JPH0315415B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はステツプ動作をする電動機すなわちス
テツプモータに係り、詳細には、ロータをステツ
プ動作せしめるよう、少なくとも２つの異なるコ
イルを付勢することにより、励磁極性が制御され
且つ円周方向に配列された磁極歯と協働する円周
方向に配列された永久磁石を包有してなるステツ
プモータに関する。 本発明の主目的は外径すなわち容積のわりには
出力が比較的大きなステツプモータを提供するに
ある。 本発明の他の目的は煩雑な工具によることなく
低廉に大量生産可能なステツプモータを提供する
にある。 本発明の別の目的はオフされる時確実に停止す
るのでオフされる直前にシヤフトの占めていたと
同位置にオフ後も出力シヤフトを維持可能なステ
ツプモータを提供するにある。 本発明の更に他の目的は構成が比較的に簡単で
かつ寿命の長いステツプモータを提供するにあ
る。 本発明の他の目的と利点は以下の説明により明
らかであろう。 本発明は、共通軸と前記共通軸に整合されたロ
ータとステータとを備え、更に前記ロータ若しく
はステータに配設せしめられた前記共通軸に直交
する第１の平面内で互いに噛み合う第１の磁極歯
および前記第１の平面に平行する第２の平面内で
互いに噛み合う第２の磁極歯と、前記第１、第２
の磁極歯の外側および内側の磁極歯を夫々異極に
励磁する第１、第２のコイルと、前記第１、第２
の磁極歯の配置されていないロータ若しくはステ
ータに前記第１、第２の磁極歯間に位置するよう
円周方向に互いに離間し且つ隣り合う２つが異極
に配置され、且つ前記第１、第２のコイルにより
励磁された第１、第２の磁極歯間に整合される複
数の永久磁石とを備えてなるステツプモータを提
供しようとするものである。 以下、本発明を好ましい実施例に沿つて説明す
る。 第１図および第２図のステツプモータには、円
盤状のロータ１０と、前記ロータ１０の両者に
夫々対向した第１のステータ部即ち左部１１ａお
よび第２のステータ部即ち右部１１ｂを有したス
テータとが包有されている。ロータ１０およびス
テータの左部１１ａと右部１１ｂはシヤフト１２
に対し同軸状に整合され、ロータ１０はシヤフト
１２の端部に付設された非磁性ハブ１３の周囲に
装着されている。シヤフト１２はハブ１３から左
部１１ａ内の非磁性ベヤリングスリーブ１４を貫
通して延びている。シヤフト１２のスプライン外
端部の溝に挿入されるスナツプリング１５と、非
磁性ベヤリングスリーブ１４の内端近傍に配置さ
れた非磁性ハブ１３とによりシヤフト１２は所定
の軸位置に保持される。左部１１ａおよび右部１
１ｂの内周面は軟鉄等の透磁性材料でなるシリン
ダ１６，１７により形成されている。左部１１ａ
および右部１１ｂの外周面乃至外端面は夫々一端
面の閉塞された筒体１８，１９により形成されて
いる。即ち、左部１１ａおよび右部１１ｂの外周
面は夫々前記外周面から所定の間隔をおいて配置
された筒体１８，１９のシリンダ２０，２１によ
つて形成され、且つ外端面は前記シリンダ２０，
２１の一端面を閉塞する円環状の壁面２２，２３
により区画されている。２組のシリンダ１６，２
０および１７，２１間に、以下に詳述するよう、
モータ軸に対し垂直に延びる多数組の互いに噛み
合わされたステータ磁極を好適に付勢するための
一組のコイル２４，２５が配設されている。ステ
ータの左部１１ｂおよび右部１１ｂはアルミニウ
ムのような非磁性材料によつて形成され、前記左
部１１ａおよび右部１１ｂの外磁極歯を好適に位
置決めする環状のスペーサ２６を介して対向せし
められている。 筒体１８，１９の対向端面には、夫々同一平面
上をモータ軸に対し垂直に延び互いに噛み合わさ
れた磁極３１ａ，３２ａを有する環状部材３１，
３２と、他の同一平面上をモータ軸に対し垂直に
延び互いに噛み合わされた磁極３３ａ，３４ａを
有する環状部材３３，３４とが配置されている。
環状部材３１乃至３４は軟鉄のような透磁性材料
で作られている。外側の環状部材３１，３３は
夫々６個の外側磁極歯３１ａ，３３ａを包有し、
かつ筒体１８，１９の開放端部に穿設された内溝
に嵌合せしめられており、各コイル２４，２５に
よりシリンダ２０，２１中に誘起された磁束用の
低磁気抵抗回路を形成している。一方環状部材３
２，３４は夫々６個の内側磁極歯３２ａ，３４ａ
を包有し、かつシリンダ１６，１７と一体に形成
されており、各コイル２４，２５によりシリンダ
１６，１７に誘起された磁束用の低磁気抵抗回路
を形成している。 ステータの左部１１ａの内・外側磁極歯３１
ａ，３２ａ間又は右部１１ｂの内・外側磁極歯３
３ａ，３４ａ間の磁束の漏れを最小限に押えるた
め、環状部材３１，３２の磁極歯の対向面および
環状部材３３，３４の磁極歯の対向面は半径方向
および円周方向について互いに好適に離間されて
いる。更に詳述するに、磁極歯３１ａ，３２ａは
半径方向に延びるギヤツプ３５および円周方向に
延びるギヤツプ３６を介して対向されており、磁
極歯３３ａ，３４ａは半径方向に延びるギヤツプ
３７および円周方向に延びるギヤツプ３８を介し
て対向されている（第３図および第４図参照）。
ギヤツプ３５〜３８は十分に大きく、互いに隣接
する磁極歯３１ａ，３２ａ間若しくは互いに隣接
する磁極歯３３ａ，３４ａ間に流れる磁束より
も、磁極歯３１ａ〜３４ａとシリンダ１６，１
７，２０，２１若しくはロータ１０の永久磁石と
の間に流れる磁束の方が圧倒的に多量である。図
示の実施例の場合、ステータの各左・右部には
夫々円周方向に等間隔に配置され互いに噛み合わ
された12個の磁極歯が包有されているが、磁極歯
の数を違えればステツプ角を変えうることは明ら
かであろう。 次にロータ１０について説明する。永久磁化
（以下、PMと記す）領域４０がハブ１３に固設
された１つのセラミツクリング４１の周側近傍に
等間隔をおいて離間配置されている。PM領域４
０の中心はロータ１０に対向配置されたステータ
の磁極歯３１ａ乃至３４ａのモータ軸からの距離
とほぼ同じ距離だけモータ軸から離間されてい
る。従つて一組の磁気ギヤツプ４２，４３がPM
領域４０の両端面と磁極歯３１ａ乃至３４ａとの
間に形成されている。PM領域４０はすべてモー
タ軸の方向に、且つ第３図にＮ，Ｓで示したよう
に互いに隣り合う領域が逆方向に磁化されてい
る。所望なら、ハブ１３に固設された非磁性支承
体に永久磁石を装着してロータを形成してもよ
い。 左部１１ａおよび右部１１ｂのシリンダ２０，
２１を磁気シールドする環状スペーサ２６がロー
タ１０を囲繞しているので、左部１１ａおよび右
部１１ｂ間を通過する磁束はロータのPM領域を
通過しなければならない。前記環状スペーサ２６
の両側面部には、夫々ステータの内・外側磁極歯
３１ａ，３２ａおよび３３ａ，３４ａ間のギヤツ
プ中へ延長され、かつ円周方向に互いに離間され
た６個の整合部材５１，５２が形成されている。
整合部材５１，５２は、夫々円周方向の所望位置
に２組の内・外側の環状部材３１，３２および３
３，３４を正確に保持している。整合部材５１，
５２は、夫々互いに隣接する外側磁極歯３１ａ間
および互いに隣接する外側磁極歯３４ａ間に好適
に嵌合され環状部材３１，３３を適所に保持す
る。内側磁極歯３２，３４を保持するため整合部
材５１，５２の内側面には、内側の磁極歯３２
ａ，３４ａの先端部を受容しかつ保持する中央凹
所５１ａ又は５２ａが設けられている（５２ａは
図示せず）。 外側磁極歯３１ａと内側磁極歯３２ａとは夫々
コイル２４の異なる端面に当接されているので、
互いに隣接する外側磁極歯３１ａと内側磁極歯３
２ａとは反対方向に磁化される。同様に外側磁極
歯３３ａと内側磁極歯３４ａとは夫々コイル２５
の異なる端面に当接されているので、互いに隣接
する外側磁極歯３３ａと内側磁極歯３４ａとは反
対方向に磁化される。コイル２４，２５はモータ
軸の周囲に巻回されているので、前記コイル２４
に隣接するシリンダ１６，２０中に誘起される磁
束の方向は互いに反対で、且つ前記コイル２５に
隣接するシリンダ１７，２１中に誘起される磁束
の方向も互いに反対である。従つて内側のシリン
ダ１６，１７に誘起される磁束の方向は夫々外側
のシリンダ２０，２１に誘起される磁束の方向と
は常に反対である。延いては外側の磁極歯３１ａ
と内側の磁極歯３２ａとの極性は反対で、且つ外
側の磁極歯３３ａと内側の磁極歯３４ａとの極性
は反対であり、前記極性はコイル２４，２５中の
電流の方向によつて決定される。以下に詳述する
ように、ロータ１０のステツプ動作の方向を制御
するようコイル２４，２５の一方を付勢する毎に
電流の方向を反転せしめるスイツチング回路が備
えられている。 ステータの左部１１ａのコイル２４若しくは右
部１１ｂのコイル２５が付勢されると、ロータ１
０のPM領域４０は最も近い反対極性の磁極歯３
１ａ〜３４ａに吸引される。例えば、第３図に示
すようにステータの左部１１ａ磁極歯３１ａ，３
２ａを励磁すると、外側のシリンダ２０に誘起さ
れた磁束はＮ極に励磁された外側の磁極歯３１ａ
を通り、更に前記磁極歯３１ａに対向する端面が
Ｓ極であるロータ１０中のPM領域４０のにはい
る。同時に、ロータ１０中のPM領域４０のＮ極
端面から対向するＳ極に励磁された内側の磁極歯
３２ａを介して内側のシリンダ１６中に誘起され
た磁束へと磁束は流れる。シリンダ１６から筒体
１８の円環状の壁面２２へと磁束は流れる。第３
図の上半分に示した磁束はコイル２４，２５の少
なくとも一方の励磁電流に変化が生じない限りロ
ータ１０を図示の位置に保持する。 ステータの左部１１ａおよび右部１１ｂには
夫々12個の磁極歯即ち６個の外側磁極歯と６個の
内側磁極歯とが包有されているので、左部１１ａ
および右部１１ｂの磁極歯のピツチは夫々30度で
ある。また右部１１ｂの磁極歯３３ａ，３４ａは
左部１１ａの磁極歯３１ａ，３２ａに対し15度だ
け偏位されている。ロータ１０のPM領域４０の
ピツチはステータの左部１１ａ若しくは右部１１
ｂの磁極歯のピツチと同一すなわち30度である。
従つて第３図および第３ａ図に示すように、ロー
タ１０のPM領域４０が左部１１ａの磁極歯３１
ａ，３２ａと整合されると、右部１１ｂの磁極歯
３３ａ，３４ａはPM領域４０間の非磁化領域と
整合される。また、第４図および第４ａ図に示す
ように、ロータ１０のPM領域４０が右部１１ｂ
の磁極歯３３ａ，３４ａと整合されると、左部１
１ａの磁極歯３１ａ，３２ａはPM領域間の非磁
化領域と整合される。 ステータの左部１１ａの磁極歯と右部１１ｂの
磁極歯とが互いに偏位されているので、第３図お
よび第４図において磁束線を用いて示したように
左部１１ａの磁極歯若しくは右部１１ｂの磁極歯
が右部１１ｂの磁極歯若しくは左部１１ａの磁極
歯とロータ１０のPM領域４０とを通過する磁束
の帰路として有効に作用する。即ち、第３図の上
部に示す磁束ループの帰路はステータの右部１１
ｂの内側磁極歯３４ａにより形成され、前記帰路
の磁気抵抗は内側のシリンダ１７および筒体１９
からなる地鉄の磁気抵抗に比し顕著に小さい。同
様に、第３図の下部に示す磁束ループの場合、磁
束の帰路は左部１１ａの内側の磁極歯３２ａによ
り形成され、前記帰路の磁気抵抗は内側のシリン
ダ１６と筒体１８からなる地鉄の磁気抵抗に比し
顕著に小さい。 第３図および第４図に示す４磁束ループは、
夫々ロータ１０を15度の角度ずつ連続的にステツ
プ動作せしめる場合の４つの異なる駆動状態を示
している。更に詳しく説明するに、第３図の上部
の磁束ループは第１の方向すなわち順方向に流れ
る電流I_fによりコイル２４が付勢されていること
を示し、第３図の下部の磁束ループは第１の方向
すなわち順方向に流れる電流I_fによりコイル２５
が付勢されていることを示している。第４図の上
部の磁束ループは第２の方向すなわち逆方向に流
れる電流I_rによりコイル２４が付勢されているこ
とを示し、第４図の下部の磁束ループは第２の方
向すなわち逆方向に流れる電流I_rによりコイル２
５が付勢されていることを示している。前記４つ
の駆動状態を更に詳しく説明するに、前記４つの
駆動状態に対応したステータの磁極歯３１ａ，３
２ａ，３３ａ，３４ａおよびPM領域４０の位置
関係が第５図乃至第８図に部分断面図で示されて
いる。第３図の下部の磁束ループおよび第４図の
上部の磁束ループに対応する駆動状態は、第５図
乃至第８図には示されていず、ロータ１０が更に
15度だけ変位された場合に対応することは明らか
であろう。 第３図乃至第８図において、付勢されているコ
イルを消勢し他のコイルを付勢することによりロ
ータ１０は連続的に15度ずつすなわち磁極歯ピツ
チの半分ずつステツプ動作せしめられる。コイル
を付勢する毎に付勢電流の方向は反転せしめられ
る。従つてロータ１０が第３図、第３ａ図および
第５図の位置にありロータを時計方向にステツプ
移動したい時は、コイル２４を消勢し外側の磁極
歯３３ａがＳ極および内側の磁極歯３４ａがＮ極
となるよう、すなわち第４図の下部の磁束ループ
を作り出すようコイル２５を付勢する（第４図、
第４ａ図および第６図を参照）。これにより、ロ
ータ１０が時計方向に15度だけステツプ移動さ
れ、ステータの右部１１ｂに対向し且つ極性がＮ
極およびＳ極であるPM領域４０の磁極面を夫々
Ｓ極およびＮ極に励磁された磁極歯３３ａ，３４
ａに対し整合せしめる。 同様に、ロータ１０を反時計方向にステツプ移
動したい時は、コイル２４を消勢し外側の磁極歯
３３ａがＮ極および内側の磁極歯３４ａがＳ極と
なるようコイル２５を付勢する。これによりロー
タ１０が反時計方向に15度だけステツプ移動さ
れ、ステータの右部１１ｂに対向し且つ極性がＳ
極およびＮ極であるPM領域４０の磁極面を夫々
Ｎ極およびＳ極に励磁された磁極歯３３ａ，３４
ａに対し整合せしめる。 第７図および第４図の上部の磁束ループが示す
第３の駆動状態を作り出せば、ロータ１０が更に
時計方向に15度だけステツプ移動する。これはコ
イル２５を消勢し、第５図に示すように外側の磁
極歯３１ａがＳ極に内側の磁極歯３２ａがＮ極と
なるようコイル２４を付勢することにより達成さ
れる。これによりロータ１０が時計方向に15度だ
けステツプ移動され、ステータの左部１１ａに対
向し且つ極性がＮ極およびＳ極であるPM領域４
０の磁極面を夫々Ｓ極およびＮ極に励磁された磁
極歯３１ａ，３２ａに対し整合せしめる。 上述により、磁極歯３１ａ，３２ａおよび３３
ａ，３４ａとロータ１０との位置関係は第３ａ図
に示した初期の状態となるが、磁極歯３１ａ，３
２ａの極性は逆となる。ロータ１０はコイル２４
および２５の付勢状態が変化するまでこの位置を
維持する。 ロータ１０を更に時計方向にステツプ移動させ
るには、第８図に示すような磁極歯３３ａ，３４
ａを励磁し、第３図の下部の磁束ループを形成す
ればよい。この時、コイル２４は消勢されコイル
２５には第６図の場合とは反対方向の電流が流さ
れる。従つて外側の磁極歯３３ａがＮ極に、内側
の磁極歯３４ａがＳ極に励磁される。これによ
り、ロータ１０は時計方向に更に15度だけステツ
プ移動され、ステータの右部１１ｂに対向し且つ
極性がＳ極およびＮ極であるPM領域４０の磁極
面を夫々Ｎ極およびＳ極に励磁された磁極歯３３
ａ，３４ａに対し整合される。従つて磁極歯３１
ａ，３２ａおよび３３ａ，３４ａとロータ１０と
の位置関係は第４ａ図に示した如くなるが、磁極
歯の極性は第２の駆動状態である第４図の下部に
示す磁束ループにより誘起された場合とは逆であ
る。 これにより、本発明のステツプモータの４つの
駆動状態が完結されたこととなり、次いで上述し
たように第５図および第３図の上部の磁束ループ
で示す第１の駆動状態を再びとりステツプ動作が
継続される。 本発明のステツプモータの一利点は、コイル２
４，２５が共に消勢された時でも確実に停止され
ていることにある。従つてコイル２４，２５の一
方が付勢される時のロータの最小磁気抵抗位置す
なわち停止位置は、コイル２４，２５の両方が消
勢され磁束源がロータ１０のPM領域４０のみの
時の停止位置でもある。コイル２４，２５の一方
を付勢することにより形成した４つの停止位置す
なわち駆動位置においてPM領域４０が磁極歯３
１ａ，３２ａ又は３３ａ，３４ａの一方と完全に
整合されていることは第５図乃至第８図から明ら
かであろう。前記４つの停止位置は、コイル２
４，２５が付勢されているか否かにかかわらず、
PM領域４０のＮ極およびＳ極間に流れる磁束に
対し磁気抵抗が最小となる位置でもある。従つて
モータ１０がオフされる時すなわちコイル２４，
２５が共に消勢される時には、保持力は両コイル
２４，２５のうち少なくとも一方が付勢されてい
る時より弱いが、ロータ１０が変位されることも
なくPM領域４０により確実に保持されている。 本発明のステツプモータの他の利点は、互いに
噛み合わされた一組の磁極歯が互いに噛み合わさ
れた他の一組の磁極歯より半ピツチだけ円周方向
に偏位されているので、保持力がモータの付勢お
よび消勢の両状態で最大となることにある。これ
は、一方の組の磁極歯が常にPM領域４０間の非
磁化領域に対し整合され、このためロータ１０の
PM領域４０のＮ極およびＳ極間を流れる磁束の
帰路として磁気抵抗の小さい磁路を提供している
ことによる。すなわち、ステータの２組の磁極歯
が互いに整合されておれば、本発明のステツプモ
ータとは違つて、磁束がロータ１０の両側の壁面
２２，２３および内・外側のシリンダ１６，２
０，１７，２１から成る長い高磁気抵抗の回路を
常に流れねばならない。これはモータ１０がオン
状態およびオフ状態の場合である。しかしなが
ら、ステータの２組の磁極歯が互いに円周方向に
偏位されているので、磁束の通路は常にロータの
片側に限定されることは第３図乃至第８図に示す
磁束の状態から明らかであろう。これにより磁気
ギヤツプ４２，４３内の磁界の強さが最大とさ
れ、延いてはモータの保持力および出力が最大と
される。更にモータの外径すなわち全体の大きさ
が比較的小さいにもかかわらずこの高出力が得ら
れる。 電源VIを接続してコイル２４，２５の付勢お
よび消勢を制御する制御回路を第９図に簡潔に示
す。この制御回路のスイツチング素子SA１，SA
２，SB１，SB２は通常制御信号に従つて導通お
よび非導通されるトランジスタ又は他の半導体素
子により構成されるが、第９図においては、継続
して開閉される開閉スイツチング素子を簡潔に図
示している。スイツチング素子SA１，SA２はコ
イル２４を流れる電流を制御し、スイツチング素
子SB１，SB２はコイル２５を流れる電流を制御
する。 ２つのコイル２４，２５に対し夫々スイツチン
グ素子SA１，SA２，SB１，SB２が２通りに接
続されることは明らかであろう。スイツチング素
子SA１を閉じ、他の３つのスイツチング素子SA
２，SB１，SB２を開くと、コイル２４が第９図
に示すように下方に流れる電流I_fにより付勢さ
れ、第５図において図示され且つ第３図の上部の
磁束ループに対応した第１の駆動状態が作り出さ
れる。コイル２４を消勢し且つ下方に流れる電流
I_fによりコイル２５を付勢するには、スイツチン
グ素子SA１を開き、スイツチング素子SB１を閉
じ、他の２つのスイツチング素子SA２，SB２を
開のままにしておけばよい。これにより第６図に
おいて図示され且つ第４図の下部の磁束ループに
対応した第２の駆動状態が作り出される。 コイル２５を消勢し且つ逆方向に流れる電流I_r
によりコイル２４を付勢するには、スイツチング
素子SB１を開きスイツチング素子SA２を閉じれ
ばよい。これにより、第７図において図示され且
つ第４図の上部の磁束ループに対応した第３の駆
動状態が作り出される。第８図に図示され且つ第
３図の下部の磁束ループに対応した第４の駆動状
態を作り出すにはスイツチング素子SA２を開き
スイツチング素子SB２を閉じればよい。これに
より、逆方向に流れている電流I_rによつてコイル
２５を付勢し、コイル２４を消勢できる。 従つて、同時には４つのスイツチング素子SA
１，SA２，SB１，SB２のうちの１つのスイツ
チング素子のみを閉とすることにより、第３図乃
至第８図において図示した４つの駆動状態を形成
でき延いてはロータ１０を15度ずつステツプ移動
できる。上述のスイツチング素子の開閉動作を示
せば次表の如くなる。ここで“×”はそのスイツ
チが閉にされていることを示している。

【表】 ０ ×

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ １つの軸を中心に相対的に回転可能なロータ
   およびステータを有するステツプモータにおい
   て、ステータに包有され、夫々コイルを囲繞し磁
   化可能な材料で形成されたシリンダを有し、同軸
   に配設され、コイルが軸を中心に円周方向に巻装
   され、且軸方向に離間され軸に対し直交する平面
   に位置する平面部を有し半径方向において内側並
   びに外側に位置する平担な環状体を具備した第１
   および第２の電磁石装置と、各環状体に設けられ
   半径方向に長手に延びる第１のギヤツプにより円
   周方向に離間され且第２のギヤツプにより半径方
   向に離間されると共に互いに噛み合うよう位置せ
   しめられ、第１の電磁石装置の磁極歯の中心が第
   ２の電磁石装置の第１のギヤツプと整合されるよ
   うに円周方向に偏位された第１および第２の組の
   磁極歯と、第１および第２の組の磁極歯間を通る
   磁束をその間に配設された永久磁石に通過可能に
   二組の磁極歯を軸方向に分離する非磁性体のスペ
   ーサと、ロータに包有され軸に対し半径方向にか
   つステータの平担面部間において軸に対し半径方
   向に延びる部材と、磁極歯のピツチの１を含む倍
   数の位置に軸を中心として円周方向に離間されか
   つ軸方向の端部がステータの平担面部と磁気ギヤ
   ツプを介在させて隣接する多数の永久磁石とを備
   えてなり、永久磁石は軸に対し平行に且交互に異
   極を持つよう磁化され、前記コイルの一方が付勢
   されたとき磁束が発生し二組の磁極歯の内の一方
   のコイルと連係する磁極歯の組から永久磁石を経
   て他の組の磁極歯へ通りロータが吸引されて各永
   久磁石と前記各磁極歯とが整合されるように設け
   られてなることを特徴とするステツプモータ。