JP6877991B2 - Stepping motor - Google Patents
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Description
本発明は、モータ回転軸の軸線方向における振動を低減するステッピングモータに関する。 The present invention relates to a stepping motor that reduces vibration in the axial direction of the motor rotating shaft.
一般に、ステッピングモータは、モータ回転軸(出力軸)を有するロータと、複数の巻線を有するステータから構成されている。駆動時には、巻線に流す電流を切り替えることでステータが励磁され、ロータが順次吸着されてロータは回転運動をすることができる。 Generally, a stepping motor is composed of a rotor having a motor rotation shaft (output shaft) and a stator having a plurality of windings. At the time of driving, the stator is excited by switching the current flowing through the winding, the rotor is sequentially attracted, and the rotor can rotate.
しかしながら、ステッピングモータにおいては、入力パルスに応じてロータがステータにステップ状に順次吸着されていくため、入力パルスに関連した振動が発生し、モータ回転軸の軸線方向における振動が発生する場合はそれを低減することが重要となる。 However, in a stepping motor, since the rotor is sequentially attracted to the stator in a step-like manner in response to the input pulse, vibration related to the input pulse is generated, and if vibration in the axial direction of the motor rotation shaft is generated, that is the case. It is important to reduce.
モータ回転軸の軸線方向における振動を低減するものとして、特許文献1では、モータ回転軸の軸受とロータの間にスプリング(バネ)を挟み、ロータを軸方向に付勢している。また、特許文献2では、軸受を板バネで保持し、モータ回転軸を軸方向に付勢している。 In Patent Document 1, a spring is sandwiched between the bearing of the motor rotating shaft and the rotor to urge the rotor in the axial direction to reduce vibration in the axial direction of the motor rotating shaft. Further, in Patent Document 2, the bearing is held by a leaf spring, and the motor rotating shaft is urged in the axial direction.
しかしながら、弾性体(バネ部材)のみに依存する特許文献1、2に示される構成では、モータ回転軸の軸線方向における振動低減は不十分であった。 However, in the configurations shown in Patent Documents 1 and 2 that depend only on the elastic body (spring member), the vibration reduction in the axial direction of the motor rotating shaft is insufficient.
本発明の目的は、モータ回転軸(シャフト)の軸線方向における振動低減を十分に高めたステッピングモータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a stepping motor in which vibration reduction in the axial direction of a motor rotating shaft (shaft) is sufficiently enhanced.
上記目的を達成するために、本発明に係るステッピングモータは、シャフトを回転中心軸線として回転可能であって、回転方向においてN極とS極とが交互に配置された磁石を有するロータと、前記回転中心軸線に垂直な方向に沿って前記ロータを見たときに前記回転中心軸線に対して斜めの辺を有する第1の歯が複数設けられた第1のステータコイルと、前記第1の歯の辺に沿った辺を有し前記回転方向において前記第1の歯と交互に並ぶ第2の歯が設けられた第2のステータコイルと、を有するステータと、を備え、入力されたパルス信号に基づいて前記第1のステータと前記第2のステータとがN極とS極とに交互に順次励磁されることによって前記ロータが前記ステータに対して回転するステッピングモータであって、前記シャフトの軸受が回転可能に嵌められたフレームと、前記回転軸線方向において前記フレームに接触するコイル状の第1のバネと、前記回転軸線方向において前記ロータに接触するコイル状の第2のバネと、前記第1のバネと前記第2のバネとに挟持され前記回転軸線方向における前記ロータの振動を低減するための質量体と、を備え、前記シャフトは前記第1のバネおよび前記第2のバネそれぞれの内側を通るように配置されており、前記質量体には当該シャフトが通される開口が形成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the stepping motor according to the present invention includes a rotor having a rotor capable of rotating with the shaft as the center axis of rotation and having N poles and S poles alternately arranged in the rotation direction, and the above. A first stator coil provided with a plurality of first teeth having sides oblique to the rotation center axis when the rotor is viewed along a direction perpendicular to the rotation center axis, and the first teeth. The input pulse signal includes a stator having a second stator coil having a side along the side and provided with a second tooth that is alternately arranged with the first tooth in the rotation direction. A stepping motor in which the rotor rotates with respect to the stator by alternately and sequentially exciting the first stator and the second stator to the north and south poles based on the above. A frame in which bearings are rotatably fitted, a first coiled spring that contacts the frame in the direction of the rotation axis, a second coiled spring that contacts the rotor in the direction of the rotation axis, and the like. A mass body sandwiched between the first spring and the second spring and for reducing the vibration of the rotor in the direction of the rotation axis is provided, and the shaft includes the first spring and the second spring, respectively. It is arranged so as to pass through the inside of the coil, and the mass body is characterized in that an opening through which the shaft is passed is formed.
本発明によれば、モータ回転軸(シャフト)の軸線方向における振動低減を十分に高めたステッピングモータを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a stepping motor in which vibration reduction in the axial direction of the motor rotating shaft (shaft) is sufficiently enhanced.
以下、本発明の実施形態に係る制振構造を有したステッピングモータについて、図面に則して詳しく説明する。このステッピングモータは、広範な用途に用いられ、例えば画像形成装置において、排出されたシートを積載する積載トレイを上下に移動させるための駆動源として用いられる、あるいは例えばカメラにおいて、レンズ駆動の駆動源として用いられる。このような本実施形態に係る制振構造を有したステッピングモータは、画像形成装置あるいはカメラ以外の他の装置にも用いられ得る。 Hereinafter, the stepping motor having the vibration damping structure according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. This stepping motor is used in a wide range of applications, for example, in an image forming apparatus, as a drive source for moving a loading tray for loading ejected sheets up and down, or in a camera, for example, a lens drive drive source. Used as. Such a stepping motor having a vibration damping structure according to the present embodiment can be used for an image forming apparatus or an apparatus other than a camera.
《第1の実施形態》
(ステッピングモータ)
図1に本発明の実施形態に係るステッピングモータ(2相PM型ステッピングモータ)20を正面側から見た概略斜視図を示し、その内部構造(後述する制振構造を除く)を図2に示す。ステッピングモータ20は、磁極としてのN極とS極が周方向に交互に形成された永久磁石を有するロータ11と、ロータ11に連結されたモータ回転軸(出力軸)である回転軸(シャフト)12と、回転軸12を保持する軸受13を備える。また、ロータ11の外周に配置され、複数の歯を有するステータ14と、ステータ14を磁極として磁化するためのコイル15を備える。そして、これらがケーシング16に収納(保持)されている。
<< First Embodiment >>
(Stepping motor)
FIG. 1 shows a schematic perspective view of a stepping motor (two-phase PM type stepping motor) 20 according to an embodiment of the present invention as viewed from the front side, and FIG. 2 shows an internal structure thereof (excluding a vibration damping structure described later). .. The
駆動時には、外部からの入力パルス信号により、ステータ14がN極とS極に交互に順次励磁される。これに伴い、ロータ11の極がステータ14に吸着され、回転運動をすることができる。この際、ロータ11はステータ14の磁極が切り替わる度にステップ状に回転していく。
At the time of driving, the
ここで、比較例(図3(a)のようにステータ14の歯形状がロータ11の磁極形状と平行)と、本実施形態(図3(b)のようにステータ14の歯形状がロータ11の磁極形状に対し斜めとなる辺を備えた形状(三角形状))とを比較する。
Here, a comparative example (the tooth shape of the
図3のようにステータ14の歯形状がロータ11の磁極形状と平行(相似)である場合、ロータ11は回転方向(周方向)にのみ力を受けることができる。これに対して、図3(b)のようにステータ14の歯形状がロータ11の磁極形状に対し斜めとなる辺を備えた形状である場合、ロータ11は回転方向だけでなく、スラスト方向(回転軸12の軸線方向)にも力を受けてしまう。このため、ステータ14の磁極が切り替わる度に、ロータ11はスラスト方向への移動を繰り返す。これが振動の原因となり、ステッピングモータ20全体の振動へと発展する。
When the tooth shape of the
この振動を抑制するためには、ロータ11や回転軸12をバネ付勢し、振動を抑えるのが一般的である(特許文献1、2)。しかしながら、弾性体(バネ部材)のみを用いた付勢により振動を大きく低減することは、実質的に困難である。
In order to suppress this vibration, it is common to urge the
(質量体を用いた制振構造)
本実施形態においては、ロータ11のスラスト方向(回転軸12の軸線方向)の振動を抑制するため、動吸振器を利用した制振方式を採用する。動吸振器とは、制振対象の代わりに振動し、特定の周波数において大きな制振効果を発揮する構造であり、以下に詳細を述べる。
(Vibration damping structure using mass body)
In the present embodiment, in order to suppress vibration in the thrust direction of the rotor 11 (axial direction of the rotating shaft 12), a vibration damping method using a dynamic vibration absorber is adopted. A dynamic vibration absorber is a structure that vibrates instead of a vibration damping target and exerts a large vibration damping effect at a specific frequency, and details will be described below.
図4に示すように、本実施形態に係るステッピングモータ20においては、質量体21が、回転軸12の軸線方向に配置される圧縮バネA(第1の弾性部材)22および圧縮バネB(第2の弾性部材)23に挟持されており、これらが動吸振器の役割を担う。本実施形態の質量体21は真鍮で形成されているが、質量体21の材料については真鍮に限定されない。
As shown in FIG. 4, in the
また、圧縮バネB23は第1の保持部材としてのフレーム24に保持されており、フレーム24は第2の保持部材としてのケーシング16にセットビス等の手段で固定(連結)されている。加えて、圧縮バネA22の端部には押圧部材25が連結されており、回転軸12の端部と接触している。すなわち、押圧部材25を介するということがあっても、圧縮バネA22は軸線方向において実質的に回転軸12に接続されることとなる。
Further, the compression spring B23 is held by the
これにより、回転軸12は、圧縮バネA22および圧縮バネB23の復元力により、押圧部材25により付勢(押圧)されている。この付勢による制振効果も若干あり、好適な付勢力になるように調整される。本実施形態においては、付勢力が40N程度である。また、ロータ11の回転に伴い、押圧部材25は回転軸12の端部と摺擦するため、押圧部材25はPOM(ポリアセタール)樹脂のような摺動性の高い材料であることが望ましい。尚、本実施形態は第1の弾性部材、第2の弾性部材として圧縮バネを用いた構成としたが、引張バネや板バネ等を用いた構成としても良い。
As a result, the rotating
(質量体の共振周波数)
ステッピングモータ20の駆動時には、入力パルスの周波数に応じた速度でロータ11が回転する。この際、ロータ11は、ステータ14の磁極がN極とS極と交互に順次切り替わる度に、スラスト方向(回転軸12の軸線方向)への移動を繰り返す。このため、入力パルス2回で1周期の振動が発生する。
(Resonance frequency of mass)
When the stepping
このため、本実施形態においては、周方向にステータの磁極を切り換える入力パルスのパルス周波数に対し、質量体の共振周波数を1/2に設定している。すなわち、800ppsの速度でパルスを入力している場合、400Hzにおいてスラスト方向の振動が大きく発生するようにしている。この結果、本実施形態によれば、動吸振効果によりロータ11の代わりに質量体21が振動することとなる。これにより、ロータ11の振動を大きく低減することができる。
Therefore, in the present embodiment, the resonance frequency of the mass body is set to 1/2 with respect to the pulse frequency of the input pulse that switches the magnetic poles of the stator in the circumferential direction. That is, when the pulse is input at a speed of 800 pps, a large vibration in the thrust direction is generated at 400 Hz. As a result, according to the present embodiment, the
ここで、質量体21の質量をm、圧縮バネA22の弾性定数であるバネ定数をk1、圧縮バネB23の弾性定数であるバネ定数をk2とするとき、質量体21の共振周波数fは以下の条件式を満足する。
Here, when the mass of the
本実施形態では、質量体21の共振周波数fを400Hzとするように、m=6.0g、k1=19.6N/mm、k2=19.6N/mmという値を用いている。
In this embodiment, the values of m = 6.0 g, k 1 = 19.6 N / mm, and k 2 = 19.6 N / mm are used so that the resonance frequency f of the
ここで、ケーシング16の振動を、従来構成(質量体を用いず弾性体(バネ部材)のみ使用)と比較した結果を図5に示す。ケーシング16は400Hzの振動のピークを有しているが、従来構成では2.02m/s2であったものが、質量体を用いた本実施形態では0.07m/s2となっている。すなわち、動吸振器を利用した本実施形態の構成により、回転軸12の軸線方向におけるロータ11の振動を大幅に低減することが可能である。
Here, FIG. 5 shows a result of comparing the vibration of the
《第2の実施形態》
第1の実施形態ではケーシング(フレーム)16の外側に動吸振器を構成したが、ケーシング16の内側(内部空間)に動吸振器を構成し、ロータ11を直接制振する構造であっても構わない。この場合の断面図を、図6に示す。本実施形態においては、圧縮バネA(第2のバネ)22がロータ11を直接付勢している。また、質量体21’はリング形状をしており、ロータ11や回転軸12、および軸受13とは非接触状態で保持されている。これにより、ロータ11の代わりに質量体21’が振動し、回転軸12の軸線方向におけるロータ11の振動を大幅に低減することができる。
<< Second Embodiment >>
In the first embodiment , the dynamic vibration absorber is configured on the outside of the casing (frame) 16, but even if the dynamic vibration absorber is configured on the inside (internal space) of the
《第3の実施形態》
本実施形態は、第1の実施形態と同様の動吸振器を利用して、ステッピングモータのモータ回転軸の軸線方向における振動低減を図るもので、共振周波数fの調整を簡便に行うことができるようにしたものである。第1の実施形態と異なる部分のみを説明し、同様の構成については説明を省略する。
<< Third Embodiment >>
In this embodiment, the same dynamic vibration absorber as in the first embodiment is used to reduce vibration in the axial direction of the motor rotation shaft of the stepping motor, and the resonance frequency f can be easily adjusted. This is what I did. Only the parts different from the first embodiment will be described, and the description of the same configuration will be omitted.
動吸振器を利用した制振方式を用いる場合、共振周波数fの設定が重要である。なぜなら、動吸振器の共振周波数fが設計値と異なる場合、制振効果が著しく低下するためである。しかしながら、質量やバネ定数の公差内のバラツキや、経時変化によって、動吸振器の共振周波数fが変化してしまう可能性がある。このため、共振周波数fを調整できる機能を有していることが望ましい。本実施形態においては、圧縮バネA22のバネ定数および、質量体21の質量を変化させる(可変とする)ことにより、動吸振器の共振周波数fの調整を簡便に行うことができる。
When using a vibration damping method using a dynamic vibration absorber, it is important to set the resonance frequency f. This is because when the resonance frequency f of the dynamic vibration absorber is different from the design value, the vibration damping effect is significantly reduced. However, there is a possibility that the resonance frequency f of the dynamic vibration absorber may change due to the variation within the tolerance of the mass and the spring constant and the change with time. Therefore, it is desirable to have a function of adjusting the resonance frequency f. In the present embodiment, the resonance frequency f of the dynamic vibration absorber can be easily adjusted by changing (variable) the spring constant of the compression spring A22 and the mass of the
先ず、圧縮バネB23のバネ定数の調整について述べる。圧縮バネB23のバネ定数k2は、材料の横弾性係数をG、線径をd、有効巻き数をNa、平均コイル径をDとした場合、以下の式で表すことができる。 First, the adjustment of the spring constant of the compression spring B23 will be described. The spring constant k 2 of the compression spring B23 is a modulus of transverse elasticity of the material G, the wire diameter d, the effective number of turns N a, if the average coil diameter and is D, can be expressed by the following equation.
本実施形態においては、有効巻き数Naを変化させることにより、バネ定数k2の調整を行う。本実施形態の概略説明図を図7に、詳細説明図を図8に示す。図7に示すように、圧縮バネB23の巻線の間には、ストッパ(ストッパ部材、プレート)26が挟まれている。ストッパ26にはネジが切ってあり、フレーム24に配置されたビス27により保持されている。ストッパ26が図8(a)の位置にある場合は、第1の実施形態と同様のバネ定数である。
In the present embodiment, the spring constant k2 is adjusted by changing the effective number of turns Na. A schematic explanatory view of the present embodiment is shown in FIG. 7, and a detailed explanatory view is shown in FIG. As shown in FIG. 7, a stopper (stopper member , plate ) 26 is sandwiched between the windings of the compression spring B23. The
これに対して、ストッパ26を回転させ、図8(b)の位置にすると、巻線の一部が接触し、圧縮バネB23の有効巻き数Naが減少する。すなわち、バネ定数k2が変化する。これにより、動吸振器の共振周波数fの調整が可能である。尚、バネ定数を変化させる手段については限定せず、他の手法を用いても良い。また、圧縮バネB23ではなく、圧縮バネA22のバネ定数を調整しても良い。
In contrast, by rotating the
次に、質量体21の質量調整について述べる。図7に示すように、質量体21は外周部に複数の穴部(ビス穴)を有しており、1つ以上のビス穴に調整質量28を取り付けることができる。これにより、動吸振器の共振周波数fの調整が可能である。尚、質量体21の質量を変化させる方法については、上述したものに特に限定しない。
Next, the mass adjustment of the
本実施形態においては、バネ定数および質量を変化させることができるものであったが、バネ定数および質量のいずれか一方を変化させるものであっても良い。 In the present embodiment, the spring constant and the mass can be changed, but either the spring constant or the mass may be changed.
(変形例)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
(Modification example)
Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications can be made within the scope of the gist thereof.
(変形例1)
上述した実施形態では弾性体としてバネ部材を示したが、本発明はこれに限定されず、ゴム部材などであっても良い。
(Modification example 1)
In the above-described embodiment, the spring member is shown as the elastic body, but the present invention is not limited to this, and a rubber member or the like may be used.
(変形例2)
また、上述した実施形態では、ロータの磁極形状に対し斜めとなる辺を備え、回転軸の軸線方向に設けられる歯形状として基部に対し先が細い三角形状を示したが、三角形としては例えば二等辺三角形や直角三角形で構成できる。また、三角形状に限らず、台形形状、平行四辺形形状などであっても良い。そして、形状を構成する各辺の線は全て直線である場合に限らず、少なくとも一部が曲線であっても良い。
(Modification 2)
Further, in the above-described embodiment, a side that is oblique to the magnetic pole shape of the rotor is provided, and the tooth shape provided in the axial direction of the rotation axis is a triangular shape having a tapered tip with respect to the base. It can be composed of isosceles triangles and right triangles. Further, the shape is not limited to a triangle shape, and may be a trapezoidal shape, a parallelogram shape, or the like. The lines on each side forming the shape are not limited to straight lines, and at least a part of them may be curved lines.
11・・ロータ、12・・回転軸、14・・ステータ、21・・質量体、22・・圧縮バネA(第1の弾性部材)、23・・圧縮バネB(第2の弾性部材)、24・・フレーム(第1の保持部材) 11 ... rotor, 12 ... rotating shaft, 14 ... stator, 21 ... mass body, 22 ... compression spring A (first elastic member), 23 ... compression spring B (second elastic member), 24 ... Frame (first holding member)
Claims (4)
前記回転中心軸線に垂直な方向に沿って前記ロータを見たときに前記回転中心軸線に対して斜めの辺を有する第1の歯が複数設けられた第1のステータコイルと、前記第1の歯の辺に沿った辺を有し前記回転方向において前記第1の歯と交互に並ぶ第2の歯が設けられた第2のステータコイルと、を有するステータと、を備え、
入力されたパルス信号に基づいて前記第1のステータと前記第2のステータとがN極とS極とに交互に順次励磁されることによって前記ロータが前記ステータに対して回転するステッピングモータであって、
前記シャフトの軸受が回転可能に嵌められたフレームと、
前記回転軸線方向において前記フレームに接触するコイル状の第1のバネと、
前記回転軸線方向において前記ロータに接触するコイル状の第2のバネと、
前記第1のバネと前記第2のバネとに挟持され前記回転軸線方向における前記ロータの振動を低減するための質量体と、を備え、
前記シャフトは前記第1のバネおよび前記第2のバネそれぞれの内側を通るように配置されており、前記質量体には当該シャフトが通される開口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。 A rotor that can rotate with the shaft as the center axis of rotation and has magnets in which north and south poles are alternately arranged in the direction of rotation.
A first stator coil provided with a plurality of first teeth having sides oblique to the rotation center axis when the rotor is viewed along a direction perpendicular to the rotation center axis, and the first stator coil. It comprises a stator having a second stator coil having a side along the side of the tooth and provided with a second tooth that alternates with the first tooth in the direction of rotation.
A stepping motor in which the rotor rotates with respect to the stator by alternately and sequentially exciting the first stator and the second stator to the N pole and the S pole based on the input pulse signal. hand,
A frame in which the bearing of the shaft is rotatably fitted, and
A coiled first spring that contacts the frame in the direction of the rotation axis,
A coiled second spring that contacts the rotor in the direction of the rotation axis,
A mass body sandwiched between the first spring and the second spring to reduce vibration of the rotor in the direction of the rotation axis is provided.
The shaft is arranged so as to pass through the inside of each of the first spring and the second spring, and the mass body is formed with an opening through which the shaft is passed. ..
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