JP2008182796A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】起動性能に優れ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は、ステータ１と、ロータ２と、ブラケット（底板）３と、カバー４とを備える。ステータ１は、周縁に沿って複数の極歯５を有する環状の第１のステータヨーク６と、第１のステータヨーク６に対向配置され複数の極歯７を有する環状の第２のステータヨーク８と、第１および第２のステータヨーク６，８の間に配置されるステータコイル９と、ステータコイル９の中心部に形成された孔に嵌挿されるコア１０と、コア１０の中心部に形成された孔に嵌挿されるメタルベアリング１１とを有する。第１および第２のステータヨーク６，８の極歯間のギャップに、第１および第２の補極２１，２２を偏って配置するため、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置とを確実にずらすことができ、ステッピングモータが起動しないという不具合を解消でき、起動性能が向上する。
【選択図】図１

Description

ステータを取り囲むように配置されるロータを備えたステッピングモータに関する。

ステッピングモータは、構造が簡易で制御も容易なため、種々の分野で用いられている。特に、永久磁石を用いたＰＭ（Permanent Magnet）ステッピングモータは、安価に製造できるため、種々の分野で多用されている。

この種のステッピングモータでは、信頼性が重要であり、特に、どのような条件でも正常に起動することが要求される。正常な起動を保証するためには、予め定めた正確な位置でステッピングモータを停止させる制御が必要となる。高精度の停止位置制御を行うには、ディテントトルクを小さくするように調整するのが一般的である。ディテントトルクは回転時の負荷になるためである。

しかしながら、負荷が大きい場合、例えば、振動発生用ステッピングモータのように、重りを負荷としているような場合は、非通電時に所望の停止位置に正確に停止させるのは困難である。このため、非通電時のディテントトルクを大きくして負荷を確実に停止させる技術が提案されている（特許文献１〜３参照）。

ＰＭステッピングモータのうち、アウターロータ型の単相ステッピングモータには、環状のステータを取り囲むようにロータが配置されている。ステータは、複数の極歯が形成されたステータヨークを有し、ロータは、極性の異なる磁極が交互に周縁に沿って配置されたマグネットを有する。

アウターロータ型のステッピングモータにおいて、ホールディングトルクの安定位置（停止位置）は、マグネットの隣接する磁極間の境界線がステータヨークの極歯の中心線におよそ一致する場所である。この場所は、マグネットの磁極数だけ存在する。一方、ディテントトルクの安定位置（停止位置）は、マグネットの隣接する磁極間の境界線または各磁極の中心線がステータヨークの極歯の中心線におよそ一致する場所である。この場所は、マグネットの磁極数の２倍の数だけ存在する。

ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置が一致する場合には、停止後の起動が正常に行われなくなるおそれがある。そこで、複数の極歯のうち一部の極歯の幅を増減した補極を設けることが考えられる。このような補極を設ける理由は、仮に補極がないとすると、単相ステッピングモータを安定位置から起動させようとしたときに、正常に起動しなかったり、１ステップの半分しか起動しなかったりするおそれがあるためである。補極を設けることにより、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置とを互いにずらすことができ、起動の安定化を図ることができる。

単相ステッピングモータにおける補極は、ステータコイルを挟んで両側に配置される一対のステータヨークのそれぞれが有する複数の極歯の一部に設けられる。補極を設けることで、両ステータヨーク同士の極歯間の位相が変化して、起動性能が向上する。
特開昭60-43059号公報 特開平6-78513号公報 特開平9-308214号公報

しかしながら、補極を設けて位相調整を行っても、補極の位置やサイズによって、ホールディングトルクやディテントトルクの安定位置が変化してしまう。また、製造組立時のばらつき等によっても、ホールディングトルクやディテントトルクの安定位置が変化してしまう。

さらに、補極を設けても、摩擦ロス等の影響により、ホールディングトルクやディテントトルクの安定位置が広がる、いわゆる不感帯が生じることもある。不感帯の幅が広がると、ホールディングトルクとディテントトルクの安定位置が一致しやすくなり、起動性能が悪くなってしまう。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、起動性能に優れたステッピングモータを提供することにある。特に、本発明は、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置をずらすことを目的とする。また、本発明は、ホールディングトルクとディテントトルクの不感帯の幅を狭くすることも目的とする。

本発明の一態様によれば、ステータと、このステータを取り囲むように配置されるロータと、を備えたステッピングモータであって、前記ステータは、互いに対向して配置され、周縁に沿って形成される複数の極歯をそれぞれ有する環状の第１および第２のステータヨークと、前記第１および第２のステータヨークの間に配置される環状のステータコイルと、を有し、前記ロータは、前記第１および第２のステータヨークを取り囲むように配置され、周縁に沿って形成される複数の磁極を有する環状のマグネットと、前記マグネットの中心位置に配設されるシャフトと、を有し、前記第１のステータヨークが有する前記複数の極歯のうち一部は、他の極歯とは幅が異なる少なくとも一つの第１の補極であり、前記第２のステータヨークが有する前記複数の極歯のうち一部は、他の極歯および前記第１の補極とは幅が異なり、前記第１の補極のそれぞれに隣接配置される第２の補極であり、前記第１のステータヨークの極歯間のギャップの中心線は、前記第２のステータヨークの極歯の中心線とずれて配置されることを特徴とするステッピングモータが提供される。

本発明によれば、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置をずらすことができ、ステッピングモータを確実に起動させることができる。また、本発明によれば、ホールディングトルクとディテントトルクの不感帯の幅を狭くすることができ、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置とが一致する可能性が低くなる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

図１は本発明の一実施形態によるステッピングモータの一部を示す平面図、図２は図１のステッピングモータの分解斜視図、図３は図２のステッピングモータを組み付けた状態を示す斜視図、図４は比較のために示した補極なしのステッピングモータの斜視図である。

まず、図２を用いて、本実施形態によるステッピングモータの構造を説明する。図２のステッピングモータはアウターロータ型であり、ステータ１と、このステータ１を取り囲むように配置されるロータ２と、ステータ１を保持するとともに電源供給用の端子を有するブラケット（底板）３と、ロータ２を保護するカバー４とを備えている。

ステータ１は、周縁に沿って複数の極歯５を有する環状の第１のステータヨーク６と、第１のステータヨーク６に対向配置され複数の極歯７を有する環状の第２のステータヨーク８と、第１および第２のステータヨーク６，８の間に配置されるステータコイル９と、ステータコイル９の中心部に形成された孔に嵌挿されるコア１０と、コア１０の中心部に形成された孔に嵌挿されるメタルベアリング１１とを有する。

ロータ２は、第１および第２のステータヨーク６，８を取り囲むように配置される環状のマグネット１２と、このマグネット１２を保持するフレーム１３と、フレーム１３の中心部に取り付けられたシャフト１４と、振動発生用の偏心ウェイト１５とを有する。マグネット１２には、周縁に沿ってステータヨークの極歯の数と同数の磁極が交互に形成されている。フレーム１３はマグネット１２の外周部を覆うように形成され、フレーム１３の外周面の一部に偏心ウェイト１５が取り付けられている。

図２の各部材を組み付けると、図３のようなステッピングモータのステータが得られる。なお、図３はカバー４を外した状態を示している。

第１および第２のステータヨーク６，８は互いに組み合わされており、第１のステータヨーク６が有する複数の極歯５のギャップに、第２のステータヨーク８が有する複数の極歯７が配置され、第２のステータヨーク８が有する複数の極歯７のギャップに、第１のステータヨーク６が有する複数の極歯５が配置されている。

図２のステッピングモータは、ステータコイル９に電流を流すと、その電流の向きに応じた磁束が発生して、第１および第２のステータヨーク６，８の極歯５，７が磁化する。極歯５，７は、マグネット１２の磁極と対向しており、場所によって極歯５，７と磁極は引きつけられたり、反発したりする。これにより、マグネット１２は１磁極（ステップ）分回転する。その後、ステータコイル９に流す電流の向きを変えると、さらにマグネット１２は１ステップ回転する。このように、ステータコイル９に流す電流の向きを交互に切り替えることで、マグネット１２はステップ単位で回転する。

次に、本発明の特徴部分である第１および第２のステータヨーク６，８の構造について図１を用いて詳述する。図１では、第１のステータヨーク６の下方に、ステータコイル９を介して第２のステータヨーク８が配置されている例を示している。

図１に示すように、第１のステータヨーク６が有する複数の極歯のうち一部は補極（以下、第１の補極２１）であり、この第１の補極２１の幅は他の極歯５の幅よりも広くなっている。同様に、第２のステータヨーク８が有する複数の極歯７のうち一部は補極（以下、第２の補極２２）であり、この第２の補極２２の幅は他の極歯７の幅よりも狭くなっている。図１では、第１の補極２１と第２の補極２２を１個ずつ設ける例を示しているが、複数個（ただし、同数）ずつ設けてもよい。

第１の補極２１と第２の補極２２は隣接して配置されている。より具体的には、第１の補極２１とその隣の極歯５との間に形成されるギャップ内に第２の補極２２が配置されている。第１の補極２１を複数設ける場合には、そのそれぞれに対応して第２の補極２２が隣接配置される。

本実施形態では、第２の補極２２を、第１の補極２１とその隣の極歯５との間に形成されるギャップの中央に配置するのではなく、ギャップ内の片側に偏って配置している。例えば、図１では、第２の補極２２をギャップの下側境界線に沿って配置している。

これにより、図１に示すように、第１のステータヨーク６が有する複数の極歯間のギャップのそれぞれに、第２のステータヨーク８が有する複数の極歯７が偏って配置され、極歯７の両側に異なる幅の隙間２３が形成されることになる。この結果、第１および第２のステータヨーク６，８のホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置とが一致しなくなり、起動性能が向上する。

このように、本実施形態は、第１のステータヨーク６が有する複数の極歯５間のギャップの中心線を、第２のステータヨーク８の極歯の中心線とずらして配置することが特徴であり、必ずしも図１の位置に第１の補極２１と第２の補極２２を配置する必要はない。

図５は極歯間のギャップに第１および第２の補極２１，２２を偏りなく配置した比較例を示す平面図、図６は図５におけるホールティングトルクとディテントトルクの安定位置を示す図である。図６では、マグネット１２の磁極を円周ｃ１に表示し、ホールディングトルクの安定位置を円周ｃ２上に黒枠で表示し、ディテントトルクの安定位置を円周ｃ２上に黒枠で表示している。図示のように、マグネット１２の磁極は全部で１０個存在し、ホールディングトルクの安定位置は全部で５箇所存在し、ディテントトルクの安定位置は全部で１０箇所存在する。図６の例では、隣接する極歯間の角度を３６度、第１および第２の補極２１，２２間の角度も３６度としている。図６の場合、隣接する極歯間のギャップは、ロータ２と第１および第２のステータヨーク６，８との間のギャップの３倍程度に設定される。

図６に示すように、第１および第２の補極２１，２２を含めてすべての極歯をギャップ間に偏りなく配置すると、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置が一致することがある（図６の位置Ｌ１）。

図７は図６よりも極歯間のギャップを狭くした例を示す図である。この場合も、すべての極歯をギャップ間に偏りなく配置しているが、極歯間のギャップを狭くすることにより、ホールディングトルクの安定位置の幅、すなわち不感帯の幅が広がる。不感帯の幅はできるだけ狭い方が望ましい。図７の場合、隣接する極歯間のギャップは、ロータ２と第１および第２のステータヨーク６，８との間のギャップの２倍程度に設定される。図７からわかるように、極歯間のギャップを狭くすると、不感帯の幅が広がることから、極歯間のギャップはできるだけ広い方が不感帯の幅が狭くなる。より具体的には、極歯間のギャップはロータ２と第１および第２のステータヨーク６，８とのギャップの３倍程度が望ましい。

図８は図７と同じ極歯間ギャップで、極歯の歯元を広くした例を示す図である。この場合も、すべての極歯をギャップ間に偏りなく配置しているが、極歯の歯元を広くすると、図８に示すように、図７よりも不感帯の幅が狭くなる。このことから、極歯の歯元は広い方がよいことがわかる。

図９は図７と同じ極歯間ギャップで、極歯の歯先を広くした例を示す図である。この場合も、すべての極歯をギャップ間に偏りなく配置しているが、極歯の歯先を広くすると、図９に示すように、図７よりもさらに不感帯の幅が広くなる。このことから、極歯の歯先は狭い方がよいことがわかる。

図１０は図６と同じ第１および第２のステータヨーク６，８を用いて、第１および第２の補極２１，２２を含めてすべての極歯を偏って配置した例を示す図である。この場合、図６とは異なり、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置は一致しなくなる。したがって、第１および第２の補極２１，２２を偏って配置すると、起動性能が向上することがわかる。

図１１は図８と同じ条件で、第１および第２の補極２１，２２を含めてすべての極歯を偏って配置した例を示す図である。この場合は、ホールディングトルクの不感帯の幅が大きいため、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置とを完全にずらすことはできない。

以上より、図６〜図１１の中では、図１０が最も起動性能に優れていることがわかる。図１０では、極歯間のギャップに第１および第２の補極２１，２２を偏って配置することにより、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置とをずらしている。また、極歯間のギャップの幅、極歯の歯元の幅および極歯の歯先の幅の少なくとも一つを調整することにより、ホールディングトルクとディテントトルクの不感帯の幅を調整している。

図１２は図１０とは逆方向に第１および第２のステータヨーク６，８の極歯をずらした例を示す図である。図１２の場合、第１のステータヨーク６の極歯と第２のステータヨーク８の極歯とのずれ量は図１０と同じであるが、ホールディングトルクの不感帯の幅が図１０よりもはるかに大きく、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置とが重なってしまう。

このように、第１および第２のステータヨーク６，８の極歯を単にずらすだけでは効果があるとは限らず、ずらす方向も重要になる。より具体的には、図１０に示すように、第１および第２の補極２１，２２間のギャップが広がる方向にずらす必要がある。

図１３は図６〜図１２から得られる結果をまとめた図であり、以下の（ａ）〜（ｄ）の結果が得られる。

（ａ）極歯間のギャップが小さくなると、ホールディングトルクの不感帯の幅が大きくなる（図６、図７参照）。ただし、単にギャップを変化させただけでは、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置は変化しない。

（ｂ）極歯の歯元の幅が狭いほど、また極歯の歯先の幅が広いほど、ホールディングトルクの不感帯の幅が大きくなる（図８、図９参照）。ただし、極歯の形状を変化させただけでは、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置は変化しない。

（ｃ）図６の状態から、第１のステータヨーク６の極歯と第２のステータヨーク８の極歯との位置関係をずらして、第１および第２の補極２１，２２間のギャップが広げると、図１０に示すように、ホールディングトルクの値は同等だが、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置とはずれてしまう。一方、図８の状態から、第１のステータヨーク６の極歯と第２のステータヨーク８の極歯との位置関係をずらして、第１および第２の補極２１，２２間のギャップを広げると、図１１に示すように、ホールディングトルクの不感帯の幅は広がるが、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置は変化しない。

（ｄ）図６の状態から、第１のステータヨーク６の極歯と第２のステータヨーク８の極歯との位置関係をずらして、第１および第２の補極２１，２２間のギャップが狭くすると、図１２に示すように、ホールディングトルクの値は同等だが、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置とはより重なりやすくなる。

図１４は極歯間のギャップに第１および第２の補極２１，２２を偏って配置したステッピングモータについて磁界解析を行った結果を示す図である。図１４の曲線ａはホールディングトルクの特性曲線、曲線ｂはディテントトルクの特性曲線を表している。図１４の横軸は円周上の位置（角度）［deg.］、縦軸はトルク［Nm］である。

曲線ａ，ｂがトルク＝０の直線と交わる点が安定位置を示している。図示のように、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置はずれている。

このように、本実施形態では、第１および第２のステータヨーク６，８を所定方向にずらして、第１のステータヨーク６の極歯間のギャップの中心線を第２のステータヨークの極歯の中心線とずらすため、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置とを確実にずらすことができ、ステッピングモータが起動しないという不具合を解消でき、起動性能が向上する。

また、極歯５，７のギャップの幅、極歯５，７の歯元の幅および極歯５，７の歯先の幅の少なくとも一つを調整することにより、ホールディングトルクとディテントトルクの不感帯の幅を狭くでき、ホールディングトルクの安定位置とディテントトルクの安定位置とが一致する可能性をより低減でき、起動性能をさらに向上できる。

本発明の一実施形態によるステッピングモータの平面図。 図１のステッピングモータの分解斜視図。 図２のステッピングモータを組み付けた状態を示す斜視図。 比較のために示した補極なしのステッピングモータの斜視図。 極歯間のギャップに第１および第２の補極２１，２２を偏りなく配置した比較例を示す平面図。 図５におけるホールティングトルクとディテントトルクの安定位置を示す図。 極歯間のギャップを狭くした例を示す図。 図７と同じギャップで、極歯の歯元を広くした例を示す図。 図７と同じギャップで、極歯の歯先を広くした例を示す図。 図４と同じギャップで、第１および第２の補極２１，２２を偏って配置した例を示す図。 図８と同じ条件で、第１および第２の補極２１，２２を偏って配置した例を示す図。 図１０とは逆方向に第１および第２のステータヨーク６，８の極歯をずらした例を示す図。 図６〜図１２から得られる結果をまとめた図。 極歯間のギャップに第１および第２の補極２１，２２を偏って配置したステッピングモータについて磁界解析を行った結果を示す図。

符号の説明

１ ステータ
２ ロータ
３ ブラケット
４ カバー
５，７ 極歯
６ 第１のステータヨーク
８ 第２のステータヨーク
９ ステータヨーク
１０ コア
１１ メタルベアリング
１２ マグネット
１３ フレーム
１４ シャフト
２１ 第１の補極
２２ 第２の補極

Claims (6)

1. ステータと、このステータを取り囲むように配置されるロータと、を備えたステッピングモータであって、
   前記ステータは、
   互いに対向して配置され、周縁に沿って形成される複数の極歯をそれぞれ有する環状の第１および第２のステータヨークと、
   前記第１および第２のステータヨークの間に配置される環状のステータコイルと、を有し、
   前記ロータは、
   前記第１および第２のステータヨークを取り囲むように配置され、周縁に沿って形成される複数の磁極を有する環状のマグネットと、
   前記マグネットの中心位置に配設されるシャフトと、を有し、
   前記第１のステータヨークが有する前記複数の極歯のうち一部は、他の極歯とは幅が異なる少なくとも一つの第１の補極であり、
   前記第２のステータヨークが有する前記複数の極歯のうち一部は、他の極歯および前記第１の補極とは幅が異なり、前記第１の補極のそれぞれに隣接配置される第２の補極であり、
   前記第１のステータヨークの極歯間のギャップの中心線は、前記第２のステータヨークの極歯の中心線とずれて配置されることを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記第１のステータヨークの極歯間のギャップ内に偏りなく前記第２のステータヨークの極歯を配置した場合における前記第１および第２の補極間のギャップよりも、前記第１および第２の補極間のギャップが広くなるように前記第１および第２のステータヨークは配置され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. 前記複数の極歯間のギャップは、前記第１のステータヨークの極歯間のギャップ内に偏りなく前記第２のステータヨークの極歯を配置した場合におけるホールディングトルクおよびディテントトルクの不感帯の幅よりも不感帯の幅が低減するように調整され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. 前記複数の極歯の歯元の幅は、ホールディングトルクおよびディテントトルクの不感帯の幅が最小になるように調整されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のステッピングモータ。
5. 前記複数の極歯の歯先の幅は、ホールディングトルクおよびディテントトルクの不感帯の幅が最小になるように調整されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のステッピングモータ。
6. 振動を発生させる偏心ウェイトを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のステッピングモータ。

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