JP2007282382A - 薄型ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転トルクを低下させず、軸方向の長さを小さく設計可能なステッピングモータを提供する。
【解決手段】有孔円板形の軸方向に磁化された永久磁石２３の両側面上に設けられ、径方向に所定長を有する小歯を周方向に沿って等間隔に複数Ｎ個配置された第１及び第２のロータ円板２１、２２と、第１及び第２のステータ円板１１、１２と、から構成され、第１及び第２のロータ円板のＮ個の小歯２５は、相互に１／２ピッチ角度がずれた状態で中間の永久磁石を介して固定され、その永久磁石により一方のロータ円板はＮ極に、他方のロータ円板はＳ極に磁化され、第１及び第２のステータ円板のＰ個の磁極は、それぞれ励磁用巻線コイル１４が設けられ、第１及び第２のステータ円板の同じ角度位置にある磁極は同極に磁化されるように巻線コイルが結線されると共に、各ステータ円板の向かい合っている磁極も同極に磁化されるように巻線コイルがさらに結線されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス状の信号入力によってステップ状の回転運動を出力するステッピングモータに関する。詳しくは、ロータマグネットの両側に設けられる２枚のロータ円板の外側面上の外縁環状面上に径方向に延びる小歯が周方向に沿って複数配置され、一方、ステータ円板側もその小歯と対向する面に径方向に延びる小歯付き磁極が複数配置された軸方向に薄いステッピングモータに関する。

従来のステッピングモータは、ロータの回転軸と並行方向に長い角柱状或いは円筒状となっていた。

ロータの小歯、ステータの小歯付き磁極は円筒面上に配置されており、このためシャフトと平行方向の寸法は長くなる。このため、軸方向に薄くすることは難しかった。

この問題を解決するため、扁平のステッピングモータ構造の提案が特許文献１になされている。特許文献１は、扁平多相永久磁石形ステッピングモータとその励磁回路に関する発明である。

特開２００２−３２０３７０号公報（第２、３頁、図１）

本発明は、回転トルクを低下させず、軸方向の長さを小さく設計可能なステッピングモータを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明の薄型ステッピングモータは、有孔円板形の軸方向に磁化された永久磁石の両側面上に設けられ、それぞれ前記永久磁石と反対方向の外縁環状円周面上に、径方向に所定長を有する小歯を周方向に沿って等間隔に複数Ｎ個（Ｎは整数）配置された第１及び第２のロータ円板と、
それら第１及び第２のロータ円板の前記小歯に対向するそれぞれの外縁環状円周面上に、径方向にのびる前記所定長がほぼ同一の小歯複数Ｍ個（Ｍは整数）付き磁極を周方向に沿って等間隔に複数Ｐ個（Ｐは偶数）それらのケーシング内側に取付けられた第１及び第２のステータ円板と、から構成され、
パルス状信号入力によって、ステップ状に回転運動する軸方向に薄いステッピングモータであって、
前記第１及び第２のロータ円板のＮ個の小歯は、相互に１／２ピッチ角度がずれた状態で中間の永久磁石を介して固定され、その永久磁石により一方のロータ円板はＮ極に、他方のロータ円板はＳ極に磁化され、
前記第１及び第２のステータ円板のＰ個の磁極は、それぞれ励磁用巻線コイルが設けられ、
前記第１及び第２のステータ円板の同じ角度位置にある磁極は同極に磁化されるように前記巻線コイルが結線されると共に、各ステータ円板の１８０度ずれて向かい合っている磁極も同極に磁化されるように前記巻線コイルがさらに結線されていることを特徴とする。

また、前記ロータ円板のＮ個の小歯及びステータ円板のＭ個の小歯は直歯フェースギアに類似の形状であることを特徴とする。

また、前記有孔円板形の軸方向に磁化された永久磁石の代わりに、透磁率の大きい金属製の有孔円板に矩形或いは扇形永久磁石を等間隔に複数枚埋め込んだ構成であることを特徴とする。

本発明の薄型ステッピングモータは、回転トルクを低下させないで、軸方向の長さを小さく設計することができる。

また、ロータ、ステータの小歯は、直歯フェースギアに類似の形状で、径方向に延長できる構造なので、従来のステッピングモータより回転トルクを大きくすることができる。

また、小歯付円板は精度が出しやすい構造であり、ステッピング角をより小さくすることが容易となる。

以下、本発明の薄型ステッピングモータの実施例を詳細に説明する。図１は本発明の薄型ステッピングモータの構成図である。

図１の薄型ステッピングモータ１００において、１０はステータ部、２０はロータ部を示す。ステータ部１０は、１対の第１のステータ円板１１及び第２のステータ円板１２からなる。

それぞれのステータ円板１１、１２の詳細構造を図２に示す。図２は薄型ステッピングモータのステータ部の１実施例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

この実施例では直歯付の磁極１３がＰ＝１０個、その磁極の直歯１５がＭ＝４個の場合を示す。１４は各磁極１３の巻線コイルを示す。

１対のステータ円板１１、１２の同じ回転角度位置及びそれらの１８０度ずれた角度位置の巻線コイル１４は、その磁極１３の励磁がいづれも同極となるよう結線しておく。

ロータ部２０は、軸方向に磁化された有孔円板状の永久磁石２３と、その両側面に配置された１対の第１のロータ円板２１及び第２のロータ円板２２からなる。

図３は、薄型ステッピングモータのロータ部の１実施例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図４は、薄型ステッピングモータのロータ部の１実施例を示す斜視図である。

第１のロータ円板２１及び第２のロータ円板２２は、その中心に回転軸孔２６を有してロータ回転軸２９に回転自在に接続されている。

直歯２５は、永久磁石２３と反対の円側面にあって、前記第１及び第２のステータ円板１１、１２の直歯１５と所定の間隔長を保持して対向している。

図４に示すように、第１のロータ円板２１及び第２のロータ円板２２の一方の面は、それらの小歯１５が直歯フェースギアに類似している。

なお、図３に示した第１のロータ円板２１及び第２のロータ円板２２は、直歯Ｎ＝５０の場合を示し、第１のロータ円板２１及び第２のロータ円板２２のそれぞれの直歯は、１／２ピッチ角ずれて固定されている

この実施例では、永久磁石２３は、軸方向に磁化されているので第１及び第２のロータ円板２１、２２は、一方がＮ極、他方がＳ極に磁化されている。

なお、ここで、上記の永久磁石２３の代わりに以下のような構成としてもよい。すなわち、透磁率の大きな金属製の有孔円板に、その円周円環面上に沿って等間隔に複数個の矩形状又は扇形状の永久磁石を埋め込んだ構成にしてもよい。

図５は、金属製有孔円板の実施例を示す平面図である。図５の実施例は扇形状の永久磁石を埋め込んだ形態を示す。

次に、図１〜図３に示した薄型ステッピングモータ１００の動作を述べる。ここで説明する薄型ステッピングモータ１００の１実施例の構成に関する設計パラメータを以下に示す。

第１、第２のロータ円板 小歯数合計 ５０＋５０＝１００
第１、第２のロータ円板 ピッチ角のずれ Ｒ＝３．６度
第１、第２のステータ円板 各磁極数 １０
磁極 磁極数 ４
ステップ角 θ＝０．７２度
θ＝３６０度÷（ロータ小歯数１００×相数５）

以上の薄型ステッピングモータ１００の第１及び第２のロータ円板２１、２２面上の小歯２５の数合計５０＋５０＝１００個と、それと間隙を介して対向している第１及び第２のステータ円板１１、１２面上の各１０組の磁極（４個小歯付き）の小歯１５の数合計４０＋４０＝８０個との間の磁界による結合状態で、ロータ部２０が磁極の巻線コイル１４へのパルス状信号印加入力によって、ステップ状の回転動作を行う。

図６は、ロータとステータの各円板面上にある小歯間が対向する状態を示す展開図（１／２）を示し、（ａ）はＡ相磁極励磁状態、（ｂ）はＢ相磁極励磁状態、（ｃ）はＣ相磁極励磁状態である。

図７は、ロータとステータの各円板面上にある小歯間が対向する状態を示す展開図（２／２）を示し、（ｄ）はＤ相磁極励磁状態、（ｅ）はＥ相磁極励磁状態、（ｆ）は−Ａ相磁極励磁状態である。図６、図７はロータとステータの前述の各小歯間における各円板面上で対向する小歯間の磁界の結合状態を示すために、円周方向への展開図を示す。

図６の上段は、図２（ａ）に示した第１及び第２のステータ円板１１、１２の磁極１３のＡ相がＳ極に励磁された場合を示す。

図２（ａ）には、各Ａ〜Ｅ相（５相）の磁極１０個づつを有する第１及び第２のステータ円板１１、１２の小歯と対向する第１及び第２のロータ円板２１、２２の小歯が示されている。

ここで、第１及び第２のステータ円板１１、１２は、１対の第１及び第２のロータ円板２１、２２を挟んでそのロータ部２０の両側円板面にそれぞれ対向して２枚あるが、それらの磁極は同回転角位置及び１８０度ずれた回転角位置では、その励磁するための巻線コイルが同時に同じ磁極に磁化されるように結線されているので、ステータ側はＡ〜Ｅ相磁極を順次励磁している状態を図６（ａ）〜（ｃ）及び図７（ｄ）、（ｅ）に示す。

なお、図７（ｆ）は、−Ａ相の励磁を示し、ロータ部がステップ角θ×５＝３．６度回転した場合である。

さらに、パルス状信号印加入力を５回行えば、ステップ角θ×１０＝７．２度回転して、図６上段の（ａ）の場合に戻る。

図６（ａ）をより詳細に以下に説明する。第１のロータ円板２１は永久磁石２３によりＮ極に磁化され第２のロータ円板２２はＳ極に磁化されている。

図６（ａ）には、手前側にロータ円板２１のＮ極がピッチ７．２度の直歯形で図示されている。その裏側にピッチ角のずれＲ＝３．６度の歯先が図示されている。その歯先はロータ円板２２でありＳ極に磁化されている。すなわち、Ｎ極とＳ極が交互に位置している。

図６（ａ）ではＡ相がＳ極に磁化しているときは丁度４個の小歯のＳ極がロータ円板２１のＮ極の小歯と引合い、図示する位置でロータ部２０は釣合って停止している。

ここで、磁極１５は、図２（ａ）に示されるように等間隔にＰ＝１０個設けられ、それぞれ周方向に３６度ずつ分割した領域の中に順次設けられる。

Ａ相磁極の次のＢ相磁極は図のようにＲ＋θ度だけずれて次の３６度の領域の中に固定されている。その状態ではＢ相磁極の小歯とロータ円板２２のＳ極がステップ角θだけずれている。以上が図６（ａ）Ａ相磁極励磁状態である。

ここで、図６（ｂ）Ｂ相磁極励磁状態に移行、すなわちＢ相磁極をＮ極に磁化すると、ロータ部２０はθ＝０．７２度回転し（図６では右側にθ移動）、Ｂ相Ｎ極とロータ円板２２のＳ極が引合って図６（ｂ）のような位置で釣合う。

この時、次のＣ相磁極は、２θだけずれて、図６（ｂ）のように次の３６度の領域中に固定されている。その状態ではＣ相磁極の小歯とロータ円板２１のＮ極小歯がステップ角θだけずれている。以上が図６（ｂ）Ｂ相磁極励磁状態である。

ここで、図６（ｃ）Ｃ相磁極励磁状態に移行、すなわちＣ相磁極がＳ極に磁化すると、ロータ部２０はθ＝０．７２度回転し（図６では右側にθ移動）、Ｃ相Ｓ極とロータ円板２１のＮ極が引合って図６（ｃ）のような位置で釣合う。

この時、次のＤ相磁極は、Ｒ＋３θだけずれて図６（ｃ）のように次の３６度の領域の中に固定される。その状態ではＤ相磁極の小歯とロータ円板２２のＳ極小歯がステップ角θだけ角度がついている。

次に、続いて図７（ｄ）のＤ相磁極励磁状態では、Ｄ相Ｎ極とロータ円板２２Ｓ極が引合い、ロータ部２０がθ回転する。その時、Ｅ相磁極が４θ度ずれて次の３６度領域中に固定されているのでＥ相磁極の小歯とロータ円板２１の小歯はθだけずれている。

次に、図７（ｅ）のＥ相磁極励磁状態では、Ｅ相Ｓ極とロータ円板２１Ｎ極が引合い、ロータ部２０がθ回転する。

その時、−Ａ相磁極が次の３６度領域の左端（Ａ相と相対的に同じ位置）にあり、−Ａ相磁極の小歯とロータ円板２１の小歯はθ度ずれている。

ここで、−Ａ相磁極をＮ極に励磁すれば、ロータ部２０はさらにθ度回転し、θ×５＝３．６度回転したことになる。

さらに、−Ａ相、・・・、−Ｅ相、Ａ相まで繰返せばθ×１０＝７．２度回転し、図６（ａ）に戻り、以後パルス入力の回数だけ繰返す。

なお、図６（ａ）において、−Ｅ相磁極にパルス入力を印加し、Ｎ極に磁化すればロータ円板２２のＳ極は左方向移行し、すなわち、時計の反対回りにθだけ回転する。よって、任意の角度だけロータを逆回転できる。

本発明の薄型ステッピングモータの構成図である。 薄型ステッピングモータのステータ部の１実施例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 薄型ステッピングモータのロータ部の１実施例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 薄型ステッピングモータのロータ部の１実施例を示す斜視図である。 金属製有孔円板の実施例を示す平面図である。 ロータとステータの各円板面上にある小歯間が対向する状態を示す展開図（１／２）を示し、（ａ）はＡ相磁極励磁状態、（ｂ）はＢ相磁極励磁状態、（ｃ）はＣ相磁極励磁状態である。 ロータとステータの各円板面上にある小歯間が対向する状態を示す展開図（１／２）を示し、（ｄ）はＤ相磁極励磁状態、（ｅ）はＥ相磁極励磁状態、（ｆ）は−Ａ相磁極励磁状態である。

符号の説明

１０ ステータ部
１１ 第１のステータ円板（ステータ円板）
１２ 第２のステータ円板（ステータ円板）
１３ 磁極、直歯付き磁極
１４ 巻線コイル
１５ 小歯、直歯
１６ ステータ円板中心孔
１９ モータ外周部ケーシング
２０ ロータ部
２１ 第１のロータ円板（ロータ円板）
２２ 第２のロータ円板（ロータ円板）
２３ 永久磁石
２５ 小歯、直歯
２６ 回転軸孔
２９ ロータ回転軸
１００ 薄型ステッピングモータ

Claims (3)

1. 有孔円板形の軸方向に磁化された永久磁石の両側面上に設けられ、それぞれ前記永久磁石と反対方向の外縁環状円周面上に、径方向に所定長を有する小歯を周方向に沿って等間隔に複数Ｎ個（Ｎは整数）配置された第１及び第２のロータ円板と、
   それら第１及び第２のロータ円板の前記小歯に対向するそれぞれの外縁環状円周面上に、径方向にのびる前記所定長がほぼ同一の小歯複数Ｍ個（Ｍは整数）付き磁極を周方向に沿ってほぼ等間隔に複数Ｐ個（Ｐは偶数）それらのケーシング内側に取付けられた第１及び第２のステータ円板と、から構成され、
   パルス状信号入力によって、ステップ状に回転運動する軸方向に薄いステッピングモータであって、
   前記第１及び第２のロータ円板のＮ個の小歯は、相互に１／２ピッチ角度がずれた状態で中間の永久磁石を介して固定され、その永久磁石により一方のロータ円板はＮ極に、他方のロータ円板はＳ極に磁化され、
   前記第１及び第２のステータ円板のＰ個の磁極は、それぞれ励磁用巻線コイルが設けられ、
   前記第１及び第２のステータ円板の同じ角度位置にある磁極は同極に磁化されるように前記巻線コイルが結線されると共に、各ステータ円板の１８０度ずれて向かい合っている磁極も同極に磁化されるように前記巻線コイルがさらに結線されていることを特徴とする薄型ステッピングモータ。
2. 前記ロータ円板のＮ個の小歯及びステータ円板のＭ個の小歯は直歯フェースギアに類似の形状であることを特徴とする請求項１記載の薄型ステッピングモータ。
3. 前記有孔円板形の軸方向に磁化された永久磁石の代わりに、透磁率の大きい金属製の有孔円板に矩形或いは扇形永久磁石を等間隔に複数枚埋め込んだ構成であることを特徴とする請求項１記載の薄型ステッピングモータ
   
   

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