JP2006197713A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ステータに対するマグネットの磁気性能を犠牲にすることなく、所望の駆動トルクが得られるとともに、マグネット材料の使用量を減らして、ロータの慣性質量を低減させることができ、よって制御応答性を含む駆動性能の向上を図ることが可能になるステッピングモータを提供する。
【解決手段】 モータ軸３１の軸線方向に、コイル２１が巻回された複数のステータ２０Ａ，２０Ｂが配設されるとともに、これらステータ２０Ａ，２０Ｂの内周側に、間隔をおいてロータ３０が回転自在に設けられ、ロータ３０の中心にモータ軸３１が配されてなり、かつロータ３０が、モータ軸の外周に配されたロータ本体３３と、このロータ本体の外周に一体的に設けられ、周方向に多極着磁された円筒状のマグネット３２とを備えたステッピングモータにおいて、円筒状のマグネット３２を、各々のコイル２１の上記軸線方向中央部に対応する部分が他の部分より厚肉となるように、少なくともその内周面を径方向内方に膨出させてなることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、モータ軸の軸線方向に複数のステータを有し、これらステータの内方にマグネットを備えたロータが回転自在に設けられたＰＭ型のステッピングモータに関するものである。

ステッピングモータの１タイプとして、ＰＭ型（Permanent Magnet Type）のステッピングモータが広く知られている。このＰＭ型のステッピングモータは、ロータの外周に周方向に磁極を配したマグネット（永久磁石）を配し、その周りに駆動用コイルを備えたステータを配置したもので、一般的にステータはモータ軸方向に並べて２相配置されている。

図３は、下記特許文献１に見られる従来のこの種のＰＭ型ステッピングモータを示すものである。
このステッピングモータは、中心にモータ軸５１が一体的に設けられた円筒形のロータ５２と、ロータ５２の外周に所定のギャップを介して配されたステータユニット５３と、軸受５４、５５を介してモータ軸５１及びロータ５２を回転自在に支持するとともにロータ５２及びステータユニット５３を内部に収容するモータケース５６とから概略構成されている。

ここで、ロータ５２は、外周部に周方向に着磁された多極マグネットを備えている。また、ステータユニット５３は、Ａ相とＢ相の２相のステータ５３Ａ、５３Ｂを備えており、各ステータ５３Ａ、５３Ｂは、マグネットの磁極数に応じたポール数を持つ一対のヨーク６１と、制御された電流が流れるコイル６２Ａ、６２Ｂと、樹脂製のボビン６３とから構成されている。そして、各相のコイル６２Ａ、６２Ｂに流す電流の方向を切り替えることにより、ポールの極性を変化させ、マグネットを備えたロータ５２を同期回転させるようになっている。

ところで、この種のステッピングモータにおいては、一般に図４に示すようなロータ７０が用いられている。このロータ７０は、モータ軸７５の外周に合成樹脂からなるロータ本体７１を一体成形し、次いでこのロータ本体７１の外周にマグネット７２となる部分を一体成形した後に、所定の着磁を施すことによりマグネット７２としてものであり、このマグネット７２は、全体に均等な肉厚を有した円筒状に形成されている。このような構造を採用する主な理由は、比重が大きく、かつ高価なマグネット材料の使用を少なくして、ロータ７０の全体重量の軽減化と製品コストの低減化を図るためである。

特開平９−２８９７５２号公報

しかしながら、上記従来のステッピングモータにあっては、上述したようにマグネット７２の全体を同じ肉厚で構成すると、肉厚を小さくすると軽量化は図れるものの、磁力が小さくなって、所望の駆動トルクが得られなくなるという問題があり、逆に肉厚を大きくすると、マグネット７２の重量が大きくなり、この結果ロータ７０の慣性質量の増加により、駆動応答性が悪くなるという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、ステータに対するマグネットの磁気性能を犠牲にすることなく、所望の駆動トルクが得られるとともに、マグネット材料の使用量を減らして、ロータの慣性質量を低減させることができ、よって制御応答性を含む駆動性能の向上を図ることが可能になるステッピングモータを提供することを目的とするものである。

請求項１に記載の本発明に係るステッピングモータは、モータ軸の軸線方向に、コイルが巻回された複数のステータが配設されるとともに、これらステータの内周側に、間隔をおいてロータが回転自在に設けられ、当該ロータの中心に上記モータ軸が配されてなり、かつ上記ロータが、上記モータ軸の外周に配されたロータ本体と、このロータ本体の外周に一体的に設けられ、周方向に多極着磁された円筒状のマグネットとを備えたステッピングモータにおいて、上記円筒状のマグネットは、各々の上記コイルの上記軸線方向中央部に対応する部分が他の部分より厚肉となるように、少なくともその内周面を径方向内方に膨出させてなることを特徴とするものである。

ここで、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマグネットの外周面が一定径の円筒面で構成されるとともに、内周面に上記軸線方向に沿った凹凸が設けられることにより、上記軸線方向における肉厚分布が付与されていることを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記マグネットが上記ロータ本体の外周に一体成形されるとともに、当該ロータ本体の大径部分の外周には、複数の凸部が周方向に間隔をおいて複数の突起が形成されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記ロータは、上記モータ軸の外周に上記ロータ本体が一体成形され、かつ当該ロータ本体の外周に上記マグネットが一体成形されてなり、かつ上記ロータ本体および／または上記マグネットの上記軸線方向の端面の内周部には、上記軸線方向に凹んだ空所が形成されていることを特徴とするものである。

請求項１〜４のいずれかに記載の発明によれば、各ステータのコイルの中央部に対応する位置において、マグネットの肉厚を大きくしているので、磁気特性上、最も効果的な上記コイルの中央部においてマグネットの強い磁力が得られる。この結果、所望の駆動トルクを確保することができる。また、その両側の肉厚を上記中央部に対向する部分よりも小さくしているので、ロータの慣性質量を低減化して、高い応答性を発揮することができる。加えて、ロータの慣性質量の低減により、軸受部の摩耗の低減が可能となることで、耐久性ならびに信頼性の向上も図れる。

また、少なくとも内周面に、上記コイルの上記軸線方向中央部に対応する部分が他の部分より厚肉となるような、径方向内方への膨出部を形成しているので、当該膨出部間にロータ本体の大径部が挟まれる結果、ロータ本体とマグネットの一体性（特にモータ軸方向の外力に対する一体性）を高めることができる。

このように、マグネットの肉厚をコイルの中央部に対応する部分において他の部分より厚くするには、当該コイルの内周面および外周面を、共にコイルの中央部に対応する部分において径方向の内方および外方に膨出させる形態を採用するか、あるいは請求項２に記載の発明のように、当該マグネットの外周面を一定径に形成し、内周面側のみに上記軸線方向に沿った凹凸を設けることにより、上記軸線方向における肉厚分布を付与する形態を採用することができる。

そして、特に請求項２に記載の発明によれば、マグネットの外周面は一定径の円筒面としてあるので、マグネットに肉厚分布を持たせてはいるものの、ステータとの間のギャップの維持については、従来同様に正確に行うことができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、ロータ本体の外周に形成した突起によって、上記マグネットの周方向への空転を確実に防止することができる。

さらに、請求項４に記載の発明によれば、成形体で構成したマグネットの両端内周部および／または同じく成形体で構成したロータ本体の両端内周部に、それぞれ空所を設けたので、成形時にロータ本体との境界やモータ軸との境界にバリが発生した場合であっても、そのバリが、マグネットやロータ本体の端面よりも外側に出ることがない。よって、ロータ本体やモータ軸の外周に軸受を嵌合させる場合にも、バリの影響を考慮することなく、組み付け作業を容易に行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は実施形態のＰＭ型ステッピングモータの全体構成を示す断面図、図２は同ステッピングモータのロータを取り出して示す構成図であって、（ａ）は上半分を断面で示す側面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ矢視断面図である。

一般にステッピングモータは、電気パルス信号を機械的断続のステップ動作に変換するデバイスであり、ここで示すＰＭ型のステッピングモータは、ステータコイルに流す電流を切り換えることによって、周方向に多極着磁したロータマグネットを同期回転させるように構成されている。

このステッピングモータは、磁性金属（例えば鉄）よりなるモータケース１０と、それぞれコイル２１、ボビン２２、一対のヨーク（ステータコアとも呼ばれる）２３、２４よりなるＡ相とＢ相の２相のステータ２０Ａ、２０Ｂを備えたステータユニット２０と、ロータ３０及びその中心に配したモータ軸３１と、内部にロータ３０の後端を支持する軸受部４２を備える樹脂製の蓋体４０と、組立工程の最後にモールド成形されることで、防水コネクタ５１のハウジングを一体に構成するモールド樹脂部５０とからなる。

ステータユニット２０と蓋体４０は、モータケース１０に組み付ける前に一体化させてある。ここでは、ボビン２２と蓋体４０を一体の樹脂で構成し、ヨーク２３、２４を金型内にインサートした状態でボビン２２と蓋体４０を同時に成形（インサート成形）する。その上で、ボビン２２にコイル２１を巻き付けることで、蓋体４０と一体のステータユニット２０を構成している。

モータケース１０は、閉塞した先端壁１１を有する円筒カップ状をなし、先端壁１１の中央には軸孔１４が設けられ、軸孔１４には軸受ブッシュ１５が嵌合固定され、軸受ブッシュ１５のケース内側の端面には、モータ軸方向に直交するスラスト軸受面１７が形成されている。ロータ３０は、モータケース１０の後端開口部からモータケース１０内部に挿入されており、ロータ３０の中心に固定されたモータ軸３１の先端が、リング状の軸受ブッシュ１５に摺動回転可能に貫通している。また、ステータユニット２０は、ロータ３０の外周に位置させてモータケース１０の内周に挿入されている。

このＰＭ型ステッピングモータは、クローポール型のもので、２相のステータ２０Ａ、２０Ｂをモータ軸方向に隣接配置している。各相のステータ２０Ａ、２０Ｂは、リング状のコイル２１が巻回されたボビン２２のモータ軸方向の両端面に、対をなすヨーク２３、２４を配置することで、円筒状に構成されている。対をなす各ヨーク２３、２４には、ボビン２２の内周面に位置する極歯が一体的に形成されている。各極歯は円周方向に等間隔で設けられており、対をなすヨーク２３、２４の極歯は、交互に噛み合う形で円周方向に並んでいる。このように構成された各相のステータ２０Ａ、２０Ｂは、背中合わせに組み合わせられた状態でステータユニット２０として一体化され、その上でモータケース１０内に挿入されている。

また、この場合のロータ３０は、樹脂材料でモータ軸３１上に成形加工されたロータ本体３３と、先に成形されたロータ本体３３の外周上に成形されて後から周方向に多極着磁が施された円筒形のマグネット３２とで構成されている。

図２にロータ３０の構成を拡大して示すように、このロータ３０の円筒形のマグネット３２には、２相の各ステータ２０Ａ、２０Ｂに応じたモータ軸の軸線方向に肉厚分布が与えられている。即ち、各ステータ２０Ａ、２０Ｂにおけるコイル２１の軸線方向の中心ＳＡ、ＳＢに対応する位置の肉厚が大とされ、その両側の肉厚がそれよりも小とされている。具体的には、マグネット３２の外周面は一定径の円筒面で構成されているので、マグネット３２の内周面にモータ軸方向に沿った凹凸を設けることによって肉厚分布が作られている。そして、肉厚の大となった部分のマグネット３２の内周面には環状凸部（膨出部）３２ａが形成され、環状凸部３２ａの両側の内周面は、環状凸部３２ａから離れるに従い径大となるテーパ面３２ｂで構成されている。

このようにマグネット３２の内周面に凹凸を形成する関係上、先に成形するロータ本体３３の外周面に予め、モータ軸３１上に成形加工する段階で、モータ軸方向に沿った凹凸が形成されている。この場合、マグネット３２の内周面の２つの環状凸部３２ａの間は凹所となるので、ロータ本体３３の外周面には、その凹所を形成するための大径部３３ａが形成されている。その上でロータ本体３３の外周にマグネット３２の素材が成形されることにより、２つの環状凸部３２ａの間にロータ本体３３の大径部３３ａが挟まれた形になっている。このため、ロータ本体３３とマグネット３２の一体性（特にモータ軸方向の外力に対する一体性）が強められている。

また、各環状凸部３２ａの外側のマグネット３２の両端内周部には、マグネット３２の端面３２ｃの位置よりも内側に凹んだ空所３２ｅが設けられている。これは、成形時にロータ本体３３との境界にバリが発生した場合であっても、そのバリが、マグネット３２の端面３２ｃより外側に出ないようにするためである。こうすることによって、ロータ本体３３の外周に軸受等を嵌合させる場合であっても、バリの影響を考慮することなく、組み付け作業を容易に行うことができるようになる。同じ理由で、ロータ本体３３の両端内周部にも、ロータ本体３３の端面３３ｃの位置よりも内側に凹んだ空所３３ｅが設けられている。

なお、モータ軸３１の外周には、モータ軸３１上に成形されたロータ本体３３との回り止めを果たすＤカット部３１ｄが設けられ、ロータ本体３３の外周には、ロータ本体３３上に成形されたマグネット３２との回り止めを果たす複数（図では４）の突起３３ｄが、周方向に等間隔をおいて設けられている。

また、図１に示すように、ロータ本体３３の後端部の外周には、モータ軸方向に平行な円筒面よりなる第１摺動面３３ｓが形成されている。また、ロータ本体３３の先端面には、モータ軸方向と直交する第２摺動面３３ｔが形成されている。この第２摺動面３３ｔは、軸受ブッシュ１５のスラスト軸受面１７に摺動可能に対面している。

上記蓋体４０は、モータケース１０の後端開口部に嵌合されており、内面側の中心に凹部４１を有している。この凹部４１の内周面には、モータ軸方向に平行な円筒面よりなる軸受部４２が形成されており、ロータ３０をモータケース１０に組み付けた後にこの蓋体４０をモータケース１０の後端開口部に嵌合することにより、ロータ本体３３の第１摺動面３３ｓが蓋体４０の軸受部４２に摺動自在に嵌合され、それにより、ロータ３０の後端部が蓋体４０により回転自在に支持されている。

また、蓋体４０の凹部４１の底面には小穴４３が設けられ、その小穴４３の内部に、モータ軸３１の後端面を鋼球４４を介して先端方向へ押すことで、ロータ本体３３の先端の第２摺動面３３ｔを、軸受ブッシュ１５のスラスト軸受面１７に押圧させる押圧バネ４５が収容されている。

このステッピングモータでは、各ステータ２０Ａ、２０Ｂのコイル２１の軸線方向における中心ＳＡ、ＳＢに対向する位置のロータ３０側のマグネット３２の肉厚を大とし、その両側の肉厚を小としたので、磁気特性上、最も効果的なコイル２１の中央部において、マグネット３２の強い磁力を得ることができ、よって所望の駆動トルクを確保することができる。また、その両側の肉厚を上記中央部に対向する部分よりも漸次小さくしているので、ロータ３０全体の慣性質量を低減化して、高い応答性を発揮することができる。加えて、ロータ３０の慣性質量の低減により、軸受部の摩耗の低減が可能となることで、耐久性ならびに信頼性の向上も図ることができる。

特に、本実施形態のステッピングモータでは、各ステータ２０Ａ、２０Ｂの中心ＳＡ、ＳＢにマグネット３２の内周面の環状凸部３２ａ、つまり、マグネット３２の肉厚の極大部分が位置することになるので、ステータ２０Ａ、２０Ｂとロータ３０間の磁気的な効率を最大限に引き出すことができ、高応答性を実現できる。また、環状凸部３２ａの両側にテーパ面３２ｂを形成したことにより、各ステータ２０Ａ、２０Ｂの中心ＳＡ、ＳＢに対応する位置のマグネット３２の肉厚を極大にした上で、その両側のマグネット３２の肉厚を徐々に滑らかに薄くなる方向に変化させることができるので、各ステータ２０Ａ、２０Ｂの中心ＳＡ、ＳＢに対応する位置を頂点とする顕著な体積分布をマグネット３２に与えることができて、ステッピングモータの特性向上に大きく貢献することができる。

本発明の実施形態のＰＭ型ステッピングモータの全体構成を示す断面図である。 同ステッピングモータのロータを取り出して示す構成図であって、（ａ）は上半分を断面で示す側面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ矢視断面図である。 従来のステッピングモータの一例を示す断面図である。 従来のステッピングモータに使用されるロータの断面図である。

符号の説明

３１ モータ軸
２０ ステータユニット
２０Ａ，２０Ｂ ステータ
２１ コイル
３０ ロータ
３２ マグネット
３２ａ 環状凸部（膨出部）
３２ｂ テーパ面
３２ｃ 端面
３２ｅ 空所
３３ ロータ本体
３３ａ 大径部
３３ｃ 端面
３３ｄ 突起
３３ｅ 空所

Claims (4)

1. モータ軸の軸線方向に、コイルが巻回された複数のステータが配設されるとともに、これらステータの内周側に、間隔をおいてロータが回転自在に設けられ、当該ロータの中心に上記モータ軸が配されてなり、かつ上記ロータが、上記モータ軸の外周に配されたロータ本体と、このロータ本体の外周に一体的に設けられ、周方向に多極着磁された円筒状のマグネットとを備えたステッピングモータにおいて、
   上記円筒状のマグネットは、各々の上記コイルの上記軸線方向中央部に対応する部分が他の部分より厚肉となるように、少なくともその内周面を径方向内方に膨出させてなることを特徴とするステッピングモータ。
2. 上記マグネットは、その外周面が一定径の円筒面で構成されるとともに、内周面に上記軸線方向に沿った凹凸が設けられることにより、上記軸線方向における肉厚分布が付与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。
3. 上記マグネットは、上記ロータ本体の外周に一体成形されるとともに、当該ロータ本体の大径部分の外周には、複数の凸部が周方向に間隔をおいて複数の突起が形成されてい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. 上記ロータは、上記モータ軸の外周に上記ロータ本体が一体成形され、かつ当該ロータ本体の外周に上記マグネットが一体成形されてなり、かつ上記ロータ本体および／または上記マグネットの上記軸線方向の端面の内周部には、上記軸線方向に凹んだ空所が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のステッピングモータ。

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