JP2010051063A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】直進量の分解能のみを向上させて、小型化と高耐久性の両立化を図ることができるようにしたステッピングモータを提供するものである。
【解決手段】第二ハウジング１４に形成した内歯歯車２４と、ロータ２６に固定した太陽歯車２８と、減速アセンブリ３８に取り付けられるものであって内歯歯車２４並びに太陽歯車２８と噛み合う遊星歯車４４とから成る減速機構を有する。ロータ２６の回転は、減速機構を介して減速アセンブリ３８の第一回転部材４０を減速して回転させる。第一回転部材４０に形成される一対のガイド部材４５に、シャフト３４に固定したピン５２を挟持することで、減速アセンブリ３８の第一回転部材４０の回転をシャフト３４の回転とする。この結果、ロータ２６の回転量分の一部を第一回転部材４０及びシャフト３４の回転によって相殺することで、シャフト３４の直進量を小さくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、分解能を向上させることができるステッピングモータに関する。

従来から、位置制御や速度制御を行なうために、小型のステッピングモータが使用されている。ステッピングモータの種類には、直動式とギア式の２種類がある。直動式のステッピングモータは例えば特許文献１に示されており、ギア式のステッピングモータは例えば特許文献２に示されている。

ここで、直動式のステッピングモータについて図６及び図７に基づいて説明する。シャフトがスラスト方向に移動するステッピングモータは、ステータ（図示せず）によって回転させられる筒状のロータ６０を有する。筒状のロータ６０は、例えば筒状の外側部材（マグネット）６２の内壁に筒状の内側部材６４を固定したものであり、内側部材６４の内壁に雌螺子部６６を形成したものである。筒状のロータ６０は、ベアリング６８によって支持されており、所定の位置で回転するように設定されている。ロータ６０はステータによって発生した磁界により、例えば図７の矢印方向に回転する。

ステッピングモータはシャフト７０を有し、筒状のロータ６０に挿入される箇所のシャフト７０の外面に雄螺子部７２が形成され、その雄螺子部７２は筒状のロータ６０の内壁に形成された雌螺子部６６と噛み合うよう構成されている。シャフト７０において、ロータ６０から外側に突出している箇所は、図示しない部材に固定されている回り止め７４に挿通される。回り止め７４は、シャフト７０が挿通する基部７６と、その基部７６に一体的に形成されるものであってシャフト７０に平行な複数のガイド７８とから成る。シャフト７０にはピン８０がその軸方向に対して直角方向に固定され、そのピン８０の両端はシャフト７０より外部へ突出している。ピン８０におけるシャフト７０より外部へ突出する箇所はそれぞれ、回り止め７４の２個のガイド７８によって挟まれている。即ち、回り止め７４のガイド７８とシャフト７０に取付けられたピン８０とによって、シャフト７０は軸方向へは移動するが、回転しないように設定されている。

図６及び図７において、ロータ６０が矢印方向に回転すると、ロータ６０の雌螺子部６６とシャフト７０の雄螺子部７２とが噛み合っていることから、シャフト７０は図６及び図７で矢印の軸方向に移動する。シャフト７０のねじピッチをｐとし、シャフト７０のロータ１回あたりの移動量をＴ３とすると、Ｔ３＝ｐ（ｍｍ／回転）となる。

次に、シャフトの分解能をアップさせるために、ギアを用いて減速させるギア式のステッピングモータを、図８に基づいて説明する。ギア式のステッピングモータは、ロータ８２によって回転させられるドライブギア８４と、そのドライブギア８４と噛み合うドリブンギア８６とを有する。更に、ドリブンギア８６の回転中心にシャフト８８を螺合させる。即ち、シャフト８８の一端付近の外面に雄螺子部（図示せず）を形成し、ドリブンギア８６の回転中心の内壁に雌螺子部（図示せず）を形成し、シャフト８８のギアとドリブンギア８６のギアとを噛み合わせる。このシャフト８８のギアとドリブンギア８６のギアとを噛み合わせは、図６及び図７におけるシャフト７０の雄螺子部７２とロータ６０の雌螺子部６６との噛み合わせと同じ構成とする。シャフト８８は回り止め９０によって支持されている。このギア式のステッピングモータでは、ドライブギア８４を駆動回転させてドリブンギア８６を回転させ、そのドリブンギア８６の回転によってシャフト８８を軸方向に移動させるものである。ここで、ドライブギア８４の歯数をｎとし、ドリブンギア８６の歯数をｍ（ｎ<ｍ）とし、シャフトのねじピッチをｐとし、ロータ１回転あたりの移動量をＴ４とすれば、Ｔ４＝ｐ×ｎ÷ｍ（ｍｍ／回転）となる。このギア式のステッピングモータの移動量ＴＧは、直動式のステッピングモータのＴ３と比べると、Ｔ４<Ｔ３となって分解能（ロータの１回転あたりに対してシャフトの移動量を少なくする能力）がアップすることが分かる。

特開平６−９８５２４ 特開２０００−２７９５２

直動式のステッピングモータにおいては、分解能をアップするためには、ねじピッチｐを小さくすれば良いが、ねじピッチｐを小さくすればねじ山の厚みが薄くなり、ねじ山の強度が低下するという欠点があった。また、分解能をアップさせると推力がアップするため、シャフト７０がストッパに接触した時に、ねじ山が破損する危険性が高くなるという欠点があった。

ギア式のステッピングモータにおいて、分解能が大きくなるのに比例してドリブンギア８６が大型になる。このため、ステッピングモータが大型になる欠点がある。また、分解能が大きくなるのに比例して推力がアップするので、シャフト８８がストッパに接触した時に、ストッパとその接触部が破損する危険性が高くなるという欠点があった。更に、ギアの歯に掛かる負荷が大きいという欠点があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、直進量の分解能のみを向上させて、小型化と高耐久性の両立化を図ることができるようにしたステッピングモータを提供することを目的とするものである。

本発明のステッピングモータは、ハウジングと、コイルへの励磁によって磁界を生じさせるステータと、ステータに生じた磁界によって回転させられるロータと、ロータの内壁に形成される駆動側螺子部と、前記駆動側螺子部と螺合する従動側螺子部を外周に形成したシャフトとを有し、前記ロータの回転によって前記駆動側螺子部と前記従動側螺子部との螺合を介して前記シャフトを軸方向に移動させるステッピングモータにおいて、前記ハウジングに対して回転自在な回転部材と、前記ロータの回転を前記回転部材に減速して伝達させるための減速機構と、前記回転部材と前記シャフトとを連結する連結手段とを備えたことを特徴とするものである。本発明は、前記減速機構は、前記ロータに固定された太陽歯車と、前記ハウジングに形成される内歯歯車と、前記回転部材に回転自在に取り付けられるものであって前記太陽歯車及び前記内歯歯車の両方と噛み合う複数の遊星歯車とから成ることを特徴とするものである。本発明は、前記連結手段は、前記シャフトに固定されたピンと、前記回転部材に前記シャフトと平行に備えられた複数のガイド部材とを有し、前記ピンが一対のガイド部材の間に挟持されることを特徴とするものである。本発明は、前記減速機構は、前記回転部材の回転を同じ回転数で前記シャフトを回転させることを特徴とするものである。

本発明に係るステッピングモータによれば、ロータの回転数を減速機構を介してシャフトに伝達し、減速機構で減速された回転数でシャフトとロータを同方向に回転させ、シャフトの回転数をロータの回転数より減速させるものであり、減速したシャフトの回転数とロータの回転数の差をシャフトの直進量（移動量）とするものである。この結果、ロータとシャフトのねじピッチに関係なく、しかも推力を高めることなく、分解能を高めること（シャフトの直進量のみの減少）が可能となる。本発明では、推力を高めることが無いため、ねじ山やシャフトのストッパにかかる負担を従来のものと比べて大幅に軽減することができ、各部品への負担を少なくすることができる。ねじ山やシャフトのストッパ等にかかる負担を大幅に軽減できることから、小型化と高耐久性を達成することが可能となる。特に、ギア式のステッピングモータと比べると、本発明のステッピングモータは構成部品を少なくして、小型化を達成させることができる。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係るステッピングモータを示す拡大断面斜視図、図２は図１の分解斜視図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図である。ステッピングモータ１０は、一端閉鎖で筒状の第一ハウジング１２と、その第一ハウジング１２の開口部の端面と接合する筒状の第二ハウジング１４とを有する。第一ハウジング１２も第二ハウジング１４も例えば２つの部材を接合して構成する。第一ハウジング１２内には、筒状のヨークアセンブリ（ステータ）１６を収容する。ヨークアセンブリ１６は、例えば第一ヨーク１８ａと第二ヨーク１８ｂとから成り、第一ヨーク１８ａはコイル２０ａを巻いたボビン２２ａを有し、第二ヨーク１８ｂはコイル２０ｂを巻いたボビン２２ｂとを有する。ヨークアセンブリ１６はこの構成に限るものではない。筒状の第二ハウジング１４の内壁面には、減速機構の構成部材としての内歯歯車２４が形成されている。

筒状のヨークアセンブリ１６の内部空間には、筒状のロータ２６が回転自在に備えられる。筒状のロータ２６は、筒状の外側部材（マグネット）２６ａとその筒状の内側に固定される筒状の内側部材２６ｂとから成る。ロータ２６を外側の筒状のマグネット２６ａと内側の筒状の内側部材２６ｂとの２つの部材とから構成したが、ロータ２６を１つのマグネットで構成しても良い。ロータ２６の回転方向と回転数は、コイル２０ａとコイル２０ｂの励磁方向の切換えによって制御される。内側部材２６ｂの軸方向の一方側の端面に、減速機構の構成部材としての太陽歯車２８を固定する。内側部材２６ｂにおける太陽歯車２８を固定した位置の付近の外面は、外輪を第二ハウジング１４に固定されたベアリング３０で支持されている。

筒状のロータ２６の内部空間の壁面、即ち筒状の内側部材２６ｂの内側壁面に駆動側螺子部である雌螺子部３２が形成される。ステッピングモータ１０のシャフト３４は、一端付近から軸方向の長さの途中に至るまでの外面に従動側螺子部である雄螺子部３６が形成される。シャフト３４は雄螺子部３６が形成された箇所側の端から、太陽歯車２８の中央の孔（図示せず）から筒状のロータ２６（内側部材２６ｂ）の空間部に挿入し、シャフト３４の雄螺子部３６とロータ２６（内側部材２６ｂ）の雌螺子部３２とを螺合させる。

シャフト３４の他端側には雄螺子部３６は形成されておらず、その他端側からシャフト３４に減速アセンブリ３８を挿入する。図１乃至図３に示すように、減速アセンブリ３８は主に、第一回転部材４０と、その第一回転部材４０と間隔を開けて固定される第二回転部材４２と、それら第一回転部材４０と第二回転部材４２との間隔の空間に回転自在に保持される減速機構の構成部材としての複数（例えば３個）の遊星歯車４４とを有する。減速機構は、第二ハウジング１４に形成した内歯歯車２４と、ロータ２６に固定した太陽歯車２８と、減速アセンブリ３８に備えた遊星歯車４４とから成る。減速機構は、ロータ２６の回転数を、減速して（小さい回転数にして）第一回転部材４０並びに第二回転部材４２を回転させるものである。

第一回転部材４０には更に、第二回転部材４２とは反対側に突出する連結手段としての複数（例えば２個）のガイド部材４６が一体に形成される。第二回転部材４２には、第二回転部材４２から第一回転部材４０に向けて複数の連結部材４８が突出した状態で形成され、その連結部材４８によって第一回転部材４０と第二回転部材４２とが一定の間隔を開けて固定される。第二回転部材４２には更に、第二回転部材４２から第一回転部材４０に向けて複数の支持部材５０が突出した状態で形成され、その支持部材５０に遊星歯車４４が回転自在に支持される。遊星歯車４４の個数は複数個であれば３個に限るものではない。

減速アセンブリ３８をシャフト３４に挿入し、その後、連結手段としてのピン５２をシャフト３４の軸中心に対して直角方向に貫通固定する。シャフト３４に固定したピン５２は、その両端がシャフト３４より外部に突出しており、そのピン５２のシャフト３４より外部への突出箇所はそれぞれ、一対のガイド部材４６に挟まれている。この結果、減速アセンブリ３８（第一回転部材４０と第二回転部材４２）の回転数とシャフト３４の回転数とは、ピン５２を介して同じ回転数となる。但し、ピン５２は、一対の挟まれたガイド部材４６に沿って軸方向に移動可能に設定されている。

３個の遊星歯車４４はシャフト３４に固定された太陽歯車２８と噛み合うと共に、３個の遊星歯車４４は第二ハウジング１４の内壁面に形成された内歯歯車２４と噛み合うように設定される。太陽歯車２８と内歯歯車２４とのギア比を例えば１：４とする。

次に、本発明のステッピングモータの動作について説明する。コイル２０ａ，２０ｂが励磁されるとロータ２６が図２に示す矢印方向に回転する。ここで、ロータ２６が矢印方向に１回転する場合について説明する。ロータ２６の１回転は、内側部材２６ｂに固定された太陽歯車２８の１回転となる。太陽歯車２８と内歯歯車２４とのギア比を１：３とした場合、ロータ２６が１回転すると、太陽歯車２８と遊星歯車４４との両方に噛み合う３個の遊星歯車４４を備えた減速アセンブリ３８は、図２に示すようにロータ２６の回転方向と同じ矢印方向に１／４回転する。シャフト３４に固定したピン５２は、減速アセンブリ３８の第一回転部材４０の一対のガイド部材４６に挟まれていることから、減速アセンブリ３８の回転がシャフト３４の回転となる。即ち、減速アセンブリ３８が１／４回転することによって、シャフト３４も１／４回転することになる。

ここで、ロータ２６の回転量に伴うシャフト３４の直進量を３６０度内の角度で表示するものを図４に示す。図４（ａ）は従来既知のもの（図６及び図７に示したもの）を示し、図４（ｂ）は本発明のものを示す。図４（ａ）では、ロータ２６の１回転がそのままシャフト３４の直進量に直結するもので、３６０度がシャフト３４の移動量である。図４（ｂ）では、ロータ２６の１回転の回転量のうちの１／４回転（角度９０度）を減速アセンブリ３８が相殺するので、シャフト３４の直進量は残りの３／４回転（角度２７０度）となる。即ち、減速したシャフト３４の回転数（１／４回転）とロータ２６の回転数（１回転）の差がシャフト３４の直進量となる。この結果、本発明では、シャフト３４の直進量に変換されるロータ２６の回転量分は３／４回転となり、シャフト３４の移動量を従来のものより減少即ち減速させることができる。ここで、入力側の太陽歯車２８と出力側の遊星歯車４４の減速率をｒ（ｒ<１）とすると、太陽歯車２８と内歯歯車２４とのギア比が１：３の場合では、ｒ＝１／４となる。シャフト３４の直進量を更に小さくする場合には、太陽歯車２８と内歯歯車２４とのギア比を小さく（例えば１：２）すれば良い。

ロータ２６の雌螺子部３２に対するシャフト３４の雄螺子部３６の移動量を図５に基づいて説明する。図５（ａ）は従来既知のもの（図６及び図７に示したもの）を示し、図５（ｂ）は本発明のものを示す。図５（ａ）では、ロータ２６とシャフト３４のねじピッチをｐとし、シャフト３４のロータ１回転あたりの直進移動量をＴ１とすると、Ｔ１＝ｐ（ｍｍ／回転）となる。図５（ｂ）では、ロータ２６の１回転に対するシャフト３４の回転量分はｒとなり、ロータ１回転あたりのシャフト３４の直進移動量をＴ２とすると、Ｔ２＝ｐ×（１−ｒ）（ｍｍ／回転）となる。即ち、Ｔ２<Ｔ１とすることができ、分解能を向上させることができる。

なお、シャフト３４の直進量を抑えるための減速機構には、ロータ２６に固定した太陽歯車２８と、第二ハウジング１４に形成した内歯歯車２４と、減速アセンブリ３８に備えた遊星歯車４４とから構成したが、減速機構はこの構成に限るものではない。

本実施例に係るステッピングモータの一実施例を示す断面斜視図である。 本発明に係るステッピングモータの要部の分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 従来と本発明のステッピングモータにおけるシャフトの直進量を角度で示す説明図である。 従来と本発明のステッピングモータにおけるロータ１回転あたりのシャフトの直進移動量を示す説明図である。 従来のステッピングモータの要部断面図である。 図６のステッピングモータの斜視図である。 従来の他のステッピングモータの要部斜視図である。

符号の説明

１０ ステッピングモータ
１２ 第一ハウジング
１４ 第二ハウジング
１６ ヨークアッセンブリ
２０ａ コイル
２０ｂ コイル
２４ 内歯歯車
２６ ロータ
２６ａ 外部部材
２６ｂ 内部部材
２８ 太陽歯車
３２ 雌螺子部
３４ シャフト
３６ 雄螺子部
３８ 減速アセンブリ
４０ 第一回転部材
４２ 第二回転部材
４４ 遊星歯車
４６ ガイド部材
５２ ピン

Claims (4)

1. ハウジングと、コイルへの励磁によって磁界を生じさせるステータと、ステータに生じた磁界によって回転させられるロータと、ロータの内壁に形成される駆動側螺子部と、前記駆動側螺子部と螺合する従動側螺子部を外周に形成したシャフトとを有し、前記ロータの回転によって前記駆動側螺子部と前記従動側螺子部との螺合を介して前記シャフトを軸方向に移動させるステッピングモータにおいて、前記ハウジングに対して回転自在な回転部材と、前記ロータの回転を前記回転部材に減速して伝達させるための減速機構と、前記回転部材と前記シャフトとを連結する連結手段とを備えたことを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記減速機構は、前記ロータに固定された太陽歯車と、前記ハウジングに形成される内歯歯車と、前記回転部材に回転自在に取り付けられるものであって前記太陽歯車及び前記内歯歯車の両方と噛み合う複数の遊星歯車とから成ることを特徴とする請求項１記載のステッピングモータ。
3. 前記連結手段は、前記シャフトに固定されたピンと、前記回転部材に前記シャフトと平行に備えられた複数のガイド部材とを有し、前記ピンが一対のガイド部材の間に挟持されることを特徴とする請求項１記載のステッピングモータ。
4. 前記減速機構は、前記回転部材の回転を同じ回転数で前記シャフトを回転させることを特徴とする請求項１記載のステッピングモータ。

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