(57)【要約】【課題】高速運転に適したクローポール型ステッピングモータを提供する。【解決手段】ロータ１０の外周面には、複数の磁極１３が配置されている。ステータ２０を構成するヨークセット２０Ａ，２０Ｂには、磁極１３に対峙する極歯２１ａ，２２ａが形成されている。ヨークセット２０Ａ，２０Ｂに組込まれたマグネットワイヤ３０にパルス信号を与えることにより、極歯２１ａ，２２ａが励磁されてロータ１０が回転する。ここで、極歯２１ａ，２２ａと磁極１３との間のギャップＧは、少ないほどよいのではなく、磁極１３のピッチの１／６乃至１／４に設定することにより、高速でロータ１０を回転させたときのトルクの減衰量を小さくできる。【選択図】  図１
2005020884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状をなし、外周面の円周方向には複数の磁極が配置されたロータと、
マグネットワイヤと、
前記マグネットワイヤによって励磁される軟磁性体で構成され、前記ロータが貫通する円形の孔が形成されると共に、該孔に面する縁端部には前記複数の磁極に対峙する複数の極歯が形成されたヨークと、
前記ロータを、前記ヨークに対して回転可能に且つ該ロータと前記孔とが共軸になるように支持する支持機構とを備え、
前記複数の磁極と前記複数の極歯との間のギャップは、該複数の磁極のピッチの１／６乃至１／４に設定されていることを特徴とするクローポール型ステッピングモータ。
【請求項２】
前記ヨークと前記マグネットワイヤとを含むセットを複数持ち、該複数のヨークが前記ロータの軸方向に接続されて並ぶことを特徴とする請求項１記載のクローポール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、クローポール型ステッピングモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
クローポール型ステッピングモータは、ロータと、ステータとしてのヨーク及びマグネットワイヤとを備えている。ロータの外周面には、永久磁石で構成された複数の磁極が配置されている。ヨークには、ロータの磁極に対峙する複数の極歯が形成されている。マグネットワイヤにパルス信号を与えることにより、ヨーク及び極歯が励磁され、ロータが所定角度回転する（ステップ動作）。
【０００４】
このようなクローポール型ステッピングモータは、比較的簡単な構造であるにもかかわらず、高精度の位置制御（角度制御）が可能なので、用途も広がりつつある。用途が広がるに従い、位置制御よりも高速性が重視されるケースも増加しつつある。高速性を高めるために、モータの提供者は、ヨークを、高周波対応が可能な磁性ステンレス或いは珪素鋼板により形成する等の対応を取ってきたが、それ以上の対応が困難な状況にある。
【０００５】
クローポール型ステッピングモータにおけるロータの磁極とヨークの極歯との間のギャップは、モータの位置制御と回転トルクの制御に関して重要なファクタとなる。従来の定説では、ロータの磁極とヨークの極歯との間のギャップは極力少ない方が望ましいとされていた。そのため、モータの特性を最大限生かすために、微少な異物による回転障害を防ぐために、最小限のギャップを設けていた。例えば、下記特許文献１の段落（００５０）では、その従来の定説に従い、ステータ極歯とロータマグネットとの間のギャップを０．０５〜０．２５［ｍｍ］、望ましくは０．１０〜０．２０［ｍｍ］としている。
【特許文献１】
特開平１０−２９５０７０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図９は、従来のクローポール型ステッピングモータの課題を説明するための特性図であり、クローポール型ステッピングモータの周波数特性を示している。
【０００７】
ロータに配置された磁極と、ヨークに形成された極歯との間のギャップを０．２［ｍｍ］としたときの回転トルクのトルク値［ｍ−Ｎｍ］とモータに流れる電流の電流値［ｍＡ］とを周波数［ＰＰＳ］を変えて測定すると、トルク値は、図９の特性カーブｔ１のように変化する。電流値は、図９の特性カーブｉ１のように変化する。
同様に、ロータの磁極とヨークの極歯との間のギャップを０．５［ｍｍ］にしたときの回転トルクのトルク値［ｍＮｍ］とモータに流れる電流の電流値［ｍＡ］とを周波数［ＰＰＳ］を変えて測定すると、トルク値は、図９の特性カーブｔ２のように変化する。電流値は、図９の特性カーブｉ２のように変化する。
【０００８】
特性カーブｔ１と特性カーブｔ２とを比較すると、周波数が２００［ＰＰＳ］以下では、特性カーブｔ１が特性カーブｔ２よりも上回っているが、周波数が２００［ＰＰＳ］を越えると、特性カーブｔ１よりも特性カーブｔ２の方が高くなる。換言すると、周波数が２００［ＰＰＳ］を越える場合には、ロータの磁極とヨークの極歯との間のギャップが大きい０．５［ｍｍ］の方が、ギャップが０．２［ｍｍ］の場合よりも、回転トルクが高くなる。このことは、従来の方法では、対応に限界があることを示している。従って、従来の方法に基づいて設計されたクローポール型ステッピングモータでは、高速運転に適さない可能性があった。
【０００９】
本発明は、高速運転に適したクローポール型ステッピングモータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の観点に係るクローポール型ステッピングモータは、円柱状をなし、外周面の円周方向には複数の磁極が配置されたロータと、マグネットワイヤと、前記マグネットワイヤによって励磁される軟磁性体で構成され、前記ロータが貫通する円形の孔が形成されると共に該孔に面する縁端部には前記複数の磁極に対峙する複数の極歯が形成されたヨークと、前記ロータを、前記ヨークに対して回転可能に且つ該ロータと前記孔とが共軸になるように支持する支持機構とを備え、前記複数の磁極と前記複数の極歯との間のギャップは、該複数の磁極のピッチの１／６乃至１／４に設定されていることを特徴とする。
【００１１】
このような構成を採用したことにより、ヨークに形成された複数の極歯とロータの外周面に配置された複数の磁極とが対峙するとともに、その間のギャップが最適化されて、複数の磁極のピッチの１／６乃至１／４になる。これにより、高周波駆動をしても、回転トルクの低下を抑制できる。
【００１２】
なお、前記ヨークと前記マグネットワイヤとを含むセットを複数持ち、該複数のヨークが前記ロータの軸方向に接着されて並んでもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係るクローポール型ステッピングモータの構成例を示す断面図である。図２は、図１中のヨークセットの詳細を示す断面図である。図３は、図１のクローポール型ステッピングモータの組立て状態を示す斜視図である。図４は、ギャップの決め方を示す説明図である。
【００１４】
このクローポール型ステッピングモータは、２相駆動が可能であり、ロータ１０と、ヨークセット２０Ａ及びヨークセット２０Ｂからなるステータ２０とを備えている。
ロータ１０は、回転軸１１が中心に固定された柱状のロータ本体１２と、ロータ本体１２の外周面に配置された複数の磁極１３とを有し、全体として円柱状をなし、その両端から回転軸１１が突出している。各磁極１３は、Ｎ極又はＳ極に着磁された永久磁石でそれぞれ構成され、ロータ１０の外周に沿って、Ｎ極とＳ極とが交互に並ぶように、配置されている。
【００１５】
ヨークセット２０Ａ及びヨークセット２０Ｂは同様の構成であり、各ヨークセット２０Ａ，２０Ｂには、マグネットワイヤ３０が巻回されたボビン３１がそれぞれ組込まれている。
【００１６】
各ヨークセット２０Ａ，２０Ｂは、軟磁性体の例えば電磁軟鉄で構成された板状のヨーク部材２１，２２でそれぞれ形成されている。ヨーク部材２１とヨーク部材２２が対向し、ボビン３１を挟持している。各ヨーク部材２１，２２の中心部には、中心孔がそれぞれ形成されている。ヨーク部材２１の中心孔に面する縁端部からは、ヨーク部材２２側に向かって立つ複数の極歯２１ａが形成されている。ヨーク部材２２の中心孔に面する縁端部からは、ヨーク部材２１側に向かって立つ複数の極歯２２ａが形成されている。
【００１７】
極歯２１ａ及び極歯２２ａは、ボビン３１の中心孔に挿入されている。極歯２１ａと極歯２２ａとは、互いに位相が１８０度ずれており、ボビン３１の中心孔内で重なることはない。ヨーク部材２２の外周側は、極歯２１ａと同じ方向に向けて起こされ、その先端がヨーク部材２１と接合されている。このヨーク部材２２の外周側に囲まれて、ボビン３１がヨークセット２０Ａ，２０Ｂ内に収容される。
【００１８】
ヨークセット２０Ａのヨーク部材２１とヨークセット２０Ｂのヨーク部材２１とが共軸に接続され、ヨークセット２０Ａ及びヨークセット２０Ｂとが、全体として円筒形のステータ２０を構成している。ステータ２０の中心孔に、ロータ１０が挿入されている。
【００１９】
ヨークセット２０Ａのヨーク部材２２のヨーク部材２１の反対側には、フロントプレート４１が取付けられている。フロントプレート４１には、軸受４２が取付けられ、軸受４２によってロータ１０から露出した回転軸１１の一端側が回転可能に支持されている。
【００２０】
ヨークセット２０Ｂのヨーク部材２２のヨーク部材２１の反対側には、エンドプレート４３が取付けられている。エンドプレート４３には、軸受４４が取付けられ
、軸受４４によって、ロータ１０から露出した回転軸１１の他端側が回転可能に支持されている。
【００２１】
軸受４２と軸受４４とにより、ロータ１０は、ステータ２０の中心孔に同軸に支持されている。そして、ヨークセット２０Ａの極歯２１ａ及び極歯２２ａとロータ１０の磁極１３とが、ギャップＧをあけて対峙するとともに、ヨークセット２０Ｂの極歯２１ａ及び極歯２２ａとロータ１０の磁極１３とが、ギャップＧをあけて対峙する。
【００２２】
各極歯２１ａ，２２ａとロータ１０の磁極１３との間のギャップＧの値は、図４のように、ロータ１０の外周面に円周方向に配置された複数の磁極１３のピッチＰの１／６乃至１／４から選定された値に設定されている。
【００２３】
ギャップＧの値を、ピッチＰの１／６乃至１／４に決めるに当たり、出願人等は、次の実験（１），（２）を行っている。図５は、実験（１）で用意したモータの仕様を示す説明図である。図６は、実験（２）で用意したモータの仕様を示す図である。図７は、実験（１）の実験結果を示す特性図である。図８は、実験（２）の実験結果を示す特性図である。
【００２４】
実験（１）
公称外径３５φのクローポール型ステッピングモータの磁極１３の数は、２４極であり、ロータ１０の標準の外径は１８［ｍｍ］である。そして、標準のステータ２０の内径は１８．４［ｍｍ］であり、ギャップＧは０．２［ｍｍ］である。
そこで、ステータ２０の内径は、標準のままとし、ロータ１０の外径を図５のように、１８．０［ｍｍ］から１７．６［ｍｍ］、１７．２［ｍｍ］、１６．９［ｍｍ］と小さくすることにより、ギャップＧの値を０．２［ｍｍ］から０．４［ｍｍ］、０．６［ｍｍ］、０．７５［ｍｍ］と変化させたモータを用意し、周波数を３００［ＰＰＳ］から８００［ＰＰＳ］まで変化させて回転トルクを測定した。
【００２５】
その結果、図７のように、ギャップＧが０．２［ｍｍ］の標準のモータの回転トルクの周波数特性が図７の特性カーブｔ３になるのに対し、ギャップＧが０．４［ｍｍ］のモータの回転トルクの周波数特性は、特性カーブｔ４となり、周波数が６００［ＰＰＳ］を越えると、それまでとは逆転し、ギャップＧが０．４［ｍｍ］のモータの方が標準のモータよりも回転トルクが高くなる。
【００２６】
また、ギャップＧが０．６［ｍｍ］のモータの回転トルクの周波数特性は、特性カーブがｔ５となって、周波数が７００［ＰＰＳ］を越えると、標準のモータよりも回転トルクが高くなる。一方、ギャップＧが０．７５［ｍｍ］のモータの回転トルクの周波数特性は、特性カーブｔ６となり、周波数が８００［ＰＰＳ］の近傍では標準のモータとほぼ等しい回転トルクが得られるが、周波数が８００［ＰＰＳ］以下では、標準のモータよりも回転トルクが低くなる。
従って、ギャップＧが０．４［ｍｍ］，０．６［ｍｍ］のモータは、標準のモータよりも、高速特性が優れていると言える。
【００２７】
実験（２）
公称外径２５φのクローポール型ステッピングモータの磁極１３の数は、１２極であり、ロータ１０の標準の外径は１２［ｍｍ］である。そして、標準のステータ２０の内径は１２．４［ｍｍ］であり、ギャップＧは０．２［ｍｍ］である。
【００２８】
そこで、ステータ２０の内径は、標準のままとし、ロータ１０の外径を図６のように、１２．０［ｍｍ］から１１．４［ｍｍ］、１１．０［ｍｍ］、１０．６［ｍｍ］と小さくすることにより、ギャップＧの値を０．２［ｍｍ］から０．５［ｍｍ］、０．７［ｍｍ］、０．９［ｍｍ］と変化させたモータを用意し、周波数を１００［ＰＰＳ］から５００［ＰＰＳ］まで変化させて回転トルクを測定した。
【００２９】
その結果、図８のように、ギャップＧが０．２［ｍｍ］の標準のモータの回転トルクの周波数特性が図８の特性カーブｔ７になるのに対し、ギャップＧが０．５［ｍｍ］のモータの回転トルクの周波数特性は、特性カーブｔ８となり、周波数が２５０［ＰＰＳ］を越えると、それまでとは逆転し、ギャップＧが０．５［ｍｍ］のモータの方が標準のモータよりも回転トルクが高くなる。
【００３０】
また、ギャップＧが０．７［ｍｍ］のモータの回転トルクの周波数特性が特性カーブｔ９となって、周波数が２５０［ＰＰＳ］を越えると、標準のモータよりも回転トルクが高くなる。ギャップＧが０．９［ｍｍ］のモータの回転トルクの周波数特性は、特性カーブｔ１０となり、周波数が３５０［ＰＰＳ］を越えると、標準のモータよりも回転トルクが高くなる。
従って、ギャップＧが０．５［ｍｍ］，０．９［ｍｍ］のモータは、標準のモータよりも、高速特性が優れていると言える。
【００３１】
以上の実験（１）及び実験（２）の結果を、ギャップＧと磁極１３のピッチＰとの比を用いて評価すると、少なくとも、ギャップＧの値が磁極１３のピッチＰの１／６乃至１／４の範囲に入れば、高速駆動に適したモータになる。
【００３２】
次に、図１〜図４を用いて説明したクローポール型ステッピングモータの動作を説明する。
ステータ２０のヨークセット２０Ａに組込まれたマグネットワイヤ３０にパルス信号を与えることにより、ヨークセット２０Ａの極歯２１ａ，２２ａが励磁される。励磁されたヨークセット２０Ａの極歯２１ａ，２２ａとロータ１０の複数の磁極１３との間に吸引力と反発力とが発生し、これがロータ１０を回転させる駆動力となる。
【００３３】
ヨークセット２０Ｂに組込まれたマグネットワイヤ３０にパルス信号を与えることにより、ヨークセット２０Ｂの極歯２１ａ，２２ａが励磁される。励磁されたヨークセット２０Ｂの極歯２１ａ，２２ａとロータ１０の複数の磁極１３との間に吸引力と反発力とが発生し、これがロータ１０を回転させる駆動力となる。
【００３４】
ヨークセット２０Ａのマグネットワイヤ３０に与えるパルス信号とヨークセット２０Ｂのマグネットワイヤ３０に与えるパルス信号の位相をずらし、且つ両方のパルス信号が同時に与えられるラップ期間を設けると、そのラップ期間では、ヨークセット２０Ａの極歯２１ａ，２２ａによって発生する駆動力とヨークセット２０Ｂの極歯２１ａ，２２ａによって発生する駆動力とがロータ１０に与えられる。ロータ１０は、与えられた駆動力に応じて回転する。これにより、角度分解能の高い駆動が可能になる。
【００３５】
パルス信号の周波数を高くすることにより、ロータ１０も高速に回転する。則ち、高速運転状態になる。
本実施形態のクローポール型ステッピングモータは、極歯２１ａ，２２ａと磁極１３との間のギャップＧを、磁極１３のピッチＰの１／６乃至１／４に設定しているので、高速運転状態になっても、回転トルクの減衰が少なく、高速運転に適している。
【００３６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、ヨーク部材２１，２２には、電磁軟鉄以外の軟磁性体でもよく、例えば珪素鋼板等で形成してもよい。
フロントプレート４１，エンドプレート４３は、省略してもよい。
ヨークセット２０Ａ，２０Ｂの数は、２に限定されず、クローポール型ステッピングモータの運転形態（相数）によって決めてよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、極歯と磁極との間のギャップを、磁極のピッチの１／６乃至１／４に設定したので、高速運転に適したクローポール型ステッピングモータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るクローポール型ステッピングモータを示す断面図である。
【図２】図１中のヨークセットの詳細を示す断面図である。
【図３】図１のクローポール型ステッピングモータの組み立て状態を示す斜視図である。
【図４】ギャップの決め方を示す説明図である。
【図５】実験（１）で用いたモータの仕様を示す説明図である。
【図６】実験（２）で用いたモータの仕様を示す説明図である。
【図７】実験（１）の実験結果を示す特性図である。
【図８】実験（２）の実験結果を示す特性図である。
【図９】従来の課題を説明するための特性図である。
【符号の説明】
１０                ロータ
１１                回転軸
１２                ロータ本体
１３                磁極
２０                ステータ
２０Ａ，２０Ｂ      ヨークセット
２１，２２          ヨーク部材
２１ａ，２２ａ      極歯
３０                マグネットワイヤ
３１                ボビン
Ｐ                  ピッチ
Ｇ                  ギャップ
【図１】
2005020884.tif 000003
【図２】
2005020884.tif 000004
【図３】
2005020884.tif 000005
【図４】
2005020884.tif 000006
【図５】
2005020884.tif 000007
【図６】
2005020884.tif 000008
【図７】
2005020884.tif 000009
【図８】
2005020884.tif 000010
【図９】
2005020884.tif 000011