WO1999050952A1

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Info

Publication number: WO1999050952A1
Application number: PCT/JP1999/001532
Authority: WO
Inventors: Akihiko Ikegami; Yoshikazu Koike
Original assignee: Seiko Epson Corporation
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 1999-10-07
Also published as: EP0993102A1; US6552451B1; CN1262807A; JP3806943B2; EP0993102A4; CN1149731C

Description

糸田

ステッビングモータ、これを用いた印字装置又は紙送り装置並びにプリンタ技 frT分野

本発明は、振動及び騒音が低減されるステッピングモータ、及びこれを用いた印字装置又は紙送り装置並びにプリンタに関する。背景技術

近年、入力された電気パルスに対応して機械角度を出力するステツピングモ一タは、プリンタ、スキャナ、ファクシミリ等の複写機の紙送りやヘッド駆動、ドラム駆動等の動力として多用されている。

特に、高トルク、高精度が要求される機器には、モータを励磁せずとも永久磁石によって磁束が形成されるハイプリッド型ステッビングモータの採用が顕著である。これは、この種のステツピングモータによると、小型にして高トルクを出力する動力が康価に得られ、更に、高速、位置センサ Zエンコーダが不要であることから、制御が容易であるという利点が歓迎されているためである。

例えば、図 2 9 に示すのは、ステッピングモータの固定子及び回転子の基本的な構成を示す断面図である。このステッピングモータは、複数の固定子極 2 1 を有する固定子 2 と、これらの固定子極 2 1 に対して隙間を介して配置した回転子 3 とを備え、回転子 3 に一定のピッチで回転子極歯 3 1 を設けるとともに、各固定子極 2 1 に回転子極歯 3 1 と対向する固定子極歯 2 2 を設けており、各固定子極 2 1 に配置した固定子コイル 4 をそれぞれ励磁することによって、出力軸 5 にトルクが生じるように構成されている。また、近年では、機器の高速化及び高精度化に伴い、ステツピングモータ特有のディテントトルクに起因するモータ駆動時の振動や騒音が問題となっており、これらを如何に低減するかが重要な課題となっている。

その対策としては、従来より、固定子極歯のピッチを回転子極歯のピッチと異なるように設定することによって、ディテントトルクに含まれる高調波を低減する方法が採用されている。

一般に、回転子極歯のピッチを P R、固定子極歯のピッチを P S、固定子極歯の個数を m とするとき、

P S= P R { l ± l Z (m . v ) }

の関係にあると、 V 次を含む複数の高調波が低減されることが知られており、このような構成は、例えば、特公平 6 — 1 4 7 7 9 号等に開示されたステッピングモータにも採用されている。

これは、回転子極歯のピッチ P R に対して、固定子極歯のピッチ P S 力 S

{ P R/ ( m · v ) }

だけ狭く又は広くなるようにずらしてやると、各固定子極歯毎に生じるディテントトルクの位相が適宜ずれることによって、特定の高調波同士が打ち消し合うという構成である。

例えば図 3 0 は、従来のステッピングモータにおける回転子極歯 3 1 のピッチ P 1 と、固定子極歯 2 2 のピッチ P 2 とを示す説明図である。

同図の場合、一つの固定子極 2 1 には 6個の固定子極歯 2 2 が設けられており、固定子極歯 2 2 のピッチ P S は、 3 次高調波を低減するべく、回転子極歯 3 1 のピッチ P R よりも（ P R/ 1 8 ) だけ狭く（又は広く）なるように設定されている。また、この構成によって低減される高調波は、 3 次高調波のみならず、 3 の倍数次すなわち 6 ， 9 , 1 2次高調波等である。

実際に、図 3 0 に示すような固定子極 6個を有する固定子と、回転子極歯 3 8 個の回転子とを用いて三相モータを構成し、そのディテントトルク特性を測定したところ、図 3 1 に示すような結果が得られた。

更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解析したところ、図 3 2 に示すような結果が得られた。

また、これに対して、固定子極歯のピッチが回転子極歯のピッチと同じ固定子を用いて同様に構成及び周波数解析したところ、図 3 3 及び図 3 4 に示すような結果が得られた。

そして、これらの結果を比較すると、固定子極歯のピッチを図 3 0 に示すように設定したものでは、 6 次高調波や 1 2 次高調波が顕著に低減されていることが確認された。

尚、これらの図において、 1 次、 2 次高調波のばらつきは、固定子及び回転子の寸法誤差や回転軸の偏心等に起因するものと考えられる。

ところで、前述したようなステッピングモータにあっては、各次数の高調波の振幅がそれぞれ 0 g c mに近いほど振動や騒音が少ないとされる。

また、位相が異なる固定子極毎に生じる高調波は、互いに弱めあったり強めあったりするので、特に問題となるディテントトルクの次数は、その相数や固定子極数によって決まるとされている。

この点、三相モータであれば、 4次高調波は三相構造のレイァゥトによりキャンセルされてしまうので、特に問題となるのは 6 次高調波であるとされており、前述したような固定子極歯のピッチの設定は、このような条件に対応してなされている。

しかしながら、実際には、このような構成によって十分な静粛性を実現するのは非常に困難であった。

すなわち、相間や固定子極間のレイァゥトによる効果を得ようとする場合は、モータの部品製造や組み立て工程における精度の制約が極めて厳密になり、結果的に、僅かな寸法差により十分な効果が得られなくなってしまうためである。

これは、図 3 1 乃至図 3 4 において、理論上 6 次高調波よりも問題とされないはずの 4 次高調波等が大きく現れていることからも確認される。

そこで発明は、以上の問題点に鑑みて、ディテントトルクの高調波を効率よく低減し、より静かで滑らかな回転が得られるステッビングモータを提供することを目的としている。

ところで、前述したように、ステッピングモータの駆動時にあつては、ディテントトルクを低減若しくは消去することにより、不要な振動及び騒音を低減するようにしている。

このディテントトルクとは、すなわち回転子に永久磁石等を設けることによって、固定子コイル等を励磁しなくとも回転子を一定の位置に保持しょうとするトルクであって、所謂スティフネス特性で示されるような静止トノレクとは区別される。

図 2 9 に示す固定子 2 及び回転子 3 の場合、回転子 3 の要所には永久磁石が配置されており、ディテントトルクは、固定子極 2 1 の各固定子極歯 2 2 と回転子 3 の回転子極歯 3 1 の間に存在しモータ全体としては、各極歯間に存在するディテントトルクを合成したものとなる。すなわち、周方向に対して位相が異なる固定子極歯 2 2 と回転子極歯 3 1 との間で生じるディテントトルクが互いに打ち消し合うように構成されている。

前述したディテントトルクは、一つの固定子極歯においては、回転子極歯のピッチと同じ周期の正弦波形で表されるものの、実際には、更にその高調波成分を含むので、図 3 5 に示すように、歪が存在する複雑な波形をしたものとなっている。

このような高調波成分は、回転子の滑らかな回転を妨害するので、これが、モータ駆動時の不要な振動や騒音の原因となっている。とりわけ従来では、特開平 9一 3 0 8 2 1 3 号開示されているように、各極歯のピッチを適宜設定することにより、対になる固定子極歯同士で特定の高調波同士を打ち消し合うように構成されたものもあるが、この場合は、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響を受けやすいので、十分とはいえなかった。

すなわち、固定子極歯と回転子極歯との空隙長は通常数十 m と非常に狭いため、そのような打ち消し合いは、回転子の偏心や倒れ等によると、双方の極歯における高調波の大きさに差異が生じることによって、不完全になってしまう。

また、リラクタンスモータ極形状とトルク特性：電気学会回転機研究会 R M— 9 5 - 5 5 には、ステ一タの歯幅よりロータの歯幅が狭い場合と広い場合のィンダクタンス分布を比較して、それら 2 つの中間を取るように見ると、インダクタンスの空間分布が非常に正弦波に近くなる場合があることから、歯幅の違うロータを積層したものを考えることもできるとの記載があるが、これは、その構成が明確でないことから、実用には程遠く、更に、前述したような回転子の偏心や倒れ等による不都合を解決し得るものでもなかった。

そこで本発明は、以上の問題点を考慮し、ディテントトルクによる不要な振動及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。

ところで、図 3 6 は、従来の二相ハイプリッド型ステッピングモータの極歯の配置を示す展開図である。固定子極 2 1 には 6 つの極歯が配置され、そのピッチはいずれも等しく 4 0 _s (但し、 Θ _sは基本ステップ角）である。しかしステッピングモータは、その動作原理から振動 · 騒音を伴う。永久磁石起磁力により、回転子の回転角に対し周期的に発生するディテントトルクを有するからである。そのため、振動 · 騒音を低減することを目的に、モータを構成する部品の精度や、その部品を組立て；精度を向上する技術が考えられてきた。また、ディテントトルクの高調波成分を低減するために、固定子極の極歯のピッチをずらす工夫もなされてきた。

図 3 7 は従来のハイブリッド型ステッピングモータにおいて、極歯のピッチをずらした場合の、極歯の位置関係を示す展開図である。図 3 7 のモータの極歯は、固定子極 2 1 の 6 つの極歯 2 2 を等ピッチに配置した位置から、 2 つの極歯 2 2 c ， 2 2 d はずらさず、 2 つの極歯 2 2 a ， 2 2 b を進み方向にずらし、 2 つの極歯 2 2 e ， 2 2 f を遅れ方向にずらして形成してある。尚、図 3 7 において進み方向は右方向とする。

この場合のトルクの各次数成分を示したグラフを、図 3 8 に示す。図 3 8 は、図 3 7 のように歯をずらしたモ一タにおいて、極歯のずれと、本モータのトルクの各次数成分の関係を示している。但し、等ピッチに配置した位置から極歯をずらす量（機械角）を _α 、ずれピッチ d _t、基本ステップ角 e _sで表すと、下記（ 1 ) 式の関係がある。

α = d _t - 4 Θ _s ■ ■ · ( 1 )

また、トルクの ν 次成分 Τ ( V ) は次式により得た。

但し、 k _vは v 次の高調波係数、 e _mは極歯の位置を表す電気角、 n は各固定子極の極歯の数であり、ここでは n = 6 である。 d _t はずれピッチであり、簡単のため V に関係のない諸々の係数は全て 1 とした。

図 3 8 より以下の内容がわかる。トルクの高調波成分は d _p とともに振動的に増減する。そのため、適当な d _p の値を選択することにより、どの歯もずらさない場合に比べ、トルクの高調波成分を減少させることができる。特にモータ全体としてみれば、原理的にディテントトルクとなって現れる成分は、：2 P K _e次（但し、 P はステッピングモータの相数、 K _eは正の整数）の高調波成分であり、それ以外の成分は打ち消し合い現れない。したがつて二相モータにおいては、 d _p = 0 . 0 6 3 、 0 . 0 8 3 、 0 . 1 6 7 、 0 . 1 8 8 のいずれかに設定すれば、 4 次成分をゼロにでき、ディテントトルクを低減できる。ところが、主トルクとなる基本波（ 1 次）成分は、 d _p の増加とともに減少する。したがつて、 d _pはなるべく小さな値を選ぶのがよい。すなわち、 4 次成分をゼロにするには d _p = 0 . 0 6 3 力 Sよい。し力しこの場合でも、基本波成分は 8 8 %まで低下する。但し、ここでは材料の非線形性は考慮していない。

更にこの現象を、材料の非線形性まで考慮して解析した図 3 9 で説明する。図 3 9 は、コンピュータを用いてモータの固定子極 2 1 a と、回転子極歯 3 1 について、磁束の流れを解析したものである。図 3 9 は固定子極の極歯 2 2 を等ピッチに配置したモータの例で、（ a ) は回転子の極歯 3 1 と固定子の極歯 2 2 の中心がー致し極歯同士が対向した場合、（ b ) はそこから回転子が 1 Z 2 ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。ここでモータの主トルクは、磁石から出た磁束のうち固定子卷線に鎖交する有効磁束に比例する。また有効磁束は（ a ) の極歯同土が対向する場合の磁束と、（ b ) の極歯同士が対向しない場合の磁束の差で表される。したがって、（ a ) と（ b ) の磁束の差が大きいほど、モータの主トルクも大きい。

次に、図 3 7 で示すように極歯をずらしたモータの例を図 4 0 に示す。図 3 9 と同様に、（ a ) は回転子の極歯 3 1 と固定子のずらさない極歯 2 2 d の中心が一致し極歯同士が対向した場合、

( b ) はそこから回転子が 1 ダ 2 ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。図 4 0 ではピッチをずらした極歯の影響により、（ a ) では磁束が流れ難く、（ b ) では磁束が流れ易くなっている。その結果、極歯を等ピッチに配置:したモータ（図

3 9 ) に比べ、（ a ) と（ b ) の磁束の差が小さくなり、 8 8 % まで低下する。これが主トルクの減少を表している。

このようにディテントトルクを低減しょうとすると、主トルクの低下も招いてしまい、実用上十分なトルクが得られないという問題があった。

そこで本発明は、固定子極に複数の極歯が備えられるステツピングモータにおいて、そのいずれかの極歯のピッチをずらし、ディテントトルクの高調波成分を効果的に低減させて動作時の振動 ■ 騒音を抑制すると同時に、トルクの基本波（ 1 次）成分の低下を抑え、トルク性能の改善を可能とするハイプリッド型ステツビングモータを提供することを目的としている。発明の開示

本願第 1 請求項に記載した発明は、複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記回転子に一定のピッチ P 1 で回転子極歯を設けるとともに、前記固定子極に前記回転子極歯と対向する固定子極歯を設けたステッビングモータにおいて、

前記固定子極には、 m個の前記固定子極歯からなる歯群を n組設け、

前記歯群内における前記固定子極歯のピッチ P 2 は、

P 2≠ P 1

の関係にあるとともに、前記歯群のピッチ P 3 は、

P 3≠ m - P 1

P 3≠ m · P 2

の関係にある構成のステッピングモータである。但し、 P 1、 P 2 及び P 3 は電気角、 m及び n は 2 以上の整数である。

このように、本発明のステッピングモータは、歯群内における固定子極歯のピッチ P 2 を回転子極歯のピッチ P I: と異ならせることによって高調波を低減するとともに、歯群のピッチ P 3 によつても高調波を低減し、その結果、より多くの次数の高調波が低減されるように構成したものである。以下に、その考え方について説明する。

まず、固定子極の歯群内においては、固定子極歯のピッチ P 2 が回転子極歯のピッチ P 1 と異なることから、このずれに対応する次数の高調波が低減されることとなる。

更に、 m個の固定子極歯からなる 1 組の歯群は、 m個の回転子極歯に対応する 1 個の極歯と仮定することができる。従って、歯群のピッチ P 3 が m個の回転子極歯のピッチ m ' P l と異なることから、このずれに対応する次数の高調波も低減されることとなる。

また、歯群のピッチ P 3 が、歯群内における固定子極歯のピッチ P 2 の m倍であると、固定子極歯のピッチが複数の歯群に亘って一定となり、歯群と歯群との境界が失われてしまうため、歯群のピッチ P 3 は、歯群内における固定子極歯のピッチ P 2 の m倍とは異なるようにしてレヽる。

このように、本発明のステッピングモータによると、一つの固定子極においてより多くの次数の高調波が低減されるので、高調波が効率よく低減されて、より静かで滑らかな回転が得られる。

また、本願第 2請求項に記載した発明は、請求項 1 において、前記歯群内における前記固定子極歯のピッチ P 2 は、

P 2= P 1 { 1 土 1 ( m - V ) }

の関係にあるとともに、前記歯群のピッチ P 3 は、

P 3= P l { m土 i ' Z ( n ' v ' ) }

の関係にある構成のステッピングモータである。但し、 V 及び V ' は低減される主な高調波の次数、 i は mの倍数でない正の整数、 i ' は n の倍数でない正の整数である。

一般に、回転子極歯のピッチ P R と、固定子極歯のピッチ P S と力 S、 P S= P R { l ± l Z ( m - v ) } の関係にあると、 V 次を含む複数の高調波が低減されることが知られている。

また、各次高調波はそれぞれ所定の周期の正弦波で表されること力ゝら、このような固定子極歯のずれは、 { P R/ ( m - V ) } の i 倍（ i は mの倍数でない正の整数）であってもよい訳である。従って、本発明では、これに基づく構成を、請求項 1 の構成に概括した。

すなわち、歯群内における固定子極歯のピッチ P 2 は、回転子極歯のピッチ P 1 に対して、

P 2= P 1 { 1 土 i Z ( m . v ) }

の関係にあるので、 V 次を含む複数の高調波が低減される。

また、歯群のピッチ P 3 は、 m個の回転子極歯のピッチ m ' P I に対して、

P S m ' P l i l i i ' Z C n ' v ' ) }

の関係にあると、 v ' 次を含む複数の高調波が低減されるのであるが、ここで、歯群で生じる高調波は、 m個の固定子極歯毎に分解できることから、 m個の回転子極歯に対する歯群のピッチのずれは、（ l Z m ) であってもよい。

従って、この式は、

P 3= m ' P l ( l 土 i ' Z n ' v ' - m )

P 3 = P 1 ( m土 i ' Z n . v ' )

となる。

このように、本発明のステッピングモータによると、 V 及び V ' 次を含む複数の高調波を低減することができる。

仮に、 4次及び 6 次高調波を低減するのであれば、これらの式に v = 4 、 V ' = 6 、又は、 v = 6 、 V ' = 4 を代入することによって、歯群内における固定子極歯のピッチ P 2 及び歯群のピッチ P 3 が設定される。

尚、この際、 i 及び i ' の値は、任意に設定される。また、本願第 3 請求項に記載した発明は、請求項 1 又は 2 において、前記ステッピングモータは、少なくとも 4 次高調波と 6 次高調波が低減される三相モータである構成のステッビングモータである。

このように、本発明のステッピングモータによると、請求項 1 又は 2 において、ステッピングモータは、少なくとも 4次高調波と 6 次高調波が低減される三相モータであるので、一つの固定子極において 4 次高調波と 6 次高調波を低減することができる。

すなわち従来では、三相モータであれば、特に問題となるのは 6 次高調波であるとされており、固定子極歯のピッチの設定は、このような条件に対応してなされているものの、実際には、相間や固定子極間のレイアウトによる効果を得ようとする場合は、モータの部品製造や組み立て工程における精度の制約が極めて厳密になり、十分な静粛性を実現するのは非常に困難であつたが、本発明では、一つの固定子極において 4 次高調波と 6 次高調波とを低減するので、そのような問題が回避される。

また、本願第 4請求項に記載した発明は、複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記回転子に一定のピッチ P Rで回転子極歯を設けるとともに、前記固定子極に前記回転子極歯と対向する固定子極歯を設けた三相ステツビングモータにおいて、

前記固定子極には、 m個の前記固定子極歯を設け、

前記固定子極歯のピッチ P S は、

P S= P R { 1 土 i / (m . 4 ) }

の関係にあるとともに、

P S= P R { 1 土 i ' / ( m - 6 ) } の関係にある構成の三相ステッピングモータである。但し、 i 及び i ' は mの倍数でない正の整数である。

このように、本発明のステッピングモータによると、 4次高調 1 " 波が低減されるとともに、 6 次高調波が低減され。

すなわち、低減される高調波を V とするときは、

P S= P R { l ± i Z ( m . v ) }

の関係にあればよいので、これに v = 4 を代入することにより、 4次高調波を低減できる関係が求められる。

また、この関係から算出された固定子極歯のピッチ P S が、

P S= P R { 1 土 i ' / ( m - 6 ) }

の関係も備えている場合は、 6 次高調波をも低減できるので、 i 及び i ' を適宜設定することによれば、 4次高調波及び 6 次高調波が低減される関係が求められる。

尚、 i 及び i ' は、前記の式によると、

i / ( m · 4 ) = i ' / ( m · 6 )

i / 2 = i ' / 3

となり、この関係を満たす値で任意に設定することができる。本願第 5請求項に記載した発明は、複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記複数の固定子極に固定子極歯を設けるとともに、前記回転子に回転子極歯を設けたステッピングモータにおいて、前記回転子は、前記回転子極歯の位相が異なる 2 つの回転子鉄心部を有し、前記固定子及び前記一方の回転子鉄心部、並びに、前記固定子及び前記他方の回転子鉄心部は、前記回転子の回転軸方向に、前記固定子極歯と前記回転子極歯の一方又は双方の歯幅が異なる複数の層を有する構成のステッビングモータである。

このように、本発明のステッピングモータによると、回転子は、回転子極歯の位相が異なる 2 つの回転子鉄心部を有し、固定子及び一方の回転子鉄心部、並びに、固定子及び他方の回転子鉄心部は、前記回転子の回転軸方向に、前記固定子極歯と前記回転子極歯の一方又は双方の歯幅が異なる複数の層を有するので、一つの固定子極歯と一方の回転子鉄心部の回転子極歯、並びに、一つの固定子極歯と他方の回転子鉄心部の回転子極歯と間で生じるディテントトルクの波形が、各層におけるディテントトルクを合成することによってそれぞれ正弦波に近似されて、その結果、これらのディテントトノレクが正確に打ち消し合うことによって、ディテントトルクによる不要な振動及び騒音が低減される。

特に、従来では、各極歯のピッチを適宜設定することにより、対になる固定子極歯同士で高調波を打ち消し合うように構成されたものもあるが、この場合は、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響を受けやすく、十分とはいえないのに対し、本発明では、このようなディテントトルクの波形が、各層におけるディテントトルクを合成することによって正弦波に近似されるので、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響が回避され、その結果、ディテントトルクの不要な増大が抑制される。

本願第 6請求項に記載した発明は、請求項 5 において、前記歯幅が異なる複数の層は、少なくとも 3 つの層からなる構成のステッビングモータである。

このように、本発明のステッピングモータによると、歯幅が異なる複数の層は、少なくとも 3 つの層からなるので、一つの固定子極歯におけるディテントトルクが、より正弦波に近似される。

本願第 7請求項に記載した発明は、請求項 6 において、前記回転子極歯の歯幅比は前記回転子の回転軸方向に亘つて一様であるとともに、前記固定子及び前記回転子鉄心部は、前記固定子極歯の歯幅比と前記回転子極歯の歯幅比との平均が 0 . 2 5 〜 0 . 2 9 の層と、 0 . 3 3 〜 0 . 3 5 の層と、 0 . 4 0 〜 0 . 4 2 の層とを有する構成のステッピングモータである。

本発明のステツビングモータのように、回転子極歯の歯幅比は回転子の回転軸方向に亘つて一様であるとともに、固定子及び回転子鉄心部は、固定子極歯の歯幅比と前記回転子極歯の歯幅比との平均が 0 . 2 5 〜 0 . 2 9 の層と、 0 . 3 3 〜 0 .. 3 5 の層と、 0 . 4 0 〜 0 . 4 2 の層とを有すると、ディテントトノレクに含まれる高調波成分の割合が、比較的小さくできることが実験によつて確認された。すなわち、歯幅比をこれらの範囲で設定すると、高調波によるディテントトルクの波形の歪が確実に低減される。

本願第 8請求項に記載した発明は、請求項 5 乃至 7 のいずれかにおいて、前記固定子及び前記 2 つの回転子鉄心部における前記歯幅が異なる複数の層は、前記回転子の回転軸方向に向って対称的に設けた構成のステッピングモータである。

このように、本発明のステッピングモータによると、固定子及び 2 つの回転子鉄心部における歯幅が異なる複数の層は、回転子の回転軸方向に向って対称的に設けたので、回転子の支持の安定性が確保される。

すなわち、歯幅が異なる層を積層すると、モータ駆動時には各層毎に異なるトルクが生じるので、回転子の支持バランスが悪化する虞があるものの、本発明では、そのような事態が回避される。

本願第 9請求項に記載した発明は、請求項 1 乃至 4 のいずれかにおいて、前記固定子極の極歯のうち、少なくとも 1 つの極歯に傾斜部分を形成したステッピングモータである。

更に、本願第 1 0請求項に記載した発明は、請求項 5 乃至 8 のいずれかにおいて、固定子極の極歯のうち少なくとも 1 つの極歯をずらして配置し、極歯のピッチを他と異ならせ、かつずらした極歯のうち少なくとも 1 つの極歯の先端を切り落として傾斜部分を形成し、極歯の形状を他の極歯と異ならせたステッピングモ一タである。

このように極歯の形状を設定すると、磁束の流れ易さをかえることでトルクの基本波（ 1 次）成分を増加できる。その結果、ディテントトルクの高調波成分を効果的に低減させ、動作時の振動 · 騒音を抑制すると同時に、主トルクの減少を抑えるため、トノレク性能を改善できる。：ここで、極歯の形状を異ならせると、空隙パーミアンスが変化するが、これに相当する分だけ歯幅を増加させることで、空隙パ — ミアンスを一定に保つことができる。しかし、形状を異ならせた極歯と形状を異ならせない極歯で歯元の幅が異なる。

そこで本願第 1 1 請求項に記載した発明は、請求項 1 0 において、ずらさない極歯の先端も切り落として傾斜部分を形成し、歯元の幅を全て同一に設定するステッビングモータである。

このように極歯の形状を設定しても、トルクの基本波（ 1 次）成分を増加できる。その結果、動作時の振動 · 騒音を抑制すると同時に、トルク性能を改善できる。

本願第 1 2請求項に記載した発明は、請求項 1 乃至 1 1 のいずれかにおいて、前記ステッピングモータを、印字へッドの駆動モータに用いた印字装置である。

また、本願第 1 3請求項に記載した発明は、請求項 1 乃至 1 1 のいずれかにおいて、前記ステッピングモータを、紙送りローラの駆動モータに用いた紙送り装置である。

更に、本願第 1 4請求項に記載した発明は、前記請求項 1 2 又は 1 3記載の装置が用いられているプリンタである。

本願のステッピングモータは、より静かで滑らかな回転が得られ、位置決め精度も向上するので、オフィス機器、とりわけプリンタの印字装置や紙送り装置に好適である。図面の簡単な説明

【図 1 】本発明の具体例に係り、ステッピングモータを示す側面断面図である。

【図 2 】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。

【図 3 】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極 6 歯を示す説明図である。

【図 4】本発明の具体例係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。

【図 5 】本発明の具体例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。

【図 6 】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。

【図 7 】本発明の具体例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。

【図 8 】本発明の具体例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。

【図 9 】本発明の具体例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。

【図 1 0 】本発明の具体例に係り、ディテントトルクの測定結果を示す模式図である。

【図 1 1 】本発明の具体例に係り、高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。

【図 1 2 】本発明の具体例に係り、ステッピングモータを示す断面図である。

【図 1 3 】本発明の具体例に係り、（ A ) は第 1 の層における固定子及び回転子を示す断面図であり、（ B ) は第 2 の層における固定子及び回転子を示す断面図であり、（ C ) は第 3 の層における固定子及び回転子を示す断面図である。

【図 1 4 】本発明の具体例に係り、一つの固定子極歯について、第 1 の層で生じるディテントトルク特性を示す図である。

【図 1 5 】本発明の具体例に係り、一つの固定子極歯について、第 2の層で生じるディテントトルク特性を示す図である。

【図 1 6 】本発明の具体例に係り、一つの固定子極歯について、第 3 の層で生じるディテントトルク特性を示す図である。【図 1 7 】本発明の具体例に係り、一つの ,定子極歯と一方の回転子鉄心部の回転子極歯との間で生じるディテントトルク特性を示す図である。

【図 1 8 】本発明の具体例に係り、第 1 の層において、ディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を示す図である。

【図 1 9 】本発明の具体例に係り、第 2 の層において、ディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を示す図である。

【図 2 0 】本発明の具体例に係り、第 3 の層において、ディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を示す図である。

【図 2 1 】本発明の具体例に係り、偏心に伴うステツピングモータ全体のディテントトルクの変化を示す図である。

【図 2 2 】本発明のモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。

【図 2 3 】本発明のモータの、磁束の流れを解析した図である。

【図 2 4 】本発明の他の具体例におけるモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。

【図 2 5 】本発明の他の具体例におけるモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。

【図 2 6 】本発明の他の具体例におけるモータの、磁束の流れを解析した図である。

【図 2 7 】本発明に係るステッピングモータをプリンタの印字へッド駆動に用いた状態を示す斜視図である。

【図 2 8 】本発明に係るステッピングモータをプリンタの紙送りローラ駆動に用いた状態を示す斜視図である。

【図 2 9 】従来例に係り、固定子及び回転子の基本的な構成を示す横断面図である。

【図 3 0 】従来例に係り、回転子極歯及び固定子極歯を示す説明図である。 8

【図 3 1 】従来例に係りディテントトルクの測定結果を示す模式図である。

【図 3 2 】従来例に係り高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。

【図 3 3 】従来例に係りディテントトルクの測定結果を示す模式図である。

【図 3 4 】従来例に係り高調波の次数を周波数解析した結果を示す模式図である。

【図 3 5 】従来例に係り一つの固定子極歯と回転子極歯との間で生じるディテントトルク特性を示す図である。

【図 3 6 】従来のモータの極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。

【図 3 7 】従来の他のモータの、極歯の相互位置関係と形状を示す展開図である。

【図 3 8 】従来のモータの極歯のずれとトルクとの関係を示すグラフである。

【図 3 9 】従来のモータの磁束の流れを解析した図である【図 4 0 】従来の他のモータの磁束の流れを解析した図である。発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明の具体例について図面を参照しながら詳細に説明する。

図 1 及び図 2 に示すように、本例のステッピングモータ 1 は、円筒状に形成されるとともに、その内側に所定の間隔で 6 個の固定子極 2 1 を有する固定子 2 と、固定子 2 の内部に配置された回転子 3 と、前記複数の固定子極 2 1 にそれぞれ配置された固定子コイル 4 と、回転子 3 の回転軸たる出力軸 5 と、回転子 3 の要所に配置された円盤状の永久磁石 6 とを備え、各固定子コイル 4 を 9 それぞれ励磁することによって、出力軸 5 にトルクが生じるように構成された三相モータである。図中の 7 は出力軸 5 の軸受け、 8 は固定子 2及び軸受け 7 を保持するブラケットである

また、固定子極 2 1 の先端には、所定の間隔で固定子極歯 2 2 を設けており、回転子 3 の外周には、所定の間隔で回転子極歯 3 1 を設けている。尚、固定子極歯 2 2及び回転子極歯 3 1 の基本的な構成については、前述した図 2 9 のものと共通するので、同一の符号を付して図面を省略する。

これらの図に示すように、本例の回転子 3 には、 2 6 個の回転子極歯 3 1 を一定のピッチ P 1 で設けてレヽる。

また、各固定子極 2 1 には、それぞれ、 2個の固定子極歯 2 2 からなる歯群 2 3 を 2組設けており、各歯群 2 3 内における固定子極歯 2 2 のピッチ P 2 は、 P l ( l — 1 Z 1 2 ) となるように設定しており、歯群 2 3 のピッチ P 3 は、 P l ( 2 — 1 ダ 8 ) となるように設定している。ここで、 P l、 P 2及び P 3 は電気角である。すなわち、 4 次高調波及び 6 次高調波を低減するべく、 m == 2 、 n = 2 、 v = 6 、 v ' = 4 、及び、任意の値たる i = l 、 i ' = 1 を前述した式に代入して、

P 2= P 1 { 1 - 1 / ( 2 X 6 ) }

PP 22== PP 11 (( 11 -— 11 // 1 2 )

が求められるとともに、

P 3= P 1 { 2 - 1 / ( 2 X 4 ) }

P 3 = P 1 ( 2 - 1 / 8 )

が求められる。また、

m - P 2= P 1 ( 2 - 1 / 6 )

であること力ら、

P 3≠ m · P 2

が成立する。

尚、回転子極歯 3 1 のピッチ P 1、歯群 2 3 内おける固定子極リ歯 2 2 のピッチ？ 2、及び歯群 2 3 のピッチ P 3 は > 図 2 では、それらの凹凸に合せて示したが、或は図 3 に示すように、隣接する回転子極歯 3 1 、固定子極歯 2 2 、又は歯群 2 3 の中心から中心を示すようにしてもよい。

本例のステッピングモータ 1 のディテントトルク特性を測定したところ、図 4 に示すような結果が得られた。

更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解析したところ、図 5 に示すような結果が得られた。

図 3 及び図 4 に示す本例の結果を、固定子極歯のピッチと回転子極歯のピッチが等しい従来の三相モータによる結果（図 3 3 及び図 3 4参照）と比較すると、 4 次高調波、 6 次高調波、及びその他の高調波が顕著に低減されていることが確認された。

また、本例の結果を、固定子極歯のピッチを P S = P R { 1 ± 1 / ( m - V ) } の関係に基いて設定した従来の三相モータの結果 (図 3 1 及び図 3 2参照）と比較すると、特に 4 次高調波が顕著に低減されていることが確認された。

このように、本例のステッピングモータによると、一つの固定子極においてより多くの次数の高調波を低減することができるので、高調波が効率よく低減されて、より静かで滑らかな回転が得られる。

すなわち従来では、三相モータであれば、特に問題となるのは 6 次高調波であるとされており、固定子極歯のピッチの設定は、このような条件に対応してなされているものの、実際には、相間や固定子極間のレイァゥトによる効果を得ようとする場合は、モ —タの部品製造や組み立て工程における精度の制約が極めて厳密になり、十分な静粛性を実現するのは非常に困難であつたが、本例では、一つの固定子極において 4次高調波と 6 次高調波とを低減するので、そのような問題を回避することができる。 2 次に、本発明の別具体例について、図 6 から図 β を用いて説明する。

本例の場合、一定のピッチ P 1 で 3 8 個の回転子極歯 3 1 を有する回転子 3 を用いるとともに、極歯固定子極 2 1 には、 3個の固定子極歯 2 2 からなる歯群 2 3 を 2組設けており、歯群 2 3 内における固定子極歯 2 2 のピッチ Ρ 2 と、歯群 2 3 のピッチ Ρ 3 を設定することによって、高調波を低減するように構成している。尚、その他の構成については、前述した具体例と同様であるので、共通する箇所には同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。

本例では、 4 次高調波及び 6 次高調波を低減するべく、 m = 3 、 n = 2 、 v = 4 、 v ' = 6 、及び任意の値たる i = l 、 i ' = 1 を前述した式に代入して、

P 2 = P 1 { 1 - 1 / ( 3 X 4 ) }

P 2= P 1 ( 1 - 1 / 1 2 )

が求められるとともに、

P 3= P 1 { 3 - 1 / ( 2 X 6 ) }

P 3= P 1 ( 3 - 1 / 1 2 )

が求められる。また、

m - P 2= P 1 ( 3 - 1 / 4 )

であること力ら、

P 3≠ m · P 2

が成立する。

本例のものについてディテントトルク特性を測定したところ、図 7 に示すような結果が得られた。

更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解析したところ、図 8 に示すような結果が得られた。

これらの図に示すように、本例の場合も 4 次高調波、 6 次高調波、及びその他の高調波が顕著に低減されている：ことが確認された。

更に、本発明の他の具体例について、図 9 から図 1 1 を用いて説明する。

本例のステッピングモータは、 3 2個の回転子極歯 3 1 を有する回転子 3 と、 6 個の固定子極 2 1 を有する固定子 2 を用いた三相構造のものであり、各固定子極 2 1 には、それぞれ 5 個の固定子極歯 2 2 を設けている。

本例の場合、固定子極歯 2 2 のピッチ P S は、回転子極歯 3 1 のピッチ P R に対して、

P S= P R ( 1 - 1 / 1 0 )

の関係で設定している。

すなわち、 4 次高調波と 6 次高調波を低減するには、

P S= P R { l ± i Z (m . 4 ) }

且つ

P S= P R { 1 土 i ' / (m . 6 ) }

の関係にあればよいので、これらの式に m = 5 、 i = 2 、 i = 3 を代入することにより、前記の関係が求められる。

尚ここで、 i 及び i ' は、 5 の倍数でない正の整数であって、 i / 2 = i ' / 3

の関係を満たすように設定している。

そして、本例のものについてディテントトルク特性を測定したところ、図 1 0 に示すような結果が得られた。

更に、このような測定を、複数個のモータを試作して繰り返し、それらのディテントトルク特性について高調波の次数を周波数解祈したところ、図 1 1 に示すような結果が得られた。

図 1 0及び図 1 1 に示す本例の結果を、固定子極歯のピッチと回転子極歯のピッチが等しい従来の三相モータによる結果（図 3 3及び図 3 4 参照）と比較すると、 4次高調波、 6 次高調波、及ムびその他の高調波が顕著に低減されていることが確認された。

このように、本例の三相ステッピングモータによると、一つの固定子極において、 4 次高調波を低減できるとともに、 6 次高調波を低減できる。

次に、本発明の他の具体例について図面を参照しながら詳細に説明する。

図 1 2 及び図 1 3 に示すように、本例のステッピングモータ 1 は、円筒状に形成されるとともに、前例のステッピングモータと同様に、その内側に所定の間隔で複数の固定子極 2 1 を有する固定子 2 と、固定子 2 の内部に配置された回転子 3 と、前記複数の固定子極 2 1 にそれぞれ配置された固定子コイル 4 と、回転子 3 の回転軸たる出力軸 5 と、回転子 3 の要所に配置された円盤状の永久磁石 6 とを備え、各固定子コイル 4 をそれぞれ励磁することによって、出力軸 5 にトルクが生じるように構成されている。図中の 7 は出力軸 5 の軸受け、 8 は固定子 2及び軸受け 7 を保持するブラケットである。

また、各固定子極 2 1 の先端には、所定の間隔で固定子極歯 2 2 を設けており、回転子 3 の外周には、所定の間隔で回転子極歯 3 1 を設けている。尚、前述した図 2 9 と共通する点については、同一の符号を付して図面を省略する。

そして、本例の回転子 3 は、回転子極歯 3 1 の位相が異なる 2 つの回転子鉄心部 3 a ， 3 b を有する。

更に、固定子 2 及び一方の回転子鉄心部 3 a 、並びに、固定子 2及び他方の回転子鉄心部 3 b は、それぞれ、回転子 3 の回転軸方向に、固定子極歯 2 2 の歯幅が異なる第 1 の層 A と、第 2 の層 B と、第 3 の層 C とを有する。：すなわち、回転子極歯 3 1 の歯幅を回転子 3 の回転軸方向に亘つて一様に形成しているのに対し、固定子極歯 2 2 の歯幅は、第 1 の層 Aでは回転子極歯 3 1 よりも大きく形成し、第 2 の層 B では回転子極歯 3 1 とほぼ同じに形成し、第 3 の層 Cでは回転子極歯 3 1 よりも小さく形成している。

一つの固定子極歯 2 2 と一方の回転子鉄心部 3 a の回転子極歯 3 1 の間において、又は、一つの固定子極歯 2 2 と他方の回転子鉄心部 3 b の回転子極歯 3 1 との間において、第 1 の層 A、第 2 の層 B 、第 3 の層 Cで生じるディテントトルクは、図 1 4 乃至図 1 6 に示すように、互いに異なる波形のものとなる。

従って、これらの間で生じるディテントトルクの波形は、第 1 の層 A、第 2 の層 B、及び第 3 の層 Cで生じるディテントトルクの波形を合成したものであって、図 1 7 に示すように、これらの各層で生じるディテントトルクの波形より正弦波に近似したものとなる。

その結果、ステッピングモータ 1 全体としては、周方向に対して位相が異なる固定子極歯 2 2 と回転子極歯 3 1 との間で生じるディテントトルクが、互いに正確に打ち消し合い、モータ駆動時にあっては、ディテントトルクによる不要な振動及び騒音が低減される。

また本例では、固定子 2及び 2つの回転子鉄心部 3 a ， 3 b において、各層は、順次、第 1 の層 A、第 2 の層 B、第 3 の層 C、第 3 の層 C、第 2 の層、第 1 の層 A となるように設けている（図 1 2参照）。尚、永久磁石 6 は、両回転子鉄心部 3 a ， 3 b の間に介在している。

すなわち、 2 つの回転子鉄心部 3 a ， 3 b には、歯幅が異なる複数の層を対称的に設けたので、回転子 3 の支持の安定性が確保される。尚、各層にて異なる波形のディテントトルクが生じるとレヽぅ点では、前述したように固定子極歯 2 2 の歯幅を異ならせる他に、回転子極歯 3 1 の歯幅を異ならせるようにしてもよく、更には、これら双方の歯幅を異ならせるようにしてもよい。

また、各層の厚さは、本例では均等であるが、それぞれに生じるディテントトルクの波形や大きさに応じて適宜設定するようにしてもよい。

図 1 8 乃至図 2 0 は、一つの固定子極歯におけるディテントトルクに含まれる高調波成分の割合を示す図である。

本例では、固定子極歯 2 2 の歯幅比と回転子極歯 3 1 の歯幅比との平均は、第 1 の層 Aでは 0 . 2 5 、第 2 の層 Bでは 0 . 3 3 、第 3 の層では 0 . 4 2 となるように設定しており、ここで、各層において歯幅比の平均を変えることによって、ディテントトルクに含まれる 2次高調波成分乃至 4次高調波成分の割合を計測した: 尚、歯幅比とは、固定子極歯 2 2又は回転子極歯 3 1 の歯幅をその極歯のピッチで割った値であって、回転子 3 の回転軸周囲において極歯の占める割合である。また、これらの歯幅やピッチは、回転子 3 の回転軸周囲に対する角度で表される。

すなわち、回転子極歯 3 1 の歯幅比は、回転子 3 の回転軸方向に亘つて 0 . 3 4である一方、固定子極歯 2 2 の歯幅比は、第 1 の層 Aでは 0 . 1 6、第 2 の層 B では 0 . 3 2、第 3 の層 Cでは 0 . 5 0であって、これらの図に示すのは、このような構成の固定子 2及び回転子 3 について、固定子極歯 2 2 の歯幅比を変えることにより第 1 の層の歯幅比の平均を変えた場合（図 1 8参照）、同じく第 2の層の歯幅比の平均を変えた場合（図 1 9参照）、同じく第 3 の歯幅比の平均を変えた場合（図 2 0参照）における 2 次高調波成分乃至 4次高調波成分の割合である。

これらの図に示すように、ディテントトルクに含まれる 2次高調波成分乃至 4次高調波成分の割合は、固定子極歯 2 2の歯幅比ム Ό と回転子極歯 3 1 の歯幅比との平均によって変化レ、この歯幅比の平均が第 1 の層 Αで 0 . 2 5 〜 0 . 2 9 、第 2 の層 Bで 0 . 3 3 〜 0 . 3 5 、第 3 の層 Cで 0 . 4 0 〜 0 . 4 2 であると、およそ 1 0 %以下であり、高調波の主成分を比較的小さくでき、ディテントトルクの波形の歪みを低減することができる。

また、回転子極歯 3 1 の歯幅比が回転子 3 の回転軸方向に亘って 0 . 3 2 の場合についても同様の測定を行ったところ、ディテントトルクに含まれる 2 次高調波成分乃至 4 次高調波成分の割合は、各層における固定子極歯 2 2 の歯幅比と回転子極歯 3 1 の歯幅比との平均が前記と同様に、第 1 の層 Aで 0 . 2 5 〜 0 . 2 9 、第 2 の層 Bで 0 . 3 3 〜 0 . 3 5 、第 3 の層 Cで 0 . 4 0 〜 0 . 4 2 の範囲であると、およそ 1 0 %以下になることが確認された。

このように、ディテントトルクにおける高調波の影響は、このような範囲で歯幅比を設定することにより低減される。

また、図 2 1 は、出力軸 5 の偏心に伴うステッピングモータ 1 全体のディテントトルクの最大値変化を示す図である。

同図において、白点でプロットしたものは、各極歯のピッチを適宜設定することにより、心ずれが O m mの状態でディテントトノレクの最大値が本例とほぼ同等になるように構成した従来のものを示す。その固定子極歯及び回転子極歯の歯幅は、固定子の回転軸方向に対して同一である

これらを比較すると、本例の場合は、心ずれに伴うディテントトルクの増大が低減されていることが確認される。

これは、従来の場合、対になる固定子極歯同士で高調波を打ち消し合う構成であるため、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響を受けやすいのに対し、本例の場合、一つの固定子極歯 2 2 と回転子鉄心部 3 a (又は 3 b ) の回転子極歯 3 1 との間で生じるディテントトルクの波形を、各層におけるディテントトルクを合成することによって正弦波に近似するので、固定子 2 に対する回転子 3 の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響が回避されるためである。

尚、高調波をより効率よく低減する点では、固定子極歯 2 2 と回転子極歯 3 1 の一方又は双方の歯幅が異なる層を設けたうえ、更に、固定子極歯 2 2 のピッチを適宜設定するように構成してもよい。

以上説明したように、本例のステッピングモータによると、回転子は、回転子極歯の位相が異なる 2 つの回転子鉄心部を有し、固定子及び一方の回転子鉄心部、並びに、固定子及び他方の回転子鉄心部は、前記回転子の回転軸方向に、前記固定子極歯と前記回転子極歯の一方又は双方の歯幅が異なる複数の層を有するので一つの固定子極歯と一方の回転子鉄心部の回転子極歯、並びに、一つの固定子極歯と他方の回転子鉄心部の回転子極歯との間で生じるディテントトルクの波形を、各層におけるディテントトルクを合成することによってそれぞれ正弦波に近似することができ、その結果、これらのディテントトルクが正確に打ち消し合うことによって、ディテントトルクによる不要な振動及び騒音を低減することができる。

特に、従来では、各極歯のピッチを適宜設定することにより、対になる固定子極歯同士で高調波を打ち消し合うすように構成されたものもあるが、この場合は、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響を受けやすく、十分とはいえないのに対し、本例では、このようなディテントトルクの波形が、各層におけるディテントトルクを合成することによって正弦波に近似されるので、固定子に対する回転子の偏心や倒れ等による磁気的アンバランスの影響が回避され、その結果、ディテントトルクの不要な増大が抑制される。

また、本例のステッピングモータによると、歯幅が異なる複数の層は、少なくとも 3 つの層からなるので、一つの固定子極歯におけるディテントトルクを、より正弦波に近似する：ことができる。また、本例のステッピングモータによると、回転子極歯の歯幅比は回転子の回転軸方向に亘つて一様であるとともに、固定子及び回転子鉄心部は、固定子極歯の歯幅比と前記回転子極歯の歯幅比との平均力 S O . 2 5 〜 0 . 2 9 の層と、 0 . 3 3 〜 0 . 3 5 の層と、 0 . 4 0 〜 0 . 4 2 の層とを有するので、ディテントトノレクに含まれる高調波成分の割合を、比較的小さくすることができる。すなわち、歯幅比をこれらの範囲で設定すると、高調波によるディテントトルクの波形の歪を確実に低減することができる。

また、本例のステッピングモータによると、固定子及び 2 つの回転子鉄心部における歯幅が異なる複数の層は、回転子の回転軸方向に向って対称的に設けたので、回転子の支持の安定性を確保することができる。

すなわち、歯幅が異なる層を積層すると、モータ駆動時には各層毎に異なるトルクが生じるので、回転子の支持バランスが悪化する虞があるものの、本例では、そのような事態を回避することができる。

次に、本発明の他の具体例を説明する。ここでは、二相ハイブリッド型ステッピングモータを例に採って説明する。

図 2 2 は、二相ハイプリッド型ステッピングモータの固定子極 2 1 の一つを抜粋し、極歯 2 2 の相互位置関係と形状を展開して示した図である。尚、二相ハイブリッド型ステッピングモータにおいては、複数の固定子極 2 1 は、等間隔となるように所定の角度だけ回転して形成される。その結果、回転子の N側の極歯に対し、 A相固定子極 2 a の極歯 2 2 の位相が一致したとき、 B相固定子極の極歯 2 2 は、極歯の 1 Z 4 ピッチずれて形成される。また、回転子の S側の極歯に対し、 A相固定子極 2 a の極歯 2 2 は 2ノ 4 ピッチずれ、 B相固定子極の極歯 2 2 は 3ノ 4 ピッチずれて形成される。そのため、ステップモータは励磁により極歯の 1 / 4 ピッチずつ回転制御することが可能となる。：従って、一般に P をステッピングモータの相数、 Nを回転子の極歯の数とすると、ステップ数 2 P N、基本ステップ角 e _sで制御することが可能となる。ただし、基本ステップ角 Θ _sは下記（ 2 ) 式により示される。

e _s = 3 6 0° Z ( 2 P N ) · · . ( 2 )

尚、本具体例では、 N = 5 0 、回転子の外径を（ί> 2 5 m mとした。

図 2 2 において、モータの極歯は、各固定子極 2 1 の 6 つの極歯 2 2 を等ピッチ（ 4 Θ _s ) に配置した位置から、 2 つの極歯 2 2 c , 2 2 d はずらさず、 2 つの極歯 2 2 a ， 2 2 b を進み方向にずらし、 2 つの極歯 2 2 e , 2 2 f を遅れ方向にずらして形成してある。これにより、トノレクの 4次成分をゼロとし、ディテントトルクの高調波成分の低減を可能としている。なお、図 2 2 において進み方向は右方向とする。

そして、進み方向にずらした 2 つの極歯は、進み方向側（右側）の先端を切り落とし、傾斜部分 2 5 を設けている。また、遅れ方向にずらした 2 つの極歯は、遅れ方向側（左側）の先端を切り落とし、傾斜部分 2 5 を設けている。すなわち、いずれもずらした方向側の先端を切り落とし、傾斜部分を設けている。

また、各々の極歯部分の空隙パーミアンスは、極歯に傾斜部分を形成することにより変化し、その結果磁気的な中心位置は移動する。その方向は、ディテントトルクを低減する目的のためにピツチをずらした方向と逆側である。そのため、その移動量だけ各極歯のずらし量を増加させてある。

ここで、空隙パ一ミアンスと磁気的な中心位置は次の様に求めた。まず回転子の極歯と固定子の極歯同士が対向した場合に、パーミアンスを求めようとする部分の空隙を周方向に沿って微小区間に分割する。そして、各区間毎に極歯間の距離、すなわち空隙部の磁路長を算出し、パーミアンスに換算する。の後、分割した区間全体に渡ってパーミアンスを積分し、空隙パーミアンスとした。次に磁気的中心位置だが、これは仮に極歯をある位置で周方向に 2 分割したとし、分割した各々の空隙パーミアンスが等しくなる位置を磁気的な中心位置とした。

更に上述の通り、各々の極歯部分の空隙パーミアンスは、極歯に傾斜部分を形成することにより低下する。そのためこれに相当する分だけ歯幅を増加し、低下分を補い空隙パ一ミアンスを一定に保っている。そしてここでも、歯の磁気的な中心位置は、歯幅を増加することにより、ディテントトルクを低減するためにピッチをずらした方向と逆側に移動する。そのため、その移動量だけさらに各極歯のピッチをずらしてある。すなわち、本実施例の極歯のずれ量 _α ' と従来例の極歯のずれ量 _α との間には下記（ 3 ) 式の関係がある。

a ' = a + (極歯に傾斜部分を形成することによる磁気的中心位置のずれ量） + (歯幅を増加することによる磁気的中心位置のずれ量） · · （ 3 )

尚、図 2 2 中のピッチをずらした極歯に記した中心線は、幾何学的な中心位置を示しており、磁気的な中心位置ではない。また本実施例では、好適な例として傾斜部分 2 5 の寸法（図 2 2 中の a 、 b ) 、及び極歯 2 2 c の歯幅 T との関係を下記（ 4 ) 、（ 5 ) の関係式で設定し、 a は 0 . 3 5 m m , b は 0 . 5 3 m m とした。

a = 0 . 7 X T · · · ( 4 )

b = 1 . 5 X a · · · ( 5 )

以上のように、本具体例の極歯の磁気的な中心位置は、従来例の極歯の中心位置に等しい。また極歯部分の空隙パーミアンスも同様に従来例のものと等しい。これらの結果、当初の目的であるディテントトルクの高調波成分を低減し、モータの振動 ' 騒音を抑制することができる。その上、トルクの基本波（ 1 次）成分を増加できる。この様子を示したものが図 2 3 である。図 2 3 は、コンピュータを用いてモータの固定子極 2 1 a 、回転子極歯 3 1 について、材料の非線形性を考慮し、磁束の流れを解析したものである。図 2 3 は本具体例のモータの例で、（ a ) は回転子の極歯 3 1 と固定子の極歯 2 2 d の中心が一致し極歯同士が対向した場合、（ b ) はそこから回転子が 1 / 2 ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。従来の、極歯 2 2 に傾斜部分を形成しないモータ（図 4 0 ) と比較すると、極歯同士が対向した場合の磁束はほぼ等しい。一方、極歯同士が対向しない場合は磁束が流れ難くなつている。その結果、（ a ) と（ b ) の磁束の差は大きくなつている。これを、極歯 2 2 を等ピッチに配置したモータ（図 3 9 ) と比較すると、（ a ) と（ b ) の磁束の差は、従来は 8 8 %まで低下していたが、本具体例ではその低下が 9 1 %に抑えられて'いる。すなわち、極歯の先端を切り落とし傾斜部分を形成することで、トルクは 3 %改善される。

尚、本具体例では、ピッチをずらした極歯 4枚全てに傾斜部分を形成しているが、傾斜部分を設ける極歯の枚数はこれに限らず任意の数でよい。例えば、ピッチをずらした極歯 4枚のうち 2枚の極歯 2 2 a ， 2 2 f のみに傾斜部分を設けた例を図 2 4 に示す。この例でも（ a ) と（ b ) の磁束の差は 9 0 %までしか低下せず、極歯の先端を切り落とし傾斜部分を形成することで、トルクは改善される。

また、本具体例では、先端に傾斜部分を設けた極歯の歯元の幅の方が、他よりも大きくなつているが、単に歯幅を異ならせたのではない。本発明は、特に極歯同士が対向しない場合に、空隙部の磁路長を増加でき、その結果トルクの基本波（ 1 次）成分を増加できることを特徴とするからである。また、先端に傾斜部分を設けているだけで、歯元の幅は減らしていないため、従来に比べ飽和が増すといった不都合を生じることもない。図 2 5 は、本発明の他の具体例に係り、二相ハイプリッド型ステツビングモータの固定子極 2 1 の一つを抜粋し、極歯 2 2 の相互位置関係と形状を展開して示した図である。図 2 5 のモータの極歯は、前例と同様に各固定子極 2 1 の 6 つの極歯 2 2 を等ピッチ（ 4 0 _s ) に配置した位置力、ら、 2 つの極歯 2 2 c , 2 2 d はずらさず、 2つの極歯 2 2 a ， 2 2 b を進み方向にずらし、 2 つの極歯 2 2 e ， 2 2 f を遅れ方向にずらして形成してある。尚、図 2 5 においても進み方向は右方向とする。

そして、進み方向又は遅れ方向にずらした極歯は、いずれもずらした方向側の先端を切り落とし、傾斜部分 2 5 を設けている。また、各々の極歯の磁気的な中心位置は、極歯に傾斜部分を形成することにより、ピッチをずらした方向と逆側に移動する。そのため、その移動量だけ各極歯のずらし量を増加させてある。さらに、各々の極歯の部分の空隙パーミアンスは、極歯に傾斜部分を形成することにより低下する。そのためこれに相当する分だけ歯幅を増加し、低下分を補い空隙パーミアンスを一定に保っている。そしてここでも、歯の磁気的な中心位置は、歯幅を増加することにより、ピッチをずらした方向と逆側に移動する。そのため、その移動量だけさらに各極歯のピッチをずらしてある。

更に本例のモータでは、ずらさない極歯 2 2 c ， 2 2 d も先端を切り落として傾斜部分 2 5 を設け、歯元の幅 Wを全て同一に設定している。ただし、ずらさない極歯 2 2 c ， 2 2 d はその両端を切り落として傾斜部分 2 5 を設けているため、磁気的な中心位置は移動しない。尚、本具体例では、好適な例として歯元の幅 W の寸法を 0 . 7 3 m m とした。

これにより、本具体例においても当初の目的であるディテントトルクの高調波成分を低減し、モータの振動 . 騒音を抑制することができる。その上、トルクの基本波（ 1 次）成分を増加できる。この様子を示したものが図 2 6 である。図 2 6 は本モータの例で、 ( a ) は回転子の極歯 3 1 と固定子の極歯 2 2 d の中心が一致し極歯同士が対向した場合、（ b ) はそこから回転子が 1 Z 2 ピッチ回転し極歯同士が対向しない場合、をそれぞれ表す。従来の、極歯 2 2 に傾斜部分を形成しないモータ（図 4 0 ) と比較すると、極歯同士が対向した場合の磁束はほぼ等しいが、極歯同士が対向しない場合は磁束が流れ難い。その結果、（ a ) と（ b ) の磁束の差は大きくなつている。これを、極歯 2 2 を等ピッチに配置したモータ（図 3 9 ) と比較すると、（ a ) と（ b ) の磁束の差は 9 0 %までしか低下しない。すなわち、歯元の幅を同一に設定するか否かによらず、極歯の先端を切り落とし傾斜部分を形成することで、トルクは改善される。

また、上述した具体例では、二相のハイブリッド型ステツピングモータを対象に説明したが、二相に限らず一般に P相のステツビングモータについても同様に適用できる。また、極歯の先端は直線状に切り落としているが、これに限らず曲線状、例えば円弧状に切り落としても同様な効果が得られる。

図 2 7 は、上述したステッピングモータ 1 でプリンタ 1 0 の印字ヘッド 1 1 を駆動するもので、ステッピングモータ 1 の出力軸 5 にプーリ 1 2 を固着し、他方には従動プーリ 1 3 を設け、これらのプーリ間に、印字へッド 1 1 を固着した伝達ベルト 1 4 を卷回させて印字装置を構成している。各例のステッピングモータ 1 は、高調波を効率よく低減することができ、延いては、より静かで滑らかな回転が得られるとともに、位置決め精度も向上するので、プリンタの印字ヘッドを駆動する印字装置用のモータに好適である。

図 2 8 は、上述したステッピングモータ 1 でプリンタ 1 0 の紙送りローラ 1 5 を駆動するもので、ステッピングモータ 1 の出力軸 5 にギア 1 6 を固着し、伝達ギア 1 7 を介して、駆動力を紙送りローラ 1 5 に伝達する。この紙送り装置の場合も、ステツピングモータ 1 は、高調波を効率よく低減することがき、延いては、より静かで滑らかな回転が得られるとともに、位置決め精度も向上するので、プリンタの紙送りローラを駆動する紙送り装置用のモータにうってつけである。

産業上の利用可能性

本発明に係るステッピングモータは、より静かで滑らかな回転が得られ、位置決め精度も向上するので、オフィス機器、とりわけプリンタの各種駆動モータに好適である。

Claims

請求の範囲

1 . 複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記回転子に一定のピッチ P 1 で回転子極歯を設けるとともに、前記固定子極に前記回転子極歯と対向する固定子極歯を設けたステッピングモータにおいて、

前記固定子極には、 m個の前記固定子極歯からなる歯群を n組け、

前記歯群内における前記固定子極歯のピッチ Ρ 2 は、

Ρ 2≠ Ρ 1

の関係にあるとともに、前記歯群のピッチ Ρ 3 は、

Ρ 3≠ m · P I

P 3≠ m · P 2

の関係にあることを特徴とするステッピングモータ。

但し、 P l、 P 2及び P 3 は電気角、 m及び n は 2以上の整数である。

2 . 前記歯群內における前記固定子極歯のピッチ P 2 は、

P 2= P 1 { 1 ± 1 (m - V ) }

の関係にあるとともに、前記歯群のピッチ P 3 は、

P S- P l i m i i ' Z i n . v ' ) }

の関係にあることを特徴とする請求項 1 記載のステツビングモータ。

但し、 V 及び V ' は低減される主な高調波の次数、 i は mの倍数でない正の整数、 i ' は n の倍数でない正の整数である。

3 . 前記ステッピングモータは、少なくとも 4 次高調波と 6 次高調波が低減される三相モータ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 . 複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記回転子に一定のピッチ P R で回転子極歯を設けるとともに、前記固定子極に前記回転子極歯と対向する固定子極歯を設けた三相ステッピングモータにおいて、

前記固定子極には、 m個の前記固定子極歯を設け、

前記固定子極歯のピッチ P S は、

P S= P R { 1 土 i Z ( m - 4 ) }

の関係にあるとともに、

P S P R { l ± i ' / (m - 6 ) }

の関係にあることを特徴とする三相ステッピングモータ。

但し、 i 及び i ' は mの倍数でない正の整数である _c

5 . 複数の固定子極を有する固定子と、前記固定子極に対して隙間を介して配置した回転子とを備え、前記複数の固定子極に固定子極歯を設けるとともに、前記回転子に回転子極歯を設けたステツビングモータにおいて、

前記回転子は、前記回転子極歯の位相が異なる 2つの回転子鉄心部を有し、前記固定子及び前記一方の回転子鉄心部、並びに、前記固定子及び前記他方の回転子鉄心部は、前記回転子の回転軸方向に、前記固定子極歯と前記回転子極歯の一方又は双方の歯幅が異なる複数の層を有することを特徴とするステッピングモータ 6. 前記歯幅が異なる複数の層は、少なくとも 3つの層からなることを特徴とする請求項 5記載のステッピングモータ。

7 . 前記回転子極歯の歯幅比は前記回転子の回転軸方向に亘って一様であるとともに、前記固定子及び前記回転子鉄心部は、前記固定子極歯の歯幅比と前記回転子極歯の歯幅比との平均が 0 . 2 5 0 . 2 9 の層と、 0 . 3 3 0 . 3 5 の層と、 0 . 4 0 0 . 4 2の層とを有することを特徴とする請求項 6記載のステツビングモータ。

8 . 前記固定子及び前記 2 つの回転子鉄心部における前記歯幅が異なる複数の層は、前記回転子の回転軸方向に向って対称的に設けたことを特徴とする請求項 5 乃至 7 のいずれか記載のステツビングモータ。

9 . 前記固定子極の極歯のうち、少なくとも 1 つの極歯に傾斜部分を形成したことを特徴とする請求項 1 乃至 4 いずれか記載のステッピングモータ。

1 0 . 前記固定子極の極歯のうち少なくとも 1 つの極歯をずらして配置し、極歯のピッチを他と異ならせ、ずらした極歯のうち少なくとも 1 つの極歯に傾斜部分を形成したことを特徴とする請求項 5 乃至 8 いずれか記載のステッビングモータ。

1 1 . 上記のずらした極歯に傾斜部分を形成し、かつずらさない極歯にも傾斜部分を形成したことを特徴とする、請求項 1 0記載のステッビングモータ。

1 2 . 前記ステッピングモータを、印字へッドの駆動モータに用いたことを特徴とする請求項 1 乃至 1 1 いずれか記載の印字装

1 3 . 前記ステッピングモータを、紙送りローラの駆動モータに用いたことを特徴とする請求項 1 乃至 1 1 いずれか記載の紙送り装置。

1 4 . 前記請求項 1 2 又は 1 3記載の装置が用いられていることを特徴とするプリンタ。