JP2007064788A - Origin position detector for motor-driven actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータの回転を減速機で減速して回転体又は移動体に伝達するとともに、モータの回転をロータリエンコーダによりデジタル電気信号に変換する電動アクチュエータ、特に、それにおける回転体又は移動体の原点位置を検出する原点位置検出装置に関する。 The present invention relates to an electric actuator that decelerates the rotation of a motor with a reduction gear and transmits it to a rotating body or a moving body, and converts the rotation of the motor into a digital electric signal by a rotary encoder, and in particular, the rotating body or moving body of the motor. The present invention relates to an origin position detection device that detects an origin position.
本出願人は、図1〜図4に示すような電動ロータリーアクチュエータを提供している。このアクチュエータは、微細な回転角のステップ回転が可能であって、箱形の本体ハウジング1内に設置されたステッピングモータ(以下、単にモータと言う)2のステップ回転を、本体ハウジング1内に組み込まれた減速機であるハイポイドギア装置3で減速し、本体ハウジング1の上面に上端部が臨んでいる円筒状のロータ(インデックステーブル)4によって、回転を外部に取り出すようになっている。
The present applicant provides an electric rotary actuator as shown in FIGS. This actuator is capable of step rotation with a fine rotation angle. The step rotation of a stepping motor (hereinafter simply referred to as a motor) 2 installed in a box-shaped
モータ2とハイポイドギア装置3とは本体ハウジング1内に並置され、モータ2の回転は、そのモータ軸5の先端部に固定された駆動側プーリ6と、ハイポイドギア装置3のピニオンギア軸7の基端部に固定された従動側プーリ8と、これらプーリ6・8間に掛けられたタイミングベルト9を介してピニオンギア軸7に伝達される。
The
ピニオンギア軸7は、その基端側と先端側とを、基端側ベアリング10と先端側ベアリング11にて軸受けされている。ピニオンギア軸7の円錐台形の先端部はハイポイドピニオンギア15となっている。
The
一方、ロータ4の中間部に設けられた鍔部4aの下面には、ハイポイドリングギア16が付設され、ハイポイドピニオンギア15と本体ハウジング1内で噛み合っている。ロータ4は、本体ハウジング1内の上下のベアリング17・18にて、軸方向がピニオンギア軸7と直交する方向に軸受けされている。
On the other hand, a
モータ2にはロータリエンコーダが組み込まれており、ロータリエンコーダのA相信号とB相信号とでモータ2の回転量及び回転方向が検出され、またZ信号にてモータ2の回転の原点が検出される。
A rotary encoder is incorporated in the
モータ2側については、ロータリエンコーダにてこのような検出が可能であるが、回転体であるインデックステーブル4については、その絶対的原点を近接スイッチ等で別に検出する必要がある。
On the
この場合、ロータリエンコーダからのA相、B相、Z相のそれぞれの信号線に、絶対的原点検出のための信号線が追加されて、合計4本の信号線が必要となる。これに付随して、コネクタの出力端子が1ピン追加、アクチュエータ本体側とコントローラ側の配線が最低1本追加、更にコントローラ側の入力ポートも1ポート追加され、回路及び配線部材のコストアップとシステムの大型化を招くことになる。 In this case, signal lines for absolute origin detection are added to the signal lines of the A phase, B phase, and Z phase from the rotary encoder, and a total of four signal lines are required. Along with this, an additional pin is added to the connector output, at least one wiring on the actuator body side and the controller side is added, and an additional input port on the controller side is also added. Will lead to an increase in size.
また、動力源であるモータ2の回転を減速機であるハイポイドギア装置3で減速してインデックステーブル4に伝達しているため、インデックステーブル4の絶対的原点を単に検出しただけでは、その検出信号とモータ2側のロータリエンコーダからのZ信号とは同期せず、ロータ4のフィードバック制御による正確かつ精密な位置制御ができない。
Further, since the rotation of the
同種の電動ロータリーアクチュエータにおいて、原点を検出する従来技術として、特許文献1(特開2002−341076号公報)及び特許文献2(特許第3528949号公報)に記載のものがある。 In the same type of electric rotary actuator, as a conventional technique for detecting the origin, there are those described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-341076) and Patent Document 2 (Japanese Patent No. 3528949).
特許文献1に記載の従来技術は、ワーク等の物体をテーブル上に搭載して高精度に微小な角度で回転位置決めする角度調整テーブル装置であって、モータの回転を減速してテーブルに伝達する機構のねじ軸の端部に円盤状の原点マークを設け、これを定位置の原点センサで検出することで、テーブルの原点を検出する構造になっているが、その検出はモータの動作と同期をとるようにはなっていない。
The prior art described in
特許文献2に記載の従来技術は、モータおよびこのモータの出力回転を減速する減速機を備え、この減速機の出力によって被駆動部材を駆動するアクチュエータにおいて、モータの回転軸に取り付けたインクリメンタル位置検出器(モータ側ロータリエンコーダ)と、減速機の出力回転軸に取り付けたアブソリュート位置検出器(減速機側ロータリエンコーダ)と、減速機の出力回転軸のアブソリュート位置を演算する演算手段と、モータを駆動制御するモータ制御手段とを有し、減速機の減速比はアブソリュート位置検出器の分解能と同一の値に設定されており、モータ制御手段によりモータを1回転させることによりインクリメンタル位置検出器から得られる原点信号(Z相信号)に同期して、演算手段は、アブソリュート位置検出器の出力を読み込み、当該読み込み値に基づき減速機の出力回転軸のアブソリュート位置を演算するようになっている。
The prior art described in
しかし、この従来技術は、モータ1回転中の原点信号に同期して減速機の出力回転軸のアブソリュート位置を検出することにより、分解能の低いアブソリュート位置検出器を使用しても、現行の多回転型アブソリュート位置検出器を使用する場合と同程度の分解能で出力回転軸のアブソリュート位置を検出できるようにすることを目的としており、減速機側にも、その出力回転軸の回転をエンコードするアブソリュート位置検出器を必要とするため、回路構成及び演算制御が複雑となり、高価になるとともに、減速機側が大型化し、しかも、減速機の減速比をアブソリュート位置検出器の分解能と一致させねばならない設計上の複雑さも伴う。
本発明の課題は、モータの回転を減速して伝達される回転体又は移動体の絶対的原点(機械的原点)を検出するにあたり、コネクタの端子増加や配線増加やポート増加による、回路及び配線部材のコストアップとシステムの大型化を招くことがないとともに、単純な回路構成でモータ側のロータリエンコーダとの原点同期をとることができ、フィードバック制御による正確かつ精密な位置制御を簡単に実現できるようにすることにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to detect the absolute origin (mechanical origin) of a rotating body or a moving body transmitted by decelerating the rotation of a motor. It does not increase the cost of components and increase the size of the system, and it can synchronize the origin with the rotary encoder on the motor side with a simple circuit configuration, and can easily realize accurate and precise position control by feedback control. There is in doing so.
本発明は、モータの回転を減速機で減速して回転体又は移動体に伝達するとともに、モータの回転をロータリエンコーダによりデジタル電気信号に変換する電動アクチュエータにおいて、回転体又は移動体の機械的原点を検出し、ロータリエンコーダからのZ信号の出力に合わせて原点検出信号を出力する原点検出手段と、これら原点検出信号とZ信号とを論理積する論理積回路とを備えたことを特徴とする。 The present invention relates to a mechanical origin of a rotating body or a moving body in an electric actuator that decelerates the rotation of the motor with a speed reducer and transmits it to the rotating body or the moving body, and converts the rotation of the motor into a digital electric signal by a rotary encoder. And an origin detection means for outputting an origin detection signal in accordance with the output of the Z signal from the rotary encoder, and an AND circuit for ANDing these origin detection signal and the Z signal. .
原点検出手段から出力される原点検出信号は、ロータリエンコーダからのZ信号と論理積して同期をとるので、原点検出手段の検出精度は、モータ側のロータリエンコーダほどの精度でなくともよく、原点検出信号はZ信号のパルス幅よりも広いパルス幅とする。 Since the origin detection signal output from the origin detection means is logically ANDed with the Z signal from the rotary encoder, the detection accuracy of the origin detection means may not be as accurate as the rotary encoder on the motor side. The detection signal has a pulse width wider than that of the Z signal.
原点検出手段からの原点検出信号の出力周期は、Z信号の出力周期の1/n(但し、nは2以上の整数)とする。 The output period of the origin detection signal from the origin detection means is 1 / n of the output period of the Z signal (where n is an integer of 2 or more).
モータの回転を減速機で減速して回転体に伝達する電動アクチュエータの場合には、原点検出手段による回転体の原点位置検出の角度Z2は、ロータリエンコーダのZ信号の出力周期をθz、減速機の減速比をRとすると、K・(R・θz)=K・Z2の関係とし、ロータリエンコーダのK回転毎に原点検出信号が出力される。 In the case of an electric actuator that decelerates the rotation of the motor with a speed reducer and transmits it to the rotating body, the angle Z2 for detecting the origin position of the rotating body by the origin detecting means is the output cycle of the Z signal of the rotary encoder θz, and the speed reducer If the reduction ratio is R, the relationship K · (R · θz) = K · Z2 is established, and an origin detection signal is output every K rotations of the rotary encoder.
電動アクチュエータとコントローラとが分離されている場合、ロータリエンコーダからのA相信号及びB相信号と、論理積回路の出力である原点信号はコントローラへ入力される。 When the electric actuator and the controller are separated, the A-phase signal and B-phase signal from the rotary encoder and the origin signal that is the output of the AND circuit are input to the controller.
本発明によれば、回転体又は移動体の機械的原点を検出して、ロータリエンコーダからのZ信号の出力に合わせて原点検出信号を出力し、これら原点検出信号とZ信号とを論理積回路で論理積するので、Z信号のための信号線と論理積回路の出力信号線とを共用できることになり、回転体又は移動体の原点を検出するために、コネクタのピン増加、アクチュエータ本体側とコントローラ側の配線の増加、コントローラ側の入力ポートの増加を招くことがない。しかも、単純な回路構成でモータ側のロータリエンコーダとの原点同期をとることができ、フィードバック制御による正確かつ精密な位置制御を簡単に実現できる。 According to the present invention, the mechanical origin of a rotating body or a moving body is detected, an origin detection signal is output in accordance with the output of the Z signal from the rotary encoder, and the origin detection signal and the Z signal are ANDed. Therefore, the signal line for the Z signal and the output signal line of the logical product circuit can be shared, and in order to detect the origin of the rotating body or moving body, the connector pins are increased, the actuator body side There is no increase in the wiring on the controller side and the increase in input ports on the controller side. Moreover, the origin synchronization with the rotary encoder on the motor side can be achieved with a simple circuit configuration, and accurate and precise position control by feedback control can be easily realized.
請求項2に係る発明のように、原点検出手段から出力される原点検出信号を、Z信号のパルス幅よりも大きいパルス幅とすることにより、原点検出手段として特性の低いセンサを使用しても問題が無く、例えばリードスッチ等の安価なセンサで対応できる。
Even if a sensor having low characteristics is used as the origin detection means by setting the origin detection signal output from the origin detection means to a pulse width larger than the pulse width of the Z signal as in the invention according to
請求項3に係る発明のように、原点検出信号の出力周期を、Z信号の出力周期の1/n(但し、nは2以上の整数)とすることにより、ロータリエンコーダとの原点同期を簡単にとることができる。
As in the invention according to
請求項4に係る発明によれば、減速機の減速比を考慮して、原点検出信号をZ信号の出力周期と正確に同期させることができる。 According to the fourth aspect of the invention, the origin detection signal can be accurately synchronized with the output period of the Z signal in consideration of the reduction ratio of the reduction gear.
請求項5に係る発明によれば、電動アクチュエータとコントローラとが分離されている場合、これらの間を配線数の増加無しに接続できる。
According to the invention which concerns on
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
実施例1は、図1〜図4に示したような電動ロータリーアクチュエータに適用した場合であって、図5に、主に電気的構成をブロック図にして示し、図6に、図1〜図4に示した構造を簡略化した機械的構成を示す。 The first embodiment is applied to the electric rotary actuator as shown in FIGS. 1 to 4, and FIG. 5 mainly shows a block diagram of the electrical configuration, and FIG. 6 shows FIGS. 4 shows a mechanical configuration obtained by simplifying the structure shown in FIG.
この電動ロータリーアクチュエータでも、モータ(ステッピングモータ)21の回転を減速機22で減速してテーブル(回転体)23に伝達し、モータ21の回転を、ロータリエンコーダ24にてデジタル電気信号に変換して取り出すようになっている。ロータリエンコーダ24からはA相、B相の信号とZ信号が出力され、A相信号及びB相信号のそれぞれの信号線は、電動ロータリーアクチュエータの本体25に付設されているコネクタ26のそれぞれの出力端子(ピン)26A・26Bに接続されている。
Also in this electric rotary actuator, the rotation of the motor (stepping motor) 21 is decelerated by the
この電動ロータリーアクチュエータでは、テーブル23の機械的原点を検出する原点検出センサ27として、テーブル23と一体回転する減速機22のギア(ハイポイドリングギア)28に磁石27aが付設されているとともに、この磁石27aに感応する磁気感応素子27bが本体25内の定位置に設置され、磁石27aが磁気感応素子27bに対向すると、磁気感応素子27bよりテーブル23の機械的原点を示す原点検出信号Z2が得られる。
In this electric rotary actuator, a
そして、原点検出信号Z2とロータリエンコーダ24からのZ信号とは、論理積回路29に入力され、この論理積回路29の出力側はコネクタ26の出力端子(ピン)26Zに接続されている。論理積回路29は、本例では、図6に示すように本体25内に設置された回路基板35上に磁気感応素子27bと共に実装されている。また、コネクタ26のVccの入力端子26V及びグランド端子26Gは磁気感応素子27b及びロータリエンコーダ24に接続されている。
The origin detection signal Z2 and the Z signal from the
図7に示すように、原点検出センサ27からの原点検出信号Z2の出力周期は、ロータリエンコーダ24からのZ信号の出力周期の1/n(但し、nは2以上の整数)で、しかも原点検出信号Z2のパルス幅D2は、Z信号のパルス幅D1よりも前後に大きいパルス幅になる関係になっている。
As shown in FIG. 7, the output cycle of the origin detection signal Z2 from the
また、図8に示すように、ロータリエンコーダ24の回転周期から見ると、原点検出センサ27の原点検出の周期Z2は、ロータリエンコーダ24のZ信号の出力周期をθz、減速機22の減速比をRとすると、K・(R・θz)=K・Z2の関係とし、ロータリエンコーダ24のK回転毎に原点検出信号が出力される関係とする。
Further, as shown in FIG. 8, when viewed from the rotation cycle of the
実施例1は上記のような構成となっているので、テーブル23と一体回転する減速機22のギア28に付設された磁石27aが磁気感応素子27bに対向すると、図7に示すように、原点検出センサ27の出力(磁気感応素子27bの出力)である原点検出信号Z2が「H」となる。これが「H」となっている間に、ロータリエンコーダ24からのZ信号が「H」となると、論理積回路29の出力が「H」となり、コネクタ26の出力端子26Zから、テーブル23の機械的原点を示す原点信号ZZが、ロータリエンコーダ24からのZ信号の出力周期の1/nに同期して出力される。
Since the first embodiment is configured as described above, when the
電動ロータリーアクチュエータ側のコネクタ26は、接続ケーブル36を介してコントローラ37側のコネクタ38と接続され、A相信号、B相信号及び原点信号ZZはコントローラ37に入力され、このコントローラ37によって各種の制御が行われる。ここで、コントローラ37との間の配線数を増加することなく、従来と同じ本数で、テーブル23の機械的原点を示す原点信号ZZをコントローラ37へ送信することができる。
The
図10に、本実施例の電動ロータリーアクチュエータを、コントローラ37を介して動力用電源39、制御用電源40、プログラマブルコントローラ41、パーソナルコンピュータ42等に接続して、電源供給及び制御する使用例を示す。
FIG. 10 shows a usage example in which the electric rotary actuator of this embodiment is connected to a
図9に示す実施例2は、電動リニアアクチュエータに適用した場合で、この電動リニアアクチュエータは、ロータリエンコーダを組み込んだモータ(ステッピングモータ)30の回転を減速機31で減速してスクリューシャフト32に伝達し、このスクリューシャフト32の正転・逆転により移動体33を進退(前後に直線運動)させる構造となっている。この場合、移動体33の機械的原点を、移動体33に付設した磁石34aと、定位置に設置した磁気感応素子34bとによる原点検出センサ34で検出する。この原点検出センサ34から得られる原点検出信号と、ロータリエンコーダからのZ信号とは、図7と同様な関係となっており、図5と同様の電気的構成で同期をとられる。
The second embodiment shown in FIG. 9 is applied to an electric linear actuator. This electric linear actuator decelerates the rotation of a motor (stepping motor) 30 incorporating a rotary encoder by a
従って、移動体33の移動によりそれに付設された磁石34aが磁気感応素子34bに対向すると、原点検出センサ34の出力(磁気感応素子34bの出力)である原点検出信号Z2が「H」となる。これが「H」となっている間に、ロータリエンコーダからのZ信号が「H」となると、図5において論理積回路29の出力が「H」となり、コネクタ26の出力端子26Zから、移動体33の機械的原点を示す原点信号ZZが、ロータリエンコーダからのZ信号の出力周期の1/nに同期して出力される。
Accordingly, when the moving
上記実施例では、原点検出センサ27・34として、磁石と磁気感応素子とによる磁気式センサを用いたが、リードスッチでもよく、光反射又は光遮断によりフォトインタラプタをオン・オフさせる光式センサなどを用いてもよいこと勿論である。
In the above embodiment, as the
21 モータ
22 減速機
23 テーブル(回転体)
24 ロータリエンコーダ
25 本体
26 コネクタ
26A・26B・26Z 出力端子
26V 入力端子
26G グランド端子
27 原点検出センサ
27a 磁石
27b 磁気感応素子
28 ギア
29 論理積回路
30 モータ
31 減速機
32 スクリューシャフト
33 移動体
34 原点検出センサ
34a 磁石
34b 磁気感応素子
35 回路基板
36 接続ケーブル
37 コントローラ
38 コネクタ
39 動力用電源
40 制御用電源
41 プログラマブルコントローラ
42 パーソナルコンピュータ
21
24
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- 2005-08-31 JP JP2005251015A patent/JP2007064788A/en active Pending
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