JPS6333382B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、ステツプ・モータに関するもの
で、特に、１回転あたりのステツプ数が多いステ
ツプ・モータに関するものである。

従来の技術 いずれの側でも環状域に沿つて交互の極性を有
し規則的に配列された2N個の磁極を有するよう
にほぼ軸方向に磁化された永久磁石材料で作ら
れ、モータ軸上に回転自在に装着された円板状の
回転子部分と、前記回転子部分の両側において配
置される電気コイルを含むステツプ・モータは既
に提案された。

そのような先行技術のステツプ・モータの興味
あるものの１つが、たとえば、特開昭50−91705
号公報に開示される。前記引用の公開公報に教示
されるステツプ・モータも、環状に交互に配列さ
れる磁極を有する円板状回転子部分と、その両側
において配置される電気コイルを含む点で、この
発明にとり興味がある。しかしながら、前記引用
の先行技術は、いわゆる、コアレス固定子型のス
テツプ・モータに関するものである。詳しく述べ
ると、前記引用のステツプ・モータは、環状に交
互に配置される磁石を有する円板状回転子部分
と、前記回転子部分の両側において非磁性材料の
ケーシングに相互に対向する関係で配置されると
ともに交互に反対方向に各磁極の軸方向の磁界を
生成するように相互に接続された扁平コイルの固
定子部分とを含む。

この発明にとり興味のある他の先行技術が、実
開昭49−59009号に開示される。この引用の公開
公報に教示されるステツプ・モータは、環状に配
列される歯を有する円板状回転子部分と、その両
側において配置される各々が電気コイルを含む複
数個の磁気回路を含む点で、この発明にとり興味
がある。

発明が解決しようとする問題点 第１に述べた特開昭50−91705号公報に開示さ
れるようなコアレス固定子型のステツプ・モータ
では固定子の限界が透磁材料の磁気回路内に集中
することがない。このため、モータの動作におい
て高能率を達成できず、１回転あたりのステツプ
数が高いとき正確なステツプ動作が達成できない
という問題がある。

また、第２に述べた実開昭49−59009号に開示
されるようなステツプ・モータでは、固定子部分
がむしろ分厚くそのため浮遊磁界を生じ鉄材料に
生じるエネルギ損が大きくなる。これに関して、
磁気回路の歯の部分の間の鉄部分はトルク発生に
役立たず、鉄損を生じ重量を増加させる。また、
回転子が永久磁石形でなく、そのためモータが能
率的でなく、このモータは２相モータとして動作
できず、必ず多相となる。なぜならば、回転方向
の決定に少なくとも３相が必要であるからであ
る。

それゆえに、この発明の主たる目的は、顕著な
トルク／重量比、高角加速度を有し、高性能なス
テツプ作用を行なう、ステツプ・モータを提供す
ることである。

この発明によれば、比較的簡単で経済的な構造
の高性能のステツプ・モータが提供される。

問題点を解決するための手段と作用 第１の発明により提供されるステツプ・モータ
は、環状域に沿いかつそのいずれの側でも交互の
極性を有し規則的に配置された2N個の磁極を示
すようにほぼ軸方向に磁化された永久磁石材料で
作られた円板状回転子部分を有する。この回転子
部分は、モータの軸上に回転自在に設けられる。
また、前記ステツプ・モータは、非磁性材料に設
けられる複数個の磁気的に絶縁された磁気回路お
よびこれら磁気回路と結合する少なくとも２個の
電気コイルを有する。各々の磁気回路には、軸方
向に相互に向き合う前記磁気回路の端面で規定さ
れる空隙部が形成され、すべての空隙部はモータ
軸からは半径方向等距離位置に形成され、そのた
め前記回転子部分の前記磁極の前記環状域は前記
空隙に位置され、さらに各空隙部は回転子部分を
含む共通半径方向平面に関してほぼ対称的に形成
される。磁気回路の各々は少なくとも１個の扁平
な半径方向にかつ軸方向に延在する高透磁率を有
するＵ字状固定子部分を備え、また磁気回路は少
なくとも２グループに分けられ、各グループにお
ける空隙部は2π・ｋ／Ｎだけ角度的に離間して
設けられる（ｋは整数）。また、各磁気回路は少
なくとも電気コイルの１つと結合し、各コイルは
前記２グループ中の１グループの複数個の回路と
結合している。

第１の発明のモータは、非常に短い磁気回路を
有することになるので、磁気エネルギ損失も最小
限で済み、しかも、各磁気回路中の永久磁石の動
作点を広範囲に変えることができるので、比較的
軽重量のモータで高出力トルクを得ることができ
る。さらにまた、ステツプ数を多くすることがで
き、時定数も減少し、また多相ステツプ・モータ
の異相のコイル間には極めて小さな相互誘導しか
生じないので、非常に高精度のものとすることが
できる。

既述のように、第１の発明によれば、磁気回路
の各々は少なくとも１個の扁平な半径方向にかつ
軸方向に延在する高透磁率を有するＵ字状固定子
部分を備えればよい。もし磁気回路の各々が１個
のそのようなＵ字状固定子部分を備える場合は、
たとえばそのようなＵ字状固定子の磁気回路を閉
じるためのものがあればよい。

しかしながら、第２の発明では、磁気回路の
各々は２個のそのようなＵ字状固定子部分を備え
るのがよく、その場合、磁気回路の各々の２個の
Ｕ字状固定子部分は回転子部分を含む共通半径方
向平面に関して対称的に配置される。このような
第２の発明の構成の磁気回路では、１個の回転子
磁極に対して２個の固定子部分とコイルを設ける
ことかできるので一層効率的である。

第３の発明の構成は、２段モータの構成であつ
て、そのような第３の発明の構成により、なおも
比較的小型で、すなわち同一直径と軸方向に少し
長い長さで、ずつと高いトルク、すなわち１段の
モータのトルクの２倍以上のトルクを達成するこ
とができる。その理由は、各段が２相モータの１
相のみの固定子回路を含むことができるからであ
る。

実施例 以下に添付図面を参照しながらこの発明の一実
施例について説明する。

第１図および第２図に示されるステツプ・モー
タは、１対の回転子部材３，４により軸２に装着
された環状の円板状回転子部分１を有している。
前記回転子部分３，４は、軸２上で押付けられて
その周辺部で永久磁石材料で作られた薄い環状回
転子部分１を支持している。第１図に示されるよ
うに、モータは回転子部分１を含む半径方向平面
に関してほぼ対称構造を有している。たとえば、
プラスチツクなどの非磁性材料製の２個の支持部
材５，６が軸方向に対峙して設けられ、環状フラ
ンジ７，８およびねじ９，９′，９″により一体支
持されている。この支持部材５，６中に配設され
たベアリング１０，１１により、モータの軸２は
回転自在に装着されている。

前記支持部材５，６により、電気コイル１３′，
１３″，１４′，１４″のみならず複数個の磁気回
路１２が支持されている。

各磁気回路１２は、互いに軸方向に対峙し半径
方向に延在するように設けられた高透磁性の２個
の薄いＵ字状固定子部分１２′，１２″で構成さ
れ、一方の固定子部分１２′の第１の、すなわち
外側の脚部の端面は他方の固定子１２″の第１の
脚部の対応する端面と接触しているが、前記両固
定子１２′，１２″の第２の、すなわち内側の脚部
の対応端面は互いに離間し両者間に空隙１５を形
成している。固定子は通常の軟鉄で作るか、また
はさらに回路特性を高めるために積層構造とする
ことができる。

第２図に示されるように、磁気回路は、２つの
グループ１２〓，１２〓に分割され、各グループは
2π・ｋ／Ｎ角度ずつ等角離間した10個の固定子
部分を有する（後で説明するが、ここでｋは整
数、Ｎは回転子対極数である）。図示の実施例で
は、ｋ＝１、Ｎ＝25である。

多相モータを適切に駆動するため、ｐグループ
の回路群はさらに互いに2π・ｒ／Ｎ±π／pN角
だけずらせて離間配置されている（ｒは整数）。
図示の実施例では、ｒ＝３、４；ｐ＝２である。

この実施例では、２個の電気コイルは、各磁気
回路に結合されており、各グループ１２〓，１２〓
の10個の回路はそれぞれ２個ずつのコイル１４′，
１４″および１３′，１３″と結合されている。図
示されるように、コイルは先に述べた空隙を構成
する固定子部分のＵ字状脚部のまわりに巻回さ
れ、その曲線形状によりそれぞれの脚部に確実に
最も近接して配置される。さらに、コイル部分は
各固定子部分の２個のＵ字状脚部で形成される中
空部のほぼ全体を占有するように配置される。

前記中空部の内部には、わずかに空間が残され
ており、その空間部にリング１６，１７が配置さ
れ、コイルを支持し接続ワイヤをガイドしてい
る。これら接続ワイヤは、フランジ７の穴１８に
導かれる。

上述のように電気コイルを配置することによ
り、電気コイルとそれぞれの回路との結合が良好
となり、磁気回路内部の磁束線が極めて短くな
り、両相に組み込まれたコイル、すなわちコイル
１３′，１３″および１４′，１４″間の結合が弱く
なる。

上に述べた実施例では、Ｕ字状固定子部分１
２″とＵ字状固定子部分１２′とが回転子を中心に
軸方向に対称に配置されて、各磁気回路がＵ字状
固定子部分１２″，１２′の対として構成された。
そのような実施例は、２個のＵ字状固定子部分と
２個のコイルが１個の回転子磁極に対して協働す
るので好ましいものである。しかしながら、１個
のＵ字状固定子部分と１個のコイルを１個の回転
子磁極に対して協働させて十分な場合は、他の実
施例として、たとえば一方のＵ字状固定子部分１
２′を他方のＵ字状固定子部分１２″の磁気回路を
閉じる働きのヨーク部材にしてもよい。

この発明のさらに他の実施例では、第１図およ
び第２図のモータと類似したものを各モータ段と
して、２以上のモータ段を連結して２相または多
相モータが形成される。このようなモータの軸は
共通であり、各段の回転子の回転子部材はこの共
通軸上に固定されている。各段は１つの相に対応
する１グループの回路のみを含むことが望まし
い。

このような他の実施例としての２段モータの例
を第３図および第４図に示す。第３図は第４図の
線−に沿つて破断されたこの発明の２段ステ
ツプ・モータの軸方向断面図であり、第４図は第
３図の線−に沿つて破断された２段ステツ
プ・モータの横断面図であり、第１図および第２
図の実施例の第１図および第２図にそれぞれ対応
するので同一部分に300台の数字を付加した同一
符号を用いてあり、詳細な説明は省略する。この
２段モータの利点は、比較的小型で、すなわち同
一直径と軸方向の少し長い長さで、ずつと高いト
ルク、すなわち、１段のステツプ・モータのトル
クの２倍以上のトルクを達成することができるこ
とである。その理由は、各段が２相モータの１相
のみの固定子回路を含むことができるからであ
る。すなわち、たとえば各段における第１図およ
び第２図の１３″，１４″などの２個の湾曲コルク
の代わりに第３図および第４図の３１４″の環状
コイルを用いることができる。このため、第４図
に示すように追加のステータ部３１２″を用いる
ことができることになる。

実際上、異相間に適切な相関係を確保するため
に、各モータ段の磁気回路およびコイルを有する
固定子支持部材は、他の段に対して角度的に位置
をずらし得るように配置される。たとえば、適当
な角位置はモータ軸を機械的に駆動し、種々の段
に誘導された電圧を測定し比較することにより決
定される。

上の記載から明らかなように、磁気回路および
それらと協働する薄い円板状の回転子部分は、磁
気回路中に様々の磁界を生ぜしめることができ、
それゆえに、モータの単位重量について高トルク
値を得ることができる。また、実際にはコイルの
インダクタンスにより制限を受けるが、回転子に
高角加速度を与えることができる。

モータの寸法との関係で比較的大きな直径とし
得る回転子部分上に適当数の極を設けることによ
りステツプ数を多くすることができる。たとえ
ば、第１図および第２図に示される実施例では、
４ステツプ入力シーケンスを発生する電流により
コイル１３′，１３″および１４′，１４″を制御す
るとき１回転につき100ステツプが達成され、８
ステツプ入力シーケンスを発生する電流により上
記コイルを制御するときには１回転につき200ス
テツプが達成される。

第５図は第１図および第２図の実施例で、４ス
テツプ入力シーケンスを発生する電流によりコイ
ル１３′，１３″および１４′，１４″を制御する状
態を説明するグラフである。第５図において、波
形ａはコイル１４′，１４″に与えられる電流を示
し、波形ｂはコイル１３′，１３″に与えられる電
流を示す。

第１モータ位相Ａはコイル１４′，１４″で構成
され、これらコイル１４′，１４″はモータの所望
インピーダンスにより並列または直列に接続する
ことができる。第２モータ位相Ｂはコイル１３′，
１３″により同様に構成される。各位相は交番極
性＋１、−１の電流パルスで付勢され、一方の位
相のパルス列はπ／２電気角だけ位相がずれてい
る。位相ＡおよびＢに与えられるパルスの極性は
第６図の真理値表に示される。

別々に設けられたコイルを備えた１または２以
上の磁気回路を、回転子を駆動させる代わりに、
制御目的のため、さらに詳しく言うと、回路中に
誘導された電圧を測定し処理するために使用でき
ることは容易に理解されるであろう。このよう
に、この発明のモータを使用することにより、回
転子の位置、回転速度または回転方向を検出する
ことができる。

なお、１つの相に関連する各群の磁気回路を２
つの小群に分け、これらの小群を互いに角2π・
ｋ／Ｎ±2π／8Nずらして配置し、電流が流れて
いないとき回転子に作用するトルクの第４次高調
波を補償するようにすることもできる。

また、２対の群の磁気回路を設け、各対が各相
に関連し、各対の群を互いにほぼ直径的に反対位
置に配置することもできる。これは、丸さにおけ
る欠陥、平坦さにおける欠陥および回転子の円板
厚みの不均一による誤差を避けるために用いられ
る。

さらに、磁気回路を、その外側部分が周囲の空
気に接触するようにしてモータ内に配置すること
もできる。これは、冷却のためで、たとえば磁気
回路の外側のＵ字状脚を、部分５，６を適切な形
状にすることにより、全体的にまたは部分的に外
部に露出させたものとすることができる。

さらに、回転子に、電気−光感知装置と協働す
るための少なくとも１つの開口を設けることもで
きる。そして、円板状の磁化された回転子部分の
表面に異なる光反射特性のマーキングを施し、マ
ーキングを光感知装置と協働させるようにモータ
を形成することもできる。

さらに、円板状の回転子部分の両側に位置し、
その断面が磁気回路の空隙の径方向および対応す
る軸方向の寸法によつて限界づけられた２つの環
状のスペースは、円板状回転子部分に対向する連
続した面によつて境界づけられていて、適度の粘
性の流体によつて満たされており、前記連続した
複数の面の隣接する複数の面はエピレームによつ
て処理されているモータとすることもできる。適
切な流体の一例は200センチストークスのシリコ
ン油である、エピレーム（EPILAME）は時計業
界で周知の油のクリーピング（creeping）を防止
するための物質である。

発明の効果 既に述べたように、この発明のモータでは、Ｕ
字状固定子部分を用いることにより、非常に短い
磁気回路を有することになるので、磁気エネルギ
損失も最小限で済み、浮遊磁束が生じず、磁気回
路間の磁気結合が回避され、かつ２相間の磁気結
合も回避され、正確なステツプ動作制御が可能と
なり、比較的簡単で経済的な構造の高性能ステツ
プ・モータが得られる。

また、この発明のモータでは、複数個の磁気回
路が少なくとも２グループに形成され、少なくと
も２個のコイルの各々が少なくとも２グループの
うちの１個のグループの複数個の磁気回路と結合
するようにしたから、磁気回路の各々にコイルを
設けるものに比べて容易にステツプ数を多くする
ことができる。

また、磁気回路およびそれらと協働する薄い円
板状回転子部分の構成により、磁気回路中に様々
の磁界を生ぜしめることができ、それゆえにモー
タの単位重量について高トルク値を得ることがで
きる。換言すれば、各磁気回路中の永久磁石の動
作点を広範囲に変えることができるので比較的軽
重量のモータで高出力トルクを得ることができ
る。また、実際にはこれらのインダクタンスによ
り制限を受けるが、回転子に高角加速度を与える
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図の線−に沿つて破断された
この発明の２相ステツプ・モータの軸方向断面図
である。第２図は第１図の線−に沿つて破断
された２相ステツプ・モータの断面図である。第
３図は第４図の線−に沿つて破断されたこの
発明の２段ステツプ・モータの軸方向断面図であ
る。第４図は第３図の線−に沿つて破断され
た２段ステツプ・モータの横断面図である。第５
図は第１図および第２図の実施例で４ステツプ入
力シーケンスを発生する電流によりコイルを制御
する状態を説明するグラフである。第６図は第５
図の位相ＡおよびＢに与えられるパルスの極性を
示す真理値表である。 図において、１は回転子部分、２はモータ軸、
３，４は回転子部材、５，６は支持部材、１２は
磁気回路、１２′，１２″は固定子部分、１３′，
１３″，１４′，１４″はコイル、１５は空隙であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ いずれの側でも環状域に沿つて交互の極性を
   有し規則的に配列された2N個の磁極を呈するよ
   うにほぼ軸方向に磁化された永久磁石材料で作ら
   れ、モータの軸上に回転自在に装着された円板状
   の回転子部分と、 非磁性材料に設けられる複数個の磁気的に絶縁
   された磁気回路と、 前記磁気回路と結合された少なくとも２個の電
   気コイルとを具備し、 前記磁気回路の各々には、軸方向に相互に向き
   合う前記磁気回路の端面で規定される空〓が形成
   され、すべての空〓はモータ軸から半径方向等距
   離位置に形成され、そのため前記回転子部分の前
   記磁極の前記環状域は前記空〓に位置され、各空
   〓は前記回転子部分を含む共通半径方向平面に関
   してほぼ対称性を有し、 前記磁気回路の各々は少なくとも１個の扁平な
   半径方向にかつ軸方向に延在する高透磁性のＵ字
   状固定子部分を具備し、 前記複数個の磁気回路はｐ個のグループに形成
   され、各グループ内で前記空〓は2π・ｋ／Ｎだ
   け角度的に離間するように磁気回路が配置され
   （ｋは整数）、かつｐ個のグループの磁気回路を有
   し、隣接グループの外側の回路が2π・ｒ／Ｎ±
   π／pN（ｒは整数）だけ角度的に離間するように
   配置されており、さらに 前記回路の各々は少なくとも１個の前記コイル
   と結合し、前記コイルの各々は前記Ｐ個のグルー
   プのうちの一つの複数個の回路と結合している、
   ステツプ・モータ。 ２ 少なくとも２個の円板状の回転子部分を具備
   し、 前記回転子部分の各々がいずれの側でも環状域
   に沿つて交互の極性を有し規則的に配列された
   2N個の磁極を呈するようにほぼ軸方向に磁化さ
   れた永久磁石材料で作られ、かつ回転子部分はモ
   ータの共通軸上に回転自在に装着され、さらに 少なくとも２グループの磁気的に絶縁された磁
   気回路と、 非磁性材料に設けられ、前記磁気回路と結合さ
   れる少なくとも２個の電気コイルとを有し、 前記磁気回路の各々は、軸方向に相互に向き合
   う前記磁気回路の端面で規定される空〓が形成さ
   れ、すべての空〓はモータ軸から半径方向等距離
   位置に形成され、そのため前記回転子部分の前記
   磁極の前記環状域は前記空〓に位置され、 １グループの前記磁気回路が前記回転子部分の
   一つと組合わされ対応の１モータ段を形成し、 各グループの磁気回路の空〓は、前記グループ
   のすべての磁気回路に共通で対応する回転子部分
   を含む半径方向平面に関してほぼ対称的に配置さ
   れかつ対応の回転子部分を含み、 前記磁気回路の各々は、高透磁性を有する少な
   くとも１個の扁平で半径方向にかつ軸方向に延在
   したＵ字型固定子部分を有し、 各グループの前記空〓は2π・ｋ／Ｎだけ角度
   的に離間するように磁気回路が配置されており
   （ｋは整数）、１モータ段の回路のグループが他の
   モータ段の回路のグループに対し角度的にずらし
   て設けられていて、さらに 前記各回路は少なくとも１個の前記コイルと結
   合し、前記各コイルが１個の前記グループ内の複
   数個の回路と結合している、ステツプ・モータ。 ３ いずれの側でも環状域に沿つて交互の極性を
   有し規則的に配列された2N個の磁極を呈するよ
   うにほぼ軸方向に磁化された永久磁石材料で作ら
   れ、モータの軸上に回転自在に装着された円板状
   の回転子部分と、 各対が磁気回路を形成する複数個の固定子部分
   対と、 前記磁気回路と結合される少なくとも第１、第
   ２、第３および第４の電気コイルと、 前記固定子部分対および前記コイルを支持する
   第１および第２の非磁性支持部材とを有し、 前記固定子部分対の各々は、高透磁率を有する
   軸方向に延在する第１および第２の扁平なＵ字形
   状固定子部分からなり、 各固定子部分対の前記第１および第２の固定子
   部分はモータの同一軸方向平面内に配置され、各
   固定子部分対は他の固定子部分対と磁気的に絶縁
   され、各固定子部分対の前記第１固定子部分の第
   1U字状脚部の端面は同一固定子部分対の前記第
   ２固定子部分の第1U字状脚部の端面と接触し、
   かつ前記第１および第２の固定子部分の第2U字
   状脚部の端面は両端面間に空〓を形成するよう軸
   方向に離間して配置され、全固定子部分対により
   形成されるすべての空〓がモータ軸から半径方向
   等距離にあり、各空〓は前記回転子部分を含む同
   一半径方向平面に対してほぼ対称位置となるよう
   に前記第１固定子部分は前記第１支持部材に、ま
   た、前記第２固定子部分は前記第２支持部材に支
   持されており、さらに 複数個の前記固定子部分対は少なくとも第１お
   よび第２のグループの固定子部分対を形成するよ
   うに配置され、前記グループの固定子部分対は互
   いに2π・ｋ／Ｎの角度だけ等角度的に離間する
   ように磁気回路が配置され、さらに 前記第１および第２の電気コイルは、前記第１
   グループの固定子部分対の第１および第２の固定
   子部分のすべての第2U字状脚部のまわりに配置
   され、前記第３および第４の電気コイルは、前記
   第２グループの固定子部分対の第１および第２の
   固定子部分のすべての第2U字状脚部のまわりに
   配置されている、ステツプ・モータ。