(57)【要約】【課題】本発明は、減速体付き回転電機の実現を目的とする。安価で小形で、伝達トルクが大きくて、バックラッシュの小さな減速体を有する回転電機の実現を目指す。【解決手段】回転電機で、その回転子回転数を減速する時、複数個の径大と径小のギヤよりなる同一の２段一体減速ギヤ体にて最終出力ギヤにトルクを伝達したことを特徴とする減速体付き回転電機。また、回転電機で、中空部を有する回転子を回転数を減速する時、複数個の径大と径小のギヤよりなる同一の２段減速ギヤ体にて中空部を有する最終出力ギヤにトルクを伝達したことを特徴とする中空部にスリップリングを内蔵した、減速体付き回転電機。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
歯車列を有し、入・出力軸が同軸状に構成される減速体付き電動機において、前記減速体が、回転子軸に固定保持された回転子歯車と噛合う受動側大径歯車と負荷側に動力を伝達する出力部を形成する出力歯車と噛合う駆動側小径歯車とが一体を成し中間軸で回転自在に軸支された中間歯車体を有し、該中間歯車体は複数個が同芯円状に配置され、夫々が前記回転子歯車及び出力歯車と同時に噛合う様に構成されていること、を特徴とする減速体付き電動機。
【請求項２】
前記電動機の回転子及び負荷側に動力を伝達する出力部がいずれも中空構造を成すこと、を特徴とする請求項１に記載の減速体付き電動機。
【請求項３】
前記負荷側に動力を伝達する出力部の中空内部または中空部と同心的に、スリップリング等の電気コネクト手段が配置されていること、を特徴とする請求項２に記載の減速体付き電動機。
【請求項４】
前記中間歯車体は、同芯円状の３個より成り、夫々の歯車の歯数が３の整数倍となるように構成されていること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の減速体付き電動機。
【請求項５】
歯車列を有し、入・出力軸が異中心として構成される減速体付き電動機において、前記減速体が、回転子軸に固定保持された回転子歯車と噛合う受動側大径歯車と負荷側に動力を伝達する出力部を形成する出力歯車と噛合う駆動側小径歯車とが一体を成し中間軸で回転自在に軸支された中間歯車体を有し、該中間歯車体は２個が配置され、夫々が前記回転子歯車及び出力歯車と同時に噛合う様に構成されていること、を特徴とする減速体付き電動機。
【請求項６】
請求項５において、１系統の減速トレーンにてトルクを伝達する時、残りの減速トレーンはギヤバックラッシュを低減する機能を持たせたことを特徴とする減速体付き回転電機。
【請求項７】
請求項６において、前記負荷側に動力を伝達する出力部が中空構造を成していること、を特徴とする減速体付き電動機。
【請求項８】
請求項７において、前記負荷側に動力を伝達する出力部の該中空内部に、あるいはその中空部と同心的に、スリップリング等の電気コネクト手段が配置されていること、を特徴とする減速体付き電動機。
【請求項９】
前記電動機が、永久磁石式回転子を備えるステッピングモータであること、を特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の減速体付き電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、監視カメラや搬送ロボット等に使用される電動アクチュエータの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カメラが３次元的に動く監視カメラ駆動装置では水平方向回転（パン）駆動モータでカメラを保持した垂直方向（チルト）駆動モータを回転させる。この時、カメラを一方向に何回転も連続的に回転させるにはスリップリングが必要となる。またカメラを外部から風や人間が動かすことを防止するブレーキを目的としたデバイスも必要であった。このためにはパンモータやチルトモータは一般に減速体を有したモータが使用される。また搬送ロボットに使用される場合でも、低速大トルクが必要で、アームの関節部等減速されたモータが使用される。またパンモータで駆動される２次側のチルトモータ等に電力を供給するために、一般に減速体を有したモータでスリップリングを内蔵したものが使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
１）従来の減速方式では、ブレーキ力を増すためや低速を得るために、減速比を大きくするとバックラッシュが大きく、位置誤差やカメラ映像の画質の低下やロボット位置決め誤差の増大をもたらしていた。また装置全体が大きくなり、適切な小型コンパクトでバックラッシュの小さな減速体が提案されて無かった。
２）中空軸モータと中空部を有する減速体を同心的に設けた場合、中空軸モータのピニオンは中空内径が大きいためその外径も大きくなり、減速比を大きくするためには、減速体の形状が大きくなり、小型化が困難であった。
３）減速体の出力ギヤを中空とした、小型コンパクトな減速体を有する回転電機で、減速体のバックラッシュが小さく、且つ、モータコイル無通電時でも、外部から負荷を与えた場合、現在位置を高密度に保てる電動機がなかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明を実現するには以下の手段による。
【手段１】歯車列を有し、入・出力軸が同軸状に構成される減速体付き電動機において、前記減速体が、回転子軸に固定保持された回転子歯車と噛合う受動側大径歯車と負荷側に動力を伝達する出力部を形成する出力歯車と噛合う駆動側小径歯車とが一体を成し中間軸で回転自在に軸支された中間歯車体を有し、該中間歯車体は複数個が同芯円状に配置され、夫々が前記回転子歯車及び出力歯車と同時に噛合う様に構成されていること、を特徴とする減速体付き電動機。
【手段２】前記電動機の回転子及び負荷側に動力を伝達する出力部がいずれも中空構造を成すこと、を特徴とする手段１に記載の減速体付き電動機。
【手段３】
前記負荷側に動力を伝達する出力部の中空内部または中空部と同心的に、スリップリング等の電気コネクト手段が配置されていること、を特徴とする手段２に記載の減速体付き電動機。
【手段４】
前記中間歯車体は、同芯円状の３個より成り、夫々の歯車の歯数が３の整数倍となるように構成されていること、を特徴とする手段１乃至３のいずれかに記載の減速体付き電動機。
【手段５】
歯車列を有し、入・出力軸が異中心として構成される減速体付き電動機において、前記減速体が、回転子軸に固定保持された回転子歯車と噛合う受動側大径歯車と負荷側に動力を伝達する出力部を形成する出力歯車と噛合う駆動側小径歯車とが一体を成し中間軸で回転自在に軸支された中間歯車体を有し、該中間歯車体は２個が配置され、夫々が前記回転子歯車及び出力歯車と同時に噛合う様に構成されていること、を特徴とする減速体付き電動機。
【手段６】
手段５において、１系統の減速トレーンにてトルクを伝達する時、残りの減速トレーンはギヤバックラッシュを低減する機能を持たせたことを特徴とする減速体付き回転電機。
【手段７】
手段６において、前記負荷側に動力を伝達する出力部が中空構造を成していること、を特徴とする減速体付き電動機。
【手段８】
手段７において、前記負荷側に動力を伝達する出力部の該中空内部に、あるいはその中空部と同心的に、スリップリング等の電気コネクト手段が配置されていること、を特徴とする減速体付き電動機。
【手段９】
前記電動機が、永久磁石式回転子を備えるステッピングモータであること、を特徴とする手段１乃至８のいずれかに記載の減速体付き電動機。
【０００５】
上述の如き構成においては、以下の理由で課題が解決できる。
１）．減速体トレーンで歯車の噛合いは１個所でトルクを伝達できるが、モータからの伝達トルクをほぼ均等に複数ｎ分割させて、ｎ個所で歯を噛み合わせトルクを伝達させるとき、入・出力軸が同軸状に構成される減速体付き電動機において、前記減速体が、回転子軸に固定保持された回転子歯車と噛合う受動側大径歯車と負荷側に動力を伝達する出力部を形成する出力歯車と噛合う駆動側小径歯車とが一体を成し中間軸で回転自在に軸支された中間歯車体を有し、該中間歯車体は複数個が同芯円状に配置され、夫々が前記回転子歯車及び出力歯車と同時に噛合う様に構成されている様にして、前述のｎ個のギヤとピニオンの歯位置を最適値に選ぶことで、バックラッシュを最小に出来る。またこのとき、伝達トルクもｎ個所で伝えるので大きくできる。
２）．中空モータと中空減速体の場合は回転子ピニオンの外径が、その中空内径が大きいため大きくなるので、減速比を大きくすることが困難になる。これを解決する手段として、前述の減速体が、回転子軸に固定保持された回転子歯車と噛合う受動側大径歯車と負荷側に動力を伝達する出力部を形成する出力歯車と噛合う駆動側小径歯車とが一体を成し中間軸で回転自在に軸支された中間歯車体を有し、該中間歯車体は複数個が同芯円状に配置され、夫々が前記回転子歯車及び出力歯車と同時に噛合う様に構成されている様にして、径大と径小のギヤの２段一体ギヤの効果で減速比を大きく出来る。また前述の複数ｎ個のギヤとピニオンの歯位置を最適値に選ぶことで、バックラッシュを最小に出来る。
３）．減速体出力部の中空部にはスリップリング等の電気コレクト手段を内臓または同心的に設けることで、この減速体出力で動かされるロボットの２次側モータや監視カメラのカメラやチルト（カメラの首振り）モータへの電力や信号の授受を連続回転状態でさせることが出来る。
４）．回転電機の回転子回転数を減速する時、径大と径小のギヤよりなる２段一体ギヤ体を含む２系統の減速トレーンを設け、中空部を有する最終段出力ギヤにトルク伝達を２系統から可能にし、例えば、一方の減速トレーンにてトルクを伝達する時、他方の減速トレーンはギヤバックラッシュを低減する機能を持たせて負荷を駆動することが出来る。その方法としては、例えば、前述した大径ギャと小径ギャよりなる２段一体減速体の、該２個の大径ギヤと小径ギャの歯位置を最適値に選ぶことで、バックラッシュを最小にすることが出来る。中空部にはスリップリングを内蔵すればそのスリップリングから電力を経由して駆動される２次側モータ等を精度良く、連続駆動も出来る。
５）歯車列を有し、入・出力軸が異中心として構成される減速体付き電動機において、前記減速体が、回転子軸に固定保持された回転子歯車と噛合う受動側大径歯車と負荷側に動力を伝達する出力部を形成する出力歯車と噛合う駆動側小径歯車とが一体を成し中間軸で回転自在に軸支された中間歯車体を有し、該中間歯車体は２個が配置され、夫々が前記回転子歯車及び出力歯車と同時に噛合う様に構成されていることでも、同様に、減速比を大きく、またバックラッシュを小さく出来る。
この場合、１系統の減速トレーンにてトルクを伝達する時、残りの減速トレーンはギヤバックラッシュを低減する機能を持たせるようにすると、更にバックラッシュを確実に低減出来る。
６）．水平駆動モータ、及び垂直駆動モータに、多極のステッピングモータを使用すれば、モータは低速で大トルクなので、減速体の減速比を小さく出来る。また回転子が永久磁石なので、モータコイルが無通電状態でも減速体を経由して現在位置を保持するトルクを発生でき、例えば監視カメラに応用した場合、外部から風等の外力が加わっても位置を保持することが出来る。例えば、ブラシレスモータは４から１０極程度の回転子極数であるが、ステッピングモータ、特にハイブリット（ＨＢ）型ステッピングモータは１００極が普通であるので、ステッピングモータを使用すると、ブラシレスモータ等のモータに比べ、約１０倍以上の多極になる。モータの低速時のトルクは極数が多いほど大きく出来るので、またステッピングモータは同期モータでもあるので、速度も一定となるので、監視カメラへの応用には、ステッピングモータが適したモータといえる。またステッピングモータの中でも、永久磁石式３相ステッピングモータを使用することで、低振動、低騒音となり、位置決め精度も良好で、監視カメラの用途には最適である。特に、スリップリングを経由して電力を供給される垂直駆動モータはその給電端子数が少ないほど、スリップリングのピン数を少なく出来る。直流モータは２端子で良いが、ノイズ、寿命、位置決め、正確な速度制御等で、問題があり、通常ステッピングモータを使用する。この場合、２相式では４端子以上しか、原理的にできず、振動騒音も大きい問題があった。これを３相式にすると、スターやデルタ結線の３端子が可能で、スリップリングのピン数を２相式ステッピングモータより少なくできる。しかも、３相式は低振動、低騒音、高精度となり得る。尚、スリップリングのタイプは接触式に限らず、非接触式でも良いのは当然である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下図面によって説明する。従来技術は図６にその１例を示す。４０は駆動モータ、４１はウオームギヤ、４２はウオームギヤと噛合う歯車である。そして、４０の回転数を減速して、４２なるギヤより、その減速された出力を取り出すもので、例えば、パンモータとチルトモータによる監視カメラ雲台機構のパンモータ部を形成する。４３は中空部であり、スリップリング等を内蔵できるスペースである。しかし、ウオームギヤ方式は小形で大きな減速比を得ることができるが、バックラッシュが大きく、低速回転時の回転変動が大きいと言う問題があった。また静止画像を得るときの位置決め精度にも問題を生じた。ロボット等に使用する時も高精度の位置決めはこのバックラッシュのために、得られないという、問題があった。
【０００７】
もう１つの従来技術を図７、図８で説明する。図７は従来技術による減速体を有するモータの構造を示す。５１がモータ部であり、この例はアウターロータ型モータである。５２はアウターロータ部であり、５２の出力部には５４なる太陽ギヤがついている。５４の外周には３個の５５なる遊星ギヤが配置され、５６なるインターナルギヤに噛合い５６を回転させることになる。そして、５６なるギヤは５７なる回転体を駆動し、５１の出力５２を減速して負荷を駆動する。この時、５７から５１の中心中空部に突き出た部分には５３なるスリップリングが内臓されており、５８なる導電体で電流の授受が可能にしてある。図８は図７の減速部の正面構造図であり、遊星減速体を構成している。
しかし、この遊星ギヤは減速比が太陽ギヤ５４が中空軸であることもあり、１／２〜１／３程度と少ないという問題があった。またブックラッシュも必ずしも、小さいというものではなかった。またインターナルギヤ５６を使用するので、歯加工が特殊、困難で高価であった。
【０００８】
図５は従来技術の図６、図７なる技術を監視カメラに応用した１例である。
３５はモータ部であり、この場合はインナーロータ型の例である。３６は３５の回転軸である。３７は減速体部であり、３８は減速体部の出力軸である。３８なる軸は中空軸であり、４５なるスリップリングが内臓されている。また３８はその回転トルクでアーム４６を図のＨ軸（水平回転であり、パンモータ軸回転）を中心に回転させる。この時、スリップリングを経由して４７なるモータや４９なるカメラに電力を供給することができるので、アーム４６を連続的に回転させることが可能になる。アーム４６には４７なるチルトモータがその減速部４８を介して取り付けられている。そして、図示したＶ軸を中心にカメラ４９を回転または部分回転させる。４７、４８が３５、３７と同じ構造でスリップリングが搭載されていればカメラ４９は連続回転が可能になるし、スリップリング無しでは部分回転動作となることになる。この監視カメラかカメラ位置を３次元に位置決めし、連続回転や可逆回転も可能であるが、前述したような、位置決め精度の問題や減速比が少ないため駆動トルクが弱い等の問題を有していた。
【０００９】
次に上記の欠点を解決した本発明を図１に示したモータとその減速部の断面構造図及び図２のその減速部の正面図にて説明する。図１にて、１は固定子、２は固定子ケース、３はコイル、４はコイル３の絶縁体、５はモータの前側ブラケット、６は後側ブラケットである。７は軸受けのボールベアリング、８は回転子、９は回転子の支持体である。１０は回転子と一体に取り付けられたピニオンギヤであり、１１なるギヤと複数ｎ個所で噛合っている。１２なるピニオンギヤは１１に固定されて複数ｎ個所で出力ギヤ１３と噛合っている。１４は１１、１２の軸、１５は軸受け、１６が減速体カバー、１７、１８は出力側軸受け７を押さえるカバー、１９は組み立て用ネジ、２０はスリップリング、２１はスリップリングの端子部、２２はスリップリングのコンタクトやブラシの導電性リードである。このような構成で減速比を従来より大きくできて、且、バックラッシュを低減できる理由を説明する。図１及び図２より分かるように、１１はそのギヤ外径が１２のそれより大きくしてある。そして１２のギヤ外径より１３の外径を大きくしてある、２段一体減速構造である。このため、従来の中空軸構造品の回転子のピニオンギヤが中空径を有するためにその外径が大きくなり、そのために、減速比が小さいという欠点をまずこの２段ギヤ一体構造で解決出来る。経済性も考えると３段では問題が出る。次にバックラッユの低減法を説明する。その一つの方法は複数個所で２段で噛み合わせる構造にて実現出来るものである。複数の例えば図示した３個所で噛合う場合、１１と１２は一体で回転するが、１１と１２がある相対位置にあり固定されているとする。この時、バックラッシュδが存在したとする。この場合、１１と１２の相対位置を現状から同心で回転方向にずらした、ある最適位置にすれば、バックラッシュδは最小値とすることができる。２個所以上、例えば３個所、噛合せることでバックラッシュを小さく出来る。即ち、２段一体減速と２個所以上の噛合いの効果から、バックラッシュを最小にできることになる。そして１３は中空構造とすれば、スリップリングを内臓できて、監視カメラの雲台機構や、ロボットの関節や、搬送ロボットのアーム等に、最適なアクチュエータとなる。
【００１０】
図２のように、３個所で１２０度等分位置で噛み合わせる場合には、回転子ピニオンを含み、１１、１２、１３等の歯車の歯数は３の倍数であることが必要になる。
【００１１】
図１、図２で、２段減速にて、３個所から２個所噛合いでも良い。図３、図４は本発明の別の形態を示したものである。３０は回転子ピニオンギヤ、３１は３０と噛合うギヤであり、前述の２段減速構造を３１なる径大ギヤと３２なる径小ギヤで構成している。そして中空穴を有する３３は２個所で３２と噛合っている。この状態で、３０が回転すれば、２個所から３２にて３３は同一方向に回転トルクを与えられる。図４は図３を側面からみた減速部は断面表示した構造図である。２８はモータであり、２９なる出力軸により３０にトルクを与えている。この状態で、３１と３２の相対位置角度を最適値にすることでもバックラッシュを最小に近づけることができる。または、図３で、例えば、１例として、３０の回転力を図３で左側のギヤトレーンで３３に伝達させ、右側のギヤトレーンの３１と３２は固定しないである摩擦力で滑るようにしたとする。すると３３にある負荷以上が加わると３１と３２間にスベリが発生することになる。するとこの右側の３２は本来、左側トレーンの３２と回転数が異なり、遅く回ろうとして３３にブレーキを与えることになり、この力がバックラッシュを無くす効果を有することになる。摩擦を作る１例として３１と３２をバネ等で圧接させればよい。この手段としては、この摩擦トルクに限定されるものではない。このように、２個所のギヤ伝達トレーンを常備して、１個所のトレーンでトルクを伝達し、残りのトレーンはブレーキや異常回転動作防止、例えば正常方向回転とは逆方向の回転を阻止等を最終出力ギヤに与える機能を持たせれば良いことになる。
【００１２】
現在の監視カメラは２相のステッピングモータを使用したものが多い。ステッピングモータは位置決めが容易にできる。また前述したように、ステッピングモータは多極モータであるので、ブラシレスモータ等と比較して低速トルクがおおきいので、減速する場合の減速比がブラシレスモータと比較して、大きくなくても良い長所がある。しかし２相ステッピングモータは振動騒音が大きい問題があった。これに対し、３相永久磁石式ステッピングモータは同じ回転子歯数でも、ステップ角が２／３に小さくでき、分解能が向上するので、減速体の減速比を２相機よりその分少なく出来る。また永久磁石磁界及び電流の第３次高調波がその３相の構造から常にキャンセルされるので、低振動、低騒音となる。更にスターやデルタの３端子給電で回転出来、スリップリングのピン数は３で済み、６個のトランジスタで駆動出きるのでドライブ回路も２相より簡単、安価となる。そして低速から高速まで乱調帯も無く速度を可変出来る。これに対し２相は第３次高調波はキャンセルされず、振動騒音が大きく、且４端子駆動なのでスリップリングの４ピンが必要で、駆動回路も８個のトランジスタで構成される問題があった。また低速で乱調帯があり、連続の可変速には問題があった。これらが３相永久磁石式で解決出来、更に中空軸で本発明の減速体と組み合わせることで上述したメリットが得られることになる。
【００１３】
【発明の効果】
本文中で述べた効果を列挙する。
１）．高価なインターナルギヤを使用しないで、遊星ギヤ方式と同じ大きなトルクを伝達できる安価な減速付きモータとなる。
２）．複数個所から大径ギャと小径ギャの２段一体減速でトルクを伝達するため、小形で減速比が大きく、伝達トルクが大きく、バックラッユが小さい減速付きのモータとなる。
３）．中空部を有する出力ギヤにスリップリングを搭載し、電力を、このモータで駆動される２次側のの電気機器に電力をこのスリップリングから供給または受給した２次側の電気機器を連続的に回転させることができる。また電線がよじれたりしないので、機器が長寿命となる。
４）．３個所で噛み合わせる減速体の場合は歯車の歯数を３の整数倍とすることで、組み立てを容易にできる。
５）．モータ軸と減速体出力軸が異中心の場合は、２系統のギヤトレーンを常備して、１系統のギャトレーンでトルク伝達をさせ、残りのトレーンをバックラッシュを減らす手段に活用することで、バックラッシュの小さなアクチュエータが実現する。また出力ギャを中空として、スリップリングを内臓等すれば、位置決め精度が良く、連続動作が可能な、ロボットアームや雲台機構に適したアクチュエータとなる。
６）．駆動モータをステッピングモータ、特にステッピングモータ、特に３相ステッピングモータとすることで、減速比を減らし、スリップリングのピン数を減らし、低振動低騒音の減速体とスリップリングを搭載したアクチュエータが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した減速体付き回転電機の縦断断面図
【図２】本発明を適用した減速体付き回転電機の減速部横断正面図
【図３】本発明を適用した減速体付き回転電機の別の実施例による減速部横断正面図
【図４】本発明を適用した減速体付き回転電機の別の実施例による減速部縦断断面図
【図５】従来技術を使用した監視カメラ装置図
【図６】ウオーム減速機
【図７】従来構造の減速体とスリップリング付き電動機図
【図８】図７図の減速体正面図
【主な符号の説明】
１          固定子
２          固定子ケース
３          コイル
４          絶縁体
５          前側ブラケット
６          後側ブラケット
７          軸受け
８          回転子
９          回転子支持体
１０          ピニオンギヤ
１１          ギヤ
１２          ギヤ
１３          出力
１４          軸
１５          軸受け
１６          ギヤカバー
１８          軸受け押さえ
１９          ネジ
２０          スリッツプリング
２１、２２    スリップリングの端子
２８          モータ
２９          回転子軸
３０          ピニオン
３１          ギヤ
３２          ギヤ
３３          出力ギヤ
３５          モータ
３６          回転子軸
３７          減速体
３８          減速体出力部
４０          モータ
４１          ウオームギヤ
４２          出力ギヤ
４３          出力ギヤ中空部
４５          スリップリング
４６          アーム
４７          チルトモータ
４８          減速部
４９          カメラ
５１          モータ
５２          モータ出力部
５３          スリップリング
５４          太陽ギヤ
５５          遊星ギヤ
５６          インターナルギヤ
５７          減速体出力部
５８          スリップリング端子
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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