JP4657635B2

JP4657635B2 - モータ

Info

Publication number: JP4657635B2
Application number: JP2004186740A
Authority: JP
Inventors: 純一高橋; 浩二佐々木; 信弘新井
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2024-06-24
Also published as: JP2006014461A

Description

本発明は、小型のステッピングモータなどのモータに関するものである。

従来の小型円柱形状のステッピングモータとしては、図４に示すものがある（例えば特許文献２の図６参照）。

ボビン１０１にコイル１０５が同心状に巻回され、ボビン１０１は２個のヨーク１０６で軸方向から狭持固定されており、ヨーク１０６にはボビン１０１の内径面円周方向に沿って磁極歯１０６ａと１０６ｂが交互に配置され、ケース１０３には、磁極歯１０６ａ及び１０６ｂと一体のヨーク１０６が固定されてステータヨーク１０２が構成されている。２組のケース１０３の一方にはフランジ１１５と軸受け１０８が固定され、他方のケース１０３には他の軸受け１０８が固定されている。ロータ１０９は出力軸１１０に固定されたロータマグネット１１１からなり、出力軸１１０は２個の軸受け１０８の間に回転可能に支持されている。

また、上記のステッピングモータの小型、高トルク化に適した図２及び図３の構造のステッピングモータが提案されている。このステッピングモータは、円周方向にｎ極の磁極に着磁された出力軸２３を有する円筒形状のロータマグネット１１、該ロータマグネット１１を挟んでスラスト方向に対向配置される外ヨーク１２，１３と内ヨーク１４，１５、該内ヨーク１４，１５及び外ヨーク１２，１３を励磁するコイル１６，１７、該コイル１６，１７を支持するコイルボビン１８，１９、前記外ヨーク１２，１３を支持するモータカバー２０、及び、モールドや銅系の非磁性材よりなり、前記内ヨーク１４，１５の内径に嵌合される軸受２１，２２より構成される。

従来のステッピングモータのヨークを構成する材料としては、一般的に炭素含有率が低い、例えば、炭素含有率０．０５質量％以下の鋼板材料である電磁軟鉄（ＳＵＹ）、冷間圧延鋼板（ＳＰＣ）が用いられている。また、上記ＳＵＹやＳＰＣの鉄粉を用いた焼結部材が用いられている。ＳＵＹやＳＰＣは、直流磁気特性は良好なものの、モータの回転時における交流磁気特性が悪い。これは、電気抵抗率が低く渦電流が発生しやすくなるためであり、駆動周波数が高くなるほど影響が大きくなる。そこで、ヨークの材料として、ニッケル−鉄合金（パーマロイ）板やセンダスト合金板を用いた提案がなされている（例えば特許文献３、特許文献４参照）。

ヨークは、板材をプレス加工、打ち抜き加工、及び折り曲げ加工等の機械加工で形状を作製するのが一般的である。形状を作製した後、板にする際の加工歪やプレスなどの形状作製の際の加工歪を除去するために真空中もしくは還元雰囲気中で７００℃〜９００℃（例えば特許文献１参照）、パーマロイの場合は、１０００℃以上で加熱する。そして、防錆処理として無電解ニッケルめっきや電解ニッケルめっきを施して使用しているのが一般的である。一方、出力軸は、ステンレス系の棒材、真鍮棒、リン青銅棒、快削鉄棒を切削加工して作製されている。真鍮、リン青銅、快削鉄は、ステンレス系の棒材に比べて加工性が良いためコストは安価であるが、錆びが発生し易い。そのため、防錆処理としてステータヨークと同様に無電解ニッケルめっきや電解ニッケルめっきを施して使用している。また、軸受けは、モールドや銅系、鉄系の潤滑オイルを含浸させた焼結材が一般的に使われている。
特許第３０６１８２０号公報特開２０００−２１７３３３号公報特開平１０−１４２０４号公報特開２００２−３２０３７２号公報

上記したように従来のヨークは、板材をプレス加工で成形するのが一般的であるが、ＳＵＹ板、ＳＰＣ板や特許文献３のニッケル−鉄合金板は、歪を除去する熱処理が必須となる。しかし、その熱処理により極端に軟らかくなる。図４のヨーク１０６、図２及び図３の外ヨーク１２，１３に見られるように、ステータヨーク先端の磁極部は櫛歯形状をしているため、軟らかいと組立ての際に変形されやすい。ヨークが変形するとロータマグネットと櫛歯形状の磁極部との間隙が均一でなくなるため、トルクが小さくなったり、ステップ角度が狂ったりする。ひどい場合には、接触することで回転しないこともある。すなわち、製造歩留りに大きく影響する。

一方、出力軸には、ロータマグネットが設けられている。出力軸にロータマグネットを設ける方法としては、ロータマグネットを出力軸に圧入する、接着剤で接合する、また、ロータマグネットが射出成型で加工できるプラスチックマグネットの場合は、射出成型に出力軸を挿入してからプラスチックマグネットを成型して作製する、いわゆるインサート成型で作製する。しかし、モータの小型化に伴い、出力軸の径が小さくなるため、上記のような作製中に出力軸が変形しやすくなってきている。

また、モータの小型化に伴ってモータトルクも小さくなるため、軸受けとの接触の際の摩擦を小さくする必要がある。

（発明の目的）
本発明の第１の目的は、ヨークの交流磁気特性と機械的な強度を向上させることで、駆動トルクの向上を達成し、高寸法精度で製造歩留まりを高くすることのできるモータを提供しようとするものである。

本発明の第２の目的は、出力軸の強度を向上させるとともに、耐磨耗性を強化することで高耐久性を図ることのできるモータを提供しようとするものである。

上記第１の目的を達成するために、請求項１に記載の本発明は、コイルにより励磁される磁気回路としての鉄材からなるヨークを備えたモータにおいて、前記ヨークの表面に、硫黄を含むニッケル−鉄合金からなり鉄の含有率が３〜６０質量％で、かつ、硫黄の含有率が０．００２〜０．１２質量％であるめっき被膜を２０μｍ以上形成したモータとするものである。

同じく上記第１の目的を達成するために、請求項２に記載の本発明は、回転自在に支持される回転軸に固定されたロータマグネットと、該ロータマグネットとギャップをへだてて対向する磁極を有して磁気回路を構成する鉄材からなるヨークと、該ヨークを励磁するコイルとを有するモータにおいて、前記ヨークの表面に、硫黄を含むニッケル−鉄合金からなり鉄の含有率が３〜６０質量％で、かつ、硫黄の含有率が０．００２〜０．１２質量％であるめっき被膜を２０μｍ以上形成したモータとするものである。

また、上記第２の目的を達成するために、請求項３に記載の本発明は、回転自在に支持される回転軸に固定されたロータマグネットと、該ロータマグネットとギャップをへだてて対向する磁極を有して磁気回路を構成するヨークと、該ヨークを励磁するコイルとを有するモータにおいて、前記出力軸の表面に、硫黄を含むニッケル−鉄合金からなり鉄の含有率が３〜６０質量％で、かつ、硫黄の含有率が０．００２〜０．１２質量％であるめっき被膜を５μｍ以上形成したモータとするものである。

請求項１又は２に記載の本発明によれば、ヨークの交流磁気特性と機械的な強度を向上させることで、駆動トルクの向上を達成し、高寸法精度で製造歩留まりを高くすることができるモータを提供できるものである。

請求項３に記載の本発明によれば、出力軸の強度を向上させるとともに、耐磨耗性を強化することで高耐久性を図ることができるモータを提供できるものである。

本発明によるモータは、第１に、ヨークに硫黄を含むニッケル−鉄合金をめっきすることに特徴がある。硫黄を含むニッケル−鉄合金めっきの組成としては、鉄の含有率が３〜６０質量％で、かつ、硫黄の含有率が０．００２〜０．１２質量％であることが好ましい。上記組成では、電気抵抗率がＳＵＹ、ＳＰＣの２〜５倍にあたる２０〜６０μΩ・ｃｍ、また、ビッカース硬度Ｈｖ（荷重１００ｇ）で４００以上の特性を有することがわかった。そのため、従来のモータに使われている鉄材より高周波数での渦電流損失が小さく、硬い性質を有する。

炭素含有率が低い鉄材の場合、飽和磁束密度（以下、Ｂｓと記す）は２Ｔ以上あるが、ニッケル−鉄合金の鉄含有率が３〜６０質量％の場合、Ｂｓは、０．８Ｔ〜１．６Ｔであり、炭素含有率が低い鉄材よりＢｓは小さい。そこで、鉄材のメリットであるＢｓの大きい点とニッケル−鉄合金の電気抵抗率の高い点を生かし、鉄材からなるヨークの表面にニッケル−鉄合金めっきを施すことで、低駆動周波数から高駆動周波数までの広い駆動周波数帯域で高い駆動トルクを有するモータが得ることができる。

さらに、硫黄の含有率が０．００２質量％以上であると硬く、変形しにくいことがわかった。０．００２質量％未満であると、めっき膜として形成しにくく硬い膜でなくなる。一方、硫黄の含有率が０．１２質量％を超えると、硬くなりすぎてめっきの際にクラックが発生しやすい。したがって、硫黄の含有率は、０．００２〜０．１２質量％が好ましい。高電気抵抗率を保有し、かつ、硬い性質は鉄の含有率と硫黄の含有率が磁気特性、電気抵抗率と硬さを決める特異な性質である。ただ、鉄量が多いと錆が発生しやすくなるため、使用する環境が高温、高湿の場合は、ニッケル−鉄合金めっきの上に鉄量が少ないニッケル−鉄合金めっきや、無電解ニッケルや電解ニッケルなどの防錆めっきを施こせば良い。めっきの厚みは、厚いほどニッケル−鉄合金の磁気特性、電気抵抗率が支配的になるが、鉄の有する高いＢｓの特性が薄れてくる。モータの構造に合わせて厚みと鉄の含有率を選択すれば良い。図４のヨーク１０６、図２及び図３の外ヨーク１２、１３、内ヨーク１４、１５として用いることで、駆動トルク特性を向上させることができ、また、硬いため、組込みの際の変形防止がなく、製造歩留りは高い。

第２に、出力軸に硫黄を含むニッケル−鉄合金をめっきすることに特徴がある。上記で説明したように、ニッケル−鉄合金めっき被膜は硬い特徴を有する。モータの小型化に伴って出力軸の径が小さくなるため、ロータマグネットへの組み付けの際に出力軸が変形しやすくなってきている。そこで、ステンレス系の棒材、真鍮棒、リン青銅棒、快削鉄棒を所定の出力軸としての形状に加工した後、ニッケル−鉄合金めっきを施すことで、変形を防止できる。また、モータの小型化に伴ってモータトルクも小さくなるため、出力軸と軸受けが接触する際の摩擦を小さくする必要がある。しかし、本発明のニッケル−鉄合金めっきは、硬いだけでなく、摩擦係数が小さいため、耐磨耗性も高い。めっき厚は、出力軸の強度を向上させるためには厚い方が良い。出力軸母材として、例えば真鍮の場合は、錆やすいので防錆を考えると２μｍ以上はあった方が好ましい。

次に、本発明のニッケル−鉄合金めっき膜の製造方法に関しては、めっき浴としては、電気めっき法による硫酸塩浴、スルファミン酸塩浴、塩化物浴がニッケル−鉄合金めっきを作製しやすい。これらのめっき浴に、ピット防止剤、光沢剤、ｐＨ調整剤等を適宜加えても良い。上記めっき浴としては、ニッケルと鉄の比率、硫黄の添加量を制御しやすい上記の硫酸塩浴が好ましい。めっき厚は、モータの仕様によるが、通電時間で決まるため容易に制御できる。

めっき浴の組成が、例えば図５に示されるように、硫酸ニッケル、ホウ酸、塩化ナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウム、硫酸第一鉄、サッカリンナトリウムである場合、鉄の含有率は硫酸ニッケルと硫酸第一鉄の添加量、電流密度、めっき浴温度を制御することによって定められる。硫黄は硫酸ニッケル、ラウリル硫酸ナトリウム、硫酸第一鉄、サッカリンナトリウムに含まれ、その含有率は硫酸第一鉄とサッカリンナトリウムの添加量、電流密度、めっき浴温度を制御することによって定められる。

以下に、実施例を用いて、本発明を詳しく説明する。

＜モータ評価＞
図５に示される実施例１〜実施例７について、実験により評価を行った。

《実験１》
ＳＵＹの板材からプレス加工で作製した図２及び図３の外ヨーク１２（１３は１２と同形状）に、ニッケル−鉄合金をめっきした際の有効性を検討した。厚み２６０μｍのＳＵＹの板材からプレス加工し、外ヨーク１２の形状を作製した。その後に、真空中８５０℃で２時間熱処理した。その外ヨーク１２にニッケル−鉄合金めっきするために、図１のように、部品が落ちない程度の網目を有するステンレスの籠３０に外ヨーク１２を入れる。同時に例えばステンレスからなるカソード３３の電極も入れる。籠３０は、ニッケル−鉄合金めっき液３１に浸されている。ニッケル−鉄合金めっき液３１にニッケルからなるアノード３２が浸されている。

上記の状態で籠３０を回転させながら通電し、外ヨーク１２にニッケル−鉄合金をめっきする。このめっき方法をバレルめっきと云い、一般的な電気めっきの方法である。必要なめっき厚みになった時点で通電を止め、外ヨーク１２を籠３０から取り出してニッケル−鉄合金めっきを施した外ヨーク１２を得た。図５の実施例１〜７のめっき条件でめっきしている。めっき厚みはほぼ２０μｍであった。めっきを含めた外ヨーク１２の板厚は、ほぼ３００μｍである。めっき浴の温度は、５０±１℃とした。一方、内ヨーク１４（１５は１４と同形状）は、ＳＵＹ材の棒材を切削加工して作製した。その後に８５０℃で２時間保持の熱処理を行い、防錆処理のため無電解ニッケルめっきを３μｍ施して作製した。このＳＵＹ材からなる内ヨーク１４，１５をニッケル−鉄合金めっきを施した外ヨーク１２，１３に圧入し、ステータヨークを作製した。図２及び図３のモータに組込み、駆動周波数―プルアウトトルクを評価している。リファレンスとして、厚み３００μｍのＳＵＹからなる板材をプレス加工し、上記の内ヨークと同じ熱処理と防錆処理のため、無電解ニッケルめっきを３μｍ施して作製した。ＳＵＹからなる外ヨークと内ヨークを組合せたステータヨークを図３のモータに組込み、駆動トルクを評価した。その結果を図６に示す（５００ＰＰＳのトルクを１とした相対値）。トルクは、実施例１〜７のニッケル−鉄合金をめっきした外ヨークとＳＵＹからなる内ヨークを組合せたステータヨークの方が全周波数でトルクが高いことがわかった。実施例１〜７ともほぼ同等の駆動トルクを示した。

《実験２》
次に、ニッケル−鉄合金めっきを施した図２及び図３の内ヨーク１４（１４は１５と同形状）にニッケル−鉄合金をめっきした際の有効性を検討した。ＳＵＹの棒材から基本厚み２６０μｍの図３の内ヨークを切削加工した後に、真空中８５０℃で２時間熱処理した。そのうち、ヨークにニッケル−鉄合金めっきするために、実験１と同様に、図１の籠３０に内ヨーク１４を入れニッケル−鉄合金をめっきした。図５の実施例１〜７のめっき条件でめっきした。めっき厚みは、ほぼ２０μｍであった。めっきを含めた内ヨークの厚みは、ほぼ３００μｍである。めっき浴の温度は、５０±１℃とした。一方、外ヨーク１２，１３は、厚み３００μｍのＳＵＹからなる板材をプレス加工し、その後に８５０℃で２時間保持の熱処理を行い、防錆処理のため、無電解ニッケルめっきを３μｍ施して作製した。このＳＵＹ材からなる外ヨーク１２，１３にニッケル−鉄合金めっきを施した内ヨーク１４、１５を圧入し、ステータヨークを作製した。図２及び図３のモータに組込み、駆動周波数―プルアウトトルクを評価した。リファレンスとして、実験１と同様に、ＳＵＹからなる外ヨークと内ヨークを組合せたステータヨークを図２及び図３のモータに組込み駆動トルクを評価した。その結果を図７に示す（５００ＰＰＳのトルクを１とした相対値）。トルクは、実施例１〜７のニッケル−鉄合金をめっきした内ヨークとＳＵＹからなる外ヨークを組合せたステータヨークの方が、全周波数でトルクが高いことがわかった。実施例１〜７ともほぼ同等の駆動トルクを示した。

《実験３》
上記、実験１と実験２で得た実施例３のニッケル−鉄合金めっきを施した外ヨーク１２，１３と内ヨーク１４，１５の組み合せによるステータヨークを、図２、図３のモータに組み込んだ。そして、リファレンス品である、ＳＵＹからなる外ヨーク、内ヨークのモータと駆動トルクを比較評価した。その結果を図８に示す。トルクは、実施例１〜７のニッケル−鉄合金めっきからなる外ヨークと内ヨークの組み合せのモータが、全周波数でトルクが高いことがわかった。また、この電鋳ヨークの組み合せは、実験１〜２と比べて最も高いトルクを示した。

《実験４》
図２及び図３の出力軸２３にニッケル−鉄合金をめっきした際の有効性を検討した。ＳＵＹの棒材から図２及び図３の出力軸２３を切削加工で作製した。実験１と同様に、籠３０の中に出力軸２３を入れ、ニッケル−鉄合金めっきを施した。実施例１〜７のめっき条件でめっきした。めっき厚みは５μｍを目標とした。図２及び図３のモータに組込み、回転耐久試験を行った。５００ＰＰＳ、無負荷の条件で試験した。リファレンスとして、ＳＵＹの棒材から図２及び図３の出力軸２３を切削加工で作製し、その後、無電解ニッケルめっきを５μｍ施して耐久試験した。また、ＳＵＳ３０３の棒材から出力軸２３を切削加工で作製したものも比較評価した。

耐久試験の結果、実施例１〜７のめっき条件でニッケル−鉄合金めっきを施した出力軸は、３０万回転で削れやトルク特性に変化は見られなかったが、無電解ニッケルめっきを施した出力軸は１０万回転で、ＳＵＳ３０３材の出力軸は１５万回転で、それぞれ削れが発生し、トルクが小さくなった。

（比較例１〜３）
上記、実施例１〜７の実験３と同じ手順で、図５の比較例１〜３の条件で、外ヨーク１２，１３と内ヨーク１４，１５に厚み２０μｍのめっきを行った。比較例１でめっきした外ヨーク１２，１３と内ヨーク１４，１５でモータを作製してトルクを測定したが、実験１のＳＵＹで作製した外ヨーク１２，１３と内ヨーク１４，１５のモータトルクと比較した同じトルクであり、めっきの効果が見られなかった。鉄の含有率が１％程度では鉄の特性が支配的になるため、ニッケル−鉄合金めっきの効果がないことがわかった。また、実験４と同じ手順で出力軸にめっきして耐久試験を行ったが、無電解ニッケルめっきと同じように１０万回転で削れが発生し、トルクが小さくなった。これは、硬さが小さくなり、また、動摩擦係数が大きくなったためと思われる。比較例２の条件の場合、めっきが上手く形成できなかった。また、比較例３の条件の場合、めっき中にクラックが発生するため、めっきが形成できなかった。

＜磁気特性評価＞
図５に電鋳ニッケル−鉄合金の鉄の質量％と飽和磁束密度と比抵抗の値を示す。めっきの厚みは、２０μｍである。ニッケル−鉄合金からなるヨークをモータに組込んで評価した結果、鉄の含有率が高い方が磁束密度は高く、また、比抵抗が大きくなる。本実施例の結果からは、磁束密度より比抵抗が鉄より大きいことが重要であることがわかった。また、ＳＵＹからなるヨークを熱処理し、無電解ニッケルめっきの防錆処理したものの表面のビッカース硬度（Ｈｖ１００ｇ）を測定したが、Ｈｖ９０で非常にやわらかい。一方、鉄の含有率３〜６０質量％のめっきのＨｖが４００以上あると、ＳＵＹからなるヨークの５倍以上の硬さがあるため、変形しにくい。また、ニッケル−鉄合金めっきの動摩擦係数は、０．３〜０．４で、無電解ニッケルめっきの動摩擦係数０．６、ＳＵＳ３０３の動摩擦係数０．５に比べ小さいため、耐摩耗性が優れる。

本発明は、ステッピングモータのみならず、それ以外の直流モータ、交流モータにも適用することができる。

本発明による電鋳外ヨークの製造方法に関する図である。従来例と本発明に共通のモータの構成例を示す断面図である。図２に示されるモータの構成例を示す分解斜視図である。従来例と本発明に共通のモータの他の構成例を示す断面図である。本発明の実施例及び比較例を示す図である。本発明の実施例の実験１における駆動周波数−プルアウトトルク特性を示す図である。本発明の実施例の実験２における駆動周波数−プルアウトトルク特性を示す図である。本発明の実施例の実験３における駆動周波数−プルアウトトルク特性を示す図である。

符号の説明

１１ロータマグネット
１２，１３外ヨーク
１４，１５内ヨーク
１６，１７コイル
１８，１９コイルボビン
２０モータカバー
２１，２２軸受け
２３出力軸
３０籠
３１ニッケル−鉄合金めっき液
３２アノード
３３カソード
１０１ボビン
１０２ステータヨーク
１０３ケース
１０５ステータコイル
１０６ヨーク
１０６ａ，１０６ｂステータ歯
１０８軸受け
１０９ロータ
１１０出力軸
１１１ロータマグネット
１１５フランジ

Claims

コイルにより励磁される磁気回路としての鉄材からなるヨークを備えたモータにおいて、
前記ヨークの表面に、硫黄を含むニッケル−鉄合金からなり鉄の含有率が３〜６０質量％で、かつ、硫黄の含有率が０．００２〜０．１２質量％であるめっき被膜を２０μｍ以上形成したことを特徴とするモータ。
回転自在に支持される回転軸に固定されたロータマグネットと、該ロータマグネットとギャップをへだてて対向する磁極を有して磁気回路を構成する鉄材からなるヨークと、該ヨークを励磁するコイルとを有するモータにおいて、
前記ヨークの表面に、硫黄を含むニッケル−鉄合金からなり鉄の含有率が３〜６０質量％で、かつ、硫黄の含有率が０．００２〜０．１２質量％であるめっき被膜を２０μｍ以上形成したことを特徴とするモータ。
回転自在に支持される回転軸に固定されたロータマグネットと、該ロータマグネットとギャップをへだてて対向する磁極を有して磁気回路を構成するヨークと、該ヨークを励磁するコイルとを有するモータにおいて、
前記出力軸の表面に、硫黄を含むニッケル−鉄合金からなり鉄の含有率が３〜６０質量％で、かつ、硫黄の含有率が０．００２〜０．１２質量％であるめっき被膜を５μｍ以上形成したことを特徴とするモータ。