JP2005086978A

JP2005086978A - ステッピングモータ

Info

Publication number: JP2005086978A
Application number: JP2003319765A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kasahara; 貴笠原
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: KR100885737B1; JP4596762B2; US20050057105A1; KR20050027057A; KR20080106493A; TW200511688A; KR100927484B1; US7235911B2; TWI327404B; CN1595775B; CN1595775A

Abstract

【課題】コイルヨークの外形に起因するデッドスペースを小さくし、低電流かつ低回転での回転駆動を実現する。
【解決手段】ステッピングモータは、ロータマグネット７と同心円状にロータマグネット７に対して所定の間隙を持って対向配置されるコイル４と、コイル４を取り囲むように保持し、ロータマグネット７とコイル４の間に介在する磁極部１ａ，２ａを有する磁性部材１，２とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、時計や電動ファンを駆動するステッピングモータに関する。

従来より、低電流で駆動できるステッピングモータとして時計用ステッピングモータが知られている（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。
特開昭４９−５６１０９号公報特開昭５０−１４５８０６号公報

しかしながら、従来の時計用ステッピングモータは、鉄芯に巻線されて長方形の外形を持つコイルと、このコイルからロータマグネットまで磁気回路を導くコイルヨークと、このコイルヨークに対向配置されるロータマグネットとで構成され、ロータマグネットが固定された出力軸に対して非対称な形状となっている。また、低電流化されている分、コイルヨークの外形を大きくせざるを得ず、占有面積を小さくするには限界があった。このため、時計等に取り付ける際にはコイルヨークを出力軸に対して一方のスペースに偏って取り付けざるを得えず、他方のスペースがデッドスペースとなって非効率的となっていた。

また、上記ステッピングモータを慣性モーメントの小さい電動ファンの駆動に用いる場合、空気を対流させるための通路がコイルヨークにより遮られてしまう等の不都合がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、コイルヨークの外形に起因するデッドスペースを小さくし、低電流かつ低回転での回転駆動を実現できるステッピングモータを提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るステッピングモータは、マグネットと同心円状に当該マグネットに対して所定の間隙を持って対向配置されるコイルと、前記コイルを取り囲むように保持し、前記マグネットと前記コイルとの間に介在する磁極部を有する磁性部材とを具備する。

また、好ましくは、前記磁性部材は、第１の磁極部が設けられた薄板状の第１の磁性部材と、前記マグネットの中心軸に対して前記第１の磁極部と対称に第２の磁極部が設けられた有底円筒状の第２の磁性部材とを有する。

また、好ましくは、前記第１及び第２の磁極部には、当該第１及び第２の磁極部とマグネットとの間隙を不均一にし、前記コイルを励磁した時の前記マグネットの電磁的安定位置と、前記コイルの無励磁時での安定位置とを形成する凹部が設けられている。

以上説明したように、本発明によれば、マグネットとコイルとを出力軸に対して同心円状に配置したので、マグネットとコイルとが出力軸に対して非対称に配置される従来の構成に比べてコイルヨークの外形に起因するデッドスペースを小さくし、低電流かつ低回転での回転駆動を実現できる。

以下に、本発明の好適な一実施形態につき、添付の図面を参照して説明する。

尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。

図１は本発明に係る実施形態の単相ＰＭ型ステッピングモータの分解斜視図、図２は図１のステッピングモータを組み立てた状態での側断面図（ａ）と外観斜視図（ｂ）である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の単相ＰＭ型ステッピングモータは、例えば、軸流ファンやシロッコファンなどの複数の羽根部を持つインペラ１４が出力軸８に接続される。

単相ＰＭ型ステッピングモータは、単極（直径で２等分し、互いに対称に相反する磁極（Ｓ極及びＮ極）を持つように着磁された２極）に着磁された円筒状の永久磁石からなるロータマグネット７と軸方向の位置ずれを規制するスペーサ１０が出力軸８に固定されてロータ（回転子）を構成している。

ロータの出力軸８は、その軸方向に組み付けられる一対の軸受６ａ，９ａによって回転自在に軸支される。軸受６ａは、モータ本体の一端面を画定する円盤状ブラケット６の中央部分に突出して設けられ、出力軸８の一端部をスラスト方向に軸支する。また、軸受９ａは、円盤状の軸受部材９の中央部に形成された孔によって出力軸８の他端部をラジアル方向に軸支する。軸受部材９は、位置決め機能を兼ねる取り付け孔２ｄに突起部９ｂを圧入等することによって有底円筒状（カップ状）ヨーク２の端面２ｅに固定される。

一方、ステータ（固定子）は、ロータマグネット７と同心円状に当該ロータマグネット７に対して所定の間隙を持って対向配置されるコイル４と、コイル４を取り囲むように保持し、ロータマグネット７とコイル４の間に介在する磁極部１ａ，２ａを有する磁性部材としてのヨーク１，２とを備える。

上記ヨーク１，２は、薄板で構成される円盤状の第１のヨーク１と、この第１のヨーク１により開口端部２ｆが閉成される有底円筒状の第２のヨーク２とを備える。第１のヨーク１は、ロータの出力軸８の中心軸と同心円状に開口する開口部１ｂと、この開口部１ｂの側縁部の一部からコイル４側に絞り成形等により立設された円弧状の第１の磁極部１ａとを有する。また、第２のヨーク２の有底の底部には、ロータの出力軸８の中心軸と同心円状に開口する開口部２ｂと、この開口部２ｂの側縁部の一部からコイル４側に絞り成形等により立設された円弧状の第１の磁極部２ａとを有する。

上記第１の磁極部１ａと第２の磁極部２ａとはロータの出力軸８に対して対称な位置に設けられる。

コイル４は、両端に拡径されたフランジ１３ａ，１３ｂを有する円筒状の樹脂製ボビン１３に、その巻回軸線がロータの出力軸８となるように巻線されている。

また、ボビン１３の一端のフランジ１３ｂにはコイル４に通電して励磁するための電極部３が延設されており、第１及び第２の磁極部１ａ，２ａにＳ極又はＮ極の磁界が発生する。電極部３には、コイル４の各端部に電気的に接続された一対の電極ピン１１が突出している。電極ピン１１は、第１のヨーク１の裏面に取り付けられる回路基板５に半田付け等で電気的に接続されると共に、コイル４への通電を制御する外部の駆動回路等にコネクタ等を介して接続される。回路基板５には配線パターンが形成されてコイル４に印加されるパルス電圧波形を生成する。

第１のヨーク１と第２のヨーク２とはコイル４を収容した状態でかしめ等により機械的に結合される。また、ブラケット６は、回路基板５と共に第１のヨーク１のネジ孔１ｄにネジ１２等により締結されて固定される。

第１及び第２の磁極部１ａ，２ａはコイル４への通電により励磁されて磁極となり、これら磁極の極性を反転させることによりロータマグネット７を回転させる。また、第１及び第２の磁極部１ａ，２ａの内周部の一部には、凹状溝（又は切り欠き）１ｃ，２ｃが形成されている。これら凹状溝１ｃ、２ｃは、第１及び第２の磁極部１ａ，２ａとロータマグネット７の外周部との間隙を不均一にし、ロータマグネット７の電磁的安定位置と無励磁での安定位置とを形成し、ロータマグネット７の自起動による回転を可能としている（図５参照）。

つまり、上記無励磁安定位置では、ロータマグネット７の磁極が第１及び第２の磁極部１ａ，２ａからコギングトルクを受けて、励磁時に第１及び第２の磁極部１ａ，２ａ間に発生する磁束の向きＤ１（図５参照）とロータマグネット７の極性方向Ｄ２が交差してずれるような（平行にならないような）位置関係となる（図５（ａ）、図５（ｃ）及び図５（ｅ）参照）。

また、上記電磁的安定位置では、ロータマグネット７の磁極が第１及び第２の磁極部１ａ，２ａから吸引力及び反発力を受けてバランスし、無励磁安定位置からロータマグネット７の極性が１８０°未満で反転した位置関係となる（図５（ｂ）及び図５（ｄ）参照）。

図３は本発明に係る実施形態の駆動回路を示すブロック図であり、図４は図３の駆動回路により生成されるステッピングモータの駆動電圧波形を示す図である。

図３に例示する駆動回路２３は、例えば、２本の乾電池２７を電源とし、水晶発振子等を内蔵する発振回路２４から出力されるクロック信号を制御部２５で分周及び波形整形を行い、４つのＣＭＯＳトランジスタからなるＣＭＯＳＦＥＴ２６の各ゲートに駆動制御信号を出力して、コイル４の端子間に図４に示すような周期的に反転する交番パルス波形の駆動電圧を印加し、単相ステッピングモータを一定回転で駆動する。尚、図４に示す交番パルス波形では、駆動電圧のＯＮ時間は、例えば２０ｍｓｅｃであり、モータ回転数が４８０ｒｐｍである。

尚、図４では起動時からパルス周波数を一定に設定した例を示しているが、起動時のパルス周波数を定常時よりも低く設定することで（スローアップ電圧波形）、ステッピングモータの回転数を起動時から定常時まで徐々に高めていくスローアップ機能を付加することができ、例えば、インペラを低電流で回転駆動することができる。

本実施形態の単相ステッピングモータのコイル抵抗は、数百オームと一般的なステッピングモータに比べてかなり大きく、また、直列に数百オームの抵抗を接続することもあり、駆動電流は数ｍＡとなる。

また、インペラを駆動する場合でも、上記駆動回路２３として汎用の時計用ＩＣを用いることができるので、コストも安く、消費電流も小さく、時計などと同様に乾電池を用いて長時間の駆動が可能となる（例えば、電池２本で３Ｖ、２ｍＡの消費電流で、乾電池は２０００ｍＡの容量であるから４０日間の連続駆動が可能となる）。

図５は、本実施形態のステッピングモータの回転動作を説明する図であり、第１及び第２の磁極部１ａ，２ａとロータマグネット７との位置関係を示している。

図５（ａ）の無励磁安定位置（通電ＯＦＦ）では、ロータマグネット７の磁極が第１及び第２の磁極部１ａ，２ａから微小なコギングトルクを受けて、第１及び第２の磁極部１ａ，２ａ間に発生する磁束の向きＤ１とロータマグネット７の極性方向Ｄ２が交差してずれるような位置関係となる。このコギングトルクは磁場を弱くするためにできるだけ小さい方がよいが、ゼロにはしない。

上記無励磁安定位置からコイル４に通電（ＯＮ）して第１及び第２の磁極部１ａ，２ａを励磁することにより、第１及び第２の磁極部１ａ，２ａと極性が異なるロータマグネット７の磁極が吸引されると共に、極性が同じ磁極が反発してバランスし、図５（ａ）の無励磁安定位置からロータマグネット７の極性が１８０°未満で右回りに回転した図５（ｂ）の電磁的安定位置まで回転する。

その後コイル４への通電を停止（ＯＦＦ）すると上記コギング力の作用により、図５（ｂ）の電磁的安定位置から更にわずかに回転して図５（ａ）の位置から１８０°反転した図５（ｃ）の無励磁安定位置にまで回転する。

次に、図５（ｃ）の無励磁安定位置からコイル４に図５（ｂ）の通電時とは反転したパルスを出力して第１及び第２の磁極部１ａ，２ａに図５（ｂ）の励磁時とは反転した極性を発生させることにより、第１及び第２の磁極部１ａ，２ａと極性が異なるロータマグネット７の磁極が吸引されると共に、極性が同じ磁極が反発してバランスし、図５（ｃ）の無励磁安定位置からロータマグネット７の極性が１８０°未満で右回りに回転した図５（ｄ）の電磁的安定位置まで回転する。

その後コイル４への通電を停止（ＯＦＦ）すると上記コギング力の作用により、図５（ｄ）の電磁的安定位置から更にわずかに回転して図５（ｅ）の無励磁安定位置（図５（ｃ）の位置から１８０°回転した位置、或いは、図５（ａ）の位置から３６０°回転した位置）にまで回転することにより図５（ａ）の位置に戻って１回転が終了する。以後同様の通電パターンを繰り返すことでロータマグネット７が連続的に回転することになる。

上記実施形態によれば、ロータマグネット７とコイル４とを出力軸８に対して同心円状に配置したので、ロータマグネットとコイルとが出力軸に対して非対称に配置される従来の構成に比べてコイルヨークの外形に起因するデッドスペースを小さくし、低電流かつ低回転での回転駆動を実現できる。

また、本実施形態のステッピングモータを用いて慣性モーメントの小さいインペラを駆動する場合、空気を対流させるための通路を確保できる。

本発明は、例えば、慣性モーメントの小さい時計や、空気を対流させるために電動ファン等が搭載された空気清浄器、芳香剤噴霧器、除湿器、防虫器等に駆動用モータとして適用可能である。

本発明に係る実施形態の単相ステッピングモータの分解斜視図である。図１のステッピングモータを組み立てた状態での側断面図（ａ）と外観斜視図（ｂ）である。本発明に係る実施形態の駆動回路を示すブロック図である。図３の駆動回路により生成されるステッピングモータの駆動電圧波形を示す図である。本実施形態のステッピングモータの回転動作を説明する図である。

符号の説明

１第１のヨーク
１ａ第１の磁極部
２第２のヨーク
２ａ第２の磁極部
３電極部
４コイル
５回路基板
６ブラケット
６ａ軸受
７ロータマグネット
８出力軸
９軸受部材
９ａ軸受
１０スペーサ
１１電極ピン
１３ボビン
１４インペラ
２３駆動回路
２４発振回路
２５制御部
２６ＣＭＯＳＦＥＴ
２７電池

Claims

マグネットと同心円状に当該マグネットに対して所定の間隙を持って対向配置されるコイルと、
前記コイルを取り囲むように保持し、前記マグネットと前記コイルとの間に介在する磁極部を有する磁性部材とを具備することを特徴とするステッピングモータ。
前記磁性部材は、第１の磁極部が設けられた薄板状の第１の磁性部材と、前記マグネットの中心軸に対して前記第１の磁極部と対称に第２の磁極部が設けられた有底円筒状の第２の磁性部材とを有することを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ。
前記第１及び第２の磁極部には、当該第１及び第２の磁極部とマグネットとの間隙を不均一にし、前記コイルを励磁した時の前記マグネットの電磁的安定位置と、前記コイルの無励磁時での安定位置とを形成する凹部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータ。