KR20160007518A - 회전각도 검출시스템, 회전각도 검출방법, 회전각도 검출유닛 및 동기 전동기 제어 시스템 - Google Patents

회전각도 검출시스템, 회전각도 검출방법, 회전각도 검출유닛 및 동기 전동기 제어 시스템 Download PDF

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아키라 이와모토
히사미 아카가와
아키히로 야마다
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가부시기가이샤 아이 에이 아이
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Abstract

간이하게 회전자의 절대 회전각도를 검출한다. 회전자와 고정자 권선을 포함하는 스테핑 모터의 회전자의 회전각도를 검출하기 위해서, 기계각 360°당의 분해능이 200인 제1 자기 센서(151)는 회전자의 회전각도를 검출한다. 증분식 인코더(60)는, 회전자의 회전각도에 따라서 복수의 종별의 신호를 주기적으로 출력한다. 제어부(102)의 회전각도 취득부(122)는, 제1 자기 센서(151)에 의해 검출된 회전자의 회전각도와, 증분식 인코더(60)에 의해 출력된 신호의 종별에 의거해서, 회전자의 절대 회전각도를 취득한다.

Description

회전각도 검출시스템, 회전각도 검출방법, 회전각도 검출유닛 및 동기 전동기 제어 시스템{ROTATION ANGLE DETECTION SYSTEM, ROTATION ANGLE DETECTION METHOD, ROTATION ANGLE DETECTION UNIT, AND SYNCHRONOUS MOTOR CONTROL SYSTEM}
본 발명은, 회전각도 검출시스템, 회전각도 검출방법, 회전각도 검출유닛 및 동기 전동기 제어 시스템에 관한 것이다.
산업용 로봇에 이용되는 액추에이터에 있어서는, 모터, 즉, 전동기의 회전축의 회전각도를 검출하고, 이 회전각도에 의거해서 더욱 가동부의 위치를 검출하는 것이 행해지고 있다. 일반적으로 회전각도의 검출에는 앱솔루트 인코더(absolute encoder)나 리졸버(resolver) 등이 사용된다. 인코더에는, 앱솔루트 인코더와 증분식 인코더(incremental encoder)가 있다. 증분식 인코더는 저렴하지만 절대 위치를 검출할 수 없기 때문에, 원점 센서나 원점복귀동작 등이 필요하게 된다. 또한, 앱솔루트 인코더는 광학식이나 자기식 등이 존재하고, 1회전 중의 절대각도를 검출할 수 있지만, 구조가 복잡하고 고가이다. 예를 들면, 특허문헌 1의 자기식 앱솔루트 인코더는, 모터의 회전축에 회전각도를 검출하기 위한 복수의 회전 검출기가 구비되어 있다.
JP 2011-107048 A
그러나, 전술한 종래의 자기식 앱솔루트 인코더는, 복수의 회전 검출기나 아날로그/디지털(A/D) 변환기가 필요하고, 구조가 복잡해진다. 게다가, 복잡한 제어 회로가 필요하게 되는 동시에 비용이 증가한다.
본 발명은, 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 간이하게 회전자의 절대 회전각도를 검출하는 것을 목적으로 한다.
목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제1 관점에 따른 회전각도 검출시스템은, 회전자와 고정자 권선을 포함하는 동기 전동기에 있어서의 상기 회전자의 회전각도를 검출하는 회전각도 검출시스템으로서, 상기 회전자의 기계각 360°에 대해서 상기 동기 전동기의 극대수(極對數) 이상의 분해능을 지니고, 상기 회전자의 회전각도를 검출하는 회전각도 검출수단과, 상기 회전자의 회전각도에 따라서 복수의 종별의 신호를 주기적으로 출력하는 신호 출력수단과, 상기 회전각도 검출수단에 의해 검출된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 신호 출력수단에 의해서 출력된 신호의 종별에 의거해서, 상기 회전자의 절대 회전각도를 취득하는 절대 회전각도 취득수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분해능은, 상기 동기 전동기의 극대수와, 상기 회전자가 상기 동기 전동기의 1극대에 대응하는 각도를 회전하는 사이에 상기 신호 출력수단에 의해서 출력되는 신호의 종별의 조합의 주기의 횟수를 곱한 수 이상이 되도록 해도 된다.
상기 고정자 권선에 복수의 종별의 전류를 공급하는 제어를 행하는 전류공급 제어수단을 구비하고, 상기 절대 회전각도 취득수단은, 상기 회전각도 검출수단에 의해 검출된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 신호 출력수단에 의해서 출력된 신호의 종별에 가해서, 상기 전류공급 제어수단에 의해 공급되는 전류의 종별에 의거해서, 상기 회전자의 절대 회전각도를 취득하도록 해도 된다.
상기 회전자의 회전수를 검출하는 회전수 검출수단과, 상기 절대 회전각도 취득수단에 의해 취득된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 회전수 검출수단에 의해 검출된 상기 회전자의 회전수에 의거해서, 상기 동기 전동기의 구동에 의해서 직선 상을 이동하는 이동체의 위치를 취득하는 이동체 위치 취득수단을 구비하도록 해도 된다.
상기 동기 전동기는 스테핑 모터가 되도록 해도 된다.
목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제2 관점에 따른 회전각도 검출방법은, 회전자와 고정자 권선을 포함하는 동기 전동기에 있어서의 상기 회전자의 회전각도를 검출하는 회전각도 검출시스템에 의한 회전각도 검출방법으로서, 상기 회전자의 기계각 360°에 대해서 상기 동기 전동기의 극대수 이상의 분해능을 지니고, 상기 회전자의 회전각도를 검출하는 회전각도 검출단계와, 상기 회전자의 회전각도에 따라서 복수의 종별의 신호를 주기적으로 출력하는 신호 출력단계와, 상기 회전각도 검출단계에 있어서 검출된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 신호 출력단계에 있어서 출력된 신호의 종별에 의거해서, 상기 회전자의 절대 회전각도를 취득하는 절대 회전각도 취득 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분해능은, 상기 동기 전동기의 극대수와, 상기 회전자가 상기 동기 전동기의 1극대에 대응하는 각도를 회전하는 사이에 상기 신호 출력단계에 있어서 출력되는 신호의 종별의 조합의 주기의 횟수를 곱한 수 이상이 되도록 해도 된다.
상기 고정자 권선에 복수의 종별의 전류를 공급하는 제어를 행하는 전류공급 제어 단계를 포함하고, 상기 절대 회전각도 취득 단계에서는, 상기 회전각도 검출단계에 있어서 검출된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 신호 출력단계에 있어서 출력된 신호의 종별에 가해서, 상기 전류공급 제어 단계에 있어서 공급되는 전류의 종별에 의거해서, 상기 회전자의 절대 회전각도를 취득하도록 해도 된다.
상기 회전자의 회전수를 검출하는 회전수 검출단계와, 상기 절대 회전각도 취득 단계에 있어서 취득된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 회전수 검출단계에 있어서 검출된 상기 회전자의 회전수에 의거해서, 상기 동기 전동기의 구동에 의해서 직선 상을 이동하는 이동체의 위치를 취득하는 이동체 위치 취득 단계를 포함하도록 해도 된다.
상기 동기 전동기는 스테핑 모터가 되도록 해도 된다.
목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제3 관점에 따른 동기 전동기 제어 시스템은, 전술한 어느 하나의 회전각도 검출시스템과, 상기 회전각도 검출수단에 의해 검출된 상기 회전자의 회전각도를 나타내는 신호에 의거해서, 상기 동기 전동기의 구동을 제어하는 구동 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제4 관점에 따른 동기 전동기 제어 시스템은, 전술한 어느 하나의 회전각도 검출시스템과, 상기 신호 출력수단에 의해서 출력된 신호의 종별에 의거해서, 상기 동기 전동기의 구동을 제어하는 구동 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제5 관점에 따른 회전각도 검출유닛은, 회전자와 고정자 권선을 포함하는 동기 전동기에 있어서의 상기 회전자의 회전각도를 검출하는 회전각도 검출유닛으로서, 상기 동기 전동기의 샤프트에 상기 샤프트와 동축이 되도록 부착된 원반과, 상기 원반의 회전각도에 따라서 복수의 종별의 신호를 주기적으로 출력하는 신호 출력부와, 상기 샤프트와 동일한 회전각도로 회전하는 제1 자석과, 상기 제1 자석에 대해서 소정 간격을 두고 대향해서 배치되어, 자속을 검출하는 제1 자기 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 동기 전동기의 샤프트에 상기 샤프트와 동축이 되도록 부착된 주동기어와, 상기 주동기어와 연동해서 회전하고, 상기 주동기어와는 다른 톱니수를 가진 제1 종동기어와, 상기 주동기어와 연동해서 회전하고, 상기 주동기어 및 상기 제1 종동기어와는 다른 톱니수를 가진 제2 종동기어와, 상기 제1 종동기어의 회전축과 동일한 회전각도로 회전하는 제2 자석과, 상기 제2 자석에 대해서 소정 간격을 두고 대향해서 배치되어, 자속을 검출하는 제2 자기 센서와, 상기 제2 종동기어의 회전축과 동일한 회전각도로 회전하는 제3 자석과, 상기 제3 자석에 대해서 소정 간격을 두고 대향해서 배치되어, 자속을 검출하는 제3 자기 센서를 포함하도록 해도 된다.
본 발명에 따르면, 간이하게 회전자의 절대 회전각도를 검출할 수 있다.
도 1은 실시형태에 따른 전동 액추에이터 시스템의 개략 구성을 나타낸 도면;
도 2는 실시형태에 따른 앱솔루트 유닛의 사시도;
도 3은 실시형태에 따른 앱솔루트 유닛의 측면도;
도 4는 실시형태에 따른 앱솔루트 유닛 내의 기판 상의 구성을 나타낸 도면;
도 5는 실시형태에 따른 고정자와 회전자의 전기각 상에서의 위치의 일례를 나타낸 도면;
도 6은 실시형태에 따른 앱솔루트 유닛 내의 주동기어, 제1 종동기어 및 제2 종동기어의 회전각도의 전이를 나타낸 도면;
도 7은 실시형태에 따른 제1의 회전자의 회전각도 취득 처리를 나타낸 순서도;
도 8은 실시형태에 따른 제2의 회전자의 회전각도 취득 처리를 나타낸 순서도;
도 9는 실시형태에 따른 로드의 위치 취득 처리를 나타낸 순서도.
발명을 실시하기 위한 형태
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 1은, 실시형태에 따른 전동 액추에이터 시스템(100)의 개략 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 전동 액추에이터 시스템(100)은, 하우징(1), 모터 커버(3), 스테핑 모터(5), 조인트 부재(7), 베어링 부재(8), 볼 나사(9), 베어링 부재(10), 볼 너트(11), 중공 로드(13), 로드(15), 앱솔루트 유닛(21) 및 스테핑 모터 제어장치(23)를 포함해서 구성된다.
하우징(1)에는 모터 커버(3)가 연결되어 있다. 모터 커버(3) 내에는 스테핑 모터(5)가 수용·배치되어 있다. 스테핑 모터(5)는 2상 HB형(Hybrid Type) 스테핑 모터이다. 스테핑 모터(5)는, 원주형의 회전자(6b)와, 회전자(6b)를 소정 간격을 두고 수용하도록 배치되는 원통형의 고정자(6a)와, 회전자(6b)에 연결된 모터 샤프트(6c)를 포함해서 구성된다. 본 실시형태에 있어서, 스테핑 모터(5)는 2상 HB형 스테핑 모터이며, 고정자 권선으로서 A상 권선 및 B상 권선(도시 생략)이 고정자(6a)에 권선되어 있다.
스테핑 모터(5)의 모터 샤프트(6c)에는, 조인트 부재(7)를 개재해서 볼 나사(9)가 연결되어 있다. 볼 나사(9)에는 볼 너트(11)가 나사결합하고 있고, 볼 너트(11)에는 중공 로드(13)가 고착되어 있다. 또한, 중공 로드(13)의 선단에는 로드(15)가 연결되어 있다. 또한, 조인트 부재(7)는, 베어링 부재(8, 10)에 의해서 회전가능하게 지지되어 있다.
스테핑 모터(5)가 스테핑 모터 제어장치(23)로부터 A상 권선 및 B상 권선에 공급되는 전류에 응해서 구동하면, 회전자(6b) 및 모터 샤프트(6c)가 회전한다. 또한, 볼 나사(9)가 회전함으로써, 볼 나사(9)의 회전에 의해서 그 회전이 규제되어 있는 볼 너트(11)가 축방향으로 이동한다. 이 볼 너트(11)의 이동에 의해서, 중공 로드(13), 게다가 로드(15)가 축방향으로 이동하게 된다.
앱솔루트 유닛(21)은 회전자(6b)의 회전각도를 취득한다. 또한, 앱솔루트 유닛(21)은, 회전자(6b)의 회전수를 취득하고, 회전자(6b)의 회전각도와 회전수에 의거해서, 축방향으로 이동하는 로드(15)의 위치를 취득한다. 앱솔루트 유닛(21)의 상세에 대해서는 후술한다.
또한, 스테핑 모터(5)는, 스테핑 모터 제어장치(23)에 의해서 제어된다. 스테핑 모터 제어장치(23)는, 앱솔루트 유닛(21)로부터의 검출 신호 및 별도 입력되는 지령 신호에 의거해서, 스테핑 모터(5)를 제어한다. 또한, 스테핑 모터 제어장치(23)는, 스테핑 모터(5)의 기동 시에 있어서, 소정의 기동 제어를 실행하고, 그것에 의해서, 안정적인 기동 특성을 제공한다.
도 2는 앱솔루트 유닛(21)의 사시도를 나타낸다. 도 3은 앱솔루트 유닛(21)의 내부의 측면도를 나타낸다. 도 2 및 도 3에 나타낸 앱솔루트 유닛(21)은, 스테핑 모터(5)에 연결되어 있고, 유닛 커버(50), 증분식 인코더(60), 주동기어(61), 제1 종동기어(62), 제2 종동기어(63), 베어링(64, 65), 기어 보유용 플레이트(66, 67), 자석(71, 72, 73), 기판(101), 제1 자기 센서(151), 제2 자기 센서(152), 제3 자기 센서(153)를 포함해서 구성된다.
증분식 인코더(60)는, 모터 샤프트(6c)의 회전에 따라서 신호를 출력한다. 증분식 인코더(60)는, 예를 들면, 광학식이며, 광전소자(도시 생략)와, 소정의 각도의 피치로 슬릿이 형성된 격자원반(도시 생략)과, 격자원반을 집어서 광전소자에 대향하는 위치에 배치되는 광원(도시 생략)을 포함해서 구성된다.
격자원반은 모터 샤프트(6c)에 부착되어 있고, 격자원반 회전축과 모터 샤프트(6c)의 회전축은 동축으로 되어 있다. 격자원반은 모터 샤프트(6c)의 회전에 따라서 회전한다. 그때, 광원으로부터의 광은, 슬릿을 통과해서 광전소자까지 도달하는 상태와, 격자원반에 차단되어 광전소자까지 도달하지 않는 상태를 반복한다.
광전소자는, 광원으로부터의 광이 도달할 때마다, 2개의 신호(제1 신호 및 제2 신호)의 조합을 출력한다. 제1 신호와 제2 신호의 조합은, 제1 신호가 고 레벨이고 제2 신호가 고 레벨이 되는 조합, 제1 신호가 저 레벨이고 제2 신호가 고 레벨이 되는 조합, 제1 신호가 저 레벨이고 제2 신호가 저 레벨이 되는 조합, 제1 신호가 고 레벨이고 제2 신호가 저 레벨이 되는 조합이다. 광전소자는, 이 제1 신호 및 제2 신호의 4개의 조합을 주기적으로 출력한다. 또, 증분식 인코더(60)는, 모터 샤프트(6c)의 회전에 따라서 제1 신호와 제2 신호의 4개의 조합을 주기적으로 출력하는 것이면 되고, 자기식이어도 된다.
주동기어(61)는, 유닛 커버(50) 내의 공간의 중앙부에 위치하고, 모터 샤프트(6c)에 부착되어 있으며, 격자원반 회전축과 모터 샤프트(6c)의 회전축은 동축으로 되어 있다. 주동기어(61)는 모터 샤프트(6c)의 회전에 따라서 회전한다.
기어 보유용 플레이트(66)는, 유닛 커버(50)의 내벽면의 측면에 부착되어 있다. 또한 기어 보유용 플레이트(66)에는, 베어링(64)이 회전가능하게 부착되어 있다. 베어링(64)의 회전축은 모터 샤프트(6c)의 회전축과 평행하게 되어 있다. 제1 종동기어(62)는 베어링(64)에 부착되어 있다. 제1 종동기어(62)는, 주동기어(61)와 톱니 맞물리도록 배치되어 있고, 주동기어(61)의 회전에 따라서 회전한다.
마찬가지로, 기어 보유용 플레이트(67)는, 유닛 커버(50)의 내벽면의 측면에 부착되어 있다. 또한 기어 보유용 플레이트(67)에는, 베어링(65)이 회전가능하게 부착되어 있다. 베어링(65)의 회전축은 모터 샤프트(6c)의 회전축과 평행하게 되어 있다. 제2 종동기어(63)는 베어링(65)에 부착되어 있다. 제2 종동기어(63)는, 주동기어(61)를 끼워서 제1 종동기어(62)와 대향하는 위치에, 주동기어(61)와 톱니 맞물리도록 배치되어 있고, 주동기어(61)의 회전에 따라서 회전한다.
주동기어(61), 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)의 톱니수는, 후술하는 회전자(6b)의 회전수의 취득, 나아가서는, 로드(15)의 위치의 취득을 위하여 다르게 되어, 서로소가 되도록 설정되어 있다. 예를 들면, 주동기어(61)의 톱니수는 25, 제1 종동기어(62)의 톱니수는 24, 제2 종동기어(63)의 톱니수는 23이다.
자석(71)은 모터 샤프트(6c)의 선단부에 부착되어 있다. 자석(72)은 베어링(64)의 선단부에 부착되어 있다. 자석(73)은 베어링(65)의 선단부에 부착되어 있다.
기판(101)은, 유닛 커버(50)의 내벽면의 주면에 부착되어 있다. 또한 기판(101)에는 제1 자기 센서(151), 제2 자기 센서(152), 제3 자기 센서(153)가 배치되어 있다. 제1 자기 센서(151)는 자석(71)과 소정의 간격을 두고 대향하는 위치에 배치되어 있다. 제1 자기 센서(151)는, 모터 샤프트(6c)의 선단에 부착되어 있는 자석(71)의 미세 자속을 도시하지 않은 자기 검출 소자에 의해서 검출하고, 아날로그 신호로서 출력한다. 이 아날로그 신호는, 자석(71)의 회전에 따라서 전압이 변화되고, 자석(71)이 1회전하면 1주기가 되는 정현파 신호이다. 이것에 의해, 제1 자기 센서(151)는, 모터 샤프트(6c)의 회전각도를 검출하게 된다. 여기에서, 모터 샤프트(6c)와 회전자(6b)는 동축이며, 동일한 회전속도로 회전한다. 따라서, 제1 자기 센서(151)는 회전자(6b)의 회전각도(제1 회전각도)를 검출하게 된다.
제2 자기 센서(152)는, 자석(72)과 소정의 간격을 두고 대향하는 위치에 배치되어 있다. 제2 자기 센서(152)는, 베어링(64)의 선단에 부착되어 있는 자석(72)의 미세 자속을 도시하지 않은 자기 검출 소자에 의해 검출하고, 아날로그 신호로서 출력한다. 이 아날로그 신호는, 자석(72)의 회전에 따라서 전압이 변화되고, 자석(72)이 1회전하면 1주기가 되는 정현파 신호이다. 이것에 의해, 제2 자기 센서(152)는 제1 종동기어(62)의 회전각도를 검출하게 된다. 마찬가지로, 제3 자기 센서(153)는 자석(73)과 소정의 간격을 두고 대향하는 위치에 배치되어 있다. 제3 자기 센서(153)는 베어링(65)의 선단에 부착되어 있는 자석(73)의 미세 자속을 자기 검출 소자에 의해 검출하고, 아날로그 신호로서 출력한다. 이 아날로그 신호는, 자석(73)의 회전에 따라서 전압이 변화되고, 자석(73)이 1회전하면 1주기가 되는 정현파 신호이다. 이것에 의해, 제3 자기 센서(153)는 제2 종동기어(63)의 회전각도를 검출하게 된다.
기판(101)에는, 전술한 제1 자기 센서(151), 제2 자기 센서(152), 제3 자기 센서(153) 이외에, 회전자(6b)의 회전각도나 로드(15)의 위치를 취득하기 위해서 필요한 구성이 배치된다.
도 4는 기판(101) 상의 구성을 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 기판(101) 상에는, 제어부(102), 메모리(104), 인터페이스(I/F)부(110)가 배치되어 있다.
제어부(102)는, 예를 들면, 마이크로 컴퓨터에 의해 구성된다. 제어부(102)는, 메모리(104)에 기억된 프로그램을 실행하고, 메모리(104)에 기억된 각종 데이터를 처리하는 것 등에 의해, 앱솔루트 유닛(21)의 전체를 제어한다. 제어부(102)는, 절대 회전각도 취득수단으로서의 회전각도 취득부(122)와, 이동체 위치 취득수단으로서의 위치 취득부(124)의 기능을 지닌다. 제어부(102)는, 증분식 인코더(60)와, 기판(101) 상의 제1 자기 센서(151), 제2 자기 센서(152), 제3 자기 센서(153)를 접속한다. 메모리(104)는 예를 들면 RAM(Random Access Memory)이나 ROM(Read Only Memory)이다. 메모리(104)는 각종 정보를 기억한다. I/F부(110)는, 제어부(102)의 제어에 의해, 스테핑 모터 제어장치(23)와의 사이에서 데이터의 송신 및 수신을 행한다.
다음에, 앱솔루트 유닛(21)의 제어를 설명한다. 본 실시형태의 스테핑 모터(5)는, 2상 HB형 스테핑 모터이며, 회전자(6b)는, 외주에 도시하지 않은 작은 톱니를 50개(이의 피치는 360°/50 = 7.2°) 구비한 2개의 철심으로 이루어지고, N극 측의 철심의 작은 톱니와 S극 측의 철심의 작은 톱니와는 서로 반 피치 벗어나서 50극대로 되어 있다. 즉, 기계각 360°(회전자(6b)의 1회전분)에 전기각 360°(이하, 전기각 1주기라 함)는 50주기 존재한다. 따라서, 전기각 1주기는, 기계각 360°／50이 되어, 기계각 7.2°에 대응한다.
증분식 인코더(60)의 분해능은, 기계각 360°로 800펄스이다. 즉, 스테핑 모터(5)는 50극대이기 때문에, 전기각 1주기당의 증분식 인코더(60)의 분해능은, 800펄스/50이 되고, 전기각 1주기당의 분해능은 16이 된다. 또한, 제1 자기 센서(151)의 기계각 360°당의 분해능은, 200 및 50 중 어느 하나이다.
기계각 360°당의 분해능이 200인 제1 자기 센서(151)가 이용되는 경우, 제1 자기 센서(151)는, 모터 샤프트(6c)의 회전각도, 또한 스테핑 모터(5) 내의 회전자(6b)의 회전각도를 기계각 360°／200 = 1.8°의 정밀도로 검출할 수 있다. 한편, 기계각 360°당의 분해능이 50인 제1 자기 센서(151)가 이용되는 경우, 제1 자기 센서(151)는, 스테핑 모터(5) 내의 회전자(6b)의 회전각도를 기계각 360°／50=7.2°의 정밀도로 검출할 수 있다. 여기에서, 스테핑 모터(5)는, 전술한 바와 같이 50극대이며, 전기각 1주기당의 기계각은 7.2°이다. 즉, 기계각 360°당의 제1 자기 센서(151)의 분해능이 50 이상이면, 제1 자기 센서(151)는 회전자(6b)의 소정 위치가 고정자(6a)의 소정 위치와 정대(正對)하고 있는지를 검출함으로써, 기계각 360°에서 50주기 존재하는 전기각 1주기 중, 어느 전기각 1주기에 대응하는 위치에 있는지를 검출가능하다.
도 5는 스테핑 모터(5) 내의 고정자(6a)와 회전자(6b)의 전기각 1주기 상에서의 위치의 일례를 나타낸 도면이다. 전술한 바와 같로, 증분식 인코더(60)의 전기각 1주기당의 분해능이 16인 것에 따라서, 고정자(6a) 및 회전자(6b)의 위치는 원주방향으로 16분할되어 있다. 또, 고정자(6a)에는 원주방향으로 전기각 0°의 위치부터 차례로 우회전으로 전기각 22.5°마다 1 내지 16의 고정자 위치를 특정하는 번호가 부여되어 있다.
또한, 증분식 인코더(60)는, 회전자(6b)의 회전자 위치(P)가 고정자(6a)의 고정자 위치 1, 5, 9, 13과 정대할 경우에는 제1 신호가 고 레벨이며, 제2 신호가 고 레벨이 되는 조합을 출력한다. 회전자(6b)의 회전자 위치(P)가 고정자(6a)의 고정자 위치 2, 6, 10, 14와 정대할 경우에는 제1 신호가 저 레벨이며, 제2 신호가 고 레벨이 되는 조합을 출력한다. 회전자(6b)의 회전자 위치(P)가 고정자(6a)의 고정자 위치 3, 7, 11, 15와 정대할 경우에는 제1 신호가 저 레벨이며, 제2 신호가 저 레벨이 되는 조합을 출력한다. 회전자(6b)의 회전자 위치(P)가 고정자(6a)의 고정자 위치 4, 8, 12, 16과 정대할 경우에는 제1 신호가 고 레벨이며, 제2 신호가 저 레벨이 되는 조합을 출력한다.
즉, 제1 신호와 제2 신호와의 조합은 4패턴이며, 이 4패턴이 도 5의 1개의 상한의 4개의 분해능에 대응한다. 증분식 인코더(60)의 전기각 1주기당의 분해능이 16이기 때문에, 전기각 1주기는 제1상한, 제2상한, 제3상한, 제4상한으로 4등분된다.
또한, 고정자(6a)에 권취된 A상 권선 및 B상 권선에 대한 전류의 공급 상태에 따라서, 회전자(6b)의 소정 위치인 회전자 위치(P)(도 5 참조)는, 전기각 1주기를 4등분한 제1상한, 제2상한, 제3상한 및 제4상한 중 어느 하나에 위치한다.
구체적으로는, A상 권선 및 B상 권선에는, A상 권선에 플러스의 전류, B상 권선에 플러스의 전류, A상 권선에 마이너스의 전류 또는 B상 권선에 마이너스의 전류를 공급함으로써 회전자(6b)의 소정 위치를 특정한 고정자 위치에 정대시킬 수 있다. A상 권선에 플러스의 전류가 공급될 경우, 회전자 위치(P)는 제1 상한에 위치하고, 고정자 위치 1과 정대한다. B상 권선에 플러스의 전류가 공급될 경우, 회전자 위치(P)는 제2 상한에 위치하고, 고정자 위치 5와 정대한다. A상 권선에 마이너스의 전류가 공급될 경우, 회전자 위치(P)는 제3 상한에 위치하고, 고정자 위치 9와 정대한다. B상 권선에 마이너스의 전류가 공급될 경우, 회전자 위치(P)는 제4 상한에 위치하고, 고정자 위치 13과 정대한다. 또, A상 권선, B상 권선에 동시에 전류를 공급함으로써, 더욱 미세하게 고정자 위치(P)를 정할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 주동기어(61), 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)의 톱니수는 각각 다르게 되어, 서로소가 되도록 설정되어 있다. 예를 들면, 주동기어(61)의 톱니수가 25, 제1 종동기어(62)의 톱니수가 24, 제2 종동기어(63)의 톱니수가 23일 경우, 스테핑 모터(5)의 구동에 의해서 모터 샤프트(6c)가 회전하고, 이 모터 샤프트(6c)의 회전에 따라서 주동기어(61)가 회전한다. 또한, 주동기어(61)의 회전에 따라서 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)가 회전하면, 주동기어(61), 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)의 회전각도의 전이는 도 6에 나타낸 것으로 된다.
도 6(A) 및 도 6(B)에 있어서 횡축은 회전자(6b), 모터 샤프트(6c)의 회전수를 나타내고, 세로축은 주동기어(61), 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)의 회전각도를 나타낸다. 또, 도 6(A)는 최초의 부분을 나타내고 있고, 도 6(B)는 최후의 부분을 나타낸다. 도 6(A)에 나타낸 바와 같이, 초기 상태에 있어서는, 주동기어(61), 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)의 회전각도는 일치하고 있는 것으로 한다. 여기서 초기 상태란, 로드(15)가 가장 하우징(1)에 접근했을 때의 상태를 나타낸다. 또한, 로드(15)가 가장 하우징(1)에 접근했을 때의 위치를 시점위치로 한다.
이 초기 상태로부터 스테핑 모터(5)가 구동되면, 모터 샤프트(6c)의 회전에 따라서 주동기어(61), 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)가 회전한다. 여기에서, 회전자(6b) 및 모터 샤프트(6c)가 1회전 하면 주동기어(61)도 마찬가지로 1회전한다. 한편, 제1 종동기어(62)는 주동기어(61)보다도 톱니수가 적기 때문에, 주동기어(61)가 1회전하기보다도 전에 1회전한다. 또한, 제2 종동기어(63)는 제1 종동기어(62)보다도 더 톱니수가 적기 때문에, 제1 종동기어(62)가 1회전하기보다도 전에 1회전한다. 이 때문에, 도 6(A)에 나타낸 바와 같이, 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)의 회전각도는 서서히 어긋난다.
또한, 주동기어(61), 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)의 회전이 계속되면, 드디어 도 6(B)에 나타낸 바와 같이, 주동기어(61), 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)의 회전각도가 일치할 때가 있다. 이때의 주동기어(61)의 회전수, 즉, 회전자(6b) 및 모터 샤프트(6c)의 회전수(n)는, n=24×23=552가 된다. 도 6으로부터 명확한 바와 같이, 회전자(6b) 및 모터 샤프트(6c)의 회전수가 0 내지 552의 사이에 있어서는, 제1 종동기어(62)의 회전각도와 제2 종동기어(63)의 회전각도의 조합이 정해지면, 그 조합에 대응하는 회전자(6b) 및 모터 샤프트(6c)의 회전수는 일의적으로 정해진다. 즉, 제1 종동기어(62)의 회전각도(제2회전각도)와 제2 종동기어(63)의 회전각도(제3회전각도)의 조합에 의거해서, 회전자(6b)의 회전수를 취득하는 것이 가능하다.
기계각 360°당의 분해능이 200인 제1 자기 센서(151)가 이용되는 경우, 제어부(102)는, 제1 자기 센서(151)에 의해 검출되는 회전자(6b)의 회전각도(제1 회전각도)와, 증분식 인코더(60)로부터 출력되는 제1 신호와 제2 신호의 조합에 의거해서, 회전자(6b)의 절대 회전각도를 취득할 수 있다. 또, 기계각 360°당의 분해능이 50인 제1 자기 센서(151)가 이용되는 경우, 제어부(102)는, 제1 자기 센서(151)에 의해 검출되는 회전자(6b)의 회전각도(제1 회전각도)와, 고정자(6a)에 권취된 A상 권선 및 B상 권선에 대한 전류의 공급 상태에 의해 특정되는 상한과, 증분식 인코더(60)로부터 출력되는 제1 신호와 제2 신호의 조합에 의거해서, 회전자(6b)의 절대 회전각도를 취득할 수 있다. 또한, 제어부(102)는, 제2 자기 센서(152)에 의해 검출되는 제1 종동기어(62)의 회전각도와 제2 자기 센서(152)에 의해 검출되는 제2 종동기어(63)의 회전각도의 조합으로부터 회전자(6b)의 회전수를 취득하고, 또한, 로드(15)의 위치를 취득할 수 있다.
또한, 제어부(102) 내의 회전각도 취득부(122)는, I/F부(110)를 개재해서, 스테핑 모터 제어장치(23)에 회전자(6b)의 제1 회전각도나 제1 신호와 제2 신호의 조합을 출력한다. 스테핑 모터 제어장치(23)는, 회전자(6b)의 제1 회전각도나 제1 신호와 제2 신호의 조합에 의거해서, 스테핑 모터(5)의 구동을 제어한다. 구체적으로는, 스테핑 모터 제어장치(23)는, 회전자(6b)의 제1 회전각도 및 제1 신호와 제2 신호의 조합에 의거해서, 도 5에 있어서의 회전자(6b)의 회전자 위치(P)가 정대하고 있는 고정자 위치를 특정한다. 또, 특정한 고정자 위치가 소망의 고정자 위치와 다른 경우, 스테핑 모터 제어장치(23)는, 회전자(6b)의 회전자 위치(P)를 소망의 고정자 위치에 정대시키기 위하여, 필요한 고정자 전류 벡터의 전류를 A상 권선 및 B상 권선의 적어도 어느 하나에 공급한다.
이하, 순서도를 참조하면서, 앱솔루트 유닛(21) 내의 제어부(102)에 의한 회전자(6b)의 절대 회전각도 및 로드(15)의 위치 취득의 상세를 설명한다.
도 7은, 기계각 360°당의 분해능이 200인 제1 자기 센서(151)가 이용되는 경우에 있어서의, 제어부(102)에 의한 회전자(6b)의 회전각도의 취득 처리를 나타낸 순서도이다.
제1 자기 센서(151)는, 모터 샤프트(6c)의 회전각도, 즉, 회전자(6b)의 회전각도(제1 회전각도)를 검출하고, 그 제1 회전각도를 나타내는 아날로그 신호를 제어부(102)에 출력한다. 제어부(102) 내의 회전각도 취득부(122)는, 제1 회전각도를 나타내는 아날로그 신호를 취득한다(단계 S101).
또, 증분식 인코더(60)는, 회전자(6b)의 소정 위치(회전자 위치(P))가 정대하는 고정자 위치에 대응한 제1 신호와 제2 신호의 조합을 제어부(102)에 출력한다. 제어부(102) 내의 회전각도 취득부(122)는, 제1 신호와 제2 신호의 조합을 취득한다. 또한, 회전각도 취득부(122)는, 제1 신호와 제2 신호의 조합을 특정한다(단계 S102).
여기에서, 회전각도 취득부(122)는, 제1 신호 및 제2 신호가 함께 고 레벨일 경우에는, 도 5에 있어서 회전자(6b)의 회전자 위치(P)가 고정자(6a)의 고정자 위치 1, 5, 9, 13 중 어느 하나와 정대하고 있으면 특정할 수 있다. 또한, 회전각도 취득부(122)는, 제1 신호가 저 레벨이고 제2 신호가 고 레벨일 경우에는, 도 5에 있어서 회전자(6b)의 회전자 위치(P)가 고정자(6a)의 고정자 위치 2, 6, 10, 14 중 어느 하나와 정대하고 있으면 특정할 수 있다. 또한, 회전각도 취득부(122)는, 제1 신호 및 제2 신호가 함께 저 레벨일 경우에는, 도 5에 있어서 회전자(6b)의 회전자 위치(P)가 고정자(6a)의 고정자 위치 3, 7, 11, 15 중 어느 하나와 정대하고 있으면 특정할 수 있다. 또한, 회전각도 취득부(122)는, 제1 신호가 고 레벨이며, 제2 신호가 저 레벨일 경우에는, 도 5에 있어서 회전자(6b)의 회전자 위치(P)가 고정자(6a)의 고정자 위치 4, 8, 12, 16 중 어느 하나와 정대하고 있으면 특정할 수 있다.
다음에, 회전각도 취득부(122)는, 회전자(6b)의 제1 회전각도의 범위 내에 있어서의, 제1 신호와 제2 신호의 조합에 대응하는 각도를, 회전자(6b)의 절대 회전각도로서 특정한다(단계 S103).
스테핑 모터(5)는 50극대이기 때문에, 기계각 360°당의 분해능이 200인 제1 자기 센서(151)의 전기각 1주기당의 분해능은 4이다. 이 때문에, 제1 자기 센서(151)는, 회전자(6b)의 소정 위치가 고정자(6a)의 어느 하나의 위치와 정대하고 있는지를 검출함으로써, 회전자(6b)의 소정 위치가, 기계각 360°로 50주기 존재하는 전기각 1주기 중, 어느 하나의 전기각 1주기에 위치하고, 또한, 그 전기각 1주기에 대응하는 제1상한 내지 제4상한 중 어느 것에 위치하고 있는지를 검출가능하다. 이 때문에, 단계 S103에 있어서, 회전각도 취득부(122)는, 우선, 단계 S101에 있어서 취득한 제1 회전각도에 의거해서, 50주기 존재하는 전기각 1주기 중 어느 하나의 전기각 1주기에 대응하는 제1상한 내지 제4상한 중, 회전자(6b)의 소정 위치가 위치하고 있는 상한을 특정한다.
또한, 전술한 바와 같이, 증분식 인코더(60)의 1개의 상한당의 분해능은 4이기 때문에, 회전자(6b)의 소정 위치가 1개의 상한을 4분할한 위치(4분할 위치) 중 어느 것에 위치하고 있는지를 검출가능하다. 이 때문에, 단계 S103에 있어서, 회전각도 취득부(122)는, 단계 S102에 있어서 특정한 제1 신호와 제2 신호의 조합에 의거해서, 특정한 상한 내에 있어서 회전자(6b)의 소정 위치가 위치하고 있는 4분할 위치 중 어느 하나를 특정할 수 있다. 또한, 그 특정한 4분할 위치에 대응하는 회전각도를 회전자(6b)의 절대 회전각도로서 특정할 수 있다. 이것에 의해, 앱솔루트 유닛(21)은, 회전자(6b)의 절대 회전각도를, 기계각 360°／200/4=0.45°의 정밀도로 검출할 수 있다.
한편, 도 8은, 기계각 360°당의 분해능이 50인 제1 자기 센서(151)가 이용되는 경우에 있어서의, 제어부(102)에 의한 회전자(6b)의 회전각도의 취득 처리를 나타낸 순서도이다.
우선, 스테핑 모터 제어장치(23)는, 스테핑 모터(5)의 고정자(6a)에 권취된 A상 권선 및 B상 권선에 전류를 공급한다. 또, 스테핑 모터(5)의 특성상, 1회의 전류공급에서는 회전자(6b)의 소정 위치에 따라서는 회전자 위치(P)가 소망의 고정자 위치와 정대하지 않을 경우가 고려된다. 그래서, A상 권선 및 B상 권선의 전류의 공급 상태를 복수회 변화시키는 것이 바람직하다. 또한, 소망의 고정자 위치와 정대시키는 방법에 대해서는, 당해 출원인이 발명한 일본국 공개 특허 제2005-261023호에 기재된 방법 등이 고려된다.
다음에, 제1 자기 센서(151)는, 모터 샤프트(6c)의 회전각도, 즉, 회전자(6b)의 회전각도(제1 회전각도)를 검출하고, 그 제1 회전각도를 나타내는 아날로그 신호를 제어부(102)에 출력한다. 제어부(102) 내의 회전각도 취득부(122)는, 제1 회전각도를 나타내는 아날로그 신호를 취득한다(단계 S201).
또, 증분식 인코더(60)는, 회전자(6b)의 소정 위치(회전자 위치(P))가 정대하는 고정자 위치에 대응한 제1 신호와 제2 신호의 조합을 제어부(102)에 출력한다. 제어부(102) 내의 회전각도 취득부(122)는, 제1 신호와 제2 신호의 조합을 취득한다. 또한, 회전각도 취득부(122)는, 제1 신호와 제2 신호의 조합을 특정한다(단계 S202). 구체적인 제1 신호와 제2 신호의 조합의 특정 방법은, 도 7의 단계 S102와 마찬가지이다.
또한, 스테핑 모터 제어장치(23)는, 스테핑 모터(5)의 고정자(6a)에 권취된 A상 권선 및 B상 권선에 대한 전류의 공급 상태를 제어부(102)에 출력한다. 전술한 바와 같이, A상 권선, B상 권선에 전류가 공급되어 있기 때문에, 제어부(102) 내의 회전각도 취득부(122)는, 스테핑 모터 제어장치(23)로부터의 A상 권선 및 B상 권선에 대한 전류의 공급 상태를 취득한다(단계 S203).
다음에, 제어부(102) 내의 회전각도 취득부(122)는, A상 권선 및 B상 권선에 대한 전류의 공급 상태에 의거해서, 회전자(6b)의 소정 위치(회전자 위치(P))가 위치하는 상한을 특정한다(단계 S204). 전술한 바와 같이, A상 권선 및 B상 권선에 대한 전류의 공급 상태에 의해, 회전자(6b)의 소정 위치가 위치하는 상한은 일의적으로 특정가능하다. 회전각도 취득부(122)는, A상 권선에 플러스의 전류가 공급될 경우, 회전자(6b)의 소정 위치는 제1상한에 위치한다고 특정한다. 회전각도 취득부(122)는, B상 권선에 플러스의 전류가 공급될 경우, 회전자(6b)의 소정 위치는 제2상한에 위치한다고 특정한다. 회전각도 취득부(122)는, A상 권선에 마이너스의 전류가 공급될 경우, 회전자(6b)의 소정 위치는 제3상한에 위치한다고 특정한다. 회전각도 취득부(122)는, B상 권선에 마이너스의 전류가 공급될 경우, 회전자(6b)의 소정 위치는 제4상한에 위치한다고 특정한다.
다음에, 회전각도 취득부(122)는, 회전자(6b)의 제1 회전각도의 범위 내이며, 특정한 상한 내에 있어서의, 제1 신호와 제2 신호의 조합에 대응하는 각도를, 회전자(6b)의 절대 회전각도로서 특정한다(단계 S205).
스테핑 모터(5)는 50극대이기 때문에, 기계각 360°당의 분해능이 50인 제1 자기 센서(151)의 전기각 1주기당의 분해능은 1이다. 이 때문에, 제1 자기 센서(151)는, 회전자(6b)의 소정 위치가 고정자(6a)의 어느 위치와 정대하고 있는지를 검출함으로써, 기계각 360°로 50주기 존재하는 전기각 1주기 중 어느 것에 위치하고 있는지를 검출가능하다. 이 때문에, 단계 S205에 있어서, 회전각도 취득부(122)는, 우선, 단계 S201에 있어서 취득한 제1 회전각도에 의거해서, 50주기 존재하는 전기각 1주기 중, 어느 전기각 1주기에 위치하고 있는지를 검출한다.
또, 단계 S204에 있어서 특정된 상한은, 회전자(6b)의 소정 위치가 위치하고 있다고 특정된 전기각 1주기에 대응하는 제1상한 내지 제4상한 중, 회전자(6b)의 소정 위치가 위치하고 있는 상한을 가리킨다. 이 때문에, 단계 S205에 있어서, 회전각도 취득부(122)는, 전류의 공급 상태에 의거해서, 특정한 전기각 1주기에 대응하는 제1상한 내지 제4상한 중, 회전자(6b)의 소정 위치가 위치하고 있는 상한을 특정한다.
또한, 전술한 바와 같이, 증분식 인코더(60)의 1개의 상한당의 분해능은 4이며, 회전자(6b)의 소정 위치가 1개의 상한을 4분할한 위치(4분할 위치) 중 어느 것에 위치하고 있는지를 검출가능하다. 이 때문에, 단계 S205에 있어서, 회전각도 취득부(122)는, 단계 S202에 있어서 특정한 제1 신호와 제2 신호의 조합에 의거해서, 특정한 상한 내에 있어서 회전자(6b)의 소정 위치가 위치하고 있는 4분할 위치의 어느 하나를 특정할 수 있다. 또, 그 특정한 4분할 위치에 대응하는 회전각도를 회전자(6b)의 절대 회전각도로서 특정할 수 있다. 이것에 의해, 앱솔루트 유닛(21)은, 회전자(6b)의 절대 회전각도를, 기계각 360°／50/4/4=0.45°의 정밀도로 검출할 수 있다.
도 7 및 도 8의 처리에 의해 회전자(6b)의 절대 회전각도가 취득되는 동시에, 로드(15)의 위치 취득이 행하여진다. 도 9는 제어부(102)에 의한 로드(15)의 위치의 취득 처리를 나타낸 순서도이다.
제어부(102) 내의 위치 취득부(124)는, 회전자(6b)의 회전수를 취득한다(단계 S301). 구체적으로는, 로드(15)가 가장 하우징(1)에 접근했을 때의 상태인 초기 상태로부터 스테핑 모터(5)가 구동되고, 모터 샤프트(6c)의 회전에 따라서 주동기어(61), 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)가 회전하면, 위치 취득부(124)는, 제1 자기 센서(151)에 의해 검출되는 주동기어(61)의 회전각도(제1 회전각도)와, 제2 자기 센서(152)에 의해 검출되는 제1 종동기어(62)의 회전각도(제2회전각도)와, 제2 자기 센서(153)에 의해 검출되는 제2 종동기어(63)의 회전각도(제3회전각도)를 취득한다. 또한, 위치 취득부(124)는, 주동기어(61)의 회전각도와, 제1 종동기어(62)의 회전각도와, 제2 종동기어(63)의 회전각도의 조합에 의해 일의적으로 정해지는 회전자(6b)의 회전수를 취득한다. 여기서 취득되는 회전자(6b)의 회전수의 소수점 이하의 값은 버릴 수 있다.
다음에, 위치 취득부(124)는, 회전각도 취득부(122)에 의해 도 7 또는 도 8의 처리에 의해 취득된 회전자(6b)의 절대 회전각도를 취득한다(단계 S302).
다음에, 위치 취득부(124)는, 회전자(6b)의 회전수에 대한 로드(15)의 이동 거리(제1이동 거리)를 산출한다(단계 S303). 예를 들면, 메모리(104)에는, 회전자(6b)의 1회전당의 로드(15)의 이동 거리가 기억되어 있다. 위치 취득부(124)는, 회전자(6b)의 1회전당의 로드(15)의 이동 거리에 단계 S301에 있어서 취득한 회전자(6b)의 회전수를 곱함으로써, 로드(15)의 제1이동 거리를 산출한다.
다음에, 위치 취득부(124)는, 회전자(6b)의 절대 회전각도에 대한 로드(15)의 이동 거리(제2이동 거리)를 산출한다(단계 S304). 전술한 바와 같이, 앱솔루트 유닛(21)은, 회전자(6b)의 절대 회전각도를 0.45°의 정밀도로 검출할 수 있다. 이것에 따라서, 예를 들면, 메모리(104)에는, 회전자(6b)가 0.45°회전할 때의 로드(15)의 이동 거리가 기억되어 있다. 위치 취득부(124)는, 회전자(6b)가 0.45°회전할 때의 로드(15)의 이동 거리에, 단계 S302에 있어서 취득한 회전자(6b)의 절대 회전각도를 곱하고, 또한, 0.45로 나눔으로써, 로드(15)의 제2이동 거리를 산출한다.
다음에, 위치 취득부(124)는, 로드(15)의 시점위치(초기 상태의 위치)에, 단계 S303에 있어서 산출한 제1이동 거리와, 단계 S304에 있어서 산출한 제2이동 거리를 가산해서, 로드(15)의 현재 위치를 특정한다(단계 S305).
이상 설명한 바와 같이, 앱솔루트 유닛(21)에서는, 기계각 360°당의 분해능이 200인 제1 자기 센서(151)가 이용되는 경우에는, 제어부(102) 내의 회전각도 취득부(122)는, 제1 자기 센서(151)에 의해 검출되는, 회전자(6b)의 제1 회전각도를 취득하는 동시에, 증분식 인코더(60)에 의해 검출되는 제1 신호와 제2 신호의 조합을 취득한다. 또, 회전각도 취득부(122)는, 회전자(6b)의 제1 회전각도의 범위 내에 있어서의, 제1 신호와 제2 신호의 조합에 대응하는 각도를, 회전자(6b)의 절대 회전각도로서 특정한다. 이것에 의해, 회전자(6b)의 절대 회전각도를 0.45°의 정밀도로 검출할 수 있다.
또, 앱솔루트 유닛(21)에서는, 기계각 360°당의 분해능이 50인 제1 자기 센서(151)가 이용되는 경우에는, 제어부(102) 내의 회전각도 취득부(122)는, 제1 자기 센서(151)에 의해 검출되는, 회전자(6b)의 제1 회전각도를 취득하는 동시에, 증분식 인코더(60)에 의해 검출되는 제1 신호와 제2 신호의 조합을 취득한다. 또한, 회전각도 취득부(122)는, A상 권선 및 B상 권선에 대한 전류의 공급 상태에 의거해서 회전자(6b)의 소정 위치가 위치하는 상한을 특정하고, 회전자(6b)의 제1 회전각도의 범위 내이며, 특정한 상한 내에 있어서의, 제1 신호와 제2 신호의 조합에 대응하는 각도를, 회전자(6b)의 절대 회전각도로서 특정한다. 이것에 의해, 회전자(6b)의 절대 회전각도를 0.45°의 정밀도로 검출할 수 있다.
이와 같이, 증분식 인코더(60)에 저렴한 제1 자기 센서(151)를 조합시킴으로써, 간이하게 회전자(6b)의 절대 회전각도가 검출가능하고, 종래의 자기식 앱솔루트 인코더와 같이, 복수의 회전 검출기나 A/D 변환기는 불필요하다. 게다가, 복잡한 제어 회로도 불필요하므로, 비용을 삭감할 수 있다.
또한, 제어부(102) 내의 위치 취득부(124)는, 회전자(6b)의 회전수를 취득하고, 이 회전수에 대한 로드(15)의 제1이동 거리를 산출하는 동시에, 회전자(6b)의 절대 회전각도에 대한 로드(15)의 제2이동 거리를 산출한다. 그리고, 위치 취득부(124)는, 로드(15)의 초기 상태의 위치에, 제1이동 거리와 제2이동 거리를 가산하여, 로드(15)의 현재 위치를 특정할 수 있다. 게다가, 전술한 산출 수법을 이용함으로써, 회전수의 정보를 보유해둘 필요는 없기 때문에, 그 보유를 위한 전원공급 수단, 예를 들어, 배터리는 불필요하다.
또, 스테핑 모터 제어장치(23)는, 회전자(6b)의 제1 회전각도나 제1 신호와 제2 신호의 조합에 의거해서, 스테핑 모터(5)의 구동을 적절하게 제어할 수 있다.
이상, 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 전술한 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
전술한 실시형태에서는, 제1 자기 센서(151)의 기계각 360°당의 분해능이 200인 경우와 50인 경우에 대해서 설명했지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 제1 자기 센서(151)의 기계각 360°당의 분해능이 200을 초과한 경우에는, 분해능이 200인 경우와 마찬가지로 도 7에 나타낸 처리에 의해 회전자(6b)의 절대 회전각도를 취득할 수 있다. 또한, 제1 자기 센서(151)의 기계각 360°당의 분해능이 50을 초과한 경우에는, 분해능이 50인 경우와 마찬가지로 도 8에 나타낸 처리에 의해 회전자(6b)의 절대 회전각도를 취득할 수 있다.
또한, 실시형태에서는, 제1 자기 센서(151), 제2 자기 센서(152), 제3 자기 센서(153)를 이용하는 동시에, 자석(71)이 모터 샤프트(6c)의 선단부에, 자석(72)이 베어링(64)의 선단부에, 자석(73)이 베어링(65)의 선단부에 각각 부착되어 있지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 이들 대신에, 주동기어(61), 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)의 회전각도를 검출하는 수단을 이용할 경우에도, 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다.
또, 실시형태에서는, 자석(71)이 모터 샤프트(6c)의 선단부에 부착되도록 했지만, 자석(71)은, 모터 샤프트(6c)와 동일한 회전각도로 회전하도록 구성되어 있으면 된다. 예를 들면, 주동기어(61)와 연동해서 회전하고, 주동기어(61)와 동일한 톱니수를 가진 제3 종동기어를 부착된다. 제3 종동기어는 주동기어(61)와 톱니 맞물리고 있어도 되고, 다른 종동기어를 개재해서 주동기어(61)와 연동해서 회전해도 된다. 또한, 제3 종동기어의 베어링의 선단부에 자석(71)이 부착되는 동시에, 제1 자기 센서(151)가 자석(71)과 소정의 간격을 두고 대향하는 위치에 배치된다.
또한, 실시형태에서는, 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)가 주동기어(61)와 톱니 맞물리도록 했지만, 주동기어(61)와 연동해서 회전하도록 구성되어 있으면 된다. 예를 들면, 제1 종동기어(62) 및 제2 종동기어(63)가 다른 종동기어를 개재해서 주동기어(61)와 연동해서 회전해도 된다.
또, 실시형태에서는, 자석(72)이 베어링(64)의 선단부에, 자석(73)이 베어링(65)의 선단부에 각각 부착되어 있지만, 자석(72)은 베어링(64)과 동일한 회전각도로 회전하고, 자석(73)은 베어링(65)과 동일한 회전각도로 회전하도록 구성되어 있으면 된다. 예를 들면, 제1 종동기어(62)와 연동해서 회전하고, 제1 종동기어(62)와 동일한 톱니수를 지니는 제4 종동기어가 부착된다. 제4 종동기어는 제1 종동기어(62)와 톱니 맞물려 있어도 되고, 다른 종동기어를 개재해서 제1 종동기어(62)와 연동해서 회전해도 된다. 또한, 제4 종동기어의 베어링의 선단부에 자석(72)이 부착되는 동시에, 제2 자기 센서(152)가, 자석(72)과 소정의 간격을 두고 대향하는 위치에 배치된다. 또, 제2 종동기어(63)와 연동해서 회전하고, 제2 종동기어(63)와 동일한 톱니수를 지니는 제5 종동기어가 부착된다. 제5 종동기어는 제2 종동기어(63)와 톱니 맞물려 있어도 되고, 다른 종동기어를 개재해서 제2 종동기어(63)와 연동해서 회전해도 된다. 또한, 제5 종동기어의 베어링의 선단부에 자석(73)이 부착되는 동시에, 제3 자기 센서(153)가, 자석(73)과 소정의 간격을 두고 대향하는 위치에 배치된다.
또한, 실시형태에서는, 앱솔루트 유닛(21) 내에 기판(101)을 배치하고, 기판 상에 제어부(102) 등이 구성되도록 했지만, 기판(101) 및 제어부(102) 등은 앱솔루트 유닛(21)의 외부, 예를 들면, 스테핑 모터 제어장치(23) 내에 구성되어도 된다. 또, 스테핑 모터(5)는, 2상 HB형 스테핑 모터로 했지만, 가변 릴럭턴스(reluctance)형(Variable Reluctance Type) 스테핑 모터, PM형(Permanent Magnet Type) 스테핑 모터 등에 대해서도 마찬가지로 본 발명을 적용가능하다. 또한, 스테핑 모터(5)의 상수에 관해서도 한정되는 것은 아니고, 단상, 2상, 3상, 4상, 5상 등의 여러 가지 구성에도 본 발명을 적용가능하다.
본 발명은, 본 발명의 광의의 정신과 범위를 일탈하는 일 없이, 여러 가지 실시형태 및 변형이 가능하게 되는 것이다. 전술한 실시형태는, 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명은, 2013년 5월 15일에 출원된 일본국 특허출원 제2013-103283호에 의거한다. 본 명세서 중에 일본국 특허출원 제2013-103283호의 명세서, 특허청구의 범위, 도면 전체를 참조로서 받아들이는 것으로 한다.
1: 하우징 3: 모터 커버
5: 스테핑 모터 6a: 고정자
6b: 회전자 6c: 모터 샤프트
7: 조인트 부재 8: 베어링 부재
9: 볼 나사 10: 베어링 부재
11: 볼 너트 13: 중공 로드
15: 로드 21: 앱솔루트 유닛
23: 스테핑 모터 제어장치 50: 유닛 커버
60: 증분식 인코더 61: 주동기어
62: 제1 종동기어 63: 제2 종동기어
64, 65: 베어링 66, 67: 기어 보유용 플레이트
71, 72, 73: 자석 100: 전동 액추에이터 시스템
101: 기판 102: 제어부
104: 메모리 110: I/F부
122: 회전각도 취득부 124: 위치 취득부
151: 제1 자기 센서 152: 제2 자기 센서
153: 제3 자기 센서

Claims (14)

  1. 회전자와 고정자 권선을 포함하는 동기 전동기에 있어서의 상기 회전자의 회전각도를 검출하는 회전각도 검출시스템으로서,
    상기 회전자의 기계각 360°에 대해서 상기 동기 전동기의 극대수(極對數) 이상의 분해능을 지니고, 상기 회전자의 회전각도를 검출하는 회전각도 검출수단과,
    상기 회전자의 회전각도에 따라서 복수의 종별의 신호를 주기적으로 출력하는 신호 출력수단과,
    상기 회전각도 검출수단에 의해 검출된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 신호 출력수단에 의해서 출력된 신호의 종별에 의거해서, 상기 회전자의 절대 회전각도를 취득하는 절대 회전각도 취득수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각도 검출시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분해능은, 상기 동기 전동기의 극대수와, 상기 회전자가 상기 동기 전동기의 1극대에 대응하는 각도를 회전하는 사이에 상기 신호 출력수단에 의해서 출력되는 신호의 종별의 조합의 주기의 횟수를 곱한 수 이상인 것을 특징으로 하는 회전각도 검출시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고정자 권선에 복수의 종별의 전류를 공급하는 제어를 행하는 전류공급 제어수단을 포함하고,
    상기 절대 회전각도 취득수단은, 상기 회전각도 검출수단에 의해 검출된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 신호 출력수단에 의해서 출력된 신호의 종별에 가해서, 상기 전류공급 제어수단에 의해 공급되는 전류의 종별에 의거해서, 상기 회전자의 절대 회전각도를 취득하는 것을 특징으로 하는 회전각도 검출시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자의 회전수를 검출하는 회전수 검출수단과,
    상기 절대 회전각도 취득수단에 의해 취득된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 회전수 검출수단에 의해 검출된 상기 회전자의 회전수에 의거해서, 상기 동기 전동기의 구동에 의해서 직선 상을 이동하는 이동체의 위치를 취득하는 이동체 위치 취득수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각도 검출시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동기 전동기는 스테핑 모터인 것을 특징으로 하는 회전각도 검출시스템.
  6. 회전자와 고정자 권선을 포함하는 동기 전동기에 있어서의 상기 회전자의 회전각도를 검출하는 회전각도 검출시스템에 의한 회전각도 검출방법으로서,
    상기 회전자의 기계각 360°에 대해서 상기 동기 전동기의 극대수 이상의 분해능을 지니고, 상기 회전자의 회전각도를 검출하는 회전각도 검출단계와,
    상기 회전자의 회전각도에 따라서 복수의 종별의 신호를 주기적으로 출력하는 신호 출력단계와,
    상기 회전각도 검출단계에 있어서 검출된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 신호 출력단계에 있어서 출력된 신호의 종별에 의거해서, 상기 회전자의 절대 회전각도를 취득하는 절대 회전각도 취득 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각도 검출방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 분해능은, 상기 동기 전동기의 극대수와, 상기 회전자가 상기 동기 전동기의 1극대에 대응하는 각도를 회전하는 사이에 상기 신호 출력단계에 있어서 출력되는 신호의 종별의 조합의 주기의 회수를 곱한 수 이상인 것을 특징으로 하는 회전각도 검출방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 고정자 권선에 복수의 종별의 전류를 공급하는 제어를 행하는 전류공급 제어 단계를 포함하고,
    상기 절대 회전각도 취득 단계에서는, 상기 회전각도 검출단계에 있어서 검출된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 신호 출력단계에 있어서 출력된 신호의 종별에 가해서, 상기 전류공급 제어 단계에 있어서 공급되는 전류의 종별에 의거해서, 상기 회전자의 절대 회전각도를 취득하는 것을 특징으로 하는 회전각도 검출방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자의 회전수를 검출하는 회전수 검출단계와,
    상기 절대 회전각도 취득 단계에 있어서 취득된 상기 회전자의 회전각도와, 상기 회전수 검출단계에 있어서 검출된 상기 회전자의 회전수에 의거해서, 상기 동기 전동기의 구동에 의해서 직선 상을 이동하는 이동체의 위치를 취득하는 이동체 위치 취득 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각도 검출방법.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동기 전동기는 스테핑 모터인 것을 특징으로 하는 회전각도 검출방법.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 회전각도 검출시스템과,
    상기 회전각도 검출수단에 의해 검출된 상기 회전자의 회전각도를 나타내는 신호에 의거해서, 상기 동기 전동기의 구동을 제어하는 구동 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 전동기 제어 시스템.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 회전각도 검출시스템과,
    상기 신호 출력수단에 의해서 출력된 신호의 종별에 의거해서, 상기 동기 전동기의 구동을 제어하는 구동 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 전동기 제어 시스템.
  13. 회전자와 고정자 권선을 포함하는 동기 전동기에 있어서의 상기 회전자의 회전각도를 검출하는 회전각도 검출유닛으로서,
    상기 동기 전동기의 샤프트에 상기 샤프트와 동축이 되도록 부착된 원반과,
    상기 원반의 회전각도에 따라서 복수의 종별의 신호를 주기적으로 출력하는 신호 출력부와,
    상기 샤프트와 동일한 회전각도로 회전하는 제1 자석과,
    상기 제1 자석에 대해서 소정 간격을 두고 대향해서 배치되어, 자속을 검출하는 제1 자기 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각도 검출유닛.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 동기 전동기의 샤프트에 상기 샤프트와 동축이 되도록 부착된 주동기어와,
    상기 주동기어와 연동해서 회전하고, 상기 주동기어와는 다른 톱니수를 가진 제1 종동기어와,
    상기 주동기어와 연동해서 회전하고, 상기 주동기어 및 상기 제1 종동기어와는 다른 톱니수를 가진 제2 종동기어와,
    상기 제1 종동기어의 회전축과 동일한 회전각도로 회전하는 제2 자석과,
    상기 제2 자석에 대해서 소정 간격을 두고 대향해서 배치되어, 자속을 검출하는 제2 자기 센서와,
    상기 제2 종동기어의 회전축과 동일한 회전각도로 회전하는 제3 자석과,
    상기 제3 자석에 대해서 소정 간격을 두고 대향해서 배치되어, 자속을 검출하는 제3 자기 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각도 검출유닛.
KR1020157031916A 2013-05-15 2014-02-06 회전각도 검출시스템, 회전각도 검출방법, 회전각도 검출유닛 및 동기 전동기 제어 시스템 KR20160007518A (ko)

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