(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に電気角９０度の位相差で励磁される１対のステータヨークを有し、両ステータヨーク間に磁気抵抗の差があるステッピングモータにおいて、前記ステータヨークを励磁する電圧又は電流の波形を、前記ステータヨークの前記磁気抵抗が小さい側には鋸波近似波形、他方には正弦波近似波形としてマイクロステップ駆動することを特徴とするステッピングモータの駆動方法。
【請求項２】
相互に電気角９０度の位相差で励磁されるステータヨークを有し、両ステータヨーク間に磁気抵抗の差があるステッピングモータにおいて、前記ステータヨークを励磁する電圧又は電流の最大値を、前記ステータヨークの前記磁気抵抗が小さい側には低く、他方には高くしてマイクロステップ駆動することを特徴とするステッピングモータの駆動方法。
【請求項３】
ステータヨークを励磁する電圧又は電流の最大値の比は、１．１３〜１．５である請求項２に記載のステッピングモータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ステッピングモータの駆動方法に関し、特に、マイクロステップ駆動されるステッピングモータの駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、機器の低騒音化、低振動化、微細位置決め化のために、ステッピングモータの高分解能化が求められ、高分解能が電気的に得られるマイクロステップ駆動方法が多用化されている。
【０００３】
ＰＭタイプのステッピングモータの従来例を図９に基づいて説明する。
【０００４】
図９において、１はフレーム、２は第１外ヨーク、３は第１コイルボビン、４は第１内ヨーク、５は第２外ヨーク、６は第２コイルボビン、７は第２内ヨーク、８は円筒状永久磁石の外周の円周方向にＮ極とＳ極とが交互になるように多極着磁されたロータ、９はブラケット、１０はロータ８の軸に平行でロータ８の側面に対向するようにして前記各ヨークに設けられている梯形の極歯である。
【０００５】
図９に示す従来例を駆動するには、先ず、第１コイルボビン３にマイクロステップ制御で形成される正弦波を加え、第２コイルボビン６にマイクロステップ制御で形成される余弦波（前記正弦波に対し９０°位相がずれた正弦波）を加える。
【０００６】
第１外ヨーク２と第１内ヨーク４には前記正弦波による第１磁力が発生し、第２外ヨーク５と第２内ヨーク７には前記余弦波による第２磁力が発生する。又、前記第１外ヨーク２の極歯１０、第２外ヨーク５の極歯１０、第１内ヨーク４の極歯１０、第２内ヨーク７の極歯１０は、順次電気角で９０°づつずれた関係位置に配設されており、且つ、電気角９０度の位相差がある前記正弦波と前記余弦波とで各ヨークが励磁されている。そして、前記の正弦波と余弦波とが電気角９０度の位相差でマイクロステップ制御されているので、ロータ８の前記Ｎ極とＳ極とが、前記第１外ヨーク２及び第１内ヨーク４の極歯１０と、前記第２外ヨーク５及び第２内ヨーク７の極歯１０とから受ける力もマイクロステップ制御される波形に比例し、一方が増加し他方が減少する変化を電気角９０度で反転しながら繰り返し、ロータ８は前記マイクロステップ制御に合わせて微小回転と停止とを繰り返して駆動される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来例の構成では、ロータ８が左右反対方向に回転・停止する場合には、前記極歯１０の幅が大きいと、方向による停止位置の異なり方が大きくなるというヒステリシスの問題点があり、又、前記のステータヨークの極歯１０とロータ８のＮ極、Ｓ極との吸引・反発力が釣り合う位置も極歯１０の幅が大きいと、それだけ誤差が大きくなり、角度精度誤差が発生するという問題点がある。そして、これらの問題点を解決するために、ヨークの極歯１０の幅を狭くすると、磁気飽和によって磁束量が減少しトルクが低下するという問題がおきる。
【０００８】
又、例えば、フレーム１には、コイル線を外部に引き出すために、切り欠き１ａを設けているので、前記第１ヨーク側の磁気回路と前記第２ヨーク側の磁気回路との間で磁気抵抗が異なり、磁気抵抗が高い側の前記第２ヨーク側の磁気回路の磁束は、前記第１ヨーク側の磁気回路の磁束より少なくなるので、前記第１ヨーク側と前記第２ヨーク側の磁束バランスが崩れ、前記マイクロステップ駆動の場合に、前記磁束バランスの崩れがそのまま影響して、角度精度を著しく悪化させるという問題点がある。そして、この問題点は、前記フレーム１の切り欠き１ａによるだけではなく、加工誤差その他により前記第１ヨーク側の磁気抵抗と前記第２ヨーク側の磁気抵抗とに差が存在すれば発生する。
【０００９】
さらに、前記第１ヨーク側と前記第２ヨーク側の相互インダクタンスにより互いの漏洩磁束が影響しあい、磁気分布に歪みが発生し、この歪みがあると、前記マイクロステップ駆動の場合に、前記歪みがそのまま影響して、角度精度を著しく悪化させるという問題点がある。
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解決し、高い角度精度と大きなトルクとを得るということとを両立しうるマイクロステップ駆動可能なステッピングモータの駆動方法の提供を課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願第１発明のステッピングモータの駆動方法は、上記の課題を解決するために、相互に電気角９０度の位相差で励磁される１対のステータヨークを有し、両ステータヨーク間に磁気抵抗の差があるステッピングモータにおいて、前記ステータヨークを励磁する電圧又は電流の波形を、前記ステータヨークの前記磁気抵抗が小さい側には鋸波近似波形、他方には正弦波近似波形としてマイクロステップ駆動することを特徴とする。
【００１４】
本願第２発明のステッピングモータの駆動方法は、相互に電気角９０度の位相差で励磁されるステータヨークを有し、両ステータヨーク間に磁気抵抗の差があるステッピングモータにおいて、前記ステータヨークを励磁する電圧又は電流の最大値を、前記ステータヨークの前記磁気抵抗が小さい側には低く、他方には高くしてマイクロステップ駆動することを特徴とする。
【００１５】
又、本願第２発明のステッピングモータの駆動方法は、上記の課題を解決するために、ステータヨークを励磁する電圧又は電流の最大値の比は、１．１３〜１．５であることが好適である。
【００１８】
【作用】
本願第１発明のステッピングモータの駆動方法は、１対のステータヨークを励磁する電圧又は電流の波形を、前記ステータヨークの磁気抵抗が小さい側には鋸波近似波形、他方には正弦波近似波形としているので、磁気回路の磁気抵抗の差により発生する双方の磁力の差を打消すことができ、角度精度が向上する。
【００１９】
本願第２発明のステッピングモータの駆動方法は、１対のステータヨークを励磁する電圧又は電流の最大値を、前記ステータヨークの磁気抵抗が小さい側には低く、他方には高くしているので、磁気回路の磁気抵抗の差により発生する双方の磁力の差を打消すことができ、角度精度が向上する。そして、両ステータヨークを励磁する電圧又は電流の最大値の比は、１．１３〜１．５であることが好適であった。
【００２０】
【実施例】
本発明のＰＭ形ステッピングモータの第１参考例を図１〜図３、図９に基づいて説明する。
【００２１】
本参考例では、図９に示す各ヨーク２、４、５、７の極歯１０を、図１、図２に示す基部側の幅が広く先端側の幅が狭く両側辺１０ｂが内側凸の円弧形状を有する極歯１０ａとしている。
【００２２】
本参考例の全体構造は、従来例と同様に、図９に示すものと基本的に同一であり、その要部は図２に示すように構成されている。
【００２３】
図２、図９において、１はフレーム、２は第１外ヨーク、３は第１コイルボビン、４は前記第１外ヨーク２に対し極歯位置が電気角で１８０度ずれた第１内ヨーク、５は前記第１外ヨーク２に対し極歯位置が電気角で９０度ずれた第２外ヨーク、６は第２コイルボビン、７は前記第１内ヨーク４に対し極歯位置が電気角で９０度ずれた第２内ヨーク、８は円筒状永久磁石の外周の円周方向にＮ極とＳ極とが交互になるよう多極着磁されたロータ、９はブラケット、１０ａはロータ８の軸に平行してロータ８の側面に平行に対向して前記各ヨークに多数設けられている基部側の幅が広く先端側の幅が狭く両側辺１０ｂが内側凸の円弧形状を有する極歯１０ａである。そして、この円弧形状の半径は極歯の高さの２．５〜４倍であることが実験結果から望ましいが、本参考例では３倍にしている。
【００２４】
この円弧形状を設けることによって、中央部分の幅を狭くしても、基部側の幅が従来の梯形板状の極歯の場合と比較して広くなる。これらのことが、極歯の幅を狭くして角度精度を向上させることと、極歯の基部側の幅を広くして磁気飽和を防ぎトルクの低下をなくすることとの両立を可能にする。
【００２５】
前記の角度精度誤差の改善効果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
本参考例では各ヨーク２、４、５、７の極歯１０ａの数を夫々２５にしている。従って、本参考例のＰＭ形ステッピングモータでは、全極歯１０ａの数が２５×４＝１００になり、極歯間角度は３６０度÷１００＝３．６度（電気角で９０度）になる。そして、使用するマイクロステップ正弦波の電気角９０度（物理角３．６度）に対応するステップ数（パルス数）を８０にしているので、１ステップは３．６度÷８０＝０．０４５度になる。表１は、従来例では、角度精度が０．０４５度の６．２４倍であるが、本参考例では３．１８倍になることを示している。
【００２８】
なお図２において、第１外ヨーク２の極歯Ａ、第１内ヨーク４の極歯Ｂ、第２外ヨーク５の極歯Ｃ、第２内ヨーク７の極歯Ｄの励磁状態は表２に示すような関係にある。
【００２９】
そして表２においてＮ（Ｎ極）→Ｏ（中性）は、磁束がＮ極の状態から中性の状態に８０ステップによって漸次変化することを示しており、Ｏ→Ｓ、Ｓ→Ｏ、Ｏ→Ｎも同様の意味を有している。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
図３は、本参考例と従来例とのトルクを比較したもので、本参考例では周波数が高くなっても、トルクの低下が少なく、角度精度とトルクとを両立できることを示している。
【００３２】
本発明のＰＭ形ステッピングモータの第２参考例を図４、図５、図９に基づいて説明する。
【００３３】
図４は、本参考例で使用する各ヨーク２、４、５、７の平面図で、極歯１０ｃを上方から見た形状を示している。極歯１０ｃは正面から見れば両側辺１０ｄ、１０ｄが直線形状で従来例の梯形板状と同様のものであるが、図４の平面図に示すように、ロータ軸に垂直に切った断面がロータ軸側に凸の円弧形状１０ｅになっている。本参考例では前記円弧形状１０ｅの半径をロータ８の外径半径と同じにしたが、これに限らず内側凸であれば自由に設定できる。あるいは直線でも良い。
【００３４】
従来例のＰＭ形ステッピングモータでは、図９において、ロータ８と極歯１０との間の距離が極歯１０の全幅で等距離であるので、極歯１０の全面の各位置の磁束密度が略同一になるのに対して、本参考例では、各極歯１０ｃ毎に、極歯１０ｃの中心線からずれた位置では、ロータ８と極歯１０ｃとの間の距離が大きくなり、極歯１０ｃ表面での磁束密度は中心線近傍で大きく、中心線からはずれるほど小さくなり、磁束分布の広がりが少なくなり、角度精度が向上する。
【００３５】
【表３】
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【００３６】
表３に、本参考例と従来例との角度精度の比較を示す。図４では作図の都合上、極歯１０ｃの数を１２にしているが、実際の数は２５であって、第１実施例と同様である。表３は、従来例では、角度精度が０．０４５度の６．２４倍であるが、本参考例では４．５８倍になることを示している。
【００３７】
図５は、本参考例と従来例とのトルクを比較したもので、本参考例では周波数が高くなっても、トルクの低下が少く、角度精度とトルクとを両立できることを示している。
【００３８】
本発明のステッピングモータの駆動方法の参考例を図６に基づいて説明する。
【００３９】
本参考例では、図９に示す従来例のＰＭ形ステッピングモータに、図６に示すように、位相差が８３度の２つのマイクロステップ正弦波電圧を２つのコイル３、６に加える定電圧駆動である。尚、実験によると、位相差が６０度から８８度の範囲が望ましい。
【００４０】
【表４】
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【００４１】
表４に、本参考例と従来例との角度精度の比較を示す。本参考例では一つのヨークの極歯１０の数は２５であって、第１参考例と同様である。表４は、従来例では、角度精度が０．０４５度の６．２４倍であるが、本参考例では３．９６倍になることを示している。
【００４２】
本参考例では定電圧駆動であるが、定電流駆動でも同様である。
【００４３】
本発明のステッピングモータの駆動方法の第１実施例を図７に基づいて説明する。
【００４４】
本実施例では、図９に示す従来例のＰＭ形ステッピングモータに、図７に示すように、磁気抵抗が低い側のコイルにマイクロステップ鋸波電圧を加え、他方にマイクロステップ正弦波電圧を加えている。両波形の位相差は９０度である。
【００４５】
【表５】
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【００４６】
表５に、本実施例と従来例との角度精度の比較を示す。本実施例では一つのヨークの極歯１０の数は２５であって、第１参考例と同様である。表５は、従来例では、角度精度が０．０４５度の６．２４倍であるが、本実施例では４．９８倍になることを示している。
【００４７】
本実施例では定電圧駆動であるが、定電流駆動でも同様である。
【００４８】
本発明のステッピングモータの駆動方法の第２実施例を図８に基づいて説明する。
【００４９】
本実施例では、図９に示す従来例のＰＭ形ステッピングモータに、図８に示すように、磁気抵抗が低い側のコイルに最大値５Ｖのマイクロステップ正弦波電圧を加え、他方に最大値６Ｖのマイクロステップ正弦波電圧を加えている。両波形の位相差は９０度である。
【００５０】
【表６】
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【００５１】
表６に、本実施例と従来例との角度精度の比較を示す。本実施例では一つのヨークの極歯１０の数は２５であって、第１参考例と同様である。表６は、従来例では、角度精度が０．０４５度の６．２４倍であるが、本実施例では４．１６倍になることを示している。
【００５２】
本実施例では定電圧駆動であるが、定電流駆動でも同様である。
【００５３】
本発明は上記実施例に限定されず、例えば第１参考例、第２参考例あるいは第１参考例と第２参考例とを組み合わせたものに、第１実施例〜第２実施例のいずれかの特徴部分を組み合わせることが可能である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明のステッピングモータの駆動方法は、角度精度が向上すると共に高周波領域でのトルク低下を防ぐことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のステッピングモータの第１参考例の極歯の正面図である。
【図２】  本発明のステッピングモータの第１参考例の一部展開斜視図である。
【図３】  本発明のステッピングモータの第１参考例のトルク特性と従来例のトルク特性との比較を示す図である。
【図４】  本発明のステッピングモータの第２参考例のステータヨークの平面図である。
【図５】  本発明のステッピングモータの第２参考例のトルク特性と従来例のトルク特性との比較を示す図である。
【図６】  本発明のステッピングモータの駆動方法の参考例で使用する電圧波形を示す図である。
【図７】  本発明のステッピングモータの駆動方法の第１実施例で使用する電圧波形を示す図である。
【図８】  本発明のステッピングモータの駆動方法の第２実施例で使用する電圧波形を示す図である。
【図９】  ステッピングモータの一般的な構成を示す図である。
【符号の説明】
１  フレーム
１ａ  切り欠き
２  第１外ヨーク
３  第１コイルボビン
４  第１内ヨーク
５  第２外ヨーク
６  第２コイルボビン
７  第２内ヨーク
８  ロータ
９  ブラケット
１０  極歯
１０ａ  極歯
１０ｂ  側辺
１０ｃ  極歯
１０ｄ  側辺
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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