(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺部材の張力を制御するための張力制御装置において、
前記長尺部材の走行速度に応じた逆起電圧を発生するブラシレスモータと、
前記ブラシレスモータの各出力端子の相互間にそれぞれ接続されたスイッチング手段と、
前記スイッチング手段のオンオフを制御する制御回路と、
前記スイッチング手段がオフになる瞬間に発生するサージ電圧を利用して前記制御回路に給電を行う給電手段と、
前記ブラシレスモータの各出力端子に接続されたダイオード整流器とを備えていることを特徴とする張力制御装置。
【請求項２】
前記スイッチング手段と前記制御回路と前記給電手段とが集積された集積回路が、前記ブラシレスモータの内側回転子と共に回転するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の張力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、張力制御装置に関し、特に、ブラシレスモータの逆起電圧を利用する張力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、糸巻取機に設けられた従来の張力制御装置は、スプリングテンサーと、ガイドプーリと、テンションプーリと、電動機とを有しており、糸が走行すると、テンションプーリを介して電動機が回され、発生したトルクにより張力を付与するようになっている。この張力制御装置は、糸の張力を一定に保つことによって、巻き取られた糸の品質を向上させるものであり、糸の走行スピードに関係なく糸の張力を一定に保つようになっている。
【０００３】
従来の張力制御装置は、一定以上の電圧がかかると一定電流を出力するリニアトランジスタの特性を利用して、電動機の回転数又は逆起電圧に関係なく、糸の張力を一定に制御するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の張力制御装置は、電動機の回転数が下がり逆起電圧が一定値以下になると、リニアトランジスタが所定の電流を出力しなくなるため、張力を一定に制御できなくなるという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ブラシレスモータの回転数が下がり逆起電圧が一定値以下になっても張力を一定に制御できる張力制御装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、長尺部材の張力を制御するための張力制御装置において、前記長尺部材の走行速度に応じた逆起電圧を発生するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの各出力端子の相互間にそれぞれ接続されたスイッチング手段と、前記スイッチング手段のオンオフを制御する制御回路と、前記スイッチング手段がオフになる瞬間に発生するサージ電圧を利用して前記制御回路に給電を行う給電手段と、前記ブラシレスモータの各出力端子に接続されたダイオード整流器とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
長尺部材には、糸状物や帯状物が含まれる。制御回路は、スイッチング手段の制御端子に所定の制御電圧をかけることにより、スイッチング手段をオン状態にするものであり、スイッチング手段のオン時間とオフ時間の比を制御することによりブラシレスモータの回生電流を制御するものである。また、給電手段は、サージ電圧を整流して一旦蓄え、制御回路に給電を行うものであり、ダイオードとコンデンサによって達成できる。さらに、スイッチング手段と制御回路と給電手段とによりスイッチング式回生電流制御回路を構成する。
【０００８】
これにより、ブラシレスモータの回転スピードが落ちてブラシレスモータの逆起電圧が一定値以下になっても、サージ電圧を蓄えて制御電源として利用できるため、張力制御装置の外部から給電を行わなくても、張力を一定に制御できる。また、スイッチング式回生電流制御回路の熱損が従来のリニアトランジスタ回路の場合に比べて少なくなり、回路の破損を防止できるため、スイッチング式回生電流制御回路を集積回路化できる。
【０００９】
また、本発明に使用されるブラシレスモータは、駆動用制御システムや給電機構が不要であるため、通常のブラシレスモータに比べて低価格になり、張力制御装置の製造コストを低減できる。また、消耗性のブラシに代えてダイオード整流器を使用するため、電動機の耐久性を向上できる。
【００１０】
また、前記ブラシレスモータの各出力端子の相互間に前記スイッチング手段がそれぞれ接続されていることにより、消耗性のブラシに代えてダイオード整流器を使用するため、電動機の耐久性を向上できる。また、ブラシレスモータの３相巻線の各出力端子に直接スイッチング手段を接続するため、ダイオード整流器による逆起電圧の降下を防止でき、逆起電圧がブラシレスモータの３相巻線に対して一つのスイッチング手段を接続した張力制御装置の逆起電圧より小さくなっても、張力を一定に制御できる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明の構成に加えて、前記スイッチング手段と前記制御回路と前記給電手段とが集積された集積回路が、前記ブラシレスモータの回転子と共に回転するように設けられていることを特徴とする。これにより、ブラシレスモータと別個に回生電流を制御する機器を必要としないため、張力制御装置の機器構成及び機器配置の自由度が広がる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態の比較例である張力制御装置１は、スプリングテンサー２と、ガイドプーリ３、５と、テンションプーリ４と、回生ブレーキ装置６とを有しており、糸が走行すると、回生ブレーキ装置６が働き、糸の張力を制御するようになっている。スプリングテンサー２は、糸道を形成し、初期張力を発生させるようになっており、ガイドプーリ３、５は、糸道を確保するようになっている。テンションプーリ４は、回生ブレーキ装置６の回転軸の一方に取り付けられており、糸状物に張力を付与するようになっている。この回生ブレーキ装置６は、図２に示すように、電動機７と、スイッチング式回生電流制御回路８とを有しており、一定のトルクを発生するようになっている。この電動機７は、ＤＣモータであるが、駆動用電動機として使用されるものではなく、専ら回生制動機（発電機）として使用され、回生電流を発生するようになっている。
【００１３】
スイッチング式回生電流制御回路８は、スイッチング部１０と、制御回路１１と、給電部１２とを有しており、全体として昇圧回路を構成する。スイッチング部１０は、電動機７に並列に接続されており、制御回路１１による所定の制御電圧がかかると、オン状態になり、スイッチング部１０に回生電流が流れるようになっている。また、スイッチング部１０がオフ状態になる瞬間には、電動機７に、高電圧のサージ電圧が生じるようになっている。本実施形態では、スイッチング部１０として、スイッチングトランジスタ素子であるMOSFET（metal oxide semiconductor field effect transistor)が使用されている。
【００１４】
給電部１２は、ダイオード１３とコンデンサ１４とを有しており、サージ電圧をダイオード１３を介して整流し、整流されたサージ電圧をコンデンサ１４に蓄え、コンデンサ１４から制御回路１１へ給電するようになっている。
【００１５】
制御回路１１は、電動機７及びコンデンサ１４に対して並列に接続されており、コンデンサ１４に蓄えられたサージ電圧を制御電源として利用するようになっている。制御回路１１は、スイッチング部１０の制御端子に接続されており、スイッチング部１０の制御端子に所定の制御電圧をかけて、スイッチング部１０のオン時間とオフ時間の比を制御することにより、回生電流を制御するようになっている。
【００１６】
制御回路１１は、図３（ａ）に示すように、電動機７の回転数に応じて、スイッチング部１０のオン時間とオフ時間の比を補正して回生電流を制御するようになっている。具体的には、制御回路１１は、電動機７の回転数（逆起電圧）が上がると、回生電流を下げるように制御し、回転数（逆起電圧）が下がると、回生電流を上げるように制御して、図３（ｂ）に示すように、張力を一定に保つようになっている。このように、実際、張力（トルク）は、種々の原因により必ずしも回生電流と比例しないため、制御回路１１は、オン時間とオフ時間の比を補正することにより、定張力制御を行うようになっている。
【００１７】
上記の構成において、張力制御装置１の動作を図面を用いて説明する。図１及び図２に示すように、テンションプーリ４が糸の走行により回されると、電動機７に逆起電圧が発生する。制御回路１１は、コンデンサ１４からの電力を利用して、スイッチング部１０の制御端子に所定の制御電圧をかけてスイッチング部１０をオン状態にする。スイッチング部１０がオン状態になると、電動機７から回生電流が流れ、電動機７にトルク（ブレーキ力）が発生する。次に、制御回路１１は、スイッチング部１０がオフ状態になるように、制御電圧を制御する。スイッチング部１０がオフ状態になる瞬間、電動機７に高電圧のサージ電圧が生じ、このサージ電圧がダイオード１３を介して整流され、コンデンサ１４に蓄えられる。このように、制御回路１１は、コンデンサ１４に蓄えられた電力を利用して、図３（ａ）に示すように、電動機７の回転数に応じて回生電流を制御するように、所定の時間間隔でスイッチング部１０をオン、オフさせる。
【００１８】
これにより、電動機７のブレーキ力（トルク）を一定に制御できるため、糸の張力を一定に保つことができる。また、サージ電圧を蓄えて、制御回路１１に給電するため、制御回路１１は、スイッチング式回生電流制御回路８の外部から給電がなくても、スイッチング部１０のオン、オフを制御できる。さらに、電動機７の回転スピードが落ちて電動機７の逆起電圧が小さくなっても、サージ電圧を制御電源として利用できるため、スイッチング部１０のオン、オフを制御できる。
【００１９】
次に、本実施の形態の他の比較例である張力制御装置のスイッチング式回生電流制御回路８を説明する。スイッチング式回生電流制御回路１５は、図４に示すように、全体として昇圧回路を構成するが、上記のスイッチング式回生電流制御回路８と異なる点は、電動機７にブラシレスモータ１６を用いた点と、ブラシレスモータ１６の３相巻線の各出力端子の相互間に３つダイオード整流器１７〜２２を設けた点である。これにより、ＤＣモータ７のブラシに代えてダイオード整流器１７〜２２を使用するため、回生ブレーキ装置６の耐久性を向上させることができる。また、回生ブレーキ装置６の３相巻線に対して一つのスイッチング部１０及び一つの制御回路１１で回生電流を制御できるため、スイッチング式回生電流制御回路１５の部品点数を少なくできる。さらに、ブラシレスモータ１６は、通常のブラシレスモータの駆動用制御システムや駆動用給電機構を取り除いて、構成を簡単化したものであるため、通常のブラシレスモータに比べて低価格であり、張力制御装置の製造コストを低減できる。
【００２０】
本実施形態の張力制御装置では、スイッチング式回生電流制御回路２３は、図５に示すように、全体として昇圧回路を構成するが、図４に示すスイッチング式回生電流制御回路１５と異なる点は、ブラシレスモータ１６の３相巻線の各出力端子の相互間に直接３つのスイッチング部２４、２５、２６を接続した点である。これにより、ダイオード整流器１７〜２２による逆起電圧の降下を防止できるため、逆起電圧がスイッチング式回生電流制御回路１５の逆起電圧より小さくなっても、張力を一定に保つことができる。また、他の実施形態の張力制御装置では、スイッチング式回生電流制御回路２７は、図６に示すように、全体として昇圧回路を構成するが、図５に示すスイッチング式回生電流制御回路２３と異なる点は、各スイッチング部２４、２５、２６を個々に制御するように、各制御端子に制御回路２８、２９、３０を接続した点である。尚、スイッチング式回生電流制御回路２３、２７は、デルタ結線であるが、これに限られず、スター結線であってもよい。
【００２１】
このブラシレスモータ１６は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、支持部材１６ａ、１６ｇと、ベアリング１６ｂ、１６ｆと、回転子１６ｃと、磁石１６ｄと、外枠１６ｅとを有しており、この回転子１６ｃの回転軸には、回転子１６ｃと共に回転するようにディスク９が固定されている。このディスク９の径方向内側には、ブラシレスモータ１６の慣性モーメントが小さくなるように、スイッチング式回生電流制御回路１５、２３、２７が設けられている。これにより、回生ブレーキ装置６の追従性が良くなるため、糸の走行速度が急激に変化するような場合でも、張力を一定に保つことができる。
【００２２】
図５に示すスイッチング式回生電流制御回路２３を用いてシュミュレーションを行い、その結果に基づいて張力制御装置１の特性を説明する。回生ブレーキ装置６が回されると、スイッチング式回生電流制御回路２３には、図８（ａ）に示すように、回生電流が一定の周期で流れる。また、制御回路１１は、張力を一定に保つように、回生電流の周期の約１０倍以上の周期でスイッチング部２４〜２６をオン、オフさせるため、この回生電流の波形は、合成波を形成する。
【００２３】
サージ電圧は、回生電流の周期の約１０倍以上の周期で発生するため、コンデンサ１５は、図８（ｂ）に示すように、短時間で昇圧される。また、コンデンサ１５は、７Ｖ以上に昇圧されるため、制御回路１１が必要とする電力を十分に確保できる。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、長尺部材の張力を制御するための張力制御装置において、前記長尺部材の走行速度に応じた逆起電圧を発生するブラシレスモータと、前記ブラシレスモータの各出力端子の相互間にそれぞれ接続されたスイッチング手段と、前記スイッチング手段のオンオフを制御する制御回路と、前記スイッチング手段がオフになる瞬間に発生するサージ電圧を利用して前記制御回路に給電を行う給電手段と、前記ブラシレスモータの各出力端子に接続されたダイオード整流器とを備えている構成である。これにより、ブラシレスモータの回転スピードが落ちてブラシレスモータの逆起電圧が一定値以下になっても、サージ電圧を蓄えて制御電源として利用できるため、張力制御装置の外部から給電を行わなくても、張力を一定に制御できるという効果を奏する。また、スイッチング式回生電流制御回路の熱損が従来のリニアトランジスタ回路の場合に比べて少なくなり、回路の破損を防止できるため、スイッチング式回生電流制御回路を集積回路化できるという効果を奏する。
【００２５】
また、本発明のブラシレスモータは、駆動用制御システムや給電機構が不要であるため、通常のブラシレスモータに比べて低価格になり、張力制御装置の製造コストを低減できるという効果を奏する。また、消耗性のブラシに代えてダイオード整流器を使用するため、ブラシレスモータの耐久性を向上できるという効果を奏する。
【００２６】
また、前記ブラシレスモータの各出力端子の相互間に前記スイッチング手段がそれぞれ接続されている構成により、消耗性のブラシに代えてダイオード整流器を使用するため、ブラシレスモータの耐久性を向上できるという効果を奏する。また、ブラシレスモータの３相巻線の各出力端子に直接スイッチング手段を接続するため、ダイオード整流器による逆起電圧の降下を防止でき、逆起電圧がブラシレスモータの３相巻線に対して一つのスイッチング手段を接続した張力制御装置の逆起電圧より小さくなっても、張力を一定に制御できるという効果を奏する。
【００２７】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明の構成に加えて、前記スイッチング手段と前記制御回路と前記給電手段とが集積された集積回路が、前記電動機の内側回転子と共に回転するように設けられている構成である。これにより、ブラシレスモータと別個に回生電流を制御する機器を必要としないため、張力制御装置の機器構成及び機器配置の自由度が広がるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】張力制御装置の構成を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態の比較例である張力制御装置の回生ブレーキ装置の構成を説明する図である。
【図３】電動機の回転数と回生電流との関係を説明する図である。
【図４】本実施の形態の他の比較例である張力制御装置の回生ブレーキ装置の構成を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態の張力制御装置の回生ブレーキ装置の構成を説明する図である。
【図６】本発明の他の実施形態の張力制御装置の回生ブレーキ装置の構成を説明する図である。
【図７】回生ブレーキ装置を説明する図である。
【図８】張力制御装置のシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１  張力制御装置
２  スプリングテンサー
３  ガイドプーリ
４  テンションプーリ
５  ガイドプーリ
６  回生ブレーキ装置
７  電動機
８  スイッチング式回生電流制御回路
９  ディスク
１０  スイッチング部
１１  制御回路
１２  給電部
１３  ダイオード
１４  コンデンサ
１５  スイッチング式回生電流制御回路
１６  ブラシレスモータ
２３  スイッチング式回生電流制御回路
２７  スイッチング式回生電流制御回路
１７〜２２  ダイオード整流器
２４〜２６  スイッチング部
２８〜３０  制御回路
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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