JP3811038B2 - ステッピングモータ - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を用いるPM型のステッピングモータに関し、特に、内燃機関のバルブタイミング制御装置等の大トルクを要する用途に適したステッピングモータに関する。
【0002】
【従来の技術】
軸方向の薄型化を図ったステッピングモータとして、従来、特開平7−39130号公報に記載されているようなものが開発されている。
【0003】
このステッピングモータは、図12に示すように異なる磁極(N極とS極)が端面に円周方向に沿って交互に現れるように着磁された永久磁石ブロック101と、図13に示すように磁性材料から成る複数の極歯リング102,103,104が略円板状に組み付けられたヨークブロック105と、このヨークブロック105の各極歯リング102,103,104に磁界を作用させるべく複数相の電磁コイルを有する電磁コイルブロック(図示せず)と、を備え、パルスの入力に応じて複数相の電磁コイルの発生磁界を所定パターンで変化させることにより、永久磁石ブロック101をヨークブロック105に対して相対的に回転させるようになっている。ヨークブロック105の各極歯リング102,103,104は永久磁石ブロック101の磁極面に対向する複数の極歯106を有し、極歯リング102,103,104相互は、同心に、かつ、互いの極歯106が円周方向に沿って設定ピッチずれるように配置されると共に、非磁性材料である樹脂材料107によって一体に結合されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来のステッピングモータの場合、発生トルクを大きくするために永久磁石ブロック101の磁力を大きくすると、ヨークブロック105がその磁力によって反り等の変形を来し、それによって作動が不安定になることが考えられる。
【0005】
このため、内燃機関のバルブタイミング制御装置等の大きなトルクを要求される用途に適用しようとする場合には、ヨークブロック105全体の軸方向の厚みを厚くすることにより、ヨークブロック105の反り等の変形を防止しなければならない。
【0006】
ところが、このときヨークブロック105全体の軸方向の厚みを厚くすると、各極歯リング102,103,104の極歯106部分の厚みも厚くなるため、隣接する極歯リング102,103,104の極歯106,106相互の向き合う部分の面積が広がり、極歯106,106間に非磁性材料である樹脂が介装されているにしても隣接する極歯106,106での磁束の漏れが生じ易くなり、効率良く大きなトルクを得られなくなることが懸念される。
【0007】
そこで本発明は、隣接する極歯リングの極歯間での磁束漏れの増大を招くことなく、ヨークブロック全体の剛性を高められるようにして、発生トルクの増大と作動の安定化を図ることのできるステッピングモータを提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するための手段として、本発明は、永久磁石の異なる磁極が端面に円周方向に沿って交互に現れるように構成された永久磁石ブロックと、この永久磁石ブロックの磁極面に対向する複数の極歯を有し全体が磁性材料によって形成された極歯リングが複数設けられ、この極歯リング相互が互いの極歯が円周方向に沿って設定ピッチずれるように配置されると共に非磁性材料によって結合された略円板状のヨークブロックと、このヨークブロックの各極歯リングに磁界を作用させるべく複数相の電磁コイルが設けられた電磁コイルブロックと、を備え、パルスの入力に応じて前記複数相の電磁コイルの発生磁界を所定パターンで変化させることによって、前記永久磁石ブロックをヨークブロックに対して相対回動させるステッピングモータにおいて、前記ヨークブロックの各極歯リングの極歯を同リングの軸方向幅よりも薄く、かつ、永久磁石ブロック側にオフセットさせて形成すると共に、極歯リングの肉不足部に非磁性材料を充填するようにした。
【0009】
この発明の場合、各極歯リングの極歯はその極歯リングの軸方向幅よりも薄く形成されているため、隣接する極歯リングの極歯相互の対向面積を小さくすることが可能となり、しかも、ヨークブロック全体は極歯リングの肉不足部に充填される非磁性材料によって全体がほぼ一定厚みとされるため、磁力による反り等の生じにくい高剛性に維持されることとなる。
【0010】
前記ヨークブロックは電磁コイルブロックに対して非接触に、かつ、回転可能に配置し、極歯リングのリング状の基部を、対応する電磁コイルの磁気入出部に対向する位置に配置するようにしても良い。この場合、ヨークブロックと電磁コイルブロックを共に回転させた状態で両者を相対回動させることが可能になるが、このとき電磁コイルの磁気入出部からヨークブロックの対応する極歯リングに対して最も抵抗なく磁束を流すことが可能となる。
【0011】
また、極歯リングはリング状の基部から極歯にかけてをクランク状に屈曲させて形成することが好ましい。この場合、極歯リング全体を薄肉にして容積を小さくしつつ、極歯を永久磁石ブロック側にオフセットさせて配置することができるため、隣接する極歯リング間に樹脂等の軽量の非磁性材料を充填することによってヨークブロック全体の軽量化を図ることができる。
【0012】
前記極歯リングは、板状部材からプレス成形によって形成することが望ましく、こうすることにより極歯リングを容易に、かつ、低コストで製造することが可能となる。
【0013】
また、隣接する極歯リングを、一方の極歯リングの極歯が他方の極歯リングの極歯間に位置されるように組み付ける場合には、少なくとも一方の極歯リングのリング状の基部のうちの極歯との連結壁部分に、極歯側に開口するように切欠き部を設けるようにしても良い。この場合、連結壁のうちの極歯に直接連接しない部位が、切欠き部によって永久磁石ブロックや相手側極歯リングの極歯に対して離間することとなるため、連結壁から永久磁石ブロックや相手側極歯リングの極歯への磁束の漏れは生じにくくなる。
【0014】
このとき、切欠き部は、切欠き部底面と永久磁石ブロックの磁極面の間の磁気抵抗と、切欠き部底面と相手側極歯リングの極歯の間の磁気抵抗が、いずれも極歯リングの極歯と永久磁石ブロックの磁極面の間の磁気抵抗よりも大きくなるように形成することが望ましく、こうすることにより、連結壁部分から永久磁石ブロックや相手側極歯リングの極歯への磁束の漏れをより確実に防止することが可能となる。
【0015】
さらに、前記切欠き部の切欠き深さは、相手側極歯リングの極歯の厚さ分よりも深くすることが望ましく、こうすることによって前記の磁束の漏れをより防止し易くなると共に、相手側極歯リングの極歯の歯先を一方の極歯リングの連結壁(切欠き部)付近まで延ばして極歯面積の増大を図ることにより、ヨークブロックの外径の増大を招くことなく、ヨークブロックと永久磁石ブロックの間に作用する磁力を増大させることが可能になる。
【0016】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態を図1〜図11に基づいて説明する。
【0017】
この実施形態は、内燃機関のバルブタイミング制御装置において、内燃機関のクランクシャフトとカムシャフトの回転位相を駆動操作するのに本発明にかかるステッピングモータを適用したものである。
【0018】
バルブタイミング制御装置は、図2に示すように内燃機関のシリンダヘッド(図示せず)に回転自在に支持されたカムシャフト1と、このカムシャフト1の前端部に必要に応じて相対回動できるように組み付けられ、チェーン(図示せず)を介してクランクシャフト(図示せず)に連繋されるタイミングスプロケット2を外周に有する駆動プレート3と、この駆動プレート3とカムシャフト1の前方側(図2中左側)に配置されて、両者3,1の組付角を回動操作する組付角操作機構5と、この組付角操作機構5のさらに前方側に配置されて、同機構5を駆動操作する操作力付与手段としての本発明にかかるステッピングモータ4と、内燃機関の図外のシリンダヘッドとロッカカバーの前面に跨って取り付けられて組付角操作機構5とステッピングモータ4の前面から周域にかけてを覆うVTCハウジング12と、を備えている。
【0019】
駆動プレート3は、中心部に段差状の支持孔6を備えた円板状に形成され、その支持孔6部分が、カムシャフト1の前端部に一体に結合されたフランジリング7に回転自在に支持されている。そして、駆動プレート3の前面(カムシャフト1と逆側の面)には、図3に示すように、平行な一対のガイド壁8a,8bから成る3つの径方向ガイド8が円周方向等間隔に、かつ同プレート3のほぼ半径方向に沿うように取り付けられており、この各径方向ガイド8のガイド壁8a,8bの間には、略方形状の可動部材17が摺動自在に組み付けられている。
【0020】
また、前記フランジリング7の前面側には、放射状に突出する三つのレバー9を有するレバー軸10が配置され、このレバー軸10がフランジリング7と共にボルト13によってカムシャフト1に結合されている。そして、レバー軸10の各レバー9には、リンク14の一端がピン15によって枢支連結され、各リンク14の他端には、径方向ガイド8に組み付けられた前記各可動部材17がピン11によって枢支連結されている。
【0021】
各可動部材17は、上述のように径方向ガイド8に案内された状態において、リンク14を介してレバー軸10の対応するレバー9に連結されているため、可動部材17が外力を受けて径方向ガイド8に沿って変位すると、駆動プレート3とレバー軸10はリンク14の作用でもって可動部材17の変位に応じた方向及び角度だけ相対回動する。
【0022】
また、各可動部材17の前面側所定位置には保持穴18が設けられ、この保持穴18に、係合部としての球19を保持するためのリテーナ20が摺動自在に収容されると共に、リテーナ20を前方側に付勢するためのコイルばね21が収容されている。リテーナ20は前面中央に半球状の凹部20aが設けられ、この凹部20aに球19が転動自在に収容されている。
【0023】
レバー軸10のレバー9の突設位置よりも前方側には玉軸受22を介して略円盤状の中間回転体23が支持されている。この中間回転体23の後部側の面には断面半円状の渦巻き溝24(渦巻き状ガイド)が形成され、この渦巻き溝24に各可動部材17の球19が転動自在に案内係合されている。渦巻き溝24の渦巻きは、図3及び図8,図9に示すように(同図において、渦巻き溝24は中心線のみ示してある。)駆動プレート3の回転方向Rに沿って次第に縮径するように形成されている。したがって、可動部材17の球19が渦巻き溝24に係合した状態で中間回転体23が駆動プレート3に対して遅れ方向に相対回転すると、可動部材17は渦巻き溝24の渦巻き形状に沿って半径方向内側に移動し、逆に、中間回転体23が進み方向に相対回転すると、半径方向外側に移動する。
【0024】
組付角操作機構5は、以上説明した駆動プレート3の径方向ガイド8、可動部材17、リンク14、レバー9、中間回転体23の渦巻き溝24等によって構成されている。この組付角操作機構5は、操作力付与手段であるステッピングモータ4から中間回転体23にレバー軸10(カムシャフト1)に対する相対的な回動操作力が入力されると、渦巻き溝24を介して可動部材17を径方向に変位させ、さらにリンク14及びレバー9を介してその回動力を設定倍率に増幅し、駆動プレート3とカムシャフト1に相対的な回動力を作用させる。
【0025】
一方、ステッピングモータ4は、図1に示すように、前記中間回転体23の前面側(駆動プレート3と逆側)の外周縁部に接合された略円板状の永久磁石ブロック29と、レバー軸10に一体回転可能に結合された同じく略円板状のヨークブロック30と、VTCハウジング12(図1参照)内に取りつ付けられた電磁コイルブロック32と、を備えて成り、この電磁コイルブロック32の備える複数の電磁コイル33A,33Bは、励磁回路やパルス分配回路等を含む駆動回路(図示せず)に接続され、この駆動回路が図示しないコントローラによって制御されるようになっている。尚、コントローラは、クランク角、カム角、機関回転数、機関負荷等の各種の入力信号を受け、随時機関の運転状態に応じた制御信号を駆動回路に出力する。
【0026】
永久磁石ブロック29は、図4に示すように、軸線方向と直交する端面に複数の磁極(N極,S極)が、円周方向に沿って異磁極が交互に現れるように着磁されている。尚、図4においては、N極の磁極面を36nで示し、S極の磁極面を36sで示している。
【0027】
ヨークブロック30は、図1,図5に示すように夫々が第1,第2極歯リング37,38を有する二組のヨーク対39A,39Bを備え、内周縁部がレバー軸10に対して一体に結合されている。
【0028】
各ヨーク対39A,39Bの第1,第2極歯リング37,38は透磁率の高い金属材料(磁性材料)によって形成され、図5に示すように、リング状の基部37a,38aと、その基部37a,38aから径方向内側または外側に延出する略台形状の複数の極歯37b…,38b…とを備えている。この実施形態の場合、各極歯リング37,38の極歯37b,38bは、円周方向に等間隔に、かつ、歯先が相手極歯リング38,37側に指向するように、つまり、第1極歯リング37の歯先は径方向内側に、第2極歯リング38の歯先は径方向外側に夫々指向するように延出している。そして、第1極歯リング37と第2極歯リング38は、互いの極歯37b,38bが円周方向に交互に、かつ、等ピッチとなるように、絶縁性を有する非磁性材料である樹脂材料40によって結合されている。このように構成された2組のヨーク対39A,39Bは、径方向外側と内側に全体がほぼ円板状を成すように並べられ、すべての極歯リング37,38の極歯37b,38bが円周方向に4分の1ピッチずれるように、相互が樹脂材料40によって結合されている。
【0029】
また、ヨークブロック30は、図1に示すように、その両側面が永久磁石ブロック29と電磁コイルブロック32に軸方向で対向するように配置されているが、各ヨーク対39A,39Bの第1,第2極歯リング37,38は、リング状の基部37a,38aの一部が電磁コイルブロック32側に対向し、台形状の各極歯37b,38bが永久磁石ブロック29に対向するようになっている。
【0030】
具体的には、各極歯リング37,38は、図1及び図6に示すようにリング状の基部37a,38aが、電磁コイルブロック32に対面する偏平壁43と、この偏平壁43の内周縁部、若しくは、外周縁部に軸方向に沿って設けられた連結壁44と、を備え、連結壁44の永久磁石ブロック29側の端部に極歯37b,38bが延設されている。そして、径方向外側のヨーク対39Aの2つの極歯リング37,38と、径方向内側のヨーク対39Bの第1の極歯リング37はいずれも薄肉の板状部材によって形成され、リング状の基部37a,38aから極歯37b,38bにかけてがクランク状に屈曲して形成されている。また、径方向内側のヨーク対39Bの第2の極歯リング38は基部38a全体が肉厚に形成され、その基部38aの永久磁石ブロック29側にオフセットした位置に極歯38bが延設されている。尚、この極歯リング38は、肉厚に形成された基部38aうちの、電磁コイルブロック32に対面する部分が前記偏平壁43とされ、基部38aの外周面が前記連結壁44となっている。したがって、すべての極歯リング37,38の極歯37b,38bは、同リング37,38の軸方向幅Dよりも薄く、かつ、永久磁石ブロック29側にオフセットして形成されている。
【0031】
また、各極歯リング37,38の連結壁44部分には、図6に示すように(同図には極歯リング37側の具体形状のみ図示。)極歯37b,38b側に開口するように切欠き部45が設けられている。この切欠き部45は、連結壁44のうちの極歯37b,38bに直接連接しない部分に、相手極歯リング38,37の極歯38b,37bの厚み分よりも深い深さに形成されると共に、以下の関係式(1),(2)を満たすように形成されている。
【0032】
Rm2>Rm1 …(1)
Rm3>Rm1 …(2)
Rm1;極歯リング37(38)の極歯37b(38b)と永久磁石ブロック29の磁極面36n,36sの間の磁気抵抗
Rm2;切欠き部45の底面45aと永久磁石ブロック29の磁極面36n,36sの間の磁気抵抗
Rm3;切欠き部45の底面45aと相手側極歯リング38(37)の間の磁気抵抗
各極歯リング37,38は、上述のように全体、若しくは、その一部分が軸方向幅Dに対して薄肉に形成され、さらに一部が屈曲されたり、切り欠かれたりすることによって幅Dに対して肉の足りない肉不足部が生じている。そして、この肉不足部には前記樹脂材料40が充填され、それによってヨークブロック30のほぼ全体が極歯リング37,38の軸方向幅Dと略同一の肉厚となっている。
【0033】
一方、電磁コイルブロック32は、径方向内外に並べて配置された2層の電磁コイル33A,33Bと、この電磁コイル33A,33Bの各周域に配置され、電磁コイル33Aで発生した磁束をヨークブロック30寄りの磁気入端部34,35に誘導するためのヨーク41とを備えた構成とされている。尚、各電磁コイル33A,33Bに付設されるヨーク41は透磁率の高い材料、例えば、鉄系の金属材料等によって形成されている。
【0034】
そして、各電磁コイル33A,33Bにおける磁気入出部34,35は、ヨークブロック30の対応する極歯リング37,38の基部37a,38a(偏平壁43)に対し、軸方向のエアギャップaを介して対面している。したがって、電磁コイル33A,33Bが励磁されて所定の向きの磁界が生じると、エアギャップaを介してヨークブロック30の対応する極歯リング37,38に磁気誘導が生じ、その結果、極歯リング37,38の各極歯37b,38bに磁界の向きに応じた磁極が現れる。
【0035】
また、電磁コイル33Aの径方向外側の磁気入出部34はヨーク41の外周面側から径方向内側方向に屈曲させて形成され、電磁コイル33Bの径方向内側の磁気入出部35は逆にヨーク41の内周面から径方向外側方向に屈曲させて形成されている。したがって、これらの磁気入出部34,35は上述のように極歯リング37,38の基部37a,38aに対面しているものの、回転体であるヨークブロック30の外径の大型化を招くことなく、ヨーク41の内側に多くの巻き数のコイルを収容することができる。
【0036】
尚、電磁コイルブロック32は、両ヨーク41,41の磁気入出部34,35を除くほぼ全域が、アルミニウム等の非磁性材料から成る保持ブロック42によって抱持され、その保持ブロック42がVTCハウジング12の内側面に係止ピン46を介して回り止め固定されると共に、レバー軸10の外周面に玉軸受50を介して回転自在に支持されている。
【0037】
また、電磁コイル33A,33Bの発生磁界は、駆動回路のパルスの入力に対して所定パターンで順次切換えられるようになっている。つまり、電磁コイル33A,33Bの発生磁界の切換えパターンは、例えば、図11の励磁シーケンス図に順次示すようになっている。
【0038】
尚、図11中、下向き矢印(↓)は、ヨークブロック30の第1極歯リング37にN極、第2極歯リング38にS極が夫々現れるときの電磁コイル33A,33Bの発生磁界を示し、上向き矢印(↑)は、これと逆の向きの電磁コイル33A,33Bの発生磁界を示す。また、図11は、電磁コイル33A,33Bの巻線形式としてモノファイラ巻きを採用したものであるが、同図中、「励磁」の「正」,「負」は、電磁コイル33A,33Bの発生磁界が(↓)のときと(↑)のときの励磁電流の向きを示す。
【0039】
ここで、図11に示す切換えパターンについて、ステップを追って説明すると、ステップ1では、電磁コイル33A,33Bの励磁電流を「正」,「正」とすることにより、コイル33A,33Bで夫々(↓),(↓)の磁界を発生する。これにより、両ヨーク対39A,39Bの第1,第2極歯リング37,38(の極歯37b,38b)に同様にN極,S極が現れ、破線で示す位置にあった永久磁石ブロック29の磁極面36nが、極歯37b,38bとの吸引反発作用を受け、S極となっている両ヨーク対39A,39Bの極歯38b,38bに跨って対向するように一方向に4分の1ピッチ移動する。
【0040】
同様にステップ2では、電磁コイル33A,33Bの励磁電流を「逆」,「正」として(↑),(↓)の磁界を発生し、ステップ3では励磁電流を「逆」,「逆」、ステップ4では「正」,「逆」とすることにより、(↑),(↑)の磁界と(↓),(↑)の磁界を夫々発生する。この結果、S極となる極歯37b,38bの位置(正確には、4分の1ピッチずれて配置された極歯37b…,38b…のうちの、4分の1ピッチずれて隣り合うもの同士がS極とS極になるものの位置。)が4分の1ピッチずつ一方向に移動し、この極歯37b,38b上のS極の移動に磁極面36nが追従するように永久磁石ブロック29が回転する。
【0041】
したがって、永久磁石ブロック29は、この発生磁界の切換えパターンを繰り返すことにより、ヨークブロック30に対して一方向の回転を続け、この切換えパターンを逆向きに繰り返すことによって逆向きの回転を続けることとなる。また、電磁コイルブロック32での発生磁界の切換えを停止した場合には、永久磁石ブロック29がヨークブロック30に対する回転を停止すると共に、その回転停止位置が、ヨークブロック30の各極歯37b,38bと永久磁石ブロック29の磁極面36n,36sの間に作用し続ける磁気的な吸引反発力によって確実に維持される。
【0042】
このバルブタイミング制御装置は以上のような構成であるため、内燃機関の始動時やアイドル運転時には、図3に示すように、駆動プレート3とレバー軸10の組付角を予め最遅角側に維持しておくことにより、クランクシャフトとカムシャフト1の回転位相(機関弁の開閉タイミング)を最遅角側にし、機関回転の安定化と燃費の向上を図ることができる。
【0043】
そして、この状態から機関の運転が通常運転に移行し、前記回転位相を最進角側に変更すべく指令が図外のコントローラからステッピングモータ4の駆動回路に発されると、同モータ4の電磁コイルブロック32はその指令に従って発生磁界を所定パターンで切換え、永久磁石ブロック29を中間回転体23と共に遅れ側に最大に相対回動させる。これにより、渦巻き溝24に球19によって係合されている可動部材17は、図8に示すように、径方向ガイド8に沿って径方向内側に最大に変位し、リンク14とレバー9を介して駆動プレート3とレバー軸10の組付角を最進角側に変更する。この結果、クランクシャフトとカムシャフト1の回転位相が最進角側に変更され、それによって機関の高出力化が図られることとなる。
【0044】
また、この状態から前記回転位相を最遅角側に変更すべく指令がコントローラからステッピングモータ4に発されると、同モータ4の電磁コイルブロック32が発生磁界を逆パターンで切換えることによって中間回転体23を進み側に最大に相対回動させ、渦巻き溝24に係合する可動部材17を、図3に示すように、径方向ガイド8に沿って径方向外側に最大に変位させる。これにより、可動部材17はリンク14とレバー9を介して駆動プレート3とレバー軸10を相対回動させ、クランクシャフトとカムシャフト1の回転位相を最遅角側に変更する。
【0045】
さらにまた、クランクシャフトとカムシャフト1の回転位相の変更は上記の最進角側位置と最遅角側位置に限らず、コントローラによる制御によって任意の位置に変更することができ、例えば、図9に示すように、最遅角位置と最進角位置の中間位置に変更することも可能である。
【0046】
ところで、このバルブタイミング制御装置に採用したステッピングモータ4は、ヨークブロック30の各極歯リング37,38の極歯37b,38bを軸方向幅Dよりも薄く形成すると共に、その極歯37b,38bを永久磁石ブロック29側にオフセットさせてあるため、隣設する極歯リング37,38の極歯37b,38bの互いに対向する部分の面積が充分に小さくなる。このため、極歯37b,38bの対向部分からの磁束の漏れは生じにくくなっている。さらに、ヨークブロック30は、極歯リング37,38の肉不足部(同リング37,38の軸方向幅Dに対して肉の不足している部分)に樹脂材料40を充填することによって補強されているため、ブロック30全体の剛性低下は生じない。したがって、永久磁石ブロック29との間に作用する磁力によって同ブロック29に反り等の変形が生じることがなく、ステッピングモータ4の作動は常時安定したものとなる。
【0047】
また、このステッピングモータ4は、ヨークブロック30における各極歯リング37,38の基部37a,38aを、連結壁44に対して略直角に屈曲し充分な面積が確保された偏平壁43でもって電磁コイル33A,33Bの磁気入出部34,35に対向させているため、電磁コイル33A,33Bと極歯リング37,38の間のエアギャップaにおいて最も抵抗なく磁束を流すことができる。
【0048】
さらに、このステッピングモータ4の場合、最も内側の極歯リング38以外の極歯リング37,38は、薄肉の板状部材をプレス成形することによってリング状の基部37a,38aから極歯37b,38bにかけてをクランク状に屈曲させて形成しているため、極歯リング37,38全体を薄肉にして、その分軽量の樹脂材料40を多く充填することによってヨークブロック30全体の軽量化を図ることができる。また、このように極歯リング37,38をプレス成形によって形成するようにした場合には、製造が容易になり、製造コストの削減も可能となる。尚、最も内側の極歯リング38のようにリング状の基部38全体を軸方向幅Dと同肉厚に形成した場合にも、極歯38b部分の肉厚を薄くすることによって隣接する極歯37b,38bの対向部分での磁束の漏れを防止することができる。
【0049】
また、この実施形態におけるステッピングモータ4は、各極歯リング37,38の連結壁44のうちの、極歯37b,38bに直接連接しない部分に、永久磁石ブロック29側(極歯37a,38a側)に開口するように切欠き部45を設けてあるため、連結壁44部分から永久磁石ブロック29や相手極歯リング38,37の極歯38b,37b部分への磁束の漏れを確実に防止することができる。即ち、切欠き部45は、切欠き部45の底面45aと永久磁石ブロック29の磁極面36n,36sの間の磁気抵抗と、同底面45aと相手側極歯リング38,37の極歯38b,37bの間の磁気抵抗が、極歯リング37,38の極歯37b,38bと永久磁石ブロック29の磁極面36n,36sの間の磁気抵抗よりも大きくなるように形成してあることから、極歯リング37,38での磁束の入出は磁気抵抗の小さい極歯37b,38bと永久磁石ブロック29の間のエアギャップaを通して確実に行われる。
【0050】
さらに、この実施形態においては、切欠き部45の深さを相手極歯リング38,37の極歯38b,37bの厚み分よりも深く設定してあるため、極歯38b,37bの先端部を切欠き部45の近傍まで充分に延ばすことにより、永久磁石ブロック29に対向する極歯37b,38b部分の面積を増大して極歯37b,38bと永久磁石ブロック29の間の磁気抵抗をより小さくすることができる。ここで、極歯37b,38bの面積を大きくするにはヨークブロック30全体の外径を大きくすることも考えられるが、この実施形態のように、連結壁44の切欠き部45を深くすることによって極歯37b,38bの先端を相手極歯リング38,37の切欠き部45の近傍まで延出させるようにした場合には、ヨークブロック30の外径をより小さくし、装置全体のコンパクト化をも図ることができる。
【0051】
尚、本発明の実施形態は以上で説明したものに限るものではなく、例えば、極歯リング間に充填する非磁性材料は、樹脂材料に代えてアルミニウムや、オーステナイト系ステンレス等を用いることも可能であり、また、本発明にかかるステッピングモータの適用も内燃機関のバルブタイミング制御装置以外の装置であっても良い。
【0052】
【発明の効果】
以上のように本発明は、極歯リングの極歯をヨークブロックの軸方向幅よりも薄く、かつ、永久磁石ブロック側にオフセットさせて形成することにより、隣接する極歯リングの極歯相互の対向面積を充分に小さくしてその極歯間での磁束漏れを防止し、さらに、ヨークブロックのほぼ全体が極歯リングの軸方向幅と略同一となるように極歯リングの肉不足部に非磁性材料を充填することにより、ヨークブロック全体の剛性を高めたため、発生トルクの増大と作動の安定化の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す要部の拡大断面図。
【図2】同実施形態を示す縦断面図。
【図3】同実施形態を示す図2のA−A線に沿う断面図。
【図4】同実施形態を示す電磁石ブロックの正面図。
【図5】同実施形態を示すヨークブロックの充填樹脂材料の図示を省略した正面図。
【図6】同実施形態を示すヨークブロックの充填樹脂材料の図示を省略した斜視図。
【図7】同実施形態を示す電磁コイルブロックの縦断面図。
【図8】同実施形態の作動状態を示す図3に対応の断面図。
【図9】同実施形態の別の作動状態を示す図3に対応の断面図。
【図10】永久磁石ブロックの磁極面を仮想線で重ね合わせたヨークブロックの概略正面図。
【図11】同実施形態を示す励磁シーケンス図であり、図中左側に作動ステップ毎の各電磁コイルの励磁電流と磁界の向きを示し、右側に対応する作動ステップでのヨークの磁極と永久磁石ブロックの磁極面を模式的に示した図。
【図12】従来の技術を示す電磁石ブロックの正面図。
【図13】同技術を示すヨークブロックの正面図。
【符号の説明】
4…ステッピングモータ
29…永久磁石ブロック
30…ヨークブロック
32…電磁コイルブロック
33A,33B…電磁コイル
34,35…磁気入出部
37…第1極歯リング(極歯リング)
38…第2極歯リング(極歯リング)
37a,38a…基部
37b,38b…極歯
40…樹脂材料
44…連結壁
45…切欠き部
45a…底面
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を用いるPM型のステッピングモータに関し、特に、内燃機関のバルブタイミング制御装置等の大トルクを要する用途に適したステッピングモータに関する。
【0002】
【従来の技術】
軸方向の薄型化を図ったステッピングモータとして、従来、特開平7−39130号公報に記載されているようなものが開発されている。
【0003】
このステッピングモータは、図12に示すように異なる磁極(N極とS極)が端面に円周方向に沿って交互に現れるように着磁された永久磁石ブロック101と、図13に示すように磁性材料から成る複数の極歯リング102,103,104が略円板状に組み付けられたヨークブロック105と、このヨークブロック105の各極歯リング102,103,104に磁界を作用させるべく複数相の電磁コイルを有する電磁コイルブロック(図示せず)と、を備え、パルスの入力に応じて複数相の電磁コイルの発生磁界を所定パターンで変化させることにより、永久磁石ブロック101をヨークブロック105に対して相対的に回転させるようになっている。ヨークブロック105の各極歯リング102,103,104は永久磁石ブロック101の磁極面に対向する複数の極歯106を有し、極歯リング102,103,104相互は、同心に、かつ、互いの極歯106が円周方向に沿って設定ピッチずれるように配置されると共に、非磁性材料である樹脂材料107によって一体に結合されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来のステッピングモータの場合、発生トルクを大きくするために永久磁石ブロック101の磁力を大きくすると、ヨークブロック105がその磁力によって反り等の変形を来し、それによって作動が不安定になることが考えられる。
【0005】
このため、内燃機関のバルブタイミング制御装置等の大きなトルクを要求される用途に適用しようとする場合には、ヨークブロック105全体の軸方向の厚みを厚くすることにより、ヨークブロック105の反り等の変形を防止しなければならない。
【0006】
ところが、このときヨークブロック105全体の軸方向の厚みを厚くすると、各極歯リング102,103,104の極歯106部分の厚みも厚くなるため、隣接する極歯リング102,103,104の極歯106,106相互の向き合う部分の面積が広がり、極歯106,106間に非磁性材料である樹脂が介装されているにしても隣接する極歯106,106での磁束の漏れが生じ易くなり、効率良く大きなトルクを得られなくなることが懸念される。
【0007】
そこで本発明は、隣接する極歯リングの極歯間での磁束漏れの増大を招くことなく、ヨークブロック全体の剛性を高められるようにして、発生トルクの増大と作動の安定化を図ることのできるステッピングモータを提供しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するための手段として、本発明は、永久磁石の異なる磁極が端面に円周方向に沿って交互に現れるように構成された永久磁石ブロックと、この永久磁石ブロックの磁極面に対向する複数の極歯を有し全体が磁性材料によって形成された極歯リングが複数設けられ、この極歯リング相互が互いの極歯が円周方向に沿って設定ピッチずれるように配置されると共に非磁性材料によって結合された略円板状のヨークブロックと、このヨークブロックの各極歯リングに磁界を作用させるべく複数相の電磁コイルが設けられた電磁コイルブロックと、を備え、パルスの入力に応じて前記複数相の電磁コイルの発生磁界を所定パターンで変化させることによって、前記永久磁石ブロックをヨークブロックに対して相対回動させるステッピングモータにおいて、前記ヨークブロックの各極歯リングの極歯を同リングの軸方向幅よりも薄く、かつ、永久磁石ブロック側にオフセットさせて形成すると共に、極歯リングの肉不足部に非磁性材料を充填するようにした。
【0009】
この発明の場合、各極歯リングの極歯はその極歯リングの軸方向幅よりも薄く形成されているため、隣接する極歯リングの極歯相互の対向面積を小さくすることが可能となり、しかも、ヨークブロック全体は極歯リングの肉不足部に充填される非磁性材料によって全体がほぼ一定厚みとされるため、磁力による反り等の生じにくい高剛性に維持されることとなる。
【0010】
前記ヨークブロックは電磁コイルブロックに対して非接触に、かつ、回転可能に配置し、極歯リングのリング状の基部を、対応する電磁コイルの磁気入出部に対向する位置に配置するようにしても良い。この場合、ヨークブロックと電磁コイルブロックを共に回転させた状態で両者を相対回動させることが可能になるが、このとき電磁コイルの磁気入出部からヨークブロックの対応する極歯リングに対して最も抵抗なく磁束を流すことが可能となる。
【0011】
また、極歯リングはリング状の基部から極歯にかけてをクランク状に屈曲させて形成することが好ましい。この場合、極歯リング全体を薄肉にして容積を小さくしつつ、極歯を永久磁石ブロック側にオフセットさせて配置することができるため、隣接する極歯リング間に樹脂等の軽量の非磁性材料を充填することによってヨークブロック全体の軽量化を図ることができる。
【0012】
前記極歯リングは、板状部材からプレス成形によって形成することが望ましく、こうすることにより極歯リングを容易に、かつ、低コストで製造することが可能となる。
【0013】
また、隣接する極歯リングを、一方の極歯リングの極歯が他方の極歯リングの極歯間に位置されるように組み付ける場合には、少なくとも一方の極歯リングのリング状の基部のうちの極歯との連結壁部分に、極歯側に開口するように切欠き部を設けるようにしても良い。この場合、連結壁のうちの極歯に直接連接しない部位が、切欠き部によって永久磁石ブロックや相手側極歯リングの極歯に対して離間することとなるため、連結壁から永久磁石ブロックや相手側極歯リングの極歯への磁束の漏れは生じにくくなる。
【0014】
このとき、切欠き部は、切欠き部底面と永久磁石ブロックの磁極面の間の磁気抵抗と、切欠き部底面と相手側極歯リングの極歯の間の磁気抵抗が、いずれも極歯リングの極歯と永久磁石ブロックの磁極面の間の磁気抵抗よりも大きくなるように形成することが望ましく、こうすることにより、連結壁部分から永久磁石ブロックや相手側極歯リングの極歯への磁束の漏れをより確実に防止することが可能となる。
【0015】
さらに、前記切欠き部の切欠き深さは、相手側極歯リングの極歯の厚さ分よりも深くすることが望ましく、こうすることによって前記の磁束の漏れをより防止し易くなると共に、相手側極歯リングの極歯の歯先を一方の極歯リングの連結壁(切欠き部)付近まで延ばして極歯面積の増大を図ることにより、ヨークブロックの外径の増大を招くことなく、ヨークブロックと永久磁石ブロックの間に作用する磁力を増大させることが可能になる。
【0016】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態を図1〜図11に基づいて説明する。
【0017】
この実施形態は、内燃機関のバルブタイミング制御装置において、内燃機関のクランクシャフトとカムシャフトの回転位相を駆動操作するのに本発明にかかるステッピングモータを適用したものである。
【0018】
バルブタイミング制御装置は、図2に示すように内燃機関のシリンダヘッド(図示せず)に回転自在に支持されたカムシャフト1と、このカムシャフト1の前端部に必要に応じて相対回動できるように組み付けられ、チェーン(図示せず)を介してクランクシャフト(図示せず)に連繋されるタイミングスプロケット2を外周に有する駆動プレート3と、この駆動プレート3とカムシャフト1の前方側(図2中左側)に配置されて、両者3,1の組付角を回動操作する組付角操作機構5と、この組付角操作機構5のさらに前方側に配置されて、同機構5を駆動操作する操作力付与手段としての本発明にかかるステッピングモータ4と、内燃機関の図外のシリンダヘッドとロッカカバーの前面に跨って取り付けられて組付角操作機構5とステッピングモータ4の前面から周域にかけてを覆うVTCハウジング12と、を備えている。
【0019】
駆動プレート3は、中心部に段差状の支持孔6を備えた円板状に形成され、その支持孔6部分が、カムシャフト1の前端部に一体に結合されたフランジリング7に回転自在に支持されている。そして、駆動プレート3の前面(カムシャフト1と逆側の面)には、図3に示すように、平行な一対のガイド壁8a,8bから成る3つの径方向ガイド8が円周方向等間隔に、かつ同プレート3のほぼ半径方向に沿うように取り付けられており、この各径方向ガイド8のガイド壁8a,8bの間には、略方形状の可動部材17が摺動自在に組み付けられている。
【0020】
また、前記フランジリング7の前面側には、放射状に突出する三つのレバー9を有するレバー軸10が配置され、このレバー軸10がフランジリング7と共にボルト13によってカムシャフト1に結合されている。そして、レバー軸10の各レバー9には、リンク14の一端がピン15によって枢支連結され、各リンク14の他端には、径方向ガイド8に組み付けられた前記各可動部材17がピン11によって枢支連結されている。
【0021】
各可動部材17は、上述のように径方向ガイド8に案内された状態において、リンク14を介してレバー軸10の対応するレバー9に連結されているため、可動部材17が外力を受けて径方向ガイド8に沿って変位すると、駆動プレート3とレバー軸10はリンク14の作用でもって可動部材17の変位に応じた方向及び角度だけ相対回動する。
【0022】
また、各可動部材17の前面側所定位置には保持穴18が設けられ、この保持穴18に、係合部としての球19を保持するためのリテーナ20が摺動自在に収容されると共に、リテーナ20を前方側に付勢するためのコイルばね21が収容されている。リテーナ20は前面中央に半球状の凹部20aが設けられ、この凹部20aに球19が転動自在に収容されている。
【0023】
レバー軸10のレバー9の突設位置よりも前方側には玉軸受22を介して略円盤状の中間回転体23が支持されている。この中間回転体23の後部側の面には断面半円状の渦巻き溝24(渦巻き状ガイド)が形成され、この渦巻き溝24に各可動部材17の球19が転動自在に案内係合されている。渦巻き溝24の渦巻きは、図3及び図8,図9に示すように(同図において、渦巻き溝24は中心線のみ示してある。)駆動プレート3の回転方向Rに沿って次第に縮径するように形成されている。したがって、可動部材17の球19が渦巻き溝24に係合した状態で中間回転体23が駆動プレート3に対して遅れ方向に相対回転すると、可動部材17は渦巻き溝24の渦巻き形状に沿って半径方向内側に移動し、逆に、中間回転体23が進み方向に相対回転すると、半径方向外側に移動する。
【0024】
組付角操作機構5は、以上説明した駆動プレート3の径方向ガイド8、可動部材17、リンク14、レバー9、中間回転体23の渦巻き溝24等によって構成されている。この組付角操作機構5は、操作力付与手段であるステッピングモータ4から中間回転体23にレバー軸10(カムシャフト1)に対する相対的な回動操作力が入力されると、渦巻き溝24を介して可動部材17を径方向に変位させ、さらにリンク14及びレバー9を介してその回動力を設定倍率に増幅し、駆動プレート3とカムシャフト1に相対的な回動力を作用させる。
【0025】
一方、ステッピングモータ4は、図1に示すように、前記中間回転体23の前面側(駆動プレート3と逆側)の外周縁部に接合された略円板状の永久磁石ブロック29と、レバー軸10に一体回転可能に結合された同じく略円板状のヨークブロック30と、VTCハウジング12(図1参照)内に取りつ付けられた電磁コイルブロック32と、を備えて成り、この電磁コイルブロック32の備える複数の電磁コイル33A,33Bは、励磁回路やパルス分配回路等を含む駆動回路(図示せず)に接続され、この駆動回路が図示しないコントローラによって制御されるようになっている。尚、コントローラは、クランク角、カム角、機関回転数、機関負荷等の各種の入力信号を受け、随時機関の運転状態に応じた制御信号を駆動回路に出力する。
【0026】
永久磁石ブロック29は、図4に示すように、軸線方向と直交する端面に複数の磁極(N極,S極)が、円周方向に沿って異磁極が交互に現れるように着磁されている。尚、図4においては、N極の磁極面を36nで示し、S極の磁極面を36sで示している。
【0027】
ヨークブロック30は、図1,図5に示すように夫々が第1,第2極歯リング37,38を有する二組のヨーク対39A,39Bを備え、内周縁部がレバー軸10に対して一体に結合されている。
【0028】
各ヨーク対39A,39Bの第1,第2極歯リング37,38は透磁率の高い金属材料(磁性材料)によって形成され、図5に示すように、リング状の基部37a,38aと、その基部37a,38aから径方向内側または外側に延出する略台形状の複数の極歯37b…,38b…とを備えている。この実施形態の場合、各極歯リング37,38の極歯37b,38bは、円周方向に等間隔に、かつ、歯先が相手極歯リング38,37側に指向するように、つまり、第1極歯リング37の歯先は径方向内側に、第2極歯リング38の歯先は径方向外側に夫々指向するように延出している。そして、第1極歯リング37と第2極歯リング38は、互いの極歯37b,38bが円周方向に交互に、かつ、等ピッチとなるように、絶縁性を有する非磁性材料である樹脂材料40によって結合されている。このように構成された2組のヨーク対39A,39Bは、径方向外側と内側に全体がほぼ円板状を成すように並べられ、すべての極歯リング37,38の極歯37b,38bが円周方向に4分の1ピッチずれるように、相互が樹脂材料40によって結合されている。
【0029】
また、ヨークブロック30は、図1に示すように、その両側面が永久磁石ブロック29と電磁コイルブロック32に軸方向で対向するように配置されているが、各ヨーク対39A,39Bの第1,第2極歯リング37,38は、リング状の基部37a,38aの一部が電磁コイルブロック32側に対向し、台形状の各極歯37b,38bが永久磁石ブロック29に対向するようになっている。
【0030】
具体的には、各極歯リング37,38は、図1及び図6に示すようにリング状の基部37a,38aが、電磁コイルブロック32に対面する偏平壁43と、この偏平壁43の内周縁部、若しくは、外周縁部に軸方向に沿って設けられた連結壁44と、を備え、連結壁44の永久磁石ブロック29側の端部に極歯37b,38bが延設されている。そして、径方向外側のヨーク対39Aの2つの極歯リング37,38と、径方向内側のヨーク対39Bの第1の極歯リング37はいずれも薄肉の板状部材によって形成され、リング状の基部37a,38aから極歯37b,38bにかけてがクランク状に屈曲して形成されている。また、径方向内側のヨーク対39Bの第2の極歯リング38は基部38a全体が肉厚に形成され、その基部38aの永久磁石ブロック29側にオフセットした位置に極歯38bが延設されている。尚、この極歯リング38は、肉厚に形成された基部38aうちの、電磁コイルブロック32に対面する部分が前記偏平壁43とされ、基部38aの外周面が前記連結壁44となっている。したがって、すべての極歯リング37,38の極歯37b,38bは、同リング37,38の軸方向幅Dよりも薄く、かつ、永久磁石ブロック29側にオフセットして形成されている。
【0031】
また、各極歯リング37,38の連結壁44部分には、図6に示すように(同図には極歯リング37側の具体形状のみ図示。)極歯37b,38b側に開口するように切欠き部45が設けられている。この切欠き部45は、連結壁44のうちの極歯37b,38bに直接連接しない部分に、相手極歯リング38,37の極歯38b,37bの厚み分よりも深い深さに形成されると共に、以下の関係式(1),(2)を満たすように形成されている。
【0032】
Rm2>Rm1 …(1)
Rm3>Rm1 …(2)
Rm1;極歯リング37(38)の極歯37b(38b)と永久磁石ブロック29の磁極面36n,36sの間の磁気抵抗
Rm2;切欠き部45の底面45aと永久磁石ブロック29の磁極面36n,36sの間の磁気抵抗
Rm3;切欠き部45の底面45aと相手側極歯リング38(37)の間の磁気抵抗
各極歯リング37,38は、上述のように全体、若しくは、その一部分が軸方向幅Dに対して薄肉に形成され、さらに一部が屈曲されたり、切り欠かれたりすることによって幅Dに対して肉の足りない肉不足部が生じている。そして、この肉不足部には前記樹脂材料40が充填され、それによってヨークブロック30のほぼ全体が極歯リング37,38の軸方向幅Dと略同一の肉厚となっている。
【0033】
一方、電磁コイルブロック32は、径方向内外に並べて配置された2層の電磁コイル33A,33Bと、この電磁コイル33A,33Bの各周域に配置され、電磁コイル33Aで発生した磁束をヨークブロック30寄りの磁気入端部34,35に誘導するためのヨーク41とを備えた構成とされている。尚、各電磁コイル33A,33Bに付設されるヨーク41は透磁率の高い材料、例えば、鉄系の金属材料等によって形成されている。
【0034】
そして、各電磁コイル33A,33Bにおける磁気入出部34,35は、ヨークブロック30の対応する極歯リング37,38の基部37a,38a(偏平壁43)に対し、軸方向のエアギャップaを介して対面している。したがって、電磁コイル33A,33Bが励磁されて所定の向きの磁界が生じると、エアギャップaを介してヨークブロック30の対応する極歯リング37,38に磁気誘導が生じ、その結果、極歯リング37,38の各極歯37b,38bに磁界の向きに応じた磁極が現れる。
【0035】
また、電磁コイル33Aの径方向外側の磁気入出部34はヨーク41の外周面側から径方向内側方向に屈曲させて形成され、電磁コイル33Bの径方向内側の磁気入出部35は逆にヨーク41の内周面から径方向外側方向に屈曲させて形成されている。したがって、これらの磁気入出部34,35は上述のように極歯リング37,38の基部37a,38aに対面しているものの、回転体であるヨークブロック30の外径の大型化を招くことなく、ヨーク41の内側に多くの巻き数のコイルを収容することができる。
【0036】
尚、電磁コイルブロック32は、両ヨーク41,41の磁気入出部34,35を除くほぼ全域が、アルミニウム等の非磁性材料から成る保持ブロック42によって抱持され、その保持ブロック42がVTCハウジング12の内側面に係止ピン46を介して回り止め固定されると共に、レバー軸10の外周面に玉軸受50を介して回転自在に支持されている。
【0037】
また、電磁コイル33A,33Bの発生磁界は、駆動回路のパルスの入力に対して所定パターンで順次切換えられるようになっている。つまり、電磁コイル33A,33Bの発生磁界の切換えパターンは、例えば、図11の励磁シーケンス図に順次示すようになっている。
【0038】
尚、図11中、下向き矢印(↓)は、ヨークブロック30の第1極歯リング37にN極、第2極歯リング38にS極が夫々現れるときの電磁コイル33A,33Bの発生磁界を示し、上向き矢印(↑)は、これと逆の向きの電磁コイル33A,33Bの発生磁界を示す。また、図11は、電磁コイル33A,33Bの巻線形式としてモノファイラ巻きを採用したものであるが、同図中、「励磁」の「正」,「負」は、電磁コイル33A,33Bの発生磁界が(↓)のときと(↑)のときの励磁電流の向きを示す。
【0039】
ここで、図11に示す切換えパターンについて、ステップを追って説明すると、ステップ1では、電磁コイル33A,33Bの励磁電流を「正」,「正」とすることにより、コイル33A,33Bで夫々(↓),(↓)の磁界を発生する。これにより、両ヨーク対39A,39Bの第1,第2極歯リング37,38(の極歯37b,38b)に同様にN極,S極が現れ、破線で示す位置にあった永久磁石ブロック29の磁極面36nが、極歯37b,38bとの吸引反発作用を受け、S極となっている両ヨーク対39A,39Bの極歯38b,38bに跨って対向するように一方向に4分の1ピッチ移動する。
【0040】
同様にステップ2では、電磁コイル33A,33Bの励磁電流を「逆」,「正」として(↑),(↓)の磁界を発生し、ステップ3では励磁電流を「逆」,「逆」、ステップ4では「正」,「逆」とすることにより、(↑),(↑)の磁界と(↓),(↑)の磁界を夫々発生する。この結果、S極となる極歯37b,38bの位置(正確には、4分の1ピッチずれて配置された極歯37b…,38b…のうちの、4分の1ピッチずれて隣り合うもの同士がS極とS極になるものの位置。)が4分の1ピッチずつ一方向に移動し、この極歯37b,38b上のS極の移動に磁極面36nが追従するように永久磁石ブロック29が回転する。
【0041】
したがって、永久磁石ブロック29は、この発生磁界の切換えパターンを繰り返すことにより、ヨークブロック30に対して一方向の回転を続け、この切換えパターンを逆向きに繰り返すことによって逆向きの回転を続けることとなる。また、電磁コイルブロック32での発生磁界の切換えを停止した場合には、永久磁石ブロック29がヨークブロック30に対する回転を停止すると共に、その回転停止位置が、ヨークブロック30の各極歯37b,38bと永久磁石ブロック29の磁極面36n,36sの間に作用し続ける磁気的な吸引反発力によって確実に維持される。
【0042】
このバルブタイミング制御装置は以上のような構成であるため、内燃機関の始動時やアイドル運転時には、図3に示すように、駆動プレート3とレバー軸10の組付角を予め最遅角側に維持しておくことにより、クランクシャフトとカムシャフト1の回転位相(機関弁の開閉タイミング)を最遅角側にし、機関回転の安定化と燃費の向上を図ることができる。
【0043】
そして、この状態から機関の運転が通常運転に移行し、前記回転位相を最進角側に変更すべく指令が図外のコントローラからステッピングモータ4の駆動回路に発されると、同モータ4の電磁コイルブロック32はその指令に従って発生磁界を所定パターンで切換え、永久磁石ブロック29を中間回転体23と共に遅れ側に最大に相対回動させる。これにより、渦巻き溝24に球19によって係合されている可動部材17は、図8に示すように、径方向ガイド8に沿って径方向内側に最大に変位し、リンク14とレバー9を介して駆動プレート3とレバー軸10の組付角を最進角側に変更する。この結果、クランクシャフトとカムシャフト1の回転位相が最進角側に変更され、それによって機関の高出力化が図られることとなる。
【0044】
また、この状態から前記回転位相を最遅角側に変更すべく指令がコントローラからステッピングモータ4に発されると、同モータ4の電磁コイルブロック32が発生磁界を逆パターンで切換えることによって中間回転体23を進み側に最大に相対回動させ、渦巻き溝24に係合する可動部材17を、図3に示すように、径方向ガイド8に沿って径方向外側に最大に変位させる。これにより、可動部材17はリンク14とレバー9を介して駆動プレート3とレバー軸10を相対回動させ、クランクシャフトとカムシャフト1の回転位相を最遅角側に変更する。
【0045】
さらにまた、クランクシャフトとカムシャフト1の回転位相の変更は上記の最進角側位置と最遅角側位置に限らず、コントローラによる制御によって任意の位置に変更することができ、例えば、図9に示すように、最遅角位置と最進角位置の中間位置に変更することも可能である。
【0046】
ところで、このバルブタイミング制御装置に採用したステッピングモータ4は、ヨークブロック30の各極歯リング37,38の極歯37b,38bを軸方向幅Dよりも薄く形成すると共に、その極歯37b,38bを永久磁石ブロック29側にオフセットさせてあるため、隣設する極歯リング37,38の極歯37b,38bの互いに対向する部分の面積が充分に小さくなる。このため、極歯37b,38bの対向部分からの磁束の漏れは生じにくくなっている。さらに、ヨークブロック30は、極歯リング37,38の肉不足部(同リング37,38の軸方向幅Dに対して肉の不足している部分)に樹脂材料40を充填することによって補強されているため、ブロック30全体の剛性低下は生じない。したがって、永久磁石ブロック29との間に作用する磁力によって同ブロック29に反り等の変形が生じることがなく、ステッピングモータ4の作動は常時安定したものとなる。
【0047】
また、このステッピングモータ4は、ヨークブロック30における各極歯リング37,38の基部37a,38aを、連結壁44に対して略直角に屈曲し充分な面積が確保された偏平壁43でもって電磁コイル33A,33Bの磁気入出部34,35に対向させているため、電磁コイル33A,33Bと極歯リング37,38の間のエアギャップaにおいて最も抵抗なく磁束を流すことができる。
【0048】
さらに、このステッピングモータ4の場合、最も内側の極歯リング38以外の極歯リング37,38は、薄肉の板状部材をプレス成形することによってリング状の基部37a,38aから極歯37b,38bにかけてをクランク状に屈曲させて形成しているため、極歯リング37,38全体を薄肉にして、その分軽量の樹脂材料40を多く充填することによってヨークブロック30全体の軽量化を図ることができる。また、このように極歯リング37,38をプレス成形によって形成するようにした場合には、製造が容易になり、製造コストの削減も可能となる。尚、最も内側の極歯リング38のようにリング状の基部38全体を軸方向幅Dと同肉厚に形成した場合にも、極歯38b部分の肉厚を薄くすることによって隣接する極歯37b,38bの対向部分での磁束の漏れを防止することができる。
【0049】
また、この実施形態におけるステッピングモータ4は、各極歯リング37,38の連結壁44のうちの、極歯37b,38bに直接連接しない部分に、永久磁石ブロック29側(極歯37a,38a側)に開口するように切欠き部45を設けてあるため、連結壁44部分から永久磁石ブロック29や相手極歯リング38,37の極歯38b,37b部分への磁束の漏れを確実に防止することができる。即ち、切欠き部45は、切欠き部45の底面45aと永久磁石ブロック29の磁極面36n,36sの間の磁気抵抗と、同底面45aと相手側極歯リング38,37の極歯38b,37bの間の磁気抵抗が、極歯リング37,38の極歯37b,38bと永久磁石ブロック29の磁極面36n,36sの間の磁気抵抗よりも大きくなるように形成してあることから、極歯リング37,38での磁束の入出は磁気抵抗の小さい極歯37b,38bと永久磁石ブロック29の間のエアギャップaを通して確実に行われる。
【0050】
さらに、この実施形態においては、切欠き部45の深さを相手極歯リング38,37の極歯38b,37bの厚み分よりも深く設定してあるため、極歯38b,37bの先端部を切欠き部45の近傍まで充分に延ばすことにより、永久磁石ブロック29に対向する極歯37b,38b部分の面積を増大して極歯37b,38bと永久磁石ブロック29の間の磁気抵抗をより小さくすることができる。ここで、極歯37b,38bの面積を大きくするにはヨークブロック30全体の外径を大きくすることも考えられるが、この実施形態のように、連結壁44の切欠き部45を深くすることによって極歯37b,38bの先端を相手極歯リング38,37の切欠き部45の近傍まで延出させるようにした場合には、ヨークブロック30の外径をより小さくし、装置全体のコンパクト化をも図ることができる。
【0051】
尚、本発明の実施形態は以上で説明したものに限るものではなく、例えば、極歯リング間に充填する非磁性材料は、樹脂材料に代えてアルミニウムや、オーステナイト系ステンレス等を用いることも可能であり、また、本発明にかかるステッピングモータの適用も内燃機関のバルブタイミング制御装置以外の装置であっても良い。
【0052】
【発明の効果】
以上のように本発明は、極歯リングの極歯をヨークブロックの軸方向幅よりも薄く、かつ、永久磁石ブロック側にオフセットさせて形成することにより、隣接する極歯リングの極歯相互の対向面積を充分に小さくしてその極歯間での磁束漏れを防止し、さらに、ヨークブロックのほぼ全体が極歯リングの軸方向幅と略同一となるように極歯リングの肉不足部に非磁性材料を充填することにより、ヨークブロック全体の剛性を高めたため、発生トルクの増大と作動の安定化の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す要部の拡大断面図。
【図2】同実施形態を示す縦断面図。
【図3】同実施形態を示す図2のA−A線に沿う断面図。
【図4】同実施形態を示す電磁石ブロックの正面図。
【図5】同実施形態を示すヨークブロックの充填樹脂材料の図示を省略した正面図。
【図6】同実施形態を示すヨークブロックの充填樹脂材料の図示を省略した斜視図。
【図7】同実施形態を示す電磁コイルブロックの縦断面図。
【図8】同実施形態の作動状態を示す図3に対応の断面図。
【図9】同実施形態の別の作動状態を示す図3に対応の断面図。
【図10】永久磁石ブロックの磁極面を仮想線で重ね合わせたヨークブロックの概略正面図。
【図11】同実施形態を示す励磁シーケンス図であり、図中左側に作動ステップ毎の各電磁コイルの励磁電流と磁界の向きを示し、右側に対応する作動ステップでのヨークの磁極と永久磁石ブロックの磁極面を模式的に示した図。
【図12】従来の技術を示す電磁石ブロックの正面図。
【図13】同技術を示すヨークブロックの正面図。
【符号の説明】
4…ステッピングモータ
29…永久磁石ブロック
30…ヨークブロック
32…電磁コイルブロック
33A,33B…電磁コイル
34,35…磁気入出部
37…第1極歯リング(極歯リング)
38…第2極歯リング(極歯リング)
37a,38a…基部
37b,38b…極歯
40…樹脂材料
44…連結壁
45…切欠き部
45a…底面
Claims (7)
- 永久磁石の異なる磁極が端面に円周方向に沿って交互に現れるように構成された永久磁石ブロックと、
この永久磁石ブロックの磁極面に対向する複数の極歯を有し全体が磁性材料によって形成された極歯リングが複数設けられ、この極歯リング相互が互いの極歯が円周方向に沿って設定ピッチずれるように配置されると共に非磁性材料によって結合された略円板状のヨークブロックと、
このヨークブロックの各極歯リングに磁界を作用させるべく複数相の電磁コイルが設けられた電磁コイルブロックと、を備え、
パルスの入力に応じて前記複数相の電磁コイルの発生磁界を所定パターンで変化させることによって、前記永久磁石ブロックをヨークブロックに対して相対回動させるステッピングモータにおいて、
前記ヨークブロックの各極歯リングの極歯を同リングの軸方向幅よりも薄く、かつ、永久磁石ブロック側にオフセットさせて形成すると共に、極歯リングの肉不足部に非磁性材料を充填したことを特徴とするステッピングモータ。 - ヨークブロックを電磁コイルブロックに対して非接触に、かつ、回転可能に配置すると共に、極歯リングのリング状の基部を、対応する電磁コイルの磁気入出部に対向する位置に配置した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。
- 極歯リングのリング状の基部から極歯にかけてをクランク状に屈曲させたことを特徴とする請求項1または2に記載のステッピングモータ。
- 極歯リングを、板状部材からプレス成形によって形成したことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のステッピングモータ。
- 隣接する極歯リングを、一方の極歯リングの極歯が他方の極歯リングの極歯間に位置されるように組み付け、少なくとも一方の極歯リングのリング状の基部のうちの極歯との連結壁部分に、極歯側に開口するように切欠き部を設けたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のステッピングモータ。
- 切欠き部を、切欠き部底面と永久磁石ブロックの磁極面の間の磁気抵抗と、切欠き部底面と相手側極歯リングの極歯の間の磁気抵抗が、いずれも極歯リングの極歯と永久磁石ブロックの磁極面の間の磁気抵抗よりも大きくなるように形成したことを特徴とする請求項5に記載のステッピングモータ。
- 切欠き部の切欠き深さを、相手側極歯リングの極歯の厚さ分よりも深くしたことを特徴とする請求項6に記載のステッピングモータ。
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