JP7281032B2 - ギヤードモータおよびギヤードモータユニット - Google Patents

Description

本発明は、モータに関し、特に、玩具、工作機械などに使用可能なモータに関する。

玩具、工作機械等の分野では、ロボット玩具、動物玩具などの可動玩具に対し、駆動装置を内蔵させ、手足などを複雑に動かすことができる。このような玩具の動きを制御するため、サーボモータと位置検出センサが玩具に装備される。例えば、位置検出センサが足などの回転角度を検出し、サーボモータは、検出される回転角度に基づいてフィードバック制御を行う（例えば、特許文献１参照）。

特許第４６９５２４３号公報

サーボモータを使用する場合、制御プログラムを設計し、制御回路を基板に実装させなければならない。また、位置検出センサも、フィードバック制御を行う上で、精度よく位置検出できる構成にしなければならない。これは、玩具、工作機械など、単にユーザの好みに応じた動きが求められる機械に対し、過大な駆動制御となる。

したがって、簡易な構成であって、ユーザの嗜好に合う動作を玩具などにさせることが可能な駆動系が求められる。

本発明の一態様であるギヤードモータは、正逆回転可能なモータの出力軸に取り付けられた回転部材と、ギヤケースの周囲または内部に設けられ、回転部材の正逆回転方向それぞれの回転限度位置を検出可能な位置検出センサとを備える。そしてモータは、位置検出センサによる回転限度位置検出に従い、正逆回転方向それぞれの回転限度位置の間で回転可能である。

一方、本発明の他の態様であるギヤードモータは、回転部材の正逆回転方向それぞれの回転限度位置を検出可能な位置検出センサを備え、回転部材が着脱可能である。モータの出力軸に対して出力軸端部側から回転部材が取り付けられると、位置検出センサは、回転部材の正逆回転方向それぞれの回転限度位置を検出可能である。このようなギヤードモータとして、正逆回転可能なモータと、ギヤケースの周囲または内部に設けられる接触スイッチとを備え、モータの出力軸に対して出力軸端部側から回転部材が取り付けられると、接触スイッチが、回転部材の正逆回転方向それぞれの回転限度位置で、回転部材と接触するギヤードモータを構成することができる。

このようなギヤードモータに取り付け可能な本発明の回転部材は、ギヤードモータの出力軸に対し、出力軸端部側から着脱自在に取り付け可能であって、駆動対象物と（直接あるいは間接的に）連結する動力伝達部材と、回転限度位置の境で、すなわち自身の回転可能範囲の境界部分で形状が変化するフランジとを備える。

また、上述したギヤードモータと、モータを正逆回転方向それぞれに対して駆動ＯＮ／ＯＦＦするために操作される操作部と、モータ、操作部および位置検出センサと接続するモータドライバと、電源とを備えたギヤードモータユニットを構成することが可能であり、モータドライバは、回転部材が正逆回転方向それぞれの回転限度位置まで回転すると、前記モータを駆動停止させる。

本発明によれば、簡易な構成であって、ユーザの嗜好に合うように玩具などの駆動対象物を動作させることができる。

ギヤードモータの斜視図を示す。 ギヤードモータの平面図を示す。 ギヤードモータの正面図を示す。 ギヤードモータの側面図を示す。 ギヤードモータユニットの電気回路図である。 回転部材の他の例を上からみた平面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１～図４は、本実施形態であるギヤードモータおよびギヤードモータユニットの構成を示した図である。図１は、ギヤードモータの斜視図、図２は、ギヤードモータを上から見た平面図を示す。また、図３は、ギヤードモータの正面図、図４は、ギヤードモータの側面図を示す。

ギヤ３０と、ＤＣモータなどのモータ４０とを備えたギヤードモータ１０は、ここでは玩具、工作用機械などに適用可能な小型ギヤードモータとして構成される。減速機構であるギヤ３０は、ギヤケース３０Ｃ内に収容されている。ギヤケース３０Ｃはモータ４０（モータケース）に固定され、ギヤ３０とモータ４０は一体的構成になっている。

ギヤードモータ１０は、基板６０を備えている。基板６０は、ギヤケース３０Ｃ、モータ４０の傍に配置され、モータ４０の出力軸４５の方向に沿って配置されている（図４など参照）。また、基板６０とともに、基板６２、基板６４がそれぞれギヤケース３０Ｃの出力軸側端面３０Ｔ、モータ４０の端面４０Ｔに沿って配置されている（図４参照）。

基板６０は、ネジなどによってギヤケース３０Ｃに固定される。一方、基板６０の突起部６０Ｔが基板６２の凹部６２Ｔに嵌る一方、基板６４の突起部６４Ｃが基板６０の矩形状開口部６０Ｃに嵌る。このような基板同士の接続およびはんだ付けなどにより、基板６０および基板６２、６４は、ギヤ３０およびモータ４０に対して固定、支持された構造になっている。

モータ４０の出力軸４５には、着脱自在に取り付け可能な回転部材２０が取り付けられている。回転部材２０は、玩具などの駆動対象物に対してモータ４０の駆動力を伝えるギヤ２２、フランジ２４、筒部２６を備えている（図４参照）。ギヤ２２は、駆動対象物と繋がる歯車機構（図示せず）と連結可能である。例えば、回転する駆動対象物がギヤ２２と連結すると、モータ４０の回転に応じて駆動対象物が回転する。

ギヤ２２と筒部２６との間に形成されたフランジ２４は、自身の回転範囲を規制し、ギヤケース３０Ｃから所定距離Ｓだけ離れた位置で回転する。フランジ２４の形状は、ここでは半周分を境にして径の異なる円板形状であり、径の大きい領域を第１フランジ部２４Ａ、径の小さい領域を第２フランジ部２４Ｂとする。フランジ２４は、３Ｄプリンタなどによる製造によって一体成形することができる。なお、ギヤ２２を、サーボホーンなど他の動力伝達可能な部材で構成することも可能である。

位置検出センサ５０は、基板６０の端部となる突起部６０Ｔに配置され、ここでは２方向出力のレバー式接触スイッチによって構成されている。位置検出センサ５０の可動接触片５５は、基板６０に沿った方向、すなわちモータ４０の出力軸４５に沿った方向を向き、基板６０に沿って揺動可能である。

位置検出センサ５０は、回転部材２０の回転位置によって非接触状態から接触状態へ切り替わるように、その位置が定められている。具体的には、回転部材２０の径の変化（形状変化）の境となる段差部分Ｂ１、Ｂ２と可動接触片５５がギヤケース３０Ｃの外部で接触するように、出力軸方向に沿った位置、および出力軸４５の軸中心Ｘから可動接触片５５までの距離Ｄが定められている。図１～４は、回転部材２０が可動接触片５５と接触しない、すなわち、第２フランジ部２４Ｂが可動接触片５５と隣り合う状態の図を示している。

基板６０には、電源および操作部（ここでは図示せず）が接続されるとともに、モータドライバが実装されている。モータ４０に電源が供給され、ユーザが操作部を操作することによって、モータ４０が回転、停止する（以下では、これらの要素を含め、ギヤードモータユニットという）。本実施形態では、ギヤードモータユニットを駆動対象物の駆動系とすることにより、ユーザのマニュアル操作に応じて駆動対象物の駆動し、そして駆動範囲を制限する。以下、これについて説明する。

図５は、ギヤードモータユニットの電気回路図である。

モータドライバ８０は、位置検出センサ５０、操作部７０、電源９０と接続し、また、基板６０および基板６４に形成された信号線によってモータ４０と接続している。操作部７０は、一対のスイッチ（以下、操作スイッチという）７２、７４を備え、モータドライバ８０の入力端子８２、８４にそれぞれ接続されている。操作スイッチ７２が押下されてＯＮ状態になると、モータ４０が正回転方向（時計回り）ＣＷに回転し、ＯＦＦ状態になるまで回転し続ける。操作スイッチ７４が押下されてＯＮ状態になると、モータ４０が逆回転方向（反時計回り）ＣＣＷに回転し、ＯＦＦ状態になるまで回転し続ける。

位置検出センサ５０は、一対のスイッチ（以下、位置検出スイッチという）５２、５４を備え、それぞれモータドライバ８０の入力端子８２、８４に接続されている。回転部材２０が正回転方向ＣＷに回転し、その段差部分Ｂ２が可動接触片５５と接触したとき、位置検出スイッチ５２がＯＮ状態になる。一方、回転部材２０が逆回転方向ＣＣＷに回転し、その段差部分Ｂ１が可動接触片５５と接触したとき、位置検出スイッチ５４がＯＮ状態になる。位置検出スイッチ５２あるいは位置検出スイッチ５４がＯＮ状態になると、モータドライバ８０は、モータ４０への駆動信号をＯＦＦ状態に設定し、モータ４０を駆動停止させる。

玩具などの駆動対象物を両方向に回転させる駆動系として、上述したギヤードモータユニットを使用した場合、ユーザは、操作スイッチ７２、７４いずれかを操作することで、駆動対象物を回転させることができる。例えば、戦艦モデルの砲塔の駆動系としてギヤードモータユニットを使用した場合、ユーザは、操作スイッチ７２、７４を交互に押すことで、実際の砲塔の動きに似た動きを体験することができる。なお、駆動対象物を往復直線運動させることも可能である。

一方、モータ４０が回転し続けると、回転部材２０が位置検出センサ５０の可動接触片５５に接触し、モータ４０が駆動停止する。回転部材２０は、可動接触片５５が段差部分Ｂ１、Ｂ２と接触する範囲（ここでは半周）の間で時計回りＣＷ、反時計回りＣＣＷに回転可能であり、回転範囲が１回転未満となるように規制されている。

したがって、ユーザが操作スイッチ７２、７４いずれかを押し続けても、回転部材２０が可動接触片５５との接触位置（以下、回転限度位置という）まで回転すると、駆動対象物の回転も停止する。駆動対象物の回転可能な範囲（可動範囲）は、回転部材２０の回転可能範囲に従うことから、駆動対象物と回転部材２０のギヤとの間の連結機構のギヤ比などを調整することにより、駆動対象物の可動範囲を制限することができる。例えば、戦艦モデルの砲塔の可動範囲を、大砲が他の部品と接触しない範囲に定めれば、ユーザ操作によって回転オーバーとならない。

このように本実施形態によれば、ギヤードモータ１０は、回転部材２０、位置検出センサ５０、基板６０を備える。回転部材２０は、回転限度位置で径の異なるフランジ２４を有し、位置検出センサ５０の可動接触片５５は、回転部材２０が回転限度位置の段差部分Ｂ１、Ｂ２まで回転すると接触する。基板６０に組み込まれたモータドライバ８０は、位置検出センサ５０による回転限度位置の検出に応じて、モータ４０を駆動停止する。

回転部材２０、位置検出センサ５０を備えたギヤードモータ１０を構成することで、駆動対象物の可動範囲を設定することが可能となり、ユーザは、駆動対象物の可動範囲を知ることなく、操作部７０を操作して駆動対象物を意図するように動かすことができる。

本実施形態のギヤードモータ１０は、ギヤ３０とモータ４０を備えた汎用的なギヤードモータに対し、回転部材２０を出力軸４５に装着し、基板６０を出力軸４５に沿って配置し、そして位置検出センサ５０を基板６０に実装させた組み立て容易な構成になっている。これにより、ユーザによる自作物などに対しても、確実な動作を実現できる駆動系を提供することができる。

特に、回転部材２０と位置検出センサ５０の組み合わせだけで可動範囲を規定することができ、サーボモータのように、位置検出センサからの連続的出力信号に基づいて制御するフィードバック制御系を構成する必要がない。また、ユーザ操作部７０によってマニュアル操作を行うため、駆動対象物（モータ４０）を動かすプログラミングの必要もない。

さらに、位置検出センサ５０および回転部材２０を、ギヤードモータ１０のギヤケース３０Ｃの傍あるいは周囲に設けることで、位置検出センサ５０、回転部材２０とを接触させる構造が容易となり、位置検出センサ５０を汎用的な可動接触片５５をもつスイッチで構成することが可能となる。

本実施形態では、位置検出センサ５０が２方向出力の接触スイッチで構成されている。このため、モータ４０の回転を、回転部材２０の回転限度位置で用意かつ確実に停止させることができる。特に、レバー式の可動接触片５５が揺動するスイッチで構成されるため、正回転方向ＣＷ、逆回転方向ＣＣＷ両方の回転限度位置を１つの可動接触片５５だけで検知することが可能となり、回転部材２０の回転許容範囲をより大きく、あるいはより小さくすることができる。

さらに、位置検出センサ５０を構成する一対の位置検出スイッチ５２、５４が、一対の操作スイッチ７２、７４と同様、モータドライバ８０の正回転方向入力端子８２、逆回転方向入力端子８４にそれぞれ接続されている。このような簡易な回路構成によって、回転中（ユーザ操作中）の回転部材２０を、自動的に回転限度位置で停止させることができる。

一方、本実施形態では、位置検出センサ５０、モータドライバ８０を実装させた基板６０が、ギヤードモータ１０（ギアケース３０Ｃ）に固定、装着されている。このような一体的構成により、モータドライバをギヤードモータ１０とは異なるスペースに配置する必要がなく、操作部７０、電源９０を基板６０に繋げるだけで駆動系を構築することができる。また、基板６０を出力軸４５に沿って配置することにより、可動接触片５５を回転部材２０と接触させるように位置検出センサ５０の設置を定めることが容易となる。

図６は、回転部材の他の例を上からみた平面図である。ただし、ギヤ２２を図示していない。

回転部材２０は、上述したように出力軸４５に対して取り外し可能であり、他のフランジ形状をもつ回転部材を取り付けることが可能である。図６（ａ）に示す回転部材１２０は、一部に切欠き部分１２４Ａが形成されたフランジ１２４を有し、形状の変化する段差部分Ｂ１、Ｂ２の範囲（６０°以内）で回転部材２０が回転可能となる。一方、図６（ｂ）に示す回転部材２２０は、扇形の突起部分２２４Ａが形成されたフランジ２２４を備えている。これによって、回転部材２２０は、３００°以上の範囲で回転することができる。

様々な回転可能な範囲をもつ回転部材を出力軸４５に取り付け可能であることを考慮すれば、ギヤードモータ１０と駆動対象物との間の連結構造をそのままにし、その駆動対象物の可動範囲に適応した回転限度位置を定めた回転部材（図６の回転部材１２０、２２０など）を、選択的に出力軸４５に装着させることが可能となる。フランジの形状も、図６以外の形状にしてもよい。正逆回転両方それぞれの回転限度位置に合わせ、回転可能範囲の境界部分において形状が変化するフランジを形成し、回転可能範囲では位置検出センサ５０と接触せず、その形状変化が現れる境で位置検出センサ５０と接触するようにすればよい。

一方、位置検出センサ５０については、光センサなどで構成することも可能である。この場合、出力軸４５に沿って光を放射し、正逆回転方向それぞれの回転限度位置を境にして形状が変化するフランジに光が当たることで、回転部材２０の回転限度位置を検出することができる。また、基板６０をギヤードモータ１０と一体化せず、別のスペースに設置するように構成してもよい。操作部７０を設けずに自動的にモータ４０を駆動させるようにしてもよい。

ギヤケース３０Ｃは、ギヤ３０が部分的に露出し、受け板と支柱などで構成されるケースで構成してもよい。この場合、ギヤケース３０Ｃの内部に位置検出センサ５０を設けるようにしてもよい。また、玩具、工作用機械以外の駆動対象物に対しても、ギヤードモータ１０およびギヤードモータユニットを適用することが可能である。

１０ ギヤードモータ
２０ 回転部材
２２ ギヤ（動力伝達部材）
２４ フランジ
３０ ギヤ
３０Ｃ ギヤケース
４０ モータ
５０ 位置検出センサ
５２、５４ 位置検出スイッチ
５５ 可動接触片
６０ 基板
７０ 操作部
７２、７４ 操作スイッチ
８０ モータドライバ
９０ 電源

Claims (2)

1. 減速機構を収容するギヤケースがモータケースに固定されるギヤードモータであって、
   正逆回転可能なモータと、
   ギヤードモータ出力軸に対して着脱自在に同軸的に取り付けられた回転部材と、
   前記ギヤケースの周囲または内部に設けられ、前記回転部材の正逆回転方向それぞれの回転限度位置を検出可能な位置検出センサと、
   前記ギヤケースに固定され、前記位置検出センサおよび前記モータと接続するモータドライバとが実装される基板とを備え、
   前記回転部材が、前記ギヤードモータ出力軸の端部側に、駆動対象物と連結する動力伝達部材を設け、
   前記モータが、前記位置検出センサによる回転限度位置検出に従い、正逆回転方向それぞれの回転限度位置の間で回転可能であることを特徴とするギヤードモータ。
2. 前記基板が、前記ギヤードモータ出力軸に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載のギヤードモータ。
   
   

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