JP6165480B2 - Ｐｍ型ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、磁気エンコーダを内蔵したＰＭ形ステッピングモータに関する。

ロータの永久磁石端面からの磁束を検知し、ロータの回転位置を検出するための磁気エンコーダを備えたＰＭ形ステッピングモータが知られている。特許文献１には、ロータの永久磁石の端面磁極位置を検出し、位置検出信号を出力する位置検出手段の少なくとも一つが、ステッピングモータのヨーク部と一体をなしているヨーク結合樹脂の一部で位置決めされ、その位置決めのセンサ中心に当たる位置がヨーク片の極歯の中心と同心角上に配置されている構造が開示されている。

特開２００１−７８３９２号広報

近年、検知素子に対して垂直方向に入る縦磁場と、水平方向に入る横磁場とを同時に検出することが可能な磁気検知素子が開発されている。ロータ磁石の磁場は、磁極中心の磁場（縦磁場）は高い磁束密度を有するが、隣り合う磁極間の磁場（横磁場）は磁石からの距離が離れると急激に磁束密度が低くなる。このため、磁気検知素子をロータ磁石の近くに配置する必要がある。

図１は、外径２４ｍｍ、内径２１．６ｍｍのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系ボンド磁石を２４極にラジアル着磁し、磁石端面における任意の磁極中心の磁束密度（縦磁場の磁束密度）と任意の隣り合う磁極間の磁束密度（横磁場の磁束密度）とを磁石端面からの距離を変化させて測定したものである。ここで、磁気検知素子のしきい値は５５ｍＴであり、縦磁場の磁束密度と横磁場の磁束密度とが磁気検知素子のしきい値を超えることができる距離は、縦磁場はマグネット端面からの距離がおよそ０．６７ｍｍであり、横磁場はマグネット端面からの距離がおよそ０．３５ｍｍである。このことから、横磁場を検出するためには、マグネット端面から０．３５ｍｍ以下の距離に磁気検知素子を配置する必要があることがわかる。

特許文献１のモータは、ヨークと磁気検知素子が軸方向で干渉してしまうため、この磁気検知素子を使用するためには外ヨークの厚さを横磁場が検知可能な距離である０．３５ｍｍ以下にしなければならない。しかしながら、ヨークと極歯は軟磁性鋼板をプレス成型して形成されているため、極歯の厚さも０．３５ｍｍ以下となりモータトルクが下がってしまう。また、外ヨークを厚く形成した場合は、横磁場を検知することが出来なくなってしまう。そのため、特許文献１の構造のモータはこの磁気検知素子を搭載することに適さない。

本発明は、上記に鑑み、モータの特性を下げることがなく、ロータ磁石の縦磁場と横磁場の両方を検知することが可能な磁気検知素子を搭載し、回転位置精度が優れたＰＭ形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、複数の第１の櫛歯状磁極が周方向に沿って等間隔で形成された外ヨークおよび複数の第２の櫛歯状磁極が周方向に沿って等間隔で形成された内ヨークを備えたステータと、前記内ヨークの内側に配置され、前記第１および第２の櫛歯状磁極の極歯面に対向するように、Ｎ極とＳ極の磁極が交互に多極着磁された永久磁石を備えたロータと、前記永久磁石の磁極位置を検知する磁気検知素子とを備え、前記複数の第１の櫛歯状磁極および前記複数の第２の櫛歯状磁極は、所定の径を有する円に沿って周方向に交互に配列されており、前記磁気検知素子は、当該磁気検知素子に対して垂直方向に入る縦磁場と、水平方向に入る横磁場とを検出することが可能であり、前記磁気検知素子は、前記複数の第１の櫛歯状磁極のうち隣り合う２つの櫛歯状磁極の間、且つ、前記外ヨークの軸方向における端面よりも前記磁気検知素子に対向する前記永久磁石の端面に近い位置に配置されており、回転軸方向において、前記磁気検出素子は前記第２の櫛歯状磁極の先端に対向していることを特徴とするＰＭ形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、磁気検出素子をロータ側の永久磁石に近づけた構造において、外ヨークの第１の櫛歯状磁極と磁気検知素子との物理的な干渉が生じない構造とできる。

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、前記隣り合う２つの櫛歯状磁極の間には空間が形成されており、前記空間に前記磁気検知素子が配置されており、前記磁気検知素子の中心は、永久磁石の外周面と内周面とを軸方向に延長した空間に位置することを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、永久磁石からの磁場を効率よく磁気検知素子により検知することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記磁気検知素子と前記永久磁石の端面との距離は０．３５ｍｍ以下であることを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、永久磁石からの磁場をさらに効率よく磁気検知素子により検知することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記内ヨークの前記第２の櫛歯状磁極の先端と前記磁気検知素子との距離は、前記ロータの前記永久磁石と前記磁気検知素子との距離よりも離れていることを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、磁気検知素子と内ヨークとを物理的に干渉させずに磁気検知素子をロータ側の永久磁石に近づけることができる。

本発明によれば、モータの特性を下げることがなく、ロータ磁石の縦磁場と横磁場の両方を検知することが可能な磁気検知素子を搭載し、回転位置精度が優れたＰＭ形ステッピングモータが得られる。

縦磁場と横磁場の磁束密度を測定したグラフである。 実施形態の断面図である。 外ヨークと内ヨークの斜視図である。 ステータとロータと磁気検知素子との位置関係を示す上面図である。 磁気検知素子とステータとの位置関係を示す斜視断面図である。 磁気検知素子とステータとロータ永久磁石との位置関係を示す斜視断面図である 内ヨークの極歯と永久磁石と磁気検知素子の位置関係を示す断面図である。

（全体の構造）
図２には、実施形態のＰＭ型ステッピングモータ１００が示されている。ＰＭ型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。ＰＭ型ステッピングモータ１００は、中央に孔の開いた略円板形状のフロント側カバー１０１およびエンド側カバー１０２を備えている。フロント側カバー１０１とエンド側カバー１０２との間にＡ相ステータ１２０とＢ相ステータ１３０が位置している。Ａ相ステータ１２０とＢ相ステータ１３０とは同じ構造であり、一方が他方に対して軸方向で反転され、さらに一方が他方に対して一定角度回転した状態で用いられている。

以下、Ｂ相ステータ１３０について説明する。Ｂ相ステータ１３０は、磁性材料（軟磁性鋼板）により構成された外ヨーク１３１と内ヨーク１３２を有している。図３には、外ヨーク１３１と内ヨーク１３２が示されている。外ヨーク１３１は、周方向に沿って等間隔で配置され、軸方向に延在する複数の極歯１３１ａを備えた櫛歯状磁極を有している。
内ヨーク１３２は、周方向に沿って等間隔で配置され、軸方向に延在する複数の極歯１３２ａを備えた櫛歯状磁極を有している。外ヨーク１３１と内ヨーク１３２とが組み合わされた状態において、極歯１３１ａと１３２ａとは、隙間を有した接触しない状態で互い違いに交互に噛み合った状態となっている。

図２に示すように、外ヨーク１３１と内ヨーク１３２との間に形成される円環状の空間には、コイル１３４が巻回されたボビン１３３が収められている。Ｂ相ステータ１３０を構成する各部材間の隙間には、樹脂１３５が充填され、Ｂ相ステータ１３０が一体物として構成されている。以上のＢ相ステータ１３０に係る構造は、Ａ相ステータ１２０についても同じである。

エンド側カバー１０２の内側には、磁気検知素子１０４を搭載した基板１０３が配置されている。図示省略するが、基板１０３上には、磁気検知素子１０４の周辺回路やその他の電子回路が搭載されている。磁気検知素子１０４は、磁気検知素子１０４に垂直に入る磁場（縦磁場）と水平に入る磁場（横磁場）を検出することが可能な特性を有している。

フロント側カバー１０１の中央には、孔が設けられ、そこに軸受１０５が取り付けられている。また、エンド側カバー１０２の中央には、孔が設けられ、そこに軸受１０６が取り付けられている。軸受１０５と１０６によって、シャフト１０７が回転自在な状態で保持されている。

シャフト１０７には、スリーブ１０８が固定されている。スリーブ１０８は、径の異なる２つの筒状の部材を同軸状に配置した構造を有し、内側の筒状の部材の内側がシャフト１０７に固定され、外側の筒状部材の外周にマグネット１０９と１１０が固定されている。シャフト１０７、スリーブ１０８およびマグネット１０９，１１０によってロータ１１３が構成されている。

マグネット１０９と１１０は、厚みの薄い円筒形状を有した永久磁石であり、Ｎ極とＳ極の磁極が円周方向に交互に位置する多極着磁された磁極構造を有している。マグネット１１０の外周面は、内ヨーク１３２の極歯１３２ａの極歯面（回転軸側の面）および外ヨーク１３１の極歯１３１ａの極歯面（回転軸側の面）に空隙を有した状態で対向している。また、マグネット１０９の外周面も、Ａ相ステータ１２０の内ヨークの極歯および外ヨークの極歯に対して同様な位置関係を有している。

（動作）
Ｂ相ステータ１３０のコイル１３４に極性が周期的に反転する駆動電流を流すと、図３に例示する極歯１３１ａと１３２ａに極性の異なる磁極が生じ、それがマグネット１１０の磁極に吸引力および／または反発力として作用し、マグネット１１０がシャフト１０７を回転中心として回転する力が生じる。同様な作用は、Ａ相ステータ１２０でも生じる。駆動電流を調整することで、回転方向の制御や回転速度の制御が行われる。

磁気検知素子１０４は、マグネット１１０から出る磁束を検出する。マグネット１１０が回転すると、磁気検知素子１０４の近傍をマグネット１１０のＮ極とＳ極とが交互に通過する。このため、マグネット１１０の回転に従って、磁気検知素子１０４の出力が変化する。この原理により、磁気検知素子１０４によるロータ１１３（マグネット１１０）の回転位置の検出が行われる。磁気検知素子１０４からの検出信号は、図示しない制御回路に送られ、当該制御回路は、磁気検知素子１０４が検知したロータ１１３の回転位置を認識する。そして、当該制御回路は、磁気検知素子１０４が検知したロータ１１３の回転位置に基づいて、上述したＡ相ステータ１２０とＢ相ステータ１３０に供給する駆動電流の制御を行う。

（磁気検知素子について）
図４に示すように、磁気検知素子１０４は、径方向において、マグネット１１０の上に位置している。すなわち、軸方向から見て、磁気検知素子１０４がマグネット１１０と重なる位置に配置されている。また、周方向において、磁気検知素子１０４は、外ヨーク１３１における隣接する極歯１３１ａの間に配置されている。すなわち、周方向で隣接する極歯１３１ａの間には、磁気検知素子１０４を配置することが可能な空間が形成されている。また、図５および図６に示すように、磁気検知素子１０４は、Ｂ相ステータ１３０の内ヨーク１３２における極歯１３２ａの先端の上方、すなわち極歯１３２ａの先端から軸方向で少し離れた位置に配置されている。

なお、図４、図５および図６には、Ｂ相ステータ１３０のコイル１３４からの引き出し線が接続された端子１１１が示され、図５および図６には、Ａ相ステータ１２０のコイル１２４からの引き出し線が接続された端子１１２が示されている。

図７に示すように、磁気検知素子１０４のマグネット１１０に対向する面は、外ヨーク１３１の上側の端面Ｅ１よりも下方、すなわち、軸方向で捉えて端面Ｅ１よりもマグネット１１０に近い位置にある。さらに、内ヨーク１３２の極歯１３２ａの先端（符合Ｅ２）は、外ヨーク１３１の端面Ｅ１よりも下方に位置し、且つ、マグネット１１０の上側の端面よりも下方に位置する。また、磁気検知素子１０４とマグネット１１０との間には、Δεの隙間が設けられている。そして、磁気検知素子１０４からマグネット１１０端面までの距離Δεを、磁気検知素子１０４から極歯１３２ａの先端Ｅ２までの距離よりも短くしている。また、径方向において、磁気検知素子１０４の中心は、マグネット１１０の外周面と内周面とを軸方向に延長した空間に位置している。すなわち、径方向における磁気検知素子１０４の中心の位置は、マグネット１１０の外周面より内側で、且つ、マグネット１１０の内周面より外側にある。

（優位性）
磁気検知素子１０４をマグネット１１０の端面に近づけることが可能となり、マグネット１１０の端面からの横磁場（回転軸に垂直な方向の磁場の成分）を正確に検知することできる。これにより、回転精度が優れたＰＭ形ステッピングモータを提供することが出来る。すなわち、上記の例では、周方向において、磁気検知素子１０４を外ヨーク１３１における隣接する極歯１３１ａの間に配置することで、磁気検出素子１０４を極歯１３１ａと干渉させずにマグネット１１０の端面に近づけることができる。また、磁気検知素子１０４からマグネット１１０端面までの距離Δεを、磁気検知素子１０４から極歯１３２ａの先端Ｅ２までの距離よりも短くすることで、磁気検知素子１０４をマグネット１１０に近づけても、極歯１３２ａの先端Ｅ２に磁気検出素子１０４が干渉しない構造とできる。

（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。例えば、本実施例では磁気検知素子１０４をＢ相ステータ１３０側に配置したが、磁気検知素子１０４をＡ相ステータ１２０側に配置することも可能である。また、磁気検知素子１０４をＢ相ステータ１３０側およびＡ相ステータ１２０側の両方に配置することも可能である。

本発明は、磁気エンコーダを内蔵したＰＭ型ステッピングモータに利用できる。

１００…ＰＭ型ステッピングモータ、１０１…フロント側カバー、１０２…エンド側カバー、１０３…基板、１０４…磁気検知素子、１０５…軸受、１０６…軸受、１０７…シャフト、１０８…スリーブ、１０９…マグネット（永久磁石）、１１０…マグネット（永久磁石）、１１１…端子、１１２…端子、１１３…ロータ、１２０…Ａ相ステータ、１２４…コイル、１３０…Ｂ相ステータ、１３１…外ヨーク、１３１ａ…極歯（第１の櫛歯状磁極）、１３２…内ヨーク、１３２ａ…極歯（第２の櫛歯状磁極）、１３３…ボビン、１３４…コイル、１３５…樹脂。

Claims (4)

1. 複数の第１の櫛歯状磁極が周方向に沿って等間隔で形成された外ヨークおよび複数の第２の櫛歯状磁極が周方向に沿って等間隔で形成された内ヨークを備えたステータと、
   前記内ヨークの内側に配置され、前記第１および第２の櫛歯状磁極の極歯面に対向するように、Ｎ極とＳ極の磁極が交互に多極着磁された永久磁石を備えたロータと、
   前記永久磁石の磁極位置を検知する磁気検知素子と
   を備え、
   前記複数の第１の櫛歯状磁極および前記複数の第２の櫛歯状磁極は、所定の径を有する円に沿って周方向に交互に配列されており、
   前記磁気検知素子は、当該磁気検知素子に対して垂直方向に入る縦磁場と、水平方向に入る横磁場とを検出することが可能であり、
   前記磁気検知素子は、前記複数の第１の櫛歯状磁極のうち隣り合う２つの櫛歯状磁極の間、且つ、前記外ヨークの軸方向における端面よりも前記磁気検知素子に対向する前記永久磁石の端面に近い位置に配置されており、
   回転軸方向において、前記磁気検出素子は前記第２の櫛歯状磁極の先端に対向していることを特徴とするＰＭ形ステッピングモータ。
2. 前記隣り合う２つの櫛歯状磁極の間には空間が形成されており、
   前記空間に前記磁気検知素子が配置されており、
   前記磁気検知素子の中心は、永久磁石の外周面と内周面とを軸方向に延長した空間に位置することを特徴とする請求項１に記載のＰＭ形ステッピングモータ。
3. 前記磁気検知素子と前記永久磁石の端面との距離は、０．３５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＰＭ形ステッピングモータ。
4. 前記内ヨークの前記第２の櫛歯状磁極の先端と前記磁気検知素子との距離は、前記ロータの前記永久磁石と前記磁気検知素子との距離よりも離れていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のＰＭ形ステッピングモータ。

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