(57)【要約】【課題】  小型で出力トルクが大きく、加工、組立が容易なステッピングモータを得ることを目的とする。【解決手段】  スラスト方向に多極着磁された永久磁石１２を回転軸１１に固定したロータ１３と、減速手段により回転軸１１の回転が減速されて伝達される出力軸１４と、ロータ１３と出力軸１４を軸支する軸受１５、１６と、軸受１５、１６を所定の位置に保って固定し、かつ、ロータを囲むように形成されたハウジング１７と、永久磁石１２を挟み込み、且つ、一つの磁極エリア上に配置された一対のコ字型をしたコアにコイルが巻かれたステータ１８、１９が軸受１５、１６に取り付けられて構成される。【選択図】  図１
2006288066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、
回転軸方向に多極着磁された永久磁石を回転軸に固定したロータと、
減速手段により該回転軸の回転が減速されて伝達される出力軸と、
前記ロータおよび前記出力軸を軸支する軸受と、
該軸受を所定の位置に保って固定し、且つ、ロータを囲むように形成されたハウジングと、
前記永久磁石を挟み込み、且つ、該永久磁石の一つの磁極エリア上に配置された一対のコ字型をしたコアにコイルが巻かれたステータとで構成されることを特徴とするステッピングモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はステッピングモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のステッピングモータの構成を図６に示す。
図６は従来のクローポール式ＰＭ型ステッピングモータで一部を破断して示した斜視図である。
【０００３】
ステッピングモータ５０は、永久磁石５４、Ａ相スタック５１、Ｂ相スタック５２から構成されている。永久磁石５４はＮ極とＳ極とがロータの径（ラジアル）方向外側に向けて交互に配置された複数の磁性体５３から構成されたものである。
【０００４】
Ａ相スタック５１は、上側ポール５１ａ、下側ポール５１ｂ、コイル５１ｃで形成されている。また、Ｂ相スタック５２も同様に、図示されていない上側ポール、下側ポール５２ｂ、コイル５２ｃで形成されている。尚、Ａ相スタックとＢ相スタックは１／４ポールピッチずらして配置されている。
【０００５】
このように構成されたステッピングモータにおいては、コイルの巻線長さが巻数に比べ長くなる。それに伴いコイルの抵抗が大きくなり、流れる電流が小さくなる。また、永久磁石の外側にコイルが配置されるため、巻数に対して半径が大きくなってしまう。小型化する上で、半径を小さくすると巻数が少なくなる。コイルの起磁力はコイルに流れる電流と巻数の積で表されるため、小型化すると十分な起磁力が得られず、出力も小さくなってしまう。
【０００６】
また、板金プレスでＡ相スタック５１、Ｂ相スタック５２が形成されるが、複雑なポール形状を作るのに複雑な金型が必要とされる。
【０００７】
特許文献１には従来のステッピングモータの説明と、さらにラジアル方向を小さくしたステッピングモータの例が開示されている。
【０００８】
また、非特許文献１には、様々なタイプのステッピングモータが開示されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−３４２２７号公報
【非特許文献１】見城尚志、菅原晟著  「ステッピング・モータとマイコン制御」総合電子出版  ２０００年第三版
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のステッピングモータでは、永久磁石の外側に回転軸に関して同心円状にコイルが配置されるため、巻数に対してコイルの長さが長くなる。それに従い、コイルの抵抗が増え、電流が流れにくくなり、小型になると十分な起磁力がえられない。
【００１１】
さらに、大きな出力トルクを得るために一般的には、減速機がモータの外側に取り付けられており、その分大型になってしまう。
【００１２】
また、各スタックを形成するために複雑な金型が必要になる。
【００１３】
本発明は前記課題を解決しようとするものであって、小型、高出力であり、かつ加工組立も容易なステッピングモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
少なくとも、回転軸方向に多極着磁された永久磁石を回転軸に固定したロータと、
減速手段により該回転軸の回転が減速されて伝達される出力軸と、
前記ロータおよび前記出力軸を軸支する軸受と、
該軸受を所定の位置に保って固定し、且つ、ロータを囲むように形成されたハウジングと、
前記永久磁石を挟み込み、且つ、該永久磁石の一つの磁極エリア上に配置された一対のコ字型をしたコアにコイルが巻かれたステータとで構成されるステッピングモータとする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のステッピングモータは、コアにコイルを巻くことで、巻数に対して、コイル長さを小さくできるため、抵抗値が小さくなる。そのため流すことのできる電流の大きさを大きくとれ、大きな起磁力を得ることができる。コアは、コ字型であるため、複雑な金型を用いないで形成することができる。
【００１６】
また、一対のステータを一つの磁極エリア上に配置することで、コイルの発生する起磁力による磁束は１つの磁極エリアに集中し、漏れ磁束が減る。さらに前述したステータの先端凸部に磁束が集中することで、発生した磁束がより効率よく回転力に変換される。
【００１７】
また駆動するのは一対のステータのみとなり、構成部品が減る。ステータの数が減ることは一般的には回転出力としてのトルクが小さくなる傾向にあるが、ステッピングモータ内部に減速手段を設けたことで出力の低下を補うとともに、小型であり高出力のステッピングモータが得られる。また、加工組立も容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本発明のステッピングモータの一実施例を示す分解斜視図、図２は本発明のステッピングモータの一実施例を示す斜視図、図３は本発明のステッピングモータの一実施例を示す上面図、図４は図３に示すＡ−Ａで切断した正面断面図である。
以下、図を参照し、本発明の実施例について詳細に説明する。
【００１９】
まず、ステッピングモータ１０の構成について説明する。
回転軸１１は片側を半球面状に加工された球面部１１ａが形成されている。また、後述する永久磁石１２と所定の位置を保って固定するためのフランジを兼ねた歯車部１１ｂ、スラスト方向を所定の隙間を保って位置決めする端面部１１ｃが形成されている。材質は、非磁性体（ＳＵＳ３０３）を用いている。
【００２０】
円筒形状の永久磁石１２は中心軸に孔１２ａが形成され、スラスト方向に等角度間隔に４極着磁されている。着磁数は４極に限定されるものではなく、着磁可能な範囲で増やしてもよい。材質は希土類磁石（たとえばネオジ）を用いている。
【００２１】
前記永久磁石１２の孔１２ａに回転軸１１の球面部１１ａ側の軸を挿入し、フランジを兼ねた歯車部１１ｂに突き当ててスラスト方向の位置決めをする。固定は、ボンド磁石の場合は、孔１２ａと係合する回転軸１１の軸径よりやや小さくして軽圧入後、接着固定する。焼結磁石の場合は割れやすいため、孔１２ａの径を回転軸１１よりやや大きく形成し、ジグ等によりラジアル方向の位置決め後、接着固定する。回転軸１１に永久磁石１２が取り付けられてロータ１３となる。
【００２２】
出力軸１４は両端部を半球面状に加工された球面部１４ａ、１４ｂが形成されている。また、回転軸１１の歯車部１１ｂと歯合する歯車部１４ｃ、スラスト方向を所定の隙間を保って位置決めする端面部１４ｄが設けられている。
【００２３】
前記ロータ１３と前記出力軸１４は、スラスト方向とラジアル方向を支える軸受１５、１６によって軸支される。また２つの軸受１５、１６はハウジング１７により、スラスト方向、ラジアル方向を所定の位置に位置決めされる。軸受１５には２つのスリット１５ａ、１５ｂが設けられている。スリット１５ａと１５ｂが略ハ字型に構成され対をなす。軸受凹部１５ｃはロータ１３をスラスト方向に軸支する端面部１５ｄとラジアル方向に軸支する側面部１５ｅで構成される（図４）。軸受凹部１５ｆは出力軸１４をスラスト方向に軸支する端面部１５ｇとラジアル方向に軸支する側面部１５ｈで構成される（図４）。後述するハウジング１７と所定の位置を保つようにラジアル方向位置決め部１５ｉ、スラスト方向位置決めフランジ部１５ｊが設けられている。
【００２４】
軸受１６には、軸受１５と同じ角度位置にスリット１６ａ、１６ｂが設けられている。スリット１６ａと１６ｂが略ハ字型に構成され対をなす。軸受部１６ｃはロータ１３をスラスト方向に軸支する端面部１６ｄとラジアル方向に軸支する貫通孔１６ｅで構成される（図４）。軸受部１６ｆは出力軸１４をスラスト方向に軸支する端面部１６ｇとラジアル方向に軸支する貫通孔１６ｈで構成される（図４）。ハウジング１７と所定の位置を保つようにラジアル方向位置決め部１６ｉ、スラスト方向位置決めフランジ部１６ｊが設けられている。軸受１５、１６の材質は非磁性体の軸受け材（真鍮、または樹脂）を用いている。
【００２５】
ハウジング１７は２つの中空円筒を結合した小判型をしており、両端面には軸受１５、１６に形成されている各スリットに対応する位置に長方形の切欠き部１７ａ、１７ｂが設けられている。ハウジング１７の切欠き部１７ａ、１７ｂおよび軸受１５、１６のスリットに後述するステータが差し込まれて固定される。ハウジング１７の内部にロータ１３と出力軸１４が納められ、外部より保護される。小判型の筒の内側形状は、軸受のラジアル方向位置決め部１５ｉ、１６ｉの外形としっくり嵌合する大きさに形成されている。材質は非磁性体（アルミニウム）を用いている。
【００２６】
ステータ１８はコア１８ａにコイル１８ｂが巻かれて形成されている。コア材には一般的に軟磁性体が用いられる（たとえば、パーマロイ、純鉄）。所定の性能を引き出すため、加工後熱処理が施される。
【００２７】
コイルは、通常ボビンに巻かれたものをコアに取り付けるのが一般的であるが、さらに小型化を図るため本発明の実施例ではボビンを介さずにコイルを巻いた。コアに直接コイルを巻くと、断線や断線による短絡が起きる可能性がある。それを防ぐため、コアに薄い絶縁テープを巻いたり、あるいはワニスを塗布したあとにコイルを巻くとよい。同様にしてステータ１９はコア１９ａにコイル１９ｂが巻かれて形成されている。
【００２８】
続いて、組立手順について説明する。
軸受１５のラジアル方向位置決め部１５ｉをスリットの方向が一致するようにハウジング１７に挿入し、スラスト方向位置決めフランジ部１５ｊを突き当て固定する。固定は接着剤を用いている。
【００２９】
ロータ１３の球面部１１ａを軸受凹部１５ｃに挿入する。出力軸１４の球面部１４ａを軸受凹部１５ｆに挿入する。この時点でロータ１３の歯車部１１ｂと出力軸１４の歯車部１４ｃが歯合される。
【００３０】
次に、軸受１６とハウジング１７のスリットの方向が一致するようにし、ロータ１３の球面部１１ａの反対端面側に軸受１６の貫通孔１６ｃを、出力軸１４の球面部１４ｂに軸受け１６の貫通孔１６ｆ挿通させながら、軸受１６のラジアル方向位置決め部１６ｉをハウジング１７に挿入し、スラスト方向位置決めフランジ部１６ｊを突き当て固定する。固定は接着剤を用いている。
【００３１】
回転軸１１のスラスト方向は回転軸１１の球面部１１ａ、端面部１１ｃと軸受１５、１６の端面部１５ｄ、１６ｄが所定のクリアランスを持って規制される。
【００３２】
出力軸１４のスラスト方向は出力軸１４の球面部１４ａ、端面部１４ｄと軸受１５、１６の端面部１５ｇ、１６ｇが所定のクリアランスを持って規制される。
【００３３】
軸受１５、１６、ハウジング１７によりロータ１３と出力軸１４は回動自在に軸支されることになる。
【００３４】
次に、軸受に形成されているスリットに、ステータを差し込み固定する。スリット１５ａと１６ａにステータ１８を突き当たるまで差し込む。同様にしてスリット１５ｂと１６ｂにステータ１９を突き当たるまで差し込む。これにより、ラジアル方向の位置決めがなされる。スリット１５ａ（１６ａ）と１５ｂ（１６ｂ）は１つの磁極エリア（１／４円）上に配置され永久磁石を挟み込むように配置されるため、該スリットに差し込み固定される前記ステータ１８と前記ステータ１９は１つの磁極エリア上に配置されることとなる。該構成ににすることで、磁束漏れが少なくなり、効率的に磁力が出力トルクに変換される。スラスト方向は図示しないジグを用いて位置決めし、永久磁石と所定の隙間を保って固定される。固定は接着剤を用いている。
【００３５】
配線は、ステータ１８がＡ相、ステータ１９がＢ相となるように配線する。よって、それぞれのステータに個別に電圧が印加できる。
【００３６】
続いて、動作について説明する。
小型ステッピングモータでは２相励磁、１−２相励磁のような励磁方法が一般的である。本発明の実施例もこれらの励磁方法で回転させることが可能である。ここでは２相励磁を例にとって説明をする。図５は本発明のステッピングモータの軸受１６側から見た回転原理図で、時計方向への回転を説明する図である。わかりやすくするためＳ極を黒塗りで表示する。また、図中の永久磁石１２上の○印は、説明上、回転位置を認識するためのものとして示した。
【００３７】
まず、すべてのステータをＳ極に励滋する。すると図の位置に永久磁石１２が回転後静止する。（（１））
【００３８】
次にステータ１９の磁極を反転しＮ極に励磁する。すると発生した磁力により永久磁石１２に時計方向の回転モーメントが発生し、４５゜時計方向に回転して静止する。（（２））
【００３９】
次にステータ１８の磁極を反転しＮ極に励磁する。発生した磁力により永久磁石１２に時計方向の回転モーメントが発生し４５゜時計方向に回転して静止する。（（３））
【００４０】
次にステータ１９の磁極を反転しＳ極に励磁する。すると発生した磁力により永久磁石１２に時計方向の回転モーメントが発生し、４５゜時計方向に回転して静止する。（（４））
【００４１】
次にステータ１８の磁極を反転しＳ極に励磁する。発生した磁力により永久磁石１２に時計方向の回転モーメントが発生し４５゜時計方向に回転して静止する。（（５））
ここで、ロータ１３は１８０゜回転することになる。磁極を変えるのを１ステップとすると８ステップで１回転する事になる。反時計方向に回転する場合は、磁極の反転する順番を逆にすれば良いことは言うまでもない。
【００４２】
ロータ１３に発生した回転は、歯車部１１ｂから出力軸１４の歯車部１４ｃに伝達される。歯数の比で減速されて出力軸１４から回転出力される。従って、回転数は歯数の比で減速され、トルクは歯数の比で大きくなることになる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明のステッピングモータの一実施例を示す分解斜視図
【図２】本発明のステッピングモータの一実施例を示す斜視図
【図３】本発明のステッピングモータの一実施例を示す上面図
【図４】図３に示すＡ−Ａで切断した正面断面図
【図５】本発明のステッピングモータの軸受１６側から見た回転原理図で、時計方向への回転を説明する図
【図６】従来のクローポール式ＰＭ型ステッピングモータで一部を破断して示した斜視図
【符号の説明】
【００４４】
１０        ステッピングモータ
１１        回転軸
１１ａ      球面部
１１ｂ      フランジを兼ねた歯車部
１１ｃ      端面部
１２        永久磁石
１２ａ      孔
１３        ロータ
１４        出力軸
１４ａ      球面部
１４ｂ      球面部
１４ｃ      歯車部
１４ｄ      端面部
１５        軸受
１５ａ      スリット
１５ｂ      スリット
１５ｃ      軸受凹部
１５ｄ      端面部
１５ｅ      側面部
１５ｆ      軸受凹部
１５ｇ      端面部
１５ｈ      側面部
１５ｉ      ラジアル方向位置決め部
１５ｊ      スラスト方向位置決めフランジ部
１６        軸受
１６ａ      スリット
１６ｂ      スリット
１６ｃ      軸受部
１６ｄ      端面部
１６ｅ      貫通孔
１６ｆ      軸受部
１６ｇ      端面部
１６ｈ      貫通孔
１６ｉ      ラジアル方向位置決め部
１６ｊ      スラスト方向位置決めフランジ部
１７        ハウジング
１７ａ      切欠き部
１７ｂ      切欠き部
１８        ステータ
１８ａ      コア
１８ｂ      コイル
１９        ステータ
１９ａ      コア
１９ｂ      コイル
５０        ステッピングモータ
５１        Ａ相スタック
５１ａ      上側ポール
５１ｂ      下側ポール
５１ｃ      コイル
５２        Ｂ相スタック
５２ｂ      下側ポール
５２ｃ      コイル
５３        複数の磁性体
５４        永久磁石
【図１】
2006288066.tif 000003
【図２】
2006288066.tif 000004
【図３】
2006288066.tif 000005
【図４】
2006288066.tif 000006
【図５】
2006288066.tif 000007
【図６】
2006288066.tif 000008