JPS6048991B2 - ステツピングモ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はステッピングモータに係わる。

より詳しくは、本発明は即時始動、停止できるように設
計されたステッピングモータとして改善された性能を備
えることを目的としている。ステッピングモータの加速
能力は、地点間位置調整システムにおいて達成しうる筈
の動作をしばしば制限している。

Ａ、Ｅ、スノーデン（Ａ、Ｅ。Ｓｎｏｗｄｅｎ）らによ
る’’誘導同期電動機の特性゛’と題されたトランスＡ
ＩＥＥ（応用と工業）の１９６２年３月、第８１巻の１
〜５ページに述べられたようなタイプの従来のステッピ
ングモータについて言えば、上記のような動作は例えば
回転子の慣性が大きいために制限される。また米国特許
番号３１６９２０男で述べられているような構造をもつ
その他の従来型のモータては、そのような動作は特に可
撓性電機子の磁気抵抗が大きいために制限を受けている
。１秒間に２０００ステップ程度の高速ステッピングを
、現在の技術段階で代表的な永久磁石又は可変磁気抵抗
形のステッピングモータを用いて実現させる場合には、
モータの始動及び停止時に駆動パルスの間隔をあけて、
モータの能力を越えた加速要求を防ぐために、加速およ
び減速回路を使用することが必要であつた。

このような特・殊回路についてはマサチユセツツ州、ケ
ンブリツジのアイコンコーポレーション（ＩｃｏｎＣｏ
ｒｐｏｒａｔｉｏｎ）発行のＤ、Ｗ、ケネデイによる゛
’ステッピングモータのディスクリートフィードバック
ダイナミックコントロール“（Ｄｉｓｃｒｅｔｅフ Ｆ
ｅｅｄｂａｃｋＤｙｎａｍｊｃＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｔ
ｅｐｐｉｎｇＭｏｔｏｒ）と題されたテクニカルノート
に説明が行なわれている。

しカルながらこの方法はモータ制御ロジックを複雑化さ
せるのに加えて、このような制御システムに対する数値
命令を出す別の条件丁をプログラムに組み込まなければ
ならないので不便である。本発明によれば、ステッピン
グモータに十分大きな加速能力を与えることによつて、
モータの出力軸の運動を一定周波数のパルス列をオンオ
フするだけで制御することができ、前に述べたような特
殊な加速回路や、システムのプログラミングに余計に組
み込まなければならない条件による複雑化を防いでいる
。

従つて本発明の主な目的は、構成材料によつて規定され
る枠内で最高の性能を有し、且つ上述したような従来の
技術の欠点を回避した、新規で改善されたステッピング
モータを提供することである。１９７１年７月に電気電
子技術者協会（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅＯｆＥｌｅｃｔｒｉ
ｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒＯｎｊｃＥｎｇｉｎｅｅｒｓ
）から発行された、自動制御共同会議（ＪＯｉｎｔＡｕ
ｔＯｍａｔｉｃＣＯｎｔｒＯｌＣＯｎｆｅｒｅｎｃｅ）
の準備資料である゛゜ステッピングモータの地点間位置
調整の性能特性化゛と題した本発明者による論文では、
特定の負荷の駆動用として該負荷に応じた適当な装置を
用いることができるようにするために、ステッピングモ
ータの特性化のための合理的な基準を見出すことが全体
的な問題として提起されている。

増分の調整、地点間の位置調整、開ループ位置調整に用
いられるモータについての解決策が見出されているが、
そこにおいては、使用される駆動回路は実質的に方形波
てあるモータ電流を生じさせることができ、またそのモ
ータは急に加えられたステッピング周波数の変化に対し
て同期を維持しなければならないと仮定されている。こ
のような条件では、モータは１ステップあたりの仕事量
Ｗｓと無負荷で運転した場合の始動一停止ステ．ツピン
グ周波数Ｎｕｆの上限という２つのパラメータにより特
性化されることが判明している。これ等２つのパラメー
タ及び負荷の条件を尺度として考えれば、モータの大き
さを決定する方法が割り出されてくる。負荷はその慣性
、最高所要回転速こ度、最大許容ステップサイズ及び摩
擦トルクの大きさの限度という単位で指定される。また
この方法による別の結果として、モータ選択後にモータ
と負荷をつなぐのに使用されるギヤとリンクの適当な比
率が決定されるということがある。 ク前掲の論
文をさらに分析すると、大体において、ステップあたり
の仕事量とステッピング周波数の上限との相対的な重要
度は負荷の関数となつており、これ等２つのパラメータ
の間には入れ替えが明らかにないようにしているという
ことがわかる。負荷は慣性によつてはほとんど特性化さ
れず、摩擦トルクによつて表わされるが、ステップ当り
の仕事量とステッピング周波数の上限との積（Ｗｓｌ−
Ｎｕｆ）によつて、モータの負荷駆動能力が完全に定め
られる。そして、この積でステッピングモータに対する
メリットの大ざつぱな評価がなされる。なおステップの
大きさＳｍｌトルクの定格Ｆｍｌ及び慣性量Ｍｍはそれ
自体では重要でなフいが、１ステップあたりの仕事量及
び始動停止のステッピング周波数の上限に組み入れられ
れば重要なものとなる。ステッピングモータの設計者は
、まずステップあたりの仕事量及びステッピング周波数
の上限に・対して大きい値を得るように心がけるべきで
はあるが、最初の２つのパラメータについて比肩しうる
値を持つ他のモータと区別するために別の適当な設計上
のパラメータを得ることについて問題が残る。

これ等の別の特性としては、モータの大き・さ、モータ
巻線でのＩ２Ｒの消散による熱損、巻線に蓄積されたイ
ンダクタンス又はエネルギ（特に機械的仕事量に変換で
きない分）などが雑音、寿命及び信頼性を含むその他の
ファクタと同様にある。本発明のさらに別の目的は、従
つて、ステップあたりの仕事量及びステッピング周波数
の上限の所望レベルを得るために必要とされる装置の寸
法を最小におさえると同時に、上述した他の諸特性を満
足できる範囲内に保ち、特にモータの過熱を防止し、モ
ータ巻線に蓄積されるエネルギーをできるだけ低く保つ
ことにある（後者は半導体駆動諸構成要素の電圧一電流
定格に相関する）。

ステッピングモータの操作で別の重要なファクタとして
は、出力部材及びそれに結合した負荷が各ステップの後
その休止位置にくるのに要する時間がある。この所要時
間はモータの制動特性と相関している。特定な構成をも
つモータに固有な普通の制動特性に加えて、外部又は内
部的手段を介して別の制動作用を備えることが、しばし
ば必要となる。本発明のさらに別の目的は従つて、効果
的且つ簡単な方法で、ステッピングモータに改善された
制動作用を備えることである。ステップあたりの仕事量
及びステッピング周波数の上限という２つの主要なパラ
メータが、モー夕の大きさの関数としてどのように変化
するかを知るために、さらに比較研究が行なわれてきた
。

この研究は、アメリカ機械協会による国際自動制御連盟
の第５回総会（１９ｎ年，バリ）の準備資料として発行
された本発明者による゛地点間位置調．整のための可変
磁気抵抗ステッピングモータの性能゛と題する論文に要
約されている。この論文の結論として、エアギャップと
直角に電機子が運動するモータの性能は、電機子がエア
ギャップに平行に運動するモータの性能よりも、最小の
装置から電気機械的装置を直接駆動するように意図され
たものよりすつと大きい大きさのモータに至るまで、す
ぐれていることが示されている。また特にこの比較研究
は、約１０ｃｍ（４インチ）の直径の固定子て代表され
る寸法のモータにおけるエアギャップに直角な運動につ
いて、１〜５の大きな利点があることを示している。エ
アギャップに直角な運動はこのような利点を提供するこ
とが発見されている訳てあるから、商業的に利用するた
めに、エアギャップに直角で、振動のような非常に小さ
い電機子の運動を装置の出力要素の単一方向運動に変換
するという、固有な問題の実際的な解決を見出すことが
重要である。ここで１エアギャップに直角ョとは、固定
子と電機子との間に形成されるエアギャップに対し、電
機子から固定子へと垂直に向かう方向を指すものであり
、１エアギャップに直角に運動するョとは要するに固定
子の励磁により電機子が該固定子の方向に吸引されるこ
とを指す。また単一方向運動とは、後述する実施例の説
明にも見られるように、出力要素が例えば回転軸であれ
ば該軸の時計回り或は反時計回りのいずれか一方向の回
転を指すものである。ステッピング周波数の上限におい
て電機子の慣性による影響を少くするために、エアギャ
ップに直角な運動を行うステッピングモータの実際上の
設計では、電機子の変位が０．０１３〜０．０２４ｗｔ
（イ）．００５〜０．０１０インチ）よりも大きくなら
ないようにすることが必要である。しかしこれまで、こ
のような小さい範囲の変位でエアギャップに対する直角
運動を用いて可変磁気抵抗原理が潜在的に有する全性能
を発揮することは、実際上実現されてきていない。これ
は、このような小さい変位を出力要素の単一方向運動に
変換する適当な手段がなかつたことによるものてある。
従来の技術による提案のいくつかは、例えば米国特許番
号３１６９２０鏝ですでに明らかにされているような可
撓ギアを備えた、所謂調和駆動装置を使用しているが、
そのような構造は本発明が意図するような目的には有効
ではない。

何故ならばこの構造に固有な比較的大きいエアギャップ
が、電機子の運動にともなつて、少くとも多くの装置に
用いられている減速比において発生するからである。ま
た米国特許番号３３３４２５３号に図示されているよう
な゛゜ギアローダ（ギア回転子）の形をとる特殊な歯車
を使用する提案があり、この構造では電機子は二重の万
能ジョイントで出力シャフトに結合されているが、実質
的な偏心によつてこれに相当する大きいエアギャップが
生じる。従つてやはり本発明の意図にはそぐわない。イ
ンボリュート歯車（米国特許番号３５８５４２５号、３
５８５４２６号）の使用によつて減速された速度におい
て出力軸を制御する章動電機子運動（米国特許番号３３
２２９８４号）や章動作用するプレート電機子を提供す
る。回転斜板を駆動する折曲された電機子を実施したよ
うな従来の提案も、同様にギヤ減速（折曲された電機子
軸の場合）の所望の程度、あるいは本発明の基礎を成し
ている所望の最適な性能基準に対して過大な電機子運動
が必要であるといういずれ．の見地からも、本発明の問
題の解決には適用できない。回転せすに旋回する電機子
（例えは米国特許番号２４３７９０４号に述べられてい
るようなもの）の使用も、やはり最も重要なギヤの割合
と装置の大き）さに対してエアギャップの大きさが過大
になる。

米国特許番号３４５６１豹号に開示されたタイプの装置
では、円筒形で中空の電機子が球状ピボットとかみ合つ
て出力軸を１ギア差で駆動するが、上記と同様な過大な
エアギャップの運動が必要とされ５ている。本発明によ
れば、大きなエアギャップと、それに付随した欠点を伴
うこれらの装置とは異つて、電機子はエアギャップと直
角に運動し、固定子の最も接近した場所では固定子と実
質的に平行て作Ｏ動するように配置され、その一部が電
機子に非固定的又は可撓的に接続された機構により増幅
される振動運動を行い、従つて本発明の基礎となる性能
基準を、エアギャップ及びその他の寸法を最も小さくし
たことと共に、大幅に改善された性能をもつて満足させ
る。

本発明の別の目的は、従つて、電機子の運動を有効に出
力要素の運動に変換するという問題を都合良く解決する
装置を提供することである。

以下の説明かられかるように、この変換はまず電機子の
運動を適当なリンクを用いて増幅し、このリンクが次い
で電機子の運動を出力要素の単一方向運動に変換するた
めの装置を駆動する。本発明のその他のさらに別の目的
は以下に説明し、また特に添付の特許請求の範囲に詳細
に述べる。

即ち本発明により提供されるものは、ハウジングと、該
ハウジングに固定された複数の磁極を備えた固定子と、
電源に接続され該固定子の磁極を磁化する巻線と、該磁
極に誘引され磁極との間のエアギャップの厚さを実質的
に変化させる方向へと固定子内を運動する電機子と、電
機子はその軸が固定子の軸の周囲を運動するように配置
されていることと、前記ハウジングに支持された出力要
素と、前記電機子に非固定的に連結され該電機子に応動
して円錐を描くよう運動する回転軸と、一組のギアを有
し該回転軸の運動を前記出力要素の一方向への回転へと
変換する変換部材とからなり、電機子の変位によるエア
ギャップの厚さの変化が実質的にゼロから千分の数セン
チまでとなるよう構成されているステッピングモータで
ある。好ましい実施例については次に詳細な説明を行う
。以下に添付の図面を参照しながら本発明について説明
する。

第１図に示した本発明の実施例について説明すｊると、
同図には本発明の装置の一部分の断面図及びその他の部
分の側面図が示されている。

図中、固定子１はスロット１Ａを備え、そこに巻線１３
を有している。これ等の巻線１３を流れる電流は１Ｂ等
の固定子の歯を磁化させる。固定子１の内５径より小さ
い外径をもつ電機子２が固定子内１に設けられている。
本装置の出力要素はシャフト８であつて、同シャフトは
左端のベル１２に含まれる軸受け９と１０によつて保持
される。シャフト８は薄い金属ワッシャのたわみに応じ
て傾斜し、４，軸線からはずれた回転軸４と万能ジョイ
ント７を介して内部ギア５によ一つて駆動される。電機
子２は１本以上の巻線を励磁する固定子の側面へと誘引
される。該励磁は巻線の適宜な回路及び接続によつて同
回路から導かれる相により行われ、後述するように磁極
の位置が固定子の周面に沿つて次々と移行するようにさ
れる。このことは固定子の側面に電機子を次々と誘引し
て、固定子の内部を回転せしめる。従つて電機子の軸は
固定子の軸の周囲を運動することになる。すると、電機
子２の内部に配置された軸受け３により該電機子に非固
定的に連結された回転軸４がジョイント７を頂点とする
円すい運動を行い、内部ギア５を外部ギフア６の内周を
回転移動する地点にて同ギア６に係合させる。外部ギア
は反対側即ち右端のベル１１に固定して保持されており
、内部ギア５は外部ギア６よりも歯数が少いので、回転
軸の運動によつて内部ギアがこの２つのギアの歯数の相
異に相当ｊする角度をもつて回転するようになる。従つ
てこれにより回転軸４が回転し、この回転が万能ジョイ
ント７を介して出力軸８に伝達されることになる。この
内部ギアと外部ギアとの係脱は、仮に出力″要素が磁力
によつて命令された角度より大分遅延して磁力がこの係
合を分離するように作用した場合でも起きてはならない
。

これは、もし係脱が起つた場合は同期が失なわれるから
である。このために、外部及び内部ギア６，５の歯形及
び各ギアの歯数は、内部ギアが係合点即ち噛み合い点の
何れかの歯によつて与えられる支持（ブリッジ効果）に
よつて係脱を防止されるように選択されている。この他
の方法では、回転軸４に、端部ベル１１に設けられた同
様な静止チップ４Ｂの周囲を移動するチップ４Ａを取付
けることによつて係脱を防ぐことができる。これ等のチ
ップは実際の装置では非常に小さくしなければならず、
また非常に固い材料、ダイヤモンドやサファイアなどか
ら構成することが好ましい。係脱を防く第３の方法は、
ギアの係合点の正反対の場所における内部ギアの歯の先
端が、その場所における外部ギアの歯の先端をその間に
ほぼすき間がないように通過するような形状のギアを使
用することである。内部ギアは従つてこの場合、これ等
２つの歯の先端間の接触によつて支持され、力が作用す
る場合には係合方向へやや移動する。前述した゜“ギア
ロータ゛形のギアはこの方法によつて係脱が防止されて
いるギアのひとつである。第１図に示した実施例におい
ては、電機子の内転サイクロイド運動が磁極下のエアギ
ャップの厚さを電機子２と固定子１の内部表面との間の
回転接点の接線の角度の関数としてその平均値の辺で略
正弦的に変化させ、固定子と電機子の直径の間の相対的
差異が小さくなる程その近似値はより正．確になる。

接点の接線の各回転及びこれに対応する内部ギアと外部
ギア間の係合点の回転について、各磁極の下のエアギャ
ップの厚さの変化の全サイクルがある。このためギア５
と６とは回転軸４及び万能ジョイント７と協同して電機
子２、軸，受け３を経て伝わり該回転軸４によつて増幅
されたエアギャップの厚さの変化を、出力軸８の単一方
向回転に変換する。特に、構成部分５，６，４及び７て
表わされる変換手段は、回転軸４によつて増幅された後
の電機子２の振動運動を出力シャフト８の単一方向運動
に変換する。該単一方向性は電機子の振動運動の少くと
も１１２サイクル以上の間持続する。第１図から回転軸
４はレバーとして働きその支点は万能ジョイント７の中
心にくることがわか−る。

このレバーは十分な変位を生じさせるために電機子２の
半径方向の運動即ちエアギャップに直角な運動を機械的
に増幅して、内部ギア５の充分な運動が達成されるよう
にする。２つのギア５と６の組合せは、出力シャフト８
の軸を含む断面又はその他の面から突出する軸線の回転
て表わされる回転軸４の振動運動を回転運動に変換し、
の回転運動は次に出力要素に伝えられる。

本装置の最も簡単な実施例ては、固定子にあるいくつか
のスロットを通つている巻線１３は、４つの相に接続さ
れている。

駆動回路の働きて相電流ば゜オゾ゛、“゜オブのいずれ
かとなる。駆動回路へ送られたパルスに応答して、２つ
の相が常時励磁即ちオンとなり２つの相が常にオフにな
るように、実質的に方形波の相電流がこれ等２つの相に
形成される。例えば、相゛゜１゛と゜゜２゛とが最初に
励磁されていた楊合、前方への回転に対応するパルスが
受信されると、相゜゜１゛はオフとなり相゜゜３゛がオ
ンとなる。次の前方回転パルスは“゜２゛の相をオフに
し“゜４゛をオンにする。以下これと同様である。相電
流のこのような連続は、電機子と固定子との接点の回転
ラインの平衡位置を９０度のステップで進ませ、これに
伴つて内部及び外部ギア間の係合点も移動する。巻線電
流を継続的に流すのに適した回路は、例えば米国特許３
４０２３３４号に説明されている。別の実施例として用
いられる相の数は、単一方向の相電流の場合、３つか、
４つよりも多い数である。

なお、何時でも同時に励磁することができる相の数は少
なくとも１つあり、２つ以上の多数になることもある。
電機子２をスロットによる筒状の内部表面にあるギャッ
プにもかかわらず固定子１の内側を滑らかに回転させる
ためには、電機子の両端にローラ１４と１４Ａとを備え
るのが望ましい。

これ等のローラは、直径を電機子の強磁性体部の外部表
面よりもやや大きくとる。電機子のこれらのローラは、
固定子１の端部片１７と１７Ａに取り着けられたレース
１６及び１６Ａと接触する。このローラとレースの材料
は、同じものでもよく、また非類似のものでもよいが、
一般的に強磁性体ではない。これらの部品の重量を軽く
し雑音を除くためには、プラスチック材料を用いるとよ
い。電機子を回転させるための平滑な路を形成する第２
の方法は、巻線を挿入した後に適当な材料で固定子のス
ロットを満たし、その後に固定子のボアを真円の円筒表
面へと加工又は研削することである。

しかしこの場合、温度変化によりこの表面がゆがまない
よう、充填材料として熱膨張率が固定子の磁気材料の熱
膨張率に近いものを用いるなどして注意すべきである。
電機子の円滑な回転運動を行なわせるさらに別の方法は
、積層スロットを曲げ、回転接線がそれｌをふさぐよう
にすることである。

これを行わせるための適当な装置は、電機子２を軸受け
３について軸方向に非対称的に引つぱることのないよう
にした、第１Ａ図の固定子１のボアの展開図に示すよう
な２重に折曲したスロット１Ａを含合する。７スロット
の折曲は回転接線を円滑に進めることを可能にするため
、特に巻線の励磁を非方形波電流の使用などの複雑な方
法を用いて行う場合に好都合である。

第１図の構成ては、固定子との接触線の１回転フに対す
る電機子の回転が、内部ギア５及ひ出力要素８の回転よ
りも小さいということが重要である。

これは回転軸４によつて生じる半径方向運動の増幅によ
るものである。このため軸受け３は、電機子２に対する
回転軸４の角度の自由と共に、相対的な回転をも提供し
なければならない。電桟子の半径方向運動が万能ジョイ
ント７の中央部から軸受け３の中心までの距離に比して
小さいのて、回転軸４の角度運動は従来の球軸受けを軸
受け３として使用できるように充分小さくなつている。
固定子１と電機子２は、固体の又は積層した強磁性体材
からでも、粉体からの成形によつても作ることができる
。

種々な応用を考えた場合、最も好ましい形態として、こ
れ等のパーツは高品質の磁気材から成る積層体とするこ
とが好ましい。しかしながら性能を最大限に発揮する必
要のない用途については、固定子を積層材とし、電機子
を固体材料で構成すればコストの低減化に役立つ。特定
なタイプの負荷、特に慣性の大きい負荷を駆動するとき
は、第１図のステッピングモータ自体の制動作用は、急
な始動や停止の直後に起る出力要素の過渡振動を急速に
減衰させるには不十分である。そこで第２図に示した手
段によつて別な制動作用を導入するのであるが、この手
段においては外部ギア６はエラストマカップ６Ａの内側
に設けられ、またこのエラストマカップは端部のベル１
１に取付けられている。外部ギア６のこのような非固定
的な取付け方法は、始動又は停止という過渡的な条件の
下での出力要素の周期的変動を僅かにする。エラストマ
材料を適当に選択ずれば、この僅かの運動の結果十分な
エネルギーが使われて、装置の有効制動力が実質的に増
大する。このようにして得られる制動力でもなお不十分
な場合には、別な方法として、可撓性又はその他のＪタ
イプのベアリングに外部ギア６を吊り下げ、そしてそれ
を補助の電磁又は機械的クーロン又は粘性摩擦制動機構
に接続することがある。第３図は本発明の別の形式又は
修正を示しており、この形式では電機子の慣性はさらに
小さくな３り、ある面においては性能も第１図の構成で
得られるより良い。

筒状の電機子の代りに、第３図に特定した構成では、４
つの電機子のセグメントを使用している。そのうちのひ
とつを１９として、またこれと対の電機子を軸方向断面
図に示してい４る。これ等の電機子は撓曲ピボット２０
上に支持される。固定子１８は各々２極づつの４個の磁
石から成り、そのひとつは１９Ａで示されている。第３
Ａ図は装置の軸線に直角な断面上の固定子及び電機子の
断面図である。各磁極は巻線３４などの励磁巻線を有し
ている。各電機子の自由端は伸びていて、電機子とその
延長部とが電機子の運動を機械的に増幅するためのレバ
ーを構成するよう７になつている。これ等の運動は押し
棒２４などによつて回転軸３３へ伝えられ、この回転軸
はその端部に設けられた内部ギア２８へ回転運動を伝え
る際に電機子の運動をさらに増幅する。この内部ギア２
８は、出力要素２６の中空の端部にある外９部ギア２７
とかみ合う。出力要素２６の軸は、端部のベル２３内の
軸受け３５及び３６に支持される。内部ギア２８はハブ
２９に設けられたラグによつて回転を防止されており、
ハブ２９はスロットを配したリング３０と係合し、この
リング３０７は中央サポート３２に固定された静止反動
部材３１上にあるラグによつて把持されている。内部ギ
アの回転防止のためのこの機構は第４図に詳細に示して
ある。内部ギア２８は球形ピボット２５を備えた回転軸
３３によつて軸方向に配置されておノリ、押し棒２４を
経て電機子から送られる力の影響下においても回転でき
るようにしてある。これ等全ての部品のための潤滑油は
、クランプ３７Ａと３８により保持された可撓ブーツ３
７及び軸シール３９によつて、ギア２７と２８とを囲む
中央部に閉じ込められている。中央サポート３２は電機
子に関連した全ての部品が備えられた後に、ベル２１と
２３との間に取付けられる。第３図、第３Ａ図及び第４
図に示した本発明の実施例によるステッピングモータの
作動は、巻線電流から出力要素の回転までの力の伝達の
全体に関する限り、第１図の実施例の操作に類似してい
る。

作動上の相違は、電機子が固定子の内側の円筒として回
転するのではなく、振動を行うという点にある。レバー
原理を用いての増幅により、電機子の振動は、押し棒２
４などの媒介を経て回転軸３３の回転運動に変換される
。この回転運動はさらに回転軸３３によつて増幅されて
、内部ギア２８を駆動する。内部ギアは回転できないよ
うに構成されているので、外部ギア２７が係合地点の各
回転について、これ等２つのギアの歯数の差によつて回
転しなければならない。この等のギアの係脱は、前に第
１図の第１の形態に関連させて述べたような適当な手段
によつて防止されている。第５図は、内部ギア２８を回
転できないように構成するための別な手段を示す。この
場合、ギア２８の回転は別の内部ギア４０と別の外部ギ
ア４１とのかみ合いによつて防止されている。ギア２８
や２７に用いられる従来のインボリュート又はジエロー
タ歯などの適当な歯形とは異なり、ギア４０と４１の歯
は修正された形状を持つている。即ちこれ等のギアは、
そのピッチの径に差があるにもかかわらず、同一の歯数
を持つようになつている。ここで外部ギア４１は固定し
て配置される。ギア４０と４１は同じ歯数を有している
ので、両者のかみ合い点が回転しても、内部ギア４０と
２８の回転はゼロである。第６図の実施例ては本発明の
種々な形態に用いられた電磁石及び電機子の別の形態が
示されている。

前に示した電磁石の磁極片を延長させることによつて、
第６図に示した形の電磁石５７が得られる。この電磁石
はコイル５９及び６０などの巻線によつて励磁される。
また電機子５８は台形の断面を持ち、上方へいつぱいに
ずらしたとき、磁極６１と６２の間のギャップをふさぐ
ようになつている。この電磁石及び電機子の形態は、高
性能を必要とする応用にとつて好ましいが、これは、電
機子の慣性がほとんどないことによるものである。第７
図は第１図に類似した本発明の実施例の断面図てはある
が、出力軸８が装置を通過して延長しており、軸エンコ
ーダ又はその他の装置をベル１２から伸ひる負荷駆動端
からのギア装置を必要とすることなしに、ベル１１から
伸びた端部により駆動できるように変更されている。

この軸が通過する構成は、第１図の中身のある軸に代え
て、第７図のような中空の回転軸４を用いることによつ
て可能となる。第７図の修正された形態は、回転する電
機子の平滑路を構成するためのローラやレースを用いて
はいないが、固定子のスロットを満すか第１Ａ図に示し
た型のように又は２重に折曲した積層を用いている。又
第１図の構成の万能ジョイント７の代りに、第７図の構
成ではこの機能をはたす為にダイヤフラム形式の可撓カ
ップリング７を用いている。本発明を応用する例のある
ものでは、電機子が傾いて出力軸の軸線に平行でない軸
をもつて回転するようになることがないようにされる。

これは電機子を固定子のボアに沿つて軸方向にねじこむ
傾向から生じる軸方向の力又は雑音があるためである。
このような電機子の傾きを防止した例において、それを
防ぐ２つの方法は第８図と第９図に示されている。第８
図の構成では、電機子の傾きという問題は、電機子をを
固定子のボア上を回転させないことによつて防がれてい
る。

電機子２は別の吊下げ要素によつて束縛され、固定子１
に接触することなく回転するようにされる。これは、ダ
イヤフラム形式の可撓ピボット２Ｂで終端する電機子積
層用のサポートまて管状延長部２Ａを伸ばすことによつ
て行われる。固定子のボアが円筒形てある場合には電機
子の表面は円錐形とされ、またボアが円錐形の場合はこ
の逆とされ、これら二つのものの表面の実質的な平行が
、両者が最も接近した部位で得られるようにされている
。第１図及び第７図の単一の軸受け３による支持に関係
する電機子の軸位置の不明確さをなくすための別な方法
は、可撓ピボット２Ｂの代りに電機子の旋回に関係した
小さな角度運動を調節するように設計された球軸受けあ
るいはその他の軸受けを用いて第８図の構成を設計変更
して用いることである。

この実施例によれば電機子は旋回しながら回転すること
ができ、エアギャップは固定子ボアとの少なくとも１接
触点についてゼロにすることができる。第８図において
上記接点に渡るエアギャップを最小におさえられれば、
雑音はやや増えるが装置全体の力学的性能は改善される
。電機子が旋回と回転の両方を行えるように支持されて
・いる場合は、電機子の表面を固定子のボアと関連させ
て設計し、狭い環状帯に渡つて回転接触し、好ましくは
軸受け３の平面近くで接触し余計なスリップを起さない
ようにしな′ノればならない。これは円筒形の固定子の
ボアと、やや冠状に形成し１たほぼ円錐形の電機子を用
いて実現することができる。第９図の実施例ては、電機
子の中央部を内部に溝を切つた堅固な材料によるリング
６３の形に形成することによつて、電機子の傾斜を防ぎ
つつ回ノ転できる。

固定子１にも又等しく隔置した複数のピンを支える中央
部材６４を備える。これ等のピンは平担な端部６６を持
ち、この端部は電機子のリング６３にある溝と係合する
キーとして働く。この構成によつて、電機子は回転を行
うが傾斜ができないように抑止される。注油は、油を端
部６６へ流すよう小さい溝を付したピンにドリルであけ
た穴に、燈心６７を配置することによつて行うことがで
きる。またギア５と６の注油は、内部ギア５に接触する
ように配列された複数のフェルトプラグ６８によつて行
う。これ等の部位への注油はグリース又はその他の適当
な潤滑油によつて行う。要約すると、本発明の技術を用
いる全ての実施例は電磁石と電機子を利用しており、そ
こでの電機子の運動はエアギャップに対して直角である
か又はエアギャップに直角な構成要素を持ち、ギャップ
の厚さを変更できるようにしてある。

これ等の電磁石及び電機子は電気エネルギーを機械的運
動に変換するための手段である。ステッピングモータに
有効に用いるためには、これ等の電磁石と電機子は、電
機子の運動が普通のリレーやその類似の装置の電機子の
通常の運動に比較して小さいものであることが必要であ
る。この小さい電機子の運動を出力要素の単一方向の運
動に有効に変換するために、電機子の小さい振動運動は
先ずレバー等の使用により増幅され、そして次にこの増
幅された運動は変換手段へ加えられて単一方向運動に変
換される。第１図の実施例に従つて構成され、積層固定
子とソリッド電機子を備える装置を前述した２相オン、
２相オフの方法で操作しテストしたところ、次のような
結果を得ている。

抵抗、４相の各々につき２１ インダクタンス、４相の 各々につき２１、Ｃ，Ｌ０．０２７Ｈ 固定子の磁極数 １６ステップ
の大きさＳｍ６慣性モーメントＭｍ６７．８ｇｒＴｌ／
ｄ相あたりの電流１２．０Ａ． トルク、摩擦負荷に対する 低ステップ速度で、Ｆｍ ｌ．４×１０−６ｄｙｎ／ＣＴｆｔ ステッピング周波数の上 限、始動一停止、Ｎｌｌｆ ８Ｏ（ト）Ｅｃ−１ ステップあたりの仕事量、ＷＳＯ．Ｏｌ５Ｊ生産電力、
ＷＳＮＵｆｌ２Ｗ最大連続ステッピング周波数、低速加
速 １３３０ｓｅｃ−
１最大ステッピング周波数、始動一停止、慣性負荷２１
０ｇｒｒ１／ｄで３９（ト）Ｅｃ−１本装置の相あたり
の蓄積磁気エネルギに対するステップあたりの仕事率は
０．２８である。

これは他の現在の技術による多くの装置よりも高く、こ
の新しい装置が他のこれに匹摘するステップあたりの仕
事率をもつ装置よりも駆動が容易なことを意味する。上
記のデータは、モータの電源電圧を５８ノボルトとし、
モータのに各相２５オームの抵抗を直列に接続し、Ｒ．
Ａ．ヤツケル（Ｒ．Ａ．Ｙａｃｋｅりによつてシンポジ
ウムの準備資料として書かれＢ．Ｃ．クオー（Ｂ．Ｃ．
ＫｕＯ）教授が編集し１９７評３月にイリノイ大学の電
子工学部が出版した“゜逓増運動制・御システム及び装
置２′（ＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌＭＯｔｉＯｎＣＯｎｔ
ｒＯｌＳｙｓｔｅｍａｎｄＤｅｖｉｃｅ）と題した論文
のパート１の′６ステップモータ及びコントロール′３
（ＳｔｅｐＭＯｔＯｒａｎｄＣＯｎｔｒＯｌｓ）の１５
５ページの第３図に示されているようなタイプの装置を
駆動する゛ための標準のトランジスタ回路を用いて得た
データである。１２５オームのスナツピング抵抗器を使
用して２５０ボルトのコレクタピーク電圧を出力電力ト
ランジスタに発生させた。

電機子の外径は約３Ｃ７Ｔ１（１．６２９インチ）で、
長さは２．７ｃｍ（１．３１０インチ）、厚さは０．２
ｃｍ（４）．１００インチ）とした。電機子運動の最高
最低振幅は０．０２５ｃｒｆＬ（０．０１７インチ）と
した。回転軸４のレバー作用によつて与えられる増幅度
は５．１８であつた。外部ギア５は（１）個の歯を有し
、内部ギア６は６４個の歯を持つている。これ等のギア
は６４の直径方向のピッチと、２０度の圧力角を持つイ
ンボリュート歯形式のギアとした。この他にも多くの増
幅装置、変換装置その他の設計変更が可能であり、本発
明がここに示した特定の実施例に限定されないことは勿
論である。また本発明の範囲及び精神は上記のような手
段や設計変更及び当業の熟練者にとつて示唆的なその他
の変更も含み、特許請求の範囲に定められている。

【図面の簡単な説明】

第１図は固定子の内側を回転する電機子を用いた本発明
で組込んだモータの好ましい構成の断面図。 第１Ａ図は電機子の円滑な回転動作を得るために用いら
れる固定子の内表面の展開図、第２図は第１図の内部ギ
アの構造を設けるために用いられる制動手段の断面図、
第３図はセグメント化された電機子を持つ修正されたモ
ータの構成の縦断面図、第３Ａ図は第３図の修正された
モータの別の断面図て装置の縦軸に直角に見た図、第４
図は振動一単一方向運動変換装置の内部ギアの回転を防
ぐための機構の斜視図、第５図は内部ギアを回転に対し
て静止して維持するための修正された手段を示す斜視図
、第６図は第３図の構成の実施例に有用な低電機子慣性
を得るために使用される磁気構成部分の断面図、第７図
は第１図に類似しているが軸が通過して出力部材の装備
をもつた本発明の゜“回転電機子゛の構成を用いた別の
実施例の断面図、第８図は電機子は旋回するが回転はし
ないさらに別の実施例の断面図、第９図は第１図の実施
例に類似しているが電機子のための傾き防止機構を備え
る別の構成の断面図である。１・・・・・・固定子、１
Ａ・・・・・・スロツプ、１Ｂ・・歯、２・・・・・・
電機子、２Ｂ・・・・・可撓ピボット、３・・・・・・
軸受け、４・・・・・・回転軸、４Ａ，４Ｂ・・・・・
・チップ、５・・・・・・内部ギア、６・・・・・・外
部ギア、６Ａ・・エラストマカップ、７・・・・・・万
能ジョイント、８・・・・・シャフト、９・・・・・・
軸受け、１０・・・・・・軸受け、１１・・・・・ベル
、１２・・・・ベル、１３・・・巻線、１８・・・・固
定子、１９・・・・・・電機子、１９Ａ・・・・・・電
磁石、２０・・・・・・撓曲ピボット、２１・ ・・ベ
ル、２３・・ベル、２４・・・・・・押し棒、２５・・
・・球形ピボット、２６・・・・・・出力要素、２７・
・・・外部ギア、２８・・内部ギア、２９・・・・ハブ
、３０・・・・・・リング、３１・・静止反動部材、３
２・・・・・中央サポート、３３・・・・回転軸、３４
・・・・・巻線、３７・・・・・可撓ブーツ、３７Ａ，
３８・・・・・・クランプ、３９・・・・・・軸シール
、４０・・・・・・内部ギア、４１・ ・・外部ギア、
４３〜４６・ ・・磁石、４７，４８・・・・・押し棒
、４７Ａ，４８Ａ・・・・・・レバー、４９Ａ，５０Ａ
・・・・・・押し棒、４９，５０・・・・・・球軸受け
、５１，５２・・・・・・軸受け、５３・・・・・・軸
、５４・・・・・ゼニオン、５５・・ラック、５６Ａ，
５６Ｂ・・・・電機子、５７・・・・・・磁石、５８・
・・・・・電機子、５９，６０・・・・コイル、６１，
６２・・・・・・磁極、６３・・・・・リング、６４・
・・・・・中ノ央部材、６６・・・・端部、６７・・・
・・・燈心。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ハウジングと、該ハウジングに固定された複数の磁
   極を備えた固定子と、電源に接続され該固定子の磁極を
   磁化する巻線と、該磁極に誘引され磁極との間のエアギ
   ャップの厚さを実質的に変化させる方向へと固定子内を
   運動する電機子と、電機子はその軸が固定子の軸の周囲
   を運動するように配置されていることと、前記ハウジン
   グに支持された出力要素と、前記電機子に非固定的に連
   結され該電機子に応動して円錐を描くよう運動する回転
   軸と、一組のギアを有し該回転軸の運動を前記出力要素
   の一方向への回転へと変換する変換部材とからなり、電
   機子の変位によるエアギャップの厚さの変化が実質的に
   ゼロから千分の数センチまでとなるよう構成されている
   ステッピングモータ。