JP4095334B2 - 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２相ステッピングモータに関するものであり、特に、コギングトルクを小さくして回転出力を高めるためのステッピングモータの構成についてである。
【０００２】
【従来の技術】
回転軸を中心とする直径を小さくし、かつ、出力を高めたステッピングモータが特開平９−３３１６６６号公報で開示されている。
【０００３】
図１８に特開平９−３３１６６６号公報に記載されたモータの分解斜視図、図１９にモータの側面の断面図を示す。
【０００４】
２０１は円周方向に４分割して異なる極に交互に着磁された永久磁石からなるロータ、２０２はロータの軸方向に隣り合って配置された第１のコイル、２０３はロータの軸方向に隣り合って配置された第２のコイル、２０４は第１のコイルにより励磁され軟磁性材料からなる第１のステータ、２０５は第２のコイルにより励磁され軟磁性材料からなる第２のステータである。第１のステータ２０４はロータ２０１の外周面に隙間をあけて対向する第１の外側磁極２０４Ａ、ロータ２０１の内周面に隙間をあけて対向する第１の内側磁極２０４Ｂを備え、第２のステータ２０５はロータ２０１の外周面に隙間をあけて対向する第２の外側磁極２０５Ａ、ロータ２０１の内周面に隙間をあけて対向する第２の内側磁極２０５Ｂを備えている。２０６は出力軸で前記ロータ２０１が固着され、前記第１のステータ２０４の軸受け部２０４Ｃと前記第２のステータ２０５の軸受け部２０５Ｃに回転可能に保持されている。２０７は連結リングで非磁性材料からなり前記第１のステータ２０４と前記第２のステータ２０５とを所定の間隔で保持するものである。
【０００５】
第１のコイル２０２、第２のコイル２０３への通電方向を切り換えて第１の外側磁極２０４Ａ、第１の内側磁極２０４Ｂ、第２の外側磁極２０５Ａ、第２の内側磁極２０５Ｂの極性を切り換えてロータを回転させていくものである。
【０００６】
このモータは、コイルに通電することで発生した磁束が外側磁極から対向する内側磁極へ、あるいは、内側磁極から対向する外側磁極へと流れ、外側磁極と内側磁極の間に位置するマグネットに効率的に作用する。また、外側磁極と内側磁極との距離を円筒形状のマグネットの厚さ程度とすることができるため、外側磁極と内側磁極とで構成される磁気回路の抵抗を小さくすることができる。磁気回路の抵抗が小さいほど、少ない電流で多くの磁束を発生させることができ、出力が向上する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１９のＡ−Ａ線での断面図を図２０（ａ）に、Ｂ−Ｂ線での断面図を図２０（ｂ）にそれぞれ示す。図２０（ａ）、（ｂ）に示したモータは、第１のコイル２０２、第２のコイル２０３のどちらにも通電を行っていない状態である。
【０００８】
図２０（ａ）、（ｂ）に示した状態からマグネットを動かすと、マグネットとそれぞれの磁極との間に作用する吸引力が変化してコギングが生じる。このコギングによる影響が大きいと、各コイルに通電を行ってぞれぞれの磁極を励磁してもモータが起動できなかったり、あるいは、滑らかな回転を行えなかったりという問題が生じてしまう。
【０００９】
つまり、図１８に示すモータのように互いに対向する外側磁極と内側磁極との距離を短くして磁気回路の抵抗を小さくしても、モータの出力を向上させるためにはコギングによる影響を小さく抑える必要がある。
【００１０】
本願はこの点に鑑みて、マグネットの外週に対向する外側磁極とマグネットの内側に対向する内側磁極とからなるステータを有するステッピングモータについて、コギングを低下させて更なる出力向上を図ることを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明のステッピングモータは、少なくとも外周面が周方向に分割して異なる極に交互に着磁された円筒形状のマグネットと、該マグネットの軸方向であって該マグネットの両側に配置された第１のコイル及び第２のコイルと、該第１のコイルによって励磁され該マグネットの外周面と対向する第１の外側磁極と、該第１のコイルによって励磁され該マグネットの内周面と対向する第１の内側磁極と、該第２のコイルによって励磁され該第１の外側磁極とは異なる部位で該マグネットの外周面と対向する第２の外側磁極と、該第２のコイルによって励磁され該第１の内側磁極とは異なる部位で該マグネットの内周面と対向する第２の内側磁極とを有し、該第１の外側磁極、及び該第２の外側磁極、及び該第１の内側磁極、及び該第２の内側磁極とが切欠きによって周方向に複数に分割される歯形状に形成され、該第１の外側磁極及び該第１の内側磁極からなる第１のステータと、該第２の外側磁極及び該第２の内側磁極からなる第２のステータとはお互いの磁極の位相が４５°ずれて配置され、該第１の外側磁極における磁極は１８０°ずれて形成され、該第１の内側磁極における磁極は該第１の外側磁極における磁極と対向するように形成され、該第２の外側磁極における磁極は１８０°ずれて形成され、該第２の内側磁極における磁極は該第２の外側磁極における磁極と対向するように形成されたステッピングモータにおいて、該マグネットの周方向の極数をｎ、該マグネットの外形寸法をＤ１、該マグネットの内径寸法をＤ２、該マグネットの中心と１つの外側磁極とから成る扇型の中心角をＡとすると、該中心角が
（２２６．８／ｎ）−５４×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）≦Ａ≦（２５９．２／ｎ）−５４×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）
を満たすことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図１乃至図１７を用いて詳しく説明する。
【００１３】
図１はステッピングモータの分解斜視図である。図２は図１のステッピングモータの組立て後の軸方向の断面図である。
【００１４】
このステッピングモータは図１８に示したステッピングモータと大部分において共通の構成を有しているものであるが、各構成要素について再度詳細に説明する。
【００１５】
１１はロータを構成する円筒形状のマグネットであり、このロータであるマグネット１１は、その外周表面を円周方向に等間隔にｎ分割（ｎは偶数であって本実施の形態では４）してＳ極、Ｎ極が交互に着磁された着磁部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを有している。着磁部１１Ａと１１ＣがＳ極、１１Ｂと１１ＤがＮ極である。このマグネット１１は射出成形で形成したプラスチックマグネットで構成されており、簡単な形状であるために小さく、薄く構成することが容易である。また、圧入によって組立てを行っても割れは発生しない。
【００１６】
１７は出力軸となるロータ軸であり、このロータ軸１７はマグネット１１の内径の中心部に固定されている。
【００１７】
１２及び１３は円筒形状のコイルであり、その中心部はマグネット１１の中心部と一致しており、軸方向に並んでマグネット１１を挟む位置に配置されている。このコイル１２，１３の外径はマグネット１１の外径とほぼ等しい。
【００１８】
１８は第１のステータ、１９は第２のステータであってともに軟磁性材料で構成されている。第１のステータと第２のステータとは、同一形状であって互いの櫛歯形状の磁極の先端が対向するように向かい合って配置される。また、第１のステータと第２のステータとは互いの櫛歯形状の磁極の位相が１８０／ｎ度、すなわち４５°ずれて配置されている。第１のステータ、第２のステータはそれぞれ外筒部と内筒部を一端で連結した構成となっている。第１のステータ１８は第１のコイル１２によって励磁され、第２のステータ１９は第２のコイル１３によって励磁される。第１のステータ１８、第２のステータ１９には、それぞれの外筒部及び内筒部の先端を切り欠くことで、周方向に複数に分割され、それぞれが軸方向に延出した櫛歯形状の磁極が形成されている。第１のステータ１８の外筒部はその先端部に外側磁極１８Ａ、１８Ｂを形成し、内筒部はその先端部に内側磁極１８Ｃ、１８Ｄを形成している。外側磁極１８Ａ、１８Ｂは３６０／（ｎ／２）度、すなわち１８０度ずれて形成され、内部磁極１８Ｃは外部磁極１８Ａと、内部磁極１８Ｄは外部磁極１８Ｄと対向するように形成される。第２のステータ１９も同様な外側磁極１９Ａ、１９Ｂ、内側磁極１９Ｃ、１９Ｄを形成している。
【００１９】
第１のステータ１８の外筒部と内筒部の間であって、これら筒部の連結部近傍に第１のコイル１２を配置し、外側磁極１８Ａ、１８Ｂと内側磁極１８Ｃ、１８Ｄとの間にマグネット１１の一端側を挟む。第２のステータ１９の外筒部と内筒部の間であって、これら筒部の連結部近傍に第２のコイル１３を配置し、外側磁極１９Ａ、１９Ｂと内側磁極１９Ｃ、１９Ｄとの間にマグネット１１の他端側を挟む。つまり、外側磁極１８Ａ、１８Ｂ、１９Ａ、１９Ｂがマグネット１１の外周表面と対向し、内側磁極１８Ｃ、１８Ｄ、１９Ｃ、１９Ｄがマグネット１１の内周表面と対向している。
【００２０】
２０は円筒形状の連結リングであり、この連結リング２０の内側の一端側には溝２０Ａ、２０Ｂが形成され、他端側には溝２０Ｃ、２０Ｄが形成されており、この溝２０Ｃ、２０Ｄは溝２０Ａ、２０Ｂに対して位相が１８０／ｎ度、すなわち４５度位相がずれている。溝２０Ａ、２０Ｂと溝２０Ｃ、２０Ｄとは軸方向にも所定距離をあけて形成されており、溝２０Ａ、２０Ｂに外側磁極１８Ａ、１８Ｂを嵌合し、溝２０Ｃ、２０Ｄに外側磁極１９Ａ、１９Ｂを嵌合し、接着剤で固定する。この連結リング２０に第１のステータ１８と第２のステータ１９を固定することで、第１のステータ１８と第２のステータ１９を所望の位置、位相で配置することができる。また、連結リング２０は非磁性材料で構成されており、第１のステータ１８と第２のステータ１９との間の磁気回路を分断でき、お互いの磁極の影響が出にくい構成となっている。
【００２１】
図３は図２のＡ−Ａ線とＢ−Ｂ線での断面図であり、これを用いてモータの回転駆動方法を説明する。
【００２２】
図３（ａ）と（ｅ）とが同時点の断面図であり、図３（ｂ）と（ｆ）とが同時点の断面図であり、図３（ｃ）と（ｇ）とが同時点の断面図であり、図３（ｄ）と（ｈ）とが同時点の断面図である。
【００２３】
図３（ａ）と（ｅ）の状態からコイル１２および１３に通電して、第１のステータ１８の外側磁極１８Ａ，１８ＢをＮ極、内側磁極１８Ｃ，１８ＤをＳ極に励磁し、第２のステータ１９の外側磁極１９Ａ，１９ＢをＳ極、内側磁極１９Ｃ，１９ＤをＮ極に励磁すると、ロータであるマグネット１１は反時計方向に４５度回転し、図３（ｂ）と（ｆ）に示す状態になる。
【００２４】
次にコイル１２への通電を反転させ、第１のステータ１８の外側磁極１８Ａ，１８ＢをＳ極、内側磁極１８Ｃ，１８ＤをＮ極に励磁し、第２のステータ１９の外側磁極１９Ａ，１９ＢをＳ極、内側磁極１９Ｃ，１９ＤをＮ極に励磁すると、ロータであるマグネット１１は更に反時計方向に４５度回転し、図３（ｃ）と（ｇ）に示す状態になる。
【００２５】
次にコイル１３への通電を反転させ、第１のステータ１８の外側磁極１８Ａ，１８ＢをＳ極、内側磁極１８Ｃ，１８ＤをＮ極に励磁し、第２のステータ１９の外側磁極１９Ａ，１９ＢをＮ極、内側磁極１９Ｃ，１９ＤをＳ極に励磁すると、ロータであるマグネット１１は更に反時計方向に４５度回転し、図３（ｄ）と（ｈ）に示す状態になる。
【００２６】
以後このようにコイル１２およびコイル１３への通電方向を順次切り換えていくことによってロータであるマグネット１１は通電位相に応じた位置へと順に回転する。
【００２７】
なお、マグネットの外周面だけではなくマグネットの内周面も円周方向に分割して着磁すれば、モータの出力を更に高めることができる。
【００２８】
また、マグネットの外周面を周方向に分割してなる着磁層を軸方向に２つ設け、第１の第１のステータ１１８と対向する一方の着磁層と、第２のステータ１９と対向する他方の着磁層の位相を互いに１８０／ｎ度ずらし、第１のステータ１８と第２のステータ１９の位相を同じものとしてもよい。
【００２９】
また、内側磁極１８Ｃ、１８Ｄ、１９Ｃ、１９Ｄは切り欠きを形成せずに単なる円筒形状であっても構わない。
【００３０】
コイル１２及び１３に通電が行われていないときは、第１のステータ１８、第２のステータ１９とマグネット１１との間に作用する吸引力が安定する位置に、マグネット１１が保持される。この吸引力とロータの回転位置との関係を図４に示す。図４は第１のステータ１８とマグネットの関係を示したものであるが、第２のステータ１９とマグネット１９との関係も同様である。実際には、第１のステータ１８と第２のステータ１９とは１８０／ｎ度位相がずれており、これらを合成した磁力がマグネット１１に作用する。
【００３１】
図４の横軸は第１のステータ１８に対するマグネット１１の位置、つまり回転位相を示しており、縦軸は第１のステータ１８とマグネット１１との間に作用する磁力を示す。
【００３２】
Ｅ１点、Ｅ２点で示される位置は正回転しようとするとマイナスの力が働いて元の位置に戻ろうとし、逆回転しようとするとプラスの力が働いて元の位置に戻ろうとする位置である。つまり、マグネット１１と第１のステータ１８との間に作用する磁力によって、マグネット１１がＥ１点あるいはＥ２点に安定して位置決めされるコギング位置である。
【００３３】
Ｆ１点、Ｆ２点、Ｆ３点で示される位置はマグネット１１の回転位相が少しでもずれると前後のＥ１点あるいはＥ２点の位置に回転しようとする力が作用する不安定な均衡状態にある位置である。
【００３４】
コイル１２に通電が行われていないときは、マグネット１１はＦ１点、Ｆ２点、Ｆ３点に停止していることはなく、点Ｅ１点あるいは点Ｅ２点の位置で停止する。Ｅ１点、Ｅ２点のようなコギングに対してマグネットが安定する点は、マグネットの着磁数をｎとすると、３６０／ｎ度の周期で存在し、その中間位置がＦ１点、Ｆ２点、Ｆ３点のようなマグネットが不安定な点となる。
【００３５】
有限要素法による数値シミュレーションの結果、該マグネットの中心とマグネットの１つの着磁部とから成る扇形の中心角（以下、マグネットの着磁部の中心角という）と、該マグネットの中心と１つの外側磁極とから成る扇型の中心角（図３においてＡで示すものであって、以下、外側磁極の中心角という）との関係に応じて、コイルへの通電がない状態でのステータとマグネットとの吸引状態が変化することが明らかになった。
【００３６】
外側磁極の中心角が所定値よりも小さい場合には、マグネットの着磁部、つまり、極の中心が外側磁極の中心に対向する位置でマグネットが安定的に保持される。これは図４のＥ１点、Ｅ２点が、マグネットの極の中心が外側磁極の中心部と対向する位置であると言える。
【００３７】
逆に、外側磁極の中心角が所定値よりも大きい場合には、マグネットの着磁部の境界部、つまり、極と極との境界部が外側磁極の中心に対向する位置でマグネットが安定的に保持される。これは図４のＥ１点、Ｅ２点が、マグネットの極と極の境界部が外側磁極の中心部と対向する位置であると言える。
【００３８】
更にシミュレーションを行った結果、マグネットの着磁部の中心角及び外側磁極の中心角に対して、マグネットの厚みとマグネットの着磁部の外周長との関係を変化させることで、コギングを低減できることがわかった。
【００３９】
図５乃至図１３に、シミュレーション結果を示す。これらの図において、横軸はマグネットの回転角度、縦軸はコギングトルクである。それぞれのステッピングモータについて外側磁極の中心角をマグネットの着磁部の中心角に対して略０．５倍、略０．６倍、略０．７倍、略０．８倍としたときのシミュレーション結果である。
【００４０】
図５は、着磁極数が１０、外側磁極の外径寸法が６．００ｍｍ、マグネットの外径寸法が４．８０ｍｍ、マグネットの内径寸法が３．８０ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を１８度、２２度、２５度、２９度としたときのシミュレーション結果である。
【００４１】
図６は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１０．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１０．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が９．００ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４２】
図７は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１１．５０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１０．６０ｍｍ、マグネットの内径寸法が９．６０ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４３】
図８は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１１．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１１．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が１０．００ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４４】
図９は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１２．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１２．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が１１．００ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４５】
図１０は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１１．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１１．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が１０．４０ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４６】
図１１は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１１．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１１．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が９．８０ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４７】
図１２は、着磁極数が１２、外側磁極の外径寸法が１１．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１１．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が１０．００ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を１５度、１８度、２１度、２４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４８】
図１３は、着磁極数が２４、外側磁極の外径寸法が１１．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１１．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が１０．００ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を８度、９度、１１度、１２度としたときのシミュレーション結果である。
【００４９】
図５乃至図１３のシミュレーション結果より、各ステッピングモータについてコギングトルクがおおよそ最小となるときの、マグネットの厚み、マグネットの１極の着磁部の外周長、外側磁極の中心角、および、マグネットの着磁部の中心角の関係をプロットしたものを図１４に示す。図１４の横軸は（マグネットの厚み）／（マグネットの着磁部の外周長）であり、縦軸は（外側磁極の中心角）／（マグネットの着磁部の中心角）である。
【００５０】
例えば、図５に示すステッピングモータは、着磁極数が１０、外側磁極の外径寸法が６．００ｍｍ、マグネットの外径寸法が４．８０ｍｍ、マグネットの内径寸法が３．８０ｍｍなので、マグネットの厚みは（４．８０−３．８０）／２ｍｍ、着磁部１極の外周長は４．８０×π／１０ｍｍであるから、横軸の値は０．３３２となる。また、コギングトルクがおおよそ最小となるときの外側磁極の中心角は図５より２１．０度程度であることが読み取れ、このときのマグネットの着磁部の中心角は３６０／１０度であるから、縦軸の値は０．５８となる。
【００５１】
また、図６に示すステッピングモータは、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１０．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１０．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が９．００ｍｍなので、マグネットの厚みは（１０．００−９．００）／２ｍｍ、着磁部１極の外周長は１０．００×π／２０ｍｍであるから、横軸の値は０．３１８となる。また、コギングトルクがおおよそ最小となるときの外側磁極の中心角は図６より１０．７度程度であることが読み取れ、マグネットの着磁部の中心角は３６０ ／ ２０であるから、縦軸の値は０．５９となる。
【００５２】
図１４において、各ステッピングモータについてコギングトルクがおおよそ最小となる点は、横軸をＸ、縦軸をＹとするとＹ＝−０．３Ｘ＋０．６３の式で近似した直線１と、Ｙ＝−０．３Ｘ＋０．７２の式で近似した直線２とで挟まれる領域に存在する。
【００５３】
直線１より下の範囲、即ちＹ＜−０．３Ｘ＋０．６３の領域ではマグネットの極の中心が外側磁極の中心と対向する位置でマグネットが安定的に保持され、直線２より上の領域、即ちＹ＞−０．３Ｘ＋０．７２の領域ではマグネットの極と極との境界部が外側磁極の中心と対向する位置でマグネットが安定的に保持される。
【００５４】
直線１と直線２に挟まれた領域は、−０．３Ｘ＋０．６３≦Ｙ≦−０．３Ｘ＋０．７２となるが、これを外側磁極の中心角をＡ度、着磁極数をｎ、マグネットの外径寸法をＤ１、マグネットの内径寸法をＤ２とすると、
（２２６．８／）−５４×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）≦Ａ≦（２５９．２／ｎ）−５４×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）
と表すことができる。例えば図５に示すステッピングモータであれば、外側磁極の中心角Ａが、１９．１０度≦Ａ≦２２．３４度の条件を満たせば、コギングトルクを最も小さく抑えることができる。
【００５５】
外側磁極の形状が一定ではなく、例えば徐々に中心角が変化するテーパー形状である場合などは、外側磁極のマグネットと対向する部分の平均的な中心角が上記条件を満たしていればよい。即ち外側磁極のマグネットと対向する部位のうち、根元付近の中心角が２４度であり先端付近の中心角が２０度であった場合は、平均した中心角が２２度になるので、コギングトルクを小さく抑えることができる。
【００５６】
図１５乃至図１７に、上記の外側磁極の中心角Ａのみを異ならせたステッピングモータのコギングトルクと、コイル端子間に３Ｖの電圧を印加したときの発生トルクとを比較したものを示す。これらの図では、横軸はマグネットの回転角度であり縦軸はトルクを示す。
【００５７】
これら図１５乃至図１７で使用したステッピングモータは、着磁極数が１６、マグネットの外径が１０．６ｍｍ、マグネットの内径が９．８ｍｍ、外側磁極の外径が１１．６ｍｍ、外側磁極の内径が１１．１ｍｍ、内側磁極の外径が９．３ｍｍ、内側磁極の内径が８．８ｍｍ、コイルの抵抗値は１０Ωであり、巻数は１１２ターンである。
【００５８】
上記条件式によれば、このステッピングモータの外側磁極の中心角Ａを１２．８８≦Ａ≦１４．９０と設定すればコギングトルクを小さく抑えることができるはずである。
【００５９】
図１５は外側磁極の中心角を１０．３５度、図１６は外側磁極の中心角を１３．４５度、図１７は外側磁極の中心角を１５．５２度に設定したステッピングモータのコギングトルクを示している。外側磁極の中心角を変更すると、３Ｖ印加時の発生トルクに大差はないが、コギングトルクに大きな差が生じることがわかる。最もコギングトルクが安定しているのは図１６であり、このステッピングモータの外側磁極の中心角は上記条件を満たしている。
【００６０】
この上記条件を満たすステッピングモータは、例えばカメラ等の光学機器のレンズ駆動の駆動源として非常に有効である。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、マグネット一端側の外周面と対向する外側磁極、内周面と対向する内側磁極からなる第１のステータと、マグネットの他端側の外周面と対向する外側磁極、内周面と対向する内側磁極からなる第２のステータとを有するステッピングモータにおいて、マグネットの中心を基準とした外側磁極の中心角を所定条件内の値に設定することで、ステッピングモータのコギングトルクをおおよそ最小に抑えることが可能となり、出力をアップさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるステッピングモータの分解斜視図
【図２】図１のステッピングモータの組立て後の軸方向の断面図
【図３】図２のステッピングモータの径方向の断面図
【図４】ステータとマグネットの間に作用する吸引力と、ロータの回転位置との関係を示す図
【図５】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図６】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図７】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図８】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図９】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図１０】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図１１】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図１２】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図１３】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図１４】図５乃至図１３に示すシミュレーション結果より、コギングトルクがおおよそ最小となる条件をプロットした図
【図１５】外側磁極の中心角が所定条件を満たさないときのコギングトルクを示す図
【図１６】外側磁極の中心角が所定条件を満たすときのコギングトルクを示す図
【図１７】外側磁極の中心角が所定条件を満たさないときのコギングトルクを示す図
【図１８】従来のステッピングモータの分解斜視図
【図１９】図１８のステッピングモータの組立て後の軸方向の断面図
【図２０】コイルに通電を行っていないときの図１９のモータの径方向の断面図
【符号の説明】
１１，２０１ マグネット
１２，２０２ 第１のコイル
１３，２０３ 第２のコイル
１７，２０６ 出力軸
１８，２０４ 第１のステータ
１９，２０５ 第２のステータ
２０，２０７ 連結リング
【発明の属する技術分野】
本発明は２相ステッピングモータに関するものであり、特に、コギングトルクを小さくして回転出力を高めるためのステッピングモータの構成についてである。
【０００２】
【従来の技術】
回転軸を中心とする直径を小さくし、かつ、出力を高めたステッピングモータが特開平９−３３１６６６号公報で開示されている。
【０００３】
図１８に特開平９−３３１６６６号公報に記載されたモータの分解斜視図、図１９にモータの側面の断面図を示す。
【０００４】
２０１は円周方向に４分割して異なる極に交互に着磁された永久磁石からなるロータ、２０２はロータの軸方向に隣り合って配置された第１のコイル、２０３はロータの軸方向に隣り合って配置された第２のコイル、２０４は第１のコイルにより励磁され軟磁性材料からなる第１のステータ、２０５は第２のコイルにより励磁され軟磁性材料からなる第２のステータである。第１のステータ２０４はロータ２０１の外周面に隙間をあけて対向する第１の外側磁極２０４Ａ、ロータ２０１の内周面に隙間をあけて対向する第１の内側磁極２０４Ｂを備え、第２のステータ２０５はロータ２０１の外周面に隙間をあけて対向する第２の外側磁極２０５Ａ、ロータ２０１の内周面に隙間をあけて対向する第２の内側磁極２０５Ｂを備えている。２０６は出力軸で前記ロータ２０１が固着され、前記第１のステータ２０４の軸受け部２０４Ｃと前記第２のステータ２０５の軸受け部２０５Ｃに回転可能に保持されている。２０７は連結リングで非磁性材料からなり前記第１のステータ２０４と前記第２のステータ２０５とを所定の間隔で保持するものである。
【０００５】
第１のコイル２０２、第２のコイル２０３への通電方向を切り換えて第１の外側磁極２０４Ａ、第１の内側磁極２０４Ｂ、第２の外側磁極２０５Ａ、第２の内側磁極２０５Ｂの極性を切り換えてロータを回転させていくものである。
【０００６】
このモータは、コイルに通電することで発生した磁束が外側磁極から対向する内側磁極へ、あるいは、内側磁極から対向する外側磁極へと流れ、外側磁極と内側磁極の間に位置するマグネットに効率的に作用する。また、外側磁極と内側磁極との距離を円筒形状のマグネットの厚さ程度とすることができるため、外側磁極と内側磁極とで構成される磁気回路の抵抗を小さくすることができる。磁気回路の抵抗が小さいほど、少ない電流で多くの磁束を発生させることができ、出力が向上する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１９のＡ−Ａ線での断面図を図２０（ａ）に、Ｂ−Ｂ線での断面図を図２０（ｂ）にそれぞれ示す。図２０（ａ）、（ｂ）に示したモータは、第１のコイル２０２、第２のコイル２０３のどちらにも通電を行っていない状態である。
【０００８】
図２０（ａ）、（ｂ）に示した状態からマグネットを動かすと、マグネットとそれぞれの磁極との間に作用する吸引力が変化してコギングが生じる。このコギングによる影響が大きいと、各コイルに通電を行ってぞれぞれの磁極を励磁してもモータが起動できなかったり、あるいは、滑らかな回転を行えなかったりという問題が生じてしまう。
【０００９】
つまり、図１８に示すモータのように互いに対向する外側磁極と内側磁極との距離を短くして磁気回路の抵抗を小さくしても、モータの出力を向上させるためにはコギングによる影響を小さく抑える必要がある。
【００１０】
本願はこの点に鑑みて、マグネットの外週に対向する外側磁極とマグネットの内側に対向する内側磁極とからなるステータを有するステッピングモータについて、コギングを低下させて更なる出力向上を図ることを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明のステッピングモータは、少なくとも外周面が周方向に分割して異なる極に交互に着磁された円筒形状のマグネットと、該マグネットの軸方向であって該マグネットの両側に配置された第１のコイル及び第２のコイルと、該第１のコイルによって励磁され該マグネットの外周面と対向する第１の外側磁極と、該第１のコイルによって励磁され該マグネットの内周面と対向する第１の内側磁極と、該第２のコイルによって励磁され該第１の外側磁極とは異なる部位で該マグネットの外周面と対向する第２の外側磁極と、該第２のコイルによって励磁され該第１の内側磁極とは異なる部位で該マグネットの内周面と対向する第２の内側磁極とを有し、該第１の外側磁極、及び該第２の外側磁極、及び該第１の内側磁極、及び該第２の内側磁極とが切欠きによって周方向に複数に分割される歯形状に形成され、該第１の外側磁極及び該第１の内側磁極からなる第１のステータと、該第２の外側磁極及び該第２の内側磁極からなる第２のステータとはお互いの磁極の位相が４５°ずれて配置され、該第１の外側磁極における磁極は１８０°ずれて形成され、該第１の内側磁極における磁極は該第１の外側磁極における磁極と対向するように形成され、該第２の外側磁極における磁極は１８０°ずれて形成され、該第２の内側磁極における磁極は該第２の外側磁極における磁極と対向するように形成されたステッピングモータにおいて、該マグネットの周方向の極数をｎ、該マグネットの外形寸法をＤ１、該マグネットの内径寸法をＤ２、該マグネットの中心と１つの外側磁極とから成る扇型の中心角をＡとすると、該中心角が
（２２６．８／ｎ）−５４×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）≦Ａ≦（２５９．２／ｎ）−５４×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）
を満たすことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図１乃至図１７を用いて詳しく説明する。
【００１３】
図１はステッピングモータの分解斜視図である。図２は図１のステッピングモータの組立て後の軸方向の断面図である。
【００１４】
このステッピングモータは図１８に示したステッピングモータと大部分において共通の構成を有しているものであるが、各構成要素について再度詳細に説明する。
【００１５】
１１はロータを構成する円筒形状のマグネットであり、このロータであるマグネット１１は、その外周表面を円周方向に等間隔にｎ分割（ｎは偶数であって本実施の形態では４）してＳ極、Ｎ極が交互に着磁された着磁部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを有している。着磁部１１Ａと１１ＣがＳ極、１１Ｂと１１ＤがＮ極である。このマグネット１１は射出成形で形成したプラスチックマグネットで構成されており、簡単な形状であるために小さく、薄く構成することが容易である。また、圧入によって組立てを行っても割れは発生しない。
【００１６】
１７は出力軸となるロータ軸であり、このロータ軸１７はマグネット１１の内径の中心部に固定されている。
【００１７】
１２及び１３は円筒形状のコイルであり、その中心部はマグネット１１の中心部と一致しており、軸方向に並んでマグネット１１を挟む位置に配置されている。このコイル１２，１３の外径はマグネット１１の外径とほぼ等しい。
【００１８】
１８は第１のステータ、１９は第２のステータであってともに軟磁性材料で構成されている。第１のステータと第２のステータとは、同一形状であって互いの櫛歯形状の磁極の先端が対向するように向かい合って配置される。また、第１のステータと第２のステータとは互いの櫛歯形状の磁極の位相が１８０／ｎ度、すなわち４５°ずれて配置されている。第１のステータ、第２のステータはそれぞれ外筒部と内筒部を一端で連結した構成となっている。第１のステータ１８は第１のコイル１２によって励磁され、第２のステータ１９は第２のコイル１３によって励磁される。第１のステータ１８、第２のステータ１９には、それぞれの外筒部及び内筒部の先端を切り欠くことで、周方向に複数に分割され、それぞれが軸方向に延出した櫛歯形状の磁極が形成されている。第１のステータ１８の外筒部はその先端部に外側磁極１８Ａ、１８Ｂを形成し、内筒部はその先端部に内側磁極１８Ｃ、１８Ｄを形成している。外側磁極１８Ａ、１８Ｂは３６０／（ｎ／２）度、すなわち１８０度ずれて形成され、内部磁極１８Ｃは外部磁極１８Ａと、内部磁極１８Ｄは外部磁極１８Ｄと対向するように形成される。第２のステータ１９も同様な外側磁極１９Ａ、１９Ｂ、内側磁極１９Ｃ、１９Ｄを形成している。
【００１９】
第１のステータ１８の外筒部と内筒部の間であって、これら筒部の連結部近傍に第１のコイル１２を配置し、外側磁極１８Ａ、１８Ｂと内側磁極１８Ｃ、１８Ｄとの間にマグネット１１の一端側を挟む。第２のステータ１９の外筒部と内筒部の間であって、これら筒部の連結部近傍に第２のコイル１３を配置し、外側磁極１９Ａ、１９Ｂと内側磁極１９Ｃ、１９Ｄとの間にマグネット１１の他端側を挟む。つまり、外側磁極１８Ａ、１８Ｂ、１９Ａ、１９Ｂがマグネット１１の外周表面と対向し、内側磁極１８Ｃ、１８Ｄ、１９Ｃ、１９Ｄがマグネット１１の内周表面と対向している。
【００２０】
２０は円筒形状の連結リングであり、この連結リング２０の内側の一端側には溝２０Ａ、２０Ｂが形成され、他端側には溝２０Ｃ、２０Ｄが形成されており、この溝２０Ｃ、２０Ｄは溝２０Ａ、２０Ｂに対して位相が１８０／ｎ度、すなわち４５度位相がずれている。溝２０Ａ、２０Ｂと溝２０Ｃ、２０Ｄとは軸方向にも所定距離をあけて形成されており、溝２０Ａ、２０Ｂに外側磁極１８Ａ、１８Ｂを嵌合し、溝２０Ｃ、２０Ｄに外側磁極１９Ａ、１９Ｂを嵌合し、接着剤で固定する。この連結リング２０に第１のステータ１８と第２のステータ１９を固定することで、第１のステータ１８と第２のステータ１９を所望の位置、位相で配置することができる。また、連結リング２０は非磁性材料で構成されており、第１のステータ１８と第２のステータ１９との間の磁気回路を分断でき、お互いの磁極の影響が出にくい構成となっている。
【００２１】
図３は図２のＡ−Ａ線とＢ−Ｂ線での断面図であり、これを用いてモータの回転駆動方法を説明する。
【００２２】
図３（ａ）と（ｅ）とが同時点の断面図であり、図３（ｂ）と（ｆ）とが同時点の断面図であり、図３（ｃ）と（ｇ）とが同時点の断面図であり、図３（ｄ）と（ｈ）とが同時点の断面図である。
【００２３】
図３（ａ）と（ｅ）の状態からコイル１２および１３に通電して、第１のステータ１８の外側磁極１８Ａ，１８ＢをＮ極、内側磁極１８Ｃ，１８ＤをＳ極に励磁し、第２のステータ１９の外側磁極１９Ａ，１９ＢをＳ極、内側磁極１９Ｃ，１９ＤをＮ極に励磁すると、ロータであるマグネット１１は反時計方向に４５度回転し、図３（ｂ）と（ｆ）に示す状態になる。
【００２４】
次にコイル１２への通電を反転させ、第１のステータ１８の外側磁極１８Ａ，１８ＢをＳ極、内側磁極１８Ｃ，１８ＤをＮ極に励磁し、第２のステータ１９の外側磁極１９Ａ，１９ＢをＳ極、内側磁極１９Ｃ，１９ＤをＮ極に励磁すると、ロータであるマグネット１１は更に反時計方向に４５度回転し、図３（ｃ）と（ｇ）に示す状態になる。
【００２５】
次にコイル１３への通電を反転させ、第１のステータ１８の外側磁極１８Ａ，１８ＢをＳ極、内側磁極１８Ｃ，１８ＤをＮ極に励磁し、第２のステータ１９の外側磁極１９Ａ，１９ＢをＮ極、内側磁極１９Ｃ，１９ＤをＳ極に励磁すると、ロータであるマグネット１１は更に反時計方向に４５度回転し、図３（ｄ）と（ｈ）に示す状態になる。
【００２６】
以後このようにコイル１２およびコイル１３への通電方向を順次切り換えていくことによってロータであるマグネット１１は通電位相に応じた位置へと順に回転する。
【００２７】
なお、マグネットの外周面だけではなくマグネットの内周面も円周方向に分割して着磁すれば、モータの出力を更に高めることができる。
【００２８】
また、マグネットの外周面を周方向に分割してなる着磁層を軸方向に２つ設け、第１の第１のステータ１１８と対向する一方の着磁層と、第２のステータ１９と対向する他方の着磁層の位相を互いに１８０／ｎ度ずらし、第１のステータ１８と第２のステータ１９の位相を同じものとしてもよい。
【００２９】
また、内側磁極１８Ｃ、１８Ｄ、１９Ｃ、１９Ｄは切り欠きを形成せずに単なる円筒形状であっても構わない。
【００３０】
コイル１２及び１３に通電が行われていないときは、第１のステータ１８、第２のステータ１９とマグネット１１との間に作用する吸引力が安定する位置に、マグネット１１が保持される。この吸引力とロータの回転位置との関係を図４に示す。図４は第１のステータ１８とマグネットの関係を示したものであるが、第２のステータ１９とマグネット１９との関係も同様である。実際には、第１のステータ１８と第２のステータ１９とは１８０／ｎ度位相がずれており、これらを合成した磁力がマグネット１１に作用する。
【００３１】
図４の横軸は第１のステータ１８に対するマグネット１１の位置、つまり回転位相を示しており、縦軸は第１のステータ１８とマグネット１１との間に作用する磁力を示す。
【００３２】
Ｅ１点、Ｅ２点で示される位置は正回転しようとするとマイナスの力が働いて元の位置に戻ろうとし、逆回転しようとするとプラスの力が働いて元の位置に戻ろうとする位置である。つまり、マグネット１１と第１のステータ１８との間に作用する磁力によって、マグネット１１がＥ１点あるいはＥ２点に安定して位置決めされるコギング位置である。
【００３３】
Ｆ１点、Ｆ２点、Ｆ３点で示される位置はマグネット１１の回転位相が少しでもずれると前後のＥ１点あるいはＥ２点の位置に回転しようとする力が作用する不安定な均衡状態にある位置である。
【００３４】
コイル１２に通電が行われていないときは、マグネット１１はＦ１点、Ｆ２点、Ｆ３点に停止していることはなく、点Ｅ１点あるいは点Ｅ２点の位置で停止する。Ｅ１点、Ｅ２点のようなコギングに対してマグネットが安定する点は、マグネットの着磁数をｎとすると、３６０／ｎ度の周期で存在し、その中間位置がＦ１点、Ｆ２点、Ｆ３点のようなマグネットが不安定な点となる。
【００３５】
有限要素法による数値シミュレーションの結果、該マグネットの中心とマグネットの１つの着磁部とから成る扇形の中心角（以下、マグネットの着磁部の中心角という）と、該マグネットの中心と１つの外側磁極とから成る扇型の中心角（図３においてＡで示すものであって、以下、外側磁極の中心角という）との関係に応じて、コイルへの通電がない状態でのステータとマグネットとの吸引状態が変化することが明らかになった。
【００３６】
外側磁極の中心角が所定値よりも小さい場合には、マグネットの着磁部、つまり、極の中心が外側磁極の中心に対向する位置でマグネットが安定的に保持される。これは図４のＥ１点、Ｅ２点が、マグネットの極の中心が外側磁極の中心部と対向する位置であると言える。
【００３７】
逆に、外側磁極の中心角が所定値よりも大きい場合には、マグネットの着磁部の境界部、つまり、極と極との境界部が外側磁極の中心に対向する位置でマグネットが安定的に保持される。これは図４のＥ１点、Ｅ２点が、マグネットの極と極の境界部が外側磁極の中心部と対向する位置であると言える。
【００３８】
更にシミュレーションを行った結果、マグネットの着磁部の中心角及び外側磁極の中心角に対して、マグネットの厚みとマグネットの着磁部の外周長との関係を変化させることで、コギングを低減できることがわかった。
【００３９】
図５乃至図１３に、シミュレーション結果を示す。これらの図において、横軸はマグネットの回転角度、縦軸はコギングトルクである。それぞれのステッピングモータについて外側磁極の中心角をマグネットの着磁部の中心角に対して略０．５倍、略０．６倍、略０．７倍、略０．８倍としたときのシミュレーション結果である。
【００４０】
図５は、着磁極数が１０、外側磁極の外径寸法が６．００ｍｍ、マグネットの外径寸法が４．８０ｍｍ、マグネットの内径寸法が３．８０ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を１８度、２２度、２５度、２９度としたときのシミュレーション結果である。
【００４１】
図６は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１０．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１０．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が９．００ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４２】
図７は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１１．５０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１０．６０ｍｍ、マグネットの内径寸法が９．６０ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４３】
図８は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１１．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１１．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が１０．００ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４４】
図９は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１２．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１２．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が１１．００ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４５】
図１０は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１１．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１１．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が１０．４０ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４６】
図１１は、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１１．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１１．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が９．８０ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を９度、１１度、１３度、１４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４７】
図１２は、着磁極数が１２、外側磁極の外径寸法が１１．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１１．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が１０．００ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を１５度、１８度、２１度、２４度としたときのシミュレーション結果である。
【００４８】
図１３は、着磁極数が２４、外側磁極の外径寸法が１１．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１１．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が１０．００ｍｍであるステッピングモータであって、外側磁極の中心角を８度、９度、１１度、１２度としたときのシミュレーション結果である。
【００４９】
図５乃至図１３のシミュレーション結果より、各ステッピングモータについてコギングトルクがおおよそ最小となるときの、マグネットの厚み、マグネットの１極の着磁部の外周長、外側磁極の中心角、および、マグネットの着磁部の中心角の関係をプロットしたものを図１４に示す。図１４の横軸は（マグネットの厚み）／（マグネットの着磁部の外周長）であり、縦軸は（外側磁極の中心角）／（マグネットの着磁部の中心角）である。
【００５０】
例えば、図５に示すステッピングモータは、着磁極数が１０、外側磁極の外径寸法が６．００ｍｍ、マグネットの外径寸法が４．８０ｍｍ、マグネットの内径寸法が３．８０ｍｍなので、マグネットの厚みは（４．８０−３．８０）／２ｍｍ、着磁部１極の外周長は４．８０×π／１０ｍｍであるから、横軸の値は０．３３２となる。また、コギングトルクがおおよそ最小となるときの外側磁極の中心角は図５より２１．０度程度であることが読み取れ、このときのマグネットの着磁部の中心角は３６０／１０度であるから、縦軸の値は０．５８となる。
【００５１】
また、図６に示すステッピングモータは、着磁極数が２０、外側磁極の外径寸法が１０．９０ｍｍ、マグネットの外径寸法が１０．００ｍｍ、マグネットの内径寸法が９．００ｍｍなので、マグネットの厚みは（１０．００−９．００）／２ｍｍ、着磁部１極の外周長は１０．００×π／２０ｍｍであるから、横軸の値は０．３１８となる。また、コギングトルクがおおよそ最小となるときの外側磁極の中心角は図６より１０．７度程度であることが読み取れ、マグネットの着磁部の中心角は３６０ ／ ２０であるから、縦軸の値は０．５９となる。
【００５２】
図１４において、各ステッピングモータについてコギングトルクがおおよそ最小となる点は、横軸をＸ、縦軸をＹとするとＹ＝−０．３Ｘ＋０．６３の式で近似した直線１と、Ｙ＝−０．３Ｘ＋０．７２の式で近似した直線２とで挟まれる領域に存在する。
【００５３】
直線１より下の範囲、即ちＹ＜−０．３Ｘ＋０．６３の領域ではマグネットの極の中心が外側磁極の中心と対向する位置でマグネットが安定的に保持され、直線２より上の領域、即ちＹ＞−０．３Ｘ＋０．７２の領域ではマグネットの極と極との境界部が外側磁極の中心と対向する位置でマグネットが安定的に保持される。
【００５４】
直線１と直線２に挟まれた領域は、−０．３Ｘ＋０．６３≦Ｙ≦−０．３Ｘ＋０．７２となるが、これを外側磁極の中心角をＡ度、着磁極数をｎ、マグネットの外径寸法をＤ１、マグネットの内径寸法をＤ２とすると、
（２２６．８／）−５４×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）≦Ａ≦（２５９．２／ｎ）−５４×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）
と表すことができる。例えば図５に示すステッピングモータであれば、外側磁極の中心角Ａが、１９．１０度≦Ａ≦２２．３４度の条件を満たせば、コギングトルクを最も小さく抑えることができる。
【００５５】
外側磁極の形状が一定ではなく、例えば徐々に中心角が変化するテーパー形状である場合などは、外側磁極のマグネットと対向する部分の平均的な中心角が上記条件を満たしていればよい。即ち外側磁極のマグネットと対向する部位のうち、根元付近の中心角が２４度であり先端付近の中心角が２０度であった場合は、平均した中心角が２２度になるので、コギングトルクを小さく抑えることができる。
【００５６】
図１５乃至図１７に、上記の外側磁極の中心角Ａのみを異ならせたステッピングモータのコギングトルクと、コイル端子間に３Ｖの電圧を印加したときの発生トルクとを比較したものを示す。これらの図では、横軸はマグネットの回転角度であり縦軸はトルクを示す。
【００５７】
これら図１５乃至図１７で使用したステッピングモータは、着磁極数が１６、マグネットの外径が１０．６ｍｍ、マグネットの内径が９．８ｍｍ、外側磁極の外径が１１．６ｍｍ、外側磁極の内径が１１．１ｍｍ、内側磁極の外径が９．３ｍｍ、内側磁極の内径が８．８ｍｍ、コイルの抵抗値は１０Ωであり、巻数は１１２ターンである。
【００５８】
上記条件式によれば、このステッピングモータの外側磁極の中心角Ａを１２．８８≦Ａ≦１４．９０と設定すればコギングトルクを小さく抑えることができるはずである。
【００５９】
図１５は外側磁極の中心角を１０．３５度、図１６は外側磁極の中心角を１３．４５度、図１７は外側磁極の中心角を１５．５２度に設定したステッピングモータのコギングトルクを示している。外側磁極の中心角を変更すると、３Ｖ印加時の発生トルクに大差はないが、コギングトルクに大きな差が生じることがわかる。最もコギングトルクが安定しているのは図１６であり、このステッピングモータの外側磁極の中心角は上記条件を満たしている。
【００６０】
この上記条件を満たすステッピングモータは、例えばカメラ等の光学機器のレンズ駆動の駆動源として非常に有効である。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、マグネット一端側の外周面と対向する外側磁極、内周面と対向する内側磁極からなる第１のステータと、マグネットの他端側の外周面と対向する外側磁極、内周面と対向する内側磁極からなる第２のステータとを有するステッピングモータにおいて、マグネットの中心を基準とした外側磁極の中心角を所定条件内の値に設定することで、ステッピングモータのコギングトルクをおおよそ最小に抑えることが可能となり、出力をアップさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるステッピングモータの分解斜視図
【図２】図１のステッピングモータの組立て後の軸方向の断面図
【図３】図２のステッピングモータの径方向の断面図
【図４】ステータとマグネットの間に作用する吸引力と、ロータの回転位置との関係を示す図
【図５】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図６】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図７】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図８】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図９】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図１０】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図１１】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図１２】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図１３】ステッピングモータのコギングトルクのシミュレーション結果を示す図
【図１４】図５乃至図１３に示すシミュレーション結果より、コギングトルクがおおよそ最小となる条件をプロットした図
【図１５】外側磁極の中心角が所定条件を満たさないときのコギングトルクを示す図
【図１６】外側磁極の中心角が所定条件を満たすときのコギングトルクを示す図
【図１７】外側磁極の中心角が所定条件を満たさないときのコギングトルクを示す図
【図１８】従来のステッピングモータの分解斜視図
【図１９】図１８のステッピングモータの組立て後の軸方向の断面図
【図２０】コイルに通電を行っていないときの図１９のモータの径方向の断面図
【符号の説明】
１１，２０１ マグネット
１２，２０２ 第１のコイル
１３，２０３ 第２のコイル
１７，２０６ 出力軸
１８，２０４ 第１のステータ
１９，２０５ 第２のステータ
２０，２０７ 連結リング
Claims (2)
- 少なくとも外周面が周方向に分割して異なる極に交互に着磁された円筒形状のマグネットと、該マグネットの軸方向であって該マグネットの両側に配置された第１のコイル及び第２のコイルと、該第１のコイルによって励磁され該マグネットの外周面と対向する第１の外側磁極と、該第１のコイルによって励磁され該マグネットの内周面と対向する第１の内側磁極と、該第２のコイルによって励磁され該第１の外側磁極とは異なる部位で該マグネットの外周面と対向する第２の外側磁極と、該第２のコイルによって励磁され該第１の内側磁極とは異なる部位で該マグネットの内周面と対向する第２の内側磁極とを有し、該第１の外側磁極、及び該第２の外側磁極、及び該第１の内側磁極、及び該第２の内側磁極とが切欠きによって周方向に複数に分割される歯形状に形成され、該第１の外側磁極及び該第１の内側磁極からなる第１のステータと、該第２の外側磁極及び該第２の内側磁極からなる第２のステータとはお互いの磁極の位相が４５°ずれて配置され、該第１の外側磁極における磁極は１８０°ずれて形成され、該第１の内側磁極における磁極は該第１の外側磁極における磁極と対向するように形成され、該第２の外側磁極における磁極は１８０°ずれて形成され、該第２の内側磁極における磁極は該第２の外側磁極における磁極と対向するように形成されたステッピングモータにおいて、
該マグネットの周方向の極数をｎ、該マグネットの外形寸法をＤ１、該マグネットの内径寸法をＤ２、該マグネットの中心と１つの外側磁極とから成る扇型の中心角をＡとすると、該中心角が
（２２６．８／ｎ）−５４×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）≦Ａ≦（２５９．２／ｎ）−５４×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）
を満たすことを特徴とするステッピングモータ。 - 請求項１に記載のステッピングモータをレンズ駆動のための駆動源として用いた光学機器。
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