JPH0539182U - 環状コイル型永久磁石式ステツピングモ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 小型化でき，高トルク，高分解能，高精度ス
テップ角が得られ，漏洩磁束も少ないステッピングモ−
タを提供すること。 【構成】 外周に複数等ピッチの歯を有する偏平な断面
コ字状の磁性体１０ａ〜１０ｄに励磁用の環状コイル１
４ａ，１４ｂを収納して１個の磁極体を形成し，上記磁
極体と同一構造の他の磁極体を設け，この磁極体を回転
軸方向に着磁した静磁石１５を中間に挟んで連結して内
側固定子とし，この内側固定子の外周側には磁性体から
なる等ピッチの歯１１ａ〜１１ｄを内周側にもった回転
子１２を備える。環状コイル１４ａ，１４ｂに交番電流
を加えることにより環状コイルが収納された２個の磁極
体の各々対向する磁性体の歯１１ａ〜１１ｄと回転子の
歯間の２つの空隙において環状コイルによる磁束１４
ａ，１４ｂと静磁石１５による磁束とが環状コイルに交
番電流を流すことにより，交互に加算又は減算するよう
に構成した。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案はＯＡ機器用途の中でも定速制御の用途，例えばレ−ザ−ビ−ムプリン タ−（以下ＬＢＰと略記する）に用いて好適な永久磁石式ステッピングモ−タの 改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

ＬＢＰのドラム駆動などのように，高パルスで高トルクを必要とする用途に用 いられるステッピングモ−タとしては，図５に示すように，回転子が固定子の内 側に配置されたインナ−ロ−タ形であって，しかも低価格とするために，ボビン 巻コイルを備えた永久磁石式ステッピングモ−タが使用されている。 図５は第１の従来型のインナ−ロ−タ形，永久磁石式ステッピングモ−タを示 す図であり，同図（ａ）はその縦断正面図，同図(ｂ)は内部構造を示した斜視図 である。 同図において，１ａ，１ｂ及び１ｃ，１ｄは夫々一対の断面Ｌ状及び逆Ｌ状の 固定子１を構成する磁性体であり，この凹所に収納されたボビン巻コイル２ａ， ２ｂで励磁される。回転子３は永久磁石より成り，その外周はＮ，Ｓ交互の多極 性となるように磁化され，エアギャップを保って固定子１の各内周に設けられた 磁極と対向する位置に配置され，コイル２ａ，２ｂに流れる電流の切換えごとに 決められた角度でステップ駆動される。 同図において，固定子１と回転子３の間に生じる単位面積当りの平均発生接線 力ｆ(Ｎ／ｍ²）とすると 総接線力Ｆ＝ｆ×２π×Ｒ×Ｗ 従って，トルクＴ＝Ｆ×Ｒ＝２πｆＷＲ² よって，モ−タ体積を一定とすればトルクＴはＲ²に比例して大きくなるが， インナ−ロ−タ形ではこれも限界がある。

【０００３】 図６は第２の従来例を示すものである。 同図において，５ａ〜５ｄは固定子磁極，７は中間に配置される永久磁石で， 各磁極には同数の歯が設けてあり，磁極５ａに対し磁極５ｂは１／２ピッチ，磁 極５ｃは磁極５ｂに対し１／４ピッチ，磁極５ｄは磁極５ｃに対し１／２ピッチ 夫々円周方向にずれて配置され，環状コイル６ａ，６ｂで励磁される。 ８は磁性体よりなる回転子であり，磁極５ａ〜５ｄと同数の歯を設けているが 歯はずらさないで配置してある。９は回転子軸である。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

ところで，第１の従来例のものではコストは比較的安く，自己起動パルスは高 いが，トルクが低いという問題があった。 また，インナ−ロ−タ形のステッピングモ−タは回転子慣性が小さいので，自 己起動パルスは高いが，例えばＬＢＰで必要とするパルスレ−トでは自己起動で きず，それより低いパルスレ−トで起動させ，駆動周波数を徐々に速くして必要 な速度まで加速する，いわゆるスロ−アップ方式で使用しても限界があるという 問題点があった。 一方，第２の従来例のものでは，環状コイルのため，構造が簡単で微小角が可 能な構造であるが，図６に示したように界磁用の永久磁石が固定子を軸方向に２ 分して，しかも露出しているため，図示した点線で示した大きな漏洩磁束φが発 生するという問題点があった。磁極５ａ〜５ｄと永久磁石７の外周に鉄板を巻け ば，この大きな漏洩磁束は消えるが，永久磁石７の磁束の大部分がこの巻いた鉄 板で短絡磁路を形成するため，出力トルクが減少してしまう。 一方，上記漏洩磁束が大きいと，モ−タを使用する環境が制限され，磁気デス クの近くでは使用できないとか，鉄粉等をモ−タ外周に吸い付けたりのトラブル が発生し易かった。 図６のモ−タの外周を肉の厚い非磁性体，例えばアルミニウムの厚肉のハウジ ングで覆うということも考えられるが，モ−タの外径が必要以上に大きくなり経 済性でも問題があった。 本考案は従来のものの上記の問題点（課題）を解決するようにした環状コイル 型永久磁石式ステッピングモ−タを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

本考案は外周に複数等ピッチの歯を有する偏平な断面コ字状の１個の磁性体に 励磁用の環状コイルを収納して１個の磁極体を形成し，上記磁極体と同一の他の 磁極体を設け，これらの２つの磁極体を回転軸方向に着磁した静磁石を中間に挟 んで連結して内側固定子とし，この内側固定子の外周側には磁性体からなる等ピ ッチの歯を内周側にもった回転子を備え，上記環状コイルに交番電流を加えるこ とにより環状コイルが収納された２個の磁極体の各々対向する磁性体の歯と回転 子の歯間の２つの空隙において環状コイルによる磁束と静磁石による磁束とが環 状コイルに交番電流を流すことにより，交互に加算又は減算するように構成した アウタ−ロ−タ形の環状コイル型永久磁石式ステッピングモ−タに関する。 この場合，上記永久磁石式ステッピングモ−タにおいて，外周に複数の歯を有 する偏平な断面コ字状の磁極体の代わりに磁性鉄板を菊花状に打ち抜き，その花 びら状の等ピッチ部をその磁性鉄板の厚み方向に直角に曲げたものを２枚で上記 ド−ナツ状励磁コイルを挟み，内周部は励磁コイルの内側で磁気的に短絡結合す るように構成しても良い。 また，上記永久磁石式ステッピングモ−タにおいて，永久磁石で結合している 両側の各々の固定子磁極をその内部中心に設けられた穴の内周にて非磁性体で結 合を補強する構成とすることが望ましい。 さらに，上記永久磁石式ステッピングモ−タにおいて，環状コイルの両側の 固定子板の内周部を板厚が増加するようにオ−バ−ラップ結合するように構成す ることが望ましい。

【０００６】

【作用】

本考案の第１の実施例のものでは，静磁石による磁束は，このステッピングモ −タの回転に必要な磁束の略１／２を発生しているだけなので電力消費が少なく て済み，効率も良くなる。また，歯は第１の従来例のものに対し外側に位置する ため，同一ステップ角でも歯分割精度が従来の工作精度でも維持し易く，ステッ プ角精度も良くなる。また，トルクもロ−タ径で２^1/2倍はインナ−ロ−タに対 し，本方式は同一外径でとれるので２倍は出せる。 また，本考案の第２の実施例のものでは，回転子歯との対向面積が第１の実施 例のものに対し，各環状コイルの外側の部分でも歯があるため増えることと，１ 枚鉄板で各固定子を作るため，第２の従来例のものに比べコストが安くなる。 また，第２の従来例（図６）のもので生じていた漏洩磁束の問題は第１及び第 ２の実施例の構造のものではモ−タ外部とは無関係となり，解決される。

【０００７】

【実施例】

本考案の基本構成としては，ド−ナツ状励磁コイルの両側に２個の磁性体の固 定子を配置したもの，２個を静磁石（永久磁石）で連結し，これを内側固定子と し，この内側固定子の外側に回転子を配置するようにした環状コイル型永久磁石 式ステッピングモ−タである。 構造上より見ると，図５の従来品が静磁石が回転子側，励磁コイルが固定子側 と分けられていたことと，内側回転子であったのに対し，本考案は環状コイル方 式にして，静磁石と励磁コイルを内側固定子１個所にまとめ，回転子は外側とし た点が大きな相違点である。また，以下に述べるように図６の第２の従来例の場 合の漏洩磁束の問題も解決できる点に特徴がある。 以下図１〜図４に示す各実施例により本考案を具体的に説明する。 図１は本考案の第１の実施例を示すもので，同図（ａ）は縦断正面図，同図（ ｂ）はその側面図である。 回転子の半径を大きくとるために，図５のステッピングモ−タに対し固定子と 回転子とを逆にとると共に静磁石を固定子側に配し，回転子は透磁率の高い磁性 材で構成しモ−タ外周への漏洩磁束を極小としたものである。 １０ａ〜１０ｄは４個の固定子で，固定子１０ａと１０ｂ間及び固定子１０ｃ と１０ｄ間に各々励磁用の環状コイル１４ａ，１４ｂが収納され，固定子１０ａ と１０ｂ及び１０ｃと１０ｄは環状コイル１４の内側で磁気的に短絡結合されて いる。このため，図示のように夫々固定子１０ａ，１０ｂ及び固定子１０ｃ，１ ０ｄを各対にして断面コ字状の磁極体を形成するように構成すれば良い。 固定子１０ｂ，１０ｃ間には環状の永久磁石より成る静磁石１５が挟着されて いる。この場合，靜磁石１５は回転軸１８の方向に磁化されている。 固定子１０ａ〜１０ｄの外周先端部には等ピッチの歯１１ａ〜１１ｄが設けら れ，歯１１ａと歯１１ｂ及び歯１１ｃと歯１１ｄは夫々歯ピッチの１／２の角度 円周方向にずれて配置され，歯１１ｂと歯１１ｃは歯ピッチの１／４の角度だけ 円周方向にずれて配置されている。 １２は磁性鉄より成る回転子で，その内周には固定子歯（例えば，歯１１ａ） と同数の歯１３が設けてある。 歯１３は中子１９を介して回転軸１８に結合されている。１７は軸受である。 上記構成において，励磁コイル１４ａ，１４ｂに互に９０°電気角で位相のず れた交番電流を流せば，電流の方向が変わるごとに歯ピッチの１／４ずつ回転す る。 この回転方向は，位相の進み，遅れによって切り換えることができる。 静磁石１５による磁束と励磁コイル１４ａ及び１４ｂにより発生する磁束は， 図１（ａ）において夫々実線矢印と点線矢印で示したが，固定子側の歯１１ａ〜 １１ｄと回転子側の歯１３で形成するエアギヤップにおいて，歯１１ａでは加算 ，歯１１ｂでは減算，歯１１ｃでは減算，歯１１ｄでは加算の状態にあるが，コ イル１４ａの電流方向が変わるごとに歯１１ａと歯１１ｂは加算，減算が交互に 変わり，また同じくコイル１４ｂの電流方向が変わるごとに歯１１ｃと歯１１ｄ は加算，減算が交互に変わり，ステッピングモ−タはコイル１４ａまたは１４ｂ の電流が変わるごとに１／４ピッチ回転する。 静磁石１５による磁束は，このステッピングモ−タの回転に必要な磁束の略１ ／２を発生しているので電力消費が少なくて済み，効率も良くなる。 また，歯は第１の従来例（図５）のものに対し外側に位置するため，同一ステ ップ角でも歯分割精度が従来の工作精度でも維持し易く，ステップ角精度も良く なる。 トルクもロ−タ径で２^1/2倍はインナ−ロ−タに対し，本方式は同一外径でと れるので２倍は出せる。なお，歯１１ａ〜１１ｄをずらさないで，これらの歯の 対向位置にある回転子１２と歯１３を前述した歯１１ａ〜１１ｄの歯ずらし量だ けずらすようにしても良い。 図１（ａ）において，１０ｂと１０ｃは静磁石１５で連結しているが，靜磁石 １５だけの機械的強度で１０ｂと１０ｃを保持するのが不足である場合は，中子 １６を設けても良い。しかし，この場合，中子１６を磁性体で構成すると静磁石 １５の発生する磁束のバイパスを作ることになり，回転子歯１３及び１２への磁 束が不足する。このため中子１６を設ける場合は非磁性体である必要がある。 また，図６の第２の従来例のものにおける漏洩磁束に関しては，靜磁石１５の 漏洩磁束は図１（ａ）でモ−タの内側で発生し，中子１６の内部で漏洩磁束が存 在するが，これはモ−タ外部と関係なくなり問題は発生しない。 靜磁石１５の外周は磁性体１２で覆われており，磁性体１２の内部にはトルク に有効な磁束が通り漏洩は殆ど生じなくなる。 また，環状コイルでない永久磁石式アウタ−ロ−タステッピングモ−タの例は 実公平２−２３１０３に示されているが，内側固定子用靜磁石の出力軸と垂直方 向の面積はスロットが固定子にあるため小さく，界磁磁束が大きくできないか， または形状が円板状でなく複雑になったりする欠点があったが，本方式では固定 子外径に近い外径まで永久磁石１５の外径を大きくでき，従って，界磁磁束を大 きくでき，出力トルクも大きく効率も向上できる。

【０００８】 図２は本考案の第２の実施例を示すものである。 同図において，第１の実施例と同等の部分は図１と同一の符号で示し，回転軸 周辺は図示を省略した。 図１（ａ）に示した第１の実施例の固定子１０ａ〜１０ｄは鉄板を打ち抜き， 積層したり，焼結により製作するのに適した構造であるのに対して，図２に示す 第２の実施例のものは，１枚の磁性鉄板をプレスで打ち抜いて折り曲げる方法で 製作するクロ−ポ−ルといわれる固定子鉄心であり，図１の固定子１０ａ〜１０ ｄに相当するものが，図２では固定子２０ａ〜２０ｄである。 固定子２０ａ〜２０ｄの外周先端部には夫々磁歯２１ａ〜２１ｄが設けられて いる。 例えば，磁歯２１ａの製作方法としては，１枚の鉄板を菊花状の歯をもった形 状に打ち抜き，それを鉄板厚方向に直角に曲げることにより製作できる。 静磁石１５及び外側回転子１２及びその歯１３の配置は第１の実施例（図１） の場合と同一に構成すれば良い。 動作原理も第１の実施例（図１）と同じである。 相違する点としては，磁歯２１ａと磁歯２１ｂが，また磁歯２１ｃと磁歯２１ ｄがあるエアギヤップを持って歯と谷が組み合うことで，回転子歯１３との対向 面積が図１のものに対し，環状コイル１４ａ，１４ｂの外側の部分でも歯がある ため増えることと，１枚鉄板で各々固定子２０ａ〜２０ｄを作るため，第２の従 来例（図６）のものに比べコストが安くなる長所がある点である。 図２の固定子２０ａと固定子２０ｂ及び固定子２０ｃと固定子２０ｄは環状コ イル１４ａ，１４ｂの内円内で図１と同じく磁気的に短絡結合する必要があるが ，図２に示したように固定子２０ａ〜２０ｄの内円部を絞り曲げて互いに組合せ て磁気抵抗の減少と強度の確保ができる。 図３は図２の磁歯２１ａと磁歯２１ｂの配置関係を示すもので，回転子歯１３ から磁歯２１ａと磁歯２１ｂを見た図であり，磁歯２１ａと磁歯２１ｂが１／２ ピツチずれて歯と谷が組み合っている。同図では磁歯２１ａ，２１ｂは台形歯で 示したが矩形歯でもよい。 図６の構造の漏洩磁束の問題は図２の構造のものにおいても解決されている。 また，本考案の第１及び第２の各実施例（図１，図２）の回転原理は図４に示 した。 図４（ａ）〜（ｄ）は本考案の動作を示すための固定子と回転子の位置関係を 示すもので，（ａ）〜（ｄ）は２つのボビン巻きコイルが２相励磁で，その内１ コイルずつ電流の方向が切り換わり，その都度，回転子が図４で左方向に回転子 の歯ピツチの１／４ずつ歩進していることが判る。 上記したように，コイルに電流が流れ，それにより発生する磁束（点線の矢印 ）と永久磁石の磁束（実線矢印）が方向が同じ歯は加算され，方向が逆の歯では 減算または打ち消されるために歩進動作するものである。

【０００９】

【考案の効果】

本考案は上記のように構成されるから，次に述べるような優れた効果を有す る。 回転子径を大きく取れることから，高トルク，高分解能（歯数が多く取れるた めステップ角を小さくできる），高精度ステップ角のステッピングモ−タができ る。 永久磁石を使用しているため，消費電力が少なく効率が良い。 第１の実施例のものでは，図１（ａ）に示したように外側回転子となるため， 軸受１７が中子１９に対し片側に配置され，２個の軸受１７は１個とすることも でき，軸受１７の内径と回転子軸１８の外径によるクリアランスを確保し易 く ，そのため軸受をメタル化し易く，モ−タが安価になる。 第１の従来例（図５）のように軸受が回転子の両側にあると軸受の内径同士の 同心度，円筒度の確保は本方式より劣るからである。 従来例（図６）のものに対し漏洩磁束がなく，かつ，回転子径も大きいため， 高トルク，高分解能，高精度のステッピングモ−タとすることが可能である。 環状コイル構造のため，内側固定子の永久磁石の出力軸と直角方向の面積が大 となり，界磁磁束が増大し，出力トルクを増大できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案のステッピングモ−タの第１の実施例を
示すもので，同図（ａ）は縦断正面図，（ｂ）はその側
面図である。

【図２】本考案のステッピングモ−タの第２の実施例を
示すもので，同図（ａ）は縦断正面図，（ｂ）はその側
面図である。

【図３】図２の固定子歯の拡大図の一例である。

【図４】本考案の回転原理を説明した図である。

【図５】第１の従来例を示すもので，同図（ａ）は縦断
正面図，（ｂ）はその構造を示すための斜視図である。

【図６】第２の従来例を示す縦断正面図である。

【符号の説明】

１０ａ，１０ｂ；１０ｃ，１０ｄ：断面コ字状の磁極体
（固定子） １１ａ〜１１ｄ：固定子側の歯 １３：回転子側の歯 １５：靜磁石 １４ａ，１４ｂ：環状コイル

Claims (4)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 外周に複数等ピッチの歯を有する偏平な
   断面コ字状の１個の磁性体に励磁用の環状コイルを収納
   して１個の磁極体を形成し，上記磁極体と同一構造の他
   の磁極体を設け，これらの２つの磁極体を回転軸方向に
   着磁した静磁石を中間に挟んで連結して内側固定子と
   し，この内側固定子の外周側には磁性体からなる等ピッ
   チの歯を内周側にもった回転子を備え，上記環状コイル
   に交番電流を加えることにより環状コイルが収納された
   ２個の磁極体の各々対向する磁性体の歯と回転子の歯間
   の２つの空隙において環状コイルによる磁束と静磁石に
   よる磁束とが環状コイルに交番電流を流すことにより，
   交互に加算又は減算するように構成したことを特徴とす
   るアウタ−ロ−タ形の環状コイル型永久磁石式ステッピ
   ングモ−タ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の永久磁石式ステッピング
   モ−タにおいて，外周に複数の歯を有する偏平な断面コ
   字状の磁極体の代わりに磁性鉄板を菊花状に打ち抜き，
   その花びら状の等ピッチ部をその磁性鉄板の厚み方向に
   直角に曲げたものを２枚で上記ド−ナツ状励磁コイルを
   挟み，内周部は励磁コイルの内側で磁気的に短絡結合す
   るように構成したアウタ−ロ−タ形環状コイル型永久磁
   石式ステッピングモ−タ。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の永久磁石式ステ
   ッピングモ−タにおいて，永久磁石で結合している両側
   の各々の固定子磁極をその内部中心に設けられた穴の内
   周にて非磁性体で結合を補強するようにしたことを特徴
   とする環状コイル型永久磁石式ステッピングモ−タ。
4. 【請求項４】 請求項２記載の永久磁石式ステッピング
   モ−タにおいて，環状コイルの両側の固定子板の内周部
   を板厚が増加するようにオ−バ−ラップ結合するように
   したことを特徴とする環状コイル型永久磁石式ステッピ
   ングモ−タ。