パルスモータの駆動方法
【課題】パルスモータの脱調を防止しながら、短時間でパルスモータの速度を目標速度まで増速させことを目的とする。
【解決手段】
上記課題を解決するために、本願発明のパルスモータの制御方法は、パルスモータの速度を第１の速度から第２の速度に増速させるまでの速度パターンを、曲線の傾きが漸増する単調増加の第１の速度曲線ｆ１、一定の傾きをもつ単調増加の第２の速度直線ｆ２、曲線の傾きが漸減する単調増加の第３の速度曲線ｆ３の順で変化させ、前記第１の速度曲線ｆ１は、前記第３の速度曲線ｆ３よりも設定時間が短いことを特徴とする。
【解決手段】
上記課題を解決するために、本願発明のパルスモータの制御方法は、パルスモータの速度を第１の速度から第２の速度に増速させるまでの速度パターンを、曲線の傾きが漸増する単調増加の第１の速度曲線ｆ１、一定の傾きをもつ単調増加の第２の速度直線ｆ２、曲線の傾きが漸減する単調増加の第３の速度曲線ｆ３の順で変化させ、前記第１の速度曲線ｆ１は、前記第３の速度曲線ｆ３よりも設定時間が短いことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動分析装置などに使用されるパルスモータの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスモータは、パルスを印加するごとに複数のセグメントに分割されたコイルに流れる電流の向きあるいはON／OFFを切り替えることにより一定の角度ずつ回転するため、与えるパルス数に応じて回転角度を制御することできる。
【０００３】
パルスレートに対応するパルスモータの設定回転速度を変化させた場合、実回転速度が設定回転速度に追従するようにパルスモータを加速又は減速させる。
【０００４】
しかし、モータの回転子や機構部の慣性モーメントが大きい場合、実回転速度と設定回転速度との開きが大きい場合には、摩擦などによる抵抗負荷に慣性負荷が加わり、パルスモータが印加されるパルスに追従できなくなる脱調と呼ばれる現象が発生する。
【０００５】
したがって、静止状態にあるパルスモータが追従できるパルスレートには、モータ回転子と機構部との慣性モーメントによって決まる上限値が存在し、この上限値を超えない範囲のパルスレートで起動することができる。モータのトルクは、パルスレートと駆動電流に依存するので、起動可能なパルスレートは駆動電流に依存する。
【０００６】
また、加速時に、モータ回転子と機構部の加速に要する加速トルク、摩擦、重力、バネなどに抗して動作するための抵抗負荷トルクの和が、一定の値を超えると脱調が発生する。この脱調が発生するときのトルクをプルアウトトルクという。
【０００７】
プルアウトトルクは、パルスレート値とコイルに流れる駆動電流に依存する。プルアウトトルクから抵抗負荷トルクを差し引いた残りのトルクが加減速に使うことができるトルクである。
【０００８】
図１にパルスモータのプルアウトトルク曲線の例を示す。パルスモータにかかる負荷が、プルアウトトルクトルクよりも小さいに時に、パルスモータはパルスに追従して回転することができる。
【０００９】
パルスモータの定速制御モードでは、起動可能なパルスレートのパルスでモータを駆動し、その後も起動時と同じパルスレートのパルスで駆動する。機構部が２地点間を移動する時間は、２地点間のパルス数をパルスレートで割ることにより算出される。
【００１０】
パルスモータの台形制御モードでは、所定のパルスレートのパルスでモータを起動した後、又は、静止状態から、一定の加速度で加速を行い、所定の速度に達したら定速運転に移行し、終点の少し手前から一定の減速度で減速を行う。台形制御モードでは、平均速度を起動時の速度よりも速くすることができるため、定速制御モードより２地点間を移動する時間を短縮することができる。
【００１１】
さらに、２地点間を移動する時間を短縮すると同時に、起動時や、加速から定速に移行する際の振動抑制のためにS字制御モードなどが用いられる。
【００１２】
S字制御モードでは、サイン曲線あるいは二本の二次曲線を滑らかにつなげた曲線を加速曲線として使用する。始点と終点で加速度がゼロになるため、滑らかな動きが可能になるが、パルスモータのトルクを最大限に利用していないため、加速が遅くなり、最大パルスレートとパルスレートの変化率の最大値を等しくした場合には、台形制御モードに比べて２地点間の移動時間が長くなる。
【００１３】
また、台形制御モードで駆動した場合と移動時間を同じにするためには、最大パルスレートあるいはパルスレートの最大変化率を大きく設定しなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来の台形制御モードでは、加速時間中に加速度が一定であるため、加速に必要なトルクはパルスレートによらず一定である。パルスモータのプルアウトトルクは、低パルスレートではほぼ一定であるが、高パルスレートでは下降する。低パルスレートで高トルクを利用して加速度を大きくする場合には、高パルスレートでトルクが不足するため、使用できる最高パルスレートが制限された。また、高パルスレートまで加速するためには必要なトルクを減らすために加速度を落とす必要があった。
【００１５】
また、従来のS字制御モードでは、加速領域の中間で加速度が最大になるが、加速度が最大になるパルスレートで加速トルクと抵抗負荷トルクの和をプルアウトトルクよりも小さく設定する必要があるため、加速初期と加速終期の加速度が低くなった。
【００１６】
このように、台形制御モード、S字制御モードでは、起動から加速終了までの全パルスレートで加速トルクと抵抗負荷トルクの和がプルアウトトルクを超えないように加速度を設定すると、パルスモータのトルクとプルアウトトルクとの開きが大きくなる領域が生じた。
【００１７】
また、パルスモータの代わりに、高速駆動の容易なＤＣサーボモータ、ＡＣサーボモータなどを用いると、コストが増大する。
【００１８】
そこで、本願発明は、パルスモータの脱調を防止しながら、短時間でパルスモータの速度を目標速度まで増速させことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本願発明のパルスモータの制御方法は、パルスモータの速度を第１の速度から第２の速度に増速させるまでの速度パターンを、曲線の傾きが漸増する単調増加の第１の速度曲線ｆ１、一定の傾きをもつ単調増加の第２の速度直線ｆ２、曲線の傾きが漸減する単調増加の第３の速度曲線ｆ３の順で変化させ、前記第１の速度曲線ｆ１は、前記第３の速度曲線ｆ３よりも設定時間が短いことを特徴とする。
【００２０】
ここで、第１の速度は図２の点１、つまり図３のｔ＝０におけるパルスレート（Ｐ０）に対応しており、第２の速度は図２の点４、つまり図３のｔ＝ｔｃにおけるパルスレート（Ｐｃ）に対応している。また、第１の速度曲線ｆ１は、図３の第１の速度二次曲線１に対応しており、第２の速度曲線ｆ２は、図３の第２の速度直線２に対応しており、第３の速度曲線ｆ３は、図３の第３の速度二次曲線３に対応している。
【００２１】
このように、パルスモータを制御することにより、図２に図示するように、プルアウトトルクよりも僅かに低い値に加速トルク及び抵抗負荷トルクの和を設定した状態で、パルスモータを駆動することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本願発明によれば、短時間でパルスモータの速度を目標速度に増速することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図８、図９及び図１０を参照しながら、本発明のパルスモータを適用した自動分析装置について説明する。図８及び図９は自動分析装置の反応容器供給部の平面図であり、図１０は搬送アームやピックアップ装置１１の駆動制御を行うためのブロック図である。
【００２４】
これらの図において、ピックアップ装置（駆動装置）１１は、搬送アーム（駆動装置）１２に支持されており、ピックアップ装置搬送モータユニット５３から駆動力を受けて搬送アーム１２上をX軸方向にスライド移動する。
【００２５】
この搬送アーム１２は、Ｚ軸ガイド１４及びＹ軸ガイド１３にガイドされており、Z軸用搬送アーム駆動モータユニット５４から駆動力を受けて、Z軸方向に駆動され、Ｙ軸用搬送アーム駆動モータユニット５２から駆動力を受けて、Ｙ軸方向に駆動される。
【００２６】
これらの搬送アーム駆動モータユニット５２、５４及びピックアップ装置搬送モータユニット５３の駆動源にはパルスモータが使用されており、ＣＰＵ５１から出力される信号に基づき、パルスモータの駆動が制御される。
【００２７】
ピックアップ装置１１には、容器ストレージラック３にマトリクス状に配置された反応容器３１をピックアップするための容器ピックアップ装置（吸着ヘッド）２１と、不図示のピペットチップをピックアップするためのチップピックアップ装置２２が搭載されている。
【００２８】
反応容器３１には、測定対象物質に対する抗体等を固定した水不溶性固相や、測定対象物質に対する、酵素等で標識された標識抗体等の試薬が収容されており、分注液の注入などの各種操作に対応させるために上部開口が設けられており、この上部開口は密閉シールにより覆われている。なお、上記免疫測定用の反応容器３１に代えて、試料中の微量生理活性物質を検出するために用いられる空の生化学反応用容器を用い、分析装置本体に搬送した後で試薬を分注することもできる。
【００２９】
搬送レーン１６は、X軸方向にスライド移動可能に設けられており、この搬送レーン１６の略一端部に設定された容器載置予定位置１６aに、容器ピックアップ装置２１に吸着された反応容器３１が搬送されるようになっている。
【００３０】
このように、自動分析装置では、多数の反応容器３１やピペットチップを搬送レーン１６に搬送させる必要があり、搬送時間を短縮化することにより、自動分析装置の処理能力を向上させることができる。
【００３１】
したがって、搬送アーム駆動モータユニット５２、５４及びピックアップ装置搬送モータユニット５３の駆動源であるパルスモータの速度を短時間で最高速度に増速させる必要がある。特に、X、Y及びZ軸方向のうちY軸方向への駆動負荷が大きいため、Y軸用搬送アーム駆動モータユニット５２に本願発明のパルスモータを適用するのが好ましい。そこで、本願発明では、パルスモータを下記のように制御している。
（実施例１）
本発明では、加速トルクと抵抗負荷トルクの和が、パルスモータのプルアウトトルクを超えないように設定する必要がある。上述したように脱調が生じるからである。
【００３２】
ここで、加速トルクは、パルスモータの速度曲線の微分で得られる加速度と、パルスモータと負荷となる機構部の等価慣性モーメントから算出される。
【００３３】
抵抗負荷トルクは、摩擦、重力、バネなどに抗して動かすためのトルクである。機構部が直線運動する場合は、適宜、機構の重量やプーリ径等を考慮してパルスモータの回転軸に対する等価慣性モーメントが算出される。また、機構部が歯車、ベルトなどの伝達機構を介して駆動される場合には、歯数比、プーリ比を考慮して等価慣性モーメントを算出することができる。
【００３４】
パルスモータの加速パターンには、静止状態から連続的にパルスレートを増加させるか、有限の値のパルスレートで起動した後で連続的にパルスレートを増加させる方法がある。
【００３５】
所定の二地点間の移動時間を短くするためには、平均パルスレートを引き上げることが好ましい。このため、加速開始後に加速度、つまりパルスレートの増加率を、数パルスでモータのプルアウトトルクから求められる上限値まで増加させることが好ましい。
【００３６】
パルスレートの増加率の上限値は、プルアウトトルクに安全率を考慮して求めた値から負荷抵抗トルクを引いたトルクを回転子と負荷の慣性モーメントで割ることにより算出される。
【００３７】
またパルスレートの増加率が、上限値に達した後は、パルスレートに応じた上限値を維持することが好ましい。具体的には、下記のようにパルスモータの速度を増速する。
【００３８】
図２はプルアウトトルクと、搬送アーム１２を駆動するために必要なトルク値とプルアウトトルク値との関係を示すトルク―速度線図である。同図において、点１はパルスモータが回転を開始する点を示しており、点２は加速度が最大値に達する点を示しており、点３は加速度が減少を開始する点を示しており、点４は加速が終了する点を示している。
【００３９】
ここで、点１〜点４のパルスレートをそれぞれパルスレート１〜４とした場合に、図２は、（パルスレート２−パルスレート１）＜（パルスレート４−パルスレート１）／１０を満足し、パルスモータのプルアウトトルクが降下するパルスレートと点３のパルスレート３とが同じ値になるように設定している。
【００４０】
実際には、パルスレート１＝４００ＣＰＳ、パルスレート２＝５００ＣＰＳ、パルスレート３＝１０００ＣＰＳ、パルスレート４＝３６００ＣＰＳに設定した。
【００４１】
次に、点１〜点４におけるパルスレートの変化率をそれぞれ４０００ＣＰＳ／s、２４０００ＣＰＳ／s、２４０００ＣＰＳ／s、４０００ＣＰＳ／sに設定し、速度変化を示す速度パターンは、点１と点２の間が単調増加で傾きが漸増する第１の速度二次曲線１（第１の速度曲線）、点２と点３との間が単調増加の第２の速度直線２（第２の速度直線）、点３と点４との間が単調増加で傾きが漸減する第３の速度二次曲線３（第３の速度曲線）である。なお、漸増するとは、時間経過に応じて徐々に増えるという意味であり、増加率が一定である場合も、異なる場合も含まれる。漸減についても同様である。
【００４２】
ここで、第１の速度二次曲線１、第２の速度直線２、第３の速度二次曲線３は滑らかにつながっている。つまり、第１の速度二次曲線１の終点（第２の速度直線２に合流する点）での傾きは、第２の速度直線２の傾きに等しく、第３の速度二次曲線３の始点（第２の速度直線２に合流する点）での傾きは、第２の速度直線２に等しい。これにより、速度パターンを切り替える際に、機構の振動を効果的に抑制することができる。
【００４３】
ここで、第１の速度二次曲線１をｆ１とおくと、ｆ１＝（Pａ−Pｘ）{（ｔ−ｔｘ）／（ｔ１−ｔｘ）}２＋Pｘである。また、第２の速度直線２をｆ２とおくと、ｆ２＝（Pｂ−Pａ）{（ｔ−ｔａ）／（ｔｂ−ｔａ）}＋Pａである。また、第３の速度二次曲線３をｆ３とおくと、ｆ３＝（Pｂ−Pｙ）｛（ｔｙ−ｔ）／（ｔｙ−ｔｂ）｝２＋Pｙである。
【００４４】
ただし、ｔｘ及びPｘはそれぞれ、第１の速度二次曲線ｆ１の傾きが０であるときの仮想的な時間及びパルスレートを示しており、ｔ０及びP０はそれぞれ、第１の速度曲線の始点での時間（つまり、ｔ＝０）及びパルスレートを示しており、ｔａ及びPａはそれぞれ、第１の速度二次曲線ｆ１及び第２の速度直線ｆ２の合流点での時間及びパルスレートを示しており、ｔｂ及びPｂはそれぞれ、第２の速度直線ｆ２及び第３の速度曲線ｆ３の合流点での時間及びパルスレートを示しており、ｔｃ及びPｃはそれぞれ、第３の速度曲線ｆ３の終点での時間及びパルスレートを示しており、ｔｙ及びPｙはそれぞれ、第３の速度曲線ｆ３の傾きが０であるときの仮想的な時間及びパルスレートを示している。
【００４５】
ｆ１〜ｆ３の関数を上記のように設定するとともに、第３の速度二次曲線３よりも第１の速度二次曲線１の加速時間（設定時間）を短く設定することにより、パルスモータを図２に図示するように、プルアウトトルクに近い値で駆動制御することができる。これにより、自動分析装置の処理能力を高めることができる。
【００４６】
これらの第１の速度二次曲線１、第２の速度直線２及び第３の速度二次曲線３を時間で微分することにより得られるパルスレートの変化率を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に図示するように、第３の速度二次曲線ｆ３の速度の変化率は、時間経過とともに、一定の割合で漸減する。図３（ｃ）も同様にパルスレートの変化率を示しているが、横軸をパルスレートにしている。
【００４７】
この条件で求めた加速トルクとパルスレートとの関係を図４に示す。加速トルクと抵抗負荷トルクの和がパルスモータのプルアウトトルクよりも安全率を見込んで小さく設定されていることがわかる。
【００４８】
本実施例では、各点におけるパルスレートの変化率をあらかじめ決定し、その値から加速トルクを算出し、この加速トルクと抵抗負荷トルクとの和がパルスモータのプルアウトトルクよりも小さくなることを確認した。
【００４９】
その一方で、図４において、点１、点２、点３及び点４のパルスレートと、モータの使用時のトルク上限値を求め、その値から安全率と抵抗負荷トルクを考慮して加速トルクを求め、さらにパルスモータの回転子と負荷となる機構部の慣性モーメントから点１〜点４におけるパルスレートの変化率を求めることができる。
【００５０】
減速するときのパターンは、減速時には減速トルクと摩擦などによる抵抗負荷トルクが逆向きに働くため、加速時より迅速に減速することができ、また、停止時の振動を減らすために、停止前の減速度を小さくすることが有効であるので、上述の加速するときのパターンと異なっていてもよいが、本実施例では図５に図示するように加速パターンと対称になるように設定している。
（実施例２）
実施例１と同様に、図２に図示するように、点１はパルスモータが回転を開始する点を示しており、点２は加速度が最大値に達する点を示しており、点３は加速度が減少を開始する点を示しており、点４は加速が終了する点を示している。
【００５１】
ここで、点１〜点４のパルスレートをそれぞれパルスレート１〜４とした場合に、図２は、（パルスレート２−パルスレート１）＜（パルスレート４−パルスレート１）／１０を満足し、パルスモータのプルアウトトルクが降下するパルスレートと点３のパルスレート３とが同じになるように設定している。
【００５２】
実施例１と異なり、本実施例では、パルスレート１＝４００ＣＰＳ、パルスレート２＝５００ＣＰＳ、パルスレート３＝１０００ＣＰＳ、パルスレート４＝４０００ＣＰＳに設定した。
次に、点１〜点４におけるパルスレートの変化率をそれぞれ４０００ＣＰＳ／s、２４０００ＣＰＳ／s、２４０００ＣＰＳ／s、４０００ＣＰＳ／sに設定する。、実施例１の第３の速度二次曲線ｆ３に代えて、第３の速度指数関数曲線ｆｓを用いた。第１の速度曲線１及び第２の速度直線２は実施例１と同様である。
【００５３】
ｆ１〜ｆ３の関数を上記のように設定するとともに、第３の指数関数曲線４よりも第１の速度二次曲線１の加速時間（設定時間）を短く設定することにより、プルアウトトルクに近い値で駆動制御することができる。
【００５４】
これらの第１の速度二次曲線１、第２の速度直線２及び第３の指数関数曲線４を微分することにより得られるパルスレートの変化率を図６（ｂ）に示す。図６（ｃ）も同様にパルスレートの変化率を示しているが、横軸をパルスレートにしている。図６（ｃ）に図示するように、本実施例では、第３の速度指数関数曲線ｆ３の速度の変化率を、パルスレートの増加に応じて、一定の割合で降下させている。
【００５５】
この条件で求めた加速トルクとパルスレートとの関係を図７に示す。加速トルクと抵抗負荷トルクの和がパルスモータのプルアウトトルクよりもほぼ一定の幅だけ小さく設定されていることがわかる。
【００５６】
本実施例では、各点におけるパルスレートの変化率をあらかじめ決定し、その値から加速トルクを算出し、この加速トルクと抵抗負荷トルクとの和がパルスモータのプルアウトトルクよりも小さくなることを確認した。
【００５７】
その一方で、図２において、点１、点２、点３及び点４のパルスレートと、モータの使用時のトルク上限値（プルアウトトルク）を求め、その値から安全率と抵抗負荷トルクを考慮して加速トルクを求め、さらにパルスモータの回転子と負荷となる機構部の慣性モーメントから点１〜点４におけるパルスレートの変化率を求めることができる。
【００５８】
実施例１では、点４の速度を４０００ＣＰＳとすると安全率が小さくなる速度域が存在したため３６００ＣＰＳに設定した。そのため、モータのトルクを最大限に利用することができなかったが、本実施例では、図７からわかるように、加速トルクと抵抗負荷トルクの和の曲線が点３と点４の二地点間で直線に近いため点４の速度を４０００ＣＰＳに設定することができた。
【００５９】
減速するときのパターンは、上述の加速するときのパターンと異なっていてもよいが、本実施例では図５に図示するように加速パターンと対称になるように設定している。
（他の実施例）
上述のパルスモータは、分注シリンジ、分注ノズル移送機構、反応容器移送機構、反応テーブルの駆動源として用いることもできる。特に、移動部分の質量や慣性モーメントが大きく、一定の時間内に何回も移動を繰り返す必要のある用途に適する。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】速度（パルスレート）とプルアウトトルクとの関係を示した速度―トルク図である。
【図２】プルアウトトルクと、加速トルク及び慣性負荷トルクの和との関係を示した速度−トルク図である。
【図３ａ】モータの速度（パルスレート）と時間との関係を示した速度―時間図である。
【図３ｂ】モータの加速度（パルスレートの変化率）と時間との関係を示した加速度―時間図である。
【図３ｃ】モータの加速度と速度との関係を示した加速度―速度図である。
【図４】パルスレートとトルクとの関係を図示したパルスレート―トルク図である。
【図５】加速パターンと減速パターンを示すパターン図である。
【図６ａ】実施例２のモータの速度（パルスレート）と時間との関係を図示した速度―時間図である。
【図６ｂ】実施例２のモータの加速度（パルスレートの変化率）と時間との関係を示した加速度―時間図である。
【図６ｃ】実施例２のモータの加速度（パルスレートの変化率）と速度との関係を示した加速度―速度図である。
【図７】実施例２のトルクとモータの速度（パルスレート）との関係を示したトルク−速度図である。
【図８】自動分析装置の平面図である（反応容器の捕捉前）。
【図９】自動分析装置の平面図である（反応容器の捕捉時）。
【図１０】ピックアップ装置及び搬送アームの駆動制御を行うためのブロック図である。
【符号の説明】
【００６１】
３ 容器ストレージラック
１１ ピックアップ装置
１２ 搬送アーム
１６ 搬送レーン
１６ａ 容器載置予定位置
２１ 容器ピックアップ装置
２２ チップピックアップ装置
３１ 反応容器
５１ ＣＰＵ
５２ Y軸用搬送アーム駆動モータユニット
５３ ピックアップ装置搬送モータユニット
５４ Z軸用搬送アーム駆動モータユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動分析装置などに使用されるパルスモータの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルスモータは、パルスを印加するごとに複数のセグメントに分割されたコイルに流れる電流の向きあるいはON／OFFを切り替えることにより一定の角度ずつ回転するため、与えるパルス数に応じて回転角度を制御することできる。
【０００３】
パルスレートに対応するパルスモータの設定回転速度を変化させた場合、実回転速度が設定回転速度に追従するようにパルスモータを加速又は減速させる。
【０００４】
しかし、モータの回転子や機構部の慣性モーメントが大きい場合、実回転速度と設定回転速度との開きが大きい場合には、摩擦などによる抵抗負荷に慣性負荷が加わり、パルスモータが印加されるパルスに追従できなくなる脱調と呼ばれる現象が発生する。
【０００５】
したがって、静止状態にあるパルスモータが追従できるパルスレートには、モータ回転子と機構部との慣性モーメントによって決まる上限値が存在し、この上限値を超えない範囲のパルスレートで起動することができる。モータのトルクは、パルスレートと駆動電流に依存するので、起動可能なパルスレートは駆動電流に依存する。
【０００６】
また、加速時に、モータ回転子と機構部の加速に要する加速トルク、摩擦、重力、バネなどに抗して動作するための抵抗負荷トルクの和が、一定の値を超えると脱調が発生する。この脱調が発生するときのトルクをプルアウトトルクという。
【０００７】
プルアウトトルクは、パルスレート値とコイルに流れる駆動電流に依存する。プルアウトトルクから抵抗負荷トルクを差し引いた残りのトルクが加減速に使うことができるトルクである。
【０００８】
図１にパルスモータのプルアウトトルク曲線の例を示す。パルスモータにかかる負荷が、プルアウトトルクトルクよりも小さいに時に、パルスモータはパルスに追従して回転することができる。
【０００９】
パルスモータの定速制御モードでは、起動可能なパルスレートのパルスでモータを駆動し、その後も起動時と同じパルスレートのパルスで駆動する。機構部が２地点間を移動する時間は、２地点間のパルス数をパルスレートで割ることにより算出される。
【００１０】
パルスモータの台形制御モードでは、所定のパルスレートのパルスでモータを起動した後、又は、静止状態から、一定の加速度で加速を行い、所定の速度に達したら定速運転に移行し、終点の少し手前から一定の減速度で減速を行う。台形制御モードでは、平均速度を起動時の速度よりも速くすることができるため、定速制御モードより２地点間を移動する時間を短縮することができる。
【００１１】
さらに、２地点間を移動する時間を短縮すると同時に、起動時や、加速から定速に移行する際の振動抑制のためにS字制御モードなどが用いられる。
【００１２】
S字制御モードでは、サイン曲線あるいは二本の二次曲線を滑らかにつなげた曲線を加速曲線として使用する。始点と終点で加速度がゼロになるため、滑らかな動きが可能になるが、パルスモータのトルクを最大限に利用していないため、加速が遅くなり、最大パルスレートとパルスレートの変化率の最大値を等しくした場合には、台形制御モードに比べて２地点間の移動時間が長くなる。
【００１３】
また、台形制御モードで駆動した場合と移動時間を同じにするためには、最大パルスレートあるいはパルスレートの最大変化率を大きく設定しなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来の台形制御モードでは、加速時間中に加速度が一定であるため、加速に必要なトルクはパルスレートによらず一定である。パルスモータのプルアウトトルクは、低パルスレートではほぼ一定であるが、高パルスレートでは下降する。低パルスレートで高トルクを利用して加速度を大きくする場合には、高パルスレートでトルクが不足するため、使用できる最高パルスレートが制限された。また、高パルスレートまで加速するためには必要なトルクを減らすために加速度を落とす必要があった。
【００１５】
また、従来のS字制御モードでは、加速領域の中間で加速度が最大になるが、加速度が最大になるパルスレートで加速トルクと抵抗負荷トルクの和をプルアウトトルクよりも小さく設定する必要があるため、加速初期と加速終期の加速度が低くなった。
【００１６】
このように、台形制御モード、S字制御モードでは、起動から加速終了までの全パルスレートで加速トルクと抵抗負荷トルクの和がプルアウトトルクを超えないように加速度を設定すると、パルスモータのトルクとプルアウトトルクとの開きが大きくなる領域が生じた。
【００１７】
また、パルスモータの代わりに、高速駆動の容易なＤＣサーボモータ、ＡＣサーボモータなどを用いると、コストが増大する。
【００１８】
そこで、本願発明は、パルスモータの脱調を防止しながら、短時間でパルスモータの速度を目標速度まで増速させことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本願発明のパルスモータの制御方法は、パルスモータの速度を第１の速度から第２の速度に増速させるまでの速度パターンを、曲線の傾きが漸増する単調増加の第１の速度曲線ｆ１、一定の傾きをもつ単調増加の第２の速度直線ｆ２、曲線の傾きが漸減する単調増加の第３の速度曲線ｆ３の順で変化させ、前記第１の速度曲線ｆ１は、前記第３の速度曲線ｆ３よりも設定時間が短いことを特徴とする。
【００２０】
ここで、第１の速度は図２の点１、つまり図３のｔ＝０におけるパルスレート（Ｐ０）に対応しており、第２の速度は図２の点４、つまり図３のｔ＝ｔｃにおけるパルスレート（Ｐｃ）に対応している。また、第１の速度曲線ｆ１は、図３の第１の速度二次曲線１に対応しており、第２の速度曲線ｆ２は、図３の第２の速度直線２に対応しており、第３の速度曲線ｆ３は、図３の第３の速度二次曲線３に対応している。
【００２１】
このように、パルスモータを制御することにより、図２に図示するように、プルアウトトルクよりも僅かに低い値に加速トルク及び抵抗負荷トルクの和を設定した状態で、パルスモータを駆動することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本願発明によれば、短時間でパルスモータの速度を目標速度に増速することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図８、図９及び図１０を参照しながら、本発明のパルスモータを適用した自動分析装置について説明する。図８及び図９は自動分析装置の反応容器供給部の平面図であり、図１０は搬送アームやピックアップ装置１１の駆動制御を行うためのブロック図である。
【００２４】
これらの図において、ピックアップ装置（駆動装置）１１は、搬送アーム（駆動装置）１２に支持されており、ピックアップ装置搬送モータユニット５３から駆動力を受けて搬送アーム１２上をX軸方向にスライド移動する。
【００２５】
この搬送アーム１２は、Ｚ軸ガイド１４及びＹ軸ガイド１３にガイドされており、Z軸用搬送アーム駆動モータユニット５４から駆動力を受けて、Z軸方向に駆動され、Ｙ軸用搬送アーム駆動モータユニット５２から駆動力を受けて、Ｙ軸方向に駆動される。
【００２６】
これらの搬送アーム駆動モータユニット５２、５４及びピックアップ装置搬送モータユニット５３の駆動源にはパルスモータが使用されており、ＣＰＵ５１から出力される信号に基づき、パルスモータの駆動が制御される。
【００２７】
ピックアップ装置１１には、容器ストレージラック３にマトリクス状に配置された反応容器３１をピックアップするための容器ピックアップ装置（吸着ヘッド）２１と、不図示のピペットチップをピックアップするためのチップピックアップ装置２２が搭載されている。
【００２８】
反応容器３１には、測定対象物質に対する抗体等を固定した水不溶性固相や、測定対象物質に対する、酵素等で標識された標識抗体等の試薬が収容されており、分注液の注入などの各種操作に対応させるために上部開口が設けられており、この上部開口は密閉シールにより覆われている。なお、上記免疫測定用の反応容器３１に代えて、試料中の微量生理活性物質を検出するために用いられる空の生化学反応用容器を用い、分析装置本体に搬送した後で試薬を分注することもできる。
【００２９】
搬送レーン１６は、X軸方向にスライド移動可能に設けられており、この搬送レーン１６の略一端部に設定された容器載置予定位置１６aに、容器ピックアップ装置２１に吸着された反応容器３１が搬送されるようになっている。
【００３０】
このように、自動分析装置では、多数の反応容器３１やピペットチップを搬送レーン１６に搬送させる必要があり、搬送時間を短縮化することにより、自動分析装置の処理能力を向上させることができる。
【００３１】
したがって、搬送アーム駆動モータユニット５２、５４及びピックアップ装置搬送モータユニット５３の駆動源であるパルスモータの速度を短時間で最高速度に増速させる必要がある。特に、X、Y及びZ軸方向のうちY軸方向への駆動負荷が大きいため、Y軸用搬送アーム駆動モータユニット５２に本願発明のパルスモータを適用するのが好ましい。そこで、本願発明では、パルスモータを下記のように制御している。
（実施例１）
本発明では、加速トルクと抵抗負荷トルクの和が、パルスモータのプルアウトトルクを超えないように設定する必要がある。上述したように脱調が生じるからである。
【００３２】
ここで、加速トルクは、パルスモータの速度曲線の微分で得られる加速度と、パルスモータと負荷となる機構部の等価慣性モーメントから算出される。
【００３３】
抵抗負荷トルクは、摩擦、重力、バネなどに抗して動かすためのトルクである。機構部が直線運動する場合は、適宜、機構の重量やプーリ径等を考慮してパルスモータの回転軸に対する等価慣性モーメントが算出される。また、機構部が歯車、ベルトなどの伝達機構を介して駆動される場合には、歯数比、プーリ比を考慮して等価慣性モーメントを算出することができる。
【００３４】
パルスモータの加速パターンには、静止状態から連続的にパルスレートを増加させるか、有限の値のパルスレートで起動した後で連続的にパルスレートを増加させる方法がある。
【００３５】
所定の二地点間の移動時間を短くするためには、平均パルスレートを引き上げることが好ましい。このため、加速開始後に加速度、つまりパルスレートの増加率を、数パルスでモータのプルアウトトルクから求められる上限値まで増加させることが好ましい。
【００３６】
パルスレートの増加率の上限値は、プルアウトトルクに安全率を考慮して求めた値から負荷抵抗トルクを引いたトルクを回転子と負荷の慣性モーメントで割ることにより算出される。
【００３７】
またパルスレートの増加率が、上限値に達した後は、パルスレートに応じた上限値を維持することが好ましい。具体的には、下記のようにパルスモータの速度を増速する。
【００３８】
図２はプルアウトトルクと、搬送アーム１２を駆動するために必要なトルク値とプルアウトトルク値との関係を示すトルク―速度線図である。同図において、点１はパルスモータが回転を開始する点を示しており、点２は加速度が最大値に達する点を示しており、点３は加速度が減少を開始する点を示しており、点４は加速が終了する点を示している。
【００３９】
ここで、点１〜点４のパルスレートをそれぞれパルスレート１〜４とした場合に、図２は、（パルスレート２−パルスレート１）＜（パルスレート４−パルスレート１）／１０を満足し、パルスモータのプルアウトトルクが降下するパルスレートと点３のパルスレート３とが同じ値になるように設定している。
【００４０】
実際には、パルスレート１＝４００ＣＰＳ、パルスレート２＝５００ＣＰＳ、パルスレート３＝１０００ＣＰＳ、パルスレート４＝３６００ＣＰＳに設定した。
【００４１】
次に、点１〜点４におけるパルスレートの変化率をそれぞれ４０００ＣＰＳ／s、２４０００ＣＰＳ／s、２４０００ＣＰＳ／s、４０００ＣＰＳ／sに設定し、速度変化を示す速度パターンは、点１と点２の間が単調増加で傾きが漸増する第１の速度二次曲線１（第１の速度曲線）、点２と点３との間が単調増加の第２の速度直線２（第２の速度直線）、点３と点４との間が単調増加で傾きが漸減する第３の速度二次曲線３（第３の速度曲線）である。なお、漸増するとは、時間経過に応じて徐々に増えるという意味であり、増加率が一定である場合も、異なる場合も含まれる。漸減についても同様である。
【００４２】
ここで、第１の速度二次曲線１、第２の速度直線２、第３の速度二次曲線３は滑らかにつながっている。つまり、第１の速度二次曲線１の終点（第２の速度直線２に合流する点）での傾きは、第２の速度直線２の傾きに等しく、第３の速度二次曲線３の始点（第２の速度直線２に合流する点）での傾きは、第２の速度直線２に等しい。これにより、速度パターンを切り替える際に、機構の振動を効果的に抑制することができる。
【００４３】
ここで、第１の速度二次曲線１をｆ１とおくと、ｆ１＝（Pａ−Pｘ）{（ｔ−ｔｘ）／（ｔ１−ｔｘ）}２＋Pｘである。また、第２の速度直線２をｆ２とおくと、ｆ２＝（Pｂ−Pａ）{（ｔ−ｔａ）／（ｔｂ−ｔａ）}＋Pａである。また、第３の速度二次曲線３をｆ３とおくと、ｆ３＝（Pｂ−Pｙ）｛（ｔｙ−ｔ）／（ｔｙ−ｔｂ）｝２＋Pｙである。
【００４４】
ただし、ｔｘ及びPｘはそれぞれ、第１の速度二次曲線ｆ１の傾きが０であるときの仮想的な時間及びパルスレートを示しており、ｔ０及びP０はそれぞれ、第１の速度曲線の始点での時間（つまり、ｔ＝０）及びパルスレートを示しており、ｔａ及びPａはそれぞれ、第１の速度二次曲線ｆ１及び第２の速度直線ｆ２の合流点での時間及びパルスレートを示しており、ｔｂ及びPｂはそれぞれ、第２の速度直線ｆ２及び第３の速度曲線ｆ３の合流点での時間及びパルスレートを示しており、ｔｃ及びPｃはそれぞれ、第３の速度曲線ｆ３の終点での時間及びパルスレートを示しており、ｔｙ及びPｙはそれぞれ、第３の速度曲線ｆ３の傾きが０であるときの仮想的な時間及びパルスレートを示している。
【００４５】
ｆ１〜ｆ３の関数を上記のように設定するとともに、第３の速度二次曲線３よりも第１の速度二次曲線１の加速時間（設定時間）を短く設定することにより、パルスモータを図２に図示するように、プルアウトトルクに近い値で駆動制御することができる。これにより、自動分析装置の処理能力を高めることができる。
【００４６】
これらの第１の速度二次曲線１、第２の速度直線２及び第３の速度二次曲線３を時間で微分することにより得られるパルスレートの変化率を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に図示するように、第３の速度二次曲線ｆ３の速度の変化率は、時間経過とともに、一定の割合で漸減する。図３（ｃ）も同様にパルスレートの変化率を示しているが、横軸をパルスレートにしている。
【００４７】
この条件で求めた加速トルクとパルスレートとの関係を図４に示す。加速トルクと抵抗負荷トルクの和がパルスモータのプルアウトトルクよりも安全率を見込んで小さく設定されていることがわかる。
【００４８】
本実施例では、各点におけるパルスレートの変化率をあらかじめ決定し、その値から加速トルクを算出し、この加速トルクと抵抗負荷トルクとの和がパルスモータのプルアウトトルクよりも小さくなることを確認した。
【００４９】
その一方で、図４において、点１、点２、点３及び点４のパルスレートと、モータの使用時のトルク上限値を求め、その値から安全率と抵抗負荷トルクを考慮して加速トルクを求め、さらにパルスモータの回転子と負荷となる機構部の慣性モーメントから点１〜点４におけるパルスレートの変化率を求めることができる。
【００５０】
減速するときのパターンは、減速時には減速トルクと摩擦などによる抵抗負荷トルクが逆向きに働くため、加速時より迅速に減速することができ、また、停止時の振動を減らすために、停止前の減速度を小さくすることが有効であるので、上述の加速するときのパターンと異なっていてもよいが、本実施例では図５に図示するように加速パターンと対称になるように設定している。
（実施例２）
実施例１と同様に、図２に図示するように、点１はパルスモータが回転を開始する点を示しており、点２は加速度が最大値に達する点を示しており、点３は加速度が減少を開始する点を示しており、点４は加速が終了する点を示している。
【００５１】
ここで、点１〜点４のパルスレートをそれぞれパルスレート１〜４とした場合に、図２は、（パルスレート２−パルスレート１）＜（パルスレート４−パルスレート１）／１０を満足し、パルスモータのプルアウトトルクが降下するパルスレートと点３のパルスレート３とが同じになるように設定している。
【００５２】
実施例１と異なり、本実施例では、パルスレート１＝４００ＣＰＳ、パルスレート２＝５００ＣＰＳ、パルスレート３＝１０００ＣＰＳ、パルスレート４＝４０００ＣＰＳに設定した。
次に、点１〜点４におけるパルスレートの変化率をそれぞれ４０００ＣＰＳ／s、２４０００ＣＰＳ／s、２４０００ＣＰＳ／s、４０００ＣＰＳ／sに設定する。、実施例１の第３の速度二次曲線ｆ３に代えて、第３の速度指数関数曲線ｆｓを用いた。第１の速度曲線１及び第２の速度直線２は実施例１と同様である。
【００５３】
ｆ１〜ｆ３の関数を上記のように設定するとともに、第３の指数関数曲線４よりも第１の速度二次曲線１の加速時間（設定時間）を短く設定することにより、プルアウトトルクに近い値で駆動制御することができる。
【００５４】
これらの第１の速度二次曲線１、第２の速度直線２及び第３の指数関数曲線４を微分することにより得られるパルスレートの変化率を図６（ｂ）に示す。図６（ｃ）も同様にパルスレートの変化率を示しているが、横軸をパルスレートにしている。図６（ｃ）に図示するように、本実施例では、第３の速度指数関数曲線ｆ３の速度の変化率を、パルスレートの増加に応じて、一定の割合で降下させている。
【００５５】
この条件で求めた加速トルクとパルスレートとの関係を図７に示す。加速トルクと抵抗負荷トルクの和がパルスモータのプルアウトトルクよりもほぼ一定の幅だけ小さく設定されていることがわかる。
【００５６】
本実施例では、各点におけるパルスレートの変化率をあらかじめ決定し、その値から加速トルクを算出し、この加速トルクと抵抗負荷トルクとの和がパルスモータのプルアウトトルクよりも小さくなることを確認した。
【００５７】
その一方で、図２において、点１、点２、点３及び点４のパルスレートと、モータの使用時のトルク上限値（プルアウトトルク）を求め、その値から安全率と抵抗負荷トルクを考慮して加速トルクを求め、さらにパルスモータの回転子と負荷となる機構部の慣性モーメントから点１〜点４におけるパルスレートの変化率を求めることができる。
【００５８】
実施例１では、点４の速度を４０００ＣＰＳとすると安全率が小さくなる速度域が存在したため３６００ＣＰＳに設定した。そのため、モータのトルクを最大限に利用することができなかったが、本実施例では、図７からわかるように、加速トルクと抵抗負荷トルクの和の曲線が点３と点４の二地点間で直線に近いため点４の速度を４０００ＣＰＳに設定することができた。
【００５９】
減速するときのパターンは、上述の加速するときのパターンと異なっていてもよいが、本実施例では図５に図示するように加速パターンと対称になるように設定している。
（他の実施例）
上述のパルスモータは、分注シリンジ、分注ノズル移送機構、反応容器移送機構、反応テーブルの駆動源として用いることもできる。特に、移動部分の質量や慣性モーメントが大きく、一定の時間内に何回も移動を繰り返す必要のある用途に適する。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】速度（パルスレート）とプルアウトトルクとの関係を示した速度―トルク図である。
【図２】プルアウトトルクと、加速トルク及び慣性負荷トルクの和との関係を示した速度−トルク図である。
【図３ａ】モータの速度（パルスレート）と時間との関係を示した速度―時間図である。
【図３ｂ】モータの加速度（パルスレートの変化率）と時間との関係を示した加速度―時間図である。
【図３ｃ】モータの加速度と速度との関係を示した加速度―速度図である。
【図４】パルスレートとトルクとの関係を図示したパルスレート―トルク図である。
【図５】加速パターンと減速パターンを示すパターン図である。
【図６ａ】実施例２のモータの速度（パルスレート）と時間との関係を図示した速度―時間図である。
【図６ｂ】実施例２のモータの加速度（パルスレートの変化率）と時間との関係を示した加速度―時間図である。
【図６ｃ】実施例２のモータの加速度（パルスレートの変化率）と速度との関係を示した加速度―速度図である。
【図７】実施例２のトルクとモータの速度（パルスレート）との関係を示したトルク−速度図である。
【図８】自動分析装置の平面図である（反応容器の捕捉前）。
【図９】自動分析装置の平面図である（反応容器の捕捉時）。
【図１０】ピックアップ装置及び搬送アームの駆動制御を行うためのブロック図である。
【符号の説明】
【００６１】
３ 容器ストレージラック
１１ ピックアップ装置
１２ 搬送アーム
１６ 搬送レーン
１６ａ 容器載置予定位置
２１ 容器ピックアップ装置
２２ チップピックアップ装置
３１ 反応容器
５１ ＣＰＵ
５２ Y軸用搬送アーム駆動モータユニット
５３ ピックアップ装置搬送モータユニット
５４ Z軸用搬送アーム駆動モータユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスモータの駆動方法であって、
パルスモータの速度を第１の速度から第２の速度に増速させるまでの速度パターンを、曲線の傾きが漸増する単調増加の第１の速度曲線ｆ１、一定の傾きをもつ単調増加の第２の速度直線ｆ２、曲線の傾きが漸減する単調増加の第３の速度曲線ｆ３の順で変化させ、前記第１の速度曲線ｆ１は、前記第３の速度曲線ｆ３よりも設定時間が短いことを特徴とするパルスモータの駆動方法。
【請求項２】
前記第１の速度曲線ｆ１の終点の傾き及び前記第３の速度曲線ｆ３の始点の傾きは、前記第２の速度直線ｆ２の傾きに等しいことを特徴とする請求項１に記載のパルスモータの駆動方法。
【請求項３】
加速トルクと抵抗負荷トルクの和が、パルスモータのプルアウトトルクよりも低くなるように、前記パルスモータを駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスモータの駆動方法。
【請求項４】
前記第３の速度曲線ｆ３の傾きは、時間経過に応じて、一定の割合で漸減することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のパルスモータの駆動方法。
【請求項５】
前記第３の速度曲線ｆ３の傾きは、速度の増加に応じて、一定の割合で漸減することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のパルスモータの駆動方法。
【請求項６】
パルスモータにより駆動される駆動装置であって、
パルスモータと、
前記パルスモータの駆動を制御する駆動制御回路とを有し、
前記駆動制御回路は、前記パルスモータの速度を第１の速度から第２の速度に増加させるまでの速度パターンを、曲線の傾きが漸増する単調増加の第１の速度曲線ｆ１、一定の傾きをもつ単調増加の第２の速度直線ｆ２、曲線の傾きが漸減する単調増加の第３の速度曲線ｆ３の順で変化させ、前記第１の速度曲線ｆ１が、前記第３の速度曲線ｆ３よりも設定時間が短くなるように、前記パルスモータを制御することを特徴とする駆動装置。
【請求項１】
パルスモータの駆動方法であって、
パルスモータの速度を第１の速度から第２の速度に増速させるまでの速度パターンを、曲線の傾きが漸増する単調増加の第１の速度曲線ｆ１、一定の傾きをもつ単調増加の第２の速度直線ｆ２、曲線の傾きが漸減する単調増加の第３の速度曲線ｆ３の順で変化させ、前記第１の速度曲線ｆ１は、前記第３の速度曲線ｆ３よりも設定時間が短いことを特徴とするパルスモータの駆動方法。
【請求項２】
前記第１の速度曲線ｆ１の終点の傾き及び前記第３の速度曲線ｆ３の始点の傾きは、前記第２の速度直線ｆ２の傾きに等しいことを特徴とする請求項１に記載のパルスモータの駆動方法。
【請求項３】
加速トルクと抵抗負荷トルクの和が、パルスモータのプルアウトトルクよりも低くなるように、前記パルスモータを駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスモータの駆動方法。
【請求項４】
前記第３の速度曲線ｆ３の傾きは、時間経過に応じて、一定の割合で漸減することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のパルスモータの駆動方法。
【請求項５】
前記第３の速度曲線ｆ３の傾きは、速度の増加に応じて、一定の割合で漸減することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のパルスモータの駆動方法。
【請求項６】
パルスモータにより駆動される駆動装置であって、
パルスモータと、
前記パルスモータの駆動を制御する駆動制御回路とを有し、
前記駆動制御回路は、前記パルスモータの速度を第１の速度から第２の速度に増加させるまでの速度パターンを、曲線の傾きが漸増する単調増加の第１の速度曲線ｆ１、一定の傾きをもつ単調増加の第２の速度直線ｆ２、曲線の傾きが漸減する単調増加の第３の速度曲線ｆ３の順で変化させ、前記第１の速度曲線ｆ１が、前記第３の速度曲線ｆ３よりも設定時間が短くなるように、前記パルスモータを制御することを特徴とする駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図４】
【図５】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図６ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−８１９２２（Ｐ２００９−８１９２２Ａ）
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４８２６８（Ｐ２００７−２４８２６８）
【出願日】平成１９年９月２５日（２００７．９．２５）
【出願人】（０００００３３００）東ソー株式会社 (1,901)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２５日（２００７．９．２５）
【出願人】（０００００３３００）東ソー株式会社 (1,901)
【Ｆターム（参考）】
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