JP2018182793A - ステッピングモータおよび自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】ステッピングモータにおいて回転むらを低減すること。【解決手段】実施形態のステッピングモータは、周方向に多極着磁される永久磁石を有するロータと、コイルを有し、第１相における励磁ベクトルを形成する第１ステータと、コイルを有し、第２相における励磁ベクトルを形成する第２ステータと、を備える。そして、第１相と第２相との位相差が電気角で９０°より大きい。また、実施形態のステッピングモータにおいて、第１相と第２相との位相差が電気角で９１°以上９９°以下であるとよい。【選択図】図１

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、車載用などのメータにおいて指針を回動させるモータとして、ステッピングモータが用いられている。かかるステッピングモータは、入力パルス数に応じて出力軸がステップ状に回転し、入力パルス周波数を一定にすれば出力軸の回転速度が一定となる定速性を有している。

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は、巨視的には定速性を有している一方で、微視的には最大回転速度と最小回転速度との間を周期的に変動している。そして、メータにおいて指針を回動させる場合、かかる最大回転速度と最小回転速度との差である回転むらが問題となる恐れがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、ステッピングモータにおいて回転むらを低減することを目的とする。

本発明の一態様に係るステッピングモータは、周方向に多極着磁される永久磁石を有するロータと、コイルを有し、第１相における励磁ベクトルを形成する第１ステータと、コイルを有し、第２相における励磁ベクトルを形成する第２ステータと、を備える。そして、前記第１相と前記第２相との位相差が電気角で９０°より大きい。

本発明の一態様によれば、ステッピングモータにおいて回転むらを低減することができる。

図１は、第１の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、第１の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、第１の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４は、第１の実施形態に係るステッピングモータにおけるＡ相とＢ相との位相差に対する動的最大角度誤差の測定結果を示す図である。 図５は、第１の実施形態に係るＢ−ＥＭＦ波形の一例を示す図である。 図６は、第１の実施形態の変形例１に係るステッピングモータにおけるロータマグネットの着磁状態を模式的に示す図である。 図７は、第１の実施形態の変形例２に係るステッピングモータにおけるロータマグネットの着磁状態を模式的に示す図である。 図８は、第２の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９は、第２の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１０は、第２の実施形態に係るステッピングモータのＡ相ステータとＢ相ステータとで形成されるそれぞれの励磁ベクトルに対応する位置におけるコギングトルクの向きを模式的に示す図である。 図１１は、第２の実施形態に係るストッパの位置を模式的に示す図である。 図１２は、第２の実施形態の変形例３に係るストッパの位置を模式的に示す図である。 図１３は、第２の実施形態の変形例４に係るストッパの位置を模式的に示す図である。 図１４は、第２の実施形態の変形例５に係るストッパの位置を模式的に示す図である。 図１５は、第２の実施形態の変形例６に係るストッパの位置を模式的に示す図である。 図１６は、第２の実施形態の変形例７に係るストッパの位置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。

＜第１の実施形態＞
最初に、第１の実施形態に係るステッピングモータ１の構成について説明する。図１および図２は、第１の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、第１の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、第１の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、たとえば、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、アルミニウムと他の金属との合金で形成されたスリーブ１３の中央に圧入されて固定されており、シャフト１１はスリーブ１３の軸となっている。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（着磁）、周方向に異なる磁極を有する、いわゆる異方性を有する磁石となっている。

ステータ２０は、互いに同様の構成を有する環状の第１ステータ（以下、Ａ相ステータと呼称する）２１と第２ステータ（以下、Ｂ相ステータと呼称する）２２とを備える。かかるＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２と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。以下においては、Ａ相ステータ２１の内部構造についてまず説明し、続いてＢ相ステータ２２の内部構造について説明する。

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）２３ａと、円板状ヨーク（第２ヨーク）２４ａと、ボビン２５ａと、コイル２６ａとを備える。

カップ状ヨーク２３ａは、カップ状の外形を有し、軟磁性体の鋼板で形成され、軸方向（図２で上下方向）において円板状ヨーク２４ａと離間するように組まれている。カップ状ヨーク２３ａは底板２３ａｂを有する。そして、かかる底板２３ａｂ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２３ａａが櫛歯状に形成されている。

円板状ヨーク２４ａは、軸方向から見て、円板状の外形を有する平面形状を備え、軟磁性体の鋼板で形成され、円板状ヨーク２４ａの外周縁がカップ状ヨーク２３ａの内周面に嵌着されている。また、円板状ヨーク２４ａ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２４ａａが櫛歯状に形成されている。そして、カップ状ヨーク２３ａの極歯２３ａａと円板状ヨーク２４ａの極歯２４ａａとは、周方向に交互に噛み合わされている。

ボビン２５ａは、絶縁性を有する樹脂部材で形成され、ボビン２５ａの周縁の一部に端子台２５ａａが一体成形によって形成されている。また、コイル２６ａは、ボビン２５ａに巻回され、カップ状ヨーク２３ａと円板状ヨーク２４ａとの間であって極歯２３ａａ、２４ａａの外周側に配置されている。

Ｂ相ステータ２２は、Ａ相ステータ２１と同様、カップ状ヨーク（第１ヨーク）２３ｂと、円板状ヨーク（第２ヨーク）２４ｂと、ボビン２５ｂと、コイル２６ｂとを備える。

カップ状ヨーク２３ｂは、カップ状の外形を有し、軟磁性体の鋼板で形成され、軸方向において円板状ヨーク２４ｂと離間するように組まれている。カップ状ヨーク２３ｂは底板２３ｂｂを有する。そして、かかる底板２３ｂｂ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２３ｂａが櫛歯状に形成されている。

円板状ヨーク２４ｂは、軸方向から見て、円板状の外形を有する平面形状を備え、軟磁性体の鋼板で形成され、円板状ヨーク２４ｂの外周縁がカップ状ヨーク２３ｂの内周面に嵌着されている。また、円板状ヨーク２４ｂ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２４ｂａが櫛歯状に形成されている。そして、カップ状ヨーク２３ｂの極歯２３ｂａと円板状ヨーク２４ｂの極歯２４ｂａとは、周方向に交互に噛み合わされている。

ボビン２５ｂは、絶縁性を有する樹脂部材で形成され、ボビン２５ｂの外周部の一部に端子台２５ｂａが一体成形によって形成されている。また、コイル２６ｂは、ボビン２５ｂに巻回され、カップ状ヨーク２３ｂと円板状ヨーク２４ｂとの間であって極歯２３ｂａ、２４ｂａの外周側に配置されている。

そして、端子台２５ａａおよび端子台２５ｂａ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２６ａの端末２６ａａおよびコイル２６ｂの端末２６ｂａが絡げられて接続されている。

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、Ａ相ステータ２１の極歯２３ａａと極歯２４ａａとの間、およびＢ相ステータ２２の極歯２３ｂａと極歯２４ｂａとの間に充填されている。

ここで、第１の実施形態に係るステッピングモータ１は、図１に示すように、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とが、Ａ相ステータ２１のＡ相に対してＢ相ステータ２２のＢ相の成す電気角９０°から、所定の距離Ｌだけ周方向に相対的にずらして配置されている。

第１の実施形態では、Ａ相ステータ２１に対して、Ｂ相ステータ２２がＣＷ（時計回り）方向に所定の距離Ｌだけ周方向にずらされて配置されている。なお、以下において、ＣＷ方向またはＣＣＷ（反時計回り）方向と呼称する場合は、図１に示すように、シャフト１１を手前に見た場合における回転方向とする。なぜなら、ステッピングモータ１は、通常はシャフト１１の先端に指針を挿入した状態でメータに搭載され、シャフト１１を手前に見た状態で用いられるからである。

かかるＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とのずらしは、たとえば、以下のように実施される。上述のモールド成形の際に、所定の距離Ｌを保証するように、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２との位置関係をアジャストする位置決めピンが金型の中に用意されている。そして、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とに、それぞれ上述の位置決めピンに対応する孔部（図示せず）を形成し、かかる孔部と位置決めピンとを係合した状態でモールド成形を行う。

これにより、ステッピングモータ１において、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とを、電気角９０°から所定の距離Ｌだけ周方向に相対的にずらして配置させることができる。この所定の距離Ｌの詳細については後述する。

ステッピングモータ１の構成についての説明に戻る。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。

樹脂で形成された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２４ａ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２３ａ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の外周部の一部には、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２３ａ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部同士は、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。

図３は、第１の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のコイル２６ａと、Ｂ相ステータ２２のコイル２６ｂとに接続されている。

そして、制御部２は、コイル２６ａ、２６ｂ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。

図４は、第１の実施形態に係るステッピングモータ１におけるＡ相とＢ相との位相差θに対する動的最大角度誤差ΔΦｍａｘの測定結果を示す図である。かかる測定結果のうち、ステッピングモータ１におけるＡ相とＢ相との位相差θについては、Ｂ−ＥＭＦ（Back ElectroMotive Force）法で測定した。かかるＢ−ＥＭＦ法の詳細については後述する。

また、ステッピングモータ１の動的最大角度誤差ΔΦｍａｘは、ステッピングモータ１の回転むらの程度を示す指標であり、値が小さいほど回転むらが小さいことを示している。

動的最大角度誤差ΔΦｍａｘは、ステッピングモータ１が１電気サイクル（第１の実施形態では４０°）移動した際の最大位置誤差値Δφｍａｘと最小位置誤差値Δφｍｉｎとを求め、以下の式（１）から計算することができる。
ΔΦｍａｘ＝（Δφｍａｘ−Δφｍｉｎ）／２ （°）（機械角）・・・（１）

ここで、図４に示すように、第１の実施形態では、回転方向（ＣＷ方向またはＣＣＷ方向）にかかわらず、２相ステッピングモータで理想的とされるＡ相とＢ相との位相差９０°（電気角）より、位相差θを大きくすることによって、動的最大角度誤差ΔΦｍａｘを小さくすることができる。すなわち、第１の実施形態によれば、ステッピングモータ１におけるＡ相とＢ相との位相差θを電気角で９０°より大きくすることによって、回転むらを低減することができる。

なお、第１の実施形態では、図１に示したように、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とを、電気角９０°から所定の距離Ｌだけ周方向に相対的にずらして配置したことにより、Ａ相とＢ相との位相差θを９０°より大きくすることができる。換言すると、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とは、上述の位相差θに対応する距離Ｌだけ周方向に相対的にずらして配置されている。

たとえば、ステッピングモータ１が３６ステップ、外径２０（ｍｍ）であり、θ＝９４°とした場合、距離Ｌは（９４−９０）／３６０×（２π×１０）／９＝０．０７７５（ｍｍ）となる。すなわち、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とは、かかるＡ相ステータ２１またはＢ相ステータ２２の半径と、位相差θから９０°を引いた値（この場合、単位はラジアン）との積である距離Ｌだけ、周方向に相対的にずらして配置されている。

第１の実施形態では、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とを上述のように周方向に相対的にずらして配置することにより、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とに印加される電圧の波形の位相差を一般的な値である９０°に保ったとしても、Ａ相とＢ相との位相差θを９０°より大きくすることができる。

したがって、位相差を９０°からずらした電圧の波形を用いなくともよいことから、安価な通常仕様の制御部２を用いることができるため、低コストで回転むらを低減することができる。

また、第１の実施形態では、Ａ相とＢ相との位相差θを電気角で９１°以上９９°以下にするとよい。これにより、図４に示すように、動的最大角度誤差ΔΦｍａｘをより小さくすることができることから、回転むらをより低減することができる。

さらに、第１の実施形態にかかるステッピングモータ１をメータに搭載することにより、指針の回転むらが小さく、表示品位の高いメータを実現することができる。

また、ステッピングモータ１が搭載されるメータは、たとえば、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、指針の回転むらが小さく、表示品位の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。また、かかる自動車は、ステッピングモータ１に電流を供給する外部電源を備えていても構わない。

＜Ａ相とＢ相との位相差評価方法＞
ここまで述べたように、第１の実施形態では、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とを電気角で９０°からずらして配置することにより、回転むらをより低減することができる。したがって、Ａ相とＢ相との位相差θは非常に重要な要素である。そこで、以下においては、作製されたステッピングモータ１において、Ａ相とＢ相との位相差θを評価する方法の一例について説明する。

まずは、ステップ数Ｓのステッピングモータ１を治具に固定して、さらにシャフト１１に、慣性モーメントが大きく回転むらが小さい外部駆動源を同芯よく結合する。次に、かかる外部駆動源を一定の回転数Ｎ（ｒｐｍ）で回転させる。

次に、ステッピングモータ１のＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とから出力される、いわゆるＢ−ＥＭＦ波形を取り出す。図５は、第１の実施形態に係るＢ−ＥＭＦ波形の一例を示す図である。そして、Ａ相ステータ２１から出力されるＢ−ＥＭＦ波形Ｗａと、Ｂ相ステータ２２から出力されるＢ−ＥＭＦ波形Ｗｂとの時間差Δｔ（ｍｓ）を測定する。

ここで、以下に示す式（２）から、Ａ相とＢ相との位相差θを計算することができる。
θ＝Δｔ／（１０００／（Ｎ／６０）／（Ｓ／４））×３６０ （°）・・・（２）

上述のいわゆるＢ−ＥＭＦ法によると、磁気的要素を全周積分した代表値として、Ａ相およびＢ相の誘導起電力が生成される特徴がある。そのため、かかる誘導起電力は各極歯２３ａａ、２３ｂａ、２４ａａ、２４ｂａの一つ一つの影響度を平均化したものと考えることができる。したがって、第１の実施形態におけるＡ相とＢ相との位相差を議論する際には、非常に適している。

もちろん、外部駆動源との機械的連結をロスなく行ったうえで、外部駆動源の回転変動が無視できる程度の慣性モーメント効果を利用しながら、測定時の回転数Ｎを設定すれば、繰返し精度よく、位相差θを測定することが容易である。また、Ｂ−ＥＭＦ法には原則、直流分が重畳することがないので、直流成分による測定誤差が含まれることはない。

万が一、何らかの要因で、直流成分による重畳（いわゆるＤＣオフセット成分）が含まれる場合には、Ｂ−ＥＭＦ波形ＷａおよびＢ−ＥＭＦ波形Ｗｂから、かかるＤＣオフセット成分を差し引いた波形での位相差を算出すればよい。

なお、位相差θを測定する手法は上述のＢ−ＥＭＦ法に限られない。たとえば、Ａ相のゼロクロス点でトリガをかけ、Ｂ相のゼロクロス点までの時間差をカウンタなどで測定し、かかる時間差を回転角に換算してもよい。

＜第１の実施形態における変形例＞
上述の第１の実施形態では、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２との位置を距離Ｌだけ周方向に相対的にずらすことにより、Ａ相とＢ相との位相差θを９０°より大きくしている。一方で、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２との位置を相対的にずらすのではなく、Ａ相とＢ相とに対応するロータマグネット１２の着磁状態を周方向に相対的にずらすことによっても、位相差θを９０°より大きくすることができる。ここでは、変形例として、かかるロータマグネット１２における着磁状態の具体例について示す。

図６は、第１の実施形態の変形例１に係るステッピングモータ１におけるロータマグネット１２の着磁状態を模式的に示す図である。図６では、ロータマグネット１２のうち、シャフト１１が突出する側（図では上側）の半分がＡ相ステータ２１に向かい合う第１着磁部１２ａであり、シャフト１１が突出する側とは反対側（図では下側）の半分がＢ相ステータ２２に向かい合う第２着磁部１２ｂである。

なお、図６では、一例として、ロータマグネット１２が中心角を１８等分した１８極着磁である場合について示している。また、第１着磁部１２ａと第２着磁部１２ｂとの間には、Ａ相とＢ相の中立箇所１２ｃが設けられる。

ここで、図６に示すように、変形例１では、ロータ１０をＣＷ回転させる場合、第１着磁部１２ａが第２着磁部１２ｂより機械角で角度Δθ（°）相対的に進ませるように、ロータマグネット１２を着磁している。これにより、Ｂ−ＥＭＦ波形で見た場合、着磁のずらしがないロータマグネット１２と比較して、Ａ相がＢ相よりさらに角度Δθだけ進み、位相差θは（９０＋Δθ×（Ｓ／４））（°）（Ｓ：ステップ数）となることから、位相差θが９０°以上となる。

すなわち、変形例１に示すように、Ａ相とＢ相とに対応するロータマグネット１２の着磁状態を周方向に相対的にずらすことにより、Ａ相とＢ相との位相差θを９０°以上にすることができる。したがって、変形例１によれば、第１の実施形態と同様に、ステッピングモータ１の回転むらを低減することができる。

図７は、第１の実施形態の変形例２に係るステッピングモータ１におけるロータマグネット１２の着磁状態を模式的に示す図である。図７に示すように、変形例２は、ロータマグネット１２の着磁に傾斜をつける、いわゆるスキュー着磁を行った例である。

変形例２においては、ロータ１０をＣＷ回転させる場合、第２着磁部１２ｂが第１着磁部１２ａより機械角で角度Δθ（°）相対的に遅らせるようにスキュー角を持たせて、ロータマグネット１２を着磁している。これにより、変形例１と同様に、変形例２でもＡ相とＢ相との位相差θを９０°以上にすることができる。

すなわち、変形例２によれば、ロータマグネット１２のスキュー着磁を行うことにより、ステッピングモータ１の回転むらを低減することができる。

なお、変形例１または変形例２における周方向のずらし量は、たとえば、外形；φ２０ｍｍ、ステップ数Ｓが３６、ロータマグネット１２の外径がφ９ｍｍのモータで、Δθ＝１０（°）の場合、１０／３６０×（π×（３６／４））／９＝０．０８７２（ｍｍ）となる。

また、変形例１および変形例２では、第１の実施形態と同様に、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とに印加される電圧の波形の位相差を一般的な値である９０°に保ったとしても、Ａ相とＢ相との位相差θを９０°より大きくすることができる。

したがって、変形例１および変形例２によれば、位相差を９０°からずらした電圧の波形を用いなくともよいことから、安価な通常仕様の制御部２を用いることができるため、低コストで回転むらを低減することができる。

＜第２の実施形態＞
つづいて、第２の実施形態に係るステッピングモータ１の構成について、図８および図９を参照しながら説明する。図８は、第２の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。

なお、第２の実施形態は、Ａ相とＢ相との位相差θを電気角で９０°より大きくした点については第１の実施形態と同様である一方で、新たにストップ部１４およびストッパ６０が設けられている点が異なる。したがって、第１の実施形態と重複する部分については、記載を省略する場合がある。

第２の実施形態では、第１の実施形態と同様、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とが、Ａ相ステータ２１のＡ相に対してＢ相ステータ２２のＢ相の成す電気角９０°から、所定の距離Ｌだけ周方向に相対的にずらして配置されている（図１参照）。

さらに、第２の実施形態のステッピングモータ１では、図８に示すように、ロータマグネット１２の一端面（図８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９は、第２の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９に示すように、ストップ部１４の外周部の一部には、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、上述のように周方向に複数の磁極が並ぶよう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８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）６０が挿通され、固定されている。かかるストッパ６０は、非磁性金属によって形成されている。

そして、ストッパ６０は、エンドプレート３０の内面（スリーブ１３に対向する内面）よりも内側に突出している。これにより、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１０は、第２の実施形態に係るステッピングモータ１のＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とで形成されるそれぞれの励磁ベクトルに対応する位置におけるコギングトルクの向きを模式的に示す図である。

なお、ここでいう励磁ベクトルとは、コイル２６ａ、２６ｂ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１０では、無負荷状態でＡ相ステータ２１のコイル２６ａのみが正方向に励磁された状態における励磁ベクトル（力）の方向を、Ａ相の＋方向の軸としている。また、無負荷状態でＢ相ステータ２２のコイル２６ｂのみが正方向に励磁された状態における励磁ベクトル（力）の方向を、Ｂ相の＋方向の軸としている。すなわち、Ａ相による軸とＢ相による軸とで、２次元座標系が構成されている。

たとえば、コイル２６ａの正方向は、図３においてロータ１０の径方向でかつ右方の外側に向いた方向であり、コイル２６ｂの正方向は、図３においてロータ１０の径方向でかつ上方の外側に向いた方向である。また、たとえば、Ａ相の＋方向は、図３においてロータ１０の径方向でかつ右方の外側に向いた方向であり、Ｂ相の＋方向は、図３においてロータ１０の径方向でかつ上方の外側に向いた方向である。

また、ステッピングモータ１では、外部から供給される電流が遮断された状態でも、構成部材である磁石と鉄との磁気作用に起因するごく微小なトルク、いわゆる「コギングトルク」がロータ１０に働いている。

ここで、第１の実施形態で示したように、Ａ相とＢ相との位相差θを９０°より大きくした場合、かかるコギングトルクの向きが図１０に示した向きとなることが、本発明者の研究により明らかとなった。

具体的には、Ａ相で励磁される励磁ベクトルＡに対応する位置にロータ１０の接触部１４ａが位置する場合は、コギングトルクがＣＷ方向を向いており、Ａ相とＢ相とで励磁される励磁ベクトルＡ＊Ｂに対応する位置に接触部１４ａが位置する場合も、コギングトルクがＣＷ方向を向いている。

また、Ｂ相で励磁される励磁ベクトルＢに対応する位置に接触部１４ａが位置する場合は、コギングトルクがＣＣＷ方向を向いており、／Ａ相とＢ相とで励磁される励磁ベクトル／Ａ＊Ｂに対応する位置に接触部１４ａが位置する場合も、コギングトルクがＣＣＷ方向を向いている。

また、／Ａ相で励磁される励磁ベクトル／Ａに対応する位置に接触部１４ａが位置する場合は、コギングトルクがＣＷ方向を向いており、／Ａ相と／Ｂ相とで励磁される励磁ベクトル／Ａ＊／Ｂに対応する位置に接触部１４ａが位置する場合も、コギングトルクがＣＷ方向を向いている。

また、／Ｂ相で励磁される励磁ベクトル／Ｂに対応する位置に接触部１４ａが位置する場合は、コギングトルクがＣＣＷ方向を向いており、Ａ相と／Ｂ相とで励磁される励磁ベクトルＡ＊／Ｂに対応する位置に接触部１４ａが位置する場合も、コギングトルクがＣＣＷ方向を向いている。

すなわち、上述の第１の実施形態にかかるステッピングモータ１において、コギングトルクは、励磁ベクトルＡ＊Ｂと励磁ベクトルＢとの間にある吸引点７０ａ、または励磁ベクトル／Ａ＊／Ｂと励磁ベクトル／Ｂとの間にある吸引点７０ｂに向かうように形成される。さらに、かかるコギングトルクは励磁ベクトル／Ａ＊Ｂと励磁ベクトル／Ａとの間にある離反点７１ａ、または励磁ベクトルＡ＊／Ｂと励磁ベクトルＡとの間にある離反点７１ｂから離れるように形成されることが、本発明者の研究により明らかとなった。

かかる研究結果に基づいて、第２の実施形態では、図１１に示す位置にストッパ６０を配置する。図１１は、第２の実施形態に係るストッパ６０の位置を模式的に示す図である。なお、第２の実施形態にかかるステッピングモータ１は、ＣＷ回転のメータに用いられ、メータの原点（たとえば、メータのゼロ指示位置）に対応する位置にストッパ６０が配置される。

すなわち、第２の実施形態では、外部からの電流が遮断される際に、メータの回転方向とは逆方向のＣＣＷ方向にロータ１０を回転させて、接触部１４ａをストッパ６０に当接させる。また、第２の実施形態では、図１１に示すように、ストッパ６０を／Ｂ相からＣＷ方向に電気角で角度θ１（°）ずらした位置に配置する。なお、角度θ１は、たとえば電気角で４５°程度である。

そして、第２の実施形態においては、図１１に示すように、かかるストッパ６０の位置ではＣＣＷ方向を向くコギングトルクにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、接触部１４ａがストッパ６０に押しつけられる。これにより、接触部１４ａがストッパ６０から離間することを抑制することができる。

したがって、第２の実施形態によれば、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、ストッパ６０と接触部１４ａとの接触状態を維持し、メータの指針を初期位置に保持することができる。なお、第２の実施形態において、角度θ１は、電気角で０°〜４５°の範囲に設定するとよい。

＜第２の実施形態における変形例＞
つづいて、第２の実施形態における各種変形例について、図１２〜図１６を参照しながら説明する。なお、上述の第１の実施形態における変形例では、２つの変形例をそれぞれ変形例１、２として記載したことから、以下の第２の実施形態における各種変形例では、変形例３、４、・・として記載する。

図１２は、第２の実施形態の変形例３に係るストッパ６０の位置を模式的に示す図である。なお、変形例３にかかるステッピングモータ１は、ＣＣＷ回転のメータに用いられ、メータの原点に対応する位置にストッパ６０が配置される。

すなわち、変形例３では、外部からの電流が遮断される際に、メータの回転方向とは逆方向のＣＷ方向にロータ１０を回転させて、接触部１４ａをストッパ６０に当接させる。また、変形例３では、図１２に示すように、ストッパ６０をＡ相からＣＷ方向に電気角で角度θ２（°）ずらした位置に配置する。なお、角度θ２は、たとえば電気角で２２．５°程度である。

そして、変形例３においては、図１２に示すように、かかるストッパ６０の位置ではＣＷ方向を向くコギングトルクにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、接触部１４ａがストッパ６０に押しつけられる。これにより、接触部１４ａがストッパ６０から離間することを抑制することができる。

したがって、変形例３によれば、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、ストッパ６０と接触部１４ａとの接触状態を維持し、メータの指針を初期位置に保持することができる。なお、変形例３において、角度θ２は、電気角で０°〜４５°の範囲に設定するとよい。

図１３は、第２の実施形態の変形例４に係るストッパ６０の位置を模式的に示す図である。なお、変形例４にかかるステッピングモータ１は、第２の実施形態と同様、ＣＷ回転のメータに用いられ、メータの原点に対応する位置にストッパ６０が配置される。

すなわち、変形例４では、外部からの電流が遮断される際に、ＣＣＷ方向にロータ１０を回転させて接触部１４ａをストッパ６０に当接させる。また、変形例４では、図１３に示すように、ストッパ６０をＢ相からＣＷ方向に電気角で角度θ３（°）ずらした位置に配置する。なお、角度θ３は、たとえば電気角で２０°程度である。

そして、変形例４においては、図１３に示すように、かかるストッパ６０の位置ではＣＣＷ方向を向くコギングトルクにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、接触部１４ａがストッパ６０に押しつけられる。これにより、接触部１４ａがストッパ６０から離間することを抑制することができる。

したがって、変形例４によれば、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、ストッパ６０と接触部１４ａとの接触状態を維持し、メータの指針を初期位置に保持することができる。なお、変形例４において、角度θ３は、電気角で０°〜４５°の範囲に設定するとよい。

図１４は、第２の実施形態の変形例５に係るストッパ６０の位置を模式的に示す図である。なお、変形例５にかかるステッピングモータ１は、変形例３と同様、ＣＣＷ回転のメータに用いられ、メータの原点に対応する位置にストッパ６０が配置される。

すなわち、変形例５では、外部からの電流が遮断される際に、ＣＷ方向にロータ１０を回転させて接触部１４ａをストッパ６０に当接させる。また、変形例５では、図１４に示すように、ストッパ６０を／Ａ相からＣＷ方向に電気角で角度θ４（°）ずらした位置に配置する。なお、角度θ４は、たとえば電気角で４０°程度である。

そして、変形例５においては、図１４に示すように、かかるストッパ６０の位置ではＣＷ方向を向くコギングトルクにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、接触部１４ａがストッパ６０に押しつけられる。これにより、接触部１４ａがストッパ６０から離間することを抑制することができる。

したがって、変形例５によれば、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、ストッパ６０と接触部１４ａとの接触状態を維持し、メータの指針を初期位置に保持することができる。なお、変形例５において、角度θ４は、電気角で０°〜４５°の範囲に設定するとよい。

ここまで示したように、第２の実施形態および変形例３〜５によれば、外部からの電流が遮断される際のロータ１０の回転方向を基準として、上流側に離反点７１ａまたは離反点７１ｂが位置し、下流側に吸引点７０ａまたは吸引点７０ｂが位置するようにストッパ６０を配置する。これにより、外部からの電流が遮断される際に、いずれの回転方向にロータ１０が回転する場合においても、接触部１４ａがストッパ６０から離間することを抑制することができる。

最後に、ＣＷ回転のメータにもＣＣＷ回転のメータにも共用可能であるステッピングモータ１への適用例について、図１５および図１６を参照しながら説明する。図１５は、第２の実施形態の変形例６に係るストッパの位置を模式的に示す図である。

図１５に示す変形例６では、外部からの電流が遮断される際に、ＣＷ方向にロータ１０を回転させる場合に接触部１４ａと当接する第１ストッパ６０ａと、ＣＣＷ方向にロータ１０を回転させる場合に接触部１４ａと当接する第２ストッパ６０ｂとが両方備えられる。

ここで、第１ストッパ６０ａは、上述した変形例３におけるストッパ６０と同じ位置（図１２参照）に設けられ、第２ストッパ６０ｂは、上述した第２の実施形態におけるストッパ６０と同じ位置（図１１参照）に設けられる。

また、変形例６では、図１５に示すとおり、離反点７１ｂを含み第１ストッパ６０ａと第２ストッパ６０ｂとに挟まれる範囲が、指針の動作範囲として設定される。

ここで、変形例６にかかるステッピングモータ１をＣＣＷ回転のメータ（すなわち、電流が遮断される際にはＣＷ方向に回転するメータ）に用いる場合には、メータの原点に対応する位置に第１ストッパ６０ａを配置する。

これにより、図１５に示すように、かかる第１ストッパ６０ａの位置ではＣＷ方向を向くコギングトルクにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、接触部１４ａが第１ストッパ６０ａに押しつけられる。これにより、接触部１４ａが第１ストッパ６０ａから離間することを抑制することができる。

さらに、変形例６にかかるステッピングモータ１をＣＷ回転のメータ（すなわち、電流が遮断される際にはＣＣＷ方向に回転するメータ）に用いる場合には、メータの原点に対応する位置に第２ストッパ６０ｂを配置する。

これにより、図１５に示すように、かかる第２ストッパ６０ｂの位置ではＣＣＷ方向を向くコギングトルクにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、接触部１４ａが第２ストッパ６０ｂに押しつけられる。これにより、接触部１４ａが第２ストッパ６０ｂから離間することを抑制することができる。

すなわち、変形例６によれば、上述の位置に第１ストッパ６０ａおよび第２ストッパ６０ｂを設けることにより、ＣＷ回転のメータにもＣＣＷ回転のメータにも共用可能であるステッピングモータ１を実現することができる。

図１６は、第２の実施形態の変形例７に係るストッパの位置を模式的に示す図である。なお、変形例７は、上述の変形例６とは異なる位置に第１ストッパ６０ａおよび第２ストッパ６０ｂを設ける例である。

図１６に示す変形例７では、変形例６と同様に、外部からの電流が遮断される際に、ＣＷ方向にロータ１０を回転させる場合に接触部１４ａと当接する第１ストッパ６０ａと、ＣＣＷ方向にロータ１０を回転させる場合に接触部１４ａと当接する第２ストッパ６０ｂとが両方備えられる。

ここで、第１ストッパ６０ａは、上述した変形例５におけるストッパ６０と同じ位置（図１４参照）に設けられ、第２ストッパ６０ｂは、上述した変形例４におけるストッパ６０と同じ位置（図１３参照）に設けられる。

また、変形例７では、図１６に示すとおり、離反点７１ａを含み第１ストッパ６０ａと第２ストッパ６０ｂとに挟まれる範囲が、指針の動作範囲として設定される。

ここで、変形例７にかかるステッピングモータ１をＣＣＷ回転のメータ（すなわち、電流が遮断される際にはＣＣＷ方向に回転するメータ）に用いる場合には、メータの原点に対応する位置に第１ストッパ６０ａを配置する。

これにより、図１６に示すように、かかる第１ストッパ６０ａの位置ではＣＷ方向を向くコギングトルクにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、接触部１４ａが第１ストッパ６０ａに押しつけられる。これにより、接触部１４ａが第１ストッパ６０ａから離間することを抑制することができる。

さらに、変形例７にかかるステッピングモータ１をＣＷ回転のメータ（すなわち、電流が遮断される際にはＣＣＷ方向に回転するメータ）に用いる場合には、メータの原点に対応する位置に第２ストッパ６０ｂを配置する。

これにより、図１６に示すように、かかる第２ストッパ６０ｂの位置ではＣＣＷ方向を向くコギングトルクにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、接触部１４ａが第２ストッパ６０ｂに押しつけられる。これにより、接触部１４ａが第２ストッパ６０ｂから離間することを抑制することができる。

すなわち、変形例７によれば、上述の位置に第１ストッパ６０ａおよび第２ストッパ６０ｂを設けることにより、ＣＷ回転のメータにもＣＣＷ回転のメータにも共用可能であるステッピングモータ１を実現することができる。

なお、変形例６および変形例７では、第１ストッパ６０ａと第２ストッパ６０ｂとを異なる２つの部位で形成した例について示したが、同じ１つの部位で第１ストッパ６０ａと第２ストッパ６０ｂを形成してもよい。この場合、たとえば、１つのストッパ６０を、上述した第１ストッパ６０ａの位置から第２ストッパ６０ｂの位置まで、指針動作範囲ではない範囲を周方向に延びるように形成すればよい。

さらに、第１ストッパ６０ａの位置と第２ストッパ６０ｂの位置との組み合わせは、図１５や図１６に示した組み合わせに限られない。たとえば、第１ストッパ６０ａが変形例３におけるストッパ６０と同じ位置（図１２参照）に設けられ、第２ストッパ６０ｂが変形例４におけるストッパ６０と同じ位置（図１３参照）に設けられていてもよい。

また、第１ストッパ６０ａが変形例５におけるストッパ６０と同じ位置（図１４参照）に設けられ、第２ストッパ６０ｂが第２の実施形態におけるストッパ６０と同じ位置（図１１参照）に設けられていてもよい。

上述したように、第１の実施形態によれば、Ａ相とＢ相との位相差θが電気角で９０°より大きくなるようにステッピングモータ１を構成することにより、ステッピングモータ１の回転むらを低減することができる。また、第２の実施形態によれば、かかるステッピングモータ１においてストッパ６０を所定の位置に配置することにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、接触部１４ａがストッパ６０から離間することを抑制することができる。したがって、供給される電流が遮断された後にも、ストッパ６０と接触部１４ａとの接触状態を維持し、メータの指針を初期位置に保持することができる。

なお、上記の各実施形態では、ダイレクト駆動型のステッピングモータ１について説明したが、減速器一体内蔵型モータ（ギアードモータ）に適用してもよい。一方で、上記の各実施形態は、ダイレクト駆動型のステッピングモータに適用したほうが、より好ましい。

なぜなら、ダイレクト駆動型のステッピングモータ、特に計器用モータは、指示精度を確保するために軸受摺動損失トルクがきわめて小さく設定されていることから、構成部材である磁石と鉄との磁気作用に起因するコギングトルクが微小な値であったとしても、ストッパ６０とロータ１０の接触部１４ａとの接触状態を安定して維持することができるからである。

以上のように、実施形態に係るステッピングモータ１は、周方向に多極着磁される永久磁石（ロータマグネット１２）を有するロータ１０と、コイル２６ａを有し、第１相（Ａ相）における励磁ベクトルを形成する第１ステータ（Ａ相ステータ２１）と、コイル２６ｂを有し、第２相（Ｂ相）における励磁ベクトルを形成する第２ステータ（Ｂ相ステータ２２）と、を備える。そして、第１相（Ａ相）と第２相（Ｂ相）との位相差θが電気角で９０°より大きい。これにより、ステッピングモータ１の回転むらを低減することができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１において、ロータ１０は、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。これに限定されず、ロータ１０はシャフト１１と、ロータマグネット１２とを備えていてもよい。また、ロータ１０はシャフト１１と、樹脂製のスリーブ１３と、焼結させたロータマグネット１２とを備えていてもよく、シャフト１１と、樹脂製のスリーブ１３と、焼結されたロータマグネット１２と、アルミニウム等の金属材料で形成されたストップ部１４とを備えていても構わない。

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相（Ａ相）と第２相（Ｂ相）との位相差θが電気角で９１°以上９９°以下である。これにより、ステッピングモータ１の回転むらをさらに低減することができる。

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ステータ（Ａ相ステータ２１）に対する第２ステータ（Ｂ相ステータ２２）の位置を周方向に相対的にずらすことにより、第１相（Ａ相）と第２相（Ｂ相）との位相差θを電気角で９０°より大きくする。これにより、低コストで回転むらを低減することができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１において、ロータ１０の永久磁石（ロータマグネット１２）は、第１ステータ（Ａ相ステータ２１）に向かい合う第１着磁部１２ａと、第２ステータ（Ｂ相ステータ２２）に向かい合う第２着磁部１２ｂとを有し、第１着磁部１２ａに対する第２着磁部１２ｂの位置を周方向に相対的にずらすことにより、第１相（Ａ相）と第２相（Ｂ相）との位相差θを電気角で９０°より大きくする。これにより、低コストで回転むらを低減することができる。

また、実施形態に係るステッピングモータ１は、ストッパ６０と、ロータ１０に設けられストッパ６０と接触する接触部１４ａとをさらに備える。そして、外部から供給される電流が遮断される際に、第１ステータ（Ａ相ステータ２１）と第２ステータ（Ｂ相ステータ２２）とに起因して発生するコギングトルクにより、接触部１４ａがストッパ６０を押圧する回転方向にロータ１０を回転させる。これにより、供給される電流が遮断された後にも、ストッパ６０と接触部１４ａとの接触状態を維持し、メータの指針を初期位置に保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、ストッパ６０は、回転方向が時計回りである場合に接触部１４ａに押圧される第１ストッパ６０ａと、回転方向が反時計回りである場合に接触部１４ａに押圧される第２ストッパ６０ｂと、を有する。これにより、ＣＷ回転のメータにもＣＣＷ回転のメータにも共用可能である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は、メータの指針を回動させる。これにより、指針表示の信頼性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、ステッピングモータ１に電流を供給する外部電源と、を備える。これにより、指針表示の信頼性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
１２ａ 第１着磁部
１２ｂ 第２着磁部
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
２３ａ、２３ｂ カップ状ヨーク
２４ａ、２４ｂ 円板状ヨーク
２５ａ、２５ｂ ボビン
２６ａ、２６ｂ 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
６０ｂ 第２ストッパ
７０ａ、７０ｂ 吸引点
７１ａ、７１ｂ 離反点

Claims (8)

1. 周方向に多極着磁される永久磁石を有するロータと、
   コイルを有し、第１相における励磁ベクトルを形成する第１ステータと、
   コイルを有し、第２相における励磁ベクトルを形成する第２ステータと、
   を備え、
   前記第１相と前記第２相との位相差が電気角で９０°より大きい
   ステッピングモータ。
2. 前記第１相と前記第２相との位相差が電気角で９１°以上９９°以下である、
   請求項１に記載のステッピングモータ。
3. 前記第１ステータに対する前記第２ステータの位置を前記周方向に相対的にずらすことにより、前記第１相と前記第２相との位相差を電気角で９０°より大きくする
   請求項１または２に記載のステッピングモータ。
4. 前記ロータの前記永久磁石は、前記第１ステータに向かい合う第１着磁部と、前記第２ステータに向かい合う第２着磁部とを有し、
   前記第１着磁部に対する前記第２着磁部の位置を前記周方向に相対的にずらすことにより、前記第１相と前記第２相との位相差を電気角で９０°より大きくする
   請求項１または２に記載のステッピングモータ。
5. ストッパと、前記ロータに設けられ前記ストッパと接触する接触部とをさらに備え、
   外部から供給される電流が遮断される際に、前記第１ステータと前記第２ステータとに起因して発生するコギングトルクにより、前記接触部が前記ストッパを押圧する回転方向に前記ロータを回転させる、
   請求項１〜４のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
6. 前記ストッパは、前記回転方向が時計回りである場合に前記接触部に押圧される第１ストッパと、前記回転方向が反時計回りである場合に前記接触部に押圧される第２ストッパと、を有する
   請求項５に記載のステッピングモータ。
7. 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、
   前記指針を有するメータと、
   前記ステッピングモータに電流を供給する外部電源と、
   を備える自動車。

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