JPS62166760A - 磁気エンコ−ダ内蔵直流ブラシレスモ−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、閉ループ制御に適するように８１気エンコー
ダを内蔵し、サーボ制御に適した回転子の位置信号を合
理的に得ることができるようにした、低慣性で応答性の
良い磁気エンコーダ内蔵直流ブラシレスモータに間する
。

［従来技術とその問題点コ 直流モータ、ステッピングモータ、直流ブラシレスモー
タでは、その使用に際しては位置決めが要求されること
が多くなってきた。ここで直流モータでは、通常ブラシ
と整流子を用いて整流を行っているため、寿命が短い等
種々の欠点がある。

その為に、昨今ではブラシレスモータが要求されるよう
になってきた。ブラシレスモータとしては、通常の直流
ブラシレスモータと狭義のステッピングモータがある。

両者とも広義には、直流ブラシレスモータの範中に所属
する。ここに前者の狭義の直流ブラシレスモータでは、
直流モータの特徴、即ち効率が良好で、高速回転が可能
というメリットがある反面、当該ブラシレスモータを位
置決めするためには、エンコーダを用い、エンコーダか
らの信号をフィードバックする必要がある。またステッ
ピングモータは、エンコーダがなくても位置決めができ
る特徴があり、しかも簡単な開ループ制御回路構成で足
りるため安価に構成できるメリットがある。しかしなが
ら、ステッピングモータは高速回転させると回路からの
信号についていくことができず、脱調するという欠点が
ある。

このため、ステッピングモータは、高速回転には適さず
、高速回転では、ＤＣブラシレスモータに劣るものであ
るが、近年、ステッピングモータの性能をアップさせる
ためにエンコーダを内蔵してエンコーダからの信号をフ
ィードバックして高速回転によるも脱調しないようにす
る要求が強くなってきた。

以上のように、狭義の直流ブラシレスモータ、ステッピ
ングモータいずれの直流ブラシレスモータともに、高速
回転が可能で、低速から高速回転までの自由な速度変換
が可能で、しかも位置決め精度が要求される場合には、
エンコーダを必要とする。

ここに従来の直流ブラシレスモータ（ステッピングモー
タを含む）にエンコーダを付設することは、当該ブラシ
レスモータが大型且つ高価になる欠点があった。

そのために、いくつかの改良案が出されたので、此等に
ついての幾つかの例を示す。

改良された幾つかの低慣性で、応答性の良いカップ型マ
グネットロータを用いた直流ブラシレスモータについて
の従来例を、以下図面第１図乃至第５図で説明する。

まず第１図の従来の直流ブラシレスモータｌは、回転軸
２にプラスチックやアルミニウム等の非磁性体でできた
カップ型ロータ部材３を固定している。このカップ型ロ
ータ部材３の周面に、第２図で示すような周面に、Ｎ、
Ｓの磁極を交互に２Ｐ（Ｐは複数の整数）極、例えば１
００極等の多極着磁をラジアル方向に着磁して形成した
駆動用磁極４を形成した円筒状のマグネットロータ５を
固定している。該マグネットロータ５の駆動用磁極４と
対向する固定側に駆動コイル等のステータ電機子６を設
けて相対的回動をなすようにしている。

該ステータ電機子６とマグネットロータ５との間の空隙
部７に回転位置検出の為のホール素子、ホールＩＣ，磁
気抵抗素子等の位置検出用磁気センサ８を上記駆動用磁
極４を検出するように配設している。この直流ブラシレ
スモータｌでは、駆動用磁極４と位置検出用磁気センサ
８とて、磁気エンコーダが構成されるので、特別に磁気
エンコーダ等のエンコーダを付設することなく、小型且
つ安価に磁気エンコーダ内蔵ブラシレスモータを構成で
きるメリットがある。

しかしながら、かかる構成によると、空隙部７に位置検
出用磁気センサ８を配設する為に、該センサ８の厚み分
だけエアギャップ長が増加するため、強い磁束が得られ
ず、その為に大きなトルクが得られず効率が低下する欠
点がある。

尚、この場合、エアギャップの増長を防ぐためにステー
タ電機子（電機子」イル〉内に位置検出用磁気センサ８
を埋め込むと、この磁気センサ８の位置調整が困難にな
り、量産性に優れなくなる。

上記の欠点を解消するためになされたのが第３図に示す
直流ブラシレスモータｌ”である。構成については、第
１図のブラシレスモータ１と殆ど同じであるが、このモ
ータ１’では、マグネットロータ５′をステータ電機子
６に対向しない位置まで、軸方向に長く形成し、この伸
びたマグネットロータ５′の周面と対向するステータ電
機子６の下部に位置検出用磁気センサ８を配設して、駆
動用磁極４を検出するようにしている。

この構成によると、第１図の直流ブラシレスモータ１の
欠点を解消できるが、今度は、必要以上にマグネットロ
ータ５′が軸方向に長くなるため、モータ体積に対する
モータ効率（体積効率）が悪いものになる欠点がある。

第１図及び第３図の直流ブラシレスモータ１゜１′の欠
点を解消するためになされたのが、第４図に示す直流ブ
ラシレスモータ１″である。

このブラシレスモータ１“′は、上記同様な構成である
が、回転軸２にプラスチックマグネットによって一体形
成した第５図に示すようなカップ型のマグネットロータ
５″を固定している。このマグネットロータ５パは、周
面に上記同様の駆動用磁極４を形成し、その上端面部に
多極着磁の磁気エンコーダ磁極９を軸方向から着磁形成
し、この磁気エンコーダ磁極９に対向して位置検出用磁
気センサ８を配設している。

この構造の直流ブラシレスモータ１＋＋は、上記従来例
のモータ１，１′の欠点を解消できる利点があるものの
、駆動用磁極４と磁気エンコーダ磁極９との着磁方向が
異なるため、及び着磁を別個に行わなければならないた
め、製造工程が多くなり、コストの高いものになる欠点
がある。また磁気エンコーダ磁極９が端面に形成しであ
るため、すなわちアキシャルギャップ（軸）方向検出型
となるので、マグネットロータのスラスト方向の機械的
精度を極めて精度良くしておかないと、センサ８と磁気
エンコーダ磁極９間のギャップ長が変動し、位置検出信
号が不安定なものとなり、精巧な磁気エンコーダを構成
できなくなる欠点がある。

［発明のｒ１題］ 本発明は、大型且つ高価なエンコーダを用いることなく
、低慣性で、応答性が良く、効率良好で、体積効率も良
く、また量産性に優れた閉ループ制御に適する磁気エン
コーダ内蔵直流ブラシレスモータを小型且つ安価に得る
ことを課題としてなされたものである。

［発明の課題達成手段］ かかる本発明の課題は、外周面に多極着磁した駆動用磁
極を有する円筒状またはカップ型のマグネットロータの
内周面を多極着磁の磁気エンコーダ磁極部として利用す
ることによって達成される。

［発明の実施例］ 第６図は第１実施例としての本発明の概略説明図で、第
７図は本発明を適用した具体的なＰＭ形ステッピングモ
ータ構造の直流ブラシレスモータの一部切欠分解斜視図
、第８図は同縦断面図である。以下第６図以下を参照し
て実施例を説明していく。

まず第６図を参照して、磁気エンコーダ内蔵直流ブラシ
レスモータ１０の構造の概略を説明する。

この直流ブラシレスモータ１０は、回転軸２に、外周に
駆動用磁極１１を着磁形成し、内周に磁気エンコーダ８
１極１２を着磁形成したカップ型マグネットロータ１３
を固定して、回転軸２と共に一体回転するようにしてい
る。駆動用磁極１１と対向する外周固定側位置には、ス
テータ電機子１４を配設し、磁気エンコーダ磁極１２と
ス・ｊ向するカップ型マグネットロータ１３の内周部に
位置検出用磁気センサ８を配設してなる。第７図、第８
図を参照して、より具体的な直流ブラシレスモータとし
て選択した磁気エンコーダ内ＲＰＭ形ステッピングモー
タ１０について説明する。このステッピングモータ１０
は、２つの磁性体中空リングを有するステータ電機子１
４．１５を上下二段に重ねた構造の中空状の固定子１６
がある。このステータ電機子１４．１５は、磁性体から
なるドーナツ状の薄板の内周部を、後記するステータ磁
極片１７　ａ　＋　　１８　ａ　＋　　１９　ａ及び２
０ａを形成するためにクシ歯型にして、このクシ歯型と
外周の一部を直角に折曲して断面コ字状に形成したヨー
ク１７．１８と１９．２０の２対をクシ歯が互いに噛み
合うように組合せて、その空胴部に絶縁物からなる断面
コ字状で且つドーナツ状のコイル７にビン２１にステー
タコイル２２を多数ターン巻いている。

従って、ステータ磁極片１７ａと１８ａ及び１９ａと２
０ａは、ステータコイル２２に通電することにより、交
互にＮ、Ｓの磁極を形成する。

また磁極片１７ａと１８ａ及び１９ａと２０ａの対は、
電気角で９０度ずらして軸方向に２段に重ねて配設固定
されている。磁極片１７ａと１８ａ、１９ａと２０ａの
幅は、後記するマグネットロータ１３の駆動用磁極１１
の一磁極幅に略等しく形成されている。２３．２４はそ
れぞれステータ電機子１４．１５のステータコイル２２
に接続されたリード線である。カップ型マグネットロー
タ１３は、プラスチックマグネットによるモールド形成
時、その中心部に回転軸２の一端部と一体化して該回転
軸２と一体回動するようにしている。

このマグネットロータ１３は、この内側中空部２５に設
けた軸受２６によって回動自在に軸支されている。軸受
２６は、モータ取付は板２７に固定されている。プリン
ト基板２日は、マグネットロータ１３の内側に位置して
、透孔３３，３４を利用してビス２９によりモータ取付
は板２７に固定されている。透孔３３は、長孔となって
おり、この透孔３３とビス２９とにより、プリント基板
２８上に固定された後記する固定部材３０に固定された
磁気センサ８がステータ磁極片１７ａ、１８ａ、１９ａ
及び２０ａに対向して最適な位置に微調整できるように
している。尚、上記マグネットロータ１３は、プラスチ
ックマグネット、または焼結によるマグネットのいずれ
であってもよく適宜なものを使用すればよい。またマグ
ネットロータ１３は、後記するようにプラスチックマグ
ネットによってカップ型に形成する方法がメリットがあ
るが、必ずしもカップ型でなくてもよく、この場合に回
転軸にボスを固定し、このボスに円筒型のプラスチック
マグネット等で形成したマグネットロータを固定しても
よい。マグネットロータ１３の外周部には、第７図に示
すように上記磁極片１７ａ、１８ａ、１９ａ及び２０ａ
の幅と等しい幅のＮ、Ｓの磁極が交互に多極に着磁され
た駆動用磁極１１を形成し、上記磁極片１７　ａ　＋　
　１８　ａ　。

１９ａ、２０ａに相対的回動させている。駆動用磁極１
１０着磁は、ラジアル配向着磁としている。

このラジアル配向着磁に際して、当該駆動用磁極が強く
着磁されるために、カップ型マグネットロータ１３の内
外周両面着磁を行っている。従って、マグネットロータ
１３の外周に形成された駆動用磁極１１と反対の極性の
磁極がマグネットロータ１３の内周に駆動用磁極１１の
Ｎ、Ｓの磁極と等しい着磁ピッチで、多極着磁部が形成
される。即ち、駆動用磁極１１の漏洩磁束によって、マ
グネットロータ１３の内周面に、駆動用磁極１１と等し
い着磁ピッチで且つ同じ着磁極数の多極着磁部が形成さ
れる。

このように本発明のＰＭ形ステッピングモータ１０では
、マグネットロータ１３の外周に駆動用磁極１１を形成
することで、その内周に形成される多極着磁部を、更に
磁気エンコーダ磁極１２として利用している。このよう
にすると、別個に位置検出のための磁気エンコーダ磁極
１２を別個に着磁形成する必要がないので、製造工程が
簡単で、当該磁気エンコーダ内ＲＰＭ形ステッピングモ
ータ１０を安価に量産できて好都合である。尚、駆動用
磁極１２によるｉｉ洩磁束によって形成される多極着磁
部を磁気エンコーダ磁極１２として、直接利用せず、更
に別個に、マグネットロータ１３の内周に磁気エンコー
ダ磁極１２を着磁形成してもよい。この場合には、駆動
用磁極と同数極着磁とする必要はなく、更に多数の磁極
数の磁気エンコーダ磁極としてもよい。この実施例では
、ｖｊ、気センサ８としては、ホール素子を用いている
。磁気センサ８としては、他に磁気抵抗素子（ＭＲ素子
）、ホールＩＣや磁気ヘッドを用いてもよい。

磁気センサ８からの出力信号は、プリント基板２８に形
成した図示しないプリント配電パターン及び電気部品３
１群によって構成された電気回路を介して出力用リード
線３２から取り出される。

従って、通電制御回路によって、ステッピングモータ１
０が駆動させられると、マグネットロータ１３が回転し
、これに一体化されているマグネットロータ１３も同時
に回転するので、このマグネットロータ１３に形成され
ている磁気エンコーダ磁極１２を磁気センサ８で検出す
ることて、その信号をリード線３２より取り出せば、モ
ータｌＯの回転速度、回転角、回転方向等が判明する。

これらのモータｌの回転情報に応じて通電制御回路にフ
ィードバックして、閉ループ制御をかけることで、例え
ステッピングモータであっても高速回転させても脱調し
ないものを得ることが出来る。

また通常の直流ブラシレスモータに用いる場合には、上
記磁気エンコーダがあるので、この磁気エンコーダから
得られる信号を利用して、同じく回転速度の制御１回転
方向の制御９位置決め制御等をなすことができる。

第９図は、本発明の他の実施例としての磁気エンコーダ
内蔵直流ブラシレスモータ１０′を示すもので、マグネ
ットロータ１３’の内面と完全に対向しない程度に周面
の長さが短く形成された非磁性体でできたカップ型ロー
タ３５を回転軸に固定して、一体的に回転するようにし
、上記カップ型ロータ３５の外周に円筒状のマグネット
ロータ１３’を固定したものである。マグネット口〜り
１３′の外周には、上記実施例同様に駆動用磁極１１°
が着磁形成され、その内周には磁気エンコーダ磁極１２
′が着磁形成されている。またマグネットロータ１３′
の外周と対向する固定側には、ステータ電機子１６が配
設されている。マグネットロー夕１３’の内面は、その
上端部のみがカップ型ロータ３５と対向しているだけな
ので、マグネットロータ１３′の内面には、磁気エンコ
ーダ磁極１２′が露出している。従って、この露出した
磁気エンコーダ磁極１２’に対向して磁気センサ８を配
設しこれにより磁気エンコーダを構成している。

［発明の効果］ 本発明によれば、主に下記のような効果がある。

（１）低速から高速まで自在且つ位置決めの極めて容易
なサーボ用として適する磁気エンコーダ内蔵直流ブラシ
レスモータを安価且つ容易に量産できる。しかも、この
場３のブラシレスモータが通常の直流ブラシレスモータ
の場合には、位置決め制御が極めて容易になり、またス
テッピングモータの場合には、高速回転させても脱調し
ないものとなる利点がある。（２）従来において、多く
市販されている高価且つ大型のエンコーダを付設するこ
となく、しかも光学式エンコーダのようにゴミやほこり
に弱く、電気ノイズが入り誤動作したり、寿命が短い等
の欠点がなく、磁気エンコーダを備えていて尚且つ小型
且つ安価で性能の良い磁気エンコーダ内蔵直流ブラシレ
スモータが得られる。（３）磁気エンコーダを内蔵する
ための特別なスペースを形成することなく磁気エンコー
ダを内蔵することができる。（４）ラジアル方向のエア
ギャップを大きくしたり、マグネットロータの長さを長
くしないですむので、モータ効率並びに体積効率の優れ
た小型の磁気エンコーダ内蔵直流ブラシレスモータを得
ることができる。（５）マグネットロータの内面に磁気
エンコーダ磁極を形成し、これを磁気センサで検出して
いるので、スラスト方向の機械的精度を上げたりするな
どの、組立上のやっかいさがなく簡単に量産組立できる
。

（６）磁気センサを配設するに当って、その為の特別な
スペースを形成することなく、合理的な位置に容易に配
設てきる。（７）磁気エンコーダ磁極は、駆動用磁極の
漏洩磁束を利用したものとする場合には、別個に磁気エ
ンコーダ磁極を形成する必要がないので、製造工程を簡
略化でき、当該モータを安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の直流ブラシレスモータの説明図、第２図
は同ブラシレスモータのマグネットロータの斜視図、第
３図及び第４図は他の従来のブラシレスモータの説明図
、第５図は第４図のブラシレスモータに用いたマグネッ
トロータの斜視図、第６図は本発明の実施例の概略構成
図、第７図は本発明の一部切欠分解斜視図、第８図は同
縦断面図、第９図は本発明の他の実施例の説明図である
。 １．１’、１”　　・・・直流ブラシレスモータ、２・
・・回転軸、３・・・カップ型ロータ部材、４・・・駆
動用磁極、５．５’　、５”　　・・・マグネットロー
タ、６・・・ステータ電機子、７・・・空隙部、８・・
・位置検出用磁気センサ、９・・・磁気エンコーダ磁極
、１０．１０’　　・・・磁気エンコーダ内蔵直流ブラ
シレスモータ、１１゜１１’　　・・・駆動用磁極、１
２．１２’　　・・・磁気エンコーダ磁極、１３．１３
’マグネツトロータ、１４．１５・・・ステータ電機子
、１６・帝・固定子、１７．・・・、２０・・・ヨーク
、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ・・・磁極片、２１
争・・コイルボビン、２２・・・ステータコイル、２３
．２４・・・リード線、２５・・・中空部、２６・・・
軸受、２７・・・モータ取付は板、２８・・・プリント
基板、２９・・・ビス、３０・・・固定部材、３１・・
・電気部品群、３２・・・出力用リード線、３３．３４
・・・透孔、３５・・・カップ型ロータ。 悄１図 第２図 第３ｇ 第４図 第Ｓ図 ？ 第７図 第８図 第９図 手続補正口（自発） 昭和６１年５月／ｊ　日 １、事件の表示 特願昭６１−８５３４号 ２、発明の名称 磁気エンコーダ内蔵直流ブラシレス モータ ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　神奈川県大和市中央林間４丁目９％４号軍ケシ 氏名　株式会社　シニ　−技研 ５−補正の内容 明細書全文を別紙のように浄書する（たｔし内容に変更
なし）。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）カップ型または円筒型のマグネットロータの外周
   面にＮ、Ｓの磁極を微細ピッチで２Ｐ（Ｐは複数の整数
   ）極にラジアル方向着磁した駆動用磁極を形成し、該駆
   動用磁極に対向してステータ電機子を設け、上記マグネ
   ットロータの内面にＮ、Ｓの磁極を交互に微細間隔で２
   Ｐ極にラジアル方向着磁した磁気エンコーダ磁極部を形
   成し、該磁気エンコーダ磁極部に対向して位置検出用磁
   気センサを対向配設した、磁気エンコーダ内蔵直流ブラ
   シレスモータ。
2. （２）上記マグネットロータに形成した磁気エンコーダ
   磁極部は、駆動用磁極と対向するマグネットロータの内
   面に該駆動用磁極と等しい着磁ピッチで且つ駆動用磁極
   と反対の極性の磁極を内面から着磁して形成したもので
   ある、特許請求の範囲第（１）項記載の直流ブラシレス
   モータ。
3. （３）上記駆動用磁極と磁気エンコーダ用磁極とはラジ
   アル方向に両面着磁することで着磁形成したものである
   、特許請求の範囲第（２）項記載の直流ブラシレスモー
   タ。
4. （４）上記磁気エンコーダ用磁極は、マグネットロータ
   にラジアル方向から駆動用磁極を着磁形成することで、
   駆動用磁極の外周に形成された磁極と反対の極性の磁極
   を内面に漏洩させることで形成したものである、特許請
   求の範囲第（１）項記載の直流ブラシレスモータ。