JPS6258865A - ２自由度円筒形ステツプモ−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 本発明は多自由度運動機構に用いられるアクチュエータ
に関するもので、さらに詳細には、小形にして簡素な構
造により２自由度の運動を実現する２自由度円筒形ステ
ップモータの構造に関する。

従来の技術 多自由度機構を構成する場合、一般には、一つの自由度
に対して一つのアクチュエータを配置し、各アクチュエ
ータを複雑な伝達機構を介して連結し、多自由度の運動
を実現している。このため、機械的精度が劣化したり、
機構全体が大型で重くなるという問題がある。また、機
構の構成によっては一つのアクチュエータの自重が他の
アクチュエータの負荷となり、実際の負荷に対して必要
以上に大型のアクチュエータを用いなければならないこ
とも多い。

これに対し、アクチュエータ自体を多自由度化できれば
、これらの問題を解決し、機構の簡素化、小形・軽１化
が可能となる。従来、この種の回転・直進形ステップモ
ータの例としては様々な原理が公表されているが、軸受
方法等を含め、その具体的な構成は明らかにされていな
い。

発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、多自由度機構の簡素化、小形・軽量化
に必要な多自由度アクチュエータを提供することであり
、さらに詳細には、小形かつ簡素な構造の２自由度円筒
形ステップモータを提供することにある。

問題点を解決するための手段 上記の目的を達成するため、本発明に従うと、可動子と
、複数個の磁極を有する電磁石と永久磁石により構成さ
れる固定子とからなり、上記可動子を上記固定子に対し
て円周方向と軸方向の２方向に運動可能とした２自由度
円筒形ステップモータにおいて、上記の可動子および固
定子は、いずれか一方が円筒形内表面を有し、他方が該
円筒形内表面に近接して挿通可能な相補的形状の円柱状
であり、上記可動子は、円周方向および軸方向の各々に
等ピッチで刻まれた歯を有する円筒形の外表面または内
表面の形状の電気機械変換部と、該電気機械変換部の両
端に設けられ、該電気機械変換部と同じ径の軸受部とを
備えることを特徴とする２自由度円筒形ステップモータ
が提供される。

一方、上記固定子は、上記可動子の電気機械変換部の歯
と等ピッチにそれぞれ円周方向および軸方向の配列され
た歯を有する回転用および直進用の電磁石を備え、これ
らの電磁石の極性を制御することにより、電磁石の歯と
固定子の電気機械変換部の歯との間の電磁力を変化させ
て円周方向および軸方向に可動子を駆動する。

本発明の態様に従うと、上記回転用電磁石および直進用
電磁石は、互いに同軸上に分離して配置してもよく、或
いは同一円周上に一体に構成してもよい。

さらに本発明の好ましい態様に従うと、上記可動子の電
気機械変換部の歯の間の溝は非磁性材料で充填されて平
滑な円曲面をなし、電気機械変換部が軸受部と一体に構
成されている。

これらの可動子と固定子は、いずれが円柱状であり、他
方がこれとほぼ相補的形状の円筒形の孔を有してもよい
。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施例により詳細
に説明する。

実施例 第１図は本発明に係る２自由度円筒形ステップモータの
第１の実施例を示す断面の斜視図であり、第２図は第１
図のＡ−Ａ’力方向断面図である。

第１図および第２図に示すように、本実施例の２自由度
円筒形ステップモータは、円柱状の可動子１と、可動子
１と同心に円環状に配置された直進用磁極２および回転
用磁極３と、これらの磁極に設けられた励磁コイル４と
を備えている。本実施例の２自由度円筒形ステップモー
タにおいては、直進用磁極２の間および回転用磁極３の
間に軸方向に磁化された円筒状の永久磁石５が設けられ
ている。

これらの円筒状永久磁石５の一方およびその両側に同軸
上に配置された一対の上記直進用磁極２および励磁コイ
ル４により直進用固定子６を構成し、他方の円筒状永久
磁石５、その両側に配置した一対の上記回転用磁極３お
よび励磁コイル４により回転用固定子７を構成している
。なお、第１図においては励磁コイル４の図示を省略し
ている。

参照番号８は上記直進用固定子６および回転用固定子７
を同軸上に固定するための円筒状ケースであり、９は直
進・回転両用形のボール軸受である。咳軸受９をハウジ
ング１０を介して上記円筒状ケース８の両端に固定し、
上記円柱状可動子１を、直進、回転自在に支持する。な
お、上記直進用固定子６と円柱状可動子１により直進用
モータ部を構成し、上記回転用固定子７と円柱状可動子
１により回転用モータ部を構成する。

第３図は、上記円柱状可動子１の詳細図である。

第３図に示す様に、円柱状可動子１には円周方向、軸方
向の両方向に各々等ピツチで並んだ歯が刻まれた電気機
械変換部１ａが設けられ、その両端には該電気機械変換
部と同じ径の軸受部１ｂが設けられている。また、上記
電気機械変換部の溝は非磁性の充填材ＩＣで埋めること
も可能であり、該充填材１ｃに硬質の非磁性材料を使用
すれば、電気機械変換部は軸受部１ｂとしても共用する
ことが可能である。

第４図（ａ）および第４図ら〕はそれぞれ上記直進用固
定子６および回転用固定子７の詳細図である。

ただし、第４図（ａ）および第４図（ｂ）においても構
成を明瞭に示すため励磁コイル４の図示を省略している
。

第４図（ａ）に示す様に、直進用固定子６を構成する直
進用磁極２は円環状の４極構造となっている。

各磁極１１ａ〜ｌｌｈには、上記可動子１と微小空隙を
介して対向する軸方向に等ピッチで並んだ円周方向の歯
が刻まれており、円周方向に隣合う極１１ａとｌｌｂの
歯は互いに軸方向に１／２ピツチずれている。また永久
磁石５を介して軸方向に隣合う極１１ａとｌｌｅの歯は
互いに軸方向に１／４または３／４ピツチずれて配置さ
れている。同様に、第４図（ｂ）に示す様に、回転用固
定子７を構成する回転用磁極３は円環状の４極構造とな
っている。各磁極１２ａ〜１２ｈには、上記可動子１と
微小空隙を介して対向する円周方向に等ピッチで並んだ
軸方向の歯が刻まれており、円周方向に隣合う極１２ａ
と１２ｂの歯は互いに円周方向に１７２ピツチずれてい
る。また永久磁石５を介して軸方向に隣合う極１２ａと
１２ｅの歯は互いに円周方向に１／４または３／４ピツ
チずれて配置されている。

次に、第１図〜第４図（ａ）および（ｂ）を参照して構
成を説明した２自由度円筒形ステップモータの動作につ
いて説明する。

まず、直進方向動作については、上記直進用固定子６の
各種が永久磁石５と各々の励磁コイル４の電流により４
相に分割される。したがって、励磁コイル４の電流を各
々制御することにより、任意の相を励磁することができ
、この励磁相を順次切替えることにより１／４　ピッチ
づつ直進することができる。回転方向動作についても同
様の原理で１／４ピツチづつ回転することができる。こ
れらの動作原理は公知であるので、これ以上の説明は省
略する。なお、上記円柱状可動子１を円筒状に変更する
ことも可能であり、さらに、上記の可動子と固定子を逆
の構成としても、その場合も同様の原理で動作すること
は勿論である。

以上に説明した構造の２自由度円筒形ステップモータの
場合は、可動子１の電気機械変換部１ａと軸受部１ｂは
同一径であるので直進方向動作において電気機械変換部
１ａを軸受９の内部にまで侵入させることが可能である
。したがって、軸受９を直進用固定子６および回転用固
定子７に近接して配置することが可能であり、このため
、モータの全長を短くすることができる。

第５図は、本発明に係る２自由度円筒形ステップモータ
の第２の実施例を示す断面の斜視図である。ただし、同
図においても励磁コイル４の図示を省略している。

第５図において、第１の直進用磁極２ａと第１の回転用
磁極３ａおよびこれらの間に配置した第１の永久磁石５
ａにより第１の直進回転用固定子１．３２を構成し、同
様に、第２の直進用磁極２ｂと第２の回転用磁極３ｂお
よびこれらの間に配置した第２の永久磁石５ｂにより第
２の直進回転用固定子１３ｂを構成する。このとき、永
久磁石５ａｓ５ｂの磁極の方向は、第１の固定子１３ａ
において直進用磁極２ａ側をＮ極とすれば、第２の固定
子１３ｂにおいては直進用磁極２ｂ側をＳ極とする。

これら２個の固定子１３ａと１３ｂを第５図に示す様に
、直進軸の両端が同じ運動方向に対する磁極となるよう
に、すなわち、第１の固定子１３ａと第２の固定子１３
ｂの隣合う側の磁極は共に直進用磁極２ａと２ｂ、また
は回転用磁極３ａと３ｂとなるように配置する。また、
第１の直進用磁極２ａと第２の直進用磁極２ｂを互いに
軸方向に１／４または３／４　ビフチずらして配置し、
第１の回転用磁極３ａと第２の回転用磁極３ｂを互いに
円周方向に１７４または３／４ピツチずらして配置する
。このような構成の２自由度円筒形ステップモークは前
記第１の実施例の場合と同様に動作することは勿論であ
る。

以上の如き構造とすることにより、前記第１の実施例の
効果に加えて、可動子１を介して両端の軸受９に作用す
る磁気的な力を均等にすることができる。

さらに、第６図は、本発明に係る２自由度円筒形ステッ
プモータの第３の実施例を示す断面の斜視図である。た
だし、第６図においても、励磁コイル４の図示を省略し
ている。

第６図において、参照番号１４ａは第１の直進回転用磁
極、１４ｂは第２の直進回転用磁極を示す。

５は前記第１、第２の実施例の場合と同様に軸方向に磁
化された円筒状永久磁石であり、該永久磁石５と上記第
１の直進回転用磁極１４ａ１第２の直進回転用磁極１４
ｂおよびこれらの多極に設けられた励磁コイル４により
直進回転一体の固定子１５を構成する。

第７図は第６図に示した直進回転一体形固定子１５の詳
細図である。ただし、第７図においても励磁コイル４の
図示を省略している。

第７図に示す様に、第１の直進回転用磁極１４ａは４つ
の直進月極１１ａ〜１１ｄおよび４つの回転相極１２ａ
〜１２ｄを有し、同様に、第２の直進回転用磁極１４ｂ
は４つの直進月極ｌｉｅ〜ｌｌｈおよび４つの回転相極
１２ｅ〜１２ｈを有する構造となっている。

ただし、第７図においてはこれらの８極のうち６極を示
している。また、直進月極１１ａ〜ｌｉｄ、ｌｉｅ〜１
１ｈと回転相極１２ａ〜１２ｄ１１２ｅ〜１２ｈは円周
方向に交互に設けられており、直進月極については、向
い合う極同志の歯は同位相、直交する極同志の歯は軸方
向に１７２ピツチずれている。同様に、回転相極につい
ては、向い合う極同志の歯は同位相、直交する極同志の
歯は円周方向に１７２ピツチずれている。さらに、第１
の直進回転用磁極１４ａと第２の直進回転用磁極１４ｂ
は、軸方向および円周方向に各々１／４または３／４ピ
ツチずれて配置されている。このような構成の２自由度
円筒形ステップモータは、前記第１、第２の実施例の場
合と同様に、多極の励磁コイルの電流によって励磁相を
切り替えることにより、１／４ピツチづつ直進および回
転することができる。

以上に説明の如き構造とすることにより、第６図および
第７図にしめした第３の実施例の２自由度円筒形ステッ
プモータ前記第２の実施例の場合の効果に加えて、さら
にモータの全長を短くすることができる。

発明の効果 以上、詳細に説明したように、本発明に従うと、モータ
の全長が短く、また比較的機構の簡素で軽量の２自由度
円筒形ステップモータを容易に実現することができる。

従って、ロボット等に必要とされる多自由度機構のアク
チュエータ自体を簡素化、小型、軽量化することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の断面を示す斜視図、 第２図は第１図のＡ−Ａ’力方向断面図、第３図は第１
図における可動子の詳細図、第４図（ａ）は直進用固定
子の詳細図、第４図（ｂ）は回転用固定子の詳細図、 第５図は本発明の第２の実施例の断面を示す斜視図、 第６図は本発明の第３の実施例の断面を示す斜視図、 第７図は第６図における直進回転一体形固定子の詳細図
である。 （主な参照番号） １・・可動子、　　　　　２・・直進用磁極、３・・回
転用磁極、　　　４・・励磁コイル、５・・永久磁石、
　　　６・・直進用固定子、７・・回転用固定子、　　
８・・円筒状ケース、９・・直進回転軸受、　１０・・
ハウジング、１１ａ〜ｌｌｈ・・直進月極、 １２ａ〜１２ｈ・・回転月極、 １３ａ・・第１の直進回転用固定子、 １３ｂ　　・・第２の直進回転用固定子、１４・・直進
回転用磁極、 １５・・直進回転一体形固定子

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）可動子と、複数個の磁極を有する電磁石と永久磁
   石により構成される固定子とからなり、上記可動子を上
   記固定子に対して円周方向と軸方向の２方向に運動可能
   とした２自由度円筒形ステップモータにおいて、上記の
   可動子および固定子は、いずれか一方が円筒形内表面を
   有し、他方が該円筒形内表面に近接して挿通可能な相補
   的形状の円柱状であり、上記可動子は、円周方向および
   軸方向の各々に等ピッチで刻まれた歯を有する円筒形の
   外表面または内表面の形状をなす電気機械変換部と、該
   電気機械変換部の両端に設けられ、該電気機械変換部と
   同じ径の軸受部とを備えることを特徴とする２自由度円
   筒形ステップモータ。
2. （２）上記固定子は、上記可動子の電気機械変換部の歯
   と等ピッチにそれぞれ円周方向および軸方向の配列され
   た磁極歯を有する回転用および直進用の電磁石を備える
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の２自由度
   円筒形ステップモータ。
3. （３）上記回転用電磁石および直進用電磁石は、互いに
   同軸上に分離して配置されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の２自由度円筒形ステップモータ
   。
4. （４）上記回転用電磁石と直進用電磁石は同一円周上に
   一体に構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第２項記載の２自由度円筒形ステップモータ。
5. （５）上記可動子の電気機械変換部の歯の間の溝は非磁
   性材料で充填されて平滑な円曲面をなし、電気機械変換
   部が軸受部と一体に構成されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記載の２自
   由度円筒形ステップモータ。
6. （６）上記固定子は円筒形の孔を有し、上記可動子は該
   円筒形の孔内にその表面に近接して挿通可能な相補的形
   状の円柱状であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第５項のいずれかに記載の２自由度円筒形ステ
   ップモータ。
7. （７）上記固定子は円柱状であり、上記可動子は該固定
   子とほぼ相補的形状の円筒形の孔を有し、該孔を介して
   該固定子上に該可動子が挿通可動であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項乃至第５項のいずれかに記載の
   ２自由度円筒形ステップモータ。