JP2018031677A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化および低コスト化に有利で回転位置を精度良く検出できるモータを提案する。【解決手段】モータ１は、駆動マグネット２４に対向する第１ホール素子２５および第２ホール素子２６を備える。各ホール素子２５、２６の信号Ｈａ、Ｈｂを正規化した正規化信号Ｈ１ａ、Ｈ１ｂとロータ１４の回転位置θとを対応付けた第１、第２参照データＲａ、Ｒｂを作成してモータ制御ユニット４に記憶させる。正規化信号Ｈ１ａ、Ｈ１ｂは、その信号変化に対するロータ１４の回転位置の変化率が小さい信号範囲では高い間引き率、変化率が大きい信号範囲では低い間引き率で間引かれる。モータ制御ユニット４は、検出対象の回転位置で得られた各ホール素子２５、２６の信号Ｈａ、Ｈｂに基づき、第１、第２参照データＲａ、Ｒｂから回転位置の候補を抽出して、抽出した候補の中から回転位置を求める。【選択図】図５

Description

本発明は、回転位置を検出するエンコーダ機能を備えるモータに関する。

モータの回転位置を制御するため、回転子の位置情報（回転位置）を検出するエンコーダ機能をモータに持たせたものがある。例えば、光学式エンコーダをモータに搭載し、光学式エンコーダのパルス信号に基づき、位置情報を検出することができる。あるいは、複数のホール素子をモータに搭載し、ホール素子が出力する信号を演算して回転子の回転位置を求めることもできる。特許文献１、２には、この種のモータが開示されている。

特開平７−３３７０７６号公報 特開２０１３−９９０２３号公報

特許文献１、２には、３個のホール素子を異なる角度位置に配置し、これら３個のホール素子が出力する信号を比較演算して位置情報を得ることが開示されている。しかしながら、特許文献１、２の構成は、モータにホール素子を３個搭載しなければならず、このことはモータの小型化や低コスト化に不利である。また、モータの回転を高精度に制御するためには、位置情報（回転位置）を精度良く求める必要がある。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、小型化および低コスト化に有利で、回転位置を精度良く検出できるモータを提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のモータは、ロータおよびステータと、前記ロータが備える駆動マグネットに対して異なる角度位置で対向し、前記ロータの回転位置に応じた信号をそれぞれ出力する第１ホール素子および第２ホール素子と、複数の各信号範囲に応じて間引かれた前記第１ホール素子の信号および前記第２ホール素子の信号と、前記ロータの回転位置とを対応付けた参照データを記憶する記憶部と、前記ロータが検出対象の回転位置にあるときの、前記第１ホール素子および前記第２ホール素子の信号をそれぞれ第１信号および第２信号とするとき、前記第１信号および前記第２信号に基づいて前記参照データを参照して、前記検出対象の回転位置を求める位置検出部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、２つのホール素子から、ロータの回転位置に応じて変化する信号を得ることができる。そして、この信号に基づき、予め作成しておいた参照データを参照して、ロータの回転位置を求めることができる。従って、回転位置検出用のマグネットや光学式エンコーダなどを用いることなく、モータに２つのホール素子を追加するだけでロータの回転位置を検出できる。よって、モータの小型化および低コスト化に有利である。また、記憶部に記憶する参照データは、複数の各信号範囲に応じて間引かれた各ホール素子の信号に対応するロータの回転位置に限定される。このため、各ホール素子の全ての信号に対応するロータの回転位置を記憶する場合に比較して、参照データのデータ量を抑制して、記憶部の記憶容量を小さくすることが出来る。したがって、高い処理能力を必要としない安価な演算処理装置を用いて、位置検出部を構成することが出来る。

本発明において、前記第１ホール素子の信号および前記第２ホール素子の信号は、その信号変化に対する前記ロータの回転位置の変化率が小さい信号範囲では高い間引き率、変化率が大きい信号範囲では低い間引き率で間引かれることが望ましい。このようにすると、ロータの回転位置の変化率が小さい信号範囲では、ホール素子の信号が変化してもロータの回転位置は余り変わらないので、信号の間引き率を高くしても必要な回転位置検出精度が得られ、参照データのデータ量を大きく抑制できる。また、ロータの回転位置の変化率が大きい信号範囲では、ホール素子の信号が変化するとロータの回転位置が大きく変わるので、信号の間引き率を低くすることで、必要な回転位置検出精度を確保しつつ、参照データのデータ量を抑制することが出来る。

また、前記ロータの回転位置の変化率は、最大振幅を所定値に変換する正規化処理が施された前記第１ホール素子の信号および前記第２ホール素子の信号がその最小単位分変化するときに生じる前記ロータの回転位置変化分の変化率であることが望ましい。このように正規化処理が施された各信号を用いると、２つのホール素子間の感度バラツキや実装位置差の影響を少なくして、参照データのデータ量を抑制することが出来る。

また、前記第１ホール素子の信号および前記第２ホール素子の信号は、複数の各信号範囲において、前記ロータの回転位置の変化分の許容変化量を前記ロータの回転位置の変化分で割った値以下の信号数を単位範囲にして間引かれることが望ましい。このようにすると、ロータの回転位置の変化分の許容変化量を必要な値に設定することで、ホール素子の各信号範囲において、ロータの回転位置の変化分を必要な誤差内に収めることが出来、ホール素子の各信号範囲において必要な回転位置検出精度を確保することが出来る。

また、前記単位範囲は、前記ロータの回転位置の変化分の許容変化量を前記ロータの回転位置の変化分で割った値以下の最も大きい整数に設定されることが望ましい。このようにすると、ロータの回転位置の変化分がその許容変化量より大きくて前記単位範囲が１未満の小数になる信号が参照データになるのを排除することが出来る。また、最も大きい整数を用いることで、最も大きい間引き率で効率的に信号を間引くことが出来る。

また、前記間引き率は、実測した前記第１ホール素子および前記第２ホール素子の各信号に基づいて設定されることが望ましい。このようにすると、個別のモータによって得られる各信号が用いられて、各間引き率が個々のモータに応じて決定される。このため、モータの個体による参照データのバラツキを吸収することが出来、各個体に応じて、必要な回転位置検出精度を適切に確保しつつ、参照データのデータ量を抑制することが出来る。

また、前記間引きは、２のべき乗を演算して得られる値が用いられて行われることが望ましい。このようにすると、位置検出部は、２値データの簡単なビット操作で演算することが出来るので、エンコード処理負荷が軽減される。

また、前記駆動マグネットは着磁パターンが正弦波状であることが望ましい。このような駆動マグネットを用いると、ロータの回転に伴う各ホール素子の信号の変化が緩やかな正弦波状になる。従って、回転位置の分解能が高い各ホール素子の信号を得ることができ、ロータの回転位置検出精度をさらに高めて、参照データのデータ量を抑制することが出来る。

本発明によれば、回転位置検出用のマグネットや光学式エンコーダなどを用いることなく、モータに２つのホール素子を追加するだけでロータの回転位置を検出できる。さらに、参照データのデータ量を抑制して、記憶部の記憶容量を小さくすることが出来る。従って、モータの小型化および低コスト化に有利で、回転位置を精度良く検出できるモータを提供することができる。

本発明のモータの外観斜視図である。 本発明のモータの構造を示す説明図である。 本発明のモータの制御系の概略ブロック図である。 第１ホール素子および第２ホール素子の信号を正規化した正規化データの説明図である。 回転位置の検出処理に用いる参照データの説明図である。 各ホール素子の信号の間引き方の一例を説明する説明図である。 参照データを用いた回転位置の検出方法の説明図である。 変形例の回転位置の検出方法の説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したモータの実施の形態を説明する。

（モータの構造）
図１は本発明を適用したモータの外観斜視図である。また、図２は本発明を適用したモータの構造を示す説明図であり、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）はロータを部分的に切り欠いた斜視図である。モータ１は、回路基板２と、回路基板２の中央部分に取り付けられたモータ本体３と、回路基板２上に実装されたモータ制御ユニット４とを備えるモータユニットである。

回路基板２の中央部分には、図２（ａ）に示すように、モータ本体３を固定するための固定孔１１（固定部）が設けられている。モータ制御ユニット４は、モータ本体３を駆動するためのドライバ回路、モータ本体３の駆動を制御するためのコントローラ回路、および、アンプ回路等を備える。つまり、本例のモータ１は、モータ本体３と当該モータ本体３の制御基板を一体化したものである。

モータ本体３は３相永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）である。モータ本体３は、ステータ１２と、出力軸１３を備えるロータ１４と、固定孔１１を貫通した状態でステータ１２を支持するスリーブ１５と、スリーブ１５に固定されたベアリング１６を有する。モータ本体３の軸線Ｌ（出力軸１３の回転中心線）は、回路基板２と直交する方向に延びる。ベアリング１６はスリーブ１５における回路基板２の裏面２ｂの側の端部分に固定されている。ベアリング１６は、出力軸１３（ロータ１４）を軸線Ｌ回りに回転可能に支持する。

ステータ１２は、半径方向に突出する複数の突極を備える環状のステータコア１８と、各突極に巻き回された駆動コイル１９を備える。ステータコア１８は回路基板２の表面２ａの側に位置する。ステータコア１８の中心穴には、スリーブ１５において回路基板２の表面２ａの側に突出した表面側突出部分が挿入されている。これにより、ステータコア１８はスリーブ１５を介して回路基板２に固定される。

ロータ１４は、円形の底板部２１と底板部２１の外周縁部分から回路基板２の側に向って延びる環状板部２２を備えるロータケース２３と、環状板部２２の内周面に固定された駆動マグネット２４を備える。出力軸１３は底板部２１の中心に固定されて環状板部２２の内側をロータケース２３と同軸に延びる。出力軸１３はロータケース２３の円形開口部（回路基板２の側の開口）から突出する。

ロータ１４は、ロータケース２３が回路基板２の表面２ａの側からステータコア１８に被せられ、出力軸１３がスリーブ１５に挿入され、出力軸１３の先端部分がスリーブ１５から回路基板２の裏面２ｂの側に突出した状態に組み付けられる。これにより、ステータコア１８の突極と駆動マグネット２４が径方向に対向する。

駆動マグネット２４は、回路基板２の表面２ａに実装された第１ホール素子２５および第２ホール素子２６と所定間隔で対向する。第１ホール素子２５と第２ホール素子２６は、ロータ１４の軸線Ｌを中心として見た場合に、周方向に離れた位置に配置される。ステータ１２は３相の駆動コイル１９を備えており、第１ホール素子２５と第２ホール素子２６は、隣り合う駆動コイル１９の隙間に配置される。

駆動マグネット２４は、正弦波状の着磁パターンで６極着磁されている。ロータ１４が回転すると、第１ホール素子２５および第２ホール素子２６の位置では、駆動マグネット２４の回転に伴って周期的な磁界の変化が生じる。第１ホール素子２５および第２ホール素子２６は、ロータ１４の回転に伴う磁界の変化に基づき、周期的に変動する信号Ｈａ、Ｈｂを出力する。第１ホール素子２５と第２ホール素子２６は、信号Ｈａ、Ｈｂが電気角で１２０度位相のずれた信号となるように配置されている。なお、信号Ｈａ、Ｈｂの位相のずれが１２０度以外の値となるように、第１ホール素子２５と第２ホール素子２６を配置してもよい。

（モータ制御ユニット）
図３はモータ１の制御系の概略ブロック図である。モータ制御ユニット４は、ＭＰＵ、メモリ、ＡＤ変換器等を内蔵するコントロールユニット４１を備える。コントロールユニット４１には、上位装置７からの制御信号が入力され、電源回路８を介して電源が供給される。コントロールユニット４１の出力側には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動コイル１９への通電を制御するドライバ回路４２ｕ、４２ｖ、４２ｗが接続される。上述したように、モータ本体３は、異なる角度位置に配置された第１ホール素子２５および第２ホール素子２６を備えており、第１ホール素子２５および第２ホール素子２６が出力する信号Ｈａ、Ｈｂは、差動アンプ回路４３、４４で増幅されたのち、コントロールユニット４１に入力される。なお、差動アンプ回路４３、４４は第１ホール素子２５および第２ホール素子２６の側に組み込まれていても良い。

コントロールユニット４１は、第１ホール素子２５と第２ホール素子２６の信号Ｈａ、Ｈｂを最大振幅に対応する係数で除して正規化データに変換する処理を行う正規化処理部５１と、予め作成された参照データ等を記憶する記憶部５２と、記憶部５２で記憶する参照データを用いてロータ１４の回転位置を検出する位置検出部５３と、参照データを作成するためのキャリブレーションを実行するキャリブレーション実行部５４と、位置検出部５３で検出した回転位置と目標位置とを比較して、回転位置を目標位置に一致させるための制御信号（ＰＷＭ信号）をドライバ回路４２ｕ、４２ｖ、４２ｗに供給するフィードバック制御部５５等を備える。

（正規化処理）
図４は第１ホール素子２５の信号Ｈａと第２ホール素子２６の信号Ｈｂを正規化した正規化データの説明図であり、ロータ１４が１回転する範囲（機械角で３６０度）の正規化データを示す。図４の横軸はロータ１４の回転位置であり、ロータ１回転がパルス数で７２００に相当する。また、図４の縦軸はホール素子の信号を正規化した値であり、最大振幅を４０９６とするように信号Ｈａ、Ｈｂを変換したことを示す。図４の実線は、第１ホール素子２５の信号Ｈａを正規化した正規化信号Ｈ１ａをロータ１４が１回転する範囲で生成した第１正規化データＮａである。また、図４の破線は、第２ホール素子２６の信号Ｈｂを正規化した正規化信号Ｈ１ｂをロータ１４が１回転する範囲で生成した第２正規化データＮｂである。

正規化処理部５１は、コントロールユニット４１に入力された信号Ｈａ、Ｈｂに対してノイズ除去処理を行うフィルタ回路を備えており、ノイズ除去後の信号Ｈａ、Ｈｂに対して正規化処理を行って正規化信号Ｈ１ａ、Ｈ１ｂを求め、第１正規化データＮａおよび第２正規化データＮｂを生成する。また、正規化処理部５１は、最大振幅が４０９６となるように信号Ｈａ、Ｈｂを変換する処理を行うが、この変換処理に用いる係数（例えば、信号Ｈａ、Ｈｂの最大振幅値をそれぞれ４０９６で除した値）を、予め定めたタイミングで更新する。例えば、一定時間毎に係数を更新する。

（参照データ）
図５は、回転位置の検出処理に用いる参照データの説明図であり、図５（ａ）は第１参照データのグラフ表示であり、図５（ｂ）は第２参照データのグラフ表示である。キャリブレーション実行部５４は、モータ１の製造後、出荷前や修理時、メンテナンス時などの各種のタイミングで、参照用のエンコーダを用いてロータ１４の回転位置を検出しながら第１ホール素子２５の信号Ｈａおよび第２ホール素子２６の信号Ｈｂを検出し、第１参照データＲａ（図５（ａ）参照）および第２参照データＲｂ（図５（ｂ）参照）を作成して記憶部５２に記憶させるキャリブレーションを実行する。

キャリブレーションを実行するときには、モータ１に参照用のエンコーダを装着し、参照用のエンコーダの信号をモータ制御ユニット４に入力するようにモータ１と参照用のエンコーダとを接続する。この状態で、キャリブレーション実行部５４は、まず、ロータ１４を１回転させる間、参照用のエンコーダを用いてロータ１４の回転位置を検出しながら、第１ホール素子２５の信号Ｈａを取得して信号Ｈａを正規化し、且つ、第２ホール素子２６の信号Ｈｂを取得して信号Ｈｂを正規化する。これにより、図４の横軸が参照回転位置である場合の、第１正規化データＮａおよび第２正規化データＮｂを求める。

続いて、キャリブレーション実行部５４は、第１正規化データＮａを図５（ａ）に示す第１参照データＲａに変換する。また、第２正規化データＮｂを図５（ｂ）に示す第２参照データＲｂに変換する。第１参照データＲａは、ロータ１回転分の第１正規化データＮａに含まれる、４０９６段階の正規化信号Ｈ１ａの値のうち、複数の各信号範囲に応じて間引かれた値に対して、ロータ１４の回転位置（出力回転位置）を対応付けたものである。また、第２参照データＲｂは、ロータ１回転分の第２正規化データＮａに含まれる、４０９６段階の正規化信号Ｈ１ｂの値のうち、複数の各信号範囲に応じて間引かれた値に対して、ロータ１４の回転位置（出力回転位置）を対応付けたものである。なお、キャリブレーションの一部の処理はコントロールユニット４１で行わず、外部の装置、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）で行っても良い。

本形態では、駆動マグネット２４が６極着磁されているので、ロータ１４が１回転する間の、第１ホール素子２５および第２ホール素子２６の信号の変化は、いずれも、図４に示すような３つのピーク値と３つのボトム値が交互に現れる曲線となる。図５（ａ）に示すように、第１参照データＲａは、隣り合うピーク値とボトム値の間にそれぞれ傾斜部が位置しており、６つの傾斜部Ａ（１）、Ａ（２）、Ａ（３）、Ａ（４）、Ａ（５）、Ａ（６）を備える。同様に、図５（ｂ）に示す第２参照データＲｂは、隣り合うピーク値とボトム値の間にそれぞれ傾斜部が位置しており、６つの傾斜部Ｂ（１）、Ｂ（２）、Ｂ（３）、Ｂ（４）、Ｂ（５）、Ｂ（６）を備える。

図５（ａ）に示すように、第１参照データＲａは、横軸上の間引かれた１つの値（１つの正規化信号Ｈ１ａ）に対して、それぞれ、６個の出力回転位置θａ１、θａ２、θａ３、θａ４、θａ５、θａ６が対応付けられている。出力回転位置θａ１〜θａ６は、６つの傾斜部Ａ（１）〜Ａ（６）上にそれぞれ１つずつ存在する。すなわち、傾斜部Ａ（１）上に出力回転位置θａ１が位置し、傾斜部Ａ（２）上に出力回転位置θａ２が位置し、傾斜部Ａ（３）上に出力回転位置θａ３が位置し、傾斜部Ａ（４）上に出力回転位置θａ４が位置し、傾斜部Ａ（５）上に出力回転位置θａ５が位置し、傾斜部Ａ（６）上に出力回転位置θａ６が位置する。

また、図５（ｂ）に示すように、第２参照データＲｂは、横軸上の間引かれた１つの値（１つの正規化信号Ｈ１ｂ）に対して、それぞれ、６個の出力回転位置θｂ１、θｂ２、θｂ３、θｂ４、θｂ５、θｂ６が対応付けられている。出力回転位置θｂ１〜θｂ６は、６つの傾斜部Ｂ（１）〜Ｂ（６）上にそれぞれ１つずつ存在する。すなわち、傾斜部Ｂ（１）上に出力回転位置θｂ１が位置し、傾斜部Ｂ（２）上に出力回転位置θｂ２が位置し、傾斜部Ｂ（３）上に出力回転位置θｂ３が位置し、傾斜部Ｂ（４）上に出力回転位置θｂ４が位置し、傾斜部Ｂ（５）上に出力回転位置θｂ５が位置し、傾斜部Ｂ（６）上に出力回転位置θｂ６が位置する。

記憶部５２が記憶する第１参照データＲａと第２参照データＲｂは、４０９６段階の正規化信号Ｈ１ａ、Ｈ１ｂの値のうち、複数の各信号範囲に応じて間引かれた各値に対して、出力回転位置θの値を６個ずつ対応付けたマトリクステーブルである。位置検出部５３は、このマトリクステーブルに基づき、第１ホール素子２５の信号Ｈａおよび第２ホール素子２６の信号Ｈｂに対応する回転位置の候補を求める。そして、求めた候補位置の中から、適切な候補位置を選択することにより、回転位置を検出する。

（データの間引き）
本形態では、正規化信号Ｈ１ａおよび正規化信号Ｈ１ｂは、その信号変化に対するロータ１４の回転位置の変化率が小さい信号範囲では高い間引き率で間引かれ、変化率が大きい信号範囲では低い間引き率で間引かれ、第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂに変換される。ここで、ロータの回転位置の変化率は、最大振幅を所定値に変換する正規化処理が施された正規化信号Ｈ１ａおよび正規化信号Ｈ１ｂが、その最小単位分変化するときに生じる、ロータ１４の回転位置変化分の変化率である。つまり、ロータ１４の回転位置の変化率は、正規化処理が施された正規化信号Ｈ１ａおよび正規化信号Ｈ１ｂが、その最大振幅の１／４０９６分変化するときに生じる、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθの変化率である。正規化信号Ｈ１ａおよび正規化信号Ｈ１ｂは、この角度変化分Δθの変化率が小さい信号範囲、つまり、図５に示す特性曲線における傾斜部の傾きが大きい振幅中心付近（正規化信号の振幅４０９６の中心２０４８付近）の信号範囲では高い間引き率、この角度変化分Δθの変化率が大きい信号範囲、つまり、傾斜部の傾きが小さい振幅のピーク値付近（正規化信号４０９６付近）とボトム値付近（正規化信号０付近）の信号範囲では低い間引き率で間引かれ、第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂに変換される。

このように変換される第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂは、一例として、正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂの０〜４０９５の４０９６段階における複数の各信号範囲に応じて、次のように間引かれた正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂの行データと、間引かれた各正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂに対応するロータ１４の回転位置の列データとのマトリクステーブルとして、記憶される。

すなわち、第１ホール素子２５および第２ホール素子２６で測定されて所定時間毎に生成される４０９６段階の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂのうち、０〜１２７の信号範囲の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂについては間引かれずに全データが使用される。また、１２８〜２５５の信号範囲の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂについては、第１式（＝１２８＋（正規化信号信号値−１２８）／２）で算出される正規化信号についてのデータが用いられ、２データ当たり１データが選択されて１／２の間引き率でデータが間引かれる。また、２５６〜７８７の信号範囲の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂについては、第２式（＝１９２＋（正規化信号信号値−２５６）／４）で算出される正規化信号についてのデータが用いられ、４データ当たり１データが選択されて３／４の間引き率でデータが間引かれる。また、７８８〜３３２７の信号範囲の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂについては、第３式（＝３２０＋（正規化信号信号値−７６８）／８）で算出される正規化信号についてのデータが用いられ、８データ当たり１データが選択されて７／８の間引き率でデータが間引かれる。また、３３２８〜３８３９の信号範囲の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂについては、第４式（＝６４０＋（正規化信号信号値−３３２８）／４）で算出される正規化信号についてのデータが用いられ、４データ当たり１データが選択されて３／４の間引き率でデータが間引かれる。また、３８４０〜３９６７の信号範囲の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂについては、第５式（＝７６８＋（正規化信号信号値−３８４０）／２）で算出される正規化信号についてのデータが用いられ、２データ当たり１データが選択されて１／２の間引き率でデータが間引かれる。また、３９６８〜４０９５の信号範囲の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂについては、第６式（＝８３２＋（正規化信号信号値−３９６８））で算出される正規化信号についてのデータが用いられ、間引かれずに全データが使用される。

ここで、ｎデータ当たり１データが選択されて行われるデータ間引きの間引き率は、（ｎ−１）／ｎと表される。このｎを単位間引き範囲と呼ぶことにすると、単位間引き範囲ｎは、正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂの各信号範囲において、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθの許容変化量Ｗを、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθで割った値（＝Ｗ／Δθ）以下に、設定される。

図６（ａ）に示すグラフは、ゼロからピーク値までの最大振幅およびゼロからボトム値までの最大振幅がそれぞれ１に正規化されて、正弦波形で表された１周期分の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂを示す。同グラフの横軸はロータ１４の回転角度[deg]、縦軸は正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂの値を表す。図６（ｂ）に示すグラフは、図６（ａ）に示す、９０[deg]〜−９０[deg]における正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂの１〜−１の値の変化に対する、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθ[deg]の変化（特性線Ｐ）と、単位間引き範囲ｎ（＝Ｗ／Δθ）の変化（特性線Ｑ）とをそれぞれ示すグラフである。同グラフの横軸は、ピーク値１からボトム値−１までにおける４０９６段階の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂを示し、左側の縦軸はロータ１４の回転位置の角度変化分Δθ[deg]、右側の縦軸は単位間引き範囲ｎを示す。本例では、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθの許容変化量Ｗを０．５[deg]とし、これをロータ１４の回転位置の角度変化分Δθで割った値（＝０．５／Δθ）を単位間引き範囲ｎとしている。

上記の、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθの許容変化量Ｗを、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθで割った値（＝Ｗ／Δθ）以下の範囲は、特性線Ｑの下方における斜線範囲で表される。本形態では、単位間引き範囲ｎは、この範囲における最も大きい整数に設定される。

（回転位置の検出方法）
図７は、参照データを用いた回転位置の検出方法を模式的に示す説明図である。本形態では、ロータ１４が検出対象の回転位置θ（０）に位置するときに得られる第１ホール素子２５の信号を第１信号Ｈａ（０）とし、ロータ１４が検出対象の回転位置θ（０）に位置するときに得られる第２ホール素子２６の信号を第２信号Ｈｂ（０）とする。位置検出部５３は、検出対象の回転位置θ（０）を求める場合には、第１信号Ｈａと第２信号Ｈｂを取得して、これに基づいて第１参照データＲａと第２参照データＲｂを参照して、検出対象の回転位置θ（０）を求める。

具体的には、位置検出部５３は、第１信号Ｈａの正規化信号Ｈ１ａ（０）および第２信号Ｈｂの正規化信号Ｈ１ｂ（０）を求める。しかる後に、第１参照データＲａを用いて、正規化信号Ｈ１ａ（０）に対応する回転位置θ（０）の候補を全て抽出する。これにより、６個の第１候補θａ１（０）、θａ２（０）、θａ３（０）、θａ４（０）、θａ５（０）、θａ６（０）が抽出される。同様に、第２参照データＲｂを用いて、正規化信号Ｈ１ｂ（０）に対応する回転位置θ（０）の候補を全て抽出する。これにより、６個の第２候補θｂ１（０）、θｂ２（０）、θｂ３（０）、θｂ４（０）、θｂ５（０）、θｂ６（０）が抽出される。

図７は、第１信号Ｈａ（０）に対応する全ての第１候補θａ１（０）〜θａ６（０）と、第２信号Ｈｂ（０）に対応する全ての第２候補θｂ１（０）〜θｂ６（０）が横軸上に分布する状態を示す。位置検出部５３は、第１候補θａ１（０）〜θａ６（０）と、第２候補θｂ１（０）〜θｂ６（０）の組み合わせを総当たりで全て求める。そして、求めた組み合わせのそれぞれに対して、２つの候補位置（第１候補と第２候補）の差分を算出する。例えば、第１候補θａ１（０）と第２候補θｂ１（０）の組み合わせに対して、第１候補θａ１（０）と第２候補θｂ１（０）との差分を算出する。同様に、他の組み合わせについても全て差分を算出して、全ての差分の大小を比較する。そして、差分の値が最も小さい組み合わせから、検出対象の回転位置θ（０）を求める。本形態では、差分の値が最も小さい組み合わせを構成する２つの候補位置（第１候補と第２候補）の平均値を、検出対象の回転位置θ（０）とする。例えば、図７に示した例の場合、第１候補θａ２（０）と第２候補θｂ２（０）の組み合わせが横軸上で最も近くに位置しており、第１候補θａ２（０）と第２候補θｂ２（０）の差分が最も小さい。従って、位置検出部５３は、第１候補θａ２（０）と第２候補θｂ２（０）の平均値を、検出対象の回転位置θ（０）とする。

（初期原点の設定）
位置検出部５３は、モータ１を駆動開始する前の初期化処理として、上記の検出方法によってロータ１４の回転位置（初期回転位置）を検出する処理を行う。初期回転位置を検出する処理は、例えば、モータ１が第１ホール素子２５および第２ホール素子２６の信号を監視しない状態から、第１ホール素子２５および第２ホール素子２６の信号を監視する状態に移行した場合に行う。例えば、電源投入時や、一旦休止状態になってから再起動したときなどに、初期回転位置を検出する処理を行う。

位置検出部５３は、検出した初期回転位置をロータ１４の回転位置の原点に設定する。また、位置検出部５３は、初期回転位置を検出する処理で、差分の値が２番目に小さい組み合わせの平均値を、原点を修正するための候補データ（修正候補位置）として記憶部５２に記憶させる。例えば、図７の例では、第１候補θａ４（０）と第２候補θｂ４（０）の組み合わせの差分が２番目に小さい。そこで、第１候補θａ４（０）と第２候補θｂ４（０）の平均値θ’（０）を、修正候補位置として記憶部５２に記憶させる。

第１参照データＲａと第２参照データＲｂは、それぞれ、複数のピーク値と複数のボトム値を持つので、差分の値が近い候補位置の組み合わせが複数存在する。例えば、図７の例では、第１候補θａ２（０）と第２候補θｂ２（０）の組み合わせで最も差分の値が小さいが、第１候補θａ４（０）と第２候補θｂ４（０）の組み合わせや、第１候補θａ６（０）と第２候補θｂ６（０）の組み合わせも差分の値が小さい。従って、第１ホール素子２５および第２ホール素子２６の出力変動や各種の検出誤差等が生じると、正しい回転位置と異なる候補位置の差分が最も小さい値になってしまう場合があり、この場合には、正しい初期回転位置を検出できない。従って、原点位置がずれて設定されるおそれがある。本形態のコントロールユニット４１は、モータ１の駆動開始後、最初に原点に設定した初期回転位置（例えば、図７のθ（０））が正しい回転位置でないことが判明した場合には、記憶部５２に記憶させておいた修正候補位置（例えば、図７のθ’（０））を読み出して、原点を修正候補位置に置き換える処理を行う。

（作用効果）
以上のように、本形態のモータ１は、第１ホール素子２５および第２ホール素子２６から、ロータ１４の回転位置に応じて変化する信号Ｈａ、Ｈｂを得ることができる。そして、この信号Ｈａ、Ｈｂを用いて第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂを参照して、回転位置を求めることができる。従って、回転位置検出用のマグネットや光学式エンコーダなどを用いることなく、モータ本体３に２つのホール素子を追加するだけでロータ１４の回転位置を検出できる。よって、モータ本体３の小型化および低コスト化に有利である。

また、本形態のモータ１は、記憶部５２に記憶する第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂは、複数の各信号範囲に応じて間引かれた各ホール素子２５，２６の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂに対応するロータ１４の回転位置に限定される。このため、各ホール素子２５，２６の全ての正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂに対応するロータ１４の回転位置を記憶する場合に比較して、第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂのデータ量を抑制して、記憶部５２の記憶容量を小さくすることが出来る。したがって、高い処理能力を必要としない安価な演算処理装置を用いて、位置検出部５３を構成することが出来る。

例えば、ホール素子２５，２６で検出される信号Ｈａ，Ｈｂを、最大振幅を１０２４段階に変換する正規化処理が施された正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂに変換し、全ての各正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂに対して６個の出力回転位置θを対応づけると、駆動マグネット２４が６極着磁されている場合、マトリクステーブルは、１つのホール素子当たり１０２４×６＝６１４４ワード＝１２２８８バイトのデータ量であるので、２つのホール素子２５，２６で合計１２２８８×２＝２４５７６バイトのデータ量のテーブルサイズとなる。これを、ロータ１４の回転位置検出精度を上げるため、ホール素子２５，２６で検出される信号Ｈａ，Ｈｂを、本形態のように最大振幅を４０９６段階に変換する正規化処理が施された正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂに変換し、４倍の回転位置検出精度を得ようとすると、マトリクステーブルは、１つのホール素子当たり４０９６×６＝２４５７６ワード＝４９１５２バイトのデータ量であるので、２つのホール素子２５，２６で合計４９１５２×２＝９８３０４バイトの大きなデータ量のテーブルサイズとなる。このような大きなデータ量を扱うには、モータ制御ユニット４に用いる記憶部５２に大きな記憶容量を有する高価なものが必要とされる。

しかし、本形態によるモータ１では、４０９６段階の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂのうち、各信号範囲の正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂについて、前述の第１式〜第６式を用いて所定の間引き率で間引くことで、マトリクステーブルの行データは９６０行で収まり、１つのホール素子当たり９６０×６＝５７６０ワード＝１１５２０バイトのデータ量、２つのホール素子２５，２６で合計１１５２０×２＝２３０４０バイトの小さなデータ量のテーブルサイズとなる。すなわち、ロータ１４の回転位置検出精度を４倍に高めた一方で、テーブルサイズを、１０２４段階に変換する正規化処理が施された正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂを用いる場合に比べて小さくすることが出来る。

さらに、前述の第１式〜第６式を用いたデータの間引きは、２のべき乗を演算して得られる値が用いられて、行われる。このため、位置検出部５３は、２値データの簡単なビット操作で演算することが出来るので、エンコード処理負荷が軽減される。なお、演算処理装置の処理能力に余裕がある場合には、２のべき乗を演算して得られる値を用いなくてもよい。また、前述の第１式〜第６式を用いたデータの間引きにおいて各信号範囲を区分する閾値は、一例であり、前記の値に限定されるものではない。

また、本形態によるモータ１では、ロータ１４の回転位置の変化率が小さい信号範囲では、ホール素子２５，２６の信号Ｈａ，Ｈｂが変化してもロータ１４の回転位置は余り変わらないので、正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂの間引き率を高くしても必要な回転位置検出精度が得られ、第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂのデータ量を大きく抑制できる。また、ロータ１４の回転位置の変化率が大きい信号範囲では、ホール素子２５，２６の信号Ｈａ，Ｈｂが変化するとロータ１４の回転位置が大きく変わるので、正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂの間引き率を低くすることで、必要な回転位置検出精度を確保しつつ、第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂのデータ量を抑制することが出来る。

また、ロータ１４の回転位置の変化率は、正規化処理が施された正規化信号Ｈ１ａおよび正規化信号Ｈ１ｂが、その最小単位分変化するときに生じる、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθの変化率として算出される。このように正規化処理が施された正規化信号Ｈ１ａおよび正規化信号Ｈ１ｂを用いると、２つのホール素子２５，２６間の感度バラツキや実装位置差の影響を少なくして、第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂのデータ量を抑制することが出来る。

また、単位間引き範囲ｎは、正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂの各信号範囲において、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθの許容変化量Ｗを、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθで割った値（＝Ｗ／Δθ）以下に、設定される。このため、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθの許容変化量Ｗを必要な値に設定することで、正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂの各信号範囲において、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθを必要な誤差内に収めることが出来、正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂの各信号範囲において必要な回転位置検出精度を確保することが出来る。

また、本形態によるモータ１では、単位間引き範囲ｎ（＝Ｗ／Δθ）が、図６（ｂ）のグラフに示す特性線Ｑの下方における斜線範囲における最も大きい整数に設定される。このため、ロータ１４の回転位置の角度変化分Δθがその許容変化量Ｗより大きくて単位間引き範囲ｎが１未満の小数になる正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂが参照データになるのを排除することが出来る。また、最も大きい整数を用いることで、最も大きい間引き率で効率的に正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂを間引くことが出来る。

間引き率は、実測した正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂに基づいて設定されることが望ましい。このようにすると、個別のモータ１によって得られる各正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂが用いられて、各間引き率が個々のモータ１に応じて決定される。このため、モータ１の個体による参照データのバラツキを吸収することが出来、各個体に応じて、必要な回転位置検出精度を適切に確保しつつ、第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂのデータ量を抑制することが出来る。また、予めモータ１毎にキャリブレーションを行って作成した第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂを用いて回転位置を判定するので、簡単なアルゴリズムで、精度良く回転位置を検出できる。

また、本形態によるモータ１では、駆動マグネット２４の着磁パターンが正弦波状である。このような駆動マグネット２４を用いると、ロータ１４の回転に伴う各ホール素子２５，２６の信号の変化が図４に示すような緩やかな正弦波状になる。従って、回転位置の分解能が高い正規化信号Ｈ１ａ，Ｈ１ｂを得ることができ、ロータ１４の回転位置検出精度をさらに高めて、第１参照データＲａおよび第２参照データＲｂのデータ量を抑制することが出来る。なお、駆動マグネット２４の着磁パターンが正弦波状でなくても、モータ１の回転位置を検出することは可能である。

本形態の位置検出部５３は、第１参照データＲａと第２参照データＲｂから、第１信号Ｈａ（０）に対応する回転位置の候補である第１候補θａ１（０）〜θａ６（０）と、第２信号Ｈｂ（０）に対応する回転位置の候補である第２候補θｂ１（０）〜θｂ６（０）の組み合わせを全て求め、求めた全ての組み合わせに対して、２つの候補位置の差分を算出し、該差分の値が最も小さい組み合わせを構成する２つの候補位置の平均値を検出対象の回転位置θ（０）とする。従って、簡単なアルゴリズムで、精度良く回転位置を検出できる。

本形態では、モータ１の初期化処理で検出した回転位置を原点に設定する。従って、以降は原点からの角度差に基づいて回転位置を検出でき、インクリメンタルエンコーダの機能を持たせることができる。従って、インクリメンタルな制御を行うことができる。なお、本形態は６極着磁された駆動マグネット２４を用いているが、他の極数にすることもできる。例えば、２極着磁の駆動マグネットを用いれば、電気角と機械角が一致するので、アブソリュートエンコーダの機能を持たせることができる。

本形態では、モータ１の初期化処理で回転位置を検出する場合に、２つの候補位置の差分の値が最も小さい組み合わせだけでなく、２つの候補位置の差分の値が２番目に小さい組み合わせを求め、この組み合わせを構成する２つの候補位置の平均値を、原点を修正するための修正候補位置として記憶する。従って、原点に設定した位置が正確でなかった場合に、修正候補位置を用いて簡単かつ速やかに原点を修正できる。

本形態では、予め設定したタイミングで、第１ホール素子２５の信号Ｈａおよび第２ホール素子２６の信号Ｈｂを正規化する処理に用いる係数を更新するので、周囲温度や供給電圧等の変動による、ホール素子の信号変動の影響を少なくすることができる。従って、精度良く回転位置を検出できる。

（変形例）
上記形態は、第１参照データＲａと第２参照データＲｂから、第１信号Ｈａ（０）と第２信号Ｈｂ（０）に対応する回転位置の候補を全て求め、２つの候補位置（第１候補と第２候補）の組み合わせを総当たりで作成し、その全てについて２つの候補位置の差分を算出して、差分の値が最も小さい組み合わせを探していたが、２つの候補位置（第１候補と第２候補）の組み合わせの数を減らすことも可能である。

例えば、図７に示すように第１候補と第２候補がそれぞれ６つずつ存在する場合には、総当たりの場合には組み合わせの数が３６通りであるのに対し、図８に示すように、２つの候補位置（第１候補と第２候補）の組み合わせを隣り合う第１候補と第２候補の組み合わせに限定すれば、組み合わせの数を９通りに減らすことができる。従って、短時間で回転位置を検出することができる。

図８は、変形例の回転位置の検出方法の説明図である。例えば、回転位置を繰り返し検出する場合で、直近に検出した回転位置がθ（ｎ）である場合には、直近に検出した回転位置θ（ｎ）に基づき、第１候補と第２候補を３つずつに限定して抽出することができる。具体的には、第１参照データＲａの６つの傾斜部Ａ（１）〜Ａ（６）のうち、直近に検出した回転位置θ（ｎ）を含む傾斜部Ａ（ｉ）とその両側に位置する傾斜部Ａ（ｉ−１）、Ａ（ｉ＋１）の範囲に限って第１候補θａ（ｉ−１）、θａ（ｉ）、θａ（ｉ＋１）の３つを求める。また、第２参照データＲｂの６つの傾斜部Ｂ（１）〜Ｂ（６）のうち、直近に検出した回転位置θ（ｎ）を含む傾斜部Ｂ（ｊ）とその両側に位置する傾斜部Ｂ（ｊ−１）、Ｂ（ｊ＋１）の範囲に限って第２候補θｂ（ｊ−１）、θｂ（ｊ）、θｂ（ｊ＋１）の３つを求める。このように、直近に検出した回転位置θ（ｎ）を含む傾斜部Ａ（ｉ）、傾斜部Ｂ（ｊ）を中心とする連続した３つの傾斜部Ａ（ｉ−１）〜Ａ（ｉ＋１）、傾斜部Ｂ（ｊ−１）〜Ｂ（ｊ＋１）に限って候補位置を取得すれば、第１候補と第２候補を３つずつに限って求めることができる。その結果、第１候補と第２候補の組み合わせの数は、総当たりで作成しても９通りである。従って、短時間で回転位置を検出することができる。また、この方法では、直近に検出した回転位置θ（ｎ）に近い位置を候補位置としているので、回転位置の検出精度が低下するおそれは少ない。

あるいは、上記のように、直近に検出した回転位置θ（ｎ）を含む傾斜部Ａ（ｉ）、傾斜部Ｂ（ｊ）を中心とする３つの傾斜部Ａ（ｉ−１）〜Ａ（ｉ＋１）および傾斜部Ｂ（ｊ−１）〜Ｂ（ｊ＋１）に限定して候補位置を取得する場合には、第１候補と第２候補のどちらかが、直近に検出した回転位置θ（ｎ）を含む傾斜部Ａ（ｉ）、傾斜部Ｂ（ｊ）に存在する候補位置であるような組み合わせに限定してもよい。具体的には、第１候補θａ（ｉ）と第２候補θｂ（ｊ）、第１候補θａ（ｉ）と第２候補θｂ（ｊ−１）、第１候補θａ（ｉ）と第２候補θｂ（ｊ＋１）、第１候補θａ（ｉ−１）と第２候補θｂ（ｊ）、第１候補θａ（ｉ＋１）と第２候補θｂ（ｊ）の５通りの組み合わせに限定する。この場合には、更に組み合わせの数が減るので、さらに短時間で回転位置を検出することができる。

また、上記形態の第１参照データＲａと第２参照データＲｂは、それぞれ３つのピーク値と３つのボトム値を持つが、これらの値は完全に一致することはない。このように、３つのピーク値と３つのボトム値が完全に一致することがなく、これらの値の大小関係がモータ固有の特性であるとすれば、ピーク値とボトム値の大小関係とその配列順を識別して、どのピーク値とどのボトム値の間に回転位置が存在するかを判定することが可能である。従って、予め、３つのピーク値と３つのボトム値の大小関係とその配列順のデータを作成して記憶部５２に記憶させておけば、絶対位置および回転方向を検出することが可能である。

１…モータ
２…回路基板
２ａ…表面
２ｂ…裏面
３…モータ本体
４…モータ制御ユニット
７…上位装置
８…電源回路
１１…固定孔
１２…ステータ
１３…出力軸
１４…ロータ
１５…スリーブ
１６…ベアリング
１８…ステータコア
１９…駆動コイル
２１…底板部
２２…環状板部
２３…ロータケース
２４…駆動マグネット
２５…第１ホール素子
２６…第２ホール素子
４１…コントロールユニット
４２ｕ、４２ｖ、４３ｗ…ドライバ回路
４３、４４…差動アンプ回路
５１…正規化処理部
５２…記憶部
５３…位置検出部
５４…キャリブレーション実行部
５５…フィードバック制御部
Ａ（１）〜Ａ（６）…傾斜部
Ｂ（１）〜Ｂ（６）…傾斜部
Ｈ１ａ…正規化信号
Ｈ１ｂ…正規化信号
Ｈａ…第１信号（第１ホール素子の信号）
Ｈｂ…第２信号（第１ホール素子の信号）
Ｌ…軸線
Ｎａ…第１正規化データ
Ｎｂ…第２正規化データ
Ｒａ…第１参照データ
Ｒｂ…第２参照データ

Claims (8)

1. ロータおよびステータと、
   前記ロータが備える駆動マグネットに対して異なる角度位置で対向し、前記ロータの回転位置に応じた信号をそれぞれ出力する第１ホール素子および第２ホール素子と、
   複数の各信号範囲に応じて間引かれた前記第１ホール素子の信号および前記第２ホール素子の信号と、前記ロータの回転位置とを対応付けた参照データを記憶する記憶部と、
   前記ロータが検出対象の回転位置にあるときの、前記第１ホール素子および前記第２ホール素子の信号をそれぞれ第１信号および第２信号とするとき、前記第１信号および前記第２信号に基づいて前記参照データを参照して、前記検出対象の回転位置を求める位置検出部と、を有することを特徴とするモータ。
2. 前記第１ホール素子の信号および前記第２ホール素子の信号は、その信号変化に対する前記ロータの回転位置の変化率が小さい信号範囲では高い間引き率、変化率が大きい信号範囲では低い間引き率で間引かれることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記ロータの回転位置の変化率は、最大振幅を所定値に変換する正規化処理が施された前記第１ホール素子の信号および前記第２ホール素子の信号がその最小単位分変化するときに生じる前記ロータの回転位置の変化分の変化率であることを特徴とする請求項２に記載のモータ。
4. 前記第１ホール素子の信号および前記第２ホール素子の信号は、複数の各信号範囲において、前記ロータの回転位置の変化分の許容変化量を前記ロータの回転位置の変化分で割った値以下の信号数を単位範囲にして間引かれることを特徴とする請求項３に記載のモータ。
5. 前記単位範囲は、前記ロータの回転位置の変化分の許容変化量を前記ロータの回転位置の変化分で割った値以下の最も大きい整数に設定されることを特徴とする請求項４に記載のモータ。
6. 前記間引き率は、実測した前記第１ホール素子および前記第２ホール素子の各信号に基づいて設定されることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のモータ。
7. 前記間引きは、２のべき乗を演算して得られる値が用いられて行われることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載のモータ。
8. 前記駆動マグネットは着磁パターンが正弦波状であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のモータ。

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