JP5972637B2 - ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、ステータコイルが巻回されたボビンを保持する構造に特徴のあるステッピングモータに関する。

クローポール型の構造を有したＰＭ（パーマネントマグネット）型のステッピングモータが知られている。このステッピングモータは、ボビンにコイルが巻回され、ボビンの外側に外側ステータが位置し、内側に内側ステータが位置し、第１のステータ部が構成されている。そして同様の構造を有する第２のステータ部と先の第1のステータ部とが軸方向で結合することで、ステータが構成されている。ステータは、全体として略筒構造を有し、その内側の略円柱状の空間に、外周に多極着磁されたマグネット（永久磁石）を備えたロータが回転自在な状態で収められている。この構造に関連する技術として、特許文献１および２に示すものが知られている。

特開２００３−１８００６９号公報 特開２０００−２１７３３２号公報

ところで、上述した構造のステッピングモータでは、ロータを回転駆動させるために、コイル線に励磁電流を流しステータに磁束を形成させる必要がある。ここで流す励磁電流は極めて短い時間周期で方向が反転するので、この周期に対応してステータに形成される磁路も向きが周期的に反転し、それにより振動が発生する。ここで、ボビンは電気絶縁性や加工性の点から樹脂性のものが用いられるが、何らかの理由によりボビンに変形が発生すると、ステータを構成する部材との間にガタが生じる。このガタが生じると、上記の振動の際にステータを構成する部材とボビンの接触が不安定となり、更なる振動が発生し、また騒音が発生する。

このような背景において、本発明は、ボビンとステータを構成する部材との間にガタが生じ難い構造のステッピングモータを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ステータコイルが巻回されたボビンと、軸方向で対向する対向面を有し、該対向面の間に前記ボビンを挟んで保持する第1のステータ部とを備え、前記ボビンの前記対向面の一方と接触する接触面には、傾斜面を有する凸部が設けられ、前記対向面の前記一方には、前記凸部が嵌る凹部が設けられ、前記凹部の縁と前記凸部の前記傾斜面とが接触することで、前記対向面の一方と前記ボビンの前記接触面との間に隙間が形成されていることを特徴とするステッピングモータである。

請求項１に記載の発明によれば、ボビンに設けられた凸部の斜面がステータ側の凹部の縁に接触することで、ステータとボビンとの間に軸方向における隙間が形成される。このため、ボビンの変形がこの隙間で吸収され、ボビンとステータを構成する部材との間にガタが生じ難い構造が得られる。ここで、凹部は、底のある窪みであってもよいし、裏側に貫通した孔により構成されていてもよい。凹部が孔により構成されている場合、凸部の先端は、孔の向こう側に突き抜けてもよいし、突き抜けなくてもよい。ただし、孔の向こう側に他の部材がある場合、その部材との干渉を避けるために、凸部の先端が孔の内部に納まる寸法関係とすることが好ましい。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記対向面の少なくとも一方は、前記ボビンの方向への付勢力を生じる弾性変形が生じていることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、ステータを構成する部材の弾性変形に起因する反発力を利用して、ボビンを押す付勢力が生じ、この付勢力により、ボビンが弾性的に保持される。このため、ボビンの変形に起因するボビンとステータを構成する部材との間のガタが生じ難い構造が得られる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１のステータ部と同様の構造を有する第２のステータ部を備え、前記第１のステータ部と前記第２のステータ部とは、それぞれの前記対向面の他方を構成する部材同士を接触させた状態で軸方向において結合しており、前記接触する２つの部材は、前記接触がない状態において軸方向に対して傾いており、前記接触した状態で結合することで、前記軸方向に対する傾きが矯正され、前記付勢力が生じていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記傾きは、軸中心から離れる方向に対するなす角度で捉えて１°〜３°の範囲にあることを特徴とする。この角度が１°より小さいと、生じる反発力が小さく、ボビンを弾性的に保持する機能が低下する。また、この角度を３°より大きくすると、ステータを構成する部材の加工が困難となる。なお、軸中心というのは、当該ステッピングモータの回転軸の中心(回転中心)のことをいう。また、請求項４に記載の発明において、第１のステータ部と第２のステータ部は、厳密に同じ構造でなくてもよい(勿論、全く同じ構造であってもよい)。また、傾きの矯正は、弾性力が生じる程度のものであれば、完全でなくてもよい。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の発明において、前記接触する２つの部材の接触面の一方に先端が斜めにカットされた凸部が設けられ、他方に前記凸部に嵌合する凹部が設けられていることを特徴とする。請求項５に記載の発明によれば、嵌合する相手となる凹部が設けられている面が傾いていても、凹部の縁と凸部先端の縁との干渉が避けられ、凸部の凹部への嵌合がスムーズに行なえる。このため、組み立て易い構造が得られる。なお、先端が斜めにカットされた凸部という概念には、実際に斜めにカットする加工が行われていなくても、プレス加工や研磨等の方法で、斜めにカットしたような形状とされた場合が含まれる。

本発明によれば、ボビンとステータを構成する部材との間にガタが生じ難い構造のステッピングモータが提供される。

ステッピングモータの分解斜視図（Ａ）と分解側面図（Ｂ）である。 第１のステータ部の分解斜視図である。 第１のステータ部の側面図（Ａ）、斜視図（Ｂ）および斜視図（Ｃ）である。 ボビンの上面図（Ａ）、正面図（Ｂ）、側面図（Ｃ）および背面図（Ｄ）である。 外側ステータとボビンが接触した状態を示す側断面図である。 内側ステータの正面図（Ａ）側断面図（Ｂ）および（Ｃ）である。 第１のステータ部と第２のステータ部とを軸方向で接触させた状態を示す側面図（Ａ）と、（Ａ）の状態から軸方向の圧力を加え、内側ステータの円環部の傾きを矯正し、第１のステータ部と第２のステータ部とを結合させた状態を示す側面図（Ｂ）である。

（全体の構成）
図１には、実施形態のステッピングモータ１００が示されている。ステッピングモータ１００は、クローポール型のステッピングモータである。ステッピングモータ１００は、ステータ５００（図７参照）を備えている。ステータ５００は、第１のステータ部であるフロント側ステータアッシー２００と、第２のステータ部であるエンド側ステータアッシー３００を軸方向で結合した構造を有している。ここで、フロント側ステータアッシー２００とエンド側ステータアッシー３００は、同じ構造であり、一方を他方に対して軸方向において反転させ、その背面同士を接触させ、結合することで、ステータ５００が得られている。

フロント側ステータアッシー２００には、フロントプレート２１０が固定され、エンド側ステータアッシー３００には、エンドプレート３１０が固定されている。ステータ５００は、略筒形状を有し、その内側にロータ４００が回転自在な状態で収められている。

（フロント側ステータアッシー２００の構造）
図２には、フロント側ステータアッシー２００の分解斜視図が示され、図３には、フロント側ステータアッシー２００の側面図（Ａ）、斜視図（Ｂ）および（Ｃ）が示されている。図４には、ボビンの上面図（Ａ）、正面図（Ｂ）、側面図（Ｃ）および背面図（Ｄ）が示されている。

図１〜図３に示すように、フロント側ステータアッシー２００は、外側ステータ２２０、ボビン２３０、内側ステータ２４０を軸方向で結合した構造を有している。外側ステータ２２０は、磁路が形成されるヨークとして機能する部分であり、電磁軟鉄あるいは圧延鋼板などの磁性材料により構成されている。外側ステータ２２０は、平たい板状の形状の円環部２２１、円環部２２１の外縁から軸方向に延在した円筒形状の外筒部２２２、円環部２２１の内周側の縁から軸方向に延在し、周方向に沿って間隔をおいて複数が配置された極歯２２３を備えている。

ボビン２３０は、軸中心と同軸構造を有するステータコイルが巻回される部材であり、樹脂製であり、射出成形法を用いて形成されている。ボビン２３０には、ステータコイル２３１が巻回されている。ボビン２３０は、ステータコイル２３１を構成するマグネットワイヤが巻回される円筒部２３２、円筒部２３２の軸方向における両端に位置し、巻回されるマグネットワイヤを軸方向の両側から抑えるフランジとして機能する円環部２３３，２３４を備えている。円環部２３４には、端子部２３５が設けられ、端子部２３５には、ステータコイル２３１の巻線の端部が絡げられ接続される２本又は３本の金属製の端子ピン２３６が埋め込まれている。

ステータコイル２３１が巻回されたボビン２３０は、外側ステータ２２０の外筒部２２２と複数の極歯２２３の間のドーナツ状の空間（円環状の空間）に配置されている。円環部２３３の円環部２２１に対向する面には、円環部２２１の方向（軸方向）に突出する３箇所の凸部２３７が設けられている。凸部２３７は、斜面を有する凸状の部分であり、頂上が平坦な円錐形を有し、軸方向から見て、等角な位置（１２０°毎の角度位置）に設けられている。

図５には、ボビン２３０の円環部２３３と、外側ステータ２２０の円環部２２１との位置関係を示す断面図が示されている。図５に示すように、ボビン２３０の円環部２３３と、外側ステータ２２０の円環部２２１とは、結合した状態において、直接面で接触していない。すなわち、凸部２３７の斜面が孔部２２４の縁に接触した状態で、凸部２３７が孔部２２４に嵌ることで、高さＬの凸部２３７が孔部２２４の内部に埋没せず、円環部２２１と円環部２３３との間に隙間ｅが形成されている。この条件を満たすために、凸部２３７の頂上部分の円形の平坦部分の径をａ、凸部２３７の基部の径をｂ、孔部２２４の径をＣとして、ａ＜Ｃ＜ｂの関係が満たされている。ここで、Ｃ＝（ａ＋ｂ）／２とすると、構造的に安定したものとなり、好ましい。なお、円錐形の凸部２３７の一部が円環部２２１の内部に入り込み、凸部２３７の斜面が円環部２２１に接触することで、隙間ｅが形成されればよいので、孔部２２４は、貫通した孔ではなく、凸部２３７が嵌る底のある穴（つまり、窪み）であってもよい。

また、図５に示す例では、図１に示すフロントプレート２１０との干渉を避けるために、凸部２３７の先端が孔部２２４から飛び出ない寸法関係に設定されている。なお、上述した干渉の問題がないのであれば、凸部２３７が孔部２２４から突出した構造も可能である。

図６には、内側ステータの正面図（Ａ）、断面図（Ｂ）および（Ｃ）が示されている。内側ステータ２４０の円環部２４１は、部品単体の状態（つまり、組み立てる前の段階）において、軸に垂直な方向から見て、軸中心から離れる方向に対して２°傾いた断面形状を有している。すなわち、円環部２４１は、上述した傾きを有した円錐面の一部を構成する形状を有している。この傾きが１°を下回る値であると、その効果が低く、他方で３°を超えると、組み立て作業が困難になる。よって、その値は、１〜３°程度の範囲から選択するのが適当である。

図３に示すように、円環部２４１には、孔部２４４と凸状のボス２４５が設けられている。孔部２４４には、エンド側ステータアッシー３００の内側ステータ３４０を構成する円環部３４１のボス（図１では隠れていて見えない）が嵌合する。ボス２４５は、エンド側ステータアッシー３００の内側ステータ３４０を構成する円環部３４１の孔部３４５に嵌合する。

フロント側ステータアッシー２００の内側ステータ２４０と同じ部材を軸方向で反転させたものが、エンド側ステータアッシー３００の内側ステータ３４０である。内側ステータ２４０と３４０とを、同じ面を向かい合わせで接触させることで、フロント側ステータアッシー２００とエンド側ステータアッシー３００の結合が行なわれている。この際、円環部２４１の孔部２４４に円環部３４１のボス（図示されず）が嵌り、円環部２４１のボス２４５が円環部３４１の孔部３４５に嵌る。

なお、上記の説明から明らかなように、組み立てる前の状態において、円環部３４１は、円環部２４１と逆の方向に傾いている。つまり、円環部２４１と円環部３４１とを背面同士で位置合わせした場合、軸中心から離れるに従って、その間の距離が増大する位置関係となる。

ここで、ボス２４５の先端は、外側に向かって下る傾斜の斜め形状にカットされた形状を有している。これは、軸に垂直な方向から見た円環部２４１の傾いた形状に関係する。すなわち、円環部２４１は、円環部３４１に対向し、最終的には、軸方向に圧力が加えられ、その傾きが矯正された状態で円環部３４１と面接触するが、組み立ての過程においては、上記の傾きがある状態でボス２４５を孔部３４５に位置合わせし、嵌合させる必要がある。しかしながら、ボス２４５の側断面形状を単に矩形の形状とした場合（つまり、ボス２４５を単なる円柱形状とした場合）、円環部２４１，３４１の傾きに起因して、その外側の縁の部分が、孔部３４５の縁と干渉し、上述の嵌合作業がスムーズに行えない。この問題を解消するために、ボス２３４の先端は、外側に向かって下る傾斜の斜めにカットされた形状に加工されている。

円環部２２１のボビン２３０に対向する側と反対側の面には、フロントプレート２１０が結合している。フロントプレート２１０は、中心に円形の開口部２１１を備え、この開口部２１１に軸受２５０が取り付けられている。軸受２５０は、ロータ４００の軸中心の位置に固定されたシャフト（回転する軸部材）４０１を回転自在な状態で保持している。

（エンド側ステータアッシー３００の構造）
エンド側ステータアッシー３００は、フロント側ステータアッシー２００と同じ構造であり、フロント側ステータアッシー２００と同じ構造のものを、軸方向で反転させた状態で用いられている。エンド側ステータアッシー３００は、外側ステータ３２０、ボビン３３０、内側ステータ３４０を軸方向で組み合わせた構造を有している。ここで、外側ステータ３２０は、外側ステータ２２０と同じ構造の部品あり、ボビン３３０は、ボビン２３０と同じ構造の部品であり、内側ステータ３４０は、内側ステータ２４０と同じ構造の部品である。

外側ステータ３２０には、エンドプレート３１０が結合している。エンドプレート３１０は、中心に円形の開口部３１１を備え、この開口部３１１に軸受２６０が取り付けられている。軸受２６０は、シャフト４０１の図では他の部材に隠れている側の部分を回転自在な状態で保持している。

（ロータの構造）
ロータ４００は、略円柱状の構造を有し、その外周にマグネット（永久磁石）を備えている。このマグネットは、周方向に沿ってＮＳＮＳと交互に磁極が反転する状態で着磁された磁極構造を有している。ロータ４００の軸中心には、シャフト４０１が軸方向に貫通した状態で固定され、シャフト４０１のロータ４００から一方の方向に突出した部分は、軸受２５０を介してフロントプレート２１０に回転自在な状態で保持され、シャフト４０１のロータ４００から他方の方向に突出した部分（図１では他の部材に隠れている）は、軸受２６０を介してエンドプレート３１０に回転自在な状態で保持されている。すなわち、軸受２５０と２６０によって、ロータ４００は、ステータ５００（図７参照）に対して、その内側で回転自在な状態で保持されている。

（組み立て手順）
まず、フロント側ステータアッシー２００とエンド側ステータアッシー３００を組み立てる。両者は同じ構造であるので、以下、代表してフロント側ステータアッシー２００を組み立てる手順を説明する。最初に、ボビン２３０にステータコイル２３１を巻回し、図１に示すボビン２３０の状態を得る。次に、このボビン２３０を外側ステータ２２０の内側に納めた状態において、外側ステータ２２０にフロントプレート２１０および内側ステータ２４０を組み付ける。この過程における外側ステータ２２０、ボビン２３０および内側ステータ２４０の位置関係が、図２および図３に示されている。また、同様な工程により、エンド側ステータアッシー３００を組み立てる。

また、シャフト４０１に取り付けたロータ４００を用意する。そして、ロータ４００を図１（Ａ）に示すように内側に納めた状態で、フロント側ステータアッシー２００の円環部２４１の露出面と、エンド側ステータアッシー３００の円環部３４１の露出面とを対向させ、軸中心の位置を合わせた状態で両者を接触させる。この際、円環部２４１の孔部２４４に円環部３４１のボス（図示されず）を嵌合させ、円環部２４１のボス２４５を円環部３４１の孔部３４５に嵌合させる。またこの際、軸受２５０を介してシャフト４０１をフロントプレート２１０に回転自在な状態で固定し、軸受２６０を介してシャフト４０１エンドプレート３１０に回転自在な状態で固定する。なお、軸受２５０，２６０は、滑り軸受であり、軸受２５０，２６０とロータ４００との間には、図示省略されたスプリングワッシャが配置され、ロータ４００の軸方向における位置決めがされる構造を有している。

この状態が図７（Ａ）に示されている。なお、図７において、フロントプレート２１０とエンドプレート３１０は記載されていない。図７（Ａ）に示す状態では、円環部２４１と円環部３４１を単に接触させただけであり、両者の傾きは矯正されていない。したがって、その縁の付近は、ｔで示す隙間を有している。一例であるが、円環部２４１および３４１の幅を５ｍｍ、その板厚を０．５ｍｍ、図２のθの値を２°とした場合、隙間ｔの値は０．１５ｍｍ程度となる。

図７（Ａ）の状態において、フロント側ステータアッシー２００およびエンド側ステータアッシー３００の外側ステータ２２０，３２０を互いに近付けることで円環部２４１，３４１に軸方向両側から圧力を加え、円環部２４１と３４１の傾き（図６参照）が矯正されるように、円環部２４１と３４１を変形させる。内側ステータ２４０，３４０の円環部２４１，３４１は、対向しているボビン２３０，３３０の円環部（ボビン２３０では円環部２３４）で押され、円環部２４１と３４１の傾きが矯正される。つまり、円環部２４１と３４１の面の向き（面に垂直な方向）が軸方向に一致するように図７（Ａ）の左右の方向からボビン２３０、３３０を介して力を加え、傾いた円環部２４１，３４１を変形させ、その傾きを矯正する。そして、ｔ＝０（あるいは誤差範囲以内）となった状態で外側ステータ２２０，３２０を溶接して図７（Ｂ）に示す状態を得る。この際、円環部２４１，３４１は弾性変形しており、元に戻ろうとする反発力が発生している状態となる。

組み立てが完成した状態において、ボビン２３０の円環部２３４は、円環部２４１が発する弾性力により、円環部２２１の方向に押された状態となる。ここで、図５に関連して説明したように、円環部２２１とボビン２３０の円環部２３３とは、凸部２３７を介してのピンポイント的な接触であり、円環部２２１と円環部２３３との間には、隙間ｅが形成されている。したがって、何らかの理由により、ボビン２３０の変形が生じても、その変形は、隙間ｅの変動により吸収される。この際、円環部２４１が発する弾性力により、ボビン２３０と外側ステータ２２０との接触、およびボビン２３０と内側ステータ２４０との接触が保たれ、ガタの発生が抑えられる。つまり、ボビン２３０の変形が生じても、外側ステータ２２０と内側ステータ２４０との間におけるボビン２３０の安定した状態が維持される。これは、エンド側ステータアッシー３００の側のボビン３３０に関しても同じである。

（優位性）
ボビン２３０は、外側ステータ２２０と内側ステータ２４０の間において、ボビン２３０の変形を吸収する隙間ｅ（図５参照）を有した状態で、且つ、ボビン２３０が軸方向の圧力を受けた状態で保持されるので、ボビン２３０の変形により、ボビン２３０と外側ステータ２２０および内側ステータ２４０との間でガタが生じる問題が抑制される。このため、ガタの発生による振動の発生や騒音の発生が抑えられる。

（その他）
凸部２３７の形状は、角錐であってもよい。また、その頂上部分が尖っていても良い。例示した実施形態では、内側ステータ側の円環部２４１を軸方向に傾け、その傾きが矯正された際に発生する反発力を利用して、ボビン２３０を軸方向に付勢した状態で保持する例を示したが、それに加えて、あるいはそれに替えて外側ステータ側の円環部（例えば、符合２２１）を軸方向に傾け、その傾きが矯正された際に発生する反発力を利用して、ボビン２３０を軸方向に付勢する構造も可能である。また、円環部２４１の傾きは、完全に矯正されなくてもよい。すなわち、傾きが残っていても、弾性変形に起因する反発力が発生する状態とする構造も可能である。

凸部２３７と同様な凸部を、円環部２３４における円環部２４１に対向する側の面に設け、また円環部２４１にこの凸部が嵌る孔部（凹部）を設け、実施形態と同様な結合が円環部２３４と円環部２４１との間で行なわれる構造も可能である。この場合、円環部２２１の側の凸部２３７を利用したボビン２３０と外側ステータ２２０との接触の構造を併用してもよいし、併用しなくてもよい。

本発明は、軸方向の前後に位置する２つのステータ（ヨーク）部材と、この２つのステータ部材の間に位置し、軸中心と同軸構造を有するステータコイルが巻回されたボビンとを備えた構造のモータに利用することができる。このようなモータとして、特開平１−１９８２６３号公報や特開２００２−２７７２２号公報に記載されたモータが挙げられる。

本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、ステッピングモータに利用することができる。

１００…ステッピングモータ、２００…フロント側ステータアッシー、２１０…フロントプレート、２１１…開口部、２２０…外側ステータ、２２１…円環部、２２２…外筒部、２２２ａ…段差部、２２３…極歯、２２４…孔部、２３０…ボビン、２３１…ステータコイル、２３２…円筒部、２３３…円環部、２３４…円環部、２３５…端子部、２３６…端子ピン、２３７…凸部、２４０…内側ステータ、２４１…円環部、２４３…極歯、２４４…孔部、２４５…ボス、２５０…軸受、２６０…軸受、３００…エンド側ステータアッシー、３１０…エンドプレート、３１１…開口部、３２０…外側ステータ、３３０…ボビン、３４０…内側ステータ、３４１…円環部、３４５…孔部、４００…ロータ、４０１…シャフト、５００…ステータ。

Claims (5)

1. ステータコイルが巻回されたボビンと、
   軸方向で対向する対向面を有し、該対向面の間に前記ボビンを挟んで保持する第１のステータ部と
   を備え、
   前記ボビンの前記対向面の一方と接触する接触面には、傾斜面を有する凸部が設けられ、
   前記対向面の前記一方には、前記凸部が嵌る凹部が設けられ、
   前記凹部の縁と前記凸部の前記傾斜面とが接触することで、前記対向面の一方と前記ボビンの前記接触面との間に隙間が形成されていることを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記対向面の少なくとも一方は、前記ボビンの方向への付勢力を生じる弾性変形が生じてい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。
3. 前記第１のステータ部と同様の構造を有する第２のステータ部を備え、
   前記第１のステータ部と前記第２のステータ部とは、それぞれの前記対向面の他方を構成する部材同士を接触させた状態で軸方向において結合しており、
   前記接触する２つの部材は、前記接触がない状態において軸方向に対して傾いており、前記接触した状態で結合することで、前記軸方向に対する傾きが矯正され、前記付勢力が生じていることを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータ。
4. 前記傾きは、軸中心から離れる方向に対するなす角度で捉えて１°〜３°の範囲にあ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。
5. 前記接触する２つの部材の接触面の一方に先端が斜めにカットされた凸部が設けられ、他方に前記凸部に嵌合する凹部が設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載のステッピングモータ。

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