JP7392943B2 - トルク検出付きモータ - Google Patents

Description

本願は、令和１年６月５日付けの出願を基礎とする国内優先権主張の出願である。本発明は、産業用機械等に用いる、トルク検出機能付きのモータに関するものである。

従来、モータの回転軸に減速機を介さず直接トルクセンサを取付け、モータの出力トルクを常時検出することにより高精度の制御を行えるようにしたトルク検出付きモータが開示されている。このようなトルク検出付きモータは減速機を有しないので大きなトルクを出力することはできないが、減速機の脈動が無く高速回転できることから例えば細い電線を巻いてある部品の製造装置等に使用できる場合がある。

特開平５－２２３６６５号公報 特開２０１７－９２９２号公報

例えば特許文献１にて開示されているトルク検出部を有するモータでは、回転軸に生ずるねじりトルクを、回転軸に連結したトルクセンサ（起歪部）にて検出している。特許文献１では回転軸と起歪部が別体で構成されていることから、その連結部界面がトルク検出に影響して精密なトルク制御において改善の余地があった。またモータの回転範囲はロボットのアームやハンド用の用途が前提のため有限であって、モータが無限回転する場合に最適な構成に関しては開示されていない。

また特許文献２にて開示されているモータ装置は、トルク検出に係る部分がモータの筐体外のシャフト（回転軸）先端にあり、また軸方向に並んで配置され、さらにスリップリングで信号を送信していることから、精密なトルク制御、小型化及び保守に関して改善の余地があった。

このような問題に鑑みて、本発明は、小型で無限回転に対応し、かつトルク制御を高精度に行うことができるトルク検出付きモータの提供を目的としている。

請求項１に記載のトルク検出付きモータは、上記の目的を達成するために、
回転子に永久磁石を備えたモータ部の回転軸の負荷側の一部に設けられた起歪部に添着された感歪抵抗体により回転軸のねじりトルクを検出するトルク検出付きモータであって、
モータ部は、回転子の永久磁石を支持して起歪部の少なくとも一部を覆うように設けられた磁性体の支持部材を含み、
回転軸の回転子から反負荷側へ延伸した部分には、感歪抵抗体と繋がって検出したねじりトルクの信号を出力する回転基板が固定されている。

請求項２に記載のトルク検出付きモータは、上記の目的を達成するために、
感歪抵抗体と回転基板とを繋ぐ配線が、感歪抵抗体から信号を出力する出力配線と、感歪抵抗体への電力供給配線とを含んで構成され、
回転軸の軸方向に沿った表面に複数の溝部が設けられ、出力配線と電力供給配線とがそれぞれ異なる各溝部に配置されている。

請求項３に記載のトルク検出付きモータは、上記の目的を達成するために、各溝部が、支持部材にて覆われている。

請求項４に記載のトルク検出付きモータは、上記の目的を達成するために
支持部材が、トルク検出付きモータ内の空間の一部を、前記永久磁石が配置されている第１空間と、感歪抵抗体が配置されている第２空間と、に区分するように設けられている。

請求項５に記載のトルク検出付きモータは、上記の目的を達成するために
第１空間が、永久磁石と、回転子の外周に設けられた固定子と、支持部材とに面した空間であって、第２空間が、支持部材と、起歪部とに面した空間である。

本発明のトルク検出付きモータによれば、小型で無限回転に対応し、かつトルク制御を高精度に行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係るトルク検出付きモータの斜視外観図である。 本発明の第１の実施形態に係るトルク検出付きモータの断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るトルク検出付きモータのケーシング等の一部の部品を省略した斜視外観図である。 本発明の第１の実施形態に係るトルク検出付きモータのケーシング及びモータの回転子等の一部の部品を省略した斜視外観図である。 本発明の第１の実施形態に係るトルク検出付きモータの感歪抵抗体を含むホイートストンブリッジ回路を含む回路構成図である。 本発明の第２の実施形態に係るトルク検出付きモータの断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るトルク検出付きモータのケーシング等の一部の部品を省略した斜視外観図である。 本発明の実施形態に係るトルク検出付きモータのトルク検出部が検出したトルク信号の波形グラフである。

以下、本発明の実施形態に係るトルク検出付きモータについて、図面を基に詳細な説明を行う。

図１は本発明の第１の実施形態であるトルク検出付きモータの斜視図である。本発明の実施形態であるトルク検出付きモータ１は、回転軸２と、フランジ３と、ケーシング４ａ～４ｄを有している。回転軸２はモータの出力軸であって軸方向に渡って単一の略円柱部材である。フランジ３は、回転軸２を支持するベアリング５ａを保持し、トルク検出付きモータ１を装置等に固定する穴を有した部材である。回転軸２は、負荷装置等に接続できるようにフランジ３から突出している。ケーシング４ａは、モータの発熱を外部へ放射するヒートシンクを有してフランジ３と連結されている。ケーシング４ｂは、トルク検出のための電子回路を実装した回転基板１６と、回転基板１６へ電力を供給する部材とを外部から保護して、ケーシング４ａに連結されている。またケーシング４ｂは、回転軸２を支持するベアリング５ｂを保持している。ケーシング４ｃは、回転軸２の回転位置を検出するロータリーエンコーダ２０を外部から保護して、ケーシング４ｂに連結されている。ケーシング４ｄは、回転基板１６及びロータリーエンコーダ２０から送信されたそれぞれの信号を処理する回路を実装した固定基板１８ｂを外部から保護している。

図２は本発明の第１の実施形態に係るトルク検出付きモータの、図１における回転軸２を通って鉛直方向に平行な平面Ｐで切断した断面図である。トルク検出付きモータ１は、モータ部とねじりトルク検出手段と回転位置検出手段を有している。

回転軸２は略円柱状の金属であって、ベアリング５ａとベアリング５ｂとによって回転自在に支持されている。

ベアリング５ａとベアリング５ｂとは、例えば玉軸受である。ベアリング５ａは、その外輪がフランジ３に嵌合して配置される。ベアリング５ａは、その内輪にて回転軸２に例えばしまりばめで嵌合して挿入され、回転軸２の直径を増加させたことによる段差により軸方向が規制される。ベアリング５ｂは、その外輪が仕切り部材９ｂによって軸方向が規制されて、ケーシング４ｂに嵌合して配置されている。ベアリング５ｂは、その内輪にて回転軸２に例えばしまりばめで嵌合して挿入され、回転軸２に嵌め込んだ止め輪によって軸方向が規制される。なおベアリングの種類、配置及び位置の規制は例示であってこれに限るものではない。

回転軸２の一部に起歪部２ｃが設けられている。起歪部２ｃは、例えば回転軸２の軸線を含む平面に平行であって、かつ回転軸２の軸線を中心として回転対称な複数の平面にて回転軸２を切断した形状を有する。この起歪部２ｃは、回転軸２の軸方向には強度を有していて変形しないが、断面積を小さくすることで回転軸２に生じたねじりトルクにより弾性変形する。本実施形態では起歪部２ｃは、図４に示すように２つの向かい合う平行な平面を有しているが、これに限るものではない。そしてこの平面と円柱形状との境界部は断面積が徐々に変化する形状となっている。起歪部２ｃの各平面には、図２には現れないが図３及び図４に示される感歪抵抗体Ｇが添着されている。

回転軸２の軸方向の略中央部にはモータ部が形成されている。モータ部は例えば交流サーボモータであって、固定子６と、永久磁石７と、支持部材８とを含んでいる。固定子６は積層鉄心とこれを囲む巻線コイル等で構成される。そしてこの固定子６はケーシング４ｂに固着されている。

固定子６の内側には、固定子６と所定の間隔にて回転子が配置されている。回転子は回転軸２に支持部材８を介して永久磁石７が取り付けられて構成される。本実施形態では支持部材８は例えば軟鉄などの磁性材料である。また本実施形態では回転子は、支持部材８の表面に永久磁石７を接着した表面磁石型（ＳＰＭ）であるが、支持部材８を半径方向に拡大して支持部材８の内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石型（ＩＰＭ）であってもよい。そして支持部材８は起歪部２ｃの軸方向の少なくとも一部を覆うように設けられている。

感歪抵抗体Ｇは回転軸２に加わるねじりトルクに応じて起歪部２ｃに生ずる歪みを検出する。感歪抵抗体Ｇは検出した歪みを電気信号に変換するホイートストンブリッジ回路に組み込まれ、トルク検出手段の一部を構成している。このトルク検出手段の一部の回路が回転基板１６に実装されている。

回転基板１６は環状の円板であって、カラー等の固定部材を介して回転軸２に固定されて、回転軸２と一緒に回転する。回転基板１６は回転軸２の回転子の反負荷側の回転子から延伸した部分に固定されている。回転基板１６は、抵抗変化検出回路３３の一部と、Ａ／Ｄ変換器３１と、ＣＰＵ３２と、その他の整流回路及び安定化回路等とを備えている。抵抗変化検出回路３３は、感歪抵抗体Ｇの抵抗変化を検出するホイートストンブリッジ回路と増幅器３０を含む。
Ａ／Ｄ変換器３１は、抵抗変化検出回路３３の出力をデジタル信号に変換する。
ＣＰＵ３２は、このデジタル信号を演算処理してねじりトルクの測定値を求める。そしてねじりトルクの測定値のデジタル信号は、回転基板１６上に実装された送信素子１７によって光信号に変換されて、無線通信にて固定基板１８ａ上に実装された不図示の受信素子へ送られる。

なお回転基板１６とモータ部の回転子との軸方向での中間には、ケーシング４ｂに固定された仕切り部材９ａが設けられ、仕切り部材９ａはモータ部から出るノイズを低減している。

固定基板１８ａと固定基板１８ｂとは例えば基板間コネクタで機械的かつ電気的に接続されていて、固定基板１８ｂはケーシング４ｄ等に固定されている。
固定基板１８ａ及び固定基板１８ｂは、受光素子と、デジタル復調回路とを含んでいる。受光素子は、送信素子１７が送信した光信号を電気信号に変換するフォトダイオードなどである。デジタル復調回路は、受光素子で電気信号に変換したデジタル変調信号からねじりトルクの測定値の信号をデジタル復調によって取り出す。そして固定基板１８ｂは、配線ケーブルにより、トルク検出付きモータ１を制御する不図示の制御装置と繋がっている。

回転軸２の回転基板１６が固定された位置よりさらに反負荷側には、中空円柱状の２次側コアホルダ１３が固定されている。そして２次側コアホルダ１３の外周円柱面には、例えばフェライトシートなどの磁性体シートが巻回されて２次側コア１４が形成されている。さらに２次側コア１４の外周円筒面には、例えば銅線などの導電性の線材が巻回されて２次側コイル１５が形成されている。

固定基板１８ａには、２次側コア１４及び２次側コイル１５と対向する位置に１次側コア１１が１次側コアホルダ１０を中間に介して固定されている。１次側コア１１は、断面形状がコ字型の突部を有する柱形状をしており、例えばフェライトなどの磁性体である。１次側コイル１２は、例えば銅線などの導電性の線材であって、１次側コア１１の２つの突部間に巻回して形成され、その端部は固定基板１８ａに接続されている。

固定基板１８ａ及び固定基板１８ｂには、不図示の外部の制御装置と繋がったスイッチング回路等が設けられている。このスイッチング回路は、制御装置から供給された直流電流を交流電流に変換する。そしてこのスイッチング回路は１次側コイル１２と結線されており、変換した交流電流を１次側コイル１２へ出力する。但し、制御装置によって交流電流が供給される場合は、スイッチング回路は不要である。変換された交流電流は１次側コイル１２に交流磁界を発生させ、２次側コイル１５に電流を誘起する。よって２次側コイル１５が１次側コイル１２から非接触で電力を受電できる。２次側コイル１５に誘起された交流電流は回転基板１６内の整流回路と安定化回路とによって直流電圧へ変換され、直流電圧は抵抗変化検出回路３３、Ａ／Ｄ変換器３１、ＣＰＵ３２などへ供給される。

ロータリーエンコーダ２０は、回転軸２の反負荷側の端部に接続配置されていて、回転軸２の回転位置を検出する。ロータリーエンコーダ２０は、本実施形態では反射型光学式であるが、透過式であってもよいし、光学式に限らず磁力その他の方式によるものであっても良い。そしてロータリーエンコーダ２０への電力供給及びロータリーエンコーダ２０からの位置信号出力は、固定基板１８ｂと繋がった不図示のコネクタ付きケーブルによって行われ、さらに外部の制御装置へ送られる。

図３は本発明の第１の実施形態に係るトルク検出付きモータのケーシング４ａ～４ｄや固定子６等の一部の部品を除いた斜視外観図である。図４は本発明の第１の実施形態に係るトルク検出付きモータのケーシング及びモータの回転子等の一部の部品を除いた斜視外観図である。具体的には図３において、永久磁石７と支持部材８を省略したものが図４である。

感歪抵抗体Ｇは、起歪部２ｃの平面に添着されている。本発明の実施形態では起歪部２ｃの平面が軸線を対称線として２面設けられている。したがって感歪抵抗体Ｇ１、Ｇ２に対向して、図３及び図４には現れない感歪抵抗体Ｇ３、Ｇ４が設けられている。そして感歪抵抗体Ｇを含んで構成されるホイートストンブリッジ回路の配線を構成するため、中継端子部２２が回転軸２の円柱面に設けられている。図３及び図４では、感歪抵抗体Ｇと中継端子部２２との間の配線は省略されている。

支持部材８によって外周を覆うように囲まれているのが、起歪部２ｃの一部と溝部２ａ、２ｂと配線１９ａ、１９ｂである。

溝部２ｂは、回転軸２の軸方向の中央部にあって、軸方向に沿って回転軸２の表面に複数設けられている。例えば溝部２ａ、２ｂは回転軸２の軸線を回転対称として１８０度の角度間隔で対向した位置にそれぞれ設けられている。

配線１９ａは、溝部２ａに沿って設けられ、中継端子部２２と回転基板１６を電気的に接続する。配線１９ａは、例えば被覆された導線であり、両端部は中継端子部２２と回転基板１６とにハンダ付け等で接続されている。配線１９ｂは、図２に示すように溝部２ａに対向した溝部２ｂに沿って設けられ、中継端子部２２と回転基板１６を電気的に接続する。配線１９ｂも、例えば被覆された導線であり、両端部は中継端子部２２と回転基板１６とにハンダ付け等で接続されている。また配線１９ａと配線１９ｂとは、幾つかの場所で不図示の接着剤などによって回転軸２及び溝部２ａ、２ｂに固定されている。

感歪抵抗体Ｇは複数の剪断型歪みゲージで構成され、図４に示すＡ方向回りで、感歪抵抗体Ｇ１、感歪抵抗体Ｇ２、感歪抵抗体Ｇ３、感歪抵抗体Ｇ４の順に配置されている。感歪抵抗体Ｇ１と感歪抵抗体Ｇ２は同一の基材に形成されて、最大感度の方向が回転軸２の軸方向にそれぞれ＋４５度と－４５度の角度で配置されている。感歪抵抗体Ｇ３と感歪抵抗体Ｇ４も同一の基材に形成されて、感歪抵抗体Ｇ１及び感歪抵抗体Ｇ２と同様に起歪部２ｃに配置されている。したがって図４における回転軸２をＡ方向に１８０度回転させると、感歪抵抗体Ｇ１があった位置に感歪抵抗体Ｇ３が来て、感歪抵抗体Ｇ２があった位置に感歪抵抗体Ｇ４が来ることになり、それぞれその最大感度の方向も同じものとなる。この構成にて感歪抵抗体Ｇは回転軸２のねじりトルクを検出する。

図５は、本発明の第１の実施形態に係るトルク検出付きモータの感歪抵抗体Ｇを含むホイートストンブリッジ回路を含む構成図である。感歪抵抗体Ｇ１と感歪抵抗体Ｇ２は隣り合う辺にあって、感歪抵抗体Ｇ３と感歪抵抗体Ｇ４は隣り合う辺にある。そして感歪抵抗体Ｇ１と感歪抵抗体Ｇ３は向かい合う辺にあって、感歪抵抗体Ｇ２と感歪抵抗体Ｇ４は向かい合う辺にある。そして端Ｔ１と端Ｔ３に電源Ｅにより電圧を印加すると、端Ｔ２と端Ｔ４より電圧として信号＋ＳＩＧ、信号－ＳＩＧが出力される。信号＋ＳＩＧ、信号－ＳＩＧは増幅器３０にて増幅され、次いでＡ／Ｄ変換器３１でデジタル信号に変換され、ＣＰＵ３２にて演算されてトルク値が算出される。このトルク値は不図示の制御装置に送信されて、制御装置は実際のトルク値と目標とするトルク値との差分から指令値を演算して、この指令値を基にモータへ電流指令を行ってモータのトルクを制御する。

図４と図５において、例えば配線１９ａは出力配線であって、配線１９ｂは電力供給配線である。したがってホイートストンブリッジ回路からの出力（＋ＳＩＧ、－ＳＩＧ）が配線１９ａによって中継端子部２２から回転基板１６に接続されている。またホイートストンブリッジ回路への電力供給（＋ＥＸＣ、－ＥＸＣ）が配線１９ｂによって回転基板１６から中継端子部２２に接続されている。もちろん配線１９ｂが出力配線であって、配線１９ａが電力供給配線という構成であっても良い。

図６は本発明の第２の実施形態に係るトルク検出付きモータの断面図である。図７は本発明の第２の実施形態に係るトルク検出付きモータのケーシング４ａ～４ｄや固定子６等の一部の部品を除いた斜視外観図である。ここでは図２に示された本発明の第１の実施形態に係るトルク検出付きモータとの相違点のみ説明する。

支持部材８は、回転軸２の負荷側（図面左側）に延伸部８ａを有している。延伸部８ａの内側面は、支持部材８が回転軸２と嵌合する面を延長して形成されている。そして延伸部８ａ、支持部材８、永久磁石７、固定子６、フランジ３及びベアリング５ａは第１空間４１に面しておりこれを画定する。また延伸部８ａ、支持部材８及び回転軸２の起歪部２ｃは第２空間４２に面しておりこれを画定する。延伸部８ａの端部は、ベアリング５ａとは僅かな隙間を有して配設される。したがって延伸部８ａを有する支持部材８は、トルク検出付きモータ内部の空間の一部を、永久磁石７が配置され少なくともその一部が配設された第１空間４１と、感歪抵抗体Ｇを含む起歪部２ｃが配設された第２空間４２とを区分している。

図８は本発明の実施形態に係るトルク検出付きモータのトルク検出部が検出したトルクの波形を示したものである。図８（ａ）は延伸部８ａを備えたトルク検出付きモータすなわち第２の実施形態のトルク検出部が検出したトルク信号の波形グラフである。また図８（ｂ）は延伸部８ａを備えていないトルク検出付きモータすなわち第１の実施形態のトルク検出部が検出したトルク信号の波形グラフである。両者は延伸部８ａの有無以外は同一の条件で測定したものであって、トルク検出付きモータには同じトルクが加わっている。

図８（ａ）と図８（ｂ）において、横軸は時間でありフルスケールで６０秒であって、縦軸はトルクであり±０．００５Ｎｍの範囲で表示している。図８（ａ）では、図８（ｂ）にてみられる比較的長いスパンでのドリフトが抑制されている。すなわち延伸部８ａは、モータ部の永久磁石７及び固定子６から発生するノイズが、起歪部２ｃの感歪抵抗体Ｇへ影響を及ぼすことを低減している。ゆえに第２の実施形態のトルク検出付きモータは、第１の実施形態のトルク検出付きモータよりもさらに精確なトルク制御を行うことが求められる場合に有用である。

本発明の実施形態によれば、回転軸と起歪部を一体構造として、モータの回転軸２の回転子近傍に起歪部２ｃを設けていることから、別体の部材を連結した時にその界面近傍に発生する影響が排除されて、高精度のトルク制御を実現し、かつ小型化することができる。また起歪部２ｃに添着された感歪抵抗体Ｇと回転基板１６を接続する配線１９ａ、１９ｂが、回転軸２に設けられた溝部２ａ、２ｂに沿って配線され、磁性体である支持部材８によって覆われていることから、回転軸２の無限回転に適応し、耐ノイズ性も有している。さらに支持部材８、永久磁石７、固定子６、フランジ３及びベアリング５ａで画定された第１空間４１と、支持部材８及び回転軸２の起歪部２ｃで画定された第２空間４２とは、延伸部８ａによって区分されることからノイズの漏れを低減し、さらに精確なトルク制御が可能なトルク検出付きモータを提供することができる。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更、変形が可能である。

本発明の活用例として、電気電子部品製造装置等に使用される駆動部への適用が可能である。

１ ：トルク検出付きモータ
２ ：回転軸
２ａ ：溝部
２ｂ ：溝部
２ｃ ：起歪部
３ ：フランジ
４ａ ：ケーシング
４ｂ ：ケーシング
４ｃ ：ケーシング
４ｄ ：ケーシング
５ａ ：ベアリング
５ｂ ：ベアリング
６ ：固定子
７ ：永久磁石
８ ：支持部材
８ａ ：延伸部
９ａ ：仕切り部材
９ｂ ：仕切り部材
１０ ：１次側コアホルダ
１１ ：１次側コア
１２ ：１次側コイル
１３ ：２次側コアホルダ
１４ ：２次側コア
１５ ：２次側コイル
１６ ：回転基板
１７ ：送信素子
１８ａ ：固定基板
１８ｂ ：固定基板
１９ａ ：配線
１９ｂ ：配線
２０ ：ロータリーエンコーダ
２２ ：中継端子部
３０ ：増幅器
３１ ：Ａ／Ｄ変換器
３２ ：ＣＰＵ（中央処理装置）
３３ ：抵抗変化検出回路
４１ ：第１空間
４２ ：第２空間
Ｇ、Ｇ１～Ｇ４ ：感歪抵抗体

Claims (5)

1. 回転子に永久磁石を備えたモータ部の回転軸の負荷側の一部に設けられた起歪部に添着された感歪抵抗体により前記回転軸のねじりトルクを検出するトルク検出付きモータであって、
   前記モータ部は、前記回転子の前記永久磁石を支持して前記起歪部の少なくとも一部を覆うように設けられた磁性体の支持部材を含み、
   前記回転軸の前記回転子から反負荷側へ延伸した部分には、前記感歪抵抗体と繋がって検出した前記ねじりトルクの信号を出力する回転基板が固定されていることを特徴とするトルク検出付きモータ。
2. 前記感歪抵抗体と前記回転基板とを繋ぐ配線が、前記感歪抵抗体から信号を出力する出力配線と、前記感歪抵抗体への電力供給配線とを含んで構成され、
   前記回転軸の軸方向に沿った表面に複数の溝部が設けられ、前記出力配線と前記電力供給配線とがそれぞれ異なる前記各溝部に配置されることを特徴とする請求項１に記載のトルク検出付きモータ。
3. 前記各溝部が、前記支持部材にて覆われていることを特徴とする請求項２に記載のトルク検出付きモータ。
4. 前記支持部材が、前記トルク検出付きモータ内部の空間の一部を、前記永久磁石が配置されている第１空間と、前記感歪抵抗体が配置されている第２空間と、に区分するように設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のトルク検出付きモータ。
5. 前記第１空間が、前記永久磁石と、前記回転子の外周に設けられた固定子と、前記支持部材とに面した空間であって、前記第２空間が、前記支持部材と、前記起歪部とに面した空間であることを特徴とする請求項４に記載のトルク検出付きモータ。
   

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