JP2021029076A - ステッピングモータ - Google Patents
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Abstract
【課題】ロータ外径と磁性材料からなる軸受の外径の関係を最適にして軸受に磁気吸引力を付与したステッピングモータを提供する。【解決手段】永久磁石からなるロータ４００と、ロータ４００の外周側に軸方向へ延在する複数の極歯２２３，２４３を有するステータと、ロータ４００の軸方向一端部を回転自在に支持する軸受２５０と、ロータ４００の軸方向他端部を回転自在に支持する軸受２６０とを備えたステッピングモータである。軸受２６０の透磁率は軸受２５０の透磁率よりも高く、ロータ４００は、ロータ４００の周方向に沿って外周面に複数の磁極を有し、ロータの外径ＤＲと、軸受２６０のロータ４００に臨む部分の外径ＤＢと、ステータの内径ＤＳＩとが下記数１の関係に設定されている。【数１】【選択図】図３
Description
本発明はステッピングモータに関し、特に永久磁石からなるロータと、その外周側に軸方向に延在する複数の極歯を有するステータを備えたＰＭ（Permanent Magnet ）型ステッピングモータに関する。
従来、上記のようなＰＭ型ステッピングモータでは、ロータを回転可能に支持する軸受を備え、ロータと軸受との間には軸方向に隙間を有している。たとえば、２相ＰＭ型ステッピングモータでは、２つのステータの励磁の組み合わせによって、ステッピングモータの駆動時にロータとステータとの磁気的中心がずれ、ロータが軸方向に変位して軸受との衝突により異音が生じるという事象がある。
このような事象に対して、ロータを軸方向に吸引する磁気吸引力発生部材を設け、ロータを一方の軸受側に吸引して他方の軸受との衝突による打撃音を低減したステッピングモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のステッピングモータは、永久磁石からなるロータマグネットと、その外周側に軸方向に延在する複数の極歯を有するステータを備えた２相ＰＭ型ステッピングモータであり、磁性材料からなる磁気吸引力発生部材として、軸受を固定するケース板金に磁性ワッシャーを固定した構成である。このステッピングモータでは、磁性ワッシャーの外径ＤＭ１と、ロータマグネットの外径ＤＲはＤＭ１≦ＤＲ の関係を満たすように設定されている（請求項３）。そして、ロータマグネットを磁性ワッシャー側へ吸引させることにより、ステッピングモータを回転駆動させる際に生じる打撃音の低減を図っている。
しかしながら、ステッピングモータを例えばスマートフォンなどの携帯電話等の電子機器に使用する場合、ステッピングモータの外径は６ｍｍ以下となり、そのようなステッピングモータのロータ外径は３ｍｍ以下と極めて小さくなる。このような、極小径モータの場合には、特許文献１のような磁性ワッシャーを配置するスペースを確保することが難しい。このため磁性ワッシャーに代えて、軸受自身を磁性体にて形成する事が考えられる。
一方、特許文献１には、磁性ワッシャーと軸受に代えて、磁性材料からなる径方向に拡大した軸受を磁気吸引力発生部材として用いても良いことが記載されている（段落００４１）。その場合、径方向に拡大した磁性材料からなる軸受の外径は磁性ワッシャーの外径ＤＭ１と同様であると考えられることから、ＤＭ１（軸受の外径）≦ＤＲ（ロータマグネットの外径）の関係を満たすように設定される。
しかしながら、特許文献１では、ロータマグネットは、励磁ステータに対向する側面だけではなく、磁性ワッシャーに対向する底面にも着磁されている。したがって、ロータマグネットの底面に着磁しない場合であっても上記のような効果を得ることができるのか不明である。
本発明は、上述事情に鑑みてなされたもので、磁性ワッシャーと軸受に代えて、磁性材料からなる軸受を磁気吸引力発生部材として用いた場合、ロータ外径と磁性材料からなる軸受の外径の関係を最適にしたステッピングモータを提供することを目的とする。
本発明は、永久磁石からなるロータと、前記ロータの外周側に軸方向へ延在する複数の極歯を有するステータと、前記ロータの軸方向一端部を回転自在に支持する第１軸受と、前記ロータの軸方向他端部を回転自在に支持する第２軸受とを備えたステッピングモータであって、前記第２軸受の透磁率は前記第１軸受の透磁率よりも高く、前記ロータは、前記ロータの周方向に沿って外周面に複数の磁極を有し、前記ロータの外径ＤＲと、前記第２軸受の前記ロータに臨む部分の外径ＤＢと、前記ステータの内径ＤＳＩとが下記数１の関係に設定されているステッピングモータである。
本発明においては、第２軸受の透磁率を第１軸受の透磁率よりも高く設定しているから、ロータの磁力（磁束）が第１軸受よりも大きく第２軸受に作用し、第２軸受にロータに対する磁気吸引力が発生する。ここで、第２軸受のロータに臨む部分の外径ＤＢは、ロータの外径ＤＲよりも大径に形成されているため、ロータの端面から漏れる磁力（磁束）に加えて、ロータの外周面に形成された磁極（Ｎ極とＳ極）における磁力（磁束）の一部がロータの端面を跨いで第２軸受に影響を及ぼすため、磁気吸引力発生部材として作用する。このため、ロータは第２軸受に吸引され、これにより、ステッピングモータを回転駆動させる際に生じる打撃音を低減することができる。
本発明では、ロータの外周面にのみ磁極を有する場合に上記数１に基づく作用効果を得ることができる。しかしながら、ロータの端面に磁極を有する場合には、より大きな磁力が第２軸受に作用するから、本発明はそのような態様を除外するものではない。
本発明においては、第２軸受は小径部と大径部とを備え、小径部が蓋部材に固定され、大径部がロータの端面に臨んでいることが好ましい。これにより、第２軸受を小型化して材料コストを低減することができるとともに、小径部と大径部との段差部で蓋部材に取り付けることができる。
本発明においては、ロータと第２軸受との間に樹脂製ワッシャーを設けることにより、ロータと第２軸受との金属接触を防止して異音の発生を防止することができる。
本発明によれば、磁性ワッシャーと軸受に代えて、磁性材料からなる軸受を磁気吸引力発生部材として用いた場合、ロータ外径と磁性材料からなる軸受外径の関係を最適にしたステッピングモータが提供される。
１．ステッピングモータの全体構成
図１に実施形態のステッピングモータ１００を示す。ステッピングモータ１００は、クローポール型の２相ＰＭ（Permanent Magnet）型ステッピングモータである。ステッピングモータ１００は、ステータ５００を備えている。ステータ５００は、Ａ相ステータユニット２００と、Ｂ相ステータユニット３００を軸方向で結合した構造を有している。ここで、Ａ相ステータユニット２００とＢ相ステータユニット３００は、同じ構造であり、一方を他方に対して軸方向において反転させ、その背面同士を接触させ、結合することで、ステータ５００を構成している。
図１に実施形態のステッピングモータ１００を示す。ステッピングモータ１００は、クローポール型の２相ＰＭ（Permanent Magnet）型ステッピングモータである。ステッピングモータ１００は、ステータ５００を備えている。ステータ５００は、Ａ相ステータユニット２００と、Ｂ相ステータユニット３００を軸方向で結合した構造を有している。ここで、Ａ相ステータユニット２００とＢ相ステータユニット３００は、同じ構造であり、一方を他方に対して軸方向において反転させ、その背面同士を接触させ、結合することで、ステータ５００を構成している。
Ａ相ステータユニット２００には、フロントプレート２１０が固定され、Ｂ相ステータユニット３００には、エンドプレート３１０が固定されている。ステータ５００は、略筒形状を有し、その内側にロータ４００が回転自在な状態で収容されている。
Ａ相ステータユニット２００は、外ヨーク２２０、ボビン２３０、および内ヨーク２４０を軸方向で結合した構造を有している。外ヨーク２２０は、磁路が形成されるヨークとして機能する部分であり、電磁軟鉄あるいは圧延鋼板などの磁性材料により構成されている。外ヨーク２２０は、略カップ状で中央部が開口した形状をなし、開口部の縁部から軸方向に延在し、周方向に沿って間隔をおいて複数配置された略三角形状の極歯２２３を備えている。
ボビン２３０にはコイル２３１（図３にのみ示す）が巻回されている。ボビン２３０は、樹脂製であり射出成形法を用いて形成されている。ボビン２３０の軸方向における両端には、コイル２３１の巻き崩れを防止するフランジ部２３３，２３４が形成されている。一方のフランジ部２３４には、端子台２３５が形成されている。端子台２３５は、フランジ部２３４から軸方向と径方向へ突出する矩形状のブロックであり、フランジ部２３４と一体成形されている。端子台２３５には、複数（この実施形態では２本）の金属製の端子ピン２３６が圧入やインサート成形等の手段により埋設されている。
以上の構成からなるボビン２３０は、外ヨーク２２０と内ヨーク２４０とに挟持されるように配置され、Ａ相ステータユニット２００が構成されている。また、Ｂ相ステータユニット３００のボビン３３０も同様に、外ヨーク３２０と内ヨーク３４０とに挟持されるように配置され、Ｂ相ステータユニット３００が構成されている。
内ヨーク２４０は、磁路が形成されるヨークとして機能する部分であり、電磁軟鉄あるいは圧延鋼板などの磁性材料により構成されている。内ヨーク２４０は、板状の円環部２４１と、円環部２４１の内周側の縁から軸方向に延在し、周方向に沿って間隔をおいて複数配置された略三角形状の極歯２４３を備えている。内ヨーク２４０の極歯２４３は、外ヨーク２２０の極歯２２３と周方向で交互に噛み合うように組み合わせられている。
Ａ相ステータユニット２００の内ヨーク２４０と同じ部材を軸方向で反転させたものが、Ｂ相ステータユニット３００の内ヨーク３４０である。内ヨーク２４０と内ヨーク３４０とを、同じ面を向かい合わせで接触させることで、Ａ相ステータユニット２００とＢ相ステータユニット３００の結合が行なわれている。
外ヨーク２２０のボビン２３０に対向する側と反対側の面には、フロントプレート２１０が結合している。フロントプレート２１０には、軸受（第１軸受）２５０が取り付けられている。
Ｂ相ステータユニット３００は、Ａ相ステータユニット２００とほぼ同じ構造であり、Ａ相ステータユニット２００とほぼ同じ構造のものを、軸方向で反転させた状態で用いられている。Ｂ相ステータユニット３００は、外ヨーク３２０、ボビン３３０、内ヨーク３４０を軸方向で組み合わせた構造を有している。ここで、外ヨーク３２０は、外ヨーク２２０と同じ構造の部品であり、略三角形状の極歯３２３を備えている。内ヨーク３４０は内ヨーク２４０と同じ構造の部品であり、略三角形状の極歯３４３を備えている。ボビン３３０は、ボビン２３０と同じ構造の部品である。外ヨーク３２０には、エンドプレート３１０が結合している。エンドプレート３１０には、軸受（第２軸受）２６０が取り付けられている。
２．ロータおよびその支持構造の詳細
ロータ４００の軸中心には、シャフト４０１が軸方向に貫通した状態で固定され、シャフト４０１のロータ４００から図３中左側に突出した端部は、軸受２５０を介してフロントプレート２１０に回転自在に支持され、シャフト４０１のロータ４００から右側に突出した端部は、軸受２６０を介してエンドプレート３１０に回転自在に支持されている。
ロータ４００の軸中心には、シャフト４０１が軸方向に貫通した状態で固定され、シャフト４０１のロータ４００から図３中左側に突出した端部は、軸受２５０を介してフロントプレート２１０に回転自在に支持され、シャフト４０１のロータ４００から右側に突出した端部は、軸受２６０を介してエンドプレート３１０に回転自在に支持されている。
Ａ相ステータユニット２００の軸受２５０は、例えば銅系焼結含油軸受から構成され、図３に示すように、大径部２５１と小径部２５２を有する２段構造とされ、フロントプレート２１０の開口に小径部２５２を嵌着して固定されている。
一方、Ｂ相ステータユニット３００の軸受２６０は、磁性体（例えば、鉄−銅系焼結含油軸受または鉄系焼結含油軸受）で形成され、大径部２６１と小径部２６２を有する２段構造で、エンドプレート３１０の開口に小径部２６２を嵌着して固定されている。そして、軸受２６０の透磁率は軸受２５０の透磁率よりも高く設定されている。
ロータ４００の軸受２５０側を向く端面には、樹脂製ワッシャー４０２が取り付けられている。また、ロータ４００の軸受２６０側を向く端面には、樹脂製ワッシャー４０３が取り付けられている。軸受２６０の大径部２６１の外径ＤＢと、ロータ４００の外径ＤＲとの関係は、ＤＢ≦ＤＲに設定されている。
ロータ４００は、略円柱状の構造を有するフェライト磁石や希土類磁石などの永久磁石からなり、この永久磁石は、周方向に沿ってＮＳＮＳと交互に磁極が反転する状態で着磁された磁極を有している。
ここで、軸受２６０が磁気吸引力発生部材として機能するためには、ロータ４００の磁力（磁束）を軸受２６０に作用させる必要がある。したがって、ロータ４００の端面と対向する軸受２６０の大径部２６１の外径ＤＢは、ロータ４００の外径ＤＲに対してＤＲ＜ＤＢの関係になるように設定する。また、大径部２６１とステータ３００との干渉を防止するために、大径部２６１の外径ＤＢは、ステータ２００の内径ＤＳＩに対してＤＢ＜ＤＳＩの関係になるように設定する。
軸受２６０の大径部２６１の外径ＤＢは、ＤＲ＜ＤＢの関係に設定されているため、ロータ４００の端面から漏れる磁力（磁束）に加えて、ロータ４００の外周面に形成された磁極（Ｎ極とＳ極）における磁力（磁束）の一部がロータ４００の端面を跨いで軸受２６０に影響を及ぼすため、磁気吸引力発生部材として作用する。このため、ロータ４００が軸受２６０側に吸引され、ロータ４００の端面が樹脂製ワッシャー４０３に当接する。
ボビン２３０，３３０に巻回されたコイル２３１，３３１に励磁電流を印加すると、ステータ５００に励磁された磁束と、永久磁石であるロータ４００の磁束との相互作用によってロータ４００が回転する。ステータ５００の励磁方式の組み合わせによって、Ａ相ステータユニット２００のみを励磁したとき（１相励磁）、ロータ４００とステータ５００との磁気的中心がずれてロータ４００を軸受２５０側へ移動させようとする力が発生するが、磁性体で形成された軸受２６０が発生する磁気吸引力によってロータ４００の軸方向の移動を抑制する。したがって、ステッピングモータ１００を回転駆動させる際に生じる打撃音を低減することができる。
なお、磁性体で形成された軸受２６０とロータ４００との間に作用する磁気吸引力は、ロータ４００の軸方向（軸受２５０の方向）に作用する磁気力よりも大きくなるように設定することによって、ロータ４００の軸方向の移動を阻止することができる。このような設定は、例えば、軸受２６０とロータ４００との間に配設した樹脂製ワッシャー４０３の厚さ寸法（軸方向の寸法）を調整したり軸受２６０の透磁率を調整したりすることで得ることができる。
特に、上記実施形態では、軸受２６０は小径部２６２と大径部２６１とを備え、小径部２６２がエンドプレート３１０に固定され、大径部２６１がロータ４００の端面に臨んでいるから、軸受２６０を小型化して材料コストを低減することができるとともに、小径部２６２と大径部２６１との段差部でエンドプレート３１０に取り付けることができる。
上記実施形態においては、ロータ４００と軸受２６０との間に樹脂製ワッシャー４０３を設けているので、ロータ４００と軸受２６０との金属接触を防止して異音の発生を防止することができる。
３．変更例
本発明は上記実施形態のようなクローポール型の２相ステッピングモータに限定されるものではなく、その他の多相ＰＭ型ステッピングモータに適用可能である。
本発明は上記実施形態のようなクローポール型の２相ステッピングモータに限定されるものではなく、その他の多相ＰＭ型ステッピングモータに適用可能である。
本発明は、ステッピングモータの技術分野に利用することができる。
１００…ステッピングモータ、２００…Ａ相ステータユニット、２１０…フロントプレート、２２０…外ヨーク、２２３…極歯、２３０…ボビン、２３１…コイル、２３３…フランジ部、２３４…フランジ部、２３５…端子台、２３６…端子ピン、２４０…内ヨーク、２４１…円環部、２４３…極歯、２５０…軸受（第１軸受）、２５１…大径部、２５２…小径部、２６０…軸受（第２軸受）、２６１…大径部、２６２…小径部、３００…Ｂ相ステータユニット、３１０…エンドプレート、３２０…外ヨーク、３２３…極歯、３３０…ボビン、３３１…コイル、３４０…内ヨーク、３４３…極歯、４００…ロータ、４０１…シャフト、４０２…樹脂製ワッシャー、４０３…樹脂製ワッシャー、５００…ステータ。
Claims (4)
- 永久磁石からなるロータと、
前記ロータの外周側に軸方向へ延在する複数の極歯を有するステータと、
前記ロータの軸方向一端部を回転自在に支持する第１軸受と、
前記ロータの軸方向他端部を回転自在に支持する第２軸受とを備えたステッピングモータであって、
前記第２軸受の透磁率は前記第１軸受の透磁率よりも高く、
前記ロータは、前記ロータの周方向に沿って外周面に複数の磁極を有し、
前記ロータの外径ＤＲと、前記第２軸受の前記ロータに臨む部分の外径ＤＢと、前記ステータの内径ＤＳＩとが下記数１の関係に設定されているステッピングモータ。
- 前記ロータの外周面にのみ磁極を有する請求項１に記載のステッピングモータ。
- 前記第２軸受は、小径部と大径部とを備え、前記小径部が蓋部材に固定され、前記大径部が前記ロータの端面に臨んでいる請求項１または２に記載のステッピングモータ。
- 前記ロータと前記第２軸受との間に樹脂製ワッシャーを設けた請求項１〜３のいずれかに記載のステッピングモータ。
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