JP3806943B2 - ステッピングモータ、これを用いた印字装置又は紙送り装置、並びにプリンタ - Google Patents
ステッピングモータ、これを用いた印字装置又は紙送り装置、並びにプリンタ Download PDFInfo
- Publication number
- JP3806943B2 JP3806943B2 JP54916999A JP54916999A JP3806943B2 JP 3806943 B2 JP3806943 B2 JP 3806943B2 JP 54916999 A JP54916999 A JP 54916999A JP 54916999 A JP54916999 A JP 54916999A JP 3806943 B2 JP3806943 B2 JP 3806943B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stator
- rotor
- pole teeth
- tooth
- pole
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K37/00—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors
- H02K37/10—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type
- H02K37/12—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets
- H02K37/14—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
- H02K37/18—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures of homopolar type
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
- Control Of Stepping Motors (AREA)
Description
技術分野
本発明は、振動及び騒音が低減されるステッピングモータ、及びこれを用いた印字装置又は紙送り装置並びにプリンタに関する。
背景技術
近年、入力された電気パルスに対応して機械角度を出力するステッピングモータは、プリンタ、スキャナ、ファクシミリ等の複写機の紙送りやヘッド駆動、ドラム駆動等の動力として多用されている。
特に、高トルク、高精度が要求される機器には、モータを励磁せずとも永久磁石によって磁束が形成されるハイブリッド型ステッピングモータの採用が顕著である。これは、この種のステッピングモータによると、小型にして高トルクを出力する動力が康価に得られ、更に、高速、位置センサ／エンコーダが不要であることから、制御が容易であるという利点が歓迎されているためである。
例えば、図２９に示すのは、ステッピングモータの固定子及び回転子の基本的な構成を示す断面図である。このステッピングモータは、複数の固定子極２１を有する固定子２と、これらの固定子極２１に対して隙間を介して配置した回転子３とを備え、回転子３に一定のピッチで回転子極歯３１を設けるとともに、各固定子極２１に回転子極３１と対向する固定子極歯２２を設けており、各固定子極２１に配置した固定子コイル４をそれぞれ励磁することによって、出力軸５にトルクが生じるように構成されている。
また、近年では、機器の高速化及び高精度化に伴い、ステッピングモータ特有のディテントトルクに起因するモータ駆動時の振動や騒音が問題となっており、これらを如何に低減するかが重要な課題となっている。
その対策としては、従来より、固定子極歯のピッチを回転子極歯のピッチと異なるように設定することによって、ディテントトルクに含まれる高調波を低減する方法が採用されている。
一般に、回転子極歯のピッチをＰR、固定子極歯のピッチをＰS、固定子極歯の個数をｍとするとき、
ＰS＝ＰR｛１±１／（ｍ・ν）｝
の関係にあると、ν次を含む複数の高調波が低減されることが知られており、このような構成は、例えば、特公平６−１４７７９号等に開示されたステッピングモータにも採用されている。
これは、回転子極歯のピッチＰRに対して、固定子極歯のピッチＰSが
｛ＰR／（ｍ・ν）｝
だけ狭く又は広くなるようにずらしてやると、各固定子極歯毎に生じるディテントトルクの位相が適宜ずれることによって、特定の高調波同士が打ち消し合うという構成である。
例えば図３０は、従来のステッピングモータにおける回転子極歯３１のピッチＰ１と、固定子極歯２２のピッチＰ２とを示す説明図である。
同図の場合、一つの固定子極２１には６個の固定子極歯２２が設けられており、固定子極歯２２のピッチＰSは、３次高調波を低減するべく、回転子極歯３１のピッチＰRよりも（ＰR／１８）だけ狭く（又は広く）なるように設定されている。また、この構成によって低減される高調波は、３次高調波のみならず、３の倍数次すなわち６，９，１２次高調波等である。
実際に、図３０に示すような固定子極６個を有する固定子と、回転子極歯３８個の回転子とを用いて三相モータを構成し、そのディテントトルク特性を測定したところ、図３１に示すような結果が得られた。
更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解析したところ、図３２に示すような結果が得られた。
また、これに対して、固定子極歯のピッチが回転子極歯のピッチと同じ固定子を用いて同様に構成及び周波数解析したところ、図３３及び図３４に示すような結果が得られた。
そして、これらの結果を比較すると、固定子極歯のピッチを図３０に示すように設定したものでは、６次高調波や１２次高調波が顕著に低減されていることが確認された。
尚、これらの図において、１次、２次高調波のばらつきは、固定子及び回転子の寸法誤差や回転軸の偏心等に起因するものと考えられる。
ところで、前述したようなステッピングモータにあっては、各次数の高調波の振幅がそれぞれ０ｇｃｍに近いほど振動や騒音が少ないとされる。
また、位相が異なる固定子極毎に生じる高調波は、互いに弱めあったり強めあったりするので、特に問題となるディテントトルクの次数は、その相数や固定子極数によって決まるとされている。
この点、三相モータであれば、４次高調波は三相構造のレイアウトによりキャンセルされてしまうので、特に問題となるのは６次高調波であるとされており、前述したような固定子極歯のピッチの設定は、このような条件に対応してなされている。
しかしながら、実際には、このような構成によって十分な静粛性を実現するのは非常に困難であった。
すなわち、相間や固定子極間のレイアウトによる効果を得ようとする場合は、モータの部品製造や組み立て工程における精度の制約が極めて厳密になり、結果的に、僅かな寸法誤差により十分な効果が得られなくなってしまうためである。
これは、図３１乃至図３４において、理論上６次高調波よりも問題とされないはずの４次高調波等が大きく現れていることからも確認される。
そこで発明は、以上の問題点に鑑みて、ディテントトルクの高調波を効率よく低減し、より静かで滑らかな回転が得られるステッピングモータを提供することを目的としている。
ところで、前述したように、ステッピングモータの駆動時にあっては、ディテントトルクを低減若しくは消去することにより、不要な振動及び騒音を低減するようにしている。
このディテントトルクとは、すなわち回転子に永久磁石等を設けることによって、固定子コイル等を励磁しなくとも回転子を一定の位置に保持しようとするトルクであって、所謂スティフネス特性で示されるような静止トルクとは区別される。
図２９に示す固定子２及び回転子３の場合、回転子３の要所には永久磁石が配置されており、ディテントトルクは、固定子極２１の各固定子極歯２２と回転子３の回転子極歯３１の間に存在し、モータ全体としては、各極歯間に存在するディテントトルクを合成したものとなる。すなわち、周方向に対して位相が異なる固定子極歯２２と回転子極歯３１との間で生じるディテントトルクが、互いに打ち消し合うように構成されている。
前述したディテントトルクは、一つの固定子極歯においては、回転子極歯のピッチと同じ周期の正弦波形で表されるものの、実際には、更にその高調波成分を含むので、図３５に示すように、歪が存在する複雑な波形をしたものとなっている。
このような高調波成分は、回転子の滑らかな回転を妨害するので、これが、モータ駆動時の不要な振動や騒音の原因となっている。
とりわけ従来では、特開平９−３０８２１３号に開示されているように、各極歯のピッチを適宜設定することにより、対になる固定子極歯同士で特定の高調波同士を打ち消し合うように構成されたものもあるが、この場合は、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響を受けやすいので、十分とはいえなかった。
すなわち、固定子極歯と回転子極歯との空隙長は通常数十μｍと非常に狭いため、そのような打ち消し合いは、回転子の偏心や倒れ等によると、双方の極歯における高調波の大きさに差異が生じることによって、不完全になってしまう。
また、リラクタンスモータ極形状とトルク特性：電気学会回転機研究会ＲＭ−９５−５５には、ステータの歯幅よりロータの歯幅が狭い場合と広い場合のインダクタンス分布を比較して、それら２つの中間を取るように見ると、インダクタンスの空間分布が非常に正弦波に近くなる場合があることから、歯幅の違うロータを積層したものを考えることもできるとの記載があるが、これは、その構成が明確でないことから、実用には程遠く、更に、前述したような回転子の偏心や倒れ等による不都合を解決し得るものでもなかった。
そこで本発明は、以上の問題点を考慮し、ディテントトルクによる不要な振動及び騒音を低減することができるステッピングモータを提供することを目的としている。
ところで、図３６は、従来の二相ハイブリッド型ステッピングモータの極歯の配置を示す展開図である。固定子極２１には６つの極歯が配置され、そのピッチはいずれも等しく４θs（但し、θsは基本ステップ角）である。しかしステッピングモータは、その動作原理から振動・騒音を伴う。永久磁石起磁力により、回転子の回転角に対し周期的に発生するディテントトルクを有するからである。そのため、振動・騒音を低減することを目的に、モータを構成する部品の精度や、その部品を組立てる精度を向上する技術が考えられてきた。また、ディテントトルクの高調波成分を低減するために、固定子極の極歯のピッチをずらす工夫もなされてきた。
図３７は従来のハイブリッド型ステッピングモータにおいて、極歯のピッチをずらした場合の、極歯の位置関係を示す展開図である。図３７のモータの極歯は、固定子極２１の６つの極歯２２を等ピッチに配置した位置から、２つの極歯２２ｃ，２２ｄはずらさず、２つの極歯２２ａ，２２ｂを進み方向にずらし、２つの極歯２２ｅ，２２ｆを遅れ方向にずらして形成してある。尚、図３７において進み方向は右方向とする。
この場合のトルクの各次数成分を示したグラフを、図３８に示す。図３８は、図３７のように歯をずらしたモータにおいて、極歯のずれと、本モータのトルクの各次数成分の関係を示している。但し、等ピッチに配置した位置から極歯をずらす量（機械角）をα、ずれピッチｄt、基本ステップ角θsで表すと、下記（１）式の関係がある。
α＝ｄt・４θs ・・・（１）
また、トルクのν次成分Ｔ（ν）は次式により得た。
但し、ｋνはν次の高調波係数、θmは極歯の位置を表す電気角、ｎは各固定子極の極歯の数であり、ここではｎ＝６である。ｄtはずれピッチであり、簡単のためνに関係のない諸々の係数は全て１とした。
図３８より以下の内容がわかる。トルクの高調波成分はｄpとともに振動的に増減する。そのため、適当なｄpの値を選択することにより、どの歯もずらさない場合に比べ、トルクの高調波成分を減少させることができる。特にモータ全体としてみれば、原理的にディテントトルクとなって現れる成分は、２ＰＫe次（但し、Ｐはステッピングモータの相数、Ｋeは正の整数）の高調波成分であり、それ以外の成分は打ち消し合い現れない。したがって二相モータにおいては、ｄp＝０．０６３、０．０８３、０．１６７、０．１８８のいずれかに設定すれば、４次成分をゼロにでき、ディテントトルクを低減できる。ところが、主トルクとなる基本波（１次）成分は、ｄpの増加とともに減少する。したがって、ｄpはなるべく小さな値を選ぶのがよい。すなわち、４次成分をゼロにするにはｄp＝０．０６３がよい。しかしこの場合でも、基本波成分は８８％まで低下する。但し、ここでは材料の非線形性は考慮していない。
更にこの現象を、材料の非線形性まで考慮して解析した図３９で説明する。図３９は、コンピュータを用いてモータの固定子極２１ａと、回転子極歯３１について、磁束の流れを解析したものである。図３９は固定子極の極歯２２を等ピッチに配置したモータの例で、（ａ）は回転子の極歯３１と固定子の極歯２２の中心が一致し極歯同士が対向した場合、（ｂ）はそこから回転子が１／２ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。ここでモータの主トルクは、磁石から出た磁束のうち固定子巻線に鎖交する有効磁束に比例する。また有効磁束は（ａ）の極歯同士が対向する場合の磁束と、（ｂ）の極歯同士が対向しない場合の磁束の差で表される。したがって、（ａ）と（ｂ）の磁束の差が大きいほど、モータの主トルクも大きい。
次に、図３７で示すように極歯をずらしたモータの例を図４０に示す。図３９と同様に、（ａ）は回転子の極歯３１と固定子のずらさない極歯２２ｄの中心が一致し極歯同士が対向した場合、（ｂ）はそこから回転子が１／２ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。図４０ではピッチをずらした極歯の影響により、（ａ）では磁束が流れ難く、（ｂ）では磁束が流れ易くなっている。その結果、極歯を等ピッチに配置したモータ（図３９）に比べ、（ａ）と（ｂ）の磁束の差が小さくなり、８８％まで低下する。これが主トルクの減少を表している。
このようにディテントトルクを低減しようとすると、主トルクの低下も招いてしまい、実用上十分なトルクが得られないという問題があった。
そこで本発明は、固定子極に複数の極歯が備えられるステッピングモータにおいて、そのいずれかの極歯のピッチをずらし、ディテントトルクの高調波成分を効果的に低減させて動作時の振動・騒音を抑制すると同時に、トルクの基本波（１次）成分の低下を抑え、トルク性能の改善を可能とするハイブリッド型ステッピングモータを提供することを目的としている。
発明の開示
本願第１請求項に記載した発明は、複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記回転子に一定のピッチＰ１で回転子極歯を設けるとともに、前記固定子極に前記回転子極歯と対向する固定子極歯を設けたステッピングモータにおいて、
前記固定子極には、ｍ個の前記固定子極歯からなる歯群をｎ組設け、
前記歯群内における前記固定子極歯のピッチＰ２は、
Ｐ２≠Ｐ１
の関係にあるとともに、前記歯群のピッチＰ３は、
Ｐ３≠ｍ・Ｐ１
Ｐ３≠ｍ・Ｐ２
の関係にある構成のステッピングモータである。但し、Ｐ１、Ｐ２及びＰ３は電気角、ｍ及びｎは２以上の整数である。
このように、本発明のステッピングモータは、歯群内における固定子極歯のピッチＰ２を回転子極歯のピッチＰ１と異ならせることによって高調波を低減するとともに、歯群のピッチＰ３によっても高調波を低減し、その結果、より多くの次数の高調波が低減されるように構成したものである。以下に、その考え方について説明する。
まず、固定子極の歯群内においては、固定子極歯のピッチＰ２が回転子極歯のピッチＰ１と異なることから、このずれに対応する次式の高調波が低減されることとなる。
更に、ｍ個の固定子極歯からなる１組の歯群は、ｍ個の回転子極歯に対応する１個の極歯と仮定することができる。従って、歯群のピッチＰ３がｍ個の回転子極歯のピッチｍ・Ｐ１と異なることから、このずれに対応する次数の高調波も低減されることとなる。
また、歯群のピッチＰ３が、歯群内における固定子極歯のピッチＰ２のｍ倍であると、固定子極歯のピッチが複数の歯群に亘って一定となり、歯群と歯群との境界が失われてしまうため、歯群のピッチＰ３は、歯群内における固定子極歯のピッチＰ２のｍ倍とは異なるようにしている。
このように、本発明のステッピングモータによると、一つの固定子極においてより多くの次数の高調波が低減されるので、高調波が効率よく低減されて、より静かで滑らかな回転が得られる。
更に、本願第１請求項に記載した発明は、
「ν＝６、ν’＝４」又は「ν＝４、ν’＝６」
「ｍ＝２」または「ｍ＝３」
の関係にある構成のステッピングモータである。
但し、ν及びν’は低減される４次又は６次高調波の次数、ｉはｍの倍数でない正の整数、ｉ’はｎの倍数でない正の整数である。
一般に、回転子極歯のピッチＰRと、固定子極歯のピッチＰSとが、ＰS＝ＰR｛１±１／（ｍ・ν）｝の関係にあると、ν次を含む複数の高調波が低減されることが知られている。
また、各次高調波はそれぞれ所定の周期の正弦波で表されることから、このような固定子極歯のずれは、｛ＰR／（ｍ・ν）｝のｉ倍（ｉはｍの倍数でない正の整数）であってもよい訳である。
従って、本発明では、これに基づく構成を、請求項１の構成に概括した。
すなわち、歯群内における固定子極歯のピッチＰ２は、回転子極歯のピッチＰ１に対して、
Ｐ２＝Ｐ１｛１±ｉ／（ｍ・ν）｝
の関係にあるので、ν次を含む複数の高調波が低減される。
また、歯群のピッチＰ３は、ｍ個の回転子極歯のピッチｍ・Ｐ１に対して、
Ｐ３＝ｍ・Ｐ１｛１±ｉ’／（ｎ・ν’）｝
の関係にあると、ν’次を含む複数の高調波が低減されるのであるが、ここで、歯群で生じる高調波は、ｍ個の固定子極歯毎に分解できることから、ｍ個の回転子極歯に対する歯群のピッチのずれは、（１／ｍ）であってもよい。
従って、この式は、
Ｐ３＝ｍ・Ｐ１｛１±ｉ’／（ｎ・ν’・ｍ）｝
Ｐ３＝Ｐ１（ｍ±ｉ’／ｎ・ν’）
となる。
このように、本発明のステッピングモータによると、ν及びν’次を含む複数の高調波を低減することができる。
とりわけ、本請求項のように、４次及び６次高調波を低減する場合は、これらの式にν＝４、ν’＝６、又は、ν＝６、ν’＝４を代入することによって、歯群内における固定子極歯のピッチＰ２及び歯群のピッチＰ３が設定される。
尚、この際、ｉ及びｉ’の値は、任意に設定される。
これにより、４次高調波と６次高調波を同時にゼロにすることが可能となる。
すなわち、従来のステッピングモータ、例えば特開平９−３７５３７号公報に記載されているステッピングモータのように、ｎが３以上の整数であってｍが４以上の偶数のとき、前記ｎ個の固定子磁極に夫々ｍ個の固定子極歯を有し、該固定子極歯の第（ｍ／２）番目と第［（ｍ／２）＋１］番目との極歯ピッチを（τ±θ0）とし、他の極歯ピッチをτとする場合に、
｜（２π−τ）＜π／１２
とした技術を開示している。
ところが、この構成では、τをどのように選択しても４次高調波と６次高調波を同時にゼロにすることができない。
また、本願第２請求項に記載した発明は、複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記複数の固定子極に固定子極歯を設けるとともに、前記回転子に回転子極歯を設けたステッピングモータにおいて、前記回転子は、前記回転子極歯の位相が異なる２つの回転子鉄心部を有し、前記固定子及び前記一方の回転子鉄心部、並びに、前記固定子及び前記他方の回転子鉄心部は、前記回転子の回転軸方向に、前記固定子極歯と前記回転子極歯の一方又は双方の歯幅が異なる複数の層を有する構成のステッピングモータである。
このように、本発明のステッピングモータによると、回転子は、回転子極歯の位相が異なる２つの回転子鉄心部を有し、固定子及び一方の回転子鉄心部、並びに、固定子及び他方の回転子鉄心部は、前記回転子の回転軸方向に、前記固定子極歯と前記回転子極歯の一方又は双方の歯幅が異なる複数の層を有するので、一つの固定子極歯と一方の回転子鉄心部の回転子極歯、並びに、一つの固定子極歯と他方の回転子鉄心部の回転子極歯との間で生じるディテントトルクの波形が、各層におけるディテントトルクを合成することによってそれぞれ正弦波に近似されて、その結果、これらのディテントトルクが正確に打ち消し合うことによって、ディテントトルクによる不要な振動及び騒音が低減される。
特に、従来では、各極歯のピッチを適宜設定することにより、対になる固定子極歯同士で高調波を打ち消し合うように構成されたものもあるが、この場合は、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響を受けやすく、十分とはいえないのに対し、本発明では、このようなディテントトルクの波形が、各層におけるディテントトルクを合成することによって正弦波に近似されるので、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響が回避され、その結果、ディテントトルクの不要な増大が抑制される。
本願第３請求項に記載した発明は、請求項２において、前記歯幅が異なる複数の層は、少なくとも３つの層からなる構成のステッピングモータである。
このように、本発明のステッピングモータによると、歯幅が異なる複数の層は、少なくとも３つの層からなるので、一つの固定子極歯におけるディテントトルクが、より正弦波に近似される。
本願第４請求項に記載した発明は、請求項３において、前記回転子極歯の歯幅比は前記回転子の回転軸方向に亘って一様であるとともに、前記固定子及び前記回転子鉄心部は、前記固定子極歯の歯幅比と前記回転子極歯の歯幅比との平均が０．２５〜０．２９の層と、０．３３〜０．３５の層と、０．４０〜０．４２の層とを有する構成のステッピングモータである。
本発明のステッピングモータのように、回転子極歯の歯幅比は回転子の回転軸方向に亘って一様であるとともに、固定子及び回転子鉄心部は、固定子極歯の歯幅比と前記回転子極歯の歯幅比との平均が０．２５〜０．２９の層と、０．３３〜０．３５の層と、０．４０〜０．４２の層とを有すると、ディテントトルクに含まれる高調波成分の割合が、比較的小さくできることが実験によって確認された。すなわち、歯幅比をこれらの範囲で設定すると、高調波によるディテントトルクの波形の歪が確実に低減される。
本願第５請求項に記載した発明は、請求項２乃至４のいずれかにおいて、前記固定子及び前記２つの回転鉄心部における前記歯幅が異なる複数の層は、前記回転子の回転軸方向に向って対称的に設けた構成のステッピングモータである。
このように、本発明のステッピングモータによると、固定子及び２つの回転子鉄心部における歯幅が異なる複数の層は、回転子の回転軸方向に向かって対称的に設けたので、回転子の支持の安定性が確保される。
すなわち、歯幅が異なる層を積層すると、モータ駆動時には各層毎に異なるトルクが生じるので、回転子の支持バランスが悪化する虞があるものの、本発明では、そのような事態が回避される。
更に、本願第６請求項に記載した発明は、請求項２乃至５のいずれかにおいて、固定子極の極歯のうち少なくとも１つの極歯をずらして配置し、極歯のピッチを他と異ならせ、かつずらした極歯のうち少なくとも１つの極歯の先端を切り落として傾斜部分を形成し、極歯の形状を他の極歯と異ならせたステッピングモータである。
このように極歯の形状を設定すると、磁束の流れ易さをかえることでトルクの基本波（１次）成分を増加できる。その結果、ディテントトルクの高調波成分を効果的に低減させ、動作時の振動・騒音を抑制すると同時に、主トルクの減少を抑えるため、トルク性能を改善できる。
ここで、極歯の形状を異ならせると、空隙パーミアンスが変化するが、これに相当する分だけ歯幅を増加させることで、空隙パーミアンスを一定に保つことができる。しかし、形状を異ならせた極歯と形状を異ならせない極歯で歯元の幅が異なる。
そこで本願第７請求項に記載した発明は、請求項６において、ずらさない極歯の先端も切り落として傾斜部分を形成し、歯元の幅を全て同一に設定するステッピングモータである。
このように極歯の形状を設定しても、トルクの基本波（１次）成分を増加できる。その結果、動作時の振動・騒音を抑制すると同時に、トルク性能を改善できる。
本願のステッピングモータは、より静かで滑らかな回転が得られ、位置決め精度も向上するので、オフィス機器、とりわけプリンタの印字装置や紙送り装置に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例に係り、ステッピングモータを示す側面断面図である。
【図２】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。
【図３】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。
【図４】本発明の具体例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。
【図５】本発明の具体例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。
【図６】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。
【図７】本発明の具体例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。
【図８】本発明の具体例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。
【図９】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。
【図１０】本発明の具体例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。
【図１１】本発明の具体例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。
【図１２】本発明の具体例に係り、ステッピングモータを示す断面図である。
【図１３】本発明の具体例に係り、（Ａ）は第１の層における固定子および回転子を示す断面図であり、（Ｂ）は第２の層における固定子及び回転子を示す断面図であり、（Ｃ）は第３の層における固定子及び回転子を示す断面図である。
【図１４】本発明の具体例に係り、一つの固定子極歯について、第１の層で生じるディテントトルク特性を示す図である。
【図１５】本発明の具体例に係り、一つの固定子極歯について、第２の層で生じるディテントトルク特性を示す図である。
【図１６】本発明の具体例に係り、一つの固定子極歯について、第３の層で生じるディテントトルク特性を示す図である。
【図１７】本発明の具体例に係り、一つの固定子極歯と一方の回転子鉄心部の回転子極歯との間で生じるディテントトルク特性を示す図である。
【図１８】本発明の具体例に係り、第１の層において、ディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を示す図である。
【図１９】本発明の具体例に係り、第２の層において、ディテントトルクに含まれる高調波の割合を示す図である。
【図２０】本発明の具体例に係り、第３の層において、ディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を示す図である。
【図２１】本発明の具体例に係り、偏心に伴うステッピングモータ全体のディテントトルクの変化を示す図である。
【図２２】本発明のモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。
【図２３】本発明のモータの、磁束の流れを解析した図である。
【図２４】本発明の他の具体例におけるモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。
【図２５】本発明の他の具体例におけるモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。
【図２６】本発明の他の具体例におけるモータの、磁束の流れを解析した図である。
【図２７】本発明に係るステッピングモータをプリンタの印字ヘッド駆動に用いた状態を示す斜視図である。
【図２８】本発明に係るステッピングモータをプリンタの紙送りローラ駆動に用いた状態を示す斜視図である。
【図２９】従来例に係り、固定子及び回転子の基本的な構成を示す横断面図である。
【図３０】従来例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。
【図３１】従来例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。
【図３２】従来例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。
【図３３】従来例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。
【図３４】従来例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。
【図３５】従来例に係り、一つの固定子極歯と回転子極歯との間で生じるディテントトルク特性を示す図である。
【図３６】従来のモータの極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。
【図３７】従来の他のモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。
【図３８】従来のモータの極歯のずれとトルクとの関係を示すグラフである。
【図３９】従来のモータの磁束の流れを解析した図である。
【図４０】従来の他のモータの磁束の流れを解析した図である。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明の具体例について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、本例のステッピングモータ１は、円筒状に形成されるとともに、その内側に所定の間隔で６個の固定子極２１を有する固定子２と、固定子２の内部に配置された回転子３と、前記複数の固定子極２１にそれぞれ配置された固定子コイル４と、回転子３の回転軸たる出力軸５と、回転子３の要所に配置された円盤状の永久磁石６とを備え、各固定子コイル４をそれぞれ励磁することによって、出力軸５にトルクが生じるように構成された三相モータである。図中の７は出力軸５の軸受け、８は固定子２及び軸受け７を保持するブラケットである
また、固定子極２１の先端には、所定の間隔で固定子極歯２２を設けており、回転子３の外周には、所定の間隔で回転子極歯３１を設けている。尚、固定子極歯２２及び回転子極歯３１の基本的な構成については、前述した図２９のものと共通するので、同一の符号を付して図面を省略する。
これらの図に示すように、本例の回転子３には、２６個の回転子極歯３１を一定のピッチＰ１で設けている。
また、各固定子極２１には、それぞれ、２個の固定子極歯２２からなる歯群２３を２組設けており、各歯群２３内における固定子極歯２２のピッチＰ２は、Ｐ１（１−１／１２）となるように設定しており、歯群２３のピッチＰ３は、Ｐ１（２−１／８）となるように設定している。ここで、Ｐ１、Ｐ２及びＰ３は電気角である。
すなわち、４次高調波及び６次高調波を低減するべく、ｍ＝２、ｎ＝２、ν＝６、ν’＝４、及び、任意の値たるｉ＝１、ｉ’＝１を前述した式に代入して、
Ｐ２＝Ｐ１｛１−１／（２×６）｝
Ｐ２＝Ｐ１（１−１／１２）
が求められるとともに、
Ｐ３＝Ｐ１｛２−１／（２×４）｝
Ｐ３＝Ｐ１（２−１／８）
が求められる。また、
ｍ・Ｐ２＝Ｐ１（２−１／６）
であることから、
Ｐ３≠ｍ・Ｐ２
が成立する。
尚、回転子極歯３１のピッチＰ１、歯群２３内における固定子極歯２２のピッチＰ２、及び歯群２３のピッチＰ３は、図２では、それらの凹凸に合せて示したが、或は図３に示すように、隣接する回転子極歯３１、固定子極歯２２、又は歯群２３の中心から中心を示すようにしてもよい。
本例のステッピングモータ１のディテントトルク特性を測定したところ、図４に示すような結果が得られた。
更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解析したところ、図５に示すような結果が得られた。
図３及び図４に示す本例の結果を、固定子極歯のピッチと回転子極歯のピッチが等しい従来の三相モータによる結果（図３３及び図３４参照）と比較すると、４次高調波、６次高調波、及びその他の高調波が顕著に低減されていることが確認された。
また、本例の結果を、固定子極歯のピッチをＰS＝ＰR｛１±１／（ｍ・ν）｝の関係に基いて設定した従来の三相モータの結果（図３１及び図３２参照）と比較すると、特に４次高調波が顕著に低減されていることが確認された。
このように、本例のステッピングモータによると、一つの固定子極においてより多くの次数の高調波を低減することができるので、高調波が効率よく低減されて、より静かで滑らかな回転が得られる。
すなわち従来では、三相モータであれば、特に問題となるのは６次高調波であるとされており、固定子極歯のピッチの設定は、このような条件に対応してなされているものの、実際には、相間や固定子極間のレイアウトによる効果を得ようとする場合は、モータの部品製造や組み立て工程における精度の制約が極めて厳密になり、十分な静粛性を実現するのは非常に困難であったが、本例では、一つの固定子極において４次高調波と６次高調波とを低減するので、そのような問題を回避することができる。
次に、本発明の別具体例について、図６から図８を用いて説明する。
本例の場合、一定のピッチＰ１で３８個の回転子極歯３１を有する回転子３を用いるとともに、極歯固定子極２１には、３個の固定子極歯２２からなる歯群２３を２組設けており、歯群２３内における固定子極歯２２のピッチＰ２と、歯群２３のピッチＰ３を設定することによって、高調波を低減するように構成している。尚、その他の構成については、前述した具体例と同様であるので、共通する箇所には同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
本例では、４次高調波及び６次高調波を低減するべく、ｍ＝３、ｎ＝２、ν＝４、ν’＝６、及び任意の値たるｉ＝１、ｉ’＝１を前述した式に代入して、
Ｐ２＝Ｐ１｛１−１／（３×４）｝
Ｐ２＝Ｐ１（１−１／１２）
が求められるとともに、
Ｐ３＝Ｐ１｛３−１／（２×６）｝
Ｐ３＝Ｐ１（３−１／１２）
が求められる。また、
ｍ・Ｐ２＝Ｐ１（３−１／４）
であることから、
Ｐ３≠ｍ・Ｐ２
が成立する。
本例のものについてディテントトルク特性を測定したところ、図７に示すような結果が得られた。
更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解析したところ、図８に示すような結果が得られた。
これらの図に示すように、本例の場合も４次高調波、６次高調波、及びその他の高調波が顕著に低減されていることが確認された。
更に、本発明の他の具体例について、図９から図１１を用いて説明する。
本例のステッピングモータは、３２個の回転子極歯３１を有する回転子３と、６個の固定子極２１を有する固定子２を用いた三相構造のものであり、各固定子極２１には、それぞれ５個の固定子極歯２２を設けている。
本例の場合、固定子極歯２２のピッチＰSは、回転子極歯３１のピッチＰRに対して、
ＰS＝ＰR（１−１／１０）
の関係で設定している。
すなわち、４次高調波と６次高調波を低減するには、
ＰS＝ＰR｛１±ｉ／（ｍ・４）｝
且つ
ＰS＝ＰR｛１±ｉ’／（ｍ・６）｝
の関係にあればよいので、これらの式にｍ＝５、ｉ＝２、ｉ’＝３を代入することにより、前記の関係が求められる。
尚ここで、ｉ及びｉ’は、５の倍数でない正の整数であって、
ｉ／２＝ｉ’／３
の関係を満たすように設定している。
そして、本例のものについてディテントトルク特性を測定したところ、図１０に示すような結果が得られた。
更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解析したところ、図１１に示すような結果が得られた。
図１０及び図１１に示す本例の結果を、固定子極歯のピッチと回転子極歯のピッチが等しい従来の三相モータによる結果（図３３及び図３４参照）と比較すると、４次高調波、６次高調波、及びその他の高調波が顕著に低減されていることが確認された。
また、本例の結果を、固定子極歯のピッチをＰS＝ＰR｛１±１／（ｍ・ν）｝の関係に基づいて設定した従来の三相モータの結果（図３１及び図３２参照）と比較すると、特に４次高調波が顕著に低減されていることが確認された。
このように、本例の三相ステッピングモータによると、一つの固定子極において、４次高調波を低減できるとともに、６次高調波を低減できる。
次に、本発明の他の具体例について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１２及び図１３に示すように、本例のステッピングモータ１は、円筒状に形成されるとともに、前例のステッピングモータと同様に、その内側に所定の間隔で複数の固定子極２１を有する固定子２と、固定子２の内部に配置された回転子３と、前記複数の固定子極２１にそれぞれ配置された固定子コイル４と、回転子３の回転軸たる出力軸５と、回転子３の要所に配置された円盤状の永久磁石６とを備え、各固定子コイル４をそれぞれ励磁することによって、出力軸５にトルクが生じるように構成されている。図中の７は出力軸５の軸受け、８は固定子２及び軸受け７を保持するブラケットである。
また、各固定子極２１の先端には、所定の間隔で固定子極歯２２を設けており、回転子３の外周には、所定の間隔で回転子極歯３１を設けている。尚、前述した図２９と共通する点については、同一の符号を付して図面を省略する。
そして、本例の回転子３は、回転子極歯３１の位相が異なる２つの回転子鉄心部３ａ，３ｂを有する。
更に、固定子２及び一方の回転子鉄心部３ａ、並びに、固定子２及び他方の回転子鉄心部３ｂは、それぞれ、回転子３の回転軸方向に、固定子極歯２２の歯幅が異なる第１の層Ａと、第２の層Ｂと、第３の層Ｃとを有する。
すなわち、回転子極歯３１の歯幅を回転子３の回転軸方向に亘って一様に形成しているのに対し、固定子極歯２２の歯幅は、第１の層Ａでは回転子極歯３１よりも大きく形成し、第２の層Ｂでは回転子極歯３１とほぼ同じに形成し、第３の層Ｃでは回転子極歯３１よりも小さく形成している。
一つの固定子極歯２２と一方の回転子鉄心部３ａの回転子極歯３１の間において、又は、一つの固定子極歯２２と他方の回転子鉄心部３ｂの回転子極歯３１との間において、第１の層Ａ、第２の層Ｂ、第３の層Ｃで生じるディテントトルクは、図１４乃至図１６に示すように、互いに異なる波形のものとなる。
従って、これらの間で生じるディテントトルクの波形は、第１の層Ａ、第２の層Ｂ、及び第３の層Ｃで生じるディテントトルクの波形を合成したものであって、図１７に示すように、これらの各層で生じるディテントトルクの波形より正弦波に近似したものとなる。
その結果、ステッピングモータ１全体としては、周方向に対して位相が異なる固定子極歯２２と回転子極歯３１との間で生じるディテントトルクが、互いに正確に打ち消し合い、モータ駆動時にあっては、ディテントトルクによる不要な振動及び騒音が低減される。
また本例では、固定子２及び２つの回転子鉄心部３ａ，３ｂにおいて、各層は、順次、第１の層Ａ、第２の層Ｂ、第３の層Ｃ、第３の層Ｃ、第２の層Ｂ、第１の層Ａとなるように設けている（図１２参照）。尚、永久磁石６は、両回転子鉄心部３ａ，３ｂの間に介在している。
すなわち、２つの回転子鉄心部３ａ，３ｂには、歯幅が異なる複数の層を対称的に設けたので、回転子３の支持の安定性が確保される。
尚、各層にて異なる波形のディテントトルクが生じるという点では、前述したように固定子極歯２２の歯幅を異ならせる他に、回転子極歯３１の歯幅を異ならせるようにしてもよく、更には、これら双方の歯幅を異ならせるようにしてもよい。
また、各層の厚さは、本例では均等であるが、それぞれに生じるディテントトルクの波形や大きさに応じて適宜設定するようにしてもよい。
図１８乃至図２０は、一つの固定子極歯におけるディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を示す図である。
本例では、固定子極歯２２の歯幅比と回転子極歯３１の歯幅比との平均は、第１の層Ａでは０．２５、第２の層Ｂでは０．３３、第３の層では０．４２となるように設定しており、ここで、各層において歯幅比の平均を変えることによって、ディテントトルクに含まれる２次高調波成分乃至４次高調波成分の割合を計測した。
尚、歯幅比とは、固定子極歯２２又は回転子極歯３１の歯幅をその極歯のピッチで割った値であって、回転子３の回転軸周囲において極歯の占める割合である。また、これらの歯幅やピッチは、回転子３の回転軸周囲に対する角度で表される。
すなわち、回転子極歯３１の歯幅比は、回転子３の回転軸方向に亘って０．３４である一方、固定子極歯２２の歯幅比は、第１の層Ａでは０．１６、第２の層Ｂでは０．３２、第３の層Ｃでは０．５０であって、これらの図に示すのは、このような構成の固定子２及び回転子３について、固定子極歯２２の歯幅比を変えることにより第１の層の歯幅比の平均を変えた場合（図１８参照）、同じく第２の層の歯幅比の平均を変えた場合（図１９参照）、同じく第３の歯幅比の平均を変えた場合（図２０参照）における２次高調波成分乃至４次高調波成分の割合である。
これらの図に示すように、ディテントトルクに含まれる２次高調波成分乃至４次高調波成分の割合は、固定子極歯２２の歯幅比と回転子極歯３１の歯幅比との平均によって変化し、この歯幅比の平均が第１の層Ａで０．２５〜０．２９、第２の層Ｂで０．３３〜０．３５、第３の層Ｃで０．４０〜０．４２であると、およそ１０％以下であり、高調波の主成分を比較的小さくでき、ディテントトルクの波形の歪みを低減することができる。
また、回転子極歯３１の歯幅比が回転子３の回転軸方向に亘って０．３２の場合についても同様の測定を行ったところ、ディテントトルクに含まれる２次高調波成分乃至４次高調波成分の割合は、各層における固定子極歯２２の歯幅比と回転子極歯３１の歯幅比との平均が前記と同様に、第１の層Ａで０．２５〜０．２９、第２の層Ｂで０．３３〜０．３５、第３の層Ｃで０．４０〜０．４２の範囲であると、およそ１０％以下になることが確認された。
このように、ディテントトルクにおける高調波の影響は、このような範囲で歯幅比を設定することにより低減される。
また、図２１は、出力軸５の偏心に伴うステッピングモータ１全体のディテントトルクの最大値変化を示す図である。
同図において、白点でプロットしたものは、各極歯のピッチを適宜設定することにより、心ずれが０ｍｍの状態でディテントトルクの最大値が本例とほぼ同等になるように構成した従来のものを示す。その固定子極歯及び回転子極歯の歯幅は、固定子の回転軸方向に対して同一である
これらを比較すると、本例の場合は、心ずれに伴うディテントトルクの増大が低減されていることが確認される。
これは、従来の場合、対になる固定子極歯同士で高調波を打ち消し合う構成であるため、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響を受けやすいのに対し、本例の場合、一つの固定子極歯２２と回転子鉄心部３ａ（又は３ｂ）の回転子極歯３１との間で生じるディテントトルクの波形を、各層におけるディテントトルクを合成することによって正弦波に近似するので、固定子２に対する回転子３の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響が回避されるためである。
尚、高調波をより効率よく低減する点では、固定子極歯２２と回転子極歯３１の一方又は双方の歯幅が異なる層を設けたうえ、更に、固定子極歯２２のピッチを適宜設定するように構成してもよい。
以上説明したように、本例のステッピングモータによると、回転子は、回転子極歯の位相が異なる２つの回転子鉄心部を有し、固定子及び一方の回転子鉄心部、並びに、固定子及び他方の回転子鉄心部は、前記回転子の回転軸方向に、前記固定子極歯と前記回転子極歯の一方又は双方の歯幅が異なる複数の層を有するので、一つの固定子極歯と一方の回転子鉄心部の回転子極歯、並びに、一つの固定子極歯と他方の回転子鉄心部の回転子極歯との間で生じるディテントトルクの波形を、各層におけるディテントトルクを合成することによってそれぞれ正弦波に近似することができ、その結果、これらのディテントトルクが正確に打ち消し合うことによって、ディテントトルクによる不要な振動及び騒音を低減することができる。
特に、従来では、各極歯のピッチを適宜設定することにより、対になる固定子極歯同士で高調波を打ち消し合うすように構成されたものもあるが、この場合は、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等によ磁気的アンバランスの影響を受けやすく、十分とはいえないのに対し、本例では、このようなディテントトルクの波形が、各層におけるディテントトルクを合成することによって正弦波に近似されるので、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響が回避され、その結果、ディテントトルクの不要な増大が抑制される。
また、本例のステッピングモータによると、歯幅が異なる複数の層は、少なくとも３つの層からなるので、一つの固定子極歯におけるディテントトルクを、より正弦波に近似することができる。
また、本例のステッピングモータによると、回転子極歯の歯幅比は回転子の回転軸方向に亘って一様であるとともに、固定子及び回転子鉄心部は、固定子極歯の歯幅比と前記回転子極歯の歯幅比との平均が０．２５〜０．２９の層と、０．３３〜０．３５の層と、０．４０〜０．４２の層とを有するので、ディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を、比較的小さくすることができる。すなわち、歯幅比をこれらの範囲で設定すると、高調波によるディテントトルクの波形の歪を確実に低減することができる。
また、本例のステッピングモータによると、固定子及び２つの回転子鉄心部における歯幅が異なる複数の層は、回転子の回転軸方向に向って対称的に設けたので、回転子の支持の安定性を確保することができる。
すなわち、歯幅が異なる層を積層すると、モータ駆動時には各層毎に異なるトルクが生じるので、回転子の支持バランスが悪化する虞があるものの、本例では、そのような事態を回避することができる。
次に、本発明の他の具体例を説明する。ここでは、二相ハイブリッド型ステッピングモータを例に採って説明する。
図２２は、二相ハイブリッド型ステッピングモータの固定子極２１の一つを抜粋し、極歯２２の相互位置関係と形状を展開して示した図である。尚、二相ハイブリッド型ステッピングモータにおいては、複数の固定子極２１は、等間隔となるように所定の角度だけ回転して形成される。その結果、回転子のＮ側の極歯に対し、Ａ相固定子極２ａの極歯２２の位相が一致したとき、Ｂ相固定子極の極歯２２は、極歯の１／４ピッチずれて形成される。また、回転子のＳ側の極歯に対し、Ａ相固定子極２ａの極歯２２は２／４ピッチずれ、Ｂ相固定子極の極歯２２は３／４ピッチずれて形成される。そのため、ステップモータは励磁により極歯の１／４ピッチずつ回転制御することが可能となる。
従って、一般にＰをステッピングモータの相数、Ｎを回転子の極歯の数とすると、ステップ数２ＰＮ、基本ステップ角θsで制御することが可能となる。ただし、基本ステップ角θsは下記（２）式により示される。
θs＝３６０°／（２ＰＮ） ・・・（２）
尚、本具体例では、Ｎ＝５０、回転子の外径をφ２５ｍｍとした。
図２２において、モータの極歯は、各固定子極２１の６つの極歯２２を等ピッチ（４θs）に配置した位置から、２つの極歯２２ｃ，２２ｄはずらさず、２つの極歯２２ａ，２２ｂを進み方向にずらし、２つの極歯２２ｅ，２２ｆを遅れ方向にずらして形成してある。これにより、トルクの４次成分をゼロとし、ディテントトルクの高調波成分の低減を可能としている。なお、図２２において進み方向は右方向とする。
そして、進み方向にずらした２つの極歯は、進み方向側（右側）の先端を切り落とし、傾斜部分２５を設けている。また、遅れ方向にずらした２つの極歯は、遅れ方向側（左側）の先端を切り落とし、傾斜部分２５を設けている。すなわち、いずれもずらした方向側の先端を切り落とし、傾斜部分を設けている。
また、各々の極歯部分の空隙パーミアンスは、極歯に傾斜部分を形成することにより変化し、その結果磁気的な中心位置は移動する。その方向は、ディテントトルクを低減する目的のためにピッチをずらした方向と逆側である。そのため、その移動量だけ各極歯のずらし量を増加させてある。
ここで、空隙パーミアンスと磁気的な中心位置は次の様に求めた。まず回転子の極歯と固定子の極歯同士が対向した場合に、パーミアンスを求めようとする部分の空隙を周方向に沿って微小区間に分割する。そして、各区間毎に極歯間の距離、すなわち空隙部の磁路長を算出し、パーミアンスに換算する。その後、分割した区間全体に渡ってパーミアンスを積分し、空隙パーミアンスとした。次に磁気的中心位置だが、これは仮に極歯をある位置で周方向に２分割したとし、分割した各々の空隙パーミアンスが等しくなる位置を磁気的な中心位置とした。
更に上述の通り、各々の極歯部分の空隙パーミアンスは、極歯に傾斜部分を形成することにより低下する。そのためこれに相当する分だけ歯幅を増加し、低下分を補い空隙パーミアンスを一定に保っている。そしてここでも、歯の磁気的な中心位置は、歯幅を増加することにより、ディテントトルクを低減するためにピッチをずらした方向と逆側に移動する。そのため、その移動量だけさらに各極歯のピッチをずらしてある。すなわち、本実施例の極歯のずれ量α’と従来例の極歯のずれ量αとの間には下記（３）式の関係がある。
α’＝α＋（極歯に傾斜部分を形成することによる磁気的中心位置のずれ量）＋（歯幅を増加することによる磁気的中心位置のずれ量）・・（３）
尚、図２２中のピッチをずらした極歯に記した中心線は、幾何学的な中心位置を示しており、磁気的な中心位置ではない。また本実施例では、好適な例として傾斜部分２５の寸法（図２２中のａ、ｂ）、及び極歯２２ｃの歯幅Ｔとの関係を下記（４）、（５）の関係式で設定し、ａは０．３５ｍｍ、ｂは０．５３ｍｍとした。
ａ＝０．７×Ｔ ・・・（４）
ｂ＝１．５×ａ ・・・（５）
以上のように、本具体例の極歯の磁気的な中心位置は、従来例の極歯の中心位置に等しい。また極歯部分の空隙パーミアンスも同様に従来例のものと等しい。これらの結果、当初の目的であるディテントトルクの高調波成分を低減し、モータの振動・騒音を抑制することができる。その上、トルクの基本波（１次）成分を増加できる。この様子を示したものが図２３である。図２３は、コンピュータを用いてモータの固定子極２１ａ、回転子極歯３１について、材料の非線形性を考慮し、磁束の流れを解析したものである。図２３は本具体例のモータの例で、（ａ）は回転子の極歯３１と固定子の極歯２２ｄの中心が一致し極歯同士が対向した場合、（ｂ）はそこから回転子が１／２ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。従来の、極歯２２に傾斜部分を形成しないモータ（図４０）と比較すると、極歯同士が対向した場合の磁束はほぼ等しい。一方、極歯同士が対向しない場合は磁束が流れ難くなっている。その結果、（ａ）と（ｂ）の磁束の差は大きくなっている。これを、磁束２２を等ピッチに配置したモータ（図３９）と比較すると、（ａ）と（ｂ）の磁束の差は、従来は８８％まで低下していたが、本具体例ではその低下が９１％に抑えられている。すなわち、極歯の先端を切り落とし傾斜部分を形成することで、トルクは３％改善される。
尚、本具体例では、ピッチをずらした極歯４枚全てに傾斜部分を形成しているが、傾斜部分を設ける極歯の枚数はこれに限らず任意の数でよい。例えば、ピッチをずらした極歯４枚のうち２枚の極歯２２ａ，２２ｆのみに傾斜部分を設けた例を図２４に示す。この例でも（ａ）と（ｂ）の磁束の差は９０％までしか低下せず、極歯の先端を切り落とし傾斜部分を形成することで、トルクは改善される。
また、本具体例では、先端に傾斜部分を設けた極歯の歯元の幅の方が、他よりも大きくなっているが、単に歯幅を異ならせたのではない。本発明は、特に極歯同士が対向しない場合に、空隙部の磁路長を増加でき、その結果トルクの基本波（１次）成分を増加できることを特徴とするからである。また、先端に傾斜部分を設けているだけで、歯元の幅は減らしていないため、従来に比べ飽和が増すといった不都合を生じることもない。
図２５は、本発明の他の具体例に係り、二相ハイブリッド型ステッピングモータの固定子極２１の一つを抜粋し、極歯２２の相互位置関係と形状を展開して示した図である。図２５のモータの極歯は、前例と同様に各固定子極２１の６つの極歯２２を等ピッチ（４θs）に配置した位置から、２つの極歯２２ｃ，２２ｄはずらさず、２つの極歯２２ａ，２２ｂを進み方向にずらし、２つの極歯２２ｅ，２２ｆを遅れ方向にずらして形成してある。尚、図２５においても進み方向は右方向とする。
そして、進み方向又は遅れ方向にずらした極歯は、いずれもずらした方向側の先端を切り落とし、傾斜部分２５を設けている。また、各々の極歯の磁気的な中心位置は、極歯に傾斜部分を形成することにより、ピッチをずらした方向と逆側に移動する。そのため、その移動量だけ各極歯のずらし量を増加させてある。さらに、各々の極歯の部分の空隙パーミアンスは、極歯に傾斜部分を形成することにより低下する。そのためこれに相当する分だけ歯幅を増加し、低下分を補い空隙パーミアンスを一定に保っている。そしてここでも、歯の磁気的な中心位置は、歯幅を増加することにより、ピッチをずらした方向と逆側に移動する。そのため、その移動量だけさらに各極歯のピッチをずらしてある。
更に本例のモータでは、ずらさない極歯２２ｃ，２２ｄも先端を切り落として傾斜部分２５を設け、歯元の幅Ｗを全て同一に設定している。ただし、ずらさない極歯２２ｃ，２２ｄはその両端を切り落として傾斜部分２５を設けているため、磁気的な中心位置は移動しない。尚、本具体例では、好適な例として歯元の幅Ｗの寸法を０．７３ｍｍとした。
これにより、本具体例においても当初の目的であるディテントトルクの高調波成分を低減し、モータの振動・騒音を抑制することができる。その上、トルクの基本波（１次）成分を増加できる。この様子を示したものが図２６である。図２６は本モータの例で、（ａ）は回転子の極歯３１と固定子の極歯２２ｄの中心が一致し極歯同士が対向した場合、（ｂ）はそこから回転子が１／２ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。従来の、極歯２２に傾斜部分を形成しないモータ（図４０）と比較すると、極歯同士が対向した場合の磁束はほぼ等しいが、極歯同士が対向しない場合は磁束が流れ難い。その結果、（ａ）と（ｂ）の磁束の差は大きくなっている。これを、極歯２２を等ピッチに配置したモータ（図３９）と比較すると、（ａ）と（ｂ）の磁束の差は９０％までしか低下しない。すなわち、歯元の幅を同一に設定するか否かによらず、極歯の先端を切り落とし傾斜部分を形成することで、トルクは改善される。
また、上述した具体例では、二相のハイブリッド型ステッピングモータを対象に説明したが、二相に限らず一般にＰ相のステッピングモータについても同様に適用できる。また、極歯の先端は直線状に切り落としているが、これに限らず曲線状、例えば円弧状に切り落としても同様な効果が得られる。
図２７は、上述したステッピングモータ１でプリンタ１０の印字ヘッド１１を駆動するもので、ステッピングモータ１の出力軸５にプーリ１２を固着し、他方には従動プーリ１３を設け、これらのプーリ間に、印字ヘッド１１を固着した伝達ベルト１４を巻回させて印字装置を構成している。各列のステッピングモータ１は、高調波を効率よく低減することができ、延いては、より静かで滑らかな回転が得られるとともに、位置決め精度も向上するので、プリンタの印字ヘッドを駆動する印字装置用のモータに好適である。
図２８は、上述したステッピングモータ１でプリンタ１０の紙送りローラ１５を駆動するもので、ステッピングモータ１の出力軸５にギア１６を固着し、伝達ギア１７を介して、駆動力を紙送りローラ１５に伝達する。この紙送り装置の場合も、ステッピングモータ１は、高調波を効率よく低減することができ、延いては、より静かで滑らかな回転が得られるとともに、位置決め精度も向上するので、プリンタの紙送りローラを駆動する紙送り装置用のモータにうってつけである。
産業上の利用可能性
本発明に係るステッピングモータは、より静かで滑らかな回転が得られ、位置決め精度も向上するので、オフィス機器、とりわけプリンタの各種駆動モータに好適である。
本発明は、振動及び騒音が低減されるステッピングモータ、及びこれを用いた印字装置又は紙送り装置並びにプリンタに関する。
背景技術
近年、入力された電気パルスに対応して機械角度を出力するステッピングモータは、プリンタ、スキャナ、ファクシミリ等の複写機の紙送りやヘッド駆動、ドラム駆動等の動力として多用されている。
特に、高トルク、高精度が要求される機器には、モータを励磁せずとも永久磁石によって磁束が形成されるハイブリッド型ステッピングモータの採用が顕著である。これは、この種のステッピングモータによると、小型にして高トルクを出力する動力が康価に得られ、更に、高速、位置センサ／エンコーダが不要であることから、制御が容易であるという利点が歓迎されているためである。
例えば、図２９に示すのは、ステッピングモータの固定子及び回転子の基本的な構成を示す断面図である。このステッピングモータは、複数の固定子極２１を有する固定子２と、これらの固定子極２１に対して隙間を介して配置した回転子３とを備え、回転子３に一定のピッチで回転子極歯３１を設けるとともに、各固定子極２１に回転子極３１と対向する固定子極歯２２を設けており、各固定子極２１に配置した固定子コイル４をそれぞれ励磁することによって、出力軸５にトルクが生じるように構成されている。
また、近年では、機器の高速化及び高精度化に伴い、ステッピングモータ特有のディテントトルクに起因するモータ駆動時の振動や騒音が問題となっており、これらを如何に低減するかが重要な課題となっている。
その対策としては、従来より、固定子極歯のピッチを回転子極歯のピッチと異なるように設定することによって、ディテントトルクに含まれる高調波を低減する方法が採用されている。
一般に、回転子極歯のピッチをＰR、固定子極歯のピッチをＰS、固定子極歯の個数をｍとするとき、
ＰS＝ＰR｛１±１／（ｍ・ν）｝
の関係にあると、ν次を含む複数の高調波が低減されることが知られており、このような構成は、例えば、特公平６−１４７７９号等に開示されたステッピングモータにも採用されている。
これは、回転子極歯のピッチＰRに対して、固定子極歯のピッチＰSが
｛ＰR／（ｍ・ν）｝
だけ狭く又は広くなるようにずらしてやると、各固定子極歯毎に生じるディテントトルクの位相が適宜ずれることによって、特定の高調波同士が打ち消し合うという構成である。
例えば図３０は、従来のステッピングモータにおける回転子極歯３１のピッチＰ１と、固定子極歯２２のピッチＰ２とを示す説明図である。
同図の場合、一つの固定子極２１には６個の固定子極歯２２が設けられており、固定子極歯２２のピッチＰSは、３次高調波を低減するべく、回転子極歯３１のピッチＰRよりも（ＰR／１８）だけ狭く（又は広く）なるように設定されている。また、この構成によって低減される高調波は、３次高調波のみならず、３の倍数次すなわち６，９，１２次高調波等である。
実際に、図３０に示すような固定子極６個を有する固定子と、回転子極歯３８個の回転子とを用いて三相モータを構成し、そのディテントトルク特性を測定したところ、図３１に示すような結果が得られた。
更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解析したところ、図３２に示すような結果が得られた。
また、これに対して、固定子極歯のピッチが回転子極歯のピッチと同じ固定子を用いて同様に構成及び周波数解析したところ、図３３及び図３４に示すような結果が得られた。
そして、これらの結果を比較すると、固定子極歯のピッチを図３０に示すように設定したものでは、６次高調波や１２次高調波が顕著に低減されていることが確認された。
尚、これらの図において、１次、２次高調波のばらつきは、固定子及び回転子の寸法誤差や回転軸の偏心等に起因するものと考えられる。
ところで、前述したようなステッピングモータにあっては、各次数の高調波の振幅がそれぞれ０ｇｃｍに近いほど振動や騒音が少ないとされる。
また、位相が異なる固定子極毎に生じる高調波は、互いに弱めあったり強めあったりするので、特に問題となるディテントトルクの次数は、その相数や固定子極数によって決まるとされている。
この点、三相モータであれば、４次高調波は三相構造のレイアウトによりキャンセルされてしまうので、特に問題となるのは６次高調波であるとされており、前述したような固定子極歯のピッチの設定は、このような条件に対応してなされている。
しかしながら、実際には、このような構成によって十分な静粛性を実現するのは非常に困難であった。
すなわち、相間や固定子極間のレイアウトによる効果を得ようとする場合は、モータの部品製造や組み立て工程における精度の制約が極めて厳密になり、結果的に、僅かな寸法誤差により十分な効果が得られなくなってしまうためである。
これは、図３１乃至図３４において、理論上６次高調波よりも問題とされないはずの４次高調波等が大きく現れていることからも確認される。
そこで発明は、以上の問題点に鑑みて、ディテントトルクの高調波を効率よく低減し、より静かで滑らかな回転が得られるステッピングモータを提供することを目的としている。
ところで、前述したように、ステッピングモータの駆動時にあっては、ディテントトルクを低減若しくは消去することにより、不要な振動及び騒音を低減するようにしている。
このディテントトルクとは、すなわち回転子に永久磁石等を設けることによって、固定子コイル等を励磁しなくとも回転子を一定の位置に保持しようとするトルクであって、所謂スティフネス特性で示されるような静止トルクとは区別される。
図２９に示す固定子２及び回転子３の場合、回転子３の要所には永久磁石が配置されており、ディテントトルクは、固定子極２１の各固定子極歯２２と回転子３の回転子極歯３１の間に存在し、モータ全体としては、各極歯間に存在するディテントトルクを合成したものとなる。すなわち、周方向に対して位相が異なる固定子極歯２２と回転子極歯３１との間で生じるディテントトルクが、互いに打ち消し合うように構成されている。
前述したディテントトルクは、一つの固定子極歯においては、回転子極歯のピッチと同じ周期の正弦波形で表されるものの、実際には、更にその高調波成分を含むので、図３５に示すように、歪が存在する複雑な波形をしたものとなっている。
このような高調波成分は、回転子の滑らかな回転を妨害するので、これが、モータ駆動時の不要な振動や騒音の原因となっている。
とりわけ従来では、特開平９−３０８２１３号に開示されているように、各極歯のピッチを適宜設定することにより、対になる固定子極歯同士で特定の高調波同士を打ち消し合うように構成されたものもあるが、この場合は、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響を受けやすいので、十分とはいえなかった。
すなわち、固定子極歯と回転子極歯との空隙長は通常数十μｍと非常に狭いため、そのような打ち消し合いは、回転子の偏心や倒れ等によると、双方の極歯における高調波の大きさに差異が生じることによって、不完全になってしまう。
また、リラクタンスモータ極形状とトルク特性：電気学会回転機研究会ＲＭ−９５−５５には、ステータの歯幅よりロータの歯幅が狭い場合と広い場合のインダクタンス分布を比較して、それら２つの中間を取るように見ると、インダクタンスの空間分布が非常に正弦波に近くなる場合があることから、歯幅の違うロータを積層したものを考えることもできるとの記載があるが、これは、その構成が明確でないことから、実用には程遠く、更に、前述したような回転子の偏心や倒れ等による不都合を解決し得るものでもなかった。
そこで本発明は、以上の問題点を考慮し、ディテントトルクによる不要な振動及び騒音を低減することができるステッピングモータを提供することを目的としている。
ところで、図３６は、従来の二相ハイブリッド型ステッピングモータの極歯の配置を示す展開図である。固定子極２１には６つの極歯が配置され、そのピッチはいずれも等しく４θs（但し、θsは基本ステップ角）である。しかしステッピングモータは、その動作原理から振動・騒音を伴う。永久磁石起磁力により、回転子の回転角に対し周期的に発生するディテントトルクを有するからである。そのため、振動・騒音を低減することを目的に、モータを構成する部品の精度や、その部品を組立てる精度を向上する技術が考えられてきた。また、ディテントトルクの高調波成分を低減するために、固定子極の極歯のピッチをずらす工夫もなされてきた。
図３７は従来のハイブリッド型ステッピングモータにおいて、極歯のピッチをずらした場合の、極歯の位置関係を示す展開図である。図３７のモータの極歯は、固定子極２１の６つの極歯２２を等ピッチに配置した位置から、２つの極歯２２ｃ，２２ｄはずらさず、２つの極歯２２ａ，２２ｂを進み方向にずらし、２つの極歯２２ｅ，２２ｆを遅れ方向にずらして形成してある。尚、図３７において進み方向は右方向とする。
この場合のトルクの各次数成分を示したグラフを、図３８に示す。図３８は、図３７のように歯をずらしたモータにおいて、極歯のずれと、本モータのトルクの各次数成分の関係を示している。但し、等ピッチに配置した位置から極歯をずらす量（機械角）をα、ずれピッチｄt、基本ステップ角θsで表すと、下記（１）式の関係がある。
α＝ｄt・４θs ・・・（１）
また、トルクのν次成分Ｔ（ν）は次式により得た。
図３８より以下の内容がわかる。トルクの高調波成分はｄpとともに振動的に増減する。そのため、適当なｄpの値を選択することにより、どの歯もずらさない場合に比べ、トルクの高調波成分を減少させることができる。特にモータ全体としてみれば、原理的にディテントトルクとなって現れる成分は、２ＰＫe次（但し、Ｐはステッピングモータの相数、Ｋeは正の整数）の高調波成分であり、それ以外の成分は打ち消し合い現れない。したがって二相モータにおいては、ｄp＝０．０６３、０．０８３、０．１６７、０．１８８のいずれかに設定すれば、４次成分をゼロにでき、ディテントトルクを低減できる。ところが、主トルクとなる基本波（１次）成分は、ｄpの増加とともに減少する。したがって、ｄpはなるべく小さな値を選ぶのがよい。すなわち、４次成分をゼロにするにはｄp＝０．０６３がよい。しかしこの場合でも、基本波成分は８８％まで低下する。但し、ここでは材料の非線形性は考慮していない。
更にこの現象を、材料の非線形性まで考慮して解析した図３９で説明する。図３９は、コンピュータを用いてモータの固定子極２１ａと、回転子極歯３１について、磁束の流れを解析したものである。図３９は固定子極の極歯２２を等ピッチに配置したモータの例で、（ａ）は回転子の極歯３１と固定子の極歯２２の中心が一致し極歯同士が対向した場合、（ｂ）はそこから回転子が１／２ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。ここでモータの主トルクは、磁石から出た磁束のうち固定子巻線に鎖交する有効磁束に比例する。また有効磁束は（ａ）の極歯同士が対向する場合の磁束と、（ｂ）の極歯同士が対向しない場合の磁束の差で表される。したがって、（ａ）と（ｂ）の磁束の差が大きいほど、モータの主トルクも大きい。
次に、図３７で示すように極歯をずらしたモータの例を図４０に示す。図３９と同様に、（ａ）は回転子の極歯３１と固定子のずらさない極歯２２ｄの中心が一致し極歯同士が対向した場合、（ｂ）はそこから回転子が１／２ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。図４０ではピッチをずらした極歯の影響により、（ａ）では磁束が流れ難く、（ｂ）では磁束が流れ易くなっている。その結果、極歯を等ピッチに配置したモータ（図３９）に比べ、（ａ）と（ｂ）の磁束の差が小さくなり、８８％まで低下する。これが主トルクの減少を表している。
このようにディテントトルクを低減しようとすると、主トルクの低下も招いてしまい、実用上十分なトルクが得られないという問題があった。
そこで本発明は、固定子極に複数の極歯が備えられるステッピングモータにおいて、そのいずれかの極歯のピッチをずらし、ディテントトルクの高調波成分を効果的に低減させて動作時の振動・騒音を抑制すると同時に、トルクの基本波（１次）成分の低下を抑え、トルク性能の改善を可能とするハイブリッド型ステッピングモータを提供することを目的としている。
発明の開示
本願第１請求項に記載した発明は、複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記回転子に一定のピッチＰ１で回転子極歯を設けるとともに、前記固定子極に前記回転子極歯と対向する固定子極歯を設けたステッピングモータにおいて、
前記固定子極には、ｍ個の前記固定子極歯からなる歯群をｎ組設け、
前記歯群内における前記固定子極歯のピッチＰ２は、
Ｐ２≠Ｐ１
の関係にあるとともに、前記歯群のピッチＰ３は、
Ｐ３≠ｍ・Ｐ１
Ｐ３≠ｍ・Ｐ２
の関係にある構成のステッピングモータである。但し、Ｐ１、Ｐ２及びＰ３は電気角、ｍ及びｎは２以上の整数である。
このように、本発明のステッピングモータは、歯群内における固定子極歯のピッチＰ２を回転子極歯のピッチＰ１と異ならせることによって高調波を低減するとともに、歯群のピッチＰ３によっても高調波を低減し、その結果、より多くの次数の高調波が低減されるように構成したものである。以下に、その考え方について説明する。
まず、固定子極の歯群内においては、固定子極歯のピッチＰ２が回転子極歯のピッチＰ１と異なることから、このずれに対応する次式の高調波が低減されることとなる。
更に、ｍ個の固定子極歯からなる１組の歯群は、ｍ個の回転子極歯に対応する１個の極歯と仮定することができる。従って、歯群のピッチＰ３がｍ個の回転子極歯のピッチｍ・Ｐ１と異なることから、このずれに対応する次数の高調波も低減されることとなる。
また、歯群のピッチＰ３が、歯群内における固定子極歯のピッチＰ２のｍ倍であると、固定子極歯のピッチが複数の歯群に亘って一定となり、歯群と歯群との境界が失われてしまうため、歯群のピッチＰ３は、歯群内における固定子極歯のピッチＰ２のｍ倍とは異なるようにしている。
このように、本発明のステッピングモータによると、一つの固定子極においてより多くの次数の高調波が低減されるので、高調波が効率よく低減されて、より静かで滑らかな回転が得られる。
更に、本願第１請求項に記載した発明は、
「ν＝６、ν’＝４」又は「ν＝４、ν’＝６」
「ｍ＝２」または「ｍ＝３」
の関係にある構成のステッピングモータである。
但し、ν及びν’は低減される４次又は６次高調波の次数、ｉはｍの倍数でない正の整数、ｉ’はｎの倍数でない正の整数である。
一般に、回転子極歯のピッチＰRと、固定子極歯のピッチＰSとが、ＰS＝ＰR｛１±１／（ｍ・ν）｝の関係にあると、ν次を含む複数の高調波が低減されることが知られている。
また、各次高調波はそれぞれ所定の周期の正弦波で表されることから、このような固定子極歯のずれは、｛ＰR／（ｍ・ν）｝のｉ倍（ｉはｍの倍数でない正の整数）であってもよい訳である。
従って、本発明では、これに基づく構成を、請求項１の構成に概括した。
すなわち、歯群内における固定子極歯のピッチＰ２は、回転子極歯のピッチＰ１に対して、
Ｐ２＝Ｐ１｛１±ｉ／（ｍ・ν）｝
の関係にあるので、ν次を含む複数の高調波が低減される。
また、歯群のピッチＰ３は、ｍ個の回転子極歯のピッチｍ・Ｐ１に対して、
Ｐ３＝ｍ・Ｐ１｛１±ｉ’／（ｎ・ν’）｝
の関係にあると、ν’次を含む複数の高調波が低減されるのであるが、ここで、歯群で生じる高調波は、ｍ個の固定子極歯毎に分解できることから、ｍ個の回転子極歯に対する歯群のピッチのずれは、（１／ｍ）であってもよい。
従って、この式は、
Ｐ３＝ｍ・Ｐ１｛１±ｉ’／（ｎ・ν’・ｍ）｝
Ｐ３＝Ｐ１（ｍ±ｉ’／ｎ・ν’）
となる。
このように、本発明のステッピングモータによると、ν及びν’次を含む複数の高調波を低減することができる。
とりわけ、本請求項のように、４次及び６次高調波を低減する場合は、これらの式にν＝４、ν’＝６、又は、ν＝６、ν’＝４を代入することによって、歯群内における固定子極歯のピッチＰ２及び歯群のピッチＰ３が設定される。
尚、この際、ｉ及びｉ’の値は、任意に設定される。
これにより、４次高調波と６次高調波を同時にゼロにすることが可能となる。
すなわち、従来のステッピングモータ、例えば特開平９−３７５３７号公報に記載されているステッピングモータのように、ｎが３以上の整数であってｍが４以上の偶数のとき、前記ｎ個の固定子磁極に夫々ｍ個の固定子極歯を有し、該固定子極歯の第（ｍ／２）番目と第［（ｍ／２）＋１］番目との極歯ピッチを（τ±θ0）とし、他の極歯ピッチをτとする場合に、
｜（２π−τ）＜π／１２
とした技術を開示している。
ところが、この構成では、τをどのように選択しても４次高調波と６次高調波を同時にゼロにすることができない。
また、本願第２請求項に記載した発明は、複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記複数の固定子極に固定子極歯を設けるとともに、前記回転子に回転子極歯を設けたステッピングモータにおいて、前記回転子は、前記回転子極歯の位相が異なる２つの回転子鉄心部を有し、前記固定子及び前記一方の回転子鉄心部、並びに、前記固定子及び前記他方の回転子鉄心部は、前記回転子の回転軸方向に、前記固定子極歯と前記回転子極歯の一方又は双方の歯幅が異なる複数の層を有する構成のステッピングモータである。
このように、本発明のステッピングモータによると、回転子は、回転子極歯の位相が異なる２つの回転子鉄心部を有し、固定子及び一方の回転子鉄心部、並びに、固定子及び他方の回転子鉄心部は、前記回転子の回転軸方向に、前記固定子極歯と前記回転子極歯の一方又は双方の歯幅が異なる複数の層を有するので、一つの固定子極歯と一方の回転子鉄心部の回転子極歯、並びに、一つの固定子極歯と他方の回転子鉄心部の回転子極歯との間で生じるディテントトルクの波形が、各層におけるディテントトルクを合成することによってそれぞれ正弦波に近似されて、その結果、これらのディテントトルクが正確に打ち消し合うことによって、ディテントトルクによる不要な振動及び騒音が低減される。
特に、従来では、各極歯のピッチを適宜設定することにより、対になる固定子極歯同士で高調波を打ち消し合うように構成されたものもあるが、この場合は、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響を受けやすく、十分とはいえないのに対し、本発明では、このようなディテントトルクの波形が、各層におけるディテントトルクを合成することによって正弦波に近似されるので、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響が回避され、その結果、ディテントトルクの不要な増大が抑制される。
本願第３請求項に記載した発明は、請求項２において、前記歯幅が異なる複数の層は、少なくとも３つの層からなる構成のステッピングモータである。
このように、本発明のステッピングモータによると、歯幅が異なる複数の層は、少なくとも３つの層からなるので、一つの固定子極歯におけるディテントトルクが、より正弦波に近似される。
本願第４請求項に記載した発明は、請求項３において、前記回転子極歯の歯幅比は前記回転子の回転軸方向に亘って一様であるとともに、前記固定子及び前記回転子鉄心部は、前記固定子極歯の歯幅比と前記回転子極歯の歯幅比との平均が０．２５〜０．２９の層と、０．３３〜０．３５の層と、０．４０〜０．４２の層とを有する構成のステッピングモータである。
本発明のステッピングモータのように、回転子極歯の歯幅比は回転子の回転軸方向に亘って一様であるとともに、固定子及び回転子鉄心部は、固定子極歯の歯幅比と前記回転子極歯の歯幅比との平均が０．２５〜０．２９の層と、０．３３〜０．３５の層と、０．４０〜０．４２の層とを有すると、ディテントトルクに含まれる高調波成分の割合が、比較的小さくできることが実験によって確認された。すなわち、歯幅比をこれらの範囲で設定すると、高調波によるディテントトルクの波形の歪が確実に低減される。
本願第５請求項に記載した発明は、請求項２乃至４のいずれかにおいて、前記固定子及び前記２つの回転鉄心部における前記歯幅が異なる複数の層は、前記回転子の回転軸方向に向って対称的に設けた構成のステッピングモータである。
このように、本発明のステッピングモータによると、固定子及び２つの回転子鉄心部における歯幅が異なる複数の層は、回転子の回転軸方向に向かって対称的に設けたので、回転子の支持の安定性が確保される。
すなわち、歯幅が異なる層を積層すると、モータ駆動時には各層毎に異なるトルクが生じるので、回転子の支持バランスが悪化する虞があるものの、本発明では、そのような事態が回避される。
更に、本願第６請求項に記載した発明は、請求項２乃至５のいずれかにおいて、固定子極の極歯のうち少なくとも１つの極歯をずらして配置し、極歯のピッチを他と異ならせ、かつずらした極歯のうち少なくとも１つの極歯の先端を切り落として傾斜部分を形成し、極歯の形状を他の極歯と異ならせたステッピングモータである。
このように極歯の形状を設定すると、磁束の流れ易さをかえることでトルクの基本波（１次）成分を増加できる。その結果、ディテントトルクの高調波成分を効果的に低減させ、動作時の振動・騒音を抑制すると同時に、主トルクの減少を抑えるため、トルク性能を改善できる。
ここで、極歯の形状を異ならせると、空隙パーミアンスが変化するが、これに相当する分だけ歯幅を増加させることで、空隙パーミアンスを一定に保つことができる。しかし、形状を異ならせた極歯と形状を異ならせない極歯で歯元の幅が異なる。
そこで本願第７請求項に記載した発明は、請求項６において、ずらさない極歯の先端も切り落として傾斜部分を形成し、歯元の幅を全て同一に設定するステッピングモータである。
このように極歯の形状を設定しても、トルクの基本波（１次）成分を増加できる。その結果、動作時の振動・騒音を抑制すると同時に、トルク性能を改善できる。
本願のステッピングモータは、より静かで滑らかな回転が得られ、位置決め精度も向上するので、オフィス機器、とりわけプリンタの印字装置や紙送り装置に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例に係り、ステッピングモータを示す側面断面図である。
【図２】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。
【図３】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。
【図４】本発明の具体例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。
【図５】本発明の具体例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。
【図６】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。
【図７】本発明の具体例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。
【図８】本発明の具体例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。
【図９】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。
【図１０】本発明の具体例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。
【図１１】本発明の具体例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。
【図１２】本発明の具体例に係り、ステッピングモータを示す断面図である。
【図１３】本発明の具体例に係り、（Ａ）は第１の層における固定子および回転子を示す断面図であり、（Ｂ）は第２の層における固定子及び回転子を示す断面図であり、（Ｃ）は第３の層における固定子及び回転子を示す断面図である。
【図１４】本発明の具体例に係り、一つの固定子極歯について、第１の層で生じるディテントトルク特性を示す図である。
【図１５】本発明の具体例に係り、一つの固定子極歯について、第２の層で生じるディテントトルク特性を示す図である。
【図１６】本発明の具体例に係り、一つの固定子極歯について、第３の層で生じるディテントトルク特性を示す図である。
【図１７】本発明の具体例に係り、一つの固定子極歯と一方の回転子鉄心部の回転子極歯との間で生じるディテントトルク特性を示す図である。
【図１８】本発明の具体例に係り、第１の層において、ディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を示す図である。
【図１９】本発明の具体例に係り、第２の層において、ディテントトルクに含まれる高調波の割合を示す図である。
【図２０】本発明の具体例に係り、第３の層において、ディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を示す図である。
【図２１】本発明の具体例に係り、偏心に伴うステッピングモータ全体のディテントトルクの変化を示す図である。
【図２２】本発明のモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。
【図２３】本発明のモータの、磁束の流れを解析した図である。
【図２４】本発明の他の具体例におけるモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。
【図２５】本発明の他の具体例におけるモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。
【図２６】本発明の他の具体例におけるモータの、磁束の流れを解析した図である。
【図２７】本発明に係るステッピングモータをプリンタの印字ヘッド駆動に用いた状態を示す斜視図である。
【図２８】本発明に係るステッピングモータをプリンタの紙送りローラ駆動に用いた状態を示す斜視図である。
【図２９】従来例に係り、固定子及び回転子の基本的な構成を示す横断面図である。
【図３０】従来例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。
【図３１】従来例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。
【図３２】従来例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。
【図３３】従来例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。
【図３４】従来例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。
【図３５】従来例に係り、一つの固定子極歯と回転子極歯との間で生じるディテントトルク特性を示す図である。
【図３６】従来のモータの極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。
【図３７】従来の他のモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。
【図３８】従来のモータの極歯のずれとトルクとの関係を示すグラフである。
【図３９】従来のモータの磁束の流れを解析した図である。
【図４０】従来の他のモータの磁束の流れを解析した図である。
発明を実施するための最良の形態
以下に、本発明の具体例について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、本例のステッピングモータ１は、円筒状に形成されるとともに、その内側に所定の間隔で６個の固定子極２１を有する固定子２と、固定子２の内部に配置された回転子３と、前記複数の固定子極２１にそれぞれ配置された固定子コイル４と、回転子３の回転軸たる出力軸５と、回転子３の要所に配置された円盤状の永久磁石６とを備え、各固定子コイル４をそれぞれ励磁することによって、出力軸５にトルクが生じるように構成された三相モータである。図中の７は出力軸５の軸受け、８は固定子２及び軸受け７を保持するブラケットである
また、固定子極２１の先端には、所定の間隔で固定子極歯２２を設けており、回転子３の外周には、所定の間隔で回転子極歯３１を設けている。尚、固定子極歯２２及び回転子極歯３１の基本的な構成については、前述した図２９のものと共通するので、同一の符号を付して図面を省略する。
これらの図に示すように、本例の回転子３には、２６個の回転子極歯３１を一定のピッチＰ１で設けている。
また、各固定子極２１には、それぞれ、２個の固定子極歯２２からなる歯群２３を２組設けており、各歯群２３内における固定子極歯２２のピッチＰ２は、Ｐ１（１−１／１２）となるように設定しており、歯群２３のピッチＰ３は、Ｐ１（２−１／８）となるように設定している。ここで、Ｐ１、Ｐ２及びＰ３は電気角である。
すなわち、４次高調波及び６次高調波を低減するべく、ｍ＝２、ｎ＝２、ν＝６、ν’＝４、及び、任意の値たるｉ＝１、ｉ’＝１を前述した式に代入して、
Ｐ２＝Ｐ１｛１−１／（２×６）｝
Ｐ２＝Ｐ１（１−１／１２）
が求められるとともに、
Ｐ３＝Ｐ１｛２−１／（２×４）｝
Ｐ３＝Ｐ１（２−１／８）
が求められる。また、
ｍ・Ｐ２＝Ｐ１（２−１／６）
であることから、
Ｐ３≠ｍ・Ｐ２
が成立する。
尚、回転子極歯３１のピッチＰ１、歯群２３内における固定子極歯２２のピッチＰ２、及び歯群２３のピッチＰ３は、図２では、それらの凹凸に合せて示したが、或は図３に示すように、隣接する回転子極歯３１、固定子極歯２２、又は歯群２３の中心から中心を示すようにしてもよい。
本例のステッピングモータ１のディテントトルク特性を測定したところ、図４に示すような結果が得られた。
更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解析したところ、図５に示すような結果が得られた。
図３及び図４に示す本例の結果を、固定子極歯のピッチと回転子極歯のピッチが等しい従来の三相モータによる結果（図３３及び図３４参照）と比較すると、４次高調波、６次高調波、及びその他の高調波が顕著に低減されていることが確認された。
また、本例の結果を、固定子極歯のピッチをＰS＝ＰR｛１±１／（ｍ・ν）｝の関係に基いて設定した従来の三相モータの結果（図３１及び図３２参照）と比較すると、特に４次高調波が顕著に低減されていることが確認された。
このように、本例のステッピングモータによると、一つの固定子極においてより多くの次数の高調波を低減することができるので、高調波が効率よく低減されて、より静かで滑らかな回転が得られる。
すなわち従来では、三相モータであれば、特に問題となるのは６次高調波であるとされており、固定子極歯のピッチの設定は、このような条件に対応してなされているものの、実際には、相間や固定子極間のレイアウトによる効果を得ようとする場合は、モータの部品製造や組み立て工程における精度の制約が極めて厳密になり、十分な静粛性を実現するのは非常に困難であったが、本例では、一つの固定子極において４次高調波と６次高調波とを低減するので、そのような問題を回避することができる。
次に、本発明の別具体例について、図６から図８を用いて説明する。
本例の場合、一定のピッチＰ１で３８個の回転子極歯３１を有する回転子３を用いるとともに、極歯固定子極２１には、３個の固定子極歯２２からなる歯群２３を２組設けており、歯群２３内における固定子極歯２２のピッチＰ２と、歯群２３のピッチＰ３を設定することによって、高調波を低減するように構成している。尚、その他の構成については、前述した具体例と同様であるので、共通する箇所には同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
本例では、４次高調波及び６次高調波を低減するべく、ｍ＝３、ｎ＝２、ν＝４、ν’＝６、及び任意の値たるｉ＝１、ｉ’＝１を前述した式に代入して、
Ｐ２＝Ｐ１｛１−１／（３×４）｝
Ｐ２＝Ｐ１（１−１／１２）
が求められるとともに、
Ｐ３＝Ｐ１｛３−１／（２×６）｝
Ｐ３＝Ｐ１（３−１／１２）
が求められる。また、
ｍ・Ｐ２＝Ｐ１（３−１／４）
であることから、
Ｐ３≠ｍ・Ｐ２
が成立する。
本例のものについてディテントトルク特性を測定したところ、図７に示すような結果が得られた。
更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解析したところ、図８に示すような結果が得られた。
これらの図に示すように、本例の場合も４次高調波、６次高調波、及びその他の高調波が顕著に低減されていることが確認された。
更に、本発明の他の具体例について、図９から図１１を用いて説明する。
本例のステッピングモータは、３２個の回転子極歯３１を有する回転子３と、６個の固定子極２１を有する固定子２を用いた三相構造のものであり、各固定子極２１には、それぞれ５個の固定子極歯２２を設けている。
本例の場合、固定子極歯２２のピッチＰSは、回転子極歯３１のピッチＰRに対して、
ＰS＝ＰR（１−１／１０）
の関係で設定している。
すなわち、４次高調波と６次高調波を低減するには、
ＰS＝ＰR｛１±ｉ／（ｍ・４）｝
且つ
ＰS＝ＰR｛１±ｉ’／（ｍ・６）｝
の関係にあればよいので、これらの式にｍ＝５、ｉ＝２、ｉ’＝３を代入することにより、前記の関係が求められる。
尚ここで、ｉ及びｉ’は、５の倍数でない正の整数であって、
ｉ／２＝ｉ’／３
の関係を満たすように設定している。
そして、本例のものについてディテントトルク特性を測定したところ、図１０に示すような結果が得られた。
更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解析したところ、図１１に示すような結果が得られた。
図１０及び図１１に示す本例の結果を、固定子極歯のピッチと回転子極歯のピッチが等しい従来の三相モータによる結果（図３３及び図３４参照）と比較すると、４次高調波、６次高調波、及びその他の高調波が顕著に低減されていることが確認された。
また、本例の結果を、固定子極歯のピッチをＰS＝ＰR｛１±１／（ｍ・ν）｝の関係に基づいて設定した従来の三相モータの結果（図３１及び図３２参照）と比較すると、特に４次高調波が顕著に低減されていることが確認された。
このように、本例の三相ステッピングモータによると、一つの固定子極において、４次高調波を低減できるとともに、６次高調波を低減できる。
次に、本発明の他の具体例について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１２及び図１３に示すように、本例のステッピングモータ１は、円筒状に形成されるとともに、前例のステッピングモータと同様に、その内側に所定の間隔で複数の固定子極２１を有する固定子２と、固定子２の内部に配置された回転子３と、前記複数の固定子極２１にそれぞれ配置された固定子コイル４と、回転子３の回転軸たる出力軸５と、回転子３の要所に配置された円盤状の永久磁石６とを備え、各固定子コイル４をそれぞれ励磁することによって、出力軸５にトルクが生じるように構成されている。図中の７は出力軸５の軸受け、８は固定子２及び軸受け７を保持するブラケットである。
また、各固定子極２１の先端には、所定の間隔で固定子極歯２２を設けており、回転子３の外周には、所定の間隔で回転子極歯３１を設けている。尚、前述した図２９と共通する点については、同一の符号を付して図面を省略する。
そして、本例の回転子３は、回転子極歯３１の位相が異なる２つの回転子鉄心部３ａ，３ｂを有する。
更に、固定子２及び一方の回転子鉄心部３ａ、並びに、固定子２及び他方の回転子鉄心部３ｂは、それぞれ、回転子３の回転軸方向に、固定子極歯２２の歯幅が異なる第１の層Ａと、第２の層Ｂと、第３の層Ｃとを有する。
すなわち、回転子極歯３１の歯幅を回転子３の回転軸方向に亘って一様に形成しているのに対し、固定子極歯２２の歯幅は、第１の層Ａでは回転子極歯３１よりも大きく形成し、第２の層Ｂでは回転子極歯３１とほぼ同じに形成し、第３の層Ｃでは回転子極歯３１よりも小さく形成している。
一つの固定子極歯２２と一方の回転子鉄心部３ａの回転子極歯３１の間において、又は、一つの固定子極歯２２と他方の回転子鉄心部３ｂの回転子極歯３１との間において、第１の層Ａ、第２の層Ｂ、第３の層Ｃで生じるディテントトルクは、図１４乃至図１６に示すように、互いに異なる波形のものとなる。
従って、これらの間で生じるディテントトルクの波形は、第１の層Ａ、第２の層Ｂ、及び第３の層Ｃで生じるディテントトルクの波形を合成したものであって、図１７に示すように、これらの各層で生じるディテントトルクの波形より正弦波に近似したものとなる。
その結果、ステッピングモータ１全体としては、周方向に対して位相が異なる固定子極歯２２と回転子極歯３１との間で生じるディテントトルクが、互いに正確に打ち消し合い、モータ駆動時にあっては、ディテントトルクによる不要な振動及び騒音が低減される。
また本例では、固定子２及び２つの回転子鉄心部３ａ，３ｂにおいて、各層は、順次、第１の層Ａ、第２の層Ｂ、第３の層Ｃ、第３の層Ｃ、第２の層Ｂ、第１の層Ａとなるように設けている（図１２参照）。尚、永久磁石６は、両回転子鉄心部３ａ，３ｂの間に介在している。
すなわち、２つの回転子鉄心部３ａ，３ｂには、歯幅が異なる複数の層を対称的に設けたので、回転子３の支持の安定性が確保される。
尚、各層にて異なる波形のディテントトルクが生じるという点では、前述したように固定子極歯２２の歯幅を異ならせる他に、回転子極歯３１の歯幅を異ならせるようにしてもよく、更には、これら双方の歯幅を異ならせるようにしてもよい。
また、各層の厚さは、本例では均等であるが、それぞれに生じるディテントトルクの波形や大きさに応じて適宜設定するようにしてもよい。
図１８乃至図２０は、一つの固定子極歯におけるディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を示す図である。
本例では、固定子極歯２２の歯幅比と回転子極歯３１の歯幅比との平均は、第１の層Ａでは０．２５、第２の層Ｂでは０．３３、第３の層では０．４２となるように設定しており、ここで、各層において歯幅比の平均を変えることによって、ディテントトルクに含まれる２次高調波成分乃至４次高調波成分の割合を計測した。
尚、歯幅比とは、固定子極歯２２又は回転子極歯３１の歯幅をその極歯のピッチで割った値であって、回転子３の回転軸周囲において極歯の占める割合である。また、これらの歯幅やピッチは、回転子３の回転軸周囲に対する角度で表される。
すなわち、回転子極歯３１の歯幅比は、回転子３の回転軸方向に亘って０．３４である一方、固定子極歯２２の歯幅比は、第１の層Ａでは０．１６、第２の層Ｂでは０．３２、第３の層Ｃでは０．５０であって、これらの図に示すのは、このような構成の固定子２及び回転子３について、固定子極歯２２の歯幅比を変えることにより第１の層の歯幅比の平均を変えた場合（図１８参照）、同じく第２の層の歯幅比の平均を変えた場合（図１９参照）、同じく第３の歯幅比の平均を変えた場合（図２０参照）における２次高調波成分乃至４次高調波成分の割合である。
これらの図に示すように、ディテントトルクに含まれる２次高調波成分乃至４次高調波成分の割合は、固定子極歯２２の歯幅比と回転子極歯３１の歯幅比との平均によって変化し、この歯幅比の平均が第１の層Ａで０．２５〜０．２９、第２の層Ｂで０．３３〜０．３５、第３の層Ｃで０．４０〜０．４２であると、およそ１０％以下であり、高調波の主成分を比較的小さくでき、ディテントトルクの波形の歪みを低減することができる。
また、回転子極歯３１の歯幅比が回転子３の回転軸方向に亘って０．３２の場合についても同様の測定を行ったところ、ディテントトルクに含まれる２次高調波成分乃至４次高調波成分の割合は、各層における固定子極歯２２の歯幅比と回転子極歯３１の歯幅比との平均が前記と同様に、第１の層Ａで０．２５〜０．２９、第２の層Ｂで０．３３〜０．３５、第３の層Ｃで０．４０〜０．４２の範囲であると、およそ１０％以下になることが確認された。
このように、ディテントトルクにおける高調波の影響は、このような範囲で歯幅比を設定することにより低減される。
また、図２１は、出力軸５の偏心に伴うステッピングモータ１全体のディテントトルクの最大値変化を示す図である。
同図において、白点でプロットしたものは、各極歯のピッチを適宜設定することにより、心ずれが０ｍｍの状態でディテントトルクの最大値が本例とほぼ同等になるように構成した従来のものを示す。その固定子極歯及び回転子極歯の歯幅は、固定子の回転軸方向に対して同一である
これらを比較すると、本例の場合は、心ずれに伴うディテントトルクの増大が低減されていることが確認される。
これは、従来の場合、対になる固定子極歯同士で高調波を打ち消し合う構成であるため、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響を受けやすいのに対し、本例の場合、一つの固定子極歯２２と回転子鉄心部３ａ（又は３ｂ）の回転子極歯３１との間で生じるディテントトルクの波形を、各層におけるディテントトルクを合成することによって正弦波に近似するので、固定子２に対する回転子３の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響が回避されるためである。
尚、高調波をより効率よく低減する点では、固定子極歯２２と回転子極歯３１の一方又は双方の歯幅が異なる層を設けたうえ、更に、固定子極歯２２のピッチを適宜設定するように構成してもよい。
以上説明したように、本例のステッピングモータによると、回転子は、回転子極歯の位相が異なる２つの回転子鉄心部を有し、固定子及び一方の回転子鉄心部、並びに、固定子及び他方の回転子鉄心部は、前記回転子の回転軸方向に、前記固定子極歯と前記回転子極歯の一方又は双方の歯幅が異なる複数の層を有するので、一つの固定子極歯と一方の回転子鉄心部の回転子極歯、並びに、一つの固定子極歯と他方の回転子鉄心部の回転子極歯との間で生じるディテントトルクの波形を、各層におけるディテントトルクを合成することによってそれぞれ正弦波に近似することができ、その結果、これらのディテントトルクが正確に打ち消し合うことによって、ディテントトルクによる不要な振動及び騒音を低減することができる。
特に、従来では、各極歯のピッチを適宜設定することにより、対になる固定子極歯同士で高調波を打ち消し合うすように構成されたものもあるが、この場合は、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等によ磁気的アンバランスの影響を受けやすく、十分とはいえないのに対し、本例では、このようなディテントトルクの波形が、各層におけるディテントトルクを合成することによって正弦波に近似されるので、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響が回避され、その結果、ディテントトルクの不要な増大が抑制される。
また、本例のステッピングモータによると、歯幅が異なる複数の層は、少なくとも３つの層からなるので、一つの固定子極歯におけるディテントトルクを、より正弦波に近似することができる。
また、本例のステッピングモータによると、回転子極歯の歯幅比は回転子の回転軸方向に亘って一様であるとともに、固定子及び回転子鉄心部は、固定子極歯の歯幅比と前記回転子極歯の歯幅比との平均が０．２５〜０．２９の層と、０．３３〜０．３５の層と、０．４０〜０．４２の層とを有するので、ディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を、比較的小さくすることができる。すなわち、歯幅比をこれらの範囲で設定すると、高調波によるディテントトルクの波形の歪を確実に低減することができる。
また、本例のステッピングモータによると、固定子及び２つの回転子鉄心部における歯幅が異なる複数の層は、回転子の回転軸方向に向って対称的に設けたので、回転子の支持の安定性を確保することができる。
すなわち、歯幅が異なる層を積層すると、モータ駆動時には各層毎に異なるトルクが生じるので、回転子の支持バランスが悪化する虞があるものの、本例では、そのような事態を回避することができる。
次に、本発明の他の具体例を説明する。ここでは、二相ハイブリッド型ステッピングモータを例に採って説明する。
図２２は、二相ハイブリッド型ステッピングモータの固定子極２１の一つを抜粋し、極歯２２の相互位置関係と形状を展開して示した図である。尚、二相ハイブリッド型ステッピングモータにおいては、複数の固定子極２１は、等間隔となるように所定の角度だけ回転して形成される。その結果、回転子のＮ側の極歯に対し、Ａ相固定子極２ａの極歯２２の位相が一致したとき、Ｂ相固定子極の極歯２２は、極歯の１／４ピッチずれて形成される。また、回転子のＳ側の極歯に対し、Ａ相固定子極２ａの極歯２２は２／４ピッチずれ、Ｂ相固定子極の極歯２２は３／４ピッチずれて形成される。そのため、ステップモータは励磁により極歯の１／４ピッチずつ回転制御することが可能となる。
従って、一般にＰをステッピングモータの相数、Ｎを回転子の極歯の数とすると、ステップ数２ＰＮ、基本ステップ角θsで制御することが可能となる。ただし、基本ステップ角θsは下記（２）式により示される。
θs＝３６０°／（２ＰＮ） ・・・（２）
尚、本具体例では、Ｎ＝５０、回転子の外径をφ２５ｍｍとした。
図２２において、モータの極歯は、各固定子極２１の６つの極歯２２を等ピッチ（４θs）に配置した位置から、２つの極歯２２ｃ，２２ｄはずらさず、２つの極歯２２ａ，２２ｂを進み方向にずらし、２つの極歯２２ｅ，２２ｆを遅れ方向にずらして形成してある。これにより、トルクの４次成分をゼロとし、ディテントトルクの高調波成分の低減を可能としている。なお、図２２において進み方向は右方向とする。
そして、進み方向にずらした２つの極歯は、進み方向側（右側）の先端を切り落とし、傾斜部分２５を設けている。また、遅れ方向にずらした２つの極歯は、遅れ方向側（左側）の先端を切り落とし、傾斜部分２５を設けている。すなわち、いずれもずらした方向側の先端を切り落とし、傾斜部分を設けている。
また、各々の極歯部分の空隙パーミアンスは、極歯に傾斜部分を形成することにより変化し、その結果磁気的な中心位置は移動する。その方向は、ディテントトルクを低減する目的のためにピッチをずらした方向と逆側である。そのため、その移動量だけ各極歯のずらし量を増加させてある。
ここで、空隙パーミアンスと磁気的な中心位置は次の様に求めた。まず回転子の極歯と固定子の極歯同士が対向した場合に、パーミアンスを求めようとする部分の空隙を周方向に沿って微小区間に分割する。そして、各区間毎に極歯間の距離、すなわち空隙部の磁路長を算出し、パーミアンスに換算する。その後、分割した区間全体に渡ってパーミアンスを積分し、空隙パーミアンスとした。次に磁気的中心位置だが、これは仮に極歯をある位置で周方向に２分割したとし、分割した各々の空隙パーミアンスが等しくなる位置を磁気的な中心位置とした。
更に上述の通り、各々の極歯部分の空隙パーミアンスは、極歯に傾斜部分を形成することにより低下する。そのためこれに相当する分だけ歯幅を増加し、低下分を補い空隙パーミアンスを一定に保っている。そしてここでも、歯の磁気的な中心位置は、歯幅を増加することにより、ディテントトルクを低減するためにピッチをずらした方向と逆側に移動する。そのため、その移動量だけさらに各極歯のピッチをずらしてある。すなわち、本実施例の極歯のずれ量α’と従来例の極歯のずれ量αとの間には下記（３）式の関係がある。
α’＝α＋（極歯に傾斜部分を形成することによる磁気的中心位置のずれ量）＋（歯幅を増加することによる磁気的中心位置のずれ量）・・（３）
尚、図２２中のピッチをずらした極歯に記した中心線は、幾何学的な中心位置を示しており、磁気的な中心位置ではない。また本実施例では、好適な例として傾斜部分２５の寸法（図２２中のａ、ｂ）、及び極歯２２ｃの歯幅Ｔとの関係を下記（４）、（５）の関係式で設定し、ａは０．３５ｍｍ、ｂは０．５３ｍｍとした。
ａ＝０．７×Ｔ ・・・（４）
ｂ＝１．５×ａ ・・・（５）
以上のように、本具体例の極歯の磁気的な中心位置は、従来例の極歯の中心位置に等しい。また極歯部分の空隙パーミアンスも同様に従来例のものと等しい。これらの結果、当初の目的であるディテントトルクの高調波成分を低減し、モータの振動・騒音を抑制することができる。その上、トルクの基本波（１次）成分を増加できる。この様子を示したものが図２３である。図２３は、コンピュータを用いてモータの固定子極２１ａ、回転子極歯３１について、材料の非線形性を考慮し、磁束の流れを解析したものである。図２３は本具体例のモータの例で、（ａ）は回転子の極歯３１と固定子の極歯２２ｄの中心が一致し極歯同士が対向した場合、（ｂ）はそこから回転子が１／２ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。従来の、極歯２２に傾斜部分を形成しないモータ（図４０）と比較すると、極歯同士が対向した場合の磁束はほぼ等しい。一方、極歯同士が対向しない場合は磁束が流れ難くなっている。その結果、（ａ）と（ｂ）の磁束の差は大きくなっている。これを、磁束２２を等ピッチに配置したモータ（図３９）と比較すると、（ａ）と（ｂ）の磁束の差は、従来は８８％まで低下していたが、本具体例ではその低下が９１％に抑えられている。すなわち、極歯の先端を切り落とし傾斜部分を形成することで、トルクは３％改善される。
尚、本具体例では、ピッチをずらした極歯４枚全てに傾斜部分を形成しているが、傾斜部分を設ける極歯の枚数はこれに限らず任意の数でよい。例えば、ピッチをずらした極歯４枚のうち２枚の極歯２２ａ，２２ｆのみに傾斜部分を設けた例を図２４に示す。この例でも（ａ）と（ｂ）の磁束の差は９０％までしか低下せず、極歯の先端を切り落とし傾斜部分を形成することで、トルクは改善される。
また、本具体例では、先端に傾斜部分を設けた極歯の歯元の幅の方が、他よりも大きくなっているが、単に歯幅を異ならせたのではない。本発明は、特に極歯同士が対向しない場合に、空隙部の磁路長を増加でき、その結果トルクの基本波（１次）成分を増加できることを特徴とするからである。また、先端に傾斜部分を設けているだけで、歯元の幅は減らしていないため、従来に比べ飽和が増すといった不都合を生じることもない。
図２５は、本発明の他の具体例に係り、二相ハイブリッド型ステッピングモータの固定子極２１の一つを抜粋し、極歯２２の相互位置関係と形状を展開して示した図である。図２５のモータの極歯は、前例と同様に各固定子極２１の６つの極歯２２を等ピッチ（４θs）に配置した位置から、２つの極歯２２ｃ，２２ｄはずらさず、２つの極歯２２ａ，２２ｂを進み方向にずらし、２つの極歯２２ｅ，２２ｆを遅れ方向にずらして形成してある。尚、図２５においても進み方向は右方向とする。
そして、進み方向又は遅れ方向にずらした極歯は、いずれもずらした方向側の先端を切り落とし、傾斜部分２５を設けている。また、各々の極歯の磁気的な中心位置は、極歯に傾斜部分を形成することにより、ピッチをずらした方向と逆側に移動する。そのため、その移動量だけ各極歯のずらし量を増加させてある。さらに、各々の極歯の部分の空隙パーミアンスは、極歯に傾斜部分を形成することにより低下する。そのためこれに相当する分だけ歯幅を増加し、低下分を補い空隙パーミアンスを一定に保っている。そしてここでも、歯の磁気的な中心位置は、歯幅を増加することにより、ピッチをずらした方向と逆側に移動する。そのため、その移動量だけさらに各極歯のピッチをずらしてある。
更に本例のモータでは、ずらさない極歯２２ｃ，２２ｄも先端を切り落として傾斜部分２５を設け、歯元の幅Ｗを全て同一に設定している。ただし、ずらさない極歯２２ｃ，２２ｄはその両端を切り落として傾斜部分２５を設けているため、磁気的な中心位置は移動しない。尚、本具体例では、好適な例として歯元の幅Ｗの寸法を０．７３ｍｍとした。
これにより、本具体例においても当初の目的であるディテントトルクの高調波成分を低減し、モータの振動・騒音を抑制することができる。その上、トルクの基本波（１次）成分を増加できる。この様子を示したものが図２６である。図２６は本モータの例で、（ａ）は回転子の極歯３１と固定子の極歯２２ｄの中心が一致し極歯同士が対向した場合、（ｂ）はそこから回転子が１／２ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。従来の、極歯２２に傾斜部分を形成しないモータ（図４０）と比較すると、極歯同士が対向した場合の磁束はほぼ等しいが、極歯同士が対向しない場合は磁束が流れ難い。その結果、（ａ）と（ｂ）の磁束の差は大きくなっている。これを、極歯２２を等ピッチに配置したモータ（図３９）と比較すると、（ａ）と（ｂ）の磁束の差は９０％までしか低下しない。すなわち、歯元の幅を同一に設定するか否かによらず、極歯の先端を切り落とし傾斜部分を形成することで、トルクは改善される。
また、上述した具体例では、二相のハイブリッド型ステッピングモータを対象に説明したが、二相に限らず一般にＰ相のステッピングモータについても同様に適用できる。また、極歯の先端は直線状に切り落としているが、これに限らず曲線状、例えば円弧状に切り落としても同様な効果が得られる。
図２７は、上述したステッピングモータ１でプリンタ１０の印字ヘッド１１を駆動するもので、ステッピングモータ１の出力軸５にプーリ１２を固着し、他方には従動プーリ１３を設け、これらのプーリ間に、印字ヘッド１１を固着した伝達ベルト１４を巻回させて印字装置を構成している。各列のステッピングモータ１は、高調波を効率よく低減することができ、延いては、より静かで滑らかな回転が得られるとともに、位置決め精度も向上するので、プリンタの印字ヘッドを駆動する印字装置用のモータに好適である。
図２８は、上述したステッピングモータ１でプリンタ１０の紙送りローラ１５を駆動するもので、ステッピングモータ１の出力軸５にギア１６を固着し、伝達ギア１７を介して、駆動力を紙送りローラ１５に伝達する。この紙送り装置の場合も、ステッピングモータ１は、高調波を効率よく低減することができ、延いては、より静かで滑らかな回転が得られるとともに、位置決め精度も向上するので、プリンタの紙送りローラを駆動する紙送り装置用のモータにうってつけである。
産業上の利用可能性
本発明に係るステッピングモータは、より静かで滑らかな回転が得られ、位置決め精度も向上するので、オフィス機器、とりわけプリンタの各種駆動モータに好適である。
Claims (7)
- 複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記回転子に一定のピッチＰ１で回転子極歯を設けるとともに、前記固定子極に前記回転子極歯と対向する固定子極歯を設けたステッピングモータにおいて、
前記固定子極には、ｍ個の前記固定子極歯からなる歯群をｎ組設け、
前記歯群内における前記固定子極歯のピッチＰ２は、
Ｐ２≠Ｐ１
の関係にあるとともに、前記歯群のピッチＰ３は、
Ｐ３≠ｍ・Ｐ１
Ｐ３≠ｍ・Ｐ２
の関係にあり、
更に、前記歯群内における前記固定子極歯のピッチＰ２は、
Ｐ２＝Ｐ１｛１±ｉ／（ｍ・ν）｝
の関係にあるとともに、前記歯群のピッチＰ３は、
Ｐ３＝Ｐ１｛ｍ±ｉ’／（ｎ・ν’）｝
の関係にあり、
加えて、
「ν＝６、ν’＝４」又は「ν＝４、ν’＝６」
「ｍ＝２」又は「ｍ＝３」
の関係にあることを特徴とするステッピングモータ。
但し、Ｐ１、Ｐ２及びＰ３は電気角、ｎは２以上の整数、また、ν及びν’は低減される４次又は６次高調波の次数、ｉはｍの倍数でない正の整数、ｉ’はｎの倍数でない正の整数である。 - 複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記複数の固定子極に固定子極歯を設けるとともに、前記回転子に回転子極歯を設けたステッピングモータにおいて、
前記回転子は、前記回転子極歯の位相が異なる２つの回転子鉄心部を有し、前記固定子及び前記一方の回転子鉄心部、並びに、前記固定子及び前記他方の回転子鉄心部は、前記回転子の回転軸方向に、前記固定子極歯と前記回転子極歯の一方又は双方の歯幅が異なる複数の層を有することを特徴とするステッピングモータ。 - 前記歯幅が異なる複数の層は、少なくとも３つの層からなることを特徴とする請求項２記載のステッピングモータ。
- 前記回転子極歯の歯幅比は前記回転子の回転軸方向に亘って一様であるとともに、前記固定子及び前記回転子鉄心部は、前記固定子極歯の歯幅比と前記回転子極歯の歯幅比との平均が０．２５〜０．２９の層と、０．３３〜０．３５の層と、０．４０〜０．４２の層とを有することを特徴とする請求項３記載のステッピングモータ。
- 前記固定子及び前記２つの回転鉄心部における前記歯幅が異なる複数の層は、前記回転子の回転軸方向に向って対称的に設けたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか記載のステッピングモータ。
- 前記固定子極の極歯のうち少なくとも１つの極歯をずらして配置し、極歯のピッチを他と異ならせ、ずらした極歯のうち少なくとも１つの極歯に傾斜部分を形成したことを特徴とする請求項２乃至５いずれか記載のステッピングモータ。
- 上記のずらした極歯に傾斜部分を形成し、かつずらさない極歯にも傾斜部分を形成したことを特徴とする請求項６記載のステッピングモータ。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7987598 | 1998-03-26 | ||
| JP8725698 | 1998-03-31 | ||
| JP8745598 | 1998-03-31 | ||
| PCT/JP1999/001532 WO1999050952A1 (fr) | 1998-03-26 | 1999-03-25 | Moteur pas-a-pas, dispositif d'impression utilisant ce moteur ou dispositif alimentateur de papier, et imprimante |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP3806943B2 true JP3806943B2 (ja) | 2006-08-09 |
Family
ID=27303126
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP54916999A Expired - Fee Related JP3806943B2 (ja) | 1998-03-26 | 1999-03-25 | ステッピングモータ、これを用いた印字装置又は紙送り装置、並びにプリンタ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6552451B1 (ja) |
| EP (1) | EP0993102A4 (ja) |
| JP (1) | JP3806943B2 (ja) |
| CN (1) | CN1149731C (ja) |
| WO (1) | WO1999050952A1 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4672891B2 (ja) * | 2001-03-27 | 2011-04-20 | 日本電産サーボ株式会社 | ３相ハイブリッド形ステッピングモータ |
| EP1221757A1 (en) * | 2001-01-09 | 2002-07-10 | Alps Electric Co., Ltd. | Thin interior rotor motor for driving a recording medium and disk apparatus using the same |
| JP3684547B2 (ja) | 2001-03-30 | 2005-08-17 | 日本サーボ株式会社 | 永久磁石モータ |
| JP4744023B2 (ja) | 2001-07-24 | 2011-08-10 | 日本電産サーボ株式会社 | 永久磁石３相ステッピングモータ |
| DE10248771A1 (de) * | 2002-10-18 | 2004-04-29 | Siemens Ag | Permanenterregte Synchronmaschine |
| JP4571058B2 (ja) * | 2005-10-21 | 2010-10-27 | 本田技研工業株式会社 | クローポール型モータ |
| US8890462B2 (en) * | 2012-03-08 | 2014-11-18 | Gm Global Technology Operations, Llc | Stepper motor with common solenoid current driver |
| CN108809041A (zh) * | 2017-05-04 | 2018-11-13 | 上海鸣志电器股份有限公司 | 一种步进电机 |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4112319A (en) * | 1976-12-23 | 1978-09-05 | Sigma Instruments, Inc. | Synchronous motor with heterogeneously pitched teeth |
| US4516048A (en) | 1983-09-29 | 1985-05-07 | The Superior Electric Company | Stator with nonuniformly spaced teeth for rotating electromagnetic device |
| US4703243A (en) | 1986-04-17 | 1987-10-27 | Kollmorgen Technologies Corporation | Stepping motor harmonic suppression |
| US4910475A (en) * | 1989-03-28 | 1990-03-20 | Linex Technology Corporation | Pole grouping for stepping motor |
| JP3187034B2 (ja) * | 1990-03-15 | 2001-07-11 | 日本サーボ株式会社 | ステッピングモータ |
| JP3142675B2 (ja) | 1991-12-06 | 2001-03-07 | 出光興産株式会社 | Ｖａ菌根菌接種担体の製造法 |
| JPH0670532A (ja) * | 1992-06-24 | 1994-03-11 | Oriental Motor Co Ltd | ステッピングモータ |
| JP3778216B2 (ja) * | 1992-12-28 | 2006-05-24 | 日本サーボ株式会社 | ハイブリッド型ステッピングモ−タ |
| JPH08331830A (ja) * | 1995-05-30 | 1996-12-13 | Japan Servo Co Ltd | インナロータ形及びアウタロータ形ハイブリッド形ステッピングモータ |
| JP3004580B2 (ja) * | 1995-11-10 | 2000-01-31 | 日本サーボ株式会社 | ステッピングモータ |
| US5708310A (en) * | 1995-07-24 | 1998-01-13 | Japan Servo Co., Ltd. | Permanent magnet type stepping motor |
| JP3139943B2 (ja) * | 1995-07-24 | 2001-03-05 | 日本サーボ株式会社 | ハイブリッド型ステッピングモータ |
| JPH09308213A (ja) * | 1996-05-17 | 1997-11-28 | Asahi Eng:Kk | ステッピングモータ |
-
1999
- 1999-03-25 JP JP54916999A patent/JP3806943B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1999-03-25 WO PCT/JP1999/001532 patent/WO1999050952A1/ja not_active Application Discontinuation
- 1999-03-25 CN CNB998003484A patent/CN1149731C/zh not_active Expired - Fee Related
- 1999-03-25 EP EP99909342A patent/EP0993102A4/en not_active Withdrawn
- 1999-03-25 US US09/424,364 patent/US6552451B1/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0993102A1 (en) | 2000-04-12 |
| CN1262807A (zh) | 2000-08-09 |
| EP0993102A4 (en) | 2006-09-06 |
| CN1149731C (zh) | 2004-05-12 |
| WO1999050952A1 (fr) | 1999-10-07 |
| US6552451B1 (en) | 2003-04-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5657613B2 (ja) | 永久磁石型回転電機及び電動パワーステアリング装置 | |
| JP4089527B2 (ja) | 永久磁石式回転電機 | |
| KR101196139B1 (ko) | 회전 전기 기계 | |
| US5128570A (en) | Permanent magnet type stepping motor | |
| JP3938501B2 (ja) | 回転角度検出装置、それを用いた永久磁石型回転電機、及び、永久磁石型回転電機を用いた電動パワーステアリング装置 | |
| US4280072A (en) | Rotating electric machine | |
| EP2304863B1 (en) | Interior permanent magnet motor including rotor with unequal poles | |
| JP3458344B2 (ja) | モータ構造 | |
| JP6161707B2 (ja) | 同期電動機 | |
| US20060028082A1 (en) | Interior permanent magnet electric rotating machine | |
| JP7361344B2 (ja) | 磁気ギアードモータ | |
| JPH0469042A (ja) | ハイブリッド形ステッピングモータ | |
| US7342330B2 (en) | Hybrid type double three-phase electric rotating machine | |
| JP2001103719A (ja) | フラックスバリヤ型同期リラクタンスモータ | |
| JPH0132748B2 (ja) | ||
| JP2009005543A (ja) | 永久磁石型回転機の固定子構造 | |
| JP3675772B2 (ja) | ステッピングモーター | |
| JP3806943B2 (ja) | ステッピングモータ、これを用いた印字装置又は紙送り装置、並びにプリンタ | |
| JPH06153428A (ja) | 永久磁石式回転子 | |
| JP3665105B2 (ja) | ６相ハイブリッド形ステッピングモータ | |
| JP4172863B2 (ja) | ５相永久磁石型モータ | |
| JP3004580B2 (ja) | ステッピングモータ | |
| JP2003047181A (ja) | ブラシレスモータ | |
| JP7244270B2 (ja) | バーニアモータ | |
| JP5331672B2 (ja) | 回転角センサ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050208 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050330 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050823 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051006 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060110 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060308 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060425 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060508 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100526 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110526 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120526 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130526 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140526 Year of fee payment: 8 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |