JP3073873B2 - 環状コイル式３相クロ−ポ−ル式永久磁石ステッピングモ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，環状コイル式３相クロ
−ポ−ル式永久磁石ステッピングモ−タに係り，特に，
レ−ザビ−ムプリンタのドラム駆動や複写機のスキャナ
−駆動等に最適，低価格，低騒音，低振動の環状コイル
式３相クロ−ポ−ル式永久磁石ステッピングモ−タに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ステッピングモ−タには各種の構造のも
のがあるが，レ−ザビ−ムプリンタのドラム駆動や複写
機のスキャナ−駆動等に用いられるステッピングモ−タ
には，例えば図９にその基本構造を略示するような３相
式ハイブリッド形ステッピングモ−タ（以下ＨＢ形モ−
タと略記する）をスタ−結線に接続して駆動する場合が
ある。図９は３相ＨＢ形モ−タの断面を示す概念図に，
外部電気回路の構成を記した電気磁気機能を説明する３
相ＨＢ形モ−タの駆動回路を含む機能説明図である。図
９において，３相ＨＢ形モ−タ３０の固定子３１には第
１の極歯３１ａ，第２の極歯３１ｂ，第３の極歯３１ｃ
が形成され，各極歯３１ａ，３１ｂ，３１ｃにはそれぞ
れ同一方向に巻かれた第１のコイル３２ａ，第２のコイ
ル３２ｂ，第３のコイル３２ｃが構成されている。各コ
イル３２ａ，３２ｂ，３２ｃに図１０に記すように順次
通電することにより永久磁石によって構成された回転子
３３が回転する。

【０００３】各コイル３２ａ，３２ｂ，３２ｃの所定の
端部，例えば，各コイルの巻終わり部Ｕ，Ｖ，Ｗは相互
に接続されている。また，第１のコイル３２ａの上述と
は逆側の端部，例えば，巻始め部Ｕは所定の電源回路Ｂ
とグランドＧ間に直列に接続した第１のスイッチング素
子Ｔ1と第２のスイッチング素子Ｔ2の接続点に接続され
ている。同様に，第２のコイル３２ｂの巻始め部Ｖは所
定の電源回路ＢとグランドＧ間に直列に接続した第３の
スイッチング素子Ｔ3と第４のスイッチング素子Ｔ4との
接続点に，第３のコイル３２ｃの巻始め部Ｗは所定の電
源回路ＢとグランドＧ間に直列に接続した第５のスイッ
チング素子Ｔ5と第６のスイッチング素子Ｔ6との接続点
に接続されている。従って，３相ＨＢ形モ−タ３０の各
コイル３２ａ，３２ｂ，３２ｃはスタ−結線に接続され
ている。

【０００４】図１０は，上述した各スイッチング素子の
時間経過によって変化する導通の組合わせ状態を示す説
明図である。同図において，縦方向に記す欄内の数値は
スイッチング素子の導通切換え順序を示し，横軸には各
スイッチング素子の符号を記していて，各縦横各欄の交
点に当たる枠内に記す丸印は，そのタイミングにおいて
導通されるスイッチング素子を示している。これを図９
も参照して説明すると，次の通りである。図１０の最上
欄には，第１のスイッチング素子Ｔ１と第４のスイッチ
ング素子Ｔ４が導通された状態を示している。即ち，最
上欄のタイミングにおいては，電源Ｂから第１のスイッ
チング素子Ｔ１，第１のコイル３２ａ，第２のコイル３
２ｂ，第４のスイッチング素子Ｔ４を経てグランドＧと
の間に形成された回路に電流が流れる。従って，第１の
極歯３１ａに磁極Ｎが第２の極歯３１ｂに磁極Ｓが形成
される。従って，回転子３３の磁極Ｎと磁極Ｓは固定子
３１に形成された磁極Ｎと磁極Ｓに吸引されて図９
（Ａ）に示す位置で停止する。

【０００５】次に，図１０の上から２番目の欄に示すよ
うに第４のスイッチング素子Ｔ4と第５のスイッチング
素子Ｔ5が導通されると，第２のコイル３２ｂと第３の
コイル３２ｃに通電されて，第３の極歯３１ｃに磁極Ｎ
が，第２の極歯３１ｂに磁極Ｓが形成されて回転子３３
が図９（Ｂ）に示すように時計方向に６０度回転する。
同様に，図１０に示す順序で連続して各スイッチング素
子を切換え通電することによって，固定子の各極歯に形
成される磁極が回転して固定子３１の内部に回転磁界を
形成し，回転子３３が連続して回転する。上述のように
３相ＨＢ形モ−タは３個のコイルのすべての両端子に外
部回路を接続することなく３端子のモ−タとして形成で
きるので，外部のスイッチング回路も含め，安価なアク
チェ−タとして使用できる。

【０００６】図１１には，同一構成の環状コイルを，３
個回転軸方向にカスケ−ド状に配置構成した環状コイル
式３相クロ−ポ−ル式永久磁石ステッピングモ−タを示
している。同図において，固定子４０は３個の単位固定
子４１，４２，４３から成りたっていて，第１の単位固
定子４１には第１の環状コイル４１ｃがヨ−ク４１ｄ内
に巻かれている。同様に，第２の単位固定子４２には第
２の環状コイル４２ｃがヨ−ク４２ｄ内に巻かれ，第３
の単位固定子４３には第３の環状コイル４３ｃがヨ−ク
４３ｄ内に巻かれている。各ヨ−クはそれぞれ環状コイ
ルを囲んで折り曲げた内側において，左右から所定間隙
を設けて極歯（図示せず）を形成している。この極歯
は，それぞれコイルに通電することによって異極性に磁
化される。このような極歯の構成は一般に，クロ−ポ−
ルと呼ばれている。固定子４０は，上述した３組の各環
状コイル４１ｃ，４２ｃ，４３ｃを巻き込んだヨ−ク４
１ｄ，４２ｄ，４３ｄが積み重なって円筒状に構成され
るとともに各コイルは同一方向に巻かれている。

【０００７】第１の環状コイル４１ｃの巻始め部Ｕは，
所定の電源回路ＢとグランドＧ間に直列に接続したスイ
ッチング素子Ｔａ1とＴａ2との接続点に接続されてお
り，第１の環状コイル４１ｃの巻終わり部Ｕは所定の電
源回路ＢとグランドＧ間に直列に接続したスイッチング
素子Ｔｂ1とＴｂ2との接続点に接続されている。同様
に，第２の環状コイル４２ｃの巻始め部Ｖは，所定の電
源回路ＢとグランドＧ間に直列に接続されたスイッチン
グ素子Ｔａ3とＴａ4との接続点に接続されていて，巻終
わり部Ｖは所定の電源回路ＢとグランドＧ間に直列に接
続したスイッチング素子Ｔｂ3とＴｂ4との接続点に接続
されている。また，第３の環状コイル４３ｃの巻始め部
Ｗは，所定の電源回路ＢとグランドＧ間に直列に接続さ
れたスイッチング素子Ｔａ5とＴａ6との接続点に接続さ
れていて，巻終わり部Ｗは所定の電源回路Ｂとグランド
Ｇ間に直列に接続したスイッチング素子Ｔｂ5とＴｂ6と
の接続点に接続されている。

【０００８】上述した円筒状の固定子４０の中央の空間
には固定子４０の内面との間に所定の空隙を隔てて回転
子５０の回転軸５１が軸受５２ａ，５２ｂによって回転
自在に軸支されている。回転子５０は中子５３を介して
外周部に，回転軸方向に平行に磁極Ｎ，Ｓを所定の等ピ
ッチで着磁した円筒磁石５４を形成している。前述した
各スイッチング素子を順次適切に組合わせて導通するこ
とによって各環状コイルに順次通電し，固定子４０内面
の各極歯（図示せず）を順次磁化することによって回転
磁界を形成し，回転子５０の磁極を吸引して回転させ
る。

【０００９】また，図１２に示す環状コイル式２相クロ
−ポ−ル式永久磁石ステッピングモ−タも使用されてい
る。図１２に同一構成の環状コイルを２個回転軸方向に
カスケ−ド状に配置構成した構造の環状コイル式２相ク
ロ−ポ−ル式永久磁石ステッピングモ−タを示してい
る。同図において，固定子６０は２個の単位固定子６
１，６２から成りたっていて，第１の単位固定子６１に
は第１の環状コイル６１ｃがヨ−ク６１ｄ内に巻かれて
いる。同様に，第２の単位固定子６２には第２の環状コ
イル６２ｃがヨ−ク６２ｄ内に巻かれている。各ヨ−ク
は，それぞれ環状コイルを囲んで折り曲げた内側におい
て，左右から所定間隙を設けて極歯（図示せず）を設け
たクロ−ポ−ルを形成している。極歯はそれぞれコイル
に通電することによって異極性に磁化される。上述した
固定子６０は上述した２組の環状コイル６１ｃ，６２ｃ
が積み重なるように構成されるとともに各コイルが同一
方向に巻かれている．

【００１０】第１の環状コイル６１ｃの巻始め部Ｒは所
定の電源回路ＢとグランドＧ間に直列に接続したスイッ
チング素子Ｔａ1とＴａ2との接続点に接続しており，第
１の環状コイル６１ｃの巻終わり部Ｒは所定の電源回路
ＢとグランドＧ間に直列に接続したスイッチング素子Ｔ
ｂ1とＴｂ2との接続点に接続されている。同様に，第２
の環状コイル６２ｃの巻始め部Ｓは，所定の電源回路Ｂ
とグランドＧ間に直列に接続したスイッチング素子Ｔａ
3とＴａ4との接続点に接続されていて，巻終わり部Ｓは
所定の電源回路ＢとグランドＧ間に直列に接続されたス
イッチング素子Ｔｂ3とＴｂ4との接続点に接続されてい
る。

【００１１】上述した円筒状の固定子６０の中央の空間
には固定子６０の内面との間に所定の空隙を隔てて回転
子７０の回転軸７１が軸受７１ａ，７１ｂによって回転
自在に軸支されている。回転子７０は中子７３を介して
外周部に，回転軸方向に平行に磁極Ｎ，Ｓを所定の等ピ
ッチで着磁した円筒磁石７４を形成している。上述の各
スイッチング素子を順次適切に導通することによって各
環状コイルに順次通電し，固定子６０の内面の各極歯
（図示せず）を順次磁化することによって回転磁界を形
成し，回転子７０の磁極を吸引して回転させる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで，図９，図１
０によって前述したような３相ＨＢ形ステッピングモ−
タ３０の構造とコイル電流の供給方法であると，コイル
への給電回路は安価になるが，３相ＨＢ形ステッピング
モ−タ自体は構造が複雑で高価なものになる。図１１に
示した環状コイル式３相クロ−ポ−ル式永久磁石ステッ
ピングモ−タの場合は構造が簡単で安価になるが，コイ
ルへの給電がコイルの両端を切り換える必要がある６端
子駆動なので，１２個のスイッチング素子を制御する必
要があり，給電回路が複雑で高価になるという問題点が
あった。また，図１２に示す環状コイル式２相クロ−ポ
−ル式永久磁石ステッピングモ−タは同タイプの３相モ
−タよりも安価になるが，コイルへの給電がコイルの両
端を切り換える必要がある４端子駆動なので，８個のス
イッチング素子を制御する必要があり，また，鎖交磁束
の第３次高調波の影響をうけるために回転振動が大きい
という問題点があった。本発明は上記従来の課題（問題
点）を解決し，回転時における振動発生を改善するとと
もに安価に構成できる環状コイル式３相クロ−ポ−ル式
永久磁石ステッピングモ−タを提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に基づく環状コイ
ル式３相クローポール式永久磁石ステッピングモータ
は，上記課題を解決するために，環状コイルを形成し
て，その両先端部を相互に所定間隔を隔てて平行，かつ
交互に組合わされるようにしてＭ対の極歯を設け，前記
コイルに電流を供給することによって，該極歯が互いに
異極性に磁化されるように形成して，それぞれを回転子
軸に平行して縦列に配置して構成した３組の固定子と，
この固定子の内部に前記極歯に対しラジアル方向に所定
間隔を隔てて回転自在に軸支され，その表面に計２Ｍ個
の磁極をＮ，Ｓ交互に着磁した円筒状の回転子とを設
け，前記３組の各相固定子の出力軸側に形成した極歯は
回転子表面に着磁した磁極を基準にして電気角で６０度
（機械角で６０度／Ｍ）順次偏位させるか，上記３組の
固定子の各相極歯は同位置で回転子の磁極を固定子各相
極歯に対して電気角で６０度（機械角で６０度／Ｍ）ず
らして構成した環状コイル式３相クローポール式永久磁
石ステッピングモータをスター結線又はデルタ結線の３
端子駆動する方式において，前記３組の固定子のコイル
のうち中間に位置する１組のコイルの巻方向又は結線方
向を他の２組のコイルと逆になるように構成した。この
場合，環状コイルを形成して，その両先端部を相互に所
定間隔を隔てて平行，かつ交互に組合わされるようにし
てＭ対の極歯を設け，前記コイルに電流を供給すること
によって，該極歯が互いに異極性に磁化されるように形
成して，それぞれを回転子軸に平行して縦列に配置して
構成した３組の固定子と，この固定子の内部に前記極歯
に対しラジアル方向に所定間隔を隔てて回転自在に軸支
され，その表面に計２Ｍ個の磁極をＮ，Ｓ交互に着磁し
た円筒状の回転子とを設け，前記３組の各相コイルは各
々の巻終わり端を短絡したスター結線又は巻始め端と他
相の巻終わり端を順次環状に結線し，その接続部を入力
端子とするデルタ結線の３端子入力方式とし，２相励磁
時，励磁される２組のコイルにそれぞれ発生する回転子
軸に平行な磁束の向きが常に逆方向としたとき，互いに
隣接する２相の隣接する出力軸側極歯と反出力軸側極歯
を回転子表面に着磁した磁極を基準にして，電気角で６
０度（機械角で６０度／Ｍ）順次偏位させるか，上記３
組の固定子極歯の隣接する２相の隣接する出力軸側極歯
及び反出力軸側極歯と，反出力軸側極歯及び出力軸側極
歯とをそれぞれ同位置とし，回転子の磁極を固定子各相
極歯に対し電気角で６０度（機械角で６０度／Ｍ）順次
偏位させるように構成しても良い。また，これらの構成
において，３組の固定子それぞれに設けた各隣接する１
対の極歯は，機械角で（１８０度／Ｍ）の基準形成ピッ
チに対して，交互に下記式を満足する電気角θ度偏位さ
せて形成することが望ましい。 ０≦θ≦３６（度）

【００１４】

【作用】本発明は，上述のように環状コイル式３相クロ
−ポ−ル式永久磁石ステッピングモ−タを構成し，ま
た，そのコイルをスタ−結線又はデルタ結線に接続した
ので，単純な構造の環状コイルと，プレス加工で実現可
能なクロ−ポ−ル形極歯とを備えた固定子と，フェライ
ト磁石等の円筒形磁石によって形成できる回転子によっ
て構成された安価な構造のモ−タを使用して，スタ−結
線，又はデルタ結線の接続による３端子駆動による安価
な駆動用のスイッチング回路が形成できる。３組の固定
子それぞれに設けた極歯を，機械角で（１８０／Ｍ）度
の基準形成ピッチに対して，電気角で交互に０度ないし
３６度の所定角度偏位させて形成すると所望されるトル
クを出力するとともに回転振動が低減される。

【００１５】

【実施例】本発明に基づく環状コイル式３相クローポー
ル式永久磁石ステッピングモータ（以下モータと略記す
る）の実施例を図を参照して、請求項１記載の発明及び
請求項２記載の発明の順に詳細に説明する。なお、請求
項３記載の発明は後述する（１）式を充足する構成なの
で各実施例に関連するものである。 実施例１： 図１は本発明に基づく実施例１に説明するモータ例の断
面図を，図２は図１に示すモータの一部をカットし，さ
らに一部を展開展長した斜視図を示している。図１にお
いては，図９，図１１，図１２によって説明した従来例
に相当する機能は同一の符号を使用している。ただし，
図の配置方向は９０度ずらしている。図１，図２におい
て，モータ１の本体部は固定子１０と回転子２０によっ
て構成されている。固定子１０は，それぞれが固定子相
を形成する３組の単位固定子１１，１２，１３から成り
たっていて，第１の単位固定子１１はその両先端部を相
互に所定間隔を隔てて平行，かつ交互に組合わされるよ
うにしてＭ対の極歯１１ａ，１１ｂを設け，内部に環状
コイル１１ｃをボビン１１ｄに巻き込んで環状に形成し
ている。第２の単位固定子１２は第１の単位固定子１１
と同様，その両先端部を相互に所定間隔を隔てて平行，
かつ交互に組合わされるようにしてＭ対の極歯１２ａ，
１２ｂを設け，その内部に環状コイル１２ｃをボビン１
２ｄに巻き込んで環状に形成している。また，第３の単
位固定子１３も同様にその両先端部を相互に所定間隔を
隔てて平行，かつ交互に組合わされるようにしてＭ対の
極歯１３ａ，１３ｂを設け，その内部に環状コイル１３
ｃをボビン１３ｄに巻き込んで環状に形成している。上
述した各環状コイル１１ｃ，１２ｃ，１３ｃはいずれも
同一方向に巻かれている。

【００１６】また，第１の単位固定子１１に設けたＭ対
の極歯１１ａ，１１ｂを形成する間隔は，機械角で（１
８０／Ｍ）度の機械的基準形成ピッチ，即ち，１対２個
の極歯の配列を電気角３６０度を１ピッチとして，各極
歯の電気磁気的基準間隔である（１／２）ピッチの電気
角１８０度に対して図２に示すように交互に（１８０−
θ）度と（１８０＋θ）度に偏位させて形成している。
上述した角度θ度は詳細を後述するように，そのモ−タ
の仕様，例えばモ−タの出力トルクと回転時の振動を抑
制する条件等の設計条件に対応して下記（１）式を満足
するように設定する。 ０≦θ≦３６（度）・・・・・・（１）

【００１７】第２の単位固定子１２に設けたＭ対の極歯
１２ａ，１２ｂおよび第３の単位固定子１３に設けたＭ
対の極歯１３ａ，１３ｂもそれぞれ第１の単位固定子１
１に設けたＭ対の極歯１１ａ，１１ｂと同一の配置関
係，即ち，各極歯の基準間隔である電気角１８０度に対
して（１）式を満足するように形成している。さらに，
第１の単位固定子１１に設けた極歯１１ａと，第２の単
位固定子１２に設けた極歯１２ａとは電気角で６０度偏
位させ，第２の単位固定子１２に設けた極歯１２ａと，
第３の単位固定子１３に設けた極歯１３ａとは電気角で
６０度偏位させて構成している。

【００１８】３組の単位固定子は，上述した条件を満足
すれば各単位固定子のヨ−クを個別に形成し並べて固定
しても，一体のヨ−ク内に適切に構成しても良い。図
１，図２においては，例えば磁性鉄板をプレス等で打抜
き，さらに折曲げて両端部に極歯１１ａ，１３ｂを設け
て成形したヨ−ク１０ａの内部に，各固定子の機能を分
離する，例えば磁性鉄板をプレス等で打抜き，さらに折
曲げて前述した極歯をそれぞれに形成した中間部材１０
ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅを設けて構成した状態を示
している。なおこれらの極歯構造は前述のように，クロ
−ポ−ルと呼ばれている。

【００１９】上述した固定子１０の内部空間に設けられ
た回転子２０は，回転軸２１が固定子１０の中央両端に
構成した軸受２２ａ，２２ｂによって回転自在に軸支さ
れている。回転軸２１には中子２３を介して表面を上述
した固定子の極歯の形成機械角度に対応する所定ピッチ
でＭ対のＮ極とＳ極を交互に着磁した円筒磁石２４が構
成されている。

【００２０】第１の単位固定子（以下固定子と略記す
る）１１の環状コイル（以下コイルと略記する）１１ｃ
の巻終わり部Ｕと第２の固定子１２のコイル１２ｃの巻
始め部Ｖおよび第３の固定子１３のコイル１３ｃの巻終
わり部Ｗは相互に接続し，第１の固定子１１のコイル１
１ｃの巻始め部Ｕと第２の固定子１２のコイル１２ｃの
巻終わり部Ｖおよび第３の固定子１３のコイル１３ｃの
巻始め部Ｗはそれぞれ電流の入力線として引出されてい
る。即ち，このモ−タ１の各コイルはスタ−結線に接続
しているが，従来の技術で図９によって示したように各
コイルの巻終わり部Ｕ，Ｖ，Ｗを接続したスタ−結線の
接続とは相違し，３端子入力による駆動を可能にするた
めに，一つのコイルを逆接続にしている。即ち，本実施
例では，第２の固定子１２のコイル１２ｃの巻始め部Ｖ
を他の第１及び第３の固定子１１，１３の各コイル１１
ｃ，１３ｃの各巻終わり部Ｕ，Ｗに接続されている。

【００２１】次に，このモ−タ１の電流供給の実施例１
を図３，図４によって説明する。図３にはモ−タ１の電
流供給回路例を示していて図３における要素機能の符号
は上述した図１，図２と共通である。また各コイルの端
子部の横に記した丸印はそのコイルの巻始め部を示して
いる。図３において，第１の固定子１１のコイル１１ｃ
の巻始め部Ｕの引出し線は所定の電源回路Ｂとグランド
Ｇとの間に直列に接続したスイッチング素子Ｔ1とＴ2と
の接続点に接続されている。同様に，第２の固定子１２
のコイル１２ｃの巻終わり部Ｖの引出し線は所定の電源
回路ＢとグランドＧ間に直列に接続したスイッチング素
子Ｔ3とＴ4との接続点に接続され，第３の固定子１３の
コイル１３ｃの巻始め部Ｗの引出し線は所定の電源回路
ＢとグランドＧ間に直列に接続したスイッチング素子Ｔ
5とＴ6との接続点に接続されている。上述のスイッチン
グ素子はトランジスタ又はサイリスタのような半導体を
使用し，それぞれの制御回路はその素子の特性に対応し
て構成するが，図示は省略している。

【００２２】今，第１の固定子１１のコイル１１ｃの巻
始め部Ｕに接続するスイッチング素子Ｔ1と第２の固定
子１２のコイル１２ｃの巻終わり部Ｖに接続するスイッ
チング素子Ｔ4を導通すると，第１の固定子１１のコイ
ル１１ｃと第２の固定子１２のコイル１２ｃには図３に
記入した矢印のように電流が流れ，第１の固定子１１の
極歯１１ａはＮ極に，極歯１１ｂはＳ極に，第２の固定
子１２の極歯１２ａはＮ極に，極歯１２ｂはＳ極にそれ
ぞれ励磁される。従って，回転子２０は回転して円筒磁
石２４の磁極が図３に示す位置で静止する。

【００２３】図４に各スイッチング素子を導通する順序
例，図５に各スイッチング素子が導通されて各コイルに
通電され固定子の各極歯が励磁されることによって回転
子が回転する状況を示している。図４の横方向に示す欄
には各スイッチング素子の符号を示し，縦方向には各ス
イッチング素子を導通する時間的順序を番号で示し，縦
横交点の欄に丸印を記すスイッチング素子が縦方向の番
号順で順次導通されることを示している。即ち，例え
ば，最上段の番号１においては，前述したように第１の
固定子１１のコイル１１ｃに接続するスイッチング素子
Ｔ1と第２の固定子１２のコイル１２ｃに接続するスイ
ッチング素子Ｔ4が導通されるタイミングを示してい
る。

【００２４】図５は図４に示すように順次各固定子の極
歯が励磁され，回転子の磁極が吸引される位置を示して
いる。各固定子のコイルは図３，図４によって示したよ
うに２個の固定子が組合わされて励磁されるが，説明の
便宜上図５には１個の固定子のみが励磁された状態を示
している。図５は上段から順次，（１）は第１の固定子
１１が励磁された状態，（２）は第２の固定子１２が励
磁された状態，（３）は第３の固定子１３が励磁された
状態，（４）は第１の固定子１１が逆方向に励磁された
状態，即ち，第１の固定子のコイル１１ｃに逆方向に通
電された状態，（５）は第２の固定子１２が逆方向に励
磁された状態，（６）は第３の固定子１３が逆方向に励
磁された状態をそれぞれ示めしている。各状態におい
て，上段は固定子の励磁された極歯の極性を記し，下段
には励磁された固定子によって吸引された回転子の磁極
位置を示している。また，各極歯の相互の関係位置を電
気角で記している。即ち，前述したように，各固定子の
極歯の配置は電気角の１／２ピッチである１８０度を基
準にして交互に（１８０−θ）度と（１８０＋θ）度に
形成している。また，各固定子の極歯関係位置は相互に
６０度の電気角偏位させている。回転子の各磁極の異極
間のピッチは電気角で１８０度である。前述したように
各固定子に設けた極歯の対数をＭとして，電気角の１８
０度は機械角の（１８０／Ｍ）度に対応する。

【００２５】前述したように，例えば，第１の固定子１
１と第２の固定子１２が同時に励磁されると，回転子２
０のＳ極は第１の固定子１１に形成されるＮ極と第２の
固定子１２に形成されるＮ極の中間位置に吸引され，静
止する。従って，図４によって前述したように各スイッ
チング素子を順次導通して各コイルを順次通電すること
により，各固定子の極歯に形成される磁極が順次移動し
て回転子の磁極を吸引し，回転させる。即ち，図４に示
すように最上段の番号１から下段に向けて丸印を記した
スイッチング素子を，このモ−タ１を回転させる回転速
度に対応する切換速度で順次導通することによって各コ
イルが順次通電されることにより，各固定子の極歯に形
成される磁極が切換速度で移動し，回転子２０の静止位
置が連続的に変化し，モ−タ１は回転する。

【００２６】次に，前述したように固定子の極歯の配置
間隔を交互に（１８０−θ）度と（１８０＋θ）度偏位
させた場合の働きを説明する。３相永久磁石ステッピン
グモ−タのギャップパ−ミアンスＰ（θ）は奇数次のみ
の高調波成分で次の（２）式のように表すことができ
る。 Ｐ（θ）＝Ｐ₀（Ｋ₁ｓｉｎθ＋Ｋ₃ｓｉｎ３θ＋Ｋ₅ｓｉ
ｎ５θ＋Ｋ₇ｓｉｎ７θ）・・・・・・（２） （２）式においてＰ₀，Ｋ₁，Ｋ₃，Ｋ₅，Ｋ₇はそれぞれ
定数である。また，トルクＴは次の（３）式によって得
られる。 Ｔ＝ＫｉＰ（θ）・・・・・（３） （３）式においてＫは定数であり，ｉは励磁電流であ
る。励磁電流ｉが次の（４ａ）式，（４ｂ）式，（４
ｃ）式を満足する３相平衡電流（例えば，マイクロステ
ップの高分割によって形成される等）であるとし，
（２）式，（４ａ）式，（４ｂ）式，（４ｃ）式を
（３）式に代入して整理すると次の（５）式が得られ
る。 ｉ_U＝Ｉｓｉｎ（ωｔ）・・・・・・・・・・・・・（４ａ） ｉ_V＝Ｉｓｉｎ〔（ωｔ−（２π／３）〕・・・・・（４ｂ） ｉ_W＝Ｉｓｉｎ〔（ωｔ−（４π／３）〕・・・・・（４ｃ） Ｔ＝（３／２）ＫＩＰ₀｛Ｋ₁ｃｏｓ（θ−ωｔ）−Ｋ₅
ｃｏｓ（５θ＋ωｔ）＋Ｋ₇ｃｏｓ（７θ−ωｔ）・・
・・・・・・・・・・（５） （５）式における第１項は基本波であり負荷を駆動する
トルクであるが，定数Ｋ₅のかかる第２項と，定数Ｋ₇の
かかる第３項とは振動を誘起するトルクであって，第２
項と第３項の存在は振動騒音の原因となる。一般に，高
調波の次数が高くなると，その振幅は小さくなり，Ｋ₅
＞Ｋ₇なので第２項の方が第３項よりも大きい成分値に
なっている。（５）式においては，（２）式に含まれて
いた第３次高調波は，含まれていない。

【００２７】ところで，図５の（１）に示す条件でパ−
ミアンスの第５次成分を求めると，１極歯の第５次高調
波パ−ミアンスＰ₅は次の（６）式によって表わされ
る。 Ｐ₅＝Ｋ′ｃｏｓ５（θ₀／２）・・・・・・・・・（６） （６）式においてＫ′は定数であって，θ₀は実施例の
説明で述べた前述の（１）式で与えられる各極歯の偏位
角θの設定角度である。（６）式においてθ₀＝３６度
とすると，（６）式は０になって振動の原因になる第５
次の高調波成分が消去される。同様に，θ₀＝２５．９
度とすると，振動の原因になる第７次のパ−ミアンスが
０になる。即ち，実施例１で前述した固定子の極歯の配
置に設定する偏位角度θを３６度又は２５．９度にする
とモ−タ１は低振動になる。従って，第３次高調波が現
れる２相モ−タ等において，上述した設定角度θ₀を６
０度に設定する必要があるが，３相モ−タにおいては，
固定子それぞれに設けたＭ対の極歯の配置間隙を，機械
角で（１８０／Ｍ）度の基準形成ピッチに対して電気角
で３６度以下の適切な偏位値に設定することによって振
動の少ない適切なトルクを出力するモ−タが得られる。
即ち，前述した（５）式の第１項に示すように設定角度
θ₀が小さいほど基本波パ−ミアンスを大きくして大き
なトルクを得ることができる。

【００２８】実施例２：次に，上述した図１，図２に示
したモ−タ例の各コイルをデルタ結線に接続した実施例
２を図６，図７によって説明する。実施例２は図１，図
２に示したモ−タ１と同一構造のモ−タにおいて，図３
に示したスタ−結線接続をデルタ結線接続に変換したも
のである。従って，モ−タ１の電流供給回路例を示す図
６は前述した図３に対応させて同一の符号を使用し，各
コイルに電流を供給するための各スイッチング素子を導
通する順序を示す図７は前述した図４に対応して示して
いる。図６において，第１の固定子１１のコイル１１ｃ
の巻始め部Ｕの引出し線と第２の固定子１２のコイル１
２ｃの巻始め部Ｖの引出し線は相互に接続して所定の電
源回路ＢとグランドＧ間に直列に接続したスイッチング
素子Ｔ1とＴ2との接続点に接続されている。同様に，第
１の固定子１１のコイル１１ｃの巻終わり部Ｕの引出し
線と第３の固定子１３のコイル１３ｃの巻始め部Ｗの引
出線とは相互に接続して所定の電源回路ＢとグランドＧ
間に直列に接続したスイッチング素子Ｔ3とＴ4との接続
点に接続されており，第２の固定子１２のコイル１２ｃ
の巻終わり部Ｖの引出し線と第３の固定子１３のコイル
１３ｃの巻終わり部Ｗの引出し線とは相互に接続して所
定の電源回路ＢとグランドＧ間に直列に接続したスイッ
チング素子Ｔ5とＴ6との接続点に接続されている。

【００２９】図６に示す接続において，図７に示す順序
で各スイッチング素子を導通することによりモ−タ１は
実施例１と同様に回転する。即ち，例えば，図７の最上
段に示すように，３個のスイッチング素子Ｔ1，Ｔ4，Ｔ
6を導通すると，第１の固定子１１のコイル１１ｃと第
２の固定子１２のコイル１２ｃには図６に記入した矢印
のように電流が流れて，第１の固定子１１の極歯１１ａ
はＮ極に，極歯１１ｂはＳ極に，第２の固定子１２の極
歯１２ａはＮ極に，極歯１２ｂはＳ極にそれぞれ励磁さ
れる。従って，回転子２０は回転して円筒磁石２４の磁
極が図６に示す位置で静止する。従って，図７に示すよ
うに最上段の番号１から下段に向けて丸印を記したスイ
ッチング素子を，このモ−タ１を回転させる回転速度に
対応する切換速度で順次導通することによって各コイル
が順次通電されることにより，各固定子の極歯に形成さ
れる磁極が切換速度で移動し，前述した回転子２０の静
止位置が連続的に変化し，モ−タ１は回転する。

【００３０】実施例３： 実施例１および実施例２におけるモータの構造は，図２
に示したように回転子の各磁極が回転子の回転軸に平行
に形成され，３個の固定子の各極歯は回転子の磁極を基
準にして相互に６０度偏位させて形成されている。本実
施例３は，図８に示すように，３個の固定子の各極歯は
偏位させないで同一位置にくるように構成し，回転子の
磁極が固定子の極歯に対して基準位置で６０度ずつ偏位
するようにスキューさせて形成している。図８に示す要
素機能で図２と同一又は相当の要素機能は同一の符号を
使用している。即ち，図８において，実施例３のモータ
１Ａは固定子１０Ａと回転子２０Ａによって構成され，
固定子１０Ａは３個の単位固定子１１Ａ，１２Ａ，１３
Ａから成りたっていて，第１の単位固定子１１Ａにはク
ローポールを形成するＭ対の極歯１１Ａａ，１１Ａｂを
設け，内部に環状コイル１１ｃを巻き込んで環状に形成
している。同様に，第２の単位固定子１２Ａは第１の単
位固定子１１Ａと同様，Ｍ対の極歯１２Ａａ，１２Ａｂ
を設け，その内部に環状コイル１２ｃを巻き込んで環状
に形成しており，第３の単位固定子１３ＡはＭ対の極歯
１３Ａａ，１３Ａｂを設け，その内部に環状コイル１３
ｃを巻き込んで環状に形成している。

【００３１】第１の単位固定子１１Ａに設けた各極歯，
第２の単位固定子１２Ａに設けた各極歯，第３の単位固
定子１３Ａに設けた各極歯はそれぞれこのモ−タ１Ａの
軸方向に向けて同一位置にくるように構成されている。
また，各単位固定子に設けたＭ対の極歯を形成する間隔
は，機械角で（１８０／Ｍ）度の機械的基準形成ピッチ
（電気角で１８０度）に対して電気角で，交互に（１８
０−θ）度と（１８０＋θ）度に偏位させて形成してい
る。上述した角度θ度は，実施例１，実施例２と同様，
前記（１）式を満足するように設定する。

【００３２】上述した固定子１０Ａの内部空間に設けら
れた回転子２０Ａの回転軸２１には中子２３を介して，
表面を固定子の極歯の形成機械角度に対応する所定ピッ
チでＮ極とＳ極を交互に着磁した円筒磁石２４Ａが構成
されている。回転子の磁極は単位固定子１１Ａ，１２
Ａ，１３Ａの各極歯に対する位置で電気角で６０度ずつ
偏位させるか，それと等価になるようスキュ−させて形
成している。

【００３３】上述した構造のモ−タ１Ａは，図３又は図
６に示したのと同様に各コイルとコイルに通電するスイ
ッチング素子の回路を構成し，図４又は図６に示したよ
うに各スイッチング素子を順次導通することによって実
施例１，実施例２と同様に回転する。また，角度θも実
施例１，又は実施例２と同様に適宜選択することによっ
て実施例１，又は実施例２と同様の動作特性が得られ
る。

【００３４】上述した各実施例の説明は，本発明に基づ
く基本構成を記したものであって，上述した技術思想を
適用して任意適切に応用改変しても良いことは当然であ
る。例えば，実施例１と実施例２は回転子の各磁極を回
転子の回転軸に平行に形成して，３個の固定子の各極歯
は回転子の磁極を基準にして相互に６０度偏位させるよ
うにし，実施例３では３個の固定子の各極歯は偏位させ
ないで同一位置にくるように構成し，回転子の磁極が固
定子の極歯に対して基準位置で６０度偏位するように説
明したが，回転子の各磁極が回転子の回転軸に対して所
定角度で傾斜するようにスキュ−させ，３個の固定子の
各極歯は回転子のスキュ−された磁極を基準にして相互
に６０度偏位させるように形成するようにしても良い。
また，回転子の磁極は固定子の極歯位置に対応させて，
スキュ−ではなく回転軸に平行な３個の磁極に分割して
形成するようにしても良い。また，各コイルとスイッチ
ング回路との接続とスイッチング順序の設定によって，
スタ−・デルタ結線で３相励磁，又は２相−３相励磁で
駆動することも可能である。

【００３５】実施例４： 実施例１及び実施例２によって説明した請求項１記載の
発明においては、図１に示すような結線による３端子駆
動方式のステッピングモータの内部は，図２に示すよう
に構成されていると説明したが，これと同等の効果が得
られる、請求項２記載の発明の実施例４を説明する。本
実施例の構成の図示は省略するが，図２を用いてその構
成を説明すると，同図において、点線で１２ａ′，１２
ｂ′と記すように、単位固定子１２の極歯１２ａと極歯
１２ｂの位置を入れ替え，単位固定子１１，１３の固定
子の方は図２のままとするものである。即ち，図２に示
す実施例１のものでは，極歯１２ａは極歯１１ａに対し
６０度偏位しているが，本実施例のものでは極歯１２
ａ′に対し極歯１１ｂを６０度偏位させるようにしたも
のであり，従って極歯１３ａに対し極歯１２ｂ′も６０
度偏位することになる。このとき，極歯１１ａと１２
ａ′，極歯１２ａ′と１３ａとは夫々１２０度偏位して
いることになる。この場合は，図１に示したような単位
固定子１２のコイルであるＶ相を逆に結線（Ｕ相，Ｗ相
の巻終わりとＶ相の巻始めを短絡）をしなくてもよく，
普通のスター結線である各相の巻終わり同士を短絡し，
各相の巻始めを入力端とすればよい。同様に，デルタ結
線も通常の結線である任意の相の巻終わりと次相の巻始
めを順次環状に結合し，その３つの結合点を入力端とす
れば図１〜図８で示した動作が同様に可能となる。図２
において，回転軸２１に符号２１ａを付した出力軸側，
即ち，同図の上側を，出力軸側とすれば，１１ａ，１２
ａ，１２ａ′，１３ａが各相の出力軸側極歯，１１ｂ，
１２ｂ，１２ｂ′，１３ｂが反出力軸側極歯と呼ぶこと
ができるので，本実施例の構成はこのような表現によっ
て請求項２等で表現されている。

【００３６】

【発明の効果】本発明は上述したように構成したので，
次に示すような優れた効果を有する。 環状コイル式３相クロ−ポ−ル式永久磁石ステッピン
グモ−タにおいて，１つのコイルを他のコイルに対して
巻方向を逆方向に接続するようにしたので，従来のこの
種永久磁石ステッピングモ−タの給電回路のように６回
路設ける必要がなく３回路ですむので，安価に構成でき
るようになった。 本発明を適用する永久磁石ステッピングモ−タが環状
コイル式３相クロ−ポ−ル式のためハイブリッド形ステ
ッピングモ−タ等に比べて安価であり，しかも，駆動回
路の構成が３端子に対応すれば良いので，全体のコスト
が安価に実現できる。 固定子に設ける極歯の基準位置からの偏位角度θを適
切に設定することによって所望されるトルクを得る条件
において低振動にすることができる。 本発明を適用するステッピングモ−タが環状コイル式
３相クロ−ポ−ル式永久磁石ステッピングモ−タであ
り，環状コイル式２相クロ−ポ−ル式永久磁石ステッピ
ングモ−タに比べて，低振動で安価な駆動システムが構
成できる。 本発明を適用するステッピングモ−タが環状コイル式
３相クロ−ポ−ル式永久磁石ステッピングモ−タなの
で，２相機に比べて回転時のトルク変動が小さく，コス
トパ−フォ−マンスの高いアクチェ−タとなり得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく環状コイル式３相クロ−ポ−ル
式永久磁石ステッピングモ−タの断面図である。

【図２】本発明に基づく環状コイル式３相クロ−ポ−ル
式永久磁石ステッピングモ−タの構造を説明する実施例
１および２に対応する環状コイル式３相クロ−ポ−ル式
永久磁石ステッピングモ−タの要部を展開して示した斜
視図である。

【図３】図１，図２に示した環状コイル式３相クロ−ポ
−ル式永久磁石ステッピングモ−タのコイルを，スタ−
接続した実施例１における駆動回路の概略回路構成図で
ある。

【図４】図３に示す駆動回路において，この駆動回路を
構成するスイッチング素子の作動順序を示す説明図であ
る。

【図５】図３に示す駆動回路と図４に示す各スイッチン
グ素子の作動順序に対応する，スイッチング素子の作動
によって，回転子の磁極が固定子の極歯に対して移動す
る状況を示す説明図である。

【図６】図１，図２に示した環状コイル式３相クロ−ポ
−ル式永久磁石ステッピングモ−タのコイルをデルタ接
続した実施例２における駆動回路の概略構成図である。

【図７】図６に示す駆動回路において，この駆動回路を
構成するスイッチング素子の作動順序を示す説明図であ
る。

【図８】本発明に基づく実施例３における環状コイル式
３相クロ−ポ−ル式永久磁石ステッピングモ−タの構造
を説明する環状コイル式３相クロ−ポ−ル式永久磁石ス
テッピングモ−タの要部を展開して示した斜視図であ
る。

【図９】３相式ハイブリッド形ステッピングモ−タの電
気磁気機能を説明する駆動回路を含む機能説明図であっ
て，同図（Ａ）は駆動回路を含む機能説明図，同図
（Ｂ）は同図（Ａ）に示すコイル通電条件の次の通電ス
テップにおける回転子の移動状況を示す機能説明図であ
る。

【図１０】図９に示す駆動回路において，この駆動回路
を構成するスイッチング素子の作動順序を示す説明図で
ある。

【図１１】環状コイル式３相クロ−ポ−ル式永久磁石ス
テッピングモ−タの略半部縦断正面図に，従来の駆動回
路を合成した環状コイル式３相クロ−ポ−ル式永久磁石
ステッピングモ−タの駆動機能の説明図である。

【図１２】環状コイル式２相クロ−ポ−ル式永久磁石ス
テッピングモ−タの略半部縦断正面図に，駆動回路を合
成した環状コイル式２相クロ−ポ−ル式永久磁石ステッ
ピングモ−タの駆動機能の説明図である。

【符号の説明】

１，１Ａ：モータ １０，１０Ａ：固定子 １１，１２，１３，１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ：単位固定
子 １１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１
１Ａａ，１１Ａｂ ，１２ａ′，１２ｂ′， １２Ａａ，１２Ａｂ，１３Ａａ，１３Ａｂ：極歯 １１ｃ，１２ｃ，１３ｃ，１１Ａｃ，１２Ａｃ，１３Ａ
ｃ：環状コイル ２０，２０Ａ：回転子 ２４，２４Ａ：円筒磁石 Ｔ1，Ｔ2，Ｔ3，Ｔ4，Ｔ5，Ｔ6：スイッチング素子

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 環状コイル（１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ）
   を形成して，その両先端部を相互に所定間隔を隔てて平
   行，かつ交互に組合わされるようにしてＭ対の極歯（１
   １ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ）を設
   け，前記コイル（１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ）に電流を供
   給することによって，該極歯（１１ａ，１１ｂ）（１２
   ａ，１２ｂ）（１３ａ，１３ｂ）が互いに異極性に磁化
   されるように形成して，それぞれを回転子軸（２１）に
   平行して縦列に配置して構成した３組の固定子（１１，
   １２，１３）と，この固定子（１１，１２，１３）の内
   部に前記極歯（１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３
   ａ，１３ｂ）に対しラジアル方向に所定間隔を隔てて回
   転自在に軸支され，その表面に計２Ｍ個の磁極をＮ，Ｓ
   交互に着磁した円筒状の回転子（２０）とを設け，前記
   ３組の各相固定子（１１，１２，１３）の出力軸（２１
   ａ）側に形成した極歯（１１ａ，１２ａ，１３ａ）は回
   転子（２０）表面に着磁した磁極（Ｎ，Ｓ）を基準にし
   て電気角で６０度（機械角で６０度／Ｍ）順次偏位させ
   るか，上記３組の固定子（１１，１２，１３）の各相極
   歯（１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３
   ｂ）は同位置で回転子（２０）の磁極（Ｎ，Ｓ）を固定
   子各相極歯（１１ａ，１１ｂ）（１２ａ，１２ｂ）（１
   ３ａ，１３ｂ）に対して電気角で６０度（機械角で６０
   度／Ｍ）ずらして構成した環状コイル式３相クローポー
   ル式永久磁石ステッピングモータ（１）をスター結線又
   はデルタ結線の３端子駆動する方式において，前記３組
   の固定子のコイル（１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ）のうち中
   間に位置する１組のコイル１２ｃの巻方向又は結線方向
   を他の２組のコイルと逆になるように構成したことを特
   徴とする環状コイル式３相クローポール式永久磁石ステ
   ッピングモータ。
2. 【請求項２】 環状コイル（１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ）
   を形成して，その両先端部を相互に所定間隔を隔てて平
   行，かつ交互に組合わされるようにしてＭ対の極歯（１
   １ａ，１１ｂ，１２ａ′，１２ｂ′，１３ａ，１３ｂ）
   を設け，前記コイル（１１ｃ，１２ｃ，１３ｃ）に電流
   を供給することによって，該極歯（１１ａ，１１ｂ）
   （１２ａ′，１２ｂ′）（１３ａ，１３ｂ）が互いに異
   極性に磁化されるように形成して，それぞれを回転子軸
   （２１）に平行して縦列に配置して構成した３組の固定
   子（１１，１２，１３）と，この固定子（１１，１２，
   １３）の内部に前記極歯（１１ａ，１１ｂ，１２ａ′，
   １２ｂ′，１３ａ，１３ｂ）に対しラジアル方向に所定
   間隔を隔てて回転自在に軸支され，その表面に計２Ｍ個
   の磁極をＮ，Ｓ交互に着磁した円筒状の回転子（２０）
   とを設け，前記３組の各相コイル（１１，１２，１３）
   は各々の巻終わり端（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を短絡したスター結
   線又は巻始め端（Ｕ，Ｖ，Ｗ）と他相の巻終わり端
   （Ｕ，Ｖ，Ｗ）を順次環状に結線し，その接続部を入力
   端子とするデルタ結線の３端子入力方式とし，２相励磁
   時，励磁される２組のコイル（１１ｃ，１２ｃ又は１２
   ｃ，１３ｃ又は１３ｃ，１１ｃ）にそれぞれ発生する回
   転子軸に平行な磁束の向きが常に逆方向としたとき，互
   いに隣接する２相の隣接する出力軸（２１ａ）側極歯
   （１２ａ′又は１３ａ）と反出力軸側極歯（１１ｂ又は
   １２ｂ′）を回転子表面に着磁した磁極（Ｎ，Ｓ）を基
   準にして，電気角で６０度（機械角で６０度／Ｍ）順次
   偏位させるか，上記３組の固定子極歯の隣接する２相の
   隣接する出力軸側極歯（１１ａ，１３ａ）及び反出力軸
   側極歯（１２ｂ′）と，反出力軸側極歯（１１ｂ，１３
   ｂ）及び出力軸側極歯（１２ａ′）とをそれぞれ同位置
   とし，回転子（２０）の磁極（Ｎ，Ｓ）を固定子各相極
   歯（１１ａ，１１ｂ）（１２ａ′，１２ｂ′）（１３
   ａ，１３ｂ）に対し電気角で６０度（機械角で６０度／
   Ｍ）順次偏位させたことを特徴とする環状コイル式３相
   クローポール式永久磁石ステッピングモータ。
3. 【請求項３】 ３組の固定子（１１，１２，１３）それ
   ぞれに設けた各隣接する１対の極歯は，機械角で（１８
   ０度／Ｍ）の基準形成ピッチ（１８０度）に対して，交
   互に下記式を満足する電気角θ度偏位させて形成した請
   求項１又は２に記載の環状コイル式３相クローポール式
   永久磁石ステッピングモータ。０≦θ≦３６（度）