JP5653997B2 - ステップ間隔の短いステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、概して、電動モータに関し、より詳しくは、非常に短いステップ間隔又は増加を有する改良されたステッピングモータに関する。

一般的にステッピングモータには、可変リラクタンス型、ハイブリッド型、及び永久磁石型の３種類が存在する。適切な電動モータドライバ（すなわち、コントローラ）を用いることで、３種類の全ては、広範囲の角度ステップ又は割出し移動及び特性の性能を提供する。ステッピングモータの制御についての一般的な参照は、オンラインで、アイオワ大学のダグラス・Ｗ・ジョーンズ氏による非特許文献１で見つけることができる。

可変リラクタンス型（「ＶＲ型」）モータは、従来、ロータ突極とステータ突フィンガー（又は歯）で組み立てられるが、磁石は有さない。ＶＲ型モータは、そのディテントトルクの欠如と低トルク密度で知られる。トルク密度を向上させるために、ハイブリッド型及び永久磁石型ステッピングモータの両方は、移動部材（例えば、ロータ）及び／又は固定部材（例えば、ステータ）上の永久磁石を使用する。それらは、モータのドライバの観点からは区別できない。従来から、ハイブリッド型ステッピングモータのロータは、２つのロータ円板の中心のドーナッツ型磁石を用いて組み立てられ、その結果、略軸方向磁束フローが磁石から２つのロータ円板に流れる。

ハイブリッド型ステッピングモータのステップ間隔は、典型的には、ステップ毎に約０．９°（すなわち、ロータ円板毎に１００個のロータ極を有するモータ）、又はステップ毎に約１．８°（すなわち、ロータ円板毎に５０個のロータ極を有するモータ）、又はそれ以上である。ステップ移動に付随する本来の機械的共振は、ステップ間隔及びロータイナーシャにより増加する。ステップ間隔が小さいほど、必要なロータ極の個数が増加する分、ロータのサイズを大きくしなければならない。これにより、モータのサイズ、重量、及びコストが増加する。ハイブリッド型のロータ用の大きなドーナッツ型磁石の使用・取扱は、磁石の強い磁力及び脆い性質により問題となり得る。より小さいステップ間隔及びより円滑なステップ移動のための従来の解決策は、マイクロステップモータコントローラを使用して、ステップ間隔を完全基本ステップから、完全基本ステップの１／２、１／４、１／８、１／１６、又はより小さい分数に減少させることである。しかしながら、マイクロステッピングは、不均一なステップ間隔及びロータ動作における異常な突然の動きで知られる。マイクロステッピングについての広範な説明については、特許文献１に見つけることができる。

永久磁石を有する様々なステッピングモータ設計が、極及び磁石の磁気回路的操作から導き出されている。本改良モータに関連するモータ設計のうち、Ｍａｓｔｒｏｍａｔｔｅｉ（特許文献２）、Ｈｏｒｂｅｒ（特許文献３）、及びＧａｍｂｌｅ（特許文献４）は、ステータフィンガーに挟まれた永久磁石を有する磁気強化可変リラクタンス型モータ設計を提示している。Ｓｈｉｂａｙａｍａ等（特許文献５）は、ステータ及びロータの両方に磁石を使用してモータトルクを増加させている。Ｈｏｒｓｔ（特許文献６）は、ステータアーム内部に磁石を使用して磁石材料及び製造コストを低減させている。

しかしながら、全ての参照先行技術の設計における永久磁石は、ステータアームのステータフィンガーと関連付けられており、各ステータフィンガーはロータ極と関連付けられている。小さい磁石の設計上の制約から、上記先行技術特許に代表されるモータ設計を、非常に多数のロータ極及びステータフィンガーを典型的に必要とする非常に短いステップ間隔を有するモータの設計に利用することは非実用的である。

Ｓｃｈａｅｆｆｅｒ（特許文献７及び特許文献８）と、本出願人（例えば、特許文献９参照）によって発明されたステッピングモータは、交互に磁化された非常に多数の磁石をロータ上に有することによって短いステップ間隔を提供している。このステップ間隔は、典型的には、２相、３相、及び４相モータの場合、ステップ毎１．０°、ステップ毎１．５°、若しくはそれより広い間隔である。これらのモータは、高い非通電及び通電ディテントトルク、小型化及び軽量化のための比較的短い軸方向モータ長、小さいロータイナーシャ、及びロータ上の大きな貫通孔を用いる解決策といった利点を提供する。これらのモータは、太陽光発電駆動、アンテナ指向機構、並びに他の案内、展開、及び位置決めシステム等の宇宙の応用分野において、過去３０年間にわたって非常に成功してきた。

米国特許出願公開公報第２００７／００１３２３７号明細書 米国特許第４，７１３，５７０号明細書 米国特許第４，７１２，０２８号明細書 米国特許第４，７２８，８３０号明細書 米国特許第６，２６２，５０８号明細書 米国特許第６，７７７，８４２号明細書 米国特許第４，１９０，７７９号明細書 米国特許第４，３１５，１７１号明細書 国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０８／０１０２４６号

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｓ．ｕｉｏｗａ．ｅｄｕ／〜ｊｏｎｅｓ／ｓｔｅｐ／

短いステップ間隔及び動作関連の外乱の少ないことが望ましい場合、ロータ極の必要数は劇的に増加する。例えば、ステップ毎１．５°の３相バイポーラ型ステッピングモータは、８０極のロータを有する。しかし、ステップ毎１．０°の３相バイポーラ型モータになると、１２０極のロータが必要になる。宇宙、半導体、印刷装置、及び他のオートメーション分野における最新の用途では、機構サイズの小型化及び軽量化等をしながら、さらに短いステップ間隔、より小さいロータイナーシャ、より円滑なステップ移動、より高い分解能、及びより高いステップ安定度を備えた最新のステッピングモータ設計が必要になるであろう。ステップ間隔をさらに短くするためには、壊れ易い非常に薄型の磁石が必要になり、そのため、製造コスト及び困難性が高まる。

本開示の実施例の対応する部品、部分、又は面についての以下の括弧付き参照符号は、単に例示目的のものであり、限定するためのものではない。本発明は、概して、改良されたモータを提供する。改良されたモータ（９０）は、概して、互いに対して相対移動するように組み付けられた第１部材（３０）及び第２部材（２０）を備える。第１部材は、第１部材に沿って略等間隔で離間された複数の極（３１，３２，３３，３４，３７，３８）を有する。第２部材（２０）は、複数のアーム（２１，２２，２４）を有する。各アームは、複数のフィンガー（２７，２８）と、永久磁石（２８）と、コイル（２５）とを備える。フィンガー（２７，２８）は、それらの先端が第１部材上の極（３７，３８）に概ね対向するように配置される。各永久磁石は、極の離間間隔よりも大きい幅を有する。各アームは、多数の位相のうちの１つと関連付けられている。特定の位相内のアームのフィンガーは、第１及び第２部材が互いに相対的なある位置にある時に、各極に対して同時に配列するように配置されている、

アーム上のフィンガーは、ある位相グループのフィンガーが、それぞれ極のいずれかに配列している時には、他のどの位相グループのフィンガーも、それぞれ極のいずれにも配列しないように、配置されていてもよい。各永久磁石は、その永久磁石が関連付けられているアームじょうのあるフィンガーの間に配置されていてもよい。

コイルは、共通端子を共有していてもよい。ある位相のコイルは、他の位相のコイルに接続されないように構成されていてもよい。各永久磁石は、第１部材に対して同じ方向に磁化されていてもよい。あるアームの各永久磁石は、隣接するアームの永久磁石とは反対方向に磁化されていてもよい。

位相の数は、２つ、３つ、４つ、５つ、又はそれ以上でもよい。３相モータでは、コイルは、Ｙ構成、デルタ構成、又は６本リード線構成で接続されていてもよい。３相モータは、６ステート励磁シーケンスに追従するように構成されていてもよい。

各アームは、成形鉄粉複合体、軟磁性鋼鉄、又は電磁鋼板積層材料から形成される部分をさらに含んでいてもよい。各フィンガーは、突極として働くように構成されていてもよい。各アームは、複数の永久磁石を備えていてもよい。極の数は、少なくとも２５０個であってもよい。アームは、バックアイアン（２３）によって接続されていてもよい。

第１部材及び第２部材は、軸線周りに互いに相対回転するように配置されていてもよい。第１部材は、第２部材に対して直線状に移動するものであってもよい。

アームは、第２部材に沿って、略等間隔に位置付けられていてもよい。各位相は、それに関連付けられた等しい数のアームを有していてもよい。各コイルは、その関連するアームの周りに、第１部材に対して同じ方向に巻回されていてもよい。第１又は第２部材は、成形鉄粉複合体、軟磁性鋼鉄、又は電磁鋼板積層材料を含んでいてもよい。モータは、バイポーラモータドライバによって駆動されるように構成されていてもよい。

３相モータ構成において、フィンガーは、第１の位相のフィンガーの中心がその関連する極の中心に配列し、第２の位相のフィンガーの中心がその関連する極の先端にオフセットして配列し、また第３の位相のフィンガーの中心がその関連する極の後端にオフセットして配列するように配置されていてもよく、ここで、オフセットは、前記極の離間よりも小さくてもよい。

第１部材の極の数は奇数であってもよい。

本発明の一態様によれば、第２部材の隣接するフィンガーは、先行技術によって必要と考えられてきたものとは異なり、第１部材の隣接する突極と関連付けられていない。改良されたモータの幾つかの実施例では、第２部材の２本の隣接するフィンガーは、第１部材の多数の極によって離間された第１部材の２個の極と関連付けられている。これによって、小さいステップサイズのための非常に多数のロータ極（例えば、２５０個、３００個、又はそれ以上）を有しつつ、第２部材の２本の隣接するフィンガーの間に適切なサイズの永久磁石を使用するモータの設計が可能になる。このような設計において、磁石のサイズは、第２部材のフィンガーピッチ１つ分よりも大きくてもよい。

本発明の他の態様によれば、第２部材の全ての磁石の磁化方向は、先行技術において必要とされる交互に反転させる磁化とは異なり、第１部材に対して同じ方向であってもよい。

本発明の他の態様は、マイクロステップドライバを使用することなく、基本ステップ間隔の半分のステッピングが可能なモータを提供することである。

本発明の他の態様によれば、例えば、（ａ）全周３６０°のステータ及びロータのうち一部のみを使用するセクショナル又はフラクショナルステッピングモータ、（ｂ）回転部材及び固定部材を逆転させた（すなわち、内側の固定部材がステータであり、外側の回転部材がロータである）ステッピングモータ、及び（ｃ）どちらも平板形状のロータ及びステータが共通軸線上に並列に配列された、アキシャルエアギャップ型のステッピングモータなど、本発明の設計概念を利用する他のモータも可能である。

本発明の他の態様によれば、バイファイラ巻や冗長巻が、本発明の概念から逸脱することなく容易に実施することができる。モータの半分を一次巻線に、モータの半分を冗長巻線に使用することによって、並列された２つのモータを使用することなく、モータ設計において更なる冗長化が機械的に且つ電気的に実現可能であり、サイズ及び重量を減らすことができる。

本発明のさらなる態様によれば、軟磁性鋼鉄を、一片の剛性ステータ積層体を製造するために、若しくは、さらに一片の剛性ステータ筐体及び積層体を製造するために使用して製造コストを削減することが、ヒステリシス及び渦電流効果が最小限の低ステップレート用途のために、実施可能である。

３００個のロータ極と、１８本のステータアームと、１８個の永久磁石とを有する、ステップ毎に０．２０°の３相バイポーラ型モータ設計の第１の形態の概略横断面図を示す。 ３００個のロータ極と、３６本のステータアームと、３６個の永久磁石とを有する本実施例の、ステップ毎に０．２０°の３相バイポーラ型モータ設計の他の形態の概略横断面図を示す。 ３００個のロータ極と、９本のステータアームと、９個の永久磁石とを有する、ステップ毎に０．２０°の３相バイポーラ型モータ設計の他の形態の概略横断面図を示す。 図１に示すモータ設計のステータアーム上の物理巻線図を示す概略図を示す。 ロータ極と、物理巻線と、ステータ磁石と、ステータフィンガー及びロータ極の配列とを示す、図３の一部の拡大断片的詳細図を示す。 ロータ極及びステータフィンガーの配列を示す、図４Ａの一部拡大図を示す。 図３及び４に示す形態における概略電気的巻線図を示す。 図１〜５に示すステッピングモータ設計の励磁方形波、励磁シーケンス、励磁状態、及び回転方向を示す。 図２Ａに示すステッピングモータ設計の、有限要素解析モデルに基づく、巻線無しの又は巻線の非通電状態における磁束分布の断片的概略図を示す。 図２Ａに示すステッピングモータ設計の有限要素解析モデルに基づく、巻線の通電状態における、磁束分布の断片的概略図を示す。 トルク（縦軸）対回転角度（横軸）の例示的プロットであって、図６において励磁した場合の、図１〜５に示すステッピングモータ設計の、非通電及び通電ディテントトルクの概略的プロファイルを図示する。 Ａ〜Ｆはそれぞれ、ステータアーム設計の第２の形態の拡大詳細図を示す。 ２５０個のロータ極と、３０本のステータアームと、３０個のステータ磁石とを有する、ステップ毎に０．２４°の３相バイポーラモータ設計の第３の形態の概略横断面図を示す。 図１０に示すステッピングモータ設計の概略物理的巻線図を示す。 ロータ極と、物理巻線と、ステータ磁石と、並びにステータフィンガー及びロータ極の配列との断片的拡大詳細図を示す。 交互に配向された磁石を有する改良されたモータの他の形態の概略横断面図を示す。 トルク（縦軸）対回転角度（横軸）の例示的プロットであって、３ステートドライバで励磁した場合の、図１３に示すステッピングモータ設計の、非通電及び通電ディテントトルクの概略的プロファイルを図示する。

最初に、同一の構造的要素、部分、又は面は、本発明を実施するための形態の説明がその不可欠の部分をなす明細書全体において、さらに記載・説明されることもあるため、同様の符号は、上記幾つかの図面を通じて一貫して、そのような同一の構造的要素、部分、又は面を識別するためのものであることを、明確に理解すべきである。特に指定しない限り、図面は、明細書と併せて読むためのもの（例えば、クロスハッチング、部品配置、割合、程度等）であり、本発明の明細書全体の一部であると考えられる。以下の説明で使用するように、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」、及び「下」といった用語、並びにそれらの形容詞的及び副詞的派生語（例えば、「水平に」、「右方に」、「上方に」等）は、特定の図面が読者に対向している状態での図示された構造の配向を簡単に指している。同様に、「内側に」及び「外側に」という用語は概して、伸長方向軸又は回転軸に対する面の配向を適宜指している。

本発明は、広義には、可変リラクタンス型ステッピングモータ及び永久磁石型ステッピングモータから引き出される特徴及び特性を有する改良されたモータを提供する。

この改良されたモータは、広義には、互いに対して相対移動するように組み付けられた２つの部材を備える。２つの部材は、第１部材３０及び第２部材２０を有する第１実施例９０を示す図１に図示されるように、回転移動するように配置されていてもよい。第１実施例９０において、第２部材２０は、ステータとして構成されており、固定されている。第１部材３０は、ロータとして構成されており、符号７２で示す中心軸線周りに回転するように組み付けられる。２つの部材は、直線変位等、異なる種類の相対移動をするように他の構成に配置されていてもよい。第２部材は、支持構造を追加した又は追加しない、成形鉄粉複合体、軟磁性鋼鉄、電磁鋼板積層材料、又はこれらの材料の組み合わせから形成することができる。第２部材２０は、その内面に沿って配置された、アーム２２やアーム２４等の、多数のアームを有している。改良されたモータは、図２Ａ及び２Ｂの実施例に図示されるように、異なる数のアームを有して設計されてもよい。アームの数を変更することによって、モータ運転トルクとモータディテントトルクの比率を調節することができる。図２Ａに示すモータは、３６本のステータアームと３６個の永久磁石とを有する一方、図２Ｂに示すモータは、９本のステータアームと９個の永久磁石のみ有している。図２Ａに示す実施例では、図１の実施例に比べて、巻線のための余地は少ないが、永久磁石の数は多い。しかし、図２Ｂに示す実施例では、図１の実施例に比べて、巻線のための余地は大きいが、永久磁石の数は少ない。第２部材のアームは、好ましくは、第２部材の周りにほぼ均等に離間される。

図３に示すように、第２部材のアームのそれぞれは、アーム２２上のコイル２５のように、コイル又は物理的な巻線を有している。本実施例では、「Ａ」、「Ｂ」、又は「Ｃ」とラベルを付けたアームの３つのグループが存在している。アームの個々のグループは、位相又は位相グループとも称する。位相間の電気的且つ性能的バランスをとるために、各位相のアームの数は、好ましくは等しい。一位相内の全てのコイルは、それらが同時に励磁されるように、電気的に接続されている。例えば、実施例９０では、Ａコイルの全てが、直列に接続されている。Ａ位相の巻線ワイヤ４１は、電気端子Ａ１を起点にアーム２１の周りに巻回されている。その後、位相Ａの巻線ワイヤ４１は、アーム２２及び２４を飛ばして、続けて次の位相Ａのアームであるアーム２６の周りに巻回される。ワイヤ４１は続けて、第１部材３０に対して同じ時計回り巻線方向において、３番目のアーム毎に巻回される。他の実施例では、コイルは、交互の方向に巻回されてもよい。コイルは、まずマンドレルに巻かれ、その後アームに移される。位相のそれぞれの巻線は、電気的に接続されて共通端子を共有する。例えば、図３に示す実施例では、Ａ２、Ｂ２、及びＣ２間が接続されている（図５では、３本のリード線によるＹ字状接続として図示されている）。あるいは、３相の実施例の位相は、３本のリード線によるデルタ状接続で接続されていてもよい。位相は、位相間接続無しに配置されていてもよく、この場合、３相の実施例には６本のリード線構成といったように、各位相に対して２本のリード線を設けることができる。

図４Ａは、図１に示すモータを４分割したうちの右下部分の拡大図を示す。図４Ｂは、図４Ａのステータアーム及びロータ極の更に拡大した図を示す。第１部材３０の一面に沿って、極３２，３４，３７，及び３８等の多数の極が配置されている。極は一般的に、透磁率が１より高い領域として定義される。第１部材の極は、均等に離間され、同一形状を有する。実施例９０において、極は、第２部材に向かって第１部材から延出する概ね矩形状の突起であり、２つの隣接する極の間にはスロットを有する。磁束フローをより良好に補助できるような他のスロット形状（例えば、面取り形状、正方形状、円形状、楕円形状等）については、本発明の改良されたモータが関連する技術分野の当業者であれば通常想到できるであろうと思われるため、ここでは例示しない。図２Ａ及び２Ｂでは、各ステータアーム上に２つの耳状部が示されている。これらの耳状部は、巻線をスロット内に固定するための機械的な特徴を提供する。

第１部材は、支持構造を追加した又は追加しない、成形鉄粉複合体、軟磁性鋼鉄、電磁鋼板積層材料、又はこれらの材料の組み合わせから形成することができる。第１部材は、このような材料から単一の部分として形成することができる。第１部材はまた、第１部材の重量及びイナーシャを減少させるために、軽量のフレームに支持された上記のような材料からなるスリーブを有するように形成してもよい。

各アームは、ロータ極に対向するように配置された多数のフィンガーを有する。各フィンガーの先端部は、第１部材に最も近い、フィンガーの端部として定義される。フィンガーは、広義には、アーム上の透磁率が１より高い突出領域として定義される。例えば、図４Ａに示す実施例９０では、各アームは、２本のフィンガーを有しており、例えば、アーム２６では、第１部材の極３７及び３８にそれぞれ対向するように配置されたフィンガー２７及び２８を有する。また、各アームは、それに付随して少なくとも１つの永久磁石を有する。図４Ａ及び４Ｂの実施例９０では、各アームは、２本のフィンガーの間に配置された、永久磁石２９等の、１つの永久磁石を有する。

フィンガーは、ある１つのアームのフィンガーのそれぞれの中心が、各々対応するロータ極の中心と同時に配列するように、アームに沿って離間している。例えば、フィンガー５１が極３１に配列するのと同時に、フィンガー５３は極３３に配列する。また、ある１つの位相の全てのアームのフィンガーは、それら全てが第１部材のそれぞれが対応する極に同時に配列するように離間されている。例えば、図４Ａでは、位相Ａのアーム２６のフィンガーが極３７及び３８に配列する時、位相Ａのアーム２１のフィンガーは、極３１及び３３に配列する。

１つの位相のアームは、典型的には、他の位相のフィンガーからオフセットした異なる配列でフィンガーを有する。第１部材が第２部材に対して相対移動すると、各位相のフィンガーは順番にそれぞれの極に配列する。

例えば、図４Ａに示す３相の実施例にて示すように、位相Ａのフィンガーが極に配列すると、位相Ｂ及び位相Ｃの各フィンガーは、それぞれの極との配列から外れる。位相Ｂのフィンガーは、第１部材の最も近い極に対して、反時計回りにオフセットし、位相Ｃのフィンガーは、各々の最も近い極に対して、時計回りにオフセットする。第１部材３０が時計回りにステップ回転すると、位相Ｃのフィンガーは２ステップの各極に配向され、位相Ｂのフィンガーは更に２ステップの各極に配向される。

第２部材のアームの数、並びに各アーム上の永久磁石及びフィンガーの数は、モータディテントトルク、モータ運転トルク、及び巻線抵抗に影響する。

極及びフィンガーの離間間隔はピッチに関連して定義することができる。回転型モータの場合、第１部材の極のピッチは、第１部材の２つの隣接する極の中心の、第１部材外径における表面幅である。リニアステッピングモータの場合、第１部材の極のピッチは、２つの隣接するロータ極の中心間の直線距離である。極は、極ピッチの連続する整数倍の各々だけ、第１部材に沿って離間している。

リニアステッピングモータの場合、ステータのフィンガーピッチは、ロータの極ピッチと等しい。回転型モータの場合、極とフィンガーが配列するように、フィンガーピッチは、極ピッチに対して線形比例することになる。フィンガーピッチは、第１部材の極ピッチを、モータエアギャップでの第１部材（ロータ）の外径に対する第２部材（ステータ）の内径の比で乗算した積である。

第１部材の極とは異なり、アームのフィンガーはフィンガーピッチの連続する整数倍離間されていなくてもよいが、磁石幅を収容するために複数位置を飛ばしてもよい。例えば、図４Ｂでは、フィンガー５１及び５３は、フィンガーピッチの３倍の距離だけ離間して配置されている。磁石幅は、フィンガーピッチ１つ分よりも大きいが、フィンガーピッチ３つ分よりも小さい。図１２では、しかしながら、磁石幅はフィンガーピッチ２つ分を収容するように設計されている。従って、永久磁石の幅は、フィンガーピッチ１つ分よりも大きくてもよい。これは、この改良されたモータを、フィンガーピッチ１つ分よりも小さい磁石幅を必要とする先行技術と区別する特徴である。

第１部材の極の数は、定数と、位相数と、所望のステップ間隔との関数として設計される。バイポーラ型モータドライバのための第１部材の極の数は、以下の［数２］から決定される偶数又は奇数となる。

ここで、基本ステップ角は、２つの隣接する基本ディテント位置間の角度として定義される。偶数又は奇数のいずれかの構成の第１部材の極の使用は、本発明の改良されたモータを、偶数のロータ極数を必要とする先行技術と区別する他の特徴である。

表１には、［数２］により計算された、バイポーラモータドライバにおける、第１部材の極数、基本ステップ角、及び位相間の関係のうち幾つか選択したものを列記している。分数の基本ステップ角は、計算において不可避であるが、分数の角度の加工上又は技術上の精度等、実用上の理由から避けることも可能である。

実施例９０〜９３において、各永久磁石は、中心回転軸から径方向外方を指す方向に配向している。あるいは、各磁石は、中心回転軸に向かって径方向内方を指す方向に配向させることもできる。全ての永久磁石を同じ配向とすることができるのは、永久磁石を交互に配向させる必要のあった先行技術と異なるところである。ステータアームの数は、偶数でも奇数でもよい。バイポーラマルチステートドライバを使用する時には、ステップ角は、［数３］で決定される基本ステップ角の半分になる。

このステップ角は、この改良されたモータを、先行技術と区別するさらに他の特徴である。改良されたモータは、マイクロステップドライバ無しで、基本ステップ角の半分のマイクロステッピングを実現できる。

実施例９４において、隣接するステータアームのステータ磁石は、モータの中心回転軸に対して内方へ、外方へと交互の方向に磁化されている。ステータアームの数は、内方に磁化されたアームの数と外方に磁化されたアームの数を同じにするという明白な理由から、偶数のみ可能である。実施例９４は、ステップ角が基本ステップ角と同じになるように、バイポーラマルチステートドライバを用いて駆動してもよい。

短いステップ間隔を有する４種類の異なる形態のステッピングモータを本明細書では開示する。第１形態は図１〜８に、第２形態は図９に、第３形態は図１０〜１２に、そして第４形態は図１３〜１４に、それぞれ開示している。

これら様々な例は、２本以上のフィンガー間に挟まれた１つ以上の永久磁石を持つアームを有する３相の実施を示している。これらの例はまた、可変リラクタンス型、ハイブリッド型、及び永久磁石型ステッピングモータで一般的に使用される３本リード線構成でのモータの励磁シーケンス及び巻線も示す。

ここでは、３相ステッピングモータ用の３００及び２５０極のロータのみ例示するが、異なる極数及び位相数を有するモータ（例えば、表１に列記したもの）についても当業者にとっては容易に理解するところである。

第１形態（図１〜８）
図１は、３００個の同一のロータ極と、均等に離間された１８本のステータアームと、各ステータアームの２本のステータフィンガー間にそれぞれ挟まれた１８個の永久磁石とを有する、ステップ毎に０．２０°（すなわち基本ステップサイズが０．４０°）の３相バイポーラ型ステッピングモータの断面図を示す。ステータの全体の取付フランジ及び全体の取付穴、並びにロータのシャフトは、本明細書に例示の全てのモータに共通である。また本明細書に開示の他の全てのモータに共通である、ステータ及び取付フランジは、低ステップレート用途の場合、成形鉄粉複合体又は軟磁性鋼鉄から一体に形成することができる。また、高ステップレート用途の場合には、電磁鋼板積層材料を積層したり及び／又は構造的ハウジング内に組み付けたりすることも可能である。

図２Ａ及び２Ｂは、同じステッピングモータの２つの設計変形例を示している。図２Ａに示すモータは、３６本のステータアームと３６個の永久磁石とを有し、図２Ｂに示すモータは、９本のステータアームと９個の永久磁石のみ有する。図３は、図５に示すようなＹ字状接続のステータアームのコイルの物理的巻線図を示す。１８本のステータアームと３つの位相があるので、各位相は、直列接続された６つのコイルを有する。

図４Ａは、図３の一分割部分の拡大図を示し、ロータ極と、物理巻線と、ステータ磁石と、ステータフィンガー及びロータ極の配列とを示している。図４Ｂは、ステータアーム２１の一部を関連するロータ極と併せて示す更に拡大した図を示す。図４Ａ及び４Ｂに例示する磁石幅は、ステータフィンガーピッチ１つ分よりも大きいが、ステータスフィンガー３つ分よりも小さい。

改良されたモータは、幾つかの種類のドライバによって駆動することができる。例えば、改良されたモータは、バイポーラマルチステートドライバによって駆動してもよい。図６は、図１〜５に示す３相ステッピングモータ設計のための６ステートバイポーラドライバの、励磁方形波、励磁シーケンス、及び回転方向を示している。図１〜５に示す実施例では、ステート１からステート６に順に励磁することによって、時計回り方向にロータが回転する。励磁シーケンスを反転させると、反対方向にロータは回転する。同様に、各ステータアームの巻線方向を反対方向に反転させると、ロータの回転方向が反転する。

図７Ａ及び７Ｂは、図２Ａの一分割部分の、有限要素解析モデルに基づく磁束分布の２つの場合を示している。図７Ａに示すように、巻線が無い若しくは巻線が非通電で開路状態にある場合、アーム及びステータバックアイアン２３は、最少の磁束線を持つ。ほとんどの磁束線は、自己完結しており、ステータフィンガー、ステータ磁石、及びロータ極の間で閉ループを形成している。しかしながら、電力を巻線に印加すると、巻線によって発生した磁束線が、励磁状態に応じて、ステータ磁石によって発生した磁束線に追加されるか、若しくはステータ磁石によって発生した磁束線を打ち消す。正味の回転トルクが、モータ位置及び励磁状態に応じて発生する。回転角度の関数として各励磁状態によって発生するトルクは、各励磁状態について多数の回転角度での磁束に対して有限要素解析を行うことによって評価される。例えば、図７Ｂは、ある所定のロータ角度での励磁状態についての磁束分布を提示している。図７Ｂにおいてさらに実証されるように、各フィンガーの形状寸法によって、フィンガーから第１部材の極へ磁束フローを向け直すことができる。符号７５及び７６で示すような切欠きを、フィンガーの傍に配置して、その形状及び磁束分布を制御するようにしてもよい。

図８は、図１〜４に示すような３相回転設計における各ステートのロータの回転の関数としての非通電トルク及び通電トルクを例示している。非通電ディテントトルクは、全てのモータ巻線が非通電で開路状態にある場合のトルクである。非通電ディテント及び通電ディテントのプロファイルは、例示的なものであり、トルク発生の特徴において限定的なものではない。実際の波形は、正弦波形に重畳された高次高調波を有していてもよい。図８には、合計７つの通電ディテント位置（ゼロ交差点）が示されており、そのうち４つは、横軸上に大きな円で示されており（すなわち、「０」、「２」、「４」、及び「６」で示された位置）、３つは、印が付けられていない（すなわち、「１」、「３」、及び「５」で示された位置）。円で示された４つの位置は、ステップ毎０．４０°間隔の基本ディテント位置でもある。基本ディテント位置は、モータの停止・保持位置である。各ステートの通電トルクのそれぞれは、回転角度の関数としてプロットされる。プロットの上部（横軸の上）の影付き領域は、ロータが時計回り方向に回転する際のステート１からステート６までの６つのステートにおけるトルクを示している。プロットの下部（横軸の下）の二重影付き領域は、ロータが反時計回り方向に回転する際のステート６からステート１までの反転方向の６つのステートにおけるトルクを示している。

モータが駆動中に突然通電が切れると、モータは、円で示された４つの基本ディテント位置（すなわち、「０」、「２」、「４」、及び「６」で示された位置）のうちの１つの位置でただ停止し保持される。モータは、３つの印無しディテント位置（通電ディテント位置、すなわち、「１」、「３」、及び「５」で示された位置）のうちの１つから、印付きディテント位置のうちの１つに引き戻されて、モータの負荷トルクによって、若しくは、ロータ、ステータ、又はその両方からのヒステリシスによって停止・保持される。大きな負荷イナーシャによって、モータを強制的に３つの印無しディテント位置の１つから印付きディテント位置の１つへ強制的に前進させて停止・保持することも可能である。よって、始動位置がカウント「０」の場合、偶数のステップ数がモータの基本ディテント位置、言い換えると、停止・保持位置となる。また、奇数のステップ数が通電ディテント位置となる。

第１の形態のモータ設計は９００箇所の基本ディテント位置を１全回転に有するが、１周の回転を完了するには１８００ステップを要する。

第２の形態（図９）
改良されたモータの第２の形態は、第１の形態と同じロータを使用するため、９００箇所の基本ディテント位置を１全回転に有するが、１周の回転を完了するには１８００ステップを要する。

図９Ａ〜９Ｆは、本発明の第１の形態の図４Ｂに示す丸で囲まれたステータアームと比較するための、ステータアーム設計の拡大概略断面図の６つの例を示す。各例は、ステータアーム、ステータ磁石、ステータフィンガー、並びにロータ極及びステータフィンガーの配列の異なる形態を示している。図９Ａは、２つのステータ磁石を有するステータアームを示している。各磁石幅は、フィンガーピッチ１つ分よりも大きいが、フィンガーピッチ３つ分よりも小さい。２つの磁石は、間にスロットを有する２本のステータフィンガーによって分離されている。磁束フローをより良好に補助できるような他のスロット形状（例えば、面取り形状、正方形状、円形状、楕円形状等）については、この改良されたモータが関連する技術分野の当業者であれば通常想到できるであろうと思われるため、ここでは例示しない。各ステータフィンガーは、より良好な配列のために、ステータフィンガーとロータ極との間の重なり合いを避けるために切欠きを有している。図９Ｂは、２つの磁石を分離している３本のステータフィンガーを示している。図９Ｃでは、図９Ａの２つの磁石を３つに増やし、図９Ｅでは、ステータ磁石の数を４つに増やしている。図９Ｄでは、磁石のいずれかの側のステータフィンガーの数が、図９Ａ及び９Ｂに示すものよりも多い。同様に、図９Ｆでは、図９Ａに示すものと比べて、磁石のいずれかの側にフィンガーが追加されている。

これらの例は、例示的なものであり、特徴を限定するものではない。これらは、どのように第１の形態の改良されたモータを拡張して、ステータアーム毎に１つ以上のステータ磁石を使用するかを実際に説明するものである。ステータ磁石を分離する又は挟む１つ以上のステータフィンガーを持たせることが可能である。各永久磁石は、中心回転軸から径方向外方を指す方向に配向している。あるいは、各磁石は、中心回転軸から径方向内方を指す方向に配向させることもできる。磁石の数、ステータフィンガーの数、及びステータアームの数の組み合わせは、実施例の第１及び第２の形態の精神から逸脱することなく、図９に実際に示したものよりも多くすることも可能である。実施例の第２の形態の要素は、以下に記載の実施例に適用することもできる。

モータサイズが同じ場合、ステータ磁石の数によって、モータ運転トルクとモータディテントトルクの比率を変更できる。高いディテントトルク対駆動比率が必要な用途では、ステータ磁石の数又は磁石材料の量（磁石サイズ）を減らす必要がある。逆に、高いディテントトルクが必要な用途では、より多くのステータ磁石の数又はより多くの磁石材料の量が、ステータアーム設計において、必要になるであろう。

第３の形態（図１０〜１２）
図１０は、２５０個のロータ極と、３０本のステータアームと、３０個のステータ磁石とを有する、ステップ毎に０．２４°（すなわち基本ステップサイズが０．４８°）の３相バイポーラ型モータ設計の概略断面図を示す。このステップステッピングモータの概略物理巻線図が、図１１において、Ｙ字状接続で示されている。電気接続図を図５に示す。ロータ極、ステータ磁石、ステータアーム、ステータアーム上の物理巻線、並びにステータフィンガー及びロータ極の配列のために、図１１の構造の一部の拡大詳細図を、さらに、図１２に示す。第３の形態は、７５０箇所の基本ディテント位置を有し、１周の回転を完了するのに１５００ステップを要する。

磁石幅は、各位相Ａのステータアーム毎に、２本のステータフィンガーに配列される２個のロータ極の間に１個のロータ極があるように構成されている。したがって、磁石幅は、フィンガーピッチ１つ分よりも大きいが、フィンガーピッチ２つ分よりも小さい。位相Ａのステータフィンガーに配列された２個のロータ極の間に挟まれた図４Ｂの２個のロータ極と比較される。例示の磁石幅は、２本のステータフィンガーの間に必要なものであり、図４Ａ、４Ｂ、７、及び９に示すものとは対照的に、重なり合うことはなく、ステータフィンガー上の切欠きも不要である。

位相Ａのステータフィンガーがロータ極に配列すると、位相Ｂ又は位相Ｃのステータフィンガーのそれぞれは、先端又は後端側にオフセットして関連のロータ極に配列する。よって、それぞれが各位相に対応した３つの個別に配列されたアーム群が、ロータ極に関連して形成される。したがって、３０本の等間隔に離間されたステータアームは、３つの個別に位置付けられたステータアームを１０個繰り返されてなるものである。

第４の形態（図１３及び１４）
図１３は、モータの右下の４分の１の部分の拡大図であるが、ステータアーム上の磁石の磁化方向を除いて、図１及び３の第１の形態で示すものと同様の実施例を示している。隣接するステータアーム上のステータ磁石は、モータの中心回転軸に対して内方及び外方の交互の方向に磁化されている。物理巻線は、図３に示すものと同じであり、各位相グループの全てのステータアームの巻線方向が、第１部材に対して、同じ時計回り又は反時計回り方向である。

図１１及び１２の第２の形態の設計は同様に、隣接するアーム上の磁石の磁化方向を反転させて実現することができる。図９Ａ〜９Ｃ並びに９Ｅ及び９Ｆの第２の形態で示すように、ステータアーム毎に１つより多い磁石を使用する場合、各ステータアーム上の全ての磁石は、同じ内方又は外方方向に磁化される。

図１４は、図１３の部分図で例示するように交互の磁化を持つステッピングモータ設計が、３ステートドライバを使用する場合、各ステートにおいてどのようにトルクを発生させるのかを例示している。非通電ディテント及び通電ディテントのプロファイルでの波形が例示されているが、トルク発生のための特徴において限定するものではない。実際の波形は、図１４に示すように、正弦波形に重畳された高次高調波を有してもよい。

非通電ディテントのプロファイルは、図１及び３の設計のための図８に示すものと同じである。横軸上に大きな丸でしめされるように、ステップ間隔毎０．４０°（すなわち、「０」、「１」、「２」、及び「３」で示された位置）に合計４つの通電ディテント位置が存在する。これら４つの通電ディテント位置は、前記４つの基本ディテント位置と一致する。したがって、モータは、ステップ毎に０．４°の完全な基本ステップサイズでステップする。９００の基本ディテント位置を有する図１３の設計は、１周の回転を完了するには９００ステップを要する。

図１０及び１１の第３の形態の設計と同様に、隣接するステータアーム上のステータ磁石が、モータの中心回転軸に対して内方及び外方の交互の方向に磁化されている場合、基本ディテント位置は、０．４８°の間隔で通電ディテント位置と一致する。モータは、ステップ毎に０．４８°の完全な基本ステップサイズでステップし、１周の回転を完了するには７５０ステップを要する。

３ステートドライバを使用する場合、３つの励磁ステートの繰り返しによって、モータは連続的に回転する。図６に示すような６ステート励磁シーケンスを有する一般的に使用されるステッピングモータドライバを、３ステートドライバとして、モータを駆動するために使用することができる。

上記実施例の上記例の全ては、ステータアームが等間隔で離間され、ステータアームの数が位相数の整数倍であるものを示している。しかしながら、ステッピングモータは、第１部材の極及び第２部材フィンガーの配列が上記したものである限り、等間隔で離間されていないステータアームを有して、又は、ステータアームの数が位相数の整数倍ではないように、設計することもできる。しかしながら、非等間隔に離間されたステータアームは、不均一なピーク非通電及び通電ティテントトルクを発生し、モータトルク密度を減少し、貴重な巻線空間を無駄にすることがある。

上記例の設計概念を利用するリニアステッピングモータを実現することもできる。回転型ステッピングモータを展開してステータ及びロータを直線化することによって、回転型ステッピングモータは、リニアステッピングモータになる。数式１はリニアの実施例には適用できないが、第２部材のフィンガー及び第１部材の極の配列、電気的配線図、励磁極シーケンス、及び数式２〜４は、回転型ステッピングモータで本明細書に開示したものと同一である。

本実施例の原則に基づくステッピングモータ設計の幾つかの他の変形例は本明細書では示していない。これらには、（ａ）全周３６０°のステータ及びロータのうち一部のみを使用するセクショナル又はフラクショナルステッピングモータ、（ｂ）内側の固定部材がステータであり、他方の回転部材がロータである、回転部材と固定部材を逆転させたステッピングモータ、（ｃ）どちらも平面形状のロータ及びステータが共通軸線上に並列に配列された、アキシャルエアギャップを有するステッピングモータ、及び（ｄ）マイクロステップドライバで駆動されるステッピングモータ、を含む。第１〜第３の形態の円周方向及び径方向のエアギャップと比較すると、アキシャルエアギャップ設計は、磁石を第１〜第４の形態における径方向の代わりに軸方向に磁化し、ステータアーム及びフィンガーを軸方向にロータ極に対向するように配置する必要がある。これらの設計変形例において、巻線方式並びにステータフィンガー及びロータ極の配列は、３相モータで上記したものと同一のままである。

バイファイラ巻線及び冗長巻線は、上記の巻線方式の全てにおいて容易に実施可能なさらに他の特徴である。モータ設計におけるさらなる冗長は、２つのモータを並列形式で使用してサイズ及び重量を減らすことなく、一次巻線のモータ半体と冗長巻線のモータ半体を使用することによって、機械的且つ電気的に、実現することができる。

アーム及びフィンガーを有する１つの鋼板ステータ積層体を製造するために、又は、１つの鋼板ステータ筐体、積層体、アーム、及びフィンガーを製造するために軟磁性鋼鉄を使用することは、本明細書に開示の改良されたモータのための低ステッピング率の用途において実現可能なさらに他の特徴である。軟磁性鋼鉄には、これらに限定はされないが、成形鉄粉複合体材料や、低炭素鋼（例えば、米国鉄鋼協会（ＡＩＳＩ）指定の１０１０、１０１５、１０１８鋼等）、マルテンサイト耐腐食性鋼鉄（４１６ステンレス鋼等）、高透磁性ニッケル鉄又はニッケルコバルト合金（Ｈｙｐｅｒｃｏ（登録商標）５０等）等が含まれる。これらの軟磁性鋼鉄は、一般的に使用される電磁鋼板積層材料（例えば、ＡＩＳＩ Ｍ−１５、Ｍ−１９等）や、高周波磁性回路用途の高透磁性ニッケル鉄又はニッケルコバルト合金等とは区別される。これらの軟磁性鋼鉄は、渦電流やヒステリシスロスがわずかな、低周波用途の磁石設計者には周知のものである。この特徴は、低ステッピング率のモータ及びアクチュエータにおいて非常に有用であることが証明されている。何故なら、これによって、積層体積層工程及び積層に関する問題を除去し、コストを削減（特に一般的な１０１８低炭素鋼又は４１６ステンレス鋼を使用する際）し、また製造工程を簡略化することができるからである。

上記説明に基づき、改良されたモータによって、一般的なバイポーラモータドライバと共に使用するためにどのようにモータを小ステップサイズに設計できるかを例示してきた。小ステップサイズのステッピングモータの多くの実施例を示し且つ説明し、それらに対するある変形及び変更についても説明してきたが、当業者であれば、以下の特許請求の範囲において定義されまた差別化される本発明の精神から逸脱することなく、さらに追加的な様々な変形及び変更が可能であることは容易に理解されるであろう。

Claims (26)

1. 第１部材と、
   第２部材と
   を備え、
   前記部材は互いに相対移動するように組み付けられ、
   前記第１部材は、複数の極を有し、
   前記極は、前記移動の方向に前記第１部材に沿って、且つ極ピッチを有して略等間隔で離間されており、
   前記第２部材は、複数のアームを有し、
   各アームは、
   前記アームから突出し、且つフィンガーピッチを有する複数のフィンガーと、
   ２つのフィンガーの間の永久磁石と、
   関連するアームに巻かれたコイルとを有し、
   前記フィンガーは、前記極に概ね対向するように配置された先端を有し、
   各永久磁石は、前記移動の方向に、フィンガーピッチよりも大きい幅を有する、モータであって、
   各アームは、多数の位相のうちの１つと関連付けられ、
   特定の位相内の前記アームの前記フィンガーは、前記部材が互いに相対的なある位置にある時に、各フィンガーの先端が対向する各極に対して同時に配列するように配置されている、モータ。
2. 前記フィンガーは、ある位相グループのアーム上のフィンガーが、それぞれ前記極のいずれかに配列している時には、他のどの位相グループのフィンガーも、それぞれ前記極の何れにも配列しないように、配置されている前記請求項１に記載のモータ。
3. 各永久磁石は、前記永久磁石が関連付けられているアーム上のあるフィンガーの間に配置されている請求項１に記載のモータ。
4. 全ての前記コイルが、共通端子を共有している請求項１に記載のモータ。
5. ある位相の前記コイルは、他の位相の前記コイルに接続されていない請求項１に記載のモータ。
6. 各永久磁石は、前記第１部材に対して同じ方向に磁化されている請求項１に記載のモータ。
7. あるアームの各永久磁石は、隣接するアームの永久磁石とは反対方向に磁化されている請求項１に記載のモータ。
8. 前記位相の数は３つである請求項１に記載のモータ。
9. 前記コイルは、Ｙ構成、デルタ構成、又は６本リード線構成で接続されている請求項８に記載のモータ。
10. 前記アームは、６ステート励磁シーケンスに追従するように構成されている請求項８に記載のモータ。
11. 前記位相の数は２つ、４つ、又は５つである請求項１に記載のモータ。
12. 各アームは、成形鉄粉複合体、軟磁性鋼鉄、又は電磁鋼板積層材料から形成される部分をさらに含む請求項１に記載のモータ。
13. 各フィンガーは、突極として働くように構成されている請求項１に記載のモータ。
14. 各アームは、複数の永久磁石を備える請求項１に記載のモータ。
15. 前記極の数は、少なくとも２５０個である請求項１に記載のモータ。
16. 前記アームは、バックアイアンによって接続されている請求項１に記載のモータ。
17. 前記第１部材及び前記第２部材は、軸線周りに互いに相対回転するように配置されている請求項１に記載のモータ。
18. 前記第１部材は、前記第２部材に対して直線状に移動する請求項１に記載のモータ。
19. 前記アームは、前記移動の方向に、前記第２部材に沿って、略等間隔に位置付けられている請求項１に記載のモータ。
20. 各位相は、それに関連付けられた等しい数のアームを有する請求項１に記載のモータ。
21. 各コイルは、その関連するアームの周りに、前記第１部材に対して同じ方向に巻回されている請求項１に記載のモータ。
22. 各コイルは、隣接するアームの前記コイルとは反対方向に磁化されている請求項７に記載のモータ。
23. 前記部材は、成形鉄粉複合体、軟磁性鋼鉄、又は電磁鋼板積層材料を含む請求項１に記載のモータ。
24. 前記モータは、バイポーラモータドライバによって駆動されるように構成されている請求項１に記載のモータ。
25. 前記フィンガーは、第１の位相の前記フィンガーの中心がその関連する極の中心に配列され、第２の位相の前記フィンガーの中心がその関連する極の先端にオフセットして配列され、また第３の位相の前記フィンガーの中心がその関連する極の後端にオフセットして配列されるように、配置され、前記オフセットは、前記極の離間よりも小さい請求項８に記載のモータ。
26. 前記第１部材の極の数は、奇数である請求項１に記載のモータ。