JP2854522B2

JP2854522B2 - ステッピングモータ及びそれに用いられるヨークの製造方法

Info

Publication number: JP2854522B2
Application number: JP6197142A
Authority: JP
Inventors: 和幸渡辺; 廣文中野; 敏彦武本; 龍二広田
Original assignee: FDK Corp; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: FDK Corp; Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 1994-08-01
Filing date: 1994-08-01
Publication date: 1999-02-03
Anticipated expiration: 2014-02-03
Also published as: JPH0847235A; US6222286B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＰＭ型のステッピング
モータ及びそれに用いられるヨークの製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ステッピングモータには、省電力
化、高出力化の要求がなされている。ところで従来のス
テッピングモータは、ステータヨークやフレームヨーク
を、電磁軟鉄板（ＳＵＹ），冷間圧延鋼板（ＳＰＣ），
亜鉛メッキ鋼板（ＳＥＣ）等を用いて構成している。し
かし、これら各種の材料は、直流磁場特性は良好なもの
の、実際のモータの駆動時における交流磁気特性は悪い
ことがわかった。すなわちこれらの鋼材は、変動磁場中
では電気抵抗率が低いため、多くの渦電流が発生し、そ
の結果鉄損が著しく大きくなる。そしてこれは駆動周波
数が高くなるほど顕著となる。従って、効率が低下する
原因となり、ＯＡ機器の電池駆動にともなう、ステッピ
ングモータの効率向上の要求を満たすためのネックとな
っている。

【０００３】そこで、従来係る問題を解決するため、例
えばステータヨークやフレームヨークにケイ素鋼板やソ
フトフェライトを用いるもの（実開平３−１０４０７
７，実開昭６２−１３５５７７等）や、ステータヨーク
の一部（渦電流の流路）に貫通孔を設けるもの（特開平
３−２８３０４９）等、種々の提案がなされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のステッピングモータでは、それぞれ以下に示す
問題を有し、いずれも渦電流による効率低下の問題を十
分に解消することはできなかった。

【０００５】すなわち、ケイ素鋼板の場合には、ヨーク
材として使用される上記ＳＵＹやＳＰＣと比べて曲げ加
工（絞り加工）が困難であり、さらに、防錆のためのメ
ッキ処理が困難となる。そして、加工性を向上させるた
めにＳｉの添加量を減らすことも考えられるが、そうす
ると、電気抵抗率も低下してしまい、渦電流低減の効果
が無くなる。

【０００６】また、ソフトフェライトを用いた場合に
は、ＳＵＹやＳＰＣに比べて飽和磁束密度が１／３以下
と低く十分な出力トルクが得られないばかりか、曲げ加
工ができないとともに機械強度も弱く、しかも寸法精度
が粗くなるという問題がある。

【０００７】さらにまた、貫通孔を設ける構成のもので
は、貫通孔を形成するにつれて出力トルクが減少すると
いう傾向があり、しかも、加工工程が増えるとともにコ
スト高となる。さらに、貫通孔は櫛歯状磁極部以外の部
位に形成されるが、櫛歯状磁極部以外では磁束の変化が
少なく、もともと渦電流損が小さいために貫通孔を形成
した効果がさほどあらわれない。

【０００８】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題点を解
決し、渦電流の発生を可及的に抑制し、高効率で安定し
た特性が得られ、しかも加工性も良好なステッピングモ
ータ及びそれに用いられるヨークの製造方法を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明に係るステッピングモータでは、多極着磁
された永久磁石からなるロータ部と、前記ロータ部と同
軸上で対向するように設けられた複数個の櫛歯状磁極部
を有するステータヨーク部と、前記ステータヨーク部の
前記櫛歯状磁極部の外周囲に装着した励磁コイルと、前
記励磁コイル並びに前記ステータヨーク部を囲繞する筒
状のフレームヨーク部とを備えたステッピングモータに
おいて、少なくとも前記ヨーク部の一部が、Ｆｅを主成分とし、Ｃｒを９．０〜１８．０重量を含む
とともに、微量添加物としてＣ：０％を除く０．０２重
量％以下、Ｓｉ：０％を除く０．７重量％以下、Ｍｎ：
０％を除く０．７重量％以下、Ｐ：０％を除く０．０４
重量％以下、Ｓ：０％を除く０．００５重量％以下、Ｎ
ｉ：０％を除く０．５重量％以下、Ｎ：０％を除く０．
０２重量％以下、Ｏ：０％を除く０．０１重量％以下、
Ａｌ：０％を除く４．０重量％以下、Ｔｉ：０％を除く
０．４重量％以下を含有し、かつ、下記式により定義されるＦ値が０以上８以下のフ
ェライト単相組織であるＦｅ−Ｃｒ合金で形成した。

【００１０】

【数２】Ｆ値＝Cr＋Si＋2.1(Al＋Ti) −37.0(C+N) −2.
0Ni −0.6Mn-10.8 （但し：各組成の単位は重量％）ここでＦ値とは、フェライト系ステンレス鋼の組織安定
度の指数である。Ｆ値がマイナスの場合は、安定したフ
ェライト組織が得られず、良好な磁気特性が得られな
い。従って、Ｆ値は０以上にする必要がある。しかし、
Ｆ値が大きくなると磁束密度が低下しモータ特性を低下
させる。そして実験の結果その上限は８．０であった。
従って、Ｆ値を０以上８以下に限定した。

【００１１】また、Ｃｒはステッピングモータに必要な
耐食性を確保するのに必須の元素であり、９．０重量％
以上を含有させないと通常の使用環境下で必要な防錆力
が発揮しない。一方、Ｃｒを多量に含有させると磁束密
度が低下し、磁気特性が劣化する。そして、１８．０重
量％を越えると、所望のモータ性能が得られない。そこ
で、上記の範囲とした。

【００１２】また、微量添加物を上記範囲に限定したの
は、以下の理由による。すなわち、上記微量添加物はい
ずれも現在のところ不可避不純物であり、Ｆｅ−Ｃｒ合
金製造時に完全に除去することは出来ない。しかし、完
全に取除くことができるならば、上記Ｆ値を満足するこ
とを条件に所定の物質の添加量を０重量％すなわち、添
加しなくてもよい。

【００１３】そして、かかる不可避不純物の中でも、
Ｃ，Ｐ，Ｓ，Ｎｉ，Ｎ，Ｏの元素は、いずれも磁気特性
や耐食性等を劣化させる働きを有するため、本来的には
添加量を０にするのが望ましい。そして、各種の実験を
行った結果、ステッピングモータとして所望の特性が得
られるための上限として、下記に示すようにそれぞれの
添加量の上限値を決定した。

【００１４】すなわち、Ｃは炭化物を形成しやすく磁気
特性や耐食性が劣化する。そして、含有量が０．０２重
量％を越えると最終製品であるモータとして必要な性能
が得られなくなるため、上記のように上限を０．０２重
量％に限定した。また、Ｐは、磁気特性を劣化させる元
素であり、含有量が０．０４重量％を越えると最終製品
であるモータとして必要な性能が得られなくなるため、
上記のように上限を０．０４重量％とした。Ｓは不純物
元素であり、硫化物を形成しやすく磁気特性を劣化させ
るため、低く抑える必要がある。そして含有量が０．０
０５重量％を越えると、所望のモータ性能が得られない
ので、係る範囲とした。Ｎｉはオーステナイト生成元素
であり、磁気特性を劣化させる。そして含有量が０．５
重量％を越えると、所望のモータ性能が得られないので
係る範囲とした。ＮはＡｌ、Ｔｉ等と窒化物を形成しや
すく磁気特性を劣化させるため、低く抑える必要があ
る。そして含有量が０．０２重量％を越えると所望の特
性が得られないので、係る範囲とした。Ｏは不純物元素
であり、酸化物を形成しやすく磁気特性を劣化させるた
め、低く抑える必要がある。そして、含有量が０．０１
重量％を越えると所望のモータ性能が得られないので、
係る範囲とした。

【００１５】一方、Ｓｉ，Ｍｎ，Ａｌ，Ｔｉも、不可避
不純物として僅かながら含まれているが、係る元素は、
所望の特性を得るためや、組成の安定性の確保或いは製
造プロセス上の要請などから、さらに積極的に添加する
ものである。

【００１６】そしてＭｎは、製鋼時の脱酸に必要な元素
であるため所定量添加するのが好ましいが、磁気特性を
劣化させる元素である。そして、含有量が０．７重量％
を越えて添加しても上記脱酸の効果は飽和してしまうと
ともに、所定のモータ性能が得られなくなるので、上限
を係る値とした。

【００１７】またＡｌは脱酸材として添加される元素で
ある。そして脱酸にともなって不純物を低減し、磁気特
性を向上させる作用を有している。しかし、４．０重量
％を越えるとかえって磁気特性を低下させることになる
ので、その上限を４．０重量％とした。

【００１８】ＴｉはＣおよびＮと炭・窒化物を形成し、
フェライト単相組織を確保するのに有効な元素であり、
組成（Ｆ値）の安定性に寄与し、量産性が向上する。一
方、０．４重量％以上を越えて含有させても、上記効果
は飽和し、高価なＴｉを添加するメリットがなくなる。
よって、上限を０．４重量％とした。

【００１９】さらに、ＳｉはＭｎと同様、製鋼時の脱酸
に必要な元素であるとともに、Ｔｉと同様、フェライト
生成元素である。よって、上記各元素と同様の理由から
所定量添加するのが望ましいが、本発明鋼においては、
Ｃ，Ｎ，Ｍｎ，Ｎｉの添加量を通常のものよりも低減し
ているため、過剰に添加する必要がなく、０．７重量％
程度と添加すれば十分であり、それよりも多く添加して
も効果が飽和し、添加するメリットがない。よって、上
限を０．７重量％とした。

【００２０】一方、上記構成のステッピングモータに用
いられる本発明に係るヨークの製造方法では、まず、上
記構成のＦｅ−Ｃｒ合金からなる所定形状の板材をプレ
ス加工して、所定形状に形成する。次いで焼鈍を行うよ
うにした。そして、好ましくは、前記焼鈍の温度が、７
００℃以上１２００℃以下で行うようにすることであ
る。

【００２１】すなわち、焼鈍温度が７００゜Ｃより小さ
いと歪みは十分取れず、磁気特性の向上が期待できな
い。また、磁気焼鈍温度は高いほど歪みを除去し、本発
明では品質をＦ値で管理しているため、使用する材料は
安定したフェライト組織となっているので、たとえ焼鈍
温度を高くしてもマルテンサイトが析出することはな
く、磁気特性は向上（一定の値で飽和する）する。しか
し、１２００゜Ｃを越えると焼鈍炉の劣化が著しく、磁
気焼鈍そのものが困難となるため、上限を１２００゜Ｃ
とした。

【００２２】

【作用】ヨークに所望の組成比からなるフェライト単相
組織のＦｅ−Ｃｒ合金を用いるため、電気抵抗率ρがＳ
ＵＹやＳＰＣと比べ、５〜１０倍と高くなる。そして、
渦電流はヨークの電気抵抗率に反比例するため、本発明
のステッピングモータでは、例えば、モータ駆動中、交
流磁場が生じているとき渦電流の発生が可及的に抑制さ
れる。その結果、損失が少なくなり、入力電力に対する
出力トルクが向上し、低消費電力のステッピングモータ
が実現できる。そして、このように渦電流を流れにくく
することから、逆磁場も減少し、入力電流を一定とする
と総磁束量が増加し、出力トルクが増大する。換言すれ
ば、同一出力トルクを得るためには、励磁コイルに流す
電流も少なくてすみ、その結果銅損も低減できる。この
ように鉄損並びに銅損が低減すると、それにともないモ
ータ自身の発熱も低く抑えられる。

【００２３】一方、Ｆｅ−Ｃｒ合金は、加工性も良好で
あるので、従来のＦｅ系合金における製造設備をそのま
ま用いて所定の形状のヨークを形成できる。そして、本
発明では、材料組成をＦ値で管理しているので、フェラ
イト組織が安定したもののみからなり、加工性が極めて
良好で絞り加工も可能となる。

【００２４】これにより、ステータヨークのみならずフ
レームヨークにもＦｅ−Ｃｒ系合金を用いることができ
る。そして、少なくともヨークの一部に所定のＦｅ−Ｃ
ｒ系合金を用いると、当該部分で特性が改善される。そ
して、特に、磁束密度の変化の大きいステータヨークを
上記Ｆｅ−Ｃｒ合金で形成したものが、最も効果的であ
る。

【００２５】ところで、上記組成からなるＦｅ−Ｃｒ合
金を用いてヨークを製造する場合には、板材をプレス加
工して少なくとも櫛歯状磁極部を折り曲げ加工してステ
ータヨークを形成したり、絞り加工をしてフレームヨー
クを形成したりする。すると、このプレス加工時に加え
られたヨークの残留応力による歪みが、ヨークの磁気特
性を劣化させる。具体的には保磁力（Ｈｃ）の増加と透
磁率（μ）の低下である。そしてＨｃの増加はヒステリ
シス損の増大につながり、μの低下は磁束密度の低下に
つながり、しいてはモータ特性である出力トルク・効率
が低下する。つまり、上記Ｆｅ−Ｃｒ合金を用いた効果
が、充分に発揮し得ない。なお、プレス加工して形成さ
れた本発明のヨークを用いて製造したステッピングモー
タのモータ特性でも、従来のＳＰＣ等を用いたものに比
べれて、充分に改善されている。

【００２６】そこで、本発明にもとづく磁気焼鈍を施す
ことで、残留応力による歪みが除去され、保磁力（Ｈ
ｃ）の低減と透磁率（μ）の回復が実現し、ステッピン
グモータの出力、効率が向上する。

【００２７】また、その向上の度合いは、従来鋼である
ＳＵＹやＳＰＣと比較しても大きい。その理由は、モー
タ駆動の交流磁界中において、従来鋼の磁束密度低下の
主原因は、磁気焼鈍には左右されない渦電流によるもの
である。一般にヒステリシス損は磁束密度の１．６乗に
比例することが知られており、渦電流により磁束密度が
低くなる従来鋼は本発明鋼よりもヒステリシス損自体が
小さいため、磁気焼鈍による効果が少ないのである。一
方、本発明鋼はその逆で渦電流損が従来鋼と比べてはる
かに少ないために、磁束密度が高く、その分だけ加工に
よるヒステリシス損が大きくなる。つまり、ヒステリシ
ス損が大きい分だけ本発明鋼の方が磁気焼鈍効果は大き
く、その必要性は高くなる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明に係るステッピングモータ及び
それに用いられるヨークの製造方法の好適な実施例を添
付図面を参照にして詳述する。図１，図２は本発明に係
るステッピングモータの第１実施例を示している。同図
に示すように、シャフト１の周囲に連結部材２を介して
筒状の永久磁石３が固着一体化されてロータ４が形成さ
れている。この永久磁石３の外周囲は、円周方向に多数
分割着磁されている。

【００２９】そして本例では２相タイプのステッピング
モータであるため、上記ロータ４の周囲には、第１〜第
４のステータヨーク５〜８が同心円状に配置されてい
る。具体的には、第１，第２のステータヨーク５，６で
第１相を構成し、第３，第４のステータヨーク７，８で
第２相を構成している。そして、各ステータヨーク５〜
８は、平板のリング状のフランジ部５ａ〜８ａの内周囲
を、所定方向に９０度折り曲げることにより、櫛歯状磁
極部５ｂ〜８ｂを形成している。この対となるステータ
ヨーク（５と６，７と８）は、ともに、櫛歯状磁極部５
ｂと６ｂ，７ｂと８ｂの先端側を向い合わせるととも
に、互いの櫛歯状磁極部の各歯の未形成部位に挿入配置
する。そして、第１相側と第２相側電気角は９０度ずれ
ている。

【００３０】さらに、このステータヨーク対（５と６，
７と８）の外周囲に、コイルボビン９ａに巻き付けたコ
イル部９ｂからなる励磁コイル９を装着する。これによ
り、励磁コイル９は、フランジ部（５ａと６ａ，７ａと
８ａ）間に介在する。

【００３１】そして、上記ロータ４，ステータヨーク５
〜８並びに励磁コイル９を囲繞するように、その外周囲
に同心円上に有底のカップ状のフレームヨーク１０を配
置する。換言すれば、フレームヨーク１０内に上記各部
品を挿入配置する。その状態で、フレームヨーク１０の
開放側をキャップ１１で被覆する。

【００３２】なお、シャフト１の両端は、フレームヨー
ク１０の底面中央に形成された透孔１０ａとキャップ１
１に形成した透孔１１ａにそれぞれ挿入され回転可能に
軸受け支持され、キャップ１１側のシャフト１の端部は
透孔１１ａを内を貫通して所定長さ分だけ外部に突出
し、出力軸として機能する。なおまた、キャップ１１の
外側面には、ステッピングモータを他の装置の所定位置
に固定するためのフランジ１２が一体に形成されている
（図１参照）。なお、上記した各部品の形状構成は、従
来のものと基本的に同じである。そして、本例では、ロ
ータ部，ステータヨーク部，フレームヨーク部がそれぞ
れ独立した部品で形成される。

【００３３】ここで本発明では、上記４つのステータヨ
ーク５〜８をいずれも所定の組成比からなるフェライト
単相組織のＦｅ−Ｃｒ合金を用いて形成している。さら
に、本発明で用いられる上記Ｆｅ−Ｃｒ合金は、加工性
も極めて良好で絞り加工をすることができるので、フレ
ームヨーク１０も上記も上記と同様のＦｅ−Ｃｒ合金を
用いて形成している。

【００３４】そして、具体的にはＦｅ−Ｃｒ合金とし
て、Ｆｅを主成分とし、Ｃｒを９．０〜１８．０重量を
含むとともに、微量添加物としてＣを０．０２重量％以
下、Ｓｉを０．７重量％以下、Ｍｎを０．７重量％以
下、Ｐを０．０４重量％以下、Ｓを０．００５重量％以
下、Ｎｉを０．５重量％以下、Ｎを０．０２重量％以
下、Ｏを０．０１重量％以下、Ａｌを４．０重量％以
下、Ｔｉを０．４重量％以下を含有し、かつ下記式によ
り定義されるＦ値が０以上８以下になるものを用いてい
る。ただし、各添加物に対し０％を除く。

【００３５】Ｆ値＝Ｃｒ＋Ｓｉ＋２．１（Ａｌ＋Ｔｉ）−３７．０（Ｃ＋Ｎ）−２．０Ｎｉ−０．６Ｍｎ−１０．８（但し：各元素の単位はｗｔ％）なお、上記元素以外に添加物がない場合には、Ｆｅの含
有量は、Ｆ値を満たすようにして決定された各元素の含
有量の残部となる。但し、本発明では、上記以外の他の
微量添加物を混入させてもよく、係る場合には、その混
入量分だけＦｅの含有量が低下する。また、上記微量添
加物は、不可避不純物であるので、厳密に０重量％とす
ることはできない。そして、このことは、Ｆ値の決定式
におけるプラス要因（フェライト組織を安定化させる機
能を有するもの）である、Ｓｉ，Ａｌ，Ｔｉについても
同様のことがいえる。

【００３６】これにより、モータ駆動中の交流磁場にと
もないヨーク中で発生しようとする渦電流を、可及的に
抑制することができ、効率が向上する。換言すれば、同
一出力トルクを得るためのステッピングモータは、本発
明品を用いることにより、効率向上分だけ小型化を図る
こともできる。そして、加工性は従来のＦｅ系合金を用
いて形成したヨークと何等変わらないので、プレス加工
等をするに際し同一の型を用いて製造することができ
る。

【００３７】図３は本発明の第２実施例を示している。
この実施例は、上記した実施例と相違し、フレームヨー
ク部が各相毎に軸方向に分割された構成のステッピング
モータに適用した例を示している。すなわち、絞り加工
で形成されるカップヨーク１５の開口部に、それと対応
する第２のステータヨーク６（第３のステータヨーク
７）を嵌合し、両ヨークにより形成される空間内に励磁
コイル９を装着する。そして、上下のカップヨーク１
５，１５同士を所定の角度位置で付き合わせると共に溶
接して一体化する。

【００３８】また、カップヨーク１５の底部中心部位は
開口されるため、係る部位にフランジ１２，１２′を装
着することにより閉塞する。そして、ロータ４は、両フ
ランジ１２，１２′に形成された軸受に回転自在に支持
される。

【００３９】すなわち、カップヨーク１５は、図示のご
とくリング状のフランジ１５ａの内周縁に櫛歯状磁極部
１５ｂが立ち上げ形成されてステータヨーク部が構成さ
れ、またそのフランジ１５ａの外周縁には円筒状の側壁
すなわちフレームヨーク部１５ｃが形成される。つまり
本例では、ステータヨーク部とフレームヨーク部とが同
一部品（カップヨーク１５）で形成される。本発明で
は、この実施例のように、ステータヨーク部，フレーム
ヨーク部等が必ずしも別個の部品で構成される必要はな
く、１つの部品で複数のヨーク部を構成したり、逆に複
数の部品で１つのヨーク部を構成するなど種々の態様の
ものを用いることができ、従来ある各種の構成のステッ
ピングモータに適用することができる。

【００４０】ここで本発明では、第２，第３のステータ
ヨーク６，７及びカップヨーク１５を上記所定の組成比
からなるＦｅ−Ｃｒ合金で形成している。これにより、
モータ作動時に交流磁界の磁路を形成する第２，第３の
ステータヨーク６，７及びカップヨーク１５の部分での
交流磁気特性が改善され、モータ全体での特性の向上が
図れる。

【００４１】＊実験結果本発明の効果を実証するため、上記した第１実施例（図
２に示す）のモータと、同一形状からなる従来のモータ
（相違点はステータヨークの材質）を製造し、それぞれ
のモータ特性を評価した。駆動条件は、２相励磁バイポ
ーラ定電流チョッパ駆動である。そしてその結果を図
４、図５に示す（四角形のマーク：従来品，菱形のマー
ク：本発明品）。図４は周波数に対するプルアウトトル
ク特性で、図５はその時の効率である。図４から明らか
なように、本発明のステッピングモータが高トルクとな
り、駆動周波数が高くなればその差は大きくなる。また
図５から明らかなように効率もトルクと同様な傾向を示
す。なお、実験に用いたステータヨークの材料は、従来
品はＳＰＣを用い本発明品はＦ値が２〜６の範囲になる
所定のＦｅ−Ｃｒ合金を用いた。そして、Ｆ値が係る範
囲内であれば、そのＦ値が異なっていたり、具体的な元
素の含有量が異なっていてもその特性は図示するものと
ほぼ同様の特性が得られた。

【００４２】次に、Ｆ値をパラメータとして、各Ｆ値に
対する材料レベルの交流磁気特性を求めた。具体的に
は、所定のＦ値になるように各元素の含有量を調整した
Ｆｅ−Ｃｒ合金を製造し、次いで各鋼の１ｍｍｔ板から
外形２５ｍｍおよび内径１５ｍｍのリング状試験片を切
り出し、８５０℃×１時間の焼鈍の後、磁界の強さ８０
０Ａ／ｍ、周波数５００Ｈｚの条件のもと、Ｂ−Ｈアナ
ライザで交流磁気特性を測定した。

【００４３】その結果、図６に示すように、Ｆ値が０を
境界として磁束密度が急激に上昇し、Ｆ値が８程度まで
は高磁束密度を維持する（特に６以下まではピーク値を
ほぼ維持する）。そして、Ｆ値が８を越えると、磁束密
度が低下する傾向にあることがわかった。このことか
ら、Ｆ値が０以上８以下が望ましいことが確認できた。
なお、この実験では、上述の如く試験片に対して焼鈍を
行ったが、これは、後述する本発明に係るヨークの製造
方法に示す如く、焼鈍を行った方が特性が改善されるた
めであり、焼鈍の有無に拘らず特性の傾向は同じであ
る。すなわち、図示省略するが、実験の結果、Ｆ値のピ
ーク値が０．８［Ｔ］程度に低下するが、Ｆ値が０を境
界として磁束密度が急激に上昇し、Ｆ値が８程度までは
高磁束密度を維持し、Ｆ値が８を越えると、磁束密度が
低下する傾向は同じであった。

【００４４】次に、具体的な組成比を変えた材料を製造
し、それを用いてヨークを作製し、ステッピングモータ
を組み立てて評価した。すなわち、まず表１〜表３に示
す組成の合金を溶解し、熱間圧延、冷間圧延、仕上げ焼
鈍を施し、厚さ１ｍｍの板を製造した。ここで、Ａ−１
は従来鋼のＳＵＹであり、Ｂ−１〜２６は本発明鋼、Ｃ
−１〜９は比較鋼である。Ａ−１については、加工後、
従来から防錆処理のために行っているＮｉメッキを施し
た。なお、各表中において、Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｍｎに
ついては添加量である。したがって、表２，表３におい
てＴｉの添加量が０（「−」で示す）としているが、上
記した如く不可避不純物としてＴｉも含まれているた
め、非常に微量ではあるが（測定不能）厳密にはＴｉも
含有されている。同様に、上記４つの元素についてはい
ずれも積極的に添加した量を示しているので、厳密にい
うと、実際の含有量は各値よりも僅かに多くなるが、い
ずれにしてもその増加分はごく僅かで誤差の範囲内程度
である。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】

【表３】そして、上記各組成の各鋼の性能、すなわち直流磁気特
性の磁束密度、モータ特性、耐食性、電気抵抗率は、そ
れぞれ表４〜表６に示すようになった。なお、直流磁気
特性は、各鋼の厚さ１ｍｍの板から外形４５ｍｍ及び内
径３３ｍｍのリング状試験片を切り出し、８５０℃×１
時間の焼鈍後、測定条件を変えて測定した。すなわち、
磁界の強さを４００Ａ／ｍ（Ｂ５），８００Ａ／ｍ（Ｂ
１０），２０００Ａ／ｍ（Ｂ２５）と変えた時の直流磁
気特性を測定した。また、モータ性能は各鋼を用いて作
製したヨークを用いてステッピングモータを組み立て、
従来鋼（Ａ−１）を基準に他のものを比較した。そし
て、従来と同レベル及びそれ以下のものを×、従来より
も優れているものを○とした。

【００４８】また、耐食性は、ＪＩＳＺ２３７１に準拠
した２４時間の塩水噴霧試験を行い評価した。目視評価
によりほとんど錆が発生しないものを○、面積率で１０
％以上の錆が発生したものを×と判定した。さらに、電
気抵抗率は、ホイーストンブリッジ法により試験片とし
て厚さが１ｍｍで一辺が５００ｍｍの板材を用いて測定
したものである。

【００４９】

【表４】

【００５０】

【表５】

【００５１】

【表６】表４，表５よりわかるように、本発明品では、Ｆ値の具
体的な数値の相違や、組成比の相違に関係なく、所定の
範囲内に含まれていれば、モータ特性・耐食性も良好
で、電気抵抗率も高いことが確認された。なお、Ｔｉは
組成の安定に寄与するので、Ｆ値が同程度の場合には、
Ｔｉを添加した方が電気抵抗率が全体的にやや高くなる
傾向がある。

【００５２】一方、従来鋼であるＡ−１鋼は、直流磁気
特性、耐食性は良好にも関わらず、電気抵抗率が９．８
μΩ・ｃｍと低く渦電流が流れやすいため、モータ特性
も低下する。また、Ａ−１鋼の場合にはＮｉメッキによ
る防錆工程が必須であり、防錆処理をしない場合には、
錆が発生する。一方、本発明品では、特別な防錆処理を
しなくても上述の如く錆が発生しない。

【００５３】また、本発明と同一の元素を用い少なくと
も１つの元素の含有率及びまたはＦ値を所定の範囲外に
した比較鋼（Ｃ−１〜Ｃ−９）は、いずれも直流磁気特
性が低く、モータ性能も悪い。そして、Ｃ−１は電気抵
抗率が４８．１μΩ・ｃｍでＣ−６は電気抵抗率が４
６．４μΩ・ｃｍと高いが、Ｆ値が０未満であるため、
フェライト組織の安定性に欠け、磁気特性が大幅に落ち
る。また、Ｃｒ量が８．９０重量％（Ｃ−１），８．１
２重量％（Ｃ−６）と低いため耐食性も悪い。

【００５４】Ｃ−３〜５，８，９鋼はＣ含有量，Ｎ含有
量，Ｍｎ含有量のいずれかが高い。さらにＦ値も０未満
となっている。その結果、磁気特性が低下する。Ｃ−
５，Ｃ−９鋼は、Ｏの含有量が高いため、磁気特性が低
下している。また、Ｃ−２，Ｃ−７鋼に関してはＣｒの
含有量が多いために耐食性は良好であるものの、Ｃｒが
１９．５２重量％，２０．０２重量％と高すぎ、Ｆ値も
８以上であるため、磁気特性が劣り、モータ特性が低下
する。

【００５５】次に、上記した構成のヨークを製造する本
発明方法の実施例について説明する。上記したようにス
テータヨークは、Ｆｅ−Ｃｒ合金の板材に対し、プレス
加工により図２等に示すような平板のリング状のフラン
ジ部５ａ〜８ａの内周囲を所定方向に９０度折り曲げ
て、櫛歯状磁極部５ｂ〜８ｂを形成する。また、フレー
ムヨークやカップヨークは、絞り加工によって、所定形
状に形成される。すると、この加工時に加わる残留応力
により磁気特性が劣化する。

【００５６】そこで、本発明では係るプレス加工後、所
定雰囲気下，所定温度で焼鈍を行なう。具体的には、ア
ルゴンや窒素などの不活性ガス雰囲気下、或いは真空中
で行なうのが好ましい。また、温度としては、実験の結
果７００℃〜１２００℃で行なうのが好ましい。

【００５７】すなわち、焼鈍を行う際の最適な温度条件
を求めるため、焼鈍温度をパラメータとし、磁束密度を
測定した。なお、この実験は材料自体の特性であるた
め、所定の材料を偏平リング板、すなわち、ステータヨ
ークのフランジ部と同一の形状（内径１５φ，外径２５
φ，厚さ１ｍｍ）に加工し、さらにそれを中央から２つ
に折り曲げて、なす角が９０度になるようにプレス加工
した。これにより、上記櫛歯状磁極部の形成時に生じる
ストレス（残留応力）を疑似的に与えた。また、使用し
た材料の組成は、磁気特性が安定かつ良好なＦ値が２〜
６となる所定の組成比のものを用いた。そして、組成の
異なる複数種の材料を用いて同様の実験を行ったが、い
ずれも図示するような特性となり、組成の相違による特
性の変化は認められなかった。

【００５８】そして、このように折り曲げたリング板を
磁界の強さが８００Ａ／ｍ、周波数が５００Ｈｚの条件
のもとＢ−Ｈアナライザで交流磁気特性を測定した。そ
して、従来材料であるＳＵＹを焼鈍して得られる最大磁
束密度（０．８［Ｔ］）の１．３倍以上である７００℃
の時の磁束密度（１．０５［Ｔ］）を１００％として、
各温度における磁束密度の割合を求めた結果を図７に示
す。なお、ＳＵＹの最大磁束密度は、焼鈍温度を７００
℃よりも高温（例えば１０００℃程度）で行った時の値
であり、従来鋼を７００℃で焼鈍したときの磁束密度
（０．８［Ｔ］よりも小さい）を基準とすると、本発明
の特性向上率はさらに優れる。

【００５９】図から明らかなように、１０００℃以上と
なると、最大磁束密度の割合は１１０％（１．１５
［Ｔ］）となり飽和し、一方、温度が低くなるにつれて
磁束密度は低下する傾向にある。そして、焼鈍温度が７
００゜Ｃ以上であれば歪みは十分取れ、磁気特性が向上
することがわかった。なお、１２００゜Ｃ以上では前述
の通り、外的要因により焼鈍そのものが困難であるた
め、実験は１２００℃で停止した。

【００６０】図８に各ヨーク材料の加工による交流磁気
特性の磁束密度の劣化とアニールによる回復レベルを示
す。この時の磁気焼鈍条件は、８５０℃１時間、交流磁
気特性の測定条件は、磁界の強さが８００Ａ／ｍ、周波
数が５００Ｈｚである。また、上記と同様に、焼鈍前に
板材を折り曲げて疑似加工を行ったものと、係る疑似加
工後に焼鈍を行ったもののそれぞれの磁気特性を測定し
た。

【００６１】図から明らかなように、各材料を比較する
と、加工後の焼鈍による磁気特性の回復はＦｅ−Ｃｒ合
金が、最も大きく、焼鈍の必要性が高いことがわかる。
すなわち、従来から一般に行われているＳＵＹ，ＳＰＣ
ではその増加の程度がともに約３３％であったのに対
し、本願発明のものでは５０％増となり、より顕著な効
果を発揮することが確認された。

【００６２】さらに、図４，図５に示すように、図中菱
形で示す上記した焼鈍なしの本発明品と同一の材料・寸
法構造のものを用い、プレス加工により櫛歯状磁極部を
加工後、８５０℃×０．５時間の焼鈍を行なった。する
と、図中三角形のマークで示すように、焼鈍なしのもの
に比べ、焼鈍を行なった方がプルアウトトルク特性，効
率のいずれもがさらに向上することが確認された。

【００６３】なお、上記した実施例では、上記ヨークを
いずれも、所定のＦｅ−Ｃｒ合金のものを用いて形成し
ているが、すべてのヨークにＦｅ−Ｃｒ合金を使用する
ことなく、部分的に使用してもよい。例えば、磁束密度
の変化の少ないフレームヨークは従来のＦｅ系合金を用
いてもよい。

【００６４】すなわち、図９に示すように、フレームヨ
ーク１０′をＦｅ系合金としたり、さらには、一部のス
テータヨーク（図示の例では、ステータヨーク５′，
６′）をＦｅ系合金とし、他のステータヨーク７，８の
みを所定のＦｅ−Ｃｒ合金で製造していも良い。

【００６５】また、図１０に示すように、図３に示す第
２実施例の構造において、カップヨーク１５′をＦｅ系
合金で形成し、中間のステータヨーク６，７のみをＦｅ
−Ｃｒ合金で形成するようにしてもよい。

【００６６】係る構成にしても、ステータヨークの一部
をＦｅ−Ｃｒ合金を用いることにより、その用いた部位
での渦電流の発生を抑制できるため、従来品に比べて特
性が向上する。そして、実際に上記した各特性の実験を
行ったところ、図４，図５に示す発明品の特性に比べ、
特性の向上は約１／２（発明品と従来品の特性の中間）
程度となった。

【００６７】また、このように一部のステータヨークの
みをＦｅ−Ｃｒ合金で製造する場合、その使用箇所は、
図示の例に限ることなく、その組み合わせは任意であ
る。さらに、ステータヨークのうち櫛歯状磁極部に相当
する部分をＦｅ−Ｃｒ合金で製造しても良い。すなわ
ち、本発明でいうところのステータヨークの一部とは、
係る変形例のように、ステッピングモータを構成する複
数のステータヨークのうちの一部と、１つのステータヨ
ークのうちの一部分の両者を含む概念である。さらに
は、図示省略するが、すべてのステータヨークを所定の
Ｆｅ−Ｃｒ合金で形成し、フレームヨークは従来と同様
にＦｅ系合金で形成するようにしてももちろんよい。

【００６８】

【発明の効果】以上のように、本発明に係るステッピン
グモータでは、ヨークの一部を所定のＦｅ−Ｃｒ合金で
形成したため、渦電流の発生を可及的に抑制することが
でき、その結果、渦電流により生じる鉄損の軽減を図
り、効率が向上する。また、Ｆｅ−Ｃｒ合金では、防錆
効果を有してるため、特別なメッキコーティングも不要
となり、工数の削減をすることもできる。しかも、微量
添加物の含有量を所定の値に設定するとともに、材料の
品質をＦ値で管理するようにしたため、安定した組成の
フェライト単相組織となり、高品質で加工性も良好とな
る。その結果、絞り加工が可能となり、従来から用いら
れているヨークの製造プロセス・設備をそのまま使用す
ることができる。その結果、高出力のステッピングモー
タを実現することができる。さらには、フェライト組織
が安定しているため焼鈍処理を行う場合に、その焼鈍温
度を高温度にしてもマルテンサイトを生じることがなく
なる。

【００６９】また、本発明に係るヨークの製造方法で
は、プレス加工により一旦劣化した磁気特性を回復する
ことができ、Ｆｅ−Ｃｒ合金を用いる効果をより発揮す
ることかできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るステッピングモータの第１実施例
を示す一部破断斜視図である。

【図２】本発明に係るステッピングモータの第１実施例
を示す分解斜視図である。

【図３】本発明に係るステッピングモータの第２実施例
を示す分解斜視図である。

【図４】本発明の効果を実証した特性図である。

【図５】本発明の効果を実証した特性図である。

【図６】Ｆ値に対する交流磁束密度の特性を示す図であ
る。

【図７】焼鈍温度に対する交流磁束密度の割合の特性を
示す図である。

【図８】焼鈍の有無に対する従来鋼及び本発明品の交流
磁束密度の関係を示す図である。

【図９】本発明に係るステッピングモータの変形例を示
す分解斜視図である。

【図１０】本発明に係るステッピングモータの変形例を
示す分解斜視図である。

【符号の説明】

３永久磁石４ロータ５〜８ステータヨーク５ｂ〜８ｂ，１５ｂ櫛歯状磁極部９励磁コイル１０フレームヨーク１５カップヨーク１５ｃフレームヨーク部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武本敏彦山口県新南陽市野村南町4976番地日新製鋼株式会社鉄鋼研究所内 (72)発明者広田龍二山口県新南陽市野村南町4976番地日新製鋼株式会社鉄鋼研究所内 (56)参考文献特開平５−98352（ＪＰ，Ａ) 実開平５−78186（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02K 37/00 - 37/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多極着磁された永久磁石からなるロータ
部と、前記ロータ部と同軸上で対向するように設けられた複数
個の櫛歯状磁極部を有するステータヨーク部と、前記ステータヨーク部の前記櫛歯状磁極部の外周囲に装
着した励磁コイルと、前記励磁コイル並びに前記ステータヨーク部を囲繞する
筒状のフレームヨーク部とを備えたステッピングモータ
において、少なくとも前記ヨーク部の一部が、Ｆｅを主成分とし、Ｃｒを９．０〜１８．０重量％を含
むとともに、微量添加物としてＣ：０％を除く０．０２重量％以下、
Ｓｉ：０％を除く０．７重量％以下、Ｍｎ：０％を除く
０．７重量％以下、Ｐ：０％を除く０．０４重量％以
下、Ｓ：０％を除く０．００５重量％以下、Ｎｉ：０％
を除く０．５重量％以下、Ｎ：０％を除く０．０２重量
％以下、Ｏ：０％を除く０．０１重量％以下、Ａｌ：０
％を除く４．０重量％以下、Ｔｉ：０％を除く０．４重
量％以下を含有し、かつ、下記式により定義されるＦ値が０以上８以下のフ
ェライト単相組織であるＦｅ−Ｃｒ合金で形成したこと
を特徴とするステッピングモータ。Ｆ値＝Ｃｒ＋Ｓｉ＋２．１（Ａｌ＋Ｔｉ）−３７．０（Ｃ＋Ｎ）−２．０Ｎｉ−０．６Ｍｎ−１０．８（但し：各組成の単位は重量％）
【請求項２】Ｆｅを主成分とし、Ｃｒを９．０〜１
８．０重量％を含むとともに、微量添加物としてＣ：０％を除く０．０２重量％以下、
Ｓｉ：０％を除く０．７重量％以下、Ｍｎ：０％を除く
０．７重量％以下、Ｐ：０％を除く０．０４重量％以
下、Ｓ：０％を除く０．００５重量％以下、Ｎｉ：０％
を除く０．５重量％以下、Ｎ：０％を除く０．０２重量
％以下、Ｏ：０％を除く０．０１重量％以下、Ａｌ：０
％を除く４．０重量％以下、Ｔｉ：０％を除く０．４重
量％以下を含有し、かつ、下記式により定義されるＦ値が０以上８以下のフ
ェライト単相組織であるＦｅ−Ｃｒ合金からなる板材を
プレス加工し、次いで焼鈍を行うようにしたステッピングモータ用のヨ
ークの製造方法。Ｆ値＝Ｃｒ＋Ｓｉ＋２．１（Ａｌ＋Ｔｉ）−３７．０（Ｃ＋Ｎ）−２．０Ｎｉ−０．６Ｍｎ−１０．８（但し：各組成の単位は重量％）
【請求項３】前記焼鈍の温度が、７００℃以上１２０
０℃以下で行うようにした請求項２に記載のステッピン
グモータ用のヨークの製造方法。