JPH0429552A - 球面形サーボ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多関節アームや多関節ハンド等の多自由度ア
クチュエータとして用いられる球面形す−水装置に関す
る。

〔従来の技術〕

球面サーボモータとしては、従来、昭和６２年度精密工
学会春期大会学術講演会論文集５０１頁の第１図に記載
されたものがある。この球面サーボモータは第１１図に
示す如く外周に球面状の４個の磁極を有する円盤状のロ
ータ１と、半球面状の巻線を有するステータ（図示しな
い）、３自由度軸受２および角変位検出用のロータリー
・エンコーダθ、ψ、ξからなる構成を有し、各軸（Ｘ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の変位をロータリー・エンコダθ、ψ
、ξで検出し、得られる角変位信号をフィードバックし
位置制御系を構成するようにしている。

また、特開昭５９−２２２０６９の第１図〜第３図には
　内周面に極歯例を形成された環状をなす第１の可動子
、この第１の可動子の内周面にギャップを隔てて対向し
て周方向に並ぶ複数の励磁極を有し固定軸に支持された
板状の第１の固定子とからなるパルスモータ対、上記第
１の可動子と直交する向きに上記固定軸に支持されて該
第１の可動子を取り囲み外周面に極歯列を形成され上記
第１の可動子と共動する第２の固定子、この第２の固定
子の外周面にギャップを隔てて対向し該外周面の周方向
に移動可能に三叉状の支持部材で支持され励磁極を有す
る第２の可動子からなるパルスモータ対を有し、この支
持部材に出力軸を持たせたパルスモータ形の球面モータ
が開示されている。

〔発明が解決しようとする課題］ 上記論文集に開示された球面サーボモータは、サーボ制
御を行うために、角変位検出用のセンサを有しているが
、このセンサはロータリー・エンコーダであり、３自由
度軸受部分に設けているので、図示の通り軸受部分が大
きくなり、球面モタ全体の小型化に限界があるという問
題がある。

また、特開昭５９−２２２０６９に記載の上記球面モー
タは構造は簡単であるがパルスモータ形であるので、ト
ルクリップルが大きく、このままでは滑らかな球面動作
を得ることができないという問題がある。

本発明は上記問題を解消するためになされたもので、パ
ルスモータ形の球面モータを用いて、滑らかな球面動作
を、構造を複雑、大形化することなく、容易に実現する
ことができる球面形サーボ装置を提供することを目的と
する。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため、内周面に極歯列を形
成された環状をなす第１の可動子、この第１の可動子の
内周面にギャップを隔てて対向して周方向に並ぶ複数の
励磁極を有し固定軸に支持された板状の第１の固定子、
上記第１の可動子と直交する向きにして該第１の可動子
と同心に一体化され外周面に極歯列を形成され上記第１
の可動子と共動する第２の同定子、この第２の固定子の
外周面にギャップを隔てて対向し該外周面の周方向に移
動可能に支持部材で支持され励磁極を有する第２の可動
子を備え、この支持部材が両端部で上記第１の可動子に
非固定状態で連結されるとともに出力軸を支持してなる
パルスモータ形の球面モータと、上記第１の固定子およ
び第２の可動子の上記励磁極の各相励磁巻線に供給され
る励磁電流を制御する制御装置、上記第１の可動子内で
上記固定軸に固定された板状をなす第１の磁極位置検出
手段のセンサ部、および上記第２の可動子の棒列方向一
方端に連設された第２の磁極位置検出手段のセンサ部を
備え、 上記制御装置は上記第１の固定子および第２の可動子の
各相励磁電流を対応する上記磁極位置検出手段から出力
される各相磁極位置信号の位相と一致させて上記対応す
る各相励磁巻線に供給する構成としたものである。

請求項２では、制御装置は、位置制御系、速度制御系、
電流制御系を備え、センサの出力信号を信号処理して磁
極位置信号を得るセンサ信号処理回路と該センサ処理回
路を有し、各相電流指令は、上記速度制御系から得られ
る各相電流振幅指令の値と対応相の上記磁極位置信号の
値とを乗算して得るようにした。

〔作用〕

本発明における球面モータはパルスモータ形であるが、
第１の磁極位置検出手段のセンサ出力をフィードバック
して、第１の固定子の各相励磁電流の位相が各相磁極位
置信号の位相と一致するように該励磁電流を制御し、第
２の磁極位置検出手段のセンサ出力をフィードバックし
て、第２の可動子の各相励磁電流の位相が各相磁極位置
信号の位相と一致するように該励磁電流を制御するので
、直流モータ化し、出力軸の球面移動を滑らかに制御す
ることができる。

また、上記第１の磁極位置検出手段のセンサ部は第１の
固定子と同軸にして第１の可動子内に、また第２の磁極
位置検出手段は第２の可動子に連設して設ける静止形の
ものであり、両磁極位置検出手段のために特別のスづ一
スを追加する必要がないので、球面モータの大形化を招
くことなく、上記出力軸の滑らかな球面移動を得ること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の１実施例を図面を参照して説明する。

第１図〜第４図において、１０は固定軸、２０はこの固
定軸１０に固定されたディスク状の第１の固定子、３０
は内周面に所定ピッチの極歯列３０Ａを形成された環体
をなす第１の可動子、４０は固定軸１０に回転可能に支
持された環体をなす第２の固定子、５０は第２の可動子
、６０は出力軸、６１は半円弧状の支持部材である。こ
の支持部材６１は、その両端部で軸受６２．６３を介し
て第１の可動子３０を直径方向に挟み、第２の固定子４
０の周方向に回動可能に支持されており、出力軸６０は
この支持部材６１の周方向中央部分から伸びている。２
６は第１の磁極位置検出手段のセンサ部、５６は第２の
磁極位置検出手段のセンサ部である。

第１の固定子２０は、第３図に示す如く、励磁巻線を２
１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２１ａ　　　２１ｂ’
　　２２ａ’　　２２ｂ’をそれぞれ巻回され、周方向
に所定間隔を隔てて並ぶ偶数個の励磁極２１Ａ、２１Ｂ
、２２Ａ、２２Ｂ、２１Ａ″、２１Ｂ’　　　２２Ａ’
　　　２２Ｂ’　を備えた積層体であって、磁極面を第
１の可動子３０の内周面に所定ギャップを隔てて対向さ
せてあり、この第１の固定子２０と第１の可動子３０と
はアウターロータ形の２相パルスモータを構成している
。各励磁極２ＬＡ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ、２１Ａ’
　、２１Ｂ’　　　２２Ａ”　　２２Ｂ゛の磁極面には
分解能を高めるために歯列２３を形成しである。この第
１の可動子３０に対し第２の同定子４０は、直交する向
きで同心に一体化されており、第１の可動子°３０と共
動する。第２の固定子４０は、その外周面に極歯列４０
Ａを有し、軸受４１で回転可能に固定軸１０に支持され
ている。第２の可動子５０は、第６図に示すように、Ａ
相励磁巻線５１ａ、５１ａ’、Ｂ相励磁巻線５１ｂ。

５１ｂ°を巻回された複数の励磁極５１Ａ、５１Ａ’、
５１Ｂ、５１Ｂ゛を有し、棒列方向を第２の固定子４０
の極歯列４０Ａ方向にして該第２の固定子４０の外周面
に所定ギャップを隔てて対向するように支持部材６１で
支持され、第２の固定子４０とアウターロータ形の２相
パルスモータを構成している。第６回において、５２Ａ
、５２Ｂは永久磁石、５３はバックプレートである。

第１の磁極位置検出用のセンサ２６は、第５図に示す如
く、第１の固定子２０と同一の形状を有し、検出コイル
２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ２７ａ’　　　２７ｂ
’　　　２８ａ’　　　２８ｂ’をそれぞれ巻回された
センサヘッド２７Ａ、２７Ｂ、２８Ａ、２８Ｂ、２７Ａ
”　　２７Ｂ’、２８Ａ２８Ｂ°を有し、各センサへ・
７ド２７Ａ、２７Ｂ、２８Ａ、２８Ｂ、２７Ａ’　、２
７Ｂ’　、２８Ａ’　　　２８Ｂ’　はそれぞれ第１の
固定子２０の励磁極２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ、
２１Ａ、２１Ｂ”、２２Ａ’　、２２Ｂ″と対向して周
方向に並んでいる。センサ部２６は、その各センサヘッ
ドが第１の可動子３０の極歯列３０Ａと所定ギャップを
隔てて対向するように固定軸１０に固定されており、こ
のセンサ部２６と第１の固定子２０との間には、固定子
２０側からセンサ部２６への電磁波を遮蔽するための遮
へい板６４が設けられている。各センサヘッド２７Ａ、
２７Ｂ。

２８Ａ、２８Ｂ、２７Ａ　　　２７Ｂ’　　　２８Ａ”
２８Ｂ゛には歯列２９が形成してあり、Ａ相用センサヘ
ッド２７Ａ、２７Ａ″の歯列が第１の可動子３０の極歯
列３０Ａに対して電気角０°の位置にある時に、第１の
可動子３０の歯列３０Ａに対して、Ｂ相用センサヘッド
２８Ａ、２８Ａ゛の歯側が電気角９０°、Ａ相用センサ
ヘッド２７Ｂ２７Ｂ′の歯列が電気角１８０°、Ｂ相用
センサヘッド２８Ｂ、２８Ｂ’の歯列が電気角２７００
の位置にあるようにしである。上記検出コイルは、第８
図に示す如く、同相となる検出コイル２７ａと２７ａ　
　、２８ａと２８ａ　　２７ｂと２７ｂ’、２８ｂと２
８ｂ”とが各々直列に接続され、各直列回路は抵抗ＲＡ
、Ｒ１、ＲＡ’、Ｒ１１″を介して共通に接続される。

各直列回路は第１０図に示す制御回路９０Ａ内のセンサ
信号処理回路９８の発振器Ｏ８Ｃが送出する励磁電流（
周波数ｆ０とする）で共通励磁される。抵抗ＲＡの電圧
と抵抗ＲＡ°の電圧との差電圧は同期整流回路７１Ａに
、また、抵抗Ｒ９の電圧と抵抗Ｒ３の電圧との差電圧は
同期整流回路７１Ｂに入力される。同期整流回路７１Ａ
、７１Ｂは入力される上記差電圧を発振器Ｏ８Ｃの出力
で同期整流して直流化する。同期整流回路７１Ａの出力
はローパスフィルタ７２Ａで励磁信号成分を除去してＡ
相磁極位置信号ＩＦＡ　（−Ｃｏ　ｓ　（２７Ｚ　・ｘ
／ｒ、Ｘ：変位、τ：歯列のピッチ）〕として取り出さ
れ、同期整流回路７１Ｂの出力はローパスフィルタ７２
Ｂで励磁信号成分を除去してＢ相磁極位置信号１ｒｍ　
（＝ｓ　ｉ　ｎ　（２ｙｔ　・ｘ／　ｒ）　）として取
り出される。

第２の磁極位置検出用のセンサ部５６は、第６図および
第７図に示す如く、第２の可動子５０の一方端部に絶縁
物からなる取付板１００を介して連設されている。この
センサ部５６は、検出コイル８１ａ、８１ａ　　“を巻
回してなるＡ相用センサヘッド８２Ａ、８２Ａ°　と、
検出コイル８１ｂ、８１ｂ°を巻回してなるＢ相用セン
サヘッド８２Ｂ、８２Ｂ°　を有する。

第９図では、理解を容易にするためにセンサヘット８２
Ａ、８２Ｂ、８２Ａ°および８２８゛を等測的な配置で
表わしてあり、これらのセンサヘッド８２Ａ、８２Ｂ、
８２Ａ°および８２Ｂ゛は第２の固定子４０の極歯列４
０Ａに対して順次電気角で　９０°の位相差を持つよう
に配設され、各検出コイル８１ａ、８１ｂ、８１ａ　　
　Ｂｌｂはセンサ信号処理回路９８の発振器Ｏ３Ｃが送
出する励磁電流で共通励磁される。また、ＲＡＡ〜Ｒ１
１１＋’　は抵抗を示す。抵抗ＲＡＭの電圧と抵抗ＲＡ
Ａ°の電圧との差電圧は同期整流回路７３Ａに、また、
抵抗Ｒ１１１の電圧と抵抗Ｒ３，゛の電圧との差電圧は
同期整流回路７３Ｂに入力される。同期整流回路７３Ａ
、７３Ｂは入力される上記差電圧を発振器Ｏ５Ｃの出力
で同期整流して直流化する。同期整流回路７３Ａの出力
はローパスフィルタ７４Ａで励磁信号成分を除去してＡ
相磁極位置信号ＩＦＡＡ　〔−〇０３（２π・Ｘ／τ、
Ｘ：変位、τ：歯列部の歯のピッチ）〕として取り出さ
れ、同期整流回路７３Ｂの出力はローパスフィルタ７４
Ｂで励磁信号成分を除去してＢ相磁極位置信号ＩＦＢ１
１　　（−Ｓ　ｉ　ｎ　（２π・Ｘ／　Ｔ）　〕とシテ
取り出される。このセンサ信号処理回路９８が送出する
Ａ相磁極位置信号Ｉ　ＦＡＡとＢ相磁極位置信号Ｉ□８
は第１０図に示す制御製回路９０Ｂにおいて信号処理さ
れる。この制御回路９０Ｂは前記制御回路９０Ａと同し
回路構成を有している。

第１０図において、９１は第１図におけるα方向の位置
を指定する位置指令パルス信号を入力される偏差カウン
タであって、位置フィードバックパルス信号Ｐｆとの偏
差を演算する。この偏差はＤ／Ａ変換器９２でアナログ
信号に変換されて速度制御系９３の速度指令信号となる
。速度制御系９３はこの速度指令信号と速度フィードバ
ック信号との偏差からＡ相、Ｂ相の電流振幅指令信号（
共に１．とする）を生成する。乗算器９４ＡはＡ相電流
振幅指令信号（Ｉ、、）とセンサ信号処理回路９８が送
出する前記ＡｉｆｒＡ磁極位置信号ＩＦＡとを乗算して
Ａ相電流指令ｌＡｌ１を生成し、乗算器９４ＢはＢ相電
流振幅指令信号とセンサ信号処理回路９８が送出する前
記Ｂ相磁極位置信号ＩＦＩとを乗算してＢ相電流指令１
．′″を生成する。９５ＡはＡ相電流制御系であって、
第１の固定子２０のＡ相巻線２１ａ、２１ｂ、２１ａ’
　　　２１ｂ’にＡ相電流　ＩＡを給電し、９５ＢはＢ
相電流制御系であって、Ｂ相巻線２２ａ、２２ａ　　、
２２ｂ、２２ｂ’にＢ相電流Ｉｌを給電する。ここで、
τ である。

Ａ相磁極位置信号Ｉ　ＦＡとＢ相磁極位置信号ＩＦＩは
内挿回路９６でそれぞれ周波数信号（高分解のパルス列
）Ｐに変換され、この２相のパルス周波数信号は周波数
／を正変換回路９７で周波数に比例する大きさの電圧信
号■、に変換されて上記速度フィードバック信号となる
。また、この２相のパルス周波数信号は上記位置フィー
ドバック信号Ｐ、として偏差カウンタ９１に供給される
。

内挿回路９６としては、例えば、第１０図（Ａ）に示す
ような回路構成のものを使用する。

同図において、発振器１０１とカウンタ１０２とは基準
位相信号θ。を生成する。ＲＯＭ１０３とＲＯＭ１０４
はそれぞれこの基準位相信号θ。

を関数ｓｉｎθ。、ＣＯ８θ。に変換する。この関数ｓ
ｉｎθ。、ｃＯ８θ。はそれぞれＤ／Ａ変換器１０５．
１０６でアナログ信号に変換される。アナログ信号に変
換されたｓｉｎθ。、ｃｏｓθ。はそれぞれ乗算器１０
７．１０８で、前記磁極位置信号ｃｏｓθ、ｓｉｎθ（
但し、θ＝２πＸ／τ）と乗算される。減算器１０９は
上記両乗算値ｓｉｎθ、−ｃｏｓθとＣ０ｎｅｏ−５ｉ
ｎθの偏差５ｉｎ（θ。−〇）を演算する。比較器１１
０はこの偏差信号５ｉｎ（θ、−）を波形整形して、ラ
ッチ回路１１１に入力する。ラッチ回路１１１はθ。を
ラッチしてθをサンプリングした信号θアを生成する。

ｆＩｊｉ算器１１２、レートマルチ１１３およびカウン
タ１１４はディジタル置の一次遅れフィルタを構成して
おり、減算器１１４は０丁とカウンタ１１４の出力参と
の差を取り、この差分データをレートマルチ１１３に入
力する。レートマルチ１１３は発振器１０１が発振する
基準クロックＣＬを差分データに比例した比率で間引き
、差分データの大小に比例して周波数が増減する高周波
数のパルス列をカウンタ１１４に送出する。従って、カ
ンウタ１１４の出力はθアに追従し、該出力の下位ビッ
ト２°は連続した位置パルスとなるので、これを前記Ｐ
、として取り出す。

今、第１の固定子２０の上記Ａ相巻線２１ａ、２１ｂ、
２１ａ’、２１ｂ’に供給されるＡ相電流ＩＡにより発
生する推力をＦＡ、Ｂ相巻線２２ａ、２２ａ’　、２２
ｂ、２２ｂ’　に供給されるＢ相電流１．により発生す
る推力をＦ、とすると、但し、Ｋτ：トルク定数 であるので、第１の可動子３０をその周方向（第１図の
α方向）に駆動する推力は、Ａ相電流ＩＡ、Ｂ相電流１
．の位相がＡ相磁極位置信号ＩＦＡ、Ｂ相磁極位置信号
■□の位相とそれぞれ同じであるとすると、 Ｆ＝ＦＡ　＋Ｆ。

τ ＝にτｘ　Ｉ　ｒ　　・　・　・　・　・　・　・　・
　・　・　・　・　・　・　・（５）となり、電流振幅
指令信号の値■、とトルク定数にτの積にのみ比例し、
変位Ｘとは無関係となる。

即ち、直流モータと同様の滑らかな推力となる。

第２の可動子５０をβ方向に駆動する推力についでも同
様である。

このように、本実施例で用いた磁極位置検出手段のセン
サ部２６．５６は検出コイルを巻回したＡ相用センサベ
ツドとＢ相用センサベツドとからなる静止形で、センサ
部２６は偏平、センサ部５６は短小で済むので、両セン
サ部２６と５６は小形・軽量となり、センサ部２６は第
１の固定子２０と同軸に第１の可動子３０内に設け、ま
た、センサ部５６は可動子５０に連設するものであるか
ら、センサ部２６．５６を配設するためのスペースを新
たに設ける必要はなく、球面モータ内部の空いているス
ペースの１部を当てれはよいので、センサ部２６．５６
を設けたことにより球面モータが大形化することは無い
。

また、本実施例の球面モータはパルスモータ形であるが
、上記磁極位置検出手段のセンサ出力をフィードバック
して、第１の固定子２０、第２の可動子５０の各相励磁
電流ＩＡ、■、の位相が各相磁極位置信号の位相と一致
するように該励磁電流を制御するので、直流モータ化し
、直流サーボモータと同様の滑らかさをもって、出力軸
６０の球面移動を制御することができる。

なお、本実施例のセンサ部２６．５６は電磁気式である
が、光学式等の他の静止形のセンサ部であってもよい。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明した通り、球面モータをサボ制御する
ために設ける磁極位置検出用のセンサ部を、１つは第１
の可動子内で固定軸に支持して、また１つは第２の可動
子に連設して設ける構成としたことにより、球面モータ
の複雑化・大形化を招くことなく磁極位置信号を取り出
すことができ、この両センサ部の出力を信号処理して磁
極位置信号を取り出し、パルスモータ形球面七−タの各
相誘導起電圧が対応する磁極位置信号の位相と同じ位相
となるように各相電流を制御する構成としたことにより
、直流サーボモータと同様の滑らかさをもって出力軸の
球面移動を制御することができるから、小型で、かつ軽
量の球面サーボ装置を容易に得ることができ、極めて実
用的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のモータ本体部を示す斜視図、
第２図は上記モータ本体部の平面図、第３図は第２図に
おけるＡ−Ａ断面図、第４図は第３図におけるＢ−Ｂ矢
視図、第５図は第４図におけるＣ−Ｃ矢視図、第６図は
上記実施例における第２の可動子と第２のセンサ部を示
す部分側面図、第７図は上記センサ部のセンサヘンド配
置を示す図、第８図および第９図は上記磁極位置検出手
段を示す回路図、第１０図は上記実施例における制御装
置のブロック図、第１０（Ａ）図は第１０図における内
挿回路の具体的構成を示す回路図、第１１図は従来め球
面サーボモータを示す斜視図である。 １０−固定軸、２〇−第１の固定子、２６−センサ部、
３０・−第１の可動子、４〇−第２の固定子、５０−・
第２の可動子、５６−・−センサ部、６０−・−出力軸
、６１−支持部材、６４−遮へい板９０Ａ、９０Ｂ−・
制御回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）内周面に極歯列を形成された環状をなす第１の可
   動子、この第１の可動子の内周面にギャップを隔てて対
   向して周方向に並ぶ複数の励磁極を有し固定軸に支持さ
   れた板状の第１の固定子からなる回転形モータ、上記第
   １の可動子と直交する向きにして該第１の可動子と同心
   に一体化され外周面に極歯列を形成された上記第１の可
   動子と共動する第２の固定子、この第２の固定子の外周
   面にギャップを隔てて対向し該外周面の周方向に移動可
   能に支持部材で支持され励磁極を有する第２の可動子を
   備え、この支持部材が両端部で上記第１の可動子に非固
   定状態で連結されるとともに出力軸を支持してなるパル
   スモータ形の球面モータと、上記第１の固定子および第
   ２の可動子の上記励磁極の各相励磁巻線に供給される励
   磁電流を制御する制御装置、上記第１の可動子内で上記
   固定軸に固定された板状をなす第１の磁極位置検出手段
   のセンサ部、および上記第２の可動子の極列方向一方端
   に連設された第２の磁極位置検出手段のセンサ部を備え
   、 上記制御装置は上記第１の固定子および第２の可動子の
   各相励磁電流を対応する上記磁極位置検出手段から出力
   される各相磁極位置信号の位相と一致させて上記対応す
   る各相励磁巻線に供給することを特徴とする球面形サー
   ボ装置。
2. （２）制御装置は、位置制御系、速度制御系、電流制御
   系を備え、センサの出力信号を信号処理して磁極位置信
   号を得るセンサ信号処理回路を有し、各相電流指令は、
   上記速度制御系から得られる各相電流振幅指令の値と対
   応相の上記磁極位置信号の値とを乗算して得ることを特
   徴とする請求項１記載の球面形サーボ装置。