JP6537724B2 - 回転検出装置および中空アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、大きな内径の中空アクチュエータに組み込むのに適した構造の回転検出装置に関する。

モータの回転位置などを検出するための回転検出装置として例えば磁気式エンコーダが知られている。特許文献１には磁気式エンコーダが取り付けられた中空モータが提案されている。特許文献１に開示の磁気式エンコーダは、中空モータの軸端部において、円環状のベース板の円環状端面に沿ってエンコーダ用のフレキシブルプリント配線基板がループ状に引き回され、当該基板の表面に磁気検出素子が実装されている。また、中空モータの軸端部には、その中空部を取り囲む状態に扇形状のエンコーダ用の信号処理回路基板（ＩＦボード）が搭載されている。

特開２０１２−６８０４９号公報（図１、図３、図４）

中空モータ、あるいは、中空モータと中空減速機を備えた中空アクチュエータ（以下、これらを纏めて中空アクチュエータと呼ぶ。）においては、配線その他の用途のために、大きな中空部とすることが要求される場合がある。また、設置スペースの制約などから、外径寸法を増加させることなく、中空部を大きくすることが要求される場合がある。

このような場合には、回転位置あるいは回転数などを検出するためのモータエンコーダなどの回転検出装置の設置スペースも制約を受ける。すなわち、中空部と装置ハウジングとの間の狭い円環状の設置スペース内に回転検出装置を組み込む必要がある。

狭い円環状の設置スペース内に回転検出装置の構成部品を組み込むためには、回転検出装置の回路構成を簡略化する方法、または、部品を高密度実装する方法を採用して、必要とされる設置スペースを削減することが一般的である。しかし、前者の方法は必要機能を満たさなくなる場合が生じるという課題があり、後者の方法はコスト高を招くという課題がある。

特許文献１に記載されているように、フレキシブルプリント配線基板を円環状に引き回し、その表面に磁気検出素子などを実装することにより、狭い円環状の設置スペース内に効率良く、エンコーダ部品を配置することが可能である。しかし、磁気検出素子などの検出素子は、例えば、９０度間隔で複数個所に配置する必要があるので、異なる寸法の中空アクチュエータに用いる場合には、そのケーブル長が合わなくなる。このために、モータの各型式に適した長さの配線基板を製作する必要があり、コスト高を招く場合がある。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、中空アクチュエータにおける中空部の外周の狭い円環状の隙間に組み込むのに適した回転検出装置、および、当該回転検出装置を備えた中空アクチュエータを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の回転検出装置は、
検出対象の中空回転軸の外周面に同軸に固定される回転体と、
前記回転体を取り囲む円筒状カバーと、
前記回転体の外周面と前記円筒状カバーの内周面との間に形成された円環状隙間と、
前記円環状隙間内において、その円周方向に配列された複数枚のリジッド基板と、
前記円環状隙間内において、前記リジッド基板の間を電気的に接続している複数の導通部材と
を有しており、
前記リジッド基板のそれぞれは、前記回転体の前記外周面に対して接線方向に延びる状態に配置されており、
前記リジッド基板には、前記回転体の回転状態（回転位置、回転速度、回転数など）を検出するための検出素子が実装された複数枚の検出素子実装基板が含まれていることを特徴としている。

回転検出装置は、例えば、中空モータの中空モータ軸の外周に組み付けられ、当該中空モータ軸の回転位置等を検出するために用いられる。この場合には、円筒状カバーはモータハウスの軸端に同軸に取り付けられるか、あるいは、モータハウスの端部分が円筒状カバーとして用いられる。回転体は中空モータ軸の軸端部の外周面に同軸に取り付けられる。

大きな中空部が形成され、外径寸法が制限されている中空モータでは、回転体外周面と円筒状カバーの内周面の間の円環状隙間が狭くなる。本発明では、円環状隙間内に、その円周方向に沿って検出素子が実装された複数枚のリジッド基板を配置し、各リジッド基板の間を導通部材によって電気的に接続している。

例えば、矩形のリジッド基板を用いる場合には、円環状隙間内に各リジッド基板を配置できるように、その長さを設定しておけばよい。円環状隙間が狭く、十分な長さのリジッド基板を組み込むことができない場合には、各リジッド基板の幅（装置軸線の方向の長さ）を広くして、電子部品の実装面積を確保すればよい。

また、異なるサイズの中空モータに組み付ける場合にも、各リジッド基板を共通に使用でき、それらの間を繋ぐ導通部材として、例えば異なる長さのフレキシブルプリント配線基板を用意しておけばよい。回転検出素子の各部品が実装されたリジッド基板を、異なるサイズの中空モータ毎に製作する必要がないので、回転検出装置の製作コストの低減に有利である。

一方、本発明において、複数枚のリジッド基板を、着脱可能な状態で、連結部を介して円環状に連結することも可能である。この場合には、リジッド基板間の信号の伝送距離が短くなり、耐ノイズ性の向上に有利である。また、円環状隙間内におけるリジッド基板の空間占有率を高めることができ、効率よく多数枚のリジッド基板を配置できる。

本発明の回転検出装置を磁気エンコーダとして構成することができる。例えば、前記回転体として、装置軸線方向に同軸状態で隣接配置された２極マグネットリングおよび多極マグネットリングを備えた磁気式アブソリュートエンコーダとすることができる。この場合には、前記検出素子実装基板として、前記２極マグネットリングの回転磁界を検出する２極側磁気検出素子が実装された２極側エンコーダ基板と、前記多極マグネットリングの回転磁界を検出する多極側磁気検出素子が実装された多極側エンコーダ基板とを配置する。

次に、本発明の中空アクチュエータは、中空モータと、前記中空モータの中空モータ軸の回転状態を検出するために、当該中空モータの中空モータ軸の外周に組み付けた回転検出装置とを有しており、前記回転検出装置として、上記構成の回転検出装置を用いることを特徴としている。

本発明を適用した回転検出装置付き中空モータを示す斜視図および端面図である。 リジッド基板の配置例を示す斜視図および端面図である。 本発明を適用した回転検出装置の基板配列構造の別の例を示す説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１（ａ）は本発明を適用した中空アクチュエータである回転検出装置付き中空モータを示す斜視図であり、回転検出装置の装置カバーを取り外した状態で示してある。図１（ｂ）は回転検出装置を示す端面図である。

回転検出装置付き中空モータ１（以下、単に「中空モータ１」という。）は、モータ本体部２と、このモータ本体部２の中心軸線１ａの方向の一方の端に組み付けられた回転検出装置３とを備えており、これらの中心部分には円形断面の中空部４が貫通して延びている。モータ本体部２は、円形輪郭のモータハウス５と、このモータハウス５の中心に同軸に配置されている中空モータ軸（図示せず）とを備えている。モータハウス５の内周面にはモータステータ（図示せず）が取り付けられ、中空モータ軸の外周面にはモータロータ（図示せず）が取り付けられている。

回転検出装置３は、モータ本体部２と同一外径および同一内径の中空型の回転検出装置であり、モータ本体部２の後端（反出力側の部）に同軸に組み付けられている。回転検出装置３は、モータ本体部２の後端に同軸に固定された環状の取付枠１１と、この取付枠１１に同軸に取り付けた想像線で示す装置カバー１２とを備えている。装置カバー１２は、取付枠１１から中心軸線１ａの方向に同軸に延びる円筒状カバー１３と、円筒状カバー１３の後端に取り付けた円盤状のエンドカバー１４とを備えている。円筒状カバー１３の外径寸法はモータハウス５の外径寸法と同一である。

本例の回転検出装置３はアブソリュート磁気エンコーダであり、２極マグネットリング１５および多極歯車１６と、２極マグネットリング１５の外周面に一定のギャップで対峙している一対の２極側磁気検出素子１８、１９と、多極歯車１６の外周面に一定のギャップで対峙している多極側磁気検出素子１７Ａとバイアスマグネット１７Ｂとを備えている。これらの各部品は、円筒状カバー１３の内部に配置されている。多極歯車１６は、円形外周面に一定間隔で多数の外歯が磁極部として形成されている。

円筒状カバー１３の内部には、同軸に、不図示の中空モータ軸の円筒状の軸端部６が延びている。円筒状の軸端部６の外周面には、回転体としての２極マグネットリング１５および多極歯車１６が一体回転するように同軸に取り付けられている。２極マグネットリング１５はモータ側に取り付けられ、反対側に多極歯車１６が取り付けられている。

円筒状カバー１３の円形内周面と、２極マグネットリング１５および多極歯車１６の外周面との間には、円環状隙間２０が形成されている。円環状隙間２０における中心軸線１ａの方向のモータ側の端は取付枠１１によって封鎖され、他方の端はエンドカバー１４によって封鎖されている。

この円環状隙間２０内に、その円周方向に沿って所定の間隔で、複数枚のリジッド基板、図示の例では５枚のリジッド基板２１〜２５が配置されている。リジッド基板２１〜２５は矩形輪郭の基板であり、その長さ方向が、２極マグネットリング１５、多極歯車１６の外周面に対して接線方向を向き、その幅方向が中心軸線１ａの方向を向くように配置されている。また、各リジッド基板２１〜２５は、それらの幅方向の端部が取付枠１１に形成されている基板取付用外周端面１１ａにネジ止め固定されている。なお、リジッド基板２１〜２５の輪郭形状は矩形以外の形状であってもよく、それぞれ同一形状でなくてもよい。

本例では、各リジッド基板２１〜２５の間を電気的に接続している導通部材として、フレキシブルプリント配線基板２６、２７、２８、２９、３０・・・が用いられている。各フレキシブルプリント配線基板２６〜３０として、長さおよび幅が異なるものを用いることができる。同一幅のフレキシブルプリント配線基板を用いることもできる。

リジッド基板２１〜２５の両面には回転検出装置３の電子部品が実装されている。例えば、リジッド基板２４、２５にはそれぞれ２極側磁気検出素子１８、１９が実装され、リジッド基板２１には多極側磁気検出素子１７Ａが実装されている。２極側磁気検出素子１８、１９は、中心軸線１ａ回りに９０度の角度間隔で配置されており、中空モータ軸１回転につき１周期で、一方からＡ相用信号、他方からＢ相用信号が出力される。多極側磁気検出素子１７Ａからは、中空モータ軸１回転につき歯車一歯毎または歯車の歯数に対応する周期でＡ、Ｂ相用の信号が出力される。例えば、リジッド基板２２、２３には信号処理回路が実装されており、これらの信号に基づきモータ中空軸の原点位置、１回転内の絶対角度位置および回転数（回転速度）を表すエンコーダ信号が生成される。

図２に示すように、多極側磁気検出素子１７Ａが実装されたリジッド基板２１は、２極側磁気検出素子１８、１９が実装されたリジッド基板２４、２５の双方から円周方向に離れた位置に配置される。この結果、リジッド基板２１に実装される多極信号生成用のバイアスマグネット１７Ｂも、リジッド基板２４、２５の側の２極側磁気検出素子１８、１９から離れた位置になる。これにより、２極側へのバイアスマグネット１７Ｂによる磁気干渉を低減でき、精度のよい信号検出が可能になる。

（リジッド基板配列の別の例）
図３は、円環状隙間２０内に配置されるリジッド基板の配列構造の別の例を示す説明図である。この図に示すように、複数枚の矩形輪郭のリジッド基板４１、４２、４３・・・を、フレキシブルプリント配線基板等のケーブルを用いずに、円周方向に着脱可能に直接、連結してもよい。

隣接するリジッド基板、例えばリジッド基板４１、４２の間を、所定の角度で、着脱可能に連結する連結部５１を介して連結することができる。図においては連結部５１の取付部分を一点鎖線で示してあり、その具体的構造については図示を省略してある。連結部５１は、双方のリジッド基板４１、４２を電気的に接続する導電部分としての機能を備えている。

例えば、リジッド基板４１、４２の間を連結する連結部５１として、ピンヘッダ（ピン、ソケット、ジャンパ）と呼ばれる端子を用いることができる。一方のリジッド基板４１にピンを取り付けて、他方のリジッド基板４２にピンを差し込み固定可能なソケットを取り付けておけばよい。リジッド基板４２、４３の間にも、一点鎖線で示す部分に、同様な構造の連結部５２が配置され、これらのリジッド基板４２、４３が所定の角度で着脱可能な状態で連結される。

このようにすれば、信号の伝送距離が短くなるので、これらのリジッド基板に実装されている電気回路の耐ノイズ性が向上する。また、多数枚のリジッド基板を、狭い円環状隙間内に、無駄なく配列できるので、隙間の利用効率を高めることができる。さらに、各リジッド基板間の連結角度を変えることで、異なる寸法の中空アクチュエータに同一リジッド基板を適用でき、コスト的にも有利である。

（その他の実施の形態）
上記の実施の形態は、回転検出装置をアブソリュート磁気エンコーダとして構成した場合の例である。回転検出装置は、磁気エンコーダ以外の光学式エンコーダであってもよい。また、多極歯車以外として多極リングマグネットであってもよい。

また、本発明は、中空モータと中空減速機を備えた構成の中空アクチュエータに対しても同様に適用可能なことは勿論である。

Claims (5)

1. 検出対象の中空回転軸の外周面に同軸に固定される回転体と、
   前記回転体を取り囲む円筒状カバーと、
   前記回転体の外周面と前記円筒状カバーの内周面との間に形成された円環状隙間と、
   前記円環状隙間内において、その円周方向に配列された複数枚のリジッド基板と、
   前記円環状隙間内において、前記リジッド基板の間を電気的に接続している複数の導通部材と
   を有しており、
   前記リジッド基板のそれぞれは、前記回転体の前記外周面に対して接線方向に延びる状態に配置されており、
   前記リジッド基板には、前記回転体の回転状態を検出するための検出素子が実装された複数枚の検出素子実装基板が含まれており、
   前記回転体は、装置軸線方向に同軸状態で隣接配置された２極マグネットリングおよび多極歯車を備えており、
   前記検出素子実装基板には、前記２極マグネットリングの回転磁界を検出する２極側磁気検出素子が実装された２極側エンコーダ基板と、前記多極歯車の回転磁界を検出する多極側磁気検出素子が実装された多極側エンコーダ基板とが含まれている回転検出装置。
2. 請求項１において、
   前記導通部材はフレキシブルプリント配線基板である回転検出装置。
3. 請求項１において、
   前記円周方向に隣接する前記リジッド基板は、それぞれ、着脱可能な連結部を介して相互に連結されており、
   前記連結部には、前記導通部材として機能する連結部が含まれている回転検出装置。
4. 請求項１において、
   前記多極歯車の代わりに、多極マグネットリングを備えている回転検出装置。
5. 中空モータと、
   前記中空モータの中空モータ軸の回転状態を検出するために、当該中空モータ軸の外周に組み付けた回転検出装置と
   を有しており、
   前記回転検出装置は、請求項１、２、３および５のうちのいずれか一つの項に記載の回転検出装置である
   中空アクチュエータ。

Images