(57)【要約】【課題】  出力軸の位置決め精度を向上させることができるアクチュエータシステムを提供する。【解決手段】  本アクチュエータシステムは、入力軸と出力軸を有し当該入力軸から入力された回転を減速して当該出力軸から出力する減速機と、前記入力軸を内部に有するとともに電気的な突極性を有し当該入力軸を回転させるモータと、前記出力軸に設けられ当該出力軸の回転角度を検出するエンコーダと、前記モータへの高周波電圧の印加により当該モータに流れる高周波電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段による検出結果から前記モータのトルクおよび回転速度を推定する推定手段と、を備え、前記エンコーダにより検出された回転角度と前記推定手段により推定されたトルクおよび回転速度をそれぞれフィードバックすることにより前記出力軸の回転制御を行うことを特徴とする。【選択図】図１
2012152067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力軸と出力軸を有し当該入力軸から入力された回転を減速して当該出力軸から出力する減速機と、
前記入力軸を内部に有するとともに電気的な突極性を有し当該入力軸を回転させるモータと、
前記出力軸に設けられ当該出力軸の回転角度を検出するエンコーダと、
前記モータへの高周波電圧の印加により当該モータに流れる高周波電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段による検出結果から前記モータのトルクおよび回転速度を推定する推定手段と、
を備え、
前記エンコーダにより検出された回転角度と前記推定手段により推定されたトルクおよび回転速度をそれぞれフィードバックすることにより前記出力軸の回転制御を行う
ことを特徴とするアクチュエータシステム。
【請求項２】
電気的な突極性を有するモータとして、ロータに永久磁石を埋め込んだ埋込磁石型モータを用いる
ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータシステム。
【請求項３】
コイルが集中巻で巻回された埋込磁石型モータを用いる
ことを特徴とする請求項２記載のアクチュエータシステム。
【請求項４】
前記永久磁石としてフェライト磁石を用いる
ことを特徴とする請求項３記載のアクチュエータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、減速機一体型アクチュエータとして、モータのロータ内部に減速機を備え、モータ制御用エンコーダを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２１８４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の減速機一体型アクチュエータは、減速機出力軸にはエンコーダを有していなかったため、出力軸角度のセンシングができなかった。このため、従来の減速機一体型アクチュエータには、機械構造的に出るガタやヒステリシスによって、出力軸の位置決め精度をダイレクトドライブ並に向上させることができないという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、出力軸の位置決め精度を向上させることができるアクチュエータシステム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】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、入力軸と出力軸を有し当該入力軸から入力された回転を減速して当該出力軸から出力する減速機と、前記入力軸を内部に有するとともに電気的な突極性を有し当該入力軸を回転させるモータと、前記出力軸に設けられ当該出力軸の回転角度を検出するエンコーダと、前記モータへの高周波電圧の印加により当該モータに流れる高周波電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段による検出結果から前記モータのトルクおよび回転速度を推定する推定手段と、を備え、前記エンコーダにより検出された回転角度と前記推定手段により推定されたトルクおよび回転速度をそれぞれフィードバックすることにより前記出力軸の回転制御を行うことを特徴とするアクチュエータシステムが適用される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、出力軸の位置決め精度を向上させることができるアクチュエータシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】アクチュエータの側断面図である。
【図２】アクチュエータシステムの制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。
【００１０】
＜第１実施形態＞
図１は、アクチュエータの側断面図である。アクチュエータ２１は、減速機Ｇ（図２参照）とモータＭ（図２参照）を一体とした減速機一体型のアクチュエータである。減速機Ｇの出力軸１は、負荷側のブラケット２の中央部に設けられた負荷側のベアリング３によって、回転自在に支持されている。リング状部材６は、減速機Ｇの入力軸７を取り囲んで設けられている。
【００１１】
出力軸１側において、入力軸７の外周部にはマグネット８が設けられている。出力軸１側とは反対側において、入力軸７の外周部には波動生成部材９が設けられている。入力軸７は負荷側のベアリング４と反負荷側のベアリング１０によって回転自在に支持されている。
【００１２】
フレーム１１の外周には、エンコーダＥ（図２参照）のコネクタ１２とモータＭのコネクタ１３が設けられている。反負荷側のブラケット１４の中央部には反負荷側のベアリング１０が設けられている。コイル２０がいわゆる集中巻で巻回された電機子コア１５で構成されるステータはフレーム１１の内側に設けられており、マグネット８を含むロータを取り囲んでいる。コイルを巻く方式として集中巻を採用することにより、ステータをコンパクトにすることが可能となっている。
【００１３】
モータリード１６は、コイル２０とコネクタ１３に接続されている。出力軸１のエンコーダヘッド１７はフレーム１１の内側に配置されブラケット２に固定されている。出力軸１のエンコーダスケール１８は、弾性伝動部材５に連結されており、出力軸１および弾性伝動部材５と一体となって回転する。出力軸１のエンコーダリード１９は、エンコーダヘッド１７に接続されている。エンコーダＥは、エンコーダヘッド１７とエンコーダスケール１８とを含んで構成されている。
【００１４】
減速機Ｇは、弾性伝動部材５、リング状部材６、波動生成部材９の３部材からなる波動歯車装置を有するものである。弾性伝動部材５は、ステンレス材のような非磁性材を用い薄肉の円筒部５ａを有するカップ状に形成されている。弾性伝動部材５の一部である円筒部５ａは、モータ電磁部である電機子コア１５とマグネット８との間のギャップ部に配置され、円筒部５ａの外周には複数の歯が形成されている。そして、弾性伝動部材５は減速機Ｇの出力軸１と底部としてのダイヤフラム部５ｂで連結された構成となっている。本実施形態は弾性伝動部材５と減速機Ｇの出力軸１が一体で成型された場合を図示している。入力軸７とマグネット８とからなるロータと、電機子コア１５とコイル２０とからなるステータと、を含んで、モータＭが構成されている。すなわち、モータＭは、入力軸７を内部に有するとともに電気的な突極性を有し入力軸７を回転させるように構成されている。
【００１５】
ここで、減速機Ｇの入力軸７とマグネット８でモータＭの磁気回路の一部を担っており、このモータＭは、センサを用いない回転制御であるセンサレス制御を行うに十分大きな突極比を有している。すなわち、このモータＭは、電気的な突極性を有している。ここで、突極比とは、磁束が通りやすい方向と通りにくい方向のインダクタンスの比のことである。大きな突極比を有するという突極性の点では磁石を内部に埋め込んだ埋込磁石型のロータが望ましい。また、大きな突極比を有するという観点から、埋込磁石型のロータとして、ロータを軸方向から見て磁石をＶ字型に配置したものをＶ字の頂点を軸側に向けた状態で周方向に等間隔に配置して埋め込んだロータを用いると、さらに望ましい。なお、十分大きな突極比を有しているならば表面磁石型のロータを用いても構わない。本実施形態のロータである入力軸７とマグネット８は、表面磁石型の場合のロータを図示している。
【００１６】
リング状部材６は内側に複数の歯が形成されたリング状をしており、反負荷側のブラケット１４にボルトによって締結され固定されている。リング状部材６の歯数は弾性伝動部材５の歯数よりも２枚多くなっている。
【００１７】
波動生成部材９は楕円状のカム部９ａの外周に薄肉のボールベアリングを嵌めた部材で、ボールベアリングの内輪９ｂはカム部９ａに固定され、外輪９ｄはボール９ｃを介して弾性変形する。そして、減速機Ｇの入力軸７は波動生成部材９と結合されている。さらに、入力軸７と一体の波動生成部材９によって楕円状に撓められる弾性伝動部材５とリング状部材６との歯数差で減速され、弾性伝動部材５に固定された出力軸１に伝達される構造となっている。すなわち、減速機Ｇは、入力軸７と出力軸１を有し入力軸７から入力された回転を減速して出力軸１から出力するように構成されている。
【００１８】
減速機Ｇの入力軸７は、駆動ドライバ（図示せず）にて高周波電圧をモータ電圧に重畳することで磁極を検出する方式によるセンサレス駆動で主に駆動される。モータＭに高周波電圧を印加することでモータＭに流れる高周波電流より、インピーダンスの突極性を利用することで磁極位置を検出し、これを基にモータＭのロータの回転速度が推定されモータＭが制御される。なお、重畳する電圧の周波数は入力軸７の駆動に用いられる電流の周波数とは無関係に設定でき、停止時でも磁極検出が可能である。
【００１９】
また、減速機の出力軸１にはエンコーダヘッド１７およびエンコーダスケール１８が配備されている。出力軸１のエンコーダヘッド１７およびエンコーダスケール１８は出力軸の角度検出を行っており、駆動ドライバ側にフィードバックして位置制御を行うシステムとなっている。すなわち、エンコーダＥは、出力軸１に設けられ出力軸１の回転角度Ａを検出する。
【００２０】
図２は、アクチュエータシステムの制御ブロック図を示している。図２において、モータＭには減速機Ｇが一体結合され、モータＭの出力軸（図示せず）にはセンサ類は設けられておらず、モータＭはいわゆるエンコーダレスモータとなっており、減速機の出力軸１（図１参照）にはエンコーダＥが設けられている。
【００２１】
図２において、位置制御器ＰＣ、速度制御器ＶＣ、電流制御器（トルク制御器）ＴＣ、電流検出器Ｄ、モータＭ、減速機Ｇ、およびエンコーダＥは、この順番で、直列に接続されている。ここで、電流検出器Ｄは、モータＭへの高周波電圧の印加によりモータＭに流れる高周波電流を検出する電流検出手段として機能する。また、位置制御器ＰＣ、速度制御器ＶＣ、および電流制御器（トルク制御器）ＴＣにおけるゲインは、それぞれ、ポジションループゲインＫｐ、速度ループゲインＫｖ、および電流ループゲインＫｔである。
【００２２】
いま、ポジション（位置）指令ＰＩが与えられると、ポジション指令ＰＩとエンコーダＥから送られるポジションフィードバック信号ＰＦＢとの差（誤差）が位置制御器ＰＣに与えられる。そして、位置制御器ＰＣの出力とモータ制御用のセンサレスシステムＳＬＳから送られる速度フィードバック信号ＶＦＢとの差（誤差）が速度制御器ＶＣに与えられる。さらに、速度制御器ＶＣの出力とモータ制御装置としてのセンサレスシステムＳＬＳから送られるトルクフィードバック信号ＴＦＢとの差が電流制御器ＴＣへ送られる。これによってモータＭに所定の電流が供給される。
【００２３】
なお、トルクフィードバック信号ＴＦＢは、センサレスシステムＳＬＳ内の磁極検出を利用することによって得られる。また、センサレスシステムＳＬＳは、電流検出手段としての電流検出器Ｄによる検出結果からモータＭのトルクＴおよび回転速度Ｖを推定する推定手段として機能する。
【００２４】
図１に示すアクチュエータ２１を用いた、図２に示すアクチュエータシステムは、エンコーダＥにより検出された回転角度Ａと推定手段としてのセンサレスシステムＳＬＳにより推定されたトルクＴＦＢおよび回転速度ＶＦＢをそれぞれフィードバックすることにより出力軸１の回転制御を行う。
【００２５】
本発明の特徴的な部分の一つは、減速機の入力軸ではなく出力軸にエンコーダが設けられ、その出力軸のエンコーダの信号により、コンパクトな構成でポジションフィードバックのフルクローズドループを備えている点である。
【００２６】
以上、本発明の実施形態によれば、減速機の出力軸の回転角にて、位置ループのフルクローズドループを備えたアクチュエータシステムにすることができ、減速機のガタ、ヒステリシスを制御補正することができるという効果がある。したがって、本発明の実施形態によれば、出力軸の位置決め精度を向上させることができるアクチュエータおよびアクチュエータシステムを提供することができる。また、モータのロータの回転を検出するためのエンコーダなどを備えていないので、アクチュエータの小型化や軽量化や低コスト化をも実現することができる。さらに、小形ながら大トルクを出力できる。このような効果を奏するので、本発明の実施形態に係るアクチュエータは、ダイレクトドライブの置き換えとして適用できる。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない。
【００２８】
例えば、コイルが集中巻で巻回された埋込磁石型モータであれば、永久磁石としてフェライト磁石を用いても大トルクを出力できるため、ネオジム磁石などのレアアースを使用しないので望ましい。
１：出力軸
２：ブラケット
３：ベアリング
４：ベアリング
５：弾性伝動部材
６：リング状部材
７：入力軸
８：マグネット
９：波動生成部材
１０：ベアリング
１１：フレーム
１２：コネクタ
１３：コネクタ
１４：ブラケット
１５：電機子コア
１６：モータリード
１７：エンコーダヘッド
１８：エンコーダスケール
１９：エンコーダリード
２０：コイル
２１：アクチュエータ
【図１】
2012152067.tif 000003
【図２】
2012152067.tif 000004