JP4301186B2 - ステップモータ - Google Patents

Description

本発明は、計器等の駆動源として用いられるステップモータ、例えば、車両用の計器における回転内機として用いられるステップモータに関するものである。

従来、例えば、乗用車用計器においては、その指針の駆動源としてステップモータを用いたものがある。ステップモータは、ステータと、マグネットロータとにより構成され、例えば、このステップモータが２相式のものである場合、ステータは、マグネットロータと共に磁気回路を形成する環状のヨーク及び両コイル素子を有したものとされる（例えば、特許文献１参照）。

このようなステップモータでは、マグネットロータの回転軸と軸受けとの間に所定のクリアランスが発生する。このため、コイルでステータに備えられたコイル素子に通電が為され、それによって発生する磁気力によりマグネットロータが回転させられる際には、クリアランスによって回転軸と軸受けとがぶつかり合い、カタカタと叩き音を発生させながらマグネットロータが回転することになる。そこで、従来より、軸受け部内に潤滑油を充填することで、オイルダンパー効果を発生させ、叩き音の発生を防止するという工夫がなされている。
特開２００２−２２５０２号公報

しかしながら、軸受け部内に充填される潤滑油は耐久的に補償されるものではなく、車両走行時等に発生する車両振動やマグネットロータの回転等により、徐々に排除されてしまう。このため、上述したオイルダンパー効果が得られなくなり、叩き音の発生を防止できなくなるという問題がある。

また、潤滑油が排除されてしまった場合、マグネットロータがコイル素子側にクリアランス分引き寄せられることになる。このため、コイル素子に通電が行われるたびに、マグネットロータがコイル素子側に引き寄せられ、それに伴って叩き音が発生することになる。特に、上記のようにステップモータが２相式のものとされる場合、特許文献１に示されるように、２つのコイル素子を互いの中心軸が直交するような位置関係として配置することができるが、各コイル素子で順番に磁気力を発生させることになるため、各コイル素子で順番にマグネットロータが引き寄せられることになり、その度に叩き音が発生するという問題も発生させる。

本発明は上記点に鑑みて、マグネットロータの回転軸と軸受けとの間のクリアランスに起因する叩き音の発生を防止できるステップモータを提供することを目的とする。

また、ステップモータが２相式のものとされる場合において、２つのコイル素子が互いの中心軸が直交するような位置関係として配置される場合に、各コイル素子で順番にマグネットロータが引き寄せられることで発生する叩き音を防止できるようにすることも目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、マグネットロータ（３０ｃ）の中心に、回転中心軸の外周面が嵌入される軸受け（３０ｃａ）が備えられ、２つのコイル素子（Ｃａ、Ｃｂ）の中心軸が前記回転中心軸の位置で直交し、２つのコイル素子への通電を行うとマグネットロータが前記回転中心軸を軸として回転させられるように構成されたステップモータであって、前記回転中心軸と前記軸受けとの間にオイルが充填され、さらに、前記回転中心軸のうち前記軸受けとの接触位置には、オイル溜り用の溝（３７ａ）が形成されていることを特徴としている。

このように、回転中心軸のうち軸受けとの接触位置にオイル溜り用の溝を設けることで、回転中心軸と軸受けとの間のオイルが排除され尽してしまうことを防止できる。これにより、回転中心軸と軸受けとの間のクリアランスをオイルで満たすことができ、クリアランスに起因する叩き音が発生することを防止することが可能となり、叩き音の発生を防止できるステップモータにできる。

例えば、このようなオイル溜り用の溝は、請求項２に示されるように、回転中心軸を部分的に縮径することで構成される。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は本発明に係る乗用車用計器の第１実施形態を示しており、この計器は、当該乗用車の車室内に設けたインストルメントパネルに配設されている。

当該計器は、図１にて示すごとく、目盛り盤１０と、この目盛り盤１０にその裏面側にて並行に位置する配線板２０と、回動内機３０とを備えている。回動内機３０は、内機本体３０ａと、この内機本体３０ａから配線板２０の貫通穴部２１及び目盛り盤１０の貫通穴部１１を通り回動可能に延出する指針軸３０ｂ１とにより構成されている。ここで、配線板２０は、図１にて示すごとく、内機本体３０ａの上端面にこれに沿うように支持されている。

内機本体３０ａは、図１及び図２にて示すごとく、断面コ字状のケーシング３１を備えており、このケーシング３１は、その開口部３１ａにて、配線板２０にその裏面側から複数のねじにより締着されている。

また、内機本体３０ａは、図２にて示すごとく、ケーシング３１内に組み付けたステップモータＭ及び減速歯車列Ｇを備えている。ステップモータＭは、ステータ３０ｂと、マグネットロータ３０ｃとにより構成されている。ステータ３０ｂは、環状ヨーク３２と、両コイル素子Ｃａ、Ｃｂとを備えており、環状ヨーク３２は、ケーシング３１内にその底壁（配線板２０の裏面に並行となっている）に沿い移動不能に収容固定されている。

図３に、図２における環状ヨーク３２のみを取り出した正面図を示す。図２および図３に示されるように、環状ヨーク３２は、略コ字状の各ヨーク部３２ａ乃至３２ｃからなるもので、両ヨーク部３２ｂ、３２ｃは、ヨーク部３２ａから二股状に延出するように一体に形成されている。

両ヨーク部３２ｂ、３２ｃの中間位置には、マグネットロータ３０ｃ側に突出するように形成された棒状部３２ｄ、３２ｅが形成され、これら各棒状部３２ｄ、３２ｅが挿入されるようにしてコイル素子Ｃａ、Ｃｂが配置されている。

そして、ヨーク部３２ａから５箇所突き出した突出部３２ｆ、上記各棒状部３２ｄ、３２ｅおよび両ヨーク部３２ｂ、３２ｃの連結位置に設けられた突出部３２ｇの計８つがマグネットロータ３０ｃから等距離で、かつ、マグネットロータ３０ｃの回動方向に等間隔に並んだ構成となる。これにより、環状部が構成されている。

両コイル素子Ｃａ、Ｃｂは、共に、直方体形状のもので、これら各コイル素子Ｃａ、Ｃｂは、それぞれ、図２に示されるように、各ヨーク部３２ｂ、３２ｃ内に移動不能に収容固定されている。

コイル素子Ｃａは、ボビン３３と、ソレノイド状コイル３４とにより構成されている。ボビン３３は、電気絶縁性樹脂により断面四角形状にて段付き筒状に形成されており、このボビン３３は、小径の巻装部の軸方向両端に大径の各保持部３３ａ、３３ｂをそれぞれ同軸的に形成して構成されている。

ここで、保持部３３ａは、ピン状ターミナル３３ｃを備えており、このターミナル３３ｃは、保持部３３ａの図２にて図示左端部ａから配線板２０の貫通穴部２２（図１参照）を通り延出している。一方、保持部３３ｂは、ピン状ターミナル３３ｄを備えており、このターミナル３３ｄは、保持部３３ｂの図２にて図示左端部ｂから配線板２０の貫通穴部２３（図１参照）を通り延出している。

コイル３４は、ボビン３３の巻装部に同軸的に巻装されており、このコイル３４は、各保持部３３ａ、３３ｂにより保持されている。また、コイル３４は、各ターミナル３３ｃ、３３ｄ近傍にそれぞれ延出する各巻線状端子３４ａ、３４ｂを備えており、巻線状端子３４ａは、ターミナル３３ｃに巻き付けられ、一方、巻線状端子３４ｂは、ターミナル３３ｄに巻き付けられている。また、ターミナル３３ｃはその先端部にて巻線状端子３４ａと共に配線板２０の表面の対応配線部にはんだ付けされ、一方、ターミナル３３ｄはその先端部にて巻線状端子３４ｂと共に配線板２０の表面の対応配線部にはんだ付けされている。なお、上記はんだ付けに代えて、溶接等の電気的に接続可能な方法によりターミナル３３ｃ、３３ｄの巻線状端子３４ａ、３４ｂと共の上記各対応配線部との接続を行ってもよい。

コイル素子Ｃｂは、ボビン３５と、ソレノイド状コイル３６とにより構成されている。ボビン３５は、電気絶縁性樹脂により断面四角形状にて段付き筒状に形成されており、このボビン３５は、小径の巻装部の軸方向両端に大径の各保持部３５ａ、３５ｂをそれぞれ同軸的に形成して構成されている。

ここで、保持部３５ａは、ピン状ターミナル３５ｃを備えており、このターミナル３５ｃは、保持部３５ａの図２にて図示下端部ｃから配線板２０の貫通穴部（図示しない）を通り延出している。一方、保持部３５ｂは、ピン状ターミナル３５ｄを備えており、このターミナル３５ｄは、保持部３５ｂの図２にて図示下端部ｄから配線板２０の貫通穴部（図示しない）を通り延出している。

コイル３６は、ボビン３５の巻装部に同軸的に巻装されており、このコイル３６は、各保持部３５ａ、３５ｂにより保持されている。また、コイル３６は、各ターミナル３５ｃ、３５ｄ近傍にそれぞれ延出する各巻線状端子３６ａ、３６ｂを備えており、巻線状端子３６ａは、ターミナル３５ｃに巻き付けられ、一方、巻線状端子３６ｂは、ターミナル３５ｄに巻き付けられている。また、ターミナル３５ｃはその先端部にて巻線状端子３６ａと共に配線板２０の表面の対応配線部にはんだ付けされ、一方、ターミナル３５ｄはその先端部にて巻線状端子３６ｂと共に配線板２０の表面の対応配線部にはんだ付けされている。なお、上記はんだ付けに代えて、溶接等の電気的に接続可能な方法によりターミナル３５ｃ、３５ｄの巻線状端子３６ａ、３６ｂと共の上記各対応配線部との接続を行ってもよい。

また、両コイル素子Ｃａ、Ｃｂは、図２にて示すごとく、後述するマグネットロータ３０ｃの回転軸３７と指針軸３０ｂ１との間を径方向に結ぶ線に対し、対称的に位置しており、両コイル素子Ｃａ、Ｃｂの各軸は、マグネットロータ３０ｃの回転軸３７を基準として互いにほぼ直交する位置にある。また、コイル素子Ｃａは、その保持部３３ｂにて、マグネットロータ３０ｃの外周面に対向し、一方、コイル素子Ｃｂは、その保持部３５ｂにて、マグネットロータ３０ｃの外周面に対向している。

マグネットロータ３０ｃは、中心に軸受け３０ｃａを備えて構成され、軸受け３０ｃａに回転軸３７が嵌入されることで、回転軸３７に支持されている。これにより、マグネットロータ３０ｃは、回転軸３７を軸として回転自在となっている。これら軸受け３０ｃａと回転軸３７との間には、図示しないが潤滑油が充填される。

また、マグネットロータ３０ｃの外周面は、軸受け３０ｃａの周方向においてＮ極とＳ極とが交互に着磁された着磁面を為しており、この着磁面が環状ヨーク３２における突出部３２ｆ、３２ｇおよび棒状部３２ｄ、３２ｅそれぞれと対向するように配置されている。これにより、マグネットロータ３０ｃは、その着磁面にて、ヨーク部３２ａの各磁極及び両コイル素子Ｃａ、Ｃｂに対向して、各コイル３４、３６及びヨーク３２と共に磁気回路を形成し、両コイル３４、３６への配線板２０を介する給電のもとに回転する。

回転軸３７は、ケーシング３１の底壁と配線板２０との間に回動不能に支持されている。この回転軸３７の中心軸を通る線（図２のＡ−Ｏ−Ｂ線）での断面図を図４に示す。この図に示されるように、回転軸３７は、基本的には円柱形状を為しているが、軸受け３０ｃａとの接触面において、部分的に縮径されたオイル溜り用の溝３７ａが備えられている。

また、回転軸３７には、マグネットロータ３０ｃと同軸的に、減速歯車列Ｇの入力段側歯車３８ａが支持されている。本実施形態では、この入力段側歯車３８ａもマグネットロータ３０ｃの一部として一体成形されている。

減速歯車列Ｇは、図２にて示すごとく、上記入力段側歯車３８ａの他、２枚の中間側歯車３８ｂ、３８ｃ及び出力段側歯車３８ｄを備えている。中間側歯車３８ｂ、３８ｃは、回転軸３７と指針軸３０ｂ１との間に位置しており、これら歯車３８ｂ、３８ｃは、回転軸３９に同軸的に支持されている。ここで、歯車３８ｂは、歯車３８ａと噛合している。出力段側歯車３８ｄは、指針軸３０ｂ１に同軸的に支持されており、この歯車３８ｄは、歯車３８ｃと噛合している。

これにより、減速歯車列Ｇは、マグネットロータ３０ｃの回転を歯車３８ａから歯車３８ｄに減速して伝達する。なお、回転軸３９は、ケーシング３１の底壁と配線板２０との間に回動可能に支持されている。また、各歯車３８ａ乃至３８ｄは、その噛合音を発生しないか或いは少なくとも発生しにくいもの（例えば、柔らかい合成樹脂）により形成されている。

当該計器は、図１にて示すごとく、発光指針４０及び複数の光源５０を備えており、発光指針４０は、その回動基部４１にて、指針軸３０ｂ１の先端部に支持されて、目盛り盤１０の表面に沿い回動するようになっている。各光源５０は、発光ダイオードからなるもので、これら各光源５０は、指針軸３０ｂ１の軸周り近傍にて、目盛り盤１０の貫通穴部１１を通して発光指針４０の回動基部４１を臨むように、互いに間隔をおいて、配線板２０の表面に配設されている。これら各光源５０は、その各巻線状端子にて、配線板２０の表面の対応配線部にはんだ付けにより電気的に接続されている。

これにより、各光源５０は、配線板２０を介し給電されて、発光し、目盛り盤１０の貫通穴部１１を通して発光指針４０の回動基部４１内に光を入射する。なお、各光源５０は、発光ダイオードに限ることなく、例えば、ランプでもよい。

以上のような構成のステップモータＭが備えられた計器となっている。次に、このような構成のステップモータＭにより得られる効果について説明する。

上述したように、ステップモータＭにおける回転軸３７にオイル溜り用の溝３７ａを備えている。このような構成とされているため、オイル溜り用の溝３７ａ内に潤滑油が溜められ、回転軸３７と軸受け３０ｃａとの間の潤滑油が排除され尽してしまうことを防止できる。これにより、回転軸３７と軸受け３０ｃａとの間のクリアランスを潤滑油で満たすことができ、クリアランスに起因する叩き音が発生することを防止することが可能となり、叩き音の発生を防止できるステップモータにできる。

そして、本実施形態のように、ステップモータＭが２相式のものとされる場合においては、上述したように、各コイル素子Ｃａ、Ｃｂにマグネットロータ３０ｃが引き寄せられることになり、叩き音が発生する可能性があるが、マグネットロータ３０ｃにおける軸受け３０ｃａと回転軸３７との間のクリアランスを潤滑油で満たせるため、これを起因とする叩き音も防止できる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の基本構造は第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５は、本実施形態の計器に備えられたステップモータのマグネットロータ３０ｃの断面構造を示した図である。この図に示されるように、本実施形態では、マグネットロータ３０ｃにおける軸受け３０ｃａの端部、具体的には上端部を段付き形状とすることでオイル溜り用の凹部３０ｃｂを形成している。

このような凹部３０ｃｂを形成することによっても、回転軸３７と軸受け３０ｃａとの間の潤滑油が排除され尽してしまうことを防止でき、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態の基本構造は第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６は、本実施形態の計器に備えられたステップモータのマグネットロータ３０ｃの断面構造を示した図である。この図に示されるように、本実施形態では、マグネットロータ３０ｃにおける軸受け３０ｃａをオイルレスメタルで構成している。このような軸受け３０ｃａは、マグネットロータ３０ｃを製造する際に軸受け３０ｃａをインサート成形することで形成される。

オイルレスメタルは、例えば含油鋼と呼ばれる油を含んだ材料（例えば、ポートライト株式会社製のポーライト（商品名）、東京焼結株式会社製のオイロン（商品名）、三菱マテリアル株式会社製のダイヤメットベアリング（商品名））によって構成されるもので、その材料自体から油が染み出てきて、それが潤滑油として機能するようになっているものである。

このようなに、オイルレスメタルによって軸受け３０ｃａを形成することによっても、回転軸３７と軸受け３０ｃａとの間の潤滑油が排除され尽してしまうことを防止でき、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
上記第１実施形態では、回転軸３７にオイル溜り用の溝３７ａを形成したが、マグネットロータ３０ｃの軸受け３０ｃａ側にオイル溜り用の溝を形成するようにしても構わない。ただし、マグネットロータ３０ｃを２部材で構成する等、軸受け３０ｃａ側にオイル溜り用の溝を形成するのが難しいため、回転軸３７に形成する方が容易である。

上記第１実施形態では、回転軸３７にオイル溜り用の溝３７ａを２つ形成したが、数は任意であり、１つであっても、３つ以上であっても構わない。

また、第３実施形態では、マグネットロータ３０ｃの軸受け３０ｃａをオイルレスメタルで構成したが、これは単なる一例であり、軸受け３０ｃａと回転軸３７の少なくとも一方をオイルレスメタルで構成すれば良い。

また、上記第３実施形態で示した軸受け３０ｃａは、すべてがオイルレスメタルで形成されていなければならない訳ではなく、部分的にオイルレスメタルで形成されていても良い。

本発明の第１実施形態におけるステップモータを備えた車両用計器の断面構成を示す図である。 図１に示す車両用計器におけるステップモータを、上側ケーシング部材を除去した状態で示す平面図である。 図２に示すステップモータの環状ヨークのみを取り出した図である。 図２におけるＡ−Ｏ−Ｂ断面図である。 本発明の第２実施形態におけるステップモータのマグネットロータの断面構成を示す図である。 本発明の第３実施形態におけるステップモータのマグネットロータの断面構成を示す図である。

符号の説明

Ｃａ、Ｃｂ…コイル素子、Ｍ…ステップモータ、３０ｂ…ステータ、３０ｃ…マグネットロータ、３０ｃａ…軸受け、３０ｃｂ…オイル溜り用の凹部、３２…環状ヨーク、３２ａ〜３２ｃ…ヨーク部、３２ｄ、３２ｅ…棒状部、３２ｆ、３２ｇ…突出部、３７…回転軸、３７…オイル溜り用の溝。

Claims (2)

1. 回転中心軸（３７）と、
   前記回転中心軸の外周面が嵌入される軸受け（３０ｃａ）が中心に備えられていると共に、該軸受けの周方向に着磁が為された着磁面が備えられ、前記回転中心軸を軸として回転自在に構成されたマグネットロータ（３０ｃ）と、
   前記マグネットロータにおける前記着磁面と対向するように配置された金属製のヨーク（３２）および前記回転軸の両側に設けられた２つのコイル素子（Ｃａ、Ｃｂ）を有するステータ（３０ｂ）とを有してなり、
   前記２つのコイル素子（Ｃａ、Ｃｂ）は、互いの中心軸が前記回転中心軸の位置で直交する位置関係であり、
   前記２つのコイル素子への通電を行うと前記マグネットロータが前記回転中心軸を軸として回転させられるように構成され、
   前記回転中心軸と前記軸受けとの間にオイルが充填されており、
   前記回転中心軸のうち前記軸受けとの接触位置には、オイル溜り用の溝（３７ａ）が形成されていることを特徴とするステップモータ。
2. 前記オイル溜り用の溝は、前記回転中心軸を部分的に縮径することで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のステップモータ。

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