JP6877991B2 - ステッピングモータ - Google Patents

Description

本発明は、モータ回転軸の軸線方向における振動を低減するステッピングモータに関する。

一般に、ステッピングモータは、モータ回転軸（出力軸）を有するロータと、複数の巻線を有するステータから構成されている。駆動時には、巻線に流す電流を切り替えることでステータが励磁され、ロータが順次吸着されてロータは回転運動をすることができる。

しかしながら、ステッピングモータにおいては、入力パルスに応じてロータがステータにステップ状に順次吸着されていくため、入力パルスに関連した振動が発生し、モータ回転軸の軸線方向における振動が発生する場合はそれを低減することが重要となる。

モータ回転軸の軸線方向における振動を低減するものとして、特許文献１では、モータ回転軸の軸受とロータの間にスプリング（バネ）を挟み、ロータを軸方向に付勢している。また、特許文献２では、軸受を板バネで保持し、モータ回転軸を軸方向に付勢している。

特開平６−２８４６８２号公報 特開平１１−１９６５５９号公報

しかしながら、弾性体（バネ部材）のみに依存する特許文献１、２に示される構成では、モータ回転軸の軸線方向における振動低減は不十分であった。

本発明の目的は、モータ回転軸（シャフト）の軸線方向における振動低減を十分に高めたステッピングモータを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るステッピングモータは、シャフトを回転中心軸線として回転可能であって、回転方向においてＮ極とＳ極とが交互に配置された磁石を有するロータと、前記回転中心軸線に垂直な方向に沿って前記ロータを見たときに前記回転中心軸線に対して斜めの辺を有する第１の歯が複数設けられた第１のステータコイルと、前記第１の歯の辺に沿った辺を有し前記回転方向において前記第１の歯と交互に並ぶ第２の歯が設けられた第２のステータコイルと、を有するステータと、を備え、入力されたパルス信号に基づいて前記第１のステータと前記第２のステータとがＮ極とＳ極とに交互に順次励磁されることによって前記ロータが前記ステータに対して回転するステッピングモータであって、前記シャフトの軸受が回転可能に嵌められたフレームと、前記回転軸線方向において前記フレームに接触するコイル状の第１のバネと、前記回転軸線方向において前記ロータに接触するコイル状の第２のバネと、前記第１のバネと前記第２のバネとに挟持され前記回転軸線方向における前記ロータの振動を低減するための質量体と、を備え、前記シャフトは前記第１のバネおよび前記第２のバネそれぞれの内側を通るように配置されており、前記質量体には当該シャフトが通される開口が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、モータ回転軸（シャフト）の軸線方向における振動低減を十分に高めたステッピングモータを提供することができる。

本発明の実施形態に係るステッピングモータを正面側から見た概略斜視図である。 本発明の実施形態に係るステッピングモータの内部構造（制振構造を除く）の詳細説明図である。 比較例と対比した本発明の実施形態に係るステッピングモータの駆動時の概略説明図である。 第１の実施形態に係るステッピングモータの背面側から見た概略斜視図および側方断面図である。 第１の実施形態に係るステッピングモータの効果説明図である。 第２の実施形態に係るステッピングモータの正面側から見た図および側方断面図である。 第３の実施形態に係るステッピングモータの背面側から見た概略斜視図である。 第３の実施形態に係るステッピングモータの詳細説明図である。

以下、本発明の実施形態に係る制振構造を有したステッピングモータについて、図面に則して詳しく説明する。このステッピングモータは、広範な用途に用いられ、例えば画像形成装置において、排出されたシートを積載する積載トレイを上下に移動させるための駆動源として用いられる、あるいは例えばカメラにおいて、レンズ駆動の駆動源として用いられる。このような本実施形態に係る制振構造を有したステッピングモータは、画像形成装置あるいはカメラ以外の他の装置にも用いられ得る。

《第１の実施形態》
（ステッピングモータ）
図１に本発明の実施形態に係るステッピングモータ（２相ＰＭ型ステッピングモータ）２０を正面側から見た概略斜視図を示し、その内部構造（後述する制振構造を除く）を図２に示す。ステッピングモータ２０は、磁極としてのＮ極とＳ極が周方向に交互に形成された永久磁石を有するロータ１１と、ロータ１１に連結されたモータ回転軸（出力軸）である回転軸（シャフト）１２と、回転軸１２を保持する軸受１３を備える。また、ロータ１１の外周に配置され、複数の歯を有するステータ１４と、ステータ１４を磁極として磁化するためのコイル１５を備える。そして、これらがケーシング１６に収納（保持）されている。

駆動時には、外部からの入力パルス信号により、ステータ１４がＮ極とＳ極に交互に順次励磁される。これに伴い、ロータ１１の極がステータ１４に吸着され、回転運動をすることができる。この際、ロータ１１はステータ１４の磁極が切り替わる度にステップ状に回転していく。

ここで、比較例（図３（ａ）のようにステータ１４の歯形状がロータ１１の磁極形状と平行）と、本実施形態（図３（ｂ）のようにステータ１４の歯形状がロータ１１の磁極形状に対し斜めとなる辺を備えた形状（三角形状））とを比較する。

図３のようにステータ１４の歯形状がロータ１１の磁極形状と平行（相似）である場合、ロータ１１は回転方向（周方向）にのみ力を受けることができる。これに対して、図３（ｂ）のようにステータ１４の歯形状がロータ１１の磁極形状に対し斜めとなる辺を備えた形状である場合、ロータ１１は回転方向だけでなく、スラスト方向（回転軸１２の軸線方向）にも力を受けてしまう。このため、ステータ１４の磁極が切り替わる度に、ロータ１１はスラスト方向への移動を繰り返す。これが振動の原因となり、ステッピングモータ２０全体の振動へと発展する。

この振動を抑制するためには、ロータ１１や回転軸１２をバネ付勢し、振動を抑えるのが一般的である（特許文献１、２）。しかしながら、弾性体（バネ部材）のみを用いた付勢により振動を大きく低減することは、実質的に困難である。

（質量体を用いた制振構造）
本実施形態においては、ロータ１１のスラスト方向（回転軸１２の軸線方向）の振動を抑制するため、動吸振器を利用した制振方式を採用する。動吸振器とは、制振対象の代わりに振動し、特定の周波数において大きな制振効果を発揮する構造であり、以下に詳細を述べる。

図４に示すように、本実施形態に係るステッピングモータ２０においては、質量体２１が、回転軸１２の軸線方向に配置される圧縮バネＡ（第１の弾性部材）２２および圧縮バネＢ（第２の弾性部材）２３に挟持されており、これらが動吸振器の役割を担う。本実施形態の質量体２１は真鍮で形成されているが、質量体２１の材料については真鍮に限定されない。

また、圧縮バネＢ２３は第１の保持部材としてのフレーム２４に保持されており、フレーム２４は第２の保持部材としてのケーシング１６にセットビス等の手段で固定（連結）されている。加えて、圧縮バネＡ２２の端部には押圧部材２５が連結されており、回転軸１２の端部と接触している。すなわち、押圧部材２５を介するということがあっても、圧縮バネＡ２２は軸線方向において実質的に回転軸１２に接続されることとなる。

これにより、回転軸１２は、圧縮バネＡ２２および圧縮バネＢ２３の復元力により、押圧部材２５により付勢（押圧）されている。この付勢による制振効果も若干あり、好適な付勢力になるように調整される。本実施形態においては、付勢力が４０Ｎ程度である。また、ロータ１１の回転に伴い、押圧部材２５は回転軸１２の端部と摺擦するため、押圧部材２５はＰＯＭ（ポリアセタール）樹脂のような摺動性の高い材料であることが望ましい。尚、本実施形態は第１の弾性部材、第２の弾性部材として圧縮バネを用いた構成としたが、引張バネや板バネ等を用いた構成としても良い。

（質量体の共振周波数）
ステッピングモータ２０の駆動時には、入力パルスの周波数に応じた速度でロータ１１が回転する。この際、ロータ１１は、ステータ１４の磁極がＮ極とＳ極と交互に順次切り替わる度に、スラスト方向（回転軸１２の軸線方向）への移動を繰り返す。このため、入力パルス２回で１周期の振動が発生する。

このため、本実施形態においては、周方向にステータの磁極を切り換える入力パルスのパルス周波数に対し、質量体の共振周波数を１／２に設定している。すなわち、８００ｐｐｓの速度でパルスを入力している場合、４００Ｈｚにおいてスラスト方向の振動が大きく発生するようにしている。この結果、本実施形態によれば、動吸振効果によりロータ１１の代わりに質量体２１が振動することとなる。これにより、ロータ１１の振動を大きく低減することができる。

ここで、質量体２１の質量をｍ、圧縮バネＡ２２の弾性定数であるバネ定数をｋ_１、圧縮バネＢ２３の弾性定数であるバネ定数をｋ_２とするとき、質量体２１の共振周波数ｆは以下の条件式を満足する。

本実施形態では、質量体２１の共振周波数ｆを４００Ｈｚとするように、ｍ＝６．０ｇ、ｋ_１＝１９．６Ｎ／ｍｍ、ｋ_２＝１９．６Ｎ／ｍｍという値を用いている。

ここで、ケーシング１６の振動を、従来構成（質量体を用いず弾性体（バネ部材）のみ使用）と比較した結果を図５に示す。ケーシング１６は４００Ｈｚの振動のピークを有しているが、従来構成では２．０２ｍ／ｓ^２であったものが、質量体を用いた本実施形態では０．０７ｍ／ｓ^２となっている。すなわち、動吸振器を利用した本実施形態の構成により、回転軸１２の軸線方向におけるロータ１１の振動を大幅に低減することが可能である。

《第２の実施形態》
第１の実施形態ではケーシング（フレーム）１６の外側に動吸振器を構成したが、ケーシング１６の内側（内部空間）に動吸振器を構成し、ロータ１１を直接制振する構造であっても構わない。この場合の断面図を、図６に示す。本実施形態においては、圧縮バネＡ（第２のバネ）２２がロータ１１を直接付勢している。また、質量体２１’はリング形状をしており、ロータ１１や回転軸１２、および軸受１３とは非接触状態で保持されている。これにより、ロータ１１の代わりに質量体２１’が振動し、回転軸１２の軸線方向におけるロータ１１の振動を大幅に低減することができる。

《第３の実施形態》
本実施形態は、第１の実施形態と同様の動吸振器を利用して、ステッピングモータのモータ回転軸の軸線方向における振動低減を図るもので、共振周波数ｆの調整を簡便に行うことができるようにしたものである。第１の実施形態と異なる部分のみを説明し、同様の構成については説明を省略する。

動吸振器を利用した制振方式を用いる場合、共振周波数ｆの設定が重要である。なぜなら、動吸振器の共振周波数ｆが設計値と異なる場合、制振効果が著しく低下するためである。しかしながら、質量やバネ定数の公差内のバラツキや、経時変化によって、動吸振器の共振周波数ｆが変化してしまう可能性がある。このため、共振周波数ｆを調整できる機能を有していることが望ましい。本実施形態においては、圧縮バネＡ２２のバネ定数および、質量体２１の質量を変化させる（可変とする）ことにより、動吸振器の共振周波数ｆの調整を簡便に行うことができる。

先ず、圧縮バネＢ２３のバネ定数の調整について述べる。圧縮バネＢ２３のバネ定数ｋ_２は、材料の横弾性係数をＧ、線径をｄ、有効巻き数をＮ_ａ、平均コイル径をＤとした場合、以下の式で表すことができる。

本実施形態においては、有効巻き数Ｎａを変化させることにより、バネ定数ｋ２の調整を行う。本実施形態の概略説明図を図７に、詳細説明図を図８に示す。図７に示すように、圧縮バネＢ２３の巻線の間には、ストッパ（ストッパ部材、プレート）２６が挟まれている。ストッパ２６にはネジが切ってあり、フレーム２４に配置されたビス２７により保持されている。ストッパ２６が図８（ａ）の位置にある場合は、第１の実施形態と同様のバネ定数である。

これに対して、ストッパ２６を回転させ、図８（ｂ）の位置にすると、巻線の一部が接触し、圧縮バネＢ２３の有効巻き数Ｎ_ａが減少する。すなわち、バネ定数ｋ_２が変化する。これにより、動吸振器の共振周波数ｆの調整が可能である。尚、バネ定数を変化させる手段については限定せず、他の手法を用いても良い。また、圧縮バネＢ２３ではなく、圧縮バネＡ２２のバネ定数を調整しても良い。

次に、質量体２１の質量調整について述べる。図７に示すように、質量体２１は外周部に複数の穴部（ビス穴）を有しており、１つ以上のビス穴に調整質量２８を取り付けることができる。これにより、動吸振器の共振周波数ｆの調整が可能である。尚、質量体２１の質量を変化させる方法については、上述したものに特に限定しない。

本実施形態においては、バネ定数および質量を変化させることができるものであったが、バネ定数および質量のいずれか一方を変化させるものであっても良い。

（変形例）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

（変形例１）
上述した実施形態では弾性体としてバネ部材を示したが、本発明はこれに限定されず、ゴム部材などであっても良い。

（変形例２）
また、上述した実施形態では、ロータの磁極形状に対し斜めとなる辺を備え、回転軸の軸線方向に設けられる歯形状として基部に対し先が細い三角形状を示したが、三角形としては例えば二等辺三角形や直角三角形で構成できる。また、三角形状に限らず、台形形状、平行四辺形形状などであっても良い。そして、形状を構成する各辺の線は全て直線である場合に限らず、少なくとも一部が曲線であっても良い。

１１・・ロータ、１２・・回転軸、１４・・ステータ、２１・・質量体、２２・・圧縮バネＡ（第１の弾性部材）、２３・・圧縮バネＢ（第２の弾性部材）、２４・・フレーム（第１の保持部材）

Claims (4)

1. シャフトを回転中心軸線として回転可能であって、回転方向においてＮ極とＳ極とが交互に配置された磁石を有するロータと、
   前記回転中心軸線に垂直な方向に沿って前記ロータを見たときに前記回転中心軸線に対して斜めの辺を有する第１の歯が複数設けられた第１のステータコイルと、前記第１の歯の辺に沿った辺を有し前記回転方向において前記第１の歯と交互に並ぶ第２の歯が設けられた第２のステータコイルと、を有するステータと、を備え、
   入力されたパルス信号に基づいて前記第１のステータと前記第２のステータとがＮ極とＳ極とに交互に順次励磁されることによって前記ロータが前記ステータに対して回転するステッピングモータであって、
   前記シャフトの軸受が回転可能に嵌められたフレームと、
   前記回転軸線方向において前記フレームに接触するコイル状の第１のバネと、
   前記回転軸線方向において前記ロータに接触するコイル状の第２のバネと、
   前記第１のバネと前記第２のバネとに挟持され前記回転軸線方向における前記ロータの振動を低減するための質量体と、を備え、
   前記シャフトは前記第１のバネおよび前記第２のバネそれぞれの内側を通るように配置されており、前記質量体には当該シャフトが通される開口が形成されていることを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記質量体は環状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. 前記第１の歯と前記第２の歯はいずれも三角形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のステッピングモータ。
4. 前記フレームに取り付けられ、前記第１のバネの巻線の間および前記第２のバネの巻線の間の少なくとも一方に向けて延設し前記回転軸線方向の位置が可変なプレートを備えることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のステッピングモータ。

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