JP6496188B2 - エンコーダ内蔵モータ - Google Patents

Description

本発明は、産業機械や工作機械に使用するエンコーダ内蔵モータに関する。

工作機械等に使用する送り軸のモータをフィードバック制御する場合、モータに内蔵したエンコーダが検出する回転位置を入力値として扱い、モータの回転子が所望の回転位置となるよう固定子巻線に電流を流している。そして、このフィードバック制御により、モータの回転軸の負荷側に結合した制御対象を制御している。制御対象を精度よく位置決めしたり、滑らかに駆動させたりする上で重要なこととしては、単にエンコーダの検出精度が高いということ以外にも、エンコーダがモータの回転位置を確実に検出しているか、ということも挙げられる。

図４は、従来のエンコーダ内蔵モータの反負荷側部分の概略構造を示す断面図である。モータ回転軸１２０は、図示しない回転子鉄心を嵌合してあり、反負荷側軸受１２１と図示しない負荷側軸受とで軸支され、回転自在となっている。モータ回転軸１２０の反負荷側端には、エンコーダ回転軸１０１が、すきまばめの寸法関係でボルト１２３にて固定されており、モータ回転軸１２０と一体となって回転すべく、エンコーダ回転軸１０１もエンコーダ軸受１０２ａ，１０２ｂによって軸支され回転自在となっている。エンコーダ回転軸１０１には、ガラススリット円板１０３が、スリットトラックの回転中心ずれを極力減じるように接着固定されている。

また、ガラススリット円板１０３に対向するように、かつ適当な空隙を隔てつつ、ＬＥＤ（発光ダイオード）からなる発光ユニット１０４がハウジング４０６に固定されており、同様にＰＤ（フォトダイオード）からなる受光ユニット１０５は、ハウジング４０６にボルト１１３ａ，１１３ｂで固定した処理回路基板１０７に実装されている。また、ハウジング４０６は、板ばね状のカップリング１０８を介して、モータフランジ１２２に固定されており、回転方向に拘束されている。更に、モータフランジ１２２には、エンコーダ４１２の防塵、防滴などのために、カバー４０９やパッキング１１０ａ，１１０ｂや蓋１１１が設置されている。

以上の構成によるエンコーダ４１２は、モータ回転軸１２０の回転と一体となって回転するガラススリット円板１０３を透過する発光ユニット１０４からの光の強弱を、受光ユニット１０５にて光電変換し、光電変換された電気的信号を処理回路基板１０７にて各種演算を行うことによって、回転位置を出力する。このように、モータ回転軸１２０とエンコーダ回転軸１０１とを直接結合し、ハウジング４０６の回転方向の拘束を板ばね状のカップリング１０８で行う構造は、特許文献１〜３等に開示されている。これらの中には、光学式以外にもリラクタンスレゾルバ方式などの検出原理も含まれている。

さて、前述したように、モータ回転軸１２０の負荷側に接続した制御対象を精度よく位置決めしたり、滑らかに駆動させたりする上で重要なこととして、エンコーダの検出精度が高いということや、エンコーダがモータの回転位置を確実に検出しているかということを挙げた。図４の例でいえば、エンコーダの検出精度の良し悪しは、ガラススリット円板１０３のスリットの加工精度や、スリットトラックの回転中心からのずれ量、発光ユニット１０４と受光ユニット１０５の位置ずれ量、発光ユニット１０４の迷光量、受光ユニット１０５内の各相の感度バラつき量、処理回路基板１０７での演算誤差などの多岐に及ぶ要因にて決定される。

また、エンコーダ４１２がモータの回転位置を確実に検出しているかという点について、図４の例で説明する。エンコーダ軸受１０２ａ，１０２ｂには、回転動作に伴う摩擦抵抗が発生しており、予圧などを加えていれば、その力は大きいものとなる。エンコーダ軸受１０２ａ，１０２ｂでの摩擦力によって、モータ回転軸１２０の細い部分などがねじれ、モータの回転子鉄心とガラススリット円板１０３との間に、回転方向のずれが発生する。この現象については、モータ回転軸１２０とエンコーダ回転軸１０１との径方向寸法の相違などから、構造上やむを得ない側面はある。一方、エンコーダ軸受１０２ａ，１０２ｂの摩擦力は、軸受内の鋼球が転送面を転がる際に発生しており、内輪側（回転軸側）のみならず、外輪側（ハウジング側）にもその影響力が及んでいる。

エンコーダ軸受１０２ａ，１０２ｂの外輪側（ハウジング側）への摩擦力は、ハウジング４０６の回転方向へと働く。ハウジング４０６が回転してしまえば、ハウジング４０６上に搭載した発光ユニット１０４や受光ユニット１０５も、同様に回転してしまうため、正しい回転位置を検出できなくなってしまう。こうならないために、ハウジング４０６は、カップリング１０８で回転しないよう拘束されている。しかし、カップリング１０８は、モータ回転軸１２０のラジアル方向及び、スラスト方向の振動や変位（温度変化での伸縮等）から、エンコーダ回転軸１０１や処理回路基板１０７などのエンコーダ部品を保護すべく、ラジアル方向およびスラスト方向への変位を吸収可能な弾性変形構造となっている。

図５は、図４に記載のカップリングの斜視図である。カップリング１０８は、薄いばね鋼材を、切断や曲げが一度に可能なプレス金型等で成形される。ハウジング４０６への取付穴５０１ａ〜５０１ｄのある内側から、モータフランジ１２２への取付穴５０２ａ〜５０２ｄのある外側へ至るまでに、二段の曲げを設けてあり、モータ回転軸１２０のラジアル方向及び、スラスト方向の振動や変位を吸収し、エンコーダ部品を保護することができる。逆に、エンコーダ軸受１０２ａ，１０２ｂの摩擦力によって発生する回転方向への力に対しては、正対する曲げを設けておらず、比較的変形しづらい構造となっている。しかしながら、どんな構造体であっても、固有振動数をもっており、エンコーダ軸受１０２ａ，１０２ｂの摩擦力によって発生する回転方向への加振によって、カップリング１０８の回転方向の固有振動数と合致する振動が励起されることもある。この場合、カップリング１０８がその周波数で回転方向に大きく共振し、ハウジング４０６も回転方向に大きく振動し、ハウジング４０６上に搭載した検出部も同様の現象となり、エンコーダ４１２が検出する回転位置に大きな誤差が発生することになる。この回転位置検出値でもって、フィードバック制御すれば、更に固有振動数による発振が発生してしまう。

カップリング１０８に求められる性能は、ラジアル方向及び、スラスト方向に柔らかく、そして、回転方向への剛性が高いことである。回転方向への剛性が高いことと等価に、フィードバック制御への影響が無視できるほど、回転方向の固有振動数が高くても良い。特許文献４の従来例に示されているベローズ型のカップリング構造であれば、比較的容易にそういった性能が得られることが知られている。しかし、ベローズ型のカップリング構造は、カップリング自体のスペースを要することや、構造が複雑なため高価といった負の側面がある。板ばね状のカップリング１０８は、前述のように、切断や曲げが一度に可能なプレス金型等で成形されるため、安価であり、大量生産可能でもある。加えて、スペース的にも優位性が高いため、しばしば使用されてきた。

特開平９−２４３４０９号公報 特開２００１−３５２７１７号公報 特開２０１４−１５７１５３号公報 特開２００５−３６８６１号公報

上述した通り、エンコーダ内蔵モータにあっては、モータ回転軸１２０の回転に伴って、エンコーダ軸受１０２ａ，１０２ｂの摩擦力が発生する。この際、回転方向への加振力に対し、板ばね状のカップリング１０８の固有振動数と合致する振動が励起され、エンコーダ４１２の検出する回転位置に誤差が発生し、その周波数でもって制御系が発振することがあった。フィードバック制御側では、この発振現象を回避すべく、フィードバックループゲインを下げたり、その周波数帯域に対してフィルタを設定して感度を下げたりすることもあった。或いは、上述の現象をカップリング１０８側で低減する方法として、ベローズ型のカップリングを採用することもあるが、その場合は、スペースを要することや高価であることなどの課題があった。

一方で、モータは固定子鉄心に巻装したコイル巻線に電流を流すことによって、回転子鉄心に回転力を与えているが、電流を流されたコイル巻線は銅損と呼ばれる損失が発生し、コイルエンドが発熱する現象がある。この熱は、モータフランジ１２２に伝わり、エンコーダ４１２のエリアに伝達する。エンコーダ４１２にあっては、処理回路基板１０７に実装した受光ユニット１０５やその他の回路素子、または、発光ユニット１０４が、温度上昇に伴う特性変化を有しており、検出機能上の阻害要因となっていた。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、安価な板ばね状のカップリングを採用しつつも、その固有振動数での振動を低減し、延いては、フィードバック制御系でのフィードバックループゲインを下げることなく、或いは、その固有振動数の帯域にフィルタを設定して感度を下げるようなことをすることなく、制御を行うことができるエンコーダ内蔵モータを提供することを目的とするものである。また、モータのコイルエンドにて発生した銅損による熱の影響を、受けづらくしたエンコーダ内蔵モータも提供することを目的とするものである。

本発明のエンコーダ内蔵モータは、モータ回転軸および当該モータ回転軸に固着された回転子鉄心を含む回転子と、固定子鉄心にコイル巻線を巻装した固定子と、前記回転子鉄心と前記固定子鉄心とが空隙を介して対向配置するべく前記モータ回転軸を回転自在に軸支するモータ軸受と、前記モータ回転軸の反負荷側に結合されるとともに前記回転子の回転角度を検出するエンコーダと、前記エンコーダを覆うカバーと、を備えるエンコーダ内蔵モータにおいて、前記エンコーダは、被検出部が装着されたエンコーダ回転軸と、検出部が装着されたハウジング筐体と、前記検出部にて検出した信号をエンコーダ回転情報へ処理する回路基板と、前記被検出部と前記検出部とが空隙を介して対向配置するべく、前記エンコーダ回転軸を回転自在に軸支するエンコーダ軸受と、前記ハウジング筐体と前記固定子とを結合する板ばね状のカップリングと、を備え、前記ハウジング筐体の外周面および前記カバーの内周面のいずれか一方に、環状の溝が設けられており、前記環状の溝に、環状の弾性体が装着され、前記ハウジング筐体の外周面および前記カバーの内周面の他方には、前記環状の溝に装着された弾性体と接触する接触部が設けられている、ことを特徴とする。

好適な態様では、前記溝および接触部の少なくとも一方に、前記ハウジング筐体の回転方向の動きを低減させる凹凸が形成されている。

他の好適な態様では、前記弾性体に、前記ハウジング筐体の回転方向の動きを低減させる凹凸または切り込みが形成されている。

他の好適な態様では、前記溝および接触部の少なくとも一方に、周方向に規定のピッチで並ぶ複数の凹凸が形成され、前記弾性体に、周方向に前記規定のピッチと同じピッチで並ぶ複数の切り込みまたは凹凸が形成されている。

上記した本発明のエンコーダ内蔵モータの構造によれば、カップリングの固有振動数等で発生する回転方向の振動を、弾性体によって抑制、低減することができる。これにより、本発明のエンコーダ内蔵モータを使用する側のフィードバック制御系でのフィードバックループゲインを下げることなく、或いは、その固有振動数の帯域にフィルタを設定して感度を下げるようなことをすることなく、制御を行うことができる。

加えて、弾性体を配設する構造によって、エンコーダの周辺雰囲気エリアを二分割することなり、モータのコイルエンドで発生した熱を処理回路基板などの検出上の重要部品へ伝達しづらくすることができる。

本発明のエンコーダ内蔵モータの一例を示す反負荷側部分の断面図である。 本発明のエンコーダ内蔵モータに使用するカバーの一例を示す斜視図である。 本発明のエンコーダ内蔵モータに使用する弾性体の一例を示す斜視図である。 従来のエンコーダ内蔵モータの反負荷側部分の概略構造を示す断面図である。 図４に記載のカップリングの斜視図である。

以下、本発明による形態を図１〜３に示す各実施例に基づいて説明する。なお、各実施例において、図４と同一構成要素には同一符号を付すものとする。

図１は、本発明のエンコーダ内蔵モータの一例を示す反負荷側部分の断面図である。モータ回転軸１２０とエンコーダ回転軸１０１との結合構造や、反負荷側軸受１２１やエンコーダ軸受１０２ａ，１０２ｂでの回転自在に軸支される構造、検出原理に関わるガラススリット円板１０３、発光ユニット１０４、受光ユニット１０５といった検出部の構造、カップリング１０８でモータ回転軸１２０からのラジアル方向などの荷重を吸収しつつ回転拘束する構造などは、従来例の図４との変更はない。また、処理回路基板１０７における信号処理や演算処理にも変更はない。よって、本発明による図１の形態では、従来例の図４との変更点を説明する。

ハウジング１０６は、外周面に溝１０６ａが設けてあり、その溝１０６ａにはＯリング１００を装着している。カバー１０９は、Ｏリング１００と自身の一部が接触するよう内側にせり出した面を成形している。この構成においても、従来例図４のように、モータ回転軸１２０の回転に伴って、エンコーダ軸受１０２ａ，１０２ｂでの摩擦力によりハウジング１０６に回転方向への力が加わるが、ハウジング１０６の溝１０６ａに配置したＯリング１００は、ハウジング１０６やカバー１０９との間で摩擦力を発生させることとなり、回転方向への動きを低減する役目を果たすこととなる。

この構成で重要な点は、カップリング１０８部分での回転方向の固有振動数と、Ｏリング１００部分での回転方向の固有振動数とが、異なるように選定することにある。一般的に、カップリング１０８は、ばね鋼材などの金属からなるため、回転方向の固有振動数は、１ｋＨｚ前後、または、１ｋＨｚ以上の固有振動数である。一般的に、Ｏリング１００は、ニトリルゴムなどのゴム材からなるため、それ自身の回転方向の固有振動数は、極めて低い。図１の構成にあっては、Ｏリング１００の潰し代などで、固有振動数は変化するものの、カップリング１０８の固有振動数（１ｋＨｚ前後等）より十分に低い値とすることは難くない。こうすることにより、ハウジング１０６に回転方向への力が加わった際に、カップリング１０８の固有振動数にて共振現象が発生しようとしても、Ｏリング１００部分が運動エネルギーを減衰させるダンパーとして機能することとなる。

Ｏリング１００の潰し代は、前述のように固有振動数の観点だけで決定されるものではない。潰し代を少なくすれば、固有振動数が低くなるが、ハウジング１０６やカバー１０９との接触部分で発生する摩擦力も小さくなってしまい、回転方向への動きの低減効果が低くなる。逆に、潰し代を大きくすれば、回転方向への拘束効果は高くなるが、ラジアル方向へも硬くなってくるため、エンコーダ軸受１０２ａ，１０２ｂや処理回路基板１０７に実装した素子類の振動保護の性能を落とすこととなる。よって、本発明を採用する側が、適宜バランスを考慮しつつ、Ｏリング１００の潰し代を決定されればよい。

更に、Ｏリング１００の潰し代とは別に、ハウジング１０６やカバー１０９、Ｏリング１００の材質についても、夫々の接触する関係において、摩擦係数が大きいものを選ぶことで、好適な効果を得られやすい。ハウジング１０６やカバー１０９の加工や成形方法との兼ね合いもあるので、本発明を採用する側にて、可能な材質を考慮しつつ決定されれば良い。

他方で、本発明による図１の形態では、ハウジング１０６の溝１０６ａに装着したＯリング１００と、そのＯリング１００と自身の一部が接触するよう内側にせり出した面を成形したカバー１０９とによって、エンコーダ１１２の周辺雰囲気が上下に二分割されることとなる。モータのコイルエンド部からの銅損による発熱が、モータフランジ１２２などから伝達してくるが、二分割された下側（モータ側）のエリアは、熱が伝わり比較的高い温度となるが、上側（蓋１１１側）のエリアは、Ｏリング１００やカバー１０９の内側にせり出した部分によって、断熱されており、比較的低い温度となる。これにより、エンコーダ１１２として重要な検出部分や処理回路基板１０７の周囲温度を比較的低くすることが可能となり、検出機能上の阻害要因としての温度変化を低減している。好適には、カバー１０９の材質を注型成形による樹脂材とし、蓋１１１の材質を金属とすれば、カバー１０９を伝っての熱伝導を少なくし、且つ、伝わってしまった熱を蓋１１１にて外部へ放熱することができる。以上は一例であるが、前述の摩擦係数との関係もあるので、本発明を採用する側にて、ベストな組み合わせを考慮しつつ、決定されればよい。

次に、他の実施例について、図２をもとに説明する。図２は、本発明のエンコーダ内蔵モータに使用するカバー１０９’の一例を示す斜視図である。このカバー１０９’は、図１の例のカバー１０９にアレンジを加えたものである。ハウジング１０６の回転方向の動きを拘束すべく、Ｏリング１００と接触する接触部１０９ａに、平目状のローレット加工を施してある。これにより、ラジアル方向の柔らかさを損なうことなく、Ｏリング１００との摩擦力を高めることが出来る。なお、ローレット形状は、注型成形などで成形すれば、それ専用で加工する必要はない。また、ハウジング１０６の溝１０６ａにローレット形状の凹凸を付しても良い。ハウジング１０６の材質が、アルミニウムであれば、ダイカストやロストワックスといった鋳造時に成形してもよい。

次に、他の実施例について、図３をもとに説明する。図３は、本発明のエンコーダ内蔵モータに使用する弾性体１００’の一例を示す斜視図である。この弾性体１００’は、図１の例のＯリング１００にアレンジを加えたものである。図３の弾性体１００’は、ニトリルゴム材から注型等により成形され、数珠のように複数の扁平なゴム玉が環状に繋がった構造としてある。更に、図２のカバー１０９と組み合わせて使用した場合、ローレット目の凹んだ部分に扁平なゴム玉がはまり込んで、より強力な回転方向への拘束効果が得られる。なお、ローレット目のピッチと、扁平なゴム玉のピッチとを合わせるようにすれば、より効果を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、Ｏリング等の弾性体をカバー側に溝を設けて装着させてもよい。また、図３にて数珠のように複数の扁平なゴム玉を環状に繋げてなる弾性体を示したが、例えば、車のスタッドレスタイヤのようにカバー等と接触する面に切れ込みを付したものでも、本発明が提供するところのエンコーダ内蔵モータとすることができる。また、これまでの説明では、溝１０６ａを、一列だけ形成した構成のみを挙げたが、溝１０６ａは、軸方向に二列以上設けてもよい。

１００，１００’ 弾性体（Ｏリング）、１０１ エンコーダ回転軸、１０２ａ，１０２ｂ エンコーダ軸受、１０３ ガラススリット円板、１０４ 発光ユニット、１０５ 受光ユニット、１０６，４０６ ハウジング、１０６ａ 溝、１０７ 処理回路基板、１０８ カップリング、１０９，１０９’，４０９ カバー、１０９ａ 接触部、１１０ａ，１１０ｂ パッキング、１１１ 蓋、１１２，４１２ エンコーダ、１１３ａ，１１３ｂ （処理回路基板固定用）ボルト、１１４ａ，１１４ｂ （カバー類固定用）ボルト、１１５ａ，１１５ｂ （ハウジングへのカップリング固定用）ボルト、１２０ モータ回転軸、１２１ 反負荷側軸受、１２２ モータフランジ、１２３ （エンコーダ固定用）ボルト、１２４ａ，１２４ｂ （モータフランジへのカップリング固定用）ボルト、５０１ａ〜５０１ｄ ハウジングへの取付穴、５０２ａ〜５０２ｄ モータフランジへの取付穴。

Claims (4)

1. モータ回転軸および当該モータ回転軸に固着された回転子鉄心を含む回転子と、固定子鉄心にコイル巻線を巻装した固定子と、前記回転子鉄心と前記固定子鉄心が空隙を介して対向配置するべく前記モータ回転軸を回転自在に軸支するモータ軸受と、前記モータ回転軸の反負荷側に結合されるとともに前記回転子の回転角度を検出するエンコーダと、前記エンコーダを覆うカバーと、を備えるエンコーダ内蔵モータにおいて、
   前記エンコーダは、
   被検出部が装着されたエンコーダ回転軸と、
   検出部が装着されたハウジング筐体と、
   前記検出部にて検出した信号をエンコーダ回転情報へ処理する回路基板と、
   前記被検出部と前記検出部とが空隙を介して対向配置するべく、前記エンコーダ回転軸を回転自在に軸支するエンコーダ軸受と、
   前記ハウジング筐体と前記固定子とを結合する板ばね状のカップリングと、
   を備え、
   前記ハウジング筐体の外周面および前記カバーの内周面のいずれか一方に、環状の溝が設けられており、
   前記環状の溝に、環状の弾性体が装着され、
   前記ハウジング筐体の外周面および前記カバーの内周面の他方には、前記環状の溝に装着された弾性体と接触する接触部が設けられている、
   ことを特徴とするエンコーダ内蔵モータ。
2. 前記溝および接触部の少なくとも一方に、前記ハウジング筐体の回転方向の動きを低減させる凹凸が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ内蔵モータ。
3. 前記弾性体に、前記ハウジング筐体の回転方向の動きを低減させる凹凸または切り込みが形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至２に記載のエンコーダ内蔵モータ。
4. 前記溝および接触部の少なくとも一方に、周方向に規定のピッチで並ぶ複数の凹凸が形成され、
   前記弾性体に、周方向に前記規定のピッチと同じピッチで並ぶ複数の切り込みまたは凹凸が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンコーダ内蔵モータ。