JP2011188666A

JP2011188666A - センサー内蔵モータ

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Publication number: JP2011188666A
Application number: JP2010052891A
Authority: JP
Inventors: Mikio Hashimoto; 橋本　　幹夫
Original assignee: Mitsubishi Materials CMI Corp
Current assignee: Nidec Material Corp
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-22
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: JP5573253B2

Abstract

【課題】簡易な構造によって高い回転角度制御を行うことができるセンサー内蔵モータを提供する。
【解決手段】ステッピングモータ１１の減速歯車列１２の出力軸１３の回転角度を検出するセンサーと、ステッピングモータ１１の回転を制御する制御手段とを備え、センサーは、出力軸１３に固定された複数の接触子２２ａ〜２２ｃと、予め設定された角度θにおいて接触子同士を導通させる導電性パターン１５、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂとを備え、制御手段は、出力軸１３を回転させる角度θ₁＜θの時は、イニシャライズによる出力軸の原点出しを実施した後に、当該角度θ₁に対応したパルス数を通電するとともに、出力軸を回転させる角度θ₂＞θの時は、ステッピングモータに連続的にパルスを通電して出力軸を回転させ、センサーからの導通信号を受信した後に、角度（θ₂−θ）に対応したパルス数を通電することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、出力軸の回転角度を制御するためのセンサーを備えたセンサー内蔵モータに関するものである。

ガス流量制御弁等の開閉制御用や、車両に搭載されたミラー等の各種機器類の駆動制御用のモータとして、出力軸の回転角度を制御する制御装置を備えたモータが用いられている。そして、このようなモータにおいては、入力信号に基づいて、その出力軸の回転角度を正確に制御することが要求されている。

そこで、従来、例えば上記モータとしてＤＣモータを用いた場合には、上記回転角度の制御に、図５および図６に示すようなポジショニングセンサーが用いられている。
このポジショニングセンサー１は、モータの出力軸２と同期回転する接触子３と、この接触子３の円形軌跡上に形成された炭素皮膜抵抗４とを備えたものである。

そして、接触子３の回転に伴って端子５、６間の抵抗Ｒａおよび端子６、７間の抵抗Ｒｂが変化することを利用して、Ｒａ／Ｒｂを電圧差によって検出することにより、接触子３の位置を検知して、当該Ｒａ／Ｒｂの検出値が、予め設定した上記出力軸２の回転角度に対応した値に到達した際に、モータを停止させるようになっている。

ちなみに、この種のポジショニングセンサーを用いたモータについては、例えば下記特許文献１においても開示されている。

また、上記モータとしてステッピングモータを用いた場合には、当該ステッピングモータは、通電するパルス数によって高い精度で回転角度を制御することが可能であるために、先ず当該ステッピングモータを原点側に回転させて所定位置に突き当てることに原点出し（イニシャライズ制御）を行い、次いで予め設定されたパルス数を通電する方法が採用されている。

なお、上述した制御においては、設定されたパルス数を通電するのみのオープンループ制御であるために、より一層正確な位置制御が要求される場合には、図５および図６に示したものと同様のポジショニングセンサーを併用して、当該ポジショニングセンサーからフィードバックさせるクローズドループ制御を行っている。

特開平７−２８０５０６号公報

ところで、上記従来のポジショニングセンサー１を用いたモータにあっては、炭素皮膜抵抗における周方向の抵抗のバラツキや、接触子３における接触部の幅等により、出力軸２の実際の回転角度と、検知されたＲａ／Ｒｂから得られた回転角度との間に、±１°程度の誤差が生じるという欠点があった。

このため、厳密な角度制御が要求されない対象物の駆動用としては、そのまま使用することができるものの、例えば燃料ガスの流量制御弁等の高い回転角度制御が要求されるものとしては、別途フィードバック回路等を設けたクローズドループ制御を行う必要があり、制御系が複雑化するという問題点があった。

また、上記ステッピングモータを用いた場合には、イニシャライズ制御を行うたび毎に、減速歯車列に大きな負荷が作用することから、使用寿命の長期化の観点から、より負荷の軽い制御方法が望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構造によって高い回転角度制御を行うことができるセンサー内蔵モータを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載のセンサー内蔵モータは、ステッピングモータと、このステッピングモータの回転軸に歯合された減速歯車列と、この減速歯車列の出力軸の回転角度を検出するセンサーと、上記ステッピングモータの回転を制御する制御手段とを備えてなり、上記センサーは、上記出力軸に固定された複数の接触子と、これらの接触子の回転軌跡に形成されて、予め設定された角度θにおいて上記接触子同士を導通させる導電性パターンとを備え、上記制御手段は、上記出力軸を回転させる角度θ₁が上記θよりも小さい時は、イニシャライズによる上記出力軸の原点出しを実施した後に、当該角度θ₁に対応したパルス数を上記ステッピングモータに通電するとともに、上記出力軸を回転させる角度θ₂が上記θよりも大きい時は、上記ステッピングモータに連続的にパルスを通電して上記出力軸を回転させ、上記センサーからの上記接触子同士の上記導通信号を受信した後に、上記角度（θ₂−θ）に対応したパルス数を上記ステッピングモータに通電することを特徴とするものである。

請求項１に記載のセンサー内蔵モータによれば、センサーとして、設定角度θにおいて接触子を導通させる導電性パターンを用いているために、従来のポジショニングセンサーのように抵抗のバラツキ等に起因した誤差を生じることがない。加えて、モータとしてステッピングモータを用いているために、上記設定角度θ以上の角度のみをパルス制御すればよく、よってオープンループ制御によっても高い精度で出力軸の回転角度を制御することができる。

しかも、上記設定角度θを従来の原点位置として利用することができるために、ステッピングモータを上記設定角度θに満たない角度θ₁だけ回転させる場合についてのみ従来のイニシャライズ制御が必要になるものの、当該角度θを超える角度θ₂まで回転制御する場合には、上記イニシャライズ制御を不要にすることができる。これにより、減速歯車列に作用する負荷を低減して、一層の長寿命化を図ることができる。

本発明に係るセンサー内蔵モータの一実施形態であって出力軸および接触子を分解した状態を示す斜視図である。図１の出力軸等を組み立てた状態を示す斜視図である。図１のセンサー部分を模式的に示す平面図である。図３の導電性パターンの展開図である。従来のポジショニングセンサーを模式的に示す平面図である。図５の位置検出を行う際の原理図である。

図１〜図４は、本発明に係るセンサー内蔵モータの一実施形態を示すもので、図中符号１０がセンサー内蔵モータのケーシングである。なお、目視の便宜から、当該ケーシング１０の蓋となる上側１／２の部分は省略してある。

このケーシング１０内は、仕切板１０ａによって上下のスペースに区切られており、下方のスペースに、ステッピングモータ１１が組み込まれるとともに、上方のスペースに減速歯車列１２が設けられている。ここで、板１０ａには、ステッピングモータ１１の上方位置に開口部が形成されており、この開口部から突出するステッピングモータ１１の回転軸１１ａに、減速歯車列１２における初段の歯車１２ａが固定されている。

また、２段目以降の歯車１２ｂ〜１２ｄは、各々仕切板１０ａに回転自在に支承されている。そして、最終段の歯車１２ｄが一体成形された出力軸１３の下方には、センサー基板１４が配置されている。

このセンサー基板１４は、中心部に出力軸１３が挿入される円形の開口部１４ａが形成されるとともに、当該開口部１４ａの外周に、出力軸１３と中心軸線を一致させた円弧状の第１の導電パターン１５が形成されている。この第１の導電パターン１５は、連続した円弧状に形成されている。

そして、この第１の導電パターン１５の外周側であって、かつ出力軸１３が基準位置よりも９０°回転した位置と１８０°回転した位置との２箇所に、方形状の第２の導電パターン１６ａ、１６ｂが形成されている。ここで、第２の導電パターン１６ａ、１６ｂは、出力軸１３と中心軸線を一致させるとともに、第１の導電パターン１５よりも大径の円弧上に位置するように形成されている。

そしてさらに、第２の導電パターン１６ａ、１６ｂの外周側であって、かつ出力軸１３が基準位置よりも９０°回転した位置と２７０°回転した位置との２箇所に、方形状の第３の導電パターン１７ａ、１７ｂが形成されている。これら第３の導電パターン１７ａ、１７ｂも、出力軸１３と中心軸線を一致させるとともに、第２の導電パターン１６ａ、１６ｂよりも大径の円弧上に位置するように形成されている。

なお、これらの第２および第３の導電パターン１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂは、センサー基板１４の表面に、第１の導電パターン１５と同様の連続した円弧状の導電パターンが形成されるとともに、上記導電パターン１１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂの箇所を除いた部分がレジスト皮膜によって覆われることにより形成されたものである。この結果、第２の導電パターン１６ａ、１６ｂ同士、および第３の導電パターン１７ａ、１７ｂ同士は電気的に導通されている。そして、第１〜第３の導電パターン１５、１６ａ、１７ａに、各々図示されない制御基板（制御手段）への引出線１８、１９、２０が接続されている。

他方、センサー基板１４と対向する出力軸１３に一体成形された歯車１２ｄの端面には、導電性金属からなる導通片２１が取り付けられている。この導通片２１は、３本の接触子２２ａ、２２ｂ、２２ｃが一体化されたもので、出力軸１３の中心軸線に対して、接触子２２ａが第１の導電パターン１５と同一距離となる位置に、接触子２２ｂが第２の導電パターン１６ａ、１６ｂの円弧と同一距離となる位置に、接触子２２ｃが第３の導電パターン１７ａ、１７ｂの円弧と同一距離となる位置に固定されている。

そして、これらセンサー基板１４、第１〜第３の導電パターン１５、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、各々の第１〜第３の導電パターン１５、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ上を接触可能に配置された接触子２２ａ〜２２ｃを有する導通片２１によって、出力軸１３の回転角度を検出するためのセンサーが構成されている。

以上の構成からなるセンサー内蔵モータにおいては、導通片２１の接触子２２ａ〜２２ｃが、各々第１の導電パターン１５、第２の導電パターン１６ａ、第３の導電パターン１７ａに導通した時に、制御装置に出力軸１３の回転角度が９０°である信号が発せられる。また、導通片２１の接触子２２ａ、２２ｂが、各々第１の導電パターン１５、第２の導電パターン１６ｂに導通した時に、出力軸１３の回転角度が１８０°である信号が発せられる。

さらに、導通片２１の接触子２２ａ、２２ｃが、各々第１の導電パターン１５、第３の導電パターン１７ｂに導通した時に、制御装置に出力軸１３の回転角度が２７０°である位置検出信号が発せられる。

そして、上記制御装置に、ステッピングモータ１１によって出力軸１３を所定の角度θ₁だけ回転させる信号が入力された際に、先ず上記角度θ₁＜９０°である場合には、イニシャライズによる出力軸１３の原点出しを実施した後に、当該角度θ₁に対応したパルス数をステッピングモータ１１に通電する。これにより、当該ステッピングモータ１１における１ステップ角度の高い精度で、出力軸１３を上記角度θ₁だけ回転させることができる。

これに対して、出力軸１３を回転させる角度θ₂が９０°、１８０°または２７０°よりも大きい時は、ステッピングモータ１１に連続的にパルスを通電して出力軸１３を回転させ、各々上記導通片２１の接触子２２ａ〜２２ｃ間が導通することにより、制御装置が９０°、１８０°または２７０°の位置検出信号を受信した後に、角度（θ₂−９０°）、（θ₂−１８０°）または（θ₂−２７０°）に対応したパルス数をステッピングモータ１１に通電する。

このように、上記センサー内蔵モータによれば、出力軸１３の位置を検出するセンサーをケーシング１０内に組み込むとともに、当該センサーとして設定角度９０°、１８０°および２７０°において接触子２２ａ〜２２ｃ同士を導通させる第１〜第３の導電性パターン１５、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂを用いているために、従来のポジショニングセンサーのように抵抗のバラツキ等に起因した誤差を生じることがない。

しかも、モータとしてステッピングモータを用いているために、上記設定角度９０°、１８０°および２７０°以上の角度のみをパルス制御すればよく、よって制御装置をデジタル回路によって構成することができるとともに、オープンループ制御による簡易な制御装置によっても、高い精度で出力軸の回転角度を制御することができる。

しかも、上記設定角度９０°、１８０°および２７０°を、従来の原点位置として利用することができるために、当該設定角度を超える角度θ₂まで回転制御する場合に、上記イニシャライズ制御を不要にすることができる。これにより、減速歯車列１２に作用する負荷を低減して、一層の長寿命化を図ることができる。

なお、上記実施形態においては、センサー基板１４上に第１〜第３の導電パターン１５、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂを形成して、設定角度を９０°、１８０°および２７０°とした場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、導電パターンの数や位置を増減させることにより、適宜設定角度の位置および角度を変更することが可能である。

１１ステッピングモータ
１２減速歯車列
１３出力軸
１４センサー基板
１５第１の導電パターン
１６ａ、１６ｂ第２の導電パターン
１７ａ、１７ｂ第３の導電パターン
２１導通片
２２ａ〜２２ｃ接触子

Claims

ステッピングモータと、このステッピングモータの回転軸に歯合された減速歯車列と、この減速歯車列の出力軸の回転角度を検出するセンサーと、上記ステッピングモータの回転を制御する制御手段とを備えてなり、
上記センサーは、上記出力軸に固定された複数の接触子と、これらの接触子の回転軌跡に形成されて、予め設定された角度θにおいて上記接触子同士を導通させる導電性パターンとを備え、
上記制御手段は、上記出力軸を回転させる角度θ₁が上記θよりも小さい時は、イニシャライズによる上記出力軸の原点出しを実施した後に、当該角度θ₁に対応したパルス数を上記ステッピングモータに通電するとともに、上記出力軸を回転させる角度θ₂が上記θよりも大きい時は、上記ステッピングモータに連続的にパルスを通電して上記出力軸を回転させ、上記センサーからの上記接触子同士の上記導通信号を受信した後に、上記角度（θ₂−θ）に対応したパルス数を上記ステッピングモータに通電することを特徴とするセンサー内蔵モータ。