JP2004032861A

JP2004032861A - ステッピングモータ

Info

Publication number: JP2004032861A
Application number: JP2002183241A
Authority: JP
Inventors: Masahito Iwase; 岩瀬　将人; ▲高▼木　正明; Masaaki Takagi
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2004-01-29
Also published as: US6861773B2; CN1471222A; US20030234586A1; CN100416991C

Abstract

【課題】ディテントトルクを抑制して高速応答性を向上すると共に、小型化が図り得るステッピングモータを提供すること。
【解決手段】永久磁石１ｂを有し、多極に着磁された回転子１と、回転子１の周囲に配置され、回転子１の半径方向回りに巻き回された複数のコイル２と、コイル２を支持する円筒形状の支持体３と、永久磁石１ｂ、コイル２及び支持体３を囲包すると共に、支持体３が固定されたケーシング４と、を備えたステッピングモータであって、支持体３が、可撓性を有する絶縁性フィルムからなることを特徴とする。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
回転子の周囲に磁極歯を配置すると共に回転子の軸線方向回りにコイルを巻き回して磁極歯を励磁するように構成された固定子を有する従来のステッピングモータでは、永久磁石回転子と固定子との間にディテントトルクが発生する。
【０００３】
また、特開昭６４−３０６７２号公報や実公平７−３３５８３号に記載のステッピングモータのように、複数の側磁極を備え、該側磁極に複数相の励磁巻線が巻装されてなるモータ固定子を備えた、いわゆるハイブリッドタイプのモータについても同様にディテントトルクが発生することが知られている。
【０００４】
このディテントトルクは、コイルに対して無通電時にも発生するため、回転子を自己保持することができるという利点がある。
【０００５】
また、実開平５−６７１８７号公報には、厚み方向に着磁された永久磁石と、この磁石を厚み方向両端から挟持する一対のインダクタ板とを備えたローラについて記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにディテントトルクが発生するステッピングモータを使用して、例えば、マイクロステップ駆動を行うような場合には、ディテントトルクの影響により回転子を高速度で位置決めすることが困難な場合があり、ステッピングモータの高速応答性の妨げの一因となる。その一方で、ステッピングモータに対する小型化の要請も存在する。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、ディテントトルクを抑制して高速応答性を向上すると共に、小型化が図り得るステッピングモータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、永久磁石を有し、多極に着磁された回転子と、前記回転子の周囲に配置され、前記回転子の半径方向回りに巻き回された複数のコイルと、前記コイルを支持する円筒形状の支持体と、前記永久磁石、前記コイル及び前記支持体を囲包すると共に、前記支持体が固定されたケーシングと、を備えたステッピングモータであって、前記支持体が、可撓性を有する絶縁性フィルムからなることを特徴とするステッピングモータが提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
＜第１実施形態＞
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係るステッピングモータＡの構造図（左半分が外観、右半分が断面を示す）、図１（ｂ）は、図１（ａ）の線ＸＸに沿う断面図（端面図）、図２は、ステッピングモータＡの分解図である。ステッピングモータＡは、ＰＭ（永久磁石）型２相ステッピングモータであって、以下の構成を備える。
【００１１】
回転子１は、軸１ａと円筒形状の永久磁石１ｂとからなり、永久磁石１ｂを軸１ａが貫通して構成されている。永久磁石１ｂは、図１（ｂ）に示すように多極に着磁されており、その周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置され、合計８極に着磁されている。回転子１は、軸受け６ａ及び６ｂにより円滑に回転するように支持されており、また、回転子１と軸受け６ａ及び６ｂの間には、ワッシャ７ａ及び７ｂが設けられている。
【００１２】
回転子１の永久磁石１ｂの周囲には、回転子１の半径方向回り（換言すれば、永久磁石１ｂから生じる磁界を横切る方向回り）に巻き回された４つのコイル２ａ乃至２ｄ（以下、総称するときはコイル２という。）が所定の相配置にて設けられ、固定子を構成している。本実施形態において、コイル２は、銅線等のコイル材料を複数回巻き回して、その中心部に穴が形成されてなるものである。
【００１３】
このような空芯（コアレス）のコイル２を用いることにより、固定子側に磁極歯が存在しないので、従来の課題であったディテントトルクが発生せず、ステッピングモータＡの高速応答性を実現することができる。なお、本実施形態では、コイル２の中心を空洞としているが、ここに、例えば、樹脂等の非磁性材料からなる巻芯を設けることは可能であり、この場合もディテントトルクは発生せず、本発明のコイルの範囲に含まれる。
【００１４】
なお、コイル２ａと２ｃとは、軸中心に対して対称に配置されて１相目のコイル対をなし、また、コイル２ｂと２ｄとも、軸中心に対して対称に配置されて２相目のコイル対をなしている。また、各相は、電気角９０度のずれを持って配置されている。
【００１５】
次に、コイル２は、円筒形状の支持体３に支持されている。支持体３は、可撓性を有する帯状の絶縁性フィルムを巻いて円筒形状に形成されたものである。このようなフィルムとしては、例えば、フレキシブル基板が望ましく、本実施形態では、支持体３としてフレキシブル基板を用いた場合を想定している。フレキシブル基板は、例えば、絶縁材、銅ハク、ベース材（基材）等から構成され、その厚さは概ね０．１ｍｍ乃至０．２ｍｍ程度であり、可撓性及び絶縁性を有する。支持体３としては、フレキシブル基板以外のフィルムも適用可能であるが、その厚さが、概ね０．１ｍｍ乃至０．２ｍｍ程度のものが望ましい。
【００１６】
ここで、図３は、コイル２を設けた支持体３の展開図である。コイル２は、支持体３の表面に接着剤や両面テープ等により固定される。また、支持体３は、端子部３ａを有しており、ここには、各コイル２と電気的に接続された配線パターンの端部が集合している。この端子部３ａは、ステッピングモータＡの外部に突出して、制御回路との電気的な接続を容易化するものである。
【００１７】
コイル２は、図３に示すように支持体３を展開して帯状とした状態で支持体３に固定される。次に、支持体３をコイル２が内側になるように巻いて円筒形状にする。この場合、支持体３の両端部３ｂを接着剤等により接着してもよい。その後、支持体３を後述するケーシング４に挿入し、支持体３の外周面を接着剤等によりケーシング４の内周面に固定し、コイル２をケーシング４に固定することとなる。
【００１８】
コイル２を支持するにあたり、このような支持体３を採用した利点は次の点にある。まず、支持体３はケーシング４に固定されるので、それ自体強度が必要とされず、その厚みを薄くできるので、ステッピングモータＡの径を小さくすることができ、その小型化が図れることにある。逆に、同じサイズであれば、コイル２の半径方向の厚さをより厚くするスペースが確保されるので、コイル巻き数を増加したり、コイル材料の太さをより太くすることができ、より大きな回転力を得られる。また、支持体３を平面に展開した状態でコイル２を取り付けられるので、その位置決め、配線等の作業が容易化し、組み立てがより簡単なものとなる。
【００１９】
次に、図１及び図２に戻り、ケーシング４は、略円筒形状をなし、上述した永久磁石１ｂ、コイル２及び支持体３を囲包している。ケーシング４は、ステッピングモータＡの強度を担保すると共に、磁路として機能する。ケーシング４の下端には、ブラケット５が取り付けられており、ケーシング４の蓋として用いられる。ブラケット５には、スリット５ａが設けられており、ここから支持体３の端子部３ａがステッピングモータＡの外部へ突出するようにしている。
【００２０】
係る構成からなるステッピングモータＡでは、永久磁石１ｂからその半径方向に磁界が生じる。この状態で、コイル２に通電すると、コイル２中を流れる電流のうち、永久磁石１ｂからの磁界と直交する成分により、コイル２と永久磁石１ｂとの間に、周方向の力が作用する（フレミングの左手の法則）。そして、コイル２は固定されているため、回転子１が回転することとなる。
【００２１】
本実施形態の構成の場合、９０度位相のずれたパルス電圧を供給することにより、２相励磁でステップ角が２２．５度となる。また、１−２相励磁で半ステップ駆動も可能である。更に、マイクロステップ駆動方式も採用可能である。
【００２２】
なお、永久磁石１ｂの磁極数やコイル２の数は、それぞれ８及び４に限定されず、永久磁石１ｂの磁極数：４×ｎ（ｎは１以上の整数）に対して、コイル２の数：ｎ／２の範囲で適宜選択可能である。
【００２３】
＜第２実施形態＞
上記第１実施形態では、永久磁石１ｂが回転することにより交番磁界が発生し、ケーシング４には渦電流が発生する。とりわけ、永久磁石１ｂとしてより強力な磁石を用いた場合、渦電流損失も大きくなる。一方、渦電流損失を防止するためには、複数枚の磁性体を積層したバックヨークを設けることが周知であるが、その加工、組み立てに手間が係り、小型化には向かない。そこで、本実施形態では、渦電流を防止しつつ小型化をなし得るステッピングモータを提供する。
【００２４】
図４（ａ）は、本発明の他の実施形態に係るステッピングモータＢの構造図（左半分が外観、右半分が断面を示す）、図４（ｂ）は、図４（ａ）の線ＹＹに沿う断面図（端面図）である。以下、上述したステッピングモータＡと異なる構成について説明する。
【００２５】
本実施形態において、支持体３とケーシング４との間には、円筒体９が設けられている。円筒体９は、その外周面において接着剤等によりケーシング４の内周面に固定されており、支持体３は円筒体９の内周面に固定されている。従って、本実施形態の場合、支持体３は円筒体９を介してケーシング４に固定されていることとなる。
【００２６】
図５は、円筒体９の概略図である。円筒体９は、表面が絶縁被覆された帯状の磁性材料９ａを螺旋状に巻いて密着させ円筒形状に構成したものである。磁性材料９ａとしては、透磁率が高く、磁束密度も大きく、かつ、保磁力の低い、ヨーク材料としての磁気特性に優れた材料が好ましく、例えば、鉄等の軟磁性材料が好適である。
【００２７】
また、図５に示すように、磁性材料９ａの断面形状を四角形とすることにより、円筒体９の外周面及び内周面を平滑な面とし、支持体３やケーシング４との間の隙間を減少させ、磁気的な効率を向上することもできる。尤も、断面形状が円形のものも採用してもよく、そのような断面形状の線材料は一般に普及していることから、コストの低減が望める。
【００２８】
このような円筒体９を設けると、交番磁界の磁束に直交する部分で、積層ヨークと同等の効果が得られるため、抵抗が増大し、渦電流の発生が抑制され、渦電流損失を減少することができる。しかも、円筒体９は、帯状の磁性材料９ａを螺旋状に巻いて形成されるので、複数の磁性体を積層して構成する場合よりも、製造、組み立てが簡単で、小型化に適しており、ステッピングモータＢ全体の小型化を実現できる。
【００２９】
＜第３実施形態＞
上記第１及び第２実施形態では、回転子１を軸１ａと永久磁石１ｂとから構成したが、ステッピングモータの高速応答性を向上するためには、回転子１の慣性モーメントを少なくすることが望ましい。ここで、多極に着磁された永久磁石は、１極あたりの表面積の縮小により十分な磁束量を確保することが容易ではなく、逆に、永久磁石の径を大きくして１極あたりの表面積を広くとれば、慣性モーメントが極めて増大する。そこで、本実施形態では、回転子の慣性モーメントを少なくし、高速応答性をより向上するステッピングモータを提供する。
【００３０】
図６（ａ）は、本発明の他の実施形態における回転子１０の正面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の線ＺＺに沿う断面図（端面図）、図６（ｃ）は、回転子１０の分解図である。
【００３１】
回転子１０は、軸１１ａと、軸線方向に２極に着磁された永久磁石１１ｂと、を備え、軸１１ａは永久磁石１１ｂを貫通している。永久磁石１１ｂの周囲には、永久磁石１１ｂの軸線方向に延在する、断面円弧形状で板状の複数の磁極歯１２ｂ及び１３ｂが交互に環状に配置されており、磁極歯１２ｂは、円板部材１２ａに一体に接続されて部材１２を構成し、磁極歯１３ｂは、円板部材１３ａに接続されて、これらが一体化された部材１３を構成している。
【００３２】
円板部材１２は、永久磁石１１ｂの上端に接続・固定され、また、円板部材１３は、永久磁石１１ｂの下端に接続・固定されている。また、各円板部材１２及び１３の中心には、軸１１ａが通過する穴が設けられている。
【００３３】
部材１２及び１３は、いずれも軟磁性材料から構成されており、永久磁石１１ｂの上端に接続される端部部材１２はＮ極、下端に接続される端部部材１３はＳ極の磁性を帯びることとなる。このため、永久磁石１１ｂから生じる軸線方向の磁束は、磁極歯１２ｂと１３ｂから半径方向へ生じる磁束へと変換される。この結果、円板部材１２及び１３に、それぞれ交互に接続された磁極歯１２ｂ及び１３ｂは、Ｎ極とＳ極とに交互に磁化された、多極のロータ面を構成することとなる。
【００３４】
従って、回転子１０は、軸方向に２極着磁された永久磁石と、それを挟む部材とで構成されるため、中空部分も多くなるので、多極に着磁された永久磁石のみを用いる上記第１実施形態及び第２実施形態の場合よりも慣性モーメントが減少し、高速応答性が向上する。また、部材１２及び１３は、例えば、プレス成形により比較的容易且つ高精度に成形可能であるため、永久磁石を多極着磁する方法では得られなかった高分解能の回転子を作成することもできる。
【００３５】
本実施形態の場合、永久磁石１１ｂとして、単極着磁された永久磁石を用いることで多極に磁化された回転子を得られると共に、回転子１０の外周を大きくして磁極歯１２ｂ及び１３ｂの表面積を大きくし、磁束量を大きくしても、慣性モーメントの増加量が少なく、ディテントトルクを抑制したステッピングモータとの併用で高速応答性を維持することが可能となると共にマイクロステップ駆動も容易化する。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のステッピングモータでは、ディテントトルクを抑制して高速応答性を向上すると共に、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の一実施形態に係るステッピングモータＡの構造図（左半分が外観、右半分が断面を示す）、（ｂ）は、図１（ａ）の線ＸＸに沿う断面図（端面図）である。
【図２】ステッピングモータＡの分解図である。
【図３】コイル２を設けた支持体３の展開図である。
【図４】（ａ）は、本発明の他の実施形態に係るステッピングモータＢの構造図（左半分が外観、右半分が断面を示す）、（ｂ）は、図４（ａ）の線ＹＹに沿う断面図（端面図）である。
【図５】円筒体９の概略図である。
【図６】本発明の他の実施形態における回転子１０の正面図、（ｂ）は、図６（ａ）の線ＺＺに沿う断面図（端面図）、（ｃ）は、回転子１０の分解図である。
【符号の説明】
Ａ　ステッピングモータ
１、１０　回転子
２ａ乃至２ｄ　コイル
３　支持体
３ａ　端子部
４　ケーシング
９　円筒体
１２ａ、１２ｂ　円板部材
１３ａ、１３ｂ　磁極歯

Claims

永久磁石を有し、多極に着磁された回転子と、
前記回転子の周囲に配置され、前記回転子の半径方向回りに巻き回された複数のコイルと、
前記コイルを支持する円筒形状の支持体と、
前記永久磁石、前記コイル及び前記支持体を囲包すると共に、前記支持体が固定されたケーシングと、を備えたステッピングモータであって、
前記支持体が、可撓性を有する絶縁性フィルムからなることを特徴とするステッピングモータ。
前記支持体が、フレキシブル基板からな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。
前記フレキシブル基板は、一方の端部が前記コイルと電気的に接続された配線パターンを有し、更に、該配線パターンの他方の端部が集合した端子部を有することを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータ。
前記端子部が、前記ケーシングの外部に突出していることを特徴とする請求項３に記載のステッピングモータ。
前記支持体と前記ケーシングとの間に、表面が絶縁被覆された帯状の軟磁性材料を螺旋状に巻いてなる円筒体を設けた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。
前記回転子が、
軸線方向に単極に着磁された前記永久磁石と、
前記永久磁石の周囲に配置され、前記永久磁石の軸線方向に延在する複数の磁極歯と、
前記永久磁石の両端部にそれぞれ接続され、前記磁極歯を支持する円板部材と、を備え、
前記磁極歯は、一方の前記円板部材と他方の前記円板部材とに、交互に接続されてい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。