JPH02246757A - キャパシティブ的に整流されるブラシレスdcサーボ モーター - Google Patents

キャパシティブ的に整流されるブラシレスdcサーボ モーター

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JPH02246757A
JPH02246757A JP1306763A JP30676389A JPH02246757A JP H02246757 A JPH02246757 A JP H02246757A JP 1306763 A JP1306763 A JP 1306763A JP 30676389 A JP30676389 A JP 30676389A JP H02246757 A JPH02246757 A JP H02246757A
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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】 え胛免狭歪方1 本発明は一次元及び二次元の両方に精密な運動か可能て
、このために線形、ロータリー、プレーナー及び円筒状
のアクチエータを形成する効率的なツラシレスDCサー
ボモーターに関する。
1帆例狡血剪11 電動モーターの分野においては、ブラシレス設計か有望
であることが知られている。これに関しては、著書り、
C,モーター、゛ コントロール′ −0システム(D
、C,1lotors、S eed Controls
and 5ervo S stems ) 、第6章、
エレクトロ クラフト社(Electro−(:raf
t Corporation ) 、ホプキンズ(Ho
pkins ) 、 MN (1980年)を参照する
こと、これらモーターは、典型的には、ホール効果()
fall effecL ) III気センサーを、モ
ーター シャフトに適当に取り付けられた永久磁石と共
に、モーター巻線に対する整流情報を提供するために採
用する。これら広く使用されている一次元ロータリーモ
ーター設計はまた光学あるいは磁気センサーを使用する
。1985年4月2日付けでN、ワカハヤシ(N、1l
akabayashi)らに交付された合衆国特許第4
゜509.001号、或は、1986年10月21日付
けてJ、イシーシャロム(J、Ish−3halom)
に交付された合衆国特許第4,618,808号に示さ
れるような一次元火玉1 アプリケーションに拡張され
ている。これら全てのケースにおいて、この位置センサ
ーは、モーター自体に硬直に取り付けられ、そ−ターの
電機子に対して正確に位置決めされた追加の要素である
。これに加えて、先行技術によるどのブラシレスDCモ
ーターも一方向以外を任意的な大きな距離を通して自由
に移動することはできない。
他方、ステッピング モーターと呼ばれる異なるクラス
のモーターか存在する。これに関しては、ビンセント 
デル トロ(Vincent Del Toro)らに
よる著書、「゛ マシーン  パワー システム(El
ectric Machine and Power 
Systems) J 、ベージ433ff、プレンテ
ィス ホール(PrenLicellall ) 、エ
ンジェルウッド クラス(EnglewoodClif
fs) 、 N、 J、 1985年を参照すること。
これらモーターは、モーター位置か逐次電気ドライビン
グ信号と調和して増分的に進む開ループ デバイスであ
る。このタイプのモーターは、1972年7月18日付
けでB、A、ソウヤー(B、A、Sawyer)らに交
付された合衆国特約−No、RE27,436号に示さ
れるように1、任意の距離を通して平坦な表面」−を完
全な二次元連動を提供するように拡張されている。また
、このようなステッピング モーターからモーターの位
置を磁気的(但し、現時点においては二次元)に測定し
、この情報をモーター巻線を整流すために使用すること
によって真の二次元ブラシレスDCモーターを作る試み
が幾つか見らnる。但し、今日に至るまで、これらスキ
ームは、実現か困難で、複雑であり、商業的に有望なこ
のタイプのモ−ターは報告されてない、これに関しては
、1974年12月24日付けでB、A、ソーヤ−(B
、A。
Sawyer)らに交付された合衆国特許第3,857
゜078号を参照すること、これら試みにおける一つの
大きな問題は、二次元整流(位置)情報を迅速に正確に
、しかも、片方向のモーションか直角方向に得られる位
置情報を妨害することなく決定することの困難さである
但し、二次元の位置決定に対する異なるスキームか存在
し、これがこのタスクに有効であることが発見された。
これは適当に設計された電極アレイと適当にパターン化
された二次元表面の間のキャパシタンスの測定による方
法である。これに関しては、当山願人による1988年
5月24日付けて申請された未決の特許請願第197,
800号、「キャパシタンス エンコーダーの挿間(I
nterpolaLing Capacitive E
ncoders ) Jを参照すること。
本発明の一つの目的はこのキャパシタンス位置検出スキ
ームを一次元及び二次元アクチュエータの両者に適用す
ることである。
単方向(unidirectional)ドライビング
電流を使用する可変リラクタンス モーターに固有のも
う一つの問題は、各々の巻線内に存在する蓄蹟された磁
気エネルギーをターン オフの瞬間に散逸する問題であ
る。この問題は、そ−ターが細かな磁気ピッチを使用し
、高速度にて移動する場合は、悪化され、このため迅速
なインダクター スイッチング動作か必要となる。
0■変リラクタンス モーターに対するエネルギー回復
スキームは存在するか、先行技術によるアプローチの幾
つかは、意図される結果を達成するためにモーター電機
子上に別個の複数の巻線を必要とする。これに関しては
、例えば、「電気自動車用の可変リラクタンス モータ
ー(Variable Re1uctance鋪oto
rs for ElecLric Vechicles
 ) J 、 N A S ATECH,BRIEF、
Vo’1.II、No、10゜Item  113.J
PL発明報告N0P−169931SC−1444,J
、H,ラング(J、ll。
Lang)及びN、L、チャルフィン(s、t、cha
lfin )(1987年lO月)を参照すること。こ
の別個のモーター巻線はモーターの他の品質に悪影響を
与える。
本発明のその他の目的は、ターン オフ プロセスの速
度の向−ヒ、及び次のモーター巻線内のターンオン プ
ロセスの速度の向上の両者を達成し、更に、一つのモー
ター巻線内の崩壊電磁場がこれによって生成されるハ・
ンクー6 mf (back−emf)をスイッチ オ
ンされるべき次のモーターの巻線に供給される電圧を一
時的に高めるために使用し、更に、これらの全てを余分
のモーター巻線無しに達成し、これら全てを可逆三相モ
ーターに適用することにあるか、これらが、バックe 
m f効果を使用することによってステッピング モー
ターの電磁スイチッンク速度を向にさせることを狙った
先行技術による1969年12月付けでG、W、パン 
クリープ(GJ、Van C1eave)に交付された
合衆国特許第3゜488.096号及び1985年8月
6日付けでJ、J、ロジャーズ(J、J、Rogers
)らに交付された合衆国特許第4,533,861号に
開示されるのとは異なった方法にて達成される。後者の
二つの先行技術によるスキームは方向の逆転を含む三相
モーターを扱うのは困難である。
l肌坐盟1 本発明によると、ブラシレスDCモーター動作か本発明
の全ての実現において、モーターの電機子と固定子の相
対位置なRFキャパシタンス測定によって決定し、この
情報をモーター巻線へのドライブ電流を制御するために
使用することによって達成される。このキャパシタンス
測定は、別個の電極構造を利用するか、或は、このモー
ターの好ましい実施態様において見られるように、モー
ターの強磁性コア自体をキャパシタンス検出要素として
使用することによって達成される。後者の場合は、外来
の位置検出要素を必要としない自己整合された(sel
f−aligned)コンパクトな設計を与える。
モ坦な正方形のエア ベアリング(air beari
ng舎・考プレートのエツジに沿って搭載された4つの
このようなキャパシティブにて整流されたりニアサーボ
 モーターを使用することにって、真の二込元サーボ 
モーターか得られる。この平面、例えば、工場のアセン
ブリー ワーク ステーション内で動作できる二次元サ
ーボ モーターを、さらに修正することによって、同一
のアクチュエーター内で同時的及び独立した回転及び軸
変換を提供する二次元パタ−ン−モーターを得ることが
可能である。
これらモーター構造の全てがこれら自体高速のモーショ
ンを与えるが、これは上に説明の周知の複数位相モータ
ー動作の問題を提起する。つまり、モーター巻線内の電
磁場を迅速にまたシーケンスにてスイッチングすること
が困難になる。この問題は、ターン オフされる巻線内
のエネルギーをターン オンされる次のモーター巻線に
速やかに移すか、或は、これを電源に戻す本発明による
バシブ システムにて解決される。このエネルギー移転
スキームは任意の数の位相を持つモーターに対して使用
でき。
更に、自動的にモータ一方向の反転を扱うことかできる
この方法はより具体的には新規のダイオード結合自動変
圧器スキームを使用する。これは、各々の誘導性巻線の
迅速なターン 才プを可能とし、更に、本質的に全ての
利用できる蓄積された磁気エネルギーをドライビング電
源或は他の蓄積デバイスに各々のターン オフ遷移の際
に効率的に戻す。更に、この変圧器システムはこれを使
用可能なモーター巻線空間を余ったく浪費することなく
達成する。
当用願人によるトに引用の未決特許においてスプリアス
 キャパシタンスの効果を回避するために使用されるの
と同一の技術をモーター自体内に使用することも可能で
ある。
本発明のこれら及びその他の長所は、図面の簡単な説明
から一層、明白となるものである。
見−廉−1 本発明の好ましい実施態様の基本フオームが第1図に示
さ7れる。
ここでは、3つの電気的に分離されてはいるか、同一の
強磁性コア1,2.3が均一な二次元パターンのホール
を含む平坦な電気的にアースされた強磁性プレート4の
すぐ上に搭載される。各々のコアは別個のl:l二1:
lマルチフィラーRF変圧器8Lの巻き線5,6.7に
接続され、この−次巻線9はRF発振器10によってド
ライブされる。この三つのコアは、各々がこれらの中央
レウグ(第1図においては簡潔のために省略されている
が、第8図には示される)上に一つの巻線を含み、三つ
の全てのコアは特定の間隔にて互いに機械的に硬直に取
り付けられている。この構成は、可変リラクタンス リ
ニア モーターを構成するか、ここで、アレイの強磁性
コア(電磁石)か強磁性プレート、つまり”プラテン”
のすぐ上のエア ベアリング(第151N参照)上に支
持される。該当するコアの中央レウグ巻線をオンすると
、これは、これをプラテン材料のホールを含まない最も
近い”ライン”に調和するように引く傾向を持つ、従っ
て、シーケンス的に適当にこの電磁石をオン及びオフに
すると、結果として、モーターがこのプラトンを横断し
て移動することとなる。突起、あるいは“ボスト″ (
これらを使用することもできるが)の代わりにアレイの
”ホール”を持つ強磁性プラテンを使用するこの構成は
、製造上有利であり、より高い正味磁化が可能であり、
空気ベアリングに対して便利であり、又より良好な位置
検出信号を提供する。
勿論、電磁石の電流ドライブの同期が、各々がアレイの
プラテン ホールに対して、ピタリと正しい空間位置に
てオン及びオフされなければらなないために、非常に重
要となる。要求される位置検出がいかにして達成される
かが第2図の単純な図面から理解できる。ここでは、小
さな伝導性の電極13がプラテン14の伝導性領域の真
上に来るか、或はホールを持つ領域の真上に来るかのい
ずれかに示される(これらホールはプラスチックあるい
は他の誘電性の非強磁性材料にて満たしても満たさなく
ても好い)、この二つのケースにおいて、グランドへの
電極の電気キャパシタンスは異なり、中間位置において
対応する中間値を持つことは明らかである。
第1図においてプラテンに対する電磁石コアの相対位置
を検出するために使用されるのはこのキャパシタンス効
果である。マルチファイラーRF変圧器を使用してこれ
か行なわれる方法は2本出願人によって1988年5月
24日付けで申請された未決特許出願第197800号
「増分容鯖性エンコーダの挿間(Interpolat
ing Increi+ental Capaciti
veEncoders )において説明される方法と同
一である。基本スキームが第3図に示される。RF発振
器17がパイフィラーl=1変圧器の一次巻線18をド
ライブする。二次巻線19は対象となるキャパシティ検
出電極20をドライブするが、これは、好ましくは、こ
れ自体が巻線18によってドライブされる被ドライブ 
ガート或はシールディング電極21によって包囲される
。こうして、電極20からグランド22に流れるRF変
位電流のみがポイント23において測定される。この測
定は、上に述べた本出願人による未決の特許において詳
細に述べられているように、コンデンサC2、C3、C
4及びC5の全ての潜在的な妨害効果と独立して測定さ
れる。基本スキームは第1図において使用される構成で
あり、勿論、第4図に示されるように複数のセットのコ
アを使用するように直に拡張できる。ここで、コア25
.26.27は共通の三相出力E1.E2、E3を与え
るように、類似する相対位置に、他の同一のコアと一緒
に接続される。全ての電極は、単一の共通のガード電極
28によってシールドされる。
この出力信号El、E2、E3は、一方、第5図に示さ
れるシステムをドライブする。これも前述の特許におい
て使用されるのと同一である。キャパシティブ信号の差
(El−E2)、(E2−E3)、及び(E3−El)
が同期整流器31.32.33をドライブする。これら
は、次に、位置出力37゜38.39を与える。RF発
振器40は線形減衰器41を通じて増幅器A3をドライ
ブする。こうして、El、E2.E3への総RF振幅は
、一定の総変位電流を与える、ように自動制御される。
この動作は、空間と独立した位置信号37.38.39
並びに独立した高さ出力信号42を提供する。
位置信号4B、49.50(φ1、φ2、及びφユと命
名されるのフオームが第6図に示される。
これらはlプラテン期間51に対して、120゜(空間
)の角度をもってインターリーラされる。このキャパシ
タンスに基づく位置測定システムの長所は、これがプラ
テンの広い領域を平均することである。これは、このシ
ステムが良好な差分線形性(differential
 1inearity) 、 ツまり、モーターか動い
た詩、良好なサイクル間の再現性を持つことを保証する
効果を持つ、この結果として、対応する距離、例えば、
ABとBCがかなり好く一致するようになるか、これは
、正確な位置挿間にとって重要である。
これら三相位置信号φ1、φ2.及びφ3か第7図に示
されるように結合されてサイン及びコサイン出力か提供
される。これら二つの信号か、次に、モーター位置を決
定するためにカウンターをアップあるいはダウンにドラ
イブするのに使用される。同一の信号か、また、8ビツ
トADCによってデジタル化され、1プラテン期間内の
精密な位置挿間か行なわれる。モーター整流信号は、こ
れらφ1.φ2゜及びφ3位置信号から派生される。こ
れら整流信号は、後に説明される電流ドライバーと共に
モーター動作に対する制御された力及び方向を与えるた
めに使用される。
最も正確な位置検出信号を得るためには、モーターの強
磁性コアと関連する全ての漂遊及び望ましくないキャパ
シタンスを最小限に低減することか要求される。これら
漂遊キャパシタンスの一つに、モーターの中央レッグ上
の巻線とコア自体との間のキャパシタンスか存在する。
この漂遊キャパシタンスの影響は、第8図に示されるス
キームによって除去される。ここで、電磁石巻線61は
、RF変圧器上の二つの追加の巻線62及び63を通じ
てドライブされる。小さなコンデンサー66及び67か
変圧器巻線62及び63の各々の一端をRFグランドに
保持するように構成すると、この電磁石巻線61の全体
か強磁性コア60の残りと完全に和合してドライブされ
る。結果として、60と61の間の漂遊キャパシタンス
を通じてRF電流は実質的に流れず、こうして、この望
ましくないキャパシタンスの影響か排除される。電磁石
コイル61をドライブする大きなりC電流は、(フェラ
イト コアの)RF変圧器62.63.64.65に影
響を与えることはない。これは、62及び63を流れる
電流は、ハイファイラー巻線を通じて反対方向に流れ、
従って、RFフェライト コアに正味磁束をリンクしな
いためである。
原理的には、例えば、第1図の三つのコアの各々に対し
てこのf順を反復するように構成することが可能である
。但し、同一の結果を第9図に示されるようにしてより
少ない巻線にて達成することができる。ここでは、六つ
のコア70から75がこれらの六個の電磁石巻fi85
から90とともに示される。
八個のRF巻線(76から83)のみが必要であり、任
意の大きな数のコアに対して、これだけの数のみが必要
とされることに注意する。
三つのコア93,94.95の足跡か第1O図にホール
96のプラテン アレイ上に重ねて示される。各々のコ
アは、横方向の足跡長を持つため、丁度整数のプラテン
期間のその移動に独立した方向(鳳otion−ind
ependent direction)におし\ては
、関連するキャパシタンス値はこの片方の方向(移動と
独立した方向)のトランスレーションに対しては本質的
に変化せず、他方(測定)の方向では本質的に(要求さ
れるように)正弦的に変化する。
前述のモーターに関する全ての記述は、モーター電機子
要素自体かそれら自体のキャパシティブ位置センサとし
て機能するような状況を中心として行なわれた。これが
可能でないケースにおいては、前述の未決特許において
述べられるタイプの別個のキャパシティブ位置検出アレ
イを使用することかできる。第11図に一つの例が示さ
れる。これはトリプルのキャパシティブ検出要素98.
99.100を持つ印刷回路基板アレイを示す、これら
は少しうねった”シェブロン(Chevron )パタ
ーンを形成するか、これは更にこのセンサーか縦方向の
移動のみを読み出し、横方向、の移動は読み出さないこ
とを保証することを助ける。トリプルの電極の各々は印
刷回路基板の裏側において(プレートされた貫通口を介
して)これら三つの共通の読み出しライン103゜10
4、及び105に相互接続される。このような構造は、
リニア モーターの整流情報を提供するために、適当な
セットの電磁石、例えば、コア70−75に硬直的に取
り付けることかできる。このアプリケージ日ンにおいて
のホール効果(llall effect)或は他のセ
ンサーに対するこの構成の長所は、これか大きな面積を
持ち、従って、高度の空間平均を提供する良好な差分線
形性を提供するという事実にある。
前に説明のシステムは全て一次元リニア モーターに関
するか、−次元ロータリー モーターへの拡張は明らか
である。第13図にこの一例が示される。ここでは、三
つの電機子要素109,110゜111が第1図のコア
1.2.3の方法と同一の方法にてこれら自体のキャパ
シティブ位置検出要素として兼用されている。
同様に、このロータリー モーター電機子要素がこれら
自体の位置センサーとして兼用できない場合は、別個の
ロータリー キャパシティブ センサーを提供すること
が可能である。この−例が第14[Jに示される。ここ
では、インターリーブされた三つの検出電極El、E2
.E3か印刷回路基板115の片側トにリソグラフィツ
ク的に形成される。この印刷回路基板上の反対側上の金
属化層116(簡潔のために除去されて示される)は、
これも前述と同様にRFソースからドライブされ、電極
E1.E2、E3と一体となって移動し、このためトラ
イブン シールドとして機能する。この検出アレイは、
モーター シャフトに硬直的に取り付けられた回転する
アースされたパターンを持つ電極117と少し離れて位
置される。これは全体として平坦なディスク状のセンサ
ーであるか、これを本質的に円筒設計にいかに拡張でき
るかは明白である。
第1図に示されるタイプの一次元線形キャパシティブ整
流モーターに関しての説明から、これら複数のモーター
を一体となって動作するようにグループ化できることは
明白である。−例か第15図に示されるが、ここでは、
四つのこれらモーター120.121.122.123
がエア ベアリング ノズル(air−bearing
 nozzles )を持つ平坦な正方形のエア ベア
リング プレート124のエツジに沿って並ぶ、この設
計は、原理的には無限の広がりであり得る全プラテン面
積を通じて制御された二次元モーションを提供する。セ
ンサ信号、モーター トライフ信号、(エア ベアリン
グのための)パワー及び圧縮空気は、フレキシブルなへ
そ状のコード125によって提供される。このシステム
は、四つの別個の独立した位置読み信号X、、X2 、
Y、、Y2を提供する。モーターの中心の位置(x、y
)はX= 1/2 (Xl+X2 )及びY=1/2 
(Y、+Y2)によって定義される。モーターの角回転
θ(現在の設計においては、±5″に制限される)は、
冗長的ニ、(X、−X、)及び(Y、−X2 )から得
られる。閉ループ サーボ制御に要求されるモーター位
置は、第7図に示されるように各々のモーターからのサ
イン コサイン出力からドライブされるアップ ダウン
 カウンターによって提供される。このモーター設計は
、フルの二次元平面モーション及び小さな角度(鋭角)
レンジを通しての制御された回転の両方を提供すること
がわかる。整流信号は。
第15図の設計においては、約5°の回転の角度まであ
いまいさを持たない、この角度コンl−ロールはこれら
モーターのアセンブリー動作へのアプリケーションに有
効である。このモーター位置情報は、冗長であり、三つ
の位置パラメータx、Y及びθを指定するために四つの
数Xt 、X2 、Yt及びY2を提供する。これは、
コンイステンシー クロス チエツク(consist
ency cross−check )を提供する。
更に、p55図から思い出されるように、この検出シス
テムはまたそのローカル グラウンド平面より上の各々
のセンサーの高さり3.ht 、h3.h4を提供する
。これは各々のモーターの所のエア ベアリングの厚さ
の測定値を提供するが、この情報も冗長である。こうし
て、この4モーター センサーはモーター モーション
の六つの自由度の全ての冗長読み出力を提供する。続く
グループのモーター コアな同一のモーション方向に対
して前のグループから少しオフセットすることにより、
第11図のシエソυン パターンと同一の効果か得られ
ることに注意する。
現実的な問題として、このプレーナ モーターは、これ
に加えて、四つのモーターの全てがオフにされた場合で
も、正常なエア ベアリング動作を提供するように、永
久保持磁石126を使用する。この磁石は、モーター自
体は、真の可変リラクタンス設計を持ち、従って、ハイ
ブリッド ステ・シバ−モーターに使用されているよう
な永久磁石を含まないためである。
第15図の形式の二次元プレーナー設計の場合。
必要であれば、第11図及び12図に示されるタイプの
四つの別個のキャパシティブ位置センサーを使用するこ
ともできる。また、どの形式のセンサーが使用されるか
に関係なく、これを第16図に示されるようなタイプの
二次元の円筒形モーターに変換できることも明らかであ
る。ここで、第15図の強磁性プラテンは回りをシリン
ダーを形成するように包まれるか、この表面は、前に述
べたのと同様に、ホール或はポストの二次元パターンを
含む。この円筒状の表面から離れて外側には、それぞれ
Z及びθを読み出すために、二つの別個のキャパシティ
ブ センサー130及び131か示される。勿論、同様
に、これら二つのセンサーも、第1図及び第13図のタ
イプのZ及びθのコントロールを提供するための自己検
出モーターであってもよい、この円筒状のケースにおい
ては、このシリンダーかZ及びθのモーションのみか許
されるように制約されるために、読出し出力の冗長は存
在しないことに注意する。
上の全ての記述は異なるモーターの設計及びキャパシテ
ィブ位置検出に関するものであり、モーターコイルの実
際の電気的なドライビングに関しては何も触れられなか
った。典型的には、ここで議論されるタイプの小さなモ
ーターに対しては、コイルインタフタンスは、恐らく、
絢10mhであり、最大ドライブ電流は岬2アンペアで
ある。対応する蓄積エネルギーは、従って、岬2xlO
−”ジュールである。高いモーター速度においては、ス
イッチング周波数は、#lにHzであり、このため、コ
イルのフライバック パワーは#20ワットとなる。双
極電流ドライブを採用する従来のハイブリッド モータ
ーにおいては、これらのエネルギーは全て自動的にドラ
イビング電源に戻された。(ここで使用されるタイプの
)単一方向のドライブを持つ本当の可変リラクタンス 
モーターにおいては、状況は非常に異なり、このエネル
ギーは、通常、意図的に抵抗体内において散逸され、或
は、高電圧ツェナー ダイオート内において散逸される
。ツェナー タイオートの長所は、これかコイル フラ
イバック電圧を高い一定の値(ドライビング電源よりか
なり高い値)にクランプし、この結果として、コイルの
磁場が急速に崩壊することが助けられることである。但
し、これはエネルギーの損失となる。
第17図には、磁場が急速に崩壊する長所は保持するが
、これに加えて、利用できるフライバックエネルギーが
実質的に浪費されない単純なスキームか示される。ここ
では、三つのモーター コイル134.135.136
が星形に接続され、三つのパワー トランジスタ137
,138,139によってドライブされる6例えば、1
37が今までオンてあって、突然オフにされたものと想
定すると、インダクター134からのフライバック電圧
は、第140°がオンになるまで急激に上昇する。自動
変圧器143は、N:1のステップ ダウン比を持つた
め、インダクター134によって見られるクランピング
電圧は1本質的に、電源145のN倍となる。
これは、この電圧クランピング動作自体か第144かそ
の陽極かタランド電位の1ダイオード ドロップ゛ドで
ドライブされるためにオンされることに起因する。これ
は、従って、非常に速い速度のコイルターン オフ動作
を提供する一方に、同時的に、蓄積された磁気エネルギ
ーを電源に戻す働きをする。
このスキームは、便利で、効率が良く、そして単純てあ
り、これに加えて、任意の整流シーケンスにてドライブ
される任意の数のモーター位相に対して動作する。但し
、これは高速の効率的なコイルのターン オフ動作のみ
を提供するもので、対応するコイルのターン オン速度
の向上には何も寄与しない。
このターン オン プロセス自体は、適当なケースにお
いては、第17図の回路の特性を意図的に強化すること
によって速度化することかてきる。この特性とは、ダイ
オード144が(コイル フライバックの際に)ターン
 オンした時、電圧5145の正の端子に正の電流か流
れ戻るという特性である。
この結果として、この電源の出力電圧は必然的にその出
力インピーダンスに比例する規模の小さな正の逸脱を経
験する。この逸脱は、この代わりに、第18図に示され
るシステムを使用して、意図的に非常に大きな値にする
ことができる。ここで、前と同様に、トランジスタ15
1が今までオンであり(電流I0を運んでおり)、突然
オンにされたものと想定すると、ダイオード154間の
電圧は突然正となる、つまり、これがオンとなる。但し
、ここで、このl:l自動変圧器157及びコンデンサ
ー160のために、ダイオード154,158及び15
9が全てオンとなると、この回路は、(キャパシタンス
Cの)コンデンサー160を直接に横断する(インダク
タンスLの)インダクター148を持つ単純な並列の共
振LCタンクと等価となる。この共振タンクの一サイク
ルの半分においては、インダクター148内に最朝に蓄
積されたエネルギーの全てはコンデンサー160に移さ
れる。これらダイオード154.158及び159が全
てオフになった後の次のモーター コイルをターン オ
ンするために利用できる電圧はv a + l Or 
Lcとなる。これはV、自体よりもかなり大きく、従っ
て、オンにスイ・νチされるべき次のモーター インタ
フタ−内の電流の蓄積速度を高める。
現実的には、第18図に示されるのと全く同一の回路を
使用することかできるが、上に説明されるよりも状況は
複雑となる。ここで採用される整流サイクルは、パワー
 トランジスタ151.152、及び153へのターン
 オン及びターン オフ信号と完全に一致して起こる一
度に一つのみのコイルのターン オンを持つ、理論的に
は、総磁場スイウチンク時間(一つのコイルの減衰及び
次のビルト アップ〕は、T=o、7πvLCによって
与えられる。
但し、この時間は、現実においては、必然的に大きな渦
電流及びこのプラテン及びモーター コアの両方内の他
の損失かあるためこの値を取らない。これは、全ての磁
場エネルギーが自動的に一つのコイルから次のコイルに
移されることはなく、この差をダイオード161を通し
て供給しなければならないことを意味するが、これには
追加の時間が要求される。但し、現実的な状況において
、2或は3倍の速度の向上が達成できる。
第、18図には更に二つの特長かある。、第一に。
度に一つのコイルのみかオンであるために、共通の抵抗
体162が全てのコイルに対して電流フィードバック情
報を提供し、これか電流の自動制御に使用される。第二
に、コイル148,149,150へのパワー供給のシ
ーケンスは、システムの動作とは無関係なことは明らか
である。但し、これは完全にモーターの逆転と対応する
。つまり、モーターの逆転を自動的に扱うことができる
最後に、前述の全ては三相モーター及び対応するトリプ
ル キャパシティブ ピック アップ電極の使用に関す
る。但し、当業者においては、ここに示される方法を異
なる数の位相を持つ異なる設計を扱うためにいかに修正
したらよいかは明白である。また、様々な異なる期間及
び位相オフセットのキャパシタンス要素及び/或は電磁
石コアの足跡を使用して測定方向の要求される正弦信号
を提供できることも明白である。
【図面の簡単な説明】
第1図はモーター電機子強磁性コア自体をキャパシタン
ス位置検出要素として使用する三相可変りラフタンス 
リニア モーターの基本スキームを示す絵図及び略図で
あり: 第2図はパターン化されたグランド プレーンの1の電
極の最大及び最小キャパシタンス値を示す断面図であり
; 第3図は電極からグランドへのキャパシタンスの測定す
るための変圧器結合自己シールディング法を示し: 第4図は三相の空間的に平均化されたキャパシタンス位
置情報を提供するように強磁性モーター コアの線形ア
レイを、相互接続する方法を示し;第5図はモーター電
極キャパシタンスから三相位置出力及び高さ情報を派生
するための電子ブロック図を示し; 第6図は位置検出システムによって提供される三相位置
出力信号φ8、φ2及びφ1の形式の曲線を示し: 第7図は三つの位相信号、並びにモーター巻線整流コマ
ンドからサイン/コサイン位置出力を派生するだめの構
成を示し; 第8図は位置検出信号からモーター巻線キャパシタンス
の影響を除去する方法を図解し;第9図は巻線からコア
へのキャパシタンスが相殺されるように複数のモーター
 コアな相互接続する方法を示し: 第1O図は横方向のモーション信号の独立を示すために
複数のモーター コアの足跡を示し:第11図は”チエ
ブロン”三相空間的平均印刷回路キャパシタンス位置検
出要素の形式を示し:第12図は三相印刷回路位置検出
電極の裏側の相(接続を示し; 第13(Jはモーターの1ttai子強磁性コアを位置
検出要素として使用する一次元ロータリー モーターを
示し; 第14図は別個のキャパシタンス位置検出要素を使用す
る一次元ロータリー モーターを示し;第15図は二次
元プレーナー サーボ モーターを示し; し; 第17図はエネルギー保存形高速モーター巻線ターン 
オフ システムの略図であり;そして第18図はエネル
ギー移転形高速モーター磁場スイッチング システムの
略図である。 く主要部分の符号の説明〉 1.2.3  ・・・・  強磁性コア4 ・・・・ 
 強磁性プレート 5.6.7 ・・・・  巻線 8 ・・・・  RF変圧器 9 ・・・・  −次巻線 lO・・・・  RF発振器 13 ・・・・  電極 14 ・・・◆  プラテン 20 ・・・・  キャパシティ 検出電極 第16図は二次元円筒状サーボ モーターを示日G。 日G。 FIG、5 FIG。 FIG。 FIG、 8 61モータ→線 0000000Gえ、6 FIG。 FIG。 FIG。 強磁性コア 図面の浄書(内容に変更なし) FIG、15 FIG、 14 位置出力 FIG、16 手続補正歯(方式) FIG、  17 平成 2年 4月 9日

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】  1.動力システムであって,該動力システムが;本質
    的に第一の表面を定義するコンフィギュレーションにお
    かれ、また選択された方向に特性期間を持つような間隔
    におかれた複数の動力要素;及び  該第一の表面と本質的に平行の第二の表面を定義する
    が、但し、該選択された方向に空間的に変調された一つ
    の対面する動力メンバーを含み; 該動力要素及び該動
    力メンバーが該選択された方向に選択された期間/位相
    差、つまり、オフセットを持ち;  該動力システムが更に  該メンバーと該要素との間に該選択された方向に移動
    する力を与える複数相の磁場を確立するための手段;及
    び  該複数相の磁場を整流して実質的に連続した該移動す
    る力を提供するための手段を含む動力システムにおいて
    、  該整流手段が該メンバー及び該要素の相対位置と関連
    するキャパシティブ効果を検出するための手段,及び  該キャパシティブ効果に応答して該複数相の磁場を制
    御するための手段を含むタイプであることを特徴とする
    動力システム。  2.該動力要素及び該動力メンバーが電気的に伝導性
    であり、該検出手段が該メンバーと該要素との間のキャ
    パシティブ効果を測定するための手段を含むことを特徴
    とする請求項1に記載のタイプの動力システム。  3.該検出手段が該動力メンバーの空間変調に対する
    該動力要素の相対的な位置を増分的に決定するための手
    段を含むことを特徴とする請求項1に記載のタイプの動
    力システム。  4.該第一及び第二のグループの該動力要素及び該動
    力メンバーが対応する第一及び第二の直角に選択された
    方向に選択された差,つまり、オフセットを持ち;  該磁場を確立するための手段が該選択された方向の片
    方或は両方にモーションを与えるように設計され;  該検出手段が該方向の両方の増分モーションに対する
    キャパシティブ効果の変化を検出するための手段を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載のタイプの動力システ
    ム。  5.該第一及び第二のグループの各々内の該動力要素
    が該第一及び第二の対応する方向に対して第一及び第二
    の対応する特性期間を持ち、また、該第一及び第二の方
    向に、夫々、該第二及び第一の特性期間の整数に等しい
    対応する次元を持ち、これによって、これらを該対応す
    る第二及び第一の方向の増分モーシヨンに対してインセ
    ンシティブにすることを特徴とする請求項4に記載のタ
    イプの動力システム。  6.該第一及び第二の要素が夫々第一及び第二の選択
    された方向に第一及び第二の特性期間を持つように配列
    され;  該対面する動力メンバーが夫々該第一及び第二の方向
    に空間的に変調され;該第一及び第二のグループの該動
    力要素が該対応する第一及び第二の方向に選択された期
    間/位相差を持ち;  該複数相の磁場を確立するための手段が夫々該第一及
    び第二の方向に選択的に移動する力を与えるように配列
    され;そして  該整流手段の該検出手段が該第一及び第二の両方の方
    向において該メーバーと該要素の該対応する第一及び第
    二のグループに対する相対位置と関連するキャパシティ
    ブ効果を検出するように配列されることを特徴とする請
    求項1に記載のタイプの動力システム。  7.該要素及び核対面するメンバーが該表面が本質的
    に平坦になるように配列されることを特徴とする請求項
    6に記載のタイプの動力システム。  8.該要素及び該対面するメンバーが該第一の表面が
    本質的に円筒状になるように配列されることを特徴とす
    る請求項6に記載のタイプの動力システム。  9.該検出手段が該動力要素とは別個の複数のキャパ
    シティブ要素を含むことを特徴とする請求項1に記載の
    タイプの動力システム。  10.該動力要素及び動力メンバーが強磁性であり;
    そして  該複数相の磁場を確立するための手段が可変リラクタ
    ンスモーターに適当な複数相の電磁場を確立するための
    手段からなることを特徴とする請求項2に記載のタイプ
    の動力システム。  11.該対面する動力メンバーが第一の材料からなり
    、該第二の表面に対して、第二の材料のアレイを規則的
    に挿入する事によって空間的に変調され,該第一及び第
    二の材料が伝導性の領域と非伝導性の領域のパターンを
    与えるように設計されることを特徴とする請求項1に記
    載のタイプの動カシステム。  12.該第二の材料の挿入物が該第二の表面の局所的
    部分と本質的に直角の基本軸を持つことを特徴とする請
    求項11に記載のタイプの動力システム。  13.該第一の材料が強磁性導体であり、該第二の材
    料が誘電体であることを特徴とする請求項11に記載の
    タイプの動力システム。  14.該整流手段が  該複数相の磁場の各々の部分が最小の移動の力を与え
    る位置の付近において急激にゼロになる傾向を持つよう
    にするために手段、及び  各々のこれら位置において該複数相の磁場から利用で
    きる磁場エネルギーの大部分をその後該複数相の磁場に
    再供給するように抽出するための手段を含むことを特徴
    とする請求項1に記載のタイプの動力システム。  15.該抽出手段が磁場エネルギーの減衰によって生
    成される電流に応答して、該エネルギーの大部分を散逸
    することなくリダイレクトするための自動変圧回路を含
    むことを特徴とする請求項14に記載のタイプの動力シ
    ステム。  16.該抽出手段が電源と該自動変圧器回路及び該電
    源に相互接続された該エネルギーの大部分を該電源にリ
    ダイレクトするための非可逆回路を含むことを特徴とす
    る請求項15に記載のタイプの動力システム。  17.該抽出手段が蓄積コンデンサー及び該自動変圧
    回路及び該蓄積コンデンサーに相互接続された該エネル
    ギーの大部分を該蓄積コンデンサーにリダイレクトする
    ための非可逆回路を含むことを特徴とする請求項16に
    記載ののタイプの動力システム。  18.該抽出手段が該蓄積コンデンサーの放電に該複
    数の磁場の要求される位相の次のビルドアップの速度を
    高めるように働きかける手段を含むことを特徴とする請
    求項17に載のタイプの動力システム。  19.該要素及び該対面するメンバーが該第一の表面
    が本質的に平坦になるように配列されることを特徴とす
    る請求項3に記載のタイプの動力システム。  20.該要素及び該対面するメンバーが該第一の表面
    が本質的に円筒状になり、該選択された方向が該複数の
    要素に対して任意の瞬間において異なるが、しかし、常
    に該第一の表面に対して正接するように構成されること
    を特徴とする請求項3に記載のタイプの動力システム。  21.該整流手段の検出手段が  幾つかの複数の巻線が該要素と該メンバーとの間のキ
    ャパシタンスに接続され,他の巻線が該キャパシタンス
    以外のキャパシタンスをドライブするように接続された
    マルチファイラー変圧器;及び  該マルチフアイラー変圧器を該キャパシタンスの全て
    をこれらの間の電流のそれが回避されるように同調して
    ドライブするように励起するための手段を含むことを特
    徴とする請求項2に記載のタイプの動力システム。  22.該動力要素及び該動力メンバーが強磁性であり
    ;  該複数相の磁場を確立するための手段が該要素の少な
    くとも一つの上の伝導性の磁場巻線を含み、  該要素及び該メンバーが伝導性であり;  該整流手段の該検出手段が  幾つかの巻線が該要素及び該メンバーに接続され、少
    なくとも一つのペアの巻線が該磁場巻線の各々の他端に
    該磁場巻線と該要素及びメンバーの間の寄生キャパシタ
    ンスの影響が小さくなるように対抗方位にて接続された
    マルチファイラー変圧器を持ち、該ペアの巻線が該マル
    チファイラー変圧器に対する該変圧器動作への該複数相
    の磁場の確立の影響を同時的に低減することを特徴とす
    る請求項2に記載のタイプの動力システム。  23.第一の表面を定義するコンフィギュレーション
    にて位置し、該第一の表面に対面する極を持つ複数の強
    磁性要素;  該第一の表面と本質的に平行ではあるが、該要素と該
    メンバーとの間の意図される相対モーションの一つ或は
    複数の方向だけ空間的に変位された第二の表面を定義す
    る対面する主に強磁性のメンバーを含むタイプのモータ
    ーであって;  該要素がモーターの要求される数の位相の励起に対応
    するグループに編成され、該要素の各々の該極の間隔が
    第一の方向の該メンバーの空間変調にマッチングし、該
    要素の該第一の方向内における要素間間隔が該第一の方
    向内の該空間変調の期間の整数の倍数を該位相の数で割
    った数に等しく;  該モーターが更に  該メンバーと該要素との間に該選択された方向に動く
    力与えるために複数相の電磁場を確立するための手段、
    及び  実質的に連続した該動力を与えるために該複数相の磁
    場を整流するための手段を含むモーターにおいて、  該整流手段が該メンバーと該要素との相対位置と関連
    するキャパシタンス効果を検出するための手段、及び  該キャパシタンス効果に応答して該複数相の磁場を制
    御するための手段を含むことを特徴とするタイプのモー
    ター。  24.該電磁要素及び該強磁性メンバーが電気的に伝
    導性であり;該検出手段が該メンバーと該要素との間の
    キャパシタンス効果を検出するための手段を含むことを
    特徴とする請求項1に記載のタイプのモーター。  25.該整流手段が、異なる位相を持つ検出されたキ
    ャパシタンス効果を該第一の方向内の該要素と該メンバ
    ーとの相対位置を該第一の方向内の空間期間より少なく
    とも1のオーダー小さな規模の距離内で挿間するように
    結合するための手段を含むことを特徴とする請求項24
    に記載のタイプのモータ 26.該強磁性メンバーが該
    要素と該メンバーの間の意図される相対モーションの二
    つの直交方向に共通の空間変調を持ち;  該グループの強磁性要素が各々が該二つの直交方向の
    対応する一つ内において空間的に離された要素を持つ少
    なくとも二つの類似する超グループに編成され;  該要素が該第一の間隔に対して平行で、それらの超グ
    ループの間隔の方向に対して直角の次元を持ち、該次元
    が該強磁性メンバーの空間変調周期の整数倍であること
    を特徴とする請求項23に記載のタイプのモーター。  27.該グループの強磁性要素が四つの超グループに
    編成され、同一方位の超グループの各々のペアが他のペ
    アの超グループとアレイにて互いに分離され;  該モーターが更にアレイの超グループのエアベアリン
    グタイプのサポートを提供するための手段及び該エアベ
    アリングが離れるのを制限する傾向を与えるための磁気
    手段を含み;  該アレイが該アレイの回転を該意図されるモーション
    の方向に制御する傾向を持つように配列されることを特
    徴とする請求項26に記載のタイプのモーター。  28.該電磁要素及び該強磁性メンバーが該第一及び
    該第二の表面が実質的に平坦になるように配列されるこ
    とを特徴とする請求項23乃至27に記載のタイプのモ
    ーター。  29.該電磁要素と該強磁性メンバーが該第一及び第
    二の表面が実質的に円筒状になるように配列されること
    を特徴とする請求項23乃至26に記載のタイプのモー
    ター。  30.該検出手段が該動力要素と別個の複数のキャパ
    シタンス要素を含むことを特徴とする請求項23に記載
    のタイプのモーター。  31.該強磁性メンバーがアレイの非伝導非強磁性挿
    入物によって空間的に変調されることを特徴とする請求
    項24に記載のタイプのモーター。  32.該強磁性メンバー内の挿入物が該第二の表面と
    近似するその表面を滑らかにし;該モーターが該要素の
    該メンバーからの分離を保持するためのエアベアリング
    手段を含むことを特徴とする請求項31に記載のタイプ
    のモーター。  33.該複数の電磁場を確立するための手段が該要素
    の少なくとも一部分上の巻線及び該電磁場をサポートす
    るために該巻線に電流を供給するための手段を含み;  該整流手段が該電磁場の一部分をサポートする一つの
    巻線ヘの電流を中断させるための電子手段を含み、この
    一部分が該第一及び第二の表面と直角になる磁場ライン
    を持ち;更に  該複数相の磁場にその後再供給する目的で該崩壊する
    磁場からのエネルギーを蓄積するために該中断された電
    流の減衰に対する誘電オポジションをダイレクトするた
    めの手段か含まれることを特徴とする請求項23に記載
    のタイプのモーター。  34.該ダイレクティング手段が該誘電オポジション
    に応答するように接続された自動変圧器,及びこれから
    エネルギーを受けるように該自動変圧器と相互接続され
    た電気蓄積手段を含むことを特徴とする請求項33に記
    載のタイプのモーター。  35.該電気蓄積手段が電源てあることを特徴とする
    請求項34に記載のタイプのモーター。  36.該電気蓄積手段がコンデンサーであることを特
    徴とする請求項34に記載のタイプのモーター。  37.該ダイレクティング手段が該コンデンサーの放
    電が該複数相の磁場の次の要求される位相のビルドアッ
    プを加速するようにさせる手段を含むことを特徴とする
    請求項35に記載のタイプのモータ 38.該検出手段
    が複数の伝導性の要素及びその上に該要素が位置される
    空間的に変調された共通の伝導性メンバーを含み、これ
    によって、該要素の要求されるモーションに対する位置
    に依存するキャパシタンスが形成され、該要素が該要求
    されるモーションに対して局所的に離れておかれ、該第
    一の方向に局所的に直角なオフセットのパターンを持ち
    、これが該オフセットの整合に沿うモーションに起因す
    る該キャパシタンスの変動を補償する傾向を持つことを
    特徴とする請求項23に記載のタイプのモーター。  39.該伝導性要素がオフセットのパターンを持ち、
    このパターンがチェブロンパターンに近似することを特
    徴とする請求項38に記載のタイプのモーター。  40.該アレイが該アレイの選択された鋭角の回転に
    対してあいまいでない整流を与えるように配列されるこ
    とを特徴とする請求項27に記載のタイプのモーター。  41.電磁要素の各々の超グループがこれらグループ
    の一つの配列を持ち、この中に意図される方向に対して
    少なくとも一つの横方向のオフセットが与えられること
    を特徴とする請求項27に記載のタイプのモーター。
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