JP2002335664A

JP2002335664A - 減速機構を備えた誘導子型回転電機

Info

Publication number: JP2002335664A
Application number: JP2001139513A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Sakamoto; 正文坂本; Noriyoshi Kikuchi; 範芳菊地
Original assignee: Nidec Servo Corp
Current assignee: Nidec Advanced Motor Corp
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2002-11-22
Anticipated expiration: 2021-05-10
Also published as: JP3694251B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易ＦＡ組み立てロボット駆動用等のＨＢ形
のステッピングモータでは、回転子の極歯のためクロー
ズドループでも騒音、振動が大で、ダイレクトドライブ
ではイナーシャ大の負荷には対応しにくく、エンコーダ
を使用すると高価となり、駆動対象に設置されるモータ
への給電線の捩れが解消できない。【解決手段】このため回転子周囲に沿って永久磁石の
ＮＳ極を交互に配した永久磁石式ステッピングモータ１
５等の誘導子型回転電機を用い、出力部材８に形成した
インターナルギヤに対してインターナルギヤ数に比べ歯
数の少ないアウターナルギヤを形成した弾性体からなる
リング部材９を楕円状に噛み合わせ、この楕円の長径を
前記ステッピングモータで回転させる構成を備えた。
又、上記回転電機の駆動対象に置かれた他の機器に対す
る給電に際して給電線１４の捩れを防止できるスリップ
リング組立体４０を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、簡易ＦＡの組み立
てロボット、テレビカメラ他の多軸駆動機構等に使用さ
れる減速機構を備えた永久磁石式ステッピングモータ等
の誘導子型回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】外周縁部に極歯を形成した一対の磁極体
に永久磁石を挟持する回転子を有するハイブリッド型
（以下ＨＢ型と略す）ステッピングモータは、低速時に
トルクを大とできるため、ダイレクト駆動に適するが、
回転子に極歯が形成されているために、永久磁石による
固定子間とのギャップの磁束に高調波を多く含むこと、
及び振動や騒音が大きくなるため、このようなＨＢ型ス
テッピングモータをロボットの位置決め等の駆動制御に
使用する場合には、高価なエンコーダを搭載してクロー
ズドループを形成してダイレクトドライブ駆動を行うよ
うにしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
誘導子型回転電機としてのＨＢ型ステッピングモータで
は、前記のように構成されていたから、次のような問題
点があった。（１）ＨＢ型のため、クローズドループを形成しても騒
音、振動が大きい。（２）ダイレクトドライブ駆動をすると、イナーシャ大
の負荷には応答性の点において実用化しにくい。（３）エンコーダを搭載すると、装置全体が高価とな
る。（４）多関節ロボット機構に適用する場合、親モータが
子モータを、また子モータが孫モータを駆動することに
なるが、この駆動に用いる子モータや孫モータへの給電
線がツイストし、メンテナンス及び交換の頻度が高い。本発明は上記の課題（問題点）を解決するようにした減
速機構を備えた誘導子型回転電機を提供することを目的
とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の誘導子型回転電
機では、上記課題を解決するために、請求項１記載のも
のでは、円筒状をなす磁性体の内周面から半径方向内方
に設けられ、所定相数の励磁用コイルを設けると共に、
各先端部に所定数の極歯を形成した複数の主極と、中空
状の駆動軸及びその外周面に沿ってＮＳ交互に着磁さ
れ、所定の極対数をなす磁極面を有し、当該磁極面が前
記主極に形成した極歯と一定空隙を介して対向する永久
磁石回転子と、減速機構とからなり、当該減速機構は、
前記駆動軸と同心中空の被動軸と、当該被動軸と一体的
に回転し、その内周面に前記駆動軸及び被動軸と同心の
所定ピッチのインターナルギヤを形成した出力部材と、
弾性体より成り、前記インターナルギヤのギヤ数に比べ
て歯数が少ないアウターナルギヤを形成したリング部材
と、当該リング部材のアウターナルギヤを前記インター
ナルギヤの相対向する周面間に圧接しつつ前記各ギヤを
常時複数噛み合わせて前記リング部材を楕円とし、この
楕円の長径を前記駆動軸の回転と同期して回転させる機
構とから構成した。

【０００５】また、請求項２に記載のものでは、請求項
１に記載の発明において、上記の極対数をｐ、相数を
ｑ、減速機構の減速比をＺとした場合の関係を、ｐｑＺ
≦９００とするように構成した。

【０００６】さらに、請求項３に記載のものでは、請求
項１又は２に記載の発明において、被動軸の前記減速機
構を有しない側に突出する部分の外周部に導電リングを
配置し、当該導電リングに摺動し給電を受けるコンタク
タを備え、前記導電リングから前記被動軸の中空部を通
じて当該被動軸と同期して駆動される機器に配線するス
リップリング組立体を有するように構成した。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図３を用いて、本発
明に係る減速機構を備えた誘導子型回転電機の一実施の
形態を説明する。図１は本発明に係る減速機構を備えた
誘導子型の永久磁石式ステッピングモータの具体例を示
す縦断側面図、図２は図１のＡ−Ａ′断面図、図３は図
１のＢ−Ｂ′断面図である。

【０００８】図１において、１５は永久磁石式内転（イ
ンナーロータ）型永久磁石式ステッピングモータ（以
下、単にステッピングモータという）で、図３をも参照
して説明する。図１及び図３において、１はステッピン
グモータの固定子で、出力側の前側ブラケット２及びこ
れとは反対側に位置する後側ブラケット３によって支持
される。この支持手段は、図３に示される通り、固定子
鉄心１ａに形成された貫通孔１ｂと各ブラケット２、３
相互間に配置される支持棒１ｃとの嵌合によって達成さ
れる。４は励磁用コイルで、固定子鉄心１ａの内周面に
対して等間隔に設けられた６個の主極１ｄに装着され
る。そして、主極１ｄの先端部には複数個の極歯１ｅが
形成されている。なお、図３の例では、相数をｑとする
と、ｑ＝３の場合で、主極数が６個、先端部の極歯が３
の場合を示している。

【０００９】５はステッピングモータの回転子で、回転
子鉄心５ａ及び当該鉄心５ａの外周面に沿ってＮＳ交互
に着磁された永久磁石５ｂが配列されている。６は駆動
軸としての中空軸で、前記回転子５を支持する軸方向断
面がＬ字状の筒状部６ａ及び後述する減速機構１６に駆
動力を与える突出部６ｂを形成している。７は軸受で、
前記ブラケット２、３の両側内周面と前記中空軸６の外
周面間に装着され、回転子５を回動自在に支持してい
る。

【００１０】１６は減速機構で、減速比を大きく取れる
ハーモニック減速体としての機構をなしており、図１と
図２をも参照して説明する。図１及び図２において、８
は軸方向断面が略Ｓ字状の出力部材で、通称サーキュラ
スプラインと呼ばれ、凹部内周面であって、前記中空軸
６と軸心を一致させる周面に沿ってインターナルギヤ８
ａが形成されている。９はリング部材で、弾性体を素材
とし、外周面に沿ってアウターナルギヤ９ａが形成さ
れ、前記出力部材８の凹部８Ｔに配置される。１０はロ
ーラで、前記中空軸６の突出部６ｂに回動自在に支持さ
れる。この場合、出力部材８とリング部材９とローラ１
０は、相反する方向に位置する一対のローラ１０にて前
記リング部材９を楕円に維持し、この楕円の長軸が中空
軸６の回転に伴って同期回転し、前記楕円の長軸相当箇
所において前記出力部材８に形成したインターナルギヤ
８ａとリング部材９に形成したアウターナルギヤ９ａと
が噛み合い、圧接されるようになっている。１１は被動
軸としての中空軸で、駆動軸としての中空軸６と同心
で、当該中空軸６の中空部を貫通し、両側が突出してい
る。そして、この中空軸１１の減速機構１６側の突出部
には前記出力部材８が一体的に固定支持される。

【００１１】ところで、前記インターナルギヤ８ａの歯
数はアウターナルギヤ９ａの歯数より少なく定められて
おり、これら各歯数の差が少ないほど大きな減速比とな
り、始動時のイナーシャを所定値以下に定めるなど通常
の機能を発揮するには減速比Ｚは１０以上とする必要が
ある。次に、スリップリング組立体４０について説明す
る。図１において、３０はハウジングで、前記ステッピ
ングモータ１５の後側ブラケット３に固定される。３１
は軸受で、ハウジング３０において前記中空軸１１の減
速機構を有しない側の突出部を回動自在に支持してい
る。３２はコンタクタで、ハウジング３０に固定され、
給電線３３が接続される。３４は導電リングで、前記中
空軸１１に固定され、前記コンタクタ３２から給電され
る。これによって、給電線３３から供給される電気信号
は静止状態のコンタクタ３２から回転あるいは静止状態
の中空軸１１に伝えられる。１４はリード線で、前記導
電リング３４から中空軸１１の中空部を経て図示しない
外部機器に接続される。この外部機器は例えばカメラの
チルドモータのように減速機構１６の出力部材８によっ
て駆動される部材に載置されていることが前提となる。

【００１２】上記構成において、ステッピングモータ１
５は、その励磁用コイル４への通電制御に応じた速度に
て駆動されると、中空軸６の回転に同期した一対のロー
ラ１０の公転に伴いリング部材９の楕円形状の長径も同
速度で回転する。次いで、出力部材８がそのインターナ
ルギヤ８ａとリング部材９のアウターナルギヤ９ａとの
ギヤ数の差（差が少ないほど減速比大）に基づいて減速
されて出力部材８が駆動され、この出力部材８と一体的
に回転する被動軸としての中空軸１１を駆動する。この
際、給電線３３からコンタクタ３２に供給された電気信
号は導電リング３４及びリード線１４を順次介して減速
機構１６の出力部材８と同期して駆動される前記カメラ
のチルドモータ等の外部機器に供給される。

【００１３】なお、駆動対象であるロボット、テレビカ
メラ等において要求される位置決め精度は一般に、０.
０１°以下、ステップ角は、固定子１の相数ｑ、回転子
の永久磁石５ｂの磁極対数ｐ、減速機構１６の減速比Ｚ
として１８０°/ｐｑＺ、ステップ角精度は５/１００で
あることから、次の（１）式が成立する。（１８０°/ｐｑＺ）（５/１００）≦０.０１°・・・・（１）（１）式を整理すると、次の（２）式となる。ｐｑＺ≧９００・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）従って（２）式の関係において本発明の永久磁石式ステ
ッピングモータによる所望の位置決め精度が得られる。
本発明のような誘導子型固定子構造は分解能を向上させ
得る。また、円筒磁石回転子は磁束が正弦波となるの
で、高調波が無視でき、位置決め精度を向上できる。こ
の位置決め精度を、さらに、向上させるために、本発明
に使用する減速機構では、バックラッシュを零に近付け
るように工夫している。即ち、上記のようにアウターナ
ルギヤを弾性体で形成し、常時複数の歯を噛み合わせて
バックラッシュを零に近づける構成としたもので、この
ようにした点に本発明の特徴の一つがある。このように
構成すると、弾性体で構成されるアウターナルギヤの噛
み合いは多少の弾性変形によりノンバックラッシュの複
数歯との噛合が可能となるからである。

【００１４】本発明は上記の実施の形態により説明した
ものに限定されず、種々の変形が可能である。まず、上
記の実施の形態では、誘導子型回転電機として、永久磁
石式ステッピングモータの場合で説明したが、これに限
定されない。即ち、本明細書に記載の誘導子型回転電機
とは、１コイルを備えた固定子の磁極の先端に複数の小
歯を設け、磁極から出た磁束を誘導して分けることがで
きるようにした回転電機をいうものである。従って、本
発明は上記の実施の形態で述べた誘導子型の永久磁石式
のステッピングモータのほか、誘導子型のシンクロナス
モータやブラシレスモータ等の他の誘導子型回転電機に
も適用可能のものである。また、上記の実施の形態にお
いては、スリップリング組立体を設け、駆動軸、被動軸
共に中空軸を使用する場合で説明したが、出力部材８と
同期して駆動される外部機器に電気信号を供給する必要
のない場合には、スリップリング組立体４０は不要であ
り、また、駆動軸としての中空軸６、被動軸としての中
空軸１１も必ずしも中空とする必要がない。しかし、上
記のように中空構造とすれば、回転子のイナーシャーを
低減することができ、また、中空軸部にリードスクリュ
ー等を内蔵し、スクリューをスラスト方向に駆動するリ
ニアアクチュエータを容易に実現できる。

【００１５】また、前記実施の形態においては、ステッ
ピングモータの相数ｑが３、ポール数が６の場合にて説
明したが、これは通常採用される一例であって相数ｑ、
ポール数は適宜選択できるものであり、これらの数も前
述したものに限定されない。また、図１に示す実施の形
態では、出力部材８を、断面Ｓ字状の１体構造の部材で
構成する場合を示したが、これに代え、断面逆Ｌ字状の
部材と円筒のハウジング部材（これにインターナルギヤ
を装着）とを結合した部材を用いることもできる。さら
に、図１ではスリップリング組立体として接触型の構成
のものを例示したが、非接触型のものを用いても良い。

【００１６】

【発明の効果】本発明の誘導子型回転電機は上記のよう
に構成されるから、次に示すような優れた効果を有す
る。（１）請求項１に記載の発明によると、次の効果があ
る。動力発生源としての誘導子型回転電機が内転形であっ
て、永久磁石式回転子を備えていることにより、ハイブ
リット形のものが磁極と回転子とのギャップ部の磁束密
度が急激に変化し、高調波成分を多く含むのに比べて、
磁束密度分布は正弦波になるので、オープンループ駆動
でも騒音、振動を抑制することができる。高減速作用を担う減速機構を有しているため負荷イナ
ーシャは減速比Ｚにおいて１/Ｚ²と著しく低減されるか
ら、特に高価なエンコーダを搭載したクローズドループ
を採用することなく、ロボット等の位置決め精度の向上
を図ることができる。誘導子型円筒磁石回転電機により高分解能で高精度の
位置決めを可能にし、さらに、位置決め分解能の向上を
図るために、減速機構の構成要素のアウターナルギヤを
形成したリング部材が弾性体により形成し、インターナ
ルギヤの複数歯との噛み合いにおいてバックラッシュを
零に近いものとできるから、上記に述べた高精度の位
置決め精度をさらに、向上できると共に、弾性体からな
るアウターナルギヤの存在により減速機構から発生する
騒音も大幅に低減することができる。駆動軸と被動軸とを中空構造としたことにより、回転
子のイナーシャーを低減することができ、また、中空軸
部にリードスクリュー等を内蔵し、スクリューをスラス
ト方向に駆動するリニアアクチュエータを容易に実現で
きる

【００１７】（２）請求項２に記載の発明によると、請
求項１の発明の効果に加え、ロボット等の駆動制御対象
の位置決め精度の的確な範囲を定めることができる。

【００１８】（３）請求項３に記載の発明によると、請
求項１又は２の発明の効果に加え、本発明に係る減速機
構を備えた誘導子型回転電機によって駆動される部材に
設置される子モータ例えばカメラ駆動用チルドモータへ
の給電線の捩れが全く生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である減速機構を備えた
永久磁石式ステッピングモータの縦断側面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ′断面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ′断面図である。

【符号の説明】

１・・・・・固定子１ａ・・・・固定子鉄心１ｅ・・・・極歯１ｄ・・・・主極４・・・・・励磁用コイル５・・・・・回転子５ｂ・・・・永久磁石６・・・・・駆動軸（中空軸）８・・・・・出力部材８ａ・・・・インターナルギヤ９・・・・・リング部材９ａ・・・・アウターナルギヤ１０・・・・ローラ１１・・・・被動軸（中空軸）１４・・・・リード線１５・・・・永久磁石式ステッピングモータ１６・・・・減速機構３２・・・・コンタクタ３３・・・・給電線３４・・・・導電リング４０・・・・スリップリング組立体

【手続補正書】

【提出日】平成１３年５月２９日（２００１．５．２
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】また、請求項２に記載のものでは、請求項
１に記載の発明において、上記の極対数をｐ、相数を
ｑ、減速機構の減速比をＺとした場合の関係を、ｐｑＺ
≧９００とするように構成した。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】ところで、前記インターナルギヤ８ａの歯
数はアウターナルギヤ９ａの歯数より少なく定められて
おり、これら各歯数の差が少ないほど大きな減速比とな
り、始動時のイナーシャを所定値以下に定めるなど通常
の機能を発揮するには減速比Ｚは１０以上とする必要が
ある。次に、スリップリング組立体４０について説明す
る。図１において、３０はハウジングで、前記ステッピ
ングモータ１５の後側ブラケット３に固定される。３１
は軸受で、ハウジング３０において前記中空軸１１の減
速機構を有しない側の突出部を回動自在に支持してい
る。３２はコンタクタで、ハウジング３０に固定され、
給電線３３が接続される。３４は導電リングで、前記中
空軸１１に固定され、前記コンタクタ３２から給電され
る。これによって、給電線３３から供給される電気信号
は静止状態のコンタクタ３２から回転あるいは静止状態
の中空軸１１内に収納されるリード線１４（後述）に伝
えられる。１４はリード線で、前記導電リング３４から
中空軸１１の中空部を経て図示しない外部機器に接続さ
れる。この外部機器は例えばカメラのチルドモータのよ
うに減速機構１６の出力部材８によって駆動される部材
に載置されていることが前提となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H044 BE03 DB03 DD08 5H607 AA12 BB01 BB10 BB14 CC03 CC07 CC09 DD02 DD04 DD11 DD19 EE23 EE34 FF34 GG08 HH01 HH03 JJ09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状をなす磁性体の内周面から半径方
向内方に設けられ、所定相数の励磁用コイルを設けると
共に、各先端部に所定数の極歯を形成した複数の主極
と、中空状の駆動軸及びその外周面に沿ってＮＳ交互に着磁
され、所定の極対数をなす磁極面を有し、当該磁極面が
前記主極に形成した極歯と一定空隙を介して対向する永
久磁石回転子と、減速機構とからなり、当該減速機構は、前記駆動軸と同心中空の被動軸と、当該被動軸と一体的に回転し、その内周面に前記駆動軸
及び被動軸と同心の所定ピッチのインターナルギヤを形
成した出力部材と、弾性体より成り、前記インターナルギヤのギヤ数に比べ
て歯数が少ないアウターナルギヤを形成したリング部材
と、当該リング部材のアウターナルギヤを前記インターナル
ギヤの相対向する周面間に圧接しつつ前記各ギヤを常時
複数噛み合わせて前記リング部材を楕円とし、この楕円
の長径を前記駆動軸の回転と同期して回転させる機構
と、から構成されていることを特徴とする減速機構を備
えた誘導子型回転電機。
【請求項２】上記の極対数をｐ、相数をｑ、減速機構
の減速比をＺとした場合の関係を、ｐｑＺ≧９００としたことを特徴とする請求項１記載の
減速機構を備えた誘導子型回転電機。
【請求項３】前記被動軸の前記減速機構を有しない側
に突出する部分の外周部に導電リングを配置し、当該導
電リングに摺動し給電を受けるコンタクタを備え、前記
導電リングから前記被動軸の中空部を通じて当該被動軸
と同期して駆動される機器に配線するスリップリング組
立体を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の
減速機構を備えた誘導子型回転電機。