JP2005295782A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はステッピングモータを提供する。
【解決手段】本発明は、円周方向にＮ極とＳ極の磁極が交互に着磁された円筒形状のマグネット１１２と、上記マグネット１１２を長さ中間に一体に設ける一定長さの回転軸から成る回転子；上記マグネット１１２の外周面と一定間隔を置いて対向する内周面に長方形状の上、下部極歯が噛合する少なくとも一つ以上のヨークと、上記ヨークの内面に設けられるボビンに捲線されるコイルから成る固定子を含み、上記ヨークの上、下部極歯は円周方向に等間隔で配置され、上記マグネット１１２の各磁極と上記ヨークの上、下部極歯との間に発生する斥力と引力が不均一に発生するよう上記マグネット１１２の磁極は上記マグネット１１２の回転中心を基準に向き合った対頂角に形成される２個の大角磁極１１２ａと、上記大角磁極１１２ａ同士の間に円周方向に等間隔で形成される複数個の小角磁極１１２ｂとから成る。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁力の強さを最大化して駆動特性を高められるようヨークの形状を長方形状に最適化した状態においてモータ駆動時に各ステップ毎に発生するコギングトルクを下げモータの振動及び騒音を減らし、マイクロステップ制御を精密に行えるステッピングモータに関するものである。

一般にステッピングモータ（ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｍｏｔｏｒ）はシャフトの位置を検出するためのフィードバック無しに定められた角度を回転し相当高い正確度で停止できながら、他モータに比べて停止時かなり高い停止トルクを保有するので別途の電子ブレークなどの位置保持機構を必要とせず、回転速度もパルス（ｐｕｌｓｅ）に比例するため簡便に制御可能な駆動特性を有する。

こうした特性から上記ステッピングモータは機械的な移動量を精密に制御するのに主に用いられ、とりわけパルス（ｐｕｌｓｅ）によりデジタル（ｄｉｇｉｔａｌ）的な制御が可能なので小型精密電子機器などの駆動源にも広く用いられている。

一例として、上記ステッピングモータはプリンターヘッドの印字位置制御や、Ｘ−Ｙプロッター（Ｐｌｏｔｔｅｒ）のペン位置制御またはフロッピー(登録商標)ディスク（ｆｌｏｐｐｙ ｄｉｓｋ）及び各種ディスクロムのヘッド（ｈｅａｄ）位置制御、紙幣計数器、縫製機器、電動タイプライター、ファクシミリなどの様々な電子機器における精密制御駆動源として用いられている。

図７は従来の技術によるステッピングモータを示した断面図で、図８は従来の技術によるステッピングモータを示した斜視図として、図示したように、ステッピングモータ（２０１）は回転子（２１０）と固定子（２２０）から成りコイルを通した通電時の固定子の極歯がＮ極とＳ極に励磁され、これに対応する回転子のマグネットが回転軸を中心に回転するのである。

即ち、上記回転子（２１０）は回転軸（２１１）とマグネット（２１２）から成るが、上記回転軸（２１１）は正方向または逆方向への回転が可能なようベアリング部材（２１３ａ）を有する第１カバープレート（２１３）に長さ中間が支持される一定長さの軸部材であり、一端は第２カバープレート（２１４）の内面中心に接して支持される。

そして、上記マグネット（２１２）は上記回転軸（２１１）の一端部に略円筒状で一体に設けられ、その外周面にはＮ、Ｓ極が円周方向へ交互に着磁され、上記マグネット（２１２）は上記固定子（２２０）の内周面に設けられるコイル（２２３）（２２４）と一定の空隙を形成しながら対向して配置されるよう構成することにより相互作用によって所定の電磁力を発生させるようになる。

上記固定子（２２０）は円筒形のコイル（２２３）（２２４）が捲線されて相互同軸線上に上下配置され結合される第１、２ヨーク（２２１）（２２２）から成るが、上記第１ヨーク（２２１）は内面にボビン（２２５）と、上記ボビン（２２５）の外面にコイル（２２３）を捲線して成り、上記回転子（２１０）のマグネット（２１２）と一定間隔を置いて向き合った内面にはヨークを成す複数個の上、下部極歯（２２１ａ）（２２１ｂ）［図外］が噛合する形態を有するよう交互に配列される。

さらに、上記第２ヨーク（２２２）も上記第１ヨーク（２２１）と同様に内面にコイル（２２４）を捲線したボビン（２２６）が具備される構造であり、上記マグネット（２１２）と対面する内面にはヨークを構成する複数個の上、下部極歯（２２２ａ）（２２２ｂ）［図外］が噛合する形態を有するよう交互に配列される。

これにより、上記したステッピングモータ（２０１）を構成する第１、２ヨーク（２２１）（２２２）の各コイル（２２３）（２２４）に外部から電流が印加されると、上記コイル（２２３）（２２４）と第１、２ヨーク（２２１）（２２２）とマグネット（２１２）の磁極同士の間に電磁力が生じ、この電磁力により回転軸（２１１）とマグネット（２１２）から成る回転子（２１０）が固定子（２２０）を中心に回転するのである。

しかしながら、上記ステッピングモータ（２０１）の駆動時、回転子（２１０）のマグネット（２１２）と固定子（２２０）の第１，第２ヨーク（２２１）（２２２）との間に発生する空隙磁束密度の変化及び電流の歪曲現象に基づきコギングトルク（Ｃｏｇｇｉｎｇ Ｔｏｒｑｕｅ）とリラクタンストルクリップル（Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ Ｔｏｒｑｕｅ Ｒｉｐｐｌｅ）が大きく発生して振動と騒音が増加するにつれて製品の寿命を短縮させる原因となっていた。

ここで、上記コギングトルクとは、永久磁石のマグネット（２１２）を有するステッピングモータ（２０１）において回転子（２１０）と固定子（２２０）の相対位置に応じて磁気抵抗が変化することにより生じるトルクリップル成分として、回転子（２１０）の１回転時のマグネット（２１２）の極数と上記ヨーク（２２１）（２２２）の極歯数との最小公倍数で周期的に発生する現象である。

一方、ステッピングモータの駆動トルク特性やコギングトルク特性は上記固定子（２２０）を構成するヨーク（２２１）（２２２）の上、下部極歯（２２１ａ）（２２１ｂ）（２２２ａ）（２２２ｂ）［図外］の形状やマグネット（２１２）の着磁力により決定され、上記ヨーク（２２１）（２２２）の極歯形状を最適化してモータの駆動トルク特性を最適化しながらコギングトルクを最小化することが最も理想的であるが、両特性をすべて満足させるのが困難な実状である。

従来のステッピングモータ（２０１）の第１、２ヨーク（２２１）（２２２）と対向するマグネット（２１２）は図９（Ａ）に示したように、極数が１０極の場合３６°の等間隔でＮ、Ｓ極の磁極が交互に着磁され、上記第１、２ヨーク（２２１）（２２２）の各上、下部極歯（２２１ａ）（２２１ｂ）（２２２ａ）（２２２ｂ）形状は面積に比例して大きくなる磁力を最大化すべく図９（Ｂ）において点線で示したように長方形状から成ることが最も理想的であるが、モータ駆動時にコギングトルクが大きく発生するので、実線で示したように台形状に構成した。

これにより、長方形状の極歯に比べて小さくなった面積分だけヨークの磁力が減少しモータ駆動トルクが低下してしまう問題があった。

したがって、本発明は、上記した問題点を解決すべく案出されたもので、その目的は、ヨークの形状を、優れたトルク特性を呈するよう最適化した状態においてモータ駆動時に発生するコギングトルクを下げてモータの振動及び騒音を減少させるステッピングモータを提供することにある。

上記した目的を成し遂げるための技術的な手段として、本発明は円周方向にＮ極とＳ極の磁極が交互に着磁された円筒状のマグネットと、上記マグネットを長さ中間に一体に設ける一定長さの回転軸とで成る回転子；上記マグネットの外周面と一定間隔を置いて対向する内周面に長方形状の上、下部極歯が噛合する少なくとも一つ以上のヨークと、上記ヨークの内面に設けられるボビンに捲線されるコイルとで成る固定子を含み、上記ヨークの上、下部極歯は円周方向に等間隔で配置され、上記マグネットの各磁極と上記ヨークの上、下部極歯との間に発生する斥力と引力が不均一に生じるよう、上記マグネットの磁極は上記マグネットの回転中心を基準に向き合った対頂角に形成される２個の大角磁極と、上記大角磁極同士の間に円周方向に等間隔で形成される複数個の小角磁極とで成ることを特徴とするステッピングモータを具備する。

好ましくは、上記大角磁極の着磁角度（β）は上記マグネットの着磁磁極数をＰとし、ステップ角をＸとする場合、β＝α＋Ｘで、上記小角磁極の着磁角度（α）はα＝｛１８０°−（１８０°／Ｐ）｝×（２／Ｐ）である。好ましくは、上記マグネットの回転中心を基準に対頂角に向き合った２個の大角磁極と複数個の小角磁極は互いに逆の極性を有するよう着磁される。好ましくは、上記回転子のステップ角は１８°で、上記マグネットは１０極に分割され、上記マグネットに着磁される２個の大角磁極の着磁角度は５０．４°で、上記マグネットに着磁される残り８個の小角磁極の着磁角度は３２．４°である。

上述したような本発明によると、永久磁石のマグネットと対応して磁力を発生させるヨークの極歯形状を長方形状に構成することにより、モータの駆動トルクはヨークの面積に比例するため従来のサイン波形状、台形状のヨークを有するモータに比べて高い駆動トルクを発生しトルク効率を向上させることができる。
さらに、長方形状の極歯を有するヨークに対応するマグネットの磁極を着磁角度が大きく形成される大角磁極と着磁角度が小さく形成される小角磁極とに形成して円周方向にＮ極とＳ極が不均一に着磁されることにより、モータ駆動時に各ステップ毎に発生するコギングトルクを従来に比べて半分以下に減らせ、モータの振動及び騒音を減少させ、マイクロステップ制御を精密に行いモータの精密度を高める効果を奏する。

以下、本発明についてより詳しく説明する。

図１は本発明によるステッピングモータを示した斜視図で、図２は本発明によるステッピングモータに設けられるマグネットの着磁状態図である。

本発明のステッピングモータ（１００）は図１と図２に示したように、マグネットと対応するヨークの形状を最適化して駆動トルクを向上させ、マグネットの磁極角度を不均一に着磁させてコギングトルクを最小化できるもので、こうしたステッピングモータ（１００）は回転子（１１０）と固定子（１２０）から成る。即ち、上記回転子（１１０）は上記固定子（１２０）に対して回転可能に組み立てられ回転駆動力を発生する回転構造物として、回転軸（１１１）とマグネット（１１２）から成り、上記回転軸（１１１）は上記回転子（１１０）の回転中心となる一定長さの軸部材である。

上記回転軸（１１１）は正方向または逆方向へ回動が自在なよう第１カバープレート（１１３）の中心に設けられたベアリング部材（１１３ａ）に支持され、一端は図示しない第２カバープレートの内面中心に接して支持される。

そして、上記マグネット（１１２）は円周方向にＮ極とＳ極の磁極（１１２ａ）（１１２ｂ）が交互に着磁された円筒状の永久磁石部材であり、これは上記回転軸（１１１）の長さ中間に一体に設けられる。

ここで、上記マグネット（１１２）に着磁される磁極（１１２ａ）（１１２ｂ）は、上記固定子（１１０）を構成するヨーク（１２１）（１２２）の上、下部極歯（１２１ａ）（１２１ｂ）（１２２ａ）（１２２ｂ）との間に発生する斥力と引力が不均一に生じるよう、上記回転子（１１０）が回転する中心の回転軸（１１１）を基準に向き合った対頂角に形成される２個の大角磁極（１１２ａ）と、上記大角磁極（１１２ａ）同士の間に円周方向に等間隔で複数個形成される小角磁極（１１２ｂ）とで成る。

そして、上記マグネット（１１２）に円周方向に着磁される大角磁極（１１２ａ）の着磁角度（β）は上記マグネット（１１２）に着磁される全体磁極数をＰとし、上記回転子のステップ角をＸとする場合、下記数１から求められ、これより得られた角度で着磁される。
（数１）
β＝α＋Χ
また、対頂角に相互対応する２個の大角磁極（１１２ａ）を除く残りの磁極である複数個の小角磁極（１１２ｂ）の着磁角度（α）は下記数２から求められ、これより得られた角度で着磁される。
（数２）
α＝［１８０°−（１８０°／Ｐ）］×（２／Ｐ）
ここで、上記回転子（１１０）の回転中心である回転軸（１１１）を基準に対頂角に向き合った２個の大角磁極（１１２ａ）中いずれかがＮ極で着磁されると、その反対側の他方はＳ極で着磁され互いに逆の極性を有するよう構成され、対頂角に向き合った複数個の小角磁極（１１２ｂ）も互いに逆の極性を有するよう着磁されることが好ましい。

一方、上記回転子（１１０）が回転可能なよう内部に組み立てられる固定子（１２０）は上記マグネット（１１２）の外周面と一定間隔を置いて対向する内周面に長方形状の上、下部極歯（１２１ａ）（１２１ｂ）（１２２ａ）（１２２ｂ）が噛合する少なくとも一つ以上のヨーク（１２１）（１２２）を設け、上記ヨーク（１２１）（１２２）の内面には電源印加時に電流が流れるコイル（１２３）（１２４）が捲線されるボビン（１２５）（１２６）を各々設ける。

ここで、上記大角磁極（１１２ａ）と小角磁極（１１２ｂ）から成るマグネットの外周面と一定間隔を置いて相互対応する上記ヨーク（１２１）（１２２）の上、下部極歯（１２１ａ）（１２１ｂ）（１２２ａ）（１２２ｂ）は円周方向に等間隔で配置される。

図３は本発明によるステッピングモータに設けられるヨークの上、下部極歯を繰り広げた展開図として、図示のように、上記上、下部極歯（１２１ａ）（１２１ｂ）（１２２ａ）（１２２ｂ）は上記回転子（１１０）のマグネット（１１２）の極数（Ｐ）が１０個、ステップ角が１８°の場合、３６°の一定間隔毎に最大の磁力を発生できるよう長方形状に形成される。

こうした上、下部極歯（１２１ａ）（１２１ｂ）（１２２ａ）（１２２ｂ）は円筒状のマグネット（１１２）の外周面と相互対応する先、後端が一体に連結され中空円筒状から成り、噛合するよう上下配置されてヨーク（１２１）（１２２）を構成する。

即ち、上記上、下部極歯（１２１ａ）（１２１ｂ）（１２２ａ）（１２２ｂ）は円周方向に等間隔（Ｗ）で形成されるのに比して、上記上、下部極歯（１２１ａ）（１２１ｂ）（１２２ａ）（１２２ｂ）と対応するマグネット（１１２）の磁極は大きい着磁角度を有する２個の大角磁極（１１２ａ）と小さい着磁角度を有する残りの小角磁極（１１２ｂ）とで成り円周方向に不均一な着磁角度を有するようになる。

図４は本発明によるヨークの磁力の和と、着磁角度が均一に形成された従来のマグネットとヨークとの間に発生する磁束と、着磁角度が不均一に形成されたマグネットとヨークとの間に発生する磁束との相関関係を示したグラフである。

ここで、従来のマグネット（２１２）は磁極数を１０個とし、各磁極が３６°ずつ均等に着磁されたもので、本発明のマグネット（１１２）はこれに着磁される磁極数（Ｐ）を１０個とし、ステップ角を１８°とし、上記マグネット（１１２）に形成される大角磁極（１１２ａ）の着磁角度（β）を上記数１により５０．４°で着磁し、小角磁極（１１２ｂ）の着磁角度（α）を上記数２により３２．４°にする。

こうした場合、図４に示したように従来の均等着磁されたマグネットにおいて最大磁束を有する頂点は上記ヨーク（１２１）（１２２）の磁力の和が最大になり始める基準線（Ｏ）に対して上記マグネット（１１２）を回転反対方向へ引っ張る引力の影響を受ける右側に位置するため、上記一定間隔（ａ）を実測しこれを長さに換算して１．９７１ｍｍとする場合、その全体を合算した値は上記一定間隔に極数を乗じた値（１．９７１×１０）の１９．７１ｍｍとなる。

逆に、大角磁極（１１２ａ）と小角磁極（１１２ｂ）が不均等に着磁されたマグネット（１１２）において最大磁束を有する頂点は上記ヨーク（１２１）（１２２）の磁力の和が最大になり始める基準線（Ｏ）に対して不均一な間隔（ｂ）を成しながら上記マグネット（１１２）を回転反対方向に引っ張る引力の影響を受ける右側に位置するか、上記マグネット（１１２）を回転方向に押し出す斥力の影響を受ける左側に位置するため、１．９７１ｍｍに換算された上記一定間隔（ａ）を基準に不均一な間隔（ｂ）の全体を合算した値は６．４４ｍｍである。

したがって、上記ヨーク（１２１）（１２２）の磁力の和が最大になり始める基準線（Ｏ）にマグネットの最大磁束を有する頂点が近接するほどモータ駆動時に発生する反発力であるコギングトルクを減少できる理想的な構造を有するため、マグネット（１１２）が不均等に着磁された本発明はマグネット（２１２）が均等に着磁された従来に比して３倍の有利な値を呈するのである。

図５は均等着磁された従来のマグネットと不均等着磁された本発明のマグネットが回転子の１回転時に各ステップ毎に発生するコギングトルクの変化を示したグラフとして、図示のように１０極に分割される磁極が３６°ずつ均等に着磁された従来のマグネット（２１２）とヨーク（２２１）（２２２）との間に発生するコギングトルクを１８°のステップ毎に測定すると、２ないし２．５ｇ．ｃｍのトルク値を有するのに比して、１０極に分割される磁極が５０．４°の大角磁極（１１２ａ）と３２．２°の小角磁極（１１２ｂ）から成る本発明のマグネット（１１２）とヨーク（１２１）（１２２）との間に発生するコギングトルクを１８°のステップ毎に測定すると、０．５ないし１ｇ．ｃｍのトルク値を有することがわかる。

したがって、５０．４°の着磁角度を有する２個の大角磁極（１１２ａ）と３２．２°の着磁角度を有する８個の小角磁極（１１２ｂ）から成るマグネット（１１２）を回転子（１１０）に設け、磁力を最大に発生させられるよう長方形状から成る上、下部極歯（１２１ａ）（１２１ｂ）（１２２ａ）（１２２ｂ）を固定子（１２０）に設ければ、モータ駆動時に発生するコギングトルクを半分に節減して振動及び騒音の発生を減らすことができ、マイクロステップ制御をより精密に行える一方、駆動トルクを向上させモータ効率を高められる。

図６はステップ角の変化に応じて発生するコギングトルクの変化を示したグラフである。即ち、ステッピングモータのステップ角（Ｘ）を１８°を基準にこれを１．２倍、１．４倍、１．６倍、１．８倍及び２倍と大きくなるよう可変させ、０．８倍、０．６倍、０．４倍、０．２倍と低くなるよう可変させると、上記マグネット（１１２）の大角磁極（１１２ａ）の着磁角度（β）と小角磁極（１１２ｂ）の着磁角度（α）は下記表１のように得られるが、こうした様々な着磁角度を有するマグネット（１１２）とヨーク（１２１）（１２２）との間に発生するコギングトルクを測定すると図６に示したように、ステップ角が１８°、大角磁極（１１２ａ）の着磁角度（β）が５０．４°、小角磁極（１１２ｂ）の着磁角度（α）は３２．４°に形成する際、モータ駆動時に発生するコギングトルクが最小となることがわかる。

本発明は特定の実施例に係わり図示、説明したが、上述の請求の範囲により設けられる本発明の精神や分野を外れない限度内において本発明が多様に改造及び変化されえることを当業界において通常の知識を有する者は容易に想到できることを明かしておく。

本発明によるステッピングモータを示した斜視図である。 本発明によるステッピングモータに設けられるマグネットの不均等着磁状態図である。 本発明によるステッピングモータに設けられるヨークの上、下部極歯を繰り広げた展開図である。 本発明によるヨークの磁力の和と、着磁角度が均一に形成された従来のマグネットとヨークとの間に発生する磁束と、着磁角度が不均一に形成されたマグネットとヨークとの間に発生する磁束との相関関係を示したグラフである。 均等着磁された従来のマグネットと不均等着磁された本発明のマグネットが回転子の１回転時各ステップ毎に発生させるコギングトルクの変化を示したグラフである。 ステップ角の変化に応じて発生するコギングトルクの変化を示したグラフである。 従来の技術によるステッピングモータを示した断面図である。 従来の技術によるステッピングモータを示した斜視図である。 （Ａ）は従来の技術によるステッピングモータに設けられるマグネットの均等着磁状態図である。（Ｂ）は従来の技術によるステッピングモータに設けられる極歯の正面図である。

符号の説明

１１０ 回転子
１１１ 回転軸
１１２ マグネット
１１２ａ 大角磁極
１１２ｂ 小角磁極
１２０ 回転子
１２１、１２２ ヨーク
１２１ａ、１２１ｂ、１２２ａ、１２２ｂ 上、下部極歯
１２３、１２４ コイル
１２５、１２６ ボビン
Ｐ 磁極数
Ｘ ステップ角

Claims (4)

1. 円周方向にＮ極とＳ極の磁極が交互に着磁された円筒状のマグネットと、上記マグネットを長さ中間に一体に設ける一定長さの回転軸とで成る回転子と、
   上記マグネットの外周面と一定間隔を置いて対向する内周面に長方形状の上、下部極歯が噛合する少なくとも一つ以上のヨークと、上記ヨークの内面に設けられるボビンに捲線されるコイルとで成る固定子とを含み、
   上記ヨークの上、下部極歯は円周方向に等間隔で配置され、上記マグネットの各磁極と上記ヨークの上、下部極歯との間に発生する斥力と引力が不均一に生じるよう、上記マグネットの磁極は上記マグネットの回転中心を基準に向き合った対頂角に形成される２個の大角磁極と、上記大角磁極同士の間に円周方向に等間隔で形成される複数個の小角磁極とから成ることを特徴とするステッピングモータ。
2. 上記大角磁極の着磁角度（β）は上記マグネットの着磁磁極数をＰとし、ステップ角をＸとする場合、β＝α＋Ｘで、
   上記小角磁極の着磁角度（α）はα＝｛１８０°−（１８０°／Ｐ）｝×（２／Ｐ）であ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. 上記マグネットの回転中心を基準に対頂角に向き合う２個の大角磁極と複数個の小角磁極は互いに逆の極性を有するよう着磁され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。
4. 上記回転子のステップ角は１８°で、上記マグネットは１０極に分割され、上記マグネットに着磁される２個の大角磁極の着磁角度は５０．４°で、上記マグネットに着磁される残り８個の小角磁極の着磁角度は３２．４°であ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。

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