(57)【要約】【課題】小型で制御性が良く高精度な位置決めが可能な２軸複合モータを提供する。【解決手段】ロータ６ａとステータ６ｂとからなる回転形モータ６と、回転形モータ６のロータ６ａに取り付けられたステータ４ｂとロータ４ａとからなる円弧形モータ４とを備え、円弧形モータのロータ４ａを、球面軸受２の球面内輪２ａの片側にシャフト３を介して取り付け、球面軸受の球面内輪２ａに取り付けられたシャフト３の反対側に出力軸１を取り付け、回転形モータのロータ６ａに片側２個ずつの転がり案内方式のプランジャ５ａを配置して当該プランジャ５ａをバネ５ｃで円弧形モータのロータ４ａの両側面に押し付けることにより、回転形モータ６の出力を、円弧形モータの出力軸１に伝達する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転形モータのロータと回転形モータのステータとからなる回転形モータと、
前記回転形モータのロータに取り付けられた円弧形モータのステータと前記円弧形モータのステータに対向するように配置された円弧形モータのロータとからなる円弧形モータとを備え、
前記円弧形モータのロータを、球面軸受の球面内輪の片側にシャフトを介して取り付け、
前記球面軸受の球面内輪に取り付けられた前記シャフトの反対側に出力軸を取り付け、
前記回転形モータのロータに片側２個ずつの転がり案内方式のプランジャを配置して当該プランジャをバネで前記円弧形モータのロータの両側面に押し付けることにより回転形モータの出力を円弧形モータの出力軸に伝達する構造としたことを特徴とする２軸複合モータ。
【請求項２】
前記回転形モータのロータ側ティースとステータ側ティースを回転中心から離れた位置に配置し、前記回転中心付近に、前記円弧形モータのステータに給電を行うスリップリングを設けたことを特徴とする請求項１記載の２軸複合モータ。
【請求項３】
前記円弧形モータのロータ両側に断面形状がＬ形のフランジを取り付けるとともに、前記円弧形モータのステータの両側に支柱を設け、その支柱と前記Ｌ形フランジとの間に、バネによって前記Ｌ形フランジに接触するように押圧される回転体を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の２軸複合モータ。
【請求項４】
前記回転体を押圧するバネの押圧力を、前記円弧形モータのステータとロータ間の吸引力より小さくなるように設定したことを特徴とする請求項３記載の２軸複合モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、出力軸が２自由度動作をする２軸複合モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
出力軸が多自由度動作可能なモータあるいはアクチュエータは、球面超音波モータ（例えば、特開平１１−１８４５９号公報（特許文献１）、特開２０００−２７０５６９号公報（特許文献２））や、複数の回転形モータとボールネジあるいはギヤを組合せて構成した多軸ステージ等がある。
【０００３】
特許文献１には、ロータを三方向に広範囲に可動とするために、ステータの数を３個とし、Ｘ−Ｙ平面上においてそれぞれを１２０度ずつの間隔に配置し、うち第１のステータを固定し、残りの二つはロータへの押し付け力を調整可能なようにしておき、さらにＸ−Ｙ平面において、Ｚ方向へ正方向または負方向の角度に傾きを与えて第１のステータを配置して保持器によって保持し、第２および第３のステータはＺ軸方向へ正方向または負方向の角度に傾きを与えて配置することが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、圧電素子により駆動された微小振動を発生する接触片を円環状に配置した複数のステータを、略球状のロータ表面に接触させてロータを回転駆動するようにした球面アクチュエータにおいて、接触片が配列される前記円環の直径を従来より減じて、接触片を少なくともステータの中心寄りに配置すると共に、接触片の高さおよび大きさを従来よりも低減した球面アクチュエータのステータが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１８４５９号公報
【特許文献２】
特開２０００−２７０５６９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１および２に記載されたような球面超音波モータの場合は、圧電素子により駆動されて微小振動を発生する接触片を円環状に配置した複数のステータを、略球状のロータ表面に接触させてロータを回転駆動させるので、ステータとロータ間の接触のために耐久性に欠けるとともに複数個のステータの振動によってロータを位置決めするために制御が複雑になるという問題があった。
また、複数の回転形モータとボールネジを用いて構成する場合、モータ部が突出する形になって全体の外形が大きくなるとともにボールネジ部あるいはギヤ部のバックラッシュにより位置決め精度が悪くなるという問題があった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、小型で制御性が良く高精度な位置決めが可能な２軸複合モータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明に係る２軸複合モータは、回転形モータのロータと回転形モータのステータとからなる回転形モータと、前記回転形モータのロータに取り付けられた円弧形モータのステータと前記円弧形モータのステータに対向するように配置された円弧形モータのロータとからなる円弧形モータとを備え、前記円弧形モータのロータを、球面軸受の球面内輪の片側にシャフトを介して取り付け、前記球面軸受の球面内輪に取り付けられた前記シャフトの反対側に出力軸を取り付け、前記回転形モータのロータに片側２個ずつの転がり案内方式のプランジャを配置して当該プランジャをバネで前記円弧形モータのロータの両側面に押し付けることにより回転形モータの出力を円弧形モータの出力軸に伝達する構造としたものである。
【０００８】
請求項１に係る発明においては前記のように構成されているため、従来の回転形モータとボールネジを組合せて構成する場合のように、モータ部やボールネジ部の突出がないので、２自由度出力形のアクチュエータを小型で実現できる。また、円弧形モータのロータの外径が球面内輪の回転中心の位置に近いため、モータの外形寸法を小さくできる。
さらに、モータで出力軸を直接駆動させるので、指令値の角度が出力軸の角度になり、指令値と出力軸の換算が不要なため制御性が良く、ギヤ等を介さないのでバックラッシュがなく高精度位置決めが可能となる。また、球面内輪の回転中心即ちシャフトの動作支点がモータの片側に位置するので、球面内輪に形状変更を施し、カメラ、反射ミラーなどを直接取り付けて、それを駆動するモータとして使用する場合、カメラの視界、ミラーで反射する光のための空間などを広く確保することができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明に係る２軸複合モータは、前記回転形モータのロータ側ティースとステータ側ティースを回転中心から離れた位置に配置し、前記回転中心付近に、前記円弧形モータのステータに給電を行うスリップリングを設けたものである。
請求項２に記載の発明においては、前記のようにスリップリングを設けて円弧形モータのステータに給電を行うようにしたので、回転形モータは動作範囲を制限されることなく、無限回転が可能となる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明に係る２軸複合モータは、前記円弧形モータのロータ両側に断面形状がＬ形のフランジを取り付けるとともに、前記円弧形モータのステータの両側に支柱を設け、その支柱と前記Ｌ形フランジとの間に、バネによって前記Ｌ形フランジに接触するように押圧される回転体を設けたものである。ここで、回転体とは、ベアリングやローラ等の、接触相手に押圧力のみを付与し、押圧方向とは直交する方向の接触相手の移動を妨げない部材をいう。
請求項３に記載の発明においては、Ｌ形フランジを円弧形モータのロータ両側に設け、回転体を介してＬ形フランジを押圧するので、Ｌ形フランジが固定されている円弧形モータのロータのシャフトを介して、球面軸受側に押圧力が伝達される。一方、円弧形モータのロータは、ステータ側に吸着される方向に力を受ける。この円弧形モータのロータに対する吸着力と、Ｌ形フランジを押圧する押圧力の方向が逆であるため、球面軸受に掛かる力が軽減される。そのため、球面軸受を構成する球面内輪とそのホルダとの間の摩擦力が低減するため、モータの必要トルクを小さくできる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明に係る２軸複合モータは、請求項３における回転体を押圧するバネの押圧力を、前記円弧形モータのステータとロータ間の吸引力より小さくなるように設定したものである。
この請求項４に記載の発明においては、球面軸受の球面内輪が球面軸受のホルダに押し付けられる力を必要最小限に設定して、球面軸受部の摩擦抵抗を小さくすることによってモータの必要トルクを小さくでき、モータへ供給する電流値を小さくすることで、モータの発熱量を抑え、熱変形量を小さくすることができる。
また、球面軸受部に掛かる分圧を必要最小限とすることができ、メカニカルロスとモータの発熱量を最小限に抑えることができるので、出力軸位置決めの高精度化が図れる。さらに、出力軸が固定される球面軸受部には円弧形モータの吸引力が予圧として作用するため、モータ動作時の出力軸のガタを抑え、振れ精度を良くすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る２軸複合モータの構成を示すものであり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。図において、１は出力軸、２は球面軸受、２ａは球面軸受の球面内輪、２ｂは球面軸受のホルダ、３はシャフト、４は円弧形モータ、４ａは円弧形モータのロータ、４ｂは円弧形モータのステータ、５ａはプランジャ、５ｂはプランジャ部のフレーム、５ｃはプランジャ部のバネ、６は回転形モータ、６ａは回転形モータのロータ、６ｂは回転形モータのステータ、６ｃは回転形モータのロータ側ティース、６ｄは回転形モータのステータ側ティース、７は回転形軸受、８はスリップリング、９ａは円弧型モータ４用の原点センサ、９ｂは回転形モータ６用の原点センサである。
【００１３】
出力軸１は球面軸受の球面内輪２ａに固定される。球面軸受の球面内輪２ａの反対側にはシャフト３を固定し、さらに円弧形モータのロータ４ａを取り付ける。円弧形モータのロータ４ａの側面には、回転形モータのロータ６ａから伸びるプランジャ部のフレーム５ｂに取り付けられたプランジャ５ａとプランジャ部のバネ５ｃによって円弧状に案内される。
従って、回転形モータ６が発生する回転力は、回転形モータのロータ６ａから伸びるプランジャ部のフレーム５ｂに取り付けられたプランジャ５ａとバネ５ｃに挟まれた円弧形モータのロータ４ａから、シャフト３、球面軸受の球面内輪２ａ、出力軸１へと伝えられる。
【００１４】
一方、円弧形モータ４は円弧形モータのステータ４ｂに巻かれた一対の巻線に電流を流して所定の向きの磁極を生成し、円弧形モータのロータ４ａを駆動することにより、シャフト３の向きを制御する。
これにより、円弧形モータ４と回転形モータ６の運動によって、出力軸１は、２軸動作が可能となる。
回転形モータ６のロータ側ティース６ｃとステータ側ティース６ｄは、回転形モータ６の回転中心から離れた位置に配置し、回転形モータ６の回転中心付近には、スリップリング８を配置する。また、円弧形モータのロータ４ａおよび原点センサ９ａ、９ｂの配線は、スリップリング８を径由するようにする。従って、回転形モータ６は、動作範囲を制限されることなく、無限回転が可能である。
【００１５】
（第２実施形態）
図２は本発明の第２実施形態に係る２軸複合モータの構成を示すものであり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。図において、１０はＬ形フランジ、１１は支柱、１２はねじりコイルバネ、１３は回転体、１４は回転体ホルダである。それ以外の構成要素については図１と同等であるため、同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態においては、円弧形モータのロータ４ａの両側に断面形状がＬ形のＬ形フランジ１０を取り付けるとともに、円弧形モータのステータ４ｂ上でＬ形フランジ１０の下の位置に支柱１１を設け、その支柱１１の内部にねじりコイルバネ１２を配置し、その上にベアリングなどの回転体１３を固定する回転体ホルダ１４を配置し、ねじりコイルバネ１２で回転体ホルダ１４を上方（球面軸受２側）に押し上げるようにして、回転体１３とＬ形フランジ１０が接触するように配置する。
【００１６】
円弧形モータのステータ４ｂと円弧形モータのロータ４ａ間の吸引力よりいくらか小さくなるようにバネ力を設定し、モータの吸引力とバネ力の差分で球面軸受の球面内輪２ａを固定し、モータ動作時に出力軸部の自重によって出力軸１が球面軸受２の内部すき間において位置変動をしないようにする。
この構造により、球面軸受の球面内輪２ａが球面軸受のホルダ２ｂに押し付けられる力を必要最小限に設定して球面軸受部の摩擦抵抗を小さくすることによってモータの必要トルクを小さくでき、モータへ供給する電流値を小さくすることで、モータの発熱量を抑え、熱変形量を小さくすることができる。
【００１７】
なお、以上の実施の形態において、モータ部については、パルスモータを用いたオープンループ制御タイプとして記述してきたが、位置検出器を取り付けてフィードバック制御タイプとすることもできる。
また、球面軸受の球面内輪に形状変更を施し、カメラ、反射ミラーなどを直接取り付けて、それを駆動するモータとして使用する場合、カメラの視界、ミラーで反射する光のための空間などを広く確保することができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１に記載の２軸複合モータによれば、従来の回転形モータとボールネジを組合せて構成する場合のように、モータ部やボールネジ部の突出がないので、２自由度出力形のアクチュエータを小型化することができる。さらに、円弧形モータのロータの外径が球面内輪の回転中心の位置に近いため、モータの外形寸法を小さくできる。そして、円弧形モータで出力軸を直接駆動させるので指令値の角度が出力軸の角度になり、指令値と出力軸の換算が不要なため制御性が良く、ギヤ等を介さないのでバックラッシュがなく高精度位置決めが可能となる。また、球面内輪の回転中心即ちシャフトの動作支点がモータの片側に位置するので、球面内輪に形状変更を施し、カメラ、反射ミラーなどを直接取り付けて、それを駆動するモータとして使用する場合、カメラの視界、ミラーで反射する光のための空間などを広く確保することができる。
請求項２に記載の２軸複合モータによれば、円弧形モータのステータへの給電は、スリップリングを径由してフレーム側から供給するため、回転形モータは動作範囲を制限されることなく、無限回転が可能となる。
請求項３および４に記載の２軸複合モータによれば、球面軸受部に必要最小限の与圧を与えることができ、メカニカルロスとモータの発熱量を最小限に抑えることができるので、出力軸位置決めの高精度化が図れる。さらに、出力軸が固定される球面軸受に円弧形モータの吸引力が予圧として作用するため、モータ動作時の出力軸のガタを抑え、振れ精度を良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１  出力軸
２  球面軸受
２ａ  球面軸受の球面内輪
２ｂ  球面軸受のホルダ
３  シャフト
４  円弧形モータ
４ａ  円弧形モータのロータ
４ｂ  円弧形モータのステータ
５ａ  プランジャ
５ｂ  プランジャ部のフレーム
５ｃ  プランジャ部のバネ
６  回転形モータ
６ａ  回転形モータのロータ
６ｂ  回転形モータのステータ
６ｃ  回転形モータのロータ側ティース
６ｄ  回転形モータのステータ側ティース
７  回転形軸受
８  スリップリング
９ａ  円弧形モータ用原点センサ
９ｂ  回転形モータ用原点センサ
１０  Ｌ形フランジ
１１  支柱
１２  ねじりコイルバネ
１３  回転体
１４  回転体ホルダ
【図１】
2004320947.tif 000003
【図２】
2004320947.tif 000004