータの一実施例を説明するための
図で、図１は平面図、図２は側面図、図３は正面図であ
る。図中、１は可動子で、この可動子１は可動バックヨ
ーク２と、該可動バックヨーク２に取付けられたコイル
基板３と、前記可動バックヨーク２の両側４隅に固定さ
れた軸４と、各軸４に回転自由に取付けられたローラ５
と、コイル基板３に固定されていてかつ基板長手方向に
沿って連続的に配設されたコイル６と、及び、位置検知
用のホール素子７とで構成されている。８は固定子で、
この固定子８は前記ローラをガイドする溝または段差状
のガイド部９を有する長尺状のベース板１０と、このベ
ース板１０上に固定された固定バックヨーク１１と、こ
の固定バックヨーク１１の上面に設けられた永久磁石１
２とで構成されており、ここで永久磁石１２はＮ極とＳ
極とを可動子１の移動方向に交互に着磁した構造となっ
ている。この構成において、永久磁石１２とコイル６と
の間には常に一定のギャップが介在し、また、コイル６
および位置検知用のホール素子７はコイル基板３に取付
けられたコネクタ１３を介して後述の外部制御装置に接
続されている。

【０００９】図４は、上記リニア直流モータの速度制御
を説明するためのブロック図で、図中、２０はマイクロ
コンピュータであり、該マイクロコンピュータ２０内の
マイクロプロセッサ２０ａ、リードオンリメモリ（ＲＯ
Ｍ）２０ｂ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２０ｃ
がそれぞれバス２１を介して接続されている。２２はリ
ニアモータ可動子１の状態を指令する状態指令信号を出
力する指令発生回路であり、速度指令信号等を発生する
。この指令発生回路２２の出力もバス２１へ接続されて
いる。ほぼ正弦波信号である位置検知用のホール素子７
の出力のうち、ひとつは波形成形回路２３に入力され、
パルス信号に変換される。２４は波形成形回路２３の出
力を処理してデジタル数値に変換する検出用インターフ
ェイス回路であり、波形成形回路２３の出力パルスを計
数するカウンタを備えている。検出用インターフェイス
回路２４の出力もバス２１を介してマイクロプロセッサ
２０ａに接続されている。２５は一般的な３相用モータ
駆動用ＩＣで、位置検知用のホール素子７の出力信号及
びプログラム制御されているマイクロコンピュータ２０
からの出力信号に応じてモータドライブ回路２６に信号
を出力し、コイル６を駆動する。この結果、可動子１は
指令発生回路２２で設定された所望の速度で回転する。 また、可動子１の速度は前述のようにホール素子の出力
信号を波形成形する波形成形回路２３と検出用インター
フェイス回路２４とにより検出され、マイクロコンピュ
ータに取り込まれる。

【００１０】参考のため、図５（ａ）に波形成形回路２
３に入力前の位置検知用のホール素子７出力信号を示し
、図５（ｂ）に波形成形回路２３の出力信号（パルス波
形）の例を示す。次に、速度検出の方法すなわち、図４
の検出用インターフェイス回路２４の機能について説明
する。検出用インターフェイス回路２４は、波形成形回
路２３によってパルス成形された位置検知用ホール素子
７の出力をマイクロプロセッサ２０ａの割込みに接続し
てあり、また、基準クロック（ＣＬＫ）をカウントする
カウンターを備えている。図６を参照して、今、図６の
エッジＡが到達する直前の状態から説明する。ＯＢは波
形成形回路の出力信号、ＣＬＫは、検出用インタフェイ
ス回路の基準クロックである。カウンタはＴｎ−１のパ
ルス周期をＣＬＫ信号を基準に与えられたカウント数、
例えば、ＯＦＦＦＦＨからデクリメントカウントを実行
している。エッジＡがマイクロプロセッサ２０ａの割込
みへ到達すると、図７に示す割込みルーチンが実行開始
される。すると、図７のＰｒ．１により、カウンタのデ
クリメントカウント値は検出用インターフェイス回路内
蔵のストレージレジスタにラッチされる。次に、図７の
Ｐｒ．２により、ラッチされたデクリメントカウント値
を図４のＲＡＭ２０ｃへ格納する。そして、Ｔｎのパル
ス周期をカウントするためのカウント数ＯＦＦＦＦＨを
カウンタへ与え、再度初期値（ＯＦＦＦＦＨ）からのデ
クリメントカウントをカウンタは開始し、割込みの処理
を終了する。再度、エッジＢが到達したら、前述の処理
を繰り返す。この時、可動子速度Ｖは（１）式で求めら
れる。

【００１１】

【数１】

【００１２】ここで、ＴＣＬＫ：ＣＬＫ周期、ＮＥ：単
位長さ当りの波形成形回路２３の出力パルス数、ｎ：Ｃ
ＬＫカウント数＝ＯＦＦＦＦＨ−デクリメントカウント
数。 以上が割込みを使った速度検出方法である。次に、以上
により求められた可動子速度ｖおよび指令発生回路２２
からの目標速度Ｒｖとにより駆動電圧を求める方法を示
す。リニア直流モータの入力電圧は一般に（２）式のよ
うにあらわすことができる。

【００１３】

【数２】

【００１４】ここで、　Ｖ：入力電圧、　　　　Ｒ：コ
イル抵抗、ＫＥ：誘起電圧定数、ｖ：可動子速度、ＫＦ
：推力定数、　　Ｆｒ：摩擦力。（２）式において、Ｒ
，Ｆｒ，ＫＦ、ＫＥはモータ特有の数値であり、Ｒｖ、
ｖは前述のように得られているので、（２）式をマイク
ロコンピュータ２０内のＲＯＭ２０ｂ内にプログラムと
して入力しておけば同式により制御に必要な電圧を簡単
に得ることができる。また、実際には以上のようにして
得られた電圧は前記マイクロコンピュータ２０内でパル
ス幅変調され、３相用モータ駆動ＩＣ２５に出力されて
いる。

【００１５】図８乃至図１２は、請求項２乃至４に記載
したリニア直流モータの実施例を説明するための図で、
図８は平面図、図９は側面図、図１０は正面図である。 図中、１は可動子で、この可動子１は、可動バックヨー
ク２と、該可動バックヨーク２に取付けられたコイル基
板３と、可動バックヨーク２の両側４隅に固定された軸
４と、各軸４に回転自由に取付けられたローラ５と、コ
イル基板３に固定されていて、かつ、コイル基板長手方
向に沿って連続的に配設されたコイル６とで構成されて
いる。また、可動子１には温度検知素子１４がコイル６
に接するように取付けられている。８は固定子で、この
固定子８は前記ローラ５をガイドする溝または段差状の
ガイド部９を有する長尺状のベース板１０と、このベー
ス板１０上に固定された固定バックヨーク１１と、この
固定バックヨーク１１の上面に設けられた永久磁石１２
とで構成されており、ここで永久磁石１２はＮ極とＳ極
とを可動子１の移動方向に交互に着磁した構造となって
いる。１５，１６は速度検知用のセンサで、センサ本体
１６は、ベース板１０に固定され、プローブ１５は可動
子１に固定されている。この構成において、永久磁石１
２とコイル６との間には常に一定のギャップが介在し、
また、コイル６およびセンサプローグ１５の出力はコイ
ル基板３に取付けられたコネクタ１３を介して図１１に
示すドライブ制御回路と接続されている。

【００１６】図１１において、２０はマイクロコンピュ
ータであり、該マイクロコンピュータ２０内のマイクロ
プロセッサ２０ａ、リードオンメモリ（ＲＯＭ）２０ｂ
、ランダムアクセスメモリ２０ｃがそれぞれバス２１を
介して接続されている。２２はリニアモータ可動子１の
状態を指令する状態指令信号を出力する指令発生回路で
あり、速度指令信号等を発生する。この指令発生回路２
２の出力もバス２１へ接続されている。２６はモータド
ライブ回路で、マイクロコンピュータ２０の出力に応じ
て電圧を制御しコイル６を駆動する。この結果、可動子
１は指令発生回路２２が出力した所望の速度で移動する
。可動子１の移動速度は速度検知センサ１５により検知
され、マイクロコンピュータ２０に取り込まれる。また
、同時にコイル６の温度も温度センサ１４により検知さ
れ、マイクロコンピュータ２０に取り込まれる。

【００１７】以上のようなハード構成において、リニア
モータへの制御電圧は比例制御の場合（３）の式のよう
にあらわせる。 Ｖ＝ＲＩ＋Ｋ（Ｒｖ−ｖ）　　　　　　　　　　　　　
　（３）ここで、Ｖ：制御電圧、　　　　Ｒ：コイル抵
抗、Ｉ：駆動電流、Ｋ：比例ゲイン、Ｒｖ：目標速度、
　　ｖ：可動子速度 すなわち、（３）式をマイクロコンピュータ２０内で計
算し、モータドライブ回路２６に駆動に必要な電圧値を
出力する。さて、今、可動子が動きはじめ、定常状態Ｒ
ｖ＝ｖになった時を考える。すると（３）式は、Ｖ＝Ｒ
Ｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　（４）となり、リニアモータには摩擦力に
打ち勝つのに必要な電流を励磁できる電圧を加えれば良
いことになる。ところが、コイルに励磁されるとコイル
の温度が上昇し、導線として用いられる電気銅線は、ｔ
℃での抵抗をＲｔ、０℃での抵抗をＲ０とすると、＋１
５０℃〜−２００℃の範囲では Ｒｔ＝Ｒ０（１＋０．００４３ｔ）　　　　　　　　（
５）となる。そのため、今、動作中のある時点でのコイ
ルの抵抗値をＲ′とし、動作前のコイルの抵抗値をＲｉ
とする。また、（４）式で求めた制御電圧Ｖを駆動電圧
とすると、得られる駆動電流は、望まれる摩擦力に打ち
勝つ駆動電流のＲｉ／Ｒ′倍となり正確な制御ができな
くなる。そこで、（４）式が得られた駆動電圧をＲ′／
Ｒｉ倍して制御電圧とすれば、 Ｖ′＝Ｒｉ・Ｉ・Ｒ′／Ｒｉ　　　　　　　　　　　　
（６）となり、正確な制御をするのに必要な駆動電圧Ｖ
′を求めることができる。

【００１８】而して、請求項２の発明では、まず、初期
の（動作前の）コイル抵抗値を求める。また、（６）式
はあらかじめマイクロコンピュータ２０内にプログラミ
ングされている。そこで、マイクロコンピュータ２０内
で、動作中のコイルの抵抗と初期のコイルの抵抗との比
を求めることで（６）式により制御電圧を決定する。

【００１９】次に、請求項３の発明について説明する。 一般に、駆動中にコイルの抵抗を正確に測定することは
難しい。そこで本発明では、図８〜１１に示したように
コイルに接触してある温度検知素子１４でコイルの温度
を測定し、その値からコイルの抵抗を計算により求めて
いる。次にコイルの抵抗値の計算方法について説明する
。コイルの温度と抵抗は、（５）式に示したように１対
１対応になっている。そのため、コイルの温度が得られ
れば、（５）式により簡単にコイルの抵抗を求めること
ができる。本発明では、あらかじめ（５）式、（６）式
をマイクロコンピュータ２０内にプログラミングしてお
き、測定したコイルの温度をマイクロコンピュータ２０
に取り込むことにより、マイクロコンピュータ２０内で
（５）式、（６）式を用い、動作中のコイルの抵抗さら
には制御電圧を決定する。

【００２０】次に請求項４の発明について説明する。本
発明では、図１２に示すようなコイルの温度対補正係数
（動作中のコイルの抵抗Ｒ′と初期のコイルの抵抗Ｒｉ
の比Ｒ′／Ｒｉ）一覧表をあらかじめ求めておき、リー
ドオンリメモリ２０ｂに入力してある。そこで、コイル
の温度が測定されたならば、ただちに一覧表内のコイル
の温度の欄と照合して一致するものを選び、それに対応
する補正係数を選定する。また、もしも一致する温度が
存在しなければ、一覧表内のコイルの温度のうち、最も
近い値を見つけ出し、これに対応する補正係数を選定す
る。そして、選定された補正係数と、（４）式で求めた
制御電圧とをかけ合せて制御電圧を補正し、正確な制御
を実行する。なお、本動作はすべてマイクロコンピュー
タ２０内でプログラム処理される。

【００２１】

【効果】請求項１の可動コイル型リニア直流モータにお
いては、位置検出用のホール素子出力信号を制御用フィ
ードバック信号としても用いているので、リニアエンコ
ーダが不要になり、低コストで機構が簡単な可動コイル
型リニア直流モータが構築できる。請求項２のリニア直
流モータにおいては、動作中のコイルの抵抗を求め、そ
の値と初期のコイル抵抗値との比を補正係数として入力
電圧を補正しているので、動作中コイル温度が上昇し、
コイルの抵抗が変動しても正確な制御を行うことができ
る。請求項３のリニア直流モータにおいては、コイルの
温度を測定し、その測定値から動作中のコイルの抵抗値
を求めているので、容易に補正係数を求めることができ
る。請求項４のリニア直流モータにおいては、様々なコ
イルの温度に対する補正係数を一覧表としてメモリ内に
保持し、その一覧表にもとづいて補正係数を決定してい
るので、コイルの温度が測定されると直ちに補正係数が
決定でき、時間遅れなく入力電圧を補正し、正確な制御
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明による可動コイル型リニア直流モー
タの一実施例を説明するための平面図である。

【図２】　　図１の側面図である。

【図３】　　図１の正面図である。

【図４】　　図１〜３に示したリニア直流モータの速度
制御のブロック図である。

【図５】　　図４の波形成形回路２３の入出力波形図で
ある。

【図６】　　速度検出の方法を説明するための図である
。

【図７】　　速度検出書き込みルーチンを示す図である
。

【図８】　　本発明による可動コイル型リニア直流モー
タの他の実施例を説明するための平面図である。

【図９】　　図８の側面図である。

【図１０】　　図８の正面図である。

【図１１】　　図８〜１１に示したリニア直流モータの
速度制御のブロック図である。

【図１２】　　コイルの温度と補正係数の一例を示すテ
ーブルである。

【図１３】　　従来技術の一例を説明するための斜視図
である。

【図１４】　　図１３の縦断面図である。

【符号の説明】

１…可動子、２…可動バックヨーク、３…コイル基板、
４…軸、５…ローラ、６…電機子コイル、７…ホール素
子、８…固定子、９…ガイド部、１０…ベース板、１１
…固定バックヨーク、１２…永久磁石、１３…コネクタ
、１４…温度検出素子、１５…センサプローブ、１６…
温度センサ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　Ｎ．Ｓの磁極を交互に長手方向に有す
   る界磁マグネットから成る固定子と、該界磁マグネット
   に相対向する電機子コイル群および位置検出用のホール
   素子から成る可動子とを有する可動コイル型リニア直流
   モータにおいて、前記位置検出用のホール素子の出力信
   号を制御用フィードバック信号としても用いることを特
   徴とするリニア直流モータ。
2. 【請求項２】　　Ｎ．Ｓの磁極を交互に長手方向に有す
   る界磁マグネットと、該界磁マグネットに相対向して配
   置された１以上の駆動用の電機子コイル群を有し、上記
   界磁マグネット又は電機子コイル群のいずれか一方を可
   動子とし、他方を固定子としたリニア直流モータにおい
   て、前記電機子コイルの動作中のコイル抵抗を求め、そ
   の値と初期のコイル抵抗値との比を補正係数として制御
   用の入力電圧を補正することを特徴とするリニア直流モ
   ータ。
3. 【請求項３】　　動作中のコイルの温度を測定し、その
   測定値から動作中のコイルの抵抗を求めることを特徴と
   する請求項２に記載のリニア直流モータ。
4. 【請求項４】　　あらかじめ複数のコイルの温度に対す
   る補正係数を一覧表としてメモリ内に保持し、コイル温
   度を測定後、前記一覧表にもとづいて制御用入力電圧を
   補正することを特徴とする請求項２に記載のリニア直流
   モータ。