DE112007003557B4

DE112007003557B4 - Vorrichtung zum Erkennen der Position der Rotation eines Motors

Info

Publication number: DE112007003557B4
Application number: DE112007003557.9T
Authority: DE
Inventors: Shunichi Tezuka; Junji Koyama; Kunio Miyashita
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2023-12-14
Anticipated expiration: 2027-06-23
Also published as: US20100176695A1; CN101689789A; US8159096B2; JP4964303B2; WO2009001399A1; DE112007003557T5; JPWO2009001399A1

Abstract

Vorrichtung zur Erkennung der Rotationsposition eines Motors (1), die aufweist:eine rotierende Einheit (51, 53), die integral mit einem Motorrotor (32) um eine Motorzentralachse rotiert;eine Erkennungseinheit zum Erkennen einer Rotationsposition der rotierenden Einheit (51, 53);ein hohler Rotorbereich (35), der sich konzentrisch von einer Wellenstirnfläche des Motorrotors (32) aus erstreckt; undeine Halterung (54), die sich von einem der Wellenstirnfläche gegenüberliegenden Bereich des Motorgehäuses (2) in einen inneren Bereich des hohlen Rotorbereichs (35) erstreckt; wobeidie rotierende Einheit (51, 53) im Inneren des hohlen Rotorbereichs (35) an dem Motorrotor (32) befestigt ist; unddie Erkennungseinheit im Inneren des hohlen Rotorbereichs (35) in einem Zustand an der Halterung (54) befestigt ist, in dem sie der rotierende Einheit (51, 53) entweder aus einer Richtung entlang der Motorzentralachse oder aus einer radialen Richtung gegenüberliegt,dadurch gekennzeichnet, dass:die rotierende Einheit (51, 53) einen Magneten (51) mit einer ringförmigen äußeren Umfangsfläche hat, der entlang seiner Umfangsrichtung einer mehrpolaren Magnetisierung ausgesetzt worden ist;der Magnet (51) koaxial im Inneren des hohlen Rotorbereichs (35) an dem Motorrotor (32) befestigt ist;die Erkennungseinheit mehrere magnetische Erkennungselemente (52(1)-52(4)) hat, die in festen Abständen um eine ringförmige äußere Umfangsfläche des Magneten (51) angeordnet sind;die Halterung (54) einen zylindrischen Bereich hat (54b), der den Magneten (51) im Inneren des hohlen Rotorbereichs (35) koaxial umgibt; unddie magnetischen Erkennungselemente (52(1)-52(4)) in vorgegebenen Winkelintervallen auf einer inneren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs (54b) entlang einer Umfangsrichtung davon befestigt sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen Encoder, einen optischen Encoder oder eine andere Vorrichtung zum Erkennen der Rotationsposition, die in einem Motor installiert ist, um die Rotationsposition des Motors zu erkennen, und bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zum Erkennen einer Rotationsposition, die geeignet ist, einen flachen, kleinen Motor mit einer kurzen Welle herzustellen.
Stand der Technik
Getriebemotoren, die so eingerichtet sind, dass die Ausgangsrotation des Motors über einen Reduzierer bzw. Untersetzer, der eine hohe Übertragungsgenauigkeit hat, ausgeben wird, werden als Antriebskomponenten, die eine hohe Positionierungsgenauigkeit erfordern, in Industrierobotern und Werkzeugmaschinen benutzt. 3 zeigt ein Beispiel eines Getriebemotors. Ein Getriebemotor 101 hat eine Motoreinheit 102 und einen Reduktionsmechanismus 103. Der Reduktionsmechanismus umfasst einen Reduzierer 104, der koaxial mit einer Motorwelle 102a der Motoreinheit 102 verbunden ist, und eine Ausgangswelle 105, die koaxial mit der Ausgangsseite des Reduzierers 104 verbunden ist. Zum Beispiel wird ein Wellgetriebe als Reduzierer 104 benutzt.
Bei dem Getriebemotor 101 muss der Rotationswinkel der Ausgangswelle 105 des Reduktionsmechanismus 103 mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, um die Positionierung und andere Aufgaben effizient auszuführen. Dazu ist ein Motorencoder 106 an der Motorwelle 102a befestigt. Ein Befehl wird an einen Motortreiber 109 in einer Signalverarbeitungsschaltung 108 gesendet, sodass die Ausgangswelle 105 auf der Basis von A-, B- und Z-Phasensignalen, die von dem Motorencoder 106 erhalten werden, den gewünschten Rotationswinkel erreicht. Der Motortreiber 109 treibt die Motoreinheit 102 in Übereinstimmung mit den empfangenen Befehlen an. Im Getriebemotor 101 wird dessen Rotationswinkelposition basierend auf dem mechanischen Ursprung der Ausgangswelle 105 gesteuert. Daher wird während der Aktivierung oder anderen solchen Zeitpunkten, die Ausgangswelle 105 zum mechanischen Ursprung (der Ausgangsposition) zurückgeführt.
Der Motorencoder 106 zum Erkennen der Rotationsposition der Motoreinheit 102 ist im Allgemeinen am hinteren Bereich der Motoreinheit 102 befestigt. Wenn der Raum zur Installation des Motorencoders 106 weggelassen werden könnte, könnte die Länge der Welle der Motoreinheit 102 proportional reduziert werden und ein flacheres Profil könnte erhalten werden.
In Fällen, in denen ein Raum zum Installieren des Motorencoders 106 in der Motoreinheit 102 nicht zuverlässig zur Verfügung gestellt werden kann, ist es eine mögliche Option, den Motorencoder 106 auf der Lastseite anzuordnen. In diesem Fall muss die Ausgangswelle des Reduktionsmechanismus verlängert werden, um einen Installationsraum für den Motorencoder 106 sicherzustellen. Wenn die Ausgangswelle verlängert wird, treten nachteilige Effekte auf, bei denen die Drehmomentfestigkeit und andere Eigenschaften des Reduktionsmechanismus verringert werden.
Vorrichtungen zur Erkennung der Rotationsposition eines Motors mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 sind aus JP H05- 292 729 A und DE 10 2004 013 919 A1 bekannt.
DE 102 12 859 A1 offenbart ebenfalls eine Vorrichtung zur Erkennung der Rotationsposition einer Drehwelle.
JP 2007 - 115 794 A beschreibt verschiedene Möglichkeiten, einen Magneten und eine Magnet-Erkennungseinheit koaxial zueinander anzuordnen.
Offenbarung der Erfindung
In Anbetracht dieser Umstände ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erkennen der Rotationsposition eines Motors bereitzustellen, deren Aufbau vorteilhaft ist, um in einem flachen Motor mit einer kurzen Welle installiert zu werden.
Um die zuvor beschriebenen Ziele zu erreichen, ist eine Vorrichtung zum Erkennen der Rotationsposition eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist;
eine rotierende Einheit, die mit einem Rotor eines Motors integriert ist und die um eine Zentralachse des Motors rotiert;
eine Erkennungseinheit zum Erkennen der Rotationsposition der rotierenden Einheit;
ein hohler Bereich des Rotors, der sich konzentrisch von einer Wellenstirnfläche des Motorrotors aus erstreckt; und
eine Halterung, die sich von einem Bereich eines Motorgehäuses, welcher der Wellenstirnfläche zugewandt ist, in das Innere des hohlen Rotorbereichs erstreckt, wobei
die rotierende Einheit im Inneren des hohlen Rotorbereichs an dem Motorrotor befestigt ist; und
die Erkennungseinheit im Inneren des hohlen Rotorbereichs in einem Zustand, in dem sie der rotierenden Einheit entweder von einer Richtung entlang der Zentralachse des Motors oder einer radialen Richtung zugewandt ist, an der Halterung befestigt ist.
In der Vorrichtung zum Erkennen der Rotationsposition eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung sind die rotierende Einheit und die Erkennungseinheit der Vorrichtung zum Erkennen der Rotationsposition eines Motors im Inneren des hohlen Rotorbereichs angeordnet. Daher ist es nicht notwendig, die Länge der Welle des Motorrotors zu vergößern, um Installationsraum für die rotierende Einheit und die Erkennungseinheit der Vorrichtung zum Erkennen der Rotationsposition sicherzustellen. Dementsprechend kann ein flacher, kleiner Motor mit einer kurzen Welle erhalten werden.
Die Rotationseinheit ist ein ringförmiger oder scheibenförmiger Magnet mit einer ring- bzw. kreisförmigen äußeren Umfangsfläche, die entlang einer Umfangsrichtung mehrpoliger Magnetisierung ausgesetzt ist, wobei der Magnet im Inneren des hohlen Rotorbereichs koaxial am Rotormotor befestigt ist, die Erkennungseinheit aus mehreren magnetischen Erkennungselementen, die in festen Abständen um die ring- bzw. kreisförmige äußere Umfangsfläche des Magneten angeordnet sind, zusammengesetzt ist, ein zylindrischer Bereich, der den Magneten im Inneren des hohlen Rotorbereichs koaxial umschließt, in der Halterung ausgebildet ist und die magnetischen Erkennungselemente entlang der Umfangsrichtung in vorgegebenen Winkelintervallen auf einer inneren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs befestigt sind.
In Fällen, in denen der Magnet ein Dipolmagnet ist, werden vorzugsweise wenigstens zwei Hallelemente oder MR-Elemente, die in 90°-Winkelabständen auf der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs angeordnet sind, als magnetische Erkennungselemente benutzt. In diesem Fall werden bei einer Rotation des Motorrotors von den magnetischen Erkennungselementen sinusförmige A-Phasen- und D-Phasen-Signale, deren Phasen sich um 90° unterscheiden, erhalten. Rotationsinformation des Motorrotors kann aus diesen Signalen durch Durchführen konventioneller Signalverarbeitung erhalten werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine erläuternde Ansicht, die einen Getriebemotor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, der teilweise im Schnitt gezeigt ist;
2(a) ist eine erläuternde Ansicht, die den befestigten Zustand des Absolutwertsensors im Getriebemotor aus 1 zeigt, 2(b) ist eine Entwicklungsansicht, die einen Zustand zeigt, in dem eine flexible Leiterplatte, auf der Hallelemente befestigt sind, auf einer flachen Fläche ausgebildet ist, und 2(c) ist ein Schaltbild der Hallelemente; und
3 ist eine schematische Ansicht, die einen konventionellen Getriebemotor zeigt.

Beste Art, um die Erfindung auszuführen
Ausführungsbeispiele eines Getriebemotors, in denen die vorliegende Erfindung benutzt wird, werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
(gesamter Aufbau)
1 ist eine schematische Ansicht, die einen Getriebemotor zeigt, in dem die vorliegende Erfindung benutzt wird, und die seinen Teilbereich im Schnitt zeigt, sodass der innere Aufbau des rückwärtigen Endbereichs verstanden werden kann. Ein Getriebemotor 1 hat ein Motorgehäuse 2 und eine Motoreinheit 3 und einen Reduktionsmechanismus 4, der innerhalb des Motorgehäuses 2 eingebaut ist. Ein magnetischer Absolutsensor 5 zum Erkennen der Rotationsposition des Motors ist ebenfalls in die Motoreinheit 3 eingebaut.
Das Motorgehäuse 2 weist ein motorseitiges zylindrisches Gehäuse 21, eine rückwärtige Endplatte 22, die eine Öffnung am hinteren Ende des motorseitigen zylindrischen Gehäuses 21 verschließt bzw. abdichtet, und ein dickes, reduziererseitiges zylindrisches Gehäuse 23 auf, welches in einem koaxialen Zustand fest mit der Vorderseite des motorseitigen zylindrischen Gehäuses 21 verbunden ist.
Die Motoreinheit 3 ist innerhalb des motorseitigen zylindrischen Gehäuses 21 eingebaut, und die Motoreinheit 3 weist einen Motorstator 31, der an der inneren Umfangsfläche des motorseitigen zylindrischen Gehäuses 21 befestigt ist, und einen Motorrotor 32 auf, der koaxial auf der inneren Seite des Motorstators 31 angeordnet ist. Der Motorstator 31 weist einen ringförmigen Statorkern 33, der koaxial an der inneren Umfangsfläche des motorseitigen zylindrischen Gehäuses 21 befestigt ist, und Antriebsspulen 34 auf, die um den Statorkern gewickelt sind.
Der Motorrotor 32 weist eine hohle Rotorwelle 35 und einen angetriebenen Magneten 36 auf, der koaxial an der ring- bzw. kreisförmigen äußeren Umfangsfläche der hohlen Rotorwelle 35 befestigt ist. Der angetriebene Magnet 36 steht der inneren Umfangsfläche des Statorkerns 33 mit einer festen Abstand dazwischen gegenüber. Ein hinterer Endbereich 35a der Rotorwelle 35 wird durch ein Lager 37 rotierbar an der hinteren Endplatte 22 des Motorgehäuses 2 abgestützt.
Der Reduktionsmechanismus 4 wird von einem Planetenreduktionsgetriebe, einem Wellgetriebe oder einem anderen Reduktionsmechanismus gebildet. Der Reduktionsmechanismus 4 weist ein Rotationseingabeelement, das mit dem Motorrotor 32 verbunden ist, und ein Reduzierte-Rotation-Ausgabeelement auf, das mit einer Ausgangswelle 7 verbunden ist. Z. B. ist im Falle eines Planetenreduktionsgetriebes das Rotationseingabeelement ein Sonnenzahnrad und das Rotationsausgabeelement ist ein Planetenträger. Im Falle eines Wellgetriebes ist das Rotationseingabeelement ein Wellgenerator und das Rotationsausgabeelement ist ein flexibles, außen verzahntes Zahnrad.
Ein Flanschbereich 23a, der sich nach außen verbreitert, ist auf dem äußeren Umfangsbereich des vorderen Endes des reduziererseitigen zylindrischen Gehäuses 23 ausgebildet und Bolzenlöcher 23b sind darin ausgebildet, um den Getriebemotor 1 an einem festseitigen (nicht gezeigten) Bauteil zu befestigen.
(Sensorbefestigungsstruktur)
Die 2(a) bis (c) sind schematische Ansichten, die den montierten Zustand des Absolutsensors 5 zeigen, ein Aufbaudiagramm, das einen Zustand zeigt, in dem eine flexible bedruckte Leiterplatte, auf der Hallelemente befestigt sind, auf einer flachen Fläche ausgebildet ist, und ein Schaltungsdiagramm der Hallelemente.
Bezug nehmend auf die 1 und 2 weist der Absolutsensor 5 zum Erkennen der Rotationsposition des Motors einen scheibenförmigen Dipolmagneten 51 und vier Hallelemente 52(1) bis 52(4) auf, die innerhalb eines hohlen Bereichs 38 der hohlen Rotorwelle 35 angeordnet sind.
Im hohlen Bereich 38 ist der hintere Bereich ein hohler Bereich mit großem Durchmesser und der vordere Bereich ist ein hohler Bereich mit kleinem Durchmesser. Ein Magnet-Befestigungsbauteil 53 ist fest in den hohlen Bereich mit kleinem Durchmesser eingepasst, die hintere Stirnfläche des Magnet-Befestigungsbauteiles 53 ragt in den hohlen Bereich mit großem Durchmesser hinein und der Dipolmagnet 51 ist in einem koaxialen Zustand fest damit verbunden.
Eine Halterung 54 ist koaxial am mittleren Bereich in der inneren Stirnfläche der rückwärtigen Endplatte 22 des Motorgehäuses 2 befestigt. Die Halterung 54 weist ein ringförmiges Bauteil 54a, das an der rückwärtigen Endplatte 22 befestigt ist, ein zylindrisches Bauteil 54b, das koaxial an der Vorderseite des ringförmigen Bauteils 54a befestigt ist, und ein Haltebauteil 54c auf, das koaxial an der Vorderseite des zylindrischen Bauteils 54b befestigt ist. Ein zylindrischer Bereich 54d, der sich nach vorne öffnet, ist in dem Haltebauteil 54c ausgebildet und der Dipolmagnet 51 ist in einem koaxialen Zustand von der Vorderseite aus darin eingefügt.
Die vier Hallelemente 52(1) bis 52(4) sind entlang der Umfangsrichtung in Winkelintervallen von 90° auf der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 54d angeordnet und die Hallelemente stehen der ring- bzw. kreisförmigen äußeren Umfangsfläche des Dipolmagneten 51 mit dem gleichen Abstand dazwischen gegenüber. Leitungsdrähte 55, die aus den Hallelementen 52(1) bis 52(4) geführt sind, sind durch ein Zentralloch im ringförmigen Bauteil 54a auf der Rückseite der Halterung 54 zur Rückseite des Motors nach außen geführt.
Die Hallelemente 52(1) bis 52(4) sind in festen Abständen auf der vorderen Fläche einer schmalen, flexiblen gedruckten Leiterplatte 56 angeordnet, wie in 2 gezeigt. Die flexible, gedruckte Leiterplatte 56 ist in eine bogenförmige Form gebogen, sodass die Vorderseite die innere Seite wird, in diesem Zustand ist die flexible, gedruckte Leiterplatte 56 an der ring- bzw. kreisförmigen äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 54d auf der Vorderseite der Halterung 54 befestigt. In diesem befestigten Zustand sind die vier Hallelemente 52(1) bis 52(4) in 90°-Winkelintervallen um den Rotationsmittelpunkt der hohlen Rotorwelle 35 angeordnet. Kontaktflächen (die rechteckigen Bereiche, die in 2(b) durch gestrichelte Linien gezeigt sind) zum Anschließen von Drähten sind an zehn Stellen auf der Rückseite der flexiblen gedruckten Leiterplatte 56 ausgebildet. Die Rotationsposition kann unter Benutzung von zwei Hallelementen, die in einem Winkelabstand von 90° angeordnet sind, erkannt werden, aber die Benutzung von zwei Sätzen von Hallelementen ist effektiv, um die Wellenfehlerkomponenten des Detektionssignals, die durch Flattern der hohlen Rotationswelle 35 verursacht werden, zu minimieren.
Wenn die hohle Rotationswelle 35 eine Rotation vollständig ausführt, werden sinusförmige Detektionssignale, die sich in der Phase um 90° unterscheiden, mit einer Rate von einem Zyklus pro Rotation von den Hallelementen 52(1) und 52(2), die in einem Abstand von 90° angeordnet sind, ausgegeben. Sinusförmige Detektionssignale, die sich in der Phase gegenüber den Phasen der Hallelemente 52(1) und 52(2) um 90° unterscheiden, werden genauso mit einer Rate von einem Zyklus pro Rotation von den Hallelementen 52(3) und 52(4) ausgegeben. Die Absolutposition der hohlen Rotorwelle 35 wird basierend auf diesen Detektionssignalen erfasst.
(Betriebsergebnisse)
Wie oben beschrieben sind in dem Getriebemotor 1 des vorliegenden Beispiels der Dipolmagnet 51 und die Hallelemente 52(1) bis 52(4), die den Absolutsensor 5 bilden, unter Benutzung des hohlen Bereichs 38 der hohlen Rotorwelle 35 angeordnet. Daher ist es nicht notwendig, die Länge der Motorwelle zu vergrößern, um diese Komponenten anzuordnen, was vorteilhaft ist, um den Motor flach auszubilden.
Der magnetische Absolutsensor 5 ist im hohlen Bereich 38 des hohlen Rotors 35 angeordnet, der als hinteres Joch des angetriebenen Magneten 36 wirkt. Daher können die Hallelemente 52(1) bis 52(4) gegen nachteilige Effekte von dem angetriebenen Magneten 36 geschützt werden, da der Fluss von dem angetriebenen Magneten 36 des Motors durch die hohle Rotorwelle 35 abgeschirmt wird.
(andere Ausführungsbeispiele)
Neben einem magnetischen Absolutwertsensor kann eine andere Sensorart als Sensor zum Erkennen der Rotationsposition der Ausgangswelle benutzt werden. Z. B. kann auch ein Rotationsencoder oder ein optischer Encoder benutzt werden.
Im obigen Ausführungsbeispiel waren die Hallelemente an Stellen angeordnet, die dem äußeren Umfang des Magneten gegenüberliegen. Alternativ kann ein Magnet, der auf einer ring- bzw. kreisförmigen Stirnfläche entlang der Umfangsrichtung magnetisiert ist, im hohlen Bereich des Rotors angeordnet werden und Hallelemente oder andere magnetische Erkennungselemente können so angeordnet werden, dass sie der ring- bzw. kreisförmigen Stirnfläche dieses Magneten gegenüberliegen.

Claims

Vorrichtung zur Erkennung der Rotationsposition eines Motors (1), die aufweist: eine rotierende Einheit (51, 53), die integral mit einem Motorrotor (32) um eine Motorzentralachse rotiert; eine Erkennungseinheit zum Erkennen einer Rotationsposition der rotierenden Einheit (51, 53); ein hohler Rotorbereich (35), der sich konzentrisch von einer Wellenstirnfläche des Motorrotors (32) aus erstreckt; und eine Halterung (54), die sich von einem der Wellenstirnfläche gegenüberliegenden Bereich des Motorgehäuses (2) in einen inneren Bereich des hohlen Rotorbereichs (35) erstreckt; wobei die rotierende Einheit (51, 53) im Inneren des hohlen Rotorbereichs (35) an dem Motorrotor (32) befestigt ist; und die Erkennungseinheit im Inneren des hohlen Rotorbereichs (35) in einem Zustand an der Halterung (54) befestigt ist, in dem sie der rotierende Einheit (51, 53) entweder aus einer Richtung entlang der Motorzentralachse oder aus einer radialen Richtung gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass: die rotierende Einheit (51, 53) einen Magneten (51) mit einer ringförmigen äußeren Umfangsfläche hat, der entlang seiner Umfangsrichtung einer mehrpolaren Magnetisierung ausgesetzt worden ist; der Magnet (51) koaxial im Inneren des hohlen Rotorbereichs (35) an dem Motorrotor (32) befestigt ist; die Erkennungseinheit mehrere magnetische Erkennungselemente (52(1)-52(4)) hat, die in festen Abständen um eine ringförmige äußere Umfangsfläche des Magneten (51) angeordnet sind; die Halterung (54) einen zylindrischen Bereich hat (54b), der den Magneten (51) im Inneren des hohlen Rotorbereichs (35) koaxial umgibt; und die magnetischen Erkennungselemente (52(1)-52(4)) in vorgegebenen Winkelintervallen auf einer inneren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs (54b) entlang einer Umfangsrichtung davon befestigt sind.
Vorrichtung zum Erkennen der Rotationsposition eines Motors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: der Magnet (51) ein Dipolmagnet ist, und die magnetischen Erkennungselemente (52(1)-52(4)) wenigstens zwei Hallelemente oder MR-Elemente sind, die in 90°-Winkelintervallen auf der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs (54b) angeordnet sind.