(57)【要約】【課題】  高速回転時の発熱を抑えつつ、モータサイズを拡大して出力トルクの向上を図ることができるＰＭ形ステッピングモータを提供する。【解決手段】  円周方向にＳ極、Ｎ極を同一ピッチで交互に着磁した円筒状の永久磁石を備える回転子と、コイルを備えるクローポール形の単位固定子を軸方向に併置して構成される固定子とを備える。各単位固定子の一対のヨーク素子は、極歯が等ピッチで交互に配列するよう組み合わされている。ヨーク素子１３１は、絶縁物である制振樹脂Ｒを挟んで積層された２枚の表皮鋼板Ｓ１、Ｓ２から構成される制振鋼板を打ち抜いて極歯１３１ａを形成し、この極歯１３１ａを周囲のリング部１３１ｂに対して垂直に折り曲げることにより形成されている。【選択図】  図４
2005151741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部の軸方向の両端に配置された一対の軸受を介して該固定部に取り付けられた回転軸に、外周部に円周方向にＳ極、Ｎ極を交互に着磁した円筒状の永久磁石を一体に固定して構成される回転子と、
該回転子の外周に所定の間隙を介して対向し、内周側に前記回転子の磁極に対向する櫛歯状の極歯を有する一対のヨーク素子を前記極歯が交互に配列するよう組み合わせ、組み合わされた一対の前記ヨーク素子の内側にコイルを配置して構成される環状の単位固定子を、軸方向にｎ個(ｎは２以上の整数)併置して前記固定部に取り付けて構成される固定子とを有し、
前記ヨーク素子は、絶縁物を介して積層された複数の鋼板を折り曲げて形成されていることを特徴とする永久磁石形ステッピングモータ。
【請求項２】
前記固定子は、３個の単位固定子から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形ステッピングモータ。
【請求項３】
前記ヨーク素子は、制振樹脂を２枚の表皮鋼板で挟み込んで積層された制振鋼板により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石形ステッピングモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリンタ、高速ファクシミリ、ＰＰＣ用複写機等のＯＡ機器用として好適な永久磁石形（ＰＭ形）ステッピングモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＭ形ステッピングモータには、単相、２相、３相以上といった相数の異なる複数の種類がある。
単相ＰＭ型ステッピングモータは、アナログ時計用の針駆動に主として用いられているが、固定子と回転子の磁極間の磁気パーミアンスや位相を、モータの回転方向が定まるようにずらす必要があり、高速回転や高トルクを必要とされる機器には不向きである。
【０００３】
そこで、プリンタ、高速ファクシミリ、ＰＰＣ用複写機等のＯＡ機器には、２相以上のステッピングモータが使用されている。
図６は、特許文献１に記載された従来の２相ＰＭ形ステッピングモータの縦断側面図である。図６に示す２相ＰＭ形ステッピングモータ１０は、固定部を構成する２枚の平行なプレート１１、１２と、このプレート１１、１２に囲まれた空間内で回転自在に支持された回転子１３と、この回転子１３を囲むようにプレート１１、１２間に配置された固定子１４とを備えている。
回転子１３は、プレート１１の中心に固定された軸受１１aと、プレート１２の中心に固定された軸受１２ａとを介して取り付けられた回転軸１３ａと、この回転軸１３ａに一体に固定され、円周方向にＳ極、Ｎ極を同一ピッチで交互に着磁した円筒状の永久磁石１３ｂとから構成されている。
【０００４】
一方、固定子１４は、軸方向に併置された２つの環状の単位固定子１４ａ、１４ｂを備えている。個々の単位固定子１４ａ、１４ｂは、クローポール形の固定子であり、それぞれ回転子１３の磁極に対向するピッチで形成された櫛歯状の極歯を有する一対のヨーク素子１５、１６を備えている。
【０００５】
ヨーク素子１５は、図７にその一部を示すように、１枚の鋼板を打ち抜いて極歯１５ａを形成し、この極歯１５ａを周囲のリング部１５ｂに対して垂直に折り曲げることにより形成される。他方のヨーク素子１６も、同様にして形成されている。
このようにして形成されたヨーク素子１５、１６を、図８に示すように、極歯が等ピッチで交互に配列するよう対向させ、対向させた一対のヨーク素子の内側にボビン１７に巻かれたコイル１８を配置し、このコイル１８を挟み込むように一対のヨーク素子１５、１６を組み合わせて構成されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−５５９２８号公報  図１５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来のＰＭ形ステッピングモータのサイズを拡大して出力トルクを向上させるには、ヨーク素子１５、１６を形成している鋼板の板厚を厚くして流れる磁束を多くする必要がある。
しかしながら、従来のヨーク素子の板厚を厚くすると、高い周波数で駆動した際に、櫛歯１５ａの部分で鋼板に流れる渦電流損により発熱が大きくなるという問題があった。
このため、高速回転させる場合には、放熱板を取り付ける等の発熱対策が必要であり、コストアップを招いていた。
また、過大な発熱を防ぐため、ＰＭ形ステッピングモータのサイズも直径７０ｍｍ程度が上限であった。
【０００８】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑み、高速回転時の発熱を抑えつつ、モータサイズを拡大して出力トルクの向上を図ることができるＰＭ形ステッピングモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１にかかるＰＭ形ステッピングモータは、固定部の軸方向の両端に配置された一対の軸受を介して固定部に取り付けられた回転軸に、外周部に円周方向にＳ極、Ｎ極を交互に着磁した円筒状の永久磁石を一体に固定して構成される回転子と、回転子の外周に所定の間隙を介して対向し、内周側に回転子の磁極に対向する櫛歯状の極歯を有する一対のヨーク素子を極歯が交互に配列するよう組み合わせ、組み合わされた一対のヨーク素子の内側にコイルを配置して構成される環状の単位固定子を軸方向にｎ個（ｎは２以上の整数）併置して固定部に取り付けて構成される固定子とを有し、ヨーク素子は、絶縁物を介して積層された複数の鋼板を折り曲げて形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２にかかるＰＭ形ステッピングモータは、請求項１の構成を前提として、固定子を、３個の単位固定子から構成したことを特徴とする。
【００１１】
さらに、請求項３にかかるＰＭ型ステッピングモータは、請求項１または２の構成を前提として、ヨーク素子を、制振樹脂を２枚の表皮鋼板で挟み込んで積層された制振鋼板により形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１の構成によれば、それぞれの単位固定子を構成するヨーク素子を、絶縁物を介して積層された複数の鋼板を折り曲げて形成することにより、高周波駆動時にも渦電流損を減少させ、発熱を少なくすることができる。
このため、モータ全体のサイズを大型化し、発熱を抑えつつ、ヨーク素子の板厚を増加させて磁束を増加させることができ、高回転数、高出力トルクのステッピングモータを提供することができる。
【００１３】
また、ｎ＝３の場合には、請求項２の構成となり、従来の３相ＰＭ形ステッピングモータと比較して、高速回転時の発熱が少ない３相ＰＭ形ステッピングモータを提供することができる。
【００１４】
さらに、請求項３のように制振樹脂を２枚の表皮鋼板で挟み込んで積層された制振鋼板によりヨーク素子を構成すれば、単層鋼板と同様の基本成型特性が得られ、かつ、既存の制振鋼板を使用できるため、低コストで発熱の少ないＰＭ形ステッピングモータを構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明にかかるＰＭ形ステッピングモータを実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。ここでは、ｎ＝３として、３相ＰＭ形ステッピングモータの例を説明する。図１は、本実施の形態の３相ＰＭ形ステッピングモータ１００の縦断側面図、図２は図１に示すＰＭ形ステッピングモータ１００の分解斜視図、図３は図１に示すＰＭ形ステッピングモータ１００の回転子磁極と固定子の極歯との位置関係を示す説明図、図４は図１に示すＰＭ形ステッピングモータ１００を構成する単位固定子のヨーク素子の一部を示す斜視図、図５は図４のヨーク素子に用いられる制振鋼板の斜視図である。
【００１６】
最初に、図１〜図３に基づいて、全体構成を説明し、その後に本発明の特徴であるヨーク素子の構成を図４及び図５に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施の形態である３相ＰＭ形ステッピングモータ１００は、固定部を構成する２枚の平行なプレート１１１、１１２と、このプレート１１１、１１２に囲まれた空間内で回転自在に支持された回転子１２０と、この回転子１２０を囲むようにプレート１１１、１１２間に配置された固定子１３０とを備えている。
回転子１２０は、固定部の軸方向の両端、即ち、プレート１１１の中心とプレート１１２の中心とにそれぞれ固定された軸受１１３、１１４を介して取り付けられた回転軸１２１と、この回転軸１２１に一体に固定され、円周方向にＳ極、Ｎ極を同一ピッチで交互に着磁した円筒状の永久磁石１２２とから構成されている。
【００１７】
一方、固定子１３０は、軸方向に併置されたｎ個、この例では３つの環状の単位固定子１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃを備えている。第１の単位固定子１３０ａは、図２にも示すように、クローポール形の単位固定子であり、それぞれ回転子１２０の磁極に対向するピッチで形成された櫛歯状の極歯１３１ａ、１３２ａを有する一対のヨーク素子１３１、１３２を組み合わせ、組み合わされた一対のヨーク素子の内側にボビン１３３に巻かれたコイル１３４を配置して構成されている。
第２、第３の単位固定子１３０ｂ、１３０ｃも上記の単位固定子１３０ａと同様に構成されている。
【００１８】
図１の状態に組み立てられたプレート１１１、１１２、回転子１２０、固定子１３０は、図２に示すカップ状のケーシング１１５内に収納され、その上部を蓋体１１６により封止してモータとして完成する。図１では、ケーシング１１５と蓋体１１６は図示されておらず、図２では、プレート１１１、１１２は図示省略されている。
【００１９】
次に、各単位固定子１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃのヨーク素子に形成された極歯と、回転子１２０の外周に形成された永久磁石１２２の磁極との位置関係を図３の展開図に基づいて説明する。
【００２０】
各単位固定子の一方のヨーク素子１３１の極歯１３１ａの間隔をτsとする。他方のヨーク素子１３２の極歯１３２ａの間隔もτsである。一対のヨーク素子１３１、１３２は、極歯１３１ａ、１３２ａが等ピッチで交互に配列するよう組み合わされている。
即ち、各単位固定子内では、一方のヨーク素子１３１の極歯１３１ａは、他方のヨーク素子１３２の極歯１３２ａに対してτs／２だけずれて配置されている。
【００２１】
次に、回転子１２０の異極間(Ｎ極と隣接するＳ極との間隔)の着磁ピッチ角度をＰとする。ここでは、τs＝２Ｐである。ｎ個の単位固定子は、各一方のヨーク素子の極歯が角度２Ｐ／ｎずれるよう配置される。この例では、３個の単位固定子１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃが、各一方のヨーク素子１３１の極歯１３１ａが順に角度２Ｐ／３ずれるよう配置されている。
ちなみに、他方のヨーク素子１３２の極歯１３２ａも同一ピッチであるため、ヨーク素子１３２の極歯も、順に角度２Ｐ／３ずれている。このような配置によると、図３に示すように、第１の単位固定子１３０ａの一方のヨーク素子１３１の極歯１３１ａが永久磁石１２２のＮ極に対向しているとき、第１の単位固定子１３０ａの他方のヨーク素子１３２の極歯１３２ａはＳ極に対向し、第２、第３の単位固定子１３０ｂ、１３０ｃの極歯は、至近の磁極に対してそれぞれＰ／３だけずれた位置にある。
【００２２】
駆動時には、各単位固定子１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃのコイルに順に正逆方向の電流を流すことにより、τs／６のステップ角で回転子１２０を回転させることができる。
【００２３】
各単位固定子１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃを構成する一方のヨーク素子１３１は、図４に示すように、絶縁物である制振樹脂Ｒを挟んで積層された複数、この例では２枚の表皮鋼板Ｓ１、Ｓ２から構成される制振鋼板を打ち抜いて極歯１３１ａを形成し、この極歯１３１ａを周囲のリング部１３１ｂに対して垂直に折り曲げることにより形成されている。他方のヨーク素子１３２も、同様にして形成されている。
【００２４】
制振鋼板は、一般に、図４に示すように、中間層である制振樹脂Ｒを２枚の表皮鋼板Ｓ１、Ｓ２により挟んだサンドイッチ構造をしており、固体伝播振動による曲げ変形で制振樹脂Ｒに付与されるずれ変形エネルギー(せん断変形エネルギー)を樹脂の粘弾性特性により熱エネルギーに変換して振動を減衰させるものである。
本発明は、制振鋼板をこのような振動減衰に用いるのではなく、積層により各鋼板Ｓ１、Ｓ２の厚さを薄くすることで渦電流損による発熱を抑えるために用いている。
制振鋼板は、深絞り成型性及び曲げ成形性が良好であるため、ＰＭ形ステッピングモータのヨーク素子のような折り曲げ加工が必要な部品に適用することができる。
【００２５】
一般にモータの発熱は、鉄心で発生する鉄損と、コイルで発生する銅損とに起因する。このうち鉄損Ｗfは、下記の（１）式で表されるように、鉄心内を磁束が通ることにより生じる渦電流損と、ヒステリシス損とからなる。
Ｗf＝Ｂ2｛σh(ｆ／100)＋σeｄ2(ｆ／100)2｝ ［Ｗ／ｋｇ］・・・（１）
但し、σh：ヒステリシス損係数、
σe：渦電流損係数、
Ｂ：鋼板磁束密度(Ｔ)、
ｄ：鋼板の厚さ(ｍｍ)、
ｆ：駆動電流の周波数(Ｈz)である。
【００２６】
一般にモータに使用される鋼板では、渦電流損係数σeは、ヒステリシス損係数σhの約６倍であり、鉄損による発熱の大部分は渦電流損に起因する。
また、渦電流損による鉄損は、鋼板の厚さｄの自乗に比例するため、発熱を抑えるには薄い鋼板を用いる必要がある。
このため、一般のモータには、渦電流を低減して発熱を抑えるため薄板状に圧延した鋼板が用いられている。従来のＰＭ形ステッピングモータは、ヨーク素子に単層の鋼板を用いており、積層鋼板を用いるという発想がなく、鋼板の厚みにより一様に発熱が生じていた。本実施の形態のＰＭ形ステッピングモータ１００は、筐体等に使用されている鋼板で騒音対策用の技術として開発された樹脂複合鋼材である制振鋼板を利用し渦電流を少なくし、発熱を抑えている。
【００２７】
上記の(１)式でヒステリシス損を無視すると、鉄損Ｗｆは、以下の（２）式の通りとなる。
Ｗf≒σeＢ2ｄ2(ｆ／100)2  ［Ｗ／ｋｇ］・・・・（２）
即ち、板厚を半分にした制振鋼板を用いることにより、鉄損Ｗfは約１／４に減じ渦電流損による発熱が大幅に低減されることがわかる。即ち、ある厚さの鋼板を単層で用いる場合の鉄損を１とすると、その半分の厚さの鋼板で生じる鉄損は１／４となる。従って、半分の厚さの鋼板を２枚用いた場合にも、これらの間が絶縁されていれば、鉄損の合計は１／２となり、流れる磁束の量を保ちつつ、鉄損の発生を半減させることができる。
【００２８】
以下の表１に、３相ＰＭ形ステッピングモータを従来の単層鋼板で構成されるヨーク素子を用いた場合（従来構造）と、本実施の形態の制振鋼板で構成されるヨーク素子を用いた場合（発明構造）とにおける鉄損の試算値を示す。
ここでは、単位固定子の外径を８１ｍｍとし、従来構造のヨーク素子は厚さ１．６ｍｍの単層鋼板で構成され、実施の形態のヨーク素子は厚さ０．８ｍｍの２枚の表皮鋼板で厚さ０．０５〜０．１５ｍｍ程度の制振樹脂を挟んで積層した制振鋼板で構成される。この場合、駆動電流の周波数ｆは１５０Ｈzとする。
表１において、損失項目（１）、（２）は、ヨーク素子１３１、１３２の極歯１３１ａ、１３２ａにおけるヒステリシス損と渦電流損、損失項目（３）、（４）は、ヨーク素子１３１、１３２の極歯以外の部分におけるヒステリシス損と渦電流損、損失項目（５）、（６）は、ケース１１５におけるヒステリシス損と渦電流損を示している。
【００２９】
【表１】
2005151741.tif 000003
【００３０】
上記の比較では、発明構造による鉄損の合計値が従来構造による値の約１／３に抑えられている。従って、発熱量も１／３程度に抑えることができ、特別な放熱対策を講じなくとも、高速回転、高出力トルクのＰＭ形ステッピングモータを構成することができる。
なお、実施の形態では、ｎ＝３の場合について説明したが、ｎが２以上であれば、適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
事務用機器、産業機器等の分野で、特に高回転数、高出力トルクが要求される用途に対して好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態にかかる３相ＰＭ形ステッピングモータの縦断側面図である。
【図２】図１に示すＰＭ形ステッピングモータの分解斜視図である。
【図３】図１に示すＰＭ形ステッピングモータのヨーク素子に形成された極歯と回転子の外周に形成された永久磁石の磁極との位置関係を示す展開図である。
【図４】図１に示すＰＭ形ステッピングモータのヨーク素子の一部の構造を示す斜視図である。
【図５】図４に示すヨーク素子を形成するための制振鋼板の構造を示す斜視図である。
【図６】従来の２相ＰＭ形ステッピングモータの構造を示す縦断側面図である。
【図７】図６に示すＰＭ形ステッピングモータのヨーク素子の一部の構造を示す斜視図である。
【図８】図６に示すＰＭ形ステッピングモータの単位固定子の構造を示す分解断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１００：  ３相ＰＭ形ステッピングモータ
１１１、１１２：  プレート
１２０、回転子：
１２１：回転軸
１２２：永久磁石
１３０：固定子
１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ：単位固定子
１３１、１３２：ヨーク素子
Ｓ１、Ｓ２：表皮鋼板
Ｒ：制振樹脂
１３１ａ、１３２ａ：極歯
１３１ｂ：リング部
１３３：ボビン
１３４：コイル
【図１】
2005151741.tif 000004
【図２】
2005151741.tif 000005
【図３】
2005151741.tif 000006
【図４】
2005151741.tif 000007
【図５】
2005151741.tif 000008
【図６】
2005151741.tif 000009
【図７】
2005151741.tif 000010
【図８】
2005151741.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成16年1月6日(2004.1.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
１００：３相ＰＭ形ステッピングモータ
１１１、１１２：プレート
１２０：回転子
１２１：回転軸
１２２：永久磁石
１３０：固定子
１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ：単位固定子
１３１、１３２：ヨーク素子
Ｓ１、Ｓ２：表皮鋼板
Ｒ：制振樹脂
１３１ａ、１３２ａ：極歯
１３１ｂ：リング部
１３３：ボビン
１３４：コイル