JPWO2006134800A1 - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 薄型のステッピングモータを提供する。【解決手段】 ステッピングモータ１は、回転子１０と、回転子１０を取り囲む固定子２０を有する。回転子１０は、外周にＮ極とＳ極が交互に複数着磁された永久磁石１１からなり、軸芯には回転軸１３が貫通固定されている。固定子２０は、回転子１０を取り囲むように配列された複数の磁極をその内周に有するリング状の磁極片２３、及び、磁極片２３を磁化するコイル３１を含む。磁極片２３は、フランジ部と、及び、フランジ部の内周縁から軸方向に突設された極歯２５を有し、磁極片２３のフランジ部の外周域にコイル３１が配置されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、ＰＭ型（永久磁石型）ステッピングモータに関する。特には、安価に製造できる薄型のＰＭ型ステッピングモータに関する。

従来のＰＭ型ステッピングモータ（２相、２０ステップ／１回転の例）の構造を説明する。
図１１は、従来のＰＭ型ステッピングモータの全体図である。
図１２は、図１１のステッピングモータの側面断面図である。
図１３は、図１１のステッピングモータの分解斜視図である。
図１２に示すように、ＰＭ型ステッピングモータ５０１は、回転軸を有する回転子５１０と、回転子５１０を取り囲むように配置された円筒状の固定子５２０と、から主に構成される。

回転子５１０はほぼ円筒状の永久磁石５１１であり、該磁石５１１の軸芯には、回転軸５１３が貫通固定されている。回転軸５１３の一端（図の右端）は軸受け５１５を介してヨーク５４３に支持されており、他方の端部（図の左端）も軸受け（図示されず）を介してフレーム（図示されず）等に支持されている。永久磁石５１１の外周面には、回転軸方向に延びるＮ極とＳ極が円周方向に交互に複数（この例では１０個）着磁されている。

固定子５２０は、回転軸５１３の方向に配列されたＡ相ステータ５２１ＡとＢ相ステータ５２１Ｂを有する。Ａ相ステータ５２１Ａ、Ｂ相ステータ５２１Ｂは、２個のクローポール型磁極片５２３ａと５２３ｂ、５２３ｃと５２３ｄを組合わせて構成されている。クローポール型磁極片５２３は、リング状のフランジ部と、フランジ部の内周縁から回転軸方向に延びる複数（この例では５本）の三角形状の極歯５２５（図１３参照）を有する。このようなクローポール型磁極片５２５は、通常、円板状の板をプレスで抜き曲げ、あるいは絞り加工することによって作製される。各ステータ５２１は、２個のクローポール型磁極片５２３を、極歯５２５が向かい合って交互に、かつ、非接触でかみ合うように配置されている。これにより、各磁極片のフランジ部と極歯との間に、断面がコの字状の凹部が形成される。そして、Ａ相ステータ５２１ＡとＢ相ステータ５２１Ｂは、極歯５２５が１／２ピッチ円周方向にずれるように配置されている。このように配置された両ステータは、ボビン５２７によって一体に固定されている。ボビン５２７は、樹脂を、各ステータ５２１の外周面を覆うとともに極歯５２５の間に充填するように成形したものである。

ボビン５２７で覆われた、各磁極片のフランジ部と極歯との間に形成された凹部には、巻線が巻き回されてコイル５３１Ａ、５３１Ｂが形成されている。各コイル５３１は、ボビン５２７によって各ステータ５２１から絶縁されている。ボビン５２７の凹部間には、外側に張り出した端子台５２８が形成されている。この端子台５２８には、各コイルに給電するための端子ピン５５１が立設されている（図１１、図１２参照）。

図１２に示すように、回転子５１０の永久磁石５１１の外周面の着磁部と、固定子５２０の各磁極片５２３の極歯５２５の内周面は所定の隙間を開けて対向するように配置される。コイル５３１に通電しステータ５２１を励磁すると、同ステータ５２１の円周方向に交互に並んだ極歯５２５には、Ｎ極とＳ極が交互に発生する。これらの磁極と、永久磁石５１１に着磁されている磁極との間（具体的には、クローポール型磁極片５２３の極歯５２５の内周面と、回転軸方向に延びる永久磁石５１１の着磁部表面との間）に、磁界が発生する。そして、Ａ相ステータ５２１ＡとＢ相ステータ５２１Ｂの各コイル５３１Ａ、５３１Ｂへの通電を交互に行うことによって、磁極間に反発と吸引が発生し、回転子５１０は一方向に連続して回転する。

回転子５１０及び回転子５１０に接続する対象物を回転させるだけのトルクを発生させるには、回転子５１０と固定子５２０の磁極間に働く磁界が十分な強さを持つ必要がある。このためには、クローポール型磁極片５２３の極歯５２５の内周面と、永久磁石５１１外周面の着磁部とが、十分な磁束密度を備える必要がある。そこで、上述のように極歯５２５を三角形状とすることにより、固定子５１０側の磁極の面積をできるだけ多くして磁束密度を高めている。

上述のような構成とすることにより、ステッピングモータはある程度以上薄くすることができないという問題点がある。また、図１１や図１２に示すように、コイル給電用の端子台がモータの側面から突出しているため、モータ配置姿勢の自由度が低かった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、薄型のステッピングモータを提供することを目的とする。

本発明のステッピングモータは、 外周にＮ極とＳ極が交互に複数着磁された永久磁石からなる回転子と、 該回転子の回転軸と、 該回転子を取り囲むように配列された複数の磁極をその内周に有するリング状の磁極片、及び、該磁極片を磁化するコイルを含む固定子と、を備えるステッピングモータであって、 前記磁極片が、フランジ部、及び、該フランジ部の内周縁から軸方向に突設された極歯を有し、 該磁極片のフランジ部の外周域に前記コイルが配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、フランジ部を含めた磁極片全体をコイルの内周域に収容することができるため、モータの厚さを薄く（短く）できる。

本発明の他のステッピングモータは、 外周にＮ極とＳ極が交互に複数着磁された永久磁石からなる回転子と、 該回転子の回転軸と、 該回転子を取り囲むように配列された複数の磁極をその内周に有するリング状の磁極片、及び、該磁極片を磁化するコイルを含む固定子と、を備えるステッピングモータであって、 前記磁極片が、磁性体の板材からなり、前記磁極が該磁極片の内周に形成された内側にのみ突出する突起であるとともに、 該磁極片の外周域に前記コイルが配置されていることを特徴とする。

本発明のステッピングモータの成形工程は、鉄板の打ち抜き工程のみであり、金型費を含めた全体の成形費を低減できる。また簡単に成形できるため、突起の数を増やして分解能を高めることが容易になる
なお、磁極片の枚数を増やせば（１相を２枚ずつの１組（全４枚）とするなど）、トルクを高くできる。

本発明においては、 前記磁極片が電磁軟鉄板又はケイ素鋼板を打ち抜き加工したものであることが好ましい。

本発明においては、 前記コイルが軸方向に２個配置されているとともに、各コイルの内周に、前記磁極片が２枚各々の磁極の位置をずらして配置されており、 さらに、 各コイルの間（軸方向内側面間）に配置された、前記磁極片と接する円形状のセンターヨークと、 各コイルの軸方向の外側面と外周面を覆い、前記磁極片のうちの軸方向外側の磁極片及び前記センターヨークと接する外ヨークと、を具備することが好ましい。

本発明によれば、外ヨーク及びセンターヨークを設けることにより、コイルの周囲に形成される磁界の磁場の強さが強められ、磁極片が磁化されやすくなる。

本発明においては、 前記外ヨーク又はその接続部材（合わせてケーシングという）の外面に取り付けられる前記コイル給電用の集合配線部材をさらに備え、 この集合配線部材の給電線に前記巻線の始端及び終端を接続することが好ましい。

このようにすれば、各コイルに給電するための端子台を設ける必要がない。クローポール型の場合は、図５に示すように、ボビンに端子台を設けて、同台に端子ピンを立設するのが一般的であった。本発明においては、端末処理に自由度を持たせてモータの端面にフレキ基板を接続することができ、同基板にコイルの始端と終端をつなぎやすくできる。また、端子台が不要なため、設計（配線）の自由度が高く外径制約に対して有利である。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、薄型のステッピングモータを提供できる。また、クローポール型に比べて安価に製造できるステッピングモータを提供できる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るステッピングモータ（２相、８ステップ／１回転の例）の構造を説明する側面断面図である。
図２は、図１のステッピングモータの分解斜視図である。
図３は、図１のステッピングモータの一部を組み立てた状態を示す分解斜視図である。
ステッピングモータ１は、回転軸を有する回転子１０と、回転子１０を取り囲むように配置された円筒状の固定子２０と、から主に構成される。

図１に示すように、回転子１０は、円筒状の永久磁石１１を有し、同磁石１１の軸芯には、回転軸１３（例えばステンレス鋼製）が貫通固定されている。回転軸１３の両端は樹脂軸受け１５に回転可能に支持されている。永久磁石１１の外周表面には、回転軸方向に延びるＮ極とＳ極が、円周方向に交互に複数（この例では４個）着磁されている。永久磁石１１の両端面の中心は円錐状に抉り取られており、軽量化が図られている。また、両端面には、樹脂製のワッシャー１７が固定されている。

固定子２０は、回転子１０の回転軸１３の方向に配列されたＡ相ステータ２１ＡとＢ相ステータ２１Ｂを有する。Ａ相ステータ２１ＡとＢ相ステータ１２Ｂは、２枚の同形状の磁極片２３ａと２３ｂ、２３ｃと２３ｄを組合わせて構成されている。図２（Ｂ）に示すように、磁極片２３は、ほぼリング状の磁性体（例えば、電磁軟鉄やケイ素鋼板製）の板材であり、リング状のフランジ部２４と、フランジ部２４の内周縁から軸方向に突設された複数（この例では２個）の極歯２５を有する。各極歯２５は、磁極片２３の中心に対して対角上に位置する。なお、ステップ数によっては極歯２５の位置は対角ではない。極歯２５は、先細の略台形状であり、軸方向の長さは、図１３に示す従来のクローポール型磁極片４２３の極歯４２５に比べて短い。各極歯２５の内周面は円弧状に湾曲しており、円周方向の長さは、この例では、中心角が９０°の扇型の円弧の長さよりやや短い。

この例の各ステータ２１では、２個のリング状磁極片２３が、円周方向においては、極歯２５が向かい合って交互に並ぶように、軸方向においては、極歯２５が部分的に重なり、かつ、フランジ部２４の間にやや隙間（図１（Ａ）のＹｇ）が開くように固定される。なお、極歯２５の形状を先細の台形状とすることにより、軸方向において２枚の磁極片２３の極歯２５を部分的に重なるように配置することができる。

そして、Ａ相ステータ２１ＡとＢ相ステータ２１Ｂは、磁極片２３の極歯２５が１／２ピッチ円周方向にずれるように配置されている。つまり、図３に示すように、磁極片２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが円周方向に、極歯２５の１／２ピッチ円周方向にずれるように配置されている。この際、２枚の磁極片の位置合わせや、各相ステータの位置合わせをしやすいように、各磁極片には位置合わせ部が形成されている。さらに、Ａ相ステータ２１ＡとＢ相ステータ２１Ｂは、回転軸方向に、リング状のセンターヨーク（例えば電磁軟鉄製）４１を挟んで配置されており、両ステータ間には隙間が開いている。このように配置された両ステータ２１とセンターヨーク４１は、ボビン２７によって一体に固定されている。ボビン２７は、樹脂を、各ステータ２１の各磁極片２３間や外周に充填するように成形したものである。

上述のように構成することにより、図１（Ａ）に示すように、回転子１０の永久磁石１１の外周面の各着磁部には、固定子２０の磁極片２３の各突起２５の内端面が対向する。

ここで、各ステータ２１の磁極片２３間の隙間の距離Ｙｇは、モータの回転子１０と固定子２０との隙間の距離（永久磁石１１の着磁部と磁極片２３の内端面の間の距離）Ａｇと等しい、もしくは、以上である。このように各隙間の距離を設定することにより、磁気ショートを回避でき、磁場の強さが強められトルク向上に寄与するという利点がある。

各ステータ２１の磁極片２３の外周面のボビン２７の樹脂層の外側には、巻線２９Ａ、２９Ｂ（この例では自己融着銅線）が巻き回されてコイル３１Ａ、３１Ｂが形成されている。つまり、コイル３１は、磁極片２３（フランジ部含む）の外周域に配置されている。なお、図１にはコイル３１が直接磁極片２３の外周面に巻かれているように描かれているが、磁極片２３の外周にも樹脂層を設けることが好ましい。この例では、コイル３１は、ワニス等により、ステータ２１と絶縁されている。

回転軸方向に並んでボビン２７で固定されたＡ相ステータ２１Ａ、センターヨーク４１及びＢ相ステータ２１Ｂ（ステータ組立という）は、外ヨーク４３（例えば電磁軟鉄製）内に同心筒上に嵌め込まれて、同ヨーク４３に固定されている。ここで、ステータ組立は、図１に示すように、軸方向の両外側に位置する２枚の磁極片２３ａ及び２３ｄとセンターヨーク４１が、外ヨーク４３に接して固定されている。外ヨーク４３は、モータの軸方向に分割される、カップ状の外ヨーク片からなる。外ヨーク４３の外周面には窓４５が形成されている。この窓４５から各コイル３１の巻線２９の始端と終端が引き出される。また、外ヨーク４３の端面には、軸受け１５が固定される開口部が形成されている。

上述のような構成により、各コイル３１の周囲の磁界の磁場の強さが強められ、磁極片２３が磁化されやすくなる。
具体的に説明すると、図１（Ｂ）に分かりやすく示すように、ステータ２１Ｂにおいて、コイル３１Ａの軸方向外側の端面（図の右側の面）と外周側面（図の下側の面）は外ヨーク４３の端面と側面で覆われ、軸方向内側の端面（図の左側の面）はセンターヨーク４１の端面に接している。さらに、２枚の磁極片２３ｃと２３ｄは、外ヨーク４３の端面とセンターヨーク４１の端面の間に位置する。外ヨーク４３やセンターヨーク４１によって、コイル３１Ａの周囲に形成される磁界Ｍの磁場の強さが強められる。これにより、外ヨーク４３とセンターヨーク４１の間の各磁極片２３が磁化されやすくなる。

このステッピングモータにおいては、磁極片２３をコイル３１の内周域に配置したため、ステータ２１の厚さを薄くでき、これによりモータ１の厚さを薄くできる。

図４は、図１のステッピングモータを取り付けた状態の一例を説明する図である。
この例では、モータ１の一端面をベースプレート６０に固定し、他方の端面に、モータ通電用等のフレキ基板（集合配線部材）７０を取り付ける。
モータ１の一方の外ヨーク端面は、ベースプレート６０に接着等により固定される。フレキ基板７０は、例えば、モータ１の端面形状の端末部７１を有し、同部でモータ１の他方の外ヨーク端面に固定される。そして、各相のコイル巻線２９Ａ、２９Ｂの始端と終端をフレキ基板７０の端末部７１の表面まで引き出し、各給電線にハンダ付け等により導通させる。このように、コイルの端末処理を施した後も、モータを薄型に維持できる。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係るステッピングモータ（２相、２０ステップ／１回転の例）の構造を説明する側面断面図である。
図６は、図５のステッピングモータの分解斜視図である。
図７は、図５のステッピングモータの一部を組み立てた状態を示す分解斜視図である。
この例のステッピングモータ１０１は、図１のステッピングモータ１とほぼ同様の構成を有する（ただし、２相、２０ステップ／１回転の例）が、各ステータの磁極片の構造が異なる。図において、図１のステッピングモータと同様の構成・作用を有する部品・部材は図１と同じ符号を付し、説明を省略する。

この例のＡ相ステータ１２１ＡとＢ相ステータ１２１Ｂは、２枚の同形状の磁極片１２３ａと１２３ｂ、１２３ｃと１２３ｄを組合わせて構成されている。図６（Ｂ）に示すように、磁極片１２３は、所定の板厚（この例では０．３ｍｍ）の、ほぼリング状の磁性体（電磁軟鉄）の板材であり、内周端から径方向に突出する複数（この例では５個）の突起１２５が形成されている。各突起１２５は、磁極片１２３の中心に対して等間隔の角度（この例では中心角７２°）に位置する。また、各突起１２５の内端面は円弧状で、円周方向の長さは、この例では、中心角が３６°の扇型の円弧の長さである。このようなリング状磁極片１２３は、電磁軟鉄板又はケイ素鋼板を打ち抜き加工することによって作製される。

各ステータ２１では、２個のリング状磁極片２３が、突起２５が円周方向に交互に並び、かつ、突起２５が接触しないように回転軸方向にやや隙間（Ｙｇ）を開けて並んで固定される。そして、Ａ相ステータ１２１ＡとＢ相ステータ１２１Ｂは、磁極片１２３の突起１２５が１／２ピッチ円周方向にずれるように配置されている。つまり、図７に分かりやすく示すように、磁極片１２３ａ、１２３ｃ、１２３ｂ、１２３ｄが円周方向に、突起１２５の１／２ピッチ円周方向にずれるように配置されている。

このステッピングモータにおいては、固定子１０の磁極を、リング状の磁極片１２３の突起１２５の内端面としたため、ステータ１２１の厚さを磁極片１２３の板厚程度に薄くできる。また、リング状磁極片１２３は、例えば、電磁軟鉄板の打ち抜き加工のように簡単に成形できるため、突起１２５の数を増やして分解能を高めることが容易になる。

図８は、本発明の第３の実施の形態に係るステッピングモータ（２相、２０ステップ／１回転の例）の構造を説明する側面断面図である。
図９は、図８のステッピングモータの分解斜視図である。
図１０は、図８のステッピングモータの一部を組み立てた状態を示す分解斜視図である。
この例のステッピングモータ２０１は、図５のステッピングモータ１０１とほぼ同様の構成を有するが、各ステータの磁極片の構造が異なる。図において、図５のステッピングモータと同様の構成・作用を有する部品・部材は図５と同じ符号を付し、説明を省略する。

この例では、図５の各ステータの磁極片１２３をそれぞれ２枚重ねたものである。つまり、図９に分かりやすく示すように、Ａ相ステータ２２１Ａの一方の磁極片２２３ａが、２枚の重ねられた磁極片１２３ａからなり、他方の磁極片２２３ｂが、２枚の重ねられた磁極片１２３ｂからなる。同様に、Ｂ相ステータ２２１Ｂの一方の磁極片２２３ｃが、２枚の重ねられた磁極片１２３ｃからなり、他方の磁極片２２３ｄが、２枚の重ねられた磁極片１２３ｄからなる。

このように構成することにより、ステータの磁極の面積を、図５のステータに比べて広くすることができるので、回転トルクを高めることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るステッピングモータ（２相、８ステップ／１回転の例）の構造を説明する側面断面図である。 図１のステッピングモータの分解斜視図である。 図１のステッピングモータの一部を組み立てた状態を示す分解斜視図である。 図１のステッピングモータを取り付けた状態の一例を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係るステッピングモータ（２相、２０ステップ／１回転の例）の構造を説明する側面断面図である。 図５のステッピングモータの分解斜視図である。 図５のステッピングモータの一部を組み立てた状態を示す分解斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係るステッピングモータ（２相、２０ステップ／１回転の例）の構造を説明する側面断面図である。 図８のステッピングモータの分解斜視図である。 図８のステッピングモータの一部を組み立てた状態を示す分解斜視図である。 従来のＰＭ型ステッピングモータの全体図である。 図１１のステッピングモータの側面断面図である。 図１１のステッピングモータの分解斜視図である。

符号の説明

１ ステッピングモータ
１０ 回転子 １１ 永久磁石
１３ 回転軸 １５ 樹脂軸受け
１７ ワッシャー
２０ 固定子 ２１ ステータ
２３ 磁極片 ２４ フランジ部
２５ 極歯 ２７ ボビン
２９ 巻線 ３１ コイル
４１ センターヨーク ４３ 外ヨーク
４５ 窓 ６０ ベースプレート
７０ フレキ基板（集合配線部材） ７１ 端末部

Claims (5)

1. 外周にＮ極とＳ極が交互に複数着磁された永久磁石からなる回転子と、
   該回転子の回転軸と、
   該回転子を取り囲むように配列された複数の磁極をその内周に有するリング状の磁極片、及び、該磁極片を磁化するコイルを含む固定子と、
   を備えるステッピングモータであって、
   前記磁極片が、フランジ部、及び、該フランジ部の内周縁から軸方向に突設された極歯を有し、
   該磁極片のフランジ部の外周域に前記コイルが配置されていることを特徴とするステッピングモータ。
2. 外周にＮ極とＳ極が交互に複数着磁された永久磁石からなる回転子と、
   該回転子の回転軸と、
   該回転子を取り囲むように配列された複数の磁極をその内周に有するリング状の磁極片、及び、該磁極片を磁化するコイルを含む固定子と、
   を備えるステッピングモータであって、
   前記磁極片が、磁性体の板材からなり、前記磁極が該磁極片の内周に形成された内側にのみ突出する突起であるとともに、
   該磁極片の外周域に前記コイルが配置されていることを特徴とするステッピングモータ。
3. 前記磁極片が電磁軟鉄板又はケイ素鋼板を打ち抜き加工したものであることを特徴とする請求項１又は２記載のステッピングモータ。
4. 前記コイルが軸方向に２個配置されているとともに、各コイルの内周に、前記磁極片が２枚各々の磁極の位置をずらして配置されており、
   さらに、
   各コイルの間（軸方向内側面間）に配置された、前記磁極片と接する円形状のセンターヨークと、
   各コイルの軸方向の外側面と外周面を覆い、前記磁極片のうちの軸方向外側の磁極片及び前記センターヨークと接する外ヨークと、
   を具備することを特徴とする請求項１、２又は３記載のステッピングモータ。
5. 前記外ヨーク又はその接続部材（合わせてケーシングという）の外面に取り付けられる前記コイル給電用の集合配線部材をさらに備え、
   この集合配線部材の給電線に、前記巻線の始端及び終端が接続されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のステッピングモータ。

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