(57)【要約】【課題】本発明の目的は、位置決め精度をより向上できる位置決め装置を提供することである。【解決手段】出力が制御可能な動力発生手段を用い、歯車伝達機構を介して、対象物を目標の位置もしくは角度に到達させる位置決め装置において、対象物が目標の位置，角度，ヒステリシスを含む位置もしくはヒステリシスを含む角度の何れかに到達した後、動力発生手段に任意の方向の微小動力を発生させて動力発生手段の側の歯車を制御対象物側である出力端側の歯車に押し付ける。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力が制御可能な動力発生手段を用い、歯車伝達機構を介して、対象物を目標の位置もしくは角度に到達させる位置決め装置において、
対象物が目標の位置，角度，ヒステリシスを含む位置もしくはヒステリシスを含む角度の何れかに到達した後、動力発生手段に任意の方向の微小動力を発生させて動力発生手段の側の歯車を制御対象物側である出力端側の歯車に押し付けることを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
請求項１において、前記微小動力の発生方向は、前記目標への動力の発生方向と同じ方向であることを特徴とする位置決め装置。
【請求項３】
請求項１において、前記動力発生手段はモータであり、前記動力はモータのトルクであることを特徴とする位置決め装置。
【請求項４】
請求項３において、前記出力端側の歯車は、過給器のタービン翼に接続された歯車であることを特徴とする位置決め装置。
【請求項５】
請求項４において、前記過給器は自動車のターボチャージャであることを特徴とする位置決め装置。
【請求項６】
モータを用いて対象物を目標位置もしくは目標角度に到達させる位置決め装置において、
対象物が目標位置または目標角度に到達した後、モータに任意の方向の微小トルクを発生させることにより、モータ回転位置を分割点間で停止させることを特徴とする位置決め装置。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかにおいて、目標位置もしくは目標角度到達時の微小トルクの大きさを変化させることができ、動力発生手段（またはモータ）側歯車を回転させるには至らない微小トルクを算出することができる制御装置によって前記動力発生手段を制御することを特徴とする位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置決め装置に関する。特に、対象物を目標位置もしくは目標角度に到達させることを目的とする位置決め装置に関し、更には自動車の可変翼ターボチャージャ用の位置決め装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１０−６１６４号公報には、ロータリテーブルをサーボモータにより、歯車伝動機構を介して、回転駆動及び位置決めするに際して、位置決め時における歯車伝動機構のバックラッシに起因するがたつきを解消せしめ、位置決め制度の向上を図ることが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
動力発生手段から歯車伝達機構を介して対象物を制御する場合、歯車間の遊び（バックラッシ）が存在するため、動力発生手段によって制御対象物を位置決めしようとしても、その歯車間の遊びに相当する移動量／回転角度分だけ、動力発生手段側歯車と制御対象物側歯車間の相対移動が許容されてしまう。そのため、要求される制御対象物の位置決め精度を十分に達成することが難しかった。
【０００４】
また、モータを用いる場合には、歯車伝達機構を介さずに対象物を制御する場合であっても、モータの極数に依存する分割点でしかモータが停止しえないため、その分割点間に目標値が存在する場合には位置にずれが生じた。
【０００５】
上記従来例においては、動力発生手段を２個設け、各々に逆方向の動力を発生させることにより歯車間の遊びを解消しているが、コストおよび制御装置容積の増大を招き、現実的ではない。
【０００６】
本発明の目的は、位置決め精度をより向上できる位置決め装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
対象物が目標位置または目標角度に到達した後、動力発生手段に任意の方向の微小動力を発生させる。この時に発生する微小動力は、動力発生手段側の歯車を、歯車間の間隙のいずれか一方に押し付けるまで回転させうるが、制御対象物側の歯車を回転させるには至らない大きさとする。位置検出位置も問わない。すなわち、制御対象物を移動／回転させるにあたって必要な摩擦力等の反力より小さい値とする。該微小動力は、制御システム製造時にあらかじめ求めておくか、もしくは制御中に条件を満たす値を算出することによって決定する。これにより、１つの動力発生手段であっても、動力発生手段によって発生する移動方向／回転方向の動力と、摩擦力等による逆方向の反力によって、動力発生手段側の歯車が制御対象物側の歯車に押し付けられ、歯車間の遊びが解消される。よって、該制御装置に振動等が加えられた場合にも位置検出に問題が生じることなく、確実な制御が可能となり、かつコスト等の増大も防止できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
発明者らは、位置決め機構について種々検討した。
【０００９】
対象物を目標位置もしくは目標角度に到達させることを目的とする位置決め装置において、停止時にばね力等のオフセット力が働かない対象物を制御する場合は、従来の技術では、目標位置収束後には動力発生手段により動力を発生させないことにより、摩擦力等の作用にまかせて対象物を停止させることがある。
【００１０】
ところで動力発生手段によって制御対象物を位置決めするに際して、動力発生手段の最大駆動力を有効に利用するためには、さらには制御対象物の移動／回転に必要な駆動力を動力発生手段から有効に伝達させるためには、歯車伝達機構を採用することが多い。
【００１１】
しかし、動力発生手段から歯車伝達機構を介して対象物を制御する場合、歯車間の遊び（バックラッシ）が存在するため、位置決め時におけるガタツキが避けられなかった。よって、動力発生手段によって制御対象物を位置決めしようとしても、その歯車間の遊びに相当する移動量／回転角度分だけ、動力発生手段側歯車と制御対象物側歯車間の相対移動が許容されてしまう。そのため、ガタツキが発生してしまい、要求される制御対象物の位置決め精度を十分に達成することが難しかった。また、ガタツキにより目標位置／目標角度の許容範囲（収束条件）を超えてしまう場合には、再度、動力発生手段の制御が行われて目標位置／目標角度への移動／回転をするが、再移動後の位置／角度においても再びガタツキにより収束条件を外れる可能性があり、これが繰り返されて振動状態（チャタリング）を持続する可能性がある。すると、本来要求されない無駄な動作が増大するため、耐久的な問題やＣＰＵのソフト負荷増大といった問題が生じ、望ましくない。特に、位置検出を動力発生手段側で行っている場合には、この現象が顕著に表れ、また自動車等の振動発生要素の大きい環境において使用される制御装置においては、これにより制御が難しくなる可能性があった。
【００１２】
また、モータを用いる場合には、歯車伝達機構を介さずに対象物を制御する場合であっても、モータの極数に依存する分割点でしかモータが停止しえないため、その分割点間に目標値が存在する場合には位置にずれが生じた。
【００１３】
上記問題を解決するため、動力発生手段を２個設け、各々に逆方向の動力を発生させることにより歯車間の遊びを解消することが提案されている。しかし、コストおよび制御装置容積の増大を招き、現実的ではない。
【００１４】
以下、図面に基づき本発明の一実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明実施形態における位置決め装置を含む、ターボチャージャ内翼角度可変システムの構成を示すものである。本システムにおいては、ターボチャージャ１内の可変翼１ａの角度を変化させることにより、タービンが排気から受ける圧力を調節し、過給圧を変化させることができる。可変翼１ａはモータ２を動力とし、ギア２ａ，ギア２ｂ，ウォームギア７，ギア２ｃおよびリンク８を介して動作させる。モータ２の制御はターボチャージャ可変翼制御装置５で行われる。また、翼角度の検出はモータ２の出力軸に取り付けられた磁石プレート３Ａ，３Ｂとエンコーダ４Ａ，４Ｂで行われ、各々の磁石プレート３Ａ，３Ｂに一定の角度ごとに埋め込まれた磁石がモータ２の回転に伴い、エンコーダ４Ａ，４Ｂ直近を通過すると、エンコーダ４Ａ，４Ｂはエンコーダパルス４ａ，４ｂを発生し、これがターボチャージャ可変翼制御装置５に入力される。ターボチャージャ可変翼制御装置５は、エンコーダパルス４ａ，４ｂを処理し、角度を算出して、外部コントロールユニット６からの通信信号６ａに含まれる目標角度情報と比較し、その差に応じてモータ制御信号５ａをもってモータ２を制御する。
【００１６】
図２は、ターボチャージャ可変翼制御装置５の内部構成および前記ターボチャージャ可変翼制御装置５に電力を供給するバッテリー電源９を示している。ターボチャージャ可変翼制御装置５は、バッテリー電圧から電圧変換して内部回路を駆動するための電力を供給する電源回路１０，バッテリー電圧をＰＷＭ制御で出力することで所望の回転方向に対応した電圧を動力用モータに供給するモータドライバ１１，エンコーダパルス４ａ，４ｂの信号線に設けられたＣＲフィルタ
１２Ａ，１２Ｂ，演算装置（ＣＰＵ）１３から成っている。
【００１７】
ところで、エンコーダ４Ａ，４Ｂは、それぞれの磁石プレート３Ａ，３Ｂが、すなわち動力用モータ２が２４度回転するたびに１つのパルスが出力されるように設定されている。さらに、２つのエンコーダ４Ａ，４Ｂの信号であるエンコーダパルス４ａ，４ｂは、図３に示すように位相が異なっている。つまり、エンコーダパルス４ａの方がエンコーダパルス４ｂより、正転時には約９０度、位相が進んだパルスとなるように設置している。そこで、エンコーダパルス４ａ，４ｂのカウントによる回転位置検出では、２つのエンコーダパルスの位相が異なることを利用して、図４に示すロジックでＣＰＵ１３による演算を行っている。
【００１８】
すなわち、エンコーダ４Ｂの出力信号であるエンコーダパルス５ｂの立ち上がり／立ち下がり時に、エンコーダ４Ａの出力信号であるエンコーダパルス４ａのレベルを判定する。エンコーダパルス４ｂの立ち上がり時において、エンコーダパルス４ａがＨｉｇｈレベルであれば回転位置検出用のカウント値をアップカウント，エンコーダパルス４ａがＬｏｗレベルであればダウンカウントする。また、エンコーダパルス４ｂの立ち下がり時には、エンコーダパルス４ａがＨｉｇｈレベルであれば回転位置検出用のカウント値をダウンカウント，エンコーダパルス４ａがＬｏｗレベルであればアップカウントする。さらに、エンコーダ４Ａの出力信号４ａの立ち上がり／立ち下がり時にもカウントを行うべく、エンコーダ４Ｂの出力信号であるエンコーダパルス４ｂのレベル判定をする。この場合は、エンコーダパルス４ａの立ち上がり時において、エンコーダパルス４ｂがＬｏｗレベルであれば回転位置検出用のカウント値をアップカウント，エンコーダパルス４ｂがＨｉｇｈレベルであればダウンカウントする。また、エンコーダパルス４ａの立ち下がり時には、エンコーダパルス４ｂがＬｏｗレベルであれば回転位置検出用のカウント値をダウンカウント，エンコーダパルス４ｂがＨｉｇｈレベルであればアップカウントする。
【００１９】
このように、エンコーダパルス４ａ，４ｂの立ち上がり／立ち下がり時に、お互いにもう片方のエンコーダパルス４ｂ，４ａのレベルを検出することにより、モータ２が正転しているか反転しているかを判別可能であり、正確にアップカウント／ダウンカウントを選択することができる。
【００２０】
図５は本実施形態におけるターボチャージャ可変翼制御装置５の動作を示すフローチャートである。ターボチャージャ可変翼制御装置５に外部コントロールユニット通信信号６ａから目標開度が与えられると、内部のＣＰＵ１３は現在の回転位置との偏差を求める。そして、この偏差に対してＰＩＤ制御によりモータ２への印加デューティおよび回転方向を求め、モータドライバ１１に指令を与える。モータドライバ１１は、ＣＰＵ１３からの指令に基づくデューティで、バッテリー電圧を用いてＰＷＭ制御を行い、動力用モータ２を駆動する。これにより動力用モータ２の回転位置および翼角度可変ターボチャージャの翼角度が変化するとエンコーダ４Ａ，４Ｂから回転角度に応じたエンコーダパルス４ａ，４ｂが出力される。この信号はＣＲフィルタ１２Ａ，１２Ｂを介してＣＰＵ１３に入力される。ＣＰＵ１３はこれを演算して現在の回転位置を求め、目標開度との偏差の導出を繰り返す。そして、偏差がエンコーダパルス１パルス分（動力用モータ２の回転角２４度分）になった時点で偏差を減少させるための通常制御を終了する。
【００２１】
ところで、本ターボチャージャ内翼角度可変システムは、モータを用いて翼角度を変化させるに際して、モータと可変翼の間の動力伝達のために、歯車伝達機構を採用している。これには主に２つの理由がある。
【００２２】
１つは、モータの最大駆動力を有効に利用するためである。モータは、トルクを発生するために、それにほぼ比例した電流を供給する必要がある。歯車伝達機構を用いると、減速比を適度に設定することによって、モータに要求されるトルクを小さくすることができる。もし、歯車伝達機構を用いないならば、モータに要求されるトルクは大きいものとなり、したがって通電電流も大きくなる。すると、モータドライバ１１のオン抵抗および通電ラインの配線抵抗等による電圧降下による損失が大きくなり、効率の悪いシステムとなるうえ、ターボチャージャ可変翼制御装置５内における発熱量が増大し、電子部品の保証温度などの問題から放熱設計が難しくなる。
【００２３】
２つ目に、ターボチャージャ１内の可変翼１ａに排気などから加えられる外力によって、モータが意図しない回転を生じないように、ウォームギアを設ける必要があったためである。ウォームギアは、大きい減速比を、比較的簡素な構成で体積をそれほど大きく取ることなく実現でき、負荷側に加えられた外力を動力発生手段側には伝達しない。よって、可変翼１ａの目標開度収束後に、モータへの通電を停止しても、外力により可変翼の開度がずれることはない。
【００２４】
以上の理由から、本ターボチャージャ内翼角度可変システムにおいては、歯車伝達機構の採用が必須であった。しかし、歯車伝達機構を用いると、歯車間の遊び（バックラッシ）が存在するため、目標位置収束後にガタツキが生じるという問題がある。本ターボチャージャ内翼角度可変システムにおいて、位置検出部となるモータ出力軸のガタツキに影響を及ぼすのは、ギア２ａ−ギア２ｂ間の遊びであり、その角度は約１度程度になる。そのため、モータへの通電を停止しても、その歯車間の遊びに相当する回転角度分だけ、外力が加えられた場合、モータの回転が許容されてしまう。本ターボチャージャ内翼角度可変システムは自動車に取り付けられるものであるから、必然的にエンジンや路面の凹凸による振動が加わる。各種要因による振動の影響が動力用モータに伝えられると、比較的簡単に動力用モータ回転軸の機械的チャタリングが生じてしまう。モータ出力軸における回転角度検出分解能は６度であるが、エンコーダパルスのＨｉｇｈ−Ｌｏｗ閾値付近に回転角度が停止しているとすると、１度の振幅に過ぎない機械的チャタリングであっても、要求される回転角度の精度に影響を与える。また、ガタツキにより目標角度の許容範囲（収束条件）を超えてしまう場合には、再度、モータの通電制御が行われて目標角度方向への回転をするが、再移動後の角度においても再びガタツキにより収束条件を外れる可能性があり、これが繰り返されるとモータの動作による振動状態を持続する可能性がある。すると、本来要求されない無駄な動作が増大するため、耐久的な問題やＣＰＵのソフト負荷増大といった問題が生じ、望ましくない。
【００２５】
そこで通常制御終了後は、それまでのモータ駆動方向に、１％のデューティで動力用モータを駆動しつづけることにより、モータに微小トルクを発生させる。
【００２６】
ここで駆動方向を、通常制御終了時の駆動方向と同一とする理由は、通常制御終了時には、その時のモータ駆動方向側に、モータ側の歯車が可変翼側の歯車に押し付けられているからである。もし通常制御終了後に、それまでの駆動方向、すなわちそれまでに押し付けられている方向とは逆方向に押し付けを行うならば、ギアの遊びの分だけモータが回転してしまう。本ターボチャージャ内翼角度可変システムにおいては、可変翼１ａの開度検出は、モータ出力軸の回転角度情報により行っているから、上記のようにギアの遊びの分だけモータが回転してしまうと、位置決めの収束条件から外れてしまう可能性がある。これでは、本発明によるギア押し付けの効果を十分に発揮することができない。
【００２７】
ところで、通常制御終了時にモータ出力側のギアが押し付けられている方向と、それまでの回転方向とは異なっている可能性がある。というのも、本ターボチャージャ内翼角度可変システムにおける位置決めの通常制御時には、目標角度とエンコーダパルスを処理して求めた実角度との偏差に対してＰＩＤ制御を行っているからである。そのため目標角度収束直前の、偏差と、偏差の変化率の関係によっては、ブレーキ制御を行っている、すなわちモータの回転方向とは逆方向にトルクを発生している。よって、モータの回転方向とは逆方向に、モータ出力側のギアが押し付けられている可能性があるわけである。
【００２８】
そのため、通常制御終了後に、通常制御終了時の回転方向で押し付けることを考えると、目標角度収束直前の、偏差と、偏差の変化率の関係によっては、それまでの駆動方向、すなわちそれまでに押し付けられている方向とは逆方向に押し付けを行ってしまう。したがって、前述したように、ギアの遊びの分だけモータが回転してしまうことにより位置決めの収束条件から外れてしまう可能性がある。以上の理由から、通常制御終了後のモータ微小トルク発生方向は、通常制御終了時のモータ駆動方向とする。
【００２９】
また発生させる微小トルクは、歯車間のある指定方向の間隙がなくなるまで、モータ側の歯車を回転させうるが、可変翼１ａ側の歯車を回転させるには至らない大きさとする。すなわち、可変翼１ａを回転させるにあたって必要な摩擦力等の反力より小さい値とする。本ターボチャージャ内翼角度可変システムにおける可変翼１ａの回転に必要なトルクは十数ｍＮ・ｍであり、経時劣化による必要トルクの増大が起こってこれが増大することはあっても、減少することは考えられない。これに対し、１％デューティーにおけるモータの発生トルクはバッテリー電源９の保証動作電圧範囲ＶＢ＝６〜１８［Ｖ］において、０．２４〜０．７２［ｍＮ・ｍ］であり、可変翼１ａを回転させるには至らない大きさとなる。また、１％デューティーであってもモータの回転は確実に得られることを確認している。したがって、本ターボチャージャ内翼角度可変システムにおいては、１％のデューティで動力用モータを駆動して微小トルクを発生させることにより、可変翼１ａを目標位置からずらしてしまうことなく、モータ側の歯車を可変翼側の歯車に押し付けることができ、歯車間の遊びが解消される。
【００３０】
以上のような方法で、可変翼が目標開度に到達した後、モータ側の歯車を歯車間の間隙のいずれか一方に押し付けるまで回転させうるが、可変翼側の歯車を回転させるには至らない大きさの微小トルクをモータに発生させることにより、ギアの遊びに起因するモータ回転角度のガタツキ、および角度検出値のハンチング、さらには本来要求されないモータ，ＣＰＵ等の無駄な動作が、コストの増大を招くこともなく解消でき、本ターボチャージャ内翼角度可変システムに振動等が加えられた場合にも問題が生じることなく、確実な制御が可能となる。
【００３１】
また、今回は可変翼１ａの回転に必要なトルクの大きさをあらかじめ求めておくことにより、目標角度収束後のモータ駆動デューティー、すなわち発生させる微小トルクの大きさを決定したが、これを制御中に求めることも可能である。たとえば、本ターボチャージャ内翼角度可変システムにおいては、位置検出値の初期化を行うために、電源投入後に可変翼１ａに設けられているストッパに接触するまでモータを回転させてから位置検出値を０に戻すというイニシャライズを行っているが、このイニシャライズの最中もしくは前後にモータ駆動デューティーを徐々に増大させて可変翼が移動を開始する時の値を求めて、これをもとに位置収束後に発生させる微小トルク、すなわちモータの駆動デューティーを決定することが考えられる。もしくは、通常制御の動作開始時、すなわち停止状態から目標開度が変化して動作を始める時に、同様にモータ出力デューティーを上げるなどして求めることができる。
【００３２】
さらに、本ターボチャージャ内翼角度可変システムのように歯車伝達機構を介して動力伝達を行わない場合にも、動力源としてモータを用いる場合には、モータの極数に依存する分割点の影響で、位置決め精度に問題が生じる。この場合にも同様に、微小トルクを発生させることにより、モータ分割点の間で回転角度を停止させることができ、位置決め精度の低下を防止することができる。
【００３３】
また、ギアの遊びやモータの分割点の影響による、位置決め精度の低下・機械的チャタリングおよび位置検出値のハンチングの防止をすることができる。
【００３４】
また、出力が制御可能な動力発生手段を用い、歯車伝達機構を介して、対象物を目標位置もしくは目標角度に到達させることを目的とする位置決め装置において、対象物が目標位置または目標角度に到達した後、動力発生手段に任意の方向の微小動力を発生させて動力発生手段側歯車を制御対象物側歯車に押し付ける手段を設けると、ギアの遊びに起因するガタツキ、および位置／角度検出値のハンチング、さらには本来要求されない無駄な動作が増大することによる耐久的な問題やＣＰＵのソフト負荷増大といった問題が、コストの増大を招くこともなく解消でき、該制御装置に振動等が加えられた場合にも問題が生じることのない信頼性の高いシステムが構成できることが示された。
【００３５】
さらには、歯車伝達機構を用いない場合であっても、モータを動力として用いて位置決めを行うシステムにおいては、モータの極数に依存する分割点の影響を解消し、位置決め精度の低下を防止することができ、同様の効果が得られる。
【００３６】
また、位置決めの精度に対して、歯車伝達機構のギアの遊びが大きい場合に、より大きな効果が期待できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、位置決め精度をより向上できる位置決め装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターボチャージャ内翼角度可変システムの構成。
【図２】ターボチャージャ可変翼制御装置の内部構成。
【図３】エンコーダパルス波形。
【図４】エンコーダ信号検出ロジック。
【図５】ターボチャージャ可変翼制御装置の動作フローチャート。
【符号の説明】
１…ターボチャージャ、１ａ…可変翼、２…動力用モータ、２ａ…動力伝達用ギアａ、２ｂ…動力伝達用ギアｂ、３ｃ…動力伝達用ギアｃ、３Ａ…エンコーダＡ相用磁石プレート、３Ｂ…エンコーダＢ相用磁石プレート、４Ａ…Ａ相エンコーダ、４Ｂ…Ｂ相エンコーダ、４ａ，４ｂ…エンコーダパルス、５…ターボチャージャ可変翼制御装置、５ａ…モータ制御信号、６…外部コントロールユニット、６ａ…外部コントロールユニット通信信号、７…ウォームギア、８…動力伝達用リンク、９…バッテリー電源、１０…電源回路、１１…モータドライバ、１２Ａ，１２Ｂ…ＣＲフィルタ、１３…演算装置（ＣＰＵ）、１３ａ…目標開度信号。
【図１】
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【図２】
2004044523.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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