JP2011205874A

JP2011205874A - 自動ドア施錠機構

Info

Publication number: JP2011205874A
Application number: JP2010090857A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Uzuka; 光男宇塚; Takeyoshi Watanabe; 健芳渡辺
Original assignee: SOFUTORONIKUSU KK
Current assignee: SOFUTORONIKUSU KK
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】ロータリエンコーダの回転位置信号を用いてサーボモータを位置制御し、自動ドア装置のドア位置を固定する施錠機構は、ロータリエンコーダを収容するためのスペースを必要とし、自動ドア装置を小型化するためには好ましくない。また、ロータリエンコーダ等がコストアップの要因となる。
【解決手段】ブラシレスモータに本来備わっている複数のホール素子を用いて、駆動用磁石の主磁極から直接、検出信号を複数の正弦波として得る、位置検出手段をもつブラシレスモータと、位置信号検出手段と、位置制御サーボによる制御手段と、からなる自動ドア装置の施錠機構を提供する。
これにより、ロータリエンコーダやレゾルバ等の回転位置検出装置を不要とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動ドア装置のドアを閉位置等に固定するための施錠機構に関する。

自動ドアの施錠機構として、ロータリエンコーダを備えたサーボモータを使用し、ドアを閉位置に固定する方式は容易に考えられる。ロータリエンコーダの回転位置情報信号を用いてサーボモータを位置制御し、ドアが開かないようにドア位置を固定するものである。

特願２０１０−６１４９１号

上記のようなサーボモータを用いる方式は、回転位置情報を得るためにロータリエンコーダを設置する必要がある。
自動ドア装置においては、モータなどの駆動源やギア、プーリ、ベルト等の動力伝達機構を収容する戸袋などのスペースは限られており、ロータリエンコーダの設置は、自動ドア装置の小型化に対しては弊害となる。
また、ロータリエンコーダの設置は、コストアップ要因となる。

モータの回転位置情報を得るための手段としては、トランスの原理を応用したレゾルバ装置等もあるが、ロータリエンコーダと同様の上記課題がある。

上記課題を解決するために、本発明は、モータの回転運動を、ドアの往復運動に変換するための機構を有する自動ドア装置において、複数のホール素子または磁気抵抗素子を用いて、回転駆動用磁石の主磁極から直接、整流のための位置検出信号を、回転軸の任意の位置情報を得ることを目的として、位相の異なる複数の正弦波状信号として得ることのできる位置検出手段を備えたブラシレスモータと、前記位置検出手段の出力信号を位置情報信号に変換するための位置信号変換手段と、位置制御サーボ機能を備えた、ブラシレスモータ制御手段と、からなることを特徴とする。

本発明によれば、ブラシレスモータに本来備えられているホール素子または磁気抵抗素子を用いて位置検出信号を得るため、ロータリエンコーダ等を必要としない。

前記位置検出信号からは、前記位置信号変換手段によって、位置制御に必要な前記位置情報信号だけでなく、ブラシレスモータを駆動するために必要な整流タイミング信号や回転方向信号も得られる。
このブラシレスモータを用いて、位置制御サーボループを構成し、前記自動ドア装置の駆動源として適用することにより、ロータリエンコーダやレゾルバ装置等を使用することなく、ドア開閉駆動およびドア施錠の両機能をあわせもつ自動ドア装置を実現することができる。

請求項１の実施例としての、ブラシレスモータ制御手段の概略図である。請求項１の実施例を構成する、位置信号変換手段の概略図である。請求項１の実施例の動作波形である。請求項１の実施例を構成する、ブラシレスモータの概略図である。

本発明による自動ドア施錠機構の好適実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。

図１は請求項１の実施例としての、位置制御サーボ機能を備えた、ブラシレスモータ制御手段の概略図である。他の構成要素である、ブラシレスモータ１０６と、位置信号変換手段１０１はこのサーボループに含まれている。
位置検出手段を備えたブラシレスモータ１０６のホール素子８ａの出力信号は正弦信号Ａｓｉｎθ、ホール素子８ｂの出力信号は余弦信号Ａｃｏｓθであり、それぞれ位置信号変換手段１０１の入力端子ｙ１、ｙ２に接続されている。ここで、Ａは振幅を表す定数である。また、θはブラシレスモータ１０６の回転軸１の回転角度であり、θの３６０°変化が、回転軸１の１回転に相当する。

駆動信号発生器１０２は、入力端子ａ１に自動ドア装置側から与えられる、開信号、閉信号および施錠信号等のドア開閉制御信号に応じて、出力端子ａ３から位置制御サーボループに指令信号を供給する。ドア開閉に応じたモータの回転方向指令信号等を、出力端子ａ２から、位置信号変換手段１０１の入力端子ｙ５に供給する。

加算器１０３は、位置制御サーボループの指令信号ａ３とモータの位置フィードバック信号φを、図１に示す極性で加算する。

誤差増幅器１０４は、位置制御サーボループの誤差信号である加算器１０３の出力信号を増幅し、ブラシレスモータ駆動用インバータ１０５の入力端子ｂ１に供給する。
誤差増幅器１０４は、位置制御サーボループを適正に動作させるためのループフィルタ等を含む。

インバータ１０５は、内蔵する３相インバータのスイッチング動作をＰＷＭ（パルス幅変調）制御し、デューティレシオを、入力端子ｂ１に与えられる信号レベルに応じた値とする。
また、インバータ１０５は、位置信号変換手段１０１からの整流タイミング信号を入力端子ｂ２から、回転方向信号を入力端子ｂ３から与えられ、これらの信号に応じて駆動出力ｂ４、ｂ５、ｂ６の制御を行なう。

以上により位置制御サーボループが構成され、サーボモータ１０６の回転位置が駆動信号発生器１０２の指令信号ａ３に従って制御される。
本位置制御サーボループが、前記自動ドア装置に組み込まれれば、ブラシレスモータ１０６の回転動作によってドア開閉動作が制御されることになる。
駆動信号発生器１０２の指令信号ａ３が、ドアの閉位置に相当する一定の値であれば、ドアは施錠状態となる。

図２は本発明の実施例を構成する、位置信号変換手段１０１の概略図である。ブラシレスモータ１０６が一定の方向に回転動作または施錠状態にある場合を示している。

２０１ａ、２０１ｂは増幅器であり、入力バッファ増幅器として機能する。
増幅器２０１ａの入力端子ｙ１には、ブラシレスモータ１０６のホール素子８ａの出力信号Ａｓｉｎθが加えられ、増幅器２０１ａはｓｉｎθを出力する。
増幅器２０１ｂの入力端子ｙ２には、ホール素子８ｂの出力信号Ａｃｏｓθが加えられ、増幅器２０１ｂはｃｏｓθを出力する。

２０２ａ、２０２ｂは乗算器であり、２個の入力端子に加えられる信号を乗算演算し、出力する。
乗算器２０２ａの入力信号は、ｓｉｎθおよびｃｏｓφであるので、これらの乗算結果であるｓｉｎθｃｏｓφを出力する。
乗算器２０２ｂ入力信号は、ｃｏｓθおよびｓｉｎφであるので、これらの乗算結果であるｃｏｓθｓｉｎφを出力する。

２０３はｃｏｓ演算器であり、入力信号φの余弦値ｃｏｓφを出力する。
２０４はｓｉｎ演算器であり、入力信号φの正弦値ｓｉｎφを出力する。

２０５は加算器であり、乗算器２０２ａ、２０２ｂ各出力からの２入力を図２に示す極性で加算する。
従って、入力ｓｉｎθｃｏｓφおよびｃｏｓθｓｉｎφに対し演算を行ない、下記の出力を得る。
ｓｉｎθｃｏｓφ−ｃｏｓθｓｉｎφ＝ｓｉｎ（θ−φ）

２０６は誤差増幅器であり、サーボループの誤差電圧である加算器２０５の出力信号を増幅する。

変換制御器２０７は、このサーボループを適正に動作させるための制御信号を出力し、さらに前記位置制御サーボループと制御信号のやり取りを行なう。
入力端子ｃ３、ｃ４にそれぞれ供給されるｃｏｓθ、ｓｉｎθ信号および駆動信号発生器１０２から供給される回転方向指令信号ｙ５等にもとづき、誤差増幅器２０６に対する制御信号ｃ２やインバータ１０５に対する制御信号ｙ３、ｙ４を供給する。
入力端子ｃ１に与えられる位相信号φから、ブラシレスモータ１０６の回転軸１の回転位置が得られるので、ステータコイル４ａ、４ｂ、４ｃに通電するための所定の整流タイミング等を求め、出力端子ｙ４からインバータ１０５に供給する。

誤差増幅器２０６を含むこのサーボループが適正に動作することにより、誤差増幅器２０６の利得が十分大きければ、誤差増幅器２０６の入力信号ｓｉｎ（θ−φ）は
ｓｉｎ（θ−φ）＝０すなわちφ＝θ
とみなすことができるので、位置信号変換手段１０１の出力信号φはブラシレスモータ１０６の回転軸１の回転角度に比例した信号となる。

このサーボループの誤差信号である加算器２０５の出力信号ｓｉｎ（θ−φ）は、０の近傍において正または負いずれの極性にもなるのに対し、誤差増幅器２０６の出力信号φは常に０または正極性であるので、誤差増幅器２０６は全波整流機能や、このサーボループを安定に動作させるためのループフィルタを内蔵し、変換制御器２０７はｃ２出力を通じて誤差増幅器の利得等を適正に制御する。
また、位置信号変換手段１０１の入力信号ｙ１、ｙ２がそれぞれ正弦、余弦でなく余弦、正弦である場合は、２０３、２０４をそれぞれｓｉｎ演算器、ｃｏｓ演算器とする必要がある。

図３は、位置信号変換手段１０１の動作波形である。
θ−ｙ平面にはｓｉｎθおよびｃｏｓθ波形を示す。
θ−φ平面には下記出力波形を示す。
φ＝（Φ／３６０）θ ただし、Φは定数

φ信号を時間ｔの関数で表すと
φ＝（Φ／Ｔｐ）ｔ
となる。ここで、Ｔｐは周期であり、ブラシレスモータ１０６の回転軸１が１回転する時間である。したがって、ブラシレスモータ１０６の回転速度はＴｐに反比例し、駆動信号発生器１０２が発生する指令信号ａ３波形の周期の数が、回転軸１の回転回数となる。また、指令信号ａ３が一定値であれば、回転軸１は対応する位置に固定される。
その結果、指令信号ａ３により、回転軸１の回転速度、回転回数、回転位置等が自在に制御可能となる。

図４は請求項１の実施例を構成する、位置検出手段を備えたブラシレスモータ１０６の主要部品の構造図である。図４には、回転軸１と平行な面の断面、回転軸１の回転方向および回転角度θなどが示されている。
本ブラシレスモータ１０６は、特許文献１にその詳細が記述されている。

回転軸１にロータコア７が固定され、ロータコア７にＮ極駆動用磁石６ａおよびＳ極駆動用磁石６ｂが取り付けられている。
回転軸１は、ケース３に対して、２か所の軸受２ａ、２ｂにより固定され、図４に示すＣＷまたはＣＣＷいずれの回転方向へも、自在に回転することができる。
回転軸１、ロータコア７および駆動用磁石６ａ、６ｂなどを含む回転体をロータと呼ぶ。

３個のステータコア５ａ、５ｂ、５ｃは、互いの境界線が角度１２０°をなすようにケース３に固定されている。３個のステータコア５ａ、５ｂ、５ｃには、それぞれコイルを巻くためのスロットが設けられており、ステータコア５ａのスロットにはコイル４ａが、ステータコア５ｂのスロットにはコイル４ｂが、ステータコア５ｃのスロットにはコイル４ｃが、それぞれ巻かれている。
コイル４ａ、４ｂ、４ｃに通電する所定の位相差をもつコイル電流と、駆動用磁石６ａ、６ｂとの間に働く磁気的吸引力および反発力によって、ブラシレスモータ１０６の回転軸１は回転する。
ステータコア５ａ、５ｂ、５ｃ、コイル４ａ、４ｂ、４ｃおよびケース３などを含む非回転体をステータと呼ぶ。

ホール素子８ａ、８ｂはプリント基板９に固定されたうえで、ケース３に固定される。２個のホール素子８ａ、８ｂは図４に示すように互いに角度９０°をなすように固定されている。
ホール素子８ａ、８ｂは、駆動用磁石６ａ、６ｂの主磁束の一部を検出するので、他の検出用磁石を設ける必要がない。

回転軸１がＣＷ方向に回転している場合の出力信号波形について、以下に説明する。
θ＝０°のとき、ホール素子８ａの検出磁束はほぼ０すなわちホール素子８ａの出力信号ｙ１もほぼ０となる。
同じくθ＝０°のとき、ホール素子８ｂはＳ極駆動用磁石６ｂの磁束の一部を検出し、検出磁束は最大となり、ホール素子８ｂの出力信号ｙ２の振幅も最大となる。このとき、出力信号ｙ２の極性は正になるものとする。

θ＝９０°のとき、ホール素子８ａはＮ極駆動用磁石６ａの磁束の一部を検出し、検出磁束は最大となり、ホール素子８ａの出力信号ｙ１の振幅も最大となる。このとき、出力信号ｙ１の極性は正になるものとする。
同じくθ＝９０°のとき、ホール素子８ｂの検出磁束はほぼ０すなわちホール素子８ｂの出力信号ｙ２もほぼ０となる。

以上のような状況のもとで、回転軸１が図４に示すＣＷ方向に回転しているときの、ホール素子８ａの出力信号ｙ１はＡｓｉｎθ、８ｂの出力信号ｙ２はＡｃｏｓθとなる。

ホール素子８ａ、８ｂが機械的に９０°をなすように固定されているので、その出力信号ｙ１、ｙ２の位相差も９０°となる。
ホール素子８ａ、８ｂとプリント基板９およびプリント基板９とケース３、それぞれの相互機械的位置関係を一定にすることは容易であり、かつホール素子８ａ、８ｂはブラシレスモータ１０６の回転軸１に固定された駆動用磁石６ａ、６ｂの主磁束を直接検出するのであるから、出力信号ｙ１、ｙ２の位相θを、回転軸１の回転角度θに一致させることができる。

次に請求項２について、説明する。
図１に示すブラシレスモータ制御手段において、外力を加え無理にドアを開けようとする場合は、ドアとブラシレスモータ１０６間の伝達機構を通じて、外力がブラシレスモータ１０６の回転軸１に加えられ、この力がブラシレスモータ１０６の最大出力トルクよりも小さければドアは施錠状態を維持するが、最大出力トルクよりも大きければドアがこじ開けられることになる。ドアがこじ開けられた場合は、前記伝達機構が破壊されていなければ、前記位置制御サーボループの誤差信号である加算器１０３の出力信号が過大になるので、これを検出してドアこじ開けを認識することができる。

こじ開けによりドアが開き、ブラシレスモータ１０６の回転軸１が回転すれば、図２に示す位置信号変換手段の出力信号φにより、回転軸１の回転量および伝達機構の伝達パラメータからドアの絶対位置や移動量を高分解能で知ることができるので、ドア開を判定するためのドア移動量を自由に設定することができる。
また、リミットスイッチ等をドア移動領域に設置して、ドア位置を検出する方法に比べ、リミットスイッチ等を設置する場所に対する制約がない。

ドア開を検出すれば、外部に対する警報発生等の防犯上の処置を行なうこともできる。
また、外部の防犯システム等からの遠隔施錠信号を、駆動信号発生器１０２が受信し、施錠または開錠等の状態切換を行なうことができる。

近年、自動ドアは広く普及し、公共性の高い様々な建物に使用されている。ひとつの建物に数多く使用される場合などでは、建物管理効率を高めるために、各自動ドアの施錠、開錠を一元管理する必要が高まっている。また、自動ドアのこじ開けに対する警報発生などの防犯上の機能も必要である。
本発明による施錠機構は、上記用途の自動ドアに好適に利用することができる。
本発明による施錠機構を備えた自動ドアによれば、上記機能を満たすだけでなく、構成する部品点数が少なく、小型化およびローコスト化が可能である。

１：回転軸
２ａ、２ｂ：軸受
３：ケース
４ａ、４ｂ、４ｃ：コイル
５ａ、５ｂ、５ｃ：ステータコア
６ａ、６ｂ：駆動用磁石
７：ロータコア
８ａ、８ｂ：ホール素子
９：プリント基板
１０１：位置信号変換手段
１０２：駆動信号発生器
１０３：加算器
１０４：誤差増幅器
１０５：インバータ
１０６：ブラシレスモータ
２０１ａ、２０１ｂ：増幅器
２０２ａ、２０２ｂ：乗算器
２０３：ｃｏｓ演算器
２０４：ｓｉｎ演算器
２０５：加算器
２０６：誤差増幅器
２０７：変換制御器

Claims

モータの回転運動を、ドアの往復運動に変換するための機構を有する自動ドア装置において、複数のホール素子または磁気抵抗素子を用いて、回転駆動用磁石の主磁極から直接、整流のための位置検出信号を、回転軸の任意の位置情報を得ることを目的として、位相の異なる複数の正弦波状信号として得ることのできる位置検出手段を備えたブラシレスモータと、前記位置検出手段の出力信号を位置情報信号に変換するための位置信号変換手段と、位置制御サーボ機能を備えた、ブラシレスモータ制御手段と、からなることを特徴とする自動ドア施錠機構。
請求項１記載の自動ドア施錠機構であって、施錠状態においてドアを無理にこじ開ける場合に、任意のドア位置変化量に対してドア開状態判定が可能なドア開検出機能および警報機能を有することを特徴とする自動ドア施錠機構。