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公開番号2020099169
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200625
出願番号2018237494
出願日20181219
発明の名称モータ駆動装置及びその制御方法
出願人キヤノン株式会社
代理人個人
主分類H02P 5/46 20060101AFI20200529BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】ロータの回転位相を磁気センサで検出するモータからトルクを安定して出力させせるモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】第1のモータ101と第2のモータ102の出力を足し合わせて出力するモータ駆動装置において、第1のモータ101の磁気センサ38,39は、第1の磁極部6aと第2の磁極部7aが異極に励磁されている状態で第1のマグネット2の回転時の極の切り替わりを検出し、第2のモータ102の磁気センサ40,41は、第3の磁極部16aと第4の磁極部17aが異極に励磁されている状態で第2のマグネット12の回転時の極の切り替わりを検出する構成とする。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
周方向において等間隔に交互に異なる極に着磁された第1のマグネットを有する第1のロータを備える第1のモータと、
周方向において等間隔に交互に異なる極に着磁された第2のマグネットを有する第2のロータを備える第2のモータと、
前記第1のロータの出力と前記第2のロータの出力を受けて第1の回転方向に回転する連結出力部と、
前記第1のモータと前記第2のモータの駆動を制御することにより前記連結出力部の回転を制御する制御手段と、を備えるモータ駆動装置であって、
前記第1のモータは、
前記第1のマグネットの外周面と所定の間隙を持って対向し、電気角で90度ずれた位置に配置される第1の磁極部および第2の磁極部と、
前記第1のロータの回転位置を検出する第1の検出素子と、を有し、
前記第2のモータは、
前記第2のマグネットの外周面と所定の間隙を持って対向し、電気角で90度ずれた位置に配置される第3の磁極部および第4の磁極部と、
前記第2のロータの回転位置を検出する第2の検出素子と、を有し、
前記第1の磁極部および前記第2の磁極部に対する前記第1のロータの位相と、前記第3の磁極部および前記第4の磁極部に対する前記第2のロータの位相はずれており、
前記制御手段は、前記連結出力部を前記第1の回転方向に回転させる場合に、前記第1の検出素子の出力に基づいて前記第1の磁極部と前記第3の磁極部に励磁される極を切り替え、且つ、前記第2の検出素子の出力に基づいて前記第2の磁極部と前記第4の磁極部に励磁される極を切り替えることを特徴とするモータ駆動装置。
続きを表示(約 3,800 文字)【請求項2】
前記第1の検出素子は、前記第1のロータの回転位置に対する前記第1の磁極部での励磁切替タイミングが電気進角0度から45度の間となる位置に配置され、
前記第2の検出素子は、前記第2のロータの回転位置に対する前記第4の磁極部での励磁切替タイミングが電気進角0度から45度の間となる位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。
【請求項3】
前記第1のモータは、さらに、前記第1のロータの回転位置を検出する第3の検出素子と、を有し、
前記第2のモータは、さらに、前記第2のロータの回転位置を検出する第4の検出素子と、を有し、
前記制御手段は、前記連結出力部を前記第1の回転方向の逆方向の第2の回転方向に回転させる場合に、前記第3の検出素子の出力に基づいて前記第1の磁極部と前記第3の磁極部に励磁される極を切り替え、且つ、前記第4の検出素子の出力に基づいて前記第2の磁極部と前記第4の磁極部に励磁される極を切り替えることを特徴とする請求項1又は2に記載のモータ駆動装置。
【請求項4】
前記第3の検出素子は、前記第1のロータの回転位置に対する前記第2の磁極部での励磁切替タイミングが電気進角0度から45度の間となる位置に配置され、
前記第4の検出素子は、前記第2のロータの回転位置に対する前記第3の磁極部での励磁切替タイミングが電気進角0度から45度の間となる位置に配置されていることを特徴とする請求項3に記載のモータ駆動装置。
【請求項5】
前記第1のロータと前記第2のロータは電気角で90度ずれていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のモータ駆動装置。
【請求項6】
前記第1のモータは、前記第1のロータに固定された第1のギヤを有し、
前記第2のモータは、前記第2のロータに固定され、前記第1のギヤと噛み合う第2のギヤを有し、
前記連結出力部は、前記第1のギヤまたは前記第2のギヤと噛み合う出力ギヤを有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のモータ駆動装置。
【請求項7】
前記第1のモータは、前記第1のロータに固定された第1のギヤを有し、
前記第2のモータは、前記第2のロータに固定された第2のギヤを有し、
前記連結出力部は、前記第1のギヤと噛み合うと共に前記第2のギヤと噛み合う出力ギヤを有し、
前記第1のモータと前記第2のモータは、前記出力ギヤに対する前記第1のギヤと前記第2のギヤの回転方向が同じとなるように配置されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のモータ駆動装置。
【請求項8】
前記第1のモータは、
前記第1のロータに固定された第1のギヤと、
前記第1のギヤの回転方向を反転させる反転手段と、を有し、
前記第2のモータは、前記第2のロータに固定された第2のギヤを有し、
前記連結出力部は、前記第1のギヤと噛み合うと共に前記第2のギヤと噛み合う出力ギヤを有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のモータ駆動装置。
【請求項9】
周方向において等間隔に交互に異なる極に着磁された第1のマグネットを有する第1のロータを備える第1のモータと、
周方向において等間隔に交互に異なる極に着磁された第2のマグネットを有する第2のロータを備える第2のモータと、
前記第1のロータの出力と前記第2のロータの出力を受けて第1の回転方向に回転する連結出力部と、
前記第1のモータと前記第2のモータの駆動を制御することにより前記連結出力部の回転を制御する制御手段と、を備えるモータ駆動装置であって、
前記第1のモータは、
前記第1のマグネットの外周面と所定の間隙を持って対向し、電気角で90度ずれた位置に配置される第1の磁極部および第2の磁極部と、
前記第1のロータの回転位置を検出する第1の検出素子と、を有し、
前記第2のモータは、
前記第2のマグネットの外周面と所定の間隙を持って対向し、電気角で90度ずれた位置に配置される第3の磁極部および第4の磁極部と、
前記第2のロータの回転位置を検出する第2の検出素子と、を有し、
前記制御手段は、前記連結出力部を前記第1の回転方向に回転させる場合に、前記第1の磁極部と前記第2の磁極部が異極に励磁されている際の前記第1の検出素子の出力に基づいて前記第1の磁極部と前記第3の磁極部に励磁される極を切り替え、且つ、前記第3の磁極部と前記第4の磁極部が異極に励磁されている際の前記第2の検出素子の出力に基づいて前記第2の磁極部と前記第4の磁極部に励磁される極を切り替えることを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項10】
前記第1のモータは、さらに、前記第1のロータの回転位置を検出する第3の検出素子を有し、
前記第2のモータは、さらに、前記第2のロータの回転位置を検出する第4の検出素子を有し、
前記制御手段は、前記連結出力部を前記第1の回転方向の逆方向である第2の回転方向に回転させる場合に、前記第1の磁極部と前記第2の磁極部が異極に励磁されている際の前記第3の検出素子の出力に基づいて前記第1の磁極部と前記第3の磁極部に励磁される極を切り替え、且つ、前記第3の磁極部と前記第4の磁極部が異極に励磁されている際の前記第4の検出素子の出力に基づいて前記第2の磁極部と前記第4の磁極部に励磁される極を切り替えることを特徴とする請求項9に記載のモータ駆動装置。
【請求項11】
周方向において等間隔に交互に異なる極に着磁された第1のマグネットを有する第1のロータと、前記第1のマグネットの外周面と所定の間隙を持って対向し、電気角で90度ずれた位置に配置される第1の磁極部および第2の磁極部と、前記第1のロータの回転位置を検出する第1の検出素子と、を有する第1のロータを備える第1のモータと、
周方向において等間隔に交互に異なる極に着磁された第2のマグネットを有する第2のロータと、前記第2のマグネットの外周面と所定の間隙を持って対向し、電気角で90度ずれた位置に配置される第3の磁極部および第4の磁極部と、前記第2のロータの回転位置を検出する第2の検出素子と、を備える第2のモータと、
前記第1の磁極部および前記第2の磁極部に対する前記第1のロータの位相と、前記第3の磁極部および前記第4の磁極部に対する前記第2のロータの位相がずれた状態である、前記第1のロータの出力と前記第2のロータの出力を受けて第1の回転方向に回転する連結出力部と、
前記第1のモータと前記第2のモータの駆動を制御することにより前記連結出力部の回転を制御する制御手段と、を備えるモータ駆動装置の制御方法であって、
前記連結出力部を前記第1の回転方向に回転させる場合に、前記第1の検出素子の出力に基づいて前記第1の磁極部と前記第3の磁極部に励磁される極を切り替え、且つ、前記第2の検出素子の出力に基づいて前記第2の磁極部と前記第4の磁極部に励磁される極を切り替えることを特徴とする制御方法。
【請求項12】
周方向において等間隔に交互に異なる極に着磁された第1のマグネットを有する第1のロータと、前記第1のマグネットの外周面と所定の間隙を持って対向し、電気角で90度ずれた位置に配置される第1の磁極部および第2の磁極部と、前記第1のロータの回転位置を検出する第1の検出素子と、を有する第1のロータを備える第1のモータと、
周方向において等間隔に交互に異なる極に着磁された第2のマグネットを有する第2のロータと、前記第2のマグネットの外周面と所定の間隙を持って対向し、電気角で90度ずれた位置に配置される第3の磁極部および第4の磁極部と、前記第2のロータの回転位置を検出する第2の検出素子と、を備える第2のモータと、
前記第1の磁極部および前記第2の磁極部に対する前記第1のロータの位相と、前記第3の磁極部および前記第4の磁極部に対する前記第2のロータの位相がずれた状態において、前記第1のロータの出力と前記第2のロータの出力を受けて第1の回転方向に回転する連結出力部と、
前記第1のモータと前記第2のモータの駆動を制御することにより前記連結出力部の回転を制御する制御手段と、を備えるモータ駆動装置の制御方法であって、
前記連結出力部を前記第1の回転方向に回転させる場合に、前記第1の磁極部と前記第2の磁極部が異極に励磁されている際の前記第1の検出素子の出力に基づいて前記第1の磁極部と前記第3の磁極部に励磁される極を切り替え、且つ、前記第3の磁極部と前記第4の磁極部が異極に励磁されている際の前記第2の検出素子の出力に基づいて前記第2の磁極部と前記第4の磁極部に励磁される極を切り替えることを特徴とする制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、位置検出手段を備えるモータ駆動装置及びその制御方法に関する。
続きを表示(約 13,000 文字)【背景技術】
【0002】
ステッピングモータは小型、高トルク、高寿命等の特徴を有し、開ループ制御で容易にデジタル的な位置決め動作を実現することができるため、カメラや光ディスク装置等の情報家電、プリンタやプロジェクタ等のOA機器等に広く用いられている。しかしながら、ステッピングモータには、高負荷時や高速回転時に脱調が生じるおそれがあり、また、ブラシレスモータやDCモータに比べて効率が低いという問題がある。
【0003】
このような問題に対して、例えば特許文献1は、ステッピングモータに磁気センサを取り付け、ロータの位置に合わせて通電を切り替える制御(ブラシレスDCモータで用いられている制御)を行うことにより脱調を防ぐ技術を提案している。特許文献1に記載された技術では、位置検出素子(磁気センサ)を用いてロータの位置を検出し、コイルへの通電を順次切り替えていく。具体的には、ロータを構成するマグネットは、周方向に交互にN極とS極が多極に着磁され、N極とS極の切り替わりを磁気センサによって検出して、コイルへの通電を順次切り替える。その場合に、ロータの回転位置に対する第1の磁極部での励磁切替タイミングが電気進角0度から45度の間となる位置に、第1の磁気センサを配置する。ロータの回転位置に対する第2の磁極部での励磁切替タイミングが電気進角0度から45度の間となる位置に第2の磁気センサを配置する。ロータの回転位置に対する第1の磁極部での励磁切替タイミングが電気進角45度から90度の間となる位置に、第3の磁気センサを配置する。ロータの回転位置に対する第2の磁極部での励磁切替タイミングが電気進角45度から90度の間となる位置に、第4の磁気センサを配置する。これにより、複数の進角を設定することができ、脱調の発生を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2014−128143号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記特許文献1に開示された技術には、以下のような問題がある。即ち、ロータ(マグネット)の回転位相を磁気センサで検出してコイル通電を順次切り替える場合、トルクの出力アップのためにコイル電流を増加させると、互いのコイルへの同極通電時に磁気回路での磁束が出力軸と直交する方向に流れる現象が起きる。そして、この磁束の漏れが磁気センサの出力判定値に影響を与えることによってコイルへの通電時間が変動してしまい、モータトルクが不安定になってしまう。
【0006】
本発明は、ロータの回転位相を磁気センサで検出するモータからトルクを安定して出力させることが可能なモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係るモータ駆動装置は、周方向において等間隔に交互に異なる極に着磁された第1のマグネットを有する第1のロータを備える第1のモータと、周方向において等間隔に交互に異なる極に着磁された第2のマグネットを有する第2のロータを備える第2のモータと、前記第1のロータの出力と前記第2のロータの出力を受けて第1の回転方向に回転する連結出力部と、前記第1のモータと前記第2のモータの駆動を制御することにより前記連結出力部の回転を制御する制御手段と、を備えるモータ駆動装置であって、前記第1のモータは、前記第1のマグネットの外周面と所定の間隙を持って対向し、電気角で90度ずれた位置に配置される第1の磁極部および第2の磁極部と、前記第1のロータの回転位置を検出する第1の検出素子と、を有し、前記第2のモータは、前記第2のマグネットの外周面と所定の間隙を持って対向し、電気角で90度ずれた位置に配置される第3の磁極部および第4の磁極部と、前記第2のロータの回転位置を検出する第2の検出素子と、を有し、前記第1の磁極部および前記第2の磁極部に対する前記第1のロータの位相と、前記第3の磁極部および前記第4の磁極部に対する前記第2のロータの位相はずれており、前記制御手段は、前記連結出力部を前記第1の回転方向に回転させる場合に、前記第1の検出素子の出力に基づいて前記第1の磁極部と前記第3の磁極部に励磁される極を切り替え、且つ、前記第2の検出素子の出力に基づいて前記第2の磁極部と前記第4の磁極部に励磁される極を切り替えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、ロータの回転位相を磁気センサで検出するモータからトルクを安定して出力させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
モータ駆動装置のブロック図である。
モータ及びモータユニットの外観斜視図である。
モータユニットでの第1及び第2のモータのトルクの関係を示す図である。
第1のモータと第2のモータの各マグネット、各ヨーク及び各磁気センサの位相関係を示す断面図である。
第1のモータと第2のモータでのモータトルクとロータの回転角度との関係を表す図である。
第1のモータでの磁気センサへの磁力線の流れ込みを説明する図である。
第1及び第2のモータでの各ロータの回転位置、各コイルへの通電方向、各磁極部の極性及び磁束検出信号の関係を示す図である。
第1及び第2のロータの第1の回転方向への駆動制御を説明する図である。
図8の続きの駆動制御を説明する図である。
図9の続きの駆動制御を説明する図である。
第1及び第2のロータの第2の回転方向への駆動制御を説明する図である。
図11の続きの駆動制御を説明する図である。
図12の続きの駆動制御を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。図1は、モータ駆動装置のブロック図である。図2(a)は、モータ駆動装置を構成するモータの外観斜視図であり、一部の部品を破断して示している。図2(b)は、モータ駆動装置を構成するモータユニット1の外観斜視図である。モータ駆動装置は、モータユニット1、制御回路23及び駆動ドライバ24を備える。モータユニット1は、第1のモータ101、第2のモータ102、取付板103、第1のギヤ105(第1の出力部)、第2のギヤ106(第2の出力部)及び出力ギヤ107(連結出力部)を備える。第1のモータ101と第2のモータ102の構成は同等であり、各モータの構成を図2(a)にまとめて示している。
【0011】
第1のモータ101は、略円柱形状の第1のマグネット2を有する第1のロータ3を備える。第2のモータ102は、略円柱形状の第2のマグネット12を有する第2のロータ13を備える。第1のマグネット2と第2のマグネット12はそれぞれ、周方向に略等間隔に交互に異なる極(S極、N極)に着磁された構造を有する。ここでは、後述するように、第1のマグネット2及び第2のマグネット12として、周方向に8極に着磁されているものを取り上げるが、着磁数はこれに限られず、4極や12極等であってもよい。
【0012】
第1のモータ101は、第1のコイル4、第2のコイル5、第1のヨーク6及び第2のヨーク7を備える。第1のコイル4は、第1のマグネット2の軸方向の一端に配置されている。第1のヨーク6は、軟磁性材料で形成されており、第1のマグネット2の外周面と所定の間隙を持って対向するように配置されている。第1のヨーク6は、円環状の本体部から軸方向に延出し、周方向に所定の間隔で配置された複数の第1の磁極部6aを有する。第1の磁極部6aは、第1のコイル4への通電によって励磁される。なお、第1のコイル4と、第1のヨーク6と、第1のマグネット2において第1の磁極部6aと対向する部分によって、第1のステータユニットが構成される。
【0013】
第2のコイル5は、第1のマグネット2の軸方向の他端(第1のコイル4が取り付けられている端の反対側の端)に配置されている。第2のヨーク7は、軟磁性材料で形成されており、第1のマグネット2の外周面と所定の間隙を持って対向するように配置されている。第2のヨーク7は、円環状の本体部から軸方向に延出し、周方向に所定の間隔で配置された複数の第2の磁極部7aを有する。第2の磁極部7aは、第2のコイル5への通電によって励磁される。なお、第2のコイル5と、第2のヨーク7と、第1のマグネット2において第2の磁極部7aと対向する部分によって、第2のステータユニットが構成される。
【0014】
第2のモータ102は、第3のコイル14、第4のコイル15、第3のヨーク16及び第4のヨーク17を備える。第3のコイル14は、第2のマグネット12の軸方向の一端に配置されている。第3のヨーク16は、軟磁性材料で形成されており、第2のマグネット12の外周面に対して所定の間隙を持って対向するように配置されている。第3のヨーク16は、円環状の本体部から軸方向に延出し、周方向に所定の間隔で配置された複数の第3の磁極部16aを有する。第3の磁極部16aは、第3のコイル14への通電によって励磁される。なお、第3のコイル14と、第3のヨーク16と、第2のマグネット12において第3の磁極部16aと対向する部分によって、第3のステータユニットが構成される。
【0015】
第4のコイル15は、第2のマグネット12の軸方向の他端(第3のコイル14が取り付けられている端の反対側の端)に配置されている。第4のヨーク17は、軟磁性材料で形成されており、第2のマグネット12の外周面と所定の間隙を持って対向するように配置されている。第4のヨーク17は、円環状の本体部から軸方向に延出し、周方向に所定の間隔で配置された複数の第4の磁極部17aを有する。第4の磁極部17aは、第4のコイル15への通電によって励磁される。なお、第4のコイル15と、第4のヨーク17と、第2のマグネット12において第4の磁極部17aと対向する部分によって、第4のステータユニットが構成される。
【0016】
第1の磁極部6aと第2の磁極部7aに励磁される極(N極、S極)を切り替えることにより、第1のロータ3に与えるトルクを調節することができる。同様に、第3の磁極部16aと第4の磁極部17aに励磁される極(N極、S極)を切り替えることにより、第2のロータ13に与えるトルクを調節することができる。
【0017】
第1のモータ101は、第1の磁気センサ38(第1の検出素子)と第2の磁気センサ39(第2の検出素子)を備え、第2のモータ102は第3の磁気センサ40(第3の検出素子)と第4の磁気センサ41(第4の検出素子)を備える。第1の磁気センサ38と第2の磁気センサ39は第1のマグネット2の磁束を検出するホール素子であり、第3の磁気センサ40と第4の磁気センサ41は第2のマグネット12の磁束を検出するホール素子である。第1の磁気センサ38と第2の磁気センサ39は、第1のモータ101の外装部材である第1のモータカバー18に取り付けられている。第3の磁気センサ40と第4の磁気センサ41は、第2のモータ102の外装部材である第2のモータカバー19に取り付けられている。
【0018】
図2(a)において、第1のモータカバー18と第2のモータカバー19の一部が切り欠かれている。第1のモータカバー18は、第1の磁極部6aと第2の磁極部7aとが第1のマグネット2の着磁位相に対して電気角で略90度ずれて配置されるように、第1のヨーク6と第2のヨーク7を保持している。同様に、第2のモータカバー19は、第3の磁極部16aと第4の磁極部17aとが第2のマグネット12の着磁位相に対して電気角で略90度ずれて配置されるように、第3のヨーク16と第4のヨーク17を保持している。
【0019】
第1のヨーク6の端部と第3のヨーク16の端部のそれぞれにビス穴(不図示)が設けられている。第1のヨーク6と第3のヨーク16は、取付板103に設けられた穴部(不図示)を介してビス104をビス穴に嵌合させることにより、取付板103に固定される。第1のギヤ105は第1のロータ3に取り付けられ、第2のギヤ106は第2のロータ13に取り付けられている。第1のギヤ105は第2のギヤ106と噛み合い、第2のギヤ106は出力ギヤ107と噛み合っている。出力ギヤ107には、その中心軸と同軸に出力軸107aが取り付けられている。
【0020】
出力軸107aの先端部から出力ギヤ107と出力軸107aとの固定部に向かって軸方向にモータ駆動装置を見たときに、第1のギヤ105と第2のギヤ106が互いに逆方向に回転するように、第1のモータ101と第2のモータ102は駆動される。これにより、出力ギヤ107は、第1のロータ3(第1のギヤ105)の出力と第2のロータ13(第2のギヤ106)の出力を受けて、第1のロータ3(第1のギヤ105)と同じ回転方向へ回転する。なお、出力軸107aは被駆動部材(不図示)と係合しており、被駆動部材は出力軸107aの回転によって駆動される。
【0021】
制御回路23は、駆動ドライバ24を介して、第1のコイル4、第2のコイル5、第3のコイル14及び第4のコイル15へ供給する電流を制御することによって、出力ギヤ107の回転を制御する。駆動ドライバ24は、制御回路23からの指令値に基づいて所定の電流を生成し、各コイルへ供給する。
【0022】
次に、モータ駆動装置でのフィードバック通電切替モードの動作について、電気角を用いて説明する。なお、電気角とは、マグネット磁力の1周期を360度として表したものであり、極数をM、機械角をθ0とすると、電気角θは“θ=θ0×M/2”で表される。本実施形態では、第1のマグネット2及び第2のマグネット12はそれぞれ8極に着磁されているため、例えば、電気角の90度は機械角で22.5度となる。
【0023】
図3は、第1のモータ101及び第2のモータ102の各コイルへ一定の電流を流した場合の第1のロータ3の回転角度を基準とした、第1のモータ101と第2のモータ102のトルクの関係を示しており、横軸に電気角を、縦軸にモータトルクを取っている。モータトルクは、第1のモータ101を第1のギヤ105側から見たときに第1のロータ3を時計まわり方向に回転させるトルクを正とする。
【0024】
図4は、第1のモータ101及び第2のモータ102の軸方向と直交する面で各マグネット及び各ヨークの位相関係を示す断面図である。第1のモータ101及び第2のモータ102の軸方向と直交する面での各マグネット及び各ヨークの位相関係は、電気角で90度、機械角で22.5度ずれている。第1のコイル4に正方向の電流を流すと第1の磁極部6aはN極に磁化され、第2のコイル5に正方向の電流を流すと第2の磁極部7aはN極に磁化される。これと同時に、第3のコイル14に負方向の電流を流すと第3の磁極部16aはS極に磁化され、第4のコイル15に負方向の電流を流すと第4の磁極部17aはS極に磁化される。
【0025】
図4(a)は、第1のモータ101において、第1の磁極部6aと第2の磁極部7aが共にN極に励磁され、第1のマグネット2の着磁された極の中心から第1の磁極部6aまでの距離と第2の磁極部7aまでの距離とが同じとなった状態を示している。図4(b)は、第2のモータ102において、第3の磁極部16aと第4の磁極部17aが共にS極に励磁され、第2のマグネット12のN極とS極の境界から第3の磁極部16aまでの距離と第4の磁極部17aまでの距離が同じとなった状態を示している。図4(a),(b)の状態の位相を図3中に符号aで示す。
【0026】
図4(a)の状態では、回転位相を保持する力は発生しているが、第1のマグネット2のS極が第1の磁極部6aと第2の磁極部7aに引き付けられて釣り合った状態であるため、第1のモータ101には回転駆動力は発生していない。図4(b)の状態では、第2のマグネット12のN極が第3の磁極部16aに引き付けられた状態であるため、第2のモータ102に回転駆動力は発生している。
【0027】
図4(a)の状態で第2の磁極部7aをS極に切り替えて励磁すると、第1のマグネット2は図4(c)の状態になるまで時計まわり方向に回転する。図4(c)の状態では、図4(a)の状態と同様に、回転位相を保持する力は発生している。しかし、図4(c)の状態では、第1のマグネット2のS極が第1の磁極部6aに引き付けられ、第1のマグネット2のN極が第2の磁極部7aに引き付けられて釣り合った状態であるため、回転駆動力は発生していない。以降は同様に、第1のコイル4と第2のコイル5の通電方向を順番に切り替えて、第1の磁極部6aと第2の磁極部7aの極性を切り替えることにより、第1のロータ3を時計まわり方向に回転させていくことができる。
【0028】
一方、図4(b)の状態で第3の磁極部16aをN極に切り替えて励磁すると、第2のマグネット12は図4(d)の状態へと反時計まわり方向に回転する。図4(d)の状態では、第3の磁極部16aが第2のマグネット12のN極を引き離す状態であるため、回転駆動力が発生している。以降は同様に、第3のコイル14と第4のコイル15の通電方向を順番に切り替えて、第3の磁極部16aと第4の磁極部17aの極性を切り替えることにより、第2のロータ13を反時計まわり方向に回転させていくことができる。
【0029】
回転駆動力が発生しないタイミングで第1の磁極部6aと第2の磁極部7aに励磁される極を切り替えることを、電気進角0度での通電切り替え、という。これに対して、回転駆動力が発生しないタイミングよりも早いタイミングで第1の磁極部6a及び第2の磁極部7aに励磁される極を切り替えることを、電気進角γ度での磁極部の励磁切り替え、という。
【0030】
図5(a)は、第1のモータ101について、第1のコイル4と第2のコイル5のそれぞれの通電状態に応じて発生するモータトルクと第1のロータ3の回転角度との関係を表す図であり、横軸の回転角度には電気角が用いられている。ここで、モータトルクL1は、第1のコイル4への通電方向が正方向、第2のコイル5への通電方向が正方向の場合のトルクである。モータトルクL2は、第1のコイル4への通電方向が正方向、第2のコイル5への通電方向が負方向の場合のトルクである。モータトルクL3は、第1のコイル4への通電方向が負方向、第2のコイル5への通電方向が負方向の場合のトルクである。モータトルクL4は、第1のコイル4への通電方向が負方向、第2のコイル5への通電方向が正方向の場合のトルクである。モータトルクL1〜L4は、90度ずつ位相がずれているが、電気角に対して同様に変化している。
【0031】
図5(b)は、第2のモータ102について、第3のコイル14と第4のコイル15のそれぞれの通電状態に応じて発生するモータトルクと第2のロータ13の回転角度との関係を表す図であり、横軸の回転角度には電気角が用いられている。モータトルクL5は、第3のコイル14への通電方向が正方向、第4のコイル15への通電方向が正方向の場合のトルクである。モータトルクL6は、第3のコイル14への通電方向が正方向、第4のコイル15への通電方向が負方向の場合である。モータトルクL7は、第3のコイル14への通電方向が負方向、第4のコイル15への通電方向が負方向の場合である。モータトルクL8は、第3のコイル14への通電方向が負方向、第4のコイル15への通電方向が正方向の場合である。モータトルクL5〜L8は、90度ずつ位相がずれているが、電気角に対して同様に変化している。
【0032】
なお、モータトルクL1とモータトルクL5とでは、位相が180度ずれている。180度の位相のずれは、モータトルクL2とモータトルクL6、モータトルクL3とモータトルクL7、モータトルクL4とモータトルクL8の各関係で生じている。
【0033】
ここで、従来技術の問題点について詳細に説明する。モータ駆動装置では、第1のロータ3(第1のマグネット2)の回転位置を、第1の磁気センサ38と第2の磁気センサ39で検出している。また、第2のロータ13(第2のマグネット12)の回転位置を、第3の磁気センサ40と第4の磁気センサ41で検出し、各磁気センサの位置によって所望の電気進角を得ている。
【0034】
図6(a)は、第1のステータユニットと第1の磁気センサ38の位置関係を表す模式図である。ここでは、第1の磁極部6aと第2の磁極部7aが共にN極に励磁されており、第1のロータ3の第1のマグネット2のS極が第1の磁極部6aと第2の磁極部7aに引き寄せられて近付いて状態が示されている。第1の磁気センサ38は、その内部に、磁気(磁束)を検出する磁束検出部38aを有している。
【0035】
図6(b)は、磁束検出部38aを通過する磁力線の強さと磁束検出部38aからの出力信号との関係を説明する図である。横軸は磁束検出部38aを通過する磁力線の大きさを示しており、横軸の右側に行くほどN極からS極に向かう磁力線が強くなり、横軸の左側に行くほどS極からN極に向かう磁力線が強くなることを示している。縦軸は磁束検出部38aからの出力信号(電圧値)の大きさを示している。白矢印で示されるように、N極からS極に向かう磁力線が大きくなるほど、磁束検出部38aからの出力信号38bは+(プラス)側に大きな電圧となる。また、黒矢印で示されるように、S極からN極に向かう磁力線が大きくなるほど、磁束検出部38aからの出力信号38bは−(マイナス)側に大きな電圧となる。
【0036】
図6(c)は、磁束検出部38aを通過する磁力線を説明する図である。第1のマグネット2からの径方向(図6(c)では上下方向)の磁力線301以外に、第1の磁極部6aと第2の磁極部7aの間に発生する漏れ磁束の反発による磁力線300が発生している。この状態では、磁束検出部38aが磁力線301と磁力線300を同時に検出してしまうことで磁束判定位置が変動しやすく、よって、第1のロータ3(第1のマグネット2)の位置を正しく検出することができなくなるおそれがある。なお、第1のマグネット2が磁極Sで第1の磁極部6aと第2の磁極部7aの磁極がS極の場合も同様である。
【0037】
図7(a)は、第1のロータ3の回転位置と、第1のコイル4の通電方向と、第1の磁極部6aの極性と、第1の磁気センサ38の磁束検出部38aの出力信号の関係を示す図である。図7(b)は、第2のロータ13の回転位置と、第2のコイル5の通電方向と、第2の磁極部7aの極性と、第2の磁気センサ39の磁束検出部39aの出力信号の関係を示す図である。前掲の先行技術文献に記載されているように、通電方向を切り替えるコイルと磁気センサとの対応関係を変更することにより、様々なモータトルクを得ることができる。
【0038】
図7(a),(b)に共通して、横軸には第1のロータ3の回転位置(1回転分(360度分)が取られており、縦軸には磁束検出部38a,39aの出力信号の大きさが取られている。磁束検出部38a,39aの出力信号(電圧値)は、N極を検出した場合にプラス(+)の値を取り、S極を検出した場合にマイナス(−)の値を取る。各コイルの通電特性(正方向が+、負方向が−)、各ヨークの磁極部の磁極(S,N)は、第1のロータ3の回転位置と対応するように各図の下側に記されている。
【0039】
ここでは、磁束検出部38aからの出力信号にしたがって第1のコイル4の通電を切り替え、磁束検出部39aからの出力信号にしたがって第2のコイル5の通電を切り替えて第1のモータ101を駆動する場合について説明する。磁束検出部38aの出力信号38bは図7(a)に太い実線で示され、磁束検出部39aの出力信号39bは図7(b)に太い実線で示されている。磁束検出部38a,39aの出力信号がゼロとなるタイミングで、各コイルの通電方向を変更し、各磁極部の磁極が変更されている。
【0040】
細い実線で図7(a)に示す波形38rは、磁束検出部38aに対する磁極部の影響のない理想的な出力信号を示している。同様に、細い実線で図7(b)に示す波形39rは、磁束検出部39aに対する磁極部の影響のない理想的な出力信号を示している。第1の磁極部6aと第2の磁極部7aの極性が異なる場合、これらによって発生する磁力線301は磁束検出部38a,39aでの磁束検出に影響を与えない。
【0041】
第1のコイル4と第2のコイル5に共に+(プラス)の電圧が印加されると、第1の磁極部6aと第2の磁極部7aは共にN極となり、出力信号38b,39bはそれぞれ、+電圧側(縦軸のN側)にオフセットし、破線で示す波形38(+),39(+)となる。ここでは、オフセット量は+0.3Vとなっている。
【0042】
第1のコイル4と第2のコイル5に共に−(マイナス)の電圧が印加されると、第1の磁極部6aと第2の磁極部7aは共にS極となり、出力信号38b,39bはそれぞれ−電圧側(縦軸のS側)にオフセットし、破線で示す波形38(−),39(−)となる。ここでのオフセット量は、+電圧側へのオフセット量と絶対値が同じで符号が逆となるため、−0.3Vである。
【0043】
ここで、第1のロータ3を0度から180度を経て360度になる方向へ回転させる制御について説明する。その際、第1のロータ3の回転位置を22.5度、67.5度、112.5度、以降は45度毎に第1のコイル4の通電を切り替え、第1のロータ3の回転位置を0度、45度、90度、以降は45度毎に第2のコイル5の通電を切り替える制御を行うものとする。
【0044】
従来技術に係る駆動方法では、磁束検出部38a(第1の磁気センサ38)からの出力信号38bが+(プラス)の場合に第1のコイル4の通電方向を+(正方向)とし、出力信号38bが−(マイナス)の場合に第1のコイル4の通電方向を−(負方向)とする。これに応じて、第1の磁極部6aの磁極が変更される。同様に、磁束検出部39a(第2の磁気センサ39)の出力信号39bが+の場合に第2のコイル5の通電方向を+とし、出力信号39bが−の場合に第2のコイル5の通電方向を−とする。そして、これに応じて、第2の磁極部7aの磁極が変更される。
【0045】
第1のロータ3の回転位置が22.5度の状態から順に、出力信号38b,39bと第1のコイル4及び第2のコイル5の通電方向の切替タイミング(つまり、励磁切替タイミング)との関係について、以下に説明する。回転位置が22.5度では、第1のコイル4については通電方向が正方向から負方向へ切り替わり、これに伴って第1の磁極部6aはN極からS極へ切り替わる。また、22.5度の回転位置では、第2のコイル5での通電方向は負方向となっているため、第2の磁極部7aはS極となっている。これにより、出力信号38b,39bは、マイナス側の波形38(−),39(−)を通る。
【0046】
45度付近の回転位置において、回転位置が45度では出力信号39bは−のままであるため、第2のコイル5への通電方向の切り替えは行われない。そして、45度を3.75度過ぎた48.75度において出力信号39bがゼロ(0)になり、第2のコイル5への通電方向が負方向から正方向へ切り替わる。この3.75度(機械角)の遅れは、電気角では15度の遅れとなる。このように、第1の磁極部6aと第2の磁極部7aからの磁束によって、第2のコイル5への通電方向の切替タイミングが遅れることがわかる。
【0047】
90度付近の回転位置において、回転位置が90度では出力信号39bは+のままであるため、第2のコイル5への通電方向の切り替えは行われない。そして、90度を3.75度過ぎた93.75度において出力信号39bがゼロ(0)になり、第2のコイル5への通電方向が正方向から負方向へ切り替わる。この3.75度(機械角)の遅れは、電気角では15度の遅れとなる。同様に、第2のコイル5への通電では、切替タイミング(0度(360度)付近、45度付近、90度付近、135度付近、180度付近、225度付近、270度付近、315度付近)の全てで遅れが生じてしまう。
【0048】
一方、第1のコイル4での通電方向の切替タイミングを見ると、磁束検出部38a(第1の磁気センサ38)からの出力信号38bには、第1の磁極部6aと第2の磁極部7aでの磁極の影響はあるものの、いずれの切り替えタイミングでも遅れは生じていない。つまり、回転位置が22.5度直前、67.5度直前、112.5度直前、157.5度直前、202.5度直前、以降は45度毎の全てで第1の磁極部6a及び第2の磁極部7aの影響のない波形38rの状態となっているため、切替タイミングに遅れは生じない。なお、第1のロータ3の回転位置が0度から180度を経て360度になる回転方向の場合について説明したが、その逆の回転方向の場合には、第1のコイル4で通電切り替えのタイミングが遅れ、第2のコイル5の通電タイミングは遅れない。
【0049】
図7(c)は、第1のステータユニットと第1の磁気センサ38の位置関係を表す模式図であり、第1の磁極部6aがN極に励磁され、第2の磁極部7aがS極に励磁された状態が示されている。磁力線200は、第1の磁気センサ38の感度方向と直交する方向(図7(c)の左右方向)を向いている。このような状態では磁束検出部38aは磁力線200を検出しないため、出力信号38bへの影響は少ない。そのため、第1のモータ101が出力するトルクの変動は少ない。
【0050】
上記に図6を参照して説明した通り、第1のマグネット2からの磁束のみを検出すべき第1の磁気センサ38と第2の磁気センサ39は、第1の磁極部6aと第2の磁極部7aがN極同士又はS極同士となる場合、これらの磁極部からの磁束を検出してしまう。その結果、図7を参照して説明したように、第1のマグネット2(第1のロータ3)の回転位置を正しく検出することができなくなってしまう。これにより、第1のコイル4と第2のコイル5への意図した通電切替タイミングからの時間的なずれが生じてしまうことで、意図しないトルクが発生してしまう。このような問題に対して本発明は、意図したタイミングでの通電切替を実現するモータ駆動方法を提供することを目的としている。そこで、次に、本発明の実施例に係る第1のモータ101と第2のモータ102の動作制御について、図8乃至図13を参照して説明する。
(【0051】以降は省略されています)

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