JP2010207019A

JP2010207019A - 電気機械装置

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Publication number: JP2010207019A
Application number: JP2009052066A
Authority: JP
Inventors: Kesatoshi Takeuchi; 啓佐敏竹内
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: JP5343634B2

Abstract

【課題】極低回転で、電気機械装置の駆動制御を行う技術を提供する。
【解決手段】電気機械装置１００であって、負荷が接続される駆動軸１１０と、前記駆動軸に接続された入力軸２１１と、入力軸の回転数よりも高速で回転する出力軸２１７とを有する増速機２００と、前記出力軸に接続されたエンコーダー３００と、前記エンコーダーの出力を用いて前記電気機械装置の駆動を制御する制御部５１０と、を備える電気機械装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、極低回転で動作させることが可能な電気機械装置に関する。

電気機械装置の一種として、ブラシレスモーターが利用されている。ブラシレスモーターは、エンコーダーを用いてモーターの回転数を測定して、回転制御を行っている（例えば特許文献１）。従来は、ブラシレスモーターで低回転、高トルクを実現する場合には、モーターを高速で回転し、減速機を用いるのが一般的であった。

特願２００６−１８２５３号公報

近年、減速機を用いずにモーターをダイレクト駆動することが検討されているが、従来のブラシレスモーターでは、極低回転におけるトルク制御が困難であるという問題があった。このような問題は、ブラシレスモーターに限らず、他の電機機械装置にも共通する問題であった。

本発明は、上記課題の少なくとも１つを解決し、極低回転で電気機械装置の駆動制御を行う技術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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
電気機械装置であって、負荷が接続される駆動軸と、前記駆動軸に接続された入力軸と、入力軸の回転数よりも高速で回転する出力軸とを有する増速機と、前記出力軸に接続されたエンコーダーと、前記エンコーダーの出力を用いて前記電気機械装置の駆動を制御する制御部と、を備える電気機械装置。
この適用例によれば、電気機械装置の回転数に対して、エンコーダーの回転数を多くできるので、極低回転における電気機械装置の駆動制御を容易に行うことが可能となる。

［適用例２］
適用例１に記載の電気機械装置において、前記増速機は、増速比を変えることが可能である、電気機械装置。
この適用例によれば、極低回転から高回転まで容易に対応することが可能である。

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、電気機械装置の他、電気機械装置の制御方法等、様々な形態で実現することができる。

第１の実施例に係るモーターシステムの構成を模式的に示す説明図である。遊星ギア機構の構成の一例を示す説明図である。エンコーダーの回転円盤を示す説明図である。モーターの制御ブロックを示す説明図である。エンコーダー特性を示す説明図である。エンコーダー特性を示す説明図である。第２の実施例に係るモーターの構成を模式的に示す説明図である。増速機一体型エンコーダーの構成を示す説明図である。エンコーダー制御部の構成を示す説明図である。本発明の適用例によるモーターを利用したプロジェクタを示す説明図である。本発明の適用例によるモーターを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。本発明の適用例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。本発明の適用例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。

［第１の実施例］
図１は、第１の実施例に係るモーターシステムの構成を模式的に示す説明図である。モーターシステムは、モーター１００と、増速機２００と、エンコーダー３００と、負荷４００とを備える。モーター１００は、駆動軸１１０と、磁石１２０と、電磁コイル１３０と、磁気センサー１４０と、を備える。モーター１００の回転力を発生する磁石や、電磁コイルの構成については、特に限定は無く、様々な構成を用いることが可能であるので、説明を省略する。駆動軸１１０は、磁石１２０が設けられたローター（図示せず）に接続されている。磁気センサー１４０は、電磁コイル１３０に対する磁石１２０の相対位置（位相）を検知するために用いられ、例えば、ホールＩＣを用いることが可能である。ただし、磁気センサー１４０は、省略可能である。

モーターの駆動軸１１０は増速機２００の入力段に接続され、増速機２００の出力はエンコーダー３００に接続されている。増速機２００は、遊星ギア機構２１０を備える。遊星ギア機構２１０については後述する。エンコーダー３００は、回転円盤３１０と、発光部３２０と、受光部３７０とを備える。発光部３２０と、受光部３７０とは、回転円盤３１０を挟んで対向している。

図２は、遊星ギア機構の構成の一例を示す説明図である。遊星ギア機構２１０は、サンギア２１１（「太陽ギア２１１」とも呼ぶ。）と、プラネタリーギア２１２（「遊星ギア２１２」とも呼ぶ。）と、アウターギア２１５（「外輪ギア２１５」とも呼ぶ。）と、プラネタリーキャリア２１６と、出力軸２１７とを備える。本実施例では、本実施例では、アウターギア２１５とモーター１００の駆動軸１１０とを接続し、サンギア２１１とエンコーダー３００の回転円盤３１０とを接続している。すなわち、本実施例では、プラネタリーキャリア２１６を固定し、アウターギア２１５を入力とし、サンギア２１１を出力としている。サンギア２１１には、出力軸２１７が接続されている。ここで、サンギア２１１の歯数をＳ、アウターギア２１５の歯数をＧとすると、減速比は、入力／出力＝−Ｓ／Ｇとなる。減速比は、プラネタリーギア２１２の歯数には依存しない。一般に、サンギア２１１の歯数Ｓよりも、アウターギア２１５の歯数Ｇの方が大きいので、本実施例では、遊星ギア機構２１０の入力段の回転数よりも、出力段の回転数の方を大きくし、増速することが可能である。

図３は、エンコーダーの回転円盤を示す説明図である。回転円盤３１０は、その外縁部において、円周に沿って形成されている複数のスリット３１１を備えている。スリット３１１は、同じ形状であり、同じ間隔で配置されている。スリット３１１の配置は、回転円盤３１０の中心に対し回転対称であってもよい。回転円盤３１０が回転すると、発光部３２０から発光された光は、回転円盤３１０のスリット３１１を通り受光部３７０に当たる。光がスリット３１１とスリット３１１の間に照射されたときは、受光部３７０に当たらない。すなわち、受光部３７０の出力は、パルスとなる。このパルスの数をカウントすることにより、モーター１００の回転量や、回転角度や、回転位置を計測することが可能となる。そして、これらの値を用いてモーターを制御することが可能である。

図４は、モーターの制御ブロックの一例を示す説明図である。モーター１００の制御部５００は、ＣＰＵ５０５と、駆動制御回路部５１０と、ＰＷＭ制御部５２０と、駆動部５３０と、電流検出部５３５と、計測部５４０と、を備える。計測部５４０は、電流検出部５３５から出力される検出電流信号Ｉｍｅｓと、磁気センサー１４０から出力される磁気センサー信号Ｓｍａｇと、エンコーダー３００から出力されるエンコーダー信号Ｓｅｎｃとに基づいて、最大電流値Ｉｍａｘ及び平均電流値Ｉａｖｅとモーター回転数Ｎｍｅｓとを算出する演算回路である。駆動制御回路部５１０とＰＷＭ制御部５２０は、最大電流値Ｉｍａｘ及び／又は平均電流値Ｉａｖｅとモーター回転数Ｎｍｅｓとに基づいてモーター１００（電動サーボモーター１００）の制御を実行する。具体的には、駆動制御回路部５１０は、最大電流値Ｉｍａｘ及び／又は平均電流値Ｉａｖｅとモーター回転数Ｎｍｅｓとに基づいてＰＷＭ制御におけるパルス幅を調整する調整値を決定し、この調整値に基づいてＰＷＭ制御部５２０がＰＷＭ制御信号を生成する。駆動部５３０は、複数のスイッチング素子で構成されるＨブリッジ回路（図示せず）を備えている。このブリッジ回路のスイッチング素子をオンオフすることにより、駆動部５３０からモーター１００の電磁コイルに駆動電圧が供給される。なお、電流検出部５３５は、駆動部５３０に流れる電流（すなわちモーター１００のコイル１３０に流れる電流）を測定する電流センサーである。

図５は、エンコーダー特性を比較して示す説明図である。ここで、増速機の増速比（減速比の逆数）は、１００であり、エンコーダー３００のエンコーダー特性（分解能）は８０００ｐｐｒである。モーター１００の回転数を６０ｒｐｍとすると、駆動軸１１０（図１）は１秒間に１回転する。増速機２００が、モーター１００とエンコーダー３００との間に設けられていないと、エンコーダー３００から出力されるパルス数は、８０００パルス／秒である。一方、モーター１００とエンコーダー３００との間に増速比１００倍の増速機が設けられていると、エンコーダー３００から出力されるパルス数は８０００００パルス／秒である。また、モーター１００の回転数を０．００１ｒｐｍとすると、エンコーダー３００から出力されるパルス数は、増速機２００無しの場合に０．８パルス／秒、増速機２００有りの場合に８０パルス／秒である。

図６は、エンコーダー特性を比較して示す説明図であり、図５に示すデータをグラフ上にプロットしたものである。モーター１００とエンコーダー３００との間に増速機２００を備えていない場合、モーター１００を極低回転で回転させようとすると、エンコーダー３００から出力されるパルスの数が少ないため、モーター１００の制御が困難である。一方、本実施例によれば、モーター１００とエンコーダー３００との間に増速機２００を備えているので、モーター１００の回転が極低回転であっても、エンコーダー３００から出力されるパルス数を多くすることが可能である。その結果、モーター１００の制御が容易となる。

また、エンコーダー３００の分解能を大きくすると、出力するパルス数を多くできる。しかし、分解能の大きなエンコーダーは、一般に高価である。本実施例では、増速機２００を備えることにより、そのような高価なエンコーダーを用いる必要がないという利点がある。

［第２の実施例］
図７は、第２の実施例に係るモーターの構成を模式的に示す説明図である。第２の実施例では、増速機２００と、エンコーダー３００とが一体となっている。具体的には、サンギア２１１と回転円盤３１０とが一体となっている。また、第１の実施例では、発光部３２０と受光部３７０とが回転円盤３１０を挟むように、発光部３２０と受光部３７０とを備えているが、本実施例では、回転円盤３１０の一方の側に発光部３２０と受光部３７０を備えている。なお、図７では、図１では示さなかったエンコーダー制御部３０５を図示している。

図８は、増速機一体型エンコーダーの構成を示す説明図である。サンギア２１１には、図２で示した出力軸２１７の代わりに回転円盤３１０が結合し、一体となっている。サンギア２１１の回転速度と、回転円盤３１０の回転速度は同じである。回転円盤３１０のプラネタリーギア２１２と反対側の面には、反射板３１２が設けられている。反射板のパターンとして、様々な形状のものを用いることが可能である。例えば、反射板３１２の形状をスリット３１１と同じ形状とし、図３で示したスリット３１１の位置と同じ位置に配置するように構成してもよい。第１の実施例では、光がスリット３１１透過するか否かによりパルスを生成しているが、第２の実施例では、光が反射板３１２で反射するか否かによりパルスを生成する。

図９は、エンコーダー制御部の構成の一例を示す説明図である。エンコーダー制御部３０５は、ＣＰＵ３１５と、発光駆動部３２５と、受光アンプ部３７５（「受光ＡＭＰ部」とも呼ぶ。）と、パルス計測部３８０と、記憶部３８５と、通信部３９０と、を備える。発光駆動部３２５は、発光部３２０を駆動するための駆動信号を発生する。この駆動信号は、連続信号であってもよい。受光アンプ部は、受光部からの信号（パルス波）を増幅する。パルス計測部３８０は、パルス波のパルス数をカウントする。記憶部３８５は、パルス数を格納する。通信部３９０は、カウント数を駆動制御回路部５１０（図４）に送信する。

以上、第２の実施例に示すように、増速機とエンコーダーが一体となった構成であってもよい。部品の点数を少なくすることが可能である。また、エンコーダーの構成は、第１の実施例に示した透過型、第２の実施例に示した反射型のいずれであってもよい。

［変形例］
本実施例では、増速機２００の機構として遊星ギア機構２１０を備えているが、増速機の機構は、ハーモニックギア機構や、他の機構であってもよい。

また、増速機２００の増速比が大きいときに、極低回転ではエンコーダーの出力パルスの周波数が好ましい範囲にある場合でも、中回転や高回転ではパルス周波数が大きくなりすぎる。エンコーダーの出力パルスの周波数が過度に大きくなると、計測部５４０（図４）に含まれるパルスカウンタ（図示せず）や、記憶部３８５（図９）のサイズが大きくなるという問題が生じる。このような問題に対処するために、モーター１００の回転数に応じて、増速機の増速比を変えるようにぞう速機を構成してもよい。すなわち、増速機として各種の可変変速機を用いることが可能である。特に、変速比が１未満の最低値から１を大幅に超える最高値まで変速可能な変速機を用いれば、広い回転数範囲でモーターを制御可能である。また、モーター１００とエンコーダー３００とを直接接続するか、あるいは、モーター１００とエンコーダー３００とを増速機２００を介して接続するか、を切り換えるための切換機構を備えていてもよい。

本発明は、ファンモーター、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機（単一回転）、ジェットコースタ、振動モーターなどの種々の装置のモーターに適用可能である。本発明をファンモーターに適用した場合には、上述した種々の効果（低消費電力、低振動、低騒音、低回転ムラ、低発熱、高寿命）が特に顕著である。このようなファンモーターは、例えば、デジタル表示装置や、車載機器、燃料電池式パソコン、燃料電池式デジタルカメラ、燃料電池式ビデオカメラ、燃料電池式携帯電話などの燃料電池使用機器、プロジェクタ等の各種装置のファンモーターとして使用することができる。本発明のモーターは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモーターとしても利用可能である。例えば、光記憶装置や、磁気記憶装置、ポリゴンミラー駆動装置等において、本発明によるモーターをスピンドルモーターとして使用することが可能である。また、本発明によるモーターは、移動体やロボット用のモーターとしても利用可能である。

図１０は、本発明の適用例によるモーターを利用したプロジェクタを示す説明図である。このプロジェクタ１６００は、赤、緑、青の３色の色光を発光する３つの光源１６１０Ｒ、１６１０Ｇ、１６１０Ｂと、これらの３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブ１６４０Ｒ、１６４０Ｇ、１６４０Ｂと、変調された３色の色光を合成するクロスダイクロイックプリズム１６５０と、合成された３色の色光をスクリーンＳＣに投写する投写レンズ系１６６０と、プロジェクタ内部を冷却するための冷却ファン１６７０と、プロジェクタ１６００の全体を制御する制御部１６８０と、を備えている。冷却ファン１６７０を駆動するモーターとしては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することができる。

図１１は、本発明の適用例によるモーターを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。図１１（Ａ）は携帯電話１７００の外観を示しており、図１１（Ｂ）は、内部構成の例を示している。携帯電話１７００は、携帯電話１７００の動作を制御するＭＰＵ１７１０と、ファン１７２０と、燃料電池１７３０とを備えている。燃料電池１７３０は、ＭＰＵ１７１０やファン１７２０に電源を供給する。１ファン７２０は、燃料電池１７３０への空気供給のために携帯電話１７００の外から内部へ送風するため、或いは、燃料電池１７３０で生成される水分を携帯電話１７００の内部から外に排出するためのものである。なお、１ファン７２０を図１１（Ｃ）のようにＭＰＵ１７１０の上に配置して、ＭＰＵ１７１０を冷却するようにしてもよい。ファン１７２０を駆動するモーターとしては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することができる。

図１２は、本発明の適用例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車１８００は、前輪にモーター１８１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路１８２０と充電池１８３０とが設けられている。モーター１８１０は、充電池１８３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモーター１８１０で回生された電力が充電池１８３０に充電される。制御回路１８２０は、モーターの駆動と回生とを制御する回路である。このモーター１８１０としては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することが可能である。

図１３は、本発明の適用例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット１９００は、第１と第２のアーム１９１０，１９２０と、モーター１９３０とを有している。このモーター１９３０は、被駆動部材としての第２のアーム１９２０を水平回転させる際に使用される。このモーター１９３０としては、上述した各種のブラシレスモーターを利用することが可能である。

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。

１００…モーター
１１０…駆動軸
１２０…磁石
１３０…電磁コイル（コイル）
１４０…磁気センサー
２００…増速機
２１０…遊星ギア機構
２１１…サンギア（太陽ギア）
２１２…プラネタリーギア（遊星ギア）
２１５…アウターギア（外輪ギア）
２１６…プラネタリーキャリア（遊星キャリア）
２１７…出力軸
３００…エンコーダー
３０５…エンコーダー制御部
３１０…回転円盤
３１１…スリット
３１２…反射板
３２０…発光部
３２５…発光駆動部
３７０…受光部
３７５…受光アンプ部
３８０…パルス計測部
３８５…記憶部
３９０…通信部
４００…負荷
５００…制御部
５１０…駆動制御回路部
５３０…駆動部
５３５…電流検出部
５４０…計測部
１６００…プロジェクタ
１６１０Ｒ、１６１０Ｇ、１６１０Ｂ…光源
１６４０Ｒ、１６４０Ｇ、１６４０Ｂ…液晶ライトバルブ
１６５０…クロスダイクロイックプリズム
１６６０…投写レンズ系
１６７０…冷却ファン
１６８０…制御部
１７００…携帯電話
１７２０…ファン
１７３０…燃料電池
１８００…自転車
１８１０…モーター
１８２０…制御回路
１８３０…充電池
１９００…ロボット
１９１０…第１のアーム
１９２０…第２のアーム
１９３０…モーター
Ｓ…歯数
Ｇ…歯数
Ｉｍｅｓ…検出電流信号
Ｓｍａｇ…磁気センサー信号
Ｓｅｎｃ…エンコーダー信号
Ｉｍａｘ…最大電流値
Ｉａｖｅ…平均電流値
Ｎｍｅｓ…モーター回転数

Claims

電気機械装置であって、
負荷が接続される駆動軸と、
前記駆動軸に接続された入力軸と、入力軸の回転数よりも高速で回転する出力軸とを有する増速機と、
前記出力軸に接続されたエンコーダーと、
前記エンコーダーの出力を用いて前記電気機械装置の駆動を制御する制御部と、
を備える電気機械装置。
請求項１に記載の電気機械装置において、
前記増速機は、増速比を変えることが可能である、
電気機械装置。