JPS6022477A - ステツプモ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明はステップモータ、詳しくは、パルス信号に応
答してひずみを生じるひずみ素子の変形を回転運動に変
換して出力軸を回転するステップモータに関する。

（従来技術） ステップモータは、周知のように、入力するパルス信号
に対応して出力軸が一定角度ずつ回転するもので、デジ
タル制御による被制御体の位置決め等を行うための駆動
源として用いられる。このようなステップモータとして
は、従来、マグネットコイルを使用したものが知られて
おり、この種のステップモータは、複数個の固定子巻線
と、該固定子巻線に対応した凸極形の回転子とを有し、
固定子巻線に順次パルス信号を入力することで回転する
。

しかしながら、上述のマグネットコイルを用いるステッ
プモータは、固定子巻線への通電に際して銅損、鉄ｍが
生じ、効率が低くなるとともに発熱が生じるという不具
合がある。さらに、固定子巻線はインダクタンスを有す
るため、その応答速度が低いという欠点があ−３た。

（発明の目的および構成） この発明は、上述の欠点を鑑みてなされたもので、効率
の向」−とともに応答速度を向上させるため、パルス信
号に応答し°ζ変形を生じるひずみ素子と、該ひずみ素
子および出力軸に係合してひずみ素子の変形を回転運動
に変換して出力軸へ伝達する変形回転変換手段と、を備
え、パルス信号に応答して出力軸が所定角度ずつ回転す
るステップモー−夕を提供するものである。

この発明にかかるステップモータは、圧電素子等のひず
み素子にパルスｆｌ’１号を入力することでひずめ素子
に一次元的な変形を生じさせ、このひずみ素子の変形を
変形回転変換手段により回転運動に変換して出力軸に伝
達し、出力軸が回転する。したがって、従来のソレノイ
ドを用いたステップモータのように、銅損あるいは鉄損
が生じることは無く、さらに、ひずみ素子にインダクタ
ンスが無いため、その応答性も向上するものである。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図から第３図は、この発明の一実施例を示す図であ
る。

まず、構成を説明すると、１１は全体としてのステップ
モータを示し、このステップモータ１１は、６本のピン
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆによ
り結合された２つの環状板１３ａ、１３ｂから成るハウ
ジング１３を有している。各ピン１２ａ、１２ｂ、１２
ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆは、各環状板１３ａ、１３
ｂに嵌着した小径部および小径部の間の大径部から成り
、大径部を環状板１３ａ、１３ｂの間に介装して環状板
１３ａ、１３ｂの間を所定間隔にかつ環状板１３ａ、１
３ｂを略平行に保持している。これらの環状板１３ａ、
１３ｂには出力軸１４がヘアリング１４ａ、１４ｂを介
して回転自在に貫通し、また、ＩＮ　１ｅＦｉ　１３　
ａ、１３ｂの間には３つの第１、第２および第３変形発
生器１５ａ、１５ｂ、１５Ｃが出力軸１４を中心に等間
隔（１２０ｄｅｇ間隔）で配設されている。

各変形発生器１５ａ、＋５ｂ、１５ｃは、ひずみ素子と
して電圧を印加されると伸長変形を生じる周知の圧電素
子を利用したもので、それぞれが、後述する駆動装置へ
接続された圧電素子１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、該圧電
素子１６ａ、　’１６ｂ、　１６Ｃの変形を拡大する変
形拡大器１７ａ、　１７ｂ、　ＩＴＣと、を備えている
。なお、各変形発生器１５ａ、１５ｂ、１５ｃは同一構
成であるため、以下の説明においては、第１変形拡大器
１５ａのみを説明し、他の第２、第３変形発生器１５ｂ
、１５Ｃの同一部分には同一番号に符号す、ｃを付して
区別し説明は省略する。

変形拡大器１７ａは、第１圧電素子１６ａを収納する収
納孔１８ａが形成された枠体１９ａから成り、この枠体
１９ａに、基部２０ａ、一対の腕部２１ａ、２２ａおよ
び伸長部２３ａが設定されている。

基部２０ａには貫通孔２４ａが形成され、該貫通孔２４
ａに前記ピン１２ａを回転可能に貫通させて基部２０ａ
すなわち枠体１９ａがハウジング１３へ揺動可能に支持
される。腕部２１ａ、２２ａは、それぞれが、一端部を
基部２０ａに回動自在なように薄肉の低剛性部によって
結合するとともに他端部な伸長部２３ａの両端部へ回動
可能なように薄肉の低剛性部によって結合して、圧電素
子１６ａの伸縮変形にともない基部２０ａとの結合部を
中心に回動する。伸長部２３ａは、その略中央部に後述
する内歯歯車に係合する屈曲変形可能な低剛性部２５ａ
が形成されて、該低剛性部２５ａの変形により伸長可能
である。なお、伸長部２３ａの低剛性部２５ａは、伸長
部２３ａと腕部２１　ａ　％　２２　ａとの結合部を結
ぶ仮想直線より半径方向外方に位置する。

この第１変形発生′ｌＡ１５ａは、圧電素子１６ａに駆
動パルス電圧が入力して圧電素子１６ａが伸長変形を生
じると、該圧電素子１６ａの変形とともに各腕部２１ａ
、２２ａが基部２０ａとの結合部を中心として互いに離
間′４る方向に回動するため、伸長部２３ａが低剛性部
かａを変形させつつ伸長し、この時、低剛性部２５ａが
内歯歯車を半径・方向内方へ図中矢印Ａ、で示すように
押圧するものである。

なお、枠体１９ａおよび圧電素子１６ａはその揺動時に
環状板１３ａ、１；（ｂの内側面に摺動しないよう、そ
の厚みを環状板１３ａ、１３Ｉ）間の距離より若干小さ
くしである。また、ピン１２ａの大径部の両端部であっ
て枠体１９ａと環状板１３８．１３ｂとの隙間部には、
薄円板状のスラストベアリングを設＆Ｊるのが好ましい
。

２６は夕１周部が（ｊつの第１．第２、第３、第４、第
５および第（１角部ｔＩ　％　ｔ２　、Ｌ３　、ｔ−４
、Ｌ５、ＬＧを有した六角形状に形成されるとともに内
周部に内歯が形成された内歯歯車、２７は外周部に内歯
歯車２６の内歯と噛合する外歯が形成されて出力軸１４
に同軸かつ一体的に設けられた外歯歯車であり、これら
内歯歯車２６および外歯歯車２７はその回転中心が偏心
している。内歯歯車２６の歯数は外歯歯車２７の歯数よ
り１以上多く形成されている。内歯歯車妬は、その外周
部に形成された第１、第３、第５角部１．．１．、ｔ、
が各変形発生器１５ａ、１５ｂ、１５Ｃへ係合して、該
変形発生器１５ａ、１５ｂ、１５ｃが所定の順序で作動
することにより各角部１．．１３．１５を押圧されて公
転し、外歯歯車２７すなわち出力軸１４を回転させる。

すなわち、内歯歯車２６および外歯歯車２７は遊星歯車
減速機を構成する。また、これら内歯歯車２６および外
歯歯車２７が、変形回転変換手段２８を構成する。

駆動装置２９は、第２図に示すように、図外の制御装置
から指令パルス信号Ｃが入力する分配回路３０と、線分
配回路３０に接続して第１変形発生器１５ａへ駆動パル
ス電圧Ｐ　ａを出力する第１電圧増幅回！ｊ！ｔ３１ａ
と、分配回路３０に接続して第２変形発生器＋５　ｂ　
−・駆動パルス電圧ｐｂを出力する第２電圧増幅回路３
１ｂと、分配器Ｔｊ１１３０に接続して第３変形発生器
１５　ｃへ駆動パルス電圧ｐｃを出力する８８３電圧増
幅回路３１ｃと、図外の交流電源に接続して分配回路３
０および第１１第２、第３電圧増幅回路３１ａ、３１ｂ
、３１ｃへ電力を供給する電源回路３２と、を有してい
る。分配回路３０は、指令パルス信号Ｃに同期して各電
圧増幅回１ｍ３１　ａ　、　３１　ｂ、　３１　ｃの駆
動パルス電圧Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃを所定の関係の位相に保
持するもので、例えば、駆動パルス電圧Ｐａ、ｐｂ。

Ｐｃは第３図ａに示すような位相を有する。すなわち、
各駆動パルス電圧Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃは、例えばパルス振
ｌ１ｔｉｉＡが１，０００　Ｖ程度に設定されて、デユ
ーチィップフタＤが５０％を有し、各駆動パルス電圧Ｐ
ａ、Ｐｂ、Ｐｃの位相差は６０ｄｅＨである。

次に作用を説明する。

この発明にかかるステンプモータ１１においては、前述
のように、圧電素子１６　ａ　、　１６　ｂ　、　１６
Ｃは駆動装置２９から駆動パルス電圧Ｐａ、ｐｂ、Ｐｃ
を印加されると変形して内歯歯車２６の第１、第３およ
び第５角部１．．１３．１．を押圧する。一方、駆動パ
ルス電圧Ｐ　ａ　％　Ｐ　ｂ　１Ｐ　ｃはお互いが第３
図ａに示すような関係（位相）を有しているため、内歯
歯車あは、その角部１．、ｔ２、ｔ３、ｔ−４、ｔ５、
ｔ、に第１図ａ中の矢印で示すような力Ａ　ｌ　、Ａ２
　、Ａ３　、Ａ−４、Ａ５、Ａｇを順次加えられて、公
転する。すなわち、内歯歯車２６は、ハウジング１３に
対して揺動自在に支持され、また、第１変形発生器１５
ｂにより第１角部ｔ、のみが押圧されると力Ａ１を受け
、第１変形発生器１５ｂおよび第２変形発生器１５ｃに
より第１角部１．および第３角部ｔ３が押圧されると第
１角部１．および第２角部ｔ２０ へ加えられる力Ａ、、Ａ３の合力としての力Ａ２を受け
、以下同様に駆動パルス電圧Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃに対応し
て６０ｄｅｇ間隔に力Ａ３　、Ａ−４、Ａ５、Ａｏが加
えられる。このため、内歯歯車２６は、駆動パルス電圧
ｐ２．ｐｂ、Ｔ）ｃの一周期において一公転して外歯歯
車２７を駆動し、出力軸１４が所定角度回動する。なお
、圧電素子１６ａ、１６１）、Ｉ（ｉ　ｃへの電圧印加
が変化する度の出力軸１４の回転角度θは、次式で計笠
される。

θ−（（Ｚ２−ｚ、）／ｚ、）　−１／　（２Ｎ）Ｘ　
３６０　ｄｅｇ−−一式 但し、Ｚ、；夕１歯歯車２７の歯数 Ｚ２ｉ内歯歯車２６の歯数 Ｎ；圧電素子１６の１１Ｍ数 このように、この発明のステップモータ１１にあっては
、出力軸１４を回転するための動力が、圧電素子＋６　
ａ　、　１６　ｂ　、　＋６　（：にパルス電圧Ｐａ。

Ｐ　ｂ　−、Ｐ　ｃを印加した際に」ミしろ圧電素子＋
６ａ。

１６ｂ、１６ｃの変形から得られ、また、圧電素子１ １６ａ、１６ｂ、１６ｃは通電時に発熱することも無く
印加される電圧に対応して速やかに変形するため、発熱
等が生じること無く高い効率を得ることが可能で、また
、良好な応答性を得ることができ、さらに、小型化特に
薄型にすることが可能である。

次に、各圧電素子１６ａ、１６ｂ、１６ｃのいずれもが
駆動パルス電圧Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃを印加されない場合に
あっても、このステップモータ１１は、内歯歯車２６と
外歯歯車２７とが噛合しており、かつ、内歯歯車２６と
各変形発生器１５ａ、１５ｂ、１５ｃが係合しているた
め、出力軸１４が機械的に拘束される。すなわち、この
ステップモータ１１は、機械的自己保持機能を有するた
め、特別の自己保持のための機構を設ける必要が無い。

なお、この実施例においては、各圧電素子１６ａ、１６
ｂ、１６ｃへ第３図ａに示す位相で駆動パルス電圧ｐａ
ｓｐｂ’、Ｐｃを印加したが、第３図すに示す位相で駆
動パルス電圧Ｐａ、Ｐｂ、２ ｐｃを印加してもステップモータ１１は回転する。

但し、この第３図すに示す位相で駆動パルス電圧Ｐａ、
Ｐｂ、Ｐｃを印加した場合、内歯歯車２６には、１２０
　ｄｃｇ間隔の力Ａ、　、Ａ３　、Ａ。

が順次加えられる。なお、この場合の１′ＨＡ動パルス
当りの回転角度θは前述の８１゛算式で算出された値の
２倍となる。

第４図ａ、ｂおよび第５図ａ、ｂには、この発明の他の
２つの実施例を示す。これらの実施例は、さらに多くの
変形発生器を用いてステップ角を小さくしたものである
。なお、以下の説明においては、前述した実施例と同一
の部分には同一の番号を付して、その説明は省略する。

まず、第４図ａ１１）に示すステップモータ１１は、５
つの変形発生器１５ａ、１５ｂ、１５Ｃ１１５ｄ、１５
ｅを用いたものである。すなわち、同図に示すように、
その内歯歯車加は、その外周部が５つの角部ｔ１、ｔ２
、ｔ３、ｔ′４、ｔ、を有した五角形状に形成されて、
該５つの角部１゜３ ｔ２、ｔ３、ｔ−４、ｔ、に、それぞれ、ハウジング１
３へ揺動自在に支持された変形発生器１５ａ、１５ｂ、
１５ｃ、１５ｄ、１５ｅが係合している。また、内歯歯
車２６の内周部には、出力軸１４に設けられた外歯歯車
２７の歯数より１以上多い歯数の内歯が形成せられ、内
歯歯車２６と外歯歯車２７は第１の実施例と同様遊星歯
車減速機を構成している。

また、これら内歯歯車２６および外歯歯車２７が変形回
転変換手段２８を構成している。　このステップモータ
１１にあっても、前述した実施例と同様に、各変形発生
器１５ａ、１５ｂ、１５Ｃ１１５ｄ、１５（＋の圧電素
子１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅへ駆動装置
２９から入力する駆動パルス信号Ｐａ、Ｐ　ｂ、Ｐｃ、
ＰｄＸＰｅの位相を所定の関係に制御することで内歯歯
車２６が公転し、外歯歯車２７ずなわち出力軸１４を所
定角度ずつ回転する。

このステップモータ１１は、５つの変形発生器１５ａ、
１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅを有しているため、前
述した実施例に比較してそのステップ角を小４ さくすることができる また、第５図ａ、ｂに示したステップモータ１１は、４
つの変形発生器＋５　ａ　、　１５　ｂ　、　１５　ｃ
　。

１５ｄを有し、これら変形発生器１５ａ、１５１）、１
５Ｃ１１５（１により内歯歯ｉ′ｌｉ　２６を公転させ
るものである。内歯歯車２１ｉ　４．１、その外周部が
４つの角部ｔ、、＋２、ｔ、、ｔ’、、を有した四角形
状に形成されて、これら各角部Ｌｌ、ｔ２、＋３　、ｔ
−４にそれぞれ変形発生器１５ａ、１５　ｂ　、　１５
　ｃ　、　１５　ｄが係合している。

このステップモータ１１にあっても、各変形発生器１５
ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの各圧電素子１６ａ、１６
ｂ、１６ｃ、＋６　ｄ　−・所定の位相差の駆動パルス
電圧を印加することで内歯歯車２６が公転して外歯歯車
２７を駆動するため、出力軸１４が回転する。

（発明の効果） 以上説明してきたように、この発明のステップモータに
よれば、電圧を印加すると変形す５ るひずみ素子の変形を回転運動に変換することで出力軸
が回転するため、鉄損等の損失が生しること無く効率が
向上するとともに応答性が良好となり、また、小型化特
に薄型化を図ることができ、さらに、機械的自己保持機
能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図はこの発明にかかるステップモータの
一実施例を示す図であり、第１図ａは断面正面図、第１
図すは第１図ａのＩＩ線断面図、第２図は駆動装置を示
すブロック図、第３図ａは圧電素子に通電する駆動パル
ス電圧の−の態様を示すタイミングチャート、第３図す
は駆動パルス電圧の他の態様を示すタイミングチャート
である。第４図ａ、ｂはこの発明にかかるステップモー
タの他の実施例を示す図であり、第４図ａは断面正面図
、第４図すは側面図である。第５図ａ、ｂはこの発明に
かかるステップモータのさらに他の実施例を示す図であ
６ す、第５図ａば断面正面図、第５図すは側面図である。 １１−−−−・−ステップモータ、 １３−−−−−−モータハウジング、 １４−−−−−一出力軸、 １５ａ、１５ｂ１１５ｃ１１５ｄｓ　１５ｅ−−−−−
・変形発生器、 １６　ａ　、　１６　ｂ　、　１６　ｃ　、　１６　ｄ
　、　１６　ｅ・−・・・圧電素子（ひずみ素子）、 １７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅ・−一一一一
変形拡大器、 ２６−・−内歯歯車、 ２７−・−−−一外歯歯車、 ２Ｂ　−−−−−一変形回転変換手段。 特許出願人　帝人製機株式会社 代理人弁理士　有我軍一部 ＋７ 第２図 １−　Ｊ 第３図 第４図 どじ ４０６− （ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力するパルス信号に応答して出力軸が所定角度
   ずつ回転するステップモータにおいて、前記パルス信号
   に応答して変形を生じるひずみ素子と、該ひずみ素子お
   よび前記出力軸に係合し、前記ひずみ素子の変形を回転
   運動に変換して前記出力軸へ伝達する変形回転変換手段
   と、を設けたことを特徴とするステップモータ。
2. （２）　前記変形回転変換手段は、前記出力軸に設けら
   れた外歯歯車と、該月歯歯車に偏心して噛合するととも
   に外周部で前記ひずみ素子に係合し、該ひずみ素子に押
   圧され゛Ｃ前記外歯歯車の廻りに公転運動を行う内歯歯
   車と、を有するとともに、０；１記ひずみ素子をモータ
   ハウジングに揺動可１１シに支持した、−とを特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載のステップモータ。