JP6441757B2 - 偏心方向検出装置および可変ギャップ式モータ - Google Patents

Description

本発明は、偏心方向検出装置および可変ギャップ式モータに関し、更に詳細には、偏心揺動運動の偏心方向（揺動位相）を検出するための偏心方向検出装置および当該偏心方向検出装置を備えた可変ギャップ式モータに関する。

接式遊星歯車機構を組み込まれた可変ギャップ式モータとして、多相交流の各相の電流を通電されるコイルを巻回された固定子突極（磁極）を周方向に等間隔に有し、回転磁界を発生する円環状の界磁用固定子と、前記界磁用固定子の径方向内方に配置され、外周面と前記固定子突極の内周面との間に磁束が通過する磁気ギャップ（エアギャップ）を画定し、内周面に内歯を形成された円環状の可動子と、前記可動子の径方向内方に配置され、外周面に前記内歯より少ない歯数を有して前記内歯に噛合する外歯を形成された外歯歯車とを具備し、前記可動子が前記回転磁界によって前記界磁用固定子に対して偏心揺動することにより前記外歯歯車が減速回転するものが知られている（例えば、特許文献１参照））。

可変ギャップ式モータの可動子の偏心方向の検出は、誘導式やレーザ式等のギャップセンサ（例えば、特許文献２参照）を用いて固定子突極と可動子との距離を互いに直交する２方向から測定し、２個の測定値を用いたベクトル演算によって行うことができる。

特開平４−３１７５５２号公報 特許第４６０６４２９号公報

ギャップセンサを用いた可動子の偏心方向の検出は、ギャップ量を定量的に計測する高価なギャップセンサが必要であると共に、ベクトル演算を高速演算することができる高級な演算処理装置が必要であり、コストパフォーマンスが悪い。

本発明が解決しようとする課題は、高価なギャップセンサや高級な演算処理装置を要することなく可動子（揺動体）の偏心方向を検出することである。

本発明による偏心方向検出装置は、外側部材（１２）と、該外側部材（１２）の内側に設けられ該外側部材（１２）に対して偏心揺動可能な内側部材（２２）との相対的な偏心方向を検出するための偏心方向検出装置であって、前記外側部材（１２）及び前記内側部材（２２）間に、周方向に沿った互いに異なる少なくとも３つの位置のそれぞれに於いて、磁気ギャップを形成するべく互いに対峙するように設けられそれぞれ励磁磁極（６４Ｕ、６４Ｖ、６４Ｗ）及び検出磁極（６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗ）からなる磁極対を有し、前記両部材（１２、２２）の一方の側の励磁磁極（６４Ｕ、６４Ｖ、６４Ｗ）には励磁コイル（６２）が巻回され、前記両部材（１２、２２）の他方の側の検出磁極（６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗ）には検出コイル（６８Ｕ、６８Ｖ、６８Ｗ）が巻回され、前記励磁コイル（６２）が、所定の中心軸線周りに巻回された共通なコイルをなし、前記検出コイル（６８Ｕ、６８Ｖ、６８Ｗ）が個々の検出磁極（６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗ）ごとに前記中心軸線に平行な軸線周りに巻回された個別のコイルをなしている。

この構成によれば、検出コイル（６８Ｕ、６８Ｖ、６８Ｗ）の各々の電気的出力によって前記偏心方向を検出することができる。

本発明による可変ギャップ式モータは、複数の固定子磁極（１４）を備えた固定子（１２）と、該固定子（１２）に対して搖動可能に支持され、前記固定子磁極（１４）に対して可変磁気ギャップを構成するように配置された搖動子磁極（２４）を備えた搖動子（２２）と、前記固定子（１２）に対して回転可能に支持された回転子と、前記搖動子（２２）および前記回転子の一方に設けられた内歯歯車（２８）と、前記搖動子（２２）および前記回転子の他方に設けられた、前記内歯歯車（２８）とは異なる歯数を有して前記内歯歯車（２８）に噛合する外歯歯車（３０）とを有し、前記固定子磁極（１４）および前記搖動子磁極（２４）の一方に回転磁界を生じさせることにより、前記搖動子（２２）を偏心搖動させ、該偏心搖動運動を、前記両歯車（２８、３０）により、前記回転子の回転運動に変換するように構成された可変ギャップ式モータであって、上述の発明による偏心方向検出装置を備え、該偏心方向検出装置に於いて、前記内側部材および前記外側部材の一方を前記搖動子（２２）とし、前記内側部材および前記外側部材の他方を前記固定子（１２）または前記回転子とする。

この構成によれば、検出コイル（６８Ｕ、６８Ｖ、６８Ｗ）の各々の電気的出力によって搖動子（２２）の偏心方向を検出することができる。

本発明による可変ギャップ式モータは、好ましくは、前記固定子磁極（１４）は、各々多相交流の決められた相の電流相を通電され、前記磁極対は前記固定子磁極（１４）に対応する位置に設けられている。

この構成によれば、搖動子（２２）の偏心方向を検出コイル（６８Ｕ、６８Ｖ、６８Ｗ）の電圧出力として検出することができる。

本発明による偏心方向検出装置によれば、検出コイルの電気的出力によって高価なギャップセンサや高級な演算処理装置を必要とすることなく偏心方向を検出することができる。

本発明による偏心方向検出装置を備えた可変ギャップ式モータの一つの実施形態を示す正面図 本実施形態による可変ギャップ式モータの半断面斜視図 本実施形態による偏心方向検出装置の正面図 本実施形態による偏心方向検出装置の要部の部分断面拡大斜視図 ３相交流の波形を示す波形図 励磁電圧、出力電圧およびパルス信号の波形を示す波形図

以下に、本発明による偏心方向検出装置を備えた可変ギャップ式モータの実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。

図１、図２に示されているように、本実施形態の可変ギャップ式モータは、アウタケース１０を有する。アウタケース１０内には円環状の界磁用固定子１２が固定されている。

界磁用固定子１２には内周より径方向内方に突出した６個の固定子突極（ティース）１４が周方向に所定の間隔をおいて形成されている。各固定子突極１４の根元部の外周には固定子コイル１６が巻回されている。各固定子突極１４の先端部には界磁用固定子１２の中心軸線と平行な軸線を中心とした略半円形の凹部１８が形成されている。界磁用固定子１２には周方向に隣り合い固定子突極１４間に配置されてこれらに固定された固定ブロック２０が取り付けられている。

界磁用固定子１２の内側には円環状の揺動子（可動子）２２が偏心揺動可能に配置されている。揺動子２２は強磁性を有する鋼板の積層体によって構成されている。揺動子２２には外周より径方向外方に突出した６個の揺動子突極（ティース）２４が形成されている。揺動子突極２４は、揺動子２２の中心軸線と平行な軸線を中心とした略半円形に形成され、凹部１８に入り込む凸部をなしている。

揺動子突極２４の外径は凹部１８の内径より後述する偏心量Ｅに略等しい寸法だけ小さく、各揺動子突極２４は対応する各固定子突極１４の凹部１８に遊嵌合、つまり間隙をおいて入り込んでいる。この間隙は、固定子突極１４と揺動子突極２４との間に磁束が通過する磁気ギャップ（エアギャップ）であり、界磁用固定子１２に対する揺動子２２の偏心揺動によって変化する可変ギャップをなす。

各揺動子突極２４の根元部の外周には揺動子コイル２６が巻回されている。各揺動子コイル２６にはアウタケース１０側から揺動子２２の偏心揺動を許容する可撓性を有するリード線（不図示）によって給電が行われる。

界磁用固定子１２と揺動子２２とは、後述する連結機構４０によって偏心量Ｅによる相対的な偏心揺動を許容してトルク伝達関係で連結されている。

揺動子２２の内周面には内歯２８が形成されている。これにより、揺動子２２は内接式遊星歯車装置の内歯部材を兼ねており、内接式遊星歯車装置の入力部材をなす。

揺動子２２の内側には外歯歯車３０が配置されている。外歯歯車３０は、回転子をなすものであり、鋼板の積層体によって構成されており、ボールベアリング３２によってアウタケース１０に、界磁用固定子１２と同心で、揺動子２２に対して偏心量Ｅだけ偏心した自身の中心軸線周りに回転可能に支持され、出力部材をなす。なお、図１の符号Ａは界磁用固定子１２および外歯歯車３０の中心を、符号Ｂは揺動子２２の中心を各々示している。

外歯歯車３０の外周には複数の外歯３４が形成されている。外歯３４は、内歯２８と同一ピッチで、内歯２８の歯数より少なくとも１つ以上少ない歯数のものであり、外歯歯車３０に対する揺動子２２の偏心側とは反対側において内歯２８と噛合している。揺動子２２に対する外歯歯車３０の偏心量は、偏心量Ｅに等しく、内歯２８および外歯３４の歯丈より大きい。

連結機構４０は、固定ブロック２０の内周に形成された固定側円弧凹面４２と、揺動子２２の外周に形成された揺動側円弧凹面４４と、固定側円弧凹面４２と揺動側円弧凹面４４とに挟まれたピン４６とを含む。

固定側円弧凹面４２は、界磁用固定子１２の周方向に離れた６箇所に所定の間隔をおいて形成されており、各々、界磁用固定子１２の中心軸線に平行な個別の軸線を中心とした略半円筒状（略１２０〜１６０度円弧）の円弧面である。揺動側円弧凹面４４は揺動子２２の周方向に離れた６箇所に所定の間隔をおいて形成されており、各々、揺動子２２の中心軸線に平行な個別の軸線を中心とした略半円筒状（略１２０〜１６０度円弧）の円弧面である。固定側円弧凹面４２と揺動側円弧凹面４４とは同一内径の円弧面であり、同一の軸線方向位置において界磁用固定子１２および揺動子２２の径方向に互いに対向している。

ピン４６は、外径が固定側円弧凹面４２および揺動側円弧凹面４４の内径より偏心量Ｅだけ小さい外径の円形横断面形状のものであり、固定側円弧凹面４２および揺動側円弧凹面４４に自身の中心軸線方向周りに転動可能に係合している。

この構造により、連結機構４０は、揺動子２２を界磁用固定子１２に対する回転位相を変化することなく界磁用固定子１２に対して偏心量Ｅによる偏心揺動を許容して、揺動子２２と界磁用固定子１２とをトルク伝達関係、この場合、反力受け止め関係で連結する。

上述の構成により、界磁用固定子１２と揺動子２２とが可変ギャップ方式のモータをなし、各々６個の固定子コイル１６に、図５に示されているような位相による３相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の正弦波電流が供給されることにより、界磁用固定子１２の中心周りの回転磁界が発生し、外歯３４が内歯２８に噛み合った状態で、連結機構４０の連結作用のもとに揺動子２２が界磁用固定子１２に対して回転位相を変化することなく偏心量Ｅによる偏心揺動をする。

この揺動子２２の偏心揺動において、界磁用固定子１２は、連結機構４０によって揺動子２２の偏心揺動を許容して揺動子２２の偏心揺動を阻害することなく、揺動子２２から反力を受け止める反力部材をなす。これにより、外歯３４の歯数をＺａ、内歯２８の歯数をＺｂとした場合、減速比Ｇ＝Ｚａ／（Ｚａ−Ｚｂ）をもって外歯歯車３０が減速回転する。

揺動子（内側部材）２２には円環形状の強磁性体製の偏心方向検出のための励磁リング６０が揺動子２２と同心に固定されている。励磁リング６０には、図１、図３に示されているように、自身の中心軸線周りに励磁コイル６２が巻回されていると共に、周方向の３箇所に等間隔（１２０度毎）に各々ヨーク形状をした励磁磁極６４Ｕ、６４Ｖ、６４Ｗ（図４参照）が径方向外周に向けて突出形成されている。励磁コイル６２は励磁リング６０の全周に連続して巻回されており、３個の励磁磁極６４Ｕ、６４Ｖ、６４Ｗについて共通なコイルになっている。

界磁用固定子１２には周方向の３箇所に等間隔（１２０度毎）に各々ヨーク形状の検出磁極６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗ（図４参照）が固定されている。検出磁極６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗは、固定子突極１４の各通電相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の各々に対応する位置に配置されて対応する励磁磁極６４Ｕ、６４Ｖ、６４Ｗとの間に径方向の磁気ギャップを形成するべく対応する励磁磁極６４Ｕ、６４Ｖ、６４Ｗと対峙している。つまり、励磁磁極６４Ｕ、６４Ｖ、６４Ｗと検出磁極６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗとが対応するもの同士で磁気ギャップをおいて互いに対峙する磁極対をなし、協働して閉ループの磁路を生成する。

検出磁極６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗには、検出磁極６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗごとに検出コイル６８Ｕ、６８Ｖ、６８Ｗが界磁用固定子１２の中心軸線に平行な軸線周りに個別に巻回されている。

検出コイル６８Ｕ、６８Ｖ、６８Ｗは対応する検出磁極６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗの磁束によって誘起され、誘導起電力を出力する。誘導起電力は、対応する検出磁極６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗの磁束密度に相関し、検出磁極６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗの磁束密度は各々の磁気ギャップに相関する。磁気ギャップは揺動子２２の偏心揺動に対応して増減するから、検出コイル６８Ｕ、６８Ｖ、６８Ｗの誘起起電力の大きさによって揺動子２２の偏心方向（偏心位置）を検知することができる。これにより、高価なギャップセンサや高級な演算処理装置を必要とすることなく揺動子２２の偏心方向を検出することができる。

励磁コイル６２は３個の励磁磁極６４Ｕ、６４Ｖ、６４Ｗについて共通なコイルになっているから、コイル構造が簡単になると共に、励磁磁極６４Ｕ、６４Ｖ、６４Ｗの励磁が自ずと互い均等に行われ、励磁誤差を生じることがない。

この実施形態では、励磁磁極６４Ｕ、６４Ｖ、６４Ｗと検出磁極６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗとによる３個の磁極対が、固定子突極１４の各通電相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の各々に対応する位置に配置されているので、揺動子２２の偏心方向を通電位相に相関させて検出することができる。

励磁コイル６２に図６に示されている波形の高周波電流が通電され、励磁電圧が印加されると、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各電流相に対応する磁極対の検出コイル６８Ｕ、６８Ｖ、６８Ｗは、電圧振幅がサインカーブの包絡線ａを描いて変化する高周波の電圧信号を出力する。電圧信号の電圧を所定の閾値電圧と比較することにより、界磁用固定子１２の電流相毎にオン・オフするパルス信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを得ることができ、このパルス信号によって界磁用固定子１２の各電流相の通電制御を行うことができる。

以上、本発明を、その好適な実施形態について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施形態により限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

たとえば、励磁磁極６４Ｕ、６４Ｖ、６４Ｗが界磁用固定子１２に設けられ、検出磁極６６Ｕ、６６Ｖ、６６Ｗが揺動子２２に設けられてもよい。内歯２８は揺動子２２とは別体の円環状の内歯歯車によって構成されていてもよい。また、本発明による偏心方向検出装置は、内歯歯車が回転子をなし、外歯歯車が揺動子をなす型式の内接遊星歯車装置による可変ギャップ式モータにも適用することができ、揺動子と回転子あるいは固定子との間に磁気ギャップを作る磁極対が設けられればよい。また、本発明による偏心方向検出装置は、可変ギャップ式モータに対する適用に限られることはなく、偏心揺動運動を行う揺動体を有する各種の運動装置の偏心方向検出に用いることができる。また、本発明による偏心方向検出装置は、三相交流のものに限られることはなく、その他の交流のものにも適用できる。

また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０ アウタケース
１２ 界磁用固定子
１４ 固定子突極
１６ 固定子コイル
１８ 凹部
２０ 固定ブロック
２２ 揺動子
２４ 揺動子突極
２６ 揺動子コイル
２８ 内歯
３０ 外歯歯車
３２ ボールベアリング
３４ 外歯
４０ 連結機構
４２ 固定側円弧凹面
４４ 揺動側円弧凹面
４６ ピン
６０ 励磁リング
６２ 励磁コイル
６４Ｕ 励磁磁極
６４Ｖ 励磁磁極
６４Ｗ 励磁磁極
６６Ｕ 検出磁極
６６Ｖ 検出磁極
６６Ｗ 検出磁極
６８Ｕ 検出コイル
６８Ｖ 検出コイル
６８Ｗ 検出コイル

Claims (2)

1. 複数の固定子磁極を備えた固定子と、前記固定子の内側に該固定子に対して搖動可能に設けられ、前記固定子磁極に対して可変磁気ギャップを構成するように配置された搖動子磁極を備えた搖動子と、前記固定子に対して回転可能に支持された回転子と、前記搖動子および前記回転子の一方に設けられた内歯歯車と、前記搖動子および前記回転子の他方に設けられた、前記内歯歯車とは異なる歯数を有して前記内歯歯車に噛合する外歯歯車とを有し、
   前記固定子磁極および前記搖動子磁極の一方に回転磁界を生じさせることにより、前記搖動子を偏心搖動させ、該偏心搖動運動を、前記両歯車により、前記回転子の回転運動に変換するように構成された可変ギャップ式モータであって、
   前記固定子と前記搖動子との相対的な偏心方向を検出するための偏心方向検出装置を有し、
   前記偏心方向検出装置は、前記固定子及び前記搖動子間に、周方向に沿った互いに異なる少なくとも３つの位置のそれぞれに於いて、磁気ギャップを形成するべく互いに対峙するように設けられそれぞれ励磁磁極及び検出磁極からなる磁極対を有し、前記固定子及び前記搖動子の一方の側の励磁磁極には励磁コイルが巻回され、前記固定子及び前記搖動子の他方の側の検出磁極には検出コイルが巻回され、前記励磁コイルが、所定の中心軸線周りに巻回された共通なコイルをなし、前記検出コイルが個々の検出磁極ごとに前記中心軸線に平行な軸線周りに巻回された個別のコイルをなす可変ギャップ式モータ。
2. 前記固定子磁極は、各々多相交流の決められた相の電流相を通電され、前記磁極対は前記固定子磁極に対応する位置に設けられている請求項１に記載の可変ギャップ式モータ。

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