JP4297037B2 - ステッピングモータ - Google Patents

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Description

本発明は、単位角度毎に回転可能なステッピングモータに関するもので、車両に搭載されるステッピングモータの指針軸9駆動用に用いて好適である。
従来のステッピングモータとしては、たとえば、内向き且つ放射状に複数の突極を有する環状のステータおよびステータの内側に突極と所定の隙間を隔てて回転可能に配置されるマグネットロータをケーシング内に収容したものがある。ここで、ステータはケーシング内に移動不能に収容固定されるとともに、マグネットロータはケーシング内に回転可能に支持されている(特許文献1参照)。
特開2003−111379号公報
上述の従来のステッピングモータにおいて、ステータをケーシング内に移動不能に収容固定するために、ステータはケーシングに形成された溝内に圧入されている。ステータのケーシングへの圧入作業性向上のために、溝の入り口には面取りが施されている。すなわち、溝の底部側から入り口に向かうに連れて溝の幅が徐々に拡大するように斜面が設けられ、これにより、溝へのステータの位置決めは容易に行える。
ステータを溝へ圧入する工程において、ステータの角が面取りの斜面に当接した後、ステータは溝を押し広げながら溝の底部に向かって押し込まれていく。
このとき、ステータの角によりケーシングが削られてケーシングの細片、つまり異物が発生する。この異物がステッピングモータ内に残留すると、ステッピングモータに内蔵されるトルク伝達機構(たとえば歯車列G)やマグネットロータとステータの突極との隙間に入り込み、ステッピングモータの円滑な運転が妨げられる可能性があるという問題がある。
このような問題を解決するために、ステッピングモータの製造工程において、ステータ圧入後に異物の除去を実施する必要があり、ステッピングモータ製造工数が増加しコストが上昇するという問題がある。
そこで、本発明は上記の問題に鑑み成されたもので、ケーシングの溝部の構成に工夫を凝らして、ステータ圧入時における異物の発生を抑制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する。
本発明は、上記目的を達成する為に以下の技術的手段を採用する。
本発明の請求項1に記載のステッピングモータは、ステータと、ステータが収容保持されるケースとを備え、ステータはケースに設けられた溝に圧入固定されるステッピングモータであって、溝はステータ圧入時の入り口近傍には溝の底部から入り口に向かうに連れて溝の幅が徐々に拡大するように形成された面取り部と該面取り部に隣接し且つ底部に至るステータの圧入方向と平行な圧入部とを備え、面取り部はステータの圧入方向に互いに隣接して配列される複数個の斜面から構成され、入り口から遠い斜面ほど斜面とステータの圧入方向との成す角度が小さくなるように設定されることを特徴としている。
ここで、ステータのケーシングへの圧入作業時においてケーシングに作用する力について考える。ステータがケーシングの面取り斜面に当接すると、ステータを圧入する圧入力が、ステータの角とケーシングの斜面との接点においてケーシング作用する。このとき、圧入力のケーシングの斜面の法線方向分力がケーシングを剪断する力として、言い換えるとケーシングを削る力として作用する。つまり、斜面の法線方向分力の大きさがケーシングを形成する材質の剪断強度を上回るとケーシングが削られることになる。
従来のステッピングモータにおいて、溝の入り口に設けられている面取り斜面は、一個の平面から成るとともに斜面とステータの圧入方向との成す角度が圧入時におけるステータの溝に対する位置決め容易化が実現できるような角度、たとえば45°に設定されている。この場合、ステータのケーシングへの圧入作業時においてケーシングの面取り斜面に作用するその法線方向分力の大きさが、ケーシング材質の剪断強度を上回る可能性が高くなる。したがって、ステータのケーシングへの圧入作業時においてステータの角によりケーシングが削られてケーシングの細片が発生するという問題が生じる。
これに対して、本発明の請求項1に記載のステッピングモータでは、面取り部を、ステータの圧入方向に互いに隣接して配列される複数個の斜面から構成するとともに、入り口から遠い斜面ほど斜面とステータの圧入方向との成す角度が小さくなるように設定している。
この構成によれば、ステータのケーシングの溝への圧入作業時において、ステータが溝に圧入され当接する斜面が変化するに連れて、ステータの角とケーシングの斜面との接点においてケーシングに作用する斜面の法線方向分力の大きさが減少していく。言い換えると、ステータがケーシングの溝中に圧入されていくに連れてステータからケーシングに対してケーシングを削るように作用する力が減少していく。
これにより、ステータのケーシングへの圧入作業時においてステータの角によりケーシングが削られ異物が発生することを抑制可能なステッピングモータを提供することができる。
なお、この場合、一番入り口側の斜面においては、斜面とステータの圧入方向との成す角度が面取り部を構成する各斜面中で最大となっているので、ステータのケーシングへの圧入作業時におけるステータの溝に対する位置決め容易化の効果は、従来のステッピングモータの場合と同様に得られる。
請求項に記載のステッピングモータは、さらなる特徴点として、溝部の圧入部に隣接する斜面とステータの圧入方向との成す角度は10°以上15°以下であり、
溝部の圧入部に隣接する斜面の入り口側の溝幅寸法は、ステータの圧入部の幅寸法よりも大きく設定されており、
ステータは、ステータ圧入時に、溝部の圧入部に隣接する斜面に当接されるステータの圧入部の角部によって、溝部の圧入部に隣接する斜面の溝幅が押し広げられ、溝部の圧入部に圧入されるものである。
これにより、ステータの角とケーシングの斜面との接点においてケーシングに作用する斜面の法線方向分力の大きさを確実に減少させて、ステータの角によりケーシングが削られ異物が発生することを確実に抑制することができる。
本発明の請求項に記載のステッピングモータは、面取り部を構成する斜面の個数は2個であることを特徴としている。
このような構成によれば、面取り部を構成する斜面の個数を、ステータのケーシングへの圧入作業時においてステータの溝に対する位置決め容易化しつつステータの角によりケーシングが削られ異物が発生することを抑制するという効果が得られる必要最小限度にできる。したがって、ケーシングの溝部形成を容易に実施できる。
本発明の請求項に記載のステッピングモータは、ステータの発生する磁束により回転駆動されるロータの回転中心であるシャフトがケースに固定されることを特徴としている。
この場合、ステータはケーシングへ圧入固定されるのでステータとケーシングとの位置関係は高精度に維持される。そのため、ステータとシャフトとの位置関係、すなわちステータとロータとの位置関係も高精度に維持され、ロータの発生するトルクを均一なものとすることができる。
本発明の請求項に記載のステッピングモータは、ケースは樹脂材料から形成されることを特徴としている。
これにより、ケーシングの軽量化およびコスト低減を実現できる。
以下、本発明によるステッピングモータを自動車用コンビネーションメータの指針103駆動用ムーブメントに適用した場合を例に図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1が搭載されたコンビネーションメータ100の部分破断断面図である。
図2は、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1を、カバー11を外した状態で示す平面図であり、図1中のII−II線断面図である。
図3は、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1の断面図であり、図2中のIII−III線断面図である。
図4は、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1の外観図であり、図1中のIV矢視図である。
図5は、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1のヨーク31単品の平面図である。
図6は、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1のステータ3のケーシング2への圧入作業途中における、ステータ3とケーシング2の位置関係を示す説明図である。
コンビネーションメータ100は、自動車の運転席前方の運転者から視認可能な位置に配設され、自動車に関する各種情報を表示するものである。
コンビネーションメータ100は、図1に示すように、文字板101と、文字板101の裏面側に文字板101と並行に配置されるプリント基板102と、プリント基板102に実装固定されるステッピングモータ1とを備えている。
ステッピングモータ1の出力軸である指針軸9は、図1に示すように、プリント基板102の貫通孔102a及び文字板101の貫通孔101aを通り文字板101の表側(図1において上側)に延出され、その先端には指針103が固定されている。物理量の検出信号に基づいてステッピングモータ1に駆動パルスが印加されると、ステッピングモータ1は指針軸9を所定角度だけ回転させ、それにより指針103も同じ角度だけ回転するので、指針103と文字板101上の目盛および数字(図示せず)とにより検出された物理量が指示される。
以下、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1の構成について説明する。
ステッピングモータ1は、ケーシング2内にステータ3、ロータであるマグネットロータ5を収容して構成されている。また、ケーシング2内には、マグネットロータ5の発生トルクを指針軸9へ減速しつつ伝達する歯車列Gを備えている。さらに、ケーシング2には、ケーシング2内部を密閉するカバー11が取り付けられており、カバー11によりケーシング2内部への異物の侵入が阻止され内部が清浄に保たれている。
ケーシング2は、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1においては、樹脂材料を型成型することにより形成されている。ケーシング2は、有底容器状に形成されるとともに、その壁の一部には、図4に示すように、溝21が形成されている。この溝21には、図4に示すように、後述するステータ3が圧入固定されている。この溝21のステータ3圧入時の入り口には、図4に示すように、溝21の底部25から入り口に向かうに連れて、溝21幅が徐々に拡大する面取り部Cを形成する2つの斜面22、23が設けられている。斜面22は、ステータ3の圧入方向(図4中に矢印で示す方向)において、溝の入り口側から斜面22、斜面23の順に互いに隣接して配置され、さらに斜面23は、ステータ3の圧入方向(図4中に矢印で示す方向)と平行な圧入部24に隣接している。そして、斜面22とステータ3の圧入方向(図4中に矢印で示す方向)との成す角度は45°に、また、斜面23とステータの圧入方向(図4中に矢印で示す方向)との成す角度は15°に、それぞれ設定されている。すなわち、溝21の入り口から遠い斜面ほど斜面とステータ3の圧入方向との成す角度が小さくなるような関係に設定されている。
また、ケーシング2には、図3に示すように、後述するロータであるマグネットロータ5の回転中心であるシャフト6が固定されている。シャフト6は非磁性金属等から形成されている。
また、ケーシング2には、図3に示すように、後述する歯車列Gを構成するアイドラ7の回転中心であるアイドラシャフト8が固定されている。
さらに、ケーシング2には、後述する指針軸9を外方へ延出させるための貫通孔26が設けられるとともに、後述するコイル素子4のターミナルピン44を外方へ延出させるための貫通孔27が設けられている。
なお、ステッピングモータ1は、ケーシング2の溝21の底部25側をプリント基板102側にしてプリント基板102に固定されている。
ステータ3は、環状のヨーク31と2つのコイル素子4とから構成されている。また、ステータ3は、後述するケーシング2に移動不能に収容固定されている。
ヨーク31は磁性金属、たとえば珪素鋼板の薄板を複数個積層して形成され、図5に示すように、内側に突出する突極32、33が円周方向に等角度間隔で8個、すなわち45°間隔で放射状に設けられている。これら8個の突極32、33は、その先端が後述するマグネットロータ5の回転中心と同心上である一つの円弧上にあるように形成されている。また、8個の突極32、33のうち2個の突極33は、互いに90°の角度間隔を成すとともに、図5に示すように、6個の突極32よりも径方向長さが長く形成されている。そして、これらの突極33には、コイル素子4が装着されている。また、ヨーク31には、ケーシング2の溝21内に圧入嵌合される圧入部34が設けられている。また、ヨーク31には、ケーシング2に固定されているシャフト7と嵌合する貫通孔35が設けられている。貫通孔35の直径寸法は、手作業によりシャフト7としっくりと嵌合可能であるように設定されている。
コイル素子4は、電気絶縁性材料、たとえば樹脂材料からなる筒状のボビン41に導線43を巻装してソレノイド42を形成したものである。また、ボビン41の両端部には、ソレノイド42をステッピングモータ1外部に電気的に接続するためのターミナルピン44が固定され、ソレノイド42を形成する導線43の両端が各ターミナルピン44に電気的に接続されている。また、ボビン41の中空部は、この中空部内に上述したヨーク31の突極33を相対回動不能に挿通し得る程度に突極33の断面形状と相似な断面四角形状となっている。また、ステータ3が後述するケーシング2に固定されると、各ターミナルピン44は、ケーシング23に設けられた貫通孔27を挿通してケーシング2外部へ延出される。そして、ステッピングモータ1がプリント基板102に固定されると、各ターミナルピン44もプリント基板102に設けられた貫通孔102bを介してプリント基板102の表面の対応配線部にはんだ付けされる。
マグネットロータ5は、図3に示すように、強磁性体、たとえばフェライト等からリング状に形成されたマグネット51とその内周に嵌合された樹脂製のボス部52とを備えている。マグネット51はその周方向にN−S−N−S・・・の順で等角度間隔に着磁されている。本発明の一実施形態によるステッピングモータ1においては10極に着磁されている。
また、マグネットロータ5は、そのボス部52がケーシング2に固定されたシャフト6に回転可能に嵌合している。マグネットロータ5がケーシング2のシャフト6に嵌合されると、リング状のマグネット51とステータ2の各突極32、33とは同心状に配置され且つ、マグネット51の外周とステータ2の各突極32、33との間には均一な幅の隙間が形成される。これにより、マグネットロータ5は、その外周面にて、ステータ2の各突極32、33に対向して、各コイル素子4およびヨーク31と共に磁気回路を形成し、両コイル素子4へのプリント基板102を介する給電のもとに回転する。
また、マグネットロータ5のボス部52には、歯車列Gを構成する歯車のひとつであるピニオン53が一体的に形成されている。
歯車列Gは、図2に示すごとく、トルク発生源側から、マグネットロータ5のピニオン53、アイドラ7、ステッピングモータ1の出力軸である指針軸9に固定された出力ギヤ10の順で配置され且つ隣接する歯車が互いに噛み合っている。アイドラ7は、ケーシング2に固定されたアイドラシャフト8に回転自在に嵌合している。また、アイドラ7は、ピニオン53と噛み合う大ギヤ71と出力ギヤ10と噛み合う小ギヤ72とから構成され、両ギヤ71、72は同軸上に形成されている。
また、歯車列Gを構成する各歯車である、ピニオン53、アイドラ7の大ギヤ71および小ギヤ72、出力ギヤ10の歯数Z53、Z71、Z72、Z10には、Z53<Z71、Z72<Z10の関係が成り立っている。したがって、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1において、歯車列Gは、マグネットロータ5の回転速度を指針軸9へ減速して伝達している。
以上説明した各構成部品を収容したケーシング2には、図1に示すようにカバーが装着されて、ケーシング2内部は気密的に維持され外部からの異物や水滴の侵入が阻止されている。
次に、以上のように構成された本発明の一実施形態によるステッピングモータ1の組付け方法について、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1の特徴である、ケーシング2に設けられたステータ3圧入用の溝21形状の作用効果を中心に説明する。
ここで、ステータ3のケーシング2への組付け作業以前に、ヨーク31へのコイル素子4の組付けと、ケーシング2へのシャフト6およびアイドラシャフト8の組付け固定は完了している。
先ず、ステータ3のヨーク31に設けられた貫通孔35にアイドラシャフト8の先端を挿通させ、続いてコイル素子4のターミナルピン44の先端をケーシング2の貫通孔27に挿通させる。この時、コイル素子4のターミナルピン44とケーシング2の貫通孔27との間には隙間が形成されるので、ステータ3はアイドラシャフト8を中心として上述の隙間分だけ回転可能である。言い換えると、ステータ3とケーシング2との位置関係は定まっていない。
次に、ヨーク31の圧入部34をケーシング2の溝21内に来るように位置を調整しつつステータ3をケーシング2側に、つまり図6中の矢印Aの方向に押し込む。やがて、ヨーク31が、図6に示すように、ケーシング2の斜面22に当接する。さらにステータ3をケーシング2側に押し込むと、ステータは3、ヨーク31が斜面22にガイドされて図6中の矢印Bの方向に回転しつつ、ケーシング2側に移動する。
ここで、斜面22と斜面23との交点における溝21幅寸法W23は、図7に示すように、ヨーク31の圧入部34の幅寸法W34よりもわずかに大きく設定されているので、さらにステータ3をケーシング2側に押し込むと、ヨーク31のステータ2側先端が斜面22を通り越して斜面23上に至ってから、ヨーク31の圧入部34の両角が、図7に示すように、それぞれケーシング2の斜面23に当接する。
次に、さらにステータ3をケーシング2側に押し込むと、ヨーク31は、ケーシング2の斜面23の溝幅を押し広げつつケーシング2側に移動し、やがて溝21の圧入部24に達する。このとき、ヨーク31の圧入部34の角とケーシング2の斜面23との接点においてヨーク31からケーシング2の斜面23へ圧入力が作用する。この圧入力の斜面23の法線方向分力は、斜面23とステータ3の圧入方向との成す角度が15°に設定されているため、斜面23とステータ3の圧入方向との成す角度が略45°に設定されている従来のステッピングモータにおける値より小さくなっている。詳しくは、ケーシング2材質の剪断強度よりも小さくなっている。したがって、ヨーク31の角でケーシング2が削られることを確実に抑止できる。
次に、さらにステータ3をケーシング2側に押し込むと、ヨーク31は、ケーシング2の溝21幅を押し広げつつケーシング2側に移動し、やがて底部25に当接して、図4に示す状態となる。これにより、ステータ3のケーシング2への圧入作業が完了する。
次に、ケーシング2のシャフト6にマグネットロータ5を嵌合させる。
次に、指針軸9をケーシング2の貫通孔26に嵌合させる。なお、このときまでに、指針軸9には出力ギヤ10が固定されている。
次に、ケーシング2のアイドラシャフト8にアイドラ7を嵌合させる。このとき、アイドラ7の大ギヤ71をマグネットロータ5のピニオン53に噛み合わせると同時に、アイドラ7の小ギヤ72を指針軸9の出力ギヤ10に噛み合わせる。
次に、カバー11をケーシング2に固定する。
以上で、ステッピングモータ1の組付けが完了する。
以上説明した、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1においては、ケーシング2のステータ3が圧入される溝21の入り口近傍に溝21の底部から入り口に向かうに連れて溝21の幅が徐々に拡大するように形成された面取り部Cを、ステータ3の圧入方向に互いに隣接して配列される複数個である2個の斜面22、23から構成するとともに、溝21の入り口から遠い斜面ほど斜面とステータの圧入方向との成す角度が小さくなるように設定した。すなわち、斜面22とステータの圧入方向との成す角度を45°に、斜面23とステータ3の圧入方向との成す角度を15°にそれぞれ設定した。
これにより、ステータ3のケーシング2への圧入作業時においてステータ3の角によりケーシング2が削られ異物が発生することを抑制可能なステッピングモータを提供することができる。
図8には、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1の変形例におけるケーシング2の外観図を示す。
この変形例においては、ケーシング2の溝21の面取り部Cを構成する斜面の個数を2個から3個へ変更している。すなわち、面取り部Cを、図に示すように、斜面22、斜面23および斜面28から構成している。
この変形例において、各斜面22、23、28とステータ3の圧入方向との成す角度は、それぞれ、45°、20°、10°に設定されている。すなわち、溝21の入り口から遠い斜面ほど斜面とステータ3の圧入方向との成す角度が小さくなるように設定している。
このような構成によっても、先に説明した本発明の一実施形態によるステッピングモータ1の場合と同様に、ステータ3のケーシング2への圧入作業時においてステータ3の角によりケーシング2が削られ異物が発生することを抑制可能なステッピングモータ1を提供することができる。
なお、以上説明した、本発明の一実施形態およびその変形例によるステッピングモータ1において、ケーシング2を樹脂材料から形成しているが、これに限定する必要は無く、他の材質、たとえばアルミニウム等を用いても良い。
また、以上説明した、本発明の一実施形態およびその変形例によるステッピングモータ1において、マグネットロータ5の回転力を歯車列Gを介して指針軸9へ伝達しているが、必ずしも歯車列Gを用いる必要はなく、マグネットロータ5に直接指針軸9を形成して歯車列Gを省略してもよい。
また、以上説明した、本発明の一実施形態によるステッピングモータ1において、各斜面22、23とステータの圧入方向との成す角度を、それぞれ、45°、15°に設定しているが、これらの数値に限定する必要は無い。「溝の入り口から遠い斜面ほど斜面とステータの圧入方向との成す角度が小さい。」という関係が成立していれば、他の角度に設定してもよい。
また、以上説明した本発明の一実施形態およびその変形例によるステッピングモータ1は、車両に搭載されるコンビネーションメータ100の指針103駆動用ムーブメントに適用した場合を例に説明したが、ステッピングモータの用途を指針103駆動用ムーブメントに限定する必要は無く、他の民生用機器に搭載されるステッピングモータに本発明を適用してもよい。
本発明の一実施形態によるステッピングモータ1が搭載されたコンビネーションメータ100の部分破断断面図である。 本発明の一実施形態によるステッピングモータ1を、カバーを外した状態で示す平面図であり、図1中のII矢視図である。 本発明の一実施形態によるステッピングモータ1の断面図であり、図2中のIII−III線断面図である。 本発明の一実施形態によるステッピングモータ1の外観図であり、図1中のIV矢視図である。 本発明の一実施形態によるステッピングモータ1のヨーク31単品の平面図である。 本発明の一実施形態によるステッピングモータ1のステータのケーシングへの圧入作業途中における、ステータとケーシングの位置関係を示す説明図である。 本発明の一実施形態によるステッピングモータ1のステータのケーシングへの圧入作業途中における、ステータとケーシングの位置関係を示す説明図である。 本発明の一実施形態によるステッピングモータ1の変形例におけるケーシング2の外観図である。
符号の説明
1 ステッピングモータ
2 ケーシング(ケース)
21 溝
22 斜面(面取り部)
23 斜面(面取り部)
24 圧入部
25 底部
26 貫通孔
27 貫通孔
28 斜面(面取り部)
3 ステータ
31 ヨーク
32 突極
33 突極
34 圧入部
35 貫通孔
4 コイル素子
41 ボビン
42 ソレノイド
43 導線
44 ターミナルピン
5 マグネットロータ(ロータ)
51 マグネット
52 ボス部
53 ピニオン
6 シャフト
7 アイドラ
71 大ギヤ
72 小ギヤ
8 アイドラシャフト
9 指針軸
10 出力ギヤ
11 カバー
100 コンビネーションメータ
101 文字板
101a 貫通孔
102 プリント基板
102a 貫通孔
102b 貫通孔
103 指針
A 矢印
B 矢印
C 面取り部
G 歯車列G
W23 幅寸法
W34 幅寸法

Claims (4)

  1. ステータと、
    前記ステータが収容保持されるケースとを備え、
    前記ステータは前記ケースに設けられた溝に圧入固定されるステッピングモータであって、
    前記溝は前記ステータ圧入時の入り口近傍には前記溝の底部から前記入り口に向かうに連れて前記溝の幅が徐々に拡大するように形成された面取り部と前記取り部に隣接し且つ前記底部に至る前記ステータの圧入方向と平行な圧入部とを備え、
    前記面取り部は前記ステータの圧入方向に互いに隣接して配列される複数個の斜面から構成され、
    前記入り口から遠い前記斜面ほど前記斜面と前記ステータの圧入方向との成す角度が小さくなるように設定され
    前記溝部の前記圧入部に隣接する前記斜面と前記ステータの圧入方向との成す角度は10°以上15°以下であり、
    前記溝部の前記圧入部に隣接する前記斜面の前記入り口側の溝幅寸法は、前記ステータの圧入部の幅寸法よりも大きく設定されており、
    前記ステータは、前記ステータ圧入時に、前記溝部の前記圧入部に隣接する前記斜面に当接される前記ステータの前記圧入部の角部によって、前記溝部の前記圧入部に隣接する前記斜面の溝幅が押し広げられ、前記溝部の前記圧入部に圧入されることを特徴とするステッピングモータ。
  2. 前記面取り部を構成する斜面の個数は2個であることを特徴とする請求項に記載のステッピングモータ。
  3. 前記ステータの発生する磁束により回転駆動されるロータの回転中心であるシャフトが前記ケースに固定されることを特徴とする請求項1または請求項に記載のステッピングモータ。
  4. 前記ケースは樹脂材料から形成されることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれかに記載のステッピングモータ。
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