JPS63242159A - ステツプモ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はステップモータに関する。

〔従来技術〕

第７図は、従来のステップモータに用いられるステータ
セットの構造を示したもので、くし歯状に構成されたス
テータポールｌａ、２ａをそれぞれ有するステータ１，
２が１組となって一対のステータセットを構成している
。この一対のステータと全く同じステータで構成された
ステータセットが、それぞれステータ２，２′で背中合
わせに配置され、ステップモータのステータを構成する
。２組のステータセットは、ステータポールの位相が互
いに１７４ピツチずれるように、ステータ２，２′に円
ボス２ｂ。

２ｂ’と穴２　ｃ　、　２　ｃ’が形成されている。

第８図は以上の様にして構成されたステップモータの斜
視図である。３はロータ軸で、この軸を中心に回転する
ように円筒状のロータ磁石４がロータ軸３に同軸に固定
されている。ロータ磁石４は、各ステータポール１　ａ
　、　２　ａ　、　１　ａ’　、　２　ａ’と対向する
周面に、１組のステータセットにあるステータポールの
数と同じ数だけの磁極が形成されている。即ち第１図の
ステータボール数は２４であり、この場合、ロータの磁
極数はＮ極、Ｓ極をそれぞれ１つと数えるので２４であ
り、また、磁極対でいえば１２である。５゜６はコイル
で、共にバイファイラ巻きで各ステータセットに巻回さ
れている。

第９図はステップモータの駆動回路で、第１３図は第３
図駆動回路に加える２相励磁駆動パルスのタイムチャー
トである。

第１１ａ図は、ステータポールとロータ磁石の展開図で
ある。２組のステータセットをそれぞれａ（ステータ１
’　、２’でなる）、ｂ（ステータ１，２でなる）とす
る。

ここでコイルを励磁していない時のロータの静止位置及
びコギングトルクについて説明する。

まずステータセットａとロータとの間に働くコギングト
ルクについて説明する。

ここで１組のステータ、ステータセットａとロータとの
間に働くトルクを考えるにあたり、第１５図に示す２極
ステツプモータをモデルにする。尚、この２極ステツプ
モータは第８図ステップモータの１ピッチ分に相当する
。

今、座標Ｘ　＋　ｙを図の如（定めると、ロータフに働
くトルクがゼロになる点は、磁極の中心がステータポー
ルの中心と一致する点なので、θ＝０．π。

２π・・・ｎπである。

ロータフに左右のステータ８，９との間でトルクが等し
く働くので、やはり、この場合もトルクはゼロである。

トルクが正弦的に変化するものと仮定すると、 Ｔａ＝ａｓｉｎ２θ　　　　　　　　　　　　■となり
、ステータポールの周期２πの１／２のπの周期で変化
する。

もしステータとロータの磁極対の数がｐなら０式％式％ となる。■式は機械角、■式は電気角で表した場合であ
る。以降αを用いて説明する。

第１３図の曲線Ｔａがステータセットａとロータとの間
に働くコギングトルクである。一方、ステータセットｂ
とロータとのトルクは、ステータセットｂがステータセ
ットａに対してｌ／４ピッチ位相がずれているから、 と表わせる。一方、電気角では、 Ｔｂ＝ｂ　Ｈ５ｉｎ２　（α＋　−）　＝　−ｂ　１５
ｉｎ２　ａ　　　　　　　　■である。すなわちＴａに
対して、符号が変わっただけである。第１４図の曲線Ｔ
ｂは上式をｐ＝ｌとして表わしたものである。

ここでステップモータとしてのコギングトルクＴｏは、
２つのステータセットａ、ｂとロータに働（コギングト
ルクの和で表わせるから、 Ｔｏ＝Ｔａ十Ｔｂ ＝　（ａｌ　−ｂｌ　）　５ｉｎ２　ａとなる。第１３
図の曲線ＴＯは、ａｌ　＞　ｂ、の場合のコギングトル
クの特性を示したもので、ステップモータのコギングト
ルクＴｏは、トルクがゼロになる点の数と位置において
、単独のステータセットとロータ間に働（ものと変わら
ず、そのピーク値が、小さくなるだけである。もしａ、
＝：ｌ）１、かつ２つのステータセットの位相差が正確
に１／４ピツチならコギングトルクはゼロになる。また
ａ１＋ｂｌを、任意にコントロールできれば、コギング
トルクの大きさも任意の大きさに設定できる。

次にロータの静止位置とコギングトルクＴｏがゼロにな
る位置との関係を説明する。

一般にステップモータのもつロータ磁石による磁気エネ
ルギーＷとコギングトルクとの間には、なる関係がある
。これにより磁気エネルギーＷは、Ｗ＝　ｆ　Ｔｏ　（
α）　ｄ　ａ　十Ｗ。

＝ｆ　（ａｔ−Ｊ）ｓｉｎ２α＊ｄα＋Ｗｏ　　（ａｌ
　＞ｂｌ）で表わせる。

第１４図は上式の磁気エネルギーとロータ位置の関係を
示したものである。ここでロータ４は、磁気エネルギー
の一番小さい所で静止しようとし、そのためα＝π／２
，３π／２．・・・、（２ｎ−１）π／２の位置はコギ
ングトルクがゼロなので、本来ならこの位置で静止しよ
うとするが、磁気エネルギーＷが高いので、ロータは不
安定となり静止しない（静止する場合は、摩擦力が大き
い時である）。結局ロータが、安定して静止するのは、
α＝Ｏ１π、２π、・・・。

ｎπの位置である。

すなわち、コギングトルク曲線が負から正に変わる位置
で、ロータは安定して静止し、コギングトルクが正から
負に変わる位置では、ロータは安定して静止しない。

以上の説明で明らかなように、コイルを励磁しない状態
でのステップモータのロータ静止位置は、α＝０．π、
２π・・・、ｎπ（ｎは整数）である。　　−次に、第
９図に示すステップモータのコイルが第１０ａ図に示さ
れる如く、２相励磁された時に、ロータがステータポー
ルの１ピツチ分回転する時の動作を第１．１図のステッ
プモニタのステータポールとロータ磁極の展開図を用い
て説明する。

すでに説明したように、コイルを励磁しないときは、ロ
ータ４はα＝０の位置にある。次にＡ相とＢ相を励磁す
ると、磁極４ａは、ステータポールｌａとステータボー
ルｌａ’中間の１７８ピツチ、すなわちα；π／４の位
置に来る。次のＢ相、Ａ相では１／２ピツチと、１／４
ピツチの中間の３／８ピツチ（α＝３π／４）の位置に
来る。次のＡ相、ｎ相では１／２ピツチと３／４ピツチ
の中間の５／８ピツチ（α＝５π／４）の位置に来る。

次の百相、人相では３／４ピツチとし、ピッチの中間の
７７８ピツチ（α−７π／４）の位置に来る。次に人相
、Ｂ相で初めと同じことの繰り返しになる。ロータは、
ステータポールの１ピツチ分を４ステツプで進む。

このように、励磁状態と無励磁状態でのロータの静止位
置は一致しないので、励磁が切れるとロータは移動して
しまう。

第１０ｂ図のような１相励磁の場合は、ロータの磁極と
ステータポールが次々に対向するように、ロータは移動
する。それ故励磁状態でのロータの静止位置は、α＝Ｏ
９π／２，３π／２，２π、・・・となる。ロータは、
ステータポールの１ピツチ分を４ピツチで進むが、α＝
π／２．３π／２．・・・（２ｎ−１）π／２（ｎは整
数）の位置で、励磁状態と非励磁状態での静止位置が一
致しない。そのために、上記の位置で励磁が切れた場合
、ロータはπ／２だけ前後のどちらかに移動する。すな
わち、上記の位置はコギングトルクは０であるが、不安
定な安定点なので、その位置で静止するのは摩擦・抵抗
等が大きくない限り難しい。このためロータは所定の位
置からずれてしまう。

第１０ｃ図は、１−２相励磁のタイムチャートである。

この場合はｌ相励磁と２相励磁が交互に行われ、ロータ
はステータポールの１ピツチ分を８ステツプで進む。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ステップモータのコイル励磁状態におけるロータの静止
角度誤差について第１１ｂ図を用いて説明する。図中縦
軸のトルクの上半分であるプラス側は、ロータの進行方
向１こ対して、ロータを戻すトルク下半分のマイナス側
は、進めるトルクである。

ロータは無励磁状態でα＝Ｏのに静止している。

２相励磁の時、励磁の第１ステツプではＡ、Ｂ相を励磁
するので点線ｌＯの励磁トルクが働き、ロータ４を励磁
トルクがゼロのα；π／４め位置に進めようとする。一
方、α；π／４の位置ではａｌ−ｂｌなるコギングトル
クが作用している。このコギングトルクはロータをα＝
０へ戻す向きに働くので、結局ロータはコギングトルク
によってロータを戻すトルクとＡ、Ｂ相励磁トルクによ
ってロータを進めるトルクがつり合った位置で静止する
。この位置が第１４ｂ図のα＝α１の位置で、本来得ら
れるべきロータの静止位置であるα；π／４より手前の
位置である。第２ステツプはλ、Ｂ相が励磁され、点線
１１の励磁トルクが働き、ロータを励磁トルクがゼロの
α＝３π／４のに位置に進めようとする。

一方、α＝３π／４の位置では、　（ａ＋　　ｂ＋）な
るコギングトルクが作用する。このコギングトルクはロ
ータを進める向きに働くので、結局ロータは、コギング
トルクによってロータを進めるトルクとλ、Ｂ相励磁ト
ルクによってロータを戻すトルクがつり合った位置で静
止する。この位置が第１４ｂ図のα＝α２の位置で、本
来得られるべきロータの静止位置であるα＝３π／４よ
り進んだ位置である。

次の第３ステツプでは第１ステツプと同じことが起こり
、本来のロータの静止位置であるα＝５π／４より手前
の位置α３で、ロータは静止する。さらに第４ステツプ
では第２ステツプと同じことが起こり、本来のロータの
静止位置であるα−７π／４より進んだ位置α４で、ロ
ータは静止する。本来得られるべき位置に対するロータ
の角度誤差を縦軸にとり、横軸にステップモータのステ
ップ数をとると、第１４ｃ図の特性が得られる。２相励
磁力式の場合、通常、ロータの角度誤差は１ステツ毎に
負号が反転する。すなわち、ロータの角度移動量は１ス
テツプ毎に少ない、多い、少ないと変わり、均一性のあ
る正確な移動量が得られないという重要な欠点を持って
いた。

１相励磁と２相励磁の励磁パターンを持つ１−２相励磁
でも同様の角度誤差が問題になっていた。さらに、重要
な欠点は、励磁状態と非励磁状態でのロータの静止位置
が異なるために、励磁が終わるとコギングトルクによっ
てロータが移動してしまうという問題を持っていた。さ
らに、ロータが移動してしまうために、ロータを正しい
位置にもどしてからロータを駆動しなければいけないと
いう問題を有していた。

〔問題を解決するための手段〕

本発明においては、ステータポールを一つの極性を有し
、かつ、その中央部に磁気的に抵抗の低い領域（磁気エ
ネルギーの小さい領域）が形成される様、少なくともロ
ータに対向する対向面に凸部を設けるか、ロータとステ
ータポールのギャップをロータの軸方向に不均一にする
構成とした。

〔作　用〕

ステータポールの中央部に形成された磁気的に抵抗の低
い領域は、そのステータポールを１個のステータポール
としての作用だけでなく、実効的に新に追加されたステ
ータポールとしての作用を行わせる。従って基本成分の
他に２次の高調波成分を発生させることになり、これが
励磁状態におけるロータの静止位置でコギングトルクを
発生させる働きをなくし、ロータの各ステップ毎の回転
誤差を低減させると共に、励磁を終えた後のロータの移
動を防ぐことができる。

〔実施例〕

まず励磁位置においてコギングトルクの発生しないステ
ップモータを実現するための条件について考える。

０．１，２，３．・・・）であるので、コイルを励磁し
ていない時に、α＝０．π／２．π、３π／２，２πで
最小になる磁気エネルギー特性を求めれば、各励磁ステ
ップで角度誤差の小さいステップモータを得ることがで
きる。上記の点で極小値をとりえる関数は、Ｗ＝−ΔＷ
ｃｏｓ　４　ａ　＋　Ｗｏ　　　　■　　　（ΔＷ〉０
）であり、 （１＝Ｏｒ　π／　２＋　”・＋　ｎ”ン２で、Ｗ　＝
　Ｗ　ｏ−ΔＷとなってＷは極小値をとる。

従って０式が、本発明実施例のステップモータが必要と
する磁気エネルギー特性である。

ここで■式を前述した■式と比べてみると、■式が基本
波成分を示しているのに対し、０式は２次の高調波成分
を示している。

第１図Ｗ１は、ΔＷ＞Ｏの場合の０式を示している。

一方、Ｗ２はΔＷくＯの場合の０式を示している。

次にコギングトルクは上式をαで微分して得られ、 Ｔ＝４ΔＷｓｉｎ４αとなる。

ここでステータセットａとロータ間に働（コギングトル
クをＴａ、ステータセットｂとロータ間に働（コギング
トルクをＴｂとすると°”、Ｔａ、Ｔｂはコギングトル
クの基本波成分に２次の高調波成分を加えたものとする
と、Ｔａは、Ｔａ＝ａ１５ｉｎ２　ａ　＋ａ２ｓｉｎ４
αとなり、Ｔｂはステータセットｂの位相がステータセ
ットａに対し１／４ピッチ進んでいるので、Ｔｂは、 となる。ステップモータのコギングトルクはＴａ。

Ｔｂの和として求められるので、求めるコギングトルク
Ｔｃは、 Ｔｃ＝Ｔａ＋Ｔｂ Ｔｃ＝（ａ、−ｂｌ　）　５ｉｎ２ａ　＋　（ａ２＋ｂ
２　）　５ｉｎ４αａ１＝ｂ１、すなわち両方の基本波
成分の振幅が等しい時は、コギングトルクＴｃは、 Ｔｃ＝（ａ２＋ｂ２）　５ｉｎ４　ａ となり、２次の高調枝分だけになる。尚、ａ２＋ｂ２を
大きくすれば、コギングトルクが大きく、小さくすれば
コギングトルクが小さくなる。ステップモータの磁気エ
ネルギーをＷとすると、最終的に、Ｗ＝ｆＴＣｄａ＋Ｗ
Ｏ と表わせる。

前述した第１図Ｗ１は上式■のａＩ＝Ｊ　、ａ２　＞ｏ
。

ｂ２〉０の場合をグラフ化したものである。

またＷ２は、上式■のａ＋＝ｌ）ｔ　、ａ２＜Ｏ，ｂ２
＜Ｏの場合をグラフ化したものである。

一方、一つのステータセットａとロータとの間に働くコ
ギングトルクＴａの特性は、 Ｔａ＝＝ａｌ　５ｉｎ２　ａ　＋ａ２５ｉｎ４　ａであ
る。もう一つのステータセットｂのコギングトルクＴｂ
は、 Ｔｂ＝ｂ　１ｓｉｎ２　（α＋π／２）　＋ｂ２ｓｉｎ
４　（α＋π／２）である。

第２図は、ａ２く０．ｂ２く０の場合、つまり６ｗ＜。

の場合（ａｔ　＞ｏ、ｂ、　＞ｏとしている）における
Ｔａ。

Ｔｂ、その合成トルクＴｃ　（Ｔａ＋Ｔｂ）をグラフ化
したものである。

図からもわかる様に、Ｔａはそのピーク位置をπ／４よ
りもやや右側に有し、一方Ｔｂはそのピーク位置をπ／
４よりもやや左側に有しているが、これはそれぞれ２次
の高調波成分である。

５ｉｎ４α、５ｉｎ４（α＋π／２） をマイナス環として含んでいる為である。

以上の２次の高調波成分の働きにより、合成トルクＴｃ
は、Ｔａ、Ｔｂの２倍の周期を持つに至る。ここで合成
トルクＴｃがＯになる位置が、ロータが停止しようとす
る位置であり、α＝０．π／４．π／２゜３π／４．π
、５π／４，３π／２，７π／４・・・がその位置であ
る。しかしながら、この場合における磁気エネルギーは
、はぼ第１図のＷｌで示された状態にあり、α＝０．π
／２．π、３π／２．π・・・はＷｌがピークにあって
、ロータは不安定となり、結局α＝π／４，３π／４，
５π／４，７π／４．・・・が、非励磁状態におけるロ
ータの大略の停止位置となる。

この位置は前述した如く、励磁状態において本来ロータ
が停止すべき位置であり、ロータは励磁状態においてコ
ギングトルクに妨害されず、正確にその位置に静止でき
る。また励磁の切断前後において、ロータが回転するこ
ともない。

−力、ａ　２＞ｏ、ｂ　２＞ｏ　（ａ　、　＞ｏ　、　
ｂ＞ｏ）とした場合、つまりΔＷ＞Ｏとした場合は、第
３図に示した如（Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃが表わせる。第２図
に比べてＴａのピーク位置はπ／４よりも左方に変わり
、Ｔｂもそのピーク位置がπ／４が右方に変わっている
。これは２次の高調波成分である５ｉｎ４α、５ｉｎ４
（α＋π／２）をプラス項として含んでいるためである
。また合成トルクＴｃは第２図に比べ位相が反転してい
る。１相励磁の励磁状態における、ロータの静止位置で
ある０、π／２，３π／２．２π等においては合成トル
クＴＣはＯである。従って励磁されてロータが本来の位
置に静止しようとする時、それを妨害するコギングトル
クは発生せず、本来の位置に正確に停止できる。

この場合に励磁エネルギーは第１図のＷ２の状態にあり
、ロータは非励磁状態において、α＝０゜位置は励磁状
態において本来ロータが静止しようとする位置と同じな
ので、励磁を解除してもロータは移動しない。

さらに１−２相励磁の時の励磁状態でのロータ静止位置
は１相励磁と２相励磁のロータ静止位置を加えたものな
ので、α＝０．π／４．π／２，３π／４゜π、５π／
４，３π／２，７π／４，２π、・・−となる。したが
って第３図のコギング特性は、１相励磁と１−２相励磁
の時に有効である。

また、各ステータセットにおいてステータポールがｐ対
あるとき一般にＴａ、Ｔｂは、Ｔａ＝ａ　１５ｉｎ２ｐ
θ＋ａ　２５ｉｎ４ｐθ　　　　　　　　■（θはα＝
０と同じ位置をθ＝０としたロータの機械的な位置でロ
ータが１回転すればθ＝２πとなる。）と表わせる。先
にあげた例ではｐ＝１２である。

第６図は本発明の第１実施例に用いられる第１のステー
タセット２０を示し、第２ステータセツトもこれと等し
い。本例のステップモータは、第１１図従来例と同じ基
本構成を有しくロータの磁極数、ポールの数、駆動方法
等）、各ステータ２１．２２の各ステータポール２３．
２４のロータに対向する面の中央には、ロータの軸方向
と平行に凸部２３ａ、２４ａを有している。本例も第１
実施例と全く等しい効果が達成される。ここで凸部２３
ａ、２４ａは従来のプレス工程に凸部を形成するスタン
プ工程を追加することで容易に作ることができる。

また、凸部２３ａ、２４ａは直線でなくて、その平面形
状が円形、長円形でも良い。要はステータポールの中心
軸上に中心軸に対してほぼ対称な凸部を形成することが
大切で、その形状は問わない。

また上記実施例ではすべてのステータポールに凸部がも
うけられているが、一部のステータポールだけにもうけ
ても良い。またこの凸部の数、大きさ、長さ、高さは、
ロータ磁極とステータポールが対向した時の磁気抵抗の
大きさに影響を与え、それらの数や大きさが大きい程磁
気抵抗が小さくなり、５ｉｎ４αの係数、すなわちコギ
ングトルクの大きさが大きくなる。

また、本実施例ではステータポールは先端に向ワて細く
なっているが、ステータポールの形状が（形であっても
本発明の効果は失われない。

第５図は本発明の第２実施例である。ステータの基部３
０とステータポール３１のなす角度θはθ〉９０°　と
なるように構成されている。ステータポール３１のポー
ル形状は先端に近づ（につれて細くなっている。このた
めにロータ３２とのギャップはロータの軸方向間して一
様でなくなり、ステータポールの先端に行（につれて狭
ぐなっている。

ステータポールの形状は先端に近づくにつれ細（なって
いるので、θ〉９０°　とすることでステータポールに
凸部を設けたのと同じ効果が発生し、ロータの磁極の中
心とステータポールの中心が対向した時の磁気抵抗が一
段と小さくなる。また、く形のボール形状でも同様の効
果は得られる。

第６図は本発明の第３実施例である。ステータ３５のス
テータポール３６はロータ３７との対向面が曲面を有し
ており、曲面の中心はロータとは反対のステータ側にあ
る。このためにロータ磁極の中心とステータポールの中
心が一致した位置での磁気エネルギー（磁気抵抗）が一
段と小さくなる。

尚、本発明は上記各実施例に限定するも□のではなく、
例えば実施例は第１のステータセットと第２のステータ
セットをπ／４だけづらせたがロータの磁極をπ／４だ
けづらせてもい。

また、２つのステータセットをロータの軸方向に配置し
た実施例°を示したが、２つのステータセットをロータ
の円周方向に配置したものでも本発明の効果は失われな
い。

〔効　果〕

ステータポールに凸部を形成するという極くかんたんな
方法で、ロータの静止位置の精度向上、励磁のしゃ新前
後のロータの位置ずれの解消といった効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例のステップモータが有すべき磁気
エネルギーと角度αの関係を示す説明図、第２図は、Δ
Ｗ＜ｏの時のコギングトルクと角度αの関係説明図、 第３図は、ΔＷ＞ｏの時のコギングトルクと角度αの関
係説明図、 第４図は本発明の第１実施例説明図、 第５図は本発明の第２実施例説明図、 第６図は本発明の第３実施例説明図、 第７図は従来のステータセットの説明図、第８図はステ
ップモータの説明図、 ト図、 第１１ａ図は、ステップモータの磁極まわりの展開図、 第１１ｂ図は、ロータの静止位置を示す説明図、第１１
ｃ図はロータの角度誤差を示す説明図、第１２図は従来
の２極ステツプモータの説明図、第１３図は、ステータ
セットａにおけるコギングトルク−角度α関係説明図、 第１４図はロータ静止位置説明図。 ３２．３７・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ロ
ータ３１．３６・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・ステータポール２３ａ、２４ａ・・・・・・・・由・
・・・・・・・・・・・・・川・・・・・・・・・・・
　凸部第７図 第２図 本葡明文方匠ｉダ１１つコキ゛ング１ルクζ角魔べめ関
悸１！之■図 ア 第４　図 突施捌説明図　　− 第７図 従来のズテータ仁・・２トの方押閏斗額り幻第８図 ステ。？プ七−夕の１５！明記 −第イ辺 第１１ｂ図 ロータの貴す上１立１１元１郁υ月図 第１ＩＣ図 ロータのＰ４膚１を差の８先１．Ｑｌ目男７２図 ２ネジステップ七−ノの１明図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）周面に所定のピツチで磁極を有してなるロータと
   、前記所定のピツチでステータポールを有するとともに
   前記ロータに対して互いに１／４ピツチづれて配置され
   た第１及び第２のステータセツトと、前記第１及び第２
   のステータセツトを励磁するコイルとからなるステツプ
   モータにおいて、前記ステータポールとロータのなすギ
   ヤツプが、ロータの周方向に不均一であることを特徴と
   するステツプモータ。
2. （２）周面に所定のピツチで磁極を有してなるロータと
   、前記所定のピツチでステータポールを有するとともに
   前記ロータに対して互いに１／４ピツチづれて配置され
   た第１及び第２のステータセツトと、前記第１及び第２
   のステータセツトを励磁するコイルとからなるステツプ
   モータにおいて、前記ステータポールと前記ロータのな
   すギヤツプが、ロータの軸方向に不均一であることを特
   徴とするステツプモータ。