JP2010136550A - 電気機械装置へのセンサ実装方法及び電気機械装置製造装置 - Google Patents

電気機械装置へのセンサ実装方法及び電気機械装置製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】モータを十分に高効率化することが可能なセンサの実装方法を提供することを目的とする。
【解決手段】磁石120を有するロータ100と電磁コイル230Aを有するステータ200とを備えた電気機械装置10へのセンサ実装方法であって、(a)前記ステータ200に磁気センサ240Aを仮配置する工程と、(b)前記ロータ100を回転させて、前記磁気センサ240Aからの出力を取得する工程と、(c)前記ロータ100を回転させて、前記電磁コイル230Aに発生する逆起電力波形を取得する工程と、(d)前記センサ出力の極切替点と、前記逆起電力波形の極切替点とが同一点となるように前記磁気センサの位置を調整する工程と、(e)前記センサ出力の極切替点と、前記逆起電力波形の極切替点とが同一点した状態で前記磁気センサを固定する工程と、を備える
【選択図】図8

Description

本発明は、モータや発電機などの電気機械装置に関する。
モータでは、駆動電圧を、電磁コイルに発生するモータ固有の誘起電圧に近い形状にすることによって、モータの高効率化が図れることが知られている(例えば特許文献1)。このため、モータ内に配置した磁気センサの出力を用いて、モータの駆動信号が生成される場合がある。
特開2008−22639号公報
従来のセンサ出力は、磁極NSの変化点を検出する矩形波形の出力で、多少のずれがあっても動作上問題は生じなかった。しかし、磁極の変化点以外に逆誘起電圧と相関関係のあるアナログセンサ出力を用いるためには、電気角2π間を適正なアナログ波形出力として十分に考慮する必要がある。従来は、センサ出力と誘起電圧波形の位相とのわずかなズレや、センサ出力のレベルについては十分に考慮されておらず、モータの高効率化が十分ではないという問題があった。
本発明は上記課題の少なくとも1つを解決し、モータを十分に高効率化することが可能なセンサの実装方法を提供することを目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
磁石を有するロータと、電磁コイルを有するステータとを備えた電気機械装置へのセンサ実装方法であって、(a)前記ステータに磁気センサを仮配置する工程と、(b)前記ロータを回転させて、前記磁気センサからの出力を取得する工程と、(c)前記ロータを回転させて、前記電磁コイルに発生する逆起電力波形を取得する工程と、(d)前記センサ出力の極切替点と、前記逆起電力波形の極切替点とが同一点となるように前記磁気センサの位置を調整する工程と、(e)前記センサ出力の極切替点と、前記逆起電力波形の極切替点と、が同一点となった状態で前記磁気センサを固定する工程と、を備える電気機械装置へのセンサ実装方法。
この適用例によれば、磁気センサの実装位置の位相方向のズレについて、モータを十分に高効率化することが可能なセンサの実装方法を提供することが可能となる。
[適用例2]
適用例1に記載の電気機械装置へのセンサ実装方法において、さらに、前記磁気センサ出力の出力レベルの最高値が予め定められた許容範囲よりも大きい時には、前記出力レベルが小さくなるように前記磁気センサの位置を調整し、前記出力レベルの最高値が予め定められた許容範囲よりも小さい場合には、前記出力レベルを上げるように前記磁気センサの位置を調整する工程を備える、電気機械装置へのセンサ実装方法。
この適用例によれば、磁気センサの実装位置の出力レベル方向のズレについて、モータを十分に高効率化することが可能なセンサの実装方法を提供することが可能となる。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気機械装置へのセンサ実装方法の他、電気機械装置製造装置等、様々な形態で実現することができる。
図1は、本発明によりセンサの配置位置が調整されるモータの一例を示す説明図である。モータ10は、ロータ100とステータ200を備える。ロータ100は、回転軸110と永久磁石120とを備える。本実施例では、6個の永久磁石120を有している。ステータ200は、電磁コイル230A、230Bと磁気センサ240A、240Bを備える。本実施例のモータ10は、2相モータであり、各相に対応する電磁コイル230A、230Bは、ロータ100の永久磁石120を挟むように配置されている。磁気センサ240A、240Bは、それぞれ、電磁コイル230A、230Bに対応して設けられている。磁気センサ240A、240Bは、例えば、アナログ出力を有するホールICを用いて構成することが可能である。磁気センサ240A、240Bは、ステータ200上の回路基板(図示せず)に配置されている。
電磁コイル230A、230Bには、永久磁石120からの磁束が貫いている。ここで、外部からロータ100を回転させると、電磁コイル230A、230Bを貫く磁束密度が変化する。その結果、電磁コイル230A、230Bには逆起電力(誘起電極)が発生する。ロータを一定の角速度で回転させた場合、電磁コイル230A、230Bに発生する逆起電力の波形はほぼ正弦波形となる。一般に、この逆起電力波形と同形の波形を有する駆動信号を用いてモータ10を駆動すれば、モータ10の効率を向上させることが可能となる。
図2は、センサ出力波形を示す説明図である。本実施例では、ロータ100(永久磁石120)を回転・移動させているが、同図では、電磁コイル230A、230B及び磁気センサ240A、240Bが移動するものとして、グラフを描いている。磁気センサ240A、240Bには、磁気センサ240A、240Bを透過する磁束密度の大きさに応じた出力が発生している。電磁コイル230A、230B及び磁気センサ240A、240Bを移動させると、磁気センサ240A、240Bを貫く磁束密度の大きさが変わるため、磁気センサ240A、240Bの出力の大きさも変わる。ここで、電磁コイル230A、230B及び磁気センサ240A、240Bを一定の角速度で移動させた場合、出力レベルが飽和しなければ磁気センサ240A、240Bの出力波形は、ほぼ正弦波形となる。したがって、磁気センサ240A、240Bの出力を用いて、モータ10の駆動を制御すれば、モータ10の効率を向上させることが可能である。しかし、磁気センサ240A、240Bの配置位置にわずかなズレが生じると、位相や波形にズレが生じ、モータ10の効率を向上させることができない。本実施例では、同図に示すオフセット補正領域におけるズレ(位相方向)とゲイン補正領域におけるズレ(出力レベル方向)を用いて、磁気センサ240A、240Bの配置位置の適正化を行い、モータ10の効率を向上させる。
図3は、センサ位置調整装置の一例を示す説明図である。センサ位置調整装置300は、駆動モータ310と、駆動制御部320と、エンコーダ330と、摩擦軟材340と、測定調整制御部350と、センサ配置装置360と、を備える。駆動モータ310の回転軸315は、摩擦軟材340を介して被測定モータ10の回転軸110と接続されている。駆動モータ310を回転させることにより、被測定モータ10のロータ100(図1)を回転させることが可能である。摩擦軟材340としては、例えばゴムを用いることが可能である。駆動制御部320は、エンコーダ330から供給される位置信号に応じて、駆動モータ310を一定の回転数で駆動する。エンコーダ330の代わりに、駆動制御部320内に設けられた磁気センサ(図示せず)の出力を用いて駆動信号を生成してもよい。
測定調整制御部350は、位相位置検出回路400と、レベル位置検出回路500とを有しており、被測定モータ10から、逆起電力波形とセンサ出力波形を取得し、これらの波形を用いて、磁気センサ240Aの配置位置のズレを検知し、調整する。なお、磁気センサ240Bについても調整法は同様であるので、以下の説明では、磁気センサ240Aについて説明し、磁気センサ240Bについては説明を省略する。センサ配置装置360は、モータ10の回路基板250上に磁気センサ240Aを仮配置あるいは固定する。
センサ位置調整装置300は、センサ配置装置360を用いて磁気センサ240Aを仮配置した後、駆動モータ310により被測定モータ10を回転させる。これにより、被測定モータ10の電磁コイル230A(図示せず)に逆起電力が発生し、磁気センサ240Aにセンサ出力が発生する。測定調整制御部350は、この逆起電力波形とセンサ出力波形を取得し、そのズレを求める。測定調整制御部350は、そのズレの値に基づき、磁気センサ240Aの仮配置位置を調整する。測定調整制御部350は、磁気センサ240Aの仮配置位置を少しずつ移動させ、逆起電力波形とセンサ出力波形のズレがゼロになるように、磁気センサ240Aの再配置位置を調整する。なお、磁気センサ240Aの再配置位置の調整は、自動調整、マニュアル調整いずれであっても良い。
図4は、被測定モータの回路基板と磁気センサの裏面を示す説明図である。同図(A)が被測定モータ10の回路基板250の一部を示し、同図(B)が磁気センサ240Aの裏面を表している。磁気センサ240Aは、裏面に複数のボンディングパッド242を備えている。回路基板250は、磁気センサ240を接続するために、複数のボンディングパッド252を備える。これらのボンディングパッド252は、磁気センサ240の大きさよりも外側にはみ出る様に配置されていることが好ましい。また、ボンディングパッド252の大きさは、磁気センサ240Aのボンディングパッド242よりも大きいことが好ましい。これにより、磁気センサ240Aの配置位置をX方向、あるいはY方向に移動させても、回路基板250と磁気センサ240Aとの接続を維持することが可能となる。
図5は、センサ位置調整フローチャートを示す説明図である。ステップS100では、磁気センサ240Aを、図3に示す回路基板250上に仮配置する。次に、ステップS200では、X軸方向(位相方向、回転方向)について、磁気センサ240Aの位置を調整する。次のステップS300では、Y軸方向(出力レベル方向、放射方向)について、磁気センサ240Aの位置を調整する。ステップS400では、Z軸方向(回路基板250からの高さ方向)の高さを調整し、ステップS500において、磁気センサ240Aをハンダ処理により、回路基板250上に固定する。
図6は、モータ始動時の逆起電力波形と、センサ出力とを比較する説明図である。逆起電力は、電磁コイルを貫く磁束の変化により生じるため、被測定モータ10の回転数が段々と多くなると、波形6A、6B、6Cと段々と逆起電力波形の大きさが大きくなる。一方、センサ出力(ホールIC出力)の大きさ(出力レベル)は、被測定モータ10の回転数に依らない。本実施例では、モータの回転数を上げ、波形6Xになったときの逆起電力波形と、センサ出力とを比較する。
図7は、X軸方向(位相方向)の位置調整時の逆起電力波形とセンサ出力を示す説明図である。同図で示されるセンサ出力では、波形6Xと位相が同じ波形7Aと、波形6Xと位相がずれている波形7B、7Cが表されている。センサ出力波形が波形7Aであれば、磁気センサ240AのX軸方向の位置を調整する必要はない。一方、センサ出力波形が波形7Bあるいは波形7Cであれば、磁気センサ240AのX軸方向の位置を調整する必要がある。
図8は、位相位置検出回路400(図3)の一例を示す説明図である。図9は、位相位置検出回路の各ノードにおける信号波形を示すタイミングチャートである。位相位置検出回路400は、第1の電圧比較部410と、第2の電圧比較部420と、位相比較部430と、X軸サポートモータ制御部440と、調整確認部450と、を備える。
第1の電圧比較部410は、逆起電力値とGND値(接地電圧)とを比較し、その比較結果を示す第1の比較結果信号GPを出力する。逆起電力値≧GND値であれば、第1の比較結果信号GPは1(High)となり、逆起電力値<GND値であれば、第1の比較結果信号GPは0(Low)となる。
第2の電圧比較部420は、センサ出力(ホールIC出力)と、電圧値VH/2とを比較し、その比較結果を示す第2の比較結果信号SPを出力する。ここで、電圧値VH/2は、センサ出力値の最大値の1/2である。センサ出力≧VH/2であれば、第2の比較結果信号SPは1(High)となり、センサ出力<VH/2であれば、第2の比較結果信号SPは0(Low)となる。
位相比較部430は、比較結果信号GP、SPを用いて、逆起電力波形と、センサ出力波形との位相差を求める。位相比較部430には、比較結果信号GP、SPが入力され、位相差信号XR、XLが出力される。第1の位相差信号XRは、第1の比較結果信号GPと信号/SP(信号/SPは、第2の比較結果信号SPの反転信号)とのアンド信号であり、第2の位相差信号XLは、信号/GP(信号/GPは、第1の比較結果信号GPの反転信号)と第2の比較結果信号SPとのアンド信号である。位相差信号XRあるいはXLの幅が狭いほど、逆起電力波形と、センサ出力波形との位相差が少ない。なお、位相差信号XR、XLは、両方が同時に1になることはない。
X軸サポートモータ制御部440は、位相差信号XR、XLに応じて、磁気センサ240AのX軸方向の配置位置を適正な方向に移動させる。具体的には、第1の位相差信号XRが1の場合には、図7あるいは図9に示すセンサ出力(ホールIC出力)が左方向にシフトするように、磁気センサ240Aの配置位置を移動させる。一方、第2の位相差信号XLが1の場合には、図7あるいは図9に示すセンサ出力(ホールIC出力)が右方向にシフトするように、磁気センサ240Aの位置を移動させる。
調整確認部450は、クロック信号CLKに同期して、位相差信号XRあるいはXLが1となっている期間のクロック数をカウントする。図9に示す例では、カウント値は、左から順に80hカウント、20hカウント、07hカウントとなっている(カウント値は16進数で表記している)。調整確認部450は、このカウント値が一定の許容値以下であった場合、確認信号XOKを1(High)とする。この確認信号XOKが1となると、X軸サポートモータ制御部440は、X方向の磁気センサ240Aの位置の調整を終了する。
図10は、Y軸方向(信号レベル方向、放射方向)の位置調整時の逆起電力波形とセンサ出力を示す説明図である。同図で示されるセンサ出力では、センサ出力波形の最大値とVH/2との差が、VHmaxとVHminの間に位置する波形10Aと、センサ出力波形の最大値とVH/2との差がVHmaxよりも大きく、センサ出力波形が飽和している波形10Bと、センサ出力波形の最大値とVH/2との差がVHminに達していない波形10Cが表されている。ここで、VHmaxとVHminは、磁気センサ240Aを移動させるか否かを判定するための判定値であり、以後、判定値VHmax、判定値VHminと呼ぶ。ここで、判定値VHmaxは、VH/2より少し小さい値が好ましい。センサ出力波形が10Aであれば、磁気センサ240AのY軸方向の位置を調整する必要はない。一方、センサ出力波形が波形10Bあるいは波形10Cであれば、磁気センサ240AのY軸方向の位置を調整する必要がある。
図11は、レベル位置検出回路の一例である。図12は、レベル位置検出回路の各ノードにおける信号波形を示すタイミングチャートである。レベル位置検出回路500は、中心信号発生部510と、アナログデジタルコンバータ部520(ADC部520)と、絶対値変換部530と、記憶部540と、電圧比較部550と、Y軸サーボモータ制御部560と、を備える。
中心信号発生部510は、逆起電力波形の極大値、極小値の位相位置を求める。中心信号発生部510には、図8に示す位相位置検出回路の信号GPとクロック信号CLKが入力され、中心信号CLTが出力される。中心信号発生部510は、第1の比較結果信号GPが1(あるいはゼロ)になっている期間のクロック数をカウントする。中心信号発生部510は、次のサイクルにおいて、クロック数のカウント値が半分に達したときに中心信号CLTを1にする。なお、被測定モータ10が角速度一定で回転しているときは、第1の比較結果信号GPが1(あるいはゼロ)になっている期間のクロック数は、サイクルにより変わることはない。
ADC部520は、アナログデータであるセンサ出力データをデジタルデータに変換する。このとき、ADC部520は、VH/2の値がゼロとなるようにレベル方向にシフトした後、データ変換(AD変換)を行う。絶対値変換部530は、AD変換後のデータについて、絶対値AVHに変換する。絶対値AVHの波形は、図12に示すように、所謂、全波整流波形となる。記憶部540は、中心信号CLTと、絶対値AVHのデータとを格納する。
電圧比較部550は、絶対値AVHと判定値VHmax、VHmin(図10)とを用いて、センサ出力波形と、許容値との差を求める。電圧比較部550には、絶対値AVHと判定値VHmax、VHminとが入力され、電圧比較部550からは、信号YR、YL、確認信号YOKが出力されている。電圧比較部550は、取得した絶対値AVHの最大値(VHL)と、判定値VHmax、VHminとを比較する。電圧比較部550は、VHL≦VHminの場合には、信号YRを1とする。また、電圧比較部550は、VHL≧VHmaxの場合には、信号YLを1とする。なお、電圧比較部550は、VHmin<VHL<VHmaxの場合には、確認信号YOKを1とする。
Y軸サーボモータ制御部560は、信号YR、YLに応じて、磁気センサ240AのY軸方向の配置位置を適正な方向に移動させる。Y軸サーボモータ制御部560は、信号YRが1の場合には、センサ出力のレベルが高くなるような方向に磁気センサ240Aの配置位置を移動させる。一方、信号YLが0の場合には、センサ出力のレベルが低くなるような方向に磁気センサ240Aの配置位置を移動させる。なお、センサ出力のレベルが高くなるような方向が、ロータ100の中心方向になるか、あるいは放射方向になるかは、永久磁石120による磁場の特性により決まる。Y軸サーボモータ制御部560は、確認信号YOKが1となると、Y方向の磁気センサ240Aの位置の調整を終了する。
以上本実施例によれば、逆起電力波形とセンサ出力波形とを用いて、それらの極切替点を一致させるように、位相方向(回転方向)の磁気センサ240Aの配置位置を適正化している。その結果、モータ10の効率を向上させることが可能となる。すなわち、本実施例によれば、モータ10を十分に高効率化することが可能な磁気センサ240Aの実装方法を提供することが可能となる。
また、本実施例では、センサ出力波形を用いて、その出力レベルの最大値が一定の範囲内に収まるように、出力レベル方向(放射方向)の磁気センサ240Aの配置位置を適正化している。その結果、モータ10の効率を向上させることが可能となる。すなわち、本実施例によれば、モータ10を十分に高効率化することが可能な磁気センサ240Aの実装方法を提供することが可能となる。
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
本発明によりセンサの配置位置が調整されるモータの一例を示す説明図である。 センサ出力波形を示す説明図である。 センサ位置調整装置の一例を示す説明図である。 被測定モータの回路基板と磁気センサの裏面を示す説明図である。 センサ位置調整フローチャートを示す説明図である。 モータ始動時の逆起電力波形と、センサ出力とを比較する説明図である。 X軸方向(位相方向)の位置調整時の逆起電力波形とセンサ出力を示す説明図である。 位相位置検出回路の一例を示す説明図である。 位相位置検出回路の各ノードにおける信号波形を示すタイミングチャートである。 Y軸方向(信号レベル方向)の位置調整時の逆起電力波形とセンサ出力を示す説明図である。 レベル位置検出回路の一例である。 レベル位置検出回路の各ノードにおける信号波形を示すタイミングチャートである。
符号の説明
6A〜6C、6X…波形
7A〜7C…波形
10A〜10C…波形
10…モータ
100…ロータ
110…回転軸
120…永久磁石
200…ステータ
230A、230B…電磁コイル
240A、240B…センサ
242…ボンディングパッド
250…回路基板
252…ボンディングパッド
300…センサ位置調整装置
310…駆動モータ
315…回転軸
320…駆動制御部
330…エンコーダ
340…摩擦軟材
350…測定調整制御部
360…センサ配置装置
400…位相位置検出回路
410…第1の電圧比較部
420…第2の電圧比較部
430…位相比較部
450…調整確認部
500…レベル位置検出回路
510…中心信号発生部
520…アナログデジタルコンバータ部
530…絶対値変換部
540…記憶部
550…電圧比較部
VHmax、VHmin…判定値
YL、YR…信号
XL、XR…位相差信号
GP、SP…比較結果信号
CLK…クロック信号
XOK、YOK…確認信号
AVH…絶対値
CLT…中心信号

Claims (3)

  1. 磁石を有するロータと、電磁コイルを有するステータとを備えた電気機械装置へのセンサ実装方法であって、
    (a)前記ステータに磁気センサを仮配置する工程と、
    (b)前記ロータを回転させて、前記磁気センサからの出力を取得する工程と、
    (c)前記ロータを回転させて、前記電磁コイルに発生する逆起電力波形を取得する工程と、
    (d)前記センサ出力の極切替点と、前記逆起電力波形の極切替点とが同一点となるように前記磁気センサの位置を調整する工程と、
    (e)前記センサ出力の極切替点と、前記逆起電力波形の極切替点と、が同一点となった状態で前記磁気センサを固定する工程と、
    を備える電気機械装置へのセンサ実装方法。
  2. 請求項1に記載の電気機械装置へのセンサ実装方法において、さらに、
    前記磁気センサ出力の出力レベルの最高値が予め定められた許容範囲よりも大きい時には、前記出力レベルが小さくなるように前記磁気センサの位置を調整し、前記出力レベルの最高値が予め定められた許容範囲よりも小さい場合には、前記出力レベルを上げるように前記磁気センサの位置を調整する工程を備える、電気機械装置へのセンサ実装方法。
  3. 磁石を有するロータと、電磁コイルを有するステータと、前記ステータ上に配置される磁気センサとを備える電気機械装置、を製造する電気機械装置製造装置であって、
    前記ステータ上に前記磁気センサを配置するセンサ配置装置と、
    前記ロータを外部から回転させる回転装置と、
    前記ロータの回転時における前記磁気センサからの出力を検出するセンサ出力検知部と、
    前記ロータの回転時において前記電磁コイルに発生する逆起電力を測定する逆起電力測定部と、
    前記センサ出力の極切替点と、前記逆起電力の極切替点とを用いて、前記磁気センサの位相方向の位置のズレを検出する位相位置検出回路と、
    を備える電気機械装置製造装置。
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