JP2003174763A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多極着磁された永久磁石からなるロータの回
転をギヤで減速して出力する減速機構付のステッピング
モータにおいて、たとえばオープンループ制御によって
指針の位置決めが可能であるなどのステッピングモータ
本来の特性を損なうことなく、よりスムースな回転と低
ノイズ化を再現性良く実現する。 【解決手段】 多極着磁された永久磁石からなるロータ
２０の回転をギヤ６２〜６８で減速して出力する減速機
構付のステッピングモータにおいて、上記ロータ２０に
小歯車６２を同軸連結させるとともに、その小歯車６２
のギヤ歯６２ａと上記ロータ２０の磁極との間に一定の
位置関係を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はステッピングモー
タ、とくに多極着磁された永久磁石からなるロータ（回
転子）の回転をギヤで減速して出力する減速機構付モー
タに適用して有効な技術に関し、たとえば車載用指示計
器の指針駆動に利用される。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体等の電子デバイスの進歩お
よびマイクロコンピュータ等を用いたデジタル制御技術
の進歩に伴い、たとえば速度メータなどの車載用指示計
器における指針の駆動制御も、従前の機械的制御に代わ
ってマイクロコンピュータ等によるデジタル制御が主流
になりつつある。

【０００３】指示計器は目盛盤上での指針の振れ位置に
よって速度等のアナログ量を直感的にわかりやすく表示
することができるが、その指針の振れ位置をデジタル制
御するためにステッピングモータが使われるようになっ
てきた。この場合、そのステッピングモータは、オープ
ンループ制御による指針の位置決めに使われる。すなわ
ち、上記指針に回転出力軸が連結されたステッピングモ
ータに、順方向または逆方向の回転駆動パルスを与える
ことにより、上記指針を双方向に移動させることができ
るとともに、その回転駆動パルスの数によって上記指針
の移動量を制御することができる。ステッピングモータ
の回転量（回転角度）は上記駆動パルスの数によって一
義的に定めることができるので、位置センサーを用いる
複雑なフィードバック・サーボ制御によらずに指針等の
位置決めをなすことができる。

【０００４】この種のステッピングモータは、たとえば
米国特許５，９５９，３７８号に開示されているよう
に、多極着磁された永久磁石からなる円形ロータと、こ
のロータに回転磁界を与えるステータ（固定子）と、上
記回転磁界によって回転駆動されるロータの回転運動を
減速して出力軸に伝達するギヤ減速機構とによって構成
される。

【０００５】図５は従来のステッピングモータの構成例
を示し、とくに、モータ内部の平面配置図とその切断面
図を示す。同図に示すステッピングモータは、略円形の
輪郭形状を有する薄型の樹脂製ケーシング１０内に、ロ
ータ２０、ステータ３０、およびギヤ減速機構（６２〜
６８）が組み込まれている。

【０００６】ロータ２０は硬磁性体を使用した永久磁石
であって、同図に示すように、円周方向にてＳ極とＮ極
が等角間隔（６０度）で交互に現れるように多極着磁さ
れている。ステータ３０はステータヨーク４０とコイル
５０からなる。ステータヨーク４０は軟磁性体であっ
て、その平面形状が変形Ｕ字状（またはＣ字状）に形成
されている。そのＵ字の両端はロータ２０の外周囲面す
なわち磁極通過面に近接対向する磁極部をなす。

【０００７】コイル５０は、ステータヨーク４０の中間
部に嵌着させられた巻線ボビンに巻回されている。ステ
ータスヨーク４０とコイル５０は通常、同図に示すよう
に、２組設けられている。その２組のコイル５０，５０
に２相のパルス駆動電流を通電することにより、回転磁
界を生成してロータ２０をステップ回転駆動することが
できる。そして、その回転量は２相パルス駆動電流の通
電回数すなわちパルス数により、その回転方向は２相パ
ルス駆動電流の位相により、それぞれ制御することがで
きる。

【０００８】ギヤ減速機構は、ロータ２０に軸結（同軸
連結）する第１小歯車６２、この第１小歯車６２に噛合
する第１大歯車６４、この第１大歯車６４に軸結する第
２小歯車６６、およびこの第２小歯車６６に噛合する第
２大歯車６８とによって構成され、最終減速段の第２大
歯車６８の軸がモータの回転出力軸７０としてケース１
０の外部に導出されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したステッピング
モータをたとえば車載用指示計器の指針駆動に使用する
ためには、まず、速度等のアナログ量を違和感なく指示
するために、スムースな回転が要求されるが、さらに最
近は、車内の静音特性が向上したため、静音性に対する
要求レベルがとくに高くなってきている。

【００１０】上述したステッピングモータでは、パルス
駆動電流の通電ごとにロータに回転トルクが発生する。
しかし、ロータとステータ間に作用する磁気吸引力によ
り、ロータを特定の回転位置に引き込んで停止させよう
とする力いわゆるディテントトルクが、ステッピングモ
ータの回転出力にトルクリップルを生じさせて、モータ
の連続的でスムースな回転を阻害するとともに、ノイズ
の発生原因となる。とくに、上述した減速機構付のステ
ッピングモータでは、ギヤ歯同士の当たり音いわゆるギ
ヤ音が大きなノイズ発生原因となるが、そのギヤ音はデ
ィテントトルクの影響によって増大する。

【００１１】そこで、パルス駆動電流を疑似正弦波形化
したり、磁気回路構造を工夫したりして、上記ディテン
トトルクを抑える試みが従来から行なわれてはいるが、
これだけではまだ不十分であった。また、回転量をパル
ス数に応じてステップ制御するというステッピングモー
タの特性上、多少のディテントトルクが残るのは防ぎ得
なかった。

【００１２】上述した減速機構付ステッピングモータで
は、ギヤ歯や軸などでの当たり音を小さくするために、
回転トルクは必要最小限に設計される。しかし、回転ト
ルクを小さくすると、減速機構に使用できる潤滑オイル
は低粘度のものに限られ、その使用量も極力少なくする
必要がある。一般的な動力用のギヤ付モータでは、ギヤ
歯や軸などの隙間を高粘度のグリスで満たすことによっ
て回転のスムース化および低ノイズ化をはかることがで
きるが、上述したステッピングモータでは、それができ
ない。

【００１３】この発明は上述のような問題を鑑みてなさ
れたものであり、その目的は、多極着磁された永久磁石
からなるロータの回転をギヤで減速して出力するステッ
ピングモータにおいて、たとえばオープンループ制御に
よって指針の位置決めが可能であるなどのステッピング
モータ本来の特性を損なうことなく、よりスムースな回
転と低ノイズ化を再現性良く実現することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による手段は、多
極着磁された永久磁石からなるロータの回転をギヤで減
速して出力する減速機構付のステッピングモータにおい
て、上記ロータに小歯車を同軸連結させるとともに、そ
の小歯車のギヤ歯と上記ロータの磁極との間に一定の位
置関係を形成したことを特徴とする。この手段によれ
ば、たとえばオープンループ制御によって指針の位置決
めが可能であるなどのステッピングモータ本来の特性を
損なうことなく、よりスムースな回転と低ノイズ化を再
現性良く実現することができるようになる。

【００１５】上記手段において、上記小歯車を樹脂成形
品で形成するとともに、上記ロータとインサート成形に
より一体化すれば、ギヤ音等を緩衝して一層の低ノイズ
化をはかることができる。また、上記ロータを樹脂製ボ
ス部材とインサート成形により一体化するとともに、上
記ボス部材の一端に上記小歯車を形成し、その他端に上
記位置関係を定めるための位置決め部を形成すれば、小
歯車のギヤ歯と上記ロータの磁極との間に一定の位置関
係があらかじめ形成された複合部品を構成することがで
き、これにより、モータの組立て精度及び作業性が向上
する。

【００１６】上記ボス部材をＴＰＥＥ（ポリエステル系
熱可塑性エラストマー）などの弾性樹脂で形成すれば、
ギヤや軸の当たり音等をさらに緩衝して一層の低ノイズ
化をはかることができる。上記位置決め部としては、ロ
ータの回転中心と同心の多角形状を有するとともに、そ
の多角形状のいずれかの頂点が前記小歯車のギヤ歯の山
または谷のピークに位置対応させられているものが、ロ
ータを多極着磁させる際の治具による位置決めに適して
いる。

【００１７】上記減速機構は、ロータに軸結する第１小
歯車、この第１小歯車に噛合する第１大歯車、この第１
大歯車に軸結する第２小歯車、およびこの第２小歯車に
噛合する第２大歯車とによって構成することができる。
この場合、最終減速段の第２大歯車の軸をモータの回転
出力軸としてケースの外部に導出させることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は本発明による減速機構付ス
テッピングモータの一実施例を示し、とくに、モータ内
部の平面配置図とその切断面図を示す。同図に示すステ
ッピングモータは、略円形の輪郭形状を有する薄型の樹
脂製ケーシング１０内に、ロータ２０、ステータ３０、
およびギヤ減速機構（６２〜６８）が組み込まれてい
る。

【００１９】ロータ２０は硬磁性体を使用した永久磁石
であって、円周方向にてＳ極とＮ極が等角間隔（６０
度）で交互に現れるように多極着磁されている。図示の
場合、ロータ２０は３対６極に着磁されている。

【００２０】ステータ３０はステータヨーク４０とコイ
ル５０からなる。ステータヨーク４０は軟磁性体であっ
て、その平面形状が変形Ｕ字状（またはＣ字状）に形成
されている。そのＵ字の両端はロータ２０の外周囲面す
なわち磁極通過面に近接対向する磁極部をなす。コイル
５０は、ステータヨーク４０の中間部に嵌着させられた
巻線ボビンに巻回されている。ステータスヨーク４０と
コイル５０は２組設けられている。

【００２１】上記２組のコイル５０，５０に２相のパル
ス駆動電流を通電することにより、回転磁界を生成して
ロータ２０をステップ回転駆動することができる。そし
て、その回転量は２相パルス駆動電流の通電回数すなわ
ちパルス数により、その回転方向は２相パルス駆動電流
の位相により、それぞれ制御することができる。

【００２２】ギヤ減速機構は、ロータ２０に軸結（同軸
連結）する第１小歯車６２、この第１小歯車６２に噛合
する第１大歯車６４、この第１大歯車６４に軸結する第
２小歯車６６、およびこの第２小歯車６６に噛合する第
２大歯車６８とによって構成され、最終減速段の第２大
歯車６８の軸がモータの回転出力軸７０としてケース１
０の外部に導出されている。

【００２３】各歯車６２〜６８はそれぞれ樹脂成形品で
あって、第１小歯車６２はロータ２０と共に回転自在に
軸支されている。この第１の小歯車６２は、図２に示す
ように、略円柱状の樹脂製ボス部材８０の一端（上端）
側に一体成形により形成されている。また、第１大歯車
６４と第２小歯車６６は互いに一体成形されるとともに
回転自在に軸支されて、第１小歯車６２と第２大歯車６
８にそれぞれ噛合する。

【００２４】図２はボス部材８０の実施例を示し、とく
に、その側面図と断面図および全体の斜視図（Ｃ方向）
を示す。同図に示すように、ボス部材８０は、樹脂成形
時に永久磁石からなるロータ２０と一体化されたインサ
ート成形品である。このボス部材８０の円柱軸心には貫
通軸孔８２が形成されている。この貫通軸孔８２にはロ
ータ２０の回転支軸２２が嵌挿される。この支軸２２に
より、ボス部材８０と一体のロータ２０と第１小歯車６
２が回転自在に軸支される。支軸２２はケース１０内の
所定位置に立設される（図１）。

【００２５】上記ボス部材８０の他端には位置決め部８
４が一体に形成されている。この位置決め部８４は、ボ
ス部材８０の他端に突出する円形台部に形成されてい
る。この台部には、ロータ２０の回転中心と同心の正６
角形溝が形成されるとともに、その正６角溝を特定方向
に横断する切欠溝が形成されている。この６角溝および
／または切欠溝は、ボス部材８０を治具に固定する際
に、回転方向の位置決め基準として使用できるように形
成されている。治具はロータ２０を多極着磁する際の位
置決めと固定に使われる。

【００２６】図３は、上記ボス部材８０に形成された位
置決め部８４と第１小歯車６２間の位置関係を示す。同
図に示すように、上記位置決め部８４は、ボス部材８０
の一端に一体形成されている第１小歯車６２のギヤ歯６
２ａに対して、一定の位置関係（角度）を持つように形
成されている。具体的には、同図に示すように、位置決
め部８４の正６角形のいずれかの頂点がギヤ歯６２ａの
山（または谷）のピークに合致（位置対応）するように
なっている。そして、そのギヤ歯６２ａの山（または
谷）のピークを位置基準（角度）にしてロータ２０が多
極着磁されている。

【００２７】図４は上記ボス部材８０と一体にインサー
ト成形されたロータ２０の多極着磁を行う際の段取り状
態を示す。同図に示すように、ロータ２０の多極着磁
は、このロータ２０と一体化されたボス部材８０を治具
９２に固定した状態で、着磁装置９４を用いて行う。着
磁装置９４による多極着磁は治具９２に対して一定の位
置関係で行われる。治具９２とボス部材８０の間は上記
位置決め部８４によって一定の位置決め状態が確保され
るようになっている。これにより、ロータ２０の多極着
磁は、第１小歯車６２のギヤ歯に対して、常に一定の位
置関係で行われる。

【００２８】上述のように、本発明のステッピングモー
タでは、多極着磁されたロータ２０の磁極と、このロー
タ２０と一体になって回転する減速用歯車（第１小歯車
６２）のギヤ歯との間に、一定の位置関係が形成される
ようになっている。この位置関係は、本発明者が知得し
たところによれば、回転のスムース化と低ノイズ化に非
常に大きく関与し、その最適化によって、よりスムース
な回転と低ノイズ化を実現できることが判明した。

【００２９】すなわち、ステッピングモータでは、パル
ス駆動電流の通電によってロータ２０がステップ回転駆
動されるので、そのロータ２０の回転トルクは、ロータ
２０の磁極とステータヨーク４０の磁極との間の位置関
係により、一定角度ごとに変動し、且つ、ディテントト
ルクの影響を受けてトルクリップルを生じる。ディテン
トトルクは、磁気回路構造の最適化などによって低減は
できるものの、若干残ることは避けられない。また、ロ
ータ２０の回転をスムース化するためには駆動電流の正
弦波化が有効であるが、上記ディテントトルが若干残っ
ているために、１通電ステップ（マイクロステップ）ご
との回転角にムラが生じる。結局、ロータ２０の回転量
は、そのロータ２０の回転位置により、また１通電ステ
ップごとに、それぞれ変動するのを避けることができな
い。

【００３０】一方、減速機構におけるギヤ歯同士の噛み
合いは、現実に得られる機械精度や温度等の環境条件の
変動を考慮しなければならないので、その噛み合いに若
干の遊び余裕（tolerance）を持たせて設計される。こ
のため、ギヤ歯同士の噛み合いが密になるところでロー
タが大きく回転した場合と、ギヤ歯同士の噛み合いが疎
になるところでロータが大きく回転した場合とでは、回
転の伝動量に大きな差が生じ、これを出力軸７０側から
見ると、大きく動いたり小さく動いたりといったぎこち
ない動きになってしまう。

【００３１】しかし、上述した本発明の構成では、ロー
タ２０の磁極と第１小歯車６２のギヤ歯６２ａとの間に
一定の位置関係が形成されるようになっているので、上
述したような回転ムラを生じない最適な位置関係を再現
性良く形成することができる。さらに、上記ボス部材８
０をＴＰＥＥ（ポリエステル系熱可塑性エラストマー）
などの弾性樹脂で形成すれば、ロータ２０とその支軸２
２とが当たる音や、第１小歯車６２とこれに噛合する大
１歯車６４間での当たり音等も効果的に緩衝・低減でき
るようになって、一層の低ノイズ化が達成される。

【００３２】上述した以外の位置決め手段としては、歯
車のギヤ歯を位置決め部として利用することも可能であ
るが、たとえばＴＰＥＥなどの樹脂製の歯車のギヤ歯は
柔軟で変形あるいは損傷しやすいため、治具による機械
的な位置決めには適さない。しかし、たとえば光学読取
りなどの非機械的な手段も用いた位置決め手段を使用で
きる場合は、歯車のギヤ歯を位置決め基準として利用す
ることができる。

【００３３】以上、本発明をその代表的な実施例に基づ
いて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様
が可能である。たとえば、上記位置決め部８４は６角溝
ではなく６角突起あるいは６角以外の多角形であっても
よい。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、多極着磁された永久磁
石からなるロータの回転をギヤで減速して出力するステ
ッピングモータにおいて、たとえばオープンループ制御
によって指針の位置決めが可能であるなどのステッピン
グモータ本来の特性を損なうことなく、よりスムースな
回転と低ノイズ化を再現性良く実現することができるよ
うになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による減速機構付ステッピングモータの
一実施例を示し、とくにモータ内部の平面配置図とその
切断面図を示す図である。

【図２】図１のモータで使用しているボス部材の実施例
を示し、とくにその側面図と断面図および全体の斜視図
を示す図である。

【図３】ボス部材に形成された位置決め部と第１小歯車
間の位置関係を示す図である。

【図４】ボス部材と一体にインサート成形されたロータ
の多極着磁を行う際の段取り状態を示す図である。

【図５】従来のステッピングモータの構成例を示し、と
くにモータ内部の平面配置図とその切断面図を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０ ケース ２０ ロータ ２２ 支軸 ３０ ステータ ４０ ステータヨーク ５０ コイル ６２ 第１小歯車 ６２ａ ギヤ歯 ６４ 第１大歯車 ６６ 第２小歯車 ６８ 第２大歯車 ７０ 回転出力軸 ８０ ボス部材 ８２ 貫通軸孔 ８４ 位置決め部 ９２ 治具 ９４ 着磁装置

フロントページの続き (72)発明者 前野 宏之 東京都港区新橋５丁目36番11号 エフ・デ ィー・ケイ株式会社内 Ｆターム(参考） 3J009 DA11 EA05 EA11 EA21 EA32 EA44 EB06 EB18 EC02 FA11

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多極着磁された永久磁石からなるロータ
   の回転をギヤで減速して出力する減速機構付のステッピ
   ングモータにおいて、上記ロータに小歯車を同軸連結さ
   せるとともに、その小歯車のギヤ歯と上記ロータの磁極
   との間に一定の位置関係を形成したことを特徴とするス
   テッピングモータ。
2. 【請求項２】 請求項１の発明において、前記小歯車を
   樹脂成形品で形成するとともに、前記ロータとインサー
   ト成形により一体化したことを特徴とするステッピング
   モータ。
3. 【請求項３】 請求項１または２の発明において、前記
   ロータを樹脂製ボス部材とインサート成形により一体化
   するとともに、上記ボス部材の一端に前記小歯車を形成
   し、その他端に前記位置関係を定めるための位置決め部
   を形成したことを特徴とするステッピングモータ。
4. 【請求項４】 請求項３の発明において、前記ボス部材
   をＴＰＥＥなどの弾性樹脂で形成したことを特徴とする
   ステッピングモータ。
5. 【請求項５】 請求項３または４のの発明において、前
   記位置決め部はロータの回転中心と同心の多角形状を有
   するとともに、その多角形状のいずれかの頂点が前記小
   歯車のギヤ歯の山または谷のピークに位置対応させられ
   ていることを特徴とするステッピングモータ。
6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれかの発明におい
   て、前記減速機構は、ロータに軸結する第１小歯車、こ
   の第１小歯車に噛合する第１大歯車、この第１大歯車に
   軸結する第２小歯車、およびこの第２小歯車に噛合する
   第２大歯車とによって構成され、最終減速段の第２大歯
   車の軸がモータの回転出力軸としてケースの外部に導出
   されていることを特徴とするステッピングモータ。