JP2009213190A

JP2009213190A - モータ装置

Info

Publication number: JP2009213190A
Application number: JP2008050555A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Furuta; 貴之古田; Kengo Toda; 健吾戸田; Hideaki Yamato; 秀彰大和; Masaharu Shimizu; 正晴清水; Hisashi Okumura; 悠奥村
Original assignee: Chiba Institute of Technology
Current assignee: Chiba Institute of Technology
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】バックラッシュによる位置精度の低下を抑えることが可能なモータ装置を提供する。
【解決手段】第１ギアが設けられた出力軸と、前記第１ギアと噛み合う第２ギアを駆動するための第１モータと、前記第１ギアと噛み合う第３ギアを駆動するための第２モータと、前記第２ギアの歯面及び前記第３ギアの歯面が、前記第１ギアの回転方向において当該第１ギアの互いに異なる側の歯面と接触しつつ前記出力軸を回転させるべく前記第１モータと前記第２モータとを制御するためのコントローラと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ギアを介して出力軸を回転させるためのモータ装置に関する。

ギアを介して出力軸を回転させるためのモータ装置としては、モータ軸と出力軸との間に減速機が介在されたモータ装置が知られている。このようなモータ装置を用いた機構において、モータによる、より正確な位置制御が求められる場合がある。

減速装置等を備えモータ軸と出力軸との間にギアが介在されたモータ装置では、一対のギアを無理なく回転させるために、かみ合わせた歯面間に「遊び」所謂バックラッシュが設けられている。しかしながら、バックラッシュを有するモータ装置は、バックラッシュの分だけ位置精度が低下するという課題がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、バックラッシュによる位置精度の低下を抑えることが可能なモータ装置を提供することである。

主たる本発明は、第１ギアが設けられた出力軸と、前記第１ギアと噛み合う第２ギアを駆動するための第１モータと、前記第１ギアと噛み合う第３ギアを駆動するための第２モータと、前記第２ギアの歯面及び前記第３ギアの歯面が、前記第１ギアの回転方向において当該第１ギアの互いに異なる側の歯面と接触しつつ前記出力軸を回転させるべく前記第１モータと前記第２モータとを制御するためのコントローラと、を有することを特徴とするモータ装置である。

本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。

本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも次のことが明らかにされる。

第１ギアが設けられた出力軸と、前記第１ギアと噛み合う第２ギアを駆動するための第１モータと、前記第１ギアと噛み合う第３ギアを駆動するための第２モータと、前記第２ギアの歯面及び前記第３ギアの歯面が、前記第１ギアの回転方向において当該第１ギアの互いに異なる側の歯面と接触しつつ前記出力軸を回転させるべく前記第１モータと前記第２モータとを制御するためのコントローラと、を有することを特徴とするモータ装置。

このようなモータ装置によれば、第１ギアが設けられた出力軸は、第１ギアと噛み合う第２ギア及び第３ギアにより回転されるが、第２ギアを駆動するための第１モータ及び第３ギアを駆動するための第２モータは、第２ギアの歯面及び第３ギアの歯面と接触する第１ギアの歯面が、第１ギアの回転方向において互いに異なる側の歯面となるようにコントローラに制御される。このため、出力軸が回転する際には、第１ギアは回転方向における正転方向及び反転方向にいずれも第２ギア又は第３ギアにて規制されつつ回転する。このため、第１ギアが設けられた出力軸は遊びがない状態で回転するので、バックラッシュがない状態と同様に出力軸を精度良く回転及び位置制御することが可能である。よって、バックラッシュによる位置精度の低下を抑えることが可能なモータ装置を提供することである。

ところで、バックラッシュを抑える方法として、噛み合っている２つのギア同士の歯面が互いに当接するように、付勢部材にて予め付勢しておく方法も考えられるが、付勢部材による付勢力は、経時によるギアの摩耗等により変化する畏れがある。上記本発明によれば、第１ギアに噛み合う第２ギアと第３ギアとを駆動するためのモータの制御によって、動作させる際の機構の状態に対応させてギア間の遊びを吸収させることが可能である。

かかるモータ装置であって、前記出力軸にはエンコーダが設けられ、前記エンコーダの出力に基づいて、前記第１モータと前記第２モータとが、前記コントローラに制御されることが望ましい。
このようなモータ装置によれば、出力軸に設けられたエンコーダの出力に基づいて、より高精度に且つ適切に出力軸を駆動することが可能である。

かかるモータ装置であって、前記第１モータ及び前記第２モータは、回転すべき目標角度に対する前記エンコーダの出力に基づいて前記コントローラに制御され、前記第１モータと前記第２モータとの前記目標角度は異なることが望ましい。
このようなモータ装置によれば、第１ギアと噛み合う第２ギアを駆動する第１モータと、第１ギアと噛み合う第３ギアを駆動する第２モータとが、互いに異なる目標角度に基づいて制御されるので、第１モータと第２モータとに互いに異なる回転動作をさせることが可能である。このため、第１モータと第２モータとを異なる目標角度に基づく簡単な制御にて駆動することにより、第１ギアと第２ギア及び第３ギアとの遊びをなくして精度良く回転させることが可能である。

かかるモータ装置であって、前記第１ギアと前記第２ギアとの間または前記第１ギアと前記第３ギアとの間には、他のギアが介在されていることが望ましい。
このようなモータ装置によれば、第１ギアと第２ギアとの間または第１ギアと第３ギアとの間に、他のギアが介在されているので、第１ギアと、第２ギア及び第３ギアと、他のギアとのギア比を調整することにより、第１モータ及び第２モータの出力を減速又は増速して出力軸に伝達することが可能である。

かかるモータ装置であって、前記第１モータと前記第２モータとに供給される電流を検出する検出部を有し、前記検出部の検出結果に基づいて前記第１モータと前記第２モータとが、前記コントローラに制御されることが望ましい。
このようなモータ装置によれば、第１モータと第２モータとが供給される電流に基づいても制御されるので、より高精度な制御が可能である。

＝＝＝モータ装置＝＝＝
図１、図２を用いて、本実施の形態に係るモータ装置の一実施形態について、その概要を説明する。図１は、本実施形態に係るモータ装置のメカ構成の概要を示すモデル図である。図２は、本実施形態に係るモータ装置を説明するためのブロック図である。尚、図１においては構成を明確に示すために、エンコーダ５０のスリット円盤５１の背後に位置するものも実線にて示している。

本実施形態のモータ装置１は、図１、図２に示すように、第１ギア１０が設けられた出力軸１５と、第１ギア１０と噛み合う第２ギア２０を駆動するための第１モータ２２及びモータドライバ２４と、第１ギア１０と噛み合う第３ギア３０を駆動するための第２モータ３２及びモータドライバ３４と、第１モータ２２及び第２モータ３２を制御するためのサーボコントローラ４０と、出力軸１５の回転を検出するためのエンコーダ５０と、各モータドライバ２４、３４から第１モータ２２又は第２モータ３２に供給される電流を検出するための検出部としての電流センサ５３と、サーボコントローラ４０への入力装置５４と、を有している。

本実施形態では、第１モータ２２のモータ軸２３に第２ギア２０が直接取り付けられ、第２モータ３２のモータ軸３３に第３ギア３０が直接取り付けられている。このため、第１ギア１０と第２ギア２０とにて減速機が構成され、第１ギア１０と第３ギア３０とにて減速機が構成されているが、第１ギア１０と第２ギア２０との間または第１ギア１０と第３ギア３０との間に他のギアを介在させて減速機を構成しても良い。また、本実施形態では、第２ギア２０と第３ギア３０とに同じ歯数のギアを用いて、同じ減速比を有する減速機を構成している。

第１モータ２２及び第２モータ３２は、出力軸１５に設けられたエンコーダ５０の出力信号に基づいて、サーボコントローラ４０により制御されるサーボ機構をなすＤＣモータである。本実施形態では、第１モータ２２と第２モータ３２とに同一仕様のＤＣモータが用いられている。

エンコーダ５０は、出力軸１５に設けられ複数のスリットが円周方向に等間隔に並べて形成されたスリット円盤５１と、スリット円盤５１を挟むように発光素子と受光素子とが対向して設けられた光学センサ５２とを有し、出力軸１５が回転することにより発光素子と受光素子との間を通過するスリットに応じてパルス信号が出力される。出力されたパルス信号はサーボコントローラ４０に入力される。

電流センサ５３は、モータドライバ２４、３４から第１モータ２２及び第２モータ３２に供給される電流を検出して検出結果に基づく信号をサーボコントローラ４０に出力する。

モータ装置１は、出力軸１５を回転させるべく、第１モータ２２と第２モータ３２とを回転させる目標角度θをサーボコントローラ４０に接続された外部の入力装置５４から入力して動作させる。このとき、第１モータ２２と第２モータ３２とは異なる目標角度θ_１、θ_２が入力される。

例えば、出力軸を３５°回転させたい場合には、第１モータ２２の目標角度θ_１として３７°を、また、第２モータ３２の目標角度θ_２として３３°をそれぞれ入力装置５４からサーボコントローラ４０に入力する。

サーボコントローラ４０は、入力された目標角度θにとなるように第１モータ２２及び第２モータ３２に電流を供給するための指令信号ｓを生成してモータドライバ２４、３４に送出する。このとき、第１モータ２２用のモータドライバ２４と第２モータ３２用のモータドライバ３４とには異なる指令信号ｓが送出される。

図３は、第１モータ２２と第２モータ３２との制御方法の一例を説明するための図である。図４は、各ギアの噛み合いを説明するための図である。

目標角度θ_１、θ_２が互いに相違する第１モータ２２用のモータドライバ２４と第２モータ３２用のモータドライバ３４とには、所定時間ｔ_ｘに目標角度θ_１、θ_２回転するように、図３に示すように制御される。すなわち、第１モータ２２と第２モータ３２とは所定時間ｔ_ｘ経過後に、それぞれ目標角度θ_１、θ_２だけ回転して停止するように制御され、目標角度θ_１、θ_２の相違分は、第１モータ２２と第２モータ３２が回転し始める際の角加速度を相違させることにより実現している。

具体的には、第１モータ２２及び第２モータ３２が効率よく回転する一定の角速度ω_ｘにて駆動されるが、一定の角速度ω_ｘまで加速されるまでの時間が異なるように角加速度が設定されている。上述した例のように、第１モータ２２の目標角度θ_１として「３７°」が、第２モータ３２の目標角度θ_２として「３３°」が入力された場合には、第１モータ２２の方が第２モータ３２より大きな角加速度が設定される。

そしてサーボコントローラ４０からは、各々の角加速度に基づいた指令信号ｓが第１モータ２２用のモータドライバ２４と第２モータ３２用のモータドライバ３４とにそれぞれ送出される。モータドライバ２４、３４は、各指令信号ｓに基づいてサーボコントローラ４０が有する基準周波数に同期させて各々のモータ２２、３２に電流を供給していく。

本実施形態では、モータドライバ２４、３４から第１モータ２２及び第２モータ３２に供給される電流を電流センサ５３にて検出し、検出結果がサーボコントローラ４０にフィードバックされ、サーボコントローラ４０の指令信号ｓに基づく電流が第１モータ２２及び第２モータ３２に供給されるように制御されている。

角加速度が異なる指令信号ｓに基づいてモータドライバ２４、３４に駆動される第１モータ２２と第２モータ３２とは、一定の角速度ω_ｘに到達するまでは一周期にて回転されるべき回転量が相違するため、個々には異なる動作をするように制御される。ところが、第１モータ２２に設けられた第２ギア２０と第２モータ３２に設けられた第３ギア３０とが単一の第１ギア１０と噛み合っているため、第２ギア２０の歯面及び第３ギア３０の歯面が第１ギア１０の歯面と接触した後は、同一の角速度にて第１ギア１０とともに回転する。このため、モータドライバ２４、３４から電流が供給されて、第１モータ２２及び第２モータ３２が回転し始めた直後は、角加速度の相違により第１モータ２２と第２モータ３２とが異なる角速度にて回転することにより、第１ギア１０と第２ギア２０との間におけるバックラッシュ及び第１ギア１０と第３ギア３０との間におけるバックラッシュが吸収され始め、第２ギア２０の歯面及び第３ギア３０の歯面と第１ギア１０の歯面とが接触する。このとき、図４に示すように、第２ギア２０の歯面２１及び第３ギア３０の歯面３１が、第１ギア１０の回転方向において当該第１ギア１０の互いに異なる側の歯面１１、１２と接触する。本実施形態の例では、第２ギア２０の歯面２１は第１ギア１０の回転方向において後方側となる歯面１１と接触し、第３ギア３０の歯面３１は第１ギア１０の回転方向において先方側となる歯面１２と接触する。このため、第１ギア１０と第２ギア２０及び第３ギア３０とが接触した状態では、第１ギア１０及び出力軸１５は、駆動されるべき正転方向への回転が第３ギア３０により規制され、駆動されるべき反転方向への回転が第２ギア２０により規制される。そして、第１ギア１０と第２ギア２０及び第３ギア３０とが接触した後は、第１ギア１０及び出力軸１５は、遊びがない状態となり、あたかもバックラッシュがない状態となって回転する。そして、第１モータ２２と第２モータ３２とが一定の角速度ω_ｘにて回転し始めた場合であっても、第１ギア１０と第２ギア２０及び第３ギア３０とが接触した状態が維持され、第１モータ２２と第２モータ３２とは同角速度にて回転する。

一方、出力軸１５に設けられたエンコーダ５０の出力に基づいて入力されるパルス信号Ｐは、サーボコントローラ４０にて所定の周期にてカウントされて出力軸１５の回転角度が検出され、またカウントされたパルス信号Ｐと基準周波数とに基づいて周期ごとの角速度が算出され、これら回転角度及び角速度に基づいて第１モータ２２と第２モータ３２とは制御される。このため、第１モータ２２と第２モータ３２とが回転し始めた直後に各ギア１０、２０、３０間のバックラッシュが吸収された後に一定の角速度ω_ｘにて回転し、エンコーダ５０の出力に基づいて回転角度が目標角度θに到達したことが検出されると第１モータ２２と第２モータ３２とが停止されるので、出力軸１５が停止していた回転し始めの状態から回転が停止するまでの回転角度を正確に制御することが可能である。

本実施形態のモータ装置１によれば、第１ギア１０が設けられた出力軸１５は、第１ギア１０と噛み合う第２ギア２０及び第３ギア３０により回転されるが、第２ギア２０を駆動するための第１モータ２２及び第３ギア３０を駆動するための第２モータ３２は、第２ギア２０の歯面２１及び第３ギア３０の歯面３１と接触する第１ギア１０の歯面１１、１２が、第１ギア１０の回転方向において互いに異なる側の歯面１１、１２となるようにサーボコントローラ４０に制御される。このため、出力軸１５が回転する際には、第１ギア１０は回転方向における正転方向及び反転方向にいずれも第２ギア２０又は第３ギア３０にて規制される。このため、第１ギア１０が設けられた出力軸１５は遊びがない状態で回転するので、バックラッシュがない状態と同様に出力軸１５を精度良く回転及び位置制御することが可能である。よって、バックラッシュによる位置精度の低下を抑えることが可能なモータ装置１を提供することである。

特に、第１ギア１０に噛み合う第２ギア２０と第３ギア３０とを駆動するための第１モータ２２及び第２モータ３２の制御によって、動作させる際のモータ装置１の状態に対応させて各ギア１０、２０、３０間の遊びを吸収させることが可能である。このため、たとえ経時によりギアが摩耗するなどの機構に変化が生じたとしても、各ギア１０、２０、３０間の遊びを吸収させて出力軸１５を正確に回転させることが可能である。

また、出力軸１５に設けられたエンコーダ５０の出力に基づいて、第１モータ２２と第２モータ３２とが、サーボコントローラ４０に制御されるので、エンコーダ５０の出力に基づくとともに実機の動作に対応して、より高精度に且つ正確に出力軸を駆動することが可能である。

また、第２ギア２０を駆動する第１モータ２２と、第３ギア３０を駆動する第２モータ３２とが、互いに異なる目標角度θ_１、θ_２に基づいて制御されるので、第１モータ２２と第２モータ３２とに互いに異なる回転動作をさせることが可能である。このため、第１モータ２２と第２モータ３２とを異なる目標角度θ_１、θ_２に基づく簡単な制御にてより正確に駆動し、且つ、第１ギア１０と第２ギア２０及び第３ギア３０の遊びをなくして精度良く回転させることが可能である。

また、モータドライバ２４、３４と第１モータ２２及び第２モータ３２との間に、第１モータ２２と第２モータ３２とに供給される電流を検出する電流センサ５３を設けたので、電流センサ５３にて検出された電流の値に基づいても制御され、より高精度な制御が可能である。

また、上記モータ装置１の、出力軸を共有する第１モータ２２と第２モータ３２とが通信ラインにて電気的に結合されたユニットを１つのモータモジュールとし、このモータモジュールを複数用い、各モータモジュールを一括して制御するメインコントローラにて各々異なる動作をすべく制御することも可能である。このとき、各モータモジュールは、第１モータ２２側と第２モータ３２側との間で通信することにより、ソフトウェア的に１つのモータユニットとして通信バス上で認識され、各モータモジュールには各々を識別するためのＩＤが付与されている。

そして、外部から入力された目標角度指令値に基づいて、メインコントローラからは対応するモータモジュールのＩＤとＩＤにて特定されるモータモジュールに対する目標角度が、対応するモータモジュールに送出され、各モータモジュールは各々個別に制御される。このため、各モータモジュールの出力軸１５はバックラッシュがない状態と同様に精度良く回転及び位置制御されるとともに、複数のモータモジュールを同期させて互いに異なる動作をさせることが可能である。

そして、これら複数のモータモジュールを例えばロボットの各関節部分に用いることにより、ロボットの複雑な動作を高精度にて実現させることが可能である。

＝＝＝その他の実施の形態＝＝＝
以上、上記実施の形態に基づき本発明に係るモータ装置について説明したが、上記発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

本実施形態においては、第２ギア２０が第１モータ２２に、第３ギア３０が第２モータ３２にそれぞれ直接設けられている例について説明したが、第１ギアと第２ギアとの間、または、第１ギアと第３ギアとの間、若しくは、いずれにも、他のギアが介在されていてもよい。この場合には、第１ギアと、第２ギア及び第３ギアと、他のギアとのギア比を調整することにより、第１モータ及び第２モータの出力を減速又は増速して出力軸に伝達することが可能である。

また、本実施形態においては、第１モータ２２と、第２モータ３２とを回転させたい目標角度θ_１、θ_２を入力する例について説明したが、これに限るものではない。例えば、出力軸を回転させたい所望の角度を設定するための目標指令値を外部から入力すると、コントローラが入力された角度に基づいて第１モータと第２モータとを回転させるべき目標角度を算出し、算出された目標角度に基づいて第１モータと第２モータとを動作させるべくモータドライバから電流が供給されることとしてもよい。

また、本実施形態においては、第１モータ２２と第２モータ３２とを回転させる際の角加速度を互いに相違させるように制御する例について説明したが、例えば、第１モータと第２モータとの角加速度は同一にして、目標角度の小さい側のモータの回転開始タイミングを、目標角度の大きなモータより遅くしても良い。

本実施形態に係るモータ装置のメカ構成の概要を示すモデル図である。本実施形態に係るモータ装置を説明するためのブロック図である。第１モータと第２モータとの制御方法の一例を説明するための図である。ギアの噛み合いを説明するための図である。

符号の説明

１モータ装置１０第１ギア
１１第１ギアの歯面１２第１ギアの歯面
１５出力軸２０第２ギア
２１第２ギアの歯面２２第１モータ
２３第１モータのモータ軸２４第１モータ用モータドライバ
３０第３ギア３１第３ギアの歯面
３２第２モータ３３第２モータのモータ軸
３４第２モータ用モータドライバ４０サーボコントローラ
５０エンコーダ５１スリット円盤
５２光学センサ５３電流センサ
５４入力装置ｔ_ｘ所定時間
Ｐパルス信号ｓ指令信号
ω_ｘ一定の角速度 θ 目標角度

Claims

第１ギアが設けられた出力軸と、
前記第１ギアと噛み合う第２ギアを駆動するための第１モータと、
前記第１ギアと噛み合う第３ギアを駆動するための第２モータと、
前記第２ギアの歯面及び前記第３ギアの歯面が、前記第１ギアの回転方向において当該第１ギアの互いに異なる側の歯面と接触しつつ前記出力軸を回転させるべく前記第１モータと前記第２モータとを制御するためのコントローラと、
を有することを特徴とするモータ装置。
請求項１に記載のモータ装置であって、
前記出力軸にはエンコーダが設けられ、
前記エンコーダの出力に基づいて、前記第１モータと前記第２モータとが、前記コントローラに制御されることを特徴とするモータ装置。
請求項１または請求項２に記載のモータ装置であって、
前記第１モータ及び前記第２モータは、回転すべき目標角度に対する前記エンコーダの出力に基づいて前記コントローラに制御され、前記第１モータと前記第２モータとの前記目標角度は異なることを特徴とするモータ装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のモータ装置であって、
前記第１ギアと前記第２ギアとの間または前記第１ギアと前記第３ギアとの間には、他のギアが介在されていることを特徴とするモータ装置。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のモータ装置であって、
前記第１モータと前記第２モータとに供給される電流を検出する検出部を有し、
前記検出部の検出結果に基づいて前記第１モータと前記第２モータとが、前記コントローラに制御されることを特徴とするモータ装置。