JP4517058B2 - Micro servo motor unit - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡などの医療機器やマイクロマシンなどに利用されるマイクロモータに関するものであり、より詳細には、ユニット外径φ3mm以下で回転位置、回転方向、回転速度制御を行うことができるマイクロサーボモータユニットに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、エンコーダ付きサーボモータでは、モータの反出力軸側に付属のエンコーダを取り付け、エンコーダから得られる情報にしたがってモータの回転数、回転方向、回転位置などを制御することが一般に行われている。エンコーダには、その出力信号形式から、絶対的な回転量を検出するアブソリュート型と、相対的な回転量を出力するインクリメンタル型とがある。
【0003】
この2つの方式のうち、小型DCモータの制御には、インクリメンタル型が用いられる例が多く、また、後述するようにインクリメンタル型エンコーダには、リラクタンス式、光学式、磁気記録式がある。
【0004】
図6は、従来におけるソフトウェアサーボのシステム構成を示すブロック図である。ここでは、直流電源に4個のトランジスタからなるH形ドライバ1が接続されており、このH形ドライバ1の出力はDCモータ2に結線されている。またDCモータ2の軸にはエンコーダ3が直結され、エンコーダ3の2相出力がパスル発生器4に入力される構成になっている。
【0005】
さらに速度検出器5は、零クリア付きのカウンタによって構成され、一定時間ごとに零クリアし、次の零クリアの直前の値、すなわちサンプリングタイムの間のカウント値をもって速度フィードバック値とし、マイコンシステム7にフィードバックする構成となっている。
【0006】
また位置検出器6は、アップダウンカウンタにより構成され、パルス発生器4のup/downのパルス信号にしたがってアップダウンすることによりDCモータ2の回転位置を検出し、位置フィードバック値とし、マイコンシステム7にフィードバックする構成となっている。
なお、後述する符号8はユーザ指令部、符号9はPWM回路、符号10はプリドライブ回路である。
【0007】
また図7は、パルス発生器4の入出力信号を示すタイミングチャートであり、エンコーダは図示されるように、通常2相になっており、互いに90度の位相差をもつ矩形波を出力する。この立ち上がり、立ち下がりに同期してエンコーダのA相がB相より、進むときにupパルスを、反対のときにdownパルスを、それぞれ発生する。そして、このup/downパルスが速度検出器5あるいは位置検出器6に入力され、速度フィードバック値、位置フィードバック値をマイコンシステム7に供給する。絶対位置を知るには、さらにZ相を設け、そこからのパルス数をカウントする。
【0008】
一方、ユーザ指令部8からは原点復帰、速度制御、位置制御などの指令がマイコンシステム7に入力され、上記速度フィードバック値や位置フィードバック値を用いて演算処理を行ない、デューティ値としてデジタル量でPWM回路9に伝達される。このPWM回路9ではデューティ値をパルス幅変調し、トランジスタのON/OFF信号としてプリドライブ回路10で信号増幅し、最終段のトランジスタを駆動する。
【0009】
上述したように、エンコーダがソフトウェアサーボに利用されるのは、速度、回転方向、回転位置の3種類の情報を検出できるからである。
【0010】
図8にインクリメンタル型における各種エンコーダの例を示す。図において(a)はリラクタンス式エンコーダで、磁性体歯車11が回転し、その凹凸によって磁気抵抗素子12の抵抗値が変化し、これをコンパレータ13で検出するものである。
【0011】
また(b)は光学式エンコーダで、発光ダイオード14とフォトトランジスタ15間に回転ディスク16と固定ディスク17を配置させ、モータ軸に直結した回転ディスク16と固定ディスク17に設けられたスリットの開閉により、フォトトランジスタ15の出力電圧が変化し、これをコンパレータ13で出力するものである。
【0012】
また(c)は磁気記録式エンコーダで、モータ軸に取り付けられた磁気記録媒体が塗布された回転ドラム18と固定側の磁気センサ19により、シャフトの回転に合わせ磁気センサ19の抵抗値が変化し、これをコンパレータ13で出力し、一定角度ごとにパルスを発生する。
これらの方式のうち、一般には光学式のエンコーダが多く用いられていた。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示されるような従来型のエンコーダを用いた小型モータにあっては、いずれのエンコーダ方式を採用したとしても、必ずモータの回転軸の一端に円板状の回転ディスクあるいは回転ドラムというように、軸端に出力軸より突出した部品(付属の回転体)を取り付ける構造であったため、超小型モータにこの構造を採用するには、以下のような問題点があった。
【0014】
すなわち、回転数、回転方向、回転位置の3種類の情報を検出するには、A,B,Z相の3相分の情報を得るための3組のパターンセンサ対が必要となる。しかし、モータ外径寸法が、たとえばφ3mm以下という超小型のエンコーダ付きモータの場合、A,B,Z相の全てを検出する配置構成ではスペース的に極めて困難であった。
【0015】
また、このような小型モータでは、小径化が進むにしたがって、出力トルク、機械的剛性が減少し、上述したような回転ディスクあるいは回転ドラムなどの付加回転体を、たとえば外径φ0.3mmといった極小径のモータ軸に取り付けると、ロータ慣性モーメントの増加にともない、駆動の応答性が著しく低下し、上記付属回転体の取り付け精度、あるいは回転体自体の加工精度に起因するロータの動的アンバランスが増加するため、少なからずモータ出力軸の振れ量および軸受損失の増加を招来させてしまう。
【0016】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータが外径φ3mm以下の超小型であっても、応答性能の劣化を回避させ、かつモータ出力軸の振れ量や軸受損失の増加を阻止すると共に、回転数、回転方向、回転位置の情報を全て取得可能にすることを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1に係るマイクロサーボモータユニットにあっては、共に外径φ3mm以下である電磁モータと減速手段と光学エンコーダとからなる超小型のマイクロモータと、そのドライバとからなるマイクロサーボモータユニットにおいて、
前記電磁モータと、所定の減速比で減速する前記減速手段と、前記電磁モータの反出力軸側に、該軸外径より突出しない状態で、光を反射する反射面を軸の一部に設け、前記出力軸の回転時に、前記反射面に対して投光し、その反射光を受光し、光のON/OFF信号でZ相出力する前記光学エンコーダと、前記電磁モータを駆動する正/逆転の切り換え機能、および前記電磁モータ回転時に発生する逆起電圧あるいはコイル電流の変化に同期したパルス信号を出力する機能を有するドライバと、を備えるものである。
【0018】
この発明によれば、たとえば外径φ3mm程度、またはそれ以下の超小型の電磁モータであっても、反出力軸側に出力軸の外径より突出する凸形状とならない貫通孔または軸端の一部に反射面を設け、出力軸の回転時に、前記部分に光を照射し、その透過光または反射光を受光してZ相の信号を取得する構成とすることにより、極細径のモータ軸の動きからZ相信号(絶対原点)を取得することができ、さらに、ドライバの回転方向切り換え機能にて、能動的に軸を正/逆転させることにより回転方向が把握でき、かつ同ドライバの電磁モータの逆起電圧あるいはコイル電流の変化に同期したパルス信号出力と前記Z相信号とを用いることにより、回転数および回転位置の検出が可能となる。また、エンコーダ機能を果たす回転体部分を、出力軸の外径より突出した凸形状とならないように設けることにより、従来の回転ディスクや回転ドラムを付加して用いた取り付け方式に比べ、慣性モーメントの増加を皆無なまでに解消することが可能となる。
【0020】
また、たとえば外径φ3mm程度、又はそれ以下の超小型の電磁モータであっても、そのモータ出力軸側に、Z相出力用の光学エンコーダを備えたことにより、回転位置を制御するためのZ相信号を得ることが可能となる。
【0021】
また、この発明によれば、電磁モータの出力軸に、たとえば遊星歯車ギヤ群により、所定の減速比で減速する減速手段を設けることにより、サーボモータ出力軸(減速手段の出力軸)の動きに対するFGパルス出力数が増加し、より高精度な制御ができる。
【0022】
また、この発明のマイクロサーボモータユニットにあっては、前記電磁モータおよび前記エンコーダおよび減速手段は、外径φ3mm以下とするものであり、内視鏡などの医療機器やマイクロマシンなどに利用されるサーボモータ寸法は、必然的に外径φ3mm以下が最も適している。
【0023】
また、請求項2にかかるマイクロサーボモータユニットにあっては、前記エンコーダは、前記電磁モータの反出力軸側に該軸外径より突出しない状態で形成した部分的な反射面と、前記出力軸と同一軸に設けられ、発光源からの光を前記反射面に導く光ファイバーと、前記光ファイバーによって投光されて前記反射面で反射された光を受光する受光手段と、から構成されるものである。
【0024】
この発明によれば、たとえば電磁モータの反出力軸側のモータ回転軸の端部を傾斜面にカットして反射面を形成し、その反射面に光ファイバーを介して軸方向から光を照射し、モータ軸の回転に伴って反射方向が回転し、反射光を円周方向に配置した受光手段によって光を検出する構成のマイクロエンコーダとすることにより、特別に付属する回転体を、軸径より突出して設ける必要がなくなるので、慣性モーメントの増加を解消した超小型のエンコーダが実現する。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるマイクロサーボモータユニットの好適な実施の形態について図面を参照し、詳細説明する。
なお、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、構造は一例とする。
【0030】
図1は、本発明の実施の形態にかかるマイクロサーボモータユニットの構成を示すブロック図である。図において、符号100はたとえば三相センサレスブラシレスモータなどの電磁モータ、また符号110は後述するようにZ相出力を行なうために設けられた光学式エンコーダ、また符号120は電磁モータ100を駆動するドライバ、また符号121は正/逆転の切り換えを行なう正/逆転切換部、また符号122は電磁モータの回転時に発生する逆起電圧の変化に同期したFG(Frequency Generator)パルスを生成し出力するモータ逆起電圧FGパルス出力部、さらに符号130は直流電源である。
【0031】
また、符号101はU相出力ライン、符号102はV相出力ライン、符号103はW相出力ライン、符号104はステータコイル中点のライン、符号105はエンコーダ用電源ライン、符号106はエンコーダ110からのZ相信号ラインである。さらに符号107は、回転方向を指令するための正/逆転切換端子で、通常HレベルかLレベル(あるいはオープン)かで正/逆転が切り換わる。また符号108は逆起電圧の変化に同期したパルス信号を出力するためのFGパルス出力端子、符号109は絶対原点であるZ相信号を出力するためのZ相パルス出力端子であり、それぞれ制御用に用いられる。
【0032】
この三相センサレスブラシレスモータは、通常の三相ブラシレスモータがホール素子などの磁極センサで磁極、つまりロータ位置を検出する構成に対し、ステータコイルに発生する逆起電圧を検出することによりロータの位置を把握する構成である。モータの逆起電圧FGパルス出力部122は電磁モータ100の逆起電圧の変化に同期させた矩形のFGパルスを発生させ、FGパルス出力端子108から出力する。
【0033】
すなわち、ロータ磁極がコイルを横切ると同コイルに逆起電圧が発生するので、そこでこの逆起電圧の変化を利用し、その変化に同期したFGパルスを発生させることにより、回転数を検出することが可能となる。
【0034】
たとえば、ロータマグネットが2極でステータコイル1つを監視する構成の場合、一回転当たり1つの短形FGパルスが出力され、またあるいは、ロータマグネットが4極でステータコイル3つを監視する構成の場合、一回転当たり6つのFGパルスが出力される。よってここでサンプリングタイムの間のパルス数をカウントすることにより、回転数が把握できる。
【0035】
また、前記Z相パルス出力端子から出力されるZ相信号を用い、そこからのFGパルス数をカウントすることにより、回転位置が把握できる。なお、この周波数信号(パルス)を、外付けのF/V変換器(図示せず)で電圧信号に変換し、アナログの速度信号として用いることもできる。
【0036】
以上のように、本発明によれば、外径φ3mm以下の極細径のサーボモータでありながら、3相(A・B・Z相)出力エンコーダを全て搭載した場合と同じ制御、つまり速度、回転方向、回転位置全てを制御することが可能となる。
【0037】
次に、エンコーダ110の具体例について説明する。図2は、本発明の実施の形態にかかるエンコーダ110の第1の構成例を示す説明図である。図において符号111はモータ軸、符号111aはモータ軸111に直交する状態で設けられた小径の貫通孔、符号113はLED(発光ダイオード),LD(レーザダイオード)などを用いた発光源、また符号114はフォトトランジスタなどの受光素子を用いた受光センサ、また符号115はそれらを結ぶ回路基板である。
【0038】
なお、発光源113と受光センサ114との組み合わせは、発光ダイオードとフォトトランジスタ、発光ダイオードとフォトIC、レーザダイオードとフォトIC、などいずれであってもよい。また、発光源113と受光センサ114とを一体的にコの字型の構成にし、その間の光軸上に貫通孔111aがくるようにモータ軸111を配置する。
【0039】
図3にエンコーダとして利用するモータ軸111の一端の状態を示す。図3における(a)は貫通孔タイプ、また同(b)はスリットタイプの形状をそれぞれ示している。この実施の形態では、電磁モータ100の外径がφ2mm程度で、そのモータ軸111の外径はφ0.3mmとなっており、貫通孔111aの径およびスリット111bの幅は、φ0.15mmおよび0.15mmとした。なお本実施例の形態では、貫通孔111a、スリット111bを、ビーム直径10μm程度の加工が可能なレーザ加工機の微細加工によって形成し、前記貫通孔111aの径およびスリット111bの幅は、ほぼモータ軸111の外径の二分の一とした。この設定は任意であり、多少の寸法変更は機能的な問題がない限り、限定されるものではない。
【0040】
なお、これらの貫通孔111a,スリット111bをモータ軸111の外径寸法に対して突出しないように設けることによって、径方向のマス増大にともなう慣性モーメントの増加を解消することができた。
【0041】
このようにモータ軸111に貫通孔111aあるいはスリット111bを設け、これに対応する円周上の位置に発光源113を設け、貫通孔111aあるいはスリット111bを通過した発光源113からの光を受光する位置、すなわち、発光源113と対向する円周上の位置に受光センサ114を設ける。
【0042】
このようなエンコーダの構成とすることにより、発光源113から出力された光が、モータ軸111の回転により、貫通孔111aあるいはスリット111bを透過/遮断され、光のON/OFF信号として受光センサ114に入力される。この受光センサ114の出力をZ相入力端子に入力し、Z相パルス出力端子109からZ相パルスが出力される。
【0043】
図4は、本発明の実施の形態にかかるエンコーダの第2の構成例を示す説明図である。この図4に示すエンコーダは、反出力側のモータ軸111の先端に、45度傾斜の反射面111cを形成させ、光軸がモータ軸111と同軸となるように発光源に繋がれた光ファイバー116を設けると共に、反射面111cと径方向に対向配置した受光センサ114を設けた構成となっている。また、使用形態によっては、光ファイバー116と受光センサ114とを入れ替えた配置としてもよい。なお、反射面111cは、所定の角度にカットした後、そのカット面を鏡面加工を行なうことで形成されている。
【0044】
また光ファイバー116は、2つの異なった屈折率をもつ種類の物質から構成されており、たとえば被覆線の外径φ1mm程度で、コア部(光の信号を通す芯の部分)の直径φ5〜7μm、コアの周囲となるクラッド部の直径φ125μm、のものを用いたが、これに限定されることはない。
【0045】
以上のように構成されたエンコーダは、モータの回転により傾斜状の反射面111cが回転し、光ファイバー116からの光を受光センサ114に導くこととなる。図示の位置に反射面111cがくると光ファイバー116からの光が受光センサ114で受光されるが、他の位置の場合には受光センサ114への入力が行われないので、軸の回転により受光/遮光が繰り返され、光のON/OFF信号が得られる。
【0046】
したがって、モータ外径φ3mm以下の極小スペースであっても、図2あるいは図4に示したようなエンコーダの構成とすることにより、Z相を検出するマイクロエンコーダが実現する。また、モータ軸111に、従来のように回転ディスクや回転ドラムといった付属の回転体を取り付ける必要がないため、ロータ慣性モーメントの増加にともなう応答性の低下や、前記付属回転体の取り付け精度あるいは回転体自体の加工精度に起因したロータの動的アンバランスの増加に伴う出力軸(モータ軸)のすりこぎ状の動きが抑制されるので、振れまわりおよび軸受損失の増加を解消することができる。
【0047】
次に図5は、本発明の実施の形態にかかるエンコーダ付きモータの組み合わせ例を示す、第3の減速機構付の構成例の説明図である。これは上述した電磁モータ100に減速機構を取り付けた場合を示しており、(a)は側面外観図、および(b)はギヤボックス140部分のA-A断面図を示している。すなわち、モータ出力軸側に、ギヤボックス140などの減速機構を取り付けたギヤードモータとし、減速およびトルクの増大を図る構造のものである。
【0048】
ここでは、減速機構として、3個の遊星ギヤ141がモータ出力軸に取り付けられたピニオンギヤ142に歯合して減速する遊星歯車式減速装置を採用しているが、この他にも構造上スペースが許容される場合には、通常の平歯車による減速機構あるいはウォームとウォームホイール減速機構などを用いてもよい。
【0049】
たとえば、電磁モータ100として、図1で説明した三相センサレスブラシレスモータに、ギヤ比79:1の減速機構のギヤボックス140を取り付ける。この場合、三相センサレスブラシレスモータ軸、一回転当たり1つのFGパルスが出力されるとすると、サーボモータ出力軸(ギヤ出力軸)とFGパルスとの関係は、以下の通りとなる。
【0050】
すなわち、ギヤボックスがない(減速機構がない)場合には、ブラシレスモータが一回転すると1パルスを出力するのに対し、ギヤ比79:1の減速機構の減速機構を設けた場合には、サーボモータ出力軸(減速手段の出力軸)の一回転当たり、79パルスが出力されることとなる。電磁モータ単体であっても減速機構を搭載したギヤードモータであっても、負荷に回転力を伝達する一つのサーボモータと言える。よって、サーボモータ出力軸一回転当たりに出力されるFGパルス数が増加し、分解能を向上させることができる。
【0051】
なお、この実施の形態では、外径φ2mmの三相センサレスブラシレスモータ100と外径φ2.4mmのギヤボックス140およびエンコーダ110部を例にとって説明したが、電磁モータであれば、本発明を他のいずれのタイプの超小型モータにも適用することができるのは、言うまでもない。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るマイクロサーボモータユニットによれば、たとえば外径φ3mm以下の超小型電磁モータの反出力軸側に、従来付属するエンコーダ回転体の代わりに、出力軸の外径寸法より突出形状とならない反射面を設け、軸回転時に、上記反射面に光を照射し、その透過光または反射光を受光してZ相の信号を取得するため、極細径のモータ軸のエンコーダから絶対原点を把握することができる。
【0053】
さらに、ドライバの回転方向切り換え機能にて、能動的に正/逆転されることにより回転方向が把握でき、かつ同ドライバの電磁モータの逆起電圧あるいはコイル電流の変化に同期したパルス信号を発生させることにより、超小型の電磁モータであっても、回転方向および回転数を検出することができる。
【0054】
また、エンコーダ部分の回転体を出力軸の外径より凸形状とならないように設けることにより、従来の回転ディスクや回転ドラムを用いたエンコーダ方式に比べて、回転体などの付加突起部分を設けていないので、慣性モーメントの増加が解消されると共に、応答性能の低下が回避され、かつモータ出力軸の振れ量や軸受損失の増加を阻止することができる。
【0055】
また、本発明に係るマイクロサーボモータユニットによれば、極細径の出力軸に慣性(イナーシャ)の大きい検出体を回転させる必要がなくなり、出力軸のすりこぎ運動といった好ましくない現象を解消し、慣性モーメントの増加がなくなるので、応答性能の低下を回避させると共にモータ出力軸の振れ量や軸受損失の増加を阻止することができる。
【0056】
また、本発明に係るマイクロサーボモータユニットによれば、サーボモータ出力軸(減速手段の出力軸)の動きに対するFGパルス数が増加するため、分解能を向上させることができ、制御性を向上されることが可能になる。
【0057】
また、本発明に係るマイクロサーボモータユニットによれば、電磁モータおよびエンコーダおよび減速手段を、外径φ3mm以下とすることにより、内視鏡などの医療機器やマイクロマシンに搭載可能となる。
【0058】
また、本発明に係るマイクロサーボモータユニットによれば、たとえば電磁モータの出力軸がφ0.3mmのような極細径であっても、比較的簡単な部品構成で超小型のエンコーダが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係るマイクロサーボモータユニットの構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の実施の形態に係るエンコーダの第1の構成例を示す説明図である。
【図3】図2におけるエンコーダ出力軸の形状例を示す説明図である。
【図4】本発明の実施の形態に係るエンコーダの第2の構成例を示す説明図である。
【図5】本発明の実施の形態に係る減速機構付マイクロサーボモータの構成例を示す説明図である。
【図6】従来におけるソフトウェアサーボのシステム構成を示すブロック図である。
【図7】図6におけるパルス発生器の入出力信号を示すタイミングチャートである。
【図8】インクリメンタル型エンコーダの各種例を示す説明図である。
【符号の説明】
100 電磁モータ
110 エンコーダ
111 モータ軸
111a 貫通孔
111b スリット
111c 反射面
113 発光源
114 受光センサ
120 ドライバ
121 正/逆転切換部
122 モータ逆起電圧FGパルス出力部
140 ギヤボックス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a micromotor used for medical devices such as endoscopes and micromachines, and more specifically, the rotational position, rotational direction, and rotational speed can be controlled with a unit outer diameter of 3 mm or less. The present invention relates to a micro servo motor unit.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a servo motor with an encoder, an attached encoder is attached to the non-output shaft side of the motor, and the rotation speed, rotation direction, rotation position, etc. of the motor are generally controlled according to information obtained from the encoder. . There are two types of encoders: an absolute type that detects an absolute rotation amount based on its output signal format, and an incremental type that outputs a relative rotation amount.
[0003]
Of these two methods, an incremental type is often used to control a small DC motor, and as will be described later, there are a reluctance type, an optical type, and a magnetic recording type as an incremental type encoder.
[0004]
FIG. 6 is a block diagram showing a system configuration of a conventional software servo. Here, an H-
[0005]
Furthermore, the
[0006]
The
Reference numeral 8 described later is a user command unit,
[0007]
FIG. 7 is a timing chart showing input / output signals of the
[0008]
On the other hand, commands such as return to origin, speed control, position control, etc. are input from the user command section 8 to the
[0009]
As described above, the encoder is used for software servo because it can detect three types of information: speed, rotation direction, and rotation position.
[0010]
FIG. 8 shows examples of various encoders in the incremental type. In the figure, (a) is a reluctance encoder in which the
[0011]
(B) is an optical encoder, in which a rotating
[0012]
(C) is a magnetic recording encoder, and the resistance value of the
Of these methods, optical encoders are generally used in many cases.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a small motor using a conventional encoder as shown above, no matter which encoder method is adopted, a disk-shaped rotating disk or rotating drum is always attached to one end of the rotating shaft of the motor. As described above, since the component (attached rotating body) protruding from the output shaft is attached to the shaft end, there are the following problems in adopting this structure in the micro motor.
[0014]
That is, in order to detect the three types of information of the rotation speed, the rotation direction, and the rotation position, three pairs of pattern sensors for obtaining information for the three phases A, B, and Z are required. However, in the case of an ultra-compact motor with an encoder having a motor outer diameter of, for example, φ3 mm or less, it is extremely difficult in terms of space with an arrangement configuration that detects all of the A, B, and Z phases.
[0015]
Further, in such a small motor, the output torque and mechanical rigidity decrease as the diameter decreases, and an additional rotating body such as a rotating disk or a rotating drum as described above can be connected to a pole having an outer diameter of φ0.3 mm, for example. When it is mounted on a small-diameter motor shaft, the drive responsiveness decreases significantly as the rotor inertia increases, and the dynamic unbalance of the rotor due to the mounting accuracy of the attached rotating body or the processing accuracy of the rotating body itself is reduced. Therefore, the amount of vibration of the motor output shaft and the bearing loss are increased.
[0016]
The present invention has been made in view of the above, and even if the motor is an ultra-compact with an outer diameter of 3 mm or less, it prevents deterioration of response performance and increases the amount of runout of the motor output shaft and bearing loss. In addition to blocking, the object of the present invention is to make it possible to obtain all information on the rotational speed, the rotational direction, and the rotational position.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the micro servo motor unit according to
Provided on the part of the shaft is a reflecting surface that reflects light in a state of not projecting from the outer diameter of the shaft on the side opposite to the output shaft of the electromagnetic motor , the speed reduction means that decelerates at a predetermined reduction ratio. When the output shaft rotates, the optical encoder that projects light on the reflecting surface, receives the reflected light, and outputs the Z phase in response to the light ON / OFF signal, and forward / reverse driving the electromagnetic motor. And a driver having a function of outputting a pulse signal synchronized with a change in counter electromotive voltage or coil current generated when the electromagnetic motor rotates.
[0018]
According to the present invention, even for an ultra-small electromagnetic motor having an outer diameter of about 3 mm or less, for example, a through hole or a shaft end that does not have a convex shape projecting from the outer diameter of the output shaft to the opposite output shaft side. A reflection surface is provided on the part, and when the output shaft rotates, the part is irradiated with light, and the transmitted light or reflected light is received to obtain a Z-phase signal. The Z-phase signal (absolute origin) can be acquired from the movement, and the rotation direction can be grasped by actively rotating the axis forward / reversely with the driver rotation direction switching function. By using the pulse signal output synchronized with the back electromotive voltage or the change of the coil current and the Z-phase signal, the rotational speed and the rotational position can be detected. In addition, by providing the rotating part that performs the encoder function so that it does not protrude from the outer diameter of the output shaft, the moment of inertia can be reduced compared to the conventional mounting method using a rotating disk or rotating drum. It is possible to eliminate the increase without any increase.
[0020]
Further, for example, an outer diameter of about .phi.3 mm, or less even tiny electromagnetic motor, its motor output shaft side, by providing an optical encoder for Z-phase output, Z for controlling the rotational position A phase signal can be obtained.
[0021]
According to the present invention, the output shaft of the electromagnetic motor is provided with a speed reduction means for reducing the speed with a predetermined reduction ratio by, for example, a planetary gear group, so that the movement of the servo motor output shaft (the output shaft of the speed reduction means) is prevented. The number of FG pulse outputs increases, enabling more accurate control.
[0022]
In the micro servo motor unit of the present invention, the electromagnetic motor, the encoder, and the speed reducing means have an outer diameter of 3 mm or less, and are used for medical devices such as endoscopes, micro machines, and the like. The most suitable motor dimension is inevitably an outer diameter of 3 mm or less.
[0023]
In the micro servo motor unit according to
[0024]
According to this invention, for example, the end of the motor rotation shaft on the side opposite to the output shaft of the electromagnetic motor is cut into an inclined surface to form a reflecting surface, and the reflecting surface is irradiated with light from the axial direction via the optical fiber, The reflection direction rotates with the rotation of the motor shaft and the micro-encoder is configured to detect the light by the light receiving means arranged in the circumferential direction of the reflected light. Therefore, an ultra-small encoder that eliminates the increase in moment of inertia is realized.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of a micro servo motor unit according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
In addition, this invention is not limited to this embodiment, A structure is taken as an example.
[0030]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a micro servo motor unit according to an embodiment of the present invention. In the figure,
[0031]
[0032]
This three-phase sensorless brushless motor has a configuration in which a normal three-phase brushless motor detects a magnetic pole, that is, a rotor position by a magnetic pole sensor such as a hall element, and detects the position of the rotor by detecting a counter electromotive voltage generated in a stator coil. It is the composition which grasps. The back electromotive voltage FG
[0033]
In other words, when the rotor magnetic pole crosses the coil, a counter electromotive voltage is generated in the coil. Therefore, the rotation speed is detected by generating a FG pulse synchronized with the change using the change in the counter electromotive voltage. Is possible.
[0034]
For example, when the rotor magnet is configured to monitor one stator coil with two poles, one short FG pulse is output per rotation, or the rotor magnet is configured to monitor three stator coils with four poles. In this case, 6 FG pulses are output per rotation. Therefore, the number of rotations can be grasped by counting the number of pulses during the sampling time.
[0035]
Further, the rotational position can be grasped by using the Z-phase signal output from the Z-phase pulse output terminal and counting the number of FG pulses from the Z-phase signal. The frequency signal (pulse) can be converted into a voltage signal by an external F / V converter (not shown) and used as an analog speed signal.
[0036]
As described above, according to the present invention, the control is the same as when all three-phase (A / B / Z-phase) output encoders are mounted, that is, the speed and the rotation, even though the servo motor has an outer diameter of 3 mm or less. It is possible to control all directions and rotational positions.
[0037]
Next, a specific example of the
[0038]
The combination of the
[0039]
FIG. 3 shows a state of one end of a
[0040]
By providing these through
[0041]
In this way, the
[0042]
With such an encoder configuration, the light output from the
[0043]
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a second configuration example of the encoder according to the embodiment of the present invention. In the encoder shown in FIG. 4, a
[0044]
The
[0045]
In the encoder configured as described above, the inclined reflecting
[0046]
Therefore, even in a very small space with a motor outer diameter of 3 mm or less, a micro-encoder that detects the Z phase is realized by adopting the encoder configuration as shown in FIG. 2 or FIG. In addition, since there is no need to attach an attached rotating body such as a rotating disk or a rotating drum to the
[0047]
Next, FIG. 5 is explanatory drawing of the structural example with a 3rd reduction mechanism which shows the example of a combination of the motor with an encoder concerning embodiment of this invention. This shows a case where a speed reduction mechanism is attached to the
[0048]
Here, a planetary gear type reduction gear is used as a reduction mechanism, in which three
[0049]
For example, as the
[0050]
That is, when there is no gearbox (no speed reduction mechanism), one pulse is output when the brushless motor makes one revolution, whereas when a speed reduction mechanism with a gear ratio 79: 1 is provided, the servo is 79 pulses are output per rotation of the motor output shaft (output shaft of the speed reduction means). Whether it is a single electromagnetic motor or a geared motor equipped with a speed reduction mechanism, it can be said to be one servo motor that transmits rotational force to a load. Therefore, the number of FG pulses output per rotation of the servo motor output shaft increases, and the resolution can be improved.
[0051]
In this embodiment, the three-phase
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the micro servo motor unit according to the present invention, for example, the outer diameter of the output shaft instead of the encoder rotating body conventionally attached to the non-output shaft side of the ultra-small electromagnetic motor having an outer diameter of φ3 mm or less. A reflection surface that does not protrude from the dimensions is provided, and when the shaft rotates, the reflection surface is irradiated with light, and the transmitted light or reflected light is received to obtain a Z-phase signal. From the absolute origin can be grasped.
[0053]
In addition, the rotation direction switching function of the driver can grasp the rotation direction by actively performing forward / reverse rotation, and generate a pulse signal synchronized with the back electromotive voltage or coil current change of the driver's electromagnetic motor. Thus, even in an ultra-small electromagnetic motor, the rotation direction and the rotation speed can be detected.
[0054]
Also, by providing the encoder part rotating body so that it does not have a convex shape from the outer diameter of the output shaft, an additional protrusion such as a rotating body is provided compared to the conventional encoder system using a rotating disk or rotating drum. Therefore, an increase in the moment of inertia is eliminated, a decrease in response performance is avoided, and an increase in runout of the motor output shaft and an increase in bearing loss can be prevented.
[0055]
In addition, according to the micro servo motor unit of the present invention, it is not necessary to rotate a detection body having a large inertia on the output shaft having a very small diameter, and an undesirable phenomenon such as a repetitive motion of the output shaft is eliminated. Since there is no increase in the moment, it is possible to avoid a decrease in response performance and to prevent an increase in the amount of vibration of the motor output shaft and an increase in bearing loss.
[0056]
Further, according to the micro servo motor unit of the present invention, the number of FG pulses with respect to the movement of the servo motor output shaft (the output shaft of the speed reduction means) increases, so that the resolution can be improved and the controllability can be improved. It becomes possible.
[0057]
Further, according to the micro servo motor unit according to the present invention, the electromagnetic motor, the encoder, and the speed reduction means can be mounted on medical equipment such as an endoscope or a micro machine by setting the outer diameter to 3 mm or less.
[0058]
Further, according to the micro servo motor unit according to the present invention, an ultra-small encoder can be realized with a relatively simple component configuration even when the output shaft of the electromagnetic motor has an extremely small diameter such as φ0.3 mm.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a micro servo motor unit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a first configuration example of an encoder according to an embodiment of the present invention.
3 is an explanatory diagram showing an example of the shape of an encoder output shaft in FIG. 2. FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a second configuration example of the encoder according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration example of a micro servo motor with a speed reduction mechanism according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a system configuration of a conventional software servo.
FIG. 7 is a timing chart showing input / output signals of the pulse generator in FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing various examples of an incremental encoder.
[Explanation of symbols]
100 electromagnetic motor
110 Encoder
111 Motor shaft
111a Through hole
111b slit
111c Reflective surface
113 Light source
114 Light receiving sensor
120 drivers
121 Forward / reverse switching part
122 Motor back electromotive force FG pulse output section
140 Gearbox
Claims (2)
前記電磁モータと、所定の減速比で減速する前記減速手段と、前記電磁モータの反出力軸側に、該軸外径より突出しない状態で、光を反射する反射面を軸の一部に設け、前記出力軸の回転時に、前記反射面に対して投光し、その反射光を受光し、光のON/OFF信号でZ相出力する前記光学エンコーダと、前記電磁モータを駆動する正/逆転の切り換え機能、および前記電磁モータ回転時に発生する逆起電圧あるいはコイル電流の変化に同期したパルス信号を出力する機能を有するドライバと、を備えたことを特徴とするマイクロサーボモータユニット。 In a micro servo motor unit consisting of an ultra-compact micro motor consisting of an electromagnetic motor having an outer diameter of 3 mm or less, a speed reduction means and an optical encoder, and its driver,
Provided on the part of the shaft is a reflecting surface that reflects light in a state of not projecting from the outer diameter of the shaft on the side opposite to the output shaft of the electromagnetic motor , the speed reduction means that decelerates at a predetermined reduction ratio. When the output shaft rotates, the optical encoder that projects light on the reflecting surface, receives the reflected light, and outputs the Z phase in response to the light ON / OFF signal, and forward / reverse driving the electromagnetic motor. And a driver having a function of outputting a pulse signal synchronized with a change in counter electromotive voltage or coil current generated when the electromagnetic motor rotates.
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