JP4197258B2

JP4197258B2 - ステッパモータ

Info

Publication number: JP4197258B2
Application number: JP2003027666A
Authority: JP
Inventors: 喜哉山村; 和幸渡辺; 義一大熊
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: JP2004242407A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＯＡ機器，コンピュータ周辺機器，産業機器，アミューズメント機器等に使用されるクローポール型のステッパモータに関し、具体的には、くし歯状磁極を構成する極歯に簡易な改変を加えることで、磁極センサにノイズが乗りにくい構成を実現したステッパモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステッパモータは、入力するパルスの数に比例して回転駆動する電動機であり、オープンループ制御による低コストのシステムを構築できる。クローポール型の従来のステッパモータは、図１に示すように、２段構成されたＡ相ステータ１１，Ｂ相ステータ１２と、永久磁石ロータＲとから構成される。
【０００３】
Ａ相ステータ１１は、Ａ相ヨーク１１ａに取り付けられたくし歯状磁極ＭＴとコイル（Ａ相コイル）Ｃを備えており、くし歯状磁極ＭＴは、極歯の列が対向して噛み合う向きに配置されて構成されている。Ｂ相ステータ１２も同様に、Ｂ相ヨーク１２ａに取り付けられたくし歯状磁極ＭＴとコイル（Ｂ相コイル）Ｃを備えており、このくし歯状磁極ＭＴも、極歯の列が対向して噛み合う向きに配置されて構成されている。図１のステッパモータ１では、極歯は全て同一形状としてある。
【０００４】
また、永久磁石ロータＲには、図示はされていないが円周方向にＮ極とＳ極（ロータ磁極ＲＭ）とが交互に多極着磁されている。このステッパモータ１は、Ａ相，Ｂ相の各コイルＣにより励磁された極歯と、永久磁石ロータＲに形成されたロータ磁極との間に力を発生させる。Ａ相およびＢ相の通電を順次切り替えることにより永久磁石ロータＲを回転させ、トルクを発生している。
【０００５】
ところで、ステッパモータが搭載される機器自身の高性能化に伴い、高い角度精度が要求されるようになっており、図２（ａ），（ｂ）に示すように、エンコーダが搭載されたステッパモータも使用されるようになっている。
【０００６】
図２（ａ）のエンコーダ２１は、軸方向にＮ−Ｓ極を持つ永久磁石が形成された回転磁極板２１ａと、回転磁極板２１ａの外周に近い板面側に磁気センサＭＳが取り付けられたセンサ基板２１ｂとからなる。また。図２（ｂ）のエンコーダ２２は、周方向にＮ−Ｓ極を持つ永久磁石が形成された回転磁極板２２ａと、回転磁極板２２ａの外周の端面側に磁気センサＭＳが取り付けられたセンサ基板２２ｂとからなる。
【０００７】
図２（ａ），（ｂ）のエンコーダでは、回転磁極板２１ａ，２２ａを用いているため、モータの大きさが大きくなるとともに、製造コストも高くなる。このことから、特許文献１に示されているような磁極位置検出技術も知られている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平２００１−０７８３９２
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この磁極位置検出技術では、図３に示すように、磁気センサＭＳは、Ｂ相ステータ１２側に設けられており、永久磁石ロータに着磁した磁極の漏洩磁束を検出するようになっている。ところが、図３の磁気センサＭＳでは、極歯ＭＴを通る磁束の影響を受け、これが結果として検出ノイズとなり、誤動作の原因となる。また、このノイズの影響を低減するには、センサの取り付けに際して精度の高い位置決めが必要となる。
【００１０】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ロータ磁石の漏洩磁束を検出する磁気センサを備えたステッパモータにおいて、磁気センサが極歯からのノイズの影響を受けることがなく、これにより磁気センサの位置決めの精度を必要としないステッパモータを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のステッパモータは、対向配置されたくし歯状磁極がそれぞれ形成されたヨークとコイルとの組が２段以上重ねて構成されたステータと、前記くし歯状磁極の極歯面に対向するように、Ｎ極とＳ極のロータ磁極が交互に多極着磁された永久磁石ロータと、前記ロータ磁極の位置を検知する磁気センサとを備えたクローポール型を前提とする。
この前提のもとで、前記くし歯状磁極を構成する極歯のうち前記磁気センサに近接する所定極歯の通過磁束が、他の極歯の通過磁束よりも小さくなるようにするために、以下に示す各種の構造をとるようにした。
まず、前記くし歯状磁極を構成する極歯のうち、前記磁気センサの近傍に位置する所定極歯と前記永久磁石ロータとのギャップが、他の極歯と前記永久磁石ロータとのギャップよりも大きくなるように形成することができる。
また、前記くし歯状磁極を構成する極歯のうち、前記磁気センサの近傍に位置する所定極歯の大きさが、他の極歯の大きさよりも小さいように構成してもよい。
さらに、前記くし歯状磁極を構成する極歯のうち、前記磁気センサの近傍に位置する所定極歯が前記ヨークから除去されているように構成することもできる。
【００１２】
本発明によれば、前記所定極歯の通過磁束が、他の極歯の通過磁束よりも小さくなる。以下、通過磁束が、他の極歯の通過磁束よりも小さくなるように構成した極歯を「小磁束極歯」と言う。
【００１３】
本発明では、ステータの段数を３段以上とすることもできるが、通常は２段とされる。本発明では、前述したように磁気センサの個数は、通常２つであり、磁気センサの間隔は電気角でたとえば９０°とすることができる。
【００１５】
本発明では、くし歯状磁極に形成された所定極歯を小磁束極歯とすることで、ディテントトルクを小さくできる。磁気センサが設けられない側のステータの小磁束極歯の個数は、磁気センサが設けられない側のステータの小磁束極歯の個数と同数とすることが好ましい。
【００１６】
また、本発明のステッパモータでは、磁束を小さくする極歯の個数が、１つのステータについて、少数（通常、磁気センサ数と同数）であることから、低速領域でトルクは僅かしか低減せず、高速領域でのトルクは通常のステッパモータと同等かそれ以上となる。
【００１７】
本発明では、センサ基板が、ヨークの一方の端面に、ネジまたはボルトにより取り付けられてなる上記したステッパモータにおいて、センサ基板に設けられたネジ孔またはボルト孔を所定長さの円弧状（ただし、円弧状の孔の中心は当該センサ基板の中心軸に等しい）に形成することができる。これにより、磁気センサの取付け角の調整による進角制御が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図４から図５は、本発明に係るステッパモータの第１の実施の形態を示す説明図である。具体的には、図４（ａ）は、ステッパモータ３１のＢ相側から見た説明図、図４（ｂ）はステッパモータ３１の側面図を示している。また、図５（ａ）は、ステッパモータ３１の内部を示す切欠き説明図、図５（ｂ）はステッパモータ３１の内部を示す部分説明図を示している。
【００１９】
ステッパモータ３１のステータは、Ａ相ステータ３１ａとＢ相ステータ３１ｂとからなり、Ａ相ステータ３１ａはＡ相ヨークとコイルＣとの組からなり、Ｂ相ステータ３１ｂはＢ相ヨークとコイルＣとの組からなる。Ａ相ヨークとＢ相ヨークには対向配置されたくし歯状磁極がそれぞれ形成され、くし歯状磁極の極歯面に対向するように、Ｎ極とＳ極のロータ磁極ＲＭが交互に多極着磁された永久磁石ロータＲが設けられている。
【００２０】
また、Ｂ相ステータ３１ｂの、Ａ相ステータ３１ａ側とは反対側の端面にはロータ磁極ＲＭの位置を検知するエンコーダ４０が設けられている。エンコーダ４０は、磁気センサＭＳが取り付けられたセンサ基板４１からなる。このセンサ基板４１には２つのボルト孔ＢＬＴＨが設けられ、Ｂ相ステータ３１ｂに形成された２つのネジ溝ＢＬＴＳにボルトＢＬＴにより取り付けられる。
【００２１】
Ａ相ヨーク，Ｂ相ヨークのくし歯状磁極は、それぞれ対向する極歯を備えている。Ｂ相ヨークの極歯のうち磁気センサＭＳの近傍に位置する極歯（ＭＴ１′）は、永久磁石ロータＲとのギャップが、他の極歯（ＭＴ１，ＭＴ２）と永久磁石ロータＲとのギャップよりも大きくなるように形成されている。図４（ａ），（ｂ）並びに図５（ａ），（ｂ）には示されていないが、Ｂ相ヨークの磁極においても、Ａ相ヨークの磁極の構成と同様に、所定の磁極と永久磁石ロータＲとのギャップが、他の極歯と永久磁石ロータＲとのギャップよりも大きくなるように形成されている。これにより、ロータの回転バランスをとるようにしている。
【００２２】
第１の実施の形態では、磁気センサＭＳには、近傍の極歯からの漏れ磁束による影響が解消ないし低減されるので、磁気センサＭＳにはノイズが乗らず、したがってモータの誤動作は生じない。
【００２３】
図６から図８は、本発明のステッパモータの第２の実施の形態を示す説明図である。図６（ａ）は、ステッパモータ３２のＢ相側から見た説明図、図６（ｂ）はステッパモータ３２の側面図を示している。また、図７は、ステッパモータ３２の内部を示す切欠き説明図を示している。図８（ａ），（ｂ）は、ステッパモータ３２の内部を示す部分説明図を示している。
【００２４】
ステッパモータ３２のステータは、Ａ相ステータ３２ａとＢ相ステータ３２ｂとからなり、Ａ相ステータ３２ａはＡ相ヨークとコイルＣとの組からなり、Ｂ相ステータ３２ｂはＢ相ヨークとコイルＣとの組からなる。Ａ相ヨークとＢ相ヨークには、対向配置されたくし歯状磁極がそれぞれ形成され、くし歯状磁極の極歯面に対向するように、Ｎ極とＳ極のロータ磁極ＲＭが交互に多極着磁された永久磁石ロータＲが設けられている。
【００２５】
また、Ｂ相ステータ３２ｂの、Ａ相ステータ３２ａ側とは反対側の端面にはロータ磁極ＲＭの位置を検知するエンコーダ４０が設けられている。エンコーダ４０は、磁気センサＭＳが取り付けられたセンサ基板４１からなる。このセンサ基板４１には２つのボルト孔ＢＬＴＨが設けられ、Ｂ相ステータ３１ｂに形成された２つのネジ溝ＢＬＴＳにボルトＢＬＴにより取り付けられる。
【００２６】
本実施の形態のステッパモータ３２では、図６（ａ），図８（ａ）に示されるように２つの磁気センサＭＳのうち一方は極歯位置の真上に位置しており、当該磁歯位置の磁歯は除去されている。また、図６（ａ），図８（ｂ）に示されるように、２つの磁気センサＭＳの他方は、２つの磁歯の間に位置しており、この２つの磁歯のうち片方は除去されるとともに、もう片方は極歯の大きさが小さく構成されている。なお、図７は、極歯が除去された部分を示している。
【００２７】
図６（ａ），図７並びに図８（ａ），（ｂ）では、除去された磁歯部分をＥで示し、図６（ａ），図８（ｂ）では、大きさが小さく構成された磁歯をＭＴ２′で示す。なお、各図において、通常の磁歯をＭＴ１，ＭＴ２で示す。
【００２８】
本実施の形態では、２つのセンサ位置ＭＳの何れか一方、または双方が２つの極歯位置にまたがっている場合であっても、磁気センサＭＳには、近傍の極歯からの漏れ磁束による影響が解消ないし低減されるので、磁気センサＭＳにはノイズが乗らず、したがってモータの誤動作は生じない。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した第１の実施の形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００２９】
図９は、第１の実施の形態および第２の実施の形態で使用することができるセンサ基板４１の説明図を示している。センサ基板４１は、Ｂ相ヨークの一方の端面にボルトＢＬＴにより取り付けられており、ボルト孔ＢＬＴＨが、センサ基板４１の中心軸を中心とした１／２ステップ長さの範囲内で円弧状に形成されている。磁気センサＭＳのＢ相ステータ３１ｂまたは３２ｂへの取付け角を調整することで、進角制御が可能となる。進角制御をした場合、回転方向によって、トルクや回転速度が大きく異なってくるが、たとえば正回転時の進角制御であれば正回転時は高速化ができ、戻りの逆回転時には回転が遅くなっても制御に問題がないような用途への応用ができる。
【００３０】
また、センサ基板４１の取付けに際して、個々にバラツキが出ることもあるが、速度制御をしたときには駆動電流に多少の違いが生じる程度で良好な制御ができる。さらにまた、使い方によっては制限が生じるが、たとえば時間がラフであっても、モータの仕事が単純な往復運動等すれば目的を達成できるパワーモータとしての使用に好適となる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明では、磁気センサが極歯からのノイズの影響を受けることがなく、これにより磁気センサの位置決めの精度を必要としないステッパモータを提供することができる。また、極歯を所定極歯を小磁束極歯とすることで、結果的にディテントトルクを小さくすることができ、これによりディテントトルクに起因する振動や騒音を小さくできる。さらに、基本的には極歯を、１相について数個しか加工しないので、ヨーク形成金型の大規模な変更を伴わず、製造が容易となる。
【００３２】
本発明では、ヨークの一方の端面に、ネジまたはボルトによりセンサ基板を取り付ける場合に、センサ基板に設けられたネジ孔またはボルト孔を所定長さの円弧状（ただし、円弧上の孔の中心は当該センサ基板の中心軸に等しい）に形成することで、磁気センサの取付け角の調整による進角制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のステッパモータを示す外観図である。
【図２】（ａ）は、軸方向にＮ−Ｓ極を持つ永久磁石が形成された回転磁極板と、回転磁極板の外周に近い板面側に磁気センサＭＳが取り付けられたセンサ基板とからなるエンコーダが搭載された従来のステッパモータを示す図である。
（ｂ）は、周方向にＮ−Ｓ極を持つ永久磁石が形成された回転磁極板と、回転磁極板の外周の端面側に磁気センサＭＳが取り付けられたセンサ基板とからなる従来のステッパモータを示す図である。
【図３】永久磁石ロータに着磁した磁極の漏洩磁束を検出する磁気センサを搭載した従来のステッパモータの説明図である。
【図４】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態のステッパモータをＢ相側から見た図である。
（ｂ）は、その側面図である。
【図５】（ａ）は、本発明の第１の実施の形態のステッパモータの内部を示す切欠き図である。
（ｂ）は、その内部を示す部分説明図である。
【図６】（ａ）は、本発明の第２の実施の形態のステッパモータのＢ相側から見た説明図である。
（ｂ）は、その側面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態のステッパモータの内部を示す切欠き説明図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態のステッパモータの説明図の内部を示す部分説明図である。
【図９】第１の実施の形態および第２の実施の形態で使用することができるセンサ基板の説明図である。
【符号の説明】
３１，３２ステッパモータ
４０エンコーダ
４１センサ基板
３１ａ，３２ａＡ相ステータ
３１ｂ，３２ｂＢ相ステータ
ＢＬＴボルト
ＢＬＴＨボルト孔
ＢＬＴＳネジ溝
Ｃコイル
ＭＳ磁気センサ
ＭＴ１，ＭＴ２，ＭＴ１′，ＭＴ２′ 極歯
Ｒ永久磁石ロータ
ＲＭロータ磁極

Claims

対向配置されたくし歯状磁極がそれぞれ形成されたヨークとコイルとの組が２段以上重ねて構成されたステータと、
前記くし歯状磁極の極歯面に対向するように、Ｎ極とＳ極のロータ磁極が交互に多極着磁された永久磁石ロータと、
前記ロータ磁極の位置を検知する磁気センサとを備えたクローポール型のステッパモータにおいて、
前記くし歯状磁極を構成する極歯のうち、前記磁気センサの近傍に位置する所定極歯と前記永久磁石ロータとのギャップが、他の極歯と前記永久磁石ロータとのギャップよりも大きくなるように形成されること特徴とするステッパモータ。
対向配置されたくし歯状磁極がそれぞれ形成されたヨークとコイルとの組が２段以上重ねて構成されたステータと、
前記くし歯状磁極の極歯面に対向するように、Ｎ極とＳ極のロータ磁極が交互に多極着磁された永久磁石ロータと、
前記ロータ磁極の位置を検知する磁気センサとを備えたクローポール型のステッパモータにおいて、
前記くし歯状磁極を構成する極歯のうち、前記磁気センサの近傍に位置する所定極歯の大きさが、他の極歯の大きさよりも小さいことを特徴とするステッパモータ。
対向配置されたくし歯状磁極がそれぞれ形成されたヨークとコイルとの組が２段以上重ねて構成されたステータと、
前記くし歯状磁極の極歯面に対向するように、Ｎ極とＳ極のロータ磁極が交互に多極着磁された永久磁石ロータと、
前記ロータ磁極の位置を検知する磁気センサとを備えたクローポール型のステッパモータにおいて、
前記くし歯状磁極を構成する極歯のうち、前記磁気センサの近傍に位置する所定極歯が前記ヨークから除去されていることを特徴とするステッパモータ。
磁気センサを備えたセンサ基板が、前記ヨークの一方の端面にネジまたはボルトにより取り付けられてなるステッパモータにおいて、
前記センサ基板に設けられたネジ孔またはボルト孔が、当該センサ基板の中心軸を中心とした１／２ステップ長さの範囲内で円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のステッパモータ。