JP4039997B2 - 回転子支持軸と一体の出力軸を有する減速機付永久磁石ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、事務用機器、電子計算機用周辺機器、家電機器あるいは医療機器などに広く用いられている減速機付の小形モータに関し、特に減速機出力軸とモータの回転子支持軸が一体となった遊星ギヤ減速機構を備える永久磁石形（ＰＭ形）ステッピングモータに関する。

モータと、このモータの回転を減速して出力する減速機とを組み合わせた減速機付モータとしては、従来から例えば特許文献１、特許文献２に記載される技術が知られている。
これらの文献に記載される減速機付モータは、いずれも、図５に示すように、モータ部１ａと減速機１ｂとが空間的に独立しており、これらを軸方向に並べて構成されている。したがって、モータ部１ａの長さと減速機１ｂの長さとの和が全体の長さとなる。

一方、上記の減速機付モータのモータ部１ａをステッピングモータとして構成する場合には、図６に示すようなＰＭ形ステッピングモータが利用可能である。図６に示すモータは、三相クローポール形のＰＭ形ステッピングモータであり、所定の間隔をおいて平行に配置されたプレート２ａ、２ｂに軸受３ａ、３ｂを介して回転可能に支持された回転軸４と、この回転軸４に固定された回転子５と、回転子５の外周を囲んでプレート２ａ、２ｂ間に固定された固定子６とを備えている。

回転子５は、回転軸４に固定された円筒状のコア５ａの外周面に円周方向に極性が交互に変化する多極の永久磁石５ｂを配置して構成されている。コア５ａは鋼板等の磁性体または非磁性体のアルミニウムあるいはプラスチック等により形成されている。固定子６は、それぞれコイル７が巻かれたボビン８を内周側に複数の爪状の磁極が形成された一対の固定子磁極板９により挟み込んで構成される３つのリング状の磁極組立体６ａ、６ｂ、６ｃを軸方向に並列させて構成されている。

特開２００２−３４９６４３号公報図１ 特開２０００−１２０８１０号公報図１

しかしながら、上述した特許文献１及び２に開示される減速機付モータは、モータ部１ａと減速機１ｂとがそれぞれ独立した空間を占有しているため、モータ部１ａの軸方向長さと減速機１ｂの長さの和が全長となり、軸方向の小型化が困難である。したがって、減速機付モータを機器に組付ける際の取付方法にも制約があった。

本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、軸方向の全長をより短縮することが出来る減速機付ＰＭ形ステッピングモータを提供することを目的とする。

本発明は、図５に示すような従来のＰＭ形ステッピングモータ回転子５の内部に破線で囲むような空間を確保し得ることに着目し、この空間に遊星ギヤ機構からなる減速機を内装することにより、軸方向の全長の短縮を図っている。

具体的には、本発明にかかる減速機付ＰＭ形ステッピングモータは、ケーシングと内周に向けた磁極、及び磁極を励磁するコイルとを備え、ケーシングに固定された固定子と、ケーシングの軸方向の一方側に配置された第一の軸受を介して取り付けられた回転子支持軸、軸方向の一方側で回転子支持軸に対して自在に回転し、他方側が開放した有底円筒状の磁石支持筒、磁石支持筒の外周面に磁極に対して所定の空隙を介して対向するよう設けられ、円周方向に極性が交互に変化する多極の永久磁石を備え、固定子の内周に配置された回転子と、第１の軸受とは軸方向の反対側でケーシングに配置された第２の軸受を介して取り付けられた回転子支持軸と一体になった出力軸と、回転子と一体となり回転子支持軸に対して自在に回転する太陽ギヤ、太陽ギヤの外周に噛み合う複数の遊星ギヤ、ケーシングに支持されて開放端側から磁石支持筒の内側に入り込み、内周面に遊星ギヤに噛み合う内周ギヤが形成されたギヤ支持筒、複数の遊星ギヤを回転自在に支持する遊星ギヤ軸を保持すると共に、出力軸に固定された遊星枠を備え、回転子の回転を減速して出力軸に伝達する減速機構と、を有することを特徴とする。

上記構成によれば、固定子の磁極と回転子の永久磁石との間で作用する電磁力により回転子と一体となった太陽ギヤが回転し、これに噛み合う複数の遊星ギヤを回転させる。遊星ギヤは、ギヤ支持筒に形成された内周ギヤとも噛み合っているため、太陽ギヤの回転により自転しながら公転する。遊星枠は、各遊星ギヤの公転に伴って回転し、出力軸を回転させる。

固定子は、複数の磁極組立体を固定子継鉄に装着して多相の固定子として構成してもよい。この場合、各磁極組立体は、コイルが巻かれたボビンを内周側に複数の爪状の磁極が形成された一対の固定子磁極板により挟み込んで構成されることが望ましい。

本発明の請求項１の構成によれば、減速機構を構成する遊星ギヤ機構が回転子の内部空間内に配置され、更に回転子支持軸と出力軸が一体に構成されているので、モータ部の配置空間と減速機の配置空間とを一部重複させることができ、これにより軸方向の全長を従来に比べ短縮する事ができると共に、太陽ギヤと遊星ギヤの噛み合い精度が向上する。このため高精度でコンパクトな減速機付ＰＭ形ステッピングモータを提供することができる。

また、請求項２の構成によれば、固定子を多相にすることでステップ角を小さくしてスムーズな回転が可能となり、安定した減速機構の出力を得ることができる。

以下、この発明にかかる減速機付ＰＭ形ステッピングモータを実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する、図１は、この形態の減速機付ＰＭ形ステッピングモータ１０の縦断側面図で、図２のＡ―Ａ線に沿う断面図である。図２は図１のＢ―Ｂ線に沿う断面図、図３は図１の減速機付ＰＭ形ステッピングモータ１０の分解斜視図である。

まず、図１に基づいて本発明になる減速機付ＰＭ形ステッピングモータの構成の概略を説明する。
本発明の減速機付ＰＭ形ステッピングモータ１０は、互いに対向して配置された一対のケーシング２０、２１と、これらのケーシング２０、２１の間に挟み込まれて固定された固定子３０と、一方のケーシング２０に第１の軸受４０を介して回転可能に支持された回転子支持軸５１の軸上を回転自在に回転し、固定子３０の内周に位置する回転子５０と、他方のケーシング２１に第２の軸受４１を介して回転可能に支持された回転子支持軸５１と一体になった出力軸６０と、回転子５０の磁石支持筒５２内に配置された減速機構７０とから構成されている。
なお、本実施形態の減速機付ＰＭ形ステッピングモータ１０のモータ部分は、固定子３０と回転子５０とから構成される３相クローポール形のＰＭ形ステッピングモータである。

ケーシング２０、２１は、リング状のプレートの外周及び内周に円筒状のフランジを形成することにより構成され、互いにフランジを向かい合わせに対向させて配置されている。第１の軸受４０は、ケーシング２０の内周側フランジに固定され、第２の軸受４１は、ケーシング２１の内周側フランジに固定されている。

固定子３０は、それぞれコイル３１が巻かれたボビン３２を内周側に複数の爪状の磁極が形成された一対の固定子磁極板３３ａ、３３ｂにより挟み込んで構成される３個のリング状の磁極組立体３０ａ、３０ｂ、３０ｃを固定子継鉄３４の内周部で軸方向に並列させて３相の磁極体を構成するようにしている。例えば、中央の磁極組立体３０ｂは、図２に示すように、一方の固定子磁極板３３ａの内周に形成された磁極３３１と、他方の固定子磁極板３３ｂの内周に形成された磁極３３２とが円周方向に沿って交互に配列するよう構成されている。コイル３１に電流を流すことにより、電流の方向に応じてこれらの磁極３３１、３３２とが逆極性に励磁される。

固定子３０の内側に配置された回転子５０は、一方側（図１中右側）が開放した有底円筒状の磁石支持筒５２、磁石支持筒５２の外周面に固着された多極の永久磁石５３、太陽ギヤ７１、第３の軸受４２とにより構成され、磁石支持筒５２の外周面に多極の永久磁石５３を固定し、磁石支持筒５２の底部５４に、第３の軸受４２を装着した太陽ギヤ７１を固定する。
この様に構成された回転子５０は、第１の軸受４０を介して、ケーシング２０に対して回転可能に取り付けられた回転子支持軸５１上に回転自在に配置される。
回転子支持軸５１と出力軸６０は一体となっているから、第２の軸受４１を介してケーシング２１に対しても回転自在に配置されることとなる。

磁石支持筒５２は、鋼板等の磁性体又はアルミニウム、あるいはプラスチック等の非磁性体から成る薄肉の部材より形成されており、内部には空間が形成されている。永久磁石５３は、固定子３０の磁極３３１、３３２に対して所定の空隙を介して対向するように設けられ、図３に示すように、円周方向に極性（Ｎ極、Ｓ極）が交互に変化するよう着磁されている。

減速機構７０は、回転子５０を構成する磁石支持筒５２に、第３の軸受を固定した太陽ギヤ７１を装着することにより、回転子支持軸５１に対して回転自在に配置された太陽ギヤ７１と、太陽ギヤ７１の外周に噛み合う複数（この例では３つ、図３参照）の遊星ギヤ７２ａ、７２ｂ、７２ｃと、ケーシング２１に支持されて磁石支持筒５２の開放端側（図１中右側）から磁石支持筒５２の内側に入り込み、内周面に遊星ギヤ７２ａ、７２ｂ、７２ｃに噛み合う内周ギヤ７３ａが形成されたギヤ支持筒７３と、複数の遊星ギヤ７２ａ、７２ｂ、７２ｃを回転自在に支持する遊星ギヤ軸７４ａ、７４ｂ、７４ｃを軸の両側で保持する一対の遊星枠７５ａ、７５ｂと、回転子支持軸５１と一体となり、遊星枠と固着された出力軸６０とを備える。

ギヤ支持筒７３は、図３に示すような内周ギヤ７３ａが形成された円筒状の部材であり、ケーシング２１から内周側に延びる支持板７３ｂ（図１参照）により、磁石支持筒５２の内周部に配置されている。ギヤ支持筒７３の外径寸法は、磁石支持筒５２の内径寸法より小さく、これらの間には空隙が存在する。

一方の遊星枠７５ａは遊星ギヤ軸７４ａ、７４ｂ、７４ｃを固定すると共に、反対面側に突出した出力軸６０を固定している。出力軸６０は回転子支持軸５１と一体となっている。他方の遊星枠７５ｂは、遊星ギヤ７２ａ、７２ｂ、７２ｃを挟んだ反対側で遊星ギヤ軸７４ａ、７４ｂ、７４ｃを支持しており、中心部には回転子支持軸５１を貫通させる貫通孔が形成されている。

上記のように、太陽ギヤ７１、遊星ギヤ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、内周ギヤ７３ａを含む減速機構の大部分を回転子５０の磁石支持筒５２の内側に配置しているため、モータ部と減速機構との配置空間を一部重複させることができ、軸方向の全長を短く抑えることができる。 更に回転子支持軸と出力軸が一体に構成されているので、太陽ギヤと遊星ギヤの噛み合い精度が向上する。

次に、上記の減速機付ＰＭ形ステッピングモータ１０の動作について説明する。
固定子３０を構成する３個の磁極組立体３０ａ、３０ｂ、３０ｃのコイル３１に所定のタイミングで順次電流を流すと、励磁される磁極と回転子５０の永久磁石５３との間に生じる３相磁界により回転子５０が回転する。ここで、図３に矢印で示すように、回転子５０の回転方向を時計回りとする。

回転子５０が回転すると、回転子５０と一体の太陽ギヤ７１が時計回りに回転する。すると、太陽ギヤ７１に噛み合う３つの遊星ギヤ７２ａ、７２ｂ、７２ｃが反時計回りに回転する。遊星ギヤ７２ａ、７２ｂ、７２ｃは、固定された内周ギヤ７３ａにも噛み合っているため、反時計回りに自転しながら、時計回りに公転する。これらの遊星ギヤ７２ａ、７２ｂ、７２ｃの遊星ギヤ軸７４ａ、７４ｂ、７４ｃを保持する遊星枠７５ａ、７５ｂは、遊星ギヤ７２ａ、７２ｂ、７２ｃの公転により時計回りに回転する。この遊星枠７５ａの回転が出力軸６０の回転となり、太陽ギヤ７１と内周ギヤ７３ａとのギヤ比で決まる減速比で回転子５０の回転が減速されて出力軸６０に伝達される。

本発明においては、図１、図２、図３の構成例に示すように、減速機構７０は一段減速の遊星歯車機構となっている。本発明の構成原理を用いれば、２段減速機構あるいは更に多段の減速機構を構成する事も可能である。図４に２段減速の遊星歯車機構の一例を示す。

事務用機器、医療機器、家電製品等の分野で、特に小型化が要求される用途に対して適用可能である。

本発明の実施の形態にかかる減速機付ＰＭ形ステッピングモータの縦断側面図であり、図２のＡ―Ａ線断面図である。 図１の減速機付ＰＭ形ステッピングモータのＢ―Ｂ線断面図である。 図１の減速機付ＰＭ形ステッピングモータの分解斜視図である。 複数段の遊星歯車機構を有する減速機付ＰＭ形ステッピングモータ 従来の減速機付モータの概略を示す側面図である。 従来のＰＭ形ステッピングモータの構造を示す断面図である。

符号の説明

１ａ：モータ部
１ｂ：減速機
２ａ、２ｂ：プレート
３ａ、３ｂ：軸受
４：回転軸
５：回転子
５ａ：コア
５ｂ：永久磁石
６：固定子
６ａ、６ｂ、６ｃ：磁極組立体
７：コイル
８：ボビン
９：固定子磁極板
１０：減速機付ＰＭ形ステッピングモータ
２０、２１：ケーシング
３０：固定子
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ：磁極組立体
３１： コイル
３２： ボビン
３３ａ、３３ｂ：固定子磁極板
３４：固定子継鉄
４０：第1の軸受
４１：第２の軸受
４２：第３の軸受
５０：回転子
５１：回転子支持軸
５２：磁石支持筒
５３：永久磁石
５４：底部
６０：出力軸
７０：減速機構
７１：太陽ギヤ
７２ａ、７２ｂ、 ７２ｃ：遊星ギヤ
７３：ギヤ支持筒
７３ａ:内周ギヤ
７３ｂ:支持板
７４ａ、７４ｂ、７４ｃ：遊星ギヤ軸
７５ａ、７５ｂ： 遊星枠
３３１、３３２:磁極

Claims (3)

1. 円環状コイルとこれを挟持するように対向配置される固定子磁極板とより成る複数の磁極組立体で形成される固定子と、
   該固定子を挟持するように配置される前後対を成すケーシングと、
   前記固定子内周面に小空隙を介して対向する円筒状永久磁石を有する回転子と、で構成されると共に、
   回転子の回転を減速して出力軸に連係する減速機構を備える減速機付永久磁石形ステッピングモータにおいて、
   前記両ケーシング夫々の中心部に形成された軸受箱に収納される軸受により軸支される出力軸と、
   該出力軸外周面の一部に遊嵌配置されて回転自在に摺接すると共に、中空状の、第３の軸受外周面の一部に形成されている太陽ギヤと、
   板状部材でカップ状に形成され、その底部中心が前記第３の軸受の片端に固定されると共に、その円筒部外周面に前記回転子永久磁石を保持する磁石支持筒と、板状部材で形成されて、その内周縁から前記磁石支持筒円筒部内周面に近接しつつ軸方向に伸長する円筒部を有し、平板部外周縁で前記固定子の端部に固定されると共に、その円筒部内周面に内周ギヤが形成されているギヤ支持筒と、
   前記出力軸に保持されている一方の円板状遊星枠と、
   該遊星枠の回転中心と同心状に円周方向に等配され、片端が該遊星枠に保持される複数の遊星ギヤ軸と、
   該遊星ギヤ軸に回転自在に軸支されている遊星ギヤと、
   該遊星ギヤを挟んで前記遊星ギヤ軸の他端に嵌着保持される他方の遊星枠とを備え、
   回転子の回転が、磁石支持筒−太陽ギヤと内周ギヤ−遊星ギヤ−遊星ギヤ軸−遊星枠を経て出力軸に連係する遊星歯車減速機構として形成されることで、
   両ケーシング内部空間で回転子軸と同軸での減速を可能とするように構成されていること、を特徴とする減速機付永久磁石形ステッピングモータ。
2. 前記遊星歯車減速機構が、類型の複数段の構成を備えること、を特徴とする請求項１に記載の減速機付永久磁石形ステッピングモータ。
3. 前記固定子が、ボビンに巻装されたコイルと、クローポールを備える固定子磁極板より成る磁極組立体を備えること、を特徴とする請求項1に記栽の減速機付永久磁石形ステッピングモータ。