JPH0433565A - 多相駆動方式リニアブラシレス直流モータ - 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】 本発明はロボット、Ｘ−Ｙステージ等の位置決めに用い
られる多極形直流リニアモータに関するものである。

〔従来の技術〕

多極形直流リニアモータの基本的な構造と、その駆動方
法については、たとえば「電気学会編：リニアモータと
その応用、電気学会（昭和５９年）」９頁〜１０真に示
されている。このモータは多極着磁された永久磁石と、
複数個のコイルとから構成されて、長ストロークにわた
り一定方向に推力を発生して移動するものであるが、位
置による推力変動を極力小とするため、磁石との相対位
置の変化に従って駆動電流を変化させるなどの工夫が行
われている。

この形式のリニアモータを可動電機子形３相ブラシレス
モータとして構成した具体例を第４図に示す。第４図（
ａ）は固定子（界磁永久磁石）、可動子（電機子コイル
）、および磁極検出用ホール素子の配置を示す斜視図、
第４図（ｂ）は相対位置関係をより詳細に示す側面図で
ある。

第４図において、１は絶縁物からなる可動子基板、２１
，２２．２３はその上に配置された電機子コイル、３１
，３２．３３は磁極検出用ホール素子である。また、４
，６は固定子ヨーク、５１〜５８は固定子ヨーク４の上
に配列された界磁永久磁石、７１〜７８は固定子ヨーク
６の」二に配列された界磁用永久磁石である。固定子ヨ
ーク４および６は、可動子基板１を挟み込むように構成
されており、１は、図示しないがリニアスライダに取付
けられて矢印方向への往復運動が可能になっている。

界磁用永久磁石の配置は図のようになっているので、た
とえば磁石５６と７６の間の部分には」二向きの磁界Ｉ
（ヤが、また磁石５７と７７の間の部分には下向きの磁
界１１−が発生しており、他の磁石間も同様にして、上
下方向の交番磁界が発生している。その繰返しピッチは
磁石の幅に等しくＴである。

つぎに、電機子コイル３１等を励磁するための回路を第
５図によって説明する。第４図に示した本構成例では、
電機子コイルおよびホール素子は３組あり、３相駆動が
出来るようになっているが、本回路はそのうちの１相分
に対応するものである。

図において、２１は電機子コイル、３１はホール素子、
１０はオペアンプ、１１および１２は出力Ｉ・ランジス
タである。他の２相分の回路も同様であって、電源子Ｖ
ｃｃ、−Ｖｃｃは共用され、指令電圧Ｅも共通に印加さ
れる。

いま、必要とするある推力およびその方向に対応した指
令電圧Ｅが印加されているとする。ホール素子３１が磁
界を受けると磁界に比例した出力電圧が現れ、これがオ
ペアンプ１０で増幅され、さらにトランジスタ１１，１
．２により増幅されて、電機子コイル２１には駆動電流
が流れる。この電流の大きさ、方向は、ホール素子３１
の出力電圧の大きさ、極性に比例したものとなるように
構成されている。したがって、この電流の大きさ、方向
は、指令電圧Ｅの大きさ、方向と、ホール素子３１の受
ける磁界の大きさ、方向に比例したものとなる。

第４図（ｂ）を用いてさらに詳細を述べる。可動子と固
定子との相対位置が図のようであるとき、電機子コイル
２１は、磁石５１．７１と、磁石５２．７２の双方にま
たがった状態にある。コイル２１の中で、可動子の移動
可能な方向と直交する部分２１Ａは、磁石５１．７１に
よって生ずる下向きの磁界Ｈ−の中におかれており、ま
た電機子コイルの部分２１Ｂは、磁石５２．７２によっ
て生ずる上向きの磁界Ｈ＋の中におかれている。また、
ホール素子３１も電機子コイルの部分２１Ｂと同じく上
向きの磁界１（ヤの中におかれている。

この状態のときにホール素子３１の出力によって生ずる
（第５図の回路により増幅されて生ずる）電機子コイル
の電流方向が第４図（ｂ）で◎。

×で示したものとなるように、指令電圧Ｅが設定されて
いるとすれば、電機子コイルの部分２１Ａおよび２１Ｂ
はともに右方向に力を受ける。この力により可動子が右
に移動するが、Ｔ／２だけ動くと電機子コイルの部分２
１Ａ、２１Ｂおよびホール素子３１はいずれも交番磁界
の磁界−〇の領域に来るためにホール素子出力はゼロ、
従って電機子コイルに流れる駆動電流もゼロとなり、こ
の点では推力は発生しない。慣性によって可動子がさら
に右に移動すると、交番磁界の隣の領域に入るため、電
機子コイルの部分２ＬＡ、２］、Ｂの受ける磁界は逆転
するが、ホール素子３１の受ける磁界も逆転し、したが
って電機子コイルの駆動電流も逆転するために、電機子
コイル２１の受ける力は依然として右向きであり、可動
子は右への移動を継続する。

電機子コイル２１のみについて見れば、その右向きの力
は最大値とゼロの間を繰返し変動する。

変動の周期は、磁石幅Ｔである。しかし可動子には電機
子コイル２２．２３も取りつけられており、これらの磁
石に対する相対位置は位相的にＴ／３ずつずれているた
めに、合計した右向きの推力は変動が平均化される。と
くに、もし交番磁界が■］十→０→Ｉ−（−の間で正弦
波的に変化するよう構成したときは、合計した推力には
変動は全く現れない。

指令電圧の極性を逆転すれば推力の方向は左向きとなる
。また推力の大きさは指令電圧に比例して変化する。

以上は、電機子コイルが３個あり、その磁石に対する相
対位置はＴ／３ずつずれて配置された、いわゆる３相駆
動力式を例にとって説明した。電機子コイルをＮ個設け
、その磁石に対する相対位置をＴ／Ｎずつずらせて配置
すると、これはＮが３より犬となるに従って推力はより
平均化され、とくに界磁磁石による交番磁界が正弦波的
に変化するよう構成すれば推力変動は全く現れない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以」ユに多相駆動方式リニアプレシレスモータの具体的
構成例を示した。この方式は、界磁永久磁石による交番
磁界の分布を正弦波に近づけられれば、きわめて推力変
動の小さいすぐれた特性を得ることができる。

しかし分布を正弦波に近づけることはマイナスの面もあ
る。界磁永久磁石の形状寸法、配置等を適切にすること
により近づけることが可能であるが、磁気回路の加工コ
ストの増加、磁石の利用効率の低下などが現れて来る。

また、交番磁界の分布が台形波に近いものであっても、
相数を大きくすれば推力変動を小さくすることが可能で
ある。

しかし相数を大きくするためには、電機子コイルの数を
増す必要があり、コストの増加を招くことになる。

〔問題点を解決するための手段〕

発明者らは、界磁永久磁石と、磁極検出用ホール素子に
磁界を与える位置情報用永久磁石とを分離することによ
り解決することをはかった。すなわち、従来の技術によ
れば、界磁永久磁石と、位置情報用永久磁石とは一般に
兼用されており、かつ界磁永久磁石による動作方向のの
磁界分布は台形波に近いものであった。この場合、推力
の変動が大きいが、発明者らは、実験と計算機シミュレ
ーションの結果から、位置情報用永久磁石と界磁永久磁
石とを機能的に分離し、かつ位置情報用永久磁石による
界磁分布を正弦波、ないしこれに近い適切な形状とする
ことによって、推力変動を著しく小さくなし得ることを
発見したのである。また、界磁用永久磁石は、大推力を
得るために、強力な磁石を、飽和着磁して用いるように
構成されているのが通常であるが、位置情報用永久磁石
は磁極検出用ホール素ｐを動作させる程度の着磁て充分
であるため、磁界分布が正弦波に近いものとなるように
着磁調整、あるいは形状の選択の行い易いものを選定す
ることができ、自由度が大きくなる。

実施例の説明に先立塾、本発明の基本的考え方について
述べる。

まず、第６図は、界磁永久磁石による磁界分布の代表的
な例を示したものである。同図（ａ）は磁界分布、同図
（１））は磁石の〜」法である。磁界分布は同図（ｂ）
に１点鎖線で示した中心軸に沿って測定したが、周辺部
でも略同様であった。この例では、磁石の幅１５ｍｍに
対して略１０ｍｍの区間で磁界が最大となる台形波的な
分布を示している。本発明は、このような台形波的磁界
分布に対して、推力変動を低減することを可能にしたが
、以下に従来の構成における推力変動を第７図〜第９図
を用いて、また本発明の構成を用いたときの推力変動を
、第１０図〜第１１図を用いて説明する。

第７図は、第４図、第５図を用いてさきに説明した、従
来構成のりニアモータの、１相分のコイルだけを抜出し
て示したものである。動作原理は前述のとおりである。

同図（ａ）は、可動電機子コイル２１′、固定界磁永久
磁石５１′〜５４′、磁界検出用ホール素子３１′の位
置関係を示す側面図、同図（ｂ）は可動電機子コイル２
１′および磁界検出用ホール素ｒ３」′に加わる界磁永
久磁石５１′〜５４′による磁界の状態を示す断面図で
ある。同図（ａ）に示したように電機子コイル２１′は
巻幅Ｗをもっているが、基本動作の説明にあたってはこ
れを省略しく同図（ｂ）に示すように巻幅はなく、コイ
ル中心線部に電流が集中して流れるものとし）で述べる
。

第７図において、コイル２１′に働く推力Ｆは、Ｆ−−
に＋Ｎ　ｉＢｉ　　　　　　　　　（１）で表される。

ここでに１は定数、Ｎはコイル巻数、ｉはコイルを流れ
る電流、Ｉ３Ｉはコイルの置がれる部分の磁束密度であ
る。

また、コイルを流れる電流ｊは、 １　＝　Ｋ　２　Ｉ３２　　　　　　　　　　　（２）
である。ここで、Ｎ２は定数、Ｂ２はホール素子３１′
が置かれている部分の磁束密度である。

したがって（］−）（２）をまとめれば、　　　　Ｆ＝
に１に２　Ｎ　　ＢＩ３２　　　　　（３）となる。Ｋ
、、に２．Ｎは構造が定まれば定まるがらＹ？はＢ１ど
Ｉ３２の積の形で変形することになる。

従来の構成によるリニアモータでは界磁永久磁石と、位
置情報用永久磁石とは兼ねられているので、Ｉ３２−ｆ
３　、であり、したがって、ＦはＢ、２に比例する。

第８図はコイルの位置が０≦Ｘ≦１゛の間で変化するど
きのＸとＢｌ、Ｂ２．Ｆどの関係を示すＪ１算結果であ
る。Ｉ３□、Ｂ２．Ｆは何れも無次元化し、とりうる最
大値を１とする比率で示しである。また台形の程度は、
第６図の具体例に示したと同様の、台形の平坦部分が磁
石ピッチを′ｒとしたとき２Ｔ／３であるものとしてい
る。（３）式がら明かなように、このような台形の磁束
分布の場合、推力Ｆは０から最大値までの間で周期変動
を繰り＝１］− 返すが、　（３）式による計算の結果、変動は第８図に
示すようなパターンで繰返される。

このような大きな推力変動を平均化するために多数個の
電機子コイルを少しずつずらせて配置する、いわゆる多
相駆動方式が採用されるわけである。第９図は、３相駆
動力式としたときの位置と推力との関係を示すＮ１算結
果である。依然としてかなり大きく推力変動が認められ
る。

つぎに、本発明の効果を示す計算例を示そう。

第１０図は、界磁永久磁石と、位置情報用永久磁石とを
別なものとし、位置に刻するＢ１の変化は第８図と同じ
台形波であり、位置に対するＢ２の変化は正弦波である
ようにしたときの、コイルの位置Ｘと、Ｂ＋、Ｂａ、Ｆ
との関係を計算したものである。また、第１１図は、こ
れを３相駆動力式としたときの位置と推力との関係を示
す計算結果である。第８図、第９図に示した従来の構成
の場合に比べて推力変動の低減に大きな効果のあること
は明かである。

〔実施例〕

（実施例１） 以上に説明した本発明の第１の実施例を第１図に示す。

さきに第４図で示した従来の技術によるものと類似の構
成の可動電機子形３相リニアブラシレスモータである。

本実施例が従来技術によるモータと異なっている点は磁
極検出用ホール素子３１−３３の位置を可動子基板１の
上で、可動子の進行方向と直角方向に、外側に移動さぜ
、界磁用永久磁石５１〜５８、および７１〜７８の対向
部よりも外側どしたことである。苅同部の内側では、磁
界分布は台形波的であるが、外側に出るほど磁界分布は
正弦波に近くなるので、位置情報用永久磁石をあえて別
の分離したものとしなくても、本発明による所期の効果
が得られるのである。

また本実施例において、第１図に示したように電機子コ
イル２１〜２３の巻幅はＴ／３としたが、このように巻
幅が大きいとコイルの位置変化に伴う推力の変化も急峻
でなく平均化されるために、推力変動を第１１図に示し
た計算結果より更に小さくすることができた。第２図は
、電機子コイルが界磁永久磁石の１ピッチ分（すなわち
Ｔ寸法）移動する間の推力変動を、本実施例の場合と、
従来の構成とについて示したものであるが、本発明の推
力変動低減効果が著しいことがわかる。推力は若干低下
するが、界磁永久磁石の磁界分布パターンを正弦波とな
るようにした場合よりは若干大きい。

（実施例２） 第３３図に、本発明の第２の実施例を示す。可動磁石形
３相ブラシ１／スモータであって同図（ａ）はこの構成
を示す斜視図、同図（ｂ）は可動子・の磁石の着磁パタ
ーンと、固定電機子コイルどホー・ル素子との相対位置
関係を説明する図である。

同図（ａ）において１０は可動子・基板、６はこの上に
設けられた軟磁性材料からなるヨーク、８１〜８５は位
置情報用永久磁石である。この他、界磁永久磁石５１〜
・５４があるが同図（ａ、）では見えていない。

１１は軟磁性君料からなる固定ヨークであってこの上に
は電機子・コイルか配置され、２１〜２７が図示されて
いる。また磁極検出用ホール素子も配置されており、３
１〜３７が図示されている。

また、第３図（ｂ）において１１は固定子ヨーク、２１
〜２６はその上の電機子コイル、３１〜３６は磁極検出
用ホール素子−であって、これらの配置を上面図として
示している。１０はこれと対向する可動子基板であるが
、動作を説明するときに分かり易くするため、上面図と
して示した。５１〜５４は、１０の５面側に配置された
界磁永久磁石、８１〜８５は同様に１０の下面側に配置
された位置情報用永久磁石である。界磁永久磁石えよび
位置情報用磁石はともに紙面と垂直方向に着磁されてお
り、第３図に示した磁極の記号Ｎ、　Ｓは、磁石の下面
側すなオ）ち電機子コイルあるいは磁極検出用ホール素
子と対向する面の磁極記号な示している。（尚、第３図
（ａ）に一部示されている磁石８１〜８５の磁化方向を
参照比較されたい。） また、位置情報用磁石８１−８５は、区分して示したが
、本発明の趣旨から明かなように、樹肥号の表示し、て
ふる近傍がもっとも強い磁界を発生し、区分の境界イ・
」近ではとＡノと零となるような、正弦波的磁界分布を
与えるように構成されていることは改めて損う迄もない
。

可動子基板１０は、このように各磁石を配置しているが
、固定Ｐヨーク１１との相対位置は第３３図（ｂ）に２
点鎖線で示した位置を起点とし７て、右方向に移動可能
なようになっている。図が複雑となるので省略しである
が、可動子基板が２点鎖線の位置にあるとき、界磁永久
磁石５１〜５４は電機子−コイルのうち２１〜２３と対
向しており、位置情報用磁石８１・〜８５は磁極検出用
ボール素子のうち３１−３３ど対向し２ていることは理
解できよう。

つぎに動作について述べる。第３図（１））において可
動子基板Ｊ−０は２点鎖線で示した基準位置にあるもの
とする。いま磁極検出用ホール素子（たとえば３１）が
位置情報用磁石のＮ極と対向しているとき、対向する電
機子コイル（この例では２１）には実線で示した方向に
電流が流れ、また磁極検出用ホール素子が位置情報用磁
石のＳ極と対向しているとき、対応する電機子コイルに
は点線で示した方向に電流が流れるとする１、またコイ
ル電流の大きさはホール素子に印加される磁界の強さに
比例するように構成されているとする。

このような構成は、前記第５図の回路を用い、指令電圧
Ｅを適切な極性、大きさに設定することにＪ−り実現で
きることは言うまでもない。

この状態にあるとき、ホール素子３２、は位置情報用磁
石８３の略中央部で、もっとも強いＮ極部分に対向して
いるのて対応するＶｇ電機子コイルは実線方向に電流が
流れ、この結果電機子コイルと界磁永久磁石の間には磁
石Ｌ）　２　＋　　Ｊ　Ｊをと士ノに右側に移動させる
ような推力が発生ずる。またホール素子３１．３３は、
それぞれ位置情報用磁石８２．８４のＳ極に対向するた
めに、電機ｐコイル２］、２３には破線方向に電流が流
れ、その結果界磁永久磁石５１．５２および５３．５４
にはこれらを右側に移動させるような相方が発生ずる。

可動子・基板が右に移動してゆくに従い、電機子コイル
電流も逐次切替わって、右方向への運動が持続される。

従来の構造のものと異なり本実施例（２）では、磁極検
出用素子の位置がＴ／２シフトされ各コイルの中心線の
延長上におかれているが、位置情報用磁石も界磁永久磁
石とＴ／２シフトされた位置におかれているため磁極検
出素子と位置情報用磁石の相対関係位置は従来と変わら
ず、全く問題なく動作が行われる。しかも本実施例のよ
うに位置情報用磁石を界磁永久磁石より広く配置するこ
とにより、界磁永久磁石に対向はしていないが隣接して
いる電機子コイルにも駆動電流を流すことが可能となり
、推力を増加させる効果も得られる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば可動子の動作中の推力
の変動を低減することができ、性能のよい、またサーボ
制御に適したりニアモータを得ることが出来る。また、
推力変動が小さくなることから、同性能を得るには相数
を少なく構成することができ、安価にすることも可能で
ある。

さらにまた、実施例（２）に述べたように、界磁永久磁
石に対向していない、隣接する電機子コイルを励磁する
ことも可能となり、推力を大きくする効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例である可動電機十形多相
リニアモータの斜視図、側面図および断面図、第２図は
第１図の構成のものの推力変動を、従来の構成のものの
推力変動と比較して示した図、第３図は本発明の第二の
実施例である可動磁石形リニアモータの斜視図および、
固定電機子、可動子の上面図、第４図は従来の可動電機
子形３相リニアモータの斜視図および側面図、第５図は
電機ｐコイルを励磁するための回路を示す図、第６図は
界磁永久磁石による磁界分布の代表的例を示す図、第７
図は界磁永久磁石と電機子コイル、磁極検出用ホール素
子の位置関係と、界磁永久磁石ににり生ずる磁界分布を
示す図、第８図は従来の構成のりニアモータのうち１相
のコイルにつき磁界分布、推力変動を計算した結果を示
す図、第９図−１９＝ は第８図の構成のものを３相駆動としたときの推力変動
を示す図、第１０図は、本発明による構成のりニアモー
タのうち１−相のコイルにつき推力変動を計算した結果
を示す図、第１１図は第１ｏ図の構成のものを３相駆動
としたときの推力変動を示す図である。 １および１０：可動子基板、４および６：界磁永久磁石
用ヨーク、１１：電機子コイル用ヨーク、２１〜２７：
電機子コイル、３１〜３７：磁極検出用ホール素子、５
１〜５８および７１〜７８：界磁永久磁石、８１〜８５
：位置情報用磁石。 第１図（α） ／−７−／７＝７−／ｌフーア ／’　／’　／’　／’　／’　／’　／’　／’　／
／／／／／／／／／１ ５　　５２２１４２１Ｂ　　　　　　　　　　５７　５
８１　　　　／７　　　　　　　　　　　□樺１図（Ｃ
） 第２図 第１図（ｂ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｎ、Ｓ極交互に着磁されており、その着磁ピッチ
   がＴであるような界磁永久磁石と、これと対向する開角
   がＴであるようなＮ（Ｎは１以上の整数）系統の電機子
   コイルとから成り、このＮ系統の電機子コイルは、各系
   統毎に界磁永久磁石に対する動作方向の相対位置が僅か
   ずつ異なっていていわゆる多相駆動が行われるように配
   置されており、この界磁永久磁石あるいは電機子コイル
   の何れか一方が固定子となり、他方が可動子となるよう
   に構成されているリニアブラシレス直流モータにおいて
   、界磁永久磁石の他に、磁極検出センサを動作させるた
   めの位置情報用永久磁石が設けられており、位置情報用
   永久磁石の着磁ピッチは界磁永久磁石の着磁ピッチと等
   しく、また位置情報用永久磁石が磁極検出用センサに与
   える磁界パターンは、推力リップルを低減するための正
   弦波ないし適切な形状とされていることを特徴とする多
   相駆動方式リニアブラシレス直流モータ。
2. （２）界磁永久磁石と位置情報用永久磁石は、進行方向
   に対してＴ／２ずれて着磁なされており、磁極検出用セ
   ンサ素子は、各電機子コイルの開角Ｔの中心部に設置さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の多相駆動方式
   リニアブラシレス直流モータ。
3. （３）位置情報用永久磁石を界磁永久磁石と別個のもの
   とせず、界磁永久磁石の一部を利用、磁石と磁極検出用
   センサとの距離、磁石の形状寸法を部分的に変更するこ
   とにより磁極検出用センサへの印加磁界分布を正弦波状
   としたことを特徴とする請求項１記載の多相駆動方式リ
   ニアブラシレス直流モータ。