JP2008043071A - ステッピングモータとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のトルクを確保できるように、エアギャップを的確に設定した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３は、円筒状に形成された永久磁石３５を有するロータ３４と、界磁巻線３３と界磁巻線３３によって励磁されるヨーク３２とを有するステータ３１とを備え、エアギャップＧを介して永久磁石３５の外周をヨーク３２が囲繞するように構成され、所望値以上のトルクをロータ３４が発生できるようにエアギャップＧの上限値が決定され、所望値以下のトルク変動でトルクをロータ３４が発生できるようにエアギャップＧの下限値が決定され、上限値と下限値の間にエアギャップＧが設定されている。これにより、所望のトルクを確保できるように、エアギャップＧを的確に設定したステッピングモータ３を提供できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、単位角度毎に回動可能なステッピングモータとその製造方法に関するもので、車両に搭載される指針駆動に用いて好適である。

従来より、車両用計器の指針を回動する駆動源として、ステッピングモータを用いている。ステッピングモータは、円筒状に形成された永久磁石を有するロータと、界磁巻線と界磁巻線によって励磁されるヨークとを有するステータとを備え、エアギャップを介して永久磁石の外周をヨークが囲繞するように構成されている（特許文献１を参照）。

具体的に、界磁巻線に励磁電流を流すことによってヨークに発生した磁束を、永久磁石に作用させて、永久磁石に磁気力を発生させ、これにより、トルクをロータに発生させる。ロータに発生したトルクによって、ステッピングモータは指針を回動する。

近年、指針に対する加飾化の要請が高まり、指針の大型化や３次元形状化が進んでいる。これにより、指針の慣性モーメントが増大し、指針がアンバランス化する傾向にあり、このため、ロータに生じるトルクを大きくする必要が生じている。
特開平１０−２１５５６０号公報

上述したように、界磁巻線に励磁電流を流すことよって磁束を永久磁石に作用させて、永久磁石に磁気力を発生させ、これにより、トルクをロータに発生させる。このため、永久磁石に磁気力を効率的に発生させることができれば、所望のトルクを確保することが可能になる。

永久磁石に生じる磁気力が、エアギャップの２乗に反比例するため、エアギャップを小さくすれば、効率的に磁気力を永久磁石に発生させることができる。これにより、所望のトルクを確保することが可能となる。

しかし、エアギャップの上限値と下限値とを決定する設計パラメータについて記載された例がなく、エアギャップの設定基準が不明なため、エアギャップを的確に設定することが困難である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、所望のトルクを確保できるように、エアギャップを的確に設定したステッピングモータとその製造方法を提供することである。

本発明は、上記目的を達成する為に以下の技術的手段を採用する。

本発明の請求項１に記載のステッピングモータは、円筒状に形成された永久磁石を有するロータと、界磁巻線と界磁巻線によって励磁されるヨークとを有するステータとを備え、エアギャップを介して永久磁石の外周をヨークが囲繞するように構成され、所望値以上のトルクをロータが発生できるようにエアギャップの上限値が決定され、所望値以下のトルク変動でトルクをロータが発生できるようにエアギャップの下限値が決定され、上限値と下限値の間にエアギャップが設定されていることを特徴とする。

この構成では、所望値以上のトルクを発生できるように決定された上限値と、所望値以下のトルク変動でトルクを発生できるように決定された下限値との間に、エアギャップが設定されている。上限値から所望のトルクを確保でき、下限値から所望値以下のトルク変動に抑えることができる。

ここで、公差範囲内の誤差をエアギャップが有するため、ロータからのトルクが変動するが、エアギャップを小さくしてもエアギャップの誤差が変化しない。このため、エアギャップを小さくすると、ロータに生じるトルクが大きくなり、これに比例して、変化しない誤差によるトルク変動も大きくなる。この関係を利用して、エアギャップの下限値を決定できる。

この結果、所望のトルクを確保できるように、上限値と下限値の間にエアギャップを設定できる。即ち、所望のトルクを確保できるように、エアギャップを的確に設定したステッピングモータを提供できる。

本発明の請求項２に記載のステッピングモータは、永久磁石が、希土類系磁石であることを特徴とする。

この構成では、高磁気力が得られる希土類系磁石を用いるため、より高トルクを得ることができる。

本発明の請求項３に記載のステッピングモータは、永久磁石が、ネオジウム−鉄−ボロン系磁石であることを特徴とする。

この構成では、より高磁気力が得られるネオジウム−鉄−ボロン系磁石を用いるため、さらに高トルクを得ることができる。

本発明の請求項４に記載のステッピングモータは、１．２ミリメートルから１．６ミリメートルの間にエアギャップが設定され、８．７ミリメートルからエアギャップを差し引いた値に永久磁石の外径が設定されていることを特徴とする。

この構成でも、上述の効果を得ることができる。

本発明の請求項５に記載のステッピングモータの製造方法は、円筒状に形成された永久磁石を有するロータと、界磁巻線と界磁巻線によって励磁されるヨークとを有するステータとを備え、エアギャップを介して永久磁石の外周をヨークが囲繞するように構成されたステッピングモータの製造方法であって、所望値以上のトルクをロータが発生できるようにエアギャップの上限値が決定され、所望値以下の変動トルクでトルクをロータが発生できるようにエアギャップの下限値が決定され、上限値と下限値の間にエアギャップが設定されていることを特徴とする。

この製造方法では、所望値以上のトルクを発生できるように決定された上限値と、トルクを所望値以下の変動トルクで発生できるように決定された下限値の間に、エアギャップが設定されている。上限値から所望のトルクを確保でき、下限値から所望値以下の変動トルクに抑えることができる。

上述したエアギャップと変動トルクの関係を利用して、エアギャップの下限値を決定できる。このため、所望のトルクを確保できるように、上限値と下限値の間にエアギャップを設定できる。即ち、所望のトルクを確保できるように、エアギャップを的確に設定したステッピングモータの製造方法を提供できる。

以下、自動車用コンビネーションメータの指針駆動に本発明によるステッピングモータを適用した場合を例に図面に基づいて説明する。

図１に示すコンビネーションメータ１は、自動車の運転席前方であって運転者から視認可能な位置に配設され、自動車の走行速度を表示する速度計２を備える。速度計２は、文字や目盛が形成された文字盤２１と、文字盤２１の前面に沿って回動する指針２２を備える。

図２において、速度計２の回路部を構成するプリント基板４が、文字盤２１の背後に配置され、指針２２を回動させるステッピングモータ３とステッピングモータ３を駆動する制御装置５がプリント基板４に実装される。ステッピングモータ３のシャフト３ａが文字盤２１の貫通孔２１ａを挿通して文字盤２１の前面側に延出し、シャフト３ａの先端に指針２２が固定される。

マイクロコンピュータ等から構成された制御装置５は、走行速度の検出信号に基づいてステッピングモータ３を駆動し、これにより、シャフト３ａが所定角度だけ回動し、指針２２がこの所定角度だけ回動する。

ステッピングモータ３は、図３に示すように、ステータ３１とロータ３４と減速ギア３７，３８、および、これらを収容するケース３０、および、シャフト３ａを備える。減速ギア３７，３８は、互いに噛合するように構成され、ロータ３４の回転速度を減速してシャフト３ａを回動させる。

図４と図５において、ロータ３４は、シャフト３６ａと、シャフト３６ａに固定された回動部３６と、回動部３６に固定された永久磁石３５とを備える。シャフト３６ａは、非磁性金属等から形成され、ケース３０に対して回動可能に固定される。これにより、回動部３６に固定された永久磁石３５は、ケース３０に対して回動可能に構成される。即ち、ケース３０に固定された後述するヨーク３２に対して、シャフト３６ａを回転軸として、永久磁石３５が回動可能に構成される。また、回動部３６は、樹脂等の非磁性材から形成され、永久磁石３５は、円筒状に形成される。

永久磁石３５は、高磁気力が得られるネオジウム−鉄−ボロン系の希土類系磁石から形成され、その周方向にＮ−Ｓ−Ｎ−Ｓ・・・の順で等角度間隔に着磁される。

ステータ３１は、図４に示すように、２個の界磁巻線３３と界磁巻線３３によって励磁されるヨーク３２とを備える。環状のヨーク３２は、ケース３０に固定され、磁性金属、例えば珪素鋼板の薄板を複数枚積層して形成される。ステッピングモータ３は、図４と図５に示すように、エアギャップＧを介して永久磁石３５の外周をヨーク３２が囲繞するように構成される。

具体的に、ヨーク３２は、８個の突極３２ａ、３２ｂを備え、８個の突極３２ａ、３２ｂが、エアギャップＧを介して、永久磁石３５の外周を囲繞する。突極３２ａ、３２ｂは、内側に突出し、円周方向に等角度間隔で８個、即ち４５°間隔で放射状に設けられる。８個の突極３２ａ、３２ｂは、その先端がロータ３４のシャフト３６ａと同心上の円弧上に形成される。８個の突極３２ａ、３２ｂのうち２個の突極３２ａは、互いに９０°の角度間隔で配置され、６個の突極３２ｂよりも径方向長さが長く形成される。界磁巻線３３が、２個の突極３２ａに巻装される。

このように構成したステッピングモータ３において、位相が互いに９０度ずれた余弦波状の励磁電流と正弦波状の励磁電流を、それぞれ、２個の界磁巻線３３に流す。これにより、余弦波状と正弦波状の磁束が、それぞれ、対応する突極３２ａに発生し、永久磁石３５に作用する。このため、永久磁石３５と突極３２ａ間に反発力や吸引力の磁気力が発生し、これにより、ロータ３４にトルクが発生する。ロータ３４のトルクは、減速ギア３７，３８によって回転速度が減速されてシャフト３ａへ伝達される。

ここで、永久磁石３５と突極３２ａ間に生じる磁気力が、これらの間の隙間であるエアギャップＧの２乗に反比例する。このため、エアギャップＧを小さくすれば、永久磁石３５に生じる磁気力は増加し、ロータ３４に生じるトルクが増加する。この関係を計算によって求め、図６（ａ）に示す。

図６（ａ）では、ヨーク３２の内径Ｒ２を８．７ｍｍに固定し、且つ、永久磁石３５の外径Ｒ１を６．９ｍｍから８．３ｍｍまで変化させた場合において、即ち、エアギャップＧを１．８ｍｍから０．４ｍｍまで変化させた場合において、ロータ３４に生じるトルクを求めている。永久磁石３５がフェライト磁石から形成され、且つ、エアギャップＧが０．６ｍｍの場合において、ロータ３４に生じるトルクを１．０としてノーマライズすることによって、図６（ａ）の縦軸のトルクを求めている。

永久磁石３５がネオジウム−鉄−ボロン系の希土類系磁石から形成された場合の計算結果を、実線ＴＲ１で示し、永久磁石３５がフェライト磁石から形成された場合の計算結果を、破線ＴＲ２で示す。エアギャップＧを小さくすればトルクが増加することが、図６（ａ）から理解される。また、希土類系磁石から形成された永久磁石３５の方が、トルクが増加することが、図６（ａ）から理解できる。

上述したように、近年、指針２２に対する加飾化の要請が高まり、指針の大型化や３次元形状化が進んでいる。これにより、指針２２の慣性モーメントが増大し、指針がアンバランス化する傾向にあり、このため、ロータ３４に生じるトルクを大きくする必要が生じている。

例えば、図６（ａ）において、必要なトルクを１．０以上とすると、即ち、トルクの下限値を１．０とすると、永久磁石３５がネオジウム−鉄−ボロン系の希土類系磁石から形成された場合、エアギャップＧを１．６ｍｍ以下に設定する必要がある。即ち、この関係を利用して、エアギャップＧの上限値を決定できる。

ここで、エアギャップＧは、公差範囲内の誤差を有するため、ロータ３４に生じるトルクが変動するが、エアギャップＧを小さくしてもエアギャップＧの誤差が変化しない。このため、エアギャップＧを小さくすると、ロータ３４に生じるトルクが大きくなり、これに比例して、エアギャップＧの変化しない誤差によるトルク変動も大きくなる。この関係を計算によって求め、図６（ｂ）に示す。

図６（ｂ）では、図６（ａ）と同一の条件において、ロータ３４に生じるトルク変動、即ち、ロータ３４の回動位置によるトルクの変動幅を求めている。永久磁石３５がフェライト磁石から形成され、且つ、エアギャップＧが０．６ｍｍの場合において、ロータ３４に生じるトルク変動を１．０としてノーマライズすることによって、図６（ｂ）の縦軸のトルク変動を求めている。

永久磁石３５がネオジウム−鉄−ボロン系の希土類系磁石から形成された場合の計算結果を、実線ΔＴＲ１で示し、永久磁石３５がフェライト磁石から形成された場合の計算結果を、破線ΔＴＲ２で示す。エアギャップＧを小さくすればトルク変動が増加することが、図６（ｂ）から理解できる。また、希土類系磁石から形成された場合の方が、トルク変動が増加することが、図６（ｂ）から理解できる。

トルク変動が増加すると、指針２２がスムーズに回動できなくなるため、ロータ３４に生じるトルク変動を小さくする必要がある。例えば、図６（ｂ）において、トルク変動を１．０以下に抑える必要があるすると、即ち、トルク変動の上限値を１．０とすると、永久磁石３５がネオジウム−鉄−ボロン系の希土類系磁石から形成された場合、エアギャップＧを１．２ｍｍ以上に設定する必要がある。即ち、この関係を利用して、エアギャップＧの下限値を決定できる。

以上より、図６（ａ）に示したトルクとエアギャップＧの関係からエアギャップＧの上限値を決定でき、図６（ｂ）に示したトルク変動とエアギャップＧの関係からエアギャップＧの下限値を決定できる。この結果、所望のトルクを確保できるように、上限値と下限値の間にエアギャップＧを設定できる。即ち、所望のトルクを確保できるように、エアギャップＧを的確に設定できる。

具体的に、エアギャップＧを１．２ｍｍ以上で１．６ｍｍ以下に、即ち、永久磁石３５の外径が、７．１ｍｍ以上で７．５ｍｍ以下に設定する。

尚、上述したステッピングモータ３は、車両に搭載されるコンビネーションメータ１の指針２２の駆動に適用した場合を例に説明したが、これに限定する必要は無く、他の民生用機器に搭載されるステッピングモータに本発明を適用することができる。

また、上述の例では、エアギャップＧを１．２ｍｍ以上で１．６ｍｍ以下としたが、これに限る必要はない。即ち、トルクの下限値とトルク変動の上限値は、ステッピングモータ３が適用される用途に応じて変わるものであり、これらに応じてエアギャップＧの設定範囲も変わるからである。

また、上述の例では、永久磁石３５がネオジウム−鉄−ボロン系の希土類系磁石から形成されていたが、これに限る必要はない。即ち、トルクの下限値とトルク変動の上限値は、ステッピングモータ３が適用される用途に応じて変わるものであり、これらに応じて、永久磁石３５の材料を選定するからである。

以上説明した本発明によるステッピングモータ３は、円筒状に形成された永久磁石３５を有するロータ３４と、界磁巻線３３と界磁巻線３３によって励磁されるヨーク３２とを有するステータ３１とを備え、エアギャップＧを介して永久磁石３５の外周をヨーク３２が囲繞するように構成され、所望値以上のトルクをロータ３４が発生できるようにエアギャップＧの上限値が決定され、所望値以下のトルク変動でトルクをロータ３４が発生できるようにエアギャップＧの下限値が決定され、上限値と下限値の間にエアギャップＧが設定されていることを特徴とする。

これにより、所望のトルクを確保できるように、エアギャップを的確に設定したステッピングモータを提供できる。

尚、上述の例に限らず、種々の変形例が考えられる。

図１は、本発明の一実施形態によるステッピングモータが搭載されたコンビネーションメータ１の正面図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図３は、図２に示したステッピングモータ３の内部の主構造を示す斜視図である。 図４は、図３に示したステータ３１とロータ３４の平面図である。 図５は、図１のＶ−Ｖ線断面図である。 図６（ａ）は、ロータ３４が発生するトルクとエアギャップＧとの関係を示すグラフであり、図６（ｂ）は、トルク変動とエアギャップＧとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ コンビネーションメータ
２ 速度計、２１ 文字盤、２１ａ 貫通孔、２２ 指針
３ ステッピングモータ、３ａ、３６ａ シャフト、３０ ケース
３１ ステータ、３２ ヨーク、３２ａ、３２ｂ 突極、３３ 界磁巻線
３４ ロータ、３５ 永久磁石、３６ 回動部、３７，３８ 減速ギア
４ プリント基板、５ 制御装置、Ｒ１ 外径、Ｒ２ 内径、Ｇ エアギャップ

Claims (5)

1. 円筒状に形成された永久磁石を有するロータと、
   界磁巻線と該界磁巻き線によって励磁されるヨークとを有するステータとを備え、
   エアギャップを介して前記永久磁石の外周を前記ヨークが囲繞するように構成され、
   所望値以上のトルクを前記ロータが発生できるように前記エアギャップの上限値が決定され、
   所望値以下のトルク変動でトルクを該ロータが発生できるように前記エアギャップの下限値が決定され、
   前記上限値と前記下限値の間に前記エアギャップが設定されていることを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記永久磁石は、希土類系磁石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. 前記永久磁石は、ネオジウム−鉄−ボロン系磁石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. １．２ミリメートルから１．６ミリメートルの間に前記エアギャップが設定され、
   ８．７ミリメートルから前記エアギャップを差し引いた値に前記永久磁石の外径が設定されてい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. 円筒状に形成された永久磁石を有するロータと、界磁巻線と該界磁巻線によって励磁されるヨークとを有するステータとを備え、エアギャップを介して該永久磁石の外周を該ヨークが囲繞するように構成されたステッピングモータの製造方法であって、
   所望値以上のトルクを前記ロータが発生できるように前記エアギャップの上限値が決定され、
   所望値以下のトルク変動でトルクを該ロータが発生できるように前記エアギャップの下限値が決定され、
   前記上限値と前記下限値の間に前記エアギャップが設定されていることを特徴とするステッピングモータの製造方法。

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