JPS62171456A - 転動型ステツピングモ−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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はロボットなとのメカトロニクス機器のアクチュ
エータに関する。

Ｅ従来の技術］ 現在各種のメカトロニクス機器に用いられているステッ
ピングモータの基本原理は、ロータに規則的に配置され
た、強磁性体あるいは永久磁石で出来た歯車の歯のよう
な凹凸（以下、歯と呼ぶ）を、ステータに規則的に配置
された電磁石の切換えで次々に吸引し、ロータとステー
タを相対的に移動をさせるというものである。

［考案が解決しようとする問題点］ 従来のステッピングモータでは、ロータとステータの両
方になんらかの形で、歯を規則的に並べることが必要不
可欠となり、ステップの分解能と精度は歯の刻みのピッ
チとその精度できまる。このため、構造が複雑になり、
ステップ幅の、分解能と精度の高いものを作製するのは
難しい。

また、ステータとロータの歯は密着してはならず、必ず
一定の隙間を保持しなけれはならない。

そのため、磁気回路の抵抗が大きくなり磁力に制限がで
き、両方の面が密着した場合に比べれば吸引力も小さい
。また、ロータを駆動する力としては、ステータとロー
タ間に生じる磁力のうち駆動方向の分力しか利用できな
い。これらがモータの保持力、自起動トルク、最大起動
周波数などに限界をもたらす。

また、構造上、１自由度の回転かあるいは直動しかでき
ず、２自由度以上を得るためにはその数だけのモータを
用意し■み合わぜなければならない。これは機器のコン
パクト化に障害となる。このように、従来のステッピン
グモータには幾つかの弱点があり、その性能は工業界の
要請を必ずしも十分溝たしているとは言えない。

［問題点を解決するための手段］ 本発明によれば、このような従来型のステッピングモー
タの弱点を補うことかできる。以下に、図を使ってそれ
を詳ぷ■に説明する。

原理を説明するために、円筒を転動面（転がり面）とし
た１自由度のモータの一実施例を第１図、第２図に示す
。第１図は一部断面をとった正面図を、第２図は同じ実
施例の斜視図を示す。第１図で説明する。外半径かＲ１
の円筒のロータ（１）″／２内半径がＲ２の円筒のステ
ータ（２）上を、滑りなしに（４ｏ）の接点から（ｌＬ
　ｂ）の接点まで転動させる。そのときの転動距離の孤
の長さは、ステータ上て角度０に相当する。両方の円筒
の、円周上の転動距離の差に比例して、ロータは式（１
）の角度４）Φ＝θ（Ｒ２−Ｒｔ）　／Ｒｔ　　　　　
　（１）だけ自転する。また、ステータを固定して考え
れは、ロータは Ｘｌ／＝（０−・Ｉ））　　　　　　　　　　　（２）
だけ、公転する。ロータ中心から半径ｒの位置にに固定
した出力軸（３）は、ステータの円筒と同心の、半径（
ｒ＋Ｒ２−Ｒｔ）の円軌道上を公転する。

円筒を転動ざぜるために、複数個の電磁石（１１）。

（１２）　、　（１３）　、　（１４）の端面なステー
タ円筒上に配置する。それを順次オン、オフし、転動面
の接点を、順次に励磁された磁石端面へ、（４８）から
（４ｂ）の如く移動させる。

２つの円筒の半径差を小さくして、ロータの自転角を取
り出ぜは、第（１）式のように、磁Ｗの回転角（接点の
回転角θ）が大きな減速比で取り出せる。このため、分
解精度か従来のステッピングモータに比べ、飛躍的に改
善される。また、ロータの公転角を取り出せば、式（２
）でΦが小ざいので、ｊｒｔ来のステッピングモータと
ほぼ同様の回転角が、磁界の回転角（接点の回転角Ｏ）
に応じて得られる。

たとえば、円」二に５３０度ごとに電磁石を配置し、１
回のステップによる回転角θを９０度と考えると、Ｒ２
：１００ｍｍ、Ｒ＋＝９０．９ｍｍとして、自転のステ
ップ角は５．４分となる。

これにより、円周上に歯を刻む必要かなくなり、従来の
ステッピングモータの難点であった（ＩＩｖ造−Ｌの複
雑さを解決できる。

また、磁気回路内に隙間を設ける必要がないので、電流
を効率よく磁力に変換することかでき、面に垂直方向の
磁力をそのまま駆動力として利用できる。ざらに垂直の
磁力に摩擦係数をかけただけの大きい保持力も得られる
。

ざらに、転動面として凸球面と凹球面を選べは、電磁石
の配置の仕方によって、１〜３自由度の運動が実現でき
る。そのほか、球と平面の組合わせで平面上を運動する
ステッピングモータも実現でき、−個で１自由度しか持
たなかった従来のステッピングモータの難点を解決でき
る。また、円筒と直線の糾合わぜて直線上を運動するス
テッピングモータも実現できる。

転動体として、ざらに、球や円筒では表せ得ない、互い
に転動し得る２つの面の絹合わぜを考えると、三次元曲
面の軌跡を描く運動も可能であり、直動と回転以外の動
きの出来なかった従来のステッピングモータの問題を解
決できる。

［作用］ 本発明は転動（転がり運動）し得る２つの面を、転動面
に配置した電磁石の力で互いに密着させた状態のままで
転動ざぜ、転動体の中心あるいはそれ以外の固定点の運
動を出力として取り出１ノ、１ないし３自由度のステラ
ピンク運動を、簡便に、高精度に、強い起動トルクと保
持力を持たせて１〒なわせようとするものである。

［実施例］ （転動面形状の糾合わせ例） 第１図では、両転動面を円筒面に選んだが、組合わせる
転動面の形状は任意に選べる。

第３図は凸面法のロータ（１）と凹面法のステータ（２
）を組み合わせた、ステッピングモータの概観を示す。

仮に、凹面法（２）を固定側転動面（ステータ）、凸面
法（１）を移動側転動面（ロータ）として考える。凹面
法（２）の材質には、例えば、アルミや銅のような、強
磁性ではないものを用いる。凸面法（１）の材質には、
軟鉄のような強磁性体を用いる。　固定側転動面には（
１１）から（１６）までの６個の電磁石が、その端面が
転動面の一部を構成する形で、Ｖ、Ｅｌみ込まれている
。電磁石（１１）。

（１２）、（１３）、（１４）かステータの一つの大円
５Ａ上にあり、（１５）、（１６）かこの大円をはさむ
極の位置にある形も取れる。たたし、電磁石（１６）は
第３図ではロータ（１）の反対側にあり、図示されてい
ない。

（１１）、（１５）、（１３）、（１６）の組と、（１
２）、（１５）、（１４）。

（１６）の組がそれぞれ大円５Ｂ、５Ｃ１にある。電磁
石（１１）、（１２）、（１３）、（１４）を（１１）
、　（（ｎ）、（＋２））　、（１２）、　　（（１２
）、（１３））　、（１３）　、　（（１３）、（１４
））　、（１４）　。

（（１４）　、（１１））　、（１１）と（）内の２個
を組み合わせた励磁状態を経て、１個ずつ順に励磁する
と、凸面法（１）は凹面法（２）の１つの大円Ａ５上を
転動する。

ロータに出力軸（３）をとりつける。電磁石（１５）の
鉄心は内側を抜き取ったパイプ構造になっていて（１０
）はステータの開口部となる。この開口範囲を出力軸が
動ける。

その他、転動面には、あらゆる面の組合わせが使える。

例えは、円筒と平面（第７図、第９図）、例えば、平面
と球、あるいは、カムに使われるような非円筒面、非球
面も本ステッピングモータの一方あるいは両方の転動面
に使える。

（電磁石の数と配置の例） 電磁石の数は２個以上を、任意にステータに配置してよ
い。もちろん、同時に励磁する磁石の数も１個に限るわ
けではない。複数個の電磁石の同時励磁により保持力を
より強くしたり、励磁電流を段階的に変化して、ミニス
テップ駆動をすることもできる。

例えば、第３図の電磁石の配置の代りに、合計８個の電
磁石を第４図のように、ステータ球面上に対称に配置す
る。電磁石の組［１１、１２］、［１３゜１４］、［１
５，１６］および［１７，１８］のそれぞれの中央の点
を結べば、ステータ球の一つの大円（５Ａ）となる。同
様に、［１１，１３］、［１５，１７］、［１６゜１８
］および［１２，１４］の組のそれぞれの中央の点て、
先の大円（５Ａ）と直交する大円（５Ｂ）が描かれ、［
１７，１１］、［１３，１５］、［１４，１６］および
［１８，１２］のそれぞれの中央の点でもう一つの大円
（５Ｃ）が描かれる。

いま、（１１，１２）の組か励磁されている状態から始
める。つぎに（１３，１４）を励磁したのち、（１１，
１２）の励磁を解除すれはロータは大円（５Ａ）上を転
動する。（１３，１４）でなく（１７，１８）を励磁し
てから・＜ｕ、１２）の励磁を解除すれば、同じ大円（
５Ａ）上を逆向きに転動する。また、（ｌＩ、＋２）か
ら（１１，１３）、（１５，１７）へ、あるいは（ｘ２
．ｌｔ＋；−１（１６，１，８）へと励磁を切り換えれ
ば、大円（５Ｂ）上へ転動の軌跡は移る。大円（５Ｃ）
上への、転動軌跡の移動も同様にてきる。

（転動面の部材の構成の例） ロータ側転動体の構造は、一様な強磁性体で構成するだ
けでなく、永久磁石をうめこんだ態様（第８図）、ある
いは、電磁石を配置した態様もとりうる。ステータの電
磁石も永久磁石と電磁石を組合わせた複合磁石にしても
よい。

また、転動体は、必ずしも剛性の高い必要はなく、弾性
変形をする部材で、接触面積を増加させることも可（ｆ
Ｆ＝である。第１図のように一方の転動面を弾性変形し
やすい構造にすると、密着面積がかｌ曽Ｊ叫する。

転動面の一方あるいは両方に強磁性体ではない材質の層
（７）をはり付けるか塗布するかして、あるいは転動面
から磁石端面をわずかに引っ込める゛かして、磁石が転
動面と一体となって転動はするが、磁石端面か直接には
相手転動面に密着しない態様もとりうる。これにより、
吸着による衝撃を緩和したり、転動面の摩擦力を増すこ
ともてきる（第１１図）。

ロータとステータには転動するために隙間が必要である
が、この隙間の一部あるいは全部をゴムなどの弾性部材
でうめて、磁石の励磁による吸着で弾性部材か変形する
ことで、転動に必要な空隙が出来るような態様も可能で
ある。（第１１図）第８図は、第１図のステップモータ
てロータ内側円筒（１）に永久磁石を埋め込み、各ステ
ップの転動量の再現性の向上を計った態様である。転動
面に永久磁石化できるエンジュャリングブラステ、イッ
クを用い、磁化の方向を半径方向にそろえた適当な間隔
て永久磁石を配置して、吸着力を一層高めることも有効
である。ただし、すべりなく転動するためには、外円筒
の゛電磁石のピッチ角度αと内円筒のピッチ角度βは、
つぎの関ｉ系を満たす必要がある。

β＝α（Ｒ２−Ｒ＋）／Ｒ１（：３） （転動面の複数化の例） 第５図は両回筒（１）、（２）の半径差を大きくして、
公転の出力だけを取り出せるようにした態様をしめす。

半径差が大きくなると、密着面積が減り、磁力も減少す
るので、小さい磁石を多数並べ、磁束のもれを防ぐとと
もに、必要なら、多数の小円筒を同時に転動ざぜ、それ
を連結部材（６）で連結して、駆動力の増加を計ること
もできる。

（同時密着面の複数化の例） 第６図は転動面の一方を分割し、２点の同時密着を可能
にし、１ステツプあたりの転動量を一定にする態様をと
った例を示す。ロータの転動面として多数の小円筒を用
意し、これを連結部１オ（６）に等間隔に配置固定する
。ロータの１ステツプ当たりの転動量は、この小円筒の
間隔で幾何学的にほぼ決まる。とくに、小円筒の配置の
ピッチの弦長な、電磁石によって分割されたステータの
弦長から、１回のステップによる円筒の転動長さだけ差
し引いたものと等しくすると、両転動面がずべりなく転
動する。

第９図は第６図の例をリニヤ−タイプになおしたもので
、円筒と平面の転動を有限個の電磁石で無限に繰り返せ
る形態を取っている。電磁石の励磁を、　（１１，１２
）　５　（１２，１３）　）　（１３，１４）　＞　（
１４＄１１）、　（１１，１２）と周期的に繰り返すと
第１０図のように、実線で示した（ＩＬ１２）の密着状
態から、破線で示した（１２．１３）の密着状態に移る
１ステツプの間に、ステータはロータに相当するレール
上をステップ状に走行する。このときのステップ幅りは
、ステータ円筒の半径なＲ２、ロータ（レール）を挾む
２個の円筒の距離なａ、レール軸方向に隣り合う円筒間
の距離を１）、レールとステータ円筒間の隙間なＣとし
て、 ｈ＝ｃ　（ａ／２−Ｒ２）　／ｂ なお、第９図の場合、電磁石を７１本使っているが、レ
ールを挟んで２本と１本を対向させた３本の電磁石でも
同様の駆動ができる。

また、ステータの前進運動を拘束し、ロータ（レール）
の軸方向の移動を可能にするとレールをステップ駆動す
ることも可能である。

（ステップ幅を可変にする構造の例） 第１１図は第９図に使用する電磁石をかねたステータ円
筒の構造の一例を示す。ステータ円筒に弾性部材（７）
をとりつけ、この弾性部材（７）の厚みを増せは、電磁
石端面の円筒部分はロータに直接接触しなくなる。これ
によってステータとロータの隙間の調節ができる。また
、電流を調節して吸着時の磁力を変えれば、弾性部材（
７）の弾性変形量が変るので、外部から隙間を変化させ
ることもでき、ステップ幅を制御することも可能になる
。

また、弾性部材（７）の存在によって吸着時の衝撃の緩
和および接点の摩擦係数の上昇を計ることができる。同
様の構造が、第６図の小円筒、あるいは第６図の電磁石
端面てもとれる。

（出力軸位置の例） 円筒のロータを使うｇ様でも、出力は必ずしも円の中心
から取り出す必要はない。たとえば、円筒と平面の組合
わせによる態様（第７図）で、円筒の中心を出力軸に選
べば出力は直線運動となるが、中心から適当にオフセッ
トした点を出力軸に選べば、トロコイド曲線の出力が得
られる。

（公転角と自転角の分離の例） 公転運動だけを分離して取り出す必要のあるときは、第
５図のように、ロータの出力軸に軸受けを介して連結部
材を取り付けることで、自転運動を解放してしまい、連
結部材の運動を出力とすれば゛よい。

自転運動だけを分離して取り出す必要があるときは、出
力軸の途中に弾性部材を挿入して、その出力軸の公転運
動を拘束してしまう方法がある。

たとえは、第１２図のように、板ばね（８）を２．ｉｆ
ｆ、たわみ方向を直交させて構成したカップリングを出
力軸３に連結して、その先を軸受（９）で受けて、公転
運動を板はねに吸収させることもてきる。ロータの公転
運動分の変位をステータに、外部から与える手段も可能
である。

出力軸の適当な箇所に動吸振器を取り付け、公転運動を
振動として吸収させてしまう方法も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の正面図 第２図は本発明の一実施例の斜視図 第３図は本発明の一実施例の正面図 第４図は本発明の一実施例の磁石配置例口笛５図は本発
明の一実施例の正面図 第６図は本発明の一実施例の正面図 第７図は本発明の一実施例の斜視図 第８図は本発明の一実施例の部分図 第９図は本発明の一実施例の斜視図 第１０図は本発明の一実施例の移動原理口笛１１図は本
発明の一実施例の部分図 第１２図は本発明の一使用例の部分図 １はロータ ２はステータ ３は出力軸 ４（４８，４ｂ）はロータとステータの接点５（５Ａ、
５Ｂ、５ｃ）はステータ球の大円６は複数の転動面をつ
なぐ連結部材 ７は転動面゛に付けたゴムなどの弾性部材８は板ばね ９は軸受け １０はステータ球の開口部 １１．１２．１３．１４．１５．１６．１７．１８は電
磁石２０は永久磁石

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 互いに転動（ころがり）運動ができる面をもつ２つの転
   動体を組合わせる。 一方の転動体に複数個の電磁石を、電磁石端面が転動面
   の１部あるいは全部を構成する形に配置し、もう一方の
   転動面を、これらの電磁石の励磁で吸着される構造とす
   る。 この電磁石の励磁を順次に切換えて両転動面を転動させ
   ることで転動体を相対的に移動させる。 転動体の中心あるいはそれ以外の転動体上の固定点の変
   位を直接に、あるいは、自転と公転を分離するための連
   結部を介して間接に、出力として取り出す。 以上のごとく構成された態様のステッピングモータ。