JP4295329B2 - ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータを取り囲むように配置されるロータを備えたステッピングモータに関する。

ステッピングモータは、構造が簡易で制御も容易なため、種々の分野で用いられている。特に、永久磁石を用いたＰＭ（Permanent Magnet）ステッピングモータは、安価に製造できるため、種々の分野で多用されている。

この種のステッピングモータでは、信頼性が重要であり、特に、どのような条件でも正常に起動することが要求される。正常な起動を保証するためには、予め定めた正確な位置でステッピングモータを停止させる制御が必要となる。高精度の停止位置制御を行うには、ディテントトルクを小さくするように調整するのが一般的である。ディテントトルクは回転時の負荷になるためである。

しかしながら、負荷が大きい場合、例えば、振動発生用ステッピングモータのように、ウェイトを負荷としているような場合は、非通電時に所望の停止位置に正確に停止させるのは困難である。このため、非通電時のディテントトルクを大きくして負荷を確実に停止させる技術が提案されている（特許文献１〜３参照）。

ＰＭステッピングモータのうち、アウターロータ型の単相ステッピングモータには、環状のステータを取り囲むようにロータが配置されている。ステータは、複数の極歯が形成されたステータヨークを有し、ロータは、極性の異なる磁極が交互に周縁に沿って配置されたマグネットを有する。

マグネットの着磁波形（マグネットの表面磁束密度分布波形）を調整すると、ディテントトルク（コギングトルク）が変化することが知られており、着磁波形が正弦波に近づくほど、高調波成分がなくなって、ディテントトルクが低減する。このため、着磁波形を正弦波に近づけるような調整を行うのが一般的である。

例えば、特許文献４では、マグネットを取り囲むようにバックヨークを配置して、マグネットの磁極の境界位置に合わせて、バックヨークに凹部を設けている。このように、マグネットの磁極の境界位置に凹部を対向配置することにより、磁極が切り替わる際の磁束量が滑らかに変化するようになり、ディテントトルクを低減できる。
特開昭60-43059号公報 特開平6-78513号公報 特開平9-308214号公報 特開2001-57752号公報

ディテントトルクを低減するような構造にすると、確かに通電時の停止位置制御は精度よく行えるが、無通電時の停止位置制御を精度よく行える保証はない。無通電時にも、ロータのシャフトが回転する場合があり、このような場合に、決められた位置でロータを停止させる停止位置制御を行うのがが望ましい。その理由は、無通電時に任意の回転位置でロータが停止してしまうと、その後に通電を開始した場合の起動性が悪くなるためである。しかしながら、上述した特許文献１〜４は、無通電時の停止位置制御については特に考慮していない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、マグネットの着磁波形を調整することにより、無通電時の停止位置制御を高精度に行い、かつ起動性の向上を図ることが可能なステッピングモータを提供することにある。

本発明の一態様では、ステータと、このステータを取り囲むように配置されるロータと、を備えたステッピングモータにおいて、
前記ロータは、
周縁に沿って形成される複数の磁極を有する環状のマグネットと、
前記マグネットを取り囲むように配置され、複数の櫛歯を有する櫛歯状バックヨークと、を有し、
前記複数の櫛歯は、前記マグネットの外周面に対向配置され、
前記複数の櫛歯のそれぞれの中央部は、隣接する前記磁極の境界位置に対向配置されることを特徴とするステッピングモータが提供される。

本発明によれば、櫛歯状バックヨークを設けてマグネットの着磁波形を調整することにより、無通電時の停止位置制御を高精度に行い、かつ起動性の向上も図ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

図１は本発明の一実施形態によるステッピングモータの分解斜視図、図２は図１のステッピングモータのステータ部分を組み付けた状態を示す斜視図である。

本実施形態によるステッピングモータはアウターロータ型であり、ステータ１と、このステータ１を取り囲むように配置されるロータ２と、ステータ１を保持するとともに電源供給用の端子を有するブラケット（底板）３と、ロータ２を保護するカバー４とを備えている。

ステータ１は、周縁に沿って複数の極歯５を有する環状の第１のステータヨーク６と、第１のステータヨーク６に対向配置され複数の極歯７を有する環状の第２のステータヨーク８と、第１および第２のステータヨーク６，８の間に配置されるステータコイル９と、ステータコイル９の中心部に形成された孔に嵌挿されるコア１０と、コア１０の中心部に形成された孔に嵌挿されるメタルベアリング１１とを有する。

ロータ２は、第１および第２のステータヨーク６，８を取り囲むように配置される環状のマグネット１２と、このマグネット１２を保持するフレーム１３と、フレーム１３の中心部に取り付けられたシャフト１４とを有する。マグネット１２には、周縁に沿ってステータヨークの極歯の数と同数の磁極が交互に形成されている。

フレーム１３は、シャフト１４が中心部に取り付けられた平板２０と、この平板２０の周縁に沿って一定間隔で配置される複数の櫛歯からなる櫛歯状バックヨーク２１と、櫛歯状バックヨーク２１の外側側面の一部に接合される偏心ウェイト２２とを有する。櫛歯状バックヨーク２１は、本実施形態の特徴部分であり、その構造については後に詳述する。

ステータ１を構成する各部材を組み付けると、図２のようなステッピングモータのステータが得られる。なお、図２はカバー４を外した状態を示している。

第１および第２のステータヨーク６，８は互いに組み合わされており、第１のステータヨーク６が有する複数の極歯５のギャップに、第２のステータヨーク８が有する複数の極歯７が配置され、第２のステータヨーク８が有する複数の極歯７のギャップに、第１のステータヨーク６が有する複数の極歯５が配置されている。

図１のステッピングモータは、ステータコイル９に電流を流すと、その電流の向きに応じた磁束が発生して、第１および第２のステータヨーク６，８の極歯５，７が磁化する。極歯５，７は、マグネット１２の磁極と対向しており、場所によって極歯５，７と磁極は引きつけられたり、反発したりする。これにより、マグネット１２は１磁極（ステップ）分回転する。その後、ステータコイル９に流す電流の向きを変えると、さらにマグネット１２は１ステップ回転する。このように、ステータコイル９に流す電流の向きを交互に切り替えることで、マグネット１２はステップ単位で回転する。

マグネット１２は、図１のステッピングモータの一部品として組み付けを行う前に、着磁波形（マグネットの表面磁束密度分布の波形）が着磁される。マグネット１２の着磁は、図３に示すように、マグネット１２の内周側に着磁ヨーク２３を配置し、外周側に着磁用バックヨーク２４を配置した状態で、着磁ヨーク２３のコイルに電流を流すことにより行われる。

着磁ヨーク２３には、マグネット１２の磁極数分のスリット（溝）２５が形成されており、これらスリット２５にコイルを配置して、隣接するコイルに流す電流の向きを互いに逆にすることにより、マグネット１２の磁極は着磁される。

着磁ヨーク２３の形状を変えることにより、マグネット１２の着磁波形を調整することができるが、着磁する際にはコイルに数ｋＡ（アンペア）以上の電流を瞬間的に流す必要があり、コイルの線径はできるだけ太くしなければならず、また各コイルを確実に絶縁させなければならない。また、マグネット１２が小型になるほど、スリット２５の場所を確保するのが困難になる。このような理由で、着磁ヨーク２３の形状を調整するのは容易ではなく、結果として、着磁ヨーク２３だけではマグネット１２の着磁波形を精度よく調整することはできない。

マグネット１２の着磁波形は、正弦波になるように調整するのが一般的である。その理由は、着磁波形が正弦波になると、高調波成分がなくなり、通電時のディテントトルクを低減できるためである。ところが、本発明者が実験を行ったところ、無通電時には、着磁波形が矩形波に近づくほど、ステッピングモータの停止位置をより安定に制御できることがわかった。その理由は、着磁波形が矩形波に近づくと、マグネット１２の各磁極での磁束分布が均一になり、磁極の境界位置で磁束分布が大きく変化するためである。

図４は着磁波形の一例を示す図であり、図４（ａ）は矩形波の着磁波形、図４（ｂ）は正弦波の着磁波形を示している。図４（ａ）の場合、マグネット１２の各磁極の磁束分布が均一であるのに対して、図４（ｂ）の場合、各磁極の端部が中央部よりも磁束が小さくなり、磁束分布が磁極内で不均一であることがわかる。特に、図４（ｂ）に破線ｙ１で示すように、磁極の境界付近で、磁束の不均一度が大きくなる。

以下、本実施形態の特徴部分である櫛歯状バックヨーク２１について詳細に説明する。櫛歯状バックヨーク２１は、マグネット１２の磁極数と同数からなる複数の磁極を有する。図５はマグネット１２の磁極と櫛歯との位置関係を示す図である。図５では、一部の磁極と櫛歯のみを図示している。図示のように、櫛歯状バックヨーク２１の櫛歯は、その中央部がマグネット１２の隣接する２つの磁極の境界位置に対向するように配置される。櫛歯の幅は、マグネット１２の幅の約１／２である。

本発明者が実験を行ったところ、図５のような位置に櫛歯と磁極を配置すると、矢印ｙ２で示すように、磁極の境界付近で着磁波形の振幅が増大し、結果として、着磁波形が矩形波に近づくことがわかった。

図６は櫛歯状バックヨーク２１の櫛歯の幅とステッピングモータの最大回転数との関係を示す図である。図６の横軸は、櫛歯の幅がステッピングモータの磁極の幅に対してどの程度の割合であるかを示すデューティであり、このデューティが４５％、５０％、５５％の場合のそれぞれについて、縦軸に最大回転数をプロットしている。図示のように、櫛歯の幅が広がるにつれて、最大回転数が増大する結果が得られた。最大回転数が大きいほどモータとしては望ましいため、図６の結果だけから判断すると、櫛歯の幅は大きい方がよいことがわかる。

図７は櫛歯状バックヨーク２１の櫛歯の幅とダンピングとの関係を示す図である。図７では、上述したデューティが４５％、５０％、５５％の場合のそれぞれについて、ダンピングの値をプロットしている。

ここで、ダンピングとは、無通電時の状態から電流を一方向に流したときに、ステッピングモータの安定位置を最初に通過するのに要する時間（立ち上がり時間）を表しており、例えば安定位置を通り過ごすオーバーシュートの動作を行う場合には、最初に安定位置を通過するまでの時間である。

このダンピングの値が小さいほど、モータとしての性能は優れていることになる。図７の結果だけで判断すると、櫛歯の幅が小さい方がよいことがわかる。

このように、図６と図７は、櫛歯の幅に着目した場合、逆の結果が得られる。このことから、ステッピングモータの最大回転数とダンピングの両方の性能を保証するためには、デューティが５０％、すなわち櫛歯状バックヨーク２１の櫛歯の幅をマグネット１２の磁極の幅の約１／２に設定するのが望ましいことがわかる。

次に、マグネット１２の磁極と櫛歯状バックヨーク２１の櫛歯との位置関係について説明する。図８は、磁極と櫛歯との位置関係を３通りに変化させた場合の、磁極の磁束密度を測定した結果を示す図である。図８（ａ）は磁極の境界位置に櫛歯を対向配置した例、図８（ｂ）は磁極の中心位置と櫛歯の中心位置を一致させた例、図８（ｃ）は磁極の境界位置と櫛歯の境界位置を一致させた例を示している。これらの図において、横軸は磁極の幅方向の位置をマグネット１２の中心角で表したものであり、縦軸は各位置での磁束密度を表している。

図８では、直径８．７ｍｍのマグネット１２に１０個の磁極を設けた例を示している。図８（ａ）〜図８（ｃ）の各図では、マグネット１２の５つのＳ極の磁極の磁束密度分布曲線を重ね合わせている。

磁束密度が最大になる磁極内の領域が最も広くなるのは、図８（ａ）の場合であり、次に図８（ｂ）である。このため、図８の３通りの中では、櫛歯の中心位置を磁極の境界位置に対向させた場合が、磁極内の磁束密度が最も均一になることがわかる。そこで、本実施形態では、図８（ａ）に合わせて、櫛歯状バックヨーク２１とマグネット１２との位置合わせを行うことにした。

ところで、マグネット１２の磁極とバックヨークの櫛歯の位置とを種々変化させると、磁極の磁束密度が変化する理由は、マグネット１２からの磁力線によりバックヨークが磁化されるが、バックヨークの各櫛歯が生成する磁力線とマグネット１２の磁力線とが相互作用する度合が、磁極と櫛歯の位置関係により異なるためである。

図１に示すように、櫛歯状バックヨーク２１の外側側面には、ウェイト部材が接合される。櫛歯状バックヨーク２１とウェイト部材との接合には接着剤が用いられる。図９は接着剤３０の塗布位置を示す図である。

図９に示すように、接着剤３０は櫛歯と櫛歯との間に塗布される。より具体的には、マグネット１２と、櫛歯状バックヨーク２１を有するフレーム１３とを位置決めして治具で固定した後、櫛歯と櫛歯の間に接着剤３０を塗布する。接着剤３０は露出しているため、塗布した後に紫外線照射により硬化する紫外線照射型の接着剤３０を用いることができる。接着剤３０の塗布位置には、図９に示すように凹み（接着剤たまり）が形成されるため、この凹み部分にさらに接着剤を塗布して、ウェイト部材２２を接合する。

このように、櫛歯状バックヨーク２１を用いる場合には、櫛歯状バックヨーク２１とフレーム１３とを位置決めした後に接着剤３０を塗布でき、位置決めが正確に行えるとともに、紫外線照射型の接着剤３０を用いることができる。また、接着剤３０の塗布により、ウェイト部材２２を接合するための接着剤たまりが形成されるため、ウェイト部材２２の接合のための接着剤の塗布が容易になる。

一方、櫛歯状ではなく、側面が同じ高さのカップ状のロータフレームを用いた場合、ロータフレームの側面内側に接着剤を塗布した後に、その塗布面に沿ってマグネットを挿入しなければならず、接着剤の塗布が面倒であり、また、接着剤の塗布面がロータフレームの側面内側であるため、紫外線照射型の接着剤を用いることができず、使用する接着剤の種類が限定される。さらに、ロータフレームとマグネットとの接合後には、接着剤たまりが形成されないため、ウェイト部材を接合するための接着剤の塗布工程も面倒になる。

上述した実施形態では、フレーム１３の一部として櫛歯状バックヨーク２１を設ける例を説明したが、フレーム１３とは別個に櫛歯状バックヨーク２１を設けてもよい。この場合、複数の櫛歯をつなぎ合わせて一体化した円環状の櫛歯状バックヨーク２１ａをマグネット１２の外周面に貼り付けて、その後にフレーム１３を取り付けてもよい。

図１０はフレーム１３とは別個に円環状の櫛歯状バックヨーク２１ａを設けた例を示す図である。図１０（ａ）はマグネット１２の平面図と側面図を示し、図１０（ｂ）はマグネット１２の外周面に貼り付けられる櫛歯状バックヨーク２１ａの平面図と側面図を示し、図１０（ｃ）はマグネット１２と櫛歯状バックヨーク２１ａを組み付けた状態での平面図と側面図を示している。

図１０に示すように、櫛歯状バックヨーク２１は個々の櫛歯がつなぎ合わされて、円環状の形状になっている。図１０（ａ）のマグネット１２と図１０（ｂ）の櫛歯状バックヨーク２１を組み付ける際は、図１０（ｃ）に示すように、マグネット１２の磁極の境界位置に櫛歯状バックヨーク２１の櫛歯の中心位置が一致するように配置する。これにより、図５と同様に、磁極の着磁波形が正弦波よりも矩形波形に近づく。

以上に説明したように、本実施形態では、マグネット１２を取り囲むように櫛歯状バックヨーク２１を配置し、マグネット１２の磁極の境界位置と櫛歯状バックヨーク２１の櫛歯の中心位置とを対向させるため、マグネット１２の磁極の磁束密度が均一化して、無通電時の停止位置制御を精度よく行えるようになる。

上述した実施形態では、磁極数が１０個のマグネット１２と１０個の櫛歯を持つ櫛歯状バックヨーク２１について説明したが、磁極数については上述した実施形態に限定されない。また、マグネット１２や櫛歯状バックヨーク２１のサイズについても、上述した実施形態に限定されない。

本発明の一実施形態によるステッピングモータの分解斜視図。 図１のステッピングモータのステータ部分を組み付けた状態を示す斜視図。 マグネットの着磁を説明する図。 （ａ）は矩形波の着磁波形、図４（ｂ）は正弦波の着磁波形を示す図。 マグネット１２の磁極と櫛歯との位置関係を示す図。 櫛歯状バックヨーク２１の櫛歯の幅とステッピングモータの最大回転数との関係を示す図。 櫛歯状バックヨーク２１の櫛歯の幅とダンピングとの関係を示す図。 （ａ）は磁極の境界位置に櫛歯を対向配置した場合の磁極の磁束密度測定図、図８（ｂ）は磁極の中心位置と櫛歯の中心位置を一致させた場合の磁極の磁束密度測定図、図８（ｃ）は磁極の境界位置と櫛歯の境界位置を一致させた場合の磁極の磁束密度測定図。 接着剤３０の塗布位置を示す図。 フレーム１３とは別個に円環状の櫛歯状バックヨーク２１ａを設けた例を示す図。

符号の説明

１ ステータ
２ ロータ
３ ブラケット
４ カバー
５，７ 極歯
６ 第１のステータヨーク
８ 第２のステータヨーク
９ ステータコイル
１０ コア
１１ メタルベアリング
１２ マグネット
１３ フレーム
１４ シャフト
２０ 平板
２１ 櫛歯状バックヨーク
２２ 偏心ウェイト
２３ 着磁ヨーク
２４ 着磁用バックヨーク
２５ スリット
３０ 接着剤

Claims (7)

1. ステータと、このステータを取り囲むように配置されるロータと、を備えたステッピングモータにおいて、
   前記ロータは、
   周縁に沿って形成される複数の磁極を有する環状のマグネットと、
   前記マグネットを取り囲むように配置され、複数の櫛歯を有する櫛歯状バックヨークと、を有し、
   前記複数の櫛歯は、前記マグネットの外周面に対向配置され、
   前記複数の櫛歯のそれぞれの中央部は、隣接する前記磁極の境界位置に対向配置されることを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記櫛歯状バックヨークは、前記マグネットの表面磁束密度分布が磁極の境界位置で、正弦波よりも矩形波に近づくように前記マグネットの表面磁束密度分布を調整することを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ。
3. 前記複数の磁極の数と前記複数の櫛歯の数は同数であることを特徴とする請求項１または２に記載のステッピングモータ。
4. 前記複数の櫛歯のそれぞれの幅は、前記磁極の幅の略半分であ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ステッピングモータ。
5. 前記櫛歯状バックヨークの外周面の少なくとも一部に接合されるウェイト部材を備え、
   前記櫛歯状バックヨークの隣接する前記櫛歯間には、前記ウェイト部材を接合するための接着剤が付着されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のステッピングモータ。
6. 前記ロータは、前記櫛歯状バックヨークと一体に形成されて中心に回転シャフトが形成されたフレームを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のステッピングモータ。
7. 前記ロータは、前記櫛歯状バックヨークとは別個に設けられて中心に回転シャフトが形成されたフレームを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のステッピングモータ。

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