JPS60141160A - 電動モータ - 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】 本発明は電動モータに関し、特に工業用ロボットの関節
や腰まわり部分に用いるのに適した高精度で応答性良く
移動でき又小型軽量である高トルクロボット用電動モー
タに関する。

最近、各種製造工程に導入されている工業用ロボットは
作動の正確さや精密さ、応答性の良さ、高トルク出力１
等の性能を必要としている。このようなロボットの関節
や腰まわり部分には電動モータが使用されているが。

この電動モータは応答性良く高速高精度で移動でき、又
小型軽量で高トルク発生することを要求される。

従来使用されてきた電動モータはその出力が低く出力不
足を補うため減速機を用いてトルク増加を計っていた。

しかしながら、このような機構を採用した場合、減速機
の歯車噛合部に発生するバツクラツシを避げることか出
来ず、高精度な位置決めは難しい。

又、減速機を用いて駆動するロボットにおいて、ロボッ
トを作業順序に手動で動かしてロボットに作業手順を記
憶させる教示（ティーチング）を行う場合減速機をクラ
ッチにより切離してロボットのアームを自在に動かすよ
うにしているため複雑な機構を要するという欠点がある
。

一方、ロボットの駆動手段として入力信号に対応した回
転の得られるパルスモータも知られているがこのパルス
モータは小型で位置決め精度も良いが発生トルクが低い
ことが大きな欠点である。このパルスモータに過大な負
荷が加担されると、ロータとステータの位相がずれる所
謂脱調現象が生じ、確実なロボットの作動を保証できな
い。

従来、ロボットの動きを制御するため、モータに低分解
能（１０００分割程度）のエンコーダを直結してこのエ
ンコ−ダからの清報をもとにモータをフィードバック制
御することが多い。この制御方式を前述の減速機つきの
モータに適用した場合やはり歯車部のバックラツシのた
め被可動部の一正確な動作は難しい。更に、この減速機
っきモータに高精度ロボットを実現するためロボットの
被可動部側に高分解能のエンコーダを取付けると８発振
を起こすため高精度化を達成することはできなかった。

又、エンコーダはそれ自体高価であり又形も大きいので
他のタイプのモータにも適用が難しい。

モータにシンクロ検出装置を内蔵すればロボットの小型
化が可能となるが、従来のモータにおいては、その永久
磁石や励磁コイルよ夕に内蔵することは困難であった。

本発明者は、米国特許出願番号３８５０３４において高
トルク出力可能なロボット用モータを示したが、−この
モータは減速機を使用することなく高精度・高トルク出
力で小型軽量化を果している。このモータは円筒状の内
側及び外側ステータ間にカップ状のロータを配し。

両ステータに巻線したコイルを励磁して、内側ステータ
を通りロータを半径方向外方へ通りさらに外側ステータ
を通り半径方向内方へと通って内側ステータに戻る循環
路に従う磁束を形成し、この磁束を選択的に発生してロ
ータを回転駆動するものである。

とのモータを更に高トルク化、高精度化。

小型軽量化することが望まれるがいくらかの困難があっ
た。即ち、更なるトルク増大にはステータとロータの間
隔所謂エアギャップを極力小さくすることが必要である
。しかしステータ、ロータ等の加工のバラツキ、組立誤
差、肉薄なロータへの電磁力の作用による変形、コイル
の発熱による各部材の熱膨張等を考えるとエアギャップ
を小さくするには限界がある。又１作動の応答性を上げ
るにはロータの慣性質量を小さくすることが効果的であ
るが、ロータの慣性質量を小さくするとロータの剛性が
下がりロータの変形、振動を起こしやす（なる。このた
めエアギャップはその分を見込んで大きくしておく必要
がある。

本発明の１つの目的は、シンクロ検出装置を内蔵し高精
度位置決め可能でロボットを小型軽量化できるモータを
提供することである。

本発明の更なる目的は高トルクを発生し。

ロボットを小型軽量化できるモータを提供することであ
る。

本発明のもう一つの目的は高精度で応答性良く位置決め
ができ、高トルクを発生し、ロボットを小型軽量化でき
るモータを提供することである。

本発明は、コイルを巻回した内側及び外側ステータ間に
ロータを配し選択的に磁束を発生させることにより駆動
されるようになったモータにおいて２位置検出手段又は
軸受手段を配したことを特徴とするものである。

モータ１００の駆動部７０はロータ１２゜内側ステータ
１０及び外側ステータ１４より構成されている。

ロータ１２．内側ステータ１０．及び外側ステータ１４
は第１図に示されているが、これらは本出願人による米
国出願番号３８５０３４に示したものと本質的に同じも
のである。即ち、ロータ１２．内側ステータ１０．及び
。

外側ステータ１４は共に軟鉄打抜材の積層板で円筒状に
形成されている。内側ステータ１０と外側ステータ１４
とは同軸に環状のハウジング又はモータ本体１の環状の
凹所内に配され８両者の間にはロータ１２が同軸に支持
部材２上に配されている。

両ステータ１０及び１４のロータ１２に対向する面には
それぞれ複数〔好適には１８〕の極片１８及び２０が対
応して配されている。

再に極片１８及び２０のロータ１２に対向する面には半
径方向に（好適には１４４の）極片歯２２及び２８が形
成されて９・る。一方。

ロータ１２の両ステータ１ｏ及び１４に対向する面上に
も（好適には１５０の）歯２４及び２６がそれぞれ形成
されている。両ステータ１０，１４上の極片歯２２．２
８の間隔とロータ１２上の歯２４．２６の間隔とは僅か
にずれて設定されている。

内側ステータ１０′の各極片１８には電気コイル３０が
、外側ステータ１４の各極片２゜には電気コイル６２が
巻回されている。たとえば、３相モータの場合、各電気
コイル（３０及び６２）は２つ置きの極片に互いに逆向
きにかつ互いに直列に巻回される。内側ステータ１０の
極片１８上の電気コイル６ｏとこれに対応する外側ステ
ータ１４の極片２ｏ上の電気コイル３２とは反対方向に
巻回されるので反対の磁極性を有する。

電気コイル６０及び６２に電流が流されると、内側ステ
ータ１０の極片間よりロータ１２を横切り外側ステータ
１４の極片間より外側ステータ２０の外周へ抜け、この
外周を通って６相モータでは２つの電流の流されない極
片を越え更に次の極片との間から内方へ向い再びロータ
１２を横切って内側ステータ１０の極片間より内側ステ
ータ１０に沿って元の始点へと戻る閉ループ循環路の磁
束が形成される。

このような磁束を形成できるようにしたので高トルクの
発生が可能となり、又、ロータの軸方向へ漏洩する磁気
を減することができる。

以上の構成は前述したごとく米国特許出願３８５０３４
に示されるものと本質的に同じものである。

両ステータ１０．１４とロータ１２に隣接したモータ本
体１の環状凹所内にはシンクロ位置検出装置６０が配さ
れている。即ちシンクロ位置検出装置６０は、駆動部７
０と同様それぞれ環状の内側ステータ４０．外側ステー
タ４４及びロータ４２より構成され、それぞれ駆動部７
０の対応するステータ１０゜１４及びロータ１２に並列
してモータ本体１の環状凹所内の開口側に配されている
。

シンクロ位置検出装置６０の内側ステータ４０、外側ス
テータ４４及びロータ４２もモータ１００の駆動部と同
様軟鉄打抜材の積層板によりモータ１００の内側ステー
タ１０゜外側ステータ１４及びロータ１２と同一形状で
形成されているので安価なものとなっている。

駆動部７０の内側ステータ１０とシンクロ装置６０の内
側ステータ４０は間にアルミニウム等の非磁性体の第１
の環状シールド部材７２を挾んでモータ本体１の環状凹
所の半径方向内側の円筒面上に固設されている。一方。

駆動部７０の外側ステータ１４とシンクロ位置検出装置
６０の外側ステータ４４とは間にやはり非磁性体の第２
の環状シールド部材７４を挾んでモータ本体１の環状凹
所の半径方向外側の円筒面上に固設されている。

磁束がモータの半径方向に走るようにして漏洩磁気を減
じたことに加え駆動部７０とシンクロ装置６０との間に
非磁性体のシールド部材７２．７４を配したので磁気の
シンクロ部への漏洩をほぼしゃ断でき駆動部７０のステ
ータ１０，１４の電気コイル３０．３２からのシンクロ
装置６０への影響を解消できる。

ロータ４２は駆動部７０のロータ１２が固設される支持
部材２上の両ステータ４０及び４４に挾まれる部分に固
設されている。

シンクロ位置検出装置６０をモータに内蔵したことによ
りロボットを小型軽量にできると言う利点がある。

シンクロ装置６０の内側ステータ４０及び外側ステータ
４４も駆動部７０のステータ１０及び１４と同様、ロー
タ４２に対向する面にはそれぞれ複数（好適には１８）
の極片４８及び５８を備えている。各極片は内側ステー
タ４０の外周上と外側ステータ４４の内周上に等間隔に
規則的に配されている。外側ステータ４４の各極片は内
側ステータ４０の隣接する極片の中間に位置して対向す
るよう配されている。即ち、内側ステータ４０の極片４
８と外側ステータ４４の極片５８とは１０度ずれて配さ
れている。

両ステータ４Ｄ及び４４の極片４８及び５８のロータ４
２に対向する面上には、放射方向に延びる複数（好適に
は各極片８合計で１４４）の極片歯６２及び６４がそれ
ぞれ形成されている。一方、ロータ４２上には両ステー
タ４０及び４４の極片４８及び５８上の極片歯６２及び
６４に対向して複数（好適には１５０）の歯６２及び６
４が円周方向に等間隔に離間して配されている。

内側ステータ４０の極片４８には１次コイル５０が巻回
されている。この１次コイル５０は１極片毎に逆向きに
巻回され全線直列に接続されている。又、外側ステータ
４４の極片５８には２次コイル５２が駆動部７０の外側
ステータ１４と同様の方法で巻回されている。

即ち、たとえば３相モータでは、２つ置きの極片に互い
に逆向きにかつ互いに直列に巻回される。

ロータ１２及び４２を支持している支持部材２とモータ
本体１との間には軸受手段６１及び６３が配されている
。軸受手段は支持部材２よりモータ本体１の環状凹所内
へ延びる部分とモータ本体１の環状凹所底部内に形成さ
れる部分との間に配される第１の軸受６１と支持部材２
の環状凹所の開口端に隣接する部分とモータ本体１の環
状凹所の半径方向内側にある円筒面上との間に配される
第２の軸受６３とより成っている。これらの軸受６１゜
６６は転動体の転動を利用した公知のころがり軸受でよ
い。第１の軸受６１は支持部材２より直すぐ延びる位置
に配されているので軸方向に支持部材２を移動させれば
支持部材２をモータ本体より取りはずせモータの内部を
容易に保守点検できる。又、支持部材２を取り外した後
１両ステータ４０及び４４の間から容易に第１軸受６１
を取り外せるように両ステータ４０，４４と第１軸受６
１の径を定めである。

一方、第２の軸受６６はモータ本体１の凹所開口付近に
モータ本体１と支持部材２間の負荷を受けるように設げ
られている。第２の軸受を受け入れているモータ本体１
の環状内面は内側ステータが載置されている一般部より
径が小さくなっているので、支持部材２及び第２軸受６
６を容易にモータ本体１より取り外すことができる。

以上の構成のモータ１００はロボットの関節や腰まわり
部に組み込まれ、制御装置１１０により制御される。第
５図は１本発明の１実施例による６相モータ１００と制
御装置１１０を示すブロック図であるが、この図に従い
モータの制御装置とその制御方式について以下（二説明
する。

発振器１１２からの出力は、モータ１００のシンクロ装
置６０の１次コイル５０に加えられる。この時、２次コ
イル５２にはロータ４２の回転角度即ち位置に応じて１
２０°位相の異った６相の一次コイル電流が変調された
正弦波が得られる。ロータ４２が一回転するとき各正弦
波はロータ４２の極片歯６２及び６４の数（本実施例で
は１５０）に応じた周波数（本実施例では１ｒｐＳで回
転させた時１５０　Ｈｚ）の正弦波より成っている。

この信号はシンクロアンプ１１４により増「１コされ、
この増巾された信号は速度・位置検出回路１１８と同期
整流回路１１６へと入力される。速度・位置検出回路１
１８で検出された位置及び速度についての信号はそれぞ
れ減算器１２２及び１２４へと出力される。

入力装置１２０より入力される位置指令信号と速度・位
置検出回路１１８からの現在位置に関する位置信号とは
減算器１２２で減算され、その偏差信号は位置制御アン
プ１２６へと出力される。位置制御アンプ１２６は入力
された偏差信号に応じた速度指令を減算器１２４に出力
する。この速度指令と速度位置検出回路１１８より入力
される速度信号とは減算器１２４で減算される。この速
度偏差信号は速度制御アンプ１２８で増巾される。増巾
された速度偏差信号は相電流制御器１６０と同期整流回
路１１６へと出力される。シンクロアンプ１１４の出力
は発振器１１２からの信号により同期整流され、更に速
度制御アンプ１２８からの出力により回転方向の成分を
含んだモータトルク指令信号が相電流制御器１３０へと
出力される。

このモータトルク指令信号と前述の速度制御アンプ１２
８からの増巾速度偏差信号とから相電流制御器１３０は
モータの各相（本実施例では６相）のステータコイルへ
出力する相電流指令信号をサーボアンプ１６２へと出力
する。

以上のように制御装置１１０はシンクロ装置６０から得
られるロータの速度と位置に関する情報と入力装置１２
０より入力される情報との偏差からロータの駆動に必要
な各相の電流をロータの駆動部７０へと出力するように
成っている。

サーボアンプ１３２へ入力された相電流指令信号はＰＷ
Ｍ変復調されこれに従い駆動部７０のステータの電気コ
イル３０．３３に適切な電流が供給される。

モータの電気コイル３０．３２に電流が供給されるとモ
ータのロータ１２は前述の米国特許出願番号３８５０３
４に示される過程に従い回転する。ロータ１２が回転す
るとシンクロ装置６０のロータ４２も共に回転し２次コ
イルに変調信号が得られ、これが制御装置１１０に出力
され前述したようにモータを制御する。

１次コイル励磁電流の正弦波を更に細かく分割してモー
タの駆動を制御すれば、高分解能の制御ができ、モータ
を高精度で回転できる。

シンクロ装置６０の極片４８，５８及びその極片歯６２
．６４とは米国特許出願番号３８５０３４に示される駆
動部７０のそれらに従いその数を設定される。

以上のように本発明によれば、モータの駆動部７０に隣
接して位置検出装置なモータ内に設けたことにより、小
型で簡単で安価なかつ高精度位置決め可能なモータが得
られる。

又、ロータの端部に軸受手段を配することにより、ロー
タの支持剛性が上ったためロータとステータ間のエアギ
ャップなせばめたり。

ロータを薄肉化して慣性重量を減らせるので高トルクで
応答性の良いモータが得られる。

更に、このモータをロボットの関節や腰まわり部に組み
込めばロボットを直接駆動できることに加えこれまでロ
ボットの関節内に配されていた軸受を廃止できるのでロ
ボットを小型化できる。

更に１位置検出装置と軸受との相方をモータ内に一体に
組鳳込めばより高精度で応答性良く位置決めでき、又高
トルク小型軽量のモータが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明によるモータのロータ及びステータの
分解斜視図である。 第２図は本発明によるモータの側断面図である。 第６図は第２図の１’−１線に沿う断面図。 第４図は第２図の■−■線に沿う断面図である。 第５図は本発明の実施例によるモータと制御装置を示す
ブロック図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １０−−−−−一内側ステータ １２−−−−−一ロータ １４−−−−−一外側ステータ １８．２０　−−一極片 ２２、２８　−−一極片歯 ２４．２６−−−ロータの歯 ６０．３２−−−コイル ６０　−−−−−−シンクロ位置検出装置７２．７４−
−一磁気シールド部材 出願人　モーターネテイツクス コーポレーション も１図 范２図 鬼３図 范４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　半径方向内側の内壁と半径方向外側の内壁と該側
   内壁間を連結する底壁とを画成し軸方向に開口している
   環状凹所を内包する環状ハウジングと一； 該半径方向外側の内壁上に載置される環状外側ステータ
   であって半径方向内側へ所定の間隔で突出する複数の極
   片を有し、その各極片が半径方向内側へ突出する所定数
   の極片歯を有する外側ステータと； 前記半径方向内側の内壁上に載置される環状内側ステー
   タであって半径方向外側へ所定の間隔で突出する複数の
   極片を有し。 その各極片が外側ステータの極片歯に対向して半径方向
   外側に突出する所定数の極片歯を有している内側ステー
   タと； 外側ステータ及び内側スデータ間の隙間。 内に配置され、その両端においてハウジング上に軸受手
   段を介して支持されており。 その一端は該隙間内の凹所底壁付近に位置し又他端は半
   径方向内側内壁の開口端付近に位置している環状ロータ
   と； 該ロータの側周面上に配設され外側及び内側ステータの
   極片歯へと向って突出する所定数の歯と； 該両ステータとロータ内に磁束を選択的に発生させロー
   タを回転させるため両ステータの極片歯りに巻かれるコ
   イル手段と；よ′り成る電動モータ。 ２、前記半径方向内側内壁の開口端は該内壁の一般部よ
   りも半径が小さいことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の電動モータ。 ３、　シンクロ位置検出手段がロータの回転位置を検知
   するため電動モータに隣接して一体的に固定されている
   特許請求の範囲第１項に記載の電動モータ。 ４、　半径方向内側の内壁と半径方向外側の内壁と該側
   内壁間を連結する底壁とを画成し軸方向の一方に開口し
   ている環状凹所を内包する環状ハウジングと； 該半径方向外側の内壁上に載置される環状外側ステータ
   であって半径方向内側へ所定の間隔で突出する複数の極
   片を有し、その各極片が半径方向内側へ突出する所定数
   の極片歯を有する外側ステータと； 前記半径方向内側の内壁上に載置される環状内側ステー
   タであって半径方向外側へ所定の間隔で突出する複数の
   極片を有し。 その各極片が外側ステータの極片歯に対向して半径方向
   外側に突出する所定数の極片歯を有している内側ステー
   タと： 外側ステータ及び内側ステータ間の隙間内に配置され、
   ハウジング上に回転自在（二支持されている環状ロータ
   と； 該両ステータとロータ内に磁束を選択的に発生させロー
   タを回転させるため両ステータの極片回りに巻かれるコ
   イル手段と：前記モータの外側ステータと同一の極片及
   び極片歯を有し該モータの外側ステータに隣接する半径
   方向外側内壁上に載置される外側ステータと、前記モー
   タの内側ステータと同一の極片及び極片歯を有し該モー
   タの内側ステータに隣接する半径方向内側内壁上に載置
   される内側ステータと、該外側ステータと該内側ステー
   タに対向して形成されるロータ部と、該ロータ部の面周
   面上に配設され該外側及び該内側ステータの極片歯へと
   向って突出する所定数の歯と。 該外側ステータと該内側ステータの極片上に巻かれて回
   転位置検出用の信号を取り出すためのコイル手段とより
   成るシンクロ位置検出手段と； モータの外側ステータと位置検出手段の外側ステータ聞
   及びモータの内側ステータと位置検出手段の内側ステー
   タ間に挾まれる非磁性体の磁気じゃへい部材と： より成る電動モータ。 ５、　前記ロータは軸受手段を介して）＼ウジフグ上に
   両端で支持されており、その一端は前記隙間内の凹所底
   壁付近に位置し又、他端は半径方向内側内壁の開口端付
   近に位置していることを特徴とする特許請求の範囲第４
   項に記載の電動モータ。