JP2008160958A - ステッピングモータ - Google Patents

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Abstract

【課題】モータ外径が制約されたステッピングモータにおいて、所望の高速回転域で可能な限りモータトルクの向上を図る。
【解決手段】2つのステータ6A、6Bの、直径10mm以下の筒状の外周フレーム2fにモータ寸法が制約される条件下で、2つのマグネット7A、7Bの合計全長Lと2つのステータ6A、6Bの合計全長Lとの関係、2つのマグネット7A、7Bの外径dと2つのマグネットマグネット7A、7Bの合計全長Lとの関係、及び、2つのマグネット7A、7Bの外径dと2つのステータ6A、6Bの外径Dとの関係を最適化する。ステータ内部6A、6Bのコイル5の巻き線の巻き量確保、ロータ9のイナーシャ低減、及び、ロータ9のゴギングトルクの低減を、可能な限り高次元で実現させることで、所望の高速回転域において所定のトルクを発生する。
【選択図】図1

Description

本発明は、ステッピングモータに関するものである。
図12、図13には、従来から一般的な、PM(パーマネントマグネット)型のステッピングモータ30が示されている。このステッピングモータ30は、ボビン33aにコイル34aが巻回され、ボビン33aの外周が外側ヨーク31a及び内側ヨーク32aに覆われ、第1のステータ部が構成されている。又、ボビン33bにコイル34bが巻回され、ボビン33bの外周が外側ヨーク31b及び内側ヨーク32bに覆われ、第2のステータ部が構成されている。更に、第1のステータ部と第2のステータ部が固定されることによってステータ部が構成されている。
又、外周に多極着磁されたマグネット(永久磁石)38と、シャフト39と、ロータスリーブ37とで、ロータ部が構成されている。一方、外側ヨーク31aの軸方向外側には、フロントプレート20が固定され、フロントプレート20には、ロータのシャフト39を支持する軸受35aが固定されている。同様に、外側ヨーク31bの軸方向外側には、エンドプレート21が固定され、エンドプレート21には、シャフト39を支持する軸受35bが固定されている。そして、ロータ部のシャフト39が、軸受35a、35bに軸支されることにより、ロータ部は、ステータ部の中心に形成された円筒状スペース内で回転する構造となっている。なお、符号36a、36bで示される部分は、摺動性を有するスペーサである。
第1のステータ部と第2のステータ部には、それぞれマグネット38の外周に近接対向した複数の極歯が、前記各ヨークから交互に噛み合うような状態で配設されている。この、図12、図13に示されるステッピングモータ30は、コイル34a、34bに印加されるパルス電圧により、外側ヨーク31a及び内側ヨーク32aと、外側ヨーク31b及び内側ヨーク32bの各極歯に磁界が発生し、この磁界と、着磁されたマグネット38の磁界とにより駆動力が発生し、その結果、ロータ部が回転する機構となっている。
又、近年、ビデオカメラやデジタルカメラ等の撮影用機材が広く一般にも普及し、これらのレンズに用いられるオートフォーカス機構の小型、高性能化も著しいものがある。そして、かかるオートフォーカス機構の駆動手段として、外径が10mm以下に抑えられた小型ステッピングモータの需要も増大している(例えば、特許文献1参照。)。
図14には、従来の小型ステッピングモータ40の分解斜視図が示されている。ステッピングモータ40は、ロータマグネット41、シャフト42、周方向に交互に配設された複数の極歯43a、44aを有し軟磁性材からなる内ヨーク43、44、励磁コイル45、46、周方向に交互に配設された複数の極歯47a、48aを有して軟磁性材からなる外ヨーク47、48を備えている。そして、これらの構成要素によって、ステータ49、50が構成されている。又、シャフト42を支持する軸受51、52は、各々、外ヨーク47、48に固着された焼結含油軸受である。
なお、焼結含油軸受51は大径部51aと小径部51bとを有する二段階形状となっている(焼結含油軸受52も同様である。)。そして、焼結含油軸受51、52の各小径部が、外ヨーク47、48の内周に圧入されることにより、各々外ヨーク47、48に固着され、なおかつ、大径部が外ヨーク47、48の軸方向外側面に当接することで、軸受51、52の軸方向の位置決めがなされる。
特開2006−254557号公報
さて、上記従来の小型のステッピングモータ40には、より高速の回転領域においても、必要な出力トルクが得られることが望まれている。一例として、デジタルカメラ等のオートフォーカス機構に用いられる従来のステッピングモータは、外径が10mm以下で、周波数(回転数)f=1000ppsにおいてプルイントルクT=1.2gcm以上が得られているが、高速応答性を確保するためには更に高い周波数、例えば周波数f=2500ppsにおいても同等以上のトルクが得られることが望ましい。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、モータ外径が制約されたステッピングモータにおいて、所望の高速回転域で可能な限りモータトルクの向上を図ることにある。
上記課題を解決するために、本発明のステッピングモータは、ステータの、直径10mm以下の筒状の外周フレームに制約されるモータ寸法下で、マグネットの外径とステータの外径との関係、マグネットの全長とステータの全長との関係、及び、マグネットの外径とマグネットの全長との関係に着目し、これら全ての関係の最適化を図ることにより、所望の高速回転域において所定のトルクを発生することが可能となる。
(発明の態様)
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。なお、各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。よって、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
(1)直径10mm以下の筒状の外周フレーム及び該外周フレームの一端部を塞ぐ底板を含み、前記底板の中央に形成された開口の周縁に沿って、前記外周フレームと平行に設けられた複数の極歯を備える外ヨークと、該外ヨークの複数の極歯と同一円周上に交互に配置される複数の極歯を備える内ヨークとを備える2つのステータが、互いに背中合わせに固定され、前記2つのステータの外ヨーク及び内ヨークによって形成される円環状のスペースに、ボビンに巻回されたコイルが格納され、シャフト及び軸方向に分離して前記シャフトに固定される2つのマグネットを備えるロータが、前記2つのステータの各極歯に対し微小間隔を隔てて回転可能に配置されたステッピングモータであって、前記2つのマグネットの合計全長Lと2つのステータの合計全長Lとの関係、及び、前記2つのマグネットの外径dと前記2つのマグネットの合計全長Lとの関係が、前記2つのステータの、前記直径10mm以下の筒状の外周フレームにモータ寸法が制約される条件下で、所望の高速回転域において所定のトルクを発生するに適した範囲に設定されているステッピングモータ。
本項に記載のステッピングモータは、2つのステータの、前記直径10mm以下の筒状の外周フレームにモータ寸法が制約される条件下で、2つのマグネットの合計全長Lと2つのステータの合計全長Lとの関係、及び、2つのマグネットの外径dと2つのマグネットの合計全長Lとの関係を、ステータ内部のコイル巻き線の巻き量確保、ロータのイナーシャ低減、及び、ロータのゴギングトルクの低減を、可能な限り高次元で実現させるものとすることで、所望の高速回転域において所定のトルクを発生するに適したステッピングモータを得るものである。
(2)上記(1)項において、前記2つのマグネットの外径dと前記2つのステータの外径Dとの関係が、前記2つのステータの、前記直径10mm以下の筒状の外周フレームにモータ寸法が制約される条件下で、所望の高速回転域において所定のトルクを発生するに適した範囲に設定されているステッピングモータ(請求項1)。
本項に記載のステッピングモータは、2つのステータの、前記直径10mm以下の筒状の外周フレームにモータ寸法が制約される条件下で、更に、2つのマグネットの外径dと2つのステータの外径Dとの関係を、ステータ内部のコイル巻き線の巻き量確保、ロータのイナーシャ低減、及び、ロータのゴギングトルクの低減を、可能な限り高次元で実現させるものとすることで、所望の高速回転域において所定のトルクを発生するに適したステッピングモータを得るものである。
(3)前記2つのマグネットの合計全長Lと2つのステータの合計全長Lとの関係が0.35≦L/L≦0.45、かつ、前記2つのマグネットの外径dと前記2つのマグネットの合計全長Lとの関係が0.77≦d/L≦1.1を充足することを特徴とするステッピングモータ。(請求項2)。
本項に記載のステッピングモータは、2つのステータの、前記直径10mm以下の筒状の外周フレームにモータ寸法が制約される条件下で、2つのマグネットの合計全長Lと2つのステータの合計全長Lとの関係、及び、2つのマグネットの外径dと2つのマグネットの合計全長Lとの関係が、ステータ内部のコイル巻き線の巻き量確保、ロータのイナーシャ低減、及び、ロータのゴギングトルクの低減を、可能な限り高次元で実現させるものとなり、所望の高速回転域において所定のトルクを発生するに適したステッピングモータを得ることができる。
(4)前記2つのマグネットの外径dと前記2つのステータの外径Dとの関係がd/D≧0.45を充足することを特徴とするステッピングモータ。(請求項3)。
本項に記載のステッピングモータは、更に、2つのマグネットの外径dと2つのステータの外径Dとの関係が、ステータ内部のコイル巻き線の巻き量確保、ロータのイナーシャ低減、及び、ロータのゴギングトルクの低減を、可能な限り高次元で実現させるものとなり、所望の高速回転域において所定のトルクを発生するに適したステッピングモータを得ることができる。
本発明はこのように構成したので、モータ外径が制約されたステッピングモータにおいて、所望の高速回転域で可能な限りモータトルクの向上を図ることが可能となる。
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
本発明の実施の形態に係るステッピングモータ1は、図1(a)に示されるように、筒状の外周フレーム2f及び複数の極歯2aを備える外ヨーク2と、外ヨーク2の複数の極歯2aと同一円周上に交互に配置される複数の極歯3aを備える内ヨーク3とを備える2つのステータ6A、6Bが、互いに背中合わせに固定されている。又、2つのステータ6A、6Bの各極歯2a、3aによって形成される円環状のスペースに、ボビン4に巻回されたコイル5が格納されている。そして、シャフト8及び軸方向に分離してシャフト8に固定される2つのマグネット7A、7Bを備えるロータ9が、2つのステータ6A、6Bの各極歯2a、3aに対し、微小間隔を隔てて回転可能に配置された構造を有している。
なお、2つのステータ6A、6Bは同一の構造を有しており、夫々、全長L/2(合計全長L)、外径Dで同一である。具体的には、2つのステータ6A、6Bの筒状の外周フレーム2fの直径は10mm以下であり、本発明の実施の形態では、D=6mmとなっている。又、ロータ9の2つのマグネット7A、7Bも、夫々、全長L/2(合計全長L)、外径dで同一となっている。参考までに、図1(b)にもステッピングモータ1の断面が概略的に示されており、上記各部寸法も示されている。
そして、ステッピングモータ1の2つのマグネット7A、7Bの合計全長Lと2つのステータ6A、6Bの合計全長Lとの関係、2つのマグネットマグネット7A、7Bの外径dと2つのマグネットの合計全長Lとの関係、及び、ロータ9の2つのマグネット7A、7Bの外径dと2つのステータ6A、6Bの外径Dとの関係が、何れも、2つのステータ6A、6Bの、直径10mm以下の筒状の外周フレーム2fにモータ寸法が制約される条件下で、所望の高速回転域において所定のトルクを発生するに適した範囲に設定されている。
かかる範囲として、具体的には、2つのマグネット7A、7Bの合計全長Lと2つのステータ6A、6Bの合計全長Lとの関係は、0.35≦L/L≦0.45となっている。又、2つのマグネット7A、7Bの外径dと2つのマグネット7A、7Bの合計全長Lとの関係は、0.77≦d/L≦1.1となっている。更に、2つのマグネット7A、7Bの外径dと2つのステータ6A、6Bの外径Dとの関係は、d/D≦0.45となっている。ステッピングモータ1は、これらの関係を全て充足するものである。
前述の如く、本発明の実施の形態では、ステータ6A、6Bの外径D=6mであるところ、2つのステータ6A、6Bの合計全長L=7.5mm、2つのマグネット7A、7Bの外径d=2.6mm、マグネット7A、7Bの合計全長L=3mmとなっており、上記の全ての関係を充足している。なお、ステータ6A、6Bを構成する金属板の厚みt=0.3mmである。
さて、本発明の実施の形態において、ステッピングモータ1の各寸法のうち、2つのマグネット7A、7Bの合計全長Lと2つのステータ6A、6Bの合計全長Lとの関係、2つのマグネットマグネット7A、7Bの外径dと2つのマグネットの合計全長Lとの関係、及び、ロータ9の2つのマグネット7A、7Bの外径dと2つのステータ6A、6Bの外径Dとの関係に着目している理由は、以下の通りである。
まず、図2(a)に示されるステッピングモータ100は、従来のステッピングモータであり、上記各部寸法が、本発明の実施の形態に係る所定の範囲から外れている。具体的には、2つのマグネット7A、7Bの合計全長Lの比率が、本発明の実施の形態より大きいものとなっている。かかる従来のステッピングモータ100は、マグネットのイナーシャが大きく、必要とされる高速回転域(周波数)での起動が困難である。
一方、図2(b)に示されるステッピングモータ102は、2つのマグネット7A、7Bの外径dの比率が、本発明の実施の形態より大きいものとなっている。このように、マグネットの外径dを小さくすることで、マグネットのイナーシャを小さく抑えることが可能であるが、同時に、マグネット7A、7Bの持つ磁気エネルギーも小さくなり、モータ特性が低下してしまう。又、マグネット7A、7Bの外径が小さくなると、マグネット7A、7Bに着磁を行うための着磁治具の線径が細くなり、この着磁治具に流すことが可能な電流が減少して、マグネット7A、7Bへの着磁が困難になるといった不具合も生じてしまう。
なお、マグネット7A、7Bの外径dを、本願の実施の形態と同様とし、かつ、軽い(密度の低い)マグネット用いることも考えられるが、マグネットの密度と磁気特性とは比例関係にあることから、マグネットの持つ磁気エネルギーも小さくなり、モータ特性が低下してしまう。
又、図2(c)に示されるステッピングモータ104は、2つのマグネット7A、7Bの合計全長Lのみならず、2つのステータ6A、6Bの合計全長Lも小さくしたものである。この例は、結局のところ、図1(a)に示された従来のステッピングモータ100と、単に寸法の仕様が異なるだけであり、上記各部寸法が、発明の実施の形態に係る所定の範囲から外れている。
更に、図2(d)に示されるステッピングモータ106は、2つのステータ6A、6Bの外径Dの比率比率が、本発明の実施の形態より大きいものとなっている。この例では、ステータのコイルの格納スペースが拡大し、コイルの巻き数を増大することが可能となることから、モータ特性の向上には適している。しかしながら、本発明の実施の形態における、直径10mm以下の筒状のステータの筒状の外周フレーム2fに、モータ寸法が制約される条件から逸脱してしまう場合がある。
図3には、本発明の実施の形態に係るステッピングモータ1の、モータ特性が示されている。まず、図3(a)には、2つのマグネットの合計全長及び2つのステータの合計全長Lの関係L/Lと、周波数fとの関係が示されている。図示の如く、周波数f=2500pps以上の高速回転域において、0.35≦L/L≦0.45の範囲内で、プルイントルクT=1.2gcm以上を得ることが可能となる。又、0.35≦L/L≦0.45の範囲内であれば、プルイントルクT=1.0gcm以上を更に高速の回転域において得ることが可能となる。更に、0.35≦L/L≦0.45の範囲内で、トルクT=1.5gcm以上の高トルクを、周波数f=2200pps以上の回転域で得ることが可能である。
なお、図3(b)には、周波数f=2500ppsにおける、L/Lと、プルイントルクTとの関係が示されており、0.35≦L/L≦0.45の範囲内で、プルイントルクT=1.2gcm以上を得ることが可能であることが判る。
又、図3(c)には、周波数f=2500ppsにおける、プルイントルクTと、2つのマグネットの外径及び2つのマグネットの合計全長との関係d/Lが示されている。そして、図示の如く、0.77≦d/L≦1.1の範囲内で、プルイントルクT=1.2gcm以上を得ることが可能であることが判る。
又、従来の、モータ寸法が直径10mm以下のPM型ステッピングモータにあっては、必要な出力トルクの確保と、着磁の制約とから、ロータ径を比較的大きくする必要があり、d/Dの値が0.8前後に設定されることが一般的となっていた。参考までに、図4には従来のPM型ステッピングモータのd/Dの値が示されている。d/Dの値は、ステータの外径Dの値がD=15mmにおいて最小値となり、直径10mm以下では急激に大きな値に設定されていることが一般的であった。しかしながら、かかる条件下では、コイルスペースの確保が困難で、十分な巻線を行うことができないことから、比較的低速度の領域でしか、満足できる特性を得ることができなかった。そこで、本発明の実施の形態では、モータ寸法が直径10mm以下という条件下でも、図4に矢印で示されるように、d/D≦0.45と設定することにより、巻線スペースの確保が可能となり、所望の高速回転域において所定のトルクを発生するに適したステッピングモータを得ることが可能となっている。
上記構成をなす、本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能となる。
まず、2つのステータ6A、6Bの、直径10mm以下の筒状の外周フレーム2fにモータ寸法が制約される条件下で、2つのマグネット7A、7Bの合計全長Lと2つのステータ6A、6Bの合計全長Lとの関係、2つのマグネット7A、7Bの外径dと2つのマグネットマグネット7A、7Bの合計全長Lとの関係、及び、2つのマグネット7A、7Bの外径dと2つのステータ6A、6Bの外径Dとの関係を最適化することにより、ステータ内部6A、6Bのコイル5の巻き線の巻き量確保、ロータ9のイナーシャ低減、及び、ロータ9のゴギングトルクの低減を、可能な限り高次元で実現させることで、所望の高速回転域において所定のトルクを発生するに適したステッピングモータ1を得るものである。
具体的には、2つのステータ6A、6Bの、前記直径10mm以下の筒状の外周フレーム2fにモータ寸法が制約される条件下で、2つのマグネット7A、7Bの合計全長Lと2つのステータ6A、6Bの合計全長Lとの関係が0.35≦L/L≦0.45、2つのマグネット7A、7Bの外径dと2つのマグネット7A、7Bの合計全長Lとの関係が0.77≦d/L≦1.1、かつ、2つのマグネット7A、7Bの外径dと2つのステータ6A、6Bの外径Dとの関係がd/D≦0.45を全て満たすものとする。
かかる構成により、ステータ内部のコイル5の巻き線の巻き量確保、ロータ9のイナーシャ低減、及び、ロータ9のゴギングトルクの低減を可能な限り高次元で実現させるものとなり、周波数f=2500ppsといった高速回転域において、プルイントルクT=1.2gcm以上を発生するに適した、ステッピングモータ1を得ることができる。
なお、参考までに、本発明の実施の形態に採用されている具体的なモータ構造について、以下に説明する。
図5から図7に示されるように、本発明の実施の形態に係るステッピングモータ1は、外ヨーク2と内ヨーク3の各々に、複数の極歯2a、3aが設けられ、各極歯2a、3aが交互に噛み合うようにして外ヨーク2と内ヨーク3が組み合わされることによって、円環状のスペースが形成されている。そして、その円環状のスペースには、ボビン4に巻回されたコイル5が格納されてなるステータ6A、6B(すなわち、ステータ6A、6Bは同一構造をなしている。)が、電気角で90度の位相差となるようにして互いに背中合わせに当接することによって、ステータ6が構成され2相の磁界を形成するものである。
又、シャフト8及びシャフト8の中間部に固定されるロータマグネット7A、7Bによって、ロータ9が構成されている。
ロータマグネット7A、7Bの外周面は、各々周方向に多極着磁されている。そして、ロータ9は、ステータ6A、6Bの、複数の極歯2a、3aに囲まれた円筒状のスペースに配置され、ステータ6Aの極歯2a、3aとステータ6Bの極歯2a、3aは、ロータマグネット7A、7Bの外周面にそれぞれ所定の空隙(ギャップ)を隔てて対向配置されている。そして、シャフト8は、ステータ6Aの外ヨーク2に装着した軸受10Aと、ステータ6Bの外ヨーク2Bに装着した軸受10Aとによって、回転可能に支持されている。
なお、ステータ6Aの外ヨーク2と内ヨーク3、ステータ6Bの外ヨーク2と内ヨーク3は全て同一材料にて形成されており、いずれも軟磁性の板材(例えば、電磁鋼板、ケイ素鋼板、純鉄板など)を絞り加工又はプレスにて所定形状に形成し、なおかつ、極歯部分を軸方向に折り曲げることにより形成されている。
一方、ボビン4は合成樹脂(例えば、液晶ポリマー)にて形成され、ボビン4の巻芯部にはマグネットワイヤが所定のターン数で巻回されてコイル5を構成している。ボビン4の巻芯部の両端には、フランジ4cが一体成形で形成され、一方端のフランジには端子ピン4bを植設した端子4aがフランジと一体に形成されており、コイル5のリードは端子ピン4bにそれぞれ絡げられている。また、端子4aは外ヨーク2の外周フレームに形成された切欠部2dからそれぞれ外部に引き出されている。
図7には、ステータ6Bの外ヨーク2と、外ヨーク2に装着される軸受10Aとが、分解斜視図として示されている。なお、ステータ6Aについては、ステータ6Bと同一構造であるため、詳しい説明を省略する。
外ヨーク2は、筒状の外周フレーム2f及び外周フレーム2fの一端部を塞ぐ底板2cを含むカップ状をなし、底板2cの中央に開口2eが形成され、開口2eの周縁に沿って、外周フレーム2fと平行に設けられた複数の極歯2aを備えている。又、外ヨーク2の底板2cの、極歯2aの間に、外ヨーク2の強度を考慮しつつ、底板2cの開口の周縁から更に半径方向外側へと広がる複数の切欠き2bが形成されている。
また、外周フレーム2fには端子用切欠部2dが形成され、この切欠部2dを介して、ボビン4の端子4bが外部に引き出されている。
軸受10Aは、中空円筒状のボス部11と、ボス部11の外周から突出し外ヨーク2の底板2cの切欠き2bに嵌合する複数のフランジ部12aとを備えている。ここで、ボス部11は、外ヨーク2の極歯2aの内周面に圧入される外径に形成されている。そして、軸受10Aのボス部11が、外ヨーク2の極歯の内周面(開口2e)に嵌合挿入される。それと共に、フランジ部12aが外ヨーク2の極歯2a間に形成された切欠部2bに嵌め合わされ、フランジ部12aと外ヨーク2の底板2cとの間を溶接することにより、軸受10Aが外ヨーク2に固着される。なお、ステータ6A、6Bにそれぞれ装着された軸受10Aは、互いに同一構造となっている。
ここで、軸受10Aのフランジ部12aの外形は、外ヨーク2の極歯2a間に形成された切欠部2bから、ステータ6の内部への、ごみの侵入を防止するという観点より、外ヨーク2の極歯2a間に形成された切欠部2bの形状に合わせることが好ましい。
さらに、図8には軸受10Aが斜視図で、図9には図8に示された軸受10AのA−A断面図が示されている。軸受10Aは、小径部及び大径部からなる中空円筒状のボス部11と、ボス部11の小径部の外周に嵌合するフランジ形成部12とからなる、別体構造を有している。そして、ボス部11は銅系の焼結含油合金から形成され、フランジ形成部12は鉄系の金属材料から形成されている。
又、フランジ部12aは、その厚みが外ヨーク2の底板2cの厚み以下で、なおかつ、外ヨーク2の底板2cの切欠き2bに嵌合し、外ヨーク2と内ヨーク3とによって形成された円環状のスペースに格納された、コイル5のボビン4のフランジ4cと当接した状態で、ボス部11の軸方向一側端面が、底板2cから軸方向外側へと突出しない位置に形成されている。
具体的には、フランジ形成部12は、円環部12bの外周から、放射状に突出する複数のフランジ部12aを備えた構造である。なお、フランジ部12aは、外ヨーク2の底板2cと同じか、それ以下の厚みを有している。そして、図9に示されるように、ボス部11の小径部の外周縁には、加締め用縁部11aが設けられており、円環部12bの内周12cが、ボス部11の小径部に嵌め込まれた後、冶具(図示せず)を用いて加締め用縁部11aを加締めることにより、ボス部11は円環部12bの内周に固定される。しかも、ボス部11がフランジ形成部12より飛出すことがないように、すなわち、フランジ部12aがボス部11の軸方向一端面と面一となるように、両者は固定されている。なお、ボス部11の中央の穴11bは、シャフト8を挿通するための穴である。
ここで、ステッピングモータ1の組立手順について説明する。
まず、ステータ内径基準で製作された冶具(図示せず)に、ステータ6Bの、外ヨーク2の極歯2aの内周を挿通させ、コイル5が巻回されたボビン4を、外ヨーク2に収容する。この時、外周フレーム2fに形成された端子用切欠部2dから、ボビン4の端子4bが外部に引き出される。そして、ステータ6Bの内ヨーク3の極歯3aの内周を、冶具(図示せず)に挿通させることにより、外ヨーク2の極歯2aと内ヨーク3の極歯3aとが、同一円周上に交互に噛み合うように、外ヨーク2と内ヨーク3とを組み合わせる。この時、外ヨーク2の極歯2aと内ヨーク3の極歯3aは、電気角で180度の位相差となるように位置決めされる。
次に、ステータ6Aの内ヨーク3の極歯3aの内周を冶具(図示せず)に挿通させ、コイル5が巻回されたボビン4を、内ヨーク3に収容する。そしてステータ6Aの外ヨーク2の極歯2aの内周を冶具(図示せず)に挿通させることにより、内ヨーク3の極歯3aと外ヨーク2の極歯2aとが、同一円周上に交互に噛み合うように、外ヨーク2と内ヨーク3とを組み合わせる。この時、外ヨーク2の極歯2aと、内ヨーク3の極歯3aは、電気角で180度の位相差となるように位置決めする。また、ステータ6Bと同様に、ボビン4の端子4bは、外周フレームに形成した端子用切欠部2dから、外部に引き出される。そして、ステータ6Aとステータ6Bとを背中合わせに積層し、電気角で90度の位相差となるように位置決めされた状態で、ステータ6Aの外ヨーク2の外周フレーム2fと、ステータ6Bの外ヨーク2の外周フレーム2fとの間を溶接して、両者を固着することにより、2相からなるステータ6を得る。以上により、ステータ6Aとステータ6Bは同軸にて形成される。
次に、軸受10Aをステータ6Bの外ヨーク2に装着する。この際、図7に示された軸受10Aのボス部11の大径部を、外ヨーク2の極歯2aの内周面(開口2e)に嵌合挿入し、なおかつ、軸受10Aのフランジ部12aを、外ヨーク2の極歯2aの間に形成した切欠部2bに嵌合させる。この時、軸受10Aのボス部11が、ボビン4のフランジ4cに当接することで、フランジ4cが、軸受10Aの軸方向のストッパとして機能し、軸受10Aの移動を規制する。
更に、フランジ部12aと外ヨーク2の底板2cとの間を、溶接することにより、軸受10Aを外ヨーク2に固着する。
次に、外周に多極着磁が施されたロータマグネット7A、7Bを、シャフト8の中間部に固着する。そして、ロータのシャフト8を、ステータ6Aの外ヨーク2の極歯2aの内周面(開口2e)に挿入し、シャフト8の一方端を軸受10Aに挿通し、ロータ9を、ステータ6A、6Bの、複数の極歯2a、3aに囲まれた円筒状のスペースに収容する。
又、他方の軸受10Aをシャフト8の他方端に挿通させた後、軸受10Aのボス部11を外ヨーク2の極歯2aの内周面(開口2e)に嵌合挿入し、図7に示された軸受10Aのフランジ部12aを外ヨーク2の極歯2aの間に形成した切欠部2bに嵌合させて、軸受10Aをステータ6Aの外ヨーク2に装着する。この時も、軸受10Aのボス部11が、ボビン4のフランジ4cに当接することで、フランジ4cが軸方向のストッパとして機能し、軸受10Aの移動を規制する。なお、図示の例では、ロータマグネット7A、7Bを2個用いた構成となっているが、これを1個で構成しても勿論よい。
ステータ6Aの場合については、軸受10Aのフランジ部12aと外ヨーク2の底板2cとの間を溶接して固着しても良い。一方、ステータ6Aの外ヨーク2の底板2cの上にモータ取り付け板であるフロントプレート(図示せず)を固着する場合には、このフロントプレートによって、ステータ6A側の軸受10Aを押さえることになるため、軸受10Aのフランジ部12aと外ヨーク2の底板2cとの間を溶接する必要はない。
以上の工程により、ステッピングモータ1の組立が完了する。これによってステータ6の極歯2a、3aはロータマグネット7A、7Bと所定の空隙(ギャップ)を介してロータマグネット7A、7Bの外周面に対向配置される。
そして、軸受10Aのフランジ部12aが、外ヨーク2の底板2cの切欠き2bに嵌合することで、外ヨーク2に対する軸受10Aの回転が阻止される。又、外ヨーク2の底板2cの切欠き2bに嵌合した軸受10Aのフランジ部12aが、外ヨーク2と内ヨーク3とによって形成された円環状のスペースに格納された、ボビン4のフランジ4cと当接することで、外ヨーク2に対する軸受10Aの軸方向の位置も、正確に位置決めされる。しかも、軸受10Aは、フランジ部12aが外ヨーク2の底板2cの切欠き2bに嵌合した状態で、ボス部11及びフランジ部12aの何れも、外ヨーク2の底板2cから軸方向外側へと突出しない形状に形成されていることから、モータ全長が規制されている場合であっても、外ヨーク2の底板2cの軸方向外側面を、許容されるモータ全長の軸方向両端位置に配置することが可能となる。その結果として、外ヨーク2と内ヨーク3とにより形成される円環状のスペースの全長が増大し、かかるスペースに格納されるコイル4の占有体積の割合を増大させることとなる。
しかも、軸受10Aの複数のフランジ部12aが、外ヨーク2の底板2cの複数の切欠き2bに嵌合することで、外ヨーク2に対する軸受10Aの回転が、ボス部11の外周の複数位置における、フランジ部12aと切欠き2bの嵌合より、確実に阻止される。又、外ヨーク2の底板2cの複数の切欠き2bに嵌合した、軸受10Aの複数のフランジ部12aが、外ヨーク2と内ヨーク3とによって形成された円環状のスペースに格納されたボビン4のフランジ4cに当接することで、外ヨーク2に対する軸受10Aの軸方向の位置も、ボス部11の外周の複数位置における、フランジ部12aとフランジ4cとの当接により、確実に位置決めされることとなる。
又、軸受10Aのボス部11が、外ヨーク2の極歯2aの内周面(開口2e)に嵌合挿入されることで、外ヨーク2に対して軸受10Aが安定保持される。又、軸受10Aのフランジ部12aが、外ヨーク1の底板2cの切欠き2bに嵌合し、外ヨーク2に対する軸受10Aの回転が阻止され、かつ、軸方向の位置が位置決めされた状態で、ボス部11及びフランジ部12aの何れも、外ヨーク2の底板2cから軸方向外側へと突出しないものとなる。
より具体的には、軸受10Aのフランジ部12aは、外ヨーク2の底板2cと同じ厚みを有し、なおかつ、ボス部11の軸方向一端面と面一に形成されているので、図5に示されるように、外ヨーク2の底板2cの軸方向外側面と、軸受10Aの軸方向外側面とが面一(フラット)となり、ボス部11及びフランジ形成部12(フランジ部12a)の何れも、外ヨーク2の底板2cから軸方向外側へと突出しないものとなる。
又、軸受10Aのボス部11とフランジ部12aとが別体に形成されていることから、ボス部11及びフランジ部12aの各々に適した製造方法によって別個に製造して、各部の製造を容易とすることができる。そして、各部を互いに固定することで、軸受10Aを構成することができる。ここで、ボス部11が、中空円筒状の焼結含油合金からなることから、ロータ9のシャフト8の回転時における、必要な潤滑性を確保することが可能である。しかも、銅系の焼結含油合金を用いることにより、鉄系の焼結含油合金を用いる場合に比べ、シャフト8の摺動騒音を小さく抑えることができる。
一方、フランジ部12aが、ボス部11の外周に嵌合する円環部12bを備える鉄系金属材料からなることにより、鉄系金属で形成された外ヨーク2に対し、軸受10Aを固定する際に、溶接により両者を固定する作業が容易、かつ、確実に固定されるものとなるとなる。
又、軸受10Aのフランジ部12aの外形が、外ヨーク2の底板2cの切欠き2bと同一形状をなしていることから、軸受10Aのフランジ部12aが、外ヨーク2の底板2cの切欠き2bに嵌合した状態で、外ヨーク2の底板2cの切欠き2bが、軸受10Aのフランジ部12aによって完全に塞がれることとなり、ゴミ等異物のステータ内部への侵入が、確実に防止されることとなる。なお、異物の侵入を他の手段によって防止することとすれば、軸受10Aのフランジ部12aの外形が、外ヨーク2の底板2cの切欠き2bと同一形状でなくとも良い。
更には、一対の軸受10Aの少なくとも一方のフランジ部12aが、外ヨーク2の底板2cに溶接されていることから、外ヨーク2からの軸受10Aの脱落を確実に防ぐことができる。
なお、図10、図11には、本発明の実施の形態に係る、上記軸受10Aと構造が異なる軸受10Bが示されている。
軸受10Bは中空円筒状のボス部10aと、ボス部10aの一方側に放射状に突出する複数のフランジ部10bを備えた構成を有している。中央の穴10cはシャフト8を挿通するための穴である。この軸受10Bはボス部10aとフランジ部10bが一体構造物であって、鉄系の焼結含油合金から形成されている。そして、軸受10Aと同様に、ボス部10aを外ヨーク2の極歯2aの内周(開口2e)に嵌合挿入し、フランジ部10bを外ヨーク2の極歯2aの間に形成した切欠部2bに嵌合させ、フランジ部10bと外ヨーク2の底板2cとの間を溶接することにより、軸受10Bが外ヨーク2に固着される。
このように、軸受10Bはボス部10aとフランジ部10bを鉄系の焼結含油合金にて一体構造で形成しているため、部品点数を削減することができる。又、鉄系金属で形成された外ヨーク2に対し軸受10Bを固定する際に、溶接により両者を固定する作業が容易、かつ、確実に固定されるものとなる。
以上、本発明のステッピングモータについて説明したが、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲において変更できることは理解されるであろう。
本発明の実施の形態にかかるステッピングモータであり、(a)は断面斜視図、(b)は概略断面図である。 本発明の実施の形態において、ステッピングモータの各寸法範囲を特定する理由を説明する図であり、(a)は参考として示された従来のステッピングモータの概略断面図、(b)〜(d)は、不適切な代替案に係るステッピングモータの概略断面図である。 (a)〜(c)は、本発明の実施の形態に係るステッピングモータの、モータ特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るステッピングモータの、2つのマグネットの外径と2つのステータの外径との関係を、従来のステッピングモータとの比較において示すグラフである。 図1に示されたステッピングモータの、詳細な断面図である。 図5に示されたステッピングモータの平面図である。 図5に示されたステッピングモータの、外ヨークと軸受とを示す分解斜視図である。 図5に示されたステッピングモータの、軸受の斜視図である。 図8のA−A断面図である。 図5に示されたステッピングモータの、別構造の軸受の斜視図である。 図10のB−B断面図である。 従来のステッピングモータの部分断面斜視図である。 図12に示されたステッピングモータの断面図である。 従来の他のステッピングモータの分解斜視図である。
符号の説明
1:ステッピングモータ、2:外ヨーク、2a:極歯、2b:切欠き部、2c:底板、 2e:開口、2f:外周フレーム、3:内ヨーク、3a:極歯、5:コイル、 6A、6B:ステータ、 7A、7B:ロータマグネット、8:シャフト、9:ロータ、d:2つのマグネットの外径、D:2つのステータの外径、L:2つのマグネットの合計全長、L:2つのステータの合計全長

Claims (3)

  1. 直径10mm以下の筒状の外周フレーム及び複数の極歯を備える外ヨークと、該外ヨークの複数の極歯と同一円周上に交互に配置される複数の極歯を備える内ヨークとを備える2つのステータが、互いに背中合わせに固定され、前記2つのステータの外ヨーク及び内ヨークによって形成される円環状のスペースに、ボビンに巻回されたコイルが格納され、シャフト及び軸方向に分離して前記シャフトに固定される2つのマグネットを備えるロータが、前記2つのステータの各極歯に対し微小間隔を隔てて回転可能に配置されたステッピングモータであって、
    前記2つのマグネットの合計全長Lと2つのステータの合計全長Lとの関係、前記2つのマグネットの外径dと前記2つのマグネットの合計全長Lとの関係、及び、前記2つのマグネットの外径dと前記2つのステータの外径Dとの関係が、何れも、前記2つのステータの、前記直径10mm以下の筒状の外周フレームにモータ寸法が制約される条件下で、所望の高速回転域において所定のトルクを発生するに適した範囲に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2つのマグネットの合計全長Lと2つのステータの合計全長Lとの関係が0.35≦L/L≦0.45、かつ、前記2つのマグネットの外径dと前記2つのマグネットの合計全長Lとの関係が0.77≦d/L≦1.1を充足す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2つのマグネットの外径dと前記2つのステータの外径Dとの関係がd/D≦0.45を充足す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。
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