应用于步进电机的轴连接结构与方法 本发明涉及一种应用于步进电机的轴连接结构与方法，尤指一种利用电机轴与轴连接器之间的固定背隙(back-lash)，而立即提高步进电机驱动负载的初始速率的方法与结构。
传统的步进电机在驱动负载时，需藉由一轴连接器而驱动负载，如图1所示。轴连接器11是耦合至一负载(未示于图)，轴连接器11的一侧有一连结键(key)12，用以连接电机轴13，使负载随电机轴13的旋转而转动。在步进电机与负载由静止至加速，而至高速转动的状态，需要一段时间，而无法立即加速至所需的高转速。
传统的解决方法是利用离合器，以渐进出力方式，使步进电机的负载由小至大渐进增速，以达到所需的转速。另外，也可使用电子控制加速，当步进电机在低转速时，其扭力大，高转速时则扭力小，所以在联结负载时，便可以依据其扭力的大小，使用电子控制速度，使其由慢而快地达到驱动负载所需地最终转速。
然而，若使用离合器加速，所需的结构将十分复杂，其成本高。若使用电子控制加速，所需的加速时间则过长，加速的行程也很长。因此，为改进一般功率小的步进电机驱动负载的初始速率，其制造方法及结构必需要符合成本低廉、方法简单且容易实现的要求。
本发明的主要目的是提供一种针对小功率的步进电机而言，可节省成本，缩短加速时间的轴连接结构舆方法，其是利用电机轴与连接结构之间的固定背隙(back-lash)，以立即提高步进电机驱动负载时的最终转速。
本发明的另一目的是提供一种简单、且通用于小功率步进电机的轴连接结构与方法，以使步进电机在驱动负载时的初始速率可立即提高。
本发明的步进电机的轴连接结构是这样实现的：其包含：一环型轴连结装置，是在其内侧具有一连结键，及该环型轴连结装置连接至一负载；一电机轴，可套合于该环型轴连结装置；当该电机轴被反带时，该电机轴经过第一行程，并与该连结键形成一背隙行程；及当该电机轴被正带，并经过该背隙行程之后，该环型轴连结装置连结该电机轴与该负载，使该电机轴驱动该负载。
上述的电机轴在被反带时，上述的第一行程大于上述的背隙行程。
上述的电机轴是被一低功率的步进电机所驱动。
本发明应用于步进电机的轴连接方法是这样实现的：包含有下列步骤：
提供一轴连接装置，用以连接一电机轴及一负载，该轴连接装置包含一连结键，及该电机轴与该连结键形成一背隙行程；驱动该电机轴以第一旋转方向自由转动，并经过第一行程，以在该连结键舆该电机轴之间形成该背隙行程；当该连结键与该电机轴之间形成该背隙行程后，驱动该电机轴以第二方向旋转，并经过该背隙行程而达到一设定的速度；连结该电机轴舆该连结键，并驱动该负载。
上述的第一距离大于上述的背隙行程。
上述的步进电机轴是一低功率电机所驱动的。
本发明的连接步进电机轴的结构是这样实现的：其包含：第一连接装置，用以连接至一电机轴；第二连接装置，用以连接至一负载，该第二连接装置可套合于该第一连接装置，并可形成一背隙行程；当该电机轴被反带时，并经过一第一行程，该第一连接装置舆该第二连接装置形成一背隙行程；及当该电机轴被正带，并经过该背隙行程之后，该第一连接装置舆该第二连接装置结合，使该电机轴以一加速度驱动该负载。
上述的第一行程大于上述的背隙行程。
上述的电机轴为一低功率步进电机所驱动。
本发明提出一种应用于步进电机的轴连接结构与方法，是利用电机轴与轴连接结构之间的一固定背隙，以立即提高步进电机的初始速率。依据本发明的最佳实施例之一，一轴连接裳的，是耦合至一可旋转的负载，并可套合于步进电机的连接轴。在轴连接装置上，有一连结键，以与连接轴产生一固定的背隙。固定的背隙可使步进电机的连接轴与负载在静止时分离，而在正向驱动时联结在一起，以立即达到所要的转速。由于本发明的结构简单，可通用于低功率的步进电机上，而立即提高电机的驱动负载时的初始转速。
图1为一传统的步进电机的连接轴与负载的连接结构剖面图。
图2为本发明的一最佳实施例，显示步进电机的连接轴与负载的连接结构剖面图。
图3为图2的电机连接轴在反带情况下的剖面示意图。
图4为图2的电机连接轴在正带情况下的剖面示意图。
图5为本发明的另一最佳实施例，显示步进电机的连接轴与负载的连接结构侧视图。
图6为图5中的轴连接装置的放大示意图。
图7为本发明的操作流程图。
图8为本发明与传统技术作时间舆速度的比较的一曲线图。
由于步进电机单体的立即启动转速，即由静止至某一速度的瞬间加速，比步进电机加负载的立即启动转速更快，因此本发明利用步进电机的连接轴与连结键(key)之间的一固定背隙，使步进电机可单体转动一段时间，再与负载相互联结、以提高步进电机驱动负载的初始速率。
图2显示本发明的一个最佳实施例。如图2所示，在剖面图中，轴连接装置21为一环状结构，并耦合至一负载(未示于图)，其内圈并有一连结键(key)22。轴连接装置21的中间可套入电机轴23，并可被电机轴23驱动而旋转。电机轴23舆连结键22之间有一间隙，可使两者在静止时分开，并可在分开时分别自由转动。固定的背隙为一宽松的连结键结构。连结键22的目的在与电机轴22联结，以驱动负载21。步进电机启动时将以单体启动，并自由转动一段时间。
为了使电机轴23与连结键22之间有固定的背隙，步进电机必需先反带，反带的情形如图3所示。反带时，步进电机仍处于自体旋转的状态。在接触到连结键22时，且达到一预定的背隙时，其背隙便固定。然后步进电机转为正带，并正式驱动负载21，如图4所示。起初步进电机为单体运转，其行程为背隙行程，在此行程下，其速度增加快速。然后，与连结键22结合，便同时带动负载一起转动，而达到立即增加转速的目的。
电机轴13与连结键22间的空隙即为所需的固定背隙，依据图2的轴连接装置的设计，其实际行程的计算可依据下列的公式而取得： =arccos[2HmW2+4Hk2]-arccos[2HkW2+4Hk2](rad)]]>
依此，利用背隙行程所得到的加速效能可举例说明之。假设取固定背隙0rad，负载惯性矩为0.5kg-mm，步进电机最高启动转速可测得为1300pps。若取固定背隙0.18rad，负载惯性矩仍为0.5kg-mm，则同一个步进电机自启动转速便可增加为2000pps。由此可见其所增进的效能。
依据此固定背隙的原理，而增快步进电机转速的方法，其实施例可有许多种，另一种实施例如图5所示。轴连接装置30主要包含一具有一字型凸状的连接装置34，及一相对应的具有一字型凹口的连接装置33，其结构可由图6的放大图显示出来。一字型凹口的连接装置33连接电机轴32的一端，一字型凸状的连接结构34则连接至负戴35。
由图5可看出，一字型凸状的连接装置34及相对应的一字型凹口的连接装置33之间，具有固定的背隙。因此，当电机轴32先反带而在连接装置33、34之间产生一固定的背隙时，电机轴32便转换为正带，以驱动负载35。由于此时电机轴32与负载35的转速已进入加速状态，所以可立即提高驱动负载35的速度。
本发明的操作流程如图7所示：
701：步进电机与负载在固定背隙中的相对位置，分别自由转动。
702：步进电机逆向转动一行程，此行程大于背隙行程，使步进电机确定联结于负载。
703：当电机轴与连结键产生一预定的背隙后，步进电机与负载暂时停止转动。
704：步进电机立即正转启动，此时步进电机为单体自由状态，并开始向该预定的背隙行程运转。
705：步进电机单体为自由转动，经过该预定的背隙行程而靠于负载，并驱动负载。
706：由于负载本身的阻力及粘滞力大于步进电机，所以在步进电机与负载等速或加速下，负载将完全与步进电机联结而不分离。
本发明设计所达到的功效可由图8的曲线图显示出来。参见图8，横轴表示时间，纵轴表示速度。曲线A、B、C分别代表A、B、C三种轴连接器的速度变化。曲线A的部分表示传统的无背隙行程的轴连接器速度变化。曲线B的部分表示有背隙行程的轴连接器速度变化情形之一。曲线C的部分表示另一种有背隙行程的轴连接器速度的变化情形。T0表示电机轴开始启动的时间。T1表示电机轴带动负载的时间。V1表示电机等速运转后可达到的最终速度。
由于电机在单体自转时的速度较快，因此在无背隙情形下，曲线B与曲线C在由T0至T1所达到的速度皆大于曲线A。而在T1，实际接触到负载后，由于曲线B舆曲线C在T1时的速率己很高，即使因带动负载而下降，但在带动负载时的速率仍然大于曲线C。因此，曲线B与曲线C在到达V1所需的时间也比曲线A短。由此可见，利用具有背隙行程的轴连接装置可有效提高电机驱动负载的初始速率，并快速达到所需的最终速率。
本发明适用于一般办公室的电器用品，且功率较小的小型步进电机，如打印机、扫描器、数字相机等。当然，轴连接结构的外型可有许多种不同的设计，但只要能达到具有一固定的背隙，便可达到上述的效率。