JPS6021347B2 - モ−タの位置及び速度の検知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はトランジスタモータ等の無整流子モータにおけ
るローターの位置と速度を検出する為の装置に関する。

従来この種のモータにあっては構成上必須の位置信号検
出器を構成する為にモータの回転ローターと同軸に取付
けられた位置信号用ロータを持つ位置検出器をもって位
置信号を取出す。また速度検出も同様に行うのが通例で
あった。しかるに小型モータにあっては位置検出器、速
度検出器は必ずしもモータ本体に比して小型ではなく、
いまいま相対的に大きくなり、これがこの種モータの一
般化をはかる上で障害となっていた。本発明は以上の点
に鑑みなされ、無整流子モータの中へ位置及び速度の検
出器を組込んでモータ全体を小型化せんとするものであ
る。その際、位置と速度の検出手段は兼用する様になし
て小型化をはかる。以下、図面に従って説明する。第１
図は本発明の一実施例である。同図ａにおいてｌａ，ｌ
ｂと２ａ，２ｂはステー夕におかれたフラットな構造の
電機子巻線の配置を示す１１〜１３は磁気感応素子であ
る所のホール素子であり、それぞれ同図ｂに示した１０
の台座をもって同図ａの位置へステータ上に固定される
。相互の回転角は１１．２５ｏを隔てて配置されｌａ巻
線の一端と素子１１とは４５ｏの角度をもって設置され
る。同様に１２の素子と２ｂ巻線の一端とも４５ｏの角
度をなす様に配置される。このモータ５の８極等間隔着
磁された永久磁石を界磁ローターとし、この磁石はｏ−
ター円板４上に固定される。

ロータ円板４はその外周に凸部８と凹部９とを交互に配
置した凹凸部を有する。これはロータの速度信号ピッチ
形成手段である。その凹凸の位相は磁石３の極性が反対
極性の所では反転する様に構成する。第１図ｂは同図ａ
のｌｂ一１ｂ断面図であり、ロータ円板４と、その上に
固定された磁石５が取め金具７を介して回転軸６の固定
され、これらがロータ部を構成する。電機子巻線ｌａ，
ｌｂ，２ａ，２ｂと、非磁性台座１０上にそれぞれ固定
されたホール素子１１〜１３とはステータョーク３上に
固定される。今第１図ａ中の矢印の方向にロータが回転
するものとすれば、磁石５からの磁遠がロータ円板外周
の凸部８と凹部９とへ分流することによって生じている
回転円周方向の磁束の疎密空間中を、ホール素子１１〜
１３は相対的に走ることになる。

素子が凸部８に対向すると磁束密度は高く、凹部９に対
向した位置では低い。また磁石の極性が反転すると素子
を通る磁束の向きも反転する。第１図ｂ中の点線で示し
た様な方向の磁束が例えば通るが、これから素子中のホ
ール素子チップの中を通る磁束を有効に検知するために
は、チップの面はロータ円板４の平面と平行となる方向
で、かつ８，９の凸凹部に極力近い位置に来る様に素子
を配置することが望ましい。なお本実施例では電機子巻
線ｌａなどは、電気角で丁度１８０ｏとなる全節巻を採
用する。第２図は本発明の位置及び速度センサの検出部
を示す。

図において３０，４０はコンパレータでありホール素子
１１，１２の出力の極性を検出する。つまり素子に対向
する位置にある磁石５の極性がＮ極かＳ極かを検出する
訳であり、即ちこれによってローターの位置を検出出来
たことになる。コンパレータ３０，４０から先は従釆よ
り公知のトランジスタ回路によって電機子巻線に流す電
流の極性を切りかえ、ロータ−一に駆動力を与え回転さ
せる。このとき、第１図の実施例では電気角で汀／２ず
れたｌａ，ｌｂ巻線と２ａ，２ｂ巻線とから成っており
、これを２相全波または４相半波で駆動すれば良い。か
くしてホール素子１１，１２と、コン／ぐレータ３０，
４０とによってローターの位置検出器が構成されその機
能をはたすことが出釆る。なおコンパレータ３０，４０
の出力を双方が等価である様にするため、その入力段に
てホール素子からの信号の一方を逆相にて入れる様にし
た。即ち第１図から明らかな様に、巻線ｌａ，ｌｂの通
電方向を切りかえ制御するホール素子１１はローターの
回転方向からみて電気角で１８ぴ遅れた位置にあるが、
巻線２，２ｂの通電方向を切りかえ制御する素子１２は
同様に１８０ｏ進んだ位置にあるので、相対的に双方を
遅れ又は進みにするべく、一方の出力を反転させる様に
コンパレータの入力段で操作したものである。次に速度
検出のための機能について説明する。ホール素子１３は
この機能のために追加された素子であり１１〜１３の素
子は入力を順方向に直列に接続するが、１３の素子のみ
、その入力を逆転させる。なお２１，２２の抵抗器は各
素子への入力電流を限流させるためのものである。かく
して各素子の正出力端同志を各抵抗器３１〜３３にて共
通点イへ加算し、また負出力端同志を各抵抗器４１〜４
３にて他の共通点口へ加算する。今ホール素子の磁束に
対するゲインが１１，１２の素子では等しく、１３の素
子のみ他の素子のノ２倍のゲインを持つものとし、また
抵抗器３１〜３３、４１〜４３は全て等しいものとする
。第３図は第２図回路の動作を説明するためのものであ
るが、ローターの回転に従ってホール素子１２の出力は
第３図ａの１２１の様な波形で得られる。この波形１２
１は着磁磁束に基づく１２０の波形にそれを起磁力とし
た凹凸に基づく高調波分が変調されて重畳されたものと
みなすことが出来る。同様にして素子１１の出力は１１
１の波形で得られる。これも基本波１１０‘こ凹凸によ
る変調波が重畳されて出力される。１１１，１２１の波
形を加算すると１４１の点線の様な波形が得られる。

これは１１０，１２０の基本波の加算波形１４０に凹凸
成分が重畳されたものとなる。第２図において抵抗器３
３、４３を開放し、フィル夕５０１こ高域通過フィル夕
を用いることとすれば、フィル夕５０の出力には第３図
ｃに示す様に、ロータ円板４の外周部に設けた凹凸に基
づく所の周波数成分信号を取り出すことが出来る。かく
して素子１１，１２とフィル夕５０とによってローター
の回転速度を検出することが出来る。なお磁石の極性の
反転に従って第１図に示すように磁石５の凹凸位相を反
転させたのは、第３図の波形からも明らかな様に、各素
子の出力を単純加算することによって速度信号を取り出
す際、速度信号交流成分の周期を均一にするためである
。もしも凹凸形状の位相の反転を行わない場合には、２
つの素子の出力の極性の異なるとき、つまり磁石の磁束
が双方素子に対して異極性のとき、凹凸形状による信号
成分、つまり速度信号成分がほとんどなくなってしまう
ので検出が難かしくなる。さらにそれを検出しえたとし
ても同極同志のときと、異極に双方の素子がある時との
間で速度の交流信号の位相が反転してしまう状態がおこ
り実用的ではなくなる。以上の様にして２素子の信号を
加算して、１４１の波形を得、これから凹凸にもとづく
速度信号をフィル夕５０を介して取り出すことが出来る
。しかしながら第３図ａの様に１４１の波形には不用な
基本波の和の信号波形１４０が重畳されているのでフイ
ルタのしや断ゲインの大きなものが必要となる。＼これ
を解決するために設けたのが素子１３である。素子１３
の出力は第３図ｂの実線１３１の様に得られる。これは
鎖交する磁石磁束の基本波１３川こ、凹凸に基づく変調
波が重畳された形となっているとは他の素子と同様であ
る。１３の素子の他の素子との位置関係は、１２に対し
ては電気角で４５ｏおくれ、１１に対しては４５０進ん
でいる。

しかも１３の素子の出力のみ逆極性で取り出すので、１
３素子の基本波１３０‘ま、１１，１２の素子の基本波
の和１４川こ比して丁度位相が１８０ｏずれた関係にあ
る。しかもケィンは他の素子のノ玄情であるので、１４
０と１３０とはその波形のピーク値が等しくなる。それ
は１１０と１２０の基本波の和である１４０の波形が、
ｃｏｓａ＋ｓｉｎａ＝ノ亥ｓｉｎ（ｏ＋４５ｏ ）の関
係から導かれる点で明らかである。かくして１１，１２
の２素子の出力の和に、１３の素子の出力を逆相で加え
ることによって、それらの前記した基本波の和は０とな
る。従ってこれら３つを加算した結果にはほとんどロー
タ円板の外周の凹凸にもとづくロータの速度信号成分の
みが現われる基本波を除去するためのフィル夕の低域カ
ットゲインはほとんど不要となり、速度信号を容易に取
出すことが出来る。かくして２素子の出力を加算するの
みならず第３の素子の出力をさらに加算することによっ
て簡易なフィル夕を通すのみでローターの速度信号を取
出すことが出来る。なお第２図のフィル夕５０の内部は
バンドパスフィルタの例を示している。この様に特定の
周波数附近の速度信号を取出すことによって特定速度で
の定速回転を行うモータの速度検出を行うことが出釆る
。実用的なトランジスタモータではこの様な一定遠での
み回転するモータが多く、その場合にはこの例の様な簡
易なバンドパスフィルタでその効果を十分に果すことが
出釆る。所でロータ円板外周に設けた凹凸の歯の数には
制約がある。

それは３つの素子の加算出力が速度信号にとって常に同
相でなければならない点からの制約である。Ｐ：極対数
、Ｊ：相数（素子の個数）、Ｎ：任意の正の整数とした
とき歯数ｎｇは、ｎｇ＝ＮＰぐの関係がある。ここで２
相モータにて第３の素子をおくときはその位相を考慮し
て少（ここでは２）は２０とおかねばならずｎｇ＝がＰ
◇である。なおＮは大きな数であっても良いが凹凸の歯
とホール素子が対向するとき、ロ−ターの回転に伴って
磁束の疎密をホール素子が検出出来ることが必要条件で
あるから上限値があることはいうまでもない。第３の素
子１３の機械的位置の制約は前記の条件にのみ縛られる
訳ではない。その目的が基本波成分の低減にある訳ゆえ
、基本波に関する限り、他の２素子との電気角が４５ｏ
でなくてもその近辺で十分減衰させることが出来る。極
端な場合としていずれか一方の素子と逆相の関係にあっ
てゲインがその素子と等しい第３の素子をおいたときは
、加算結果の基本波は一素子の基本波に一致する。それ
でも２者を加算した結果のノ２分の１にゲインが下がっ
たことになる。なおそれよりも別に、第３の素子をおく
とき、その素子は。ータ円板外周の凹凸に他の素子と同
様に対向させる必要は必ずしもない。基本波の消去に限
定すればそれは必要条件ではないからである。しかし、
このときに３者を加算するとき、速度信号成分は出力が
低下することは否めない。なおまた、第１の実施例で第
３の素子１３のゲインは他の２素子のノ２倍であるとし
たが、それも必ずしも必要条件ではない。同じゲインで
あるとしても、第２図中抵抗器３３，４３を４・さくし
て、ゲインがノ２倍あると等価することが出来るし、基
本波を除去すべくこの抵抗器を調整手段として可変にし
て構成することも出来る。なお所でホール素子２個で速
度信号を検知するとき、ロータ円板外周の凹凸の機械誤
差は平均化される。３個用いるとさらにそれを平均化す
ることが出来るので速度信号出力の精度を向上させるこ
とが出来るというメリットがある。

以上の説明から明らかな様に、本発明によればローター
の位置を検知する手段によって速度信号も同時に検知す
ることが出来る。

このとき、位置検知の為に直接用いられない素子を追加
することによって、速度信号を取出す際の不用な信号成
分を低減することが出来る。さらに素子数がふえた分だ
けロータ円板の外周に設けた凹凸の歯の機械的誤差や、
素子の取付誤差などを平均化し、速度信号の精度を向上
させることが出来る。また位置速度の検知にはモータの
駆動力発生のためにおかれた磁石の起磁力を利用出来る
ので余分な制御源が不要である。そして検知用素子はモ
ーターのローターの外周部におかれるのでモーターのサ
イズはほとんど大きくならずモーター全体の寸法を従釆
のものに比して小型化することが出釆る。なお本発明の
装置において界磁は永久磁石にとどまらずスリップリン
グブラシを介して励磁される敏磁材より成る界磁であっ
ても良いことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例であるモーターの構成図、第
２図は第１図構成のモーターから位置と速度の信号を検
知するための制御回路を示す図、第３図は第１図実施例
の動作を説明する為の図である。 図中、ｌａ，ｌｂ，２ａ，２ｂは電機子巻線、３はステ
ータョーク、４はロータ円板、５は永久磁石、８は凸部
、９は凹部、１１〜１３はホール素子を示す。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ローターに複数極より成る界磁を有しステータに電
   機子巻線を有する無整流子モータ、前記ローターの回転
   円周上に界磁の極ピツチよりも短かいピツチで前記界磁
   による磁束の疎密を形成する速度信号ピツチ形成手段、
   この手段が作る磁束量に感応し前記電機子巻線への通電
   電流の方向を制御する磁気感応素子、この磁気感応素子
   の出力を受けて前記界磁の極ピツチを検出するコンパレ
   ータ、前記磁気感応素子の出力を受けて前記速度信号ピ
   ツチ形成手段が作るピツチ信号を分離検出するフイルタ
   を備え、前記電機子巻線への通電電流の方向を制御する
   為には用いられない別の磁気感応素子を付加し、この別
   の磁気感応素子の出力を前記磁気感応素子の出力に加え
   て前記フイルタに入力することを特徴とするモータの位
   置及び速度の検知装置。