JP6808474B2 - ギヤ付きモータのアブソリュートエンコーダ - Google Patents

Description

本発明は、ギヤ付きモータに関し、特に、その出力軸の絶対回転位置を検出するアブソリュートエンコーダに関する。

産業用ロボット、工作機械等における高い位置決め精度が要求される駆動部分には、モータの出力回転を高い伝達精度の減速機を介して出力するように構成されたギヤ付きモータが用いられている。ギヤ付きモータは、モータと、そのモータ軸に連結された減速機とを備えている。減速機の出力軸によって負荷側の装置が回転駆動される。

ギヤ付きモータにおいて、負荷側の装置の位置決め等を精度良く行うためには、減速機の出力軸の回転位置を高い精度で制御する必要がある。そのために、モータ軸にはモータ軸エンコーダが取り付けられ、出力軸にも回転位置センサが取り付けられる。

回転位置センサは、例えば、出力軸の先端部分（負荷側の軸端部）に配置される。回転位置センサを出力軸の先端部分に配置できない場合には、出力軸の後端部分を中空モータ軸の中空部を通してモータの後ろ側まで延ばし、モータの後ろ側に回転位置センサが配置される。また、バッテリレスの回転位置センサとしては、出力軸の原点位置を検出する原点センサ、あるいは、出力軸の絶対回転位置を検出するアブソリュートセンサが用いられる。アブソリュートセンサを用いる場合には、モータ起動時に出力軸の原点出しが不要である。

特許文献１には、モータ軸の回転に基づき出力軸の絶対回転位置を検出する多回転アブソリュート回転角度検出装置が提案されている。この装置では、モータ軸の回転を複数枚の平歯車からなる減速機を介して減速して取り出すことにより、出力軸１回転内の絶対回転位置を検出できるようにしている。

特許第５４２０６２４号公報

モータ軸の回転に基づき出力軸の絶対回転位置を検出するために、複数枚の平歯車から構成される減速機構を用いる場合において、各平歯車を精度良く製造し、精度良く組み立てることが困難なことが多い。各平歯車の製造精度が低く、それらの組立精度が低い場合には、出力軸の絶対回転位置を精度良く検出できない。また、モータ軸の外周側において、その半径方向に平歯車からなる減速歯車列が配置されると、ギヤ付きモータにおけるアブソリュートセンサが組み込まれた部分の外径寸法が大きくなってしまう。

本発明の目的は、このような点に鑑みて、ギヤ付きモータにおいて、その出力軸の絶対回転位置を、コンパクトな構成で、精度良く検出可能なアブソリュートエンコーダを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明による、モータ軸の回転が減速機を介して減速されて出力軸から出力されるギヤ付きモータにおける出力軸の絶対回転位置を検出するアブソリュートエンコーダは、モータ軸の回転を減速する波動歯車装置と、波動歯車装置の減速回転出力部材の絶対回転位置を検出する検出部とを有している。波動歯車装置の速比は、減速機の速比と同一または大きな値に設定される。

波動歯車装置はバックラッシが無く回転伝達誤差が少ないので、平歯車等の歯車列からなる減速機構を用いてモータ軸を減速して出力軸の絶対回転位置を検出する場合に比べて、精度の高い検出が可能になる。また、波動歯車装置は内歯歯車、外歯歯車および波動発生器の３部品が同心状に配置されたコンパクトな構成の減速機構であるので、他の減速機構を用いる場合に比べて設置スペースが少なくて済む。

本発明では、波動歯車装置としては軸長の短いフラット型波動歯車装置を用いる。フラット型波動歯車装置は、回転しないように固定された剛性の静止側内歯歯車、回転可能な剛性の駆動側内歯歯車、静止側内歯歯車および駆動側内歯歯車の双方にかみ合い可能な可撓性の外歯歯車、および外歯歯車を非円形に撓めて静止側内歯歯車および駆動側内歯歯車の双方に部分的にかみ合わせている波動発生器を備えている。波動発生器はモータ軸に固定される回転入力部材とされ、駆動側内歯歯車は減速回転出力部材とされる。

例えば、波動歯車装置の速比を減速機の速比と同一に設定しておくと、駆動側内歯歯車は出力軸と同一回転数で回転する。駆動側内歯歯車の１回転内の各回転位置が、出力軸の１回転内の各回転位置に対応する。よって、検出部によって駆動側内歯歯車の１回転内の絶対回転位置を検出すれば、出力軸の１回転内の絶対回転位置が得られる。

例えば、検出部として磁気検出機構を用いることができる。この場合には、例えば、駆動側内歯歯車の円形外周面あるいは円環状端面において、その円周方向に沿って一定のピッチで磁極が形成された被検出面を形成する。あるいは、一定のピッチで凹凸部が形成された被検出面、例えば一定のピッチで外歯を形成する。被検出面に対して、円周方向における定まった位置、ＭＲ素子などから構成される磁気センサを配置すればよい。

次に、本発明のギヤ付きモータは、上記構成のアブソリュートエンコーダを備えていることを特徴としている。例えば、アブソリュートエンコーダは、モータにおける減速機とは反対側（反出力側）の位置において、モータ軸の回転位置を検出するモータ軸エンコーダの隣に配置される。

本発明のギヤ付きモータでは、出力軸の絶対回転位置を検出するためにモータ軸の回転を減速するための減速機構として波動歯車装置を用いている。波動歯車装置は平歯車等からなる減速歯車列を用いる場合に比べて精度良く回転を伝達できる。よって、精度良く出力軸の絶対回転位置を検出でき、これに基づき、ギヤ付きモータの位置決め制御を精度良く行うことができる。

本発明を適用したアブソリュートエンコーダを備えたギヤ付きモータの一例を示す説明図である。

以下に、図１を参照して、本発明を適用したアブソリュートエンコーダを備えたギヤ付きモータの一例を説明する。

アブソリュートエンコーダを備えたギヤ付きモータ１（以下、単に、「ギヤ付きモータ１」と呼ぶ。）は、モータ２と、そのモータ軸３の出力側に連結された減速機４とを備えている。減速機４の出力軸５には負荷側の装置６が連結されており、出力軸５によって回転駆動される。例えば、出力軸５の１回転が負荷側の装置６の動作範囲として設置されている。

負荷側の装置６の位置決め制御、すなわち、減速機４の出力軸５の１回転内の位置決め制御を精度良く行うために、モータ軸３の回転位置を検出するモータ軸エンコーダ７と、出力軸５の１回転内の絶対位置を検出するためのアブソリュートエンコーダ８とが配置されている。

モータ軸エンコーダ７およびアブソリュートエンコーダ８は、モータ軸３の後側（反出力側）の軸端部３ａの外周部分に配置されている。また、アブソリュートエンコーダ８は、モータ軸エンコーダ７の後ろ側に隣接配置されている。

モータ軸エンコーダ７の検出信号およびアブソリュートエンコーダ８の検出信号は、制御部１０における共通の信号処理回路１１において波形成形等の信号処理が施され、処理後の信号波形に基づき、モータ軸３の回転位置および出力軸５の１回転内の絶対回転位置が演算される。演算結果に基づき制御部１０はモータドライバ１２を介してモータ２を駆動して、負荷側の装置６の位置決め制御を行う。

例えば、モータ軸エンコーダ７は磁気式のエンコーダであり、その検出部は、モータ軸３の軸端部３ａに同軸に固定した多極着磁された回転円盤７ａ、２極着磁された回転円盤７ｂ、および、それぞれの回転円盤の外周面に対峙させたホール素子、ＭＲ素子などから構成される磁気センサ７ｃ、７ｄを備えている。モータ軸エンコーダ７として、例えば、磁気式あるいは光学式のロータリエンコーダを用いることができる。

アブソリュートエンコーダ８は、モータ軸３の回転を減速する波動歯車装置１３と、波動歯車装置１３の減速回転出力部材の絶対回転位置を検出する検出部１４とを備えている。波動歯車装置１３の速比Ｒ（１３）は、本例では、減速機４の速比Ｒ（４）と同一となるように設定されている。

波動歯車装置１３は、フラット型波動歯車装置であり、回転しないように固定された剛性の静止側内歯歯車１６および回転可能な剛性のリング状の駆動側内歯歯車１７と、静止側内歯歯車１６および駆動側内歯歯車１７にかみ合い可能な円筒形状をした可撓性の外歯歯車１８と、外歯歯車１８を非円形、例えば楕円状に撓めて静止側内歯歯車１６および駆動側内歯歯車１７の双方に部分的にかみ合わせている波動発生器１９とを備えている。駆動側内歯歯車１７と外歯歯車１８とは歯数が同一であり、静止側内歯歯車１６の歯数はこれらの歯車よりも多い。例えば、外歯歯車１８が楕円状に撓められて、円周方向の２か所で双方の内歯歯車にかみ合う場合には、歯数差は２ｎ枚（ｎ＝１，２，３・・・）とされる。

静止側内歯歯車１６は、モータケース２ａに固定したエンコーダカバー２１に固定されている。波動発生器１９はモータ軸３に固定されており、モータ軸３と一体回転する回転入力部材である。駆動側内歯歯車１７は減速回転出力部材であり、軸受２２を介して、エンコーダカバー２１によって回転自在に支持されている。

アブソリュートエンコーダ８は、例えば、磁気式のエンコーダである。その検出部１４は、波動歯車装置１３の駆動側内歯歯車１７の円形外周面において円周方向の全周に亘って一定のピッチで形成した外歯２３と、外歯２３に対して、その外周側における定まった位置において対峙している１つ、あるいは複数の磁気センサ２４とを備えている。磁気センサ２４はホール素子、ＭＲなどの磁気検出素子から構成されている。

磁性材料からなる駆動側内歯歯車１７の円形外周面に外歯２３を形成する代わりに、その円環状の端面１７ａに外歯２３を形成することもできる。また、外歯２３の代わりに、円周方向に沿って一定ピッチで磁極が形成されているマグネットリングを用いることもできる。着磁面を駆動側内歯歯車１７の円形外周面あるいは円環状の端面に形成することもできる。なお、光学式のロータリエンコーダを用いることもできる。

アブソリュートエンコーダ８において、モータ軸３の回転を減速する波動歯車装置１３の速比Ｒ（１３）は、モータ軸３の回転を減速して出力軸５から負荷側の装置６に伝達する減速機４の速比Ｒ（４）と同一である。波動歯車装置１３の駆動側内歯歯車１７は、出力軸５（負荷側の装置６）と同一速度で１回転の範囲内を回転する。よって、駆動側内歯歯車１７の１回転内の絶対位置を検出することで、出力軸５の１回転内の絶対位置が検出される。アブソリュートエンコーダ８は、出力軸１回転バッテリレスアブソリュートエンコーダとして機能する。

ここで、本例のアブソリュートエンコーダ８において、波動歯車装置１３はグリースを使用しない構成とすることが望ましい。波動歯車装置１３には負荷が掛からず、また、トルク伝達を行わない。このため、波動歯車装置１３の構成部品を、無潤滑駆動に適した材質に変更することにより、容易に無潤滑駆動型の波動歯車装置を得ることができる。このようにすれば、波動歯車装置１３の噛み合い部分、摺動部分に供給されるグリースが磁気センサ２４の側あるいは外部に漏れ出ることを防止するためのシール機構が不要になる等の利点がある。

（その他の実施の形態）
なお、負荷側の装置６の動作範囲が出力軸の数回転分の場合に、動作範囲内における出力軸の絶対位置を検出するためには、通常は、内部のカウンタを用いて出力軸回転量をカウントし、また、カウントデータを保存する必要がある。本発明のアブソリュートエンコーダ８では、例えば、負荷側の装置６の動作範囲が出力軸２回転分の場合には、出力軸２回転につき、波動歯車装置１３の駆動側内歯歯車１７が１回転するように、波動歯車装置１３の速比Ｒ（１３）を減速機４の速比Ｒ（４）の２倍に設定すればよい。すなわち、負荷側の動作範囲に応じて、速比Ｒ（１３）を速比Ｒ（４）よりも大きな値に設定して、負荷側の動作範囲に対応する出力軸５の回転角度が、駆動側内歯歯車１７の１回転となるようにすればよい。よって、本発明によれば、出力軸の回転量（回転数）をカウントするための内部カウンタを必要とせず、カウントミスも起きず、さらに、カウンタデータの保存も必要とせずに、出力軸の数回転分の範囲内の絶対位置を検出可能なバッテリレスアブソリュートエンコーダを得ることができる。

上記の例では、波動歯車装置１３としてフラット型波動歯車装置を用いている。フラット型波動歯車装置は、軸長が短く、ギヤ付きモータの軸長の増加を抑制できる。軸長の増加が問題にならない場合などにおいては、これ以外の形式の波動歯車装置を用いることも可能である。カップ型波動歯車装置、シルクハット型波動歯車装置を用いることができる。

減速機４としては各種の形式の減速機を用いることができる。例えば、減速機４として波動歯車装置を用いることができる。この場合においても、フラット型、カップ型、シルクハット型の波動歯車装置を用いることができる。一般的な遊星歯車装置などの減速機を用いることができることは勿論である。

１ ギヤ付きモータ
２ モータ
２ａ モータケース
３ モータ軸
３ａ 軸端部
４ 減速機
５ 出力軸
６ 負荷側の装置
７ モータ軸エンコーダ
７ａ、７ｂ 回転円盤
７ｃ、７ｄ 磁気センサ
８ アブソリュートエンコーダ
１０ 制御部
１１ 信号処理回路
１２ モータドライバ
１３ 波動歯車装置
１４ 検出部
１６ 静止側内歯歯車
１７ 駆動側内歯歯車
１７ａ 端面
１８ 外歯歯車
１９ 波動発生器
２１ エンコーダカバー
２２ 軸受
２３ 外歯
２４ 磁気センサ
Ｒ（４） 速比
Ｒ（１３） 速比

Claims (4)

1. モータ軸の回転が減速機を介して減速されて出力軸から出力されるギヤ付きモータにおける前記出力軸の絶対回転位置を検出するアブソリュートエンコーダであって、
   前記モータ軸の回転を減速する波動歯車装置と、
   前記波動歯車装置の減速回転出力部材の絶対回転位置を検出する検出部と
   を有しており、
   前記波動歯車装置の速比は、前記減速機の速比と同一または大きく、
   前記波動歯車装置は、
   回転しないように固定された剛性の静止側内歯歯車と、
   回転可能な剛性の駆動側内歯歯車と、
   前記静止側内歯歯車および前記駆動側内歯歯車にかみ合い可能な可撓性の外歯歯車と、
   前記外歯歯車を非円形に撓めて前記静止側内歯歯車および前記駆動側内歯歯車の双方に部分的にかみ合わせている波動発生器と
   を備えており、
   前記波動発生器は前記モータ軸に固定されており、
   前記駆動側内歯歯車は前記減速回転出力部材であるギヤ付きモータのアブソリュートエンコーダ。
2. 請求項１において、
   前記波動歯車装置は無潤滑駆動型の波動歯車装置であるギヤ付きモータのアブソリュートエンコーダ。
3. 請求項１において、
   前記検出部は、
   前記駆動側内歯歯車の円形外周面あるいは円環状端面において、その円周方向に沿って一定のピッチで磁極が形成された被検出面、あるいは、一定のピッチで凹凸部が形成された被検出面と、
   前記被検出面に対して、前記円周方向における定まった位置において対峙する磁気センサと
   を備えているギヤ付きモータのアブソリュートエンコーダ。
4. モータと、
   前記モータのモータ軸における一方の第１軸端部に同軸に連結した減速機と、
   前記モータ軸における他方の第２軸端部の側に配置され、前記減速機の減速回転出力部材の絶対回転位置を検出する請求項１ないし３のうちのいずれか一つの項に記載の前記アブソリュートエンコーダと
   を有しているギヤ付きモータ。

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