(57)【要約】【課題】ホールディングトルクやプルイン／アウトトルクを大きく下げずに、ディテントトルクを小さくし、角度精度を向上させるとともに、振動を抑え、静音化を実現すること【解決手段】対向配置されたくし歯状磁極２１ｂ，２１ｃが形成されたヨーク２１ａとコイル２１ｄとの組が２段以上重ねられて構成されたステータ２１，２２と、Ｎ極とＳ極のロータ磁極ＲＰが交互に多極着磁された永久磁石ロータ２３とを備えたステッピングモータ２０において、各段ステータ２１，２２のそれぞれについて、２つのくし歯状磁極を構成する極歯のうち少なくとも１つの極歯ＰＴ１を磁気経路とする磁束が、他の極歯を磁気経路とする磁束よりも小さくなるように、極歯ＰＴ１を構成した。【選択図】　　　図４
2004112863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置されたくし歯状磁極が形成されたヨークとコイルとの組が、２段以上重ねられて構成されたステータと、
Ｎ極とＳ極のロータ磁極が交互に多極着磁された永久磁石ロータと、
を備えたクローポール型のステッピングモータにおいて、
前記各段のステータのそれぞれについて、前記２つのくし歯状磁極を構成する極歯のうち少なくとも１つの所定極歯を磁気経路とする磁束が、他の極歯を磁気経路とする磁束よりも小さくなるように、前記所定極歯を構成したことを特徴とするステッピングモータ。
【請求項２】
前記所定極歯の大きさが、前記他の極歯の大きさよりも小さい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】
前記所定極歯と前記永久磁石ロータとのギャップが、前記他の極歯と前記永久磁石ロータとのギャップよりも大きくなるように、前記所定極歯が前記ヨークに形成されていること特徴とする請求項１または２に記載のステッピングモータ。
【請求項４】
前記所定極歯が前記ヨークから除去されてい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５】
前記各段ステータのそれぞれについて、前記永久磁石ロータを構成するロータ磁極のうちの少なくとも１つの所定ロータ磁極と前記くし歯状磁極との間に形成される磁束が、他のロータ磁極と前記くし歯状磁極との間に形成される磁束よりも小さくなるように前記所定ロータ磁極を構成したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のステッピングモータ。
【請求項６】
前記所定ロータ磁極の一部が肉薄に形成されるか、或いは前記所定ロータ磁極が前記永久磁石ロータから除去されていることを特徴とする請求項５に記載の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、ＯＡ機器，コンピュータ周辺機器，産業機器等に使用されるクローポール型のステッピングモータに関し、より具体的には、くし歯状磁極を構成する極歯または永久磁石ロータに形成されたロータ磁極にシンプルな改変を加えるのみで、ホールディングトルクやプルイン／アウトトルクを大きく下げることなくディテントトルクを小さくし、角度精度を向上させるとともに振動を抑え、かつ、静音化を実現することができるステッピングモータに関する。
【０００２】
【発明の背景】
ステッピングモータは、入力するパルスの数に比例して回転駆動する電動機である。そのため、オープンループ制御での駆動が可能であり、フィードバック機能が不要となる結果、磁極位置センサを設ける必要もない。従って、低コストで単純なシステムを構築できる。
【０００３】
クローポール型の従来のステッピングモータの一例としては、図１に示すような構成のものがある。図１に示すように、２段構成されたＡ相ステータ１１，Ｂ相ステータ１２と、永久磁石ロータ１３とを備えている。
【０００４】
Ａ相ステータ１１は、ヨーク１１ａに取り付けられたくし歯状磁極１１ｂとコイル（Ａ相コイル）１１ｃを備えており、くし歯状磁極１１ｂは、極歯の列が対向して噛み合う向きに配置されて構成されている。Ｂ相ステータ１２も同様に、ヨーク１２ａに取り付けられたくし歯状磁極１２ｂとコイル（Ｂ相コイル）１２ｃを備えており、くし歯状磁極１２ｂは、極歯の列が対向して噛み合う向きに配置されて構成されている。図１に示す構成のステッピングモータ１０では、極歯は全て同一形状としてある。また、永久磁石ロータ１３には、図示はされていないが円周方向にＮ極とＳ極（ロータ磁極）とが交互に多極着磁されている。
【０００５】
このステッピングモータ１０は、Ａ相コイル１１ｃ，Ｂ相コイル１２ｃにより励磁された極歯と、永久磁石ロータ１３に形成されたロータ磁極との間に力を発生させる。Ａ相及びＢ相の通電を順次切り替えることにより永久磁石ロータ１３を回転させ、トルク（プルイントルク）を発生している。
【０００６】
一方、無通電時ロータ磁極と極歯との間には、永久磁石ロータ１３を安定点へ引き込む吸引力が生成され、永久磁石ロータ１３が安定点からずれると、永久磁石ロータ１３を安定点に戻す保持トルク、すなわちディテントトルクが発生する。
【０００７】
しかし、ステッピングモータが搭載される機器自身の高性能化に伴い、位置決めに高い角度精度が要求され、またプリンタ，スキャナ等のコンピュータ周辺機器での振動に伴う騒音低減の要求は日増しに高まっている。
【０００８】
角度精度を向上させたり、振動を低減するために、ディテントトルクを下げることが有効である。永久磁石ロータ１３とくし歯状磁極１１ｂとの間の空隙を大きくすることでディテントトルクを下げることができる。しかし、永久磁石ロータ１３と、くし歯状磁極１１ｂとの間の空隙を大きくし過ぎると、ホールディングトルクやプルイン／アウトトルクが大幅に下がってしまい実用に適さなくなる。
【０００９】
そこで、ディテントトルクを下げる等のために、図２（ａ）に示すように、各ステータそれぞれについて、一方のくし歯状磁極１１ｂを構成する極歯ＰＴ０１の形状と、他方のくし歯状磁極１１ｂを構成する極歯ＰＴ０２の形状とを非対称とする技術や、図２（ｂ）に示すように、Ａ相ステータの極歯ＰＴ０３，ＰＴ０４の中心角とＢ相ステータの極歯ＰＴ０５の中心角を、理論的な電気角よりも所定角異ならせる（図中α≠βとする）技術や、図２（ｃ）に示すように、極歯ＰＴ０６の形状を裾広がりに形成する技術が提案されている（たとえば、特許文献１，特許文献２，特許文献３等参照）。
【００１０】
しかし、図２（ｂ），（ｃ）に示す技術では、極歯ＰＴの形状精度に加工上のバラツキが生じることがある。さらに、図２（ｂ）に示す技術では、Ａ相とＢ相の電気角のずらし量に対するディテントトルクの変動量が大きくなることがある。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−１２７０２４号公報
【特許文献２】
特開平９−２８０７２号公報
【特許文献３】
特開平８−２９８７６６号公報
【００１２】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、くし歯状磁極を構成する極歯、さらには永久磁石ロータに形成されたロータ磁極にシンプルな改変を加えるのみで、ホールディングトルクやプルイン／アウトトルクを大きく下げることなくディテントトルクを小さくすることができ、かつ、角度精度を向上させ、これによりモータの振動を抑えて静音化を実現することができるステッピングモータを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のクローポール型のステッピングモータは、対向配置されたくし歯状磁極が形成されたヨークとコイルとの組が２段以上重ねられて構成されたステータと、Ｎ極とＳ極のロータ磁極が交互に多極着磁された永久磁石ロータとを備えたもので、前記各段ステータのそれぞれについて、前記２つのくし歯状磁極を構成する極歯のうち少なくとも１つの所定極歯を磁気経路とする磁束が、他の極歯を磁気経路とする磁束よりも小さくなるように、前記所定極歯を構成したことを特徴とする。なお、本発明では、ステータの段数を３段以上とすることもできるが、通常は２段とされる。
【００１４】
通過する磁束が小さくなる所定極歯（以下、「小磁束極歯」と言う）は、同一のステータについて１つでもよいし、２つ以上であってもよい。もちろんそれ以外の構成でも良い。
【００１５】
通常は、１つのステータについて１つの小磁束極歯を設けるだけで、本発明の効果を奏することができる。すなわち、２つのくし歯状磁極の何れか一方に形成された極歯の１つを小磁束極歯とするだけで、ディテントトルクを小さくできる。ただし、各ステータに設ける小磁束極歯の個数は、全てのステータについて同数とする必要がある。たとえば、ステータを２段構成とするステッピングモータにおいて、あるステータに１つの小磁束磁極を設ける場合には、他のステータに設ける小磁束磁極の個数も１つとなる。
【００１６】
従来では、それぞれのステータについて、対向するくし歯状磁極の片側の極歯を全て同一形状としたまま、対向する一方側と他方側の極歯の形状を異ならせることでディテントトルクを小さくすることも行なわれているが（前述した特許文献１（特開平１０−１２７０２４号）参照）、本発明のステッピングモータでは、各ステータについて、くし歯状磁極の一方の極歯を１つまたは２つ、他の極歯と異ならせるのみで、ディテントトルクを小さくすることができる。
【００１７】
また、従来では、Ａ相ステータの極歯ＰＴの中心角とＢ相ステータの中心角を、理論的な電気角よりも所定角異ならせることでディテントトルクを小さくする技術が知られている（前述した特許文献２（特開平９−２８０７２号）参照）。この技術では、ディテントトルクはある程度は低減できるものの、角度誤差やホールディングトルクが励磁の仕方によってアンバランスとなるという問題が生じる。これに対して、本発明のステッピングモータでは、上記のような問題は生じない。
【００１８】
また、本発明のステッピングモータでは、磁束を小さくする極歯の個数が、１つのステータについて、少数（通常、１つまたは２つ）であることから、低速領域でトルクは僅かしか低減しないし、高速領域でのトルクは通常のステッピングモータと同等かそれ以上となる。
【００１９】
小磁束極歯は、その大きさを、他の極歯の大きさよりも小さくすることで実現することができる。また、小磁束極歯は、前記永久磁石ロータとのギャップが、他の極歯と前記永久磁石ロータとのギャップよりも大きくなるように前記ヨークに形成することができる。さらに、本発明のステッピングモータでは、小磁束極歯の大きさをゼロ、すなわち、極歯を前記ヨークから除去することができる。
【００２０】
本発明のステッピングモータでは、上記のように小磁束極歯を構成することに加えて、前記各段ステータのそれぞれについて、前記永久磁石ロータを構成するロータ磁極のうちの少なくとも１つの所定ロータ磁極と前記くし歯状磁極との間に形成される磁束が、他のロータ磁極と前記くし歯状磁極との間に形成される磁束よりも小さくなるように前記所定ロータ磁極を構成することができる。
【００２１】
この場合、ロータ磁極をＶカットの溝を設ける等、前記所定ロータ磁極の一部を肉薄に形成することができる。また、前記所定ロータ磁極の磁化の強さを、他のロータ磁極の磁化の強さよりも弱くすること、あるいは着磁（磁化）をゼロとすることもできる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図３〜図４は、本発明の好適な一実施の形態である対向するくし歯状磁極の極歯のうちの１つの極歯の一部を欠落させたステッピングモータを示している。ここで、図３はステッピングモータの外観説明図である。図３に示すように、本実施の形態におけるステッピングモータ２０は、２段構成されたＡ相ステータ２１，Ｂ相ステータ２２と、永久磁石ロータ２３とを有している。
【００２３】
Ａ相ステータ２１は、ヨーク２１ａとコイル（Ａ相コイル）２１ｄとからなり、ヨーク２１ａには、くし歯状磁極２１ｂ，２１ｃが形成されている。これら２つのくし歯状磁極２１ｂ，２１ｃはそれぞれ複数の極歯（ＰＴ及びＰＴ１）からなる。くし歯状磁極２１ｂに形成された極歯と、くし歯状磁極２１ｃに形成された極歯とは、噛み合う向きに配置されている。
【００２４】
くし歯状磁極２１ｂ，２１ｃを構成する極歯のうち、１つの極歯は一部欠落して構成されている。図３では、一部欠落した極歯（一部欠落極歯）を符号ＰＴ１で示し、それ以外の極歯を符号ＰＴで示してある。
【００２５】
Ｂ相ステータ２２の構成は、Ａ相ステータ２１の構成と同様である。すなわち、Ｂ相ステータ２２は、ヨーク２２ａとコイル（Ｂ相コイル）２２ｄとからなり、ヨーク２２ａには、くし歯状磁極２２ｂ，２２ｃが形成されている。これら２つのくし歯状磁極２２ｂ，２２ｃはそれぞれ複数の極歯（ＰＴ及びＰＴ１）からなり、くし歯状磁極２２ｂに形成された極歯と、くし歯状磁極２２ｃに形成された極歯とは噛み合う向きに配置されている。Ｂ相ステータ２２については、くし歯状磁極２２ｂ，２２ｃを構成する極歯のうち、１つの極歯は一部欠落極歯であるが、この一部欠落極歯は図には表されていない。
【００２６】
永久磁石ロータ２３は、シャフト２３ａを備えた円柱の表面に、軸と平行にＮ極とＳ極のロータ磁極ＲＰが軸に平行に交互に多極着磁された構成をとっている。
【００２７】
図４は、Ａ相ステータ２１のヨーク２１ａに形成される２つのくし歯状磁極２１ｂ，２１ｃの極歯（ＰＴ及びＰＴ１）と、永久磁石ロータ２３に形成されるロータ磁極ＲＰとの位置関係を示す図である。図４では、２つのくし歯状磁極２１ｂ，２１ｃにはそれぞれ６つの極歯が構成され、全１２個の極歯のうちの１つが一部欠落極歯ＰＴ１であり、残りが通常の極歯ＰＴである。永久磁石ロータ２３には、ロータ磁極ＲＰが全２４極着磁されている。なお、図４には、一部欠落極歯を符号ＰＴ１で示す。
【００２８】
図５は、本発明の他の実施の形態であり、極歯のうちの１つと永久磁石ロータ２３とのギャップが、他の極歯とロータとのギャップよりも大きいステッピングモータの説明図である。このステッピングモータの外観の説明は省略する。
【００２９】
図５は、Ａ相ステータ２１のヨーク２１ａに構成される２つのくし歯状磁極２１ｂ，２１ｃと、永久磁石ロータ２３のロータ磁極との位置関係を示している。図５では、２つのくし歯状磁極２１ｂ，２１ｃにはそれぞれ６つの極歯が構成され、永久磁石ロータ２３には、ロータ磁極ＲＰが全２４極着磁されている。くし歯状磁極２１ｂを構成する極歯のうち１つの極歯ＰＴ２（大ギャップ極歯）と永久磁石ロータ２３とのギャップは、他の極歯ＰＴと永久磁石ロータ２３とのギャップよりも大きくなるように設定されている。図５では、Ａ相ステータ２１のヨーク２１ａに形成したくし歯状磁極２１ｂ，２１ｃについてのみ示すが、Ｂ相ステータ２２のヨーク２２ａのくし歯状磁極２２ｂ，２２ｃについても、それらを構成する極歯のうちの１つが大ギャップ極歯ＰＴ２として構成されている。
【００３０】
図６（ａ）は、厚みが、他の極歯の厚みよりも薄い極歯（肉薄極歯ＰＴ３）を備えたくし歯状磁極を持つステッピングモータの説明図、図６（ｂ）は、極歯のうちの１つを除去したくし歯状磁極（極歯除去部をＰＴ４で示す）を持つステッピングモータの説明図である。
【００３１】
図６（ａ）では、Ａ相ステータのヨークに形成したくし歯状磁極２１ｂ，２１ｃについてのみ示すが、Ｂ相ステータのヨークのくし歯状磁極についても、それらを構成する極歯のうち１つ肉薄極歯ＰＴ３として構成する。同様に、図６（ｂ）では、Ａ相ステータのヨークに形成したくし歯状磁極２１ｂ，２１ｃについてのみ示すが、Ｂ相ステータのヨークのくし歯状磁極についても、それらを構成する極歯のうち１つの極歯を除去する。これらの場合にも、結果としてディテントトルクが低減され、低振動、低騒音が実現される。
【００３２】
図７（ａ），（ｂ）は永久磁石ロータ２３を構成するロータ磁極のうちの１つのロータ磁極にＶ字溝を形成することで一部を肉薄としたステッピングモータの説明図である。このステッピングモータでは、ステータを通常のステータとして使用することもできるし、上述したステータと組合せて使用することもできる。なお、このステッピングモータの外観の説明は省略する。
【００３３】
図７（ａ）では、ロータ磁極のうちの１つ（ＲＰ１）の表面側にＶ字溝が形成され、図７（ｂ）ではロータ磁極のうちの１つ（ＲＰ１）の裏面側にＶ字溝が形成されている。図７（ａ），（ｂ）ではＶ字溝が形成されていないロータ磁極を符号ＲＰで示してある。
【００３４】
図３，図４において説明したステッピングモータの特性評価結果を、図８及び〔表１〕〜〔表３〕により説明する。図８及び〔表１〕〜〔表３〕では、図１に示した通常のステッピングモータを「従来モータ」として示し、図３，図４で説明したステッピングモータを「本発明モータ」として示す。
【００３５】
図８に示すように、本発明モータでは、低周波領域においては、従来モータよりややトルクは小さくなるものの、高周波領域において、従来モータよりトルクが大きくなっている。
【００３６】
本発明モータと従来モータのディテントトルク特性の比較結果を〔表１〕に示す。この表からもわかるように、本発明モータでは、ディテントトルクが大幅に低減している。
【００３７】
【表１】
2004112863.tif 000003
【００３８】
本発明モータと従来モータとの角度精度の評価結果を〔表２〕に示す。この表からもわかるように、本発明モータでは、どの駆動方法でも、大幅に角度精度を向上させることができる。
【００３９】
【表２】
2004112863.tif 000004
【００４０】
本発明モータと従来モータとをインクジェットプリンタのラインフィードモータに使用した場合の、４００ｐｐｓ駆動時の騒音の測定結果を〔表３〕に示す。この表からわかるように、本発明モータでは、従来モータに比べて騒音が４ｄＢＡが低減されている。
【００４１】
【表３】
2004112863.tif 000005
【００４２】
（追記）
本発明は、さらに各段のステータのそれぞれについて、永久磁石ロータを構成するロータ磁極のうちの少なくとも１つの所定ロータ磁極とくし歯状磁極との間に形成される磁束が、他のロータ磁極とくし歯状磁極との間に形成される磁束よりも小さくなるように前記所定ロータ磁極を構成することができる。
【００４３】
さらに、前記所定ロータ磁極の一部が肉薄に形成されるようにするとよい。さらにまた、上記各構成において、前記所定ロータ磁極の磁化の強さが、他のロータ磁極の磁化の強さよりも弱いようにするとよい。
【００４４】
【発明の効果】
ディテントトルクを小さくすることができ、これによりディテントトルクに起因する振動や騒音を小さくできるとともに、角度誤差も小さくすることができる。また、基本的には極歯を１つまたは２つしか加工しないので、ヨーク形成金型の大規模な変更を伴わず、製造が容易となる。したがって、量産に適し、また開発段階での設計変更テストを低コストで行なうこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のステッピングモータを示す外観図である。
【図２】（ａ）は、Ａ相，Ｂ相ステータそれぞれについて、一方のくし歯状磁極を構成する極歯の形状と、他方のくし歯状磁極を構成する極歯の形状とを非対称とする従来技術の説明図である。（ｂ）は、Ａ相ステータの極歯ＰＴの中心角とＢ相ステータの中心角を、理論的な電気角よりも所定角異ならせる従来技術の説明図である。（ｃ）は、極歯の形状を裾広がりに形成する従来技術の説明図である。
【図３】対向するくし歯状磁極の極歯のうちの１つの極歯の一部を欠落させたステッピングモータの説明図である。
【図４】Ａ相ステータのヨークに形成される２つのくし歯状磁極の極歯と、永久磁石ロータのロータ磁極との位置関係を示す図である。
【図５】極歯のうちの１つと永久磁石ロータとのギャップが、他の極歯とロータとのギャップよりも大きいステッピングモータの説明図であり、極歯と永久磁石ロータのロータ磁極との位置関係を示す図である。
【図６】（ａ）は極歯のうちの１つの厚みが、他の極歯の厚みよりも薄いくし歯状磁極を持つステッピングモータの説明図である。（ｂ）は極歯のうちの１つを除去したくし歯状磁極を持つステッピングモータの説明図である。
【図７】永久磁石ロータを構成するロータ磁極のうちの１つのロータ磁極にＶ字溝を形成することで一部を肉薄としたステッピングモータの説明図である。（ａ）はロータ磁極のうちの１つの表面側にＶ字溝が形成された場合を示すである。（ｂ）はロータ磁極のうちの１つの裏面側にＶ字溝が形成された場合を示す図である。
【図８】ステッピングモータの特性評価結果を示すグラフである。
【符号の説明】
２０　ステッピングモータ
２１　Ａ相ステータ
２２　Ｂ相ステータ
２３　永久磁石ロータ
２１ａ，２２ａ　ヨーク
２１ｂ，２１ｃ，２２ｂ，２２ｃ　くし歯状磁極
２１ｄ　Ａ相コイル
２２ｄ　Ｂ相コイル
２３ａ　シャフト
ＰＴ　極歯
ＰＴ１　一部欠落極歯
ＰＴ２　大ギャップ極歯
ＰＴ３　肉薄極歯
ＰＴ４　極歯除去部
ＲＰ，ＲＰ１　ロータ磁極
【図１】
2004112863.tif 000006
【図２】
2004112863.tif 000007
【図３】
2004112863.tif 000008
【図４】
2004112863.tif 000009
【図５】
2004112863.tif 000010
【図６】
2004112863.tif 000011
【図７】
2004112863.tif 000012
【図８】
2004112863.tif 000013