JPH10136630A

JPH10136630A - ダイレクトドライブシステム

Info

Publication number: JPH10136630A
Application number: JP29983396A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Sakamoto; 正文坂本
Original assignee: Japan Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1996-10-25
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、複写機等の転写ドラムを簡単な構
成で減速装置や速度検出及び制御装置を使用せずに直接
駆動できるダイレクトドライブシステムの実現を目的と
する。【解決手段】本発明に成るダイレクトドライブシステム
は、固定子に複数の３相巻線を備えた複合式３相スツテ
ッピングモータで基本ステップ角が０．３度以下のモー
タを転写ドラムに直接連結して駆動するようにすること
で解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイレクトドライ
ブシステムに係り、特に複写機等の回転ドラムを電動機
により減速機構を介すことなく回転駆動するシステムの
改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より実施されている複写機（以下Ｐ
ＰＣと称す）やレーザービームプリンタ（以下ＬＢＰと
称す）等の転写ロール（転写ドラム）を回転させる速度
は約６０ＲＰＭ程度の速度が実用されており、約１００
０ＲＰＭの電動機の回転を減速装置を介して転写ロール
を回転させるシステムが長く実用されていたが、減速装
置のバックラッシュ等が原因となり転写ロールの回転ム
ラが発生し転写画質が低下するという問題があり、この
問題を解決する手段として電動機の回転を減速装置を介
せず直接転写ロールに伝達するダイレクトドライブシス
テムが開発され実用化の段階まで来ている。

【０００３】このダイレクトドライブシステムの一例と
して特開平２ー２０８６６８号、特開平４ー２３５５７
３号等が開示されている。前記特開平２ー２０８６６８
号は、電子写真感光体ドラム（転写ドラム）を所定方向
に回転する方法であって、原動機としてフラットモータ
を用いて、サーボ機構により前記電子写真感光ドラムの
回転速度を制御する事を特徴としている。又、特開平４
ー２３５５７３号は、ＬＢＰの転写ドラムの駆動方法で
あって、原動機としてエンコーダを備えたブラシレスモ
ータを使用し、エンコーダの出力信号によりブラシレス
モータの速度を制御することを特徴としている。上記の
２例の他にもステッピングモータにエンコーダを設けて
該エンコーダの出力信号により回転速度を制御する方法
があるが、どの方法もモータ軸の回転を検出してモータ
の回転を制御する手段を備えているので構成が複雑で高
価となるという問題がある。

【０００４】一方、簡単な構成としてエンコーダを備え
ないステッピングモータを直接転写ドラムに結合して駆
動するダイレクトドライブシステムが検討されており速
度制御の手段が不要であるという有利な構成であるが、
従来より転写ドラムの駆動用として実現されているステ
ッピングモータはその基本のステップ角が０．６度のも
のがあつた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】

【０００６】ＰＰＣやＬＢＰの転写ドラムの回転速度は
６０ＲＰＭで回転しその回転精度は画質を良好に保つた
めには回転変動が０．２％ＰーＰ以下となるようするこ
とが要望されている。このような回転変動の少ないダイ
レクトドライブシステムを簡単な構成で実現するのが本
発明が解決しようとする課題である。

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、転写ドラムを駆動する電動機として基本ス
テップ角が０．３度以下のステッピングモータを使用す
ることにより解決する。

【０００７】図２は複写ドラムを駆動するのに適する３
相ＨＢ型ステッピングモータで基本ステップ角が０．６
度のものと、１台のモータの固定子に３相巻線を２組有
しているダブル３相式ステッピングモータで基本ステッ
プ角が０．３度のものとの回転速度と回転変動の関係を
示す図面である。

【０００８】ステッピングモータの基本ステッ角θsは
固定子巻線の相数Ｐと回転子の歯数をＮrとすると、θs
＝１８０°／Ｐ＊Ｎｒ（度）と表せる。ここで図２に示
される３相ステッピングモータで基本ステップ角が０．
６度のもの（以降番号１のモータと称する）と、１台の
モータの固定子に３相巻線を２組有しているダブル３相
式ステッピングモータで基本ステップ角が０．３度のも
の（以降番号２のモータと称する）、は両者の回転子の
歯数Ｎrは共に１００である。番号１のモータの固定子
巻線の相数Ｐは３であるからθs1＝１８０／３＊１００
＝０．６（度）であり、番号２のモータ固定子巻線の相
数Ｐは６であるからθs2＝１８０／６＊１００＝０．３
（度）となる。次にステッピングモータの回転速度Ｎ
は、Ｎ＝θs＊Ｐu＊６０／３６０（ＲＰＭ）と表すこと
ができる。ここでＰuは１秒間の駆動パルス数である。
そしてステッピングモータによる駆動系の速度変動ΔＮ
は ΔＮ＝ΔＴ／ω＊n＊J と表すことができる。ここ
で、ω＝回転角速度（rad/sec），n＝トルクリップル数
／回転でステッピングモータの場合は分解能で表し１回
転のステップ数で３６０／θsと表される。ΔＴはトル
ク変動幅であり固定子巻線の相数が多くなると小さくな
る。又、Jは負荷装置の慣性モーメントである。上記の
ような条件で複写ドラムにステッピングモータを直接結
合して駆動するダイレクトドライブシステムにおいて
は、複写ドラムの慣性モーメントJと角速度ωが与えら
れた時に、ｎが大きく（ステップ角が小さく）、固定子
巻線の相数を多くしてΔＴの小さいステッピングモータ
選定するのが良いとの結論になるのであるが、図２は前
記番号１のモータと番号２のモータの代表的なモータに
ついてある負荷装置Jを連結して駆動パルス数Ｐuを変え
て回転させた時の回転速度Ｎを横軸に回転変動ΔＮを縦
軸に示したデータである。図２のデータにより番号１の
モータ（固定子巻線が３相で基本ステップ角が０．６
度）ではＮ＝１９５ＲＰＭ以上の回転においては回転変
動が０．２％を実現できるが６０ＲＰＭにおいては計測
不能となる程度に回転変動が大きいのに対し、番号２の
モータ（ダブル３相巻線を有する基本ステップ角が０．
３度）ではＮ＝６０ＲＰＭで回転変動が０．２％を実現
できるのが分かる。

【０００９】

【発明の実施の形態】上記で説明した回転変動の少ない
ΔＴの小さなステッピングモータを安価に提供するには
複合形３相ＨＢ型ステッピングモータが適する。例え
ば、ΔＴを小さくするために６相ＨＢ型ステッピングモ
ータも採用可能でるが、６相の場合は駆動回路のスイッ
チングトランジスタ（以下Ｔｒと称す）が２４個必要で
あるがダブル３相の場合は１２個（３相回路のＴｒの数
６の２倍）で良い。図３は複合形３相ステッピングモー
タの要部断面図で、図においては１組の３相巻線だけし
か記載されていないが、１組の３相巻線が２組でああれ
ばダブル３相式、３組であればトリプル３相式、となり
簡単に複合形のステッピングモータを構成できる。な
を、回転子の構成は従来より実施されているＨＢ型と同
じ構成で２組の外周面に極歯を設けた回転子磁極の間に
軸方向に磁化された永久磁石を挟持した構成である。

【００１０】上記の条件を満たすステッピングモータの
第１の実施例としてインナロータ型ダブル３相巻線を備
えたＨＢ型ステッピングモータの例について図４，図５
により説明する。図４，図５において、Ｓは固定子で、
この固定子Ｓは固定子鉄心１、固定子巻線２（図４では
図示を省略してある。）より成る。Ｒは回転子で、これ
は同図に示すように、回転子磁極３Ａ、３Ｂ、と、これ
らの磁極３Ａ，３Ｂに挟持された永久磁石４（図１では
図示を省略してある。）及び回転子軸５より成る。図４
に示すように、固定子Ｓは、１２個の固定主磁極（以下
単に主磁極という）Ａ1、Ｂ1、Ｃ1、Ｄ1、Ｅ1、Ｆ1、Ａ
2、Ｂ2、Ｃ2、Ｄ2、Ｅ2、Ｆ2より成り、従来技術と同じ
ようにステップ角度を小さくするためには各主磁極の各
先端に複数の極歯を形成するのが望ましい。１２個の主
磁極の内、相互に対向する主磁極、即ち、主磁極Ａ1と
Ａ2、Ｄ1とＤ2、・・・・・Ｆ1とＦ2が点対称となって
おり、これらの点対称の２個の各主磁極に対して、相巻
線を同極となるように巻くのが望ましい。また、各主磁
極Ａ1、Ｂ1、Ｃ1、及びＡ2、Ｂ2、Ｃ2は夫々、隣接する
主磁極間を３０度でＡ1とＡ2、Ｂ1とＢ2、Ｃ1とＣ2で１
相ずつ計３相となるように配置されている。これは残り
の主磁極Ｄ1、Ｅ1、Ｆ1、及びＤ2、Ｅ2、Ｆ2についても
同様である。しかし前者の６個の主磁極群に対し後者の
６個の主磁極群はα度（機械角）だけ前者にその中間位
置より偏角させて配置してあり、その配置は図４のよう
になっている。上記のような固定子Ｓに対し回転子Ｒの
歯数Ｎｒを１００個とし、前記固定子の２つの主磁極群
の間の偏角αをα＝（３０／Ｎｒ）＝０．３度とすると
基本ステップ角θsはθs＝１８０／（６＊１００）＝
０．３度のステッピングモータとなる。

【００１１】次に図４、図５に示されるステッピングモ
ータの固定子の１２個の主磁極Ａ1〜Ｆ2に装着する固定
子巻線２の具体的な結線方式例を図６により説明する。
同図において、２ａ1、２ｂ1、２ｃ1、２ａ2、２ｂ2、
２ｃ2、及び２ｄ1、２ｅ1、２ｆ1、２ｄ2、２ｅ2、２ｆ
2は夫々図４における主磁極Ａ1、Ｂ1、Ｃ1、Ａ2、Ｂ2、
Ｃ2及びＤ1、Ｅ1、Ｆ1、Ｄ2、Ｅ2、Ｆ2に対して装着さ
れる固定子巻線で、これらの各巻線は、図６に示すよう
に夫々巻終わり同士を接続した２重デルタ結線となって
いる。なお、固定子巻線２ａ1、２ａ2、の巻終わり、２
ｂ1、２ｂ2の巻終わり、２ｃ1、２ｃ2の巻終わりを接
続した、いわゆるスター結線方式とした場合でも、駆動
回路に使用するスイッチングトランジスタは１２個で駆
動できる。

【００１２】図７は上記の図４、図５に示す第１の実施
例のステッピングモータの固定子巻線に印加する励磁電
圧を示すもので、同図において、Ｖa〜Ｖfは図６の入力
端子a〜fに印加する励磁電圧の波形である。Ｖa〜Ｖfの
副字である小文字a〜fと入力端子ａ〜ｆと一致させてあ
る。同図に示すようにａ、ｂ、ｃの各端子及びｄ、ｅ、
ｆの各々に印加される励磁電圧は６０度の位相差の電圧
となっており、この結果、入力端子ａ、ｂ、ｃ群と入力
端子ｄ、ｅ、ｆ群間の位相差角をδとするとδは３０度
の位相差の電圧が印加されるようにすることが望まし
い。

【００１３】本発明に使用されるステッピングモータの
第１の実施例の動作原理は、図７において、Ａ、Ｂ、Ｃ
相は各々Ｖa、Ｖb、Ｖcの励磁電圧が印加されて３相の
ステッピングモータとして動作可能であるが、そのＡ相
とＢ相の間にＶdによりＤ相が、Ｂ相とＣ相のの間にＶe
によりＥ相が、Ｃ相とＡ相の間にＶfによりＦ相が励磁
されるため各々の中間のＤ、Ｅ、Ｆ相で回転子が停止で
きるため分解能が３相の２倍となることがダブル３相方
式の原理である。

【００１４】次に本発明に使用されるステッピングモー
タの第２の実施例としてアウターロータ式の複合形３相
ステッピングモータについて図８〜図１０により説明す
る。アウターロータ式とするメリットは、前述のステッ
プ角の式θs＝１８０／Ｐ＊Ｎrにおいて回転子磁極の歯
数Ｎrをインナーロータ式より多くすることが容易であ
るからθsを小さくできる。従って回転子の外径を大き
くすることができればダブル３相式とすることなくθs
＝０．３度を実現できる。図８はアウターロータ式３相
ステッピングモータの概略構造を示す図で同図（Ａ）は
縦断面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）のＹーＹ’線におけ
る断面図である。同図（Ａ）において、６Ａ及び６Ｂは
第１及び第２の固定子で、これらの固定子６Ａ、６Ｂは
軸方向の幅、直径も同一の左右対称となる大きさに形成
し、中間に永久磁石７を挟持することで複合化された固
定子が構成される。８は固定子６Ａ、６Ｂに対する励磁
巻線、９は回転子である。回転子９は固定子６Ａ、６Ｂ
の外側に配置される回転子部９Ａ、９Ｂより成り、この
回転子９は図８（Ｂ）に示すように、その内周に均等ピ
ッチの極歯を持ち、軸方向では、同図（Ａ）に示すよう
に、その厚みのほぼ１／２で極歯ピッチの１／２ピッ
チ、円周方向にずらして配置するのが望ましい。固定子
は図８（Ｂ）に示すように固定子磁極は１２極で、同図
（Ａ）で示す第１、第２の各固定子６Ａ、６Ｂで挟持さ
れる永久磁石７はこれらの固定子６Ａ、６Ｂの鉄心形状
とほぼ同形状に形成され、この永久磁石７は図示してい
ない回転軸の方向にＮ、Ｓの２極に磁化される。図８
（Ａ）において、例えば固定子６ＢがＳ極で、固定子６
ＡがＮ極となる状態で、励磁巻線８に直流励磁電流を流
すと、永久磁石７の両側のどちらかの固定子が強められ
（永久磁石７と励磁巻線８による磁束が同一方向）、他
方の固定子が弱められる（永久磁石７と励磁巻線８によ
る磁束が逆方向）。この結果、強められた固定子磁極の
Ｎ極から磁性体より成り内周に多数の極歯を持った回転
子９に空隙を通して磁束が入り、別の強められた固定子
磁極のＳ極に、その磁束が流入して磁路を形成し、トル
クを発生させる。

【００１５】図８（Ｂ）に示す構造は、１２極の固定子
磁極の内、互いに１８０度の位置にある１対の各磁極
（例えば、磁極Ａ1とＡ2）は点対称であり、この点対称
の磁極に巻かれた巻線を接続して１相を形成する。そし
てＡ相、Ｂ相、Ｃ相の各固定子磁極で１組の３相巻線
を、Ａ’相、Ｂ’相、Ｃ’相の各固定子磁極でもう一つ
の３相巻線を形成する。即ち、具体的にいえば、固定子
磁極Ａ1とＡ2でＡ相を、固定子磁極Ｂ1とＢ2でＢ相を、
固定子磁極Ｃ1とＣ2でＣ相を夫々形成し、これらで一組
の３相巻線を形成する。同様に固定子磁極Ａ1’とＡ2’
でＡ’相を、固定子磁極Ｂ1’とＢ2’でＢ’相を、Ｃ
1’とＣ2’でＣ’相を夫々形成して、これらでもう一組
の３相巻線を形成している。即ち、１２極の各磁極の内
の１個おきの６個の磁極で一組の３相巻線を、残りの６
極でもう一組の３相巻線を形成した複合形３相であり、
この場合、１台のステッピングモータに二組の３相巻線
を有している。このとき、磁極Ａ1とＡ1’の極歯の互い
に同位置で成す角度は（３０ーθs）、磁極Ａ1’とＢ1
の成す角度は（３０＋θs）に、以下（３０ーθs）と
（３０＋θs）の角度を交互に繰り返すように設けてあ
る。ここで、θs＝３０／Ｎr又は（３０／Ｎr）の整数
倍の値である。

【００１６】この複合形３相ステッピングモータを駆動
するには図９に示すように２個の３相駆動回路Ｄ、Ｄ’
を使用し、３相駆動回路Ｄの出力は巻線Ａ相、Ｂ相、Ｃ
相に接続され、３相駆動回路Ｄ’の出力は巻線Ａ’相、
Ｂ’相、Ｃ’相に夫々接続されている。３相駆動回路
Ｄ、Ｄ’の構成は図１２に示すように６個のトランジス
タＴr1〜Ｔr6を接続しその出力を３相巻線に接続してあ
る。そして６個のトランジスタを駆動するトリガーパル
スは図９に示すように駆動回路Ｄに対してはＰ1、Ｐ2
が、又、駆動回路Ｄ’に対してはＰ1’、Ｐ2’と入力さ
れ、Ｐ1’はＰ1とＰ2の中間に、又、Ｐ2’はＰ2とＰ3
（図示いていない）の中間においてトリガーするように
位相設定するのが望ましい。なお、必ずしも中間でなく
ともトリガーパルスＰとＰ’は交互にトリガーパルスが
くるようにしても動作可能である。

【００１７】図８に示すこの複合形３相ステッピングモ
ータを図９に示した２つの３相駆動回路ＤとＤ’で駆動
すると、図８より分かるようにＡ、Ｂ、Ｃ相より成る一
組の３相モータとＡ’、Ｂ’、Ｃ’より成るもう一組の
３相モータでは、互いにその磁極位置はθsずれるので
θs＝３０／Ｎrとなるように選べば、このθsがＡ相か
らＡ’相へ切り替えるときのステップ角となり、一方の
駆動回路だけで駆動した３相の場合の１／２となる。こ
の相切り替えをＡ、Ｂ、Ｃ相とＡ’、Ｂ’、Ｃ’相を交
互繰り返すことでステップ角がθs＝３０／Ｎrで回転す
ることになる。

【００１８】なお図９に示した２つの３相駆動回路を有
する回路は図８に示した第２の実施例のモータのみなら
ず図４に示した第１の実施例のインナーロータ形ダブル
３相ステッピングモータにも適用して、所定のステップ
角で動作させることができる。

【００１９】上記で説明した複合形３相ステッピングモ
ータは第１の実施例、第２の実施例共に回転子の極歯の
数Ｎrを１００個設けるとステップ角θs＝３０／１００
で０．３度となるから本発明の課題の解決する手段であ
る基本ステップ角が０．３度のステッピングモータとし
て適するモータである。

【発明の効果】本発明になるダイレクトドライブシステ
ムは、上記のような構成であるから転写ドラムにエンコ
ーダ等の回転検出手段を備えない複合形３相ステッピン
グモータを直接連結して駆動するシステムであり簡単で
回転変動が０．２％の高精度のシステムを安価に提供で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に成るダイレクトドライブシステ
ムの構成略図である。

【図２】図２は本発明に成るダイレクトドライブシステ
ムに適するステッピングモータ特性比較図である。

【図３】図３は本発明に成るダイレクトドライブシステ
ムに適する複合３相ステッピングモータの概略の構成図
である。

【図４】本発明に成るダイレクトドライブシステムに適
する第１のモータであるインナーロータ形のダブル３相
ステッピッングモータの構成略図である。

【図５】本発明に成るダイレクトドライブシステムに適
する第１のモータであるインナーロータ形のダブル３相
ステッピングモータの断面略図である

【図６】本発明に成るダイレクトドライブシステムに適
する第１のモータであるダブル３相ステッピングモータ
の巻線の接続図である。

【図７】本発明に成るダイレクトドライブシステムに適
するダブル３相ステッピングモータの駆動するときの各
相の電圧波形図である。

【図８】本発明に成るダイレクトドライブシステムに適
する第２のモータであるアウターロータ形３相ステッピ
ングモータの構成略図である。

【図９】本発明に成るダイレクトドライブシステムに適
する複合３相ステッピングモータの駆動回路の概略図で
ある。

【図１０】本発明に成るダイレクトドライブシステムに
適する複合３相ステッピングモータの駆動回路の接続図
である。

【符号の説明】

１固定子鉄心２固定子巻線３Ａ、３Ｂ回転子磁極４永久磁石５回転軸６Ａ、６Ｂ固定子７永久磁石８固定子巻線９回転子Ａ1〜Ｆ2 固定子主磁極Ａ1，Ａ2、一組の固定子磁極Ｂ1、Ｂ2 同Ｃ1、Ｃ2 同Ａ1’Ａ2’ 他の組の固定子磁極Ｂ1’Ｂ2’ 同Ｃ1’Ｃ2’ 同Ｄ、Ｄ’ ３相駆動回路１０転写ドラム２０複合形３相ステッピングモータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複写機等の回転ドラムを原動機で直接駆
動するダイレクトドライブシステムにおいて、基本ステ
ップ角が０．３度以下のステッピングモータを原動機と
して使用する事、を特徴とするダイレクトドライブシス
テム。
【請求項２】原動機として使用するステッピングモー
タは、ハイブリッド型ステッピングモータであってその
巻線の相数が３相、又は３相巻線をｎ個、回転軸と垂直
で円周方向に分布させて配置した構造のものであるこ
と、を特徴とする請求項１に記載のダイレクトドライブ
システム。
【請求項３】原動機として使用するステッピングモー
タは、ハイブリッド型ステッピングモータであってその
巻線の相数が３相、又は３相巻線をｎ個、回転軸と垂直
で円周方向に分布させて配置し、該巻線に通電制御回路
により基本ステップ角が０．３度以下の回転角となるよ
うに通電するようにしたことを特徴とするダイレクトド
ライブシステム。