JP5133141B2 - アクチュエータの回転伝達誤差補正方法およびアクチュエータの駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転を出力軸から取り出して負荷側に伝達するアクチュエータの回転伝達誤差補正方法、および、当該回転伝達誤差補正方法により出力軸の回転伝達誤差を補正して出力軸を目標回転位置に位置決めするアクチュエータの駆動制御装置に関する。

アクチュエータとしては、モータ軸の出力回転に基づいて所望の回転量だけ出力軸を回転させるものが知られている。アクチュエータの出力軸への回転伝達精度は、モータ軸と出力軸の間に介在する減速機構などに起因する回転伝達誤差の影響を受けるほか、出力軸を支持している転がり軸受けなどのベアリングに起因する回転伝達誤差の影響を受ける。

従来は、アクチュエータの回転伝達誤差を補正するために、アクチュエータの出力軸が１回転する間の各角度位置で生じる出力軸の回転誤差を測定して、この測定値にもとづいて出力軸の回転位置補正を行っていた。例えば、特許文献１には、アクチュエータのモータ軸を一定角度ずつ回転させたときの出力軸の実際の回転量を出力軸の１回転分に亘って測定し、この測定値に基づいて正確な回転量を得るための誤差補正データのテーブルを生成してアクチュエータの制御部に記憶させておき、このテーブルに基づいてモータ軸の回転量を補正してアクチュエータの位置決め精度を向上させる位置決め誤差補正方法が開示されている。
特開２００２−１７５１２０号公報

出力軸のベアリングとして転がり軸受けを用いているアクチュエータの場合、転がり軸受けの構成部品である鋼球やコロなどの転動体あるいはリテーナは、出力軸がほぼ２回転すると１回転して元の位置に戻る。そのため、転がり軸受けに起因する回転伝達誤差は、例えば転動体の直径相互差、形状精度などの影響により、出力軸がほぼ２回転で１周期の誤差成分となって現れる。

上記のような出力軸１回転分の誤差補正データに基づく補正では、出力軸がほぼ２回転で１周期の誤差成分を除去できない。従って、従来の誤差補正方法では、転がり軸受けに起因する誤差成分を補正することができず、回転伝達精度を十分に向上させることができないという問題点があった。

本発明の課題は、この点に鑑みて、出力軸を支持する転がり軸受けに起因する回転伝達誤差を補正できるアクチュエータの回転伝達誤差補正方法、および、当該回転伝達誤差補正方法により出力軸への回転伝達誤差を補正して出力軸を高精度で位置決め可能なアクチュエータの駆動制御装置を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、アクチュエータ出力軸と、このアクチュエータ出力軸を支持している転がり軸受けとを有し、前記アクチュエータ出力軸が減速機を介してモータによって回転駆動されるか、あるいは、前記モータによって直接に回転駆動されるように構成されているアクチュエータの回転伝達誤差補正方法であって、
前記転がり軸受けの転動体またはリテーナに目印を組み込み、当該目印が、予め定めた基準位置を通過したことを、センサによって検出可能としておき、
事前に、前記モータのモータ軸の各回転位置における前記アクチュエータ出力軸の実回転位置を、当該アクチュエータ出力軸が２回転するまでの所定の角度間隔で測定し、当該測定に当っては、前記アクチュエータ出力軸の同一方向の回転に伴って前記目印が前記基準位置から再び当該基準位置に戻るまでの間において、前記目印が前記基準位置にある時点における前記モータのモータ軸の第１回転位置から、前記目印が前記基準位置に再び戻った時点における前記モータ軸の第２回転位置までの間の各回転位置における前記アクチュエータ出力軸の実回転位置を、前記の所定の角度間隔で測定し、
前記モータ軸の各回転位置における、前記アクチュエータ出力軸の目標回転位置と前記実回転位置との誤差を求めておき、
前記アクチュエータの起動時に、前記アクチュエータ出力軸を最大で２回転させて前記目印が前記基準位置を通過する際の前記モータ軸の実際の前記第１回転位置を求め、
その後の前記アクチュエータの駆動制御においては、当該第１回転位置を基準として、前記誤差が解消されるように、前記モータ軸の各回転位置を補正することを特徴としている。

本発明では、アクチュエータ出力軸を２回転させ、その間にモータ軸が各回転位置にあるときのアクチュエータ出力軸の実回転位置を検出し、アクチュエータ出力軸の実回転位置の目標回転位置からの誤差を把握している。したがって、アクチュエータ出力軸がほぼ２回転する間に１周期分現れる転がり軸受けに起因する回転伝達誤差の大部分を把握できる。よって、転がり軸受けに起因する回転伝達誤差成分の大部分を除去する補正が可能になり、従来よりも高精度な回転伝達誤差補正を行うことができる。

本発明では、転動体またはリテーナが１回転したことをセンサによって検出できるので、転がり軸受けに起因する１周期分の回転伝達誤差を把握するための基準測定区間を簡易に検出できる。また、転動体またはリテーナが１回転したことを直接検出するので、ほぼ１周期分の回転伝達誤差を確実に把握できる。さらに、起動時には、出力軸を最大で２回転させることにより目印を検出でき、この検出位置を基準として、各モータの各回転位置を補正することができる。

ここで、前記目印として、前記転動体または前記リテーナに組み込まれたマグネットを用い、前記センサとして磁気センサを用い、前記磁気センサの検出信号に基づき前記マグネットが前記基準位置を通過したことを検出することができる。また、前記目印として、前記転動体または前記リテーナに形成した突起を用い、前記センサとして、前記突起の通過を前記突起との接触により検出するリミットスイッチ、または、前記突起が近傍を通過したことを非接触で検出する近接センサを用い、前記リミットスイッチまたは前記近接センサの検出信号に基づき前記突起が前記基準位置を通過したことを検出してもよい。

次に、本発明は、上記構成のアクチュエータの回転伝達誤差補正方法により前記アクチュエータ出力軸への回転伝達誤差を補正するアクチュエータの駆動制御装置であって、
前記誤差、あるいは、前記誤差に基づいて生成された誤差補正データを記憶する記憶部と、
前記誤差あるいは前記誤差補正データに基づいて、前記モータ軸の回転位置を補正することにより、前記アクチュエータ出力軸の回転位置を目標回転位置に位置決めする制御部とを有していることを特徴としている。

本発明では、出力軸を２回転させ、その間にモータが各回転位置にあるときの出力軸の実回転位置を測定し、モータの各回転位置における、出力軸の実回転位置の目標回転位置からの誤差を把握している。したがって、出力軸がほぼ２回転する間に１周期分現れる転がり軸受けに起因する回転伝達誤差の大部分を把握できる。よって、転がり軸受けに起因する回転伝達誤差成分の大部分を除去する補正が可能になり、従来よりも高精度な回転伝達誤差補正を行うことができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用したアクチュエータの回転伝達誤差補正方法の実施の形態を説明する。

（駆動制御装置）
図１は本実施形態のアクチュエータの駆動制御装置を示す概略構成図である。この駆動制御装置１によって制御されるアクチュエータ２は、モータ３と、モータ３のモータ軸４に連結された減速機構５を備えており、減速機構５の出力軸６をベアリング７によって回転自在に支持する構成である。減速機構５は公知の歯車機構などを用いて構成されており、例えば、波動歯車減速機の場合には５０分の１あるいは１００分の１などの高減速比でモータ軸４の回転を減速して出力軸６に伝達する。出力軸６はアクチュエータ２の出力軸として用いられ、この出力軸６を介してアクチュエータ２の駆動力が負荷側に伝達される。

アクチュエータ２には、モータ軸４の回転位置（モータの回転位置）を検出可能な位置検出器８および出力軸６の原点位置を検出可能な位置検出器９が設けられている。位置検出器８はロータリーエンコーダ、あるいはポテンショメータなどの公知の位置検出器を用いて構成されており、位置検出器９も光学式のセンサなどの公知の原点位置検出機構が用いられている。位置検出器８、９の出力は駆動制御装置１に入力される。これらの出力に基づき、駆動制御装置１は、所望のタイミングでモータ軸４の回転位置、および、出力軸６の原点位置を検出することができる。

図２はベアリングおよびその近傍に配置されたホールセンサの説明図である。ベアリング７は、同心円上に配置された内輪７ａと外輪７ｂの間に鋼球あるいは鋼製のコロなどの複数の転動体７ｃを周方向に並べて配置し、各転動体７ｃの間にリテーナ７ｄを介在させて各部材を組み付けた構成である。内輪７ａには出力軸６が挿通され固定されており、外輪７ｂはアクチュエータ２の装置フレーム２ａの開口部分などに固定されている。出力軸６が回転すると、各転動体７ｃは、出力軸６と一体になって回転する内輪７ａと装置フレーム２ａに固定された外輪７ｂの間の円環状の軌道に沿って、リテーナ７ｄによって一定の間隔に保持された状態で転動する。リテーナ７ｄも各転動体７ｃと共に周方向に循環する。

ベアリング７の転動体７ｃのうちの１つはマグネット１０（目印）が組み込まれた回転位置検出用転動体１１であり、ベアリング７の外輪７ｂの近傍の所定位置には、装置フレーム２ａなどに固定された磁気センサ、例えば、ホールセンサ１２が配置されている。回転位置検出用転動体１１がホールセンサ１２に最も近い位置（基準位置）を通過すると、ホールセンサ１２は当該通過を検出して検出信号を駆動制御装置１に出力する。

駆動制御装置１は、出力軸６の回転伝達誤差補正に用いる各種データや制御プログラムなどを記憶する記憶部１ａと、この記憶部１ａへの情報の読み書きやモータ３の駆動制御などを行うための制御部１ｂを備えている。制御部１ｂには外部からの駆動指令信号が入力されるようになっており、制御部１ｂは、入力された駆動指令信号に基づいて記憶部１ａに記憶されている情報を適宜読み出し、当該読み出した情報に基づいてモータ３を駆動制御する。

（回転伝達誤差補正方法）
次に、出力軸６を支持しているベアリング７に起因する出力軸６とモータ軸４との間の回転伝達誤差を補正して、駆動指令信号により指示された目標回転量だけ出力軸６を正確に回転させるための駆動制御装置１による回転伝達誤差補正方法について説明する。

駆動制御装置１では、事前に、ベアリング７による回転伝達誤差が測定され、測定結果に基づき算出された誤差補正データが記憶部１ａに記憶保持されている。実際のアクチュエータ２の駆動制御においては、誤差補正データを用いてモータ軸４の回転位置制御を行うことにより、出力軸６を目標とする回転位置に精度良く位置決めできるようにしている。

まず、事前に行われる回転伝達誤差測定について説明する。ベアリング７の各転動体７ｃおよびリテーナ７ｄは、出力軸６が２回転する毎に出力軸６のまわりを１回転して元の位置に戻る。そこで、ベアリング７に起因する回転伝達誤差を１周期分測定するために、出力軸６が２回転する間、あるいは、各転動体７ｃおよびリテーナ７ｄが出力軸６のまわりを１回転する間を基準測定区間として設定し、この基準測定区間の全範囲にわたって、モータ軸４の各回転位置における出力軸６の実回転位置を少なくとも１回は測定する。あるいは、複数回に亘って測定して、各回転位置における複数回の測定値を平均してもよい。

基準測定区間は、ホールセンサ１２が回転位置検出用転動体１１の通過を検出したことを検出したときのモータ軸４の回転位置（第１回転位置）から、再びホールセンサ１２が回転位置検出用転動体１１の通過を検出したときのモータ軸４の回転位置（第２回転位置）までの回転区間である。

駆動制御装置１の制御部１ｂは、この基準測定区間において、モータ軸４が一定角度（例えば、３度）ずつ回転する毎に出力軸６の実回転位置を検出する測定動作を実行する。具体的には、位置検出器８の検出信号に基づきモータ３をフィードバック制御し、出力軸６に取り付けた回転角度検出器（図示せず）によって出力軸６の実回転位置を測定する。

図３に記憶部１ａに記憶保持させる誤差情報テーブルの一例を示す。制御部１ｂは、ベアリング７の各転動体７ｃおよびリテーナ７ｄが１回転する間、すなわち、出力軸６が２回転する間のモータ軸４の第１回転位置から第２回転位置までの間における３度毎の各角度位置における出力軸６の実回転位置を、図３の誤差情報テーブル１３のようなテーブル形式のデータとして記憶部１ａに記憶保持する。また、測定により得られたモータ軸４の各角度位置における出力軸６の実回転位置のデータに基づき、モータ軸４の各回転位置における出力軸６の実回転位置の目標回転位置からのずれ量（誤差情報）が算出されて、記憶保持される。この誤差情報は、ベアリング７の各転動体７ｃおよびリテーナ７ｄが１回転する間の全区間分にわたる情報であるので、誤差情報テーブル１３はベアリング７に起因する回転伝達誤差情報をほぼ１周期分含んでいる。

次に、実際の駆動制御時における誤差情報テーブル１３に基づく回転伝達誤差補正について説明する。まず、アクチュエータ２の起動時には、制御部１ｂは、出力軸６を回転させて、位置検出器９により出力軸６の１回転内の原点位置を検出し、出力軸６が原点位置に位置する場合におけるモータ軸４の回転位置を検出する。ここで、本実施の形態では、出力軸６を最大で２回転させて、ベアリング７の回転位置検出用転動体１１がホールセンサ１２によって検出される際におけるモータ軸４の回転位置（補正用基準位置）を検出する。

上位の機器から出力軸６の目標回転位置を含む駆動指令信号が入力されると、制御部１ｂは、当該目標回転位置に対応するモータ軸４の目標回転位置を減速機構５による減速比に基づいて算出する。また、このモータ軸４の目標回転位置までの補正基準位置からの回転量に基づき、出力軸６の誤差情報（目標回転位置からのずれ量）を、誤差情報テーブル１３から抽出する。

制御部１ｂは、抽出したずれ量が解消されるように、出力軸６の目標回転位置を補正し、これに対応するモータ３の駆動信号を生成してモータ３に供給する。これにより、ベアリング７に起因する回転伝達誤差分だけ出力軸６の回転位置が補正され、出力軸６を目標回転位置に精度良く位置決めできる。

以上説明したように、本実施の形態では、従来の出力軸１回転分の回転伝達誤差情報だけでは把握できなかったベアリング７に起因する回転伝達誤差をほぼ１周期分把握することができ、この誤差を除去する補正を行うことができるので、従来よりも高精度な回転伝達誤差補正を行うことができる。

また、ベアリング７の転動体７ｃのうちの１つをマグネット１０を組み込んだ回転位置検出用転動体１１にしているので、転動体７ｃまたはリテーナ７ｄが出力軸６を中心として１回転したこと、すなわち、ベアリング７に起因する回転伝達誤差をほぼ１周期分測定するための基準測定区間を、簡易かつ確実に検出できる。

（改変例）
（１）上記構成では、ベアリング７の転動体７ｃのうちの１つにマグネット１０を組み込んでいたが、転動体７ｃと共に出力軸６を中心として１回転するリテーナ７ｄにマグネットを組み込んでもよい。また、回転伝達誤差の１周期分を検出するための検出手段として、マグネット１０とホールセンサ１２（磁気センサ）以外の検出部および検出手段を用いても良い。例えば、ベアリング７の外輪７ｂの近傍の所定位置に装置フレーム２ａなどに固定されたリミットスイッチを設け、転動体７ｃのうち１つ、あるいはリテーナ７ｄのうち１つに、回転時に他の転動体やリテーナ、あるいは内輪、外輪などと干渉しない方向（例えば、ベアリング７の回転軸と平行な方向）に突出する突起を形成する。これにより、突起が形成された転動体７ｃあるいはリテーナ７ｄがリミットスイッチの近傍を通過したときに突起によってリミットスイッチのオン／オフを切り換えて、突起が基準位置を通過したことを検出できる。また、リミットスイッチの代わりに、静電容量型近接センサや誘導型近接センサなどを取り付けて、これらの近接センサによって突起が基準位置を通過したことを検出してもよい。また、転動体７ｃのうち１つ、あるいはリテーナ７ｄのうち１つを他の転動体７ｃあるいはリテーナ７ｄとは反射率や光透過率などが異なるように形成し、光学センサによりこれらの転動体７ｃあるいはリテーナ７ｄが基準位置を通過したことを検出してもよい。

（２）上記構成では、記憶部１ａに記憶保持させる誤差情報テーブル１３の中に、各角度位置における誤差情報（目標回転位置からのずれ量）を含めていたが、この誤差情報に基づき、各回転位置における目標回転位置からのずれ量の分だけ出力軸６の回転位置をずらすようにモータ３の駆動信号を調整するための補正量を予め算出して、この補正量を誤差情報テーブル１３に含めて記憶部１ａに記憶させておいてもよい。また、各回転位置に対応する補正量だけを記憶部１ａに記憶させておいてもよい。

（３）上記構成では、モータ軸と出力軸の間に減速機構を介在させていたが、減速機構や他の伝動機構などの間接的機構を介さずに、モータの回転力を直接駆動対象に伝達するダイレクトドライブ方式のアクチュエータに本発明を適用してもよい。軸受けに起因する回転伝達誤差を除去できる本発明の構成を備えることにより、減速機構を内蔵しないアクチュエータにおいて必要とされている高精度の回転制御を実現できる。なお、モータ３の回転子と一体になって回転するモータシャフト（モータ軸）を直接出力軸として用いる場合には、出力軸の実回転位置がモータ軸の実回転位置と一致するので、駆動制御装置１の制御部１ｂからモータ３に出力される駆動指令信号による回転指示位置をモータの回転位置（出力軸の目標回転位置）として扱い、この回転指示位置（出力軸の目標回転位置）と、出力軸の実回転位置との誤差を基準測定区間の全範囲にわたって測定して誤差情報テーブルとして記憶しておき、この誤差情報テーブルに基づいてベアリングに起因する回転伝達誤差を補正することも可能である。

（４）上記構成では、アクチュエータ２の起動時には出力軸６を最大で２回転させて出力軸６の原点位置を位置検出器９で検出し、出力軸６が原点位置に位置する場合におけるモータ軸４の回転位置を検出しているが、出力軸６を２回転させずにその原点位置およモータ軸４の補正用基準位置を把握することも可能である。例えば、上記位置検出器９を、出力軸６を中心として周方向に所定角度（例えば、９０度）回転した位置にある２つのセンサで構成しておき、事前に行われる回転伝達誤差測定の際に、出力軸６の実回転位置だけでなく、これらの２つのセンサ間の出力データを記憶保持させる。このようにすれば、アクチュエータ２の起動時に、これらの２つのセンサの出力に基づいて任意のタイミングで出力軸６の回転位置を把握できるので、出力軸６を２回転させる必要がない。

本発明を適用したアクチュエータの駆動制御装置を示す概略構成図である。 ベアリングおよびホールセンサの説明図である。 誤差情報テーブルを示す説明図である。

符号の説明

１ 駆動制御装置
１ａ 記憶部
１ｂ 制御部
２ アクチュエータ
２ａ 装置フレーム
３ モータ
４ モータ軸
５ 減速機構
６ 出力軸
７ ベアリング
７ａ 内輪
７ｂ 外輪
７ｃ 転動体
７ｄ リテーナ
８、９ 位置検出器
１０ マグネット
１１ 回転位置検出用転動体
１２ ホールセンサ
１３ 誤差情報テーブル

Claims (4)

1. アクチュエータ出力軸と、このアクチュエータ出力軸を支持している転がり軸受けとを有し、前記アクチュエータ出力軸が減速機を介してモータによって回転駆動されるか、あるいは、前記モータによって直接に回転駆動されるように構成されているアクチュエータの回転伝達誤差補正方法であって、
   前記転がり軸受けの転動体またはリテーナに目印を組み込み、当該目印が、予め定めた基準位置を通過したことを、センサによって検出可能としておき、
   事前に、前記モータのモータ軸の各回転位置における前記アクチュエータ出力軸の実回転位置を、当該アクチュエータ出力軸が２回転するまでの所定の角度間隔で測定し、当該測定に当っては、前記アクチュエータ出力軸の同一方向の回転に伴って前記目印が前記基準位置から再び当該基準位置に戻るまでの間において、前記目印が前記基準位置にある時点における前記モータのモータ軸の第１回転位置から、前記目印が前記基準位置に再び戻った時点における前記モータ軸の第２回転位置までの間の各回転位置における前記アクチュエータ出力軸の実回転位置を、前記の所定の角度間隔で測定し、
   前記モータ軸の各回転位置における、前記アクチュエータ出力軸の目標回転位置と前記実回転位置との誤差を求めておき、
   前記アクチュエータの起動時に、前記アクチュエータ出力軸を最大で２回転させて前記目印が前記基準位置を通過する際の前記モータ軸の実際の前記第１回転位置を求め、
   その後の前記アクチュエータの駆動制御においては、当該第１回転位置を基準として、前記誤差が解消されるように、前記モータ軸の各回転位置を補正することを特徴とするアクチュエータの回転伝達誤差補正方法。
2. 請求項１に記載のアクチュエータの回転伝達誤差補正方法であって、
   前記目印として、前記転動体または前記リテーナに組み込まれたマグネットを用い、
   前記センサとして磁気センサを用い、
   前記磁気センサの検出信号に基づき前記マグネットが前記基準位置を通過したことを検出することを特徴とするアクチュエータの回転伝達誤差補正方法。
3. 請求項１に記載のアクチュエータの回転伝達誤差補正方法であって、
   前記目印として、前記転動体または前記リテーナに形成した突起を用い、
   前記センサとして、前記突起の通過を前記突起との接触により検出するリミットスイッチ、または、前記突起が近傍を通過したことを非接触で検出する近接センサを用い、
   前記リミットスイッチまたは前記近接センサの検出信号に基づき前記突起が前記基準位置を通過したことを検出することを特徴とするアクチュエータの回転伝達誤差補正方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかのアクチュエータの回転伝達誤差補正方法により前記アクチュエータ出力軸の回転伝達誤差を補正するアクチュエータの駆動制御装置であって、
   前記誤差、あるいは、前記誤差に基づいて生成された誤差補正データを記憶する記憶部と、
   前記誤差あるいは前記誤差補正データに基づいて、前記モータ軸の回転位置を補正することにより、前記アクチュエータ出力軸の回転位置を目標回転位置に位置決めする制御部とを有していることを特徴とするアクチュエータの駆動制御装置。

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