KR20200103529A - 범용형 로터리 인코더 및 그것을 사용한 서보모터 - Google Patents

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KR20200103529A
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Abstract

범용 센서를 사용하여 고정밀도 센서를 구비한 것에 필적하는 고정밀도로, 내환경성이 우수하며 또한 저렴한 로터리 인코더를 제공한다.
범용 센서와, 상기 범용 센서로부터의 출력 신호에 의거하여 상기 모터의 회전축의 회전 각도의 정보를 출력하는 회전 각도 검출부와, 인코더 제어 유닛을 구비한 범용형 로터리 인코더로서, 상기 인코더 제어 유닛은, 초기 설정용의 모터를 구동하는 기능과, 상기 범용 센서 고유의 초기 설정 데이터를 취득하는 기능과, 상기 범용형 로터리 인코더가 장착된 제어 대상의 모터가 통상 운전될 때에 사용되는 통상 운전용의 데이터를 취득·생성하는 기능과, 상기 범용 센서 고유의 초기 설정 데이터를 교정하기 위한 교정 데이터를 유지한 EEPROM을 구비하고 있고, 상기 교정 데이터는 상기 범용 센서에 대하여 절대 정밀도가 2자릿수 또는 3자릿수 높은 고정밀도가 보증된 센서를 표준 센서로 하고, 상기 범용 센서와 상기 표준 센서를 상기 초기 설정용의 모터에 동시에 연결해서 적어도 정역 1회전만큼 구동함으로써 얻어진 교정 데이터이다.

Description

범용형 로터리 인코더 및 그것을 사용한 서보모터
본 발명은 범용형의 센서를 채용한 범용형 로터리 인코더 및 그것을 사용한 서보모터에 관한 것이다.
로터리 인코더는 전기 기기용의 인코더로서 모터로 구동되는 회전축의 절대 각도 위치를 측정하기 위해서 사용된다. 예를 들면, 브러시리스 DC 모터의 제어 방법으로서 Z상, U상, V상, 및 W상의 위상을 검지하는 로터리 인코더와, 로터의 자극 위치를 동기시켜서, 모터를 완전 폐루프의 서보모터로서 제어하는 것이 행해지고 있다.
특허문헌 1에는, 모터의 회전축의 회전 위상을 검지하는 1세트의 MR 센서 유닛을 구비하고, A상, B상, Z상 신호, U상, V상, W상의 구동 신호 및 절대 원점 위치의 정보에 EEPROM의 어드레스를 부여하고, 다회전·앱솔루트 신호의 데이터로서 EEPROM에 기록하도록 구성된 모터 제어 장치가 개시되어 있다. MR 센서 유닛은 축 어긋남 보정 처리부도 구비하고 있다.
특허문헌 2에는, 패턴을 개재한 광 중 소정의 수광 소자에 대하여 제 1 방향으로 벗어난 위치에 배치되는 수광 소자에 입사하는 미광이 되는 광이, 조리개로부터 출사되는 것을 억제하는 억제부를 구비하는, 광학식의 로터리 인코더가 개시되어 있다.
특허문헌 3에는, 자기 스케일의 자장을 검출하는 자기 센서와, 위치 검출용 스케일로부터의 반사광을 검출하는 포토 센서와, 자기 센서의 검출 결과에 의거하여 자기 스케일에 대한 자기 센서의 상대 위치와, 포토 센서의 검출 결과에 의거하여 위치 검출 대상의 절대 위치를 구하는 데이터 제어부를 구비한 앱솔루트 인코더로서, 포토 센서와 자기 센서의 검출 결과에 의거하여, 데이터 제어부 내의 위치 검출 대상과 절대 위치의 관계를 나타내는 데이터를 자동적으로 교정하는 발명이 개시되어 있다.
일본 특허 제 6339307호 공보 일본 특허공개 2015-225007호 공보 일본 특허공개 2005-172696호 공보
각 피구동 부재를 구동하는 모터를 로터리 인코더로서 폐루프로 제어하기 위해서는, 모터의 회전 속도, 회전수, 회전 방향 등의 정확한 정보가 필요하다. 그 때문에, 로터리 인코더를 사용한 회전 각도의 검출에 있어서는, 그 검출 정밀도를 보다 향상시키기 위해서 다양한 기술이 제안되고 있다.
특허문헌 1에 기재된 발명에서는, 회전축에 대한 MR 센서의 마그넷 원점 위치의 정보를 취득하고, 절대 원점 위치를 기초로 Z상 신호를 설정하고, EEPROM의 어드레스를 부여하고, 다회전·앱솔루트 신호의 데이터를 생성하고, 로터리 인코더로서의 기능을 갖게 하고 있다. 이 발명에서는 MR 센서를 채용하고 있기 때문에, 저렴하고 비교적 고정밀도의 로터리 인코더를 제공할 수 있다. 일례로서, 양산되는 범용적인 GMR을 사용한 인코더는 1대당의 가격이 수천엔 이내로 저렴하다.
본 발명에서는 이 종류의 저렴하며 또한 소정의 정밀도를 갖는 범용적인 센서를, 범용 센서로 정의한다.
그러나, 이 종류의 범용 센서는, 본래 자동차용 부품 등으로서 대량이며 또한 저렴하게 공급하는 것을 전제로 해서 제조되고 있다. 그 때문에, 개개의 범용 센서의 출력 특성에는 편차나 변형이 있다. 즉, 자석 자체의 착자 어긋남, 자기 저항 소자 센서의 감도의 편차, 자기 저항 소자 센서의 모터에의 고정시의 오차에 기인하는 위상각의 어긋남 등에 의해, 개개의 범용 센서는, 그 출력 특성에 센서 고유의 편차나 변형이 있다고 하는 과제가 있다. 그 때문에, 범용형의 센서를 로터리 인코더의 센서로서 사용할 경우, 이 센서 고유의 편차나 변형을 보정하고 소정의 정밀도를 확보하기 위해서, 축 어긋남 보정 처리 등의 기능이 형성되어 있다. 그러나, 회전축의 절대 원점 위치 이외의 중간의 각도에 있어서의 편차나 변형을 고정밀도로 보정하는 것은 곤란하다. 그 때문에, 회전각(기계각)으로 ±1도∼수도의 눈금 정밀도밖에 얻을 수 없다. 이러한 로터리 인코더를 ㎛ 오더의 정밀도가 필요한 기기, 예를 들면 칩 마운터 등에 채용할 수는 없다.
또한, 로터리 인코더의 센서로서 사용되고 있는 리졸버에 관해서도, 비교적 저렴하기는 하지만, 개개의 센서는 고유의 편차나 변형이 있기 때문에, 출력 특성의 편차가 크고 ±10도 정도의 눈금 정밀도밖에 얻지 못하고 있다.
이와 같이, 범용 센서를 사용하여 회전 속도나 회전 방향의 판별을 고정밀도로 행하는데에 충분한 절대 정밀도를 갖는 저렴하고 편차가 없는 고정밀도의 로터리 인코더를 실현하는 것은 어렵다.
한편, 특허문헌 2에 기재된 바와 같은 광학식의 로터리 인코더는 고정밀도를 확보하기 위해서 유리제의 기판을 채용하고 있는 것이 많다. 그 때문에, 예를 들면, 분해능이 1만 펄스를 초과하는 고분해능의 기종으로는, 눈금 정밀도로서 ±2초가 보증되어 있는 것도 있다. 또, 분해능(신호 주기/회전)이 4096의 고분해능의 기종에서도 눈금 정밀도는 ±10초가 보증되어 있다. 그러나, 이러한 고정밀도의 광학식의 로터리 인코더는, 그 가격이 수십만엔 또는 100만엔 오더로 꽤 고가격이며, 장착할 수 있는 기기의 대상이 고액인 기기에 한정되어 있다.
본 발명에서는 이 종류의 범용 센서와 비교하여, 절대 정밀도가 2자릿수 내지 3자릿수 고정밀도이고, 내환경성에서는 뒤떨어지며 또한 고가격의 센서를 고정밀도 센서로 정의한다.
특허문헌 3에 기재된 앱솔루트 인코더는, 기동시에 포토 센서로부터의 출력을 교정하는지의 여부를 판단하고(도 6의 S101) 교정을 행하는 경우에는, 자기 센서(본 발명에 있어서의 범용 센서에 상당)로부터의 출력을 이용하여 교정용의 테이블을 작성하고, 포토 센서로부터의 출력을 교정하고 있다(도 6의 S102-109). 그러나, 범용 센서로부터의 출력에는 상기와 같은 문제가 있다. 그 때문에, 자기 센서의 출력으로 포토 센서로부터의 출력을 고정밀도로 보정할 수 있는 앱솔루트 인코더를 실현하는 것은 곤란하다.
본 발명의 하나의 목적은, 범용 센서를 사용하여 고정밀도 센서를 구비한 것에 필적하는 고정밀도로, 내환경이 우수하며 또한 저렴한 로터리 인코더를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 고정밀도 센서를 구비한 것에 필적하는 고정밀도로, 내환경성이 우수하며 또한 저렴한 서보모터를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 하나의 형태에 의하면, 범용형 로터리 인코더는,
모터에 장착되어 상기 모터의 회전축의 회전 각도를 검출하는 범용 센서와,
상기 범용 센서로부터의 출력 신호에 의거하여 상기 모터의 회전축의 회전 각도의 정보를 출력하는 회전 각도 검출부와,
상기 회전 각도의 정보에 근거하여, 상기 모터의 구동을 위한 다회전 앱솔루트 신호를 생성해서 출력하는 인코더 제어 유닛을 구비한 범용형 로터리 인코더로서,
상기 인코더 제어 유닛은 초기 설정용의 모터를 구동하는 기능과,
상기 범용 센서 고유의 초기 설정 데이터를 취득하는 초기 설정 데이터 취득부와,
상기 범용형 로터리 인코더가 장착된 제어 대상의 모터가, 통상 운전될 때에 사용되는 통상 운전용의 데이터를 취득·생성하는 통상 운전 데이터 취득부와,
상기 범용 센서 고유의 초기 설정 데이터를 교정하기 위한 교정 데이터를 유지한 EEPROM을 구비하고 있고,
상기 교정 데이터는, 상기 범용 센서에 대하여 절대 정밀도가 2자릿수 또는 3자릿수 높은 고정밀도가 보증된 센서를 표준 센서로 하고, 상기 범용 센서와 상기 표준 센서를 상기 초기 설정용의 모터에 동시에 연결해서 적어도 정역 1회전만큼 구동함으로써 얻어진, 상기 회전축의 회전 각도에 관한 교정 데이터인 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 범용 센서를 사용하여 고정밀도 센서를 구비한 것에 필적하는 고정밀도로, 내환경성이 우수하며 또한 저렴한 로터리 인코더를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 의하면, 상기 범용형 로터리 인코더에 있어서, 상기 인코더 제어 유닛은, 상기 범용 센서로부터 얻어진 상기 회전축의 적어도 정역 1회전의 A상, B상의 디지털 신호의 각 위치의 데이터를, 상기 회전축의 회전수를 나타내는 정보(Z0, Zn)를 기준으로 한 인크리멘탈값을 기초로 상기 교정 데이터에 의해 교정하여 상기 제어 대상의 모터를 제어하기 위한 다회전 앱솔루트 데이터로서, 상기 EEPROM에 유지하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 범용 센서를 사용하여 제어 대상의 모터를 제어하는 것에 적합한 고정밀도로, 내환경성이 우수하며 또한 저렴한 로터리 인코더를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 의하면, 상기 범용형 로터리 인코더에 있어서 상기 범용 센서는,
상기 회전축의 일단에 연결한 상태에서 회전 가능하게 유지되고, N극 영역과 S극 영역을 갖는 평판 형상의 마그넷과, 상기 마그넷에 대향하는 위치에서 상기 모터의 하우징측에 고정 가능한 1쌍의 MR 센서로 구성되고, 상기 마그넷을 유지하는 마그넷 홀더는 상기 초기 설정용의 모터의 회전축을 삽입 가능한 중공부를 갖는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 범용형 로터리 인코더를 초기 설정 장치 및 그 후의 장착 대상의 모터에 용이하며 또한 정밀하게 장착할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 의하면, 상기 범용형 로터리 인코더에 있어서,
상기 마그넷 홀더는 베어링을 통해서 원통 형상의 함체 내에 회전 가능하게 유지되어 있고, 상기 함체를 상기 초기 설정용의 모터의 하우징에 고정하기 위한 유지부와, 상기 회전 각도 검출부 및 상기 인코더 제어 유닛을 탑재한 인코더 기판을 갖는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 범용형 로터리 인코더를 초기 설정 장치 및 그 후의 장착 대상의 모터에 용이하며 또한 정밀하게 장착할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 의하면, 상기 범용형 로터리 인코더에 있어서,
상기 인코더 제어 유닛은 SSC-BUS 변환기와 SPI-BUS 변환기를 구비하고, 시리얼 버스형의 EEPROM 및 패럴렐 EEPROM에 대응할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 범용형 로터리 인코더를 시리얼 버스형의 EEPROM 및 패럴렐EEPROM 중 어느 타입에도 대응하여 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 의하면, 범용형 로터리 인코더와 컨트롤러를 구비한 서보모터로서 상기 범용형 로터리 인코더는 본 발명의 상기 각 형태를 구비하고 있다.
이에 따라, 범용 센서를 사용하여 제어 대상의 모터를 제어하는 것에 적합한 고정밀도로, 내환경성이 우수하며 또한 저렴한 서보모터를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 범용형 로터리 인코더를 위한 초기 설정 장치의 시스템 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2a는 제 1 실시예에 의거하는 범용형 로터리 인코더의 구성예를 나타내는 기능 블럭도이다.
도 2b는 제 1 실시예에 있어서의 범용형 로터리 인코더의 실시형태를 나타내는 종단면도이다.
도 2c는 제 1 실시예에 있어서의 범용형 로터리 인코더의 다른 실시형태를 나타내는 종단면도이다.
도 3a는 초기 설정 장치용의 브러시리스 DC 모터의 주요부의 구성예를 나타내는 도 1의 A-A 단면도이다.
도 3b는 제 1 실시예에 있어서의 브러시리스 DC 모터의 구동 회로의 예를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 제 1 실시예에 있어서의 초기 설정의 처리의 개요를 나타내는 타임차트이다.
도 5a는 제 1 실시예에 있어서의 범용형 로터리 인코더의 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5b는 제 1 실시예에 있어서의 범용형 로터리 인코더의 특성의 교정 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6a는 제 1 실시예에 있어서의 범용형 로터리 인코더의 테이블, 광학식 로터리 인코더의 테이블, 및, 교정용 테이블의 관계의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6b는 제 1 실시예에 있어서의 범용형 로터리 인코더의 테이블, 광학식 로터리 인코더의 테이블, 및, 교정용 테이블의 관계의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 제 1 실시예에 있어서의 교정 처리 완료의 범용형 로터리 인코더를 사용한 브러시리스 DC 모터의 통상 운전시의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 8은 제 1 실시예에 있어서의 다회전시의 Z상과, A상, B상 신호, 및, U상, V상, W상의 신호의 관계를 설명하는 도이다.
도 9는 제 1 실시예에 있어서의 다회전시의 범용형 로터리 인코더의 교정 완료의 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 제 1 실시예에 의거하는 범용형 로터리 인코더를 사용한 통상 운전 모드시의 교정 처리의 효과를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 의거하는 범용형 로터리 인코더의 초기 설정의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
도 12는 도 11의 초기 설정의 처리에 있어서의 브러시리스 DC 모터의 각 상의 역기전력의 적분값 피크와 위치 결정 정보(Sn)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 범용형 로터리 인코더를 장착한 로봇의 사시도이다.
도 14는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 범용형 로터리 인코더를 장착한 자동차의 전동 파워 스티어링의 개요를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서의 범용형 로터리 인코더를 위한 초기 설정 장치의 시스템 구성예를 나타내는 도면이다.
이 초기 설정 장치는 초기 설정 전용의 브러시리스 DC 모터(200)와, 그 회전축의 일단에 고정된 절대 정밀도가 높은 초기 설정 전용의 광학식 로터리 인코더(300)와, 초기 설정 컨트롤러(800)에 의해 시스템이 구성된다. 이 초기 설정 장치에는, 초기 설정의 대상이 되는 범용형 로터리 인코더(100)가 설치된다. 도 1의 예에서는, 브러시리스 DC 모터(200)의 회전축(203)의 타단과 하우징 커버(250)에 고정된 기판(118) 사이에 범용형 로터리 인코더가 설치되고, 그 메모리에 초기 설정에 따르는 교정용의 데이터가 기록·유지된다. 이 초기 설정 장치를 이용하여, 순차적으로 다수의 범용형 로터리 인코더(100)에 대한 초기 설정의 처리가 이루어진다.
범용형 로터리 인코더(100)의 초기 설정에 필요한 각종의 정보는, 초기 설정 컨트롤러(800)로부터 취득된다. 브러시리스 DC 모터(200)의 회전의 상태가, 범용형 로터리 인코더(100)와 광학식 로터리 인코더(300)에 의해 동시에 취득되고, 환언하면, 동일한 회전축(203)의 회전에 관한 2세트의 데이터가 동기하여 취득되고, 그들 데이터는 범용형 로터리 인코더(100)에 기록됨과 아울러 초기 설정 컨트롤러(800)에도 유지된다.
범용형 로터리 인코더(100)는, 소정의 절대 정밀도를 갖지만 엄격하게 높은 정밀도는 갖지 않으나 내환경성이 우수하고, 가격도 저렴한 범용 센서, 예를 들면 자기식 센서를 구비하고 있다. 자기 저항 소자 센서로서는, 예를 들면 GMR, TMR, AMR 등의 MR 센서를 사용할 수 있다. 범용 센서로서 용량식 센서나 광학식 센서를 사용해도 좋다. 어느 타입이나 소정의 절대 정밀도를 충족시키지 않는, 예를 들면, 1회전 360도에 있어서의 절대 정밀도가 ±3도 이상의 것은 대상 외이다. 또한, 내환경성이 떨어지는 것이나 고가격인 것은 대상 외이다.
한편, 초기 설정 장치의 광학식 로터리 인코더(300)는, 초기 설정 전용의 표준 센서로서 범용 센서와 비교해서 절대 정밀도가 2자릿수 내지 3자릿수 고정밀도이지만, 내환경성에서는 뒤떨어지며 또한 고가격인 센서, 예를 들면 광학식 센서를 구비하고 있다. 본 발명에 있어서의 고정밀도의 광학식 센서는, 높은 절대 정밀도, 예를 들면 ±10초 이하의 절대 정밀도를 갖는다. 이러한 조건을 충족시키는 레이저식 센서도, 본 발명에 있어서의 고정밀도의 광학식 센서에 포함되는 것으로 한다.
이하에서는, 초기 설정 전용의 모터(200)로서 브러시리스 DC 모터를 예로 들어서 설명한다. 브러시리스 DC 모터(200)는, 모터 하우징(210)의 내부에 고정된 스테이터로서 계자 철심(212)과 이것에 절연 부재(213)를 개재하여 감긴 계자 코일(211)을 구비하고 있다. 회전축과 일체로 형성되어 마그넷은, 로터 요크(221)와 그 외주부에 고정된 8개의 영구자석(222)을 갖는 8극의 로터이다. 회전축(203)은 모터 하우징(210) 및 엔드 커버(214)에 설치된 베어링(218)에 의해 유지되어 있다. 기판(118)에는 모터의 컨트롤러(240)나 모터 드라이버(242) 등도 장착되고, 이것들에 신호 라인(228)이나 전원 라인(도시 생략)이 접속되어 있다.
또, 초기 설정 전용의 모터는 지령값에 응답하여 일정 속도로 안정되게 회전하는 기능이 있으면 좋고, 브러시리스 DC 모터에 한정되지 않는다. 한편, 본 발명의 범용형 로터리 인코더의 제어 대상도 브러시리스 DC 모터에 한정되지 않는다. 즉, 초기 설정 전용의 모터는, 범용형 로터리 인코더(100)의 제어 대상과는 다른 타입의 모터, 예를 들면, 브러시가 부착된 직류 전동기, 또는 교류의 동기 전동기라도 좋다.
본 실시예에서는, 초기 설정을 종료한 범용형 로터리 인코더(100)의 장착 대상, 즉 제어 대상의 모터가 브러시리스 DC 모터일 경우를 상정하여, 범용형 로터리 인코더가 브러시리스 DC 모터 제어용의 다회전 앱솔루트 데이터(Z, U, V, W)를 생성하는 기능도 구비하고 있는 예에 대해서 이하에 설명한다.
초기 설정 장치의 일부를 구성하는 광학식 로터리 인코더(300)는, 동일하게 초기 설정 장치의 일부를 구성하는 브러시리스 DC 모터(200)의 회전축(203)에 직결되어 있다. 즉, 광학식 로터리 인코더(300)의 회전축은 모터의 회전축(203)과 일체이고, 베어링(305)을 통해서 케이싱(304)에 유지되고, 회전축의 일단에 회전 기판(306)이 고정되어 있다. 또, 고정밀도가 확보되는 조건을 충족시키는 것이면, 광학식 로터리 인코더(300)의 회전축을, 브러시리스 DC 모터(200)의 회전축(203)에 클러치를 통해서 접속하도록 해도 좋다.
회전 기판(306)은, 예를 들면 유리나 금속, 세라믹스 등, 회전이나 충격, 진동 등에 의해서 용이하게 변형되지 않는 강성 재료로 만들어져 있다. 회전 기판(306)을 사이에 두고 대향하는 위치에서, 케이싱 내에 발광 소자(311), 조리개(308)의 개구(310), 렌즈(309), 수광 소자(314), 및 컨트롤러(316) 등이 배치되어 있다. 회전 기판(306)에는 원주 방향으로 제 1 슬릿 패턴(312), 제 2 슬릿 패턴(315) 등의 복수 종류의 패턴이 형성되어 있다. 회전 기판(306)이 회전하고, 각 슬릿 패턴(312, 315)이 발광 소자(311)와 수광 소자(314) 사이를 통과함으로써, 발광 소자로부터의 광이 투과하는 상태와 차광된 상태를 교대로 반복하고, 수광 소자(314)의 출력이 컨트롤러(316)에서 카운트된다. 조리개(308)는 입사광의 영역을 규제하여 수광 소자(314)에 불필요한 광이 입사되지 않도록 설치되어 있다. 이 광학식 로터리 인코더의 구성·작용의 상세는, 특허문헌 2에 기재된 인용으로 대신한다. 또, 초기 설정 장치의 일부를 구성하는 광학식 로터리 인코더는 고정밀도의 광학식 센서로서 기능하는 것이면 좋고, 특허문헌 2의 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다.
이어서, 도 2a는 제 1 실시예에 의거하는 범용형 로터리 인코더의 구성예를 나타내는 기능 블럭도이다.
범용형 로터리 인코더(100)는 마그넷 유닛(110), 센서 출력 처리 유닛(120), 인코더 제어 유닛(130), 인코더 메모리(160), 및 통신 인터페이스(170)를 포함하고 있다. 본 발명의 범용형 로터리 인코더는 초기 설정 처리 장치를 사용한 초기 설정 처리시에 브러시리스 DC 모터(200)의 로터리 인코더로서 기능함과 아울러, 초기 설정 후는 제어 대상이 되는 각종 기기의 모터나 회전체에 장착 가능한 로터리 인코더가 된다. 범용형 로터리 인코더(100)의 마그넷 유닛(110)은 모터의 회전축에 유지되고, 마그넷 유닛(110)을 제외한 다른 구성 요소는 모터의 고정측, 예를 들면 모터 하우징에 고정된다.
범용 센서의 일부를 구성하는 마그넷 유닛(110)은 비자성 재료, 예를 들면 수지제의 원통 형상의 마그넷 홀더(111)와, 이 홀더에 모터의 회전축 등의 회전체를 삽입하기 위한 중공부(112)와, 마그넷 홀더의 끝면에 고정된 평판 형상의 마그넷(113)과, 마그넷 홀더를 회전체에 고정하기 위한 고정 수단(114)을 갖고 있다. 마그넷(113)의 N극과 SN극의 경계의 하나, 도 1의 예에서는 마그넷의 상단이 회전축의 원점 위치(Z0)가 된다.
센서 출력 처리 유닛(120)은 범용 센서의 나머지 부분을 구성한다. 이 센서 출력 처리 유닛은, 마그넷(113)에 대향하는 위치에서 이간해서 모터의 고정측, 예를 들면 모터 하우징에 고정되는 1쌍의 MR 센서(자기 저항 소자 센서)(121, 122), 온도 센서(123), 및 센서 출력 처리 회로부를 구비하고 있다. 마그넷(113)이 각도(θ)(기계각)만큼 회전해서 각 MR 센서에 작용하는 자계의 방향이 회전하면, 그것에 대응해서 MR 센서의 전기 저항값, 환언하면 범용 센서의 출력 신호의 전압이 변동하고, 회전축(13)의 1회전마다 SIN파, COS파의 각각에서 360도(기계각), 각각 1주기분의 펄스 신호가 출력된다.
마그넷(113)은 Si 또는 유리 기판과, 그 위에 형성된 Ni, Fe 등의 강자성 금속을 주성분으로 하는 합금의 박막으로 구성되어 있다.
센서 출력 처리 유닛(120)의 센서 출력 처리 회로부는, AD 변환기(124), 펄스 카운터(125), 역정접 연산 처리부(126), 축 어긋남 보정 처리부(127), A상·B상 신호 생성부(128), RAM 등의 센서 메모리(129)의 각 기능을 갖고 있다. 이 센서 출력 처리 회로부는, 예를 들면, 메모리가 부착된 마이크로 컴퓨터 상에서 프로그램을 실행함으로써 실현된다.
센서 출력 처리 회로부에서는, 1쌍의 MR 센서의 아날로그 신호가 양자화되고, 전기각의 내삽 처리에 의해 다분할되어, 회전축의 1회전당, 예를 들면 각각, 30000펄스의 A상, B상의 디지털 신호로 변환된다. 1쌍의 MR 센서(121, 122)로부터 얻어지는 A상, B상 신호는, 각 센서 등의 제작 오차, 설치 오차, 온도의 영향 등에 의해 오차(주로 축 어긋남 오차)를 포함하고 있을 가능성이 있기 때문에, 축 어긋남 보정 처리부(127) 등에 있어서 보정 처리가 이루어진다.
이 A상, B상의 디지털 신호는 펄스 카운터(125)에서 누적 가산되고, 그 값이 역정접 연산 처리부(126)에서 역정접 연산된다. 이 역정접 연산의 값은 회전축(13)의 1회전마다의 각도 0의 위치에 동기하여, 누적 가산값이 직선 형상으로 증감을 반복하는 직각 삼각형상이 된다.
A상·B상 신호 생성부(128)에서는, 이 누적 가산값을 기초로 인크리멘탈의 A상 신호 및 B상 신호(이하, A상·B상 신호)의 펄스 데이터가 생성되고, 센서 메모리(129)에 유지된다. 또한, A상·B상 신호 생성부(128)에서는, 회전축(13)의 1회전 마다 나타나는 각도 0의 위치에 동기하여 원점 위치(Z0) 및 다회전 위치(S)의 신호를 생성하여 출력한다. 이 다회전 위치(S)의 신호는 회전축(13)의 회전수를 나타내는 정보(Zn)(Z1, Z2, -, Zn)의 생성에 이용된다.
인코더 제어 유닛(130)은 범용형 로터리 인코더(100)의 초기 설정을 위해서, 초기 설정용의 브러시리스 DC 모터를 구동하여 필요한 정보를 취득하고 인코더 메모리(160)에 기록함으로써, 범용형 로터리 인코더(100)에 광학식 로터리 인코더에 필적하는 고정밀도의 로터리 인코더로서의 기능을 부여한다.
인코더 제어 유닛(130)은 초기 설정용 구동 신호 생성부(131), 범용 센서 고유의 초기 설정시 데이터 취득부(132), 표준 센서의 초기 설정시 데이터 취득부(133), Z상의 폭 설정부(134), 교정용 데이터 생성·기록부(135), 범용 센서의 통상 운전 데이터 취득부(136), 마그넷의 원점 위치 설정부(137), 및, 다회전·앱솔루트 데이터 생성·기록부(138)의 각 기능을 갖고 있다.
초기 설정용 구동 신호 생성부(131)는 초기 설정 전용의 브러시리스 DC 모터를 정회전 및 역회전 방향으로 구동하기 위한 구동 신호(iu, iv, iw)를 생성하여 출력한다. 범용 센서 고유의 초기 설정시 데이터 취득부(132)는 브러시리스 DC 모터를 구동 신호(iu, iv, iw)에 의해 소정의 저속도, 예를 들면 5∼20rpm의 범위, 바람직하게는 10rpm 정도의 일정 속도로 구동함으로써 얻어지는, 범용 센서 고유의 초기 설정시의 A상·B상 신호의 데이터를 취득한다.
표준 센서의 초기 설정시 데이터 취득부(133)는 범용형 로터리 인코더(100)가 장착된 상태에서, 브러시리스 DC 모터가 상기 구동 신호에 의해, 예를 들면 10rpm의 일정 속도로 구동될 때의 표준 센서의 초기 설정시의 A상·B상 신호의 데이터를 취득한다. Z상의 폭 설정부(134)는 A상·B상 신호를 기초로 Z상의 폭의 신호를 생성한다. 교정용 데이터 생성·기록부(135)는 범용 센서 고유의 초기 설정시의 데이터를, 같은 조건에서 취득된 표준 센서의 초기 설정시의 데이터로 교정하기 위한 교정용 데이터를 생성하는 기능을 갖는다. 교정용 데이터의 생성에 대해서는 나중에 설명한다.
범용 센서의 통상 운전 데이터 취득부(136)는, 범용 센서가 장착된 제어 대상의 브러시리스 DC 모터가 브러시리스 DC 모터의 컨트롤러에 의해 제어되어 통상 운전될 때에 사용되는 통상 운전 데이터, 즉, A상·B상 신호, 원점 위치(Z0) 및 다회전 위치(S)의 데이터를 취득·생성한다.
마그넷의 원점 위치 설정부(137)는, 범용 센서를 제어 대상의 브러시리스 DC 모터에 장착할 때에, 회전축의 원점 위치가 불분명할 경우 원점 위치(Z0)를 추출하여 마그넷의 고정 위치를 정하는 기능을 갖는다. 또, 회전축의 원점 위치(Z0)를 미리 알고 있을 경우에는 사용되지 않는다.
다회전·앱솔루트 데이터 생성·기록부(138)는, 범용 센서에 의해 취득된 A상·B상 신호 및 다회전 위치(S)의 데이터를 교정용 데이터로 교정하여 원점 위치(Z0)의 데이터를 포함하는 다회전·앱솔루트 데이터를 생성하고, 이것을 인코더 메모리(160)의 EEPROM에 기록한다. 이 다회전·앱솔루트 데이터가 범용형 로터리 인코더(100)의 출력으로서 제어 대상의 브러시리스 DC 모터의 제어에 사용된다.
인코더 메모리(160)에는 ROM(161), RAM(162), EPROM(163) 및 EEPROM(164)이 포함되어 있고, 버스나 메모리 컨트롤러를 통해서 인코더 제어 유닛과 접속되어 있다. EPROM이나 EEPROM에는 브러시리스 DC 모터의 운전에 관계되는 교정용 데이터로 교정 완료된 다회전·앱솔루트 신호가 축차, 유지된다.
도 2b에 제 1 실시예의 범용형 로터리 인코더(100)의 구체적인 실시형태의 일례를 나타낸다. 마그넷 유닛(110)을 유지하는 마그넷 홀더(111)는, 베어링(116)을 통해서 원통 형상의 함체(115)에 회전 가능하게 유지되어 있다. 마그넷 홀더(111)에는 평판 형상의 마그넷(113)이 고정되어 있다. 함체(115) 내의 공간(117)에 고정된 기판(118)에는, 1쌍의 MR 센서(121, 122), 온도 센서(123), 센서 출력 처리 유닛(120), 인코더 제어 유닛(130), 인코더 메모리(160), 및 통신 인터페이스(170)가 실장되어 있다. 인코더 메모리(160)에는 교정용 데이터로 교정 완료된 다회전·앱솔루트 신호가 유지되어 있다. 1쌍의 MR 센서(121, 122)가 소정의 자기 감도를 확보할 수 있도록 하기 위해서, 마그넷(113)의 표면과 1쌍의 MR 센서(121, 122) 사이는 소정의 미소 간격, 예를 들면 20mm∼30mm의 간극으로 설정되어 있다.
함체(115)는 그 외주단에 용수철 형상의 유지부(119)를 갖고, 중공부(112)에 모터(200)의 회전축(203) 등의 회전체가 삽입된 상태에서, 브러시리스 DC 모터(200)의 모터 하우징 등에 고정되도록 구성되어 있다.
이 구성예에 의하면, 마그넷(113)과 1쌍의 MR 센서(121, 122)의 위치 관계는 미리 적절한 값으로 설정되어 있다. 그 때문에, 함체(115)를 모터 하우징 등에 고정하는 것만으로, 초기 설정 장치의 모터나 제어 대상의 모터에 범용형 로터리 인코더를 간단하고 또한 정밀하게 장착할 수 있다.
도 2c에 제 1 실시예의 범용형 로터리 인코더(100)의 구체적인 구성의 다른 실시형태를 나타낸다. 이 예에서는 도 2b의 예와는 달리 함체가 생략되어 있다. 마그넷 유닛(110)을 유지하는 마그넷 홀더(111)는 모터(200)의 회전축(203)에 고정된다. 1쌍의 MR 센서(121, 122), 온도 센서(123), 센서 출력 처리 유닛(120), 인코더 제어 유닛(130), 인코더 메모리(160), 및 통신 인터페이스(170)가 탑재된 기판(118)은, 예를 들면, 도 1에 나타내는 바와 같은 하우징 커버(250)에 고정된다. 이에 따라 DC 서보모터가 완성된다. 이 예는 도 2b의 예에 비하여, 마그넷(113)에 대한 MR 센서(121, 122)의 위치 결정의 작업이 필요하게 된다. 한편, 기판(118) 상에 모터의 컨트롤러(240)나 모터 드라이버(242)도 통합하여 설치하는 등, 브러시리스 DC 모터(200) 전체의 설계의 자유도는 높아진다.
이어서, 도 3a는 제 1 실시예에 있어서의 초기 설정 장치용의 브러시리스 DC 모터의 주요부의 구성예를 나타내는 도 1의 A-A 단면도이다. 또한, 도 3b는 초기 설정 장치용 브러시리스 DC 모터의 구동 회로를 나타내는 도면이다. 또, 도 3a, 도 3b는 초기 설정 완료의 범용형 로터리 인코더가 브러시리스 DC 모터에 탑재될 경우에는, 그 브러시리스 DC 모터의 구성예를 나타내는 도면이기도 하다.
브러시리스 DC 모터(200)는 회전축(203)에 고정된 로터 요크(221)와, 그 외주에 둘레 방향으로 등간격으로 배치된 8개의 영구자석(222)을 포함하는 로터와, 계자 철심(212)과, 각 계자 철심 주위의 슬롯 내에 절연 부재를 개재해서 감긴 계자 코일(211)을 포함하는 스테이터로 구성되어 있다. 계자 코일은 모터의 드라이버(242)로부터 인가되는 전압의 위상에 따라서, U상의 계자 코일(211U1∼211U3), V상의 계자 코일(211V1∼211V3), 및, W상의 계자 코일(211W1∼211W3)로 분류된다.
브러시리스 DC 모터(200)는 ECU(810) 및 범용형 로터리 인코더(100)의 출력 에 의거하여 완전 폐루프로 제어된다. DC 모터(200)의 회전 정보는 인코더 제어 유닛(130)에 있어서 교정되고, 시리얼 버스 신호로서 SSC-BUS 변환기(172)에 입력되고, 또한, SPI-BUS 변환기(174)를 거쳐서 시리얼 신호(디지털)와 패럴렐 신호(디지털)로 되어 모터의 컨트롤러(240)에 보내진다. EEPROM의 164칩의 외부 인터페이스에는 시리얼 버스형과 패럴렐 버스형이 있다. EEPROM의 조작 방법은 이 인터페이스에 따라 크게 다르다. 시리얼 버스형의 EEPROM에서 채용하고 있는 버스 규격의 신호선은 1개∼4개이다. 한편, 패럴렐 EEPROM 칩은, 일반적으로 8개(8비트)의 데이터 단자와 기억 용량에 대응한 분의 어드레스 단자를 가진다. 본 실시예의 로터리 인코더(100)는 시리얼 버스형과 패럴렐 버스형의 어느 것에나 대응할 수 있도록 구성되어 있다.
컨트롤러(240)에서는 구동 신호를 생성하여 인버터 등의 모터 드라이버(242)에 송신한다. 이렇게 하여, 브러시리스 DC 모터(200)는 상위의 컨트롤러ECU(810)로부터의 지령에 의거하여 제어된다.
모터의 컨트롤러(240)는, 예를 들면, CPU, 메모리, 발진 회로, 타이머, I/O 인터페이스, 시리얼 I/F 등을 하나의 LSI에 집적한 싱글칩 마이크로 컴퓨터로 실현된다. 메모리에 유지된 프로그램을 CPU 상에서 실행함으로써 브러시리스 DC 모터의 BLCD 컨트롤러(240)의 각 기능이 실현된다. ROM이나 RAM 등의 메모리는 버스를 통해서 CPU와 접속되어 있다. ROM에는 전원 투입시나 리셋시에 실행하는 프로그램이나 프로그램 실행 중에 변화되지 않는 정수가 보존되어 있다. ROM으로서 플래시 메모리를 채용해도 좋다. RAM에는 프로그램의 변수나, 외부로부터의 지령값이나, 다회전·앱솔루트 신호의 데이터 등이 유지되어 있다. 또한, RAM에는 브러시리스 DC 모터의 목표 속도(인버터 정현파 구동 신호, PWM 제어의 duty비)도 격납되어 있다.
이어서, 제 1 실시예에 있어서의 초기 설정 처리의 개요를, 관계되는 기기의 상호의 위치 관계를 나타내는 도 1, 및 도 4의 타임차트를 참조하면서 설명한다.
초기 설정은 초기 설정 컨트롤러(800)로부터 범용형 로터리 인코더(100), 초기 설정 전용의 브러시리스 DC 모터(200), 및 광학식 로터리 인코더(300)의 초기 설정에 관계된 프로그램을 기동하고, 필요한 파라미터를 설정함으로써 개시된다. 또, 초기 설정시, 범용형 로터리 인코더(100), 브러시리스 DC 모터(200), 및, 광학식 로터리 인코더(300)의 환경 온도는, 항상 상온(예를 들면 20℃)으로 유지된다. 필요에 따라서 브러시리스 DC 모터(200), 및, 광학식 로터리 인코더(300)의 환경 온도를 바꾼 교정 데이터를 생성해도 좋다.
또, 이 예에서는 초기 설정 장치를 구성하는 브러시리스 DC 모터(200)의 마그넷 원점 위치(Z0)는 명확해져 있고, 광학식 로터리 인코더(300)는 초기 설정 전용의 브러시리스 DC 모터(200)의 출력축에 직결되어 있는 것으로 한다(S400).
이어서, 범용형 로터리 인코더(100)를 브러시리스 DC 모터(200)에 설치하고, 쌍방의 회로의 전기적인 접속을 행한다(S401). 그리고, 마그넷(113)을 브러시리스 DC 모터(200)의 회전축(203)에 고정한다(S402). 이어서, 인코더 제어 유닛(130)에서 생성된 초기 설정 전용의 소정의 3상 구동 신호로, 브러시리스 DC 모터(200)를 정속 구동한다(S403). 즉, 브러시리스 DC 모터(200)의 3상의 스테이터 코일에 구동 전력을 공급하고, 초기 설정을 위한 데이터를 취득하는 동안, 브러시리스 DC 모터(200)는 일정한 낮은 회전 속도, 예를 들면 10rpm으로 정회전 및 역회전을 유지하도록 제어된다. 이것에 따라 브러시리스 DC 모터(200) 로터 및 MR 센서의 마그넷(113)이 회전하고, MR 센서에 의해 범용형 로터리 인코더 고유의 적어도 정역 1회전분(기계각)의 출력 신호가 생성된다(S404). 통상은 정역 1회전분으로 충분하지만, 용도에 의해 특히 필요할 경우에 따라, 정역 방향의 회전수를 다회전, 예를 들면 2-3 회전으로 해도 좋다.
또한, 브러시리스 DC 모터(200)에 직결된 광학식 로터리 인코더(300)로부터도, 동일 운전 조건에 의거하는 적어도 정역 1회전분의 출력 신호가 생성된다(S405). 이어서, 범용형 로터리 인코더 및 광학식 로터리 인코더에 있어서 각각, 적어도 정역 1회전분의 절대 원점 위치(Z0) 기준의 A, B의 출력 신호의 인크리멘탈의 누적 가산값을 기초로, EEPROM의 어드레스를 부여하여 1회전분의 A상·B상 신호의 인크리멘탈의 데이터가 생성된다(S406, S407). 또, 측정의 정밀도를 높이기 위해서, 적어도 정역 1회전분의 출력 신호를 복수회 취득하고, 그것들의 평균값을 구하도록 해도 좋다.
범용형 로터리 인코더의 인코더 제어 유닛(130)에서는, 광학식 로터리 인코더의 A, B의 출력 신호의 데이터를 취득한다(S408). 그리고, 범용형 로터리 인코더 및 광학식 로터리 인코더의 쌍방의 A, B상 신호의 데이터에 의거하여, 범용형 로터리 인코더의 절대 원점 위치(Z0) 기준의 A, B상 신호의 데이터를, 광학식 로터리 인코더의 A, B상 신호의 출력 신호의 데이터로 교정하는 테이블을 작성하고, 메모리에 기록한다(S410). 또, 범용형 로터리 인코더 및 광학식 로터리 인코더의 쌍방에서 정역 1회전분의 데이터를 복수회 취득하고, 각각의 회전 위치에 있어서의 평균값을 산출하여 교정 테이블의 정밀도를 높이도록 해도 좋다.
도 5a는 범용형 로터리 인코더로 얻어진 특성의 일례를 나타내는 도면이다. 범용 센서의 출력 특성의 편차나 변형의 요인은 여러가지 있다. 여기에서는, MR 센서의 마그넷(113)이 모터의 회전축(203)에 대하여 치우쳐서 고정되어 있을 경우를 상정하고 있다. 이 예에서는, 마그넷의 S극과 N극의 경계가 본래의 위치(P1A)로부터 각도(Δθ)만큼 어긋나 위치(P1S)로 되어 있다. 이 설치 오차에 기인하여 도 5a 중의 우측의 그래프에 나타내는 바와 같이, 실선으로 나타낸 MR 센서의 출력각(θS)과 파선으로 나타낸 실제의 축의 회전각(θA) 사이에 위상각의 어긋남이 생긴다.
도 5b는 범용형 로터리 인코더의 특성을 광학식 로터리 인코더의 데이터로 교정하는 일례를 나타내는 도면이다. 본 발명에 있어서의 광학식 로터리 인코더는, 범용 센서와 비교하여 정밀도가 2자릿수 또는 3자릿수 고정밀한 것이 보증된 것을 채용하고 있다. 범용형 로터리 인코더의, 회전축의 정역 1회전의 A상, B상의 디지털 신호의 각 위치의 데이터를, 광학식 로터리 인코더의 출력 데이터에 의거하여 교정한다. 교정의 방법으로서, 절대 원점 위치(Z0) 기준의 1회전분의 전체 펄스에 대해서 교정량을 결정하고, 그 교정 데이터를 테이블화한다.
예를 들면, 광학식 로터리 인코더의 분해능이 RE1, 범용형 로터리 인코더의 분해능이 RE2이고, 동일 모터의 회전축의 어느 시점의 회전각의 데이터가, 광학식 로터리 인코더에서는 회전각 45.00도에 대응하는 펄스수 QR1이고, 한편, 범용형 로터리 인코더에서는 펄스수가 QG1(46.56도 상당)이었다고 한다. 이 경우, 범용형 로터리 인코더의 QG1 펄스의 위치의 출력각을, 광학식 로터리 인코더가 나타내는 45.00도로 교정한다.
발명자들의 실험에 의하면 MR 센서의 출력의 위상각의 어긋남은, 기계각 360도마다 같은 패턴으로 반복되는 경우가 많다. 그 때문에, 다회전의 기기를 대상으로 하는 경우에도, 1회전(기계각 360도)분의 정밀도가 높은 각도 데이터가 얻어지면, 실용상, 상당히 신뢰도가 높은 제어가 가능해진다.
또한, MR 센서의 출력 특성은 환경 온도에 따라 변화된다. 그러나, 발명자들의 실험에 의하면, 상온에 있어서 얻어진 예를 들면 도 5b에 파선과 실선으로 나타낸 자기 저항 소자 센서와 광학식 로터리 인코더의 출력 특성의 관계는, 환경 온도가 변화되어도 같은 관계가 유지된다. 따라서, 범용형 로터리 인코더(100)의 온도 센서(123)의 출력과 교정 데이터에 의거하여 MR 센서의 출력 특성을 보정함으로써, 환경 온도가 변화되어도 범용형 로터리 인코더로부터 교정 완료의 정밀도가 높은 각도 데이터가 얻어진다.
이어서, 인코더 제어 유닛(130)에 있어서 메모리로부터 구동 신호에 대응하는 U상, V상, W상의 펄스수를 취득하고, 또한, Z상의 폭의 신호나 다회전 위치(S)의 데이터를 취득하고, EEPROM의 어드레스를 부여하여 범용형 로터리 인코더가 장착되는 제어 대상의 모터의 다회전 앱솔루트 데이터(Z, U, V, W)를 생성한다(S412).
이어서, 범용형 로터리 인코더 기준의 다회전 앱솔루트 데이터(Z, U, V, W)를, 광학식 로터리 인코더의 기준의 다회전 앱솔루트 데이터(Z, U, V, W)로 변환한다(S416).
도 6a는, 범용형 로터리 인코더(이하, 단지, 자기 인코더)의 테이블(140), 광학식 로터리 인코더의 테이블(142), 및, 교정용 테이블(144)의 관계의 일례를 나타내는 도면이다. 광학식 로터리 인코더의 데이터에 일치하도록, 자기 인코더의 데이터를 교정하기 위한 교정용 테이블(144)이 작성된다. 이 예에서는, 교정용 테이블(144)이 자기 인코더의 각 검지 각도의 값을, 광학식 로터리 인코더의 데이터로 치환한 검지 각도값의 테이블로 되어 있다.
도 6b의 예에서는, 교정용 테이블(144)이 자기 인코더의 각 검지 각도의 값에 대하여, 광학식 로터리 인코더의 데이터에 의거하는 교정/보정치를 주는 테이블로 되어 있다.
또, 도 6a, 도 6b의 교정용 테이블(144)에 있어서, 검지 각도의 대신에 회전수를 나타내는 정보(Z0, Zn)를 기준으로 한 인크리멘탈값을, 광학식 로터리 인코더의 각도 데이터로 치환해도 좋다. 즉, 각도값 대신에 Z0, Z1, Z2, -, Zn 단위로 반복되는 범용형 로터리 인코더의 누적 가산값과 광학식 로터리 인코더의 누적 가산값의 관계를 이용하여, 자기 인코더의 각 검지 각도의 값을 교정·보간하도록 해도 좋다.
이상과 같이 해서 얻어진 A, B, Z, U, V, W의 각 층의 앱솔루트 데이터를 인코더 메모리(160)에 기록한다(S418).
이상의 처리를 거쳐서, 1개의 자기 인코더의 초기 설정이 종료된다(S420).
그 후, 이 자기 인코더(100)는 초기 설정 전용의 브러시리스 DC 모터로부터 분리된다(S422).
그 후, 초기 설정 전용의 브러시리스 DC 모터에는 다음의 새로운 자기 인코더가 장착되고, 상기한 것과 마찬가지로, 이 새로운 자기 인코더의 초기 설정의 처리가 이루어진다.
초기 설정 장치를 구성하는 광학식 로터리 인코더나 브러시리스 DC 모터는, 1개의 자기 인코더의 초기 설정의 처리를 위해서 저속 회전이며 또한 단시간만 사용된다. 그 때문에, 초기 설정 장치를 구성하는 브러시리스 DC 모터나 광학식 로터리 인코더를 반복, 예를 들면, 1만회∼10만회 사용하는 것은 가능하다. 즉, 본 발명에 있어서의 초기 설정 장치는 고정밀도, 고가격의 광학식 로터리 인코더를 사용하지만, 이 장치를 이용하여 다수의 자기 인코더의 교정을 행하는 것이 가능하므로, 자기 인코더의 1개당의 제조 코스트를 저렴한 것으로 할 수 있다.
이어서, 도 7∼도 10을 참조하면서, 제 1 실시예에 의거하여 초기 설정이 이루어진 범용형 로터리 인코더에 의한, 제어 대상의 브러시리스 DC 모터에 대한 통상 운전시의 처리를 설명한다. 도 2b나 도 2c에 나타낸 바와 같은 구성의 범용형 로터리 인코더가, 제어 대상의 모터에 고정된다. 또, 여기에서는, 제어 대상의 모터는 브러시리스 DC 모터이며 그 구동 회로는, 도 3b에 나타낸 초기 설정 장치용의 브러시리스 DC 모터의 구동 회로와 동등한 것으로 한다. 다른 타입의 모터를 대상으로 하는 경우에는, 그 타입의 모터에 필요한 구동 회로로 같은 처리가 이루어지는 것은 말할 필요도 없다.
제어 대상의 브러시리스 DC 모터의 BLCD 컨트롤러(240)는 초기 설정 데이터를 취득하는 초기 설정 데이터 취득부와, 통상 운전 모드 DC 서보 제어부, 통상 운전 모드 모터 제어 신호(iu, iv, iw) 생성부, 및 인버터 구동 신호 생성부 등의 기능을 구비하고 있다. 인버터 구동 신호 생성부는 통상 운전 모드 모터 제어 신호 생성부 및 DC 서보 제어부의 출력을 받아서 브러시리스 DC 모터의 회전을 제어하기 위한 인버터 구동 신호를 생성하고, 모터 드라이버의 인버터를 구동·제어한다.
BLCD 컨트롤러(240)는 정규 운전 처리 모드에 있어서는 ECU 등으로부터의 외부 지령이나 자기 인코더(100)의 교정 처리 완료의 메모리(160) 정보에 근거하여, 브러시리스 DC 모터를 서보모터로서 기능시킨다.
즉, BLCD 컨트롤러(240)는 U상, V상, W상의 구동 신호를 생성하고(S801), 브러시리스 DC 모터를 구동한다. 자기 인코더의 초기 설정으로 교정 처리 완료된 메모리(160)로부터 구동 신호에 대응하는 U상, V상, W상의 펄스수/회전을 취득하고(S802), 또한, Z상의 폭의 신호를 취득하고(S803), 이에 따라 도 8에 나타낸 Z상 신호(Z1, Z2, -, -, Zn)의 데이터, 즉 다회전의 데이터를 취득한다(S804). 또한, 도 8에 나타낸 바와 같이, U상의 상승을 절대 원점 위치(Z0)에 동기시킨다(S805). 그리고, 자기 인코더로부터의 교정 처리 완료의 A상·B상 신호를, RAM을 경유해서 취득하고(S806), 그 인크리멘탈의 누적 가산값을 기초로 EEPROM의 어드레스를 부여하여 RAM에 기록한다.
BLCD 컨트롤러(240)는 교정용 테이블(144)을 사용하여 자기 인코더의 인크리멘탈 데이터의 교정을 행한다(S807).
이 교정 완료의 데이터를 이용하여, 1회전마다의 A상·B상 신호, Z상 신호, U, V, W상 신호의 앱솔루트화를 행하여 RAM에 기록한다(S808).
또한, Z상 신호와 A상·B상 신호로부터, 브러시리스 DC 모터의 회전 속도와 회전각의 정보를 포함하는 다회전의 앱솔루트 신호를 생성하고(S809), RAM을 통해서 EEPROM에 다회전·앱솔루트로서 기록한다(S810).
즉, 도 9에 나타낸 바와 같이, 범용형 로터리 인코더의 자기 인코더로부터 얻어진 출력이, 교정용 테이블(144)을 사용하여 고정밀도의 다회전·앱솔루트 데이터로 변환된다. 이 다회전·앱솔루트 데이터는 정역 방향으로 Z0, Z1, Z2, -, Zn 단위로 반복되는 데이터이다.
본 실시예에 의하면 브러시리스 DC 모터의 회전축의 정회전, 역회전에 따라서, 모터의 회전축의 회전 각도의 정보를 축차 교정용 테이블(144)에 의거하여 교정하고, 교정 완료의 각도 데이터에 의거하여 A, B, Z, U, V, W의 각 신호가 인크리멘트, 디크리멘트되어, 브러시리스 DC 모터의 회전축의 현재 위치를 고정밀도로 나타내는 정보로서 축차, RAM을 경유하여 EEPROM에 기록·갱신된다. 이들 갱신 정보에 의거하여 브러시리스 DC 모터는 연속적으로 서보 제어된다(S806)∼(S810).
이 처리를 반복하고 운전을 종료한다(S811).
이와 같이, 본 실시예의 자기 인코더를 채용한 브러시리스 DC 모터는, 통상 운전시, 고정밀도의 로터리 인코더의 기능을 구비한 서보모터로서 동작한다.
도 10은 범용형 로터리 인코더를 사용한 통상 운전 모드시의 교정 처리의 효과를 나타내는 도면이다.
통상 운전시, 브러시리스 DC 모터는 지령값에 따라서 회전의 방향이나 속도가 변화된다. 교정 처리를 행하지 않은, 환언하면, 절대 정밀도를 엄격하게 갖지 않는 범용형 로터리 인코더의 경우, 축의 절대 원점 위치(Z0) 및 Z상 신호(Z1, Z2, -, -, Zn)에 상당하는 위치 이외의 위치(이하, 원점 이외의 위치)의 절대 정밀도는 높지 않다. 그 때문에, 원점 이외의 제 1 위치로부터 원점 이외의 제 2 위치로 이동의 절대 정밀도는 높지 않다. 예를 들면, 도 10에 있어서 자기 인코더가 제 1 위치(본래의 회전각은 θA1, 절대 정밀도를 엄격하게 갖지 않는 범용형 로터리 인코더에서는 축 회전각이 θS1)에 있다고 가정한다. 이 상태로부터 제 2 위치(본래의 회전각은 θA2)로 회전하도록 지령이 나오면, 절대 정밀도를 엄격하게 갖지 않는 범용형 로터리 인코더를 사용했을 경우, 축이 회전각 θS1로부터 θS2로 회전한다. 본 실시예의 자기 인코더를 채용한 브러시리스 DC 모터에 의하면, 이러한 오차가 누적되지 않고 θA1로부터 θA2로 절대 정밀도가 높은 위치 결정이 이루어진다.
이와 같이, 본 실시예의 범용형 로터리 인코더(100)는, 초기 설정 처리를 거친 후, 제품으로서 각종 기기의 모터나 회전체에 적용될 때에는, 범용 센서가 표준 센서에 필적하는 고정밀도 센서로서 사용된다.
(실시예 2)
이어서, 본 발명의 제 2 실시예에 대하여 설명한다. 제 1 실시예에 있어서, 범용형 로터리 인코더(100)의 범용 센서의 통상 운전 데이터 취득부(136)에 의해 생성되고, 메모리(EEPROM)에 유지되는 다회전 앱솔루트 데이터는, 범용형 로터리 인코더(100)의 제어 대상이 되는 모터의 구동 신호에 관한 데이터이다.
본 발명의 제 2 실시예로서 범용 센서의 통상 운전 데이터 취득부를 범용형 로터리 인코더(100)로부터 제외하고, 교정 완료의 데이터가 메모리(EEPROM)에 유지된 A상, B상, Z0 신호를 기초로, 범용형 로터리 인코더가 제어 대상의 모터의 초기 설정시에 필요한 데이터를 취득하고, 그 모터의 제어 신호를 생성하도록 해도 좋다. 이 경우, 범용형 로터리 인코더(100)는, 적어도 장착된 모터에 있어서 범용 센서에서 검지된 회전축의 각도를 검지하고, 고정밀도로 교정하여, 다회전 앱솔루트 데이터로서 출력할 수 있기 위한, 교정용 테이블의 메모리(EEPROM)를 구비하고 있으면 좋다.
(실시예3)
이어서, 본 발명의 제 3 실시예에 대하여 설명한다.
제 1 실시예에서는, 축의 절대 원점 위치(Z0)를 미리 알고 있을 경우에 대하여 설명했지만, 초기 설정 전용의 브러시리스 DC 모터의 회전축의 절대 원점 위치(Z0)가 불분명할 경우도 있다. 또는, 범용형 로터리 인코더가 장착되는 브러시리스 DC 모터의 축의 절대 원점 위치(Z0)가 불분명할 경우도 있다. 제 3 실시예는, 제 1 실시예에, 브러시리스 DC 모터의 축의 절대 원점 위치(Z0)를 구하는 공정을 추가한 예이다. 또, 이하의 설명에 있어서, 절대 원점 위치(Z0)의 구하는 방법의 상세에 대해서는, 특허문헌 1에 기재된 인용에 의해 상세한 설명을 대신한다.
도 11은 본 발명의 제 3 실시예에 의거하는, 브러시리스 DC 모터의 범용형 로터리 인코더의 초기 설정의 처리를 나타내는 플로우차트이다.
초기 설정 처리에서는, 우선, MR 센서의 마그넷(113)을, 초기 설정 전용의 브러시리스 DC 모터(200)의 회전축(203)에 대하여 잠정 위치(T0)에서 가고정하고(S1002), 광학 인코더도 회전축(203)에 직결한다(S1004). 이어서, EEPROM 데이터의 초기화를 행하고(S1006), 초기 설정을 위한 초기 설정 구동 신호, 예를 들면 브러시리스 DC 모터를 0회전을 사이에 두고 정, 역방향으로 각각 1∼수회전만큼 구동하는 신호를 BLCD 컨트롤러(240)에 출력하고(S1008), 로터리 인코더(100)로부터 MR 센서의 A, B 신호를 취득하고(S1010), 또한, 광학 인코더로부터도 인크리멘탈의 A, B 신호를 취득한다(S1012). 이어서, 브러시리스 DC 모터나 MR 센서의 응답 상태가 정상인지의 여부가 판정된다(S1014). 이상 있음으로 판정되었을 경우에는, 별도, 출력 보정의 처리가 행해진다(S1016).
이어서, MR 센서의 A상, B상 신호와 광학 인코더의 A, B 신호를 기초로, MR 센서의 A, B 신호의 데이터를 교정하는 교정용 테이블을 작성하고(S1020), 교정용 테이블을 EEPROM에 기록한다(S1022). 그리고, 교정용 테이블을 이용해서 MR 센서로부터 취득한 A상, B상 신호를 교정하고(S1024), 그 후에 EEPROM에의 기록을 위해서 앱솔루트화를 행한다(S1026). 이와 같이 하여, 잠정적인 앱솔루트 신호의 데이터를 RAM을 경유해서 EEPROM에 기록한다.
이어서, BLCD 컨트롤러(240)로, 스테이터 코일에의 구동 전력의 공급에 따르는 각 상의 역기전력의 검출을 행하고, 역기전력의 적분값 피크(Pz)를 검출하고 (S1028), 스테이터의 각 계자 코일(11U, 11V, 11W)에 공급되는 U, V, W상 신호를 생성하여(S1030) 위치 결정 정보(Sn)를 구한다.
도 11은 각 계자 코일(11U∼11W)의 역기전력(Vbu, Vbv, Vbｗ), 그 적분값 피크, 및, 위치 결정 정보(Sn)의 관계를 나타내는 도면이다. 적분값 피크는 각 적분값의 피크가 소정의 역치를 초과한 시점에 대응하는 것으로, 이것을 위치 결정 정보(Sn)로서 추출한다(S1032). 이어서, 각 상 코일의 신호의 폭을 설정한다(S1034).
Z상 신호가 얻어진, 다음으로, 구동 신호에 대한 회전축의 절대 원점 위치(Z0)를 특정하고(S1036), 마그넷을 회전축(203) 상의 절대 원점 위치(Z0)에 고정한다(S1038). 이어서, 각 상 신호의 상승 위치(Sn)를 절대 원점 위치(Z0)로 보정한다(S1040).
이어서, A상, B상 신호, 및, U상, V상, W상의 각 신호의 위상 정보의 데이터에 EEPROM의 어드레스가 부여되고, 다회전·앱솔루트 신호로 변환된다(S1042). 이 Z0 기준의 다회전의 앱솔루트 데이터를 EEPROM(333)에 기록한다(S1044). 그리고, 범용형 로터리 인코더를 브러시리스 DC 모터로부터 분리한다(S1046).
이와 같이 하여, 브러시리스 DC 모터의 회전축의 절대 원점 위치(Z0)가 불분명할 경우에 있어서의, 범용형 로터리 인코더의 초기 설정이 종료된다.
본 실시예의 범용형 로터리 인코더(100)는, 초기 설정 처리를 거친 후 제품으로서 각종 기기의 모터나 회전체에 적용될 때에는, 범용 센서가 표준 센서에 필적하는 고정밀도 센서로서 사용된다.
(실시예 4)
이어서, 본 발명의 범용형 로터리 인코더를 6축의 다관절형 로봇에 적용한 제 4 실시예에 대하여, 도 13을 참조하면서 설명한다.
다관절형 로봇(600)은, 베이스부(610) 및 링크를 구성하는 복수의 암부 (613, 618 등)를 구비하고 있다. 베이스부(610) 내에는 다관절형 로봇(600)의 전체를 제어하는 제어부가 설치되어 있다. 각 관절부는 링크를 서로 회동 가능하게 연결되어 있다. 베이스부와 암부는 6개의 축, 즉 회전축(611, 612, 616, 620, 622, 626)을 중심으로 해서 각각 회전시키는 액츄에이터에 의해 구동된다. 이들 액츄에이터는 본 발명의 범용형 로터리 인코더(100)(100A∼100F)를 구비한 브러시리스 DC 모터(200)(200A∼200F)와, 각 모터의 출력축에 접속된 감속 기구로 구성되어 있다. 암부의 선단에는 조작 유닛(624)이 설치되어 있다. 조작 유닛(624)으로서는 공구, 카메라, 그 외를 설치할 수 있다. 제어부는, 도 3b에 나타낸 브러시리스 DC 모터의 구동 회로에 상당하는 기능을 포함하고 있고, 지령값과 각 로터리 인코더의 출력에 의거하여 각 암부를 구동한다.
본 실시예의 로터리 인코더를 채용한 브러시리스 DC 모터를 6개의 축의 구동원으로 함으로써 오차가 누적되지 않고, 6축의 다관절형 로봇, 예를 들면 반도체 제조 장치에 사용되는 칩 마운터에 있어서 절대 정밀도가 높은 위치 결정을 행할 수 있다.
(실시예 5)
이어서, 본 발명의 로터리 인코더를 자동차의 전동 파워 스티어링 장치에 적용한 제 5 실시예에 대하여, 도 14를 참조하면서 설명한다.
전동 파워 스티어링 장치(700)는, 운전자에 의한 스티어링 휠(710)의 조작에 의거하여 차륜(3)을 전타시키는 조타 기구(720)와, 운전자의 스티어링 조작을 보조하는 어시스트 기구(702)와, 스티어링 휠(710)의 회전축이 되는 스티어링 축(706)과, 이 샤프트의 하단부에 조타 기구(720)를 통해서 연결된 랙 샤프트(721)를 구비하고 있다. 운전자에 의한 스티어링 휠(710)의 조작에 따라 스티어링 축(706)이 회전하면, 그 회전 운동이 랙 샤프트(721)의 축 방향의 왕복 직선운동으로 변환되고, 이 왕복 직선운동이 그 양단에 연결된 타이로드(722)를 통해서 차륜(730) 전달되고, 이것에 의해 차륜(730)의 전타각이 변화되어 차량의 진행 방향이 변경된다.
어시스트 기구(702)는 스티어링 축(706)에 어시스트 토크를 부여하는 브러시리스 DC 모터(200)를 구비하고 있고, 이 모터(200)의 회전력이 감속 기어(260, 270)를 통해서 스티어링 축(706)에 전달됨으로써 스티어링 조작이 보조된다.
스티어링 축(706)에는 운전자의 스티어링 조작시에 부여되는 토크(조타 토크)(Th)를 검출하는 토크 센서(704)가 설치되어 있고, 차량에는 차속 센서(280), 및 요 레이트(γ)를 검출하는 요 레이트 센서(290)가 설치되어 있다. 모터(200)에는 그 회전축의 회전각을 검출하는 로터리 인코더(100)가 설치되어 있다. 이들 센서의 출력은 컨트롤러(240)에 입력된다. 컨트롤러(240)는 각 센서의 출력에 의거하여 모터(200)의 구동 신호를 생성하고, 모터 드라이버(242)에 송신하고, 브러시리스 DC 모터(200)를 제어함으로써 모터(200)에 의해 운전자의 스티어링 조작을 보조하는 어시스트력을 발생시킨다.
본 실시예의 로터리 인코더를 채용한 브러시리스 DC 모터를 전동 파워 스티어링 장치의 구동원으로 함으로써 절대 정밀도가 높은 조타 기구를 실현할 수 있다.
100 : 범용형 로터리 인코더
110 : 마그넷 유닛
111 : 마그넷 홀더
112 : 중공부
113 : 마그넷
114 : 고정 수단
115 : 함체
116 : 베어링
118 : 인코더 기판
119 : 유지부
120 : 센서 출력 처리 유닛
121, 122 : 1쌍의 MR 센서(자기 저항 소자 센서)
123 : 온도 센서
130 : 인코더 제어 유닛
160 : 인코더 메모리
170 : 통신 인터페이스
200 : 초기 설정 전용의 브러시리스 DC 모터
203 : 회전축
210 : 모터 하우징
211 : 계자 코일
212 : 계자 철심
213 : 절연 부재
214 : 엔드 커버
221 : 로터 요크
222 : 영구자석
228 : 신호 라인
240 : 모터의 컨트롤러
242 : 모터 드라이버
250 : 하우징 커버
300 : 초기 설정 전용의 광학식 로터리 인코더
304 : 케이싱
305 : 베어링
306 : 회전 기판
311 : 발광 소자
308 : 조리개
309 : 렌즈
314 : 수광 소자
312 : 제 1 슬릿 패턴
315 : 제 2 슬릿 패턴
316 : 컨트롤러
800 : 초기 설정 컨트롤러

Claims (6)

  1. 모터에 장착되어 상기 모터의 회전축의 회전 각도를 검출하는 범용 센서와,
    상기 범용 센서로부터의 출력 신호에 의거하여 상기 모터의 회전축의 회전 각도의 정보를 출력하는 회전 각도 검출부와,
    상기 회전 각도의 정보에 근거하여, 상기 모터의 구동을 위한 다회전 앱솔루트 신호를 생성해서 출력하는 인코더 제어 유닛을 구비한 범용형 로터리 인코더로서,
    상기 인코더 제어 유닛은, 초기 설정용의 모터를 구동하는 기능과,
    상기 범용 센서 고유의 초기 설정 데이터를 취득하는 초기 설정 데이터 취득부와,
    상기 범용형 로터리 인코더가 장착된 제어 대상의 모터가, 통상 운전될 때에 사용되는 통상 운전용의 데이터를 취득·생성하는 통상 운전 데이터 취득부와,
    상기 범용 센서 고유의 초기 설정 데이터를 교정하기 위한 교정 데이터를 유지한 EEPROM을 구비하고 있고,
    상기 교정 데이터는, 상기 범용 센서에 대하여 절대 정밀도가 2자릿수 또는 3자릿수 높은 고정밀도가 보증된 센서를 표준 센서로 하고, 상기 범용 센서와 상기 표준 센서를 상기 초기 설정용의 모터에 동시에 연결해서 적어도 정역 1회전만큼 구동함으로써 얻어진, 상기 회전축의 회전 각도에 관한 교정 데이터인 것을 특징으로 하는 범용형 로터리 인코더.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인코더 제어 유닛은, 상기 범용 센서로부터 얻어진 상기 회전축의 적어도 정역 1회전의, A상, B상의 디지털 신호의 각 위치의 데이터를, 상기 회전축의 회전수를 나타내는 정보(Z0, Zn)를 기준으로 한 인크리멘탈값을 기초로 상기 교정 데이터에 의해 교정하여 상기 제어 대상의 모터를 제어하기 위한 다회전 앱솔루트 데이터로서, 상기 EEPROM에 유지하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 범용형 로터리 인코더.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 범용 센서는,
    상기 회전축의 일단에 연결한 상태에서 회전 가능하게 유지되고, N극 영역과 S극 영역을 갖는 평판 형상의 마그넷과,
    상기 마그넷에 대향하는 위치에서 상기 모터의 하우징측에 고정 가능한 1쌍의 MR 센서로 구성되고,
    상기 마그넷을 유지하는 마그넷 홀더는 상기 초기 설정용 모터의 회전축을 삽입 가능한 중공부를 갖는 것을 특징으로 하는 범용형 로터리 인코더.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 마그넷 홀더는 베어링을 통해서 원통 형상의 함체 내에 회전 가능하게 유지되어 있고, 상기 함체를 상기 초기 설정용 모터의 하우징에 고정하기 위한 유지부와, 상기 회전 각도 검출부 및 상기 인코더 제어 유닛을 탑재한 인코더 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 범용형 로터리 인코더.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인코더 제어 유닛은 SSC-BUS 변환기와 SPI-BUS 변환기를 구비하고, 시리얼 버스형의 EEPROM 및 패럴렐 EEPROM에 대응할 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 범용형 로터리 인코더.
  6. 범용형 로터리 인코더와 컨트롤러를 구비한 서보모터로서,
    상기 범용형 로터리 인코더는, 상기 모터의 회전축의 회전 각도를 검출하는 범용 센서와, 상기 범용 센서로부터의 출력 신호에 의거하여 상기 모터의 회전축의 회전 각도의 정보를 출력하는 회전 각도 검출부와, 상기 범용 센서 고유의 초기 설정 데이터를 교정하기 위한 교정 데이터를 유지한 EEPROM과, 상기 교정 데이터에 의해 구성된 상기 회전 각도의 정보에 근거하여 상기 모터의 구동을 위한 다회전 앱솔루트 신호를 생성해서 출력하는 인코더 제어 유닛을 구비하고 있고,
    상기 컨트롤러는 초기 설정 데이터 취득부와, 통상 운전 모드 DC 서보 제어부, 통상 운전 모드 모터 제어 신호(iu, iv, iw) 생성부, 인버터 구동 신호 생성부의 기능을 구비하고 있고,
    상기 교정 데이터는 상기 범용 센서에 대하여 절대 정밀도가 2자릿수 또는 3자릿수 높은 고정밀도가 보증된 센서를 표준 센서로 하고, 상기 범용 센서와 상기 표준 센서를 상기 초기 설정용의 모터에 동시에 연결해서 적어도 정역 1회전만큼 구동함으로써 얻어진, 상기 회전축의 회전 각도에 관한 교정 데이터이며,
    상기 컨트롤러는 외부 지령이나 상기 범용형 로터리 인코더로부터의 정보에 의거하여 상기 모터를 서보모터로서 기능시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 서보모터.
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