JP2014163790A - 揺動型ステップモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 揺動型ステップモータにおいて、従来技術の回転規制部材では小型化が難しく、位置決め精度が良くないという課題があった。
【解決手段】 回転規制部材を板状の非磁性部材としたことで、ステータとの積層構造が可能となり、小型薄型化にできる。また歯車の倒れ防止部を備えていることから組立て性が向上し、取り付け姿勢が安定することから位置決め精度良く、低消費電力化が達成できる。
また、回転規制部材の固定部を、ステータとコイルとの間で形成される領域以外に設置することで、小型化取り付け精度向上が可能となる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、指針式電子時計の電気−機械変換器として用いられる、ステップモータの構造に関する。更に詳しくは、ロータが所定の角度振幅で往復運動しながら出力歯車を一往復につき所定角度ずつ駆動するようにした揺動型ステップモータに関する。

指針式電子時計の中に、機械式時計のような、秒針が流れ動くように見える連続運針（スイープ運針ともいい、１秒間に数回から１０数回の小刻み間欠運針であっても良い。）の時計がある。

一般的なステップモータを用いて連続運針を達成するには、駆動の時間間隔を短くし、秒針までの減速比を大きくすれば一応実現できる。しかし、駆動の頻度が増すと共にエネルギーが大きくなり、電源電池の消耗を早めることになる。

このような連続運針を行う指針式電子時計の中で、特に腕時計は、十分な電池寿命を持たせるために大型の電池を搭載せねばならず、時計の小型化や薄型化を図るには大きな支障があった。

連続運針用に減速比を大きく設定した場合には、秒針軸段階での出力エネルギー及び出力トルクが必要以上に十分すぎることに着目し、入力エネルギー、具体的には入力ストロークを減らすことで、高頻度の運動であってもエネルギー的な難点を克服できると考え、ロータを同じ方向に回転させずに所定の角度での往復運動、すなわち揺動運動をさせることとした。

これに関する従来技術としては、下記特許文献１に記載されるようなものが知られている。

ＷＯ２０１２／０３２９９３ Ａ１ （第１７頁、図１）

特許文献１に示した従来技術は、以下に示す問題点が存在する。

従来技術の回転規制部材は、ステータとコイルとの間に配置されているため、ロータ穴とコイルとの間にスペースが必要となり、小型化が難しい。

また、ステータとコイル間に配置されることで、ネジ止め部の間隔が短く、ネジ穴の隙間によって回転規制部材の傾きが大きく取り付けられてしまうことも生じやすくなるため、位置決め精度が良くないという課題があった。

また、星車Ａ、星車Ｂを組み立てる時倒れやすく、組立て性が良くないという課題があった。

本願発明は、ステップモータの小型化を可能とし、回転規制部の位置決め精度の向上も可能で、組立て性良好な回転規制部材の構造の提供を目的とする。

本発明のステップモータは、上記目的を達成するため、以下の構成を採用するものである。

所定の揺動角度範囲内にて揺動運動を行なうロータと、
該ロータを駆動するためのステータと、
該ステータの前記ロータと反対側に配置され、該ステータと接続されるコイルと、
前記ロータの左右に１個づつ配置され、前記ロータの揺動運動により駆動される駆動車を有し、
前記駆動車は、前記ロータにより駆動され、かつ、径が両駆動車中心の半分の値より小さく、互いに噛合わない星車と、
該星車と同軸で該星車と前記ロータの上方に配置され、かつ該星車より大径で互いに噛合う連動車と、で構成され、
該駆動車により、表示部材の駆動用輪列を駆動する揺動型ステップモータにおいて、
前記ロータの揺動角度範囲を規制するための回転規制部材を有し、
該回転規制部材は、前記ステータと、平面視で少なくとも一部が重なるように前記ロータと前記コイルの間に配置されるとともに、
前記回転規制部材の前記ステータに対する固定部が、
前記ステータと前記コイルとの間で形成されるステータコイル間領域以外の場所に配置されることを特徴とする。

また、板状の回転規制部材両端近傍に固定部を備え、固定部が、ステータとコイルとの間で形成されるステータコイル間領域以外の場所に配置されるため、コイルとステータとの間隔を狭くすることができ、揺動型ステップモータの小型化を可能とする。

また、固定部間隔を広く確保することができ、そのために回転規制部材の取り付け姿勢に傾きが生じにくく、位置決め精度が向上する。そして、このことによってロータ動作角度の左右差が低減されてステップばらつきは低減し、安定した電流波形となることで回転検出が安定する。

ステップモータの要部構成を説明する平面図である。 実施形態のロータ構造を説明する図である。 実施形態のロータカム面と送り歯位置を説明する図である。 実施形態の回転規制部材の説明図である。 実施形態の星車倒れ防止部を説明する断面図である。 実施形態の星車倒れ防止部を説明する平面図である。 実施形態のステータと回転規制部材を溶接した場合の図である。

［実施形態の構成について説明］
以下、本実施形態を、図面を用いて説明する。なお、本実施形態は時計に適用した場合を元にしているが、発明に関係のない構成、例えば、地板や受類、指針や駆動回路基板などの時計の構造部品については、説明や図示を省略している。

［実施形態の説明：図１〜図６］
まず、揺動型ステップモータの構造に関して図１〜図６を用いて説明する。

［ステップモータの要部構成、輪列構成の説明：図１］
図１には揺動型ステップモータの要部構成が示してある。
図１において、１は磁性材料の板材より成るステータで、１５は磁性材の板材より成る巻芯で、ステータ１に両端の膨大部２０で重なり、図示しない地板にネジ止め固定されて、磁気的に結合されている。１７はコイル、１８は巻枠であり、コイル１７は巻枠１８の間に細線が巻回されているが、その細部は図面では省略している。

６０は、ステータ１とコイル１７とで囲まれたステータコイル間領域である。特許文献１の従来技術では、このステータコイル間領域６０に回転規制部材が配置されていた。

図１に示す、３１は星車Ａ、３２は星車Ｂ、４１は歯車Ａ、４２は歯車Ｂ、４３はカナＡ、４４はカナＢ、４５は出力歯車で、出力歯車４５は運針輪列（図示せず）につながっている。また、２はロータである。

星車Ａ３１と歯車Ａ４１とカナＡ４３とは同軸で設けられており、これにより星車Ａ３１と歯車Ａ４１とが関連し合うように結合されており、星車Ｂ３２と歯車Ｂ４２とカナＢ４４とは同軸で設けられており、これにより星車Ｂ３２と歯車Ｂ４２とが関連し合うように結合されている。

星車Ａ３１、星車Ｂ３２の歯は同数で、互いの歯先同士が噛みあわない位置に設けられている。歯車Ａ４１と歯車Ｂ４２との歯は同数で、両歯車は互いに噛み合っている。

歯車Ｂ４２と同軸で設けられているカナＢ４４には出力歯車が噛み合っており、この構成により、両星車は一方が駆動されるとき他方も連動して同じだけ逆方向に回転する。つまり、星車Ａ３１と星車Ｂ３２とが交互に駆動されることによって、出力歯車４５が所定角度ずつ同じ方向に回転する。

［ロータの詳細説明：図２］
そして、図２に示すロータ２において、２１はロータ磁石で円筒系またはリング状で、その直径方向に磁化されている。２２はロータ軸、２３は送り歯、２８は突部であり、本実施形態においては、ロータ軸２２にロータカナ２５を設ける例を示しているため、送り歯２３と突部２８とを合わせてロータカナ２５である。

［ロータカム面と送り歯位置の説明：図３］
なお、図３においては、ロータ２の送り歯２３が星車Ａ３１、星車Ｂ３２にそれぞれ当接して星車Ａ３１、星車Ｂ３２を送ることを説明するために位置関係がわかるよう、歯車Ａ４１、歯車Ｂ４２を図示していない。

送り歯２３の星車Ａ３１、星車Ｂ３２にそれぞれ当接する面（歯面）が送り歯２３の両端のカム面２７Ａ、２７Ｂとして形成されていて、ロータ２の回転により、カム面２７Ａが星車Ａ３１を送り、カム面２７Ｂが星車Ｂ３２を送る、そして、ロータ２の回転は、五番車である出力歯車（図示せず）を介して、秒針（図示せず）を取り付ける四番車（図示せず）を回転させる。

また、このロータカナ２５の、ロータ２の揺動運動の中心Ｐ０を挟んで送り歯２３が形成された部分と反対側の部分に、ロータ２の半径方向外側に向けて突出した突部２８が形成されている。

ロータ２の送り歯２３が星車Ａ３１の中心Ｐ１、星車Ｂ３２の中心Ｐ２とロータ２の揺
動運動の中心Ｐ０とを結んで形成される三角形の内側領域に配置されている構造なので、カム面２７Ａと星車Ａ３１の歯とを極めて近接させることができ、また、カム面２７Ｂと星車Ｂ３２の歯とを極めて近接させることができる。

カム２７は、その両端に形成された２つのカム面２７Ａ、２７Ｂのうち少なくとも一方が常に、２つの星車Ａ３１、星車Ｂ３２のうちいずれか一方の歯先円内に配置されるよう形成されている。

突部２８は、後述する回転規制部材に突き当てられてロータ２の揺動角度範囲を物理的に規制するものである。

そして、ロータ２が揺動運動の中心Ｐ０回りに図示反時計回りに揺動したときは、カム面２７Ａが星車Ａ３１の歯を押圧して、星車Ａ３１を中心Ｐ１回りに時計回りに回転させる。ロータ２が揺動運動の中心Ｐ０回りに図示時計回りに揺動したときには、カム面２７Ｂが星車Ｂ３２の歯を押圧して、星車Ｂ３２を中心Ｐ２回りに反時計回りに回転させる。

この結果、ロータ２の揺動に起因したカム面２７Ａ、２７Ｂによる星車Ａ３１、星車Ｂ３２の送り方向は、各カム面２７Ａ、２７Ｂが当接する星車Ａ３１、星車Ｂ３２の歯同士を遠ざける方向に送る。

［回転規制部材の説明：図４、図５、図６］
本実施例の揺動型ステップモータは図４に示すように、ロータ２の揺動角度範囲（例えば、−４５〜＋４５度）の両端において、ロータ２の突部２８に突き当てられる回転規制部材５０が備えられている。

なお、図４においては、星車Ａ３１と同軸に配置されている歯車Ａ４１は図示されていない。また、星車Ｂ３２と同軸に配置されている歯車Ｂ４２も図示されていない。

往復モータのロータ回転角度を規制する回転規制部材５０は板状の非磁性材料で、例えばＢｓ材料（黄銅）にＮｉメッキされることで形成されている。そして、ステータ１とは平面視で少なくとも一部が重なるように積層配置され、回転規制部材５０の略中央部に凹形状の回転規制部５２を設けている。

そして、ロータ２自体が揺動角度範囲を超えて過剰に回転しようとしても、揺動角度範囲の両端において突部２８が回転規制部５２の回転規制面５２ａまたは回転規制面５２ｂに物理的に突き当たるため、ロータ２が揺動角度範囲を超えて過剰に回転するのを確実に阻止することができる。

また、回転規制部材５０が板状の非磁性部材で一体に構成されるため、ステータ１と積層配置することができることで薄型化でき、更にコイル１７とステータ１との間隔を狭くすることができ、小型化も可能となる。

しかも、回転規制面５２ａ、５２ｂは、突部２８の長さ（ロータ２の半径方向に沿った長さ）に応じた、ロータ軸２２からの距離の位置に配置することができるため、突部２８の長さは短く設定することができ、これによりロータ２の全体の大きさを小型化してロータ２の慣性モーメントを小さくすることができ、低消費電力化が達成することができる。

［星車倒れ防止の説明：図５、図６］
また、回転規制部材５０はロータカナ２５の突部２８と同一高さに配置されている。そして、ロータカナ２１は星車Ａ、星車Ｂを交互に押すため、星車と同一高さに配置されて
いることから、星車と回転規制部とは同一高さにある。

また、回転規制部の左右横位置側面には、星車Ａ回転軸Ｐ１を中心とした円弧である星車Ａ倒れ防止部５４ａと、星車Ｂ回転軸Ｐ２を中心とした円弧である星車Ｂ倒れ防止部５４ｂとを有しており、星車Ａ３１の歯先と歯車倒れ防止部５４ａとの間隔を近接させることができ、星車Ｂ３２の歯先と歯車倒れ防止部５４ｂとの間隔も近接させることができる。このとき、回転規制部材は平面視で星車とは重ならないが、連動車とは重なる配置をしている。

組立ての順番としては、地板（図示せず）にステータ１を組み込み、その次にコイル１７、そして次に回転規制部材５０を組み込むことができる。そして、ロータ２を組み込んだあと、星車Ａ３１（同軸の歯車Ａは図示せず）を組み込むことができ、星車Ａ３１の歯先と歯車倒れ防止部５４ａとの隙間が極僅かであることから、星車Ａ３１を倒れることなく組み込むことができる。また同様に星車Ｂ３２（同軸の歯車Ｂは図示せず）を組み込むことができ、星車Ｂ３２の歯先と歯車倒れ防止部５４ｂとの隙間が極僅かであることから、星車Ｂ３２を倒れることなく組み込むことができる。このように星車と歯車を組み立てるときに、星車、歯車を倒れにくくすることができ、組立て性を向上させることができる。

［回転規制部位置決め精度説明：図６］
更に、回転規制部材５０の両端近傍に固定用ねじ止め部５６を備えている。
図６において、固定用ねじ止め部５６は、ステータコイル間領域６０を除く位置に配置されている。そのため、ステータコイル間領域６０に固定部を配置していた従来技術と比べ、コイル１７とステータ１との間隔を狭くすることができ、小型化も可能となり、さらに、回転規制部材５０の固定用ネジ部間隔を長く取ることができる。この回転規制部材の固定用ネジ部間隔長さとしては、連動車の外径の２倍以上あるため、回転規制部材を取り付けるときに生じる傾きを小さくすることができる。そのため、位置決め精度を向上させることができる。

そして、ロータ回転角度の左右差やモータ差が少なくなることで安定動作達成し、動作させた時のステップばらつき低減し、安定した消費電流波形を得られることによる信頼性も向上し、回転検出が安定する。

［ステータと回転規制部材の溶接：図７］
また、回転規制部材の固定用ねじ止め部は、ステータ固定用ねじで共締めできるような形状にすることでも良く、部品点数削減して小型化可能である。そして、図７に示すようにステータと回転規制部材を複数の溶接箇所５８で溶接して一体化するのでもよく、小型薄型化が可能である。

なお、上記共締め箇所や溶接箇所５８以外の方法でも、ステータコイル間領域６０を除く位置に回転規制部材５０の固定部を設置すれば、同様の効果が得られる。

１ ステータ
１５ 巻芯
１７ コイル
１８ 巻枠
２ ロータ
２０ 膨大部
２１ ロータ磁石
２２ ロータ軸
２３ 送り歯
２５ ロータカナ
２７Ａ、２７Ｂ カム面
２８ 突部
３１ 星車Ａ
３２ 星車Ｂ
４１ 歯車Ａ
４２ 歯車Ｂ
４３ カナＡ
４４ カナＢ
４５ 出力歯車
５０ 回転規制部材
５２ 回転規制部
５２ａ、５２ｂ 回転規制面
５４ａ、５４ｂ 歯車倒れ防止部
５６ ねじ穴
５８ 溶接箇所
６０ ステータコイル間領域

Claims (5)

1. 所定の揺動角度範囲内にて揺動運動を行なうロータ（２）と、
   該ロータ（２）を駆動するためのステータ（１）と、
   該ステータ（１）の前記ロータ（２）と反対側に配置され、
   該ステータ（１）と接続されるコイル（１７）と、
   前記ロータ（２）の左右に１個ずつ配置され、
   前記ロータ（２）の揺動運動により駆動される駆動車を有し、
   前記駆動車は、前記ロータ（２）により駆動され、
   かつ、径が両駆動車中心の半分の値より小さく、互いに噛合わない星車（３１，３２）と、該星車（３１，３２）と同軸で該星車（３１，３２）と前記ロータの上方に配置され、かつ該星車（３１，３２）より大径で互いに噛合う連動車（４１，４２）と、
   で構成され、
   該駆動車により、表示部材の駆動用輪列を駆動する揺動型ステップモータにおいて、
   前記ロータ（２）の揺動角度範囲を規制するための回転規制部材（５０）を有し、
   該回転規制部材（５０）は、前記ステータ（１）と、平面視で少なくとも一部が重なるように前記ロータ（２）と前記コイル（１７）の間に配置されるとともに、
   前記回転規制部材（５０）の前記ステータ（１）に対する固定部（５６、５８）が、
   前記ステータ（１）と前記コイル（１７）との間で形成されるステータコイル間領域（６０）以外の場所に配置される
   ことを特徴とする揺動型ステップモータ。
2. 前記回転規制部材（５０）には、前記星車の回転軸（Ｐ１、Ｐ２）を中心とした円弧形状を有し、前記星車（３１，３２）と平面視で重ならない倒れ防止部（５４ａ,ｂ）を有し、
   前記回転規制部材（５０）と前記星車（３１，３２）は、同じ高さ位置に配置される
   ことを特徴とする請求項１に記載の揺動型ステップモータ。
3. 前記回転規制部材（５０）は、非磁性部材で一体に構成される
   ことを特徴とする請求項１ないし２のいずれか１つに記載の揺動型ステップモータ。
4. 前記コイル（１７）が巻回される巻芯（１５）を有し、
   前記固定部（５６）において、前記回転規制部材（５０）が、
   前記コイル（１７）ならびに前記巻芯（１５）と共締めされる
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の揺動型ステップモータ。
5. 前記ステータ（１）と前記回転規制部材（５０）を溶接することで前記固定部（５８）とした
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の揺動型ステップモータ。

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