Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JPH0117347B2 - - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JPH0117347B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPH0117347B2
JPH0117347B2 JP55123167A JP12316780A JPH0117347B2 JP H0117347 B2 JPH0117347 B2 JP H0117347B2 JP 55123167 A JP55123167 A JP 55123167A JP 12316780 A JP12316780 A JP 12316780A JP H0117347 B2 JPH0117347 B2 JP H0117347B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
circuit
stator
magnetic pole
output
movable element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP55123167A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5746670A (en
Inventor
Noriaki Wakabayashi
Terumichi Fukumoto
Nobuhiro Ueda
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP55123167A priority Critical patent/JPS5746670A/en
Publication of JPS5746670A publication Critical patent/JPS5746670A/en
Publication of JPH0117347B2 publication Critical patent/JPH0117347B2/ja
Granted legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
    • H02K41/033Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type with armature and magnets on one member, the other member being a flux distributor
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/10Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using light effect devices
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/12Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using detecting coils using the machine windings as detecting coil

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Linear Motors (AREA)
  • Linear Motors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は極めて高精度な速度制御や位置制御を
可能としたブラシレス(無接点)リニアサーボモ
ータに関する。 更に詳しく述べると、本発明は制御対象を直接
的にリニアドライブし、かつ如何なる接触子をも
排除した無接点式のリニアサーボモータに関する
ものである。 本発明の代表的な適用範囲はXYプロツタなど
作画機のペンブロツクの駆動機構、XYレコーダ
やストリツプチヤートレコーダなど記録計のペン
ブロツクの駆動機構、ラインプリンタなど印字機
の印字ヘツドの送り機構を始めとする高速でかつ
高精度な直線運動を行なわせるような駆動装置で
ある。 従来、上述した機器では、ロータリ形のステツ
プモータやロータリ形のサーボモータを用い、ギ
ア、ローラ、プーリ、ワイヤなど伝達部材を介し
て制御対象を直線状に移動させるような駆動機構
を採用するのが最も一般的であつた。 ところがこのような駆動機構を用いた場合、得
られる性能には以下に述べるようなある一定の限
界と言うべきものがあつて、それを超えようとし
た場合には技術的にもコスト的にも急激に困難な
状況に直面せざるを得なかつた。 その第1は位置精度や直線性、再現性に係る物
理的な精度の問題である。例えばギアには常に一
定のバツクラツシユ、不感帯が存在し、プーリに
はスリツプが存在する。またワイヤは長ければ長
い程その伸縮が精度に悪い影響を与える。ロータ
リ形のステツプモータはクローズドループ制御で
は無いので(いわゆるオープンループ制御)ギア
の偏芯は直線性に微妙な影響を与え、また高速化
を目指すと過渡的状態で脱調をひき起し易いとい
う致命的な問題点もはらんでいる。一方ロータリ
形のサーボモータを使用する場合は作用点(制御
対象)にリニアポテンシヨメータを使用しクロー
ズドループ制御を実現することが多いので伝達系
に起因する精度劣化要因は緩和されるが、今度は
リニアポテンシヨメータに起因する精度劣化が発
生する。現在広く用いられているリニア形ポテン
シヨメータは巻線形や導電性プラスチツク形の抵
抗体と摺動刷子によるものであつて、抵抗体の非
直線性、刷子のヒステリシス、バツクラツシユ、
抵抗体の摩耗が精度を大きく支配している。 その第2は耐久性とか寿命と言う信頼性の問題
である。上述した伝達系では摩擦抵抗を仲介とし
た力の伝達部材を含んでいたり、ワイヤを屈曲さ
せるためにローラのような回転部材を多用してい
るために、必然的に摩耗が各部で進行し劣化が起
つてゆくのは避けられない。また特にワイヤの劣
化、断線事故の確率も高い。一方ロータリ形のサ
ーボモータはその多くがブラシ付DCモータから
出来ているため、その寿命にはやはり一定の限界
を考えておかなくてはならない。また前記のよう
なポテンシヨメータの抵抗体の摩耗は信頼性を低
下させる要因のひとつになつている。 その第3の問題は騒音の問題である。上述のよ
うに従来の方式はロータリ形のモータの回転力を
数多くの伝達部材を介して制御対象に伝えこれを
直線状に駆動するため可動部材が多く、各部でか
なり大きな騒音を発生する。特にワイヤの共振
音、ローラの回転音が比較的大きい。そのため機
器の品位が著しくそこなわれることが多い。 これらの欠点を改善するための幾つかの試みが
提案されている。その一例としてリニアステツプ
モータの応用がある。これはペンブロツクなどを
直接的に駆動しようとするものであつて、前述し
た欠点のかなりの部分は改善させることが出来る
が、ステツプモータであるため完全なクローズド
ループ制御化はむずかしく、その結果高速化、高
加速性に難点を持つている。また、XYプロツタ
のような作画機には向いているが、XYレコーダ
とか、アナログ記録計には向かず応用範囲が限ら
れているという欠点を持つている。 本発明のブラシレスリニアサーボモータは上述
のような従来の問題点をすべて解決できるもので
ある。その特徴とするところを列記すると以下の
ようになる。 (1) 制御対象(例えばペンブロツクなど)を直接
的にリニアドライブする直流のリニアサーボモ
ータである。 (2) 非接触式の位置センサを内蔵し、これを用い
て電子整流子を構成した刷子の無い直流リニア
モータである。 (3) ポテンシヨメータはモータに内蔵かつ共用化
された電子式のリニアポテンシヨメータであつ
て独立したポテンシヨメータを設ける必要はな
い。 (4) 上記内蔵ポテンシヨメータはインクリメント
式のエンコーダとセンサと電子回路によつて構
成される。 (5) 上記内蔵ポテンシヨメータのセンサは前記電
子整流子の非接触式の位置センサと共用であ
り、刷子などの接触子は全て排除されている。 (6) 上記内蔵ポテンシヨメータのインクリメント
式のエンコーダは一定ピツチのきざみを持つた
スケール(物差)であり、これはモータの固定
子(ステータ)そのもので共用化されている。 (7) モータの磁気回路の構成要素である上記固定
子は、その長手方向に一定のピツチの磁性体よ
りなる多数の歯状の凹凸を持ち、モータの電子
整流子とポテンシヨメータの共用化されたセン
サはこの歯状の凹凸を検出する。 (8) 本リニアサーボモータは可動子の方にも固定
子と同様の磁性体よりなる歯状の凹凸を持つ、
いわゆるダブルスロツト構造を有している。 (9) 本リニアサーボモータはXYプロツタのみな
らず、XYレコーダ、アナログ記録計、ライン
プリンタなどを含めデイジタル的、アナログ的
制御を問わず広い適応範囲を持つている。 (10) 上述したように如何なる接触子を持たないた
め非常に信頼性が高い。 (11) 上述したように制御対象を直接的にリニアド
ライブするので精度が高く、また力の伝達部材
が無いため長寿命かつ低騒音である。 (12) 上述したように部材の共用化、一体化が図ら
れているため、コスト面で有利であり、また小
型軽量にできる。 以上列記したように本発明のブラシレスリニア
サーボモータは数多くの特徴をもつている。 以下図面にもとづいて本発明を説明してゆく。
第1図は本発明のブラシレスリニアサーボモータ
の機構部の一実施例である。第1図aは主要部の
斜視図、bは可動子移動方向と垂直な面の断面図
(I―I線断面図)c及びdはそれぞれ可動子移
動方向に平行な面による断面図(―線断面図
及び―線断面図)である。このa〜dの図面
で共通の部材は同一の番号を付けている。図中1
は固定子であり、長手方向(可動子移動方向)に
一定のピツチで磁性体よりなる多数の歯状の凹凸
(これを以後磁極歯と称する)2を有している。
3は可動子であり、この可動子3は、可動子移動
方向と直角の面方向に着磁された永久磁石4と、
これを両側から挟むように積層された2個の継鉄
(A)9A、継鉄(B)9Bと、この継鉄(A)及び(B)に巻装
された3相3個のコイル10a,10b,10c
と、継鉄(A)の固定子対向面にきざまれた3群の磁
極歯群5a,5b,5cと、同様に継鉄(B)にきざ
まれた3群の磁極歯群6a,6b,6cと、無接
点位置検出センサブロツク7と、固定子1及び可
動子3との間の僅かな空隙を一定に維持しかつ可
動子を滑らかに案内するようなローラの如き案内
手段8a,8bとから構成される。但し、この案
内手段は図面が繁雑になるため、第1図bのみに
破線で示している。 本実施例では固定子1にきざまれた磁極歯2は
一定のピツチでその長手方向に多数個設けられて
いるのに対し、可動子側の継鉄(A),(B)9A,9B
にきざまれた磁極歯はそれぞれ3群で合計6群あ
り、その同一群内の磁極歯ピツチは固定子ピツチ
と等しいが、異なる群間ではすべて位相が異るよ
うにきざまれている。第1図c及びdは前述した
ようにそれぞれ長手方向に平行な異つた2平面に
よる断面図であり、特に第1図cは継鉄(A)9Aを
含む部分の断面図であり、第1図dは継鉄(B)9B
を含む部分の断面図である。この図面c,dより
わかるように、継鉄(A)9Aにきざまれた磁極歯群
5a,5b,5cは互いに120゜ずつ位相が異る。
また同じように継鉄(B)9Bにきざまれた磁極歯群
6a,6b,6cもまた互いに120゜ずつ位相が異
る。そして更に継鉄AとB間ではそれぞれ互に
180゜位相が異つている。即ち、5aと6a、5b
と6b、5cと6cはそれぞれ180゜位相差をもつ
た磁極歯となつている。コイル10a,10b,
10cはいずれも継鉄(A)9A、継鉄(B)9Bにまた
がつて巻装されている。この3相3個のコイルに
順次電流を付勢すれば可動子を固定子の上でその
長手方向に移動させることができる。特に前記無
接点位置検出センサブロツク7からの位置情報に
従つて電子的にコイルを順次付勢すれば、滑らか
かつ連続的に移動させることができる。 ここで第1図に示した本発明のブラシレスリニ
アサーボモータの機構部の実施例の磁気回路と駆
動力発生の原理とを説明する。 第2図はこの磁気回路を説明するために電気回
路的モデルに置換したものである。図中14は永
久磁石を電池として表現したものであり、パーミ
アンス15a,15b,15c,16a,16
b,16cはそれぞれ可動子磁極歯群5a,5
b,5c,6a,6b,6cと固定子磁極歯2間
の空隙のパーミアンスを表している。但し、ここ
では継鉄(A)9A、継鉄(B)9B及び固定子1の磁気
抵抗は零と仮定している。20a,20b,20
cは3相3個のコイルをモデル的に表現したもの
である。固定子磁極歯と可動子のそれぞれの磁極
歯群との空隙のパーミアンスが可動子の移動方向
に関して正弦的に変化するものと仮定し、可動子
の移動方向をX、磁極歯のピツチをL、それぞれ
のパーミアンスの平均値をPoとすれば、パーミ
アンス15a,15b,15c16a,16b,
16cのそれぞれの大きさPa,Pb,Pc,P a ,P
,P c は以下のように近似できる。 Pa=Pp+psin2π/LX Pb=Pp+psin(2π/LX−2/3π) Pc=Pp+psin(2π/LX−4/3π) P a =Pp−psin2π/LX P b =Pp−psin(2π/LX−2/3π) P c =Pp−psin(2π/LX−4/3π) 但し、pはパーミアンス変化の半幅値である。
ここでPa+Pb+Pc=3Po、P a +P b +P c =3Po
となるから、磁石からみた磁気回路の全パーミア
ンスはXにかかわらず一定(3/2Po)と考えて良 い。また各空隙のパーミアンスの両端の磁位差も
またXにかかわらず一定と考えて良い。今磁石の
起磁力をFとすれば、各パーミアンスの両端の磁
位差はF/2となる。従つて各パーミアンスPa,
Pb,Pc,P a ,P b ,P c を流れるフラツクスφa,
φb,φc,φ a ,φ b ,φ c はそれぞれ以下のように
近似できる。 φa=F/2・Pa=F/2{Po+psin2π/LX} φb=F/2・Pb=F/2{Po+psin(2π/LX−2
/3π)} φc=F/2・Pc=F/2{Po+psin(2π/LX−4
/3π)} φ a =F/2・P a =F/2{Po−psin(2π/LX} φ b =F/2・P b =F/2{Po−psin(2π/LX−
2/3 π)} φ c =F/2・P c =F/2{Po−psin(2π/LX−
4/3 π)} さて、3相3個のコイル20a,20b,20
cに鎖交するフラツクスはそれぞれφaとφ a ,φ b
とφ b ,φ c とφ c となる。φaとφ a は方向が逆であ
るので、コイル20aに鎖交する合計のフラツク
スΦAは次のように表現される。 ΦA=φa−φ a =F・psin2π/LX 同様にコイル20a,20cに鎖交する合計の
フラツクスΦB,ΦCはそれぞれ次のように表現さ
れる。 ΦB=φb−φ b =F・psin(2π/LX−2/3π) ΦC=φc−φ c =F・psin(2π/LX−4/3π) 上式からわかるようにΦA,ΦB,ΦCはそれぞれ
Xの関数であり、固定子磁極歯ピツチLの周期を
有するとともに、互いに120゜ずつずれた正弦波状
関数である。従つて固定子の磁極歯のピツチある
いはその歯の凹凸を認識できるような3相の位置
検出器(センサ)を設け、このセンサの出力に基
いて上記コイル20a,20b,20cを順次付
勢すれば常に一方向への駆動力を発生させること
が出来るようになる。 さて上記センサは本発明では第1図の無接点位
置検出センサブロツク7の内に含まれている。こ
のセンサは固定子の磁極歯の凹凸の状態を直接か
つ、非接触で(無接点で)認識するように構成さ
れている。このセンサの出力に基いて電子的にコ
イルを順次付勢すれば、刷子や接点などの無い電
子整流子モータができる。第1図に示す本発明で
はモータが3相3コイルであるので、上記無接点
位置検出センサブロツク7に含まれるセンサの数
も3個であり、固定子磁極歯の凹凸を直接検出す
るように、そのピツチLに関してそれぞれ120゜位
相が異るように位置決めされている。 第3図は上記の本発明のブラシレスリニアサー
ボモータの無接点位置検出センサブロツクの一実
施例で、固定子に対向する面が手前になるように
横に倒した状態で描いている。図中7は無接点位
置検出センサブロツク、31は可動子に接合させ
るためのネジ孔、32は固定子対向面、33a,
34aはこの固定子対向面32に取り付けられた
1組の発光素子及び受光素子であり、発光素子3
3aは該面に対し略々垂直方向に光を放射し固定
子に当つて反射する光を一対となつた受光素子3
4aで受信するよう構成されている。33b,3
4bも33c,34cも全く同様の発・受光素子
の一対であつて全部で3組設けられている。この
ような構成で固定子磁極歯の凹凸を光の反射量の
変化として検出することができる。これら3組の
発・受光素子の相対的位置関係は対向する固定子
の磁極歯のピツチLと関連して定められなくては
ならない。第3図に示す実施例の場合は、可動子
移動方向L/3ずつ隔てて発・受光素子の一対が
り付けられているが、取り付け間隔はそれぞれ3
つの受光素子が位置に関して互いに120゜ずれた波
形を出力するように定める。 またこれら3組の発・受光素子は可動子の3つ
のコイルの電子整流子の役割を果す必要があるの
で、可動子磁極歯群との相互的位置関係は重要
で、所定の距離に取り付けられている必要がある
ことは言うまでもないことである。 第4図はこの無接点位置検出センサブロツクの
センサ出力波形の一例である。3相3個のセンサ
(受光素子)の出力は、それぞれ120゜ずつずれた
波形となつている。なお後述する理由により、そ
れぞれの波形は可能な限り正弦波に近似したもの
でなければならない。 本発明に適用できる無接点位置検出センサは必
ずしも上述した発・受光素子に限定されるもので
はない。例えば図示はしないがホール素子の如き
ものであつてもさしつかえない。但し固定子磁極
歯の凹凸を直接的かつ非接触で検出しうるもので
あつて歪分の少ない正弦波様の出力を持つことが
必要である。 以上本発明のブラシレスリニアサーボモータの
機構部を説明したが、特にこのモータが固定子、
可動子ともに磁性体よりなる多数の歯状の凹凸を
持つた構造(ダブルスロツト構造)であることは
本発明の主要な構成要件のひとつである。更に固
定子が磁性体よりなる磁極歯のみを主体とした構
造であることも同様の要件のひとつである。これ
に類似する構造はステツプモータにみられるが、
本発明のリニアサーボモータでかかる構造が重要
で不可欠な理由をまとめると以下のようになる。 (イ) 本発明のモータは完全に無接点化されたリニ
アサーボモータであつてそのポテンシヨメータ
はモータに内蔵されており、電子整流子と共用
化された無接点位置検出センサはモータの固定
子をリニアエンコーダのスケール(物差)とみ
なして位置検出を行う。ポテンシヨメータの分
解能を細かくするためにはスケールのきざみ
(ピツチ)が出来るだけ細かい方が内挿(イン
ターポレーシヨン)する場合にしても有利であ
り、ピツチの細かい磁極歯を持つダブルスロツ
ト構造が適している。 (ロ) このような固定子の代りに細かいきざみの光
学格子のようなものをスケールとして用いれば
目的は達せられるが、各部材の共用化、一体化
と、それによるコストダウン及び小型化の効果
を主眼のひとつとする本発明の主旨から逸脱し
てしまう。 (ハ) なお細かな磁極歯を有する固定子の代りに、
細かなピツチで着磁をした永久磁石を固定子と
して用いる方法も原理的にあり得るが(この場
合可動子側には永久磁石は普通いらない)、実
際は細かな着磁を行つても強い磁界を得ること
は不可能であつて非常に微弱な駆動力しか得ら
れない。あらかじめ着磁した短冊状の永久磁石
をNS交互に固定子として長手方向に並べれば
駆動力は少し改善されるが、数10cm〜1mにも
及ぶ固定子を形成することは精度上からもコス
トの面からも現実的なものではない。 本発明のリニアサーボモータは前述したよう
に、XYプロツタ、XYレコーダの如き2軸の
装置への適用が可能である。一般的なフラツト
ベツド形の場合はYモータはその固定子を含め
Xモータの可動子となるため、固定子は軽量で
あることが要求される。その点で永久磁石など
を含まない単なる磁極歯のみからなる第1図に
示す実施例のモータの固定子構造は非常に有利
である。 以上から固定子が磁極歯のみで構成されたダブ
ルスロツト構造は、精度、コスト、小型軽量の面
から本発明にとつて必要不可欠の要件である。 なおまた上述してきた本発明のブラシレスリニ
アサーボモータの機構部の実施例では、いわゆる
3相モータ(その為コイル数は3個)を採用して
いる。一般に2相モータの方が構造は簡単で、例
えば無接点位置検出センサブロツクのセンサ素子
の数やコイルの数も減らすことが出来、電気回路
部も含めて簡素化できる。しかし前述のように本
発明のモータはダブルスロツト形の磁極構造を持
つため、相数が少ないと磁気回路特有の磁気力の
むら(いわゆるコギング力)が残留し、騒音の原
因や位置決めサーボ誤差の原因になりやすい。そ
こで本発明の実施例では3相とした。実際に同様
の寸法、推力のモータを実験的に比較すると、3
相のモータの残留コギング力は2相モータの1/
5〜1/2になることが確められた。しかしなが
ら本発明は実施例の3相のものに限られることな
く、用途に応じて多相に形成することを妨げない
ものである。 次に本発明のブラシレスリニアサーボモータの
電気回路部の説明をする。 第5図は前記実施例のブラシレスリニアサーボ
モータの電気回路図のブロツク図である。図中5
0は前述のモータの機構部であり、51は固定
子、53は可動子、57は無接点位置検出センサ
ブロツクである。58はローラベアリング、60
a,60b,60cは3相3個のコイルを示す。
61a,61b,61cは上記無接点位置検出セ
ンサブロツク57の3相の位置信号をそれぞれ増
巾する位置信号増巾器である。この位置信号増巾
器の出力は固定子の磁極歯ピツチLを周期とする
それぞれ120゜ずつずれた(L/3ずつずれた)正
弦波出力であつて、電子整流子の位置信号とな
る。62は3相モータ駆動回路であり、上記位置
信号増巾器61a,61b,61cの出力の位置
信号に応じて順次3相モータコイルを付勢する。
その電流の大きさはモータ指令電圧入力63に比
例する。無接点電子整流子は以上に説明したセン
サと電子回路で構成される。 さて、前記位置信号増巾器の位置信号の出力は
上記電子整流子の役割のほかにポテンシヨメータ
としての役割があり兼用化されている。第5図に
示すブロツク図の残りの部分の主たるものはこの
ポテンシヨメータに係わるものである。このポテ
ンシヨメータは機械的なものと異つて電子的なも
のである。以下これについて説明する。64a,
64b,64cはいずれも変調回路であつて位置
信号増巾器61a,61b,61cの3つの正弦
波出力で高い周波数のキヤリア信号65a,65
b,65cをそれぞれ変調する一種の乗算器であ
る。但しこの3つのキヤリア信号の位相はそれぞ
れ120゜ずつずれている。66は加算回路で前記3
つの変調回路64a,64b,64cの変調出力
を加え合わせる。67はローパスフイルタであ
り、加算回路66で加え合わされた変調出力の高
調波成分を除去し、基本波成分のみを取り出す役
目をもつている。68は波形整形回路で上記基本
波を矩形波化するものである。 いま位置信号増巾器61a,61b,61cの
3つの正弦波出力をK1(X)、K2(X)、K3(X)
とし以下のように表現できるとする。 K1(X)=ksin2πX/L K2(X)=ksin(2πX/L−2/3π) K3(X)=ksin(2πX/L−4/3π) 但し、Xは可動子の変位量、Lは固定子の磁極
歯ピツチ、kは振幅の半幅値である。 一方キヤリア信号65a,65b,65cを
C1(t)、C2(t)、C3(t)とし以下のように表現
できるとする。 C1(t)=sin(2πfct) C2(t)=sin(2πfct−2/3π) C3(t)=sin(2πfct−4/3π) (但し、fcはキヤリア周波数) 変調回路64a,64b,64cで変調後、加
算回路66で加え合せた結果をS(t、X)とす
れば S(t、X)=K1(X)・C1(t)+K2(X)・C2
t)+K3(X)・C3(t) =k{sin(2πX/L)・sin(2πfct)+sin(2
πX/L−2/3π)・sin(2πfct−2/3π) +sin(2πX/L−4/3π)・sin(2πfct−4
/3π)}=3/2kcos(2πfct−2π/LX) となる。これはfcの周波数をもつキヤリアに 2L
という位相項が含まれていることを意味してい
る。言い換ればS(t、X)では位置情報Xが位
相情報という形に変換されている。従つてS(t、
X)の位相情報を復調すればモータの可動子53
の位置を認識することができる。また可動子53
が速度vで動いている時はX=vtであるから速度
を変数とした関数S(t、v)は次のように表わ
される。 S(t、v)=3/2kcos(2πfct−2π/Lvt) =3/2kcos{2π(fc−v/L)t} これは速度情報vがキヤリア周波数fcからの偏
位として示されることを意味している。今fc
10KHz、L=1mmとすれば、v=±1m/sの速
度の場合にはv/L=±1KHzとなりS(t、v)
の周波数はfc〓1KHz即ち9KHz、及び11KHzとな
る。 なお上記S(t、X)から、可動子の位置を正
確に認識するための条件は位置信号K1(X)、K2
(X)、K3(X)の波形が位置Xに関して歪の少な
い正弦波様であることである。もし歪が大きいと
うねりの多い直線性の悪いポテンシヨメータが出
来あがつてしまう。 またローパスフイルタ67はS(t、X)に含
まれる高調波成分を除去する働きがある。一般的
に前記キヤリア信号65a,65b,65cは高
調波の非常に多いもの(例えば矩形波)が使われ
ることが多く、その場合はローパスフイルタ67
は不可欠の要素である。 さて変調後加算された信号S(t、X)はその
ままでは利用できないので、これを復調して位置
情報のみを分離して取り出す必要がある。本発明
の実施例では分周器を含むPLL(Phase Locked
Loop)回路を用いてS(t、X)を逓倍して基準
周波数と比較することにより分解能の高い位置情
報を取り出すという復調方法を用いている。
PLL回路は、位相比較器69と、この出力の低
域を濾波するローパスフイルタ70と、この出力
によつて制御されるVCO(電圧制御発振器:
Voltage Controlled Oscilator)71と、この周
波数(fvとする)を1/M(Mは整数)に分周す
る分周器72とから構成される。なお位相比較器
69の入力は前記S(t、X)を波形整形回路6
8によつて矩形波化させたものと、VCO71出
力を分周したもの(分周器72の出力)である。
このように構成するとVCO71の出力は前記S
(t、X)をM逓倍したものになり、その周波数
位相情報はM倍となり、 M(2πfct−2π/LX)=2π・Mfct−2πMX/L となる。ここでfp=M・fcであるように基準周波
数を発生させる基準周波数発生回路73を設け、
この基準周波数fpと上記VCO71の逓倍出力とを
比較すれば、その位相情報(2πMX/L)のみを分 離することができる。この比較、分離には位相比
較器74、ローパスフイルタ75、波形整形回路
76を用いる。分離された位相情報(2πMX/L) はXに関して周期的であり、2πMX/L=2nπ(nは 整数)と表すことができる。ローパスフイルタ7
5、波形整形回路76の働きで矩形波パルス化さ
れる位相情報はX=n・(L/M)であり、1パ
ルスあたりの可動子53の換算変位量はL/Mと
なる。以上から明らかのように可動子53の変位
はステツプ状に認識されその最小きざみL/Mが
分解能になる。これは固定子の磁極歯のピツチL
を等間隔にM分の1に内挿(インターポレーシヨ
ン)したことを意味している。 従つて分解能をあげ滑らかな位置情報を得るた
めにはLを小さく、Mを大きくすれば良い。77
はパルス分離回路である。波形整形回路76の出
力のパルスは極性が無いためこれをそのまま位置
カウンタで数えても方向が判別できない。そのた
め、可動子53の移動方向にもとづいてup
count pulse、down count pulseに分離する。7
8はこのup count pulse、down count pulseを
インクリメント的にカウントし可動子53の現在
位置をリアルタイムで表示する位置カウンタであ
る。79は位置カウンタ78の原点・初期リセツ
ト入力である。 なお80は3相の分周器であり、基準周波数発
生回路73の基準周波数fpを1/Mに分周し、互
いに120゜ずつずれた3相のキヤリア信号65a,
65b,65c(周波数fc)を作るものである。 以上の構成によつて可動子53の位置は位置カ
ウンタ78にデイジタル的に示されることにな
る。従つて位置カウンタ78の出力がポテンシヨ
メータの出力となる。可動子53の位置制御は、
位置指令入力81と、位置カウンタ78の出力の
差を増巾する誤差増巾回路82を用いて、その出
力をモータ指令電圧入力63として3相モータ駆
動回路62に与えてやることによつて実現され
る。 次に本発明の電気回路部の幾つかの部分をより
詳細に説明する。 第6図は第5図の変調回路64a,64b,6
4cの実施例である。101は位置信号増巾器6
1a又は61b又は61cの正弦波出力(位置信
号)K(X)である。102は反転増巾器(ゲイ
ン1)である。103はキヤリア信号(周波数
fc)104によつて制御される半導体スイツチで
ある。105は変調出力である。上記半導体スイ
ツチ103はキヤリア信号104が“Hレベル”
のときは位置信号K(X)101をそのまま伝送
し、キヤリア信号104が“Lレベル”のときは
反転した位置信号−K(X)を伝送するように構
成されており、図に示すような変調出力105を
得ている。 第7図は第5図の誤差増巾器82の実施例であ
る。201は位置カウンタ78の出力であり、2
02はこれをアナログ値に変換するD/Aコンバ
ータである。203は位置指令入力204(この
場合はアナログ入力)から前記D/Aコンバータ
202の出力(可動子53の現在位置を示すアナ
ログ信号)の差を求める減算回路である。205
は減算回路203の差信号を増巾する増巾器で2
06はサーボ系に適当なダンピングを与えること
によつて安定させるためのリードラグフイルタ回
路である。207はこのリードラグフイルタ回路
206の出力で3相モータ駆動回路62に与える
モータ指令電圧入力63となるわけである。 以上機構部と電気回路部に分けて詳細に説明し
た本発明のブラシレスリニアサーボモータは、 (1) 制御対象を直接的にリニアドライブする直流
のリニアサーボモータであるので、ロータリ形
のモータと伝達部材を用いる従来例では得られ
なかつた位置精度、再現性を確保できる。又騒
音も低減させることができる。 (2) 非接触式の位置センサを内蔵し、これを用い
て電子整流子及び電子的なポテンシヨメータを
構成し、如何なる接触子をも排除したリニアサ
ーボモータであるので耐久性、信頼性が高く、
また従来のポテンシヨメータで発生する刷子の
ヒステリシス、バツクラツシユなどから解放さ
れる。 (3) 内蔵されたポテンシヨメータは、そのセンサ
は電子整流子のセンサと共用であり、そのエン
コーダのスケール(物差)は長手方向に歯状の
凹凸(磁極歯)をもつ固定子であり、共用化さ
れているので、独立したリニアポテンシヨメー
タが不要になり、コスト的に有利であるととも
に小型化、軽量化が可能となる。 (4) 固定子はその長手方向に一定のピツチで磁性
体よりなる多数の磁極歯を有する簡単な構造で
あり、永久磁石など他の磁気回路部材を含まな
いため軽量化が可能であるので、モータ重量が
低減できフツトベツド形のXYプロツタやXY
レコーダのような2軸作画装置のYモータ(カ
ーソルモータ)として使える。 (5) 従来例に比べ伝達部材、可動部材の部品点数
が非常に少なくなり、組立工数が大巾に削減で
きる。 (6) ダブルスロツトの磁極歯構造を持つているが
サーボモータであつてステツプモータでは無い
ので、プロツタのみならずXYレコーダを初め
としてアナログ記録計など広い適用範囲を持
つ。 というような数々のすぐれた特徴及び効果を持つ
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a brushless (non-contact) linear servo motor that enables extremely high precision speed control and position control. More specifically, the present invention relates to a non-contact type linear servo motor that directly linearly drives a controlled object and eliminates any contactor. Typical scopes of application of the present invention include pen block drive mechanisms of drawing machines such as XY plotters, pen block drive mechanisms of recorders such as XY recorders and strip chart recorders, and print head feeding mechanisms of printing machines such as line printers. This is a drive device that enables high-speed and highly accurate linear motion. Conventionally, the above-mentioned devices have adopted drive mechanisms that use rotary step motors or rotary servo motors to move the controlled object in a straight line through transmission members such as gears, rollers, pulleys, and wires. was the most common. However, when using such a drive mechanism, there is a certain limit to the performance that can be obtained, as described below, and if you try to exceed it, it will be difficult both technically and cost-wise. We were suddenly forced to face a difficult situation. The first problem is physical accuracy related to position accuracy, linearity, and reproducibility. For example, gears always have a constant backlash or dead zone, and pulleys have slip. Also, the longer the wire, the more its expansion and contraction will have a negative effect on accuracy. Since rotary step motors are not controlled in a closed loop (so-called open loop control), gear eccentricity has a subtle effect on linearity, and if you aim to increase speed, it is likely to cause step-out in transient conditions. There are also fatal problems. On the other hand, when using a rotary type servo motor, a linear potentiometer is often used at the point of action (control target) to achieve closed-loop control, which alleviates the accuracy deterioration factors caused by the transmission system. In this case, accuracy deterioration occurs due to the linear potentiometer. Linear potentiometers, which are currently widely used, consist of a wire-wound or conductive plastic resistor and a sliding brush.
Abrasion of the resistor largely controls accuracy. The second problem is reliability, such as durability and lifespan. The above-mentioned transmission system includes members that transmit force through frictional resistance, and uses rotating members such as rollers to bend the wire, so wear inevitably progresses in each part and causes deterioration. It is inevitable that something will happen. In addition, the probability of wire deterioration and disconnection accidents is particularly high. On the other hand, many rotary type servo motors are made from brushed DC motors, so there is a certain limit to their service life that must be taken into consideration. Furthermore, wear of the resistor of the potentiometer as described above is one of the factors that reduces reliability. The third problem is noise. As mentioned above, the conventional system transmits the rotational force of a rotary motor to the controlled object via a number of transmission members and drives it linearly, so there are many movable members and each part generates quite a lot of noise. In particular, the resonance noise of the wire and the rotation noise of the rollers are relatively loud. As a result, the quality of the equipment is often significantly impaired. Several attempts have been proposed to improve these shortcomings. One example is the application of linear step motors. This is an attempt to directly drive a pen block, etc., and can overcome many of the drawbacks mentioned above, but since it is a step motor, it is difficult to achieve complete closed-loop control, and as a result, speed increases. , which has the disadvantage of high acceleration. Also, although it is suitable for drawing machines such as XY plotters, it is not suitable for analog recorders such as XY recorders, and has the disadvantage that its range of applications is limited. The brushless linear servo motor of the present invention can solve all of the conventional problems as described above. Its characteristics are listed below. (1) A DC linear servo motor that directly linearly drives a controlled object (such as a pen block). (2) This is a brushless DC linear motor that has a built-in non-contact position sensor and uses this to configure an electronic commutator. (3) The potentiometer is an electronic linear potentiometer built into the motor and shared, so there is no need to provide an independent potentiometer. (4) The above built-in potentiometer is composed of an incremental encoder, sensor, and electronic circuit. (5) The sensor of the built-in potentiometer is shared with the non-contact position sensor of the electronic commutator, and all contacts such as brushes are eliminated. (6) The incremental encoder of the built-in potentiometer mentioned above is a scale with constant increments, and this is shared by the motor stator itself. (7) The stator, which is a component of the motor's magnetic circuit, has a large number of tooth-shaped irregularities made of a magnetic material with a constant pitch in its longitudinal direction, and can be used as the motor's electronic commutator and potentiometer. The sensor detects this tooth-like unevenness. (8) This linear servo motor has tooth-shaped irregularities made of magnetic material similar to the stator on the mover.
It has a so-called double slot structure. (9) This linear servo motor has a wide range of applications, including not only XY plotters but also XY recorders, analog recorders, line printers, etc., regardless of digital or analog control. (10) As mentioned above, it is extremely reliable because it does not have any contacts. (11) As mentioned above, since the controlled object is directly linearly driven, accuracy is high, and since there is no force transmission member, it has a long life and low noise. (12) As mentioned above, since parts are shared and integrated, it is advantageous in terms of cost and can be made smaller and lighter. As listed above, the brushless linear servo motor of the present invention has many features. The present invention will be explained below based on the drawings.
FIG. 1 shows an embodiment of the mechanical part of the brushless linear servo motor of the present invention. Fig. 1a is a perspective view of the main part, b is a sectional view taken along a plane perpendicular to the moving direction of the mover (cross-sectional view taken along line II), and c and d are sectional views taken along a plane parallel to the moving direction of the mover (- (a line cross-sectional view and a - line cross-sectional view). Common members in these drawings a to d are given the same numbers. 1 in the diagram
is a stator, which has a large number of tooth-shaped irregularities (hereinafter referred to as magnetic pole teeth) 2 made of a magnetic material at a constant pitch in the longitudinal direction (movement direction of the movable element).
3 is a movable element, and this movable element 3 includes a permanent magnet 4 magnetized in a plane direction perpendicular to the moving direction of the movable element;
Two yokes are stacked to sandwich this from both sides.
(A) 9A, yoke (B) 9B, and three 3-phase coils 10a, 10b, 10c wound around the yoke (A) and (B).
, three groups of magnetic pole teeth 5a, 5b, 5c are notched on the stator facing surface of the yoke (A), and three groups of magnetic pole teeth 6a, 6b, similarly notched on the yoke (B). 6c, a non-contact position detection sensor block 7, and guide means 8a, 8b such as rollers that maintain a constant slight gap between the stator 1 and the movable element 3 and smoothly guide the movable element. It consists of However, since this guide means would complicate the drawing, it is shown by broken lines only in FIG. 1b. In this embodiment, a large number of magnetic pole teeth 2 are provided on the stator 1 at a constant pitch in the longitudinal direction, whereas the yokes (A), (B) 9A, 9B on the movable side are
There are three groups of magnetic pole teeth each, for a total of six groups, and the pitch of the magnetic pole teeth within the same group is equal to the pitch of the stator, but the different groups are all sown that the phases are different. As mentioned above, FIGS. 1c and d are sectional views taken on two different planes parallel to the longitudinal direction, and in particular, FIG. 1c is a sectional view of a portion including the yoke (A) 9A; Diagram d is the yoke (B) 9B
FIG. As can be seen from the drawings c and d, the magnetic pole tooth groups 5a, 5b, and 5c incised on the yoke (A) 9A are out of phase with each other by 120 degrees.
Similarly, the magnetic pole tooth groups 6a, 6b, and 6c provided on the yoke (B) 9B are also different in phase from each other by 120 degrees. Furthermore, between yoke A and B, each
180° phase difference. That is, 5a, 6a, 5b
, 6b, 5c, and 6c are magnetic pole teeth with a 180° phase difference, respectively. Coils 10a, 10b,
10c are both wound around the yoke (A) 9A and the yoke (B) 9B. By sequentially applying current to the three three-phase coils, the movable element can be moved in the longitudinal direction on the stator. In particular, if the coils are sequentially energized electronically in accordance with the position information from the non-contact position detection sensor block 7, smooth and continuous movement can be achieved. Here, the magnetic circuit and the principle of driving force generation of the embodiment of the mechanical part of the brushless linear servo motor of the present invention shown in FIG. 1 will be explained. In order to explain this magnetic circuit, FIG. 2 is replaced with an electric circuit model. In the figure, 14 represents the permanent magnet as a battery, and the permeance 15a, 15b, 15c, 16a, 16
b, 16c are mover magnetic pole tooth groups 5a, 5, respectively.
b, 5c, 6a, 6b, 6c and the permeance of the air gap between the stator magnetic pole teeth 2. However, it is assumed here that the magnetic resistance of the yoke (A) 9A, the yoke (B) 9B, and the stator 1 is zero. 20a, 20b, 20
c is a model representation of three coils in three phases. Assuming that the permeance of the air gap between the stator magnetic pole teeth and each magnetic pole tooth group of the mover changes sinusoidally with respect to the moving direction of the mover, the moving direction of the mover is X, the pitch of the magnetic pole teeth is L, If the average value of each permeance is Po, permeance 15a, 15b, 15c16a, 16b,
The respective sizes of 16c P a , P b , P c , P a , P
b and P c can be approximated as follows. P a = P p + psin2π/LX P b = P p + psin (2π/LX-2/3π) P c = P p + psin (2π/LX-4/3π) P a = P p - psin2π/LX P b = P p -psin (2π/LX-2/3π) P c =P p -psin (2π/LX-4/3π) where p is the half-width value of the permeance change.
Here, Pa + Pb + Pc = 3Po, P a + P b + P c = 3Po
Therefore, the total permeance of the magnetic circuit seen from the magnet can be considered to be constant (3/2Po) regardless of X. Furthermore, the magnetic potential difference between both ends of the permeance of each gap can also be considered to be constant regardless of X. Now, if the magnetomotive force of the magnet is F, the difference in magnetic potential between both ends of each permeance is F/2. Therefore, each permeance Pa,
Flux φa flowing through Pb, Pc, P a , P b , P c ,
φb, φc, φ a , φ b , and φ c can each be approximated as follows. φ a =F/2・P a =F/2 {Po+psin2π/LX} φ b =F/2・P b =F/2{Po+psin(2π/LX−2
/3π)} φ c =F/2・P c =F/2{Po+psin(2π/LX-4
/3π)} φ a =F/2・P a =F/2{Po−psin(2π/LX} φ b =F/2・P b =F/2{Po−psin(2π/LX−
2/3 π)} φ c =F/2・P c =F/2{Po−psin(2π/LX−
4/3 π)} Now, three phase three coils 20a, 20b, 20
The fluxes linked to c are φa, φ a and φ b , respectively.
and φ b , φ c and φ c . Since φa and φa are opposite in direction, the total flux φA interlinking with the coil 20a is expressed as follows. Φ A = φ a - φ a = F·psin2π/LX Similarly, the total fluxes Φ B and Φ C interlinking with the coils 20a and 20c are respectively expressed as follows. Φ B = φ b −φ b = F・psin (2π/LX−2/3π) Φ C = φ c −φ c = F・psin (2π/LX−4/3π) As can be seen from the above equation, Φ A , Φ B and Φ C are each a function of X, and are sinusoidal functions having the period of the stator magnetic pole tooth pitch L and being shifted from each other by 120°. Therefore, a three-phase position detector (sensor) that can detect the pitch of the magnetic pole teeth of the stator or the irregularities of the teeth is provided, and the coils 20a, 20b, and 20c are sequentially energized based on the output of this sensor. This makes it possible to always generate driving force in one direction. In the present invention, the above-mentioned sensor is included in the non-contact position detection sensor block 7 shown in FIG. This sensor is configured to directly and non-contactly recognize the unevenness of the magnetic pole teeth of the stator. If the coils are sequentially energized electronically based on the output of this sensor, an electronic commutator motor without brushes or contacts can be created. In the present invention shown in FIG. 1, since the motor has three phases and three coils, the number of sensors included in the non-contact position detection sensor block 7 is also three, so that the irregularities of the stator magnetic pole teeth can be directly detected. , are positioned so that their phases differ by 120° with respect to their pitches L. FIG. 3 shows an embodiment of the non-contact position detection sensor block for the brushless linear servo motor of the present invention, which is shown laid down so that the surface facing the stator faces toward you. In the figure, 7 is a non-contact position detection sensor block, 31 is a screw hole for joining to the movable element, 32 is a stator facing surface, 33a,
34a is a pair of light emitting element and light receiving element attached to this stator facing surface 32, and the light emitting element 3
3a is a pair of light receiving elements 3 that emit light in a direction substantially perpendicular to the surface and reflect the light when it hits the stator.
4a. 33b,3
4b, 33c, and 34c are pairs of completely similar light emitting/light receiving elements, and there are three sets in total. With such a configuration, the unevenness of the stator magnetic pole teeth can be detected as a change in the amount of light reflected. The relative positional relationship of these three sets of light emitting and light receiving elements must be determined in relation to the pitch L of the magnetic pole teeth of the opposing stators. In the case of the embodiment shown in FIG. 3, a pair of light-emitting and light-receiving elements are attached at a distance of L/3 in the moving direction of the mover.
The two light-receiving elements are set so that they output waveforms that are shifted by 120° from each other in terms of position. In addition, since these three sets of light emitting/receiving elements need to play the role of electronic commutators for the three coils of the mover, their relative position with the mover magnetic pole tooth group is important, and they must be installed at a predetermined distance. Needless to say, it is necessary to FIG. 4 shows an example of the sensor output waveform of this non-contact position detection sensor block. The outputs of the three three-phase sensors (light receiving elements) have waveforms that are shifted by 120 degrees. Note that for reasons described later, each waveform must be as close to a sine wave as possible. The non-contact position detection sensor applicable to the present invention is not necessarily limited to the above-mentioned light emitting/light receiving element. For example, although not shown, it may be a Hall element. However, it is necessary to be able to directly and non-contact detect the irregularities of the stator magnetic pole teeth and to have a sine wave-like output with little distortion. The mechanical part of the brushless linear servo motor of the present invention has been explained above, but in particular, this motor has a stator,
One of the main constituent features of the present invention is that both the mover are made of magnetic material and have a structure (double slot structure) having a large number of tooth-like unevenness. Another similar requirement is that the stator has a structure consisting mainly of magnetic pole teeth made of magnetic material. A structure similar to this can be seen in step motors,
The reasons why such a structure is important and essential for the linear servo motor of the present invention are summarized as follows. (a) The motor of the present invention is a completely non-contact linear servo motor, the potentiometer is built into the motor, and the non-contact position detection sensor shared with the electronic commutator is fixed to the motor. Position detection is performed by regarding the child as a scale of a linear encoder. In order to make the resolution of a potentiometer finer, it is advantageous to have as fine a scale pitch as possible, even when interpolation is performed, and a double slot structure with finely pitched magnetic pole teeth is advantageous. is suitable. (b) The purpose can be achieved by using something like an optical grating with fine increments as a scale instead of such a stator, but the effect of sharing and integrating each component and the resulting cost reduction and miniaturization is This deviates from the gist of the present invention, which is one of the main points. (c) Instead of a stator with fine magnetic pole teeth,
In principle, it is possible to use a permanent magnet magnetized with a fine pitch as a stator (in this case, a permanent magnet is usually not needed on the mover side), but in reality, even with fine magnetization, a strong magnetic field cannot be generated. It is impossible to obtain this, and only a very weak driving force can be obtained. If pre-magnetized strip-shaped permanent magnets are alternately arranged in the longitudinal direction as a stator, the driving force will be slightly improved, but forming a stator with a length of several tens of centimeters to one meter is expensive from an accuracy standpoint. It's not realistic from any point of view. As mentioned above, the linear servo motor of the present invention can be applied to two-axis devices such as XY plotters and XY recorders. In the case of a general flat bed type, the Y motor, including its stator, serves as the movable element of the X motor, so the stator is required to be lightweight. In this respect, the motor stator structure of the embodiment shown in FIG. 1, which consists of only magnetic pole teeth and no permanent magnets, is very advantageous. From the above, the double slot structure in which the stator is composed only of magnetic pole teeth is an essential requirement for the present invention in terms of accuracy, cost, small size and light weight. Furthermore, in the above-described embodiments of the mechanical part of the brushless linear servo motor of the present invention, a so-called three-phase motor (therefore, the number of coils is three) is employed. In general, a two-phase motor has a simpler structure; for example, the number of sensor elements and coils of a non-contact position detection sensor block can be reduced, and the electric circuit section can also be simplified. However, as mentioned above, since the motor of the present invention has a double-slot type magnetic pole structure, if the number of phases is small, uneven magnetic force (so-called cogging force) peculiar to the magnetic circuit remains, causing noise and positioning servo errors. easy to become. Therefore, in the embodiment of the present invention, three phases were used. In fact, when comparing motors with similar dimensions and thrust experimentally, 3
The residual cogging force of the phase motor is 1/1 of that of the two-phase motor.
It was confirmed that the ratio would be 5 to 1/2. However, the present invention is not limited to the three-phase structure of the embodiment, and may be formed into a multi-phase structure depending on the application. Next, the electric circuit section of the brushless linear servo motor of the present invention will be explained. FIG. 5 is a block diagram of the electric circuit diagram of the brushless linear servo motor of the embodiment. 5 in the diagram
Reference numeral 0 designates a mechanical section of the motor, 51 a stator, 53 a movable element, and 57 a non-contact position detection sensor block. 58 is a roller bearing, 60
a, 60b, and 60c indicate three phase three coils.
Reference numerals 61a, 61b, and 61c are position signal amplifiers that amplify the three-phase position signals of the non-contact position detection sensor block 57, respectively. The output of this position signal amplifier is a sinusoidal wave output shifted by 120 degrees (shifted by L/3) with a period equal to the stator's magnetic pole tooth pitch L, and serves as a position signal for the electronic commutator. A three-phase motor drive circuit 62 sequentially energizes the three-phase motor coils in accordance with the position signals output from the position signal amplifiers 61a, 61b, and 61c.
The magnitude of that current is proportional to motor command voltage input 63. The non-contact electronic commutator is composed of the sensor and electronic circuit described above. Now, the position signal output of the position signal amplifier has the role of a potentiometer in addition to the role of the electronic commutator. The remaining portions of the block diagram shown in FIG. 5 mainly concern this potentiometer. This potentiometer is electronic rather than mechanical. This will be explained below. 64a,
64b and 64c are both modulation circuits that output high frequency carrier signals 65a and 65 using three sine wave outputs from position signal amplifiers 61a, 61b and 61c.
This is a type of multiplier that modulates signals b and 65c, respectively. However, the phases of these three carrier signals are shifted by 120 degrees. 66 is an adder circuit and the above 3
The modulated outputs of the three modulating circuits 64a, 64b, and 64c are added together. A low-pass filter 67 has the function of removing harmonic components of the modulated outputs added by the adder circuit 66 and extracting only the fundamental wave component. A waveform shaping circuit 68 converts the fundamental wave into a rectangular wave. The three sine wave outputs of the current position signal amplifiers 61a, 61b, and 61c are K 1 (X), K 2 (X), and K 3 (X).
Suppose that it can be expressed as follows. K 1 (X) = ksin2πX/L K 2 (X) = ksin (2πX/L-2/3π) K 3 (X) = ksin (2πX/L-4/3π) However, X is the displacement of the mover , L is the stator magnetic pole tooth pitch, and k is the half-width value of the amplitude. On the other hand, the carrier signals 65a, 65b, 65c
Assume that C 1 (t), C 2 (t), and C 3 (t) can be expressed as follows. C 1 (t)=sin(2πf c t) C 2 (t)=sin(2πf c t-2/3π) C 3 (t)=sin(2πf c t-4/3π) (However, f c Carrier frequency) If the result of modulation in the modulation circuits 64a, 64b, and 64c and addition in the addition circuit 66 is S(t,X), then S(t,X)=K 1 (X)・C 1 (t) +K 2 (X)・C 2 (
t)+K 3 (X)・C 3 (t) =k{sin(2πX/L)・sin(2πf c t)+sin(2
πX/L-2/3π)・sin(2πf c t-2/3π) +sin(2πX/L-4/3π)・sin(2πf c t-4
/3π)}=3/2kcos(2πf c t−2π/LX). This is applied to a carrier with a frequency of f c 2L
This means that the phase term is included. In other words, in S(t,X), position information X is converted into phase information. Therefore, S(t,
If the phase information of X) is demodulated, the movable element 53 of the motor
can recognize the location of Also, the mover 53
When is moving at speed v, X=vt, so the function S(t, v) with speed as a variable is expressed as follows. S(t, v) = 3/2kcos (2πf c t-2π/Lvt) = 3/2kcos {2π(f c - v/L)t} This means that the speed information v is the deviation from the carrier frequency f c It means to be shown. Now f c =
If 10KHz and L=1mm, then when the speed of v=±1m/s, v/L=±1KHz and S(t,v)
The frequencies of f c =1KHz, that is, 9KHz, and 11KHz. From the above S(t,X), the conditions for accurately recognizing the position of the mover are position signals K 1 (X), K 2
The waveforms of (X) and K 3 (X) are sine wave-like with little distortion with respect to position X. If the distortion is large, a potentiometer with many undulations and poor linearity will be created. Furthermore, the low-pass filter 67 functions to remove harmonic components contained in S(t,X). Generally, carrier signals 65a, 65b, and 65c are often used that have a large number of harmonics (for example, a rectangular wave), and in that case, a low-pass filter 67 is used.
is an essential element. Now, since the modulated and added signal S(t, In an embodiment of the present invention, a PLL (Phase Locked) including a frequency divider is used.
A demodulation method is used in which position information with high resolution is extracted by multiplying S(t,
The PLL circuit includes a phase comparator 69, a low-pass filter 70 that filters out the low frequency range of this output, and a VCO (voltage controlled oscillator) controlled by this output.
A voltage controlled oscillator) 71 and a frequency divider 72 that divides this frequency (denoted as fv ) by 1/M (M is an integer). Note that the input of the phase comparator 69 is the waveform shaping circuit 6
8, and a frequency-divided version of the VCO 71 output (output of the frequency divider 72).
With this configuration, the output of the VCO 71 becomes the S
( t , Here, a reference frequency generation circuit 73 is provided to generate a reference frequency such that f p =M·f c ,
By comparing this reference frequency f p with the multiplied output of the VCO 71, only the phase information (2πMX/L) can be separated. A phase comparator 74, a low-pass filter 75, and a waveform shaping circuit 76 are used for this comparison and separation. The separated phase information (2πMX/L) is periodic with respect to X and can be expressed as 2πMX/L=2nπ (n is an integer). low pass filter 7
5. The phase information converted into a rectangular wave pulse by the action of the waveform shaping circuit 76 is X=n·(L/M), and the converted displacement amount of the movable element 53 per one pulse is L/M. As is clear from the above, the displacement of the movable element 53 is recognized in steps, and the minimum step L/M is the resolution. This is the pitch L of the stator magnetic pole teeth.
This means that the value is interpolated to 1/M at equal intervals. Therefore, in order to increase the resolution and obtain smooth position information, L should be made smaller and M should be made larger. 77
is a pulse separation circuit. Since the pulses output from the waveform shaping circuit 76 have no polarity, the direction cannot be determined even if the pulses are directly counted by a position counter. Therefore, based on the moving direction of the mover 53,
Separate into count pulse and down count pulse. 7
Reference numeral 8 denotes a position counter that increments the up count pulse and down count pulse and displays the current position of the movable element 53 in real time. Reference numeral 79 is an origin/initial reset input for the position counter 78. Note that 80 is a three-phase frequency divider, which divides the reference frequency f p of the reference frequency generation circuit 73 by 1/M, and generates three-phase carrier signals 65a, 120 degrees apart from each other.
65b and 65c (frequency f c ). With the above configuration, the position of the movable element 53 is digitally indicated on the position counter 78. Therefore, the output of the position counter 78 becomes the output of the potentiometer. The position control of the movable element 53 is as follows:
This is achieved by using an error amplification circuit 82 that amplifies the difference between the position command input 81 and the output of the position counter 78, and feeding the output to the three-phase motor drive circuit 62 as the motor command voltage input 63. be done. Next, some parts of the electric circuit section of the present invention will be explained in more detail. FIG. 6 shows the modulation circuits 64a, 64b, 6 of FIG.
This is an example of 4c. 101 is a position signal amplifier 6
This is the sine wave output (position signal) K(X) of 1a, 61b, or 61c. 102 is an inverting amplifier (gain 1). 103 is the carrier signal (frequency
f c ) is a semiconductor switch controlled by 104. 105 is a modulated output. The semiconductor switch 103 has a carrier signal 104 at “H level”.
, the position signal K(X) 101 is transmitted as is, and when the carrier signal 104 is at "L level", the inverted position signal -K(X) is transmitted, as shown in the figure. A modulated output 105 is obtained. FIG. 7 shows an embodiment of the error amplifier 82 of FIG. 201 is the output of the position counter 78;
02 is a D/A converter that converts this into an analog value. 203 is a subtraction circuit that calculates the difference between the position command input 204 (analog input in this case) and the output of the D/A converter 202 (an analog signal indicating the current position of the movable element 53). 205
is an amplifier that amplifies the difference signal of the subtraction circuit 203.
06 is a lead-lag filter circuit for stabilizing the servo system by providing appropriate damping. Reference numeral 207 is the output of this lead-lag filter circuit 206 and serves as a motor command voltage input 63 to be applied to the three-phase motor drive circuit 62. The brushless linear servo motor of the present invention, which has been explained in detail above in terms of the mechanical part and the electric circuit part, has the following features: (1) Since it is a DC linear servo motor that linearly drives the controlled object directly, it is compatible with a rotary type motor. It is possible to ensure positional accuracy and reproducibility that could not be obtained in the conventional example using members. Moreover, noise can also be reduced. (2) It is a linear servo motor with a built-in non-contact position sensor, which is used to configure an electronic commutator and an electronic potentiometer, and eliminates any contact, so it is durable and reliable. high,
Also, it is free from brush hysteresis, bumpiness, etc. that occur with conventional potentiometers. (3) The sensor of the built-in potentiometer is shared with the sensor of the electronic commutator, and the scale of the encoder is a stator with tooth-like unevenness (magnetic pole teeth) in the longitudinal direction. , because they are shared, there is no need for an independent linear potentiometer, which is advantageous in terms of cost, and allows for reductions in size and weight. (4) The stator has a simple structure with a large number of magnetic pole teeth made of magnetic material at a constant pitch in the longitudinal direction, and it is lightweight because it does not include other magnetic circuit members such as permanent magnets. Footbed type XY printer and XY with reduced motor weight
It can be used as a Y motor (cursor motor) for a two-axis drawing device such as a recorder. (5) Compared to the conventional example, the number of parts for transmission members and movable members is significantly reduced, and the number of assembly steps can be greatly reduced. (6) Although it has a double slot magnetic pole tooth structure, it is a servo motor and not a step motor, so it has a wide range of applications, including not only plotters but also XY recorders and analog recorders. It has many excellent features and effects.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明のブラシレスリニアサーボモー
タの一実施例の要部を示し、aは斜視図、bは一
方向の縦断面図、c,dは他方向の縦断面図、第
2図は第1図の磁気回路を示す説明図、第3図は
無接点位位置検出センサブロツクを示す斜視図、
第4図は無接点位置検出センサブロツクの出力波
形図、第5図は本実施例の電気回路部のブロツク
図、第6図は上記電気回路部中の変調回路を示す
回路図、第7図は上記電気回路部中の誤差増巾器
を示す回路図である。 1,51……固定子、2……固定子磁極歯、
3,53……可動子、4……永久磁石、5a,5
b,5c,6a,6b,6c……可動子磁極歯
群、7,57……無接点位置検出センサブロツ
ク、10a,10b,10c,60a,60b,
60c……可動子コイル、62……3相モータ駆
動回路、64a,64b,65c……変調回路、
66……加算回路、69,74……位相比較器、
71……VCO(電圧制御発振器)、73……基準
周波数発生回路、78……位置カウンタ、82…
…誤差増巾回路。
FIG. 1 shows essential parts of an embodiment of the brushless linear servo motor of the present invention, in which a is a perspective view, b is a vertical cross-sectional view in one direction, c and d are vertical cross-sectional views in the other direction, and FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the magnetic circuit; FIG. 3 is a perspective view showing a non-contact position detection sensor block;
Fig. 4 is an output waveform diagram of the non-contact position detection sensor block, Fig. 5 is a block diagram of the electric circuit section of this embodiment, Fig. 6 is a circuit diagram showing the modulation circuit in the above electric circuit section, and Fig. 7 FIG. 2 is a circuit diagram showing an error amplifier in the electric circuit section. 1, 51... Stator, 2... Stator magnetic pole teeth,
3,53...Mover, 4...Permanent magnet, 5a,5
b, 5c, 6a, 6b, 6c... Mover magnetic pole tooth group, 7, 57... Non-contact position detection sensor block, 10a, 10b, 10c, 60a, 60b,
60c...Mover coil, 62...3-phase motor drive circuit, 64a, 64b, 65c...Modulation circuit,
66... Addition circuit, 69, 74... Phase comparator,
71...VCO (voltage controlled oscillator), 73...Reference frequency generation circuit, 78...Position counter, 82...
...Error amplification circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 長手方向に一定のピツチで多数の歯状の凹凸
よりなる磁極歯をその表面に具備する磁性体から
なる固定子と、該固定子と対向しその間の空隙を
一定に維持して該固定子に沿つて前記長手方向に
滑らかに移動可能ならしめる案内手段及び前記長
手方向に平行に配置された永久磁石及び該永久磁
石を介在させて同じく前記長手方向及び該永久磁
石に対してそれぞれ平行に配置された第1、第2
の継鉄を含む可動子と、上記第1、第2の継鉄
の、固定子に対向する上記の空隙面に形成された
それぞれn個の(nは整数)磁極歯群であつて、
同一継鉄ではそのn個の並び方は上記長手方向で
あり、いずれの磁極歯群であつても同一群中の歯
のピツチは等しく、同一継鉄内の異なる磁極歯群
間ではその位相が相互に異なるように形成した複
数の磁極歯群と、前記永久磁石によつて発生され
前記磁極歯群を通過し前記空隙の部分を経由して
前記固定子磁性体に至る磁気フラツクスに鎖交せ
しめるように該継鉄に巻装された複数個の可動子
のコイルと、該可動子に取り付けられ前記固定子
の磁極歯の凹凸を検出しこれを電気信号に変換し
互いの位相の異なる略正弦波の位置信号を出力す
る複数個の非接触センサと、該互いの位相の異な
る略正弦波の位置信号に従つて前記複数個のコイ
ルを順番に付勢するような電子整流子手段と、上
記互いの位相の異なる略正弦波の位置信号によつ
て変調されるキヤリア信号の位相情報を復調する
ことによつて電気的に前記可動子の位置を認識す
る電子ポテンシヨメータ手段と、該電子ポテンシ
ヨメータ手段の出力と位置指令入力との差分を増
幅する誤差増幅器と、該誤差増幅器の出力の大き
さに比例する電流を前記複数個のコイルに与え可
動子を駆動するモータ駆動回路とを備えたことを
特徴とするブラシレスリニアサーボモータ。 2 電子ポテンシヨメータ手段は基準周波数発生
回路と、該出力を1/M(Mは整数)に分周し互
いに位相の異る複数のキヤリア信号を作る分周回
路と、該複数のキヤリア信号を前記位置信号によ
つて変調させる複数の変調回路と、該変調回路の
出力を加算する加算回路と、該加算回路の加算出
力の基本周波数成分をM倍に逓倍するPLL回路
(Phase Locked Loop回路)と、該PLL回路中
の電圧制御発振回路の逓倍出力と前記基準周波数
発生回路の基準周波数出力との位相を比較する位
相比較器と、この出力の低周波成分を濾波するロ
ーパスフイルタと、該ローパスフイルタの出力を
整形して矩形波パルスを作る波形整形回路と、該
矩形波パルスをカウントし前記可動子の位置をデ
イジタル的に検知する位置カウンタとを含んで構
成されることを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載のブラシレスリニアサーボモータ。
[Scope of Claims] 1. A stator made of a magnetic material having on its surface magnetic pole teeth consisting of a large number of tooth-like irregularities at a constant pitch in the longitudinal direction, and a stator facing the stator with a constant air gap therebetween. a guide means for maintaining and movable smoothly in the longitudinal direction along the stator; a permanent magnet disposed parallel to the longitudinal direction; and a permanent magnet disposed parallel to the longitudinal direction; The first and second
a movable element including a yoke, and a group of n (n is an integer) magnetic pole teeth each formed on the gap surface facing the stator of the first and second yokes,
In the same yoke, the arrangement of the n pieces is in the above-mentioned longitudinal direction, and the pitch of the teeth in the same group is the same for any magnetic pole tooth group, and the phases are mutual between different magnetic pole tooth groups in the same yoke. a plurality of magnetic pole tooth groups formed differently in the magnetic pole, and a magnetic flux generated by the permanent magnet that passes through the magnetic pole tooth group and reaches the stator magnetic body via the air gap portion. A plurality of coils of a movable element are wound around the yoke, and the irregularities of the magnetic pole teeth of the stator attached to the movable element are detected and converted into electrical signals, which generate approximately sine waves having different phases. a plurality of non-contact sensors for outputting position signals; electronic commutator means for sequentially energizing the plurality of coils in accordance with substantially sinusoidal position signals having mutually different phases; electronic potentiometer means for electrically recognizing the position of the movable element by demodulating phase information of a carrier signal modulated by substantially sinusoidal position signals having different phases; It comprises an error amplifier that amplifies the difference between the output of the meter means and the position command input, and a motor drive circuit that applies a current proportional to the magnitude of the output of the error amplifier to the plurality of coils and drives the movable element. A brushless linear servo motor characterized by: 2. The electronic potentiometer means includes a reference frequency generating circuit, a frequency dividing circuit that divides the output into 1/M (M is an integer) and generates a plurality of carrier signals having mutually different phases, and a frequency dividing circuit that divides the output into a plurality of carrier signals having mutually different phases. A plurality of modulation circuits modulated by the position signal, an addition circuit that adds the outputs of the modulation circuits, and a PLL circuit (Phase Locked Loop circuit) that multiplies the fundamental frequency component of the addition output of the addition circuit by M times. a phase comparator that compares the phase of the multiplied output of the voltage controlled oscillation circuit in the PLL circuit and the reference frequency output of the reference frequency generation circuit; a low-pass filter that filters low-frequency components of this output; A patent characterized in that it is configured to include a waveform shaping circuit that shapes the output of a filter to create a rectangular wave pulse, and a position counter that counts the rectangular wave pulse and digitally detects the position of the movable element. A brushless linear servo motor according to claim 1.
JP55123167A 1980-09-04 1980-09-04 Brushless linear servo motor Granted JPS5746670A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP55123167A JPS5746670A (en) 1980-09-04 1980-09-04 Brushless linear servo motor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP55123167A JPS5746670A (en) 1980-09-04 1980-09-04 Brushless linear servo motor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS5746670A JPS5746670A (en) 1982-03-17
JPH0117347B2 true JPH0117347B2 (en) 1989-03-30

Family

ID=14853837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP55123167A Granted JPS5746670A (en) 1980-09-04 1980-09-04 Brushless linear servo motor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPS5746670A (en)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5921273A (en) * 1982-07-26 1984-02-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd Linear motor
JPS5992798A (en) * 1982-11-16 1984-05-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd Linear servo motor
JPS61124294A (en) * 1984-11-19 1986-06-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd Controller of linear servo motor
JPH0312058Y2 (en) * 1985-12-10 1991-03-22
JPH0687651B2 (en) * 1986-01-14 1994-11-02 オムロン株式会社 Linear pulse motor
JPS6321483U (en) * 1986-07-23 1988-02-12
JPH04127891A (en) * 1990-09-18 1992-04-28 Yokogawa Electric Corp Motor drive system
DE19623742A1 (en) * 1996-06-14 1997-12-18 Wittenstein Motion Contr Gmbh Device for displacement and / or position detection in a spindle drive
IT1392877B1 (en) * 2009-02-27 2012-04-02 Ind Motori Elettrici S I M E L S P A Soc TUBULAR ELECTRIC MOTOR
CN102857065B (en) * 2011-07-01 2014-12-10 中国江南航天工业集团林泉电机厂 Fault-tolerant transverse magnetic-field permanent-magnet linear motor

Also Published As

Publication number Publication date
JPS5746670A (en) 1982-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4509001A (en) Brushless linear servomotor
US4772815A (en) Variable refluctance position transducer
CA1276037C (en) Position and speed sensors
US6433536B1 (en) Apparatus for measuring the position of a movable member
US5894678A (en) Electronic linear tape measure using a low power induced current position transducer
JPH0117347B2 (en)
JP2572026B2 (en) Speed signal generator
JP2558159B2 (en) Two-phase signal generator and two-phase signal generation method
JP2004056892A (en) Linear motor device
CN1312461A (en) Magnetic conductivity position detector
US4839646A (en) Movement parameter sensor
US4864300A (en) Rotating high-resolution shaft encoder utilizing capacitive sensing
JP3047099B2 (en) Position detection device
EP1016852B1 (en) Apparatus for measuring the position of a movable member
JPS5992798A (en) Linear servo motor
JPS6350717A (en) Apparatus for measuring moving quantity
JPS614363A (en) image input device
US5479057A (en) Rotor/stator voltage modulation device, in particular for a brushless electric motor
JPH0434684B2 (en)
JPS614362A (en) Picture input device
US20250155233A1 (en) Magnetic encoder
USRE30161E (en) Apparatus measuring relative velocity of movable members including means to detect velocity from the position encoder
JPH0527359B2 (en)
Hore et al. Developments in inductive analogue transducers for 360 degrees rotation or tilt, and for linear displacement
JPH09318304A (en) Position detector