JPH0429555A - 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サボ装置に関する
。

〔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６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・エンコーダθ、ψ、
ξで検゛出し、得られる角変位信号を信号処理して位置
および速度フィードバックによる位置制御系を構成する
ようにしている。

また、特開昭５９−１６２７６３の第７図には第１の環
体と第２の環体を互いに直角をなす向きにして、一方の
環体が他方の環体の一部を伴い全体として自己の周方向
に、かつ該一方の環体の一部が他方の環体の周方向に回
動可能に、錯交して支持され、両者に、パターン歯と駆
動パターンを形成し、上記第１の環体の上記駆動パター
ンが上記第２の環体の上記パターン歯にギャップを隔て
対向して両者間に相対的に推力を生起し、上記第２の環
体の上記駆動パターンが上記第１の環体の上記パターン
歯にギャップを隔て対向して両者間に相対的に推力を生
起する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、球面モー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５９−１６２７６３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
ルタリップルが大きく、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
ことか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、周方向に並ぷ極歯部
を形成された固定子側歯列半体と、極列が該周方向と直
交する向きである励磁極部を有するヨーク半体からなり
、両半体が互いに軸線に対して相対回動可能に連結され
た第１の環体と第２の環体を有し、両環体は、互いに直
角をなす姿勢にして、一方環体が全体として自己の周方
向に回動可能に、かつ、該回動に他方環体の上記スライ
ダ半体が追従回動可能に、錯交して支持され、上記第１
の環体の上記磁極部が上記第２の環体の上記極歯列部に
ギャップを隔てて対向して両者間に相対的に推力をを生
起し、上記第２の環体の上記励磁極部が上記第１の環体
の上記極歯列部にギャップを隔てて対向して両者間に相
対的に推力を生起するパルスモータ形の球面モータと、
上記励磁極部の各相励磁巻線に励磁電流を供給する制御
製装置上記第１の環体と第の環体が有する上記励磁極部
の極列方向一方端にそれぞれ連設された第１および第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の環体と第２の環体が有する上記励磁極部の各
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対応する各
相励磁巻線に供給する構成とした。

請求項２では、制御装置は、位置制御系統、速度制御系
、電流制御系を備え、センサの信号を信号処理して磁極
位置信号を送出するセンサ信号処理回路を有し、各相電
流指令は、上記磁極位置信号の値と上記速度制御系から
得られる各相電流振幅指令の値とを乗算して得る構成と
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、
磁極位置検出手段のセンサ出力をフィードバックして、
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、上記磁極位置検出手段のセンサ部は励磁磁極部に
連設する静止形のものであり、この磁極位置検出手段の
センサ部のために特別のスペー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図におい°て、１０は中空の固定軸、２０は固定子
側部材、３０は可動子側部材、４０は可動軸（出力軸）
、５０は中空の十字軸部材、２５は第１の磁極位置検出
手段のセンサ部、３５は第２の磁極位置検出手段のセン
サ部である。

固定子側部材２０は円弧状をなし両端に支持部を有する
固定子ヨータ半体２１と固定子２２および半円弧をなし
両端に支持部を形成された固定子側歯列半体２３からな
り、固定子側歯列半体２３は両端支持部を十字軸部材５
０の一方軸（以下Ｘ軸という）５０Ｘの両端部に連結具
２６．２７で連結され、固定子ヨーク半体２１は連結具
２６．２７を介しＸ軸５０Ｘの両端部に相対回動可能に
連結され、固定子ヨーク半体２１と固定子側歯列半体２
３とは第１の環体２４を構成している。出力軸１０は固
定子ヨーク半体２１の外面中央部から伸びている固定子
２２はＡ相、Ｂ相の磁極配列が固定子ヨーク半体２１と
直交する向きである励磁極部であって、該固定子ヨーク
半体２１の内面に固定されている。

固定子２２は、第２図に示す如く、励磁巻線２２Ａ、２
２Ａ’　　　２２Ｂ、２２Ｂ“を巻回され、周方向所定
間隔を隔てて並ぶ偶数個の励磁極２２ａ、２２ａ’　、
２２ｂ、２２ｂ’を有し、リニアパルスモータの移動子
を円弧状にまるめた構造となっている。同図において、
２２Ｅ、２２Ｆは永久磁石、２２Ｇはバックプレートで
ある。上記各励磁極の極面には、分解能を高めるために
歯列が形成されている。また、固定子ヨーク半体２３は
リニアパルスモークのスケール側を半円弧状にまるめた
構造を有し、その外周面には、所定ピンチで周方向に並
ぶ極歯を有する極歯列部２３Ａが形成されている。

可動子側部材３０は半円弧状をなし両端部に支持部を有
する可動子ヨーク半体３１と半円弧をなし両端に支持部
を有する可動子側歯列半体３２および所定の円弧長を有
する移動子３３からなり、可動子ヨーク半体３１の両端
支持部は固定具３６．３７で十字軸部材５０の他方軸（
以下、Ｙ軸という）５０Ｙの両軸端部に固定され、可動
子側歯列半体３２の両端支持部は十字軸部材５０の他方
軸５０Ｙの両軸端部に固定具３６．３７を介して、回動
可能に連結され、可動子ヨーク半体３１と可動子側歯列
半体３２は第２の環体３４を形成している。この環体３
４の可動子ヨーク半体３１の外面中央部から可動軸４０
が伸びている。可動子側歯列半体３２は固定子側歯列半
体２３と同様にその外周面に所定ピッチで並ぶ極歯を有
する極歯列部３２Ａを形成されており、移動子３３は固
定子３２と同じ構造を有し、極列方向を可動子ヨク半体
３１と直交する向きにして該可動子ヨーク半体３１の内
面に固定されている。即ち、上記環体２４と３４は固定
子２２が可動子側歯列半体３２の極歯列部３２Ａに所定
の小ギャップを隔てて対向して両者で１組の２相バルス
モ〜夕を構成し、移動子３３が固定子ヨーク半体２３の
極歯列部２３Ａに所定の小ギャップを隔てて対向して両
者で１ｉＪｌの２相パルスモータを形成するように錯交
している。

なお、固定子２２の各相励磁巻線（Ａ相巻線２２Ａ、２
２Ａ、Ｂ相巻線２２Ｂ、２２Ｂ“）に励磁電流を給電す
る給電線２８は中空の固定軸１０内を通して固定子２２
へ引き出され、移動子３３の各相巻線（人相巻線、Ｂ相
巻線）に電流を給電する給電線３８は中空の固定軸ＩＯ
内を通り、固定子ヨーク半体２１内を経て該固定子ヨー
ク半体２１の固定具２６近傍で外に引き出され、十字軸
部材５０のχ軸５０ＸからＹ軸５０Ｙ内を経てＹ軸５０
Ｙの一方端部の固定具３６から外へ引き出され、可動子
ヨーク半体３１内を通って移動子３３に伸びる。

２５は磁極位置検出用のセンサ部であって、第２図およ
び第３図に示す如く、固定子２２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。３５も磁
極位置検出用のセンサ部であって、センサ部２５と同様
にして、第１の移動子３３の一方端部に、絶縁物からな
る取付板を介して連設されている。このセンサ部２５お
よび３５は、検出コイル６１Ａ、６１’　　　６１Ｂ、
６１Ｂ゛をそれぞれ巻回されたＡ相用センサへ・ノド６
２Ａ、６２Ａ”、Ｂ相用センサへ・ノド６２Ｂ、６２Ｂ
“を有し、これらのセンサへ・ノド６２Ａ、６２Ｂ、６
２Ａ゛および６２Ｂ°は可動子側歯列半体３２の極歯も
しくは固定子側歯列半体２３の極歯に対して順次電気角
で９０ｔ′の位相差を持つように配設され、各検出コイ
ル６１Ａ、６１Ｂ、６１Ａ“、６１Ｂ”　は第４図に示
すセンサ信号処理回路６５の発振器Ｏ３Ｃが送出する励
磁電流（周波数ｆｏ）で共通励磁される。なお、説明の
便宜上、このセンサ信号処理回路６５はセンサ部２５の
出力を導入されるものとする。

センサ部２５への上記励磁信号を供給するリド線とセン
サ部２５の出力をフィードバックするリード線（両信号
線を符号６７で示す）とは給電線２８と同し経路でセン
サ部２５へ伸び、センサ部３５への上記励磁信号を供給
するリード線とセンサ部３５の出力をフィードバックす
るリード線（両リード線を符号６８で示す）は給電線３
８と同じ経路でセンサ部３５へ伸びている。

第４図では、理解を容易にするためにセンサヘッド６２
Ａ、６２Ｂ、６２Ａ’および６２Ｂ°を等測的な配置で
表わしてあり、同図において、ＲＡ−Ｒ１’　は抵抗を
示す。抵抗ＲＡの電圧と抵抗Ｒ＾゛の電圧との差電圧は
同期整流回路６５Ａに、また、抵抗Ｒ，の電圧と抵抗Ｒ
８”の電圧との差電圧は同期整流回路６５Ｂに入力され
る。同期整流回路６５Ａ、６５Ｂは入力される上記差電
圧を発振器Ｏ３Ｃの出力で同期整流して直流化する。同
期整流回路６５Ａの出力はローパスフィルタ６６Ａで励
磁信号成分を除去してＡ相磁極位置信号ＩＦＡ〔＝Ｃ０
３（２π・ｘ／τ、Ｘ：変位、τ：歯列部の歯のピンチ
）〕として取り出され、同期整流回路６５Ｂの出力はロ
ーパスフィルタ６６Ｂで励磁信号成分を除去してＢ相磁
極位置信号Ｉ□（−ｓｉｎ（２π・Ｘ／τ）］として取
り出される。

このセンサ信号処理回路６５が送出するＡ相磁極位置信
号ＩＦＡとＢ相磁極位置信号Ｉ□は第５図に示す制御製
回路７０Ａにおいて利用され、センサ部３５の出力も、
これを同様に処理するセンサ信号処理回路に人力され、
該センサ処理回路の出力は制御回路７０Ｂにおいて利用
される。両制御回路７０Ａと７０Ｂは同し回路構成を有
している。

第５図において、７１は位置指令パルスを入力される偏
差カウンタであって、位置フィードバック信号Ｐ、との
偏差を演算する。この偏差はＤ／Ａ変換器７２でアナロ
グ信号に変換されて速度制御系７３の速度指令信号とな
る。速度制御系７３はこの速度指令信号と速度フィード
バンク信号との偏差からＡ相、Ｂ相の電流振幅指令信号
（共にＩｒとする）を生成する。乗算器７４ＡはＡ相電
流振幅指令信号（１，）とセンサ信号処理回路６５が送
出する前記Ａ相磁極位置信号ＩＦＡとを乗算してＡ相電
流指令■、”を生成し、乗算器７４ＢはＢ相電流振幅指
令信号とセンサ信号処理回路６５が送出する前記Ｂ相磁
極位置信号Ｉ□とを乗算してＢ相電流指令Ｉ、”を生成
する。７５ＡはＡ相電流制御系であって、Ａ相巻線２２
Ａ、２２ＡにＡ相電流を給電し、７５ＢはＢ相電流制御
系であって、Ｂ相巻線２２Ｂ、２２Ｂ”にＢ相電流を給
電する。ここで、 τ である。

Ａ相磁極位置信号ＩＦＡとβ相磁極位置信号ＩＦＩＩは
内挿回路７６でそれぞれ周波数信号（高分解能のパルス
信号）Ｐｆに変換され、この２相のパルス周波数信号は
周波数／電圧変換回路７７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Ｐｒとして偏差カウンタ７１に供給され
る。

内挿回路７６としては、例えば、第５図（Ａ）に示すよ
うな回路構成を持つものを使用する。

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。、ｃｏｓｅ。に変換する。この関数ｓ
ｉｎθｏ、ｃｏｓθ。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。

このアナログ信号に変換されたｓｉｎθ。、ｃｏｓｅ。

は、それぞれ乗算器１０７．１０８で、磁極位置信号ｃ
ｏｓθ、ｓｉｎθ（但し、θ−２πＸ／τ）と乗算され
る。減算器１０９は上記乗算値ｓｉｎθ、−ｃｏｓθと
ｃｏｓｅ、−５ｉｎθの偏差５ｉｎ（θ。−θ）を演算
する。比較器１１０はこの偏差信号５ｉｎ（θ。−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θ０をラッチしてθをサンプリンリグした信
号θアを生成する。減算器１１２、レトマルチ１１４は
ディジタル量の一次遅れフィルタを構成しており、減算
器１１２はθ、とカウンタ１１４の出力θとの差を取り
、この差分データをレートマルチ１１３の発振器ｌｏｔ
が発振する基準クロックＣＬを差分データに比例した周
波数で間引き、差分データの大小に比例して周波数が増
減する高周波のパルス列をカウンタ１１４に送出する。

従って、カウンタ１１４の出力θ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、Ａ相巻線２２Ａ、２２Ａ”に供給されるＡ相電流Ｉ
Ａにより発生する推力をＦＡ、Ｂ相巻線２２Ｂ、２２Ｂ
’に供給されるＢ相電流１．により発生する推力をＦＩ
Ｉとすると、 τ 但し、Ｋτ： トルク定数 であるので、可動部３０をその周方向（第１図のα方向
）に駆動する推力もしくは可動子ヨーり３１を固定子２
３の周方向第１図のβ方向）に駆動する推力Ｆは、Ａ相
電流ＩＡ、Ｂ相電流■６の位相がＡ相磁極位置信号ＩＦ
Ａ、Ｂ相磁極位置信号ＩＦｌｌの位相とそれぞれ同じで
あるので、Ｆ＝ＦＡ　＋ＦＢ τ ＝にτＸＩ、　　・　・　・　・　・　・　・　・　・
　・　・　・　・　・　・（５）となり、電流振幅指令
信号の値１．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。

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２５．３５は検出コイル６１Ａ、６１Ａ“を巻回し
たＡ相用センサヘッドと検出コイル６１Ｂ、６１Ｂ　　
“を巻回したＢ相用センサヘノドとからなる静止形であ
るので、センサ部２５．３５は小形・軽量であり、各々
を固定子２２、移動子３３に連設するものであるがら、
センサ部２５．３５を配設するためのスペースを新たに
設ける必要はな（、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２５３５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、各相励磁電流ＩＡ、ＩＩ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４０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２５．３５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励磁極部に連
設す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角変位信号を取り出すことができ、
この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モー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し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図は上記実施例における要部を示す部分側面図、第
３図は上記実施例における磁極位置検出器のセンサ部の
配置を示す模式図、第４図は上記磁極位置検出器を示す
回路図、第５図は上記実施例における制御装置のブロッ
ク図、第６図は従来の球面サーボモータを示す斜視図で
ある。 １０・−固定軸、２〇−固定側部材、２１−・固定子ヨ
ーク半体、２２−第１の固定子（励［磁極）、２３・−
・固定子側歯列半体、２４．３４−環体、２５．３５−
・−センサ部、３〇−可動側部材、３１−可動子ヨーク
半体、３２−可動子側歯列半体、３３・−移動子（励磁
磁極）、 ７０Ａ　　、７０Ｂ、−制御回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）周方向に並ぶ極歯部を形成された固定子側歯列半
   体と、極列が該周方向と直交する向きである励磁極部を
   有するヨーク半体からなり、両半体が互いに軸線に対し
   て相対回動可能に連結された第１の環体と第２の環体を
   有し、両環体は、互いに直角をなす姿勢にして、一方環
   体が全体として自己の周方向に回動可能に、かつ、該回
   動に他方環体の上記した歯列半体が追従回動可能に、錯
   交して支持され、上記第１の環体の上記磁極部が上記第
   ２の環体の上記極歯列部にギャップを隔てて対向して両
   者間に相対的に推力をを生起し、上記第２の環体の上記
   励磁極部が上記第１の環体の上記極歯列部にギャップを
   隔てて対向して両者間に相対的に推力を生起するパルス
   モータ形の球面モータと、上記励磁極部の各相励磁巻線
   に励磁電流を供給する制御装置と、上記第１の環体と第
   の環体が有する上記励磁極部の極列方向一方端にそれぞ
   れ連設された第１および第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の環体と第２の環体が有する上
   記励磁極部の各相励磁電流を、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、位置制御系統、速度制御系、電流制
   御系を備え、センサの信号を信号処理して磁極位置信号
   を送出するセンサ信号処理回路を有し、各相電流指令は
   、上記磁極位置信号の値と上記速度制御系から得られる
   各相電流振幅指令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。