JP5541163B2 - モータ装置、装置及び回転子の駆動方法 - Google Patents
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Description
本願は、2008年12月26日に出願された特願2008−333925号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本発明の別の態様に係るモータ装置(MTR)は、回転子(SF)と、前記回転子の外周の少なくとも一部に掛けられた複数の伝達部材(BT)と、前記伝達部材にそれぞれ接続され、前記伝達部材をそれぞれ独立して移動させる移動部(AC)と、前記回転子と前記伝達部材との間を回転力伝達状態として前記伝達部材を一定距離移動させる駆動動作及び前記回転力伝達状態を解消した状態で前記伝達部材を所定の位置に戻す復帰動作を前記移動部に行わせる制御部(CONT)とを備えることを特徴とする。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態を説明する。図1は、本実施形態に係るモータ装置MTRの一例を示す概略構成図である。
同図に示すように、モータ装置MTRは、回転子SFと、伝達部材BTと、移動部ACと、支持部材BSと、制御部CONTとを有している。モータ装置MTRは、回転子SF及び移動部ACが支持部材BSによって支持された状態になっており、移動部ACに接続された伝達部材BTが回転子SFに掛けられた構成になっている。制御部CONTは移動部ACに電気的に接続されており、当該移動部ACに対して制御信号を供給可能になっている。
同図に示すように、回転子SFは、円柱状に形成されており、軸部11と、拡径部12とを有している。軸部11は、例えば不図示のベアリング機構などを介して支持部材BSの軸受部41(図1参照)に回転可能に支持されている。拡径部12は、軸部11に対して径が大きく形成された部分である。すなわち、拡径部12は、軸部11に比べて大きい径を有する。軸部11及び拡径部12は、共通の回転軸を有するように形成されている。拡径部12の表面は、伝達部材BTが掛けられる外周(外面、外周面)となる。本実施形態において、回転子SFは、例えばアルミニウムなどの導電材料によって構成されている。代替的又は追加的に、回転子は、アルミニウム以外の材料を用いて構成できる。本実施形態において、回転子SFは、拡径部12の外周速度を検出可能な不図示の検出器を有している。拡径部12の直径は、例えば10mm程度に設定することができる。例えば、拡径部12の直径は、約0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、又は30mm以上にできる。
同図に示すように、伝達部材BTは、帯状に形成されており、回転子SFの拡径部12に巻き掛けられている。図3においては、回転子SFの図示を省略している。本実施形態において、伝達部材BTは、例えばスチールなどの導電材料によって構成されている。代替的又は追加的に、伝達部材BTは、スチール以外の材料を用いて構成できる。本実施形態において、伝達部材BTは、拡径部12に例えば1回転巻き掛けられて交差した状態になっている。すなわち、拡径部12に対する伝達部材BTの実質的な巻き数が、約1.0である。他の実施形態において、拡径部12に対する伝達部材BTの実質的な巻き数は、例えば、約0.2、0.4、0.6、0.8、1.2、1.4、1.6、1.8、又は2.0以上にできる。本実施形態において、伝達部材BTの交差部分21は、クロスベルト構造になっている。具体的には、交差部分21において、伝達部材BTの第1端部22Aが二股に分かれていると共に伝達部材BTの第2端部22Bの幅が狭くなっている。このため、伝達部材BTは、第2端部22Bが第1端部22Aの二股の間に配置された状態で交差している。伝達部材BTの第1端部22A及び第2端部22Bは、それぞれ移動部ACに接続されている。
移動部ACの少なくとも一部は、伝達部材BTの交差部分21又はその近傍にそれぞれ設けられている。移動部ACは、保持部材31と、電歪素子32と、接続部33と、バネ機構34とを有している。
制御部CONTは、位置指令部51と、演算部52と、コントローラ53と、アンプ54とを有している。上記モータ装置MTRは、移動部ACの出力値をエンコーダによって検出できるようになっている。制御部CONTは、当該エンコーダの検出値に基づき、第1電歪素子32A及び第2電歪素子32Bの変形量、変形の速度誤差を推力に変換して移動部ACに対する指令値とする。
まず、図6及び図7を参照して、移動部ACの動作を簡単に説明する。伝達部材BTの移動の様子を判別しやすくするため、図6及び図7では、回転子SFに掛けていない状態の伝達部材BTの構成を示している。移動部ACの動作の説明においては、第1電歪素子32Aと第2電歪素子32Bとで同一の動作を行う(ただし、伝達部材BTの移動方向が逆方向になる)ため、ここでは第1電歪素子32Aを代表させて説明する。
第1電歪素子32Aに電気信号を供給しない状態においては、バネ機構34によってフランジ部材33aが交差部分21側へ押圧された状態になっている。この状態から第1電歪素子32Aに電気信号を供給すると、図6に示すように、第1電歪素子32Aが膨張するように変形する。第1電歪素子32Aは、保持部材31との当接端部を固定端として、交差部分21に対して外方に伸長する。当該変形による力が交差部分21から離れる方向(以下、「外側」と表記する)に対して作用する。この力はフランジ部材33aを外側へ押圧する。第1電歪素子32Aの変形による押圧力がバネ機構34による押圧力よりも大きくなると、フランジ部材33aが外側に移動し、ロッド部材33bが伝達部材BTの端部を外側へ引っ張る。この動作により、伝達部材BTの端部が外側に移動する。
本実施形態に係るモータ装置MTRにおいて、回転子SFを駆動させる原理を説明する。回転子SFを駆動させる際には、回転子SFに巻き掛けられた伝達部材BTに有効張力を生じさせ、当該有効張力によって回転子SFにトルクを伝達する。
次に、本発明の第2実施形態を説明する。
本実施形態では、モータ装置MTRの動作の際、伝達部材BTの弾性変形を利用する点で、第1実施形態とは異なっている。したがって、モータ装置MTRの構成については、伝達部材BTが弾性変形可能になっている点以外は、第1実施形態と同一の構成を用いることができる。
まず、制御部CONTは、図15に示すように、伝達部材BTの第1端部22Aが原点位置0からX1だけ外側に移動するように第1電歪素子32Aを変形させる。また、制御部CONTは、伝達部材BTの第2端部22Bが原点位置0からX2だけ外側に移動するように第2電歪素子32Bを変形させる。この状態を駆動動作の初期状態とする。このとき、X1及びX2については、下記式(6)を満たす。
次に、図18に示すように、制御部CONTは、第1端部22Aが原点位置0まで移動すると共に第2端部22Bが原点位置0よりも内側(図18においては、紙面の左側)へ移動するように、第1電歪素子32Aと第2電歪素子32Bとを同時に変形させる。第1電歪素子32Aと第2電歪素子32Bとを同時に変形させることにより、伝達部材BTが2ΔX1だけ緩むこととなり、この結果、伝達部材BTと回転子SFとの間に隙間が生じる。回転子SFは、伝達部材BTによって摩擦力を受けることなく、慣性回転している状態となる。
制御部CONTは、回転子SFに設けられた検出器により、拡径部12の外周速度vを検出する。制御部CONTは、検出結果に基づき、第1端部22A及び第2端部22Bの移動距離を決定する。回転子SFが静止している状態の上記駆動動作では、第1端部22Aの初期位置をX1、第2端部22Bの初期位置をX2とした。回転子SFが慣性回転している状態で、上記同様の目標有効張力を伝達部材BTに付加するには、回転子SFの静止状態と同一の環境が必要である。すなわち、回転子SFの拡径部12の外周と伝達部材BTとの相対速度をゼロにする必要がある。このため、第1端部22Aの初期位置及び第2端部22Bの初期位置を決定するに当たり、拡径部12の外周の所定時間当たりの移動距離を考慮する必要がある。具体的には、第1端部22Aの初期位置をX1+vΔt、第2端部22Bの初期位置をX2−vΔtとして設定する。ここで、Δtとしては、例えば制御部CONTのサンプリングタイムなどが挙げられる。
この後、制御部CONTは、第1端部22Aが原点位置0まで移動すると共に第2端部22Bが原点位置0よりも内側(例えば、図18においては紙面の左側)へ移動するように第1電歪素子32Aと第2電歪素子32Bとを同時に変形させ、伝達部材BTと回転子SFとの間に隙間が生じている間に、第1端部22Aを移動させること無く第2端部22Bのみが原点位置0に戻るように第2電歪素子32Bを変形させる。この動作により、第1端部22A及び第2端部22Bが共に原点位置0に戻ることになる。復帰動作は、回転子SFの回転速度によらず同一の動作として行うことができる。
本実施形態における実効トルクNeは、駆動動作と復帰動作とを1サイクル行うのに要する時間tall、有効張力の伝達開始から回転子SFが慣性状態になるまでの時間te、目標有効張力Tgoal、回転子SFの拡径部12の半径Rに依存する。具体的には、下記式(8)によって示される。
次に、本発明の第3実施形態を説明する。
本実施形態に係るモータ装置MT2は、図22に示すように、回転子SFに巻き掛けた伝達部材BTに進行波を伝播させることにより、回転子SFを回転させる構成になっている。伝達部材BTは、張力が付加されない状態で回転子SFに巻き掛けられている。伝達部材BTに張力を付加させないことにより、進行波が伝播しやすくなっている。
次に、本発明の第4実施形態を説明する。
本実施形態では、上記のモータ装置の適用例を説明する。
図23は、モータ装置MTRを例えばロボットアームに適用させた構成を示す図である。
例えば、上記実施形態においては、回転子が中実である構成としたが、これに限られることは無い。特に第4実施形態のように、ロボットアームARMなどの旋回系機械にモータ装置MTRを搭載する場合などには、例えば図24Aに示すように、回転子SFを中空の構成としても構わない。図24Aに示すように、回転子SFは、回転軸方向に貫通する貫通部71を有している。貫通部71には、円筒状のベアリング70が設けられている。回転子SFは、当該ベアリング70の周囲に回転可能になっている。
Claims (24)
- 回転子と、
前記回転子の外周の少なくとも一部に掛けられた伝達部材と、
前記伝達部材に接続され、前記伝達部材を移動させる移動部と、
前記伝達部材の端部にそれぞれ接続された一対の電歪素子と、
前記回転子に前記伝達部材を巻き掛けて前記伝達部材の有効張力を発生させた回転力伝達状態で、前記一対の電歪素子の少なくとも一方を収縮するように変形させ、前記伝達部材を一定距離移動させる駆動動作、
及び、
前記回転力伝達状態から、前記一対の電歪素子の両方を膨張するように変形させ、前記伝達部材の前記回転子への巻き掛けを緩ませて前記伝達部材の有効張力を解除させることで前記回転力伝達状態を解消した状態で前記伝達部材を所定の位置に戻す復帰動作を前記移動部に繰返し行わせる制御部と
を備えることを特徴とするモータ装置。 - 回転子と、
前記回転子の外周の少なくとも一部に掛けられた複数の伝達部材と、
前記伝達部材にそれぞれ接続され、前記伝達部材をそれぞれ独立して移動させる移動部と、
前記回転子と前記伝達部材との間を回転力伝達状態として前記伝達部材を一定距離移動させる駆動動作及び前記回転力伝達状態を解消した状態で前記伝達部材を所定の位置に戻す復帰動作を前記移動部に行わせる制御部と
を備えることを特徴とするモータ装置。 - 前記伝達部材は、線状、帯状、又は鎖状を有する
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のモータ装置。 - 前記伝達部材は、弾性変形可能に形成されている
ことを特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 前記伝達部材は、導電性材料を含む
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 前記回転子は、回転軸方向に貫通する貫通孔を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項5のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 前記回転子は、前記外周に形成される溝部を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項6のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 前記回転子は、回転軸方向における前記伝達部材の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制部を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項7のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 前記伝達部材は、実質的に1回転以上前記回転子に巻き掛けられている
ことを特徴とする請求項1から請求項8のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 前記移動部は、基準位置を挟む位置に設けられた一対の電歪素子を有し、
前記電歪素子により発生する力の方向と前記回転子の外周の前記基準位置における接線方向とが実質的に一致することを特徴とする請求項9に記載のモータ装置。 - 前記伝達部材は、複数設けられている
ことを特徴とする請求項1から請求項10のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 前記伝達部材は、少なくとも3個設けられている
ことを特徴とする請求項11に記載のモータ装置。 - 前記移動部は、複数の前記伝達部材ごとに設けられ、
複数の前記移動部は、前記回転子の回転方向にずれた位置に配置されている
ことを特徴とする請求項11又は12に記載のモータ装置。 - 前記回転子は、複数の前記伝達部材ごとに異なる径を有する
ことを特徴とする請求項13に記載のモータ装置。 - 複数の前記移動部は、前記回転子の回転方向に等角度でずれた位置に配置されている
ことを特徴とする請求項13又は請求項14のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 前記制御部は、
前記回転子が回転している状態において、前記回転子の回転速度よりも速い速度で前記伝達部材を移動させるように前記移動部に指示する
ことを特徴とする請求項1から請求項15のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 前記回転力伝達状態は、前記回転子と前記伝達部材との間に摩擦力を生じさせた状態である
ことを特徴とする請求項1から請求項16のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 前記回転力伝達状態は、前記回転子と前記伝達部材とを係合させた状態である
ことを特徴とする請求項1から請求項16のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 回転子と、
前記回転子に掛けられた伝達部材と、
前記伝達部材の一方向へ振動波を伝播させ前記伝達部材を波状運動させることで前記回転子を前記一方向とは反対の方向へ回転させる制御部と
を備え、
前記伝達部材は、張力が実質的に発生しない状態で前記回転子に掛けられることを特徴とするモータ装置。 - 前記回転子は、中空に構成されている
ことを特徴とする請求項1から請求項19のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 前記回転子は、回転軸方向に貫通する貫通部を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項20のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - エンコーダを備える
ことを特徴とする請求項1から請求項21のうちいずれか一項に記載のモータ装置。 - 回転子に伝達部材を巻き掛けて前記伝達部材の有効張力を発生させた回転力伝達状態として、前記伝達部材の端部にそれぞれ接続された一対の電歪素子の少なくとも一方を収縮するように変形させ、前記伝達部材を一定距離移動させることと、
前記回転力伝達状態から、前記一対の電歪素子の両方を膨張するように変形させ、前記伝達部材の前記回転子への巻き掛けを緩ませて前記伝達部材の有効張力を解除させることで前記回転力伝達状態を解消した状態で前記伝達部材を所定の位置に戻すことと
を含むことを特徴とする回転子の駆動方法。 - アーム部と、
前記アーム部を駆動させる請求項1から請求項22のうちいずれか一項に記載のモータ装置と
を備えることを特徴とする装置。
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