JP2007135258A - ステッピングモータ制御装置とアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 誤動作をなくして信頼性の向上を図ることができるように工夫したステッピングモータ制御装置とそのようなステッピングモータ制御装置を使用したアクチュエータを提供すること。
【解決手段】 発光手段、受光手段、透光パターン構成手段とからなりステッピングモータにおいて位置を検出する光学式位置検出手段と、上記光学式位置検出手段からの検出信号に基づいて上記ステッピングモータを制御する制御手段と、を具備してなるステッピングモータ制御装置において、上記光学式位置検出手段は、Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号、Ｄ相信号の４つの二値化信号を出力するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、電動アクチュエータの駆動源としてその使用が検討されているステッピングモータを制御するステッピングモータ制御装置とそれを使用したアクチュエータに係り、特に、誤動作をなくして信頼性の向上を図ることができるように工夫したものに関する。

一軸タイプの電動アクチュエータは、例えば、図６に示すような構成になっている。まず、ハウジング２０１があり、該ハウジング２０１にはモータカバー２０３が連結されている。上記モータカバー２０３内にはステッピングモータ２０５が収容・配置されている。

上記ステッピングモータ２０５の回転軸２０５ａには、ジョイント部材２０７を介してボールネジ２０９が連結されている。上記ボールネジ２０９にはボールナット２１１が螺合していて、このボールナット２１１には中空ロッド２１３が固着されている。また、上記中空ロッド２１３の先端にはロッド２１５が連結されている。又、上記ジョイント部材２０７は軸受部材２０８、２１０によって回転可能に支持されている。

そして、上記ステッピングモータ２０５が回転・駆動されることによりボールネジ２０９が回転し、このボールネジ２０９の回転によってその回転を規制されているボールナット２１１が軸方向に移動する。このボールナット２１１の移動によって、中空ロッド２１３ひいてはロッド２１５が軸方向に移動することになる。

上記構成をなす電動アクチュエータには光学式エンコーダ２２１が取り付けられている。上記光学式エンコ―ダ２２１は、図７に拡大して示すように、ステッピングモータ２０５の回転軸２０５ａに固着された回転パターン板２２３と、この回転パターン板２２３の一側に配置された固定パターン板２２５と、この固定パターン板２２５を挟んで上記回転パターン板２２３の反対側に配置された発光素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）２２７と、上記回転パターン板２２３を挟んで上記発光ダイオード２２７の反対側に配置された受光素子としての受光ダイオード２２９とから構成されている。
又、上記回転パターン板２２３には、図８に示すように、スリット２２３ａがピッチａにて設けられている。

そして、上記ステッピングモータ２０５は、制御手段２２４によって制御されるように構成されている。すなわち、制御手段２２４は、上記光学式エンコーダ２２１からの検出信号及び別途入力される指令信号に基づいて、ステッピングモータ２０５を制御するものである。

この種の電動アクチュエータの構成を開示するものとして、例えば、特許文献１がある。これは本件特許出願人によるものである。

特開２００４−３２０８４７号公報

上記従来の構成によると次のような問題があった。
すなわち、従来の光学式エンコーダ２２１の構成によると、位置制御における誤動作が発生してしまうという問題があった。これを図９及び図１０を参照して説明する。図９は一電気角における上記光学式エンコーダ２２１による位置検出の組合せを示す図である。
上記「一電気角」とは「一機械角」の内の任意の範囲の機械角を意味している。例えば、ステッピングモータ２０５が５０極対である場合には、一電気角は（一機械角／５０）となる。又、上記「一機械角」とはステッピングモータ２０５の回転軸２０５ａの一回転を意味しているものである。

既に説明した回転パターン板２２３と固定パターン板２２５との組合せによれば、図９に示すようなＡ相信号とＢ相信号の二種類の二値化信号を得ることができる。そして、これら二種類の信号の「Ｈ」、「Ｌ」の組合せによって位置の特定するものである。

しかしながら、上記方式によると、図９に示すように、直交する４箇所において同一のパターンになってしまう。例えば、「０度」の箇所のＡ相信号・Ｂ相信号の組合せは、図１０にも示すように、
「Ｈ・Ｈ」であり、同様に、「９０度」 、「１８０度」 、「２７０度」の位置においてもＡ相信号・Ｂ相信号の組合せは 「Ｈ・Ｈ」となってしまう。そのため、正確な位置の特定が困難になってしまい、それが原因して、位置制御における誤動作が発生してしまうおそれがあった。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、位置制御における誤動作をなくして信頼性の向上を図ることができるように工夫したステッピングモータ制御装置とそのようなステッピングモータ制御装置を使用したアクチュエータを提供することにある。

尚、既に説明した光学式エンコーダではなく磁気式エンコーダに関するものではあるが、同種の課題を解決しようとしたものとして、例えば、特許文献２がある。これも本件特許出願人によるものである。

特開２００５−２６１０２３号公報

この場合には「励磁検出」によって同一パターンになっている直交する４箇所を特定しようとするものである。しかしながら、この場合には、例えば、機械的拘束によって励磁検出が損なわれているような場合においても、正常に励磁検出が行なわれていると誤判断されてしまうことがある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項1によるステッピングモータ制御装置は、ステッピングモータの回転位置を検出する位置検出手段と、上記位置検出手段からの検出信号に基づいて上記ステッピングモータを制御する制御手段と、を具備してなるステッピングモータ制御装置において、上記位置検出手段は、Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号、Ｄ相信号の４つの二値化信号を出力することにより一電気角における絶対位置を特定可能に構成したものであることを特徴とするものである。
又、請求項２によるステッピングモータ制御装置は、請求項１記載のステッピングモータ制御装置において、上記Ｃ相信号及びＤ相信号の変化点が上記Ａ相信号及びＢ相信号の安定期に位置するように設定されていることを特徴とするものである。
又、請求項３によるステッピングモータ制御装置は、請求項１又は請求項２記載のステッピングモータ制御装置において、上記位置検出手段は透光パターン構成手段を備えた光学式位置検出手段であることを特徴とするものである。
又、請求項４によるステッピングモータ制御装置は、請求項１又は請求項２記載のステッピングモータ制御装置において、上記位置検出手段は磁気式位置検出手段であることを特徴とするものである。
又、請求項５によるステッピングモータ制御装置は、請求項３記載のステッピングモータ制御装置において、上記光学式位置検出手段の透光パターン構成手段は、上記ステッピングモータの回転軸に固着された回転パターン板と、該回転パターン板に対向・配置された固定パターン板とから構成されていて、上記回転パターン板にはＡ相信号・Ｂ相信号出力用スリットとＣ相信号・Ｄ相信号出力用スリットとが同心状に設けられていることを特徴とするものである。
又、請求項６によるステッピングモータ制御装置は、請求項５記載のステッピングモータ制御装置において、上記Ａ相信号・Ｂ相信号出力用スリットはピッチａにて設けられていて、上記Ｃ相信号・Ｄ相信号出力用スリットはピッチ４ａにて設けられていることを特徴とするものである。
又、請求項７によるアクチュエータは、ステッピングモータと、上記ステッピングモータによって回転駆動されるネジと、上記ネジに対してその回転を規制された状態で螺合・配置されたナットと、上記ナットに取り付けられた移動体と、上記ステッピングモータを制御する請求項１〜請求項６の何れかに記載されたステッピングモータ制御装置と、を具備したものである。

以上述べたように本発明によるステッピングモータ制御装置によると、ステッピングモータにおいて位置を検出する位置検出手段と、上記位置検出手段からの検出信号に基づいて上記ステッピングモータを制御する制御手段と、を具備してなるステッピングモータ制御装置において、上記位置検出手段は、Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号、Ｄ相信号の４つの二値化信号を出力することにより一電気角における絶対位置を特定可能に構成したので、一電気角の範囲でみた場合、従来区別することができなかった直交する４箇所についてこれらを明確に区別することができるようになり、それによって、位置制御における誤動作をなくすことができるものである。これは、Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号、Ｄ相信号の４つの二値化信号を出力できるように構成したからである。

以下、図１乃至図５を参照して本発明の一実施の形態を説明する。本実施の形態による電動アクチュエータは図１に示すような構成になっている。まず、ハウジング１があり、該ハウジング１にはモータカバー３が連結されている。上記モーターカバ３内にはステッピングモータ５が収容・配置されている。

上記ステッピングモータ５の回転軸５ａには、ジョイント部材７を介してボールネジ９が連結されている。上記ボールネジ９にはボールナット１１が螺合していて、このボールナット１１には中空ロッド１３が固着されている。又、上記中空ロッド１３の先端にはロッド１５が連結されている。又、上記ジョイント部材７は軸受部材８、１０によって回転可能に支持されている。

そして、上記ステッピングモータ５が回転・駆動されることによりボールネジ９が回転し、このボールネジ９の回転によってその回転を規制されているボールナット１１が軸方向に移動する。このボールナット１１の移動によって、中空ロッド１３ひいてはロッド１５が軸方向に移動することになる。

上記構成をなす電動アクチュエータには光学式エンコーダ２１が取り付けられている。上記光学式エンコ―ダ２１は、図２に拡大して示すように、ステッピングモータ５の回転軸５ａに固着された回転パターン板２３と、この回転パターン板２３の一側に配置された固定パターン板２５と、この固定パターン板２５を挟んで上記回転パターン板２３の反対側に配置された発光素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）２７と、上記回転パターン板２３を挟んで上記発光ダイオード２７の反対側に配置された受光素子としての受光ダイオード２９、３１とから構成されている。
又、上記回転パターン板２３には、図３に示すように、スリット２３ａがピッチａにて設けられているとともに、その内周側には別のスリット２３ｂがピッチ４ａにて設けられている。

そして、上記ステッピングモータ５は、制御手段２４によって制御されるように構成されている。すなわち、制御手段２４は、上記光学式エンコーダ２１からの検出信号及び別途入力される指令信号に基づいて、ステッピングモータ５を制御するものである。

本実施の形態において従来と大きく異なるのは、上記したように、回転パターン板２３に、従来から存在するスリット２３ａとは別にスリット２３ｂを設け、それによって、図４及び図５に示すように、Ａ相信号、Ｂ相信号だけではなく、新たにＣ相信号とＤ相信号を得るようにしたものである。その際、上記Ｃ相信号及びＤ相信号の変化点が上記Ａ相信号及びＢ相信号の安定期に位置するように設定されている。これらの点に関してさらに詳しく説明する。

まず、図４は一電気角におけるＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号、Ｄ相信号の「Ｈ」、「Ｌ」の組合せを示す図である。又、図５は一電気角におけるＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号、Ｄ相信号の「Ｈ」、「Ｌ」の組合せを示すタイミングチャートである。
上記「一電気角」とは「一機械角」の内のある範囲の機械角を意味している。例えば、ステッピングモータ５が５０極対である場合には、一電気角は（一機械角／５０）となる。又、上記「一機械角」とはステッピングモータ５の回転軸５ａの一回転を意味しているものである。
又、繰り返しになるが、上記Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号、Ｄ相信号の、Ａ相信号、Ｂ相信号はスリット２３ａの部位から得られる信号であり、Ｃ相信号、Ｄ相信号は新たに設けたスリット２３ｂの部位から得られる信号である。

そして、従来から懸念されていた直交する４箇所における信号の組合せパターンをみてみる。まず、「０度」の箇所におけるＡ相信号・Ｂ相信号・Ｃ相信号・Ｄ相信号の組合せは、図４及び図５に示すように、
「Ｈ・Ｈ・Ｈ・Ｈ」である。次に、「９０度」の箇所におけるＡ相信号・Ｂ相信号・Ｃ相信号・Ｄ相信号の組合せは、図４及び図５に示すように、 「Ｈ・Ｈ・Ｌ・Ｈ」である。次に、「１８０度」の箇所におけるＡ相信号・Ｂ相信号・Ｃ相信号・Ｄ相信号の組合せは、図４及び図５に示すように、
「Ｈ・Ｈ・Ｌ・Ｌ」である。そして、「２７０度」の箇所におけるＡ相信号・Ｂ相信号・Ｃ相信号・Ｄ相信号の組合せは、図４及び図５に示すように、 「Ｈ・Ｈ・Ｈ・Ｌ」である。
このように、従来では区別できなかった直交する４箇所のＡ相信号・Ｂ相信号・Ｃ相信号・Ｄ相信号の組合せが夫々異なるものになっているので、それら４箇所を明確に区別することができるものである。
尚、直交する４箇所としての「０度」、 「９０度」、「１８０度」、「２７０度」は一例であり、任意の４箇所におけるＡ相信号・Ｂ相信号・Ｃ相信号・Ｄ相信号の組合せが夫々異なるものになるので、それら任意の４箇所を明確に区別することができるものである。

次に、前述したＣ相信号及びＤ相信号の変化点をＡ相信号及びＢ相信号の安定期に位置させる構成について、図５を参照して詳しく説明する。まず、ここでいう「安定期」とは、Ａ相信号とＢ相信号が共に「Ｈ、Ｈ」或いは「Ｌ、Ｌ」となっている安定したタイミングを示すものである。本実施の形態の場合には、図５に示すように、Ａ相信号とＢ相信号が共に「Ｌ、Ｌ」となっている安定したタイミングにおいてＣ相信号、Ｄ相信号の変化点が存在するように設定したものである。さらに、詳しく説明すると、上記「安定期」とは別に「励磁安定点」があり、これは、図５において、仮想線で示す部分である。つまり、Ａ相信号及びＢ相信号が共に「Ｈ、Ｈ」となる点であり、具体的には、「０度」、
「９０度」、「１８０度」、「２７０度」の点である。本実施の形態の場合には、これら「励磁安定点」に対してＣ相信号及びＤ相信号の変化点が左右均等になるように設定したものであり、その結果、上記したように、Ａ相信号とＢ相信号が共に「Ｌ、Ｌ」となっている安定したタイミングにおいてＣ相信号、Ｄ相信号の変化点が存在するようになったものである。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。
まず、一電気角の範囲でみた場合、従来区別することができなかった直交する４箇所についてこれらを明確に区別することができるようになり、それによって、位置制御における誤作をなくすことができるものである。これは、回転パターン板２３において新たにスリット２３ｂを設けて、従来から得られたＡ相信号、Ｂ相信号だけではなく、新たにＣ相信号とＤ相信号を得るようにしたからであり、それによって、従来区別することができなかった直交する４箇所におけるＡ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号、Ｄ相信号の「Ｈ」、「Ｌ」の組合せを異なるものとしたからである。

尚、本発明は前記一実施の形態に限定されるものではない。
例えば、前記一実施の形態の場合には、回転パターン板２３に新たにスリット２３ｂを設けることによりＣ相信号、Ｄ相信号を得るように工夫したが、それに限定されるものではない。例えば、別の回転パターン板を追加するようなことも考えられる。
又、前記一実施の形態の場合には、光学式エンコーダを例に挙げて説明したが、磁気式エンコーダ等の磁気式位置検出手段に対しても同様に適用可能である。上記磁気式エンコーダは、例えば、円板型マグネットの外周面又はスラスト方向面に多極着磁を施し、それに対して磁気抵抗素子等の磁気検出素子を対向・配置させたものである。その際、上記多極着磁の構成を工夫することにより、Ａ相信号、Ｂ相信号だけではなく、Ｃ相信号、Ｄ相信号をも出力させるように構成すればよい。具体的には、Ａ相信号、Ｂ相信号を出力する環状多極着磁部の内周側にＣ相信号、Ｄ相信号を出力する別の環状多極着磁部を設ける構成が考えられる。そのように構成することにより、前記一実施の形態の場合と同様の効果を奏することができる。
要は、Ａ相信号、Ｂ相信号の二値化信号だけでなく、新たにＣ相信号、Ｄ相信号の二値化信号をも出力するように構成し、それによって、一電気角における絶対位置を特定可能に構成すればよい。
その他、図示した構成はあくまで一例である。

本発明は、例えば、電動アクチュエータの駆動源としてその使用が検討されているステッピングモータを制御するステッピングモータ制御装置とそれを使用したアクチュエータに係り、特に、誤動作をなくして信頼性の向上を図ることができるように工夫したものに関し、例えば、産業用ロボットとして使用される各種のアクチュエータに好適である。

本発明の一実施の形態を示す図で、電動アクチュエータの全体の構成を示す断面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、光学式エンコーダの構成を示す側面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、光学式エンコーダの回転パターン板の構成を示す平面図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、一電気角における位置検出のパターンを示す図である。 本発明の一実施の形態を示す図で、一電気角における位置検出のパターンを 示すタイミングチャートである。 従来例を示す図で、電動アクチュエータの全体の構成を示す断面図である。 従来例を示す図で、光学式エンコーダの構成を示す側面図である。 従来例を示す図で、光学式エンコーダの回転パターン板の構成を示す平面図である。 従来例を示す図で、一電気角における位置検出のパターンを示す図である。 従来例を示す図で、一電気角における位置検出のパターンを示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ ハウジング
３ モーターカバー
５ ステッピングモータ
５ａ 回転軸
２１ 光学式エンコーダ
２３ 回転パターン板
２３ａ スリット
２３ｂ スリット
２４ 制御装置
２５ 固定パターン
２７ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
２９ 受光ダイオード
３１ 受光ダイオード

Claims (7)

1. ステッピングモータの回転位置を検出する位置検出手段と、
   上記位置検出手段からの検出信号に基づいて上記ステッピングモータを制御する制御手段と、を具備してなるステッピングモータ制御装置において、
   上記位置検出手段は、Ａ相信号、Ｂ相信号、Ｃ相信号、Ｄ相信号の４つの二値化信号を出力することにより一電気角における絶対位置を特定可能に構成したものであることを特徴とするステッピングモータ制御装置。
2. 請求項１記載のステッピングモータ制御装置において、
   上記Ｃ相信号及びＤ相信号の変化点が上記Ａ相信号及びＢ相信号の安定期に位置するように設定されていることを特徴とするステッピングモータ制御装置。
3. 請求項１又は請求項２記載のステッピングモータ制御装置において、
   上記位置検出手段は透光パターン構成手段を備えた光学式位置検出手段であることを特徴とするステッピングモータ制御装置。
4. 請求項１又は請求項２記載のステッピングモータ制御装置において、
   上記位置検出手段は磁気式位置検出手段であることを特徴とするステッピングモータ制御装置。
5. 請求項３記載のステッピングモータ制御装置において、
   上記光学式位置検出手段の透光パターン構成手段は、上記ステッピングモータの回転軸に固着された回転パターン板と、該回転パターン板に対向・配置された固定パターン板とから構成されていて、上記回転パターン板にはＡ相信号・Ｂ相信号出力用スリットとＣ相信号・Ｄ相信号出力用スリットとが同心状に設けられていることを特徴とするステッピングモータ制御装置。
6. 請求項５記載のステッピングモータ制御装置において、
   上記Ａ相信号・Ｂ相信号出力用スリットはピッチａにて設けられていて、上記Ｃ相信号・Ｄ相信号出力用スリットはピッチ４ａにて設けられていることを特徴とするステッピングモータ制御装置。
7. ステッピングモータと、
   上記ステッピングモータによって回転駆動されるネジと、
   上記ネジに対してその回転を規制された状態で螺合・配置されたナットと、
   上記ナットに取り付けられた移動体と、
   上記ステッピングモータを制御する請求項１〜請求項６の何れかに記載されたステッピングモータ制御装置と、
   を具備したことを特徴とするアクチュエータ。

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