JPS6360631B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、調和駆動方式のステツプモータに関
する。さらに詳しくは、本発明は有効なトルク出
力を伝達する能力を保持しながら従来よりもかな
り高い速度でモータをステツプさせるよう改良し
た可撓スプラインすなわち可撓ロータ構造体に関
する。

米国特許第2906143号特許明細書に初めて記載
した調和駆動方式伝達装置は、通常環状リング歯
車と、該リング歯車の歯と共働する歯、すなわち
スプラインを有しかつその径がわずかに異なつて
いて半径方向に変形しうる共軸歯車（以下可撓ス
プラインと称する）と、可撓スプラインの円周に
変形波を伝播する波形発生手段（または“ひずみ
誘導装置”）とから成る。可撓スプラインの半径
方向の変形から生じた相互に離れた円周位置にお
ける歯すなわちスプラインの内部係合及び歯車の
歯の数の差によりその相対的な回転が影響を受け
る。

波形発生手段は、たとえば米国特許第3169201
号明細書び同第3331974号明細書（特公昭48−
15049号公報に対応する）に記載するように、変
形を誘起する電磁界を用いると、高応答低慣性ス
テツプモータを与えることができる。電磁界によ
る半径方向変形力は、極めて正確に小段階ずつ逆
転可能な、回転出力に変換される。このステツプ
モータの駆動運動は、適当な供給されるパルス列
の数に正比例している。高い加速度及び減速度を
示すのに加えて、この型のモータには、バツクラ
ツシユがないとか、“オーバーシユート”が低い
とか、“安定時間すなわちセツトリングタイム”
が短かいとかいう特徴もある。たとえば米国特許
第3402334号明細書には、ある高速度制御装置が
記載され、米国特許第3869656号明細書には、前
記型のステツプモータに対してパルス列を修正す
る手段を有する他の駆動回路が記載されている。

アクチエータとなる可撓スプラインの変形部分
のみが移動するから、そのステツプモータの慣性
は小さい（磁界そのものは除く）。可撓スプライ
ンの歯は、通常極めて壁の薄いステンレス鋼の管
の外周に形成されている。前述のように、たとえ
ば、米国特許第3331974号明細書（特公昭48−
15049号公報）及び米国特許第3496395号明細書に
記載されているように、巻回して相互に橋絡した
ストリツプまたは共軸の薄い鋼製の複数の管を組
込むことによりこの可撓スプラインすなわち可撓
ロータの磁気特性を改良することはよく知られて
いる。米国特許第3609423号明細書は、ロータの
磁気抵抗を減少させる橋絡コイルまたは共軸に内
側に溶接した複数の管の変形体をさらに開示して
おり、そのコイルは0.09mm（0.004インチ）の厚
さの磁化鉄を７回巻いたものないし0.15mm
（0.006インチ）の磁化鉄を５回巻いたものが最適
とされている。

もちろん、可撓スプラインは、機械加工可能な
ものであつてかつ可撓性であり、変形力を取除く
とその形状を回復することができなければならな
いことも理解されたい。リング理論によれば、可
撓スプラインの剛性は、その厚さの３乗またはス
プラインの厚さの３乗と橋絡した材料の巻回数と
の和に関して直接変化すると理解されている。電
磁気力による調和駆動を用いた実施例に対する可
撓スプラインの設計、試験及び使用における長年
の経験によれば、17−4PHのステンレス鋼が満
足を与え、さらに、最高1.52mm（0.06インチ）の
束により与えられるよりも剛性の強い可撓スプラ
インを用いることは、ステツプモータが適当な出
力トルクを発生できなくなるために、作動しなく
なるか商業的に受容することができなくなると思
われていた。従つて従来は高いステツプ速度は、
実際的な用法では達成不可能であり、速度を大さ
くすれば作動時間が小さくなると思われていた。

前述のことから、本発明の目的は、従来の長所
である作動特性を保持しながら高い出力トルクと
動作寿命を有するとともにかなり高いステツプ速
度を達成することができる調和駆動方式ステツプ
モータ用の改良したロータを提供することであ
る。

さらに本発明の目的は、橋絡部材があろうとな
かろうと、従来の装置よりも効果的でかつ耐久性
があり、また価格がそれほど高くないロータを有
するモータを提供することである。

本発明の別の目的は、高速度回転を認識できる
ほど高い共振周波数で作動しうる改良した可撓ロ
ータまたは可撓スプラインを提供することであ
る。

この目的を達成するために、以下に記載するよ
うに、本発明は、ステツプモータに、その壁の絶
対厚さが大きいステンレス鋼から成つており、そ
の壁の厚さの外径に対する比を大きくしまたこれ
に対応して剛性も大きくし、壁厚さを外径の約
0.50％ないし約2.0％の範囲まで大きくしたモー
タを設けた。

本発明の別の特徴は、その外径に対する壁の全
厚の比が可撓ロータまたは可撓スプライン自身の
場合の比とほぼ等しい共軸のリング型橋絡部材と
組合わせて管状の可撓ロータまたは可撓スプライ
ンを設けることに関する。

本発明のロータに包含された外観の変化は、見
かけ上大きくないけれども、実際的な見地からす
ればかなり重要であり、また商業的にも重要であ
つて、たとえば高速印刷手段あるいは、これら及
び他のステツプ装置にもつと速いステツプ速度を
与えるときには重要である。

以下、図面を参照することにより、本発明の前
記及び他の特徴を１実施例についてもつと詳しく
記載する。

まず第１図を参照すれば、ロータ組立体１０
（第１図及び第３図）は、代表的な調和駆動型ス
テツプモータ１２に取付けられている。この組立
体１０は、円周方向に連続的に付勢可能なステー
タコイル１６を含む制御回路によりその無拘束な
環形状から電磁気力によつて半径方向に変形しう
る電機子すなわちコツプ型可撓スプライン１４か
ら成る。相対的に固定のモータハウジング１８
は、可撓スプライン１４と共軸の回動可能な出力
シヤフト２０をベアリングで支持している。シヤ
フト２０は、通常端部密封装置を構成する取付ダ
イヤフラム２２により可撓スプラインの端部に連
結されている。この形状の可撓スプラインを“可
撓コツプ”と称することもある。スプライン歯を
有さない場合には、本明細書では、そのロータを
可撓ロータと称する。ついでに、無理のない制限
値内で、可撓ロータまたは可撓スプラインの半径
方向剛性に影響をほとんど及ぼさないかまたは全
く及ぼさないようにそのダイヤフラムの厚さを変
形する。

前記特許第3331974号明細書の第１図に図示さ
れているように、応答部材すなわち出力シヤフト
２０と共軸の剛性環状スプライン２４は、その内
側に軸方向スプライン歯２６（第１図）が形成さ
れ、且つ可撓スプラインの外側に形成された軸方
向スプライン歯２８（第２図、第３図）と共働す
るようステータに係止される。ただし第２図のｄ
は外径の約0.025％に相当する。周知の調和駆動
作動装置と同じく、可撓スプラインがステータに
より、第３図に図示する楕円形の断面に電磁気力
により変形される場合には、可撓スプラインの歯
２８の数は歯２６の数よりも２つ（あるいはその
倍数）だけ少ない。ステータのパルス入力により
可撓スプラインの歯はその円周がしだいに変形し
て主軸Ｘ−Ｘ（第３図）の位置では外方に押圧さ
れて噛合し、副軸Ｙ−Ｙの位置では内方に半径方
向に変形されて噛合しない。従つて、この場合に
は、これは楕円形であつてシヤフト２０のステツ
プ出力を大きく減少させるよう回転している可撓
スプラインの軸であることは理解されたい。もち
ろん後者は付勢したり制御したりするよう適当な
装置に接続される。

従来、周知の限りでは、可撓スプライン壁は、
ほとんどステンレス鋼であつて、約0.127mm
（0.005インチ；第２図に図示のｄを指す）の厚さ
を有し、その剛性すなわち半径方向の変形度は、
第６図に図示したように約600Hzの最大共振周波
数とそれと等価な約5000Hzの達成可能な最大ステ
ツプ速度とを与えたと考えられる。使用金属は、
もちろん高飽和度、高誘導度、高透磁率及び高い
疲れ強さを有さなければならない。

本発明によれば、従来技術の調和駆動方式ステ
ツプロータが達成可能な性能に比べて、可撓ロー
タまたは可撓スプライン組立体１０の半径方向の
変形に対する剛性すなわち“抵抗”を変化させ
る、すなわち大きくすることにより大きな作動効
率でトルク出力をさらに大きくしたり、ステツプ
速度を著しく大きく（２倍かそれ以上に）するこ
とができる。可撓スプラインの壁の厚さや剛性を
増大させることにより実際的で予期できぬほどの
改良をした本発明は種々の方法で規定されるであ
ろう。

これは、可撓ロータまたは可撓スプライン１
４、あるいはそれと共軸の相互に橋絡した部材３
０を有しかつスプラインの外径に対してスプライ
ン壁の厚さが約0.50％ないし約2.0％の範囲内
（従来技術の薄い壁のロータにおけるその厚さは
もつと小さく、大体0.25％であり、決して0.37％
を超えることはなかつた。）で選択されるロータ
組立体であるので、周知の調和駆動方式ステツプ
ロータの構成とは根本的かつ明らかに区別でき
る。たとえば、第５図に図示したように、0.18mm
（0.007インチ）及びそれ以上（橋絡部材３０がな
くてしかも実質的に外形が一定に維持されている
場合）の厚さの壁により大きな出力トルクを達成
できることは明らかである。

可撓ロータまたは可撓スプライン２８及び橋絡
部材３０（組込まれているならば）に従来よりも
厚いスプライン壁を用いて新しい範囲の高い剛性
とそれに対応して前記高い可撓ロータ比を達成す
ることにより、ロータ組立体を高い任意共振周波
数とそれに対応する等価なステツプ速度で動作さ
せて第６図に図示したようにステツプモータを作
動させることができる。

第４図は、可撓スプライン壁の厚さが0.28mm
（0.011インチ）であり、可撓スプラインの外径
40.6mm（1.6インチ）に対して可撓スプラインの
壁の厚さが約0.65％である代表的な周知駆動方式
ステツプモータの典型的な性能を示している。ス
テツプ速度は約9000／secないし10000／secまで
図示されており、線ａは、可撓スプライン自身を
ロータとして用いる場合、線ｂは、全壁の厚さが
0.56mm（0.022インチ）となるよう可撓スプライ
ンに0.28mm（0.011インチ）の厚さの１つの橋絡
管状部材３０を用いた場合、線ｃは、壁の全厚さ
が0.84mm（0.033インチ）となるようそれぞれ0.28
mm（0.011インチ）の厚さの２つの橋絡管状部材
を用いた場合を示している。第４図の下図は制御
入力に対する出力トルクを示しており、第４図の
真中の図及び上図は、それぞれ前記異なるロータ
構造体に対するモータ電流及び電源電圧を示して
いる。橋絡部材３０により、ある程度まで出力を
大きくすることができることは明らかであり、特
に、本発明を保持するにおいて、同じ大きさの共
振周波数と同じ大きさの速度限界を得るために橋
絡部材の全厚さ（１つまたはそれ以上のコイルか
あるいは管状部材３０のどちらかを用いる）を可
撓ロータまたは可撓スプライン１４の厚さに近づ
けなければならない。ここでは説明する必要がな
いので除外したが、所定の橋絡部材の全厚さに対
して、固々の橋絡部材の積層かまたはリングの厚
さをほぼ等しくして同じ共振周波数を有するよう
にしなければならない。

第５図は、対数座標系において、橋絡部材のな
い、外径が等しい種々のロータの厚さに対する経
験的な共振周波数とそれに対応した予期可能な最
高速度をそれぞれ示している。たとえば、ロータ
の外径に対するロータの壁の厚さが約0.50％ない
し約2.0％内にある場合、ロータの剛性を大きく
することにより、モータが前よりも大きな出力を
発生しかつ固有周波数においてより大きな作動効
率を得ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本明細書に説明するように新しい大
きな剛性を与える壁の厚いロータと剛性を適当に
補正するロータと共軸の橋絡部材のリングとから
成るロータ構造体を有する、内部配置を見せるよ
う四分円を切取つた調和駆動方式ステツプモータ
の斜視図である。第２図は、第１図に図示した型
のモータに従来用いられた従来技術の橋絡物質を
有する従来技術の薄い変形していない可撓スプラ
インの端部の立面図である。第３図は、第１図の
壁の厚さが厚い新しい可撓スプラインと２つの橋
絡管を誇張して図示し、楕円体の作動形に電磁力
により変形された場合のロータの外部を一点鎖線
で示したのを除けば、第２図と同じ図である。第
４図は、たとえば0.28mm（0.011インチ）の厚さ
と約40.6mm（1.6インチ）とを有する選択した可
撓スプラインに対して、それぞれ0.28mm（0.011
インチ）の厚さの壁を有する橋絡部材を有するロ
ータと有しないロータとを、種々のステツプ速度
で駆動した場合のある動作データを示したグラフ
である。第５図は、種々の厚さ（外径に対する厚
さの比を新しくして大きくする厚さからなる）の
壁を有する可撓スプラインを大きな速度でステツ
プさせる場合の出力トルクの代表的な効果を（試
験的データにより）図示したグラフである。第６
図は、対数の座標系において、可撓ロータの外径
に対するロータの壁の比を大きくすることによ
り、すなわち約0.15mm（0.006インチ）の従来の
上限よりも厚い壁から生じる大きな剛性を利用す
ることにより、改良した結果、すなわち大きな出
力及びステツプ速度の場合の共振周波数の動きを
図示している。 １０……ロータ組立体、１２……モータ、１６
……ステータコイル、１４……スプライン、１８
……モータハウジング、２０……出力シヤフト、
２２……取付ダイヤフラム、２４……環状スプラ
イン、２６，２８……スプライン歯、３０……橋
絡部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１つの半径方向に変形しうる壁を
   有するほぼ円筒状の磁性材料で成るロータから成
   る調和駆動方式ステツプモータにおいて、前記変
   形可能な壁の厚さが、変形していないロータの直
   径に対してその約0.50％ないし約2.0％の範囲内
   にあるように選択されたことを特徴とするステツ
   プモータ。 ２ 前記ロータは、可撓スプラインと１つもしく
   はそれ以上の共軸になつた環状の相互に橋絡した
   積層から成つており、各積層の壁の厚さは、可撓
   スプラインの厚さにほぼ等しいことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のモータ。 ３ 前記ロータが剛性の可撓スプラインと共働す
   るように取付けられたとき、共振周波数の関数に
   ほぼ対応する最大のパワー出力において最適速度
   でロータをステツプさせ得るように、磁気による
   半径方向への変形に抵抗するロータの剛性が選択
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のモータ。 ４ 変形していない外径に対して、その壁の厚さ
   が0.50％ないし2.0％の範囲内である可撓スプラ
   インと、１つもしくはそれ以上の管状または回旋
   状の共軸になつた相互に橋絡した部材とから成
   り、前記管状部材または回旋状部材は、それぞれ
   の外径に対する壁の厚さの比が可撓スプラインの
   比とほぼ同じであることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のステツプモータに用いる調和駆
   動方式ロータ組立体。 ５ 可撓スプラインと、それぞれの単位長さ当た
   りの質量に対する剛性の比がほぼ同じであること
   を特徴とする、共軸になつた相互に橋絡した管状
   部材とから成る特許請求の範囲第４項記載のロー
   タ。