JP4517058B2

JP4517058B2 - マイクロサーボモータユニット

Info

Publication number: JP4517058B2
Application number: JP2000141877A
Authority: JP
Inventors: 一也中村
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2020-05-15
Also published as: JP2001327140A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内視鏡などの医療機器やマイクロマシンなどに利用されるマイクロモータに関するものであり、より詳細には、ユニット外径φ3mm以下で回転位置、回転方向、回転速度制御を行うことができるマイクロサーボモータユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンコーダ付きサーボモータでは、モータの反出力軸側に付属のエンコーダを取り付け、エンコーダから得られる情報にしたがってモータの回転数、回転方向、回転位置などを制御することが一般に行われている。エンコーダには、その出力信号形式から、絶対的な回転量を検出するアブソリュート型と、相対的な回転量を出力するインクリメンタル型とがある。
【０００３】
この２つの方式のうち、小型DCモータの制御には、インクリメンタル型が用いられる例が多く、また、後述するようにインクリメンタル型エンコーダには、リラクタンス式、光学式、磁気記録式がある。
【０００４】
図６は、従来におけるソフトウェアサーボのシステム構成を示すブロック図である。ここでは、直流電源に４個のトランジスタからなるＨ形ドライバ1が接続されており、このＨ形ドライバ1の出力はDCモータ2に結線されている。またDCモータ2の軸にはエンコーダ3が直結され、エンコーダ3の２相出力がパスル発生器4に入力される構成になっている。
【０００５】
さらに速度検出器5は、零クリア付きのカウンタによって構成され、一定時間ごとに零クリアし、次の零クリアの直前の値、すなわちサンプリングタイムの間のカウント値をもって速度フィードバック値とし、マイコンシステム7にフィードバックする構成となっている。
【０００６】
また位置検出器6は、アップダウンカウンタにより構成され、パルス発生器4のup／downのパルス信号にしたがってアップダウンすることによりDCモータ2の回転位置を検出し、位置フィードバック値とし、マイコンシステム7にフィードバックする構成となっている。
なお、後述する符号8はユーザ指令部、符号9はPWM回路、符号10はプリドライブ回路である。
【０００７】
また図７は、パルス発生器4の入出力信号を示すタイミングチャートであり、エンコーダは図示されるように、通常２相になっており、互いに90度の位相差をもつ矩形波を出力する。この立ち上がり、立ち下がりに同期してエンコーダのＡ相がＢ相より、進むときにupパルスを、反対のときにdownパルスを、それぞれ発生する。そして、このup／downパルスが速度検出器5あるいは位置検出器6に入力され、速度フィードバック値、位置フィードバック値をマイコンシステム7に供給する。絶対位置を知るには、さらにＺ相を設け、そこからのパルス数をカウントする。
【０００８】
一方、ユーザ指令部8からは原点復帰、速度制御、位置制御などの指令がマイコンシステム7に入力され、上記速度フィードバック値や位置フィードバック値を用いて演算処理を行ない、デューティ値としてデジタル量でPWM回路9に伝達される。このPWM回路9ではデューティ値をパルス幅変調し、トランジスタのON／OFF信号としてプリドライブ回路10で信号増幅し、最終段のトランジスタを駆動する。
【０００９】
上述したように、エンコーダがソフトウェアサーボに利用されるのは、速度、回転方向、回転位置の３種類の情報を検出できるからである。
【００１０】
図８にインクリメンタル型における各種エンコーダの例を示す。図において(a)はリラクタンス式エンコーダで、磁性体歯車11が回転し、その凹凸によって磁気抵抗素子12の抵抗値が変化し、これをコンパレータ13で検出するものである。
【００１１】
また(b)は光学式エンコーダで、発光ダイオード14とフォトトランジスタ15間に回転ディスク16と固定ディスク17を配置させ、モータ軸に直結した回転ディスク16と固定ディスク17に設けられたスリットの開閉により、フォトトランジスタ15の出力電圧が変化し、これをコンパレータ13で出力するものである。
【００１２】
また(c)は磁気記録式エンコーダで、モータ軸に取り付けられた磁気記録媒体が塗布された回転ドラム18と固定側の磁気センサ19により、シャフトの回転に合わせ磁気センサ19の抵抗値が変化し、これをコンパレータ13で出力し、一定角度ごとにパルスを発生する。
これらの方式のうち、一般には光学式のエンコーダが多く用いられていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示されるような従来型のエンコーダを用いた小型モータにあっては、いずれのエンコーダ方式を採用したとしても、必ずモータの回転軸の一端に円板状の回転ディスクあるいは回転ドラムというように、軸端に出力軸より突出した部品（付属の回転体）を取り付ける構造であったため、超小型モータにこの構造を採用するには、以下のような問題点があった。
【００１４】
すなわち、回転数、回転方向、回転位置の３種類の情報を検出するには、Ａ，Ｂ，Ｚ相の３相分の情報を得るための３組のパターンセンサ対が必要となる。しかし、モータ外径寸法が、たとえばφ3mm以下という超小型のエンコーダ付きモータの場合、Ａ，Ｂ，Ｚ相の全てを検出する配置構成ではスペース的に極めて困難であった。
【００１５】
また、このような小型モータでは、小径化が進むにしたがって、出力トルク、機械的剛性が減少し、上述したような回転ディスクあるいは回転ドラムなどの付加回転体を、たとえば外径φ0.3mmといった極小径のモータ軸に取り付けると、ロータ慣性モーメントの増加にともない、駆動の応答性が著しく低下し、上記付属回転体の取り付け精度、あるいは回転体自体の加工精度に起因するロータの動的アンバランスが増加するため、少なからずモータ出力軸の振れ量および軸受損失の増加を招来させてしまう。
【００１６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータが外径φ3mm以下の超小型であっても、応答性能の劣化を回避させ、かつモータ出力軸の振れ量や軸受損失の増加を阻止すると共に、回転数、回転方向、回転位置の情報を全て取得可能にすることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係るマイクロサーボモータユニットにあっては、共に外径φ3mm以下である電磁モータと減速手段と光学エンコーダとからなる超小型のマイクロモータと、そのドライバとからなるマイクロサーボモータユニットにおいて、
前記電磁モータと、所定の減速比で減速する前記減速手段と、前記電磁モータの反出力軸側に、該軸外径より突出しない状態で、光を反射する反射面を軸の一部に設け、前記出力軸の回転時に、前記反射面に対して投光し、その反射光を受光し、光のON／OFF信号でＺ相出力する前記光学エンコーダと、前記電磁モータを駆動する正／逆転の切り換え機能、および前記電磁モータ回転時に発生する逆起電圧あるいはコイル電流の変化に同期したパルス信号を出力する機能を有するドライバと、を備えるものである。
【００１８】
この発明によれば、たとえば外径φ3mm程度、またはそれ以下の超小型の電磁モータであっても、反出力軸側に出力軸の外径より突出する凸形状とならない貫通孔または軸端の一部に反射面を設け、出力軸の回転時に、前記部分に光を照射し、その透過光または反射光を受光してＺ相の信号を取得する構成とすることにより、極細径のモータ軸の動きからＺ相信号（絶対原点）を取得することができ、さらに、ドライバの回転方向切り換え機能にて、能動的に軸を正／逆転させることにより回転方向が把握でき、かつ同ドライバの電磁モータの逆起電圧あるいはコイル電流の変化に同期したパルス信号出力と前記Ｚ相信号とを用いることにより、回転数および回転位置の検出が可能となる。また、エンコーダ機能を果たす回転体部分を、出力軸の外径より突出した凸形状とならないように設けることにより、従来の回転ディスクや回転ドラムを付加して用いた取り付け方式に比べ、慣性モーメントの増加を皆無なまでに解消することが可能となる。
【００２０】
また、たとえば外径φ3mm程度、又はそれ以下の超小型の電磁モータであっても、そのモータ出力軸側に、Ｚ相出力用の光学エンコーダを備えたことにより、回転位置を制御するためのＺ相信号を得ることが可能となる。
【００２１】
また、この発明によれば、電磁モータの出力軸に、たとえば遊星歯車ギヤ群により、所定の減速比で減速する減速手段を設けることにより、サーボモータ出力軸（減速手段の出力軸）の動きに対するFGパルス出力数が増加し、より高精度な制御ができる。
【００２２】
また、この発明のマイクロサーボモータユニットにあっては、前記電磁モータおよび前記エンコーダおよび減速手段は、外径φ3mm以下とするものであり、内視鏡などの医療機器やマイクロマシンなどに利用されるサーボモータ寸法は、必然的に外径φ3mm以下が最も適している。
【００２３】
また、請求項２にかかるマイクロサーボモータユニットにあっては、前記エンコーダは、前記電磁モータの反出力軸側に該軸外径より突出しない状態で形成した部分的な反射面と、前記出力軸と同一軸に設けられ、発光源からの光を前記反射面に導く光ファイバーと、前記光ファイバーによって投光されて前記反射面で反射された光を受光する受光手段と、から構成されるものである。
【００２４】
この発明によれば、たとえば電磁モータの反出力軸側のモータ回転軸の端部を傾斜面にカットして反射面を形成し、その反射面に光ファイバーを介して軸方向から光を照射し、モータ軸の回転に伴って反射方向が回転し、反射光を円周方向に配置した受光手段によって光を検出する構成のマイクロエンコーダとすることにより、特別に付属する回転体を、軸径より突出して設ける必要がなくなるので、慣性モーメントの増加を解消した超小型のエンコーダが実現する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるマイクロサーボモータユニットの好適な実施の形態について図面を参照し、詳細説明する。
なお、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、構造は一例とする。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態にかかるマイクロサーボモータユニットの構成を示すブロック図である。図において、符号100はたとえば三相センサレスブラシレスモータなどの電磁モータ、また符号110は後述するようにＺ相出力を行なうために設けられた光学式エンコーダ、また符号120は電磁モータ100を駆動するドライバ、また符号121は正／逆転の切り換えを行なう正／逆転切換部、また符号122は電磁モータの回転時に発生する逆起電圧の変化に同期したFG（Frequency Generator）パルスを生成し出力するモータ逆起電圧FGパルス出力部、さらに符号130は直流電源である。
【００３１】
また、符号101はＵ相出力ライン、符号102はＶ相出力ライン、符号103はＷ相出力ライン、符号104はステータコイル中点のライン、符号105はエンコーダ用電源ライン、符号106はエンコーダ110からのＺ相信号ラインである。さらに符号107は、回転方向を指令するための正／逆転切換端子で、通常ＨレベルかＬレベル（あるいはオープン）かで正／逆転が切り換わる。また符号108は逆起電圧の変化に同期したパルス信号を出力するためのFGパルス出力端子、符号109は絶対原点であるＺ相信号を出力するためのＺ相パルス出力端子であり、それぞれ制御用に用いられる。
【００３２】
この三相センサレスブラシレスモータは、通常の三相ブラシレスモータがホール素子などの磁極センサで磁極、つまりロータ位置を検出する構成に対し、ステータコイルに発生する逆起電圧を検出することによりロータの位置を把握する構成である。モータの逆起電圧FGパルス出力部122は電磁モータ100の逆起電圧の変化に同期させた矩形のFGパルスを発生させ、FGパルス出力端子108から出力する。
【００３３】
すなわち、ロータ磁極がコイルを横切ると同コイルに逆起電圧が発生するので、そこでこの逆起電圧の変化を利用し、その変化に同期したFGパルスを発生させることにより、回転数を検出することが可能となる。
【００３４】
たとえば、ロータマグネットが２極でステータコイル１つを監視する構成の場合、一回転当たり１つの短形FGパルスが出力され、またあるいは、ロータマグネットが４極でステータコイル３つを監視する構成の場合、一回転当たり６つのFGパルスが出力される。よってここでサンプリングタイムの間のパルス数をカウントすることにより、回転数が把握できる。
【００３５】
また、前記Ｚ相パルス出力端子から出力されるＺ相信号を用い、そこからのFGパルス数をカウントすることにより、回転位置が把握できる。なお、この周波数信号（パルス）を、外付けのF／V変換器（図示せず）で電圧信号に変換し、アナログの速度信号として用いることもできる。
【００３６】
以上のように、本発明によれば、外径φ3mm以下の極細径のサーボモータでありながら、３相（Ａ・Ｂ・Ｚ相）出力エンコーダを全て搭載した場合と同じ制御、つまり速度、回転方向、回転位置全てを制御することが可能となる。
【００３７】
次に、エンコーダ110の具体例について説明する。図２は、本発明の実施の形態にかかるエンコーダ110の第１の構成例を示す説明図である。図において符号111はモータ軸、符号111aはモータ軸111に直交する状態で設けられた小径の貫通孔、符号113はLED（発光ダイオード），LD（レーザダイオード）などを用いた発光源、また符号114はフォトトランジスタなどの受光素子を用いた受光センサ、また符号115はそれらを結ぶ回路基板である。
【００３８】
なお、発光源113と受光センサ114との組み合わせは、発光ダイオードとフォトトランジスタ、発光ダイオードとフォトIC、レーザダイオードとフォトIC、などいずれであってもよい。また、発光源113と受光センサ114とを一体的にコの字型の構成にし、その間の光軸上に貫通孔111ａがくるようにモータ軸111を配置する。
【００３９】
図３にエンコーダとして利用するモータ軸111の一端の状態を示す。図３における(a)は貫通孔タイプ、また同(b)はスリットタイプの形状をそれぞれ示している。この実施の形態では、電磁モータ100の外径がφ2mm程度で、そのモータ軸111の外径はφ0.3mmとなっており、貫通孔111aの径およびスリット111bの幅は、φ0.15mmおよび0.15mmとした。なお本実施例の形態では、貫通孔111a、スリット111bを、ビーム直径10μm程度の加工が可能なレーザ加工機の微細加工によって形成し、前記貫通孔111aの径およびスリット111bの幅は、ほぼモータ軸111の外径の二分の一とした。この設定は任意であり、多少の寸法変更は機能的な問題がない限り、限定されるものではない。
【００４０】
なお、これらの貫通孔111a，スリット111bをモータ軸111の外径寸法に対して突出しないように設けることによって、径方向のマス増大にともなう慣性モーメントの増加を解消することができた。
【００４１】
このようにモータ軸111に貫通孔111aあるいはスリット111bを設け、これに対応する円周上の位置に発光源113を設け、貫通孔111aあるいはスリット111bを通過した発光源113からの光を受光する位置、すなわち、発光源113と対向する円周上の位置に受光センサ114を設ける。
【００４２】
このようなエンコーダの構成とすることにより、発光源113から出力された光が、モータ軸111の回転により、貫通孔111aあるいはスリット111bを透過／遮断され、光のON／OFF信号として受光センサ114に入力される。この受光センサ114の出力をＺ相入力端子に入力し、Ｚ相パルス出力端子109からＺ相パルスが出力される。
【００４３】
図４は、本発明の実施の形態にかかるエンコーダの第２の構成例を示す説明図である。この図４に示すエンコーダは、反出力側のモータ軸111の先端に、45度傾斜の反射面111ｃを形成させ、光軸がモータ軸111と同軸となるように発光源に繋がれた光ファイバー116を設けると共に、反射面111cと径方向に対向配置した受光センサ114を設けた構成となっている。また、使用形態によっては、光ファイバー116と受光センサ114とを入れ替えた配置としてもよい。なお、反射面111cは、所定の角度にカットした後、そのカット面を鏡面加工を行なうことで形成されている。
【００４４】
また光ファイバー116は、２つの異なった屈折率をもつ種類の物質から構成されており、たとえば被覆線の外径φ1mm程度で、コア部（光の信号を通す芯の部分）の直径φ5〜7μm、コアの周囲となるクラッド部の直径φ125μm、のものを用いたが、これに限定されることはない。
【００４５】
以上のように構成されたエンコーダは、モータの回転により傾斜状の反射面111cが回転し、光ファイバー116からの光を受光センサ114に導くこととなる。図示の位置に反射面111cがくると光ファイバー116からの光が受光センサ114で受光されるが、他の位置の場合には受光センサ114への入力が行われないので、軸の回転により受光／遮光が繰り返され、光のON／OFF信号が得られる。
【００４６】
したがって、モータ外径φ3mm以下の極小スペースであっても、図２あるいは図４に示したようなエンコーダの構成とすることにより、Ｚ相を検出するマイクロエンコーダが実現する。また、モータ軸111に、従来のように回転ディスクや回転ドラムといった付属の回転体を取り付ける必要がないため、ロータ慣性モーメントの増加にともなう応答性の低下や、前記付属回転体の取り付け精度あるいは回転体自体の加工精度に起因したロータの動的アンバランスの増加に伴う出力軸（モータ軸）のすりこぎ状の動きが抑制されるので、振れまわりおよび軸受損失の増加を解消することができる。
【００４７】
次に図５は、本発明の実施の形態にかかるエンコーダ付きモータの組み合わせ例を示す、第３の減速機構付の構成例の説明図である。これは上述した電磁モータ100に減速機構を取り付けた場合を示しており、(a)は側面外観図、および(b)はギヤボックス140部分のA-A断面図を示している。すなわち、モータ出力軸側に、ギヤボックス140などの減速機構を取り付けたギヤードモータとし、減速およびトルクの増大を図る構造のものである。
【００４８】
ここでは、減速機構として、３個の遊星ギヤ141がモータ出力軸に取り付けられたピニオンギヤ142に歯合して減速する遊星歯車式減速装置を採用しているが、この他にも構造上スペースが許容される場合には、通常の平歯車による減速機構あるいはウォームとウォームホイール減速機構などを用いてもよい。
【００４９】
たとえば、電磁モータ100として、図１で説明した三相センサレスブラシレスモータに、ギヤ比79：1の減速機構のギヤボックス140を取り付ける。この場合、三相センサレスブラシレスモータ軸、一回転当たり１つのFGパルスが出力されるとすると、サーボモータ出力軸（ギヤ出力軸）とFGパルスとの関係は、以下の通りとなる。
【００５０】
すなわち、ギヤボックスがない（減速機構がない）場合には、ブラシレスモータが一回転すると１パルスを出力するのに対し、ギヤ比79：1の減速機構の減速機構を設けた場合には、サーボモータ出力軸（減速手段の出力軸）の一回転当たり、79パルスが出力されることとなる。電磁モータ単体であっても減速機構を搭載したギヤードモータであっても、負荷に回転力を伝達する一つのサーボモータと言える。よって、サーボモータ出力軸一回転当たりに出力されるFGパルス数が増加し、分解能を向上させることができる。
【００５１】
なお、この実施の形態では、外径φ2mmの三相センサレスブラシレスモータ100と外径φ2.4mmのギヤボックス140およびエンコーダ110部を例にとって説明したが、電磁モータであれば、本発明を他のいずれのタイプの超小型モータにも適用することができるのは、言うまでもない。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るマイクロサーボモータユニットによれば、たとえば外径φ3mm以下の超小型電磁モータの反出力軸側に、従来付属するエンコーダ回転体の代わりに、出力軸の外径寸法より突出形状とならない反射面を設け、軸回転時に、上記反射面に光を照射し、その透過光または反射光を受光してＺ相の信号を取得するため、極細径のモータ軸のエンコーダから絶対原点を把握することができる。
【００５３】
さらに、ドライバの回転方向切り換え機能にて、能動的に正／逆転されることにより回転方向が把握でき、かつ同ドライバの電磁モータの逆起電圧あるいはコイル電流の変化に同期したパルス信号を発生させることにより、超小型の電磁モータであっても、回転方向および回転数を検出することができる。
【００５４】
また、エンコーダ部分の回転体を出力軸の外径より凸形状とならないように設けることにより、従来の回転ディスクや回転ドラムを用いたエンコーダ方式に比べて、回転体などの付加突起部分を設けていないので、慣性モーメントの増加が解消されると共に、応答性能の低下が回避され、かつモータ出力軸の振れ量や軸受損失の増加を阻止することができる。
【００５５】
また、本発明に係るマイクロサーボモータユニットによれば、極細径の出力軸に慣性（イナーシャ）の大きい検出体を回転させる必要がなくなり、出力軸のすりこぎ運動といった好ましくない現象を解消し、慣性モーメントの増加がなくなるので、応答性能の低下を回避させると共にモータ出力軸の振れ量や軸受損失の増加を阻止することができる。
【００５６】
また、本発明に係るマイクロサーボモータユニットによれば、サーボモータ出力軸（減速手段の出力軸）の動きに対するFGパルス数が増加するため、分解能を向上させることができ、制御性を向上されることが可能になる。
【００５７】
また、本発明に係るマイクロサーボモータユニットによれば、電磁モータおよびエンコーダおよび減速手段を、外径φ3mm以下とすることにより、内視鏡などの医療機器やマイクロマシンに搭載可能となる。
【００５８】
また、本発明に係るマイクロサーボモータユニットによれば、たとえば電磁モータの出力軸がφ0.3mmのような極細径であっても、比較的簡単な部品構成で超小型のエンコーダが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るマイクロサーボモータユニットの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るエンコーダの第１の構成例を示す説明図である。
【図３】図２におけるエンコーダ出力軸の形状例を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るエンコーダの第２の構成例を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る減速機構付マイクロサーボモータの構成例を示す説明図である。
【図６】従来におけるソフトウェアサーボのシステム構成を示すブロック図である。
【図７】図６におけるパルス発生器の入出力信号を示すタイミングチャートである。
【図８】インクリメンタル型エンコーダの各種例を示す説明図である。
【符号の説明】
100 電磁モータ
110 エンコーダ
111 モータ軸
111a 貫通孔
111b スリット
111c 反射面
113 発光源
114 受光センサ
120 ドライバ
121 正／逆転切換部
122 モータ逆起電圧FGパルス出力部
140 ギヤボックス

Claims

共に外径φ3mm以下である電磁モータと減速手段と光学エンコーダとからなる超小型のマイクロモータと、そのドライバとからなるマイクロサーボモータユニットにおいて、
前記電磁モータと、所定の減速比で減速する前記減速手段と、前記電磁モータの反出力軸側に、該軸外径より突出しない状態で、光を反射する反射面を軸の一部に設け、前記出力軸の回転時に、前記反射面に対して投光し、その反射光を受光し、光のON／OFF信号でＺ相出力する前記光学エンコーダと、前記電磁モータを駆動する正／逆転の切り換え機能、および前記電磁モータ回転時に発生する逆起電圧あるいはコイル電流の変化に同期したパルス信号を出力する機能を有するドライバと、を備えたことを特徴とするマイクロサーボモータユニット。
前記光学エンコーダは、前記電磁モータの反出力軸側に、該軸外径より突出しない状態で形成した部分的な反射面と、前記出力軸と同一軸に設けられ、発光源からの光を前記反射面に導く光ファイバーと、前記光ファイバーによって投光され、前記反射面で反射された光を受光する受光手段と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロサーボモータユニット。