JP2018148682A - サーボアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】高トルクな特性を実現しつつ回転子の回転位置を絶対値で検出でき小型で省配線化を図ることができるサーボアクチュエータを提供する。【解決手段】回転軸回りに永久磁石界磁を備えた回転子と、永久磁石界磁に対向配置され１２０度位相差で配置された極歯を有する固定子と、固定子の各極歯にコイルを設けて相間を結線することなく独立して配線されたコイル結線手段と、コイルの通過電流を各相独立してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）スイッチング制御して回転子の回転を制御する駆動制御部と、回転子の回転位置を検出する回転位置検出部と、駆動制御部並びに回転位置検出部を収容し、回転子を回転軸回りに回転可能に支持する筐体と、を備えた。【選択図】図６

Description

本発明はサーボアクチュエータに関する。

回転自在に枢支されたロータと、ロータにトルクを発生させるステータとがハウジング内に収納されたアクチュエータ装置において、ステータに駆動電流を供給する駆動回路と、予め与えられた制御ゲインパラメータを用いて駆動回路に与える電流指令値を算出する演算手段とをハウジングに具えるアクチュエータ装置が知られている（特許文献１）。

回転体の回転軸に同軸に取り付けられた複数の磁極数を有する多極磁石と、多極磁石の各々に対向するように配置され、多極磁石の回転に応じて磁束密度の変化を検出する複数の磁気センサとを備え、磁気センサの各々が、多極磁石の回転に応じて１磁極数あたり９０度位相差を有するＡ／Ｂ相の正弦波出力を１位相だけ出力するアブソリュートエンコーダであり、多極磁石の磁極数が１対だけ異なるアブソリュートエンコーダである回転検出器も知られている（特許文献２）

特開２００２−１９９７７１号公報 特開２０１２−０８８２７６号公報

本発明は、高トルクな特性を実現しつつ回転子の回転位置を絶対値で検出でき小型で省配線化を図ることができるサーボアクチュエータを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載のサーボアクチュエータは、
回転軸回りに永久磁石界磁を備えた回転子と、
前記永久磁石界磁に対向配置され１２０度位相差で配置された極歯を有する固定子と、
前記固定子の各極歯にコイルを設けて相間を結線することなく独立して配線されたコイル結線手段と、
前記コイルの通過電流を各相独立してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）スイッチング制御して回転子の回転を制御する駆動制御部と、
前記回転子の回転位置を検出する回転位置検出部と、
前記駆動制御部並びに前記回転位置検出部を収容し、前記回転子を前記回転軸回りに回転可能に支持する筐体と、を備えた、
ことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のサーボアクチュエータにおいて、
前記回転位置検出部は、外周に多極着磁処理が施され前記回転子の一端面に前記回転軸と偏心して取り付けられた回転子センサ・マグネットと、前記回転子センサ・マグネットと対向する部位に前記回転軸と略同心円上に略１８０度の位相差を以って配設され、磁束密度の大きさを検出する第１の回転位置センサ及び第２の回転位置センサと、前記第１の回転位置センサ及び前記第２の回転位置センサと同方向に略４５度の位相差を以って配設され、磁束密度の大きさを検出する第３の回転位置センサ及び第４の回転位置センサと、を備えた、
ことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載のサーボアクチュエータにおいて、
前記回転子センサ・マグネットは、前記永久磁石界磁と同数の磁極を有する、
ことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３に記載のサーボアクチュエータにおいて、
前記第１の回転位置センサにより出力される＋ｓｉｎ信号及び前記第３の回転位置センサにより出力される＋ｃｏｓ信号に基づいて前記回転子の１回転絶対角度を算出する、
ことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項２又は３に記載のサーボアクチュエータにおいて、
前記第１の回転位置センサにより出力される＋ｓｉｎ信号及び前記第２の回転位置センサにより出力される−ｓｉｎ信号を加算したｓｉｎ信号、前記第３の回転位置センサにより出力される＋ｃｏｓ信号及び前記第４の回転位置センサにより出力される−ｃｏｓ信号を加算したｃｏｓ信号に基づいて前記回転子の磁極位置を算出する、
ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、高トルクな特性を実現しつつ小型で省配線化を図ることができるサーボアクチュエータを提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、回転子の回転方向における回転位置と回転角度を検出して絶対角度を検出することができる低コスト、小型のサーボアクチュエータを提供することができる。

請求項３に記載の発明によれば、マグネットの電気角度を算出することができる。

請求項４に記載の発明によれば、マグネットの１回転絶対角度を算出することができる。

請求項５に記載の発明によれば、マグネットの磁極位置を算出することができる。

本実施形態に係るサーボアクチュエータの全体構成を示す断面模式図である。 ロータ及びステータの位置関係を示す断面略線図である。 （ａ）はロータとセンサ・マグネットの構成を示す断面模式図、（ｂ）はロータの磁極配置を示す略線図、（ｃ）はセンサ・マグネットの磁極配置を示す略線図である。 （ａ）は制御基板の構成を示す概略図、（ｂ）はセンサ・マグネットと第１〜第４のホール素子の配置を示す略線図である。 回転位置検出部におけるロータ軸の回転に伴うセンサ・マグネットと第１〜第４のホール素子の位置関係を示す略線図である。 （ａ）は回転位置検出部の構成を示す略線図、（ｂ）は１回転絶対角信号の波形を示す特性曲線図、（ｃ）はロータ軸磁極角度信号の波形を示す特性曲線図である。 （ａ）はパワー基板の構成を示す概略図、（ｂ）はコイル駆動回路の構成を示す図である。 １チップマイクロコンピュータの構成を示すブロック図である。 （ａ）は１回転絶対角信号の波形を示す特性曲線図、（ｂ）はメモリデータを示す特性曲線図である。 １回転絶対角度を算出する処理の流れを示すフローチャートである。 ロータ軸磁極角度信号から回転位置を求めるためのフィードバック型トラキング回路の構成を示す図である。 コイル駆動回路のトランジスタゲート信号と電流指令を示すタイミングチャートである。 （ａ）は本実施形態に係るサーボアクチュエータにおける電流指令に対する駆動電流及びトルクリップルの関係を示す図、（ｂ）は従来例のサーボアクチュエータにおける電流指令に対する駆動電流及びトルクリップルの関係を示す図である。

次に図面を参照しながら、以下に実施形態及び具体例を挙げ、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態及び具体例に限定されるものではない。
また、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

（１）サーボアクチュエータの全体構成及び動作
図１は本実施形態に係るサーボアクチュエータ１の全体構成を示す断面模式図、図２はロータ１１及びステータ１２の位置関係を示す断面略線図、図３（ａ）はロータ１１とセンサ・マグネット２３１の構成を示す断面模式図、（ｂ）はロータ１１の磁極配置を示す略線図、（ｃ）はセンサ・マグネット２３１の磁極配置を示す略線図、図４（ａ）は制御基板２１０の構成を示す概略図、（ｂ）はセンサ・マグネット２３１と第１〜第４のホール素子２３２の配置を示す略線図、図５は回転位置検出部２３０におけるロータ軸１１ａの回転に伴うセンサ・マグネット２３１と第１〜第４のホール素子２３２の位置関係を示す略線図、図６（ａ）は回転位置検出部２３０の構成を示す略線図、（ｂ）は１回転絶対角信号の波形を示す特性曲線図、（ｃ）はロータ軸磁極角度信号の波形を示す特性曲線図、図７（ａ）はパワー基板２２０の構成を示す概略図、（ｂ）はコイル駆動回路２２５の構成を示す図である。
以下、図面を参照しながらサーボアクチュエータ１の全体構成及び動作について説明する。

サーボアクチュエータ１は、回転トルクを発生させるモータ部１０と、モータ部１０の回転を制御する制御部２０と、モータ部１０で発生された回転トルクを減速機を介することなく出力する出力軸３０と、これらを一体に収容する筐体４０とから構成されている。

モータ部１０には、金属等の導電材からなる筐体４０の内部に回転軸受け４１、４２により回転自在に支持された回転子としてのロータ１１が設けられている（図３（ａ） 参照）。ロータ１１は、図３（ｂ）に示すように、４極に着磁された永久磁石であるロータマグネット１１Ａがロータ軸１１ａに同軸に一体化されて形成されている。

また筐体４０の内側には、ロータ１１を取り囲むように固定子としてのステータ１２が配置されている。ステータ１２は、極歯１２ａを有する６つのステータ鉄心１２Ａ〜１２Ｆが等間隔（６０度間隔）で固着され、各ステータ鉄心１２Ａ〜１２Ｆには、それぞれ巻線が施されてコイル１３（１３Ａ〜１３Ｆ）が形成されている。
各ステータ鉄心１２Ａ〜１２Ｆは、その周方向に分割され、コイル１３を外部で整列状に巻き込んだ後、各ステータ鉄心１２Ａ〜１２Ｆを組み立てることによってステータ１２を構成する分割コア方式（図２ 参照）であり、コアへの高密度な巻線とサーボアクチュエータ１の省スペース化を可能にしている。

これによりモータ部１０においては、１８０度対向する２つのコイル１３Ａ及び１３Ｄ、１３Ｂ及び１３Ｅ、１３Ｃ及び１３Ｆの組（合計３組）をそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相として、これらＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３にそれぞれ１２０度ずつ位相差を有して駆動電流を印加して磁界を形成し、ロータ１１を介して駆動電流の電流値に応じた大きさの回転トルクを発生させるようになっている。

本実施形態に係るサーボアクチュエータ１においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３は、相間を結線することなく独立して配線されたコイル結線方式（以下、３相独立結線方式と記す）を採用し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３に対する電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、互いの干渉なく独立して制御するようにしている。

制御部２０は、出力軸３０の回転角度、回転速度及び回転トルク等を制御する駆動制御部としての制御基板２１０及び制御基板２１０の制御のもとに各コイル１３に駆動電流を供給するパワー基板２２０と、ロータ１１の１回転絶対角度及び磁極位置を検出する回転位置検出部２３０と、から構成され、筐体４０内にモータ部１０と一体に収容されている。

制御基板２１０は、図４（ａ）に示すように、筐体４０に合わせて矩形に形成されたプリント配線板の一面側に１チップマイクロコンピュータ２１１が搭載されると共に、他面側に回転位置検出部２３０の第１〜第４のホール素子２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄが搭載されることにより構成されている。

回転位置検出部２３０は、ロータ軸１１ａの出力軸３０と反対側の前端側に固着されたセンサ・マグネット２３１と、制御基板２１０に搭載された回転位置センサとしての第１〜第４のホール素子２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄとから形成されている。
センサ・マグネット２３１は、図３（ｃ）に示すように、ロータ１１のロータマグネット１１Ａと同じ４極に着磁され、ロータマグネット１１Ａと４５度の位相差でロータ軸１１ａに偏心（偏心量ｅ：図４（ｂ）参照）した状態で固定されている。

第１〜第４のホール素子２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄは、図４（ｂ）に示すように、ロータ軸１１ａと同心円上に、第１のホール素子２３２Ａ及び第２のホール素子２３２Ｂが１８０度対向し、かつ第３のホール素子２３２Ｃ及び第４のホール素子２３２Ｄがこれら第１〜第４のホール素子２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄと同じ方向に４５度位相がずれた位置に位置するように制御基板２１０に搭載されている。

このように回転位置検出部２３０においては、センサ・マグネット２３１が、ロータ軸１１ａに偏心した状態（偏心量：ｅ）で固定されているために、ロータ軸１１ａが１回転すると、図５に示すように、ロータ軸１１aの回転に伴って、センサ・マグネット２３１と第１〜第４のホール素子２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄとの距離が変化する。
これにより回転位置検出部２３０においては、ロータ１１の回転変位を、ロータ１１と一体に回転するセンサ・マグネット２３１の回転に伴う第１〜第４のホール素子２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄの配設位置における磁束密度の変化として検出し得るようになっている。

図６（ａ）に示す回転位置検出部２３０においては、ロータ１１の回転変位を、ロータ軸１１ａの回転に伴う第１のホール素子２３２Ａ及び第３のホール素子２３２Ｃの配置位置における磁束密度Φ（θａｂｓ）の変化として検出し、検出結果をそれぞれ図６（ｂ）に示すようなＳＩＮ（θａｂｓ）及びＣＯＳ（θａｂｓ）で与えられる波形の第１及び第２の１回転絶対角度信号Ｓ１Ａ、Ｓ１Ｂとして出力できるようになっている。
また、図６（ｃ）に示すように、第１のホール素子２３２Ａ及び第２のホール素子２３２Ｂの出力と、第３のホール素子２３２Ｃ及び第４のホール素子２３２Ｄの出力とをそれぞれ加算して、第１及び第２のロータ軸磁極角度信号Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂとして出力できるようになっている。

また制御基板２１０においては、１チップマイクロコンピュータ２１１が上位通信インターフェース（Ｉ／Ｆ）を介して、シリアル通信ラインを通じて上位装置と交信できるようにされている。

１チップマイクロコンピュータ２１１は、上位装置から与えられる出力軸３０の回転角度、回転速度又は回転トルクの指定値（以下、それぞれ指定回転角度、指定回転速度及び指定回転トルクと記す）と、第１及び第２の１回転絶対角度信号Ｓ１Ａ、Ｓ１Ｂと、第１及び第２のロータ軸磁極角度信号Ｓ２Ａ、Ｓ２Ｂと、後述するパワー基板２２０から供給される第１〜第３の駆動電流検出信号Ｓ３Ａ〜Ｓ３Ｃとに基づいて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３にそれぞれ印加すべき駆動電流の電流値（以下、それぞれ第１〜第３の電流指令値と記す）を算出し、これら算出した第１〜第３の電流指令値をパワー基板２２０に送出する。

パワー基板２２０には、図７（ａ）に示すように、筐体４０に合わせて矩形に形成されたプリント配線板の一面側に、図７（ｂ）に示すコイル駆動回路２２５を形成する複数のパワーＦＥＴ２２１と電流検出抵抗２２２が搭載されている。
パワー基板２２０は、制御基板２１０の１チップマイクロコンピュータ２１１から与えられる第１〜第３の電流指令値に基づいて、モータ部１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３（１３Ａ〜１３Ｆ）に対して、それぞれ対応する電流値の駆動電流を印加することによりモータ部１０のロータ１１を回転駆動させる。

またパワー基板２２０は、このときＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３にそれぞれ印加されている駆動電流の電流値を電流検出抵抗２２２でそれぞれ検出し、検出結果を第１〜第３の駆動電流検出信号Ｓ３Ａ〜Ｓ３Ｃとして制御基板２１０に送出する。

このようにしてサーボアクチュエータ１では、制御基板２１０の１チップマイクロコンピュータ２１１及びパワー基板２２０のコイル駆動回路２２５からなる制御回路によって、上位装置から与えられた指定回転角度、指定回転速度又は指定回転トルクに応じてモータ部１０を駆動する。

（２）モータ回転制御
図８は１チップマイクロコンピュータ２１１の構成を示すブロック図、図９（ａ）は１回転絶対角信号の波形を示す特性曲線図、（ｂ）はメモリデータを示す特性曲線図、図１０は１回転絶対角度を算出する処理の流れを示すフローチャート、図１１はロータ軸磁極角度信号から回転位置を求めるためのフィードバック型トラキング回路の構成を示す図、図１２はコイル駆動回路２２５のトランジスタゲート信号と電流指令を示すタイミングチャートを示す図、図１３（ａ）はサーボアクチュエータ１における電流指令に対する駆動電流及びトルクリップルの関係を示す図、（ｂ）は従来例のサーボアクチュエータにおける電流指令に対する駆動電流及びトルクリップルの関係を示す図である。
以下、図面を参照しながらサーボアクチュエータ１のモータ回転制御について説明する。

１チップマイクロコンピュータ２１１は、図８に示すように、ソフトウェアサーボ部５０、ロータ軸位置検出部５１、電流制御部５２、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、レジスタ等（不図示）から構成されている。
電流制御部５２は、電流軸電流指令又はトルク指令を各相コイル１３に流す電流に変換するとともに各コイル電流の進相制御を行う相変換−進相制御部５２Ａと、各相コイル１３に対して最大電流を流す指令を与える電流指令部５２Ｂと、電流指令部５２Ｂからの電流指令を基に、各コイルを独立して電流制御するように各コイル毎に配設されたＰＷＭ変換部５２Ｃとで構成されている。

（２．１）ロータ軸位置検出
ロータ軸位置検出部５１は、第１のホール素子２３２Ａ及び第３のホール素子２３２Ｃから出力される第１及び第２の１回転絶対角度信号Ｓ１Ａ、Ｓ１Ｂをデジタル変換して得られる第１及び第２の１回転絶対角度データＤ１Ａ、Ｄ１Ｂから、ロータ１１の回転位置θabsを算出し、レジスタに格納する。

本実施形態に係るセンサ・マグネット２３１は、ロータ１１のロータマグネット１１Ａと同じ４極に着磁され、ロータ軸１１ａに偏心した状態（偏心量ｅ：図４参照）で固定されているために、ロータ軸１１ａが１回転すると、ロータ軸１１ａと同心円上に配置された第１のホール素子２３２Ａ及び第３のホール素子２３２Ｃから出力される１回転絶対角度信号Ｓ１Ａ、Ｓ１Ｂとしての＋ＳＩＮ信号（ＳＩＮ（θabs））及び＋ＣＯＳ信号（ＣＯＳ（θabs））は、ロータ軸１１ａの回転角度によりその大きさが変化する（図９（ａ）参照）。

係る変化する＋ＳＩＮ信号（ＳＩＮ（θabs））及び＋ＣＯＳ信号（ＣＯＳ（θabs））を予めメモリ（ＲＯＭ：不図示）に記憶された回転位置に対する値（ＭＳＩＮ（θabs）、ＭＣＯＳ（θabs）：図９（ｂ）参照）と比較することにより、１回転絶対角度としてのロータ１１の回転位置θabsを算出することができる。

図１０のフローチャートに、変化する＋ＳＩＮ信号（ＳＩＮ（θabs））及び＋ＣＯＳ信号（ＣＯＳ（θabs））から１回転絶対角度としてのロータ１１の回転位置θabsを算出する処理の流れの一例を示す。
１チップマイクロコンピュータ２１１は、第１のホール素子２３２Ａ及び第３のホール素子２３２Ｃから出力されるＳＩＮ（θabs）及びＣＯＳ（θabs）を検出し、一時的にＲＡＭに格納する（Ｓ１０１）。
次に、予めメモリに記憶された回転位置θabsのデータＭＳＩＮ（θabs）、ＭＣＯＳ（θabs）を読み出し（Ｓ１０２）、検知したＳＩＮ（θabs）及びＣＯＳ（θabs）と比較する（Ｓ１０３）。

ステップ１０３で、ＭＳＩＮ（θabs）とＳＩＮ（θabs）、ＭＣＯＳ（θabs）とＣＯＳ（θabs）が一致した場合（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、ロータ１１の回転位置θabsを決定する（Ｓ１０４）。
ステップ１０３で、ＭＳＩＮ（θabs）とＳＩＮ（θabs）、ＭＣＯＳ（θabs）とＣＯＳ（θabs）が一致しない場合（Ｓ１０３：Ｎｏ）、参照するθabsを増加させたＭＳＩＮ（θabs）、ＭＣＯＳ（θabs）を読み出して（Ｓ１０５）、検知したＳＩＮ（θabs）及びＣＯＳ（θabs）と比較する（Ｓ１０３）。この処理は、ステップ１０３でＭＳＩＮ（θabs）とＳＩＮ（θabs）、ＭＣＯＳ（θabs）とＣＯＳ（θabs）が一致する（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）まで繰り返される。

このようにして、第１のホール素子２３２Ａ及び第３のホール素子２３２Ｃから出力される＋ＳＩＮ信号（ＳＩＮ（θabs））及び＋ＣＯＳ信号（ＣＯＳ（θabs））から１回転絶対角度としてのロータ１１の回転位置θabsを特定することができる。

ここでθabsは０から２π（ｒａｄ）までの１回転角度であり、ＳＩＮ（θabs）及びＣＯＳ（θabs）はθabsでの第１のホール素子２３２Ａ及び第３のホール素子２３２Ｃから出力される信号の大きさをデジタル変換したメモリデータであり、分解能はＡＤ（アナログデジタル）変換器の分解能により決定される。具体的にはＡＤ変換器が１０ビットでの分解能である場合、２π／１０２４がθabsの分解能となる。

また、ロータ軸位置検出部５１は、第１のホール素子２３２Ａの出力（＋ＳＩＮ）及び第２のホール素子２３２Ｂの出力（−ＳＩＮ）と、第３のホール素子２３２Ｃの出力（＋ＣＯＳ）及び第４のホール素子２３２Ｄの出力（−ＣＯＳ）とをそれぞれ加算した第１及び第２のロータ軸磁極角度信号Ｓ２Ａ（ＳＩＮ信号）、Ｓ２Ｂ（ＣＯＳ信号）をデジタル変換し、得られた第１及び第２のロータ軸磁極角度データＤ２Ａ、Ｄ２Ｂをソフトウェアサーボ部５０、相変換−進相制御部５２Ａに入力する。

本実施形態に係るセンサ・マグネット２３１は、ロータ軸１１ａに偏心した状態（偏心量：ｅ）で固定されているために、ロータ軸１１ａが１回転すると、第２のホール素子２３２Ｂ及び第４のホール素子２３２Ｄからも、それぞれ第１のホール素子２３２Ａ及び第３のホール素子２３２Ｃから出力される＋ＳＩＮ信号及び＋ＣＯＳ信号とは対称的に変化する−ＳＩＮ信号及び−ＣＯＳ信号が出力される。

そのために、第１のホール素子２３２Ａの＋ＳＩＮ信号及び第２のホール素子２３２Ｂの−ＳＩＮ信号と、第３のホール素子２３２Ｃの＋ＣＯＳ信号及び第４のホール素子２３２Ｄの−ＣＯＳ信号とをそれぞれ加算すると、偏心して回転することによる出力信号の変化を相殺してＳＩＮ信号及びＣＯＳ信号を得ることができる（図６（ｃ） 参照）。

そして、ロータ軸位置検出部５１は、第１及び第２のロータ軸磁極角度データＤ２Ａ、Ｄ２Ｂに基づいてロータ１１の磁極位置としての回転位置θｍを算出し、レジスタに格納すると共に相変換−進相制御部５２Ａに送出する。
回転位置θｍは、一例として図１１に示すフィードバック型トラッキング回路によって求めることができる。

（２．２）コイル駆動
ソフトウェアサーボ部５０は、レジスタに格納されたロータ１１の１回転絶対角度としての回転位置θabs及びロータ１１の磁極位置としての回転位置θｍと、上位装置から与えられる指定回転角度、指定回転速度又は指定回転トルクとに基づいて、目標とする回転トルク（以下、これを目標回転トルクと記す）Ｔ０を算出し、レジスタに格納する。

相変換−進相制御部５２Ａは、算出された目標回転トルクＴ０と、ロータ軸位置検出部５１から与えられるロータ１１の回転位置θｍとに基づいて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３にそれぞれ印加すべき駆動電流の電流値を表す第１〜第３の電流指令値Ｉｕ−ｒｅｆ、Ｉｖ−ｒｅｆ、Ｉｗ−ｒｅｆをそれぞれ算出し、電流指令部５２Ｂに送出する。

また電流制御部５２には、コイル駆動回路２２５の電流検出抵抗２２２により検出される第１〜第３の駆動電流検出信号Ｓ３Ａ〜Ｓ３Ｃをデジタル変換することにより得られる第１〜第３の駆動電流検出データＤ３Ａ〜Ｄ３Ｃが与えられる。

このようにして電流制御部５２は、第１〜第３の電流指令値Ｉｕ−ｒｅｆ、Ｉｖ−ｒｅｆ、Ｉｗ−ｒｅｆと、第１〜第３の駆動電流検出データＤ３Ａ〜Ｄ３Ｃとに基づいて第１〜第３の電流指令値Ｉｕ−ｒｅｆ、Ｉｖ−ｒｅｆ、Ｉｗ−ｒｅｆに対してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変調し、得られた第１〜第３のＰＷＭ信号Ｓ４Ａ〜Ｓ４Ｃをパワー基板２２０のコイル駆動回路２２５に送出する。

コイル駆動回路２２５においては、図７（ｂ）に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３にそれぞれ対応させて、２個のトランジスタＴＲ１及びＴＲ２を逆方向接続した回路と、同じく２個のトランジスタＴＲ３及びＴＲ４を逆方向接続した回路からなるフルブリッジ回路において、トランジスタＴＲ１及びＴＲ２の中間点とトランジスタＴＲ３及びＴＲ４の中間点をＵ相のコイル１３で接続している。Ｖ相、Ｗ相についても同様の回路により構成される。

図１２に示すように、電流指令値Ｉｕ−ｒｅｆが正の値であるときは、ＰＷＭパルス信号は、トランジスタＴＲ１及びＴＲ４のベース・ドライブを駆動し、電流指令値Ｉｕ−ｒｅｆが負の値であるときは、ＰＷＭパルス信号は、トランジスタＴＲ２及びＴＲ３のベース・ドライブを駆動する。

これによりコイル駆動回路２２５においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相毎に、第１〜第３のＰＷＭ信号Ｓ４Ａ〜Ｓ４Ｃを駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに変換し、これらをそれぞれ対応するＵ相、Ｖ相及びＷ相の各コイル１３に印加するようになされている。

なお、コイル駆動回路２２５においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３に供給する駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの大きさを電流検出抵抗２２２により検出し、検出結果を第１〜第３の駆動電流検出信号Ｓ３Ａ〜Ｓ３Ｃとして１チップマイクロコンピュータ２１１に送出するようになっている。

電流制御部５２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３に対して最大電流を流す指令を与える。従来の３相コイルのスター型若しくはデルタ型の結線方式コイル結線方式では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の総和電流量はゼロになる（キルヒホッフの法則）ため、駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの最大値が決まってしまう。
これに対し、本実施形態に係る３相独立結線方式によれば、各相のコイル電流を独立して制御することができるため、すべての相に最大電流を流す電流指令を与えることができる。この結果、高速回転時には、電流軸上に大電流を流すことができる。

また、このような３相独立結線方式を採用して、それぞれのコイル電流を独立して制御することができるので、各相のコイルに高調波を含む電流を流すことができる。図１３には、本実施形態に係るコイル電流波形（Ｕ相）とモータ・トルクの関係を従来例（図１３（ｂ） 参照）と比較して示している。
図１３（ａ）に示すように、３相独立結線方式でステータ１２のコイル１３を構成することにより、高速回転時において永久磁石の磁束により流れる高調波電流を考慮して、各相コイルに高調波を含む電流を流すことができる。すなわち、コイル電流を制御することにより補正トルクを発生させ、磁気の歪みに起因するコギング・トルク及びトルク変動を抑制することができる。

（３）サーボアクチュエータの作用・効果
本実施形態に係るサーボアクチュエータ１では、上位装置から与えられる指定回転角度、指定回転速度又は指定回転トルクに基づいて制御基板２１０の１チップマイクロコンピュータ２１１においてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３に印加すべき駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ の電流指令値Ｉｕ−ｒｅｆ、Ｉｖ−ｒｅｆ、Ｉｗ−ｒｅｆをそれぞれ算出し、算出した電流指令値Ｉｕ−ｒｅｆ、Ｉｖ−ｒｅｆ、Ｉｗ−ｒｅｆに基づくＰＷＭ信号Ｓ４Ａ〜Ｓ４Ｃをパワー基板２２０のコイル駆動回路２２５に送出する。
コイル駆動回路２２５は、供給されるＰＷＭ信号Ｓ４Ａ〜Ｓ４Ｃに基づいて駆動電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを生成し、これをＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３に印加してロータ１１を回転駆動する。
そして、ロータ１１の回転を制御する駆動制御部としての制御基板２１０及びパワー基板２２０が、ロータ１１や、各ステータ鉄心１２Ａ〜１２Ｆ及びコイル１３からなるステータ１２と筐体４０の内部に一体に収納されているため、外部との接続配線量を減少させることができると共に、サーボアクチュエータ１全体としての省配線化を図ることができる。

さらにサーボアクチュエータ１では、回転位置検出部２３０が、ロータ軸１１ａの出力軸３０と反対側の前端側に固着されたセンサ・マグネット２３１と、制御基板２１０に搭載された第１〜第４のホール素子２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄとから形成され、センサ・マグネット２３１は、ロータ１１のロータマグネット１１Ａと同じ４極に着磁され、ロータマグネット１１Ａと４５度の位相差でロータ軸１１ａに偏心した状態で固定されている。
第１〜第４のホール素子２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄは、ロータ軸１１ａと同心円上に、第１のホール素子２３２Ａ及び第２のホール素子２３２Ｂが１８０度対向し、かつ第３のホール素子２３２Ｃ及び第４のホール素子２３２Ｄがこれら第１〜第４のホール素子２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄと同じ方向に４５度位相がずれた位置に位置するように制御基板２１０に搭載されている。

これにより、ロータ軸１１ａが１回転すると、ロータ軸１１ａと同心円上に配置された第１のホール素子２３２Ａ及び第３のホール素子２３２Ｃから出力される＋ＳＩＮ信号（ＳＩＮ（θabs））及び＋ＣＯＳ信号（ＣＯＳ（θabs））は、ロータ軸１１ａの回転角度によりその大きさが変化する。
係る変化する＋ＳＩＮ信号（ＳＩＮ（θabs））及び＋ＣＯＳ信号（ＣＯＳ（θabs））を予めメモリに記憶された回転位置に対する値（ＭＳＩＮ（θabs）、ＭＣＯＳ（θabs））と比較することにより、１回転絶対角度としてのロータ１１の回転位置θabsを算出することができる。

また、第１のホール素子２３２Ａの＋ＳＩＮ信号及び第２のホール素子２３２Ｂの−ＳＩＮ信号と、第３のホール素子２３２Ｃの＋ＣＯＳ信号及び第４のホール素子２３２Ｄの−ＣＯＳ信号とをそれぞれ加算すると、偏心して回転することによる出力信号の変化を相殺してＳＩＮ信号及びＣＯＳ信号を得ることができ、ロータ１１の磁極位置としての回転位置θｍを算出することができる。
これにより、小型で低価格の１回転絶対角度を検出できる回転位置検出部２３０を備えたサーボアクチュエータ１を構築することができる。

サーボアクチュエータ１では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３は、相間を結線することなく独立して配線された３相独立結線方式を採用し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイル１３に対する電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、互いの干渉なく独立して制御するようにしている。そのために、すべての相に最大電流を流す電流指令を与えることができる。この結果、高速回転時には、電流軸上に大電流を流すことができ、最大限のトルクを発生し小型化を実現することができる。
また、高速回転時において永久磁石の磁束により流れる高調波電流を考慮して、各相コイル１３に高調波を含む電流を流すことができ、従来利用されなかった磁束の高調波成分を加えた補正トルクを発生させ、磁気の歪みに起因するコギング・トルク及びトルク変動を抑制することができる。

以上、本発明に係る実施形態を詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で種々の変更を行うことが可能である。

本実施形態においては、ロータマグネット１１Ａを４極に着磁するようにした場合について述べたが、これに限らず、例えば８極やこれ以外の極数に着磁するようにしても良い。そして、ロータマグネット１１Ａを８極に着磁した場合には、センサ・マグネット２３１も同数の８極とし、ホール素子は２２．５度に配置することでより高トルクで脈動の少ないサーボアクチュエータとすることができる。

１・・・サーボアクチュエータ
１０・・・モータ部
１１・・・ロータ
１１Ａ・・・ロータマグネット
１１ａ・・・ロータ軸
１２・・・ステータ
１３・・・コイル
２０・・・制御部
２１０・・・制御基板
２１１・・・１チップマイクロコンピュータ
２２０・・・パワー基板
２２１・・・パワーＦＥＴ
２２２・・・電流検出抵抗
２２５・・・コイル駆動回路
２３０・・・回転位置検出部
２３１・・・センサ・マグネット
２３２Ａ、２３２Ｂ、２３２Ｃ、２３２Ｄ・・・ホール素子
３０・・・出力軸
４０・・・筐体

Claims (5)

1. 回転軸回りに永久磁石界磁を備えた回転子と、
   前記永久磁石界磁に対向配置され１２０度位相差で配置された極歯を有する固定子と、
   前記固定子の各極歯にコイルを設けて相間を結線することなく独立して配線されたコイル結線手段と、
   前記コイルの通過電流を各相独立してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）スイッチング制御して回転子の回転を制御する駆動制御部と、
   前記回転子の回転位置を検出する回転位置検出部と、
   前記駆動制御部並びに前記回転位置検出部を収容し、前記回転子を前記回転軸回りに回転可能に支持する筐体と、を備えた、
   ことを特徴とするサーボアクチュエータ。
2. 前記回転位置検出部は、外周に多極着磁処理が施され前記回転子の一端面に前記回転軸と偏心して取り付けられた回転子センサ・マグネットと、前記回転子センサ・マグネットと対向する部位に前記回転軸と略同心円上に略１８０度の位相差を以って配設され、磁束密度の大きさを検出する第１の回転位置センサ及び第２の回転位置センサと、前記第１の回転位置センサ及び前記第２の回転位置センサと同方向に略４５度の位相差を以って配設され、磁束密度の大きさを検出する第３の回転位置センサ及び第４の回転位置センサと、を備えた、
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボアクチュエータ。
3. 前記回転子センサ・マグネットは、前記永久磁石界磁と同数の磁極を有する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のサーボアクチュエータ。
4. 前記第１の回転位置センサにより出力される＋ｓｉｎ信号及び前記第３の回転位置センサにより出力される＋ｃｏｓ信号に基づいて前記回転子の１回転絶対角度を算出する、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のサーボアクチュエータ。
5. 前記第１の回転位置センサにより出力される＋ｓｉｎ信号及び前記第２の回転位置センサにより出力される−ｓｉｎ信号を加算したｓｉｎ信号、前記第３の回転位置センサにより出力される＋ｃｏｓ信号及び前記第４の回転位置センサにより出力される−ｃｏｓ信号を加算したｃｏｓ信号に基づいて前記回転子の磁極位置を算出する、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のサーボアクチュエータ。

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