JP6339328B2 - 回転角度検出システム、回転角度検出方法及び同期電動機制御システム - Google Patents

Description

本発明は、回転角度検出システム、回転角度検出方法及び同期電動機制御システムに関する。

産業用ロボットに用いられるアクチュエータにおいては、モータの主軸（モータシャフト）の回転角度を検出し（例えば特許文献１参照）、この回転角度に基づいて更に可動部の位置を検出することが行われている。一般的に回転角度の検出にはアブソリュートエンコーダやレゾルバなどが使用される。

特開２０１１−９５１８０号公報

しかし、上述した従来の回転角度の検出手法では、電源投入時などにおいて回転子の磁極については迅速に検出することができるが、モータシャフトの回転角度を迅速に検出することが困難であった。

本発明は、問題点に鑑みてなされたものであり、迅速にモータの主軸の回転角度を検出することを目的とする。

目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る回転角度検出システムは、同期電動機の主軸の回転角度を検出する回転角度検出システムであって、前記主軸に固定された磁石と、前記磁石の磁束を検出する磁束検出手段と、前記主軸の回転方向に沿って形成され、前記主軸とともに回転する回転角度検出用の複数のインデックスと、前記インデックスを検出するインデックス検出手段と、前記磁束検出手段により検出された前記磁石の磁束に基づいて、１つのインデックスを含む角度範囲を特定し、特定した前記角度範囲に含まれる前記インデックスにより特定される前記主軸の絶対回転角度を取得する絶対回転角度取得手段と、を備えることを特徴とする。

前記複数のインデックスと前記複数のインデックスの各位置に対応する前記主軸の回転角度とを対応付けて構成されるテーブルを備え、前記絶対回転角度取得手段は、前記テーブルに基づいて前記主軸の絶対回転角度を取得するようにしてもよい。

前記テーブルは、前記複数のインデックスと回転方向毎に異なる前記主軸の回転角度とを対応付けて構成されるようにしてもよい。

前記主軸の回転数を検出する回転数検出手段と、前記絶対回転角度取得手段により取得された前記主軸の絶対回転角度と、前記回転数検出手段により検出された前記主軸の回転数とに基づいて、前記同期電動機の駆動によって直線上を移動する移動体の位置を取得する移動体位置取得手段と、を備えるようにしてもよい。

前記同期電動機は、サーボモータであるようにしてもよい。

目的を達成するために、本発明の第２の観点に係る回転角度検出方法は、同期電動機の主軸の回転角度を検出する回転角度検出方法であって、前記主軸に固定された磁石の磁束を検出する磁束検出ステップと、前記主軸の回転方向に沿って形成され、前記主軸とともに回転する回転角度検出用の複数のインデックスを検出するインデックス検出ステップと、前記磁束検出ステップにおいて検出された前記磁石の磁束に基づいて、１つのインデックスを含む角度範囲を特定し、特定した前記角度範囲に含まれる前記インデックスにより特定される前記主軸の絶対回転角度を取得する絶対回転角度取得ステップと、を含むことを特徴とする。

前記絶対回転角度検出ステップでは、前記複数のインデックスと前記複数のインデックスの各位置に対応する前記主軸の回転角度とを対応付けて構成されるテーブルに基づいて前記主軸の絶対回転角度を取得するようにしてもよい。

前記テーブルは、前記複数のインデックスと回転方向毎に異なる前記主軸の回転角度とを対応付けて構成されるようにしてもよい。

前記主軸の回転数を検出する回転数検出ステップと、前記絶対回転角度取得ステップにおいて取得された前記主軸の絶対回転角度と、前記回転数検出ステップにおいて検出された前記主軸の回転数とに基づいて、前記同期電動機の駆動によって直線上を移動する移動体の位置を取得する移動体位置取得ステップと、を含むようにしてもよい。

前記同期電動機は、サーボモータであるようにしてもよい。

目的を達成するために、本発明の第３の観点に係る同期電動機制御システムは、上述した何れかの回転角度検出システムと、前記絶対回転角度取得手段により検出された前記主軸の絶対回転角度を示す信号に基づいて、前記同期電動機の駆動を制御する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、回転角度を迅速に検出することができる。また、本発明によれば、高価な検出素子を使用する必要がなく、安価で精度が良い回転角度検出システムを構成することができる。また、回転数を保持するためのバッテリも不要である。

実施形態に係る電動アクチュエータシステムの概略構成を示す図である。 実施形態に係るアブソリュートユニットの斜視図である。 実施形態に係るアブソリュートユニットの側面図である。 実施形態に係るアブソリュートユニット内の基板上の構成を示す図である。 実施形態に係る光学ホイールの上面図である。 実施形態に係る角度検出用テーブルの一例を示す図である。 実施形態に係る光学センサの信号の一例を示す図である。 実施形態に係るアブソリュートユニット内の主動歯車、第１従動歯車及び第２従動歯車の回転角度の遷移を示す図である。 実施形態に係るモータシャフトの絶対回転角度取得処理を示すフローチャートである。 実施形態に係るロッドの位置取得処理を示すフローチャートである。 他の実施形態に係る角度検出用テーブルの一例を示す図である。 他の実施形態に係る光学センサの信号の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る電動アクチュエータシステム１００の概略構成を示す図である。図１に示す電動アクチュエータシステム１００は、ハウジング１、モータカバー３、サーボモータ５、ジョイント部材７、軸受部材８、ボールねじ９、軸受部材１０、ボールナット１１、中空ロッド１３、ロッド１５、アブソリュートユニット２１及びサーボモータ制御装置２３を含んで構成される。

ハウジング１にはモータカバー３が連結されている。モータカバー３内にはサーボモータ５が収容・配置されている。サーボモータ５は、円柱形の回転子６ｂ、と、回転子６ｂを所定間隔を隔てて収容するように配置される円筒形の固定子６ａと、回転子６ｂに連結されてＹ軸方向に延在するモータシャフト６ｃとを含んで構成される。本実施形態では、固定子巻線が固定子６ａに巻き付けられている。

サーボモータ５の主軸であるモータシャフト６ｃには、ジョイント部材７を介してボールネジ９が連結されている。ボールネジ９にはボールナット１１が螺合しており、ボールナット１１には中空ロッド１３が固着されている。また、中空ロッド１３の先端にはロッド１５が連結されている。また、ジョイント部材７は、軸受部材８、１０によって回転可能に支持されている。

サーボモータ５がサーボモータ制御装置２３から固定子６ａに巻き付けられている固定子巻線（図示せず）に供給される電流に応じて駆動すると、回転子６ｂ及びモータシャフト６ｃが回転し、更に、ボールネジ９が回転することにより、ボールネジ９の回転によってその回転を規制されているボールナット１１がＹ軸方向に移動する。このボールナット１１の移動によって、中空ロッド１３、更にはロッド１５がＹ軸方向に移動することになる。

アブソリュートユニット２１は、モータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する。また、アブソリュートユニット２１は、モータシャフト６ｃの回転数を取得し、モータシャフト６ｃの回転角度と回転数とに基づいて、Ｙ軸方向に移動するロッド１５の位置を取得する。アブソリュートユニット２１の詳細については後述する。

また、サーボモータ５は、サーボモータ制御装置２３によって制御されるように構成されている。すなわち、サーボモータ制御装置２３は、アブソリュートユニット２１からの信号に基づいて、サーボモータ５を制御する。また、サーボモータ制御装置２３は、サーボモータ５の起動時において、所定の起動制御を実行し、それによって、安定した起動特性を提供する。

図２は、アブソリュートユニット２１の斜視図を示し、図３は、アブソリュートユニット２１の内部の側面図を示す。図２及び図３に示すアブソリュートユニット２１は、サーボモータ５に連結されており、ユニットカバー５０、光学ホイール６０、主動歯車６１、第１従動歯車６２、第２従動歯車６３、軸受６４、６５、歯車保持用プレート６６、６７、磁石７１、７２、７３、基板１０１、第１磁気センサ１５１、第２磁気センサ１５２、第３磁気センサ１５３を含んで構成される。

光学ホイール６０は、例えば、厚さが０．１ｍｍで、ニッケルを主成分とする素材からなる円盤状の部材である。光学ホイール６０は、円形の主面がＸＺ平面と平行となるようにモータシャフト６ｃに固定されており、モータシャフト６ｃの回転に伴ってモータシャフト６ｃを中心に回転する。光学ホイール６０の表面は、反射率が例えば、０．５以上になるように加工されている。光学ホイール６０の−Ｙ側の面には、モータシャフト６ｃを中心とする円Ｃ２に沿って、円Ｃ２の半径方向を長手方向とするマークＭ１が、等間隔に複数形成されている。また、光学ホイール６０の−Ｙ側の面には、モータシャフト６ｃを中心とし、半径が円Ｃ２よりも大きい円Ｃ３の周上には、円Ｃ３の半径方向を長手方向とする４つのマークＭ２−１〜Ｍ２−４（以下、マークＭ２−１〜Ｍ２−４をまとめて適宜「マークＭ２」と称する）が円周角９０°の間隔で４つ形成されている。

各マークＭ１、Ｍ２は、周囲の領域よりも反射率が低く、例えばその反射率は０．５より小さくなっている。マークＭ１、Ｍ２−１〜Ｍ２−４は、光学トラックＴＲを形成する。この光学トラックＴＲは、マークＭ１が形成された反射率が低い部分と、マークＭ１に挟まれる反射率が高い部分とが、円Ｃ２に沿って交互に配列されたパターンと、マークＭ２が形成された反射率が低い部分と、マークＭ２に挟まれる反射率が高い部分とが、円Ｃ３に沿って交互に配列されたパターンとから構成される。

光学ホイール６０の−Ｙ側には、光学ホイール６０と所定間隔を空けて光学センサ６０ａ、６０ｂが配置されている。光学センサ６０ａ、６０ｂは、ユニットカバー５０に取り付けられた光学センサ保持用プレート６０ｃによって保持されている。光学センサ６０ａは、光学ホイール６０上の円Ｃ２と交わる位置に配置されている。光学センサ６０ａは、光学ホイール６０上の円Ｃ２上の位置に、照明光を射出する。そして、光学センサ６０ａは、光学ホイール６０で反射された照明光を受光し、受光した照明光に応じた電圧信号を出力する。上述したように光学ホイール６０上の円Ｃ２上にはマークＭ１が形成されており、マークＭ１は、周囲の領域よりも反射率が低い。従って、光学ホイール６０の回転に伴って、マークＭ１が光学センサ６０ａの位置に到達する毎に、光学センサ６０ａが出力する信号の電圧は低くなる。

光学センサ６０ｂは、光学ホイール６０上の円Ｃ３と交わる位置に配置されている。光学センサ６０ｂは、光学ホイール６０上の円Ｃ３上の位置に、照明光を射出する。そして、光学センサ６０ｂは、光学ホイール６０で反射された照明光を受光し、受光した照明光の強度に応じた電圧の信号を出力する。上述したように光学ホイール６０上の円Ｃ３上にはインデックスであるマークＭ２−１〜Ｍ２−４が形成されており、マークＭ２−１〜Ｍ２−４は、周囲の領域よりも反射率が低い。従って、光学ホイール６０の回転に伴って、マークＭ２−１〜Ｍ２−４が光学センサ６０ｂの位置に到達する毎に、光学センサ６０ｂが出力する信号の電圧は低くなる。本実施形態では、マークＭ２−１が光学センサ６０ｂの位置に到達するときのモータシャフト６ｃの絶対回転角度を０°とする。

主動歯車６１は、ユニットカバー５０内の空間の中央部に位置し、モータシャフト６ｃに取り付けられており、主動歯車６１の回転軸とモータシャフト６ｃの回転軸とは同軸になっている。主動歯車６１は、モータシャフト６ｃの回転に伴って回転する。

歯車保持用プレート６６は、ユニットカバー５０の内壁面の側面に取り付けられており、更に歯車保持用プレート６６には、軸受６４が回転可能に取り付けられている。軸受６４の回転軸はモータシャフト６ｃの回転軸と平行となっている。第１従動歯車６２は、軸受６４に取り付けられている。第１従動歯車６２は、主動歯車６１と噛み合うように配置されており、主動歯車６１の回転に伴って回転する。

同様に、歯車保持用プレート６７は、ユニットカバー５０の内壁面の側面に取り付けられており、更に歯車保持用プレート６７には、軸受６５が回転可能に取り付けられている。軸受６５の回転軸はモータシャフト６ｃの回転軸と平行となっている。第２従動歯車６３は、軸受６５に取り付けられている。第２従動歯車６３は、主動歯車６１を挟んで第１従動歯車６２と対向する位置に、主動歯車６１と噛み合うように配置されており、主動歯車６１の回転に伴って回転する。

主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の歯数は、後述するモータシャフト６ｃの回転数の取得、更には、ロッド１５の位置の取得のために異なっており、互いに素となるように設定されている。例えば、主動歯車６１の歯数は２５、第１従動歯車６２の歯数は２４、第２従動歯車６３の歯数は２３である。

磁石７１、磁石７２及び磁石７３は、何れも円盤形状であり、一方の半円部分がＮ極、他方の半円部分がＳ極となる２極磁石である。磁石７１は、モータシャフト６ｃの先端部に取り付けられている。磁石７２は、軸受６４の先端部に取り付けられ、磁石７３は、軸受６５の先端部に取り付けられている。

基板１０１は、ユニットカバー５０の内壁面の主面に取り付けられている。更に基板１０１には、第１磁気センサ１５１、第２磁気センサ１５２、第３磁気センサ１５３が配置されている。第１磁気センサ１５１は、磁石７１と所定の間隔を空けて対向する位置に配置されている。第１磁気センサ１５１は、モータシャフト６ｃの先端に取り付けられている磁石７１の微細磁束を図示しない磁気検出素子によって検出する。磁気検出素子の出力信号は、磁石７１の回転に応じて電圧が変化する。換言すれば、モータシャフト６ｃが１回転すると１周期になる正弦波信号及び余弦波信号である。第１磁気センサ１５１は、正弦波信号のレベルと余弦波信号のレベルとに基づいて、正接（ｔａｎ）の逆関数（ａｒｃｔａｎ）を算出することにより、モータシャフト６ｃの回転角度を求め、制御部１０２へ出力する。

本実施形態では、モータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する場合には、第１磁気センサ１５１は、マークＭ２−１〜Ｍ２−４の何れか１つを含む９０°の範囲（図５の第１回転角度範囲〜第４回転角度範囲）を特定することが可能な検出精度を有するものとして扱う。図５において、第１回転角度範囲はマークＭ２−１を含む範囲であり、モータシャフト６ｃの絶対回転角度０°〜４５°と３１５°〜３６０°の範囲である。第２回転角度範囲はマークＭ２−２を含む範囲であり、モータシャフト６ｃの絶対回転角度４５°〜１３５°の範囲である。第３回転角度範囲はマークＭ２−３を含む範囲であり、モータシャフト６ｃの絶対回転角度１３５°〜２２５°の範囲である。第４回転角度範囲はマークＭ２−４を含む角度範囲であり、モータシャフト６ｃの絶対回転角度２２５°〜３１５°の範囲である。

第２磁気センサ１５２は、磁石７２と所定の間隔を空けて対向する位置に配置されている。第２磁気センサ１５２は、軸受６４の先端に取り付けられている磁石７２の微細磁束を図示しない磁気検出素子によって検出する。磁気検出素子の出力信号は、磁石７２の回転に応じて電圧が変化し、磁石７２が１回転する、換言すれば、第１従動歯車６２が１回転すると１周期になる正弦波信号及び余弦波信号である。第２磁気センサ１５２は、正弦波信号のレベルと余弦波信号のレベルとに基づいて、正接（ｔａｎ）の逆関数（ａｒｃｔａｎ）を算出することにより、第１従動歯車６２の回転角度求め、制御部１０２へ出力する。第３磁気センサ１５３は、軸受６５の先端に取り付けられている磁石７３の微細磁束を磁気検出素子によって検出する。磁気検出素子の出力信号は、磁石７３の回転に応じて電圧が変化し、磁石７３が１回転する、換言すれば、第２従動歯車６３が１回転すると１周期になる正弦波信号及び余弦波信号である。第３磁気センサ１５３は、正弦波信号のレベルと余弦波信号のレベルとに基づいて、正接（ｔａｎ）の逆関数（ａｒｃｔａｎ）を算出することにより、第２従動歯車６３の回転角度を求め、制御部１０２へ出力する。

基板１０１には、上述した第１磁気センサ１５１、第２磁気センサ１５２、第３磁気センサ１５３の他に、モータシャフト６ｃの絶対回転角度やロッド１５の位置を取得するために必要な構成が配置される。

図４は、基板１０１上の構成を示す図である。図４に示すように、基板１０１上には、制御部１０２、メモリ１０４、インタフェース（Ｉ／Ｆ）部１１０が配置されている。

制御部１０２は、例えばマイクロコンピュータにより構成される。制御部１０２は、メモリ１０４に記憶されたプログラムを実行し、メモリ１０４に記憶された各種データを処理することなどにより、アブソリュートユニット２１の全体を制御する。制御部１０２は、絶対回転角度取得手段としての回転角度取得部１２２と、移動体位置取得手段としての位置取得部１２４との機能を有する。制御部１０２は、光学ホイール６０と、基板１０１上の第１磁気センサ１５１、第２磁気センサ１５２、第３磁気センサ１５３とを接続する。メモリ１０４は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）である。メモリ１０４は、各種情報を記憶する。Ｉ／Ｆ部１１０は、制御部１０２の制御により、サーボモータ制御装置２３との間でデータの送信及び受信を行う。

次に、アブソリュートユニット２１の制御を説明する。制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、第１磁気センサ１５１から入力されるモータシャフト６ｃの回転角度を特定し、更に、図５に示す第１回転角度範囲〜第４回転角度範囲のうち、その特定した回転角度が属する回転角度範囲を特定する。

第１回転角度範囲〜第４回転角度範囲の何れかを特定した場合、回転角度取得部１２２は、その特定した回転角度範囲と、光学センサ６０ｂから入力される信号のレベル（電圧）とに基づいて、モータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する。ここで、マークＭ２−１〜Ｍ２−４の何れかが光学センサ６０ｂの位置に到達すると、光学センサ６０ｂから入力される信号のレベルが低下する。このため、回転角度取得部１２２は、光学センサ６０ｂから入力される信号の立ち下がりを検出したときに、特定した回転角度範囲に含まれるマークＭ２−１〜Ｍ２−４の何れかを特定し、その特定したマークＭ２−１〜Ｍ２−４の何れかに対応するモータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する。

より具体的には、第１回転角度範囲が特定されて、光学センサ６０ｂから入力される信号の立ち下がりが検出された場合には、回転角度取得部１２２は、第１回転角度範囲に含まれるマークＭ２−１を特定し、その特定したマークＭ２−１に対応するモータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する。また、第２回転角度範囲が特定されて、光学センサ６０ｂから入力される信号の立ち下がりが検出された場合には、回転角度取得部１２２は、第２回転角度範囲に含まれるマークＭ２−２を特定し、その特定したマークＭ２−２に対応するモータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する。また、第３回転角度範囲が特定されて、光学センサ６０ｂから入力される信号の立ち下がりが検出された場合には、回転角度取得部１２２は、第３回転角度範囲に含まれるマークＭ２−３を特定し、その特定したマークＭ２−３に対応するモータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する。また、第４回転角度範囲が特定されて、光学センサ６０ｂから入力される信号の立ち下がりが検出された場合には、回転角度取得部１２２は、第４回転角度範囲に含まれるマークＭ２−４を特定し、その特定したマークＭ２−４に対応するモータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する。

モータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する際には、特定したマークＭ２とモータシャフト６ｃの絶対回転角度とを対応付けて構成されるテーブル（角度検出用テーブル）が用いられる。角度検出用テーブルのデータは、例えば、メモリ１０４に記憶されている。

図６は、角度検出用テーブルの一例を示す図である。図６に示す角度検出用テーブルは、マークＭ２−１〜Ｍ２−４の識別情報であるインデックス番号（マークＭ２−１がインデックス番号１、マークＭ２−２がインデックス番号２、マークＭ２−３がインデックス番号３、マークＭ２−４がインデックス番号４）と、モータシャフト６ｃの右回り時の絶対回転角度と及び左回り時の絶対回転角度とを対応付けて構成される。

ここで、右回り時の絶対回転角度と及び左回り時の絶対回転角度とは異なっている。これは、光学センサ６０ｂから入力される信号の立ち下がりでモータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する場合には、マークＭ２−１〜Ｍ２−４はそれぞれ所定の幅をもっており、図７に示すように、右回りの場合に信号が立ち下がるときのモータシャフト６ｃの絶対回転角度と、左回りの場合に信号が立ち下がるときのモータシャフト６ｃの絶対回転角度とに差があるためである。

回転角度取得部１２２は、固定子６ａに巻き付けられている固定子巻線に供給される固定子電流ベクトルの電流に基づいて、モータシャフト６ｃの回転方向を取得し、角度検出用テーブルを参照して、特定したマークＭ２及び回転方向に対応するモータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する。

なお、回転角度範囲が特定された後、光学センサ６０ｂから入力される信号の立ち下がりが検出されないまま、新たな回転角度範囲に切り替わり、その後に光学センサ６０ｂから入力される信号の立ち下がりが検出される場合がある。このため、回転角度取得部１２２は、回転角度範囲の特定を継続し、新たな回転角度範囲に切り替わった場合には、その新たな回転角度範囲と、その後に光学センサ６０ｂから入力される信号のレベルとに基づいて、モータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する。

制御部１０２内の位置取得部１２４は、モータシャフト６ｃの回転数を取得し、更に、回転角度取得部１２２によって取得されたモータシャフト６ｃの絶対回転角度と、モータシャフト６ｃの回転数とに基づいて、ロッド１５の位置を取得する。

上述したように、主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の歯数はそれぞれ異なっており、互いに素となるように設定されている。例えば、主動歯車６１の歯数が２５、第１従動歯車６２の歯数が２４、第２従動歯車６３の歯数が２３である場合、サーボモータ５の駆動によってモータシャフト６ｃが回転し、このモータシャフト６ｃの回転に伴って主動歯車６１が回転し、更に、主動歯車６１の回転に伴って第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３が回転すると、主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転角度の遷移は図８に示すものとなる。

図８（Ａ）及び（Ｂ）において横軸はモータシャフト６ｃの回転数を示し、縦軸は主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転角度を示す。また、図８（Ａ）は最初の部分を示しており、図８（Ｂ）は最後の部分を示す。図８（Ａ）に示すように、初期状態においては、主動歯車６１（モータシャフト６ｃ）、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転角度は一致しており０°であるものとする。ここで初期状態とは、ロッド１５が最もハウジング１に接近したときの状態を示す。なお、ロッド１５が最もハウジング１に接近したときの位置を始点位置とする。

この初期状態からサーボモータ５が駆動されると、モータシャフト６ｃの回転に伴って主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３が回転する。ここで、モータシャフト６ｃが１回転すると主動歯車６１も同様に１回転する。一方、第１従動歯車６２は主動歯車６１よりも歯数が少ないため、主動歯車６１が１回転するよりも前に１回転する。また、第２従動歯車６３は第１従動歯車６２よりも更に歯数が少ないため、第１従動歯車６２が１回転するよりも前に１回転する。このため、図８（Ａ）に示すように、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転角度は徐々にずれる。

更に、主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転が継続すると、やがて図８（Ｂ）に示すように、主動歯車６１、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３の回転角度が一致するときがある。このときの主動歯車６１の回転数、すなわち、モータシャフト６ｃの回転数ｎは、ｎ＝２４×２３＝５５２となる。図８から明らかなように、モータシャフト６ｃの回転数が０〜５５２の間においては、主動歯車６１の回転角度と第１従動歯車６２の回転角度と第２従動歯車６３の回転角度との組み合わせが定まれば、その組み合わせに対応するモータシャフト６ｃの回転数は一意に定まる。

すなわち、位置取得部１２４は、主動歯車６１の回転角度と第１従動歯車６２の回転角度と第２従動歯車６３の回転角度との組み合わせに基づいて、モータシャフト６ｃの回転数を取得することが可能である。具体的には、位置取得部１２４は、第１磁気センサ１５１によって検出される主動歯車６１の回転角度と、第２磁気センサ１５２によって検出される第１従動歯車６２の回転角度と、第３磁気センサ１５３によって検出される第２従動歯車６３の回転角度とを取得する。更に、位置取得部１２４は、主動歯車６１の回転角度と、第１従動歯車６２の回転角度と、第２従動歯車６３の回転角度との組み合わせにより一意に定まるモータシャフト６ｃの回転数を取得する。ここで取得されるモータシャフト６ｃの回転数の小数点以下の値は切り捨てられる。

更に、位置取得部１２４は、モータシャフト６ｃの回転数に対するロッド１５の移動距離（第１移動距離）を算出するとともに、モータシャフト６ｃの絶対回転角度に対するロッド１５の移動距離（第２移動距離）を算出し、ロッド１５の始点位置（初期状態の位置）に、第１移動距離と第２移動距離とを加算して、ロッド１５の現在位置を特定する。

例えば、メモリ１０４には、モータシャフト６ｃの１回転当りのロッド１５の移動距離が記憶されている。位置取得部１２４は、モータシャフト６ｃの１回転当りのロッド１５の移動距離に、取得したモータシャフト６ｃの回転数を乗じることにより、ロッド１５の第１移動距離を算出する。また、例えば、メモリ１０４には、モータシャフト６ｃが所定角度回転するときのロッド１５の移動距離が記憶されている。位置取得部１２４は、モータシャフト６ｃが所定角度回転するときのロッド１５の移動距離に、取得したモータシャフト６ｃの絶対回転角度を乗じ、更に、所定角度で除することにより、ロッド１５の第２移動距離を算出する。

制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、Ｉ／Ｆ部１１０を介して、サーボモータ制御装置２３へモータシャフト６ｃの絶対回転角度を出力する。また、制御部１０２内の位置取得部１２４は、Ｉ／Ｆ部１１０を介して、サーボモータ制御装置２３へロッド１５の現在位置を出力する。サーボモータ制御装置２３は、モータシャフト６ｃの絶対回転角度やロッド１５の現在位置に基づいて、サーボモータ５の駆動を制御する。

以下、フローチャートを参照しつつ、アブソリュートユニット２１内の制御部１０２によるモータシャフト６ｃの絶対回転角度、及び、ロッド１５の位置取得の詳細を説明する。

第１磁気センサ１５１は、モータシャフト６ｃの先端に取り付けられている磁石７１の微細磁束を検出し、その微細磁束に対応するモータシャフト６ｃの回転角度を出力する。制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、第１磁気センサ１５１からのモータシャフト６ｃの回転角度を取得する（ステップＳ１０１）。

次に、回転角度取得部１２２は、第１磁気センサ１５１からのモータシャフト６ｃの回転角度に基づいて、その特定した回転角度が属する回転角度範囲を特定する（ステップＳ１０２）。

次に、回転角度取得部１２２は、光学センサ６０ｂからの信号を取得する（ステップＳ１０３）。更に、回転角度取得部１２２は、光学センサ６０ｂからの信号の立ち下がりを検出したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。光学センサ６０ｂからの信号の立ち下がりが検出されていない場合（ステップＳ１０４；Ｎｏ）には、ステップＳ１０１以降の動作が繰り返される。

一方、光学センサ６０ｂからの信号の立ち下がりが検出された場合（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）には、回転角度取得部１２２は、ステップＳ１０２において特定した回転角度範囲に属するマークＭ２を特定する（ステップＳ１０５）。更に、回転角度取得部１２２は、固定子巻線に供給される固定子電流ベクトルの電流に基づいて、モータシャフト６ｃの回転方向を取得する（ステップＳ１０６）。

次に、回転角度取得部１２２は、角度検出用テーブルに基づいて、ステップＳ１０５において特定したマークＭ２に対応し、且つ、ステップＳ１０６において取得した回転方向に対応する角度をモータシャフト６ｃの絶対回転角度として特定する（ステップＳ１０７）。

図９の処理によりモータシャフト６ｃの絶対回転角度が取得されるとともに、ロッド１５の位置取得が行われる。図１０は、制御部１０２によるロッド１５の位置の取得処理を示すフローチャートである。

制御部１０２内の位置取得部１２４は、モータシャフト６ｃの回転数を取得する（ステップＳ３０１）。次に、位置取得部１２４は、回転角度取得部１２２により図９の処理によって取得されたモータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得する（ステップＳ３０２）。

次に、位置取得部１２４は、モータシャフト６ｃの回転数に対するロッド１５の移動距離（第１移動距離）を算出する（ステップＳ３０３）。次に、位置取得部１２４は、モータシャフト６ｃ絶対回転角度に対するロッド１５の移動距離（第２移動距離）を算出する（ステップＳ３０４）。

次に、位置取得部１２４は、ロッド１５の始点位置（初期状態の位置）に、ステップＳ３０３において算出した第１移動距離と、ステップＳ３０４において算出した第２移動距離とを加算して、ロッド１５の現在位置を特定する（ステップＳ３０５）。

以上説明したように、アブソリュートユニット２１では、モータシャフト６ｃに磁石７１が固定され、第１磁気センサ１５１が、モータシャフト６ｃとともに回転する磁石７１による微細磁束を検出し、微細磁束に対応するモータシャフト６ｃの回転角度を出力する。また、モータシャフト６ｃにはモータシャフト６ｃを中心とする円盤状の部材である光学ホイール６０が固定され、モータシャフト６ｃとともに回転する。光学ホイール６０には、モータシャフト６ｃを中心とする円Ｃ３の周上には、４つのマークＭ２−１〜Ｍ２−４が円周角９０°の間隔で４つ形成されており、光学センサ６０ｂは、マークＭ２−１〜Ｍ２−４が到達したときにレベルが低下する信号を出力する。制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、第１磁気センサ１５１からのモータシャフト６ｃの回転角度に基づいて、マークＭ２を１つ含む回転角度範囲を特定するとともに、光学センサ６０ｂの立ち下がりが検出された場合、特定した回転角度範囲に属するマークＭ２を特定する。更に、回転角度取得部１２２は、モータシャフト６ｃの回転方向を取得し、特定したマークＭ２に対応し、且つ、取得した回転方向に対応する角度をモータシャフト６ｃの絶対回転角度として特定する。

このように、第１磁気センサ１５１を用いてモータシャフト６ｃの大まかな回転角度であって１つのマークＭ２を含む回転角度範囲を特定し、その回転角度範囲に含まれるマークＭ２による信号の立ち下がりが検出された場合に、モータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得しており、迅速にモータシャフト６ｃの絶対回転角度を取得することができる。

また、モータシャフト６ｃの回転方向によってマークＭ２による信号の立ち下がりとなるモータシャフト６ｃの回転角度が異なることを考慮して、右回転の場合と左回転の場合とで異なる回転角度が取得されるようにしており、より正確なモータシャフト６ｃの回転角度を取得することができる。

また、制御部１０２内の位置取得部１２４は、モータシャフト６ｃの回転数を取得し、この回転数に対するロッド１５の第１移動距離を算出するとともに、モータシャフト６ｃの絶対回転角度に対するロッド１５の第２移動距離を算出し、ロッド１５の初期状態の位置に、第１移動距離と第２移動距離とを加算して、ロッド１５の現在位置を特定することができる。更には、上述した算出手法を用いることにより、回転数の情報を保持しておく必要はないため、その保持のための電源供給の手段、例えばバッテリは不要である。

また、サーボモータ制御装置２３は、モータシャフト６ｃの絶対回転角度やロッド１５の現在位置に基づいて、サーボモータ５の駆動を適切に制御することができる。

以上、実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

実施形態では、１つのマークＭ２に対して、右回りの場合と左回りの場合とで１つずつ絶対回転角度が検出されたが、マークＭ１を検出するための光学センサを用いることで、更に、モータシャフト６ｃの絶対回転角度の検出精度を向上させることができる。以下、この場合の実施形態（他の実施形態）について説明する。

具体的には、新たにマークＭ１を検出するための光学センサ６０ａ２を備える。光学センサ６０ａ２は、光学ホイール６０上の円Ｃ２と交わる位置であって、光学センサ６０ａに対して、円Ｃ２の円周方向において９０°＋（光学センサ６０ｂの右回り時と左回り時との検出差）／４°だけずらした位置に配置される。光学センサ６０ａ２は、光学センサ６０ａと同様、光学ホイール６０上の円Ｃ２上の位置に、照明光を射出する。そして、光学センサ６０ａ２は、光学ホイール６０で反射された照明光を受光し、受光した照明光に応じた電圧信号を出力する。

図１１は、他の実施形態に係る角度検出用テーブルの一例を示す図であり、図１２は、他の実施形態に係る光学センサの信号の一例である。図１１に示す角度検出用テーブルは、マークＭ２−１が特定された場合の角度検出用テーブルであり、図１１（Ａ）は右回りの場合、図１１（Ｂ）は左回りの場合を示す。図１１に示す角度検出用テーブルは、光学センサ６０ｂ、光学センサ６０ａ及び光学センサ６０ａ２からの信号のレベルと、モータシャフト６ｃの絶対回転角度とを対応付けて構成される。なお、マークＭ２−２〜Ｍ２−４が特定された場合の角度検出用テーブルも同様の構成である。

また、図１２に示すように、光学センサ６０ａ及び光学センサ６０ａ２からの信号の周期は、光学センサ６０ｂ右回り時と左回り時との検出差と一致する。更に、上述したように、光学センサ６０ａ２は、光学センサ６０ａに対して、円Ｃ２の円周方向において９０°＋（光学センサ６０ｂの右回り時と左回り時との検出差）／４°だけずらした位置に配置される。このため、図１２に示すように、光学センサ６０ｂからの信号のレベルがローレベル（Ｌ）となっている間に、光学センサ６０ａ及び光学センサ６０ａ２の信号の組み合わせは、ハイレベル（Ｈ）及びハイレベル、ローレベル及びハイレベル、ローレベル及びローレベル、ハイレベル及びローレベルの４つとなり、図１１に示すように、それぞれの組み合わせにより一意にモータシャフト６ｃの絶対回転角度が定まる。

制御部１０２内の回転角度取得部１２２は、第１磁気センサ１５１からのモータシャフト６ｃの回転角度に基づいて、回転角度範囲を特定し、更に、その回転角度範囲内のマークＭ２を特定した後、図１１に示す角度検出用テーブルを参照して、光学センサ６０ｂ、光学センサ６０ａ及び光学センサ６０ａ２からの信号のレベルに対応するモータシャフト６ｃ絶対回転角度を取得する。

実施形態では、光学ホイール６０には、モータシャフト６ｃを中心とする円Ｃ２に沿って、マークＭ１が等間隔に複数形成されているとともに、光学センサ６０ａが設けられているが、マークＭ１が形成されていない光学ホイール６０を用い、光学センサ６０ａが設けられていない場合にも同様に本発明を適用することができる。

また、実施形態では、光学ホイール６０には、モータシャフト６ｃを中心とする円Ｃ３に沿って、４つのマークＭ２−１〜Ｍ２−４が円周角９０°の間隔で配置されているが、マークＭ２の数及び配置はこれに限定されず、例えば、８つのマークＭ２が円周角４０°の間隔で配置されていてもよい。

また、実施形態では、光学ホイール６０を用いたが、マークＭ２としての磁石が配置された磁気ホイールを用いるとともに、光学センサ６０ｂに代えて磁気センサを用いて、この磁気センサが、マークＭ２としての磁石によって変化する磁束に対応する信号を出力するようにしてもよい。

実施形態では、マークが形成された光学ホイール６０として説明したが、本発明は光学ホイール、更には、光学ホイール以外のホイールに限定されない。例えば、主軸（シャフト）の外周面に直接マークを貼り付け、そのマークが検出されるようにしてもよい。

実施形態では、磁石７１がモータシャフト６ｃの先端部に取り付けられるようにしたが、磁石７１は、モータシャフト６ｃと同一の回転角度で回転するように構成されていればよい。例えば、主動歯車６１と連動して回転し、主動歯車６１と同一の歯数を有する第３従動歯車が取り付けられる。第３従動歯車は主動歯車６１と噛み合っていてもよいし、他の従動歯車を介して主動歯車６１と連動して回転してもよい。更に、第３従動歯車の軸受の先端部に磁石７１が取り付けられるとともに、第１磁気センサ１５１が、磁石７１と所定の間隔を空けて対向する位置に配置される。

実施形態では、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３が主動歯車６１と噛み合うようにしたが、主動歯車６１と連動して回転するように構成されていればよい。例えば、第１従動歯車６２及び第２従動歯車６３が他の従動歯車を介して主動歯車６１と連動して回転してもよい。

実施形態では、磁石７２が軸受６４の先端部に、磁石７３が軸受６５の先端部にそれぞれ取り付けられているが、磁石７２は軸受６４と同一の回転角度で回転し、磁石７３は軸受６５と同一の回転角度で回転するように構成されていればよい。例えば、第１従動歯車６２と連動して回転し、第１従動歯車６２と同一の歯数を有する第４従動歯車が取り付けられる。第４従動歯車は第１従動歯車６２と噛み合っていてもよいし、他の従動歯車を介して第１従動歯車６２と連動して回転してもよい。更に、第４従動歯車の軸受の先端部に磁石７２が取り付けられるとともに、第２磁気センサ１５２が、磁石７２と所定の間隔を空けて対向する位置に配置される。また、第２従動歯車６３と連動して回転し、第２従動歯車６３と同一の歯数を有する第５従動歯車が取り付けられる。第５従動歯車は第２従動歯車６３と噛み合っていてもよいし、他の従動歯車を介して第２従動歯車６３と連動して回転してもよい。更に、第５従動歯車の軸受の先端部に磁石７３が取り付けられるとともに、第３磁気センサ１５３が、磁石７３と所定の間隔を空けて対向する位置に配置される。

実施形態では、アブソリュートユニット２１内に基板１０１を配置し、基板上に制御部１０２等が構成されるようにしたが、基板１０１及び制御部１０２等はアブソリュートユニット２１の外部、例えば、サーボモータ制御装置２３内に構成されてもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

１ ハウジング
３ モータカバー
５ サーボモータ
６ａ 固定子
６ｂ 回転子
６ｃ モータシャフト
７ ジョイント部材
８ 軸受部材
９ ボールねじ
１０ 軸受部材
１１ ボールナット
１３ 中空ロッド
１５ ロッド
２１ アブソリュートユニット
２３ サーボモータ制御装置
５０ ユニットカバー
６０ 光学ホイール
６０ａ、６０ｂ 光学センサ
６０ｃ 光学センサ保持用プレート
６１ 主動歯車
６２ 第１従動歯車
６３ 第２従動歯車
６４、６５ 軸受
６６、６７ 歯車保持用プレート
７１、７２、７３ 磁石
１００ アクチュエータシステム
１０１ 基板
１０２ 制御部
１０４ メモリ
１０６ モータドライバ回路
１０８ 電流センサ
１１０ Ｉ／Ｆ部
１２２ 回転角度取得部
１２４ 位置取得部
１５１ 第１磁気センサ
１５２ 第２磁気センサ
１５３ 第３磁気センサ
Ｍ１、Ｍ２−１、Ｍ２−２、Ｍ２−３、Ｍ２−４ マーク

Claims (11)

1. 同期電動機の主軸の回転角度を検出する回転角度検出システムであって、
   前記主軸に固定された磁石と、
   前記磁石の磁束を検出する磁束検出手段と、
   前記主軸の回転方向に沿って形成され、前記主軸とともに回転する回転角度検出用の複数のインデックスと、
   前記インデックスを検出するインデックス検出手段と、
   前記磁束検出手段により検出された前記磁石の磁束に基づいて、１つのインデックスを含む角度範囲を特定し、特定した前記角度範囲に含まれる前記インデックスにより特定される前記主軸の絶対回転角度を取得する絶対回転角度取得手段と、
   を備えることを特徴とする回転角度検出システム。
2. 前記複数のインデックスと前記複数のインデックスの各位置に対応する前記主軸の回転角度とを対応付けて構成されるテーブルを備え、
   前記絶対回転角度取得手段は、前記テーブルに基づいて前記主軸の絶対回転角度を取得することを特徴とする請求項１に記載の回転角度検出システム。
3. 前記テーブルは、前記複数のインデックスと回転方向毎に異なる前記主軸の回転角度とを対応付けて構成されることを特徴とする請求項２に記載の回転角度検出システム。
4. 前記主軸の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記絶対回転角度取得手段により取得された前記主軸の絶対回転角度と、前記回転数検出手段により検出された前記主軸の回転数とに基づいて、前記同期電動機の駆動によって直線上を移動する移動体の位置を取得する移動体位置取得手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の回転角度検出システム。
5. 前記同期電動機は、サーボモータであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の回転角度検出システム。
6. 同期電動機の主軸の回転角度を検出する回転角度検出方法であって、
   前記主軸に固定された磁石の磁束を検出する磁束検出ステップと、
   前記主軸の回転方向に沿って形成され、前記主軸とともに回転する回転角度検出用の複数のインデックスを検出するインデックス検出ステップと、
   前記磁束検出ステップにおいて検出された前記磁石の磁束に基づいて、１つのインデックスを含む角度範囲を特定し、特定した前記角度範囲に含まれる前記インデックスにより特定される前記主軸の絶対回転角度を取得する絶対回転角度取得ステップと、
   を含むことを特徴とする回転角度検出方法。
7. 前記絶対回転角度検出ステップでは、前記複数のインデックスと前記複数のインデックスの各位置に対応する前記主軸の回転角度とを対応付けて構成されるテーブルに基づいて前記主軸の絶対回転角度を取得することを特徴とする請求項６に記載の回転角度検出方法。
8. 前記テーブルは、前記複数のインデックスと回転方向毎に異なる前記主軸の回転角度とを対応付けて構成されることを特徴とする請求項７に記載の回転角度検出方法。
9. 前記主軸の回転数を検出する回転数検出ステップと、
   前記絶対回転角度取得ステップにおいて取得された前記主軸の絶対回転角度と、前記回転数検出ステップにおいて検出された前記主軸の回転数とに基づいて、前記同期電動機の駆動によって直線上を移動する移動体の位置を取得する移動体位置取得ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の回転角度検出方法。
10. 前記同期電動機は、サーボモータであることを特徴とする請求項６乃至９の何れか１項に記載の回転角度検出方法。
11. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の回転角度検出システムと、
    前記絶対回転角度取得手段により検出された前記主軸の絶対回転角度を示す信号に基づいて、前記同期電動機の駆動を制御する駆動制御手段と、
    を備えることを特徴とする同期電動機制御システム。

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