JP2005039973A - 角度センサ付きモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 出力シャフトの回転角度を精度よく検出する角度センサ付きモータを提供する。
【解決手段】 出力シャフト６は、ＤＣモータ２によって回転される。出力シャフト６にはスリット板１２が固定され、出力シャフト６が貫通する基板１７は、スリット板１２に対向して配置されている。基板１７には、アーム１８を介してＬＥＤホルダプレート１９が取り付けられている。ＬＥＤホルダプレート１９にはＬＥＤ２１が取り付けられ、基板１７には受光素子２２が取り付けられ、ＬＥＤ２１と受光素子２２とは対向している。さらに、出力シャフト６が貫通してこの出力シャフト６を支持する軸受１６が、基板１７に取り付けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に、ロボットの関節等に用いる小型の角度センサ付きモータに関する。

従来、出力シャフトの回転角度を検出する角度センサが一体的に取り付けられたモータとして、例えば特許文献１に記載の技術がある。また、出力シャフトの回転角度を光学的に検出する角度センサとして、例えば特許文献２，３に記載の技術がある。

光学的に角度を検出するセンサを備えたモータにおいて、スリットが形成されたスリット板は、出力シャフトに対して固定されると共に、出力シャフトと一緒に回転し、発光素子から出射した光は、スリット板のスリットを通過した後、受光素子によって検出される。このとき、スリットの変位に伴って、受光素子によって検出される光の位置が変化し、光の検出位置に基づいて、出力シャフトの回転角度が検出される。
実開昭５８−１５３５６１号公報 特許第２９７２４８０号公報 特開平６−３４１８５８号公報

このような角度センサ付きモータでは、スリット板が出力シャフト側に固定され、発光素子及び受光素子は、出力シャフトの影響を受けないようにするため、ハウジング側に固定されている。この場合、出力シャフトの軸ブレが発生すると、出力シャフトに固定されたスリット板にもブレが発生する一方で、受光素子及び発光素子は、出力シャフトの影響を受けないハウジングに固定されているので、受光素子によって検出される光の位置にずれが生じる。その結果、検出される回転角度に誤差が生じてしまう。特に、出力シャフトの軸ブレが必然的に大きくなるモータ構造の場合に問題となる。

そこで、本発明は、出力シャフトの回転角度を精度よく検出する角度センサ付きモータを提供することを目的とする。

本発明に係る角度センサ付きモータは、出力シャフトを回転させるモータ本体と、出力シャフトに固定された回転板と、出力シャフトが貫通すると共に、回転板に対向して配置された基板と、基板に一体的に固定されると共に、回転板と協働で出力シャフトの回転角度を検知する角度センサと、基板に取り付けられると共に、出力シャフトが貫通してシャフトを支持する軸受とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、モータ本体の駆動によって出力シャフトが回転し、回転板も出力シャフトと一緒に回転する。また、角度センサは、回転板と協働して出力シャフトの回転角度を検出する。ここで、角度センサにより出力シャフトの回転角度を検出するためには、角度センサは回転板に対して静止していなければならない。そこで、角度センサが固定された基板に出力シャフトの回転が伝わらないようにするべく、基板には、出力シャフトを支持する軸受が取り付けられている。さらに、出力シャフトに軸ブレが発生すると、回転板も軸ブレに応じてブレ（波打ち現象）が生じる。このとき、角度センサと一体的に固定された基板は軸受に取り付けられているため、出力シャフトに軸ブレが発生すると、基板も軸ブレに応じて波打ちが発生する。よって、回転板の位置と基板に一体的に取り付けられた角度センサの位置とは、出力シャフトの軸ブレの影響を同じように受けることになる。したがって、出力シャフトに軸ブレが生じたとしても、出力シャフトと回転板と角度センサとの相対的位置関係が変化しないため、出力シャフトの回転角度を精度よく検出することができる。このような構成は、スペース的な制限の多い小型のモータにおいて、特に優れた効果を発揮する。

また、角度センサ付きモータにおいて、出力シャフトを中心として基板が回転方向に変位するのを規制する付勢手段を更に備えることが好ましい。この構成によれば、回転板の波打ち現象に基板を追従させながら、基板が回転方向に変位することを適切に規制することができる。

また、このような角度センサ付きモータにおいて、付勢手段は、板バネによって構成され、板バネは、回転板を包囲するハウジングに固定される胴部と、ハウジングから突出する基板の突出部を挟み込むように、突出部の側面に当接される押圧部とを有するとよい。この構成により、モータに付勢手段をワンタッチで装着することができ、板バネの押圧部が基板の突出部を挟み込むように当接されるので、押圧部によって、基板が出力シャフトの回転方向に変位することが適切に規制される。したがって、回転方向における角度センサの位置は確実に規制され、出力シャフトの回転角度を精度よく検出することができる。

また、付勢手段は、断面Ｕ字状の板バネによって構成され、板バネは、回転板を包囲するハウジングの前端に当接する板状の第１のバネ部と、基板に当接する板状の第２のバネ部と、第１のバネ部と第２バネ部とを連結する曲げ部とを有するとよい。このような板バネによっても、基板が出力シャフトの回転方向に変位することを適切に規制することができる。さらに、ハウジング内に板バネを収容することもできる。

また、角度センサ付きモータにおいて、回転板は、出力シャフトの軸線に略直交するように配置されたスリット板であって、スリット板には螺旋状のスリットが形成されており、角度センサは、スリット板を挟むように対向して配置された発光素子及び受光素子であるとよい。この構成により、出力シャフトの回転に伴ってスリット板のスリットも回転するため、受光素子上における光の受光位置が変化し、検出される光の位置によって、出力シャフトの回転角度を光学的に検出することができる。

さらに、基板側には受光素子が固定され、基板に一体的に設けられたホルダ部側には発光素子が固定されているとよい。ホルダ部の採用によって角度センサは基板に一体的に固定される。

あるいは、角度センサ付きモータにおいて、回転板は、出力シャフトの軸に略直交するように配置された永久磁石板であって、永久磁石板は多極に着磁されており、角度センサは、出力シャフトの回転に伴う永久磁石板の回転によって生じる磁気変化を検出する磁気検出素子であるとよい。この場合、出力シャフトの回転に伴って永久磁石板も回転されるため、磁気検出素子によって検出される磁気は、回転板の回転角度に応じて変化する。したがって、磁気検出素子によって検出される磁気に基づいて、出力シャフトの回転角度を検出することができる。

本発明に係る角度センサ付きモータによれば、出力シャフトの回転角度を精度よく検出することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る角度センサ付きモータの好適な実施形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態に係る角度センサ付きモータ１について、図１〜７を参照して説明する。図１に示すように、角度センサ付きモータ１は、直径１０〜３０ｍｍ程度の小型のＤＣモータ（モータ本体）２を有している。このＤＣモータ２には、遊星歯車機構Ａが接続されている。この遊星歯車機構Ａにおいて、ＤＣモータ２のシャフト３に設けられた太陽ギア３ａは、３個の遊星ギア４に連結され（図２参照）、その遊星ギア４は、キャリアを介してトルクリミッタ５に連結されている。ＤＣモータ２、遊星ギア４、及びトルクリミッタ５の連結によって、ＤＣモータ２のシャフト３の回転は、トルクリミッタ５から突出する出力シャフト６に伝達され、ＤＣモータ２による出力シャフト６の減速回転が達成される。そして、出力シャフト６の回転に対して、急激な制動がかかった場合、トルクリミッタ５によって、急激な制動トルクが遊星ギア４及びＤＣモータ２に伝達されることがなく、遊星ギア４及びＤＣモータ２の破損が防止される。

遊星ギア４及びトルクリミッタ５はハウジング７に収容され、出力シャフト６の基端部は第１の軸受８によって保持され、第１の軸受８は、支持体９を介してハウジング７に固定されている。出力シャフト６には、支持体９に当接する抜け止めリング１１が嵌め込まれている。さらに、出力シャフト６には、ハウジング７によって包囲される円盤状のスリット板（回転板）１２が固定されている。スリット板１２は、出力シャフト６の軸線に対して略直交するように配置され、スリット板１２には、光の通過を可能にする螺旋状のスリット１３及び円弧状のスリット１４が形成されている（図３参照）。

出力シャフト６が貫通する基板（駆動回路基板）１７は、出力シャフト６の軸線に対して直交するように配置されると共に、スリット板１２に対して平行に配置されている。この基板１７の貫通孔１７ｃには円筒状の第２軸受１６が圧入され、出力シャフト６は第２の軸受１６内に挿入され、第２の軸受１６によって出力シャフト６は支持されている。さらに図４に示すように、この基板１７は、第２の軸受１６を中央に配置する円盤部１７ａと、円盤部１７ａから径方向に延在してハウジング７から突出する突出部１７ｂとからなる。基板１７には、突出部１７ｂから出力シャフト６の軸線に対して平行に延在する４本のアーム１８を介して、ＬＥＤホルダプレート（ホルダ部）１９が一体的に設けられている。基板１７とＬＥＤホルダプレート１９との間にスリット板１２が配置され、基板１７とＬＥＤホルダプレート１９とスリット板１２とは、互いに対向して平行に配置されている。

ＬＥＤホルダプレート１９には、発光素子であるＬＥＤ（角度センサの一部）２１が固定され、基板１７には、縦長の受光面２２ａを有する受光素子２２（角度センサの一部）が固定され、発光素子２１と受光素子２２との間にスリット板１２が配置される。従って、ＬＥＤホルダプレート１９の採用により、ＬＥＤ２１と受光素子２２との位置関係は変化せず、スリット板１２のスリット１３，１４を通過した光を受光面２２ａに確実に入射させることができる。この場合、基板１７を第２の軸受１６に取り付けたのは、ＬＥＤ２１及び受光素子２２が固定された基板１７に出力シャフト６の回転が伝わらないようにするためであり、出力シャフト６の軸ブレに追従して、基板１７に波打ち現象を発生させるためである。

ここで、スリット板１２のスリット１３が螺旋状であることに起因して、受光素子２２の受光面２２ａに入射する光の位置は、スリット板１２の回転角度すなわち出力シャフト６の回転角度によってラジアル方向に変化する。したがって、受光素子２２の受光面２２ａにより検出される光の位置によって、スリット板１２の回転角度、すなわち出力シャフト６の回転角度が検出される。なお、ＬＥＤ２１へ電流を供給するリード線２３（図１参照）は、基板１７の裏面からアーム１８及びＬＥＤホルダプレート１９に沿って這わされ、ＬＥＤ２１に接続されている。さらに、受光素子２２によって出力された検出信号は図示しないリード線を介して外部に導出される。

また、図５〜図７に示すように、基板１７の突出部１７ａは、ハウジング７に設けられた開口部７ａから突出し、基板１７の回転規制は、突出部１７ａが開口部７ａの壁面７ｂに当接することで概ね達成されている。しかしながら、ハウジング７に対して基板１７をしっかりと固定させる場合は板バネ（付勢手段）２４が利用される。この板バネ２４は、円環状に形成された胴部２４ａと、胴部２４ａの両側に形成された起立部２４ｂ，２４ｃと、起立部２４ｂ，２４ｃの先端で内側にＵ字状に折り曲げられた押圧部２４ｄ，２４ｅにより構成される。そして、板バネ２４の胴部２４ａは、ハウジング７に付勢力をもって圧着され、押圧部２４ｄ，２４ｅによって基板１７の突出部１７ｂが挟み込まれ、起立部２４ｂ，２４ｃの弾発力により、基板１７は出力シャフト６を中心として回転方向に変位することが規制される。このような構成の板バネ２４は、モータ１のハウジング７にワンタッチで装着することができる。

なお、図１に示すように、出力シャフト６の先端部に形成された雄ネジには、雌ネジが形成された円筒状の出力部２５が取り付けられている。この出力部２５によって、軸受１６が出力シャフト６から抜け出ないようになっている。さらに、ハウジング７の先端には、出力軸２５を貫通させるカバー２６が装着されている。

次に、角度センサ付きモータ１の動作について説明する。

ＤＣモータ２を駆動させ、ＤＣモータ２のシャフト３を回転させると、遊星ギア４及びトルクリミッタ５を介して、出力シャフト６が回転される。すると、出力シャフト６に固定されたスリット板１２が、出力シャフト６と一緒に回転する。なお、スリット板１２は出力シャフト６に固定されているので、スリット板１２の回転角度と出力シャフト６の回転角度は同一である。また、ＤＣモータ２の駆動に同期して、ＬＥＤ２１から出射した光のうちスリット板１２のスリット１３，１４を通過した光は受光素子２２によって検出される。そして、スリット１３，１４の回転変位に伴って、受光素子２２の受光面２２ａに入射される光の位置が変化し、受光素子２２は光の変位に基づいて、検出信号を外部に出力する。

この場合の出力シャフト６は、遊星歯車機構Ａ及びトルクリミッタ５の精度誤差により、軸ブレを引き起こしやすいが、第２の軸受１６の採用により、出力シャフト６の軸ブレに追従して、スリット板１２と基板１７とに波打ち現象が生じ、このとき、ＬＥＤ２１もホルダ部１９を介して出力シャフト６の軸ブレの影響を同程度受けることになる。したがって、出力シャフト６に軸ブレが生じたとしても、スリット板１２とＬＥＤ２１と受光素子２２との相対的位置関係が変化し難いため、出力シャフト６の回転角度を精度よく検出することができる。前述したような構成は、スペース的な制限の多い小型のモータにおいて特に優れた効果を発揮する。

以上、第１の実施形態について具体的に説明したが、これに限られない。例えば、ＬＥＤ２１と受光素子２２の位置を逆にして対向させて配置してもよい。また、スリット板１２に形成されたスリットは２つであったが、１つの螺旋状スリットであってもよく、あるいは３つ以上の螺旋状あるいは円弧状のスリットであってもよい。
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態に係る角度センサ付きモータ３０について、図８及び図９を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。

第２の実施形態の角度センサ付きモータ３０において、第１の実施形態の角度センサ付きモータ１と異なる点は、角度センサが磁気的に回転角度を検出するセンサである点である。すなわち図８に示すように、出力シャフト６には、出力シャフト６の軸線に対し略直交する円盤状の永久磁石板板（回転板）３１が固定されている。この永久磁石板板３１は、図９に示すように、片側に半円のＮ極が着磁され、他方の片側に半円のＳ極が着磁されている。そして、着磁された面は基板１７側に向けられている。また、基板１７には、永久磁石板板３１に対向するように、磁気検出素子（角度センサ）３２が取り付けられている。この永久磁石板板３１と磁気検出素子３２とは、接触しなように所定の間隙Ｌだけ離間され、磁気検出素子３２は、出力シャフト６の回転に追従する永久磁石板３１の回転によって生じる磁気変化を検出し、検出信号を外部に出力する。

次に、角度センサ付きモータ３０の動作について説明する。

ＤＣモータ２を駆動させ、ＤＣモータ２のシャフト３を回転させると、遊星ギア４及びトルクリミッタ５を介して、出力シャフト６が回転される。すると、出力シャフト６に固定された円盤状の永久磁石板３１が、出力シャフト６と共に回転する。なお、永久磁石板３１は出力シャフト６に固定されているので、出力シャフト６の回転角度と永久磁石板３１の回転角度とは同じである。そして、永久磁石板３１の回転によって生じる磁気変化を磁気検出素子３２が検出し、検出信号を出力する。ここで、磁気検出素子３２は、出力シャフト６を支持するための第２の軸受１６に取り付けられた基板１７に固定されている。そのため、出力シャフト６の回転は基板１７には伝わらず、回転方向において磁気検出素子３２が変位しないようになっている。

この場合、第１の実施形態と同様に、第２の実施形態の角度センサ付きモータ３０にあっても、出力シャフト６は、遊星歯車機構Ａ及びトルクリミッタ５の精度誤差により軸ブレを引き起こしやすいが、出力シャフト６の軸ブレに追従して、基板１７と永久磁石板３１とに波打ち現象が生じる。そして、永久磁石板３１と基板１７に一体的に取り付けられた磁気検出素子３２とは、出力シャフト６の軸ブレの影響を同程度に受けることになる。したがって、出力シャフト６に軸ブレが生じたとしても、永久磁石板３１と磁気検出素子３２との相対的位置関係は変化し難いため、出力シャフト６の回転角度を精度よく検出することができる。

以上、第２の実施形態について具体的に説明したが、これに限られない。例えば、円盤状の永久磁石板３１は、２極に着磁されていたが、これに限られず、扇状にＮ極，Ｓ極，Ｎ極，Ｓ極・・・と多極に着磁されていてもよい。

本発明は、前述した第１及び第２の実施形態に限定されるものではない。例えば、図１０〜図１２に示すように、他の付勢手段４０によって、基板１７が回転方向に変位するのを規制することもできる。この付勢手段４０は、断面Ｕ字状の板バネによって構成され、この板バネ４０は、中央に矩形の開口部４１をもったバネ板をＵ字状に折り曲げることで成形されている。また、出力シャフト６は、その軸線に対して径方向に延在する開口部４１を貫通するように延在し、板バネ４０の一端（板状の第１のバネ部）４０ａは、ハウジング７の一部をなすカバー２６の内壁面２６ａに当接し、板バネ４０の他端（板状の第２のバネ部）４０ｂは基板１７に当接する。そして、第１のバネ部４０ａと第２バネ部４０ｂとは、Ｕ字状の曲げ部４０ｃによって連結されている。このような板バネ４０は、ハウジング７内に収容することができる。

さらに、Ｕ字状の第１のバネ部４０ａには固定用のピン孔４２が形成され、カバー２６から突出する突起部４３をピン孔４２内に挿入して先端を押し潰すことで、第１のバネ部４０ａはハウジング７側に固定され、Ｕ字状の第２のバネ部４０ｂを基板１７に半田付けすることで、第２のバネ部４０ｂは基板１７側に固定される。このような板バネ４０によって、基板１７の回転方向の変位が規制される。なお、開口部４１の大きさの変更、板バネ４０の肉厚の変更によって、バネ圧を適宜調整することができる。

本発明に係る角度センサ付きモータは、例えば、折り曲げ角度の検出が必要とされるロボットアームの関節機構等に用いることができる。

本発明に係る角度センサ付きモータの第１の実施形態を示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１に示した角度センサ付きモータに適用するスリット板を示す平面図である。 図１に示す角度センサ付きモータに適用するホルダ部を示す斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図１に示す角度センサ付きモータの基板を板バネで固定した状態を示す図である。 図１に示す角度センサ付きモータの板バネを示す側面図である。 本発明に係る角度センサ付きモータの第２の実施形態を示す断面図である。 図８に示す角度センサ付きモータに適用する永久磁石板（回転板）を示す図である。 本発明に係る角度センサ付きモータの第３の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る角度センサ付きモータに適用する板バネの変形例を示す斜視図である。 図１１に示した板バネを基板に固定した状態を示す平面図である。

符号の説明

１，３０…角度センサ付きモータ、２…ＤＣモータ（モータ本体）、６…出力シャフト、７…ハウジング、８…第１の軸受、１２…スリット板（回転板）、１３…スリット、１４…スリット、１６…第２の軸受、１９…ＬＥＤホルダプレート（ホルダ部）、１７…基板、２１…ＬＥＤ（発光素子、角度センサ）、２２…受光素子（角度センサ）、２４…板バネ（付勢手段）、３１…永久磁石板（回転板）、３２…磁気検出素子（角度センサ）、４０…板バネ（付勢手段）、４０ａ…第１のバネ部、４０ｂ…第２のバネ部、４０ｃ…曲げ部。

Claims (7)

1. 出力シャフトを回転させるモータ本体と、
   前記出力シャフトに固定された回転板と、
   前記出力シャフトが貫通すると共に、前記回転板に対向して配置された基板と、
   前記基板に一体的に固定されると共に、前記回転板と協働で前記出力シャフトの回転角度を検知する角度センサと、
   前記基板に取り付けられると共に、前記出力シャフトが貫通して前記シャフトを支持する軸受とを備えたことを特徴とする角度センサ付きモータ。
2. 前記出力シャフトを中心として前記基板が回転方向に変位するのを規制する付勢手段を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の角度センサ付きモータ。
3. 前記付勢手段は、板バネによって構成され、前記板バネは、前記回転板を包囲するハウジングに固定される胴部と、前記ハウジングから突出する前記基板の突出部を挟み込むように、前記突出部の側面に当接される押圧部とを有することを特徴とする請求項２記載の角度センサ付きモータ。
4. 前記付勢手段は、断面Ｕ字状の板バネによって構成され、前記板バネは、前記回転板を包囲するハウジングの前端に当接する板状の第１のバネ部と、前記基板に当接する板状の第２のバネ部と、第１のバネ部と第２バネ部とを連結する曲げ部とを有することを特徴とする請求項２記載の角度センサ付きモータ。
5. 前記回転板は、前記出力シャフトの軸に略直交するように配置されたスリット板であって、前記スリット板には螺旋状のスリットが形成されており、
   前記角度センサは、前記スリット板を挟むように対向して配置された発光素子及び受光素子であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の角度センサ付きモータ。
6. 前記基板側には前記受光素子が固定され、前記基板に一体的に設けられたホルダ部側には前記発光素子が固定されていることを特徴とする請求項５記載の角度センサ付きモータ。
7. 前記回転板は、前記出力シャフトの軸に略直交するように配置された永久磁石板であって、前記永久磁石板は多極に着磁されており、
   前記角度センサは、前記出力シャフトの回転に伴う前記永久磁石板の回転によって生じる磁気変化を検出する磁気検出素子であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の角度センサ付きモータ。
   
   
   

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