JP4272075B2 - ステッピングモータ - Google Patents

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Description

本発明は、ステッピングモータに関するもので、より具体的には、固定子(ステータ),回転子(ロータ)間における磁気回路の改良に関する。
ステッピングモータに関してよく知られる形式の一つに、図1(a),(b)に示すようなクローポール式のものがある。これは最も多く生産されている形式の一つと言え、回転子は図1(b)に示すように、回転軸101に取り付けた円筒形状の永久磁石102で構成されている。円筒形状の永久磁石102は周回向きに等間隔の多極に着磁されている。この場合、極数を増すほど磁極間隔が狭くなるため磁石の完全な着磁が困難になり、回転子の外形寸法に応じて通常は、10〜50程度の極数が使用されている。固定子は、鋼板からプレス加工により形成した多数の爪状の磁極103を持つヨーク104,105と、ソレノイド巻線106,107とによる2組の電磁石で構成されている。爪状の磁極103は、永久磁石102の着磁極数に対応した数を形成し、これをクローポールと呼んでいる。2組の電磁石は、磁極位置が回転子の回転方向に永久磁石102の着磁ピッチの1/2だけずれるように配置し、2相の電機子を形成している。この形式のステッピングモータは、ヨーク104,105はプレス加工で形成でき、回転子は円筒形の磁石を一括して多極着磁することで形成でき、ソレノイド巻線106,107は高速巻線が可能で巻線体積に無駄が少なく、生産性が高かく大量生産に好適な構成を持っている。
一方、特許文献1などに見られるように、軸方向にソレノイド巻線,円筒形の永久磁石,ソレノイド巻線を順に配置する構成のものも提案がある。つまり、図2(a),(b)に示すように、外周面を周回向きにn分割して異なる極に交互に着磁させた円筒形状の永久磁石108を、回転軸116に取り付けて備える構成であり、回転軸116の両端を支持する2つの軸受117,117の間に、第1ソレノイド巻線109,永久磁石108,第2ソレノイド巻線110を順に配置する。そして、第1ソレノイド巻線109が励磁する第1外側磁極111および第1内側磁極112を、永久磁石108の一端の外周面および内周面に対向させるとともに、第2ソレノイド巻線110が励磁する第2外側磁極113および第2内側磁極114を、永久磁石108の他端側の外周面および内周面に対向させ、この2組の磁気回路は連結部材115により連結させている。
また一方、電機子,永久磁石を固定子として誘導子を回転子とする構成もあり、例えば特許文献2に見られるように、多極に着磁した永久磁石を、回転子である誘導子と空隙を挟んで対向させるものが知られている。つまり、図3に示すような構造を採り、118は誘導子歯、119はティース、120は電機子巻線、121はヨーク、122は磁極、123は永久磁石である。図中の矢印は永久磁石の磁化方向を示し、図3(b)はティース119の先端部分(図3(a)中のX)を拡大して示す説明図である。
この場合、回転子は、誘導子歯118が形成された磁性体からなる誘導子によって構成される。固定子は、6つのティース119とそれらを繋ぐヨーク121が一体となった電機子コアと、6つのティース119に集中巻きされた3相(U,V,W)の電機子巻線120と、各ティース119の先端に設けられた磁極122からなる電機子によって構成される。6極からなる1個の磁極122は、隣接するものどうしが互いに異極になるように永久磁石123が6個で構成されているので、固定子側に誘導子歯を加工する必要がない。回転子は図示しない軸受によって、回転自在に支持されている。
特開平11−41902 特開2002−369478
しかしながら、そうした従来のステッピングモータでは以下に示すような問題がある。図1に示すような構成のステッピングモータでは、永久磁石102が中心になり同芯に磁極103,ソレノイド巻線106,107,ヨーク104,105が並び、径方向に回転子磁気回路と固定子磁気回路とが積み重ねられており、外径を小さくした場合に各構成要素に対して必要な径方向の寸法を配分することが困難になる欠点を有している。図3の場合も同様であり、径方向に構成要素が配置されるので外径を小さくすることは困難になる。
また、図1のクローポール磁極103は、磁気回路を構成するヨークの一部を切り欠いて磁気回路を狭くして構成しているため、その根元の部分での磁気飽和により利用し得る磁束の最大値が制限される。従って、外径に制限がある場合には磁気回路の断面積を必要充分に確保することが困難になる欠点がある。
図2の構成では、固定子磁気回路と回転子磁気回路とを軸方向に配置しているので、各構成要素に対する径方向での寸法配分の困難さは軽減される。このため、図1の構成に比べて径の大きな永久磁石を利用することができ、極数を多くしたり、大きな出力トルクを得ることが容易となる。また、第1ソレノイド巻線109,第2ソレノイド巻線110の内径側に回転子磁石を含まない構成となるため、コイル巻線の内径を小さくしてコイル1ターン当たりの巻線抵抗を小さくでき、単位銅損当たりの起磁力を大きくすることが可能となる。
しかし、この構成ではより外径の大きな永久磁石を用いてトルク発生のための磁束を増加させたとしても、外側磁極111,113と内側磁極112,114とは、やはり磁気回路を構成するヨークの一部を切り欠いて磁気回路を狭くして構成されているため、その根元部分の磁気飽和により利用し得る磁束の最大値が制約される欠点を持っている。また、この構成では、図1の構成に比べて径の大きな永久磁石を回転子に使用するので、回転子の慣性能率が大きくなり結果として高いパルスレートでのモータの応答が悪化するという欠点や、磁極111,113が外周に露出しているので、磁極の切り欠き部の近傍に磁性体を配置するとモータとしての特性が変化する欠点がある。
この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、モータの形状寸法、特にモータ外径を限定した条件において、単位銅損当たりの出力トルクをより大きくすることができ、そして回転子の慣性能率が小さく、超小型化することに好ましく適用できるステッピングモータを提供することにある。
上記した目的を達成するために、本発明に係るステッピングモータは、大小2つの円筒状ヨークを同芯に重畳させて一方端は磁気的に連結して他方端は磁気的に開放し、前記磁気的な連結端側にソレノイド巻線を配置し、前記磁気的な開放端側には前記外側円筒状ヨークの内周に磁気的に接する状態に永久磁石を環状に配置し、前記永久磁石は周回向きに多極に着磁して当該部を第1磁気回路とし、前記第1磁気回路および同一構成からなる第2磁気回路を、前記磁気的な開放端側を互いに対向させて所定の隙間に配置して電機子とするとともに、前記第1磁気回路および前記第2磁気回路の各々の永久磁石の内側には、周回向きに周期的に半径方向の磁気抵抗が変化する外周形状の誘導子を位置させてこれら誘導子は回転軸により支持して回転子とし、前記内側円筒状ヨークと前記誘導子の内径あるいは軸方向側面とを空隙を介して磁気的に結合する磁気回路を備えて構成した。
また、前記第1磁気回路の誘導子と前記第2磁気回路の誘導子との2つを磁気的に一体化して構成するとよい。さらに、前記回転軸は軟磁性材料から形成し、磁気的に一体化した前記誘導子を当該回転軸により支持させるようにしてもよく、前記第1磁気回路の外側円筒状ヨークと前記第2磁気回路の外側円筒状ヨークとを、軟磁性材料により一体に形成することもできる。
(本発明に係る磁気回路)
図4は、本発明に係る磁気回路を説明するモータの断面図であり、図4(a),(b)は径方向での切断面を示し、図4(c)は図4(a)におけるA−A切断面、図4(d)は図4(b)におけるB−B切断面を示す。
図中、1は大きい径の外側円筒状ヨーク、2は小さい径の内側円筒状ヨーク、3は外側円筒状ヨーク1と内側円筒状ヨーク2とを磁気的に連結する環状板ヨークである。これらの各ヨークは軟磁性体材料により形成される。4はソレノイド巻線による駆動コイルである。5は円筒形状の永久磁石であって、外側円筒状ヨーク1の内径に磁気的に接するように固定され、周回向きに異なる極に着磁されており、この例では周回向きに12分割して異なる極に交互に着磁されている。永久磁石5内に示す矢印は磁化の向きである。6は誘導子であり、周回向きに周期的に半径方向の磁気抵抗が変化するように6個の誘導子歯が軟磁性体に加工されている。誘導子6の内径と内側円筒状ヨーク2の外周とは空隙を介して磁気的に結合する磁気回路を有している。また、誘導子6,内側円筒状ヨーク2,環状板ヨーク3および外側円筒状ヨーク1の外側に示す矢印は、それぞれの部位における磁束を示している。
このような磁気回路における磁束は、図4(a)に示すように、誘導子6の誘導子歯が永久磁石5の隣接する磁極間の中央に位置すると、誘導子6の誘導子歯と外側円筒状ヨーク1との間で図4(c)に示すように紙面に対して垂直方向に流れ、永久磁石5の一方の磁極,誘導子6の誘導子歯,永久磁石5の他方の磁極,外側円筒状ヨーク1の経路で循環する。このため内側円筒状ヨーク2,環状板ヨーク3,外側円筒状ヨーク1の経路で流れる永久磁石5による磁束はゼロになる。
そして、図4(b),(d)に示すように、誘導子6の誘導子歯が永久磁石5の磁極の一つと正対すると、隣接する磁極では磁気抵抗が低い誘導子歯の集める磁束が他方よりも多くなり、これらの差の磁束が図4(d)に示すように、駆動コイル4を囲む流れ、つまり内側円筒状ヨーク2,環状板ヨーク3,外側円筒状ヨーク1の経路に流れる。これは図4(a),(c)の状態から誘導子が右方向に機械角で15度、永久磁石5の隣接する一対の磁極のなす角を電気角で360度とした場合に電気角で右に90度回転した状態である。
永久磁石5および誘導子6の内部ではほとんどの磁束は、軸に垂直な面内を流れるので、外径が制限されたとしても、これらの軸方向の寸法を大きく設定することにより、外側円筒状ヨーク1あるいは内側円筒状ヨーク2がちょうど飽和する程度の最大値を持つ磁束を、駆動コイル4を囲む流れである内側円筒状ヨーク2,環状板ヨーク3,外側円筒状ヨーク1の経路に流すことができる。また、図4に示す誘導子6は各誘導子歯が内径側で連結した一体形状となっているが、各誘導子歯は磁気的に切り離された構成であっても同様の効果を得ることができる。
(ステッピングモータの構成)
ステッピングモータとしては、図4に示す磁気回路を2組とし、互いの誘導子6側を向かい合わせに軸方向に配置して2相モータの構成にすることができる。このとき、2つの磁気回路は、図4に示す磁束の流れをそれぞれが干渉なく独立して実現できるようにする必要があり、例えば2つの磁気回路の間に磁気的な空隙を設ける構成にすればよい。
2つの磁気回路の間では、互いの外側円筒状ヨーク1の間に磁気的な空隙が十分に確保できれば、互いの誘導子6,内側円筒状ヨーク2は磁気的に連結してあっても図4に示す磁束の流れを実現することができる。また、互いの誘導子6の間と、内側円筒状ヨーク2の間との何れにも共に十分な磁気的空隙が確保できていれば、互いの外側円筒状ヨーク1は磁気的に連結しても図4に示す磁束の流れを実現できる。
係る構成にすることにより本発明では、磁極を構成するために円筒状ヨークに切り欠きを設ける必要はなく、径の異なる2つの円筒状ヨーク1,2の断面積は、これら円筒状ヨーク1,2がなす磁気回路に流れる磁束の最大値で磁気飽和するように設定することになる。このため、外側円筒状ヨーク1の外径を規定した条件において、ソレノイド巻線(駆動コイル4)は外径は外側円筒状ヨーク1の内径に制限された最大値になり、内径は内側円筒状ヨーク2の外径に制限された最小値となる。
すなわち、モータ外径とソレノイド巻線の巻幅とを規定した条件において、当該ソレノイド巻線は単位銅損当たりの起磁力が最大になる。そして、永久磁石5は、外側円筒状ヨーク1の内周に固定して配置されるので、永久磁石5の外径はモータ外径を規定した条件において利用可能な最大の径になる。したがって、単位銅損当たりの出力トルクが極めて大きいモータを得ることができる。
さらに、回転子をなす誘導子6が永久磁石5の内側に配置されて誘導子歯を持つ構造となっているので、そもそも慣性が大きい永久磁石を回転子とするような従来他の構成に比べて回転子の慣性能率は小さくすることができ、このため駆動信号を高パルスレートにすることでのモータ応答の悪化を防ぐことができる。
また、径方向に流れる磁束については、内径側に近づくほど磁路の断面積が減少して磁束密度が大きくなるが、誘導子6には飽和磁束密度の高い磁性材料を使用することができ、そうすることにより磁気飽和を避ける設計が行える。
本発明に係るステッピングモータでは、モータ外径とソレノイド巻線の巻幅とを規定した条件において、当該ソレノイド巻線は単位銅損当たりの起磁力が最大になる。そして、永久磁石は、外側円筒状ヨークの内周に固定して配置されるので、永久磁石の外径はモータ外径を規定した条件において利用可能な最大の径になる。したがって、単位銅損当たりの出力トルクが極めて大きいモータを得ることができ、回転するのは軟磁性体からなる誘導子なので、磁石を回転子とするような従来他の構成に比べて回転子の慣性能率は小さくすることができる。その結果、超小型化することに好ましく適用できる。
(第1の実施の形態)
図5〜図7は、本発明の第1の実施の形態を示している。本実施の形態において、ステッピングモータは図4に示す磁気回路を2組連結させた構成であり、互いの誘導子の側を向かい合わせに軸方向に配置して2相モータの構成となっている。
図5〜図7において、7は第1磁気回路をなす外側円筒状ヨーク、8は第1磁気回路をなす内側円筒状ヨーク、9は外側円筒状ヨーク7と内側円筒状ヨーク8とを磁気的に連結する環状板ヨークであり、10は第2磁気回路をなす外側円筒状ヨーク、11は第2磁気回路をなす内側円筒状ヨーク、12は外側円筒状ヨーク10と内側円筒状ヨーク11とを磁気的に連結する環状板ヨークである。これらは軟磁性体材料により形成されている。
そして、13,14はソレノイド巻線であり一般的には樹脂製ボビンに皮膜銅線を巻線して形成される。ソレノイド巻線13,14は、それぞれ第1磁気回路の環状板ヨーク9,第2磁気回路の環状板ヨーク12に取り付けられる。そして、ソレノイド巻線13,14の内径は内側円筒状ヨーク8,11の外径と嵌め合い、外径は外側円筒状ヨーク7,10の内径と嵌め合う設定にされている。
外側円筒状ヨーク7,10および内側円筒状ヨーク8,11については、その内径,外径つまり断面積は、当該磁気回路に流れる磁束の最大値で磁気飽和するような断面積に設定するが、関係する要素は、外側円筒状ヨーク7,10の外径(モータ外径)がそもそも規定され、回転軸20の外径と、その外側の内側円筒状ヨーク8,11の内径との間に確保すべき空隙に応じた内側円筒状ヨーク8,11の内径であって、これらを所定に定めた条件においてソレノイド巻線13,14の外径,内径は最大値と最小値になる。このため、ソレノイド巻線13,14は、巻幅当たり単位銅損当たり最大の起磁力を発現するものに構成できる。
図5に示す外側円筒状ヨーク7,10には、ソレノイド巻線13,14の端子を径方向の外部に引き出すための切り欠き7a,10aが設けられている。この場合、外側円筒状ヨーク7,10の内径の決定にはこの切り欠き7a,10aの影響を考慮する必要がある。軸方向に引き出す場合には、環状板ヨーク9,12に切り欠きあるいは孔加工を施すことになるので、切り欠き7aおよび10aは不要となる。
15および16は周回向きにn分割して異なる極に交互に着磁した永久磁石であり、それぞれは外側円筒状ヨーク7,10の内径に接して固定される。このため、磁石材料としてフレキシブル磁石やアークセグメント形状の焼結磁石を用いることができる。また、周回向きに一体に連結する必要はなく、n分割した磁極をなす磁石と磁石との間にすきまがあってもよい。本形態では、永久磁石15,16は、図7(a),(b)に示すように8極に着磁されており、図中の矢印は永久磁石の磁化の向きを示す。
2つの永久磁石15,16は、磁化の位置関係がズレ位置に設定されており、着磁がn分割であれば周回方向に機械角で180/n度のズレ位置とされる。ここでは着磁が8分割なので22.6度だけズラされており、これは隣り合う磁極のなす角度を電気角で360度とすると電気角で90度ズレた位置関係になっている。
21は非磁性材からなるヨーク結合部材であり、第1磁気回路と第2磁気回路との距離を保ち、磁気的な結合を低減させる。また、ヨーク結合部材21や外側円筒状ヨーク7,10に突起や切り欠きを設けることにより、2つの永久磁石15,16が電気角で90度ズレる配置となるように位置決めすることもできる。
17,18は軟磁性体からなる誘導子であり、非磁性体の軸接続部材19を介して回転軸20に結合されている。回転軸20は非磁性材から形成することが好ましいが、軟磁性材であってもかまわなく、軟磁性材から形成することでは、軸方向に並ぶ2つの磁気回路の磁気的な結合を多少増加させる可能性はあるが大きな損失にはならなく利用することができる。誘導子17,18は、一般的にはn/2個、つまり本形態では4個の誘導子歯を持ち、誘導子17と誘導子18との誘導子歯は周回向きには同相の位置関係になっている。
このような構成によれば、モータ外径とソレノイド巻線13,14の巻幅とを規定した条件において、当該ソレノイド巻線13,14は単位銅損当たりの起磁力が最大になる。そして、永久磁石15,16は、外側円筒状ヨーク7,10の内周に固定して配置されるので、永久磁石15,16の外径はモータ外径を規定した条件において利用可能な最大の径になる。したがって、単位銅損当たりの出力トルクが極めて大きいモータを得ることができ、回転するのは軟磁性体からなる誘導子17,18なので、磁石を回転子とするような従来他の構成に比べて回転子の慣性能率は小さくすることができる。その結果、超小型化することに好ましく適用できる。
なお、2つの永久磁石15,16について、磁化の位置関係をズレ位置とせずに周回向きに同相に設定してもよく、その場合は誘導子17,18の誘導子歯を、周回向きに電気角で90度ズレた位置関係に設定することにより同様の作用,効果が得られる。
(第2の実施の形態)
図8,図9は、本発明の第2の実施の形態を示している。この第2の実施の形態では、2つの磁気回路の誘導子を一体にした構成を採る。前述した第1の実施の形態と同様な構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。
すなわち、外側円筒状ヨーク7,10は非磁性部材からなるヨーク結合部材21で機械的に結合する。従って、2つの磁気回路の誘導子については磁気的に連結することが可能になる。22は2つの磁気回路の誘導子を一体にした誘導子である。この誘導子22は、非磁性材からなる軸接続部材23を介して回転軸20に機械的に取り付ける。これにより部品点数を低減でき、組み立てを容易にすることができる。
(第3の実施の形態)
図10,図11は、本発明の第3の実施の形態を示している。この第3の実施の形態では、第2の実施の形態と同様に、軸方向に向かい合わせに並ぶ2つの外側円筒状ヨーク7,10を非磁性部材からなるヨーク結合部材21により機械的に結合している。その場合、2つの磁気回路の誘導子間および内側円筒状ヨーク8,11間を磁気的に連結することが可能なことから、磁気的に一体化した誘導子24を、軟磁性材からなる回転軸25に直接に取り付ける構成を採る。これにより、回転軸25を磁気回路としても利用している。なお、前述した第1の実施の形態と同様な構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。
このように、誘導子24を、軟磁性材からなる回転軸25に直接に取り付ける構成としたため、誘導子24を切削,焼結,ロストワックスなどの一体成型加工で形成することができる。また鋼板をプレス加工し、積層して磁気的に一体化する加工もよい。
回転軸25を磁気回路として利用することにより、誘導子,回転軸25の間の空隙をなくすることができ、小径化により一層適した構成を提供することができる。回転軸25はその全体を軟磁性体から形成してもよく、あるいは磁束を通す部分のみ、例えば軸の外周側だけを軟磁性体から形成する構成にしてもよい。
(第4の実施の形態)
図12,図13は、本発明の第4の実施の形態を示している。この第4の実施の形態では、誘導子17と誘導子18とを非磁性の軸接続部材19で機械的に結合する構成を採っている。また、前述した第1の実施の形態と同様な構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。
この場合、外側円筒状ヨークを磁気的に連結することが可能であり、2つの磁気回路の外側円筒状ヨークを一体とした外側円筒状ヨーク26としている。このように、最外周のヨークを軟磁性体で一体構造とすることにより、機械的な強度を増すことができる。そして外部への磁束の漏れを低減できるとともに、外部からの磁気的な影響を受け難くすることができる。
ここでは、誘導子17と誘導子18との磁気的な結合を減少させる必要がある。このため、図13に示すように、誘導子17と誘導子18との誘導子歯を周回向きに電気角が90度ずれた位置にしている。そして、永久磁石15,16は、着磁位置が周回向きに同相の位置となるので、両者を1つの磁石で形成できる。したがって、部品点数の削減に有利性があり、組み立てを容易にすることができる。
ステッピングモータの従来例を示す斜視図であり、(a)は破断してその内部を示し、(b)は回転子を単独に示す。 ステッピングモータの他の従来例を示す斜視図であり、(a)は各部を分解して示し、(b)は破断してその内部を示す。 ステッピングモータの他の従来例を示す断面図(a)であり、(b)は空隙部分を拡大して示す。 本発明に係る磁気回路を説明するモータの断面図であり、(a),(b)は径方向での切断面を示し、(c),(d)は軸方向での切断面を示す。 本発明に係るステッピングモータの好適な一実施の形態を示す斜視図である。 図5のステップモータを軸方向について切断した断面図である。 図5のステップモータを径方向について切断した断面図であり、(a)はA−A線の部分、(b)はB−B線の部分である。 本発明に係るステッピングモータの第2の形態を示す軸方向での断面図である。 図8のステッピングモータのロータを示す斜視図である。 本発明に係るステッピングモータの第3の形態を示す軸方向での断面図である。 図10のステッピングモータのロータを示す斜視図である。 本発明に係るステッピングモータの第4の形態を示す軸方向での断面図である。 図12のステッピングモータのロータを示す斜視図である。
符号の説明
1 外側円筒状ヨーク
2 内側円筒状ヨーク
3 環状板ヨーク
4 駆動コイル
5 永久磁石
6 誘導子
7,10 外側円筒状ヨーク
7a,10a 切り欠き
8,11 内側円筒状ヨーク
9,12 環状板ヨーク
13,14 ソレノイド巻線
15,16 永久磁石
17,18 誘導子
19,23 軸接続部材
20,25 回転軸
21 ヨーク結合部材
22,24 誘導子
26 外側円筒状ヨーク

Claims (4)

  1. 大小2つの円筒状ヨークを同芯に重畳させて一方端は磁気的に連結して他方端は磁気的に開放し、前記磁気的な連結端側にソレノイド巻線を配置し、前記磁気的な開放端側には前記外側円筒状ヨークの内周に磁気的に接する状態に永久磁石を環状に配置し、前記永久磁石は周回向きに多極に着磁して当該部を第1磁気回路とし、
    前記第1磁気回路および同一構成からなる第2磁気回路を、前記磁気的な開放端側を互いに対向させて所定の隙間に配置して電機子とするとともに、前記第1磁気回路および前記第2磁気回路の各々の永久磁石の内側には、周回向きに周期的に半径方向の磁気抵抗が変化する外周形状の誘導子を位置させてこれら誘導子は回転軸により支持して回転子とし、
    前記内側円筒状ヨークと前記誘導子の内径あるいは軸方向側面とを空隙を介して磁気的に結合する磁気回路を備えたことを特徴とするステッピングモータ。
  2. 前記第1磁気回路の誘導子と前記第2磁気回路の誘導子との2つを磁気的に一体化したことを特徴とする請求項1に記載のステッピングモー夕。
  3. 前記回転軸は軟磁性材料から形成し、磁気的に一体化した前記誘導子を当該回転軸により支持させたことを特徴とする請求項2に記載のステッピングモータ。
  4. 前記第1磁気回路の外側円筒状ヨークと前記第2磁気回路の外側円筒状ヨークとを、軟磁性材料により一体に形成したことを特徴とする請求項1に記載のステッピングモータ。
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