JP2012239319A - ステッピングモータ用ロータおよびｈｂ型ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータコアおよび磁石とスリーブ、スリーブと回転軸が圧入等の手段により互いに固定されているロータにおいて、各部品の寸法管理を緩やかに行うことができ、製造コストを低減することができるロータを提供する。
【解決手段】円柱状をなす回転軸１０と、回転軸１０に嵌合されたスリーブ２０と、スリーブ２０に嵌合され断面円形の軸孔を有する磁石３０と、スリーブ２０に磁石３０を挟むように嵌合され断面円形の軸孔を有するロータコア４０とを備え、回転軸１０とスリーブ２０と、スリーブ２０と磁石３０およびロータコア４０とを互いに固定したステッピングモータ用ロータであって、スリーブ２０の内周面を断面多角形状とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステッピングモータ用ロータに係り、特にハイブリッド型ステッピングモータ用ロータの改良に関する。

図７は従来のステッピングモータ用ロータ（以下、「ロータ」と略称する）を示す図である。この図に示すロータは、ステッピングモータの回転軸１に、環状で表面を電気的に絶縁した磁性板（珪素鋼板）を複数積層した一対のロータコア２を嵌合し、ロータコア２どうしの間に磁石３を配置して構成されている。ここで、回転軸１は、ロータコア２および磁石の中心に形成した孔に挿入し、位置決めを行い接着などの手段を用いて両者と固定している。そして、回転軸１の両端面に円錐状のセンター穴４を形成し、センター穴４に旋削装置の芯出しピンを挿入してロータコア２の外周研削を行っていた。

上記のようなロータにおいては、ステッピングモータの取り付け形態、負荷の伝達手段の種類の差異によって回転軸の長さが異なるため、ロータコアおよび磁石が共通であってもロータとしての大規模な製造ロットの集約ができず、多品種少ロットでの生産を強いられてきた。

そこで、特許文献１においては、ロータコアおよび磁石の孔にスリーブを圧入し、スリーブの端部開口から旋削装置の芯出しピンを挿入してロータコアの外周研削を行うようにしたロータが提案されている。このようなロータにおいては、所望の長さの回転軸をスリーブに圧入してロータとして完成させることができ、ロータコア、磁石およびスリーブでまとまった完成品に近い状態での製造ロットの集約を行うことができる。上記と同等の技術は、特許文献２にも開示されている。

特開２０００−２０９８３６号公報 特開２０００−２９５８２４号公報

しかしながら、上記した技術では、スリーブと回転軸が圧入により固定されているため、適正な圧入代を得るために各部品の寸法管理を厳密に行う必要があった。このため、ロータの製造コストが割高になるという問題があった。

このような背景において、本発明は、ロータコアおよび磁石とスリーブ、スリーブと回転軸が圧入等の手段により互いに固定されているロータにおいて、各部品の寸法管理を緩やかに行うことができ、製造コストを低減することができるロータを提供することを目的とする。

本発明は、円柱状をなす回転軸と、回転軸に嵌合されたスリーブと、スリーブに嵌合され断面円形の軸孔を有する磁石と、スリーブに前記磁石を挟むように嵌合され断面円形の軸孔を有するロータコアとを備え、回転軸とスリーブと、スリーブと磁石およびロータコアとを互いに固定したステッピングモータ用ロータにおいて、スリーブの内周面および外周面の少なくともいずれか一方に、回転軸の外周面または磁石およびロータコアの内周面に対して半径方向へ突出して相手部材を押圧する凸部と半径方向へ凹んで相手部材から退避する凹部とを円周方向へ向けて交互に連続して設けたことを特徴とする。

本発明では、スリーブの内周面および外周面の少なくともいずれか一方に、相手部材を押圧する凸部と相手部材から退避する凹部とを円周方向へ向けて交互に連続して設けているため、凸部と相手部材との間で圧縮応力が発生し、圧縮応力により凸部が変形（弾性変形／塑性変形）する。この場合、変形する部分が円周方向で一部であること、および歪みが逃げられる凹部が変形する部分に隣接していることから、小さな応力で大きく変形する。

ここで、２つの部材を例えば圧入で固定する場合には、圧入後に２つの部材が相対移動しないように部材どうしの間に生じる最低応力が設定され、圧入が容易であり部材に有害な変形等が生じないように最大応力が設定される。そして、これら最低応力および最大応力により圧入代の範囲が設定される。本発明においては、スリーブの一部の変形の程度を大きくしていった場合に、応力の増加は変形の増加に追従せず抑制されるから、許容される変形の範囲（圧入代の範囲）を大きく設定することができる。したがって、本発明では、各部品の寸法管理を緩やかに行うことができ、製造コストを低減することができる。また、本発明では、所望の長さの回転軸をスリーブに固定してロータとして完成させることができ、ロータコア、磁石およびスリーブでまとまった完成品に近い状態での製造ロットの集約を行うことができる。

スリーブの内周面および外周面の少なくともいずれか一方を断面多角形状とすることで凸部および凹部を設けることができる。すなわち、スリーブの内周面を断面多角形状とする場合には、内周面の頂角を含む部分が凹部となり、頂角どうしの間の平坦な部分が凸部となる。スリーブの外周面を断面多角形状とする場合には、逆に、内周面の頂角を含む部分が凸部となり、頂角を含む部分どうしの間の平坦な部分が凹部となる。この場合において、多角形状は、三角形状、五角形状、七角形状、九角形状などのように頂角の数が奇数のものであることが望ましい。このような態様では、頂角を含む部分の１８０°反対側に平坦な部分が位置するから、頂角含む部分（または平坦な部分）に作用する応力が反対側の平坦な部分（または頂角を含む部分）に逃げることができる。したがって、頂角含む部分（または平坦な部分）の許容できる設計上の変形の範囲をさらに大きく設定することができる。

凸部および凹部の構成は、上記のような態様に限定されるものではない。たとえば、円筒状のスリーブ本体の外周面に、軸方向へ延びる溝を円周方向に連続的に形成してセレーションとすることができる。この場合には、溝が凹部となり、溝どうしの間の部分が凸部となる。円筒状のスリーブ本体の内周面にも上記のようなセレーションを設けることができる。あるいは、円筒状のスリーブ本体の外周面または内周面に、波状の凹凸を円周方向に連続的に形成することもできる。このように、凸部および凹部は任意の形態とすることができる。この場合において、凸部および凹部の個数は上記した理由により奇数とすることが望ましい。

ここで、回転軸とスリーブは、冷し嵌めにて互いに固定すると好適である。冷し嵌めは、ドライアイスや液体窒素などによって回転軸を冷却して収縮させておき、回転軸をスリーブに挿通させる。回転軸が室温に戻ると熱膨張し、スリーブの内周面を押圧して両者が互いに固定される。

冷し嵌めでは、圧入のように回転軸の外周面とスリーブの内周面とが擦過することがなく、スリーブの摩滅が防止される。特に、スリーブの内周面に凹凸を有する場合には、スリーブの内周面の一部と回転軸の外周面とが接触するので、圧入の場合にはスリーブの摩滅が促進されるが、冷し嵌めの場合にはそのような不都合がない。同様の理由により、スリーブと磁石およびロータコアとは、スリーブを冷し嵌めにて互いに固定すると好適である。

回転軸とスリーブの固定の場合において、スリーブが加熱できる材料で構成されていれば、加熱することもでき、これにより、両者の温度差が確保でき回転軸の冷し嵌めが容易となる。また、ロータが加熱できる材料で構成されている場合にも加熱することができる。

スリーブは種々の構成とすることができ、例えば単純な円筒状とすることができる。あるいは、スリーブは、軸方向中間部に他の部分よりも大径な大径部を備え、大径部の両側に、磁石および磁石を挟むロータコアをそれぞれ配置することができる。このような大径部を設けることにより、磁石およびロータコアの対どうしの離間寸法を設定するスペーサとして機能させることができる。また、スリーブは、軸方向一端部に他の部分よりも大径な大径部を備えることができる。このような大径部を設けることにより、磁石およびロータコアの位置決めを行うことができる。

スリーブは非磁性材料で構成されていることが望ましい。たとえば、アルミニウム、真鍮、オーステナイト系ステンレス鋼などの金属、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、耐熱性ＰＰＳ樹脂などの樹脂でスリーブを構成することができる。スリーブの製造方法については、塑性加工、機械加工、射出成形など任意の方法を採用することができる。また、スリーブの厚さは、ロータの磁気特性を損なわない限り任意である。

スリーブを非磁性材料で構成することにより、回転軸に磁性材料を用いた場合でも、マグネット、ロータコアから回転軸への磁束の漏洩を防止することができるため、鉄鋼材料のように強度の高い磁性材料を回転軸に使用でき、モータの小型化に有利となる。

ロータコアは、環状で表面を電気的に絶縁した磁性板（珪素鋼板）を複数積層したロータコアによって構成することができるが、本発明はそのような態様に限定されるものではなく、任意の構成とすることができる。

次に、上記のようなロータは、磁石の中央部に設けた断面円形の孔にスリーブを挿通する工程と、ロータコアの中央部に設けた断面円形の孔にスリーブを挿通して磁石の両側にロータコアを配置する工程と、スリーブの内孔に円柱状の回転軸を挿通する工程とにより製造することができる。

なお、本発明においては、スリーブと磁石およびロータコアとを圧入または冷し嵌め、接着または、それらの複合にて互いに固定することができ、また、スリーブと回転軸とを圧入または冷し嵌めにて互いに固定することもできる。

上記構成のロータの周囲に、ステータコアの突極にステータコイルを巻回したステータ組立体を配置することで構成したＨＢ型ステッピングモータも本発明の特徴である。

本発明によれば、小さな応力でスリーブの一部が変形するので、許容される変形の範囲を大きくとることができる。したがって、磁石、ロータコア、スリーブおよび回転軸の寸法管理を緩やかに行うことができ、製造コストを低減することができる。

本発明の一実施形態のロータを示す正面図（Ａ）、側面図（Ｂ）および（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図（Ｃ）である。 実施形態のロータを示す分解斜視図である。 実施形態のロータに回転軸を嵌合させる前の状態を示す正面図（Ａ）、側面図（Ｂ）および（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図（Ｃ）である。 実施形態のスリーブの変更例を示す正面図（Ａ）、側面図（Ｂ）、（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図（Ｃ）、および斜視図（Ｄ）である。 （Ａ）〜（Ｃ）は実施形態のスリーブの他の変更例を示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は実施形態のスリーブのさらに他の変更例を示す斜視図である。 従来のロータを示す正面図（Ａ）、側面図（Ｂ）および（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図（Ｃ）である。

図１〜図３を参照して本発明の一実施形態を説明する。図において符号１０は、ステッピングモータの回転軸である。回転軸１０は、磁性体の例えば鉄鋼材料で構成されている。回転軸１０には、筒状のスリーブ２０が嵌合させられている。スリーブ２０は、磁気性能の低下を防ぐため非磁性部材からなり、その外周面は円筒曲面に形成され、内周面は断面が正多角形状（この実施形態では正七角形）に形成されている。

スリーブ２０には、磁石３０が嵌合され、かつ、磁石３０を挟むようにしてロータコア４０が嵌合されている。磁石３０は中心に円形の孔３１を有してリング状をなす永久磁石である。ロータコア４０は、中心に円形の孔４２を有してリング状をなし、表面を電気的に絶縁した磁性板（珪素鋼板）を複数積層したもので、その外周に複数の極歯４１を有している。そして、一対のロータコア４０は、それらの極歯４１が軸方向から見て互い違いとなるように配置されている。

図１（Ａ）に示すように、スリーブ２０の内周面は、平坦面（凸部）２１と、隣接する平坦面２１どうしの境界に形成された頂角（凹部）２２とからなっている。そして、図に示す状態において、平坦面２１は回転軸１０の外周面により押圧され、頂角２２と回転軸１０の外周面との間には隙間が形成されている。

次に、上記構成のロータの製造工程について説明する。まず、適当な治具に磁石３０およびロータコア４０の外周面を保持させ、ロータコア４０、磁石３０およびロータコア４０の順番で並べて治具に固定する。次に、磁石３０およびロータコア４０の孔３１，４２にスリーブ２０を挿入し接着などの方法を用いて固着する。なお、ロータコア４０の孔４２とスリーブ２０の固着は圧入で行うこともできる。この場合には、スリーブ２０の外径を磁石３０およびロータコア４０の孔３１，４２の内径よりも小さくし、スリーブ２０の外周面に接着剤を塗布して孔３１，４２に挿入する。

以上のようにして図３に示すような中間仕掛品としての共通部品が作製される。この共通部品は大規模ロットの在庫として保有することができ、ステッピングモータの種類に応じて回転軸１０を選定し、これを図３に示す中間仕掛品に組み付けてロータの製品とすることができる。

回転軸１０の組み付けに際しては、回転軸１０をドライアイスや液体窒素と接触させるか冷凍庫に保存するなど冷却して低温状態とし、低温の回転軸１０をスリーブ２０に挿通する。回転軸１０が室温まで昇温すると、膨張によりその外周面がスリーブ２０の内周面を押圧し、回転軸１０とスリーブ２０とが互いに固定される。その際に、回転軸１０の外周面は、スリーブ２０の内周面の頂角２２どうしの間の平坦面２１を押圧する。そして、回転軸１０の外周面に押圧されて平坦面２１は変形するが、その歪みは頂角２２側の空間に逃げる。したがって、回転軸１０の外周面がスリーブ２０の平坦面２１を押圧する圧力が小さくても平坦面２１は大きく変形する。

したがって、上記実施形態では、回転軸１０とスリーブ２０の寸法管理を緩やかに行うことができ、製造コストを低減することができる。また、上記実施形態では、所望の長さの回転軸１０をスリーブ２０に固定してロータとして完成させることができ、ロータコア４０、磁石３０およびスリーブ２０でまとまった完成品に近い状態での製造ロットの集約を行うことができる。

特に、上記実施形態では、スリーブ２０の内周面を頂角の数が奇数の多角形状としているから、平坦面２１に作用する応力が反対側の頂角２２側へ逃げることができる。したがって、平坦面２１の許容できる設計上の変形の範囲をさらに大きく設定することができる。

以上のように、上記構成のロータにおいては、小さな応力でスリーブ２０の一部が変形するので、許容される変形の範囲を大きくとることができる。したがって、スリーブ２０および回転軸１０の寸法管理を緩やかに行うことができ、製造コストを低減することができる。

図４は上記実施形態のスリーブの変形例を示す図である。この図に示すスリーブ５０は、軸方向中央に他の部分よりも大径な大径部５１が形成されている。大径部５１の両側には、図３（Ｂ）に示す磁石３０およびロータコア４０の配列が圧入される。この変形例では、磁石３０およびロータコア４０の配列どうしの離間寸法を大径部５１によって設定することができる。よって、スペーサ等の別の部品が不要である。

図５はスリーブの他の変形例を示す図である。図５（Ａ）に示すスリーブ６０は、筒状をなし、その内周面と外周面とを断面多角形状としたものである。このスリーブ６０では、外周面も断面多角形状であるため、スリーブ６０と磁石３０およびロータコア４０との固定は冷し嵌めが望ましい。

図５（Ｂ）に示すスリーブ７０は、筒状をなし、その内周面を円筒曲面に形成し外周面を断面多角形状としたものである。このスリーブ６０では、外周面が断面多角形状であるため、スリーブ６０と磁石３０およびロータコア４０との固定は冷し嵌めが望ましい。また、内周面が円筒曲面であるため、回転軸１０との固定には圧入を用いることが可能である。

図５（Ｃ）に示すスリーブ８０は、軸方向一端部に他の部分よりも大径な大径部８１を備えたものである。この変形例では、大径部８１を磁石３０およびロータコア４０の位置決めに用いることができる。なお、上記実施形態および変形例では、スリーブの多角形状が正七角形であるが、図６に示すように、頂角の数が偶数の多角形状（この例では正八角形状）とすることもできる。また、六角形状など任意の多角形状を適用することができる。さらに、正多角形状に限定されるものではなく、辺の長さや頂角が異なる多角形状であってもよい。

本発明のロータは、ＨＢステッピングモータなどのステッピングモータに適用することができる。

１０ 回転軸
２０ スリーブ
２１ 平坦面（凸部）
２２ 頂角（凹部）
３０ 磁石
４０ ロータコア

Claims (8)

1. 円柱状をなす回転軸と、
   前記回転軸に嵌合されたスリーブと、
   前記スリーブに嵌合され断面円形の軸孔を有する磁石と、
   前記スリーブに前記磁石を挟むように嵌合され断面円形の軸孔を有するロータコアとを備え、
   前記回転軸と前記スリーブと、前記スリーブと前記磁石およびロータコアとを互いに固定したステッピングモータ用ロータにおいて、
   前記スリーブの内周面および外周面の少なくともいずれか一方に、前記回転軸の外周面または前記磁石および前記ロータコアの内周面に対して半径方向へ突出して相手部材を押圧する凸部と半径方向へ凹んで相手部材から退避する凹部とを円周方向へ向けて交互に連続して設けたことを特徴とするステッピングモータ用ロータ。
2. 前記スリーブの前記内周面および前記外周面の少なくともいずれか一方を断面多角形状とすることで前記凸部および前記凹部を設けた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用ロータ。
3. 前記凸部および前記凹部の個数は奇数であ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用ロータ。
4. 前記回転軸と前記スリーブは、冷し嵌めまたは圧入にて互いに固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のステッピングモータ用ロータ。
5. 前記スリーブと前記磁石は接着により互いに固定され、前記スリーブと前記ロータコアは、冷し嵌め、圧入、および接着のいずれかの方法あるいはそれらの組み合わせにて互いに固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のステッピングモータ用ロータ。
6. 前記スリーブは、軸方向一端部に他の部分よりも大径な大径部を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のステッピングモータ用ロータ。
7. 前記スリーブは非磁性材料で構成され、前記回転軸は磁性材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のステッピングモータ用ロータ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のステッピングモータ用ロータの周囲に、ステータコアに設けた突極部にステータコイルを巻回したステータ組立体を配置したことを特徴とするＨＢ型ステッピングモータ。
   

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