(57)【要約】【課題】ロータの静止角度精度の向上とトルクの確保との両立を微妙に調整でき、かつこれらを両立させるための設計の自由度を高めることができるＰＭ型ステッピングモータを提供すること。【解決手段】極歯１００の測辺を、先端側で内側凸の曲線形状領域ＡＲ１と、基台側で外側凸の曲線形状領域ＡＲ２とからなる形状としたことにより、滑らかな曲線で、基台側の側辺幅を広く、先端側の測辺幅を細くできるので、トルク特性を保ちながら、静止角度精度を向上させることができる。また、トルク特性の向上と静止角度精度の向上は、互いにトレードオフの関係にあるが、極歯の測辺を、内側凸の曲線と外側凸の曲線とを有する形状としたことにより、トレードオフの関係を考慮しながら、トルク特性と静止角度精度とを微妙に調整でき、設計の自由度を高めることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に周方向に亘ってＮ極とＳ極とが交互に形成されたロータと、内周側に前記ロータが配置され、かつ内周面の周方向に亘って前記ロータの磁極に対向した複数の極歯が形成されたステータと、前記ステータの内部に設けられ前記極歯を励磁する励磁コイルと、を有するＰＭ（permanent magnet）型のステッピングモータであって、
前記極歯は、前記ステータの基台方向から先端方向に向かって幅が広がるように形成されており、かつ、前記極歯の側辺は、内側に凸の曲線形状と外側に凸の曲線形状とを有する形状とされている、
ステッピングモータ。
【請求項２】
前記極歯の側辺形状は、変曲点を境に、先端側で内側凸とされており、前記基台側で外側凸とされている、
請求項１に記載のステッピングモータ。
【請求項３】
前記極歯の側辺は、ベジエ曲線形状とされている、
請求項１に記載のステッピングモータ。
【請求項４】
前記極歯は、珪素鋼板で形成されている、
請求項１又は請求項２に記載の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、特にＰＭ（Permanent Magnet）型のステッピングモータにおけるステータの極歯構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６に、２相ＰＭ型ステッピングモータの全体斜視図を示し、図７に、その分解斜視図を示す。
【０００３】
図７に示すように、ステッピングモータ１０は、ケース１１とブラケット１２との間に、Ａ相ステータ１３と、Ｂ相ステータ１４と、ロータ１５とが収納されて構成される。Ａ相及びＢ相ステータ１３、１４は、ケース１１内に固定して収納される。ロータ１５は、軸受１２Ａによって回転子軸１５Ａが回転自在に軸支される。
【０００４】
ロータ１５の外周面には、周方向にＮ極とＳ極とが交互に多極磁着されている（つまり永久磁石とされている）。ロータ１５は、Ａ相ステータ１３及びＢ相ステータ１４の内周面に対向した位置に、回転自在に配置される。
【０００５】
Ａ相ステータ１３及びＢ相ステータ１４内には、励磁コイル（図示せず）が巻回されて設けられている。また、Ａ相ステータ１３及びＢ相ステータ１４の内周面には、複数の極歯２０が形成されている。
【０００６】
ステッピングモータ１０においては、励磁コイルに電流パルスを流すことで、極歯を磁化（励磁）させる。これにより、極歯２０とロータ１５の永久磁石との磁力によってロータ１５を回転させる。
【０００７】
具体的には、各励磁コイルの電流パルスの方向を切り替えて極歯２０の磁極を変えることで、極歯２０とロータ１５の永久磁石とが引き付け合ってロータ１５が回転し続ける。一方、電流パルスの供給を止めると、ロータ１５の永久磁石によって極歯２０が磁化されて、極歯２０とロータ１５の永久磁石が引き合う位置で、ロータ１５の回転が止まるようになっている。
【０００８】
図８（ａ）に、極歯２０の一例を示す。図８（ａ）の極歯２０−１、２０−２、２０−３、………は、Ａ相ステータ１３（又はＢ相ステータ１４）に形成された極歯２０の形状を示すものである。
【０００９】
ステータ１３（１４）は、互いに励磁コイル３０の配置スペースを隔てて、上面側基台１３Ａ（１４Ａ）及び下面側基台１３Ｂ（１４Ｂ）を有する。そして、ステータ１３（１４）は、この上面側基台１３Ａ（１４Ａ）及び下面側基台１３Ｂ（１４Ｂ）から直角に折り曲げられるように、極歯２０−１、２０−２、２０−３、………が設けられている。
【００１０】
極歯２０−１、２０−２、２０−３、………は、ロータ１５に対向する面が台形形状とされている。このように、従来、極歯２０において、基台１３Ａ（１４Ａ）、１３Ｂ（１４Ｂ）側の部分を太く、先端側の部分を細くすることで、ロータ１５の静止角度精度の向上と、トルクの確保とを両立できるようにしたＰＮ型のステッピングモータが提案されている（例えば特許文献１〜３参照）。
【００１１】
このロータ１５の静止角度精度の向上と、トルクの確保とを両立させる動作ついて、図８（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。図８（ｂ）は、極歯２０に対向するロータの磁極の関係を模式的に示したものである。なお、図中の一点鎖線は、各極歯２０−１、２０−２、２０−３、………の中心を示すものである。
【００１２】
図８において、励磁コイル３０によって、例えば、図８（ａ）の極歯２０−１、２０−３、………がＳ極に磁化され、極歯２０−２、………がＮ極に磁化されると、図８（ｂ）の状態のロータ１５は磁力によって紙面の右方向に回転される。次に、極歯２０−１、２０−３、………がＮ極に磁化され、極歯２０−２、………がＳ極に磁化されると、さらにロータ１５が磁力によって回転し続ける。
【００１３】
このとき、極歯２０−１、２０−２、２０−３、………の幅（ロータに対向する面積）が広いと、極歯２０−１、２０−２、２０−３、………とロータ１５の磁極との吸引・反発力が釣り合う位置の範囲が広くなるので、その分だけ角度精度誤差が発生する。
【００１４】
一方、極歯２０−１、２０−２、２０−３、………の幅が狭いと、極歯とロータの磁極との吸引・反発力が弱まり、その分だけトルクが小さくなる。
【００１５】
これらを考慮して、従来、特許文献１〜３に記載されているような、極歯２０の基台側の幅を広くすることでトルクを稼ぎ、極歯２０の先端側の部分を細くすることでロータ１５の静止角度精度を向上させたＰＮ型ステッピングモータが提案されている。
【特許文献１】特開平８−２９８７６６号公報
【特許文献２】特開２００１−１６１０４３号公報
【特許文献３】実開平５−５５７７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、従来提案されているＰＭ型ステッピングモータに比して、ロータの静止角度精度の向上とトルクの確保との両立を微妙に調整でき、かつこれらを両立させるための設計の自由度を高めることができるＰＭ型ステッピングモータを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明のステッピングモータの一つの態様は、外周面に周方向に亘ってＮ極とＳ極とが交互に形成されたロータと、内周側に前記ロータが配置され、かつ内周面の周方向に亘って前記ロータの磁極に対向した複数の極歯が形成されたステータと、前記ステータの内部に設けられ前記極歯を励磁する励磁コイルと、を有するＰＭ型のステッピングモータであって、前記極歯は、前記ステータの基台方向から先端方向に向かって幅が広がるように形成されており、かつ、前記極歯の側辺は、内側に凸の曲線形状と外側に凸の曲線形状とを有する形状とされている構成を採る。
【００１８】
また本発明のステッピングモータの一つの態様は、前記極歯の側辺形状は、変曲点を境に、先端側で内側凸とされており、前記基台側で外側凸とされている構成を採る。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、滑らかな曲線で、基台側の側辺幅を広く、先端側の測辺幅を細くできるので、トルク特性を保ちながら、静止角度精度を向上させることができる。加えて、例えば極歯の測辺を２次曲線で形成する場合と比較して、要求されるトルク特性と静止角度精度に応じた極歯の設計が容易になる。つまり、トルク特性の向上と静止角度精度の向上は、互いにトレードオフの関係にあるが、極歯の測辺を、内側凸の曲線と外側凸の曲線とを有する形状としたことにより、トレードオフの関係を考慮しながら、トルク特性と静止角度精度とを微妙に調整でき、設計の自由度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図７及び図８との対応部分に同一符号を付して示す図１（ａ）に、本実施の形態によるＰＮ型ステッピングモータの極歯を示す。図１（ｂ）は、極歯１００に対向するロータ１５（図７）の磁極の関係を模式的に示したものである。図２は、極歯１００を拡大して示したものである。
【００２２】
図１において、励磁コイル３０によって、例えば、図１（ａ）の極歯１００−１、１００−３、………がＳ極に磁化され、極歯１００−２、………がＮ極に磁化されると、図１（ｂ）の状態のロータ１５は磁力によって紙面の右方向に回転される。次に、極歯１００−１、１００−３、………がＮ極に磁化され、極歯１００−２、………がＳ極に磁化されると、さらにロータ１５が磁力によって回転し続ける。
【００２３】
本実施の形態の極歯１００は、図２に示すように、側辺が、内側凸の曲線形状領域ＡＲ１と、外側凸の曲線形状領域ＡＲ２とからなる形状とされている。具体的には、変曲点ＰＩＦを境に、先端側に内側凸の曲線形状領域ＡＲ１が形成されており、基台１３Ａ（１４Ａ）、１３Ｂ（１４Ｂ）側に外側凸の曲線形状領域ＡＲ２が形成されている。
【００２４】
これにより、滑らかに接続した曲線で、基台１３Ａ（１４Ａ）、１３Ｂ（１４Ｂ）側の側辺幅を広く、先端側の測辺幅を細くできるので、トルク特性を保ちながら、静止角度精度を向上させることができる。すなわち、ロータ１５の静止角度精度の向上とトルクの確保とを両立させることができる。
【００２５】
加えて、本実施の形態の極歯形状を用いれば、例えば極歯の測辺を２次曲線で形成する場合と比較して、要求されるトルク特性と静止角度精度に応じた極歯の設計が容易になる。つまり、上述したように、トルク特性を向上させることと、静止角度精度を向上させることとは、互いにトレードオフの関係にあるが、本実施の形態のように、極歯１００の測辺を、内側凸の曲線形状領域ＡＲ１と外側凸の曲線形状領域ＡＲ２とからなる形状とすることで、トレードオフの関係を考慮しながら、トルク特性と静止角度精度とを微妙に調整できる。つまり、設計の自由度を高めることができる。
【００２６】
本実施の形態の場合、極歯１００の測辺の曲線形状をベジエ曲線によって求めるようになっている。
【００２７】
以下、本実施の形態によるベジエ曲線を用いた極歯１００の測辺の設計例について、図３を用いて説明する。先端側の端点をＰ１（ｘ１，ｙ１）、基部側の端点をＰ４（ｘ４，ｙ４）とする。そして、点Ｐ１を通る極歯基部に垂直な直線と点Ｐ４を通り極歯基部に水平な直線との交点をＰ０（０，０）とする。また、線分Ｐ０−Ｐ１、線分Ｐ０−Ｐ４から成る長方形内の点を制御点Ｐ２（ｘ２，ｙ２）、点Ｐ３（ｘ３，ｙ３）としたとき、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を順に結んで得られる線分Ｐ１−Ｐ２、線分Ｐ２−Ｐ３、線分Ｐ３−Ｐ４をそれぞれｔ：ｔ−１の比率で分割する点Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７を求める。
【００２８】
次に、点Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７を順に結んで得られる線分Ｐ５−Ｐ６、Ｐ６−Ｐ７をそれぞれｔ：ｔ−１の比率で分割する点Ｐ８、Ｐ９を求め、点Ｐ８、Ｐ９を結ぶ線分Ｐ８‐Ｐ９をｔ：ｔ−１の比率で分割する点を点Ｐ１０とする。ここで、制御点Ｐ２、Ｐ３の座標ｘ２＜ｘ３とし、０＜ｔ＜１の範囲でｔを変化させた時にＰ１０が取る軌跡を極歯１００の側辺形状とする。
【００２９】
具体的には、始点Ｐ１（ｘ１，ｙ１）、制御点Ｐ２（ｘ２，ｙ２）、制御点Ｐ３（ｘ３，ｙ３）、終点Ｐ４（ｘ４，ｙ４）とすると、Ｐ１０（ｘ（ｔ），ｙ（ｔ））の軌跡は０≦ｔ≦１を変数とした、Ｐ１０（ｘ（ｔ），ｙ（ｔ））＝（（１−ｔ）３ｘ１＋３（１−ｔ）２ｔｘ２＋３（１−ｔ）ｔ２ｘ３＋ｔ３ｘ４，（１−ｔ）３ｙ１＋３（１−ｔ）２ｔｙ２＋３（１−ｔ）ｔ２ｙ３＋ｔ３ｙ４）で表される。
【００３０】
このようにベジエ曲線を用いることで、内側凸の曲線形状領域ＡＲ１と、外側凸の曲線形状領域ＡＲ２とからなる、滑らかな曲線を容易に設計することができる。
【００３１】
実施例として、始点Ｐ１（０，２．５５）、制御点Ｐ２（０．２，０．４）、制御点Ｐ３（０．５５，１）、終点Ｐ４（０．９，０）に設定し、ベジエ曲線によって極歯１００の測辺を設計した。なお、ここでの単位は［ｍｍ］である。
【００３２】
図４に、このようにして得た実施例の極歯１００を用いた場合と、従来の測辺が台形形状の極歯を用いた場合の、実験による静止角度誤差及びディテントトルク特性を示す。
【００３３】
図４に示すように、実施例の極歯１００を用いることで、静止角度精度が５％向上し、かつディテントトルクが４６％減少することが確認された。
【００３４】
静止角度精度が向上したのは、本実施の形態の極歯１００の形状によって、安定点付近でのトルク特性が向上し、この結果、ロータ１５に加わる負荷トルクに対してロータ回転角度が減少するためである。また、ディテントトルクが減少したのは、測辺が台形形状の極歯では、極歯に対して周方向に向かう割合が多かった磁束が、本実施の形態では、極歯に対して縦方向に向かう割合が多くなるためである。
【００３５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、極歯１００の測辺を、先端側で内側凸の曲線形状領域ＡＲ１と、基台側で外側凸の曲線形状領域ＡＲ２とからなる形状としたことにより、従来提案されているＰＭ型のステッピングモータに比して、ロータの静止角度精度の向上とトルクの確保との両立を微妙に調整でき、かつこれらを両立させるための設計の自由度を高めることができるＰＭ型のステッピングモータを実現できる。
【００３６】
なお、上述の実施の形態では、極歯１００の測辺を、変曲点ＰＩＦを有するベジエ曲線形状とする場合について説明したが、必ずしも変曲点ＰＩＦを有するベジエ曲線形状とする必要はなく、要は、先端側に内側凸の曲線形状領域を有すると共に、基台側に外側凸の曲線形状領域を有すればよく、例えば３次曲線形状としてもよい。これにより、測辺の曲線形状を滑らかにすることができるので、ロータを起動又は停止させる場合の振動を抑制することができる。但し、基台から先端に向かうに従って、極歯の幅が広がるように形成することは必要条件である。
【００３７】
また、図５に示すように、先端部分に曲線Ｒを有した形状としてもよい。
【００３８】
また、本実施の形態の極歯形状は、ロータ１５の磁極のピッチと、極歯１００のピッチとが図１に示したような関係にある場合に限らず、要は、ロータの磁極に対して極歯が対向して配置されたＰＭ型ステッピングモータに広く適用可能である。また、励磁コイル３０による極歯１００の励磁パターンに限定されず、種々のＰＭ型ステッピングモータに適用可能である。
【００３９】
さらに、上述の実施の形態では、極歯の材質については言及しなかったが、極歯を珪素鋼板によって構成すれば、低鉄損、高磁束密度を実現できるので好適である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、ＰＭ型のステッピングモータに広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】（ａ）は実施の形態に係る極歯をロータ方向から見た斜視図、（ｂ）はロータに形成された磁極と極歯との位置関係を示す図
【図２】実施の形態の極歯をロータ方向から見た正面図
【図３】本実施の形態の極歯の測辺形状をベジエ曲線にて設計する場合の説明に供する図
【図４】従来の台形形状の極歯と、実施例の極歯との比較例を示す図表
【図５】他の実施の形態の極歯をロータ方向から見た正面図
【図６】ＰＮ型ステッピングモータの外観を示す斜視図
【図７】ＰＮ型ステッピングモータの分解斜視図
【図８】（ａ）は従来の台形形状の極歯をロータ方向から見た斜視図、（ｂ）はロータに形成された磁極と極歯との位置関係を示す図
【符号の説明】
【００４２】
１０  ＰＭ型ステッピングモータ
１３、１４  ステータ
１５  ロータ
１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ  基台
３０  励磁コイル
１００、１００−１、１００−２、１００−３  極歯
ＡＲ１  内側凸の曲線形状領域
ＡＲ２  外側凸の曲線形状領域
ＰＩＦ  変曲点
【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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