JPH07147762A

JPH07147762A - ステッピングモータ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH07147762A
Application number: JP6147183A
Authority: JP
Inventors: Elmer C Allwine; エルマー・シー・オールワイン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-06-07
Filing date: 1994-06-06
Publication date: 1995-06-06
Also published as: US5369323A; EP0630098A2; CA2125248A1; EP0630098A3

Abstract

(57)【要約】【目的】製造コストが低いだけでなく、明確に定義
された磁極を備えたロータを有するステッピングモータ
を提供することを目的とする。【構成】第１の部分と第２の部分とを備えた複数の
磁極を備えた組合わせ磁石と、前記複数の磁極を備えた
組合わせ磁石と機能的な関係に配置された少なくとも一
つのステータ部材と、前記組合わせ磁石と前記少なくと
も一つのステータ部材を共通軸に関して位置決めする手
段とを有し、前記複数の磁極を備えた組合わせ磁石の第
１の部分と第２の部分が各々連結部材と円弧型部材とか
らなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はステッピングモータに関
し、特に組合せ磁石を用いたステッピングモータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】Ｂａｅｒによる米国特許第４，２０７，
４８３号明細書には、軸方向に磁化された埋め込まれた
永久磁石を備えたロータを用いたステッピングモータが
開示されている。このステツピングモータでは、２個の
ステータ部材に関連する２個のコイルの一方を励磁する
ことによって、ロータがある停止位置へ移動する。

【０００３】このステッピングモータの主な欠点は、そ
の製造が困難なことである。上述された米国特許明細書
には、モータの歯部に固定されたセラミック製のリング
の周縁部に沿って等間隔に配置された１２個の永久磁石
が開示されている。最良の性能を得るために、永久磁石
の領域の中心は、ステータの磁石の歯部の半径方向の中
心として、モータの軸から半径方向に等しい位置に配置
されている。永久磁石の領域の中心をモータの軸から半
径方向に等しい位置に配置するために、セラミック製の
リングと、１２個の永久磁石を正確に製造する設備が必
要となる。更に、セラミック製のリング内に永久磁石を
組み付ける作業は、多くの時間と労力を費やす。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、製造コストが低いだけでなく、明確に定義された磁
極を備えたロータを有するステッピングモータを提供す
ることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述された目的は、第１
の部分と第２の部分とを備えた複数の磁極を備えた組合
わせ磁石と、前記複数の磁極を備えた組合わせ磁石と機
能的な関係に配置された少なくとも一つのステータ部材
と、前記組合わせ磁石と前記少なくとも一つのステータ
部材を共通軸に関して位置決めする手段とを有し、前記
複数の磁極を備えた組合わせ磁石の第１の部分と第２の
部分が各々連結部材と円弧型部材とを有し、前記第１の
部分と前記第２の部分が軸線上の相異なる向きに磁化さ
れており、前記第１の部分と前記第２の部分の前記連結
部材が前記共通軸に整合されており、前記第１の部分と
前記第２の部分の前記円弧型部材が並置されていること
を特徴とするステッピングモータを提供することによっ
て達成される。

【０００６】

【作用】本発明に基づけば、製造が容易で高いトルクを
提供する小型のステッピングモータが提供される。ステ
ッピングモータは、ロータとして働く複数の磁極を備え
た組合せ磁石と、このロータの角変位を決定する少なく
とも１個のステータ部材と、ロータ及びステータ部材を
共通の軸上に位置決めする手段とを有する。

【０００７】組合せ磁石は、連結部材と、連結部材に一
体形成された円弧型部材とを各々が備えた２個の部分か
らなる。組合せ磁石を形成するために、２つの部分の連
結部材は軸に沿って整合され、２つの部分の円弧型部材
は並置される。第１の部分と第２の部分は軸線上に互い
に逆向きに磁化され、そのために次の２つの利点がもた
らされる。第１の利点は、組合せ磁石が単位体積当たり
の高いエネルギの発散領域を提供するので、従来のステ
ッピングモータと比較して非常に小型のステッピングモ
ータを製造できることである。第２の利点は、突出部及
び開口部が異なる向きに磁化されているので、磁極が非
常に明確に定義され、磁極が完全に飽和した状態まで磁
化され、従って組合せ磁石によって正確さと高いトルク
が提供されるということである。

【０００８】各々のステータ部材は、少なくとも１個の
磁極を有し、この磁極は組合せ磁石に対して動作可能な
関係に位置決めされている。本発明では、巻線は各々の
磁極に巻き付けられるか、または予め形成されて各々の
磁極に配置される。これらの巻線に電流を流すことによ
って、ステータ部材の少なくとも１つの磁極の極性が決
定される。

【０００９】

【実施例】本出願は、１９９３年１１月２日に発行され
た米国特許第５，２５８，７３５号“Ｍｕｌｉｔ−Ｐｏ
ｌｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｇｎｅｔ”の一部継続
出願である１９９３年６月８日に発行された米国特許第
５，２１８，２５１号“ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｇｎ
ｅｔＳｔｅｐｐｅｒＭｏｔｏｒ”の一部継続出願で
ある。

【００１０】図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂは、組
合わせ磁石の各部分が突出部または開口部の何れかを備
えている組合わせ磁石の実施例を示している。図１Ａ
は、構成部材２と一体形成された突出部を備えた組合わ
せ磁石４の平面図を表している。図１Ｂは、図１Ａに表
された組合わせ磁石４の断面図を表している。図２Ａ
は、図１Ａ及び図１Ｂに表された組合わせ磁石４の補完
的な部分である組合わせ磁石５の平面図を表している。
磁石４とは異なり、磁石５は構成部材７を貫通する開口
部６を備えている。図２Ｂは、磁石５の断面図である。

【００１１】図１Ｂに示された磁石４に形成された突出
部１は、図２Ｂに示された磁石５に形成された開口部６
と整合する。特に、磁石４を磁石５に連結するために、
突出部１が開口部６に組み合わされる。組合わせ磁石の
各部分の磁石４または磁石５は、（図５を参照して後に
より詳しく説明されるように）互いに逆向きに磁化され
ているので、完全な磁気飽和が可能となり、すなわち特
定の磁極が部材全体に亘って特定の強度で均質に形成さ
れる。

【００１２】いくつかの従来のロータでは、“ブロッホ
ウォール（ＢｌｏｃｈＷａｌｌ）”効果のために、Ｎ
極及びＳ極が明瞭に画定されない。“ブロッホウォー
ル”効果は、Ｎ極とＳ極が磁性材料の同じ部分に形成さ
れる場合に特に発生する。“ブロッホウォール”効果が
発生したとき、ある極性の磁極から他の極性の磁極への
遷位は、磁界を減少させ、かつＮ極からＳ極へ及びＳ極
からＮ極へ段階的に切り換ることによって実施される。
言い換えれば、ある極性の磁極から他の極性の磁極へ遷
位するために、磁性材料内で特定の距離が必要とされ
る。一般的には、磁極を切り換えるために必要な距離
は、明確に画定された磁極を構成するためには大きすぎ
る値である。更に、磁石は種々の寸法のフェライト粒子
から構成されており、このフェライト粒子には製造過程
中で不純物が混入するために、磁極を遷位させるための
距離は変化し、従って明確に画定された磁極を形成する
ことが更に困難となる。ロータの磁極が明確に画定され
ていないために、非常に好ましくない位置決め角の不正
確さが生じる。

【００１３】従来の磁石とは異なり、本発明に基づく組
合わせ磁石は異なる磁石の部分に形成された磁極を有す
る。このような構成によって、磁石を構成する材料の均
質性または製造過程で磁石内に混入した不純物にかかわ
りなく、磁極間の遷位距離は幾何学的に固定された値と
なる。特に、磁石４が磁石５と連結されたとき、（“ブ
ロッホウォール”効果として表示された）Ｎ極からＳ極
への遷位領域及びＮ極からＳ極への遷位領域は実質的に
除去されるために、非常に明確に画定された磁極が形成
される。

【００１４】突出部１の高さは、開口部６の深さと等し
い。従って、磁石４が磁石５と連結されたとき、組合わ
せ磁石の外側の表面は平坦となる。このようにして、本
発明は、従来技術で問題とされていた機械的な整合の問
題を解決するので、組合わせ磁石をより広範囲に亘る用
途に使用することができる。

【００１５】図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ及び図４Ｂは、ス
テッピングモータ用の組合わせ磁石の実施例を表してお
り、この組合わせ磁石は、突出部と開口部とを各々が備
えた２個の部分からなる。図３Ａは、本発明に基づく組
合わせ磁石の一方の部分の平面図を表している。図３Ａ
の磁石３０は、突出部３１と、（それぞれ外側構成部材
及び内側構成部材である）構成部材３２及び３４と、開
口部３３と、シャフト用の開孔３５とを有する。図３Ｂ
は、磁石３０の断面図である。

【００１６】図４Ａは、磁石３０の補完的な（及び同一
の）一部である磁石４０を表している。図４Ａに示され
ているように、磁石４０は、突出部４１と、（各々外側
構成部材及び内側構成部材である）構成部材４２及び４
４と、開口部４３と、シャフト用の開孔４５とを有す
る。図４Ｂは、磁石４０の断面図である。この実施例で
は、磁石３０と磁石４０は、１．７８cm（０．７０イン
チ）の内径ｄと、３．５６cm（１．４０インチ）の外形
Ｄとを備えている。外側構成部材３２及び４２の角度幅
は０．１３cm（０．０５インチ）であり、一方この外側
構成部材の厚みｔ１は０．２５４cm（０．１０インチ）
である。各々の突出部３３及び４３の厚さｔ２は、０．
２５４cm（０．１０インチ）であり、一方各々の開口部
３１及び４１の深さは０．２５４cm（０．１０インチ）
である。突出部３３及び４３の任意のエッジ部分から隣
接する突出部のエッジ部分への角変位は２２．５°であ
る。全ての測定値は近似値であり、本発明の１つの実施
例として参照されるものであるということが注意され
る。

【００１７】磁石３０が磁石４０と連結され、組合わせ
磁石が形成される。例えば、磁石３０及び磁石４０は、
磁石３０の点Ｐ１と磁石４０の点Ｐ２が隣接し、突出部
３１が開口部４３に嵌合されるように連結される。上述
されたように、突出部３１の高さは開口部４３の深さと
等しいので、組合わせ磁石の外側表面は平坦となり、組
合わせ磁石は、０．５０８cm（０．２インチ）の厚さを
有する。

【００１８】磁石３０及び４０のような組合わせ磁石の
２個の部分を磁化する様子が図５に示されている。（そ
れぞれＮ極とＳ極である）２個の磁極５４Ａ及び５４Ｂ
を用いて磁化するような従来の方法によって、Ｎ極及び
Ｓ極が構成部材５０及び５１に形成される。この方法は
非常に簡単かつ低コストである。構成部材５０及び５１
は、構成部材５０及び５１を互いに向かい合うように配
置することによって、従って磁極をある一定の方向に沿
って組合わせることによって、物理的に同時に磁化する
ことができる。構成部材５０及び５１は、これらの２つ
の構成部材を連結するために、軸方向の互いに逆の向き
に磁化されているために、磁化された構成部材５０が磁
化された構成部材５１に接近するとき、各々の磁石のＮ
極が接近するために始めに反発力が発生する。

【００１９】しかし、突出部５２が開口部５３内に挿入
された後は、一方の構成部材のＮ極ともう一方の構成部
材のＳ極との間の吸引力によって構成部材５０と構成部
材５２が一体化される。構成部材５０及び５１の形状に
よって、構成部材５０の表面５５と構成部材５１の表面
５６との間に僅かな反発力が発生する。上述された吸引
力が、これらの反発力よりも非常に大きいにも関わら
ず、２個の磁石を連結した後に空隙が形成されないこと
を確実にするために、強力な接着剤が構成部材５０及び
５１の表面を連結するために用いられる。

【００２０】構成部材５０と構成部材５１との間の強力
な結合力によって組合わせ磁石が形成される。このよう
にして、組合わせ磁石は、突出部と開口部のパターンに
一致するＮ極とＳ極の磁気的なパターンを表す単一の永
久磁石として働く。上述された磁化方法によって、軸上
のＮ極とＳ極すなわち共通の中心から半径方向に分離さ
れていない、軸５８に沿って配置された磁極が形成され
る。

【００２１】図１〜図４に例示されているように、組合
わせ磁石の突出部及び開口部の寸法は、組合わせ磁石が
用いられる特定の用途に応じて変更される。組合わせ磁
石の補完的な部分は、従来の機械加工または（製造コス
トを大きく減少させる）射出成形過程によって製造され
る。限定を意図するものではないが、組合わせ磁石を構
成する好適な材料は、プラスチック内に練り込まれたた
バリウムフェライト、例えば３Ｍ社製の磁性材料Ｂ１０
６０−Ｂ１０６２と、Ｔｅｎｇａｍ社から“ＮｅｏＣｏ
ｍｐ”（商標）で販売されている、より高いエネルギを
生み出すためのプラスチック内に練り込まれたネオジム
ボロンと、コスト面から使用が可能ならばサマリウムコ
バルトなどの希土類元素と、または成形可能なセラミッ
ク材料とを含む。

【００２２】組合わせ磁石は、非常に正確に機械加工さ
れたモールドから形成されているので、Ｎ極及びＳ極の
角変位は事実上完全なものとなる。更に、任意のＮ極と
Ｓ極の間の領域は非常に狭く（０．５°）、かつ非常に
正確な半径方向の直線に沿って配置されている。この狭
い領域によって、組合わせ磁石が、Ｎ極からＳ極へまた
はＳ極からＮ極への非常に迅速に遷位することが可能と
なる。非常に高速な磁極の変化（当業者にはｄφ／ｄθ
で定義されている）が、任意の角度線に対して非常に正
確に配置されているために、角変位誤差が非常に小さい
ものとなる。

【００２３】ステッピングモータは、“オープンルー
プ”のデジタル的に制御された位置決めシステムで用い
られ、このシステムはロータの絶対位置を決定するため
のフィードバックループを備えていない。従って、ステ
ッピングモータの“ステップ”、即ちロータの位置の誤
差を最小にすることが非常に望まれている。本発明に基
づけば、組合せ磁石は、非常に高速な磁極の変化を提供
することによって、位置決め誤差を非常に減少させる。

【００２４】更に、多くの従来のステッピングモータで
は、長いシリンダの周囲に磁界が形成される。これとは
反対に、本発明では、図１４を参照しながら詳しく説明
されるように、比較的厚い円盤の両側から組合せ磁石の
磁界が放射されるので、エネルギ変換空間の幾何学的形
状を大きく変化させる。特に、従来のステッピングモー
タが、半径方向に沿って配置された電磁極に力を加える
半径方向の磁界を有するが、本発明は、軸線方向に沿っ
て配置された電磁極に力を加える軸線方向の磁界を備え
ている。即ち、組合せ磁石は従来のステッピングモータ
と比較して、単位体積当たりのエネルギ変換のための面
積を増加させる。例えば、従来技術のロータのシリンダ
の表面積は、２πｒｈ1であり、本発明に基づく組合せ
磁石の２つの円形の表面の表面積は、２πｒ²（ここで
ｒはシリンダと組合せ磁石の半径であり、ｈ1はシリン
ダの高さを表している。）。シリンダと組合せ磁石の表
面積（即ちエネルギ変換のために利用可能な面積）は互
いに等しくなければならないので、シリンダの高さｈ1
は組合せ磁石の半径ｒに等しくなければならない。シリ
ンダの体積は、πｒ²ｈ1であり、一方組合せ磁石の体積
はπｒ²ｈ2である（ここでｈ2は、組合せ磁石の厚さを
表している。）。即ち、以下に示す比が導かれる。組合せ磁石の体積／シリンダの体積＝πｒ²ｈ2／πｒ²ｈ1＝ｈ2／ｈ1

【００２５】典型的な応用例では、組合せ磁石の厚さｈ
2は０．５０８cm（０．２インチ）であり、シリンダの
高さｈ1は２．５４cm（１インチ）である。上述された
測定値を用いると、１〜５の比が求められる。この結果
は、エネルギ変換のために用いることのできる等しい表
面積を得るためには、組合せ磁石は少なくともシリンダ
よりも５分の１以下の体積でなければならないことを意
味する。

【００２６】従って、有効なエネルギ変換面積と等しい
表面積を得るために、ロータは組合せ磁石を備えたえ、
シリンダを備えた従来のロータと比較し、ステッピング
モータの体積をより有効に利用することを可能とする。
従って、所定のトルクを得るために、本発明に基づくス
テッピングモータの体積を、従来技術のステッピングモ
ータと比較して非常に減少させることができる。実際
に、本発明によれば、永久磁石によって形成された磁束
が電気磁気極と相互に作用する高密度のエネルギ変換体
積が形成される。

【００２７】更に、シリンダの慣性モーメントは１／２
ｍｒ²に等しいことが公知であり、ここでｍは材料の密
度に体積をかけた値に等しい質量を表している。従っ
て、シリンダのロータと組合せ磁石の両方に等しい材料
を用いた場合、組合せ磁石は従来技術のロータよりも少
ない慣性モーメントを提供し、より高いステッピング速
度が達成される。

【００２８】図６は、組合せ磁石６４を含む本発明に基
づくステッピングモータ６６を例示している。図６で
は、１個の実施例のモータシャフト６０は３個の部分か
らなる。部分６０Ｃは、ロータとして機能する組合せ磁
石６４を保持している。この実施例では、組合せ磁石６
４はその中心に開口部６４Ａを有し、この開口部はシャ
フト６０の部分６０Ｃ（０．２５平方インチの部材）と
整合する。組合せ磁石６４の正方形の開口部と、シャフ
ト部分６０Ｃを組合わせることによって、シャフト６０
の滑りが防止される。他の形状の開口部６４Ａとシャフ
ト部分６０Ｃを、シャフト６０上で組合せ磁石６４が滑
ることを防止するために用いることもできる。部分６０
Ｂ及び６０Ｂ′は、各々左側スペーサ６３Ａと右側スペ
ーサ６３Ｂを保持し、この様子は以下に詳しく説明され
る。

【００２９】部分６０Ａ及び６０Ａ′は、各々モータハ
ウジング部材６２Ａ及び６２Ｂの開口部６９Ａ内の中心
に配置され、ベアリング６１（図７）によって支持され
る。ベアリング６１は、回転するシャフト６０と固定さ
れたモータハウジング６２Ａまたは６２Ｂとの間の摩擦
の少ない境界面を提供する。部分６０Ａ、６０Ｂ、６０
Ｃ、６０Ａ′、６０Ｂ′及び６０Ｃ′は、一体的に形成
されているので、トルクの高い状態のための強いシャフ
トが提供される。シャフト６０は、アルミニウムまたは
ステンレス鋼などの非磁性材料から構成されている。非
磁性材料から形成されたモータハウジング部材６２Ａ及
び６２Ｂは、ステータ部材６５Ａ及び６５Ｂを環状の鋸
歯状部６９Ｂに保持する。ハウジング部材６２Ａ及び６
２Ｂ内に形成された環状の鋸歯状部６９Ｃはベアリング
６１を保持する。

【００３０】シャフト６０Ｂに圧入嵌合された左側スペ
ーサ６３Ａは、組合せ磁石６４の一方の表面に対して平
坦な表面を提供する。シャフト部分６０Ｂ′に取着され
た右側スペーサ６３Ｂは、組合せ磁石６４のもう一方の
表面に対して平坦な表面を提供する。従って、組合せ磁
石６４は、左側スペーサ６３Ａと右側スペーサ６３Ｂと
の間に挟まれて配置されている。左側スペーサ６３Ａと
右側スペーサ６３Ｂは、シャフト６０と直角をなす平面
を形成するので、左側スペーサ６３Ａと右側スペーサ６
３Ｂは、組合せ磁石６４の軸線方向の動揺を防止する。
左側及び右側スペーサ６３Ａ及び６３Ｂもまた、非磁性
材料から形成されている。

【００３１】図６に示された部材の個数は、従来技術
（例えばＢａｅｒの米国特許第４，２０７，４８３号）
の部材の個数と比べ非常に減少していることが注目され
る。従って、本発明に基づくステッピングモータの製造
コストは、従来技術のステッピングモータの製造コスト
よりも低くなっている。更に、これらの部材は加工及び
組立が従来技術の部材に比べて容易なために、ステッピ
ングモータの製造コストが更に低くなる。

【００３２】更に、上述されたように単位体積当たりの
エネルギ変換面積について考えると、ロータとして組合
せ磁石を用いたステッピングモータの出力は、等しい寸
法の従来技術のステッピングモータの出力よりも大き
い。従って、単位出力当たりのコストは従来のステッピ
ングモータよりも低い。

【００３３】図７は、図６のステッピングモータ６６の
断面図である。磁極６７が、ステータ部材６５Ａ及び６
５Ｂの上に形成されている。磁極６７に巻き付けられた
相巻線は、相巻線６８（以下に詳しく説明される）を流
れる電流によって磁束密度の変化する電磁石を形成し、
組合せ磁石６４に隣接する任意の磁極６７の表面にＮ極
またはＳ極を形成する。

【００３４】ステータ部材６５Ａまたは６５Ｂの各々
は、磁極６７に巻き付けられた巻線によって形成された
２つの相を有する。図７に示されているように、ステー
タ部材６５Ａは相Ａ及び相Ａ′を含み、ステータ部材Ｂ
は、相Ｂ及び相Ｂ′を含む。図８は、ステータ部材６５
Ａの相Ａ及び相Ａ′の部分斜視図である。相Ａは、共通
ノードＣＯＭＭから始まり、磁極８０に反時計方向に巻
き付けられ、次に磁極８１に時計方向に巻き付けられ
る。磁極８２及び磁極８３には、相Ａは巻き付けられ
ず、次に（図９Ａに示されているように）磁極８４には
反時計方向に、磁極８５には時計方向に各々相Ａが巻き
付けられる。この巻き付けパターンが、相Ａに関する最
後の１組の磁極、この場合は磁極９２及び磁極９３に巻
き付けられるまで、ステータ部材６５Ａに関して繰り返
される。相Ａの終端部は、フロート状態に保たれる。

【００３５】相Ａ′は、磁極８２に反時計方向に巻き付
けられ、かつ磁極８３に時計方向に巻き付けられること
によって開始する。（図９Ａに示されているように）磁
極８４及び磁極８５には、相Ａ′は巻き付けられず、次
に、（図９Ａに示されているように）相Ａ′は磁極８６
及び磁極８７に反時計方向及び時計方向に各々巻き付け
られる。この巻き付けパターンは、相Ａ′に関する最後
の一対の磁極、この場合は相Ａ′が磁極９４及び磁極９
５に巻き付けられるまで繰り返される。相Ａ′の終端部
は共通ノードＣＯＭＭに接続される。従って、相Ａは、
ステータ部材６５Ａの１組おきの磁極に巻き付けられ
る。相Ａ′もまた、ステータ部材６５Ａの１組おきの磁
極に巻き付けられるので、ステータ部材６５Ａの磁極に
よって生み出されるトルクが平衡することになる。

【００３６】図９Ａは、ステータ部材６５Ａに巻き付け
られた相Ａ及び相Ａ′の展開図を表している。１６個の
全ての磁極８０〜９５が図示されている。更に、相Ａ及
びＡ′の開始点Ｓと終了点Ｆが図示されている（図８に
も図示されている）。図９Ｂには、各組の磁極の巻線が
相異なる方向に巻き付けられているので、巻線を流れる
電流が互いに逆向きであることが表現されている。電流
が逆向きに流れることによって、各組の磁極には相異な
る極性の磁界が形成される。図９Ａを再び参照すれば、
相Ａに電流が流れた場合、かつ（この電流が流れること
によって）磁極８０がＮ極となる場合、磁極８１はＳ極
となる。（図１０により詳しく例示されている）隣接す
る組合せ磁石の永久磁石の極性によって、磁極片８２及
び８３は各々Ｎ極及びＳ極となる。相Ａ′の終了点Ｆは
共通ノードＣＯＭＭに接続されており、この共通ノード
ＣＯＭＭは例えば１２Ｖの電源に接続される。このよう
にして、相Ａ′は活性化され、相Ａ′には逆向きの電流
が流れるので、相Ａ′が巻き付けられた磁極には、相
Ａ′を活性化することによって形成された磁極の極性と
相異なる極性が形成される。

【００３７】ある実施例では、相Ａ、Ａ′、Ｂ及びＢ′
は、直径０．０１５２cm（０．００６インチ）及び０．
０１３６Ω／cm（０．４１５Ω／フィート）の抵抗を有
する３６ＡＷＧワイヤから構成されている。１つの磁極
の周りの巻線の１回転分の長さ（即ち１つのコイル）
は、２．２８６cm（０．９インチ）である。１つの磁極
片に対する巻線の巻数は例えば１００である。即ち、１
つの磁極に対する巻線の全長は約２２８．６cm（９０イ
ンチ）である。本発明に基づくこの実施例では、各相に
対して８個の磁極に巻線が巻き付けられる。従って、各
相は１８２８．８cm（７２０インチ）の長さの巻線を備
え、この巻線の抵抗は２４．９Ω（０．４１５Ω／フィ
ート×１フィート／１２インチ×７２０インチ）とな
る。図１０は、組合せ磁石６４の永久磁石のＮ極及び
Ｓ極に関するステータ部材６５Ａ及び６５Ｂの磁極を表
した展開図である。図を明瞭にするために、各ステータ
部材に対して４個の磁極が表現されている。ステータ部
材６５Ａとステータ部材６５Ｂは、互いに交互に配置さ
れ、ステータ部材６５Ａの磁極は、１／４磁極ピッチ、
即ち磁気的に９０゜だけステータ部材６５Ｂの磁極から
変位して配置されている。

【００３８】ステップ１００では、組合せ磁石６４はそ
の休息位置に配置されている。この休息位置では、組合
せ磁石６４のＳ極２００は、Ｎ極であるステータ部材の
磁極８３に吸引される。同様に、Ｎ極２０２は、磁極８
２に吸引される。このとき、Ｎ極２０２は、Ｎ極の磁極
８３によって反発力を受ける。ステータ部材６５Ｂによ
っても同様な吸引力及び反発力が発生する。

【００３９】ステップ１０１では、磁極８０〜８３の極
性は、ステップ１００の極性と同じ極性にであり、ステ
ータ部材６５Ｂの磁極７０〜７３の極性は反転する。例
えば、ステップ１１０の磁極７３はＮ極であるが、ステ
ップ１０１では磁極７３はＳ極となる。従って、ステッ
プ１００での磁極７３に対するＮ極２０３の吸引力はス
テップ１０１では反発力となり、ステップ１００での磁
極７２に対するＳ極２０３の反発力は、ステップ１０１
では吸引力となる。このようにして、組合せ磁石６４は
一定の方向に向けて１／４磁極ピッチだけシフトする。
この１／４磁極ピッチは、組合せ磁石６４の約１１．２
５°に相当する。

【００４０】ステップ１０２では、磁極７０〜７３の極
性は、ステップ１０１での極性と等しく、一方磁極８０
〜８３の極性は反転する。この反転によって、Ｓ極２０
０は、Ｎ極となった磁極８２によって吸引され、Ｓ極と
なった磁極８３によって反発力を受ける。従って、組合
せ磁石６４は等しい方向に向けて１／４磁極ピッチだけ
シフトする。

【００４１】組合せ磁石６４は、図１０に示すようにス
テータ部材６５Ｂの磁極の極性を反転することによって
更に１／４磁極ピッチ連続してシフトする。ステップ１
０４では、組合せ磁石６４は、磁極６５Ａの極性を反転
させることによって等しい方向に向けて更に１／４磁極
ピッチシフトすることになる。従って、ステップ１００
と比較すると、組合せ磁石６４はステップ１０４で全磁
極ピッチ即ち３６０°シフトしたことになる。

【００４２】本発明に基づけば、組合せ磁石６４は、電
流が流れているかいないかにかかわらず、停止位置、即
ちステップ１００〜１０４に表示された任意の位置に留
まっている。特に、電力の供給が停止された場合、組合
せ磁石６４の極性による磁極への磁力は、組合せ磁石６
４を最後の停止位置に保持する。ステータ部材６５Ａと
６５Ｂの両方が励磁されていないとき、磁極に形成され
る極性は、組合せ磁石６４の永久磁石の影響を受ける。
このようにして、電力が再び供給されたとき、ステッピ
ングモータは、その最後の停止位置から再びスタートす
る。

【００４３】ある実施例では、磁極の極性は、補完的な
相に電流を流すことによって反転させられる。例えば、
図１８に示されているように、相Ａに電流が流れている
場合、相Ａ′に電流を流すことによって極性が反転させ
られる。従って、この実施例では、各ステップまたは停
止位置の間、各ステータ部材の一つの相のみに電流を流
すことによってステッピングモータが駆動される。可能
な相の一覧表が以下の表１に示されており、この表では
“０”は電流が流れていないことを意味し、“１”は電
流が流れていることを意味する。

【００４４】

【表１】ステップ１０１からステップ１０４へ進むことによっ
て、組合わせ磁石はある方向に移動み、ステップ１０４
からステップ１０１へ進むことによって、組合わせ磁石
は逆の方向に移動する。

【００４５】極性を反転するための典型的な単磁極駆動
接続が図１１に例示されている。図１１では、４個のス
イッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３及びＳＷ４が各々、相
Ａ、Ａ′、Ｂ及びＢ′に選択的に接続される。各相は、
共通ノードＣＯＭＭに接続された開始点Ｓまたは終了点
Ｆを有する。共通ノードＣＯＭＭは、典型的には５Ｖ、
１２Ｖまたは２４Ｖの電源Ｖｃｃに接続されている。各
スイッチはグランドに接続されている。スイッチを閉じ
ることによって、そのスイッチに関連する相に電流が流
れる。例えば、スイッチＳＷ２及びＳＷ３が閉じられた
とき、相Ａ′及びＢに電流が流れる。この状態は表１に
示されているようにステップ１０３に対応する。

【００４６】本発明のこの実施例では、相Ａ及びＡ′
は、図１２に模式的に示されているように、相Ｂ及び
Ｂ′と磁気的に９０度の角度を成して配置されている。
この構成では、ステータ部材６５Ａ及び６５Ｂを駆動す
るための３つの選択枝が存在する。図１１を参照する
と、第一の選択枝は、一つのスイッチを閉じ、したがっ
て特定の相に関連する抵抗をグランドに接続することに
よって、ステータ部材に電流を供給することである。こ
の接続によって、電源Ｖｃｃから抵抗を通って電流が流
れる。第２の選択枝は、例えば、相Ｂ及びＢ′が直列に
接続されて、この２つの相の間の共通ノードＣＯＭＭと
Ｈブリッジ（図示されていない）を形成することであ
る。このようにして、相Ｂが電源Ｖｃｃと接続された場
合、相Ｂ′は同時にグランドに接続される。したがっ
て、システムの抵抗は、図１１の単磁極接続の２倍とな
り、したがって電流を１／２に減少させることができ
る。第３の選択枝は、相Ｂと相Ｂ′を並列に接続してＨ
ブリッチ（図示されていない）を形成することである。
このような構成では、システムの抵抗は単磁極接続され
た場合の２分の１となり、電流が２倍となる。全ての駆
動接続は当業者にはよく知られているので、これらの接
続の動作に関する詳しい説明は省略される。

【００４７】図１３は、（この実施例では相Ａ及びＡ′
と共通ノードＣＯＭＭを有する）巻線１０５が、円形に
巻き付けられ、かつ中空のトロイド状の（即ちドーナツ
型の）スルー１０６内に配置された他のステータ巻線ア
センブリが示されている。スルー１０６は典型的には、
高い透磁率を有しかつ延性のある磁性材料から形成され
ている。このアセンブリは、スルー１０６のエッジＦに
フィンガ１０７を備えているので、（Ｚ軸に沿って配置
されたシリンダが動く原因となる内側のリングＥに配置
された爪を備えた）カンスタックまたは爪型の磁極のス
テッピングモータとは幾何学的に区別される。つぎにフ
ィンガ１０７は、図示された位置に向けて下向きに折り
曲げられ（例えばフィンガ１０８は１０９の向きに折り
曲げられている）巻線１０５を移乗し、かつＺ軸に垂直
な平面内に交互に配置されたＮ極とＳ極を形成する。こ
れらの磁極は“ヘテロ磁極”と呼ばれる。磁石の極性
は、巻線１０５を流れる電流の向きによって決定され
る。

【００４８】図１４は、組合わせ磁石６４と、模式的に
図示された４本の磁束のループを備えたステータ部材６
５Ａ及び６５Ｂを示している。図１５は、磁束のパスを
より明瞭に表すために、図１４に示された構成要素の展
開図を表している。図１４の磁束のパス１４０を参照す
ると、磁束のパターンはＮ極からＳ極へ形成されている
ことがわかる。例えば、磁束のパス１４０は、Ｎ極であ
る磁極７２から始まり、組合わせ磁石６４の側面ＣのＮ
極と側面ＤのＮ極を通過している。従って、組合わせ磁
石６４を通過する全ての磁極の間の磁束のパスが形成さ
れたとき、“円筒形の”並列な磁気回路が形成される。
この磁束のパスは、Ｎ極であるステータ部材６５Ａの磁
極８２に達する。図１５により明瞭に示されているよう
に、この点で磁束のパスが分岐する。磁束の半分は磁極
片８１を通過し、残りの半分の磁束は磁極片８３を通過
する。磁極片８１と磁極片８３はＮ極となっている。従
って、ステータ部材の磁束パスは、半分または２倍とな
って永久に連続する。

【００４９】磁束は、ステータ部材６５Ａ及び６５Ｂと
組合わせ磁石６４との間に形成された空隙を通る最も短
いパスを通過する。図１５に示されているように、ステ
ータ部材６５Ａは、組合わせ磁石６４に対して磁力ＦA
を加え、ステータ部材６５Ｂは、組合わせ磁石に対して
逆向きの磁力ＦBを加える。磁力ＦAとＦBが等しい大き
さを有する場合、組合わせ磁石６４は平衡状態となり、
即ち停止位置に留まる。したがって、組合わせ磁石６４
は、磁力ＦAとＦBが等しい場合、その停止位置からの移
動を阻止しかつ停止位置にとどまろうとする。

【００５０】本発明の他の実施例では、標準的なＰＣ基
板アセンブリプロセッサを用いて、ステータ部材６５
（図６）の個々の巻線が接続される。図１６Ａと図１６
Ｂを参照すると、磁極片のコイル９０′は、任意の磁極
６７（図７）に一致するようにあらかじめ巻き付けられ
て形成されている。次にコイル９０′は、電流が流され
ることによって、コイル９０′の絶縁が保たれる限界の
温度まで加熱され、コイル９０′が固体の構成要素とし
て形成される。次にコイル９０′は、各開口部９２のま
わりに配置されてＰＣ基板９１に接着される。ＰＣ基板
９１は、典型的にはエポキシガラフである標準的なＰＣ
基板材料からなり、その厚さは０．０７６cm（０．０３
インチ）である。銅のリード線がＰＣ基板９１に形成さ
れ、コイル９０′が接続される。例えば、図１６Ｂに示
されているように、コイル９０′の端部９３はリード線
の端部９５に接続され、コイル９０′の端部９４はリー
ド線の端部９６に接続されている。巻線の接続は、典型
的には流動ハンダ付けによって行われる。同様に他のコ
イル９０も、リード線の端部９７及び９８に接続されて
いる。従って電流は、リード線の端部９５からコイル９
０′を通り、リード線の端部９６からリード線の端部９
８へ向かって流れ、次に他のコイル９０′を通ってリー
ド線の端部９７へ流れる。端部９７を有するリード線
は、２つの磁極を飛び越え端部９９で終息する。このよ
うに接続することによって、図９Ａ及び図９Ｂに示され
た電気的な配線が構成される。全てのコイル９０′が流
動ハンダ付けによってリード線に接続された後、ＰＣ基
板９１はステータ部材６５に接着剤を用いて接続され
る。このようにして、ステータ部材６５の製造及び組立
コストを減少させることができる。

【００５１】図１７Ａ、図１７Ｂ及び図１８Ａは、ステ
ッピングモータに用いるための他の組合わせ磁石の一片
の平面図、側面図及び斜視図である。これらの図から、
部分２００Ａは、連結部材２０２Ａと、連結部材２０２
Ａと一体形成された円弧型部材２０１Ａから構成されて
いることがわかる。連結部材２０２Ａは、円弧型部材２
０１Ａから突出し、かつ円弧型部材２０１Ａの厚さ２０
４（図１２Ｂ）の半分の厚さを有することがわかる。あ
る実施例では、部分２００Ａは、６．１０cm（２．４イ
ンチ）の高さ２０３を有し、円形部材２０１Ａは、０．
４１cm（０．１６インチ）の厚さ２０４を有し、連結部
材２０２Ａは、０．２０cm（０．０８インチ）の厚さ２
０６を有し、かつ２．０３cm（０．８インチ）の直径２
０５を有する。連結部材２０２Ａは、０．９５cm（３／
８平方インチ）の連結部材２０２Ａを貫通する開口部２
１１を有する。

【００５２】組合わせ磁石を構成するために、２つの連
結部材２０２Ａと２０２Ｂが、部分２００Ａと２００Ｂ
の開口部２１１を貫通するシャフトによって、共通の軸
に沿って配置される（図１９を参照してより詳しく説明
される）。このようにして円弧型部材２０１Ａと２０１
Ｂが並置され、２つの平坦な表面を備えた円盤型の組合
わせ磁石２００が形成される。

【００５３】本発明の他の実施例（図示されていない）
では、組合わせ磁石２００が円盤を形成するように、１
８０度の中心角を備えた円弧型の部材２０１の代わり
に、組合わせ磁石２００が半円形の形状を有するよう
に、円弧型の部材２０１は、９０度の中心角を備えた形
状を有する。

【００５４】ロータに磁極を提供するために、磁極２０
０Ａ及び磁極２００Ｂが軸線方向の相異なる向きに磁化
される。図１８Ｂに示されているように、磁化すること
によって、磁極２０１Ａ及び磁極２０１Ｂが吸引力によ
って結合される。例えば、図１８Ｂに示されたＭの方向
に磁化されると仮定すれば、連結部材２０２Ｂの底面と
連結部材２０２Ａの上側面の両方はＮ極となる。従っ
て、これらの２つの面は互いに反発する。しかし、磁極
２０２Ａの底面のＳ極と磁極２０２Ｂの底面のＮ極との
間の吸引力と同様に、磁極２０２Ｂの上側面のＮ極と磁
極２０２Ａの上側面のＮ極との間のより強い吸引力が存
在する。言い換えれば、ロータのこのような構造によっ
て（即ち組合せ磁石２００とシャフトによって）、完全
な磁気回路が形成され、従って磁極２００Ａと磁極２０
０Ｂとの間の反発力が打ち消される。磁極２００Ａと磁
極２００Ｂとの間の強い結合力によって組合せ磁石が形
成される。このようにして、組合せ磁石２００は円弧型
部材のパターンに一致したＮ極とＳ極の磁気的なパター
ンを備えた単一の永久磁石として働く。従って、組合せ
磁石は、製造過程を簡単にするばかりでなく、明瞭に画
定されたＮ極とＳ極とを形成する。

【００５５】ある実施例では、磁極２０１Ａと磁極２０
１Ｂとの間に更に結合力を提供するために、連結部材２
０２Ａと２０２Ｂの連結面に接着剤が配置されている。
他の実施例では、ガスケット材料が磁極２０１Ａと磁極
２０１Ｂとの間に形成されている。ポレウレタン型の接
着剤のようなこのガスケット材料は、製造過程の後に熱
的な拡張または熱的な収縮が起きる場合、ロータアセン
ブリに対する柔軟性を提供する。

【００５６】その製造を容易にするべく、磁極２０１Ａ
と磁極２０１Ｂは、典型的には任意の成形可能な磁性材
料から形成されている。これらの磁性材料の例として
は、図１〜図４を参照して既に説明された材料が挙げら
れ、ここでは詳しい説明を省略する。トルクデバイス内
で用いられる組合せ磁石のある実施例では、３Ｍ社から
入手可能な商標“Ｎｅｏｄｙｍｉｕｎ２００２Ｂ”の
ネオジム材料が用いられる。

【００５７】図１９は、組合せ磁石２００と、ロータシ
ャフト２１３に組合せ磁石２００を保持する２つのプレ
スアセンブリ２０９の分解斜視図が示されている。各プ
レスアセンブリ２０９は、ワッシャ部分２０７とボス部
分２０８を含む。ワッシャ部分２０７は、従来の機械加
工技術を用いてボス部分２０８と一体形成されているこ
とが注意される。ワッシャ部分２０７は、組合せ磁石の
縦揺れを防止する。一方のワッシャ部分２０７は、組合
せ磁石２００の開口部２１１と整合する（プレスアセン
ブリ２０９と一体形成された）正方形の突出部２１２を
有し、組合せ磁石２００が（軸２１０上の）シャフト２
１３に対して滑ることを防止する。図２０は、本発明に
基づいて組み立てられた組合せ磁石２００と、プレスア
センブリ２０９と、シャフト２１３の側断面図である。

【００５８】図２１は、本発明のある実施例に基づくス
テッピングモータ用のステータプレートと磁極片の斜視
図である。ステータプレート２１４は、２個の一体形成
された磁極片２１５Ａと磁極片２１５Ｂを含む。ある実
施例では、ステータプレート２１４は０．５１cm（０．
２インチ）の厚さ２１４ｔを有し、各磁極片２１５は、
２．０５cm（１．０インチ）の長さ２１５ｌを有する。
ステッピングモータがトルクデバイスとして用いられる
場合、１つの磁極片２１５のみが必要となることが注意
される。

【００５９】有効に働く磁束を最大にするために、本発
明は２個の磁極片２１８Ａと２１８Ｂを含む。この実施
例では、磁極片２１８Ａと磁極片２１８Ｂは、約３°の
中心角だけ互いに隔てられた分離したドーナツ型を形成
する。この実施例では、各磁極片２１８は、０．３８cm
（０．１５インチ）の厚さ２１８ｔを有する。最終的な
組立工程（部分的な組立工程を示す第２２図を参照）
で、磁極片２１８は６．１０cm（２．４インチ）の外径
２１９と、２．０cm（０．８０インチ）の内径２２０と
を有する。モールドされたピンまたはネジ２１７が磁極
片２１５Ａ及び２１５Ｂの開口部２１５ｈに連結され
る。図２２は、モータとして組み立てられたときの、磁
極片２１５Ａと、磁極片２１５に取り付けられたコイル
２２１を備えたステータプレート２１４と、磁極片２１
５Ａの断面図である。コイル２２１は開始点２２１Ａと
終了点２２１Ｂを備えていることが注意される。ステー
タプレート２１４と磁極片２１８Ａ及び２１８Ｂとが結
合される前に、コイル２２１が磁極片に取り付けられ
る。

【００６０】最適な状態では、ステッピングモータの全
磁束は、ステータプレートと組合せ磁石との間の磁束に
限定されている。しかし、実際のモータの磁束は、好ま
しくない磁束のループを含む。本発明はこれらの好まし
くない磁束のループを最小にする。図２１は、ステータ
プレート２１４と磁極片２１８Ａ及び２１８Ｂとの間の
全磁束の好ましくない磁束ループを表している。図２２
を参照すると、磁極片２１５Ａに巻き付けられたコイル
の巻線２２１は、コイルの巻線２２１を流れる電流によ
る電磁石を形成し、この電磁石は磁極片２１５Ａの明確
に定義されたＮ極またはＳ極を形成する。磁極片２１５
Ａ（図２１）が励磁されてＳ極となったとき、磁極片２
１５Ｂは励磁されてＮ極となる。

【００６１】このループでは、磁束Ｆは磁極片２１５Ａ
から流出し磁極片２１８Ａに流入する。磁極片２１８Ａ
内に流入するとき磁束Ｆは２つに分かれ、磁極片２１５
Ｂへ向かって相異なる向きに流れ込む。従って、この点
で、磁束Ｆは２つの磁束Ｆ１とＦ２とに分岐する。次
に、磁束Ｆ１は、磁極片２１８Ａと磁極片２１８Ｂとの
間の空隙Ｇ１を通過する。同様に、磁束Ｆ２は、磁極片
２１８Ａと磁極片２１８Ｂとの間の空隙Ｇ２を通過す
る。磁束Ｆ１′と磁束Ｆ２′は、ピン２１７の間で再び
合流し、磁極片２１８Ｂを通過する。最終的に、合流し
た磁束Ｆ３は、ステータプレート２１４の磁極片２１５
Ｂに流入し、磁束のループが完成する。

【００６２】図２４は、磁束ループ２４１と、上述され
た（望ましくない）磁束ループ２４０を例示している。
磁束のループ２４１は、ステータプレート２１４Ａと組
合せ磁石２４４とステータプレート２１４Ｂとの間の好
ましくない磁束ループを形成する。磁極片２１８Ａと２
１８Ｂとの間の空隙Ｇ１及びＧ２は、磁束ループ２４０
の磁束密度を最小にし、一方磁極片２１８Ａ及び２１８
Ｂによって提供された表面積は、磁束ループ２４１の磁
束密度を最大にする。従って、本発明は磁束ループ２４
０よりも高い磁束密度の磁束ループ２４１を提供する。

【００６３】磁極片２１８は、透磁率が高く、磁気抵抗
の低い軟磁性材料から形成されている。ある実施例で
は、磁極片２１８はＨｏｅｇａｎａｅｓ社によって製造
された商標“ＡｎｃｈｏｒＳｔｅｅｌＳＣ８０Ｐｏ
ｗｄｅｒｅｄＭｅｔａｌ”の磁性材料から形成されて
いる。この磁性材料は、非常に高い抵抗率を有し、かつ
磁気飽和密度が非常に高く、従って磁極片を流れる渦電
流を原因とする損失を効果的に防止し、ステータ部材を
構成するために必要な材料の体積を最小にする。

【００６４】図２３Ａ及び図２３Ｂは、本発明に基づく
磁極片の他の実施例、即ち複数磁極片リング２１８′を
例示している。この実施例では、は、十分な磁気飽和を
提供し（即ち磁気抵抗を増加させ）、図２１に示された
磁束のパスと等しい磁束のパス内に磁束を通過させる。
言い換えれば、溝２２５の深さが十分に大きく、かつ溝
の対応する幅が幾何学的に正しい値であれば、溝２２５
は、磁極片（図２１）を備えた磁気回路に形成される空
隙に近似される。この実施例では、溝２２５の内側の幅
２１９は、０．２５cm（０．１０インチ）であり、溝２
２５の外側の幅２２０は、１．２７cm（０．５インチ）
であり、溝２２５の深さ２２８′は、０．３３cm（０．
１３インチ）であり、厚さ２２８は、０．３８cm（０．
１５インチ）である。

【００６５】このような構成によって、溝２２５は、磁
極片２１８（図２１）の空隙２３０と等しく機能する。
複数磁極片リング２１８′は、図２１を参照して上述さ
れた成形可能な材料から形成されている。この実施例
は、ステッピングモータを組み立てるために必要な部品
の個数を減少させ、製造過程を簡単にし、かつ組立コス
トを減少させる。

【００６６】磁極片を追加することまたは複数磁極片リ
ングを追加すること以外は、ステッピングモータの組立
は図６を参照して説明された組立方法と等しく、ここで
詳しい説明は省略される。

【００６７】本発明のステッピングモータに基づけば、
組合せ磁石２００の磁極の個数と、各ステータプレート
の磁極片２１５の個数は２個に限定されている。更に本
発明に基づき、かつ図２４を参照すると、ステータプレ
ート２１４Ａの磁極片２１５は、ステータプレート２１
４Ｂの磁極片と整合している。

【００６８】図２４に示されたこの構造は、一方のステ
ータプレートの磁極片が、もう一方のステータプレート
の磁極片に対して磁気的に９０°の角度をなして配置さ
れた図１０のステッピングモータの構造とは異なる。２
個のステータプレートを、互いに磁気的に９０°回転さ
せた場合、このステッピングモータは、４ステップまた
は９０°ステッピングモータとして動作し、即ち絶対方
向に各磁極当たり２ステップ回転する。

【００６９】図２４に説明された実施例に基づけば、２
個のステータプレートの磁極が、互いに向き合っている
場合、ステッピングモータは２ステップステッピングモ
ータまたは１８０°ステッピングモータとして動作す
る。２ステップ構造では、高いトルク出力が得られ、４
ステップ構造よりも大きい回転角が提供される。

【００７０】しかし、２ステップステッピングモータの
回転の向きは不明確である。本発明の実施例では、この
不明確さは、図２５に示された従来の機械的な停止“バ
イアス”技術によって補正される。図２５に示されてい
るように、組合せ磁石２００とシャフト２１３を有する
ロータは、捩れバネ２２２Ａが取り付けられており、停
止ピン２２４を機械的な停止部２２３に向けて“付勢”
またはオフセットし、絶対的な方向を制御している。特
に、バネ２２２Ａによって生み出されたトルクが、ロー
タを機械的な停止部２２３の位置に保持している。コイ
ル２２１（図２４）が励磁されたとき、モータによって
生み出されたトルクがバネ２２２Ａによって生み出され
たトルクに対抗する。モータの発生したトルクとバネの
発生したトルクの差が、シャフト２１３に連結された負
荷（図示されていない）に加えられる。こうして、バネ
２２２Ａと機械的な停止部２２３（及びピン２２４）
が、２ステップステッピングモータを機械的なトルクデ
バイスに変換する。言い換えれば、バネ２２２Ａが、組
合せ磁石２００を有するロータを機械的な停止部２２３
（及びピン２２４）によって決定される始めの位置に引
き戻すので、バネ２２２Ａと機械的な停止部２２３は、
ステッピングモータの機能を１ステップのステッピング
モータに限定する。

【００７１】図２６は、ロータが３６０°回転したとき
の、ステッピングモータのトルク出力を表している。よ
り詳しくは、組合せ磁石２００の磁極のエッジ部分が、
図２６に示すように磁極片２１８に関して配置され、即
ち磁極２１５の中心に位置決めされていると仮定してい
る。磁極片２１５（及び磁極片２１８）が励磁された
後、組合せ磁石２００は、約６７．５°で最大のトルク
を出力する。次に、このトルクは回転角９０°で０まで
減少する。その後、ロータは逆の向きに回転しようとす
るので、トルクの値は回転角９０°から２７０°の間で
負の値となる。回転角が約２４７．５°で、トルクは増
を開始し、回転角２７０°で０となる。回転角２７０°
から約２８０°の間で、トルクはその最大の値に達する
まで一定の速度で増加する。即ち、図２６に示すよう
に、本発明に基づくロータは回転角約１３５°で最大の
トルクを出力する。

【００７２】ステッピングモータの典型的な単磁極駆動
接続が図２７に示されている。図２７では、各磁極２１
５（図２１）のコイルの巻線２２１が接続されている。
従って、（一方のステータプレートの）コイル２２１1
及び２２１2が接続され、（もう一方のステータプレー
トの）コイル２２１3と２２１4が接続されている。各ス
テータプレートの共通リード、即ち共通リードＣ１及び
Ｃ２が接続されているので、全てのコイル２２１が直列
に接続されている。次に、一方のステータプレートの残
りのリードＬ２がグランドに接続され、もう一方のステ
ータプレートの残りのリードＬ2が概ね１２Ｖの直流電
圧源ＶBに切換可能に接続されている。コイル２２１に
電流を供給する場合、スイッチＳ′が閉じられる。電流
を反転させるためには、リードＬ1とＬ2を入れ換える。

【００７３】図２８は、一方のステータ部材の２つの
相、即ちコイル２２１1と２２１2が、もう一方のステー
タ部材の２つの相、即ちコイル２２１3と２２１4から磁
気的に１８０°隔てられて位置決めされている様子を表
している。

【００７４】本発明に基づくステッピングモータは、限
定された角変位に亘って高いトルク出力を提供し、その
体積が小さく、かつ巻線の寸法及びターン数を減少させ
ることによって広範囲に値の電圧源及び電流源で動作す
る。更に、このステッピングモータはその製造が容易で
ある。

【００７５】これまでに、本発明が特定の実施例に関し
て説明されてきたが、本発明の技術的視点は添付の請求
項によって定義されるものであり、これまで説明された
実施例に限定されるものではなく、この実施例は単に例
示を意図するものである。例えば、組合せ磁石及びステ
ータ部材の個数は用途に応じて変更することができる。
ある用途に対しては、１つの両側ステータ部材が２個の
組合せ磁石と機能的な関係に配置され、この２個の組合
せ磁石は次に２個の片側ステータ部材と機能的な関係に
配置される。この応用例では、ステッピングモータは少
なくとも２倍のトルクを出力する。更に、全ての構成要
素の寸法及び材料は、単なる例示であって、用途に応じ
て変更することができる。従って、これまで説明されな
かった他の実施例及び変形実施例が、添付の請求項によ
って定義される本発明の技術的視点を逸脱するものでは
ない。

【００７６】

【発明の効果】本発明によれば、製造コストが低いだけ
でなく、明確に定義された磁極を備えたロータを有する
ステッピングモータが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａ及びＢからなり、Ａはその表面に突出部を備
えた組み合わせ磁石の一方の部分の平面図であり、Ｂは
その表面に突出部を備えた組み合わせ磁石の一方の部分
の側断面図である。

【図２】Ａ及びＢからなり、Ａはその表面に開口部を備
えた図１に示された組み合わせ磁石のもう一方の部分の
正面図であり、Ｂはその表面に開口部を備えた図１に示
された組み合わせ磁石のもう一方の部分の側断面図であ
る。

【図３】Ａ及びＢからなり、組み合わせ磁石の一方の部
分が突出部及び開口部の両方を備えたステッピングモー
タの本発明に基づく実施例の正面図であり、ＢはＡに示
された実施例の側断面図である。

【図４】Ａ及びＢからなり、Ａは図３に示された組み合
わせ磁石のもう一方の部分の正面図であり、ＢはＡに示
された組み合わせ磁石のもう一方の部分の側断面図であ
る。

【図５】本発明に基づく組み合わせ磁石の部分を磁化す
る過程を表す図。

【図６】本発明に基づくステッピングモータの組み合わ
せ磁石の分解斜視図。

【図７】図６に示された組み合わせ磁石の側断面図。

【図８】１枚のステータプレートの巻線の部分的な斜視
図。

【図９】Ａ及びＢからなり、Ａは図８に示された巻線の
展開図であり、Ｂは各々の一対の巻線に逆向きの電流が
流れ、磁極片に相異なる極性が提供されることを表す
図。

【図１０】本発明の実施例の全体のステッピング順序を
表す模式図。

【図１１】本発明に基づく単磁極駆動接続を表す図。

【図１２】一方のステータ部材の２つの相の巻線が、も
う一方のステータ部材の２つの相の巻線が磁気的に９０
°の角度をなして位置決めされた様子を表す図。

【図１３】本発明に基づくステータ巻線アセンブリの他
の実施例を表す図。

【図１４】４つの磁束ループを伴う組み合わせ磁石と２
個のステータ部材を表す模式的な分解斜視図。

【図１５】組み合わせ磁石と、２個のステータ部材と、
磁束の通路の展開図。

【図１６】Ａ及びＢからなり、Ａは本発明のある実施例
のステータプレートに接着されたＰＣボードの図であ
り、ＢはＡに示されたＰＣボードに、予め組み立てられ
た後に接着されるコイルを表す図。

【図１７】Ａ及びＢからなり、Ａは、ステッピングモー
タに使用するための他の組み合わせ磁石の１辺の平面図
であり、Ｂはステッピングモータに使用するための他の
組み合わせ磁石の１辺の側面図である。

【図１８】Ａ及びＢからなり、Ａは図１７に示された組
み合わせ磁石の１辺の斜視図であり、Ｂは、組み合わさ
れた構造から分解された状態を表す図１７の組み合わせ
磁石の側面図。

【図１９】組み合わせ磁石と、組み合わせ磁石をロータ
のシャフトに固定するプレス部材の分解斜視図。

【図２０】本発明に基づく組み合わせ磁石とプレスアセ
ンブリと、シャフトの断面図。

【図２１】本発明に基づくステッピングモータのステー
タプレート及び磁極片の斜視図。

【図２２】モータ内に組み込まれた巻線を備えたステー
タプレート及び磁極片の断面図。

【図２３】Ａ及びＢからなり、Ａは本発明に基づく磁極
片の他の実施例の斜視図であり、Ｂは本発明に基づく磁
極片の他の実施例の側面図である。

【図２４】本発明に基づく組み合わせ磁石とステータの
磁極または磁極片の展開図。

【図２５】ステッピングモータを電気機械的なトルクデ
バイスに変換するための、バネ及び電気機械的調節装置
を備えたシャフトに取着された組み合わせ磁石の斜視
図。

【図２６】組み合わせ磁石が３６０°回転したときの、
ステッピングモータのトルク出力を表す図。

【図２７】本発明のステッピングモータに基づく単磁極
駆動接続を表す図。

【図２８】１つのステータ部材の２つの相が、他のステ
ータ部材の２つの相から磁気的に１８０°の角度をなし
て位置決めされている様子を表す図。

【符号の説明】

１突出部２構成部材４、５磁石６開口部７構成部材３０磁石３１突出部３２構成部材３３開口部３４構成部材３５シャフト用の開孔４０磁石４１突出部４２構成部材４４構成部材４３開口部４５シャフト用の開孔５０、５１構成部材５２突出部５３開口部５４Ａ、５４Ｂ磁極５５構成部材５０の表面５６構成部材５１の表面５８軸６０モータシャフト６０Ａ、６０Ａ′ 部分６０Ｂ、６０Ｂ′ 部分６０Ｃ、６０Ｃ′ 部分６１ベアリング６２Ａ、６２Ｂモータハウジング部材６３Ａ左側スペーサ６３Ｂ右側スペーサ６４組合わせ磁石６４Ａ開口部６５Ａ、６５Ｂステータ部材６６ステッピングモータ６７磁極６８相巻線６９Ａ開口部６９Ｂ、６９Ｃ環状の鋸歯状部７０〜７３磁極８０〜９５磁極９０′ コイル９１ＰＣ基板９２各開口部９３コイル９０の端部９４コイル９０の端部９５〜９９リード線の端部１０５巻線１０６スルー１０７、１０８フィンガ１４０磁束のパス２００磁石２００Ａ、２００Ｂ部分２０１Ａ、２０１Ｂ円弧型部材２０２Ｎ極２０２Ａ、２０２Ｂ連結部材２０３部分２００Ａの高さ２０４円形部材２０１Ａの厚さ２０５連結部材２０２Ａの直径２０６連結部材２０２Ａの厚さ２０７ワッシャ部分２０８ボス部分２０９プレスアセンブリ２１０軸２１１開口部２１２突出部２１３ロータシャフト２１４ステータプレート２１４ｔステータプレート２１４の厚さ２１４Ａ、２１４Ｂステータプレート２１５磁極片２１５Ａ、２１５Ｂ磁極片２１５ｈ磁極片２１５Ａ及び２１５Ｂの開口部２１５ｌ磁極片２１５の長さ２１６ステータプレート２１４の開口部２１７ピンまたはネジ２１８磁極片２１８′ 複数磁極片リング２１８ｔ磁極片２１８の厚さ２１８Ａ、２１８Ｂ磁極片２１９磁極片２１８の外径２２０磁極片２１８の内径２２１コイルの巻線２２１Ａコイルの開始点２２１Ｂコイルの終了点２２１1、２２１2 コイル２２１3、２２１4 コイル２２２Ａバネ２２３機械的な停止部２２４停止ピン２２５複数磁極片リング２１８′の溝２２６複数磁極片リングの外径２２７複数磁極片リングの内径２２８複数磁極片リングの厚さ２２８′ 複数磁極片リング２１８′の溝深さ２３０空隙２４０、２４１磁束ループ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステッピングモータであって、第１の部分と第２の部分とを備えた複数の磁極を備えた
組合わせ磁石と、前記複数の磁極を備えた組合わせ磁石と機能的な関係に
配置された少なくとも一つのステータ部材と、前記組合わせ磁石と前記少なくとも一つのステータ部材
を共通軸に関して位置決めする手段とを有し、前記複数の磁極を備えた組合わせ磁石の第１の部分と第
２の部分が各々連結部材と円弧型部材とを有し、前記第１の部分と前記第２の部分が軸線上の相異なる向
きに磁化されており、前記第１の部分と前記第２の部分の前記連結部材が前記
共通軸に整合されており、前記第１の部分と前記第２の部分の前記円弧型部材が並
置されていることを特徴とするステッピングモータ。
【請求項２】前記連結部材が、前記円弧型部材から
突出していることを特徴とする請求項１に記載のステッ
ピングモータ。
【請求項３】前記連結部材が、前記円弧型部材の１
／２の厚みを有することを特徴とする請求項２に記載の
ステッピングモータ。
【請求項４】前記第１の部分と前記第２の部分と
が、円盤型部材を形成することを特徴とする請求項２に
記載のステッピングモータ。
【請求項５】前記第１の部分と前記第２の部分と
が、半円盤型部材を形成することを特徴とする請求項２
に記載のステッピングモータ。
【請求項６】前記少なくとも一つのステータ部材
が、少なくとも一つの磁極を含むことを特徴とする請求
項２に記載のステッピングモータ。
【請求項７】前記少なくとも一つのステータ部材
が、少なくとも二つの磁極を含むことを特徴とする請求
項２に記載のステッピングモータ。
【請求項８】各磁極が関連するコイルを有し、前記コイルを流れる電流が、前記磁極の磁気的な極性を
決定することを特徴とする請求項６に記載のステッピン
グモータ。
【請求項９】前記少なくとも一つのステータ部材に
連結された少なくとも一つの磁極片を更に有することを
特徴とする請求項８に記載のステッピングモータ。
【請求項１０】前記少なくとも一つの磁極片が、そ
の一方が各磁極に連結された二つの磁極片を含むことを
特徴とする請求項９に記載のステッピングモータ。
【請求項１１】各磁極片が、前記組合せ磁石の磁極
に整合していることを特徴とする請求項１０に記載のス
テッピングモータ。
【請求項１２】前記位置決め手段がシャフトからな
ることを特徴とする請求項２に記載のステッピングモー
タ。
【請求項１３】前記シャフトと機能的な関係に位置
決めされた機械的なストップを更に有することを特徴と
する請求項１２に記載のステッピングモータ。
【請求項１４】前記位置決め手段がさらにハウジン
グを有することを特徴とする請求項２に記載のステッピ
ングモータ。
【請求項１５】前記シャフトに配置され、かつ前記
複数の磁極を備えた組合せ磁石の軸線方向の動揺を防ぐ
手段を更に有することを特徴とするステッピングモー
タ。
【請求項１６】前記防止手段が少なくとも一つのプ
レス部材からなることを特徴とする請求項１５に記載の
ステッピングモータ。
【請求項１７】前記少なくとも一つのプレスアセン
ブリが、前記シャフト上で前記組合せ磁石が滑ることを
防止する手段を有することを特徴とする請求項１６に記
載のステッピングモータ。
【請求項１８】前記滑りを防ぐ手段が、前記組合せ
磁石の開口部に連結されるように形成された部材を有す
ることを特徴とする請求項１７に記載のステッピングモ
ータ。
【請求項１９】ステッピングモータの製造方法であ
って、第１連結部材と前記第１連結部材に一体形成された第１
円弧型部材とを備えた第１の部分を形成する過程と、第２連結部材と、前記第２連結部材に一体形成された第
２円弧型部材とを備えた第２の部分を形成する過程と、前記第１の部分と前記第２の部分を軸線上の互いに相異
なる向きに磁化する過程と、前記第１の部分と前記第２の部分とを連結することによ
って組合せ磁石を形成する過程と、少なくとも一つのステータ部材を前記組合せ磁石と機能
的な関係に位置決めする過程とを有し、前記第１連結部材が、前記第１円弧型部材から突出し、前記第２連結部材が、前記第２円弧型部材から突出し、前記第１連結部材と前記第２連結部材が軸に整合し、前記第１円弧型部材と前記第２円弧型部材が並置されて
いることを特徴とするステッピングモータの製造方法。
【請求項２０】組合せ磁石であって、第１連結部材と、前記第１連結部材に一体形成された第
１円弧型部材とを備えた第１の部分と、第２連結部材と、前記第２連結部材に一体形成された第
２円弧型部材とを備えた第２の部分とを有し、前記第１連結部材が、前記第１円弧型部材から突出し、前記第２連結部材が、前記第２円弧型部材から突出し、前記第１の部分と前記第２の部分とが互いに相異なる軸
線上の向きに磁化され、前記第１連結部材と前記第２連結部材が軸に整合してお
り、前記第１円弧型部材と前記第２円弧型部材が並置されて
いることを特徴とする組合せ磁石。