JP4391646B2

JP4391646B2 - ステップモータ

Info

Publication number: JP4391646B2
Application number: JP35700599A
Authority: JP
Inventors: 則雄宮内
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2019-12-16
Also published as: JP2001178107A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、時計等の電子機器の駆動に使われるステップモータの構造とその駆動方法に関し、特にステータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器特に時計においては、針をステップ駆動するためにステップモータが使われているが、電池寿命を増大するために、該ステップモータに対してさらなる低消電化が切望されている。
【０００３】
本出願人はこの目的のために特開平１０−２８３６７号公報に開示されている技術を出願した。この特開平１０−２８３６７号公報に開示されている従来のステップモータの構造について説明する。図３は従来のステップモータを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の直線Ｃ−Ｃ断面図である。図３に示す従来のステップモータ１１は、２極で直径がｄの永久磁石８から成るロータ２と、保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部５０（半円６０ａ、６０ｂと中心が６ｃの円６０ｄに囲まれたハッチング部）と該保持トルク部を除くヨーク部３０ａから成り前記のロータ２が入るロータ穴６０を有し該ロータ２に磁気結合する板状の２極のステータ３０と、該ステータ３０に２個のネジ７によって固定されたコイル４から成る。
【０００４】
前記ロータ穴６０は、保持トルクを発生させるために、直線Ｃ−Ｃに直角に、お互いに逆方向にずれた中心を有する２個の半円６０ａ、６０ｂから構成され（偏心５０ａと５０ｂを生じる）、真円（真円のときはロータ２の回転方向の保持トルクは生じない）からずれた保持トルクを生ぜしめる構造（図３（ａ）に示す保持トルク部５０の内周に等しい）を形成している。
【０００５】
さらに、図３（ｂ）に示すように内周が前記ロータ穴６０の外周６０ａ、６０ｂで、外周が該ロータ穴６０の中心（ロータ２の中心でもある）と同一である中心６ｃを持つ、直径Ｄ３の円６０ｄ（半径は該６ｃと前記半円６０ａあるいは半円６０ｂとの間の最大距離となっている）となる保持トルク部５０の厚みｔ２が、ステータ３０のヨーク部３０ａの厚みｔに比べ薄くなっていることである。なお、９０ａ、９０ｂはステータ３０の接合部９０のエッジである。
【０００６】
前記特開平１０−２８３６７号公報に開示した他の従来のステップモータの構造について説明する。図４は他の従来のステップモータを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の直線Ｅ−Ｅ断面図である。平面図（ａ）に示す他の従来のステップモータ１１０は、２極で直径がｄの永久磁石８から成るロータ２と、保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部１４０（中心が６ｃの円１５０ａと円１５０ｂに囲まれたハッチング部）と該保持トルク部を除くヨーク部１２０ａから成り、該ロータ２が入るロータ穴１５０を有し該ロータ２に磁気結合する板状の２極のステータ１２０と該ステータ１２０に２個のネジ７によって固定されたコイル４から成る。
【０００７】
このステップモータの前記ロータ穴１５０は、保持トルクを発生させるために、直線Ｅ−Ｅから約４５度で、お互いに対向した位置に形成された２個のノッチ１４０ａと１４０ｂから構成され、真円（真円のときはロータ２の回転方向の保持トルクは生じない）からずれた保持トルクを生ぜしめる構造（２個のノッチからなる）を形成している。
【０００８】
図４（ａ）のハッチング部で示される、内周が前記ロータ穴１５０の外周１５０ａで、外周が該ロータ穴１５０の中心（ロータ２の中心でもある）と同一である中心６ｃを持つ、直径Ｄ４の円１５０ｂ（ノッチ１４０ａと１４０ｂに接した円となっている）となる保持トルク部１４０の厚みｔ２は、図４（ｂ）に示すようにステータ１２０のヨーク部１２０ａの厚みｔに比べ薄くなっている。なお、図４（ａ）に示す９２はステータ１２０の狭部である。
【０００９】
ここで、前記従来のステップモータの作用を図３に示す従来のステップモータについて説明する。該従来のステップモータの作用については、前記本出願人による出願特許に詳しく説明されているので、概要を述べるにとどめる。
【００１０】
ステップモータの低消電化を実現するためには、第１にロータ２と、ステータ３０とコイル４間の磁気結合を上げなければならない。磁気結合を上げることによって、コイル４に流す単位駆動電流当たりの駆動トルクが増大する。駆動トルクは、ロータ穴６０の径の逆数に比例して大きくなるので、ステップモータの構造に対しては、１つには、磁石８の外形をそのままでロータ穴６０の径を小さくする方法が考えられる。
【００１１】
第２には、保持トルクを維持しなければならない。保持トルクを生ぜしめる構造の偏心５０ａと５０ｂの寸法をそのままにしておくと、保持トルクはロータ穴６０の径の逆数の３乗に比例して大きくなるので、ロータ穴６の径が小さくなった結果、保持トルクが非常に大きくなり、ロータ２は回転しにくくなるので、低消電化は期待できない。
【００１２】
そこで、保持トルクを維持するために、保持トルクを生ぜしめる構造の偏心５０ａと５０ｂの寸法を現状の３０μ程度から数μ程度にしなければならないが（図４に示すステップモータ１１０では、ノッチ１４０ａと１４０ｂの半径は現状の１５０μ程度から数十μ程度にしなければならない）、この寸法の偏心５０ａと５０ｂを精度よく加工するのは現状の加工技術では困難である。
【００１３】
そこで、偏心またはノッチの寸法を現状のままで、保持トルクが保持トルク部５０の厚みｔ２に比例することに着目し、保持トルクを維持するために保持トルク部５０の厚みｔ２を保持トルクの増大分ヨーク部３０ａの厚みｔより薄くしている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低消電化をさらに進めるためには、ロータ２と、ステータ３０とコイル４間の磁気結合を可能な限り上げる必要がある。その結果、保持トルクも増大してくるが、保持トルクを維持するために、どこまで保持トルク部５０の厚みｔ２を小さくすればよいか、開示されていなかった。
【００１５】
また、ロータ穴６０の径Ｄ３が小さくなることによって、円６０ｄの真円からの加工上のずれにより発生する不必要なトルクも増大し、そのトルクが、偏心５０ａ、５０ｂと保持トルク部５０の厚みｔ２で決まる保持トルクにプラスされ、トータルの保持トルクを歪めていた。
【００１６】
さらには、ロータ２と、ステータ３０とコイル４間の磁気結合が上がった結果、ロータ２が加工や組み立てで偏心したことによって発生する半径方向の吸引力も増大し、ロータ２の軸摩擦トルクが増大することになり、低消電化の妨げとなっていた。
【００１７】
また、ステップモータ１１の駆動方法については、開示されていなかった。
【００１８】
本発明の目的は、時計等の電子機器の駆動に使われるステップモータの低消電化のためのその最適な構造と駆動方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の要旨は、２極の永久磁石から成るロータと、お互いに逆方向にずれた中心を有する２個の半円で構成する保持トルクを生ぜしめる構造で且つ前記ロータが入るロータ穴を有し前記ロータに磁気結合する板状のステータと、該ステータに固定されたコイルから成り、前記ステータは前記保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部と該保持トルク部を除くヨーク部から成り、さらに、該保持トルク部の厚みは前記ヨーク部の厚みより薄いステップモータにおいて、該ステップモータの前記ステータは一体ステータであって、前記保持トルク部は、前記ロータの中心と同一中心を持つ円からなる該保持トルク部の外径Ｄ0 と前記中心をずらした２個の略半円で囲まれた平面形状をなすと共に、前記２個の略半円で形成される最大寸法をＤとする時、Ｄ0 ＞Ｄであることを特徴とする。
【００２０】
また、２極の永久磁石から成るロータと、お互いに対向した位置に形成される２個のノッチで構成する保持トルクを生ぜしめる構造で且つ前記ロータが入るロータ穴を有し前記ロータに磁気結合する板状のステータと、該ステータに固定されたコイルから成り、前記ステータは前記保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部と該保持トルク部を除くヨーク部から成り、さらに、該保持トルク部の厚みは前記ヨーク部の厚みより薄いステップモータにおいて、該ステップモータの前記ステータは一体ステータであって、前記保持トルク部は、該保持トルク部の外径Ｄ2 と前記ノッチを除く内円により囲まれた平面形状をなすと共に、前記ノッチとノッチの外接円の径をＤ1 とする時、Ｄ2 ＞Ｄ1 であることを特徴とする。
【００２１】
前記ステータは１枚の単層板あるいは２枚以上の積層板で形成されたステータであることを特徴とする。
【００２２】
前記ステータは２極で形成されていることを特徴とするものであり、また前記ステップモータはチョッパー駆動されることを特徴とする。
【００２３】
前記保持トルク部の厚みは、０ミクロンより大きく５０ミクロンより小さくすることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施の形態での偏心式一体ステータ型のステップモータを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の直線Ａ−Ａ断面図である。図１により本発明の実施の形態を説明する。図１に示す本発明のステップモータ１は、２極で直径がｄの永久磁石８から成るロータ２と、保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部５（半円６ａ、６ｂと中心が６ｃの円６ｄに囲まれたハッチング部）と該保持トルク部を除くヨーク部３ａから成り、該ロータ２が入るロータ穴６を有し、該ロータ２に磁気結合する１枚の単層板で形成された２極のステータ３と、該ステータ３に２個のネジ７によって固定されたコイル４から成る。
【００２５】
前記ロータ穴６は、保持トルクを発生させるために、直線Ａ−Ａに直角に、ロータ穴６の中心６ｃに対して、お互いに逆方向にずれた中心を有する２個の半円６ａ、６ｂから構成され（偏心５ａと５ｂを有する）、真円からずれた保持トルクを生ぜしめる構造（図１（ａ）に示す保持トルク部５の内周に等しい）を形成している。
【００２６】
本実施形態の特徴は、まず、図１（ｂ）に示すように、ヨーク部３ａの厚みｔ（本実施形態では５００μに設定）に対して保持トルク部５の厚みｔ０が１００μよりも小さくなっていることである。
【００２７】
また、保持トルク部５の外径Ｄ０は前記半円６ａと半円６ｂとで形成される最大寸法Ｄより大きくなっていることである。本実施形態では、該Ｄ０は１２００μ、該Ｄは１１２５μである。なお、偏心５ａ、５ｂの寸法は２５μである。
【００２８】
図２は本発明の第２実施の形態によるノッチ式一体ステータ型ステップモータを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の直線Ｂ−Ｂ断面図である。図２により本発明の実施形態を説明する。平面図（ａ）に示す本発明のステップモータ１０は、２極で直径がｄの永久磁石８から成るロータ２と、保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部１４（中心が６ｃの１５ａと円１５ｂに囲まれたハッチング部）と該保持トルク部を除くヨーク部１２ａから成る。
【００２９】
該ロータ２が入るロータ穴１５を有し該ロータ２に磁気結合する板状の２極の一体のステータ１２と該ステータ１２に２個のネジ７によって固定されたコイル４から成るステップモータであり、前記ロータ穴１５は、保持トルクを発生するために直線Ｂ−Ｂから約４５度で、お互いに対向した位置に形成された２個のノッチ１４ａと１４ｂから構成され、真円からずれた保持トルクを生ぜしめる構造を形成している。
【００３０】
本実施形態の特徴は、まず、図２（ｂ）に示すように保持トルク部１４の厚みｔ０が１００μよりも小さくなっていることである。
【００３１】
また、保持トルク部１４の外径Ｄ２はノッチ１４ａと１４ｂの外接円の径Ｄ１より大きくなっていることである。しかし、ステップモータ１０のモータ性能をステップモータ１のそれと同等に出すためには、外径Ｄ２は径Ｄ１に対して、前記外径Ｄ０の前記Ｄに対してよりも大きくとれない。なぜなら、通常、ノッチ１４ａと１４ｂの寸法（ロータ穴１５の径方向の寸法）は図１に示すステップモータ１の偏心５ａ、５ｂの寸法に比べ、１００μほど大きくなるからである。
【００３２】
そこで、保持トルクを変えないために、保持トルクはノッチ１４ａと１４ｂの面積に比例するから、ノッチ１４ａと１４ｂのロータ穴１５の円周方向の寸法を通常より２倍ほどにし、前記偏心５ａ、５ｂの寸法に比べ、５０μほどの大きさにする。その結果、保持トルク部１４の外径Ｄ２の寸法１２００μに対して、該ノッチ１４ａと１４ｂの外接円の径Ｄ１の寸法は、保持トルク部１４の外周の加工位置精度（１０μ程度）を考慮しても、該保持トルク部１４の外周がノッチ１４ａと１４ｂにかからない寸法、１１８０μになる。
【００３３】
図１に示す本発明の第１の偏心式一体ステータ型ステップモータの作用について説明する。前述のように、低消電化を最大限達成するためには、駆動トルクを大きくするために、ロータ２と、ステータ３とコイル４間の磁気結合を可能な限り上げる必要がある。その結果、保持トルクも増大し、ロータ２を回転できるトルクの余裕量である余力が増大するが、消電も増大してしまうので、保持トルクを維持するために、保持トルク部５の厚みｔ０を小さくしていかなければならない。
【００３４】
図７に示す低消電化と余力アップの保持トルク部の厚みｔの変化図を使ってさらに詳しく説明する。丸と三角形印は厚み５０μと１００μのときの低消電化と余力アップの実験データである。厚みｔが１００μのときは、−５％で低消電化は達成できないが、保持トルクが大きい分、余力が１９％アップしている。一方、厚みｔが５０μになると、１７％の低消電化が達成でき、保持トルクが小さくなった分、余力は９％アップになっている。なお、低消電化と余力アップの比較対象としたステップモータは前述の特開平１０−２８３６７号で引用されている、保持トルク発生部の厚みがステータの厚みと同一の従来のステップモータである。
【００３５】
図７に示す余力アップの厚み変化から、厚みｔ０が５０μでは、まだ、余力に９％の余裕がある。そこで、保持トルクを小さくし、余力を小さくすることによって、つまり、厚みｔ０を５０μより小さくすることによって、さらに、低消電化が可能であることがわかる。
【００３６】
ちなみに、本発明の第１の偏心式一体ステータ型ステップモータに対しては、永久磁石８の外径は７５０μ、ロータ穴６の最大外径Ｄは１１２５μ、偏心５ａと５ｂ寸法は２５μ、ステータ３の厚みｔは５００μであった。
【００３７】
なお、第１に、保持トルク部５の外径Ｄ０を前記半円６ａと半円６ｂとで形成される最大寸法Ｄより大きくとったのは、外径Ｄ０の真円部分と永久磁石８との磁気結合を、厚みｔ０の保持トルク発生部の永久磁石８との磁気結合より小さくすることによって、外径Ｄ０の円が真円からずれても、そのずれによって生じる余分なトルクを厚みｔ０の保持トルク発生部より発生する保持トルクに比べ無視出来るほどに小さくするためである。
【００３８】
また、第２に、保持トルク部５の外径Ｄ０を前記半円６ａと半円６ｂとで形成される最大寸法Ｄより大きくとったのは、外径Ｄ０の円が真円でも、永久磁石８と、ステータ３とコイル４が磁気回路を作っているので、永久磁石８のＮ、Ｓ磁極がコイル４の軸方向に平行に引っ張られるが、その力を無視出来るほど弱めて、ロータ２が厚みｔ０の保持トルク発生部により決められた始動し易い保持トルク静止安定位置に静止し、低消電で回転できるようにするためである。なお、本発明の第１の偏心式一体ステータ型ステップモータに対しては、前記半円６ａと半円６ｂとで形成される最大寸法Ｄ１１２５μに対して、保持トルク部５の外径Ｄ０は１２００μであった。
【００３９】
また、ステータ３を一体ステータにしたのは、特に、ロータ３の駆動時、ステータ３の狭部９の表面への磁極の発生を抑え、ロータ３の半径方向の吸引力を小さくするためである。その結果、偏心するロータ３の半径方向の吸引力によって発生する軸摩擦トルクを小さくでき、軸摩擦トルクによる駆動電力損失を小さくできる。
【００４０】
図２に示す本発明の第２のノッチ式一体ステータ型ステップモータの作用についても、前述の偏心式一体ステータ型ステップモータの作用の説明における偏心をノッチに代えることによって同様に説明できるので、説明を省略する。
【００４１】
図８は、本発明の第３の実施形態によるステップモータの断面図である。トータル厚みｔのヨーク３１は、保持トルク部５１を形成する厚みｔ０の薄板とロータ穴６１を有する厚みｔ１の１枚の板を積層することによって作製される。
【００４２】
図５は、１秒運針時のチョッパー駆動パルス図である。このチョッパー駆動パルスはパルス幅が約０．３ｍｓの８個のチョッパーパルスからなり、パルス幅は４ｍｓである。図６は、１秒運針時のフル駆動パルス図である。このフル駆動パルスのパルス幅は２ｍｓである。
【００４３】
図７は、低消電化と余力アップの保持トルク部厚み変化図である。丸印のデータは、チョッパー駆動パルスのデータで、三角形印のデータは、フル駆動パルスのデータで、低消電化と余力アップの各データをチョッパー駆動パルスとフル駆動パルスで分けるためにそれぞれ線分Ｌ１、Ｌ２と線分Ｌ１０、Ｌ２０でつなげてある。保持トルク部の厚みｔ０が５０μのデータにおいて、図５に示すチョッパー駆動パルスで、低消電化は１７％、余力は９％アップしている（丸印データ）。
【００４４】
一方、保持トルク部の厚みｔ０が１００μのデータにおいて、図６に示すフル駆動パルスで、低消電化とはならず、むしろ５％消電がアップし、余力は１９％アップしている（三角形印データ）。ここで、各駆動パルスとも、保持トルク部の厚みｔ０が５０μから１００μに大きくなったことによって、消電が増大し、余力がアップしたのは、保持トルクの増大が原因である。なお、チョッパーあるいはフル駆動パルスで余力のデータに違いがあまり見られないのは、チョッパーあるいはフル駆動パルス後にそれよりも幅の広い同一の駆動パルス（図省略）を印加して測定しているためである。
【００４５】
ここで、低消電化は各線分Ｌ１、Ｌ２内で厚みｔ０に対してリニアーに変化すると考える。すると、チョッパー駆動パルスの低消電化のデータの線分Ｌ１とフル駆動パルスの低消電化のデータの線分Ｌ２は、１００μよりわずか小さい厚みｔ０１で交叉しており、厚みｔ０１より小さい厚みｔ０では、チョッパー駆動パルスの方が、低消電化になると考えられる。以上により、保持トルク部の厚みｔ０が１００μより小さい（本実施形態ではｔ０１より小さい）本発明のステップモータにおいては、１秒運針において、フル駆動パルスよりもチョッパー駆動パルスによる駆動によって、より低消電化が達成されることがわかる。１秒運針以外の駆動においても、チョッパー駆動の方が、低消電化に適していることは明らかである。
【００４６】
【発明の効果】
上記の説明からわかるように、特許請求項１から５に記載の本発明によれば、時計等の電子機器の駆動に使われるステップモータを低消電化でき、電池の寿命をのばすことができる効果があることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態によるステップモータの平面図、断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態によるステップモータの平面図、断面図である。
【図３】従来のステップモータの平面図、断面図である。
【図４】従来の他のステップモータの平面図、断面図である。
【図５】１秒運針時のチョッパー駆動パルス図である。
【図６】１秒運針時のフル駆動パルス図である。
【図７】低消電化と余力アップの保持トルク部厚み変化図である。
【図８】本発明の第３の実施形態によるステップモータの断面図である。
【符号の説明】
１、１０、１１、１１０ステップモータ
２ロータ
３、１２、３０、１２０ステータ
４コイル
５、１４、５０、１４０保持トルク部
３ａ、１２ａ、３０ａ、１２０ａヨーク部
５ａ、５ｂ、５０ａ、５０ｂ偏心
１４ａ、１４ｂ、１４０ａ、１４０ｂノッチ
９、９１、９２ステータ狭部
９０ステータ接合部
ｔ０、ｔ２保持トルク部厚み
Ｄ０、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４保持トルク部最外周径

Claims

２極の永久磁石から成るロータと、お互いに逆方向にずれた中心を有する２個の半円で構成する保持トルクを生ぜしめる構造で且つ前記ロータが入るロータ穴を有し前記ロータに磁気結合する板状のステータと、該ステータに固定されたコイルから成り、前記ステータは前記保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部と該保持トルク部を除くヨーク部から成り、さらに、該保持トルク部の厚みは前記ヨーク部の厚みより薄いステップモータにおいて、該ステップモータの前記ステータは一体ステータであって、前記保持トルク部は、前記ロータの中心と同一中心を持つ円からなる該保持トルク部の外径Ｄ0 と前記中心をずらした２個の略半円で囲まれた平面形状をなすと共に、前記２個の略半円で形成される最大寸法をＤとする時、Ｄ0 ＞Ｄであることを特徴とするステップモータ。
２極の永久磁石から成るロータと、お互いに対向した位置に形成される２個のノッチで構成する保持トルクを生ぜしめる構造で且つ前記ロータが入るロータ穴を有し前記ロータに磁気結合する板状のステータと、該ステータに固定されたコイルから成り、前記ステータは前記保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部と該保持トルク部を除くヨーク部から成り、さらに、該保持トルク部の厚みは前記ヨーク部の厚みより薄いステップモータにおいて、該ステップモータの前記ステータは一体ステータであって、前記保持トルク部は、該保持トルク部の外径Ｄ2 と前記ノッチを除く内円により囲まれた平面形状をなすと共に、前記ノッチとノッチの外接円の径をＤ1 とする時、Ｄ2 ＞Ｄ1 であることを特徴とするステップモータ。
前記ステータは１枚の単層板あるいは２枚以上の積層板で形成されたステータであることを特徴とする請求項１または２に記載のステップモータ。
前記ステータは２極で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のステップモータ。
前記ステップモータはチョッパー駆動されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のステップモータ。
前記保持トルク部の厚みは、０ミクロンより大きく５０ミクロンより小さくすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステップモータ。