JP4510548B2 - ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータの両側にステータを張り出すような扁平形状のステッピングモータに関するもので、より具体的には、上ヨーク板および下ヨーク板をコイルの両端に挟み合わせてそれらヨーク板の櫛歯状の極歯を上下で噛み合う状態にするステータの極歯の改良に関する。

ステッピングモータに関してよく知られる形式の一つに、クローポール式のものがある。これはステータ側に櫛歯状の極歯を有し、その極歯を噛み合う状態にしてロータと対面させる構成を採り、分解能が比較的に良好であり製造コストを低減できるメリットがある。

また、クローポール式のステッピングモータでは、特許文献１などに見られるように、扁平形状にステータを張り出す構成のステッピングモータが知られている。この特許文献１のステッピングモータは、薄厚，小型化のためロータの両側にステータを配置し、各相のステータは、ロータ軸に沿う向きにコイルを有していて当該コイルには中心に鉄芯を配置し、上ヨーク板および下ヨーク板を鉄芯の両端に挟み合わせてそれらヨーク板の櫛歯状の極歯を上下で噛み合う状態にする構成を採っている。

ところで、ステッピングモータでは、極歯の位置関係が角度精度やトルク特性に大きく影響し、このため極歯の位置関係は厳密に設定することが求められる。また、ディテントトルクの影響や磁束の干渉によって角度精度を悪くする問題もある。

特に、小型化の要求がある場合には、モータを構成する各部品の加工精度（誤差）が無視できなくなり、さらにトルクの向上を求めると、限られた空間において極歯の面積を最大限に確保する必要が生じ、このため、極歯の並び列が異相間で接近してしまい、磁束分布の偏りや磁束の干渉が著しく大きくなる。

そこで、そうした問題の対策として、例えば特許文献２，３などに見られるような提案がなされている。特許文献２は、隣接する各相の極歯を理論的な位相角と異ならせていて、これによりロータの振動を低減し、回転の円滑化を図っている。また、特許文献３では極歯の形状を幅を狭める向きに略円弧状に成形し、磁束の干渉を減らすことにより、角度精度，トルク特性の向上，改善を図っている。
特開平１０−１１２９７０号公報 特開平９−２８０７２号公報 特許第３３６６４８７号公報

しかし、特許文献２，３のものは、各相のステータをロータに対して同軸に重ねて配置する構成であって、本発明に係る構成とは相違し、そのまま適用することはできない。つまり、ロータの両側にステータを略対称に張り出すような扁平形状のステッピングモータは、ロータを囲む円周上に極歯が等間隔には配置されず、特許文献２にあるような提案はそのままは適用できない。

また、扁平形状のステッピングモータにあっては、ロータを中心に２つのステータが対に向き合うので、他相ステータの極歯が隣り合う配置となり、このため磁束干渉が大きい。さらに、極歯の並び列は、ロータを囲む円周上に等間隔には配置されず、各極歯によって磁路長が異なるため磁束の偏りが生じる。そして、これらは小型化を図る構成において著しく現れることになる。

しかも小型化に伴っては、極歯の形状寸法の誤差は無視できなくなる。例えば、極歯の直立高さが、これと向き合うロータの軸芯までの半径に比べて長く形成する場合は、ヨーク板材の加工に絞り加工が加わるため、外形形状および板厚を規定値に成形するのが難しいという問題がある。つまり、そうした極歯の製造は、まず、ヨーク板材に対して該当部位に絞り加工を行ってドーム形状に成形し、ドーム形状部位には打ち抜き金型により打ち抜き加工を行い、次に、しごき兼曲げ加工を行って打ち抜き残した該当部位を立ち起こすことにより極歯に成形している。そのため、立ち起こした極歯は、打ち抜き金型の刃形よりも太く膨らんだ形状となってしまう。このため、ステータとして組み上げた際に極歯の間隔が設計値とは相違してしまい、磁束の分布に影響があり角度精度は悪化する。

そこで、磁束の干渉を低減するため極歯の幅を狭めるという対策が考えられるが、極歯は磁束が最も集中する部分であるため、単に極歯の幅を狭めることは出力トルクを減少させてしまう問題を起こす。

一方、特許文献３に開示された発明では、磁束の干渉を減らすために、極歯の形状を幅を狭める向きに略円弧状に成形しているが、これは寸法管理が容易ではないという問題がある。

なお、ステッピングモータでは駆動方式に係わる問題もあり、２相励磁の駆動では、各相は互いの磁束の干渉が相殺し、角度誤差は比較的に現れ難いが、１相励磁の駆動は角度誤差がＡ相とＢ相とで大きくなる問題がある。そこで、１相励磁について角度精度，トルク特性の改善を図ればよく、その場合、１−２相励磁，２相励磁，マイクロステップ駆動においても高い角度精度と滑らかな回転を実現し得るという望ましい副作用がある。

この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、極歯の位置関係および形状を適正化でき、これにより、角度精度を向上できてトルク特性を良好にし得るステッピングモータを提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明に係るステッピングモータは、多極に着磁した永久磁石によるロータを有し、Ａ相，Ｂ相のステータを前記ロータの両側に張り出させて配置し、前記ステータは前記ロータ軸に沿う向きにコイルを有し、前記コイルには中心に鉄芯を配置し、前記ロータに対面する櫛歯状の極歯を有する上ヨーク板および下ヨーク板を前記鉄芯の両端に配置して前記極歯を上下で噛み合う状態とするステッピングモータにおいて、
前記ステータの各極歯はＡ相，Ｂ相間での対応位置を機械角で、
（３６０°／ｐ）×（２ｎ−１）＋θ
に設定し、このときｎは整数、ｐはステップ数、θはずらし角度であり、ずらし角度θは機械角で、
０°＜ ｜θ｜ ＜ ０．２×３６０°／ｐ
に設定する。

また、前記ステータは前記ロータの両側に対称的に張り出させて配置し、前記ずらし角度θの設定はＡ相，Ｂ相間では他相ステータとの極歯の隣接間隔が広い側にそれぞれθ／２だけ位置をずらす構成にするとよい。

また、前記極歯は前記ヨーク板から立ち起きる直立高さを、対面する前記ロータの軸芯までの半径に比べて長く形成して、形状は基部が広く先が細い略三角形状とするが先端を挟む両側辺は幅を低減する屈曲形状に谷底点を有する設定とすることもできる。

この場合に、前記極歯における前記谷底点は、前記直立高さＨ、前記谷底点までの高さｈ、当該谷底点高さｈにおける幅ｗ、そして前記谷底点高さｈにおいて前記両側辺が直線形状であるときの基準幅Ｗに関して、
０．２５ ≦ ｈ／Ｈ ≦ ０．７５
０．７ ≦ ｗ／Ｗ ＜ １
の位置に設けるとよい。

係る構成にすることにより本発明では、極歯の位置を機械角で、ずらし角度θだけ理論的な位置からずらすことになり、このため他相ステータの磁束の干渉を減らすことができる。その結果、角度精度を向上できる。

また、請求項２では、他相ステータとの磁束の干渉が減る向きに極歯をずらすことになり、したがって、異相間の磁束分布の偏りを低減でき、各極歯それぞれが少ないずらし量で角度精度を向上できる。そして、各相において対称にずらすことになり、上ヨーク板，下ヨーク板について配置を裏返しに使用することができ、部品点数を低減化できる。

また、請求項３では、極歯は基部が広く先が細い略三角形状とするので、小型化においても、磁束の干渉が少なく、高トルクが期待できる。しかも略三角形状の極歯は、先端を挟む両側辺は幅を低減する屈曲形状に谷底点を有する設定とするので、極歯間での磁束干渉の最大位置に谷底点を合致させることができ、磁束の干渉を最大限に避ける設定が行える。そして、磁束が最も集中する極歯の基部幅は変えないので、高トルクを維持しつつ角度精度が向上できる。この場合、極歯の形状管理が容易にでき、前述した特許文献３のものと比較して極歯の面積を大きくできる。

また、谷底点の設定は、上述した範囲が好ましく、この範囲であれば、噛み合う極歯について磁束の干渉が最低となる設定となり、高トルクを維持しつつ磁束分布の偏りや干渉を低減し得る。

また、請求項２，請求項４に記載の発明を組み合わせることもよい。つまり、極歯の対応位置を機械角で理論値よりも、ずらし角度θだけずらすことは、１相励磁の駆動において角度精度を向上できる。しかし、ずらし量を多くすると、２相励磁の駆動においての角度精度やトルク特性に影響があり、極歯の形状を適正化することでの角度精度の向上にも限界がある。そこで、請求項２，請求項４を組み合わせることでは、極歯の対応位置のずらし量を少なくでき、そして角度精度を飛躍的に向上できる。その結果、１相励磁，１−２相励磁，２相励磁，マイクロステップ駆動において、角度精度およびトルク特性を共に良好にし得る。

本発明に係るステッピングモータでは、極歯の位置関係および形状を適正化することができる。その結果、角度精度を飛躍的に向上でき、出力トルクを高く得られてトルク特性を良好にできる。

図１は、本発明の一実施の形態を示している。本実施の形態において、ステッピングモータは、多極に着磁した永久磁石によるロータ１を有し、２つ（Ａ相，Ｂ相）のステータＳａ，Ｓｂをロータ１の両側に対称的に張り出させて配置する構成を採る。各ステータＳａ，Ｓｂは、ロータ１の軸に沿う向きにコイル２を有し、当該コイル２には中心に鉄芯２０を配置し、ロータ１に対面する櫛歯状の極歯５を設けた上ヨーク板３ａ（３ｂ）および下ヨーク板４ａ（４ｂ）を鉄芯２０の両端に挟み合わせて極歯５を上下で噛み合う状態とし、いわゆるクローポール式のステッピングモータになっている。

Ａ相の上ヨーク板３ａとＢ相の下ヨーク板４ｂは形状，構成が同一であり、そしてＡ相の下ヨーク板４ａとＢ相の上ヨーク板３ｂは形状，構成が同一であって、これらは図２に示すように、裏返しの配置になっている。つまり、各ヨーク板３ａ，４ａ，３ｂ，４ｂは、略円弧形状に湾曲した帯板形状であり鉄芯２０を嵌め合わせる嵌合孔６を形成すると共に、ロータ１に向き合う端部には櫛歯状の極歯５の並び列を形成してあり、鉄芯２０の両端に挟み合わせて極歯５を上下で噛み合わせ、当該噛み合い側をロータ１に対面させる構成になっている。

２つの上ヨーク板３ａ，３ｂ、および２つの下ヨーク板４ａ，４ｂは、長い帯板材からＡ相，Ｂ相の両者を連結した状態で製造し、つまり後述する製造方法により、長い帯板材の中央に極歯５の並び列を環状に打ち抜き形成して、そのＡ相，Ｂ相の連結部分は、組み立て工程の適宜な時期に切除して各パーツに分離する。

組み付けは、上下のヨーク板３ａ，４ａ，３ｂ，４ｂの何れか一方に、予め鉄芯２０の端部を嵌合孔６にそれぞれ嵌め込み固着させておき、各鉄芯２０にコイル２を組み付け、鉄芯２０の他端には対に向き合うヨーク板の嵌合孔６にそれぞれ嵌め込み固着させて各ステータ（Ｓａ，Ｓｂ）を組み上げると共に、各ステータ（Ｓａ，Ｓｂ）はロータ１に対して向き合わせに配置する。これにより、ロータ１の外周で櫛歯状の極歯５が噛み合って磁極（誘導子）をなすクローポール式となり、２つのステータＳａ，Ｓｂがロータ軸１０の両側に張り出る扁平形状のステッピングモータとなる。ロータ１の軸１０は図示しない軸受けに嵌め合わせて支持する構成であり、ステータＳａ，Ｓｂはその軸受けと相対位置を保つ支持部に取り付けることになる。

極歯５の並び列はロータ１に対面して同心の円周上に位置し、図３はそれら極歯５の展開図であり、図４は平面図である。ステータの各極歯５については、図３に示すように、Ａ相，Ｂ相間での対応位置を機械角で、
（３６０°／ｐ）×（２ｎ−１）＋θ
に設定し、このときｎは整数、ｐはステップ数、θはずらし角度であり、ずらし角度θは機械角で、
０°＜ ｜θ｜ ＜ ０．２×３６０°／ｐ
に設定する。そして、各極歯５はＡ相，Ｂ相のそれぞれでは、
（３６０°／ｐ）×２ｍ
の間隔で配置している。ここで、m は整数である（m と n は無関係）。

すなわち、ステータの各極歯５は、Ａ相，Ｂ相間での対応位置は理論的には機械角で、
（３６０°／ｐ）×（２ｎ−１）
に設定するものであるが本発明では、ずらし角度θだけ位置をずらすことにしており、これにより磁束の干渉を低減させることができる。

ずらし角度θの設定は、図４に示すように、Ａ相，Ｂ相間では他相ステータとの極歯５の隣接間隔が広い側にそれぞれθ／２だけ位置をずらしている。つまり、ずらし角度θは、Ａ相，Ｂ相にそれぞれθ／２ずつ振り分ける設定にしていて、このため理論的位置に対してずらし角度θを与える設定であっても、Ａ相の上ヨーク板３ａとＢ相の下ヨーク板４ｂは形状，構成が同一になり、そしてＡ相の下ヨーク板４ａとＢ相の上ヨーク板３ｂは形状，構成が同一になっている。したがって、裏返しの配置が行えて、製造する部品点数を減らすことができるメリットがある。
極歯５は、図５（ａ）に示すように、形状は基部が広く先が細い略三角形状とし、先端を挟む両側辺は幅を低減する屈曲形状に谷底点７を有する設定にしている。

極歯５における谷底点７は、図５（ｂ）に示すように、直立高さＨ、谷底点７までの高さｈ、当該谷底点７の高さｈにおける幅ｗ、そして谷底点７の高さｈにおいて両側辺が直線形状であるときの基準幅Ｗに関して、
０．２５ ≦ ｈ／Ｈ ≦ ０．７５
０．７ ≦ ｗ／Ｗ ＜ １
の位置に設ける。また、極歯５はヨーク板から立ち起きる直立高さＨを、対面するロータ１の軸芯までの半径に比べて長く形成している。

このように、極歯５については、先端を挟む両側辺は幅を低減する屈曲形状に谷底点７を有する設定にするので、前述した特許文献３のものと比較して面積を大きくできる。つまり、幅を狭める向きに略円弧状に成形するよりも谷底点７を設けて直線形状とする方が面積を大きくでき、その結果、高いトルクを維持しつつ磁束の干渉を低減できる。
ところで、極歯５つまりヨーク板の製造は、図６に示すように、長い帯板材からＡ相，Ｂ相の両者を連結した状態で製造する。

同図に示す製造方法は、ヨーク板から立ち起きる極歯５の直立高さＨを、対面するロータの軸芯までの半径ｒに比べて長く形成するような極歯製造方法である。

ヨーク板に加工する板部材８は（ａ）、その該当部位について、絞り加工を行ってドーム形状に成形し（ｂ）、ドーム形状部位には、極歯５に対応する打ち抜き刃を環状に設けた打ち抜き金型により打ち抜き加工を行う（ｃ）。このとき、打ち抜き金型は極歯５の側辺をなす刃形が当該極歯５の幅を低減する屈曲形状に谷底点を有する設定とする。次に、打ち抜き残した各部位に対して、しごき兼曲げ加工を行って該当部位を立ち起こし（ｄ）、これにより所望形状の極歯５に成形する。

なお、打ち抜き金型は、極歯５の側辺をなす刃形を適宜に設定できるが、これには次の工程のしごき兼曲げ加工における膨らみ分量を予め減じておく必要がある。したがって、打ち抜き金型を適宜に調製することにより、極歯５を立ち起こした際に、先端を挟む両側辺が直線になり形状が二等辺三角形になるようにすることもよい。

さて、図７，８，９は本発明に係る構成をシミュレートした諸特性である。つまり、図７は、角度誤差を示すグラフ図であり、本発明に係る極歯設定における特性を示している。また、図８は、極歯の外形設定とモータ特性との関係を示すグラフ図であり、（ａ）はモータ回転の角度特性、（ｂ）はモータ回転のトルク特性との関係をそれぞれ示している。そして、図９は、ホールディングトルクを示すグラフ図であり、（ａ）は本発明に係る極歯設定における特性、（ｂ）は従来の極歯設定における特性である。
極歯のずらし角度θは、図７から解るように、
０°＜θ＜０．２×３６０°／ｐ
において、角度誤差を低減できる。
角度誤差は、図８から解るように、極歯の外形設定を
０≦ｈ／Ｈ ≦０．７５
ｗ／Ｗ＜１
にすることにより効果的に低減できる。ただし、最大トルクは、
ｈ／Ｈ ＜ ０．２５，ｗ／Ｗ ＜ ０．７
で急激に低下する傾向にある。したがって、高トルクを維持しつつ角度精度を向上させるには、
０．２５≦ｈ／Ｈ≦０．７５
０．７≦ｗ／Ｗ＜１
という条件に谷底点７を設定するとよい。

また、谷底点７の位置は、
ｈ／Ｈ＝０．５
ｗ／Ｗ＝０．７
とすることがよく、この設定が角度精度の向上に有効であり、図９（ａ）に示すように、ホールディングトルクを良好に得ることができて最適化条件と言える。

本発明に係るステッピングモータの好適な一実施の形態を示す斜視図である。 図１のステッピングモータを分解して示す斜視図である。 極歯の位置関係を示す展開図である。 極歯のずらし角度を説明する平面図である。 極歯の外形を示す側面図であり、（ａ）は本発明に係る極歯外形、（ｂ）は基準となる極歯外形である。 （ａ）から（ｄ）は、極歯の製造を順に示す断面図である。 角度誤差を示すグラフ図であり、本発明に係る極歯設定における特性を示している。 極歯の外形設定とモータ特性との関係を示すグラフ図であり、（ａ）はモータ回転の角度特性、（ｂ）はモータ回転のトルク特性との関係をそれぞれ示している。 ホールディングトルクを示すグラフ図であり、（ａ）は本発明に係る極歯設定における特性、（ｂ）は従来の極歯設定における特性である。

符号の説明

１ ロータ
２ コイル
３ 上ヨーク板
４ 下ヨーク板
５ 極歯
６ 嵌合孔
７ 谷底点
８ 板部材
１０ ロータ軸
２０ 鉄芯
Ｓａ，Ｓｂ ステータ

Claims (4)

1. 多極に着磁した永久磁石によるロータを有し、Ａ相，Ｂ相のステータを前記ロータの両側に張り出させて配置し、前記ステータは前記ロータ軸に沿う向きにコイルを有し、前記コイルには中心に鉄芯を配置し、前記ロータに対面する櫛歯状の極歯を有する上ヨーク板および下ヨーク板を前記鉄芯の両端に配置して前記極歯を上下で噛み合う状態とするステッピングモータにおいて、
   前記ステータの各極歯はＡ相，Ｂ相間での対応位置を機械角で、
   （３６０°／ｐ）×（２ｎ−１）＋θ
   に設定し、このときｎは整数、ｐはステップ数、θはずらし角度であり、ずらし角度θは機械角で、
   ０°＜ ｜θ｜ ＜ ０．２×３６０°／ｐ
   に設定することを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記ステータは前記ロータの両側に対称的に張り出させて配置し、前記ずらし角度θの設定はＡ相，Ｂ相間では他相ステータとの極歯の隣接間隔が広い側にそれぞれθ／２だけ位置をずらす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. 前記極歯は前記ヨーク板から立ち起きる直立高さを、対面する前記ロータの軸芯までの半径に比べて長く形成して、形状は基部が広く先が細い略三角形状とするが先端を挟む両側辺は幅を低減する屈曲形状に谷底点を有する設定とする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。
4. 前記極歯における前記谷底点は、前記直立高さＨ、前記谷底点までの高さｈ、当該谷底点高さｈにおける幅ｗ、そして前記谷底点高さｈにおいて前記両側辺が直線形状であるときの基準幅Ｗに関して、
   ０．２５ ≦ ｈ／Ｈ ≦ ０．７５
   ０．７ ≦ ｗ／Ｗ ＜ １
   の位置に設けることを特徴とする請求項３に記載のステッピングモータ。

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