JPH0628501B2 - ステツプモ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はステツプモータに関し、特に、剛性円形スプラ
インとこれに噛み合う可撓性スプラインとを用いて可撓
性スプラインを楕円形に撓ませるとともにその楕円を回
転させることにより高い減速比を得ることのできる調和
歯車装置を組合せたステツプモータに関する。

従来の技術 調和歯車装置を組込んだステツプモータは、例えば特公
昭４８−１５０４９号公報（昭和４８年５月１１日出願
公告）に開示されている。この公報に記載されたステツ
プモータは、外側の剛性円形スプラインと、この円形ス
プラインの歯に係合する歯を備えた内側の可撓性スプラ
インと、該可撓性スプラインに対して半径方向外側から
磁界を与えこの可撓性スプラインを楕円形に撓ませて円
形スプラインに対して直径方向に対向する２点で係合さ
せる、複数の磁極を備えた磁界発生手段と、該磁界発生
手段の磁極を順次励磁して可撓性スプラインの楕円形状
を回転させ、これにより円形スプラインと可撓性スプラ
インとの間に両スプラインの歯数差に比例した相対回転
を生じさせる励磁手段とを備えている。

このステツプモータは、磁界発生手段の磁極を順次励磁
することによつて可撓性スプラインの楕円を回転させ、
これにより円形スプラインに対して大きな減速比を得る
ので、ステツプモータの分解能が極めて高くなる利点を
有し、しかもその高分解能を得るのに複雑で嵩高い減速
歯車を必要としない利点もあり、従つて小型の高分解能
ステツプモータが極めて簡単な構造で得られる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記のステツプモータにおいては、磁界
発生手段はその磁気吸引力によつてのみ可撓性スプライ
ンを楕円に変形させていたので、その磁気吸引力を強く
せねばならず、また可撓性スプラインに対して磁気抵抗
すなわちリラクタンスを減少させるよう良磁性体でなる
板ばねを裏打ちする必要があつた。この板ばねは可撓性
スプラインに内側にロール状に巻かれ、該スプラインに
対してスポツト溶接等で固着されている。このため、可
撓性スプラインに対してこれを楕円に変形させる際、変
形のために音が発生し、楕円を高速で回転させるとその
音が大きくなつて、モータからの騒音が激しくなる。ま
た、板ばねの変形の際の周方向ずれに対処するため、潤
滑油を供給せねばならず、途絶えると摩擦熱が発生し、
更には摩損してしまうおそれがある。

従つて、本発明の目的は、可撓性スプラインの楕円変形
を磁気吸引力にのみ頼らず、磁気的反撥力を用いて楕円
形に形成し、また、可撓性スプラインに対して裏打ち材
を不要にするステツプモータを提供するにある。

問題点を解決するための手段 かかる目的を達成するため、本発明による、調和歯車装
置付ステツプモータにおいては、可撓性スプラインの歯
に対応する部分に、可撓性の永久磁石片が磁界発生手段
の磁極に対応して取付けられ、可撓性スプラインには何
等の裏打ち材も設けられていない。この永久磁石片は、
希土類コバルト磁石材料を有機バインダで結合したプラ
スチツク磁石であるのが好ましい。このように、磁界発
生手段の磁極に対応して永久磁石を可撓性スプラインに
取付けたことにより、磁気吸引力のみならず、磁気反撥
力を可撓性スプラインに作用させることができ、このた
め楕円の形成及びその回転が精密に且つ容易に行われ
る。また、磁気吸引力も永久磁石のない時に比べはるか
に増大し、磁界発生手段の磁界強度を小さくすることが
でき、これによりモータ全体の寸法を小型化できる。

本発明の好ましい実施例において、磁界発生手段の複数
の磁極が全体として円形の空胴を形成するようにモータ
ハウジングの内側に固定され、この磁界発生手段の内側
に可撓性スプラインがモータハウジングに対して固定さ
れ、該スプラインの、磁極に対面する側に磁極と同数の
永久磁石片が固着されている。可撓性スプラインの内側
には、該スプラインに噛み合う歯を備えた剛性円形スプ
ラインが回転可能に取付けられこの円形スプラインに出
力軸が取付けられる。磁界発生手段の磁極を励磁する
と、可撓性スプラインが楕円に変形させられ、順次他の
磁極を励磁すると、その楕円が回転し、可撓性スプライ
ンの歯と剛性円形スプラインの歯の歯数差に対応した大
減速比の回転が得られる。

実施例 以下本発明の一実施例について図面を参照しながら説明
する。先ず、本発明の実施例の説明に先立つて、調和歯
車装置の原理について一般的な説明をする。第１図に示
すように、調和歯車装置は、剛性の円形スプライン１
と、この円形スプライン１に噛み合う可撓性スプライン
２とを備え、該可撓性スプライン２はウエーブジエネレ
ータ３により楕円形に撓められている。ウエーブジエネ
レータ３は可撓性スプライン２を楕円形に撓めるだけで
なくその楕円形を回転させるものであり、この楕円の回
転の際可撓性スプラインを回転させないようボールベア
リング４を備えている。

可撓性スプライン２は楕円に撓められるため、その歯は
円形スプラインに対し矢印Ａ，Ｂの２点でしか噛み合わ
ない。なお、円形スプライン１の歯数は可撓性スプライ
ンの歯数とは異なつており、例えば円形スプライン１は
可撓性スプライン２の歯より２枚多く形成される。

第２図(a)〜(d)において、ウエーブジエネレータ３を時
計方向に回転させた場合の円形スプライン１と可撓性ス
プライン２との関係が示されている。ウエーブジエネレ
ータ３が第２図(a)の位置にあるとき、円形スプライン
１の１つの歯５は可撓性スプライン２の１つの歯６に噛
み合つている。ウエーブジエネレータ３を第２図(b)に
示すように90゜回転させると、可撓性スプライン２はそ
の楕円形状が回転し、円形スプライン１と可撓性スプラ
イン２の噛み合う位置がウエーブジエネレータ３の長軸
の回転に従つて移動する。第２図(c)に示すように、ウ
エーブジエネレータ３が１８０゜回転すると、歯５と歯
６が再び噛み合うがその位置は歯数１枚分だけ回転方向
とは反対の方向にずれる。そして、第２図(d)に示すよ
うに、ウエーブジエネレータ３が３６０゜回転すると歯
５と歯６とは歯数２枚分だけ回転方向とは反対の方向に
ずれる。このように、噛合い位置が順次ずれる動きを出
力としてとり出せば、大きな減速比を得ることができ
る。

因みに、可撓性スプライン２を固定し、円形スプライン
１に出力軸を設けた場合の速度比Ｒは、可撓性スプライ
ン２の歯数をＺｆ，円形スプラインの歯数をＺｃ（＝Ｚ
ｆ＋２）とすると、 従つて、減速比では、 として得られる。すなわち歯数を多くすることによつて
簡単に大きな減速比を得ることができる。

なお、上記の例では、可撓性スプライン２を剛性円形ス
プライン１の内側に設けたが、勿論可撓性スプライン２
を円形スプライン１の外側に設けることもできる。

次に、かかる調和歯車装置を用いたステツプモータの原
理について説明する。第１図の例では、ウエーブジエネ
レータが可撓性スプラインの形状を楕円に撓ませている
が、ステツプモータでは、このウエーブジエネレータが
磁界発生手段に代る。説明の便宜のため、第３図に、特
公昭４８−１５０４９号公報の第１図を用いて説明す
る。

第３図において、モータハウジング１０の内側に磁界発
生手段となる多数の磁極を備えた電磁石１２が取付けら
れ、この電磁石のコア１４にはそのほぼ中央に剛性円形
スプライン１６が固着されている。この円形スプライン
１６の内側にこれと噛合う筒状の可撓性スプライン１８
が回転可能に且つ各磁極と隙間をあけて配置され、可撓
スプライン１８には軸受２０，２０を介して出力軸２２
が取付けられている。また、可撓性スプライン１８の内
側には、リラクタンス減少用の磁性体で成る板ばね材２
４がロール状に巻回されて固着されている。

作動時、隣接する２つの磁極が１組になつて、直径方向
に対向する２組で励磁されると可撓性スプライン１８が
その２点で磁気吸引され楕円形に変形させられる。次
に、その磁極の組が消磁されるとともに隣りの磁極組が
励磁されると、その楕円形状が回転し始め、この励磁を
次に変えていくことにより楕円が回転し、第１図のウエ
ーブジエネレータを回転したのと同じ効果を得る。すな
わち、磁界発生手段が通常の調和歯車装置のウエーブジ
エネレータの作用をしており、また普通のステツプモー
タと比べると、磁極を１サイクル分励励磁しても先に示
した減速比ｉで出力軸が回転するので、高い分解能で且
つ高いトルクを持つステツプモータとなる。

本発明は、上記した調和歯車装置付ステツプモータを改
良するもので、以下その一実施例を説明する。第４図〜
第６図において、モータハウジング３０には、その内側
に磁界発生手段としての磁極３２が多数（本例では２４
極）全体としてほぼ円形の空胴を形成すように並べて固
着されている。各磁極はコア３４とコイル３６とから成
り、コイル３６にはリード線３８から電流が供給され
る。

磁極群の内側には可撓性スプライン４０が配置され、こ
のスプラインは、その一端縁４２が半径方向外方に延長
していて、いわゆるシルクハツト形状に形成され、端縁
４２でハウジング３０にねじ４４等により固着されてい
る。可撓性スプライン４０は、良好な磁性体で成るのが
好ましく、例えば低炭素鋼が用いられる。この磁性体で
成る部分は、磁極に対応する部分だけであつてもよく、
磁極３２からの磁界の磁気抵抗（リラクタンス）を小さ
くできればよい。

本発明においては、磁極３２に対応する可撓性スプライ
ンの外面には、該磁極に対面して永久磁石片４６が固着
されている。この永久磁石片４６は、磁極３２に対応す
る数だけ、第６図に示すようにＮ極とＳ極とを交互に並
べて取付けられるのが好ましい。また、永久磁石片４６
は可撓性スプラインの楕円変形に対応できるよう、可撓
性の永久磁石材料で成り、好ましくは希土類コバルト磁
石材料を有機バインダで結合したいわゆるプラスチツク
磁石であるのが好ましい。発明者等が使用したものは、
東北金属工業株式会社製のＬＳ−４０，ＬＳ−６０、Ｌ
Ｓ−８０という製品番号のプラスチツク磁石であつた。

可撓性スプライン４０の内側には、該スプライン４０に
噛み合う歯を備えた剛性円形スプライン４８が設けられ
ている。円形スプライン４８は、中空円筒状に形成され
モータハウジング３０に対して軸受５０，５２を介して
回転可能に支持されている。円形スプライン４８の一方
の端縁５４はハイジング３０より突出しており、この部
分にシヤフト等の出力部材（図示せず）を取付けること
ができるようになつている。なお円形スプライン４８の
歯数は、前述のとおり、可撓性スプライン４０の歯数と
は異なつている。

モータハウジング３０は、各部品を組込むために、３つ
の部分から成り、これらが互いにねじ等により固着され
る。しかし、組込みが可能な限り２分割であつても一体
構造であつてもよい。

第７図及び第８図を参照すると、各磁極の結線とその励
磁法が示されている。第７図において、磁極３２は２４
個設けられ、これに対応して可撓性スプライン４０には
２４個の永久磁石片４６が２４個固着されており、永久
磁石片４６は隣接する磁石片に対して反対の極性（正確
には磁極に面する表面での極性）を有するよう並べられ
ている。説明の便宜状、各磁極用リード３８にはａ，ｂ
………ｌなる記号が付され、直径方向に対向するリード
にａ′，ｂ′……ｌ′なる記号が付されている。

第８図において、リードａ及びリードｂ′に矢印方向の
電流を供給すると、図示のような磁路ｍ_１が形成され、
これにより可撓性スプライン４０は矢印６０方向に磁気
吸引される。同様に隣接する磁極を励磁して磁路ｍ_２，
ｍ_３を形成することによつて更にその吸引力を増すこと
ができる。この吸引力は、可撓性スプライン４０のリラ
クタンスを利用するだけでなく、磁石片４６の吸引力
（いわゆるクーロンカ）を利用しているので公知の可変
りラクタンス型式のものに比べはるかに大きい。

他方、リードｋ′，ｌには、第６図に図示の電流が同時
に供給される。これにより磁極３２からは磁石片４６に
反撥する磁界が発生され、これにより矢印６２に示すよ
うに、可撓性スプライン４０を内側に押圧する力すなわ
ち反撥する力が与えられる。このように、リードａ，
ｂ′，ｃ，ｄ′，ｆ′及びリードａ′，ｂ，ｃ′，ｄ，
ｅ′，ｆには可撓性スプライン４０を吸引する方向の磁
界を発生する電流が供給され、リードｇ，ｈ′，ｉ，
ｊ′，ｋ，ｌ′及びリードｇ′，ｈ，ｉ′，ｊ，ｋ′，
ｌには可撓性スプライン４０に反撥する方向の磁界を発
生する電流が供給されると、第７図に示すように可撓性
スプライン４０が楕円形に撓められ、剛性円形スプライ
ン４８に対して、短軸６４上の２点でのみ噛み合うこと
になる。

次に、リードｂ〜ｆ，ｂ′〜ｆ′の電流はそのままにし
て、リードａ，ａ′に逆方向の電流を流すことともにリ
ードｇ，ｇ′の電流も逆方向にすると、吸引磁界と反撥
磁界が１磁極分だけ相回転し、楕円形が１磁極分だけ回
転する。このようにして、その磁極の励磁電流の向きを
順に反転させていくと可撓性スプライン４０が固定され
たままその楕円形状を回転させていき、楕円が一回転す
ると、第１図及び第２図(a)〜(d)で説明したように、剛
性円形スプライン４８を歯数差分だけ回転させることに
なる。以下の表は、上述した励磁法を示している。

上記励磁ステツプの順序を逆にすれば、その回転方向は
逆になる。

なお、上述の例では、全ての磁極を利用したフルステツ
プ駆動であるが、磁極を一つおきに励磁したハーフステ
ツプ駆動にすることもできる。

第９図は直径方向に対向する２つの磁極（例えばａ，
ａ′）を励磁する駆動回路を示しており、この回路は、
例えばコイルａ、コイルａ′の励磁を行う４つのトラン
ジスタＱ_１〜Ｑ_４で成る。吸引方向の励磁においては、
トランジスタＱ_１，Ｑ_４がオンにされ、トランジスタＱ
_２，Ｑ_３がオフにされると実線方向に電流が供給され
て、吸引磁界がコイルａ，ａ′から発生される。逆にト
ランジスタＱ_２，Ｑ_４がオフにされると破線方向に電流
が供給され、コイルａ，ａ′は反撥磁界を形成する。こ
のように、各磁極の励磁も極めて簡単な駆動回路で両極
性すなわちバイポーラ駆動することができる。

このようにバイポーラ駆動することで、ユニポーラ（す
なわち巻線には一方向にしか電流を流さない方式）駆動
した場合の巻線を一対必要とする不利がなくなり、ま
た、それによる巻線への相互誘導による起電力を生じな
いので、高速で高トルクの駆動が可能になる。

なお、上記した実施例に示すステツプモータの出力トル
クを実測したところ、公称値１０Ｎ・ｍを得ることがで
きた。また、上記実施例では、磁極数２４（相数１２）
としているが、最大３２極（１６相）まで可能であるこ
とも確認した。

発明の効果 上記の通り、本発明においては、永久磁石片が可撓性ス
プラインの吸引力だけでなく反撥力をも与えて楕円の形
成に大きな力を発揮し、また吸引時においても可変りラ
クタンスを利用するだけでなく、磁極によるいわゆるク
ーロンカも利用することができるので極めて効率よく小
さな磁界で楕円を形成することができる。従つて、磁界
発生手段も小形になり、モータ全体が小形化できる。

そして、楕円形成の力が強いため、公知のステツプモー
タのように可撓性スプラインに対してリラクタンス減少
用補助部材を一切必要としなくなり、これに伴なう騒音
も一切なくなり、更に該部材に必要とした潤滑の問題も
なくなるので、スプラインの噛み合い部分に乾式潤滑を
施せばよいだけになる。

また、本発明によるステツプモータでは永久磁石を用い
ているので可変リラクタンス方式のステツプモータに比
べ多極にすることができ、このため分解能を高めるとと
もに、トルクを高くすることができる。

更に、可撓性スプラインを外側に配置した場合、楕円形
の回転中心ずれ（いわゆるデドイダル）に対して該スプ
ラインの外側から円形リング等を用いてそのずれを補正
することが極めて簡単に行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知の調和歯車装置の概略正面図、 第２図(a)〜(d)は調和歯車装置の動作説明図、 第３図は公知のステツプモータの一部破断した斜視図、 第４図は本発明によるステツプモータの一部破断した側
面図、 第５図は第４図に示した本発明によるステツプモータの
一部破断した斜視図、 第６図は第４図のステツプモータの可撓性スプラインの
一部破断した斜視図、 第７図は磁界発生手段と両スプラインとの関係をを示す
正面図、 第８図は第７図の一部を拡大し、磁界とその力を示す説
明図、 第９図はコイルを励磁する駆動回路を示す回路図であ
る。 １，１６，４８……円形スプライン、 ２，１８，４０……可撓性スプライン、 ３……ウエーブジエネレータ、 １０，３０……ハウジング、 １２……電磁石、 ２４……板ばね材、 ３２……磁極、 ４６……永久磁石片。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】剛性円形スプラインと、この円形スプライ
   ンの歯に係合する歯を備えた可撓性スプラインと、該可
   撓性スプラインに対して半径方向外側から磁界を与えこ
   の可撓性スプラインを楕円形に撓ませて円形スプライン
   に対して直径方向に対向する２点で係合させる、複数の
   磁極を備えた磁界発生手段と、該磁界発生手段の磁極を
   順次励磁して可撓性スプラインの楕円形状を回転させ、
   これにより円形スプラインと可撓性スプラインとの間に
   両スプラインの歯数差に比例した相対回転を生じさせる
   励磁手段とを備えたステツプモータにおいて、 可撓性スプラインの歯に対応する部分には、可撓性の永
   久磁石片が前記磁界発生手段の磁極に対応して取付けら
   れ、可撓性スプラインの楕円変形を磁気吸引力だけでな
   く反撥力を与えることによつて強化したことを特徴とす
   るステツプモータ。
2. 【請求項２】永久磁石が希土類コバルト磁石材料を有機
   バインダで結合したプラスチツク磁石材料である特許請
   求の範囲第１項記載のステツプモータ。
3. 【請求項３】永久磁石材料が前記磁界発生手段の磁極数
   と同じ数だけ設けられている特許請求の範囲第１項記載
   のステツプモータ。
4. 【請求項４】磁極数が２４個である特許請求の範囲第３
   項記載のステツプモータ。
5. 【請求項５】前記磁界発生手段の磁極はモータハウジン
   グの内側に複数の磁極が全体として円形になるように固
   定されてステータを形成し、このステータの内側に可撓
   性スプラインがモータハウジングに固定されて配置さ
   れ、この可撓性スプラインの内側にモータハウジングに
   対して回転可能に剛性円形スプラインが配置され、該円
   形スプラインに出力軸が取付けられて成る特許請求の範
   囲第１項記載のステツプモータ。
6. 【請求項６】可撓性スプラインがその一方の端縁で半径
   方向外方に延びており、該延長端縁部がハウジングに取
   付けられている特許請求の範囲第５項記載のステツプモ
   ータ。
7. 【請求項７】楕円に形成された可撓性スプラインは、そ
   の長軸部分が磁界発生手段の磁極と永久磁石片との吸引
   力によつて、短軸部分が磁極と磁石との反撥力によつ
   て、それぞれ形成されている特許請求の範囲第５項記載
   のステツプモータ。