JPWO2008117654A1 - 小型回転モータ及びこれを利用したＸ−θアクチュエータ - Google Patents

Abstract

モータハウジング(4)内におけるマグネット(5)とコイル部材(6)の位置関係を見直すことで、これらマグネットとコイル部材の配設空間の扁平化を図ることが可能であると共に、モータハウジングの小径化を図ることが可能な小型回転モータであって、モータハウジング(4)に対して回転自在に支承されたモータロータ(3)と、前記モータロータ又はモータハウジングのいずれか一方に搭載されると共にその周方向に沿ってＮ極及びＳ極が交互に配列されたマグネット(5)と、前記モータハウジング又はモータロータに固定されて前記マグネットと対向すると共に、回転磁界を発生させ、前記モータロータに対して回転トルクを与えるコイル部材(6)とから構成されており、前記マグネットとコイル部材を回転軸方向に沿って対向させた。

Description

本発明は、交流モータやステッピングモータの如く、マグネットとコイル部材との間に作用する磁気吸引力を利用してモータロータの回転トルクを得る回転モータに係り、詳細には、リニアモータアクチュエータと組み合わせてＸ−θアクチュエータを製作する場合に、かかるＸ−θアクチュエータの小型化に最適な小型回転モータに関する。

従来、Ｘ−Ｙテーブルや物品搬送装置等のＦＡ機器において、物品、部材等に並進運動を与えるアクチュエータとして、リニアモータを利用した所謂リニアモータアクチュエータが知られている。このリニアモータアクチュエータとしては種々の形式のものが知られているが、そのうちの一つとして、所謂ロッドタイプのリニアモータアクチュエータが知られている（特開平１１−１５０９７３号公報）。このロッドタイプのリニアモータアクチュエータは、棒状に形成されると共に軸方向に沿って所定のピッチでＮ極及びＳ極が繰り返し配列され、両端がベースプレート上に支持される固定子としてのマグネットロッドと、このマグネットロッドの周囲に僅かな隙間を介して遊嵌しているフォーサとから構成されており、フォーサ内に設けられたコイル部材に通電することで、かかるフォーサがマグネットロッドの周囲を軸方向に沿って運動するように構成されている。

一方、搬送対象物である物品、部材などに並進運動に加えて回転運動を与えるアクチュエータとして、前記リニアモータアクチュエータと回転モータを組み合わせた所謂Ｘ−θアクチュエータが知られている（特開２００４−３６４３４８）。このＸ−θアクチュエータは前記リニアモータアクチュエータのフォーサの外側に回転モータを取り付けたものであり、モータハウジングに対して前記フォーサを回転自在に支承すると共に、モータハウジングの内側には固定子コイルを設ける一方、前記フォーサの外側には回転子マグネットを設け、前記固定子コイルに通電することで、フォーサに任意の回転量を与えることが可能となっている。従って、このフォーサの回転運動とリニアモータアクチュエータによるマグネットロッドの並進運動とを組み合わせることにより、かかるマグネットロッドに対して並進運動及び回転運動を組み合わせたＸ−θ運動を与えることが可能となっている。
特開平１１−１５０９７３号公報 特開２００４−３６４３４８

しかし、この従来のＸ−θアクチュエータでは、マグネットロッドの周囲にフォーサが設けられ、このフォーサの周囲に回転モータの回転子マグネットが設けられ、更に、回転子マグネットの周囲に固定子コイルが設けられており、リニアモータアクチュエータを構成するマグネット及びコイル部材、回転モータを構成するマグネット及びコイル部材が前記マグネットロッドの半径方向に積み重ねられていることから、Ｘ−θアクチュエータの外径が大型化してしまうといった問題点があった。

特に、マグネットロッドに与える並進運動及び回転運動の出力を高めようとすると、その分だけリニアモータ部及び回転モータ部におけるコイル部材の捲線数が増加し、これらコイル部材が大型化するので、Ｘ−θアクチュエータの外径も大型化せざるを得ないといった問題点があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、モータハウジング内におけるマグネットとコイル部材の位置関係を見直すことで、これらマグネットとコイル部材の配設空間の扁平化を図ることが可能であり、モータハウジングの小径化を図ることが可能な小型回転モータを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、そのような本発明の小型回転モータとリニアモータアクチュエータを組み合わせることにより、外径を大型化することなく、並進運動及び回転運動の出力を高めることが可能なＸ−θアクチュエータを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の小型回転モータは、モータハウジングに対して回転自在に支承されたモータロータと、前記モータロータ又はモータハウジングのいずれか一方に搭載されると共にその周方向に沿ってＮ極及びＳ極が交互に配列されたマグネットと、前記モータハウジング又はモータロータに固定されて前記マグネットと対向すると共に、回転磁界を発生させ、前記モータロータに対して回転トルクを与えるコイル部材とから構成されており、前記マグネットとコイル部材を回転軸方向に沿って対向させている。

また、この小型回転モータを利用したＸ−θアクチュエータは、軸方向に沿って所定のピッチで多数の磁極が配列された出力軸と、この出力軸が遊嵌する貫通孔を有すると共に該出力軸と相まってリニアモータを構成し、印加される電気信号に応じて前記出力軸を軸方向へ進退させるフォーサとを備え、前記フォーサの外側に前述した本発明の小型回転モータのモータロータを設け、かかる回転モータでフォーサに任意の回転を与えるように構成したものである。

このように構成された本発明の小型回転モータによれば、回転磁界を発生するコイル部材とこれに対向するマグネットとがモータロータの回転軸方向に沿って対向していることから、これらコイル部材とマグネットとを半径方向に積み重ねた従来の回転モータに比べて、コイル部材及びマグネットの配設空間を径方向に関して扁平化することができ、モータハウジングの径方向サイズを小型化することが可能となる。

また、リニアモータアクチュエータと回転モータとを組み合わせてＸ−θアクチュエータを構成するにあたり、このような本発明の回転モータをリニアモータアクチュエータのフォーサの外側に設けることで、Ｘ−θアクチュエータの外径の小型化を図ることができ、並進運動及び回転運動の高出力化と小型化を同時に達成することが可能となる。

本発明の小型回転モータ実施形態を示す断面図である。 モータロータにおける回転子マグネットの配列状態を示す図である。 周方向に配列された固定子コイル及び回転子マグネットを平面上に展開した様子を示す図である。 本発明の回転モータを利用したＸ−θアクチュエータを示す断面図である。 リニアモータアクチュエータのマグネットロッドとフォーサの構成を示す概略図である。 マグネットロッドとフォーサとの間における磁束の作用を示す説明図である。 モータロータとマグネットロッドとの間におけるトルク伝達機構を示す断面図である。

以下、添付図面に基づいて本発明の回転モータ及びこれを利用したＸ−θアクチュエータを詳細に説明する。

図１は本発明の小型回転モータの実施形態を示す断面図である。この回転モータ１は、出力軸２と、この出力軸２に嵌合したモータロータ３と、軸受３０を介して前記モータロータ３を回転自在に支承するモータハウジング４と、前記モータロータ３に固定された回転子マグネット５、前記モータハウジング４内に固定されると共に前記回転子マグネット５と対向する固定子コイル６とから構成されている。そして、この回転モータ１では、前記固定子コイル６に通電することで、かかる固定子コイル６と回転子マグネット５との間に磁気吸引力が作用し、前記モータロータ３に回転トルクが作用するようになっている。

前記モータロータ３は出力軸２の外周面に固定されるジャーナル部３１を有すると共に、このジャーナル部３１の軸方向両端に一対のフランジ部３２を備えており、これらフランジ部３２と前記モータハウジング４によって囲まれた空間が前記固定子コイル６と回転子マグネット５の収容空間となっている。また、各フランジ部３２の外周面には前記軸受３０が固定されており、かかる軸受３０を介してモータロータ３とモータハウジング４が回転自在に組付けられている。

前記回転子マグネット５はモータロータ３に具備された各フランジ部３２の内側面に固定されている。図２は各フランジ部３２における回転子マグネット５の配置を示す図である。前記回転子マグネット５は前記ジャーナル部３１を取り囲むようにしてフランジ部３２の内側面に配列されており、周方向に沿ってＮ極及びＳ極が交互に配列されている。但し、各フランジ部３２に固定された一対の回転子マグネット５において、前記固定子コイル６を挟んで互いに対向する磁極は異なった極性、すなわちＮ極とＳ極となっている。

一方、前記固定子コイル６は前記回転子マグネット５と相まって同期モータを構成しており、三相交流電流を印加することで、モータロータ３の周囲に回転磁界を発生する。この固定子コイルは鉄心となる複数のコア部材６０に対して捲線６１を施してコイルを構成したものであり、Ｕ，Ｖ及びＷ相の３つのコイルを１組とするコイル群を有している。各コア部材６０は棒状に形成されると共に、その長手方向を出力軸の軸方向と合致させるようにしてモータロータ３の一対のフランジ部３２の間に位置しており、各回転子マグネット５と僅かな隙間を介して対向している。前記捲線６１は各コア部材６０を貫通する磁束が当該コア部材６０の長手方向と合致するように、すなわち各コア部材６０と回転子マグネット５との対向方向にと合致するようになされている。このように構成された固定子コイル６はモータハウジング４の内周面に固定されている。

図３は、図１に示す回転モータ１を周方向の一箇所で切断し、前記固定子コイル６及び回転子マグネット５を展開した状態を示す図である。この図に示されるように、モータロータ３の各フランジ部３２の内側には前記回転子マグネット５が配列されており、固定子コイル６を挟んで対向する一対の回転子マグネット５はその一方の極性がＮ極、他方の極性がＳ極となっている。また、これら回転子マグネット５の間には固定子コイル６が配設されており、棒状に形成されたコア部材６０の両端が回転子マグネット５と夫々対向している。

この図３では矢線Ａ方向がモータハウジング４の周方向に合致しているが、かかる周方向に沿って配列された複数のコア部材６０には、三相交流電流のｕ相、ｖ相及びｗ相に対応した捲線３１が順番に巻かれている。また、各相のコア部材６０の配列ピッチは回転子マグネット５の配列ピッチよりも短く設定される。従って、固定子コイル６に対して三相交流電流を通電すると、かかる固定子コイル６にはモータロータ３の周囲で回転磁界が発生し、かかる回転磁界が回転子マグネット５に対して作用することにより、モータロータ３には回転トルクが発生する。これにより、回転磁界の回転速度に応じてモータロータ３を回転させ、これに嵌合する出力軸２に回転動力を与えることができるものである。

このように構成された本発明の回転モータ１では、回転子マグネット５と固定子コイル６とが回転する出力軸２の軸方向に沿って対向していることから、モータロータ３のジャーナル部３１とモータハウジング４とが形成する回転子マグネット５及び固定子コイル６の収容空間を半径方向に関して薄く形成することが可能となる。従来の回転モータでは半径方向に沿って回転子マグネットと固定子コイルを対向させているので、かかる半径方向に関して回転子マグネット及び固定子コイルの収容空間を大きく設定せざるを得ず、その分だけモータハウジングの外径が大型化していたが、前述した本発明によればモータハウジング４の外径を小径化し、回転モータ１の小型化を図ることが可能となる。

図４は、本発明の回転モータとロッドタイプのリニアモータアクチュエータとを組み合わせて構成したＸ−θアクチュエータの実施形態を示す図である。

このＸ−θアクチュエータは、回転モータ１０と、この回転モータ１０のモータロータ３を貫通する出力軸としてのマグネットロッド７と、このマグネットロッド７の周囲に僅かな隙間を介して遊嵌すると共に前記モータロータ３と一体化されたフォーサ８とから構成されている。前記マグネットロッド７とフォーサ８はリニアモータを構成している。尚、前記回転モータ１０の構成は図１に示した回転モータ１の構成と全く同一であり、図４中に図１と同一の符号を付してここではその詳細な説明は省略する。

図５は前記マグネットロッド７及びフォーサ８から構成されるリニアモータを示す概略図である。前記マグネットロッド７には軸方向に沿って複数の界磁マグネット７０が配列されており、外周面は円滑に加工されている。各界磁マグネット７０はＮ極及びＳ極を有しており、互いに隣接する界磁マグネット７０はＮ極同士またはＳ極同士が対向するように交互に向きを逆転させて配列されている。これにより、マグネットロッド７にはその長手方向に沿ってＮ極の磁極とＳ極の磁極が交互に並んだ駆動用の着磁部が形成されている。

一方、フォーサ８は前記モータロータ３のジャーナル部３１の内周面に円筒状のコイル部材８０を収納して構成されている。このリニアモータにおいても、コイル部材８０はＵ，Ｖ及びＷ相の３つの捲線を１組とするコイル群を有している。図６に示すように、いずれの相のコイル部材８０もモータロータ３の周方向に沿ったリング状であり、マグネットロッド７の外周面と僅かな隙間を介して対向している。また、各相のコイル部材８０の配列ピッチは界磁マグネット７０の配列ピッチよりも短く設定される。マクネットロッド７にはＳ極の磁極からＮ極の磁極に向かって磁束７１が形成されており、前記モータロータ３にはその磁束密度を検出する磁極センサ（図示せず）が内蔵されている。従って、この磁極センサの出力する検出信号からコイル部材８０に対するマグネットロッド７の各磁極（Ｎ極及びＳ極）の位置関係が把握される。コイル部材８０への通電を制御しているコントローラは前記磁極センサの検出信号を受信し、コイル部材８０とマグネットロッド７の各磁極との位置関係に応じた最適な電流を演算し、それを各コイル部材８０に通電する。その結果、各コイル部材８０に流れる電流と界磁マグネット７０によって形成される磁束７１との相互作用によって、コイル部材８０と界磁マグネット７０の各磁極との間に吸引力及び反発力が発生し、フォーサ８がモータロータ３と共にマグネットロッド７の軸方向に推進されることになる。

図７は、モータロータ３とマグネットロッド７との間のトルク伝達機構９を示すものである。前記フォーサ８はマグネットロッド７をその軸方向へ推進するのみであり、マグネットロッド７に対してその軸心周りの回転トルクを何ら伝達していない。従って、モータロータ３の回転をマグネットロッド７に伝達するためには、このようなトルク伝達機構９を用いてモータロータ３とマグネットロッド７とを結合する必要が生じる。

このトルク伝達機構９は、モータロータ３に固定されると共に前記マグネットロッド７が貫通するベースプレート９０と、前記マグネットロッド７と平行に、しかもマグネットロッド７を挟むようにして前記ベースプレート９０に立設された一対のガイドシャフト９１と、各ガイドシャフト９１に沿って矢線Ａ方向へ移動自在な一対のガイドブッシュ９２と、これらガイドブッシュ９２を保持すると共に前記マグネットロッド７の端部に固定された連結プレート９３とから構成されている。

マグネットロッド７に固定された前記連結プレート９３はガイドブッシュ９２を介して２本のガイドシャフト９１に支承されており、これらガイドシャフト９１の軸方向に沿って移動自在である。このため、フォーサ８に対する通電によってマグネットロッド７が軸方向へ進退すると、連結プレート９３はマグネットロッド７と共にガイドシャフト９１に沿って移動する。一方、モータロータ３が回転すると、ベースプレート９０に立設された一対のガイドシャフト９１がマグネットロッド７の周囲を公転し、その回転トルクがガイドシャフト９１によって案内されている連結プレート９３に伝達される。これにより、モータロータ３に与えられた回転トルクが連結プレート９３を介してマグネットロッド７に伝達される。

従って、このトルク伝達機構９によれば、リニアモータによるマグネットロッド７の軸方向への進退を許容しながら、モータロータ３の回転トルクをマグネットロッド７に伝達することが可能となる。

尚、前記マグネットロッド７に対してモータロータ３の回転トルクを伝達する他の形態としては、例えばボールスプラインを利用する形態が考えられる。具体的には、前記マグネットロッド７の一方の軸端にスプラインシャフトを設けると共に、モータロータ３の端部には前記スプラインシャフトに嵌合するスプラインナットを固定する。これにより、マグネットロッド７がモータロータ３に対して軸方向へ進退自在に案内されると共に、モータロータ３に対するマグネットロッド７の周り止めがなされ、モータロータ３の回転をマグネットロッド７に伝達することが可能となる。

そして、このように構成されたＸ−θアクチュエータでは、前記フォーサ８のコイル部材８０に対して通電することでマグネットロッド７をモータロータ３に対して任意の量だけ進退させることができ、また、回転モータ１０の固定子コイル６に対して通電することで前記モータロータ３を任意の量だけ回転させて、マグネットロッド７を軸方向の周囲に回転させることができ、例えば、マグネットロッド７の先端にエアチャック等の保持手段によって把持したワークに対して並進運動及び回転運動の双方を与えることが可能となる。

このとき、前記回転モータ１０においては、回転子マグネット５と固定子コイル６とがマグネットロッド７の軸方向に沿って対向していることから、モータロータ３のジャーナル部３１とモータハウジング４とが形成する回転子マグネット５及び固定子コイル６の収容空間を半径方向に関して薄く形成することが可能であり、モータロータ３の内部にリニアモータのフォーサ８を収容した場合であっても、モータハウジング４が大径化するのを抑えることが可能となる。すなわち、リニアモータアクチュエータの外径側に回転モータを重ねた本発明のＸ−θアクチュエータはモータハウジング４の小型化を達成することが可能であり、各種ＦＡ機器において有用なＸ−θアクチュエータを提供することが可能となるものである。

尚、図1を用いて説明した回転モータ１では、モータロータ３に回転子マグネット５を
搭載し、モータハウジング４に固定子コイルを搭載したが、これらモータロータ及びモータハウジングの形状を変更することにより、モータハウジングに固定子としてのマグネットを、モータロータに回転子としてのコイル部材を搭載するようにしてもよい。

Claims (3)

1. モータハウジング(4)に対して回転自在に支承されたモータロータ(3)と、前記モータロータ(3)又はモータハウジング(4)のいずれか一方に搭載されると共にその周方向に沿ってＮ極及びＳ極が交互に配列されたマグネット(5)と、前記モータハウジング(4)又はモータロータ(3)に固定されて前記マグネット(5)と対向すると共に、回転磁界を発生させ、前記モータロータ(3)に対して回転トルクを与えるコイル部材(6)とから構成され、前記マグネット(5)とコイル部材(6)は回転軸方向に沿って対向していることを特徴とする小型回転モータ。
2. 前記マグネット(5)は前記コイル部材(6)を軸方向の両側から挟むようにして２列で配列されていることを特徴とする請求項１記載の小型回転モータ。
3. 軸方向に沿って所定のピッチで多数の磁極が配列されたマグネットロッド(7)と、このマグネットロッド(7)が遊嵌する貫通孔を有すると共に該マグネットロッド(7)と相まってリニアモータを構成し、印加される電気信号に応じて前記マグネットロッド(7)を軸方向へ進退させるフォーサ(8)とを備え、
   前記フォーサ(8)の外側に請求項１記載の小型回転モータ(1)のモータロータ(3)を設け、かかる回転モータ(1)でフォーサ(8)に任意の回転を与えることを特徴とするＸ−θアクチュエータ。

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