JPS5963974A - 高トルクロボツト用モ−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】 本発明はモータ（電動機）、特にマイクロステップ・モ
ードにて同期モータとして作動するリラクタンス型ステ
ップ・モータに関する。

成る糧の１菓用途では、たとえ（ま工業用ロボットのよ
うに、負荷を直接に駆動するために１返めて賜いトルク
を有するモータが必要である。たとえばロボットの継手
毎に１１１ずつ尚トルり・モータを設けると、歯車やそ
の他のがたのある機ｇｔ無くすることができる。サーボ
系統にがだ７Ｊ≦あると、不慟帝域、サーボ振動を生じ
、摩損、験音を大曽し、かかるサーボ系統の信頼性を減
する。

既存ノリンクタンス型ステップ・モータＯま永久磁石の
有無にかかわらず本発明に比して、その大きさおよび重
量の割りに元号なトルりを生じなし）。

これは、リラクタンス盤モータで（ま磁束力≦ロータ内
を円周方向に通過するため、より厚肉の、より大形のモ
ータを必要とすること等、数多くの問題に起因する。

サラに、在米型のステップ・モータの中の自庇束は意図
しないステータ極を通過して、モータの駆動増幅器の不
安定と共にトルクの減少を生ずる。

この原因は、切られた状態の一つの位相に接続さイ１．
ている増幅器が、通電している位相と変圧器のように磁
気的に接続している場合、２つの増幅器すなわち一つの
位相を実除に駆動している増幅器と切られたもう一つの
増幅器との間に振動が生ずるためである。基本的には、
切られたまたは・電流を減じられた駆動増幅器は巻線電
流に関して誤情報を与えられて、増幅器自体の電流をゼ
ロ値から変えようとする。

この型の既存モータに伴うもう一つの問題は、極性に対
して敏感であること、すなわちモータを一方向または他
の方向に駆動するためにバイポーラ増幅器を必要とする
ことである。

特にサーボ系統におけるもう一つの問題は、成る棟の既
存リラクタンス型ステップ・モータがモータへの電力を
切る時、回り止めトルクを発生することである。この残
留トルクはモータの自由回転を妨げ、たとえば操作員が
手で系内する千１ｇ４ｉ型ロボット腕のような用途では
問題となる。

既存リラクタンス型ステップ・モータの前記問題は本発
明のモータにより解決される。本発明のモータは、内側
ステータと、外側ステータと、該内側および外側ステー
タの間に回転軸に対し同軸的に配置された環形ロータと
を有する。ステータトロークとはそれぞれ仮数の菌を設
けられ、１淑の全ては回転軸に垂直な仮想面と父差する
よう位置し、ステータ歯はロータ丙に対向している。こ
イｔらの２組の歯は２つのステータの凶に反応は薄肉の
リング型ロータおよび配分された巻線により生ずる秀れ
た磁束路とあいまって、モータの厘蛍当りトルクが数倍
もの筒いものとなる。モータはさらにステータおよびロ
ータの中に磁束を選択的に発生するために内側および外
側ステークの部分を取巻くコイル装置を含む。この磁束
（′ｉ内側ステータを通り、ロータを半径方向外方へ通
り、外側ステータを円周方向に通り、さらにロータを半
径方向内方へ通って内側ステータへ戻る円形通路をたど
る。このコイル装置は、ステータおよびロータの異なる
組のｍｋ半径方向外方と内方とに磁束が通るように、磁
束を発生する。

ロータおよびステータはそれぞれ槓ノー板でできている
。各ステータは回転軸の回りζこ規則的な角度間１揃に
て配置された複数の離れた極片をゼし、内側ステータの
極片は外側ステータの対応する極片と整合している。コ
イル装置は１．１ｄの、ｄ気コイルを含み、各コイルは
離れた極片の一つ一つに巻かれており、内側および外側
ステータの対応する固片の回りに巻かれたコイルは直列
ζこ接続されていて、コイルに電流が流れると、内側お
よび外側ステータの２つの対口する・１伝の間を辿るロ
ータの部分の両側に反対極性の磁極を与えるようになっ
ている。

コイルは予め定められた極片の組に複数位十目で順次磁
束を発生ずる。すなわち、たとえば３相モータでは内側
および外側ステータの最初の憾片とそれに続く２つ置き
の極片を取巻くコイルがコ・「ル装置により同時に通紙
される。もちろん、ロータが回転磁界を追跡するように
するために、谷位相に対応するコイルの組が回獣状に連
続して通観サレル。マイクロステップ・モードにて作動
する時、隣接するステータ、ム片のコイルは同時に通電
されるが、電流の犬きは異なり、反対の磁極性を生ずる
ように通・シされる。このステータ歯と反応する２つの
ローフ出の組は、薄肉リング状のロータと配分された巻
線とにより生ずる秀れた磁束路と組合せられて、在来型
モータのＭ’ＭＬ　ｌ　ｋｇ当りのトルクの焼焙ものト
ルクを発生する。このように、一つの位相の電流を区分
さイｔた段階で減少させ、同時に他の相の・電流を区分
さイ１．た段階で増大させることにより、リゾリュージ
ョン（分解）すなわち１回転当りの有効な段階を区分し
て制御することがてき、典型的には１回転当り１０８，
０００段階を得る０このリゾリュージョンはステータ極
片およびロータの歯数の関数であり、成る限度内では歯
数を増す程、リゾリュージョンとモータのトルクとが高
くなる。マイクロステップ作用が許す全ての新しい角度
位置の全てにおいて充分なトルクを生ずるためには、モ
ータは正しい設計の歯幅と谷幅の比および正しい位相巻
線電流を持たなければならない。

従って、本発明の一目的は極めて高いトルクを有するり
ラフタンス型ステップ・モータを４乙ることにある。

本発明のいま一つの目的は安価なリンクタンス型ステッ
プ・モータを与えることにある。

本発明のさらにいま一つの目的はトルク対寸法比とトル
ク対重重比の高いリラクタンス型ステップ・モータを与
えることζこある。

本発明のさらにいま一つの目的は回り止めすなわち残留
トルクが無く電力を切った時（ご自由回転を可能とする
モータを与えることにある。

本発明のさらにい韮一つの目的はトルクの低下無しでマ
イクロステップ・モードにて作動し得るリンクタンス型
ステップ・モータを与えることにある。

本発明のさらにいま一つの目的は単極駆動装置により駆
動することのできるステップ・モータを与えることにあ
る。

構成と作動方法とに関して、本発明の特徴をいくつかの
１丈しい実施例を図解した亦付図面を参照して、以下に
記載する。

特に第１図および第３図を参照すると、本発明によるモ
ータは内側ステータ組立体ａｏＪ、　ロータｕ２Ｊおよ
び外側ステータ組立体ｕ４Ｊｆ有する。ロータｕ２１は
内側ステータ組立体１１０１と外−ステータ組立体ｄ４
１との間に、仮想の回転Ｉ１１］線ＵＩωの回りに同軸
的に配置される。％構造体（ＩＱ、　１２．１４）とも
分離した軟鉄の積層板からできている。

ｓ１図および第３図に良く示されているようζこ、内側
ステータおよび外側ステータはそれぞれ複数の極片ｕｌ
Ｄ　、　Ｃ２ωを具備し、これらの他片は回転軸線ｕＧ
ｌの回りに規則的な角度間隔をもって配列されている。

内側ステータの極片ｄ岨ま対応する外側ステータ極片（
２０１と整合する。極片−の谷々は極片歯レフを設けら
れ、同僚に他片四の各々は極片薗Ｖ樽を設けられている
。ロータｕ２１は極片＠　（２２，２８）にそ几ぞれ対
向する２組の歯（２４，２６）”有する。歯（２２〜２
８）はすべて回転軸線１６１に垂直な仮想平面と交差す
るように位置する。

個々の１気コイルい０）が内側ステータの各、１魁片側
を取巻き、また個々の越気コイルＧ３カが外側ステータ
の谷極片囚を取巻く。対向する極片ｕａｌと極片しＱは
直列に接続されているので、コイルに′電流が流れると
極片−と極片囚との間のロータｕ２の部分を横切って磁
界が発生する。ステータ極片１１８１は対向するステー
タ極片ρＯ）とは反対の磁極性を持つ。

第４図により明らかに示されるように、第１のステータ
極およびその後の２つ置きのステータ極の回りのコイル
、すなわちコイル（３（１’、　３２’、　３２”およ
び３０”）に′電流が流れると、磁束路（（４１が発生
する。この磁束路（３４１は、内側ステータ極（１８’
）から、ステータ極０♂）とステータ極０〕′〕との間
に存するロータは２１部分を横切り、ステータ極（２０
’　）を通る。

磁束路１３４１は絖いて外側ステータ１１４１の外周を
通り、２個の電流の流れない巻疎を過ぎ、外側ステータ
極（２０つへ戻り、ロータｕ２１を通り、さらに内側ス
テータ極（１８″）を通って、内側ステータに沿って元
の内側ステーク極（１８′）へ戻って、閉ループを光電
する。

重要な思想はロータの中を円周方向に短絡して瞬のステ
ーク極に走る磁束がｌホいという点である。

その代りに全ての磁束がロータ圓の中を半径方向外方ま
たは内方に足る。整合したステータ極（ｉ８′）または
（２０’）の一つが存在しないか、または電流が流れて
いないと、磁束はロータ中を円周方向に通って戻らさる
を得７よい。そのような場合、ロータ０２Ｉはより厚肉
にしなければならないし、ト、ｌレクは半分以下になる
であろう。何故ならば、その薗の半分しか磁気的作用を
受けず、磁束の通路が大きいからである。

３相モータに対して一度に６個の同形の磁釆路が形成さ
れる。このことは最初とその後の３番目の組のコイルに
すべて同時に電流が流れることを意味する。図示の１８
極モータでは、いかなる時点でも６個のコイル組立体に
同時に電流が流れることを意味する。侠言すれば、ステ
ータ極位置の全てに順番に１から１８の番号を付けると
、最初と４番目、７番目、＋０４１１１．１３番目、１
６番目の位置にあるステータ極はすべて同時に電流が流
れる。その直後には、２番目、５番目、８番目。

１１４目、１４番目、１７７番目位置にあるステータ極
片のすべてに同１寺ｔこ電流が流れ、同様（こしてロー
タは３相のそれぞれによって回転する。

ロータの回転力は、各々の後続のステーク極片の組の歯
が１４接ステ一タ極片間の間隔のためロータの対向する
歯から僅かにずれていることにより生ずる。従って、た
とえば第１相の極片に電流が流れる時に、電流の流れて
いる極片の間ζこあるロータの歯は′電流の流れている
ステータ極片の歯と整合状態に入らせられる。この時点
ではすぐ隣の′電流の流れていない極片の間ζこ位置す
るロータ部分の菌はステータ歯と整合しない。１０Ｊ故
ならば、極片の間隔は歯の間隔の整数倍でないからであ
る。

さらζこ、外側ステータ歯の数とそれに対面するロータ
歯の数との差は外側ステータ極数を位相の故で除した数
に等しい。内側ステータ極片の爾に対面するロータ歯に
ついても同様である。たとえば、１８極３相モータで、
ステーク侭がそれぞれ８薗（外側ステータでは全部で１
４４、内側ステ一りでは全部で１４４）を有するとがれ
ば、ロータは内１＋１１１ステータ菌に対面する合計１
５　（＋　１１５の歯と、外側ステータ歯に対面する合
計１５０個の菌とを有する。必要なことは、ロータ歯の
ピッチがステータ歯のピンチと異なることである。谷々
の硬続する位相のコイルに電流が供給されると、ロータ
は回転して各後続する位相においてロータ歯をステータ
歯に整合させ、それ放電流が連続してモータの各相に供
給されるのと同じ方向にロータが回転する。モータの磁
気ステップ角は放射状旋回型またはロボット腕の用途で
は３６０°の偶数倍でなければならない。リントスクリ
ュを廻わす場合のような他の用途では、１インチ（２，
５４ｙ＋ｍ）当り５回転か共通ねじ標準であるから、５
て割り切れる部数を丸めた数である必要がある。上記の
例では、ロータは１５（）のｍｆ持つのに対し、谷ステ
ータは１４４のｍＫ有する。ロータ７１５０×３相＝４
５０すなわちモータ１回転当り４５０の磁気ステップと
なり、これを偶数倍すると３６００となる０ これらの３４目モータの望ましい組合せ及びその他の望
ましい１阻合せを次表に示す。

１８　　　５　　　９０　　　　９６　　　２８８１８
　　　７　　　１２６　　　１２０　　　３６０１８’
　　　　８　　　１４４　　　１５０　　　４５（＋１
２　　　５　　　６０　　　　６４　　　１９２１２　
　　７’　　　　８４　　　　８０　　　２４０１２　
　　８　　　９６　　　１００　　　３００６　　　５
　　　３０　　　　３２　　　　９６６　　　７　　　
４２　　　４０　　　１２０６　　　８　　　ｊ８　　
　　５０　　　１５０本発明によるモータはマイクロス
テップを生ずる設計である。これは磁気ステップをより
小さなサブステップに蹴気的に分割することにより行わ
れる。特に第５図を参照するに、モータｆｆ１Ｘ動する
ためのほぼ従来の回路が略図で示される。第１１第２お
よび第３相にそれぞれ対応する内側および外側ステータ
極の整合した組の巻綴の６組合せ（３０ａと３２ａ）、
（３０ｂと３２ｂ）、（３０ｃと３２０）は電力増幅器
を経て３個のデジタル−アナログ変換器（３ｓａ、　３
８１）、　３８Ｃ）のうちの１面々の一つの出力１則に
４ｍＡ売される。各デジタル−アナログ・変換器への別
々の入力はそれぞれプログラムされたリードオンリー・
メモリー（ＦＲＯＭ）により供給される。ＰＲ（ＪＭの
谷々への入力はタイミング調理回路（４滲の制御の下に
カウンタｆ４Ｚにより順次個別にアドレスされる。カウ
ンタはクロック入力（４８１と方向入力（４６）を供給
され、選択的にカウントアツプ又はカウントダウンを行
う。

ＰＩ（、ｏＭ（４０ａ、　４０Ｌ＋；Ｊｄよび４０Ｃ）
は、デジタル形の特殊波形信号を貯蔵し、この信号によ
り特に円滑なロータ回転と定常トルクとを生ずるように
コイルは通・１される。

モータをマイクロステップ・モードで作動するために、
一つの位相のコイルの電υＶｔ、を段階状に低下させ、
すぐ隣のコイルの電流を段階状に増す。

これは後続する位相の各々のコ・ｒル（こ対応するＦＲ
ＯＭにアドレスする態様、ずなわちＰ　ＩＬＯｔＪ　（
４０ａ、　４０ｂ、　４０ｃ　）とカウンタ（４２１の
出力との間の接続パターンにより簡単に行われる。２組
の隣接するコイル組が通電されると、第４図の田に示さ
イ゛シるように隣接する極を包囲する磁束路が発生する
。

それぞれのコイル組を流れる電流の崖により磁束は通路
（３４１と田とに分割される。

明細書に１吏用した用語は説明のためであって制約され
るものではなく、そのような用９ｆ４の使用により図示
および記載の特徴またはそれらの部分と同等のものを排
除する意図はない。従って特許請求の範四内において種
々の変更が可能であることを認識すべきである。

【図面の簡単な説明】

・４１図は不発Ｆ！Ａによるモータのロータ石よひステ
ータの組立体の分解斜視図、 第２図は本発明の組立てられたモータの断面を示す側面
図、 第３図は第２図のほぼ３−３線にそう拡大正面図、 第４図は本モータの位相捲線配置の略式説明図、第５図
は本モータの電子的駆動回路のブロック図である。 １０・・・・・・・・・・・・内側ステータ組立体１２
・・・・・・・・・・・・ロータ １４・・・・・・・・・・・・外側ステータ組立体１８
．２０・・・・・・Ｉ諷片 ２２．２８・・・・・・極片歯 ２６・・・・・・・・・・・歯 ３０．３２・・・・・・電気コイル ３４．３５・・・・・・磁束路 ３８・・・・・・・・・・・・Ｉ）／Ａ変換器４０　　
・・・・・・・・・・・・ｌ（０Ｍ４２　・・・・・・
・・・・・・カウンタ４・ｌ　・・・・・・・・・・・
・タイミング論理回１烙図面の浄書（内容に変更なし） ｒ″″３０４ 手続補正書 昭和５８年　７月Ｓ日 特許庁長官　　殿 １　事イ′１の表示 昭和５８年特許願第１００７０８号 ２　発明の名称 高ドルクロポルト用モータ ３　補正をする者 事イ′［との関係　　出願人 名　称　　モータネティクス・コーポレーション“゛。 −■□。９□１８．。１８□ユ１□［ｆｆ１１１１ｔ２
８つ願山面中特許出願人の代表者の欄、明ＳａＷのタイ
プ郡山（内容に変更なし）、及び代理権を証明する書面
。 ７　補正の内容 尚、雪τ話畠１４１　ｒ　９５１，４０１．Ｊとあるの
はアメリカ合衆国における郵手続補正書ｃ方式） ％式％［１ １事件の表示昭和５８年　特許　願第１．００１０８−
号２　発明の名称 高トルクロボット用モ〜夕 ３　補正をする者 事件との関係　特許出願人 住所　　アメリカ合衆国カリフォルニア州すンタ・ロー
ザ、テスコニ・サークル　３．２０ 九−モータネティクス・コーポレーション４代理人 （発送日：昭和５８年９月２７０） ６　補正の対象　　「図　面」 Ｚ　補正の内容　　別紙のとおり　図面の浄書内容に変
更なし′ｌ　、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）内側ステータ、外側ステータおよび環状ロー′Ｊ
   を有するモータであって、前記ロータは前記内園および
   外側ステータの間に回転軸の回りに同軸的に配置され、
   前記ステータおよびロータはそれぞれ数組の極片ｍを具
   備し、前記極片薗は軸に垂直な仮想面と父差し、前記ス
   テータの歯は前記ロータの歯と対向しており、さらに前
   記内側および外側ステータの部分を包囲して前記ステー
   タおよびロータ内に選択的に磁束を発生するコイル装置
   を有し、前記磁束は前記内側ステータを通り、前記ロー
   タを半径方向外方へ通り、前ｄε外側ステータを通りさ
   らζこ前記ロータを半径方向外方へ通って前記内側ステ
   ータに戻る円形通路をたどるようにされた、モータ。 （２）前記コイル装置が前記内側および外側ステークと
   前記ロータの中に磁束を発生し、該磁束は前記ステータ
   およびロータの歯の一組を通って半径方向外方へ抜け、
   かかる菌の別の一組を遡って半径方向内方へ抜けるよう
   にされた、特許請求の範囲第（１１項に記載のモータ。 （３）＠記ロータおよびステータはそれぞれ積層板型で
   あり、円筒形である、特許請求の範囲第（υ項および第
   （２）項に記載のモータ。 （４）前記ステータの各々は回転軸の回りに規則的な角
   度間隔をもって配置された複数の離れた極片を有し、前
   記内側ステータの極片は前記外側ステータの対応する極
   片と整合している、特許請求の範囲第（１）項に記載の
   モータ○（５）前記コイル装置は、それぞれが前記極片
   の離れた１個づつに催かれている値数の′電気コイルと
   前記整合した極片のうち予め定めらイーシた＜ｍ片を取
   巻くコイルに選択的に電流を流す装置とを有し、コイル
   の巻線方向と′電流の極性とは前記整合した極片が前記
   ロータへ反対極性の磁極を与えるようにされている、特
   許請求の範囲第（４）項に記載のモータ。 （６）　　前記内側および外側ステータの２つ置きの極
   片を取巻くコイルが前記コイル装置により同時に通電さ
   れる、特許請求の範囲第（５）項に記載のモータ。 （７）異る強さと反対の磁極性とを持つ磁界を発生する
   ために瞬接するステータ極片のコイルに同時に通電する
   、特許請求の範囲第（５〕項または第（６）項に記載の
   モータ。 （８）前記コイル装置が予め定められた磁憔片の組の中
   に複数位相にて順次磁束を発生し、外測ステータ歯の数
   と該外側ステータ歯に対向するロータ歯の数との差の絶
   体数が該外側ステータ憔の数を位相数にて除した故に等
   しい、特許請求の範囲第（４）項に記載のモータ。 （９）前記コイル装置が予め定められた磁極片の組の中
   に複数位相にて順次磁束を発生し、内側ステータ歯の故
   と該内側ステータ歯に対向するロータ歯の数との差の絶
   体数が該内側ステータ極の数を位相数にて除した数に等
   しい、特許請求の範囲第（４）項に記載のモータ。 ＧＯ＋　　前記外９ｔｌｌステータ極の数と外側ステー
   タ極の１１固当りの歯数と該外側ステータ歯に対向する
   ロータ歯の全数とが下表の組合せの一つから選定される
   、特許請求の範囲第（７］項または第ａａｔ項に記載の
   モータ０ １’８　　　　５．９０　　　　　９６１８　　　　７
   　　　　　１２６　　　　１２０１８　　　　８　　　
   　　１４４　　　　１５（Ｊ１２　　　　５　　　　　
   　６０　　　　　６４１２　７　　　ニス　　　８０ １２　　　　８　　　　　　　　　　　　１０［Ｊ６　
   　　　５　　　　　　３０　　　　　３２６　　　　７
   　　　　　　４２　　　　　４０６　　　　８　　　　
   　　４８　　　　　５０けり　角度的に離隔された複数
   の極片を含む環形ステータ組立体と該ステータ組立体に
   対して同軸的に配置された環形ロータとを有し、前記極
   片と前記ロータとは対向する組の歯を具備し、さらに前
   記極片の予め定められた組に３相にて順次磁束を発生す
   るために前記ステータ極片を取巻くコイル装置ヲ含んで
   いるモータであって、ステータ極数、ステーク極１個当
   りの歯数、および該ステータ歯に対向するロータ歯の全
   数が下表の組合せの一つから選定されるモータ。 数