(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、ロータ１３を軸支する軸受１４，１５と、軸受１４，１５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１６と、コ字型をしたコアにコイルを巻いたステータ１７〜２０を軸受１４、１５に取り付けて構成される。ステータはコア先端に凸部が設けられ、ロータを挟み込むように配置される。【選択図】  図１
2006288065.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、
該ロータを軸支する軸受と、
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、
コ字型コアにコイルを巻いたステータとを有し、
該ステータが前記永久磁石を挟み込む様に配置されて成るステッピングモータであって、
前記コ字型コア先端部に凸部が形成されていることを特徴とするステッピングモータ。
【請求項２】
２個の前記ステータでステータ対が構成され、該ステータ対のコ字型コア先端部が前記永久磁石の１つの磁極エリア上に配置されて成ることを特徴とする請求項１記載のステッピングモータ。
【請求項３】
前記ステータ対のコ字型コア先端部と対向し、前記永久磁石の平面上で回転軸中心を通る直線と軸対称に配置されるもう一組のステータ対を設けたことを特徴とする請求項２記載の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１０に示す。
図１０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の説明が開示されている。
【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】
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。さらに小型化する上では漏れ磁束を少なくし、効率よく集中的に永久磁石表面に磁束を集めることが大切である。
【００１２】
本発明は前記課題を解決しようとするものであって、小型で高出力、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】
【００１３】
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、該ロータを軸支する軸受と、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、コ字型コアにコイルを巻いたステータとを有し、該ステータが前記永久磁石を挟み込む様に配置されて成るステッピングモータであって、前記コ字型コア先端部に凸部が形成されているステッピングモータとする。
【００１４】
２個の前記ステータでステータ対が構成され、該ステータ対のコ字型コア先端部が前記永久磁石の１つの磁極エリア上に配置されて成るステッピングモータとする。
【００１５】
前記ステータ対のコ字型コア先端部と対向し、前記永久磁石の平面上で回転軸中心を通る直線と軸対称に配置されるもう一組のステータ対を設けたステッピングモータとする。
【発明の効果】
【００１６】
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。さらにステータの先端に凸部を設けることで凸部から集中的に磁束が流れることになるので高出力を得られる。コアは、コ字状であるため、複雑な金型を用いないで形成することができる。
【００１７】
また、ステータ対を１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。
【００１８】
前記ステータ対のコ字型コア先端部と対向し、前記永久磁石の平面上で回転軸中心を通る直線と軸対称に配置されるもう一組のステータ対を設けたので、ステップ角精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明のステッピングモータの第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第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第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、図５は本発明のステッピングモータの永久磁石とステータの位置関係を示した上面図、図６は本発明のステッピングモータの第一実施例で、コアの正面図である。
以下、図を参照し、本発明の第一実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
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には両端部を半球面状に加工された球面部１１ａ、１１ｂ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部１１ｃ、スラスト方向を所定の隙間を持って位置決めする端面部１１ｄが形成されている。材質は、非磁性体（ＳＵＳ３０３）を用いている。
【００２１】
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。
【００２２】
前記永久磁石１２の孔１２ａに回転軸１１の球面部１１ｂ側の軸を挿入し、フランジ部１１ｃ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が取り付けられロータ１３となる。
【００２３】
前記ロータ１３は、スラスト方向とラジアル方向を支える軸受１４、１５によって軸支される。また２つの軸受１４、１５はハウジング１６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。
【００２４】
前記軸受１４には４つのスリット１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが設けられている。スリット１４ａと１４ｄ、スリット１４ｂと１４ｃが略ハ字型に構成され対をなす。さらにスリット１４ａと１４ｄ、スリット１４ｂと１４ｃは、それぞれ永久磁石１２の１つの磁極エリア（１／４円）上に配置される構成である（図５）。軸受凹部１４ｅはロータ１３をスラスト方向に軸支する端面部１４ｇとラジアル方向に軸支する側面部１４ｆで構成される（図４）。ハウジング１６と所定の位置を保つようにラジアル方向位置決め部１４ｈ、スラスト方向位置決めフランジ部１４ｉが設けられている。
【００２５】
前記軸受１５には、前記軸受１４と同じ角度位置にスリット１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが設けられている。スリット１５ａと１５ｄ、スリット１５ｂと１５ｃが略ハ字型に構成され対をなす。軸受部１５ｅはロータ１３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貫通孔１５ｆで構成される（図４）。ハウジング１６と所定の位置を保つようにラジアル方向位置決め部１５ｈ、スラスト方向位置決めフランジ部１５ｉが設けられている。軸受１４，１５の材質は非磁性体の軸受材（真鍮、または樹脂）を用いている。
【００２６】
ハウジング１６は中空円筒形をしており、両端面の軸受１４，１５に対応する位置にスリット１６ａ〜１６ｄが設けられている。ハウジング１６および軸受１４，１５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。中空円筒の内部にロータ１３が納められ、外部より保護される。中空円筒内径は、軸受のラジアル方向位置決め部１４ｈ、１５ｈの外径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。
【００２７】
ステータ１７はコア１７ａにコイル１７ｂが巻かれて形成されている。略コ字型のコア１７ａは先端に凸部１７ｃが２箇所設けられている。コイル１７ｂは２つの凸部１７ｃの間の長さに巻かれるため、コイルの巻かれない部分に斜面部１７ｄを設けることでコアの断面積を増やし、磁束が飽和しにくくなるように形成されている（図６）。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。
【００２８】
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良い。
【００２９】
同様にしてステータ１８はコア１８ａにコイル１８ｂが、ステータ１９はコア１９ａにコイル１９ｂが、ステータ２０はコア２０ａにコイル２０ｂが巻かれて形成されており、コア１８ａ、１９ａ、２０ａの先端部には凸部１８ｃ、１９ｃ、２０ｃが形成されている。（いずれもステータ１７と同形状である。）前記ステータ１７と前記ステータ２０で１対のステータを構成し、前記ステータ１８と前記ステータ１９で１対のステータが構成されている。それぞれは、前記永久磁石１２の中心軸を通る直線と軸対称に配置されている。
【００３０】
続いて、組立手順について説明する。
軸受１４のラジアル方向位置決め部１４ｈをハウジング１６に挿入し、スラスト方向位置決めフランジ部１４ｉに突き当てる。そのあとハウジング１６と軸受１４のスリットを所定の位置に合わせ固定する。固定は接着剤を用いている。
【００３１】
次に、ロータ１３の球面部１１ｂ側を軸受凹部１４ｅに挿入する。ロータ１３の球面部１１ａ側に軸受１５の貫通孔１５ｅを挿通させながら、軸受１５のラジアル方向位置決め部１５ｈをハウジング１６に挿入し、スラスト方向位置決めフランジ部１５ｉにつき当てる。そのあとハウジング１６と軸受１５のスリットを所定の位置に合わせて固定する。固定は接着剤を用いている。
【００３２】
軸受１４、１５、ハウジング１６によりロータ１３は回動自在に軸支されることになる。スラスト方向は端面部１４ｇ、１５ｇにより規制され、ロータと所定のクリアランスを保っている。
【００３３】
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１４ａと１５ａにステータ１７を突き当たるまで差し込む。同様にしてスリット１４ｂと１５ｂにステータ１８を、スリット１４ｃと１５ｃにステータ１９を、スリット１４ｄと１５ｄにステータ２０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１４ａ（１５ａ）と１４ｄ（１５ｄ）、スリット１４ｂ（１５ｂ）と１４ｃ（１５ｃ）は１つの磁極エリア（１／４円）上に配置されるため、該スリットに差し込み固定されるステータは、前記ステータ１７と前記ステータ２０が１つの磁極エリア上に配置され、前記ステータ１８と前記ステータ１９が１つの磁極エリア上に配置されることとなるので、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。また、ステータの先端に設けられた凸部が、永久磁石を挟み込むように配置されるため、さらに、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。固定には接着剤を用いている。
【００３４】
次に配線をする。配線は、ステータ１７と１９、１８と２０を結線し、さらに励磁したとき同極になるように配線する。（たとえば、軸受１５側から見て、ステータ１７がＮ極に励磁される場合、ステータ１９も同じくＮ極になるように配線する。）配線は、直列、並列の２種類があるが、各ステータに発生する磁力を均一化にするには、各コイルに流れる電流を等しくできる直列が好ましい。
【００３５】
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。本発明の一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９は本発明のステッピングモータの軸受１５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。
【００３６】
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））
【００３７】
次にステータ１８と２０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））
【００３８】
次にステータ１７と１９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））
【００３９】
次にステータ１８と２０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））
【００４０】
次にステータ１７と１９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よいことは言うまでもない。
【実施例２】
【００４１】
続いて、本発明のステッピングモータの第二実施例について説明する。
図７は本発明のステッピングモータの第二実施例で上面図、図８は、本発明のステッピングモータのコアの正面図である。第二実施例では第一実施例と構成の異なる部分について説明する。組立方法、配線、回転原理は第一実施例と同じであるので省略する。
【００４２】
第二実施例では、コ字型のコア２１ａの先端近傍に半円状の切り欠き部２１ｃが設けられている。これにより先端部には凸部が形成されることになる（図８）。コア２１ａに図示しないコイルが巻かれ、ステータ２１が構成される。半円状の切り欠き部２１ｃを設けることで凸部を形成しているため、コイルの巻数を増やすことができ、起磁力を大きくすることができる。
【００４３】
４個のステータ２１は図７のごとく、回転軸中心を通り、垂直に交わる直線（Ｘ軸、Ｙ軸）に関して軸対称に配置されている。Ｙ軸を分割線として見て左右に一対のステータが配置される構成である。本構成によれば、回転角度の精度がさらに上がることになる。
【００４４】
ステータの形状と配置に関しては前述した実施例に限るものではなく、ステータ２１を第一実施例のような配置で用いてもよい。また、ステータ１７、１８、１９、２０を第二実施例のように配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のステッピングモータの第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第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第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永久磁石とステータの位置関係を示した上面図
【図６】本発明のステッピングモータの第一実施例で、コアの正面図
【図７】本発明のステッピングモータの第二実施例で上面図
【図８】本発明のステッピングモータのコアの正面図
【図９】本発明のステッピングモータの軸受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１０】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】
【００４６】
１０        ステッピングモータ
１１        回転軸
１１ａ      球面部
１１ｂ      球面部
１１ｃ      フランジ部
１１ｄ      端面部
１２        永久磁石
１２ａ      孔
１３        ロータ
１４        軸受
１４ａ      スリット
１４ｂ      スリット
１４ｃ      スリット
１４ｄ      スリット
１４ｅ      軸受凹部
１４ｆ      側面部
１４ｇ      端面部
１４ｈ      ラジアル方向位置決め部
１４ｉ      スラスト方向位置決めフランジ部
１５        軸受
１５ａ      スリット
１５ｂ      スリット
１５ｃ      スリット
１５ｄ      スリット
１５ｅ      貫通孔
１５ｆ      軸受部
１５ｇ      端面部
１５ｈ      ラジアル方向位置決め部
１５ｉ      スラスト方向位置決め部
１６        ハウジング
１６ａ      スリット
１６ｂ      スリット
１６ｃ      スリット
１６ｄ      スリット
１７        ステータ
１７ａ      コア
１７ｂ      コイル
１７ｃ      凸部
１７ｄ      斜面部
１８        ステータ
１８ａ      コア
１８ｂ      コイル
１８ｃ      凸部
１９        ステータ
１９ａ      コア
１９ｂ      コイル
１９ｃ      凸部
２０        ステータ
２０ａ      コア
２０ｂ      コイル
２０ｃ      凸部
２１        ステータ
２１ａ      コア
２１ｃ      切り欠き部
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】
2006288065.tif 000003
【図２】
2006288065.tif 000004
【図３】
2006288065.tif 000005
【図４】
2006288065.tif 000006
【図５】
2006288065.tif 000007
【図６】
2006288065.tif 000008
【図７】
2006288065.tif 000009
【図８】
2006288065.tif 000010
【図９】
2006288065.tif 000011
【図１０】
2006288065.tif 000012