(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ極、Ｓ極が進行方向に交互に着磁された永久磁石からなる界磁用の磁極を有するロータと、前記永久磁石と間隔を保持して対向し、コイルに流れる電流によりロータの進行方向に隣接して配置された少なくとも１相分のステータ極歯にＮ極とＳ極を発生するステータとを具備するＰＭ形ステッピングモータにおいて、
前記ロータとステータの相対的移動により生じる誘導起電力に含まれる３次高調波を打ち消す補正極が前記高調波に対して逆位相となるように一部の前記ロータの磁極間に設けられ、前記補正極の磁極間隔は前記ロータの磁極間隔の１/３であって、前記補正極は１８０度対向した前記ロータの磁極間に設けられる共に前記補正極は前記ステータ極歯に対向して前記ロータの全長に亘って形成されてなることを特徴とするＰＭ型ステッピングモータ。
【請求項２】
永久磁石からなる界磁用の磁極の一部にこれと一体に、補正極用磁石を形成してなることを特徴とする請求項１に記載の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、永久磁石型の界磁磁石を持つモータの回転を滑らかにして、低振動・低騒音並びに回転精度の高精度化を計ったモータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年各種ＯＡ機器の高精度化に伴いスピンドルモータを始めとして各種モータの低振動・低騒音並びに回転精度の高精度化が強く求められている。そこで、この対策として、電気的に対応する方法もあるが、コスト的に高価になる割にはその効果が少ないことから、コスト的に有利と見られる、機械的な構造の見直しがなされるようになった。そのうちのひとつとして、特開平８−２９８７６６号公報に開示されているものを挙げることができる。この公開公報に開示されている技術は、Ｎ極とＳ極とを交互に着磁した円筒状のロータと、これと小さな間隙を介して対峙し、ロータ軸と平行方向に複数個設けた固定磁極となる極歯の基部側の幅を先端側の幅よりも大きくしたものである。そして、ロータ磁極の境界部分が極歯の前面を通過する際、ロータ磁極と極歯とが徐々に接近・離反するように構成して、低振動・低騒音並びに回転精度の高精度化を計ったモータを得ることができるというものである。この他、前記と同様極歯の先端側と基部側の幅を異ならせたステッピングモータの構造は、たとえば、特開平８−９８４９８号公報、特開平８−２２３９０１号公報にも開示されている。
【０００３】
この他、ステータの極歯形状を変えたり、極歯の曲率を変えたり、極歯に溝を設けたりする技術も試みられている。しかし、これらの方法では、その形状を決めるには数回の試作が必要となることと、その都度金型の変更を必要とする為に時間と多額の費用がかかる結果となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題に鑑みなされたもので、短時間でしかも低価格で低振動・低騒音・高回転精度で滑らかな動きをする制御性の良い、高品質のモータを提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の一態様によれば、Ｎ極、Ｓ極が進行方向に交互に着磁された永久磁石からなる界磁用の磁極を有するロータと、前記永久磁石と間隔を保持して対向し、コイルに流れる電流によりロータの進行方向に隣接して配置された少なくとも１相分のステータ極歯にＮ極とＳ極を発生するステータとを具備するＰＭ形ステッピングモータにおいて、
前記ロータとステータの相対的移動により生じる誘導起電力に含まれる３次高調波を打ち消す補正極が前記高調波に対して逆位相となるように一部の前記ロータの磁極間に設けられ、前記補正極の磁極間隔は前記ロータの磁極間隔の１/３であって、補正極は１８０度対向した前記ロータの磁極間に設けられる共に前記補正極は前記ステータ極歯に対向して前記ロータの全長に亘って形成されてなることを特徴とするＰＭ型ステッピングモータが提供される。
【０００６】
また、本発明の一態様によれば、永久磁石からなる界磁用の磁極の一部にこれと一体に、補正極用磁石を形成してなることを特徴とする請求項１に記載のＰＭ型ステッピングモータが提供される。
【０００７】
本願の請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明の加えて、補正極間隔Ｎは、該主界磁の磁極の間隔をＰとした時、Ｎ＝Ｐ／ｎ（ｎは２以上１０以下の整数で該高調波の次数）とし、基本波に対する高調波の含有率に準じて、補正極の磁束量並びに補正極の極数を調整することを特徴とするＰＭ型ステッピングモータを提供する。
【０００８】
本願の請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明の加えて、前記補正極を、３次高調波成分のみの除去用の補正極としたことを特徴とするＰＭ型ステッピングモータを提供する。
【０００９】
本願の請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明の加えて、基本となる主界磁の磁極の磁極面積を、界磁磁石の磁極面積の１／２以上としたことを特徴とするＰＭ型ステッピングモータを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図を用いて説明する。図１は本発明に係わるＰＭ型ステッピングモータの構成図で、１と１５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、５はステータアッセイを示す。ステータアッセイ５は、軟磁性材の鋼板を立体的にドーナツ状に折曲げ、その内周に極歯１３を持つステータヨーク９と１０をもって、マグネットワイヤーをボビン６に巻回して構成したコイル８を挟持して構成される。１９はロータアッセイを示し、３は回転中心となるシャフト、４はステータヨーク９と１０の極歯１３と対向して外周に複数の磁極１１を持つ界磁用磁石、１７は界磁磁石４とシャフト３を締結保持するスリーブを示す。
【００１１】
図２はステータアッセイ５の構成を示す断面図である。ステータアッセイ５を構成するステータヨーク９は、背の低い円筒状の側壁を持った皿状の軟磁性鉄板の中央に穴をあけ、その中央の穴の縁部から側壁と同方向に複数個の極歯１３を突出させており、下面側が開いた断面四角形のドーナツ型をしている。またステータヨーク１０は、中央に穴を設けた軟磁性鉄板からなる円板の中央穴周縁から複数個の極歯１３を突出させた構成を持つ。ステータヨーク９の極歯１３と側壁間に形成された断面４角形の空間には、マグネットワイヤーをボビン６に巻回したコイル８を納めた後、ステータヨーク９の開口面にステータヨーク１０を嵌合させ、これらを嵌合させたときこれらの極歯１３同士が等間隔で噛み合うように構成する。このように構成された２個のステータアッセイ５を背中合わせに重ね、高分子材料を用いたモールド成形等の手法により一体化構成する。なお図１において、７はコイル８から引き出された端子である。
【００１２】
図３は上記ステータアッセイ５を用いたＰＭ型ステッピングモータの縦断面図である。図３において、ロータアッセイ１９は、回転中心となるシャフト３を基準としてこれにスリーブ１７を圧入固定し、その外周に接着剤を塗布し界磁用磁石４を同軸となるように挿入し接着固定している。このように構成されたロータアッセイ１９は、界磁用磁石４の外周に所定の着磁を施して磁極１１を構成し、磁極１１がステータアッセイ５の極歯１３と微小間隔を開けて対向するように、含油合金からなる軸受２、１６をカメシ固定したフランジ１、１５をシャフト３に挿入し、ステータアッセイ５の極歯１３と同軸となるように位置決めされている。尚、フランジ１、１５はプラズマ溶接等によりステータアッセイ５に固定されている。
【００１３】
図４は、本発明のロータアッセイ１９の構造を示す斜視図である。本発明のロータアッセイは、３次高調波を抑制するための補正極２０を、界磁用磁石４に主界磁の磁極１１の磁極間隔Ｐの１／３を補正極間隔として、主界磁の磁極１１の２極分を界磁用磁石４のバランスが損なわない様１８０度対向させて、該３次高調波の位相と逆相（１８０度位相）となる位置に構成している。図５は、本発明にかかるモータのロータアッセイ１９を構成する界磁用磁石４の表面磁束密度波形（着磁パターン）を示す波形図であり、図６は、本発明にかかる２０ステップ（１０極着磁）構成のモータのロータを３００ｒｐｍにて回転せしめた時にコイル８に発生する誘導起電力波形を示す波形図である。通常２０ステップモータの界磁用磁石４の磁極１１は、Ｎ極，Ｓ極各５個の１０個となり、そのピッチＰはステータアッセイ５の極歯１３のピッチＰ（図２参照）と同一としている。
【００１４】
図７は、従来例のロータアッセイを示す斜視図である。なお、本発明と同一部分には同一符号を付してある。図８は、図７に示す従来例のロータアッセイを構成する界磁用磁石の表面磁束密度波形（着磁パターン）を示す波形図であり、図９は、従来例の２０ステップ（１０極着磁）構成のモータのロータを３００ｒｐｍにて回転せしめた時にコイルに発生する誘導起電力波形を示す波形図である。図８及び図９から分かるように、このモータ（ロータ）での誘導起電力波形は３次の高調波が基本波（１次）に重畳し歪みを生じている。これに対して本発明の実施形態のモータでは、図５から明らかなように、この高調波（１次）に対する高調波の割合分を補正極２０として界磁磁石に加える。この為、誘導起電力として新たに逆相の３次高調波が所定量発生し、誘導起電力波形は、前述の従来例の波形に新たに発生した高調波が重畳し、これら高調波同士が互いに打ち消しあって歪みの少ない波形、即ち正弦波形に近づいている。この為、モータとして動作させると、振動が少なく、回転精度の高い、滑らかな回転動作を得ることが出来る。
【００１５】
図１０は、図６，図９に示す誘導起電力波形をＦＦＴ（高速フーリエ変換）したグラフ図であり、その（ａ）は従来例のそれを、（ｂ）は本発明のそれを示す。これらから明らかなように本発明の実施の形態では従来例と比較して高調波成分が少ないことが良く判る。また、図１１は、本発明の実施の形態におけるステップに対する変位量（角度）の関係を表わしたグラフ図である。尚、同図では１部メモリを拡大して示してある。図１１より明らかなように、従来例に比べ本発明の実施の形態は、ステップに対する変位量の変動が少なく直線性が優れており、滑らかな動きであることが分かる。
【００１６】
図１２は、あるモータを３００ｒｐｍの回転数で回転させた際の振動のレベルを比較した比較図である。この図から明らかなように、本発明は従来例と比較して振動が少ないことが分かる。
【００１７】
更に本発明のもう１つ他の実施の形態として、基本となる主界磁用磁極の磁極幅を変えたものについて説明する。図１３に示すように、磁極幅を２ケ所、従来品の磁極幅Ｗの１／３の幅に狭く又は、両サイドの着磁幅を１／３づつ広げて従来例の４／３倍するかして補正極２２を形成する。そして、図７，図８，図９に示す従来例で発生している３次高調波と逆相（１８０度位相）の位置に設ける。
【００１８】
図１４にこの実施の形態のロータアッセイ１９を構成する界磁用磁石４の表面磁束密度波形（着磁パターン）を示す波形図であり、図１５、ロータアッセイ１９を回転せしめた時、コイル８に発生する誘導起電力波形を示す波形図である。図１５から明らかなように、誘導起電力波形は正弦波に近づき、モータは振動が少なく、回転精度がよくなり、滑らかな動きとなる。その結果をＦＦＴ（高速フーリエ変換）すると、問題の第３次高調波は図１６の（ｂ）に示す通り、（ａ）に示す従来例のモータの１／３以下となっていることが判る。
【００１９】
以上、本発明を上述のように詳細に説明したが、本発明の主旨の範囲内で種々の変形や応用が可能である。すなわち、上述のように、高調波対策用の補正極は、補正極の磁束がコイルと鎖交する位置に配されれば、必ずしも界磁磁石に組込まなくても所望の効果は得られるし、又、補正極の数を必ずしも多くしなくても、それに相当する補正極の磁極幅を採ることで、所望の効果は得られる。また、当然ながら、本発明の骨子は、ステッピングモータ以外のモータにも十分適用できるものであり、また、特開平８−２２３９０１号公報に記載されているようなリニア型ステッピングモータにも適用できる。そしてこれらはすべて本発明の範囲に含まれることは明白である。そしてこれらの変形や応用を本発明の範囲から排除するものではない。
【００２０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、その手順は基本的な構成をまず造りそれを回して誘導起電力波形を発生させ、更にこれをＦＦＴして基本波に対する高調波の次数と夫々の比率を求め、その次数と比率に合せて補正極の仕様を決め、即ち、補正極としての磁極間隔と磁極の数を決めるか、磁極幅と磁極の数を決めて、界磁マグネットの着磁を行えばよく、低振動・低騒音・高回転精度で滑らかな動作の制御性の良いモータを、短時間でしかも低コストで構成することが出来る。又、本発明は、既存品の改良にも適用出来、既存品の特性改良をコストをかけずに短時間で簡単に行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係わるＰＭ型ステッピングモータの構成図である。
【図２】図２は、本発明に係わるステータアッセイの構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明に係わるステータアッセイを用いたＰＭ型ステッピングモータの縦断面図である。
【図４】図４は、本発明のロータアッセイの構造を示す斜視図である。
【図５】図５は、本発明の界磁用磁石の表面磁束密度波形を示す波形図である。
【図６】図６は、本発明のモータのコイルに発生する誘導起電力波形を示す波形図である。
【図７】図７は、従来例のロータアッセイを示す斜視図である。
【図８】図８は、図７に示す従来例のロータアッセイを構成する界磁用磁石の表面磁束密度波形（着磁パターン）を示す波形図である。
【図９】図９は、従来例のモータを回転せしめた時にコイルに発生する誘導起電力波形を示す波形図である。
【図１０】図１０は、図６，図９に示す誘導起電力波形を高速フーリエ変換した結果を示すグラフ図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態におけるステップに対する変位量（角度）の関係を表わしたグラフ図である。
【図１２】図１２は、ある周波数でモータを３００ｒｐｍの回転数で回転させた際の振動のレベルを比較した比較図である。
【図１３】図１３は、本発明の他の実施の形態を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、図１３に示すモータのコイルに発生する表面磁束密度波形を示す波形図である。
【図１５】図１５は、図１３に示すモータのコイルに発生する誘導起電力波形を示す波形図である。
【図１６】図１６は、図１４，図１５に示す誘導起電力波形を高速フーリエ変換した結果を示すグラフ図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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