CN101061625A - 产生振动的步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于产生振动的步进电机，通过增大起动转矩，保证产生振动的步进电机能保持停止位置。单相定子轭铁组件的一个定子轭铁的极齿，包括在径向最外侧面中不同的两种极齿，而另一定子轭铁的极齿包括在径向最外侧面中不同的两种极齿。前述各定子轭铁的一种极齿制成为具有相同形状。对具有不同形状的余下两种极齿进行组合和布置，以增大起动转矩。

Description

产生振动的步进电机

技术领域

本发明涉及一种产生振动的步进电机，通过增大起动转矩确保产生振动的步进电机能保持停止位置，更特别地，涉及PM单相式步进电机。

背景技术

步进电机因为构造简单，并且可以经受开放控制从而能够简化控制电路配置，因而得到了广泛应用。使用永磁体的PM步进电机，由于应用成本低尤为广泛使用。这些步进电机需要精确的停止位置控制用于正常起动。在关于高精度停止位置控制的应用情形中，构造一种装置，以减少步进电机的起动转矩，因为该起动转矩在转动时成为负荷。

然而，在负荷较重的情况下，例如，在产生振动的步进电机加载有配重的情况下，当没有使其励磁时，难以将步进电机精确地停在其停止位置。因此，已经提出了相关技术(参见专利文献1至3)，用于增大非励磁时的起动转矩，从而使负荷可靠停止。

根据专利文献1中披露的下列技术内容，布置两组垂直的定子轭铁，使其与转子的永磁体相对。构成定子轭铁的极齿制成为宽窄两种极齿，并且使宽窄两种极齿在转动方向上交替布置。非励磁时各相中的转矩产生图案改变以增大起动转矩。然而，根据此技术，转矩在各相中的不平衡状态是不确定的，而且，在制造过程中也不能保持不变的起动转矩，从而出现了不能获得预期产品的问题。

下述专利文献2的技术是关于上述专利文献1的改进。布置两组垂直的定子轭铁，使其与布置在转子中的永磁体相对。在两组定子轭铁的一组中，将极齿分成具有较大宽度和较小宽度的两种。将这两种极齿在转动方向上交替布置。在帽形壳体中，在底侧的定子轭铁的磁极的面积和、以及在前侧(也就是在帽形壳体的开口侧)的定子轭铁的磁极的面积和，设定成彼此不同。

根据上述配置，在各定子轭铁组与布置在转子中的永磁体之间的转矩曲线变化，使得在用于合成两个转矩的过程中加入该转矩。结果，能保持必须的起动转矩。

然而，作为前述专利文献1和2中所描述的技术，涉及两相定子轭铁组件中的极齿，但既没有披露也没有启示应用于单相定子轭铁组件中的极齿。起动转矩自身是通过两相定子轭铁组件中极齿的结合产生的，因而，不能将其原样应用于单相定子轭铁组件中的极齿。并未说明有关极齿的宽度、起动转矩的大小、以及停止位置保持等其间的关系，因而，起动转矩的大小和停止位置保持的程度是未知的。尤其是，根据下述专利文献2的技术，如其图4所示，披露了一种配置，其中需要窄极齿和壳体，以及，在其中必须形成磁通b透过窄极齿和壳体的路径。所以，可以认为：为了方便使用壳体作为磁路，磁极的面积(如下述专利文献2描述的技术中所命名的)是磁极宽度的调节结果，但磁极的高度(或者轴向长度)不是调节的对象。所以，能否将该技术应用于加载有偏心配重的产生振动的步进电机也是不确定的。

根据下述专利文献3中描述的技术，转子设有永磁体磁极，在轴向磁化。两相定子轭铁分别设有极齿。两组结合的极齿中，使一个定子轭铁的极齿制成为具有与另一个定子轭铁的极齿不同的体积。通过改变极齿从轴线所取的径向厚度、或者在径向最外侧面上的极齿面积(或者弧面面积)，制成这种具有不同体积的结构。

专利文献1：JP-A-60-043059

专利文献2：JP-A-06-078513

专利文献3：JP-A-09-308214

发明内容

本发明要解决的问题

关于改变极齿厚度以增大起动转矩的技术，如专利文献3中所描述的，具有以下问题。转动轴由轴承支承，在转动轴与轴承之间给定游隙)以减小其接触阻力。所以，在转动时，转动轴在其轴心产生微小偏转，使得转子的外侧面径向偏转并振动。所以，即使使极齿厚度(也就是从轴心开始的径向厚度)不同，如上所述，也难以正确反映厚度尺寸。所以，很难精确设定起动转矩的大小和发生位置(或者角度位置)，这是不切实际的。

此外，关于改变前述极齿的面积以加大起动转矩的技术，采用了改变极齿厚度和面积所用的手段。如前述专利文献3中所示，这样形成极齿，以使该极齿在轴转动方向的宽度比其他普通极齿的窄，但不改变侧边的倾角，与其他普通极齿的轴向高度相等。关于特性的说明是，在改变极齿厚度的情况下，与改变极齿面积的情况下，这两种情况下的磁通密度特性相同。

在改变极齿厚度情况下的磁通密度特性，是在将对应极齿轴向高度设定为与其余普通极齿轴向高度相等条件下的特性。另一方面，在前述专利文献3改变极齿面积情况下的磁通密度特性，是在这种条件下的特性：将对应极齿的轴向高度设定为与其余普通极齿轴向高度相等，但只是使宽度变窄，以降低磁通密度特性。如果在轴向高度与其余普通极齿不同之外，还改变对应磁极的形状，则将转子磁极设定为，使得磁通穿越转动方向面。结果，没有磁通穿越一个定子轭铁的极齿与另一定子轭铁(与前者相对)的平板面之间的空间。使本来可以穿越该空间的磁通很大程度上弯曲，因而使磁阻大幅增加。结果，使磁通密度大幅减小。可以认为这些磁通密度特性如所示不能获得。然而，所示出的磁通密度特性是两相定子轭铁的，既没有披露也没有建议单相特性。

结果，如果极齿的面积存在差异，仅有这种差异，对于需要从增大起动转矩的观点以及效果出发的其他条件的特定情况而言，也是不够的。在这一方面，专利文献3描述了期望的技术，但并未将解决手段披露到必要程度。

所以，专利文献3的技术提出了两相极齿作为对象，但既没有披露也没有建议对单相极齿情况的适用性。通过组合两相极齿产生起动转矩，就使得该技术不能如原样应用于具有单相极齿的步进电机。此外，也没有说明关于极齿的厚度或面积与起动转矩自身之间的因果关系，以及关于起动转矩的幅度与停止位置的保持之间的关系。起动转矩有多高以及如何保持停止位置都不明确。尤其不明确的是，该技术是否可以应用于加载有偏心配重的产生振动的步进电机。

考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种产生振动的步进电机，通过增大起动转矩，保证产生振动的步进电机能保持停止位置。

解决问题的方法

本发明的产生振动的步进电机使定子轭铁的极齿高度、宽度和面积不均匀，从而稳定非励磁时的停止位置。采用这种配置，使起动转矩加大，从而使停止位置稳定而与负荷无关。

下面具体说明产生振动的步进电机。

(1)一种产生振动的步进电机，其特征在于：单相定子轭铁组件的一个定子轭铁(即第一定子轭铁)的极齿是两种极齿(即第一极齿和第二极齿)，这两种极齿在步进电机径向最外侧面的面积不同；另一定子轭铁(即第二定子轭铁)的极齿是两种极齿(即第一极齿和第三极齿)，这两种极齿在径向最外侧面的面积不同；各定子轭铁的一种极齿(即第一极齿)具有相同的形状；将余下的具有不同形状的两种极齿(亦即第二极齿和第三极齿)进行组合并如此布置，同时使它们偏离保持位置(也就是，在线圈没有励磁时转子的停止位置偏离线圈励磁时的停止位置)，以增大步进电机的起动转矩。

(2)如前述(1)中提出的产生振动的步进电机，其特征在于：通过改变极齿的轴向高度和转动方向宽度中的至少一个，设定极齿的面积。

(3)如前述(1)或者(2)中提出的产生振动的步进电机，其特征在于：极齿在径向最外侧面形成为梯形。

(4)如前述(3)中提出的产生振动的步进电机，其特征在于：在所有极齿的梯形中斜边的倾角相等。

(5)如前述(1)至(4)中任一项提出的产生振动的步进电机，其特征在于：具有不同形状的余下两种极齿，以其大于等于一对的任意n对进行组合方式设置。这里，数n为(总极齿数-相同构造的极齿数)/2。

(6)如前述(1)提出的产生振动的步进电机，其特征在于：通过组合梯形标准极齿(即第一极齿)、梯形宽极齿(即第二极齿或第三极齿之一)、和梯形窄矮极齿(即第二极齿或第三极齿中的另一个)，设置第一定子轭铁和第二定子轭铁，梯形标准极齿具有轴向高度、转动方向宽度、以及斜边倾角，梯形宽极齿在轴向与标准极齿同高、在转动方向比标准极齿宽、以及在斜边倾角方面与标准极齿相等，而梯形窄矮极齿在轴向比标准极齿低、在转动方向比标准极齿窄、以及在斜边倾角方面与标准极齿相等；以及，通过使各极齿互相啮合成梳齿状，构成单相定子轭铁组件。

(7)如前述(1)至(6)中任一项提出的产生振动的步进电机，其特征在于：将转子磁体布置在与单相定子轭铁组件相对的转子上，以及，转子磁体是在转动方向交替磁化成不同磁极的环形磁体。

(8)如前述(1)至(7)中任一项提出的产生振动的步进电机，其特征在于：对相同形状的极齿进行布置，以使其中心与转子磁体的NS磁极的切换位置相一致，以及，对构造不同的第二极齿进行布置，以使其中心以任意移位角偏离NS磁极的切换位置，从而增大起动转矩。

结果，与转子磁体相对的极齿形成为具有不均匀的面积，并且构成强烈作用的转子磁体的磁吸引，从而增大起动转矩。可选择地，通过使磁极的转动方向宽度不均匀，也能增大起动转矩。

(9)如前述(7)提出的产生振动的步进电机，其特征在于：环形磁体具有环形后轭铁。

(10)如前述(9)提出的产生振动的步进电机，其特征在于：在除了包含转子磁体的NS磁极的切换位置及其相邻部分之外所余下的范围内，后轭铁具有凹进部分。

为了使非励磁时的停止位置稳定，转子磁体设有后轭铁以调节磁化波形，使得要透过极齿的磁通波形改变，从而增大起动转矩。尤其优选的是，将前述磁化波形调节至矩形。

本发明的优点

本发明的产生振动的步进电机具有以下优点。

通过改变极齿高度和宽度，形成三种具有不同面积的极齿。其中，采用一种极齿作为标准型极齿，并且作为标准型布置在各定子轭铁中除局部之外的部分上。将这些标准型之外的具有不同面积的两种极齿成对组合，并且按移位角进行布置，以增大起动转矩。

结果，可以增大起动转矩，即使负荷是具有较大质量的振动产生配重，也能将负荷精确停止在稳定位置。所以，保证了起动。

通过将标准型极齿之外的具有不同面积的两种极齿组合成对，可以增大起动转矩。最终，通过组合三种极齿，定子轭铁组件能够获得增大所期望的起动转矩的作用和优点。

此外，结合馈电时间和馈电电流，可以增大起动转矩，同时维持保持转矩，因而，能够保证起动而不劣化起动特性。

附图简要说明

图1(a)至图1(e)是本发明的定子轭铁组件及其极齿的结构图；

图2(a)至图2(d)是根据本发明的磁极和极齿的在转动方向展开的平面状俯视图；

图3是本发明步进电机主要部分的剖视图；

图4(a)至图4(c)是本发明的外转子式产生振动的步进电机的构成图；

图5(a)至图5(b)是本发明的产生振动的步进电机的起动转矩特性的说明图；

图6(a)至图6(f)是用于本发明的磁体组件的装配图；

图7(a)至图7(f)是本发明的后轭铁的另一实施方式的装配图。

标号说明

1         产生振动的步进电机

2         接口基板

3         盖子

3a        圆板部

3b        筒形部

4         转子

5         定子

6         定子轭铁

6a        第一定子轭铁

6b        第二定子轭铁

6c        第三定子轭铁(中央轭铁)

6d        开口

6e        切除部分

6f        圆板部

6g        筒形部

6h        极齿

7         线圈卷筒

8         定子线圈

9         环形磁体

10        轴

10a       细径突部

11        转子框架

11a       开口

11b       圆板部

11c       筒形部

12        轴承

13        配重部分

14，14A   后轭铁

14a       磁路形成部分

14b       连接部分

14c       凹进部分

15        磁体组件

16        (金属)轴瓦

优选实施方式

本发明的产生振动的步进电机具有以下特性。

(1)在相关技术中，已知的是，通过将构成步进电机定子轭铁的极齿之间的间隔设定为包含多种宽度，使起动转矩分散在转动方向并保持在较小值内。

所以，对于增大起动转矩的条件，有效的是，将极齿形成为倾角相同的梯形，从而将极齿之间的间隔设定为不变宽度。

在一种实施例的情况下，将极齿的梯形的倾角设定为相同。

(2)本发明实施方式的步进电机是具有单相定子轭铁组件的永磁体式，以及，包括10个磁极和具有10个极齿的上下轭铁。所以，在各定子轭铁中，使极齿以72度的间隔(也就是，360度/5个齿)均等分布。一般而言，根据均匀的布置位置，起动转矩具有以下趋势，在从0度到几度(Δθ1)的移位角(Δθ)的范围内表现为较高，但在几度(Δθ1)到相邻齿交迭处的角度(Δθ2)的范围内表现为较低。随着极齿数的增加，移位角的整体范围相应变窄，使得用于起动转矩增大的角度范围也具有相应变窄的趋势。在本实施例的情况下，移位角设定为6.5度。

(3)为了设定极齿之间的间隔，有效的是，使形成极齿的位置(或者角度)变换，或者改变一个或更多极齿的面积。极齿的面积指极齿在径向最外侧面(即径向最外侧的周面)。在前述(2)中对此已有描述，即：使极齿形成的位置变换。

另一方面，对用于改变一个或者更多极齿的面积的方法而言，本实施例的情况设有两种形状，其中使极齿在其轴向(或轴杆方向)高度改变。在矮极齿的情况下，如上文所述，使梯形斜边的倾角与高极齿的相等，因而，矮极齿在转动方向的宽度比高极齿的小。

据此，为了使其他标准形状(即大部分类型的形状(下文描述))的极齿(即标准极齿)可以定位于标准角度位置，也就是，为了补偿矮极齿的较小宽度，将宽极齿布置在以移位角在转动方向上偏离标准位置的位置处，宽极齿在转动方向上比标准形状更宽，并与标准形状等高。

(4)极齿：

(4-1)单相定子轭铁组件的一个定子轭铁的极齿包括两种极齿，这两种极齿的径向最外侧面面积不同。另一定子轭铁的极齿包括两种极齿，这两种极齿的径向最外侧面面积不同。使各定子轭铁的一种极齿具有相同的形状。将具有不同形状的其余两种极齿进行组合布置，以增大起动转矩。

(4-2)通过改变极齿的轴向高度和转动方向宽度中的至少一个，设定极齿在径向最外侧面的面积。

(4-3)极齿在径向上的最外侧面形成为梯形。

(4-4)使所有极齿的梯形斜边倾角相等。

(4-5)具有不同形状的其余两种极齿以其大于等于一对的任意n对进行组合方式设置。这里，数n为(总极齿数-相同结构的极齿数)/2。

(4-6)通过组合梯形标准极齿、梯形宽极齿和梯形窄矮极齿设置第一定子轭铁和第二定子轭铁，梯形标准极齿具有轴向高度、转动方向宽度和斜边倾角，梯形宽极齿在轴向与标准极齿等高、在转动方向比标准极齿宽、以及其斜边倾角与标准极齿的相等，梯形窄矮极齿在轴向比标准极齿低、在转动方向比标准极齿窄、以及其斜边倾角与标准极齿的相等；以及，其中通过使各极齿相互啮合成梳齿状构成单相定子轭铁组件。

(4-7)转子磁体布置在与单相定子轭铁组件相对的转子上，以及，转子磁体是环形磁体，使其在转动方向交替磁化成不同磁极。

结果，将与转子磁体相对的极齿形成为具有不均匀的面积，并构成强力作用的转子磁体的磁引力，从而增大起动转矩。可选择地，通过使磁极在转动方向的宽度不均匀，也可以增大起动转矩。

(4-8)对相同形状的极齿进行布置，以使其中心与转子磁体的NS磁极的切换位置相一致，以及，对构造不同的第二极齿进行布置，以使其中心以任意移位角偏离NS磁体的切换位置，从而增大起动转矩。

(4-9)环形磁体具有环状后轭铁。

(4-10)在除了包含转子磁体NS磁极的切换位置及其相邻部分以外所余下的范围内，后轭铁具有凹进部分。

为了使非励磁时的停止位置稳定，转子磁体设有后轭铁以调节磁化波形，使得要透过极齿的磁通波形改变，从而增大起动转矩。尤其优选的是，将前述磁化波形调节至矩形。

这里，通过改变极齿的高度和宽度，形成具有不同面积的三种极齿。其中，采用一种极齿作为标准型极齿，并且作为标准型布置在各定子轭铁中除局部之外的部分上。将这些标准型之外具有不同面积的两种极齿成对组合，并且以移位角进行布置，以增大起动转矩。除了本实施例之外，还可以使用四种或更多种具有不同面积的极齿。此外，在本实施例的情况下，除了标准型极齿之外具有不同面积的两种极齿的组合只有一对，但也可以是两对或者更多。具体而言，可以设置一对以上的任意n对极齿。这里，数n是(总极齿数-相同形状极齿(或者标准极齿)数))/2。

“标准极齿”是下文描述的多种极齿中设置最多的一类极齿。在本实施例的情况下，类型A是标准极齿。

图1(a)至图1(e)是本发明的定子轭铁组件及其极齿的结构图。

图1(a)是第一定子轭铁6a的仰视图；图1(b)是第二定子轭铁6b的仰视图；图1(c)是以均匀节距布置的标准极齿的侧视图；图1(d)是第一定子轭铁6a中具有较小宽度和较低高度的极齿6hs的侧视图；以及，图1(e)是第二定子轭铁6b中具有较大宽度的极齿6hw的侧视图。

定子轭铁组件具有包括第一定子轭铁6a和第二定子轭铁6b的一相。在本实施例中，各定子轭铁具有5个极齿。

定子轭铁组件具有包括第二定子轭铁6b和第一定子轭铁6a的单相。这里，第三定子轭铁6c没有极齿，因此，没有将其结合进定子轭铁组件。

第一定子轭铁6a具有5个极齿。其中，4个极齿是A型标准极齿6hr(其例示为梯形，具有宽部尺寸WB1、窄部尺寸WT1、高度H1、以及斜边倾角θ(度))，并且在轴线上以均匀开口角(Ang.1)布置。其余极齿是B型极齿6hs(其例示为梯形，具有宽部尺寸WB2(＝0.7WB1)、窄部尺寸WT2(＝0.87WT1)、高度H2(＝0.7H1)、以及斜边倾角θ(度))，以及，在俯视图中，极齿6hs的中心与顺时针前方极齿的中心隔开的距离为均匀节距的约0.9倍(Ang.3)，以及，在俯视图中，极齿6hs的中心在逆时针方向与顺时针方向最末一个极齿的中心隔开的距离为均匀节距的大约1.1倍(Ang.2)。

第二定子轭铁6b也有5个极齿。其中，4个极齿是A型标准极齿6hr(其例示为梯形，具有宽部尺寸WB1、窄部尺寸WT1、高度H1、以及斜边倾角θ(度))，并且在轴线上以均匀开口角(Ang.1)布置。其余极齿是C型极齿6hw(其例示为梯形，具有宽部尺寸WB3(＝1.34WB1)、窄部尺寸WT3(＝1.84WT1)、高度H3(＝1H1)、以及斜边倾角θ(度))，以及，在俯视图中，极齿6hw的中心与顺时针前方极齿的中心隔开的距离为均匀节距的大约0.9倍(Ang.3)，以及，在俯视图中，极齿6hw的中心在逆时针方向与顺时针方向最末一个极齿的中心隔开的距离为均匀节距的大约1.1倍(Ang.2)。

随着增大极齿6h的斜边6i的倾角(或者使其更陡)，可以形成代表磁通密度变化的从缓坡形至普通矩形的波形，因而可以增大起动转矩。

极齿6h具有类型A作为其标准类型，并且布置成以使极齿中心与各定子轭铁中基准角(也就是与均匀节距对应的角度)处的5个部分中的4个对准。

第一定子轭铁6a中除了这些A型极齿之外余下的一个极齿，与一侧标准型极齿的位置隔开的距离为均匀节距的大约1.1倍，以及，与另一侧标准型极齿的位置隔开的距离为均匀节距的大约0.9倍(参见图1(a))，以使其中心与B型极齿6hs对准。

第二定子轭铁6b中除了这些A型极齿之外余下的一个极齿，与一侧标准型极齿的位置隔开的距离为均匀节距的大约0.9倍，以及，与另一侧标准型极齿的位置隔开的距离为均匀节距的大约1.1倍(参见图1(b))，以使其中心与C型极齿6hw对准。

将第一定子轭铁6a和第二定子轭铁6b组合，以使它们的极齿6h梳齿状啮合。相对于第一定子轭铁6a的标准极齿的中心，使第二定子轭铁6b的标准极齿在转动方向移置36度。

图2(a)至图2(d)是根据本发明磁极和极齿在转动方向的平面状展开图。

图2(a)是磁极的展开图；图2(b)是设有成对上下极齿的定子轭铁顶端的平面状展开图；图2(c)是图示磁极面积的和与间隔之间关系的图；以及，图2(d)是不同极齿类型的构造图。

将极齿6h布置就位，如图2(b)所示。图2(c)中示出了第一定子轭铁6a和第二定子轭铁6b的极齿总面积(即包括两个极齿轴向面积的面积)的角度特性。A型标准极齿A1至A4的总面积的角度特性是相同的极齿面积a。在一侧包括B型极齿的情况下，极齿面积b远比A型情况下的小，如图2(c)所示。据此，使磁通密度降低，并且也使保持(或者起动)转矩减小。

另一方面，在包含C型极齿的情况下，极齿面积c远比A型情况下的大，如图2(c)所示。据此，使磁通密度增大，并且也使保持(或者起动)转矩增大。

这里对在不同高度、宽度和面积的极齿的情况下磁路的形成过程进行描述。

图3是步进电机主要部分的剖视图。

本实施例的步进电机是设有单相定子轭铁组件的永磁体式外转子步进电机，并且包括10极环形磁体、以及在上下两个定子轭铁中的10个极齿。

在转子侧，仅仅示出这样的构造，其中环形磁体具有在转动方向交替磁化的不同极，并布置在下文描述的环形后轭铁中，但省略了转子框架。在定子侧，仅仅示出设置在上、下两个定子轭铁中的极齿。

图3图示这种状态，在A型标准极齿6hr的转动方向长度的大致中间位置处，布置环形磁体中不同磁极之间的分界部分。

在这种状态下，如图所示，从N极发出的磁通1穿越A型标准极齿6hr，并且返回相邻的S极。

多个磁通透过图3的C型极齿6hw(参见图2)。如图所示，从N极发出的第一磁通2穿越C型极齿6hw，并返回相邻的S极。如图所示，第二磁通3穿越C型极齿6hw，然后经由气隙穿越B型极齿6hs，并返回相邻的S极。基于磁通3的磁路在气隙中具有高磁阻，使得磁通密度不会大幅变动。

从N极发出的磁通4穿越B型极齿6hs，并返回另一侧的S极。通过顺时针方向略微转动环形磁体9，导致此磁通4将其磁极分界移动到B型极齿6hs的外侧。

因此，当从图3的高磁通密度的稳定位置使转子略微转动从而顺时针转动环形磁体9时，磁通4消失，使得A型标准极齿6hr的许多磁路变形，从而降低整体磁通密度。

另一方面，当在其高度和宽度方向对B型极齿6hs和C型极齿6hw进行调整以改变极齿的面积时，由于以下原因可能改变起动转矩。

随着极齿的面积(亦即磁性上与磁极相对的极齿的面积)S1与磁性上和该极齿相对的磁极(亦即永磁体的磁极)的面积S2之间的比值S2/S1＝K变高，磁通密度有变高的趋势，使得起动转矩增大。可以认为比值K与移位角Δθ成正比。

基于此，如图2(c)所示，在B型极齿6hs处，使极齿面积b大大减小。结果，在B型极齿6hs处的起动转矩降低。在右侧的C型极齿6hw处的极齿面积c，则大大超过A型标准极齿6hr的面积。结果，在C型极齿6hw处的起动转矩提高。

根据上文描述，越过B型极齿6hs的位置，以设置非停止位置，使得在C型极齿6hw位置处不会出现停止失败。这提高了停止位置精度。

下面参照附图详细描述本发明的实施例。

实施方式1

图4(a)至图4(c)是本发明外转子式产生振动的步进电机的构造图。

图4(a)是图4(b)的B-B剖视图；图4(b)是图4(a)的A-A剖视图；以及图4(c)是转子框架的俯视图。

外转子式产生振动的步进电机1包括接口基板2、盖子3、转子4和定子5。

通过在金属板上形成绝缘膜，并通过在其上形成必要的配线(诸如至线圈的馈电线)和用于适配盖子3的凸起部(未示出)的开口(未示出)，构成接口基板2。在接口基板2上，经由绝缘膜固定有：位于接口基板2侧的第二定子轭铁6b，以及成为定子轭铁6中第三定子轭铁的中央轭铁6c。将盖子3的圆筒形部3b端面的凸起部(未示出)适配在开口中。从接口基板2的背面将凸起部和开口进行焊接。将外部的控制电路、电源等与配线连接。

定子5包括：定子线圈8，缠绕在线圈卷筒7上；定子轭铁6，包括第一定子轭铁6a、第二定子轭铁6b和中央轭铁6c或者第三轭铁；以及轴承12。轴瓦16安装在轴承12上。

定子轭铁6由磁性材料制成，并包括第一定子轭铁6a、第二定子轭铁6b和中央轭铁6c或者第三定子轭铁，第一定子轭铁6a和第二定子轭铁6b分别具有极齿，中央轭铁6c支撑这些第一定子轭铁6a和第二定子轭铁6b，并且与第一定子轭铁6a和第二定子轭铁6b一起形成磁路。这里，省略了前文已经描述过的第一定子轭铁6a和第二定子轭铁6a的细节。

第一定子轭铁6a和第二定子轭铁6b整体形成如杯形，具有开口6d和切除部分6e，如图4(a)的俯视图所示。具体而言，在杯形的中央形成开口6d，杯形在圆板部6f的周围具有筒形部6g，以及，在从杯形筒形部6g到圆板部6f的开口端中，等间隔形成5个大致U形的切除部分6e，切除部分6e具有开口6d，因而，极齿6h是大致U形切除部分6e之间余下的部分。使大致U形切除部分6e的开口端设置在杯形筒形部6g的自由端中。大致U形切除部分6e的形状由适当形成极齿6h的结果确定。

将这样形成的第一定子轭铁6a和第二定子轭铁6b垂直方式布置，使得它们的极齿6h能够互相啮合成梳齿形。在这些第一定子轭铁6a和第二定子轭铁6b之间，布置有线圈卷筒7，定子线圈8容纳在线圈卷筒7内。布置由第一定子轭铁6a、第二定子轭铁6b和中央轭铁6c组成的定子轭铁6，以覆盖环形定子线圈8的周围。

定子5包括环形定子线圈8和定子轭铁6，在以极齿6h啮合成梳齿形的状态下，定子轭铁6从两侧紧扣定子线圈8。这些极齿6h包括极齿6hr、6hw和6hs。将转子4的环形磁体9与定子轭铁6径向外侧的极齿6h相对，如下文所述。

以各向同性方式或者各向异性方式对环形磁体9的5个磁极对进行均匀磁化。另一方面，在一对定子轭铁6的极齿6h中，仅仅将一个极齿对(6hw、6hs)从均匀位置移置在不均匀极齿节距处。具体而言，在除了极齿6hw和极齿6hs之外的极齿中，关于每一定子轭铁布置的相邻极齿之间的节距(或者间隔)都是均匀的。另一方面，仅仅极齿6hw和极齿6hs形成为具有这样的不均匀节距，使得在离相邻标准极齿6hr的较近侧，节距较短，为均匀节距的0.9倍，而在较远侧，节距较长，为均匀节距的1.1倍。

结果，在布置一个磁极对的中心角度范围内，不均匀方式(以增大起动转矩的移位角)布置极齿6hw和极齿6hs。结果，由极齿6hw和极齿6hs所占据的空间不同，使得极齿具有不同的宽度。这里，不均匀节距极齿对的数量可以是多个。

在实施例1中，为了获得期望效果，按偏离角(slip angle)使均匀节距的极齿对移置至不均匀节距位置，从而增大起动转矩。

在本实施例的情况下，按比普通节距大几度来增大定子轭铁6一个磁极对的相邻磁极对之间的极齿节距，使其成为不均匀极齿节距。结果，成为不均匀极齿节距的成对极齿中，一个极齿6hw具有较大的极齿宽度(亦即转动长度)(例如，大约为均匀极齿宽度的1.3倍)，而另一极齿6hs具有较小的极齿宽度(例如，大约为均匀极齿宽度的0.7倍)。

因此，参照平均的相邻极齿对之间节距，将极齿6h布置在圆周上，并且以大于基准角(亦即，壳体的开口角，其中极齿均匀方式布置：均匀节距的角度)的角度，移动仅仅一个任意极齿对(6hw、6hs)。结果，使起动转矩特性如此改变，例如，如图5(b)所示，因而，可以进行起动位置调节，以使起动时单向转动。

图5(a)至图5(b)是本产生振动的步进电机的起动转矩特性的说明图。图5(a)是停止位置的说明图，以及图5(b)图示0V(伏特)励磁特性(或者起动特性)和4V励磁特性。横坐标代表转动角度，而纵坐标代表转矩。

图4的线圈卷筒7由树脂形成为C形截面、以及俯视图(图示省略)中的环形。定子线圈8可以使用任意线材。

转子4包括：轴10；磁体组件15，由环形磁体9和后轭铁14组成；以及，转子框架11，具有配重部分13。

轴10的一端设有细径突部10a，形成该细径突部10a以具有台阶部分。轴10的直径为例如0.8mm。轴10插在中央轭铁6c的轴承12中，并且由其进行支撑。

转子框架11形成为大致杯状，其包括：圆板部11b，具有中心处开口11a；以及筒形部11c，与圆板部11b的周围结合。

为了方便在转子框架11中局部形成配重，大致杯状可以形成凸出部，该凸出部伸入由均厚圆板部11b和筒形部11c所限定的空间形状以外，因而，使用大致杯形表示类似于杯形的形状。转子框架11具有与其一部分成一体的配重部分13，如图4(c)所示。

转子框架11由诸如铁的金属材料制成。转子框架11具有开口11a，该开口11a适配并固定在轴10细径突部10a上。此时，使转子框架11与第一轭铁6a隔开。此外，磁体组件15安装在转子框架11的筒形部11c的内侧上。

图4的配重部分13由高比重磁性材料的金属材料制成。配重部分13占据三维空间，该空间由在图4(a)的俯视图中一定角度范围的局部环形区域S1和在图4(b)的剖视图中横截面区域S2所限定。局部环形区域S1是指从圆板部外周上的位置到宽度L1径向内侧位置的局部区域(也就是，如图4(b)所示，从位于转子框架11的圆板部11b外周上的位置到比配重部分13径向内侧端更靠近径向更内侧的位置Q1的宽度)。出于设计方便，在实施例1的情况下，此配重部分13的中心角由材料的比重等确定为120度至200度。中心角优选设定为180度。

将转子框架11视为均厚圆板部11b和筒形部11c，配重部分13具有实质上转子框架11和其他向内突出部分，并且将配重部分13焊接至转子框架11。

与振动机构相连，其中将具有配重部分13的转子框架11布置在轴10上，对于配重部分13的质量m(kg)、相距重心的长度r(m)、以及转动速度(角速度)ω，由mrω²确定振动量(离心力)。由于优选的振动是出现大约1G处的振动，所以，在大约10,000rpm处身体感受性较佳。这使得外转子类中距配重部分13中心的长度较长，这优于内转子类。由于配重部分13可以形成在转子框架11圆周上任意位置处，所以容易制造。将配重部分13布置在转子框架11的筒形部11c中，使得能够根据配重部分13的所需重量来适当设计筒形部11c的径向厚度。此外，配重部分13具有磁性，因而配重部分13具有屏蔽外部磁场的效果。

将配重部分13这样布置在转子框架11的一部分中，使得转子框架11的重心可以偏离转子框架11的中心。配重部分13由金属诸如Fe(铁)、Cu(铜)、Pb(铅)或W(钨)或者包含这些金属的合金制成。尤为优选的材料是含有W(钨，质量百分比95％)、Cu(铜，质量百分比2％)和Ni(镍，质量百分比2％)的磁性材料。

配重部分13可采用任意形状，只要配重部分13的形状能够弥补由均厚圆板部11b和筒形部11c组成的转子框架11的不足形状，并且能够支撑环形磁体9。

盖子3由诸如SUS(不锈钢)303的无磁性金属制成，以具有C形横截面，并且将盖子3整体形成如杯形，具有圆板部3a、以及以直角竖立在圆板部3a周围的筒形部3b。筒形部3b在其端面的多个部分处设有多个凸出部(未示出)，多个凸出部焊接或熔接于接口基板2。例如，盖子3形成为具有10mm的直径和小于3mm的高度。

图6(a)至图6(f)是关于本发明的磁体组件的装配图。

图6(a)是图6(b)环形磁体的D-D俯视图；图6(b)是图6(a)环形磁体的C-C剖视图；图6(c)是图6(d)后轭铁的F-F俯视图；图6(d)是图6(c)后轭铁的E-E剖视图；图6(e)是图6(f)磁体组件的H-H俯视图；以及图6(f)是图6(e)磁体组件的G-G剖视图。

磁体组件15包括环形磁体9和后轭铁14，后轭铁14布置成与环形磁体9的外周接触。

在环形磁体9中，将包括N极和S极的5对磁极成环状布置在转动方向。环形磁体9由任意磁性材料制成。优选的是，环形磁体9构造为具有成环状布置的多个N极和S极磁体对，并且布置在包含配重部分13的转子框架11的内侧。

可以构造至少一个环形磁体9。在这种情况下，将环形磁体9磁化为多个磁极。借助粘合剂，将环形磁体9固定于转子框架11和配重部分13。

环形磁体9的尺寸根据所需的转矩决定。

将环形磁体9在转动方向上磁化成NS或SN，环形磁体9的中心为轴10的中心。

在实施例1中，使环形磁体9的N极或S极的单个磁极的长度(或者弧形长度)全部相等。

如图6(c)所示，后轭铁14由均匀厚度的磁性材料形成为均匀宽度的环形，因而，使用后轭铁14来减少磁通的泄漏。如图6(d)所示，后轭铁14包括：磁路形成部分14a，通过沿弧形面使矩形薄板弯曲而成形该磁路形成部分14a；以及带状连接部分14b，连接这些磁路形成部分14a。这些磁路形成部分14a可以具有任意形状，只要它们能磁性方式连接环形磁体9的N极和S极即可。连接部分14b可位于任意位置并可具有任意形状，只要能连接磁路形成部分14a并对磁路形成部分14a进行保持即可。磁路形成部分14a和连接部分14b的周向长度可为这样的长度，该长度使得磁路形成部分14a可以减少磁通的泄漏，同时将余下的长度留给连接部分14b。优选的是，磁路形成部分14a和连接部分14b的长度比为1比1。

后轭铁14由这样的磁性材料制成，例如可以是板形磁性金属材料、或者具有磁性粉末熔融于其中的粘合剂或树脂材料。在粘合剂或树脂材料包含熔融磁性粉末的情况下，将粘合剂或树脂材料施加或粘附于对应部分。在这种情况下，可以省略对连接部分14b的施加。

图7(a)至图7(f)是本发明的后轭铁的另一实施方式的装配图。图7(c)是图示后轭铁另一实施方式的图7(d)的J-J俯视图；图7(d)是图示后轭铁另一实施方式的图7(c)的I-I剖视图；图7(e)是图示磁体组件的图7(f)的L-L剖视图；以及图7(f)是图示磁体组件的图7(e)的K-K剖视图。下面对不同于图6的构成进行说明，省略了与图6中所描述构造相同部分的说明。

如图7(c)和图7(d)所示，后轭铁14的连接部分14b形成为凹进部分14c。将凹进部分14c形成为从磁极的外侧面径向向外突出，使得凹进部分14c不会成为用于来自环形磁体9磁极的磁通的传输路径。在除了包含转子磁体9的NS磁极的切换部分及其相邻部分的范围之外所余下的范围内，形成凹进部分14c。这些“相邻部分”由凹进部分14c相应确定。这些凹进部分14c这样形成，使得成对的NS磁极之间的磁通不能穿过在凹进部分14c两侧的后轭铁。

连接部分14b的轴向宽度可以等于磁路形成部分14a的轴向宽度。

(驱动电路)

根据加速、等速、以及减速的速度特性，对本发明的产生振动的步进电机1进行控制。例如，在加速时，使步进电机1在0.3秒至0.5秒内慢慢升到等速。

电机的整体尺寸大大减小，并将单相步进电机应用于产生振动的步进电机1。转速设定为大约10,000rpm。

当将大约1G的振动施加于转动轴时，转动速度达到最大值。下降的减速时间最好尽可能短。

加速是处于达到最大速度(或者等速)的过程，因而，借助于步进驱动的振动不会发生严重问题。然而，减速是处于达到停止的过程，因而振动存在问题。另一方面，励磁时间取决于最大驱动电流。在加速时和等速时，因为振动不存在严重问题，所以，最大驱动电流设定为高电流，用于高速驱动。在减速时，基于保持转矩使步进电机停止。

用带有交变方向电流的驱动电路给单相环形定子线圈8馈电。

用于前述速度控制的控制脉冲信号，通过脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)或者脉冲幅度调制(PAM)进行控制。

(实施例1的效果)

实施例1可以确保不延长起动时间且不增大起动电流的起动。

由于配重部分13布置于转子框架11的一部分，外转子式可以共享用于转子框架11和配重部分13的容纳空间。此配重部分13可以布置在转动部分的最外侧，使配重部分13的半径可以加长以产生强烈振动。另一方面，步进电机没有电刷，因而，与其他无刷电机一样，步进电机基本上不需要维护，并且可以具有较长的寿命。

此外，通过用输入脉冲同步方式控制转动速度，可以线性方式调节振动量，并且可以缩短停止时间。

因为是单相驱动，所以，将具有交变方向的驱动脉冲电流输入到缠绕在定子轭铁6上的单相定子线圈8中。因为是单相，所以线圈减小了所占据的空间和厚度。此外，使控制电路基于电流换向电路，因而，可以简单构成控制电路。

通过组合三种不同高度及宽度和不同面积的极齿6hr、6hw和6hs，如此布置单相定子轭铁组件的极齿6h，以增大起动转矩。结果，能够保持停止位置并使起动特性稳定。

环形磁体9的5个磁极对(既包括各向异性磁体也包括各向同性磁体)全部都均匀磁化。另一方面，一对定子轭铁6的极齿6h中，将仅仅一个极齿对(6hw、6hs)从均匀位置移置在不均匀极齿节距位置处。具体而言，在除了极齿6hw和极齿6hs之外的那些极齿中，为每一定子轭铁布置的相邻极齿之间的节距(或者间隔)都是均匀的。另一方面，只有极齿6hw和极齿6hs形成为具有这种不均匀的节距，使得在离相邻标准极齿6hr和6hr较近侧的节距较短，为标准节距的大约0.9倍，而在离相邻标准极齿6hr和6hr较远侧的节距较长，为标准节距的大约1.1倍。

结果，在用于一个磁极对的中心角度范围内，极齿6hw和6hs处于不平衡方式(或者不等距方式)。结果，使所占据的空间不同，以构成极齿宽度的不同。这里，也可以设置多个节距不均匀的极齿。

在本实施方式的情况下，按比普通节距多几度的方式，增大定子轭铁6的一个磁极对(即极齿6hw和极齿6hs)的相邻磁极对(6hr)之间的极齿节距，使该节距成为不均匀极齿节距。结果，成为不均匀极齿节距的成对极齿的一个极齿6hw具有较大的极齿宽度(也就是，转动长度)(例如，为均匀极齿宽度的大约1.3倍)，而另一极齿6hs具有较小的极齿宽度(例如，为均匀极齿宽度的大约0.7倍)。

因此，参照成对的平均相邻极齿之间的节距，将极齿布置在圆周上，并且，按大于基准角度的角度移动仅仅一个任意极齿对。结果，使起动转矩特性如此改变，例如，如图5(b)所示，因而，可以调节起动位置，以使起动时单向转动。根据所要解决的问题，可以对前述功能单元组合中的构造进行改变。

Claims (10)

1.一种产生振动的步进电机，包括单相定子轭铁组件，所述单相定子轭铁组件包括第一定子轭铁和第二定子轭铁，

所述第一定子轭铁包括第一极齿和第二极齿，所述第一极齿和所述第二极齿在各所述步进电机的径向的最外侧面具有不同的面积，

所述第二定子轭铁包括所述第一极齿和第三极齿，所述第三极齿具有在所述径向的最外侧面的面积，所述第三极齿的面积与所述第一极齿和所述第二极齿的面积不同，以及

布置所述第一定子轭铁和所述第二定子轭铁，使得所述第二极齿和所述第三极齿组合以偏离保持位置，从而增大所述步进电机的起动转矩。

2.根据权利要求1所述的产生振动的步进电机，其中，通过改变所述第一极齿至第三极齿中各极齿的轴向高度和转动方向宽度中的至少一个，设定所述第一极齿至第三极齿的面积。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的产生振动的步进电机，其中所述第一极齿至第三极齿在所述径向最外侧面各具有梯形。

4.根据权利要求3所述的产生振动的步进电机，其中在所述第一极齿至第三极齿中所述梯形的倾角是同样的。

5.根据权利要求1至权利要求4中任一项权利要求所述的产生振动的步进电机，其中所述第二极齿和所述第三极齿以一对或更多的任意n对进行组合方式设置。

6.根据权利要求1所述的产生振动的步进电机，其中

所述第一极齿是梯形标准极齿，

所述第二极齿和所述第三极齿中的一个是梯形宽极齿，所述梯形宽极齿在轴向与所述标准极齿等高，在转动方向比所述标准极齿宽，以及在斜边的倾角方面与所述标准极齿相等，

所述第二极齿和所述第三极齿中的另一个是梯形窄矮极齿，所述窄矮极齿在轴向比所述标准极齿低，在所述转动方向比所述标准极齿窄，以及在斜边的倾角方面与所述标准极齿相等，以及

布置所述第一极齿至第三极齿，以相啮合成梳齿状。

7.根据权利要求1至权利要求6中任一项权利要求所述的产生振动的步进电机，所述电机在与所述单相定子轭铁组件相对的转子中包括转子磁体，所述转子磁体是在不同极齿处在所述转动方向交替磁化的环形磁体。

8.根据权利要求7所述的产生振动的步进电机，其中将所述第一极齿布置为，使其中心与所述转子磁体的NS磁极的切换位置相对，以及

将所述第二极齿和所述第三极齿分别布置为，使其中心以移位角偏离所述NS磁极的切换位置，从而增大起动转矩。

9.根据权利要求7所述的产生振动步进电机，其中所述环形磁体具有环形后轭铁。

10.根据权利要求9所述的产生振动步进电机，其中，在除了包含所述转子磁体NS磁极的切换位置及其相邻部分之外所余下的范围内，所述后轭铁具有凹进部分。

Images