JPS62268377A - ブラシレスリニアモ−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、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１１図は従来の２相ハイブリツド型り：−アステッピ
ングモータの原理図を示すもので、１１１は固定子、１
１２は６■動子コア、１１３は永久磁石、１１４はコイ
ル、１１５は走行輪で、可動子コア１１２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１７／４ピツチずつずれて配置されてい
るので、前記コイル１１４を外部から順序よ（励磁ずれ
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１２図は第１１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。

しかしリニアスうツピングモータは、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
くした場合は、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１３図に示すよう１こ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１３図において、ｅ
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１４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、１４１は固定子、１４
２は可動子コア、１４３は磁石、１４４はコイル、１４
５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１４５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気的に変換し、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１５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１５図において、１５０はブ
ラシレスリニアサーボモータ、１５１は駆動回路、１５
２は電子スケール回路、１５３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問題点 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。

問題点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信号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、 −〇　− （６）　　選択された位ＩＩ￥信号の変化量を出力する
微分手段と、 （７）速度信号上選択された位置信号と、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上
記位置信号の位相を進ませる手段と、（８）進相された
位１Ｉｖｔ信号によって複数個のコイルを付勢する正弦
波＋１’ｌ駆動回路 を備えたものである。

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
信号を進相さぜ、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（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。

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、■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
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、　２
５ｂ、２５ｃは３相の＝１イル、２６は磁気抵抗素子か
らなる非接触センサである。

３０　ａ　、　３０　ｂ　、　３０　ｃ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
ｌＪ器である。３１は進相指令量に応じて３相の位置信
号の位相を進まぜ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。３３　ａ　、　
３３１．）、　３３　ｃ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、３７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夕につい
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、可動子耕極歯が発生
する力を利用するりラフ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ピッヂ電気角で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古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。センサを（ａ）、（ｂ）。

（ｃ）に示すように１ｉｌ’動子磁極歯に対して配置す
ると、各相のトルク分電とセンサ出力との関係は第５図
（ｄ）に示Ａ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　　　ＫＩＩＡ−ｓｉｎθ Ｂ相　　　Ｋ＋−（ｅ−ｓｉｎ（θ−−π）Ｃ相　　　
Ｋ１・ＩＣ−８ｉｎ（θ−−π〉となる。

各相の電流はセンサ信号に比例するのでＩＡ＝Ｋｐ・ｓ
　　ｉ　ｎ　　（θ−−十α）に２：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）＝ＫＩ−に２ｔｓ　　ｉｎ　　（θ−−十（
１）　　＃２　　　π □（１） となる。

従来のブラシレスリニ゛ｒザーポモータは、α−な推力
を発生ずる。

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
→ノ°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
を順序よく選択することができる。

また、Ｆ■変換回路３６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図に進相量の６信号の分布図を示す。センサ信号は
それぞれ反転され、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 −］４− ａ−に３・　ｓ　ｉ　ｎ　（０−−−）ａ＝に３・ｓ　
　ｉ　ｎ　　（０−−−π）とあられせる。

いま電子スイッヂ回路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とずれば（１）式より推力分布は、 Ｆ　（θ　）　　＝−ＫＩＫ２　　・　ｓ　　ｉ　　ｎ
　　ｔ　　β　・　Ｋ３　・　ｓ　ｉ　ｎ（θ−−）　
　ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　−□（２
）となる。

この推力分布は第８図に示すようにβに２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β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となるか、
このときの位置保持点近傍の傾斜は、第８図のβ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、βに３π ｍ−程度にすることにより、位置保持点近傍のＦ一θ特
性を約２倍に上げることができ、外乱に対して位置決め
誤差を小さくすることができる。

さて、進相信吋ａの場合の推力分布と同じようにβに３
−一とした場合のす、ｃ、　ｉ、Ｓ、（Ｌ−の進相信号
が選ばれたときの推力分布を第９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かわかる。

電子スイッヂ回路が外部クロックにより進相用センサ信
号をａ　；’　、Ｃ−ｄ　ｂ　ｉ＝２　ａ　ｊ’：！　
Ｃ≧ｂの順番で可逆的に選ぶように定めておき、現在ａ
の信号が選はれているとすれば、可動子はａで定まる推
力分布Ｆａに従い第９図中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ヂ
回路によりセンサ信号口が選ばれる。これにより可動子
は第０図Ｆｃ−上の０点の正推力かはたらき■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■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１０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１０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１０図（Ｃ）のように位置の微分項に
５Ｓ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ろが
、この進相Ｍ　ｔｒに第２図３８の位ｆ！：微調入力端
子から任意の主１ＥＩ＜６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−β・Ｋ３’　５
ｉｎ（θ−−）＋β−ＫＧとなって推力分布は、 Ｆ　（θ　）　　−−に＋　　Ｋ２　　ｓ　　ｉ　　ｎ
（βに３・Ｓｉ　ｎ　（θ−−−−）＋β・Ｋ　６１　
−一−（３）となり、（２）式の分布からβＫＢだけ位
相がずれた分布になる。従ってｉＥ力０の安定点、即ち
可動子の停止位置を位１６１敦調人力の値により任意に
連続的に変えろことができる。

次に外部の歩進指令の間隔か短くなり、それに従って可
動子のスピードが増して（ると、ＦＶ変換器３６の出力
型ｒＥが太き（なり、この電圧が加算器３７により進相
用位置信吋と加算され、相励の用のセンサ漬けはＸビー
ドの遅い場合より進相量が大きくなる。ｒ＝’　ｖ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相のりラフ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。

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
よ、進相手段と、微分回路と、正弦波型駆動回路を設け
ることにより、整定性がよ（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
アーし一夕が得られる。

【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
明の実施例におけろ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９
図は実施例の推力分布を示す図、第１０図はダンピング
部分を説明する図、第１１図は従来のリニアステッピン
グモータの１９理図、第１２図は第１１図のモータの推
力分布の図、第１３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１４図は従来のブラシレスリニ
アサーボモータの構造図、第１５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、２，１１２．１４２・・
・・・・可動子コア、３・・・・・・磁石、４，１１４
．１４４・・・・・・コイル、５，２６・・・・・・非
接触センサ、３１・・・・・・進相回路、３２・・・・
・・正弦波型駆動回路、３３・・・・・・電子スイッチ
回路、６１・・・・・・可逆カウンタ、６２・・・・・
・デコーダ、３６・・・・・・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（図 １−一一固定チ 第２図 ２０−一一七一）部 第３図 第４図 第６図　、 第７図 第Ｓ図 第９図 第１０図 第１１図 第１２図 第１４図 第１５図 廂争パル人

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、上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、選択された位置信号の変化量を出力す
   る微分手段と、上記速度信号と選択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、上記位置信号の位相を進ませる進相手段と、上
   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
   。