JP2017070166A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成でかつ低コストでステッピングモータなどのアクチュエータの駆動を高精度に制御する。
【解決手段】アクチュエータ１００の回転軸１０２には、凹部１１１ｂおよび凸部１１１ａが外周方向に交互に形成されている回転板１１１が取り付けられている。さらに、一対のマグネット１１３が回転板の外周に沿って所定の角度をおいて配置され、磁気センサー１１２は回転板１１１の回転に応じて、マグネット１１３と回転板１１１とに生じる磁界の変化を検出する。そして、磁気センサー１１２の出力に応じてアクチュエータが制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動装置に関し、特に、ステッピングモータなどのアクチュエータを備える駆動装置に関する。

一般に、ステッピングモータなどのアクチュエータをクローズドループで制御して回転速度ムラをリアルタイムに補正し、高精度に回転速度又は回転角度を制御するようにした駆動装置が知られている。例えば、ロータリーエンコーダによってステッピングモータの回転速度を監視し、当該回転速度とその目標値とに基づいて、ステッピングモータの回転速度をリアルタイムに制御する駆動装置がある（特許文献１参照）。

特開平１１−８９２９３号公報

ところで、特許文献１においては、ロータリーエンコーダとして、多極着磁されたマグネットとホールセンサーなどの磁束密度の変化を検出する検出素子とを備えるものが用いられている。特許文献１では、マグネットの中心にステッピングモータの回転軸を装着して、ステッピングモータの回転に応じてマグネットを回転させる。そして、ホールセンサーなどの磁束密度の変化を検出する検出素子によってマグネットの回転速度又は回転角度を検知する。

ところが、特許文献１のように、ロータリーエンコーダに、多極着磁されたマグネットを用いている関係上、不可避的にロータリーエンコーダのコストが高くなってしまう。

そこで、本発明の目的は、簡単な構成でかつ低コストでステッピングモータなどのアクチュエータの駆動を高精度に制御することのできる駆動装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明による駆動装置は、回転軸を回転させるアクチュエータを備える駆動装置であって、磁性材料で形成され、凹部および凸部が外周方向に交互に形成されており、前記回転軸とともに回転するように、前記回転軸に取り付けられる回転部材と、前記回転部材の外周に沿って所定の角度をおいて配置された一対のマグネットと、前記回転部材の回転に応じて、前記マグネットの一方と前記回転部材とに生じる磁界の変化を検出するとともに、前記マグネットの他方と前記回転部材とに生じる磁界の変化を検出して、前記アクチュエータの制御に用いられる第１の検出出力および第２の検出出力を得る検出手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成でかつ低コストでステッピングモータなどのアクチュエータの駆動を高精度に制御することできる。

本発明の実施の形態による駆動装置の一例を分解して示す斜視図である。 図１に示すアクチュエータを回転軸と直交する面で破断した状態を示す断面図である。 図１に示す回転軸１０２の先端に取り付けられた回転板とホールセンサーおよび磁石との位置関係を説明するための図である。 図３に示す一対のホールセンサーの出力変化を示す図である。 図１に示す駆動装置で生じる第１の力および第２の力の変化の一例を示す図である。 図１に示す駆動装置を組み立てた状態で側方から破断して示す断面図である。

以下に、本発明の実施の形態による駆動装置について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態による駆動装置の一例を分解して示す斜視図である。

駆動装置はアクチュエータ１００を備えており、このアクチュエータ１００は、例えば、ステッピングモータである。このアクチュエータ１００には多数の磁極が着磁されたローターマグネット１０１が連結される。ローターマグネット１０１は円筒形状であり、その外周面に沿って多数の磁極が着磁されている。アクチュエータ１００とローターマグネット１０１とを連結する際には、アクチュエータ１００の回転軸１０２がローターマグネット１０１の中心部に挿入されて、後述するように、ローターマグネット１０１とアクチュエータ１００とが一体に保持される。

アクチュエータ１００は一対のケース部材１０３および１０４を有しており、ケース部材１０３および１０４によってアクチュエータ１００のケース（筐体）が構成される。回転軸１０２はケース部材１０３および１０４によってその両端部が支持される。ケース部材１０３および１０４で規定されるケースには、ヨーク部材１０５およびヨーク部材１０６が対となって二対収納される。

図示のように、ヨーク部材１０５および１０６の外周部にはボビンにコイルが巻回されたコイル部材１０７が配置される。ヨーク部材１０５および１０６とコイル部材１０７とは一組（１セット）となって１相を構成する。つまり、図示のアクチュエータ１００ではコイル部材１０７が２相配置されており、コイル部材１０７に印加する電圧のパターンに応じてアクチュエータ１００の駆動が制御される。

なお、図示の例では、ヨーク部材１０５および１０６とコイル部材１０７との組が２セット備えられているが、ヨーク部材１０５および１０６とコイル部材１０７との組は２セットに限らない。

回転部材としての回転板１１１は、軟磁性材料で形成されており、回転板１１１には、複数の凸部１１１ａおよび凹部１１１ｂが外周方向に交互に形成されている。複数の凸部１１１ａはアクチュエータ１００側に延在する。そして、回転板１１１の中心部には回転軸１０２の先端が取り付けられる。これによって、回転板１１１は回転軸１０２とともに回転するように、回転軸１０２に取り付けられる。回転板１１１の近傍には、回転板１１１の外周に沿って所定の間隔で一対の磁気センサー（ホール素子又はＭＲセンサー）１１２が配置されている。磁気センサー１１２は磁束密度（つまり、磁界）の変化によってその出力レベル（検出出力）が変化する。

図示の磁気センサー１１２は、マグネット１１３の磁極面（着磁面）上に配置されており、このマグネット１１３は回転板１１１の径方向において２極に着磁されている。そして、マグネット１１３と回転板１１１とによって磁気回路が構成され、回転板１１１に形成された凸部１１１ａおよび凹部１１１ｂによって、磁気センサー１１２が配置された位置の磁束密度を変化させる。つまり、アクチュエータ１００の回転に応じて回転する回転板１１１によって磁束密度が変化する。そして、磁気センサー１１２によって磁束密度の変化を検出してアクチュエータ１００の回転位置を検出する。

図示の例では、磁気センサー１１２およびマグネット１１３は対となっており、磁気センサー１１２およびマグネット１１３の対は回転板１１１の外周に沿ってその位置をずらして二組配置される。そして、回転板１１１は回転軸１０２に対してその回転方向の位相を一定に保つように支持される。回転板１１１の固定手法について特に限定しないが、一般に接着又は圧入によって回転軸１０２と回転板１１１とが固定される。

ローターマグネット１０１および回転板１１１は回転軸１０２に対してそれぞれ所定の位置で固定されており、ローターマグネット１０１と回転板１１１との間隔は一定に保たれる。前述のように、アクチュエータ１００が動作して回転軸１０２が回転すると、回転軸１０２の先端に固定された回転板１１１が回転軸１０２の回転に応じて回転する。図示の例では、回転板１１１、磁気センサー１１２、および磁石１１３によってエンコーダが構成される。

図２は、図１に示すアクチュエータを回転軸と直交する面で破断した状態を示す断面図である。

ローターマグネット１０１はその外周面に沿って多数の磁極が着磁されており、ここでは、Ｎ極とＳ極とが交互に着磁される。図示の例では、ローターマグネット１０１には１０極が着磁されている。

ヨーク部材１０５および１０６はローターマグネット１０１の外側に配置され、それぞれ５つの突起部１０５ａおよび１０６ａを備えている。コイル部材１０７に電流が流れると、コイル部材１０７の内部に磁界が発生する。そして、ヨーク部材１０５および１０６の突起部１０５ａおよび１０６ａにそれぞれローターマグネット１０１のＮ極およびＳ極と引き合う力を発生させる。なお、コイル部材１０７に電流を印加しない無通電状態にした際においても、同様に引き合う力が発生する。

前述のように、２相構成されたヨーク部材１０５および１０６とコイル部材１０７とに所定のパターンの電圧を印加して、ローターマグネット１０１を回転させるトルクを発生させる。ヨーク部材１０５および１０６は、軟磁性材料で形成されているので、ローターマグネット１０１にはヨーク部材１０５および１０６に対して磁気吸着力が発生する。そして、この磁気吸着力によって所謂コギングトルクが発生するが、このコギングトルクは無通電状態においても発生して、アクチュエータ１００を回転制御する際のトルクムラとなってしまう。

図３は、図１に示す回転軸１０２の先端に取り付けられた回転板１１１と磁気センサー１１２および磁石１１３との位置関係を説明するための図である。

図示のように、マグネット１１３は回転板１１１の外周に直交する方向、つまり、回転軸１０２に直交する方向に２極に分極されている。図示の例では、磁気センサー１１２が当接する面がＮ極に着磁され、反対側の面がＳ極に着磁される。これによって、磁気センサー１１２を貫く状態に磁力が発生する。

前述のように、回転板１１１の外周には所定の間隔で凸部１１１ａおよび凹部１１１ｂが交互に形成されている。回転軸１０２の回転に応じて回転板１１１が回転すると、凸部１１１ａと凹部１１１ｂとが交互に磁気センサー１１２の近傍を通過する。

図示のように、一方の磁気センサー１１２と他方の磁気センサー１１２とは回転板１１１の中心に対して所定の角度離れて配置される。磁気センサー１１２が配置された位置における磁束密度は、凸部１１１ａが磁気センサー１１２に最も近づいたとき最大となる。また、磁束密度は凸部１１１ａが磁気センサー１１２から最も遠ざかったときに最小となる。つまり、回転板１１１の回転によって磁気センサー１１２が配置された位置における磁束密度が変化する。そして、磁気センサー１１２は当該磁束密度の変化を検出する。なお、磁気センサー１１２によって検出される磁束密度の変化は回転板１１１に形成された凸部１１１ａおよび凹部１１１ｂのパターンに依存する。

図４は、図３に示す一対の磁気センサーの出力変化を示す図である。

前述のように、一方の磁気センサー１１２と他方の磁気センサー１１２とは所定の角度をおいて配置されているので、一対の磁気センサー１１２の出力は所定の位相ずれることになる。いま、一方の磁気センサー１１２の出力をＡ相とし、他方の磁気センサー１１２の出力をＢ相とすると、Ａ相およびＢ相は、例えば、図４に示すように磁束密度の変化、つまり、回転板１１１の回転に応じて変化する。

図示はしないが、制御部は一対の磁気センサー１１２の出力を受ける。制御部はＡ相又はＢ相の変化に応じて、回転板１１１、つまり、回転軸１０２の回転角度（回転位置）を検出する。さらに、制御部はＡ相およびＢ相の位相差の正負に応じて回転板１１１の回転方向を検出する。

このように、図１および図３に示すエンコーダにおいては、回転軸１０２に連結された回転板１１１を用いるとともに、磁気センサー１１２およびマグネット１１３の対を２組用いて、回転軸１０２の回転方向および回転角度を検出する。つまり、図１および図３に示すエンコーダでは、多極着磁されたマグネットの代わりに、２極着磁されたマグネット１１３および板金をプレス成型した回転板１１１を用いればよいので、簡単な構成でかつ低コストで回転軸１０２の回転角度を検出することができる。

ところで、マグネット１１３および回転板１１１に作用する磁気吸引力は、凸部１１１ａが磁気センサー１１２と対面した際に最大となる。また、当該磁気吸引力は、凹部１１１ｂが磁気センサー１１２と対面した際に最小となる。つまり、回転板１１１の回転に応じて、磁気吸引力が変化することになる。そして、この磁気吸引力の変化に起因して、回転軸１０２の回転を阻害するトルクムラが生じる。さらに、アクチュエータ１００においては、前述のように、コギングトルクが発生する。

ここで、アクチュエータ１００で生じるコギングトルクを第１の力とし、回転板１１１およびマグネット１１３による磁気吸引力を第２の力とする。

図５は、図１に示す駆動装置で生じる第１の力および第２の力の変化の一例を示す図である。

図示の例では、回転軸１０２の回転角度に応じて生じる第１の力と第２の力との位相を１８０度ずらして（つまり、反転させて）、これによって第１の力と第２の力とを相殺する。これによって、全体的なトルクムラを低減することが可能となる。

図５に示す状態とするため、第１の力の周期と第２の力の周期とを等しくするとともに、その位相を１８０度ずらす。このためには、ヨーク部材１０５および１０６に形成された突起部１０５ａおよび１０６ａの数と回転板１１１の凸部１１１ａの数とを等しくする。さらに、位相を１８０度ずらすとともに、第２の力が第１の力と略等しくなるように、つまり、第１の力と第１の力とが打ち消し合う位置にマグネット１１３を配置する。

このようにして、アクチュエータ１００で生じるコギングトルクを相殺して、アクチュエータ１００を制御する際の外乱要因を低減すれば、高精度にアクチュエータ１００を制御することができる。

図６は、図１に示す駆動装置を組み立てた状態で側方から破断して示す断面図である。

図６において、回転板１１１が取り付けられた回転軸１０２の一端を第１の端部１０２ａとし、回転軸１０２の他端方の第２の端部を１０２ｂとする。そして、アクチュエータ１００の一面（図６において左側の面）と第１の端部１０２ａとの距離を第１の距離とし、アクチュエータ１００の一面（図６において左側の面）と第２の端部１０２ｂとの距離を第２の距離とする。ここでは、第１の距離＞第２の距離とされる。

これによって、アクチュエータ１００に備えられたローターマグネット１０１で生じる磁界が回転板１１１および磁気センサー１１２に影響することを低減する。

このように、本発明の実施の形態では、簡単な構成でかつ低コストでステッピングモータなどのアクチュエータの駆動を高精度に制御することできる。

以上、本発明について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。

１０１ ローターマグネット
１０２ 回転軸
１０３，１０４ ケース部材
１０５，１０６ ヨーク部材
１０５ａ，１０６ａ 突起部
１０７ コイル部材
１１１ 回転板
１１１ａ 凸部
１１１ｂ 凹部
１１２ 磁気センサー

Claims (7)

1. 回転軸を回転させるアクチュエータを備える駆動装置であって、
   磁性材料で形成され、凹部および凸部が外周方向に交互に形成されており、前記回転軸とともに回転するように、前記回転軸に取り付けられる回転部材と、
   前記回転部材の外周に沿って所定の角度をおいて配置された一対のマグネットと、
   前記回転部材の回転に応じて、前記マグネットの一方と前記回転部材とに生じる磁界の変化を検出するとともに、前記マグネットの他方と前記回転部材とに生じる磁界の変化を検出して、前記アクチュエータの制御に用いられる第１の検出出力および第２の検出出力を得る検出手段と、
   を有することを特徴とする駆動装置。
2. 前記第１の検出出力および前記第２の検出出力に応じて、前記アクチュエータを制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記マグネットは前記回転部材の径方向に着磁された２極を有し、
   前記検出手段は、前記マグネットの着磁面に配置されたホール素子を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動装置。
4. 前記アクチュエータは、複数の磁極が形成され、前記回転軸が連結されたローターと、
   前記ローターの外側に配置され、外周に沿って所定の間隔で複数の突起部が形成されたヨーク部材と、
   前記ヨーク部材に配置され電流が印加されるコイル部材とを有し、
   前記凸部の数を前記突起部の数と等しくしたことを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
5. 前記アクチュエータで生じるコギングトルクの位相と前記回転部材および前記マグネットによる磁気吸引力の位相とが反転する位置に前記マグネットを配置することを特徴とする請求項４に記載の駆動装置。
6. 前記回転部材および前記マグネットによる磁気吸引力を前記コギングトルクと略等しくすることを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
7. 前記回転軸は前記アクチュエータから延在しており、前記回転部材は前記アクチュエータから離れた前記回転軸の端部に取り付けられていることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の駆動装置。