WO1998005114A1 - Moteur pas a pas - Google Patents

Description

明 細 書 ステッ ピングモータ 技術分野

本発明は、 いわゆる永久磁石型のステッピングモータに関し、 特にァ ナログ式指示計器のム一ブメントと して有用なステッビングモータに関 するものである。 背景技術

従来より Ο Λ機器、 家電製品、 自動車等の分野におけるァクチユエ一 タ部品と して、 広く用いられている構造に永久磁石型のステッヒングモ —タがあり、 多くは励磁コイルとヨークを組み合わせてなる環状ステー タと、 この環状ステ一タの中空内に配置され回転自在に軸支される永久 磁石からなるロータとを備え、 環状ステ一タと対向するロータの周面に は、 複数の磁極が N， S交互に一定ピッチで着磁され、 また環状ステー タには、 ヨークからその中空内に延長し一定ピツチで環状櫛歯型の配列 をもってロータの磁極と対向する複数の極歯が形成され、 励磁コィルに パルス信号を供給することにより極歯を含むヨークを磁化させ、 極歯と ロータの磁極との間の磁気作用により ロータを所定の回転角度ずつ回転 動作させるもので、 小型ながら高い駆動 トルクが得られる等、 種々の利 点を有しいることから、 近年では例えば速度計やエンジン回転計といつ たアナ口グ式指示計器のムーブメン トと しても注目されている

ところで、 この種ステッビングモータをアナ口グ式指示計器のム一ブ メ ン トと して用いる場合、 ロータと指針と回転軸を通じて連結固定し、 指針と連動するロータを計測量に応じたパルス信号供給にて駆動すれば よい力；、 ステ ッピングモータは、 極歯のヒ ッチに応じて口一タをステツ プ動作させるため、 ロータに連結された指針による計測量の指示動作も 必然的にステップ的 =間欠的なものとなって違和感のある動作をしてし まう。 このため、 ステッピングモータを計器のムーブメン トと して使用 するに際しては、 特開平 6 — 3 8 4 9 7号公報に示されているように、 ロータの回転軸と指針とを直接連結するのを避け、 これらの間に複数の 歯車からなる減速機構を介在させるものや、 特開平 6 — 8 2 2 7 1 号公 報に示されているよ うに、 正弦波に近似した階段波形のパルス信号 （電 圧） を各励磁コイルに与えてロータを細かく ステッブ駆動させるいわゆ るマイ ク ロステツプ駆動が提案されている

しかしながら、 前者の減速機構を用いるものは、 モータ自体が大型化 することに加え、 部品点数が增加して組み付け性も悪く生産性の面で不 利であり、 また、 減速機構の採用に伴うバックラ ッシュ等の問題も懸念 される 一方、 後者のマイ ク ロステップ駆動によるものは、 口一タを所 定の分割数に細かく ステップ駆動するこ とで、 ロータ （指針） の間欠的 な動作を目視にて違和感が生じない程度まで緩和することは可能である 力；、 ロータの磁極と極歯を含むヨークとの間で各ステップ毎に形成され る磁気回路のアンバランス等に起因して、 各ステップ毎におけるロータ の回転角速度にバラツキが生じやすく、 ロータ動作のスムーズ性という 点では十分ではなく、 十分なスムーズ性を確保するためには、 励磁コィ ルに与えるパルス信号の波形自体をロータ動作に応じて修正する必要が あった

本発明はこれらの点に鑑みてなされたもので、 その目的は、 ヨークの 極歯構造を工夫することにより、 ロータ自体の回転動作のスムーズ性を 高め、 アナ口グ式指示計器のムーブメ ン 卜と して用いる場合にあっては、 減速機構を介せずと も違和感のない指針の回転動作を得ることができ、 またマイク ロステップ駆動時には、 駆動信号波形の修正をほとんど必要 と しないステッビングモータを提供せんとするものである 発明の開示 本発明は、 2組の各内， 外ヨーク と、 第〗 ， 第 2の励磁コイルの各々 が卷回された第】 ， 第 2の環状ボビンとを組み合わせて第〗 ， 第 2 の環 状ステ一タを設け、 この環状ステータを同心的に積層してなる積層体の 中空部内に回転軸を有するロータを回転自在に軸支し、 第 1 ， 第 2の環 状ステ一タの各々に内， 外ヨークから中空部内に複数延設され互いに環 状櫛歯型の配列をもってロータと対向する略台形の極歯を形成し、 この 極歯の長さ寸法を内， 外ヨークの內側面間長さ寸法の略 7 5〜 9 0 %、 極歯の根本幅寸法を極歯形成ピツチの略 6 0〜 8 0 %、 極歯の先端幅寸 法を内，外ヨークの板厚寸法の略 6 0〜 ！ 5 () %に設定することにより、 ロータの回転動作のスムーズ性が高まり、 またアナログ式指示計器のム 一ブメン 卜と して用いる場合にあっては、 減速機構を介せずと も違和感 がなく スムーズで且つ精度の高い指針の回転動作が得られ、 またマイク ロステツプ駆動時には、 駆動信号波形の修正がほとんど必要なくなる . 図面の簡単な説明

第 1 図は、 本発明の実施例に係るステツヒ ングモータの外観斜視図、 第 2図は第 1 図の分解断面図、 第 3図は第 1 図の断面図、 第 4図はステー タの展開図、 第 5図は励磁コィルに供給されるハルス信号波形を示す波 形図、 第 6図はロータの回転動作特性を示す図表である 発明を実施するための最良の形態

以下、 添付図面に基づいて本発明の実施例を説明する，

図 ] は、 本発明の実施例によるステツヒングモータの外観斜視図、 図 は図 1 の内部構成を示す分解断面図、 図 3は組み付け状態を示す図 1 の断面図であり、 特に図 1， 図 2において本実施例によるステツ ヒ ング モータは、 概ね第 1， 第 2の環状ステ一タ 1， 2 と、 回転軸 3を中心に 備えるロータ 4 と、 このロータ 4を回転軸 3を通じて軸支する第 1 , 第

2 の軸受フ レー ト 5， 65よりなる 図 2 において、 第 1 の環状ステータ 1 は、 第 1 の励磁コィル 1 1が環 状に巻回され且つ内部が中空の第 1 の環状ボビン 1 2 と、 中央に貫通孔 を有して円環状に形成された力ッフ状の外ヨーク 1 3 と、 この外ヨーク 1 3の開口側に配置され中央に貫通孔を有して円環平板状に形成された 内ヨーク 】 4 と力、らなり、 第】 の環状ボビン 1 'λは外， 内ヨーク 1 3， 1 4間に収納状態で配置され、 これにより外， 内ヨーク 1 3， 1 4は第 1 の澴状ボビン i 2の厚み寸法ぶんの間隔をもって互い同心的に対向配 置される また、 外， 内ヨーク 1 3， 1 4の各貫通孔周縁には、 ロータ 4の回転軸 3の軸方向に沿って極歯 1 5， 1 6が複数一定ヒ ッチで形成 され、 これら極歯 1 5， 1 は、 第 1 の環状ボビン 1 2 の中空内で互い 違いに組み合わされ、 環状櫛歯型の配列形状をもってロータ 4の周面に 対向するよ うになっている

第 2 の環状ステータ 2 も第 1 の環状ステ一タ 1 と同様な構造を有し、 第 2の励磁コイル 2 1 が環状に巻回され且つ内部が中空の第 2の環状ボ ビン 2 2 と、 中央に貫通孔を有して円環状に形成されたカ ップ状の外ョ —ク 2 3 と、 この外ヨーク 2 3 の開口側に配置され中央に貫通孔を有し て平板状に形成された内ョ一ク 2 4 とからなり、 第 2 の環状ボビン 2 2 は外， 内ヨーク ' 2 :5， 2 4間に収納状態で配置され、 これにより外， 内 ヨー ク 2 ：;， 2 4は第 2 の環状ボビン 2 2 の厚 寸法ぶんの間隔をもつ て互いに同心的に対向配置される また、 外， 内ヨーク 2 ： 2 4 の各 貫通孔周縁にも、 ロータ 4の回転軸： 3 の軸方向に沿って極齿 2 5， 2 β が複数一定ヒ ッチで形成され、 これら極歯 2 5 , 2 6は、 第 2の環状ボ ビン 2 2の中空内で互い違いに組み合わされ、 環状櫛歯型の配列形状を もってロータ 4の周面に対向するようになっている

そして、 これら第 1 ， 第 2の環状ステ一タ 1 . 2は、 各内ョ一ク 1 4 , 2 4がが互いに隣接するよう、 ロータ 4の回転軸 '3の軸方向に沿つて互 いに同心的に積層配置され、 図 3に示すように、 中心に中空部 Sを備え る環状ステータ 1 ， 2積層体を構成する ロータ 4は、 この実施例では例えばフヱライ 卜磁石からなる円筒状の 第 1 ， 第 2のマグネッ ト 4 1， 4 2の各々を、 マグネッ トホルダー 4 : を通じて同心的且つ互いに離間状態に回転軸 3に固定してなり、 第 1， 第 2のマグネッ ト 4 1， 4 2 の周面には、 回転軸 3の軸方向に伸びる複 数の磁極が回転方向に沿って一定ピッチで N， S交互に着磁され、 各マ グネッ 卜 4 1， 4 2における磁極位相は、 互いに一致するようになつて いる:

そして、 このロータ 4は、 環状ステータ 1， 2積層体の中空部 S内に 収納され、

各環状ステータ 1， 2に固定される第 1 ， 第 2の軸受フ レー ト 5 , 6を 通じて回転自在に保持され、 各マグネッ ト 4 1， 4 2 の磁極が各内， 外 ヨーク 1 3， 1 4， 2 , 2 4の極歯 1 5， 1 6 , 2 5， 2 6 に所定空 間を隔てて対向する （図 3参照） _r—

図 4 はステータ 1， 2の展開図であり、 同図において、 各極歯 1 5 , 1 6， 2 5 , 2 6は、 すべて同一の二等辺台形形状に形成されており、 第 1 ， 第 2 の環状ステ一タ 1， 2において互いに対をなして向き合う内， 外ヨーク 】 4 , 1 3 と内， 外ヨーク 2 4. 2 3 の各内側面を基準と した 各極歯 1 5， 1 6 , 2 5 , '2 6の先端までの回転軸 3方向の長さ寸法 11 は、 各々対をなす内， 外ヨーク 1 4， 1 a , 2 4 , 2 , Ίの内側面間の長 さ寸法 H 0のおよそ 7 5〜 9 0 %の範囲内に設定され、 また二等辺台形 形状と した極歯 1 5， 1 6 , 2 5， 2 6のロータ 4の回転方向の根本幅 寸法 W 1 は、 各内， 外ヨーク 1 4， 1 . 2 4， 2 3の内周寸法しを各 内， 外ヨーク 】 4， 1 3 , 2 4， 2 3における極歯 1 5， 1 β , 2 5 , 2 の枚数 η にて除算して得られる極歯 1 5 , 1 6 , 2 5 , 2 6 の形成 ヒ ッチ （極歯形成ヒ ッチ） I^J (極歯形成ヒ ッチ 1) = L / n ) のおよそ略 6 0〜 8 0 %の範囲内に設定され、 さらに、 二等辺台形形状と した極歯 1 5， 1 6， 2 5， 2 6のロータ 4の回転方向の先端幅寸法 W 2は、 各 内， 外ヨーク 1 4 , 1 *3 , 2 4， 2 3の板厚寸法 Tの 6 0〜】 5 0 %の 範囲内に設定されており、 この場合、 各内， 外ヨーク 1 4 , 1 :5， 2 4， 2 3における極歯 1 5， 1 6， 2 5， 2 6の極歯形成ヒッチ I)はすべて 等しく一定であり、 各組みを構成する極歯 1 5， 1 6 と極歯 2 5 , 2 6 の配列位相は】 ノ 2 Pロータ 4の回転方向にずれていて、 さらに 〗 / 2 Pずれた極歯 1 5， 1 6 と極歯 2 5， 2 6の各配列位相 （即ち第 1 , 第 2のステータ 1 , 2の位相） は〗 ノ 2 Pロータ 4の回転方向にずれてお り、 従って最も離れた極歯 1 Γ> と極歯 2 6 とは、 1 / 4 Ρ分ロータ 4の 回転方向にずれていることになる

かかる構成からなる本実施例のステツヒ ングモータは、 図示しない駆 動回路が第 1 ， 第 2の励磁コイル 1 1 . 2 1 に、 例えば図 5に示すよう な波形のハルス信号 （電圧） を供給することにより駆動されるもので、 このハルス信号は、 外， 内ヨーク 1 2， 1 , 2 3 , 2 4の極歯 1 5 , 1 6， 2 , 2 のピッチ Ρで定まる機械的ステップ動作 （機械的な回 転角） をいわゆるマイ クロステップ駆動によって微細ステツフ （機械的 な回転角を所定数分割して得られろ回転角づつ） 動作させるための典型 的な近似波形となる S I N， C O S波形の信号であり、 このよ うなマイ クロステ ップ駆動により ロータ 4は、 分割数に応じて定 る所定の回転 角づっ正逆方向に回転することが可能 なる そして、 回転軸： 3に図示 しない指針を固定すると共に駆動回路が車両の速度等の計測量に応じた マイクロステツブ駆動を行えば、 アナ口グ式計器のムーブメ ン トと して 使用することができる

こ こで、 各内， 外ヨーク 1 4 , 1 3 , 2 4 , 2 .Ίにおける極歯 1 5， 1 , 2 5 , 2 6形状を上記のごと く、寸法 11 =寸法 H () X 7 5 9 0 % 寸法 W 1 =極歯ヒッチ P X 6 0 8 () %、 寸法 W '2 板厚 T X 6 0 1 5 () %の範囲内に設定した理由について説明する と、 この形状 （寸法） 設定は、 ロータ 4をスムーズに回転動作させるために、 各寸法 ti， H 0 , W 1 , W 2の異なる複数種の内， 外ヨーク 1 4 , 1 3 , 2 4， 2 3を用 意し、 これらの各組み合わせを実験にて比較検証することにより得られ たものであり、 かかる実験によると、 図 6に示すよ うに、 ロータ 4の回 転特性は、極歯 1 5 , 1 6 , 2 5 , 2 6の形状を H = H 0 X 7 5〜 9 0 %， W 1 = I) X 6 0〜 8 0 %， W 2 = T X 6 ()〜 1 5 0 %と したとき、 スム —ズ性が ] 0 %以下となることが分かった すなわち図 6中、 縦軸にて 示したスムーズ性 （％) とは、 実験により回転軸 3に光学式ロータ リー エンコーダを固定して指針の （回転） 角速度 （ d e g / s e c ) を計測 するようにし、 指針 （ロータ 4 ) 一周当たりの角速度の平均 （この値を Aとする） と、 指針】 周中の角速度の分布の σ (標準偏差値） （この値 を Βとする） とを求め、 計算式 ：値 ΒΖ値 Λ X 〗 （） 0にて算出される値 であり、 この値 （％) 力；小さレ、ほどスム一ズ性が高くなる そしてスム 一ズ性 1 0 %以下という値は、 例えば回転軸 に指針を装着してステツ ピングモータをアナ口グ式指示計器用ムーブメ ン 卜 と して使用する際 に、 指針の回転動作に違和感を感じない目安 （下限値） となるものであ る.

以上のように、 本実施例は、 2組の各内， 外ヨーク 〗 4， 〗 3， 2 4， 2 3 と、 第 1 ， 第 2の励磁コィノレ 1 1， 1 2の各々が卷回された第 1， 第 2の環状ボビン 1 2， 2 2 とを組み合わせて第 1 ， 第 2の環状ステー タ 1 ， 2 を設け、 この環状ステ一タ 1 ， 2 を同心的に積層してなる積層 体の中空部 S内に回転軸 3を有するロータ 4を回転自在に軸支し、第 1 ， 第 2の環状ステータ 1 ， 2の各々に内， 外ヨーク 1 4 , 1 3 , 2 4 , 2 3から中空部 S内に複数延設され互いに環状櫛歯型の配列をもって口一 タ 4 と対向する略台形の極歯 1 5， 1 6， 2 5 , 2 6を形成し、 この極 歯の長さ寸法 Ηを内， 外ヨーク 1 4， 〗 ： 2 4 , 2 3の内側面間長さ 寸法 Η 0の略 7 5〜 9 0 %、 極歯 1 5 , 1 6 , 2 5 , 2 6の根本幅寸法 W 1 を極歯形成ヒッチ Ρの略 6 0〜 8 () %、 極歯 1 5， 1 β , 2 5， 2 6の先端幅寸法 W 2を内， 外ヨーク 1 4 , 1 , 2 4 , 2 3の板厚寸法 の略 6 0〜 】 5 0 %に設定することにより、 ロータ 4の回転動作のスム ―ズ性を高めることができ、 またアナ口グ式指示計器のム一ブメン 卜と して用いる場合にあっては、 減速機構を介せずと も違和感がなく スム一 ズで且つ精度の高い指針の回転動作を得ることができ、 またマイク ロス テップ駆動時には、 駆動信号波形の修正の必要をほとんどなくすること ができる 産業上の利用可能性

以上のように、 本発明は、 2相もしくは 4相の永久磁石型ステツピン グモータを例にして説明してきたが、 これに限らず単相もしくは 4相以 上の多相の永久磁石型ステッビングモータの構造と しても適用が可能で ある-

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 環状に卷回した第 1 の励磁コィルの磁路を形成すべく互いに所定間 隔を隔てて同心的に対向する環状の内ヨーク及び外ヨークからなる第 1 の環状ステータと、 環状に卷回した第 2の励磁コイルの磁路を形成すベ く互いに所定間隔を隔てて同心的に対向すろ環状の内ョ一ク及び外ョ一 クからなる第 2 の環状ステ一タと、 これら第 1 ， 第 2 の環状ステータを 前記各内ヨークどう しが隣接するよう同心的に積層することによ り形成 されるステータ積層体の中空部内で回転軸を通じて回転自在に軸支され る永久磁石からなるロータとを備え、 前記第 1 , 第 2 の環状ステータの 各々に前記内， 外ヨークから前記ロータの軸方向に沿って前記中空部内 に複数延設され且つ互いに環状櫛歯型の配列をもって前記ロータ と対向 する略台形の極齒を形成し、 前記第 1 ， 第 2の環状ステ一タにおいて互 いに向き合う前記内， 外ヨークの内側面を基準と した前記極歯の先端ま での前記軸方向の長さ寸法を、 対向する内， 外ヨークの内側面間長さ寸 法の略 7 5〜 9 0 %に設定すると共に、 略台形となした前記極歯の前記 ロータの回転方向に沿った根本幅寸法および先端幅寸法の各々 について、 前記根本寸法を各内， 外ヨークにおける極歯形成ヒ ツチの略 6 0〜 8 () %、 前記先端幅寸法を各內， 外ヨークの板厚寸法の 6 ()〜 1 5 0 %に 設定したことを特徴とするステツヒ ングモータ