(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の極歯が向き合うようにして設けられた２個のステータを、前記ステータのそれぞれの前記極歯が電気角で９０°違いとなるよう背中合わせにして２相構造としたステータＡＳＳＹと、前記極歯と微小間隔で対向して配置し、前記ステータの極歯の間隔と、多極着磁した磁極の幅とを予め設定した幅関係で異なるようにした界磁用ロータマグネットとを備え、
複数の前記磁極は同一幅とし磁極数をＰとしたとき、１相分の前記ステータの極歯間隔は、（磁極１周期間隔（３６０°÷（Ｐ／２））±第３次高調波の半周期間隔（３６０°÷（Ｐ／２）×１／６））÷２として、前記極歯の配置を前記ステータの中心に対し点対称となるよう配し、極歯間隔調整部として前記極歯の数が半分となる位置での間隔を他の位置での極歯間隔と異ならせたことを特徴とするＰＭ型ステッピングモータ。
【請求項２】
複数の極歯が向き合うようにして設けられた２個のステータを、前記ステータのそれぞれの前記極歯が電気角で９０°違いとなるよう背中合わせにして２相構造としたステータＡＳＳＹと、前記極歯と微小間隔で対向して配置し、前記ステータの極歯の間隔と、多極着磁した磁極の幅とを予め設定した幅関係で異なるようにした界磁用ロータマグネットとを備え、
１相分の前記ステータの前記極歯は等間隔とし極歯数をｎとしたとき、前記界磁用ロータマグネットの磁極数は前記ステータの前記極歯数と同一として、前記磁極の幅は、（極歯１周期間隔（３６０°÷（ｎ／２））±第３次高調波の半周期間隔（３６０°÷（ｎ／２）×１／６））÷２とし、さらに磁極Ｎ、Ｓの各１極づつを磁極幅調整極として他の磁極幅と異ならせたことを特徴とするＰＭ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、ＰＭ型ステッピングモータの構造に関し、さらに詳しくはステータの極歯の構成及び界磁用ロータマグネットの磁極の構成に関する。
【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、静粛性と振動の低減が求められている。ところが、ＰＭ型ステッピングモータの基本構造から動きはステップ状となり振動的な動きとならざるを得ないため、静粛性と振動低減の要求に応えられないでいた。
【０００３】
また、マイクロステップなどの制御技術の向上により高分解能化（多ステップ化）が行われるようになったが、前述の通りモータ自身の動きはステップ状でステップごとの動きも時間に対する変位置が一定ではなく、しかも、動きの方向も一定にはならないため制御が難しく、精密な制御を必要とする機器の場合には、ＤＣモータなどを用いた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。そのためこれらの制御を行う機器は高価な物となり、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でいた。
【０００４】
ＰＭ型ステッピングモータの動きは、コイルの通電によりステータの極歯がＮ極とＳ極に励磁され、これに対応してロータとなる界磁用ロータマグネットが軸を中心として回転するもので、その出力は、磁極の全周積分されたものとなる。そのため従来構造のように、ステータの極歯間隔と界磁用磁石の磁極幅の関係が周方向で一致していると、磁気的結合が良くなり最大出力が得られるが、動きはステップ状となり振動的になる。この動きにより発生する逆起電力（Ｂ−ＥＭＦ）をＦＦＴ（高速フーリエ変換）してみると、基本波に対して高調波、特に第３次高調波の成分が大きくなっている。これを抑えることにより時間当たりの変位置が一定となる動きになるが、これをどのように達成するかが最大の問題である。
【０００５】
【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、軸の回転が一定速度になるようにしステップごとの変位置に安定した動作を行い、低振動で低騒音の多ステップ化に適した簡潔構造のＰＭ型ステッピングモータを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のＰＭ型ステッピングモータは、複数の極歯が向き合うようにして設けられた２個のステータを、前記ステータのそれぞれの前記極歯が電気角で９０°違いとなるよう背中合わせにして２相構造としたステータＡＳＳＹと、前記極歯と微小間隔で対向して配置し、前記ステータの極歯の間隔と、多極着磁した磁極の幅とを予め設定した幅関係で異なるようにした界磁用ロータマグネットとを備え、複数の前記磁極は同一幅とし磁極数をＰとしたとき、１相分の前記ステータの極歯間隔は、（磁極１周期間隔（３６０°÷（Ｐ／２））±第３次高調波の半周期間隔（３６０°÷（Ｐ／２）×１／６））÷２として、前記極歯の配置を前記ステータの中心に対し点対称となるよう配し、極歯間隔調整部として前記極歯の数が半分となる位置での間隔を他の位置での極歯間隔と異ならせることとした。
【０００７】
また、本発明の複数の極歯が向き合うようにして設けられた２個のステータを、前記ステータのそれぞれの前記極歯が電気角で９０°違いとなるよう背中合わせにして２相構造としたステータＡＳＳＹと、前記極歯と微小間隔で対向して配置し、前記ステータの極歯の間隔と、多極着磁した磁極の幅とを予め設定した幅関係で異なるようにした界磁用ロータマグネットとを備え、１相分の前記ステータの前記極歯は等間隔とし極歯数をｎとしたとき、前記界磁用ロータマグネットの磁極数は前記ステータの前記極歯数と同一として、前記磁極の幅は、（極歯１周期間隔（３６０°÷（ｎ／２））±第３次高調波の半周期間隔（３６０°÷（ｎ／２）×１／６））÷２とし、さらに磁極Ｎ、Ｓの各１極づつを磁極幅調整極として他の磁極幅と異ならせることとした。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１０】
図１は、本発明に係わるＰＭ型ステッピングモータの構造図を示す。
【００１１】
図１に示すように、１はステンレス鋼板を打抜いて造られたフランジ、２は含油合金からなる軸受、３、３'は軟磁性材の鋼板を３次元的にドーナツ状に折曲げ、その内周にそれぞれ極歯１０、１０'を持つステータヨーク、４はコイルを保持するボビン、５はポリウレタン銅線などを巻回して構成したコイル、６、６'はそれぞれ２個のステータヨーク３、３'でコイル５を挟んだステータ、７はステータ６、６'を２個背中合わせにして構成したステータＡＳＳＹ、８は回転中心となるシャフト、９は極歯１０、１０'と対向して外周に多極着磁した複数の磁極１１（図３、５参照）を持つ界磁用ロータマグネット、１２は界磁用ロータマグネット９とシャフト８を締結保持するスリーブを示す。
【００１２】
図２は、ステータ６の断面図を示す。
【００１３】
ステータ６は、ドーナツ状に構成されたステータヨーク３とステータヨーク３'の外周で嵌合するように構成し、嵌合させたとき極歯１０が等間隔で噛み合うように極歯１０'が配置されている。ステータ６の中には、コイル５を巻回したボビン４を納めている。ステータ６'（図１参照）も同様にして構成される。
【００１４】
なお、ステータＡＳＳＹ７（図１参照）は、２個のステータ６、６'を背中合わせに重ねるとき、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構造としている。
【００１５】
図３は、本発明に係わるＰＭ型ステッピングモータの縦断面図を示す。
【００１６】
図３に示すように、ロータ２２は回転中心となるシャフト８を基準としてスリーブ１２を圧入固定し、その外周に接着材を塗布し界磁用ロータマグネット９を同軸となるように挿入し接着固定している。このように構成したロータ２２は、界磁用ロータマグネット９の外周に所定の多極着磁を施して、２個のステータ６、６'を背中合わせに重ねて構成したステータＡＳＳＹ７の極歯１０、１０'と微小間隔を開けて磁極１１を対向するように配置している。
【００１７】
また、含油合金から成りそれぞれフランジ１、１５にカシメ固定した軸受２、１６をシャフト８に挿入し、ロータ２２がステータＡＳＳＹ７の極歯１０と同軸となるようにして配して、プラズマ溶接などによりフランジ１、１５をそれぞれステータ６、６'に固定している。
【００１８】
図４は、本発明の最も重要な要素であるステータ６、６'の展開図を示し、図４（ａ）は、従来と同じ２０ステップのステータ６、６'を示し、図４（ｂ）は、極歯間隔Ｗを３０°としたときのステータ６、６'を示し、図４（ｃ）は、極歯間隔Ｗを４２°としたときのステータ６、６'を示す。
【００１９】
図４（ａ）に示すように、ステータ６の極歯１０は３６°ごとに１０個が配置され、その間隔は従来の界磁用ロータマグネットの磁極幅と同一である。なお、ステータ６'も同様構成で、ステータＡＳＳＹ７ではステータ６とステータ６'のそれぞれの極歯１０、１０'が、電気角で９０°のずれとなるようにして背中合わせにして構成しいる。
【００２０】
これに対し本発明は、図４（ｂ）と図４（ｃ）に示すように、界磁用ロータマグネット９は従来と同じ１０等分で磁極数Ｐを１０極としたとき、ステータ６、６'の極歯間隔Ｗ＝（磁極１周期間隔（３６０°÷（Ｐ／２））±第３次高調波の半周期間隔（３６０°÷（Ｐ／２）×１／６））÷２を用い算出した３０°または４２°を基にして構成している。
【００２１】
図４（ｂ）に示すように、極歯間隔Ｗを３０°としたときは、ステータ６、６'は、それぞれ、ステータ６、６'で必要な極歯１０、１０'の１０個のうち半分の５個を３０°間隔として次の５個との間隔を６０°として点対称となるよう構成している。
【００２２】
図４（ｃ）に示すように、極歯間隔Ｗを４２°としたときは、ステータ６、６'は、それぞれ、極歯１０、１０'が必要数の１０個を設けることができないため８個として、それぞれ４個の極歯１０、１０'を４２°の間隔で配置し次の４個との間隔を５４°として点対称となるよう構成している。なお、当然であるが、ステータＡＳＳＹ７の構成は上記内容で構成した２個のステータ６、６'を電気角で９０°の位相差となるようにして背中合わせに重ねて構成している。
【００２３】
なお、ステータ６、６'の極歯１０、１０'の数を変えることもでき、この場合は回転数が変わらないため扱いやすくすることができる。
【００２４】
以上、このように構成することにより、磁極とずらした極歯で、界磁用ロータマグネット９の界磁磁石とステータの間で鎖交する磁束に含まれる第３次高調波を夫々に打消し合って激減させることができ、その結果、コギングの小さな低振動でしかも低騒音の制御性の良いＰＭ型ステッピングモータを構成することができる。
【００２５】
図５は、図４同様２０ステップのＰＭ型ステッピングモータにおける界磁用ロータマグネット９の磁極構成を示し、図５（ａ）は、算出した磁極幅Ａを３０°としたときの磁極構成を示し、図５（ｂ）は、算出した磁極幅Ａを４２°としたときの磁極構成を示す。
【００２６】
ステータ６、６'（図４参照）は、それぞれ極歯１０、１０'（図４（ａ）参照）の配置を従来と同じように１０個等間隔に配置し、２個のステータ６、６'を電気角で９０°位相をずらし２相構造とし、界磁用ロータマグネット９の磁極幅を変えたものである。ステータ６、６'の極歯１０、１０'の極歯数をnとしたとき、磁用ロータマグネット９の磁極数は従来と同じ１０極として、磁極幅Ａ＝（極歯１周期間隔（３６０°÷（ｎ／２））±第３次高調波の半周期間隔（３６０°÷（n／２）×１／６））÷２を用いて算出した３０°と４２°の磁極構成を示している。
【００２７】
図５（ａ）に示すように、算出した磁極幅Ａが３０°のときには、必要極数を１０極にしているため、４極を３０°の同一幅として５極目の幅を６０°とし、次に６極目から続く４極を３０°の同一幅として、１０極目を６０°として点対称に磁極構成している。なお、磁極幅Ａの全てを３０°の同一幅で構成しても良いがこの場合は極数が１２極となり回転数は変わることとなる。
【００２８】
図５（b）に示すように、算出した磁極幅Ａが４２°のときには、４極を４２°の同一幅、次を１２°、続く４極を４２°の同一幅、次を１２°として磁極Ｎ、Ｓの各１極づつを磁極幅調整極として他の磁極幅と異ならせ、ステータ６、６'の中心に対し点対称となるよう配している。
【００２９】
なお、上記説明では、界磁用ロータマグネット９の磁極数を従来と同じとしたが、式を満たせば変えることもできる。ただし、磁極数を変えた場合には回転数は変わることとなる。
【００３０】
以上、このように構成することにより、極歯とずらした磁極でステータと界磁磁石の間で鎖交する磁束に含まれる第３次高調波を夫々に打消し合って激減させることができ、その結果、コギングの小さな低振動で、しかも低騒音の制御性の良いＰＭ型ステッピングモータを構成することができる。
【００３１】
図６は、２４ステップ／回転の本発明品と従来品とのコギングトルクを比較したグラフを示す。
【００３２】
図６に示すように、本発明品は滑らかであることが良く判る。
【００３３】
図７は、本発明品と従来品とのコギングトルクに関する特性のグラフを示し、図７（ａ）は、コギングトルクのＦＦＴ（高速フ−リエ変換）を比較したグラフを示し、図７（b）は、逆起電力の第３次高調波の含有率を比較したグラフを示す。
【００３４】
図７（ａ）と図７（ｂ）に示すように、本発明品は、従来品に比べ高調波成分が少なく、特にコギングトルクに関係する第３次高調波が少ないことが良く判る。
【００３５】
図８は、本発明品と従来品との角度精度（ポジショニング精度）を比較したグラフを示す。
【００３６】
図８に示すように、本発明品は、従来品との間に遜色の無いことが判る。
【００３７】
なお、当然ながら、本発明の骨子はアウターロータ型の物にも十分適用できるものであり、本発明の範囲に含まれることは明白である。
【００３８】
以上述べたごとく、本発明のＰＭ型ステッピングモータは、界磁用ロータマグネットの磁極幅と、ステータの極歯間隔を一致させないで、第３次高調波をキャンセルするように構成し、低振動で低騒音、しかも多ステップ化に適した高性能な簡潔構造にすることができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のＰＭ型ステッピングモータは、複数の極歯が向き合うようにして設けられた２個のステータを、前記ステータのそれぞれの前記極歯が電気角で９０°違いとなるよう背中合わせにして２相構造としたステータASSYと、前記極歯と微小間隔で対向して配置し、前記ステータの極歯の間隔と、多極着磁した磁極の幅とを予め設定した幅関係で異なるようにした界磁用ロータマグネットとを備えた構成としたため、コギングトルクの基である第３次高調波成分を激減させ、軸の回転が一定速度になるようにしステップごとの変位置に安定した動作を行い、時代の要求する低振動で低騒音の多ステップ化に適した簡潔構造とすることができる。
【００４０】
詳しくは、複数の前記磁極は同一幅とし磁極数をＰとしたとき、１相分の前記ステータの極歯間隔は、（磁極１周期間隔（３６０°÷（P／２））±第３次高調波の半周期間隔（３６０°÷（P／２）×１／６））÷２として、前記極歯の配置を前記ステータの中心に対し点対称となるよう配し、極歯間隔調整部として前記極歯の数が半分となる位置での間隔を他の位置での極歯間隔と異ならせることとしたため、磁極とずらした極歯で、界磁用ロータマグネット９の界磁磁石とステータの間で鎖交する磁束に含まれる第３次高調波を夫々に打消し合って激減させることができ、その結果、コギングの小さな低振動でしかも低騒音の制御性の良いＰＭ型ステッピングモータとすることができる。
【００４１】
さらに他の方法として、１相分の前記ステータの前記極歯は等間隔とし極歯数をｎとしたとき、前記界磁用ロータマグネットの磁極数は前記ステータの前記極歯数と同一として、前記磁極の幅は、（極歯１周期間隔（３６０°÷（ｎ／２））±第３次高調波の半周期間隔（３６０°÷（ｎ／２）×１／６））÷２とし、さらに磁極Ｎ、Ｓの各１極づつを磁極幅調整極として他の磁極幅と異ならせることとしたため、極歯とずらした磁極でステータと界磁磁石の間で鎖交する磁東に含まれる３次高調波を夫々に打消し合って激減させることができ、その結果、コギングの小さな低振動で、しかも低騒音の制御性の良いＰＭ型ステッピングモータとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＰＭ型ステッピングモータの構造図を示す。
【図２】ステータの断面図を示す。
【図３】本発明に係わるＰＭ型ステッピングモータの縦断面図を示す。
【図４】ステータの展開図を示し、図４（ａ）は、従来と同じ２０ステップのステータを示し、図４（ｂ）は、極歯間隔を３０°としたときのステータを示し、図４（ｃ）は、極歯間隔を４２°としたときのステータを示す。
【図５】２０ステップのＰＭ型ステッピングモータにおける界磁用ロータマグネットの磁極構成を示し、図５（ａ）は、算出した磁極幅を３０°としたときの磁極構成を示し、図５（ｂ）は、算出した磁極幅を４２°としたときの磁極構成を示す。
【図６】２４ステップ／回転の本発明品と従来品とのコギングトルクを比較したグラフを示す。
【図７】本発明品と従来品とのコギングトルクに関する特性のグラフを示し、図７（ａ）は、コギングトルクのＦＦＴ（高速フ−リエ変換）を比較したグラフを示し、図７（ｂ）は、逆起電力の第３次高調波の含有率を比較したグラフを示す。
【図８】本発明品と従来品との角度精度（ポジショニング精度）を比較したグラフを示す。
【符号の説明】
１、１５  フランジ
２、１６  軸受
３、３'  ステータヨーク
４  ボビン
５  コイル
６、６'  ステータ
７  ステータＡＳＳＹ
８  シャフト
９  界磁用ロータマグネット
１１  磁極
１２  スリーブ
２２  ロータ
１０、１０'  極歯
【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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【図７】
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【図８】
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