JP2004289961A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】外形寸法に制限がある条件でもトルクアップすることができ、トルクリップルを低減でき、コスト面に優れて小型化，低電力化にも有利性があるステッピングモータを提供すること
【解決手段】円筒形状のハウジング２に、Ａ相ステータ９ａとＢ相ステータ９ｂを組み込み、その中央には永久磁石からなるロータ５を配置して前ブラケット８を嵌め合わせて蓋にする。各相のステータ９は、フランジを有する環状のボビン４に導線を巻いてコイル３とし、そのコイル３を両面から一対のヨーク６ｆ，６ｇで挟み込む。ヨーク６ｆ，６ｇは円形板材の中央を円く打ち抜き加工し、当該開口縁に磁極歯（クローポール）をｎ個形成する。隣り合うヨーク６ｇ，６ｇの板厚ｔ２は外側のヨーク６ｆ，６ｆの板厚ｔｌよりも厚く設定し、当該ヨークの磁気飽和を起こしにくくする。これにより磁束特性が改善し、トルクアップできる。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタの紙送りや印字ヘッド駆動などの駆動源に用いるステッピングモータに関するもので、より具体的には、クローポール式ステッピングモータのトルク特性の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステッピングモータはディジタル制御系との整合性がよく、近年はコンピュータ周辺機器やＯＡ機器等の駆動源として利用が盛んである。とりわけクローポール式ステッピングモータは、製造コストを低減できるとともに、制御も容易であることから好まれている。
【０００３】
図１に示す本発明に係る代表的な構成例を援用して説明するが、クローポール式のステッピングモータは、２つのステータ（Ａ相，Ｂ相）を有する２相構造を採る。そして、円筒形状のハウジング２に、Ａ相ステータ９ａとＢ相ステータ９ｂを組み込み、その中央には永久磁石からなるロータ５を配置して前ブラケット８を献め合わせて蓋にする構成になっている。各相のステータ９は、リング状に巻いたコイル３に対して、磁極歯（凸部７）の並び列を有するヨーク６を２つ組み合わせてあり、板金加工によりヨーク６に形成した凸部７がクローポール（誘導子）となり、コイル３に通電することでＮ極，Ｓ極と順に磁化する。Ａ相，Ｂ相は構成が同様であり、各相のステータ９にあってはコイル３を両面から一対のヨーク６ｆ，６ｇで挟み込む構成になっている。係る構成のステッピングモータは、従来から多数存在し、例えば特許文献１に示されるものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−７８４１９
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ステッピングモータを駆動源に用いる場合、これを装着するＯＡ機器などの適用側にスペースの制限や必要トルク値などの条件があり、それらの条件に応じてステッピングモータに対する仕様が決まってくる。そして近年は適用側のＯＡ機器などでは開発要求として高機能化があり、小型化，低電力化の要求も当然にある。このためステッピングモータに対する仕様では、外形寸法は小さいが出力トルクは大きいことが要求となり、また電力消費が低いことも求められる。
【０００６】
ステッピングモータのトルクは、ロータ５，ステータ９間の空隙の磁束密度と、コイル３の巻線数と電流との積に比例する。コイル３に流れる電流は、適用側の電源仕様により上限があるため、モータ側でのトルクアップは、空隙の磁束密度とコイル３の巻線数を改良することになる。
【０００７】
ところが、コイル３の巻線数を増すためには巻線領域を広く必要とする。そのため、その巻線領域を増すことは外形寸法が制限された条件ではヨーク６側の容積（板厚）を減らすことになってしまう。すると、ヨーク６が磁気飽和しトルクは増大できない。つまり、クローポール式のヨーク６では、打ち抜き形成した磁極歯（凸部７）が磁極になるため、磁気飽和はその板厚と密接な関係にある。このため、外形寸法に制限がある場合はヨーク６の板厚と巻線領域の関係はトルクに対して相反する関係となり対策が難しい。
【０００８】
一方、２相ステッピングモータの駆動は、両方のステータ９ａ，９ｂを常に励磁する２相励磁が一般的であり、これには各相コイル３ａ，３ｂに流す電流の向きを順次切り替えてロータ５を歩進させていく。この駆動方式では、コイル３ａ，３ｂの励磁は電流方向が違う２つのパターンを繰り返すことになり、図２に示すように、１つは２相ともに同じ方向に流す順励磁パターンＦと、もう１つは、各相異なる方向に流す逆励磁パターンＲである。これら２相のステータ９ａ，９ｂは並べて配列するので、両者が隣り合うヨーク６ｇ，６ｇに注目すると、順励磁パターンＦでは磁束の向きが対向し、逆励磁パターンＲでは磁束は同じ向きになる。
【０００９】
その結果、コイル３ａ，３ｂの励磁が順励磁パターンＦと逆励磁パターンＲでは出力トルクが変わってしまい、出力トルクは周期的に変動し、いわゆるトルクリップルを起こす。このトルクリップルが大きいと、滑らかな回転が得られず、回転ムラが生じて振動や騒音等の問題を引き起こす。
【００１０】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、外形寸法に制限がある条件でもトルクアップすることができ、トルクリップルを低減でき、コスト面に優れて小型化，低電力化にも有利性があるステッピングモータを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係るステッピングモータは、多極に着磁した永久磁石によるロータを有し、前記ロータの外周を囲んで配置するステータは少なくとも２つ配列し、前記各ステータはリング状に巻いたコイルを両面から一対のヨークで挟み込む構成をとり、前記各ヨークは環状で内側の開口縁に磁極歯の並び列を形成し、前記コイルに対して当該磁極歯の並び列が両面から噛み合って磁極をなすクローポール式のステッピングモータを前提とし、前記ヨークの少なくとも１枚について他のヨークより磁気飽和を起こしにくくする構成にした。
【００１２】
この場合、ヨークの磁気飽和はその板厚や素材の磁気特性と密接な関係にあることから、ステータを構成するヨークではその１つでも他のヨークより磁気飽和を起こしにくくすることにより磁束特性が改善し、したがってトルクアップすることができる。そして、トルクアップした出力トルクは、２相励磁の際に励磁パターンの違いによる差が小さくなるため、トルクリップルを低減でき、その結果、滑らかな回転を得ることができ、低振動，低騒音のモータとなる。
【００１３】
そして、磁気飽和を起こしにくくするための具体的な手段として各種のものがあるが、例えば、前記ステータの配列において、隣り合う２枚のヨークについて他のヨークより磁気飽和を起こしにくくする構成にすることがある。この場合、隣り合う２枚のヨークについて他のヨークより磁気飽和を起こしにくくするので磁束特性の改善がより良好になり、トルクアップの効果が大きい。もちろん、取り合う２枚のヨークではなく、外側に配置したヨークを他のヨークより磁気飽和を起こしにくくするようにしても良い。
【００１４】
また、前記ヨークを厚くすることにより当該ヨークについて磁気飽和を起こしにくくする構成を採ることもできる。さらに、前記ヨークを飽和磁束密度が高い磁性材料とすることにより当該ヨークについて磁気飽和を起こしにくくする構成にすることもできる。また、前記ヨークを磁気的に焼き鈍すことにより当該ヨークについて磁気飽和を起こしにくくする構成にすることもできる。さらにまた、前記ヨークには少なくとも１枚以上の磁性体を付設することにより当該ヨークについて磁気飽和を起こしにくくする構成にするようにしてもよい。さらには、前記ヨークは複数の薄板を積層した積層板材から形成することもできる。
【００１５】
このように、ヨークについて磁気飽和を起こしにくくするには、板厚を増すこと、飽和磁束密度が高い磁性材料を用いること、磁気的に焼き鈍すこと、磁性体を付設すること、など適宜な方法を採ることができ、何れにしても磁束特性を改善できる。また、適宜に組み合わせることもよく、積層板材からヨークを形成することもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１，図３は、本発明の第１の実施の形態を示している。なお、図１においては、本発明を構成する各部材の相対的位置関係などを示しており、本発明の特徴であるヨークの磁気飽和を起こしにくくする構成については示していない。本実施の形態において、ステッピングモータは、２つのステータ（Ａ相，Ｂ相）を有する２相構造を採っている。そして、円筒形状のハウジング２に、Ａ相ステータ９ａとＢ相ステータ９ｂを組み込み、その中央には永久磁石からなるロータ５を配置して前ブラケット８を献め合わせて蓋にする構成になっている。そして、各相のステータ９はリング状に巻いたコイル３に対して、磁極歯（凸部７）の並び列を有するヨーク６を２つ組み合わせてあり、板金加工によりヨーク６に形成した凸部７がクローポール（誘導子）となり、コイル３に通電することでＮ極，Ｓ極と順に磁化する。
【００１７】
Ａ相，Ｂ相は構成が同様であり、各相のステータ９にあっては、フランジを有する環状のボビン４に導線を巻いてコイル３とし、そのコイル３を両面から一対のヨーク６ｆ，６ｇで挟み込む構成になっている。ヨーク６ｆ，６ｇは円形板材の中央を円く打ち抜き加工し、当該開口縁に凸部７（磁極歯）をｎ個形成してある。そして、Ａ相ステータ９ａとＢ相ステータ９ｂとは互いに磁極が向かい合う向きに並べる。
【００１８】
ロータ５は円柱形状の永久磁石であって中央に回転軸１を設け、その円周について誘導子側と同じピッチで多極に着磁している。
【００１９】
ハウジング２は磁性体から形成し、ヨークとして機能するようになっている。このハウジング２と前ブラケット８には中央に軸受け１０をそれぞれ設け、ロータ５の回転軸１を回転自在に支持する構成である。
【００２０】
また、ヨーク６ｆ，６ｇでは磁極歯（凸部７）の並び列は互いの凸部７ｆ，７ｇが（３６０°／ｎ／２）°の間隔に噛み合うように形成してある。そして、Ａ相ステータ９ａとＢ相ステータ９ｂとは電気角で９０°になる配置をとり、これはＡ，Ｂ相を機械的に（３６０°／ｎ／４）°の関係にするためである。
【００２１】
これらのヨーク６ｆ，６ｇは、２組み４枚ともに通常は同一材質の強磁性体から形成し、板材には同一のものを用いる。この２組み４枚のヨークには１つの金型で成形したものを４枚使う場合もあるが、多くの場合は外側ヨーク６ｆと内側ヨーク６ｇのそれぞれに金型を用意し、２種類の金型で２枚ずつ成形した４枚を使用する。そして本実施の形態においては、隣り合うヨーク６ｇ，６ｇと外側のヨーク６ｆ，６ｆとは板厚を違えてあり、２相のステータ９ａ，９ｂは、隣り合うヨーク６ｇ，６ｇの板厚ｔ２を、外側のヨーク６ｆ，６ｆの板厚ｔｌよりも厚く設定し、ｔ２＞ｔｌの関係に構成している。
【００２２】
また、数値解析を行ったところ図４に示すような結果を得た。図４には基準例からの相対的なトルクを示してある。比較例はヨーク６を４枚全て同一の厚さとし、これは従来の構成である。そして、本実施の形態に係るものは、隣り合うヨーク６ｇを外側ヨーク６ｆよりも１．５倍程度に厚くし、変更例は逆に外側ヨーク６ｆを隣り合うヨーク６ｇよりも１．５倍程度に厚くしている。
【００２３】
その結果、本実施の形態に係るものは、ホールディングトルクが順励磁パターンＦでは１．１０、逆励磁パターンＲでは１．０７となり、何れの励磁パターンでも大きく、しかも励磁パターンの違いによる差が小さいことを確認した。そして、通電を止めたときの保持トルク（ディテントトルク）は０．７４となり、最も小さくなることを確認した。また、変形例においても、本実施の形態よりは性能が劣るものの、従来品である比較例に比べると、ディテントトルクが小さくなり、効果が得られることが確認できる。
【００２４】
ここに、ヨーク６の磁気飽和は、その板厚や素材の磁気特性と密接な関係にあることから、ステータ９を構成するヨーク６ではその１つでも厚みを増すことにより磁気飽和が改善し、したがってトルクアップすることができる。本実施の形態では、隣り合う２枚のヨーク６ｇ，６ｇを厚くするので磁気飽和がより起こりにくくなり、トルクアップの効果が大きい。
【００２５】
そして、トルクアップした出力トルクは２相励磁の際に励磁パターンの違いによる差が小さくなるため、トルクリップルを低減でき、その結果、滑らかな回転を得ることができ、低振動，低騒音のモータとなる。
【００２６】
また上記したように、ディテントトルクが小さくなるので、このことは停止精度を向上することに繋がり、そして回転を滑らかにすることができ、トルクリップルを低減でき、低振動，低騒音に寄与する。
【００２７】
隣り合うヨーク６ｇ，６ｇと外側のヨーク６ｆ，６ｆとは、上記したように別々の金型で成形することが多く、このため隣り合う２枚のヨーク６ｇ，６ｇの板厚を変更してもさほどコストアップにはならない。なお、鋼板の価格は流通量で決まることが多く、厚みを増すことが価格アップになるとも限らない。
【００２８】
この場合、隣り合うヨーク６ｇ，６ｇの板厚ｔ２を厚くするので、その分はハウジング２が大きくなるが、当該モータの設計性能を損なうほどに極端に厚くするわけではないので外形寸法が著しく増すことはなく、小型化の要求を阻害しない。また、コイル３の巻き数はそのままなので電力消費は低く抑えることができる。
【００２９】
ところで、この種のモータでは、ヨーク６の材料として亜鉛メッキ鋼板（ＳＥＣ），ケイ素鋼板などがよく使われる。しかし、ヨーク６には飽和磁束密度が高い磁性材料を用いる構成も好ましく、例えば電磁軟鉄（ＳＵＹ）を用いることもよい。この場合も、磁気飽和が起こりにくくなり、トルクアップすることができる。そしてトルクリップルを低減でき、滑らかな回転を得ることができ、低振動，低騒音のモータとなる。
【００３０】
また、隣り合う２枚のヨーク６ｇ，６ｇのみを、飽和磁束密度が高い磁性材料から形成することもよく、これによっても同様な作用となり同様に効果が得られる。
一方、ヨーク６にあっては磁気的に焼き鈍しすることもよく、焼き鈍しすることにより磁気飽和が起こりにくくなり、トルクアップすることができる。
【００３１】
図１に示したステッピングモータの代表的な構成例は本発明の他の実施の形態にも共通する。そこで以下においては共通する構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
図５は、本発明の第２の実施の形態を示している。この第２の実施の形態では、隣り合うヨーク６ｇ，６ｇの間に、強磁性体のスペーサ１１ａ，１１ｂを追加して隣り合う側を厚くしている。
【００３３】
一般に、これらステータ９ａ，９ｂの相互間には、それぞれの磁気干渉を防止するために空隙を設けたり、非磁性体のスペーサを設けることがある。しかし、外形寸法に制限がある条件では、その空隙や非磁性体のスペーサは磁気干渉の対策以外にはデッドスペースでしかなく、そして磁気干渉の影響はモータ特性に対してさほど問題ないレベルであることが多い。
【００３４】
そこで本実施の形態では、従来はデッドスペースになってしまうところに強磁性体のスペーサ１１ａ，１１ｂを入れる構成にしている。したがって、スペーサｌｌａ，１ｌｂは、隣り合う２枚のヨーク６ｇ，６ｇの一部となり、ヨークとしての板厚が厚くなるので、上述した第１の実施の形態と同様な作用となり同様に効果が得られる。
【００３５】
なお、強磁性体のスペーサの枚数は、外形寸法の制限など当該モータの設計条件に応じて適宜に設定することになり、枚数を増すことでよりさらに効果が得られる。また、磁気干渉が問題となる場合には、その複数枚の間に空隙や非磁性体を設けることもよい。なお、その他の構成並びに作用効果は、上記した第１の実施の形態と同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３６】
図６は、本発明の第３の実施の形態を示している。この第３の実施の形態では、隣り合うヨーク６ｇ，６ｇを積層板材から形成し、それぞれのヨーク６ｇは外側のヨーク６ｆよりも厚くする設定である。
【００３７】
積層板材は２枚の薄板６１，６２を積層して形成し、これを板金加工することでヨーク６ｇを得ている。したがってこの場合も、隣り合う２枚のヨーク６ｇ，６ｇは、ヨークとしての板厚が厚くなるので、上述した第１の実施の形態と同様な作用効果が得られるので、対応部材に同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るステッピングモータでは、ヨークの少なくとも１枚について他のヨークより磁気飽和を起こしにくくすることから磁束特性が改善する。したがって、トルクアップすることができる。そして、トルクアップした出力トルクは２相励磁の際に励磁パターンの違いによる差が小さくなるため、トルクリップルを低減でき、その結果、滑らかな回転を得ることができ、低振動，低騒音のモータとなる。
【００３９】
ヨークについて磁気飽和を起こしにくくするには、板厚を増すこと、飽和磁束密度が高い磁性材料を用いること、磁気的に焼き鈍すこと、磁性体を付設すること、など適宜な方法を採ることができ、何れにしても磁束特性を改善できる。そして、一部のヨークを改良するだけなので外形寸法に制限がある条件でも対応でき、コスト面に優れて小型化，低電力化にも有利性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示すステッピングモータの斜視図である。
【図２】２相励磁の駆動動作での磁束を説明する概念図である。
【図３】図１に示すステッピングモータの断面図である。
【図４】数値解析の結果を示す図表である。
【図５】第２の実施の形態を示すステッピングモータの断面図である。
【図６】第３の実施の形態を示すステッピングモータの断面図である。
【符号の説明】
１ 回転軸
２ ハウジング
３ コイル
４ ボビン
５ ロータ
６ ヨーク
７ 凸部（磁極歯）
８ 前ブラケット
９ ステータ
９ａ Ａ相ステータ
９ｂ Ｂ相ステータ
１０ 軸受け
１１ａ，１１ｂ スペーサ
６１，６２ 薄板

Claims (7)

1. 多極に着磁した永久磁石によるロータを有し、
   前記ロータの外周を囲んで配置するステータは少なくとも２つ配列し、
   前記各ステータは、リング状に巻いたコイルを両面から一対のヨークで挟み込む構成をとり、
   前記各ヨークは、環状で内側の開口縁に磁極歯を形成するとともに、前記コイルに対して前記磁極歯の並び列が両面から噛み合って磁極をなすクローポール式のステッピングモータであって、
   前記ヨークの少なくとも１枚について他のヨークより磁気飽和を起こしにくくすることを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記ステータの配列において、隣り合う２枚のヨークについて他のヨークより磁気飽和を起こしにくく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. 前記ヨークを厚くすることにより、当該ヨークについて磁気飽和を起こしにくくす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. 前記ヨークを、飽和磁束密度が高い磁性材料で形成することにより当該ヨークについて磁気飽和を起こしにくくすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のステッピングモータ。
5. 前記ヨークを磁気的に焼き鈍すことにより当該ヨークについて磁気飽和を起こしにくくすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のステッピングモータ。
6. 前記ヨークには少なくとも１枚以上の磁性体を付設することにより当該ヨークについて磁気飽和を起こしにくくすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のステッピングモータ。
7. 前記ヨークは複数の薄板を積層した積層板材から形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のステッピングモータ。

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