JPH04217885A - ステッピングモータ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばプリンタやファ
クシミリ等に使用されるプラテンを回転駆動したり、用
紙送り機構の駆動源に適したステッピングモータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば特開昭５９−９６８８１号
公報に見られるように複数の電歪素子又は磁歪素子を使
用して超音波振動子を構成したモータ装置が知られてい
る。これは中途部に例えば電歪素子を組み込んだ円筒状
の振動子を設け、この振動子内に回転子を挿入し、電歪
素子を超音波振動させることにより振動子の内面に進行
波が発生し回転子に回転力を与えて回転子が回転すると
いうものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしこのように電歪
素子又は磁歪素子を超音波振動させその結果発生する進
行波により回転子を回転させるものでは、振動子の磨耗
が激しく寿命が短い問題があった。また回転子を低速大
トルクで任意速度の定速駆動することが共振周波数が変
化してしまうため困難であった。

【０００４】そこで本発明は、低速大トルクでの駆動が
容易に実現でき、また長寿命化を図ることができ、しか
も構成が簡単なステッピングモータを提供しようとする
ものである。また本発明は、ステッピング動作をより確
実にできるステッピングモータを提供しようとするもの
である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１対応の発明は、
中心軸孔を有するフレームと、このフレームの中心軸孔
に挿入されたその中心軸孔径よりも若干径が小さい出力
回転軸と、この出力回転軸の周囲に押圧部材を所定の間
隔を隔てて径方向に配置し、押圧部材を順次軸方向に駆
動して出力回転軸を順次中心軸孔の対向側壁に押圧する
複数の駆動手段を設けたものである。

【０００６】また請求項２対応の発明は、請求項１にお
いて押圧部材として棒状磁歪材を使用し、この棒状磁歪
材を励磁コイルの通電、非通電により軸方向に膨脹、収
縮させる駆動手段を使用したものである。

【０００７】また請求項３対応の発明は、請求項１にお
いて押圧部材として非磁性体を使用し、この非磁性体押
圧部材を電磁石の可動部材により軸方向に進退動作させ
る駆動手段を使用したものである。

【０００８】さらに請求項４対応の発明は、請求項１、
２又は３において少なくとも出力回転軸が押圧されるフ
レームの中心軸孔の対向側壁部に歯車状の凸部又は凹部
を形成するとともに出力回転軸の周面に凸部又は凹部と
回転方向にすべり歯合する凹部又は凸部を形成したもの
である。

【０００９】

【作用】このような構成の本発明においては、各駆動手
段により押圧部材を順次軸方向に駆動して出力回転軸を
順次中心軸孔の対向側壁に押圧する。これにより出力回
転軸は各押圧部材により径の大きい中心軸孔の反対側に
順次押圧され回転力を与えられる。こうして出力回転軸
は回転駆動される。また励磁コイルを通電制御すること
により棒状磁歪材が軸方向に膨脹して出力回転軸を押圧
する。また電磁石を所定の順序で順次動作させることに
より可動部材が非磁性体押圧部材を軸方向に押圧する。 さらに出力回転軸が押圧されたときその回転軸の凸部又
は凹部が中心軸孔の対向側壁部に形成された凸部又は凹
部と回転方向にすべり歯合する。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図面を参照して
説明する。

【００１１】図１及び図２に示すように、中心軸孔１を
有する円筒状のフレーム、例えば磁性材からなるフレー
ム２を設け、そのフレーム２の中心軸孔１にその中心軸
孔１の径よりも若干小さい径の出力回転軸３を挿入して
いる。

【００１２】前記磁性材フレーム２中に、前記出力回転
軸３の周囲に所定の間隔、例えば角度１２０度の間隔を
隔てて押圧部材である３本の棒状磁歪材４，５，６を径
方向に配置している。前記各棒状磁歪材４，５，６はそ
の一端側が前記フレーム２の中心軸孔１内に出没可能に
設けられ、その他端が前記フレーム２の外周部から螺着
される磁歪材圧力調整ネジ７，８，９によって固定され
ている。

【００１３】前記各棒状磁歪材４，５，６はＬａからＬ
ｕまでの希土類金属（ランタナイド金属）やＴｂＦｅ２
　Ｔｂ（ＮｉＦｅ２　），Ｔｂ（ＣｏＦｅ２　）等室温
においても数百エルステッド程度の低磁界で０．１％を
越える超磁歪特性が得られるラーベス型金属間化合物で
構成されている。前記各棒状磁歪材４，５，６にはそれ
ぞれ第１、第２、第３の励磁コイル１０，１１，１２が
巻装され駆動手段が形成されている。

【００１４】そして図３に示すように＋ＶＣＣ端子と接
地間にＮＰＮ形の第１のスイッチングトランジスタ１３
を介して前記第１の励磁コイル１０を接続し、ＮＰＮ形
の第２のスイッチングトランジスタ１４を介して前記第
２の励磁コイル１１を接続し、かつＮＰＮ形の第３のス
イッチングトランジスタ１５を介して前記第３の励磁コ
イル１２を接続している。

【００１５】このような構成の本実施例においては先ず
各棒状磁歪材４，５，６の出力回転軸３の周面に対する
圧力調整を行う。これは先ず第１のスイッチングトラン
ジスタ１３のみをオンさせて第１の励磁コイル１０を励
磁させ、棒状磁歪材４を膨脹させる。この状態で磁歪材
圧力調整ネジ７を操作し棒状磁歪材４の一端で出力回転
軸３の周面を押圧してその回転軸３がフレーム２の中心
軸孔１内の反対側面に押付けられる状態にする。

【００１６】次に第２のスイッチングトランジスタ１４
のみをオンさせて第２の励磁コイル１１を励磁させ、棒
状磁歪材５を膨脹させる。この状態で磁歪材圧力調整ネ
ジ８を操作し棒状磁歪材５の一端で出力回転軸３の周面
を押圧してその回転軸３がフレーム２の中心軸孔１内の
反対側面に押付けられる状態にする。

【００１７】さらに第３のスイッチングトランジスタ１
５のみをオンさせて第３の励磁コイル１２を励磁させ、
棒状磁歪材６を膨脹させる。この状態で磁歪材圧力調整
ネジ９を操作し棒状磁歪材６の一端で出力回転軸３の周
面を押圧してその回転軸３がフレーム２の中心軸孔１内
の反対側面に押付けられる状態にする。

【００１８】このような調整が行われた後に各スイッチ
ングトランジスタ１３，１４，１５に例えば図４に示す
タイミングで駆動信号Ｓ１　，Ｓ２　，Ｓ３　を供給す
ると、先ず駆動信号Ｓ１　の立上りにより第１のスイッ
チングトランジスタ１３がオンされる。これにより第１
の励磁コイル１０が励磁され磁界が発生する。これによ
り棒状磁歪材４が軸方向に膨脹する。そして棒状磁歪材
４の他端は磁歪材圧力調整ネジ７によって固定されてい
るので棒状磁歪材４は図６の（ａ）　に示すように中心
軸孔１内に向かって５〜１０μ程度膨脹し、出力回転軸
３を中心軸孔１内の反対側に押圧する。

【００１９】この状態で続いて駆動信号Ｓ２　が立上が
ると第２のスイッチングトランジスタ１４がオンされる
。 これにより第２の励磁コイル１１が励磁され磁界が発生
する。これにより棒状磁歪材５が軸方向に膨脹する。そ
して棒状磁歪材５の他端は磁歪材圧力調整ネジ８によっ
て固定されているので棒状磁歪材５は図６の（ｂ）　に
示すように中心軸孔１内に向かって５〜１０μ程度膨脹
し、出力回転軸３を中心軸孔１内の反対側に押圧する。 なお、このとき棒状磁歪材４は第１のスイッチングトラ
ンジスタ１３がオフされ、第１の励磁コイル１０が非通
電となることにより収縮する。

【００２０】この状態で続いて駆動信号Ｓ３　が立上が
ると第３のスイッチングトランジスタ１５がオンされる
。 これにより第３の励磁コイル１２が励磁され磁界が発生
する。これにより棒状磁歪材６が軸方向に膨脹する。そ
して棒状磁歪材６の他端は磁歪材圧力調整ネジ９によっ
て固定されているので棒状磁歪材６は図６の（ｃ）　に
示すように中心軸孔１内に向かって５〜１０μ程度膨脹
し、出力回転軸３を中心軸孔１内の反対側に押圧する。 なお、このとき棒状磁歪材５は第２のスイッチングトラ
ンジスタ１４がオフされ、第２の励磁コイル１１が非通
電となることにより収縮する。

【００２１】そして再び駆動信号Ｓ１　の立上がると第
１のスイッチングトランジスタ１３がオンされる。これ
により第１の励磁コイル１０が励磁され磁界が発生する
。 これにより棒状磁歪材４が再び軸方向に膨脹し出力回転
軸３を中心軸孔１内の反対側に押圧する。なお、このと
き棒状磁歪材６は第３のスイッチングトランジスタ１５
がオフされ、第３の励磁コイル１２が非通電となること
により収縮する。

【００２２】こうして各棒状磁歪材４，５，６が順次交
互に膨脹、収縮を繰返すことにより出力回転軸３には時
計方向の回転力が与えられ、従って回転軸３は時計方向
に回転するようになる。

【００２３】また各スイッチングトランジスタ１３，１
４，１５に例えば図５に示すタイミングで駆動信号Ｓ１
　，Ｓ２　，Ｓ３　を供給すると、今度は棒状磁歪材６
、棒状磁歪材５、棒状磁歪材４の順序で交互に膨脹、収
縮を繰返すことになるので出力回転軸３には反時計方向
の回転力が与えられ、従って回転軸３は反時計方向に回
転するようになる。

【００２４】このように各棒状磁歪材４，５，６を各励
磁コイル１０，１１，１２への通電制御を順次行って膨
脹、収縮させことにより出力回転軸３を回転させている
ので、振動を利用して回転力を与えるものに比べて棒状
磁歪材や回転軸の摩耗が少なく長寿命化を図ることがで
きる。また３本の棒状磁歪材を出力回転軸の周囲に配置
し、その各棒状磁歪材に励磁コイルを巻装したのみなの
で構成は簡単である。

【００２５】また例えば磁歪材圧力調整ネジ７〜９とし
てφ１８，ネジピッチ１ｍｍのものを使用し、ネジの締
付けトルクを１０Ｋｇ・ｃｍとすると、ネジ斜面の勾配
はｔａｎ　θ＝１／１８π、すなわち略０．０１７７と
なる。従って損失を無視したときのネジの推力Ｗは、Ｗ
＝１０／０．９÷０．０１７７＝６２７Ｋｇという大き
な値となる。

【００２６】従って各棒状磁歪材４〜６と出力回転軸３
との接触点での最大摩擦力Ｆは、摩擦係数μを０．１と
仮定した場合、Ｆ＝μＷ＝０．１×６２７＝６２．７Ｋ
ｇとなり、出力回転軸３の外径を１０φとすると、トル
クＴは、Ｔ＝６２．７Ｋｇ×０．５ｃｍ＝３１．４Ｋｇ
・ｃｍとなり大きなトルクが得られる。

【００２７】また各棒状磁歪材４〜６がそれぞれ１回ず
つ膨張、収縮する１サイクル当たりの変位は、内外輪の
クリアランスを５μｍとした場合、５π／３＝５．２３
μｍとなり、例えば２０ＫＨｚの超音波サイクルで駆動
したときの回転速度は（５．２３×１０−３／１０π）
×２０×１０３μｍ／ｓ＝３．３３ｒｐｓと極めて低速
となる。このように減速機構を使用すること無く低速大
トルクのモータが容易に実現できることになる。

【００２８】従ってこのようなモータを例えばプラテン
等の回転部材のシャフトを出力回転軸としてそのシヤフ
トの両側に取付ければ回転部材を大きなトルクで安定し
て回転させることができる。そしてトルクを調整する場
合は磁歪材圧力調整ネジ７〜９を操作すればよく、調整
は簡単である。

【００２９】なお、前記実施例では３本の棒状磁歪材を
順次交互に押圧動作させたが必ずしもこれに限定される
ものではなく、例えば棒状磁歪材４と５、棒状磁歪材５
と６、棒状磁歪材６と４のように２つずつの組の単位で
順次膨張させるようにしてもよい。次に本発明の第２及
び第３実施例を図面を参照して説明する。なお、前記実
施例と同一の部分には同一符号を付して詳細な説明は省
略する。

【００３０】図７は第２実施例を示すもので、これはフ
レームとして合成樹脂等からなる非磁性体フレーム２１
を使用し、各励磁コイル１０，１１，１２の周囲にのみ
磁気回路を構成するための磁性材２２，２３，２４をそ
れぞれ配置したものである。

【００３１】このようにしても第１、第２、第３の励磁
コイル１０，１１，１２を順次励磁することによって棒
状磁歪材４，５，６は順次膨脹するので、前記実施例と
同様に出力回転軸３は回転する。従って本実施例におい
ても前記実施例と同様の効果が得られる。

【００３２】図８及び図９は第３実施例を示すもので、
これは各駆動手段を、駆動コイル３０，３１，３２及び
この駆動コイル３０，３１，３２の通電、非通電により
軸方向に進退動作される可動部材３３，３４，３５から
なる電磁石で構成している。前記各可動部材３３，３４
，３５の先端部には非磁性体からなる押圧部材３６，３
７，３８が取付けられている。前記各電磁石はフレーム
２の各収納部に収納され、外部への抜けをネジ３９，４
０，４１によって防止されている。

【００３３】フレーム２に設けられた中心軸孔１にその
中心軸孔１の径よりも若干小さい径の出力回転軸３′を
挿入している。この出力回転軸３′の周面全体には軸方
向に長尺な歯車状の凹部４２を基本ステップ角の１／３
ピッチで形成されている。

【００３４】また前記中心軸孔１の内壁には前記出力回
転軸３′が前記各押圧部材３６，３７，３８により押圧
されたとき接触する対向側壁部に歯車状の凸部４３が形
成されている。前記凸部４３と凹部４２は互いに歯合す
るようになっている。

【００３５】前記中心軸孔１に設けられた凸部４３はそ
のピッチをα度とすると、図１０に示すように凸部４３
１　と４３２　とのピッチは（１２０−α）度、凸部４
３２　と４３３　とのピッチは（１２０−α）度、凸部
４３３　と４３３　とのピッチは（１２０＋２α）度に
設定されている。そして前記中心軸孔１の径をＤ、出力
回転軸３′のクリアランスをｄとすると、ｄ／Ｄ×１２
０度＝３αの関係式が成立するようにαを設定すれば、
出力回転軸３′が中心軸孔１の内壁に沿って１回公転す
る毎に３α度自転することになる。こうして出力回転軸
３′の凹部４２が中心軸孔１の凸部４３に歯合しながら
出力回転軸３′は回転するようになる。

【００３６】従って出力回転軸３′の回転ステップ角が
バラツキがなく正確となる。また出力回転軸３′押圧力
が小さくても凹部４２と凸部４３の歯合により大きなト
ルク伝達ができる。

【００３７】また電磁石における可動部材３３，３４，
３５のストロークを大きくできるので、０．１度〜０．
５度程度のミニアングルステップのモータが容易に得ら
れる。また電磁石を使用しているため応答周波数を高く
できる。また棒状磁歪材を使用したものに比べて押圧部
材の調整が不要となる。

【００３８】なお、出力回転軸３′に凸部を形成し、中
心軸孔１に凹部を形成してもよい。また本実施例におい
てもフレームを合成樹脂等からなる非磁性体で構成する
ことは可能である。

【００３９】なお、前記各実施例では出力回転軸の周囲
に３ヶ所押圧部材を配置したものについて述べたが必ず
しもこれに限定されるものではなく、４ヶ所以上配置し
たものであってもよい。また第１、第２実施例において
も第３実施例と同様に出力回転軸３に凹部、中心軸孔１
に凸部を設けてもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、低
速大トルクでの駆動が容易に実現でき、また長寿命化を
図ることができ、しかも構成が簡単なステッピングモー
タを提供できるものである。また本発明によれば、ステ
ッピング動作をより確実にできるステッピングモータを
提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す縦断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った横断面図。

【図３】同実施例における励磁コイルの駆動回路図。

【図４】同実施例における駆動信号のタイミング波形図
。

【図５】同実施例における駆動信号のタイミング波形図
。

【図６】同実施例における出力回転軸を回転させる動作
を説明するための図。

【図７】本発明の第２実施例を示す縦断面図。

【図８】本発明の第３実施例を示す縦断面図。

【図９】図８のＢ−Ｂ線に沿った横断面図。

【図１０】同実施例において中心軸孔に形成された凸部
の位置関係を説明するための図。

【符号の説明】

１…中心軸孔、２…フレーム、３…出力回転軸、４〜６
…棒状磁歪材、１０〜１２…励磁コイル、１３〜１５…
スイッチングトランジスタ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　中心軸孔を有するフレームと、このフ
   レームの中心軸孔に挿入されたその中心軸孔径よりも若
   干径が小さい出力回転軸と、この出力回転軸の周囲に押
   圧部材を所定の間隔を隔てて径方向に配置し、前記押圧
   部材を順次軸方向に駆動して前記出力回転軸を順次中心
   軸孔の対向側壁に押圧する複数の駆動手段を設けたこと
   を特徴とするステッピングモータ。
2. 【請求項２】　　駆動手段は、押圧部材として棒状磁歪
   材を使用し、この棒状磁歪材を励磁コイルの通電、非通
   電により軸方向に膨脹、収縮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。
3. 【請求項３】　　駆動手段は、押圧部材として非磁性体
   を使用し、この非磁性体押圧部材を電磁石の可動部材に
   より軸方向に進退動作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。
4. 【請求項４】　　少なくとも出力回転軸が押圧されるフ
   レームの中心軸孔の対向側壁部に歯車状の凸部又は凹部
   を形成するとともに前記出力回転軸の周面に前記凸部又
   は凹部と歯合する凹部又は凸部を形成したことを特徴と
   する請求項１、２又は３記載のステッピングモータ。