JP3675772B2 - ステッピングモーター - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス電力に対応し回転運動をするステッピングモーターに関し、より詳細には、マグネットとヨークとを軸方向に配置させ、ヨークの一端を、マグネットの一部を包む形で形成し、小型化が可能で、且つ安定した駆動特性を保障するステッピングモーターに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、ステッピングモーター(stepping motor)は、シャフトの位置を検出するためのフィードバックなしに定まった角度を回転し、非常に高正確度で静止することができながら、他のモーターに比べ、静止の際、極めて大きい静止トルクを保有するので、別途の電磁ブレーキ等の位置保持機構を要しなく、回転速度もパルス(pulse rate)に比例するので、簡便に制御することができる駆動特性を有する。
【0003】
このような特性により、前記ステッピングモーターは、主に、機械的な移動量を精密に制御することに使用されており、特に、パルス(pulse)によりデジタル(digital)的に制御することができるので、小型の精密電磁機器等の駆動源にも広く使用されている。
【0004】
一例として、前記ステッピングモーターは、プリントヘッドの印字位置制御や、X−Yプロッタ(X-Y Plotter)のペン位置制御、又はフロッピディスク(floppy disk)及び各種のディスクロームのヘッド(head)位置制御、紙幣計数機、縫製機器、電動タイプライター、ファクシミリ等のように、多様な電磁機器の精密制御の駆動源として使用されている。
【0005】
図1は、従来技術によるステッピングモーターを示す断面図であり、図2は、従来技術によるステッピングモーターを示す斜視図であり、これらに示されているように、ステッピングモーターは、ローター(rotor)とステータ(stator)とに大別される。
【0006】
ローターは、シャフトsとマグネットmとで構成され、前記シャフトsは、所定の長さを有する出力端であり、第1、第2のカバープレートc1、c2の中心面に結合されている複数個のベアリングbに挿入され、一方向又は逆方向に回転可能に支持される。このようなシャフトsの一端部の外周縁にはマグネットmが設けられ、該マグネットmは、ほぼ円筒状で、その外周面にN、S極が交互に着磁される構成である。
【0007】
一方、前記マグネットmは、後述のステータの内周面に設けられたコイル130、230と一定の空隙を形成しながら、対向配置するように構成されることで、相互作用により、所定の電磁気力を発生する。
【0008】
ステータは、大きく、円筒状を有する第1、第2のステータ100、200から構成され、これらの前記第1、第2のステータ100、200は、互いに同一線上に配置結合される構成であって、その内面には、コイル130、230が巻線される第1、第2のヨーク110、210を備えてなる。
【0009】
即ち、前記第1のヨーク110は、内面のボビン120と、該ボビン120の外面にコイル130を巻線する構成であり、前記ローターのマグネットmと対向する内面にはヨークが歯(teeth)噛合いの形態を有するよう交互に配列形成される。
【0010】
又、前記第2のヨーク210は、前記第1のヨーク110と同様に、内面にコイル230を巻線したボビン220が設けられる構造であり、前述のローターのマグネットmと対向する内面には、ヨークが歯噛合いの形態を有するよう交互に配列形成される構造である。
【0011】
一方、前記第1、第2のステータ100、200は、図面から見れば、左、右側面が中心面にシャフトsを回転可能に支持するベアリングbが介在された第1、第2のカバープレートc1、c2により一体に固定される構成である。
【0012】
このような構成を有する従来のステッピングモーターは、第1、第2のステータ100、200の各コイル130、230に外部から電流が加えられれば、前記コイル130、230と、前記第1、第2のヨーク110、210と、前記マグネットmの磁極の間で電磁気力が発生し、この際の電磁気力により、マグネットmとシャフトsとから構成されるローターが、第1、第2のステータ100、200を中心にして回転されることになる。
【0013】
しかしながら、近年、精密機器の小型化及び薄型化の傾向により、これらの精密機器に搭載されるステッピングモーターのスリム化も切実に望まれているが、従来のステッピングモーターは、シャフトsを中心にして、その外周縁に相互異なる径を有する多数個の部品が構成されることにより、小型化において限界がある不都合がある。
【0014】
即ち、上記従来のステッピングモータを小型化するためには、やむを得ず、マグネットmの径及びコイル130、230の径を縮小する方法があるが、このような構成によっては、マグネットm及びコイル130、230の磁気力も低下し、結果的に、相互間の電磁気力が極めて低くなる。従って、モーターの大きさが小型化になるほど、その出力性能も低くなるので、小型化に限界があるのである。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述の従来の問題点を解決するために創出されたものであって、本発明の目的は、軸方向にマグネットとコイルとを配置し、ヨークの一端を延長させ、マグネットの側部及び外径面に交互に配置することにより、小型化を達成し且つ安定した駆動特性を保障することのできるステッピングモーターを提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
前述の目的を達成するため、本発明は、円周方向にN、S極が交互に複数着磁された円筒状のマグネットと該マグネットの中心に一端部が結合され、ベアリングにより回転支持されるシャフトで構成されたローターと;
前記マグネットの軸方向に側部に空隙を隔てて環状に巻線されるコイルと、中央に軸孔が形成された円筒状でその内面にコイルが設けられマグネットと同心をなすよう配置されながら外周縁が等間隔で分割延長されマグネットの外径面に空隙を隔て対向配置される第1のポールティースを形成する外部ヨークと、小径の一端部が前記コイルの内周縁及び前記外部ヨークの軸穴に挿入される挿入部を構成し大径の他端はコイルの側部を遮蔽しながら分割延長され前記第1のポールティースと交互に配置される第2のポールティースを形成する内部ヨークとで構成されるステータと;
とを備えることを特徴とする。
【0017】
本発明の前記ヨークは、マグネットの軸方向に両側に設けられる第1のヨークと第2のヨークであることに特徴がある。
【0018】
本発明の前記第1のポールティースと第2のポールティースとは、コイルに加えられる電流方向により、相互異なる極性に励磁されることに特徴がある。
【0019】
本発明の前記第1のヨークのポールティースと第2のヨークのポールティースとは、相互対向する方向に延長されたことに特徴がある。
【0020】
本発明の前記第1のヨークと第2のヨークは、円筒状を有するハウジングの内周縁に挿入され固定されることに特徴がある。
【0021】
本発明の前記第1のポールティース及び第2のポールティースは、互いに一定の空隙を隔てて設けられることに特徴がある。
【0022】
本発明の望ましい他の実施例として、ステッピングモーターは、円周方向にN、S極が交互に複数着磁される円筒状のマグネットと;前記マグネットの中心に一端部が結合され、ベアリングにより回転支持されるシャフトと;前記マグネットの軸方向に側部に空隙を隔て設けられ、ボビンの外周縁に環状に巻線される一対のコイルと;前記コイルが内面に設けられる円筒状に設けられ、マグネットに同心をなしながら配置され、外周縁が等間隔で分割延長され、マグネットの外径面に空隙を隔て対向される第1のポールティースを形成する外部ヨーク、及び一端がボビンの内周縁及び前記外部ヨークの軸穴に挿入される挿入部を構成し他端はコイルの側部を遮蔽しながら分割延長され、第1のポールティースと交互に配置される第2のポールティースを形成した内部ヨークとで構成される第1、第2のヨークと;前記第1、第2のヨークの外周縁に挿入され、これらを固定するハウジングと;から構成されることを特徴とする。
【0023】
本発明の前記第1のポールティースと第2のポールティースとは、コイルに加えられる電流方向により、相互異なる極性に励磁されることに特徴がある。
【0024】
本発明の前記第1のポールティースと第2のポールティースとは、互いに一定の空隙を隔てて設けられることに特徴がある。
【0025】
【発明の実施形態】
以下、本発明の望ましい実施例を、添付の図面に基づき詳細に説明すれば、以下の如きである。
【0026】
図3は、本発明によるステッピングモーターを示す断面図であり、図4は、本発明によるステッピングモーターを示す分解斜視図である。
【0027】
同図に示されているように、ステッピングモーターは、大きく、回転するローターと、固定状態を保持するステータとに大別される。
【0028】
ローターは、ステータを中心にして回転運動をする実質的な出力手段であり、大きく、シャフトsとマグネットmとで構成される。
【0029】
前記シャフトsは、図面からみれば、一端部がステータの中心に挿入される構造であり、複数個のベアリングb1、b2により正、逆方向に回転可能に軸支される構造である。このようなシャフトsは、外周縁にN、S極が着磁されたマグネットmが設けられる。
【0030】
前記マグネットmは、ほぼ円筒状に設けられ、その中心に、前記シャフトsが軸挿入可能に軸孔m1が形成される。このようなマグネットmは、その外周面に円周方向にN、S極が交互に多数着磁される構成であり、後述のヨークとの相互作用により電磁気力を発生する。
【0031】
ステータは、大きく、N、S極に励磁されるヨークと、該ヨークの内面に設けられる環状に巻線されたコイルと、また、前記コイルが外周縁に巻線される円筒状のボビンとから構成される。
【0032】
前記ヨークは、更に、第1のヨーク10と第2のヨーク20とに大別され、これらの第1のヨーク10と第2のヨーク20とは、マグネットmを挟み両側に設けられる構造であり、図3に示すように、マグネットmの軸方向に左側方に第1のヨーク10が配置され、マグネットmの右側方に第2のヨーク20が配置される。このような第1のヨーク10と第2のヨーク20とは、マグネットmと所定間隔の空隙(air gap)を形成しながら、同心をなすよう配置され、内面にコイル13、23が巻線されたボビン14、24が設けられる構成である。
【0033】
ここで、前記第1のヨーク10は、また、外部ヨーク11と内部ヨーク15とで構成され、この際の前記外部ヨーク11は、中央に所定の大きさの孔11’が形成された円筒状に設けられ、その内面には、コイル13が巻線された円筒状のボビン14が設けられる構成である。このような外部ヨーク11は、マグネットmと同心をなすよう配置される構造であり、外周縁が等間隔で分割延長され、マグネットmの外径面に空隙を形成しながら対向する多数の第1のポールティース(pole teeth)12を形成する。この際、前記第1のポールティース12は、コイル13に加えられる電流方向により、N極又はS極に励磁され、マグネットmとの相互作用により電磁気力を発生する。
【0034】
一方、前記内部ヨーク15は、シャフトsの直径に比べ大きな径を有する軸ホール(符号なし)が形成された挿入部15’を備え、該挿入部15’は、図に示すように、ボビン14の内周縁を介し外部ヨーク11の孔11’に挿入される構造である。又、挿入部15’の一端は、拡径された形状で、外部ヨーク11と共にコイル13の一側を遮蔽し、その外周縁に、前記第1のポールティース12と交互に配置される多数の第2のポールティース(pole teeth)16を形成してなる。
【0035】
この際、前記第1のポールティース12と第2のポールティース16とは、互いに一定の空隙を形成して設けられ、コイル13に加えられる電流方向により、相互異なる極性に励磁される。即ち、第1のポールティース12がN極に励磁される場合には、第2のポールティース16はS極に励磁され、逆に、第1のポールティース12がS極に励磁される場合には、第2のポールティース16はN極に励磁される。
【0036】
前記第2のヨーク20は、上述の第1のヨーク10と同様な構成であり、前記マグネットmを中心に対向配置される構造である。即ち、前記第2のヨーク20は、大きくは、外部ヨーク21と内部ヨーク25とでなり、この際、前記外部ヨーク21は、中央に所定の大きさの孔21’が形成された円筒状であり、その内面に、コイル23が巻線された円筒状のボビン24が設けられる構成である。このような外部ヨーク21は、マグネットmと同心をなしながら配置され、その外周縁が等間隔で分割延長され、マグネットmの外径面に空隙を形成しながら対向する多数の第1のポールティース22を形成する。この際、前記第1のポールティース22は、上述の第1のヨーク10の第1のポールティース12と対向する方向に延長され、コイル23に加えられる電流方向によるN極又はS極に選択励磁される。
【0037】
一方、前記第2のヨーク20の内部ヨーク25は、外部ヨーク21の孔21’に挿入される円筒状の挿入部25’を設け、該挿入部25’の一端は、拡径されながら等間隔で分割延長される第2のポールティース26が形成される。この際、第2のポールティース26は、外部ヨーク21の第1のポールティース22と交互に配置され、前記コイル23に加えられる電流方向により、S極又はN極に選択励磁される。
【0038】
他方、未説明符号b1、b2は、前記第1のヨーク10及び第2のヨーク20の中心面に挿入され、シャフトsを回転可能に支持するベアリングであり、又、符号hは、前記第1のヨーク10と第2のヨーク20との外周縁に挿入され、これらを固定する円筒状のハウジングである。
【0039】
このような構成を有する本発明によるステッピングモーターの作動を説明すれば、以下の如きである。
【0040】
先ず、図5及び図6は、本発明によるステッピングモーターにおいて、第1のヨークの外部ヨーク及び内部ヨークの励磁された状態を示す概念図であり、図に示されているように、コイル13に加えられる電流方向により、外部ヨーク11及び内部ヨーク15は、相互異なる極性に励磁される。
【0041】
即ち、外部ヨーク11の第1のポールティース12がN極に励磁されれば、内部ヨーク15の第2のポールティース16はS極に励磁され、これとは逆に、外部ヨーク11の第1のポールティース12がS極に励磁されれば、内部ヨーク15の第2のポールティース16はN極に励磁される。
【0042】
同様に、図示しないが、第2のヨークも、コイルに加えられる電流方向により、外部ヨークと内部ヨークとが相互異なる極性に励磁される。
【0043】
従って、上記のように構成されるステッピングモーターは、第1のヨーク10及び第2のヨーク20の各コイル13、23に電流が加えられることにより、第1のヨーク10及び第2のヨーク20が励磁され、このような状態で、前記第1、第2のヨーク10、20を構成する外部ヨーク11、21と内部ヨーク15、25の第1のポールティース12、22、第2のポールティース16、26が相互対応する極性に磁極を有することにより、結果的に、前記マグネットmと第1のポールティース12、22及び第2のポールティース16、26の間に電磁気力が発生し、この際の電磁気力により、マグネットmとシャフトsとで構成されたローターが、ステータを中心に回転をする。
【0044】
このように、コイル13、23に加えられる電流方向を切替えれば、外部ヨーク11、21及び内部ヨーク25、26の第1のポールティース12、22、第2のポールティース16、26の極性が異なることになり、この際の前記第1のポールティース12、22、第2のポールティース16、26の極性と、マグネットmに着磁された極性との間に発生する電磁気力によりマグネットmが回転することになる。
【0045】
即ち、励磁する順により、ローターのマグネットmが一定角度の回転をし、励磁の相が変化したときに回転する。また、励磁中、コイルに電流が流れ続けている間は、外部ヨーク11、21及び内部ヨーク25、26の極性変化がないので、マグネットmが一定位置に保持される。
【0046】
一方、上記の実施例は、本発明の望ましい実施例を述べたに過ぎず、本発明の適用範囲は、このようなことに限らず、同一思想の範疇内で適宜変更可能である。例えば、本発明の実施例に示される各構成要素の形状及び構造は、変形実施できるのである。
【0047】
【発明の効果】
上述のように構成され作用する本発明によるステッピングモーターは、マグネットの軸方向に両側にコイルが配置され、該コイルを相互異なる極性を有するポールティースを形成した外部ヨークと内部ヨークとで取り包む構成により、モーターの全体的な厚さを減少し、且つ安定した出力性能を保障することのできる長所を提供する。
【0048】
特に、このような構成により、モーターの小型化による設計上の自由度が一層増大できる効果を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来技術によるステッピングモーターを概略的に示す断面図である。
【図2】 従来技術によるステッピングモーターを示す斜視図である。
【図3】 本発明によるステッピングモーターを示す断面図である。
【図4】 本発明によるステッピングモーターを示す分解斜視図である。
【図5】 本発明によるステッピングモーターにおいて、ヨークの励磁状態を示す断面図である。
【図6】 本発明によるステッピングモーターにおいて、ヨークの励磁状態を示す断面図である。
【符号の説明】
10、20 ヨーク
11、21 外部ヨーク
12、22 第1のポールティース
13、23 コイル
14、24 ボビン
15、25 内部ヨーク
16、26 第2のポールティース
b1、b2 ベアリング
h ハウジング
m マグネット
s シャフト

Claims (9)

  1. 円周方向にN、S極が交互に複数着磁された円筒状のマグネットと該マグネットの中心に一端部が結合され、ベアリングにより回転支持されるシャフトで構成されたローターと;
    前記マグネットの軸方向に側部に空隙を隔てて環状に巻線されるコイルと、中央に軸孔が形成された円筒状でその内面にコイルが設けられマグネットと同心をなすよう配置されながら外周縁が等間隔で分割延長されマグネットの外径面に空隙を隔て対向配置される第1のポールティースを形成する外部ヨークと、小径の一端部が前記コイルの内周縁及び前記外部ヨークの軸穴に挿入される挿入部を構成し大径の他端はコイルの側部を遮蔽しながら分割延長され前記第1のポールティースと交互に配置される第2のポールティースを形成する内部ヨークとで構成されるステータと;
    とを備えることを特徴とするステッピングモーター。
  2. 前記ヨークは、マグネットの軸方向に両側に設けられる第1のヨークと第2のヨークであることを特徴とする請求項1に記載のステッピングモーター。
  3. 前記第1のポールティース及び第2のポールティースは、コイルに加えられる電流方向により、相互異なる極性に励磁されることを特徴とする請求項1に記載のステッピングモーター。
  4. 前記第1のヨークのポールティースと第2のヨークのポールティースは、相互対向する方向に延長されたことを特徴とする請求項2に記載のステッピングモーター。
  5. 前記第1のヨークと第2のヨークは、円筒状を有するハウジングの内周縁に挿入され固定されることを特徴とする請求項2に記載のステッピングモーター。
  6. 前記第1のポールティース及び第2のポールティースは、互いに一定の空隙を隔てて設けられることを特徴とする請求項1に記載のステッピングモーター。
  7. 円周方向にN、S極が交互に複数着磁される円筒状のマグネットと;前記マグネットの中心に一端部が結合され、ベアリングにより回転支持されるシャフトと;前記マグネットの軸方向に側部に空隙を隔て設けられ、ボビンの外周縁に環状に巻線される一対のコイルと;前記コイルが内面に設けられる円筒状に設けられ、マグネットに同心をなしながら配置され、外周縁が等間隔で分割延長され、マグネットの外径面に空隙を隔て対向される第1のポールティースを形成する外部ヨーク、及び一端がボビンの内周縁及び前記外部ヨークの軸穴に挿入される挿入部を構成し他端はコイルの側部を遮蔽しながら分割延長され、第1のポールティースと交互に配置される第2のポールティースを形成した内部ヨークとで構成される第1、第2のヨークと;前記第1、第2のヨークの外周縁に挿入され、これらを固定するハウジングと;から構成されることを特徴とするステッピングモーター。
  8. 前記第1のポールティース及び第2のポールティースは、コイルに加えられる電流方向により、相互異なる極性に励磁されることを特徴とする請求項7に記載のステッピングモーター。
  9. 前記第1のポールティース及び第2のポールティースは、互いに一定の空隙を隔てて設けられることを特徴とする請求項7に記載のステッピングモーター。
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