(57)【要約】【課題】  回転精度の微調整を行う際に用いる負荷トルクをロータ円周方向に均一に負荷させる。【解決手段】  ロータ回転速度の微調整は、ステータが有する環状溝７ｃとロータが有する環状突起８ｂとの間に介在する機能性流体１３の粘性制御によって行われる。機能性流体１３の粘性は、環状突起８ｂから円周方向全体にロータ２に伝わり、負荷トルクとなって作用する。【選択図】  図３
2007016701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、
前記ステータに対して回転可能に取り付けられたロータと、
前記ステータに前記ロータの回転軸と同軸的に形成された少なくとも１つの環状溝と、
前記ロータに該ロータの回転軸と同軸的に形成された前記環状溝に嵌合する少なくとも１つの環状突起と、
前記環状溝と前記環状突起との間に介在する機能性流体と、
圧縮空気のエネルギを前記ロータの回転エネルギに変換する変換手段と、
前記ロータの回転速度を検出する検出手段と、
前記検出手段からの検出信号に従って圧縮空気の空気圧を制御することで前記ロータの回転速度を粗調整する第１の制御手段と、
前記検出手段からの検出信号に従って前記機能性流体の粘性を制御することで前記ロータの回転速度を微調整する第２の制御手段と
を有することを特徴とする空気圧モータ。
【請求項２】
前記ステータは、圧縮空気通気孔と該圧縮空気通気孔排出部にリング状に形成された多孔質体を有し、前記ロータは、前記多孔質体と空隙を介して対向する面に螺旋溝を有することを特徴とする請求項１記載の空気圧モータ。
【請求項３】
前記ステータは、前記環状溝の内周側側面に環状の第１の電極を形成し、前記環状溝の外周側側面に第２の電極を有していることを特徴とする請求項１記載の空気圧モータ。
【請求項４】
前記ステータは、前記環状溝の内周側側面および外周側側面の少なくとも一方に環状の第１の電極を有し、前記ロータは、前記環状突起の前記第１の電極と対向する側面に環状の第２の電極を有していることを特徴とする請求項１記載の空気圧モータ。
【請求項５】
前記機能性流体は、電圧を印加されることにより粘性が変化することを特徴とする請求項１記載の空気圧モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型スピンドル等に用いる、空気圧モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
空気圧モータは、圧縮空気のエネルギを回転エネルギに変換するもので、攪拌機，空気圧工具（グラインダ・ドリル），エアータービン（歯医者用）の駆動源として用いられている。特許文献１に開示されているものは、ロータの回転速度を速度センサを用いて検出し、その検出信号に応じて、圧縮空気の空気圧を調整して粗調整し、ロータを円周方向に囲むように設置された複数のコイルに電流を流し負荷トルクを発生させることで回転速度を微調整するものである。
【特許文献１】特開平７−１１００１６号公報、段落０００５〜０００６、図１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の空気圧モータでは、微調整を行う際に用いられるコイルがロータの円周方向に点在して設置されているため、負荷トルクが円周方向に不均一に発生し、高い回転精度を得ることができない。
【０００４】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、回転速度の微調整を行う際負荷されるトルクを円周方向に均一にし、回転精度が高い空気圧モータ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】
本発明に関わる空気圧モータは、ステータと、前記ステータに対して回転可能に取り付けられたロータと、前記ステータに前記ロータの回転軸と同軸的に形成された少なくとも１つの環状溝と、前記ロータに該ロータの回転軸と同軸的に形成された前記環状溝に嵌合する少なくとも１つの環状突起と、前記環状溝と前記環状突起との間に介在する機能性流体と、圧縮空気のエネルギを前記ロータの回転エネルギに変換する変換手段と、前記ロータの回転速度を検出する検出手段と、  前記検出手段からの検出信号に従って圧縮空気の空気圧を制御することで前記ロータの回転速度を粗調整する第１の制御手段と、前記検出手段からの検出信号に従って前記機能性流体の粘性を制御することで前記ロータの回転速度を微調整する第２の制御手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ロータ回転速度の微調整は、ステータが有する環状溝とロータが有する環状突起との間に介在する機能性流体の粘性制御によって行われる。機能性流体の粘性はロータの回転に負荷トルクとなって作用するが、この負荷トルクはロータの環状突起へ円周方向に均一に作用するため、回転精度の高い空気圧モータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【０００８】
図１は、本発明の実施形態に係る空気圧モータを構成する空気圧モータ本体５０の断面図である。
【０００９】
この空気圧モータ本体５０は、固定されたステータ１と、このステータ１の内側に回転可能に配置されたロータ２と、このロータ２を非接触で支持する空気軸受け３とを備えて構成されている。
【００１０】
ステータ１は、円板状の圧縮空気導入板４と、圧縮空気導入板４の上面に同軸固定された第１調整板７とを備えている。圧縮空気導入板４は、外周側から内周側へ放射状に延びる１又は複数の圧縮空気通気孔４ａを有すると共に、圧縮空気通気孔４ａの内周側に下方に向けて周方向均一に圧縮空気を排出させるリング状の多孔質体４ｂを備えている。圧縮空気導入板４の上下面の外縁部には円筒体１０ａ，１０ｂがそれぞれ同軸固定されている。円筒体１０ａの上端には内周部が内側に僅かに張り出した環状のフランジ１０ｃが同軸固定され、このフランジ１０ｃの更に上端がロータ２の上端と共にケース１０ｄによって覆われている。また、円筒体１０ｂの下端には、空気軸受け３が固定され、側面には、圧縮エアー外部に排気するための複数の孔が形成されている。
【００１１】
一方、ロータ２は、ステータ１の中央に配置される回転軸２ａと、この回転軸２ａの軸方向中央に設けられた回転駆動板６と、回転軸２ａの上端に設けられた第２調整板８と、回転軸２ａの下端に設けられた圧縮空気排出板５とを備えている。回転駆動板６は、ステータ１の圧縮空気導入板４の下面と、空気軸受け３の上面との間に所定の空隙を介して対向配置されている。圧縮空気導入板４の上面には、図２に示すように、内周側から外周側に延びる複数の螺旋溝６ａが形成されている。この螺旋溝６ａには、圧縮空気導入板４の内周部に設けられた多孔質体４ｂから排出された圧縮空気が導入され、この圧縮空気が螺旋溝６ａを内周側から外周側へ移動する過程で回転駆動板６に回転駆動力を付与する。回転駆動板６には、空気軸受け３からの圧縮空気を内周側から導入して外周側から円筒体１０ｂの側面の孔に向けて排出するための圧縮空気通気孔６ｂが形成されている。また、圧縮空気排出板５にも、回転駆動板５と同様に、空気軸受け３からの圧縮空気を内周側から導入して外周側から排出するための圧縮空気通気孔５ａが形成されている。
【００１２】
空気軸受け３は、外部から圧縮空気を導入し、ラジアル方向に延びる圧縮空気通気孔３ａ及びスラスト方向の圧縮空が通気孔３ｂを介してロータ２の回転軸２ａ外周面、回転駆動板６の下面及び圧縮空気排出板５の上面に圧縮空気を供給し、ロータ２を非接触で支持する。
【００１３】
ステータ１の第１調整板７とロータ２の第２調整板８とはロータ２の回転付加トルクを調整するためのもので、互いに対向配置されている。これらの詳細を図３に示す。第１調整板７は、環状板７ａの上面に複数の同軸配置された環状突起７ｂを一体に形成してなる。環状突起７ｂの間に形成される複数の環状溝７ｃには、機能性流体１３が充填されている。第２調整板８は、回転軸２ａの上端部のボルト２ｂに円筒スリーブ９ｂを介して装着され、ボルト２ｂにナット９ａを締結することにより、回転軸２ａに固定されている。この第２調整板８は、環状板８ａの下面に複数の同軸配置された環状突起８ｂを一体に形成してなる。第２調整板８の複数の環状突起８ｂは、第１調整板７の複数の環状溝７ｃに所定ギャップを介して嵌合し、機能性流体１３に対する抵抗体として機能性流体１３に浸漬されている。環状溝７ｃの外周側の側面には、環状の第１の電極１１が配置され、内周側の側面には、環状の第２の電極１２が配置されている。機能性流体は、これら電極１１，１２への印加電圧の大きさによってその粘性を変化させる。
【００１４】
更に、ロータ２の回転軸２ａの上端には、回折格子が形成されたスケール円板３２ａが装着され、このスケール円板３２ａと対向するように発光素子及びフォトトランジスタが所定の位置を伴って配置された回転検出ヘッド３２ｂがフランジ１０ｃに固定されている。これらスケール円板２３ａと回転検出ヘッド３２ｂとでエンコーダ３２が構成されている。エンコーダ３２から出力されるパルス信号は、ＰＶ変換機３３によってロータ２の回転速度に変換される。
【００１５】
図４は、同空気圧モータにおける制御例を示す制御ブロック図である。本制御例は、主に２つの制御ループからなる。第１の制御ループ１００は、圧縮空気の圧力を制御し、ロータ２の回転速度の粗調整を行うものである。また、第２の制御ループ２００は、機能性流体１３の粘性を変化させるために用いる印加電界を制御し、ロータ２の回転速度の微調整を行うものである。
【００１６】
第１の制御ループ１００について説明する。圧力制御回路２２は、指令速度値ａと、速度飽和回路３５から入力される検出値ｂの差分を制御値ｃとして入力し、これに応じた制御信号を電磁弁ドライバ２３へ出力する。制御信号を入力した電磁弁ドライバ２３は、電磁弁２４を駆動し、圧縮空気の圧力を調節する。調整された圧縮空気はステータ１が有する圧縮空気導入板４に供給され、ロータ２の回転駆動力となる。圧縮空気圧が高い場合には、ロータ２の回転速度は上がり、圧縮空気圧が低い場合には、ロータ２の回転速度は下がる。これにより、電磁弁２４の開閉を制御しロータ２の回転速度の粗調整を行う。
【００１７】
第２の制御ループ２００について説明する。粘性制御回路２９は、制御値ｆを入力し、機能性流体ドライバ３０に制御信号を出力する。ここで、制御値ｆは、ロータ２の回転速度をエンコーダ３２で検知し、ＰＶ変換機３３を用いて得られた検出値ｅと、圧力制御回路２２から入力される制御値ｄの差分である。粘性制御回路２９から制御信号を入力した機能性流体ドライバ３０は、ステータ１が有する第１の電極１１又は第２の電極１２に電圧を供給し、機能性流体１３の粘性を調整する。印加電界を調整することで、粘性流体の粘度を変化させ、ロータ２に加わる負荷トルクを調整し、ロータ２の回転速度の微調整を行う。
【００１８】
また、２つの制御ループ１００，２００は、速度飽和回路３５によって連動されている。速度飽和回路３５は、制御ループ２００が有する粘性制御回路２９からの制御信号を入力し、制御ループ１００が有する圧力制御回路２２の制御値ｂを出力する。
【００１９】
次に、このように構成された本実施形態に係る空気圧モータの動作について説明する。圧縮空気導入板４の供給口より供給された圧縮空気は、圧縮空気通気孔４aを通過し、リング状の多孔質体４ｂからリング円周方向に均等に流出する。多孔質体４ｂから流出した圧縮空気は、回転駆動板６が有する螺旋溝６ａに沿って空気圧モータ外部に排出する。この圧縮空気排出の反作用により、ロータ２は回転する。例えば、圧縮空気の排出方向が螺旋溝６ａに沿って時計回りであれば、ロータ２は反時計回りに回転する。
【００２０】
ここで、ロータ２の回転速度が指令速度に未達で回転速度が大きいときは以下の動作を行う。はじめに、制御ループ１００が有する圧力制御回路２２は、電磁弁ドライバ２３を駆動して、電磁弁２４を閉じる方向に調整し、ロータ２の回転速度をある速度になるように下げる。次に、制御ループ２００が有する粘性制御回路２９は、機能性流体ドライバ３０を駆動して、第１の電極１１及び第２の電極１２のいずれか一方に電圧を供給し、ロータ２が指令速度になるように微調整を行う。ここで、粘性制御回路２９によって加えることのできる最大負荷トルクを加えても、ロータ２の回転速度が指令速度に達しないときは、粘性制御回路２９から、速度飽和回路３５に信号を出力する。粘性制御回路２９は速度飽和回路３５からの信号を入力し、制御値ｂを出力する。圧力制御回路２２は、指令速度値ａと速度飽和回路３５からの制御値ｂの差分である制御値ｃを入力し、さらに圧縮空気の圧力を下げ、ロータ２の回転速度をある所定の速度にする。その後、さらに粘性制御回路２９を用いて微調整を行う。この動作を繰り返し行い、ロータ２の回転速度が指令速度となるように制御する。
【００２１】
このように構成された本実施形態に係る空気圧モータの効果について説明する。
【００２２】
ステータ１からロータ２へ圧縮空気が移動する過程において、ステータ１が有するリング状の多孔質体４ｂからリング円周方向に均等に圧縮空気を排出し、ロータ２が有する螺旋溝６ａを空気が通過してロータ２が回転する。このため、円周方向に常に均等に空気が流れるため、ロータ２の低速回転時にも回転むらがなく、高精度な回転精度と、等速回転運動を得ることが可能である。また、機能性流体の粘性による負荷トルクは、円板状である第２調整板８が有する環状突起８ｂより円周方向に均等にロータ２に加えることができるため、微調整時においても常に高い回転精度を得ることができる。更に、ステータ１とロータ２の間には、機能性流体を介しているのみであるため、ステータ１とロータ２の接触による摩擦がなく、機能性流体がダンパの役目を果たし、ヒステリシスのない極めて高精度な回転精度及び回転制御を得ることができる。
【００２３】
更に、制御手段において、粗動調整を圧縮空気の圧力を制御することで行い、微動調整を粘性流体の粘性を制御することで行うため、大きな外乱が生じても圧縮空気の圧力を制御し瞬時に指令速度に近づけ、更に、機能性流体の粘性を制御して指令速度に達するまで微調整を行う。これにより、ロータ２の高度な等速回転運動と回転制御を実現することができる。また、機能性流体の温度変動による粘性変化が生じても、ロータ２の回転速度は粘性制御回路２９にフィードバックされているため、再度、圧縮空気の圧力調整と機能性流体の粘性制御を行い、ロータ２の回転速度を指令速度に設定することができる。
【００２４】
更に、本実施形態では、第１の電極１１，第２の電極１２は固定されたステータ１側に設置されているため、ロータ２の回転は、第１の電極１１及び第２の電極１２に接続する配線によって、影響や制約を受けない。
【００２５】
本発明の第２の実施形態における、制御ブロック線図を図５に示す。本制御方法は、第１の制御ループ１００’と第２の制御ループ２００’を有し、指令分配回路３６によって制御ループ１００’，２００’が連動している。
【００２６】
次に、本実施例における空気圧モータの動作について説明する。
【００２７】
指令分配回路３６は、指令速度値ａと温度計３８で検出した温度検出値ｇを入力し、第１の制御ループ１００’が有する圧力制御回路２２に制御値ｈを出力し、第２制御ループ２００’が有する粘性制御回路２９に制御値ｉを出力する。ここで、指令分配回路３６が圧力制御を行う第１の制御ループ１００’に出力する制御値ｈは、図６に示す指令速度値ａと、温度検出値ｇの関係によって得られる。例えば、図６に示す表において指令速度値ａが速度範囲２内にあり、温度検出値ｇが温度範囲Ｃにあるとき、指令分配回路３６は圧力が３ｂになるように、制御値ｈを第１の制御ループ１００’へ出力する。次に、第２の制御ループ２００’が有する粘性制御回路２９が微調整を行いロータ２の回転速度を指令速度に制御する。
【００２８】
次に、このように構成された本実施例の効果について説明する。
【００２９】
例えば、機能性流体の温度変化等により、機能性流体の粘性が急激に変わったときも、指令分配回路３６は、入力する指令速度値ａと温度検出値ｇの関係から、瞬時に圧力制御を行う第１の制御ループ１００’に制御値ｈを出力し、粗調整を行うことができ、更に機能性流体の粘性制御を行う第２の制御ループ２００’によって微調整を行う。これにより、応答速度の速い高精度なロータ２の回転制御を実現することができる。
【００３０】
なお、図６に示した機能性流体１３の温度とロータ２の回転速度の関係は、あらかじめ実験等を行うことにより求めることができる。
【００３１】
本実施形態において、ラジアル軸受け及びスラスト軸受けは、空気軸受けを用いているが、転がり軸受けを用いても、本発明を実施することができる。
【００３２】
本実施形態において、第１の電極１１及び第２の電極１２は、ステータ１が有する環状溝７ｃの内周側側面に設置されているが、第１の電極１１を環状溝の内周側側面または外周側側面のうち少なくとも一方に設置し、これと対向する第２調整板８の環状突起８ｂに第２の電極１２を設置することでも本発明を実施することができる。
【００３３】
本実施形態において、機能性流体には、磁性流体やＥＲ（電気粘性）流体，液晶ＥＲ流体等を用いることで本発明を実施することが可能である。
【００３４】
本実施形態において、制御値の決定には、圧力計２６より検出される圧力検出値を用いているが、流量計を用いて圧縮空気の流量を検出し、この流量検出値を用いて制御値を決定することでも本発明を実施することができる。
【００３５】
本実施形態において、ロータ２の回転速度は、エンコーダ３２及びＰＶ変換機３３を用いて検出しているが、速度計を用いることでロータ２の回転速度を検出することでも、本発明を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る空気圧モータ本体の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’矢視図である。
【図３】同空気圧モータの電極部の構造を示す断面図である。
【図４】同空気圧モータの制御方法を示すブロック図である。
【図５】温度−速度マトリクスである。
【図６】第２の実施形態に係る制御方法を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…ステータ、２…ロータ、３…空気軸受け，４…圧縮空気導入板、６…回転駆動板，７…第１調整板，８…第２調整板、１１，１２…電極、１３…機能性流体、２２…圧力制御回路、２３…電磁弁ドライバ、２４…電磁弁、２６…圧力計、２９…粘性制御回路、３２…エンコーダ、３３…ＰＶ変換機、３５…速度飽和回路、３６…指令分配回路、３８…温度計、５０…空気圧モータ本体、１００，２００…制御ループ。
【図１】
2007016701.tif 000003
【図２】
2007016701.tif 000004
【図３】
2007016701.tif 000005
【図４】
2007016701.tif 000006
【図５】
2007016701.tif 000007
【図６】
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