JP6266924B2 - ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明はステッピングモータに関し、より特定的には、ロータが付勢されたステッピングモータに関する。

ステッピングモータは、各種アクチュエータとして広く使用されている。ステッピングモータは、一般的には、筒状のステータと、ステータの内径側に設けられたロータとを備えている。

従来のステッピングモータにおいては、回転軸方向（出力軸方向、スラスト方向）のぶれを防ぐことなどを目的として、予圧バネを用いて回転軸方向にロータが付勢されていた。この種のステッピングモータは、たとえば特許文献１および２などに開示されている。

下記特許文献１には、ロータと、ロータの回転軸を出力側で回転可能に支持するラジアル軸受と、ラジアル軸受とロータの出力側端面との間に配置されたコイルバネと、ステータとを備えたモータが開示されている。コイルバネは、回転軸を反出力側に付勢している。ステータの反出力側にはカップ状のスラスト受け板が固定されており、回転軸の反出力側の軸端は、スラスト受け板によって点接触状態で支持されている。

下記特許文献２には、ケーシングを構成するカップ型の後ふたの中心位置に、ばね体を介して軸受が設けられたステップモータが開示されている。

特開２００７−２０２２４０号公報 実開平０４−１１４７７１号公報

従来の技術においては、ロータの回転とともに予圧バネが回転していた。このため、回転により予圧バネが振動し、予圧バネと他の部材とがぶつかることで騒音が発生するという問題があった。

特許文献１の技術では、ロータの出力側端面に設けられた環状凹部内に、バネの一端が収容されているので、回転によるバネの振動をある程度防ぐことができる。しかし、ロータの端面において環状凹部を設けるスペースは限られているため、モータに搭載することのできるバネのサイズには限度がある。特に、モータが小さいサイズである場合には、ロータを十分に付勢することのできる付勢力を、モータに搭載したバネから得ることは難しかった。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、その目的は、騒音を抑止することのできるステッピングモータを提供することである。

本発明の一の局面に従うステッピングモータは、回転軸と、回転軸に固定されたマグネットとを含むロータと、ロータの外径側に配置されたステータであって、回転軸を回転可能に支持する軸受を含むステータと、板バネとを備えている。板バネは、ステータに固定された外径部と、軸受とマグネットとの間の空間に位置し、ロータを回転軸方向に付勢する内径部とを含み、ステータは、流された電流により磁界を発生するコイルと、コイルにおける回転軸方向の端部に設けられたヨークと、ヨークにおける回転軸方向の端部に設けられ、軸受が固定されたフランジとをさらに含み、外径部は、ヨークとフランジとに挟まれて固定されている。

上記ステッピングモータにおいて好ましくは、外径部は、ヨークおよびフランジのうち少なくともいずれか一方に、溶接にて固定されている。

上記ステッピングモータにおいて好ましくは、ヨークは、コイルにおける回転軸方向の両端部に設けられており、フランジは、ヨークにおける回転軸方向の一方の端部に設けられた第１のフランジと、ヨークにおける回転軸方向の他方の端部に設けられた第２のフランジとを含み、軸受は、第１のフランジに固定された第１の軸受と、第２のフランジに固定された第２の軸受とを含み、内径部は、第１の軸受とロータとの間に位置し、ロータを第２の軸受に向かう方向に付勢し、第２の軸受は、ロータの回転軸方向の荷重をさらに支持する。

上記ステッピングモータにおいて好ましくは、内径部とロータとの間、およびロータと第２の軸受との間のうち少なくともいずれか一方に設けられたワッシャをさらに備える。

上記ステッピングモータにおいて好ましくは、板バネは、回転軸の外周面に沿って円弧状に延在し、外径部と内径部とを接続する複数の腕部をさらに含む。

本発明によれば、騒音を抑止することのできるステッピングモータを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるステッピングモータの構成を模式的に示す外観図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。 板バネ５１の構成を模式的に示す側面図である。 板バネ５１の構成を模式的に示す平面図である。 本発明の第２の実施の形態におけるステッピングモータの構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態におけるステッピングモータの構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態におけるステッピングモータの構成を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

［第１の実施の形態］

始めに、本実施の形態におけるステッピングモータの構成について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態におけるステッピングモータの構成を模式的に示す外観図である。図２は、図１のII−II線に沿う断面図である。

図１および図２を参照して、本実施の形態のステッピングモータは、クローポール型ＰＭ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータであり、ロータ１０と、ステータ２０と、板バネ５１と、ワッシャ６１および６２とを備えている。

ロータ１０は、回転軸１１と、マグネット１２とを含んでいる。

回転軸１１は、ロータ１０の回転の中心である中心軸Ｒを含んでおり、図２中横方向に延在している。回転軸１１に沿った図２中左方向が出力軸方向となっており、回転軸１１に沿った図２中右方向が反出力軸方向となっている。

マグネット１２は円筒形状を有しており、回転軸１１の外周面に固定されている。マグネット１２の外周面は着磁されている。マグネット１２の外周面には、周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に形成されている。

ステータ２０は、ロータ１０の外径側に配置されている。ステータ２０は、第１のステータ２０Ａと、第２のステータ２０Ｂと、フランジ４１および４３と、軸受４２および４４とを含んでいる。

第１のステータ２０Ａは、コイル２１と、ボビン２２と、ヨーク２３および２４とを含んでいる。コイル２１はボビン２２に巻き付けられている。ボビン２２は円筒形状を有している。ボビン２２における回転軸方向の両端部は、外径側に延在している。コイル２１の回転軸方向の両端部は、ボビン２２における外径側に延在した部分によって覆われている。

ヨーク２３は、コイル２１およびボビン２２の外径側に設けられた外径側部分２３ａと、外径側部分２３ａの出力軸方向端部から内径側に向かって延在し、コイル２１およびボビン２２における出力軸方向端部（回転軸方向の一方の端部）に設けられた延在部分２３ｂと、延在部分２３ｂの内径側端部からヨーク２４に向かって等間隔で突出した複数のクローポール２３ｃとを含んでいる。複数のクローポール２３ｃは、コイル２１およびボビン２２の内径側に設けられている。

ヨーク２４は、外径側部分２３ａの内周面から内径側に向かって延在した延在部分２４ａと、延在部分２４ａの内径側端部から出力軸方向に等間隔で突出した複数のクローポール２４ｂとを含んでいる。複数のクローポール２４ｂは、コイル２１およびボビン２２の内径側に設けられている。複数のクローポール２３ｃの各々と、複数のクローポール２４ｂの各々とは、第１のステータ２０Ａの内周面を構成しており、周方向に沿って交互に設けられている。

第２のステータ２０Ｂは、コイル３１と、ボビン３２と、ヨーク３３および３４とを含んでいる。コイル３１はボビン３２に巻き付けられている。ボビン３２は円筒形状を有している。ボビン３２における回転軸方向の両端部は、外径側に延在している。コイル３１の回転軸方向の両端部は、ボビン３２における外径側に延在した部分によって覆われている。

ヨーク３３は、コイル３１およびボビン３２の外径側に設けられた外径側部分３３ａと、外径側部分３３ａの反出力軸方向端部から内径側に向かって延在し、コイル３１およびボビン３２の反出力軸方向端部（回転軸方向の他方の端部）に設けられた延在部分３３ｂと、延在部分３３ｂの内径側端部から出力軸方向に等間隔で突出した複数のクローポール３３ｃとを含んでいる。複数のクローポール３３ｃは、コイル３１およびボビン３２の内径側に設けられている。

ヨーク３４は、外径側部分３３ａの内周面から内径側に向かって延在した延在部分３４ａと、延在部分３４ａの内径側端部から延在部分３３ｂに向かって等間隔で突出した複数のクローポール３４ｂとを含んでいる。複数のクローポール３４ｂは、コイル３１およびボビン３２の内径側に設けられている。複数のクローポール３３ｃの各々と、複数のクローポール３４ｂの各々とは、第２のステータ２０Ｂの内周面を構成しており、周方向に沿って交互に設けられている。

ヨーク２３における出力軸方向端部には、円盤状のフランジ４１が設けられている。フランジ４１はヨーク２３に固定されている。フランジ４１は、軸受４２を挿入するための孔４１ａを有しており、孔４１ａ内には軸受４２が嵌め込まれて固定されている。軸受４２は回転軸１１を挿入するための孔４２ａを有している。軸受４２は、回転軸１１との間で滑り軸受を構成し、回転軸１１を回転可能に支持する。

ヨーク３３における反出力軸方向端部には、円盤状のフランジ４３が設けられている。フランジ４３はヨーク３３に固定されている。フランジ４３は、軸受４４を挿入するための孔４３ａを有しており、孔４３ａ内には軸受４４が嵌め込まれて固定されている。軸受４４は回転軸１１を挿入するための孔４４ａを有している。軸受４４は、回転軸１１との間で滑り軸受を構成し、回転軸１１を回転可能に支持する。軸受４４は、ロータ１０の回転軸方向の荷重をさらに支持する。

なお、軸受４２および４４は、ここでは滑り軸受であるが、玉軸受などの別の種類の軸受であってもよい。第１のステータ２０Ａおよび第２のステータ２０Ｂは一体化していてもよい。ステータ２０は、第１のステータ２０Ａおよび第２のステータ２０Ｂの一方のみを含んでいてもよい

コイル２１および３１の各々にはコネクタ６３および６４の各々が接続されている。コイル２１および３１は、コネクタ６３および６４に接続された電源（図示無し）から電力の供給を受ける。

図３は、板バネ５１の構成を模式的に示す側面図である。図４は、板バネ５１の構成を模式的に示す平面図である。

図３および図４を参照して、板バネ５１は、外径部５２と、連結部５３（板バネの内径部の一例）と、腕部５４ａ、５４ｂ、および５４ｃとを含んでいる。外径部５２は、板バネ５１の最外径部に形成されており、環状平板の形状を有している。外径部５２は、ヨーク２３および３３やフランジ４１および４３の外径とほぼ同じサイズの外径を有している。連結部５３は、外径部５２よりも内径側に形成されており、環状平板の形状を有している。連結部５３は外径部５２よりも図３中上方向に突出している。連結部５３の中心には、回転軸１１を貫通させるための中心孔５６が形成されている。外径部５２、連結部５３、および中心孔５６は同芯である。

腕部５４ａ、５４ｂ、および５４ｃは、外径部５２と連結部５３とを接続している。腕部５４ａ、５４ｂ、および５４ｃの各々は、中心孔５６の外周（言い換えれば、回転軸１１の外周面）に沿って等間隔に配置されており、約１２０度の中心角を有する円弧状の形状を有している。腕部５４ａと腕部５４ｂとの間にはスリット５５ａが設けられており、腕部５４ｂと腕部５４ｃとの間にはスリット５５ｂが設けられており、腕部５４ｃと腕部５４ａとの間にはスリット５５ｃが設けられている。スリット５５ａ、５５ｂおよび５５ｃの各々は、約２４０度の中心角を有する円弧（渦巻き状）の形状をしている。なお、腕部の長さや個数は任意である。腕部５４ａ、５４ｂ、および５４ｃは、スリット５５ａ、５５ｂ、および５５ｃを形成することにより形成されている。腕部５４ａ、５４ｂ、および５４ｃは、バネとして機能する。

板バネ５１は、スリット５５ａ、５５ｂおよび５５ｃを形成し、連結部５３を外径部５２から引き上げ、腕部５４ａ、５４ｂ、および５４ｃの各々を、連結部５３との接続部、および外径部５２との接続部の各々で所定の角度で折り曲げることで、作製される。板バネ５１は、ステンレス製のバネ鋼をプレス加工で打ち抜き、打ち抜き後のバネ鋼を曲げ加工することで作製されてもよい。

図２〜図４を参照して、板バネ５１の外径部５２は、ステータ２０に固定されている。具体的には、外径部５２は、ヨーク２３とフランジ４１との間に挟まれている。外径部５２は、ヨーク２３およびフランジ４１のうち少なくともいずれか一方に固定されていてもよい。また外径部５２は、溶接または接着などにより固定されていてもよい。

板バネ５１の連結部５３、ならびに腕部５４ａ、５４ｂ、および５４ｃは、軸受４２とマグネット１２との間の空間に位置している。連結部５３は、ロータ１０を軸受４４に向かう方向に付勢している（ロータ１０に反出力軸方向の予圧を与えている）。連結部５３は、ワッシャ６１と対向摺接し、弱い摩擦力で円滑に滑る滑り面となる。

ワッシャ６１は、連結部５３とマグネット１２との間に設けられている。ワッシャ６２は、マグネット１２と軸受４４との間に設けられている。ワッシャ６１および６２は、省略されてもよいし、いずれか一方のみが設けられてもよい。

次に、本実施の形態におけるステッピングモータの動作について説明する。電源（図示無し）からコイル２１および３１に電力が供給されると、コイル２１および３１に電流（励磁電流）が流れ、コイル２１および３１から磁界が発生する。この磁界により、複数のクローポール２３ｃおよび複数のクローポール２４ｂの各々は、周方向に沿ってＮ極とＳ極とに交互に磁化され、複数のクローポール３３ｃおよび複数のクローポール３４ｂの各々は、周方向に沿ってＮ極とＳ極とに交互に磁化される。複数のクローポール２３ｃ、複数のクローポール２４ｂ、複数のクローポール３３ｃ、および複数のクローポール３４ｂの各々の磁極と、マグネット１２に形成された磁極との相互作用により、ロータ１０は回転する。

ロータ１０が回転する際、板バネ５１はステータ２０に固定されているので、回転しない。ロータ１０が回転する際、板バネ５１とワッシャ６１との間、およびワッシャ６１とマグネット１２との間のうち少なくともいずれか一方が摺動する。また、軸受４４とワッシャ６２との間、およびワッシャ６２とマグネット１２との間のうち少なくともいずれか一方が摺動する。さらに、軸受４２および軸受４４の各々と、回転軸１１との間が摺動する。コイル２１および３１への電力の供給が停止されると、コイル２１および３１から発生されていた磁界が消滅し、ロータ１０の回転は停止する。

［第２の実施の形態］

図５は、本発明の第２の実施の形態におけるステッピングモータの構成を模式的に示す断面図である。なお、第２〜第４の実施の形態におけるステッピングモータは、図１に示すと同様の外観を有しており、図５〜図７は、図１のII−II線に沿う断面を示している。

図５を参照して、本実施の形態におけるステッピングモータは、板バネ５１がマグネット１２よりも軸受４４側に設けられている点において、第１の実施の形態におけるステッピングモータと異なっている。

板バネ５１の外径部５２は、ヨーク３３とフランジ４３との間に挟まれている。外径部５２は、ヨーク３３およびフランジ４３のうち少なくともいずれか一方に固定されていてもよい。また外径部５２は、溶接または接着により固定されていてもよい。

板バネ５１の連結部５３、ならびに腕部５４ａ、５４ｂ、および５４ｃは、軸受４４とマグネット１２との間の空間に位置している。連結部５３は、ロータ１０を軸受４２に向かう方向に付勢している（ロータ１０に出力軸方向の予圧を与えている）。連結部５３は、ワッシャ６２と対向摺接し、弱い摩擦力で円滑に滑る滑り面となる。

軸受４２は、ロータ１０の回転軸方向の荷重をさらに支持する。

ワッシャ６２は、連結部５３とマグネット１２との間に設けられている。ワッシャ６１は、マグネット１２と軸受４２との間に設けられている。

［第３の実施の形態］

図６は、本発明の第３の実施の形態におけるステッピングモータの構成を模式的に示す断面図である。

図６を参照して、本実施の形態ステッピングモータは、フランジを有しておらず、軸受４２および４４の各々がヨーク２３および３３の各々に固定されている点で、第１の実施の形態におけるステッピングモータと異なっている。

ヨーク２３は、外径側部分２３ａと延在部分２３ｂとの境界部分から出力軸方向に突出した突出部２３ｄをさらに含んでいる。突出部２３ｄは円筒状の形状を有している。突出部２３ｄの内径側には軸受４２が嵌め込まれて固定されている。

ヨーク３３は、外径側部分３３ａと延在部分３３ｂとの境界部分から反出力軸方向に突出した突出部３３ｄをさらに含んでいる。突出部３３ｄは円筒状の形状を有している。突出部３３ｄの内径側には軸受４４が嵌め込まれて固定されている。

板バネ５１の外径部５２は、ヨーク２３の延在部分２３ｂと軸受４２との間に挟まれている。

なお、上述以外のステッピングモータの構成及びステッピングモータの動作は、第１の実施の形態におけるステッピングモータの構成及び動作と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

［第４の実施の形態］

図７は、本発明の第４の実施の形態におけるステッピングモータの構成を模式的に示す断面図である。

図７を参照して、本実施の形態ステッピングモータは、ＨＢ（Ｈｙｂｒｉｄ）型であり、コイルにおける出力軸方向端部にヨークが設けられていない点で、第１の実施の形態におけるステッピングモータと異なっている。

ステータ２０は、コイル２１と、ヨーク２５と、複数のティース２６と、フランジ４１および４３と、軸受４２および４４とを含んでいる。ヨーク２５は円筒状の形状を有している。複数のティース２６の各々はヨーク２５の内周面から等間隔で突出している。コイル２１は、複数のティース２６の各々に巻回されている。

ヨーク２５は、複数のティース２６およびコイル２１よりも出力軸方向および反出力軸方向に突出している。ヨーク２５は、コイル２１の出力軸方向端部および反出力軸方向端部には設けられていない。フランジ４１はヨーク２５の出力軸方向端部に設けられており、フランジ４３はヨーク２５の反出力軸方向端部に設けられている。

板バネ５１の外径部５２は、ヨーク２５とコイル２１との間に位置しており、フランジ４１に固定されている。

なお、上述以外のステッピングモータの構成及びステッピングモータの動作は、第１の実施の形態におけるステッピングモータの構成及び動作と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

［実施の形態の効果］

上述の実施の形態によれば、板バネがステータに固定されているので、ロータが回転する際に板バネがロータとともに回転せず、静止する。その結果、板バネの予圧効果によりロータのスラスト方向のブレを抑えるとともに、板バネの回転による騒音を抑止することができる。

また、コイルバネでなく板バネを用いてロータを付勢するので、モータの回転軸方向の寸法をより小さくすることができ、モータの小型化を図ることができる。

コイルへの電力の供給が停止された場合、ロータは、直ちに停止せずに、コギングトルクによってステータとの磁気的バランスが保たれる位置まで動く傾向がある。しかし、板バネとワッシャとの間などの各摺接部分には適度な摩擦力があるので、コイルへの電力の供給が停止された場合にロータの回転を停止することができ、不要なロータの動きを止めることができる。

［その他］

上述の実施の形態におけるステッピングモータは、ＰＭ型の他、ＶＲ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ）型やＨＢ型などであってもよい。

上述の実施の形態は互いに組み合わせることができる。たとえば、第２、第３、または第４の実施の形態におけるステッピングモータにおいて、ワッシャが省略されてもよい。第１、第２、または第３の実施の形態におけるステッピングモータが、ＶＲ型またはＨＢ型の構成を有していてもよい。第４の実施の形態におけるステッピングモータが、ＰＭ型またはＨＢ型の構成を有していてもよい。

上述の実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ ロータ
１１ 回転軸
１２ マグネット
２０，２０Ａ，２０Ｂ ステータ
２１，３１ コイル
２２，３２ ボビン
２３，２４，２５，３３，３４ ヨーク
２３ａ，３３ａ 外径側部分
２３ｂ，２４ａ，３３ｂ，３４ａ 延在部分
２３ｃ，２４ｂ，３３ｃ，３４ｂ クローポール
２３ｄ，３３ｄ 突出部
２６ ティース
４１，４３ フランジ
４１ａ，４３ａ フランジの孔
４２，４４ 軸受
４２ａ，４４ａ 軸受の孔
５１ 板バネ
５２ 外径部
５３ 連結部（板バネの内径部の一例）
５４ａ，５４ｂ，５４ｃ 腕部
５５ａ，５５ｂ，５５ｃ スリット
５６ 板バネの中心孔
６１，６２ ワッシャ
６３，６４ コネクタ
Ｒ 中心軸

Claims (5)

1. 回転軸と、前記回転軸に固定されたマグネットとを含むロータと、
   前記ロータの外径側に配置されたステータであって、前記回転軸を回転可能に支持する軸受を含むステータと、
   板バネとを備え、
   前記板バネは、
   前記ステータに固定された外径部と、
   前記軸受と前記マグネットとの間の空間に位置し、前記ロータを回転軸方向に付勢する内径部とを含み、
   前記ステータは、
   流された電流により磁界を発生するコイルと、
   前記コイルにおける回転軸方向の端部に設けられたヨークと、
   前記ヨークにおける回転軸方向の端部に設けられ、前記軸受が固定されたフランジとをさらに含み、
   前記外径部は、前記ヨークと前記フランジとに挟まれて固定されている、ステッピングモータ。
2. 前記外径部は、前記ヨークおよび前記フランジのうち少なくともいずれか一方に、溶接にて固定されている、請求項１に記載のステッピングモータ。
3. 前記ヨークは、前記コイルにおける回転軸方向の両端部に設けられており、
   前記フランジは、
   前記ヨークにおける回転軸方向の一方の端部に設けられた第１のフランジと、
   前記ヨークにおける回転軸方向の他方の端部に設けられた第２のフランジとを含み、
   前記軸受は、
   前記第１のフランジに固定された第１の軸受と、
   前記第２のフランジに固定された第２の軸受とを含み、
   前記内径部は、前記第１の軸受と前記ロータとの間に位置し、前記ロータを前記第２の軸受に向かう方向に付勢し、
   前記第２の軸受は、前記ロータの回転軸方向の荷重をさらに支持する、請求項１または２に記載のステッピングモータ。
4. 前記内径部と前記ロータとの間、および前記ロータと前記第２の軸受との間のうち少なくともいずれか一方に設けられたワッシャをさらに備えた、請求項３に記載のステッピングモータ。
5. 前記板バネは、
   前記回転軸の外周面に沿って円弧状に延在し、前記外径部と前記内径部とを接続する複数の腕部をさらに含む、請求項１〜４のいずれかに記載のステッピングモータ。

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