(57)【要約】【課題】ステッピングモータへ供給される電流が遮断された後にもメータの指針を初期位置に保持するとともに、ステッピングモータにおいて回転むらを低減すること。【解決手段】実施形態のステッピングモータは、ストッパと、ロータと、第１ステータと、第２ステータと、を備える。ロータは、磁石と、ストッパに接触する接触部とを有する。第１ステータは、コイルを有し第１相における励磁ベクトルを形成する。第２ステータは、コイルを有し第２相における励磁ベクトルを形成する。そして、磁石と第１ステータと第２ステータとに起因する磁気エネルギーが極小となるロータの回転角度のうち、ストッパを基点として最も小さい回転角度が電気角で１２０°以上１３０°以下である。【選択図】図５
2018182914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ストッパと、
磁石と、前記ストッパに接触する接触部とを有するロータと、
コイルを有し、第１相における励磁ベクトルを形成する第１ステータと、
コイルを有し、第２相における励磁ベクトルを形成する第２ステータと、
を備え、
前記磁石と前記第１ステータと前記第２ステータとに起因する磁気エネルギーが極小となる前記ロータの回転角度のうち、前記ストッパを基点として最も小さい回転角度が電気角で１２０°以上１３０°以下である
ステッピングモータ。
【請求項２】
前記第１相と前記第２相との位相差が電気角で９０°以上である
請求項１に記載のステッピングモータ。
【請求項３】
前記第１ステータにより形成される前記第１相における励磁ベクトルの大きさと、前記第２ステータにより形成される前記第２相における励磁ベクトルの大きさとの比率が０．９５以上１．０１以下である
請求項１または２に記載のステッピングモータ。
【請求項４】
前記第１相と前記第２相との位相差が電気角で９０°以上９８°以下である
請求項１〜３のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
【請求項５】
メータの指針を回動させる
請求項１〜４のいずれか一つに記載のステッピングモータ。
【請求項６】
請求項５に記載のステッピングモータと、
前記指針を有するメータと、
前記ステッピングモータに電流を供給する外部電源と、
を備える自動車。
【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および自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、メータにおける指針の初期位置を保証するために、モータにストッパを内蔵し、ロータが３６０度回動できない構造のステッピングモータが知られている。かかるステッピングモータでは、メータの電源停止時に、ロータを所定の方向に回転させてストッパとロータの接触部とを接触させ、指針を初期位置に合わせてからステッピングモータへ供給される電流を遮断する処理が行われる。
【０００３】
また、指針を回動させるステッピングモータは、入力パルス数に応じて出力軸がステップ状に回転している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１８２３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示されるステッピングモータでは、供給される電流が遮断された状態でも、構成部材である磁石と鉄との磁気作用に起因するトルク、いわゆる「コギングトルク」がロータに働いており、かかるコギングトルクがロータの接触部をストッパから離間させる方向に働く場合がある。このとき、供給される電流が遮断された後に、ストッパとロータの接触部とが離間して指針が初期位置からずれるという不具合が生じる。
【０００６】
さらに、このステッピングモータの回転速度は、最大回転速度と最小回転速度との間を周期的に変動している。そして、メータにおいて指針を回動させる場合、かかる最大回転速度と最小回転速度との差である回転むらが問題となる場合がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を一例とするものであり、ステッピングモータへ供給される電流が遮断された後にもメータの指針を初期位置に保持するとともに、ステッピングモータにおいて回転むらを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係るステッピングモータは、ストッパと、ロータと、第１ステータと、第２ステータと、を備える。ロータは、磁石と、前記ストッパに接触する接触部とを有する。第１ステータは、コイルを有し第１相における励磁ベクトルを形成する。第２ステータは、コイルを有し第２相における励磁ベクトルを形成する。そして、前記磁石と前記第１ステータと前記第２ステータとに起因する磁気エネルギーが極小となる前記ロータの回転角度のうち、前記ストッパを基点として最も小さい回転角度が電気角で１２０°以上１３０°以下である。
【０００９】
本発明の一態様によれば、ステッピングモータへ供給される電流が遮断された後にもメータの指針を初期位置に保持するとともに、ステッピングモータにおいて回転むらを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態に係るステッピングモータの斜視図である。
【図２】図２は、実施形態に係るステッピングモータの側断面図である。
【図３】図３は、実施形態に係るステッピングモータを構成するロータの斜視図である。
【図４】図４は、実施形態に係るステッピングモータに接続された制御部を示すブロック図である。
【図５】図５は、実施形態に係るロータの回転角度と、コギングエネルギーとの関係を示す図である。
【図６】図６は、実施形態に係る動的角度誤差と、最小ボトム角度との関係を示す図である。
【図７】図７は、実施形態に係るＡ相とＢ相との振幅比と、最小ボトム角度との関係を示す図である。
【図８】図８は、実施形態に係るＡ相とＢ相との位相差と、最小ボトム角度との関係を示す図である。
【図９】図９は、実施形態に係るＢ−ＥＭＦ波形の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、実施形態の変形例１に係るステッピングモータのロータマグネットの着磁状態を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、実施形態の変形例２に係るステッピングモータのロータマグネットの着磁状態を模式的に示す図である。
【図１２】図１２は、実施形態の変形例３に係るＡ相ステータとＢ相ステータとの嵌合方法について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態に係るステッピングモータについて図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
＜ステッピングモータの構成＞
最初に、実施形態に係るステッピングモータの構成について説明する。図１および図２は、実施形態に係るステッピングモータ１を示している。図１は、実施形態に係るステッピングモータ１の斜視図であり、図２は、実施形態に係るステッピングモータ１の側断面図である。
【００１３】
ステッピングモータ１は、例えば図示しない指針式メータ（表示装置）における指針の回動を駆動するためのメータ用のステッピングモータであり、図２に示すように、ロータ１０と、ステータ２０と、エンドプレート３０と、フロントプレート４０とを備える。
【００１４】
ロータ１０は、ステータ２０の内部に回動可能に収容されている。ロータ１０は、図２に示すように、シャフト１１と、ロータマグネット１２と、スリーブ１３とを備える。
【００１５】
シャフト１１は、アルミニウムと他の金属との合金で形成されたスリーブ１３の中央に圧入されて固定されており、シャフト１１はスリーブ１３の軸となっている。円筒状のロータマグネット１２は、ボンド磁石を射出成形して得られたものであり、スリーブ１３の外周に装着されている。シャフト１１は、ステッピングモータ１の回転軸を構成している。
【００１６】
なお、シャフト１１はスリーブ１３に圧入されて固定されることに限定されず、スリーブ１３と一体に成形されていてもよい。この場合、シャフト１１はスリーブ１３を形成する樹脂部材でロータマグネット１２と一体成形されていること、などが挙げられる。
【００１７】
また、ロータマグネット１２は必要に応じて、その磁気特性を調整する（基本は、磁気特性を向上させるが、磁気的分布を調整する事もある。）為に、射出成型時に必要な直流磁場を掛け（着磁）、周方向に異なる磁極を有する、いわゆる異方性を有する磁石となっている。
【００１８】
ステータ２０は、互いに同様の構成を有する環状の第１ステータ（以下、Ａ相ステータと呼称する）２１と第２ステータ（以下、Ｂ相ステータと呼称する）２２とを備える。かかるＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とは軸方向に並べて配置されることで、軸方向に同軸上に積層され、ステータ２０は両者で２相構造となっている。以下においては、Ａ相ステータ２１の内部構造についてまず説明し、続いてＢ相ステータ２２の内部構造について説明する。
【００１９】
図２に示すように、Ａ相ステータ２１は、カップ状ヨーク（第１ヨーク）２３ａと、円板状ヨーク（第２ヨーク）２４ａと、ボビン２５ａと、コイル２６ａとを備える。
【００２０】
カップ状ヨーク２３ａは、カップ状の外形を有し、軟磁性体の鋼板で形成され、軸方向（図２で上下方向）において円板状ヨーク２４ａと離間するように組まれている。カップ状ヨーク２３ａは底板２３ａｂを有する。そして、かかる底板２３ａｂの中央部に形成された開口の周縁には、軸方向に突出する複数の極歯２３ａａが櫛歯状に形成されている。
【００２１】
円板状ヨーク２４ａは、軸方向から見て、円板状の外形を有する平面形状を備え、軟磁性体の鋼板で形成され、円板状ヨーク２４ａの外周縁がカップ状ヨーク２３ａの内周面に嵌着されている。また、円板状ヨーク２４ａの中央部に形成された開口の周縁には、軸方向に突出する複数の極歯２４ａａが櫛歯状に形成されている。そして、カップ状ヨーク２３ａの極歯２３ａａと円板状ヨーク２４ａの極歯２４ａａとは、周方向に交互に噛み合わされている。
【００２２】
ボビン２５ａは、絶縁性を有する樹脂部材で形成され、ボビン２５ａの周縁の一部に端子台２５ａａが一体成形によって形成されている。また、コイル２６ａは、ボビン２５ａに巻回され、カップ状ヨーク２３ａと円板状ヨーク２４ａとの間であって極歯２３ａａ、２４ａａの外周側に配置されている。
【００２３】
Ｂ相ステータ２２は、Ａ相ステータ２１と同様、カップ状ヨーク（第１ヨーク）２３ｂと、円板状ヨーク（第２ヨーク）２４ｂと、ボビン２５ｂと、コイル２６ｂとを備える。
【００２４】
カップ状ヨーク２３ｂは、カップ状の外形を有し、軟磁性体の鋼板で形成され、軸方向において円板状ヨーク２４ｂと離間するように組まれている。カップ状ヨーク２３ｂは底板２３ｂｂを有する。そして、かかる底板２３ｂｂの中央部に形成された開口の周縁には、軸方向に突出する複数の極歯２３ｂａが櫛歯状に形成されている。
【００２５】
円板状ヨーク２４ｂは、軸方向から見て、円板状の外形を有する平面形状を備え、軟磁性体の鋼板で形成され、円板状ヨーク２４ｂの外周縁がカップ状ヨーク２３ｂの内周面に嵌着されている。また、円板状ヨーク２４ｂの中央部に形成された開口の周縁には、軸方向に突出する複数の極歯２４ｂａが櫛歯状に形成されている。そして、カップ状ヨーク２３ｂの極歯２３ｂａと円板状ヨーク２４ｂの極歯２４ｂａとは、周方向に交互に噛み合わされている。
【００２６】
ボビン２５ｂは、絶縁性を有する樹脂部材で形成され、ボビン２５ｂの外周部の一部に端子台２５ｂａが一体成形によって形成されている。また、コイル２６ｂは、ボビン２５ｂに巻回され、カップ状ヨーク２３ｂと円板状ヨーク２４ｂとの間であって極歯２３ｂａ、２４ｂａの外周側に配置されている。
【００２７】
そして、端子台２５ａａおよび端子台２５ｂａには複数の端子ピン２７ａ〜２７ｄが設けられ、端子ピン２７ａ〜２７ｄには、コイル２６ａの端末２６ａａおよびコイル２６ｂの端末２６ｂａが絡げられて接続されている。
【００２８】
上記構成を有するＡ相ステータ２１およびＢ相ステータ２２は、樹脂により積層状態に一体に組み付けられて、モールド成形されている。以下、この樹脂を「モールド樹脂」と呼称する。このモールド樹脂５０は、Ａ相ステータ２１の極歯２３ａａと極歯２４ａａとの間、およびＢ相ステータ２２の極歯２３ｂａと極歯２４ｂａとの間に充填されている。
【００２９】
ここで、実施形態に係るステッピングモータ１は、図１に示すように、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とが、Ａ相ステータ２１のＡ相に対してＢ相ステータ２２のＢ相の成す電気角９０°から、所定の距離Ｌだけ周方向に相対的にずらして配置されている。
【００３０】
実施形態では、Ａ相ステータ２１に対して、Ｂ相ステータ２２がＣＷ（時計回り）方向に所定の距離Ｌだけ周方向にずらされて配置されている。なお、以下において、ＣＷ方向またはＣＣＷ（反時計回り）方向と呼称する場合は、図１に示すように、シャフト１１を手前に見た場合における回転方向とする。なぜなら、ステッピングモータ１は、通常はシャフト１１の先端に指針を挿入した状態でメータに搭載され、シャフト１１を手前に見た状態で用いられるからである。
【００３１】
かかるＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とのずらしは、たとえば、以下のように実施される。上述のモールド成形の際に、所定の距離Ｌを保証するように、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２との位置関係をアジャストする位置決めピンが金型の中に用意されている。そして、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とに、それぞれ上述の位置決めピンに対応する孔部（図示せず）を形成し、かかる孔部と位置決めピンとを係合した状態でモールド成形を行う。
【００３２】
これにより、ステッピングモータ１において、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とを、電気角９０°から所定の距離Ｌだけ周方向に相対的にずらして配置させることができる。この所定の距離Ｌの詳細については後述する。
【００３３】
ステッピングモータ１の構成についての説明に戻る。ステッピングモータ１は、Ｂ相ステータ２２側の一端部（図２では上端部）がエンドプレート３０で閉塞され、Ａ相ステータ２１側の他端部（図２では下端部）がフロントプレート４０で閉塞されている。
【００３４】
円形状のエンドプレート３０は、上述のモールド樹脂５０の一体成形により形成されている。エンドプレート３０の中央部には、貫通孔（ロータ支持部）３０ａが形成されており、かかる貫通孔３０ａにシャフト１１の一端部が貫通され、かつ回動可能に支持されている。
【００３５】
樹脂で形成されたフロントプレート４０は、Ａ相ステータ２１の円板状ヨーク２４ａに嵌着されるとともに、Ａ相ステータ２１のカップ状ヨーク２３ａにカシメ固定されている。フロントプレート４０の中央部には貫通孔（ロータ支持部）４０ａが形成されており、かかる貫通孔４０ａにシャフト１１が貫通され、かつ回動可能に支持されている。
【００３６】
また、フロントプレート４０の外周部の一部には、径方向に突出する端子部４０ｂが形成されている。かかる端子部４０ｂはカップ状ヨーク２３ａの外周から外側に突出しており、端子部４０ｂには、軸方向（図２で上下方向）に延びる複数の外部端子ピン４１ａ〜４１ｄが設けられている。
【００３７】
そして、外部端子ピン４１ａ〜４１ｄと端子ピン２７ａ〜２７ｄとのそれぞれの先端部同士は、抵抗溶接やレーザ溶接等の手段によって互いに固着され、固着接点４２を介して電気的に接続されている。
【００３８】
ここで、実施形態のステッピングモータ１は、ロータマグネット１２の一端面（図２では上端面）に、ロータマグネット１２とは同心状に環状のストップ部１４が形成されている。図３は、実施形態に係るステッピングモータ１を構成するロータ１０の斜視図である。そして、図３に示すように、ストップ部１４の外周部の一部には、径方向に突出する接触部１４ａが形成されている。
【００３９】
ストップ部１４は、ロータマグネット１２の射出成形時に一体成形で形成されている。ロータマグネット１２は周方向に複数の磁極が並ぶように多極着磁されており、ロータマグネット１２を着磁する際、同時にストップ部１４も接触部１４ａを含めて着磁されている。
【００４０】
また、図２に示すように、エンドプレート３０の所定箇所にはスタッド孔３０ｂが形成されており、このスタッド孔３０ｂに外側からストッパ（スタッド）６０が挿通され、固定されている。ストッパ６０は、非磁性金属によって形成されている。スタッド６０、ストッパ６０は例えば樹脂で形成されていても構わない。
【００４１】
ストッパ６０は、エンドプレート３０の内面（スリーブ１３に対向する内面）よりも内側に突出している。そして、ロータ１０が回動した場合、ストッパ６０と、ロータマグネット１２のストップ部１４に形成されている接触部１４ａとが当接し、ロータ１０の回動が制限されるようになっている。すなわち、ロータ１０は、ストッパ６０と接触する接触部１４ａを有する。
【００４２】
図４は、実施形態に係るステッピングモータ１に接続された制御部２を示すブロック図である。制御部２は、ステッピングモータ１のＡ相ステータ２１のコイル２６ａと、Ｂ相ステータ２２のコイル２６ｂとに接続されている。
【００４３】
そして、制御部２は、コイル２６ａ、２６ｂによってステッピングモータ１の内部に形成される励磁ベクトルを制御し、励磁ベクトルを制御することによりロータ１０の回動を制御する。制御部２は、ステッピングモータ１に内蔵されていてもよいし、ステッピングモータ１の外部に設けられていてもよい。
【００４４】
＜実施形態＞
図５は、実施形態に係るロータ１０の回転角度と、コギングエネルギーとの関係を示す図である。図５の横軸は、Ａ相ステータ２１およびＢ相ステータ２２と、ロータ１０との相対的な回転角度であり、電気角で１サイクル分（０°〜３６０°）の範囲を示している。そして、実施形態では、たとえば、ＣＷ回転（図５では回転角度が正の方向）のメータに用いられ、メータの原点に対応する位置で、／Ｂ相励磁に対応する回転角度９０°の位置にストッパ６０が配置される。
【００４５】
すなわち、実施形態では、外部からの電流が遮断される際に、メータの回転方向とは逆方向のＣＣＷ方向（図５では回転角度が負の方向）にロータ１０を回転させて、接触部１４ａをストッパ６０に当接させる。
【００４６】
また、図５の縦軸に示す「コギングエネルギー」とは、ロータマグネット１２とＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とに起因する磁気エネルギーに相当し、本発明の発明者が新たに発見したステッピングモータの各種特性を評価するための指標である。
【００４７】
かかるコギングエネルギーは、後述するＢ−ＥＭＦ法により測定したＡ相ステータ２１からのＢ−ＥＭＦ波形Ｖａ（ｔ）（図９参照）と、Ｂ相ステータ２２からのＢ−ＥＭＦ波形Ｖｂ（ｔ）（図９参照）と、かかるＶａ（ｔ）およびＶｂ（ｔ）の二乗和Ｖａ（ｔ）２＋Ｖｂ（ｔ）２の１電気サイクルあたりの平均値Ｖａｖｅとに基づいて、以下の式（１）から算出することができる。
コギングエネルギー＝（Ｖａ（ｔ）２＋Ｖｂ（ｔ）２）−Ｖａｖｅ２  ・・・（１）
【００４８】
かかるコギングエネルギーは、ある種２相クローポール型ステッピングモータ固有の、モータのでき具合を表したもので、人間でいえば指紋、声紋に相当するものである。コギングエネルギーは、ステッピングモータそれぞれの個体に依存して決まり、角度精度、トルクリップル、動的回転精度などのあらゆる特性に影響を与えるものである。たとえば、図５に示すようなコギングエネルギーの波形から、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とに起因するコギングトルクが作用する方向を推測することができる。
【００４９】
そして、図５には、実施例１〜４および比較例１のステッピングモータ１における回転角度とコギングエネルギーとの関係について示している。ここで、実施例１は、Ａ相とＢ相との振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜＝１．０であり、Ａ相とＢ相との位相差θ＝９０°であるステッピングモータ１である。また、実施例２は、振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜＝０．９９５であり、位相差θ＝９３．５２°であるステッピングモータ１である。
【００５０】
また、実施例３は、振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜＝０．９５であり、位相差θ＝９０°であるステッピングモータ１である。また、実施例４は、振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜＝０．９７５であり、位相差θ＝９２．１°であるステッピングモータ１である。そして、比較例１は、振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜＝１．０７５であり、位相差θ＝９２．１°であるステッピングモータ１である。
【００５１】
ここで、振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜とは、Ａ相ステータ２１により形成されるＡ相における励磁ベクトルの大きさに相当するＡ相の振幅値｜Ａ｜と、Ｂ相ステータ２２により形成されるＢ相における励磁ベクトルの大きさに相当するＢ相の振幅値｜Ｂ｜との比率である。また、かかるＡ相の振幅値｜Ａ｜は、たとえば、Ｂ−ＥＭＦ法により測定したＡ相ステータ２１からのＢ−ＥＭＦ波形Ｖａ（ｔ）の振幅であり、Ｂ相の振幅値｜Ｂ｜は、たとえば、Ｂ相ステータ２２からのＢ−ＥＭＦ波形Ｖｂ（ｔ）の振幅である。
【００５２】
なお、実施形態では、図１に示したように、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とを、電気角９０°から所定の距離Ｌだけ周方向に相対的にずらして配置したことにより、Ａ相とＢ相との位相差θを９０°より大きくすることができる。換言すると、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とは、上述の位相差θに対応する距離Ｌだけ周方向に相対的にずらして配置されている。
【００５３】
たとえば、ステッピングモータ１が３６ステップ、外径２０（ｍｍ）であり、θ＝９４°とした場合、距離Ｌは（９４−９０）／３６０×（２π×１０）／９＝０．０７７５（ｍｍ）となる。すなわち、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とは、かかるＡ相ステータ２１またはＢ相ステータ２２の半径と、位相差θから９０°を引いた値（この場合、単位はラジアン）との積である距離Ｌだけ、周方向に相対的にずらして配置されている。
【００５４】
ここで、図５に示すように、実施例１〜４では、回転角度９０°におけるコギングエネルギーのほうが、回転角度１８０°におけるコギングエネルギーより小さい。これにより、ロータ１０の接触部１４ａは、外部からの電流が遮断される際に、コギングエネルギーがより低い（すなわち、位置エネルギーがより低い）回転角度９０°の位置に向かって動き出し、ストッパ６０に当たって停止し続ける。
【００５５】
したがって、実施例１〜４では、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、ストッパ６０と接触部１４ａとの接触状態を維持し、メータの指針を初期位置に保持することができる。
【００５６】
一方で、図５に示すように、比較例１では、回転角度９０°におけるコギングエネルギーのほうが、回転角度１８０°におけるコギングエネルギーより大きい。これにより、接触部１４ａは、外部からの電流が遮断される際に、コギングエネルギーがより低い回転角度１８０°の位置に向かって動き出し、ストッパ６０からは離間する。
【００５７】
したがって、比較例１では、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後に、ストッパ６０と接触部１４ａとの接触状態を維持することが困難である。
【００５８】
そして、実施例１〜４では、ストッパ６０の位置（回転角度９０°）を起点として、コギングエネルギーが極小値となる最も小さい角度θ１（図中の黒点で示す角度に対応。以降、「最小ボトム角度θ１」とも呼称する。）が、いずれも１３０°以下となっている。一方で、比較例１では、最小ボトム角度θ１が１３０°を超えている。
【００５９】
ここまで説明したように、実施形態では、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１が１３０°以下の場合には、メータの指針を初期位置に保持することができる。一方で、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１が１３０°を超える場合には、メータの指針を初期位置に保持することが困難である。
【００６０】
すなわち、実施形態によれば、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１を１３０°以下にすることにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にも、ストッパ６０と接触部１４ａとの接触状態を維持し、メータの指針を初期位置に保持することができる。
【００６１】
図６は、実施形態に係る動的角度誤差ΔΦｍａｘと、最小ボトム角度θ１との関係を示す図である。ここで、ステッピングモータ１の動的角度誤差ΔΦｍａｘは、ステッピングモータ１の回転むらの程度を示す指標であり、値が小さいほど回転むらが小さいことを示している。
【００６２】
かかる動的角度誤差ΔΦｍａｘは、ステッピングモータ１が１電気サイクル（実施形態では４０°）移動した際の最大位置誤差値Δφｍａｘと最小位置誤差値Δφｍｉｎとを求め、以下の式（２）から計算することができる。
ΔΦｍａｘ＝（Δφｍａｘ−Δφｍｉｎ）／２  （°）（機械角）・・・（２）
【００６３】
図６に示すように、最小ボトム角度θ１が１３０°を超えない範囲において、最小ボトム角度θ１が大きいほど動的角度誤差ΔΦｍａｘが小さくなっていることがわかる。すなわち、最小ボトム角度θ１が１３０°を超えない範囲において、最小ボトム角度θ１を大きくするほど回転むらを小さくすることができる。
【００６４】
たとえば、ステッピングモータ１が搭載されるメータにおける回転むらの許容範囲が、動的角度誤差ΔΦｍａｘ換算で０°≦ΔΦｍａｘ≦３．５°が許容範囲内であった場合、図６に示すように、最小ボトム角度θ１を１２０°以上にすることにより、動的角度誤差ΔΦｍａｘをかかる許容範囲内に含ませることができる。
【００６５】
すなわち、図５および図６を参照しながらここまで説明したように、実施形態によれば、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１を１２０°以上１３０°以下にすることにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にもメータの指針を初期位置に保持するとともに、ステッピングモータ１において回転むらを低減することができる。
【００６６】
つづいて、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１を最適な範囲（１２０°以上１３０°以下）にするための具体的な条件について、図７および図８を参照しながら説明する。図７は、実施形態に係るＡ相とＢ相との振幅比と、最小ボトム角度θ１との関係を示す図である。
【００６７】
図７において、破線で示す領域Ｃに対応する範囲に入った場合、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１が最適な範囲に含まれる。なお、横軸として示すＡ相とＢ相との振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜は、ステッピングモータ１の個体ごとに製造公差によるばらつきが生じるパラメータであり、領域Ｃとして示す０．９３以上１．００以下であれば、動的角度誤差ΔΦｍａｘが回転むらの小さい許容範囲（３．５°以下）に含まれる。
【００６８】
ここで、図７に示すように、Ａ相とＢ相との位相差θを９３°程度（図７ではθ＝９３．１６４°）に設定することにより、振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜が０．９３以上１．００以下までばらついたとしても、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１を１２０°以上１３０°以下に含ませることができる。
【００６９】
一方で、Ａ相とＢ相との位相差θを９３°よりも小さくした場合（たとえば、θを９１°程度にした場合）、図７に示すように、振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜が０．９６以下になると、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１が最適な範囲から外れる。
【００７０】
同様に、Ａ相とＢ相との位相差θを９３°よりも大きくした場合（たとえば、θを９７°程度にした場合）、振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜が０．９６以上になると、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１が最適な範囲から外れる。
【００７１】
すなわち、Ａ相とＢ相との位相差θを９３°程度に設定することにより、Ａ相とＢ相との振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜が製造公差により多少ばらついたとしても、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１を１２０°以上１３０°以下に含ませることができる。したがって、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にもメータの指針を初期位置に保持することができるとともに、指針の回転むらを小さくすることができる。
【００７２】
図８は、実施形態に係るＡ相とＢ相との位相差θと、最小ボトム角度θ１との関係を示す図である。図８において、破線で示す領域Ｄに対応する範囲に入った場合、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１が最適な範囲に含まれる。
【００７３】
ここで、図８に示すように、Ａ相とＢ相との振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜が０．９７５〜１．０１の場合、Ａ相とＢ相との位相差θが９０°〜９８°の範囲内であれば、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１を最適な範囲に含ませることができる。
【００７４】
すなわち、ステッピングモータ１の製造時に、Ａ相とＢ相との振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜が０．９７５〜１．０１に含まれるように管理調整することができれば、かかるステッピングモータ１を領域Ｄの範囲内に容易に含ませることができる。
【００７５】
一方で、Ａ相とＢ相との振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜が０．９７５〜１．０１に含まれるように、無調整で押さえ込むことは困難な場合がある。この場合は、上述したように、ステッピングモータ１製造時のモールド成形の際に、所定の距離Ｌを保証するように、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とに形成された孔部と、金型内に設けた位置決めピンとを係合した状態でモールド成形を行う。これにより、Ａ相とＢ相との位相差θを９０°〜９８°の範囲内に含ませるようにする。
【００７６】
そして、かかる位相差θを最適範囲に含ませたステッピングモータ１について、Ａ相の振幅値｜Ａ｜とＢ相の振幅値｜Ｂ｜とを測定することにより、振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜が０．９７５〜１．０１になるように仕上げればよい。なお、振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜が０．９７５〜１．０１になるようにマグネットを選別した上で、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とを組み合わせるモールド成形を行ってもよい。
【００７７】
ここまで説明したように、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１が最適な範囲である１２０°以上１３０°以下になるようにするためには、まず、Ａ相とＢ相との位相差θを９３°程度にピンポイントで合わせるとよい。これにより、Ａ相とＢ相との振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜が０．９１〜１．０１の広範囲でばらついたとしても、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１を最適な範囲に含ませることができる。
【００７８】
一方で、Ａ相とＢ相との位相差θを９３°程度でピンポイントに合わせることが困難な場合には、Ａ相とＢ相との位相差θを９０°〜９８°まで広めにばらつきを持たせることで、Ａ相とＢ相との振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜を０．９５〜１．０１の範囲で許容させることができる。
【００７９】
＜Ｂ−ＥＭＦ法の詳細＞
ここまで述べたように、実施形態において、Ｂ−ＥＭＦ法はコギングエネルギーやＡ相とＢ相との位相差θを算出する際に重要な手法である。そこで、以下においては、作製されたステッピングモータ１をＢ−ＥＭＦ法により評価する方法について説明する。
【００８０】
まずは、ステップ数Ｓのステッピングモータ１を治具に固定して、さらにシャフト１１に、慣性モーメントが大きく回転むらが小さい外部駆動源を同芯よく結合する。次に、かかる外部駆動源を一定の回転数Ｎ（ｒｐｍ）で回転させる。
【００８１】
次に、ステッピングモータ１のＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とから出力される、いわゆるＢ−ＥＭＦ波形を取り出す。図９は、実施形態に係るＢ−ＥＭＦ波形の一例を示す図である。そして、Ａ相ステータ２１から出力されるＢ−ＥＭＦ波形Ｖａ（ｔ）と、Ｂ相ステータ２２から出力されるＢ−ＥＭＦ波形Ｖｂ（ｔ）との時間差Δｔ（ｍｓ）を測定する。
【００８２】
ここで、以下に示す式（３）から、Ａ相とＢ相との位相差θを計算することができる。
θ＝Δｔ／（１０００／（Ｎ／６０）／（Ｓ／４））×３６０  （°）・・・（３）
【００８３】
上述のいわゆるＢ−ＥＭＦ法によると、磁気的要素を全周積分した代表値として、Ａ相およびＢ相の誘導起電力が生成される特徴がある。そのため、かかる誘導起電力は各極歯２３ａａ、２３ｂａ、２４ａａ、２４ｂａの一つ一つの影響度を平均化したものと考えることができる。したがって、実施形態におけるＡ相とＢ相との位相差を議論する際には、非常に適している。
【００８４】
もちろん、外部駆動源との機械的連結をロスなく行ったうえで、外部駆動源の回転変動が無視できる程度の慣性モーメント効果を利用しながら、測定時の回転数Ｎを設定すれば、繰返し精度よく、位相差θを測定することが容易である。また、Ｂ−ＥＭＦ法には原則、直流分が重畳することがないので、直流成分による測定誤差が含まれることはない。
【００８５】
万が一、何らかの要因で、直流成分による重畳（いわゆるＤＣオフセット成分）が含まれる場合には、Ｂ−ＥＭＦ波形Ｖａ（ｔ）およびＢ−ＥＭＦ波形Ｖｂ（ｔ）から、かかるＤＣオフセット成分を差し引いた波形での位相差を算出すればよい。
【００８６】
なお、位相差θを測定する手法は上述のＢ−ＥＭＦ法に限られない。たとえば、Ａ相のゼロクロス点でトリガをかけ、Ｂ相のゼロクロス点までの時間差をカウンタなどで測定し、かかる時間差を回転角に換算してもよい。
【００８７】
＜変形例＞
上述の実施形態では、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２との位置を距離Ｌだけ周方向に相対的にずらすことにより、Ａ相とＢ相との位相差θを９０°より大きくしている。一方で、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２との位置を相対的にずらすのではなく、Ａ相とＢ相とに対応するロータマグネット１２の着磁状態を周方向に相対的にずらすことによっても、位相差θを９０°より大きくすることができる。ここでは、変形例として、かかるロータマグネット１２における着磁状態の具体例について示す。
【００８８】
図１０は、実施形態の変形例１に係るステッピングモータ１におけるロータマグネット１２の着磁状態を模式的に示す図である。図１０では、ロータマグネット１２のうち、シャフト１１が突出する側（図では上側）の半分がＡ相ステータ２１に向かい合う第１着磁部１２ａであり、シャフト１１が突出する側とは反対側（図では下側）の半分がＢ相ステータ２２に向かい合う第２着磁部１２ｂである。
【００８９】
なお、図１０では、一例として、ロータマグネット１２が中心角を１８等分した１８極着磁である場合について示している。また、第１着磁部１２ａと第２着磁部１２ｂとの間には、Ａ相とＢ相の中立箇所１２ｃが設けられる。
【００９０】
ここで、図１０に示すように、変形例１では、ロータ１０をＣＷ回転させる場合、第１着磁部１２ａが第２着磁部１２ｂより機械角で角度Δθ（°）相対的に進ませるように、ロータマグネット１２を着磁している。これにより、Ｂ−ＥＭＦ波形で見た場合、着磁のずらしがないロータマグネット１２と比較して、Ａ相がＢ相よりさらに角度Δθだけ進み、位相差θは（９０＋Δθ×（Ｓ／４））（°）（Ｓ：ステップ数）となることから、位相差θが９０°以上となる。
【００９１】
すなわち、変形例１に示すように、Ａ相とＢ相とに対応するロータマグネット１２の着磁状態を周方向に相対的にずらすことにより、Ａ相とＢ相との位相差θを９０°以上にすることができる。
【００９２】
図１１は、実施形態の変形例２に係るステッピングモータ１におけるロータマグネット１２の着磁状態を模式的に示す図である。図１１に示すように、変形例２は、ロータマグネット１２の着磁に傾斜をつける、いわゆるスキュー着磁を行った例である。
【００９３】
変形例２においては、ロータ１０をＣＷ回転させる場合、第２着磁部１２ｂが第１着磁部１２ａより機械角で角度Δθ（°）相対的に遅らせるようにスキュー角を持たせて、ロータマグネット１２を着磁している。これにより、変形例１と同様に、変形例２でもＡ相とＢ相との位相差θを９０°以上にすることができる。
【００９４】
なお、変形例１または変形例２における周方向のずらし量は、たとえば、外形；φ２０ｍｍ、ステップ数Ｓが３６、ロータマグネット１２の外径がφ９ｍｍのモータで、Δθ＝１０（°）の場合、１０／３６０×（π×（３６／４））／９＝０．０８７２（ｍｍ）となる。
【００９５】
上述したような、ステッピングモータ１製造時のモールド成形の際に、所定の距離Ｌを保証するように、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とに形成された孔部と、金型内に設けた位置決めピンとを係合した状態でモールド成形を行うことに限定されず、公知の方法により、モールド成形を行うことができる。
【００９６】
図１２は、実施形態の変形例３に係るＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２との嵌合方法について示す図である。例えば、図１２に示すように、Ａ相ステータ２１とＢ相ステータ２２には、回転軸方向において、互いに対向する面２１ａ、２２ａに２組のボス部２１ｂ、２２ｂが設けられ、孔部２１ｃ、２２ｃが形成されている。
【００９７】
そして、Ａ相ステータ２１のボス部２１ｂをＢ相ステータ２２の孔部２２ｃに嵌合し、Ｂ相ステータ２２のボス部２２ｂをＡ相ステータ２１の孔部２１ｃに嵌合する。このような嵌合したＡ相ステータ２１とＢ相ステータ２２とが嵌合した状態でモールド成形を行うことができる。
【００９８】
上述したように、実施形態によれば、ロータマグネット１２と、Ａ相ステータ２１と、Ｂ相ステータ２２とに起因する磁気エネルギーであるコギングエネルギーが、ストッパ６０の位置を基点として極小値となる最も小さい角度である最小ボトム角度θ１の範囲を、１２０°以上１３０°以下にすることにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にもメータの指針を初期位置に保持することができるとともに、指針の回転むらを小さくすることができる。
【００９９】
なお、上記の実施形態では、ダイレクト駆動型のステッピングモータ１について説明したが、減速器一体内蔵型モータ（ギアードモータ）に適用してもよい。
【０１００】
また、上記の実施形態では、ストッパ６０を／Ｂ相に対応する位置に配置したが、ストッパ６０の配置はこれに限られない。例えば、ストッパ６０をＡ相や／Ａ相、Ｂ相に対応する位置に配置してもよい。
【０１０１】
また、実施形態に係るステッピングモータ１において、ロータ１０は、シャフト１１と、ロータマグネット１２と、スリーブ１３とを備える。これに限定されず、ロータ１０はシャフト１１と、ロータマグネット１２とを備えていてもよい。また、ロータ１０はシャフト１１と、樹脂製のスリーブ１３と、焼結させたロータマグネット１２とを備えていてもよく、シャフト１１と、樹脂製のスリーブ１３と、焼結されたロータマグネット１２と、アルミニウム等の金属材料で形成されたストップ部１４とを備えていても構わない。
【０１０２】
以上のように、実施形態に係るステッピングモータ１は、ストッパ６０と、ロータ１０と、第１ステータ（Ａ相ステータ２１）と、第２ステータ（Ｂ相ステータ２２）とを備える。ロータ１０は、磁石（ロータマグネット１２）と、ストッパ６０に接触する接触部１４ａとを有する。第１ステータ（Ａ相ステータ２１）は、コイル２６ａを有し、第１相における励磁ベクトルを形成する。第２ステータ（Ｂ相ステータ２２）は、コイル２６ｂを有し、第２相における励磁ベクトルを形成する。そして、磁石（ロータマグネット１２）と第１ステータ（Ａ相ステータ２１）と第２ステータ（Ｂ相ステータ２２）とに起因する磁気エネルギー（コギングエネルギー）が極小となるロータ１０の回転角度のうち、ストッパ６０を基点として最も小さい回転角度（最小ボトム角度θ１）が電気角で１２０°以上１３０°以下である。これにより、ステッピングモータ１へ供給される電流が遮断された後にもメータの指針を初期位置に保持するとともに、ステッピングモータ１において回転むらを低減することができる。
【０１０３】
また、実施形態に係るステッピングモータ１において、第１相（Ａ相）と第２相（Ｂ相）との位相差θが電気角で９０°以上である。これにより、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１を最適な範囲に容易に含ませることができる。
【０１０４】
また、実施形態に係るステッピングモータ１において、第１ステータ（Ａ相ステータ２１）により形成される第１相（Ａ相）における励磁ベクトルの大きさ（振幅値｜Ａ｜）と、第２ステータ（Ｂ相ステータ２２）により形成される第２相（Ｂ相）における励磁ベクトルの大きさ（振幅値｜Ｂ｜）との比率（振幅比｜Ａ｜／｜Ｂ｜）が０．９５以上１．０１以下である。これにより、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１を最適な範囲に容易に含ませることができる。
【０１０５】
また、実施形態に係るステッピングモータ１において、第１相（Ａ相）と第２相（Ｂ相）との位相差θが電気角で９０°以上９８°以下である。これにより、コギングエネルギーの最小ボトム角度θ１を最適な範囲に容易に含ませることができる。
【０１０６】
また、実施形態に係るステッピングモータ１は、メータの指針を回動させる。これにより、指針表示の信頼性が高いメータを実現することができる。
【０１０７】
また、実施形態に係る自動車は、ステッピングモータ１と、指針を有するメータと、ステッピングモータ１に電流を供給する外部電源と、を備えても構わない。これにより、指針表示の信頼性が高いメータが搭載された自動車を実現することができる。
【０１０８】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【０１０９】
１    ステッピングモータ
２    制御部
１０  ロータ
１１  シャフト
１２  ロータマグネット
１２ａ  第１着磁部
１２ｂ  第２着磁部
１３  スリーブ
１４  ストップ部
１４ａ  接触部
２０  ステータ
２１  Ａ相ステータ
２２  Ｂ相ステータ
２３ａ、２３ｂ  カップ状ヨーク
２３ａａ、２３ｂａ、２４ａａ、２４ｂａ  極歯
２４ａ、２４ｂ  円板状ヨーク
２５ａ、２５ｂ  ボビン
２６ａ、２６ｂ  コイル
２７ａ〜２７ｄ  端子ピン
３０  エンドプレート
４０  フロントプレート
４１ａ〜４１ｄ  外部端子ピン
４２  固着接点
５０  モールド樹脂
６０  ストッパ
θ    位相差
θ１  最小ボトム角度
【図１】
2018182914.tif 000003
【図２】
2018182914.tif 000004
【図３】
2018182914.tif 000005
【図４】
2018182914.tif 000006
【図５】
2018182914.tif 000007
【図６】
2018182914.tif 000008
【図７】
2018182914.tif 000009
【図８】
2018182914.tif 000010
【図９】
2018182914.tif 000011
【図１０】
2018182914.tif 000012
【図１１】
2018182914.tif 000013
【図１２】
2018182914.tif 000014