JPS60261352A - ステツプ送りアクチユエ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はステッピング動作をするアクチュエータに係り
、特に、高い停止精度及び高分解能の要求に応じること
のできるステップ送りアクチュエータに関する。

〔発明の背景〕

ステップ送シを行うアクチュエータの応用分野の最も主
なものに、フロッピーディスク装置のヘッド送り、プリ
ンタのキャリッジ送り等に代表されるＯＡ（Ｏｆｆｉｃ
ｅ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）機器がある。

近年のＯＡａ器の発展に伴ない、アクチュエータも高性
能なものが要求されてきている。例えば、フロッピーデ
ィスクの場合、記録密度（単位幅当りのトラック数）の
増大、アクセス時間の短縮から、そのヘッドを駆動する
アクチュエータに対しても、ステップ幅の減少即ち高分
解能化、及びステップ動作の高速化の要求が非常に強く
なっている。

従来、この種のアクチュエータとしてステップモータが
広く用いられているが、周知のように、ステップ幅を減
少するには鉄心の歯のピッチを小さくしなければならず
、鉄心の加工が困難になる問題が生じ、また、トルク発
生及びトルク傾斜に関係するレラクタンス変化も、歯の
ピッチの細小化に伴なって小さくなることから、発生ト
ルクも小さくなるという問題がある。

なお、この棹の装置どして関連するものには例えば特公
昭５８−５８９２０号公報がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、装置を小形とすることができ、高分解
能のステップ送りが可能で、停止時のトルクを大きくす
ることができるステップ送りアクチュエータを提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明の概要は、固定部と可動部から成るアクチュエー
タと、上記可動部の位置を検知して出力Ａとこれと位相
が９０度異なる出力Ｂとを発生するセンサと、上記信号
Ａ、Ｂから逆相信号人、Ｂを作って出力する信号処理回
路と、位置指令に基づいて上記Ａ、Ｂ、Ａ、Ｂ中の一つ
を順次選択して電流指令として発生する電流指令回路と
、この電流指令に基づいてアクチュエータの電流を制御
する電流制御回路と、この電流制御回路の利得を上記位
置指令に基づいて制御する利得制御回路とを備えた構成
とするにある。

〔発明の実施例〕

具体的は実施例を述べる前に、まず、本発明の基本とな
る考え方を説明する１、第１の基本は、ステップモータ
の歯に相当する動作を、センサ及び制御回路で達成する
ものである。即ち、ステップモータのステップ数に対応
した数（例えば１．８゜ステップモータに対応するもの
としてはＢを発生する位置センサをアクチュエータの可
動部に対向して設け、この出力Ａ、Ｂ及びそれらの逆相
信号Ａ、Ｂの中から一つを指令パルスに同期して出力さ
せるように順次切換えて行く。次いでこの選択された信
号に対応して、アクチュエータの巻線電流を制御する。

このように、センサ信号を基準にして、ステップ動作を
行わせることにより、アクチュエータのトルク発生機構
は、ステップモータの場合の歯を必要とせず、位（６１
センサと制御回路がステップモータの歯の作用を代行す
ることになる。

以上の第１の基本となる考え方に基づくステップ送りア
クチュエータのブロック構成図を第１図に示す。第１図
において、１はアクチュエータの固定部、２は同じく可
動部、３は可動部２に対向して設置した位置センサであ
る。位置センサ３は位相が電気角で互に９０度異なる２
相の信号ＡＢを発生する。６は信号処理回路で、位置セ
ンサ３の出力信号Ａ、Ｈの位相反転信号Ａ、Ｂを作る。

７は指令発生回路で、ステップ送り指令パルス列θ、及
び移動方向指令θ１を発生する。５は電流指令回路で、
指令発生回路７からの指令θ、。

θ、に基づいて、信号処理回路６からのＡ、Ｂ。

Ａ、Ｂ中の一つを順次選択して電流指令信号ｉｃを作る
。４は電流制御回路で、電流指令信号ｉ。

に基づいてアクチュエータ固定部１あるいは可動部２の
巻線電流ｉを制御する。

以上の構成によれば、位置センサ３の出力信号Ａ、Ｂ及
びそれらの位相反転信号Ａ、Ｂによりアクチュエータの
巻線電流１の方向及び大きさを決めることができる。こ
れを、第２図によりさらに詳細に説明する。第２図は上
記各信号Ａ、Ｂ、Ａ。

Ｂの位相関係を示したものである。電流制御回路４は、
これらの信号に基づいてアクチュエータの巻＃ｉ！電流
１を制御するので、第２図は同時に巻線電流ｌの位相関
係も示している。第２図において、正の電流は右方向の
トルクを発生し、負の電流は左方向のトルクを発生する
とすれば、点ａｌの左側の領域（イ）ではアクチュエー
タ可動部２は必ず右方向に移動し、点ａ１の右側の領域
（ロ）では必ず左方向に移動し、８１点で停止する。ま
た３２点の左側の領域（ハ）では右方向に移動し３２点
で停止する。即ち、電流指令回路５が信号Ａを選択した
時は点ａ１、ａ２・・・が安定点で、必ずこの位置に停
止する。同様に信号Ｂに対してば点ｂ１、ｂ２。

・・・が、信号Ａに対しては点ａ１、・・・が、信号Ｂ
に対しては点ｂ０、ｂ１、・・・が安定点即ち停止点に
なる。

アクチュエータ可動部２の多ステップの移動は、信号Ａ
、Ｂ、Ａ、Ｂを順次切換えることにより行うことができ
る。例えば、電流指令回路５が信号Ａを選択しており、
アクチュエータ可動部２が安定点ａｌにあるとする。こ
の時、電流指令回路５が信号Ｂを選択すると電流指令ｉ
、は点ａｌの零゛の値から夏、の値に増加する。従って
アクチュエータ可動部２は右方向に移動して信号Ｂの安
定点ｂ１で停止する。次に信号Ａを選択すると、電流指
令４．は点ｂ１の零値から再びｊいの値に増加しアクチ
ュエータ可動部２は信号入の安定点ｉ１まで移動する。

以上の動作の繰返しにより多ステップの移動が可能とな
る。即ち、右方向への移動は信号Ａ→Ｂ→Ａ→Ｂ→Ａの
切換えにより、左方向への移動は信号Ａ→Ｂ→Ａ→Ｂ→
Ａの切換えにより行うことができる。

ここで位置センサ３の出力信号の波形を第２図に示した
ような正弦波としたのは以下の理由による。一般に、ア
クチュエータのトルクは巻線電流に比例する。もし、位
置センサ３の出力波形が第３図に示すような台形波であ
った場合、アクチュエータは、停止位置ａの近傍まで大
きなトルクを持つことになり、その可動部２の慣性がた
とえ小さなものであってもミ可動部２は点ａを大幅に通
り過ぎ、今度は逆方向の大きなトルクを持つようになる
。即ち、アクチュエータ可動部２Ｆｉ、停止位置ａの近
傍で長時間振動を続け、非常に不安定になる。これに対
して位置センサ３の信号を正弦波とした場合、アクチュ
エータのトルクは、停止位置に近付くにつれて顛々に小
さくなり、このため、停止位置で安定するまでの時間（
整定時間）を短かぐすることが可能となる。

以上の理由により、ステップ送りを行う際の位置センサ
３の出力波形は正弦波が適当であることがわかる。しか
し、この種のアクチュエータの重要な性能の一つである
停止時の抗負荷特性は、位置偏差に対するトルクの傾斜
が大きい方が有利であるのは明らかであシ、この点にお
いては、位置センサの出力波形はむしろ台形波や振幅の
大きな正弦波等のような偏位に対して傾斜の大きな波形
の方が有利といえる。この相反する二つの問題は、第１
図及び第２図を用いて説明した第１の基本だけでは解決
できないのは明らかである。そこで、本発明では、次に
述べる嬉２の基本を付加することにより、この問題に対
処している。

本発明における第２の基本となる考え方を第４図、第５
図を用いて述べる。第４図はブロック構成図、第５図は
その動作説明用の各部信号タイムチャートである。第４
図において、５′は外部より利得を変化できる電流指令
回路、８は指令発生回路７からの指令パルス列θ、に応
じて電流指令回路５′の利得を制御する利得制御回路で
ある。

第５図において、アクチュエータに対する移動方向指令
θ、は、レベル値“１”の時に右方向移動を、“Ｏ”の
時に左方向移動を指令するつＳは信号Ａ、Ｂ、Ａ、Ｂの
中の選択された信号名、Ｇは電流指令回路５′の利得、
Ｘはアクチュエータ可動部２の位置である。時刻ｉｏの
時に指令パルスＰＩが発生し、電流指令回路５′は信号
Ｓとして信号Ｂを選択する。同時に利得制御回路８は電
流指令回路５′の利得Ｇを、ステップ送りを行うに適当
な値ｇ１に設定する。ここで利得制御回路８は、指令パ
ルス列θ、の各パルスの時間間隔を測定し、この時間間
隔と、一定の基準時間Ｔとを比較した結果に基づき電流
指令回路５′の利得を設定する機能を有するものである
。利得Ｇ及び信号Ｓが決まると、電流指令回路は信号Ｓ
の値（Ｂ）に利得Ｇ（ｇｘｌを乗じた値の電流指令１６
を発生する。電流制御回路４は、電流指令しの値に応じ
てアクチュエータの巻線電流１を制御し、それにより、
アクチュエータ可動部２の位置Ｘはｌステップ右方向に
移動した狛　となる５さらに基準時間Ｔを超えない時間
間隔で指令パルスＰ２゜Ｐ３．Ｐ４が印加されると、電
流指令回路５′の利得Ｇはｇ１のままであるので、アク
チュエータ可動部２は順次ステップ送りされ、位置Ｘ４
にて停止する。指令パルスｉ１４の発生秋、指令パルス
列θ、がなくなると、時刻ｔｓ　（指令パルス■）４の
立ち上がり時点）を起点にして基準時間Ｔを超える時刻
ｔ４において利得制御回路８は、電流指令回路５’の利
得Ｇをｇ２に増加する。利得Ｇがｇ２に増加されたこと
により、位置偏差に対するトルク増加の割合が大きくな
る、即ちトルク傾斜が大きくなるので、アクチュータ停
止時の抗負荷特性を向上することができる。また、停止
位置はアクチュエータ可動部２とその固定部１との間の
摩擦トルクと駆動トルクの平衡点であるので、トルク傾
斜を大きくすることによりアクチュエータ可動部２の停
止精度も同時に向上する。

本発明で制御可能なアクチュエータは、電流の方向によ
り力の方向が変わるものであれば良く、電磁機械は大部
分のものがこれに含まれる。例えば、回転機では直流モ
ータカ秋リニアアクチュエータではボイスコイル等がこ
れに属する。まだ位置センサとしては、回転機の場合ロ
ータリ・エンコーダが、リニアアクチュエータの場合リ
ニアエンコーダ等がある。

以下、本発明の一実施例を第６図、第７図により説明す
る。第６図は回路構成図、第７図はその動作説明用の各
部信号タイムチャートである。第６図において、１０は
コイル可動形のリニアアクチュエータで、固定部１１の
内面に永久磁石１２及び磁極片１６を持ち、これらの中
間の空隙に巻線１５を配し、巻線電流と磁束により推力
を発生させるう巻線１５に直結した可動部１３は、すべ
り軸受１４により支持されており、左右に動くことがで
きる。位置センサ３が可動部１３に設けた磁気記録媒体
１７と対向し７て設けてあり、可動部１３の位置を検出
している。この磁気記録媒体１７には可動部１３の移動
方向に所定のピッチで磁気信号が着磁され記録されてい
る。本構成のリニアアクチュエータ１０は、巻線１５に
正あるいは負の電流を流すことにより、左右にリニアに
移動動作する。この動作に対応して位置センサ３は位相
が９０度異なる正弦波出力Ａ、Ｂを発生する１、信号処
理回路６は、位置センサ３の出力Ａ、Ｂを基にアナログ
インバータ６１，６２ＫＩＡ、Ｈの位相反転信号Ａ、Ｂ
を作成し、Ａ、Ｂ、Ａ、Ｂの４相の信号を出力する。電
流指令回路５′は、指令発生回路７より与えられる指令
パルス列θ。

及び移動方向指令θ７に基づき、信号処理回路６よシ与
えられる信号Ａ、Ｂ、Ａ、Ｂの中から一つのみを選択し
、その信号を増幅して電流指令ｉ。

を発生する。電流指令回路５′は、アップターランカウ
ンタ５２とアナログマルチプレクサ５１、分圧抵抗器５
５，５６．５７及び増幅器５３より構成される。アップ
ダウンカウンタ５２は、指令発生回路７からの指令パル
ス列θ、と移動方向指令θ、によりアップカウントある
いはダウンカウントを行い、アドレス信号Ｄ０及びＤ１
を発生する。

アナログマルチプレクサ５１はアドレス信号Ｄｏ。

Ｄ１に基づき信号処理回路６より与えられる４信号の中
の一つを選択する。選択された信号は分圧抵抗器を経て
増幅器５３により増幅され、この増幅器出力信号が電流
指令ｉ、となる。電流指令回路の利得Ｇは、分圧抵抗器
５５，５６．５７の値即ち分圧比を変えることにより変
化することができる。利得制御回路８は抵抗器７２とコ
ンデンサ７１よりなる積分回路とこの積分回路の出力電
圧に応じてトランジスタ５４をオン　オフさせるコンパ
レータ７３とより構成される。指令パルス列θ、のパル
ス間隔が短かい時には積分回路の出力電圧はコンパレー
タ７３のスレッショルド電圧より高くなり、トランジス
タ５４は通流状態になる。

指令パルス列θ９のパルス間隔が長くなると、積分回路
の出力電圧がコンパレータ７３のスレッシヨルド電圧を
下回ることになり、トランジスタ５４は遮断状態となる
。トランジスタ５４は電流指令回路５′の分圧抵抗器５
６と並列に接続されており、このため、トランジスタ５
４０通流、遮断状態に応じて分圧比が変化する。この結
果、電流指令回路５′の利得が制御されることになる。

例えば、指令パルス列θ、のパルス間隔が短かい時には
トランジスタ５４は上記のように通流状態で、分圧抵抗
器５６は短絡したと同等になり、電流指令回路５′の利
得は低くなり、指令パルス列θ、のパルス間隔が長くな
りトランジスタ５４が遮断状態になると、分圧抵抗器５
６が挿入されて、電流指令回路５′の利得は高くなる。

、電流制御回路４は、直流電源２１と、Ｈ形に接続した
４個のトランジスタ２３〜２６とから成り、２３と２６
をオンあるいは２４と２５をオンすることにより、巻線
電流の方向及び大きさを制御する。２２は巻線電流を検
出する電流検出器、工８は電流指令信号１１と巻線電流
検出信号ｉ、とを比較してトランジスタ２３〜２６の点
弧信号を作成するプリドライブ回路である。プリドライ
ブ回路１８中では、電流指令信号ｉ、と巻線電流検出信
号ｉ、とが増幅器３２で演算され、この出力Ｓｏが三角
波発生回路９の三角波信号Ｓ、と付合わされる。三角波
／発生回路９は２個の増幅器３０．３１より構成され、
コンデンサ３５の充放電により三角波を発生する。この
三角波信号Ｓｔと増幅器３２の出力信号ｉｅとの付合わ
せよりデュティ出力８ａが得られる。この信号Ｓ、はア
ンド回路２７．２８の入力となる。また、巻線電流の方
向は、電流指令信号ｉ。を入力とするコンパレータ３４
の出力により判定する。コンパレータ３４の出力信号及
びその信号の否定回路３３による反転信号はそれぞれア
ンド回路２７．２８の他の一方の入力端子に入力される
。従って、巻線電流の方向が正方向の時にはトランジス
タ２３．２６が、また逆方向の時にはトランジスタ２５
．２４がオンするようになっている。

以上の構成を持つ本実施例の動作を第７図に示すタイム
チャートを用いながら説明する。第７図において、ｖＩ
は利得制御回路８中の積分回路の出力電圧、ｖ、ｋｔｄ
コンパレータ７３のスレッショルド電圧、ｖ、はコンパ
レータ７３の出力電圧である。時刻ｔ０の時にアクチュ
エータ可動部１３の位置がＸｏ、選択した信号ＳがＢ、
２ビツトのカウンタを持つアップダウンカウンタ５２の
カウント値が３、即ちり。、Ｄ、がそれぞれ“１”、移
動方向指令θ、が”１”であった場合、指令発生回路７
の指令パルス列θ、としてＰ＋が発生すると、アップダ
ウンカウンタ５２のカウント値は零、即ちＤ、、Ｄ、は
それぞれ零となり、アナログマルチプレクサ５１は信号
ＳとしてＡを選択する。この時、積分回路の出力電圧Ｖ
ｌはパルスＰ１により増加を始め、スレッショルド電圧
”ｔｂよシ高い値となっており、コンパレート７３の出
力電圧Ｖ、は零となる。従って電流指令回路５′の利得
Ｇは分圧抵抗器５５．５６により分圧された値に比例し
た値ｇ１となり、電流指令１．の値はｉｍとなり、本発
明の第１の基本となる考え方において述べたように、ア
クチュエータ可動部１３は右方向に単ステップ移動する
。この間に指令パルス列θ、は零となシ、積分回路の出
力電圧ｖＩは徐々に減少するが、コンパレータ７３のス
レッショルド電圧ｖｔｋを下回るには致らない。同様に
パルスＰ２．Ｐ３が入力されると、アクチュエータ可動
部１３はそれぞれ右方向に単ステップ移動し、その位置
はＸ２、ｘ３へと移動する。パルスＰ３の消滅後、アク
チュエータ可動部１３を停止させるために指令パルス列
θ、が入力されなくなると、積分回路の出力電圧ｖ、は
減少を続け、コンパレータ７３のスレッショルド電圧Ｖ
、ｔを下回る。それにより、トランジスタ５４は遮断状
態となり、分圧抵抗器５５に直列に分圧抵抗器５６が接
続された同様な状態となる。従って、電流指令回路５′
の利得ＧＦｉ、分圧抵抗器５７と、５５゜５６の直列抵
抗の分圧比に比例した値ｇ鵞に増大する。この時、アク
チュエータ可動部１３の位置Ｘは目標位置Ｘ３近傍でほ
ぼ安定しており、慣性による悪影響は、移動時に比較し
て無視できる程度に減少している。従って、停止時に利
得Ｇを増加したことにより、アクチュエータ１ｏは大き
なトルク傾斜を有する。

なお、本実施例では、抵抗器とコンデンサによる積分回
路を用いて指令パルス入力後の時間を計測するものにつ
いて述べたが、積分回路の代りにタイマ等で時間計測を
しても全く同様である。また、本実施例では電流指令回
路５′の利得Ｇを２段階に切換える方式について説、明
したが、例えば乗算器を使用する等の方式を採用するこ
とにより利得Ｇを７！続的に変化すれば、より円滑な制
御が可能となることは云つまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ステップ送りができるアクチュエータ
を、鉄心等に歯を設＝けることなく、位置センナ及び制
御回路により実現でき、このため、高精度な位置センサ
を使用することにより、極微細ステップ幅のアクチュエ
ータが実現可能であり、また、停止時のトルク傾斜を移
動時とは独立に増大できるので、停止精度が非常に高く
、抗負荷特性に秀れかつ安定なステップ送りが可能とな
り、さらに、トルク発生機構として、直流機あるいはボ
イスコイル等の一般的なものが使用でき、小形化、高効
率化が達成でき、また、位置センサのピッチを変えるこ
とによりステップ幅の変更ができることから、アクチュ
エータとしての量産性、汎用性が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的考え方説明用のブロック図、第
２図は第１図の各部信号のタイムチャート、第３図は位
置センサ波形の一例を示す図、第４図は本発明の第２の
基本的考え方説明用のブロック図、第５図は第４図の各
部信号のタイムチャート、第６図は本発明の一実施例回
路図、第７図は第６図中の各部信号のタイムチャートで
ある。 １・・・アクチュエータ固定部、２・・・アクチュエー
タ可動部、３・・・位置センサ、４・・・電流制御回路
、５゜５′・・・電流指令回路、６・・・信号処理回路
、７・・・指令発生回路、８・・・利得制御回路、１０
・・・リニアアクチュエータ、１１・・・固定部、１３
・・・可動部、入５・・・巻線、１８・・・プリドライ
ブ回路。 箔　５　図 ｉ　も。　ｔ、、　ｔｚ　も３　も４　Ｌ第ｇ図 第１頁の続き ■発明者　能登原　保夫　日立市幸町３丁目所内 １番１号　株式会社日立製作所日立研究２３８−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、固定部と巻線部と可動部とを備えて可動部のステッ
   プ送り及び停止制御を巻線電流の制御により行うアクチ
   ュエータにおいて、可動部の位置に対応した信号Ａ及び
   位相がこれと９０度異なる信号Ｂを発生する位置センサ
   と、上記信号Ａ、Ｂの逆相信号Ａ、Ｂを発生する信号処
   理回路と、位置指令信号に基づいて上記信号Ａ、Ｂ、Ａ
   、Ｂ中の一つを順次選択して電流指令を発生する電流指
   令回路と、上記電流指令に基づいて前記巻線電流を制御
   する電流制御回路と、上記位置指令信号の内容に応じて
   上記電流制御回路の利得をステップ移動時と停止時とで
   変更する利得制御回路とを設けたことを特徴とするステ
   ップ送りアクチュエータ。 ２、前記利得制御回路が、パルス列で与えられる位置指
   令信号の時間間隔を測定する時間測定回路と、この時間
   間隔とある一定の基準時間とを比較する時間比較回路と
   、この時間比較回路の出力に基づいて前記電流指令回路
   の利得を階段的に切換え又は連続的に変化させる利得切
   換回路とから成る利得制御回路であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のステップ送りアクチュエー
   タ。 ３、前記利得制御回路がパルス列で与えられる位置指令
   信号を積分する積分回路と、さ、の積分回路出力電圧と
   ある一定の基準電圧とを比較する電圧比較回路と、この
   電圧比較回路の出力に基づいて前記電流指令回路の利得
   を切換える利得切換回路とから成る利得制御回路である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のステップ
   送９アクチュエータ。