JP5999806B2 - ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、ＯＡ機器などの駆動に使用されるステッピングモータに関する。

近年とみに、プリンターやスキャナーなどのＯＡ機器において、市場における高精細度化への要求が厳しく、より高精度に紙の送りが可能となるような高回転精度のステッピングモータが求められている。高回転精度のステッピングモータを実現するため、従来、例えば、回転軸を支持するための支持体をステッピングモータ内部に設けて回転軸の振動を抑制する技術や、ステッピングモータの回転周期に応じた信号をエンコーダから出力させて出力信号と理想周期との位相差を制御する技術などが提案されている。しかし、これらの手段は、ステッピングモータの構造が複雑となったり、製造工程の工数増加やコストのアップに繋がるという問題があった。

これに対し、本発明者は、ステッピングモータがＡ相及びＢ相のコイル並びにヨークによって形成される磁場に応じて回転していることから、送り量精度に直接影響する回転精度がＡ相及びＢ相の磁場バランスにも依存する可能性があることに着目し、鋭意研究を重ねた。その結果、Ａ相及びＢ相の磁場バランスが良いこと、換言すると、逆起電圧のバランスが良いことが、Ａ相とＢ相のコイルに生じる磁場バランスが回転精度に影響を与えることについて知見を得た。そして、逆起電圧のバランスを良くする手段として、後に詳述するように、ステータヨークを直接フレームヨークでカシメる際に所定の割合でもってカシメることによってそれを達成することができるとの知見を得た。

ここで、例えば、特許文献１には、各種ＯＡ機器の駆動用に使用されるステッピングモータにおいて、取付板の固定角度を自由に決定し、カシメ強度のばらつきを低減し、安価で低振動のステッピングモータを提供する技術が開示されている。具体的には、図７に示すように、取付板の外周部に曲げ加工１２を施すとともに、フレームの端部全周に溝部を設け、第１の外ヨーク１１のつば部外径は、前記取付板の曲げ加工部内径より小さく配して、取付板９の内側に第１の外ヨーク１１を配するよう構成することにより、取付板の固定角度を自由に決定でき、かつ、カシメ部高さ寸法を十分確保し、カシメ強度ばらつきを低減して、モータ振動を低減した、安価なステッピングモータが得られるとしている。なお、本段落における要素の符号は、特許文献１によって付与されたものであり、後述する本発明の要素の符号とは異なる。

また、特許文献２には、ステッピングモーターのコストダウンを達成するとともに、ステーターの厚さに依存することなくステーターのモーターケース内での高さを高い精度で制御し、また、カシメ加工によるステーターの変形をもなくし、歩留まりの向上を達成し、信頼性の高いステッピングモーターとする技術が開示されている。具体的には、図８に示すように、モーターケースを略短冊状の板金を略円筒状に成形したカーリングヨーク構造とし、カーリングヨーク１の上面側の縁部近傍に円筒内側方向に突出する複数の弾性を有する凸片４を設け、カーリングヨーク１でモーター構成部品を取り囲むとともにその凸片４でモーター構成部品をフランジプレート３側に保持し、前記カーリングヨークの下端部とフランジプレートを溶接により接合するものである。なお、本段落における要素の符号は、特許文献２によって付与されたものであり、後述する本発明の要素の符号とは異なる。

特開平１１−２８５２３０号公報 特開平１０−１０８４４５号公報

しかし、これら文献のいずれにも、カシメと逆起電圧を結びつける記載はない。従って、本発明は、全く新しい着想をもってなされたものであり、コストをアップさせずに、回転位置精度の向上を図るために、逆起電圧比のバランスを改善することを目的とする。より具体的には、Ａ相又はＢ相の逆起電圧がＢ相又はＡ相の逆起電圧よりも大きいものに対し、Ａ相の逆起電圧とＢ相の逆起電圧がほぼ等しい、換言すると、両者の比が１となるようなステッピングモータを提供する。

上記目的を達成するため、本発明は、（１）円周方向に多極着磁された永久磁石を有するロータと、ロータと同軸上に設けられ、その外周にＡ相の励磁コイルが巻着された第１のボビンと、対向する極歯を有し、第１のボビンを挟持する第１の一対のステータヨークと、第１のボビンの上方に設けられ、その外周にＢ相の励磁コイルが巻着された第２のボビンと、対向する極歯を有し、第２のボビンを挟持する第２の一対のステータヨークと、ロータ、第１及び第２のボビン及び第１及び第２の一対のステータヨークを収容する有底のフレームヨークとを備え、第２の一対のステータヨークが、その開放側において、フレームヨークの開放端部のうち所定割合の部分によってカシメされることにより、Ａ相の励磁コイルとＢ相の励磁コイルとの間に所望の逆起電圧比を得ることを特徴とするステッピングモータを提供する。

（２）第２の一対のステータヨークが、その開放側において、フレームヨークの開放端部のうち全外周の２０〜５０％によってカシメされることを特徴とする上記（１）に記載のステッピングモータを提供する。

（３）さらに、フレームヨークの開放端部によってカシメされる部分を除いて、第２の一対のステータヨークの開放側を覆う樹脂製のブラケットを備えることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のステッピングモータを提供する。

（４）ステータヨーク及び励磁コイルをモールドにより一体型とすることを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれか１つに記載のステッピングモータを提供する。

（５）ステータヨーク、励磁コイル、ブラケット及び上側軸受をモールドにより一体型とすることを特徴とする上記（１）ないし（３）のいずれか１つに記載のステッピングモータを提供する。

ステータヨークをカップ状のフレームヨークの開放端部で直接ヨークを押さえるようにカシメる際に、以下に詳述するように、カシメ長比率を調整することにより、Ａ相逆起電圧とＢ相逆起電圧の比をほぼ同じになるように改善できる。

本発明の実施形態に係るステッピングモータを示す分解斜視図である。 （ａ）は従来のステッピングモータの一例を示す図、（ｂ）は本発明の実施形態に係るステッピングモータを示す図であって、それぞれブラケット側からみた平面図である。 本発明の実施形態に係るステッピングモータの要部を拡大して示した断面図である。 図１において、ステータヨークとコイルをモールドして一体型としたものを示す斜視図である。 従来のステッピングモータの逆起電圧の差を示すグラフである。 カシメ長比率と逆起電圧比の関係を示すグラフである。 従来のステッピングモータの一例を示す図である。 従来のステッピングモータの他の例を示す図である。

これより、図面を参照しつつ、本発明に係るステッピングモータの実施形態を説明する。図１に示すように、ステッピングモータ１は、円周方向に多極着磁された永久磁石２３を有するロータ２と、ロータ２と同軸上に設けられ、その外周にＡ相の励磁コイル３が巻着された第１のボビン４と、対向する極歯５ａを有し、第１のボビン４を挟持する第１の一対のステータヨーク５と、第１のボビン４の上方に設けられ、その外周にＢ相の励磁コイル６が巻着された第２のボビン７と、対向する極歯８ａを有し、第２のボビン７を挟持する第２の一対のステータヨーク８と、ロータ２、第１及び第２のボビン４，７及び第１及び第２の一対のステータヨーク５，８を収容するフレームヨーク９とを備えている。そして、第２の一対のステータヨーク８の外側には蓋の役目をするブラケット１０が配置される。図２は、以上の要素を組立てた本発明に係るステッピングモータ１をブラケット１０側からみた平面図である。図２（ａ）は従来のステッピングモータの一例（カシメ部９２ｂが４か所）を、（ｂ）は本発明の実施形態に係るステッピングモータの一例（カシメ部９２ｂが８か所）を示している。

図１では図示していないが、ロータ２は、例えば次のような構成とすることができる。シャフト２１にホルダ２２を圧入固定し、ホルダ２２の外周面に永久磁石２３を同軸的に固定する。そして、着磁器を用いて永久磁石２３の周方向に所定の間隔で着磁を施し、Ｓ極及びＮ極の磁極の展開パターンを形成する。Ｓ極とＮ極の展開パターンは、Ｓ極とＮ極とが交互に着磁がされており、一対のＳ極とＮ極との磁極幅は予め定めた一定値となっている。

このように構成されたロータ２は、永久磁石２３が第１の一対のステータヨーク５の極歯５ａ及び第２の一対のステータヨーク８の極歯８ａと微小間隔離間して同軸で対向するように位置付けしたうえで、フレームヨーク９の底部中央に設けられた下側軸受９３とブラケット１０の中央に設けられた上側軸受１３に回転自在に保持される。

Ａ相の励磁コイル３及びＢ相の励磁コイル６の先端にはそれぞれ端子３１，６１が設けられており、フレームヨーク９の一部はこれらの端子３１，６１からのリード線を外部へ導出させるための切欠け部９１が穿たれている。

第１の一対のステータヨーク５の互いに対向するステータヨーク５１，５２は平板のリング状であって、互いに内側に向かって突出形成された極歯５ａが設けられており、第１のボビン４を挟持した際にそれぞれの極歯５ａが相互に噛み合うようになっている。個々のステータヨーク５１，５２はリング状の平板で構成されており、そのフランジ部の内周囲を所定の方向に９０度折り曲げることにより、極歯５ａを形成している。以上の点は、第２の一対のステータヨーク８についても同様である。

図１では、通常のプロトタイプすなわちカップタイプのステッピングモータを図示しているが、このタイプに限定されることはなく、例えば、一部を変形したモールドタイプのものでも差し支えない。図４には、モールドタイプの例示として、ヨークとコイルをモールドで一体化したものを図示している。このほか、ステータとコイルとブラケットと上側軸受けをモールドした一体型でも同様に適用できる。

図３に示された拡大断面図を参照しつつ、ステッピングモータ１の構造についてさらに説明する。フランジ１１上に載置されたフレームヨーク９の内部には、フレームヨーク９の底側から順に、スペーサ１２、第１の一対のステータヨーク５の下側のステータヨーク５１、第１のボビン４の下側、Ａ相の励磁コイル３、第１のボビン４の上側、第１の一対のステータヨーク５の上側のステータヨーク５２、第２の一対のステータヨーク８の下側のステータヨーク８１、第２のボビン７の下側、Ｂ相の励磁コイル６、第２のボビン７の上側、第２の一対のステータヨーク８の上側のステータヨーク８２、ブラケット１０が積層される構成となっている。

すべてのステータヨーク５１，５２，８１，８２は、その端面においてフレームヨーク９の内周面に当接している。このうち、フレームヨークの開放端側に位置するステータヨーク８２は、フレームヨーク９の開放端部９２の所定の位置に設けられた段部９２ａに載置される。従って、ステータヨーク８２は、その他のステータヨーク５１，５２，８１よりも段部９２ａの水平距離に対応する分だけ大きな外径を有している。そして、フレームヨーク９の開放端部９２の一部をカシメ部９２ｂとして、ステータヨーク８２を直接的にカシメる。

ステータヨーク８２をフレームヨーク９の開放端部９２に設けられた段部９２ａに載置するようにしているが、これは、フレームヨーク９の開放端部９２からカシメ力を受けた時にステータヨーク８２が変形することを抑制するために設けたものであり、さらに、フレームヨーク９の開放端部９２の肉厚を薄くして、相対的に軽い力でカシメることができ、ステータヨーク８２に無理な応力を与えないためである。

ブラケット１０は、図３に示すように、ステータヨーク８２よりも外径がひと回り小さくなるように構成されている。これは、後述するように、フレームヨーク９の開放端部９２の一部によってカシメる際、本発明においてはステータヨーク８２を直接的に押さえるためである。換言すると、ブラケット１０をフレームヨーク９の開放端部９２の一部によってカシメないということである。この点、特許文献１では、本発明のブラケット１０に対応する取付板をフレームヨーク９によってカシメており、ステータヨーク８２をカシメることは記載されていない。

ここで、ブラケット１０は、金属製又は樹脂製を選択することができる。前述したように、本発明は、モールド樹脂を用いて２つの一対のステータヨーク５，８とそれぞれ励磁コイル３，６を一体型としたものや、さらに、それらに加えてブラケット１０とシャフト２１の上側軸受１３もモールドした一体型のステッピングモータ１に適用することができるが、樹脂製を選択すると射出成形による一体成型を採用することが可能となるので、製造面、コスト面で好ましい。

次に、本発明に係るステッピングモータ１における、カシメの構造と逆起電圧比の試験結果について説明する。

図５は、従来のステッピングモータにおけるＡ相の励磁コイル３とＢ相の励磁コイル６の逆起電圧の波形を示したものである。Ｂ相の励磁コイル６の逆起電圧は、Ａ相の励磁コイル３の逆起電圧に対し平均で４〜５％ほど低くなっている。この試験に用いたステッピングモータは、本発明に係るステッピングモータと同様に、平板のリング状であるステータヨーク及び樹脂製のブラケットを用いている。

逆起電圧比のバランスを良くするための手段としては、ステッピングモータ１の構成要素又はその材料を見直すことも考えられる。例えば、ステータヨーク５，８をパンケーキ型のものとするとか、ブラケット１０を金属製のものとするとかの選択枝も考えられる。しかし、前述したような汎用性を備え、しかも極力簡易な方法によって達成でき、製造面やコスト面での優位性を確保するため、発明者は以下に述べるように、カシメの構造が逆起電圧比の改善に繋がるとの知見を得た。

すなわち、フレームヨーク９の開放端部９２の一部をカシメ部９２ｂとしてステータヨーク８２をカシメる際に、逆起電圧比とカシメ部９２ｂがフレームヨーク９の開放端部９２の全周に占める割合とが強い相関関係を有することを見出した。具体的には、カシメ点数を従来の４点から６点、７点、８点、１０点、１２点、２０点と増加させていき、各々のカシメ部９２ｂの水平距離の合計（以下、カシメ長という。）がフレームヨーク９の開放端部９２の切欠け部９１を含む全周に占める割合（以下、カシメ長比率という。）と、Ａ相とＢ相の逆起電圧比の対応を計測した。その結果は、表１に示すとおりである。図６には、表１の結果を可視化したグラフを示している。

表１に示されているように、カシメ点数が増加してカシメ長比率が大きくなるにつれて対応する逆起電圧比が逓減していき、カシメ点数４点、カシメ長比率１０％に対する逆起電圧比が４％であったものが、カシメ点数８点、カシメ長比率２０％に対する逆起電圧比は０％となった。そして、その後、カシメ点数２０点、カシメ長比率５０％まで、逆起電圧比は０％を維持した。なお、表１では、逆起電圧比を次式による数値を表示している。
逆起電圧比（％）＝｛（Ａ相の逆起電圧値／Ｂ相の逆起電圧値）−１｝×１００

表１に示すように、カシメ長比率が２０％以上になると、それ以降逆起電圧比は０％を維持する。ここで、カシメ長比率の上限については、例えば実験結果に示された５０％とすれば特性は安定するものの、他方で、カシメ機の構造、特にカシメ爪の配置などによる製造工程上の制約が発生するため、実施段階においては、カシメ機の設計や保守などを考慮して、カシメ長比率を２０〜３０％とすることが好ましい。

カシメ長比率が大きくなればなるほど逆起電圧比が小さくなる理由としては、励磁コイル３，６とステータヨーク５，８とフレームヨーク９とで構成される磁気回路においてＡ相とＢ相の磁気回路を比較した場合、Ｂ相の磁気回路の密着度が構造的に不安定であったと推定され、カシメ長比率を大きくすることでその密着度が向上し、カシメ長比率が２０％付近でＢ相がＡ相と同等に達することによって磁場バランスが改善されたということが考えられる。

本発明に係るステッピングモータは、各種ＯＡ機器における紙の送り量のより一層の高精度化に寄与するほか、他の技術との組合せも行って、精密な動作が要求される例えば医療機器、通信機器など他分野においても利用することが可能である。

１ ステッピングモータ
２ ロータ
２１ シャフト
２２ ホルダ
２３ 永久磁石
３ Ａ相の励磁コイル
３１ 端子
４ 第１のボビン
５，５１，５２ 第１の一対のステータヨーク
５ａ 極歯
６ Ｂ相の励磁コイル
６１ 端子
７ 第２のボビン
８，８１，８２ 第２の一対のステータヨーク
８ａ 極歯８ａ
９ フレームヨーク
９１ 切欠け部
９２ 開放端部
９２ａ 段部
９２ｂ カシメ部
９３ 下側軸受
１０ ブラケット
１１ フランジ
１２ スペーサ
１３ 上側軸受

Claims (4)

1. 円周方向に多極着磁された永久磁石を有するロータと、
   前記ロータと同軸上に設けられ、その外周にＡ相の励磁コイルが巻着された第１のボビンと、
   対向する極歯を有し、前記第１のボビンを挟持する第１の一対のステータヨークと、
   前記第１のボビンの上方に設けられ、その外周にＢ相の励磁コイルが巻着された第２のボビンと、
   対向する極歯を有し、前記第２のボビンを挟持する第２の一対のステータヨークと、
   前記ロータ、前記第１及び第２のボビン及び前記第１及び第２の一対のステータヨークを収容する有底のフレームヨークとを備え、
   前記第２の一対のステータヨークが、その開放側において、前記フレームヨークの開放端部のうち全外周の２０〜５０％によってカシメされることにより、前記Ａ相の励磁コイルと前記Ｂ相の励磁コイルとの間に所望の逆起電圧比を得ることを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記フレームヨークの開放端部によってカシメされる部分を除いて、前記第２の一対のステータヨークの開放側を覆う樹脂製のブラケットを備える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。
3. 前記ステータヨーク及び前記励磁コイルを樹脂で一体型としたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のステッピングモータ。
4. 前記ステータヨーク、前記励磁コイル、前記ブラケット及び上側軸受を樹脂で一体型としたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のステッピングモータ。

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