(57)【要約】【課題】  電流検出用途専用に追加する抵抗値を削減し，かつ高精度な電流検出装置を提供すること。【解決手段】モータ１およびモータ駆動回路２とモータへの通電経路手段を有し，モータ１に流れる電流を電流検出抵抗４により電圧検出して検出回路で演算することにより電流値を算出する電流検出装置において，電流検出抵抗４にモータへの通電経路手段を含むこと。【選択図】  図3
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータおよびモータ駆動手段と，モータへの通電経路手段を有し，モータに流れる電流を検出抵抗の両端電位差から検出回路で演算することにより電流値を算出する電流検出装置において，前記電流検出抵抗に前記モータへの通電経路手段を含むことを特徴とする電流検出装置。
【請求項２】
前記電流検出抵抗に前記モータへの通電経路手段よりも抵抗温度係数が小さい電気抵抗器を有し，前記モータへの通電経路手段の電気抵抗値の推定器を含むことを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
【請求項３】
モータおよびモータ駆動手段と，モータへの通電経路手段を有し，モータに流れる電流を検出抵抗の両端電位差から検出回路で演算することにより電流値を算出する電流検出装置において，前記電流検出抵抗に前記モータへの通電経路手段を含むことを特徴とする電流検出方法。
【請求項４】
前記電流検出抵抗に前記モータへの通電経路手段よりも抵抗温度係数が小さい電気抵抗器を有し，前記モータへの通電経路手段の電気抵抗値の推定器を含むことを特徴とする請求項3に記載の電流検出方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電流検出装置もしくは電流検出方法を有することを特徴とするモータ位置制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載のモータ位置制御装置を有することを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に用いられるモータ制御装置、特にガルバノモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は、レーザ穴あけ加工機やレーザトリマ装置、レーザリペア装置などの工作機械装置に使用するガルバノモータの開発を行っている。ガルバノモータは、回転モータの軸にミラーを取付けて回転方向に高精度な位置決めを行うことにより、レーザ光をミラーで反射させて高精度に位置決めするものである。高精度な位置決めを行うために回転角度の検出器として静電容量センサや光学式もしくは磁気式エンコーダが用いられている。また工作機械装置においては高速性も求められていることから、モータの駆動回路には電流アンプの発熱を考慮してＰＷＭアンプが用いられる場合も多い。
【０００３】
また従来のモータの駆動電流の検出方法として，直流モータに検出抵抗を設けて，検出抵抗の両端電位差を差動増幅器で検出する方法が広く知られている。しかしながら，差動増幅器における同相電圧除去比（ＣＭＲＲ）の性能により電流検出信号にＰＷＭスイッチング成分が含まれ，電流検出精度が低下する。精度改善の方法の一つとして検出抵抗を大きくすることにより差動信号成分の電圧を同相電圧成分と比較してより大きくすることが考えられる。またＰＷＭ変調の方式としてバイポーラ変調とユニポーラ変調がある（非特許文献１）。
【０００４】
バイポーラ変調では，フルブリッジ駆動回路においてゲート駆動のOn/Offをほぼ同時に切り替える。この変調を用いた駆動回路において検出抵抗の両端電位の同相成分による検出誤差を改善するために，直流モータの両側に検出抵抗を設けて，各検出抵抗の両端電位差を差動増幅器で検出する方法も知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2008-064506号公報（段落００２７、図3）
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】河村篤男・横山智紀・船渡寛人・星伸一・吉野輝雄：「パワーエレクトロニクス学入門」, コロナ社 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、検出抵抗を大きくすると，検出抵抗での電力損失が増大するという課題がある。
【０００８】
そこで，本発明は電流検出用途専用に追加する抵抗値を削減し，かつ高精度な電流検出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】
【０００９】
その目的を達成するために、本発明の一側面としての電流検出装置は、モータおよびモータ駆動手段と，モータへの通電経路手段を有し，モータに流れる電流を検出抵抗により電圧検出して検出回路で演算することにより電流値を算出する電流検出装置において，前記電流検出抵抗に前記モータへの通電経路手段を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
電流検出用途専用に追加する抵抗値を削減し，でかつ高精度な電流検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態の電流検出装置を含むガルバノスキャナの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態のモータ駆動回路および電流検出回路を示した図である。
【図３】本発明の第１実施形態の電流検出器を示した図である。
【図４】本発明の第２実施形態の電流検出器を示した図である。
【図５】本発明の第１実施形態のレーザ加工装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態のガルバノスキャナの構成を示すブロック図である。ガルバノスキャナは，モータ1の軸にミラーを取付けて回転方向に高精度な位置決めを行うことにより、レーザ光をミラーで反射させて高精度に位置決めするものである。
【００１３】
本実施形態のガルバノスキャナは、図１に示すようにガルバノミラーの角度位置をエンコーダにより検出している。ガルバノスキャナへの位置指令とエンコーダでの位置検出信号が一致するように位置フィードバック制御器により電流指令を出力している。また，モータ1に流れる電流を電流検出器3にて検出し，電流フィードバック制御器にてフィードバック補償することにより電流指令値とモータ駆動電流が同じになるようにモータ駆動回路3を動作させる。
【００１４】
図２は図１のモータ駆動回路2および電流検出器3の詳細図に示したものである。モータ駆動回路2はいわゆるPWMアンプと呼ばれるものである。モータ駆動回路2ではまず入力信号をＰＷＭ三角波信号とコンパレートしている。コンパレータ後の信号をゲートドライバに直接もしくは反転バッファを介して接続している。さらにゲートドライバはＦＥＴをONおよびOFFに切り換えることによってモータに電圧を印加している。また，電流検出器３ではモータ1に流れる電流を電流検出抵抗4で電圧に変換し，電流検出抵抗4の両端電位差を差動増幅器5で電流検出信号として検出している。
【００１５】
一般に電流検出器３では電流検出抵抗４は基板上に実装された電流検出専用の電気抵抗器が用いられている。そのため例えば電気抵抗132mΩ，電流定格15Ａの電気抵抗器を使用する場合，電力定格として30Ｗ必要となる。電力定格30Ｗの電気抵抗器は，大きく高価である。また，電流検出専用の電気抵抗器を用いることにより30Ｗの電力損失が増大する。そのため，電気抵抗値を10mΩ程度とし，電力定格を下げることがよく行われる。しかしながら，電気抵抗値の削減に伴い電流検出精度が低下する。
【００１６】
図３は本発明をよく表す電流検出器である。ガルバノスキャナにおいて一般にモータ駆動回路および電流検出器は，電気基板１枚に実装されている。また，レーザ加工機では装置構成上電気基板とモータ１は5ｍ程度離れて配置されていることが多い。そのためモータ駆動回路２からモータ１への通電経路手段としての長さ5ｍ程度のモータケーブル6が用いられる。また，モータケーブル6の太さは，ケーブルの引き回しを考慮してＡＷＧ19程度のものがよく用いられる。AWG19の電気抵抗値 は26.41Ω/kmであり，長さ5ｍでは132mΩとなる。
【００１７】
またＡＷＧ19程度のケーブルの電流定格は一般に15Ａ程度は許容されている。そこで図３に示すようにモータケーブル6の電気抵抗を電流検出抵抗として用いることにより，モータケーブル6の両端の電位差を差動増幅器5で電流検出信号として検出している。このようにモータ１への通電経路手段としてのモータケーブル6の電気抵抗を電流検出抵抗として用いることにより，電力損失を増大させることなく高精度な電流検出装置を提供できる。
【００１８】
以下、図5を参照して、図1に示すガルバノシステムを適用したレーザ加工装置１０００について説明する。レーザ加工装置１０００は、加工対象の物体（被照射体）ＯＢにレーザ光ＬＬを照射し、例えば、物体ＯＢの切断、穴あけ、溶接などの加工を行う装置である。
【００１９】
レーザ加工装置１０００は、Ｘ軸モータ１００２と、Ｙ軸モータ１００４とを備える。Ｘ軸モータ１００２は、回転軸に取り付けられたＸ軸ミラー１００６を回転させて、第１の位置から移動させて第２の位置に停止させる。同様に、Ｙ軸モータ１００４は、回転軸に取り付けられたＹ軸ミラー１００８を回転させて、第１の位置から移動させて第２の位置に停止させる。
【００２０】
Ｘ軸検出部１０１０は、インクリメンタル型ロータリエンコーダで構成され、Ｘ軸ミラー１００６の回転角度（即ち、Ｘ軸モータ１００２の回転軸の回転角度）を検出する。同様に、Ｙ軸検出部１０１２は、インクリメンタル型ロータリエンコーダで構成され、Ｙ軸ミラー１００８の回転角度（即ち、Ｙ軸モータ１００４の回転軸の回転角度）を検出する。
【００２１】
主制御部１０１４は、レーザ加工装置１０００の全体（動作）を制御し、光源１０１６に対して、レーザ光ＬＬの照射（発光）を指示するＯＮ信号やレーザ光ＬＬの非照射（非発光）を指示するＯＦＦ信号を出力する。また，主制御部１０１４は、X軸モータ位置指令部1018，Y軸モータ位置指令部1022に加工面上のX座標位置およびY座標位置を指令する。
【００２２】
X軸モータ位置指令部1018およびY軸モータ位置指令部1022は，与えられた座標位置からモータへの指令回転角度を計算し，X軸モータ制御部1020およびY軸モータ制御部1024に指令する。Ｘ軸モータ制御部１０２０は，モータの回転角度をＸ軸検出部１０１０で検出し，DSPにてフィードバック制御の計算を実施し，X軸モータの駆動を行う。
【００２３】
同様に、Y軸モータ制御部1024は、図３における制御コントローラ200に相当する。Y軸モータ制御部１０２４は，モータの回転角度をY軸検出部１０１２で検出し，DSPにてフィードバック制御の計算を実施し，Y軸モータの駆動を行う。
【００２４】
物体ＯＢの加工において、光源１０１６からのレーザ光ＬＬは、Ｙ軸ミラー１００８及びＸ軸ミラー１００６で反射され、物体ＯＢに照射される。レーザ光ＬＬは、Ｘ軸ミラー１００６が回転することによって、物体ＯＢにおいてＸ軸方向（正側及び負側）に走査される。また、レーザ光ＬＬは、Ｙ軸ミラー１００８が回転することによって、物体ＯＢにおいてＹ軸方向（正側及び負側）に走査される。この際、Ｘ軸ミラー１００６及びＹ軸ミラー１００８のそれぞれは、Ｘ軸モータ１００２及びＹ軸モータ１００４によって駆動され，高速かつ高精度な位置決めを実現する。このようなレーザ加工機においてレーザ加工を加工対象物の正しい位置に実施することが求められる。上記で説明した電流検出装置を適用することにより，高精度な位置制御行うことができ，正しい位置へのレーザ加工を可能とする。
【００２５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【００２６】
〔第２実施形態〕
つぎに、本発明の第２実施形態のガルバノスキャナについて説明する。本発明の第２実施形態のガルバノスキャナの構成は第１実施形態の図１と同様の構成である。図4は本発明の第２実施形態のガルバノスキャナの電流検出器を示した図である。
【００２７】
本実施形態のガルバノスキャナの電流検出器は、図４に示すように第１実施形態と同様にモータケーブル6の両端電位差を差動増幅器で検出している。ところでモータ電流をモータケーブル6に流すと，モータケーブル6の電気抵抗により電力が消費される。そのため，モータケーブル6は発熱により温度上昇することが考えられる。またモータケーブル6の温度は，周囲環境温度による影響を受ける。モータケーブル6は一般に銅線が用いられ，その電気抵抗値はケーブル温度により変化する。したがって，より高精度な電流検出を実現するためには電気抵抗値の変化を推定する必要がある。
【００２８】
そこで図4に示すようにモータケーブル6よりも抵抗温度係数が小さい電気抵抗器7を追加し，差動増幅器により電流検出補償信号を生成する。ここで電流検出補償信号とモータケーブル6の両端電位差を差動増幅した信号をモータケーブル抵抗推定器に入力する。ここで電気抵抗器7の抵抗値をモータケーブルの抵抗値の約1/10としよう。電流検出補償信号はモータケーブル6で測定した信号と比較しS/N比で1/10低下する。そこでモータケーブル抵抗推定器において電流検出補償信号を100回測定し，時間平均を求める，中心極限定理よりS/N比は10倍改善することが期待できる。
【００２９】
同様にモータケーブル6の両端電位差を差動増幅した信号についても同じように時間平均を求める。つぎに各々の電流検出値の時間平均が一致するようにモータケーブル6の電気抵抗値を推定する。最後にモータケーブル6の両端電位差を差動増幅した信号とモータケーブル6の電気抵抗の推定値からモータ電流の電流検出信号を得ることができる。
【００３０】
ここでモータケーブルの温度上昇について考えよう。銅の抵抗値の温度係数α=4.3×10-3/℃である。モータケーブル温度が10℃上昇すると，モータケーブル抵抗値は＋4.3%変化する。例えば電流検出精度を1％以下としたい場合，少なくとも抵抗値の変動は1%以下にする必要がある。よってモータケーブルの温度変動を10℃/4.3=2.3℃以下としたい。
【００３１】
ところでモータケーブルの温度は周囲温度，ケーブルの特性，モータ電流から概略計算できる。そこで，モータ電流15A一定時のAWG19のケーブル温度を求めると，1.5℃/秒程度変動する結果が得られた。そのため，1.5秒以下でモータケーブルの抵抗値を推定できれば，モータケーブルの温度変動による検出誤差を1％以下に抑えることができる。モータケーブル抵抗値の推定器をマイコンおよびＡＤ変換器で構成すれば，上記の時間平均の計算は1.5秒以下で簡単に実施することができる。
【００３２】
このようにモータ１への通電経路手段としてのモータケーブル6の電気抵抗を電流検出抵抗として用いることにより，電力損失を増大させることなく高精度な電流検出装置を提供できる。このように電流検出抵抗にモータケーブルよりも抵抗温度係数が小さい電気抵抗器を有し，モータケーブルの電気抵抗値の推定器を含むことにより，電流検出専用の検出抵抗値を削減でき，高精度な電流検出装置を提供できる。また，モータケーブル抵抗値の推定器に単純な時間平均を用いたがローパスフィルタを用いてもよい。さらにモータケーブル抵抗値の推定器をアナログ回路で構成してもよい。
【００３３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１  モータ
２  モータ駆動回路
３  電流検出器
４  電流検出抵抗
５  差動増幅器
６  モータケーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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