JP4874474B2 - ステッピングモータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のステッピングモータによれば、固定子を構成する電機子巻線に磁極歯ヨークを配する構造上の関係から回転止めトルク（以下、ディテントトルクとも言う）が発生する。このディテントトルクを有効利用することで、駆動対象物を所定位置に留めておくことができる利点がある。しかしながら、例えばマイクロステップ駆動を行うときには、ディテントトルクの影響により回転子を高速度で位置決めすることが困難となる場合がある。
【０００３】
すなわち、従来のステッピングモータによれば、回転子と同軸となるように配置されたヨークの磁極歯にコイルを巻き、各コイルへパルス電圧を印加することにより、回転磁界を発生して回転子を所定ステップ角度分回転駆動するように構成されているために、固定子と回転子の極数により、回転のステップ角が決定される。そしてより細かいステップ角駆動を行うためには、回転子の極数及びヨークの歯数を増やすか通電方法を工夫することで対応している。
【０００４】
また、無通電時にも多極着磁された永久磁石と磁極歯間の吸引力が作用するのでディテントトルクが発生して、回転子の回転角度位置を自己保持する働きがある。
【０００５】
このディテントトルクによる回転子の保持力は無通電にて前記自己保持を可能とする反面、回転駆動に障害となることがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ステッピングモータにより駆動される被駆動体として、例えば特開２０００−２５１２７０号公報、特開２０００−２９３８６４号公報に開示される光ピックアップが挙がられる。この光ピックアップは高速回転する光ディスクの記録再生面の半径方向に高速駆動され、瞬時に停止する必要があることから、ステッピングモータの高速応答性が要求されるが、この高速応答性向上のためには上記のディテントトルクが障害になる場合もある。あるいは、光学式カメラのオートフォーカス機構用のステッピングモータによれば、マイクロステップ駆動を行うことにより、従来よりも更に細かいステップ角での駆動が要求されている。
【０００７】
以上のようにディテントトルクに影響されない駆動ができるステッピングモータが望まれている。
【０００８】
したがって、本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであり、ディテントトルクの影響が駆動及び停止時に及ぶことがないようにして、例えばマイクロステップ駆動が容易となり、起動特性も改善することができるステッピングモータの提供を目的としている。
【０００９】
また、任意の角度位置で回転子を停止させるために任意にディテントトルク発生点を設定することができるステッピングモータの提供を目的としている。
【００１０】
そして、回転子の回転軸に沿う長手方向に小型扁平に構成することができるステッピングモータの提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、ステッピングモータのディテントトルクの発生防止または任意に設定可能にするステッピングモータであって、多極着磁された永久磁石を固定した軸体を軸支して構成される回転子と、前記回転子の回転中心軸に直交する軸を中心として所定巻数分が巻回され、かつ前記永久磁石の外周面に沿うように対向配置される複数の空芯コイルから構成される固定子と、を具備し、前記複数の空芯コイルは、第１の空芯コイルと第２の空芯コイルを有し、前記第１の空芯コイルは、前記第１の空芯コイルの、前記回転子の回転に寄与する回転方向の２つの直線成分のうち一方の中心が、前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向しているとき、他方の前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心も前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向するように構成され、前記第２の空芯コイルの前記直線成分の中心は、前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心に対して電気角９０度ずれるように配置されることを特徴としている。
【００１２】
また、前記第１の空芯コイルは複数であって、前記永久磁石と対向し、かつ等分割位置に配置され、前記第２の空芯コイルは複数であって、前記第１の空芯コイルの組に対して位相角度９０度分ずれるように等分割位置に配置され、前記第１の空芯コイルと第２の空芯コイルの組に通電を行うことで、前記回転子に偶力を含む回転トルクを発生可能にしたことを特徴としている。
【００１３】
また、前記永久磁石を２、４、６、８、１０、１２のいずれかの極数に着磁し、前記空芯コイルを２、４、６、８のいずれかの個数とし、前記空芯コイルを前記永久磁石の外周面に沿って均等に１相、２相の各相コイルに割り振ることで、電気角９０度のずれを有するように配置して、２相励磁駆動を可能にすることを特徴としている。
【００１５】
また、前記空芯コイルの前記回転子の回転に寄与する回転方向の略直線成分を、前記永久磁石の回転軸方向に沿う長手方向の長さ以上に設定することで、磁界に直交する導体長を極力長くしたことを特徴としている。
【００１６】
また、任意の角度位置で前記回転子を停止させることで、任意にディテントトルク発生点を設定する補極部材を配設することを特徴としている。
【００１７】
また、前記回転子の回転中心と同心円上に、内径側から外径側に向かって放射状に延設された腕部を一体成形した樹脂部材を前記空芯コイルの保持に用いることで、前記空芯コイルの前記永久磁石の各磁極に対する角度位置関係を維持することを特徴としている。
【００１８】
また、任意の角度位置で前記回転子を停止させることで、任意にディテントトルクの発生点を設定する補極部材を、前記樹脂部材に埋設することを特徴としている。
【００１９】
そして、ＰＭ型２相励磁式のステッピングモータのディテントトルクの発生防止または任意に設定可能にするステッピングモータであって、６、８、１０、１２のいずれかの極数に着磁された永久磁石を固定した軸体を軸支して構成される回転子と、前記回転子の回転中心軸に直交する軸を中心として所定巻数分が巻回され、かつ前記永久磁石の外周面に沿うように２個に分けて対向配置される合計４個の空芯コイルから構成され、前記４個の空芯コイルは、２個の第１の空芯コイルと２個の第２の空芯コイルと、を有し、前記第１の空芯コイルは、前記第１の空芯コイルの、前記回転子の回転に寄与する回転方向の４つの直線成分のうち１つの中心が、前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向しているとき、他の３つの前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心も前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向するように構成され、前記第２の空芯コイルの前記直線成分の中心は、前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心に対して電気角９０度ずれるように配置された固定子と、前記対向配置される前記空芯コイルの間の空間部を平坦にした平坦部を有したヨークを兼ねる本体部とを具備することを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な各実施形態につき、添付の図面を参照して説明すると、図１(ａ)は各実施形態に共通するステッピングモータの半断面図であり、(ｂ)はその動作原理説明図、(ｃ)は(ａ)のＸ-Ｘ線矢視部分の断面の一部を拡大して示した動作説明図である。
【００２１】
先ず、図１(ａ)において、ＰＭ型２相励磁式のステッピングモータは、ヨークを兼ねる円筒状の本体部１に固定された含油メタルやラジアル玉軸受から構成される軸受８と、この本体部１に圧入後にカシメを含む固定方法により固定される蓋部材１１において固定された含油メタルやラジアル玉軸受から構成される軸受８を設けており、これらの軸受８、８により軸体７を回転乃至回動自在に両支持状態で軸支している。この軸体７の途中には、多極着磁された永久磁石３が図示の位置に固定されており、ステッピングモータの回転子を構成しており、本体から突出した軸体７に所定の動力伝達手段（ギア他）を固定するように構成されている。
【００２２】
一方、この回転子の回転中心軸ＣＬ１に直交する軸ＣＬ２を中心として所定巻数分が巻回されており、永久磁石３の外周面に沿うように複数の空芯コイル４、５が樹脂部材２を用いて保持されており、モータの固定子を構成している。
【００２３】
以上の構成により、図１(ｂ)の動作原理図において、永久磁石３から磁束Ｂが矢印方向に発生する磁場中において、空芯コイルの巻線（導体）に電流Ｉを紙面表面から裏面側に向けて流すことで、フレミングの左手の法則により、磁束密度Ｂと直交する方向に、「Ｆ（導体に作用する力）＝Ｂ（磁束密度）×Ｉ(電流）×Ｌ（導体の長さ）」の力が発生することになる。
【００２４】
そこで、図１(ｃ)において、破線図示の空芯コイル５に通電を行うことで図１(ｂ)と同様に空芯コイル４、５に回転力が発生する。ここで、空芯コイルは固定されているために、その反力として永久磁石３は矢印方向に回転する力を受けて回転子が回転することになる。ここで、空芯コイル４は、空芯コイル５と互いに電気角９０度のずれを持って位置決め固定されており、所定のステップ通電をこれに続いて行うことで連続した回転を行うことが可能となる。以上が本発明のステッピングモータの動作原理である。
【００２５】
次に、図２(ａ)は、図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第１の実施形態を示しており、本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛する。
【００２６】
先ず、回転子の永久磁石３は図示のように８極に多極着磁されおり、間隙を経たてて樹脂部材２の内周面において回転自在に設けられている。この樹脂部材２には４本の腕部２ａ〜２ｄが例えば射出成形により一体成形されており、図示のように各腕部が対向配置されて回転中心の点対称の２本ずつが１つの相となるように各相のコイル巻線の直線成分４ａ、４ｂと４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを均等位置に保持するようにしている。
【００２７】
また、本体部１は、漏洩磁気の防止と閉磁束回路を形成するために磁性材料から筒状に形成されている。
【００２８】
以上の構成において、第１の空芯コイルである１相目の空芯コイル４の巻線の直線成分を４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとし、第２の空芯コイルである２相目の空芯コイルの巻線の直線成分を５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとすることで、電気角で９０度位相がずれた状態で位置決め固定されることとなる。ここで９０度位相のずれた電圧波形の通電を行うことで、ステップ角度が２２．５度となるＰＭ型２相励磁式のステッピングモータを構成できることになる。また、１−２相励磁式による半ステップ駆動も可能となり、さらには図示しないがマイクロステップ駆動方式のステッピングモータも容易に実現可能となる。
【００２９】
続いて、図２(ｂ)は、図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第２の実施形態を示しており、本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、永久磁石３は３０度の等間隔で１２極に多極着磁されいる。
【００３０】
また、図示のように回転子の回転中心を点対称とした３個分が１つの相となるように各相のコイル４、５が対向して均等に配置されている。
【００３１】
以上の構成において、実線図示の３個の１相コイル４と破線図示の３個の２相コイル５に対する通電を、図２(ａ)で示した波形で行うことで、ステップ角度が１５度となるステッピングモータを構成できる。
【００３２】
次に、図３(ａ)は、図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第３の実施形態を示しており、本図において、永久磁石３は１２極に多極着磁されいる。
【００３３】
また、図示のように回転子の回転中心を点対称とした４個分が１つの相となるように各相のコイル４、５が対向して均等に配置されている。
【００３４】
以上の構成において、実線図示の４個の１相コイル４と破線図示の４個の２相コイル５に対する通電を、図２(ａ)で示した波形で行うことで、ステップ角度が１５度となる、よりトルクの大きなステッピングモータを構成できる。
【００３５】
続いて、図３(ｂ)は、図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第４の実施形態を示している。本図において、永久磁石３は１２極に多極着磁されている。
【００３６】
また、図示のように回転子の回転中心を点対称とした２個分が１つの相となるように各相のコイル４、５が対向して均等に配置されている。
【００３７】
以上の構成において、実線図示の２個の１相コイル４と破線図示の２個の２相コイル５に対する通電を、紙面直交方向に図２(ａ)で示した波形で行うことで、ステップ角度が１５度となるステッピングモータを構成できることになる。
【００３８】
図４は、回転子の永久磁石の着磁極数と１相および２相コイルの各相当たりのコイル数との関係図表を纏めたものであり、上記の構成のステッピングモータの他の実施形態に極数を２としたときに１相コイルと２相コイルを点対称位置に対向して均等に配置する構成がある。
【００３９】
また、極数を６としたときに１相コイルと２相コイルを点対称位置に２個づつ対向して均等に配置する構成がある。そして、極数を１０としたときに１相コイルと２相コイルを点対称位置に２個づつ対向して均等に配置する構成と、極数を１２としたときに１相コイルと２相コイルを点対称位置に２、３、４個づつ対向して均等に配置する構成がある。 続いて、図５は、図２(ａ)で示した構成のステッピングモータの立体分解図である。
【００４０】
本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、本体１は一部を破断して示したように図示のような筒状体として構成されており、軸受８を固定する上方開口部１ａと蓋部材１１を挿通し固定する下方開口部１ｂとが形成されている。また、下方に示した蓋部材１１には軸受８を固定する孔部１１ａと本体１の下方開口部１ｂに当接して所定位置に保持するフランジ部１１ｂとが形成されており、所定の部品を組み付け後に、図１(ａ)で示した状態に固定できるようにしている。
【００４１】
多極着磁された永久磁石３を固定した軸体７を上下の軸受８、８でラジアル方向に軸支する一方で、軸受８と永久磁石の間にはスラスト方向の荷重を受けるかまたはスラスト方向のガタ付きを防止するためのワッシャー９、９が軸体７に挿通されて完成される。
【００４２】
また、樹脂部材２は上記の腕部２ａ〜２ｄが図示のように対向して均等に配置されており各相のコイルの巻線の直線成分４ａ、４ｂと４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを所定位置に保持可能にしている。
【００４３】
これらの空芯コイル４、５の相内では１本の電線で連続して行われ、各相で巻き初めと巻き終わりの２本の合計４本の巻線端末が、本体１の外部へ出力されるように配線（不図示）されている。
【００４４】
この樹脂部材２は回転子の回転中心と同心円上に、内径側から外径側に向かって放射状に延設された腕部として設けられているが、この構成のほかに巻線用溝部または突極形状を有する形状部を一体成形して空芯コイルの保持に用いることで、空芯コイルの永久磁石の各磁極に対する角度位置関係を維持することが可能であることは言うまでもない。
【００４５】
また、図示のように空芯コイル４、５の回転子の回転に寄与する回転方向の略直線成分Ｌ１を、永久磁石３の回転軸方向に沿う長手方向の長さＬ２以上に設定しており、磁界に直交する導体長を極力長くすることで回転力を十分に得るように構成されている。
【００４６】
一方、樹脂部材２には穴部または孔部２ｋが図示のように穿設されており、この孔部２ｋに対して磁性材料から形成される補極部材１０を固定し、この補極部材１０により、永久磁石３を吸引して任意の角度位置で回転子を停止させるようにして、任意にディテントトルク発生点を設定できるようにしている。
【００４７】
最後に、図６は図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第５の実施形態を示しており、本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、永久磁石３は８極に多極着磁されており、樹脂部材２において回転子の回転中心軸を点対称にして各２個の合計４個の空芯コイル４、５が設けられており、これらの空芯コイルを均等に１相、２相の各相コイルに割り振るように構成されている。
【００４８】
このように各空芯コイルを本体１の内部に配置することで図示のように空芯コイル４、５の間には空間部が形成されるので、この空間部に該当する本体１の部分を平坦にした平坦部１ｆ、１ｆを対称位置に形成することで直径寸法Ｄより少ないｄ寸法を有した形状にすることが可能となり、一部が扁平なステッピングモータを構成できる。このために、モータの占有空間を少なくできる。
【００４９】
以上のように、回転子の永久磁石に２ｎ（ｎは１以上の整数）極着磁を行い、回転子の同心円上の外側の回転中心に直交する方向を中心として巻かれた空芯コイルを装着することで、空芯コイルは、最外周の本体の間の磁界中に存在することになり、一般的なコアレスモータのように動作することが可能となる。
【００５０】
特に、上記のようにステータに磁極歯ヨークが無く、回転子の永久磁石に相対する軟磁性部材としては最外周の本体であり、しかもこの本体には突極形状が一切ないことからディテントトルクは発生しないことになる。また、補極部材を任意の角度位置で装着できるので、必要に応じてディテントトルクの発生点を任意に設定できる。
【００５１】
図７は、図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第６の実施形態を示しており、本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、永久磁石３は図示のように１０極に多極着磁されており、樹脂部材２において回転子の回転中心軸を対称にして１相当たり各２個の合計４個の空芯コイル４、５が設けられており、これらの空芯コイルを均等に１相、２相の各相コイルに割り振るように構成されている。
【００５２】
このようにして配置された各空芯コイルを本体１の内部に配置し、本体１の部分を平坦にした平坦部１ｆ、１ｆを対称位置に形成することで直径寸法Ｄ（８ｍｍ）より少ないｄ寸法（６．３ｍｍ）を有した形状にすることで、一部が扁平なステッピングモータを構成できることになる。さらに、各平坦部１ｆ、１ｆにおいて永久磁石３のＮ、Ｓ極に夫々対向する凸部１ｇ、１ｇを例えばプレス加工で形成することで、閉磁束回路を形成しつつ、かつディテントトルクの発生を設定可能にできることになる。
【００５３】
以上のようにディテントトルクの影響が駆動及び停止時に及ぶことがないようにして、例えばマイクロステップ駆動が容易となり、起動特性も改善できる。そして、回転子の回転軸に沿う長手方向に小型扁平に構成することができ、しかも図５の立体分解図で述べたように簡単に製造でき、特に外周に開かれた形状や、材料の変更に伴う部品点数の減少により、巻線工程、組立工程の簡易化、製品の軽量化が可能となる。
【００５４】
最後に、図８は以上説明したステッピングモータを光磁気ディスク装置に使用した事例を示した代表的なブロック図である。本図において、ステッピングモータ１００の軸体にはリードスクリュー１０９が一体的または別部品として設けられており、このリードスクリュー１０９に螺合する部材を設けたキャリッジには光学ヘッド１０５が搭載されており、駆動制御部１０３からの指示により、所定駆動されるように構成されている。そして、光ディスク１０１はスピンドルモータ１０８により高速回転駆動されるとともに、最内周の位置を検出する位置検出スイッチ１０７により基準位置を検出するように構成されている。
【００５５】
以上の構成において、高速回転する光ディスク１０１の記録再生面の半径方向に光学ヘッド１０５が高速駆動されて、瞬時に停止する必要があることから、ステッピングモータ１００の高速応答性が要求されることになるが、上記のようにディテントトルクがないことから高速応答性の向上が可能となる。
【００５６】
あるいは、光学式カメラのオートフォーカス機構用のステッピングモータに使用することで、マイクロステップ駆動により、従来よりも更に細かいステップ角での駆動が容易となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ディテントトルクの影響が駆動及び停止時に及ぶことがないようにして、例えばマイクロステップ駆動が容易となり、起動特性も改善できるステッピングモータを提供することができる。
【００５８】
加えて、任意の角度位置で回転子を停止させるために任意にディテントトルク発生点を設定することができるステッピングモータを提供できる。
【００５９】
そして、回転子の回転軸に沿う長手方向に小型扁平に構成することができるステッピングモータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (ａ)は各実施形態に共通するステッピングモータの半断面図であり、(ｂ)は動作原理説明図、(ｃ)は(ａ)のＸ-Ｘ線矢視部分の断面の一部を拡大して示した動作説明図である。
【図２】 (ａ)は、第１の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図、(ｂ)は第２の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図である。
【図３】 (ａ)は、第３の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図、(ｂ)は第４の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図である。
【図４】回転子の永久磁石の着磁極数と１相および２相コイルの各相当たりのコイル数との関係を示した図表である。
【図５】ステッピングモータの立体分解図である。
【図６】第５の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図である。
【図７】第６の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図である。
【図８】ステッピングモータを光磁気ディスク装置に使用した事例を示した代表的なブロック図である。
【符号の説明】
１ 本体
２ 樹脂部材
２ａ〜２ｄ 腕部
３ 永久磁石
４ 空芯コイル（１相）
５ 空芯コイル（２相）
７ 軸体
８ 軸受
１０ 補極部材
１１ 蓋部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のステッピングモータによれば、固定子を構成する電機子巻線に磁極歯ヨークを配する構造上の関係から回転止めトルク（以下、ディテントトルクとも言う）が発生する。このディテントトルクを有効利用することで、駆動対象物を所定位置に留めておくことができる利点がある。しかしながら、例えばマイクロステップ駆動を行うときには、ディテントトルクの影響により回転子を高速度で位置決めすることが困難となる場合がある。
【０００３】
すなわち、従来のステッピングモータによれば、回転子と同軸となるように配置されたヨークの磁極歯にコイルを巻き、各コイルへパルス電圧を印加することにより、回転磁界を発生して回転子を所定ステップ角度分回転駆動するように構成されているために、固定子と回転子の極数により、回転のステップ角が決定される。そしてより細かいステップ角駆動を行うためには、回転子の極数及びヨークの歯数を増やすか通電方法を工夫することで対応している。
【０００４】
また、無通電時にも多極着磁された永久磁石と磁極歯間の吸引力が作用するのでディテントトルクが発生して、回転子の回転角度位置を自己保持する働きがある。
【０００５】
このディテントトルクによる回転子の保持力は無通電にて前記自己保持を可能とする反面、回転駆動に障害となることがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ステッピングモータにより駆動される被駆動体として、例えば特開２０００−２５１２７０号公報、特開２０００−２９３８６４号公報に開示される光ピックアップが挙がられる。この光ピックアップは高速回転する光ディスクの記録再生面の半径方向に高速駆動され、瞬時に停止する必要があることから、ステッピングモータの高速応答性が要求されるが、この高速応答性向上のためには上記のディテントトルクが障害になる場合もある。あるいは、光学式カメラのオートフォーカス機構用のステッピングモータによれば、マイクロステップ駆動を行うことにより、従来よりも更に細かいステップ角での駆動が要求されている。
【０００７】
以上のようにディテントトルクに影響されない駆動ができるステッピングモータが望まれている。
【０００８】
したがって、本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであり、ディテントトルクの影響が駆動及び停止時に及ぶことがないようにして、例えばマイクロステップ駆動が容易となり、起動特性も改善することができるステッピングモータの提供を目的としている。
【０００９】
また、任意の角度位置で回転子を停止させるために任意にディテントトルク発生点を設定することができるステッピングモータの提供を目的としている。
【００１０】
そして、回転子の回転軸に沿う長手方向に小型扁平に構成することができるステッピングモータの提供を目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、ステッピングモータのディテントトルクの発生防止または任意に設定可能にするステッピングモータであって、多極着磁された永久磁石を固定した軸体を軸支して構成される回転子と、前記回転子の回転中心軸に直交する軸を中心として所定巻数分が巻回され、かつ前記永久磁石の外周面に沿うように対向配置される複数の空芯コイルから構成される固定子と、を具備し、前記複数の空芯コイルは、第１の空芯コイルと第２の空芯コイルを有し、前記第１の空芯コイルは、前記第１の空芯コイルの、前記回転子の回転に寄与する回転方向の２つの直線成分のうち一方の中心が、前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向しているとき、他方の前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心も前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向するように構成され、前記第２の空芯コイルの前記直線成分の中心は、前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心に対して電気角９０度ずれるように配置されることを特徴としている。
【００１２】
また、前記第１の空芯コイルは複数であって、前記永久磁石と対向し、かつ等分割位置に配置され、前記第２の空芯コイルは複数であって、前記第１の空芯コイルの組に対して位相角度９０度分ずれるように等分割位置に配置され、前記第１の空芯コイルと第２の空芯コイルの組に通電を行うことで、前記回転子に偶力を含む回転トルクを発生可能にしたことを特徴としている。
【００１３】
また、前記永久磁石を２、４、６、８、１０、１２のいずれかの極数に着磁し、前記空芯コイルを２、４、６、８のいずれかの個数とし、前記空芯コイルを前記永久磁石の外周面に沿って均等に１相、２相の各相コイルに割り振ることで、電気角９０度のずれを有するように配置して、２相励磁駆動を可能にすることを特徴としている。
【００１５】
また、前記空芯コイルの前記回転子の回転に寄与する回転方向の略直線成分を、前記永久磁石の回転軸方向に沿う長手方向の長さ以上に設定することで、磁界に直交する導体長を極力長くしたことを特徴としている。
【００１６】
また、任意の角度位置で前記回転子を停止させることで、任意にディテントトルク発生点を設定する補極部材を配設することを特徴としている。
【００１７】
また、前記回転子の回転中心と同心円上に、内径側から外径側に向かって放射状に延設された腕部を一体成形した樹脂部材を前記空芯コイルの保持に用いることで、前記空芯コイルの前記永久磁石の各磁極に対する角度位置関係を維持することを特徴としている。
【００１８】
また、任意の角度位置で前記回転子を停止させることで、任意にディテントトルクの発生点を設定する補極部材を、前記樹脂部材に埋設することを特徴としている。
【００１９】
そして、ＰＭ型２相励磁式のステッピングモータのディテントトルクの発生防止または任意に設定可能にするステッピングモータであって、６、８、１０、１２のいずれかの極数に着磁された永久磁石を固定した軸体を軸支して構成される回転子と、前記回転子の回転中心軸に直交する軸を中心として所定巻数分が巻回され、かつ前記永久磁石の外周面に沿うように２個に分けて対向配置される合計４個の空芯コイルから構成され、前記４個の空芯コイルは、２個の第１の空芯コイルと２個の第２の空芯コイルと、を有し、前記第１の空芯コイルは、前記第１の空芯コイルの、前記回転子の回転に寄与する回転方向の４つの直線成分のうち１つの中心が、前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向しているとき、他の３つの前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心も前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向するように構成され、前記第２の空芯コイルの前記直線成分の中心は、前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心に対して電気角９０度ずれるように配置された固定子と、前記対向配置される前記空芯コイルの間の空間部を平坦にした平坦部を有したヨークを兼ねる本体部とを具備することを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な各実施形態につき、添付の図面を参照して説明すると、図１(ａ)は各実施形態に共通するステッピングモータの半断面図であり、(ｂ)はその動作原理説明図、(ｃ)は(ａ)のＸ-Ｘ線矢視部分の断面の一部を拡大して示した動作説明図である。
【００２１】
先ず、図１(ａ)において、ＰＭ型２相励磁式のステッピングモータは、ヨークを兼ねる円筒状の本体部１に固定された含油メタルやラジアル玉軸受から構成される軸受８と、この本体部１に圧入後にカシメを含む固定方法により固定される蓋部材１１において固定された含油メタルやラジアル玉軸受から構成される軸受８を設けており、これらの軸受８、８により軸体７を回転乃至回動自在に両支持状態で軸支している。この軸体７の途中には、多極着磁された永久磁石３が図示の位置に固定されており、ステッピングモータの回転子を構成しており、本体から突出した軸体７に所定の動力伝達手段（ギア他）を固定するように構成されている。
【００２２】
一方、この回転子の回転中心軸ＣＬ１に直交する軸ＣＬ２を中心として所定巻数分が巻回されており、永久磁石３の外周面に沿うように複数の空芯コイル４、５が樹脂部材２を用いて保持されており、モータの固定子を構成している。
【００２３】
以上の構成により、図１(ｂ)の動作原理図において、永久磁石３から磁束Ｂが矢印方向に発生する磁場中において、空芯コイルの巻線（導体）に電流Ｉを紙面表面から裏面側に向けて流すことで、フレミングの左手の法則により、磁束密度Ｂと直交する方向に、「Ｆ（導体に作用する力）＝Ｂ（磁束密度）×Ｉ(電流）×Ｌ（導体の長さ）」の力が発生することになる。
【００２４】
そこで、図１(ｃ)において、破線図示の空芯コイル５に通電を行うことで図１(ｂ)と同様に空芯コイル４、５に回転力が発生する。ここで、空芯コイルは固定されているために、その反力として永久磁石３は矢印方向に回転する力を受けて回転子が回転することになる。ここで、空芯コイル４は、空芯コイル５と互いに電気角９０度のずれを持って位置決め固定されており、所定のステップ通電をこれに続いて行うことで連続した回転を行うことが可能となる。以上が本発明のステッピングモータの動作原理である。
【００２５】
次に、図２(ａ)は、図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第１の実施形態を示しており、本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛する。
【００２６】
先ず、回転子の永久磁石３は図示のように８極に多極着磁されおり、間隙を経たてて樹脂部材２の内周面において回転自在に設けられている。この樹脂部材２には４本の腕部２ａ〜２ｄが例えば射出成形により一体成形されており、図示のように各腕部が対向配置されて回転中心の点対称の２本ずつが１つの相となるように各相のコイル巻線の直線成分４ａ、４ｂと４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを均等位置に保持するようにしている。
【００２７】
また、本体部１は、漏洩磁気の防止と閉磁束回路を形成するために磁性材料から筒状に形成されている。
【００２８】
以上の構成において、第１の空芯コイルである１相目の空芯コイル４の巻線の直線成分を４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄとし、第２の空芯コイルである２相目の空芯コイルの巻線の直線成分を５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとすることで、電気角で９０度位相がずれた状態で位置決め固定されることとなる。ここで９０度位相のずれた電圧波形の通電を行うことで、ステップ角度が２２．５度となるＰＭ型２相励磁式のステッピングモータを構成できることになる。また、１−２相励磁式による半ステップ駆動も可能となり、さらには図示しないがマイクロステップ駆動方式のステッピングモータも容易に実現可能となる。
【００２９】
続いて、図２(ｂ)は、図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第２の実施形態を示しており、本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、永久磁石３は３０度の等間隔で１２極に多極着磁されいる。
【００３０】
また、図示のように回転子の回転中心を点対称とした３個分が１つの相となるように各相のコイル４、５が対向して均等に配置されている。
【００３１】
以上の構成において、実線図示の３個の１相コイル４と破線図示の３個の２相コイル５に対する通電を、図２(ａ)で示した波形で行うことで、ステップ角度が１５度となるステッピングモータを構成できる。
【００３２】
次に、図３(ａ)は、図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第３の実施形態を示しており、本図において、永久磁石３は１２極に多極着磁されいる。
【００３３】
また、図示のように回転子の回転中心を点対称とした４個分が１つの相となるように各相のコイル４、５が対向して均等に配置されている。
【００３４】
以上の構成において、実線図示の４個の１相コイル４と破線図示の４個の２相コイル５に対する通電を、図２(ａ)で示した波形で行うことで、ステップ角度が１５度となる、よりトルクの大きなステッピングモータを構成できる。
【００３５】
続いて、図３(ｂ)は、図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第４の実施形態を示している。本図において、永久磁石３は１２極に多極着磁されている。
【００３６】
また、図示のように回転子の回転中心を点対称とした２個分が１つの相となるように各相のコイル４、５が対向して均等に配置されている。
【００３７】
以上の構成において、実線図示の２個の１相コイル４と破線図示の２個の２相コイル５に対する通電を、紙面直交方向に図２(ａ)で示した波形で行うことで、ステップ角度が１５度となるステッピングモータを構成できることになる。
【００３８】
図４は、回転子の永久磁石の着磁極数と１相および２相コイルの各相当たりのコイル数との関係図表を纏めたものであり、上記の構成のステッピングモータの他の実施形態に極数を２としたときに１相コイルと２相コイルを点対称位置に対向して均等に配置する構成がある。
【００３９】
また、極数を６としたときに１相コイルと２相コイルを点対称位置に２個づつ対向して均等に配置する構成がある。そして、極数を１０としたときに１相コイルと２相コイルを点対称位置に２個づつ対向して均等に配置する構成と、極数を１２としたときに１相コイルと２相コイルを点対称位置に２、３、４個づつ対向して均等に配置する構成がある。 続いて、図５は、図２(ａ)で示した構成のステッピングモータの立体分解図である。
【００４０】
本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、本体１は一部を破断して示したように図示のような筒状体として構成されており、軸受８を固定する上方開口部１ａと蓋部材１１を挿通し固定する下方開口部１ｂとが形成されている。また、下方に示した蓋部材１１には軸受８を固定する孔部１１ａと本体１の下方開口部１ｂに当接して所定位置に保持するフランジ部１１ｂとが形成されており、所定の部品を組み付け後に、図１(ａ)で示した状態に固定できるようにしている。
【００４１】
多極着磁された永久磁石３を固定した軸体７を上下の軸受８、８でラジアル方向に軸支する一方で、軸受８と永久磁石の間にはスラスト方向の荷重を受けるかまたはスラスト方向のガタ付きを防止するためのワッシャー９、９が軸体７に挿通されて完成される。
【００４２】
また、樹脂部材２は上記の腕部２ａ〜２ｄが図示のように対向して均等に配置されており各相のコイルの巻線の直線成分４ａ、４ｂと４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄを所定位置に保持可能にしている。
【００４３】
これらの空芯コイル４、５の相内では１本の電線で連続して行われ、各相で巻き初めと巻き終わりの２本の合計４本の巻線端末が、本体１の外部へ出力されるように配線（不図示）されている。
【００４４】
この樹脂部材２は回転子の回転中心と同心円上に、内径側から外径側に向かって放射状に延設された腕部として設けられているが、この構成のほかに巻線用溝部または突極形状を有する形状部を一体成形して空芯コイルの保持に用いることで、空芯コイルの永久磁石の各磁極に対する角度位置関係を維持することが可能であることは言うまでもない。
【００４５】
また、図示のように空芯コイル４、５の回転子の回転に寄与する回転方向の略直線成分Ｌ１を、永久磁石３の回転軸方向に沿う長手方向の長さＬ２以上に設定しており、磁界に直交する導体長を極力長くすることで回転力を十分に得るように構成されている。
【００４６】
一方、樹脂部材２には穴部または孔部２ｋが図示のように穿設されており、この孔部２ｋに対して磁性材料から形成される補極部材１０を固定し、この補極部材１０により、永久磁石３を吸引して任意の角度位置で回転子を停止させるようにして、任意にディテントトルク発生点を設定できるようにしている。
【００４７】
最後に、図６は図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第５の実施形態を示しており、本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、永久磁石３は８極に多極着磁されており、樹脂部材２において回転子の回転中心軸を点対称にして各２個の合計４個の空芯コイル４、５が設けられており、これらの空芯コイルを均等に１相、２相の各相コイルに割り振るように構成されている。
【００４８】
このように各空芯コイルを本体１の内部に配置することで図示のように空芯コイル４、５の間には空間部が形成されるので、この空間部に該当する本体１の部分を平坦にした平坦部１ｆ、１ｆを対称位置に形成することで直径寸法Ｄより少ないｄ寸法を有した形状にすることが可能となり、一部が扁平なステッピングモータを構成できる。このために、モータの占有空間を少なくできる。
【００４９】
以上のように、回転子の永久磁石に２ｎ（ｎは１以上の整数）極着磁を行い、回転子の同心円上の外側の回転中心に直交する方向を中心として巻かれた空芯コイルを装着することで、空芯コイルは、最外周の本体の間の磁界中に存在することになり、一般的なコアレスモータのように動作することが可能となる。
【００５０】
特に、上記のようにステータに磁極歯ヨークが無く、回転子の永久磁石に相対する軟磁性部材としては最外周の本体であり、しかもこの本体には突極形状が一切ないことからディテントトルクは発生しないことになる。また、補極部材を任意の角度位置で装着できるので、必要に応じてディテントトルクの発生点を任意に設定できる。
【００５１】
図７は、図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図であって、第６の実施形態を示しており、本図において、既に説明済みの構成部品については同様の符号を附して説明を割愛すると、永久磁石３は図示のように１０極に多極着磁されており、樹脂部材２において回転子の回転中心軸を対称にして１相当たり各２個の合計４個の空芯コイル４、５が設けられており、これらの空芯コイルを均等に１相、２相の各相コイルに割り振るように構成されている。
【００５２】
このようにして配置された各空芯コイルを本体１の内部に配置し、本体１の部分を平坦にした平坦部１ｆ、１ｆを対称位置に形成することで直径寸法Ｄ（８ｍｍ）より少ないｄ寸法（６．３ｍｍ）を有した形状にすることで、一部が扁平なステッピングモータを構成できることになる。さらに、各平坦部１ｆ、１ｆにおいて永久磁石３のＮ、Ｓ極に夫々対向する凸部１ｇ、１ｇを例えばプレス加工で形成することで、閉磁束回路を形成しつつ、かつディテントトルクの発生を設定可能にできることになる。
【００５３】
以上のようにディテントトルクの影響が駆動及び停止時に及ぶことがないようにして、例えばマイクロステップ駆動が容易となり、起動特性も改善できる。そして、回転子の回転軸に沿う長手方向に小型扁平に構成することができ、しかも図５の立体分解図で述べたように簡単に製造でき、特に外周に開かれた形状や、材料の変更に伴う部品点数の減少により、巻線工程、組立工程の簡易化、製品の軽量化が可能となる。
【００５４】
最後に、図８は以上説明したステッピングモータを光磁気ディスク装置に使用した事例を示した代表的なブロック図である。本図において、ステッピングモータ１００の軸体にはリードスクリュー１０９が一体的または別部品として設けられており、このリードスクリュー１０９に螺合する部材を設けたキャリッジには光学ヘッド１０５が搭載されており、駆動制御部１０３からの指示により、所定駆動されるように構成されている。そして、光ディスク１０１はスピンドルモータ１０８により高速回転駆動されるとともに、最内周の位置を検出する位置検出スイッチ１０７により基準位置を検出するように構成されている。
【００５５】
以上の構成において、高速回転する光ディスク１０１の記録再生面の半径方向に光学ヘッド１０５が高速駆動されて、瞬時に停止する必要があることから、ステッピングモータ１００の高速応答性が要求されることになるが、上記のようにディテントトルクがないことから高速応答性の向上が可能となる。
【００５６】
あるいは、光学式カメラのオートフォーカス機構用のステッピングモータに使用することで、マイクロステップ駆動により、従来よりも更に細かいステップ角での駆動が容易となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ディテントトルクの影響が駆動及び停止時に及ぶことがないようにして、例えばマイクロステップ駆動が容易となり、起動特性も改善できるステッピングモータを提供することができる。
【００５８】
加えて、任意の角度位置で回転子を停止させるために任意にディテントトルク発生点を設定することができるステッピングモータを提供できる。
【００５９】
そして、回転子の回転軸に沿う長手方向に小型扁平に構成することができるステッピングモータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (ａ)は各実施形態に共通するステッピングモータの半断面図であり、(ｂ)は動作原理説明図、(ｃ)は(ａ)のＸ-Ｘ線矢視部分の断面の一部を拡大して示した動作説明図である。
【図２】 (ａ)は、第１の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図、(ｂ)は第２の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図である。
【図３】 (ａ)は、第３の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図、(ｂ)は第４の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図である。
【図４】回転子の永久磁石の着磁極数と１相および２相コイルの各相当たりのコイル数との関係を示した図表である。
【図５】ステッピングモータの立体分解図である。
【図６】第５の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図である。
【図７】第６の実施形態を示した図１(ａ)のＸ-Ｘ線矢視断面図である。
【図８】ステッピングモータを光磁気ディスク装置に使用した事例を示した代表的なブロック図である。
【符号の説明】
１ 本体
２ 樹脂部材
２ａ〜２ｄ 腕部
３ 永久磁石
４ 空芯コイル（１相）
５ 空芯コイル（２相）
７ 軸体
８ 軸受
１０ 補極部材
１１ 蓋部材
Claims (8)
- ステッピングモータのディテントトルクの発生防止または任意に設定可能にするステッピングモータであって、
多極着磁された永久磁石を固定した軸体を軸支して構成される回転子と、
前記回転子の回転中心軸に直交する軸を中心として所定巻数分が巻回され、かつ前記永久磁石の外周面に沿うように対向配置される複数の空芯コイルから構成される固定子と、を具備し、
前記複数の空芯コイルは、第１の空芯コイルと第２の空芯コイルを有し、
前記第１の空芯コイルは、前記第１の空芯コイルの、前記回転子の回転に寄与する回転方向の２つの直線成分のうち一方の中心が、前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向しているとき、他方の前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心も前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向するように構成され、
前記第２の空芯コイルの前記直線成分の中心は、前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心に対して電気角９０度ずれるように配置される
ことを特徴とするステッピングモータ。 - 前記第１の空芯コイルは複数であって、前記永久磁石と対向し、かつ等分割位置に配置され、
前記第２の空芯コイルは複数であって、前記第１の空芯コイルの組に対して位相角度９０度分ずれるように等分割位置に配置され、前記第１の空芯コイルと第２の空芯コイルの組に通電を行うことで、前記回転子に偶力を含む回転トルクを発生可能にした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。 - 前記永久磁石を２、４、６、８、１０、１２のいずれかの極数に着磁し、
前記空芯コイルを２、４、６、８のいずれかの個数とし、前記空芯コイルを前記永久磁石の外周面に沿って均等に１相、２相の各相コイルに割り振ることで、電気角９０度のずれを有するように配置して、２相励磁駆動を可能に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。 - 前記空芯コイルの前記回転子の回転に寄与する回転方向の略直線成分を、前記永久磁石の回転軸方向に沿う長手方向の長さ以上に設定することで、磁界に直交する導体長を極力長くした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。
- 任意の角度位置で前記回転子を停止させることで、任意にディテントトルク発生点を設定する補極部材を配設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。
- 前記回転子の回転中心と同心円上に、内径側から外径側に向かって放射状に延設された腕部を一体成形した樹脂部材を前記空芯コイルの保持に用いることで、前記空芯コイルの前記永久磁石の各磁極に対する角度位置関係を維持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。
- 任意の角度位置で前記回転子を停止させることで、任意にディテントトルクの発生点を設定する補極部材を、前記樹脂部材に埋設することを特徴とする請求項６に記載のステッピングモータ。
- ＰＭ型２相励磁式のステッピングモータのディテントトルクの発生防止または任意に設定可能にするステッピングモータであって、
６、８、１０、１２のいずれかの極数に着磁された永久磁石を固定した軸体を軸支して構成される回転子と、
前記回転子の回転中心軸に直交する軸を中心として所定巻数分が巻回され、かつ前記永久磁石の外周面に沿うように２個に分けて対向配置される合計４個の空芯コイルから構成され、
前記４個の空芯コイルは、２個の第１の空芯コイルと２個の第２の空芯コイルと、を有し、
前記第１の空芯コイルは、前記第１の空芯コイルの、前記回転子の回転に寄与する回転方向の４つの直線成分のうち１つの中心が、前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向しているとき、他の３つの前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心も前記永久磁石のＮ極とＳ極の境界に対向するように構成され、
前記第２の空芯コイルの前記直線成分の中心は、前記第１の空芯コイルの前記直線成分の中心に対して電気角９０度ずれるように配置された固定子と、
前記対向配置される前記空芯コイルの間の空間部を平坦にした平坦部を有したヨークを兼ねる本体部とを具備することを特徴とするステッピングモータ。
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