JP2006087168A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で且つ軸方向の長さが短く、低コストで高出力なステッピングモータを提供する。
【解決手段】 ステッピングモータは、第１の外側磁極部１ａ及び第２の外側磁極部１ｂを一体的に有する軟磁性材料製のステ−タ１と、第１の外側磁極部１ａに外嵌される第１のボビン４ａ、第２の外側磁極部１ｂに外嵌される第２のボビン４ｂを一体的に有するボビン体４と、第１のボビン４ａに巻回された第１のコイル２と、第２のボビン４ｂに巻回された第２のコイル３と、第１の円柱部８ａの周りに締まり嵌めで固定されたマグネット７を有する軟磁性材料製のロータ部８とを備える。ロータ部８は、その穴部８ｅにおいて、カバー１１の第１の軸部１１ａに回転自在に支持される。ロータ部８の穴部８ｅ内には、非磁性材料の付勢部材９が回転自在に嵌合しており、穴部８ｅ内において、付勢部材９と共にロータ部８をモータ軸方向に付勢するための圧縮コイルバネ１０が配されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ステッピングモータに関し、特に、円筒形状のステッピングモータに関する。

ステッピングモータの第１の従来例として、回転軸を中心とする直径を小さくし、且つ出力を高めたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図９は、第１の従来例のステッピングモータの分解斜視図であり、図１０は、図９のステッピングモータの縦断面図である。

図９及び図１０において、第１の従来例のステッピングモータは、モータ軸方向に所定の間隔をあけて互いに対向する軟磁性材料製の第１のステータ２０４及び第２のステータ２０５と、第１のステータ２０４と第２のステータ２０５を所定の間隔で保持する非磁性材料製の連結リング２０７と、第１のステータ２０４の軸受け部２０４Ｅ及び第２のステータ２０５の軸受け部２０５Ｅに回転自在に支持された出力軸２０６と、出力軸２０６に固着され、円周方向に４分割して異なる極に交互に着磁されたマグネット（永久磁石）製のロータ２０１とを備える。

第１のステータ２０４は、先端部が櫛歯形状であると共に、ロータ２０１の外周面に所定の隙間をあけて対向する第１の外側磁極部２０４Ａ，２０４Ｂと、ロータ２０１の内周面に所定の隙間をあけて対向する第１の内側磁極部２０４Ｃ，２０４Ｄとを備え、第２のステータ２０５は、ロータ２０１の外周面に所定の隙間をあけて対向する第２の外側磁極部２０５Ａ，２０５Ｂと、ロータ２０１の内周面に所定の隙間をあけて対向する第２の内側磁極部２０５Ｃ，２０５Ｄとを備える。

第１の内側磁極部２０４Ｃ，２０４Ｄには、ロータ２０１にモータ軸方向に隣接して、第１のステータ２０４を励磁する第１のコイル２０２が巻回されており、第２の内側磁極部２０５Ｃ，２０５Ｄには、ロータ２０１にモータ軸方向に隣接して、第２のステータ２０５を励磁する第２のコイル２０３が巻回されている。

このステッピングモータは、第１のコイル２０２、第２のコイル２０３への通電方向を切り換えて、第１の外側磁極部２０４Ａ，２０４Ｂ、第１の内側磁極部２０４Ｃ，２０４Ｄ、第２の外側磁極部２０５Ａ，２０５Ｂ、第２の内側磁極部２０５Ｃ，２０５Ｄの各極性を切り換えることによりロータ２０１を回転させる。

このモータは、コイルに通電することにより発生した磁束が外側磁極部から対向する内側磁極部へ、又は内側磁極部から対向する外側磁極部へと流れ、外側磁極部と内側磁極部の間に位置するマグネットに効率的に作用する。また、外側磁極部と内側磁極部との間隔を円筒形状のマグネットの厚さ程度とすることができるため、外側磁極部と内側磁極部とで構成される磁気回路の抵抗を小さくすることができ、もって少ない電流で多くの磁束を発生させて、出力を向上させることができる。

また、上記ステッピングモータを改良した第２の従来例として、内側磁極部を円筒形状で構成し、その内側磁極部の内径部に挿入されている出力軸を軟磁性材料で構成し、更には、出力軸を回転自在に保持すべくステータに取り付けられた軸受け部を非磁性材料で構成したものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このステッピングモータによれば、出力軸も磁気回路として利用することにより、モータの出力を増大させることができ、また、軸受け部を非磁性材料で構成することにより、モータ出力増大の際のステータと出力軸の磁気による吸着を防止している。

さらに、上記第１の従来例のステッピングモータを改良した第３の従来例として、モータの回転軸を軸方向に付勢したものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

図１１は、第３の従来例のステッピングモータの縦断面図である。

図１１において、第３の従来例のステッピングモータは、モータ軸方向に所定の間隔をあけて互いに対向する軟磁性材料製の第１のステータ３１８及び第２のステータ３１９と、第１のステータ３１８と第２のステータ３１９を連結する連結リング３２０と、第２のステータ３１９に固定されたフレーム３２３と、第１のステータ３１８の軸受け部３２５及びフレーム３２３の先端軸受け部３２４に夫々回転自在に支持された出力軸３０７と、出力軸３０７に圧入により固着された円筒形状のマグネット（永久磁石）製のロータ３０１とを備える。

第１のステータ３１８は、先端部が櫛歯形状であると共に、ロータ３０１の外周面に所定の隙間をあけて対向して第１の外側磁極を構成する外筒３１８ａと、ロータ３０１の内周面に所定の隙間をあけて対向する内筒３１８ｂと、内筒３１８ｂと協働して第１の内側磁極を構成する第１の補助ステータ３２１とを備え、第２のステータ３１９は、先端部は櫛歯形状であると共に、ロータ３０１の外周面に所定の隙間をあけて対向して第２の外側磁極を構成する外筒３１９ｃと、ロータ３０１の内周面に所定の隙間をあけて対向する内筒３１９ｂと、内筒３１９ｂと協働して第２の内側磁極を構成する第２の補助ステータ３２２とを備える。

第１の内筒３１８ｂには、ロータ３０１にモータ軸方向に隣接して第１のステータ３１８を励磁する第１のコイル３０２が巻回されており、第２の内筒３１９ｂには、ロータ３０１にモータ軸方向に隣接して第２のステータ３１９を励磁する第２のコイル３０３が巻回されている。

出力軸３０７には、リードスクリュー部３０７ａが形成されており、このリードスクリュー部３０７ａは、不図示のメネジと噛み合って出力軸３０７の回転時にメネジを直線移動させることができる。

第１のステータ３１８の第１の内筒３１８ｂは、その中に収納されたスライド部材３２６と、その端部に固定された蓋３２８と、スライド部材３２６を介して出力軸３０７を先端軸受け部３２４側に付勢する圧縮コイルスプリング３２７とを備える。これにより、出力軸３０７を先端軸受け部３２４側に付勢して、出力軸３０７の軸方向位置に関して、出力軸３０７の回転位置等によるヒステリシス差を排除しつつ位置決めを行うことができ、その際、圧縮コイルスプリング３２７とスライド部材３２６から成る付勢手段を第１の内筒３１８ｂの内部に収納しているので、モータをコンパクトに構成することができる。
特開平９−３３１６６６号公報 特開平１０−２２９６７０号公報 特開２０００−２８７４３４号公報

しかしながら、上記第１の従来例〜第３の従来例にて提案されているものは、共にマグネットの内径とそれに対向する内側磁極部との間には所定の間隔が必要であり、それを製造時に管理することはコストアップを招く。また、ステータの形状としても円筒形状の内側磁極部と外側磁極部が必要であり、それらを一体的に構成するのは部品製造上難しい。さらに、それらを別体で製造し、後で一体的に組み立てる場合は部品点数が多くなり、コストアップをもたらす。

また、上記第２の従来例にて提案されたものは、第１のコイルへの通電により発生する磁束が軟磁性材料の出力軸を介して第２のコイル及び第２の外側磁極部、第２の内側磁極部に影響を及ぼし、第２のコイルへの通電により発生する磁束が軟磁性材料の出力軸を介して第１のコイル及び第１の外側磁極部、第１の内側磁極部に影響を及ぼして、回転を不安定にする。

さらに、上記第３の従来例にて提案されているものは、内側磁極部の内部に付勢手段を配置しているので、上記第１の従来例にて提案されているモータに比べてコイルの径方向のスペースが小さくなり、出力が低下する。また、モータのさらなる小径化に対しては付勢手段の配置が困難になる。即ち、付勢手段の最低限の大きさを確保しつつモータの外径を小さくすると、コイルの径方向の幅をさらに小さくするしかなく、出力トルクが低下する。

本発明の目的は、小型で且つ軸方向の長さが短く、低コストで高出力なステッピングモータを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載のステッピングモータは、両端にモータ軸方向に延びる第１の外側磁極部と第２の外側磁極部を夫々一体的に有するステータと、前記第１の外側磁極部と前記第２の外側磁極部の間において前記ステータに回転自在に支持されると共に、周りにマグネットが固定された軟磁性材料製のロータ部と、前記モータ軸方向に関して前記マグネットと前記ステータの間において前記第１の外側磁極部及び前記第２の外側磁極部に夫々巻回された第１のコイル及び第２のコイルと、前記ロータ部を前記モータ軸方向に付勢する付勢手段とを備えることを特徴とする。

請求項２記載のステッピングモータは、請求項１記載のステッピングモータにおいて、前記マグネット側において前記ロータ部の回転中心部に設けられた穴部と、前記第１外側磁極部、前記第２の外側磁極部、前記第１のコイル及び前記第２のコイルを収容すべく前記ステータに固定され、前記ロータ部の穴部に回転自在に嵌合する支持軸部を備える非磁性材料製のカバーとを備えることを特徴とする。

請求項３記載のステッピングモータは、請求項２記載のステッピングモータにおいて、前記付勢手段は、前記穴部内に配されると共に、先端が球面形状であり、当該先端が前記穴部の底面に当接する非磁性材料製の付勢部材と、前記穴部内において前記支持軸部と前記付勢部材の間に配された圧縮コイルバネとを備えることを特徴とする。

請求項４記載のステッピングモータは、請求項２記載のステッピングモータにおいて、前記支持軸部は、先端が球面形状であり、当該先端が前記穴部の底部に当接するように構成され、前記付勢手段は、前記第１のコイルと前記第２のコイルの間において前記マグネットと前記ステータの間に配された圧縮コイルバネから成ることを特徴とする。

請求項５記載のステッピングモータは、請求項４記載のステッピングモータにおいて、前記ロータ部は、軟磁性材料製の軸受けを介して前記ステータに支持されており、前記圧縮コイルバネは、前記軸受けを収容するように配されていることを特徴とする。

請求項１記載のステッピングモータによれば、第１の外側磁極部と第２の外側磁極部に間にあるロータ部の周りにマグネットが固定されているので、強度を向上されると共に、内側磁極部をロータ部に形成することができ、もって内側磁極部とマグネットの間に隙間を不要して磁気抵抗を低減することによりモータ出力を向上させることができ、また、内側磁極部をマグネットの軸方向長さと同じ長さにして外側磁極部とマグネットを有効に利用することにより、外側磁極部と内側磁極部を接続又は一体に構成する場合に比べて容易に製造することができ、さらに、マグネットの外径部のみの隙間に管理にだけにすることにより、組み立てを容易にして不良率も低減することができる。加えて、ロータ部をモータ軸方向に付勢するので、ロータ部のモータ軸方向のがたつきをなくすことができ、回転精度の向上や駆動音を低減することができる。以上の結果、小型で且つ軸方向の長さが短く、低コストで高出力なステッピングモータを提供することができる。

請求項３記載のステッピングモータによれば、付勢手段がロータ部に設けられた穴部内に配されているので、モータの外径の増大を防止することができ、加えて、第１のコイルへの通電により発生する磁界の磁路及び第２のコイルへの通電により発生する磁界の磁路に影響を与えて磁気効率が低下するのを防止することができる。

請求項４記載のステッピングモータによれば、支持軸部は、先端が球面形状であり、当該先端が穴部の底部に当接するように構成され、付勢手段が第１のコイルと第２のコイルの間においてマグネットとステータの間に配された圧縮コイルから成るので、ロータ部をカバーで確実に支持することができ、加えて、摺動摩擦を低減して回転を滑らかにすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳述する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るステッピングモータの分解斜視図であり、図２は、図１のステッピングモータの縦断面図である。

図１及び図２のステッピングモータは、開き角θのへの字形をなす平板部１ｃ（図３）、平板部１ｃの両端において平板部１ｃと一体的に単純に曲げられて後述するロータ部８の回転軸（モータ回転軸）と夫々平行に櫛歯形状に立設した第１の外側磁極部１ａ及び第２の外側磁極部１ｂ、平板部１ｃの中央に穴部１ｄを有する軟磁性材料製のステ−タ１と、平板部１ｃの上に載置され、平板部１ｃと同様の開き角のへの字形をなす平板部４ｃ、平板部４ｃの一端に立設され、第１の外側磁極部１ａに外嵌される第１のボビン４ａ、平板部４ｃの他端に立設され、第２の外側磁極部１ｂに外嵌される第２のボビン４ｂ、及び平板部４ｃの中央に設けられ、ステータ１の穴部１ｄに嵌合する軸受け部４ｄを一体的に有するボビン体４と、第１のボビン４ａに巻回された第１のコイル２と、第２のボビン４ｂに巻回された第２のコイル３とを備える。第１のボビン４ａは、図中上部において、第１の外側磁極部１ａを暴露するように内側が切り欠かれており、第２のボビン４ｂは、図中上部において、第２の外側磁極部１ｂを暴露するように内側が切り欠かれている。また、第１のボビン４ａには、２つの端子ピン５が立設しており、第２のボビン４ｂには、２つの端子ピン６が立設している。

上記ステッピングモータは、さらに、図中上から、大径の第１の円柱部８ａ及び小径の第２の円柱部８ｂ、軸受け部４ｄに回転自在に支持される支持軸部８ｃ、出力軸部８ｄ、及び第１の円柱部８ａの周りに締まり嵌めで固定されたマグネット７を有する軟磁性材料製のロータ部８と、互いに組み立てられたステータ１、ボビン体４及びロータ部８を収容するようにステータ１に固定され、中央部裏側に、第１の軸部１１ａ、及び第１の軸部１１ａより小径の第２の軸部１１ｂを有する非磁性材料製のカバー１１とを備える。

ロータ部８は、カバー１１の第１の軸部１１ａに嵌合する穴部８ｅを有し、この穴部８ｅにおいて、カバー１１の第１の軸部１１ａに回転自在に支持される。

ロータ部８の穴部８ｅ内には、先端が球面形状であり、当該先端が穴部８ｅの底面に当接する第１の円柱部９ａ、及び第１の円柱部９ａよりも小径の第２の円柱部９ｂから成る非磁性材料の付勢部材９が回転自在に嵌合している。さらに、穴部８ｅ内において、第１の軸部１１ａと第１の円柱部９ａとの間には、付勢部材９と共にロータ部８をモータ軸方向（図２の下方向）に付勢するための圧縮コイルバネ１０が配されている。ロータ部８は、第２の円柱部８ｂがボビン体４の軸受け部４ｄに当接することによりモータ軸方向に関しての位置が規制される。即ち、マグネット７が固定されたロータ部８は、ロータ部８の穴部８ｅに配置された付勢部材９及び圧縮コイルバネ１０によりモータ軸方向（図２の下方向）に付勢されて、モータ軸方向に片寄せされる。

ステ−タ１は、第１の従来例〜第３の従来例に記載されたものとは異なり、第１の外側磁極部１ａと第２の外側磁極部１ｂが平板部１ｃと一体的に構成されている。このため、第１の外側磁極部１ａと第２の外側磁極部１ｂとの相互誤差が少なくなり、組み立てによるモータの性能のばらつきを最小限に抑えることができる。

第１の外側磁極部１ａには第１のボビン４ａが外嵌され、第１のボビン４ａには第１のコイル２が巻回されており、第２の外側磁極部１ｂには第２のボビン４ｂが外嵌され、第２のボビン４ｂには第２のコイル３が巻回されている。第１のコイル２は、その両端が第１のボビン４ａの端子ピン５にからげられて導通状態になっており、第２のコイル３は、その両端が第２のボビン４ｂの端子ピン６にからげられて導通状態になっている。これにより、第１のコイル２へ通電することにより、第１の外側磁極部１ａが励磁され、第２のコイル３へ通電することにより、第２の外側磁極部１ｂが励磁される。

コイル部４の平板部４ｃには、ロータ部８の出力軸８ｄを回転可能に支持する軸受け部４ｄが一体で形成されており、軸受け部４ｄは、ステータ１の穴部１ｄに嵌合して位置決めされる。

第１のコイル２と第２のコイル３とは、ステータ１の平板部１ｃの平面上に隣接して配置され、第１のコイル２及び第２のコイル３の間には、ロータ部８の第２の円柱部８ｂが隣接して配置されるため、モータの軸方向長さを短くすることができる。

また、出力軸部８ｄの先端に不図示のギアやレバー、スクリューねじ等を固定することにより、ここから回転出力を得ることができる。

マグネット７は、円周方向に多分割、即ち着磁極数がＮ（本実施の形態では６分割、即ちＮ＝６）となるように、Ｓ極とＮ極が交互に着磁されている。マグネット７の内周面は、外周面に比べ弱い着磁分布を持つか、又は全く着磁されていないか、又は外周面と逆の極、即ち外周面がＳ極の場合は、それに対応する内周面はＮ極に着磁されている。

マグネット７は、その一端面が第１の円柱部８ａの上面と同一面となるように、接着や圧入等によりロータ部８の第１の円柱部８ａに固定される。

第１の外側磁極部１ａと第２の外側磁極部１ｂは、マグネット７の外周面に所定の隙間をあけて対向している。そして、第１の円柱部８ａの第１の外側磁極部１ａに対向する部分、及び第２の円柱部８ｂの第１のコイル２に対向する部分で第１の内側磁極部が形成される。同様に、第１の円柱部８ａの第２の外側磁極部１ｂに対向する部分、及び第２の円柱部８ｂの第２のコイル３に対向する部分で第２の内側磁極部が形成される。これにより、第１のコイル２へ通電することにより、第１の外側磁極部１ａと第１の内側磁極部を夫々反対の極に励磁して、その磁極間にマグネット７を横切る磁束を発生させ、効果的にマグネット７に作用させ、同様に、第２のコイル３へ通電することにより、第２の外側磁極部１ｂと第２の内側磁極部を夫々反対の極に励磁し、その磁極間にマグネット７を横切る磁束を発生させ、効果的に該マグネット７に作用させる。

マグネット７の内側で内側磁極部を成す第１の円柱部８ａの外周部とマグネット７の内周部との間に空隙を設ける必要がなくなるので、第１の外側磁極部１ａと第１の円柱部８ａとの間隔及び第２の外側磁極部１ｂと第１の円柱部８ａとの間隔を小さくすることができる。よって、第１のコイル２、第１の外側磁極部１ａ、及び第１の内側磁極部で形成される磁気回路、及び第２のコイル３、第２の外側磁極部１ｂ、及び第２の内側磁極部で形成される磁気回路の磁気抵抗を小さくすることができ、もってモータの出力を高めることができる。

また、第１の内側磁極部及び第２の内側磁極部をロータ部８で構成しているので、ロータ部８が内側磁極部を兼ねることにより、製造コストを低減することができ、さらに、ステータ１は第１の外側磁極部１ａ及び第２の外側磁極部１ｂをモータ軸方向に単純に折り曲げただけで構成されることから、製造を容易とし、そのコストを低減することができる。

第１の従来例〜第３の従来例の場合、第１のステータ及び第２のステータは内側磁極部を外側磁極部と一体的に構成しなければならないが、内側磁極部を外側磁極部と同一部品で構成することは、製造上難しい。例えばメタルインジェクションモールドにより成型することは可能であるがコスト高となり、プレスにより一体的に製造することは外側磁極部のみを構成する部品を製造する場合と比較して部品が小さくなればなるほど困難になる。また、内側磁極部と外側磁極部とを別々に製造してからカシメや溶接又は接着等により一体的に固着する場合もコストが高くなる。

また、図２に示すように、マグネット７はロータ８の周りに締まり嵌めで固定されているので、第１の従来例〜第３の従来例のものに比べ、マグネット７の機械的強度が大きく、又ロータ８はマグネット７の内径部に現れるＳ極、Ｎ極との間の磁気抵抗を小さくするいわゆるバックメタルとして作用するので、磁気回路のパーミアンス係数は高く設定されることになり、高温下の環境で使用されても減磁による磁気的劣化も少ない。

更に、上記第１の従来例〜第３の従来例のものは、マグネットの外径部と外側磁極部の隙間を精度良く保って組み立てる必要がある他に、マグネットの内径部に対向する位置にある内側磁極部をマグネットに対して所定の隙間をあけて配置する必要があり、部品精度のばらつきや組み立て精度が悪い場合にこの隙間を確保できず、内側磁極部がマグネットに接触してしまうなどの不良が生じる可能性が高いが、これに対して、本実施の形態では、マグネット７の外径部側のみの隙間を管理するだけでよいので、組み立てが容易になる。

また、第１の従来例〜第３の従来例では、内側磁極部はマグネットと出力軸をつなぐ部分に接触しないように構成しなければならず、これにより内側磁極部とマグネットとが対向する軸方向の長さを十分に長くすることができないが、これに対して、本実施の形態では、出力軸が内側磁極部を兼ねているので、内側磁極部とマグネット７とが対向する軸方向の長さを十分長く確保でき、これにより第１の外側磁極部１ａ及び第２の外側磁極部１ｂとマグネット７を有効に利用することが可能となり、モータの出力を高めることができる。

また、第１の外側磁極部１ａ及び第２の外側磁極部１ｂはモータ軸方向に延びる櫛歯状であるので、モータの最外径（図３のＬ１）を最小限に抑えることができる。例えば、外側磁極部をマグネットの半径方向に伸びるヨーク板で構成すると、該マグネットを平面的な展開にする必要があると共に半径方向に向かってコイルを巻くことになり、軸方向の長さは短くてもモータの最外径は大きなものとなってしまう。これに対して、本実施の形態のモータの最外径（Ｌ１）は、マグネット７の直径と、第１の外側磁極部１ａ及び第２の外側磁極部１ｂの厚みと、第１のコイル２及び前第２のコイル３の巻き線幅とで決定される。また、第１の外側磁極部１ａ及び第２の外側磁極部１ｂがモータ軸方向に延びる櫛歯状であるので、第１のコイル２、第２のコイル３、及びマグネット７が固定されるロータ８をすべて一方向（図1の上方向から下方向へ）から組み込むことが可能となり、組み立て作業性がよい。

ロータ８に固定されたマグネット７は、図２に示すように、その外周面が第１の外側磁極部１ａ及び第２の外側磁極部１ｂとモータ径方向に所定の隙間をあけているのに加えて、軸方向上端がカバー１１の裏面と、軸方向下端が第１のコイル２及び第２のコイル３と夫々モータ軸方向に所定の隙間を保っているので、モータの軸方向長さを短くすることができる。

また、穴部８ｅがロータ８の中央に形成されているので（図２）、内側磁極部の間の磁気抵抗は大きくなり、しかも、この場合でも、ロータ部８の第１の円柱部８ａとステータ１の第１の外側磁極部１ａとの対向面積は低減せず、ロータ部８の第１の円柱部８ａとステータ１の第１の外側磁極部１ａとの磁気抵抗が大きくなるのを防止することができ、同様に、ロータ部８の第１の円柱部８ａとステータ１の第２の外側磁極部１ｂとの対向面積は低減せず、ロータ８の第１の円柱部８ａとステータ１の第２の外側磁極部１ｂとの磁気抵抗が大きくなるのを防止することができる。これにより、第１のコイル２への通電により発生する磁界の磁路と第２のコイル３への通電により発生する磁界の磁路との干渉を大幅に減らしつつ、回転トルクを維持することができ、もって回転精度を大幅に向上させることができる。

さらに、マグネット７が固定されたロータ部８は、ロータ部８に設けられた穴部８ｅに配置される付勢部材９及び圧縮コイルバネ１０で構成される付勢手段によりモータ軸方向（図２の下方向）に付勢されるので、ロータ部８のモータ軸方向のがたつきをなくすことができ、第３の従来例のものと同様に回転精度の向上や駆動音の低減を図ることができる。

第３の従来例のものでは、付勢手段が内側磁極部の内側に配置されているので、第１の従来例のものに比べてコイルの径方向のスペースが少なくなり、出力が低下する。また、モータのさらなる小径化に対しては、付勢手段の配置が困難になる。即ち、付勢手段の最低限の大きさを確保しつつモータの外径を小さくすると、コイルの径方向の幅をさらに小さくするしかなく、出力トルクが大幅に低下する。

一方、本実施の形態では、付勢手段を、モータの外径を大きくすることなくモータ内部に配置できると共に、第１のコイル２への通電により発生する磁界の磁路及び第２のコイル３への通電により発生する磁界の磁路に影響を与えない位置に配置したことで、磁気効率を低下させず出力トルクを維持したまま付勢手段を配置することができ、もってモータをさらに小型化することができる。

また、ロータ部８は、付勢部材９の球面形状の下端でモータ軸方向に押圧され、ボビン体４の軸受け部４ｃで支承されるので、摺動摩擦を低減して回転が滑らかになる。

圧縮コイルバネ１０は、一端が付勢部材９の第２の円柱部９ｂに外嵌され、他端がカバー１１の第２の軸部１１ｂに外嵌されているので、ロータ部８の回転により圧縮コイルバネ１０が回転するのを防止することができ、もってロータ部８の片寄せを安定的に行うことができると共に、ロータ部８の回転時に異音が発生するのを防止することができる。

図３は、図１のステッピングモータの内部構造の上面図であり、第１の通電状態の場合を示す。

図３において、ロータ部８のマグネット７は、その外周表面及び内周表面が円周方向に頭角度間隔で複数個に分割（本実施の形態では６分割）され、Ｓ極、Ｎ極が交互に着磁されている。外周表面がＳ極である部分は、内周表面はＮ極である、外周表面がＮ極である部分は、内周表面はＳ極である。また、第１の外側磁極部１ａと第２の外側磁極部１ｂとは、マグネット７の回転中心を基準としてθ度位相がずれた位置に配置されている。ここで、θ度は（１８０度−１８０度／Ｎ）である（Ｎ＝着磁分割数）。本実施の形態では、Ｎ＝６なので、θ度は１５０度である。このように、θ度＝（１８０度−１８０度／Ｎ）にすることにより、図３中のＬ２寸法を小さくすることができる。

上記構成によれば、第１の外側磁極部１ａと第２の外側磁極部１ｂは同一のマグネット７の、軸方向と垂直な方向の同一面においてそれぞれ異なる角度範囲に関して対向するように構成されているので、マグネット７をモータ軸方向に関して短くすることができ、ひいては、モータもモータ軸方向に関して短くすることができる。

上記構成の大きな特徴として、マグネット７の外周面の一部分に着目すれば、マグネット７が回転することにより、該マグネット７の一部分に対して第１のコイル２により励磁される第１の外側磁極部１ａの磁束と、第２のコイル３により励磁される第２の外側磁極部１ｂの磁束とが交互に作用することになり、これらの外側磁極部がマグネット７の同じ個所に対して磁束を作用させるので、着磁のバラツキなどによる悪影響を受けず、性能を安定化させることができる。

以下、図１のステッピングモータの作動を図３〜図６を参照しながら説明する。

図３において、第１のコイル２に正方向に通電することにより、第１の外側磁極部１ａはＮ極に、第１の内側磁極部（第１の円柱部８ａ及び第２の円柱部８ｂのうち第１の外側磁極部１ａに対向する部分）をＳ極に励磁されていると共に、第２のコイル３に正方向に通電することにより、第２の外側磁極部１ｂはＮ極に、第２の内側磁極部（第１の円柱部８ａ及び第２の円柱部８ｂのうち第２の外側磁極部１ｂに対向する部分）はＳ極に励磁されている（第１の通電状態）。

次に、図３の状態から第１のコイル２への通電方向のみ逆方向にして、第１の外側磁極部１ａをＳ極に、第１の内側磁極部をＮ極に励磁すると、図４に示すように、マグネット７は時計方向に３０度回転する（第２の通電状態）。

さらに、図４の状態から第２のコイル３への通電方向のみ逆方向にして、第２の外側磁極部１ｂをＳ極に、第２の内側磁極部をＮ極に励磁すると、図５に示すように、マグネット７は時計方向にさらに３０度回転する（第３の通電状態）。

次いで、図５の状態から第１のコイル２への通電方向のみ正方向にして、第１の外側磁極部１ａをＮ極に、第１の内側磁極部をＳ極に励磁すると、図６に示すように、マグネット７は時計方向にさらに３０度回転する（第４の通電状態）。

以後、同様に第１のコイル２及び第２のコイル３への通電方向を順次切り換えていくことにより、第１の外側磁極部１ａと第２の外側磁極部１ｂとは異なるタイミングで励磁の切り換えが行われ、マグネット７は通電位相に応じた位置へと回転する。

上記のように、本実施の形態では、第１の通電状態として、第１のコイル２と第２のコイル３を共に正方向に通電し、第２の通電状態として、第１のコイル２を逆方向に通電、第２のコイル３を正方向に通電し、第３の通電状態として、第１のコイル２を逆方向と第２のコイル３を共に逆方向に通電し、第４の通電状態として、第１のコイル２を正方向に通電、第２のコイル３を逆方向に通電して、第１の通電状態→第２の通電状態→第３の通電状態→第４の通電状態へと通電状態の切り換えを行い、マグネット７を回転させている。

上記の通電状態の切り換えは、第５の通電状態として、第１のコイル２と第２のコイル３を共に正方向に通電し、第６の通電状態として、第１のコイル２を非通電に、第２のコイル３を正方向に通電し、第７の通電状態として、第１のコイル２を逆方向に通電し、第２のコイル３を正方向に通電し、第８の通電状態として、第１のコイル２を逆方向に通電し、第２のコイル３を非通電として、第５の通電状態→第６の通電状態→第７の通電状態→第８の通電状態へと通電状態を切り換えるようにしてもよい。これにより、マグネット７は通電位相に応じた回転位置へと回転する。

次に、マグネット７と第１の外側磁極部１ａ及び第２の外側磁極部１ｂとの位相関係について説明する。

上記したように、第１の通電状態、第２の通電状態、第３の通電状態、第４の通電状態と通電状態を切り換えると、第１の外側磁極部１ａと第２の外側磁極部１ｂとは交互に励磁される極性の切り換えが行われる。

図３において、第１のコイル２に正方向に通電することにより第１の外側磁極部１ａをＮ極に励磁すると、マグネット７には第１の外側磁極部１ａの中心とマグネット７の着磁部の中心（Ｓ極の中心）が一致するように図中半時計方向の回転力が発生するが、同時に第２のコイル３にも正方向に通電することにより第２の外側磁極部１ｂをＮ極に励磁すると、マグネット７には第２の外側磁極部１ｂの中心とマグネット７の着磁部の中心（Ｓ極の中心）が一致するように図中時計方向の回転力が発生し、両コイルの通電中は回転力のバランスがとれた状態で静止する。図３は、この状態を示す。両コイルへの通電量が等しい時は、第１の外側磁極部１ａの中心とマグネット７の着磁部の中心（Ｓ極の中心）との位相差及び第２の外側磁極部１ｂの中心とマグネット７の着磁部の中心（Ｓ極の中心）との位相差は共に約１５度となる。

図３の状態から、第１のコイル２を逆方向の通電に切り換えると、第１の外側磁極部１ａはＳ極に励磁されて、マグネット７には第１の外側磁極部１ａの中心と該マグネット７の着磁部の中心（Ｎ極の中心）が一致するように図中時計方向の回転力が発生する。ここで、第２のコイル３は正通電のままにしておくことで、マグネット７には第２の外側磁極部１ｂの中心と該マグネット７の着磁部の中心（Ｓ極の中心）が一致するように同じく時計方向の回転力が発生し、図３の状態から時計方向に回転を始める。

図３の状態から時計方向に約１５度回転すると、第２の外側磁極部１ｂの中心とマグネット７の着磁部の中心（Ｓ極の中心）が一致する状態になり、この時、第１の外側磁極部１ａの中心はマグネット７の着磁部の境界（Ｓ極、Ｎ極の境界）と一致した状態であり、さらに時計方向に回転させる力が発生している。そして、その状態からさらに時計方向に約１５度回転（図３の状態から時計方向に約３０度回転）すると、両コイルの回転力のバランスがとれた状態となり、その位置で静止する。この状態は、図４に示される。

図４の状態から第２のコイル３を逆方向に通電を切り換えると、第２の外側磁極部１ｂはＳ極に励磁されて、マグネット７には第２の外側磁極部１ｂの中心とマグネット７の着磁部の中心（Ｎ極の中心）が一致するように図中時計方向の回転力が発生する。ここで、第１のコイル２は逆方向の通電のままにしておくことで、マグネット７には第１の外側磁極部１ａの中心と該マグネット７の着磁部の中心（Ｎ極の中心）が一致するように同じく時計方向の回転力が発生し、図４の状態から時計方向に回転を始める。

図４の状態から時計方向に約１５度回転すると、第１の外側磁極部１ａの中心とマグネット７の着磁部の中心（Ｎ極の中心）が一致する状態になり、この時、第２の外側磁極部１ｂの中心はマグネット７の着磁部の境界（Ｓ極、Ｎ極の境界）と一致した状態であり、さらに時計方向に回転させる力が発生している。そして、その状態からさらに時計方向に約１５度回転（図４の状態から時計方向に約３０度回転）すると、両コイルの回転力のバランスがとれた状態となり、その位置で静止する。この状態は図５に示される。

図５の状態から第１のコイル２を正通電に切り換えると、第１の外側磁極部１ａはＮ極に励磁されて、マグネット７には第１の外側磁極部１ａの中心と該マグネット７の着磁部の中心（Ｓ極の中心）が一致するように図中時計方向の回転力が発生する。ここで、第２のコイル３は逆方向の通電のままにしておくことで、マグネット７には第２の外側磁極部１ｂの中心と該マグネット７の着磁部の中心（Ｎ極の中心）が一致するように同じく時計方向の回転力が発生し、図５の状態から時計方向に回転を始める。

図５の状態から時計方向に約１５度回転すると、第２の外側磁極部１ｂの中心とグネット７の着磁部の中心（Ｎ極の中心）が一致する状態になり、この時、第１の外側磁極部１ａの中心は該マグネット７の着磁部の境界（Ｓ極、Ｎ極の境界）と一致した状態であり、さらに時計方向に回転させる力が発生している。そして、その状態からさらに時計方向に約１５度回転（図５の状態から時計方向に約３０度回転）すると、両コイルの回転力のバランスがとれた状態となり、その位置で静止する。この状態が図６に示される。

（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態に係るステッピングモータの分解斜視図であり、図８は、図７のステッピングモータの縦断面図である。

本第２の実施の形態は、その構成が上記第１の実施の形態と基本的に同じであり、同じ構成要素については同一の符号を付して重複した説明を省略し、以下に異なるもののみ説明する。

図７及び図８において、本実施の形態のステッピングモータは、ステータ１、ボビン部４、第１のコイル２、及び第２のコイル３に加えて、第１のコイル２と第２のコイル３の間に配置され、ステータ１の穴部１ｄに嵌合して圧入やかしめ、レーザ溶接等で固定されると共に、後述する支持軸部２７ｂを回転自在に支持する第１の円柱部２９ａ、及び支持軸部２７ｂより内径が大きくわずかに隙間を形成する第２の円柱部２９ｂを有する軟磁性材料製の軸受け部２９と、軸受け部２９に回転自在に支持される支持軸部２８ｂ、出力軸部２８ｃ、円柱部２８ａ、及び円柱部２８ａの周りに締まり嵌めで固定されたマグネット７を有する軟磁性材料製のロータ部２８と、互いに組み立てられたステータ１、ボビン体４及びロータ部２８を収容するようにステータ１に固定され、中央部裏面に先端が球面形状である支持軸部３２ａを有する非磁性材料製のカバー３２とを備える。

ロータ部２８は、カバー３２の支持軸部３２ａに嵌合する穴部２８ｄを有し、この穴部２８ｅにおいて、カバー３２の支持軸部３２ａに回転自在に支持される。

円柱部２８ａとステータ１の平板部１ｃの間には、軸受け部２９を収容するように、ロータ部８をモータ軸方向（図８の上方向）に付勢する圧縮コイルバネ３０が配されている。円柱部２８ａと圧縮コイルバネ３０の間には、テフロン（登録商標）等から成るワッシャ３１が介装されている。ロータ部８は、穴部２８ｄの底部がカバー３２の支持軸部３２ａに当接することによりモータ軸方向に関して位置が規制される。即ち、マグネット７が固定されたロータ部８は、圧縮コイルバネ３０によりモータ軸方向（図８の上方向）に付勢されて、モータ軸方向に片寄せられる。これにより、ロータ部８のモータ軸方向のがたつきをなくすことができる。

また、モータ軸方向に付勢されるロータ部２８をカバー３２の裏面に設けた先端が球面形状の支持軸部３２ａで支持する構成にしているため、ロータ部２８をカバー３２で確実に支持することができ、加えて、摺動摩擦を低減して回転を滑らかにすることができる。

また、圧縮コイルバネ３０を軸受け部２９に外嵌し、圧縮コイルバネ３０をワッシャー３１を間に挟んでロータ部２８を付勢する構成にしているため、ロータ部２８が回転しても圧縮コイルバネ３０は回転しないため、安定して片寄せできるとともに、ロータ部２８の回転時に異音が発生することもない。

本実施の形態のステッピングモータの回転駆動方法は、上記第１の実施の形態と同様である。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で示した機能、又は実施の形態がもつ機能が達成できる構成であればどのようなものであってもよいことは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態に係るステッピングモータの分解斜視図である。 図１のステッピングモータの縦断面図である。 図１のステッピングモータの内部構造の上面図であり、第１の通電状態の場合を示す。 図１のステッピングモータの内部構造の上面図であり、第２の通電状態の場合を示す。 図１のステッピングモータの内部構造の上面図であり、第３の通電状態の場合を示す。 図１のステッピングモータの内部構造の上面図であり、第４の通電状態の場合を示す。 本発明の第２の実施の形態に係るステッピングモータの分解斜視図である。 図７のステッピングモータの縦断面図である。 第１の従来例のステッピングモータの分解斜視図である。 図９のステッピングモータの縦断面図である。 第３の従来例のステッピングモータの縦断面図である。

符号の説明

１ ステ−タ
１ａ 第１の外側磁極部
１ｂ 第２の外側磁極部
２ 第１のコイル
３ 第２のコイル
４ ボビン
７ マグネット
８，２８ ロータ部
９ 付勢部材
１０，３０ 圧縮コイルバネ
１１，３２ カバー
２９ 軸受け部

Claims (5)

1. 両端にモータ軸方向に延びる第１の外側磁極部と第２の外側磁極部を夫々一体的に有するステータと、前記第１の外側磁極部と前記第２の外側磁極部の間において前記ステータに回転自在に支持されると共に、周りにマグネットが固定された軟磁性材料製のロータ部と、前記モータ軸方向に関して前記マグネットと前記ステータの間において前記第１の外側磁極部及び前記第２の外側磁極部に夫々巻回された第１のコイル及び第２のコイルと、前記ロータ部を前記モータ軸方向に付勢する付勢手段とを備えることを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記マグネット側において前記ロータ部の回転中心部に設けられた穴部と、前記第１外側磁極部、前記第２の外側磁極部、前記第１のコイル及び前記第２のコイルを収容すべく前記ステータに固定され、前記ロータ部の穴部に回転自在に嵌合する支持軸部を備える非磁性材料製のカバーとを備えることを特徴とする請求項１記載のステッピングモータ。
3. 前記付勢手段は、前記穴部内に配されると共に、先端が球面形状であり、当該先端が前記穴部の底面に当接する非磁性材料製の付勢部材と、前記穴部内において前記支持軸部と前記付勢部材の間に配された圧縮コイルバネとを備え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。
4. 前記支持軸部は、先端が球面形状であり、当該先端が前記穴部の底部に当接するように構成され、前記付勢手段は、前記第１のコイルと前記第２のコイルの間において前記マグネットと前記ステータの間に配された圧縮コイルバネから成ることを特徴とする請求項２記載のステッピングモータ。
5. 前記ロータ部は、軟磁性材料製の軸受けを介して前記ステータに支持されており、前記圧縮コイルバネは、前記軸受けを収容するように配されていることを特徴とする請求項４記載のステッピングモータ。

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