JP2016077121A - トルク検出部一体型モータシステム - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向の長さを短縮し、モータ部の温度の類推を排除したトルク検出部一体型モータシステムを提供する。【解決手段】エンコーダ部とトルク検出部のそれぞれの制御回路の少なくとも一部を一体化した制御回路一体基板を、モータ部の外側近傍に沿って配置している。制御回路一体基板と外部コントローラとの電気的接続を行う外部接続コネクタを設けている。また制御回路一体基板にはモータ部の発熱温度を直接的に測る温度検出部がモータ部に対面した近傍に設けられている。【選択図】 図２

Description

本発明は、出力軸のトルク検出が可能なトルク検出部一体型モータシステムに関するものである。

従来では図５に示すように、モータ部３の動力を負荷装置に伝達しつつ回転トルクを検出してトルク制御回路する手段として、モータ部３の出力軸に減速機１６を連結させて回転数を減少させると同時にトルクを増加させ、カップリング１７等の軸継手を介してトルクが測定できるトルク検出部４を繋いで、このトルク検出部４の出力である回転軸５を負荷装置に繋ぐというものが一般的であった。そしてエンコーダ部２からはエンコーダコネクタ２０４、モータ部３からはモータコネクタ、トルク検知部４からはセンサコネクタ６というように独立して制御回路信号を扱うコネクタが存在していて、制御回路もそれぞれにあり複雑なものとなっていた。この構成であれば各ユニットが独立しており部品交換などメンテナンス等は有利であるが、軸方向の長さが長くなってしまうことからロボットなどに用いることが難しく適用用途に限定があった。

これを改善したものとして、モータ、減速機、トルク検出器を一体構造で構成する発明が開示されている。

特許文献１では、波動歯車減速機のフレックススプラインが、モータの固定子と回転子の隙間に配置されたアクチュエータが公開されていて、減速機の出力エンコーダとトルク検出の配線をまとめてシリアル変換器にてシリアル信号に変換して外部コントローラと繋ぐようになっている。

特許第４５８１５４３号公報

しかしながら特許文献１において、エンコーダおよびトルクセンサの検出信号は、各々、コネクタとケーブルにてシリアル変換器へ配線されており、これらの複数の配線が個々に行われていて組み立てが煩雑となる欠点があった。

またモータ部の異常発熱の検知は、温度計をモータ部に直接取り付けるとそのために別途配線ケーブルが必要となるため、モータを駆動する外部コントロール部の制御回路部の温度を検知するかモータの巻線抵抗値を測定してこれから類推することが行われている。いずれにしても実際のモータの発熱を測っている訳では無いため、モータそれぞれに固有の演算式等を作る必要があった。

本発明は、複数の配線の簡素化と、モータ部の温度を直接的に検知することができるトルク検出部一体型モータシステムの実現を図ることが目的である。

本発明に係るトルク検出部一体型モータシステムは
モータ部と、
モータ部の反負荷側にモータ部と繋がって、モータの回転角を検出するエンコーダ部と、
モータ部の負荷側に接続されて、負荷と繋がる出力軸の回転トルクを検出するトルク検出部と、
モータ部の外側近傍に沿って設けられ、エンコーダ部とトルク検出部のそれぞれの制御を行う制御回路の少なくとも一部が一体化された制御回路一体基板と、
制御回路一体基板と外部コントローラとの電気的接続を行うコネクタと、
制御回路一体基板上で、モータ部に対面した近傍に設けられ、モータ部の温度を検出する温度検出部とで構成されている。

エンコーダ部およびトルク検出部が、それぞれの制御を行う制御回路の少なくとも一部を備えた回路基板をそれぞれ有することが好ましい。

本発明の第１の実施形態を示したトルク検出部一体型モータシステムの外観斜視図 本発明の第１の実施形態を示したトルク検出部一体型モータシステムの構造斜視図 本発明の第１の実施形態を示したトルク検出部一体型モータシステムの構造断面図 本発明の第２の実施形態を示したトルク検出部一体型モータシステムの構造斜視図 従来のトルク検出部と減速機とモータの構成を表した図

以下、本発明による実施形態について、図面をもとに詳細な説明を行う。

図１および図２は本発明の第１の実施形態を示したトルク検出部一体型モータシステムの外観斜視図であって、図２では図１で示された外装部の一部を省略して内部構造を示している。

図１において、トルク検出部一体型モータシステム１は、エンコーダ部２とモータ部３とトルク検出部４から構成されていて、トルク検出部４から出力軸５が出ていて負荷装置に繋がるようになっている。エンコーダ部２はモータ部３の反負荷側にあって、トルク検出部４はモータ部３の負荷側にあり、軸方向に並んで配置されている。エンコーダ部２とモータ部３とトルク検出部４には外装となる筐体がそれぞれあって、エンコーダ筐体２０１とモータ筐体３０１とトルク検出部筐体４０１とがそれぞれボルトによって連結されている。なおこの実施形態においては、トルク検出部４は波動歯車減速機と一体となってトルク検出部筐体４０１に収められている。

またモータ部３およびトルク検出部４と不図示の外部コントローラとの電気的接続のための、モータコネクタ３０２とセンサコネクタ６がそれぞれ、モータ筐体３０１、トルク検出部筐体４０１に設けられている。

基板筐体枠７ａおよび基板筐体蓋７ｂは、エンコーダ部２とモータ部３とトルク検出部４の軸方向に渡って設けられていて、エンコーダ部２とトルク検出部４の内部とはそれぞれ開口部をもって繋がっているが、モータ部３とは開口部は無く隔離されている。従って、基板筐体枠７ａおよび基板筐体蓋７ｂは、エンコーダ部２とトルク検出部４の一部を引き伸ばしたものに取り付けられて、実質エンコーダ部２とトルク検出部４の共通の筐体という構造になっている。

次いで図２を参照して本発明による実施形態を説明する。図２では図１の基板筐体枠７ａ、基板筐体蓋７ｂ、およびエンコーダ筐体２０１を省略して表したものである。

エンコーダ部２にはエンコーダ制御回路基板８ｃがあって、エンコーダ板２０３にてモータの回転角を読み取って電気信号に変換している。エンコーダ制御回路基板８ｃからの出力はエンコーダ制御回路基板８ｃ上に設けられたコネクタ１４、ケーブル１３によって取り出される。

基板筐体枠７ａ、基板筐体蓋７ｂの部分には制御回路一体基板８ａが、 基板筐体枠７ａによって囲まれるように取り付けられている。制御回路一体基板８ａは、エンコーダ部２からモータ部３を経てトルク検出部４まで、軸方向に伸びて設けられ、軸方向でモータ部３のエリアはモータ筐体３０１の外側に位置した構造となっている。

また制御回路一体基板８ａと平行に対向して、トルク検出部４の領域には、トルク検出制御回路基板８ｂがあって、制御回路一体基板８ａとトルク検出制御回路基板８ｂは基板間コネクタ１５によって電気的に接続されている。また制御回路一体基板８ａ上にはコネクタ１０があって、ケーブル１１によってセンサコネクタ６と接続されて、外部コントローラと繋がるようになっている。制御回路一体基板８ａとトルク検出制御回路基板８ｂの詳細については後述する。

次いで図３を参照して各構成の詳細を説明する。図３は本発明の第１の実施形態を示したトルク検出部一体型モータシステムの構造断面図であって、エンコーダ部２とモータ部３とトルク検出部４の詳細を示している。

モータ部３は、モータ軸３０５が回転自在にベアリング３０６によって回転軸方向２箇所で支持されており、モータ軸３０５に回転子３０４が取り付けられている。本実施形態ではモータ部３は表面磁石型永久磁石同期モータであって、回転子３０４の永久磁石はモータ軸３０５を囲むようにして接着されている。この回転子３０４の周囲には巻線からなる固定子３０３が全周設けられ、その配線はモータコネクタ３０２（図２参照）へ電気的に接続されている。さらに固定子３０３の外周はモータ筐体３０１で囲まれており、電磁波ノイズのシールドと剛性の確保および軽量化を考慮してアルミ合金を用いている。

モータ軸３０５の反負荷側にはモータ軸３０５の回転位置検出のためエンコーダ部２が機械的に接続されている。本実施形態では光学式エンコーダを用いており、モータ軸３０５に直結して反射パターンを有するエンコーダ板２０３が取り付けられている。このエンコーダ板２０３への発光を行い、反射光を受光して位置検出を行う発光受光素子を有したエンコーダ制御回路基板８ｃがエンコーダ板２０３と所定の間隔をもってエンコーダ板２０３を囲って設置されている。さらにエンコーダ制御回路基板８ｃはエンコーダ筐体２０１によって覆われている。（図１参照）

モータ軸３０５の負荷側には波動歯車減速機が機械的に接続されている。波動歯車減速機は、薄肉カップの形状をして開口部外周にギア歯がもうけられたフレックススプライン４２２と、このフレックススプライン４２２の外周ギア歯に対応して内周面にギア歯を持つサーキュラスプライン４２１と、フレックススプライン４２２の開口した内周部に位置してモータ軸３０５と結合したウエーブジェネレータ４２０から構成されている。

ウエーブジェネレータ４２０は楕円状カムの外周に薄肉のボール・ベアリングを組み合わせた部品であり、ベアリングの内輪はカムに固定され、外輪はボールを介して弾性変形する。フレックススプライン４２２は薄肉カップ状の金属弾性体であり、このフレックススプライン４２２の薄肉カップの底はダイヤフラムと呼ばれ減速機出力部として機能する。サーキュラスプライン４２１は剛体リング状の部品で、フレックススプライン４２２より歯数が２枚多い内歯構造となっている。

フレックススプライン４２２はウエーブジェネレータ４２０により楕円状に撓み、楕円の長軸の箇所でサーキュラスプライン４２１と歯が噛み合い、短軸の箇所では歯は噛み合わない状態になる。サーキュラスプライン４２１を固定し、ウエーブジェネレータ４２０を時計方向へ回すと、フレックススプライン４２２は弾性変形し、サーキュラスプライン４２１との歯の噛み合い位置が順次移動する。ウエーブジェネレータ４２０が1回転すると、歯数差２枚分だけフレックススプライン４２２は反時計方向へ移動する。従って、波動歯車減速機のフレックススプライン４２２のダイヤフラムが出力部となって、この波動歯車減速機の減速比だけ減速することになる。

波動歯車減速機のフレックススプライン４２２のダイヤフラム部すなわち減速機出力部には出力軸５がボルトにより接続されている。また出力軸５は、深溝玉軸受けであるベアリング４１６およびベアリング４１５にて回転自在に設けられ、ベアリング４１６およびベアリング４１５は外装部を兼ねるカバーにてその外輪側がそれぞれ固定されている。

出力軸５は、回転自在に支持され、減速機で減速した動力を伝達するとともに、回転トルクを検出するために起歪部５ａを備えている。起歪部５ａは、出力軸５の軸方向の中央部でその外径が小さく設けられており、出力軸５の軸方向には強度を有して変形せず、ねじれ方向には変形するため、この表面に歪みゲージ（不図示）を貼付し、この起歪部５ａに生じるねじれを歪みゲージの抵抗体の抵抗値の変化から感知して、回転トルクを検知するものである。この起歪部５ａの形状は円柱形に限らず、測定する回転トルク量によって最適なものが選択される。出力軸５の負荷側においては不図示の負荷装置と機械的に接続され、負荷装置と一緒に回転しつつ回転トルクを検出することになる。

一方、１次側コア４１０および１次側コア４１１と、２次側コア４１３および２次側コイル４１２は、非接触で電力を給電する回転型変圧器構造を成している。出力軸５には出力軸５と共に回転する回転側基板４１８があり、回転側基板４１８には起歪部５ａの円筒表面に貼付された歪みゲージを含んで構成するホイートストンブリッジ回路が搭載されており、この回路に非接触にて電力を供給している。

以下、トルク検知部４の制御回路における電力および電気信号の流れについて説明する。トルク検出制御回路基板８ｂには、外部コントローラより制御回路一体基板８ａを経由して電力が供給されると共に、この直流を交流に変換して、出力軸５に設けられて一緒に回転する電気回路へ電力を供給するためのスイッチング回路が設けられている。

１次側コア４１０は、両端に突部を設けた断面コの字型の形状をしたフェライトであり、１次側コアホルダ４１７を介してトルク検出制御回路基板８ｂに取り付けられている。１次側コア４１０の両突部間には銅線を巻回してなる１次側コア４１１が設けられている。この１次側コア４１１はトルク検出制御回路基板８ｂと電気的に接続されており、トルク検出制御回路基板８ｂ内のスイッチング回路から電力が供給される。

一方出力軸５側には、１次側コア４１０および１次側コア４１１と所定間隔をおいて対向するように、変圧器の受電側すなわち２次側が構成されている。すなわち出力軸５の円筒外周面上に円筒形の２次側コアベース４１９が固定されてその外周円筒面上に２次側コア４１３が設けられ、この２次側コア４１３の外周には銅線を巻回してなる２次側コイル４１２が設けられている。２次側コア４１３は短冊状のフェライトシートにて２次側コアベース４１９の外周円筒面に巻回接着されている。また２次側コイル４１２から引き出された電線は回転側基板４１８に電気的に接続されている。

従って、外部コントローラから制御回路一体基板８ａおよびトルク検出制御回路基板８ｂへ電力が供給され、トルク検出制御回路基板８ｂ上にあるスイッチング回路にて交流に変換された電流を１次側コア４１１に通電すると交流磁界が発生し、この交流磁界が出力軸５側の２次側コア４１３に透過することで、２次側コイル４１２に電流が誘起される。誘起された電流は、回転側基板４１８内の整流化回路および安定化回路を経て、ホイートストンブリッジ回路を成す歪みゲージに供給される。歪みゲージは回転側基板４１８と電気的に接続されている。

回転側基板４１８は、出力軸５に取り付けられていて、円環状であって、回転時のバランスを保つように電子部品の配置位置が基板上で考慮されている。

実際のトルクの検出は、出力軸５にトルクが加わると、出力軸５の起歪部５ａがトルクの大きさに応じて歪み、この歪みの大きさが歪みゲージの抵抗体の抵抗値の変化の大きさとして検出される。検出は回転側基板４１８内に設けられた制御回路により行われ、この検出アナログ信号はＡ／Ｄ変換でデジタル化および変調される。

このデジタル化された信号は、回転側基板４１８に設けられた赤外線通信を行うＬＥＤにより送信され、トルク検出制御回路基板８ｂ上に設けられた受光素子でこれを受信して、トルク値に対応したデジタル信号を得ることができる。制御回路一体基板８ａもしくはトルク検出制御回路基板８ｂの両方もしくはいずれかには復調回路が設けられており、検出したトルク値に対応する電圧信号を出力できるようになっている。そして、この出力された電圧信号は、基板間コネクタ１５を経由して制御回路一体基板８ａへ送られ、コネクタ１０、ケーブル１１そしてセンサコネクタ６を経て外部コントローラと繋がり、モータの制御回路に使用される。

制御回路一体基板８ａは、エンコーダ制御回路基板８ｃおよびトルク検出制御回路基板８ｂと信号のやりとりを処理する回路と、それぞれに電源を供給する回路を含んでいる。制御回路一体基板８ａのモータ部３側には、基板筐体枠７ｂに接するようにして温度検出部２０が設けられている。モータ部３での発熱は、モータ筐体３０１、基板筐体枠７ｂを経て温度検出部２０に伝導し、モータ部３の温度を検知することが出来る。モータ筐体３０１、基板筐体枠７ｂの材質はいずれもアルミ合金であるため、熱の伝導は良好であって実際のモータコイルの温度に近いものを測定できる。

エンコーダ制御回路基板８ｃ、トルク検出制御回路基板８ｂ、および温度検出部２０からの信号はいずれもシリアル信号である。従ってこれを制御回路一体基板８ａ上に設けたＳｅｒＤｅｓによって複数のシリアル信号をまとめ、トルク検出部一体型モータシステム１と外部コントローラとのパラレルＩ／Ｆ間をシリアル接続出来るようにしている。もちろんパラレルＩ／Ｆにて接続して構わないが、配線本数が増えることになるため、トルク検出部一体型モータシステムの要求仕様によって適宜選択が可能である。

さらに制御回路一体基板８ａは、モータ筐体３０１の外に配置され、基板筐体枠７ａにてその外周を囲われ、基板筐体７ｂにて覆われている。従って組み立ての際には、まずトルク検出制御回路基板８ｂをトルク検出部筐体４０１に固定して、その上に基板間コネクタ１５介して制御回路一体基板８ａを接続した後、予めエンコーダ制御回路基板８ｃに繋いであったケーブル１３をコネクタ１２に挿入、同様にセンサコネクタ６に予め繋いであったケーブル１１をコネクタ１０へ挿入することで接続が完了する。

図４は本発明の第２の実施形態を示したトルク検出部一体型モータシステムの構造斜視図であって、図２同様に外装部の一部を省略して内部構造を示している。 第２の実施形態では、制御回路一体基板８ａとエンコーダ制御回路基板８ｃが一体の基板となっている。すなわち制御回路一体基板８ａとエンコーダ制御回路基板８ｃはリジッドな基板であってその配線層に繋がった配線部１９はフレキシブルベースの基板であり、いわゆるリジッドフレキシブル基板を用いている。これによれば、各基板の電子部品のマウント工程が１度で済み、コネクタの挿入も不要で、ケーブルハーネスの製作も不要であり、総合的に鑑みてコスト低減をすることが出来る。また制御回路一体基板８ａとトルク検出制御回路基板８ｂとにおいても同様の構成が可能である。

上述したように、センシング系信号の外部コントローラとの繋ぎを制御回路一体基板８ａにまとめセンサコネクタ６に集約することで、配線の簡素化ができる。特にセンサコネクタ６をトルク検出部筐体４０１側に設けることで、トルク検出部一体型モータシステム１の軸方向の長さを短縮できると共に、制御回路基板８上のコネクタ１０とセンサコネクタ６配線を行うケーブル１１のケーブル長の短縮が出来る。

また制御回路一体基板８ａには温度検出部２０が設けられて、直接モータ部３の温度を検知できるため、外部コントローラの制御回路部の温度検知からモータ部の温度を推測する換算演算が不要となる。そして直接温度検知していることから、トルク検出部一体型モータシステム１の置かれている環境温度や取り付けられている装置等による差異の影響を受けないという利点がある。

さらにトルク検出部の制御回路とエンコーダ制御回路と温度検出部２０の制御回路を一つの基板、すなわち制御回路一体基板８ａに一体化させて配線の省力化を行って、ノイズ源であるモータ部３に近い部分では、シールドがなされているモータ筐体３０１の外側に配置している。従って制御回路基板８、エンコーダ制御回路基板２０２、ケーブル１３は、モータ部３からのノイズの影響を受けにくい構成となっている。

なお、本実施形態ではトルク検出制御回路基板８ｂがトルク制御回路の一部、エンコーダ制御回路基板８ｃがエンコーダ制御回路を有し、制御回路一体基板８ａがトルク制御回路の一部と温度検出部２０の制御回路と外部コントローラとのI／Ｆ回路すなわちＳｅｒＤｅｓを有するという形態を取っている。その他には、エンコーダ制御回路基板８ｃ部分を検出素子とその周辺回路という最小限の構成にして制御回路一体基板８ａにエンコーダ制御回路の主要部を搭載、トルク検出制御回路基板８ｂを赤外線受光素子や変圧器とその周辺回路という最小限の構成にして制御回路一体基板８ａにトルク検出制御回路の主要部を搭載するなど、本発明の趣旨と範囲を逸脱すること無く種々の変形が可能である。

本発明の活用例として、トルクを制御回路しつつ動力を発生するアクチュエータとしてロボット等への適用が可能である。

１ トルク検出部一体型モータシステム
２ エンコーダ部
２０１ エンコーダ部筐体
２０２ 基板ベース
２０３ エンコーダ板
２０４ エンコーダコネクタ
３ モータ部
３０１ モータカバー
３０２ モータコネクタ
３０３ 固定子
３０４ 回転子
３０５ モータ軸
３０６ ベアリング
４ トルク検出部
４０１ トルク検出部筐体
４１０ １次側コア
４１１ １次側コイル
４１２ ２次側コイル
４１３ ２次側コア
４１４ ２次側コアホルダ
４１５ ベアリング
４１６ ベアリング
４１７ １次側コアホルダ
４１８ 回転側基板
４１９ ２次側コアベース
４２０ ウエーブジェネレータ
４２１ サーキュラスプライン
４２２ フレックススプライン
５ 出力軸
５ａ 起歪部
６ センサコネクタ
７ａ 基板筐体蓋
７ｂ 基板筐体枠
８ａ 制御回路一体基板
８ｂ トルク検出制御回路基板
８ｃ エンコーダ制御回路基板
１０ コネクタ
１１ ケーブル
１２ コネクタ
１３ ケーブル
１４ コネクタ
１５ 基板間コネクタ
１６ 減速機
１７ カップリング
１８ 固定側基板
１９ 配線部
２０ 温度検出部

Claims (2)

1. モータ部と、
   前記モータ部の反負荷側に前記モータ部と繋がって、前記モータの回転角を検出するエンコーダ部と、
   前記モータ部の負荷側に接続されて、負荷と繋がる出力軸の回転トルクを検出するトルク検出部と、
   前記モータ部の外側近傍に沿って設けられ、前記エンコーダ部と前記トルク検出部のそれぞれの制御を行う制御回路の少なくとも一部が一体化された制御回路一体基板と、
   前記制御回路一体基板と外部コントローラとの電気的接続を行うコネクタと、
   前記制御回路一体基板上で、前記モータ部に対面した近傍に設けられ、前記モータ部の温度を検出する温度検出部と、
   を有することを特徴とするトルク検出部一体型モータシステム。
2. 前記エンコーダ部および前記トルク検出部が、それぞれの制御を行う制御回路の少なくとも一部を備えた回路基板をそれぞれ有することを特徴とする請求項１に記載のトルク検出部一体型モータシステム。