(57)【要約】      （修正有）【課題】小形、安価で高トルク、高分解能な２相式ハイブリッド型ステッピングモータの開発。【解決手段】略正方形状ヨーク部の各４辺の中央部より内方向に４個の巻き線極が９０度ピッチで設けられ、それらの先端部には各６個の歯がラジアル方向に放射状に設けられた固定子１と、エアギャップを介して、歯数２５個の磁性体よりなる回転子６を２個、互いに、電気角で１８０°ずらせて、軸方向に磁化した略円盤状永久磁石８を挟持し、それらの中央部に回転軸９を有したハイブリッド型回転子６とが回転自在に対向配置したことをとする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略正方形状ヨーク部の各４辺の中央部より内方向に４個の巻き線極が９０度ピッチで設けられ、それらの先端部には、各６個の歯がラジアル方向に放射状に設けられた固定子と、エアギャップを介して、歯数２５個の磁性体よりなる回転子を２個、互いに、電気角で１８０°ずらせて、軸方向に磁化した略円盤状永久磁石を挟持し、それらの中央部に軸を有した所謂ハイブリッド型回転子とが回転自在に対向配置したことを特徴とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
【請求項２】
請求項１において、固定子の巻き線極の先端部に設けた６個の歯ピッチは回転子歯ピッチより概略０．６°小さいことを特徴とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
【請求項３】
請求項１において、固定子及び回転子は軸方向から非磁性体ブラケットで挟持され、該ブラケットは略正方形固定子の四隅に設けた通し穴でピンあるいはネジ固定され、ブラケットの固定子巻き線部には巻き線部が露出できる窓が設けられていることを特徴とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
【請求項４】
請求項３において、該非磁性体ブラケットの固定子側に設けた凸部で固定子内径に勘合してエアギャップを確保する所謂、内インロー方式であることを特徴とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
【請求項５】
請求項１乃至４において、略正方形固定子の一辺は１２ｍｍ以下であることを特徴とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
【請求項６】
請求項１乃至５において、ブラケット内部に設けた穴部に、軸受けの外周部がＤ字形部等にした軸受を挿入結合する回転防止機能結合としたことを特徴とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
【請求項７】
請求項２乃至５において、歯数２５個の磁性体よりなる回転子を２個、互いに、電気角で１８０°ずらせて、軸方向に磁化した略円盤状永久磁石を挟持した単位回転子を更にもう１セット、それらの永久磁石の軸方向磁化を逆向きにして、２個の単位固定子間の隣接する歯位置は同位置で、軸を共有した所謂２連ハイブリッド型回転子として、回転自在に対向配置したことを特徴とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は小形のステッピングモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
２相式ステッピングモータは駆動回路も安価であり、主に位置決め用途に広く用いられる。そして２相式ステピングモータは市場より軽薄短小化と安価であることが強く要求されている。更に位置決め精度の向上も強い要求のため、ステッピングモータの中でも、ステップ角度が小さい、いわゆるハイブリッド型ステッピングモータ（以下ＨＢＳＴＭと略す）は高精度位置決め用アクチュエータとして求められている。しかし一般的にそのステップ角度が１．８度〜５度程度の２相式ＨＢＳＴＭは巻き線極数が８個であり、巻き線が複雑な構成であり、更なる安価で小形化を困難にしていた。
【０００３】
非特許文献    ステッピングモータの使い方  ｐ４４、図２．３２
著者  坂本  正文、出版社  オーム社
一方、関係する従来技術として上記の文献がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的な２相式ＨＢＳＴＭの従来構造を図８を用いて説明する。
上述の非特許文献、ステッピングモータの使い方の図２．３２の左図が図８、に相当しており、従来技術の図である。この構造は2相ハイブリッド式ステッピングモータとして広く用いられている。
図１で、部品番号３０は固定子であり、磁性体板を積層して作られている。そして巻き線の図示は省略してあるが、巻き線極数は８個あり、それらの先端部は複数の歯が設けられていて、エアギャップを介して、回転子３１、３３と対向している。図１では回転子歯数は５０個あるので、ステップ確度は１．８°となる。３２は永久磁石であり、たとえば回転子３１をＮ極、３３をＳ極に磁化して、非磁性体の回転軸３６で、３１，３２，３３はお互いに固着されている。３４、３５は非磁性体のアルミ材等よりなるブラケットであり、図８を参照すれば、巻き線部３７を覆うように密閉して包み込んで、回転軸を回転自在に固定子に保持している。
一般的に２相式ＨＢＳＴＭは巻き線極数が８個放射状に分布配置され、巻き線が複雑な構成となっていた。そのために巻き線に時間がかかり、それに伴う電工作業が複雑となり、高価なモータとなっていた。また巻き線部は前述したように8個放射状に分布配置されて、２個のブラケットにてその外周のすべてが覆われているため、小型化を困難としていた。一般的にそのステップ角度が１．８度〜５度程度の２相式ＨＢＳＴＭはそのサイズが固定子外径で１２ｍｍ程度以下にすると、回転子歯幅が小さくなりその機械的強度から限界となる。また巻き線極数が８個であると巻き線が複雑ため小型化に限界があつた。この引例のような、８巻き線極構造はその固定子サイズが２０ｍｍ程度以下では巻き線が極めて困難で高価なものとなってしまう欠点を有していた。
一方、２相ＨＢＳＴＭをロボットの指関節部に使用したり、監視カメラの光絞り装置、即ちＩＲＩＳ用に位置決め用等で使用する場合は、モータサイズで１２ｍｍ程度のステップ確度１．８度〜３．６度程度（分解能２００〜１００）の２相式ＨＢＳＴＭが必要となるものである。
また、回転機の高効率化を図る場合、固定子と回転子の間のエアギャップを小さくすることが有効である。ＨＢＳＴＭは一般にエアギャップは０．０５ｍｍ程度と狭い。この値のエアギャップで大量生産するには、図８に示すように、前後ブラケットの一部分が固定子の外周ではなくて、直接固定子の内周部の一部に勘合してエアギャップの確保案内をする方式、即ち「内インロー」方式とよばれる方式を採用している。図８で前後のブラケットは斜線ハッチング部、縦線ハッチンブ部は珪素鋼鈑の積層部で巻き線を有している固定子と、その内部に回転子が開示されている。固定子が珪素鋼鈑の積層で構成される本例はエアギャップが０．０５ｍｍ程度でも、大量生産でエアギャップの確保が十分にできる。このような内インロー方式は高トルク化の場合には、必要な手段である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明を実現するには以下の手段による。
「手段１」
略正方形状ヨーク部の各４辺の中央部より内方向に４個の巻き線極が９０度ピッチで設けられ、それらの先端部には、各６個の歯がラジアル方向に放射状に設けられた固定子と、エアギャップを介して、歯数２５個の磁性体よりなる回転子を２個、互いに、電気角で１８０°ずらせて、軸方向に磁化した略円盤状永久磁石を挟持し、それらの中央部に軸を有した所謂ハイブリッド型回転子とが回転自在に対向配置したことを手段とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
「手段２」                        
手段１において、固定子の巻き線極の先端部に設けた６個の歯ピッチは回転子歯ピッチより概略０．６°小さいことを手段とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
「手段３」
手段１において、固定子及び回転子は軸方向から非磁性体ブラケットで挟持され、該ブラケットは略正方形固定子の四隅に設けた通し穴でピンあるいはネジ固定され、ブラケットの固定子巻き線部には巻き線部が露出できる窓が設けられていることを手段とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
「手段４」
手段３において、該非磁性体ブラケットの固定子側に設けた凸部で固定子内径に勘合してエアギャップを確保する所謂、内インロー方式であることを手段とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
「手段５」
手段１乃至４において、略正方形固定子の一辺は１２ｍｍ以下であることを手段とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
「手段６」
手段１乃至５において、ブラケット内部に設けた穴部に、軸受けの外周部がＤ字形部等にした軸受を挿入結合する回転防止機能結合としたことを手段とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
「手段７」
手段２乃至５において、歯数２５個の磁性体よりなる回転子を２個、互いに、電気角で１８０°ずらせて、軸方向に磁化した略円盤状永久磁石を挟持した単位回転子を更にもう１セット、それらの永久磁石の軸方向磁化を逆向きにして、２個の単位固定子間の隣接する歯位置は同位置で、軸を共有した所謂２連ハイブリッド型回転子として、回転自在に対向配置したことを手段とする２相ハイブリッド型ステッピングモータ。
【発明の効果】
【０００６】
１）   巻き線部が４か所の集中巻き式であり、安価で小型高トルクモータとすることができる。
２）   固定子歯ピッチを回転子歯ピッチより小さくする場合は、固定子歯数を６個等に増加できるので、高トルク化に有利で、しかも低コギングトルク化も可能となる。
３）巻き線部をブラケットに設けた窓部に露出させた場合は小型で温度上昇の低い２相ハイブリッド型ステッピングモータとすることができる。
４）固定子と回転子は２個のブラケットで挟持されながら、お互いの位置関係を確保でき、必要により内インロー式にもできるので、エアギャップが均一になり、位置決めが高精度で、かつ安価とできる。
５）モータ外形が１２ｍｍの略正方形でありながら、分解能が１００（ステップ角３．６度）となり、高精度位置決めが、期待される。
６）ブラケット内部に設けた穴部に軸受けの外周部がＤ字形部等で挿入結合された回転防止機能結合としたことで軸受けのクリープ防止となり、寿命の長いステッピングモータとなる。
７）お互いに逆方向に磁化した単位回転子を２個、同一軸で連結した、２連ハイブリッド型回転子を用いた場合は低振動で高トルクな２相ハイブリッド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】
【０００７】
【図１】本発明の回転機の固定子と回転子を軸方向から見た図
【図２】本発明の回転機の軸を含む断面図
【図３】本発明の回転機の固定子の正面及び側面外観図
【図４】本発明の回転機の回転子の軸方向と垂直な方向から見た外観図
【図５】本発明の回転機の軸方向から見た外観図
【図６】本発明の２連ハイブリッド型回転子の外観図
【図７】本発明のブラケットの図
【図８】従来技術の図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下図面を参照して、本実施形態にかかるステッピングモータについて説明する。
【実施例】
【０００９】
図１は本発明の２相ＨＢＳTMの構成の一例を示したものであり、固定子と回転子の関係及び構造を説明するために、一部前側ブラケットを透明化して回転軸方向から見た図である。図１を参照して、本発明の２相ＨＢＳＴＭの構成を説明する。
部品番号１は固定子鉄心であり、その外周は概略正方形で、内部中心方向に、９０度ピッチで設けられた巻き線極２が４個放射状に延び、その先端部には６個の歯が各々設けられている。３は巻き線極に巻く巻き線用スペース部であり、巻き線の図示は省略してある。巻き線極２に巻き線を巻くときは、巻き線と巻き線極２の鉄心との間にインシュレータ１４を挿入してから巻き線をするが、４個の巻き線極の内、１個のみにインシュレータ１４を挿入した図としてある。固定子とはエアギャップを介して、ＨＢ型回転子が対向配置されている。ＨＢ型回転子は磁性体よりなり、その外周に２５個の歯を等ピッチで有した回転子６と７がお互いに電気角で１８０度ずらされて、永久磁石８を挟持して、回転軸９で固着されて配置されている。そして、アルミ材や樹脂材の非磁性体で形成されたブラケット１０を、２個で、固定子と回転子の合体したものをサンドイッチ状に挟持して、固定子の略正方形の四隅に設けた固定子穴部とブラケット四隅に設けた穴部でピン１３で貫通固定する。図１で上側ブラケットはブラケット四隅部１１のみの図示として、モータ内部を見えるようにした図である。ブラケットの巻き線部に対向する部分は窓が開けてあるので、巻き線部をブラケットに設けた窓部に露出させた場合は小型で温度上昇の低い２相HBSTMとすることができる。即ち４個の巻き線部が露出した開放型回転電機となっているので、銅損熱の放射がよくなり、温度上昇が低くできるメリットがある。更に巻き線部を完全に覆うようにブラケットを設計すれば、その外形寸法が大きくなるが、本方式のように２個のブラケットに巻き線部が露出する大きな窓部を有することで、回転子は従来技術と変わらず支持でき、また必要により内インロー方式構成もできて、小形化が可能となり、ブラケットの材料費も低減できるメリットを有するものである。
また巻き線部が４か所の集中巻き式であり、安価で小型高トルクなモータとすることができる。
【００１０】
図２は回転軸９を含んだ断面図である。  前後ブラケット１０及び１１の一部分が固定子の外周ではなくて、直接固定子の内周部の一部に勘合してエアギャップの確保案内をする方式、即ち内インロー方式とよばれる方式を採用している。１５，１６は軸受け部であり、それぞれブラケット１０，１１の中心部に設けた穴部に勘合されている。ピン１３は固定子とブラケットの四隅を貫通固定する役目をするためのものである。
【００１１】
図３は本発明の固定子の正面図と側面図である。図３で正面図の４は固定子の歯、５は四隅に設けた穴部であり、ピン、リベット、ボルトなどを適宜貫通させて、上下に配置したブラケットに固定するものである。固定子側面図の１２は珪素鋼鈑等であり、プレス打ち抜きした固定子１２を所望の枚数だけ積層するものである。
【００１２】
図４はＨＢ型回転子の回転軸と垂直方向からみた外観図。図５はそのＨＢ型回転子を回転軸方向から見た外観図である。回転子６及び７は１８０度電気角でずらされて軸方向に磁化した永久磁石８を挟持して、非磁性体回転軸９に固着されている。回転子６及び７が１８０度電気角でずらされるとは、図５に示す用に６と７の歯はお互いに歯と溝の位置となることである。固定子が４巻き線極で９０度等間隔の固定子と対向する回転子歯数をＮ、正の整数をｎとすれば、
Ｎ＝４ｎ±１                                              （１）
を満たす必要がある。
ここでｎ＝６とすれば、Ｎ＝２５または２３であるが、ステップ角度が割り切れる値が好ましいのでＮ＝２５として、ステップ角度θｓは次式で得られる。
θｓ＝９０°／２５＝３．６°                            （２）
４巻き線極の歯数の最大値Ｎｓは次式を満たす、最大の整数である。
Ｎ  &#8805;  ４Ｎｓ                                              （３）
即ち、Ｎ＝２５であるから、Ｎｓ＝６
となる。
Ｎ＝２５のとき、モータトルクはＮｓが多いほど、大きくなる。
また、本モータの用途としては、小型ロボットの指関節駆動や監視カメラの絞り（IRIS）駆動用がある。この場合は、モータサイズは外径で１２ｍｍあるいは１２ｍｍ角型以下が望ましく、その場合の回転子外径は、インナーロータ型なので、その半分の６ｍｍとすれば、回転子歯幅は  (６π/25)*0.47=0.354(mm)  となる。
すなわち回転子歯ピッチの４７％を歯幅とした計算である。これは、モータサイズ１２ｍｍで回転子歯数２５は市販の板厚０．３５ｍｍの珪素鋼板が使用できる限界の歯数を意味している。
【００１３】
固定子歯ピッチを回転子歯ピッチよりδだけ小さくとり、２相ＨＢＳＴＭのコギングトルクの大半を占める第４次高調波成分を零にすれば、一石二鳥となる。即ち歯数を多くするのに有利で高トルク化がし易くなり、しかもコギングトルクが極小になるので、振動、騒音が低減され、ステップ角精度や位置決め精度も向上するものである。
具体的には、回転子歯数が２５で、固定子歯数が６個となる４巻き線極方式の本発明の構成では、機械角δを概略次の様に選べばよい。        
δ  ＝９０°／６*２５＝０．６度，                          （５）
即ち、第４次高調波平面で６個のベクトルをバランスさせて、それらの総和を零にすればよい。
【００１４】
従来技術の図８を参照して、従来構造の２相ＨＢＳＴＭの８巻き線構造品をＡ機とし、図１の本発明の2相ＨＢＳＴＭをＢ機として両者の1相励磁時のトルクを概略同一固定子サイズ、同一回転子で理論比較を行う。即ち図８の固定子は８主極で８巻き線極、図1は４主極で４巻き線極構成である。主極とは複数の誘導子である歯を有した親極の意味である。
ここで用いる記号は以下として、１相分トルクＴ１を導く。
Ｎ：回転子歯数、Ｎｒ：１相分総巻き線数、ｉ：１相分電流、Φｍ：回転子の１相分鎖交磁束数、ΦA：回転子のＡ機１相分鎖交磁束数、ΦB、：回転子のＢ機１相分鎖交磁束数、ΦT：回転子の全磁束数、NT：１機の可能全巻き線数、ＮA：Ａ機の１巻き線極の巻き線数、ＮB：Ｂ機の１巻き線極の巻き線数。
１相分のトルクは（５）式で与えられる。
T1＝ＮＮｒｉΦｍ                                                                （５）
回転子のＡ機及びＢ機の１相分鎖交磁束数ΦA、及びΦB、は回転子の全磁束数ΦT：として、それぞれ固定子主極数を考慮すれば、（６）及び（７）式となる。 
ΦA＝ΦT／8                                                                 （６）
ΦB≒ΦT／４                                                                    （７）
１機の可能全巻き線数NT、はサイズが略同一のため、Ａ，Ｂ両機同じとすれば、Ａ機の１巻き線極の巻き線数ＮA、及びＢ機の１巻き線極の巻き線数ＮBは、１機の巻き線極数を考慮して、（８）及び（９）式となる。
ＮA＝NT／8                                                                （８）
ＮB≒NT／４                                                                        （９）
（６）〜（９）式を（５）式）に代入して、Ａ及びＢ機の１相分トルクは以下となる。
ＴA＝4Ｎ（ＮT／8）ｉ（ΦT／8）                             ＝ＮＮTｉΦT／１６         (１０）
ＴB＝2Ｎ（ＮT／４）ｉ（ΦT／4）                             ＝ＮＮTｉΦT／８            (１１）
（１０）式、（１１）式を比較すれば、本発明のＢ機は、従来のＡ機に対して、２倍の高トルク化が可能である。高トルク化すれば、回転速度は一般に低下するので、出力も２倍となるものではない。しかし、用途により低速で高トルクが必要な、たとえばダイレクトドライブ的な用途には極めて有益なものである。尚トルク比較は１相分で比較したが２相励磁駆動では概略両者の値は２相機では√２倍となるので、同一結果が得られる。
【００１５】
本発明は構造が簡素で、小形化、安価であること、更に、高トルク化に有利な構造であることを上述したが、欠点としては俗称サイドプルとよばれる、ラジアル方向吸引力である不平衡電磁力が従来の８巻き線極品に対して、発生することである。従来構造は回転子の１８０°反対方向に、固定子と回転子間にラジアル吸引力が発生して、サイドプルは常にキャンセルされている。そのため、振動や騒音が小さくなる。これに対して、本発明の４巻き線極構成でも、サイドプルを極力小さく出来る構成がある。
それは図6に示す2連ＨＢ型回転子を前述の本発明の２相ＨＢＳＴＭの固定子と組み合わせ使用するものである。図6において、２３は非磁性体回転軸であり，磁性体回転子１９、２０，２１，２２は各々同数で、図６では２枚の磁性鉄鈑を積層した場合の回転子である。１７，１８は永久磁石で、お互いに回転子軸方向に逆方向に磁化されている。回転子の歯位置関係は、１９と２０、及び２１と２２は電気角で１８０°相違する位相関係で、２０と２１は同一歯位置で密着している。このような場合、２０と２１の回転軸に垂直な境界面で2個のお互いに逆方向に磁化されたＨＢ型回転子が２個軸方向に連結した２連ＨＢ型回転子と考えることができる。この2連回転子を本発明の固定子と組み合わせた場合、例えば、１９と２２、及び２０と２１は同方向に常にサイドプルが働き、しかも前者と後者はその方向が逆方向なので、回転子に働くモーメントは零となり、サイドプルがほぼ零にできる。
また１個の永久磁石の磁路長も従来の磁路長の略半分となるので、永久磁石のグレードを下げても同一トルクあるいは高トルクが得られるため安価にできる。
【００１６】
図７は本発明のブラケットの図示である。内インロー方式とする場合はブラケットの材料は非磁性体とする。１０は四隅部１１と中央部をつなぐ４個のアーム部で巻き線部を逃がす窓を形成するものである。２５はブラケット凸部で内インロー部、２８は中央穴部で前述の軸受けを保持する部分である。２８は必要によりＤ字形穴形状として軸受けの外形をＤ字形として、軸受けとブラケットの回転止め機能をもたせたものである。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明による２相ＨＢＳＴＭは、安価で軽薄短小、高トルク化に適した、極めて実用的なものである。従って工業的に大きな貢献が期待される。
【主な符号の説明】
【００１８】
１、２、１２、３０                                        固定子
６、７、１９，２０，２１，２２、３１，３３                回転子
９，２３，３６                                          回転軸
３                                                      巻き線スペース
４                                                      固定子歯
５                                                      固定子の穴部
３７                                                      巻き線
１０，１１                                                ブラケット
２８                                                      ブラケットの穴部
２５                                                      ブラケット凸部
８、１７，１８，３２                                      永久磁石
１３                                                      スタット
【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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