JP2004201374A - モータ内蔵型転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボット等の各種産業機械に使用される回転駆動装置の小型化を低コストで図る。
【解決手段】外輪２２にハウジング２９を介してステータ３０を固定し、内輪２４にハブ２７を介してロータ２８を固定する。そして、これらロータ２８とハウジング２９との間に生じる磁気吸引力により、上記外輪２２と内輪２４とにそれぞれ軸方向に関して互いに反対方向の力を付与する。この様に、１個の玉軸受２６と上記ロータ２８及びステータ３０から成るモータとを一体的に構成すると共に、玉軸受２６に予圧を付与する構造とする。そして、モータ内蔵型転がり軸受装置２０の構造を簡単にすると共に、上記玉軸受２６として安価な深溝型の玉軸受を使用可能にして、上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ロボット等の各種産業機械若しくは自動車等に組み込む、サーボモータ等の回転駆動装置として使用する。特に、本発明は、モータの固定部材に対する回転部材の支持を１個の転がり軸受により行なう構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットや工作機械等の可動部分を制御する為、従来からサーボモータが使用されている。このサーボモータは使用目的に応じて、様々な大きさ、形状を有するが、小型化を図る為にモータの固定部材に対する回転部材の支持を１個の転がり軸受により行なう構造が、特許文献１、２に記載されている。図４は、このうちの特許文献１に記載されたサーボモータ１を示している。このサーボモータ１は、ダイレクトドライブモータと呼ばれるもので、ファクトリーオートメーション（ＦＡ）の分野で使用されるアクチュエータ等に組み込まれて使用される。このサーボモータ１は、使用時に回転しない円筒状の固定部材２に回転部材３を、１個の軸受７により回転自在に支持している。この回転部材３は断面コ字形で全体を円環状に形成しており、外径側円筒部５と内径側円筒部８とを有する。そして、これら外径側円筒部５と内径側円筒部８との間に上記固定部材２の先半部（図４の左半部）を挿入している。この固定部材２の先半部外周面にはステータ４を固定しており、このステータ４の外周面と上記外径側円筒部５の内周面に固定したロータ６の内周面とが、全周に亙って対向している。
上述の様に構成されるサーボモータ１は、上記ステータ４を構成する永久磁石に巻回されたコイルに通電する事により、上記ロータ６を固定した上記回転部材３が回転する。
【０００３】
一方、図５は、上記特許文献２に記載されたサーボモータ１ａを示している。このサーボモータ１ａは、円筒状に形成されたハウジング１３の径方向内側に回転軸１４を配置している。そして、この回転軸１４の一端部（図５の右端部）外周面と、上記ハウジング１３の一端部内周面との間に１個の軸受７ａを設けて、このハウジング１３に対して上記回転軸１４を回転自在に支持している。又、この回転軸１４の他端部（図５の左端部）外周面にロータ６ａを固定し、このロータ６ａと対向した位置で上記ハウジング１３の中間部内周面にステータ４ａを固定している。そして、上述した図４のサーボモータ１と同様に、上記ステータ４ａへの通電により、上記ロータ６ａを固定した上記回転軸１４を回転駆動する。
【０００４】
上述した従来のサーボモータ１、１ａは、回転部材３を固定部材２に対して回転自在に支持する軸受７、若しくは、ハウジング１３に対して回転軸１４を回転自在に支持する軸受７ａとして、それぞれクロスローラ軸受を使用している。このクロスローラ軸受は、円周方向に隣り合うころ同士が互いに９０°傾く様に、互い違いに組み込まれたものであり、負荷能力が高い。従って、上記サーボモータ１、１ａは、上記軸受７、７ａをそれぞれの端部に１個のみ設置しただけで、上記回転部材３若しくは上記回転軸１４を支持する事ができる。この様に、回転部材３若しくは回転軸１４を支持する軸受を１個にする事ができれば、その分上記サーボモータ１、１ａの軸方向寸法が小さくできて、これらサーボモータ１、１ａの小型化を図る事ができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６３−２１３４６１号公報
【特許文献２】
実開昭６２−６８４５５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した様な構造を有するサーボモータ１、１ａは、図４、５及び上述した説明からも明らかな様に、構造が複雑であり、回転部材３若しくは回転軸１４の回転精度が出しづらい。又、部品点数が多くなって製造コストが高くなると共に、より小型化を図る事が難しい。又、上記軸受７、７ａとして、高価なクロスローラ軸受を使用している為、この面からも製造コストが高くなる。更に、このクロスローラ軸受は動トルクが大きく、回転時の発熱量も多い為、このクロスローラ軸受を組み込んだ上記サーボモータ１、１ａは、高速回転に不向きである。これらサーボモータ１、１ａは、高速且つ高精度に作動する事が要求される場合が多い為、この様に高速回転に不向きである事は好ましくない。
本発明のモータ内蔵型転がり軸受装置は、この様な事情に鑑みて発明したものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のモータ内蔵型転がり軸受装置は、外輪と、内輪と、複数個の転動体とを備えた、１個の転がり軸受を有する。
このうちの外輪は、内周面に外輪軌道を設けている。
又、上記内輪は、外周面に内輪軌道を設けている。
又、上記各玉は、上記内輪軌道と外輪軌道との間に転動自在に設けている。
又、上記外輪と内輪とのうち一方の軌道輪が回転輪であり、他方の軌道輪が固定輪である。
又、上記固定輪にステータを、上記回転輪にロータを、それぞれ固定している。
そして、上記固定輪に固定の部分と上記回転輪に固定の部分との間に作用する磁気吸引力により、上記外輪と内輪とに、それぞれ軸方向に力を負荷して、上記転がり軸受に予圧を付与している。
【０００８】
尚、好ましくは、請求項２に記載した様に、上記転がり軸受を、深溝型の玉軸受とする。
更に好ましくは、請求項３に記載した様に、上記ロータとステータとが軸方向に対向する構造とする。
【０００９】
【作用】
上述の様に構成される本発明のモータ内蔵型転がり軸受装置は、一般のモータと同様に、ステータ若しくはロータへ通電する事によりロータが回転する。
特に、本発明の場合には、これらステータとロータとをそれぞれ転がり軸受の固定輪若しくは回転輪に固定して、上記ステータとロータとから成るモータと上記転がり軸受とを一体に形成している為、構造が簡単である。従って、回転輪の回転精度が出しづらくなる事もない。又、部品点数が少なくて済み、コストの上昇を防ぐと共に小型化を図れる。
【００１０】
又、上記固定輪に固定の部分と上記回転輪に固定の部分との間に生じる磁気吸引力により、上記転がり軸受を構成する外輪と内輪とに、それぞれ軸方向に力が負荷される。この為、上記転がり軸受は予圧を付与された状態となる。この様に、転がり軸受に予圧が付与された状態では、この転がり軸受の剛性が向上する。この結果、クロスローラ軸受の様な高価な軸受を使用しなくても、通常の１個の転がり軸受により、上記回転輪を安定して回転させる事ができる。しかも、本発明の場合、上記転がり軸受への予圧の付与は、上記固定輪に固定の部分と上記回転輪に固定の部分との間に作用する磁気吸引力を利用している為、特に予圧を付与する為のばね等を設ける必要がない。
【００１１】
又、請求項２に記載した様に、上記転がり軸受として安価な深溝型の玉軸受を使用すれば、上記モータ内蔵型転がり軸受装置を安価に得る事ができる。又、深溝型の玉軸受は、クロスローラ軸受と比べて動トルクが小さく、運転時の発熱量も少ない為、上記モータ内蔵型転がり軸受装置を高速回転させ易い。
又、請求項３に記載した様に、上記回転輪に固定されたロータと、上記固定輪に固定されたステータとが軸方向に対向する構造とすれば、これらロータとステータとの間に作用する磁気吸引力が、そのまま上記外輪と内輪とにそれぞれ軸方向に負荷する力となる。この為、上記転がり軸受に付与する予圧を大きくする事ができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、請求項１〜３に対応する、本発明の実施の形態の第１例を示している。本例のモータ内蔵型転がり軸受装置２０は、１個の深溝型の玉軸受２６を有する。又、この玉軸受２６は、内周面に深溝型の外輪軌道２１を設けた外輪２２と、外周面に深溝型の内輪軌道２３を設けた内輪２４と、これら内輪軌道２３と外輪軌道２１との間に転動自在に設けた、それぞれが転動体である複数個の玉２５、２５とを備える。本例の場合、上記玉軸受２６を内輪回転としている。この為、上記内輪２４に内嵌固定したハブ２７の内側面（図１の下面）にロータ２８を、上記外輪２２に外嵌固定したハウジング２９の内側面（図１の上面）にステータ３０を、それぞれ固定している。尚、図示の例では、このステータ３０を空芯コイルとしているが、珪素鋼板等のコアにコイルを巻回した構造としても良い。
【００１３】
上記ロータ２８を固定するハブ２７は、鉄やマルテンサイト系ステンレス鋼等の磁性金属製で、断面Ｌ字形で円環状に形成している。即ち、回転側円筒部３１と、この回転側円筒部３１の軸方向一端縁（図の上端縁）から径方向外方に折れ曲がった回転側円輪部３２とから構成される。そして、上記回転側円筒部３１を上記内輪２４の内周面に内嵌固定している。又、上記回転側円輪部３２の内側面（図の下面）径方向外側寄りに、上記ロータ２８を全周に亙って設置している。このロータ２８は、着磁方向を円周方向に亙って交互に変えた、多極磁石としている。
【００１４】
一方、上記ステータ３０を固定するハウジング２９は、上記ハブ２７と同様に、鉄やマルテンサイトステンレス鋼等の磁性金属製である。本例の場合、上記ハウジング２９は、断面コ字形で円環状に形成しており、外側円筒部３３と、内側円筒部３４と、これら各円筒部３３、３４の他端縁（図の下端縁）同士を接続する固定側円輪部３５とから構成される。そして、上記内側円筒部３４を上記外輪２２の外周面に外嵌固定している。又、上記固定側円輪部３５の中間部内側面（図の上面）に上記ステータ３０を、基板３６を介して支持固定している。そして、このステータ３０と上記ロータ２８とを全周に亙って、軸方向に対向させている。又、上記外側円筒部３３の先端部内周面と、上記ハブ２７の外周縁から軸方向他端側（図１の下端側）に折り曲げた鍔部３７の外周面とを近接対向させて、この部分にラビリンスシールを形成している。尚、上記外輪２２と上記ハウジング２９とを、上記内輪２４と上記ハブ２７とを、それぞれ一体に形成しても良い。但し、この場合には、外輪と内輪とを特別に制作する必要があり、コストが高くなる。従って、コストを低く抑える為には、本例の様に、それぞれ別体に形成して、一般の玉軸受を使用する構造の方が好ましい。
【００１５】
又、本例の場合、多極磁石である上記ロータ２８と磁性金属製である上記ハウジング２９との間に磁気吸引力が生じる。そして、この磁気吸引力により、上記内輪２４には図の下向の力が、上記外輪２２には図の上向の力がそれぞれ負荷される。言い換えれば、上記磁気吸引力により上記ハウジング２９とロータ２８とが互いに近づき合う事を、上記玉軸受２６により防いだ状態となる。従って、本例のモータ内蔵型転がり軸受装置２０は、上記玉軸受２６に予圧が付与される。
【００１６】
又、本例の場合、上記ロータ２８及びステータ３０を固定する、上記ハブ２７及びハウジング２９を、上述の様に、それぞれ磁性金属製としている為、磁束が外部に漏れる事がない。即ち、上記ハブ２７及びハウジング２９をそれぞれ磁性金属製とする事により、上記ロータ２８及びステータ３０の磁束がこれらハブ２７及びハウジング２９内に閉じ込められる状態となる。従って、磁束が外部に漏れずに、モータの駆動に有効に使用される。但し、上記ハブ２７及びハウジング２９をそれぞれ、アルミニウム合金やオーステナイト系ステンレス鋼、更には高機能樹脂等の非磁性体とする事も可能である。この場合には、上記ロータ２８と上記ハブ２７を構成する回転側円輪部３２との間に磁性金属板を設ける。又、上記ステータ３０を固定する基板３６と上記ハウジング２９を構成する固定側円輪部３５との間に磁性金属板を設けるか、上記基板３６自体を、鉄等の磁性金属製とする。この様に構成すれば、上記磁束が外部に漏れない様にできる。
【００１７】
又、図示は省略するが、上記モータ内蔵型転がり軸受装置２０には、回転角度や回転速度を検出する為の検出装置を組み込む事ができる。例えば、上記ハブ２７の内側面で、上記ロータ２８から径方向に外れた位置に、永久磁石製のエンコーダを全周に亙って設置する。又、ホール素子、磁気抵抗素子等の磁束の変化に基づいて特性を変化させる磁気検出素子を上記ハウジング２９に、このエンコーダの円周方向１個所に対向させた状態で設置する。この様に構成すれば、回転輪の回転角度及び回転速度を検出して、上記モータ内蔵型転がり軸受装置２０の制御に利用できる。
【００１８】
上述の様に構成される本例のモータ内蔵型転がり軸受装置２０は、一般のモータと同様に、ステータ３０への通電に基づいて、ロータ２８が回転する。
特に、本例の場合には、これらステータ３０を固定したハウジング２９とロータ２８を固定したハブ２７とをそれぞれ玉軸受２６を構成する外輪２２又は内輪２４に、それぞれ直接固定している。そして、上記ステータ３０とロータ２８とから成るモータと上記玉軸受２６とを、一体的に構成している。この為、構造が簡単である。即ち、本例の場合、上記外輪２２とハウジング２９とで固定輪を構成し、上記内輪２４とハブ２７とで回転輪を構成している。そして、この固定輪に上記ステータ３０を、回転輪に上記ロータ２８をそれぞれ固定する構造としている。この様な単純な構成を有する本例の場合、上記回転輪の回転精度を確保し易い。又、部品点数が少ない為、コストの上昇を防ぐと共に、上記モータ内蔵型転がり軸受装置を小型化する事ができる。
【００１９】
又、本例の場合、上記ハウジング２９とロータ２８との間に生じる磁気吸引力により、上記玉軸受２６を構成する、外輪２２と内輪２４とにそれぞれ軸方向に関して互いに反対方向の力が負荷される。この為、上記玉軸受２６は予圧を付与された状態となる。この様に、玉軸受２６に予圧が付与された状態では、この玉軸受２６の剛性が向上する。この結果、前述の図４、５に示した構造の様に、高価なクロスローラ軸受を使用しなくても、一般的に使用される深溝型の玉軸受により、上記ハブ２７を安定して回転させる事ができる。即ち、一般の深溝型の玉軸受を予圧を付与しない状態で使用すると、玉２５、２５が外輪軌道２１及び内輪軌道２３と常には接触せず、これら各玉２５、２５が玉軸受２６内で振動する。この為、この玉軸受２６を安定して回転させる事ができない。この結果、この玉軸受２６から発生する騒音が大きくなったり、この玉軸受２６の振れ回りが大きくなる等の不具合が生じる。これに対して、本例の様に、玉軸受２６を予圧を付与した状態で使用すれば、この様な問題が生じない。しかも、本例の場合、上記玉軸受２６への予圧の付与は、上記ハウジング２９とロータ２８との間に作用する磁気吸引力を利用している為、特に予圧を付与する為のばね等を設ける必要がない。
【００２０】
又、本例の場合、上記玉軸受２６として安価な深溝型の玉軸受を使用している為、上記モータ内蔵型転がり軸受装置２０を安価に得る事ができる。又、深溝型の玉軸受は、上記クロスローラ軸受と比べて動トルクが小さく、運転時の発熱量も少ない為、上記回転輪を高速回転させ易い。更に、本例の場合、上記ロータ２８とステータ３０を固定したハウジング２９とが軸方向に対向する構造としている。従って、これらロータ２８とハウジング２９との間に作用する磁気吸引力が、そのまま上記外輪２２と内輪２４とに、それぞれ軸方向に負荷される。この為、上記玉軸受２６に付与する予圧を十分に大きくできる。この様に、玉軸受２６に付与する予圧を大きくできれば、上記回転輪をより安定して回転させる事ができる。
【００２１】
次に、図２は、請求項１〜３に対応する、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の場合、玉軸受２６を構成する外輪２２を回転輪とし、同じく内輪２４を固定輪としている。この為、ロータ２８を固定したハブ２７ａを上記外輪２２に、ステータ３０を固定したハウジング２９ａを上記内輪２４に、それぞれ固定している。又、本例の場合、上記ハブ２７ａの外周縁部に設けた鍔部３７ａの先端縁と、上記ハウジング２９ａの外周縁部に設けた外側円筒部３３ａの先端縁とを近接対向させて、これら先端縁同士の間にラビリンスシールを形成している。その他の構造及び作用は、上述した第１例と同様である為、同等部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００２２】
次に、図３は、請求項１〜２に対応する、本発明の実施の形態の第３例を示している。本例の場合、ロータ２８ａとステータ３０ａとを径方向に対向させている。又、このステータ３０ａは、珪素鋼板等のコアにコイルを巻回した構造としている。この為に、このロータ２８ａを円筒状に形成し、ハブ２７ｂを構成する円筒部３８の内周面に固定している。又、上記ステータ３０ａをハウジング２９ｂを構成する内側円筒部３４ａの外周面に固定している。この結果、上記ステータ３０ａの径方向外側に、上記ロータ２８ａが配置された状態となる。
【００２３】
本例の場合、これらロータ２８ａとステータ３０ａとの間に生じる磁気吸引力により、外輪２２と内輪２４とにそれぞれ軸方向に関して互いに反対方向の力を負荷する為、磁力が作用する位置に関して、上記ロータ２８ａの中心（磁気中心）と上記ステータ３０ａとの中心（磁気中心）とを軸方向にずらしている。即ち、ロータ２８ａの磁気中心である鎖線αと、ステータ３０ａの磁気中心である鎖線βとを軸方向にずらして、これら鎖線同士が一致しない様にしている。この様に上記ロータ２８ａの磁気中心とステータ３０ａの磁気中心とをずらせば、これらロータ２８ａとステータ３０ａとの間に作用する磁気吸引力により、それぞれの磁気中心同士が互いに近づき合う方向に力が作用する。この結果、上記外輪２２と内輪２４とにそれぞれ軸方向の力が負荷されて、玉軸受２６に予圧が付与される。尚、上記磁気中心同士を軸方向にずらせ過ぎる（鎖線αと鎖線βとの距離が大きくなり過ぎる）と、モータの運転時に発生する電磁音が大きくなる為、上記磁気中心同士を少しだけずらせる事が好ましい。その他の構造及び作用は、前述した第１例と同様である為、同等部分には同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００２４】
尚、本発明のモータ内蔵型転がり軸受装置に組み込む玉軸受２６は、深溝型の玉軸受に限定するものでなく、アンギュラ玉軸受や円すいころ軸受、４点接触式の玉軸受等でも良い。但し、上述した各実施の形態の様に、上記玉軸受２６を、他の型式に比べて安価な深溝型の玉軸受とすれば、装置全体を低コストで造れる。又、例えば、上記玉軸受２６を４点接触式の玉軸受とした場合、ラジアル隙間を有する構造であっても、この玉軸受２６に予圧を付与した状態で使用すれば、玉２５、２５が玉軸受２６内で不安定に振動する事を抑えて、この玉軸受２６を安定して運転させる事ができる。又、４点接触式の玉軸受が負の隙間を有する構造であれば、磁気吸引力の分、この玉軸受２６に作用する予圧を大きくできる。この結果、この玉軸受２６の剛性を向上させる事ができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明のモータ内蔵型転がり軸受装置は、上述の様に構成され作用する為、サーボモータ等のモータを利用した回転駆動装置の小型化を低コストで図れる。この為、設置スペースが限られた場所にも組み込む事ができ、ロボット等の各種産業機械の設計の自由度を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を示す断面図。
【図２】同第２例を示す断面図。
【図３】同第３例を示す断面図。
【図４】従来構造の第１例を示す断面図。
【図５】同第２例を示す断面図。
【符号の説明】
１、１ａ サーボモータ
２ 固定部材
３ 回転部材
４、４ａ ステータ
５ 外径側円筒部
６、６ａ ロータ
７、７ａ 軸受
８ 内径側円筒部
９ 回転検出装置
１３ ハウジング
１４ 回転軸
２０ モータ内蔵型転がり軸受装置
２１ 外輪軌道
２２ 外輪
２３ 内輪軌道
２４ 内輪
２５ 玉
２６ 玉軸受
２７、２７ａ、２７ｂ ハブ
２８、２８ａ ロータ
２９、２９ａ、２９ｂ ハウジング
３０、３０ａ ステータ
３１ 回転側円筒部
３２ 回転側円輪部
３３、３３ａ 外径側円筒部
３４、３４ａ 内側円筒部
３５ 固定側円輪部
３６ 基板
３７、３７ａ 鍔部
３８ 円筒部

Claims (3)

1. 内周面に外輪軌道を設けた外輪と、外周面に内輪軌道を設けた内輪と、これら内輪軌道と外輪軌道との間に転動自在に設けた複数個の転動体とを備えた１個の転がり軸受を有し、上記外輪と内輪とのうち一方の軌道輪が回転輪であり、他方の軌道輪が固定輪であり、この固定輪にステータを、上記回転輪にロータを、それぞれ固定し、これら固定輪に固定の部分と回転輪に固定の部分との間に作用する磁気吸引力により、上記外輪と内輪とにそれぞれ軸方向に力を負荷して、上記転がり軸受に予圧を付与した事を特徴とするモータ内蔵型転がり軸受装置。
2. 転がり軸受が深溝型の玉軸受である、請求項１に記載したモータ内蔵型転がり軸受装置。
3. ロータとステータとが軸方向に対向している、請求項１〜２の何れかに記載したモータ内蔵型転がり軸受装置。

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