JPS6292793A - 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、直接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ている。これら
の機器の駆動源としてはデジタル的な位置決め可能なモ
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９図は従来の２相ハイブリツト型リニアステツピング
モータの原理図を示すもので、９１は固定子、９２は可
動子コア、９３は磁石、９４はコイル、９５は走行輪で
ある。

可動子の磁極歯群はそれぞれ１／４ピツチずつずれて配
置されているので、前記コイル９４を外部から順序よ（
励磁すれば、可動子はコイル通電の状１徐により位置を
かえて歩進する。第１０図は、第９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
がりが遅れて、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」二げる為、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
数が上がる為その影響が太き（出ていた。

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１１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、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図
であり、特発■μ５７−４６６７０号公報に記載のモー
タである。図において、１１１は固定子、１１２は可動
子コア、１１３は磁石、１１４はコイル、１１５は非接
触位置センサである。

以上のように構成されたブラシレスリニアサーボモータ
では、非接触位置センサ１１５により、固定子磁極歯の
凹凸を検出しているので、その位置信号をもちいて最適
用のコイルを励磁することにより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
的に処理し、磁極歯ピッチより細かなエンコーダ信号を
得ている。

次に第１２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１２図において１２０はブ
ラシレスリニアサ−ボモータ、１２１は駆動回路、１２
２は電子スケール回路、１２３は偏差ノノウンタを含む
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
ル位置指令に従がって高速運転でき、かつ位置決め特性
を得ることができるが、制御系の回路規模が大きくかつ
高価である々いう欠点をもっている。

発明が解決しようとする問題点 上記のように、リニアステッピングモータは、高速運転
できな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ちっていた。

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、高速性をちったブラシレスリニアモータを
提供するものである。

問題点を解決するだめの手段 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た凹凸の磁極
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
ｍ群を１脂えた可動子コアと、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ｍ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
出力する複数個の非接触センサと、 Ｃ４）　　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
号数により多相の位置信号を順序よく選択する電子スイ
ッヂ一手段と、 （６）速度信号と選択された位置信号の加算値に比例し
た値を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、 （７）進相された位置信号によって複数個のコイルを付
勢する駆動回路をそなえたものである。

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応じて進相させ進
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
速回転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サーボモータ
について図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の第１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、１は磁
性体表面に磁極歯がきざまれた固定子、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ｍからなる３
つの磁極歯群を（祷えた可動子コア、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よりなる非接触セン
サ、６は走行輪である。

第２図は、第１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、２４ａ、２４ｂ、２４ｃは３相のコイル、２
５は非接触センサである。

３０ａ、３０ｂ、３０ｃは上記非接触センサの３相位置
信号出力をそれぞれ増巾する位置信号増巾器である。

３１は進相指令量に応じて３相の位置信号の位相を進ま
せる進相回路で、３２は３相モータのコイルに進相され
た位置信号の極性の変化に応じて電流を流す３相全波型
短形波駆動回路である。

３４ａ、３４ｂ、３４ｃは３相の位置信号を反転する増
巾器である。３３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。

３６は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）回路で、３７は加算器であり、３８
ａ、３８ｂ、３８ｃは位置信号を短形波に変換する波形
整形回路である。また３９は進相バイアス電圧である。

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。

第３図は本実施例のブラシレスリニアモータのコイル結
線図と、モータの推力分布を示すものである。

第３図（ａ）のようにコイルには一定電流が■〜■のよ
うに切り替わって流れる。このとき固定子、可動子間の
空隙の磁気抵抗と、磁束密度分布が可動子の進行方向に
対して正弦波状に分布しているとすれば、第３図（ｂ）
のように各相推力は進行方向に沿って固定子の磁極歯ピ
ッチＬを周期とする正弦波状の分布となる。

通常のブラシレスタイプリニアモータでは、固定子の位
置を検出する非接触センサの位相を調整し、第３図（ｃ
）のような連続的な推力を得るが、本発明のブラシレス
リニアモータでは、第３図（ｄ）のような推力分布にな
るよう非接触センサの位置を調整する。このような通電
タイミングでコイルを励磁すると、可動子は移動せず通
電相によって決まる位置に保持され、位置決め特性をも
つことになる。

最初に基本的な１相分のセンサ信号と推力分布の関係を
第４図を用いて説明する。

非接触センサ４３に磁気抵抗素子を用いた場合、センナ
出力は磁気抵抗の変化に応じて第４図（ａ）のように略
正弦波状の信号になる。可動子磁極歯４１と、固定子磁
極歯４２との位置関係が第４図（ｂ）の場合は吸引力が
動いているときの安定点で推力はＯである。第４図（ｃ
）の場合は反発力が働いているときの安定点でこれも推
力はＯである。推力最大時の詣の位置関係は第４図（ｄ
）で、吸引力が働くときは可動子には左方向への推力が
発生し、反発力が動くときは右方向へ推力が発生ずる。

センサ信号の極性に従ってコイル電流をＯＮ−〇ＦＦす
る場合、従来のブラシレスリニアモータのように連続的
な推力を発生するには第４図（ｅ）Ａのように非接触セ
ンサー相分のエレメント中心が、可動子磁極歯の凹凸の
中心から１／４ピツチずれた位置になるようにセンサを
配置すればよい。

本発明のブラシレスリニアサーボモータのように、位置
決めの特性を得るには、第４図（ｂ）、（ｃ）の関係の
ときに通電期間の中心がくればよいので、第４図（ｅ）
Ｂのように非接触センサー相分のエレメント中心と可動
子磁極歯の凹凸の中心が一致するように配置すればよい
。

このとき各相の発生推力と各相のセンサ出力は１／４ピ
ツチずれた関係になる。

進相回路３１は略正弦波状の３相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、指示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との乗算による方法等で得
られる。センサ信号は相励磁用の信号として進相回路３
１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３３に入力される。

電子スイッチ回路３３は、第５図に示すように６進の可
逆カウンタ５１と、カウンタの出力により６つの信号か
ら１つを選択するデコーダ５２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つの位置
信号を可逆的に順序よく選択することができる。

また、ＦＶ変換回路３６は、センサ信号の変化から可動
子の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
の動作を第６図にて説明する。

第６図（ａ）は３相Ａ、Ｂ、Ｃに一定電流を流したとき
の推力分布を示す。

（ｂ）は可動子磁極歯凹凸の中心に配置された各相のセ
ンサの出力信号を示している。前述したように推力分布
とセンサの出力波形は１／４ピツチずつずれている。

第６図（ｃ）は第３図（ａ）のように結線された３相全
波駆動の場合の各励磁モードの推力分布であり、各２相
トルクの合成値となっている。

センサ信号はバイアス電圧により速度Ｏのとき電気角で
３０”（ｃ／１２）遅相されており、波形整形回路３８
ａ、３８ｂ、３８ｃにより短形化され、第６図（ｂ）に
示す波形になる。これが駆動回路に入力され、内部のロ
ジック回路により各相コイルの通電方向と期間を決める
第６図（ｅ）に示す波形が合成されこれに従ってコイル
電流が流れる。

いま、第６図（ｃ）の安定点１、ＡＣの推力が発生する
ように励磁されているとき、電子スイッチ回路３３によ
り第６図（ｃ）の位置信号■が選択されるようにしてお
く、この状態で外部からの歩進指令がないときは、ＡＴ
：のトルク曲線により可動子は同位置を保持する。正方
向歩進パルスが１パルスずつ入るに従って電子スイッチ
がセンサ信号■→ａ＋τ→ｌ）−＋２１　＋Ｃ→πを次
々に選択するようにしておけば、上記■が選ばれて安定
しているときに正方向指令の１パルスが入ると進相量の
センサ信号はａに切り替わり、進相指令電圧として第６
図（ｂ）のａ上の２の点の正電圧が出力される。この２
点の電圧によって相切り替え用センサ信号が電気角で３
０“以上９０°以下の進相をするように進相回路３１の
電圧−進相角度係数を定めておけばコイルの励磁相がσ
Ｂに切り替わり、正方向の推力が発生し可動子は正方向
に始動する。

しかし回転に従って進相量センサ信号ａのレベルは小さ
くなり、相切替センサ信号の進相量も少な（なるので、
次の励磁モードであるＢＴに切り替わることなく？ｍＢ
の推力分布に従って第６図（Ｃ）の３で安定する。安定
点３ではセンサ出力ａによる進相量はＯである。

この状態で次の正方向指令パルスが１パルス入れば、進
相用センサ信号τが選択され同じように次の安定点へ移
動する。第６図（Ｃ）２の状態で逆方向指令パルスが１
パルス入ると、電子スイッチ３３内の６進カウンタ出力
は１つ前の状態へ戻り進相用セン→ノ・信号五が選択さ
れる。

このとき■のレベルは負であるので相切り替えセンリー
信号は遅相され、ＡＵのモードが選択され逆方向のトル
クが働き１点で安定する。

以」二のように、外部の歩進パルスに応じて１ステツプ
ずつ指令の方向に移動することがわかる。

次に外部の歩進指令の間隔が短（なり、それに従って可
動子のスピードが上がってくると、ＦＶ変換回路３６の
出力電圧が大きくなり、この速度電圧が加算器３７によ
り進相用速度電圧と加算され、相励磁用センサ信号は、
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な値にすれば第６図（ｃ）の推力分
布のようにピーク点に近い連続的な推力を発生すること
ができ、さらに進相により早めにコイル励磁を切り替え
てスイッチング周波数の増加にともなうコイル？Ｅｉ　
Ｍｉの立ち上がり遅れをカバーして高速の運転をするこ
とができる。

以上のように本実施例によれば、表面に一定のピッチで
きざまれた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、固定子磁極歯の凹凸を検出し
略正弦波状の位置信号を出力する非接触センサと、速度
検出手段と電子スイッチ手段と、進相手段と駆動回路を
設けることにより、歩進機能と位置決め機能をもち、高
速で運転する廉価なブラシレスリニアモータを得ること
ができる。

以下本発明の第２の実施例について図面を参照しながら
説明する。

第７図は本発明の第２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。

同図において、７０はモータの機構部でこの部分は第１
の実施例と同様のもので、７１は固定子、７５ａ、７５
ｂ、７５ｃは３相コイル、７ｂは非接触センサである。

また、８１は進相回路、８３は電子スイッチ回路、８４
ａ、８４ｂ、８５ｃは反転増巾器、８６はＦ■変換器で
あり、以上の電気回路部も第２図の構成と同様なもので
ある。

第２図の構成と異なるのは、波形整形回路と、進相バイ
アス電圧となくシ、駆動回路８２と３相全波圧弦波駆動
回路とした点である。正弦波駆動回路の場合、位置セン
サの出力に応じた略正弦波状の電流がコイルに流れるの
で、固定子、可動子対向面空隙の進行方向に対する磁束
分布を正弦波と仮定した場合、推力は次式で表せる。

π Ｆ＝に＋ｌｓ；ｎθ・５ｉｎ（θ十−＋α）＝　　　Ｋ
　ｌ　ｓ　ｉ　ｎα 但し、Ｆ：推力 ２π θ−−ｘ　　（＋ｘ：移動距離） α：位置信号の進相角度 Ｉり１：定数 連続的な推力を発生する通常のブラシレスリニアモータ
の場合は、α＝−一のときに相当し、Ｆ’＝１．．５に
＋となり、正弦波駆動ではリップルのない一定の推力が
得られる。

本発明の場合、第２図や第７図に示す構成により、位置
信号はセンサ自身の信号により進相される。本実施例で
は進相量は電子スイッチ８３がら出力され、進相指示電
圧はＶＳ＝−に２・ｓｉｎθで与えられる。

但し、Ｋ２：定数（センサ信号のピーク値）この指令電
圧をうけ、進相回路８１は、３相の位置信号を全体的に
α＝十に２・β・ｓｉｎθだけ進相させる。但し、β＝
進相回路の係数。

従って、本発明の第２の実施例の推力分布は［；’　＝
　−−Ｋ　Ｉ　−５ｉｎ　（ｉ（２βａ　ｓｉｎθ〉と
なる。

この曲線を第８図に示すが、Ｋ　２βの値により分布形
状がかわることがわかる。

Ｋ２β与１で安定点付近のＦ−θ特性は推力が正弦波分
布をしている場合にほぼ等しい。Ｋ２βを太き（してい
くと安定点付近の推力傾斜は、正弦波分布に比べて大き
くなり、安定点付近の推力分布が一定の略正弦波状であ
る第１の実施例のブラシレスリニアモータや、リニアス
テッピングモータに比べ任意に大きなＦ−θ特性を得る
ことかでき、種々の外乱がある場合の位置決め精度を良
（することができる。

また、位置微調信号入力端子３７より任意の進相指令電
圧に３を加えると、進相指令信号はＶＳ＝　（Ｋ３−に
２βｓｉｎθ）となり推力分布はｐ　−−Ｋ　Ｉ　−５
ｉｎ　（Ｋ　２βａ　ｓｉｎθ−に３β）となって前述
の位置微調入力がない場合の推力分布より位相がずれた
分布になる。

従って、ドルクロの安定点即ち可動子の停止位置を位置
微調入力の値により任意に連続的に変えることができる
。

以上のように、本発明の第２の実施例では第１の実施例
における３相全波矩形波駆動回路を３相全波圧弦波駆動
回路にし、位置微調入力端子から人力される信号を進相
指示量に加算することにより、第１の実施例の効果に加
えて、可動子の停止点付近の推力傾斜を増して位置決め
性能を向とし、かつ可動子停止位置の連続的な位置微調
整ができるという効果が得られる。

尚、実施例では３相コイルのブラシレスリニアモータと
しているが、他の２相以上のブラシレスモータとしても
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
検出手段と外部からの歩進入力を受けつけ進相用位置信
号を切り替える電子スイッチ手段と、指令量により位置
信号を進相さぜる進相手段と、コイルを付勢する駆動回
路を設けることにより、位置決め機能をもち、外部の歩
進パルスに同期して高速に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。さらに駆動回路を正弦波駆
動回路とすることにより、高い位置決めの精度が得られ
、可動子位置の連続的な微調整ができるというすぐれた
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における構造図、７谷２
図は本発明の第１の実施例における電気回路のブロック
図、第３図は本発明の第１の実施例のコイル結線図とモ
ータの推力分布を示す図、第４図は第１の実施例のセン
サ位置を説明する図、第５図は第１の実施例の電子スイ
ッチ手段の構成図、第６図は第１の実施例の歩進動作時
の推力分布を示す図、第７（Ａは本発明の第２の実施例
の電気回路のブロック図、第８図は第２の実施例の推力
分布を示す図、第９図は従来のリニアステッピングモー
タの原理図、第１０図は第９図のモータの推力分布を示
す図、第１１図は従来のブラシレスリニアサーボモータ
の構造図、第１２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。 Ｌ、２Ｌ　７１・・・・・・固定子、２・・・・・・可
動子コア、３・・・・・・磁石、４．２４ａ、２４ｂ、
２４ｃ、７５ａ。 ７５ｂ、７５ｃ・・・・・・コイル、５．２５．７６・
・・・・・非接触センサ、２０．７０・・・・・・モー
タ、３１．８１・・・・・・進相回路、３２・・・・・
・駆動回路、３３．８３・・・・・・電子スイッチ回路
、５１・・・・・・６進可逆カウンタ、５２・・・・・
・デコーダ、８２・・・・・・正弦波型駆動回路。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名１−・−固
定子 ４−　　コ　　イ　　、し ５−・・」目各絃２ンリ ２０−＝七　　−夕　番ｐ 第２図　　　　３１゛−隨粗回発 ３２−る区　４Ｉｂ　　回　洛 第３図 Ｃン ｄ） ５２−・デ　コ　−　ダ ・含　　　　　　　　し−−−−−−−一−−−−−−
−−第６図 ７０−モータ ７６一非率収辺ンす ／：ｌＣ 第８図 ：５ｉｎ（に２Ｊ３　・Ｓｉｎ　Ｉ９）　ｆｌＥＪ　８
第９図 第１０図 第１１図 （ａ） １１］ （ｂ） 第１２図 １ンＵ

Claims (2)

【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複数
   個の非接触センサと、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、前記速度信号と選
   択された位置信号の加算値に比例した値を進相量として
   、前記位置信号の位相を進ませる進相手段と、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駆
   動回路を備えたブラシレスリニアモータ。
2. （２）駆動回路は、正弦波全波駆動型回路により構成さ
   れ、速度信号と選択された位置信号と外部からの指令量
   との加算値に比例した値を進相量として位置信号の位相
   を進ませる特許請求の範囲第１項記載のブラシレスリニ
   アモータ。