JP4378207B2 - ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、機器の駆動源等に用いられるステッピングモータの改良に関するものである。

ステータの位相合わせをボビン端子台にて行う超小型のステッピングモータが提案（特許文献１）されている。この提案におけるステッピングモータの分解斜視図を図９に示す。

図９において、１１１は周方向に多極着磁されたマグネット、１１２はシャフトであり、これらでロータ１１０を構成している。ロータ１１０に対向するステータ１２０としてそれぞれ同一形状のものを２組を備え、マグネット１１１の軸方向両端側に対向配置されている。ステータ１２０は、内ヨーク１２１、コイルボビン１２２及び外ヨーク１２３と内ヨーク１２１と外ヨーク１２３の各内径側を磁気的かつ機械的につなぐ円筒部材１２４より成る。コイルボビン１２２は樹脂などの絶縁材で作られ、外周側にボビン端子台１２２ａがある。内ヨーク１２１と外ヨーク１２３は共に磁性材にて作られ、それぞれの歯形状の磁極部１２１ｂ及び１２３ｂがマグネット１１１の外周面に対向している。また、外ヨーク１２３の磁極部１２３ｂは内ヨーク１２１の磁極部１２１ｂに対し電気角で１８０°の位相差を持つ位置に配置されている。これら磁極部１２３ｂと磁極部１２１ｂの相対位置規制を行っているのがコイルボビン１２２のボビン端子台１２２ａであり、この構成について図１０を用いて説明する。

図１０（ａ）はコイルボビン１２２を軸方向から見た図であり、図１０（ｂ）はコイルボビン１２２の断面図である。コイルボビン１２２のボビン端子台１２２ａにはステータ規制部１２２ｄ，１２２ｅが設けられており、このうちステータ規制部１２２ｄが内ヨーク１２１の磁極部１２１ｂと係合し、ステータ規制部１２２ｅが外ヨーク１２３の磁極部１２３ｂと係合している。このように係合することにより、内ヨーク１２１とコイルボビン１２２、外ヨーク１２３とコイルボビン１２２がそれぞれ位置決めされ、内ヨーク１２１と外ヨーク１２３とが互いに電気角１８０°の位置に正しく保持される構成となっている。

また、上記構成のステッピングモータでは、２組のステータ１２０間の回転方向位置が所定角（通常は電気角９０°）の位置に位置決めしておく必要がある。そこで、モータケース１３１の開口部１３１ａとボビン端子台１２２ａに設けられたヨーク規制部１２２ｆとを係合させ、該ヨーク規制部１２２ｆの位置がステータ規制部１２２ｄ，１２２ｅに対し所定のずれ角を形成するように設定することで、２組のステータ１２０間の位相差を作り出している。これらによって、位置合わせが容易で、組み立て性を向上させたものとなっている。

別の従来例として、２組のステータの位置決めを別部品にて行うステッピングモータが提案（特許文献２）されている。図１１にその分解斜視図を示す。

図１１において、２０１は、マグネットに対向しているステータ（内側磁極部及び外側磁極部）と該ステータを励磁するコイルとを有し、これらを樹脂により覆った一体の第１磁気ユニットである。同じく２０２は、マグネットに対向しているステータ（内側磁極部及び外側磁極部）と該ステータを励磁するコイルとを有し、これらを樹脂により覆った一体の第２磁気ユニットである。２０３はマグネット、２０４はマグネット２０３が固着され、該マグネット２０３を回転可能に保持しているシャフトである。２０５，２０６は軸受けである。

この構成のステッピングモータは、２組の第１及び第２の磁気ユニット２０１，２０２をマグネット２０３の両端側から挟み込むことで成るものである。詳しくは、樹脂で覆われた第１の磁気ユニット２０１と同じく樹脂で覆われた第２の磁気ユニット２０２とを突き合わせて一体化した円筒形状のモータとして構成されるものであり、その突き合わせ部にピンや突起などの形状部を設けてそれぞれの外側磁極部が所定の角度を維持しつつ位置決めができるようにし、その後突き合わせ部に接着樹脂を塗布して硬化させ固定されて成るものである。
特開２００３−９４９７号公報 特開２００３−１８９５２８号公報

上記特許文献１のステッピングモータにおいては、内ヨーク１２１と外ヨーク１２３の位置合わせは直接ボビン端子台１２２ａで行っているので、かなり精度よく組み立てることができる。しかしながら、２組のステータ１２０間の位相合わせは、コイルボビン１２２とステータ１２０、コイルボビン１２２とモータケース１３１という２つの段階を経て、結果的にステータ１２０同士が位相合わせされるものであって、部品公差などを考慮すると、ステータ１２０間の位相合わせ寸法精度が良いものとは言えない。このようにステータ同士を一つの部品にて位相合わせを行う規制部を設けた別部材（モータケース１３１に相当）を用いたのでは、部品点数が増えたり、また部品形状が複雑になったりするなどの問題がある。

特許文献２に示すステッピングモータにおいても、外側を覆う樹脂にて位置決めを行っているので精度の良い位置決めにはならないが、特許文献１に示すものに比べればモータケースを介さない分だけ、精度よくなる。また、モータケース部品そのものが必要ないので、部品点数を減らすことはでき、組み立ても容易であるという利点も有する。しかしながら、ステータやコイルを樹脂にて覆うインサート成形する必要があり、そのためのコストが高くなるという欠点がある。

（発明の目的）
本発明の第１の目的は、第１と第２のステータの周方向の位置合わせを一つの部品にて行うことによって、精度を良好なものにす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。

本発明の第２の目的は、第１と第２のステータの周方向の位置合わせを一つの部品にて行うとともに、この一つの部品によって各ステータおよびマグネットを外部より保護することで、部品点数を削減し、組み立て性を良好にして、低コスト化を実現した、高精度のステッピングモータを提供しようとするものである。

上記第１の目的を達成するために、本発明のステッピングモータは、周方向に分割して異なる極に交互に着磁される円筒形状のマグネットと、前記マグネットの一方側の外周面に所定の間隔をもって対向配置される第１の外側磁極部が形成される第１のステータと、前記マグネットの他方側の外周面に所定の間隔をもって対向配置される第２の外側磁極部が形成される第２のステータと、軟磁性材料から成り、前記第１および第２のステータと磁気的に接続され、前記マグネットの一方側の内周面に固定される第１の内側磁極部および前記マグネットの他方側の内周面に固定される第２の内側磁極部が形成される回転軸と、前記第１の外側磁極部および第１の内側磁極部を励磁する第１のコイルと、前記第２の外側磁極部および第２の内側磁極部を励磁する第２のコイルと、前記第１のコイルが巻回される第１の円筒部と、前記第２のコイルが巻回される第２の円筒部とが前記回転軸の軸方向に前記マグネットを挟む位置に配置され、前記第１の円筒部および前記第２の円筒部から延出形成されることで、前記第１の円筒部と前記第２の円筒部とを連結するボビン端子台が形成されるとともに、前記ボビン端子台の内周面に前記第１の外側磁極部および前記第２の外側磁極部が係合する係合溝が形成されるボビンとを有することを特徴としている。

また、上記第２の目的を達成するために、本発明のステッピングモータは、周方向に分割して異なる極に交互に着磁される円筒形状のマグネットと、前記マグネットの外周面に所定の間隔をもって対向配置される第１の外側磁極部が形成される第１のステータと、前記第１の外側磁極部から周方向に所定角度だけずれた位置で、前記マグネットの外周面に所定の間隔をもって対向配置される第２の外側磁極部が形成される第２のステータと、軟磁性材料から成り、前記第１および第２のステータと磁気的に接続され、前記マグネットの内周面に固定される内側磁極部が形成される回転軸と、前記第１の外側磁極部および前記内側磁極部を励磁する第１のコイルと、前記第２の外側磁極部および前記内側磁極部を励磁する第２のコイルと、前記第１のコイルが巻回される第１の円筒部と、前記第１の円筒部からから延出形成されることで、前記マグネットの外周面の一方側を覆うように形成される第１のカバー部と、前記第１のカバー部の内周面に前記第１の外側磁極部および前記第２の外側磁極部が係合する第１の位置規制溝とが形成される第１のボビンと、前記第２のコイルが巻回される第２の円筒部と、前記第２の円筒部からから延出形成されることで、前記マグネットの外周面の他方側を覆うように形成される第２のカバー部と、前記第２のカバー部の内周面に前記第１の外側磁極部および前記第２の外側磁極部が係合する第２の位置規制溝とが形成される第２のボビンとを有することを特徴としている。

本発明によれば、第１と第２のステータの周方向の位置合わせを一つの部品にて行うことによって、精度を良好なものにすることができるステッピングモータを提供できるものである。

また、本発明によれば、第１と第２のステータの周方向の位置合わせを一つの部品にて行うとともに、この一つの部品によって各ステータおよびマグネットを外部より保護することで、部品点数を削減し、組み立て性を良好にして、低コスト化を実現した、高精度のステッピングモータを提供できるものである。

以下の実施例１及び実施例２に示す通りである。

図１〜図３は本発明の実施例１に係る図であり、そのうち、図１はステッピングモータの分解斜視図、図２は図１のステッピングモータの組み立て後の軸方向の断面図である。

図１及び図２において、１は円筒形状からなるマグネットであり、その外周面を円周方向にｎ分割（本実施例１ではｎ＝１０）してＳ極及びＮ極が交互に着磁された着磁部を有する。２は軟磁性材料からなる第１のステータであり、外筒及び中央に穴部２ｇの開いたドーナツ状の天板２ｆで構成されている。該第１のステータ２の外筒はその先端部に軸方向に延出する第１の外側磁極部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが形成され、該第１の外側磁極部２ａ〜２ｅは円周方向に７２０／ｎ度（本実施例１では７２度）間隔で形成されている。３は軟磁性材料からなる第２ステータであり、外筒及び中央に穴部３ｇの開いたドーナツ状の天板３ｆで構成されている。該第２のステータ３の外筒はその先端部に軸方向に延出する第２の外側磁極部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅが形成され、該第２の外側磁極部３ａ〜３ｅは円周方向に７２０／ｎ（本実施例１では７２）度間隔で形成されている。

前記第１のステータ２の外側磁極部２ａ〜２ｅ及び前記第２のステータ３の第２の外側磁極部３ａ〜３ｅは、共に軸と平行方向に延出する歯形状をしている。この構成により、ステッピングモータの直径を最小限にしつつ、磁極部の形成が可能となる。つまり、もし外側磁極部を半径方向に延びる凹凸で形成するとその分該モータの直径は大きくなってしまうのであるが、本実施例１では、軸と平行方向に延出する歯形状により外側磁極部を構成しているので、該モータの直径を最小限に抑えることができる。

４は円筒形状の第１のコイルであり、後述のボビン９に巻き付けられる。この第１のコイル４は外径がマグネット１の外径とほぼ同じ寸法となっている。５は円筒形状の第２のコイルであり、同じく後述のボビン９に巻き付けられている。この第２コイル５の外径もマグネット１の外径とほぼ同じ寸法となっている。

６は軟磁性材料から成る回転軸であり、第１のコイル４及び第２のコイル５の内径部に挿入され、かつマグネット１の内径部に接着固定されている。この回転軸６には、マグネット１に対向している第１のステータ２の第１の外側磁極部２ａ〜２ｅと対向した軸方向の範囲でマグネット１を挟む位置に外径寸法Ｄ１なる第１の内側磁極部６ａが形成されている。回転軸６は一部６ｃ，６ｅが第１のコイル４の内径部に挿入されており、第１の内側磁極部６ａは第１のコイル４への通電によって第１の外側磁極部２ａ〜２ｅとは反対の極に励磁される。第１の内側磁極部６ａの軸と垂直方向の断面形状は図３に示すような円形形状である。

同様にして、回転軸６にはマグネット１に対向している第２のステータ３の第２の外側磁極部３ａ〜３ｅと対向した軸方向の範囲でマグネット１を挟む位置に外径寸法Ｄ１なる第２内側磁極部６ｂが形成されている。回転軸６は一部６ｄ、６ｆが第２のコイル５の内径部に挿入されており、第２の内側磁極部６ｂは第２のコイル５によって第２の外側磁極部３ａ〜３ｅとは反対の極に励磁される。第２の内側磁極部６ｂの軸と垂直方向の断面形状は第１の内側磁極部６ａと同様に円形形状である。

第１の内側磁極部６ａと第２の内側磁極部６ｂとに挟まれた部分（図２のＴで示す連結部分）はその外径がＤ２であり、Ｄ１＞Ｄ２が成り立つ径となっている。Ｄ２は小径であるために第１の内側磁極部６ａと第２の内側磁極部６ｂの間の磁気抵抗が大きくなるように作用する。これにより、第１のコイル４への通電により発生する磁束が軟磁性材料から成る回転軸６を介して第２のコイル５及び第２の外側磁極部３ａ〜３ｅ、第２の内側磁極部６ｂに影響を及ぼすことを防いでいる。同様にして、第２のコイル５への通電により発生する磁束が軟磁性材料から成る回転軸６を介して第１のコイル４及び第１の外側磁極部２ａ〜２ｅ、第１の内側磁極部６ａに影響を及ぼすことを防ぎ、回転が安定したものとなるような構成となっている。また、回転軸６は軸部６ｅが後述の第１の軸受け７と嵌合し、軸部６ｆが後述の第２の軸受け８と嵌合することによって回転可能に保持されている。

マグネット１は回転軸６の第１の内側磁極部６ａあるいは第２の内側磁極部６ｂの部分に固着されている。このようにマグネット１はその内径を第１及び第２の内側磁極部６ａ，６ｂで埋められているので該マグネット１の機械的強度が増え、また第１及び第２の内側磁極部６ａ，６ｂはバックメタルとして働き、磁気回路のパーミアンス係数は高く設定されることになり、高温下の環境で使用されても減磁による磁気的劣化も少なくなる。

７は軟磁性材料から成る第１の軸受けであり、第１のステータ２の穴部２ｇで固定されており、これによって第１の軸受け７と第１のステータ２が磁気的に接続されている。また、第１の軸受け７の内径部において回転軸６の軸部６ｅと嵌合することによって該回転軸６を回転可能に保持するとともにこの嵌合部において第１の軸受け７と回転軸６が磁気的に接続されている。以上のことにより、第１の軸受け７を介して第１のステータ２と回転軸６とが磁気的に接続され、第１のコイル４により発生する磁束が流れやすくなっている。

８は軟磁性材料からなる第２の軸受けであり、第２のステータ３の穴部３ｇで固定されており、これによって第２の軸受け８と第２のステータ３が磁気的に接続されている。また、第２の軸受け８の内径部において回転軸６の軸部６ｆと嵌合することによって該回転軸６を回転可能に保持するとともにこの嵌合部において第２の軸受け８と回転軸６が磁気的に接続されている。以上のことより、第２の軸受け８を介して第２のステータ３と回転軸６とが磁気的に接続され、第２のコイル５により発生する磁束が流れやすくなっている。

９は第１のコイル４と第２のコイル５が巻き付けられる樹脂モールドにて作成のボビンである。ボビン９の円筒部９ａの外周に第１のコイル４が巻き付けられ、ボビン端子台９ｃに設けられた端子９ｆにコイル端がからげられる。同様にして、ボビン９の円筒部９ｂの外周に第２のコイル５が巻き付けられ、ボビン端子台９ｃに設けられた端子９ｇにコイル端がからげられる。ボビン端子台９ｃが軸方向に延び、前記円筒部９ａと９ｂが連結されており、これらが一体で構成されている。

ボビン９を上記の構成にしたことにより、ボビン端子台９ｃに多少の力がかかっても該ボビン端子台９ｃが倒れたり、破損したりする危険性は少なくなっている。また、ボビン端子台９ｃの内周面側には係合溝９ｄ，９ｅが設けられており、係合溝９ｄに第１のステータの第１の外側磁極部２ａが嵌合し、係合溝９ｅに第２のステータの第２の外側磁極部３ａが嵌合している。係合溝９ｄ及び係合溝９ｅはその位置が円周方向に１８０／ｎ度（電気角で９０度）ずれた位置に設けられている。よって、これら係合溝９ｄ，９ｅと嵌合している第１の外側磁極部２ａと第２の外側磁極部３ａは相対的に１８０／ｎ度（電気角で９０度）ずれて位置決めされることになる。ボビン９は、第２のコイル５が巻き付けられている円筒部９ｂとその端子部を別部品にて作成してもかまわない。

１０は構成部品を覆い隠すカバーであり、ボビン端子台９ｃの部分が切り欠かれており、平板を丸めたもので構成できるので安価である。該カバー１０の軸方向両端からそれぞれ第１のステータ２と第２のステータ３を差し込み、組み立てを行う。また、カバー１０は非磁性板材にて形成されており、第１のステータ２と第２のステータ３との間の磁気回路を分断してお互いの磁極部の影響が出にくい構成となっている。

特許文献１にて提案されたステッピングモータでは、ボビンに設けられた位置決め部によって、まずボビンと第１のステータが規制され、その後このボビンに設けられた係合部とカバーとが係合し、これらを第２のステータにも行うことにより、最終的に第１のステータと第２のステータとが位置決めされるものである。その際、第１のステータと第２のステータとの位置誤差は、ボビンに設けられた係合溝の公差と、係合溝とステータとの嵌合公差と、ボビン上のステータ規制部とカバーとの嵌合公差とが２組、つまり倍の数の公差が積み重なった誤差によって管理されており、ステータ間の位置誤差は大きなものになってしまい、精度が良くない。寸法の小さい小型ステッピングモータでは特にこの公差による誤差が大きく響き、回転精度などに大きく関与してくる。これに対し、本実施例１では、上記構成にすることによって、第１のステータ２と第２のステータ３との相対位置誤差はボビン９に設けられた係合溝９ｄ，９ｅの公差と、該係合溝９ｄ，９ｅと第１、第２の外側磁極部２ａ，３ａとの嵌合公差のみで管理されており、位置決め精度ははるかに向上したものとなっている。また、２組の第１、第２のステータ２，３の位置決めを行っている係合部（係合溝の部分）を樹脂によるモールド成形によって作られるボビン９に設けたことで、係合部を一体的に成形可能であり、余分なコストもかからない。

図３（ａ）〜（ｄ）は図２のＡ−Ａ断面、図３（ｅ）〜（ｈ）は図２のＢ−Ｂの断面であり、これらを用いて本実施例１におけるステッピングモータの回転駆動について詳細に説明する。なお、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。

図３（ａ）と（ｅ）の状態は、第１のコイル４及び第２のコイル５に通電して第１の外側磁極部２ａ〜２ｅをＮ極に、第２の外側磁極部３ａ〜３ｅをＳ極に、それぞれ励磁した際の様子である。この状態から、第１のコイル４への通電を反転させ、第１の外側磁極部２ａ〜２ｅをＳ極に励磁し、第２の外側磁極部３ａ〜３ｅはＳ極に励磁したままにすると、マグネット１は反時計回りに１８度回転し、図３（ｂ）と（ｆ）に示す状態になる。

次に、第２のコイル５への通電を反転させ、第１の外側磁極部２ａ〜２ｅはＳ極に励磁したままにし、第２の外側磁極部３ａ〜３ｅをＮ極に励磁すると、マグネット１は更に反時計回りに１８度回転し、図３（ｃ）と（ｇ）に示す状態になる。次に第１のコイル４への通電を反転させ、第１の外側磁極部２ａ〜２ｅをＮ極に励磁し、第２の外側磁極部３ａ〜３ｅはＮ極に励磁したままにすると、マグネット１は更に反時計回りに１８度回転し、図３（ｄ）と（ｈ）に示す状態になる。次に第２のコイルへ５コイルへの通電を反転させ、第１の外側磁極部２ａ〜２ｅはＮ極に励磁したままにし、第２の外側磁極部３ａ〜３ｅをＳ極に励磁すると、マグネット１は更に反時計回りに１８度回転する。

以後、このように第１のコイル４及び第２のコイル５への通電方向を順次切り換えていくことによって、マグネット１は通電位相に応じた位置へと順に回転する。この際、第１の外側磁極部２ａ〜２ｅと第２の外側磁極部３ａ〜３ｅとの相対的な位置誤差があると、トルクが出ないだけでなく、停止精度もこれに準じて悪くなるし、個体差が大きく出てしまうので、モータとしての性能が悪くなる。前記特許文献１で提案されているステッピングモータでは、第１のステータと第２のステータとの位置合わせを別の部品（モータカバー）を介して行っているので、最終的に第１のステータと第２のステータとの位置誤差は大きくなる構成であった。これに対し、本実施例１では、第１のステータ２と第２のステータ３との位置合わせをボビン端子台９ｃに係合部（係合溝９ｄ，９ｅ）を設けることで行っており、一つの部品内で第１のステータ２と第２のステータ３との位置合わせが完了するので、寸法誤差が少なく、両者の相対位置も精度よく決まる。そのため、二つのステータの位置誤差に伴う駆動性能の悪化も少なく、性能の良いステッピングモータとなる。また、ボビン９は絶縁体であり、樹脂モールドで作成されているので、第１の外側磁極部２ａと第２の外側磁極部３ａとの間で磁気的に接続されるといったこともないし、規制溝を設けてのモールド成形も容易である。

上記構成のステッピングモータにおいては、次のような特徴もある。

第１のコイル４により発生する磁束は、マグネット１の外周面に対向する第１の外側磁極部２ａ〜２ｅとマグネット１の内周面に固定された回転軸６の第１の内側磁極部６ａとの間を通過するので、特許文献１に提案されているものに比べて効果的にマグネット１に作用する。同様にして、第２のコイル５により発生する磁束は、マグネット１の外周面に対向する第２の外側磁極部３ａ〜３ｅとマグネット１の内周面に固定された回転軸６の第２の内側磁極部６ｂとの間を通過するので、効果的にマグネット１に作用する。その際に、マグネット１の内周面に対向する回転軸６の第１、第２の内側磁極部６ａ，６ｂはマグネット１の内周面との間に空隙を設ける必要がないので、外側磁極部と内側磁極部との距離を狭くでき、磁気抵抗を小さくすることができるから出力を高めている。

また、第１及び第２の内側磁極部６ａ，６ｂは単一の回転軸６で一体に構成されているので、外側磁極部と内側磁極部が別部品として存在するものに比べて容易に製造でき、コストも安い。また組み立てそのものも容易である。

さらに、マグネット１は内径部に回転軸６が固定されるので、強度において優れたものとなるばかりでなく、熱による変形の虞れも少なく、またバックメタルとして回転軸６が作用するので、マグネットの磁気的劣化も少ないものとなる。

以上の説明より明らかなように、本実施例１においては、出力が高いステッピングモータとなり、低コストでありながら、駆動性能、停止精度も良好なものとなる。

図４〜図８は本発明の実施例２に係わる図であり、そのうち、図４は本実施例２に係わるステッピングモータの分解斜視図、図５は図４のステッピングモータの組み立て後における軸方向の断面図、図６は図４のステッピングモータの構成部品であるボビンの詳細を示す構成図、図７は図５のＣ−Ｃ断面図である。

これらの図において、１１は円筒形状のマグネットあり、その外周表面を円周方向に等間隔に４の整数倍である４×ｎ分割（ｎは整数であって本実施例２ではｎ＝４、よって分割数１６）してＳ極、Ｎ極が交互に着磁されている。１４は円筒形状の第１のコイルであり、１５は同じく円筒形状の第２のコイルであって、共に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。この第１、第２のコイル１４，１５の外径はマグネット１１の外径とほぼ等しい。これらの第１、第２のコイル１４，１５は後述のボビン１９，２０に巻き付けられている。

１２は第１のステータであり、１３は第２のステータであって、共に軟磁性材料で構成され、円筒形状の外筒部がある。第１のステータ１２には、マグネット１１の外周面に所定の隙間をもって対向する第１の外側磁極部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが形成されている。この第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄは、円筒形状の第１のステータ１２の外筒部の先端を切り欠くことで周方向に複数に分割され、それぞれがマグネット１１の一方の端面から軸方向に延出した歯形状をしている。そして、第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄは３６０／ｎ度、すなわち９０度ずれて形成されている。第２のステータ１３には、同じくマグネット１１の外周面に所定の隙間をもって対向する第２の外側磁極部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが形成されている。この第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄは、円筒形状の第２のステータ１３の外筒部の先端を切り欠くことで周方向に複数に分割され、それぞれが第１のステータ１２の場合と反対のマグネット１１のもう一方の端面から軸方向に延出した歯形状をしている。そして、第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄも３６０／ｎ度、すなわち９０度ずれて形成されている。

第１のステータ１２は第１のコイル１４によって励磁され、第２のステータ１３は第２のコイル１５によって励磁される。第１のステータ１２の第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄと第２のステータ１３の第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄとは同一形状であって、互いの櫛歯形状の磁極部の先端が向かい合う向きでかつマグネットの外周面にマグネットの軸と並行方向の位置に関して重複するように配置される。第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄと第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄはマグネット１１の軸方向の長さの全て（図５中の寸法Ａ部）においてマグネット１１の外周面に対向している。また、第１のステータ１２と第２のステータ１３とは互いの歯形状の磁極部の位相が１３５／ｎ度、すなわち３３．７５°ずれて配置されている。図７においてその角度をＣで示している。

第１のステータ１２と第２のステータ１３とは互いの櫛歯形状の磁極部のマグネット１１に対向する１歯あたりの角度範囲（図７においてＤで示す）は３６０／（４×ｎ）度以下、すなわち２２．５度以下である。第１のステータ１２の第１の外側磁極部である歯（例えば１２ａ）と第２のステータ１３の第２の外側磁極部である歯（例えば１３ａ）の中心が３３．７５度ずれるように配置しているので、第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄと第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄとは同一形状であって、互いの櫛歯形状の磁極部の先端が向かい合う向きでかつマグネット１１の外周面にマグネットの軸と並行方向の位置に関して重複するように配置されていてもお互いに接触することなくマグネット１１に対向することができる。このため、第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄと第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄがお互いにクロストークを生じることがないので、回転精度及び回転出力が低下してしまうことはない。

１６は軟磁性材料から成る回転軸であり、マグネット１１の内径部に固定されている。この回転軸１６にはマグネット１１に対向している第１のステータ１２の第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄと対向した軸方向の範囲においてマグネット１１を挟む位置に外径寸法Ｄ１なる内側磁極部１６ａを形成してある。第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄは第１のステータ１２の第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄとマグネット１１の軸と並行方向の位置に関して重複するように配置されているので、内側磁極部１６ａは第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄと第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄの両方と対向していることになる。回転軸１６は一部１６ｃが第１のコイル１４の内径部に挿入されており、第１の内側磁極部１６ａは第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄに対向する角度範囲部が第１のコイル１４への通電によって第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄとは反対の極に励磁される。回転軸１６の内側磁極部１６ａの軸と垂直方向の断面形状は図７に示すように円形形状である。また同様にして、一部１６ｄが第２のコイル１５の内径部に挿入されており、内側磁極部１６ａは第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄに対向する角度範囲部が第２コイル１５への通電によって第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄとは反対の極に励磁される。回転軸１６はマグネット１１を内側磁極部１６ａにて固着している。

１７は軟磁性材料から成る第１の軸受けであり、第１のステータ１２に固定され、回転軸１６の軸部１６ｅを回転可能に保持している。１８は同じく軟磁性材料から成る第２の軸受けであり、第２のステータ１３に固定され、回転軸１６の軸部１６ｆを回転可能に保持している。これら第１の軸受け１７、第２の軸受け１８は共に軟磁性材料であって、コイル１４及び１５への通電によって、回転軸１６の内側磁極部１６ａとともに励磁され、磁気回路を構成する。これによって、軸受けを非磁性材料にて作成するのに比べて磁気回路の磁気抵抗が小さくなるので発生するトルク自体は大きくなる。しかし、回転軸１６と軸受けとの間では吸着力が発生して摩擦力によるトルク損失が生じたり、摺動面の耐久性を損なう可能性はあるので、本実施例２においては、第１の軸受け１７、回転軸１６の軸部１６ｅ，１６ｆ、第２の軸受け１８の表面に、潤滑材の塗布、潤滑塗装（フッ素系潤滑塗装・グラファイト系潤滑塗装・二硫化モリブデン系潤滑塗装）、潤滑メッキ（例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）粒子を含有した無電解ニッケルメッキやテフロン（商標）潤滑無電解ニッケルメッキなど）等を施し、摺動面の摩擦によるトルク損失を抑制したり、摺動面の耐久性を損なうことを防いだりして、出力トルクの大きいステッピングモータとしている。

１９は第１のコイル１４が巻き付けられる絶縁材料から成るボビンである。図６（ａ）にボビン１９の斜視図を、図６（ｂ）に軸方向から見た平面図を示す。円筒部１９ａに第１のコイル１４が巻き付けられ、コイル端がボビン端子台１９ｋに設けられた端子１９ｌにからげられる。また、第１のコイル１４が巻き付けられる円筒部１９ａとは逆の方向へ延出したカバー部１９ｂが設けられている。このカバー部１９ｂの内径はマグネット１１の外径よりも大きく、またカバー部１９ｂの外径は各ステータの外径よりも若干大きな寸法となっている。このカバー部１９ｂの内径側には位置規制溝１９ｃ〜１９ｊが設けられている。ボビン１９は第１のステータ１２の外側磁極部１２ａと位置規制溝１９ｃとが係合するようにして、第１の外側磁極部１２ａの歯先側から挿入され、組み立てられる。この際、残る第１の外側磁極１２ｂ，１２ｃ，１２ｄもボビンに設けられた溝１９ｉ，１９ｇ，１９ｅにそれぞれ挿入されることになる。このとき、位置規制溝１９ｉ，１９ｇ，１９ｅの内径（図６にてＤ３で示される寸法）は各ステータの外側磁極部の内径と同じになっており、組み立ての際、各ステータの外側磁極部の歯先が内側に倒れるのを防いでいる。また、第１のステータ１２及び第２のステータ１３の軸方向に延びる第１、第２の外側磁極部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄが互い違いに向き合うように組み立てられ、その際、第２のステータ１３の外側磁極部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄがボビン１９の位置規制溝１９ｄ，１９ｆ，１９ｈ，１９ｊと係合するようにして組み立てられる。

以上のように、規制溝１９ｃと１９ｄ、１９ｅと１９ｆ、１９ｇと１９ｈ、１９ｉと１９ｊが所定の回転方向位相で設けられており、ここに第１のステータ１２の第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄと、第２のステータ１３の第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄが係合することでそれぞれの相対位置を決定することができる。この所定の回転方向位相とは、本実施例２では１３５／ｎ度、すなわち３３．７５°（電気角で２７０度）ずれた位置である。第１のステータ１２と第２のステータ１３との相対的な位相誤差が大きいと、駆動性能そのものが低下するだけでなく、回転精度も悪くなるといった影響を及ぼす。本実施例２では、第１のステータ１２と第２のステータ１３との位相管理をボビン１９に設けられた規制溝１９ｃによって直接行っているので、寸法誤差も少なく、精度よく位置決めができる。また、ボビン１９は樹脂モールドにて成形しているので、規制溝１９ｃを設けた部品の作成も容易だし、さらに規制溝１９ｃとそれ以外の外側磁極部が挿入される溝１９ｅ，１９ｇ，１９ｉによって、比較的曲がりやすい外側磁極部の倒れを防いでおり、マグネット１１と接触する恐れがない。また、カバー部１９ｂの延長上に端子台１９ｋが設けられているので、端子台１９ｋ自体に多少の力が加わっても該端子台１９ｋが倒れたり、破損したりする心配が少ない。

２０も第１のボビン１９と同様の第２のボビンである。円筒部２０ａに第２のコイル１５が巻き付けられ、コイル端がボビン端子台２０ｋに設けられた端子２０ｌへからげられる。本実施例２では、コストダウンのために第１のボビン１９と同形状のものを用いているので、カバー部２０ｂの内周面には各ステータの外側磁極部の位置規制溝２０ｃ〜２０ｊが設けられているが、実際のステータ位置規制は第１のボビン１９にて行われているので、第２のボビン２０に規制溝が設けられる必要はなく、外側磁極部と接触しないように位置規制溝２０ｃ〜２０ｊに相当する８個の溝が設けられていればよい。ただし、第１のボビン１９のときと同様に、各溝の内径部は第２のステータ１３の第２の外側磁極部の歯が倒れないように規制することになる。

上記第１のボビン１９及び第２のボビン２０は、組み立てられた際に、カバー部１９ｂ，２０ｂが向き合うようになる。その際、カバー部１９ｂ，２０ｂの上端面１９ｎ，２０ｎがちょうど当接してボビン同士が固定される。また、カバー部１９ｂ，２０ｂはマグネット１１及び各ステータ１２，１３の外側磁極部を外周から囲むような寸法になっているから、組み立て後は、マグネット１１及び第１及び第２の外側磁極部１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄが、ボビン１９及び２０によって完全に隠された（外側から見えない）状態となっている。つまり、外部からの影響（外力やごみ挿入など）を受けやすいロータ部（マグネット等）と、変形しやすいステータの外側磁極部がボビンによって完全に覆われているので、モータケースなるものはこの駆動装置には必要がなく、部品コストの削減と、組み立て工程の削減を図ることができるものである。

また、第１、第２のボビン１９，２０の端面には突起１９ｍ及び２０ｍが設けられており、ここで、回転軸１６の軸方向の規制を行っている。軸方向の規制を軸受けで受ける方法もあるが、ここで行うと、回転軸と軸受けとが共に軟磁性材料であるために吸着がおこりやすい。磁気回路を効率的なものにするためには、回転軸と軸受けが接触していることが望ましいが、それは比較的吸着によるロスの少ないラジアル方向でのみ行い、スラスト方向ではロスが大きくなるので非磁性材料にて行うのが望ましい。

本実施例２におけるステッピングモータの組み立てについては、次の通りである。

まず、第１のステータ１２の穴部１２ｇに第１の軸受け１７を固定する。第１のコイル１４が巻き付けられた第１のボビン１９に第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄを該ボビン１９に設けられた位置規制溝１９ｃ，１９ｉ，１９ｇ，１９ｅに沿わせながら挿入する。ステータ１３についても同様にして作成する。そして、これらのステータユニット２組を回転軸１６に固定されたマグネット１１をその軸方向に挟んで、第１及び第２の外側磁極部を互いのボビン１９，２０に設けられた位置規制溝に沿わせながら組み合わせる。そして、ボビンの円筒部１９ｂ，２０ｂの上端面が接触したところで接着し、固定する。

したがって、特許文献１や２に提案されているものに比べて、２組のステータの位置決め精度がよいだけでなく、特許文献１のようなモータケース部品の削減ができ、特許文献２のような樹脂によるインサート成形も必要ないので、部品コストも安く、また組み立てが単純で組み精度もよい駆動装置となっている。

このステッピングモータも実施例１と同様に、第１のステータ１２の外筒部と回転軸１６の間であって、第１の軸受け１７を介したこれらの連結部近傍に第１のコイル１４を配置し、第１のステータ１２の第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄと回転軸１６の内側磁極部１６ａとの間にマグネット１１を挟んでいる。また、第２のステータ１３の外筒部と回転軸１６の間であって、第２の軸受け１８を介したこれらの連結部近傍に第２のコイル１５を配置し、第２のステータ１３の外側磁極部１３ａ〜１３ｄと回転軸１６の内側磁極１６ａとの間にマグネット１１を挟む。つまり、第１及び第２の外側磁極部１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄがマグネット１１の外周表面と対向し、内側磁極１６ａがマグネット１１の内周表面に位置して前記第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄと対向し、同じく第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄと内側磁極部１６ａとが対向している構造になっている。

ここで、マグネット１１の軸方向の長さをＡ１とし、実施例１の場合と比較する。実施例１ではマグネットの極数を４×ｎとすると、第１の外側磁極部の数は２×ｎ個、第１のステータと第２のステータとの間に設けられた軸方向でのギャップをＴ１（図２のＴに相当）とすると、実施例１でのマグネットとの対向長さは（Ａ１−Ｔ１）／２である。以上のことより、実施例１におけるマグネットへの総対向量はｎ×（Ａ１−Ｔ１）となるのに対し、実施例２ではｎ×Ａ１となり、総対向量は多くなる。これにより、マグネットをより有効に利用でき、出力の大きなステッピングモータとする事ができる。

図８は、図５のＣ−Ｃ断面図であり、これを用いてステッピングモータの駆動について説明する。

図８（ａ）の状態は第１のコイル１４及び第２のコイル１５に通電して、第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄをＮ極に励磁し、第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄをＳ極に励磁している状態である。図８（ａ）の状態から、第１のコイル１４への通電を反転させ、第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄをＳ極に励磁し、第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄはＳ極に励磁したままにすると、マグネット１１は反時計回りに１１．２５度回転し、図８（ｂ）に示す状態になる。次に、第２のコイル１５への通電を反転させ、第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄはＳ極に励磁したままにし、第２の外側磁極部１３ａ〜１２ｄをＮ極に励磁すると、マグネット１１は更に反時計回りに１１．２５度回転し、図８（ｃ）に示す状態になる。次に、第１のコイル１４への通電を反転させ、第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄをＮ極に励磁し、第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄはＮ極に励磁したままにすると、マグネット１１は更に反時計回りに１１．２５度回転し、図８（ｄ）に示す状態になる。

以後、このように第１のコイル１４及び第２のコイル１５への通電方向を順次切り換えていくことによって、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。この際、第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄと第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄとの相対的な位置誤差があると回転時のトルクが出ないばかりでなく、停止精度もこれに準じて悪くなるので、モータとしての性能が悪くなる。特許文献１で提案されているもののような第１のステータと第２のステータとの位置誤差が大きくなるような構成に比べ、本実施例２では、第１のステータ１２と第２のステータ１３との位置合わせが正確に行われているため、このような駆動性能の悪化が少ない。

上記構成のステッピングモータには、次のような特徴もある。

第１のコイル１４により発生する磁束は、マグネット１１の外周面に対向する第１の外側磁極部１２ａ〜１２ｄとマグネット１１の内周面に固定された回転軸１６の内側磁極部１６ａとの間を通過するので、特許文献１に提案されているものに比べて効果的にマグネット１１に作用する。同様にして、第２コイル１５により発生する磁束は、マグネット１１の外周面に対向する第２の外側磁極部１３ａ〜１３ｄとマグネット１１の内周面に固定された回転軸１６の内側磁極部１６ａとの間を通過するので、効果的にマグネット１１に作用する。その際に、マグネット１１の内周面に対向する回転軸１６の内側磁極部１６ａはマグネット１１の内周面との間に空隙を設ける必要がないので、外側磁極部と内側磁極部との距離を狭くでき、磁気抵抗を小さくすることができることから出力を高めている。

また、内側磁極部１６ａは単一の回転軸１６で一体に構成されているので、外側磁極部と内側磁極部が別部品として存在するものに比べて容易に製造でき、コストも安い。また組み立てそのものも容易である。さらに、マグネット１１は内径部に回転軸１６が固定されるので、強度において優れたものとなるばかりでなく、バックメタルとして回転軸１６が作用するので、マグネットの磁気的劣化も少ないものとなる。

さらに、特許文献１に示されるものに比べて、マグネットと対向する磁極部の軸方向の長さを多くとれるので、外側磁極部１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄ及び内側磁極部１６ａとマグネット１１を有効に利用することができ、ステッピングモータの出力を高めることができる。

以上の説明から明らかなように実施例２のステッピングモータにおいては、部品を構成しやすく、低コストであって、より高精度な位置決めによって高性能、高出力なものとすることができる。

なお、上記各実施例においては、マグネットの内径部に固定される出力軸を、第１の外側磁極部と第２の外側磁極部の両方の軸方向の所定範囲において対向し、第１のコイル及び第２のコイルにより励磁される内側磁極部が形成された構成にしているが、これに限定されるものではなく、第１の外側磁極部と第２の外側磁極部のうちの少なくとも一方の軸方向の所定範囲において対向し、第１のコイルと第２のコイルの少なくとも一方により励磁される内側磁極部が形成された出力軸としても良い。

本発明の実施例１に係わるステッピングモータを示す分解斜視図である。 図１に示すステッピングモータの組み立て完成状態の断面図である。 本発明の実施例１に係わるステッピングモータの駆動を説明するための図である。 本発明の実施例２に係わるステッピングモータを示す分解斜視図である。 図４に示すステッピングモータの組み立て完成状態の断面図である。 図４に示すステッピングモータの構成部品であるボビンの詳細を示す構成図である。 図５のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の実施例２に係わるステッピングモータの駆動を説明するための図である。 従来のステッピングモータを示す分解斜視図である。 図９のステッピングモータのコイルボビンの詳細を示す構成図である。 従来の別のステッピングモータを示す分解斜視図である。

符号の説明

１，１１ マグネット
２，１２ 第１のステータ
２ａ〜２ｅ，１２ａ〜１２ｄ 第１の外側磁極部
３，１３ 第２のステータ
３ａ〜３ｅ，１３ａ〜１３ｄ 第２の外側磁極部
４，１４ 第１のコイル
５，１５ 第２のコイル
６，１６ 回転軸
６ａ，６ｂ 第１，第２の内側磁極部
１６ａ 内側磁極部
７，１７ 第１の軸受け
８，１８ 第２の軸受け
９ ボビン
９ｄ，９ｅ 係合溝
１０，２１ ケース
１９ 第１のボビン
１９ｃ〜１９ｊ 位置規制溝
２０ 第２のボビン
２０ｃ〜２０ｊ 位置規制溝

Claims (4)

1. 周方向に分割して異なる極に交互に着磁される円筒形状のマグネットと、
   前記マグネットの一方側の外周面に所定の間隔をもって対向配置される第１の外側磁極部が形成される第１のステータと、
   前記マグネットの他方側の外周面に所定の間隔をもって対向配置される第２の外側磁極部が形成される第２のステータと、
   軟磁性材料から成り、前記第１および第２のステータと磁気的に接続され、前記マグネットの一方側の内周面に固定される第１の内側磁極部および前記マグネットの他方側の内周面に固定される第２の内側磁極部が形成される回転軸と、
   前記第１の外側磁極部および第１の内側磁極部を励磁する第１のコイルと、
   前記第２の外側磁極部および第２の内側磁極部を励磁する第２のコイルと、
   前記第１のコイルが巻回される第１の円筒部と、前記第２のコイルが巻回される第２の円筒部とが前記回転軸の軸方向に前記マグネットを挟む位置に配置され、前記第１の円筒部および前記第２の円筒部から延出形成されることで、前記第１の円筒部と前記第２の円筒部とを連結するボビン端子台が形成されるとともに、前記ボビン端子台の内周面に前記第１の外側磁極部および前記第２の外側磁極部が係合する係合溝が形成されるボビンとを有することを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記回転軸の、前記第１の内側磁極部と前記第２の内側磁極部との間に、前記第１の内側磁極部および前記第２の内側磁極部の直径よりも小さい直径の連結部を形成する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。
3. 周方向に分割して異なる極に交互に着磁される円筒形状のマグネットと、
   前記マグネットの外周面に所定の間隔をもって対向配置される第１の外側磁極部が形成される第１のステータと、
   前記第１の外側磁極部から周方向に所定角度だけずれた位置で、前記マグネットの外周面に所定の間隔をもって対向配置される第２の外側磁極部が形成される第２のステータと、
   軟磁性材料から成り、前記第１および第２のステータと磁気的に接続され、前記マグネットの内周面に固定される内側磁極部が形成される回転軸と、
   前記第１の外側磁極部および前記内側磁極部を励磁する第１のコイルと、
   前記第２の外側磁極部および前記内側磁極部を励磁する第２のコイルと、
   前記第１のコイルが巻回される第１の円筒部と、前記第１の円筒部からから延出形成されることで、前記マグネットの外周面の一方側を覆うように形成される第１のカバー部と、前記第１のカバー部の内周面に前記第１の外側磁極部および前記第２の外側磁極部が係合する第１の位置規制溝とが形成される第１のボビンと、
   前記第２のコイルが巻回される第２の円筒部と、前記第２の円筒部からから延出形成されることで、前記マグネットの外周面の他方側を覆うように形成される第２のカバー部と、前記第２のカバー部の内周面に前記第１の外側磁極部および前記第２の外側磁極部が係合する第２の位置規制溝とが形成される第２のボビンとを有することを特徴とするステッピングモータ。
4. 軟磁性材料から成り、前記第１のステータに前記回転軸を軸支する第１の軸受けと、
   軟磁性材料から成り、前記第２のステータに前記回転軸を軸支する第２の軸受けとを有し、
   前記第１の軸受けによって前記第１のステータと前記回転軸とを磁気的に接続し、前記第２の軸受けによって前記第２のステータと前記回転軸とを磁気的に接続することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のステッピングモータ。

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