JP2013198247A - ステップモータ - Google Patents
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Abstract
従来小型電池しかもたない腕時計において、一般的に用いられている180[deg/step]単相ステップモータは、構成はシンプルで、小さすぎるために改善できる余地が少なく、エネルギー利用効率も概ね50%程度が限界で、更なる低消電化が困難であった。また、低消電化のためには大きなコイルが必要となるが、2つ以上のコイルを搭載した構成にすることは、時計のムーブメントの設計に課題があった。
【解決手段】
ロータ、ステータとも2p極(pは2以上の整数)の磁極とし、回転方向を決めるノッチをステータの各磁極に形成し、ロータ回転軸とは垂直方向に導線の巻軸方向を有する1つのコイルによってロータを360/2p[deg/step]動作させる構造とした。
【選択図】図1−1
Description
一周あたり2p極(p:磁極対数であり、p≧2の整数)に着磁された永久磁石よりなるロータと、
該ロータを回転自在に支持するためのロータ孔(2a)を有し、
該ロータ孔の円周方向に等間隔に形成された2p極の磁極を同一平面上に有するステータ磁極部と、
巻き回された導線に流す電流の方向に応じた磁極が、2つの端部に現れるステータコイル部と、
前記ステータ磁極部の前記磁極のうち、1つおきの磁極同士を同極とするよう磁気的に接続し、更に、前記ステータコイル部の前記2つの端部と、それぞれ磁気的に接続するステータ接続部と、を有することを特徴とする。
[第1実施形態]
第1実施形態の電子時計について説明する。本実施形態の特徴は、以下の5つである。(1)ロータ、ステータとも4極であり、1つのコイルにより駆動されること。(2)ステータ磁極部は4個のスリットによって4個の磁極が同一平面上に形成されていること。(3)ステータ接続部は同一平面上のステータ磁極部とステータコイル部の上面又は下面に配置され、磁気的に接続していること。(4)ロータ磁石は、径方向に着磁した4体の異方性磁石を結合して一体に構成し、結合部には磁力を弱めるための切り欠きを有していること。
第1実施形態の電子時計の構成は、図1−1、図1−2を用いて説明する。図1−1は、第1実施形態の電子時計の構成を説明するステップモータの全体構成図であり、図1−2はロータ周辺の拡大図である。図1−1の黒丸は、その箇所においてステータ磁極部とステータ接続部を接続、あるいはステータコイル部とステータ接続部を接続していることを示している。
ことを特徴とする。
次に第1実施形態の作用は、図2を用いて説明する。図2はロータの動作シーケンス図であり、上はステップモータ全体を示す図で、下はロータ周辺のみを拡大した図である。ロータに示した4つの矢印は磁石内部の磁界の方向(磁気ベクトル方向)を表しており、
矢印の先にN極が、元にS極があり、ロータの外周に4極の磁極が存在している。
ここで、第1実施形態の効果について説明する。本実施形態のような構成とすることにより、時計用ムーブメント中において、大きな体積を占めるステータコイル部3を2つ以上もつことなく、1つのステータコイル部3であってもロータ1を90[deg/step]動作が可能である。
毎、ステータコイル部3の導線3aへの通電方向が切り替わる駆動パルスを印加すれば良い。また、1秒間に秒針が6/B[deg](Bは2以上の整数でビート数)だけ動作する多ビート運針に適用する際には、ロータ1から秒針までの減速比を1/(15B)と設定し、1秒間にB回毎、ステータコイル部3の導線3aへの通電方向が切り替わる駆動パルスを印加すれば良い。このように秒針がステップ運針の時計であっても、多ビート運針の時計であっても、1ステップあたりの消費電力が180[deg/step]単相ステップモータよりも小さいため、ムーブメントに搭載する電池サイズを小さくできることから、小型のムーブメントが実現可能となる。
また、本実施形態では、予め着磁済みの異方性磁石を接合する構成として、記載しているが、径方向に異方性を有する未着磁の磁石を結合し一体とし、ロータ1を時計用ムーブメントに組み込む前または後で、着磁したとしても構わない。
ステータ接続部4同士の間でモレ磁束が、比較的多く発生し、ロータ孔2aに対して有効な磁束が流れる量が減る。これを改善するために、本実施形態の構成では、このようなモレ磁束が多い箇所の空間、隙間を特に増やすことで磁気抵抗を増やし、概ね絶磁されるような工夫をしている。なお、絶磁するためには空間である必要はなく、非磁性体を挟んでも構わない。
第1実施形態の変形例1の電子時計について説明する。本変形例の特徴は、第1実施例では、ステータ磁極部2のスリット2fが、この本変形例では磁束飽和部2iである点である。
第1実施形態の変形例1の電子時計の構成は、図4−1を用い、適宜図4−2、図4−3を参照しながら説明する。図4−1は、第1実施形態の変形例1の電子時計の構成を説明するステータ磁極部2の構成図であり、図4−2、図4−3は図4−1のステータ磁極部2と組み合わせてもよいロータ1の磁石の構成図である。
、外周に4極の磁極が現れるように一体に形成したものであっても構わない。
次に本変形例の作用について説明する。しかし、ステータコイル部から発生した磁界により
磁束飽和部が磁束飽和してはじめて4つの磁極2b、2c、2d、2eが形成され、第1実施形態のスリット2fと同様に、磁束飽和部2iから磁束が漏れ出し、ロータ孔2a内に磁界として作用して永久磁石であるロータ1に作用し、回転させるトルクを発生させること以外は、ロータ1の動作シーケンスは第1実施形態と何も変わらないので、ロータ1の挙動についての説明は省く。
ここで、本変形例1の特有の効果についてのみ説明する。本変形例のような構成とすることにより、ステータ磁極部2を軟磁性体板1枚のみで形成できるため、加工、組立コストを下げることができる。
第1実施形態の変形例2の電子時計について説明する。本変形例の特徴は、ステータ磁極部2を一番最下層に配置し、その上層にステータコイル部3を配置し、更にその上層にステータ接続部4を配置している点である。
第1実施形態の変形例2の電子時計の構成は、図5を用いて説明する。図5は、第1実施形態の変形例2の電子時計の構成を説明するステップモータの全体構成図である。図5の黒丸は、その箇所においてステータ磁極部2とステータ接続部4を接続、あるいはステータコイル部3とステータ接続部4を接続していることを示している。
れた接続路4aを有している。接続路4aはステータ接続部4と一体であっても構わず、接続路4aはステータ接続部4の構成要件の1つである。ステータ磁極部2の4個の磁極2b、2c、2d、2eのうち、向かい合う2個の磁極同士(例えば2b、2dあるいは2c、2e)を同極とし、ステータコイル部3の棒状の軟磁性体の2つの端部3b、3cそれぞれに磁気的に接続するために、向かい合う2個の磁極(2c、2e)に対して、一方のペアはステータ磁極部2により直接、ステータコイル部3の一方の端部3cの下側と接続される。そして、もう一方のペアである向かい合う2個の磁極(2b、2d)のうち、1個の磁極2bについては、ステータ磁極部2により直接ステータコイル部3のもう一方の端部3bの下側と接続されるが、もう一個の磁極2dからはステータ磁極部2の上側に配置された接続路4aを介して、ステータコイル部3の上層に配置されたステータ接続部4に磁気的に接続され、ステータ接続部4により、ステータコイル部3のもう一方の端部3bの上側と接続される。
図5の黒丸の箇所に、ステータ磁極部2、接続路4a、ステータ接続部4のそれぞれに穴を開けておき、そこに内ネジを切った軸を通し、ネジによりはさみこむことで、時期的な接続をしている。
ここで、本変形例2の特有の効果についてのみ説明する。本変形例のような構成とすることにより部品点数が削減し、ネジなどで固定する箇所が少なく、組立が容易になるとなり、コストもさがる。また、ロータ孔2aを有するステータ磁極部2が最下層となるため、図示しない時計用ムーブメントの地板に対してステータ磁極部2とロータ1との高さの位置関係を出し易く、ロータ1の回転軸に対して偏芯などの影響を小さくすることができる。
第2実施形態電子時計について説明する。本実施形態の特徴は、第1実施形態と異なり、ロータ、ステータとも6極であり、1つのコイルにより駆動されることであり、ステータ磁極部2は6個のスリット2fによって同一平面上に形成されている点であり、その他の特徴は第2実施形態と同じである。
第2実施形態の電子時計の構成は、図6−1、図6−2を用いて説明する。図6−1は、第2実施形態の電子時計の構成を説明するステップモータの全体構成図であり、図6−2はロータ周辺の拡大図であり、ロータに示した6つの矢印は磁石内部の磁界の方向(磁気
ベクトル方向)を表している。
ここで、第2実施形態の効果について説明する。本実施形態のような構成とすることにより、時計用ムーブメント中において、大きな体積を占めるステータコイル部3を2つ以上もつことなく、1つのステータコイル部3であってもロータ1を60[deg/step]動作が可能である。また、第1実施形態と同様に、小さなロータ1の全体積から発生する磁束をほとんど全て有効に利用しており、ロータ1とステータコイル部3との間の相互作用を極力大きくなるように構成している。このため、エネルギー利用効率が改善されることで、1ステップあたりの消費電力を180[deg/step]単相ステップモータよりも小さくすることができる。磁極対数pが第1実施形態の場合2であったものを、3に読み替えるのみである。ステータ接続部4が左右で共通化できる点も同じである。
まず、後述する低消電化についての説明に必要となる、90[deg/step]単相ステップモータの場合のロータに作用するトルクについて、図7−1、図7−2を用いて説明する。図7−1は、ロータに作用するトルク波形図であり、横軸はロータの回転角度[deg]、縦軸はトルクをあらわしている。細い破線5cはステータコイル部に対して電流を無通電時に、ロータを回転させた時に作用する保持トルクであり、細い実線5bは保持トルクが作用しないと仮定した場合に一定電流をステータコイル部に通電させた時にロータに発生する駆動トルクであり、太い実線5aは駆動トルクと保持トルクの和で一定電流をステータコイル部に通電した時に、ロータに作用するトルクである。時計用のステップモータの一般的な駆動方法では、ロータが0[deg]位置から、θa[deg]位置までステータコイル部に通電することで、駆動トルクが保持トルクを上回るようなトルクを発生させ、θa[deg]位置から、θb[deg]位置までは通電を止め、保持トルクのみによってロータを回転させることで、低消電化を図っている。つまり一点鎖線の矢印5dのような正の回転トルクにより、ロータはθb[deg]まで正回転を続ける。図7−2は、図7−1に用いていたロータに作用する保持トルク波形図であり、やはり横軸はロータの回転角度[deg]、縦軸はトルクをあらわしている。細い破線5gはステータコイル部に対して電流を無通電時に、ロータを回転させた時にノッチのみを設けることで、ロータに作用する保持トルクであり、細い実線5fはスリットのみを設けることでロータに作用する保持トルクであり、太い実線5eは両方の保持トルクを「重ね合わせ」た結果であり、スリットとノッチの両方を設けた場合に最終的にロータに作用する保持トルクである。時計用ステップモータの場合には、特にロータ静止時に耐衝撃性能などの確保のために、保持トルクを積極的に利用しており、モータの設計者は、ロータ回転時の消費電力を考慮しながら、この保持トルクの位相や振幅を調整、設計する。特にスリットやノッチの寸法は、製造装置の耐久性や加工精度、ばらつきなどの観点から小さく設定することは困難な場合が多いが、スリットやノッチの寸法を大きく設定しても、この「重ね合わせ」により、保持トルクは大きな振幅から小さな振幅まで自在に設計が可能である。何故なら、スリットやノッチの幅はそれぞれの保持トルクの振幅に相関があり、スリットとノッチを設ける角度によって、任意の位相位置を静的安定位置、つまり保持トルクがゼロとなる位置であり、ロータ磁石の磁気ベクトルがその角度方向を向いて静止する位置、に設定可能だからである。特に保持トルクはロータ回転時には大きな負荷として作用するため、特に低消電が求められる場合には小さな振幅になるように設定することもあり、その場合に保持トルクの振幅のばらつきを抑え、性能を安定化させるのに、非常に有用な設計方法である。
ロータ、ステータが4極(2磁極対)の90[deg/step]単相ステップモータの場合、
φ(θ)=φ×cos{2(θ+θ0)}
図7−1において、θk=90[deg]、θ0=22.5[deg]程度である。
一方、ロータ、ステータが2極(1磁極対)の180[deg/step]単相ステップモータの場合は
φ(θ)=φ×cos(θ+θ0)
図7−1において、θk=180[deg]、θ0=45[deg]程度である。
ここで、φはコイル鎖交磁束量φ(θ)の振幅であるが、本発明の90[deg/step]単相ステップモータの構成では、4分割した磁力の強い異方性磁石を1体に再結合した構成とし、1体となった磁石から発生する全ての磁束を有効に、導線を非常に多く巻き回した1つ(単相の)ステータコイル部を鎖交させるステータ構造としている。そして、ステータ磁極部とロータの磁石との隙間量を調整し、磁石を再結合したことによる磁力の低下を補うことで、ロータの慣性量を増加させることなく、180[deg/step]単相ステップモータで得られていた振幅φと同じ値に設定することができる。ただし、径の小さいロータの場合、6極以上になると隙間量の調整だけでは、180[deg/step]単相ステップモータで得られていた振幅φと同程度にすることがだんだん難しくなり、隙間量を小さくし過ぎるとロータ回転軸やロータ孔の偏心による影響も大きくなってきてしまう。φを同程度に設定できるのであれば、90[deg/step]単相ステップモータのK(θ)の振幅は単純に磁極対数倍(ここでは2倍)になる。このように駆動トルクと逆起電圧の振幅が2倍になることで、後述するようにエネルギー利用効率を改善することができる。
ロータが4極(2磁極対)の90[deg/step]単相ステップモータの場合、
Th(θ)=Th×sin4θ
図7−2において、θa=45[deg]、θb=90[deg]である。
一方、ロータが2極(1磁極対)の180[deg/step]単相ステップモータの場合は
Th(θ)=Th' ×sin2θ
図7−2において、θa=90[deg]、θb=180[deg]である。
保持ポテンシャルエネルギーはTh(θ)の角度積分であり、90[deg/step]単相ステップモータと180[deg/step]単相ステップモータとで、この保持ポテンシャルの値を同じに設定するには、Th=2Th'とすれば良い。90[deg/step]単相ステップモータをステップ運針に用いる場合、秒針までの減速比は180[deg/step]単相ステップモータの場合の1/30に対して、分母は半分の1/15となる。しかし、このように設定することで、時計用ステップモータで求められる重用な性能である耐衝撃性能などを90[deg/step]単相ステップモータにおいても、180[deg/step]単相ステップモータと同程度とすることが可能である。
[ロータの磁石周辺の磁束密度(径方向成分)分布についての説明]
続いて、先述したような保持トルクの振幅や位相の調整、設計をするのに重要なロータの磁石周辺の磁束密度(径方向成分)分布について、4体の異方性磁石を一体に結合したロータ磁石の場合を例に、図8−1、図8−2説明する。図8−1の左図は、径方向に異方性を有しており、径方向に着磁された4体の異方性磁石を結合した一体にしたロータ磁石構造を示しており、右図はその場合のロータの磁石周辺の磁束密度分布図であり、横軸はロータ周方向の角度ψで0[deg]から360[deg]まで表しており、縦軸は磁束密度(径方向成分)である。図8−2の左図は、径方向に異方性を有しており、径方向に着磁された4体の異方性磁石を結合した一体にし、更に結合部に切り欠きを設けた場合のロータ磁石構造を示しており、右図はその場合のロータの磁石周辺の磁束密度分布図であり、やはり、横軸はロータ周方向の角度ψで0[deg]から360[deg]まで表
しており、縦軸は磁束密度(径方向成分)である。
最後に、90[deg/step]単相ステップモータを例として用い、本発明の構造のモータが、従来の180[deg/step]単相ステップモータと比較して、1ステップあたりの消費エネルギーが少ない理由について説明する。
角
R:コイル抵抗 e:印加電圧(ただし、チョッパ駆動でVdd*duty) J:慣性量
i:電流 ω:ロータ回転平均速度
ただし、iやωは180[deg/step]単相ステップモータの場合に、
最小エネルギーで駆動した際の値とする。
180[deg/step]単相ステップモータの0.5倍となる。
線形的に上昇するとした場合、
ω=ωmax/2 Δt=Δθ/ω(Δθが0.5倍ならΔtも0.5倍)
K:電気機械結合係数 Th:保持トルク
先述したように、90[deg/step]単相ステップモータの電気機械結合係数
180[deg/step]単相ステップモータの場合の単純に磁極対数倍(2倍)。
90[deg/step]単相ステップモータの振幅は2倍
以上の設定をして、次にトルクと電圧の釣り合いを考える。なお、電圧の釣り合いではインダクタンスの影響はここでは無視する。また、簡易検証のため各値は定数として扱う。
e=K*ω+R*i
仮に、ωが180[deg/step]単相ステップモータの場合の値と同程度(1倍)とした場合、トルクの釣り合いから、90[deg/step]単相ステップモータの場合、先述のようにK、Thが2倍、Δθが0.5倍になるが、やはり、iは180[deg/step]単相ステップモータの場合の値と同程度(1倍)となる。
とすることができるため、ω、iは180[deg/step]ステップモータの場合の値と同程度(1倍)とすることができる。
1.5*1.0*0.5 = 2*0.5*1.0*0.5 + 0.5*1.0*1.0*0.5 つまり、
0.75 = 0.5 + 0.25 (入力エネルギー = 出力エネルギー +
損失)
これに対して、180[deg/step]単相ステップモータの場合は、
1.0*1.0*1.0 = 0.5*1.0*1.0 + 0.5*1.0*1.0
つまり、
1.0 = 0.5 + 0.5 (入力エネルギー = 出力エネルギー + 損失)
なので、90[deg/step]単相ステップモータの方が、入力エネルギーが少ない。このような簡易検証により、本発明の構造を有する90[deg/step]単相ステップモータの場合、180[deg/step]単相ステップモータの場合と比較して、回転角度を小さくする変わりに、トルクを大きくすることで、エネルギー利用効率(過渡応答中の出力エネルギー瞬間最大値/入力エネルギー)を改善できることがわかる。回転角度が小さくなった分はロータから秒針までの減速比を小さくすれば良い。減速比を小さくしてもトルクの振幅はその分大きくなっている。ただし、実際には(1)の入力エネルギー低減効果も合わさってくることや、各変数が定数ではないことや、インダクタンスの影響もあり、上記のような簡易検証のような比率でエネルギー効率が改善されるわけではない。
1a 切り欠き
2 ステータ磁極部
2a、 ロータ孔
2b、2c、2d、2e 4個の磁極
2f スリット
2g ノッチ
2h 非磁性体板
2i 磁束飽和部
2j、2k、2l、2m、2n、2o 6個の磁極
3 ステータコイル部
3a 導線
3b、3c 端部
4 ステータ接続部
4a 接続路
5a 太い実線、駆動トルクと保持トルクの和で一定電流通電時、ロータに作用するトルク
5b 細い実線、一定電流通電時の駆動トルク
5c 細い破線、保持トルク
5d 一点鎖線の矢印
5e 太い実線、両方の保持トルクを「重ね合わせ」た結果
5f 細い実線、スリットのみを設けることで作用する保持トルク
5g 細い破線、ノッチのみを設けることで作用する保持トルク
Claims (6)
- 一周あたり2p極(p:磁極対数であり、p≧2の整数)に着磁された永久磁石よりなるロータ(1)と、
該ロータ(1)を回転自在に支持するためのロータ孔(2a)を有し、
該ロータ孔(2a)の円周方向に等間隔に形成された2p極の磁極(2b−e)を同一平面上に有するステータ磁極部(2)と、
巻き回された導線に流す電流の方向に応じた磁極が、2つの端部(3b、3c)に現れるステータコイル部(3)と、
前記ステータ磁極部(2)の前記磁極(2b−e)のうち、1つおきの磁極同士を同極とするよう磁気的に接続し、更に、前記ステータコイル部(3)の前記2つの端部(3c、3d)と、それぞれ磁気的に接続するステータ接続部(4)と、を有することを特徴とするステップモータ。 - 前記ステータ磁極部(2)、前記ステータコイル部(3)、前記ステータ接続部(4)は、
それぞれ別体で構成され、
前記ステータ磁極部(2)と前記ステータコイル部(3)は同一平面上に配置され、
前記ステータ接続部(4)は、
同一平面上に配置された前記ステータ磁極部(2)と前記ステータコイル部(3)に対し、上側もしくは下側に配置されることを特徴とする請求項1に記載のステップモータ。 - 前記ステータ磁極部(2)の上層に、前記ステータ磁極部(2)と磁気的に接続された前記ステータコイル部(3)を配置し、
前記ステータコイル部(3)の上層に、前記ステータ接続部(4、接続路4a)が配置される
ことを特徴とする請求項1に記載のステップモータ。 - 前記ステータ磁極部(2)の磁極は、スリット(2f)により形成され、
非磁性体により接合されることで一体化される
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載のステップモータ。 - 前記ステータ磁極部(2)の磁極は、磁束飽和部(2i)により形成される
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載のステップモータ。 - 前記ロータ(1)は、
径方向に異方性を有する2p個の異方性磁石を交互に極性が異なるように円周状に結合させるとともに、結合された極性の異なる磁石間の結合部に切り欠き(1a)を設けた
ことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載のステップモータ。
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