JP2003219624A - 多相永久磁石形ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁極数を増やさずに相数を増やし、駆動回路
が簡単で、高分解能、高精度で小型の多相永久磁石形ス
テッピングモータを提供する。 【解決手段】 固定子Ｓ１は、夫々内周に向けて求心状
に等ピッチで形成された６個の磁極３Ａ１〜３Ａ６、３
Ｂ１〜３Ｂ６を有し、軸方向に密着する第１、第２の単
位固定子ＳＡ、ＳＢを備える。各磁極の先端部には３個
の極歯３ａ、３ｂが形成されており、根本部分には、平
角若しくはシート状のコイル４が設けられている。各単
位固定子ＳＡ、ＳＢは、磁極ピッチの１／２だけ回転偏
位している。回転子Ｒ１を構成する第１、第２の単位回
転子ＲＡ、ＲＢは、円筒形の永久磁石９とこの永久磁石
９を回転子軸８に固定する磁性体より成る保持部材１０
とを備える。各永久磁石９は、軸方向に着磁されたＮ
極、Ｓ極を有し、互いに同一磁性極ピッチの１／４だけ
回転変位した状態で回転子軸８に固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットや半導体
製造装置などの高速回転と精密な位置決め精度とが要求
される産業機器に最適な高分解能の多相永久磁石形ステ
ッピングモータに関する。

【０００２】

【従来の技術】ステッピングモータには、回転子に永久
磁石を使用しないバリアブル・レラクタンス形(ＶＲ形)
と、回転子を永久磁石で構成した永久磁石形(ＰＭ形)
と、両者を混合したハイブリッド形(ＨＢ形)とがある。
ＰＭ形、ＨＢ形は、小型化が容易であるため、比較的小
型の産業機器に用いられる。中でもＨＢ形は、高精度、
高トルク、微小ステップ角等に優れた特性を示すため、
多くの分野で活用されている。一方、ＰＭ形は、回転子
に円筒状の永久磁石を使用しているため、低騒音で高速
回転を得られるという、ＨＢ形にない特徴を備えてい
る。

【０００３】図１７は、従来のインナーロータ形ＰＭ形
ステッピングモータの構造を示す縦断正面図、図１８は
図１７のＸ―Ｘ′断面図である。このモータは、内周に
向けて求心状に複数の磁極１０３が形成された固定子１
０１と、固定子１０１の内周に位置して回転子軸８に固
定された永久磁石形の回転子１００とを備える。固定子
１０１は、円筒状のケーシング１の内周に固定されてい
る。ケーシング１の両開口にはエンドプレート５、６が
取り付けられ、これらのエンドプレート５、６の中央に
装着された軸受７ａ、７ｂによって回転子軸８に支承さ
れている。なお、回転子１００は支持体１０２を介して
回転子軸８に回転自在に支持されている。

【０００４】固定子１０１の磁極１０３は、リング状の
固定子鉄心１０１Ａから内周に向けて等ピッチで６個形
成され、夫々の内周側の先端部には３個の極歯１０３ａ
が形成されている。各磁極１０３には、励磁用のコイル
１０４が設けられている。

【０００５】回転子１００は、軸方向に着磁されたＮ
極、Ｓ極を固定子１０１の極歯１０３ａのピッチに合わ
せて回転方向に交互に配列した円筒形の永久磁石１００
Ａを備え、その外周面と固定子１０１の極歯１０３ａの
先端との間に所定のエアギャップを有する。なお、固定
子１０１の磁極１０３の数と極歯１０３ａの数、回転子
１００のＮ極及びＳ極の数は、モータの相数等の条件に
よって異なる。

【０００６】ところで、ステッピングモータの基本特性
であるステップ角θsは、下記の式（１）により求めら
れる。 θs＝３６０°／(Ｍ×Ｐr)・・・・（１） 但し、Ｍは固定子の相数、Ｐrは回転子の磁極(Ｎ極、Ｓ
極)の数である。ステップ角θsは、入力信号１パルスに
対応する回転子軸の回転角度である。例えば、回転子の
磁極数３２の３相ＰＭ形ステッピングモータのステップ
角θsは、θs＝３６０°／３×３２＝３．７５°とな
る。

【０００７】分解能が高く制御性の良いモータを得よう
とすると、ステップ角を小さくする必要があり、そのた
めには回転子の磁極数Ｐrを多くするか、相数Ｍを多く
しなければならない。ＰＭ形ステッピングモータの回転
子は、上記のように円周方向に交互にＮ極とＳ極とを着
磁した円筒状の永久磁石により構成されるため、回転子
の磁極数Ｐrの最大値は、回転子の外径と、着磁装置の
精度によって決まり、小型のモータでは１００極程度が
上限となる。そこで、より高い分解能を得ようとする
と、相数Ｍを増やす必要がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のＰＭ形ステッピングモータは、分解能を高める
ために相数を増やそうとすると、固定子の磁極数が多く
なるため、小型のモータではコイルを巻くスロットの断
面積が小さくなり、コイルの銅量が少なくなると共に、
巻線作業が複雑になり工数が増えるため、製造コストが
高くなるという問題を有している。

【０００９】図１９は、従来のＰＭ形ステッピングモー
タを６相にしてコイルをモノファイラ巻きにした結線例
を示す。図１９において、１Ｅ乃至２４Ｅは固定子の各
磁極に設けたコイル、Ａ乃至Ｆ、及び、Ａ′乃至Ｆ′は
各コイルから引き出された引出線の端子を示す。コイル
１Ｅ、７Ｅ、１３Ｅ、１９Ｅは、コイル１Ｅ、１３Ｅが
コイル７Ｅ、１９Ｅに対して逆相になるように端子Ａ、
Ａ′間に直列に接続されている。同様にして、コイル２
Ｅ、８Ｅ、１４Ｅ、２０Ｅは端子Ｂ、Ｂ′間、コイル３
Ｅ、９Ｅ、１５Ｅ、２１Ｅは端子Ｃ、Ｃ′間、コイル４
Ｅ、１０Ｅ、１６Ｅ、２２Ｅは端子Ｄ、Ｄ′間、コイル
５Ｅ、１１Ｅ、１７Ｅ、２３Ｅは端子Ｅ、Ｅ′間、コイ
ル６Ｅ、１２Ｅ、１８Ｅ、２４Ｅは端子Ｆ、Ｆ′間に夫
々直列に接続されている。

【００１０】図１９の結線に対する単相励磁のバイポー
ラ駆動の励磁シーケンスを図２０に示す。図２０の横軸
は、励磁シーケンスの第１ステップから第１５ステップ
までの時間推移を示し、縦軸には励磁電流を供給する端
子名を記している。各端子に対応する直線上下の四角形
は、該当する端子に対して励磁電流を流すタイミングを
示し、直線の上側の四角形は、正方向、例えばＡから
Ａ′方向に電流を流すことを示し、下側の四辺形は、逆
方向、例えばＡ′からＡ方向に電流を流すことを示す。

【００１１】図１９に示すように、従来のＰＭ形ステッ
ピングモータを６相にすると、固定子の磁極が２４極と
なり、小型のモータでは前記のようにコイルの銅量、製
造コストの面から実用が難しく、固定子の磁極が１２極
の３相構造が小型ＰＭステッピングモータの実用上の限
界であった。従って、回転子の磁極数を１００とする
と、従来のＰＭ形ステッピングモータのステップ角θs
は１．２°が限界である。

【００１２】なお、マイクロステップ駆動によれば、ス
テップ角以下の分解能を得ることも可能であるが、マイ
クロステップ駆動の場合は回転子の静止位置が各相に流
す電流の相対値で決められるため、各コイルに供給する
電流値のバラツキ、スイッチング素子の特性のバラツキ
等により、高い精度を得るのが困難である。また、マイ
クロステップ駆動のためには、複雑な駆動回路が必要と
なるため、駆動回路が高価になるという問題がある。

【００１３】本発明は、上述した従来技術の課題(問題
点)を解決し、磁極数を増やさずに相数を増やし、よっ
て、モータのサイズを大きくすることなく、また、複雑
な駆動回路を必要とせずに、高分解能で高精度のＰＭ形
ステッピングモータを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載の本発明に基づくインナーロータ形
のＰＭ形ステッピングモータは、内周に向けて求心状に
複数の磁極が形成された固定子と、固定子の内周に位置
して回転子軸に固定された永久磁石形の回転子とを備え
る構成において、固定子は、軸方向に密着して並列する
同一構造の第１、第２の単位固定子を備え、各単位固定
子は、内周に向けて求心状に等ピッチで形成されて平角
若しくはシート状のコイルが設けられた複数の磁極を有
し、磁極の内周側の先端には、夫々所定数の極歯が形成
され、第１、第２の単位固定子は、各単位固定子の磁極
ピッチの１／２だけ回転偏位して配置され、回転子は、
第１、第２の単位固定子に対向する位置に配置される同
一構造の第１、第２の単位回転子を備え、各単位回転子
は、軸方向に着磁されたＮ極、Ｓ極を極歯のピッチに合
わせて回転方向に交互に配列した円筒形の永久磁石とこ
の永久磁石を回転子軸に固定する磁性体より成る保持部
材とを備え、第１、第２の単位回転子は、永久磁石の同
一磁性極ピッチ(隣接するＮ極とＮ極、若しくはＳ極と
Ｓ極とのピッチ)の１／４だけ回転変位した状態で、中
間に非磁性体を挟んで軸方向に並列しているように構成
した。

【００１５】また、請求項２に記載の本発明に基づくア
ウターロータ形のＰＭ形ステッピングモータは、外周に
向けて放射状に複数の磁極が形成された固定子と、該固
定子の外周を囲んで配置され回転子軸に固定された永久
磁石形の回転子とを備えるアウターロータ形の永久磁石
形ステッピングモータにおいて、固定子は、軸方向に密
着して並列する同一構造の第１、第２の単位固定子を備
え、各単位固定子は、外周に向けて放射状に等ピッチで
形成されて平角若しくはシート状のコイルが設けられた
複数の磁極を有し、該磁極の外周側の先端には、夫々所
定数の極歯が形成され、第１、第２の単位固定子は、各
単位固定子の磁極ピッチの１／２だけ回転偏位して配置
され、回転子は、第１、第２の単位固定子に対向する位
置に配置される同一構造の第１、第２の単位回転子を備
え、各単位回転子は、軸方向に着磁されたＮ極、Ｓ極を
極歯のピッチに合わせて回転方向に交互に配列した円筒
形の永久磁石を備え、これらの永久磁石は、回転子軸に
磁性体より成る保持部材により固定され、第１、第２の
単位回転子は、永久磁石の同一磁性極ピッチの１／４だ
け回転変位した状態で、中間に非磁性体を挟んで軸方向
に並列しているように構成した。

【００１６】上記の各構成によれば、固定子の磁極数を
増加させることなく相数を増やすことができ、高分解能
のステッピングモータを提供することができる。また、
コイルの干渉がないため、第１、第２の単位固定子を密
着させることができ、モータ長が延びるのを抑えること
ができる。なお、請求項３に記載のように、第１、第２
の単位固定子の磁極を夫々６極とすれば、６相モータを
適正に構成することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明にかかる多相ＰＭ形
ステッピングモータの各実施の形態について説明する。
第１の実施の形態はインナーロータ形、第２の実施の形
態はアウターロータ形の６相ＰＭ形ステッピングモータ
である。

【００１８】第１の実施の形態：図１は、本発明の第１
の実施の形態であるインナーロータ形の多相ＰＭステッ
ピングモータの例示として示した６相ＰＭステッピング
モータの縦断正面図、図２は図１のＸ−Ｘ′の方向の断
面図である。第１の実施の形態のステッピングモータ
は、内周に向けて求心状に６個の磁極が形成された固定
子Ｓ１と、固定子Ｓ１の内周に位置して回転子軸８に固
定された永久磁石形の回転子Ｒ１とを備える。固定子Ｓ
１は、円筒状のケーシング１の内周に固定されている。
ケーシング１の両開口にはエンドプレート５、６が取り
付けられ、これらのエンドプレート５、６は、その中央
に装着された軸受７ａ、７ｂを介して回転子軸８によっ
て支持されている。一方、回転子Ｒ１は磁性体より成る
保持部材１０を介して回転子軸８に固定される。

【００１９】固定子Ｓ１は、軸方向に密着して並列する
同一構造の第１、第２の単位固定子ＳＡ、ＳＢを備え
る。第１の単位固定子ＳＡは、図２に示すように、リン
グ状の固定子鉄心２から内周に向けて求心状に等ピッチ
で形成された６個の磁極３Ａ１〜３Ａ６を有し、第２の
単位固定子ＳＢは、同様に６個の磁極３Ｂ１〜３Ｂ６を
有する。各磁極３Ａ１〜３Ａ６、３Ｂ１〜３Ｂ６の内周
側の先端部には、複数個例えば３個の極歯３ａ、３ｂが
形成されており、根本部分には、平角若しくはシート状
のコイル４Ａ１〜４Ａ６、４Ｂ１〜４Ｂ６が設けられて
いる。各単位固定子ＳＡ、ＳＢは、図３に示すような磁
性材板ＳＰを所定枚数積層、圧着して構成される。磁性
材板ＳＰは、プレスによる打ち抜き加工により作成され
る。

【００２０】各単位固定子ＳＡ、ＳＢは６個の磁極を有
するため、磁極のピッチは６０°である。第１、第２の
単位固定子ＳＡ、ＳＢは、各単位固定子の磁極ピッチの
１／２、即ち、３０°だけ回転偏位して配置されるた
め、第１の単位固定子ＳＡの任意の磁極、例えば磁極３
Ａ１と隣接する第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ１との
角度間隔は３０°となる。

【００２１】また、平角若しくはシート状のコイルを用
いているため、コイルエンド及びコイルのクロスによる
巻き太りが発生せず、磁極の一部を内側から見た斜視図
である図４に示すように、第１の単位固定子ＳＡと第２
の単位固定子ＳＢとを密着させてもコイルは互いに干渉
しない。

【００２２】回転子Ｒ１は、図１に示すように、第１、
第２の単位固定子ＳＡ、ＳＢに内周側から対向する位置
に配置される同一構造の第１、第２の単位回転子ＲＡ、
ＲＢを備える。各単位回転子ＲＡ、ＲＢは、円筒形の永
久磁石９とこの永久磁石９を回転子軸８に固定する磁性
体より成る保持部材１０とを備え、中間に非磁性体１１
を挟んで軸方向に並列・配置するように構成している。

【００２３】第１、第２の単位回転子ＲＡ、ＲＢの永久
磁石９は、図２及び回転子の斜視図である図５(Ａ)に示
すように、軸方向に着磁されたＮ極、Ｓ極を固定子の極
歯３ａ、３ｂのピッチに合わせて回転方向に交互に配列
して構成される。回転子の永久磁石を展開して示す図５
(Ｂ)に示すように、各単位回転子ＲＡ、ＲＢの永久磁石
９の同一磁性極ピッチ(隣接するＮ極とＮ極、若しくは
Ｓ極とＳ極とのピッチ)をτＲとすると、隣接する異性
極のピッチは、τＲ／２であり、第１の単位回転子ＲＡ
の永久磁石と、第２の単位回転子ＲＢの永久磁石とは、
同一磁性極ピッチτＲの１／４、即ち、τＲ／４だけ回
転変位した状態で回転子軸８に固定されている。

【００２４】次に、各単位固定子ＳＡ、ＳＢの磁極の極
歯と、各単位回転子ＲＡ、ＲＢの磁極との関係を図６に
基づいて説明する。図６は、固定子の磁極と回転子の永
久磁石とを展開して示す説明図である。図６において、
３Ａ１、３Ａ２は第１の単位固定子ＳＡに構成された６
極の磁極のうちの隣接する２極、３Ｂ１は第２の単位固
定子ＳＢに形成された６極の磁極のうちの１極を示す。
なお、図６では磁極３Ａ１、３Ａ２、３Ｂ１を同列に示
しているが、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ１、３Ａ
２は第１の単位回転子ＲＡに対向し、第２の単位固定子
ＳＢの磁極３Ｂ１は第２の単位回転子ＲＢに対向する。

【００２５】図６に示されるように、永久磁石９の同一
磁性極ピッチをτＲ、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ
１の極歯が第１の単位回転子ＲＡの一方の磁極(この例
ではＮ極)と正対する際に第２の単位固定子ＳＢの隣接
する磁極３Ｂ１の極歯と、第２の単位回転子ＲＢの同一
磁性極(この例ではＮ極)との偏差角をαとすると、第１
の単位固定子ＳＡの磁極と、隣接する第２の単位固定子
ＳＢの磁極との間の偏位角θdは、下記（２）式で求め
られる。 θd＝(１／４)τＲ＋ｎτＲ±α・・・・・（２） 但し、ｎはモータの構造により定まる１以上の整数であ
る。同一単位回転子の異極間のピッチ角は、τＲの１／
２であり、各単位回転子上のＮ、Ｓ両磁極の総数(磁極
数)Ｐrを用いて（３）式のように表すことができる。 τＲ／２＝３６０°／Ｐr ・・・・（３）

【００２６】一方、モータの相数をｍとすると、後述す
るように回転子磁極は２ｍステップで１ピッチ(τＲ)回
転するため、上記の偏差角α、偏位角θｄは、夫々(４)
式、(５)式のように表される。 α＝(１／２ｍ)τＲ ・・・・（４） θd＝３６０°／２ｍ ・・・・（５） これらを（２）式に代入すると、（６）式のよう変形さ
れる。 ３６０°／２ｍ＝(１／４)τＲ＋ｎτＲ±(１／２ｍ)τＲ ・・・（６） また、（３）式からτＲ＝７２０°／Ｐrであるから、
これを（６）式に代入すると、 １８０°／ｍ＝１８０°／Ｐr＋７２０°×ｎ／Ｐr±３
６０°／(ｍ×Ｐr) となり、これを整理すると、（７）式が得られる。 Ｐr＝ｍ(４ｎ＋１)±２ ・・・（７）

【００２７】即ち、各単位回転子上のＮ、Ｓ両磁極の総
数Ｐrは、上記（７）式により求められる。第１の実施
の形態のステッピングモータは６相であるため、ｍ＝６
であり、従って、 Ｐr＝２４ｎ＋４ または、 Ｐr＝２４ｎ＋８ となる。

【００２８】また、（４）式、（５）式にｍ＝６を代入
すると、 θd＝３０゜ α＝τＲ／１２ となる。同一の単位固定子における各磁極間のピッチ角
θsは偏位各θdの２倍、即ち６０゜である。なお、特定
の磁極の極歯が対応する単位回転子の磁極と正対してい
る場合、両単位固定子を含めて隣の(偏位角３０°の)磁
極の極歯の対応する単位回転子の磁極に対する偏差角は
αであるが、１つおいて隣の(偏位角６０°の)磁極の極
歯の対応する単位回転子の磁極に対する偏差角は２α、
次の磁極の偏差角は３αというように、偏差角はαの倍
数で増加する。

【００２９】次に、上記の６相モータのコイルのモノフ
ァイラ巻きによる結線例を図７に基づいて説明する。同
図において、実線で示す六角形は第１の単位固定子ＳＡ
の磁極に設けたコイル４Ａ１乃至４Ａ６を、点線で示す
六角形は第２の単位固定子ＳＢの磁極に設けたコイル４
Ｂ１乃至４Ｂ６を夫々示している。第１の単位固定子Ｓ
Ａのコイル４Ａ１、４Ａ４は、同一巻方向で端子Ａ、
Ａ′間に直列に接続されている。同様に、コイル４Ａ
２、４Ａ５は端子Ｂ、Ｂ′間、コイル４Ａ３、４Ａ６は
端子Ｃ、Ｃ′間に直列に接続されている。また、第２の
単位固定子ＳＢのコイル４Ｂ１、４Ｂ４は、端子Ｄ、
Ｄ′間に同一巻方向で直列に接続されている。同様に、
コイル４Ｂ２、４Ｂ５は端子Ｅ、Ｅ′間、コイル４Ｂ
３、４Ｂ６は端子Ｆ、Ｆ′間に直列に接続されている。

【００３０】上記のように、第１の実施の形態では、各
単位固定子の１８０°で対向する一対の磁極に設けられ
た２つのコイルが互いに接続されて１相を形成し、各単
位固定子毎に３相、合計６相の励磁回路を構成してい
る。

【００３１】次に、図７に示すように結線されたコイル
に電源を供給する励磁回路を図８を参照して説明する。
図８の励磁回路は、単相励磁により駆動する場合の回路
であり、直流電源Ｖが供給されるプラス側、マイナス側
の電源ライン間に、スイッチングトランジスタを２個直
列に接続した回路を１２回路並列させ、各直列回路内で
２個のスイッチングトランジスタの接続点に各端子Ａ〜
Ｆ、Ａ′〜Ｆ′を接続している。図８において、Ｔ１乃
至Ｔ２４は各コイルを励磁するためのスイッチングトラ
ンジスタであり、各スイッチングトランジスタの制御回
路は、図示を省略している。

【００３２】例えば、スイッチングトランジスタＴ１と
Ｔ１３とは電源ライン間に直列に接続され、その接続点
に第１の単位固定子ＳＡのコイル４Ａ１と４Ａ４とを直
列に接続した回路の一方の端子Ａが接続され、直列接続
されたスイッチングトランジスタＴ２とＴ１４との接続
点に他方の端子Ａ′が接続されている。また、スイッチ
ングトランジスタＴ３とＴ１５とは電源ライン間に直列
に接続され、その接続点に第１の単位固定子ＳＡのコイ
ル４Ａ２と４Ａ５とを直列に接続した回路の一方の端子
Ｂが接続され、スイッチングトランジスタＴ４とＴ１６
との接続点に他方の端子Ｂ′が接続されている。以下説
明は省略するが、同様に、ブリッジ接続した４個のスイ
ッチング素子の接続点に、同一巻方向に直列に接続した
コイルの端子が接続されている。

【００３３】次に、図８に示した励磁回路による単相励
磁の励磁シーケンスを図９に基づいて説明する。図９の
横軸は、励磁シーケンスにおける第１ステップから第１
５ステップまでの時間推移を示し、縦軸には、励磁電流
を供給する各端子名を記している。各端子に対応する直
線上下の四角形は、該当する端子に対して励磁電流を流
すタイミングを示し、直線の上側の四角形は、正方向、
例えばＡからＡ′方向に電流を流すことを示し、下側の
四辺形は、逆方向、例えばＡ′からＡ方向に電流を流す
ことを示す。

【００３４】ステップ１では、スイッチングトランジス
タＴ１とＴ１４を導通させ、端子ＡからＡ′方向(正方
向)へ電流を流す。これにより、第１の単位固定子ＳＡ
のコイル４Ａ１と４Ａ４とに正方向に電流を流し、この
コイルが設けられた磁極ＳＡ１とＳＡ４とを所定極性
(この例ではＳ極性)に励磁する。ステップ２では、スイ
ッチングトランジスタＴ７とＴ２０とを導通させ、端子
ＤからＤ′方向(正方向)へ電流を流す。これにより、第
２の単位固定子ＳＢのコイル４Ｂ１と４Ｂ４とに正方向
に電流を流し、このコイルが設けられた磁極３Ｂ１と３
Ｂ４とをＳ極性に励磁する。ステップ３では、スイッチ
ングトランジスタＴ４とＴ１５とを導通させ、端子Ｂ′
からＢ方向(逆方向)へ電流を流す。これにより、第１の
単位固定子ＳＡのコイル４Ａ２と４Ａ５とに逆方向に電
流を流し、このコイルが設けられた磁極３Ａ２と３Ａ５
とをＮ極性に励磁する。以下、図９に示すように、各ス
イッチングトランジスタを切り替えて励磁シーケンスを
継続する。

【００３５】第１の実施の形態のモータの相数ｍは６で
あるため、２ｍ＝１２ステップで回転子が１ピッチ(τ
Ｒ)回転する。即ち、ステップ１から１２まで回転子Ｒ
１は単位回転子の磁極ピッチτＲだけ回転し、ステップ
１３以降はステップ１からと同様の励磁を繰り返す。

【００３６】次に、図９に示す励磁シーケンスに従って
モータ(回転子)が回転する状況を図１０に基づいて詳細
に説明する。図１０は、固定子の磁極と回転子の永久磁
石とを展開し、図９に示すステップ毎の回転子の回転に
よる位置関係の変化を示す説明図である。なお、回転子
の回転位置のステップ毎の変化を示すため、第１の単位
回転子ＲＡの特定のＮ極のものをＮを丸で囲んで示して
いる。

【００３７】ステップ１では、前記のように第１の単位
固定子ＳＡの磁極３Ａ１と３Ａ４（図示せず）とがＳ極
に励磁されるため、第１の単位回転子ＲＡのＮ極が極歯
に吸引されて正対する。ステップ２では、第２の単位固
定子ＳＢの磁極３Ｂ１と３Ｂ４（図示せず）とがＳ極に
励磁されるため、第２の単位回転子ＲＢのＮ極が極歯に
吸引されて正対する。ステップ１からステップ２への移
行により、回転子は角度αだけ回転する。

【００３８】ステップ３では、第１の単位固定子ＳＡの
磁極３Ａ２と３Ａ５（図示せず）とがＮ極に励磁される
ため、第１の単位回転子ＲＡのＳ極が極歯に吸引されて
正対する。ステップ４では、第２の単位固定子ＳＢの磁
極３Ｂ２と３Ｂ５（図示せず）とがＮ極に励磁されるた
め、第２の単位回転子ＲＢのＳ極が極歯に吸引されて正
対する。ステップ２からステップ３への移行、ステップ
３からステップ４への移行によっても、回転子は角度α
ずつ回転する。以下、図９の励磁シーケンスに従って励
磁されることにより、回転子はステップ毎に角度αずつ
回転する。なお、図１０では、作図の都合上、ステップ
２からステップ６における第１の単位固定子ＳＡと第２
の単位固定子ＳＢの各磁極の励磁により生じる磁極極性
を夫々のステップにおける対応位置に極性のみを記載し
て示している。

【００３９】上記の図８乃至図１０の例では、単相励磁
の場合について説明したが、次に、第１の実施の形態の
６相ＰＭ形ステッピングモータを複数相励磁により駆動
する場合について図１１乃至図１３に基づいて説明す
る。複数相励磁の場合も、コイルの結線は図７に示す通
りであり、異なるのは励磁回路の構成のみである。

【００４０】図１１は、複数相励磁により駆動する場合
の励磁回路の一例であり、直流電源Ｖが供給されるプラ
ス側、マイナス側の電源ライン間に、スイッチングトラ
ンジスタを２個直列に接続した回路を６回路並列させ、
各直列回路内で２個のスイッチングトランジスタの接続
点に各端子Ａ〜Ｆを接続し、端子Ａ′、Ｂ′、Ｃ′を互
いに接続し、端子Ｄ′、Ｅ′、Ｆ′を互いに接続してい
る。

【００４１】例えば、スイッチングトランジスタＴ１と
Ｔ４とは電源ライン間に直列に接続され、その接続点に
第１の単位固定子ＳＡのコイル４Ａ１と４Ａ４とを直列
に接続した回路の一方の端子Ａが接続されている。同様
にして、スイッチングトランジスタＴ３とＴ５との接続
点には第１の単位固定子ＳＡのコイル４Ａ２と４Ａ５と
を直列に接続した回路の一方の端子Ｂが接続され、スイ
ッチングトランジスタＴ３とＴ６との接続点には第１の
単位固定子ＳＡのコイル４Ａ３と４Ａ６とを直列に接続
した回路の一方の端子Ｃが接続されている。これらの直
列接続されたコイルの反対側の端子Ａ′、Ｂ′、Ｃ′は
互いに接続されている。

【００４２】同様に、スイッチングトランジスタＴ９と
Ｔ１２とは電源ライン間に直列に接続され、その接続点
に第２の単位固定子ＳＢのコイル４Ｂ１と４Ｂ４とを直
列に接続した回路の一方の端子Ｄが接続されている。同
様にして、スイッチングトランジスタＴ８とＴ１１との
接続点には第２の単位固定子ＳＢのコイル４Ｂ２と４Ｂ
５とを直列に接続した回路の一方の端子Ｅが接続され、
スイッチングトランジスタＴ７とＴ１０との接続点には
第２の単位固定子ＳＢのコイル４Ｂ３と４Ｂ６とを直列
に接続した回路の一方の端子Ｆが接続されている。これ
らの直列接続されたコイルの反対側の端子Ｄ′、Ｅ′、
Ｆ′は互いに接続されている。

【００４３】即ち、図１１の駆動回路では、第１の単位
固定子ＳＡの３組のコイル回路と、第２の単位固定子Ｓ
Ｂの３組のコイル回路とが、夫々独立してスター結線に
より接続されている。

【００４４】図１２は、複数相励磁により駆動する場合
の励磁回路の他の例であり、電源、スイッチングトラン
ジスタの接続は図１１の回路と同一である。相違点は、
図１１の回路では第１、第２の単位固定子のコイル回路
が夫々独立してスター結線により接続されていたのに対
し、図１２の回路では、第１、第２の単位固定子の６組
のコイル回路が全てスター結線により接続されている点
である。即ち、図１２の回路では、各コイル回路の一方
の端子Ａ乃至Ｆは図１１の励磁回路と同様にスイッチン
グトランジスタの接続点に接続され、他方の端子Ａ′乃
至Ｆ′が互いに接続されている。

【００４５】次に、図１１または図１２に示した励磁回
路を用いて第１の実施の形態の６相ＰＭ形ステッピング
モータを４相励磁により駆動する場合の励磁シーケンス
を図１３に基づいて説明する。図１３の横軸は、励磁シ
ーケンスにおける第１ステップから第１６ステップまで
の時間推移を示し、縦軸には、励磁電流を供給する各端
子名を記している。各端子に対応する直線上下の四角形
の意味は図９と同一である。

【００４６】ステップ１では、スイッチングトランジス
タＴ２とＴ６とを導通させ、端子Ｂから端子Ｂ′へ正方
向の電流を流すと共に、端子Ｃ′から端子Ｃに逆方向に
電流を流す。同時に、スイッチングトランジスタＴ８と
Ｔ１０とを導通させ、端子Ｅから端子Ｅ′へ正方向の電
流を流すと共に、端子Ｆ′から端子Ｆに逆方向に電流を
流す。これにより、第１の単位固定子ＳＡのコイル４Ａ
２と４Ａ５及び第２の単位固定子ＳＢのコイル４Ｂ２と
４Ｂ５に正方向に電流が流れ、第１の単位固定子ＳＡの
磁極３Ａ２と３Ａ５及び第２の単位固定子ＳＢの磁極３
Ｂ２と３Ｂ５が所定極性(この例ではＳ極性)に励磁され
る。同時に、第１の単位固定子ＳＡのコイル４Ａ３と４
Ａ６及び第２の単位固定子ＳＢのコイル４Ｂ３と４Ｂ６
に逆方向に電流が流れ、第１の単位固定子ＳＡの磁極３
Ａ３と３Ａ６及び第２の単位固定子ＳＢ部の磁極３Ｂ３
と３Ｂ６がＮ極性に励磁される。このように、１つのス
テップで４相のコイル回路が同時に励磁される。

【００４７】ステップ２では、スイッチングトランジス
タＴ１とＴ６とを導通させ、端子Ａから端子Ａ′へ正方
向の電流を流すと共に、端子Ｃ′から端子Ｃに逆方向に
電流を流す。同時に、スイッチングトランジスタＴ８と
Ｔ１０とをステップ１から継続して導通させ、端子Ｅか
ら端子Ｅ′へ正方向の電流を流すと共に、端子Ｆ′から
端子Ｆに逆方向の電流を流す。これにより、第１の単位
固定子ＳＡのコイル４Ａ２と４Ａ５に流れる電流が切ら
れて、コイル４Ａ１と４Ａ４に正方向に電流が流され、
その他のコイルの電流は、前のステップから継続して流
される。従って、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ１と
３Ａ４及び第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ２と３Ｂ５
がＳ極に励磁されると共に、第１の単位固定子ＳＡの磁
極３Ａ３と３Ａ６及び第２の固定子ＳＢの磁極３Ｂ３と
３Ｂ６がＮ極で継続して励磁される。

【００４８】ステップ３には、スイッチングトランジス
タＴ１とＴ６とをステップ２から継続して導通させ、端
子Ａから端子Ａ′へ正方向の電流を流すと共に、端子
Ｃ′から端子Ｃに逆方向に電流を流す。同時に、スイッ
チングトランジスタＴ９とＴ１０とを導通させ、端子Ｄ
から端子Ｄ′へ正方向の電流を流すと共に、端子Ｆ′か
ら端子Ｆに逆方向に電流を流す。これにより、第２の単
位固定子ＳＢのコイル２Ｂ２と２Ｂ５に流れる電流が切
られて、コイル２Ｂ１と２Ｂ４とに正方向に電流が流さ
れ、その他のコイルの電流は、前のステップから継続し
て流される。従って、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ
１と３Ａ４及び第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ１と３
Ｂ４がＳ極に励磁されると共に、第１の単位固定子ＳＡ
の磁極３Ａ３と３Ａ６及び第２の固定子ＳＢの磁極３Ｂ
３と３Ｂ６がＮ極で継続して励磁される。

【００４９】以下、図１３に示すように各スイッチング
トランジスタの導通を切り替えて励磁シーケンスを継続
する。ステップ１から１２まで回転子Ｒ１は単位回転子
の磁極ピッチτＲだけ回転し、ステップ１３以降はステ
ップ１からと同様の励磁を繰り返す。図１３の励磁シー
ケンスに従って励磁されることにより、回転子はステッ
プ毎に角度αずつ回転する。

【００５０】第２の実施の形態：図１４は、本発明の第
２の実施の形態であるアウターロータ形の６相ＰＭ形ス
テッピングモータを示す縦断正面図である。第２の実施
の形態のモータは、外周に向けて放射状に複数の磁極が
形成された固定子Ｓ２と、固定子Ｓ２の外周を囲んで配
置され回転子軸２８に固定された永久磁石形の回転子Ｒ
２とを備える。また、モータは円筒部２０ａとこの円筒
部２０ａの一方の開放端に形成された円板状のフランジ
部２０ｂとから構成されるベース部材２０を備えてお
り、回転子Ｒ２は回転子軸２８に対して固定され、一
方、固定子Ｓ２は円筒部２０ａの外周に固定され、円筒
部２０ａの中心穴を貫通し、その両端に取り付けられた
軸受２７ａ、２７ｂによって回転子軸２８に支承されて
いる。

【００５１】固定子Ｓ２は、軸方向に密着して並列する
同一構造の第１、第２の単位固定子ＳＡ２、ＳＢ２を備
える。第１の単位固定子ＳＡ２は、図１６に示すよう
に、リング状の固定子鉄心２２から外周に向けて放射状
に等ピッチで形成された６個の磁極２３Ａを有し、第２
の単位固定子ＳＢ２は、同様に６個の磁極２３Ｂを有す
る。各磁極２３Ａ、２３Ｂの外周側の先端部には複数個
例えば３個の極歯２３ａ、２３ｂが形成されており、根
本部分には、平角若しくはシート状のコイル２４が設け
られている。各単位固定子ＳＡ２、ＳＢ２は、図１５に
示すような磁性材板ＳＰ２を所定枚数積層、圧着して構
成される。磁性材板ＳＰ２は、プレスによる打ち抜き加
工により作成される。

【００５２】各単位固定子ＳＡ２、ＳＢ２は６個の磁極
を有するため、磁極のピッチは６０°である。第１、第
２の単位固定子ＳＡ２、ＳＢ２は、各単位固定子の磁極
ピッチの１／２、即ち、３０°だけ回転偏位して配置さ
れるため、任意の磁極２３Ａと隣接する磁極２３Ｂとの
角度間隔は３０°となる。

【００５３】回転子Ｒ２は、回転子軸２８の一端に固定
されたカップ状の磁性体から成る保持部材３０と、第
１、第２の単位固定子ＳＡ２、ＳＢ２に外周側から対向
する位置で保持部材３０の円筒面の内側に固定された同
一構造の第１、第２の単位回転子ＲＡ２、ＲＢ２とを備
える。各単位回転子ＲＡ２、ＲＢ２は、円筒形の永久磁
石２９を備え、中間にリング状の非磁性体３１を挟んで
軸方向に並列・配置されている。

【００５４】第１、第２の単位回転子ＲＡ２、ＲＢ２の
永久磁石２９は、軸方向に着磁されたＮ極、Ｓ極を固定
子の極歯２３ａ、２３ｂのピッチに合わせて回転方向に
交互に配列して構成される。各単位回転子の永久磁石２
９の同一磁性極ピッチをτＲとすると、第１の単位回転
子ＲＡ２の永久磁石と、第２の単位回転子ＲＢ２の永久
磁石とは、同一磁性極ピッチτＲの１／４だけ回転変位
した状態で保持部材３０に固定されている。

【００５５】第２の実施の形態で示したアウターロータ
形のＰＭ形ステッピングモータの動作の原理は、第１の
実施の形態で説明したインナーロータ形のモータと同一
である。従って、各コイル２４を図７に示すような結線
とし、図８あるいは図１１、図１２に示す励磁回路を用
いることにより、ステップ毎に所定角度ずつ回転させる
ことができる。

【００５６】

【発明の効果】本発明に基づくインナーロータ形、また
はアウターロータ形のＰＭ形ステッピングモータは、上
述のように構成し作動するようにしたので、次のような
優れた効果を有する。まず、請求項１又は請求項２に記
載のインナーロータ形、またはアウターロータ形のＰＭ
形ステッピングモータの基本構成のものでは、次のよう
な優れた効果を有する。 （１）固定子、回転子を夫々２つずつの単位固定子、単
位回転子から構成し、所定の角度差を持たせて配置する
ことにより、磁極数を増やすことなく相数を多くし、分
解能を向上させることができる。例えば６相ステッピン
グモータには従来２４極の固定子磁極が必要であった
が、本発明によれば１２極の固定子磁極で実現できる。 （２）上記のように固定子磁極の数を減らすことができ
るため、相数が多くとも小型化が可能である。 （３）回転子は、Ｎ極とＳ極を交互に着磁した円筒状の
永久磁石構造なので、磁歪音が少なく、ハイブリット形
より騒音を低減できる。また、渦電流損が少なく、熱損
失が低減できるので、ハイブリット形よりも温度上昇を
低く抑えることができる。 （４）回転子の表面は円筒形状なので、イナーシャを少
なくすることができ、ハイブリッド形よりも高速回転が
得られる。 （５）平角もしくはシート状のコイルを用いているた
め、固定子間のコイル干渉がなく、２つの単位固定子を
軸方向で密着させることができ、通常のコイルを用いる
場合よりモータ長を縮小できる。 （６）複数相励磁の場合、従来のｍ相の多相モータは４
ｍ個のスイッチングトランジスタが必要であるが、本発
明のモータを駆動する場合、２ｍ個のトランジスタで駆
動でき、励磁回路のコスト低減が可能である。また、請
求項３に記載のように構成すると、６相のステッピング
モータを適正に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に基づくインナーロ
ータ形のＰＭ形ステッピングモータを示す縦断正面図で
ある。

【図２】図１のＸ−Ｘ′断面図である。

【図３】図１のモータの単位固定子を構成する磁性材板
の形状を示す平面図である。

【図４】図１のモータの固定子磁極を内周側から見た斜
視図である。

【図５】（Ａ）は図１のモータの回転子の斜視図、
（Ｂ）はその永久磁石の展開図である。

【図６】図１のモータの固定子の磁極と回転子の永久磁
石とを展開して示す説明図である。

【図７】図１のモータのコイルのモノファイラ巻きによ
る結線例を示す説明図である。

【図８】図７の結線を有するモータを単相励磁により駆
動する場合に利用される励磁回路の回路図である。

【図９】図８の励磁回路により図７の結線を有するモー
タを駆動する際の励磁シーケンス図である。

【図１０】図９に示す励磁シーケンスに従ってモータが
回転する際の固定子の極歯と回転子の磁極との位置関係
を説明する固定子と回転子の展開説明図である。

【図１１】図７の結線を有するモータを多相励磁により
駆動する場合に利用される励磁回路の一例を示す回路図
である。

【図１２】図７の結線を有するモータを多相励磁により
駆動する場合に利用される励磁回路の他の例を示す回路
図である。

【図１３】図１１または図１２の励磁回路により図７の
結線を有するモータを駆動する際の励磁シーケンス図で
ある。

【図１４】本発明の第２の実施の形態に基づくアウター
ロータ形のＰＭ形ステッピングモータを示す縦断正面図
である。

【図１５】図１４のモータの単位固定子を構成する磁性
材板の形状を示す平面図である。

【図１６】図１４のモータの単位固定子を２個重ね合わ
せた状態を示す平面図である。

【図１７】従来のインナーロータ形のＰＭ形ステッピン
グモータを示す縦断正面図である。

【図１８】図１７におけるＸ−Ｘ′断面図である。

【図１９】従来構造の６相形ＰＭ形ステッピングモータ
のコイルのモノファイラ巻きによる結線例を示す説明図
である。

【図２０】図１９の結線を有するモータを単相励磁によ
り駆動する際の励磁シーケンス図である。

【符号の説明】

３Ａ１〜３Ａ６、２３Ａ：第１の単位固定子の磁極 ３Ｂ１〜３Ｂ６、２３Ｂ：第２の単位固定子の磁極 ３ａ、３ｂ、２３ａ、２３ｂ：極歯 ４Ａ１〜４Ａ６、４Ｂ１〜４Ｂ６、２４：コイル ８、２８：回転子軸 ９、２９：永久磁石 １０、３０：保持部材 １１、３１：非磁性体 Ｒ１、Ｒ２，：回転子 ＲＡ、ＲＡ２：第１の単位回転子 ＲＢ、ＲＢ２：第２の単位回転子 Ｓ１、Ｓ２：固定子 ＳＡ、ＳＡ２：第１の単位固定子 ＳＢ、ＳＢ２：第２の単位固定子

フロントページの続き (72)発明者 松岡 雅人 群馬県桐生市相生町３−93番地 日本サー ボ株式会社桐生工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内周に向けて求心状に複数の磁極が形成
   された固定子と、該固定子の内周に位置して回転子軸に
   固定された永久磁石形の回転子とを備えるインナーロー
   タ形の永久磁石形ステッピングモータにおいて、 前記固定子は、軸方向に密着して並列する同一構造の第
   １、第２の単位固定子を備え、各単位固定子は、内周に
   向けて求心状に等ピッチで形成されて平角若しくはシー
   ト状のコイルが設けられた複数の磁極を有し、該磁極の
   内周側の先端には、夫々所定数の極歯が形成され、前記
   第１、第２の単位固定子は、各単位固定子の磁極ピッチ
   の１／２だけ回転偏位して配置され、 前記回転子は、前記第１、第２の単位固定子に対向する
   位置に配置される同一構造の第１、第２の単位回転子を
   備え、各単位回転子は、軸方向に着磁されたＮ極、Ｓ極
   を前記極歯のピッチに合わせて回転方向に交互に配列し
   た円筒形の永久磁石と該永久磁石を回転子軸に固定する
   磁性体より成る保持部材とを備え、前記第１、第２の単
   位回転子は、前記永久磁石の同一磁性極ピッチの１／４
   だけ回転変位した状態で、中間に非磁性体を挟んで軸方
   向に並列していることを特徴とするインナーロータ形の
   多相永久磁石形ステッピングモータ。
2. 【請求項２】 外周に向けて放射状に複数の磁極が形成
   された固定子と、該固定子の外周を囲んで配置され回転
   子軸に固定された永久磁石形の回転子とを備えるアウタ
   ーロータ形の永久磁石形ステッピングモータにおいて、 前記固定子は、軸方向に密着して並列する同一構造の第
   １、第２の単位固定子を備え、各単位固定子は、外周に
   向けて放射状に等ピッチで形成されて平角若しくはシー
   ト状のコイルが設けられた複数の磁極を有し、該磁極の
   外周側の先端には、夫々所定数の極歯が形成され、前記
   第１、第２の単位固定子は、各単位固定子の磁極ピッチ
   の１／２だけ回転偏位して配置され、 前記回転子は、前記第１、第２の単位固定子に対向する
   位置に配置される同一構造の第１、第２の単位回転子を
   備え、各単位回転子は、軸方向に着磁されたＮ極、Ｓ極
   を前記極歯のピッチに合わせて回転方向に交互に配列し
   た円筒形の永久磁石を備え、該永久磁石は、前記回転子
   軸に磁性体より成る保持部材により固定され、前記第
   １、第２の単位回転子は、前記永久磁石の同一磁性極ピ
   ッチの１／４だけ回転変位した状態で、中間に非磁性体
   を挟んで軸方向に並列していることを特徴とするアウタ
   ーロータ形の多相永久磁石形ステッピングモータ。
3. 【請求項３】 前記第１、第２の単位固定子の磁極を夫
   々６極とし、６相モータとしたことを特徴とする請求項
   １または２に記載の多相永久磁石形ステッピングモー
   タ。