JPH06205574A - 永久磁石式ステッピングモ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 振動，騒音を軽減し，レ−ザビ−ムプリンタ
駆動用として好適なステッピングモ−タを提供するこ
と。 【構成】 ハイブリッド型ステッピングモ−タにおい
て，各回転子磁極２Ａ，２Ｂの磁極歯ピッチを角度２π
とした時，固定子の小磁極歯幅を角度が略πで，回転子
磁極の磁極歯幅を略π／２の組合せ又は固定子の小磁極
歯幅を略π／２で回転子磁極の磁極歯幅を略πの組合せ
とするような特定条件を充足するように構成した。な
お，上記条件は固定子を内側に配置し，回転子は固定子
の外周に空隙を介して回転するように配置したアウタロ
−タ型の永久磁石式ステッピングモ−タ，さらに，固定
子の複数の小磁極歯の両端の小歯をその小歯の中心線に
対しその歯形を中心線の左右に略±πの範囲で対称形に
配置した構成のものに適用しても効果的である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレ−ザ−ビ−ムプリンタ
等のＯＡ機器のアクチュエ−タに使用される永久磁石式
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】図５〜図１０により従来技術の内容・構
成を説明する。図５（Ａ）は従来のハイブリッド型ステ
ッピングモ−タの出力軸となる回転軸３を含んだ縦断正
面図である。図５（Ｂ）は図５（Ａ）の例えばＸ−Ｘ’
断面図である。図５（Ａ），（Ｂ）において１は固定子
鉄心であり，２相巻線の場合は磁極１−１〜１−８の８
極方式が一般にとられ，各磁極の先端は複数個（本図で
は５個）の小歯が設けられている。５は励磁コイルであ
り，同図（Ｂ）に示すように各８極の磁極１−１〜１−
８に夫々巻線５−１〜５−８の形で巻かれている。６は
ハウジングであり，前，後の各ブラケット７及び７’に
嵌合し，これらのブラケット７及び７’は軸受８及び
８’を介して回転軸３を回転自在に支承している。２は
永久磁石で，２個の回転子磁極２Ａ，２Ｂで永久磁石２
を挟持して回転子Ｒを構成し，各回転子磁極２Ａ，２Ｂ
の外周には図５（Ｂ）に示す磁歯が設けられている。な
お，永久磁石２は図５（Ａ）に示すようにＮ，Ｓの２極
に磁化されている。

【０００３】図６は図５に示した磁極１−１〜１−８の
小歯が５個であったものを１個とし，回転子Ｒの回転子
磁極２Ａ，２Ｂの外周に形成される磁歯も５０個から１
０個へと簡略化して示した図であり，励磁コイルは図５
と同一符号で示している。なお，図６（Ａ）は図５
（Ａ）のＸ−Ｘ’断面図，図６（Ｂ）は図５（Ａ）のＹ
−Ｙ’断面図を示す。図６（Ａ），（Ｂ）より判るよう
に回転子Ｒの回転子磁極２Ａ，２Ｂは磁歯位置が１／２
ピッチずれて配置されている。図７は従来技術による固
定子小歯と回転子磁極の磁歯がその中心線を一致させて
対向配置して示した図であり，固定子の小歯を３個とし
た場合で示したものである。励磁コイル５に直流電流が
流れて磁極１−１が磁化されると，その極性と反対極性
の回転子が図７のように対面することになる。この時，
固定子の小歯の歯幅と回転子磁極の磁歯の幅は１：１か
又は回転子磁極の磁歯がやや小さく設計されている。図
７は１：１のときの図である。図８は図６（Ａ），
（Ｂ）の固定子と回転子をエアギャップの周方向に直線
展開した図であり，図８においては簡単のため同極性に
励磁される図６の磁極１−３，１−７をＡφ，これとは
逆極性に励磁される磁極１−１，１−５を−Ａφで示
す。同様に，磁極１−２，１−６の極性をＢφ，これと
逆極性となる磁極１−８，１−４の極性を−Ｂφで示
す。図８は１相励磁の状態であり，磁極１−３（１−
７）がＡφに励磁された時（この時，磁極１−１（１−
５）は逆極性の−Ａφに励磁される。）であるが，固定
子歯幅と回転子磁歯を１：１に設計すると，これらの磁
極１−３（１−７）磁極１−１（１−５）の各歯の両サ
イドのエッヂが回転子磁歯のエッヂと一致し，回転子を
エッヂが一致した状態で保持させようとするフリンジン
グ効果が働く。しかし，例えば，図９に示すように，磁
極１−３（１−７）のほか磁極１−２（１−６）も励磁
されてＡφとＢφの極性が生じるように励磁される２相
励磁の状態では固定子小歯と回転子磁歯のエッヂが一致
するところがなく，フリンジング効果は発揮できない。
なお，この場合，Ａφ及びＢφと夫々逆極性となる磁極
１−１（１−５）及び１−８（１−４）も夫々−Ａφ及
び−Ｂφの極性となるように励磁されるものである。こ
のような場合，例えばエアギャップにバラツキがある
と，エアギャップの小さな相に回転子が寄せられ静止位
置精度も悪くなる。又，固定子の励磁コイル５に通電さ
れないときの無励磁時のトルクであるデテントトルクは
図８，図９の図で固定子が磁化されていない状態であ
り，図８，図９の固定子の極性Ｎ，Ｓ，Ｎ’，Ｓ’を取
り去った図で考えて図８及び図９の固定子と回転子の相
対位置で夫々バランス点が存在し，図８と図９では回転
子の位置はπ／４ずれているため，従来の２相ハイブリ
ッドステッピングモ−タのデテントトルクはπ／４ごと
にバランス点（安定点）をもったサイクル波形というこ
とが判る。この従来のデテントトルクと固定子位置と回
転子位置の関係を図１０に示す。固定子（ステ−タ）に
対し回転子（ロ−タ）が図１０の関係位置にあるとき
は，安定点のためデテントトルクは零であるが，固定子
に対し回転子が移動していくと図１０に示すようなπ／
４ごとに，トルクが零の周期でπ／２となるデテントト
ルクが発生する。これは回転子の歯のピッチが２πのた
め，１相を励磁した時の保持トルクは周期が２πである
のに対し，４倍周波となり保持トルクの波形に加わって
正弦波から歪んだ波形にし，かつ例えば２相ステッピン
グモ−タの場合，そのステップ角は電気角表示でπ／２
（歯ピッチの１／４），３相ステッピングモ−タはπ／
３，Ｐ相モ−タはπ／Ｐとなり，ステッピングモ−タの
入力パルスが毎秒ｆの時，従来モ−タはステップ角とデ
テントトルクの周期が一致しているという特質がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の構
成では，ステッピングモ−タを毎秒ｆパルスで駆動する
時，上述したデテントトルクの変化分がその周期がステ
ップ角と一致しているために，ｆサイクルの振動成分と
なってモ−タを加振する。このため，ステッピングモ−
タをシャ−シ−に取付けた時，又は出力軸を負荷に連結
した時にｆサイクルの騒音が特に大きくなるという問題
点があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のハイブリッド型
のステッピングモ−タでは，基本的には回転子の歯ピッ
チを２πとした時，その回転子の歯幅をπ／２とし，従
って谷幅は（３／２）πとし，固定子の磁極の先端の小
歯の歯幅をπ，従って，谷歯もπとすることによって，
ステップ角は従来のステッピングモ−タと同一値であり
ながらデテントトルクの周期は従来のステッピングモ−
タの１／２にさせるものである。なお，上記の条件は，
固定子の複数の小磁極の両端の小歯を中心線に対し歯形
が左右で略±πの範囲で対称となるように配置した永久
磁石式ステッピングモ−タにも，また，アウタ−ロ−タ
型のステッピングモ−タにも同様に適用可能である。

【０００６】

【作用】本発明のものでは，上記のように固定子の小歯
及び回転子磁極の磁歯の歯幅と谷幅の比を特定のものに
構成し，毎秒ｆパルスでステッピングモ−タを駆動して
も電気角表示のステップ角度とデテントトルクの周期が
大きく異なるようにしたものであるから，デテントトル
クの変化は相の切替頻度である毎秒ｆと異り，従来のよ
うにｆサイクルの成分としては現われなくなる。

【０００７】

【実施例】以下図１〜図４に示す実施例によって本発明
を具体的に説明する。なお，これら各図において，従来
のものと対応する構成については，図５〜図１０のもの
と同一の符号を付して示した。図１は本発明の第１の実
施例であるステッピングモ−タの固定子磁極の内の１つ
とその小歯と回転子歯の関係を示したものである。ま
ず，本発明の特徴を概括的に言えば，従来のステッピン
グモ−タの構造である図５（Ａ），（Ｂ）において，固
定子の小歯及び回転子磁極の磁歯の歯幅と谷幅の比を特
定し，電気角表示のステップ角の１／２がデテントトル
クの周期となるように構成した点にその構成上の特徴が
あるといえる。次に，この構成の詳細を説明する。図１
において，磁極１−１の小歯は３個の小歯で示してい
る。図１に示したように本発明は回転子磁極２Ａ，２Ｂ
の歯ピッチを夫々２π（ラジアン）とした時，これらの
回転子磁極２Ａ，２Ｂの歯幅を夫々π／２，従って谷幅
は夫々（３／２）πとし，固定子磁極の小歯の歯幅は
π，従って谷幅もπとなるようにしたものである。さら
に，付言すれば，本発明は同一発明者の特許出願に係わ
る特開昭５８−３３７５１号の発明を発展させた内容の
発明である。即ち，特開昭５８−３３７５１号の発明で
は，固定子を２相励磁した時に静止角度誤差を向上させ
る目的でフリンジング効果を発揮させるための回転子歯
幅を限定したものであったが，本発明のものでは，固定
子の歯幅をさらに限定させてフリンジング効果がより均
等に作用するように改良したもので，その目的はデテン
トトルクの周期を従来技術に対し１／２とすることでス
テッピングモ−タ駆動時の振動及び騒音を低下させよう
とするものである。図１でコイル５は無励磁の時で回転
子が磁極１−１の小歯の右端とエッヂが合致してフリン
ジング効果が働き，１つの安定点となっていることを示
したものである。回転子を左方向へ移動させようとする
と，フリンジング効果により現在位置を保とうとする力
が働くが，更に大きな外力で回転子を左側へ移動させる
と回転子は次に固定子小歯の左端とエッヂが合致した所
で安定点となってその位置を保とうとする力が働くもの
で，前述した図７に対し２回安定点を持つようにした点
に特徴がある。

【０００８】図３は従来技術の２相励磁時の固定子と回
転子の位置関係を示した図９の関係を本発明の場合で対
応して示した図である。固定子の小歯より回転子磁極の
磁歯が図９のように，はみ出してないことが判る。

【０００９】次に，図４により固定子の小歯幅がπで，
回転子磁極の歯幅がπ／２が何故必要か又，その時のデ
テントトルクの周期について説明する。図４は従来技術
の図１０に相当する関係を本発明の場合で説明するため
の図である。図４にはＡφとなる極性の磁極の回転子磁
極の磁歯Ｎの中心が，従ってこれとは逆極性の−Ａφの
磁極の回転子磁歯Ｓの中心が一致した状態を示すもので
あるが，ここでも各磁極の左右のパ−ミアンスは同一の
ため１安定点を成す。これはデテントトルクの点線部と
横軸の角度との交点に相当する部分である。図４の固定
子と回転子の位置から回転子を外力でずらすと，回転子
磁極の磁歯から見た左，右のパ−ミアンスが異なってく
る。例えば，Ｎから出た磁束はＢφとなる極性の磁極の
固定子の小歯幅部を通って同じＢφの磁極の小歯部と対
面しているＳにもどることになるが，現在位置が安定点
である。従って，この場合は現在位置へもどろうとする
力が働くが，フリンジング効果による安定点ではないの
で点線で示した。図４の位置関係から回転子を左側へ移
動させて，Ａφの左端と回転子のＮ極の左端が合致した
所が次の安定点であり，これはデテントトルクの実線部
と横軸との交点に相当する。この場合，例えば，回転子
Ｓ極の左端は−Ａφとなる磁極の左端と又Ｓ極の右端は
Ｂφとなる磁極の右端と合致させることができ，同様に
Ｎ極もＡφとなる磁極の左端，Ｂφとなる磁極の右端と
合致し安定化している。しかし，固定子磁極の小歯幅を
例えばπより小さくして回転子磁歯の歯幅はπ／２とす
ると，回転子のＮ，Ｓ極はＡφ及び−Ａφとなる各磁極
の左端とはエッヂが合致できてもＢφ及び−Ｂφとなる
磁極の右端とは合致できずフリンジング効果が各相，均
等に働かなくなるものである。従って，固定子の小歯幅
がπとなることが必要となるものである。図４の場合，
回転子位置を固定子に対し移動させていくと，上述した
ように，安定点は固定子歯幅π及び回転子歯幅π／２の
効果で，従来技術のステッピングモ−タの場合の図１０
に対して２倍となり，デテントトルクの周期は１／２と
なり図４に示したようなデテントトルクの波形となる。
このため，従来技術のデテントトルクの周期が前述した
ようにステップ角と一致するため駆動周波数と同一の周
波数で大きな振動及び騒音成分が出ていたが，本発明に
より，デテントトルクの周期を１／２としたため，駆動
周波数成分の振動，騒音を大幅に減らすことができる。

【００１０】図２は本発明の第２の実施例を示すもので
ある。次に，この実施例の技術的な考察を図１に示した
第１の実施例との比較で説明する。即ち，図１の磁極１
−１の歯溝（谷部）の形状は矩形よりも図１に示したラ
ジアル方向にストレ−トを一部持った円弧状に形成した
方がトルクが多く得られるため使用されている。この場
合，図１において，３個の磁極１−１の小歯の右端でフ
リンヂング効果の状態にあるが，磁極１−１の右端の小
歯の右端はラジアル方向にストレ−トであるのに対し，
磁極１−１の中央及び左端の夫々の右端部は円弧状のた
め回転子から見たパ−ミアンスは大きくなり，保持トル
クも大きくできる。第２の実施例のものでは，この点を
考慮した発明であり，図２に示すように，固定子（ステ
−タ）の磁極たとえば，磁極１−１’の両端の小歯をそ
の小歯の中心線に対しその歯形を中心線の左右に略±π
の範囲で左右に磁気的に対称性を保つような形状に形成
した上で，第１の実施例の場合と同様，回転子の回転子
磁極の磁極歯ピッチを角度２πとした時，固定子の小磁
極歯幅を角度が略πで，回転子磁極の磁極歯幅を略π／
２の組合せ又は固定子小磁極歯幅を略π／２で回転子磁
極の磁極歯幅を略πの組合せとするように固定子の小歯
及び回転子磁極の磁歯の歯幅と谷幅の比を特定したもの
である。従って，コイルを入れるスロット部のスペ−ス
が十分あれば，図２に示す本実施例のように，磁極１−
１’の小歯形状は全てその中心線に対し対称とすること
により第１の実施例よりも駆動時の周波数成分で振動，
騒音は軽減される。

【００１１】さらに，本発明は図示しないが，固定子を
内側に配置し，回転子は固定子の外周に空隙を介して回
転するように配置したアウタロ−タ型の永久磁石式ステ
ッピングモ−タに対して適用しても同等の作用効果が期
待できるものであり，この場合には，上記回転子の回転
子磁極の磁極歯ピッチを角度２πとした時，固定子の小
磁極歯幅を角度が略πで，回転子磁極の磁極歯幅を略π
／２の組合せ又は固定子小磁極歯幅を略π／２で回転子
磁極の磁極歯幅を略πの組合せとすることになる。

【００１２】

【発明の効果】本発明に成る永久磁石式ステッピングモ
−タは，デテントトルクを従来技術のものに対しその周
期を１／２とできるため，駆動時の周波数成分に振動，
騒音が現われず，ステッピングモ−タでありながら静か
なアクチュエ−タを実現でき，レ−ザ−ビ−ムプリンタ
−等のＯＡ機器用として好適であるという優れた効果を
有する。なお，実験によれば，１．８゜ステップ角の２
相モ−タで１４００ｐｐｓで駆動した場合でダイナミッ
クトルクは７％程度減少したが，モ−タの振動は従来技
術の２Ｇが０．４Ｇと大幅に低減できることが確認され
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の固定子と回転子の構成
を示す要部正面図である。

【図２】本発明の第２の実施例の固定子と回転子の構成
を示す要部正面図である。

【図３】本発明による２相励磁状態の固定子と回転子の
磁極の展開図である。

【図４】本発明によるステッピングモ−タのデテントト
ルクの発生関係を固定子，回転子の磁極配置で示す配置
図である。

【図５】従来技術のものの永久磁石式ステッピングモ−
タの構成を示すもので，同図（Ａ）は縦断正面図，同図
（Ｂ）は同図（Ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。

【図６】図６（Ａ）は図５（Ａ）のＸ−Ｘ’断面図を，
また，図６（Ｂ）は図５（Ａ）のＹ−Ｙ’断面図を夫々
簡略化して示したものである。

【図７】従来技術のものの固定子と回転子の構成を示す
要部正面図である。

【図８】従来技術のものの１相励磁状態の固定子と回転
子の磁極の展開図である。

【図９】従来技術のものの２相励磁状態の固定子と回転
子の磁極の展開図である。

【図１０】従来技術のもののステッピングモ−タのデテ
ントトルクの発生関係を固定子，回転子の磁極配置で示
す配置図である。

【符号の説明】 １−１：磁極 ２Ａ，２Ｂ：回転子磁極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の放射状に配設した磁性体より成る
   励磁巻線を有する固定子磁極の内側先端に夫々複数の小
   磁極歯を有し，空隙を介して上記小磁極歯と対向配置さ
   れた磁極歯を有する２個の回転子磁極により回転軸方向
   に磁化した永久磁石を挟持して成る回転子を備えたハイ
   ブリッド型ステッピングモ−タにおいて，上記各回転子
   磁極の磁極歯ピッチを角度２πとした時，固定子の小磁
   極歯幅を角度が略πで，回転子磁極の磁極歯幅を略π／
   ２の組合せ又は固定子の小磁極歯幅を略π／２で回転子
   磁極の磁極歯幅を略πの組合せとしたことを特徴とする
   永久磁石式ステッピングモ−タ。
2. 【請求項２】 固定子を内側に配置し，回転子は固定子
   の外周に空隙を介して回転するように配置したアウタロ
   −タ型の永久磁石式ステッピングモ−タにおいて，上記
   回転子の回転子磁極の磁極歯ピッチを角度２πとした
   時，固定子の小磁極歯幅を角度が略πで，回転子磁極の
   磁極歯幅を略π／２の組合せ又は固定子小磁極歯幅を略
   π／２で回転子磁極の磁極歯幅を略πの組合せとしたこ
   とを特徴とする永久磁石式ステッピングモ−タ。
3. 【請求項３】 固定子の複数の小磁極歯の両端の小歯を
   その小歯の中心線に対しその歯形を中心線の左右に略±
   πの範囲で対称形に配置するようにしたことを特徴とす
   る請求項１記載の永久磁石式ステッピングモ−タ。