JP2014099996A - クローポール型ステッピングモータ - Google Patents

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Abstract

【課題】各リング状極歯部の同軸度の精度を高め、かつ各リング状極歯部の隣接する極歯片間の間隙のばらつきを抑えることができるクローポール型ステッピングモータ提供する。
【解決手段】ロータ3表面の永久磁石6と対向配置され、回転軸2の軸線方向に延びた複数の隣接する極歯片同士が互いに噛み合うように近接し、対向した各極歯片の基端側はそれぞれリング状に連結された第1、第2のリング状極歯部11,12と、第1、第2のリング状極歯部11,12の外周側に配置され、インシュレータ部材8に巻き回されたコイル9a,9bを備えたクローポール型ステッピングモータ1において、第1、第2のリング状極歯部11,12の互いに噛み合うように近接している各極歯片の間の間隙に周方向に沿ってモールド樹脂Aが充填されて、第1、第2のリング状極歯部11,12が一体に固定されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、クローポール型ステッピングモータに関する。
クローポール型PM(Permanent Magnet)ステッピングモータは、回転軸の周面に嵌合された外周面に永久磁石(複数のN極、S極)を有するロータと、ロータの永久磁石の外周側に対向して設置されたステータを備えている。このステータは、前記永久磁石の外周面に近接し、複数の極歯(クローポール)片を有するリング状極歯部と、ヨーク部に巻き回されたコイルを主要部材として備えている。そして、このコイルにパルス信号を流すことで各極歯片が励磁され、外周面に永久磁石を有するロータが所定角度回転する。
ところで、近年、各種電子機器の小型化の要望にともない、その機器内に設置されるクローポール型ステッピングモータなどのモータについても小型化が要求されている。このため、クローポール型ステッピングモータの小型化(小径化)を図るために、例えば、特許文献1では、ステータを構成するヨーク部とリング状極歯部を別体とし、向かい合った各リング状極歯部の両端側をそれぞれヨーク部に固定するようにしている。
ところで、前記特許文献1に記載のクローポール型ステッピングモータでは、上記したようにヨーク部とリング状極歯部を別体とし、向かい合った各リング状極歯部の両端部をそれぞれヨーク部に組付けて固定する構造である。このため、個々のヨーク部とリング状極歯部の部品ばらつき(例えば板厚寸法誤差、加工誤差など)や組付け誤差(位置決めガタなど)があると、各リング状極歯部の同軸度の精度が低下し、かつ各リング状極歯部の隣接する各極歯片間の間隙(距離)にばらつきが生じる。
このように、各リング状極歯部の同軸度の精度が低下し、かつ各リング状極歯部の隣接する極歯片間の間隙(距離)にばらつきがあると、磁束密度分布にばらつきが生じて、回転駆動時にトルク変動が発生する。
そこで、本発明は、各リング状極歯部の同軸度の精度を高め、かつ各リング状極歯部の隣接する極歯片間の間隙のばらつきを抑えて、トルク変動の発生を防止することができるクローポール型ステッピングモータを提供することを目的とする。
前記目的を達成するために本発明に係るクローポール型ステッピングモータは、一対の軸受に回転可能に支持された回転軸と、前記回転軸表面に設けられ、外周面にN極とS極が交互に複数着磁された磁石を有するロータと、前記ロータ表面の前記磁石と対向配置され、周方向に沿って所定間隔で前記回転軸の軸線方向に延びた複数の隣接する極歯片同士が互いに噛み合うように近接し、対向した前記各極歯片の基端側はそれぞれリング状に連結された第1、第2の各リング状極歯部と、前記第1、第2の各リング状極歯部の外周側に配置され、円筒状のインシュレータ部材に巻き回されたコイルとを備え、前記コイルにパルス信号を流すことで、前記第1、第2の各リング状極歯部の互いに噛み合うように近接している前記各極歯片がN極とS極に交互に励磁されて、表面に前記磁石を有する前記ロータが回転する構造のクローポール型ステッピングモータであって、前記第1、第2の各リング状極歯部の互いに噛み合うように近接している前記各極歯片の間の間隙に周方向に沿ってモールド樹脂が充填されて、前記第1、第2の各リング状極歯部が一体に固定されていることを特徴としている。
本発明に係るクローポール型ステッピングモータによれば、第1、第2の各リング状極歯部の互いに噛み合うように近接している各極歯片の間の間隙に周方向に沿ってモールド樹脂が充填されて、第1、第2の各リング状極歯部が一体に固定されている。このような構造によって、第1、第2の各リング状極歯部の互いに近接して噛み合っている各極歯片の同軸度の精度が向上し、かつ各極歯片の間の間隙もばらつきなく精度よく設定された間隙に保持されるので、トルク変動の小さい高性能なモータを提供することができる。
本発明の実施形態1に係るクローポール型ステッピングモータ(2相クローポール型PMステッピングモータ)を示す概略断面図。 本発明の実施形態1におけるインシュレータ部材の外観を示す斜視図。 本発明の実施形態1におけるインシュレータ部材にコイルが巻き回された状態を示す図。 本発明の実施形態1におけるリング状極歯部の外観を示す斜視図。 リング状極歯部の作製時における外形打抜き工程を示した図。 リング状極歯部の作製時におけるリング状加工の工程を示した図。 (a),(b)は、ブリッジ部の中央部を外側に屈曲させる屈曲工程を示した図。 (a)は、ブリッジ部の屈曲加工された部分を示す図、(b)は、屈曲部分の内側にモールド樹脂を充填した状態を示す図、(c)は、屈曲部分の外側に出っ張った部分をカットした状態を示す。 本発明の実施形態2に係るクローポール型ステッピングモータ(2相クローポール型PMステッピングモータ)を示す概略断面図。 本発明の実施形態2におけるインシュレータ部材の切欠き部を示す断面図。 本発明の実施形態3に係るクローポール型ステッピングモータ(2相クローポール型PMステッピングモータ)を示す概略断面図。
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
〈実施形態1〉
図1は、本発明の実施形態1に係るクローポール型ステッピングモータとしての2相クローポール型PMステッピングモータを示す概略断面図である。
図1に示すように、本実施形態に係るクローポール型ステッピングモータ(2相クローポール型PMステッピングモータ)1は、シャフトとしての回転軸2の外周面に圧入されたロータ3と、ステータ4を主要構成部材として備えている。
回転軸2は、軸受5a,5bに回転可能に支持されており、回転軸2に嵌合されたロータ3の外周面には、N極とS極が交互に複数着磁された円筒状の永久磁石6が設けられている。
ステータ4は、ケース7内に設けたインシュレータ部材8の各凹部8a,8b(図2参照)に巻き回された各コイル9a,9bと、前記ロータ3の永久磁石6と所定のギャップを設けて配置された例えば軟磁性鋼板からなるリング状極歯部10を有している。リング状極歯部10は、第1のリング状極歯部11と第2のリング状極歯部12が充填されたモールド樹脂Aによって一体に固定されている(本発明の特徴であるリング状極歯部10の詳細については後述する)。
ケース7の両側の中心部に形成された開口縁部には、前記軸受5a,5bの外周部が固定されている。また、リング状極歯部10は、インシュレータ部材8の内周面に例えば圧入されて密着され、インシュレータ部材8の両側は、ケース7の内壁面に例えば接着剤等によって密着されている。
図2に示すように、樹脂材料によって射出成形されたインシュレータ部材8は、コイル巻き回しのための2つの円筒状の凹部8a,8bと、その中央部に設けたコイル終端部を固定する各端子部8c,8dを有し、内周面8eにリング状極歯部10が圧入されて密着されている。インシュレータ部材8の各端子部8c,8dは、ケース7の周面に形成した開口部(不図示)から外に突出している。なお、インシュレータ部材8を形成する樹脂材料としては、例えば、フェノール樹脂、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂、エポキシ樹脂などの絶縁性の高い材料が望ましい。
図3は、インシュレータ部材8の各円筒状の凹部8a,8bにコイル9a,9bがそれぞれ巻きつけられ、そのコイル終端部が各端子部8c,8dに半田付けによって固定された状態を示している。
このように、本実施形態のクローポール型ステッピングモータ1は、2相クローポール型PMステッピングモータであるので、A相を構成するコイル9a及び第1リング状極歯部11と、B相を構成するコイル9b及び第2リング状極歯部12を有している。
図4に示すように、リング状極歯部10は、第1のリング状極歯部11と第2のリング状極歯部12の向かい合う端面同士の間を後述するインサート成形でモールド樹脂Aを充填することで、一体的に固定されている。なお、第1のリング状極歯部11と第2のリング状極歯部12の構成は同一なので、第1のリング状極歯部11について説明する。
第1のリング状極歯部11は、周方向に沿って一定間隔で回転軸2の軸線方向に延びるように複数形成された第1の極歯片13及び第2の極歯片14を有し、隣接する第1、第2の極歯片13,14が交互に噛み合うように近接して向かい合っている。互いに近接して向かい合っている第1の極歯片13と第2の極歯片14の間の間隙にはモールド樹脂Aが充填されて固定されている。各第1、第2の極歯片13,14の基端側には、円環部13a,14aが一体に形成されている。なお、第1のリング状極歯部11と第2のリング状極歯部12は、第1、第2の極歯片13,14のピッチが周方向に沿って少しずれている。
本実施形態では、第1のリング状極歯部11の第1、第2の極歯片13,14の数はそれぞれ5つ(全体としては10)である。また、本実施形態では、コイル9a,9bに順方向の電流を流したときに第1の極歯片13がN極に磁化し、第2の極歯片14がS極に磁化するように構成されている。
そして、各コイル9a,9bにパルス信号を流すことで、リング状極歯部10(第1、第2の各リング状極歯部11,12)の第1、第2の各極歯片13,14がN極とS極に交互に励磁され、外周面に永久磁石6を有するロータ3(回転軸2)が回転する。
次に、前記したリング状極歯部10の作製方法を、図5〜図8を参照して説明する。
図5に示すように、最初に周知の打抜き加工機によって薄板状の鋼板(軟磁性鋼板)20からリング状極歯部10(第1、第2の各リング状極歯部11,12)の外形となる4枚の極歯成形部20a,20b,20c,20dを打抜く。なお、極歯成形部20a,20bは第1のリング状極歯部11に対応し、極歯成形部20c,20dは第2のリング状極歯部12に対応しており、極歯成形部20a〜20dには、5つの極歯片20a1,20b1,20c1,20d1(第1、第2の極歯片13,14に対応)がそれぞれ形成されている。
また、この外形打抜き時において、極歯成形部20a,20bの間、極歯成形部20b,20cの間、及び極歯成形部20c,20dの間のそれぞれの隙間の3箇所には、それぞれの対向する両面の間を連結したブリッジ部21a,21b,21cも一体に打ち抜かれている。ブリッジ部21a,21b,21cは、後述するように各極歯成形部20a〜20dの間の隙間調整部材として機能するので、予め長めに設定されている。
なお、極歯成形部20a,20bの間に形成された各ブリッジ部21aは、極歯成形部20bの左端と左側から4つ目の各極歯片20b1の頂部、及び極歯成形部20aの左側から3つ目の極歯片20a1の頂部に設けられている。同様に、極歯成形部20c,20dの間に形成された各ブリッジ部21cは、極歯成形部20dの左端と左側から4つ目の各極歯片20d1の頂部、及び極歯成形部20cの左側から3つ目の極歯片20c1の頂部に設けられている。また、極歯成形部20b,20cの間に形成された各ブリッジ部21bも、ブリッジ部21a,21cと略同じ位置に設けられている。
そして、この外形打ち抜き後に、各ブリッジ部21a〜21cの一方側の面(後の工程で各極歯成形部20a〜20dをリング状に加工したときに内側となる面)の中央部に横方向(幅方向)に沿って切込み加工を施しておく。これは、各極歯成形部20a〜20dをリング状に加工した後に、隙間調整のために各ブリッジ部21a〜21cの中央部を径方向外側に所定角度で屈曲させるときに正確な位置で容易に折れ曲がるようにするためである。
そして、各ブリッジ部21a〜21cで連結された4枚の極歯成形部20a〜20dを金型を用いて、図6に示すように、リング状に加工する。なお、図6では、極歯成形部20a〜20dのそれぞれのリング状態を明確にするために、極歯成形部20a〜20dの間の間隔を実際よりも大きくしているが、実際は各ブリッジ部21a〜21cの長さがもっと短く、極歯成形部20a〜20dの隣接する極歯片同士が互いに噛み合うように近接している。
そして、極歯成形部20a,20bの間、極歯成形部20b,20cの間、及び極歯成形部20c,20dの間のそれぞれの隙間(距離)を設定した間隔に調整するために、極歯成形部20d側の端面を固定台の上に置いて、極歯成形部20a側の端面を上方から加圧する。
この際、図7(a),(b)に示すように、各ブリッジ部21aの中央部21a1を外側に屈曲させるために、ブリッジ部21aの外側に位置するようにして第1の金型22を配置して、ブリッジ部21aの内側から第2の金型23を第1の金型22側へ向けて移動させる。なお、図7(a),(b)では、ブリッジ部21aの屈曲工程を示したが、他の各ブリッジ部21b,21cにおいても同様にして同時に外側に屈曲させる。
第1の金型22には、ブリッジ部21aの中央部21a1の屈曲形状に対応したV溝22aが形成されている。なお、ブリッジ部21aの内側中央部には、前記した外形打ち抜き後に形成された切込み部24が設けられており、この切込み部24に向けて第2の金型23が押し込まれる。
これにより、図8(a)に示すように、ブリッジ部21aの中央部21a1が外側に所定角度で屈曲されることで、ブリッジ部21aの長さが所定長さに短縮される。このように、ブリッジ部21aが所定長さに調整されることで、極歯成形体20a〜20dの隣接する極歯片(20a1と20b1、20c1と20d1)の間の間隔、及び極歯成形体20bと20cの間の間隔が設定値に調整される。
そして、周知のインサート成形によりブリッジ部21a(ブリッジ部21b,21cも同様)の屈曲した中央部21a1の内側(図8(b)参照)、及び隣接する各極歯片(20a1と20b1、20c1と20d1)の間の間隔と、第1、第2のリング状極歯部11,12の向かい合った端部同士の間の間隔に周方向に沿ってモールド樹脂Aを充填する。そして、図8(c)に示すように、硬化後にブリッジ部21a(ブリッジ部21b,21cも同様)の屈曲した中央部21a1の外側に出っ張った部分を樹脂と共にカットする。
これにより、図4に示したように、隣接した第1の極歯片13と第2の極歯片14の間の間隔がモールド樹脂Aで固定された第1のリング状極歯部11と第2のリング状極歯部12、及びこの両者の端面同士がモールド樹脂Aで一体に固定されたリング状極歯部10が作製される。
作製されたリング状極歯部10はインシュレータ部材8の内周面8eに圧入され、ケース7で覆うことで、図1に示したようなクローポール型ステッピングモータ(2相クローポール型PMステッピングモータ)1が得られる。
このように、本実施形態のクローポール型ステッピングモータ1によれば、一枚に鋼板から打抜き加工されたブリッジ部21a〜21cで連結された4枚の極歯成形部20a〜20dをリング状に加工することで、リング状極歯部10(第1、第2の各リング状極歯部11,12)が形成される。そして、インサート成形により、第1、第2の各リング状極歯部11,12の互いに噛み合うように近接している各極歯片13,14の間の間隙、及び第1、第2のリング状極歯部11,12の端面同士の間の間隙に周方向に沿ってモールド樹脂Aが充填されて、第1、第2の各リング状極歯部の隣接した第1、第2の極歯片13,14の間の間隔が固定されている。
これにより、第1、第2のリング状極歯部11,12の互いに近接して噛み合っている第1、第2の各極歯片13,14の同軸度の精度が向上し、かつ各極歯片13,14の間隔もばらつきなく精度よく設定された間隙に保持されるので、トルク変動の小さい高性能なモータを提供することができる。
〈実施形態2〉
図9は、本発明の実施形態2に係るクローポール型ステッピングモータ(2相クローポール型PMステッピングモータ)1aを示す概略断面図である。なお、実施形態1のクローポール型ステッピングモータと同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
上記したように実施形態1では、インサート成形によりブリッジ部21aの中央部の内側、及び第1、第2の極歯片13,14の間の間隙に周方向に沿ってモールド樹脂Aを充填してリング状極歯部10(第1、第2のリング状極歯部11,12)を作製した構成であった。
これに対して、本実施形態では、図9に示すように、インサート成形により第1、第2の極歯片13,14の間の間隙に周方向に沿ってモールド樹脂Aを充填するときに、このモールド樹脂Aを用いてインシュレータ部材8も一体に成形して、リング状極歯部10(第1、第2のリング状極歯部11,12)とインシュレータ部材8を一体構成にした。他の構成は実施形態1と同様である。
なお、実施形態1の図8(b)のように、インサート成形によりブリッジ部21aの中央部の内側にモールド樹脂Aを充填して、硬化後にブリッジ部21aの中央部の外側に出っ張った部分を樹脂と共にカットする必要がある。そこで、図10に示すように、モールド樹脂よって一体に成形されるインシュレータ部材8に、インサート成形後に出っ張った部分をカットするための逃げである切欠き部8f,8g,8hを、前記各ブリッジ部21a〜21c(図6参照)の位置に合わせて形成しておく。
本実施形態では、図10のように前記各ブリッジ部21a,21b,21cが周方向に沿って例えば3箇所ある場合、切欠き部8fと切欠き部8gの間の角度θ1、及び切欠き部8fと切欠き部8hの間の角度θ2はともに108度に設定されている。この角度θ1、角度θ2がともに108°なのは、例えば図4に示したように、第1のリング状極歯部11(第2のリング状極歯部12)の第1の極歯片13(第2の極歯片14)の歯数が周方向に沿って5つなので、1歯分で72°となり、1歯半分で108°となる。
このように、本実施形態では、リング状極歯部10(第1、第2のリング状極歯部11,12)とインシュレータ部材8を一工程で一体に成形して作製することができるので、製造工程の工数を低減することができる。
〈実施形態3〉
図11は、本発明の実施形態3に係るクローポール型ステッピングモータ(2相クローポール型PMステッピングモータ)1bを示す概略断面図である。なお、実施形態1のクローポール型ステッピングモータと同一機能を有する部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
上記したように実施形態1では、インサート成形によりブリッジ部21aの中央部の内側、及び第1、第2の極歯片13,14の間の間隙に周方向に沿ってモールド樹脂Aを充填してリング状極歯部10(第1、第2のリング状極歯部11,12)を作製した構成であった。
これに対して、本実施形態では、図11に示すように、インサート成形により第1、第2の極歯片13,14の間の間隙に周方向に沿ってモールド樹脂Aを充填するときに、このモールド樹脂Aを用いて一方側(図では左側)の円形状の軸受け部25も一体に成形して、リング状極歯部10(第1、第2のリング状極歯部11,12)と軸受け部24を一体構成にした。なお、このリング状極歯部10は、別体で成形されているインシュレータ部材8の内周面に例えば圧入されて密着される。他の構成は実施形態1と同様である。
リング状極歯部10(第1、第2のリング状極歯部11,12)と一体に成形された軸受け部24は一方側のケース側面を構成しており、軸受け部25の中心部の軸受25aで回転軸2が回転可能に支持されている。なお、本実施形態では、軸受け部24を一体に成形するので、使用するモールド樹脂Aは、絶縁性と耐摩耗性に優れた樹脂が望ましい。
なお、本実施形態では、回転軸2に対して一方側(図では左側)の軸受け部24をリング状極歯部10と一体に成形した構成であっが、回転軸2に対して他方側(図では右側)、あるいはその両方側の軸受け部を、リング状極歯部10と一体に成形するようにしてもよい。
このように、本実施形態では、リング状極歯部10(第1、第2のリング状極歯部11,12)と軸受け部24を一工程で一体に成形して作製することで、従来のように別体部品として軸受を設ける必要がなく、強度的な負荷が大きくない仕様のモータとして、廉価な構成を提供することができる。
また、リング状極歯部10(第1、第2のリング状極歯部11,12)と軸受け部24を一工程で一体に成形して作製することで、軸受の組付け工程の工数を低減することができる。
更に、リング状極歯部10(第1、第2のリング状極歯部11,12)と軸受け部24を一工程で一体に成形して作製することで、軸受組付け時に軸受位置決めのためのフランジなどの別部材の介在が不要となり、回転軸2、ロータ3を所定位置に精度よく配置することができる。これにより、第1、第2のリング状極歯部11,12の第1、第2の各極歯片13,14とロータ3の永久磁石6との相対位置精度の向上を図ることができる。
なお、前記した各実施形態では、2相のクローポール型PMステッピングモータについて例示したが、これに限定されることなく、単相又は3相、4相などの多相構成の場合でも同様に本発明を適用することができる。
1,1a,1b クローポール型ステッピングモータ
2 回転軸
3 ロータ
4 ステータ
6 永久磁石
7 ヨーク部
8 インシュレータ部材
9a,9b コイル
10 リング状極歯部
11 第1のリング状極歯部
12 第2のリング状極歯部
13 第1の極歯片
14 第2の極歯片
21a,21b,21c ブリッジ部
24 軸受け部
A モールド樹脂
特開2002−354775号公報

Claims (4)

  1. 一対の軸受に回転可能に支持された回転軸と、
    前記回転軸表面に設けられ、外周面にN極とS極が交互に複数着磁された磁石を有するロータと、
    前記ロータ表面の前記磁石と対向配置され、周方向に沿って所定間隔で前記回転軸の軸線方向に延びた複数の隣接する極歯片同士が互いに噛み合うように近接し、対向した前記各極歯片の基端側はそれぞれリング状に連結された第1、第2の各リング状極歯部と、
    前記第1、第2の各リング状極歯部の外周側に配置され、円筒状のインシュレータ部材に巻き回されたコイルとを備え、
    前記コイルにパルス信号を流すことで、前記第1、第2の各リング状極歯部の互いに噛み合うように近接している前記各極歯片がN極とS極に交互に励磁されて、表面に前記磁石を有する前記ロータが回転する構造のクローポール型ステッピングモータであって、
    前記第1、第2の各リング状極歯部の互いに噛み合うように近接している前記各極歯片の間の間隙に周方向に沿ってモールド樹脂が充填されて、前記第1、第2の各リング状極歯部が一体に固定されていることを特徴とするクローポール型ステッピングモータ。
  2. 前記第1、第2の各リング状極歯部の互いに噛み合うように近接している前記各極歯片の間の間隙を周方向に沿ってモールド樹脂が充填される際に、同時にこのモールド樹脂を使用して前記インシュレータ部材も一体に成形されていることを特徴とする請求項1に記載のクローポール型ステッピングモータ。
  3. 前記第1、第2の各リング状極歯部の互いに噛み合うように近接している前記各極歯片の間の間隙を周方向に沿ってモールド樹脂が充填される際に、同時にこのモールド樹脂を使用して前記一対の軸受の少なくとも一方も一体に成形されていることを特徴とする請求項1に記載のクローポール型ステッピングモータ。
  4. 前記第1、第2の各リング状極歯部の互いに噛み合うように近接している前記各極歯片の間の少なくとも一部は、予めブリッジ部によって一体に連結されており、
    前記ブリッジ部の一部を径方向外側に屈曲させて前記各極歯片の間の距離が調整され、前記屈曲された部分の内側にも前記モールド樹脂が充填されて、前記ブリッジ部の屈曲されて外側に出っ張っている部分がカットされていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のクローポール型ステッピングモータ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10680471B2 (en) 2014-11-26 2020-06-09 Ricoh Company, Ltd. Permanent magnet motor, position estimation apparatus and motor drive control apparatus

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