JP5623219B2

JP5623219B2 - モータ

Info

Publication number: JP5623219B2
Application number: JP2010217094A
Authority: JP
Inventors: 晴滋山本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-09-28
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2030-09-28
Also published as: JP2012075231A

Description

本発明は、ロータの磁極位置を検出して、通電タイミングを切り替え制御するステッピングモータ等のモータに関する。

ステッピングモータ等のモータでは、マグネットロータと検出用ロータとをモータ軸上に同軸配置し、ホール素子などの磁気変換素子により検出用ロータの磁極位置を検出する技術が知られている（特許文献１）。

特開２００２−６２１６２号公報

しかし、上記特許文献１では、マグネットロータとは別に検出用ロータをモータ軸上に配置する必要がある為、モータの大型化及び高コスト化を招いてしまう。また、モータの大型化及び高コスト化を避けるために、マグネットロータの磁極位置を磁気検出素子で直接検出しようとしても、所謂クローポール型のステッピングモータでは、磁気検出素子を十分に近接して配置することが難しく、検出精度が低下する問題がある。

そこで、本発明は、小型化及び低コスト化を図りつつ、容易にロータの磁極位置の検出精度を高めることができるモータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のモータは、円周方向に複数の磁極が形成されるロータと、非磁性材料で形成され、前記ロータに軸方向の端面を覆う蓋部材と、磁気検出素子と、一方の端部が前記ロータに軸方向の端面に対向し、他方の端部に前記磁気検出素子が配置されるように、前記蓋部材に支持される磁性軸部材と、を備え、前記磁性軸部材は、前記ロータ軸の周囲に円周方向に等間隔で複数配置されており、複数の前記磁性軸部材のうち、一部の磁性軸部材の前記他方の端部に前記磁気検出素子が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、モータの小型化及び低コスト化を図りつつ、容易にロータの磁極位置の検出精度を高めることができる。

本発明の実施形態の一例であるクローポール型ステッピングモータの要部断面図である。図１をＢ相蓋部材側から見た要部側面図である。Ｂ相ヨーク、Ａ相ヨーク、磁気検出素子及びマグネットロータの位相関係を説明する為の模式的断面図である。（ａ）はマグネットロータの回転角度とモータトルクの関係を示すグラフ図、（ｂ）はマグネットロータの回転角度と磁気検出素子のセンサ出力との関係を示すグラフ図である。フィードバック通電切替モードの動作を説明するための概略断面図である。本発明の他の実施形態であるクローポール型ステッピングモータの要部断面図である。

以下、本発明の実施形態の一例を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態の一例であるクローポール型ステッピングモータの要部断面図である。

図１に示すように、本実施形態のステッピングモータは、磁性材料で形成された外筒ケース９の軸方向両端部に、それぞれＡ相蓋部材１０及びＢ相蓋部材１２が嵌合保持されている。Ｂ相蓋部材１２は、例えばポリカーボネート樹脂等の非磁性材料により形成されており、本発明の支持部材の一例に相当する。Ａ相蓋部材１０及びＢ相蓋部材１２には、それぞれＡ相軸受１１及びＢ相軸受１３が外筒ケース９と略同心に装着されており、Ａ相軸受１１及びＢ相軸受１３には、円周方向に８極着磁されたマグネットロータ１のロータ軸２が回転可能に支持されている。

外筒ケース９の内周部において、Ｂ相蓋部材１２側には、励磁コイル３が支持され、Ａ相蓋部材１０側には、励磁コイル４が支持されている。励磁コイル３には、磁極歯を形成する一対のヨーク５，６が所定の位相角度を成すように固定され、励磁コイル４には、磁極歯を形成する一対のヨーク７，８が所定の位相角度を成すように固定されている。

そして、励磁コイル３、一対のヨーク５，６及び外筒ケース９によりＢ相の閉磁路による励磁相が形成され、励磁コイル４、一対のヨーク７，８及び外筒ケース９によりＡ相の閉磁路による励磁相が形成される。

Ｂ相蓋部材１２のＢ相軸受１３の周囲には、複数（マグネットロータ１の磁極数の整数倍：本実施形態では、１６箇所）の磁性軸部材１４が円周方向に略等間隔で貫通した状態で圧入又接着等により固定されている。

磁性軸部材１４の一方の端部は、マグネットロータ１の軸方向の端面１ａに対して一定のエアギャップを介して対向し、他方の端部は、Ｂ相蓋部材１２の外端面１２ａと面一とされて外部に露出している。Ｂ相蓋部材１２の外端面１２ａには、フレキシブルサーキット基板１６に実装された磁気検出素子１５，１７（図２参照）が固定される。磁気検出素子１５，１７については、後述する。

このように、複数の磁性軸部材１４を円周方向に略等間隔で配置することで、磁性軸部材１４がマグネットロータ１を軸方向に吸引する力（図１の左方向）がロータ軸２回りに周期的かつ均等に発生する。このため、マグネットロータ１の回転抵抗は、回転位相により偏りのない均等なものとなり、回転変動や振動等の発生をなくすことができる。

また、マグネットロータ１は、磁性軸部材１４との吸引力により図１の左方向にガタ寄せされるので、ガタに起因する振動やガタ変動によるマグネットロータ１と磁性軸部材１４とのエアギャップ変動も抑えられ、安定した磁極位置の検出を行う事が出来る。

図２は、図１をＢ相蓋部材１２側から見た要部側面図である。なお、図２では、Ｂ相のヨーク５を実線で、Ａ相のヨーク７を破線で模式的に示してある。

マグネットロータ１は、図２の位置に停止しており、このとき、Ｂ相のヨーク５の中心位相は、マグネットロータ１のＮ極着磁ピーク位置に一致している。この状態において、複数の磁性軸部材１４は、マグネットロータ１の分極位置とＮ極又はＳ極の着磁ピーク位置とに一致した位置に配置される。

複数の磁性軸部材１４のうち、２つの磁性軸部材１４ａ，１４ｂのＢ相蓋部材１２の外端面１２ａに露出する側の端面には、それぞれ磁気検出素子１５及び磁気検出素子１７が配置される。そして、ステッピングモータは、磁気検出素子１５、及び磁気検出素子１７の出力する信号に基づき通電を切り替えるフィードバック通電切替モードによって駆動される。

次に、図３〜図５を参照して、本実施形態のステッピングモータにおける通電切替制御について説明する。

図３は、Ｂ相ヨーク５、Ａ相ヨーク７、磁気検出素子１５，１７及びマグネットロータ１の位相関係を説明する為の模式的断面図である。なお、図３及び図５では、時計回り方向を正の方向とし、また、説明の便宜上、磁気検出素子１５，１７をマグネットロータ１の外周側に配置して見やすくしてある。また、本実施形態では、マグネットロータ１の磁極数を８極としているため、着磁角Ｐを４５°として説明する。

Ｂ相ヨーク５を基準として、Ａ相ヨーク７の位相Ｐ／２は、−２２．５°、磁気検出素子１５の位相β１は、＋２２．５°、磁気検出素子１７の位相β２は、−４５°である。

ここで、以下の説明では、電気角を用いて説明する。電気角とは、マグネット磁力の１周期を３６０°として表したものであり、ロータの極数をＭ、実際の角度をθ０とすると、電気角θ＝θ０×Ｍ／２で表される。

従って、Ｂ相ヨーク５とＡ相ヨーク７との位相差、磁気検出素子１５と磁気検出素子１７との位相差、Ｂ相ヨーク５と磁気検出素子１５との位相差は、全て電気角で９０°となる。なお、図３において、Ｂ相ヨーク５の磁極歯中心とマグネットロータ１のＮ極中心とは径方向に対向しており、この状態をマグネットロータ１の初期状態とし、電気角０°とする。

図４（ａ）は、マグネットロータ１の回転角度とモータトルクの関係を示すグラフ図であり、横軸は電気角、縦軸はモータトルクを示す。モータトルクは、マグネットロータ１を時計回りに回転させるトルクを正とする。

励磁コイル３に正方向の電流を流すと、Ｂ相ヨーク５がＮ極に磁化し、マグネットロータ１の磁極との間に電磁気力が発生する。また、励磁コイル４に正方向の電流を流すと、Ａ相ヨーク７がＮ極に磁化し、マグネットロータ１の磁極との間に電磁気力が発生する。これらの２つの電磁気力を合成すると、マグネットロータ１の回転にともなって略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ＋）。

他の通電状態においても、同様に、略正弦波状のトルクが得られる（トルク曲線Ａ＋Ｂ−、Ａ−Ｂ−、Ａ−Ｂ＋）。また、Ｂ相ヨーク５は、Ａ相ヨーク７に対して電気角で９０°の位相をもって配置されるため、４つのトルクは互いに電気角で９０°の位相差を持つことになる。

図４（ｂ）は、マグネットロータ１の回転角度と磁気検出素子１５，１７のセンサ出力との関係を示すグラフ図であり、横軸は電気角、縦軸はセンサ出力を示す。

マグネットロータ１の軸方向の端面１ａは、電気角に対して磁力の強さが略正弦波状になるように着磁している。そのため、磁気検出素子１５からは略正弦波状の信号が得られる（センサ信号Ａ）。

なお、本実施形態では、磁気検出素子１５は、マグネットロータ１のＮ極と軸方向に対向するときに正の値を出力する。

また、磁気検出素子１７は、磁気検出素子１５に対して電気角で９０°の位相をもって配置されているため、磁気検出素子１７からは略余弦波状の信号が得られる（センサ信号Ｂ）。

なお、本実施形態では、磁気検出素子１７は、磁気検出素子１５に対して極性を反転してあるため、マグネットロータ１のＳ極と軸方向に対向するときに正の値を出力する。

センサ信号Ａ及びセンサ信号Ｂに対して２値化処理を施した信号が、２値化信号Ａ及び２値化信号Ｂである。フィードバック通電切替モードでは、２値化信号Ａを基に励磁コイル４の通電を切り替え、２値化信号Ｂを基に励磁コイル３の通電を切り替える。

すなわち、２値化信号Ａが正の値を示すとき、励磁コイル４に正方向の電流を流し、負の値を示すとき、励磁コイル４に逆方向の電流を流す。また、２値化信号Ｂが正の値を示すとき、励磁コイル３に正方向の電流を流し、負の値を示すとき励磁コイル３に逆方向の電流を流す。

図５は、フィードバック通電切替モードの動作を説明するための概略断面図である。

図５（ａ）は、マグネットロータ１が電気角で１３５°回転した状態を示している。この状態では、磁気検出素子１５，１７のセンサ出力は、図４（ｂ）のＸ１で示した値となり、２値化信号Ａは正、２値化信号Ｂは負の値となる。

従って、励磁コイル４には、正方向の電流が流れてＡ相ヨーク７はＮ極に磁化し、励磁コイル３には、逆方向の電流が流れてＢ相ヨーク５はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ＋Ｂ−に対応する時計回り方向のトルクが作用し、マグネットロータ１は、θ方向の回転力を受けて回転する。

図５（ｂ）は、マグネットロータ１が電気角で１８０°回転した状態を示しており、磁気検出素子１５は、マグネットロータ１のＮ極とＳ極の境界に位置している。このため、電気角１８０°を境に２値化信号Ａは、正の値から負の値に切り替わり、励磁コイル４の通電方向が正方向から逆方向へ切り替わる。この電気角は、図４（ａ）のトルク曲線Ａ＋Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ−との交点の電気角と一致する。

図５（ｂ′）は、マグネットロータ１が電気角で１８０°回転し、励磁コイル４の通電方向が切り替わった状態を示している。この状態では、励磁コイル４には、逆方向の電流が流れてＡ相ヨーク７はＳ極に磁化し、励磁コイル３には、逆方向の電流が流れてＢ相ヨーク５はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回り方向のトルクが作用し、マグネットロータ１は、θ方向の回転力を受けて回転する。

図５（ｃ）は、マグネットロータ１が電気角で２２５°回転した状態を示している。この状態では、磁気検出素子１５，１７のセンサ出力は、図４（ｂ）のＸ３で示した値を示しており、２値化信号Ａは負、２値化信号Ｂは負の値となる。

従って、励磁コイル４には、負方向の電流が流れてＡ相ヨーク７はＳ極に磁化し、励磁コイル３には、逆方向の電流が流れてＢ相ヨーク５はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回り方向のトルクが作用し、マグネットロータ１は、θ方向の回転力を受けて回転する。

図５（ｄ）は、マグネットロータ１が電気角で２７０°回転した状態を示しており、磁気検出素子１７は、マグネットロータ１のＮ極とＳ極の境界に位置している。このため、電気角２７０°を境に２値化信号Ｂは負の値から正の値に切り替わり、励磁コイル３の通電方向が逆方向から正方向へ切り替わる。この電気角は、図４（ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ＋との交点の電気角と一致する。

図５（ｄ′）は、マグネットロータ１が電気角で２７０°回転し、励磁コイル３の通電方向が切り換わった状態を示している。励磁コイル３には、正方向の電流が流れてＢ相ヨーク５はＮ極に磁化し、励磁コイル４には、逆方向の電流が流れてＡ相ヨーク７はＳ極に磁化する。このとき、図４（ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ＋に対応する時計回り方向のトルクが作用し、マグネットロータ１は、θ方向の回転力を受けて回転する。

以上の動作を繰り返すことで、マグネットロータ１を連続的に回転させることが可能となる。なお、２値化信号Ａまたは２値化信号Ｂの正負を反転させれば、逆回転も可能である。

フィードバック通電切替モードでは、駆動パルス数と回転方向を入力することで、マグネットロータ１を所望の角度だけ回転させることが可能である。また、励磁コイル３，４に流す電流を制御することで、各ヨーク５，７の磁極歯とマグネットロータ１の磁極との間の磁力を変化させてマグネットロータ１を所望の速度で回転させることができる。

また、フィードバック通電切替モードでは、各トルク曲線の交点と一致する電気角において通電を切り換えているため、モータから得られるトルクを最大にすることができる（図４（（ａ）のトルク曲線Ｔ）。更に、フィードバック通電切替モードでは、マグネットロータ１の位置を検出しながら通電を切り替えるため、非フィードバック通電切替モードのように脱調を起こすことがなく、高速・高効率で駆動することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態では、Ｂ相蓋部材１２に磁性軸部材１４を円周方向に略等間隔で複数配置し、複数の磁性軸部材１４の一方の端部をマグネットロータ１の端面１ａに対向させ、他方の端部をＢ相蓋部材１２の外部に露出させている。そして、複数の磁性部材１４のうち、一部の磁性軸部材１４ａ，１４ｂのＢ相蓋部材１２の外部に露出する側の端面に、それぞれ磁気検出素子１５及び磁気検出素子１７を配置している。

これにより、従来のように、マグネットロータ１とは別の検出用ロータをモータ軸上に配置する必要がなくなり、この結果、ステッピングモータの小型化及び低コスト化を図ることができる。

また、磁性軸部材１４ａ，１４ｂのマグネットロータ１側を向く端面をマグネットロータ１の端面１ａに近接配置することで、クローポール型ステッピングモータであっても、容易にマグネットロータ１の磁極位置の検出精度を高めることができる。

なお、本発明の構成は、上記実施形態に例示したものに限定されるものではなく、材質、形状、寸法、形態、数、配置箇所等は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

例えば、図６に示すように、磁気検出素子１５の磁性軸部材１４の反対側の面に磁性材料で形成されたバックヨーク１８が配置してもよい。

このようにすると、バックヨーク１８の作用により磁気検出回路のパーミアンスが向上し、より高精度にマグネットロータ１の磁極位置を検出することが可能となる。

１マグネットロータ
３，４励磁コイル
５，６，７，８ヨーク
１４磁性軸部材
１５，１７磁気検出素子
１８バックヨーク

Claims

円周方向に複数の磁極が形成されるロータと、
非磁性材料で形成され、前記ロータに軸方向の端面を覆う蓋部材と、
磁気検出素子と、
一方の端部が前記ロータに軸方向の端面に対向し、他方の端部に前記磁気検出素子が配置されるように、前記蓋部材に支持される磁性軸部材と、を備え、
前記磁性軸部材は、前記ロータ軸の周囲に円周方向に等間隔で複数配置されており、
複数の前記磁性軸部材のうち、一部の磁性軸部材の前記他方の端部に前記磁気検出素子が配置されていることを特徴とするモータ。
前記ロータは、ロータ軸を有し、
前記蓋部材に取り付けられ、前記ロータ軸を回転可能に支持する支持部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
前記磁性軸部材は、前記ロータに形成される磁極の境界位置またはピーク位置に一致した位置に対向してそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ。
前記磁気検出素子の前記磁性軸部材の反対側の面に、磁性材料で形成されたバックヨークを配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモータ。
前記磁性軸部材の数が、前記ロータの磁極数の整数倍であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモータ。