JP5481132B2 - ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、ＰＭ型ステッピングモータに関する。

ＰＭ（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ）型ステッピングモータ（以下では、単にステッピングモータという）は、通常、円周方向に多極着磁された円筒状のロータマグネットの外周側に、軸方向に沿って複数（２組）のステータを配置して構成されるものである。そして、各ステータは、円周方向に沿って櫛歯状に配列された複数の極歯を有する２つのヨーク（いわゆる内ヨークおよび外ヨーク）を、各々の極歯が交互に噛み合うように対向配置させるとともに、各極歯の外周側に励磁用のコイルを装着することにより構成されている（例えば、特許文献１参照）。

このように構成されたステッピングモータは、低価格でありながら高い回転精度を実現することができるが、例えば、携帯電話機に付属する小型カメラにおけるレンズのアクチュエータとして普及を図るには、更なる低振動（低騒音）化が求められる。振動が抑制されたアクチュエータとして、例えば、特許文献２が開示するステッピングモータが提案されている。

特許文献２が開示するステッピングモータは、図６に示すように、ステータの磁極歯（極歯）１４２の外形形状が、「基部1４３に対して直角をなして磁極歯１４２の根元から延びる辺１４４ａ，１４４ｂと、磁極歯１４２の根元に対して平行する先端部の辺１４４ｃと、この辺の両端部と先の辺１４４ａ，１４４ｂの端部をつなぐ直線の辺１４４ｄ，１４４ｅとから形成され」ている。そして、「先端部１４４ｃの幅ａの根元部分の幅ｂに対する割合が６５％以上で、かつ、高さｈの根元幅ｂに対する割合が９０％以上１１０％以下となるように磁極歯１４２が形成されて」いる。

このように、「磁極歯１４２の形状を所定の寸法とすることで、ステータコイルに鎖交する磁束量を変えて、ステータコイルの誘起電圧波形を振動発生の要因となるようなトルクの発生が抑制されるような形状とすることができ、そのため、従来と異なり、電子回路に何ら新たな電子部品を付加したり、新たな部品配置のための空間を確保することなく、回転の際の振動を確実に抑圧し、静寂性が極めて高いステッピングモータを供給することができる」というものである。

特開２００８−１３６３０２号公報 特開２００６−３１１７０８号公報

しかしながら、特許文献２が開示するステッピングモータには、上記のように、磁極歯１４２における先端部１４４ｃの幅ａの根元部分の幅ｂに対する割合、および高さｈの根元部分の幅ｂに対する割合が制約されるという問題がある。具体的には、高さｈの根元部分の幅ｂに対する割合を９０％以上１１０％以下とする必要があることから、磁極歯１４２の平面視形状が概ね正方形状となり、根元部分の幅ｂを所定の値に維持した状態で、磁極歯１４２の高さｈのみを任意に大きくすることはできない。

このため、磁極歯１４２の表面積、すなわち、ステータコイルまたはロータマグネットからの磁束が鎖交する磁極歯１４２の面積の上限値が制限され、動トルクを所定値以上に大きくすることができない。仮に、高さｈを大きくするために根元部分の幅ｂも同時に大きくした場合には、必然的にヨークの径、ひいてはモータの外径を大きくせざるを得なくなるという問題が発生する。

また、特許文献２が開示するステッピングモータは、先端部１４４ｃの幅ａの根元部分の幅ｂに対する割合を６５％以上にする必要がある。このため、一般的に採用されている平面視三角形状の極歯と比較すると、円周方向の幅が狭小な部分が存在しないことから、モータの回転位置決め精度が低下することが懸念される。

そこで、本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回転精度を維持しつつ動トルクが大きく振動の小さいステッピングモータを提供することにある。

本発明者（本出願人）は、隣接する極歯同士の位置関係および極歯とマグネットとの位置関係に特に注目しながら、上記目的を達成する手段について詳細な検討を重ねた。その結果、「根元部分の幅（歯元幅）／マグネットの着磁ピッチ」および「隣接する極歯間の間隔（極間隙間）／極歯とマグネットとの間隔（エアギャップ）」と、モータの動トルクに相関するホールディングトルクとの間に、臨界性を有する特異な関係が存在することを見出した。そして、さらにモータの振動に相関する歪率を考慮して種々の検討を重ねた結果、複数の発明を完成させるに至ったものである。

すなわち、上記目的を達成するために、本発明の特徴は、円周方向に所定の着磁ピッチで着磁され軸中心に回転自在に配置されるマグネットと、前記マグネットの外周面側に所定の間隔を置いて配置されるステータと、を備え、前記ステータが、環状の支持部の内周縁から起立する複数の極歯を有する一対のヨークと、前記一対のヨークを励磁するコイルと、を含み、前記一対のヨークが、前記複数の極歯を円周方向に沿って互い違いに配置させてなるステッピングモータにおいて、前記一対のヨークにおける前記複数の極歯の各々は、前記支持部から離れるほど幅が狭くなるように平面視して二等辺三角形状に形成され、各極歯の最大幅が、前記マグネットの着磁ピッチの１．１５倍以上１．７０倍以下であることである。

かかる発明によれば、回転精度を維持しつつ動トルクが大きいモータを実現することができる。

この場合、前記各極歯の最大幅が、前記マグネットの着磁ピッチの１．５５倍以上１．７０倍以下であることが好ましい。また、ステッピングモータの直径が５ｍｍ以下であるのが好ましい。

かかる発明によれば、回転精度を維持しつつ動トルクが大きく、かつ、振動の小さいモータを実現することができる。

この場合、前記各極歯の隣接する極歯との最小間隔が、前記マグネットと前記ステータとの間隔の０．７５倍以上１．５０倍以下であることが好ましい。

かかる発明によれば、動トルクをより一層大きくし、振動をより一層小さくすることができる。

本発明の他の特徴は、円周方向に所定の着磁ピッチで着磁され軸中心に回転自在に配置されるマグネットと、前記マグネットの外周側に所定の間隔を置いて配置されるステータと、を備え、前記ステータが、環状の支持部の内周縁から起立する複数の極歯を有する一対のヨークと、前記一対のヨークを励磁するコイルと、を含み、前記一対のヨークが、前記複数の極歯を円周方向に沿って互い違いに配置させて構成されているステッピングモータにおいて、前記一対のヨークにおける前記複数の極歯の各々は、前記支持部から離れるほど幅が狭くなるように形成され、各極歯の隣接する極歯との最小間隔が、前記マグネットと前記ステータとの間隔の０．７５倍以上３．３５倍以下であることである。

かかる発明によっても、回転精度を維持しつつ動トルクが大きいモータを実現することができる。

この場合、前記各極歯の隣接する極歯との最小間隔が、前記マグネットと前記ステータとの間隔の０．７５倍以上１．５０倍以下であることが好ましい。

かかる発明によれば、回転精度を維持しつつ動トルクが大きく、かつ、振動の小さいモータを実現することができる。

本発明の実施形態に係るステッピングモータの全体構成を示す分解斜視図である。 同ステッピングモータにおける一対のヨークの要部を示す図であり、（ａ）は拡大側面図であり、（ｂ）は平面図である。なお、（ｂ）では、仮想線を用いてマグネットを併せて示す。 「歯元幅／着磁ピッチ」とホールディングトルクおよび歪率との関係を示すグラフである。 「極間隙間／エアギャップ」とホールディングトルクおよび歪率との関係を示すグラフである。 （ａ）（ｂ）はいずれもモータの基本性能を示すグラフである。 従来技術のヨークの極歯を示す拡大側面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。

本発明の実施形態に係るステッピングモータ１０は、図１に示すように、回転軸（軸）中心に配置される円柱状のロータ部１１と、ロータ部１１の外周面側に所定の間隔を置いて配置される円筒状のステータ部２１と、ロータ部１１を回転自在に支持する軸受を有する円板状の一対のプレート４１，４１（フロントプレート４１ａ，エンドプレート４１ｂ）と、を備えている。

ロータ部１１は、金属製の丸棒状のシャフト１２と、シャフト１２の外周面に固着され円周方向に所定のピッチで多極着磁（本実施形態では８極着磁、図２（ｂ）参照）された円筒状のマグネット１３（本実施形態では、希土類ボンド磁石）と、から構成されている。なお、シャフト１２の両端は、一対のプレート４１，４１の中央部にそれぞれ配置された一対の軸受４２，４２（フロント軸受４２ａ，エンド軸受４２ｂ）にそれぞれ回転自在に支持されている。

次に、ステータ部２１は、それぞれ同軸状に配置される円筒状の一対（２組）のステータ２２Ａ，２２Ｂから構成されている。図示左側に配置されるステータ（第１のステータ）２２Ａおよび図示右側に配置されるステータ（第２のステータ）２２Ｂは、後述する極歯の円周方向位置を互いにずらした（位相を電気角で９０度ずらした）状態で、軸方向に背合わせに対称配置されている点を除いて、基本的な構成は同様である。そこで、以下では、ステータ２２Ａ，２２Ｂを区別することなくステータ２２と総称して説明する。

ステータ２２は、軸方向に沿って配置される一対のヨーク２３，２８と、一対のヨーク２３，２８を励磁するためのコイル部３３と、から構成されている。以下では、軸方向内側（前記の背合わせ側）に位置するヨーク２３を内ヨーク２３と称し、軸方向外側に位置するヨーク２８を外ヨーク２８と称する。

内ヨーク２３は、軟磁性材（本実施形態では、鉄）からなり、軸に垂直に配置され円環状をなす支持部（内ヨークの支持部）２４と、支持部２４の内周縁２４ａ（図２（ａ）参照）から起立して軸方向外側に延びる複数（本実施形態では、マグネット１３の磁極数の半分の４つ）の極歯（内ヨークの極歯）２５と、から構成されている。複数の極歯２５は、円周方向に沿って櫛歯状に等間隔に並んでいる。

複数の極歯２５の各々は、図２（ａ）に示すように、平面視して、円周方向に対して対称な三角形状、すなわち二等辺三角形状をなしている。具体的に説明すれば、各極歯２５は、その端縁（外縁）が、支持部２４から離れるほど幅が狭くなる一対の傾斜側端面２５ａ，２５ａと、一対の傾斜側端面２５ａ，２５ａの先端同士を連結する平面視円弧状の円弧先端面２５ｂと、から構成されている。本発明においては、各極歯２５は、その平面視最大幅である支持部２４寄りの幅（歯元幅）Ｗが、図２（ｂ）に仮想線で示すマグネット１３の着磁ピッチＰとの間で所定の関係を満たすように形成されているが、この点は後述する。なお、本実施形態では、一対の傾斜側端面２５ａ，２５ａの各々は、平面視して僅かに外側に湾曲する（膨らむ）ように傾斜角度を連続的に変化させているが、これに限定されない。一対の傾斜側端面２５ａ，２５ａの各々は、全域において傾斜角度を一定にしてもよい。

一方、外ヨーク２８は、軟磁性材（本実施形態では、鉄）からなり、軸に垂直に配置され円環状をなす支持部（外ヨークの支持部）２９と、支持部２９の内周縁２９ａから起立し軸方向内側に延びる複数（内ヨークの極歯２５と同数）の極歯（外ヨークの極歯）３０と、支持部２９の外周縁から起立し複数の極歯３０の外周側を一定の間隔を置いて覆う外周側壁部３２（図１参照）と、から構成されている。

複数の極歯３０の各々は、円周方向に沿って櫛歯状に等間隔に並んでいる。各極歯３０は、厚みを含めて内ヨーク２３の極歯２５と同一形状である。すなわち、各極歯３０は、その端縁が、支持部２９から離れるほど幅が狭くなる一対の傾斜側端面３０ａ，３０ａと、一対の傾斜側端面３０ａ，３０ａの先端同士を連結する平面視円弧状の円弧先端面３０ｂ（図２（ａ）では不図示）と、から構成されている。なお、本実施形態では、一対の傾斜側端面３０ａ，３０ａは、一対の傾斜側端面２５ａ，２５ａと同様に、平面視して僅かに外側に湾曲する（膨らむ）ように傾斜角度を連続的に変化させているが、全域において傾斜角度を一定にしてもよい。

そして、外ヨーク２８は、その複数の極歯３０を、内ヨーク２３の複数の極歯２５と交互に互い違いに噛み合わせた状態で、内ヨーク２３と対向しながら同軸状に配置されている。すなわち、外ヨーク２８は、その複数の極歯３０を、内ヨーク２３の複数の極歯２５と同一仮想円周面上において相補的な対をなすように配置させている。この仮想円周面の内側に、前記のロータ部１１（マグネット１３）が同軸状に配置される。

また、外ヨーク２８の各極歯３０は、極間隙間Ｇが、エアギャップＤとの間で所定の関係を満たすように形成がされているが、この点も後述する。ここで、極間隙間Ｇとは、極歯３０の傾斜側端面３０ａと隣接する極歯２５の傾斜側端面２５ａとの間隔の最小値である（図２（ａ）参照）。また、エアギャップＤとは、マグネット１３の外周面１３ａと極歯２５，３０の内周面２５ｃ，３０ｃとの間隔である（図２（ｂ）参照）。なお、一対の傾斜側端面２５ａ，２５ａおよび一対の傾斜側端面３０ａ，３０ａが、全域において傾斜角度を一定にして形成されている場合には、全域において一定である２つの傾斜側端面２５ａ，３０ａの間隔が極間隙間Ｇである。

次に、コイル部３３は、軸方向両端に鍔部を有する円筒状のボビン（不図示）にマグネットワイヤを巻回してコイルが形成されている。コイル部３３は、極歯２５，３０により構成される仮想円周面と外ヨーク２８の外周側壁部３２との間に形成される円筒状のスペースに配置される。

次に、一対のプレート４１，４１は、例えば金属材料（本実施形態では、ステンレス）により形成され、ステータ部２１の軸方向両端に固定されている。この一対のプレート４１，４１、および、一対の外ヨーク２８，２８（第１のステータ２２Ａの外ヨーク２８および第２のステータ２２Ｂの外ヨーク２８）の外周円筒部３２の各々により、ステッピングモータ１０の筐体が構成される。また、一対のプレート４１，４１には、前述のように、ロータ部１１を回転自在に支持する一対の軸受４２，４２がそれぞれ配置されている。

上記のように構成されたステッピングモータ１０は、一対のコイル部３３，３３（第１のステータ２２Ａのコイル部３３および第２のステータ２２Ｂのコイル部３３）に所定の電流をそれぞれ通電することにより、ロータ部１１（シャフト１２）を所定方向に所定の角度だけ回転させることができる。

以下では、「歯元幅Ｗ／着磁ピッチＰ」および「極間隙間Ｇ／エアギャップＤ」と、モータの基本性能に相関するホールディングトルクおよび歪率との関係について、図３および図４を参照して説明する。なお、ホールディングトルクは、一般的に動トルクと相関のある特性（ほぼ比例関係）であり、大きいほど好ましいものである。一方、歪率は、振動と相関のある特性であり、低振動化が要求される小型モータ（直径５ｍｍ以下）では１０％以下が好ましいとされるものである。

図３は、ホールディングトルクおよび歪率に及ぼす「歯元幅Ｗ／着磁ピッチＰ」の影響を静磁場解析により調べた結果を示すグラフである。なお、極間隙間／エアギャップ（Ｇ／Ｄ）を１．３とした場合の結果を示している。

図３から、歯元幅／着磁ピッチ（Ｗ／Ｐ）を、１．１５以上１．７０以下の範囲内の値に設定することにより、比較的大きく、かつ、安定した（Ｗ／Ｐの変化に対して平坦な特性を示す）ホールディングトルクが得られることが分かる。また、Ｗ／Ｐを略１．５５以上とすることにより、１０％以下の歪率が得られることが分かる。これらの知見から、動トルクが大きく、かつ、振動が小さいモータを実現するには、Ｗ／Ｐを１．５５以上１．７０以下とすることが好ましいと結論付けることができる。

次に、図４は、ホールディングトルクおよび歪率に及ぼす「極間隙間Ｇ／エアギャップＤ」の影響を静磁場解析により調べた結果を示すグラフである。なお、
歯元幅／着磁ピッチ（Ｗ／Ｐ）を１．６とした場合の結果を示している。

図４から、極間隙間／エアギャップ（Ｇ／Ｄ）を０．７５以上３．３５以下の範囲内の値とすることにより、比較的大きく、かつ、安定した（Ｇ／Ｄの変化に対して平坦な特性を示す）ホールディングトルクが得られることが分かる。また、Ｗ／Ｐを略１．５０以下とすることにより、１０％以下の歪率が得られることが分かる。これらの知見から、動トルクが大きく、かつ、振動が小さいモータを実現するには、Ｗ／Ｐを０．７５以上１．５０以下とすることが好ましいと結論付けることができる。

次に、上記の複数の知見に基づき本発明に係るモータを試作評価した結果を図５（ａ）（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）は、歯元幅／着磁ピッチ（Ｗ／Ｐ）が１．２であり、極間隙間／エアギャップＧ／Ｄ）が２．０の場合の結果である。すなわち、ホールディングトルクが大きい（それに応じて動トルクが大きくなる）が、歪率が１０％よりも大きい場合の結果である。以下、この実施例を発明品１と称する。

一方、図５（ｂ）は、本発明に係るより好ましい一実施例のモータの結果であり、歯元幅／着磁ピッチ（Ｗ／Ｐ）が１．６であり、極間隙間／エアギャップ（Ｇ／Ｄ）が１．３である。すなわち、ホールディングトルクが大きく、歪率が１０％よりも小さい場合の結果である。以下、この実施例を発明品２と称する。

なお、同図中、縦軸の「電圧」とは、モータを外力により一定の速度で強制回転させたときにコイル部に発生する誘起電圧である。ピーク電圧が大きく電圧波形の積分値（面積）が大きいほどモータの動トルクが大きく、また、波形が正弦波に近いほどモータの振動が小さいことを示す。

図５（ａ）（ｂ）から、発明品１および発明品２は、いずれも同等レベルでピーク電圧が大きい（動トルクが大きい）ことが分かる。さらに、発明品１よりも発明品２の方が、波形が正弦波に近くなり（振動が小さくなり）、波形で囲まれた面積がより一層大きく（動トルクがより一層大きく）なっていることが分かる。これらの結果は、ホールディングトルクの観点から、「歯元幅Ｗ／着磁ピッチＰ」および「極間隙間Ｇ／エアギャップＤ」を本発明に係る所定の範囲内の値に設定することが、高動トルク化に好ましいことを立証するものである。また、歪率の観点から、「歯元幅Ｗ／着磁ピッチＰ」および「極間隙間Ｇ／エアギャップＤ」をより限定された本発明に係る所定の範囲内の値に設定することが、高動トルク化および低振動化により好ましいことを立証するものでもある。

また、ホールディングトルクおよび歪率を考慮して、（１）「歯元幅Ｗ／着磁ピッチＰ」を１．５５以上１．７０以下に設定すること、（２）「極間隙間Ｇ／エアギャップＤ」を０．７５以上１．５０以下に設定することにより、動トルクが大きく振動の小さいモータを実現できることが立証された。

以上、本発明の好ましい実施形態および実施例について説明したが、実施の形態については上記に限定されるものではなく、種々の変更および組み合わせが可能である。

例えば、上記実施形態では、「歯元幅Ｗ／着磁ピッチＰ」および「極間隙間Ｇ／エアギャップＤ」に関する条件をいずれも満たす場合について説明したが、これに限定されない。いずれか一方の条件を満たすことにより、一定の効果を奏することができるものである。

１０ ステッピングモータ
１１ ロータ部
１２ シャフト
１３ マグネット
１３ａ 外周面
２１ ステータ部
２２（２２Ａ，２２Ｂ） ステータ
２３ 内ヨーク
２４ 支持部
２４ａ 内周縁
２５ 極歯
２５ａ 傾斜側端面
２８ 外ヨーク
２９ 支持部
２９ａ 内周縁
３０ 極歯
３０ａ 傾斜側端面
３２ 外周側壁部
３３ コイル部
４１ 一対のプレート
４２ 一対の軸受

Claims (4)

1. 円周方向に所定の着磁ピッチで着磁され軸中心に回転自在に配置されるマグネットと、
   前記マグネットの外周面側に所定の間隔を置いて配置されるステータと、を備え、
   前記ステータが、環状の支持部の内周縁から起立する複数の極歯を有する一対のヨークと、前記一対のヨークを励磁するコイルと、を含み、
   前記一対のヨークが、前記複数の極歯を円周方向に沿って互い違いに配置させてなるステッピングモータにおいて、
   前記一対のヨークにおける前記複数の極歯の各々は、前記支持部から離れるほど幅が狭くなるように平面視して二等辺三角形状に形成され、
   各極歯の最大幅が、前記マグネットの着磁ピッチの１．５５倍以上１．７０倍以下であり、
   前記各極歯の隣接する極歯との最小間隔が、前記マグネットと前記ステータとの間隔の０．７５倍以上１．５０倍以下であることを特徴とするステッピングモータ。
2. 直径が５ｍｍ以下である請求項１に記載のステッピングモータ。
3. 前記複数の極歯の各々は、一対の傾斜側端面と、該一対の傾斜側端面の先端同士を連結する平面視円弧状の先端面とを有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. 前記一対のヨークにおける複数の極歯は、前記マグネットの外周面側に同一仮想円周面上に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のステッピングモータ。

Images