JP2004364348A

JP2004364348A - θ−Ｘアクチュエータ

Info

Publication number: JP2004364348A
Application number: JP2003156346A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Miyamoto; 恭祐宮本; Yuji Nitta; 裕治新田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-06-02
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】直動、回転動作を同時に発生させることができる構造にするとともに、減速機構を介さない直接駆動アクチュエータとすることで、応答性を向上させたθ−Ｘアクチュエータを提供する。
【解決手段】θ−Ｘアクチュエータは、回転モータ１０とリニアモータ２０とから構成される。回転モータ１０は、回転モータ電機子コア１２および回転モータ電機子巻線１３からなる円筒形電機子ＲＭ１と、その内部に回転自在に設けられた中空の円筒形回転界磁部ＲＭ２とからなる。リニアモータ２０は、円筒形回転界磁部ＲＭ２の内周に固定されたリニアモータ電機子巻線２１と、このリニアモータ電機子巻線２１の内部に直線運動自在に設けられたリニアモータ界磁部ＬＭ２とからなる。リニアモータ界磁部ＬＭ２の内部に、ボールスプライン２３によってリニア電機子と一体に回転するとともに軸心方向に摺動自在に出力軸４３を設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１つのアクチュエータで、駆動負荷に回転動作と直動動作の２つのモーションを提供するθ−Ｘアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の回転、直動動作複合アクチュエータとしては、特許文献１に開示された回転動作を行う減速機構付モータや、特許文献２に開示されたような回転モータとねじ機構による直動動作を行う直動装置がある。
このようなアクチュエータを用いてロボットのアームのような機器を回転および直進駆動する場合、従来はこれらを組み合わせた図４に示すような機構を用いていた。
【０００３】
図４において、１１１は回転モータであり、これには、減速機構１１２を持った回転モータの場合もあるが、直接駆動（ダイレクトドライブ）形のアクチュエータもある。この回転モータ１１１は、直動軸である直動テーブル１１３に固定されており、さらに直動テーブル１１３には、ボールネジのナット部１１４が固定され、ネジ部１１５は、軸受１１８に支持されている。またネジ部１１５の一端に、直動用アクチュエータとなる回転モータ１１６が、カップリング１１７で結合されている。
回転モータ１１１を駆動することにより、減速機構１１２を介してアーム部３０が回転駆動され、回転モータ１１６を駆動することにより、直動テーブル１１３が直進運動するので、アーム部３０が直進駆動される。
このように、従来の回転動作と直動動作を一同に発生させるアクチュエータ装置は、それぞれの回転モータを駆動して、回転動作、直動動作をする。
【０００４】
しかしながら、このような構成の回転、直動動作複合アクチュエータは、回転動作、直動動作がそれぞれ独立したものになっており、減速機構なども組み込まれているので、全体容積が大きくなり、また内部構造も複雑になってくる。
回転機構と直動機構を一体化したものとしては、特許文献３に開示された直進・回転アクチュエータがある。これは、一つの出力軸の回りに回転駆動用モータと直進駆動用モータとを配置し、回転駆動用モータで出力軸を回転させ、直進駆動用モータによって回転駆動される中空シャフトと出力軸の外周にそれぞれねじ部を形成して、出力軸を軸方向に直動させる構造としたものである。
【０００５】
【特許文献１】
実登第２５６２８２２号公報
【特許文献２】
特開平１０−６１７９号公報
【特許文献３】
特許第３３６００２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の特許文献３に開示された直進・回転アクチュエータでは、出力軸の長手方向に回転駆動用モータと直進駆動用モータを並べて配置しているためサイズが大型となり、また直進駆動用モータの回転をねじ機構で出力軸の直進運動に変換するという、一種の減速機構を用いているため、直進運動の応答性に欠けるという問題がある。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、直動、回転動作を同時に発生させることができる構造にするとともに、各アクチュエータは、減速機構を介さない直接駆動アクチュエータとすることで、応答性を向上させたθ−Ｘアクチュエータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明の第１の構成に係るθ−Ｘアクチュエータは、円筒形電機子と、この円筒形電機子の内部に回転自在に設けられた中空の円筒形回転界磁部とからなる回転モータと、前記円筒形回転界磁部の内周に固定されたリニアモータ電機子と、このリニアモータ電機子の内部に直動自在に設けられた円筒形リニアモータ界磁部とからなるリニアモータとにより構成され、前記円筒形リニアモータ界磁部の内部に、前記リニアモータ電機子と一体に回転するとともに前記リニアモータ電機子の軸心方向に摺動自在に出力軸を設けたものである。
この第１の構成においては、リニアモータの直動軸と、回転モータの回転軸を同一の出力軸上に構成したことにより、回転動作と、直動動作の複合動作が可能となり、構造を簡略化することができ、アクチュエータ全体を小形化することができる。
【０００８】
本発明の第２の構成は、前記回転モータの前記円筒形回転界磁部の反負荷端に回転モータ制御用検出器を設け、前記出力軸の反負荷端にリニアモータ制御用検出器を設けたものである。
この第２の構成においては、回転モータとリニアモータのそれぞれに制御検出器を設けることにより、速度制御性能、つまり速度指令に対しての追従制御が可能になり、位置指令に対しての追従性も向上することができる。
本発明の第３の構成は、前記リニアモータ制御用検出器を、前記出力軸の長手方向沿って等ピッチで同出力軸のストローク以上の長さに配置固定した複数の異方性磁石と、前記磁石から生じる磁界を検出する９０°位相に配置した磁気センサとにより構成したものである。
この第３の構成においては、リニアモータの制御用検出器を、磁石磁束を２つの磁気センサで検出し、２相のアナログ信号に変換し、これを信号変換回路を通すことで、制御用信号として用いることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態を示すθ−Ｘアクチュエータの側断面図、図２はリニアモータ制御用検出器の配置例を示す説明図である。
図１において、１０は回転モータであり、円筒形電機子ＲＭ１と円筒形回転界磁部ＲＭ２とから構成されている。円筒形電機子ＲＭ１は、回転モータ電機子コア１２と、その回転モータ電機子コア１２に巻装された電機子巻線１３で構成されている。この円筒形電機子ＲＭ１の内側には、中空の円筒形回転界磁部ＲＭ２が設けられている。円筒形回転界磁部ＲＭ２は、円筒形の回転モータ界磁ヨーク１７の表面に、偶数個で、等ピッチの界磁磁石１１が配置固定されており、これは、アクチュエータフレーム４０の両端に固定されているＬブラケット４１、反Ｌブラケット４２と、ボールベアリング１８とで回動自在に支持されている。また、回転モータ制御用検出器１５は、アクチュエータ反Ｌブラケット４２後端に配置固定されている。回転モータ制御用検出器１５で検出された信号は、回転モータ用検出器端子１６から図示しないコントローラに取り出される。回転モータ電機子巻線１３への給電は、回転モータ端子１４により行われる。
【００１０】
図中２０は、直線運動を行う円筒形のリニアモータであり、リニアモータ電機子ＬＭ１とリニアモータ界磁部ＬＭ２で構成されている。リニアモータ電機子ＬＭ１は、円筒形回転界磁部ＲＭ２の内側に固定された円筒形のリニアモータ電機子フレーム２２と、リニアモータ電機子フレーム２２に固着されたリニアモータ電機子巻線２１で構成されている。またリニアモータ界磁部ＬＭ２は、リニアモータ電機子巻線２１にギャップを介して対向配置されたリニアモータ界磁ヨーク２６と、このリニアモータ界磁ヨーク２６上に多極に着磁された界磁磁石２７で構成されている。そしてそのリニアモータ界磁部ＬＭ２は、出力軸４３に固定されており、これよりリニアモータから生じる直動動作は、リニアモータの前後端に配置固定されているボールスプライン２３により、スラスト方向に支持されている。
リニアモータ制御用検出器２４は、出力軸４３の反負荷端に構成されており、例えば図２に示すように、出力軸４３の長手方向に沿って複数のリング状の異方性磁石からなり、多極磁化された界磁部５０を配置し、この界磁部５０が生じる磁束を９０°位相で配置された２つのホール素子５１，５２等の磁気センサで検出するようにしたものである。リニアモータ制御用検出器２４の出力は、シリアル変換器５４により２^ｎ分割され、かつ、シリアル信号変換され、サーボドライバ５３に入り、リニアモータの制御信号として用いられる。
図３は、リニアモータ電機子巻線２１の誘起電圧とＡ相のホール素子５１およびＢ相のホール素子５２の出力信号との関係を示す波形図である。Ａ相のホール素子５１とＢ相のホール素子５２とを９０°（電気角）位相をずらして配置することにより、２相のアナログ信号を得、制御信号として用いる。
【００１１】
以上の構成のθ−Ｘアクチュエータの動作について以下に説明する。
回転モータ端子１４から回転モータ電機子巻き線１３に駆動電力を供給すると、回転モータ電機子コア１２に出力軸４３回りの回転磁界が生じ、その回転磁界と回転モータ界磁磁石１１の磁極との磁気作用である吸引、反発により回転モータ界磁ヨーク１７がボールベアリング１８を支持として回転する。その回転力は、ボールスプライン２３により出力軸４３に伝達され、その出力軸４３に取り付けられているアーム部３０を回転駆動する。
一方、回転モータ１７に固定されたリニアモータ電機子フレーム２２に設けられたリニアモータ電機子巻線２１にスリップリング（図示せず）を介してコントローラから駆動電力を供給すると、リニアモータ電機子巻線２１に発生する移動磁界との相互作用により、直動用円筒形リニアモータ２０が出力軸４３の軸方向に駆動力を受ける。直動用円筒形リニアモータ２０はリニアモータ界磁ヨーク２６を介して出力軸４３に固定されているので、その駆動力は出力軸４３を軸方向に駆動する力として伝達される。
【００１２】
このように、直動動作を行うリニアモータ２０自体を、回転モータ１０により回転させることで、直動動作と回転動作を同時に行うθ−Ｘアクチュエータを実現することができる。
なお、リニアモータ制御用検出器２４は、出力軸４３の反負荷端にリング状の異方性磁石を等ピッチで出力軸４３のストローク以上の長さに配置固定させ、これら磁石から生じる磁界を９０°位相に配置したホール素子等の磁気センサにより検出する構成としている。磁気センサの出力は増幅回路で増幅し、得られた２つの９０°位相アナログ正弦波を逓倍回路に入力し、ここで補間された信号をパルス、もしくはシリアル信号に変換して、コントローラのドライバ装置に入力し、リニアモータの制御信号として用いる。
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のθ−Ｘアクチュエータによれば、円筒形電機子と、この円筒形電機子の内部に回転自在に設けられた中空の円筒形回転界磁部とからなる回転モータと、円筒形回転界磁部の内周に固定されたリニアモータ電機子と、このリニアモータ電機子の内部に直動自在に設けられた円筒形リニアモータ界磁部とからなるリニアモータとにより構成され、円筒形リニアモータ界磁部の内部に、リニアモータ電機子と一体に回転するとともにリニアモータ電機子の軸心方向に摺動自在に出力軸を設けた構成とすることにより、直動、回転動作を同時に発生させることができる構造を得ることができるため、アクチュエータの小形化、全体構造の簡略化を図ることができる。また、各アクチュエータは、減速機構を介さない直接駆動アクチュエータであるため、応答性の向上行ったθ−Ｘアクチュエータを提供することができる。
また、回転モータとリニアモータのそれぞれに制御検出器を設けることにより、速度制御性能、つまり速度指令に対しての追従制御が可能になり、位置指令に対しての追従性も向上することができる。
さらに、リニアモータ制御用検出器を、出力軸に等ピッチで同出力軸のストローク以上の長さに配置固定した複数の異方性磁石と、前記磁石から生じる磁界を検出する９０°位相に配置した磁気センサとにより構成することで、リニアモータの高精度な制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示すθ−Ｘアクチュエータの側断面図である。
【図２】本実施形態におけるリニアモータ制御用検出器の配置例を示す説明図である。
【図３】本実施形態におけるリニアモータ電機子巻線の誘起電圧とホール素子出力信号との関係を示す波形図である。
【図４】従来の回転・直動アクチュエータの例を示す側断面図である。
【符号の説明】
１０回転モータ
１１回転モータ界磁磁石
１２回転モータ電機子コア
１３電機子巻線
１４回転モータ端子
１５回転モータ制御用検出器
１６回転モータ用検出器端子
１７回転モータ界磁ヨーク
１８ボールベアリング
２０直動用円筒形リニアモータ
２１リニアモータ電機子巻線
２２リニアモータ電機子フレーム
２３ボールスプライン
２４リニアモータ制御用検出器
２５リニアモータ・センサ用端子
２６リニアモータ界磁ヨーク
３０アーム部
４０アクチュエータフレーム
４１Ｌブラケット
４２反Ｌブラケット
４３出力軸
５０界磁部
５１ホール素子（Ａ相）
５２ホール素子（Ｂ相）

Claims

円筒形電機子と、この円筒形電機子の内部に回転自在に設けられた中空の円筒形回転界磁部とからなる回転モータと、
前記円筒形回転界磁部の内周に固定されたリニアモータ電機子と、このリニアモータ電機子の内部に直動自在に設けられた円筒形リニアモータ界磁部とからなるリニアモータとにより構成され、
前記円筒形リニアモータ界磁部の内部に、前記リニアモータ電機子と一体に回転するとともに前記リニアモータ電機子の軸心方向に摺動自在に出力軸を設けたことを特徴とするθ−Ｘアクチュエータ。
前記回転モータの前記円筒形回転界磁部の反負荷端に回転モータ制御用検出器を設け、前記出力軸の反負荷端にリニアモータ制御用検出器を設けたことを特徴とする、請求項１記載のθ−Ｘアクチュエータ。
前記リニアモータ制御用検出器を、前記出力軸の長手方向に沿って等ピッチで同出力軸のストローク以上の長さに配置固定した複数の異方性磁石と、前記磁石から生じる磁界を検出する９０°位相に配置した磁気センサとにより構成したことを特徴とする請求項２記載のθ−Ｘアクチュエータ。