JPS62244299A - 出力部材位置づけ装置 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は制御装置の制御の下でステップ・モータにより
駆動される機械的装置の出力部材を位置づけるための機
構に関するものである。本発明に従って制御されるステ
ップ・モータはバックラッシュが１ステツプの大部分と
なるような機械的装置を駆動することができる。本発明
の制御装置は融通性を最大にするためにマイクロコード
で実現される。

Ｂ６発明が解決しようとする問題点 機械的装置、特に情報処理装置と関連して使われる機械
的装置の制御においてステップ・モータは幅広く使われ
ている。ステップ・モータは、それがディジタル装置で
あるために、そのような用途には特に適している。それ
は、個々の入力パルスに基いて歩道的ステップで動きが
生ずるためである。ステップ・モータの適用例には、デ
ィスク駆動装置、テープ駆動装置、コンピュータ用プリ
ンタ及びロボット・マニピュレータなどがある。

一般に、これらの適用例は非常に正確な動きを必要とす
る機械的装置のための駆動手段としてステップ・モータ
を組込んでいる。この正確さはステップ・モータが行い
得る小さいステップによって達成される。ステップ・モ
ータの１つのステップが１つの機械的装置におけるバッ
クラッシュと同し程度の大きさのものである時に、１つ
の制限が生ずる。この分野で直面している問題は、ステ
ップ・モータの性能を最適化し且つ駆動されつつある機
械的装置により調和した正確な応答を与える適当な制御
装置の設計である。

ステップ・モータにより駆動される機械的装置には、ス
テップ・モータを出力部材に連結する伝動装置のような
中間的な機械的要素がある１例えば、その機械的装置は
互いにかみ合った複数の歯車を含んでいる。このような
装置では、１つの歯車の歯は第２の歯車に運動を与える
ようその第２の歯車の歯相互間の間隔を影響し合う。製
造公差のため、隣接する歯相互間の距離即ち歯ち間隔は
かみ合うべき歯よりも大きい。ステップ・モータ及び駆
動歯車が急に停止する時、被駆動歯車はそれの歯の１つ
が駆動歯車の歯と衝突するまで動きつづけ、被駆動歯車
を振動させたりその装置を後戻りさせたりする。これは
バックラッシュとして知られ、ステップ・モータの１ス
テツプがその装置におけるバックラッシュと同じ程度の
大きさのものである場合には、特に困難な制御の問題で
ある。

Ｃ０従来技術 この問題に対して種々の解決策が提案されている。これ
らの解決策は、機械的減衰、傾斜的減速即ちステップ相
互間のタイミングの制御、モータの電子的制動及び入力
信号を制御するための装置の８給位置の監視を含むもの
である。これら４つの方法はすべて大きな欠点を持って
いる。螺旋ねじ及びバックラッシュのないナツトのよう
な機械的装置は複雑であり、実施するのに費用がかかる
。

更に、このような機械的装置は概して特殊な装置用に設
計され、他の用途には使用し得ない、傾斜的減速は、い
つも複数のステップを必要とする適用例には十分な解決
策であるが、ステップ・モータを１ステツプ駆動する多
くの適用例には不十分である。電子的制動では１回転子
に逆向きの駆動力を与えるために不作動コイルに一時的
に電流が流れるのを可能にする。電子的制動は、逆向き
の電流を制御するための複雑な回路の組合わせ、更に複
雑な且つ高価なモータ或いは逆極性の電源を必要とする
。これらはいずれも高価である。電子的制動のもう１つ
の欠点は、それを設計しそして実施するには複雑であり
、１ステツプの適用例には寄与しない、第４の従来技術
は出力部材の位置を監視して、バックラッシュ・エラー
を受容可能なほど低くするようモータへ与えられる駆動
信号を制御する。この技術は設計及び実施するのが困難
な複雑な技術である。一時に１ステツプの移動しか必要
としない適用例には適当でないという欠点を有する。従
来技術のこれらの欠点は本発明により克服される。

Ｄ０問題点を解決するための手段 本発明は従来の機構の費用及び複雑さを必要とすること
なく出力部材を正確な位置へ動かすことができるステッ
プ・モータで駆動される機構を与える。この正確さはモ
ータを最終ステップまで駆動するためにエネルギが供給
される率を減少することによって達成される。

通常、ステップ・モータを１ステップ動かすために供給
されるエネルギはモータの回転子が磁極に関して位置づ
けられる時に印加される１つのパルス又はユニットとし
て供給される。即ち、最大のトルクが生ずるように固定
子のコイルが付勢される。本発明は、回転子が最大のト
ルクを受けるように位置づけられる時わずかなエネルギ
しか加えられないよう、最終単位又は位置づけ単位のエ
ネルギが加えられる率を変更する。エネルギはゆっくり
と加えられ、付勢されつつある磁極が比較的小さいトル
クを加えることが可能である時に生ずる最大値まで指数
的に増大するが１回転子が停正位置まで滑らかに減速す
る時にその回転子上に有効な拘束力を与えることができ
る。回転子をこのように停止することによって５発振又
はリングしようとする回転子の通常の性質は効果的に回
避される。更に、モータにより駆動される機構はオーバ
ーシュート又はバックラッシュなしにそれ自体の固有の
減衰によって減速される。

利用可能なスイッチ素子及び制御回路における能率のた
めにステップ・エネルギ・ユニットを一連の短かいパル
スとしてモータに与えることが都合がよい。本発明の好
適な実施例は最終即ち位置づけエネルギ単位をそのよう
な一連のパルスとして与えるが、その場合それらパルス
はまず低い頻度で供給され１時間と共に増加する。この
装置は、パルスが供給される率が一連の時間的間隔とし
て簡単にプログラムされるので、マイクロプロセッサに
よりモータを制御する場合に特に有効なものとなる。一
連のステップのうちの最終ステップまで回転子を動かす
のためユニットを与えられるよりも、単一のステップを
生じさせる位置づけエネルギ単位に関してわずかに異っ
た時間変化曲線を与える方が望ましいことがわかった。

この異った時間変化曲線は２つの一連の時間間隔をプロ
グラムすることと１つのステップの発生を認識するロジ
ックとによって容易に達成される。

本発明は、最終ステップを認識し且つその最終ステップ
までモータを駆動する代りに１つの修正されたエネルギ
単位を使うに必要なプログラムを加えるだけで既存のマ
イクロプロセッサ制御されるステップ・モータ被駆動機
構に適用可能である。

一方、そのステップ・モータにより駆動される機械的装
置はバックラッシュのほとんどない又は全くない外観を
与えることによってそれ以上の修正なしに強化される。

Ｅ、効果 本発明の利点は機械的装置に固有のバックラッシュの効
果を最小にしながらステップ・モータの回転子の回転加
速を制御に大きな改良を含んでいることである。もう１
つの利点は、最終ステップの動きの間全電流が印加され
て、負荷の変動に適応しながら回転子の位置的精度を最
大にすることである。もう１つの利点は回転子の１ステ
ツプの動きしか必要としないものに特に適していること
である。

本発明の更にもう１つの利点は、複雑な且つ高価な精度
の高い機械的連結機構及びバックラッシュのない歯車を
使って得られるものと同等の精度レベルが得られること
である。もう１つの利点は出力部材の応答を監視するこ
となくその出力部材を制御するための手段が与えられる
ことである。

もう１つの利点は、１ステツプだけの動きを必要とする
装置に対して特に有用であって、ステップ・モータの加
速及び減速にわたって制御を維持しながら所定の速度で
ステップ・モータを駆動するのに実用的な発明であるこ
とである。更にもう１つの利点はこの発明では複雑な回
路が必要でなく、設計及び実施が簡単であり１種々の適
用例に対し十分に融通性があることである６ Ｆ、実施例 第１図を参照すると、出力部材１０を位置づけるだめの
機構は機械的伝動袋＠２０によってその出力部材に連結
されたステップ・モータ４０を含んでいる。ステップ・
モータ４０は制御装置５０によって制御される。ステッ
プ・モータ４０は回転子４４を進めるための複数の付勢
可能な固定子巻線４２を有する。制御装置５０は出力部
材１０を所望の位置まで動かすためにステップ・モータ
４０により遂行されるべきステップ数を指定する移動コ
マンドをコイル選択線４８上に与える。制御装置５０か
ら電流線４６によって固定子巻線に１単位の電気的エネ
ルギが供給される。

ステップ・モータ４０の回転子４４はモータ連結部２２
によって伝動袋＠２０の伝動軸２４に連結される。伝動
軸２４の運動は駆動歯車２６に与えられる。その歯車は
出力部材１０に駆動関係で連結されている。駆動歯車２
６は複数の駆動歯車歯２８を有し、それら歯の各々は外
側端３０ａ及び３０ｂを有する。駆動歯車歯２８は出力
歯車１４の歯間スペース１８と係合するので、駆動歯車
２６の時計方向の回転は出力歯車１４の反時計方向の回
転を生じさせる。出力歯車１４はプリンタ用の給紙ロー
ルのような出力部材１０の出力軸１２に駆動関係で連結
される。それとは別に、出力軸１２はプリンタにおける
印字ヘッドに運動機能を与えるための螺旋ねじ（図示さ
れてない）のような直線的変換装置でもよい。

更に第１図を参照すると、駆動歯車歯２８が出力歯車１
４の歯間スペース１８を完全には満さない時、換言すれ
ば、出力歯車１４が駆動歯車２６と強く係合しない時、
バックラッシュが生ずる。

駆動歯車２６が時計方向に回転する時、その歯の外側端
３０ａは隣接する歯の内側端１９ａと衝突して出力歯車
１４に反時計方向の回転を与える。

駆動歯車２６が急停止すると、出力歯車１４は隣接の歯
の内側端１９ｂが外側端３０ｂと衝突するまで反時計方
向に回転し続ける。次に、隣接の歯の内側端１９ａが外
側端３０ａと衝突して出力歯車１４の運動を反転するま
で出力歯車１４を時計方向に回転運動させる。これらの
振動形衝突及び運動反転は装置がその装置固有の摩擦力
による自然減衰作動によって安定するまで続く、振動形
衡突が駆動歯車２６の回転方向を変更させることも起り
得ることである。いずれの場合でも、バックラッシュに
よる位置的精度の減少がある。この装置におけるバック
ラッシュの量はそれら歯車の係合の緩さの関数であり、
そのバックラッシュの程度が回転子４４の１ステツプの
大部分である時には大変重要なものとなる。

第２図を参照すると、本発明のブロック図は電流スイッ
チ２１０を動作させ且つ制御するためのマイクロプロセ
ッサ２００を含むものである。電流スイッチ２１０を介
してステップ・モータ２３０に電流エネルギを供給する
ための電源２２０がその電流スイッチ２１０と関連づけ
られている。

ステップ・モータ２３０は電流スイッチ２１０からの電
気的エネルギの供給に応答して多数のステップを実行し
１機械的袋＠２４０を所望の位置まで駆動する。

第３図を参照すると、本発明に従ってステップ・モータ
を制御するための回路が示されている。マイクロプロセ
ッサ２００はプログラムされた動作セットに従って電流
スイッチ２１０を制御するためにその電流スイッチ２１
０に接続される。電流スイッチ２１０はトランジスタ２
１３のベースに抵抗２１２を直列に接続されたインバー
タ２１１を含むものである。トランジスタ２１３が導通
している時、電流は電源２２０からトランジスタ２１３
を通ってステップ・モータ２３０の固定子巻線２３１，
２３２，２３３及び２３４へ流れる。

ステップ・モータは固定子巻線２３１乃至２３４の逐次
付勢によってステップされる回転子（図示されてない）
を介して機械的装置２４０に運動を与える。これら巻線
の付勢は固定子巻線付勢スイッチ２５０，２６０．２７
０及び２８０に接続されたマイクロプロセッサ２００に
よっても制御される。付勢スイッチ２５０及び２７０は
トランジスタ２５２及び２７２のベースに接続された入
力バッファ２５１及び２７１を有する。それらトランジ
スタが導通している時、マイクロプロセッサ２００から
の適当な信号に応答してその関連したステータ巻線が付
勢されそしてトランジスタ２１３がオンであれば、電流
が電源２２０からトランジスタ２１３を通りその関連の
固定子巻線及びトランジスタの対を介してアースに流れ
る。同様に、固定子巻線２３°２及び２３４に対しては
固定子巻線付勢スイッチ２６０及び２８０がある。それ
らスイッチ２６０及び２８０はトランジスタ２６２及び
２８２のベースに接続されたインバータ２６１及び２８
１を有する。入力バッファ２５１及びインバータ２６１
がマイクロプロセッサ２００の同じ出力に接続されてい
るので、スイッチ２５０がオンとなって固定子巻線２３
１を付勢する時、スイッチ２６０はオフとなりそして固
定子巻線２３２は付勢されない。同様に、入力バッファ
２７１及びインバータ２８１がマイクロプロセッサ２０
０の同じ出力に接続されているので、固定子巻線２３３
が付勢されるときには固定子巻線２３４は付勢されない
、マイクロプロセッサ２００による固定子巻線２３１乃
至２３４の選択的付勢はステップ・モータ２３０の回転
子に回転運動を与える。

第４図を参照すると、マイクロプロセッサ２００をプロ
グラムするに必要な情報となる流れ図が示されている。

移動（ＭＯＶＥ）コマンドを受取ると、その最初のステ
ップは移動のためのステップ数及び移動の方向を読取る
ことである０次のステップは適当な固定巻線を選択する
こと及びその選択された固定巻線の付勢スイッチに信号
を出力することである。固定子巻線が付勢された後、そ
の移動が１ステツプだけであるかどうかの決定が行われ
る。それが１ステツプだけの移動である場合、１ステツ
プ・パルスが発生され、電流スイッチに出力を生じさせ
る。それが１ステツプの移動でない場合、その移動ステ
ップが複数のステップのうちの最終ステップであるかど
うかが決定される。それが最終ステップである場合、最
終ステップ・パルスが発生され、電流スイッチに出力を
生じさせる。その移動ステップが１ステツプだけでなく
且つ最終ステップでもない場合、正規ステップ・パルス
が発生され、電流スイッチに出力される。次のステップ
はその移動が終了したかどうかを決定することである。

それが終了してない場合、次の固定子巻線が選択されそ
して一連のステップがその時点で再び始まる。移動が終
了した場合、そのシーケンスは停止する。

第５図を参照すると、波形プロフィル即ち波形図５００
は第１図における回転子４４を成る指定された２以上の
ステップ数だけ移動即ち回転させるためにステップ・モ
ータ４０の固定子巻線４２に与えられる電気的エネルギ
の単位を示すものである。波形プロフィル５１０は最終
ステップ又は１ステツプだけの場合にステップ・モータ
４０に印加される電気的エネルギの単位を示す、波形プ
ロフィル５１０は、波形プロフィル５００に示された電
気的エネルギの単位によってエネルギが供給される速度
よりも遅い速度でステップ・モータ４０にエネルギが供
給されるという特徴を有する。

好ましい実施例では、最終ステップの場合と１ステツプ
だけの場合との区別が行われる。１ステツプだけの場合
、波形プロフィル５２０に示された電気的エネルギの単
位がステップモータ４０に印加される・波形プロフィル
５２０は波形プロフィル５１０により示されたエネルギ
印加速度よりも速い速度でステップ・モータ４０にエネ
ルギを印加することを示しているが、ステップ・モータ
４０にエネルギを印加するその速度は波形プロフィル５
００により示されたものよりもかなり遅い。

最終ステップ又は１ステツプだけの時にステップ・モー
タ４０に印加されるエネルギは一連の移動パルスのうち
の個々のパルスにより供給されるエネルギよりも大きい
ことに注目すべきである。図示された特定の波形は好ま
しい実施例のためのものである。他の波形も考えられる
が、それらも本発明の範囲内である。

第６図を参照すると、−組の同じ幅のタイミング・パル
ス６００が時間ごとに別々に示されている。第６図のタ
イミング図は本発明に従って１ステツプだけの移動又は
最終ステップの移動のためにステップ・モータに供給さ
れる電気的エネルギの一連の電流パルスを示している。

第６図に示されるように、３つのパルス・グループ６１
０．６２０及び６３０がある。パルス・グループ６１０
の周波数はパルス・グループ６２０の周波数よりも低く
、一方パルス・グループ６２０の周波数はパルス・グル
ープ６３０の周波数よりも低い、それらパルス・グルー
プの周波数及び長さは第５図の波形プロフィル５１０及
び５２０に最も正確に整合するように選択される０図示
の実施例では、パルス・グループ６１０は同じ幅及び周
波数ｆ１の３つのパルスより成る。パルス・グループ６
２０はパルス・グループ６１０と同じ幅を持ちそして周
波数ｆ２の５つのパルスより成る。パルス・・グループ
６３０は周波数ｆ３の７つのパルスより成り、それらパ
ルスはパルス・グループ６１０及び６２０同様に同じ幅
のものである。それらパルス・グループの種々の周波数
は、成る期間に対してはペデスタル・アップ信号を発生
するように、各パルス・グループに対して変化する期間
に対してはペデスタル・ダウン信号を発生するようにそ
してそのグループにおける全パルスに対してはそれらペ
デスタル信号を繰返えすように、マイクロプロセッサ２
００をプログラムすることによって選択される。マイク
ロプロセッサ２００はパルス・グループの各々に対して
種々の時間シーケンス即ち周波数を指定する２セツト、
３セツト又はそれ以上のセットのデータと共にプログラ
ム可能である。他の波形が選択される場合、当業者には
明らかなように、種々なパルス・グループが選択される
。

個々のパルス６００の幅、１パルス・グループ内のパル
ス数又はパルス・グループの数を変更することも可能で
ある。最終ステップ又は１ステツプだけのものに対する
エネルギ単位を発生するための上記の方法はいずれも本
発明の範囲内にあるものである。

要約すると、本発明の出力部材を位置づけるための機構
は、ステップ・モータ、そのステップ・モータを出力部
材に連結する機械的伝動装置及びステップ・モータを制
御するための手段とより成る。その制御手段は、ステッ
プ・モータにより遂行されるべきステップの数を指定す
る移動コマンドを与えるための手段と、遂行される１つ
のステップがあるという状態を検出するための手段と、
電気的エネルギ・ユニットを種々のエネルギ時間にステ
ップ・モータに選択的に供給するための手段とより成る
。

電気的エネルギの単位を与えるための手段はステップ・
モータにより遂行されるべきステップ数に応答してステ
ップ・モータにエネルギ単位を連続して与える。それら
エネルギ単位の各々はモータ及び出力部材の同じ方向の
移動を促す、ｆ！Ｘ気的エネルギをステップ・モータに
種々のエネルギ時間に選択的に供給するための手段は残
りの１ステツプが検出されたかどうかに応答する。残り
の１ステツプが検出される場合、その残りの１ステツプ
に対するエネルギ単位がステップ・モータに与えられる
速度はステップ・モータにより遂行されるべく指定され
た他のステップに対してエネルギ単位が供給される速度
よりも低い。

好ましい実施例では、電気エネルギの単位を与えるため
の手段は１ステツプだけの移動が遂行されるべきかどう
かにも応答する。′１ステップだけ”が検出される場合
、エネルギがステップ・モータに供給される速度は、他
のステップのために与えられた単位だけエネルギが供給
される速度よりもかなり遅い速度であるが、一連のステ
ップのうちの最終ステップに対してエネルギが供給され
る速度よりも速い速度である。

【図面の簡単な説明】

第１図は出力部材を位置づけるための機構を示す概略図
、第２図は本発明の種々の構成要素間の関係を示すブロ
ック図、第３図は本発明に従ってステップ・モータの運
動を制御するための回路を示す図、第４図は好ましい例
を実施するための一連のステップを示す流れ図、第５図
は連続ステップ中、残りの１ステツプ中及び単一のステ
ップ中にステップ・モータに与えられるエネルギ・ユニ
ットのエネルギ・プロフィルを表わす波形図、第６図は
残りの１ステツプ又は１ステツプだけに対するエネルギ
・ユニットを表わすタイミング図である。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　岡　　１）　次　　生（外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ステップ・モータと、該ステップ・モータを出力部材に
   連結する機械的な伝動部材と、該ステップ・モータを制
   御するための制御装置とより成り、該制御装置は、 該ステップ・モータが移動すべきステップの数を指定す
   るコマンドを発生するための手段と、該コマンドにより
   指定されたステップの数に対応した単位の電気的エネル
   ギを該ステップ・モータに付与するためのエネルギ付与
   手段とより成り、該エネルギ付与手段は、 該ステップ・モータが移動すべき１つのステップが残つ
   ていることを検出するための検出手段と、該検出手段に
   よる検出に応答して電気的エネルギを選択的に種々の速
   度で該ステップ・モータに供給するための手段と、 より成り、前記残つている１つのステップに対して電気
   的エネルギを供給する速度は他のステップに対して電気
   的エネルギを供給する速度よりも遅いことを特徴とする
   出力部材位置づけ装置。