JP6122794B2 - Ｐｍ型ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、騒音を低減したＰＭ型ステッピングモータに関する。

クローポール型のＰＭ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）型ステッピングモータは、ＯＡ機器、コンピュータ周辺機器、空調機器等々に広く使用されている。クローポール型のＰＭ型ステッピングモータは、ステータと円筒状の永久磁石を有するロータとから構成されている。ロータは、ステータの内側に回転可能な状態で保持されている。ステータは、２組のステータ単位体を接合した構造を有している。ステータ単位体は、内ヨーク、外ヨークおよびそれらの間に配置されるコイルとで構成されている。そして、このステータ単位体を２つ、内ヨーク同士が背中合わせになるように軸方向に重ね接合することで、ステータが構成されている。

内ヨークと外ヨークは、軸方向に延在する複数の極歯を備え、内ヨークの極歯と外ヨークの極歯とは、互い違いに隙間を有した状態で噛み合って配置されている。そして、これら極歯の内側に所定のエアーギャップを介してロータが回転自在な状態で配置されている。このような構造のＰＭ型ステッピングモータとしては、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。

図１０〜１２には、特許文献１に開示されるＰＭ型ステッピングモータについて示されている。ステータ２は、内ヨーク３、外ヨーク４及びそれらの間に配置されるコイル５とで構成されるステータ単位体が軸方向に２組重ね合わされた構造を有している。ここで、２組のステータ単位体は、内ヨーク３同士が背中合わせになる状態で接合されている。外ヨーク４は、軟磁性材で構成された有底筒状の部材で、底部４１と、円筒状の外周部４２とを有し、底部４１の中央に形成された開口４３の縁部に複数の極歯４４が形成されている。外周部４２には、ボビン５１に形成された端子部５３が挿通されて外方に突出するための切欠き４５が形成されている。

内ヨーク３は、軟磁性材で構成された円盤状の部材で、基部３１の中央に形成された開口３３の縁部に複数の極歯３４が形成されている。基部３１の外周部には切欠き３５が形成され、切欠き３５からボビン５１に形成された端子部５３が外部に突出している。また、基部３１には開口３３を介して互いに対向する位置に突部３７および孔部３８が形成されている。この突部３７および孔部３８は他方の内ヨーク３の孔部３８および突部３７と嵌合し、内ヨーク３同士の位置決めおよび接合が行われている。

特開平１０−２９５０７０号公報

特許文献１に記載されたクローポール型のＰＭ型ステッピングモータ１を駆動した時、コイル５への通電切り替え時にロータ６が軸方向に振動して騒音が発生する。また、同時に、ロータ６の永久磁石６２と極歯３４、４４との間で作用する電磁力によりステータ２も径方向に振動して騒音が発生する。

ここで、特許文献１に記載されたＰＭ型ステッピングモータ１では、内ヨーク３同士の位置決めは内ヨーク３に形成された突部３７および孔部３８で行っており、この突部３７および孔部３８は端子部５３が挿通されて外方に突出する切欠き３５に対してそれぞれ９０度の位置に形成されている。この構造では、内ヨーク３の保持状態にガタが生じ易く、駆動時の振動により騒音が大きくなり易いという問題ある。

このような背景において、本発明は、クローポール型のＰＭ型ステッピングモータの駆動時における騒音を低減することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、複数の極歯を有する外ヨークと、複数の極歯を有する内ヨークと、ボビンに巻回されたコイルとを備えた１相を構成する第１のステータおよび第２のステータを軸方向に２組重ねて構成した２相構造のステータと、前記２相構造のステータの内側に配置されたロータとを備え、前記第１および第２のステータの前記内ヨークには、嵌め合い構造を有する少なくとも１組の孔部とボスが設けられ、軸方向から見た前記内ヨークの中心を通る中心線に対する前記孔部の角度位置と、当該内ヨークの前記極歯の前記中心線に対する角度位置とが等しく、周方向において、前記中心線に対する前記極歯の両端部の角度位置の内側に前記ボスの角度位置はあり、前記中心線に対して前記孔部と前記ボスは対称な位置にあることを特徴とするＰＭ型ステッピングモータである。

請求項１の発明によれば、内ヨークにおける孔部と極歯の角度位置を同じ位置にすることで、振動が抑えられ騒音の発生が抑えられる。

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、前記孔部と前記ボスが各一つであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記孔部と前記ボスが各２つであり、前記ロータの回転中心に対して前記２つの孔部は１８０°対向した位置にあり、前記２つのボスは１８０°対向した位置にあることを特徴とする。

本発明によれば、クローポール型のＰＭ型ステッピングモータの駆動時における騒音を低減することができる。

実施形態に係るＰＭ型ステッピングモータの分解斜視図である。 図１に示すＡ相ステータアッシー２００の分解斜視図である。 図２に示すＡ相ステータアッシー２００の斜視図（Ａ）および（Ｂ）である。 内ヨークの平面図である。 内ヨークにおける孔部の位置を説明する説明図である。 内ヨークにおける孔部の位置と発生する振動との関係を示すグラフである。 内ヨークにおける孔部の位置を説明する平面図である。 内ヨークにおける孔部の位置を説明する説明図である。 内ヨークにおける孔部の位置と発生する振動との関係を示すグラフである。 従来のＰＭ型ステッピングモータを示す図である。 図１１に示す従来のＰＭ型ステッピングモータの断面図である。 図１１に示す従来のＰＭ型ステッピングモータの外ヨークと内ヨークを示す図である。

（概略の構造）
以下、実施形態であるクローポール型のＰＭ型ステッピングモータを図面に基づいて説明する。図１には、ＰＭ型ステッピングモータ１００の分解斜視図が示されている。ＰＭ型ステッピングモータ１００は、第１のステータ部であるＡ相ステータアッシー２００と、第２のステータ部であるＢ相ステータアッシー３００が軸方向で結合した２相（Ａ相、Ｂ相）構造のステータ５００を有している。ここで、Ａ相ステータアッシー２００とＢ相ステータアッシー３００は、同じ構造を有し、軸方向における向きを反転させた状態で背中合わせに結合され、ステータ５００が構成されている。

Ａ相ステータアッシー２００には、フロントプレート２１０が固定され、Ｂ相ステータアッシー３００には、エンドプレート３１０が固定されている。ステータ５００の内側には軸受２５０、２６０によって回転可能に支持されたロータ４００が配置されている。

ロータ４００は、周方向に沿って２４極（１２極対）に着磁された円筒形状の永久磁石４０１を有している。永久磁石４０１は、回転する軸部材であるシャフト４０２と一体に構成されている。シャフト４０２は、軸受２５０によって、フロントプレート２１０の開口部２１１の内側に回転自在な状態で支持され、また軸受２６０によって、エンドプレート３１０の開口部３１１の内側に回転自在な状態で支持されている。なお、このＰＭ型ステッピングモータ１００の基本ステップ角は７．５°である。

（フロント側Ａ相ステータアッシー２００の構造）
以下、Ａ相ステータアッシー２００について説明する。図２にＡ相ステータアッシー２００の分解斜視図、図３にＡ相ステータアッシー２００の斜視図が示されている。図１〜図３に示すように、Ａ相ステータアッシー２００は、外ヨーク２２０、ボビン２３０、内ヨーク２４０を軸方向で結合した構造を有している。

外ヨーク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、電磁鋼板や冷間圧延鋼板などの軟磁性材料により構成されている。外ヨーク２２０は、平たい環状の部材である円環部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中央の開口の周縁から軸方向に延在した櫛歯状の複数の極歯２２３を備えている。極歯２２３は、開口の周縁に沿って等しいピッチ（この例では、３０°間隔）で形成されている。外筒部２２３と極歯２２３は、同じ方向に延存し、その間のドーナツ状の空間が形成されている。後述するように、このドーナツ状の空間にボビン２３０が収納される。

内ヨーク２４０は、磁路が形成されるヨークとして機能する部分であり、電磁鋼板や冷間圧延鋼板などの軟磁性材料により構成されている。内ヨーク２４０は、平たい環状の部材である円環部２４１を有している。円環部２４１は、中央に設けられた開口の周縁から軸方向に延在した櫛歯状の複数の極歯２４３を備えている。極歯２４３は、開口の周縁に沿って等しいピッチ（この例では、３０°間隔）で形成されている。また、円環部２４１には孔部２４４と、極歯２４３と逆の方向に突出した凸部である凸状のボス２４５が設けられている。

ボビン２３０は、ロータ４００の回転中心と同軸構造を有するステータコイルが巻回される樹脂製の部材であり、射出成形によって形成されている。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押さ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、外ヨーク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）に突出する複数の凸部２３７が設けられている。この凸部２３７が円環部２２１の孔部２２４に嵌合することで、ボビン２３０の外ヨーク２２０に対する結合と位置決めが行われている。なお、外ヨーク２２０の円環部２２１のボビン２３０に対向する側と反対側の面にフロントプレート２１０が結合する。

（Ｂ相ステータアッシー３００の構造）
Ｂ相ステータアッシー３００は、Ａ相ステータアッシー２００と同じ構造であり、Ａ相ステータアッシー２００に対して軸方向で反転させた状態で用いられている。Ｂ相ステータアッシー３００は、外ヨーク３２０、ボビン３３０、内ヨーク３４０を軸方向で組み合わせた構造を有している。外ヨーク３２０、ボビン３３０、内ヨーク３４０は、Ａ相ステータアッシー２００の外ヨーク２２０、ボビン２３０、内ヨーク２４０と同じ構造の部品である。なお、Ｂ相ステータアッシー３００の外ヨーク３２０の円環部にエンドプレート３１０が結合する。

図１には、Ｂ相ステータアッシー３００の内ヨーク３４０（円環部３４１）に設けられた孔部３４４が示されている。この孔部３４４は、Ａ相ステータアッシー２００の内ヨーク２４０（円環部２４１）に設けられた孔部２４４に対応する。また、図１には、Ｂ相ステータアッシー３００の内ヨーク３４０（円環部３４１）に設けられたボス３４５が示されている。このボス３４５は、Ａ相ステータアッシー２００の内ヨーク２４０（円環部２４１）に設けられたボス２４５に対応する。

（ステータ５００の構造）
内ヨーク２４０と３４０とを、同じ面を向かい合わせで接触させることで、Ａ相ステータアッシー２００とＢ相ステータアッシー３００の結合が行なわれ、ステータ５００が構成されている。この結合構造では、円環部２４１の孔部２４４に円環部３４１のボス３４５が嵌り、円環部２４１のボス２４５が円環部３４１の孔部３４４に嵌る。また、Ａ相ステータアッシー２００とＢ相ステータアッシー３００は電気角で９０°の位相差となるように位置決めされて結合されている。

（特徴）
次に、ＰＭ型ステッピングモータ１００の特徴について説明する。Ａ相ステータアッシー２００とＢ相ステータアッシー３００は同じ構造であるため、以下においては、Ａ相ステータアッシー２００に着目して説明を行う。

図４に示すように、内ヨーク２４０の円環部２４１には、孔部２４４とダボである凸状のボス２４５が１対で形成されている。ここで、１２個ある極歯２４３は、中心線ｙに対して非対称な位置に配置されている。そして、孔部２４４側に位置する極歯２４３の中心位置は、中心線ｙに対して所定の角度αを有する角度位置に設定されている。ここで、αの値は、極歯２４３の角度ピッチδ（この例の場合、３０°）に対して、（２ｍ−１）δ／８となる数値から選択される。ただし、α＜δであり、ｍは１以上の任意に整数とする。

内ヨーク２４０の円環部２４１に形成された１２個の極歯２４３は等しい角度で均等に配置されているため、極歯２４３の角度ピッチδは３０°である。したがって、図４の視点において、中心線ｙから見て反時計周り方向の２つ目に位置する極歯２４３の中心位置は、中心線ｙに対してα＋δ（α＋３０°）となる。この見方を一般化すると、中心線ｙから反時計回り方向で見た極歯２４３の角度位置は、α＋ｎδ（ｎ＝０，１，２，３・・、δ＝３０°）となる。また、ボス２４５側に位置する極歯２４３の中心位置は、中心線ｙに対して所定の角度βの位置となる。ここで、隣接する極歯２４３の角度位置の差は、３０°であるから、角度β＝３０°−αとなる。

孔部２４４は、極歯２４３の中心位置と同じ角度の位置に形成されている。また、中心線ｙに対する孔部２４４の角度位置（α＋３０°）と、中心線ｙに対するボス２４５の角度位置（θ）は等しい値になるように設定されている。すなわち、中心線ｙに対して孔部２４４とボス２４５は対称な角度位置に配置されている。よって、α＋δ＝θであり、δ＝３０°であるから、α＋３０°＝θの関係がある。なお、ボス２４５は、極歯２４３の中心位置と同じ角度の位置には配置されていない。

実施形態である図４の構造に対して、図１２に示す従来技術では、凸部３７と孔部３８は、中心線ｙに対してそれぞれ９０°の位置に形成されており、孔部３８は極歯３４の中心位置と同じ角度の位置には配置されていない。

また、本実施形態における１２個ある極歯２４３は、中心線ｙに対して非対称な位置に配置されている。このため、Ａ相ステータアッシー２００とＢ相ステータアッシー３００とを背中合わせで結合させた際、内ヨーク２４０の１２個の極歯２４３と内ヨーク３４０の１２個の極歯３４３とは、その角度位置が一致せずずれた状態となる。

（効果）
ＰＭ型ステッピングモータが駆動されると、ロータとステータの極歯との相互を吸引する電磁力が発生し、この電磁力により、軸方向から見たステータの形状が多角形に変形する。この電磁力による変形が時間と共に変化することで振動が発生する。この振動はコンピュータシミレーションを用いた周波数応答解析と呼ばれる解析手法によって解析することができる。

図５には、δ／２きざみで周方向における孔部２４４の位置をずらしていった場合の状態が示されている。図６は、孔部２４４の位置（横軸）と発生する振動の振幅（縦軸）との関係を示すグラフである。図６のグラフは、上記の周波数応答解析によって解析を行った結果である。図６の横軸は、孔部２４４の中心線ｙからの角度位置である。また、図６の縦軸は、図１に示すＰＭ型ステッピングモータ１００の動作時に生じるステータ振動の振幅（任意単位(arbitrary unit)）である。なお、α＝約１１°、δ＝３０°であり、ボス２４５は、中心線ｙに対して孔部２４４と対称な角度位置に設けられる条件で周波数応答解析を行った。

図６において、プロット点▲は、隣接する２つの極歯２４３の中点と一方の極歯２４３の中間点、すなわち極歯２４３からδ／４ピッチずれた位置に孔部２４４を設けた場合である。プロット点□は、隣接する２つの極歯２４３の中点、すなわち極歯２４３からδ／２ピッチずれた位置に孔部２４４を設けた場合である。プロット点■は、極歯２４３と同じ位置に孔部２４４を設けた場合である。

図６から明らかなように、周方向における位置で考えて、極歯２４３と同じ位置に孔部２４４を設けた場合（■の場合）は、振動が抑えられる。他方において、極歯２４３の位置と孔部２４４の位置にずれがある場合（▲や□の場合）は、振動が大きくなる。このことから、極歯２４３と同じ位置に孔部２４４を設けることでＰＭ型ステッピングモータ１００の動作時における振動が抑えられることが分かる。

（他の例）
図７には、内ヨーク２４０に形成した孔部２４４とボス２４５が２対の構造を有している場合が示されている。ここで、孔部２４４側に位置する極歯２４３の中心位置は、中心線ｙに対して所定の角度αを有する位置に配置されている。内ヨーク２４０に形成された１２個の極歯２４３は等しい角度で均等に配置されているため、極歯２４３の角度ピッチδは３０°である。したがって、反時計周り方向に位置する次の極歯２４３の位置は中心線ｙに対してα＋３０°となり、隣接する極歯２４３の位置はα＋ｎδ（ｎ＝正の整数、δ＝３０°）となる。また、ボス２４５側に位置する極歯２４３の中心位置は中心線ｙに対して所定の角度βを有する位置に配置されている。このため、角度β＝３０°−αとなる。

図７に示すように、孔部２４４は２箇所形成されている。２つの孔部２４４は、ロータの回転中心に対して互いに１８０°対向した位置に配置され、更に極歯２４３の中心位置と同じ角度の位置に形成されている。なお、αの値の選択は、図４の場合と同じである。また、ボス２４５も中心線ｙに対して孔部２４４と対称な２カ所の位置に設けられている。この構造では、２つのボス２４５もロータの回転中心に対して互いに１８０°対向した位置に配置されている。なお、２つのボス２４５は、極歯２４３の中心位置と同じ角度の位置には配置されていない。

図８には、図７の構造において、孔部２４４の角度位置を中心線ｙに対して反時計回り方向でα＋２δの位置とした場合が示されている。なおこの場合、２つのボス２４５の角度位置は、中心線ｙに対して孔部２４４と対称な位置となる。

以下、孔部２４４とボス２４５が２対の構造において、中心線ｙに対する孔部２４４の角度位置と発生する振動との関係を周波数応答解析により調べた結果について説明する。図９には、孔部２４４の中心線ｙからの周方向における距離をα＋０．５δ、α＋０．７５δ、α＋δ、α＋１．２５δ、α＋１．５δ、α＋１．７５δ、α＋２δ、α＋２．２５δと、０．２５δ刻みで増加させていった場合における振動の振幅が示されている。ここで、孔部２４４をα＋δの位置としたのが図７の場合であり、孔部２４４をα＋２δの位置としたのが図８の場合である。また、縦軸の振幅の単位は、任意単位である。なお、α＝約１１°、δ＝３０°であり、ボス２４５は、中心線ｙに対して孔部２４４と対称な角度位置に設けられる条件で周波数応答解析を行った。

図９から分かるように、α＋δの位置に孔部２４４を設けた場合（図７の場合）、およびα＋２δの位置に孔部２４４を設けた場合（図８の場合）、すなわち周方向で考えて孔部２４４の位置を極歯２４３と同じ位置とした場合に振動が抑えられる。また、孔部２４４の周方向における位置が極歯２４３の周方向における位置からずれると、□や▲のプロット点で示されるように、振動が大きくなる。

（その他）
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。

１…ＰＭ型ステッピングモータ、２…ステータ、３…内ヨーク、４…外ヨーク、５…コイル、６…ロータ、３１…基部、３３…開口、３４…極歯、３５…切欠き、３７…突部、３８…孔、４１…底部、４２…外周部、４３…開口、４４…極歯、４５…切欠き、５１…ボビン、５３…端子部、６２…永久磁石、１００…ＰＭ型ステッピングモータ、２００…Ａ相ステータアッシー、２１０…フロントプレート、２１１…開口部、２２０…外ヨーク、２２１…円環部、２２２…外筒部、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…内ヨーク、２４１…円環部、２４３…極歯、２４４…孔部、２４５…ボス、２５０…軸受、２６０…軸受、３００…Ｂ相ステータアッシー、３１０…エンドプレート、３１１…開口部、３２０…外ヨーク、３３０…ボビン、３４０…内ヨーク、３４１…円環部、３４３…極歯、３４４…孔部、３４５…ボス、４００…ロータ、４０１…永久磁石、４０２…シャフト、５００…ステータ。

Claims (3)

1. 複数の極歯を有する外ヨークと、複数の極歯を有する内ヨークと、ボビンに巻回されたコイルとを備えた１相を構成する第１のステータおよび第２のステータを軸方向に２組重ねて構成した２相構造のステータと、
   前記２相構造のステータの内側に配置されたロータと
   を備え、
   前記第１および第２のステータの前記内ヨークには、嵌め合い構造を有する少なくとも１組の孔部とボスが設けられ、
   軸方向から見た前記内ヨークの中心を通る中心線に対する前記孔部の角度位置と、当該内ヨークの前記極歯の前記中心線に対する角度位置とが等しく、
   周方向において、前記中心線に対する前記極歯の両端部の角度位置の内側に前記ボスの角度位置はあり、
   前記中心線に対して前記孔部と前記ボスは対称な位置にある
   ことを特徴とするＰＭ型ステッピングモータ。
2. 前記孔部と前記ボスが各一つであることを特徴とする請求項１に記載のＰＭ型ステッピングモータ。
3. 前記孔部と前記ボスが各２つであり、ロータの回転中心に対して前記２つの孔部は１８０°対向した位置にあり、前記２つのボスは１８０°対向した位置にあることを特徴とする請求項１に記載のＰＭ型ステッピングモータ。

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