JPH04111281U - 電磁式有限回転型電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 電磁式有限回転型電動機１において、その回
転子３３の磁極を永久磁石３１により形成してある。固
定子３４の側には永久磁石部材３８を取付けてある。動
作において、回転子３３は永久磁石部材３８により常時
磁気吸引力により吸引されている。この吸引力は回転子
を原点位置に復帰させるための復帰力として作用する。
同時に、回転時における回転軸の軸振れを防止するため
の半径方向へのバイアス力して回転子に常時作用する。 【効果】 回転子が強磁性材などから構成されている場
合に比べて、電気機械変換効率を高めることができる。
また、回転子の復帰力およびバイアス力を別個の機構を
用いて発生させる場合に比べて、構造を簡素化できるの
で、装置を小型、コンパクトにすることが可能となる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、光、イオン、電子ビームなどの偏向あるいは走査を行うために 使用される反射鏡などを定まった角度範囲内で精度良く回転させるための電 磁式有限回転型電動機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

電磁式有限回転型電動機は、一般に、高い応答速度と正確な回転位置決め 精度が要求される被駆動部材の駆動源として利用されている。例えば、光学 的走査機構などの分野において、光ビームの偏向あるいは走査を行うための 反射鏡等の回転駆動源として利用されている。一般的に使用されている電磁 式有限回転型電動機は、強磁性材から構成された回転子の外周を取り囲む状 態に固定子が配置され、固定子には、回転子を一定の角度範囲内で回転駆動 させるための駆動磁束を発生する駆動磁束発生機構が形成されている。この 機構は、複数の磁極部とこれらに巻き付けた巻線とから構成されている。ま た、回転子の回転角度位置を検知するための位置検出機構が組み込まれてい る。この位置検知機構としては、静電容量形位置検出機構が一般的に使用さ れている。

【０００３】 また、かかる電動機においては、一般的に、回転子をその原点位置に復帰 させるための復帰力を回転子に常時作用させるための機構が組み込まれてい る。かかる機構としては、磁力を利用したバイアス磁束発生機構あるいは、 回転子の回転軸内に捩じりばねを配置した機構が知られている。

【０００４】 一方、回転子は一般的にその回転軸の両端がベアリングによって回転自在 に支持されている。理想的には、回転子はその回転中心軸が半径方向に振れ ないように支持されることが望ましい。しかし、ベアリングの製造誤差、そ の組み付け誤差などに起因して、回転子は極く僅かながら半径方向に偏位可 能な状態になっている。このために、回転運動と伴って、回転軸が半径方向 へ振れる運動が発生する。かかる回転軸の触れが発生すると、回転子の回転 角度位置の検出精度が低下し、正確な回転子の位置決めを行えない事態も生 ずる。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

このような電磁式有限回転型電動機においては、回転位置決めの精度が高 めることが常に要求されている。また、その構造を簡素化して、全体を小型 コンパクトにしたいという要求が常にある。

【０００６】 本考案の課題は、これらの点に着目して、電磁式有限回転型電動機の回転 位置決め精度を高めるとともに、それを小型でコンパクトに製造可能とする ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

上記の課題を解決するために、本考案の電磁式有限回転型電動機において は、永久磁石から構成された複数の磁極を備えた回転子を永久磁石から構成 し、この構成の回転子の外周に、定まった位置において複数の磁極を形成す るための強磁性材および巻線を備えた固定子を配置し、ベアリング手段によ り、回転子をその中心軸線の回りに回転自在に支持した構成を採用し、固定 子に配置した巻線によって発生する駆動磁束を制御して、回転子を一定の角 度範囲内における任意の角度位置に回転させるようにしている。

【０００８】 また、本考案においては、回転子をその原点位置に復帰させるための復帰 力を発生させるために、固定子の側に取りつけた永久磁石部材を利用する構 成を採用している。

【０００９】 さらに、本発明においては、回転子の回転角度位置を検出するためのに、 光学式ポテンショメータを採用している。この光学式ポテンショメータは、 発光素子と、受光素子と、回転子と一体回転し、発光素子から放射された光 を受光素子の側に向ける光通過路を規定する回転部材とから構成してあり、 回転部材には、回転子の回転角度範囲に渡って光透過あるいは光反射帯域を 形成してある。そして、この光透過あるいは光反射帯域を、回転部材の回転 量に応じて発光素子に対峙する光透過あるいは反射部分が移動する形状に設 定してある。発光素子としては、レーザダイオードから構成したものが好ま しい。

【００１０】

【作用】

本考案の電動機においては、回転子の側における永久磁石の磁極と、固定 子の側における磁極との間に発生する磁束が、磁束制御手段により制御され て、回転子は固定子に対して一定の角度範囲内で任意の角度位置に回転駆動 される。回転子の側は永久磁石により構成されているので、強磁性材料から 構成されている従来の回転子を使用する場合に比べて、電動機の効率が高ま り、発生トルクも増加する。回転子は、常時、固定子の側に取りつけた永久 磁石部材によって半径方向に吸引される。この吸引力が、回転子の原点への 復帰力となる。これに加えて、この半径方向の吸引力により、回転子は常時 半径方向に向けて偏位させられた状態にあるので、不所望な半径方向への運 動が抑制される。一方、回転子の回転角度位置は、光学式のポテンショメー タによって精度良く検出される。

【００１１】

【実施例】

以下に、図面を参照して本考案の実施例を説明する。

【００１２】 図１および図２は、本考案の一実施例である電磁式有限回転型電動機の外 観斜視図およびその縦断面図である。本例の電動機１は、円筒形のケース２ の内部に、電動機本体部３と、位置センサ４とが同軸状態に組み込まれた構 成となっている。電動機本体部３は、回転軸３１の外周に固着した円筒状の 永久磁石３２から構成される回転子３３をその中心に有している。この回転 子３３の永久磁石３２の外周を囲むように、円筒状の固定子３４が同心状態 に取付けられている。回転子３３の回転軸３１は、永久磁石３２から突出し ている元端側および先端側において、ボールベアリング３５、３６を介して 、ケース２に対して、その中心軸線３３ａの回りに回転自在の状態に支持さ れている。回転軸３１の先端側の部分は、ボールベアリング３５および位置 センサ４の中心を貫通して、ケースの前端面２１から回転出力軸３１ａとし て突出している。

【００１３】 図３は電動機の横断面図であり、この図も参照して電動機本体部３の内部 構造を説明する。まず、永久磁石３２は、その円筒形断面の直径方向の両端 にＮ極の磁極面３２ＮとＳ極の磁極面３２Ｓを有している。これに対して、 固定子３４の内周面には、その円筒形断面の中心に向けて延びる一対の磁極 部３４１、３４２が形成されている。これらの磁極部は回転軸線３３ａを通 る直径方向に沿って形成されており、回転子側の永久磁石３１とほぼ同一の 軸方向の長さを有している。これらの磁極部３４１、３４２の先端には、永 久磁石３１の外周面よりも僅かに大きな半径の円弧形をした磁極面３４１ａ 、３４２ａが形成されている。これらの円弧面は、一定のギャップを介して 、永久磁石３１の外周面に対峙している。これらの磁極部３４１、３４２の 外周には、それぞれ回転子駆動磁束を発生させるための界磁巻線３４３、３ ４４が巻き付けられている。界磁巻線の両端３４５、３４６は、電源線３７ および磁束制御回路（図示せず）を介して、駆動電源（図示せず）に接続さ れている。磁束制御回路は一般的に使用されているものを利用することがで きるので、その説明は省略する。

【００１４】 ここに、固定子３４の内周面において、上記の一対の磁極部３４１、３４ ２に対して、角度的に中間の位置には、永久磁石部材３８が固着されている 。この永久磁石部材３８は、ほぼ回転子側の永久磁石３１と同一の軸方向長 さを有している。本例においては、この磁石の磁極が回転中心軸３１ａの方 向に整列されており、回転子側に臨む面がＮ極の磁極面３８Ｎとされ、固定 子の側に固着された面がＳ極の磁極面３８Ｓとされている。

【００１５】 次に、図４および図５も参照して、上記の位置センサ４の構成を説明する 。この位置センサ４は光学式ポテンショメータであり、出力回転軸３１ａの 外周に同心状に固着した回転スリット板４１と、これを挟み、固定した位置 に対向配置したレーザダイオード４２および半導体位置検出素子４３と、回 転スリット板４１および半導体位置検出素子４３の間に配置した固定スリッ ト板４４とから構成されている。回転スリット板４１は、図４に示す形状を しており、回転対称となるように、一定の角度２φを越える角度の円弧を張 る一対の扇形部分４１１、４１２が形成されている。角度２φは本例の電動 機の最大回転角度範囲である。一方の扇形部分４１１には、角度２φを越え る角度に渡り螺旋状の光通過用スリット４１３が形成されている。このスリ ット４１３は、回転スリット板４１の中心を中心とする螺旋の一部分である 。従って、その動径ｒとスリット板４１の回転角度Θとは、ｒ＝ａ−（δ／ ２π）Θとなる。ここに、δは螺旋のピッチである。回転スリット板４１が 回転すると、それに伴ってスリット４１３も回転するので、レーザダイオー ド４２に対峙しているこのスリット４１３の位置が半径方向に移動する。こ の結果、固定スリット板４４を介して半導体位置検出素子４３の受光面での 受光位置が変化して、回転角度に対応した電気信号を得ることができる。例 えば、図５に示すように、回転角度に比例する出力電圧を得ることができる 。ここに、本例の電動機１の回転角度は最大２φであり、通常は２０ないし ３０度の範囲内である。従って、δ／２πの値を大きくとることができるの で、分解能が高くなり、高精度の位置検出を行うことができる。

【００１６】 本例の電動機１においては、回転子３３は図３に示す状態に初期設定され る。すなわち、回転子３３の側の永久磁石のＮ極３２Ｓと、固定子の側に取 りつけた永久磁石部材３８のＮ極３８Ｎとの間に働く磁気吸引力が原点復帰 力として作用して、回転子３３がその図に示す原点位置に復帰した状態とさ れる。この状態において、位置センサ４１の側においては、図４に示すよう に、その回転スリット板４１のスリット４１３の中央がレーザダイオード４ ２および半導体位置検出素子４３に対峙している。この状態で、界磁制御回 路（図示せず）を介して界磁巻線３４３、３４４に駆動電流が供給され、こ れにより、固定子と回転子の間に形成される磁界の強さ応じて、回転子３３ が所定の角度だけ回転する。かかる回転駆動力の発生原理は公知であるので 詳細な説明は省略する。

【００１７】 このように一定の角度だけ回転子３３が回転すると、その回転軸３１に固 着されている位置センサ４の回転スリット板４１も回転する。この結果、ス リット板４１の回転量に応じて、半導体位置検出素子４３の側での受光位置 が変化して、そこからの出力信号、例えば出力電圧の値が図５に示すように 変化する。よって、この変化から回転子の実際の回転角度位置を検知できる 。検知した実際の回転角度位置に基づき、磁界制御回路では駆動電流を制御 して、発生磁界を制御し、回転子を目標回転角度位置に精度良く位置決めで きる。

【００１８】 ここで、固定子の側に取りつけた復帰力発生用の永久磁石部材３８は、常 に回転子３３を吸引している。従って、回転子には常時半径方向へのバイア ス力が作用しており、その回転軸の軸振れが防止される。また、界磁制御回 路を介しての駆動電流の供給が止むと、回転子３３はこの永久磁石部材３８ の吸引力によりその原点位置に復帰する。このように、本例においては、こ の永久磁石部材３８は、回転子の原点復帰力を発生させると共に、回転子に 半径方向のバイアス力を作用させて軸振れを防止するためにも利用されてい る。

【００１９】 なお、本例における位置センサ４１においては、回転スリット板４１１に 光通過用スリット４１３を形成したが、この代わりに、光が透過する光透過 部分を形成してもよい。あるいは、光反射部分を形成して、発光素子の側か らの光をここで反射して受光素子の側で受け取るように構成してもよい。ま た、スリットの形状は螺旋形状に限定されるものではなく、回転角度に応じ てスリット位置が変化するような形状のものであればよい。

【００２０】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案の電磁式有限回転型電動機は、永久磁石を用 いて回転子を構成するようにしているので、強磁性材料などから構成されて いる回転子を用いる場合に比べて電気機械変換効率を高めることができ、よ って、発生トルクを増加させることができる。

【００２１】 また、本考案においては、固定子の側に永久磁石部材を取付け、これを用 いて、回転子の原点復帰力および半径方向へのバイアス力の双方を発生させ るように構成してある。従って、これらの力を、別個の機構を用いて発生さ せるようにしている場合に比べて、電動機の構造を簡素化でき、その分装置 寸法を小型、コンパクトにすることができる。

【００２２】 さらに、本考案においては、回転子の回転角度位置の検出用に、検出精度 の高い光学式のポテンショメータを利用しているので、回転子の回転角度位 置制御を正確に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例の電磁式有限回転型電動機を示
す外観斜視図である。

【図２】図１の電動機の概略縦断面図である。

【図３】図２のIII-III 線で切断した部分の概略横断面
図である。

【図４】図１の電動機における位置センサを構成する回
転スリット板を示す説明図である。

【図５】図１の位置センサにおける回転角度と出力電圧
との関係の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

１・・・・電磁式有限回転型電動機 ３・・・・電動機本体 ３１・・・回転軸 ３１ａ・・回転中心軸 ３２・・・永久磁石 ３３・・・回転子 ３４・・・固定子 ３４１、３４２・・磁極部 ３４３、３４４・・界磁巻線 ３５、３６・・・・ベアリング ３８・・・永久磁石部材 ４・・・・位置センサ ４１・・・回転スリット板 ４１３・・スリット ４２・・・レーザダイオード ４３・・・半導体位置検出素子

Claims (9)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 永久磁石から構成され、複数の磁極を備
   えた回転子と、定まった位置において複数の磁極を形成
   するための強磁性材および界磁巻線を備え、前記回転子
   の外周に配置された固定子と、前記回転子をその中心軸
   線の回りに少なくとも所定の角度範囲で回転自在に支持
   したベアリング手段とを有し、前記界磁巻線によって発
   生する駆動磁束を制御することにより、前記回転子を前
   記固定子に対して一定の角度範囲内における任意の角度
   位置に回転可能となっていることを特徴とする電磁式有
   限回転型電動機。
2. 【請求項２】 請求項１において、更に、前記回転子お
   よび前記固定子の間において前記固定子の側に固定さ
   れ、これら回転子および固定子の間に磁気吸引力を発生
   させる永久磁石部材を有していることを特徴とする電磁
   式有限回転型電動機。
3. 【請求項３】 請求項１において、更に、前記回転子の
   回転角度位置を検出する光学式ポテンショメータを有
   し、この光学式ポテンショメータは、発光素子と、受光
   素子と、前記回転子と一体回転し、前記発光素子から放
   射された光を前記受光素子の側に向ける光通過路を規定
   する回転部材とを有し、この回転部材には、前記回転子
   の回転角度範囲に渡って光透過あるいは光反射帯域が形
   成されており、この光透過あるいは光反射帯域は、前記
   回転部材の回転量に応じて前記発光素子に対峙する部分
   が移動する形状に設定されていることを特徴とする電磁
   式有限回転型電動機。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記発光素子はレー
   ザダイオードから構成されていることを特徴とする電磁
   式有限回転型電動機。
5. 【請求項５】 請求項２において、更に、前記回転子の
   回転角度位置を検出する光学式ポテンショメータを有
   し、この光学式ポテンショメータは、発光素子と、受光
   素子と、前記回転子と一体回転し、前記発光素子から放
   射された光を前記受光素子の側に向ける光通過路を規定
   する回転部材とを有し、この回転部材には、前記回転子
   の回転角度範囲に渡って光透過あるいは光反射帯域が形
   成されており、この光透過あるいは光反射帯域は、前記
   回転部材の回転量に応じて前記発光素子に対峙する部分
   が移動する形状に設定されていることを特徴とする電磁
   式有限回転型電動機。
6. 【請求項６】 請求項５において、前記発光素子はレー
   ザダイオードから構成されていることを特徴とする電磁
   式有限回転型電動機。
7. 【請求項７】 少なくとも外周が強磁性材料から構成さ
   れた回転子と、定まった位置において複数の磁極を形成
   するための強磁性材および界磁巻線を備え、前記回転子
   の外周に配置された固定子と、前記回転子をその中心軸
   線の回りに少なくとも所定の角度範囲で回転自在に支持
   したベアリング手段と、前記回転子および前記固定子の
   間において前記固定子の側に固定され、これら回転子お
   よび固定子の間に磁気吸引力を発生させる永久磁石部材
   とを有し、前記界磁巻線によって発生する駆動磁束を制
   御することにより、前記回転子を前記固定子に対して一
   定の角度範囲内における任意の角度位置に回転可能とな
   っていることを特徴とする電磁式有限回転型電動機。
8. 【請求項８】 請求項７において、更に、前記回転子の
   回転角度位置を検出する光学式ポテンショメータを有
   し、この光学式ポテンショメータは、発光素子と、受光
   素子と、前記回転子と一体回転し、前記発光素子から放
   射された光を前記受光素子の側に向ける光通過路を規定
   する回転部材とを有し、この回転部材には、前記回転子
   の回転角度範囲に渡って光透過あるいは光反射帯域が形
   成されており、この光透過あるいは光反射帯域は、前記
   回転部材の回転量に応じて前記発光素子に対峙する部分
   が移動する形状に設定されていることを特徴とする電磁
   式有限回転型電動機。
9. 【請求項９】 請求項８において、前記発光素子はレー
   ザダイオードから構成されていることを特徴とする電磁
   式有限回転型電動機。