(57)【要約】【課題】必要なトルクを確保できるように、回転軸方向における永久磁石の厚みを的確に設定したステッピングモータを提供する。【解決手段】ステッピングモータ３は、円筒状に形成された永久磁石３５を有するロータ３４と、界磁巻線３３と界磁巻線３３によって励磁されるヨーク３２とを有するステータ３１とを備え、エアギャップＧを介して永久磁石３５の外周をヨークが囲繞するように構成され、ロータ３４の回転軸方向におけるヨーク３２の厚みＴ２に対して回転軸方向における永久磁石３５の厚みＴ１が所定の比率で設定され、所望の慣性モーメントを有する負荷を所望の角加速度でロータ３４が回動できるように、永久磁石３５の厚みＴ１の上限値と厚みの下限値が決定され、上限値と下限値の間に永久磁石３５の厚みＴ１が設定されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状に形成された永久磁石を有するロータと、
界磁巻線と該界磁巻線によって励磁されるヨークとを有するステータとを備え、
エアギャップを介して前記永久磁石の外周を前記ヨークが囲繞するように構成され、
前記ロータの回転軸方向における前記ヨークの厚みに対して該回転軸方向における前記永久磁石の厚みが所定の比率で設定され、
所望の慣性モーメントを有する負荷を所望の角加速度で前記ロータが回動できるように、前記永久磁石の前記厚みの上限値と該厚みの下限値が決定され、
前記上限値と前記下限値の間に前記永久磁石の前記厚みが設定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】
前記永久磁石は、希土類系磁石であることを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ。
【請求項３】
前記永久磁石は、ネオジウム−鉄−ボロン系磁石であることを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータ。
【請求項４】
５ミリメートルから７ミリメートルの間に前記永久磁石の前記厚みが設定されていることを特徴とする請求項３に記載のステッピングモータ。
【請求項５】
円筒状に形成された永久磁石を有するロータと、界磁巻線と該界磁巻線によって励磁されるヨークとを有するステータとを備え、エアギャップを介して該永久磁石の外周を該ヨークが囲繞するように構成され、該ロータの回転軸方向における該ヨークの厚みに対して該回転軸方向における該永久磁石の厚みが所定の比率で設定されたステッピングモータの製造方法であって、
所望の慣性モーメントを有する負荷を所望の角加速度で前記ロータが回動できるように、前記永久磁石の前記厚みの上限値と該厚みの下限値が決定され、
前記上限値と前記下限値の間に前記永久磁石の前記厚みが設定されていることを特徴とするステッピングモータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単位角度毎に回動可能なステッピングモータとその製造方法に関するもので、車両に搭載される指針駆動に用いて好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、車両用計器の指針を回動する駆動源として、ステッピングモータを用いている。ステッピングモータは、円筒状に形成された永久磁石を有するロータと、界磁巻線と界磁巻線によって励磁されるヨークとを有するステータとを備え、エアギャップを介して永久磁石の外周をヨークが囲繞するように構成されている（特許文献１を参照）。
【０００３】
具体的に、界磁巻線に励磁電流を流すことによってヨークに発生した磁束を、永久磁石に作用させて、永久磁石に磁気力を発生させ、これにより、トルクをロータに発生させる。ロータに発生したトルクによって、ステッピングモータは指針を回動する。
【０００４】
近年、指針に対する加飾化の要請が高まり、指針の大型化や３次元形状化が進んでいる。これにより、指針の慣性モーメントが増大し、指針がアンバランス化する傾向にあり、このため、ロータに生じるトルクを大きくする必要が生じている。
【特許文献１】特開平１０−２１５５６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、界磁巻線に励磁電流を流すことよって磁束を永久磁石に作用させて、永久磁石に磁気力を発生させ、これにより、トルクをロータに発生させる。このため、永久磁石に大きな磁気力を発生させることができれば、必要なトルクを確保することが可能になる。ロータの回転軸方向における永久磁石の厚みを大きく設定し、それに伴なって回転軸方向におけるヨークの厚みを大きく設定すれば、ヨークから永久磁石が受け取る磁束が増加する。永久磁石に生じる磁気力が、永久磁石が受け取る磁束に比例するため、これにより、永久磁石に生じる磁気力を大きくでき、必要なトルクを確保することが可能となる。
【０００６】
しかし、永久磁石の厚みの上限値と下限値とを決定する設計パラメータについて記載された例がなく、この厚みの設定基準が不明なため、この厚みを的確に設定することが困難である。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、必要なトルクを確保できるように、回転軸方向における永久磁石の厚みを的確に設定したステッピングモータとその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成する為に以下の技術的手段を採用する。
【０００９】
本発明の請求項１に記載のステッピングモータは、円筒状に形成された永久磁石を有するロータと、界磁巻線と界磁巻線によって励磁されるヨークとを有するステータとを備え、エアギャップを介して永久磁石の外周をヨークが囲繞するように構成され、ロータの回転軸方向におけるヨークの厚みに対して回転軸方向における永久磁石の厚みが所定の比率で設定され、所望の慣性モーメントを有する負荷を所望の角加速度でロータが回動できるように、永久磁石の厚みの上限値と厚みの下限値が決定され、上限値と下限値の間に永久磁石の厚みが設定されていることを特徴とする。
【００１０】
この構成では、ヨークの厚みに対して永久磁石の厚みが所定の比率で設定され、所望の慣性モーメントを有する負荷を所望の角加速度で回動できるように決定された上限値と下限値の間に、永久磁石の厚みが設定されている。
【００１１】
ここで、永久磁石の厚みが厚くなれば、永久磁石の厚みに対して所定の比率で設定されているヨークの厚みも、それに伴なって厚くなる。このため、ヨークから永久磁石が受け取る磁束が増加するため、永久磁石に生じる磁気力が大きくなり、ロータからのトルクが増加する。これにより、所望の角加速度でロータが回動できる負荷の慣性モーメント（以下、許容負荷慣性モーメントと称する）は大きくなる。
【００１２】
しかし、永久磁石の厚みが厚くなると、ロータの慣性モーメントも増加するため、永久磁石の厚みが所定値以上になると、許容負荷慣性モーメントが小さくなる。即ち、永久磁石の厚みが所定値のときに、許容負荷慣性モーメントは極大になる。
【００１３】
このため、所望の許容負荷慣性モーメントに対して、永久磁石の厚みは互いに異なる２つの値、即ち、上限値と下限値で対応できる。この関係を利用して、厚みの上限値と下限値を決定でき、所望の慣性モーメントを有する負荷を所望の角加速度でロータが回動できるように、必要なトルクを確保できる。
【００１４】
この結果、必要なトルクを確保できるように、上限値と下限値の間に永久磁石の厚みを設定できる。即ち、必要なトルクを確保できるように、回転軸方向における永久磁石の厚みを的確に設定したステッピングモータを提供できる。
【００１５】
本発明の請求項２に記載のステッピングモータは、永久磁石が、希土類系磁石であることを特徴とする。
【００１６】
この構成では、高磁気力が得られる希土類系磁石を用いるため、より高トルクを得ることができる。
【００１７】
本発明の請求項３に記載のステッピングモータは、永久磁石が、ネオジウム−鉄−ボロン系磁石であることを特徴とする。
【００１８】
この構成では、より高磁気力が得られるネオジウム−鉄−ボロン系磁石を用いるため、さらに高トルクを得ることができる。
【００１９】
本発明の請求項４に記載のステッピングモータは、５ミリメートルから７ミリメートルの間に永久磁石の厚みが設定されていることを特徴とする。
【００２０】
この構成でも、上述の効果を得ることができる。
【００２１】
本発明の請求項５に記載のステッピングモータの製造方法は、円筒状に形成された永久磁石を有するロータと、界磁巻線と界磁巻線によって励磁されるヨークとを有するステータとを備え、エアギャップを介して永久磁石の外周をヨークが囲繞するように構成され、ロータの回転軸方向におけるヨークの厚みに対して回転軸方向における永久磁石の厚みが所定の比率で設定されたステッピングモータの製造方法であって、所望の慣性モーメントを有する負荷を所望の角加速度でロータが回動できるように、永久磁石の厚みの上限値と厚みの下限値が決定され、上限値と下限値の間に永久磁石の厚みが設定されていることを特徴とする。
【００２２】
この製造方法では、ヨークの厚みに対して永久磁石の厚みが所定の比率で設定され、所望の慣性モーメントを有する負荷を所望の角加速度で回動できるように決定された上限値と下限値の間に、永久磁石の厚みが設定されている。
【００２３】
上述したように、所望の許容負荷慣性モーメントに対して、永久磁石の厚みは互いに異なる２つの値、即ち、上限値と下限値で対応できる。この関係を利用して、厚みの上限値と下限値を決定でき、所望の慣性モーメントを有する負荷を所望の角加速度でロータが回動できるように、必要なトルクを確保できる。
【００２４】
この結果、必要なトルクを確保できるように、上限値と下限値の間に永久磁石の厚みを設定できる。即ち、必要なトルクを確保できるように、回転軸方向における永久磁石の厚みを的確に設定したステッピングモータの製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、自動車用コンビネーションメータの指針駆動に本発明によるステッピングモータを適用した場合を例に図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１に示すコンビネーションメータ１は、自動車の運転席前方であって運転者から視認可能な位置に配設され、自動車の走行速度を表示する速度計２を備える。速度計２は、文字や目盛が形成された文字盤２１と、文字盤２１の前面に沿って回動する指針２２を備える。
【００２７】
図２において、速度計２の回路部を構成するプリント基板４が、文字盤２１の背後に配置され、指針２２を回動させるステッピングモータ３とステッピングモータ３を駆動する制御装置５がプリント基板４に実装される。ステッピングモータ３のシャフト３ａが文字盤２１の貫通孔２１ａを挿通して文字盤２１の前面側に延出し、シャフト３ａの先端に指針２２が固定される。
【００２８】
マイクロコンピュータ等から構成された制御装置５は、走行速度の検出信号に基づいてステッピングモータ３を駆動し、これにより、シャフト３ａが所定角度だけ回動し、指針２２がこの所定角度だけ回動する。
【００２９】
ステッピングモータ３は、図３に示すように、ステータ３１とロータ３４と減速ギア３７，３８、および、これらを収容するケース３０、および、シャフト３ａを備える。減速ギア３７，３８は、互いに噛合するように構成され、ロータ３４の回転速度を減速してシャフト３ａを回動させる。
【００３０】
図４と図５において、ロータ３４は、シャフト３６ａと、シャフト３６ａに固定された回動部３６と、回動部３６に固定された永久磁石３５とを備える。シャフト３６ａは、非磁性金属等から形成され、ケース３０に対して回動可能に固定される。これにより、回動部３６に固定された永久磁石３５は、ケース３０に対して回動可能に構成される。即ち、ケース３０に固定された後述するヨーク３２に対して、シャフト３６ａを回転軸として、永久磁石３５が回動可能に構成される。また、回動部３６は、樹脂等の非磁性材から形成され、永久磁石３５は、円筒状に形成される。
【００３１】
永久磁石３５は、高磁気力が得られるネオジウム−鉄−ボロン系の希土類系磁石から形成され、その周方向にＮ−Ｓ−Ｎ−Ｓ・・・の順で等角度間隔に着磁される。
【００３２】
ステータ３１は、図４に示すように、２個の界磁巻線３３と界磁巻線３３によって励磁されるヨーク３２とを備える。環状のヨーク３２は、ケース３０に固定され、磁性金属、例えば珪素鋼板の薄板を複数枚積層して形成される。ステッピングモータ３は、図４と図５に示すように、エアギャップＧを介して永久磁石３５の外周をヨーク３２が囲繞するように構成される。
【００３３】
具体的に、ヨーク３２は、８個の突極３２ａ、３２ｂを備え、８個の突極３２ａ、３２ｂが、エアギャップＧを介して、永久磁石３５の外周を囲繞する。突極３２ａ、３２ｂは、内側に突出し、円周方向に等角度間隔で８個、即ち４５°間隔で放射状に設けられる。８個の突極３２ａ、３２ｂは、その先端がロータ３４のシャフト３６ａと同心上の円弧上に形成される。８個の突極３２ａ、３２ｂのうち２個の突極３２ａは、互いに９０°の角度間隔で配置され、６個の突極３２ｂよりも径方向長さが長く形成される。界磁巻線３３が、２個の突極３２ａに巻装される。
【００３４】
このように構成したステッピングモータ３において、位相が互いに９０度ずれた余弦波状の励磁電流と正弦波状の励磁電流を、それぞれ、２個の界磁巻線３３に流す。これにより、余弦波状と正弦波状の磁束が、それぞれ、対応する突極３２ａに発生し、永久磁石３５に作用する。このため、永久磁石３５と突極３２ａ間に反発力や吸引力の磁気力が発生し、これにより、ロータ３４にトルクが発生する。ロータ３４のトルクは、減速ギア３７，３８によって回転速度が減速されてシャフト３ａへ伝達される。
【００３５】
ここで、図５において、ヨーク３２からの磁束を永久磁石３５が効率的に受け取ることができるように、ロータ３４の回転軸方向、即ち、シャフト３６ａの回転軸方向におけるヨーク３２の厚みＴ２に対してシャフト３６ａの回転軸方向における永久磁石３５の厚みが所定の比率の２で設定される。
【００３６】
永久磁石３５の厚みＴ１を大きく設定し、永久磁石３５の厚みＴ１に対して１／２の比率で設定されているヨーク３２の厚みＴ２も、それに伴なってを大きく設定すれば、ヨーク３２から永久磁石３５が受け取る磁束が増加する。永久磁石３５に生じる磁気力が、永久磁石３５が受け取る磁束に比例するため、これにより、永久磁石３５に生じる磁気力を大きくできる。このため、所望の角加速度でロータ３４が回動できる負荷である指針２２の慣性モーメント（以下、許容指針慣性モーメントＭＩと称する）は大きくなる。
【００３７】
しかし、永久磁石３５の厚みＴ１が厚くなると、ロータ３４の慣性モーメントも増加するため、永久磁石３５の厚みが所定値以上になると、許容指針慣性モーメントＭＩが小さくなる。即ち、永久磁石３５の厚みＴ１が所定値のときに、許容指針慣性モーメントＭＩは極大になる。
【００３８】
このため、所望の許容指針慣性モーメントＭＩに対して、永久磁石３５の厚みＴ１は互いに異なる２つの値、即ち、上限値と下限値で対応できる。この関係を計算によって求め、図６（ａ）に示す。
【００３９】
図６（ａ）では、ヨーク３２の内径Ｒ２を８．７ｍｍに固定し、且つ、永久磁石３５の外径Ｒ１を８．１ｍｍに固定し、永久磁石３５の厚みＴ１を３ｍｍから９ｍｍまで変化させた場合において、許容指針慣性モーメントＭＩを求めている。尚、永久磁石３５の厚みＴ１の変化に対応させて、ヨーク３２の厚みＴ２を１．５ｍｍから４．５ｍｍまで変化させる。また、界磁巻線３３に流す励磁電流等の条件を所定の条件に固定して、許容指針慣性モーメントＭＩを求めている。
【００４０】
図６（ａ）では、所望の角加速度を、静止状態から３度の角度だけ２ミリ秒間で指針２２を回動させる角加速度としている。例えば、静止状態の０度から３度の角度まで、または、静止状態の３度から６度の角度まで２ミリ秒間で指針２２を回動させる角加速度としている。つまり、７．５×１０５度／秒２の角加速度としている。即ち、図６（ａ）に示した許容指針慣性モーメントＭＩは、減速ギア３７，３８を介して７．５×１０５度／秒２の角加速度でロータ３４が回動させることが可能な指針２２の慣性モーメントとして求められている。
【００４１】
永久磁石３５がネオジウム−鉄−ボロン系の希土類系磁石から形成された場合の計算結果を、実線ＭＩ１で示し、永久磁石３５がフェライト磁石から形成された場合の計算結果を、破線ＭＩ２で示す。実線ＭＩ１の方が破線ＭＩ２より大きいことが、図６（ａ）から理解できる。また、厚みＴ１が６ｍｍの近傍で、許容指針慣性モーメントＭＩが極大になることが、図６（ａ）から理解される。
【００４２】
例えば実線ＭＩ１において、所望の許容指針慣性モーメントＭＩが３０ｇ・ｃｍ２である場合、永久磁石３５の厚みＴ１が互いに異なる５ｍｍと７ｍｍで対応できる。即ち、５ｍｍが厚みＴ１の下限値であり、７ｍｍが厚みＴ１の上限値であり、図６（ａ）に示す関係を利用して、厚みＴ１の上限値と下限値を決定できる。従って、厚みＴ１を５ｍｍと７ｍｍの間に設定すれば、３０ｇ・ｃｍ２の慣性モーメントを有する指針２２を、減速ギア３７，３８を介して７．５×１０５度／秒２の角加速度でロータ３４が回動させることができる。
【００４３】
図６（ｂ）では、図６（ａ）と同一の条件において、ロータ３４に生じるトルクを求めている。永久磁石３５がフェライト磁石から形成され、且つ、厚みＴ１が３ｍｍの場合において、ロータ３４に生じるトルクを１．０としてノーマライズすることによって、図６（ｂ）の縦軸のトルクを求めている。
【００４４】
永久磁石３５がネオジウム−鉄−ボロン系の希土類系磁石から形成された場合の計算結果を、実線ＴＲ１で示し、永久磁石３５がフェライト磁石から形成された場合の計算結果を、破線ＴＲ２で示す。厚みＴ１を大きくすればトルクが増加することが、図６（ｂ）から理解される。また、実線ＴＲ１の方が破線ＴＲ２より大きいことが、図６（ｂ）から理解できる。
【００４５】
厚みＴ１を５ｍｍと７ｍｍの間に設定すれば、ロータ３４から得られるトルクが１．９と２．１の間になることが図６（ｂ）から理解できる。即ち、３０ｇ・ｃｍ２の慣性モーメントを有する指針２２を７．５×１０５度／秒２の角加速度でロータ３４が回動できるように、必要なトルクを図６（ｂ）において１．９と２．１の間のトルクとして確保できる。
【００４６】
上述したように、近年、指針２２に対する加飾化の要請が高まり、指針の大型化や３次元形状化が進んでいる。これにより、指針２２の慣性モーメントが増大し、指針がアンバランス化する傾向にあり、このため、ロータ３４に生じるトルクを大きくする必要が生じている。
【００４７】
本発明では、図６（ａ）に示す関係を利用して厚みＴ１の上限値と下限値を決定でき、これにより、所望の慣性モーメントを有する指針２２を７．５×１０５度／秒２の角加速度でロータ３４が回動できるように、必要なトルクを確保できる。また、この必要なトルクを、図６（ｂ）に示す関係から確認できる。
【００４８】
この結果、必要なトルクを確保できるように、上限値と下限値の間に永久磁石３５の厚みＴ１を設定できる。即ち、必要なトルクを確保できるように、永久磁石３５の厚みＴ１を的確に設定できる。具体的に、永久磁石３５の厚みＴ１を５ｍｍ以上で７ｍｍ以下に設定する。
【００４９】
尚、上述したステッピングモータ３は、車両に搭載されるコンビネーションメータ１の指針２２の駆動に適用した場合を例に説明したが、これに限定する必要は無く、他の民生用機器に搭載されるステッピングモータに本発明を適用することができる。
【００５０】
また、上述の例では、厚みＴ１を５ｍｍ以上で７ｍｍ以下としたが、これに限る必要はない。即ち、所望の許容負荷慣性モーメント（許容指針慣性モーメントＭＩに対応する慣性モーメント）は、ステッピングモータ３が適用される用途に応じて変わり、これに応じて、厚みＴ１の上限値と下限値も変わるからである。
【００５１】
また、所望の角加速度も７．５×１０５度／秒２に限定する必要がない。所望の角加速度も、ステッピングモータ３が適用される用途に応じて変わるからである。
【００５２】
また、上述の例では、永久磁石３５がネオジウム−鉄−ボロン系の希土類系磁石から形成されていたが、これに限る必要はない。即ち、所望の許容負荷慣性モーメントは、ステッピングモータ３が適用される用途に応じて変わるものであり、これに応じて永久磁石３５の材料を選定するからである。
【００５３】
以上説明した本発明によるステッピングモータ３は、円筒状に形成された永久磁石３５を有するロータ３４と、界磁巻線３３と界磁巻線３３によって励磁されるヨーク３２とを有するステータ３１とを備え、エアギャップＧを介して永久磁石３５の外周をヨークが囲繞するように構成され、ロータ３４の回転軸方向におけるヨーク３２の厚みＴ２に対して回転軸方向における永久磁石３５の厚みＴ１が所定の比率で設定され、所望の慣性モーメントを有する負荷を所望の角加速度でロータ３４が回動できるように、永久磁石３５の厚みＴ１の上限値と厚みの下限値が決定され、上限値と下限値の間に永久磁石３５の厚みＴ１が設定されていることを特徴とする。
【００５４】
これにより、必要なトルクを確保できるように、回転軸方向における永久磁石の厚みを的確に設定したステッピングモータを提供できる。
【００５５】
尚、上述の例に限らず、種々の変形例が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によるステッピングモータが搭載されたコンビネーションメータ１の正面図である。
【図２】図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図３は、図２に示したステッピングモータ３の内部の主構造を示す斜視図である。
【図４】図４は、図３に示したステータ３１とロータ３４の平面図である。
【図５】図５は、図１のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図６（ａ）は、許容慣性モーメントＭＩと永久磁石３５の厚みＴ１との関係を示すグラフであり、図６（ｂ）は、ロータ３４が発生するトルクと永久磁石３５の厚みＴ１との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１  コンビネーションメータ
２  速度計、２１  文字盤、２１ａ  貫通孔、２２  指針
３  ステッピングモータ、３ａ、３６ａ  シャフト、３０  ケース
３１  ステータ、３２  ヨーク、３２ａ、３２ｂ  突極、３３  界磁巻線
３４  ロータ、３５  永久磁石、３６  回動部、３７，３８  減速ギア
４  プリント基板、５  制御装置、Ｒ１  外径、Ｒ２  内径、Ｔ１、Ｔ２  厚み
Ｇ  エアギャップ
【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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