KR100300632B1 - 스테핑모터 - Google Patents

Abstract

복수의 자극(1)이 원주 방향을 따라 교대로 다른 극에 자력 부착된 원통상의 회전자(2)와, 그 외면에 대향시킨 극치(13·14·15·16)을 갖는 2상의 요크(11·12)의 각각에 코일을 구비하여 되는 고정자를 구비하고, 극치(13·14·15·16)의 자극을 절환하여 회전자를 일방향으로 회전시키는 스테핑 모터에 있어서, 어느 1상의 요크(11·12)의 코일의 자화에 의해 발생하는 홀딩 토크의 어느 것이라도 디텐트 토크에 의해 회전자가 정회전 방향 전방으로 회전하도록 하는 영역 내에 안정점을 배치하도록 극치를 설치하는 스테핑 모터는, 회전자를 정회전 방향 전방으로 안정하게 유도할 수 있다.

Description

스테핑 모터

종래, OA 기구, 가전제품, 자동차 등의 넓은 분야의 액튜에이터 부품으로서, 입력 펄스 신호에 응하여 일정 각도의 회전을 행하는 스테핑 모터가 사용되고 있다. 이 스테핑 모터는 펄스 신호마다 권선의 자화 전류를 절환시킴으로써 자기 인력 또는 자기 반발력에 의해 일정의 회전각 만큼의 회전 이동을 행하는 것으로, 펄스로부터 토크로의 파워 변환을 오픈 루프의 디지탈 제어로 행하는 것이 가능하기 때문에 가격이 싸고 누적 오차가 작은 것이 장점이다.

이 스테핑 모터의 일종으로는 회전자의 축 방향으로 A상 및 B상의 2상의 요크를 설치하여 되는 2상식의 것이 있다. 이 2상식의 스테핑 모터는 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 원통상의 영구 자석에 축방향에 따른 직사각형의 자극 1을 원주 방향을 따라 복수개 자력 부착하여 되는 회전자 2와, 그 주위에 배치된 고정자 3으로 구성되어 있다.

고정자 3은 도 7에 나타낸 바와 같이, 회전자 2의 축방향으로 2상의 요크 4를 구비하고 있다. 각 요크 4는 각각 상기 회전자 2의 외면에 간격을 두고 대향시킨 사다리꼴의 극치(極齒) 5를 상기 회전자 2의 자극(磁極)수와 동일하게 갖는 동시에, 당해 극치 5의 피치의 1/4 만큼 위상을 빗겨놓은 상태로 상호 고정되어 있다.

각각의 요크 4는 고정자 3의 축선 방향의 단부에 배치된 외요크 4a·4b와, 이들 외요크 4a·4b의 사이에 배치된 내요크 4c·4d로 구성되어 있다. 또한, 요크 4에는 각각 코일 6이 구비되어, 당해 코일 6으로의 입력 펄스 신호의 방향, 즉 자화 방향에 의해 각 극치 5의 자극을 교체시킬 수 있도록 되어 있다.

도 8은 양 상이 모두 단선되지 않은 정상 통전 상태에 있어서 2상의 요크 4의 자화 패턴의 일례를 보여주고 있다. 여기에서 상부 2단은 도 7에 있어서 상부에 배치된 요크 4(A상)의 자화 패턴을, 하부 2단은 하부에 배치된 요크 4(B상)의 자화 패턴을 각각 보여주고 있는데, 부호 + 는 정방향, - 는 부방향을 나타내고, 표시가 없는 것은 무자화 상태를 나타낸다.

이 자화 패턴 예는 1주기가 8 스텝으로 구성되고, 이 자화 패턴을 반복하는 것에 의해 회전자 2를 원하는 한 방향(이 방향을 이하에서는 정회전 방향이라 한다)으로 연속적으로 회전시킬 수 있도록 되어 있다.

도 10은 요크 4의 코일 6에 각각 통전시킨 경우에 생기는 홀딩 토크를 나타내고 있다. 여기에서 부호 a(+), a(-), b(+), b(-)는 각각 A상의 외요크 4a, 내요크 4c, B상의 내요크 4d, 외요크 4b에 N자극이 나타나도록 통전한 경우의 토크 파형을 나타낸 기호이다.

상기 홀딩 토크 a(+)는 A상에 정방향의 펄스 전류를 입력할 때 회전자 2에 작용하는 토크를, 회전자 2의 회전각도를 횡축으로 하여 보여주는 것이다. 마찬가지로 홀딩 토크 a(-), b(+), b(-)는 A상에 부방향의 펄스 전류를 입력할 때, B상에 정방향, 부방향의 펄스 전류를 입력할 때의 토크를 나타내고 있다. 또한, 도 10 중에서 부호 d는 전체 코일로의 통전을 정지한 상태에서, 회전자 2의 자극과 극치 5의 사이에 구성되어 있는 자기 회로에 의해 생긴 디텐트 토크를 나타내는 것이다.

이들 홀딩토크 a(+), a(-), b(+), b(-) 및 디텐트 토크 d는 각각 우측으로 내려가는 곡선이 횡축을 횡절하는 점 A₁, A₂, B₁, B₂, D₁, D₂에 있어서 0으로 되고, 회전자 2는 그의 회전각도 위치에 안정하게 유지될 수 있도록 한다. 따라서, 이들 점은 안정점으로 된다. 한편, 우측으로 올라가는 곡선이 횡축과 교차하는 점 a₁, a₂, b₁, b₂, d₁, d₂에 있어서는, 그 위치로부터 조금이라도 빗겨지면 회전자 2는 가장 가까운 안정점 A₁, A₂, B₁, B₂, D₁, D₂를 향하여 회전한다. 따라서, 이들 점은 불안정점으로 된다.

또한, 도 11은 상기 자화 패턴에 따른 회전자 2의 동작을 S 자극 1a에 대하여 설명하는 고정자 3의 전개도이다.

이하에서는, 도 10 및 도 11(a) 내지 (h)에 따라 회전자 2의 동작을 설명한다. 도 11(a) 내지 (h)는 각각 도 8의 스텝 1로부터 스텝 8에 대응하는 회전자 2의 S 자극 1a의 위치를 나타내고 있다.

스텝 1에서는 A상 및 B상에 정방향의 펄스 전류가 입력되어, A상 및 B상의 각 극치 5에 각각 자극이 나타난다. 이에 따라, 회전자 2의 S 자극 1a는 A상의 외요크 4a 및 B상의 내요크 4d에 각각 나타나는 N자극에 끌려 도 11(a)의 위치에 배치된다.

이 경우 회전자 2는 도 10의 홀딩 토크 a(+)의 안정점 A₁과 홀딩 토크 b(+)의 안정점 B₁의 중간점 M₁에 있어서 양 홀딩 토크 a(+)·b(+)를 평형시키는 상태에서 정지하게 된다.

스텝 2에서는, A상에만 정방향의 펄스 전류가 입력되어 B상의 각 극치 5의 자극은 소멸되므로 회전자 2의 S 자극 1a는 상기 상태에서 A상의 N자극에만 끌려 도 11(b)의 위치에 배치된다. 이 경우 회전자 2는 도 10의 홀딩 토크 a(+)의 안정점 A1으로 이동하게 된다. 결국, 회전자 2는 결과적으로 극치 5의 1/8 피치분 만큼 정회전하게 되는 것이다.

다음에, 스텝 3에서는 B상에 부방향의 펄스 전류가 입력되어 B상의 각 극치 5에 상기의 역 자극이 발생하므로, 회전자 2의 S 자극 1a는 A상 및 B상의 외요크 4a·4b에 나타나 있는 N자극에 끌려 도 11(c)의 위치에 배치되어, 상기 위치로부터 극치 5의 1/8 피치분 만큼 정회전하게 된다. 여기에서, 회전자 2는 도 10의 안정점 A₁과 안정점 B₁의 중간점 M₂에 안정하게 유지되게 된다.

스텝 4에서는 A상의 코일 6으로의 펄스 전류가 정지되어 S 자극 1a를 끌어 당겼던 A상의 자극이 소멸되므로, 회전자 2는 상기 상태로부터 극치 5의 1/8 피치분 만큼 정회전하게 된다. 여기에서, 회전자 2는 도 10의 안정점 B₂로 안정하게 유지되게 된다.

이하에서도 마찬가지로, 스텝 5로부터 스텝 8까지 극치 5의 1/8 피치 만큼 정방향 회전이 실시되어, 스텝 1로부터 스텝 8의 자화 패턴의 반복에 의해 회전자 2가 정방향 회전을 계속하게 된다.

따라서, 이와 같이 구성된 2상식의 스테핑 모터 7에서는 2상중 1상의 코일 6이 어떤 원인에 의해 단선되는 경우, 때에 따라서는 역전하여 버리는 불리한 경우도 생각할 수 있다.

요컨대, B상 만이 단선될 경우를 예로 들어 설명하면, 자화 패턴은 도 9에 나타낸 바와 같이 된다. 이 경우, 스텝 1에서는 A상에만 정방향의 스텝 전류가 입력된다고 한 상기 정상시의 스텝 2와 마찬가지의 상태로 된다. 즉, 도 12(a)에 나타낸 바와 같이, 회전자 2는 A상의 외요크 4a에 나타난 N자극에 S자극 1a가 끌어당겨진 상태, 다시 말하면 도 10에 있어서 홀딩 토크 a(+)의 안정점 A₁에 정지된 상태에서 유지된다.

또한, 스텝 2, 스텝 3의 상태는 B상이 자화되지 않기 때문에 스텝 1과 동일한 상태로 되어, 도 12(b), (c)에 나타낸 바와 같이 회전자 2는 회전하지 않는다.

따라서, 스텝 4에서는 양 상 동시에 무자화 상태로 되어 회전자 2는 양 상의 극치 5로 회전자 2의 자극 1의 자극 부착력이 평형으로 되는 위치에서 정지한다. 즉, 회전자 2의 거동은 도 10에 나타낸 디텐트 토크 d에 의해 지배되어, 회전자 2는 디텐트 토크 d의 안정점 D₁을 향하여 이동된다.

그 결과, 회전자의 S 자극은 도 12(d)에 나타낸 바와 같이, 정회전 방향과는 역방향으로 극치의 1/8 피치분 만큼 회전하게 된다.

다음에, 스텝 5에 있어서는 A상 만이 스텝 1과는 역방향으로 자화되므로 회전자 2의 S자극 1a는 A상의 내요크 4b의 극치 5에 나타난 N 자극에 끌리게 되어, 회전자 2가 스텝 4의 상태로부터 역전 방향으로 회전 이동하게 되는 것이다. 그 후, 회전자 2는 도 10의 안정점 A₂에 안정하게 유지된다.

스텝 6, 스텝 7에 있어서는 스텝 5와 동일한 위치에 유지되고, 스텝 8에서는 디텐트 토크 d에 의해 다시 역전 방향으로 회전 이동하게 된다. 이 때문에 스텝 1로부터 스텝 8의 자화 패턴을 통하여 일정 각도 역회전하게 되어, 이 자화 패턴을 반복하면 회전자 2는 역회전을 계속하게 된다.

이 경우, 회전자 2의 역전에 의해 생기는 불리한 점이 중대한 경우에는 역전 방지 기능을 병설할 필요가 있으므로, 부품의 구성이 복잡화되어 신뢰성이 저하된다는 단점이 있다. 또, 부품 점수의 증가에 의한 제품 가격의 증대도 발생하게 된다.

본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 간단한 구성에 의해 회전자의 역전 방지를 도모할 수 있는 스테핑 모터를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명은 스테핑 모터에 관한 것으로, 특히 회전자의 축방향으로 2상의 요크를 갖는 2상식 스테핑 모터에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 스테핑 모터의 일 실시예에 있어서 정상 통전 상태에 있는 회전자의 동작을 설명하기 위한 고정자의 전개도,

도 2는 도 1의 스테핑 모터에 있어서 B상이 단선된 상태에 있는 회전자의 동작을 설명하기 위한 고정자의 전개도,

도 3은 도 1의 스테핑 모터에 있어서 고정자의 극치의 형상 및 위상을 설명하기 위한 도면,

도 4는 도 1의 스테핑 모터의 각 요크가 발생하는 홀딩 토크 및 디텐트 토크를 보여주는 도면,

도 5는 도 4의 홀딩 토크와 종래의 스테핑 모터의 홀딩 토크를 비교하기 위한 도면,

도 6은 스테핑 모터의 회전자를 보여주는 사시도,

도 7은 스테핑 모터의 구조의 종래예를 보여주는 일부를 파단한 사시도,

도 8은 단선되지 않은 정상 운전 상태에 있는 자화 패턴을 보여주는 도면,

도 9는 도 7의 스테핑 모터에 있어서 B상의 코일이 단선된 경우의 자화 패턴을 보여주는 도면,

도 10은 도 7의 스테핑 모터의 각 요크가 발생하는 홀딩 토크 및 디텐트 토크를 보여주는 도면,

도 11은 도 7의 스테핑 모터에 있어서 도 8의 자화 패턴에 대응하는 회전자의 동작을 설명하기 위한 고정자의 전개도,

도 12는 도 7의 스테핑 모터에 있어서 도 9의 자화 패턴에 대응하는 회전자의 동작을 설명하기 위한 고정자의 전개도.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 원통상으로 형성된 영구 자석에 축방향에 따른 복수의 자극(磁極)이 원주 방향을 따라 교대로 다른 극에 자력 부착하여 되는 회전자와, 당해 회전자의 외면에 반경 방향으로 간격을 두고 대향시킨 극치(極齒)를 회전자의 자극과 동일한 개수로 원주 방향으로 배치하여 되는 2상의 요크 각각에 대하여 인접하는 극치를 교대로 다른 극으로 자화시키는 코일을 구비하여 되는 고정자를 구비하고, 상기 극치의 자극을 절환하여 상기 회전자를 일 방향으로 회전시키는 스테핑 모터에 있어서, 상기 2상의 요크중 어느 1상의 요크의 코일의 자화에 의해 발생하는 홀딩 토크의 어느 것이라도 전체 코일을 무자화 상태로 할 때에 발생하는 디텐트 토크에 의해 회전자가 상기 회전 방향 전방으로 회전하게 되는 회전자와 요크의 위치 관계를 달성하는 영역내에 안정점을 배치하도록, 상기 극치가 설치되어 있는 스테핑 모터를 제안하고 있다.

상기 스테핑 모터에 있어서, 각 요크가 축선 방향의 단부에 배치된 외요크와, 당해 요크의 사이에 서로 등을 맞대고 배치된 내요크를, 한쪽의 외요크로부터 축선 방향을 따라 회전자의 회전 방향으로 순차 위상을 빗겨서 배치시켜 되는 동시에, 동일 피치에 배열된 사다리꼴의 극치를 각각 가지며, 내요크의 각 극치가 외요크의 극치보다도 좁은 폭으로 형성되고, 상기 한 쪽의 외요크가 그의 극치를 상기 회전자의 회전 방향 전방에 인접한 내요크의 극치의 뒤 가장자리에 근접시키도록 원주 방향으로 위상을 빗겨서 배치되고, 다른 요크가 그의 극치의 앞 가장자리를 뒤 가장자리보다 급경사로 형성시키는 구성으로 하면 효과적이다.

본 발명에 따른 스테핑 모터에 의하면, 고정자의 각 코일의 자화에 따라 교대로 다른 극으로 자화되는 2상의 요크에 의해, 회전자의 각 자극이 자기인력 또는 자기 반발력 또는 이들 양 쪽의 힘을 받아 회전자가 회전 이동한다.

여기에서, 2상의 요크중 1상의 요크의 코일이 단선되는 경우 회전자의 회전은, 다른 상의 요크에 나타나는 자극에 의해 발생하는 홀딩 토크와, 양 상 모두 무자화 상태로 되는 경우에 발생하는 디텐트 토크에 의해 지배된다.

즉, 요크의 자화 방향이 변화하는 경우에는, 그 사이에 양 상의 요크 모두가 무자화로 되는 상태가 개재될 수 있다. 따라서, 회전자는 그 회전 각도 위치가 하나의 홀딩 토크에 의해서만 결정되는 상태로부터 디텐트 토크에 의해서만 결정되는 상태로 이행한다.

이 경우에 있어서, 본 발명에서는 디텐트 토크가 회전자를 정회전 방향으로 회전시키는 회전자와 요크의 위치관계를 달성하는 영역 내에 각 홀딩 토크의 안정점을 배치하도록 극치가 설치되어 있기 때문에, 홀딩 토크에 의해서만 회전 각도 위치가 결정되는 상태로부터 디텐트 토크에 의해서만 결정되는 상태로 이행하는 경우에는, 반드시 회전자가 정회전 방향으로 회전하게 된다. 이에 의해, 회전자는 디텐트 토크의 안정점, 즉 상기 영역의 정회전 방향 최전단 위치에 배치된다.

또한, 상기 홀딩 토크의 안정점이 배치되어 있는 동일 영역 내에는 동일 상의 요크가 다른 방향으로 자화될 때에 발생하는 다른 홀딩 토크의 불안정점이 배치되게 되므로, 회전자의 회전 각도 위치가 디텐트 토크에 의해서만 결정되는 상태로부터 다른 홀딩 토크에 의해서만 결정되는 상태로 이행하는 경우에는, 상기 불안정점으로부터 먼 방향, 즉 정회전 방향으로 회전자가 회전될 수 있다.

이와 같이 하여, 동일 상의 요크의 자화 방향이 절환된 2개의 상태와, 그 사이에 개재되어 있는 무자화 상태를 지나는 사이에 회전자는 항상 정회전 방향으로 회전되도록 회전각도 위치가 결정되므로, 역회전이 확실히 방지되게 된다.

본 발명에 따른 스테핑 모터에 의하면 로터의 회전방향에 순차 위상을 빗겨서 배치시켜 되는 내요크 및 외요크의 자극을 절환하는 것에 의해 회전자가 일 방향으로 회전될 수 있다.

각 내요크는 외요크 보다도 폭이 좁은 사다리꼴 형상의 극치로 형성되므로, 외요크의 위상을 원주 방향으로 빗기는 것이 가능하게 된다. 그래서, 한 쪽의 외요크가 그 극치를 회전자의 회전 방향 전방으로 순접하는 내요크의 극치의 뒤 가장자리에 근접시키도록 원주 방향으로 위상을 빗겨 배치하는 동시에, 다른 외요크의 극치를 앞 가장자리가 뒤 가장자리 보다도 급경사의 사다리꼴로 형성하는 것에 의해, 회전자와 토크가 디텐트 토크에 의해 회전자를 정회전 방향으로 회전시키는 위치 관계를 달성하는 영역 내에 각 홀딩 토크의 안정점을 배치하도록 구성하는 것으로 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 스테핑 모터는 복수의 자극이 원주 방향을 따라 교대로 다른 극에 자력 부착된 원통상의 회전자와, 그의 외면에 대향시킨 극치(極齒)를 갖는 2상의 요크 각각에 코일을 구비하여 되는 고정자를 구비하고, 극치의 자극을 절환하여 회전자를 일 방향으로 회전시키는 것에서, 어느 1상의 요크의 코일의 자화에 의해 발생하는 홀딩 토크의 어느 것이라도 디텐트 토크에 의해 회전자가 정회전 방향 전방으로 회전하게 되는 영역내에 안정점을 배치하도록 극치를 설치하기 때문에, 2상중 어느 1상의 요크의 코일이 단선되는 경우에도 회전자는 안정하게 정회전 방향으로 유도되고 역전 방지를 확실히 도모할 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.

또한, 상기와 같은 역전 방지 효과를 극치의 형상, 위상을 조정하는 것에 의해 달성할 수 있기 때문에, 특별한 역전 방지 기구가 불필요하다. 따라서, 부품의증가에 따른 제품 가격의 증대라든가, 조립 작업, 보수 작업의 증대를 수반하는 일이 없이 낮은 가격으로 확실히 역전 방지를 도모할 수 있다.

또, 상기 스테핑 모터에 있어서, 각 요크를 회전자의 회전방향에 순차 위상을 빗겨서 배치된 외요크와 내요크로 구성하고, 이들 요크의 극치를 동일 피치로 배열된 사다리꼴 형상으로 형성하는 동시에, 내요크의 각 극치를 외요크의 극치 보다도 좁은 폭으로 형성하고, 한 쪽의 외요크의 극치를 회전자의 회전 방향 전방에 인접하는 내요크의 극치의 뒤 가장자리에 근접시키도록 원주 방향으로 위상을 빗겨서 배치하고, 다른 쪽의 외요크의 극치의 앞 가장자리를 뒤 가장자리 보다 급경사로 형성하는 것에 의하면, 한 쪽의 요크에 의해 발생하는 홀딩 토크를 회전자의 회전 방향으로 이동시키는 것이 가능하고, 그 안정점을 디텐트 토크에 의해 회전자가 통상 회전 방향 전방으로 회전하게 되는 영역 내에 배치하는 것이 가능하다는 효과를 발휘한다.

이하, 본 발명에 따른 스테핑 모터의 실시예에 대하여, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 본 실시예에 있어서, 도 6 내지 도 12에 나타낸 종래예와 공통인 부분에는 동일 부호를 붙이고 설명을 간략화한다.

본 실시예의 스테핑 모터 10도 2상식의 PM형 스테핑 모터 10으로, 원통상의영구 자석에 축방향에 따른 직사각형의 자극 1을 원주 방향을 따라 복수개 자력 부착하여 되는 회전자 2와, 그의 주위에 배치된 2상의 요크 11·12를 갖는 고정자 3으로 구성되어 있다.

각 요크 11·12는 축선 방향의 양단부에 배치된 외요크 11a·12a와, 이들 외요크 11a·12a 의 사이에 등을 대고 배치된 내요크 11b·12b로 구성되어 있다. 이들 요크 11·12는 외요크 11a·12a와 내요크 11b·12b를 조합함으로써, 각각 상기 회전자 2의 외면에 간격을 두고 대향하는 사다리꼴의 극치 13·14·15·16을 상기 회전자 2의 자극수와 같은 수 만큼 배치하도록 되어 있다는 점에서 종래예와 공통되고 있다.

그러나, 본 실시예의 스테핑 모터 10은 극치 13·14·15·16의 형상 및 그의위상에 있어서 종래예와 다르다.

본 실시예의 스테핑 모터 10의 요크 11·12의 극치 13·14·15·16의 형상은 도 3에 나타낸 바와 같이 A상과 B상이 서로 다르다.

A상에서는 외요크 11a의 극치 13이, 큰 밑변의 치수를 2.6 mm, 작은 밑면의 치수를 1.2 mm로 하는 좌우 대칭의 사다리꼴로 형성되어 있다. 또한, 내요크 11b·12b의 극치 14·15는 A상, B상 모두 큰 밑변의 치수를 2.1 mm, 작은 밑변의 치수를 0.5 mm로 하는 좌우 대칭의 사다리꼴로 형성되어 있다. 따라서, 이들 내요크 11b·12b의 극치 14·15는 외요크 11a·12a의 극치 13·16보다도 좁은 폭으로 되도록 형성되어 있다.

이와 같이 내요크 11b의 폭 치수를 작게 형성한 것은 후술하는 바와 같이 A상의 외요크 11a의 위상을 크게 빗길 수 있도록 하기 위해서이다. 또한, A상, B상 모두 내요크 11b·12b를 동일 형상으로 하는 것은 부품의 공통화를 도모하고 조립 오차를 방지하기 위해서이다.

B상의 외요크 12a는 큰 밑변의 치수를 2.2 mm, 작은 밑변의 치수를 1.2 mm로 하는 좌우 비대칭의 사다리꼴로 형성되어 있다. 이 B상의 외요크 12a와 A상의 외요크 11a를 비교하면, B상의 외요크 12a는 쇄선으로 표시한 A상의 외요크 11a의 형상을 기초로 하여 회전자 2의 회전 방향의 앞 가장자리로 되는 빗변을 제거하여 그 빗변의 경사각도가 A상의 외요크 11a보다도 급경사로 되도록 형성되어 있다.

또한, A상의 내요크 11b, B상의 내요크 12b 및 외요크 12a는 종래와 마찬가지로 하여, 위상을 회전자 2의 회전 방향 전방으로 극치 14·15·16의 피치의 1/4 씩 순차적으로 빗겨 배치되어 있다. 그러나, A상의 외요크 11a는 이와 달리, A상의 내요크 11b에 대하여 회전자 2의 회전 방향 후방으로 극치의 피치의 1/4 만큼 위상을 빗긴 통상 위치로부터, 회전 방향 전방으로 극치 13의 피치의 5 % 정도 만큼 위상을 빗겨 배치되어 있다.

이에 의해, A상의 외요크 11a는 그 회전 방향 전방에 배치된 내요크 11b의 뒤 가장자리에 근접될 수 있는 동시에, 회전 방향 후방에 배치된 내요크 11b의 앞 가장자리로부터는 떨어진 상태로 되어 있다.

이와 같이 구성된 본 실시예의 스테핑 모터 10은 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 홀딩 토크 A(+), A(-), B(+), B(-) 및 디텐트 토크 D를 각 요크 11·12에 의해 발생하도록 되어 있다. 도 5는 종래의 스테핑 모터 6에 있어서의 홀딩 토크 a(+), a(-), b(+), b(-) 및 디텐트 토크 d를 본 실시예에 따른 스테핑 모터 10의 홀딩 토크 A(+), A(-), B(+), B(-) 및 디텐트 토크 D에 겹쳐 나타내고 있다. 도면중, 파선은 종래의 스테핑 모터 6의 토크를 나타내고 있다.

이 도 5에 의하면, B상의 요크 12에 있어서는 극치 15·16이 종래의 스테핑 모터 6과 동일 위상 관계로 설치되어 있기 때문에, 홀딩 토크 B(+) 및 B(-)는 종래와 마찬가지의 위상 관계를 이에 의해 발생하고 있다. 단, B상의 외요크 12a가 비대칭 형상으로 되어 있기 때문에, 그 파형도 종래의 파형과 비교하면 약간 비대칭의 경향이 강하게 되어 있다.

이에 대하여, A상의 요크 11에는 외요크 11의 극치 13·14의 위상이 회전자 2의 회전 방향 전방으로 빗겨 있기 때문에 홀딩 토크 A(+), A(-)도 B상의 홀딩 토크 B(+), B(-)에 대하여 전체적으로 정회전 방향 전방으로 빗겨서 발생하고 있다.

이와는 반대로, 본 실시예의 스테핑 모터 10의 디텐트 토크 D는 극치 13의 위상 빗김 및 비대칭성에 기인하여, 회전자 2의 정회전 방향 후방으로 약간 빗겨 발생하게 되어 있다.

그 결과, 본 실시예의 스테핑 모터 10의 홀딩 토크 A(+), A(-), B(+), B(-)는 전체의 안정점 A₁, A₂, B_1,B₂및 불안정점 a₁, a₂, b_1,b₂를 디텐트 토크 D의 불안정점 d₁, d₂의 회전 방향 전방, 한편으로는 안정점 D₁, D₂의 회전 방향 후방으로 되는 영역 X₁내에 배치되도록 되어 있다. 그런데 각 홀딩 토크 A(+), A(-), B(+), B(-)의 안정점 A₁, A₂, B_1,B₂는 동일 상에 있어서 자화 방향이 다른 홀딩 토크 A(-), A(+), B(-), B(+)의 불안정점 a₁, a₂, b_1,b₂모두 동일 영역 X₂내에 배치되도록 되어 있다.

이와 같이 구성되는 스테핑 모터 10의 동작에 대하여 도 1, 도 2 및 상술한 도 4를 참조하여 이하에 설명한다.

도 1은 종래예에 있어서 도 8에 나타낸 2상의 요크 11·12의 자화 패턴의 일례에 따른 회전자 2의 S자극 1a의 거동을 나타내고 있다.

이 도 1에 기초하여, 정상 통전시 회전자 2의 거동에 대하여 설명한다. 회전자 2의 S자극 1a가 도 1(a)의 스텝 1에 나타낸 회전 각도 위치에 배치되어 있을 때에는 A상의 외요크 11a 및 B상의 내요크 12b의 극치 13·15에 각각 나타나 있는 N 자극에 끌려 그 중간 위치에서 안정 상태로 유지된다.

이를 도 4에 나타낸 토크 파형으로 설명하면, A상에는 홀딩 토크 A(+)가 생기고 B상에는 홀딩 토크 B(+)가 생겨 있다. 그런데, 회전자 2는 A상에 생겨 있는 홀딩 토크 A(+)의 안정점 A₁과 B상에 생겨 있는 홀딩 토크 B(+)의 안정점 B₁의 대략 중간점 M₁근방에서 평형 상태로 된다.

다음에, 스텝 2의 상태로 되면 B상의 홀딩 토크 B(+)가 소멸하여, 회전자 2는 홀딩 토크 A(+)의 안정점 A₁에 안정하게 유지되는 결과, 상기 S 자극 1a는 통상의 회전 방향 전방으로 이동될 수 있다.

이하, 스텝 3으로부터 스텝 8 까지는 상기와 마찬가지로 회전자 2가 안정하게 유지되는 안정점 및 중간점이 M₂, B₂, M₃, A₂, M₄, B₁의 순으로 정회전 방향 전방으로 이동하여, 회전자 2의 S자극 1a도 도 1(c)로부터 (h)에 나타낸 바와 같이 회전할 수 있게 된다.

이러한 정상 운전시에 있어서는 항상 어느 요크 11·12가 자화 상태로 되기 때문에 이들 요크 11·12에 의해 발생되는 각 홀딩 토크 A(+), A(-), B(+), B(-)보다도 충분히 작은 디텐트 토크 D의 영향은 작다.

다음에, B상의 요크 12의 코일 만이 단선된 경우에 있어서 회전자 2의 거동에 대하여 설명한다.

B상이 단선된 경우에는, 종래예에 있어서 도 11에 나타낸 자화 패턴에 따라 A상의 요크 11의 코일 만이 자화되게 된다. 이 경우, 스텝 1로부터 스텝 3에서는 도 2의 (a)로부터 (c)에 나타낸 바와 같이 홀딩 토크 A(+) 만이 지배하는 상태로 되고, 회전자 2의 S자극 1a는 외요크 11에 나타나 있는 N자극에 끌려 정상 운전 상태에서의 스텝 2(도 1(b))와 같은 회전 각도 위치에 배치된다. 즉, 토크 파형에 기초하여 설명하면, 회전자 2는 홀딩 토크 A(+)의 안정점 A₁에서 평형 상태로 되게 된다.

다음에, 스텝 4로 이행하면, A상, B상도 무자화 상태로 되기 때문에 회전자 2의 거동은 디텐트 토크 D에 의해서만 지배되게 된다. 즉, 회전자 2는 디텐트 토크 D의 안정점 D₁을 향하여 이동한다.

여기에서, 본 실시예의 스테핑 모터 10에서는 극치 13·14·15·16의 형상을 조작하는 것에 의해 홀딩 토크 A(+)의 안정점 A₁을 영역 X₁내에 배치하도록 하고 있기 때문에, 회전자 2는 디텐트 토크 D의 불안정점 d₁으로부터 안정점 D₁을 향하는 방향으로 회전 이동한다.

요컨대, 영역 X₁은 디텐트 토크 D의 불안정점 d₁과 그 회전 방향 전방에 배치된 안정점 D₁에 끼워진 구간이기 때문에, 이 영역 X₁내에 배치된 안정점 A₁에 있어서 요크 11·12가 무자화 상태로 되면 회전자 2는 반드시 회전 방향 전방을 향하여 회전하게 된다.

스텝 5로 이행하면 회전자 2는 홀딩 토크 A(-)에 의해서만 지배되게 된다.

이 경우에 있어서, 본 실시예의 스테핑 모터 10에서는 홀딩 토크 A(+)의 안정점 A₁이 배치되어 있는 상기 영역 X₁내에, 동 A상의 요크 11의 코일의 자화 방향을 절환시켜 발생되는 홀딩 토크 A(-)의 불안정점 a₂도 동시에 배치된다. 따라서, 디텐트 토크의 안정점 D₁에 안정하게 유지되어 있는 회전자 2는 홀딩 토크 A(-)의 불안정점 a₂로 향하는 것이 아닌, 안정점 A₂로 향하는 방향, 즉 정회전 방향 전방을 향하여 회전하여 도 2(e)에 나타낸 회전 각도 위치에 S자극 1a를 배치하게 된다.

이 상태는 스텝 7까지 지속된다.

스텝 8에 있어서 다시 무자화 상태로 되면 회전자 2는 디텐트 토크 D의 안정점 D₂를 향하여 정회전 방향 전방으로 회전하여, 도 2(h)에 나타낸 회전 각도 위치에 S자극 1a를 배치한다. 또한, 이 스텝 8의 상태로부터 스텝 1로 이행하는 경우에도 회전자 2는 홀딩 토크 A(+)의 안정점 A₁을 향하여 정회전 방향 전방으로 회전하게 되는 것이다.

따라서, 본 실시예에 따른 스테핑 모터 10에서는 B상의 요크 12의 코일이 단선되는 경우에도 회전자 2는 정상 통전 시의 정회전 방향 전방으로 안정되게 유도되어 역회전이 방지된다.

상기와 같은 회전자 2의 동작은 A상의 요크 11이 단선된 경우에 있어서도 마찬가지이다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 스테핑 모터 10에 의하면 극치 13·14·15·16의 형상 및 위상을 조정하는 간단한 방법에 의해, 각 요크 11·12에서 발생한 홀딩 토크 A(+), A(-), B(+), B(-)의 안정점 A₁, A₂, B_1,B₂를 디텐트 토크 D에 의해 회전자 2가 정회전 방향으로 회전될 수 있는 영역 X₁, X₂내에 배치하도록 함으로써, 어느 한 상의 요크 11·12의 코일의 단선에 의해서도 회전자 2를 정회전 방향으로 안정하게 유도할 수 있다.

따라서, 특수한 역전 방지 기구를 설치할 필요가 없이 간단한 구성에 의해 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동시에, 구성 부품의 증가를 방지하여 제품 가격의 절감을 도모할 수 있다는 효과를 발휘한다.

또한, A상 및 B상의 내요크 11b·12b의 형상을 동일한 것으로 함으로써, 부품을 공통화시키고 조립의 오차를 방지하고 불량품의 발생을 회피할 수 있다.

상기 실시예에 있어서 극치 13·14·15·16의 형상의 일례를 나타내었지만, 동일한 효과를 발휘하는 극치 13·14·15·16의 형상이 이들 만으로 한정되지 않음은 물론이다. 즉, 각 요크 11·12·13·14에서 발생하는 홀딩 토크 A(+), A(-), B(+), B(-)의 안정점 A₁, A₂, B_1,B₂의 어느 것이라도 디텐트 토크 D의 상기 영역 X₁, X₂내에 배치하는 형상이라면 적의 변경하는 것이 가능하다.

또한, 극치 형상은 사다리꼴 형상의 것으로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 빗변을 매끄럽게 변화시킨 곡선 형상으로 하여도 좋고, 역방향으로 경사된 형상으로 하여도 좋다. 또한 사다리꼴 형상 자체를 사인 곡선 등의 산 형상으로 형성하여도 좋다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 스테핑 모터는 OA 기구, 가전 제품, 자동차 등 넓은 분야의 액튜에이터 부품으로서 유용하고, 특히 2상의 코일 내에 1상이 단선된 경우에 있어서도 역전을 확실히 방지하는 부분에 사용하기 적합하다.

Claims (1)

1. 원통상으로 형성된 영구 자석에 축방향에 따른 복수의 자극(磁極)(5)이 원주 방향을 따라 교대로 다른 극에 자력 부착하여 이루어진 회전자(2)와,

   상기 회전자(2)의 외면에 반경 방향으로 간격을 두고 대향시킨 극치(極齒)(5)를 회전자의 자극(5)과 동일한 개수로 원주 방향으로 배치하여 이루어진 2상의 요크(11, 12) 각각에 대하여 인접하는 극치를 교대로 다른 극으로 자화시키는 코일(6)을 구비하여 이루어진 고정자(3)를 구비하고,

   상기 극치(5)의 자극을 절환하여 상기 회전자(2)를 일 방향으로 회전시키는 스테핑 모터(10)에 있어서,

   각 요크(11, 12)가 축방향의 단부에 배치된 외요크(11a, 12a)와, 그 외요크(11a, 12a)의 사이에 서로 등을 맞대고 배치된 내요크(11a, 12b)를, 한 쪽의 외요크(11a)로부터 축방향을 따라 회전자(2)의 회전 방향으로 순차 위상을 빗겨서 배치시켜서 이루어짐과 동시에, 동일 피치에 배열된 사다리꼴의 극치(13, 14, 15, 16)를 각각 가지며,

   내요크(11b, 12b)의 각 극치(14, 15)가 외요크(11a, 12a)의 극치(13, 16)보다도 좁은 폭으로 형성되고,

   상기 한 쪽의 외요크(11a)가 그의 극치(13)를 상기 회전자(2)의 회전 방향 전방에 인접한 내요크(11b)의 극치의 뒤 가장자리에 근접시키도록 원주 방향으로 위상을 빗겨서 배치되고,

   다른 외요크(12a)가 그의 극치(16)의 앞 가장자리를 뒤 가장자리보다 급경사로 형성시키며,

   상기 2상의 요크(11, 12) 중 어느 1상의 요크의 코일(6)의 자화에 의해 발생하는 홀딩 토크의 어느 것이라도 전체 코일(6)을 무자화 상태로 할 때에 발생하는 디텐트 토크에 의해 회전자(2)가 상기 회전 방향 전방으로 회전하게 되는 회전자(2)와 요크(11, 12)의 위치 관계를 달성하는 영역내에 안정점을 배치하도록 상기 극치(13, 14, 15, 16)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 스테핑 모터(10).