JP3694251B2

JP3694251B2 - 減速機構を備えた誘導子型回転電機

Info

Publication number: JP3694251B2
Application number: JP2001139513A
Authority: JP
Inventors: 正文坂本; 範芳菊地
Original assignee: 日本サーボ株式会社
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2021-05-10
Also published as: JP2002335664A

Description

【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と、各先端部に誘導子である所定数の極歯を形成した複数の主極とを備えた固定子と、中空状の駆動軸及びその外周面に沿ってＮ、Ｓ交互に着磁された永久磁石を配列することで、所定の極対数をなす磁極面を有し、当該磁極面が前記固定子の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の先端部には誘導子である複数個の極歯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Ｎ、Ｓ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８ａ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１０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。
【００１２】
上記構成において、ステッピングモータ１５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。
(ａ)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。
(ｂ)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。
(ｃ)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を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(ｂ)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。
(ｄ)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

Claims

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と、各先端部に誘導子である所定数の極歯を形成した複数の主極とを備えた固定子と、
中空状の駆動軸及びその外周面に沿ってＮ、Ｓ交互に着磁された永久磁石を配列することで、所定の極対数をなす磁極面を有し、当該磁極面が前記固定子の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。
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。
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。