JP2018057087A - ステッピングモータおよび自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】ストッパを内蔵するステッピングモータにおいて、ロータの接触部がストッパを叩く現象を抑制すること。
【解決手段】実施形態のステッピングモータは、ストッパと、ロータと、複数のコイルとを備える。ロータは、ストッパと接触する接触部を有する。複数のコイルは、ロータを回動させ、励磁ベクトルを形成する。そして、初期化期間において、複数のコイルは、ストッパの位置に対応する励磁相を励磁する初期励磁ベクトルを形成し、初期励磁ベクトルを形成した後に初期励磁ベクトルとは反対方向の励磁ベクトルに近接する第１励磁ベクトルを形成し、第１励磁ベクトルを形成した後に初期励磁ベクトルに近接する第２励磁ベクトルを形成する。また、第１励磁ベクトルは、初期励磁ベクトルに対して所定の回転方向に所定の電気角を成す励磁ベクトルであり、第２励磁ベクトルは、第１励磁ベクトルに対して所定の回転方向に所定の電気角を成す励磁ベクトルである。
【選択図】図５

Description

本発明は、ステッピングモータおよび自動車に関する。

従来、メータにおける指針の初期位置を保証するために、モータにストッパを内蔵し、ロータが３６０度回動できない構造のステッピングモータが知られている。かかるステッピングモータでは、メータの電源起動時に、ロータを所定の向きに回転させてストッパとロータの接触部とを接触させ、指針の初期位置を合わせる初期化が行われる。

特開平９−６５６９９号公報

しかしながら、従来のステッピングモータでは、初期化中にロータの接触部がストッパに接触して停止した後に、突然ロータが逆回転し、再度正回転して接触部がストッパを叩く現象が生じる場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ストッパを内蔵するステッピングモータにおいて、ロータの接触部がストッパを叩く現象を抑制することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るステッピングモータは、ストッパと、ロータと、複数のコイルとを備える。前記ロータは、前記ストッパと接触する接触部を有する。前記複数のコイルは、前記ロータを回動させ、励磁ベクトルを形成する。そして、前記ロータを所定の回転方向に回転させて前記接触部を前記ストッパに接触させる初期化期間において、前記複数のコイルは、前記ストッパの位置に対応する励磁相を励磁する初期励磁ベクトルを形成し、前記初期励磁ベクトルを形成した後に、前記初期励磁ベクトルとは反対方向の励磁ベクトルに近接する第１励磁ベクトルを形成し、前記第１励磁ベクトルを形成した後に、前記初期励磁ベクトルに近接する第２励磁ベクトルを形成する。また、前記第１励磁ベクトルは、前記初期励磁ベクトルに対して前記所定の回転方向に所定の電気角を成す励磁ベクトルであり、前記第２励磁ベクトルは、前記第１励磁ベクトルに対して前記所定の回転方向に所定の電気角を成す励磁ベクトルである。

本発明の一態様によれば、ストッパを内蔵するステッピングモータにおいて、ロータの接触部がストッパを叩く現象を抑制することができる。

図１は、実施形態に係るステッピングモータの斜視図である。 図２は、実施形態に係るステッピングモータの側断面図である。 図３は、実施形態に係るステッピングモータを構成するロータの斜視図である。 図４は、実施形態に係るステッピングモータに接続された制御部を示すブロック図である。 図５は、実施形態に係るステッピングモータの励磁ベクトルとストッパとの位置関係を模式的に示す図である。 図６は、実施形態に係る励磁ベクトルを２次元座標系における２軸方向の各ベクトルに分解した状態を示す図である。

以下、実施形態に係るステッピングモータについて図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

＜ステッピングモータの構成＞
最初に、実施形態に係るステッピングモータの構成について説明する。図１および図２は、実施形態に係るステッピングモータ１を示している。図１は、実施形態に係るステッピングモータの斜視図であり、図２は、実施形態に係るステッピングモータの側断面図である。

ステッピングモータ１は、例えば図示しない指針式メータ（表示装置）における指針の回動を駆動するためのメータ用のステッピングモータであり、図２に示すように、ロータ１０と、ステータ２０と、エンドプレート３０と、フロントプレート４０とを備える。

ロータ１０は、ステータ２０の内部に回動可能に収容されている。ロータ１０は、図２に示すように、シャフト１１と、ロータマグネット１２と、スリーブ１３とを備える。

シャフト１１は、アルミ合金からなるスリーブ１３の軸心に圧入されて固定されている。円筒状のロータマグネット１２は、ボンド磁石を射出成形して得られたものであり、スリーブ１３の外周に装着されている。シャフト１１は、ステッピングモータ１の回転軸を構成している。

また、ロータマグネット１２は必要に応じて、その磁気特性を調整する（基本は、磁気特性を向上させるが、磁気的分布を調整する事もある。）為に、射出成型時に必要な直流磁場を掛け、異方性の磁石にすることができる。

ステータ２０は、同じ構成を有する環状のＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とを備える。かかるＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２は軸方向に並べて配置されることで、軸方向に同軸上に積層され、ステータ２０は両者で２相構造となっている。Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とは同じ構成であることから、以下ではＡ相ステータ２１について説明し、Ｂ相ステータ２２の説明は省略する。

図２に示すように、Ａ相ステータ２１は、カップ状ヨーク（第１ヨーク）２３と、円板状（第２ヨーク）ヨーク２４と、ボビン２５と、コイル２６とを備える。

カップ状ヨーク２３は、カップ状の外形を有し、軟磁性の鋼板で形成され、円板状ヨーク２４と軸方向（図２で上下方向）で離間するように組まれている。カップ状ヨーク２３は底板２３ｂを有する。そして、かかる底板２３ｂの中央部に形成された開口の周縁には、軸方向に突出する複数の極歯２３ａが櫛歯状に形成されている。

円板状ヨーク２４は、円板状の外形を有し、軟磁性の鋼板で形成され、円板状ヨーク２４の外周縁がカップ状ヨーク２３の内周面に嵌着されている。また、円板状ヨーク２４の中央部に形成された開口の周縁には、軸方向に突出する複数の極歯２４ａが櫛歯状に形成されている。そして、カップ状ヨーク２３の極歯２３ａと円板状ヨーク２４の極歯２４ａとは、周方向に交互に噛み合わされている。

ボビン２５は、絶縁性の樹脂で形成され、ボビン２５の周縁の一部に端子台２５ａが一体成形によって形成されている。かかる端子台２５ａには複数の端子ピン２７ａ〜２７ｄが設けられ、端子ピン２７ａ〜２７ｄには、コイル２６の端末２６ａが絡げられて接続されている。

コイル２６は、ボビン２５に巻回され、カップ状ヨーク２３と円板状ヨーク２４との間であって極歯２３ａ、２４ａの外周側に配置されている。

上記構成を有するＡ相ステータ２１およびＢ相ステータ２２は、樹脂により積層状態に一体に組み付けられて、モールド成形されている。以下、この樹脂を「モールド樹脂」と呼称する。このモールド樹脂５０は、カップ状ヨーク２３の極歯２３ａと円板状ヨーク２４の極歯２４ａとの間に充填されている。

そして、ステッピングモータ１は、Ｂ相ステータ２２側の一端部（図２では上端部）がエンドプレート３０で閉塞され、Ａ相ステータ２１側の他端部（図２では下端部）がフロントプレート４０で閉塞されている。

円形状のエンドプレート３０は、上述のモールド樹脂５０の一体成形により形成されている。エンドプレート３０の中央部には、貫通孔（ロータ支持部）３０ａが形成されており、かかる貫通孔３０ａにシャフト１１の一端部が貫通され、かつ回動可能に支持されている。

樹脂からなる円形状のフロントプレート４０は、Ａ相ステータ２１の円板状ヨーク２４に嵌着されるとともに、Ａ相ステータ２１のカップ状ヨーク２３にカシメ固定されている。フロントプレート４０の中央部には貫通孔（ロータ支持部）４０ａが形成されており、かかる貫通孔４０ａにシャフト１１が貫通され、かつ回動可能に支持されている。

また、フロントプレート４０の周縁の一部には、径方向に突出する端子部４０ｂが形成されている。かかる端子部４０ｂはカップ状ヨーク２３の外周から外側に突出しており、端子部４０ｂには、軸方向（図２で上下方向）に延びる複数の外部端子ピン４１ａ〜４１ｄが設けられている。

そして、外部端子ピン４１ａ〜４１ｄと端子ピン２７ａ〜２７ｄとのそれぞれの先端同士は、抵抗溶接やレーザー溶接等の手段によって互いに固着され、固着接点４２を介して電気的に接続されている。

ここで、実施形態のステッピングモータ１は、ロータマグネット１２の一端面（図２では上端面）に、ロータマグネット１２とは同心状に環状のストップ部１４が形成されている。図３は、実施形態に係るステッピングモータを構成するロータの斜視図である。そして、図３に示すように、ストップ部１４の周縁の一部には、径方向に突出する接触部１４ａが形成されている。

ストップ部１４は、ロータマグネット１２の射出成形時に一体成形で形成されている。ロータマグネット１２は周方向に多極着磁されており、ロータマグネット１２を着磁する際、同時にストップ部１４も接触部１４ａを含めて着磁されている。

また、図２に示すように、エンドプレート３０の所定箇所にはスタッド孔３０ｂが形成されており、このスタッド孔３０ｂに外側からストッパ（スタッドピン）６０が挿通され、固定されている。ストッパ６０は、非磁性金属によって形成されている。

ストッパ６０は、エンドプレート３０の内面よりも内側に突出している。そして、ロータ１０が回動した場合、ストッパ６０と、ロータマグネット１２のストップ部１４に形成されている接触部１４ａとが当接し、ロータ１０の回動が制限されるようになっている。すなわち、ロータ１０は、ストッパ６０と接触する接触部１４ａを有する。

図４は、実施形態に係るステッピングモータに接続された制御部を示すブロック図である。制御部２は、ステッピングモータ１のＡ相ステータ２１（図２参照）およびＢ相ステータ２２（図２参照）のそれぞれのコイル２６に接続されている。そして、制御部２は、複数のコイル２６によってステッピングモータ１の内部に形成される励磁ベクトルを制御し、励磁ベクトルを制御することによりロータ１０の回動を制御する。

なお、制御部２は、ステッピングモータ１に内蔵されていてもよいし、ステッピングモータ１の外部に設けられていてもよい。

ここで、ロータの接触部とストッパとを有する従来のステッピングモータでは、初期化中にロータの接触部がストッパに接触して停止した後に、突然ロータが逆回転し、再度正回転して接触部がストッパを叩く現象が生じる場合がある。また、最悪の場合には、接触部がストッパを叩いた揚句、励磁オフのタイミングによっては、指針が所望の初期位置からジャンプして別の励磁安定点に飛ぶこともある。

これは、初期化前には接触部がどこに位置するのか不明なため、３６０度よりも多めにロータを正回転させて初期化を行っていることから、ストッパへの接触後にもロータを逆回転させる向きの励磁が行われることにより、ロータが一時的に逆回転してしまうことが原因だと考えられる。

そこで、実施形態に係るステッピングモータ１では、以下に述べるように初期化を行うことにより、ロータ１０の接触部１４ａでストッパ６０を叩く現象が抑制される。

＜ステッピングモータの初期化の概要＞
続いて、実施形態に係るステッピングモータ１における初期化の概要について説明する。図５は、実施形態に係るステッピングモータ１の初期化における励磁ベクトルを示す図である。

なお、ここで言う励磁ベクトルとは、各コイル２６に流す直流電流の合成でロータ１０とステータ２０で構成されたエアギャップ中につくられた磁界をいい、この磁界によりロータマグネット１２を磁気的に安定な位置に停止させる静的なベクトルをいう。

図５では、無負荷状態でＡ相ステータ２１（図２参照）のコイル２６（図２参照）のみが励磁された状態における力の方向を、Ａ相の＋方向の軸（＋縦軸）としている。また、無負荷状態でＢ相ステータ２２（図２参照）のコイル２６のみが励磁された状態における力の方向を、Ｂ相の＋方向の軸（＋横軸）としている。すなわち、Ａ相による縦軸とＢ相による横軸とで、２次元座標系が構成されている。

なお、以降の説明において、励磁されたＡ相ステータ、／Ａ相ステータ、Ｂ相ステータ、／Ｂ相ステータの状態の力の方向は、無負荷状態における方向だが、これに限定されず、負荷状態における方向であっても構わない。

また、図５では、ストッパ６０を／Ｂ相（−横軸）に対応する位置に配置する。そして、Ａ相ステータ２１およびＢ相ステータ２２の複数のコイル２６で形成される励磁ベクトルＥ０〜Ｅ５に、ストップ部１４（図２参照）の接触部１４ａ（図２参照）が引っ張り込まれるようにロータ１０（図２参照）が回動する。換言すると、励磁ベクトルＥ０〜Ｅ５の向きに対応した位置に向かって接触部１４ａが回動する。

そして、ステッピングモータ１がメータに搭載された場合、ストッパ６０は、例えばメータの原点（例えば、メータのゼロ指示位置）に対応する位置に配置され、接触部１４ａは、例えばメータの指針に対応する位置に配置される。

なお、本実施形態ではＣＷ（時計回り）回転のステッピングモータ１について示しており、初期化はＣＣＷ（反時計回り）回転で実施される。しかしながら、ステッピングモータ１は、ＣＣＷ回転のステッピングモータでもよい。その場合、初期化はＣＷ回転で実施すればよい。

初期化としては、まず、メータの電源起動の初期に、所定の時間、ストッパ６０の位置に対応する／Ｂ相を励磁する励磁ベクトルＥ０（初期励磁ベクトル）で初期励磁を行う。次に、励磁ベクトルＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５の順で励磁する。これにより、接触部１４ａはＣＣＷ方向に回転してストッパ６０に向かう。

なお、励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５は、Ａ相、／Ａ相、Ｂ相、／Ｂ相の任意の絶対値に対してベクトル合成することで作り出すことができる。そして、それぞれの相の任意の絶対値は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）で作り出すことができる。

次に、これらの励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５を１サイクルとして、励磁を所定のサイクル数くり返す。例えば、磁極数１８極、基本ステップ角１０°の場合、かかる１サイクル（１電気サイクル）の励磁により、ロータ１０は機械角で１０×４＝４０°回転する。

したがって、ロータ１０を３６０°回転させ、確実に接触部１４ａをストッパ６０に到達させるためには、最低３６０÷４０＝９サイクル励磁すればよい。そして、所定のサイクル数の励磁が完了する前に接触部１４ａがストッパ６０に到達した場合も、引き続き所定のサイクル数は励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５での励磁がくり返される。

ここで、実施形態では、図５に示すように、上述の１サイクル内で、励磁ベクトルＥ０（初期励磁ベクトル）を、励磁ベクトルＥ０とは反対方向の励磁ベクトル（図５ではＢ相）に近接するまでＣＣＷ方向に回転させた励磁ベクトルＥ４（第１励磁ベクトル）を形成する。かかる励磁ベクトルＥ４は、例えば、Ｂ相励磁ベクトルから電気角で０°〜３０°の範囲に近接させればよい。

そして、励磁ベクトルＥ４を形成した後に、励磁ベクトルＥ４を励磁ベクトルＥ０に近接するまでＣＣＷ方向に回転させた励磁ベクトルＥ５（第２励磁ベクトル）で励磁して、ＣＣＷ方向にロータ１０を回転させている。

すなわち、わずかにＡ相（＋縦軸）側を向いている励磁ベクトルＥ５を除いて、Ａ相側を向いている励磁ベクトルを用いずに、ロータ１０を初期化させている。上述の励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５の向きについて、さらに図６を用いて説明する。

図６は、実施形態に係る励磁ベクトルを２次元座標系における２軸方向の各ベクトルに分解した状態を示す図である。図６に示すように、励磁ベクトルＥ５は、Ａ相の軸方向に分解されたベクトルＥ５ｙがわずかにプラス側（Ａ相側）を向いている。

一方で、励磁ベクトルＥ１は、Ａ相の軸方向に分解されたベクトルＥ１ｙがマイナス側（／Ａ相側）を向いている。また、図６では図示を省略しているが、励磁ベクトルＥ２〜Ｅ４（図５参照）も同様に、Ａ相の軸方向に分解されたベクトルＥ２ｙ〜Ｅ４ｙがすべてマイナス側（／Ａ相側）を向いている。

これにより、接触部１４ａがストッパ６０に到達して接触した後に、励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５での励磁がくり返された場合においても、ロータ１０は大きくＡ相側を向いている励磁ベクトルでは励磁されない。すなわち、初期化期間において、Ａ相側に向かいＣＷ方向に逆回転させるトルクの発生を抑制できることから、ロータ１０がＡ相側に逆回転（ＣＷ回転）することを抑制することができる。

したがって、ストッパ６０を内蔵するステッピングモータ１において、初期化期間にロータ１０の接触部１４ａがストッパ６０を叩く現象を抑制することができる。

さらに、実施形態にかかるステッピングモータ１においては、モータを特殊な構造にすることなく、またＳＳＤ方式のように別途追加された駆動１チップＩＣの機能を用いることなく、初期化期間に接触部１４ａがストッパ６０を叩く現象を抑制することができる。したがって、ステッピングモータ１のコストアップを抑制することができる。

また、図５に示すように、実施形態では、励磁ベクトルＥ５は、励磁ベクトルＥ４を初期化の際の回転方向（図５ではＣＣＷ方向）に、電気角で１８０°以上回転させた励磁ベクトルであるとよい。換言すると、図５に示す角度θ５を、電気角で１８０°以上にするとよい。

これにより、励磁ベクトルＥ４を、Ａ相側ではなく／Ａ相側に確実に向けることができる。したがって、接触部１４ａがストッパ６０に接触した後に、ロータ１０がＡ相側に逆回転することをさらに抑制することができる。

また、実施形態では、上述の１サイクルの最後に励磁ベクトルＥ５（第２励磁ベクトル）で励磁して、接触部１４ａをストッパ６０に接触させている。ここで、励磁ベクトルＥ５は、／Ｂ相から角度θ６だけＡ相側に向いているが、励磁ベクトルＥ５は限りなく／Ｂ相に近くなるように（角度θ６が０°に近づくように）向いている。

これにより、励磁ベクトルＥ５での励磁で接触部１４ａがストッパ６０から浮き上がったとしても、その量は限りなく小さい。したがって、接触部１４ａがストッパ６０を叩いた際に、仮に叩き音が発生したとしても、かかる叩き音は実質的には問題にならない。

なお、実施形態では、角度θ６を、電気角で０°〜３０°の範囲にするとよい。換言すると、励磁ベクトルＥ５は、励磁ベクトルＥ０を初期化の際とは反対の回転方向（図５ではＣＷ方向）に電気角で０°〜３０°の範囲で回転させた励磁ベクトルであるとよい。このように、励磁ベクトルＥ５を、励磁ベクトルＥ０から電気角で０°〜３０°の範囲に近接させることにより、接触部１４ａによる叩き音を抑制することができる。

また、実施形態では、角度θ６を、電気角で０°〜１０°の範囲にするとさらによい。これにより、実際のステッピングモータ１を組み立てる場合の位置公差を考慮した場合、接触部１４ａがストッパ６０に接触した後に、接触部１４ａがストッパ６０から離れることを実質的に防止することができる。

また、実施形態では、励磁ベクトルＥ０と励磁ベクトルＥ４との間に位置する第３励磁ベクトル（励磁ベクトルＥ１、Ｅ２、Ｅ３）を形成した後に、第１励磁ベクトル（励磁ベクトルＥ４）を形成して、ロータ１０を所定の回転方向に回転させるとよい。換言すると、第１励磁ベクトルおよび第２励磁ベクトルの他に、いずれも／Ａ相側を向いている第３励磁ベクトルを用いて、ロータ１０を所定の方向に回転させるとよい。

これにより、接触部１４ａは、励磁ベクトルＥ４に対応する位置に到達するまでに、ＣＣＷ方向に十分な加速を得ることができる。したがって、励磁ベクトルＥ４の向きと励磁ベクトルＥ５の向きとが反対方向であったとしても、接触部１４ａを励磁ベクトルＥ５に対応する位置に確実に到達させることができる。

上述の第３励磁ベクトルは、１つであってもよいし、互いに異なる向きで２つ以上設けられていてもよい。第３励磁ベクトルを互いに異なる向きで２つ以上設けることにより、ロータ１０を所定の回転方向によりスムーズに回転させることができることから、ステッピングモータ１の初期化をより確実に実施することができる。

また、実施形態では、ストッパ６０の位置精度をマイナスにするとよい。ここで、「ストッパ６０の位置精度」とは、励磁ベクトルＥ０で励磁ホールドした際に、ステッピングモータ１のストップ機構に生じる隙間角度または重なり角度のことである。そして、「位置精度がマイナスである」とは、ストップ機構に隙間が空いている状態ではなく、ストップ機構が隙間無く重なっている状態のことである。

ここまで述べた初期化の後、メータを通常の指示モードに切り替えて、初期化で得られた位置を基準にして、任意の物理量に応じた指示値を指針で表示する。ここで、表示される指示値の大きさを、任意の物理量に基づいたパルスの数として指針で表す事ができることから、ステッピングモータ１が搭載されるメータは、メータとして使い勝手が良く、かつ表示品位が高い。

また、ステッピングモータ１が搭載されるメータは、例えば、自動車に搭載される車載用のメータであるとよい。これにより、使い勝手が良く、かつ表示品位が高いメータが搭載される自動車を実現することができる。

＜ステッピングモータの初期化の詳細＞
続いて、図５を用いてステッピングモータ１の初期化の詳細について説明する。ステッピングモータ１の初期化における励磁の手順は、大きく分けて「初期励磁ホールド域」と、「指針駆動域」との２つの部分からなる。

「初期励磁ホールド域」とは、ステッピングモータ１が搭載されるメータの電源起動の初期に、所定の時間、励磁ベクトルＥ０で励磁ホールドする領域のことである。また、「指針駆動域」とは、初期励磁ホールド域の後に、励磁ベクトルＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５の順に所定のサイクル数くり返して励磁する領域のことである。以下においては、まず初期励磁ホールド域について説明し、次に指針駆動域について説明する。

初期励磁ホールド域では、所定の時間、所定の励磁相（図５では／Ｂ相励磁）で励磁して、指針を含めたロータ１０を励磁ホールドする。そして、所定の励磁相に接触部１４ａを電磁的に吸引させた後、かかる励磁相に接触部１４ａを励磁停止させる。ここで、初期励磁ホールド域において指針を含めたロータ１０を確実に停止させることにより、次の「指針駆動域」でロータ１０を確実に所定の方向に回転させることができる。

初期励磁ホールド域で重要となるのは、励磁する励磁相と、励磁する時間（ΔＴ_ｈｏｌｄ）との２点である。そのうち、励磁する励磁相は、例えば、ストッパ６０が配置される励磁相（図５では／Ｂ相）が好ましい。また、もう１点のΔＴ_ｈｏｌｄは、指針を含む慣性モーメントの大きさと、励磁ホールド状態でのステッピングモータ１の発生トルクとに基づいて求めることができる。

ΔＴ_ｈｏｌｄの算出方法は、例えば以下の通りである。まず、メータの指針をシャフト１１に取り付け、所定の条件で励磁ホールド状態とする。この際、指針や接触部１４ａは励磁安定点で停止する。この状態から指針に力を加えて指針を次の励磁安定点に飛ばす。例えば、基本ステップ角１０°のモータであれば４０度ストップピン（ストッパ６０）とは逆側に飛ばす。

すると、指針は振動し、最終的には４０°先の励磁安定点で再度停止する。かかる指針の振動は、ある種の減衰振動と見なすことができる。なお、指針や接触部１４ａが停止した励磁安定点がストッパ６０の位置である場合は、接触部１４ａがストッパ６０で反射するため、振動応答が変わることは言うまでもない。

ここで、この安定するまでの減衰振動の振動周期τを測定して、かかるτの２．５〜１０倍をΔＴ_ｈｏｌｄとして設定するとよい。これにより、最寄りの励磁相（例えば、／Ｂ相）の励磁安定点に指針や接触部１４ａを確実に停止させることができる。

ここで、ΔＴ_ｈｏｌｄを２．５τよりも小さくした場合は、指針を含めたロータ１０が停止しない可能性があることから、次の指針駆動域で初期化が失敗する可能性がある。また、ΔＴ_ｈｏｌｄを１０τよりも大きくした場合は、必要以上に初期化に時間がかかってしまう。

この初期励磁ホールド域の次に実施される指針駆動域では、上述のように、励磁ベクトルＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５の順で励磁する。これにより、接触部１４ａは所定の回転方向（図５ではＣＣＷ方向）に回転してストッパ６０に向かう。指針駆動域では、かかる励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５を１サイクルとして、接触部１４ａがストッパ６０に確実に接触するために必要なサイクル数励磁をくり返す。

上述のように、１電気サイクルの励磁により機械角４０°で回転するステッピングモータ１では、最低９サイクルくり返して励磁する必要がある。しかしながら、脱調のリスク等を考慮すると、実際には１０サイクルから１２サイクル程度励磁し続けるのが好ましい。

このように、指針駆動域においてロータ１０を３６０°以上回転させるように励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５の励磁を繰り返すことにより、接触部１４ａを確実にストッパ６０に接触させることができる。なお、ステッピングモータ１では、ストッパ６０を含めたストップ機構で２０°〜４０°程度占めているので、接触部１４ａの有効回転角は３２０°〜３４０°程度である。

指針駆動域で重要となるのは、励磁ベクトルＥ４から励磁ベクトルＥ５に励磁を切替えるタイミングである。具体的には、励磁ベクトルＥ４での励磁が終わり、励磁ベクトルＥ５での励磁が始まる瞬間のタイミングで、接触部１４ａは、Ｂ相に対応する位置を所定の慣性エネルギー（運動エネルギー）を持って通過している必要がある。換言すると、励磁ベクトルＥ４での励磁が終わるまでの間に、接触部１４ａは指針とともに十分加速して、Ｂ相に対応する位置を通過している必要がある。

なぜなら、励磁ベクトルＥ５での励磁が開始された時に、接触部１４ａの位置がＢ相に対応する位置よりも上流側であれば、励磁ベクトルＥ５で励磁された瞬間に、ロータ１０にはＣＷ方向に逆回転トルクが働き、ロータ１０が脱調する恐れがあるからである。

一方で、励磁ベクトルＥ４での励磁が終わるまでの間に、接触部１４ａがＢ相に対応する位置を通過していれば（Ｂ相に対応する位置よりも下流側であれば）、励磁ベクトルＥ５での励磁が開始されることにより、ロータ１０にはＣＣＷ方向にトルクが働く。

したがって、ロータ１０は、引き続きＣＣＷ方向に回転を続けることができる。本実施形態では、励磁ベクトルＥ４での励磁が終わるまでの間に、接触部１４ａがＢ相に対応する位置を通過するように、励磁ベクトルＥ１〜Ｅ４が設定される。

ここで、上述のタイミングを実現する励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５の励磁時間ｔ１〜ｔ５について示す。例えば、指針を含めたロータ１０の慣性モーメントが０．２５（ｇｃｍ^２）である場合、ｔ１〜ｔ５は以下の表１に示す値にすればよい。なお、この数値は使用するモータ特性（トルク特性、内部慣性モーメントの大きさ等）で変わっても構わない。

また、指針を含めたロータ１０の慣性モーメントが変更された場合、表１に示した励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５の向き（角度θ１〜θ６)を変更することなく、励磁時間ｔ１〜ｔ５のみを変更することで対応可能である。

具体的には、変更後の慣性モーメントをＪ（ｇｃｍ^２）と表し、変更後の励磁時間をｔｎ（ｎｅｗ）（ｎ＝１〜５）（ｍｓ）と表した場合、ｔｎ（ｎｅｗ）は表１に示したｔｎ（ｎ＝１〜５）を用いて以下の式（１）で算出することができる。
ｔｎ（ｎｅｗ）＝ｔｎ×（Ｊ／０．２５）^１／２ （ｍｓ）・・・（１）

さらに、別の実施例として、指針を含めたロータ１０の慣性モーメントと、励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５の向きとをいずれも変更したステッピングモータ１における、θ１〜θ６およびｔ１〜ｔ５の具体例を表２に示す。

ここで、指針の長さが長く、重い指針を用いたメータの場合は、慣性モーメントが大きくなる。この場合、式（１）および表２に示すように、励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５の励磁時間ｔ１〜ｔ５を、慣性モーメントが小さい場合と比べて長くすればよい。

また、ストッパ６０の位置での衝撃による、振動、騒音を低減させるには、励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５の各励磁時間を同一比率で大きくする（平均角速度が下がり、回転速度が落ちる）事や、時間は変えないで、励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５の各ベクトルの絶対値を同一比率で低下させることで、調整する事が可能である。

さらに、接触部１４ａをストッパ６０の位置に到達させる為に、励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５の同一励磁サイクルを複数繰り返すのみでなく、第１サイクルにおける励磁ベクトルと第２サイクル以降における励磁ベクトルとを逐一変えることも可能である。

なぜなら、第１サイクルでは指針は停止状態であるが、第２サイクル以降、指針は既に、平均角速度で回転している状態である。したがって、第２サイクル以降は、回転している状態を考慮した励磁ベクトルＥ１〜Ｅ５に変えることで、より滑らかで、かつ安定な初期動作が期待できる。

また、指針駆動域においては、指針の平均速度設定を速めに設定することにより、指針の動きが滑らかになるのでよい。指針の平均速度設定は、例えば、３６０（°／ｓ）〜１５００（°／ｓ）の範囲にすればよい。

ここで、１電気サイクルの励磁により機械角で４０°進むステッピングモータ１の場合、平均速度設定Ｖ_ａｖｅは、上述のｔ１〜ｔ５から、以下の式（２）で算出することができる。
Ｖ_ａｖｅ＝４０／（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４＋ｔ５）×１０００ （°／ｓ）・・・（２）

上述したように、実施形態によれば、初期化の際の励磁ベクトルの向きおよび励磁時間を制御することにより、初期化期間においてロータ１０の接触部１４ａがストッパ６０を叩く現象を抑制することができる。したがって、ステッピングモータ１のコストを上昇させることなく、ロータ１０の接触部１４ａがストッパ６０を叩く現象の抑制が可能となる。また、ロータ１０の接触部１４ａがストッパ６０を叩く現象を抑制しながら、初期化を確実に実施できるので、ステッピングモータ１が搭載されたメータの表示品位を向上させることができる。

なお、上記の実施形態では、２相のステッピングモータ１について説明したが、初期化期間において励磁ベクトルの向きや励磁時間が調整可能であれば、どのような種類のモータであってもよい。

また、上記の実施形態では、ストッパ６０を／Ｂ相に対応する位置に配置した場合について説明したが、ストッパ６０の配置はこれに限られない。例えば、ストッパ６０をＢ相やＡ相、／Ａ相に対応する位置に配置してもよい。

以上のように、実施形態に係るステッピングモータ１は、ストッパ６０と、ロータ１０と、複数のコイル２６とを備える。ロータ１０は、ストッパ６０と接触する接触部１４ａを有する。複数のコイル２６は、ロータ１０を回動させ、励磁ベクトルを形成する。そして、ロータ１０を所定の方向に回転させて接触部１４ａをストッパ６０に接触させる初期化期間において、複数のコイル２６は、ストッパ６０の位置に対応する励磁相を励磁する初期励磁ベクトルＥ０を形成し、初期励磁ベクトルＥ０を形成した後に、初期励磁ベクトルＥ０とは反対方向の励磁ベクトルに近接する第１励磁ベクトルＥ４を形成し、第１励磁ベクトルＥ４を形成した後に、初期励磁ベクトルＥ０に近接する第２励磁ベクトルＥ５を形成する。また、第１励磁ベクトルＥ４は、初期励磁ベクトルＥ０に対して所定の回転方向に所定の電気角を成す励磁ベクトルであり、第２励磁ベクトルＥ５は、第１励磁ベクトルＥ４に対して所定の回転方向に所定の電気角を成す励磁ベクトルである。これにより、ストッパ６０を内蔵するステッピングモータ１において、初期化期間にロータ１０の接触部１４ａがストッパ６０を叩く現象を抑制することができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１において、第２励磁ベクトルＥ５は、第１励磁ベクトルＥ４に対して所定の回転方向に１８０°以上の電気角を成す励磁ベクトルである。これにより、接触部１４ａがストッパ６０に接触した後に、ロータ１０が逆回転することをさらに抑制することができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１において、第２励磁ベクトルＥ５は、初期励磁ベクトルＥ０に対して所定の回転方向の反対方向に０°〜３０°の範囲内にある電気角を成す励磁ベクトルである。これにより、接触部１４ａによる叩き音を抑制することができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１において、複数のコイル２６は、初期励磁ベクトルＥ０と第１励磁ベクトルＥ４との間に位置する第３励磁ベクトルＥ１（Ｅ２、Ｅ３）を形成した後に、第１励磁ベクトルＥ４を形成する。これにより、接触部１４ａを励磁ベクトルＥ５に対応する位置に確実に到達させることができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１において、第３励磁ベクトルＥ１（Ｅ２、Ｅ３）は、互いに異なる向きで２つ以上設けられる。これにより、ステッピングモータ１の初期化をより確実に実施することができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１において、複数のコイル２６は、第３励磁ベクトルＥ１（Ｅ２、Ｅ３）、第１励磁ベクトルＥ４および第２励磁ベクトルＥ５の励磁ベクトル列を、ロータ１０が３６０°以上回転するまで、繰り返して形成する。これにより、接触部１４ａを確実にストッパ６０に接触させることができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１は、メータの指針を回動させる。これにより、使い勝手が良く、かつ表示品位が高いメータを実現することができる。

また、実施形態に係る自動車は、ステッピングモータ１と、ステッピングモータ１が取り付けられた、指針を有するメータを備える。これにより、使い勝手が良く、かつ表示品位が高いメータが搭載された自動車を実現することができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ ステッピングモータ
２ 制御部
１０ ロータ
１１ シャフト
１２ ロータマグネット
１３ スリーブ
１４ ストップ部
１４ａ 接触部
２０ ステータ
２１ Ａ相ステータ
２２ Ｂ相ステータ
２３ カップ状ヨーク
２４ 円板状ヨーク
２５ ボビン
２６ コイル
２７ａ〜２７ｄ 端子ピン
３０ エンドプレート
４０ フロントプレート
４１ａ〜４１ｄ 外部端子ピン
４２ 固着接点
５０ モールド樹脂
６０ ストッパ
Ｅ０〜Ｅ５ 励磁ベクトル

Claims (8)

1. ストッパと、
   前記ストッパと接触する接触部を有するロータと、
   前記ロータを回動させ、励磁ベクトルを形成する複数のコイルと、
   を備え、
   前記ロータを所定の回転方向に回転させて前記接触部を前記ストッパに接触させる初期化期間において、
   前記複数のコイルは、
   前記ストッパの位置に対応する励磁相を励磁する初期励磁ベクトルを形成し、
   前記初期励磁ベクトルを形成した後に、前記初期励磁ベクトルとは反対方向の励磁ベクトルに近接する第１励磁ベクトルを形成し、
   前記第１励磁ベクトルを形成した後に、前記初期励磁ベクトルに近接する第２励磁ベクトルを形成し、
   前記第１励磁ベクトルは、前記初期励磁ベクトルに対して前記所定の回転方向に所定の電気角を成す励磁ベクトルであり、
   前記第２励磁ベクトルは、前記第１励磁ベクトルに対して前記所定の回転方向に所定の電気角を成す励磁ベクトルである、
   ステッピングモータ。
2. 前記第２励磁ベクトルは、
   前記第１励磁ベクトルに対して前記所定の回転方向に１８０°以上の電気角を成す励磁ベクトルである、
   請求項１に記載のステッピングモータ。
3. 前記第２励磁ベクトルは、
   前記初期励磁ベクトルに対して前記所定の回転方向の反対方向に０°〜３０°の範囲内にある電気角を成す励磁ベクトルである、
   請求項１または２に記載のステッピングモータ。
4. 前記複数のコイルは、
   前記初期励磁ベクトルと前記第１励磁ベクトルとの間に位置する第３励磁ベクトルを形成した後に、前記第１励磁ベクトルを形成する、
   請求項１〜３のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
5. 前記第３励磁ベクトルは、
   互いに異なる向きで２つ以上設けられる、
   請求項４に記載のステッピングモータ。
6. 前記複数のコイルは、
   前記第３励磁ベクトル、前記第１励磁ベクトルおよび前記第２励磁ベクトルの励磁ベクトル列を、前記ロータが３６０°以上回転するまで、繰り返して形成する、
   請求項４または５に記載のステッピングモータ。
7. 前記ロータはメータの指針を回動させる、
   請求項１〜６のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
8. 請求項７に記載のステッピングモータと、
   前記ステッピングモータが取り付けられた、前記指針を有するメータを備える
   自動車。

Images