JP2016144336A - ステッピングモータ及び時計 - Google Patents

Abstract

【課題】ステッピングモータの低消費電力化と小型化を確保しつつ、時計針をステッピングモータの出力軸から直接運針する形態を実現すること。【解決手段】回転軸６に組み付けられ外周面にロータ小歯が形成されたロータ鉄芯４に円筒型磁石が組み付けられたロータと、ロータ小歯と対向するステータ小歯を有して磁気回路を構成するステータ２と、ステータ２を励磁するコイルを備えたステッピングモータ１において、ステータ２が、鉄−ニッケルを含む合金で構成され、複数の小歯を備えて径方向に延在する複数のステータ磁極１０，１１，１２，１３と、これらのステータ磁極１０，１１，１２，１３が周方向に連結する狭幅部２１，２２，２３，２４とを備え、狭幅部２１，２２，２３，２４が、ステータ母材の重量比より多くクロムを含む領域を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ステッピングモータ及び時計に関する。

従来より、時計用ステッピングモータは、ロータ用貫通孔を有するステータと、ロータ用貫通孔内に回転可能に配設されたロータと、コイルとを有している。そして、ロータ、ステータとも２極の磁極を有し、ロータを１８０［ｄｅｇ／ｓｔｅｐ］動作させる単相ステッピングモータが一般的であり、ロータから秒針までの輪列減速比は１／３０で、秒針は１秒毎に６［ｄｅｇ／ｓｔｅｐ］のステップ運針をする（例えば、特許文献１参照）。あるいは、４極の永久磁石を配置したロータと４つのステータ磁極によって、９０［ｄｅｇ／ｓｔｅｐ］動作させるステッピングモータが提案されている（例えば、特許文献２参照）。上記従来のステッピングモータの構成としては、周方向に着磁された永久磁石に周方向でステータ磁極が対向する構成である。周方向の着磁は永久磁石の直径が小径であるために、細かな着磁ピッチの困難性から多極化に限界がある。そこで、フレキシブルディスクのヘッド駆動用モータとして、上記の腕時計の運針用ステッピングモータに比較して大型ではあるが、軸方向に着磁された永久磁石の端部に複数の磁極歯を備えるロータ磁極と、ロータ磁極に対向する複数の磁極小歯を備えるステータ磁極で構成され、一回のパルス通電でロータが小さな角度で回転するステッピングモータが提案されている（例えば特許文献３参照）。

特開昭５３−１０７６１１号公報 特開２０１３−１９８２４７号公報 特開昭５９−１６５９５０号公報

ところで、かかる従来のステッピングモータにおいて、特に腕時計用ステッピングモータは、低消費電力化と小型化及び長期間に亘る信頼性が求められる。特許文献１に記載のステッピングモータを用いるアナログ電子時計は、１秒に１回のパルス通電によって周方向２極に着磁された永久磁石ロータが１８０［ｄｅｇ］回転し、２段の歯車によって１／３０に減速されて、秒針が６［ｄｅｇ］進むように構成されている。また、特許文献２に記載の９０［ｄｅｇ／ｓｔｅｐ］動作させるステッピングモータを用いるアナログ電子時計においては、歯車により１／１５に減速されるようになっている。ステッピングモータから減速歯車を用いて秒針軸に運動を伝達する構成においては、歯車の噛み合い摩擦や歯車軸の摩擦によるエネルギー損失が発生し、また、歯車の異物の噛み込みによる止まりの故障原因にもなっていた。

また、周方向に着磁された永久磁石を、周方向に配置されたステータ磁極を励磁させて１パルスで１磁極毎に回転させる構成のステッピングモータにおいては、永久磁石の着磁極数とステータ磁極数が、腕時計に収めるスペースサイズにおいて限界があり、減速用の歯車を無くすように、例えば１８０［ｄｅｇ］の回転角度を６［ｄｅｇ］にすることは、永久磁石の着磁極数を６０極にしなければならず、着磁ピッチが小さくなりすぎることと、ステータ磁極が６０個になるため、現実的ではない。

一方、軸方向に着磁された円筒型永久磁石の端部に組み付けられたロータ磁極と、ロータ磁極に対向配置された複数のステータ磁極が周方向に狭幅部で連結されて配置されるステッピングモータは、周方向に着磁された上述構成のステッピングモータに比べて小さなピッチで着磁する必要がなく、ステータ磁極も２対の磁極により１回のパルス通電で小さな回転角度を得ることが可能である。しかしながら、特許文献３に記載のステッピングモータの構成は、隣接するステータ磁極同士が狭幅部で連結しているため、連結部をコイル磁束で磁気飽和させるための電力を必要とする不都合がある。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、モータのサイズを小型に抑えながら、減速歯車を用いることなく秒針が運針できるステッピングモータ及び時計を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のステッピングモータの第１の特徴は、
ロータ用貫通孔を有して磁気回路を構成するステータと、前記ロータ用貫通孔内に回転可能に配設されたロータと、前記ステータを励磁するコイルとを備えたステッピングモータにおいて、前記ロータは、外周面に複数のロータ小歯が形成されたロータ鉄芯と磁石を有し、前記ロータ鉄芯と前記磁石は回転軸に固定され、前記ステータは、鉄−ニッケルを含む合金で構成され前記複数のロータ小歯と対向する複数のステータ小歯と、前記複数のステータ小歯から径方向に延在する複数のステータ磁極と、前記複数のステータ磁極が周方向に連結する狭幅部とを備え、前記狭幅部が、ステータ母材の重量比より多くクロムを含む領域を備えることである。
かかる特徴によれば、狭幅部が、鉄−ニッケルの合金で構成されるステータ母材の重量比より多くクロムを含む領域を備えて磁気抵抗が大きくなるので、狭幅部を磁気飽和に要する電力が抑制されてコイルの励磁電流が抑制可能となって低消費電力の運転ができるようになる。また、磁気飽和に要する時間が短縮されてロータを高速で回転できるようになる。さらに、ロータ磁極からステータ磁極部への磁束が隣接する磁極部への流れを抑制されるのでロータの保持トルクが大きくできる。

本発明のステッピングモータの第２の特徴は、ステータが１つの部材からなり、接合箇所のない一体構造であることである。
かかる特徴によれば、ステータが一体で形成されるので、ステータ磁極を精度良く配置することができて、回転角度やトルクを安定させることができる。

本発明のステッピングモータの第３の特徴は、ロータ磁極の小歯の数が１５であり、４つのステータ磁極を有することである。
かかる特徴によれば、１５の歯数のロータ磁極を、４つのステータ磁極を用いて１つのステップで１／４ピッチ回転させることで、６［ｄｅｇ／ｓｔｅｐ］の回転を実現できるので、時計の秒針を運針するステッピングモータでは減速歯車を用いることなく秒針を運針できるため、歯車の異物噛み込などの故障を回避して長期間に渡る信頼性が確保される。また、歯車の噛み合い摩擦や歯車軸の摩擦のエネルギー損失が無い分、モータの消費電力を低減できる。

本発明のステッピングモータの第４の特徴は、前記ロータは、前記回転軸の方向に着磁された前記磁石と、前記回転軸の方向で前記磁石の両端に２つの前記ロータ鉄芯とを備え、前記ステータは、前記ロータ小歯と対向配置され内周面に複数のステータ小歯を備えた１枚の磁性板からなり、前記ステータ磁極の端部を連結する巻芯と、前記巻芯に巻回されたコイルとを備えるステッピングモータとすることである。
かかる特徴によればステータを１つの磁性板で構成するため、モータの薄型化を達成することができる。

本発明の時計の第５の特徴は、本発明のステッピングモータを備えた時計とすることである。
かかる特徴によれば、モータ軸から直接に秒針を６［ｄｅｇ／秒］の回転を実現することができ、無励磁状態でロータの静止状態を維持することができる。また、コイルの通電方向を切り替えることでロータの正転、逆転が容易であるため、時刻修正における秒針位置の修正を容易に行うことができる。

本発明によれば、ステッピングモータの低消費電力化と小型化を確保しつつ、時計針をステッピングモータの出力軸から直接運針する形態を実現できる。

本実施形態に係るステッピングモータの斜視図である。 図１に示すステッピングモータの平面図である。 図１に示すステッピングモータのロータの斜視図である。 本実施形態に係るステッピングモータのロータの動作シーケンス図である。 ステッピングモータのステータの狭幅部の磁気抵抗の違いによる電流波形である。 本実施形態に係るステッピングモータのステータの製造方法を説明するための工程図である。 本実施形態に係るステッピングモータの製造方法により製造されたステータ狭幅部のＣＰ（クロスセクションポリッシャー）断面のＳＥＭ写真及び定性分析結果である。

本発明の実施形態に係るステッピングモータについて、図１から図７を参照して以下に説明する。
図１、図２及び図３に示されるように、ステッピングモータ１は、鉄−ニッケルを含む合金で構成されたステータ２の、ステータ磁極１０，１１，１２，１３を連結する狭幅部２１、２２、２３、２４が、ステータ母材の重量比よりクロムを多く含む領域を備えるように構成されている。これにより、後述のようにクロムを分散させて、これらの領域の磁気抵抗を大きくさせることができる。そして、これらの領域の大磁気抵抗化の観点から、クロムは１７％重量比以上とすることが望ましい。

図６は本実施形態に係るステッピングモータのステータの製造方法を説明するための工程図である。図６（ａ）に示すように、まず、鉄−ニッケル合金のパーマロイ帯板材（例えばＦｅ−８ｗｔ％Ｃｒ−３８ｗｔ％Ｎｉ）を用意する。図６（ｂ）に示すように、そのパーマロイ帯板材をステータの形状にプレス打ち抜き加工する。図６（ｃ）に示すように、次に、ステータのコイル巻芯部と当接する箇所をマスキングして、ステータに厚さ０．０３ｍｍのクロムメッキを施す。図６（ｄ）に示すように、さらに、ＹＡＧレーザーを出力３．５ｋＷ、１０ｍｓｅｃでステータの狭幅部４ヶ所に一回照射する。

レーザー照射によって溶融した溶融部のＣＰ（クロスセクションポリッシャー）断面のＳＥＭ写真及び測定した３カ所（＃１，＃２，＃３）の定性分析結果を図７に示す。ステータ狭幅部の外側面部からロータ穴に面する内側面部に至る全体にクロムが均一に分散する。溶融部３１はＦｅ−１８ｗｔ％Ｃｒ−３２~３５ｗｔ％Ｎｉ合金となり、組織がオーステナイト単相で非磁性となる。以上の工程により、ステータの狭幅部が非磁性を有する構造となるので、磁気抵抗が大きくできて狭幅部を磁気飽和させる電力を抑制することができ、また、１つの部材からなる接合部のない一体構造のステータを得ることができる。

ステータの狭幅部が非磁性となると、狭幅部を磁気飽和させる電力を抑制できることについて、図１、図２に示す本実施形態に係るステッピングモータと従来技術（特許文献３）を対比して説明する。例えば、コイル１６に通電して励磁された磁心１４は、磁気的に結合したステータ磁極１１及び１２を異なる磁極に磁化させる。このとき、従来技術は、磁化されたステータ磁極１１及び１２の磁束は狭幅部２１、２２、２３、２４にも流れ、その後、狭幅部２１、２２、２３、２４が磁気飽和してステータ磁極１１及び１２が磁気的に分離してロータ磁極４に磁気吸引力と磁気反発力をそれぞれ与えてロータ磁極４が回転する。このコイル１６に流した電流波形は図５の電流波形ａのようになだらかな立ち上がり部を有する。これは、狭幅部２１、２２、２３、２４が飽和するまでの間はコイル１６から見た磁気回路の磁気抵抗が非常に低く、その結果、コイル直流回路の時定数τが大きくなるためである。

τ＝Ｌ／Ｒ Ｌ＝Ｎ^２／Ｒｍ これから τ＝Ｎ^２／（Ｒ×Ｒｍ）
ただし、Ｌ：コイル１６のインダクタンス、Ｎ：コイル１６の巻数、Ｒｍ：磁気抵抗である。

一方、本実施形態に係るステッピングモータにおいては、狭幅部２１、２２、２３、２４が非磁性を有する構造であるため、ステータ磁極１１及び１２は狭幅部２１、２２、２３、２４の磁気抵抗が非常に大きく、狭幅部を磁気飽和させるための電力を必要としない。そのため、コイル１６に流した電流波形は図５の電流波形ｂのように急な立ち上がり波形となる。その結果、ステータの磁化に要する仕事は図５の磁化に要する仕事の差ｃの斜線部に示す面積が抑制されることとなって、モータを低消費電力で運転することができる。
また、隣り合うステータ磁極間の磁気抵抗が大きくできるため、ロータ鉄芯からの永久磁石の漏れ磁束が抑制できて、無通電時のロータ保持トルクを大きくできる。

次に、以上の工程で製作されたステータ２を使用したステッピングモータ１を図１から図４に示す。本実施形態に係るステッピングモータ１は、図１から図４に示されるように、ステータ２のロータ用貫通孔８の内に配設される回転軸６と、回転軸６に固定される円筒型磁石３と、円筒型磁石３の両端に固定される２枚のロータ鉄芯４ａ、４ｂと、ロータ鉄芯４ａ、４ｂの外周とギャップを隔てて対向する複数のステータ小歯７と、ステータ小歯７から径方向に延在する複数のステータ磁極１０，１１，１２，１３と、ステータ磁極端部に軸方向で重なるように積層してステータ端部を連結しコイルを備えた複数の巻芯１４，１５とを備える。

ロータ鉄芯４ａ、４ｂは、回転軸６が貫通可能な内孔を有し、それぞれ外周面に１５個のロータ小歯５を備えている。ロータ鉄芯４ａとロータ鉄芯４ｂのロータ小歯５は軸方向から見て歯が１／２ピッチ分ずれるように円筒型磁石３に固定されている。円筒型磁石３は軸方向に着磁されており、回転軸６に固定され、両端部に取り付くロータ鉄芯４ａとロータ鉄芯４ｂは円筒型磁石３によってそれぞれ異なる極に磁化されるようになっている。

ステータ小歯７は、３個のステータ小歯７が１つの組を構成し、４つの組が円周方向に約９０度の角度で等しく配置されている。ステータ小歯の各組７ａ、７ｂ、７ｃ及び７ｄから径方向にステータ磁極１０、１１、１２、１３が延在してステータ２を形成している。ステータ２は鉄−ニッケルの合金であるパーマロイ等の磁性材料からなる板状部材からプレス等によって作製された一枚の板状部材からなっている。ステータ２は、内周面のステータ小歯７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄから延在する胴部と、胴部と直行方向に延在する端部を有しており、ステータ磁極１１及び１２の端部は巻芯１４によって連結し、ステータ磁極１０及び１３の端部は巻芯１５によって連結するようになっている。巻芯１４、１５はパーマロイ等の磁性材料からなる板状部材をプレス加工により形成されて、コイル１６、１７がそれぞれ巻き回されている。巻芯１４、１５の両端部は、ステータ磁極１１の端部とステータ磁極１２の端部、ステータ磁極１０の端部とステータ磁極１３の端部に厚み方向に重なるように積層されて、ネジ（不図示）等によって固定される。

次に本実施形態の動作を、図４を用いて説明する。図４はロータの動作シーケンス図であり、右はステッピングモータ全体を示す図で、左はロータ周辺のみを拡大した図である。

初期状態で、図４（ａ）に示すように、コイル１６をステータ小歯７ｃがＳ極に、７ｂがＮ極になるように通電する。ロータ鉄芯４に黒丸印をつけて位置の変化がわかるようにしてある。
（１）図４（ｂ）に示すように、コイル１７をステータ小歯７ｄがＮ極に、７ａがＳ極になるように通電する（黒丸印はステータ小歯ピッチの１／４ピッチ分、時計回り方向に移動している）。
（２）図４（ｃ）に示すように、コイル１６をステータ小歯７ｃがＮ極に、７ｂがＳ極になるように通電する（黒丸印はさらに、ステータ小歯ピッチの１／４ピッチ分、時計方向に移動している）。
（３）図４（ｄ）に示すように、コイル１７をステータ小歯７ａがＮ極に、７ｄがＳ極になるように通電する（黒丸印はさらに、ステータ小歯ピッチの１／４ピッチ分、時計回り方向に移動している）。
（４）図４（ａ）に示すように、初期状態と同じようにコイル１６をステータ小歯７ｂがＮ極に、７ｃがＳ極になるように通電する。

このように、１つのステップでステータ小歯ピッチの１／４（６［ｄｅｇ］）回転して、（１）から（４）の４つのステップで、ステータ小歯ピッチ（２４［ｄｅｇ］）時計回り方向に回転する。また、（４）から（１）のステップでコイルに通電することにより反時計回り方向に回転する。

すなわち、本実施形態に係るステッピングモータは、ロータ用貫通孔を有して磁気回路を構成するステータと、ロータ用貫通孔内に回転可能に配設されたロータと、ステータを励磁するコイルとを備えたステッピングモータにおいて、ロータは、外周面に複数のロータ小歯が形成されたロータ鉄芯と磁石を有し、ロータ鉄芯と磁石は回転軸に固定され、ステータは、鉄−ニッケルを含む合金で構成され複数のロータ小歯と対向する複数のステータ小歯と、複数のステータ小歯から径方向に延在する複数のステータ磁極と、複数のステータ磁極が周方向に連結する狭幅部とを備え、狭幅部が、ステータ母材の重量比より多くクロムを含む領域を備えるので、モータの消費電力を抑制することができるとともに無通電時のロータ保持トルクを大きくできる。

また、ステータが１つの部材からなり、接合箇所のない一体構造であるため、ステータ小歯の形状やステータ小歯ピッチを高精度にできて、回転角度と回転トルクのばらつきを抑制することができる。

また、本実施形態に係るステッピングモータは、回転軸の方向に着磁された磁石と、回転軸の方向で磁石の両端に２つのロータ鉄芯とを備えるロータと、ロータ小歯と対向配置され内周面に複数のステータ小歯を備えた１つの磁性板からなるステータと、ステータ磁極の端部を連結する巻芯と、巻芯に巻回されたコイルとを備え、ステータを１枚の磁性板で構成するため、モータの薄型化を達成することができる。

また、本実施形態に係るステッピングモータは、ロータ鉄芯のロータ小歯の数が１５であり、４つのステータ磁極を有するため、１５の歯数のロータ鉄芯を１つのステップで１／４ピッチ回転させることで６［ｄｅｇ／ｓｔｅｐ］の回転を実現できるので、減速歯車を用いることなく時計の秒針を運針できる。

また、本実施形態に係る時計は、本実施形態に係るステッピングモータを備えるので、コイルの無通電状態でロータの回転位置を保持することができるため、１秒間に数ミリ秒のパルス通電をするだけで時計針の運針形態を維持することができて、例えば、時計で通常使用される容量２２０ｍＡｈ程度のリチウム一次電池であっても、数年間の使用が可能である。また、コイルの通電方向を切り替えることで正逆に同じ速度で回転させることができるため、時計の時刻修正における針の動きを使用者に違和感なく見せることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。

１ ステッピングモータ
２ ステータ
３ 円筒型磁石
４、４ａ、４ｂ ロータ鉄芯
５ ロータ小歯
６ 回転軸
７ ステータ小歯
８ ロータ用貫通孔
１０ ステータ磁極
１１ ステータ磁極
１２ ステータ磁極
１３ ステータ磁極
１４ 巻芯
１５ 巻芯
１６ コイル
１７ コイル
２１ 狭幅部
２２ 狭幅部
２３ 狭幅部
２４ 狭幅部
３１ 溶融部

Claims (5)

1. ロータ用貫通孔を有して磁気回路を構成するステータと、前記ロータ用貫通孔内に回転可能に配設されたロータと、前記ステータを励磁するコイルとを備えたステッピングモータにおいて、
   前記ロータは、外周面に複数のロータ小歯が形成されたロータ鉄芯と磁石を有し、前記ロータ鉄芯と前記磁石は回転軸に固定され、
   前記ステータは、鉄−ニッケルを含む合金で構成され前記複数のロータ小歯と対向する複数のステータ小歯と、前記複数のステータ小歯から径方向に延在する複数のステータ磁極と、前記複数のステータ磁極が周方向に連結する狭幅部とを備え、
   前記狭幅部は、ステータ母材の重量比より多くクロムを含む領域を備えることを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記ステータは１つの部材からなり、接合箇所のない一体構造であ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。
3. 前記ロータ鉄芯の前記ロータ小歯の数は１５であり、４つのステータ磁極を有することを特徴とする請求項１または２に記載のステッピングモータ。
4. 前記ロータは、前記回転軸の方向に着磁された前記磁石と、前記回転軸の方向で前記磁石の両端に２つの前記ロータ鉄芯とを備え、
   前記ステータは、前記ロータ小歯と対向配置され内周面に複数のステータ小歯を備えた１つの磁性板からなり、
   前記ステータ磁極の端部を連結する巻芯と、
   前記巻芯に巻回されたコイルと、を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のステッピングモータ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のステッピングモータを備えたことを特徴とする時計。