JPH0433564A - ３相駆動方式リニアブラシレス直流モータ - 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】 本発明はロボット、Ｘ−Ｙステージ等の位置決めに用い
られる多極形直流リニアモータに関するものである。

多極形直流リニアモータの基本的な構造と、その駆動方
法については、たとえば「電気学会編：リニアモータと
その応用、電気学会（昭和５９年）」９頁〜１０真に示
されている。このモータは多極着磁された永久磁石と、
複数個のコイルとから構成されて、長ストロークにわた
り一定方向に推力を発生して移動するものであるが、位
置による推力変動を極力小とするため、磁石との相対位
置の変化に従って駆動電流を変化させるなどの工夫が行
われている。

この形式のリニアモータを可動電機子形３相ブラシレス
モータとして構成した具体例を第５図に示す。第５図（
ａ）は、固定子（界磁永久磁石）。

可動子（電機子コイル）、および磁極検出用ホール素子
の配置を示す斜視図、第５図（ｂ）は相対位置関係をよ
り詳細に示す側面図である。

第５図において、１は絶縁物からなる可動子基板、２１
，２２．２３はその上に配置された電機子コイル、３１
，３２．３３は磁極検出用ホール素子である。また、４
，６は固定子ヨーク、５１〜５８は固定Ｐヨーク４の上
に配列された界磁永久磁石、７１〜７８は固定子ヨーク
６の上に配列された界磁用永久磁石である。固定子ヨー
ク４および６は、可動子基板１を挟み込むように構成さ
れており、１は、図示しないがリニアスライダに取付け
られて矢印方向への往復運動が可能になっている。

界磁用永久磁石の配置は図のようになっているので、た
とえば磁石５６と７６の間の部分には」−向きの磁界Ｉ
」オが、また磁石５７と７７の間の部分には下向きの磁
界ＩＩ−が発生しており、他の磁石間も同様にして、上
下方向の交番磁界が発生している。その繰返しピッチは
磁石の幅に等しくＴである。

つぎに、電機子コイル３１等を励磁するための回路を第
６図によって説明する。第５図に示した構成例では、電
機子コイルおよびホール素子は３組あり、３相駆動が出
来るようになっているが、本回路はそのうちの１相分に
対応するものである。

図において、２１は電機子コイル、３１はホール−３＝ 素子、１０はオペアンプ、１１および１２は出力トラン
ジスタである。他の２相分の回路も同様であって、電源
＋Ｖｃｃ、−Ｖｃｃは共用され、指令電圧Ｅも共通に印
加される。

いま、必要とするある推力およびその方向に対応した指
令電圧Ｅが印加されているとする。ホール素子３１が磁
界を受けると磁界に比例した出力電圧が現れ、これがオ
ペアンプ１０で増幅され、さらにトランジスタ１１．１
２により増幅されて、電機子コイル２１には駆動電流が
流れる。この電流の大きさ、方向は、ホール素子３１の
出力電圧の大きさ、極性に比例したものとなるように構
成されている。したがって、この電流の大きさ、方向は
、指令電圧Ｅの大きさ、方向と、ホール素子３１の受け
る磁界の大きさ、方向に比例したものとなる。

第５図（ｂ）を用いてさらに詳細を述べる。可動子と固
定子との相対位置が図のようであるとき、電機子コイル
２１は、磁石５１．７１と、磁石５２．７２の双方にま
たがった状態にある。コイル２１の中で、可動子の移動
可能な方向と直交する部分２］Ａは、磁石５１．７１に
よって生ずる下向きの磁界■１−の中におかれており、
また電機子コイルのｆａｌ１分２１Ｂは、磁石５２．７
２によって生ずる上向きの磁界Ｈヤの中におかれている
。また、ホール素子３１も電機子コイルの部分２１Ｂと
同じく上向きの磁界Ｈ＋の中におかれている。

この状態のときにホール素子３１の出力によって生ずる
（第６図の回路により増幅されて生ずる）電機子コイル
の電流方向が第５図（ｂ）で◎。

×で示したものとなるように、指令電圧Ｅが設定されて
いるとすれば、電機子コイルの部分２１Ａおよび２１Ｂ
はともに右方向に力を受ける。この力により可動子が右
に移動するが、Ｔ／２だけ動くと電機子コイルの部分２
１Ａ、２１Ｂおよびホール素子３１はいずれも交番磁界
の磁界−〇の領域に来るためにホール素子出力はゼロ、
従って電機子コイルに流れる駆動電流もゼロとなり、こ
の点では推力は発生しない。慣性によって可動子がさら
に右に移動すると、交番磁界の隣の領域に入るため、電
機子コイルの部分２１Ａ、２１Ｂの受ける磁界は逆転す
るが、ホール素子３１の受ける磁界も逆転し、したがっ
て電機子コイルの駆動電流も逆転するために、電機子コ
イル２１の受ける力は依然として右向きであり、可動子
は右への移動を継続する。

電機子コイル２１のみについて見れば、その右向きの力
は最大値とゼロの間を繰返し変動する。

変動の周期は、磁石幅Ｔと同じである。しかし可動子に
は電機子コイル２２．２３も取りつけられており、これ
らの磁石に対する相対位置は位相的にＴ／３ずつずれて
いるために、合計した右向きの推力は変動が平均化され
る。とくに、もし交番磁界がＨ＋→Ｏ−＋）Ｉ−の間で
正弦波的に変化するよう構成したときは、合計した推力
には変動はほとんど現れない。

指令電圧の極性を逆転すれば推力の方向は左向きとなる
。また推力の大きさは指令電圧に比例して変化する。

〔発明が解決しようとする問題点３ 以上に３相駆動方式リニアプレシレスモータの具体的構
成例を示した。この方式は、界磁永久磁石による交番磁
界の分布を正弦波に近づけられれば、きわめて推力変動
の小さいすぐれた特性を得ることができる。

しかし分布を正弦波に近づけることはマイナスの面もあ
る。界磁永久磁石の形状寸法、配置等を適切にすること
により近づけることが可能であるが、磁気回路の加工コ
ストの増加、磁石の利用効率の低下などが現れて来る。

本発明の目的は、単純な磁気回路構成で、推力変動の小
さい、リニアモータを提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

発明者らは、界磁永久磁石および電機子コイルの相対的
位置を、簡単なルールにより微小量ずらすことにより解
決することをはかった。推力変動が大きくなるのは磁界
分布が台形波的のときであるが、この台形波の形状との
関係も含めて検討を行った。その結果、界磁永久磁石お
よび電機子コアー イルの相対位置を、ある標準値とした部分と、これより
最大値Ｔ／６までの範囲ですらせた部分とを設けるのが
きわめて有効であることを発見した。

〔実施例〕

（実施例１） 第１図に、本発明の第一の実施例である可動電機子形リ
ニアモータの斜視図および側面図を示す。

基本的には、第５図（ａ）に示したものと同じ構成であ
るが、可動子基板１の上には６個の電機子コイル２１〜
２６と、６個のホール素子３１〜３６が搭載されている
。電機子コイル２１〜２３と、２４〜２６とは、図示し
たようにＴ／６はなれて設置されている。

リニアモータとしての動作は、第５図について詳細説明
したのて省略するがその推力変動の状況を第２図（ａ）
に示した。また、第２図（ｂ）には、電機子コイル２１
〜２３と、２４〜２６とを離さず、密着させて設置した
ときの推力変動の状況を示した。本発明の効果が顕著に
現れている。

このような効果が得られる理由はっぎのとおリである。

すなわち、第１図の構成の場合には、電機子コイル２１
のみに生ずる推力は、可動子１の移動に伴っである最大
値とゼロとの間で変動するがその周期は磁石の幅゛ｒに
等しい。電機子コイル２２のみによる推力は電機子コイ
ル２１の推力とｒ／３の位相差をもって変動し、また電
機子コイル２３のみによる推力は、電機ｆ・コイル２１
の推力と２Ｔ／３の位相差をもって変動することは各コ
イルの配設位置より明かである。この３個のコイルの推
力を合計した推力は、的に記したように交番磁界の分布
形状が正弦波であるときは、個々の変動が互いに打ち消
されてほとんど変動のないものとなるが実際には磁界分
布は台形波に近いものであり、また電機子コイルも、た
とえば２１Ａの部分はある巻幅をもっているために、こ
れらの影響で完全にフラットにはならない。

いま、電機子コイル２］〜２３と、２４〜２６とを離さ
ず、密着させて配置した場合は、２１と２４．２２と２
５．２３と２６とはそれぞれ同相で推力を発生するため
に、通常の３相駆動方式となり合１１シた推力は変動分
が残り、第２図（ｂ）のごとくになったと考えられる。

電機子コイルが３相に配置されていることから、合計し
た推力の周期は１゛／３になっている。

しかるに本発明のように、電機子コイル２１〜２３と、
２４〜２６とをＴ／８離して配置すると、それぞれの群
のコイルは第２図（ｂ）と同様な推力変動をもつが、こ
れらを合計した推力は各群の推力変動が打ぢ消されて、
第２図（ａ）のように実用上満足できる程度にフランＩ
・なものとなるのである。

（実施例２） 第３図に、本発明の第二の実施例である両面駆動方式可
動磁石形リニアモータの斜視図、および可動ｐの側面図
を示す。図において、１０は可動子基板、４および６は
その両面に配置された、軟磁性ヨーク、５１〜５Ｇおよ
び７１〜７６は永久磁石である。この可動子は、図示し
ないがリニアスライダに取りつけられて矢印方向への移
動が可能になっている。

１１および１２は軟磁性月利からなる固定子ヨークであ
る。一方、固定子ヨーク１１の」二には、電機子コイル
が配置され、このうち２１〜２６が図示されている。ま
た磁極検出用ホール素子も配置され、３１〜３６が図示
されている。他方の固定子・ヨークの上にも同様に電機
子コイル１、ホール素子が配置されているが図では示さ
れていない。

１１および１２は、可動子の移動方向に対しては全く同
相位置に、電機子コイルが配置されている。

３相駆動方式リニアモータとしての動作は第５図につい
て説明したものと全く同様である。可動子１０は、電機
子コイルにより両面から駆動され、矢印方向に推力を発
生し移動させることができる。

片面構造のものに比べて２倍の推力を得ることができる
ので、大きさの制約がありかつ大推力の必要な場合に有
利な構造である。

本実施例の場合、上面側の駆動部とＦ面側の、駆動部と
の相対位置を、はばＴ／１２ずらぜたとき、推力変動は
最小であった。第３図（ｂ）に示すように」二面側の界
磁永久磁石と、上面側の界磁永久磁石とを、可動子の移
動方向に対してＴ／１２ずらせて配置すると、−］二二
面の電機子コイルは同相位置に配置しであるので、上面
側の駆動部と下面側の駆動部の相対位置をＴ／１２ずら
せたことになる。

第４図（ａ）は、本実施例のものの推力変動状況を示す
。また、比較のために、」−下面の界磁永久磁石間に位
相差を設けず、同相に配置したときの推力変動状況を示
した。本発明による推力変動の低減効果は明かである。

前記実施例（］）の場合と異なり、本実施例（２）の場
合は、２つの駆動部と位相差をＴ／６でなくＴ／１２に
したときに推力変動がより小さくなったことは次のよう
に説明できる。すなわぢ、実施例（１）の場合は第２図
（ｂ）から明かなように、位相差を設けず駆動したとき
の推力変動は周期Ｔ　／　３が顕著であったが、本実施
例（２）の場合は、第４図（ｂ）から明かなように、位
相差を設けないときの推力変動は周波Ｔ／６が顕著であ
った。従って変動低減効果を最大とするには、２つの駆
動部の位相差をｒ／１２とした方がよく、位相差を′］
”／６としたのでは効果がないことが分かる。

〔発明の効果〕

以上にように、本発明によれば推力変動のきわめて小さ
い３相リニアモータを得ることができる。

３相リニアモータの推力変動は磁石幅をＴとするときＴ
　／　３の周期で起きるものが基本はであるため、これ
を打消すには、３相リニアモータの駆動ｉ３［１を複数
個のブロックに分割し、各ブロックの位相差を最大’ｆ
’　／　６とすることが有効となるのである。また推力
変動は、ｒ／３の整数分の１つの周期をもったいわゆる
高調波成分が優勢になることもあるので、推力変動低減
に最適な位相差はｒ／６とは限らず、その整数分の１と
なることもあり得るのである。

なお、複数個のブロックの機械的な位相差をＴ／６より
大としても、推力変動の観点から見た実質的な位相差は
Ｔ／６より大とはならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例である可動電機子・形リ
ニアモータの斜視図および側面図、第２図は第１図の構
成のものの推力変動状況を示ず図、第３図は本発明の第
二の実施例である両面駆動方式可動磁石形リニアモータ
の斜視図およびｉ１工動子の側面図、第４図は第３３図
の構成のものの推力変動状況を示す図、第す図は従来の
ｉ＋Ｊ動電機子形十形ブラシレスモータの斜視図および
側面図、第６図は電機子コイルを励磁するための回路を
示す図である。 １および１０：可動子・基板、４および６：界磁永久磁
石用ヨーク、１１および１２：電機子・コイル用ヨーク
、２Ｊ−〜２６：電機了−コイル、３］〜３６：磁極検
出用ホール素子、５１〜５８および７１〜７８：界磁永
久磁石。 編　只 ヤ ￥　只 ＠　只

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｎ、Ｓ極交互に着磁されており、その着磁ピッチ
   がＴであるような界磁永久磁石と、これと対向する開角
   がＴであるような系統の電機子コイルとから成り、この
   ３系統の電機子コイルは界磁永久磁石に対する長手方向
   （動作方向）の相対位置がそれぞれＴ／３ずつずれ、い
   わゆる３相駆動が可能となるように配置されており、こ
   の界磁永久磁石あるいは電機子コイルのいずれか一方が
   固定子となり、他方が可動子となるように構成されてい
   るリニアブラシレス直流モータにおいて、全対向部につ
   いて上記のごとき関係に保たれておらず、最大Ｔ／６ま
   での範囲ずれていることを特徴とする３相駆動方式リニ
   アブラシレス直流モータ。
2. （２）固定子が界磁永久磁石であり、可動子が３相駆動
   電機子コイルであって、この可動子は２つのブロックか
   らなっており、それぞれのブロックの可動子はいずれも
   コイルの開角がＴであり、かつ３相駆動のためにＴ／３
   ずつずれて配置されたコイルから構成されており、１つ
   のブロックと他のブロックのコイルの相対位置は、最大
   Ｔ／６までの範囲でずれていることを特徴とする請求項
   １記載の３相駆動方式リニアブラシレス直流モータ。
3. （３）固定板の両面に電機子コイルが配置されており、
   それぞれの面の電機子コイルに対向する２群の界磁永久
   磁石が一体となって可動子を形成している両面駆動・可
   動磁石形のリニアモータにおいて、１つの面の永久磁石
   群と、他の面の永久磁石群とが、リニアモータの動作方
   向に対して最大Ｔ／６までの範囲でずれて配設されてい
   ることを特徴とする請求項１記載の３相駆動方式リニア
   ブラシレス直流モータ。