專利名稱：產(chǎn)生振動的步進電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種產(chǎn)生振動的步進電機，通過增大起動轉矩確保產(chǎn)生振動的步進電機能保持停止位置，更特別地，涉及PM單相式步進電機。
背景技術：
步進電機因為構造簡單，并且可以經(jīng)受開放控制從而能夠簡化控制電路配置，因而得到了廣泛應用。使用永磁體的PM步進電機，由于應用成本低尤為廣泛使用。這些步進電機需要精確的停止位置控制用于正常起動。在關于高精度停止位置控制的應用情形中，構造一種裝置，以減少步進電機的起動轉矩，因為該起動轉矩在轉動時成為負荷。
然而，在負荷較重的情況下，例如，在產(chǎn)生振動的步進電機加載有配重的情況下，當沒有使其勵磁時，難以將步進電機精確地停在其停止位置。因此，已經(jīng)提出了相關技術(參見專利文獻1至3)，用于增大非勵磁時的起動轉矩，從而使負荷可靠停止。
根據(jù)專利文獻1中披露的下列技術內(nèi)容，布置兩組垂直的定子軛鐵，使其與轉子的永磁體相對。構成定子軛鐵的極齒制成為寬窄兩種極齒，并且使寬窄兩種極齒在轉動方向上交替布置。非勵磁時各相中的轉矩產(chǎn)生圖案改變以增大起動轉矩。然而，根據(jù)此技術，轉矩在各相中的不平衡狀態(tài)是不確定的，而且，在制造過程中也不能保持不變的起動轉矩，從而出現(xiàn)了不能獲得預期產(chǎn)品的問題。
下述專利文獻2的技術是關于上述專利文獻1的改進。布置兩組垂直的定子軛鐵，使其與布置在轉子中的永磁體相對。在兩組定子軛鐵的一組中，將極齒分成具有較大寬度和較小寬度的兩種。將這兩種極齒在轉動方向上交替布置。在帽形殼體中，在底側的定子軛鐵的磁極的面積和、以及在前側(也就是在帽形殼體的開口側)的定子軛鐵的磁極的面積和，設定成彼此不同。
根據(jù)上述配置，在各定子軛鐵組與布置在轉子中的永磁體之間的轉矩曲線變化，使得在用于合成兩個轉矩的過程中加入該轉矩。結果，能保持必須的起動轉矩。
然而，作為前述專利文獻1和2中所描述的技術，涉及兩相定子軛鐵組件中的極齒，但既沒有披露也沒有啟示應用于單相定子軛鐵組件中的極齒。起動轉矩自身是通過兩相定子軛鐵組件中極齒的結合產(chǎn)生的，因而，不能將其原樣應用于單相定子軛鐵組件中的極齒。并未說明有關極齒的寬度、起動轉矩的大小、以及停止位置保持等其間的關系，因而，起動轉矩的大小和停止位置保持的程度是未知的。尤其是，根據(jù)下述專利文獻2的技術，如其圖4所示，披露了一種配置，其中需要窄極齒和殼體，以及，在其中必須形成磁通b透過窄極齒和殼體的路徑。所以，可以認為為了方便使用殼體作為磁路，磁極的面積(如下述專利文獻2描述的技術中所命名的)是磁極寬度的調(diào)節(jié)結果，但磁極的高度(或者軸向長度)不是調(diào)節(jié)的對象。所以，能否將該技術應用于加載有偏心配重的產(chǎn)生振動的步進電機也是不確定的。
根據(jù)下述專利文獻3中描述的技術，轉子設有永磁體磁極，在軸向磁化。兩相定子軛鐵分別設有極齒。兩組結合的極齒中，使一個定子軛鐵的極齒制成為具有與另一個定子軛鐵的極齒不同的體積。通過改變極齒從軸線所取的徑向厚度、或者在徑向最外側面上的極齒面積(或者弧面面積)，制成這種具有不同體積的結構。
專利文獻1JP-A-60-043059專利文獻2JP-A-06-078513專利文獻3JP-A-09-308214發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題關于改變極齒厚度以增大起動轉矩的技術，如專利文獻3中所描述的，具有以下問題。轉動軸由軸承支承，在轉動軸與軸承之間給定游隙)以減小其接觸阻力。所以，在轉動時，轉動軸在其軸心產(chǎn)生微小偏轉，使得轉子的外側面徑向偏轉并振動。所以，即使使極齒厚度(也就是從軸心開始的徑向厚度)不同，如上所述，也難以正確反映厚度尺寸。所以，很難精確設定起動轉矩的大小和發(fā)生位置(或者角度位置)，這是不切實際的。
此外，關于改變前述極齒的面積以加大起動轉矩的技術，采用了改變極齒厚度和面積所用的手段。如前述專利文獻3中所示，這樣形成極齒，以使該極齒在軸轉動方向的寬度比其他普通極齒的窄，但不改變側邊的傾角，與其他普通極齒的軸向高度相等。關于特性的說明是，在改變極齒厚度的情況下，與改變極齒面積的情況下，這兩種情況下的磁通密度特性相同。
在改變極齒厚度情況下的磁通密度特性，是在將對應極齒軸向高度設定為與其余普通極齒軸向高度相等條件下的特性。另一方面，在前述專利文獻3改變極齒面積情況下的磁通密度特性，是在這種條件下的特性將對應極齒的軸向高度設定為與其余普通極齒軸向高度相等，但只是使寬度變窄，以降低磁通密度特性。如果在軸向高度與其余普通極齒不同之外，還改變對應磁極的形狀，則將轉子磁極設定為，使得磁通穿越轉動方向面。結果，沒有磁通穿越一個定子軛鐵的極齒與另一定子軛鐵(與前者相對)的平板面之間的空間。使本來可以穿越該空間的磁通很大程度上彎曲，因而使磁阻大幅增加。結果，使磁通密度大幅減小。可以認為這些磁通密度特性如所示不能獲得。然而，所示出的磁通密度特性是兩相定子軛鐵的，既沒有披露也沒有建議單相特性。
結果，如果極齒的面積存在差異，僅有這種差異，對于需要從增大起動轉矩的觀點以及效果出發(fā)的其他條件的特定情況而言，也是不夠的。在這一方面，專利文獻3描述了期望的技術，但并未將解決手段披露到必要程度。
所以，專利文獻3的技術提出了兩相極齒作為對象，但既沒有披露也沒有建議對單相極齒情況的適用性。通過組合兩相極齒產(chǎn)生起動轉矩，就使得該技術不能如原樣應用于具有單相極齒的步進電機。此外，也沒有說明關于極齒的厚度或面積與起動轉矩自身之間的因果關系，以及關于起動轉矩的幅度與停止位置的保持之間的關系。起動轉矩有多高以及如何保持停止位置都不明確。尤其不明確的是，該技術是否可以應用于加載有偏心配重的產(chǎn)生振動的步進電機。
考慮到上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種產(chǎn)生振動的步進電機，通過增大起動轉矩，保證產(chǎn)生振動的步進電機能保持停止位置。
解決問題的方法本發(fā)明的產(chǎn)生振動的步進電機使定子軛鐵的極齒高度、寬度和面積不均勻，從而穩(wěn)定非勵磁時的停止位置。采用這種配置，使起動轉矩加大，從而使停止位置穩(wěn)定而與負荷無關。
下面具體說明產(chǎn)生振動的步進電機。
(1)一種產(chǎn)生振動的步進電機，其特征在于單相定子軛鐵組件的一個定子軛鐵(即第一定子軛鐵)的極齒是兩種極齒(即第一極齒和第二極齒)，這兩種極齒在步進電機徑向最外側面的面積不同；另一定子軛鐵(即第二定子軛鐵)的極齒是兩種極齒(即第一極齒和第三極齒)，這兩種極齒在徑向最外側面的面積不同；各定子軛鐵的一種極齒(即第一極齒)具有相同的形狀；將余下的具有不同形狀的兩種極齒(亦即第二極齒和第三極齒)進行組合并如此布置，同時使它們偏離保持位置(也就是，在線圈沒有勵磁時轉子的停止位置偏離線圈勵磁時的停止位置)，以增大步進電機的起動轉矩。
(2)如前述(1)中提出的產(chǎn)生振動的步進電機，其特征在于通過改變極齒的軸向高度和轉動方向寬度中的至少一個，設定極齒的面積。
(3)如前述(1)或者(2)中提出的產(chǎn)生振動的步進電機，其特征在于極齒在徑向最外側面形成為梯形。
(4)如前述(3)中提出的產(chǎn)生振動的步進電機，其特征在于在所有極齒的梯形中斜邊的傾角相等。
(5)如前述(1)至(4)中任一項提出的產(chǎn)生振動的步進電機，其特征在于具有不同形狀的余下兩種極齒，以其大于等于一對的任意n對進行組合方式設置。這里，數(shù)n為(總極齒數(shù)-相同構造的極齒數(shù))/2。
(6)如前述(1)提出的產(chǎn)生振動的步進電機，其特征在于通過組合梯形標準極齒(即第一極齒)、梯形寬極齒(即第二極齒或第三極齒之一)、和梯形窄矮極齒(即第二極齒或第三極齒中的另一個)，設置第一定子軛鐵和第二定子軛鐵，梯形標準極齒具有軸向高度、轉動方向寬度、以及斜邊傾角，梯形寬極齒在軸向與標準極齒同高、在轉動方向比標準極齒寬、以及在斜邊傾角方面與標準極齒相等，而梯形窄矮極齒在軸向比標準極齒低、在轉動方向比標準極齒窄、以及在斜邊傾角方面與標準極齒相等；以及，通過使各極齒互相嚙合成梳齒狀，構成單相定子軛鐵組件。
(7)如前述(1)至(6)中任一項提出的產(chǎn)生振動的步進電機，其特征在于將轉子磁體布置在與單相定子軛鐵組件相對的轉子上，以及，轉子磁體是在轉動方向交替磁化成不同磁極的環(huán)形磁體。
(8)如前述(1)至(7)中任一項提出的產(chǎn)生振動的步進電機，其特征在于對相同形狀的極齒進行布置，以使其中心與轉子磁體的NS磁極的切換位置相一致，以及，對構造不同的第二極齒進行布置，以使其中心以任意移位角偏離NS磁極的切換位置，從而增大起動轉矩。
結果，與轉子磁體相對的極齒形成為具有不均勻的面積，并且構成強烈作用的轉子磁體的磁吸引，從而增大起動轉矩。可選擇地，通過使磁極的轉動方向寬度不均勻，也能增大起動轉矩。
(9)如前述(7)提出的產(chǎn)生振動的步進電機，其特征在于環(huán)形磁體具有環(huán)形后軛鐵。
(10)如前述(9)提出的產(chǎn)生振動的步進電機，其特征在于在除了包含轉子磁體的NS磁極的切換位置及其相鄰部分之外所余下的范圍內(nèi)，后軛鐵具有凹進部分。
為了使非勵磁時的停止位置穩(wěn)定，轉子磁體設有后軛鐵以調(diào)節(jié)磁化波形，使得要透過極齒的磁通波形改變，從而增大起動轉矩。尤其優(yōu)選的是，將前述磁化波形調(diào)節(jié)至矩形。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明的產(chǎn)生振動的步進電機具有以下優(yōu)點。
通過改變極齒高度和寬度，形成三種具有不同面積的極齒。其中，采用一種極齒作為標準型極齒，并且作為標準型布置在各定子軛鐵中除局部之外的部分上。將這些標準型之外的具有不同面積的兩種極齒成對組合，并且按移位角進行布置，以增大起動轉矩。
結果，可以增大起動轉矩，即使負荷是具有較大質量的振動產(chǎn)生配重，也能將負荷精確停止在穩(wěn)定位置。所以，保證了起動。
通過將標準型極齒之外的具有不同面積的兩種極齒組合成對，可以增大起動轉矩。最終，通過組合三種極齒，定子軛鐵組件能夠獲得增大所期望的起動轉矩的作用和優(yōu)點。
此外，結合饋電時間和饋電電流，可以增大起動轉矩，同時維持保持轉矩，因而，能夠保證起動而不劣化起動特性。
附圖簡要說明

圖1(a)至圖1(e)是本發(fā)明的定子軛鐵組件及其極齒的結構圖；圖2(a)至圖2(d)是根據(jù)本發(fā)明的磁極和極齒的在轉動方向展開的平面狀俯視圖；圖3是本發(fā)明步進電機主要部分的剖視圖；圖4(a)至圖4(c)是本發(fā)明的外轉子式產(chǎn)生振動的步進電機的構成圖；圖5(a)至圖5(b)是本發(fā)明的產(chǎn)生振動的步進電機的起動轉矩特性的說明圖；圖6(a)至圖6(f)是用于本發(fā)明的磁體組件的裝配圖；圖7(a)至圖7(f)是本發(fā)明的后軛鐵的另一實施方式的裝配圖。
標號說明1 產(chǎn)生振動的步進電機2 接口基板3 蓋子3a圓板部3b筒形部4 轉子5 定子6 定子軛鐵6a第一定子軛鐵6b第二定子軛鐵6c第三定子軛鐵(中央軛鐵)6d開口6e切除部分6f圓板部6g筒形部6h極齒7 線圈卷筒8 定子線圈9 環(huán)形磁體10軸10a 細徑突部11轉子框架11a 開口11b 圓板部11c 筒形部12軸承13配重部分14，14A 后軛鐵14a 磁路形成部分14b 連接部分14c 凹進部分15磁體組件16(金屬)軸瓦優(yōu)選實施方式本發(fā)明的產(chǎn)生振動的步進電機具有以下特性。
(1)在相關技術中，已知的是，通過將構成步進電機定子軛鐵的極齒之間的間隔設定為包含多種寬度，使起動轉矩分散在轉動方向并保持在較小值內(nèi)。
所以，對于增大起動轉矩的條件，有效的是，將極齒形成為傾角相同的梯形，從而將極齒之間的間隔設定為不變寬度。
在一種實施例的情況下，將極齒的梯形的傾角設定為相同。
(2)本發(fā)明實施方式的步進電機是具有單相定子軛鐵組件的永磁體式，以及，包括10個磁極和具有10個極齒的上下軛鐵。所以，在各定子軛鐵中，使極齒以72度的間隔(也就是，360度/5個齒)均等分布。一般而言，根據(jù)均勻的布置位置，起動轉矩具有以下趨勢，在從0度到幾度(Δθ1)的移位角(Δθ)的范圍內(nèi)表現(xiàn)為較高，但在幾度(Δθ1)到相鄰齒交迭處的角度(Δθ2)的范圍內(nèi)表現(xiàn)為較低。隨著極齒數(shù)的增加，移位角的整體范圍相應變窄，使得用于起動轉矩增大的角度范圍也具有相應變窄的趨勢。在本實施例的情況下，移位角設定為6.5度。
(3)為了設定極齒之間的間隔，有效的是，使形成極齒的位置(或者角度)變換，或者改變一個或更多極齒的面積。極齒的面積指極齒在徑向最外側面(即徑向最外側的周面)。在前述(2)中對此已有描述，即使極齒形成的位置變換。
另一方面，對用于改變一個或者更多極齒的面積的方法而言，本實施例的情況設有兩種形狀，其中使極齒在其軸向(或軸桿方向)高度改變。在矮極齒的情況下，如上文所述，使梯形斜邊的傾角與高極齒的相等，因而，矮極齒在轉動方向的寬度比高極齒的小。
據(jù)此，為了使其他標準形狀(即大部分類型的形狀(下文描述))的極齒(即標準極齒)可以定位于標準角度位置，也就是，為了補償矮極齒的較小寬度，將寬極齒布置在以移位角在轉動方向上偏離標準位置的位置處，寬極齒在轉動方向上比標準形狀更寬，并與標準形狀等高。
(4)極齒(4-1)單相定子軛鐵組件的一個定子軛鐵的極齒包括兩種極齒，這兩種極齒的徑向最外側面面積不同。另一定子軛鐵的極齒包括兩種極齒，這兩種極齒的徑向最外側面面積不同。使各定子軛鐵的一種極齒具有相同的形狀。將具有不同形狀的其余兩種極齒進行組合布置，以增大起動轉矩。
(4-2)通過改變極齒的軸向高度和轉動方向寬度中的至少一個，設定極齒在徑向最外側面的面積。
(4-3)極齒在徑向上的最外側面形成為梯形。
(4-4)使所有極齒的梯形斜邊傾角相等。
(4-5)具有不同形狀的其余兩種極齒以其大于等于一對的任意n對進行組合方式設置。這里，數(shù)n為(總極齒數(shù)-相同結構的極齒數(shù))/2。
(4-6)通過組合梯形標準極齒、梯形寬極齒和梯形窄矮極齒設置第一定子軛鐵和第二定子軛鐵，梯形標準極齒具有軸向高度、轉動方向寬度和斜邊傾角，梯形寬極齒在軸向與標準極齒等高、在轉動方向比標準極齒寬、以及其斜邊傾角與標準極齒的相等，梯形窄矮極齒在軸向比標準極齒低、在轉動方向比標準極齒窄、以及其斜邊傾角與標準極齒的相等；以及，其中通過使各極齒相互嚙合成梳齒狀構成單相定子軛鐵組件。
(4-7)轉子磁體布置在與單相定子軛鐵組件相對的轉子上，以及，轉子磁體是環(huán)形磁體，使其在轉動方向交替磁化成不同磁極。
結果，將與轉子磁體相對的極齒形成為具有不均勻的面積，并構成強力作用的轉子磁體的磁引力，從而增大起動轉矩?？蛇x擇地，通過使磁極在轉動方向的寬度不均勻，也可以增大起動轉矩。
(4-8)對相同形狀的極齒進行布置，以使其中心與轉子磁體的NS磁極的切換位置相一致，以及，對構造不同的第二極齒進行布置，以使其中心以任意移位角偏離NS磁體的切換位置，從而增大起動轉矩。
(4-9)環(huán)形磁體具有環(huán)狀后軛鐵。
(4-10)在除了包含轉子磁體NS磁極的切換位置及其相鄰部分以外所余下的范圍內(nèi)，后軛鐵具有凹進部分。
為了使非勵磁時的停止位置穩(wěn)定，轉子磁體設有后軛鐵以調(diào)節(jié)磁化波形，使得要透過極齒的磁通波形改變，從而增大起動轉矩。尤其優(yōu)選的是，將前述磁化波形調(diào)節(jié)至矩形。
這里，通過改變極齒的高度和寬度，形成具有不同面積的三種極齒。其中，采用一種極齒作為標準型極齒，并且作為標準型布置在各定子軛鐵中除局部之外的部分上。將這些標準型之外具有不同面積的兩種極齒成對組合，并且以移位角進行布置，以增大起動轉矩。除了本實施例之外，還可以使用四種或更多種具有不同面積的極齒。此外，在本實施例的情況下，除了標準型極齒之外具有不同面積的兩種極齒的組合只有一對，但也可以是兩對或者更多。具體而言，可以設置一對以上的任意n對極齒。這里，數(shù)n是(總極齒數(shù)-相同形狀極齒(或者標準極齒)數(shù)))/2。
“標準極齒”是下文描述的多種極齒中設置最多的一類極齒。在本實施例的情況下，類型A是標準極齒。
圖1(a)至圖1(e)是本發(fā)明的定子軛鐵組件及其極齒的結構圖。
圖1(a)是第一定子軛鐵6a的仰視圖；圖1(b)是第二定子軛鐵6b的仰視圖；圖1(c)是以均勻節(jié)距布置的標準極齒的側視圖；圖1(d)是第一定子軛鐵6a中具有較小寬度和較低高度的極齒6hs的側視圖；以及，圖1(e)是第二定子軛鐵6b中具有較大寬度的極齒6hw的側視圖。
定子軛鐵組件具有包括第一定子軛鐵6a和第二定子軛鐵6b的一相。在本實施例中，各定子軛鐵具有5個極齒。
定子軛鐵組件具有包括第二定子軛鐵6b和第一定子軛鐵6a的單相。這里，第三定子軛鐵6c沒有極齒，因此，沒有將其結合進定子軛鐵組件。
第一定子軛鐵6a具有5個極齒。其中，4個極齒是A型標準極齒6hr(其例示為梯形，具有寬部尺寸WB1、窄部尺寸WT1、高度H1、以及斜邊傾角θ(度))，并且在軸線上以均勻開口角(Ang.1)布置。其余極齒是B型極齒6hs(其例示為梯形，具有寬部尺寸WB2(＝0.7WB1)、窄部尺寸WT2(＝0.87WT1)、高度H2(＝0.7H1)、以及斜邊傾角θ(度))，以及，在俯視圖中，極齒6hs的中心與順時針前方極齒的中心隔開的距離為均勻節(jié)距的約0.9倍(Ang.3)，以及，在俯視圖中，極齒6hs的中心在逆時針方向與順時針方向最末一個極齒的中心隔開的距離為均勻節(jié)距的大約1.1倍(Ang.2)。
第二定子軛鐵6b也有5個極齒。其中，4個極齒是A型標準極齒6hr(其例示為梯形，具有寬部尺寸WB1、窄部尺寸WT1、高度H1、以及斜邊傾角θ(度))，并且在軸線上以均勻開口角(Ang.1)布置。其余極齒是C型極齒6hw(其例示為梯形，具有寬部尺寸WB3(＝1.34WB1)、窄部尺寸WT3(＝1.84WT1)、高度H3(＝1H1)、以及斜邊傾角θ(度))，以及，在俯視圖中，極齒6hw的中心與順時針前方極齒的中心隔開的距離為均勻節(jié)距的大約0.9倍(Ang.3)，以及，在俯視圖中，極齒6hw的中心在逆時針方向與順時針方向最末一個極齒的中心隔開的距離為均勻節(jié)距的大約1.1倍(Ang.2)。
隨著增大極齒6h的斜邊6i的傾角(或者使其更陡)，可以形成代表磁通密度變化的從緩坡形至普通矩形的波形，因而可以增大起動轉矩。
極齒6h具有類型A作為其標準類型，并且布置成以使極齒中心與各定子軛鐵中基準角(也就是與均勻節(jié)距對應的角度)處的5個部分中的4個對準。
第一定子軛鐵6a中除了這些A型極齒之外余下的一個極齒，與一側標準型極齒的位置隔開的距離為均勻節(jié)距的大約1.1倍，以及，與另一側標準型極齒的位置隔開的距離為均勻節(jié)距的大約0.9倍(參見圖1(a))，以使其中心與B型極齒6hs對準。
第二定子軛鐵6b中除了這些A型極齒之外余下的一個極齒，與一側標準型極齒的位置隔開的距離為均勻節(jié)距的大約0.9倍，以及，與另一側標準型極齒的位置隔開的距離為均勻節(jié)距的大約1.1倍(參見圖1(b))，以使其中心與C型極齒6hw對準。
將第一定子軛鐵6a和第二定子軛鐵6b組合，以使它們的極齒6h梳齒狀嚙合。相對于第一定子軛鐵6a的標準極齒的中心，使第二定子軛鐵6b的標準極齒在轉動方向移置36度。
圖2(a)至圖2(d)是根據(jù)本發(fā)明磁極和極齒在轉動方向的平面狀展開圖。
圖2(a)是磁極的展開圖；圖2(b)是設有成對上下極齒的定子軛鐵頂端的平面狀展開圖；圖2(c)是圖示磁極面積的和與間隔之間關系的圖；以及，圖2(d)是不同極齒類型的構造圖。
將極齒6h布置就位，如圖2(b)所示。圖2(c)中示出了第一定子軛鐵6a和第二定子軛鐵6b的極齒總面積(即包括兩個極齒軸向面積的面積)的角度特性。A型標準極齒A1至A4的總面積的角度特性是相同的極齒面積a。在一側包括B型極齒的情況下，極齒面積b遠比A型情況下的小，如圖2(c)所示。據(jù)此，使磁通密度降低，并且也使保持(或者起動)轉矩減小。
另一方面，在包含C型極齒的情況下，極齒面積c遠比A型情況下的大，如圖2(c)所示。據(jù)此，使磁通密度增大，并且也使保持(或者起動)轉矩增大。
這里對在不同高度、寬度和面積的極齒的情況下磁路的形成過程進行描述。
圖3是步進電機主要部分的剖視圖。
本實施例的步進電機是設有單相定子軛鐵組件的永磁體式外轉子步進電機，并且包括10極環(huán)形磁體、以及在上下兩個定子軛鐵中的10個極齒。
在轉子側，僅僅示出這樣的構造，其中環(huán)形磁體具有在轉動方向交替磁化的不同極，并布置在下文描述的環(huán)形后軛鐵中，但省略了轉子框架。在定子側，僅僅示出設置在上、下兩個定子軛鐵中的極齒。
圖3圖示這種狀態(tài)，在A型標準極齒6hr的轉動方向長度的大致中間位置處，布置環(huán)形磁體中不同磁極之間的分界部分。
在這種狀態(tài)下，如圖所示，從N極發(fā)出的磁通1穿越A型標準極齒6hr，并且返回相鄰的S極。
多個磁通透過圖3的C型極齒6hw(參見圖2)。如圖所示，從N極發(fā)出的第一磁通2穿越C型極齒6hw，并返回相鄰的S極。如圖所示，第二磁通3穿越C型極齒6hw，然后經(jīng)由氣隙穿越B型極齒6hs，并返回相鄰的S極?；诖磐?的磁路在氣隙中具有高磁阻，使得磁通密度不會大幅變動。
從N極發(fā)出的磁通4穿越B型極齒6hs，并返回另一側的S極。通過順時針方向略微轉動環(huán)形磁體9，導致此磁通4將其磁極分界移動到B型極齒6hs的外側。
因此，當從圖3的高磁通密度的穩(wěn)定位置使轉子略微轉動從而順時針轉動環(huán)形磁體9時，磁通4消失，使得A型標準極齒6hr的許多磁路變形，從而降低整體磁通密度。
另一方面，當在其高度和寬度方向對B型極齒6hs和C型極齒6hw進行調(diào)整以改變極齒的面積時，由于以下原因可能改變起動轉矩。
隨著極齒的面積(亦即磁性上與磁極相對的極齒的面積)S1與磁性上和該極齒相對的磁極(亦即永磁體的磁極)的面積S2之間的比值S2/S1＝K變高，磁通密度有變高的趨勢，使得起動轉矩增大?？梢哉J為比值K與移位角Δθ成正比。
基于此，如圖2(c)所示，在B型極齒6hs處，使極齒面積b大大減小。結果，在B型極齒6hs處的起動轉矩降低。在右側的C型極齒6hw處的極齒面積c，則大大超過A型標準極齒6hr的面積。結果，在C型極齒6hw處的起動轉矩提高。
根據(jù)上文描述，越過B型極齒6hs的位置，以設置非停止位置，使得在C型極齒6hw位置處不會出現(xiàn)停止失敗。這提高了停止位置精度。
下面參照附圖詳細描述本發(fā)明的實施例。
實施方式1圖4(a)至圖4(c)是本發(fā)明外轉子式產(chǎn)生振動的步進電機的構造圖。
圖4(a)是圖4(b)的B-B剖視圖；圖4(b)是圖4(a)的A-A剖視圖；以及圖4(c)是轉子框架的俯視圖。
外轉子式產(chǎn)生振動的步進電機1包括接口基板2、蓋子3、轉子4和定子5。
通過在金屬板上形成絕緣膜，并通過在其上形成必要的配線(諸如至線圈的饋電線)和用于適配蓋子3的凸起部(未示出)的開口(未示出)，構成接口基板2。在接口基板2上，經(jīng)由絕緣膜固定有位于接口基板2側的第二定子軛鐵6b，以及成為定子軛鐵6中第三定子軛鐵的中央軛鐵6c。將蓋子3的圓筒形部3b端面的凸起部(未示出)適配在開口中。從接口基板2的背面將凸起部和開口進行焊接。將外部的控制電路、電源等與配線連接。
定子5包括定子線圈8，纏繞在線圈卷筒7上；定子軛鐵6，包括第一定子軛鐵6a、第二定子軛鐵6b和中央軛鐵6c或者第三軛鐵；以及軸承12。軸瓦16安裝在軸承12上。
定子軛鐵6由磁性材料制成，并包括第一定子軛鐵6a、第二定子軛鐵6b和中央軛鐵6c或者第三定子軛鐵，第一定子軛鐵6a和第二定子軛鐵6b分別具有極齒，中央軛鐵6c支撐這些第一定子軛鐵6a和第二定子軛鐵6b，并且與第一定子軛鐵6a和第二定子軛鐵6b一起形成磁路。這里，省略了前文已經(jīng)描述過的第一定子軛鐵6a和第二定子軛鐵6a的細節(jié)。
第一定子軛鐵6a和第二定子軛鐵6b整體形成如杯形，具有開口6d和切除部分6e，如圖4(a)的俯視圖所示。具體而言，在杯形的中央形成開口6d，杯形在圓板部6f的周圍具有筒形部6g，以及，在從杯形筒形部6g到圓板部6f的開口端中，等間隔形成5個大致U形的切除部分6e，切除部分6e具有開口6d，因而，極齒6h是大致U形切除部分6e之間余下的部分。使大致U形切除部分6e的開口端設置在杯形筒形部6g的自由端中。大致U形切除部分6e的形狀由適當形成極齒6h的結果確定。
將這樣形成的第一定子軛鐵6a和第二定子軛鐵6b垂直方式布置，使得它們的極齒6h能夠互相嚙合成梳齒形。在這些第一定子軛鐵6a和第二定子軛鐵6b之間，布置有線圈卷筒7，定子線圈8容納在線圈卷筒7內(nèi)。布置由第一定子軛鐵6a、第二定子軛鐵6b和中央軛鐵6c組成的定子軛鐵6，以覆蓋環(huán)形定子線圈8的周圍。
定子5包括環(huán)形定子線圈8和定子軛鐵6，在以極齒6h嚙合成梳齒形的狀態(tài)下，定子軛鐵6從兩側緊扣定子線圈8。這些極齒6h包括極齒6hr、6hw和6hs。將轉子4的環(huán)形磁體9與定子軛鐵6徑向外側的極齒6h相對，如下文所述。
以各向同性方式或者各向異性方式對環(huán)形磁體9的5個磁極對進行均勻磁化。另一方面，在一對定子軛鐵6的極齒6h中，僅僅將一個極齒對(6hw、6hs)從均勻位置移置在不均勻極齒節(jié)距處。具體而言，在除了極齒6hw和極齒6hs之外的極齒中，關于每一定子軛鐵布置的相鄰極齒之間的節(jié)距(或者間隔)都是均勻的。另一方面，僅僅極齒6hw和極齒6hs形成為具有這樣的不均勻節(jié)距，使得在離相鄰標準極齒6hr的較近側，節(jié)距較短，為均勻節(jié)距的0.9倍，而在較遠側，節(jié)距較長，為均勻節(jié)距的1.1倍。
結果，在布置一個磁極對的中心角度范圍內(nèi)，不均勻方式(以增大起動轉矩的移位角)布置極齒6hw和極齒6hs。結果，由極齒6hw和極齒6hs所占據(jù)的空間不同，使得極齒具有不同的寬度。這里，不均勻節(jié)距極齒對的數(shù)量可以是多個。
在實施例1中，為了獲得期望效果，按偏離角(slip angle)使均勻節(jié)距的極齒對移置至不均勻節(jié)距位置，從而增大起動轉矩。
在本實施例的情況下，按比普通節(jié)距大幾度來增大定子軛鐵6一個磁極對的相鄰磁極對之間的極齒節(jié)距，使其成為不均勻極齒節(jié)距。結果，成為不均勻極齒節(jié)距的成對極齒中，一個極齒6hw具有較大的極齒寬度(亦即轉動長度)(例如，大約為均勻極齒寬度的1.3倍)，而另一極齒6hs具有較小的極齒寬度(例如，大約為均勻極齒寬度的0.7倍)。
因此，參照平均的相鄰極齒對之間節(jié)距，將極齒6h布置在圓周上，并且以大于基準角(亦即，殼體的開口角，其中極齒均勻方式布置均勻節(jié)距的角度)的角度，移動僅僅一個任意極齒對(6hw、6hs)。結果，使起動轉矩特性如此改變，例如，如圖5(b)所示，因而，可以進行起動位置調(diào)節(jié)，以使起動時單向轉動。
圖5(a)至圖5(b)是本產(chǎn)生振動的步進電機的起動轉矩特性的說明圖。圖5(a)是停止位置的說明圖，以及圖5(b)圖示0V(伏特)勵磁特性(或者起動特性)和4V勵磁特性。橫坐標代表轉動角度，而縱坐標代表轉矩。
圖4的線圈卷筒7由樹脂形成為C形截面、以及俯視圖(圖示省略)中的環(huán)形。定子線圈8可以使用任意線材。
轉子4包括軸10；磁體組件15，由環(huán)形磁體9和后軛鐵14組成；以及，轉子框架11，具有配重部分13。
軸10的一端設有細徑突部10a，形成該細徑突部10a以具有臺階部分。軸10的直徑為例如0.8mm。軸10插在中央軛鐵6c的軸承12中，并且由其進行支撐。
轉子框架11形成為大致杯狀，其包括圓板部11b，具有中心處開口11a；以及筒形部11c，與圓板部11b的周圍結合。
為了方便在轉子框架11中局部形成配重，大致杯狀可以形成凸出部，該凸出部伸入由均厚圓板部11b和筒形部11c所限定的空間形狀以外，因而，使用大致杯形表示類似于杯形的形狀。轉子框架11具有與其一部分成一體的配重部分13，如圖4(c)所示。
轉子框架11由諸如鐵的金屬材料制成。轉子框架11具有開口11a，該開口11a適配并固定在軸10細徑突部10a上。此時，使轉子框架11與第一軛鐵6a隔開。此外，磁體組件15安裝在轉子框架11的筒形部11c的內(nèi)側上。
圖4的配重部分13由高比重磁性材料的金屬材料制成。配重部分13占據(jù)三維空間，該空間由在圖4(a)的俯視圖中一定角度范圍的局部環(huán)形區(qū)域S1和在圖4(b)的剖視圖中橫截面區(qū)域S2所限定。局部環(huán)形區(qū)域S1是指從圓板部外周上的位置到寬度L1徑向內(nèi)側位置的局部區(qū)域(也就是，如圖4(b)所示，從位于轉子框架11的圓板部11b外周上的位置到比配重部分13徑向內(nèi)側端更靠近徑向更內(nèi)側的位置Q1的寬度)。出于設計方便，在實施例1的情況下，此配重部分13的中心角由材料的比重等確定為120度至200度。中心角優(yōu)選設定為180度。
將轉子框架11視為均厚圓板部11b和筒形部11c，配重部分13具有實質上轉子框架11和其他向內(nèi)突出部分，并且將配重部分13焊接至轉子框架11。
與振動機構相連，其中將具有配重部分13的轉子框架11布置在軸10上，對于配重部分13的質量m(kg)、相距重心的長度r(m)、以及轉動速度(角速度)ω，由mrω2確定振動量(離心力)。由于優(yōu)選的振動是出現(xiàn)大約1G處的振動，所以，在大約10,000rpm處身體感受性較佳。這使得外轉子類中距配重部分13中心的長度較長，這優(yōu)于內(nèi)轉子類。由于配重部分13可以形成在轉子框架11圓周上任意位置處，所以容易制造。將配重部分13布置在轉子框架11的筒形部11c中，使得能夠根據(jù)配重部分13的所需重量來適當設計筒形部11c的徑向厚度。此外，配重部分13具有磁性，因而配重部分13具有屏蔽外部磁場的效果。
將配重部分13這樣布置在轉子框架11的一部分中，使得轉子框架11的重心可以偏離轉子框架11的中心。配重部分13由金屬諸如Fe(鐵)、Cu(銅)、Pb(鉛)或W(鎢)或者包含這些金屬的合金制成。尤為優(yōu)選的材料是含有W(鎢，質量百分比95％)、Cu(銅，質量百分比2％)和Ni(鎳，質量百分比2％)的磁性材料。
配重部分13可采用任意形狀，只要配重部分13的形狀能夠彌補由均厚圓板部11b和筒形部11c組成的轉子框架11的不足形狀，并且能夠支撐環(huán)形磁體9。
蓋子3由諸如SUS(不銹鋼)303的無磁性金屬制成，以具有C形橫截面，并且將蓋子3整體形成如杯形，具有圓板部3a、以及以直角豎立在圓板部3a周圍的筒形部3b。筒形部3b在其端面的多個部分處設有多個凸出部(未示出)，多個凸出部焊接或熔接于接口基板2。例如，蓋子3形成為具有10mm的直徑和小于3mm的高度。
圖6(a)至圖6(f)是關于本發(fā)明的磁體組件的裝配圖。
圖6(a)是圖6(b)環(huán)形磁體的D-D俯視圖；圖6(b)是圖6(a)環(huán)形磁體的C-C剖視圖；圖6(c)是圖6(d)后軛鐵的F-F俯視圖；圖6(d)是圖6(c)后軛鐵的E-E剖視圖；圖6(e)是圖6(f)磁體組件的H-H俯視圖；以及圖6(f)是圖6(e)磁體組件的G-G剖視圖。
磁體組件15包括環(huán)形磁體9和后軛鐵14，后軛鐵14布置成與環(huán)形磁體9的外周接觸。
在環(huán)形磁體9中，將包括N極和S極的5對磁極成環(huán)狀布置在轉動方向。環(huán)形磁體9由任意磁性材料制成。優(yōu)選的是，環(huán)形磁體9構造為具有成環(huán)狀布置的多個N極和S極磁體對，并且布置在包含配重部分13的轉子框架11的內(nèi)側。
可以構造至少一個環(huán)形磁體9。在這種情況下，將環(huán)形磁體9磁化為多個磁極。借助粘合劑，將環(huán)形磁體9固定于轉子框架11和配重部分13。
環(huán)形磁體9的尺寸根據(jù)所需的轉矩決定。
將環(huán)形磁體9在轉動方向上磁化成NS或SN，環(huán)形磁體9的中心為軸10的中心。
在實施例1中，使環(huán)形磁體9的N極或S極的單個磁極的長度(或者弧形長度)全部相等。
如圖6(c)所示，后軛鐵14由均勻厚度的磁性材料形成為均勻寬度的環(huán)形，因而，使用后軛鐵14來減少磁通的泄漏。如圖6(d)所示，后軛鐵14包括磁路形成部分14a，通過沿弧形面使矩形薄板彎曲而成形該磁路形成部分14a；以及帶狀連接部分14b，連接這些磁路形成部分14a。這些磁路形成部分14a可以具有任意形狀，只要它們能磁性方式連接環(huán)形磁體9的N極和S極即可。連接部分14b可位于任意位置并可具有任意形狀，只要能連接磁路形成部分14a并對磁路形成部分14a進行保持即可。磁路形成部分14a和連接部分14b的周向長度可為這樣的長度，該長度使得磁路形成部分14a可以減少磁通的泄漏，同時將余下的長度留給連接部分14b。優(yōu)選的是，磁路形成部分14a和連接部分14b的長度比為1比1。
后軛鐵14由這樣的磁性材料制成，例如可以是板形磁性金屬材料、或者具有磁性粉末熔融于其中的粘合劑或樹脂材料。在粘合劑或樹脂材料包含熔融磁性粉末的情況下，將粘合劑或樹脂材料施加或粘附于對應部分。在這種情況下，可以省略對連接部分14b的施加。
圖7(a)至圖7(f)是本發(fā)明的后軛鐵的另一實施方式的裝配圖。圖7(c)是圖示后軛鐵另一實施方式的圖7(d)的J-J俯視圖；圖7(d)是圖示后軛鐵另一實施方式的圖7(c)的I-I剖視圖；圖7(e)是圖示磁體組件的圖7(f)的L-L剖視圖；以及圖7(f)是圖示磁體組件的圖7(e)的K-K剖視圖。下面對不同于圖6的構成進行說明，省略了與圖6中所描述構造相同部分的說明。
如圖7(c)和圖7(d)所示，后軛鐵14的連接部分14b形成為凹進部分14c。將凹進部分14c形成為從磁極的外側面徑向向外突出，使得凹進部分14c不會成為用于來自環(huán)形磁體9磁極的磁通的傳輸路徑。在除了包含轉子磁體9的NS磁極的切換部分及其相鄰部分的范圍之外所余下的范圍內(nèi)，形成凹進部分14c。這些“相鄰部分”由凹進部分14c相應確定。這些凹進部分14c這樣形成，使得成對的NS磁極之間的磁通不能穿過在凹進部分14c兩側的后軛鐵。
連接部分14b的軸向寬度可以等于磁路形成部分14a的軸向寬度。
(驅動電路)根據(jù)加速、等速、以及減速的速度特性，對本發(fā)明的產(chǎn)生振動的步進電機1進行控制。例如，在加速時，使步進電機1在0.3秒至0.5秒內(nèi)慢慢升到等速。
電機的整體尺寸大大減小，并將單相步進電機應用于產(chǎn)生振動的步進電機1。轉速設定為大約10,000rpm。
當將大約1G的振動施加于轉動軸時，轉動速度達到最大值。下降的減速時間最好盡可能短。
加速是處于達到最大速度(或者等速)的過程，因而，借助于步進驅動的振動不會發(fā)生嚴重問題。然而，減速是處于達到停止的過程，因而振動存在問題。另一方面，勵磁時間取決于最大驅動電流。在加速時和等速時，因為振動不存在嚴重問題，所以，最大驅動電流設定為高電流，用于高速驅動。在減速時，基于保持轉矩使步進電機停止。
用帶有交變方向電流的驅動電路給單相環(huán)形定子線圈8饋電。
用于前述速度控制的控制脈沖信號，通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)或者脈沖幅度調(diào)制(PAM)進行控制。
(實施例1的效果)實施例1可以確保不延長起動時間且不增大起動電流的起動。
由于配重部分13布置于轉子框架11的一部分，外轉子式可以共享用于轉子框架11和配重部分13的容納空間。此配重部分13可以布置在轉動部分的最外側，使配重部分13的半徑可以加長以產(chǎn)生強烈振動。另一方面，步進電機沒有電刷，因而，與其他無刷電機一樣，步進電機基本上不需要維護，并且可以具有較長的壽命。
此外，通過用輸入脈沖同步方式控制轉動速度，可以線性方式調(diào)節(jié)振動量，并且可以縮短停止時間。
因為是單相驅動，所以，將具有交變方向的驅動脈沖電流輸入到纏繞在定子軛鐵6上的單相定子線圈8中。因為是單相，所以線圈減小了所占據(jù)的空間和厚度。此外，使控制電路基于電流換向電路，因而，可以簡單構成控制電路。
通過組合三種不同高度及寬度和不同面積的極齒6hr、6hw和6hs，如此布置單相定子軛鐵組件的極齒6h，以增大起動轉矩。結果，能夠保持停止位置并使起動特性穩(wěn)定。
環(huán)形磁體9的5個磁極對(既包括各向異性磁體也包括各向同性磁體)全部都均勻磁化。另一方面，一對定子軛鐵6的極齒6h中，將僅僅一個極齒對(6hw、6hs)從均勻位置移置在不均勻極齒節(jié)距位置處。具體而言，在除了極齒6hw和極齒6hs之外的那些極齒中，為每一定子軛鐵布置的相鄰極齒之間的節(jié)距(或者間隔)都是均勻的。另一方面，只有極齒6hw和極齒6hs形成為具有這種不均勻的節(jié)距，使得在離相鄰標準極齒6hr和6hr較近側的節(jié)距較短，為標準節(jié)距的大約0.9倍，而在離相鄰標準極齒6hr和6hr較遠側的節(jié)距較長，為標準節(jié)距的大約1.1倍。
結果，在用于一個磁極對的中心角度范圍內(nèi)，極齒6hw和6hs處于不平衡方式(或者不等距方式)。結果，使所占據(jù)的空間不同，以構成極齒寬度的不同。這里，也可以設置多個節(jié)距不均勻的極齒。
在本實施方式的情況下，按比普通節(jié)距多幾度的方式，增大定子軛鐵6的一個磁極對(即極齒6hw和極齒6hs)的相鄰磁極對(6hr)之間的極齒節(jié)距，使該節(jié)距成為不均勻極齒節(jié)距。結果，成為不均勻極齒節(jié)距的成對極齒的一個極齒6hw具有較大的極齒寬度(也就是，轉動長度)(例如，為均勻極齒寬度的大約1.3倍)，而另一極齒6hs具有較小的極齒寬度(例如，為均勻極齒寬度的大約0.7倍)。
因此，參照成對的平均相鄰極齒之間的節(jié)距，將極齒布置在圓周上，并且，按大于基準角度的角度移動僅僅一個任意極齒對。結果，使起動轉矩特性如此改變，例如，如圖5(b)所示，因而，可以調(diào)節(jié)起動位置，以使起動時單向轉動。根據(jù)所要解決的問題，可以對前述功能單元組合中的構造進行改變。
權利要求
1.一種產(chǎn)生振動的步進電機，包括單相定子軛鐵組件，所述單相定子軛鐵組件包括第一定子軛鐵和第二定子軛鐵，所述第一定子軛鐵包括第一極齒和第二極齒，所述第一極齒和所述第二極齒在各所述步進電機的徑向的最外側面具有不同的面積，所述第二定子軛鐵包括所述第一極齒和第三極齒，所述第三極齒具有在所述徑向的最外側面的面積，所述第三極齒的面積與所述第一極齒和所述第二極齒的面積不同，以及布置所述第一定子軛鐵和所述第二定子軛鐵，使得所述第二極齒和所述第三極齒組合以偏離保持位置，從而增大所述步進電機的起動轉矩。
2.根據(jù)權利要求1所述的產(chǎn)生振動的步進電機，其中，通過改變所述第一極齒至第三極齒中各極齒的軸向高度和轉動方向寬度中的至少一個，設定所述第一極齒至第三極齒的面積。
3.根據(jù)權利要求1或者權利要求2所述的產(chǎn)生振動的步進電機，其中所述第一極齒至第三極齒在所述徑向最外側面各具有梯形。
4.根據(jù)權利要求3所述的產(chǎn)生振動的步進電機，其中在所述第一極齒至第三極齒中所述梯形的傾角是同樣的。
5.根據(jù)權利要求1至權利要求4中任一項權利要求所述的產(chǎn)生振動的步進電機，其中所述第二極齒和所述第三極齒以一對或更多的任意n對進行組合方式設置。
6.根據(jù)權利要求1所述的產(chǎn)生振動的步進電機，其中所述第一極齒是梯形標準極齒，所述第二極齒和所述第三極齒中的一個是梯形寬極齒，所述梯形寬極齒在軸向與所述標準極齒等高，在轉動方向比所述標準極齒寬，以及在斜邊的傾角方面與所述標準極齒相等，所述第二極齒和所述第三極齒中的另一個是梯形窄矮極齒，所述窄矮極齒在軸向比所述標準極齒低，在所述轉動方向比所述標準極齒窄，以及在斜邊的傾角方面與所述標準極齒相等，以及布置所述第一極齒至第三極齒，以相嚙合成梳齒狀。
7.根據(jù)權利要求1至權利要求6中任一項權利要求所述的產(chǎn)生振動的步進電機，所述電機在與所述單相定子軛鐵組件相對的轉子中包括轉子磁體，所述轉子磁體是在不同極齒處在所述轉動方向交替磁化的環(huán)形磁體。
8.根據(jù)權利要求7所述的產(chǎn)生振動的步進電機，其中將所述第一極齒布置為，使其中心與所述轉子磁體的NS磁極的切換位置相對，以及將所述第二極齒和所述第三極齒分別布置為，使其中心以移位角偏離所述NS磁極的切換位置，從而增大起動轉矩。
9.根據(jù)權利要求7所述的產(chǎn)生振動步進電機，其中所述環(huán)形磁體具有環(huán)形后軛鐵。
10.根據(jù)權利要求9所述的產(chǎn)生振動步進電機，其中，在除了包含所述轉子磁體NS磁極的切換位置及其相鄰部分之外所余下的范圍內(nèi)，所述后軛鐵具有凹進部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于產(chǎn)生振動的步進電機，通過增大起動轉矩，保證產(chǎn)生振動的步進電機能保持停止位置。單相定子軛鐵組件的一個定子軛鐵的極齒，包括在徑向最外側面中不同的兩種極齒，而另一定子軛鐵的極齒包括在徑向最外側面中不同的兩種極齒。前述各定子軛鐵的一種極齒制成為具有相同形狀。對具有不同形狀的余下兩種極齒進行組合和布置，以增大起動轉矩。
文檔編號H02K37/14GK101061625SQ20068000113
公開日2007年10月24日 申請日期2006年10月31日 優(yōu)先權日2005年11月18日
發(fā)明者松原真朗, 佐藤和明, 梅原干雄, 津崎敏明 申請人:美蓓亞松下馬達有限公司