JPH01270760A - ハイブリッドモータ - 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】 ［発明の産業上の利用分野］ 本発明は、ステッピングモータと直流ブラシレスモータ
の両性路を備え、高速〜低速回転まで自由な回転運動を
行うことができ、しかも位置決めの極めて容易なハイブ
リッドモータに関する。

［従来技術とその問題点］ −ｍに小型高精度のモータとしては２直流モータ、ステ
ッピングモータ、直流ブラシレスモータ（単にブラシレ
スモータとも、あるいは比較的大型の大パワーのものは
ＡＣサーボモータとも言ゎれている〉が代表的なものと
なっている。その中でも安価で効率の良い直流モータは
、多数採用されている有用なものとなっている。

しかし、この直流モータは、ブラシと整流子を用いて整
流を行っている為、寿命が短いなど種々の欠点を持つ。

その為に、昨今では、直流ブラシレスモータが要−求さ
れるようになってきた。この直流ブラシレスモータは、
直流モータの一種であるため、直流モータの特徴、すな
わち、効率が良好で、高速回転が可能というメリットが
あり、しかも機械的接点を持たないことから長寿命であ
る。しかしながら、当該ブラシレスモータはそのままで
は低速回転及び位置決めをさせることは難しく、−最に
はエンコーダを用いて、エンコーダからの信号をフィー
ドバックしてクローズトループ制御をする必要がある。

尚１位置決めの容易なモータとしては、ステッピングモ
ータがある。このステッピングモータは、エンコーダが
無くても位置決めできるｆｆ！ｆ徴があり、しかも簡単
で安価になるオーブンループ制御を採用できるメリッ１
〜がある。

しかしながら、ステッピングモータは、高速回転させる
と９回路からの信号についていくことができず、脱調す
る欠点がある。

この為、ステッピングモータでは、高速回転には適さず
、高速回転制御どう点では、直流ブラシレスモータに劣
るものである。しかしながら１位置決めという点では、
ステッピングモータの方が有利である。

この為、昨今では、直流ブラシレスモータでは、ステッ
ピングモータのように容易に位置決めを行えるようにす
るため、エンコーダを用い、エンコーダからの信号を利
用してステップ動作させる要求が強くなってきている。

またステッピングモータにおいては、その性能をアップ
させるために、同じくエンコーダを用いて、このエンコ
ーダからの信号をフィードバックしてクローズトループ
制御をすることにより、高速回転させても脱調しないよ
うにさせる要求が増加してきた。なお、ステッングモー
タにおいて、エンコーダを用いてクローズトループして
。

直流ブラシレスモータと同じ機能を持たせるなら、初め
から直流ブラシレスモータとエンコーダを用いた方が一
般には有利である。

このように、エンコーダを用いることで、直流ブラシレ
スモータにステラングモータの機能を持たせ、ステラン
グモータに直流ブラシレスモータの機能を持たせること
ができるが、このようにエンコーダを用いて他のモータ
の機能を持たせるよりも、純然たるエンコーダ使用直流
ブラシ゛レスモータまたはエンコーダ使用ステッピング
モータとして用いることが有利なケースがある。しがし
、エンコーダの使用によって、他のモータの機能を持た
せるほうが有利な場合もある。いずれにしても、１つの
モータで種々のモータ機能を持つように構成することは
１種々の応用機器に用いて有用である。

［発明の課題］ 本発明は、上記技術背景を基になされたちので、一つの
モータでありながら、直流ブラシレスモータとステッピ
ングモータの両方の性格をもち、高速回転時には、直流
ブラシレスモータを用い、低速時あるいは位置決め時に
はステッピングモータを用いることができるようにし、
制御に当たって望ましい特性のモータを選択できるよう
にしたハイブリッドモータを得ることを課題になされた
もので、エンコーダを用いなくても、低速から高速まで
自由な運転が可能で、しがも高速回転させても脱調せず
、またエンコーダを用いなくても位置決めが容易で９応
答性及び効率がよく、シかも２種類のモータの性格を備
えていて尚且つ。

安価に量産でき、また小型に形成できるようにして体積
効率を上げたハイブリッドモータを得ることを課題にな
されたものである。また、ががるハイブリッドモータを
更に種々の制御が可能なようにエンコーダを用いたい場
合に当たっても、大型且つ高価なエンコーダを別途に用
いることなく本発明のハイブリッドモータの構成要素を
磁気エンコーダの構成要素として利用できるようにする
ことで、安価且つ小型の磁気エンコーダを有するハイブ
リッドモータを得ることを課題になされたものである。

［発明の課題達成手段］ かかる本発明の課題は、カップ形または円筒形のマグネ
ットロータの一方の周囲にＮ、Ｓの磁極を微細ピッチで
２Ｐ　（Ｐは複数の整数）［ｆにラジアル配向着磁した
ステッピングモータ用駆動磁極を形成し、該ステッピン
グモータ用駆動磁極と径方向の空隙を介して対向するス
テッピングモータ用のステータ電機子を設け、上記マグ
ネットロータの他方の周面にラジアル配向の着磁がされ
たＮ、Ｓの磁極を２Ｐ（Ｐは１以上の整数）個有する直
流ブラシレスモータ用駆動磁極を設け、該直流ブラシレ
スモータ用駆動磁極と径方向の空隙を介して直流ブラシ
レスモータ用ステータ電機子を配設したハイブリッドモ
ータを提供することによって達成できる。

また別の課題としては、別個に大型で高価なエンコーダ
を用いることなく、当該ハイブリッドモータの構成要素
であるマグネットロータにロータリ磁気エンコーダ磁極
を形成し、該ロータリ磁気エンコーダ磁極に対向してロ
ータリ磁気エンコーダ用磁気センサを設けることで達成
できる。

［発明の第１実施例］ 第１図は第１実施例としての本発明のハイブリッドモー
タの縦断面図で１本発明においては。

エンコーダが無くても、高速から低速回転までの自由な
回転並びに位置決めが極めて容易であるが、より精度の
良いサーボ用に適する多機能型ハイブリッドモータとす
るために２このハイブリッドモータでは、ロータリ磁気
エンコーダを形成した例について示しである。第２図は
同ハイブリッドモータの主要部を示す一部切欠分解斜視
図でを示している。以下、第１図及び第２図を参照して
本発明の第１実施例を説明していく。

まず第１図を参照して、ハイブリッドモータ１は、磁性
体で形成したカップ体２ａとこのカップ体２ａの下端開
口部を、モータ取付板としても。

機能するステータヨーク２ｂで閉じることで、ハイブリ
ッドモータ本体２を形成している。

回転軸３には、外周にＰＭ形ステッピングモータ用駆動
磁ｆｉ４をラジアル配向であり、且つ周方向に沿って互
いに隣接する磁極が異極となるようにＮ極、Ｓ極の磁極
を交互に多ｆ！（２Ｐ極、Ｐは１以上の整数で良いが、
他との関係で可能な限り多い整数を選択する）に着磁形
成し、内周にラジアル配向であり、且つ周方向に隣接す
る磁極が互いに異極になるようにＮｉ、Ｓ極の磁極を交
互に２Ｐ（Ｐは２以上の整数極、この実施例では。

Ｐ＝２を選択しているので、４ｆｆｉに着磁形成した直
流ブラシレスモータ用駆動用磁極５を形成し。

また下部端面には、駆動磁極４と同じような位置で且つ
同数の磁極をアキシャル配向に着磁形成したカップ型マ
グネットロータ７を固定して１回転軸３と共に一体回転
するようにしている。

この実施例では、カップ型マグネットロータ７は、これ
をカップ型にプラスチックマグネットによって一体形成
する際に同時に回転軸３と一体化している。そして、こ
のカップ型マグネットロータ７に、上記の磁極４，５．
６の全てを上記所定の面に直接着磁等して形成している
。

上記ステータヨーク２ｂの略中心部には、軸承８を設け
、該軸承８によって回転軸３を回動自在に支持すること
により２回転軸３に固定されたカップ型マグネットロー
タ７を回動自在に軸支している。　上記ステータヨーク
２ｂの上面には、プリント配線基板１ｏを固定し、この
プリント配線基　板１０には、ロータリ磁気エンコーダ
用磁気センサとして用いる磁気抵抗効果素子、ボール素
子　、ホールＩＣ，磁気ヘッド等の位置検知素子９を配
設して、ロータリ磁気エンコーダ磁Ｖｉ６に軸方向の空
隙１１を介して対向させている。

該ロータリ磁気エンコーダ磁極６と上記位置検知素子９
とでロークリ磁気エンコーダを形成している。

このように形成されたロータ１コ磁気エンコーダでは、
最低でもＡ相、Ｂ相め２つの磁気エンコ−ダｆ３号を得
る必要があるので、１個の素子でＡ相、Ｂ相の２つの磁
気エンコーダ信号を得ることのできる磁気抵抗効果素子
を位置検知素子９として用いるのが望ましい、特に磁気
抵抗効果素子の場合、Ｚ相の磁気エンコーダ信号を必要
とする場合にも、容易なので望ましい。

１個の素子で人相、Ｂ相の２つの磁気エンコーダ信号を
得ることのできない素子１例えばポール素子を位置検知
素子９として用いる場合は、互いに電気角で９０度位相
がずれたＡ相、Ｂ相の磁気エンコーダ信号が得られるよ
うに当該２個のホール素子を位相をずらして上記プリン
ト配線基板１０面上に配役する必要がある。

プリント配線基板１０には、ロータリ磁気エンコーダ回
路を構成する電気回路部品１２群を配設し、マグネット
ロータ７の内側中空部】３内にロータリ磁気エンコーダ
回路を内蔵している。

尚、この場合、ステッピングモータ用駆動回路や直流ブ
ラシレスモータ用駆動回路を上記内側中空部１３内に位
置するプリント配線基板１０に配設して内蔵しても良い
が、この実施例では、ステッピングモータ用駆動回路や
直流ブラシレスモーフ用駆動回路は、外部に設けるよう
にしたものとなっている。

ステッピングモータ用駆動磁極４の外周と径方向の環状
の磁気空隙１４を介して対向するカップ体２ａの内周位
置には、第１．第２のステータ電機子１５ａ、１５ｂか
らなるＰＭ形ステッピングモータ用ステータ＄機子１５
を配設している。

上記ステッピングモータ用駆動磁極４とステッピングモ
ータ用ステータ電機子１５とで、ＰＭ形ステッピングモ
ータを形成している。

直流ブラシレスモータ用駆動磁極５とその内周径方向の
環状磁気空隙１６を介して対向するマグネットロータ７
の内周位置には、直流ブラシレスモータ用ステータ電機
子１７を固定配設している。

直流ブラシレスモータ用駆動磁極５と直流ブラシレスモ
ータ用ステータ電機子１７とで、ラジアルギャップ型（
径方向空隙型）直流ブラシレスモータを形成している。

このラジアルギャップ型直流ブラシレスモータでは、有
鉄心型構造を採用している。　　　・上記ステータ電機
子１７は、積層鋼板を積み重ねて等間隔に３個の半径外
側方向に突出形成させた３突極形のステータ電機子鉄心
１８の突極１８ａ、１８ｂ、１８ｃに電機子コイル１９
−１．１９−２．１９−３を巻線形成したものとなって
いる。尚、この場合の直流ブラシレスモータでは１位置
検知素子を用いて通電の切り換えを行う形式のもので合
ってもよいが、ロータリ磁気エンコーダの信号を基に通
電切り換えを行う形式の位置検知素子しス楕遣としてい
るため、直流ブラシレスモータ用駆動磁極５を検出する
ためのホール素子やホールＩＣなどの位置検知素子を描
いていないものになっている。

このように本発明の第１実施例のハイブリッドモータ１
は、ロータリ磁気エンコーダ、ＰＭ形ステッピングモー
タ及び直流ブラシレスモータの機Ｉｍを発生させること
ができるように有機的に結合されて構成されている。

第１図及び第２図を参照して、より具体的なＰＭ形ステ
ッピングモータのステータ電機子１５について説明する
。

このステッピングモータのステータ電機子１５は、２つ
の磁性体中空リングを有する第１．第２のステータ電機
子１５ａ、１５ｂを上下２段に重ねた構造の中空状の固
定子となっている。

このステータ電機子１５ａ、１５ｂは、磁性体からなる
ドーナツ状の薄板の内周部を、後記するステータ磁極片
２０ａ、２１ａ、２２ａおよび２３ａを形成するために
クシ歯型にして、このクシ歯型と外周の一部を直角に折
曲して断面コ字状に形成したヨーク２０と２１．２２と
２３の２対をそのクシ歯であるステータ磁極片２０ａと
２１ａ、２２ａと２３ａとが互いに噛み合うように組み
合わせて、その空胴部に絶縁物からなる断面コ字状で且
つドーナツ状のコイルボビン２４にステータコイル２５
を多数ターン巻いている。

したがって、ステータ磁極片２０ａと２１ａ及び２２ａ
と２３ａは、ステータコイル２５に通電することにより
、交互にＮ極、Ｓ極の磁極を形成する。

またステータ磁極片２０ａと２１ａ及び２２ａと２３ａ
の対は１電気角で９０度ずらせて軸方向に２段に重ねて
配設固定している。

ステータ磁極片２０ａと２１ａ及び２２ａと２３ａの幅
は、マグネットロータ７の駆動磁極４の一磁極幅に略等
しく形成されている。２６゜２７は、それぞれステータ
電機子１５ａ、１５ｂのステータコイル２５に接続され
たリード線である。

プリント配線基板１０は、マグネットロータ７の内側に
位置して、透孔２８，２９を利用して螺子３０により、
ステータヨーク２１′）に固定されている。透孔２っは
、長孔に形成されており、この透孔２９と螺子３０とに
より、プリント配線基板１０上に固定された位置検知素
子９がロータリ磁気エンコーダ磁極６に対向して最適な
位置に微調整できるようになっている。

尚、上記マグネッロータ７は、プラスチックマグネット
、または焼結によるマグネットの何れであっても良く、
適宜なものを使用すれば良い。

またマグネットロータ７は、プラスチックマグオ・ット
によってカップ型に形成する方法がメリットがあるが、
必ずしもカップ型でなくてもよく。

この場合に回転軸３にボスを固定し、このボスに円筒型
のプラスチックマグネット等で形成したマグネットロー
タな固定してもよい。

上記ロータリ磁気エンコーダ磁極６と対向し′ζいる位
置検知素子９の出力信号は、プリント配線基板１０に形
成した図示しないプリント配線パターン、電気回路部品
１２群によって構成された磁気エンコーダ用電気回路お
よび出力用リード線３１を介して外部に取り出される。

上記ＰＭ形ステッピングモータ用ステータ電機子１５と
、ＰＭ形ステッピングモータ用駆動磁極４およびロータ
リ磁気エンコーダ磁極６と、上記位置検知素子つとによ
って、ロータリ磁気エンコーダ内蔵ＰＭ形ステッピング
モータを構成でき、このロータリ磁気エンコーダ内蔵Ｐ
Ｍ形ステッピングモータによると、ステッピングモータ
でありながら、直流ブラシレスモータと同機能のモータ
を構成することができる。

このことを以下に説明すると１通電制御回路によって、
ＰＭ形ステッピングモータが駆動させられると、マグネ
ットロータ７が回転し、これに−体止されている磁気エ
ンコーダ磁極６も回転するので、この磁気エンコーダ磁
極６を位置検知素子って検出することにより、当該ロー
タリ磁気エンコーダを備えたＰＭ形ステッピングモータ
の回転速度９回転角１回転方向笠が判明する。

また当該ロータリ磁気エンコーダを備えたＰＭ形ステッ
ピングモータの回転情報に応じて通電制御回路にフィー
ドバックして７閉ループ制御をかけることで１例えステ
ッピングモータであっても高速回転させても脱調しない
ものを得ることができる。

また通常の直流ブラシレスモータに用いる場合には、上
記ロータリ磁気エンコーダがあるので。

この磁気エンコーダから得られる信号を利用して、同じ
く回転速度の制御９回転角即ち位置決め制御１回転方向
の制御等をなすことができる９本発明のハイブリッドモ
ータ１では、上記のように構成されたＰＭ形ステッピン
グモータによって直流ブラシレスモータと同機能を持た
せて使用できるが、以下に示すように更に純然たる直流
ブラシレスモータを備えているので、この直流ブラシレ
スモータを高速回転時に使用し、上記ロータリ磁気エン
コーダからの信号を基に閉ループ制御のＰＭ形ステッピ
ングモータ動作に切り換えることもできるので、このよ
うな使用方法を採用すると９回転速度を極めて容易に上
げることができるなどの多くのメリットがあるので、特
に本発明の使用例としては、後者の使用例を勧めるが、
使用者の用途上の都合から途中で前者の使用方法を選択
したい場合もあるので、使用方法を任意に選択できるよ
うにして、多機能型のハイブリッドモータ１を実現して
いる。

このハイブリッドモータ１において、ロータリ磁気エン
コーダを有する直流ブラシレスモータは、下記のように
形成されている。

なお、この場合のロータリ磁気エンコーダは。

ロータリ磁気エンコーダ磁極６と位置検知素子９とで構
成されることは、上記で説明しているので、以下に説明
する直流ブラシレスモータでは。

詳しいロータリ磁気エンコーダの説明は省略する。

上記したようにカップ型のマグネットロータ７の内周面
には、この実施例では、Ｎ極、Ｓ極の磁極を９０度の１
１１械角幅をもって交互に着磁した４極の直流ブラシレ
スモータ胴部動磁ｆｆ１５を形成している。

この駆動磁ｉ５に、径方向の空隙１６を介してタップ３
２を用いてステータヨーク２ｂの上部にプリント配線基
板１０を介して固定されたステータ電機子鉄心１８を有
する３コイル・３突極形のステータを義子１７と相対的
回動を成すようにしている。尚、ステータ電機子鉄心１
８は、１２０度のピッチで且つ９０度の機械角でラジア
ル方向に突出形成された突極１８ａ、１８ｂ、１８ｃを
有するものとなっており、各突極に電機子コイル１９−
１．１９−２．１９−３を巻線形成して３相ステ一タ電
機子巻線を形成している。

このことにより、ハイブリッドモータ１は、直流ブラシ
レスモータとして機能することになる。

マグネットロータ７が回転すると、これに形成されたロ
ータリ磁気エンコーダ磁極６の磁極を位置検知素子９が
検出するので、当該位置検知素子９からＡ相、Ｂ相（更
にはＺ相）の磁気エンコーダ出力信号が得られるので、
この信号を図示しない通電制御回路にフィードバックし
てサーボをかければ当該ブラシレスモータをサーボ用と
して各種の制御を行える。

又位置検知素子９からの信号を基に、高速回転時には直
流ブラシレスモータを選択し、低速回転時にはＰＭ形ス
テッピングモータを選択するように通電制御回路によっ
て切り換えるようにすれば、各種のモードの最適なサー
ボを行える。

［本発明の第２実施例］ 第３図は９本発明第２実施例のハイブリッドモータＩＡ
の縦断面図を示し、このモータＩＡにおけるカップ型マ
グネットロータ７Ａでは、上記マグネットロータ７と殆
ど同じ構造であるが、駆動用磁極４と５とが互いに悪影
響を及ぼすことを避けるために、それらの磁１４と５の
間に円環状のロータヨーク３３を介在させてプラスチッ
クマグネットによって当該マグネットロータ７Ａを一体
形成したものとなっている。

［発明の効果］ 本発明によれば、主に下記のような効果がある。

ａ０本発明のハイブリッドモータは、ステッピングモー
タと直流ブラシレスモータのいずれかの機能を有するモ
ータを合理的に選択することで。

特に高速回転時には直流ブラシレスモータを選択し、ま
た低速回転時や位置決め時にはステッピングモータを選
択することで、低速から高速まで自由に望ましい速度の
運転が可能で且つ位置決めの極めて容易なサーボ用とし
て適するハイブリッドモータを安価且つ容易に量産でき
る。しかも、この場合のハイブリイドモータにエンコー
ダを備える場合には、より高精度で多様なサーボをかけ
ろことができる。

ｂ、このエンコーダがハイブリッドモータの構成要素で
あるマグネットロータをロータリ磁気エンコーダの構成
要素としてそのまま利用できるので、磁気エンコータを
構成するための部品点数が少なく、安価にロータリ磁気
エンコーダを構成できる。

Ｃ，Ｌかも、ロータリ磁気エンコーダを内蔵したとして
も、そのための特別に大きなスペースを別個に形成する
必要が無いので、四−タリ磁気エンコーダ内蔵ハイブッ
リドモータを小型に形成できる。

ｄ、ｆｖにこのことは、従来より、多く市販されている
高価且つ大型のエンコーダを用いる必要が無いので、上
記効果は更に助長される。

ｅ、しかも、このロータリ磁気エンコーダは。

従来より、多数用いられている光学式エンコーダのよう
にゴミやほこりに弱く、電気ノイズが入り、誤動作した
り、　？ｆ命が短いといった欠点が無いので、誠に都合
が良いものとなる。

ｆ、またステッピングモータにブラシレスモータの機能
を持たせて使用することもでき、直流ブラシレスモータ
をステッピングモータの機能を持たせて使用することも
でき１種々の機能を持つハイブリッドモータを構成でき
るので１種々の制御が可能になる。

ｇ、このｆの効果は、ロータリ磁気エンコーダのための
磁気センサを配設するに当たって、そのための特別なス
ペースを設けることなく１合理的な位置に容易に配設で
きるという効果を助長する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例としてのハイブリッドモー
タの縦断面図、第２図は同主要部を示す一部切欠分解斜
視図２第３図は同第２実施例としての縦断面図を示す。 ［符号の説明］ １．１Ａ・・・ハイブリッドモータ、２　・・ハイブリ
ッドモータ本体、２ａ・・・カップ体。 ２ｂ・・・ステータヨーク、３・・・回転軸。 ４・・・ＰＭ形ステッピングモータ用駆動磁極９５・・
・直流ブラシレスモータ用駆動磁極。 ６・・・ロータリ磁気エンコーダ磁極。 ７．７Ａ・・・カップ型マグネットロータ１８・・・軸
承、９・・・位置検知素子。 １０・・・プリント配線基板、１１・・・空隙。 ｔ２・・・電気回路部品。 １３・・・内側中空部。 １４・・・環状磁気空隙、１ら・・・ＰＭ形ステッピン
グモータ用ステータ電機子。 １５ａ・・・第１のステータ電機子。 １５ｂ・・・第２のステータ電機子。 １６・・・環状磁気空隙、１７：・・直流ブラシレスモ
ータ用ステータ電機子、１８・・・有鉄心型ステータ電
機子鉄心。 １８ａ、１８ｂ、１８ｃｍ　−・突極。 １９−１．　　・・・、１９−３・・・電機子コイル、
２０．・　・、２３・・・ヨーク。 ２０ａ、・・・、２３ａ・・・ステータ磁極片。 ２４・・・コイルボビン、２５・・・ステータコイル、
２６．２７・・・リード線。 ２８．２９・・　透孔、３０・・・螺子。 ３１・・・出力用リード線、３２・・・タップ。 ３３・・・ロータヨーク。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）カップ形または円筒形のマグネットロータの一方
   の周囲にＮ、Ｓの磁極を微細ピッチで２Ｐ（Ｐは複数の
   整数）極にラジアル配向着磁したステッピングモータ用
   駆動磁極を形成し、該ステッピングモータ用駆動磁極と
   径方向の空隙を介して対向するステッピングモータ用の
   ステータ電機子を設け、上記マグネットロータの他方の
   周面にラジアル配向の着磁がされたＮ、Ｓの磁極を２Ｐ
   （Ｐは１以上の整数）個有する直流ブラシレスモータ用
   駆動磁極を設け、該直流ブラシレスモータ用駆動磁極と
   径方向の空隙を介して直流ブラシレスモータ用ステータ
   電機子を配設した、ハイブリッドモータ。
2. （２）上記マグネットロータは、互いに隣接する磁極が
   異極となるようにＮ、Ｓの磁極を交互に微細ピッチで多
   極着磁されているロータリ磁気エンコーダ磁極を形成し
   ており、該ロータリ磁気エンコーダ磁極と空隙を介して
   ロータリ磁気エンコーダ用磁気センサを対向配設してロ
   ータリ磁気エンコーダを形成してなる、特許請求の範囲
   第（１）項記載のハイブリッドモータ。