JP4658648B2

JP4658648B2 - 正逆回転用ステップモーター

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Publication number: JP4658648B2
Application number: JP2005074491A
Authority: JP
Inventors: 敏明福島
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: JP2006262576A

Description

本発明は、正逆回転可能なステップモーターに関するものである。

その技術分野における従来の技術として正逆回転用ステップモーターが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。正逆回転用ステップモーターは、携帯機器、情報機器の駆動装置、出力装置としての用途に多く用いられ、小型、低消電、高トルク、高速応答性、高精度位置決め特性などが要求されている。また、以下に示すような正逆回転用ステップモーターも開示されている。

従来技術の正逆回転用ステップモーターは、図９に示すように２極に着磁された円筒形の回転体５が、磁性材料からなるヨーク７に設けられた回転体用穴１５内部に回転自在に支持されている。また、回転体用穴１５の周辺には第１の磁極９、中心磁極１１、第２の磁極１３を備えており、第１の磁極９と中心磁極１１は第１の結合部２１によって磁気的に接続され、中心磁極１１と第２の磁極１３は第２の結合部２３によって磁気的に接続されている。

そして、第１の磁極９には第１のコイル１７が巻き回されており、第２の磁極１３には第２のコイル１９が巻き回されている。第１のコイル１７と第２のコイル１９は同じ線径の線材が同じ巻き数Ｎ巻かれている。

第１、第２のコイル１７、１９の巻き線両端は、駆動回路２５に接続されており、それぞれ独立に電圧パルスを印加することが可能である。

従来の正逆回転用ステップモーターの駆動方法としては、電圧一定を保ったままで、オン、オフいずれかの状態を繰り返してコイルに印加するパルス制御法という駆動方法が一般的に用いられており、パルス制御法はオフタイムでの電力ロスが無く、オンタイムでも制御用トランジスタが完全に飽和しているためここでの電力ロスも非常に少なく、また、パルスの幅を変化させることでモーターの回転速度の制御や消費電流値のコントロールが可能であるという特徴を持つため、ステップモーターの制御法として優れている。

ここで、従来の正逆回転用ステップモーターの回転体を反時計回りに３６０度回転させるための駆動パルスについて図１０を用いて説明する。図１０（ａ）は第１のコイルに印加される駆動パルスを示す図で、図１０（ｂ）は第２のコイルに印加される駆動パルスを示す図であり、横軸は時刻、縦軸は電圧を示す。そして、各駆動パルスは第１の電圧パルス１３５，第２の電圧パルス１３７、第３の電圧パルス１３９、第４の電圧パルス１４１、第５の電圧パルス１４３、第６の電圧パルス１４５の６つの電圧パルスから構成されている。

第１の電圧パルス１３５は、第１のコイルに＋３ｖ印加し、第２のコイルには電圧印加が無いものであり、回転体を第１の回転位置から第２の回転位置に回転させることができる。第２の電圧パルス１３７は、第１のコイルに電圧印加が無く、第２のコイルに−３ｖ印加されるものであり、回転体を第２の回転位置から第３の回転位置に回転させることができる。第３の電圧パルス１３９は、第１のコイル及び第２のコイルに同時に−３ｖ印加するものであり、回転体を第３の回転位置から第４の回転位置に回転させることができる。ここまでのパルスを連続して与えると回転体は反時計回りに１８０度回転することができる。

次に第４の電圧パルス１４１は、第１のコイルに−３ｖ、第２のコイルには電圧印加が無いものであり、回転体を第４の回転位置から第５の回転位置に回転することができる。第５の電圧パルス１４３は、第１のコイルに電圧印加が無く、第２のコイルには＋３ｖの印加があるものであり、回転体を第５の回転位置から第６の回転位置に回転させることができる。そして、第６の電圧パルス１４５は、第１のコイル及び第２のコイルに同時に電圧パルス＋３ｖが印加されるものであり、回転体を第６の回転位置から第１の回転位置に回転させることができる。このように第４の電圧パルス１４１から第６の電圧パルス１４５を連続して与えると回転体は１８０度から３６０度まで回転することができる。

なお、第１の回転位置とは、回転体５のＮ極がＹ軸負方向を向いている状態のことをいい、第２の回転位置とは回転体５のＮ極がＹ軸負方向から反時計回りに約６０度回転した方向を向いている位置である。また、第３の回転位置とは回転体５のＮ極がＹ軸負方向から反時計回りに約１２０度回転した方向を向いている位置であり、第４の回転位置とは回転体５のＮ極がＹ軸負方向から反時計回りに約１８０度回転した方向を向いている位置、すなわち、Ｎ極がＹ軸正方向を向いている位置である。そして、第５の回転位置は回転体５のＮ極がＹ軸負方向から反時計回りに約２４０度回転した方向を向いている位置であり、第６の回転位置は回転体５のＮ極がＹ軸負方向から反時計回りに約３００度回転した方向を向いている位置である。

次に、従来技術の正逆回転用ステップモーターが第１の状態にあるときの磁束の流れについて図１１を用いて説明する。第１の状態とは、２極に着磁された回転体５が第１の回転位置にあり、第１のコイル及び第２のコイルには電圧パルスを印加していない状態のときである。

第１の状態において、回転体５のＮ極から出た磁束Φｍは、中心磁極１１に流れ込み、中心磁極１１はＳ極となり、流れ込んだ磁束Φｍは、第１の結合部２１と第１の磁極９にΦｍ／２が流れ、第２の結合部２３と第２の磁極１３にも磁束Φｍ／２が流れる。

第１の磁極９を流れる磁束は空隙を通り回転体５のＳ極に流れて磁路を形成する。そのため第１の磁極９はＮ極となる。また、第２の磁極１３を流れる磁束は空隙を通り回転体５のＳ極に流れて磁路を形成する。そのため第２の磁極１３もＮ極になる。

この様に磁路を形成することによって、第１の磁極９と第２の磁極１３のＮ極と回転体５のＳ極とが引き合い、中心磁極１１のＳ極と、回転体５のＮ極とが引き合うために、回転体５を第１の回転位置に無通電保持することができる。

次に、第２の状態における磁束の流れについて図１２を用いて説明する。第２の状態とは回転体５が第１の回転位置にあり、回転体５を第１の回転位置から第２の回転位置に回転させるために、第１の磁極９をＮ極にして、中心磁極１１と第２の磁極１３をＳ極にした状態である。第２の状態においては、第１の電圧パルス１３５を印加、すなわち第１のコイル１７のコイル端子に＋３ｖの電圧パルスを印加し、第２のコイルには電圧印加を行わない。

これによって、第１のコイル１７より第１の磁極にはΦｃ１の磁束が生じ、Φｃ１は中心磁極１１、第２の磁極１３に分かれて流れ、回転体５の磁束と重ねると、第１の磁極９にはΦｃ１＋Φｍ／２の磁束が生じ、中心磁極１１には−Φｃ１／２−Φｍの磁束が生じ、第２の磁極１３には−Φｃ１／２＋Φｍ／２の磁束が生じることになる。なお、ここでの符号はＹ軸正方向をプラス、Ｙ軸負方向をマイナスで表している。

そして、第１の磁極に流れる磁束Φｃ１とΦｍ／２はプラス符号であるため、第１の磁極９はＮ極になり、中心磁極１１に流れる磁束−Φｃ１／２−Φｍはマイナス符号であるため、中心磁極１１はＳ極になる。そして、第２の磁極１３に流れる磁束−Φｃ１／２＋Φｍ／２は、Φｃ１はマイナス符号、Φｍはプラス符号なので、第２の磁極１３をＳ極にするためには、不等式−Φｃ１／２＋Φｍ／２＜０を満たす必要があり、Φｍ＜Φｃ１となるような磁束を発生させることが可能な第１の電圧パルスを第１のコイル１７に印加すると良い。

具体例としては、回転体５による磁束はΦｍ＝０．２００×１０^-6Ｗｂに対し、３ｖの電圧パルスを印加することでΦｃ１＝０．４８８×１０^-6Ｗｂの磁束Φｃを生じさせることができる。このようにすることで、Φｍ＜Φｃ１を満たし、第２の磁極１３をＳ極にすることができ、回転体５のＮ極は、第１の磁極９のＮ極と反発し、第２の磁極１３のＳ極と吸引し、かつ、回転体５のＳ極は第１の磁極９のＮ極と吸引し、第２の磁極１３のＳ極により反発されるため、回転トルクを得、第２の回転位置から第３の回転位置へ回転することができる。

次に、第３の状態における磁束の流れについて図１３を用いて説明する。第３の状態とは回転体５が第２の回転位置にあり、回転体５を第２の回転位置から第３の回転位置に回転させるために第２の電圧パルス１３７を印加した状態である。

このとき、第２の回転位置における回転体５による磁束Φｍは、中心磁極１１と第２の磁極１３にそれぞれΦｍ／２に分かれて流れ、第１の磁極９では磁束Φｍとなり、回転体５のＳ極に流れ込む。又、第２のコイルによる磁束Φｃ２は第２の磁極１３に流れ、Φｃ２が第２の結合部２３を通り、第１の磁極９、中心磁極１１に磁束Φｃ２／２が生じる。そして、回転体５の磁束と重ねると、第１の磁極９にはΦｃ２／２＋Φｍの磁束が生じ、中心磁極１１にはΦｃ２／２−Φｍ／２の磁束が生じ、第２の磁極１３には−Φｃ２−Φｍ／２の磁束が生じることになる。なお、ここでの符号は、Ｙ軸正をプラス、Ｙ軸負をマイナスで表している。

第１の磁極９に流れる磁束Φｃ２／２＋Φｍは、Φｃ２もΦｍもプラス符号であるため、第１の磁極９はＮ極になる。又、中心磁極１１に流れる磁束Φｃ２−Φｍ／２は、Φｃ２はプラス符号、Φｍはマイナス符号であるため、中心磁極１１をＮ極にするにはΦｃ２＞Φｍ／２を満たす必要がある。そして、第２の磁極１３に流れる磁束−Φｃ２−Φｍ／２は、Φｃ２、Φｍはマイナス符号なので、第２の磁極１３はＳ極になる。よって、中心磁極１１をＮ極にするために、Φｍ／２＜Φｃ２となるような磁束を発生させることが可能な第２の電圧パルス１３７を第２のコイル１９に印加する必要がある。

具体例としては、回転体５による磁束はΦｍ＝０．２００×１０^-6Ｗｂに対し、３ｖの電圧パルスを印加することでΦｃ２＝０．４８９×１０^-6Ｗｂの磁束Φｃ２を生じさせることができる。このようにすることで、Φｍ／２＜Φｃ２を満たすため、中心磁極をＮ極にすることができ、回転体５のＮ極は、中心磁極１１のＮ極と反発し、第２の磁極１３のＳ極と吸引し、かつ、回転体５のＳ極は第１の磁極９のＮ極と中心磁極１１のＮ極とで吸引され、第２の磁極１３のＳ極と反発するため、回転体５は反時計方向に回転トルクを得、第２の回転位置から第３の回転位置へ回転することができる。

次に、第４の状態における磁束の流れについて図１４を用いて説明する。第４の状態とは回転体５が第３の回転位置にあり、回転体５を第３の回転位置から第４の回転位置に回転させるために、第３の電圧パルス１３９を印加した状態である。まず、第３の回転位置における回転体５による磁束Φｍは第２の磁極１３に流れ込み、第２の結合部２３を通り、中心磁極１１にΦｍ／２が流れ、残りは第１の結合部２１と第１磁極９を通り、回転体
５のＳ極に流れ込む。

このとき、第１のコイル１７により生じる磁束をΦｃ１、第２のコイル１９により生じる磁束をΦｃ２とすると、第１の磁極９にはＹ軸負方向にΦｃ１が発生し、また、第２の磁極１３にはＹ軸負方向にΦｃ２が発生し、Φｃ１は第１の結合部２１を，Φｃ２は第２の結合部２３を通り、中心磁極１１に流れ込みΦｃ１＋Φｃ２となる。そして、回転体の磁束と重ねて、Ｙ軸正方向の磁束にプラス符号、Ｙ軸負方向の磁束にマイナス符号をつけて表すと、第１の磁極９には−Φｃ１＋Φｍ／２の磁束が生じ、中心磁極１１には＋Φｃ１＋Φｃ２＋Φｍ／２の磁束が生じ、第２の磁極１３には−Φｃ２−Φｍの磁束が生じることになる。

回転体５を第３の回転位置から第４の回転位置に回転させるためには、第１の磁極９をＳ極にして、中心磁極１１をＮ極、第２の磁極１３をＳ極にする必要があり、第１の磁極９に流れる磁束−Φｃ１＋Φｍ／２は、Φｃ１はマイナス符号でΦｍ／２はプラス符号であるため、第１の磁極９をＳ極にするためには−Φｃ１＋Φｍ／２＜０すなわちΦｍ＜２×Φｃ１を満たすように電圧パルスを印加する必要がある。又、中心磁極１１に流れる磁束＋Φｃ１＋Φｃ２＋Φｍ／２は、Φｃ１、Φｃ２、Φｍはいずれもプラス符号であるため、中心磁極１１はＮ極になる。そして、第２の磁極１３に流れる磁束−Φｃ２−Φｍは、Φｃ２、Φｍはマイナス符号なので、第２の磁極１３はＳ極になる。

具体例としては、回転体５による磁束はΦｍ＝０．２００×１０^-6Ｗｂに対し、３ｖの電圧パルスを印加することでΦｃ１＝０．４８９×１０^-6Ｗｂの磁束を生じさせることができる。このようにすることで、Φｍ＜２×Φｃ１を満たすことができ、第１の磁極をＳ極にすることができる。そして、回転体５のＳ極は、第１の磁極９のＳ極と反発し、中心磁極１１のＮ極と吸引し、かつ、回転体５のＮ極は第１の磁極９のＳ極と、第２の磁極１３のＳ極との中間位置に動き、回転体のＳ極と中心磁極１１のＮ極と吸引するため、反時計方向に回転させる回転トルクを得、第３の回転位置から第４の回転位置へ回転することができる。

次に、従来技術の正逆回転用ステップモーターが第５の状態にあるときの磁束の流れについて図１５を用いて説明する。第５の状態とは、２極に着磁された回転体５が第４の回転位置にあり、コイルには電圧パルスを印加していない状態のときである。

第５の状態において、回転体５のＮ極から出た磁束をΦｍとすると、第１の磁極９にΦｍ／２が、第２の磁極１３に残るΦｍ／２が流れ込み、第１の磁極９と第２の磁極１３はＳ極となり、第１の磁極９に流れ込んだ磁束Φｍ／２は、第１の結合部２１に流れ込み、そして第２の磁極１３に流れ込んだ磁束Φｍ／２は、第２の結合部２３に流れ込み、中心磁極１１は磁束ΦｍがＹ軸正方向の向きに流れる。

ここで、Ｙ軸正方向の磁束にプラス符号をつけ、Ｙ軸負方向の磁束にマイナス符号を付けると、第１の磁極９、第２の磁極１３に流れる磁束は−Φｍ／２となる。中心磁極１１を流れる磁束は＋Φｍとなる、従って第１の磁極９はＳ極となる。また、第２の磁極１３もＳ極になっている。そして、中心磁極１１はＮ極になる。

この様に磁路を形成することによって、第１の磁極９と第２の磁極１３のＳ極と回転体５のＮ極とが引き合い、中心磁極１１のＮ極と、回転体５のＳ極とが引き合うために、回転体５を第４の回転位置に無通電保持することができる。

特開平１−１５７２９４号公報（第２頁、第１図）

しかしながら、従来の正逆回転用ステップモーターは、下記に記載の問題点を有する。

従来技術の正逆回転用ステップモーターは、回転体を第３の回転位置から第４の回転位置に回転させる際には、第１のコイル１７と第２のコイル１９を同時に電流を流して磁束を発生させるため、第１の磁極９及び第２の磁極１３を通る磁束量の時間変化によってコイルに生じる逆起電圧ｅ＝−Ｎ×ｄΦ／ｄｔの検出はできない。逆起電圧が検出できないと回転体５が第３の回転位置から第４の回転位置に回転しているかどうかの判断ができず、動作していない場合でも、再度同じパルスを与えて正常な動作に戻すことができないため１周期分の無駄なパルスを与えることになり、場合によっては一瞬逆向きに動作するなどステップ不良の原因となった。

このステップ不良に関して、図１６を用いて説明する。まず、第３の回転位置における回転体５による磁束Φｍは第２の磁極１３に流れ込み、第２の結合部２３を通り、中心磁極１１にΦｍ／２が、第１の磁極９にΦｍ／２が分かれて進み、中心磁極１１と第１の磁極９から回転体５のＳ極に流れ込む。正常な動作、すなわち回転体５を第３の回転位置から第４の回転位置に回転させるためには、第１の磁極９をＳ極にして、中心磁極１１をＮ極、第２の磁極１３をＳ極にする必要がある。

ところが、第３の電圧パルスで動作しなかった場合、次の第４の電圧パルス１４１、すなわち−３ｖが第１のコイル１７には印加され、第１の磁極９にはＹ軸正方向にΦｃ１が発生し、磁束Φｃ１は中心磁極１１と第２の磁極１３にＹ軸負方向に−Φｃ１／２が流れる。従って、回転体の磁束と重ねて、Ｙ軸正方向の磁束をプラス符号をつけ、Ｙ軸負方向の磁束をマイナス符号で表すと、第１の磁極９にはΦｃ１＋Φｍ／２の磁束が生じ、中心磁極１１には−Φｃ１／２＋Φｍ／２の磁束が生じ、第２の磁極１３には−Φｃ１／２−Φｍの磁束が生じることになる。

そのため、第１の磁極９はＮ極、中心磁極１１はＳ極、第２の磁極１３はＳ極となり、回転体５のＮ極と第１の磁極のＮ極とは反発し、回転体５のＳ極と第１の磁極９のＮ極とは吸引し、中心磁極１１のＳ極とは反発するため、本来回転させたい方向と逆方向である時計回りの回転トルクを受けることになり、ステップ不良となる。

また、ステップ不良以外の問題点としては、第３の回転位置から第４の回転位置に回転するときは、第３の回転位置において、すでに回転体が速度を持つため、短時間のパルスを与えれば十分次の回転位置に達すると考えられるが、逆起電圧の検出ができずに回転検出ができないために、印加する電圧パルスは十分回転すると考えられる時間幅で与える必要があり、電圧パルスの時間幅を制御するなどして消費電流値を少なくすることができない。更に、第１のコイル、第２のコイルを同時に電圧パルスを与えているため、得られる回転トルクが大きく、次の回転位置を行き過ぎることもあり、この場合、振動、騒音が生じる原因になると考えられる。

そこで本発明の目的は、パルス制御法を用いて駆動されるステップモーターにおいて、回転中の逆起電力を常に検出することができることでステップ不良を起こさず、低消費電力化、低振動、低騒音を達成することができる正逆回転用ステップモーターを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、基本的には、下記に記載されたような技術構成を採用するものである。

本発明における正逆回転用ステップモーターは、２極着磁された回転体と、中心磁極と、該中心磁極を対称軸として略対称な位置に前記回転体を介して対向配置された第１の磁極及び第２の磁極と、前記第１、第２の磁極のいずれか一方の磁極に磁気的に結合する第１のコイルと、前記中心磁極に磁気的に結合する第２のコイルとを備え、前記第１の磁極と前記中心磁極とは第１の結合部により磁気的に接続され、前記第２の磁極と前記中心磁極とは第２の結合部により磁気的に接続されていることを特徴とする。

本発明の正逆回転用ステップモーターは、回転体５が駆動パルスに対して正常に動作をしていることを逆起電圧検出によって常に確認できるため、回転異常が検出できる。その対応として、再度同じ電圧パルスを入力するか、電圧パルス幅を長くとって与えるという方法をとることで、正常な動作に戻せ、ステップ不良は生じさせることなく回転可能である。

更に、正常に回転していることが逆起電圧検出によって確認できていれば、印加する電圧パルスの時間幅を必要最小限に最適化することが可能なので、消費電流値を少なくすることができる。また、パルス数に対して移動角度の過不足があった場合に、電圧パルスのパルス幅を調整することが可能であり、振動が少なく駆動音が静かで常に安定したステップを行うことができる。

以下、本発明の正逆回転用ステップモーターに関して図１の平面図を用いて説明する。

本発明の正逆回転用ステップモーターは、２極着磁された回転体５を有し、回転体５は磁性材料からなるヨーク７に設けられた回転体用穴１５内部に回転自在に支持されており、ヨーク７は第１の磁極９、中心磁極１１、第２の磁極１３、第１の結合部２１、第２の結合部２３を有し、回転体用穴１５周辺には、第１の磁極９、中心磁極１１、第２の磁極１３が配置され、第１の磁極９と中心磁極１１とは第１の結合部２１により磁気的に接続され、中心磁極１１と第２の磁極１３とは第２の結合部２３により磁気的に接続され、又、第１のコイル１７、第２のコイル１９を備えたステップモーターであり、第１の磁極９と第２の磁極１３とは、中心磁極１１を対称軸として略対称な位置関係を持っている。

そして、第１の磁極９には第１のコイル１７が巻き回されており、中心磁極１１には第２のコイル１９が巻き回されている。第１のコイル１７と第２のコイル１９には同じ線径の線材が同じ巻き数Ｎ巻かれている。

なお、第１の回転位置とは、回転体５のＮ極がＹ軸負方向を向いている状態のことをいい、第２の回転位置とは回転体５のＮ極がＹ軸負方向から反時計回りに約６０度回転した方向を向いている位置である。また、第３の回転位置とは回転体５のＮ極がＹ軸負方向から反時計回りに約１２０度回転した方向を向いている位置であり、第４の回転位置とは回転体５のＮ極がＹ軸負方向から反時計回りに約１８０度回転した方向を向いている位置、すなわち、Ｎ極がＹ軸正方向を向いている位置である。

本発明の正逆回転用ステップモーターの駆動方法は、パルス制御法という駆動方法が一般的に用いられている。パルス制御法は電圧一定を保ったままで、オン、オフいずれかの状態を繰り返してコイルに駆動パルスを印加する方法であり、オフタイムでの電力ロスが無く、オンタイムでも制御用トランジスタが完全に飽和しているためここでの電力ロスも非常に少ない。また、パルスの幅を変化させることでモーターの回転速度の制御や消費電流値のコントロールが可能であるという特徴を持つため、ステップモーターの制御法に適している。

ここで、本発明の正逆回転用ステップモーターの駆動用電圧パルスについて図２を用いて説明する。図２（ａ）は第１のコイルに印加される駆動パルスを示す図で、図２（ｂ）は第２のコイルに印加される駆動パルスを示す図であり、横軸は時刻、縦軸は電圧を示す。いずれも図１に示した回転体５を反時計回りに３６０度回転させるための駆動パルスである。そして、各駆動パルスは第１の電圧パルス２７，第２の電圧パルス２９、第３の電圧パルス３１、第４の電圧パルス３３、第５の電圧パルス３５、第６の電圧パルス３７の６つの電圧パルスから構成されている。

第１の電圧パルス２７は、第１のコイルに＋３ｖ印加し第２のコイルには電圧印加が無い状態であり、回転体を第１の回転位置から第２の回転位置に回転させることができる。第２の電圧パルス２９は、第１のコイルは電圧印加が無く、第２のコイルには−３ｖ印加されている状態であり、回転体を第２の回転位置から第４の回転に回転させることができる。第３の電圧パルス３１は、第１のコイル及び第２のコイルともに電圧印加が無い状態である。ここまでのパルスを連続して与えると回転体は反時計回りに１８０度回転する。

次に第４の電圧パルス３３は、第１のコイルに−３ｖ、第２のコイルには電圧印加が無い状態であり、回転体は第４の回転位置から第５の回転位置に回転することができる。第５の電圧パルス３５は、第１のコイルに電圧印加が無く、第２のコイルには＋３ｖの印加される状態であり、回転体を第５の回転位置から第１の回転位置に回転することができる。第６の電圧パルス３７においては、第１のコイル及び第２のコイルには電圧印加が無い状態である。ここまでの第４の電圧パルス３３から第６の電圧パルス３７を連続して与えると回転体は１８０度から３６０度まで回転することができる。

なお、第５の回転位置は回転体５のＮ極がＹ軸負方向から反時計回りに約２４０度回転した方向を向いている位置であり、第６の回転位置は回転体５のＮ極がＹ軸負方向から反時計回りに約３００度回転した方向を向いている位置である。

次に、本発明の正逆回転用ステップモーターが第１の状態にあるときの磁束の流れについて図３を用いて説明する。第１の状態とは、２極に着磁された回転体５が第１の回転位置にあり、第１のコイル、第２のコイルのいずれのコイルにも電圧パルスを印加していない状態のときである。

第１の状態において、回転体５のＮ極から出た磁束をΦｍとすると、磁束Φｍは中心磁極１１に流れ込み、そのため中心磁極１１はＳ極となり、磁束Φｍの半分であるΦｍ／２が第１の結合部２１に流れ、第１の磁極９にはΦｍ／２がＹ軸正方向の向きに流れる。また、第２の結合部２３において同様に磁束Φｍ／２が流れ、その磁束は第２の磁極１３にもＹ軸正方向の向きに流れる。

ここで、Ｙ軸正方向の磁束にプラス符号をつけ、Ｙ軸負方向の磁束にマイナス符号をつけて表すと、第１の磁極９、第２の磁極１３に流れる磁束は＋Φｍ／２となる。そして、第１の磁極９を流れる磁束は、空隙を通り回転体５のＳ極に流れて磁路を形成する。そのため第１の磁極９はＮ極となる。また、第２の磁極１３を流れる磁束は、空隙を通り回転体５のＳ極に流れて磁路を形成する。そのため第２の磁極１３もＮ極になる。

この様に磁路を形成することによって、第１の磁極９と第２の磁極１３のＮ極と回転体
５のＳ極とが引き合い、中心磁極１１のＳ極と、回転体５のＮ極とが引き合うために、回転体５を第１の回転位置に無通電保持することができる。

次に、第２の状態における磁束の流れについて図４を用いて説明する。第２の状態とは第１の回転位置にある回転体５を第１の回転位置から第２の回転位置に回転させるために、第１の電圧パルス２７を印加、すなわち第１のコイル１７のコイル端子に＋３ｖ印加して、第１の磁極９をＮ極、中心磁極１１と第２の磁極１３をＳ極にした状態である。

このとき、第１の磁極９には磁束Φｃ１が生じ、磁束Φｃ１は第１の磁極９から中心磁極１１と第２の磁極１３とに分かれて進み、中心磁極１１、第２の磁極１３にはＹ軸負方向に磁束Φｃ１／２が流れることとなり、Ｙ軸正方向の磁束にプラス符号を付け、Ｙ軸負方向の磁束にマイナス符号をつけて表し、回転体５の磁束と重ねると、第１の磁極９にはΦｃ１＋Φｍ／２の磁束が生じ、中心磁極１１には−Φｃ１／２−Φｍの磁束が生じ、第２の磁極１３には−Φｃ１／２＋Φｍ／２の磁束が生じる。

第１の磁極９を流れる磁束Φｃ１、Φｍ／２は共にプラス符号を持ち、第１の磁極９はＮ極、中心磁極１１を流れる磁束はΦｃ１／２、Φｍは共にマイナス符号を持つため、中心磁極１１はＳ極になる。そして、第２の磁極１３をＳ極にするためには、第２の磁極１３に生じている磁束−Φｃ１／２＋Φｍ／２がＹ軸負方向を向き、不等式−Φｃ１／２＋Φｍ／２＜０、すなわちΦｍ＜Φｃ１を満たす必要があり、そのような磁束を発生させることが可能な時間幅を持つ電圧パルスを第１のコイル１７に印加すると良い。

具体例としては、回転体５による磁束はΦｍ＝０．２００×１０^-6Ｗｂに対し、３ｖの電圧パルスを印加することでΦｃ１＝０．４８８×１０^-6Ｗｂの磁束Φｃを生じさせることができる。このようにすることで、Φｍ＜Φｃ１を満たすため、第２の磁極１３をＳ極にすることができ、回転体５のＮ極は、第１の磁極９のＮ極と反発し、第２の磁極１３のＳ極と吸引し、かつ、回転体５のＳ極は第１の磁極９のＮ極と吸引し、第２の磁極１３のＳ極により反発されるため、回転トルクを得、第１の回転位置から第２の回転位置へ回転することができる。

回転体５が第１の回転位置から第２の回転位置に回転すると、中心磁極１１を通る磁束の内、回転体５の磁束が変化し、第１の回転位置では−Φｍであった回転体磁束が第２の回転位置では−Φｍ／２になる。従って、第１の電圧パルス印加によって、回転体５が回転移動することで、中心磁極１１を通る磁束量に変化が生じ、中心磁極１１には第２のコイル（図４には図示せず）が巻き回されているため、第２のコイルには磁束の変化に伴う逆起電圧ｅ＝−Ｎ×ｄΦ／ｄｔが生じる。そのため、第１のコイル１７に電圧パルス２７を与えることによって回転体５が第１の回転位置から第２の回転位置に回転したかどうかが第２のコイルを用いた逆起電圧検出によって確認できる。

次に、第３の状態における磁束の流れについて図５を用いて説明する。第３の状態とは回転体５が第２の回転位置にあり、回転体５を第２の回転位置から第４の回転位置に回転させるために、第２のコイル１９に第２の電圧パルス２９を印加した状態である。

第２の回転位置における回転体５による磁束Φｍは、中心磁極１１と第２の磁極１３にそれぞれΦｍ／２に分かれて流れ、第１の結合部２１，第２の結合部２３を通り、第１の磁極９では磁束Φｍとなり、回転体５のＳ極に流れ込む。

回転体５を第２の回転位置から第４の回転位置に回転させるためには、第１の磁極９をＳ極にして、中心磁極１１をＮ極、第２の磁極１３をＳ極にする必要がある。そのためには第２のコイル１９に第２の電圧パルス２９を印加して、中心磁極１１にはＹ軸正方向にΦｃ２を発生させる。そのため第１の磁極９、第２の磁極１３には磁束Φｃ２／２がＹ軸
負方向に生じることとなり、Ｙ軸正方向の磁束にプラス符号をつけ、Ｙ軸負方向の磁束にマイナス符号をつけると、回転体５の磁束と重ねると、第１の磁極９には−Φｃ２／２＋Φｍの磁束が生じ、中心磁極１１にはΦｃ２−Φｍ／２の磁束が生じ、第２の磁極１３には−Φｃ２／２−Φｍ／２の磁束が生じることになる。

このとき、第２の磁極１３を流れる磁束Φｃ２とΦｍはマイナス符号のため、第２の磁極１３はＳ極となる。そして、第１の磁極９に生じる磁束は−Φｃ２／２＋Φｍであり、第１の磁極９をＳ極にするには、Φｍ＜Φｃ２／２を満たす必要があり、又、中心磁極１１に生じる磁束はΦｃ２−Φｍ／２であり中心磁極１１がＮ極になるためには２×Φｃ２＞Φｍを満たす必要があり、そのため第１の磁極９と中心磁極１１とを両方満たすためにはΦｍ＜Φｃ２／２を満たせばよいことがわかる。

具体例としては、回転体５による磁束Φｍ＝０．２００×１０^-6Ｗｂに対し、３ｖの電圧パルスを印加することでΦｃ２＝０．４８８×１０^-6Ｗｂの磁束Φｃを生じさせ、このようにすることで、Φｍ＜Φｃ２／２を満たしており、第１の磁極と第２の磁極１３をＳ極そして中心磁極をＮ極にすることができる。そして、回転体５のＮ極は、中心磁極１１のＮ極と反発し、第２の磁極１３のＳ極と吸引し、かつ、回転体５のＳ極は第１の磁極９のＳ極と、第２の磁極１３のＳ極とにより反発され、中心磁極１１のＮ極と吸引する。そのため、反時計回転方向に回転トルクを得、第２の回転位置から第４の回転位置へ回転することができる。

そして、回転体５が第２の回転位置から第４の回転位置に回転すると、第１のコイルが巻き回されている第１の磁極９を通る磁束の内の回転体５の磁束が変化し、第２の回転位置ではΦｍあったのが第３の回転位置ではΦｍ／２と半分になる。従って、第２の電圧パルス２９の印加によって、回転体５が回転移動することで、第１の磁極９を通る磁束量に変化が生じ、第１の磁極９には第１のコイル（図５に図示せず）が巻き回されているため、第１のコイル１７には磁束の変化を伴う逆起電圧が生じる。そのため、第２のコイル１９に第２の電圧パルス２９を与えることによって回転体５が第２の回転位置から回転移動したかどうかが、第１のコイル１７を用いた逆電圧検出によって確認できる。

そして、第３の電圧パルス３１は、第１のコイルに０ｖ、第２のコイルに０ｖであり、この間回転体５の磁束は、第１の磁極９と中心磁極１１において変化し、第１のコイル１７と第２のコイル１９に電圧パルスを印加していない。そのため、この状態において、いずれのコイルにおいても逆起電圧の検出は可能であり、例えば第１のコイル１７を通過する磁束は、第３の回転位置で−Φｍ／２から第４の回転位置で−Φｍと変化するため磁束の変化に伴う逆起電圧が検出されるが、更に第４の回転位置を通過した後には正の逆起電圧が検出されるため、逆起電圧の符号変化を見ることで、第４の回転位置に達したかどうかの確認ができる。

また、第１の電圧パルス２７、第２の電圧パルス２９の印加によって、第１の回転位置から第４の回転位置に十分余裕をもって回転している場合、図８に示すように、第２の電圧パルス幅を狭くすることができる。十分余裕のある回転の判断は、先に説明した第３の回転位置から第４の回転位置までの磁束変化に伴う逆起電圧符号と、第４の回転位置を通過後の逆起電圧の符号とが異なることから検出可能で、そして、第４の回転位置を行き過ぎる角度が大きいと、逆起電圧が大となることから、この時の逆起電圧値が小さくなるように第２の電圧パルス幅を狭くすることができる。このようにすることは、回転体のステップ動作に伴う振動低減の効果もあり、パルス幅を調整して振動を低減することで低騒音を達成することができる。

なお、万一第２の電圧パルスを印加しても、回転体の回転に伴う逆起電圧が検出されなかった場合には、図７に示すように第２の電圧パルスの幅を広く、すなわち時間を長く取ることが可能であり、このようにすることでステップ異常に対応でき、ミスステップを防止することができる。

又、第２の電圧パルス２９で１８０度回転可能なために、第３の電圧パルス３１は第１のコイルに０ｖ、第２のコイルに０ｖとすることができ、従来技術より電圧パルス数が少なく、低消電化ができる。

次に、本発明の正逆回転用ステップモーターが第４の状態にあるときの磁束の流れについて図６を用いて説明する。第４の状態とは、２極に着磁された回転体５が第４の回転位置にあり、コイルには電圧パルスを印加していない状態のときである。

第４の状態において、回転体５のＮ極から出た磁束をΦｍとすると、磁束Φｍは第１の磁極９にΦｍ／２が、第２の磁極１３に残るΦｍ／２が流れ込み、第１の磁極９と第２の磁極１３はＳ極となり、第１の磁極９に流れ込んだ磁束Φｍ／２は第１の結合部２１に流れ込み、そして第２の磁極１３に流れ込んだ磁束Φｍ／２は、第２の結合部２３に流れ込む。

第１の結合部２１に第１の磁極９から流れてきた磁束Φｍ／２と第２の結合部３５に第２の磁極１３から流れてきた磁束Φｍ／２とがともに中心磁極１１に流れ込むため、中心磁極１１は磁束ΦｍがＹ軸正方向の向きに流れる。

ここで、Ｙ軸正方向の磁束をプラス符号で表し、Ｙ軸負方向の磁束をマイナス符号で表すと、第１の磁極９、第２の磁極１３に流れる磁束は−Φｍ／２となる。そのため、第１の磁極９と第２の磁極１３はＳ極となる。そして、第１の磁極９を流れる磁束は第１の結合部２１を通り、また、第２の磁極１３を流れる磁束は第２の結合部２３を通り中心磁極１１に流れ＋Φｍとなり、空隙を通り回転体５のＳ極に流れて磁路を形成する。そのため第２の磁極１３もＳ極になっている。そして、中心磁極１１はＮ極になる。

以上、第１の状態、第２の状態、第３の状態、第４の状態を用いて、回転体のＮ極の向きが反時計回りに１８０度回転する動作を説明したが、Ｙ軸正方向からＸ軸負方向を経由してＹ軸負方向に１８０度回転させることも回転体Ｎ極の向きとコイルへの電圧パルス印加を最適化させることで同様に行うことができ、更に、逆回転に関しても同様に行うことができる。

本発明の実施例における構造平面図である。本発明の実施例における駆動パルスである。本発明の実施例における第１の状態を説明するための平面図である。本発明の実施例における第２の状態を説明するための平面図である。本発明の実施例における第３の状態を説明するための平面図である。本発明の実施例における第４の状態を説明するための平面図である。本発明の実施例における駆動パルスである。本発明の実施例における駆動パルスである。従来技術における構造平面図である。従来技術における駆動パルスである。従来技術における第１の状態を説明する平面図である。従来技術における第２の状態を説明する平面図である。従来技術における第３の状態を説明する平面図である。従来技術における第４の状態を説明する平面図である。従来技術における第５の状態を説明する平面図である。従来技術におけるステップ不良を説明する平面図である。

符号の説明

５回転体
７ヨーク
９第１の磁極
１１中心磁極
１３第２の磁極
１５回転体用穴
１７第１のコイル
１９第２のコイル
２１第１の結合部
２３第２の結合部
２５駆動回路
２７第１の電圧パルス
２９第２の電圧パルス
３１第３の電圧パルス
３３第４の電圧パルス
３５第５の電圧パルス
３７第６の電圧パルス

Claims

２極着磁された回転体と、中心磁極と、該中心磁極を対称軸として略対称な位置に前記回転体を介して対向配置された第１の磁極及び第２の磁極と、前記第１、第２の磁極のいずれか一方の磁極に磁気的に結合する第１のコイルと、前記中心磁極に磁気的に結合する第２のコイルとを備え、前記第１の磁極と前記中心磁極とは第１の結合部により磁気的に接続され、前記第２の磁極と前記中心磁極とは第２の結合部により磁気的に接続されていることを特徴とする正逆回転用ステップモーター。