JPH0389899A - ステツプモータおよびこれにおける回転子位置信号記録方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はステップモータに関し、特に１回転子の極歯の
位置を正しく検出する位置検出装置を有するステップモ
ータに関する。

〔従来の技術〕

ステップモータは低速で高トルク特性を示すことから、
減速機構を介さないで負荷を直接駆動できる点で装置の
小形化を志向するのに好適である。

又、制御も比較的に簡単で、簡易的なものとしてオープ
ンループ制御のものがある。これはパルスモータとも呼
ばれているもので、固定子巻線に所定の周波数のパルス
状電流を流し、これに同期して回転子が回転するもので
ある。一方、指令された速度に正しく追随させて、又、
脱調も回避するために、回転子の回転速度や回転子の極
歯の位置を検出し、クローズトループ制御も行なわれて
いる。

クローズトループでは、回転子の極歯の位置に関連させ
て固定子の相巻線の転流を行なわせることが必要であり
、極歯の位置を検出する位置検出器が必要になる。

従来位置検出器として、特開昭６１−６９３６４号公報
記載のものが知られている。この公報には、回転子であ
る移動子の外周の移動子突極を直接検出する移動子移動
位置検出用突極およびこれに巻装されたコイルが示され
ている。この構成によれば移動子突極の位置を直接コイ
ルで検出できる点で。

突極の正しい位置を検出できる点で有効な構成であると
考えられる。

この種の位置検出器を具備した一般的なステップモータ
を第７図に示す。

１は筒状の鋼板製のハウジングでその内側にラミネート
された珪素鋼板を積層した固定子２が設けられている。

固定子２は第８図に示すようにその内側に１６個の突極
２Ａがあり、それぞれの突極には５個の極歯２Ｂが形成
されている。この固定子２の内側にはハウジング１の両
端のエンドブラケット３．４に回転自在に支承された回
転子５が設けられている。６，７は回転子５の軸受であ
る。

回転子５は励磁用マグネット８とこれを挾持するように
励磁用マグネット８の両側に設けられた回転子ヨーク９
，１０とから構成されている０回転子ヨーク９．１０の
外周には前記固定子２の内側に切られた極歯２Ｂに対向
する極歯５Ａが第９図に示すようにそれぞれ形成されて
いる０回転子ヨーク９，１０の相対回転位置関係は、極
歯のピッチの１７２だけずらして軸１１に固定されてい
る。尚、固定子と回転子に切られた極歯のピッチはそれ
ぞれ等しくされている。尚、第８図の突極２Ａにはそれ
ぞれ相巻線が巻装されるが、本図面では省略しである０
巻線はモータの仕様により二相、三相、あるいは多相が
選択してその通電を制御可能である。励磁用マグネット
８は図示のように軸方向にＮ、Ｓの着磁が施こされてい
る。軸１１の両端はそれぞれ軸受外に突出させ、例えば
図面上左側が負荷を駆動する出力軸とされ、右側端が検
出のために供される。軸１１の右側端には回転子ヨーク
９または１０の外周の極歯５Ｂの位置を検出し、固定子
突極２Ａに巻装された巻線の相電流の転流信号として使
用する回転子の位置検出板１２が取付けられている。こ
の検出板１２は回転子ヨーク９あるいは１０と全く同一
の軸方向面形状をなしている。すなわちこの位置検出板
１２の外周には回転子ヨークの外周に形成された極歯５
Ａと同一数、同一形状、同一ピッチの歯を有している。

具体的には前記回転子ヨークとこの位置検出板の位置関
係を同一にされているので、位置検出板１２の位置を検
出することにより１回転子ヨーク９，１０の位置、すな
わち、固定子の突極に対する位置が検出可能になる。位
置検出板１２の歯を検出する方法としては光学的なもの
。

あるいは磁気的なものが知られている。位置検出板１２
がアルミニウムやプラスチック等の非磁性体の場合は、
発光素子と受光素子を位置検出板外周の歯の両側に配し
、位置検出板１２の回転に伴なう光の通過と遮断を受光
素子を検知し、これを電気信号に変換して検出する。位
置検出板１２が磁性体の場合は、磁気的に歯部を検出で
きる素子。

例えば、バイアス磁石を基板に担持したりアクタンス方
式の磁気抵抗効果素子、あるいはホール素子が用いられ
る。１３はこれらの、あるいはこれらに類した素子によ
って検出する位置検出器を示している。尚、図面上では
、前記素子は省略しである。

１４は位置検出板１２と同様に軸エエの右端に固定され
た速度検出板でアルミニウム等の非磁性体からなされる
。１５は速度検出板１４の外周に塗布された磁気記録媒
体で、多数の磁極（磁気信号）が記録されている。１６
は磁気記録媒体１５に着磁された磁極を検出する磁気抵
抗効果素子からなる速度検出器で前記エンドブラケット
４に固定されている６モータが回転すると、磁気抵抗効
果素子の抵抗値が変化するので、この変化を例えばパル
ス化した電気信号として取出し、所定のサンプリング時
間内に存在するパルス数あるいは２個あるいは数個のパ
ルス間隔の時間を２１Ｉ１１定することによりモータの
速度を検出することができる。

このような位置検出器および速度検出器を具備したハイ
ブリッド形のステップモータは公知である。

この種ステップモータは低速・高トルクの特長を有する
が、回転の滑らかさも要求される技術課題である。

このため考慮されているのは、第１０図に示すように、
二相のステップモータの場合は、電気角で９０度位相の
ずれた２相のコイルに発生する正弦波状の誘起電圧に対
し１位相の合った正弦波状の電流と切換え流すことであ
る。このときモータの発生トルクは、 Ｔ　ｃｃ　Ｃ（ｓｉｎ”θ＋ｃｏｓ”θ＞＝ＣただしＣ
は定数 で一定となり、回転が滑らかになる。

次にこの種ステップモータの一般的な制御回路の概略構
成を第１１図に示す。

図面において、電流指令回路５２はリードオンリメモリ
（ＲＯＭ）で構成されており、このＲＯＭ内には正弦波
の電流指令が記憶されている。モータ５０に結合された
前記速度検出器１６から得られた検出信号をカウンタ５
１でカウントし、これによって測定された速度に応じて
、電流指令回路５２内に記憶されている正弦波の信号を
Ｄ／Ａコンバータ５３に出力する。５４は自動電流調整
器で前記Ｄ／Ａコンバータ５３から出力されたアナログ
値を調整し、次段のパルスウィントスモジュレーション
（ＰＷＭ）回路５５に付与する。ＰＶＭ回路５５では前
段が指令されたアナログ値に応じて通流率（デユーティ
）をインバータＩＮＶからなる駆動回路５６に与え、モ
ータ５０は電流指令回路５２で指令された回転速度で駆
動される。

ただし、単に指令された電流指令でモータを駆動するだ
けではモータが指令された速度に維持されているか判ら
ないので、実際には、モータの軸１１に前記の速度検出
器１６が設けられている。

モータ５０が回転すると速度検出器１６からはその回転
速度に応じた周波数の正０弦波信号が得られる。この信
号を波形整形回路５７によりパルス化し、これをマイク
ロプロセッサ５８にて速度を計算し、前記Ｄ／Ａコンバ
ータ５３に入力する。前記Ｄ／Ａコンバータ５３では前
記電流指令回路５２から与えられた電流（速度）指令値
とマクロプロセッサ５８にて計算された実速値を突合わ
せ、この差値から実際に必要な電流指令を生成する。

５９は電流検出素子であり、この素子５９によって得ら
れた信号はＡＣＲに入力される。

回転子の位置検出器１３からの出力信号は、前記回転子
５の極歯５Ａに相当する信号を出すものであるが、この
信号は前記カウンタ５１の値のリセット信号となるもの
で、この極歯毎に同一の電流指令をモータ５０に付与す
ることができる。回転子の位置検出信号の生成・検出の
精度は、電流指令がデジタル的に処理されていることか
ら、カウンタ５１の１カウンタ値内に入る精度であれば
よい。

しかしながら、超低速で回転むらのない状態で回転させ
るためには、速度検出器１６の分解能を高くする必要が
あり、速度検出器１６の分解能（１回転当りに生成され
るパルス数）を少なくとも３６００ＦＣにする必要があ
る。このように高い分解能の位置検出器１６を用いると
き、回転子の極歯５Ｂの位置を高精度に誤差なく検出す
る必要が生じている。

ところが、第１Ｉ！ｌに示す位置検出装置では、回転子
５と同形の位置検出板１２により、回転子５の外周の極
歯５Ａを検出するようにしているので。

回転子５と位置検出板１２の回転位置合わせの精度が問
題になる。又１位置検出板１２を回転子ヨーク９あるい
は１０と全く同一の形状に形成することができず、結果
として回転子の極歯５Ａを正しく、全く誤差がないよう
に検出できる構成にはなっていない。

これらの問題点を解決するものとして、特開昭１３１−
６９３６４号公報記載のステップモータが知られている
。この公報記載によれば回転子の外周に形成された極歯
を直接位置検出用コイルで検出し、この信号により巻線
の相切換えを行うものとしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記第７図に示す一般的なステップモータでは回転子の
位置を検出する位置検出板１２が回転子と別部品で構成
されており、物理的に直接回転子の位置を検出すること
ができない構造になっている。したがって、回転子の極
歯に対する固定子突極の極歯の正確な位置を検出するこ
とができず、正確な相巻線に対して正確な転流を行なう
ことができない。転流が固定子の極歯に完全に同期しな
いと回転むらが生じ、特に超低速時においてこの傾向が
顕著である。

回転子に対する位置検出板１２の位置合せは軸１１に基
準となる平坦部１７を形成し、この平坦部１７を基準と
して回転子５および位置検出板１２の取付けを行ってい
たが、これでも不充分で、実際には運転状態から制御回
路のカウンタ５１のプリセット値を調整することが個々
のモータ毎に位相や転流時期を調整しているのが実情で
あった。

又、後者の公報では１回転子の磁極歯を直接位置検出用
コイルで検出するようにしているので、で、磁極歯の正
確な位置を検出可能であるが、この検出コイルおよび検
出コイルを巻装する突極を本来の駆動用突極間に配置す
る構造としであるので、回転子の総ての磁極歯および突
極の総てを回転トルクを生じさせる作用をしないという
問題点を有している。したがって、この公報記載のステ
ップモータではこの種モータで特長としている高トルク
の性能が阻害されることを余儀なくされている。

本発明の目的は、前記に着目し、この種モータの特長で
ある高トルク特性を阻害することなしに、回転子極歯を
正確に検出し、これに基づいて最適な相巻線の転流信号
を得、回転むらのない低速・高トルクのステップモータ
の提供と、これに用いるのに好適な回転子位置信号記録
方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は前記諸点に着目し、前述の目的を達成するため
に１巻線を巻装した固定子と、固定子に対向して回転自
在に配された回転子と、固定子と回転子のそれぞれ対向
する面に多数形成された極歯と、回転子の位置を検出す
る位置検出器と、この位置検出器から得られた位置信号
に基づいて固定子に巻装された巻線の相電流を切換える
手段とを備えたものにおいて、回転子の回転子ヨークに
極歯と位置検出歯を塑性加工等で一体に形成し、この位
置検出歯を前記位置検出器により検出するように構成し
たものである。

〔作用〕 前記のように、極歯と位置検出歯が同一金型により鍛造
で一体に製造されるので、位置や寸法誤差が全くなく、
回転子の正確な位置を検出することが可能になる。

〔実施例〕

以下本発明の第１の実施例の構成を第１図および第２図
で説明する。これらの図において前記で説明した部品と
同一の部品および構成要素は第７図と同一あるいは同様
のものを示すので説明は省酩する。

第１の実施例においては、回転子ヨーク１０９および１
１０が鍛造で製造されるのが特徴である。

そしてこれらの回転子ヨーク１０９および１１０の外周
および端面には極歯１０９Ａ、ｌｌ０Ａおよびこれに連
続した位置検出歯１０９Ｂ、ｌｌ０Ｂが一体に形成され
ている。これらの極歯１０９Ａ。

１１０Ａと歯１０９Ｂ、ｌｌ０Ｂは同数でしかもその形
状２回転位置が全く同一に塑性加工あるいは鍛造にて形
式されているので歯１０９　Ｂ　、ｌｌ０Ｂを検出する
ことにより、極歯１０９Ａ、ｌｌ０Ａを正確に検出可能
となる。これは、位置検出歯が極歯と同一の成型用金型
により鍛造されるので、両者には誤差が全く生じないこ
とが理解されよう。

金型の寸法精度は極めて高いことが常識的に知られてい
る。

位置検出器１３にはホール素子を用いている。

ホール素子の背部にはバイアスマグネット１３Ａが取付
けてあり、位置検出歯１１０Ｂの有無に応じて位置検出
信号を生成する。この信号により、回転子の位置を検出
し、相電流の切換えを行なうものである０位置検出歯は
１０９Ｂとｌｌ０Ｂの二つあるがこの例ではｌｌ０Ｂの
方を用いている。

実際は１０９Ｂも使用できるが１回転子ヨーク１０９と
１１０を経済性の面から同一のものを共用していること
から、１０９Ｂは無駄になるように見えるが、同一形状
のものを回転子の軸１１に左右対称に取付けることによ
り回転子のバランスが良好になるという効果がある。こ
の一実施例ではホール素子の位置を相電流切換えのため
に位置検出歯１１０Ｂに対し調整すれば、突極２Ａに対
する回転子の極歯の位置が決まり、＊整が簡単である。

前記は通常のインナーロータの例であるが、アウタモー
タに適用する第２の実施例を第３図および第４図に示す
。

第３図にアウタロータに用いられるカップ状の回転子５
を示す、この回転子５と固定子２の関係は第４図に示す
ようになっている。この図で明らかなように１回転子５
の内周に固定子２の極歯２Ｂに対向する極歯５Ｂを形成
し、外周に位置検出歯５Ｃが形成されている。この極歯
５Ｂと位置検出歯５Ｃは前記第１の実施例と同様に鍛造
で形成されるので、極歯５Ｂと位置検出歯５Ｃの位置の
ずれはない。

したがって５位置検出器１３の検出信号は前述のように
正確なものとなる。

前記の二側は位置検出歯を極歯と同じ鍛造で形成したも
のであるが、回転子ヨーク１１０の外周側面に磁気記録
媒体１１０Ｃを塗布した第３の実施例でも本発明は実施
できる。この第３の実施例では回転子ヨーク１１０の外
周側面に磁性粉を多量含ませた溶融樹脂を磁気記録媒体
１１０ｃとして塗布し、これに極歯１１０Ａを基準にし
て磁極Ｎ、Ｓを着磁したものである。着磁は図示のよう
に、極歯１１０Ａに磁気ヘッド２００を対向配置し、極
歯１１０Ａから得られた信号を増幅器２０１で増幅し、
これを着磁ヘッド２０２の着磁信号として用いるもので
ある。

この例では、回転子ヨーク１１０の形状がシンプルにな
り、成形が容易になると共に、媒体１１０Ｃに磁気記録
する信号を極歯１１０Ａから得ているので、媒体１１Ｏ
Ｃの磁気信号と極歯１１０Ａとの位置ずれは全く生じな
い。

尚、この媒体は回転子ヨーク１１０の側面に配されてい
るが、外周でもよい。更に、適用されるモータの形式は
インナー、アウターを問わない。

この例もアウターモータに適用される。

これと類似のものでアウターロータに適用した第４の例
を第６図に示す。

第６図は磁気記録媒体としてブススケックマグネット１
１０Ｄを用いるものである。その他の事項は第５図と同
様である。

アウターロータの場合は回転子の径が大きく、運転時の
慣性が大きくとれ、又、トルクも大きいという良さがあ
る。

又、媒体を回転子の外周に設ければ、モータ全体として
軸方向の寸法を小さくすることができる。

又、これらの例は回転子と固定子が周対向のモータにつ
いて述べたが、軸方向端面対向のいわゆるフラットモー
タにも適用可能である。

前記極歯は塑性加工や鍛造で、かつ同一の金型で形成さ
れるが１例えば第１２図のように回転ヨーク１１０の外
周に円形バイトを点線のように当て、このバイトを回転
すれば実線で示す溝をもつ極歯１１０Ａを形成すること
ができる。溝部が円弦になっているのは円形バイトを用
いたためであり、直線的に往復運動するバイトを用いれ
ばこの溝部は直線的になる。モして極歯１１０Ａの端部
が必然的に位置検出歯１１０Ｂになる。

いずれにしても極歯を切削するバイトで共通に位置検出
歯を形成するので、極歯１１０Ａと位置検出歯１１０Ｂ
の位置は同じになり、誤差を生じないように加工可能で
ある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は巻線を巻装した固定子と、
固定子に対向して回転自在に配された回転子と、固定子
と回転子のそれぞれ対向する面に多数形成された極歯と
、回転子の位置を検出する位置検出器と、この位置検出
器から得られた位置信号に基づいて固定子に巻装された
巻線の相電流を切換える手段とを備えたものにおいて１
回転子の回転子ヨークに極歯と位置検出歯を鍛造で一体
に形成し、この位置検出歯を前記位置検出器により検出
するように構成したので、回転子の極歯を正確に検出で
き、これに基づいて最適な転流信号を得ることができ、
回転むらのない低速・高トルクのステップモータを提供
することができる。

又、位置検出歯として磁気記録媒体を用いる際、この媒
体に極歯を基準として磁気記録する方法としたので、位
置を示す磁気信号と極歯との位置ずれがなく、正確に極
歯の位置を検出することができる。

前記のように、本発明はインナーモータおよびアウター
モータに限らず軸面対向のいわゆるフラットモータにも
適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の実施例を示すもので第１
図はインナーロータの断面図、第２図はその回転子ヨー
ク部の一部拡大正面図、第３図はアウターロータの断面
図、第４図は固定子と回転子の関係を示す要部断面図、
第５図はインナーロータの他の実施例を示す断面図、第
６図はアウターロータの他の実施例を示す断面図、第７
図ないし第１１図は従来の例を示すもので、第７図はイ
ンナーロータの断面図、第８図は固定子の正面図、第９
図は回転子の正面図、第１０図は相電流等の波形図、第
１１図は回路図、第１２図は切削による加工の例を示す
ものである。 １・・・ハウジング、２・・・固定子、５・・・回転子
、１３・・・位置検出器、１０９，１１０・・・回転子
ヨーク、１０９Ａ、ｌｌ０Ａ・・・極歯、１０９Ｂ、Ｉ
ＩＯＢ第 １ 図 １０Ｂ 第 図 第 図 第 図 第 図 １１ＯＣ・磁気記録媒体 ２００・・磁気ヘッド ２０１・−・増幅器 ２０２・着磁ヘッド 第 図 １１０Ｄ・ プラスチノクマグネノト 第 ７ 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、巻線を巻装した固定子と、固定子に対向して回転自
   在に配された回転子と、固定子と回転子のそれぞれ対向
   する面に多数形成された極歯と、回転子の位置を検出す
   る位置検出器と、この位置検出器から得られた位置信号
   に基づいて固定子に巻装された巻線の相電流を切換える
   手段を具備するものにおいて、 回転子の回転ヨークに極歯と位置検出歯を一体に形成し
   、この位置検出歯を前記位置検出器により検出するよう
   に構成したステップモータ。 ２、請求項１において、 回転子ヨークの外周に極歯、側面に位置検出歯を形成し
   たステップモータ。 ３、請求項１において、 回転子ヨークの内周に極歯、側面に位置検出歯を形成し
   たステップモータ。 ４、請求項１において、 回転子ヨークの内周に極歯、外周に位置検出歯を形成し
   たステップモータ。 ５、巻線を巻装した固定子と、固定子に対向して回転自
   在に配された回転子と、固定子と回転子のそれぞれ対向
   する面に多数形成された極歯と、回転子の位置を検出す
   る位置検出器と、この位置検出器から得られた位置信号
   に基づいて固定子に巻装された巻線の相電流を切換える
   手段とを備えたものにおいて、 回転子の回転ヨークに極歯を形成し、この回転子ヨーク
   の極歯を有しない面に磁気記録媒体を設け、この媒体に
   位置検出用の磁気信号を記録したステップモータ。 ６、請求項５において、 磁気記録媒体をプラスチックマグネットとしたステップ
   モータ。 ７、巻線を巻装した固定子と、固定子に対向して回転自
   在に配された回転子と、固定子と回転子のそれぞれ対向
   する面に多数形成された極歯と、回転子の位置を検出す
   る位置検出器と、この位置検出器から得られた位置信号
   に基づいて固定子に巻装された巻線の相電流を切換える
   手段とを備えたものにおいて、 回転子の回転ヨークの極歯を具備しない面に磁気記録媒
   体を設け、この磁気記録媒体に前記極歯を基準にして位
   置検出用信号を磁気記録するステップモータにおける回
   転子位置信号記録方法。 ８、請求項１において、 塑性加工は鍛造であるステップモータ。 ９、請求項１において、 極歯と位置検出歯を切削形成したステップモータ。