JP2006014578A - ステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【要約書】
【課題】 高温環境下または高速回転時の摩擦熱発生状況下でもモータ機能を損なうことがないステッピングモータを提供することにある。
【解決手段】 ステッピングモータ１は、出力軸３に取り付けたスリーブ４の外周面にマグネット６を固着し、前記マグネット６を固着したロータ２をステータ１０の内周に回転自在に配置し、カップ状のベース２２とキャップ２３を遊嵌しその内部にコイルばね２４を収納してホルダー２１を形成し、前記ホルダー２１は前記出力軸３を支持する軸受９と前記スリーブ４との間に介装してなるステッピングモータにおいて、
前記ホルダー２１を強化ポリアミド樹脂にて形成すると共に前記ホルダー２１と前記軸受９との間に摺動性が良好な部材を介装してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステッピングモータに係り、特に高温環境下または高速回転に伴う摩擦熱発生環境下で使用するために耐熱性が要求されるステッピングモータに関する。

ステッピングモータは制御性の良さから各種ＡＶ機器や各種ＯＡ機器などに用いられているが、特にＰＭ（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ：永久磁石）型ステッピングモータは低価格なことから、近年、車両に搭載される各種の制御機器などにも幅広く用いられるようになってきている。このような車両に搭載される各種の制御機器として、例えば車間距離センサーや車載用ヘッドライトの光軸調整装置などがある。車間距離センサーとして、例えば超音波を前方車両に投射し、前方車両からの反射波を受信して前方車両との車間距離を測る構成の車間距離センサー装置では、ステッピングモータの回転軸にクランク軸を装着して所定範囲内を揺動させている。また、車載用ヘッドライトの光軸調整装置では、例えばステッピングモータの回転軸に取り付けたギアにて左右、上下方向を調整してヘッドライトの光軸調整を行なっている。このような車間距離センサーや車載用ヘッドライトの光軸調整装置などに用いられるステッピングモータは高温環境下で動作するように組み込まれ、従って、長期間の安定したモータ特性が要求される。

図３は車載用ヘッドライトの光軸調整の一例を示した図である。

ヘッドライト５０は、左右一側の上端の支持ピン５１を支点にして、一側下端の第１調整ねじ５２により上下方向に傾動され、他端上端の第２調整ねじ５３により左右方向に傾動される構造をとる。第１調整ねじ５２を第１モータ５４で駆動してヘッドライト５０の光軸を上下方向に補正し、第２調整ねじ５３を第２モータ５５で駆動してヘッドライト５０の光軸を左右方向に補正する。第１モータ５４と第２モータ５５はその出力軸上に具備したピニオン５６、５７を介して第１調整ねじ５２、第２調整ねじ５３の端部のクラウンギア５８、５９に連結されている。

このように組み込まれたＰＭ型ステッピングモータは、板ばねやコイルばねにより予圧が付与される構造を採用しているが、板ばねの場合、ばね定数が不安定になり易く、モータのトルク特性にバラツキが生じてしまい、安定したモータ特性が得られない。

このため、モータのトルク特性のバラツキを防止するためにはコイルばねによって予圧を付与する構造とすることが好ましい。従来、このようにコイルばねにて予圧を付与する構造のＰＭ型ステッピングモータとしては、例えば図４に示す構造がある（例えば、特許文献１参照）。

図４は従来のステッピングモータの一部断面図である。

ステッピングモータ６０は、回転可能に支持されたロータ６２と、ロータ６２の外周を取り囲むステータ６１とから構成されている。ロータ６２は、ロータ軸６３と、スリーブ６４と、スリーブ６４の外周面に固着されたマグネット６５を有している。ロータ軸６３は軸受６６、６７によって回転自在に支持されている。ステータ６１は、第１のステータ６８と第２のステータ６９からなる。第１のステータ６８は、コイル７０を巻回するためのボビン７１とステータヨーク７２、７３によって構成されている。第２のステータ６９も、第１のステータ６８と同様にコイル７４を巻回するためのボビン７５とステータヨーク７６、７７によって構成される。スリーブ６４と軸受６７との間にはホルダー７８が介装される。ホルダー７８は、ＰＯＭ（ポリアセタール）樹脂からなるカップ状のベース７９と、ＰＯＭ樹脂からなるキャップ８０を嵌合し、その内部にコイルばね８１を収納している。このコイルばね８１によって予圧が付与される。ホルダー７８はロータへの予圧装置として機能する。ホルダー７８はロータ６２と共に回転して軸受６７上を摺動する。８２は平ワッシャである。
特開平１０−２９０５４８号公報

上記従来のステッピングモータ６０を高温環境下または摩擦熱を発生する程度の高速回転にてステッピングモータを動作させる装置、例えば上述のような車間距離センサーや車載用ヘッドライトの光軸調整装置などに用いた場合では、ステッピングモータ６０のホルダー７８を構成するカップ状のベース７９とキャップ８０がいずれもＰＯＭ樹脂（荷重（１．８ＭＰａ）たわみ温度は約１３５℃）から形成されているため、ホルダー７８が軸受６７上を高速回転で摺動すると、高温環境下であると共に回転による摩擦熱によってホルダー７８が高温となり、熱分解して形状を維持できず、ステッピングモータ６０の機能が損なわれるという問題がある。この摩擦熱の発生は高速回転での使用時に発生し、高温環境下ではなくても、十分に高温化する。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、高温環境下または高速回転時の摩擦熱発生状況下でもモータ機能を損なうことがないステッピングモータを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、主に、予圧装置を構成するホルダーを耐熱樹脂で形成すると共に、軸受部とホルダーの間に摺動性が良好な部材を介在させる手段を採用する。具体的には、以下のようになる。
（１）ステッピングモータは、出力軸に取り付けたスリーブの外周面にマグネットを固着し、前記マグネットを固着したロータをステータの内周に回転自在に配置し、カップ状のベースとキャップを嵌合しその内部にコイルばねを収納してホルダーを形成し、前記ホルダーは前記出力軸を支持する軸受と前記スリーブとの間に介装してなるステッピングモータにおいて、
前記ホルダーを強化ポリアミド樹脂にて形成すると共に前記ホルダーと前記軸受との間に摺動性が良好な部材を介装してなることを特徴とする。
（２）上記（１）記載のステッピングモータは、前記摺動性が良好な部材が潤滑性の樹脂にて構成してなることを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）記載のステッピングモータは、前記摺動性が良好な部材の外径を前記軸受の外径よりも大きくしてなることを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載のステッピングモータは、前記ロータは、前記出力軸に取り付けた非磁性のスリーブと、前記スリーブの外周面に設けた樹脂部と、前記マグネットからなり、前記マグネットは前記樹脂部の外側に装着され、前記樹脂部が前記スリーブの一方の端面の一部を覆って円筒状の凹部を形成すると共に前記凹部に前記ホルダーを収納してなることを特徴とする。
（５）上記（４）記載のステッピングモータは、前記マグネットがロータバックヨークに固着され、前記スリーブと前記ロータバックヨークが前記樹脂部成形時に一体に形成されてなることを特徴とする。

以上説明したように、本発明のステッピングモータによれば、ロータへの予圧装置として機能するホルダーを高温環境下でも十分な耐熱特性と摺動特性を有する合成樹脂にて形成すると共にホルダーと接する軸受との間に摺動性が良好な部材にて形成されたワッシャを介装したため、ホルダーが高温環境下や高速回転にて摺動しても摺動性が良好であるため、ホルダーが損傷しないので、モータの機能を損なうことがないステッピングモータを提供できる。

摺動性が良好な部材を潤滑性の樹脂にて構成しているため、潤滑性の金属材に比べて製造コストを安価にできる。

前記摺動性が良好な部材の外径を軸受の外径よりも大きく形成しているため、軸受に含浸した潤滑油の飛散を一層防止でき、軸受の寿命が向上する結果、ステッピングモータの寿命を向上できる。

樹脂部の円筒状の凹部にホルダーを収納し、ホルダーの外周を樹脂部が取り囲んだ構成となっているため、樹脂部がストッパとして機能し、ホルダーのガタツキを抑制できる。

マグネットがロータバックヨークに固着され、樹脂部形成時にスリーブとロータバックヨークを一体成形にて形成し、樹脂部の体積を小さくできるため、ロータを軽量化できる結果、モータ特性を向上できる。

以下、本発明における実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の実施例におけるステッピングモータの一部断面図である。具体的には、ＰＭ型ステッピングモータを示す。

ステッピングモータ１は、回転可能に支持されたロータ２と、ロータ２の外周を取り囲むステータ１０とから構成される。ロータ２は、出力軸３とスリーブ４とスリーブ４の外周面に装着されたマグネット６を有する。スリーブ４とマグネット６は樹脂部７にて一体に成形される。マグネット６は、円筒状に形成され、フェライト磁石または希土類磁石からなり、その表面が多極着磁されている。出力軸３は、軸受８、９にて回転自在に支持される。軸受８、９は、プラスチック材料または一般の金属材料にて形成してもよいが、潤滑油を含浸したメタル含油軸受がメンテナンスフリーと価格の点で好適である。なお、軸受８、９はボールベアリングで形成してもよい。

ステータ１０は、１組の第１のステータ１１と第２のステータ１２からなる。第１のステータ１１は、コイル１３を巻回するためのボビン１４と、ステータヨーク１５、１６によって構成されている。ステータヨーク１５、１６にはそれぞれ前記マグネット６の外周面に対向する複数の極歯が形成されている。

第２のステータ１２も、第１のステータ１１と同様にコイル１７を巻回するためのボビン１８とステータヨーク１９、２０によって構成されている。ステータヨーク１９、２０にはそれぞれ前記マグネット６の外周面に対向する複数の極歯が形成されている。ステータヨーク１５、１６、１９、２０は、軟磁性材、例えばＳＥＣＣ（電気亜鉛めっき鋼板）材、ＳＵＹ（電磁軟鉄鋼板）材、珪素鋼板の内から選択された材料により形成される。

ロータ２は次のように作製される。

図示しない金型内にスリーブ４とマグネット６とをそれぞれセットした後、金型内に合成樹脂を注入して樹脂部７を形成する。その際、樹脂部７によりスリーブ４とマグネット６を一体に連結する。その後、非磁性材からなるスリーブ４の貫通孔に出力軸３を圧入する。

樹脂部７はスリーブ４の円筒面と一方の端面（ベース２２と接する面）の一部を覆うと共に円筒状の凹部７ａを形成する。この円筒状の凹部７ａはホルダー２１を収納するためのスペースを形成する。スリーブ４は、例えばアルミ合金で形成され、ロータ２の軽量化を図っている。樹脂部７を形成する合成樹脂材料は、車載用ヘッドライトなどの高温環境下でも十分な耐熱特性を有する合成樹脂が好ましく、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂で形成される。樹脂部７の凹部７ａの端部は金型からの抜きを容易にするためにわずかにテーパ面を形成することが好ましい。

ホルダー２１は、カップ状のベース２２とキャップ２３とから構成され、ベース２２とキャップ２３を入れ子式に組み合わせて構成する。ベース２２とキャップ２３は、入れ子式に組み合わされているので、相互に摺動案内され、軸方向および回転方向の動きがガタツキ無くスムーズに行うことができる。ベース２２とキャップ２３との中にはコイルばね２４が収納され、ロータ２への予圧装置として機能する。ベース２２とキャップ２３は、係止凹部を有する弾性舌片と係止凸部からなる抜け止め機構を設けてコイルばねの仮止めを行うことも可能である。

ホルダー２１は、図４に示す従来構造と同じ形状に形成されるが、その違いはその材質および樹脂部７等の支持構造にある。図４に示す従来構造のホルダー７８はＰＯＭ樹脂にて形成されているが、本発明の実施例では、ホルダー２１は車載用ヘッドライト近傍の高温環境下、且つ高速回転でも十分な耐熱特性と摺動特性を有する合成樹脂にて形成され、例えばＧＦ強化（ガラス繊維入強化グレード）のポリアミド樹脂が好ましく、ＧＦ強化ポリアミド樹脂としてＧＦ強化のナイロン６６（旭化成工業（株）社製レオナ１３３０、荷重（１．８ＭＰａ）たわみ温度：２４８℃）にて形成する。

さらに、図４に示す従来構造と異なる点は、スリーブ４と軸受８との間、およびホルダー２１のキャップ２３と軸受９との間には摺動性が良好な部材で形成されたワッシャ２５、２６をそれぞれ介装したことである。

ワッシャ２５、２６は、例えばメタル含油軸受や摺動性が良好な樹脂にて形成される。本実施例では、ワッシャ２５、２６はポリスライダーにて形成され、ホルダー２１のキャップ２３と軸受９との間に摺動性が良好な樹脂で形成されたワッシャ２６を介装しているため、キャップ２３の摺動性が良好でホルダー２１が高速回転で摺動しても、摺動性が良好であるため、摩擦熱によってホルダー２１が溶融・損傷することはない。

しかし、ワッシャ２６を介装しないでキャップ２３と軸受９との間で摺動させた場合には、ホルダー２１を強化ポリアミド樹脂にて形成してもキャップ２３の摺動性が劣化してしまい、摩擦熱によってホルダー２１が溶融・損傷して予圧が減少し、最悪の場合には異音が生じ、ひいてはステッピングモータ１の機能が損なわれてしまう。

また、ホルダー２１のキャップ２３と軸受９との間に摺動性が良好な部材にて形成されたワッシャ２６を介装しているため、軸受９とワッシャ２６の間では摺動が起こらず、軸受９に含浸した潤滑油の飛散を抑制できるため、軸受９の寿命を向上できる。また、ワッシャ２６の外径を軸受９の外径よりも大きくすることにより軸受９の端面がワッシャ２６によりシールされるため、軸受９に含浸された潤滑剤の飛散がさらに防止できる。

また、樹脂で形成される部品は、部品が発生する熱や作動雰囲気温度等を考慮した上で熱可塑性の樹脂が選択される。さらに、部品に耐久性が求められる場合には、合成樹脂の内でも機械的強度の高いガラス繊維入りの樹脂が用いられる。合成樹脂自体は基本的に熱伝導性が低いため、耐熱性を向上させるためには、放熱面積を拡大させなければならず、大型化する問題があった。

この問題は、フィラー入りの樹脂材料を用いて部品を成型することにより、発生した熱が部品を介して効果的に放熱され、備品を大型化することなく、耐熱性を向上することができる。

フィラーとしては、アルミナを用いることができる。また、合成樹脂にガラス繊維を混合させても良い。樹脂としては、ポリフェニレンサルファイドが好ましい。

本発明のステッピングモータ１は次のようにして製造される。

コイル１３を巻回したボビン１４をステータヨーク１５、１６間に装着した第１のステータ１１を図示しない金型内にセットする。このとき、ステータヨーク１５と１６に形成された極歯は相互に電気角で１８０度の位相差になるように位置決めされる。
次に、ステータヨーク１９、２０間にコイル１７を巻回したボビン１８を装着した第２のステータ１２を第１のステータ１１の上にセットする。そのとき、ステータヨーク１９と２０に形成された極歯は相互に電気角で１８０度の位相差になるように位置決めする。さらに、第１のステータ１１と第２のステータ１２が電気角で９０°の位相差になるように位置決めして重ねる。

次に、合成樹脂、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂を第２のステータ１２側より注入してエンドプレート２７、ボス部２８、２９を同時に一体成形すると共に合成樹脂を第２のステータ１２のステータヨーク１９、２０の極歯間及び第１のステータ１１のステータヨーク１５、１６の極歯間に充填する。このとき、エンドプレート２７には軸受９を装着するための凹部２７ａも同時に形成される。この合成樹脂の注入成形によって第１のステータ１１と第２のステータ１２は一体に形成され、ステータ１０が構成される。

その後、ステータ１０を図示しない金型内から取り出す。軸受９は、エンドプレート２７の凹部２７ａに装着される。軸受８は、トッププレート３０の中央に形成した孔３０ａに装着される。ホルダー２１と、ワッシャ２５、２６、ロータ２を装着し、トッププレート３０に形成した凹部３０ｂを第１のステータ１１の内周に嵌合させて位置決めすると共にボス部２９を変形することによってトッププレート３０を第１のステータ１１に取り付ける。その後、必要に応じて出力軸３の所定の位置にピニオン３１を装着する。ホルダー３２はプリント基板３３を取り付けるためのホルダーであり、ホルダー３２に形成した孔にボス部２８を挿入し、第１のステータ１１と第２のステータ１２の外周面に形成した切欠部にホルダー３２を挿入してステータ１０の外周に装着する。そしてボビン１４、１８に具備した端子ピン３４ａ、３４ｂをプリント基板３３のスルーホールに挿入し、はんだ付けを行なう。

本発明の実施の形態では、樹脂部７の円筒状の凹部７ａにホルダー２１を収納し、ホルダー２１の外周を樹脂部７が取り囲んだ構成となっているため、樹脂部７がストッパとしても機能し、ホルダー２１のガタツキを抑制できる。

図２は本発明の他の実施例を示すステッピングモータの一部断面図である。
図２に示すステッピングモータと図１に示すステッピングモータとはロータ２の構成が相違し、その他の構成は図１と同じ構造のため、同一部材については同一の引用符号を記し、その説明は省略する。

ロータ２は、出力軸３と、スリーブ４と、該スリーブ４の外周面に設けた樹脂部４１と、樹脂部４１に埋め込まれた略Ｌ字状のロータバックヨーク５ａ、５ｂと、該ロータバックヨーク５ａ、５ｂに固着された円筒状のマグネット６ａ、６ｂから構成される。スリーブ４およびロータバックヨーク５ａ、５ｂは樹脂部４１にて一体に成形される。マグネット６ａ、６ｂは希土類磁石からなり、その表面は多極着磁されている。出力軸３は軸受８、９にて回転自在に支持されており、軸受８、９はプラスチック材料または一般の金属材料にて形成してもよいが、潤滑油を含浸したメタル含油軸受がメンテナンスフリーと価格の点で好適である。なお、軸受８、９はボールベアリングで形成しても勿論よい。また、ワッシャ２６の外径を軸受９の外径よりも大きくすることにより軸受９の端面がワッシャ２６によりシールされるため、軸受９に含浸された潤滑剤の飛散がさらに防止できる。

ロータ２は次のように作製される。
図示しない金型内にスリーブ４とロータバックヨーク５ａ、５ｂを図２に示すようにセットした後、合成樹脂を注入して樹脂部４１を形成すると同時にスリーブ４とロータバックヨーク５ａ、５ｂを一体に成形後、非磁性材からなるスリーブ４の貫通孔に出力軸３を圧入する。このとき樹脂部４１はスリーブ４の円筒面と一方の端面の一部を覆うと共に円筒状の凹部４１ａを形成する。この円筒状の凹部４１ａはホルダー２１を収納するためのスペースを形成する。そしてロータバックヨーク５ａ、５ｂの外周面にそれぞれマグネット６ａ、６ｂを固着してロータ２を構成する。

スリーブ４は、例えばアルミ合金で形成され、ロータ２の軽量化を図っている。樹脂部４１を形成する合成樹脂は、車載用ヘッドライトなどの高温環境下でも十分な耐熱特性を有する合成樹脂が好ましく、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂で形成される。ロータバックヨーク５ａ、５ｂはアルミ合金で形成されるが、マグネット６ａ、６ｂの磁気力を強める必要がある場合には、例えばＳＥＣＣ（電気亜鉛めっき鋼板）材のような軟磁性材で形成する。また、ロータバックヨーク５ａ、５ｂは略Ｌ字状に形成されているが、この形状に限定されるものでないことは勿論である。マグネット６ａ、６ｂは希土類磁石が好ましく、特に優れた磁気特性を有するＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石やＳｍ−Ｆｅ−Ｎ系磁石が好適である。なお、マグネット６ａ、６ｂはコストダウンの点で分割した構成となっているが、１つのマグネットにて形成しても勿論よい。樹脂部４１の凹部４１ａの端部は金型からの抜きを容易にするためにわずかにテーパを形成することが好ましい。図２に示すロータ構造によれば、図１に示すロータ２よりも軽量化できるため、モータ特性が向上できる。

以上説明した各実施例の各部構成要素は、相互に交換可能に構成されていて、必要に応じ組み合わせてステッピングモータを構成することが可能である。従って、できあがったステッピングモータは、各部の効果をそのまま有するものとなる。

本発明の実施例におけるステッピングモータの一部断面図である。 本発明の他の実施例を示すステッピングモータの一部断面図である 車載用ヘッドライトの光軸調整の一例を示した図である。 従来のステッピングモータの一部断面図である。

符号の説明

１ ステッピングモータ
２ ロータ
３ 出力軸
４ スリーブ
５ａ、５ｂ ロータバックヨーク
６、６ａ、６ｂ マグネット
７、４１ 樹脂部
７ａ、４１ａ 凹部
８、９ 軸受
１０ ステータ
１１ 第１のステータ
１２ 第２のステータ
１３、１７ コイル
１４、１８ ボビン
１５、１６、１９、２０ ステータヨーク
２１、３２ ホルダー
２２ ベース
２３ キャップ
２４ コイルばね
２５、２６ ワッシャ
２７ エンドプレート
２７ａ、３０ｂ 凹部
２８、２９ ボス部
３０ トッププレート
３０ａ 孔
３１ ピニオン
３２ ホルダー
３３ プリント基板
３４ａ、３４ｂ 端子ピン

Claims (5)

1. 出力軸に取り付けたスリーブの外周面にマグネットを装着し、前記マグネットを装着したロータをステータの内周に回転自在に配置し、カップ状のベースとキャップを遊嵌しその内部にコイルばねを収納してホルダーを形成し、前記ホルダーは前記出力軸を支持する軸受と前記スリーブとの間に介装してなるステッピングモータにおいて、
   前記ホルダーを強化ポリアミド樹脂にて形成すると共に前記ホルダーと前記軸受との間に摺動性が良好な部材を介装してなることを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記摺動性が良好な部材を潤滑性の樹脂にて構成してなることを特徴とする請求項１記載のステッピングモータ。
3. 前記摺動性が良好な部材の外径を前記軸受の外径よりも大きくしてなることを特徴とする請求項１又は２記載のステッピングモータ。
4. 前記ロータは、前記出力軸に取り付けた非磁性のスリーブと、前記スリーブの外周面に設けた樹脂部と、前記マグネットからなり、前記マグネットは前記樹脂部の外側に装着され、前記樹脂部が前記スリーブの一方の端面の一部を覆って円筒状の凹部を形成すると共に前記凹部に前記ホルダーを収納してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のステッピングモータ。
5. 前記マグネットがロータバックヨークに固着され、前記スリーブと前記ロータバックヨークが前記樹脂部成形時に一体に形成されてなることを特徴とする請求項４記載のステッピングモータ。

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