(57)【要約】【課題】安定した特性を維持し、簡潔構造で高速応答を可能とする高速応答型ステッピングモータを提供する。【解決手段】本発明の高速応答型ステッピングモータは、軟磁性材の鋼板を折り曲げ内周に沿って形成した極歯１２が互いに組み合わされた２個のステータヨーク１１、１３の内側にコイルを挟み込みステータユニット１０Ａを構成し、ステータユニット１０Ａが２個背中合わせに固定されたステータアッシィと、界磁用ロータマグネット２４を外周に有し極歯１２と対向してステータアッシィに配設されたロータ２０とを備え、２個のステータヨーク１１、１３が嵌合する嵌合部１３ｂの長さＬａの合計をステータヨーク１１、１３の極歯の根元の長さＬｂの合計の２倍以下とすることとした。【選択図】　　　図１
2004104921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性材の鋼板を折り曲げ内周に沿って形成した極歯が互いに組み合わされた２個のステータヨークの内側にコイルを挟み込みステータユニットを構成し、前記ステータユニットが２個背中合わせに固定されたステータアッシィと、界磁用ロータマグネットを外周に有し前記極歯と対向して前記ステータアッシィに配設されたロータとを備え、前記２個のステータヨークが嵌合する嵌合部の長さの合計を前記ステータヨークの極歯の根元の長さの合計の２倍以下とすることを特徴とする高速応答型ステッピングモータ。
【請求項２】
一方の前記ステータヨークはカップ形状とし、他方の前記ステータヨークは前記カップ形状のステータヨークの内側に嵌合する環状形状とし、前記環状形状のステータヨークの外周形状により前記嵌合部の長さの設定を行うことを特徴とする請求項１に記載の高速応答型ステッピングモータ。
【請求項３】
前記環状形状のステータヨークは、外周に沿って予め定めた間隔で切欠部を形成し、前記嵌合部の長さの設定を行うことを特徴とする請求項２に記載の高速応答型ステッピングモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステッピングモータに関し、さらに詳しくは高速応答が可能な簡潔構造の高速応答型ステッピングモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年ＰＭ型ステッピングモータは、その制御性の良さから各種機器のアクチュエータとして利用範囲は拡大の一途を辿っているが、各種機器の高性能化に伴い、ＰＭ型ステッピングモータにも高速応答性が求められている。
【０００３】
図６は、従来のＰＭ型ステッピングモータの斜視図を示し、図６（Ａ）は、従来のＰＭ型ステッピングモータの分解斜視図であり、図６（Ｂ）は、従来のＰＭ型ステッピングモータに用いられるステータの分解斜視図である。
【０００４】
図６（Ａ）に示すように、従来のＰＭ型ステッピングモータは、互いに背中合わせに固定された第１のステータユニット３０Ａと第２のステータユニット３０Ｂと、第１のステータユニット３０Ａと第２のステータユニット３０Ｂとに回転自在に配設され、界磁用ロータマグネット４４を外周に有するロータ４０とで構成されている。
【０００５】
図６（Ｂ）に示すように、第１のステータユニット３０Ａは、上下に組合わされた上部ステータヨーク３１と下部ステータヨーク３３と、励磁用のコイル部３５とで構成されている。上部ステータヨーク３１と下部ステータヨーク３３は、内側の円周縁に沿って抜き起こしにより複数の極歯３２が形成されている。第１のステータユニット３０Ａに背中合わせに固定される第２のステータユニット３０Ｂも同様の構成となっている。
【０００６】
いずれのステータヨークにおいても、極歯はステッピングモータに要求される１回転のステップ数に対応した数の極歯が等間隔に配列されており、第１のステータユニット３０Ａと第２のステータユニット３０Ｂは、それぞれ上部ステータヨーク３１と下部ステータヨーク３３との上下に対向する極歯３２どうしが互いに電気角で１８０°ずれて配列されている。また、第１のステータユニット３０Ａの極歯３２と第２のステータユニット３０Ｂの極歯３２どうしは電気角で９０°ずれるような位置関係で配置されており、第１のステータユニット３０Ａと第２のステータユニット３０Ｂにより、ロータ４０を回転駆動することができる。
【０００７】
ＰＭ型ステッピングモータの動きは、コイル部３５の通電により上部ステータヨーク３１と下部ステータヨーク３３の極歯３２がＮ極とＳ極に励磁され、これに対応して界磁用ロータマグネット４４によりロータ４０が回転軸４１を中心として回転するもので、その出力は、全周積分された磁極の値となる。第１のステータユニット３０Ａと第２のステータユニット３０Ｂの磁路は、コイル部３５の通電により発生した磁束が上部ステータヨーク３１か下部ステータヨーク３３かの一方の極歯３２のＮ極から出て界磁用ロータマグネット４４のＳ極に入り、界磁用ロータマグネット４４のＮ極から反対側のステータヨークの極歯３２のＳ極に入ってステータヨークの外周まで行き嵌合されている反対側のステータに帰る経路となる。
【０００８】
ここで磁束の最も集中するところ、所謂磁束密度が最も高くなるところは上部ステータヨーク３１と下部ステータヨーク３３の極歯３２の根元であり、他の部分は磁路の断面積も大きく磁束密度は低くなっている。基本的に磁路における磁束の量は、磁束密度の最も高い位置（場所）で制限されるため、他の部分はインダクタンスとして存在し鉄損を大きくするだけで不要であるが、実際には強度上の構造体として、また、磁気シールドとして磁気的には余分な部分を存在させている。
【０００９】
従って、従来のＰＭ型スッテピングモータは、上部ステータヨーク３１と下部ステータヨーク３３どうしの嵌合量が多くなり、インダクタンスが大きくなっている。そのため電気時定数が大きくなり高速応答のための高周波駆動では、電流の立ち上がりに時間が掛かり規定時間内では十分な電流を流すことができず、回転を継続するだけのトルクが発生できずに停止し高速応答の要求に応えられないでいた。
【００１０】
また、上部ステータヨーク３１と下部ステータヨーク３３の嵌合は、一方のカップ形状に形成された上部ステータヨーク３１の内側面３１ａと、他方の環状形状に形成された下部ステータヨーク３３の外周面３３ａとを嵌め合せるが、全面を嵌合させるには非常に高い寸法精度が必要なことと、カップ状形状に形成された上部ステータヨーク３１に各種切欠きがあり真円性が悪いがために実際には隙間があり、嵌合のレベルがバラツキ、磁気抵抗を安定させることが不可能であった。そのため、特性のバラツキが大きくなる傾向があり、上部ステータヨーク３１と下部ステータヨーク３３との嵌合を安定させることができずコストパフォーマンスの悪いものとなっていた。
【００１１】
さらに、高速応答を必要とする機器には、ハイブリッド型のステッピングモータを用いることもできるが、ロータとステータヨークの構造が極めて複雑であり、また、ＤＣモータなどを用い回転角検出用などの各種センサーを配してクローズドループ制御を行っているものもあるがやはり極めて複雑であり、極めて高価で時代の要求する低価格で高性能な装置には使用できないという問題もあった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものであって、安定した特性を維持し、簡潔構造で高速応答を可能とする高速応答型ステッピングモータを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の高速応答型ステッピングモータは、軟磁性材の鋼板を折り曲げ内周に沿って形成した極歯が互いに組み合わされた２個のステータヨークの内側にコイルを挟み込みステータユニットを構成し、前記ステータユニットが２個背中合わせに固定されたステータアッシィと、界磁用ロータマグネットを外周に有し前記極歯と対向して前記ステータアッシィに配設されたロータとを備え、前記２個のステータヨークが嵌合する嵌合部の長さの合計を前記ステータヨークの極歯の根元の長さの合計の２倍以下とした。
【００１４】
また、本発明の高速応答型ステッピングモータは、一方の前記ステータヨークをカップ形状とし、他方の前記ステータヨークを前記カップ形状のステータヨークの内側に嵌合する環状形状とし、前記環状形状のステータヨークの外周形状により前記嵌合部の長さの設定を行うこととした。
【００１５】
さらに、本発明の高速応答型ステッピングモータは、前記環状形状のステータヨークが、外周に沿って予め定めた間隔で切欠部を形成し、前記嵌合部の長さの設定を行うこととした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータの構成図である。
【００１８】
図１に示すように、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータは、ＰＭ型のステッピングモータであり、１と２は亜鉛メッキ鋼板を打抜いて造られたフランジ、３は含油合金からなる軸受、１１は軟磁性材の鋼板を３次元的にカップ状に折曲げ内周に極歯１２を持つカップ形状の上側ステータヨーク、１５はポリウレタン銅線などを巻回して構成したコイル、１４はコイル１５を保持するボビン、１３は軟磁性材の鋼板を抜き起こし、内周に極歯１２を持つ環状形状の下側ステータヨークで、第１のステータユニット１０Ａは、上側ステータヨーク１１と下側ステータヨーク１３とでボビン１４に保持されたコイル１５を挟み組み合わされる。第２のステータユニット１０Ｂは、第１のステータユニット１０Ａと同一構成であり、第１のステータユニット１０Ａと背中合わせに固定される。第１のステータユニット１０Ａと第１のステータユニット１０Ｂとでステータアッシィが構成される。
【００１９】
２１は回転中心となるシャフト、２４は外周に着磁が施されて形成された複数の磁極を持ち、上側ステータヨーク１１と下側ステータヨーク１３の極歯１２と対向して配設される界磁用ロータマグネット、２３は界磁用ロータマグネット２４とシャフト２１を締結保持するスリーブである。シャフト２１と、界磁用ロータマグネット２４と、スリーブ２３とでロータ２０が構成され、ロータ２０は、回転中心となるシャフト２１を基準としてスリーブ２３を圧入固定し、スリーブ２３の外周に接着材を塗布し界磁用ロータマグネット２４を同軸となるように挿入し接着固定して製造される。
【００２０】
ロータ２０は、界磁用ロータマグネット２４が第１のステータユニット１０Ａと第２のステータユニット１０Ｂの極歯１２と微小間隔で対向するように、フランジ１にカシメ固定された含油合金から成る軸受３にシャフト２１が下側から挿入されてフランジ１が第１のステータユニット３０Ａにプラズマ溶接などにより固定され、フランジ２にカシメ固定した軸受（図示せず）にシャフト２１が上側から挿入されフランジ２が第２のステータユニット３０Ｂにプラズマ溶接などにより固定され、第１のステータユニット１０Ａと第２のステータユニット１０Ｂとに回転自在に取り付けられる。
【００２１】
図２は、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータで使用される第１のステータユニット１０Ａの断面図である。
【００２２】
図２に示すように、第１のステータユニット１０Ａは、カップ形状に形成された上側ステータヨーク１１の内側面と、環状形状に形成された下側ステータヨーク１３の外周面とで嵌め合せ嵌合させている。この嵌合により、上側ステータヨーク１１の内側面と下側ステータヨーク１３の外周面とは断続的に嵌合する。又、上側ステータヨーク１１と下側ステータヨーク１３とが嵌合したとき、上側ステータヨーク１１と下側ステータヨーク１３の極歯１２どうしが等間隔で組み合うように配置される。上側ステータヨーク１１と下側ステータヨーク１３の内側には、コイル１５が納められている。なお、図１に示す第２のステータユニット１０Ｂは、第１のステータユニット１０Ａと背中合わせに重ね、高分子材料を用いたモールド成形などの手法により一体化している。
【００２３】
図３は、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータで使用される環状形状に形成された下側ステータヨークの平面図である。
【００２４】
図３に示すように、環状形状に形成された下側ステータヨーク１３は、外周に沿って予め定めた間隔で切欠部１３ａが形成され、切欠部１３ａの形成により嵌合部１３ｂが形成されている。下側ステータヨーク１３の嵌合部１３ｂは、図１に示すカップ形状に形成された上側ステータヨーク１１の端部の内側面に嵌合面１３ｃで嵌合する。切欠部１３ａにより嵌合を全周ではなく数箇所として、嵌合部１３ｂの長さＬａの合計である嵌合長を、極歯１２の根元の長さＬｂの合計の長さの２倍以下とした。そのため、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータは、必要以上のインダクタンスを抑えることができ、上側ステータヨーク１１や下側ステータヨーク１３の寸法精度を上げることなく嵌合が安定できるため、磁気結合が安定し低価格で高速応答を行うことができる。
【００２５】
図４は、本発明に関わる高速応答型ステッピングモータにおいて嵌合長によるインダクタンスの変化とトルクの変化を表すグラフである。
【００２６】
図４に示すように、このグラフは、図３で説明した極歯の合計の長さを基準とした嵌合長との嵌合長比率に対するインダクタンスの変化とトルクの変化を変化率として表している。図４のグラフから明らかなように、嵌合長比率が低くなると、即ち嵌合長が短くなればインダクタンスは減少し、トルクは嵌合長比率２、即ち極歯長さの２倍以下はあまり変化していないことが分かる。
【００２７】
図５は、従来のＰＭ型ステッピングモータと本発明の高速応答型ステッピングモータの嵌合長の違いによる特性を示すグラフである。
【００２８】
このグラフは、本発明の高速応答型ステッピングモータを３２ステップとして嵌合長比率を１．３としたときの回転周波数に対するトルクと電流の関係を従来品（嵌合長比率２．４）と比較している。Ｔｊは、従来のＰＭ型ステッピングモータのトルク特性を示し、Ｔｎは、本発明の高速応答型ステッピングモータのトルク特性を示し、Ｉｊは、従来のＰＭ型ステッピングモータの電流特性を示し、Ｉｎは、本発明の高速応答型ステッピングモータの電流特性を示す。
【００２９】
本発明の高速応答型ステッピングモータは、従来のＰＭ型ステッピングモータに対し電流は全体的に多めではあるが、従来のＰＭ型ステッピングモータに対し特に高速域でトルク特性が良くなっていることが分かる。
【００３０】
なお、本発明の実施の形態では、環状形状に形成された下側ステータヨーク１３の外周に沿って予め定めた間隔で切欠部１３ａを形成し、嵌合部１３ｂの長さの設定を行っているが、カップ形状に形成された上側ステータヨーク１１の外周の下端に切欠部を形成することもできる。
【００３１】
さらに、本発明の実施の形態では、インナーロータ型であるＰＭ型ステッピングモータにつき説明したが、当然ながら、本発明の骨子はアウターロータ型のステッピングモータにも適用することができるる。
【００３２】
以上述べたごとく、本発明の実施の形態によればＰＭ型ステッピングモータは、安定した特性を維持し、簡潔構造で高速応答を可能とすることができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の高速応答型ステッピングモータは、軟磁性材の鋼板を折り曲げ内周に沿って形成した極歯が互いに組み合わされた２個のステータヨークの内側にコイルを挟み込みステータユニットを構成し、前記ステータユニットが２個背中合わせに固定されたステータアッシィと、界磁用ロータマグネットを外周に有し前記極歯と対向して前記ステータアッシィに配設されたロータとを備え、前記２個のステータヨークが嵌合する嵌合部の長さの合計を前記ステータヨークの極歯の根元の合計の長さの２倍以下としたため、高速応答性の阻害要因であるインダクタンスの最適化と、ステータヨークどうしの嵌合の安定化ができ、安定した特性を維持し、低価格で高速応答を可能とすることができる。
【００３４】
また、本発明の高速応答型ステッピングモータは、一方の前記ステータヨークをカップ形状とし、他方の前記ステータヨークを前記カップ形状のステータヨークの内側に嵌合する環状形状とし、前記環状形状のステータヨークの外周形状により前記嵌合部の長さの設定を行うこととしたため、嵌合部の長さの設定を的確にでき、ステータヨークどうしの嵌合を安定することができる。
【００３５】
さらに、本発明の高速応答型ステッピングモータは、前記環状形状のステータヨークが、外周に沿って予め定めた間隔で切欠部を形成し、前記嵌合部の長さの設定を行うこととしたため、嵌合部の長さの設定をより的確にでき、ステータヨークどうしの嵌合を安定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる高速応答型ステッピングモータの構成図である。
【図２】本発明に関わる高速応答型ステッピングモータで使用される第１のステータユニット１０Ａの断面図である。
【図３】本発明に関わる高速応答型ステッピングモータで使用される環状形状に形成された下側ステータヨークの平面図である。
【図４】本発明に関わる高速応答型ステッピングモータにおいて嵌合長によるインダクタンスの変化とトルクの変化を表すグラフである。
【図５】従来のＰＭ型ステッピングモータと本発明の高速応答型ステッピングモータの嵌合長の違いによる特性を示すグラフである。
【図６】従来のＰＭ型ステッピングモータの斜視図を示し、図６（Ａ）は、従来のＰＭ型ステッピングモータの分解斜視図であり、図６（Ｂ）は、従来のＰＭ型ステッピングモータに用いられるステータの分解斜視図である。
【符号の説明】
１、２　フランジ
３　軸受
１０Ａ　第１のステータユニット
１０Ｂ　第２のステータユニット
１１　上側ステータヨーク
１２　極歯
１３　下側ステータヨーク
１３ａ　切欠部
１３ｂ　嵌合部
１３ｃ　嵌合面
１４　ボビン
１５　コイル
２１　シャフト
２３　スリーブ
２４　界磁用ロータマグネット
２０　ロータ
【図１】
2004104921.tif 000003
【図２】
2004104921.tif 000004
【図３】
2004104921.tif 000005
【図４】
2004104921.tif 000006
【図５】
2004104921.tif 000007
【図６】
2004104921.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成14年10月23日(2002.10.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟磁性材の鋼板を折り曲げ内周に沿って形成した極歯が互いに組み合わされた２個のステータヨークの間にコイルを挟み込みステータユニットを構成し、前記ステータユニットが２個背中合わせに固定されたステータアッシィと、その中心には界磁用ロータマグネットを外周に有し前記極歯と対向して前記ステータアッシィに配設されたロータとを備えた構成で、前記２個のステータヨークが嵌合する嵌合部の長さの合計を前記ステータヨークの極歯の根元の長さの合計の２倍以下とすることを特徴とする高速応答型ステッピングモータ。
【請求項２】
一方の前記ステータヨークはカップ形状とし、他方の前記ステータヨークは前記カップ形状のステータヨークの内側に嵌合する環状形状とし、前記環状形状のステータヨークの外周形状により前記嵌合部の長さの設定を行うことを特徴とする請求項１に記載の高速応答型ステッピングモータ。
【請求項３】
前記環状形状のステータヨークは、外周に沿って予め定めた間隔で切欠部を形成し、前記嵌合部の長さの設定を行うことを特徴とする請求項２に記載の高速応答型ステッピングモータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
図６は、従来のＰＭ型ステッピングモータの斜視図を示し、図６（Ａ）は、従来のＰＭ型ステッピングモータの軸受部を除いた分解斜視図であり、図６（Ｂ）は、従来のＰＭ型ステッピングモータに用いられるステータの分解斜視図である。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の高速応答型ステッピングモータは、軟磁性材の鋼板を折り曲げ内周に沿って形成した極歯が互いに組み合わされた２個のステータヨークの間にコイルを挟み込みステータユニットを構成し、前記ステータユニットが２個背中合わせに固定されたステータアッシィと、その中心には界磁用ロータマグネットを外周に有し前記極歯と対向して前記ステータアッシィに配設されたロータとを備えた構成で、前記２個のステータヨークが嵌合する嵌合部の長さの合計を前記ステータヨークの極歯の根元の長さの合計の２倍以下とした。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
なお、本発明の実施の形態では、環状形状に形成された下側ステータヨーク１３の外周に沿って予め定めた間隔で切欠部１３ａを形成し、嵌合部１３ｂの長さの設定を行っているが、カップ形状に形成された上側ステータヨーク１１の外周の下端に切欠部を形成することもできる。また、切欠きの形状も種々考えられるので、これらも本発明の範疇である。