(57)【要約】【課題】温度上昇限界付近でサーボモータを使用でき、サーボモータの運転状態表示やモータの異常診断をすることができるＡＣサーボモータおよびこれを用いた減速機一体形アクチュエータならびにロボット装置を提供する。【解決手段】同心状に所定の空隙をもって配置した固定子鉄心と回転子鉄心より構成され、固定子鉄心に電機子巻線を備え、回転子鉄心には界磁永久磁石を備えて成るＡＣサーボモータにおいて、ＡＣサーボモータ内部に複数の温度検出手段１１を設けるとともに、定格運転時のモータの温度分布および過負荷時の温度分布および故障発生時の温度分布を記憶する記憶手段２３を備え、温度検出手段１１による検出温度と温度分布の記憶手段２３に記憶された温度分布情報を比較し、モータの運転状態を判断する運転状態判定手段２４ａを備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心状に所定の空隙をもって配置した固定子鉄心と回転子鉄心より構成され、前記固定子鉄心に電機子巻線を備え、前記回転子鉄心には界磁永久磁石を備えて成るＡＣサーボモータにおいて、
該ＡＣサーボモータ内部に設けられた複数の温度検出手段と、定格運転時のモータの温度分布および過負荷時の温度分布および故障発生時の温度分布を記憶する記憶手段と、前記温度検出手段による検出温度と前記温度分布の記憶手段に記憶された温度分布情報を比較し、モータの運転状態を判断する運転状態判定手段と、を備えたことを特徴とするＡＣサーボモータ。
【請求項２】
前記複数の温度検出手段は、電機子巻線、位置（角度）検出部、または軸受の、それぞれ近傍に設けたことを特徴とする請求項１記載のＡＣサーボモータ。
【請求項３】
前記運転状態判定手段の判定結果を表示する表示器を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載のＡＣサーボモータ。
【請求項４】
前記温度検出手段による検出温度と前記温度分布記憶手段による温度分布情報からモータの界磁永久磁石の温度を推定し、温度推定結果に基づきサーボゲインを自動調整する手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のＡＣサーボモータ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載のＡＣサーボモータと、前記ＡＣサーボモータと一体に組み込まれる減速機を有し、前記減速機の近傍と該モータの軸受の近傍の少なくともいずれか一方に温度検出手段を設けたことを特徴とする減速機一体形アクチュエータ。
【請求項６】
請求項５記載の減速機一体形アクチュエータと、これによって駆動されるマニピュレータを有することを特徴とするロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット装置に用いられるマニピュレータの関節などを駆動するＡＣサーボモータに関するもので、特に温度センサを内蔵したＡＣサーボモータおよびこれを用いた減速機一体形アクチュエータならびにロボット装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＡＣサーボモータにおいて、モータとサーボドライバを保護するため、予めモータの温度を検出し、検出温度が基準温度からずれたとき何らかの対策を講じることは行われていた（例えば、特許文献１および２参照）。
【特許文献１】特開２００１−１５０２００号公報
【特許文献２】特開２００１−１３０４３２号公報
【０００３】
特許文献１に開示された技術によれば、直動型プレスに用いられる電動サーボモータでは、予めモータの過負荷異常温度よりも所定値低い目標温度を設定する工程と、スライドモーションに基づくスライド駆動時に、電動サーボモータの温度を検出し、この検出温度に基づくモータ温度と前記目標温度とを比較する比較工程と、モータ温度が目標温度より低い時には、予め設定したスライドモーションの上限停止時間でスライドを制御し、モータ温度が目標温度を超えた時には予め設定した上限停止時間よりも所定時間だけ延長した上限停止時間でスライドを制御する制御工程とを有し、前記比較工程と制御工程とを繰り返してサーボモータの上限停止時間を制御し、スライドを連続運転している。
また、特許文献２に開示された技術によれば、電動パワーステアリング装置に使用される電動モータでは、コントロールユニットのモータ駆動部に取付けられた温度センサに基いてモータ電流を制限する機能と、イグニションスイッチを投入した際の前記コントロールユニットの温度をモータの初期温度として、前記初期温度に、前記モータ電流に基いて算出した上昇温度を加算してモータ推定温度とし、前記モータ推定温度に基いて前記モータ電流を制限する機能とを具備した電動パワーステアリング装置において、前記温度センサが故障と判断された時、前記コントロールユニット又はモータの連続定格電流の小さい方を最大値とする故障発生時のアシスト特性に基いて、前記モータに対する電流出力を行うものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の発明は、モータ内部に温度検出手段を有し、規定温度以上となった場合、モータの駆動時間を低減するものである。
さらに、特許文献２記載の発明は、コントロールユニットのモータ駆動部に取付けられた温度センサが故障と判断されたとき、前記コントロールユニットまたはモータの連続定格電流の小さい方を最大値とする故障発生時のアシスト特性に基づいて、前記モータに対する電流出力を行うため、温度センサが異常かどうかの判断は可能であるが、モータそのものの温度上昇が過負荷によるものかモータ本体の異常によるものか判断することができず、たとえば軸受に異常がある場合、軸受が完全に破壊し、モータが過負荷エラーで停止するまで異常を検出できない。
また、従来のＡＣサーボモータでは、印加電流と通電時間から温度を推定し、実際の温度を測定していないため、過負荷特性に安全率を考慮しておく必要がある。このため、モータやドライバを限界付近で使用することができないという問題があった。
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、モータやドライバを限界付近で使用でき、モータ温度が規定値を上回った場合、温度上昇が過負荷によるものか、モータ本体の異常によるものかを判断でき、モータの異常を検出した場合、モータを停止することなく状態を把握できるＡＣサーボモータおよびこれを用いた減速機一体形アクチュエータならびにロボット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】
【０００５】
上記問題を解決するため、請求項１記載のＡＣサーボモータの発明は、同心状に所定の空隙をもって配置した固定子鉄心と回転子鉄心より構成され、前記固定子鉄心に電機子巻線を備え、前記回転子鉄心には界磁永久磁石を備えて成るＡＣサーボモータにおいて、該ＡＣサーボモータ内部に設けられた複数の温度検出手段と、定格運転時のモータの温度分布および過負荷時の温度分布および故障発生時の温度分布を記憶する記憶手段と、前記温度検出手段による検出温度と前記温度分布の記憶手段に記憶された温度分布情報を比較し、モータの運転状態を判断する運転状態判定手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のＡＣサーボモータにおいて、前記複数の温度検出手段を、電機子巻線、位置（角度）検出部、または軸受の、それぞれ近傍に設けたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のＡＣサーボモータにおいて、前記運転状態判定手段の判定結果を表示する表示器を備えたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載のＡＣサーボモータにおいて、前記温度検出手段による検出温度と前記温度分布記憶手段による温度分布情報からモータの界磁永久磁石の温度を推定し、温度推定結果に基づきサーボゲインを自動調整する手段を設けたことを特徴とする。
請求項５記載の減速機一体形アクチュエータの発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載のＡＣサーボモータと、前記ＡＣサーボモータと一体に組み込まれる減速機を有し、前記減速機の近傍と該モータの軸受の近傍の少なくともいずれか一方に温度検出手段を設けたことを特徴とする。
請求項６記載のロボット装置の発明は、請求項５記載の減速機一体形アクチュエータと、これによって駆動されるマニピュレータを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
以上の構成によれば、運転状態判定手段により、温度検出手段により測定した、モータ内部の主要箇所の温度分布と、温度分布記憶手段に記憶された温度分布を比較することで運転状態やモータの異常診断をすることができるＡＣサーボモータおよびこれを用いた減速機一体形アクチュエータならびにロボット装置が得られる。
また、界磁永久磁石の推定温度よりトルク定数を推定し、最適なサーボゲインを設定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明のＡＣサーボモータの側断面図である。本実施例は角度検出器に磁気センサを用い、モータと一体にブレーキとハーモニック減速機を組込んだ、減速機一体形のＡＣサーボモータの一例である。
図において、１は固定子鉄心、２は電機子巻線、３はフレーム、４は永久磁石、５はブレーキディスク、６はアーマチェア、７はブレーキコイル、８はフィールド、９はコイルばね、１０群（１００，１０１）は磁気センサ、１１群（１１０，１１１，１１２，１１３）はサーミスタ、１２群（１２０，１２１）は軸受、１３はシャフト、１４は回転子鉄心、１５はセンサホルダ、１６はヘッドヨーク部、１７はウェーブジェネレータ、１８はフレックスプライン、１９はサーキュラスプライン、２０は出力軸、２１はサーミスタホルダとなっている。
固定子鉄心１はケイ素鋼板を積層したもので、その内周には複数の電機子巻線２が図示しない絶縁層を介して、円周方向に等間隔に配置されており、所定の起磁力分布を構成するように結線した後、樹脂モールドされ固定子鉄心１に固着される。固定子鉄心１とフレーム３は焼バメ又は接着により固定されている。
電機子巻線２は通電により発熱し、その熱は固定子鉄心１を通してフレーム３に伝達されるため、フレーム３の材質としてはアルミニウムなどの高熱伝達率物質が望ましい。本実施例ではフレーム３をアルミニウムで構成している。
【０００９】
電機子巻線２の内周には空隙を介して永久磁石４が対向している。永久磁石４はリング形状の磁石で所定の極数となるよう着磁されており、軟磁性材料で構成されたカップ状の回転子鉄心１４の外周に接着固定される。
回転子鉄心１４はシャフト１３と同心に固定され、シャフト１３は軸受Ａ１２１、軸受Ｂ１２２により出力軸２０に回転自在に支持される。
シャフト１３の出力軸側外周にはウェーブジェネレータ１７が取付けられ、フレックスプライン１８を挟んで、サーキュラスプライン１９を配置している。サーキュラスプライン１９は出力軸２０と図示しないネジで締結されている。
回転子鉄心１４の反出力軸側にはセンサホルダ１５を介して磁気センサの界磁側１０１が固定される。磁気センサ１０は２極に着磁された界磁部１０１と磁界を検出するＭＲ素子を配置した感磁部１０２からなる。
感磁部１０２にはＭＲ素子が機械角９０度毎に４つ配置され、モータ部内周に配置した無励磁作動ブレーキのフィールド８と一体に構成されたヘッドヨーク部１６の外周に接着固定される。
【００１０】
次に、ブレーキについて説明する。
モータの回転子鉄心１４と空隙を介してブレーキのフィールド８が同心にフレーム３に固着されている。フィールド８は同心の溝を有した円筒形状もので、軟磁性材料で構成されている。ブレーキコイル７は、フィールド８の溝に樹脂モールド等により固着される。フィールド８の内周にはブレーキディスク５を回転子鉄心１４に押付けるため、コイルばね９が配置されている。ブレーキディスク５とアーマチェア６は互いに固着されており、アーマチェア６は図示しない摺動機構により軸方向に自在に摺動する。
温度検出手段として、モータ内には４つのサーミスタ１１０，１１１，１１２，１１３を内蔵している。
（１）サーミスタ１１０は電機子巻線のコイルエンドに図示しない樹脂モールドにより電機子巻線と一体に固定される。
（２）サーミスタ１１１はヘッドヨーク部１６の磁気センサ感磁部１１２近傍に接着固定されている。
（３）サーミスタ１１２および１１３はサーミスタホルダ２１によりそれぞれウェーブジェネレータ１７の近傍および軸受１２の近傍に固定される。サーミスタの信号は図示しない信号ケーブルによりサーボコントローラに接続されている。
【００１１】
図２は本発明の第１実施例を示す制御構成ブロック図である。
図において、１０は磁気センサ、１１はサーミスタ、２２は指令器、２３は温度分布記憶手段、２４は制御器、２５は電流アンプ、２６は表示器で、制御器２４には運転状態判定手段２４ａが設けられている。
制御器２４には指令器２３からの位置指令、サーミスタ１１群（１１０，１１１，１１２，１１３（図１））からの温度信号、磁気センサ１０群（１００，１０１（図１））からの位置信号が入力される。
制御器２４は指令器２３から任意の位置指令が与えられると、位置信号との偏差に応じて電流指令を演算し電流アンプ２５に電流指令を出力する。電流アンプ２５から電流指令に応じた位相、振幅の電流をモータ２６に通電することで、モータ２６は所定の位置まで回転する。
本発明が特許文献１と異なるのは、モータの温度分布記憶手段２３とモータの温度分布を測定する複数の温度検出手段（サーミスタ１１群）とモータの運転状態を判断する運転状態判定手段２４ａを備えたことである。
また、本発明が特許文献２と異なるのは、モータの温度分布記憶手段２３とモータの運転状態を判断する運転状態判定手段２４ａを備えたことである。
本実施例では、モータの電機子巻線２（１１０）、磁気センサ１０１，１０２（１１１）、ウェーブジェネレータ１７（１１２）、軸受１２０，１２１（１１３）に温度検出手段としてサーミスタ１１０〜１１３を設けるとともに、正常運転時のモータの温度分布、過負荷時の温度分布および故障発生時の温度分布を記憶したＥＰＲＯＭで構成されるモータの温度分布記憶手段２３をサーボアンプ２５の制御基板上に備え、制御基板上のＣＰＵ（制御器）２４を用いて、サーミスタ１１０〜１１３による検出温度とＥＰＲＯＭに記憶された温度分布情報からモータの運転状態を運転状態判定手段２４ａで判定している。
【００１２】
次に、運転状態判定手段２４ａについて説明する。
（１）モータ２６に加わる実効トルクが定格トルクを上回る場合、電機子電流が増加するため、正常時に比べてサーミスタ１１０（電機子巻線２の温度検知用）の温度が高くなる。そこで、サーミスタ１１０の温度信号と温度分布記憶手段２３により記憶されている温度分布を制御器２４に内蔵された運転状態判定手段２４ａにより比較することで、過負荷状態であると判定され、表示器２６に運転状態が表示される。
（２）軸受１２が故障の場合、サーミスタ１１３（軸受１２０，１２１の温度検知用）の温度が高くなり、軸受負荷の増加に伴いサーミスタ１１０（電機子巻線２の温度検知用）の温度も上昇する。過負荷の場合と同様に、サーミスタ１１の温度信号と温度分布記憶手段２３により記憶されている温度分布を制御器２４に内蔵された運転状態判定手段２４ａにより比較することで、軸受の異常と判定され、表示器２６に運転状態が表示される。
（３）磁気センサ１０１，１０２が故障するのは高温過熱の場合が多いので、サーミスタ１１１（磁気センサの温度検知用）でこれをいち早く検知し、サーミスタ１１１の温度信号と温度分布記憶手段２３により記憶されている温度分布を制御器２４に内蔵された運転状態判定手段２４ａにより比較することで、磁気センサがこのままでは故障する虞があると判定され、表示器２６にその旨が表示される。
（４）ウェーブジェネレータ１７のベアリングが故障した場合、サーミスタ１１２（ウェーブジェネレータの温度検知用）でこれをいち早く検知し、サーミスタ１１２の温度信号と温度分布記憶手段２３により記憶されている温度分布を制御器２４に内蔵された運転状態判定手段２４ａにより比較することで、ウェーブジェネレータ１７が故障した虞があると判定され、表示器２６にその旨が表示される。
以上のように、本発明の第１実施例によれば、モータの温度分布を測定する複数の温度検出手段（サーミスタ１１群）とモータの運転状態を判断する運転状態判定手段２４ａを備えたことにより、種々の運転状態判定をオペレータは表示器２６から知ることができ、温度上昇限界付近でサーボモータを使用でき、サーボモータの運転状態表示やモータの異常診断をすることができる。
【実施例２】
【００１３】
図３は第２実施例の制御構成を示すブロック図である。
図において、１０は磁気センサ、１１はサーミスタ、２２は指令器、２３は温度分布記憶手段、２４は制御器、２５は電流アンプ、２６は表示器で、制御器２４には運転状態判定手段２４ａの他に第２実施例によりサーボゲイン調整手段２４ｂが設けられている。
本発明の第２実施例によれば、サーミスタ１１群による検出温度と温度分布記憶手段２３に記憶された温度分布から制御器２４で永久磁石４の温度を推定し、この温度推定結果に基づき制御器２４に内蔵されたサーボゲイン調整手段２４ｂによりゲインを自動調整するものである。サーボゲイン調整手段２４ｂ内には、永久磁石の温度対サーボゲインのテーブル又は関係式を備えていて、検出された永久磁石の温度に応じて最適にサーボゲインを求めて、サーボゲイン調整手段２４ｂはこれにそうように自動調整する。
このように、第２実施例によれば、永久磁石の推定温度よりトルク定数を推定し、最適なサーボゲインを設定することができるようになる。
【００１４】
以上のように、運転状態表示やモータの異常診断をすることによって運転中でもサーボモータの状態を把握でき、保守点検が容易となる。
また、温度上昇限界付近で使用できるので、許容損失を高くでき、モータを小形化できるため、小形、高信頼性が要求されるロボット装置のマニピュレータあるいは半導体製造装置の駆動用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例を示すＡＣサーボモータの側断面図
【図２】本発明の第１実施例を示す制御構成ブロック図
【図３】本発明の第２実施例を示す制御構成ブロック図
【符号の説明】
【００１６】
１  固定子鉄心
２  電機子巻線
３  フレーム
４  永久磁石
５  ブレーキディスク
６  アーマチェア
７  ブレーキコイル
８  フィールド
９  コイルばね
１０  磁気センサ
１１  サーミスタ
１２  軸受
１３  シャフト
１４  回転子鉄心
１５  センサホルダ
１６  ヘッドヨーク部
１７  ウェーブジェネレータ
１８  フレックスプライン
１９  サーキュラスプライン
２０  出力軸
２１  サーミスタホルダ
２２  指令器
２３  温度分布記憶手段
２４  制御器
２４ａ  運転状態判定手段
２４ｂ  サーボゲイン調整手段
２５  電流アンプ
２６  表示器
【図１】
2005073333.tif 000003
【図２】
2005073333.tif 000004
【図３】
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