JP2008029194A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト、高精度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のステータ磁心の両側のアームにはそれぞれコイルが巻かれている。ステータ磁心は120°ずつ離間した３つの磁極片を有し、これらの磁極片が作るロータ孔内にロータが受入れられる。ステータは一体に形成された単一の磁心であるか、または３つのアームを有するステータ磁心である。磁気ロータの磁極数は、２より大きく且つ３で割り切ることができない偶数である。磁極数を増加させることによってステップ角を減少させることができ、ステッピング精度を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明はステッピングモータに関し、より特定的には低コスト、高精度のステッピングモータに関する。

いろいろな計装デバイスまたは装置においては、通常は動力を供給するために種々の型のステッピングモータが必要である。自動車の計装、時計等のような電子製品においては高精度ステッピングモータが特に必要である。

図１は、従来技術のステッピングモータの構造を示す概要図である。このステッピングモータは、第１ステータ磁心１１と、第２ステータ磁心１２と、ロータ１３とを含んでいる。第１ステータ磁心１１及び第２ステータ磁心１２は、部分的にラミネートされて配置されている。第１ステータ磁心１１は、その両端に第１磁極片１６及び第２磁極片１８を有している。第２ステータ磁心１２は、その２つの磁極片として第３磁極片１７及び第４磁極片１９を有している。時計方向に配列された第１磁極片１６、第３磁極片１７、第２磁極片１８、及び第４磁極片１９は、ロータ１３を収容するロータ孔を形成している。第１ステータ磁心１１及び第２ステータ磁心１２は、コイルを有している。またロータ１３は、異なる極性の２つの磁極を有している。

第１ステータ磁心１１及び第２ステータ磁心１２のコイルが付勢されると、第１ステータ磁心１１の第１及び第２磁極片１６、１８と、第２ステータ磁心１２の第３及び第４磁極片１７、１９との間に磁場が発生する。これらの磁場は、ロータ１３の磁極に磁気モーメントを発生させ、ロータ１３を回転させる。即ち、第１ステータ磁心１１及び第２ステータ磁心１２のコイル内の電流の方向を順次に変化させて行くことによって、発生する交番磁場がロータ１３を連続的に回転させ、90°のステッピング回転が実現される。

しかしながら、上述したステッピングモータは２つの磁心を有しており、そしてそれらは互いにラミネートされている。従って、このステッピングモータの組立ては難しく、製造は複雑であり、製造コストは高くなる。更に、ロータ１３は２つの磁極しか有していないので、90°のステップ角しか得られず、ステッピング精度は貧弱である。

本発明の目的は、従来技術のステッピングモータの高コスト及び貧弱なステッピング精度問題を解消する低コスト、高精度のステッピングモータを提供することである。

本発明の技術的スキームは以下の通りである。

ステッピングモータは、ステータ、ロータ、及び制御回路を含む。制御回路に電気的に接続されている２つのコイルが、ステータ磁心（ベーン）の両側のアームに巻かれている。ステータ磁心は120°ずつ離間した３つの磁極片を含み、これらの磁極片はロータを受入れるためのロータ孔を形成している。ロータは、磁気ロータ及びロータシャフトを有している。ステータは一体に形成された単一のステータ磁心であるか、または３つのアームを備えたステータ磁心である。磁気ロータは複数の磁極を含み、これらの磁気ロータの磁極数は、２より大きく且つ３で割り切ることができない偶数である。

磁気ロータの磁極は、逆極性、即ちＮ極及びＳ極が隣り合っている。

本ステッピングモータは、180°を磁気ロータの磁極数で除した商であるステップ角を有している。

ロータの磁極の数は、４、８、１０、１４、１６、２０、２２、２６、２８、３２、３４、３８何れかである。

ロータ孔と、そのロータ孔内に受入れられるロータの断面形状は、同心円である。

ステータ磁心の磁極片（端部表面）の弧の長さは、ロータの単一の磁極よりは大きいが、隣り合う２つの磁極の弧の長さよりは小さい。

ステータ磁心の各磁極片は、互いに分離されている。

ステータ磁心の隣り合う磁極片は狭い溝によって分離されており、これらの狭い溝の端からロータシャフトの中心までの距離は同一である。

磁気ロータは、鉄製の永久磁石ロータである。

従来技術とは対照的に、本発明のステッピングモータは、一体に形成された単一のステータ磁心であるか、または１つの面内に３つのアームを備えたステータ磁心であるので、低コストで簡単に製造することができる。本ステッピングモータの磁気ロータは、複数の磁極からなる。ロータの磁極の数は、２よりは大きいが３で割り切ることができない偶数である。本ステッピングモータの最小ステップ角は、180°をロータの磁極数で除した商である。従って、ステッピング精度は、ロータの磁極数を増加させることによって離散的に向上させることができる。

図２は、本発明のステッピングモータの第１の実施の形態の構造を示す概要図である。本ステッピングモータは、ステータ、ロータ、及び制御回路（図示せず）を含む。

ステータは、柔らかい磁性材料で一体に形成された単一のステータ磁心である。ステータ磁心２１の両側のアームには第１コイル２８及び第２コイル２９が巻かれており、両コイルは制御回路に電気的に接続されている。ステータ磁心２１の中心には、ロータを受入れるためのロータ孔が形成されている。ロータ孔の断面形状は、ロータの断面形状と同心円になっている。ステータ磁心２１は、互いに120°ずつ離間している３つの磁極片を有している。これらは第１磁極片２３、第２磁極片２４、及び第３磁極片２５である。第１、第２、及び第３磁極片２３、２４、及び２５の端面は同一サイズの円弧をなしており、ロータを受入れるようになっている。

ロータは、磁気ロータ２２及びロータシャフトを有している。磁気ロータ２２は鉄製の永久磁石であり、放射状に配列された４つの磁極を有している。隣り合う磁極は逆の極性になっている。即ち、Ｓ極２６及びＮ極２７が交互に配列されている。更に、ステータ磁心２１の磁極片端面と対面しているロータの磁極表面は円弧である。ロータシャフトの端には、ロータシャフトの回転運動を伝えるための歯車が取付けられている。

ステータ磁心２１の磁極片２３、２４、及び２５の弧の長さは、ロータの１つの磁極の長さよりは大きいが、隣り合う２つの磁極の長さよりは小さい。

図３は、本実施の形態のステッピングモータのステッピングサイクルを示す概要図である。ステッピングモータが動作する際のロータの駆動プロセスは、１駆動サイクルとして４段階に分割される。

第１段階においては、制御回路から第１コイル２８及び第２コイル２９へ、同一方向に電流が供給される。コイルの電磁誘導によって第１磁極片２３及び第２磁極片２４はＮ極になり、第３磁極片２５がＳ極になる。磁気ロータ２２の４つの磁極は、２つがＳ極であり、２つがＮ極であって、これらは交互に配列されている。第１磁極片２３及び第２磁極片２４はＳ極である磁極２６を引きつけ、第３磁極片２５はロータ２２のＮ極２７を引きつける。従って、磁気ロータ２２に磁気モーメントが発生し、ロータ２２は反時計方向に45°の角度だけステップするように駆動される。

第２段階においては、制御回路は第１コイル２８内の電流の方向だけを反転させるので第１磁極片２３がＳ極になり、第２磁極片２４はＮ極のままであり、そして第３磁極片２５はその極性を失って無極性になる。これにより、第１磁極片２３がロータのＮ極２７を引きつけ、第２磁極片２４は最も近いＳ極２６を引きつけるので、発生した磁気モーメントが磁気ロータ２２を45°のステップ角で反時計方向に回転させる。これで最初の位置から90°離れることになる。

第３段階において、制御回路が第２コイル２９内の電流の方向を反転させ、第１コイル２８内の電流の方向は変えない。第１磁極片２３の極性はＳ極のままであり、第２磁極片２４は電磁誘導の下にＳ極になり、そして第３磁極片２５がＮ極になる。このため、第３磁極片２５はロータ２２のＮ極を引きつけ、第１及び第２磁極片２３及び２４はロータ２２のＮ極を引きつける。発生する磁気モーメントが磁気ロータ２２を45°のステップ角で反時計方向に回転させる。これで最初の位置から135°回転したことになる。

第４段階においては、制御回路が第１コイル２８内の電流の方向だけを反転させるので、第１磁極片２３は電磁誘導によってＮ極になり、第２磁極片２４はＳ極のまま不変であり、そして第３磁極片２５は無極性になる。これにより、第１磁極片２３はロータ２２のＳ極２６を引きつけ、第２磁極片２４はロータ２２のＮ極を引きつける。従って、発生する磁気モーメントが磁気ロータ２２を45°のステップ角で反時計方向に回転させる。これは、最初の位置から180°離れている。

180°回転した後に磁気ロータ２２は最初の状態に戻るので、上述した第１、第２、第３、及び第４段階を繰り返すことが可能になり、このようにすることによって磁気ロータ２２は連続的に一方向に回転する。

前記各段階においてコイル内の電流の方向を反転させて得られるステップ角の45°は、180°をロータ２２の磁極数４で除した商である。

図４は、本発明のステッピングモータの第２の実施の形態の構造の概要図である。第２の実施の形態の構造は、第１の実施の形態の構造に類似している。第２の実施の形態のステッピングモータも、ステータ３１、ロータ３２、及び制御回路を含んでいる。ステータ磁心３１は、互いに120°ずつ離間している３つの磁極片と、２つのコイルとを含んでいる。３つの磁極片は、第１磁極片３３、第２磁極片３４、及び第３磁極片３５である。第１コイル３８及び第２コイル３９からなる２つのコイルは、ステータ磁心３１の両側のアームに対称的に巻かれている。本実施の形態における磁気ロータ３２は、放射状に配列された８つの磁極からなっている。隣り合う磁極は逆極性になっている。即ち、４つのＳ極３６と、４つのＮ極３７とが交互に配列されている。ステータ磁心３１の第１、第２、及び第３磁極片３３、３４、及び３５が形成しているロータ孔は、８つの磁極を有する磁気ロータ３２を受入れる。

図５は、図４のステッピングモータのステッピングサイクルを示す概要図である。このステッピングモータのステッピングサイクルも、４段階に分割される。

第１段階においては、制御回路から第１コイル３８及び第２コイル３９に電流が供給されて、ステータ磁心３１の第１磁極片３３がＮ極、第２磁極片３４もＮ極、そして第３磁極片３５がＳ極になる。第３磁極片３５は磁気ロータ３２のＮ極３７を引きつけ、第１磁極片３３及び第２磁極片３４は磁気ロータのＳ極３６を引きつける。従って、ステータ磁心３１の第１、第２、及び第３磁極片３３、３４、及び３５が磁気ロータ３２に磁気モーメントを発生させ、ロータ３２を反時計方向に駆動する。この時のステップ角は22.5°であり、従ってステッピング精度は22.5°である。

第２段階において、制御回路は第２コイル３９内の電流の方向を反転させるが、第１コイル３８内の電流の方向は変化させない。電磁誘導によって、ステータ磁心３１の第１磁極片３３はＮ極として働き、第２磁極片３４はＳ極になり、そして第３磁極片３５は無極性になる。これによって、第１磁極片３３がロータのＳ極３６を引きつけ、第２磁極片３４はロータのＮ極３７を引きつけるので、磁気モーメントが発生して磁気ロータ３２を反時計方向に22.5°回転させる。これは、最初の位置から45°回転している。

第３段階において、制御回路は第１コイル３８内の電流の方向を反転させるが、第２コイル３９内の電流の方向は変化させない。電磁誘導によって、ステータ磁心３１の第１磁極片３３はＳ極になり、第２磁極片３４はＳ極のままであり、そして第３磁極片３５がＮ極になる。第３磁極片３５はロータのＳ極３６を引きつけ、第１及び第２磁極片３３、３４はロータのＮ極３７を引きつける。従って、磁気ロータ３２に磁気モーメントが発生し、ロータ３２を反時計方向に更に22.5°回転させる。これは最初の位置から67.5°離間している。

第４段階においては、制御回路は第２コイル３９内の電流の方向を反転させ、第１コイル３８内の電流の方向は変えない。電磁誘導によって、ステータ磁心３１の第１磁極片３３はＳ極になり、第２磁極片３４はＮ極のままであり、そして第３磁極片３５は無極性になる。これによって、第１磁極片３３がロータのＮ極３７を引きつけ、第２磁極片３４はロータのＳ極３６を引きつけるので、磁気モーメントが発生してロータ３２を反時計方向に22.5°回転させる。これは、最初の位置から90°回転している。

上述したように、この実施の形態のロータ３２の磁極の数は８つである。即ち、４つのＳ極３６及び４つのＮ極３７が放射状に、交互に配列されている。ロータ３２は90°回転した後に最初の状態に戻るので、上述した第１、第２、第３、及び第４段階を繰り返すことによってロータ３２は一方向に連続して回転するようになる。

更に、前記各段階においてコイル内の電流の方向を変化させて得られる22.5°のステップ角は、180°をロータの磁極数８で除した商である。

本発明のステッピングモータは、磁気ロータの磁極の数を増加させることによってステッピング精度を向上させることができ、最小ステップ角は180°を磁気ロータの磁極数で除した商になる。従って、本ステッピングモータのステッピング精度は、ロータの磁極数を増加させることによって離散的に向上させることができる。本発明の磁心は３つの磁極片を有しているので、ロータを回転させるように磁極片を駆動することによってロータに磁気モーメントを発生させる。しかしながら、磁気モーメントの平衡状態を防ぐために、ロータの磁極数は、２より大きく且つ３で割り切ることができない偶数にする。従って、磁極数は、４、８、１０、１４、１６、２０、２２、２６、２８、３２、３４、及び３８等であり得る。ロータの磁極数を増加させてもステッピングモータのステッピング挙動は類似している。即ち、コイルを流れる電流の方向を順番に変化させた時にステータ磁極片が磁気ロータを回転させるので、全て同じようなステッピングを実現する。更に、本発明のステータは一体に形成された単一のステータ磁心であるか、または低コストで簡単に製造することができる。

以下の説明は、本発明のステッピングモータのさらなる改良に関する。ステータ磁心の３つの磁極片は、互いに120°ずつ離間した３つの狭い溝によって分離させることができる。これら３つの狭い溝は、ロータの放射状方向に沿って配置される。各狭い溝の両側はステータ磁心に接続されており、その接続部分は薄く、磁場がそこで飽和するのでロータに磁気モーメントを発生させる。狭い溝の両側からロータの軸までの距離は同一である。更に、ステータは、３つの磁極片にそれぞれ対応する同一面内の３つのアームを備えたステータ磁心であることもできる。従って、それは簡単且つ低コストで製造することができる。

要約すれば、本発明のステッピングモータのステータは、一体に形成された単一のステータ磁心であるか、または３つのアームを備えたステータ磁心であり、従ってそれは簡単且つ低コストで製造することができる。本ステッピングモータの磁気ロータの磁極数は、２より大きいが３で割り切ることができない偶数である。本ステッピングモータの最小ステップ角は、180°をロータの磁極数で除した商である。従って、ステッピング精度は、ロータの磁極数を増加させることによって離散的に向上させることができる。以上のように本発明のステッピングモータは簡単且つ低コストで製造することができるにも拘わらず、高いステッピング精度を有している。また、実際的な要求に従って、ロータの磁極数を増加させることによってステッピング精度を連続的に向上させることができる。

従来技術のステッピングモータの構造を示す概要図である。 本発明によるステッピングモータの第１の実施の形態の構造を示す概要図である。 図２のステッピングモータのステッピングサイクルを示す概要図である。 本発明によるステッピングモータの第２の実施の形態の構造を示す概要図である。 図４のステッピングモータのステッピングサイクルを示す概要図である。

符号の説明

１１ 第１ステータ磁心
１２ 第２ステータ磁心
１３ ロータ
１４、１５ コイル
１６ 第１磁極片
１７ 第３磁極片
１８ 第２磁極片
１９ 第４磁極片
２１、３１ ステータ磁心
２２、３２ ロータ
２３、３３ 第１磁極片
２３、３４ 第２磁極片
２５、３５ 第３磁極片
２６、３６ Ｓ極
２７、３７ Ｎ極
２８、３８ 第１コイル
２９、３９ 第２コイル

Claims (9)

1. ステッピングモータであって、ステータ、ロータ、及び制御回路を備え、ステータ磁心の両側のアームに前記制御回路に電気的に接続されているコイルが巻かれており、前記ステータ磁心は120°ずつ離間した３つの磁極片を有し、これらの磁極片は前記ロータを受入れるためのロータ孔を形成しており、前記ロータは磁気ロータ及びロータシャフトを含み、
   前記ステータは一体に形成された単一のステータ磁心であるか、または３つのアームからなるステータ磁心であり、
   前記磁気ロータは複数の磁極からなり、前記磁気ロータの磁極数は２より大きく且つ３で割り切ることが出来ない偶数である、
   ことを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記磁気ロータの隣り合う磁極は逆極性を有しており、それらはそれぞれＮ極及びＳ極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. 前記磁気ロータのステップ角は、180°を前記磁気ロータの磁極数で除した商であ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. 前記磁気ロータの磁極数は、４、８、１０、１４、１６、２０、２２、２６、２８、３２、３４、３８何れかであることを特徴とする請求項３に記載のステッピングモータ。
5. 前記ロータ孔、及び前記ロータ孔内に受入れられる前記ロータの断面形状は同心円であることを特徴とする請求項３に記載のステッピングモータ。
6. 前記ステータ磁心の磁極片端面の弧の長さは、前記ロータの単一の磁極の長さよりは大きいが、隣り合う２つの磁極の長さよりは小さいことを特徴とする請求項５に記載のステッピングモータ。
7. 前記ステータ磁心の磁極片は、互いに他から分離されていることを特徴とする請求項６に記載のステッピングモータ。
8. 前記ステータ磁心の隣り合う磁極片は狭い溝によって接続されており、前記狭い溝の端から前記ロータシャフトの中心までの距離は同一であることを特徴とする請求項６に記載のステッピングモータ。
9. 前記磁気ロータは、鉄製の永久磁石ロータであることを特徴とする請求項７または８に記載のステッピングモータ。

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