JP2018057088A - ステッピングモータおよび自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】１種類のステッピングモータで、時計回りおよび反時計回りの２種類のメータを両方精度よく実現すること。【解決手段】実施形態のステッピングモータは、ストッパと、ストッパと接触する接触部を有するロータと、ロータを回動させる励磁ベクトルを形成する複数のコイルとを備える。ストッパは、ロータが第１回転方向に回転する場合に接触部と接触する第１ストッパ部と第２回転方向に回転する場合に接触部と接触する第２ストッパ部とを有する。そして、初期化の期間内において、第１回転方向に回転した接触部が第１ストッパ部に接触した時又は後にコイルが形成する第１励磁ベクトルおよび第２回転方向に回転した接触部が第２ストッパ部に接触した時又は後にコイルが形成する第２励磁ベクトルは、接触部を第１ストッパ部に接触させる第１ストッパ部励磁ベクトルと接触部を第２ストッパ部に接触させる第２ストッパ部励磁ベクトルとの間に位置する。【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、ロータを所定の方向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８−１８２３０１号公報

しかしながら、従来のステッピングモータでは、１種類のステッピングモータで、時計回りおよび反時計回りの２種類のメータを両方精度よく実現することは困難である。なぜなら、従来のステッピングモータでは、ロータを所定の一方向に回転させて精度よく初期化を行うことはできるが、同じ種類のステッピングモータでロータを所定の方向とは反対の方向に回転させて、所定の方向と同様に精度よく初期化を行うことは困難だからである。すなわち、時計回りおよび反時計回りの２種類のメータを実現するには、それぞれ初期化における所定の方向が異なる２種類のステッピングモータが必要となるからである。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、１種類のステッピングモータで、時計回りおよび反時計回りの２種類のメータを両方精度よく実現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る励磁ベクトルを形成する。また、前記ストッパは、前記ロータが第１回転方向に回転する場合に前記接触部と接触する第１ストッパ部と、前記ロータが前記第１回転方向とは逆方向の第２回転方向に回転する場合に前記接触部と接触する第２ストッパ部と、を有する。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の期間内において、前記第１回転方向に回転した前記接触部が前記第１ストッパ部に接触した時又は後に、前記複数のコイルが形成する第１励磁ベクトル、および、前記第２回転方向に回転した前記接触部が前記第２ストッパ部に接触した時又は後に、前記複数のコイルが形成する第２励磁ベクトルは、当該接触部を当該第１ストッパ部に接触させる第１ストッパ部励磁ベクトルと当該接触部を当該第２ストッパ部に接触させる第２ストッパ部励磁ベクトルとの間に位置する。

本発明の一態様によれば、１種類のステッピングモータで、時計回りおよび反時計回りの２種類のメータを両方精度よく実現することができる。

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第１回転方向での初期化における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、実施形態に係るステッピングモータの第２回転方向での初期化における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７は、実施形態の変形例に係るステッピングモータの第１回転方向での初期化における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。

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１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１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１を構成するロータ１０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。

図４は、実施形態に係るステッピングモータ１に接続された制御部２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。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。

なお、図１〜図４には図示しないが、ステッピングモータ１は、モータ磁極数が１８極以上あるとよい。また、ロータ１０の有効回転角が２７０°以上あるとよい。

＜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。まずは第１回転方向での初期化について図５を用いて説明し、続いて第２回転方向での初期化について図６を用いて説明する。図５は、実施形態に係るステッピングモータ１の第１回転方向Ｒ１で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。

なお、本実施形態では、ステッピングモータ１の第１回転方向をＣＣＷ（反時計回り）回転とし、第２回転方向をＣＷ（時計回り）回転とするが、実施形態はこれに限られない。ステッピングモータ１の第１回転方向をＣＷ回転とし、第２回転方向をＣＣＷ回転としてもよい。

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。

そして、ストッパ６０は、／Ｂ相（−横軸）に対応する位置に近接して配置される。ストッパ６０は、第１ストッパ部６０ａと、第２ストッパ部６０ｂとを有する。第１ストッパ部６０ａは、ロータ１０（図２参照）が第１回転方向Ｒ１に回転する初期化の際に、接触部１４ａ（図３参照）と接触するストッパ６０の一端側に設けられている。また、第２ストッパ部６０ｂは、第２回転方向Ｒ２（図６参照）に回転する初期化の際に、接触部１４ａと接触するストッパ６０の他端側に設けられている。

また、第１ストッパ部６０ａは、／Ｂ相とＡ相との間に配置され、第２ストッパ部６０ｂは、／Ｂ相と／Ａ相（−縦軸）との間に配置される。

ここで、ステッピングモータ１がＣＷ回転（すなわち、初期化はＣＣＷ回転）のメータに搭載された場合、第１ストッパ部６０ａ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。

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に、接触部１４ａが引っ張り込まれるようにロータ１０が回動する。換言すると、励磁ベクトルの向きに対応した位置に向かって接触部１４ａが回動する。

上述の構成を有するステッピングモータ１の初期化は、まず、メータの電源起動の初期に、所定の時間、所定の励磁相（例えば、／Ｂ相）の励磁ベクトルで初期励磁を行う。次に、ロータ１０にＣＣＷ回転のトルクがかかるように、所定の励磁ベクトルで励磁する。これにより、接触部１４ａはＣＣＷ方向に回転して第１ストッパ部６０ａに向かう。

そして、接触部１４ａが第１ストッパ部６０ａに到達した後、複数のコイル２６は、最後に第１励磁ベクトルＥ１を形成して初期化を完了させる。ここで、第１励磁ベクトルＥ１は、第１ストッパ部６０ａの位置に対応する第１ストッパ部励磁ベクトルＥａと、第２ストッパ部６０ｂの位置に対応する第２ストッパ部励磁ベクトルＥｂとの間に位置する励磁ベクトルである。

第１励磁ベクトルＥ１は、後述する第１ストッパ部６０ａの位置に対応する箇所からＣＣＷ方向（第１回転方向Ｒ１）の下流側にある所定の位置に向かって、ロータ１０の接触部１４ａを回動させる励磁ベクトルである。ここで、第１ストッパ部６０ａの位置に対応する箇所とは、第１ストッパ部６０ａと対向するロータ１０の一部分の位置である。

第２励磁ベクトルＥ２は、後述する第２ストッパ部６０ｂの位置に対応する箇所からＣＷ方向（第２回転方向Ｒ２）の下流側にある所定の位置に向かって、ロータ１０の接触部１４ａを回動させる励磁ベクトルである。ここで、第２ストッパ部６０ｂの位置に対応する箇所とは、第２ストッパ部６０ｂと対向するロータ１０の一部分の位置である。

第１ストッパ部励磁ベクトルＥａは、ロータ１０の接触部１４ａを第１ストッパ部６０ａの位置へと（にまで）回動させ、第１ストッパ部６０ａに接触させる励磁ベクトルである。また、第２ストッパ部励磁ベクトルＥｂは、ロータ１０の接触部１４ａを第２ストッパ部６０ｂの位置へと（にまで）回動させ、第２ストッパ部６０ｂに接触させる励磁ベクトルである。

さらに換言すると、第１励磁ベクトルＥ１は、第１ストッパ部６０ａの位置に対応する箇所からＣＣＷ方向（第１回転方向Ｒ１）の下流側に配置されている。第１励磁ベクトルＥ１は、例えば、ストッパ６０が近接する励磁相である／Ｂ相を励磁する励磁ベクトルである。

この第１励磁ベクトルＥ１は、第１ストッパ部励磁ベクトルＥａと第２ストッパ部励磁ベクトルＥｂが成す角度の範囲内にある。また、かかる角度は比較的狭く、図示の例では鋭角である。

これにより、接触部１４ａは、第１ストッパ部６０ａよりも下流側に引き寄せられ、第１ストッパ部６０ａに押しつけられることから、初期化の完了時に接触部１４ａが第１ストッパ部６０ａから離間することを抑制することができる。したがって、ＣＣＷ方向（第１回転方向Ｒ１）での初期化の精度を良好に維持することができる。

続いて、図６を参照して、上述のステッピングモータ１の第２回転方向Ｒ２での初期化について説明する。図６は、実施形態に係るステッピングモータ１の第２回転方向Ｒ２での初期化における励磁ベクトルを示す図である。

図６に示すように、第２回転方向Ｒ２での初期化の場合、ストッパ６０は、Ｂ相に対応する位置に近接して配置される。そして、第２ストッパ部６０ｂは、Ｂ相とＡ相との間に配置され、第１ストッパ部６０ａは、Ｂ相と／Ａ相との間に配置される。

ここで、ステッピングモータ１がＣＣＷ回転（すなわち、初期化はＣＷ回転）のメータに搭載された場合、第２ストッパ部６０ｂは、例えばメータの原点に対応する位置に配置され、接触部１４ａ（図３参照）は、例えばメータの指針に対応する位置に配置される。

ステッピングモータ１の初期化は、上述の第１回転方向Ｒ１での初期化と同様に、メータの電源起動の初期に、所定の時間、所定の励磁相（例えば、Ｂ相）の励磁ベクトルで初期励磁を行う。次に、ＣＷ回転のトルクがロータ１０にかかるように、所定の励磁ベクトルで励磁する。これにより、接触部１４ａはＣＷ方向に回転して第２ストッパ部６０ｂに向かう。

そして、接触部１４ａが第２ストッパ部６０ｂに到達した後、複数のコイル２６（図２参照）は、最後に第２励磁ベクトルＥ２を形成して初期化を完了させる。ここで、第２励磁ベクトルＥ２は、第１ストッパ部励磁ベクトルＥａと第２ストッパ部励磁ベクトルＥｂとの間に位置する励磁ベクトルである。

この第２励磁ベクトルＥ２は、第１ストッパ部励磁ベクトルＥａと第２ストッパ部励磁ベクトルＥｂが成す角度の範囲内にある。また、かかる角度は比較的狭く、図示の例では鋭角である。

換言すると、第２励磁ベクトルＥ２は、第２ストッパ部６０ｂの位置に対応する箇所からＣＷ方向（第２回転方向Ｒ２）の下流側に配置されている。第２励磁ベクトルＥ２は、例えば、ストッパ６０が近接する励磁相であるＢ相を励磁する励磁ベクトルである。

これにより、接触部１４ａは、第２ストッパ部６０ｂよりも下流側に引き寄せられ、第２ストッパ部６０ｂに押しつけられることから、初期化の完了時に接触部１４ａが第２ストッパ部６０ｂから離間することを抑制することができる。したがって、ＣＷ方向（第２回転方向Ｒ２）での初期化の精度を良好に維持することができる。

ここまで説明したように、実施形態において、第１回転方向Ｒ１で初期化を完了させる際の第１励磁ベクトルＥ１と、第２回転方向Ｒ２で初期化を完了させる際の第２励磁ベクトルＥ２とは、両方とも第１ストッパ部励磁ベクトルＥａと第２ストッパ部励磁ベクトルＥｂとの間に位置する励磁ベクトルである。これにより、第１回転方向Ｒ１での初期化においても、第２回転方向Ｒ２での初期化においても、初期化の精度を良好に維持することができる。

そして、初期化が完了した時点で、接触部１４ａは第１ストッパ部６０ａ又は第２ストッパ部６０ｂに間隙が無い状態で接触している（接触状態）。この接触状態は、第１励磁ベクトルＥ１、第２励磁ベクトルＥ２により保持され続ける。

すなわち、ステッピングモータ１は、ＣＷ回転のメータに搭載された場合にも、ＣＣＷ回転のメータに搭載された場合にも、接触部１４ａを第１ストッパ部６０ａ又は第２ストッパ部６０ｂに接触させ、良好な精度で初期化を完了させることができる。したがって、１種類のステッピングモータ１で、ＣＷ回転とＣＣＷ回転の２種類のメータを、両方精度よく実現することができる。

なお、初期化が完了した時点で、接触部１４ａと、第１ストッパ部６０ａ又は第２ストッパ部６０ｂとの間に所定の間隙がある場合には、接触部１４ａが第１ストッパ部６０ａ又は第２ストッパ部６０ｂを叩き、異音が発生する場合がある。

また、実施形態において、図５に示した第１回転方向Ｒ１での初期化の場合、第１励磁ベクトルＥ１は、第１ストッパ部励磁ベクトルＥａを第１回転方向Ｒ１に電気角で０°〜４５°の範囲で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θ１を、電気角で０°〜４５°の範囲にするとよい。

角度θ１をかかる範囲にすることにより、ロータ１０の接触部１４ａを、第１励磁ベクトルＥ１が励磁する／Ｂ相に引き込むことができ、第１回転方向Ｒ１での初期化の完了時に接触部１４ａの跳ね返りを防止することができる。したがって、初期化の精度をさらに良好に維持することができる。

また、実施形態において、図６に示した第２回転方向Ｒ２での初期化の場合、第２励磁ベクトルＥ２は、第２ストッパ部励磁ベクトルＥｂを第２回転方向Ｒ２に電気角で０°〜２２．５°の範囲で回転させた励磁ベクトルであるとよい。換言すると、図６に示す角度θ２を、電気角で０°〜２２．５°の範囲にするとよい。

角度θ２をかかる範囲にすることにより、ロータ１０の接触部１４ａを、第２励磁ベクトルＥ２が励磁するＢ相に引き込むことができ、第２回転方向Ｒ２での初期化の完了時に接触部１４ａの跳ね返りを防止することができる。したがって、初期化の精度をさらに良好に維持することができる。

なお、第１ストッパ部励磁ベクトルＥａと第１励磁ベクトルＥ１との角度θ１（回転方向がＣＣＷである場合）、又は、第２ストッパ部励磁ベクトルＥｂと第２励磁ベクトルＥ２との角度θ２（回転方向がＣＷである場合）が指針のオフセット量となり、指針の精度の誤差となる場合がある。実施形態においては、この誤差を解消するために、キャリブレーションを行っても構わない。

具体的なキャリブレーションとしては、初期励磁（例えば／Ｂ励磁）で指針が零の位置から順次パルスをコイル２６に入力して行き、指針の動きをカメラ等でチェックし、指針が動き出すまでのパルス数を測定して、このパルス数を計器の固有のプリセット値としてＩＣ等の電子部品に記録する。

計器は駆動する毎にこのプリセット値に相当する所定のパルス数が加わったパルスをコイル２６に入力することで、このオフセット値を補正しつつ、指針を所定の角度に動かすことができる。一方で、この誤差が精度上小さければ、上述のキャリブレーションを行わなくても構わない。

また、実施形態において、第１ストッパ部６０ａと第２ストッパ部６０ｂとは、１つのストッパ６０の両端側にそれぞれ設けられているとよい。これにより、１つのストッパ６０で２つのストッパ部を同時に形成することができることから、製造コストの低いステッピングモータ１を実現することができる。

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、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、所定の励磁相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、所定の励磁ベクトルで励磁して、ロータ１０を所定の回転方向に回転させ、接触部１４ａをストッパ６０に到達させ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、図６ではＢ相）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、励磁ホールドする時間（／Ｂ_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が近接する励磁相（図５では／Ｂ相、図６ではＢ相）が好ましい。また、もう１点の／Ｂ_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。

／Ｂ_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ｔ_{ｐｅｒｉｏｄ}を測定して、かかるｔ_{ｐｅｒｉｏｄ}の５〜１０倍を／Ｂ_ｈｏｌｄとして設定するとよい。これにより、最寄りの励磁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、／Ｂ_ｈｏｌｄを５ｔ_{ｐｅｒｉｏｄ}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、／Ｂ_ｈｏｌｄを１０ｔ_{ｐｅｒｉｏｄ}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、所定の励磁ベクトルで励磁することにより、接触部１４ａは所定の回転方向（図５ではＣＣＷ方向、図６ではＣＷ方向）に回転してストッパ６０に向かう。

なお、所定の励磁ベクトルは、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。

ここで、接触部１４ａがステッピングモータ１のどこに位置するのか初期励磁ホールド域の時点では不明なことから、指針駆動域では、３６０度よりも多めにロータ１０を回転動作させて、確実に接触部１４ａをストッパ６０に到達させるように初期化を行う。そして、所定の回転動作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、引き続き所定の回転動作を行うための励磁が実施される。

この際、ロータ１０に一時的に逆回転トルクを与える励磁ベクトルが形成されることから、ロータ１０が一時的に逆回転した後に再度正回転することにより、接触部１４ａがストッパ６０を叩く現象が生じる場合がある。かかる現象を抑制するために、ステッピングモータ１では、例えば、ＳＳＤ（Stepper Stall Detection）機能を用いた初期化を行えばよい。なお、ステッピングモータ１では、上述のＳＳＤ機能以外の手法により、接触部１４ａがストッパ６０を叩く現象を抑制してもよい。

そして、指針駆動域の最終段階で、複数のコイル２６（図２参照）が第１励磁ベクトルＥ１（または第２励磁ベクトルＥ２）を形成し、ロータ１０を第１励磁ベクトルＥ１（または第２励磁ベクトルＥ２）で励磁して、初期化を完了させる。

ここで、上述のように、第１ストッパ部６０ａ（または第２ストッパ部６０ｂ）をメータの原点に対応する位置に配置して、接触部１４ａをメータの指針に対応する位置に配置した場合、初期化の完了により、メータの指針は、メータの原点に位置合わせされて停止する。

しかしながら、メータの原点および指針の配置は、上述の実施形態に限られない。例えば、図５に示した実施形態におけるメータの原点を、第１ストッパ部６０ａではなくストッパ６０が近接する励磁相（例えば、図５では／Ｂ励磁相）に対応する位置に配置してもよい。

この場合、初期化の完了時に、メータの原点とメータの指針との位置は、角度θ１だけずれることになる。しかしながら、例えばステッピングモータ１が３６ステップである場合、電気角４５°が機械角５°に相当することから、メータの原点と、第１ストッパ部６０ａとの公差は最大でも５°となる。ステッピングモータ１を作ることを考えると、最大５°の交差はステッピングモータ１のサイズでは適当である。

＜変形例＞
続いて、実施形態にかかるステッピングモータ１の変形例について説明する。図７は、変形例に係るステッピングモータ１の第１回転方向Ｒ１での初期化における励磁ベクトルを示す図である。なお、図７は、実施形態における図５に対応している。

変形例に係るステッピングモータ１は、ストッパ６０の構成が上述の実施形態と異なる。その他の点は実施形態と同様であり、共通の構成については同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。

図７に示すように、変形例に係るステッピングモータ１には、２つのストッパ６０が設けられている。そして、それぞれのストッパ６０に、第１ストッパ部６０ａと第２ストッパ部６０ｂとが構成されている。これにより、第１ストッパ部６０ａと第２ストッパ部６０ｂとをそれぞれ所望の位置に配置することができることから、ＣＷ回転のメータに搭載された場合にも、ＣＣＷ回転のメータに搭載された場合にも、さらに良好な精度で初期化を実施することができる。

上述したように、実施形態によれば、第１回転方向Ｒ１で初期化を完了させる際の第１励磁ベクトルＥ１と、第２回転方向Ｒ２で初期化を完了させる際の第２励磁ベクトルＥ２とを、両方とも第１ストッパ部励磁ベクトルＥａと第２ストッパ部励磁ベクトルＥｂとの間に配置することにより、どちらの回転方向のメータに搭載された場合にも、良好な精度で初期化を実施することができる。したがって、１種類のステッピングモータ１で、時計回りおよび反時計回りの２種類のメータを両方精度よく実現することができる。

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、計器用指針駆動用のステッピングモータは大きく分けて、モータ軸に直接指針を付けるタイプと、モータ軸に減速ギアを介して指針を付けるタイプがある。特に、前者の場合、回転方向がＣＷである仕様、回転方向がＣＣＷである仕様の双方を両立させることは精度の点で難しい。一方、後者の場合には、減速ギアを用いているので、精度の観点で猶予が発生して共用することができる。よって、前者のようなタイプに上記の実施形態を採用することで、精度の観点で共用を可能にできる。

さらに、上記の実施形態では、第１回転方向Ｒ１での初期化の際にはストッパ６０を／Ｂ相に対応する位置の近傍に配置し、第２回転方向Ｒ２での初期化の際にはストッパ６０をＢ相に対応する位置の近傍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、第１回転方向Ｒ１での初期化の際に、ストッパ６０をＢ相、Ａ相、／Ａ相に対応する位置の近傍に配置してもよいし、第２回転方向Ｒ２での初期化の際に、ストッパ６０を／Ｂ相、Ａ相、／Ａ相に対応する位置の近傍に配置してもよい。

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を回動させる励磁ベクトルを形成する。また、ストッパ６０は、ロータ１０が第１回転方向Ｒ１に回転する場合に接触部１４ａと接触する第１ストッパ部６０ａと、ロータ１０が第１回転方向Ｒ１とは逆方向の第２回転方向Ｒ２に回転する場合に接触部１４ａと接触する第２ストッパ部６０ｂと、を有する。そして、ロータ１０を所定の回転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の期間内において、第１回転方向Ｒ１に回転した接触部１４ａが第１ストッパ部６０ａに接触した時又は後に、複数のコイル２６が形成する第１励磁ベクトルＥ１、および、第２回転方向Ｒ２に回転した接触部１４ａが第２ストッパ部６０ｂに接触した時又は後に、複数のコイル２６が形成する第２励磁ベクトルＥ２は、接触部１４ａを第１ストッパ部６０ａに接触させる第１ストッパ部励磁ベクトルＥａと接触部１４ａを第２ストッパ部６０ｂに接触させる第２ストッパ部励磁ベクトルＥｂとの間に位置する。これにより、１種類のステッピングモータ１で、時計回りおよび反時計回りの２種類のメータを両方精度よく実現することができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１において、第１励磁ベクトルＥ１は、第１ストッパ部励磁ベクトルＥａに対して第１回転方向Ｒ１に０°〜４５°の範囲にある所定の電気角を成す励磁ベクトルである。これにより、第１回転方向Ｒ１での初期化の精度をさらに良好に維持することができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１において、第１励磁ベクトルＥ１は、接触部１４ａを、第１ストッパ部６０ａと対向するロータ１０の一部分の位置から後方の位置に向かって回動させる。これにより、第１回転方向Ｒ１での初期化の精度をさらに良好に維持することができる。

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Ｅ２は、第２ストッパ部励磁ベクトルＥｂから第２回転方向Ｒ２に電気角で０°〜２２．５°の範囲で回転させた励磁ベクトルである。これにより、第２回転方向Ｒ２での初期化の精度をさらに良好に維持することができる。

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Ｅ２は、接触部１４ａを、第２ストッパ部６０ｂと対向するロータ１０の一部分の位置から後方の位置に向かって回動させる。これにより、第２回転方向Ｒ２での初期化の精度をさらに良好に維持することができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１において、第１ストッパ部６０ａと第２ストッパ部６０ｂとは、１つのストッパ６０の両端側にそれぞれ設けられている。これにより、製造コストの低いステッピングモータ１を実現することができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１において、第１ストッパ部６０ａと第２ストッパ部６０ｂとは、２つのストッパ６０にそれぞれ設けられている。これにより、ＣＷ回転のメータに搭載された場合にも、ＣＣＷ回転のメータに搭載された場合にも、さらに良好な精度で初期化を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、指針を有するメータとを備える。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
６０ａ 第１ストッパ部
６０ｂ 第２ストッパ部
Ｅ１ 第１励磁ベクトル
Ｅ２ 第２励磁ベクトル
Ｅａ 第１ストッパ部励磁ベクトル
Ｅｂ 第２ストッパ部励磁ベクトル
Ｒ１ 第１回転方向
Ｒ２ 第２回転方向

Claims (9)

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る励磁ベクトルを形成する複数のコイルと、
   を備え、
   前記ストッパは、
   前記ロータが第１回転方向に回転する場合に前記接触部と接触する第１ストッパ部と、前記ロータが前記第１回転方向とは逆方向の第２回転方向に回転する場合に前記接触部と接触する第２ストッパ部と、を有し、
   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の期間内において、
   前記第１回転方向に回転した前記接触部が前記第１ストッパ部に接触した時又は後に、前記複数のコイルが形成する第１励磁ベクトル、および、前記第２回転方向に回転した前記接触部が前記第２ストッパ部に接触した時又は後に、前記複数のコイルが形成する第２励磁ベクトルは、当該接触部を当該第１ストッパ部に接触させる第１ストッパ部励磁ベクトルと当該接触部を当該第２ストッパ部に接触させる第２ストッパ部励磁ベクトルとの間に位置する、
   ステッピングモータ。
2. 前記第１励磁ベクトルは、
   前記第１ストッパ部励磁ベクトルに対して前記第１回転方向に０°〜４５°の範囲にある所定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１励磁ベクトルは、前記接触部を、前記第１ストッパ部と対向する前記ロータの一部分の位置から後方の位置に向かって回動させる、
   請求項２に記載のステッピングモータ。
4. 前記第２励磁ベクトルは、
   前記第２ストッパ部励磁ベクトルから前記第２回転方向に電気角で０°〜２２．５°の範囲で回転させた励磁ベクトルである、
   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２励磁ベクトルは、前記接触部を、前記第２ストッパ部と対向する前記ロータの一部分の位置から後方の位置に向かって回動させる、
   請求項４に記載のステッピングモータ。
6. 前記第１ストッパ部と前記第２ストッパ部とは、
   １つの前記ストッパの両端側にそれぞれ設けられている、
   請求項１〜５のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
7. 前記第１ストッパ部と前記第２ストッパ部とは、
   ２つの前記ストッパにそれぞれ設けられている、
   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. メータの指針を回動させる、
   請求項１〜７のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
9. 請求項８に記載のステッピングモータと、
   前記指針を有するメータと、
   を備える自動車。

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