JPH09308213A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動作中の振動および騒音を低減することがで
きるステッピングモータを提供する。 【解決手段】 ８個の固定子極３０の各々を、６個の極
歯３２とすると共に、これらの極歯３２が３組の対の関
係となるように組み、かつ各対の極歯間ピッチを（３６
０／ｎ）・（ｐ−１／８）（ｎ＝５０、ｐ＝１）なる角
度で配置し、対になるもの同士が互いに極歯間空隙磁束
分布の４次高調波を打ち消す構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステッピングモー
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来のステッピングモータの一部
分の縦断面図であり、図７は同ステッピングモータの横
断面図である。これらの図において、ステッピングモー
タ１は、固定子２と、回転子３と、両端が開放したケー
ス４と、このケース４の両開口端に取り付けられるブラ
ケット５、６と、回転子３を取り付ける軸７と、この軸
７を回転自在に支持する軸受８、９とから構成される。

【０００３】固定子２は円筒状に形成されると共に、そ
の内側に円周方向に沿って８個の固定子極１０が形成さ
れている。各固定子極１０の先端部分には５個の固定子
極歯（以下、単に極歯という）１１が等ピッチで形成さ
れている。この場合、図８に示すように、各極歯１１の
ピッチが７．２（３６０／ｎ、ｎは正の整数で、この場
合は５０とした）度になっている。各固定子極１０には
固定子コイル１２がバイファイラ巻されている。バイフ
ァイラ巻することにより、固定子コイル１２に電流が一
方向にしか流れないように駆動することができる。

【０００４】図６において、回転子３には軸７の軸方向
に着磁された円筒形状の永久磁石１３が設けられると共
に、その永久磁石１３を挟むようにして回転子鉄心１
４、１５が設けられている。これら回転子鉄心１４、１
５の外周には円周方向に沿って５０個の回転子極歯（以
下、単に極歯という）２０が等ピッチで形成されてい
る。この場合、図８に示すように極歯２０のピッチが
７．２（３６０／ｎ、ｎ＝５０）度になっている。ま
た、回転子鉄心１４、１５は互いに１／２ピッチずれて
いる。

【０００５】図６において、軸受８、９のうち、軸受８
はブラケット５に取り付けられており、軸受９はブラケ
ット６に取り付けられている。軸７はその一方の端が軸
受９を貫通して外部に突出しており、回転子３のステッ
プ動作による機械的出力を取り出す。周知の如くステッ
ピングモータの駆動方式としては、固定子コイルを１相
ずつ励磁する１相励磁方式、固定子コイルを２相ずつ励
磁する２相励磁方式、固定子コイルを１相励磁と２相励
磁を交互に繰り返す１−２相励磁方式があり、用途に応
じて使い分けられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のステッピングモータにあっては、固定子極１０の極
歯１１のピッチを均等にした場合に、回転子３の回転中
に振動が生じ、またそれに伴って騒音も発生するという
問題点があった。ここで、図９は、固定子極１０の極歯
１１のピッチを均等にした場合のＴ−θ特性（スティフ
ネス特性、ステッピングモータを励磁させた状態で、回
転角度とトルクの関係を表したもの）を示すものであ
り、この図に示すようにトルク歪が生じているのが分か
る。このトルク歪が原因で回転子３の回転に振動が生じ
ることになる。

【０００７】従来は、この問題点を解決するために、図
１０に示すように固定子極１０の極歯１１のピッチを
７．５（３６０／（ｎ−２）、ｎ＝５０） 度にしてＴ
−θ特性の改善を図っていたが、顕著な改善が見られな
いことから不満足なものであった。

【０００８】そこで本発明は、動作中の振動および騒音
を低減することができるステッピングモータを提供する
ことを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以下、本発明の考え方に
ついて説明する。トルク特性の歪の原因となっているの
が、固定子極の極歯と回転子の極歯との間の極歯間空隙
の磁束分布の４次高調波であることが解明できたので、
本発明ではこの４次高調波を抑えるようにした。図４は
トルク歪を分析した結果を示すＴ−θ特性を示すもので
あり、この図において曲線Ｃａが実測されるトルク波
形、曲線Ｃｂがトルクの基本波形、曲線Ｃｃが４次高調
波であり、実測トルク波形はトルク基本波形と４次高調
波とが合成された形状になっている。

【００１０】ステッピングモータのトルクの基本波の１
サイクルが３６０／ｎ（ｎは正の整数）であるのに対
し、４次高調波が３６０／４ｎすなわち１／４の角度が
１サイクルになっていることは明らかである。そこで、
固定子極の極歯が２ｍ（ｍは正の整数）個の偶数個とし
てｍ組の対を組み、対同士の極歯間に以下に示す式
（１）に基づく位相差、すなわち極歯の配置ピッチを設
定するようにした。無論、対にして４次高調波を相殺す
ることから固定子極の極歯は２ｍ個の偶数でなければな
らないことは言うまでもない。 （３６０／ｎ）・（ｐ±１／８）…（１） 但し、ｐ≦ｍとなる正の整数

【００１１】図５は、対を組んだ２極歯間における４次
高調波の相殺の様子を示すものであり、この図に示す曲
線Ｃａ1は対の一方の極歯におけるトルク波形であり、
曲線Ｃｃ1はその極歯による４次高調波である。また、
曲線Ｃａ2は他方の極歯におけるトルク波形であり、曲
線Ｃｃ2はその極歯による４次高調波である。一方の４
次高調波と他方の４次高調波は互いに１８０度の位相差
を持っていることから互いに打ち消し合うことが分か
る。４次高調波が打ち消されることにより、双方の極歯
におけるトルク波形が歪を持たない正弦波になる。そし
て、対を組んだ２極歯の合成トルク波形が曲線Ｃｄに示
すようになる。

【００１２】このように、偶数個の極歯に対を組ませ
て、対の一方と他方との間のピッチに３６０／ｎの１／
８の角度差を設けることによってトルク歪の主な原因で
ある極歯間空隙磁束分布の４次高調波を打ち消すことが
でき、これによってＴ−θ特性が正弦波に近付くことか
ら低振動および低騒音を実現でき、さらにはマイクロス
テップ制御などにも大きく寄与できる。なお、対の極歯
間のピッチに１／８の角度差を設ける場合、（ｐ＋１／
８）でも（ｐ−１／８）のいずれであってもよいが、固
定子極への固定子コイルの装着を容易に行えるようにす
るために（ｐ−１／８）の方が好ましい。また、ステッ
ピングモータを設計する場合、常に極歯の形状が問題に
なるが、本発明では極歯の形状が原因で発生する４次高
調波を打ち消すので、極歯の形状に精度を出さなくても
済むという利点も得られる。

【００１３】上記原理に基づく請求項１記載の発明によ
るステッピングモータは、複数の固定子極を有する固定
子と、この固定子と空隙を介して対向配置され、等ピッ
チで配置されたｎ個（ｎは正の整数）の極歯を有する回
転子とを備え、複数の固定子極の各々は、２ｍ（ｍは正
の整数）個の極歯を有すると共に、これらの極歯が適宜
な組み合わせでｍ組の対の関係となるように組まれ、か
つ各対の極歯間ピッチが（３６０／ｎ）・（ｐ±１／
８）（但しｐは対をなす極歯間ピッチの数でｐ≦ｍなる
正の整数）なる角度で配置されるものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面例と共に説明する。 （I）実施の形態１ 図１は本発明のステッピングモータの実施の形態１の固
定子３０と回転子３とを示す図である。なお、この図に
おいて前述した図６または図７と共通する部分には同一
の符号を付している。この実施の形態１は、固定子３０
の内側に８個形成する固定子極３１の各々の極歯３２を
偶数個の６個とすると共に、対のピッチｐを「１」とし
たものである。つまり、隣接する極歯３２同士を対と
し、これを３組備えたものである。極歯３２の配列は当
然ながら図示の通り不均等角度ピッチになる。

【００１５】この場合、”○”と”○○”、”□”と”
□□”、”△”と”△△”で示す極歯３２は何れも対の
関係にあることを表している。”○”と”○○”、”
□”と”□□”、”△”と”△△”の対の極歯間ピッチ
は、（１）式にｎ＝５０、ｐ＝１を代入することにより
６．３度となる。これら対になるもの同士が互いに４次
高調波を打ち消すことになり、これによってトルク歪が
略解消される。なお、回転子３の極歯２０は従来と同様
に等角度ピッチで、図示のように７．２度としている。

【００１６】このように、実施の形態１では、８個の固
定子極３０の各々を、６個の極歯３２とすると共に、こ
れらの極歯３２が適宜な組み合わせで３組の対の関係と
なるように組み、かつ各対の極歯間ピッチを６．３
（（３６０／５０）・（１−１／８））なる角度で配置
した。したがって、対になるもの同士すなわち”○”
と”○○”、”□”と”□□”、”△”と”△△”が互
いに極歯間空隙磁束分布の４次高調波を打ち消すので、
トルク歪が略解消され、これによって動作中の振動及び
これに伴う騒音が殆ど生じなくなる。また、Ｔ−θ特性
が正弦波に近付くことからマイクロステップ制御などに
も大きく寄与することもできる。また、ステッピングモ
ータを設計する場合に問題になる極歯の形状も、本発明
では極歯の形状が原因で発生する４次高調波を打ち消す
ので、極歯の形状に精度を出さなくても済むという利点
が得られる。

【００１７】（II）実施の形態２ 図２は本発明のステッピングモータの実施の形態２の固
定子４０と回転子３とを示す図である。なお、この図に
おいても前述した図６または図７と共通する部分には同
一の符号を付している。この実施の形態２は、固定子極
４１の極歯４２の個数が上記実施の形態１と同様に偶数
の６個で、対のピッチｐは「３」としたものである。当
然ながら極歯４２の配列は図示の通り不均等角度ピッチ
になる。この場合も”○”と”○○”、”□”と”□
□”、”△”と”△△”で示す極歯４２は何れも対の関
係にあることを表している。”○”と”○○”、”□”
と”□□”、”△”と”△△”の対の極歯間ピッチは、
（１）式にｎ＝５０、ｐ＝３を代入することにより２
０．７度となる。これら対になるもの同士が互いに４次
高調波を打ち消すことになり、これによってトルク歪が
略解消される。

【００１８】（III）実施の形態３ 図３は本発明のステッピングモータの実施の形態の固定
子極５０と回転子３とを示す図である。なお、この図に
おいても前述した図６または図７と共通する部分には同
一の符号を付してその説明を省略する。この実施の形態
３は、固定子極５１の極歯５２の個数が上記実施の形態
１、２と同様に偶数の６個であるが、３組の対ピッチの
うちの２組を「２」とし、残りの１組を「１」としたも
のである。当然ながら極歯５２の配列は図示の通り不均
等角度ピッチになる。この場合も”○”と”○○”、”
□”と”□□”、”△”と”△△”で示す極歯４２は何
れも対の関係にあることを表している。”○”と”○
○”、”△”と”△△”の対の極歯間ピッチは、（１）
式にｎ＝５０、ｐ＝２を代入することにより１３．５度
となり、”□”と”□□”の対の極歯間ピッチは、
（１）式にｎ＝５０、ｐ＝３を代入することにより２
０．７度となる。これら対になるもの同士が互いに４次
高調波を打ち消すことになり、これによってトルク歪が
略解消される。

【００１９】なお、上記各実施の形態１〜３は、（３６
０／ｎ）・（ｐ±１／８）式に基づく一例であり、対の
組み合わせは幾通りもできることは言うまでもない。ま
た、必ずしも不均等ピッチ配列になることもない。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、ステッピングモータの固定子の複数の固定子極
の各々を、２ｍ（ｍは正の整数）個の極歯とすると共
に、これらの極歯が適宜な組み合わせでｍ組の対の関係
となるように組み、かつ各対の極歯間ピッチを（３６０
／ｎ）・（ｐ±１／８）（但しｐは対をなす極歯間ピッ
チの数でｐ≦ｍなる正の整数）なる角度で配置し、対に
なるもの同士が互いに極歯間空隙磁束分布の４次高調波
を打ち消すようにしたので、動作中の振動及びこれに伴
う騒音を低減させることができる。また、Ｔ−θ特性が
正弦波に近付くことからマイクロステップ制御などにも
大きく寄与することができる。また、ステッピングモー
タを設計する場合に問題になる極歯の形状も、４次高調
波を打ち消すことから、極歯の形状に精度を出さなくて
も済むという利点も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るステッピングモータの実施の形態
１の一部分を示す図である。

【図２】本発明に係るステッピングモータの実施の形態
２の一部分を示す図である。

【図３】本発明に係るステッピングモータの実施の形態
３の一部分を示す図である。

【図４】従来の問題点を説明するためのＴ−θ特性を示
す図である。

【図５】本発明を説明するためのＴ−θ特性を示す図で
ある。

【図６】従来のステッピングモータの一部分の縦断面図
である。

【図７】従来のステッピングモータの横断面図である。

【図８】従来のステッピングモータの一部分を図であ
る。

【図９】従来のステッピングモータのＴ−θ特性を示す
図である。

【図１０】従来のステッピングモータの一部分を図であ
る。

【符号の説明】

３ 回転子 ２０ 回転子極歯 ３０、４０、５０ 固定子 ３２、４２、５２、固定子極歯

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の固定子極を有する固定子と、 この固定子と空隙を介して対向配置され、等ピッチで配
   置されたｎ個（ｎは正の整数）の極歯を有する回転子
   と、を備え、 前記複数の固定子極の各々は、２ｍ（ｍは正の整数）個
   の固定子極歯を有すると共に、これらの固定子極歯が適
   宜な組み合わせでｍ組の対の関係となるように組まれ、
   かつ各対の固定子極歯間ピッチが（３６０／ｎ）・（ｐ
   ±１／８）（但しｐは対をなす極歯間ピッチの数でｐ≦
   ｍなる正の整数）なる角度で配置されることを特徴とす
   るステッピングモータ。