JP2005192359A - ハイブリッド型多相ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の単位固定子を軸方向に並列する場合にも、モータの軸方向のサイズを小さくすることができるハイブリッド型多相ステッピングモータを提供する。
【解決手段】 固定子Ｓは、軸方向に並んで配置された第１、第２の単位固定子ＳＡ、ＳＢから構成され、第１の単位固定子ＳＡは、円筒状のヨーク部２と、ヨーク部２の内周面に、等角度間隔で求心状に設けられた６つの磁極３Ａとを備えている。各磁極は、内周面に所定数の極歯が形成された極歯部３Ａａと、この極歯部を支持してヨーク部に接続された支持部３Ａｂとから構成される。支持部には、軸方向の両方に凹部３Ａｃが形成され、コイル４は、軸方向については両側に形成された凹部３Ａｃから突出しないように支持部に巻回され、コイルの干渉を防ぎ、第１、第２の単位固定子を密着させるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロボットや半導体製造装置などの高速で高精度の位置決め機能を必要とする産業機器に最適な高分解能のハイブリッド型多相ステッピングモータの改良に関する。

永久磁石形ステッピングモータに、可変リラクタンス形ステッピングモータの構造を組み合わせたハイブリッド型ステッピングモータは高精度、高トルク、小ステップ角が得られるため、この種の用途には従来から使用されている。
図１６は、従来のハイブリッド型２相ステッピングモータ（以下モータと略称する）の一例を示す縦断側面図、図１７は図１６のXVI−XVI線に沿う断面図である。

図１６、図１７に示すように、円筒状のケーシング２１は、磁性体によって成型したリング状のヨーク２２と一体に結合されている。
ヨーク２２の内方向には、２相モータに必要な８本の磁極２３が等角度間隔で求心状に形成されている。
各磁極２３には磁極２３を順次磁化するためのコイル２４が巻回されている。
また、各磁極２３の先端部には、このモータの構造特性に対応した数の極歯２３ａが等ピッチで形成されている。ヨーク２２と磁極２３とは、一枚の磁性体板からプレスの打抜きにより成型した成型板を所定枚数積層して構成されており、積層して形成された磁極２３にコイル２４を巻回して固定子を構成している。

ケーシング２１の両端にはエンドカバー２５、２６が一体に結合されている。エンドカバー２５、２６の中央部には夫々に軸受２７ａ、２７ｂが嵌合し、これら一対の軸受２７ａ、２７ｂにより回転軸２８を回転自在に軸支している。回転軸２８には、夫々円板状の第１の回転子磁極３０Ａと第２の回転子磁極３０Ｂとが固定されると共に、これらの磁極の間に軸方向に着磁された永久磁石２９が固定されている。
第１、第２の回転子磁極３０Ａと３０Ｂの外周には、固定子の磁極２３に形成した極歯２３ａの形状とピッチに対応した形状とピッチで、極歯３０ａが形成されており、第１の回転子磁極３０Ａの極歯３０ａと第２の回転子磁極３０Ｂの極歯３０ａとは、相互に極歯を形成するピッチの１／２回転変位して結合されている。回転子磁極も、一枚の磁性体板からプレスの打抜きにより成型した成型板を所定枚数積層して形成されている。

上記のように構成されたモータは、固定子のコイル２４に順次所定の順序で通電して極歯２３ａを順次回転磁化することにより、この固定子の各極歯２３ａと永久磁石２９によって磁化されている回転子の各極歯３０ａとの相互磁気作用により、回転子を回転させる。

図１８には、上述した従来の２相モータと同様に固定子磁極が同一の円周上に並んだ６相モータのコイルをモノファイラ（ユニファイラ）巻にし、１２本のリード線を引出した結線例を示している。従来の構成で６相とするためには、固定子磁極が２４個必要となり、モノファイラ巻でコイルが２４本必要になる。
図１８では、固定子の各磁極に巻回されたコイルを１Ｃ〜２４Ｃとして表している。電流は各入力端子組Ａ、Ａ′間、Ｂ、Ｂ′間、Ｃ、Ｃ′間、Ｄ、Ｄ′間、Ｅ、Ｅ′間、Ｆ、Ｆ′間に流れるように順次印加される。各入力端子組間には、２つのコイルが同相に２つのコイルが逆相になるよう４本のコイルが直列に接続されている。

図１９は、図１８に記載した結線における単相励磁の場合の各入力端子に供給される励磁電流の波形を示す励磁シーケンス図である。
図１９において、縦方向には励磁電流を流す入力端子の組別を記し、横方向には励磁ステップを記している。また、各入力端子組の横に引かれた線の上側の四辺形は、その入力端子組に所定方向に電流を流すことを示し、下側の四辺形は上記とは反対方向に電流を流すことを示している。

即ち、ステップ１では、図１８に記した固定子のコイル１Ｃ、１３Ｃが巻回された磁極が同相に、コイル７Ｃ、１９Ｃが巻回された磁極が逆相になるように入力端子Ａ−Ａ′に電流を流す。
ステップ２では、コイル２Ｃ、１４Ｃが巻回された磁極が同相に、コイル８Ｃ、２０Ｃが巻回された磁極が逆相になるように入力端子Ｂ−Ｂ′に電流を流す。
以下、同様にステップ６まで電流を流し、ステップ７からステップ１２までは各入力端子組に対して、ステップ１〜６とは逆方向に順次電流を流して固定子の各磁極を励磁する。これにより、各固定子の磁極に順次現れる磁気極性が変動し、対応する回転子の磁極(極歯)を吸引するため、モータの回転軸２８が回転する。

次に、図１８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２０を参照して説明する。
図２０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入力端子Ａ〜Ｆ、Ａ′〜Ｆ′を接続している。
図２０において、Ｔ１〜Ｔ２４は各コイルをオンオフ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。

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４つのコイル１Ｃ、７Ｃ、１３Ｃ、１９Ｃ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、その接続点にコイル２Ｃ、８Ｃ、１４Ｃ、２０Ｃ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。

上述したような固定子磁極が同一の円周上に並んだハイブリッド型ステッピングモータのステップ角θは、下記(１)式によって決定される。
θ＝１８０°／(Ｍ×Ｚ)・・・(１)
但し、Ｍは固定子の相数、Ｚは回転子の極歯の数である。分解能の高いモータを得るためには、ステップ角を小さくする必要がある。そして、ステップ角を小さくするには、相数Ｍを多くするか、回転子の極歯の数Ｚを多くしなければならない。

但し、回転子は一般に前述したようにプレスの打ち抜きにより成型しているため、回転子の極歯数はプレス型の精度能力等の工作技術によって決まる。従って、極歯の数は無制限に多くすることはできず、１００程度が上限である。

また、相数を多くする場合、６相モータを得るには上記のように２４極の固定子磁極、１０相モータを得るには４０極の固定子磁極が夫々必要となる。
このように磁極が多くなると必然的にスロット面積が小さくなるので、小型のモータを得るには巻線の断面積、即ち、銅量が多くとれないという問題があるほか、巻線工程に複雑な作業を必要とすると共に加工工数が多くなって製造原価が高くつくという問題があった。反対に、スロット面積を確保しようとすると、モータ径を大きくしなければならなかった。

上記の(１)式で決まるステップ角より小さな分解能を得るためには、コイルに流す電流を階段状に変化させるマイクロステップ駆動という方法がある。
しかしながら、マイクロステップ駆動によると、回転子の静止位置は各相に流す電流の相対値で決まるため、各巻線に供給する電流値のばらつき、スイッチング素子の特性のばらつき等によって、分解能の精度向上は困難であった。
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であって高価になるという問題があった。

特許文献１には、固定子を軸方向に並列した２つの単位固定子から構成し、第１の単位固定子の磁極と第２の単位固定子の磁極とを軸方向に離して配置すると共に、回転子も夫々の単位固定子に対向する２つの単位回転子から構成することにより、磁極数を増加させず、従って、モータを大径化することなく、しかも、各固定子磁極のスロット面積を確保しつつ、ステップ角を小さくしたハイブリッド型多相ステッピングモータが開示されている。
特開平０８−２７５４８５号公報 図１

しかしながら、特許文献１に記載されたステッピングモータは、図１６に示したモータと同様に、固定子磁極に巻回されたコイルが軸方向の両側に突出しており、２つの単位固定子間のコイルの干渉を避けるためには、単位固定子を軸方向に離して配置する必要があり、これがモータの軸方向のサイズを大型化するという問題点があった。

本発明は、従来のステッピングモータの上記課題（問題点）を解決し、複数の単位固定子を軸方向に並列する場合にも、モータの軸方向のサイズを小さくすることができるハイブリッド型多相ステッピングモータを提供することを目的とする。

本発明にかかるハイブリッド型多相ステッピングモータは、上記の目的を達成させるため、固定子を軸方向に分離された２つの単位固定子から構成することを前提として、各固定子磁極の極歯部を支持する支持部の軸方向の少なくとも一方側に凹部を形成し、この凹部から軸方向に突出しないようコイルを巻回し、凹部が向き合うように２つの単位固定子を密着させたことを特徴とする。

即ち、本発明のハイブリッド型多相ステッピングモータは、円筒状のヨーク部の内周に、内周面に所定数の極歯が形成された極歯部と、この極歯部を支持してヨーク部に接続された支持部とを備える磁極を円周方向に沿って等角度間隔で求心状に複数形成し、各支持部の軸方向の少なくとも一方側に凹部を形成し、該凹部から軸方向に突出しないよう支持部に励磁用コイルを巻回して構成される第１の単位固定子と、第１の単位固定子と同一構造の第２の単位固定子とを相互に固定子磁極ピッチの１／２回転変位させ、凹部が向き合うように密着させて構成される固定子と、固定子の極歯に対応して外周に極歯が形成された複数の回転子磁極の間に軸方向に着磁された永久磁石を配置し、固定子の磁極に囲まれた内部空間に回転可能に配置された回転子とを備えることを特徴とする。

なお、固定子磁極の支持部に形成する凹部は、軸方向の一方側にのみ形成してもよいし、軸方向の両側に形成してもよい。

上記の回転子は、一対の回転子磁極をこの回転子磁極の極歯ピッチの１／２回転変位させ、永久磁石を狭持して固定した第１の単位回転子と、第１の単位回転子と同一構造の第２の単位回転子と、これらの第１、第２の単位回転子の間に配置された非磁性体とから構成することができる。
この場合には、第１の単位回転子を第１の単位固定子の磁極に対向させて設けると共に、第２の単位回転子を第１の単位固定子に対して回転子磁極の極歯ピッチの１／４回転変位させて第２の単位固定子の磁極に対向するように設けることが望ましい。

なお、回転子を上記のように第１、第２の単位回転子を備えるように構成した場合には、第１、第２の単位固定子の磁極を夫々６極とすることにより、６相モータを構成することができる。

請求項１に記載した発明によれば、固定子磁極の支持部に軸方向に凹部を形成し、コイルを凹部から突出しないよう巻回し、凹部を向かい合わせて各単位固定子を固定することにより、コイルの干渉を防ぎ、２つの単位固定子を密着して配置することができる。
従って、モータの軸方向のサイズを特許文献１に記載された従来例より小さくし、図１６に示したような単一固定子のモータと同程度のモータ長とすることができる。

請求項２に記載した発明によれば、各固定子磁極の支持部の軸方向の両側に凹部を形成することにより、コイルが極歯部より軸方向に突出することがないため、２つの単位固定子を密着させることができるのみでなく、モータ両端のエンドカバーも固定子に近接させることができ、更にモータ長を短くすることができる。

請求項３に記載した発明によれば、上述した請求項１の発明の効果に加え、固定子磁極数を増やさずに、モータを大径化することなく、しかも、各固定子磁極のスロット面積を確保しつつ、ステップ角を小さくしたハイブリッド型ステッピングモータを提供することができる。
また、磁極数が少ないため、各コイルへの通電を制御するスイッチング素子の数も少なくすることができる。複数相励磁の場合、従来の固定子磁極が同一の円周上に並んだＮ相モータには４Ｎ個のスイッチング素子が必要であるが、請求項３の構成では２Ｎ個のスイッチング素子で駆動が可能であり、大幅にコスト低減が可能である。

請求項４に記載した発明によれば、各単位固定子に６極、合わせて１２極の固定子磁極を設けることにより、６相モータを実現することができる。
固定子磁極が同一の円周上に並んだ６相ステッピングモータには２４個の固定子磁極が必要であったため、従来の半分の固定子磁極数で同一相数のモータを実現することができる。

以下、本発明にかかるハイブリッド型多相ステッピングモータの実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態にかかるハイブリッド型６相ステッピングモータの縦断側面図、図２は図１のII−II線に沿う断面図、図３は、図１のモータの第１の単位固定子を示す平面図、図４は、図１のモータの固定子磁極を拡大して示す斜視図、図５は、図１のモータの固定子磁極にコイルを巻回した状態を示す斜視図である。

図１及び図２に示すように、本実施の形態にかかるハイブリッド型ステッピングモータは、円筒状のケーシング１内に固定子Ｓを設け、ケーシング１の両端を円板状のエンドカバー５、６によって塞ぎ、各エンドカバーの中心に固定されたベアリング７ａ、７ｂを介して回転軸８を回転自在に支持し、回転軸８に回転子Ｒを固定して構成されている。

固定子Ｓは、軸方向に並んで配置された第１の単位固定子ＳＡと、第２の単位固定子ＳＢとから構成されている。
第１の単位固定子ＳＡは、図３に示すように、円筒状のヨーク部２と、このヨーク部２の内周面に、等角度（６０°）間隔で求心状に設けられた６つの磁極３Ａとを備えている。各磁極３Ａは、図４に拡大して示すように、内周面に所定数(この例では３本)の極歯が形成された極歯部３Ａａと、この極歯部３Ａａを支持してヨーク部２に接続された支持部３Ａｂとから構成されている。
支持部３Ａｂには、軸方向の少なくとも一方、この例では両方に凹部３Ａｃが形成され、軸方向の幅が極歯部３Ａａより狭くなるよう形成されている。
各磁極３Ａを励磁するコイル４は、この支持部３Ａｂの周囲に巻回される。
なお、第１の単位固定子ＳＡのヨーク部２と磁極３Ａとは、磁性体を焼結して一体に成形されている。

第２の単位固定子ＳＢは、第１の単位固定子ＳＡと同一構造であり、ヨーク部２の内周面に６個の磁極３Ｂが等角度間隔で求心状に設けられている。
各磁極３Ｂも、図４に拡大した例と同様に、極歯部３Ｂａと支持部３Ｂｂとを備えると共に、軸方向の両側に凹部３Ｂｃが形成されており、コイル４が各支持部３Ｂｂに巻回されている。第２の単位固定子ＳＢのヨーク部２と磁極３Ｂとは、磁性体を焼結して一体に成形されている。

第１の単位固定子ＳＡと第２の単位固定子ＳＢとは、図２に示すように、固定子磁極３Ａ、３Ｂのピッチの１／２回転変位させてケーシング１内に固定されている。
これにより、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａと、第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂとが交互に配置され、円周方向には極歯部の一部を重複させて配置される。

コイル４は、図１及び図５に示すように、各磁極３Ａ、３Ｂの支持部３Ａｂ、３Ｂｂの周囲に巻回されており、軸方向については両側に形成された凹部３Ａｃ、３Ｂｃから突出しないように巻回されている。
このように、コイル４を凹部内に収納することにより、単位固定子間のコイル４の干渉を防ぎ、図１に示すように第１、第２の単位固定子ＳＡ、ＳＢを凹部を向かい合わせにして密着させることができ、モータの軸方向のサイズを特許文献１に記載された従来例より小さくすることができる。

また、本実施の形態では、凹部３Ａｃ、３Ｂｃが夫々軸方向の両側に形成されているため、エンドカバー５、６側にもコイル４が突出せず、他の機械的な構成が許せば、エンドカバー５、６を図１に示した状態より固定子Ｓに近接させることができ、更にモータ長を短くすることができる。

なお、図２では、コイル４を象徴的に記し、巻方向を示すため夫々丸で囲んだ「・」マークと「×」マークを記し、例えば、「×」マーク側から電流を流せば、「・」マーク側に流出されることを示している。同図に示すように、コイル４に同一方向に電流を流すと、１８０°ずれた位置にある磁極は同一極性に励磁される。

一方、回転子Ｒは、非磁性体１１を挟んで夫々回転軸８に固定された第１の単位回転子ＲＡと第２の単位回転子ＲＢとを備え、固定子の磁極に囲まれた内部空間に回転可能に配置されている。
第１の単位回転子ＲＡは、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａに対向して設けられ、第２の単位回転子ＲＢは、第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂに対向して設けられている。
そして、第１の単位固定子ＳＡは、夫々外周に極歯が形成された一対の回転子磁極１０ＡＡ、１０ＡＢをこれらの回転子磁極の極歯ピッチの１／２回転変位させ、その間に軸方向に着磁された永久磁石９を挟持した状態で回転軸８に固定されている。
永久磁石９が図１中の左側がＮ極、右側がＳ極となるよう磁化されているとすると、一方の回転子磁極１０ＡＡの極歯は全てＮ極、他方の回転子磁極１０ＡＢの極歯は全てＳ極に磁化される。

第２の単位回転子ＲＢも、第１の単位回転子ＲＡと同一構成であり、夫々外周に極歯が形成された一対の回転子磁極１０ＢＡ、１０ＢＢをこれらの回転子磁極の極歯ピッチの１／２回転変位させ、その間に軸方向に着磁された永久磁石９を挟持した状態で回転軸８に固定されている。
上記と同様、永久磁石９が図１中の左側がＮ極、右側がＳ極となるよう磁化されているとすると、一方の回転子磁極１０ＢＡの極歯は全てＮ極、他方の回転子磁極１０ＢＢの極歯は全てＳ極に磁化される。
第２の単位回転子ＲＢは、第１の単位回転子ＲＡに対して、回転子磁極の極歯ピッチの１／４回転変位させて回転軸８に固定されている。

上記のような構成により、各単位固定子に６極、合計１２極の固定子磁極を設けるのみで６相ステッピングモータを構成することができ、固定子磁極数を増やさずに、モータを大径化することなく、しかも、各固定子磁極のスロット面積を確保しつつ、ステップ角を小さくしたハイブリッド型ステッピングモータを提供することができる。

次に、回転子Ｒに形成された極歯の位置関係を図６に基づいて説明し、回転子Ｒの極歯と固定子Ｓの各磁極に形成された極歯との位置関係を図７、図８に基づいて説明する。
図６は、各単位回転子ＲＡ、ＲＢの極歯の相互位置関係を示す拡大図である。
図６に示すように、同一磁極の極歯のピッチをτＲとすると、第１の回転子ＲＡの第１の回転子磁極１０ＡＡの極歯の中心部と第１の回転子ＲＡの第２の回転子磁極１０ＡＢの極歯１０ａの中心部とのピッチはτＲ／２となる。
また、第２の回転子ＲＢにおいても、第１の回転子磁極１０ＢＡの極歯１０ａの中心部とその第２の回転子磁極１０ＢＢの極歯１０ａの中心部とのピッチはτＲ／２である。
また、第１の回転子ＲＡの第１の回転子磁極１０ＡＡの極歯１０ａの中心部と、第２の回転子ＲＢの第１の回転子磁極１０ＢＡの極歯１０ａの中心部との変位角度はτＲ／４である。

図７、図８は、夫々本実施の形態に基づいて構成したハイブリッド型６相ステッピングモータにおける固定子と回転子との相互関係を示している。
なお、図７、図８中の各符号θＳは、第１、第２の各単位固定子ＳＡ、ＳＢの磁極ピッチの１／２を示しており、図７は固定子の極歯間のピッチτＳと回転子の極歯間のピッチτＲとが下記(２)式に等しい場合を示し、また図８は固定子の極歯間のピッチτＳと回転子の極歯間のピッチτＲとの関係が下記(３)式及び(４)式で表わされ、τＳ＞τＲの場合を示している。
τＳ＝τＲ・・・(２)
τＳ＝３６０°／(Ｚ±２)・・・(３)
τＲ＝３６０°／Ｚ・・・(４)
但し、Ｚは１個の回転子磁極に形成した極歯の数である。

図７、図８の各図において、３Ａ₁、３Ａ₂は、６０°のピッチで形成された第１の単位固定子ＳＡの６個の磁極の内の２個を示しており、３Ｂ₁は、同じく６０°のピッチで形成された第２の単位固定子ＳＢの６個の磁極の内の１個を示している。
各磁極の形成ピッチ（磁極間角度）θＳは３０°に等しい。
また、３Ａａ₁は第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ₁の中央部の極歯、３Ａａ₂は磁極３Ａ₁に隣接する磁極３Ａ₂の中央部の極歯、３Ｂａ₁は磁極３Ａ₁に隣接する位置関係にある第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ₁の中央部の極歯を示す。

図７、図８は、いずれも第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ₁を励磁することによって、第１の単位回転子ＲＡの第１の回転子磁極１０ＡＡの３つの極歯が固定子磁極３Ａ₁の３つの極歯と対向する位置に吸引された状態を示す。
この状態で、固定子磁極３Ａ₁の中心の極歯３Ａａ₁に対向する回転子磁極１０ＡＡの極歯を１０ＡＡａ₁、この極歯１０ＡＡａ₁から偏位角度τＲ／４にある第２の単位回転子ＲＢの第１の回転子磁極１０ＢＡの極歯を１０ＢＡａ₁、第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ₁の中心の極歯３Ｂａ₁に最も近い位置にある第２の単位回転子ＲＢの第１の回転子磁極１０ＢＡの極歯を１０ＢＡａj、この極歯１０ＢＡａjから偏位角度τＲ／４にある第１の単位回転子ＲＡの第１の回転子磁極１０ＡＡの極歯を１０ＡＡａj、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ₂の中心の極歯３Ａａ₂に最も近い位置にある第１の単位回転子ＲＡの第１の回転子磁極１０ＡＡの極歯を１０ＡＡａn、この極歯１０ＡＡａnから偏位角度τＲ／４にある第２の回転子ＲＢの第１の回転子磁極１０ＢＡの極歯を１０ＢＡａnとする。

本構成においては、図７、図８は、いずれの場合も、第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ₁の極歯３Ｂａ₁と第２の単位回転子ＲＢの第１の回転子磁極１０ＢＡの極歯１０ＢＡａjとの変位角度が−τＲ／１２(図においては角度の方向を示すために図におけるセンターから左方向は正の符号を、また右方向のものを負の符号−を付す)になるように設定している。
従って、図に示す第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ₁の極歯３Ｂａ₁と第１の単位回転子ＲＡの第１の回転子磁極１０ＡＡの極歯１０ＡＡａjとの変位角度はτＲ／６となり、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ₂の極歯３Ａａ₂と第１の単位回転子ＲＡの第１の回転子磁極１０ＡＡの極歯１０ＡＡａnとの変位角度はτＲ／３となり、第１の単位固定子ＳＡの２番目の磁極３Ａ₂の極歯３Ａａ₂と第２の回転子ＲＢの第１の回転子磁極１０ＢＡの極歯１０ＢＡａnとの変位角度はτＲ／１２となる。
即ち、図７、図８のいずれの場合にも、次に、第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ₁を励磁すると、第２の回転子ＲＢの第１の回転子磁極１０ＢＡの極歯１０ＢＡａjが吸引されてτＲ／１２回転する。
以下後述するように順次第１の単位固定子ＳＡの磁極と第２の単位固定子ＳＢの磁極を励磁することによってτＲ／１２ずつ歩進する。
即ち、τＲ／１２がステップ角になる。

続いて図９に、実施の形態に基づいて製作したモータの特性例として、固定子の磁極を線対称にした場合において、回転子の極歯の数を下記(５)式、又は(６)式を満足する条件で変化させた場合の３相モータと６相モータのステップ角を図表にして示している。
Ｚ＝６ｎ−４・・・(５)
Ｚ＝６ｎ＋４・・・(６)
但し、ｎは１以上の整数である。

次に、図１０、図１１によって、実施の形態に基づいて製作したモータの励磁方法の例を示す。
図１０は、図１、図２に示した構造のモータにおいて、各励磁用のコイルをモノファイラ(ユニファイラ)巻とし、１２本リードでバイポーラ駆動をする場合の結線を示している。同図において、符号１Ｃ〜１２Ｃは、コイル４を示し、Ａ〜Ｆ、Ａ′〜Ｆ′は入力端子を示す。
即ち、Ａ、Ａ′は第１の単位固定子ＳＡにおける１８０°離れた第１磁極と第４磁極とに巻回されたコイル１Ｃと７Ｃを同一方向に直列に接続した回路の入力端子、同様にＤ、Ｄ′は第２の単位固定子ＳＢにおける第１磁極と第４磁極とに巻回されたコイルコイル２Ｃと８Ｃを、Ｂ、Ｂ′は第１の単位固定子ＳＡにおける第２磁極と第５磁極とに巻回されたコイルコイル３Ｃと９Ｃを、Ｅ、Ｅ′は第２の単位固定子ＳＢにおける第２磁極と第５磁極とに巻回されたコイル４Ｃと１０Ｃを、Ｃ、Ｃ′は第１の単位固定子ＳＡにおける第３磁極と第６磁極とに巻回されたコイル５Ｃと１１Ｃを、Ｆ、Ｆ′は第２の単位固定子ＳＢにおける第３磁極と第６磁極とに巻回されたコイル６Ｃと１２Ｃを同一方向に直列に接続した回路の入力端子を示している。

図１１は、図１０に示した結線においてモータを単相励磁する場合に各入力端子に電流を供給する励磁シーケンスを示している。
図１１において、縦方向には励磁電流を流す入力端子の組別を記し、横方向には励磁ステップを記している。
また、各入力端子組の横に引かれた線の上側の四辺形は、例えばＡからＡ′方向に電流を流すことを示し、下側の四辺形は上記とは反対にＡ′からＡ方向に電流を流すことを示している。

図１２は、上述した６相モータを図１１に示す励磁シーケンスに従って駆動した場合の固定子Ｓの極歯と回転子Ｒの極歯との位置関係を説明する展開図である。
図１２の横方向にはモータを展開して示し、最上段には第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ₁、３Ａ₂、３Ａ₃、３Ａ₄と、第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ₁、３Ｂ₂、３Ｂ₃とを交互に示している。
図１０に示したコイルの符号を図１２に示す各固定子磁極の符号に合わせると、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ₁にはコイル１Ｃが巻回され、３Ａ₂にはコイル３Ｃ、３Ａ₃にはコイル５Ｃ、３Ａ₄にはコイル７Ｃ、また、第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ₁にはコイル２Ｃ、３Ｂ₂にはコイル４Ｃ、３Ｂ₃にはコイル６Ｃ、３Ｂ₄にはコイル８Ｃが巻回されている。

最上段の磁極の配置図の下からは、所定の磁極を励磁するステップ順に各回転子の磁極の位置を示している。
即ち、各ステップにおいて、上段から第１の単位回転子ＲＡの第１の回転子磁極１０ＡＡ、第２の回転子磁極１０ＡＢ、第２の単位回転子ＲＢの第１の回転子磁極１０ＢＡ、第２の回転子磁極１０ＢＢを夫々示している。
各回転子の極歯に記したＮは永久磁石９によってその極歯にはＮ極が、Ｓは永久磁石９によってその極歯にはＳ極が現れていることを示している。
また、各ステップの上部に記した(Ｎ)又は(Ｓ)はそのステップにおいて、その列の最上段に記した固定子の磁極が励磁されて現れている磁気極性を示している。
上記のように固定子の磁極を順次励磁することによって回転子が回転する状況を示すために、上述した回転子の所定の磁極にＮ又はＳを丸で囲んで示しており、固定子によって吸引される回転子の磁極部を破線で囲って記している。
但し、ステップ１の欄に記す各回転子の磁極にはステップ２以降に吸引される磁極部を下の欄で示すタイミングに対応させて破線で囲っている。

次に、図１２に示すタイムシーケンスによって本モータの動作を説明する。所定のタイミングで、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ₁と磁極３Ａ₄にＳ極が現れるようにコイル１Ｃ、７Ｃに通電する（図１１においては入力端子ＡからＡ′方向に電流を流す）と、Ｎ極である第１の回転子ＲＡの第１の回転子磁極１０ＡＡの近傍の極歯１０ＡＡａ₁が吸引され、図１２のステップ１に示す位置関係になる。
次に、第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ₁と磁極３Ｂ₄（図示せず）にＳ極が現れるようにコイル２Ｃ、８Ｃに通電する（図１１においては入力端子ＤからＤ′方向に電流を流す）と、Ｎ極である第２の回転子ＲＢの第１の回転子磁極１０ＢＡの近傍の極歯が吸引され、図１２のステップ２に示す位置になる。
次に、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ₂と磁極３Ａ₅（図示せず）にＮ極が現れるようにコイル３Ｃ、９Ｃに通電する（図１１においては入力端子Ｂ′からＢ方向に電流を流す）と、Ｓ極である第１の回転子ＲＡの第２の回転子磁極１０ＡＢの近傍の極歯が吸引され、図１２のステップ３に示す位置になる。
次に、第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ₂と磁極３Ｂ₅（図示せず）にＮ極が現れるようにコイル４Ｃ、１０Ｃに通電する（図１１においては入力端子Ｅ′からＥ方向に電流を流す）と、Ｓ極である第２の回転子ＲＢの第２の回転子磁極１０ＢＢの近傍の極歯が吸引され、図１２のステップ４に示す位置になる。
次に、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ₃と磁極３Ａ₆（図示せず）にＳ極が現れるようにコイル５Ｃ、１１Ｃに通電する（図１１においては入力端子ＣからＣ′方向に電流を流す）と、Ｎ極である第１の回転子ＲＡの第１の回転子磁極１０ＡＡの近傍の極歯が吸引され、図１２のステップ５に示す位置になる。
次に、第２の単位固定子ＳＢの磁極３Ｂ₃と磁極３Ｂ₆（図示せず）にＳ極が現れるようにコイル６Ｃ、１２Ｃに通電する（図１１においては入力端子ＦからＦ′方向に電流を流す）と、Ｎ極である第２の回転子ＲＢの第１の回転子磁極１０ＢＡの近傍の極歯が吸引され、図１２のステップ６に示す位置になる。
このように順次、第１の単位固定子ＳＡの磁極と第２の単位固定子ＳＢの磁極に対し、Ｎ極又はＳ極が現れるように交互に励磁することによって、この励磁された磁極に対応する回転子の磁極が吸引され、回転子Ｒが回転軸８と共に回転する。

上記の図１１の例では、単相励磁の場合について説明したが、次に、実施の形態の６相ハイブリッド型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１３〜図１５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１０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。

図１３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。

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１Ｃと７Ｃ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Ｔ２とＴ５との接続点には第１の単位固定子ＳＡのコイル３Ｃ、９Ｃ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５Ｃ、１１Ｃ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。

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２Ｃ、８Ｃ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４Ｃと１０Ｃ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６Ｃ、１２Ｃ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。

即ち、図１３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ＳＢ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。

図１４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１３の回路と同一である。
相違点は、図１３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１４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１４の回路では、各コイル回路の一方の端子Ａ〜Ｆは図１３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′〜Ｆ′が互いに接続されている。

次に、図１３または図１４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１５に基づいて説明する。
図１５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入力端子組名を示している。各端子に対応する直線上下の四角形の意味は図１１と同一である。

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３Ｃ、９Ｃ及び第２の単位固定子ＳＢのコイル４Ｃ、１０Ｃ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３Ｂ₂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５Ｃ、１１Ｃ及び第２の単位固定子ＳＢの６Ｃ、１２Ｃに逆方向に電流が流れ、第１の単位固定子ＳＡの磁極３Ａ₃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。

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３Ｃ、９Ｃに流れる電流が切られて、コイル１Ｃ、７Ｃ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。

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４Ｃ、１０Ｃに流れる電流が切られて、コイル２Ｃ、８Ｃ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３Ｂ₁と３Ｂ₄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。

以下、図１５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Ｒ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１５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τＲ／１２ずつ回転する。

図２１は、上記の実施の形態にかかるハイブリッド型多相ステッピングモータの変形例を示す縦断正面図であり、図２２は、固定子磁極を拡大して示す斜視図である。
図２１のモータも、図１に示したモータと同様に、ケーシング１内に第１、第２の単位固定子ＳＡ′、ＳＢ′を備える固定子Ｓ′を固定すると共に、回転軸８には第１、第２の単位回転子ＲＡ、ＲＢを固定して構成されている。
図１に示したモータとの違いは、固定子磁極３Ａ′、３Ｂ′の極歯部３Ａａ′、３Ｂａ′を支持する支持部３Ａｂ′、３Ｂｂ′に対して軸方向の一方側にのみ凹部３Ａｃ′、３Ｂｃ′が形成され、他方側がヨーク部２、極歯部３Ａａ′、３Ｂａ′と同一の平面を構成している点である。

図２１に示すように、第１、第２の単位固定子ＳＡ′、ＳＢ′は、互いに凹部３Ａｃ′、３Ｂｃ′が向き合うように配置される。
各固定子磁極３Ａ′、３Ｂ′の支持部３Ａｂ′、３Ｂｂ′にコイル４を巻回すると、コイル４は凹部が形成された軸方向の内側については、凹部から軸方向に突出しないため、第１、第２の単位固定子ＳＡ′、ＳＢ′を密着させて配置することができる。一方、凹部が形成されていない軸方向の外側については、コイル４が磁極３Ａ′、３Ｂ′から軸方向に突出した状態となるため、エンドカバー５、６を固定子Ｓ′に密着させることはできない。但し、ベアリング７ａ、７ｂを配置するため、あるいは他の要請から、もともとエンドカバー５、６と固定子Ｓ′との間にスペースが生じる場合には、コイル４が軸方向の外側で突出していても問題はない。

本発明のハイブリッド型多相ステッピングモータは、ロボットや半導体製造装置などの高速で高精度の位置決め機能を必要とする産業機器に最適である。

本発明の実施の形態にかかるハイブリッド型６相ステッピングモータの縦断側面図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。 図１のモータの第１の単位固定子を示す平面図である。 図１のモータの固定子磁極を拡大して示す斜視図である。 図１のモータの固定子磁極にコイルを巻回した状態を示す斜視図である。 図１のモータの回転子を構成する４つの回転子磁極に設けた極歯の位置関係を拡大して示す展開図である。 本発明の実施の形態に基づいて構成したハイブリッド型ステッピングモータの固定子磁極の極歯と、回転子磁極の極歯との位置関係を示す展開図で、固定子のピッチ（間隔角度）と回転子のピッチ（間隔角度）が等しい場合を示す。 本発明の実施の形態に基づいて構成したハイブリッド型ステッピングモータの固定子磁極の極歯と、回転子磁極の極歯との位置関係を示す展開図で、固定子のピッチ（間隔角度）が回転子のピッチ（間隔角度）よりも大きい場合を示す。 本発明の実施の形態に基づいて構成したハイブリッド型ステッピングモータにおける回転子磁極の極歯数とステップ角との関係を示す図表である。 本発明の実施の形態に基づいて構成したハイブリッド型ステッピングモータのコイルをモノファイラ巻とした場合の接続状態を示す結線図である。 本発明の実施の形態に基づいて構成したハイブリッド型ステッピングモータにおける単相励磁の場合の励磁シーケンス図である。 図１１に示す励磁シーケンスに従って駆動した場合の固定子の極歯と回転子の極歯との位置関係を説明する展開図である。 本発明の実施の形態に基づいて構成したハイブリッド型ステッピングモータを複相励磁する場合の励磁回路の回路図であり、各単位固定子のコイルを独立させた場合を示す。 本発明の実施の形態に基づいて構成したハイブリッド型ステッピングモータを複相励磁する場合の励磁回路の回路図であり、各単位固定子のコイルを１点に集めた場合を示す。 本発明の実施の形態に基づいて構成したハイブリッド型ステッピングモータにおける４相励磁の場合の励磁シーケンス図である。 従来例のハイブリッド型２相ステッピングモータの縦断側面図である。 図１６におけるXVI−XVI線に沿う断面図である。 従来構造のハイブリッド型６相ステッピングモータのコイルをモノファイラ巻とした場合の接続状態を示す結線図である。 従来構造のハイブリッド型６相ステッピングモータの励磁シーケンス図である。 従来構造のハイブリッド型６相ステッピングモータを単相励磁する場合の励磁回路の回路図である。 本発明の実施の形態の変形例にかかるインナー形ハイブリッド型ステッピングモータの縦断側面図である。 図２１に示すモータの固定子磁極を拡大して示す斜視図である。

符号の説明

１：ケーシング
２：ヨーク部
３Ａ、３Ｂ：固定子の磁極
３Ａａ、３Ｂａ：極歯部
３Ａｂ、３Ｂｂ：支持部
３Ａｃ、３Ｂｃ：凹部
４：コイル
８：回転軸
９：永久磁石
１０ＡＡ、１０ＡＢ、１０ＢＡ、１０ＢＢ：回転子磁極
１０ａ：回転子磁極の極歯
１１：非磁性体
Ｒ：回転子
ＲＡ、ＲＢ：単位回転子
Ｓ：固定子
ＳＡ、ＳＢ：単位固定子

Claims (4)

1. 円筒状のヨーク部の内周に、内周面に所定数の極歯が形成された極歯部と、
   該極歯部を支持して前記ヨーク部に接続された支持部とを備える磁極を円周方向に沿って等角度間隔で求心状に複数形成し、前記各支持部の軸方向の少なくとも一方側に凹部を形成し、該凹部から軸方向に突出しないよう前記支持部に励磁用コイルを巻回して構成される第１の単位固定子と、
   前記第１の単位固定子と同一構造の第２の単位固定子とを相互に固定子磁極ピッチの１／２回転変位させ、前記凹部が向き合うように密着させて構成される固定子と、
   前記固定子の極歯に対応して外周に極歯が形成された複数の回転子磁極の間に軸方向に着磁された永久磁石を配置し、前記固定子の磁極に囲まれた内部空間に回転可能に配置された回転子とを備えることを特徴とするハイブリッド型多相ステッピングモータ。
2. 前記支持部は、軸方向の両側に前記凹部を備え、前記コイルは、軸方向に対して前記極歯部より突出しないように巻回されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型多相ステッピングモータ。
3. 前記回転子は、一対の前記回転子磁極を該回転子磁極の極歯ピッチの１／２回転変位させ、前記永久磁石を狭持して固定した第１の単位回転子と、
   該第１の単位回転子と同一構造の第２の単位回転子と、
   これらの第１、第２の単位回転子の間に配置された非磁性体とを備え、
   前記第１の単位回転子を前記第１の単位固定子の磁極に対向させて設けると共に、前記第２の単位回転子を前記第１の単位固定子に対して前記回転子磁極の極歯ピッチの１／４回転変位させて前記第２の単位固定子の磁極に対向するように設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリット形多相ステッピングモータ。
4. 前記第１、第２の単位固定子の磁極をそれぞれ６極とし、６相モータとしたことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド型多相ステッピングモータ。

Images