(57)【要約】【課題】圧力センサや回転トルクセンサを要することなく、回転駆動と直動駆動とを独立して制御する。また、任意の軸位置において、回転駆動と直動駆動とを独立して制御する。【解決手段】回転・直動２自由度モータは、固定子１０と出力軸方向に移動可能に回転支持した回転子２０とを備え、回転トルクについては、固定子によって、回転子の回転方向へ起磁力を生成することによって発生させ、軸方向の直動推力については、固定子の磁極が形成する出力軸の軸方向の磁束密度分布を、回転子の起磁力と独立して制御する。リラクタンストルクにより回転力を発生するスイッチトリラクタンスモータＳＲＭについて、このＳＲＭに、固定子磁極の回転軸方向の磁束密度分布を制御する機能を持たせることによって、出力軸の回転と軸方向のストロークを両立する２自由度のモータ機構を構成する。【選択図】図１
2007318896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、出力軸方向に移動可能に回転支持した回転子とを備え、
前記固定子は、
前記回転子の回転方向へ起磁力を生成して回転子に対して回転トルクを発生させ、
固定子の磁極が形成する出力軸の軸方向の磁束密度分布を制御して回転子に対して軸方向の直動推力を発生させることを特徴とする、回転・直動２自由度モータ。
【請求項２】
前記固定子は、出力軸の軸方向に配置される複数の固定子ユニットを有し、
前記各固定子ユニットに供給する励磁電流をそれぞれ独立して制御して、起磁力および出力軸の軸方向の磁束密度分布を制御することを特徴とする、請求項１に記載の回転・直動２自由度モータ。
【請求項３】
前記回転子は、回転方向に異なる磁気抵抗を有し、
前記各固定子ユニットは、この回転子の回転方向へ起磁力を発生し、回転子を固定子の起磁方向へ回転移動させるトルクを発生し、
回転子および各固定子ユニットは、それぞれスイッチトリラクタンスモータを構成することを特徴とする、請求項２に記載の回転・直動２自由度モータ。
【請求項４】
前記回転子は、回転方向に所定角度間隔で軸方向と直交する方向に突出した複数の突起部を備えることを特徴とする、請求項３に記載の回転・直動２自由度モータ。
【請求項５】
前記各固定子ユニットに供給する励磁電流を制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、
各固定子ユニットに供給する励磁電流の相を同相で切り替え、
各固定子ユニットに供給する励磁電流の電流値をそれぞれ独立して制御することを特徴とする、請求項２又は３に記載の回転・直動２自由度モータ。
【請求項６】
前記複数の固定子ユニットの内から選択した隣接する２つの固定子ユニットに励磁電流を供給することにより出力軸の軸方向の位置を制御することを特徴とする、請求項２から請求項４のいずれか一つに記載の回転・直動２自由度モータ。
【請求項７】
前記コントローラは、複数の固定子ユニットの内から隣接する２つの固定子ユニットを選択し、当該固定子ユニットの選択により出力軸の軸方向の位置を制御することを特徴とする、請求項５に記載の回転・直動２自由度モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転運動による回転駆動と、直線運動による直動駆動とを行う２自由度のモータに関し、特にスイッチトリラクタンスモータに用いた２自由度のモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転と直動の組み合わせは，工作機械における穴加工，穴の内径研磨など，多くの産業機械に見られる運動である。通常は，回転運動を回転型モータによるアクチュエータに、直動運動をリニアモータによるアクチュエータにそれぞれ独立して負担させ、この二つのアクチュエータを結合させることで、回転・直動の２自由度運動を実現するアクチュエータシステムを構成している。この２自由度運動を一つのアクチュエータシステムで実現できれば、駆動デバイスの小形化が可能となる。
【０００３】
回転駆動と直動駆動とを１つのアクチュエータで実現することで、装置の小型化、軽量化、構成の簡素化を図るものが提案されている（特許文献１）。
【０００４】
特許文献１には、従来技術として、特開平５−３６５０号公報、特開平６−３０３７３７号公報、特開平８−７０５６８号公報等が引用され、これらの文献には、１つの駆動子に、回転モータとリニアアクチュエータを組み合わせて取り付ける構成が示されている。この構成による２自由度アクチュエータは、１つの駆動子に、回転モータとリニアアクチュエータの機構を付けた構成であるため、回転モータの回転子と固定子、およびリニアアクチュエータの移動子と固定子をそれぞれ独立して備えるため、小型軽量化や構成の簡素化は十分でないと記載している。
【０００５】
また、特許文献１では、回転駆動と直線駆動とを１つのアクチュエータで実現したものとして、特開昭６４−８９９３７号公報、実開昭５１−３８６１４号公報に開示されるステータが知られているとし、この構成では、回転駆動と直線駆動とが同時であり、別々に制御することができず、自由度が小さいという課題点の他、ＤＣモータの使用によって磁力の吸引力と反発力の両方を用いているため、直線運動時には回転子の角度によってトルクが変化し、また、回転駆動中には軸方向のリップルが発生して回転が不安定となる課題点があることを指摘している。
【０００６】
特許文献１では、上記課題点に対して、リラクタンスモータに、回転子に軸方向の一方に向かう外力を加える外力発生手段を付加する構成とすることによって、１つの回転子と１つの固定子により、回転子の回転トルクと、回転子の軸トルクを得る構成を示している。
【０００７】
図１７は、この２自由度アクチュエータの概略構成を説明するための図である。図１７において、アクチュエータは、１つの固定子１１０と１つの回転子１２０を備え、この回転子１２０は回転軸１３０に取り付けられ、ベアリングによって直線移動自在に回転支持されている。この回転軸１３０の一端には、回転軸１３０に対して軸方向の一方に向かう外力を加える外力発生手段が設けられる。外力発生手段としては、例えば圧縮コイルバネ１４０の他に重力を用いることができる。
【０００８】
図１７（ａ）は非回転状態を示し、回転軸１３０は圧縮コイルバネ１４０によって軸方向の一方に向かう外力（図中の左方）を受けている。この状態において、固定子１１０が備える巻線に通電して起磁力を発生させると、図１７（ｂ）に示すように、回転子１２０は圧縮コイルバネ１４０の押力に抗して軸方向に移動する。
【０００９】
固定子１１０に大きな起磁力を発生させることにより、軸方向にずれた回転子は固定子に吸引されて軸方向に駆動される。これによって、回転子は回転することなく軸方向へ移動し、軸トルクを得ている。
【特許文献１】特開２００２−３６９４８４号公報（図１９、段落００５６，００５７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記した引用文献１では、回転子の磁気抵抗が極小もしくは極大となる磁極の方向に固定子の起磁力を発生させ、その起磁力の大きさによって軸方向の力のみを制御し、回転子の磁気抵抗が極小もしくは極大となる磁極の方向と、固定に発生する起磁力の方向の角度を変化させることにより、回転トルクのみを制御することが開示されている他に、回転子の磁気抵抗が極小もしくは極大となる磁極の方向と固定子の起磁力との間の位相と、起磁力を発生させる電流とを制御することで、回転トルクと軸方向の力を独立して制御することが開示されている。
【００１１】
この回転トルクと軸方向の力の独立制御に関し、図１９および段落００５６，００５７において、固定子の突起と回転子の突起の軸方向の重なり長さｌが一定である条件において、電流Ｉaと同時に位相αを変化させることで軸力のみを制御し、位相αのみを変えることで回転力を制御することが記載されている。
【００１２】
しかながら、この電流Ｉaと位相αの両方を制御するためには、電流Ｉaと位相αの両関係を表す特性を予め求めてマップとして用意しておく必要がある他、圧力センサによって検出した軸力を電流Ｉaでフィードバック制御し、かつ、トルクセンサによって検出した回転トルクを位相αでフィードバック制御する必要があるため、圧力センサや回転トルクセンサを要するという課題がある。
【００１３】
また、軸力を発生させるために回転子と固定子との軸方向の位置を常にずらせておく必要があるため、外力発生手段によって回転子に常に外力を付加しておく必要がある。この構成では、軸力を発生させることができる軸位置が外力発生手段によって制限され、任意の軸位置において、回転トルクと軸方向の力を独立して制御することは困難であるという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、圧力センサや回転トルクセンサを要することなく、回転駆動と直動駆動とを独立して制御することを目的とする。
【００１５】
また、任意の軸位置において、回転駆動と直動駆動とを独立して制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の回転・直動２自由度モータは、固定子と、出力軸方向に移動可能に回転支持した回転子とを備えた回転・直動２自由度モータにおいて、回転トルクについては、固定子によって、回転子の回転方向へ起磁力を生成することによって発生させ、軸方向の直動推力については、固定子の磁極が形成する出力軸の軸方向の磁束密度分布を、回転子の起磁力と独立して制御する。なお、軸方向の直動推力は、出力軸のスラスト方向に発生する力でありスラスト力とも呼ばれる。以下では直動推力を用いて表す。
【００１７】
特に、リラクタンストルクにより回転力を発生するスイッチトリラクタンスモータＳＲＭ（Switched Reluctance Motor）について、このＳＲＭに、固定子磁極の回転軸方向の磁束密度分布を制御する機能を持たせることによって、出力軸の回転と軸方向のストロークを両立する２自由度のモータ機構を構成するものである。
【００１８】
出力軸の軸方向の磁束密度分布の制御は、回転子を回転駆動するための起磁力の発生と独立して行うことができる。また、制御は、圧力センサによる電流のフィードバックや、回転トルクセンサによる位相のフィードバックを要することなく行うことができる。
【００１９】
固定子は、出力軸の軸方向に配置される複数の固定子ユニットを有し、各固定子ユニットに供給する励磁電流をそれぞれ独立して制御することによって、回転子を回転駆動させるための起磁力の生成と、出力軸の軸方向の磁束密度分布の制御を独立して行う。
【００２０】
各固定子ユニットにおいて、回転子に付与する回転トルクは、各固定子ユニットに供給する励起電流の自乗と回転子角度位置に関するインダクタンス変化の積により定まる。また、回転子の回転トルクは、複数の固定子ユニットが生成する回転トルクの加算により得られる。したがって、回転子の回転トルクは、固定子ユニットに供給する励磁電流の電流値によって制御することができる。
【００２１】
また、複数の固定子ユニットによって回転子に付与する直動推力は、固定子ユニットに供給する励磁電流の自乗と回転子の軸方向位置に関する各固定子と回転子におけるインダクタンス変化の積により定まる。
【００２２】
また、回転子の直動推力は、複数の固定子ユニットが生成する直動推力の加算により得られる。したがって、回転子の直動推力は、各固定子ユニットの励磁電流の電流値によって制御することができる。この直動推力は、回転子の軸方向位置に依存しないため、任意の軸位置において、回転駆動と直動駆動とを独立して制御することができる。
【００２３】
本発明の回転・直動２自由度モータが有する回転子および各固定子ユニットは、それぞれスイッチトリラクタンスモータを構成する。各スイッチトリラクタンスモータにおいて、各固定子ユニットは、回転子の回転角度位置によって変化する回転方向の磁気抵抗に応じて、供給する励磁電流をスイッチングで切り替えることによって、回転子を回転方向に回転させる起磁力を発生する。
【００２４】
このとき、各固定子ユニットに供給する励磁電流の電流値によって回転トルクおよび直動推力が制御される。
【００２５】
また、スイッチトリラクタンスモータを構成する回転子は回転方向に異なる磁気抵抗を有し、この回転方向に異なる磁気抵抗は、回転方向に所定角度間隔で軸方向と直交する方向に突出した複数の突起部によって構成することができる。
【００２６】
また、各固定子ユニットに供給する励磁電流を制御するコントローラを備える。このコントローラは、各固定子ユニットに供給する励磁電流の相を同相で切り替え、各固定子ユニットに供給する励磁電流の電流値をそれぞれ独立して制御する。
【００２７】
各固定子ユニットに供給する励磁電流の相を同相で切り替えることによって、各固定子ユニットによる回転トルクの干渉を避け、励磁電流を効率よく用いて回転トルクを生成することができる。
【００２８】
また、各固定子ユニットに供給する励磁電流の電流値をそれぞれ独立して制御することで、任意の軸位置において、所望とする直動推力を生成することができる。
【００２９】
また、本発明の回転・直動２自由度モータは、複数の固定子ユニットの内から隣接する２つの固定子ユニットを選択し、この２つの固定子ユニットに励磁電流を供給することにより、回転子はこの選択された固定子ユニットの近傍に吸引され、出力軸はこの固定子ユニットの位置付近において、回転トルクおよび直動推力の生成が行われる。
【００３０】
コントローラは、複数の固定子ユニットの内から隣接する２つの固定子ユニットを選択し、この固定子ユニットの選択により出力軸の軸方向の位置を制御する。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明によれば、圧力センサや回転トルクセンサを要することなく、回転駆動と直動駆動とを独立して制御することができる。
【００３２】
また、任意の軸位置において、回転駆動と直動駆動とを独立して制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００３４】
図１，図２，図３は、本発明の回転・直動２自由度モータの概略を説明するための概略図である。
【００３５】
図１は、本発明の回転・直動２自由度モータの構成の概略を示している。なお、以下では、回転・直動２自由度モータを構成するモータ構成として、リラクタンストルクにより回転力を発生するスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ：Switched  Reluctance  Motor）を例として説明する。図１（ａ）は回転・直動２自由度モータの軸方向の断面を示し、図１（ｂ）は回転・直動２自由度モータの軸方向と直交する方向の断面を示している。
【００３６】
なお、この回転・直動２自由度モータの試作機の外観を後述する図１０に示し、その諸元を表１に示す。
【００３７】
本発明の回転・直動２自由度モータ１は、固定子１０と出力軸３０に取り付けられた回転子２０を備える。固定子１０は、２つの固定子ユニット１１，１２を出力軸３０の軸方向に沿って直列に並べて構成され、この固定子ユニット１１，１２中に突極を有する１つの回転子２０が配置される。出力軸３０の両端は、回転・直動の両運動に対応するロータリー・リニアブシュ形軸受３１によって回転および直動自在に支持されている。
【００３８】
２つの固定子ユニット１１，１２は、それぞれ回転子２０と共にスイッチトリラクタンスモータを構成する。したがって、２つの第１固定子ユニット１１および第２固定子ユニット１２を有するモータ構成は、回転子を共有する２つの直列配列されたスイッチトリラクタンスモータと見なすこともできる。
【００３９】
第１固定子ユニット１１および第２固定子ユニット１２は、それぞれ巻線１１ａ，１２ａを備える。第１固定子ユニット１１の巻線１１ａと、第２固定子ユニット１２の巻線１２ａには、それぞれ独立して励磁電流が供給される。図１（ｂ）は、固定子ユニット（１１、１２）および回転子２０を軸方向から見た断面を示し、６個の固定子突極を有する３相の固定子ユニット１２と、４個の回転子突極を有する回転子２０の例を示している。固定子ユニットは各相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）についてそれぞれ２個の固定子突極を互いに１８０度の位相差を有して対向して備える。
【００４０】
第１固定子ユニット１１および第２固定子ユニット１２において、巻線１１ａ，１２ａに励磁電流をそれぞれを独立して供給して励磁することにより、リラクタンストルクによる回転トルクと同時に軸方向の推力（直動推力）が発生し、直動運動が生じる。
【００４１】
この軸方向の推力は、第１固定子ユニット１１と第２固定子ユニット１２が互いに回転子を引き込む力（吸引力）の差として生じる。回転子２０が第１固定子ユニット１１と第２固定子ユニット１２の中間に位置し、各励磁電流が共に等しい場合には吸引力が平衡して推力は生じない。本発明の回転・直動２自由度モータ１による軸方向の推力については後述する。
【００４２】
本発明の回転・直動２自由度モータ１の回転駆動は、通常のスイッチトリラクタンスモータと同様とすることができる。以下、図２を用いて、本発明の回転・直動２自由度モータ１の回転駆動について説明する。
【００４３】
スイッチトリラクタンスモータは、回転子と固定子の磁気的な突極性によって発生するリラクタンス（磁気抵抗）トルクを利用したリラクタンスモータの一種で，永久磁石を使用せず、頑強な構造で、トルク／イナーシャ比が大きいなどの特徴を持つことが知られている。
【００４４】
図２は、代表的な三相のスイッチトリラクタンスモータの軸断面形状を示している。ここでは、６個の固定子突極を有する固定子１０と、４個の回転子突極を有する回転子２０の例を示している。固定子１０には、Ａ相，Ｂ相，およびＣ相の３相について、それぞれ２個の固定子突極が対向して設けられている。また、回転子２０には、９０度毎に４つの突起部分からなる回転子突極が設けられ、この回転子突極によって回転方向の異なる磁気抵抗を形成している。
【００４５】
固定子突極と回転子突極とにより形成される磁路において、回転子突極を通って形成される磁路の磁極抵抗は、回転子突極のない部分と空気の部分とを通って形成される磁路の磁気抵抗よりも小さいため、回転子２０は回転方向に９０度周期の磁気抵抗分布が形成されることになる。
【００４６】
このスイッチトリラクタンスモータを駆動する駆動電気回路は、固定子の各相に巻回された巻線（Ａ相巻線、Ｂ相巻線、Ｃ相巻線）と電源との間を切り替えるスイッチ（ＳＷ−ＡＨ、ＳＷ−ＢＨ、ＳＷ−ＣＨ、ＳＷ−ＡＬ、ＳＷ−ＢＬ、ＳＷ−ＣＬ）によって構成される。
【００４７】
回転子２０を挟んで対向する固定子突極Ａ，Ｂ，Ｃに集中巻きされた各巻線（Ａ相巻線、Ｂ相巻線、Ｃ相巻線）に対して、ハイサイド側にスイッチ（ＳＷ−ＡＨ、ＳＷ−ＢＨ、ＳＷ−ＣＨ）が配置され、ローサイド側にスイッチ（ＳＷ−ＡＬ、ＳＷ−ＢＬ、ＳＷ−ＣＬ）が配置され、ハーフブリッジ回路を構成している。各スイッチは、例えばＦＥＴ等のスイッチング素子によりモノポーラ駆動するものを用いることができる。
【００４８】
図２は、Ａ相の巻線を励磁する場合を示している。このＡ相励磁では、ハイサイド側のスイッチＳＷ−ＡＨとローサイド側のスイッチＳＷ−ＡＬを閉状態とし、Ａ相の巻線に励磁電流を供給する。このＡ相巻線に励磁電流を供給することにより、Ａ相突極で形成された磁束は、対向する回転子突極を通過して磁路が形成される。Ａ相突極と回転子のｘ突極が対向する向き（磁気抵抗を最小とする方向）にリラクタンストルクが生じて回転子が回転する。
【００４９】
以後，回転子位置を検出しながら、適正な回転子位置でスイッチ（ＳＷ−ＡＨ、ＳＷ−ＢＨ、ＳＷ−ＣＨ、ＳＷ−ＡＬ、ＳＷ−ＢＬ、ＳＷ−ＣＬ）を切り換えて励磁相を切り換えることにより、連続的な回転が維持される。
【００５０】
このとき、励磁電流ないし電圧を制御することにより、回転速度やトルクの制御を行うことができる。
【００５１】
回転トルクは、トルクの発生に寄与しない漏れ磁束を無視すれば、一相における励磁電流ｉと発生トルクＴの関係は次式（１）で表される。
【数１】
2007318896.tif 000003
【００５２】
ここで、∂L/∂θは回転子角度位置θに関するインダクタンス変化であり、∂L/∂θ＞０の領域で通電することにより駆動トルクが発生する。なお、∂L/∂θ＞０の領域は、固定子および回転子の両突極が非対向から対向に向かう領域である。
【００５３】
なお、スイッチトリラクタンスモータのトルク発生の原理は、可変リラクタンス形ステッピングモータと同じあるが、ステッピングモータは主として位置決めを目的に設計されるのに対して、スイッチトリラクタンスモータは高速回転を志向して設計されるものである。また、スイッチトリラクタンスモータは、回転子の角度情報が必要であるため、例えばロータリーエンコーダ等の位置センサによって回転子の回転位置に関する情報を取得する。本発明の実施例では、回転子の突極を光電センサで検出することによって回転子の回転位置に関する情報を取得する。この構成については後述する。
【００５４】
次に、本発明の回転・直動２自由度モータの回転トルク、および直動推力について説明する。
【００５５】
はじめに、回転トルクについて説明する。上記したスイッチトリラクタンスモータの構成によれば、回転トルクは、各固定子ユニットが発生する回転トルクの和となる。例えば、固定子１０が第１固定ユニット１１と第２固定子ユニット１２を含む構成の場合には、回転・直動２自由度モータの回転トルクは、第１固定ユニット１１が発生する回転トルクＴ１と、第２固定ユニット１２が発生する回転トルクＴ２との和（Ｔ１＋Ｔ２）となる。なお、各固定子ユニットの回転トルクＴ１、Ｔ２は上記式（１）で表され、各固定子ユニットに供給される励磁電流ｉと、その固定子ユニットに対する回転子角度位置θに関するインダクタンス変化∂L/∂θに依存する。
【００５６】
次に、直動推力について説明する。
【００５７】
図１において、第１固定子ユニット１１及び第２固定子ユニット１２の中間を原点として、第１固定子ユニット１１と回転子２０の重なりが増加する方向にｘをとる。なお、この場合には、ｘは第２固定子ユニット１２と回転子２０の重なりが減少する方向となる。ここで、直動推力の発生に寄与しない漏れ磁束を無視すれば、回転子２０の軸方向位置に関わりなく直動推力Ｆは次式（２）で表される。
【数２】
2007318896.tif 000004
【００５８】
ここで、ｉ1，ｉ2はそれぞれ第１固定子ユニット１１と第２固定子ユニット１２の励磁電流であり、∂L1/∂x，∂L2/∂xは回転子２０の軸方向位置ｘに関する第１固定子ユニット１１−回転子２０の系および第２固定子ユニット１２−回転子２０系のインダクタンス変化である。第１固定子ユニット１１および第２固定子ユニット１２は同形状でｘの変化方向が逆であるから、∂L1/∂x，∂L2/∂xの符号の正負は互いに逆となる。
【００５９】
回転子２０が第１固定子ユニット１１と第２固定子ユニット１２のほぼ中間（図１においてｘ≒０）にある場合は、以下の式（３）で表される関係がある。
【数３】
2007318896.tif 000005
【００６０】
このとき、直動推力Ｆは以下の式（４）で表される。
【数４】
2007318896.tif 000006
【００６１】
したがって、第１固定子ユニット１１および第２固定子ユニット１２に供給する励磁電流ｉ1，ｉ2の電流値を制御することにより直動推力Ｆを制御することができる。
【００６２】
一方、回転子２０が第１固定子ユニット１１あるいは第２固定子ユニット１２のどちらかに寄っている場合は、磁気回路を構成する磁性体の磁気飽和現象及び磁化特性の非線形性により、上記式（３），（４）は適用できないが、発生する直動推力Ｆは式（２）で求めることができる。
【００６３】
図３は、有限要素法による静磁界解析により算出した、直動推力の計算結果の一例を示している。なお，静磁界解析においては、磁性体の非線形磁化特性を考慮し、回転子はモデルを簡単に扱うため円筒で近似している。また、計算条件として、固定子１１の励磁電流を１２Ａ、固定子１２を６Ａとした場合（図中の■で示す）と、固定子１１と固定１２共に１２Ａとした場合（図中の◆で示す）を示している。
【００６４】
両固定子の励磁電流の電流値が等しい場合は、回転子が第１固定子ユニット１１と第２固定子ユニット１２との中間位置（ｘの原点位置）において、直動推力Ｆは０となり、推力は発生しない。一方、励磁電流に差がある場合は、回転子が第１固定子ユニット１１と第２固定子ユニット１２との中間位置（ｘの原点位置）においても、直動推力Ｆが発生する。この計算例では、およそ１５Ｎであることが確認された。
【００６５】
また、回転子２０が一方の固定子に寄った位置にある場合は、両固定子の励磁電流が等しい場合においても直動推力Ｆが発生する。この計算例では、およそ４５Ｎであることが確認された。これは、回転子と一方の固定子の重なりが大きくなるにつれてその固定子の吸引力が支配的になり、反対側の固定子は回転子との重なりが減少し、磁気飽和が生じて吸引力への寄与が小さくなったためと考えられる。
【００６６】
次に、本発明の回転・直動２自由度モータを駆動する電気回路の構成について図４を用いて説明する。
【００６７】
図４は、スイッチトリラクタンスモータを用いた回転・直動２自由度モータのコントローラのブロック図を示している。
【００６８】
コントローラ５０は、ＰＩＣ１（５１）とＰＩＣ２（５２）の２つのＰＩＣマイコンを搭載する。ＰＩＣ１（５１）はＰＷＭ信号を出力するＰＷＭコントローラであり、ＰＩＣ２（５２）は相切り換えを行う相切換信号を出力するスイッチングコントローラである。
【００６９】
ＰＩＣ１（５１）は、第１固定子ユニット１１と第２固定子ユニット１２に供給する励磁電流を制御する電流制御用のＰＷＭモジュールを２つ内蔵し、設定回転数、直動位置、巻線に流れるコイル電流、回転子の回転位置のデータ等を入力して第１ 固定子ユニット１１と第２固定子ユニット１２に供給する励磁電流を算出し、各固定子に対するＰＷＭ出力をロジック回路５３に出力する。
【００７０】
また、ＰＩＣ２（５２）は、後述する光電スイッチから回転子位置に係わる検出出力を取り込み、固定子中の何れの相を励磁するかを決定し、相切り換えの切り換え信号をロジック回路５３に出力する。
【００７１】
図２に示す３相（６固定子突極、４回転子突極）による回転・直動２自由度のスイッチトリラクタンスモータを駆動するためには、各固定子ユニット１１，１２に対してそれぞれ、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の３組の相電流を供給するため、計６組の相電流を制御する必要がある。この相電流の制御において、スイッチトリラクタンスモータの駆動原理上から、一つの固定子内では相電流は２相同時に流れることはない。そこで、各相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）の励磁信号は、ＰＩＣ１（５１）から出力される各相のＰＷＭ信号と、ＰＩＣ２（５２）から出力される相切換え信号をロジック回路５３で合成することで生成する。
【００７２】
この構成例では、ロジック回路５３は、ＰＩＣ１（５１）から２つの固定子に対応する２つのＰＷＭ信号と、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相の３相に対応する３つの相切換え信号とを入力して、スイッチングパルス信号を生成し、モータドライバ６０に出力する。モータドライバ６０は、ロジック回路５３から入力したスイッチングパルス信号に基づいて、各固定子の巻線に供給する６組の励磁電流を生成する。
【００７３】
ＰＷＭコントローラ（ＰＩＣ１（５１））は、各相の電流を厳密にＰＷＭ制御するために、巻線に流れる実際の相電流を検出する必要があり、この相電流の検出のために電流センサが６個必要となる。しかしながら、スイッチトリラクタンスモータの駆動原理により、１つの固定子ユニット内の１相の相電流は、その固定子に供給する電流で代表することができる。そこで、本発明の構成例による駆動電気回路では、第１固定子ユニット１１，第２固定子ユニット１２のそれぞれ三相に分岐する前に、固定子への供給電流を検出する２個の電流センサを設置することで構成することができる。
【００７４】
次に、回転・直動２自由度モータのコントローラが備えるロジック回路の一構成例について図５のブロック図および図６，７の信号図を用いて説明する。なお、図６は回転子を回転駆動および直動駆動させる場合の信号図であり、図７は回転子を回転駆動させずに直動駆動のみさせる場合の信号図である。
【００７５】
図５に示すブロック図の例は、ＰＩＣ１（５１）のＰＷＭコントローラは２つの固定子に対して各相のＰＷＭ信号を出力し、ＰＩＣ２（５２）のスイッチングコントローラは３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）の相切換え信号を出力し、２つの固定子ユニット１１、１２に励磁電流を出力するためのスイッチングパルス信号を生成する例を示している。
【００７６】
ロジック回路５３は、第１固定子ユニット１１および第２固定子ユニット１２に対するスイッチングパルス信号を生成するために、それぞれ３つのＮＯＲゲートからなる論理回路を備える。各ＮＯＲゲートには、ＰＩＣ１のＰＷＭコントローラ５１からＰＷＭ１あるいはＰＷＭ２の信号が入力されると共に、ＰＩＣ２（５２）のスイッチングコントローラ５２から３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）の相切換え信号が入力され、各相に対して所定のＰＷＭ信号が生成される。
【００７７】
図６の信号図は、回転子を回転駆動および直動駆動させる場合の例を示している。ＰＷＭコントローラ５１のＰＷＭ１、ＰＷＭ２（図６（ａ）、（ｂ））はＮＯＴゲートで反転され（図６（ｃ）、（ｄ））、各ＮＯＲゲートの一方の入力端に入力される。ここで、ＰＷＭ１とＰＷＭ２のＰＷＭ信号は、回転速度に応じて定まる同じ周期信号であり、パルス信号のデューティー比は励起電流値に相当する。また、各ＮＯＲゲートの他方の入力端には、スイッチングコントローラ５２からＡ相、Ｂ相、Ｃ相（図６（ｅ）、（ｆ）、（ｇ））の相切換え信号が入力される。
【００７８】
各ＮＯＲゲートは、第１固定子ユニット１１および第２固定子ユニット１２に対するスイッチングパルス信号を生成する。図６（ｈ）〜（ｊ）は、第１固定子ユニット１１のＡ相（１−Ａで示す）、Ｂ相（１−Ｂで示す）、Ｃ相（１−Ｃで示す）に対するスイッチングパルス信号を示し、図６（ｋ）〜（ｍ）は、第２固定子ユニット１２のＡ相（２−Ａで示す）、Ｂ相（２−Ｂで示す）、Ｃ相（２−Ｃで示す）に対するスイッチングパルス信号を示している。これによって、固定子ユニット１１ａおよび１１ｂでは、ＰＷＭ１、ＰＷＭ２のＰＷＭ信号の周期に基づいて回転駆動されると共に、ＰＷＭ信号の各デューティー比で定まる励起電流値に基づいて直動駆動される。
【００７９】
また、図７の信号図は、回転子を回転駆動させずに、直動駆動のみを行わせる場合の例を示している。ＰＷＭコントローラ５１のＰＷＭ１、ＰＷＭ２（図７（ａ）、（ｂ））はＮＯＴゲートで反転され（図７（ｃ）、（ｄ））、各ＮＯＲゲートの一方の入力端に入力される。ここで、ＰＷＭ１とＰＷＭ２のＰＷＭ信号のパルス信号のデューティー比は励起電流値に相当する。また、各ＮＯＲゲートの他方の入力端には、スイッチングコントローラ５２からＡ相、Ｂ相、Ｃ相（図６（ｅ）、（ｆ）、（ｇ））の相切換え信号が入力されるが、ここでは、全相を駆動する。
【００８０】
各ＮＯＲゲートは、第１固定子ユニット１１および第２固定子ユニット１２に対するスイッチングパルス信号を生成するが、第１固定子ユニット１１のＡ相（１−Ａで示す）、Ｂ相（１−Ｂで示す）、Ｃ相（１−Ｃで示す）の各相にはスイッチングパルス信号が出力され（図７（ｈ）〜（ｊ））、また、第２固定子ユニット１２のＡ相（２−Ａで示す）、Ｂ相（２−Ｂで示す）、Ｃ相（２−Ｃで示す）の各相にもスイッチングパルス信号が出力される（図７（ｋ）〜（ｍ））。第１固定子ユニット１１および第２固定子ユニット１２では、各相に励磁電流が供給されるため回転駆動は行われず、ＰＷＭ信号の各デューティー比で定まる励起電流値に基づいて直動駆動のみが行われる。
【００８１】
なお、図７では、Ａ相，Ｂ相，Ｃ相の全相について励起電流を供給する例を示しているが、Ａ相，Ｂ相，Ｃ相のいずれかの相について励起電流を供給することによっても、同様に、回転子を回転駆動させずに、直動駆動のみを行わせることができる。
【００８２】
次に、回転・直動２自由度モータの制御系について図８のブロック図を用いて説明する。本発明の回転・直動２自由度モータは、相電流制御による回転トルク・直動推力の制御系となる。図８において、コントローラ５０は、回転・直動２自由度モータ２０が備える回転センサ４０から回転位置および回転速度の情報をフィードバックさせ、また、直動位置センサ７０から軸方向位置の情報をフィードバックさせ、さらに、電源８０から各固定子用モータドライバ６０ａ、６０ｂに供給する供給電流から励起電流に相当する検出電流を検出してフィードバックさせ、生成した励起電流指令（ｉ1ref、ｉ2ref ）を各固定子用モータドライバ６０ａ、６０ｂに出力することによって、回転速度・直動位置制御系を構成している。なお、ここでは、直動位置制御にはPID制御を用いている。
【００８３】
回転センサ４０は、例えば、回転子２０の突極を検出する光電センサを用いることができ、光電センサの出力の切換え周波数から回転子の回転速度を検出することができ、また、光電センサの出力の位相から回転子の回転位置を検出することができる。
【００８４】
また、直動位置センサ７０は、外付けの変位センサを用いることができ、軸方向位置を検出する。
【００８５】
図９は、本発明の回転・直動２自由度モータに適用する光電センサの一構成例を説明するための図である。
【００８６】
回転・直動２自由度モータの回転方向の制御において、スイッチトリラクタンスモータのトルク発生原理に基づいて適切に励磁相を切り換えるためには、回転子の角度位置を検出することが必要である。しかしながら、回転・直動２自由度スイッチトリラクタンスモータは、回転運動と同時に軸方向の直動運動も行うため、ロータリーエンコーダを出力軸に接続することは困難である。
【００８７】
そこで、本発明の回転・直動２自由度スイッチトリラクタンスモータでは、直動運動下においても回転子の一部は常に第１固定子ユニット１１と第２固定子ユニット１２の間あることに着目し、回転子２０の突極の有無を発光器・受光器一体型の光電スイッチで直接検出する構成としている。
【００８８】
図９は光電センサ４１と回転子２０の突極との位置関係を示している。光電センサ４１は３０度間隔でセンサ支持部４２に取り付けられている。センサ支持部４２は第１固定子ユニット１１と第２の固定子ユニット１２の間に設置されて円周方向にスライド自在であり、固定子の突極と光電センサ４１の相対角度位置を微調整できるようになっている。光電センサ４１は発光部と受光部（共に図示していない）とを備え、光電センサ４１の直下に回転子突極がある場合のみ、発光部からの発光が突極の円周表面で反射した反射光を、受光部で検出する。３個の光電センサ４１ａ〜４１ｃの出力信号の組み合わせにより３ビットの角度情報を得る。この角度情報では、高分解能の回転子角度位置検出は行えないが、各相の励磁の開始及び終了の判別には十分な角度位置情報を得ることができる。また、回転子の断面形状は軸方向に不変であるため、回転子の軸方向位置の影響を受けない。
【００８９】
以下、本発明の回転・直動２自由度モータの実施例について説明する。
【００９０】
図１０は、本発明の回転・直動２自由度モータの試作機の外観を示し、この諸元を表１に示す。
【００９１】
【表１】
2007318896.tif 000007
【００９２】
以下、本発明の回転・直動２自由度モータの実施例について、回転数制御と直動位置制御試験の駆動試験について説明する。
【００９３】
はじめに、回転数制御試験について図１１を用いて説明する。図１１は、回転子が中央（ｘ=０mm）に位置したときの両固定子ユニットの励磁電流の電流差Δｉに対する直動推力Ｆを測定した結果を示している。励磁電流差Δｉが大きくなるにしたがって直動推力Ｆは大きくなるが、直動推力Ｆはフィードバック制御を行っていないため、回転数の違いにより、同じ励磁電流差であっても直動推力Ｆに差が生じる。
【００９４】
図１２は、同条件で回転子の回転速度を測定した結果を示している。直動推力Ｆの変化に関わらず、回転数は設定値（４００rpm及び１０００rpm）で一定を保っており、直動推力と回転数を独立に制御できることが確認される。
【００９５】
次に、直動位置制御試験について図１３を用いて説明する。図１３は、１０００rpmで回転した状態での直動位置制御のステップ応答の一例を示している。１０mmのステップ入力に対して、振動的な応答の後０．５〜０．７５秒で静定している。
【００９６】
なお、この構成例では、機械的な減衰要素を有しないため、制御系において速度フィードバック等によって振動の減衰を行っている。
【００９７】
次に、本発明の回転・直動２自由度スイッチトリラクタンスモータの他の実施形態について説明する。
【００９８】
図１４、１５に示す実施形態は、固定子を３つ以上の複数の固定子ユニットで構成する例であり、図１４は３個の固定子ユニットを用いて構成例を示し、図１５は７個の固定子ユニットを用いて構成例を示している。
【００９９】
図１４に示す構成例では、固定子１０は３個の固定子ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃを軸方向に隣接させて配置し、回転子２０を取り付けた出力軸３０を、各固定子ユニットの軸中心に通して設置する。出力軸３０の両端は、回転・直動の両運動に対応するロータリー・リニアブシュ形軸受３１によって回転および直動自在に支持されている。
【０１００】
この構成例では、固定子ユニット１０ａと固定子ユニット１０ｂとを組みとして駆動することで回転と直動の運動を行い、また、固定子ユニット１０ｂと固定子ユニット１０ｃとを組みとして駆動することで回転と直動の運動を行い。各固定子ユニットの組みによる回転と直動の運動は、上述した回転・直動２自由度モータと同様に行うことができる。
【０１０１】
固定子ユニット１０ａと固定子ユニット１０ｂとを組みとして駆動する場合には、固定子ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃの内で固定子ユニット１０ａと固定子ユニット１０ｂに励起電流を供給し、固定子ユニット１０ｃには励起電流を供給しない。また、固定子ユニット１０ｂと固定子ユニット１０ｃとを組みとして駆動する場合には、固定子ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃの内で固定子ユニット１０ｂと固定子ユニット１０ｃに励起電流を供給し、固定子ユニット１０ａには励起電流を供給しない。
【０１０２】
上記構成とすることによって、回転子２０は、軸上の２つの位置において回転と直動の運動を行うことができる。つまり、固定子ユニット１０ａと固定子ユニット１０ｂの中心を直動運動の中心位置とする運動と、固定子ユニット１０ｂと固定子ユニット１０ｃの中心を直動運動の中心位置とする運動を切り換えて行うことができる。この運動中心の切り換えは、固定子ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃに供給する励起電流の切り換えによって行うことができる。
【０１０３】
この構成例によれば、直動運動の運動範囲を長くすることができるという効果を奏することができる。
【０１０４】
また、図１５に示す構成例は、さらに配置する固定子ユニットの個数を増加させた構成であり、固定子１０は７個の固定子ユニット１０ａ〜１０ｇを軸方向に隣接させて配置し、回転子２０を取り付けた出力軸３０を、各固定子ユニットの軸中心に通して設置する。出力軸３０の両端は、回転・直動の両運動に対応するロータリー・リニアブシュ形軸受（図示していない）によって回転および直動自在に支持されている。
【０１０５】
この構成例においても、前記した構成例と同様に、固定子ユニット１０ａと固定子ユニット１０ｂとを組み、固定子ユニット１０ｂと固定子ユニット１０ｃとを組みのように、隣接する２つの固定子ユニットを組みとして駆動することで回転と直動の運動を行う。各固定子ユニットの組みによる回転と直動の運動は、上述した上記した回転・直動２自由度モータと同様に行うことができる。また、回転と直動の運動を行う軸方向における運動中心位置は、固定子ユニット１０ａ〜１０ｇに供給する励起電流の切り換えによって行うことができる。
【０１０６】
上記構成において、励起電流を供給する固定子ユニットの組みを順に切り換えることによって、回転子を順に移動させ、出力軸を軸方向の移動させることができる。例えば、図１５（ａ）では、固定子ユニット１０ａと１０ｂの中間の位置Ｐ１を中心位置として回転と直動の運動を行い、図１５（ｂ）では、固定子ユニット１０ｂと１０ｃの中間の位置Ｐ２を中心位置として回転と直動の運動を行い、図１５（ｃ）では、固定子ユニット１０ｆと１０ｇの中間の位置Ｐ６を中心位置として回転と直動の運動を行う。その他の位置においても、同様にして、軸上の異なる位置において、回転と直動の運動を行うことができる。
【０１０７】
この構成例によれば、直動運動の運動範囲を長くすることができるという効果を奏することができる。
【０１０８】
また、各Ｐ１〜Ｐ６において、各固定子ユニットに対して同電流値の励起電流を供給することによって、軸上の各Ｐ１〜Ｐ６の位置を予め設定された複数の駆動位置とし、この駆動位置の中から実際に駆動する位置を選択する動作形態とすることもできる。
【０１０９】
また、上記した図１５では、出力軸に１個の回転子を設け、出力軸を軸方向に長い移動範囲で移動させる構成と示しているが、出力軸に複数の回転子を設け、出力軸の軸方向の移動範囲を２つの固定子ユニットで定める狭まい範囲とする構成としてもよい。この構成では、複数の回転子を設けることで回転トルクおよび直動推力を、駆動する回転子の分だけ増加させることができる。
【０１１０】
図１６は、図１５の構成の回転・直動２自由度モータを駆動するためのコントローラの一構成例である。
【０１１１】
このコントローラは、前記図５で示したロジック回路と同様のロジック回路５３を備える。ここでは、このロジック回路５３は、ＰＷＭコントローラ５１で生成したｎ個のＰＷＭ信号と、スイッチングコントローラ５２で生成した３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）の相切換え信号とを組み合わせて、複数の固定子ユニット１０ａ〜１０ｎに励起電流を供給するためのパルス信号を生成する。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、微小多孔を高速加工する穴あけ加工機や表面研磨機等、回転運動と直動運動の２つの運動を要するアクチュエータに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の回転・直動２自由度モータの構成の概略を示す図である。
【図２】本発明の回転・直動２自由度モータに用いるスイッチトリラクタンスモータの回転駆動を説明するための図である。
【図３】直動推力の計算結果の一例を示す図である。
【図４】本発明の回転・直動２自由度モータを駆動する電気回路の構成例を説明するための図である。
【図５】本発明の回転・直動２自由度モータのコントローラが備えるロジック回路の一構成例を説明するためのブロック図である。および図６，７の信号図を用いて説明する。
【図６】本発明の回転・直動２自由度モータのコントローラが備えるロジック回路を説明するための信号図である。
【図７】本発明の回転・直動２自由度モータのコントローラが備えるロジック回路を説明するための信号図である。
【図８】本発明の回転・直動２自由度モータの回転・直動２自由度モータの制御系を説明するためのブロック図である。
【図９】本発明の回転・直動２自由度モータに適用する光電センサの一構成例を説明するための図である。
【図１０】本発明の回転・直動２自由度モータの試作機の外観を示す図である。
【図１１】本発明の回転・直動２自由度モータの励磁電流の電流差Δｉに対する直動推力Ｆの測定結果を示す図である。
【図１２】本発明の回転・直動２自由度モータの励磁電流の電流差Δｉに対する回転子の回転速度の測定結果を示す図である。
【図１３】本発明の回転・直動２自由度モータの直動位置制御のステップ応答の一例を示す図である。
【図１４】本発明の回転・直動２自由度モータの３個の固定子ユニットを備える構成例を示す図である。
【図１５】本発明の回転・直動２自由度モータの複数の固定子ユニットを備える構成例を示す図である。
【図１６】本発明の回転・直動２自由度モータの複数の固定子ユニットを備える構成を駆動するためのコントローラの一構成例である。
【図１７】２自由度アクチュエータの概略構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１…回転・直動２自由度モータ
１０…固定子
１０Ａ…Ａ相突起
１０Ｂ…Ｂ相突起
１０Ｃ…Ｂ相突起
１１…第１固定子ユニット
１１ａ…巻線
１２ａ…巻線
１２…第２固定子ユニット
２０…回転子
３０…出力軸
３１…軸受
４０…回転位置センサ
４１…光電センサ
４２…センサ支持部
５０…コントローラ
５１…ＰＷＭコントローラ
５２…スイッチングコントローラ
５３…ロジック回路
６０…モータドライバ
６０ａ…第１固定子用モータドライバ
６０ｂ…第２固定子用モータドライバ
７０…直動位置センサ
８０…電源
１１０…固定子
１２０…回転子
１３０…回転軸
１４０…圧縮コイルバネ
【図１】
2007318896.tif 000008
【図２】
2007318896.tif 000009
【図３】
2007318896.tif 000010
【図４】
2007318896.tif 000011
【図５】
2007318896.tif 000012
【図６】
2007318896.tif 000013
【図７】
2007318896.tif 000014
【図８】
2007318896.tif 000015
【図９】
2007318896.tif 000016
【図１１】
2007318896.tif 000017
【図１２】
2007318896.tif 000018
【図１３】
2007318896.tif 000019
【図１４】
2007318896.tif 000020
【図１５】
2007318896.tif 000021
【図１６】
2007318896.tif 000022
【図１７】
2007318896.tif 000023
【図１０】
2007318896.tif 000024