(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを支持する支持部と、水平軸駆動部と、垂直軸駆動部と、出力部から構成され、
前記支持部は、水平軸駆動リニアモータを支持する水平軸ベースと、前記水平軸ベースの上下方向両端部に取り付けられる上支柱および下支柱と、前記上支柱および下支柱に軸受を介して回転自在に取り付けられる環状のフレームとを有し、
前記水平軸駆動部は、前記水平軸ベースに取り付けられた円弧状の固定子と、前記フレームに取り付けられ、前記固定子の円弧の中心点と同一の中心点を中心にした円弧状の移動子とからなる水平軸駆動リニアモータを有し、
前記垂直軸駆動部は、水平軸駆動リニアモータの移動子の内周部に取り付けられた、前記水平軸駆動リニアモータの固定子の円弧の中心点と同一の中心点を中心にした円弧状の固定子と、同じく水平軸駆動リニアモータの移動子に軸受を介して取り付けられた、前記水平軸駆動リニアモータの固定子の円弧の中心点と同一の中心点を中心にした円弧状の移動子とからなる垂直軸駆動リニアモータを有し、
前記出力部は、前記中心点に位置するように、あるいは中心点を通るようにして、前記垂直軸駆動リニアモータの移動子に設けられたことを特徴とする２軸一体形モータ。
【請求項２】
前記フレームは八角形に構成され、上部の外側の直線部に前記軸受を取り付けるとともに、横部の直線部の内側に水平軸駆動リニアモータの移動子を取り付けていることを特徴とする請求項１に記載の２軸一体形モータ。
【請求項３】
前記垂直軸駆動リニアモータの固定子を構成する固定子ヨークの外側に凹部を形成して、この凹部に水平軸駆動リニアモータの移動子を装入したことを特徴とする請求項１または２に記載の２軸一体形モータ。
【請求項４】
前記垂直軸駆動リニアモータの移動子に、前記中心点を通る回転軸を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の２軸一体形モータ。
【請求項５】
前記垂直軸駆動リニアモータの移動子の中心部に空洞部を形成し、前記空洞部に機器を配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の２軸一体形モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動化機器等に用いられる、狭いスペース内で、同時に２軸動作をすることが可能な２軸一体形モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２軸動作を行うことができる一般的なモータは、２つの回転形モータを単に連結した構成をしていた。２つの回転形モータで水平方向（横方向）の回転と上下方向（縦方向）の回転動作を得る場合は、図４に示すように、水平方向駆動モータ３１と垂直方向駆動モータ３２を、それぞれの軸心３３，３４がオフセットして垂直に交わるようにして連結していた。
すなわち、水平方向駆動モータ３１の回転軸３１ａに、Ｌ字状の連結体３５の一方端を固定するとともに、前記連結体３５の他方端に上下方向駆動モータ３２を固定して、水平方向駆動モータ３１で垂直方向駆動モータ３２を水平方向に回動しうるようにしていた。また、垂直方向駆動モータ３２は両軸モータで構成して、両側の回転軸３２ａにコ字状の出力体３６を固定していた。前記出力体３６には、中央部に出力軸３７が設けられていた。
このような構成において、水平方向の回転を、水平駆動モータ３１で上下方向駆動モータ３２全体を動かすことで行い、上下方向の回転を、上下方向駆動モータ３２で出力軸３７を上下方向に動かすことで行っていた。
一方、特開昭５９−２２２０６９号公報に示されるように、円形リニアモータの中に回転モータを入れたモータ構成例、あるいは特開平４―２９５５２号公報や特開平４−２９５５５号公報に示されるように、２つの円形リニアモータをチンバルン的に組み合わせたモータ構成例が提案されている。前者は水平動作と回転動作を得ており、後者は水平動作と垂直動作を得ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術においては、次のような問題があった。
(1) ２軸動作を行うことができる従来の一般的なモータは、水平方向駆動モータの回転軸３１ａの軸心３３と水平方向駆動モータ３２の回転軸３２ａとが合致しないので、出力軸３７の先端は、２軸合成運動として円筒状での曲面動作をすることはできるが、球面動作はすることができない
(2)２つモータ３１，３２が横に並ぶ構成となるので、メカニズムが大きくなる。
(3)特開昭５９−２２２０６９号公報によるモータ構成では、円形リニアモータはチンバル機構の中心位置を回転中心として水平動作を行う。しかし、円形リニアモータの内側に位置する回転モータにより、水平から垂直方向に向きを変えることができるが、出力軸は同一平面内にあり、また出力軸は外側の円形リニアモータの外部にあるので、出力軸を水平角度から変えることはできない。また外形が大きくなる。
(4)一方、特開平４−２９５５２号公報、特開平４−２９５５５号公報によるモータ構成は、２つの円形リニアモータをチンバル機構上にのせた構成で、出力軸の向きは水平から垂直方向まで変えられるが、それぞれのモータのステータが対向した位置にあるので内部が使えず、構造的には、出力軸は２つのモータの外付けとなり、モータが大きくなる。
本発明は、このような問題を解消するためになされたもので、出力軸が球面動作を行うことができるコンパクトな２軸一体形モータを提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明は、通常のラジアルギャップ形回転モータの２つの組合せでなく、２つの大きさの異なるリニアモータの固定子と移動子を同一円弧中心点に位置する円弧状に曲げ、即ち２つリニアモータの移動子が回転運動をするようにして、それぞれの移動子が直交するように配置し、内側に設けた移動子に出力軸を設けるようにしたものである。
このように構成することにより、水平方向に移動回転する軸と、縦方向に移動回転する軸と、縦方向に移動回転する軸とは同一円の中心点上で合致し、かつ直交配列であるので、内側に設けた出力軸端は球面運動をすることができる。
また外側のリニアモータの移動子の内側の一部が、内側のリニアモータの固定子ヨーク内に装着されるので、前記移動子において磁路を共用することになり、メカニズムとしてはコンパクトになる。また、２つのモータの回転中心が利用できるので、回転モータ、あるいはカメラ等を回転中心部に取り付けることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の実施例を示す２軸一体形モータの正面図、図２は図１の右側断面図、図３は図２を上から見た平面図である。
本発明の２軸一体形モータＭは、モータを支持する支持部Ａと、水平軸駆動部Ｂと、垂直軸駆動部Ｃと、出力部Ｄから構成されている。以下、これらの詳細構造を説明する。
まず、前記支持部Ａは、水平軸駆動リニアモータ８を支持する水平軸ベース１と、前記水平軸ベースの上下方向両端部に取り付けられる上支柱２および下支柱３と、前記上支柱２および下支柱３に軸受４，５を介して回転自在に取り付けられる八角形状（この形状に限られない）の環状のフレーム６とから構成されている。前記軸受４，５はフレーム６の上部および下部の直線部に取り付けられている。なお、水平軸ベース１は、直接的には水平軸駆動リニアモータ８を支持しているが、前記上支柱２および下支柱３をも支持しているので、間接的には、垂直軸駆動リニアモータを支持してすることになり、結果として、２軸一体形モータＭ全体を支持していることになる。２軸一体形モータＭを図示しない外部機器に取り付けるときは、前記水平軸ベース１を直接外部機器に取り付けるか、あるいは支持補助体７等を介して取り付ける。
前記水平軸駆動部Ｂは、ステッピングモータで構成した水平軸駆動リニアモータ８の固定子９と移動子１０とからなっており、前記固定子９は水平軸ベース１に取り付けられ、前記移動子１０は前記フレーム６に取り付けられている。
前記固定子９は、水平方向に長くほぼ円弧状に形成した固定子ヨークを前記水平軸ベース１に取り付け、前記固定子ヨーク１１に、マグネット１２，１３を介して、固定子巻線１４を装着したＡ相固定子鉄心１５と、固定子巻線１６を装着したＢ相固定子鉄心１７とを所定の間隔をあけて取り付けている。前記Ａ相固定子鉄心１５とＢ相固定子鉄心１７の先端部は、中心点Ｏを中心にした円弧状をしており、前記Ａ相固定子鉄心１５とＢ相固定子鉄心１６の先端部に空隙を介して対向するようにして、移動子１０が配置される。
前記移動子１０は、前記中心点Ｏを中心にした半リング状に形成されるとともに、前記フレーム６の内側の直線部に固定され、フレーム６と一緒に前記軸受４，５周りに回転する。
前記垂直軸駆動部Ｃは、ステッピングモータで構成した垂直軸駆動リニアモータ１８の固定子１９と移動子２０とからなっており、前記固定子１９は水平軸駆動リニアモータ８の移動子１０の内周部に取り付けられ、前記移動子２０は同じく水平軸駆動リニアモータ８の移動子１０に取り付けられている。
前記固定子１９は、垂直方向に長くほぼ円弧状に形成した固定子ヨーク２１を水平軸駆動リニアモータ８の移動子１０の内側に取り付け、前記固定子ヨーク２１に、マグネット２２，２３を介して、固定子巻線２４を装着したＡ相固定子鉄心２５と、固定子巻線２６を装着したＢ相固定子鉄心２７とを所定の間隔をあけて取り付けている。前記固定子ヨーク２１を水平軸駆動リニアモータ８の移動子１０の内側に取り付ける際には、固定子ヨーク２１の外側に凹部２１ａを形成して、この凹部２１ａに移動子１０を装入するようにしている（逆に移動子１０の内側に凹部を形成するようにしてもよい）。この構成では、移動子１０の固定子ヨーク２１との結合部は、２つのリニアモータ８，１８の磁路が共通化でき、固定子ヨークの結合部は凹部２１ａによって薄くすることができる。したがって、２軸一体形モータを小形化することができる。
前記Ａ相固定子鉄心２５とＢ相固定子鉄心２７の先端部は、前記水平軸駆動リニアモータ８の中心点Ｏを中心にした円弧状をしており、前記Ａ相固定子鉄心２５とＢ相固定子鉄心２７の先端部に空隙を介して対向するようにして、移動子２０が配置される。
前記移動子２０は、前記中心点Ｏを中心にした半円盤状に形成されるとともに、水平軸駆動リニアモータ８の移動子１０の内周部に、軸受２８，２９を介して回転自在に取り付けられている。
水平軸駆動リニアモータ８と垂直軸駆動リニアモータ１８は、同じ中心点Ｏを中心にして円弧状に構成される。
前記出力部Ｄは、前記垂直軸駆動リニアモータ１９の移動子２０に取り付けられた出力軸３０からなっている。２軸一体形駆動モータＭを構成する２つのリニアモータ８，１８はほぼ半円に構成され、前方がオープンになっているので、前記出力軸３０は、中心点Ｏの傍らにおいて、前記垂直軸駆動リニアモータ１８の移動子２０の反固定子側端面に、軸方向の中心が前記中心点Ｏを通るようにして、取り付けられる。
このような構成において、２軸一体形モータＭの駆動は次のようにして行う。
まず、出力軸３０を水平方向に動かす場合は、水平軸駆動リニアモータ８のみを駆動する。
前記固定子巻線１４，１６に通電して水平軸駆動リニアモータ８を駆動すると、前記上下の支柱２，３に軸受４，５を介して支持されたフレーム６に支持された移動子１０は、中心点Ｏを中心にして、水平方向に所定量だけフレーム６とともに回転する。移動子１０が水平方向に回転すると、移動子１０の内周部に軸受２８，２９を介して支持された垂直軸駆動リニアモータ１８の移動子２０も水平方向に連れ回りを起こす。これにより、垂直軸駆動リニアモータ１８の移動子２０に取り付けられた出力軸３０が水平方向に回転をする。
次に、出力軸３０を垂直方向に動かす場合は、垂直軸駆動リニアモータ１８のみを駆動する。
前記固定子巻線２４，２６に通電して垂直軸駆動リニアモータ１８を駆動すると、前記水平軸駆動リニアモータ８の移動子１０に軸受２８，２９を介して支持された移動子２０は、中心点Ｏを中心にして、垂直方向に所定量だけ回転する。移動子２０が垂直方向に回転すると、移動子２０に取り付けられた出力軸３０が垂直方向に回転をする。
前記水平軸駆動リニアモータ８と垂直軸駆動リニアモータ１８を同時に駆動させると、出力軸３０は中心点Ｏを中心にして水平方向に回転しつつ、同じく中心点Ｏを中心にして垂直方向に回転することになり、いわゆる球面動作を行う。
このように、出力軸３０は同じ中心点Ｏを中心にして回転や球面動作をするので、２軸一体形モータＭの駆動にあたっては、ソフトウェアの補間など演算の負担が小さくなる。
本実施例の場合、出力軸３０は中心点Ｏからオフセットしており、例えば、前記出力軸３０に図示しない小形カメラを搭載した場合、前記水平軸駆動リニアモータ８と垂直軸駆動リニアモータ１８の駆動によって、逐次カメラの位置が変わってくるためカメラの位置の補正が必要になるが、垂直軸駆動リニアモータ１８の移動子２０の中心部に空洞部を形成し、前記空洞部に機器例えば小形のカメラを配置させてオフセットをなくすようにすることもできる。この場合は、オフセットがないので、カメラが中心点Ｏの位置で、つまり球面運動の中心で、人間の目のように上下左右、あるいは球面状に動くことができ、位置の補正をする必要がなくなる。したがって、ソフトウェアの補間など演算の負担がさらに小さくなる。
また、カメラは出力軸上で振り回されることがないので、取り付けが安定する。しかも最小のスペースで動くことができるので、２軸一体形モータＭの取り付けに要するスペースを最小にすることができる。
また、中心点Ｏに別途回転軸を設けることにより、電波用アンテナ、あるいはビジョンカメラ等の駆動軸を小形化することができる。
本発明は、このようにコンパクトなメカニズムで出力軸の球面動作が可能であるので、自動化機器、特に軸端が球面動作を必要とする軸に有効である。用途としては、例えば、前述したように、カメラ駆動モータ用やアンテナ駆動モータとして用いることができるだけでなく、ロボットの目や手首、また肩関節、あるいは足首関節などに用いられる駆動モータとして適用することができる。
なお、前記実施例においては、垂直軸駆動リニアモータの移動子を半円盤状に構成しているが、中心部をスポーク等で連結した半リング状に構成してもよい。
また、リニアモータをステッピングモータで構成した例を示しているが、リニアモータをＡＣサーボモータで構成しても何ら構わないし、２軸一体形モータを９０度回転させて、水平軸駆動リニアモータを垂直軸駆動リニアモータとして用い、垂直軸駆動リニアモータを水平軸駆動リニアモータとして用いることができることは言うまでもない。
【０００６】
【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。
(1)２つのリニアモータを同一中心点で合致するように円弧状に曲げて直交させ、かつ水平軸の移動子に垂直軸の固定子および移動子の軸受部を配置しているので、２つのリニアモータを同時に駆動することにより、出力軸に球面動作を行わせることができるとともに、コンパクトな構成にすることができる。
(2)２つのリニアモータを同一中心点を基準に動作させるので、ソフトウェアの補間など演算の負担を小さくすることができる。
(3)垂直軸駆動リニアモータの移動子の中心部を空洞にし、そこに機器を配置させることにより、出力軸の球面動作の中心点からのオフセットをなくして、ソフトウェアの補間など演算の負担をさらに小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す２軸一体形モータの正面図である。
【図２】  図１の右側断面図である。
【図３】  図２を上から見た平面図である。
【図４】  従来の技術を示す斜視図である。
【符号の説明】
Ｍ  ２軸一体形モータ、
Ａ  支持部、
１    水平軸ベース、
２    上支柱、
３    下支柱、
４    軸受、
５    軸受、
６    フレーム、
７    支持補助体、
Ｂ  水平軸駆動部、
８    水平軸駆動リニアモータ、
９    固定子、
１０    移動子、
１１    固定子ヨーク、
１２    マグネット、
１３    マグネット、
１４    固定子巻線、
１５    Ａ相固定子鉄心、
１６    固定子巻線、
１７    Ｂ相固定子鉄心、
Ｃ  垂直軸駆動部、
１８    垂直軸駆動リニアモータ、
１９    固定子、
２０    移動子、
２１    固定子ヨーク、
２１ａ  凹部、
２２    マグネット、
２３    マグネット、
２４    固定子巻線、
２５    Ａ相固定子鉄心、
２６    固定子巻線、
２７    Ｂ相固定子鉄心、
２８    軸受、
２９    軸受、
Ｄ  出力部、
３０    出力軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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