JP7610935B2 - Hybrid type stepping motor - Google Patents
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Description
本発明は、多回転計数機能を備えたハイブリッド型ステッピングモータシステムの技術に関するものである。 The present invention relates to technology for a hybrid stepping motor system with multi-revolution counting function.
大バルクハウゼンジャンプを発現する磁性素子が特許文献1及び特許文献2に記載されている。特許文献1に記載の磁性素子は、結晶質金属からなるワイヤ形状をしたものでウィーガンドワイヤとして知られる。特許文献2に記載の磁性素子は、非結晶質金属からなるワイヤ形状又はリボン形状をなしている。 Magnetic elements that exhibit a large Barkhausen jump are described in Patent Document 1 and Patent Document 2. The magnetic element described in Patent Document 1 is in the form of a wire made of a crystalline metal and is known as a Wiegand wire. The magnetic element described in Patent Document 2 is in the form of a wire or ribbon made of an amorphous metal.
大バルクハウゼンジャンプを発現する磁性素子を回転検出に用いた技術が特許文献3~6に記載されている。特許文献3においては、1つの磁石の単一磁極面の中心から放射線状に伸びる磁束線が、1つの磁性素子により検出される。特許文献4によれば、1つの磁性素子、1つの励磁器磁石、正転反転を識別する追加センサ要素(例えばホール素子)が設けられる。特許文献5によれば、磁性素子に巻かれたコイルに電流を流す励磁機能によって磁性素子の磁区方向を識別し、補正が行われる。特許文献6によれば、磁性素子とコイルとによる3つの磁気検出部と、1回転で2周期の交番磁界を印加するための4つの磁気発生部とが設けられる。 Patent documents 3 to 6 describe technologies that use magnetic elements that exhibit a large Barkhausen jump for rotation detection. In patent document 3, magnetic flux lines extending radially from the center of a single magnetic pole face of a magnet are detected by a single magnetic element. According to patent document 4, one magnetic element, one exciter magnet, and an additional sensor element (e.g., a Hall element) that identifies forward and reverse rotation are provided. According to patent document 5, the magnetic domain direction of the magnetic element is identified and corrected by an excitation function that passes a current through a coil wound around the magnetic element. According to patent document 6, three magnetic detection units consisting of magnetic elements and coils, and four magnetic generation units for applying two cycles of an alternating magnetic field per rotation are provided.
従来技術によれば、回転方向の検出は可能であっても回転数を正確に検出できない場合がある。あるいは、回転方向及び回転数を検出できたとしても、部品点数が比較的多くなったり、識別に必要な要素(ホール素子、励磁機能)に電力を供給しなければいけないことから構造が複雑になる傾向がある。 Conventional technology may be able to detect the direction of rotation, but may not be able to accurately detect the number of rotations. Or, even if it is possible to detect the direction of rotation and the number of rotations, the number of parts tends to be relatively large, and the structure tends to be complex due to the need to supply power to the elements required for identification (Hall element, excitation function).
従来技術に鑑み、本発明は、回転方向及び回転数の正確な検出が可能かつ比較的簡単な構造のハイブリッド型ステッピングモータを提供することを目的とする。 In view of the prior art, the present invention aims to provide a hybrid stepping motor that is capable of accurately detecting the direction and speed of rotation and has a relatively simple structure.
上記目的を達成するために、本発明に係るハイブリッド型ステッピングモータは、双方向に回転可能な回転軸と、前記回転軸に取り付けられ双方向に回転可能なロータであって、前記ロータは、軸方向に間隔を置いて配置された軟磁性体製の第1ロータ磁極部及び第2ロータ磁極部と、前記第1ロータ磁極部と前記第2ロータ磁極部とに挟まれ軸方向に着磁された永久磁石とを備え、前記ロータの軸方向両端面のうち一方の軸方向端面に、同形状であり、前記ロータの周方向に沿って180度の間隔を置いて配置された軟磁性体製の2つの突起部が設けられ、前記2つの突起部は前記永久磁石により同一磁極に磁化され磁界を発生させる、ロータと、大バルクハウゼンジャンプを発現する細長の磁性素子と、前記磁性素子に巻回されたコイルとを有する第1磁気センサ及び第2磁気センサであって、前記ロータが回転すると前記2つの突起部により円が描かれ、前記2つの突起部の上面及び側面の単一磁極面からの磁界が前記第1磁気センサ及び第2磁気センサにより検出され、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサは、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサの出力信号が90度の位相関係となるように、前記円と同軸となる円のそれぞれの接線と平行に配置されており、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサがそれぞれ、前記それぞれの接点と前記円の径方向又は前記回転軸方向に対向し、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサの出力信号から前記ロータの回転が検出される、第1磁気センサ及び第2磁気センサとを備える。 In order to achieve the above object, a hybrid type stepping motor according to the present invention includes a rotating shaft rotatable in both directions, and a rotor attached to the rotating shaft rotatable in both directions, the rotor including first and second rotor magnetic pole portions made of a soft magnetic material and spaced apart in the axial direction, and a permanent magnet sandwiched between the first and second rotor magnetic pole portions and magnetized in the axial direction , and one of both axial end faces of the rotor is provided with two protrusions made of a soft magnetic material that have the same shape and are spaced apart from each other in the circumferential direction of the rotor, the two protrusions being magnetized to the same magnetic pole by the permanent magnet to generate a magnetic field; an elongated magnetic element that exhibits a large Barkhausen jump; and and a coil wound around each of the protrusions, wherein when the rotor rotates, a circle is drawn by the two protrusions , and a magnetic field from single magnetic pole surfaces on the upper and side surfaces of the two protrusions is detected by the first magnetic sensor and the second magnetic sensor, the first magnetic sensor and the second magnetic sensor are arranged parallel to each tangent of a circle that is coaxial with the circle so that output signals of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor have a phase relationship of 90 degrees, the first magnetic sensor and the second magnetic sensor face each of the contact points in the radial direction of the circle or the direction of the rotation axis, and rotation of the rotor is detected from the output signals of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor .
本発明によれば、回転方向及び回転数の正確な検出が可能かつ比較的簡単な構造のハイブリッド型ステッピングモータが提供される。 The present invention provides a hybrid stepping motor that is capable of accurately detecting the direction and speed of rotation and has a relatively simple structure.
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。 The present invention will be described below based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment described below.
[ハイブリッド型ステッピングモータ]
図1Aに、ハイブリッド型ステッピングモータ10を示す。ハイブリッド型ステッピングモータ10は、ステータ11とロータ12と回転軸12cとを有する。ロータ12は、回転軸12cに取り付けられており、軟磁性体製のAロータ12a及びBロータ12bと、永久磁石12dとを備える。Aロータ12aとBロータ12bとは軸方向に間隔を置いて配置されており、Aロータ12aとBロータ12bとに挟まれるように永久磁石12dが配置されている。永久磁石12dは軸方向に着磁されている。
[Hybrid type stepping motor]
1A shows a hybrid stepping motor 10. The hybrid stepping motor 10 has a stator 11, a rotor 12, and a rotating shaft 12c. The rotor 12 is attached to the rotating shaft 12c and includes an A rotor 12a and a B rotor 12b made of a soft magnetic material, and a permanent magnet 12d. The A rotor 12a and the B rotor 12b are spaced apart in the axial direction, and the permanent magnet 12d is disposed so as to be sandwiched between the A rotor 12a and the B rotor 12b. The permanent magnet 12d is magnetized in the axial direction.
Aロータ12a及びBロータ12bは永久磁石12dによって軸方向に磁化されており、Aロータ12aがN極の場合、Bロータ12bがS極となる。Aロータ12a及びBロータ12bの外周面には複数の小歯が周方向等間隔に形成されており、Aロータ12aの小歯とBロータ12bの小歯とは機械的に1/2ピッチずれている。
なお、Aロータ12a及びBロータ12bをそれぞれ、第1ロータ磁極部12a及び第2ロータ磁極部12bと呼ぶこともできる。
The A rotor 12a and the B rotor 12b are magnetized in the axial direction by a permanent magnet 12d, so that when the A rotor 12a has an N pole, the B rotor 12b has an S pole. A plurality of small teeth are formed on the outer circumferential surfaces of the A rotor 12a and the B rotor 12b at equal intervals in the circumferential direction, and the small teeth of the A rotor 12a and the small teeth of the B rotor 12b are mechanically offset by 1/2 pitch.
The A rotor 12a and the B rotor 12b can also be referred to as the first rotor magnetic pole portion 12a and the second rotor magnetic pole portion 12b, respectively.
ステータ11は、略円筒状であり、内周面には径方向内側に向かって突出した複数の磁極部が周方向等間隔に形成されている。各磁極部の、ロータ12と対向する面には、複数の小歯が形成されている。各磁極部には巻線(不図示)が巻かれている。径方向に向かい合う2つの磁極部には同一の巻線が巻かれており、その巻線に電流を流すと両磁極部が同じ極性に磁化される。このように、向かい合う2つの磁極部により1つの相が構成される。 The stator 11 is roughly cylindrical, and multiple magnetic poles that protrude radially inward are formed on the inner circumferential surface at equal intervals. Multiple small teeth are formed on the surface of each magnetic pole that faces the rotor 12. A winding (not shown) is wound around each magnetic pole. The same winding is wound around two magnetic poles that face each other in the radial direction, and when a current is passed through the winding, both magnetic poles are magnetized to the same polarity. In this way, one phase is formed by the two facing magnetic poles.
A相からE相までの5つの相があるタイプは5相ステッピングモータと呼ばれ、A相とB相の2つの相があるタイプは2相ステッピングモータと呼ばれる。 A type with five phases, from A to E, is called a five-phase stepping motor, and a type with two phases, A and B, is called a two-phase stepping motor.
Aロータ12a、Bロータ12bの外周面の小歯から径方向の磁界が発生する。さらに、ロータ12の軸方向両端面(具体的には、Aロータ12aの上面及びBロータ12bの下面)からも図中の矢印方向に漏れ磁界が発生する。以下に述べる実施形態は漏れ磁界を利用するものである。“漏れた”磁界はモータ設計によっては小さすぎて検出に十分な磁界とならないこともあるため、十分な磁界を得るために、Aロータ及びBロータの軸方向の全長をステータの軸方向の全長に対して長くしたり短くしたりするなどして、意図的に漏れ磁界を増やすことも有効である。 A radial magnetic field is generated from the small teeth on the outer circumferential surfaces of the A rotor 12a and the B rotor 12b. Furthermore, a leakage magnetic field is generated in the direction of the arrows in the figure from both axial end surfaces of the rotor 12 (specifically, the upper surface of the A rotor 12a and the lower surface of the B rotor 12b). The embodiment described below utilizes the leakage magnetic field. Depending on the motor design, the "leaked" magnetic field may be too small to be detected, so in order to obtain a sufficient magnetic field, it is also effective to intentionally increase the leakage magnetic field by making the overall axial length of the A rotor and the B rotor longer or shorter than the overall axial length of the stator.
なお、図1Bに示すように、複数のロータ12が回転軸方向に配置されてなるロータスタックを採用することも可能である。 As shown in FIG. 1B, it is also possible to adopt a rotor stack in which multiple rotors 12 are arranged in the direction of the rotation axis.
[第1実施形態]
図2A~図2Dに、第1実施形態に基づくハイブリッド型ステッピングモータ10を示す。
ハイブリッド型ステッピングモータ10は、図1Aに示した構成に加え、第1磁気センサ20と、第2磁気センサ30と、Aロータ12aの軸方向上端面に設けられた2つの突起部40a及び40bを備えている。
第1磁気センサ20は、大バルクハウゼンジャンプを発現する細長の磁性素子21と、この磁性素子に巻回されたコイル22とを備えている。同様に、第2磁気センサ30は、大バルクハウゼンジャンプを発現する細長の磁性素子31と、この磁性素子に巻回されたコイル32とを備えている。
[First embodiment]
2A to 2D show a hybrid stepping motor 10 according to a first embodiment.
In addition to the configuration shown in FIG. 1A, the hybrid type stepping motor 10 includes a first magnetic sensor 20, a second magnetic sensor 30, and two protrusions 40a and 40b provided on the axial upper end surface of the A rotor 12a.
The first magnetic sensor 20 includes an elongated magnetic element 21 that exhibits a large Barkhausen jump and a coil 22 wound around the magnetic element 21. Similarly, the second magnetic sensor 30 includes an elongated magnetic element 31 that exhibits a large Barkhausen jump and a coil 32 wound around the magnetic element 21.
突起部40a、40bは、同じ形状で軟磁性体製である。これらの突起部は、回転軸12cに関して180度をなすように配置されている。突起部40a、40bは、円柱状の形状を成し、Aロータ12aに設けた穴に圧入等で固定されている。突起部40a、40bの軸方向は回転軸と平行である。ロータの外周部に小歯が形成されている関係上、突起部をAロータの小歯部の歯底から間隔を置いて配置し、鉄損の発生を抑制することが好ましい。 The protrusions 40a, 40b are made of a soft magnetic material and have the same shape. These protrusions are arranged to form 180 degrees with respect to the rotation axis 12c. The protrusions 40a, 40b are cylindrical in shape and are fixed by press-fitting or the like into holes provided in the A rotor 12a. The axial direction of the protrusions 40a, 40b is parallel to the rotation axis. Since small teeth are formed on the outer periphery of the rotor, it is preferable to arrange the protrusions at a distance from the base of the small teeth of the A rotor to suppress the occurrence of iron loss.
磁化されたAロータ12aの端面外周に突起部40a、40bを設けたことで、両突起部は、磁界発生部となり、Aロータ12aと同じN極(又はS極)の単一磁極に磁化される。突起部40a,40bは同じ形状、材質であることから、大きさも方向も同じ磁界が両突起部の上面より発生する。図2Bに、突起部40a及び40bの上面から漏洩する磁束線の方向を矢印により示している。突起部40a、40bの上面はそれぞれ、単一磁極面となり、漏洩する磁束線は、その中心より放射状に延びる。矢印のグラデーションは磁束密度を表し、濃いほど磁束密度が大きいことを示す。後述する円50上では、単一磁極面の中心にて互いに逆方向の磁束線が延びていることが分かる。突起部による、円50上の磁界強度は、最大で、安定化磁界以上である。安定化磁界については後述説明する。 By providing the protrusions 40a and 40b on the outer periphery of the end face of the magnetized A rotor 12a, both protrusions become magnetic field generating parts and are magnetized to the same single magnetic pole, the N pole (or S pole), as the A rotor 12a. Since the protrusions 40a and 40b are of the same shape and material, magnetic fields of the same magnitude and direction are generated from the upper surfaces of both protrusions. In FIG. 2B, the arrows indicate the direction of magnetic flux lines leaking from the upper surfaces of the protrusions 40a and 40b. The upper surfaces of the protrusions 40a and 40b each become a single magnetic pole surface, and the leaking magnetic flux lines extend radially from the center. The gradation of the arrows represents the magnetic flux density, and the darker the arrow, the higher the magnetic flux density. On the circle 50 described later, it can be seen that magnetic flux lines extend in opposite directions at the center of the single magnetic pole surface. The magnetic field strength on the circle 50 caused by the protrusions is at most equal to or greater than the stabilizing magnetic field. The stabilizing magnetic field will be described later.
ロータ12が回転すると、突起部40a及び40bの単一磁極面により第1の円が描かれる。この第1の円を軸方向上方に平行移動させた後の第2の円を符号50により示す(図2B及び図2C)。第2の円50は第1の円と同軸である。図2Dに示すように、第1磁気センサ20及び第2磁気センサ30は、各出力信号が電気角で90°の位相関係となるよう、回転軸12cを基準とした円50上の2つの位置50a及び50bにそれぞれ配置されている。回転軸の上方から両磁気センサを見たときに、回転軸12cを基準として第1磁気センサ20を機械角で反時計回りに90°回転させると、第2磁気センサ30と重なる。また、第1磁気センサ20及び第2磁気センサ30は、長手方向が、位置50a及び50bを通る円50の接線51及び52と平行になるように配置されている。位置50a及び50bを接点と呼ぶこともできる。 When the rotor 12 rotates, a first circle is drawn by the single magnetic pole faces of the protrusions 40a and 40b. The second circle obtained by translating the first circle upward in the axial direction is indicated by the reference symbol 50 (FIGS. 2B and 2C). The second circle 50 is coaxial with the first circle. As shown in FIG. 2D, the first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 are disposed at two positions 50a and 50b on the circle 50 based on the rotation axis 12c so that the output signals are in a phase relationship of 90° in electrical angle. When both magnetic sensors are viewed from above the rotation axis, the first magnetic sensor 20 is rotated 90° counterclockwise in mechanical angle based on the rotation axis 12c, and overlaps with the second magnetic sensor 30. The first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 are disposed so that their longitudinal directions are parallel to the tangents 51 and 52 of the circle 50 passing through the positions 50a and 50b. Positions 50a and 50b can also be called contact points.
磁性素子21は、例えばワイヤ形状、リボン状、成膜タイプとすることができるが、これらに限定されず、大バルクハウゼンジャンプを発現する磁性体であればよい。磁性素子21の長手方向を、磁気異方性の磁化容易方向とすることができる。磁性素子21は、芯部とその芯部を取り囲むように設けられた表皮部とを備えている。一例として、芯部は弱い磁界でも磁化方向の反転が起きるソフト層であり、表皮部は強い磁界を与えないと磁化方向が反転しないハード層である。コイル22には、磁性素子21に大バルクハウゼンジャンプが発現したときにパルス信号が誘発される。
磁性素子31も磁性素子21と同様である。コイル32には、磁性素子31に大バルクハウゼンジャンプが発現したときにパルス信号が誘発される。
The magnetic element 21 may be, for example, wire-shaped, ribbon-shaped, or film-type, but is not limited thereto, and may be any magnetic material that exhibits a large Barkhausen jump. The longitudinal direction of the magnetic element 21 may be the magnetization easy direction of the magnetic anisotropy. The magnetic element 21 includes a core and a skin portion that is provided to surround the core. As an example, the core is a soft layer in which the magnetization direction is reversed even in a weak magnetic field, and the skin portion is a hard layer in which the magnetization direction is not reversed unless a strong magnetic field is applied. A pulse signal is induced in the coil 22 when the magnetic element 21 exhibits a large Barkhausen jump.
The magnetic element 31 is similar to the magnetic element 21. A pulse signal is induced in the coil 32 when a large Barkhausen jump occurs in the magnetic element 31.
なお、コイル22及び32は、両コイルに生じた信号を処理する回路(不図示)に接続され、回転検出に使われる。 Coils 22 and 32 are connected to a circuit (not shown) that processes the signals generated in both coils and is used to detect rotation.
磁性素子21の長手方向は、図2Dの紙面上下方向と平行である。磁性素子21の長手方向に関して、図2Dの紙面下方向をプラス方向と呼び、紙面上方向をマイナス方向と呼ぶ。
磁性素子31の長手方向は、図2Dの紙面左右方向と平行である。磁性素子31の長手方向に関して、図2Dの紙面右方向をプラス方向と呼び、紙面左方向をマイナス方向と呼ぶ。
ハード層とソフト層の磁化方向が同方向(例えば、マイナス方向)であるときに、その方向とは反対方向(例えば、プラス方向)の外部磁界強度が増加してソフト層の磁化方向が反転する磁界強度に達すると、ソフト層の磁化方向が反転する。このとき、大バルクハウゼンジャンプが発現し、当該磁性素子に巻かれたコイルにパルス信号が誘発される。ソフト層の磁化方向が反転するときの磁界強度を「動作磁界」と呼ぶ。
The longitudinal direction of the magnetic element 21 is parallel to the vertical direction of the paper in Fig. 2D. With respect to the longitudinal direction of the magnetic element 21, the downward direction on the paper in Fig. 2D is called the positive direction, and the upward direction on the paper is called the negative direction.
The longitudinal direction of the magnetic element 31 is parallel to the left-right direction of the paper in Fig. 2D. With respect to the longitudinal direction of the magnetic element 31, the right direction of the paper in Fig. 2D is called the positive direction, and the left direction of the paper is called the negative direction.
When the magnetization directions of the hard layer and the soft layer are in the same direction (e.g., negative direction), if the external magnetic field strength in the opposite direction (e.g., positive direction) increases and reaches a magnetic field strength at which the magnetization direction of the soft layer is reversed, the magnetization direction of the soft layer is reversed. At this time, a large Barkhausen jump occurs, and a pulse signal is induced in the coil wound around the magnetic element. The magnetic field strength at which the magnetization direction of the soft layer is reversed is called the "operating magnetic field."
上述の外部磁界強度がさらに増加し、ハード層の磁化方向が反転する磁界強度に達すると、ハード層の磁化方向も反転する。ハード層の磁化方向が反転するときの磁界強度を「安定化磁界」と呼ぶ。 When the external magnetic field strength described above increases further and reaches a magnetic field strength at which the magnetization direction of the hard layer is reversed, the magnetization direction of the hard layer is also reversed. The magnetic field strength at which the magnetization direction of the hard layer is reversed is called the "stabilizing magnetic field."
大バルクハウゼンジャンプが発現するためには、ハード層とソフト層の磁化方向が一致していることを前提として、ソフト層のみ磁化方向が反転することが必要である。ハード層とソフト層の磁化方向が単一磁区を形成していない不一致の状態で、ソフト層のみ磁化反転したとしても、パルス信号は生じないか、あるいは生じたとしても非常に小さく、上記回路が回転検出に用いることは困難である。 For a large Barkhausen jump to occur, it is necessary that the magnetization direction of only the soft layer is reversed, assuming that the magnetization directions of the hard layer and soft layer are consistent. Even if the magnetization direction of only the soft layer is reversed when the magnetization directions of the hard layer and soft layer are mismatched and do not form a single magnetic domain, no pulse signal is generated, or if one is generated, it is very small, making it difficult to use the above circuit for rotation detection.
Aロータ12aに設けられた突起部40a及び40bの一方の単一磁極面が磁気センサ付近を通過するときに、磁性素子に対しその延伸方向に安定化磁界が印加され、磁性素子が単一磁区に磁化する。その後、回転が続き、突起部40a及び40bの他方の単一磁極面が磁気センサに近づくと、単一磁区の磁化方向とは逆方向の動作磁界が磁性素子の延伸方向に印加され、大バルクハウゼン現象が発現する。ロータ12が回転するときの、突起部の単一磁極面から印加される磁界と2つの磁気センサ20、30の出力信号の関係を詳しく説明する。 When one of the single pole faces of the protrusions 40a and 40b on the rotor 12a passes near the magnetic sensor, a stabilizing magnetic field is applied to the magnetic element in its extension direction, and the magnetic element is magnetized into a single magnetic domain. Then, as the rotation continues and the other single pole face of the protrusions 40a and 40b approaches the magnetic sensor, an operating magnetic field in the opposite direction to the magnetization direction of the single magnetic domain is applied in the extension direction of the magnetic element, and the Great Barkhausen phenomenon occurs. The relationship between the magnetic field applied from the single pole face of the protrusion and the output signals of the two magnetic sensors 20 and 30 when the rotor 12 rotates will be explained in detail.
図10Aに、正転時の回転位置と、第1磁気センサ20に印加される磁界Ha及び第2磁気センサ30に印加される磁界Hbとの関係を示す。また、図10Bに、反転時の回転位置と磁界Ha及び磁界Hbとの関係を示す。正転及び反転はそれぞれ、ハイブリッド型ステッピングモータ10を軸方向上方から見たときの右回転及び左回転のことである。両図とも、突起部40aから第1磁気センサ20に印加される磁界Haを実線で示し、突起部40bから第1磁気センサ20に印加される磁界Haを一点鎖線で示す。また、突起部40aから第2磁気センサ30に印加される磁界Hbを破線で示し、突起部40bから第2磁気センサ30に印加される磁界Hbを二点鎖線で示す。±H1は動作磁界強度、±H2は安定化磁界強度である。 Figure 10A shows the relationship between the rotation position during forward rotation and the magnetic field Ha applied to the first magnetic sensor 20 and the magnetic field Hb applied to the second magnetic sensor 30. Figure 10B also shows the relationship between the rotation position during reverse rotation and the magnetic fields Ha and Hb. Forward rotation and reverse rotation respectively refer to right rotation and left rotation when the hybrid stepping motor 10 is viewed from above in the axial direction. In both figures, the magnetic field Ha applied to the first magnetic sensor 20 from the protrusion 40a is shown by a solid line, and the magnetic field Ha applied to the first magnetic sensor 20 from the protrusion 40b is shown by a dashed line. Also, the magnetic field Hb applied to the second magnetic sensor 30 from the protrusion 40a is shown by a dashed line, and the magnetic field Hb applied to the second magnetic sensor 30 from the protrusion 40b is shown by a two-dot chain line. ±H1 is the operating magnetic field strength, and ±H2 is the stabilizing magnetic field strength.
図10Aにおいて、正転時に第1磁気センサ20に生じる正パルス信号を符号Aで示し、信号Aの出力の前提となる安定化磁界を符号Asで示す。さらに、第2磁気センサ30に生じる正パルス信号を符号Bで示し、信号Bの出力の前提となる安定化磁界を符号Bsで示す。
図10Bにおいて、反転時に第1磁気センサ20に生じる負パルス信号を符号Cで示し、信号Cの出力の前提となる安定化磁界を符号Csで示す。さらに、第2磁気センサ30に生じる負パルス信号を符号Dで示し、信号Dの出力の前提となる安定化磁界を符号Dsで示す。
10A, the positive pulse signal generated in the first magnetic sensor 20 during forward rotation is indicated by symbol A, and the stabilizing magnetic field that is the premise for the output of signal A is indicated by symbol As. Furthermore, the positive pulse signal generated in the second magnetic sensor 30 is indicated by symbol B, and the stabilizing magnetic field that is the premise for the output of signal B is indicated by symbol Bs.
10B, the negative pulse signal generated in the first magnetic sensor 20 during reversal is indicated by symbol C, and the stabilizing magnetic field that is the premise for the output of signal C is indicated by symbol Cs. Furthermore, the negative pulse signal generated in the second magnetic sensor 30 is indicated by symbol D, and the stabilizing magnetic field that is the premise for the output of signal D is indicated by symbol Ds.
第1磁気センサ20及び第2磁気センサ30には、互いに180度の等間隔をもった位置にある突起部40aと突起部40bの磁界が印加され、第1磁気センサ20と第2磁気センサ30の信号は、電気角の設置位置の関係から90度の位相関係となる。各磁気センサからは正転1回転で同じ符号の信号が2回出力され、反転1回転では、正転時とは異なる符号で同じ信号が2回出力される。2つの磁気センサから、正転1回転で信号A、Bが2回ずつ出力され、反転1回転で信号C、Dが2回ずつ出力される。磁気センサ20の磁性素子21の中心を位置50aに一致させ、磁気センサ30の磁性素子31の中心を位置50bに一致させれば、正反転の出力信号の波形品位(波高と半値幅)が同じとなる。 The magnetic field of the protrusions 40a and 40b, which are located at equal intervals of 180 degrees from each other, is applied to the first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30, and the signals of the first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 have a phase relationship of 90 degrees due to the relationship of the installation positions of the electrical angle. Each magnetic sensor outputs a signal of the same sign twice in one forward rotation, and in one reverse rotation, the same signal is output twice with a different sign from that in the forward rotation. The two magnetic sensors output signals A and B twice each in one forward rotation, and signals C and D twice each in one reverse rotation. If the center of the magnetic element 21 of the magnetic sensor 20 is aligned with position 50a and the center of the magnetic element 31 of the magnetic sensor 30 is aligned with position 50b, the waveform quality (wave height and half-width) of the forward and reverse output signals will be the same.
すなわち、ハイブリッド型ステッピングモータの基幹部品であるロータに、その一部として突起部を設けることで、大バルクハウゼン効果を利用した磁気センサにて直接、モータの磁石磁界が検出可能となる。磁性素子の磁化の状態によっては、大きさが小さく評価困難なパルス信号が生じうるが、このようなパルス信号に依存することなく、多回転の計数が可能となる。また、ロータ12の永久磁石12dの他に永久磁石がないため、ロータ12以外の漏洩磁界の磁気センサへの影響を低減する手段を講じる必要性がないことも利点となる。従って、安価で安定性のある構成となる。 In other words, by providing a protrusion as part of the rotor, which is a core component of a hybrid stepping motor, the magnetic field of the motor can be directly detected by a magnetic sensor that utilizes the large Barkhausen effect. Depending on the magnetization state of the magnetic element, a pulse signal that is small in magnitude and difficult to evaluate may be generated, but it is possible to count multiple rotations without relying on such pulse signals. Another advantage is that since there are no permanent magnets other than the permanent magnet 12d of the rotor 12, there is no need to take measures to reduce the effect of leakage magnetic fields from other than the rotor 12 on the magnetic sensor. This results in an inexpensive and stable configuration.
このように、本実施形態によれば、回転方向及び回転数の正確な検出が可能かつ比較的簡単な構造のハイブリッド型ステッピングモータが提供される。 As such, this embodiment provides a hybrid stepping motor that is capable of accurately detecting the direction of rotation and the number of rotations and has a relatively simple structure.
[第1実施形態の変形例]
突起部は、同形状で、ロータの軸方向端面に等間隔に設けられ、軟磁性体製であれば、その形状は円柱状に限定されず、また固定方法も圧入に限定されない。突起部の変形例を図3A~図3Dに示す。
図3A(A)に示すように、ロータ12の軸方向端面に、軟磁性体製の複数の薄板を積み重ねてもよい。各薄板は、回転軸12cが貫通する穴が設けられたリング部と、リング部から径方向外側に延びる2つの延伸部とを備えている。両延伸部は一直線上にある。両延伸部をそれぞれ、突起部40a及び40bと呼ぶことができる。
なお、図3A(B)に示すようにリング部と2つの延伸部とを、積層型ではなく、単一部材で構成してもよい。
[Modification of the first embodiment]
As long as the protrusions are of the same shape, are provided at equal intervals on the axial end face of the rotor, and are made of a soft magnetic material, their shape is not limited to cylindrical, and the fixing method is not limited to press fitting. Modified examples of the protrusions are shown in Figures 3A to 3D.
As shown in Fig. 3A (A), a plurality of thin plates made of a soft magnetic material may be stacked on the axial end surface of the rotor 12. Each thin plate has a ring portion having a hole through which the rotating shaft 12c passes, and two extension portions extending radially outward from the ring portion. The two extension portions are aligned in a straight line. The two extension portions can be called protrusions 40a and 40b, respectively.
As shown in FIG. 3A(B), the ring portion and the two extension portions may be formed from a single member, rather than being laminated.
図3Bに示すように、突起部40a及び40bの上面に単一磁極面が形成され、漏洩する磁束線は、突起部40a及び40bから外側に延びる。Aロータ、Bロータが積層薄板で構成される場合は、同じ積層の工程を経ることができ手間を要することなく製造できる利点がある。さらに突起部はロータと一体化され、単一磁極面の磁力が高まり、磁気センサの設置許容範囲が広がる利点がある。 As shown in FIG. 3B, a single magnetic pole surface is formed on the upper surface of the protrusions 40a and 40b, and the leaking magnetic flux lines extend outward from the protrusions 40a and 40b. When the A rotor and the B rotor are made of laminated thin plates, there is an advantage that they can be manufactured without labor because they can undergo the same lamination process. Furthermore, there is an advantage that the protrusions are integrated with the rotor, increasing the magnetic force of the single magnetic pole surface and expanding the allowable range for installation of the magnetic sensor.
この形状の他の利点として、図3Cに示すように各突起部の側面(軸方向に平行な面)にも単一磁極面が形成され、漏洩する磁束線は、各突起部から外側に延びる。図3Dに示すように突起部40a、40bの側面の単一磁極面に対して、2つの磁気センサ20、30を、磁界強度が最大で安定化磁界の強度以上になる間隔で径方向に対向させる。第1磁気センサ20と第2磁気センサ30の各出力信号が電気角で90°位相になるよう、回転軸12cを基準とした円50上の2つの位置50aと50bに両磁気センサを配置する。これにより、磁気センサを突起部の上方向ではなく外周に配置することができ、軸方向寸法(モーター長さ)をより小さくすることができる。 Another advantage of this shape is that, as shown in FIG. 3C, a single magnetic pole surface is also formed on the side surface (surface parallel to the axial direction) of each protrusion, and the leaking magnetic flux lines extend outward from each protrusion. As shown in FIG. 3D, two magnetic sensors 20, 30 are radially opposed to the single magnetic pole surface on the side surface of protrusions 40a, 40b at a distance such that the magnetic field strength is at its maximum equal to or greater than the strength of the stabilizing magnetic field. The first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 are positioned at two positions 50a and 50b on a circle 50 based on the rotation axis 12c so that the output signals of the first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 are 90° out of phase with each other in electrical angle. This allows the magnetic sensors to be positioned on the outer periphery of the protrusions rather than above them, making the axial dimension (motor length) smaller.
[第2実施形態]
第1実施形態では突起部を2つとしたが、第2実施形態では4つの突起部が設けられる。図4A及び図4Bを参照しながら以下に説明する。図4Aに示すように、Aロータ12aの上面に同形状の4つの突起部40a、40b、40c、40dが設けられ、これらの4つの突起部は回転軸12cに関して周方向90度間隔で配置されている。それに伴い、図4Bに示すように回転軸の上方から両磁気センサを見たときに、回転軸12cを基準として第2磁気センサ30は、第1磁気センサ20を反時計回りに機械角で45°または(45°+180°=225°)回転させた位置にある。図4Bでは225°である。これにより、第1磁気センサ20と第2磁気センサ30の各出力信号が電気角で90°位相になる。
[Second embodiment]
In the first embodiment, two protrusions are provided, but in the second embodiment, four protrusions are provided. The following description will be given with reference to FIGS. 4A and 4B. As shown in FIG. 4A, four protrusions 40a, 40b, 40c, and 40d of the same shape are provided on the upper surface of the A rotor 12a, and these four protrusions are arranged at 90-degree intervals in the circumferential direction with respect to the rotating shaft 12c. Accordingly, when both magnetic sensors are viewed from above the rotating shaft as shown in FIG. 4B, the second magnetic sensor 30 is at a position where the first magnetic sensor 20 is rotated counterclockwise by 45° or (45°+180°=225°) in mechanical angle with respect to the rotating shaft 12c. In FIG. 4B, it is 225°. As a result, the output signals of the first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 are out of phase with each other by 90° in electrical angle.
4つの突起部が設けられ、図10A及び図10Bにおける出力信号の360°が本実施例では180°に相当することから、磁気センサからは正転1回転で同じ符号の信号が4回出力され、反転1回転では、正転とは異なる符号で同じ信号が4回出力される。2つの磁気センサから、正転1回転でA、B、反転1回転でC、Dの4種類信号が4回出力される。第1実施形態に比べて、出力信号の分解能が2倍となり、回転検出の精度が向上する。 Since four protrusions are provided and the 360° of the output signal in Figures 10A and 10B corresponds to 180° in this embodiment, the magnetic sensor outputs a signal of the same sign four times in one forward rotation, and outputs the same signal four times with a different sign from the forward rotation in one reverse rotation. The two magnetic sensors output four types of signals, A and B, four times in one forward rotation, and C and D, four times in one reverse rotation. Compared to the first embodiment, the resolution of the output signal is doubled, improving the accuracy of rotation detection.
突起部からの磁界が互いに干渉しない間隔で周方向に配置されていれば、突起部の数をさらに増すことが可能である。また、第1実施形態の突起部の変形例は第2実施形態にも適応可能である。 The number of protrusions can be further increased as long as they are spaced circumferentially at intervals such that the magnetic fields from the protrusions do not interfere with each other. In addition, the modified example of the protrusions in the first embodiment can also be applied to the second embodiment.
[第3実施形態]
図5A~図5Cに示すように、ハイブリッド型ステッピングモータ10は、第1磁気センサ20及び第2磁気センサ30と、Aロータ12aの軸方向上端面に設けられた突起部40a及び40a’を備えている。突起部40a、40a’は、軟磁性体製であり、回転軸12cに関して180度間隔で配置されている。突起部40a、40a’は、いずれも円柱状であるが、図5Bに示すように突起部40a’の高さh’は、突起部40aの高さhよりも小さい。磁化されたAロータ12aの端面外周に突起部40a、40a‘を設けたことで、突起部は磁界発生部となり、Aロータ12aと同じN極(又はS極)の単一磁極に磁化される。突起部40a,40a’は高さが異なる(h>h‘)ことから、磁気センサに対して印加される磁界強度の最大値が異なる。
[Third embodiment]
As shown in FIG. 5A to FIG. 5C, the hybrid stepping motor 10 includes a first magnetic sensor 20, a second magnetic sensor 30, and protrusions 40a and 40a' provided on the axial upper end surface of the A rotor 12a. The protrusions 40a and 40a' are made of soft magnetic material and are arranged at 180 degree intervals with respect to the rotating shaft 12c. The protrusions 40a and 40a' are both cylindrical, but as shown in FIG. 5B, the height h' of the protrusion 40a' is smaller than the height h of the protrusion 40a. By providing the protrusions 40a and 40a' on the outer periphery of the end surface of the magnetized A rotor 12a, the protrusions become magnetic field generating parts and are magnetized to a single magnetic pole, the N pole (or S pole), the same as the A rotor 12a. Since the protrusions 40a and 40a' have different heights (h>h'), the maximum values of the magnetic field strength applied to the magnetic sensors are different.
円50は、突起部40aの単一磁極面の軌道と同軸の円である。図5Cに示すように、第1磁気センサ20及び第2磁気センサ30は、各出力信号が電気角で180°の位相関係となるよう、回転軸12cを基準とした円50上の2つの位置50aと50bに配置される。回転軸の上方から両磁気センサを見たときに、第2磁気センサ30は、回転軸12cを基準として第1磁気センサ20を反時計回りに機械角で180°回転させた位置にある。また、両磁気センサは、そしてその位置を通る各接線51、52においてその接線方向と平行になるように配置される。 Circle 50 is a circle coaxial with the orbit of the single magnetic pole face of protrusion 40a. As shown in FIG. 5C, the first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 are arranged at two positions 50a and 50b on circle 50 based on the rotation axis 12c so that the output signals have a phase relationship of 180° in electrical angle. When both magnetic sensors are viewed from above the rotation axis, the second magnetic sensor 30 is at a position rotated 180° in mechanical angle counterclockwise from the first magnetic sensor 20 based on the rotation axis 12c. In addition, both magnetic sensors are arranged so that they are parallel to the tangent directions of tangents 51 and 52 that pass through those positions.
突起部40a、40a’の上面である単一磁極面からの漏洩する磁束線は、その中心より互いに逆方向に延びる。しかし、突起部の高さの違いにより、突起部40aと磁気センサとの最小間隔は、突起部40a’と磁気センサとの最小間隔よりも小さい。このような最小間隔の差によって、磁気センサに印加される磁界が調整される。突起部40aから磁気センサに対し、最大で、安定化磁界以上の磁界が印加されるように、突起部40aが構成されている。突起部40a’から磁気センサに対しては、最大で、動作磁界以上かつ安定化磁界を下回る磁界が印加されるよう、突起部40a’が構成されている。 The magnetic flux lines leaking from the single pole surface, which is the upper surface of the protrusions 40a, 40a', extend in opposite directions from the center. However, due to the difference in height of the protrusions, the minimum distance between the protrusion 40a and the magnetic sensor is smaller than the minimum distance between the protrusion 40a' and the magnetic sensor. This difference in minimum distance adjusts the magnetic field applied to the magnetic sensor. The protrusion 40a is configured so that a magnetic field greater than or equal to the stabilizing magnetic field is applied from the protrusion 40a to the magnetic sensor at maximum. The protrusion 40a' is configured so that a magnetic field greater than or equal to the operating magnetic field and less than the stabilizing magnetic field is applied from the protrusion 40a' to the magnetic sensor at maximum.
ロータ12が回転し、一組の突起部のうち、一方の突起部40aが磁気センサを通過したときに、安定化磁界により当該磁気センサの磁性素子が単一磁区に磁化する。その後、他方の突起部40a’が当該磁気センサに近づくと単一磁区の磁化方向とは逆方向の動作磁界が印加され、大バルクハウゼン現象が発現する。このとき、安定化磁界は印加されないことから磁性素子は単一磁区にならない。そのため、一方の突起部40aが再び当該磁気センサに近づいて動作磁界が印加されても、大バルクハウゼン現象が発現されることはない。以下、ロータが回転したときの、突起部から印加される磁界と2つの磁気センサ20、30の出力信号の関係を説明する。 When the rotor 12 rotates and one of the pair of protrusions, 40a, passes the magnetic sensor, the magnetic element of the magnetic sensor is magnetized into a single magnetic domain by the stabilizing magnetic field. After that, when the other protrusion, 40a', approaches the magnetic sensor, an operating magnetic field in the opposite direction to the magnetization direction of the single magnetic domain is applied, and the Great Barkhausen phenomenon occurs. At this time, the stabilizing magnetic field is not applied, so the magnetic element does not become a single magnetic domain. Therefore, even if one of the protrusions, 40a, approaches the magnetic sensor again and an operating magnetic field is applied, the Great Barkhausen phenomenon does not occur. Below, the relationship between the magnetic field applied from the protrusions and the output signals of the two magnetic sensors 20, 30 when the rotor rotates is explained.
図11Aに、正転時の回転位置と磁界Ha及びHbとの関係を示し、図11Bに、反転時の回転位置と磁界Ha及びHbとの関係を示す。両図とも、第1磁気センサ20に対し、突起部40aから印加される磁界Haを実線で示し、突起部40a’から印加される磁界Haを一点鎖線で示す。また、第2磁気センサ30に対し、突起部40aから印加される磁界Hbを破線で示し、突起部40a’から印加される磁界Hbを二点鎖線で示す。±H1は動作磁界強度であり、±H2は安定化磁界強度である。 Figure 11A shows the relationship between the rotation position and the magnetic fields Ha and Hb during forward rotation, and Figure 11B shows the relationship between the rotation position and the magnetic fields Ha and Hb during reverse rotation. In both figures, the magnetic field Ha applied to the first magnetic sensor 20 from the protrusion 40a is shown by a solid line, and the magnetic field Ha applied to the protrusion 40a' is shown by a dashed line. Furthermore, the magnetic field Hb applied to the second magnetic sensor 30 from the protrusion 40a is shown by a dashed line, and the magnetic field Hb applied to the protrusion 40a' is shown by a two-dot chain line. ±H1 is the operating magnetic field strength, and ±H2 is the stabilizing magnetic field strength.
図11Aにおいて、正転時に第1磁気センサ20に生じる正パルス信号を符号Aで示し、信号Aの出力の前提となる安定化磁界を符号Asで示す。さらに、第2磁気センサ30に生じる正パルス信号を符号Bで示し、信号Bの出力の前提となる安定化磁界を符号Bsで示す。
図11Bにおいて、反転時に第1磁気センサ20に生じる負パルス信号を符号Cで示し、信号Cの出力の前提となる安定化磁界を符号Csで示す。さらに、第2磁気センサ30に生じる負パルス信号を符号Dで示し、信号Dの出力の前提となる安定化磁界を符号Dsで示す。
11A, the positive pulse signal generated in the first magnetic sensor 20 during forward rotation is indicated by symbol A, and the stabilizing magnetic field that is the premise for the output of signal A is indicated by symbol As. Furthermore, the positive pulse signal generated in the second magnetic sensor 30 is indicated by symbol B, and the stabilizing magnetic field that is the premise for the output of signal B is indicated by symbol Bs.
11B, the negative pulse signal generated in the first magnetic sensor 20 during reversal is indicated by symbol C, and the stabilizing magnetic field that is the premise for the output of signal C is indicated by symbol Cs. Furthermore, the negative pulse signal generated in the second magnetic sensor 30 is indicated by symbol D, and the stabilizing magnetic field that is the premise for the output of signal D is indicated by symbol Ds.
第1磁気センサ20及び第2磁気センサ30には、180度間隔で配置された突起部40aと突起部40a’の磁界が印加され、第1磁気センサ20と第2磁気センサ30の信号は、設置位置の関係から電気角で180度の位相関係となる。各磁気センサからは正転1回転で同じ符号の信号が1回出力され、反転1回転では、正転とは異なる符号で同じ信号が1回出力される。2つの磁気センサから、正転1回転でA、B、反転1回転でC、Dの4種類の信号が1回出力される。第1実施形態と同様、磁気センサ20の磁性素子21の中心を位置50aに、磁気センサ30の磁性素子31の中心を位置50bに一致させることで、正反転の出力信号の波形品位(波高と半値幅)同じにすることができる。 The magnetic field of the protrusions 40a and 40a' arranged at 180 degree intervals is applied to the first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30, and the signals of the first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 have a phase relationship of 180 degrees in electrical angle due to the relationship of the installation positions. Each magnetic sensor outputs a signal of the same sign once per forward rotation, and outputs the same signal once with a different sign from the forward rotation once per reverse rotation. The two magnetic sensors output four types of signals, A and B, once per forward rotation, and C and D, once per reverse rotation. As in the first embodiment, the waveform quality (wave height and half-width) of the forward and reverse output signals can be made the same by aligning the center of the magnetic element 21 of the magnetic sensor 20 with position 50a and the center of the magnetic element 31 of the magnetic sensor 30 with position 50b.
すなわち、ハイブリッド型ステッピングモータの基幹部品であるロータに、その一部として突起部を設けることで、大バルクハウゼン効果を利用した磁気センサにて直接、ロータの磁石磁界が検出可能となる。磁性素子の磁化の状態によっては、大きさが小さく評価困難なパルス信号が生じうるが、このようなパルス信号に依存することなく、多回転の計数が可能となる。また、ロータ12の永久磁石12dの他に永久磁石がないため、ロータ12以外の漏洩磁界の磁気センサへの影響を低減する手段を講じる必要性がないことも利点となる。従って、安価で安定性のある構成となる。 In other words, by providing a protrusion as part of the rotor, which is a core component of a hybrid stepping motor, the magnetic field of the rotor can be directly detected by a magnetic sensor that utilizes the large Barkhausen effect. Depending on the magnetization state of the magnetic element, a pulse signal that is small in magnitude and difficult to evaluate may be generated, but it is possible to count multiple rotations without relying on such pulse signals. Another advantage is that since there are no permanent magnets other than the permanent magnet 12d of the rotor 12, there is no need to take measures to reduce the effect of leakage magnetic fields from other than the rotor 12 on the magnetic sensor. This results in an inexpensive and stable configuration.
[第3実施形態の変形例]
一組の突起部は、形状が互いに異なり、異なる磁界を磁気センサに印加できる軟磁性体製のものであれば、前述の形状以外の形状を採用することもできる。突起部40a及び40a’の変形例を以下に示す。図6Aに示すように、両突起部は円柱状で同じ高さではあるが径が異なる。突起部40a’の径r’は、突起部40aの径rよりも小さい。突起部40a’は突起部40aに比べ、単一磁極面から漏洩する磁束密度が小さいことから、磁気センサとの間隔が同じでも磁気センサに印加される磁界強度が異なる。
図6Bに示すように、両突起部40a及び40a’は全く同じ円柱形状であるが、突起部40a’の回転軸12cからの距離l’は、突起部40aの回転軸12cからの距離lよりも小さい。突起部40aと磁気センサとの最小間隔は、突起部40a’と磁気センサとの最小間隔よりも小さい。この最小間隔の差によって、磁気センサに印加される磁界が調整される。
図7A~図7Cに、図3Aに類似するリング部と2つの延伸部とを示す。2つの延伸部を突起部40a及び40a’と呼ぶことができる。図7Aに示すように、突起部40a’の高さH’は突起部40aの高さHよりも小さい。また、図7Bに示すように、突起部40a’の幅(接線方向の寸法)R’は突起部40aの幅Rよりも小さい。さらに、図7Cに示すように、突起部40a’の回転軸12cからの距離L’は、突起部40aの回転軸12cからの距離Lよりも小さい。この構造では突起部40a、40a’は軟磁性の積層薄板でも構成できる。
[Modification of the third embodiment]
The pair of protrusions may have shapes other than those described above, as long as they are made of soft magnetic material and have different shapes that can apply different magnetic fields to the magnetic sensor. Modified examples of protrusions 40a and 40a' are shown below. As shown in FIG. 6A, both protrusions are cylindrical and have the same height but different diameters. The diameter r' of protrusion 40a' is smaller than the diameter r of protrusion 40a. Since the magnetic flux density leaking from the single pole face of protrusion 40a' is smaller than that of protrusion 40a, the magnetic field strength applied to the magnetic sensor is different even if the distance between the magnetic sensor and protrusion 40a' is the same.
As shown in Fig. 6B, both protrusions 40a and 40a' have the same cylindrical shape, but the distance l' of protrusion 40a' from the rotation shaft 12c is smaller than the distance l of protrusion 40a from the rotation shaft 12c. The minimum distance between protrusion 40a and the magnetic sensor is smaller than the minimum distance between protrusion 40a' and the magnetic sensor. The difference in the minimum distance adjusts the magnetic field applied to the magnetic sensor.
7A to 7C show a ring portion and two extension portions similar to those in FIG. 3A. The two extension portions can be called protrusions 40a and 40a'. As shown in FIG. 7A, the height H' of the protrusion 40a' is smaller than the height H of the protrusion 40a. As shown in FIG. 7B, the width (dimension in the tangential direction) R' of the protrusion 40a' is smaller than the width R of the protrusion 40a. As shown in FIG. 7C, the distance L' of the protrusion 40a' from the rotation axis 12c is smaller than the distance L of the protrusion 40a from the rotation axis 12c. In this structure, the protrusions 40a and 40a' can also be made of soft magnetic laminated thin plates.
図7Cに示した突起部の形状の他の利点として、各突起部の側面にも単一磁極面が形成され、漏洩する磁束線は、各突起部から外側に延びる。図7Dに示すように突起部40a,40a’の側面の単一磁極面が描く円に対して、2つの磁気センサ20、30を径方向に対向させる。第1磁気センサ20と第2磁気センサ30の各出力信号が電気角で180°の位相関係になるよう、回転軸12cを基準とした円50上の2つの位置50aと50bに両磁気センサを配置する。これにより、磁気センサを突起部の上方向ではなく外周に配置することができ、軸方向寸法(モーター長さ)をより小さくすることができる。 Another advantage of the shape of the protrusions shown in FIG. 7C is that a single magnetic pole surface is also formed on the side of each protrusion, and the leaking magnetic flux lines extend outward from each protrusion. As shown in FIG. 7D, the two magnetic sensors 20, 30 are arranged to face each other radially with respect to the circle described by the single magnetic pole surfaces on the side of the protrusions 40a, 40a'. The first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 are arranged at two positions 50a and 50b on a circle 50 based on the rotation axis 12c so that the output signals of the first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 have a phase relationship of 180° in electrical angle. This allows the magnetic sensors to be arranged on the outer periphery of the protrusions rather than above them, making it possible to reduce the axial dimension (motor length).
[第4実施形態]
図8Aに示すように、Aロータ12aの軸方向上端面に、突起部40a、40a’からなる第1の組と突起部40b、40b’からなる第2の組とが設けられている。上方からロータ12を見たときに、突起部40a、40a’、40b、40b’が順に反時計回りで周方向等間隔に配置されている。突起部40a及び突起部40bは円柱状で高さも同じであり、突起部40a’及び40b’も円柱状で高さも同じであるが、突起部40a’及び40b’の高さは、突起部40a及び突起部40bの高さよりも小さい。4つの突起部はいずれも軟磁性体製で磁界発生部となり、Aロータ12aと同じN極(又はS極)の単一磁極に磁化される。突起部40a及び40a’と突起部40b及び40b’とでは高さが異なることから、磁気センサに異なる磁界強度が印加される。
[Fourth embodiment]
As shown in FIG. 8A, a first set of protrusions 40a, 40a' and a second set of protrusions 40b, 40b' are provided on the axial upper end surface of the A rotor 12a. When the rotor 12 is viewed from above, the protrusions 40a, 40a', 40b, 40b' are arranged counterclockwise in order at equal intervals in the circumferential direction. The protrusions 40a and 40b are cylindrical and have the same height, and the protrusions 40a' and 40b' are also cylindrical and have the same height, but the height of the protrusions 40a' and 40b' is smaller than the height of the protrusions 40a and 40b. All four protrusions are made of soft magnetic material and serve as magnetic field generating parts, and are magnetized to a single magnetic pole, the N pole (or S pole), the same as the A rotor 12a. Since the protrusions 40a and 40a' and the protrusions 40b and 40b' have different heights, different magnetic field strengths are applied to the magnetic sensor.
第1磁気センサ20及び第2磁気センサ30はそれぞれ、円50上の2つの位置50a及び50bにおいて、接線51及び52と平行になるように配置されている。2つの位置50a及び50bは、第1磁気センサ20と第2磁気センサ30の各出力信号が電気角で180°の位相関係になるような位置である。図8Bに示すように回転軸の上方から両磁気センサを見たときに、回転軸12cを基準として第1磁気センサ20を反時計回りに機械角で90°回転させると、第2磁気センサ30と重なる。 The first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 are arranged so as to be parallel to the tangents 51 and 52 at two positions 50a and 50b on the circle 50, respectively. The two positions 50a and 50b are positions where the output signals of the first magnetic sensor 20 and the second magnetic sensor 30 have a phase relationship of 180° in electrical angle. When both magnetic sensors are viewed from above the rotation axis as shown in FIG. 8B, when the first magnetic sensor 20 is rotated 90° in mechanical angle counterclockwise with the rotation axis 12c as the reference, it overlaps with the second magnetic sensor 30.
4つの突起部はいずれも同じ材質である。しかし、突起部の高さの違いより突起部40a、40bは磁気センサとの間隔が狭く、突起部40a’、40b’は磁気センサとの間隔が広くなる。この間隔の差によって、磁気センサに印加される磁界が調整される。突起部40a、40bは磁気センサに対して最大で安定化磁界以上の磁界を印加する。突起部40a’、40b’は、磁気センサに対して、最大で、動作磁界以上かつ安定化磁界を下回る磁界を印加する。
ロータ12が回転し突起部40aが磁気センサ付近を通過したときに安定化磁界によって磁性素子が単一磁区に磁化する。その後、突起部40a’が当該磁気センサに近づくと単一磁区の磁化方向とは逆方向の動作磁界が印加され、大バルクハウゼン現象が発現する。突起部40a’が当該磁気センサを通過しても安定化磁界が印加されることはなく、磁性素子は単一磁区にならない。そのため、突起部40bが磁気センサに近づいて動作磁界を上回る安定化磁界が印加されても大バルクハウゼン現象が発現されない。この安定化磁界によって磁性素子が単一磁区に磁化する。その後、突起部40b’が当該磁気センサに近づくと単一磁区の磁化方向とは逆方向の動作磁界が印加され、大バルクハウゼン現象が発現する。
すなわち、本実施形態では4つの突起部を有することから、図11A及び図11Bにおける出力信号の360°が本実施例では180°に相当する。そのため、磁気センサからは正転1回転で同じ符号の信号が2回出力され、反転1回転では、正転とは異なる符号で同じ信号が2回出力される。2つの磁気センサからは正反転1回転でA、B、C、Dの4種類の信号が2回出力される。第3実施形態に比べて出力信号の分解能が2倍となり回転検出の精度が向上する。
All four protrusions are made of the same material. However, due to differences in the heights of the protrusions, the protrusions 40a and 40b are spaced closer to the magnetic sensor, while the protrusions 40a' and 40b' are spaced farther from the magnetic sensor. This difference in space adjusts the magnetic field applied to the magnetic sensor. The protrusions 40a and 40b apply a magnetic field to the magnetic sensor that is at most equal to or greater than the stabilizing magnetic field. The protrusions 40a' and 40b' apply a magnetic field to the magnetic sensor that is at most equal to or greater than the operating magnetic field and less than the stabilizing magnetic field.
When the rotor 12 rotates and the protrusion 40a passes near the magnetic sensor, the magnetic element is magnetized into a single magnetic domain by the stabilizing magnetic field. After that, when the protrusion 40a' approaches the magnetic sensor, an operating magnetic field in the opposite direction to the magnetization direction of the single magnetic domain is applied, and the Large Barkhausen phenomenon occurs. Even when the protrusion 40a' passes the magnetic sensor, the stabilizing magnetic field is not applied, and the magnetic element does not become a single magnetic domain. Therefore, even if the protrusion 40b approaches the magnetic sensor and a stabilizing magnetic field exceeding the operating magnetic field is applied, the Large Barkhausen phenomenon does not occur. The magnetic element is magnetized into a single magnetic domain by this stabilizing magnetic field. After that, when the protrusion 40b' approaches the magnetic sensor, an operating magnetic field in the opposite direction to the magnetization direction of the single magnetic domain is applied, and the Large Barkhausen phenomenon occurs.
That is, since this embodiment has four protrusions, 360° of the output signal in Figures 11A and 11B corresponds to 180° in this embodiment. Therefore, the magnetic sensor outputs a signal of the same sign twice in one forward rotation, and in one reverse rotation, the same signal is output twice with a sign different from that of the forward rotation. The two magnetic sensors output four types of signals, A, B, C, and D, twice in one forward and reverse rotation. The resolution of the output signal is doubled compared to the third embodiment, improving the accuracy of rotation detection.
突起部からの磁界が互いに干渉しない間隔で周方向に配置されていれば、突起部の数をさらに増やすことが可能である。また第3実施形態の変形例も第4実施形態に適用可能である。 The number of protrusions can be further increased as long as they are spaced circumferentially at intervals such that the magnetic fields from the protrusions do not interfere with each other. In addition, the modified example of the third embodiment can also be applied to the fourth embodiment.
[磁気センサの他の実施形態]
図9に、第1磁気センサ20の他の実施形態を示す。大バルクハウゼンジャンプを発現する細長い磁性素子21にコイル22が巻かれている。。さらに、磁性素子21の両端部に対し、軟磁性材料からなる部品23a及び23bが磁性素子21に接触しないように装着されている。部品23a及び23bから磁性素子の両端部が同じ長さで露出していることが好ましい。また、部品23a及び23bは、材質、形状、位置に関して等価であることが好ましい。部品例として、一般的に市販されているEMS(電磁感受性、Electromagnetic Susceptibility)対策用のフェライトコアが利用可能である。
第2磁気センサ30についても同様に、磁性素子31にコイル32を巻き、磁性素子の両端部に軟磁性材料の部品33a、33bを装着する。
この軟磁性部材の集磁機能により、磁性素子の端部の発生する反磁界が抑制され、出力信号(電力量)を大きくすることができる。換言すれば、磁性素子の線長も短くできることになり、磁気センサが小型となる利点がある。
[Another embodiment of the magnetic sensor]
9 shows another embodiment of the first magnetic sensor 20. A coil 22 is wound around an elongated magnetic element 21 that exhibits a large Barkhausen jump. Furthermore, parts 23a and 23b made of soft magnetic material are attached to both ends of the magnetic element 21 so as not to come into contact with the magnetic element 21. It is preferable that both ends of the magnetic element are exposed from the parts 23a and 23b by the same length. It is also preferable that the parts 23a and 23b are equivalent in terms of material, shape, and position. As an example of a part, a ferrite core for EMS (electromagnetic susceptibility) countermeasures that is generally available on the market can be used.
Similarly, for the second magnetic sensor 30, a coil 32 is wound around a magnetic element 31, and parts 33a and 33b made of a soft magnetic material are attached to both ends of the magnetic element.
The magnetic flux collecting function of the soft magnetic member suppresses the demagnetizing field generated at the end of the magnetic element, and the output signal (amount of electric power) can be increased. In other words, the wire length of the magnetic element can be shortened, which has the advantage of making the magnetic sensor smaller.
これまでに説明した実施形態に関し、以下の付記を開示する。
[付記1]
回転軸と、
前記回転軸に取り付けられたロータであって、前記ロータは、軸方向に間隔を置いて配置された軟磁性体製の第1ロータ磁極部及び第2ロータ磁極部と、前記第1ロータ磁極部と前記第2ロータ磁極部とに挟まれた永久磁石とを備え、前記ロータの軸方向両端面のうち一方の軸方向端面に、軟磁性体製の複数の突起部が設けられている、ロータと、
大バルクハウゼンジャンプを発現する細長の磁性素子と、前記磁性素子に巻回されたコイルとを備え、前記ロータが回転すると前記突起部により描かれる円の近傍に配置されている2つの磁気センサと
を備えるハイブリッド型ステッピングモータ。
[付記2]
前記複数の突起部が、同形状であり、前記ロータの周方向に沿って等間隔に配置され、
前記2つの磁気センサは、前記2つの磁気センサの出力信号が90度の位相関係となるように、前記円と同軸となる円の接線と平行に配置されている、
付記1に記載のハイブリッド型ステッピングモータ。
[付記3]
前記複数の突起部が、異なる形状であり、前記ロータの周方向に沿って等間隔に配置され、
前記2つの磁気センサは、前記2つの磁気センサの出力信号が180度の位相関係となるように、前記円と同軸となる円の接線と平行に配置されている、
付記1に記載のハイブリッド型ステッピングモータ。
[付記4]
前記磁性素子の長手方向の中心と前記接線上の接点とが、一致している、付記2又は3に記載のハイブリッド型ステッピングモータ。
[付記5]
前記2つの磁気センサの各々が、前記磁性素子の両端部に設けられた軟磁性部材をさらに備える、付記1から4のいずれか一項に記載のハイブリッド型ステッピングモータ。
Regarding the embodiments described above, the following supplementary notes are disclosed.
[Appendix 1]
A rotation axis;
a rotor attached to the rotating shaft, the rotor including first and second rotor pole portions made of a soft magnetic material and spaced apart in the axial direction, and a permanent magnet sandwiched between the first and second rotor pole portions, the rotor having a plurality of protrusions made of a soft magnetic material on one of both axial end faces of the rotor;
A hybrid stepping motor comprising: an elongated magnetic element exhibiting a large Barkhausen jump; a coil wound around the magnetic element; and two magnetic sensors disposed in the vicinity of a circle drawn by the protrusion when the rotor rotates.
[Appendix 2]
the plurality of protrusions have the same shape and are arranged at equal intervals along the circumferential direction of the rotor;
the two magnetic sensors are arranged parallel to a tangent to a circle coaxial with the circle such that output signals of the two magnetic sensors have a 90 degree phase relationship;
2. The hybrid stepping motor according to claim 1.
[Appendix 3]
the plurality of protrusions have different shapes and are arranged at equal intervals along a circumferential direction of the rotor;
the two magnetic sensors are arranged parallel to a tangent to a circle coaxial with the circle such that output signals of the two magnetic sensors have a phase relationship of 180 degrees;
2. The hybrid stepping motor according to claim 1.
[Appendix 4]
4. The hybrid stepping motor according to claim 2 or 3, wherein the longitudinal center of the magnetic element and the contact point on the tangential line are aligned.
[Appendix 5]
5. The hybrid stepping motor according to claim 1, wherein each of the two magnetic sensors further includes a soft magnetic member provided at both ends of the magnetic element.
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes are possible based on the technical concept of the present invention.
10 ハイブリッド型ステッピングモータ
11 ステータ
12 ロータ
12a Aロータ
12b Bロータ
12c 回転軸
12d 磁石
20、30 磁気センサ
21、31 磁性素子
22、32 コイル
23a、23b、33a、33b 軟磁性部材
40a、40a’、40b、40b’、40c、40d 突起部
50 円
50a、50b 接点
51,52 接線
10 Hybrid type stepping motor 11 Stator 12 Rotor 12a A rotor 12b B rotor 12c Rotating shaft 12d Magnet 20, 30 Magnetic sensor 21, 31 Magnetic element 22, 32 Coil 23a, 23b, 33a, 33b Soft magnetic member 40a, 40a', 40b, 40b', 40c, 40d Projection 50 Circle 50a, 50b Contact point 51, 52 Tangent line
Claims (5)
前記回転軸に取り付けられ双方向に回転可能なロータであって、前記ロータは、軸方向に間隔を置いて配置された軟磁性体製の第1ロータ磁極部及び第2ロータ磁極部と、前記第1ロータ磁極部と前記第2ロータ磁極部とに挟まれ軸方向に着磁された永久磁石とを備え、前記ロータの軸方向両端面のうち一方の軸方向端面に、同形状であり、前記ロータの周方向に沿って180度の間隔を置いて配置された軟磁性体製の2つの突起部が設けられ、前記2つの突起部は前記永久磁石により同一磁極に磁化され磁界を発生させる、ロータと、
大バルクハウゼンジャンプを発現する細長の磁性素子と、前記磁性素子に巻回されたコイルとを有する第1磁気センサ及び第2磁気センサであって、前記ロータが回転すると前記2つの突起部により円が描かれ、前記2つの突起部の上面及び側面の単一磁極面からの磁界が前記第1磁気センサ及び第2磁気センサにより検出され、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサは、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサの出力信号が90度の位相関係となるように、前記円と同軸となる円のそれぞれの接線と平行に配置されており、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサがそれぞれ、前記それぞれの接点と前記円の径方向又は前記回転軸方向に対向し、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサの出力信号から前記ロータの回転が検出される、第1磁気センサ及び第2磁気センサと
を備えるハイブリッド型ステッピングモータ。 A rotating shaft capable of rotating in both directions;
a rotor attached to the rotating shaft and rotatable in both directions, the rotor comprising first and second rotor magnetic pole portions made of a soft magnetic material and spaced apart in the axial direction, and a permanent magnet sandwiched between the first and second rotor magnetic pole portions and magnetized in the axial direction , two projections made of a soft magnetic material and having the same shape are provided on one of both axial end faces of the rotor, the two projections being spaced apart by 180 degrees along the circumferential direction of the rotor , the two projections being magnetized to the same magnetic pole by the permanent magnet to generate a magnetic field ;
a first magnetic sensor and a second magnetic sensor having an elongated magnetic element exhibiting a large Barkhausen jump and a coil wound around the magnetic element, wherein when the rotor rotates, a circle is drawn by the two protrusions , and a magnetic field from single magnetic pole surfaces on the upper and side surfaces of the two protrusions is detected by the first magnetic sensor and the second magnetic sensor, the first magnetic sensor and the second magnetic sensor are arranged parallel to each tangent of a circle that is coaxial with the circle so that output signals of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor have a phase relationship of 90 degrees, the first magnetic sensor and the second magnetic sensor face each of the contact points in a radial direction of the circle or in the direction of the rotation axis, and the rotation of the rotor is detected from the output signals of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor .
前記回転軸に取り付けられ双方向に回転可能なロータであって、前記ロータは、軸方向に間隔を置いて配置された軟磁性体製の第1ロータ磁極部及び第2ロータ磁極部と、前記第1ロータ磁極部と前記第2ロータ磁極部とに挟まれ軸方向に着磁された永久磁石とを備え、前記ロータの軸方向両端面のうち一方の軸方向端面に、同形状であり、前記ロータの周方向に沿って180度の間隔を置いて、かつ前記回転軸からの距離が異なるように配置された軟磁性体製の2つの突起部が設けられ、前記2つの突起部は前記永久磁石により同一磁極に磁化され磁界を発生させる、ロータと、a rotor attached to the rotating shaft and rotatable in both directions, the rotor comprising first and second rotor magnetic pole portions made of a soft magnetic material and spaced apart in the axial direction, and a permanent magnet sandwiched between the first and second rotor magnetic pole portions and magnetized in the axial direction, two protrusions made of a soft magnetic material having the same shape and spaced apart from each other along the circumferential direction of the rotor by 180 degrees and arranged at different distances from the rotating shaft, the two protrusions being magnetized to the same magnetic pole by the permanent magnet to generate a magnetic field;
大バルクハウゼンジャンプを発現する細長の磁性素子と、前記磁性素子に巻回されたコイルとを有する第1磁気センサ及び第2磁気センサであって、前記2つの突起部の上面及び側面の単一磁極面からの磁界が前記第1磁気センサ及び第2磁気センサにより検出され、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサは、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサの出力信号が180度の位相関係となるように、前記ロータが回転すると前記2つの突起部のうち前記回転軸からの距離が大きい突起部により描かれる円と同軸となる円のそれぞれの接線と平行に配置されており、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサがそれぞれ、前記それぞれの接点と前記円の径方向又は前記回転軸方向に対向し、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサの出力信号から前記ロータの回転が検出される、第1磁気センサ及び第2磁気センサとa first magnetic sensor and a second magnetic sensor having an elongated magnetic element exhibiting a large Barkhausen jump and a coil wound around the magnetic element, wherein a magnetic field from single pole faces on upper and side surfaces of the two protrusions is detected by the first magnetic sensor and the second magnetic sensor, the first magnetic sensor and the second magnetic sensor are arranged parallel to respective tangents of a circle that is coaxial with a circle drawn by one of the two protrusions that is farther from the rotation axis when the rotor rotates so that output signals of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor have a phase relationship of 180 degrees, the first magnetic sensor and the second magnetic sensor face each of the contact points in a radial direction of the circle or in the direction of the rotation axis, and the rotation of the rotor is detected from the output signals of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor;
を備えるハイブリッド型ステッピングモータ。A hybrid stepping motor comprising:
前記回転軸に取り付けられ双方向に回転可能なロータであって、前記ロータは、軸方向に間隔を置いて配置された軟磁性体製の第1ロータ磁極部及び第2ロータ磁極部と、前記第1ロータ磁極部と前記第2ロータ磁極部とに挟まれ軸方向に着磁された永久磁石とを備え、前記ロータの軸方向両端面のうち一方の軸方向端面に、異なる形状であり、前記ロータの周方向に沿って180度の間隔を置いて配置された軟磁性体製の2つの突起部が設けられ、前記2つの突起部は前記永久磁石により同一磁極に磁化され磁界を発生させる、ロータと、a rotor attached to the rotating shaft and rotatable in both directions, the rotor comprising first and second rotor magnetic pole portions made of a soft magnetic material and spaced apart in the axial direction, and a permanent magnet sandwiched between the first and second rotor magnetic pole portions and magnetized in the axial direction, two protrusions made of a soft magnetic material and having different shapes are provided on one of both axial end faces of the rotor, the two protrusions being spaced apart by 180 degrees along the circumferential direction of the rotor, the two protrusions being magnetized to the same magnetic pole by the permanent magnet to generate a magnetic field;
大バルクハウゼンジャンプを発現する細長の磁性素子と、前記磁性素子に巻回されたコイルとを有する第1磁気センサ及び第2磁気センサであって、前記ロータが回転すると前記2つの突起部により円が描かれ、前記2つの突起部の上面及び側面の単一磁極面からの磁界が前記第1磁気センサ及び第2磁気センサにより検出され、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサは、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサの出力信号が180度の位相関係となるように、前記円と同軸となる円のそれぞれの接線と平行に配置されており、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサがそれぞれ、前記それぞれの接点と前記円の径方向又は前記回転軸方向に対向し、前記第1磁気センサ及び第2磁気センサの出力信号から前記ロータの回転が検出される、第1磁気センサ及び第2磁気センサとa first magnetic sensor and a second magnetic sensor having an elongated magnetic element exhibiting a large Barkhausen jump and a coil wound around the magnetic element, wherein when the rotor rotates, a circle is described by the two protrusions, and a magnetic field from single magnetic pole faces on the upper and side surfaces of the two protrusions is detected by the first magnetic sensor and the second magnetic sensor, the first magnetic sensor and the second magnetic sensor are arranged parallel to respective tangents of a circle coaxial with the circle such that output signals of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor have a phase relationship of 180 degrees, the first magnetic sensor and the second magnetic sensor face each of the contact points in a radial direction of the circle or in the direction of the rotation axis, and the rotation of the rotor is detected from the output signals of the first magnetic sensor and the second magnetic sensor;
を備えるハイブリッド型ステッピングモータ。A hybrid stepping motor comprising:
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