(57)【要約】【課題】簡単な制御回路を使用して、ステッピングモータの電源がオフのときに動作する統合ブレーキを有する効率的なステッピングモータが求められている。【解決手段】ステッピングモータは、ロータ、ステータ、及び電磁ブレーキを有する。ロータは、永久磁石ロータ極を有する。ステータは少なくとも２相あるステータ巻線を有する。ブレーキは、ステータ巻線の相に電気的に接続され、少なくとも相の１つが通電されるときに解放されるように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石ロータ極を有するロータと、
少なくとも２相あるステータ巻線を有するステータと、及び
電磁ブレーキと、を備えるステッピングモータであって、
前記ブレーキは、前記ステータ巻線の前記相に電気的に接続され、かつ少なくとも１つの前記相が通電されるときに解除されるように配置される、ステッピングモータ。
【請求項２】
前記電磁ブレーキは、
ソレノイドと、
フリクションディスクと、及び
バネと、を備え、
前記バネは、前記ロータと接触するように前記フリクションディスクを押し付け、
前記ソレノイドは、通電されるとき、前記フリクションディスクを前記ロータと接触しないよう動かすように配置される、請求項１に記載のステッピングモータ。
【請求項３】
整流器は、前記ソレノイドに電力を供給するために、前記ステータ巻線の各相それぞれに接続される、請求項２に記載のステッピングモータ。
【請求項４】
各整流器は、抵抗器を通って対応する前記相に接続される、請求項３に記載のステッピングモータ。
【請求項５】
各整流器は、全波整流器である、請求項３又は４に記載のステッピングモータ。
【請求項６】
各整流器の出力は、前記ソレノイド及び前記ソレノイドに接続されるコンデンサに並列接続される、請求項３から５のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
【請求項７】
前記モータを動かす制御線の数はモータ相の数の２倍以下である、請求項１から６のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
【請求項８】
前記電磁ブレーキを駆動する電子機器は前記モータ内に統合される、請求項１から６のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
【請求項９】
前記ブレーキは、通常の動作条件で励磁されるときの前記モータによって作られる最大トルクと少なくとも同じ大きさである保持トルクを提供する、請求項１から８のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
【請求項１０】
前記ブレーキは、励磁されるとき、実質的に前記モータへの抵抗を作り出さない、請求項１から９のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はステッピングモータ、より詳細には統合ブレーキを有するステッピングモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ステッピングモータは、精密な位置決めの利用において使用される。目標の位置を一時的に保持するために、電気入力が低減された又は無い保持トルクが、低放熱及び低電力消費には望ましい。
【０００３】
先行技術のステッピングモータアクチュエータの中で、一般に保持トルクは、低効率の自己ロック式の歯車伝動装置(transmission gear)のような機械的摩擦、又は磁気の戻り止めトルクによって実現される。これらのメカニズムは、利用可能な出力トルクを減らすか、又は低振動の動的動作へ否定的な結果を伴う電磁トルクリップルを誘導する。したがって、これらは、低出力又はエネルギー効率のよい、環境に優しい製品のために現在要求されているような、効率的な電磁アクチュエータシステムの要求と相いれない。
【０００４】
電磁ブレーキ又はソレノイドブレーキを有する電気モータの組み合わせは知られている。しかしながら、ブレーキの駆動は、追加的な電子機器と制御線、追加的なコスト、及びアクチュエータに対する複雑性を必要とする。機械的なブレーキを有するステッピングモータは一般的には知られていない。ステッピングモータへ電磁ブレーキを追加することの１つの問題としては、モータのゆっくりとしたステッピングの間、ブレーキの動作をどのように防ぐかということである。これは複雑な電子回路を使用することで達成しうるが、多くの利用でモータを高価にしすぎる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、簡単な制御回路を使用して、ステッピングモータの電源がオフのときに動作する統合ブレーキを有する効率的なステッピングモータが求められている。
【０００６】
このことは、電源遮断(power-off)電磁ブレーキが連結される従来のステッピングモータを使用することによって、本発明の中で実現される。モータ相に電力を供給する電線路（相毎に２つ）は、相電流が加えられるときにソレノイドを開くように設計されている整流回路にもまた供給される。別の状況では、相が励磁されないとき、ブレーキは閉じたままである。
【０００７】
したがって、その１つの態様において、本発明は、永久磁石ロータ極を有するロータ、少なくとも２相あるステータ巻線を有するステータ及び電磁ブレーキを備えるステッピングモータを提供する。その中でブレーキは、ステータ巻線の相に電気的に接続され、及び少なくとも１つの相が通電されるときに解除されるように配置される。
【０００８】
好ましくは、電磁ブレーキは、ソレノイド、フリクションディスク、及びバネを備える。その中で、バネはロータと接触するようにフリクションディスクを押し付け、ソレノイドは、通電されるとき、フリクションディスクをロータと接触しないよう動かすように配置される。
【０００９】
好ましくは、整流器は、ソレノイドに電力を供給するために、ステータ巻線の各相それぞれに接続される。
【００１０】
好ましくは、各整流器は、抵抗器を通って対応する相に接続される。
【００１１】
好ましくは、各整流器は、全波整流器である。
【００１２】
好ましくは、各整流器の出力は、ソレノイド及びソレノイドに接続されるコンデンサに並列接続される。
【００１３】
好ましくは、モータを動かす制御線の数は、モータ相の数の２倍以下である。
【００１４】
好ましくは、電磁ブレーキを駆動する電子機器はモータ内に統合される。
【００１５】
好ましくは、ブレーキは、通常の動作条件で励磁されるときのモータによって作られる最大トルクと少なくとも同じ大きさである保持トルクを提供する。
【００１６】
好ましくは、ブレーキは、励磁されるとき、実質的にモータへの抵抗(drag)を作り出さない。
【００１７】
本発明の実施形態は、簡単な電子機器を有する統合された電源遮断ソレノイドブレーキを持つステッピングモータを提供する。電源遮断ソレノイドブレーキは、ソレノイドで動作され、保持しているブレーキであるか、又はソレノイドが励磁されないときに閉じて、ソレノイドが通電されるときに解除される若しくは開くブレーキである。
【００１８】
添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態をほんの一例として説明する。図面において、２つ以上の図面に現れる同一の構造、構成要素、又は部分は、一般的に、その図面が現れる全ての図面において同じ参照番号でラベルされる。図示されたコンポーネント及び特徴部の大きさは、一般的に、表現の便宜上及び明瞭化のために選択されたものであり、必ずしも一定の比率で示されていない。図面は以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、通電されていない条件で見られる、ソレノイドブレーキを有する２相ステッピングモータの断面図である。
【図２】図２は、通電された条件でのモータであって、図１と同様の断面図である。
【図３】図３は、本発明に従った２相ステッピングモータのソレノイドブレーキを動かす好ましい電子回路の略図である。
【図４】図４は、フルステップバイポーラ電圧バイアスモードで、図１のモータに送る駆動信号のグラフである。
【図５】図５は、相コイルで測定される対応する電流応答のグラフである。
【図６】図６は、モータがフルステップモードであるときのソレノイドブレーキにおける電流のグラフである。
【図７】図７は、モータがマイクロステッピングモードで駆動されるときの、図５と同様の、相コイルで測定される電流信号のグラフである。
【図８】図８は、モータがマイクロステッピングモードで動作するときのソレノイドブレーキにおける電流のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、左側に取り付けられた電磁ブレーキを有する２相ステッピングモータ１０の切断図である。ステッピングモータは本発明の動作原理を説明するために、概略が示されている。したがって、モータ端子、ベアリング、ハウジング及び取り付け構造のような、モータのすべての構成要素は示されていない。ステッピングモータは、ステータ１２、ロータ１４及びソレノイドブレーキ１６の形での電磁ブレーキを有する。ステータ１２は２つの相アセンブリ１８を有し、各々、ボビン２２に巻きつけて極板２４対の間に配置されたコイル２０を含む。２つの相アセンブリは、スペーサ２６によって軸方向に隔てられる。
【００２１】
相アセンブリは内部空間を定め、その空間内にロータ１４が位置される。ロータは、ロータコア４０及びシャフト４４を備える。シャフトは連結４６によってロータコアのハブ４２に固定される。ロータコアは、好ましくは成形した永久磁石であるが、ハブにぴったりと合うか、さもなければハブに取り付けられるリング磁石を有するハブを含む支持コア(supporting core)のような他の形態でありうる。シャフト４４に適合し、かつロータコアの空隙まで延在してモータのハウジング又はフレームの一部を形成するベアリングホルダー３２に取り付けられる、ベアリング３２によって、ロータは回転可能に支持される。
【００２２】
ソレノイドブレーキ１６は、カバー６０、カバーに適合されたソレノイドコイル６２、バネ６４、及びフリクションディスク６６を有する。フリクションディスクは、カバー内で軸方向に移動できるが、回転できない。フリクションディスクは、ロータが回転しないようにするため、バネによってロータ１４に対して押し付けられるように配置される。この例示においては、フリクションディスクはロータコア４０の軸端表面４８と直接接触する。バネはガイド６８によってカバー６０内に位置される。フリクションディスクは、磁性を持っており、バネの付勢力に抗してソレノイドに引き付けられるように、通電されるときにソレノイドコイルによって発生される磁場内に位置される。したがって使用においては、ソレノイドが通電されず、ソレノイドコイルによって磁場が作られないときは、図１に示すように、フリクションディスクはばねによってロータに対して押し付けられる。図２に示すように、ソレノイドが通電されるとき、ソレノイドによって作られた磁場は、フリクション板を引き付け、ソレノイドに向かってフリクション板を動かしてロータと接触しないようにして、ロータは自由に回転できるようになる。
【００２３】
好ましい典型的な、図３に示される回路の略図及び図４から図８のグラフに関して、モータの相コイルを通電することに連動してソレノイドを通電することが説明される。電力は、入力端子８０を通して相コイルに供給される。Ｒ１及びＬ１は第１相コイルを表し、Ｒ２及びＬ２は第２相コイルを表す。各相からのテイクオフ供給(takeoff feed)は整流器８２に供給される。整流器８２は、好ましくは全波整流器であるが、半波整流器のような他のタイプは、別の性能で使用されうる。各整流器の出力は合体されて、Ｒｓ及びＬｓによって表されるソレノイドブレーキ１６のソレノイドコイル６２に供給される。必要に応じて、コンデンサ８４は、電流リップルを減らすことにより、ソレノイドコイルへの入力を滑らかにする。整流器８２は、切り離すため又はインピーダンス整合のために、抵抗器８６を経由して相端子へ接続される。
【００２４】
図４は、フルステップバイポーラ電圧バイアスモードにおいて相入力に加えられた電圧信号Ｖａ及びＶｂのグラフ（ボルト対時間）である。電圧信号は方形波であり、１秒毎に１００フルステップ、すなわち１０ミリ秒の期間、のステップ周波数を有する。
【００２５】
図５は、相コイルで測定された対応する電流応答Ｉａ及びＩｂのグラフ（アンペア対時間）である。
【００２６】
図６は、図４の信号がモータに加えられるとき、モータ起動での、すなわちｔ＝０での、ソレノイドコイルにおける対応する電流のグラフ（アンペア対時間）である。適切な回路素子（インダクタンス、抵抗器、コンデンサ）を選ぶことによって、ブレーキの電流立ち上がり時間及び動的応答は、モータ速度と比較して、十分に短くされうる。
【００２７】
図７は、モータがマイクロステッピングモード（準正弦波電流）で駆動されているときの、図５のグラフと同様の、電流応答のグラフである。
【００２８】
図８は、モータが図７で示されるようなマイクロステッピングモードで動作されるときの、モータ起動での、すなわちｔ＝０での、ソレノイドコイルにおける対応する電流の、図６のグラフと同様の、グラフである。重ねて、時間軸のスケールの変化に注意して頂きたい。
【００２９】
したがって本発明は、ステッピングモータ上の電磁ブレーキの動作を制御する回路を提供する。これは簡単で、費用効率が高いものである。
【００３０】
本発明の実施形態によって、いくつかの重要な優位性が獲得されうる。これらの優位性は以下のものを含む。
【００３１】
電磁ブレーキをステッピングモータのハウジング内に組み込むことによって、モータは非常に小型になり、モータ自体は、モータのバック駆動を防ぐために摩擦を増やすのに使用される歯車の形状(gear geometry)のような、通常の摩擦特性を含まないことができる。このことは、バック駆動を考慮せずに、より高い効率の歯車の形状を使用することにより、全体的なモータ効率は著しく増えうることを意味する。摩擦タイプの歯車の形状は、温度変化に敏感であり、最大保持力及び摩擦が変化することによるモータ効率の、温度に関連した変化をもたらす。低摩擦歯車の使用は、歯車の摩損及び歯車の摩擦熱もまた減らす。したがって、保持トルクは安定し、温度に依存しない。
【００３２】
デフォルトで、電力を供給されないステッピングモータは回転して動けない。したがって、出荷時の初期設定位置は、例えば取り付けや輸送の間に経験するような、強い力や振動の下で変わらない。これは、製造ラインや現場交換で必要となる設定時間がより少なくなることを意味する。
【００３３】
保持力は、摩擦面（材料又は形状）及びバネにより加えられる力を調整することによって、同様にカスタマイズ可能である。
【００３４】
ブレーキの制御は、多相モータにて、最小の素子で簡単な方法にて達成される。このことによって、低コストがもたらされ、制御部をモータハウジングへ組み入れることが可能になる。また簡単な制御部は、ブレーキを制御するのに追加的な配線を必要としないので、本質的にはブレーキの無いモータと同じように扱われうることを、意味する。
【００３５】
本出願の記載及び特許請求の範囲において、各動詞「備える」、「含む」、「収容する」、「有する」、及びそれらの派生語は、記載されたアイテムの存在を特定するために包括的な意味で使用され、追加的なアイテムの存在を排除するものではない。
【００３６】
本発明は、１つ以上の好ましい実施形態を参照して説明されるが、当然のことながら、当業者であれば種々の変更がなされ得る。したがって、本発明の範囲は、請求項を参照して決定される。
【００３７】
例えば、本発明は２相モータに限定されないが、任意の多相同期駆動に適用できる。
【００３８】
また、利用可能なモータ及びブレーキ素子のパラメータがモータステップ期間よりもずっと速いブレーキ応答時間を満足できないときに備えて（開閉は動作の前に起こるべきである）、１つ目のステップの最初のモータ励磁は、整流シーケンスの開始より前にブレーキを解除させる。このことは、スピードランプ(speed ramp)アルゴリズムの不可欠な要素でありうる。
【００３９】
前述したように、全波整流器の代わりに、減少した電力伝達の価格（５０％減）を別にすれば、スペースの節約及び経費節減のために、半波整流器が使用されうる。
【符号の説明】
【００４０】
１０  ２相ステッピングモータ
１２  ステータ
１４  ロータ
１６  ソレノイドブレーキ
１８  相アセンブリ
２０  コイル
２２  ボビン
２４  極板２４
２６  スペーサ
３２  ベアリング、ベアリングホルダー
４０  ロータコア
４２  ハブ
４４  シャフト
４６  連結
４８  軸端表面
６０  カバー
６２  ソレノイドコイル
６４  バネ
６６  フリクションディスク
６８  ガイド
８０  入力端子
８２  整流器
８４  コンデンサ
８６  抵抗器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015006126.tif 000007
【図６】
2015006126.tif 000008
【図７】
2015006126.tif 000009
【図８】
2015006126.tif 000010
【外国語明細書】
2015006126000001.pdf