JP5261913B2 - 直動回転アクチュエータおよびシステム - Google Patents
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Description
(1)回転モータで回転軸にトルクを発生させ、回転モータとボールネジとの組合せによる直動機構で直動軸に推力を発生させる。回転軸と直動軸を軸受で結合し、回転軸と直動軸のどちらかを出力軸として回転動作と直動動作を行う。回転用と直動用の2つの回転モータを直動方向に並べて配置する。(例えば、特許文献1、特許文献2)
(2)回転モータの回転軸にリニアモータを結合し、リニアモータの推力を発生する直動軸を出力軸として回転動作と直動動作を行う。回転モータの内側にリニアモータを取り付ける構成となるため、直動方向にモータを並べて配置することがなく、(1)に比べ小形化することができる。(例えば、特許文献3)
(3)回転モータとリニアモータの電機子巻線を同心円状に重ね合わせ、出力軸に直接トルクと推力を発生させ回転動作と直動動作を行う。(1)や(2)のように軸受を結合した複雑な機構を持たないために、さらに小形化でき、組立を容易にすることができる。(例えば、特許文献4、特許文献5)
以下、最も特徴的に優れる上記(3)の構成を例に、従来技術の詳細を説明する。
(1)回転軸と直動軸を軸受で結合し、回転軸と直動軸のどちらかを出力軸として回転動作と直動動作を行う構成となっているため、機構が複雑となり、組立が困難であった。また、回転用と直動用の2つの回転モータを直動方向に並べて配置するため、直動回転アクチュエータの体格が大きくなった。
(2)回転モータの内側にリニアモータを取り付ける構成となっているため(1)に比べ小形化することができるが、回転軸と直動軸を軸受で結合する機構には代わりが無く、(1)同様、機構が複雑となり組立が困難であった。
(3)(1)や(2)のような軸受を結合する複雑な機構でないために、組立を容易にすることができる。しかし、これにも以下のような問題があった。
・ 同極のブロック磁石を大きな空隙をあけて2λごとに配置させ、さらに異極のブロック磁石をλずらして配置させているため、磁極表面に現れるギャップ磁束密度が小さく、大きなトルクと推力を得ることができなかった。
・ 一般に、ブロック磁石の取り付けは接着で行う。しかし、高速回転の場合にはブロック磁石に発生する遠心力が接着力に打ち勝ち、ブロック磁石が飛散する恐れがあった。
・ ブロック磁石は円筒状の界磁ヨークの表面に接着して固定されるが、多数あるために接着時に位置ずれが生じた。その結果、推力リプルやトルクリプルが生じた。
・ 可動子の角度θや位置Xを検出する検出器を備えていないために、実際の角度θや位置Xの値を用いた速度、位置フィードバック制御による駆動ができなかった。実際の角度θと位置Xを得るには、θ方向とX方向の動作範囲内で検出可能な検出器が必要となる。しかし、従来からあるθ方向の検出器やX方向の検出器は、検出方向と異なる方向の動作に対する検出可能範囲が非常に狭かった。そのため、θ方向の検出器とX方向の検出器を単に組み合わせただけの構成では、θ方向とX方向の広い動作範囲内で角度θと位置Xを同時に検出することができなかった。その結果、可動子の精密な回転動作と直動動作を実現することができなかった。
本発明は、負荷が取り付けられる出力軸と、当該出力軸に設けられた界磁とする永久磁石もしくは鉄心歯と、を備えた可動子と、回転方向に回転磁界を発生する電機子巻線と、当該電機子巻線と同心円状に重なり合うように設けられ、直動方向に進行磁界を発生する電機子巻線と、を備えた固定子とを備える直動回転アクチュエータであって、回転方向と直動方向に一定間隔に設けた回転目盛と直動目盛を有し、前記可動子の出力軸の一端側の外周に取り付けられた円筒状の直動回転スケールと、前記固定子の一端であって前記回転目盛と前記直動目盛に対向する位置に設けられ、前記回転目盛と前記直動目盛から前記可動子の回転角度と移動位置を検出する直動回転検出器とを備えたものである。
なお、例えば、前記直動回転スケールは、前記回転目盛の直動方向長さLθと前記可動子の直動方向動作範囲LSの関係を
Lθ ≧ LS
とし、
前記直動目盛の回転方向開角βθと前記可動子の回転方向動作範囲βSの関係を
βS<360(度)の場合、 βS ≦ βθ < 360(度)
βS≧360(度)の場合、 βθ = 360(度)
としたものである。
また、例えば、前記直動回転スケールは、前記回転目盛と前記直動目盛を格子状に形成されたものである。
また、例えば、前記直動回転検出器は、光学式検出器からなるものである。
また、例えば、前記回転目盛と前記直動目盛を、凹凸の形状もしくは明暗の印刷パターンにより形成するとともに、前記直動回転検出器に光学式検出手段を設けたものである。
また、例えば、前記回転目盛と前記直動目盛を、N極とS極が一定間隔に磁化された永久磁石により形成するとともに、前記直動回転検出器に磁気式検出手段を設けたものである。
また、例えば、前記回転目盛と前記直動目盛を、凹凸の形状もしくは滑らかな山谷形状を設けた軟磁性材により形成するとともに、前記直動回転検出器にインダクタンス変化を検出する手段を設けたものである。
また、例えば、前記回転目盛と前記直動目盛を前記直動回転スケールの回転方向全周にわたって形成するとともに、前記回転目盛と前記直動目盛を直動方向に直列に配置したものである。
また、例えば、前記回転目盛と前記直動目盛を前記直動回転スケールの回転方向半周内にわたって形成するとともに、前記回転目盛と前記直動目盛を直動方向に並列に配置したものである。
また、例えば、前記固定子は、回転θ方向に極ピッチλの回転磁界を発生するθ電機子巻線と、当該θ電機子巻線と同心円状に重なり合うように設けられ、直動X方向に極ピッチγの進行磁界を発生するX電機子巻線とを備え、前記直動回転アクチュエータは、前記θ電機子巻線と前記X電機子巻線に電流を通電し、θ方向にトルク、X方向に推力を発生させることにより、前記可動子の回転動作と直動動作を行っており、前記可動子の界磁に、複数のN極を磁極表面に有する複N極円筒部と、複数のS極を磁極表面に有する複S極円筒部を備え、前記複N極円筒部のN極と前記複S極円筒部のS極の磁極間隔がX方向にγ、θ方向にλとなるように前記複N極円筒部と前記複S極円筒部を配置するとともに、前記複N極円筒部と前記複S極円筒部の間にX方向を磁化方向とする永久磁石を配置したものである。
また、例えば、前記固定子は、回転θ方向に極ピッチλの回転磁界を発生するθ電機子巻線と、当該θ電機子巻線と同心円状に重なり合うように設けられ、直動X方向に極ピッチγの進行磁界を発生するX電機子巻線とを備え、前記直動回転アクチュエータは、前記θ電機子巻線と前記X電機子巻線に電流を通電し、θ方向にトルク、X方向に推力を発生させることにより、前記可動子の回転動作と直動動作を行っており、前記可動子の界磁に、N極のみを磁極表面に有する単N極円筒部と、S極のみを磁極表面に有する単S極円筒部と、N極とS極の両方を磁極表面に有する多極円筒部を備え、前記単N極円筒部のN極と前記単S極円筒部のS極の磁極間隔がX方向にγとなるように配置するとともに、前記多極円筒部のN極とS極の磁極間隔をθ方向にλとしたものである。
また、例えば、前記単N極円筒部と前記単S極円筒部の間に、X方向を磁化方向とする永久磁石を配置したものである。
また、例えば、前記複N極円筒部、前記複S極円筒部、前記単N極円筒部、前記単S極円筒部、前記多極円筒部の表面に永久磁石を配置したものである。
また、例えば、前記複N極円筒部、前記複S極円筒部、前記単N極円筒部、前記単S極円筒部、前記多極円筒部の表面に軟磁性材の鉄心を設け、前記鉄心に永久磁石を埋め込んだものである。
また、本発明は、前記直動回転アクチュエータと、前記直動回転検出器により検出した回転角度と移動位置をもとに、前記可動子の回転位置と移動位置を制御するコントローラと、を備えた直動回転アクチュエータシステムに関するものでもある。
なお、θ目盛とX目盛を格子状に交差させている場合、θXスケールの寸法を短小化でき、直動回転アクチュエータを小形化することができる。
また、精密に刻まれた、凹凸の形状もしくは明暗の印刷パターンにより形成された目盛を光学式検出手段を用いて検出する場合、高精度な角度と位置を検出することができる。
また、検出手段が磁気式やレゾルバである場合、周囲温度が高い用途でも使用することができる。
また、円筒の外周全体にわたって回転目盛と直動目盛が施されている場合、多回転の動作を実現できる。
また、円筒の半周分に回転目盛を、もう半周分に直動目盛が施されている場合、半回転内の動作をする用途に適用すれば、直動回転スケールの寸法を短くでき、直動回転アクチュエータを小形化することができる。
また、可動子の界磁である複N極円筒部と複S極円筒部の間に、または、可動子の界磁である単N極円筒部と単S極円筒部の間に、X方向を磁化方向とする永久磁石を配置させている場合、磁極表面でのギャップ磁束密度が増大し、その結果、トルクや推力を増大させることができる。
また、単N極円筒部と単S極円筒部が推力のみを発生するように磁極間に大きな空隙をあけることなく永久磁石を配置させている場合、磁極表面でのギャップ磁束密度を向上させ、トルクや推力をより増大させることができる。
また、複N極円筒部、複S極円筒部、単N極円筒部、単S極円筒部、多極円筒部の表面に軟磁性材の鉄心を設け、永久磁石を鉄心に埋め込んでいる場合、高速回転の場合でも、永久磁石の飛散を防ぐことができる。また、鉄心形状や永久磁石の多極着磁によって精度良く磁極位置が決まるので、従来のブロック磁石の位置ずれによる推力リプルやトルクリプルの発生を抑制できる。
また、本発明の直動回転アクチュエータシステムによると、実際の回転角度や移動位置の値を用いた速度および位置フィードバック制御により、可動子の精密な回転動作と移動動作を簡素な機構で実現することができる。
一方、可動子200は、出力軸201、界磁部202から構成されている。界磁部202と一体になった出力軸201は、スライドロータリーブッシュ106により支持され、固定子100に対しθ方向とX方向に移動可能となっている。さらに、出力軸201の反L側では、円筒状に形成された直動回転スケール230が取り付けられている。出力軸には負荷(図示しない)が取り付けられ、負荷をθ方向とX方向に自在に移動させることができるようになっている。また、可動子200の動作範囲は従来技術と同じあり、回転動作範囲がβS=360(度)、移動動作範囲がLS=2γである。
なお、界磁部については実施例1〜6で説明し、直動回転検出器および直動回転スケールについては実施例7〜11で説明する。
このような構成において、本発明ではθ目盛231のX方向長さLθと可動子200の移動動作範囲LSは式1の関係となる。
Lθ ≧ LS (1)
また、X目盛232のθ方向開角βθと可動子200の回転動作範囲βSは式2および式3の関係となる。
βS<360(度)の場合、 βS ≦ βθ < 360(度) (2)
βS≧360(度)の場合、 βθ = 360(度) (3)
としている。実施例1における動作範囲は、従来技術で示したものと同じであるため、回転動作範囲がβS=360度、移動動作範囲がLS=2γである。従って、θ目盛231のX方向長さLθとX目盛232のθ方向開角βθは式4および式5に設定されている。
Lθ ≧ 2γ (4)
βθ = 360 (度) (5)
次にθX検出器の回転角度および移動位置の検出原理について説明する。θXスケール230のθ目盛231とX目盛232は、ステンレス製円筒の表面に刻まれたスリットにより構成されている。一方、検出器フレーム133に配置されたθ検出部131とX検出部132は、レーザー光を照射し反射光を読み取る光学式検出器である。θXスケール230のθ方向スリットとX方向スリットの有無の差が、反射光の差として現れ、その差をθ検出部131とX検出部132が回転角度および移動位置として検出する。
次にθX検出器の回転角度および移動位置の検出原理について説明する。θXスケール230eのθ目盛231eとX目盛232eは、ステンレス製円筒の表面に格子状に交差して刻まれたスリットにより構成されている。一方、検出器フレーム133eに配置されたθ検出部131eとX検出部132eは、レーザー光を照射して反射光を読み取る光学式検出器であるが、格子状に交差したスリットを検出できるように、三角格子光学系等の回折干渉現象を利用したものとなっている。θXスケール230eのθ方向スリットとX方向スリットの有無の差が、反射光の差として現れ、その差をθ検出部131eとX検出部132eが回転角度および移動位置として検出する。
101 モータフレーム
102 電機子コア
103、104 θ電機子巻線、X電機子巻線
103a、104a 俵形コイル、リング形コイル
105 モータ端子
106 スライドロータリーブッシュ
107、108 L側ブラケット、反L側ブラケット
130、130a、130b、130c、130d 直動回転検出器
131、131a、131b、131c、131d、131e 回転検出部
132、132a、132b、132c、132d、132e 直動検出部
133 検出器フレーム
134 検出器端子
200 可動子
201 出力軸
202 界磁部
203 界磁ヨーク
230、230a、230b、230c、230d、230e 直動回転スケール
231a、231b、231c、231d、231e 回転目盛
232a、232b、232c、232d、232e 直動目盛
211a、212a、213a、214a 複N極円筒部
211b、212b、213b、214b 複S極円筒部
215a、216a 単N極円筒部
215b、216b 単S極円筒部
215c、216c 多極円筒部
250a、250b、251a、251b、252a、252b ブロック磁石
251c、252c、253c、254c、256d X磁石
254a、254b、255a、255b、256a、256b 単極円筒磁石
255c、256c 多極円筒磁石
262a、262b 円筒鉄心
263a、263b、264a、264b クローポール鉄心
Claims (6)
- 負荷が取り付けられる出力軸と、当該出力軸に設けられた界磁とする永久磁石もしくは鉄心歯と、を備えた可動子と、
回転方向に回転磁界を発生する電機子巻線と、当該電機子巻線と同心円状に重なり合うように設けられ、直動方向に進行磁界を発生する電機子巻線と、を備えた固定子と
を備える直動回転アクチュエータであって、
回転方向と直動方向に一定間隔に設けた回転目盛と直動目盛を有し、前記可動子の出力軸の一端側の外周に取り付けられた円筒状の直動回転スケールと、
前記固定子の一端であって前記回転目盛と前記直動目盛に対向する位置に設けられ、前記回転目盛と前記直動目盛から前記可動子の回転角度と移動位置を検出する直動回転検出器と
を備え、
前記固定子は、回転θ方向に極ピッチλの回転磁界を発生するθ電機子巻線と、当該θ電機子巻線と同心円状に重なり合うように設けられ、直動X方向に極ピッチγの進行磁界を発生するX電機子巻線とを備え、
前記直動回転アクチュエータは、前記θ電機子巻線と前記X電機子巻線に電流を通電し、θ方向にトルク、X方向に推力を発生させることにより、前記可動子の回転動作と直動動作を行っており、
前記可動子の界磁に、複数のN極を磁極表面に有する複N極円筒部と、複数のS極を磁極表面に有する複S極円筒部を備え、
前記複N極円筒部のN極と前記複S極円筒部のS極の磁極間隔がX方向にγ、θ方向にλとなるように前記複N極円筒部と前記複S極円筒部を配置するとともに、前記複N極円筒部と前記複S極円筒部の間にX方向を磁化方向とする第1永久磁石を配置し、
前記複N極円筒部の表面に軟磁性材のN極用鉄心が設けられ、
前記N極用鉄心それぞれは、一部が前記第1永久磁石の外周側に設けられるとともに、前記複N極円筒部のN極それぞれを形成し、
前記複S極円筒部の表面に軟磁性材のS極用鉄心が設けられ、
前記S極用鉄心それぞれは、一部が前記第1永久磁石の外周側に設けられるとともに、前記複S極円筒部のS極それぞれを形成したことを特徴とする直動回転アクチュエータ。 - 前記N極用鉄心の内周側に、外周側をN極とする第2永久磁石を配置し、
前記S極用鉄心の内周側に、外周側をS極とする第3永久磁石を配置したことを特徴とする請求項1記載の直動回転アクチュエータ。 - 前記直動回転スケールは、前記回転目盛の直動方向長さLθと前記可動子の直動方向動作範囲LSの関係を
Lθ ≧ LS
とし、
前記直動目盛の回転方向開角βθと前記可動子の回転方向動作範囲βSの関係を
βS<360(度)の場合、βS≦ βθ < 360(度)
としたことを特徴とする請求項1又は2記載の直動回転アクチュエータ。 - 前記回転目盛と前記直動目盛を前記直動回転スケールの回転方向全周にわたって形成するとともに、前記回転目盛と前記直動目盛を直動方向に直列に配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の直動回転アクチュエータ。
- 前記回転目盛と前記直動目盛を前記直動回転スケールの回転方向半周内にわたって形成するとともに、前記回転目盛と前記直動目盛を直動方向に並列に配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の直動回転アクチュエータ。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の直動回転アクチュエータと、
前記直動回転検出器により検出した回転角度と移動位置をもとに、前記可動子の回転位置と移動位置を制御するコントローラと、を備えた直動回転アクチュエータシステム。
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