JP4103018B2

JP4103018B2 - サーボモータ

Info

Publication number: JP4103018B2
Application number: JP24791798A
Authority: JP
Inventors: 武文椛島; 智弘松尾; 一成松崎
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2018-09-02
Also published as: JP2000078809A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石型の同期サーボモータ、とくに磁気エンコーダを内蔵した小型のサーボモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、サーボモータは、エンコーダ部をサーボモータの軸端に別体として取り付けたものがあり、その全体構成は、図９に示すブロック図のようになっている。すなわち、モータ１に付設した回転位置や速度を検出するエンコーダ２の信号を信号処理回路３により行い、その出力を制御回路４にフィードバックし、モータ１をコントロールするものである。制御回路４はそれぞれ速度演算回路４１、位置アンプ４２、速度アンプ４３、電流アンプ４４、パワー回路４５、電流センサ４６により構成されている。
エンコーダ２の方式として主に磁気式のものと光学式のものとがある。磁気式の例として、符号板を多極着磁した永久磁石とし、その近傍に永久磁石の漏れ磁束を検出する磁気センサをもうけたものがある。検出精度に応じて多極着磁した永久磁石のパターン列を増加させ各パターン列にそれぞれ磁気を検出する磁気センサをもうけている。
一方、光学式の例として、図８に示すような構造のものがある。これは、モータ１の軸端に別体のエンコーダ２を直列に結合したものである。ＬＥＤ２３１からの光を符号板であるスリットを刻んだ回転スリット板２３３に照射してＰＤ（フォトダイオード）２３２で受光し、光電変換することにより回転位置や回転速度を検出している。
また、光学式の他の例として、ＬＥＤやＰＤを用いずに光ファイバーと回転スリット板で構成し、スリット部分に光ファイバーから導いた光を照射して、その反射光を光ファイバーで受光し、スリットの有無による反射光の光量の変化を光電変換することにより回転位置や回転速度を検出しているものもある（精密工学会誌vol.63,No.8,p1075,1997）。この構成のうち光量検出部や光電変換部は大きくなるため外部に配置している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のサーボモータは、磁気式または光式のエンコーダとも別体になっているため、小型化に限界がある。磁気式では精度を上げようとすれば、符号板である磁石のパターン列が複数必要であり、このため軸長が長くなる。また、光式においても、回転スリット板のスリットの寸法、ＬＥＤやＰＤの寸法の小型化は、数ｍｍが限界でこれ以上小さくできない。精度を上げようとすれば、符号板のスリットとこれに対応する光ファイバーも増加させねばならず、小型化はできない。また、磁気式または光式のエンコーダとも部品点数も多いので、製作コストも高いという問題がある。さらに、エンコーダ部の体積がモータ部と同等以上の大きな体積となっているので、単位体積当たりのトルク、すなわち、トルク密度も小さいという問題がある。
そこで、本発明は構造が簡単で、コストが低く高性能・高トルク密度の超小型サーボモータを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、電機子コアおよび電機子コイルを有するステータと前記ステータの内径側に空隙を介して設けた永久磁石を有するロータとからなるモータと、前記ロータの回転位置を検出するエンコーダとを備えたサーボモータにおいて、前記ロータの永久磁石は回転軸と直角方向に着磁された２極の磁極をもつ直線異方性を有した磁石であり、前記エンコーダは前記ロータの磁界を検出する磁気センサを用いた構成にしている。
また、前記磁気センサを周方向に９０度間隔で４個配置し、互いに１８０度の位置で対向する磁気センサ間の信号の差動をとるようにしてもよい。
また、前記磁気センサを前記ロータの軸方向の端部または中央部のいずれかに配置してもよい。
また、前記磁気センサがホール素子または磁気抵抗効果素子にしてもよい。
また、前記永久磁石は、フェライト系、Ｓｍ−Ｃｏ系またはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系のいずれかにしてもよい。
上記構成により、簡単な構造で、高性能・高トルク密度の超小型サーボモータを得ることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の実施例を示すサーボモータの断面図、図２は図１Ａ−Ａ’線における断面図である。図において、１１はステータ、１２はフレーム、１５はロータ、２は磁気式のエンコーダである。本発明のサーボモータは、２極、２相、４スロットの構造であり、ステータ１１とエンコーダ２とを結合しその両端面にフレーム１２を固定し、ロータ１５はフレーム１２の軸受１８で保持している。ステータ１１は、電機子コアが磁性材料からなる突極部１３と、突極部１３の周囲に巻回した電機子コイル１４からなる。ロータ１５は回転軸１６の周囲に固定した永久磁石１７からなる。永久磁石１７は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系からなる直線異方性の磁石を用い、ステータ１１の突極部１３の軸方向の長さより長くしてある。そして、軸と直角方向にＮ極とＳ極の２極に着磁してある。エンコーダ２は、永久磁石１７を発磁体とし円形状のセンサホルダー２１とその内側に設けた磁気センサ２２とからなる。センサホルダー２１は、プラスチック板の絶縁材からなる。磁気センサ２２は、４個のホール素子２２１〜２２４からなりセンサホルダー２１の内側に９０度の間隔で固定されている。なお、フレーム１２の材質は特に限定されるものではないが、モータ寸法が特に小さい場合は、磁性体を用いた方が波形ひずみがなく、ノイズも遮断されるため、精度はさらに向上する。
つぎに、動作について述べる。
電機子コイル１３に図示しない電源から電圧を印加すると、ロータ１５が回転する。ホール素子２２１〜２２４に永久磁石１７の漏れ磁束が作用する。図３に永久磁石１７から発生する漏れ磁束の磁束分布を示す。永久磁石１７は回転軸と垂直に着磁されているため、漏れ磁束は円周方向に連続的に分布している。ホール素子２２１〜２２４からの信号は、図４に示す信号処理回路で処理される。信号処理回路３は、１８０度対向するホール素子２２１と２２３の信号Ｖ_a1、Ｖ_a2を差動アンプ３１により、２２２と２２４の信号Ｖ_b1、Ｖ_b2を差動アンプ３２によりそれぞれ差動をとりＡ相、Ｂ相の信号Ｖ_a、Ｖ_bとして信号処理するようにしている。差動アンプ３１、３２によって互いに９０度位相がずれたｓｉｎθとｃｏｓθの２つの正弦波波形が得られる。図５にＡ相、Ｂ相に２つの正弦波波形を示す。つぎに、Ａ相、Ｂ相の出力信号を角度演算回路３２３に入力すると、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｖｂ／Ｖａ）の演算が行われ絶対位置の角度が検出できる。図６は高精度の基準エンコーダ（分解能１００万パルス／１回転）の回転角度θに対する本実施例の検出角度および検出誤差を示している。この図から回転角度θは０．１％の精度で検出できることが分かる。すなわち、この出力値から回転角を知ることができるので、設定値とのずれ量をフィードバックしてロータ１５の位置を制御することができる。ロータ１５の位置に応じてＡ相，Ｂ相に駆動電流を流し、発生する回転磁界とロータ１５との磁気力によりモータ１に回転力を与える。なお、ロータ１５が偏心して回転しても、Ａ相とＢ相は互いに１８０度位相がずれたＡ₁相とＡ₂相およびＢ₁相とＢ₂相の差動をとるので、偏心量は相殺される。
エンコーダの検出出力を測定した結果、小型で簡単な構造にもかかわらず、１回転３２０００分割した検出精度の高い絶対位置信号が得られた。一方、駆動トルクを測定した結果、エンコーダを別体とした従来のサーボモータより、トルク密度（トルク／体積）が２００％強まで向上した。
図７は本発明の他の実施例を示すサーボモータの断面図である。
本実施例は、磁気センサ２２の取り付け位置をロータ１５の軸方向の中央部に設置したものである。同じ形状のステータ１１を２個作製して直列に合わせ、その間に磁気センサ２２を固定したセンサホルダー２１を結合させている。磁気センサ２２として４個の磁気抵抗効果素子を用い、永久磁石１７としてＳｍ−Ｃｏ系の材質を用いた。他の構成は前述の実施例と同じである。
エンコーダの検出出力およびを駆動トルクは、前述の実施例と同様に良好な結果であった。本実施例では、エンコーダ２をモータ１の中央部に配置したので、永久磁石１７の発生する磁界が均一で安定し、その結果さらに検出精度が向上したものと考えられる。
なお、本実施例ではモータの構造を２極、２相、４スロットとしたが、これに限定されるものではなく、極数を３相とし、コイル数およびスロット数も３個、６個、８個と増してもよい。また、電機子コアを突極構造を持たないリング状の構造のものでもよい。
また、永久磁石１７にＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系およびＳｍ−Ｃｏ系の直線異方性磁石を用いたが、モータ寸法が比較的大きいものでは、フェライト系の磁石を用いてもよい。また、Ｓｍ−Ｃｏ系またはＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の材料を高分子材料で結合した分散複合型の磁石を用いてもよい。
【０００６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によればロータの永久磁石に直線異方性の磁石を用い、これを回転軸と直角方向に２極に着磁し、この永久磁石の一部の漏れ磁束を検出して位置検出を行う構成にしたので、構造が簡単で、コストが低く高性能・高トルク密度の小型サーボモータを得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のサーボモータを示すの断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】本発明のサーボモータに用いた永久磁石の磁束の分布を示す磁束分布図である。
【図４】本発明の実施例に用いた信号処理回路を示すブロック図である。
【図５】本発明に用いた磁気エンコーダのＡ相、Ｂ相の波形図である。
【図６】本発明に用いた磁気エンコーダの回転角度に対する磁束密度を示す波形図である。
【図７】本発明の他の実施例を示すサーボモータの断面図である。
【図８】従来のサーボモータを示す断面図である。
【図９】サーボモータの全体構成を示す制御ブロック図である。
【符号の説明】
１モータ
１１ステータ
１２フレーム
１３電機子コア
１４電機子コイル
１５ロータ
１６回転軸
１７永久磁石
１８軸受
２エンコーダ
２１センサホルダー
２２磁気センサ
２２１〜２２４ホール素子
２３光センサ
２３１ＬＥＤ
２３２ＰＤ（フォトダイオード）
２３３回転スリット板
３信号処理回路
３１，３２差動アンプ
３３角度演算回路
４制御回路
４１速度演算回路
４２位置アンプ
４３速度アンプ
４４電流アンプ
４５パワー回路
４６電流センサ

Claims

電機子コアおよび電機子コイルを有するステータと、前記ステータの内径側に空隙を介して設けた永久磁石を有するロータと、前記ロータの回転位置を検出する磁気式エンコーダとフレームを備えたサーボモータにおいて、
直線異方性を有する円筒状の永久磁石を回転軸と直角方向に２極に磁化し、前記円筒状永久磁石の一部を前記ロータの永久磁石として用いるとともに、前記円筒状永久磁石の一部を前記磁気式エンコーダの発磁体として用いたことを特徴とするサーボモータ。
前記磁気式エンコーダを、前記発磁体と磁気センサと前記磁気センサを設置した円形状のセンサホルダーから構成し、前記ステータと前記フレームの間に前記センサホルダーを配置したことを特徴とする請求項 1 記載のサーボモータ。
同形状のステータを２個直列に合わせて前記ステータを構成し、前記磁気センサを設置した円形状のセンサホルダーを、前記２個の同形状ステータの間に配置したことを特徴とする請求項 1 記載のサーボモータ。