JP5962265B2

JP5962265B2 - 電動機及び搬送装置

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Publication number: JP5962265B2
Application number: JP2012150003A
Authority: JP
Inventors: 博英小西; 和則小泉
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2032-07-03
Also published as: JP2014014210A

Description

本発明は、電動機及びこの電動機を用いて搬送物を搬送する搬送装置に関する。

特許文献１では、回転負荷物を回転軸に回転支持し、同時にその負荷に対し直接回転駆動力を与えることができる回転駆動装置の技術が記載されている。

特許第４６３６４３２号公報

近年、電動機は、特許文献１に記載された電動機よりも、モータ出力軸が目標回転速度に到達するまでの時間を短縮し、加減速性能を高めることが求められるようになってきた。これは、搬送装置が搬送物を搬送できる量を増加させ、搬送装置を設置した製造工程のスループット（単位時間あたりの処理能力）の向上が求められているからである。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータ出力軸が目標回転速度に到達するまでの時間を短縮し、加減速性能を高める電動機及び搬送装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し目的を達成するために、電動機は、ハウジングベースと、前記ハウジングベースに立設され、かつ中空円環状のハウジングインナと、前記ハウジングインナを囲み、前記ハウジングインナの径方向外側に配置されたモータロータと、前記ハウジングベースに固定され、かつ前記モータロータの径方向外側に磁気ギャップを介して対向配置されたモータステータと、前記ハウジングインナに前記モータロータを回転自在に支持する軸受と、前記モータロータの端部に締結されて前記軸受の一部を前記モータロータに固定し、かつ前記磁気ギャップに面している部分での前記モータロータの回転半径よりも大きな回転半径を有する円環状のモータ出力軸と、を含むことを特徴とする。

上記構成により、モータロータの自己慣性モーメントを低減し、かつモータ出力軸から伝達する出力トルクを向上させることができる。このため、電動機は、モータ出力軸が目標回転速度に到達するまでの時間を短縮し、加減速性能を高めることができる。

本発明の望ましい態様として、前記モータロータの端部には、前記磁気ギャップに面している部分での前記モータロータの表面よりも径方向外側に突出して前記モータ出力軸と連結される出力軸固定部を備えており、前記モータロータは、前記出力軸固定部の半径が前記モータ出力軸の最大外周より小さいことが好ましい。

上記構成により、モータ出力転軸は、部分的に薄肉となり、モータ出力軸と連結されるモータロータの自己慣性モーメントを軽くすることができる。また、モータ出力軸は、負荷体からモータ出力軸に加わる力に抗した固定部材の締結力を備え、かつ座面の周囲の金属が破けない厚みを維持することができる。そして、出力軸固定部は、モータロータの半径を小さくしても、磁気ギャップの回転半径が小さくなることに伴う固定部材の高さの増加を抑制することができる。

本発明の望ましい態様として、前記モータロータの端部には、前記磁気ギャップに面している部分での前記モータロータの表面よりも径方向外側に突出して前記モータ出力軸と連結される出力軸固定部を備えており、前記モータ出力軸は、外周の半径が前記出力軸固定部側へ向かって減少する部分を有することが好ましい。

本発明の望ましい態様として、前記軸受は、４点接触軸受であることが好ましい。この構造により、モータロータの回転剛性を高め、モータ出力軸に取り付けられる負荷体の振動を抑制することができる。

本発明の望ましい態様として、前記外周の半径が前記出力軸固定部側へ向かって減少する部分より前記出力軸固定部側にあるモータ出力軸の外周の径方向外側に、前記モータステータを覆うダストカバーを備えることが好ましい。この構造により、モータ出力軸に取り付けられる負荷体と、ダストカバーとの間に、放熱に寄与する空間を確保することができる。これにより、電動機は、負荷体が熱により歪む可能性を低減することができる。

本発明の望ましい態様として、前記モータステータを覆うダストカバーは、ダストカバーフィンを表面に備え、当該ダストカバーフィンは前記モータロータが回転する方向である周方向に延在する凸部であることが好ましい。この構造により、ダストカバー自体の放熱効率を高めることができる。

本発明の望ましい態様として、前記ダストカバーの厚み方向に貫通する排熱孔を備えていることが好ましい。この構造により、電動機の内部の熱を排熱し、熱の蓄積を抑制することができる。

本発明の望ましい態様として、前記モータ出力軸は、慣性モーメントが０．０１ｋｇｍ^２の負荷体を回転させた場合、最大角加速度が３０００ｒａｄ／ｓ^２以上であることが好ましい。この構造により、電動機は、モータ出力軸が目標回転速度に到達するまでの時間を短縮し、加減速性能を高めることができる。

本発明の望ましい態様として、前記電動機を備え、前記出力軸の回転により、搬送物を搬送する搬送装置であることが好ましい。この構造により、電動機は、モータ出力軸が目標回転速度に到達するまでの時間を短縮し、加減速性能を高める。このため、搬送装置は搬送物を搬送できる量を増加させることができる。その結果、搬送装置を設置した製造工程は、スループット（単位時間あたりの処理能力）を向上させることができる。

本発明によれば、モータ出力軸が目標回転速度に到達するまでの時間を短縮し、加減速性能を高めることができる電動機及び搬送装置を提供することができる。

図１は、実施形態１に係る電動機の使用状態を説明する説明図である。図２は、搬送装置の一例を示す模式図である。図３は、回転中心と平行な方向から実施形態１の電動機の出力軸をみた平面図である。図４は、回転中心を含む仮想平面で実施形態１の電動機を切って模式的に示す断面図である。図５は、実施形態１の電動機の構成を回転中心に直交する仮想平面で切ってモータロータを模式的に示す断面図である。図６は、回転中心を含む仮想平面で軸受装置を切って模式的に示す断面図である。図７は、モータ出力軸にかかる負荷の力をハウジングベースで受けた場合、電動機の外側で支持する支持剛性を説明する説明図である。図８は、モータ出力軸にかかる負荷の力をハウジングベースで受けた場合、電動機の内側で支持する支持剛性を説明する説明図である。図９は、回転中心を含む仮想平面で実施形態２の電動機の構成を切って模式的に示す断面図である。図１０は、回転中心を含む仮想平面で実施形態３の電動機の構成を切って模式的に示す断面図である。図１１は、実施形態４の電動機のハウジングベースの表面を模式的に示す平面図である。図１２は、評価例及び比較例の位置決め時間の評価結果を示す説明図である。図１３は、図１２の評価結果に対応する評価例及び比較例の電動機の出力トルクを示す説明図である。図１４は、図１２の評価結果に対応する評価例及び比較例の電動機の加速度を示す説明図である。図１５は、評価例及び比較例の出力トルクと回転速度の関係を示すＮＴ特性を説明する説明図である。図１６は、負荷体の慣性モーメントに対応する評価例及び比較例の最高加速度を示す説明図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電動機の使用状態を説明する説明図である。図２は、搬送装置の一例を示す模式図である。図３は、回転中心と平行な方向から実施形態１の電動機の出力軸をみた平面図である。図１及び図２に示すように、搬送装置１００は、電動機１と、搬送物５３を移動させる搬送プレート５２とを備えている。例えば搬送物５３は、発光ダイオード、セラミックコンデンサ、チップ抵抗器、車載用集積回路などの電子部品である。搬送装置１００は、例えば電子部品の供給装置、電子部品の選別装置、電子部品の外観検査装置または電気的特性検査（検査装置）などの用途に用いられる。

図２に示すように、電動機１は、固定部材５５により支持部材５１に取り付けられ、電動機の端部１ｂ側が支持部材５１に固定されている。図２及び図３に示す電動機１は、回転中心Ｚｒを中心に、回転伝達部材である円環状のモータ出力軸１２を回転させる。搬送プレート５２は、モータ出力軸１２にボルト等の固定部材５７で固定されている。このため、図３に示す電動機１は、回転中心Ｚｒを中心に、回転伝達部材である円環状のモータ出力軸１２を回転させることで、支持部材５１に対して搬送プレート５２を図１に示すＲ方向に相対的に回転させることができる。なお、ボルト等の固定部材２９については、後述する。

電動機１は、図２に示すように、中空部１１が電動機１の端部１ａと端部１ｂとの間を貫通している。この中空部１１には、例えば図１に示すような搬送物５３を搬送プレート５２に吸着させる負圧を伝達する配管などの挿通部材５４、及び搬送物５３を搬送プレート５２に着脱させる制御信号を伝達する配線などを通すことができる。図１に示すように、搬送装置１００は、図２に示すモータ出力軸１２の位置に応じて、搬送プレート５２が搬送している搬送物５３の位置を位置決めする。このように、電動機１は、ギヤ、ベルトまたはローラ等の伝達機構を介在させることなく負荷体５０である搬送物５３及び搬送プレート５２に回転力をダイレクトに伝達し、搬送物５３を回転させることができる。電動機１は、いわゆるモータ回転軸と負荷体５０とを直結したダイレクトドライブモータである。これにより、電動機１は、高精度の搬送物５３の位置決めをすることができる。

図２に示すように、ダストカバー６０は、電動機１の端部１ａ側に、例えば図３に示すボルトなどの固定部材２８Ａで後述するモータステータに固定されている。図３に示すように、ダストカバー６０は、ダストカバー本体６１がモータ出力軸１２の外周側に配置された円環状の部材である。ダストカバー６０は、ダストカバー本体６１（電動機１の端部１ａ側）の表面から突出し、かつ周方向に延在する凸部であるダストカバーフィン６２を備えている。ダストカバーフィン６２は、周方向に点在する凸部であってもよい。ダストカバーフィン６２は、ダストカバー本体６１の表面積を増加させるため、放熱効果を向上させることができる。また、ダストカバー６０は、ダストカバー本体６１の厚み方向に貫通する排熱穴排熱孔６３を備えている。排熱孔６３は、ダストカバー６０の周方向に複数備えられ点在している。ダストカバー６０は、電動機１の端部１ａ側から電動機１の内部に異物が入ることを抑制できる。排熱穴排熱孔６３は、電動機１の内部の熱を排熱し、熱の蓄積を抑制することができる。

検出器カバー６０Ａは、例えば、ボルトなどの固定部材２９で後述するハウジングフランジに固定されている。図３に示すように、検出器カバー６０Ａは、中空部１１とモータ出力軸１２との間に配置される、後述する回転角度検出器のカバーであり、モータ出力軸１２の内周側に配置された円環状の部材である。

図１に示すように、外部のコンピュータからモータ回転指令ｉが入力されたとき、モータ制御回路９０は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)９１から３相アンプ（ＡＭＰ：Amplifier）９２に駆動信号を出力する。モータ制御回路９０は、ＡＭＰ９２から電動機１に図２に示す配線９５を介して駆動電流Ｍｉが供給する。電動機１は、駆動電流Ｍｉにより搬送プレート５２を回転させ、搬送物５３を移動させるようになっている。搬送プレート５２が回転すると、後述する回転角度を検出したレゾルバ等の回転角度検出器から検出信号（レゾルバ信号）Ｓｒが出力される。モータ制御回路９０は、図２に示す配線９５を介して検出信号Ｓｒを受信し、受信した検出信号Ｓｒをレゾルバデジタル変換器（ＲＤＣ：Resolver to Digital Converter）９３でデジタル変換する。ＲＤＣ９３からの検出信号Ｓｒのデジタル情報に基づいて、ＣＰＵ９１は搬送物５３が指令位置に到達したか否かを判断し、指令位置に到達する場合、ＡＭＰ９２への駆動信号を停止する。

図４は、回転中心を含む仮想平面で実施形態１の電動機を切って模式的に示す断面図である。図５は、実施形態１の電動機の構成を回転中心に直交する仮想平面で切ってモータロータを模式的に示す断面図である。電動機１は、静止状態に維持される固定子(以下、モータステータという)３０と、モータステータ３０に対して回転可能に配置された回転子(以下、モータロータという)４０と、モータステータ３０を固定して支持部材５１に取り付けられるベース部材（ハウジング）２０と、モータロータ４０に固定されてモータロータ４０とともに回転可能なモータ出力軸１２とを含む。

モータロータ４０とモータ出力軸１２とは、後述するように連結され、モータ回転軸１０となっている。ベース部材２０は、略円板状のハウジングベース２１と、中空部１１が貫通し、中空部１１を囲むようにハウジングベース２１から凸状に突出した軸心となるハウジングインナ２２と、後述するハウジングフランジ２３とを備えている。そして、電動機１は、ベース部材２０のハウジングインナ２２とモータ回転軸１０との間に介在されてモータ回転軸１０をベース部材２０に対して回転可能に支持する軸受１４と、を含む。

図５に示すように、ハウジングインナ２２、モータロータ４０及びモータステータ３０はいずれも環状の構造体である。ハウジングインナ２２、モータロータ４０及びモータステータ３０は、回転中心Ｚｒを中心に同心状に配置されている。また、電動機１は、回転中心Ｚｒから外側へ、ハウジングインナ２２、モータロータ４０、モータステータ３０が順に配置されている。このような電動機１は、インナーロータ型と呼ばれ、モータロータ４０がモータステータ３０よりも回転中心Ｚｒ寄りとなる。

図４に示すように、電動機１は、モータ出力軸１２、モータロータ４０及びモータステータ３０がハウジングベース２１の上に配置されている。ハウジングインナ２２は、ハウジングベース２１にボルト等の固定部材２７を介して締結され固定されている。また、ハウジングフランジ２３は、ボルト等の固定部材２６に押圧され、ハウジングインナ２２に軸受１４の内輪を固定する。

図４及び図５に示すように、ハウジングベース２１の外周縁には、モータステータ３０がボルト等の固定部材２８Ａ、２８Ｂによって締結されている。これにより、モータステータ３０はハウジングベース２１に対して位置決め固定されている。またダストカバー６０も固定部材２８Ａによりハウジングベース２１に対して位置決め固定されている。モータステータ３０の中心軸は、モータロータ４０の回転中心Ｚｒと一致する。

モータステータ３０は、筒状のステータコア３１と、励磁コイル３２とを含む。モータステータ３０は、ステータコア３１に励磁コイル３２が巻きつけられる。モータステータ３０には、電源からの電力を供給するための配線９５(図２参照)が接続されており、この配線９５を通じて励磁コイル３２に対して電力が供給されるようになっている。

モータステータ３０は、回転中心Ｚｒ側にモータロータ４０を包囲するように筒状に設けられる。モータステータ３０は、ステータコア３１が上述した回転中心Ｚｒを中心とした円周方向にティース３１ａが等間隔で並んで、バックヨーク３１ｂが一体に配置される。モータステータ３０は、このような一体コアに限られず、複数の分割されたステータコア３１が上述した回転中心Ｚｒを中心とした円周方向に等間隔で並んで配置される分割コアであってもよい。そして、ステータコア３１は、固定部材２８Ａ、２８Ｂによって図４に示すハウジングベース２１に固定される。

また、ステータコア３１は、略同形状に形成された複数のティース３１ａが回転中心Ｚｒ方向に積層されて束ねられることで形成される。ステータコア３１は、電磁鋼板などの磁性材料で形成される。モータステータ３０は、複数のステータコア３１が組み合わされると、環状形状を形成する。

励磁コイル３２は、線状の電線である。励磁コイル３２は、ステータコア３１のティース３１ａにインシュレータを介して集中巻きされる。この構成により、磁極数を低減でき、かつ分布巻きに比較してコイルエンドが短くなることからコイル量を低減できる。その結果、コストを低減でき、電動機１をコンパクトにすることができる。なお、インシュレータは、励磁コイル３２とステータコア３１とを絶縁するための部材であり、耐熱部材で形成される。

励磁コイル３２は、ステータコア３１のティース３１ａの複数の外周に分布巻きされていてもよい。この構成により、磁極数が増え、磁束の分布が安定することからトルクリップルを抑制することができる。励磁コイル３２は、バックヨーク３１ｂの外周にトロイダル巻きされていてもよい。この構成により、分布巻きと同等の磁束分布を発生することができる。その結果、トルクリップルを抑制することができる。このように構成されたステータコア３１が周方向に複数組み合わされることにより、モータステータ３０は、モータロータ４０を包囲できる形状となる。

モータロータ４０は、モータロータ４０の外径がモータステータ３０の内径寸法よりも小さな円筒状である。モータロータ４０は、ロータヨーク４１及びロータヨーク４１の外周に貼り付けられたマグネット４２を含む。モータステータ３０とモータロータ４０との間には、微小の磁気ギャップＧ（隙間）が介在している。ロータヨーク４１は、筒状に形成される。ロータヨーク４１は、電磁鋼板、冷間圧延鋼板などの薄板が、接着、ボス、カシメなどの手段により積層されて製造される。例えば、ロータヨーク４１は、順次金型の型内で積層され、金型から排出される。ロータヨーク４１は、軟磁性の磁性体の粉を成形する圧紛成型により製造される圧紛磁心であってもよい。

マグネット４２は、ロータヨーク４１の外周表面に沿って貼り付けられ、複数設けられている。マグネット４２は、永久磁石であり、Ｓ極及びＮ極がロータヨーク４１の円周方向に交互に等間隔で配置される。これにより、図５に示すモータロータ４０の極数は、ロータヨーク４１の外周側にＮ極と、Ｓ極とがロータヨーク４１の円周方向に交互に配置された２０極である。なお、モータロータ４０の極数は、２０極に限られず、例えば２８極または３６極でもよく、必要に応じて適宜変更できる。また、永久磁石は、例えばＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を用いることができる。

モータ出力軸１２は、円環状の部材であり、ボルト等の固定部材２９を介してモータロータ４０に軸受１４の外輪を固定するフランジとしても機能する。モータ出力軸１２は、円環の中心軸が電動機１の回転中心Ｚｒと同軸に形成されている。モータ出力軸１２の円環の径方向の中心の回転半径は、図４に示す半径Ｂｒである。

また、軸受１４は、外輪がモータ出力軸１２とモータロータ４０とに固定され、内輪がハウジングフランジ２３とハウジングインナ２２に固定されている。これにより、軸受１４は、ハウジングベース２１に対して、モータ出力軸１２及びモータロータ４０を回転自在に支持することができる。このため、電動機１は、モータ出力軸１２及びモータロータ４０をハウジングベース２１及びモータステータ３０に対して回転させることができる。

図６は、回転中心を含む仮想平面で軸受装置を切って模式的に示す断面図である。軸受１４は、４点接触軸受と呼ばれ、回転中心Ｚｒの周囲を囲む環状の外輪７１及び内輪７２と、外輪７１及び内輪７２の間の軌道溝に周方向一列に配置された複数の転動体７３とを備えている。転動体７３の中心を含む断面は円形となる球体である。

転動体７３の曲率半径は、外輪７１及び内輪７２の間の軌道溝の曲率半径より僅かに小さい。これにより、転動体７３は、外輪７１及び内輪７２の間の軌道溝に略点接触する。つまり、外輪７１及び内輪７２の間の軌道溝は、転動体７３に略点接触するように凹んだ面を有している。なお、略点接触とは、転動体７３が弾性変形により、外輪７１及び内輪７２の間の軌道溝に楕円状の接触面で接触する場合も含む。

転動体７３が外輪７１及び内輪７２の間の軌道溝に略点接触する点を結んだ作用線７４、７５は、転動体７３の中心で交わる。また、作用線７４、７５は、回転中心Ｚｒと直交する仮想平面に対して、等しい角度で交差する。このため、複数の転動体７３は、外輪７１及び内輪７２の間を周方向に沿って、相互に等しい角度分だけ向きを変えながら、転がり自在となる。これにより、軸受１４は、一列の転動体で周方向（ラジアル方向）及び回転中心Ｚｒと平行な方向（スラスト方向）の負荷または荷重を受けることができる。

軸受１４は、転動体７３が外輪７１及び内輪７２の間の軌道溝に点接触するので、軸受１４におけるトルク損失が少ない。その結果、モータロータ４０は、高速回転が可能となる。軸受１４は、円筒ころを用いるクロスローラ軸受よりも転がり摩擦を低減でき、高速回転が可能である。なお転動体７３は、球の他、断面形状が外輪７１及び内輪７２の間の軌道溝に略点接触する楕円形状を有する外形であってもよい。軸受１４は、転動体７３の姿勢、間隔を保持する保持器またはスペーサを備えていてもよい。

軸受１４は、外輪７１及び内輪７２が一体で転動体７３に予圧が付与されているようにしてもよい。また、軸受１４は、転動体７３をクロスローラとしたクロスローラ軸受としてもよい。

また、電動機１は、回転角度検出器２４Ａ、２４Ｂを備えることが好ましい。回転角度検出器２４Ａ、２４Ｂは、例えばレゾルバであって、モータロータ４０及びモータ出力軸１２の回転位置を高精度に検出することができる。

回転角度検出器２４Ａ、２４Ｂは、ハウジングフランジ２３と、モータ出力軸１２と、軸受１４と、検出器カバー６０Ａとで囲まれる空間に配置される。このため、上述したマグネット４２及び励磁コイル３２が引き起こす磁界変化の影響を抑制することができる。

回転角度検出器２４Ａ、２４Ｂは、静止状態に維持されるレゾルバステータ２５Ａ、２５Ｂと、レゾルバステータ２５Ａ、２５Ｂと所定のギャップを隔てて対向配置され、レゾルバステータ２５Ａ、２５Ｂに対して回転可能なレゾルバロータ１５Ａ、１５Ｂを備えており、軸受１４の上方に配設されている。

レゾルバステータ２５Ａ、２５Ｂは、複数のステータ磁極が円周方向に等間隔に形成された環状の積層鉄心を有し、各ステータ磁極にレゾルバコイルが巻回されている。本実施形態の電動機１では、レゾルバステータ２５Ａ、２５Ｂは、ハウジングインナ２２に固定されている。

レゾルバロータ１５Ａ、１５Ｂは、中空環状の積層鉄心により構成されており、モータ出力軸１２の内側に固定されている。回転角度検出器２４Ａ、２４Ｂの配設位置は、モータロータ４０(モータ出力軸１２)の回転を検出することが可能であれば特に限定されず、モータ出力軸１２及びベース部材２０の形状に応じて任意の位置へ配設することができる。

モータロータ４０が回転すると、モータロータ４０とともにモータ出力軸１２が回転し、連動してレゾルバロータ１５Ａ、１５Ｂも回転する。これにより、レゾルバロータ１５Ａ、１５Ｂと、レゾルバステータ２５Ａ、２５Ｂとの間のリラクタンスが連続的に変化する。レゾルバステータ２５Ａ、２５Ｂは、リラクタンスの変化を検出し、レゾルバ制御回路によって電気信号(デジタル信号)に変換する。電動機１を制御する制御装置は、レゾルバ制御回路の電気信号に基づいて、単位時間当たりのレゾルバロータ１５Ａ、１５Ｂと連動するモータ出力軸１２及びモータロータ４０の位置や回転角度を演算処理することができる。その結果、電動機１を制御する制御装置は、モータ出力軸１２の回転状態(例えば、回転速度、回転方向あるいは回転角度など)を計測することが可能となる。

なお、上述したレゾルバロータ１５Ａは、回転中心Ｚｒに対して偏心させた内周中心を有する円環状となっている。このため、モータロータ４０の回転に伴ってレゾルバロータ１５Ａが回転すると、レゾルバステータ２５Ａとの間の距離を円周方向に連続して変化させ、両者の間のリラクタンスがレゾルバロータ１５Ａの位置により連続的に変化する。レゾルバロータ１５Ａの１回転につき、リラクタンス変化の基本波成分が１周期となる単極レゾルバ信号を出力しており、回転角度検出器２４Ａはいわゆる単極レゾルバとなる。

また、レゾルバロータ１５Ｂは、突極状の複数の歯が円周方向に等間隔で形成される。このため、モータロータ４０の回転に伴ってレゾルバロータ１５Ｂが回転すると、レゾルバステータ２５Ｂとの間の距離を円周方向に周期的に変化させ、両者の間のリラクタンスがレゾルバロータ１５Ｂの歯の位置により連続的に変化する。レゾルバロータ１５Ｂの１回転につき、リラクタンス変化の基本波成分が多周期となる多極レゾルバ信号を出力しており、回転角度検出器２４Ｂはいわゆる多極レゾルバとなる。

このように、電動機１は、モータロータ４０の１回転につき、リラクタンス変化の基本波成分の周期が異なる回転角度検出器２４Ａ及び回転角度検出器２４Ｂを備えることにより、モータ出力軸１２の絶対位置を把握することができ、また、モータ出力軸１２の回転状態(例えば、回転速度、回転方向あるいは回転角度など)を計測する精度を高めることができる。

図２及び図４に示すように、電動機１は、ハウジングベース２１が固定部材５５により支持部材５１に取り付けられることで、支持部材５１に対して位置決め固定される。ハウジングベース２１は、支持部材５１に取り付けられた状態において、支持部材５１の取付面と接する支持部２１ａを少なくとも１つ有している。支持部２１ａは、電動機１の端部１ｂよりも突出する、周方向に延在する凸部である。図４に示すように、実施形態１の電動機１は、支持部２１ａの電動機１の端部１ｂ側に、固定部材５５のボルト穴である締結穴（第１の締結穴）２１ｐを備えている。締結穴２１ｐは、支持部２１ａの厚さ方向に向かって延在する。

図７は、モータ出力軸１２にかかる負荷の力をハウジングベースで受けた場合、電動機の外側で支持する支持剛性を説明する説明図である。図８は、モータ出力軸にかかる負荷の力をハウジングベースで受けた場合、電動機１の内側で支持する支持剛性を説明する説明図である。図７に示すように、電動機１の自重やモータ回転軸１０の回転時の振動などを支持部材５１に分散して作用させるため、モータ出力軸にかかる負荷の力Ｆを、電動機１の外側の支持力Ｆ１で支持する考え方もある。

しかしながら、モータ出力軸にかかる負荷の力Ｆを、電動機１の外側で支持する場合、ハウジングベース２１が径方向に大きくなる。ハウジングベース２１の外形を小さくする場合、支持剛性を増加させるため、厚みを大きくする必要がでてくる。ハウジングベース２１の厚みを増加させる場合、モータステータ３０の励磁コイル３２とハウジングベース２１との間の絶縁距離を確保するため、電動機１の高さが増加してしまう。電動機１の高さが増加する場合、搬送装置１００と連携して検査等を行う産業機器の高さが高くなり、安定した操作性に影響を及ぼす可能性がある。

そこで、電動機１は、図８に示すように、モータ出力軸１２にかかる負荷の力Ｆを、電動機１の内側の支持力Ｆ２で支持する。実施形態１の電動機は、支持部２１ａが図４に示す電動機１の端部１ｂ側、つまり厚さ方向の外側の表面からよりも突出し、支持部２１ａが電動機１の自重を支持部材５１に受けるようにしている。そして、支持部２１ａでの支持剛性を高めるため、固定部材５５がハウジングベース２１に取り付けられる回転中心Ｚｒからの距離Ｃｒは、回転中心Ｚｒから軸受１４（の外輪）の外周までの距離Ｑｒより小さい。そして、締結穴２１ｐは、軸受１４の外周よりも径方向内側にある支持部２１ａに開けられている。その結果、モータ出力軸１２にかかる負荷、つまりアキシャルモーメントを、軸受１４よりも内側の支持部２１ａで集中的に支持することができる。これにより、励磁コイル３２の周囲にあるハウジングベース２１の厚み２１ｔを部分的に低減し、モータステータ３０の励磁コイル３２とハウジングベース２１との間の絶縁距離を確保する。その結果、電動機１の高さを抑制することができる。

電動機１は、電動機１の端部１ｂ側の表面であって、ハウジングベース２１の外周端近傍に、ボルト穴である締結穴（第２の締結穴）２１ｑを備えている。締結穴２１ｑは、軸受１４の外周よりも径方向外側に開けられている。締結穴２１ｑは、軸受１４の外周よりも径方向外側にあり、かつ支持部２１ａの厚さ方向に向かって延在する。ボルトなどの固定部材５６は、締結穴２１ｑと締結され、ハウジングベース２１を支持部材５１に取り付ける締結構造となる。このため、ハウジングベース２１の固定部材５６にはモータ回転軸１０の回転に伴う回転反力が加わるが、支持部２１ａがモータ出力軸１２から加わる負荷体５０の負荷を支えているので、固定部材５６が支持する力は、モータ回転軸１０の回転に伴う回転反力に抗する力だけあればよい。このため、支持部材５１とハウジングベース２１の電動機１の端部１ｂ側の間には、空隙５１Ａを設けることができる。その結果、電動機１は、内部の熱を空隙５１Ａに伝達し放熱することができ、支持部材５１の熱による支持位置の歪みを抑制することができる。このため、上述した図１に示す搬送装置１００は、搬送物５３の搬送精度を高めることができる。

モータロータ４０とモータ出力軸１２とは、例えばボルト等の固定部材２９により連結され、固定されている。ロータヨーク４１は、外周４１Ａよりも径方向外側に突出する出力軸固定部１２Ａを備えている。つまり、モータロータ４０の端部には、磁気ギャップＧに面している部分でのモータロータ４０の表面４１Ａよりも径方向外側に突出してモータ出力軸１２と連結される出力軸固定部１２Ａを備えている。締結穴Ｐは、モータ出力軸１２と出力軸固定部１２Ａとを連通する雌ねじ穴である。ボルト等の固定部材２９は、図２に示す電動機１の端部１ａ側から、図４に示す締結穴Ｐに挿入され、固定部材２９のボルトの頭が座面１２ｅで位置決めされた上で締結される。

電動機１は、出力軸固定部１２Ａが励磁コイル３２から安全距離を保ちながら、外周４１Ａよりも径方向外側に突出している。電気的な信頼性（ショート、ノイズなど）を確保するため、安全距離は励磁コイル３２と周辺部材の距離は一定以上確保することが望ましく、概ね印加電圧１００Ｖあたり１ｍｍである。電動機１は、出力軸固定部１２Ａを備えることにより、安全距離を保ちながら、モータの外形サイズは出来る限り小さく抑えることができる。出力軸固定部１２Ａの励磁コイル３２側には、外周の半径が漸次小さくなるテーパ面１２ｄがある。テーパ面１２ｄは、コイルとの絶縁距離を確保するため、ボルト下端部には内周方向に励磁コイル３２の巻回された外形と同じような角度で掘り込んでいる。これにより、例えば、ロータヨーク４１は、励磁コイル３２から安全距離を保つことができる。

軽量の負荷体５０を狭角度で位置決めを行うためには、ロータに加える加速度（減速度）を大きくすることが有効である。このため、モータ回転軸１０の慣性モーメントを軽くすることと、モータ回転軸１０に大きなトルクを加えることとを両立する必要がある。軽量の負荷を長期間安定させつつ高速で位置決め動作させるためには、モータ回転軸１０の強度（剛性）を高めておく必要がある。負荷体５０により、所望の条件で動かすために必要な出力（トルク及び回転数）が要請される場合、負荷体５０からモータ回転軸１０に加わる力が定まり、この力に抗するために必要な固定部材２９の締結力、例えばボルトサイズ、本数及び固定部材２９の回転中心Ｚｒからの距離Ｂｒの少なくとも１以上が要求される。ボルトサイズを増加させ、本数を減らすと、モータ高さが増え、この高さ分だけモータ回転軸１０の慣性モーメントが増える。また、ボルトサイズを低減させると、ボルトの本数が増え、回転半径Ｂｒも大きくなる、その結果、モータ出力軸１２の半径１２Ｂｒが大きくなってしまうため、半径１２Ｂｒの増加分だけモータ回転軸１０の慣性モーメントが増える。

そこで、モータ出力軸１２は、モータ出力軸１２の外周の半径が漸次小さくなるテーパ面１２ｂをモータ出力軸１２の外周に備える。テーパ面１２ｂは、モータ出力軸１２の外周の半径が出力軸固定部１２Ａ側へ向かって減少する部分である。テーパ面１２ｂは、段部であってもよい。モータ出力軸１２は、座面１２ｅを含み、回転中心Ｚｒと直交する仮想平面におけるモータ出力軸１２の外周１２ａの半径１２Ｂｒよりも、座面１２ｅより出力軸固定部１２Ａ側にあるモータ出力軸１２の外周１２ｃの半径１２Ａｒは小さくなる。なお、出力軸固定部１２Ａの外周１２ｃの半径は半径１２Ａｒと同じである。そして、モータロータ４０は、出力軸固定部１２Ａの半径がモータ出力軸１２の最大外周である外周１２ａより小さい。その結果、固定部材２９のボルト頭の部分（座面１２ｅ）より下側（支持部材５１側）のモータ回転軸１０の径を小さくすることができる。モータ回転軸１０は、部分的に薄肉となり、モータ回転軸１０の慣性モーメントを軽くすることができる。また、モータ出力軸１２は、負荷体５０からモータ回転軸１０に加わる力に抗した固定部材２９の締結力を備え、かつ座面１２ｅの周囲の金属が破けない厚みを維持することができる。

電動機１は、モータロータ４０が回転する場合、励磁コイル３２から発熱する。この熱は、負荷体５０に伝導されるのは好ましくない。このため、回転中心Ｚｒと平行な方向における、ダストカバー６０の配置位置は、円環状のダストカバー本体６１がモータ出力軸１２の外周１２ｃの周囲に位置するようにしている。このため、図２に示すように、ダストカバー６０とモータ出力軸１２に固定される搬送プレート５２との間に空間があり、励磁コイル３２と負荷体５０との間に熱的な距離を置き、熱の負荷体５０への伝達を抑制している。

実施形態１の電動機１では、軸受１４は、マグネット４２のある回転中心Ｚｒと直交する平面とは異なる回転中心Ｚｒと直交する平面に配置し、マグネット４２よりも電動機１の端部１ａ側にある。このため、ハウジングフランジ２３とハウジングインナ２２とが軸受１４を一部に挟んで対向し、かつモータ出力軸１２とロータヨーク４１とが軸受１４を一部に挟んで対向する。この構造により、マグネット４２のある回転中心Ｚｒと直交する平面では、ハウジングインナ２２とロータヨーク４１との間に、空間があるだけとなり、モータロータ４０（ロータヨーク４１）の回転半径Ｒｒを小さくすることができる。ロータヨーク４１の回転半径Ｒｒを小さくする場合、モータ回転軸１０の慣性モーメントを軽くすることができ、かつ励磁コイル３２の巻線容積を確保することができることから、モータ回転軸１０に大きなトルクを加えることができる。上述した中空部１１は、検出用の信号配線または配管などの挿通部材５４を通すため、できるだけ大きいことが要求されることがある。この場合でもハウジングインナ２２の大きさに応じたロータヨーク４１の回転半径Ｒｒとすることができる。

モータロータ４０（ロータヨーク４１）の回転半径Ｒｒを小さくする場合、磁気ギャップＧの回転半径も小さくなる。このため、励磁コイル３２の巻線を逃げるため、固定部材２９の位置を逃がすことにより、固定部材２９の高さが増加する可能性がある。しかしながら、実施形態１の電動機１は、出力軸固定部１２Ａが、励磁コイル３２の巻線を逃げるように、モータロータ４０のロータヨーク４１の端部に、磁気ギャップＧに面しているモータロータ４０の表面４１Ａよりも径方向外側に突出するようにしている。このため、固定部材２９の高さの増加を抑制することができ、モータ回転軸１０の自己慣性モーメントを抑制することができる。

また、モータロータ４０の内周面には、軸受１４を固定する最低限の段差のみあればよく、モータロータ４０の表面を滑らかな円筒面とすることができる。これにより、電動機１は、モータロータ４０の回転時の空気抵抗を低減することができる。また、ロータヨーク４１の加工がしやすいので、電動機１の製造コストを低減することができる。

以上説明したように、搬送装置１００は、電動機１のモータ出力軸１２の加減速による位置決め時間を短縮することができる。電動機１は、モータ回転軸１０（モータ出力軸１２）の自己慣性モーメントを極限まで小さくし、モータロータ４０の外周に高出力な励磁コイル３２の巻線を施すことができる。このため、電動機１は、目標回転速度に到達するまでの時間を短縮し、加減速性能を向上させることができる。

電動機１は、軸受１４を作用点とする振れ回りを抑制することができる。搬送装置１００は、搬送プレート５２の回転送りの精度を高め、搬送物５３の搬送精度を向上させることができる。さらに、電動機１は、モータロータ４０の回転剛性を高めることで、搬送プレート５２の振動を抑制することができる。また、電動機１は、搬送精度に悪影響を与えないように、電動機１内の熱が搬送プレート５２に伝わりにくい。

以上説明したように電動機１は、ハウジングベース２１と、ハウジングインナ２２と、モータロータ４０と、モータステータ３０と、軸受１４と、モータ出力軸１２と、を含む。ハウジングインナ２２は、ハウジングベース２１に立設され、中空部１１を含む中空円環状である。モータロータ４０は、ハウジングインナ２２を囲み、ハウジングインナ２２の径方向外側に配置される。モータステータ３０は、ハウジングベース２１に固定され、かつモータロータ４０の径方向外側に磁気ギャップＧを介して対向配置される。軸受１４は、ハウジングインナ２２に回転自在にモータロータ４０を支持する。モータ出力軸１２は、円環状であって、固定部材２９によりモータロータ４０の端部に締結させて軸受１４の一部をモータロータ４０に固定し、かつ磁気ギャップＧに面しているモータロータ４０の回転半径Ｒｒよりも大きな回転半径Ｂｒを有する。この構造により、電動機１は、モータロータ４０の自己慣性モーメントを低減し、かつモータ出力軸１２から伝達する出力トルクを向上させることができる。このため、電動機１は、モータ出力軸１２が目標回転速度に到達するまでの時間を短縮し、加減速性能を高めることができる。

（実施形態２）
図９は、回転中心を含む仮想平面で実施形態２の電動機の構成を切って模式的に示す断面図である。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施形態２の電動機１Ａは、ベース部材２０が、略円板状のハウジングベース２１と、中空部１１が貫通し、中空部１１を囲むようにハウジングベース２１から凸状に突出した軸心となるハウジングインナ２２Ａと、ハウジングフランジ２３とを備えている。ハウジングインナ２２Ａは、ハウジングベース２１に立設され、かつハウジングベース２１と一体で形成されている。

この構造により、電動機１Ａは、ハウジングベース２１と支持部材５１とが固定された場合、支持部材５１に対するハウジングインナ２２Ａの支持剛性を高めることができる。

（実施形態３）
図１０は、回転中心を含む仮想平面で実施形態３の電動機の構成を切って模式的に示す断面図である。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施形態３の電動機１は、ハウジングベース２１が上述した締結穴２１ｐを備えているが締結穴２１ｑを備えていない。また、ハウジングベース２１の電動機１の端部１ｂ側は、平坦であり、実施形態１のような支持部２１ａを備えていない。そして、固定部材５５がハウジングベース２１に取り付けられる回転中心Ｚｒからの距離Ｃｒは、回転中心Ｚｒから軸受１４（の外輪）の外周までの距離Ｑｒより小さい。締結穴２１ｐは、軸受１４の外周よりも径方向内側に開けられている。その結果、モータ出力軸１２にかかる負荷、つまりアキシャルモーメントを、軸受１４よりも径方向内側の締結構造（固定部材５５）で集中的に支持することができる。これにより、励磁コイル３２の周囲にあるハウジングベース２１の厚み２１ｔを部分的に低減し、モータステータ３０の励磁コイル３２とハウジングベース２１との間の絶縁距離を確保する。その結果、電動機１の高さを抑制することができる。

（実施形態４）
図１１は、実施形態４の電動機のハウジングベースの表面を模式的に示す平面図である。なお、上述した実施形態で説明したものと同じ構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施形態４の電動機１は、図１１に示すように、ハウジングベース２１の厚さ方向にを貫通する排熱穴排熱孔６３Ａを備えている。排熱穴排熱孔６３Ａは、ハウジングベース２１の周方向に複数備えられ点在している。排熱穴排熱孔６３Ａは、電動機１の内部の熱を排熱し、熱の蓄積を抑制することができる。支持部２１ａが電動機１の自重を支えているので、図４に示すように、支持部材５１とハウジングベース２１の電動機１の端部１ｂ側の間には、空隙５１Ａを設けることができる。排熱穴排熱孔６３Ａから放出された熱は、空隙５１Ａを通じて放出され、支持部材５１の熱による支持位置の歪みを抑制することができる。このため、上述した図１に示す搬送装置１００は、搬送物５３の搬送精度を高めることができる。

（評価例）
上述した実施形態１の電動機１を製造し、評価例ＰＸとした。特許文献１に記載のアウターロータ型の電動機を製造し、比較例ＰＳとした。評価例ＰＸ及び比較例ＰＳの電動機
の外形を直径１６０ｍｍとした場合、例えば、中空部は直径３５ｍｍである。評価例ＰＸのモータ回転軸１０の質量は、１．４ｋｇ、かつモータ出力軸の自己慣性モーメントが０．００２８ｋｇｍ^２である。比較例ＰＳのモータ回転軸の質量は、８．３ｋｇ、かつモータ出力軸の自己慣性モーメントが０．０２４ｋｇｍ^２である。評価例ＰＸ及び比較例ＰＳの電動機を同じ０．０１ｋｇｍ^２慣性モーメントの負荷体に取り付け、回転角度３０度を回転させる位置決め時間を計測した。計測結果は、図１２から図１４に示す。

図１２は、評価例及び比較例の位置決め時間の評価結果を示す説明図である。図１３は、図１２の評価結果に対応する評価例及び比較例の電動機の出力トルクを示す説明図である。図１４は、図１２の評価結果に対応する評価例及び比較例の電動機の加速度を示す説明図である。図１２に示すように、評価例ＰＸの位置決め時間は、２６ｍｓである。比較例ＰＳの位置決め時間は、３６ｍｓである。図１３に示すように、評価例ＰＸの電動機の出力トルクは最大４０Ｎｍであるのに対し、比較例ＰＳの電動機の出力トルクは最大６２Ｎｍであり、比較例ＰＳの電動機は評価例ＰＸの電動機よりも最大の出力トルクは大きい。しかしながら、評価例ＰＸの電動機は比較例ＰＳの電動機よりも位置決め時間が短い。

図１４に示すように、評価例ＰＸは、比較例ＰＳの約１．８倍の加速度を加えることができる。そして図１４の評価は、評価例ＰＸ及び比較例ＰＳ毎に、電動機のモータ回転軸（モータロータ）を回転する仕事Ｊ_Ｒに使用した加速度と、負荷体を回転する仕事Ｊ_Ｌに使用した加速度とを比較する。評価例ＰＸでは、Ｊ_Ｒ／（Ｊ_Ｌ＋Ｊ_Ｒ）×１００を演算した結果、２２％である。比較例ＰＳでは、Ｊ_Ｒ／（Ｊ_Ｌ＋Ｊ_Ｒ）×１００を演算した結果、７１％である。このように、評価例ＰＸは、比較例ＰＳと比べて、負荷体を速く加速している。

図１５は、評価例及び比較例の出力トルクと回転速度の関係を示すＮＴ特性を説明する説明図である。図１６は、負荷体の慣性モーメントに対応する評価例及び比較例の最高加速度を示す説明図である。図１５に示すように、位置決め時間は、ＮＴ特性だけには依存しないことは分かる。そして、図１６に示すように、軽量の負荷体である０．０２ｋｇｍ^２慣性モーメントより慣性モーメントが小さい負荷体を狭角度で位置決めを行う場合、評価例ＰＸの方が、比較例ＰＳよりも最大加速度を大きくすることができる。このように、評価例ＰＸの電動機は、モータ出力軸が０．０１ｋｇｍ^２慣性モーメントの負荷体を回転させた場合の最大角加速度が３０００ｒａｄ／ｓ^２以上である。なお、図１６に示す表かでは、評価例ＰＸの電動機が出力トルク５０Ｎｍ、比較例Ｐｓの電動機が出力トルク９０Ｎｍを発生させた場合に、発生可能な最大加速度（rad/s^２）を、モータの出力トルク（Nm）／（モータの自己慣性モーメント＋負荷体の慣性モーメント（kgm^２）、の式を演算して求めている。

１、１Ａ電動機
１０モータ回転軸
１１中空部
１２モータ出力軸
１２ｂ、１２ｄテーパ面
１２ａ、１２ｃ外周
１２ｅ座面
１２Ａ出力軸固定部
１４軸受
１５Ａ、１５Ｂレゾルバロータ
２０ベース部材
２１ハウジングベース
２１ａ支持部
２１ｑ、２１ｑ締結穴
２２、２２Ａハウジングインナ
２３ハウジングフランジ
２４Ａ、２４Ｂ回転角度検出器
２６、２７、２８Ａ、２８Ｂ、２９固定部材
３０モータステータ
３１ステータコア
３２励磁コイル
４０モータロータ
４１ロータヨーク
４２マグネット
５０負荷体
５１Ａ空隙
５１支持部材
５２搬送プレート
５３搬送物
５５、５６、５７固定部材
６０ダストカバー
６０Ａ検出器カバー
６１ダストカバー本体
６２ダストカバーフィン
６３、６３Ａ排熱孔
Ｐ締結穴
Ｚｒ回転中心

Claims

ハウジングベースと、
前記ハウジングベースに立設され、かつ中空円環状のハウジングインナと、
前記ハウジングインナを囲み、前記ハウジングインナの径方向外側に配置されたモータロータと、
前記ハウジングベースに固定され、かつ前記モータロータの径方向外側に磁気ギャップを介して対向配置されたモータステータと、
前記ハウジングインナに前記モータロータを回転自在に支持する軸受と、
前記磁気ギャップに面している部分での前記モータロータの回転半径よりも大きな回転半径を有する円環状のモータ出力軸と、を含み、
前記モータロータの端部には、前記磁気ギャップに面している部分での前記モータロータの表面よりも径方向外側に突出して前記モータ出力軸と固定部材により連結される出力軸固定部を備え、連結された前記モータロータの端部と前記モータ出力軸とにより前記軸受の外輪が前記モータロータに固定され、
前記モータ出力軸は、前記モータ出力軸と前記出力軸固定部とを連通する雌ねじ穴において前記固定部材を位置決めするモータ出力軸の座面を含み、
前記固定部材の回転中心と直交する仮想平面における前記モータ出力軸の外周の半径よりも、前記座面より前記出力軸固定部側にあるモータ出力軸の外周の半径が小さい電動機。
前記回転中心と平行なスラスト方向において、前記モータ出力軸、前記出力軸固定部、前記モータロータが有するマグネットの順に、配置され、
前記軸受は、前記マグネットのある回転中心と直交する平面とは異なる回転中心と直交する平面に配置されている請求項１に記載の電動機。
前記モータ出力軸は、外周の半径が前記出力軸固定部側へ向かって減少する部分を有し、
前記外周の半径が前記出力軸固定部側へ向かって減少する部分より前記出力軸固定部側にあるモータ出力軸の外周の径方向外側に、前記モータステータを覆うダストカバーを備える請求項１又は２に記載の電動機。
前記軸受は、４点接触軸受である請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機。
前記出力軸固定部は、前記モータステータが有する励磁コイル側に、外周の半径が漸次小さくなるテーパ面を有している請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機。
前記モータステータを覆うダストカバーは、ダストカバーフィンを表面に備え、当該ダストカバーフィンは前記モータロータが回転する方向である周方向に延在する凸部である請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機。
前記ダストカバーの厚み方向に貫通する排熱孔を備えている請求項５または６に記載の電動機。
前記モータ出力軸は、慣性モーメントが０．０１ｋｇｍ^２の負荷体を回転させた場合、最大角加速度が３０００ｒａｄ／ｓ^２以上である請求項１から７のいずれか１項に記載の電動機。
請求項１から８のいずれか１項に記載の電動機を備え、
前記出力軸の回転により、搬送物を搬送する搬送装置。