JPS63213461A - ダイレクト・ドライブ・モ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ファクトリ−オートメーション（ＦＡ）の分
野で用いられるダイレクト・ドライブ・モータに関する
。更に詳しくは、本発明は、磁気誘導子型の同期モータ
であって、ロータの回転角度を精度良く検出することに
よって高精度のサーボアクチュエータとして動作するア
ウター・ロータ形のダイレクト・ドライブ・モータに関
するものである。

（従来の技術） ＦＡの分野で要求されるモータは、トルクが大きく、高
速で、かつ高精度の位置決め制御が行なえることが要求
される。

従来、このような要求を満たすＦＡ用のサーボアクチュ
エータとしては、減速機と直流サーボモータとを組合せ
たもの等が多く用いられてきた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、減速機と組合せて構成されるこれまでの
サーボモータは、バックラッシュによるトルクむらや、
低剛性のためロストモーションの影響がある等の問題点
があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、
その目的は、トルりむらやロストモーションの影響がな
く、高速で、かつ高精度で位置決めの制御が可能なダイ
レクト・ドライブ・モータを実現することにある。

（問題点を解決するための手段） 前記問題点を解決する本発明のダイレクト・ドライブ・
モータは、内側固定子と、この内側固定子に対して外側
に僅かな空隙を隔てて配置させた外側回転子と、この外
側回転子を内部に固定させた円筒形状の回転子ハブと、
この回転子ハブの円筒形状内部にあって回転子ハブを回
転可能に支持する軸受けと、回転子ハブの回転変位を検
出するエンコーダとを備えて構成される。

（作用） 外側回転子は、円筒形状の回転子ハブを介して、円筒形
状内部に設けられている軸受けによって回転可能に支持
され、内側固定子に生ずる磁気誘導によってダイレクト
に駆動され回転する。この外側回転子の回転変位はエン
コーダによって正確に検出される。

（実施例） 以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は、本発明に係るダイレクト・ドライブモータの
一例を示す軸方向断面図であり、第２図は組立分解図で
ある。

これらの図において、１は内側固定子で、２組の磁性体
１１，１２、この磁性体にはさまれた永久磁石１３及び
励磁コイル１４とからなる。各磁性体１１．１２は、励
磁コイル１４が巻回された複数個（ここでは１２個）の
突極１１ａ、ｌｌｂ・・・があり、また各突極の先端に
はピッチＰの歯１５が設けられている。

２は内側固定子ｌの外側に僅かな空隙を隔てて回転可能
に配置された外側回転子で、内側固定子１に対向する面
には、ピッチＰで並ぶ歯２１が設けられている。

３は外側回転子２を円筒形状内部において固定し、外側
回転子２とともに回転する円筒状の回転子ハブで、円筒
状底面部３１に回転力を取りだすための負荷４が取付け
られる。３２は回転子ハブ３の底面部３１から内側に突
出させた円筒状取付部で、その先端には後述するエンコ
ーダ７のスリット板７１が取付けられる。

５は軸受で、外側回転子２を回転子ハブ３を介して片持
構造で支持するもので、ここではクロスローラ軸受を用
いたものを示しており、回転ローラ５１１回転ローラ５
１を上下から（内側、外側から）挟持する保持部材５２
．５３とからなる。

５４は回転子ハブ３の円筒形状内側に設けられたリング
部材、５５はクランプリングで、軸受５の一方の保持部
材５３を、回転ハブ３　ｉｌｌに固定させるためのもの
である。

６は円筒状の回転子ハブ３内に多くの部分が納まるよう
に設置された円筒状のハウジングで、内側固定子１が固
定されるとともに、軸受け５の他方の支持部材５２が固
定される。６１は支持部材５２をハウジング６に固定さ
せるためのクランプリングである。

７は回転子ハブ３の回転変位を検出するためのエンコー
ダで、回転子ハブ３の中央円筒取付部３２に固定された
回転スリット板７１．この回転スリット板７１に対して
光ビームを照射させるＬＥＤやレンズを含む光照射部７
２、スリット板７１を通過した光を受光する受光素子と
この受光素子からの信号を処理して回転子ハブ３の回転
角度に比例した信号を得る信号処理部を収容したアセン
ブリ７３で構成される。なお、７４はスリット板７１を
中央円筒取付部３２に固定するための取付はリングであ
る。

ここで、回転子ハブ３の中央円筒取付部３２は、円筒状
ハウジング６の内部に設置され、スリット板７１は、こ
の中央円筒取付部３２の先端に、軸受５が設置された平
面ＰＬとほぼ同一平面上に配置されるように取付けられ
ている。

次に、このように構成されるダイレクト・ドライブ・モ
ータの組立て方を第２図を参照しながら説明する。

まず、回転子ハブ３の円筒形状内側に、外側回転子２を
挿入し、両者が一体となるように、例えば接着剤あるい
はネジ、あるいは接着剤とネジの両方によって固定する
。

また、内側固定子ｌをハウジング６の円筒部に挿入し、
両者を一体となるように、例えば接着剤等によって固定
する。また、ハウジング６の円筒内部に、光照射部７２
を例えばネジによって固定させる。

次に回転子ハブ３の円筒形状内に、ハウジング６を挿入
し、回転子ハブ３の内側とハウジング６の外側の所定位
置に軸受け５を位置させ、クランプリング５５によって
軸受け５の上部支持部材５３を回転子ハブ３のリング部
材５４に押圧固定させるとともに、クランプリング６１
によって軸受け５の下部支持部材５２をハウジング６に
押圧固定させる。これによって軸受け５は、回転子ハブ
３とハウジング６の間にクランプリング５５及び６１を
介して支持される。ここで、各クランプリング５５．６
１において、支持部材５２．５３への押圧部には、それ
ぞれ切欠部５０，６０が形成されており、軸受け５に加
えられる押圧力を適当に吸収し、適切な押圧力で軸受け
を支持できるようにしている。

吹にエンコーダテのスリット板７１を、回転子ハブ３の
中央円筒取付部３２の先端に、取付はリング７４によっ
て固定する。また、信号処理部アセンブリ７３を、光照
射部７２からの光ビームがスリット板７１のスリット孔
７１ａ、７１ｂを通過し、イメージセンサ７３ａ上に正
確に当るように位置決めを行ないながら、ハウジング６
の内側に取付けて、完成する。

このような構成の本発明のダイレクト・ドライブ・モー
タは、トルクを外側回転子から直接得るようにするとと
もに、この外側回転子を軸受け５を介して支持するハウ
ジングが、回転子ハブ２の円筒形状内部に設置された構
造となっているもので、全体構成が小型にでき、しかも
、小型でありながら、大きなトルクを得ることが可能と
なる。

また、回転子ハブ２に直接取付けられ回転するスリット
板７１を有したエンコーダをハウジング６の内部に設け
たもので、ここから位はの制御に必要な信号を精度良く
得ることができる。更に、スリット板７１の設置位置を
軸受５が設けられている平面とほぼ同一面上になるよう
にすることによって、回転振動によるスリット板７１の
傾斜を少なくし、振動等の影響を受けず、高精度の位置
信号を得ることができる。

次に、各構成要素の詳細を説明する。

第３図は、内側固定子１に設けられている励磁コイル１
４の巻き方を示す図である。ここではＡ相、Ｂ相、Ｃ相
からなる３相の励磁回路が使用されており、Ａ相は、突
極１１ａ、から２つおきに突極１１ｄ、　Ｊｉｇ、　ｌ
ｌｊの合計４個の突極に直列に巻回され、Ｂ相は突極ｆ
ｉｂ、　ｌｉｅ、　Ｉｌｈ、　Ｉｌｋに直列に巻回され
、Ｃ相は突極１１ｃ、　Ｉｆｆ、　Ｎｉ、　ＩＩ　Ｑに
直列に巻回されている。内側固定子１と外側回転子２と
の対向面に設けられている歯１５．２１の位置関係は、
ＰＭ型型組相パルスモータ同様であり、詳細は省略する
。

第４図は、外側回転子２の回転原理を示す説明図である
。

内側固定子１において、突極１１ａでの磁束は、永久磁
石１３によるバイアス磁束φＭと、突極１１ａに巻回さ
れた励磁コイル１４に励磁電流を流すことによって生ず
る励磁磁束φＣとの和φ０＝φＭ＋φＣによって形成さ
れる。突極１１ａの励磁を、励磁コイル１４に流す電流
を、例えば、Ａ相。

Ｂ相、Ｃ相の順で、互いに１２０位相差をもったものと
することにより、励ｆｉ１ｍ束φＣが順にＡ相。

Ｂ相、Ｃ相の順に移動し、これによってφＭ＋φＣで表
わされる和磁束部分も移動するので、外側回転子２がこ
れに吸引され回転する。

Ａ相、Ｂ相、Ｃ相に流す励磁電流の位相の進み、遅れを
切換えれば、回転方向は逆となる。

ここで、外側回転子２の推力（トルク）Ｔは、バイアス
磁束φＭと励磁磁束ΦＣとの和Φ０の２乗に比例するも
ので、（１）式で表わされるＴｏｃ′（φＭ＋φＣ）’
　　　　　　　　　（ｔ）本発明のモータは、（１）式
で表わされるトルクＴの発生部がモータの外周部に位置
するので、大きなトルクを発生することが可能となる。

第５図は、外側回転子２の回転角度（回転子ハブ３の回
転角度と比例する）を検出するエンコーダテの一例を示
す要部の構成ブロック図である。

外側回転子２とともに回転するスリット板７１には、円
周方向に２段のスリット列７１ａ、　７１ｂが設けられ
ている。外側のスリット列７１ａのスリット数はｎ、内
側のスリット列７１ｂのスリット数はｎ２でこれらのス
リット数の差ｎｌ　−ｎ２は、ここでは外側回転子２に
設けられた歯２１の数と一致するようになっている。７
２ａはＬＥＤのような光源、？２ｂはＬＥＤからの光を
平行光線にするためのレンズで、これらは、上段側スリ
ット列７１ａ用と下段側スリット列７Ｉｂ用に２組設け
られており、光照射部７２（第２図参照）によって保持
されている。

７３ａはスリットを透過した光を受光するイメージセン
サで、例えば８個のフォトダイオードがアレイ状に配列
して構成される。７３ｂは零点検出用のフォトダイオー
ドで、スリット板７１に設けた零点スリット７１ｃｆ：
透過した光を受光する。７３ｃはイメージセンサ７３ａ
からの信号、フォトダイオード７３ｂからの信号を処理
する信号処理回路である。

この回路は８個のフォトダイオードからの信号を一定の
タイミングで順次取り出すスイッチ５１〜Ｓ８、各スイ
ッチを介して取り出した信号を増幅する増幅器ＯＰＩ、
この増幅器の出力信号の中から正弦波の信号成分を抽出
するローパスフィルタＬＰＦ、ローパスフィルタＬＰＦ
から得られる周期関数波形の信号ｆ、、　ｆ、を出力し
、例えば一方の信号ｆ１を用い所定の信号処理を行なっ
て、スリット板７１の回転位置信号ＤＰを得、２つの信
号ｆ、。

ｆ、用いて、固定子１と回転子２の歯の位置ずれに関連
した信号θｅを得るマイクロプロセッサを含むエンコー
ダインターフェイスＥＣＩＦからなる。

ここで、周期関数ｆ１又はｆ２から位置信号ｏｐを得る
手法は、空間フィルタからの信号処理を行なって位置信
号を得るやり方であり、歯の位置ずれ信号θｅを得る手
法は、２つの信号ｆ、、　ｆ２の位相差を求めるやり方
であり、特願昭６１−２４９３６３号にその詳細が開示
されている。

第６図は、本発明のモータをサーボアクチュエータとし
て動作させる場合の構成ブロック図である。

図において、８１は位置制御部であり、マイクロプロセ
ッサを含んで構成されており、位を指令信号としてのシ
リアルパルスを計数するカウンタＣＵからの信号と、エ
ンコーダインターフェイスＥＣＩＦからの位置信号ＤＰ
とを入力している。この位置制御部８１は、エンコーダ
インターフェイスＥＣＩＦから構成される装置信号ＤＰ
と位置指令信号Ｘ　との信号をもとに、例えばＰＩＤｔ
ｍ算を行って、外側回転子２の速度指令値出力ＥＤＩを
得、ニれをＤ／Ａ変換器ＤＡでアナログ信号Ｅｌとして
出力する。８２は加算回路で、Ｄ／Ａ変換器ＤＡからの
アナログ信号Ｅ、と、エンコーダインターフェイスＥＣ
ＩＦからの速度フィードバック信号θｅとの差を求め、
これを転流手段８３゜８４を経てパルス幅変換回路（Ｐ
ＷＭ回路）８５に与える。８６はゲート制御回路で、Ｐ
ＷＭ回路８５からの信号を受け、モータ部ＭＯのＡ相巻
線。

Ｂ相巻線、Ｃ相巻線に流す励磁電流を各スイッチング素
子Ｑ　ａ　＝　Ｑ　ｃを用いて制御する。ここで、Ｂ相
巻線、Ｃ相巻線に流れる電流は、ＰＷＭ回路８５に電流
フィードバックされている。

このように構成されるサーボアクチュエータは、位置信
号ＤＰによるフィードバック、速度信号θｅによるフィ
ードバック、励磁電流に対応した信号による電流フィー
ドバックの３次のサーボ系を形成しているため、負荷変
動による外乱の影響を受けることなく、容易に高速・高
精度のサーボアクチュエータが構成できる。

なお、上記の実施例では、回転子ハブ３をクロスローラ
軸受けを用いて支持する例を示したが、他の構造の軸受
けを用いてもよい。また、エンコーダは、スリット板を
回転子ハブに取付けた光学式エンコーダを用いた第５図
に示すような構造のものを例にとったが、他の構造のも
のでもよい。

更に、モータ部分の構成において、内側固定子は（発明
の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、回転子ハ
ブ３から直接トルクを得ることができるもので、トルク
むらやロストモーションの影グがなく、全体が小型であ
りながら大きなトルクを得ることができる。

第７図は、本発明に係るモータの重量と出力（起動トル
クＸ定格回転数）との関係を示す線図である。なお、破
線は従来の減速機付のＤＣ・モータの特性である。

また、本発明によれば、回転子ハブの回転変位と正確に
対応するエンコーダを内部に備えるものであるから、高
速・高精度での位匠決め制御が可能なダイレクト・ドラ
イブ・モータが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るダイレクト・ドライブ・モータの
一例を示す軸方向断面図、第２図は組立分解図、第３図
は励磁コイルの＠き方を示した図、第４図は回転原理の
説明図、第５図はエンコーダの要部構成ブロック図、第
６図は本発明のモータをサーボアクチュエータとして動
作させる場合の構成ブロック図、第７図は本発明に係る
モータの特性線図である。 １・・・内側固定子、１１．１２・・・磁性体、１３・
・・永久磁石、１４・・・励磁コイル、２・・・外側回
転子、３・・・回転子ハブ、４・・・負荷、５・・・軸
受け、６・・・ハウジング、７・・・エンコーダ、５５
．６１・・・クランプリング。 第　３　図 第　４　図 襄　５　図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）内 側固定子と、この内側固定子の外側に僅かな空隙を隔て
   て配置させた外側回転子と、この外側回転子を内部に固
   定させた円筒形状の回転子ハブと、この回転子ハブの円
   筒形状内部にあって当該回転子ハブを回転可能に支持す
   る軸受けと、前記回転子ハブの回転変位を検出するエン
   コーダとを備えたダイレクト・ドライブ・モータ。
2. （２）エンコーダはスリット板を含むものであり、スリ
   ット板は軸受が設けられている平面とほぼ同一面上にな
   るように設置され回転子ハブに取付けられている特許請
   求の範囲第１項記載のダイレクト・ドライブ・モータ。
3. （３）内側固定子は円筒形状のハウジングによって固定
   されるものであり、軸受けは回転子ハブと前記ハウジン
   グとの間にクランプリングを介して固定される特許請求
   の範囲第１項記載のダイレクト・ドライブ・モータ。
4. （４）各クランプリングにおいて、軸受けを押圧する部
   分に切欠部を設け、軸受けに加わる力を前記切欠部で調
   整できるようにした特許請求の範囲第１項記載のダイレ
   クト・ドライブ・モータ。