【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及能降低振动及噪声的步进电机、使用它的打印装置和送纸装置及打印机。
技术介绍
近年来，与所输入的电脉冲对应地输出机构角度的步进电机被广泛用作打印机、扫描器及传真机等复印机的送纸及磁头驱动、磁鼓驱动等的动力。 尤其在要求高转矩和高精度的设备中，对电动机不励磁而由永久磁体来形成磁通的混合型步进电机的采用十分显著。这是因为，若采用这种步进电机，做成小型就可有效获得输出高转矩的动力，并且因高速，不需要位置传感器/编码器，因而控制方便，人们欢迎这些优点的缘故。 例如，图29所示为示出步进电机的定子及转子的基本构成的剖视图。该步进电机包括具有多个定子极21的定子2及与这些定子极21夹有磁隙地配置的转子3，在转子3上以一定间距设有转子极齿31，并在各定子极21上设有与转子极齿31相对的定子极齿22，对配置在各定子极21上的定子线圈4分别进行励磁，输出轴5就会产生转矩。 此外，近年来，随着设备的高速化及高精度化，因步进电机特有的止动转矩引起的电动机驱动时的振动及噪声成了问题，如何降低该振动及噪声成为重要课题。 作为其措施，以往采用的方法是将定子极齿的间距设定得与转子极齿的间距不同，来降低止动转矩所含高次谐波。 一般情况下，设转子极齿的间距为PR、定子极齿的间距为PS、定子极齿的个数为m时，已知若有如下关系PS＝PR{1±1/(m·ν)}则含有ν次的多个高次谐波被降低，这样的构成例如也被采用于日本专利技术专利公告1994年第14779号等所公开的步进电机。 这种结构为，如果使定子极齿的间距PS相对转子极齿的间距PR偏置即更窄或更宽{PR/(m·...
【技术保护点】
一种步进电机，具有有多个定子极的定子和相对所述定子极夹着磁隙配置的转子，所述转子以一定间距Ｐ１设有转子极齿，并在所述定子极设有与所述转子极齿相对的定子极齿，其特征在于， 所述定子极设有由ｍ个所述定子极齿组成的齿组ｎ个组， 所述齿组中的所述定子极齿的间距Ｐ２与存在如下关系： Ｐ２≠Ｐ１ 并且所述齿组的间距Ｐ３存在如下关系： Ｐ３≠ｍ.Ｐ１ Ｐ３≠ｍ.Ｐ２ 其中，Ｐ１、Ｐ２及Ｐ３为电气角，ｍ及ｎ为２以上的整数。
【技术特征摘要】
JP 1998-3-26 79875/98;JP 1998-3-31 87256/98;JP 1991记载的发明是一种步进电机，具有有多个定子极的定子和相对所述定子极夹着磁隙配置的转子，所述转子以一定间距P1设有转子极齿，并在所述定子极设有与所述转子极齿相对的定子极齿，并且，所述定子极设有由m个所述定子极齿组成的齿组n组，所述齿组中的所述定子极齿的间距P2与上述P1有如下关系P2≠P1并且所述齿组的间距P3存在如下关系P3≠m·P1P3≠m·P2其中，P1、P2及P3为电气角，m及n为2以上的整数。 这样，本发明的步进电机通过使齿组内的定子极齿的间距P2与转子极齿的间距P1不同来降低高次谐波，并且也利用齿组间距P3来降低高次谐波，因此，能降低更多次数的高次谐波。以下对该思考方法进行说明。 首先，因为在定子极的齿组内，定子极齿的间距P2与转子极齿的间距P1不相同，所以与该偏置对应次数的高次谐波被降低。 另外，m个定子极齿组成的1组的齿组可以假定为与m个转子极齿对应的1个极齿。因此，因为齿组的间距P3与m个转子极齿的间距m P1不相等，所以与该偏置对应次数的高次谐波也被降低。 此外，如果齿组的间距P3是齿组内的定子极齿的间距P2的m倍，则定子极齿的间距在多个齿组中都是一定的，就会失去齿组与齿组之间的分界，所以使齿组的间距P3与齿组内的定子极齿的间距P2的m倍不相等。 这样，若采用本发明的步进电机，因为一个定子极能降低更多次数的高次谐波，所以能有效降低高次谐波，能获得更安静平滑的旋转。 此外，本申请权利要求2记载的发明，是在权利要求1中还具有如下构成的步进电机所述齿组内的所述定子极齿的间距P2符合下式P2＝P1{1±i/(m·ν)}并且所述齿组的间距P3符合下式P3＝P1{m±i’/(n·ν’)}其中，ν及ν’为被降低的主要高次谐波的次数，i为非m的倍数的正整数，i’为非n的倍数的正整数。 一般情况下，如果转子极齿的间距PR与定子极齿的间距PS存在PS＝PR{1±1/(m·ν)}的关系，则已知包括ν次的多个高次谐波被降低。 此外，因为各次高次谐波可以分别用规定周期的正弦波表示，所以这样的定子极齿的偏置应该也可以是{PR/(m·ν)}的i倍(i为非m倍数的正整数)。 因此，在本发明中，将根据此的构成概括成了权利要求1的构成。 即，因为如果齿组内的定子极齿的间距P2相对转子极齿的间距P1存在下式关系P2＝P1{1±i/(m·ν)}所以含有ν次的多个高次谐波被降低。 此外，齿组的间距P3相对m个转子极齿的间距m·P1若存在下式关系P3＝m·P1{1±i’/(n·ν’)}则含有ν次的多个高次谐波被降低，但此时，齿组产生的高次谐波可以分解到m个定子极齿的每一个，所以，对m个转子极齿的齿组间距的偏置也可以是(1/m)。 因此，该式就变为P3＝m·P1{1±i’/n·ν’·m)}P3＝P1(m±i’/n·ν’)}这样，若采用本发明的步进电机，就能降低含有ν及ν’次的多个高次谐波。 假定是降低4次及6次的高次谐波，则在这些式子中代入ν＝4、ν’＝6或者ν＝6、ν’＝4，就可设定齿组内的定子极齿间距P2及齿组间距P3。 又，此时，i及i’的值可以任意设定。 另外，本申请权利要求3记载的发明是在权利要求1或者权利要求2的步进电机中，所述步进电机，至少4次及6次的高次谐波被降低了的三相电动机。 这样，若采用本发明的步进电机，因为在权利要求1或者权利要求2中，步进电机是至少被降低了4次高次谐波和6次高次谐波的三相电动机，所以，一个定子极能降低4次高次谐波和6次高次谐波。 即，传统上，若是三相电动机，被认为特别成问题的是6次高次谐波，定子极齿间距的设定是与这样的条件对应进行的，然而在实际上，要通过相间及定子极间的配置来获得效果，对电动机零部件制造及装配工序中的精度的制约就极严，要实现充分的静音性是非常困难的，但在本发明中，因为一个定子极中能降低4次高次谐波和6次高次谐波，所以能回避这样的问题。 此外，本申请权利要求4记载的发明是一种三相步进电机，具有有多个定子极的定子和相对所述定子极夹着磁隙配置的转子，所述转子以一定间距PR设有转子极齿，并在所述定子极设有与所述转子极齿相对的定子极齿，并且，所述定子极设有m个所述定子极齿，所述定子极齿的间距PS存在下式关系PS＝PR{1±i/(m·4)}并且存在下式关系PS＝PR{1±i’/(m·6)}其中，i及i’为非m倍数的正整数。 这样，若采用本发明的步进电机，可降低4次高次谐波，同时也可降低6次高次谐波。 即，当所降低的高次谐波为ν时，存在如下关系即可，PS＝PR{1±i/(m·ν)}所以，将ν＝4代入，就可求出能降低4次高次谐波的关系。 此外，从该关系算出的定子极齿的间距PS也具有下式的关系即PS＝PR{1±i’/(m·6)}时，因为也能降低6次高次谐波，所以，通过适当设定i及i’，就可求出能降低4次高次谐波及6次高次谐波的关系。 又，i及i’根据上述式子，为i/(m·4)＝i’/(m·6)i/2＝i’/3可以用满足该关系的值任意设定。 本申请权利要求5记载的发明是一种步进电机，具有有多个定子极的定子及相对所述定子极夹着磁隙配置的转子，所述多个定子极设有定子极齿，所述转子设有转子极齿，并且，所述转子具有所述转子极齿的相位不同的两个转子铁心部，所述定子及所述一个转子铁心部以及所述定子及所述另一个转子铁心部沿所述转子的转轴方向，有所述定子极齿与所述转子极齿之一或双方的齿宽不同的多个层。 这样，若采用本发明的步进电机，转子具有转子极齿的相位相异的两个转子铁心部，定子及一个转子铁心部以及定子及另一个转子铁心部沿所述转子的转轴方向，具有所述定子极齿与所述转子极齿之一或双方的齿宽不同的多个层，所以，在一个定子极齿与一个转子铁心部的转子极齿，以及一个定子极齿与另一转子铁心部的转子极齿之间产生的止动转矩的波形通过将各层中的止动转矩合成，从而分别近似正弦波，因此，由于这些止动转矩正确抵消，可降低止动转矩引起的不必要的振动及噪声。 尤其是在传统上，也有通过适当设定各极齿的间距，用成对的定子极齿相互抵消高次谐波这样构成的步进电机，但在此情况下，容易受到因转子对定子的偏心或倾倒等引起的磁不平衡，不能充分抵消，而在本发明中，这样的止动转矩的波形通过各层中的止动转矩的合成而近似正弦波，所以，可以避免因转子对定子发生偏心或倾倒等引起的磁不平衡的影响，因此能抑制止动转矩不必要的增大。 本申请权利要求6记载的发明是在权利要求5的步进电机中，所述齿宽不同的多个层由至少3个层构成。 这样，若采用本发明的步进电机，齿宽不同的多个层至少由3层构成，所以，一个定子极齿中的止动转矩更近似于正弦波。 本申请权利要求7记载的发明是在权利要求6的步进电机中，所述转子极齿的齿宽比沿所述转子的转轴方向是一样的，并且所述定子及所述转子铁心部具有所述定子极齿的齿宽比与所述转子极齿的齿宽比的平均为0.25-0.29的层、0.33-0.35的层、0.40-0.42的层。 通过实验已确认，如本发明的步进电机那样，如果转子极齿的齿宽比沿转子的转轴方向是一样的，并且定子及转子铁心部具有定子极齿的齿宽比与所述转子极齿的齿宽比的平均为0.25-0.29的层、0.33-0.35的层、0.40-0.42的层，则止动转矩所含的高次谐波分量的比例可以较小。即，用这些范围设定齿宽比，就能可靠降低因高次谐波引起的止动转矩的波形的畸变。 本申请权利要求8记载的发明是在权利要求5至7中的任一权利要求的步进电机中，所述定子及所述两个转子铁心部中的所述齿宽不同的多个层向着所述转子的转轴方向对称设置。 边样，若采用本发明的步进电机，因为定子及两个转子铁心部中的齿宽不同的多个层向着转子的转轴方向对称设置，所以，可保证转子支承的稳定性。 即，如果层叠齿宽不同的层，则电动机驱动时各层会产生不同的转矩，故转子的支承平衡有可能恶化，但在本发明中，可以避免发生这样的事态。 本申请权利要求9记载的发明是在权利要求1至4中的任一权利要求的步进电机中，所述定子极的极齿之中，至少一个极齿形成有倾斜部分。 还有，本申请权利要求10记载的发明是在权利要求5至8中的任一权利要求的步进电机中，将定子极的极齿之中的至少一个极齿偏置配置，使极齿的间距与其它的不同，并切除偏置的极齿之中的至少一个极齿的顶端而形成倾斜部分，使极齿的形状与其它极齿不相同。 如果这样设定极齿的形状，通过改变磁通通过的容易程度，就能增加转矩的基本波(1次)分量。因此，能有效降低止动转矩的高次谐波分量，抑制动作时的振动及噪声，并能抑制主转矩的减少，所以，能改善转矩性能。 在此，若使极齿的形状不相同，磁隙磁导会发生变化，但通过与此相当地增大齿宽，就能使磁隙磁导保持一定。但是，使形状不相同的极齿与未使形状不相同的极齿的齿根宽度不相同。 在此，本申请权利要求11记载的发明是在权利要求10的步进电机中，切除未偏置的极齿的顶端，形成倾斜部分，将齿根的宽度全部设定为相同。 即使这样设定极齿的形状，也能增加转矩的基本波(1次)分量。其结果，能抑制动作时的振动及噪声，并能改善转矩性能。 本申请权利要求12记载的发明是在权利要求1至11的任一权利要求中，将所述步进电机使用于打印头的驱动电动机的打印装置。 此外，本申请权利要求13记载的发明是在权利要求1至11的任一权利要求中，将所述步进电机使用于送纸辊的驱动电动机的送纸装置。 还有，本申请权利要求14记载的发明是使用了所述权利要求12或13记载的装置的打印机。 本申请的步进电机因为能获得更安静平滑的旋转，且定位精度也高，所以，适用于办公设备尤其是打印机的打印装置及送纸装置。 附图的简单说明图1涉及本发明的具体例子，是示出步进电机的侧面剖视图。 图2涉及本发明的具体例子，是示出转子极齿及定子极齿的说明图。 图3涉及本发明的具体例子，是示出转子极齿及定子极齿的说明图。 图4涉及本发明的具体例子，是示出止动转矩的测定结果的模式图。 图5涉及本发明的具体例子，是示出对高次谐波的次数进行频率解析的结果的模式图。 图6涉及本发明的具体例子，是示出转子极齿及定子极齿的说明图。 图7涉及本发明的具体例子，是示出止动转矩的测定结果的模式图。 图8涉及本发明的具体例子，是示出对高次谐波的次数进行频率解析的结果的模式图。 图9涉及本发明的具体例子，是示出转子极齿及定子极齿的说明。 图10涉及本发明的具体例子，是示出止动转矩的测定结果的模式图。 图11涉及本发明的具体例子，是示出对高次谐波的次数进行频率解析的结果的模式图。 图12涉及本发明的具体例子，是示出步进电机的剖视图。 图13涉及本发明的具体例子，其中(A)是示出第1层中的定子及转子的剖视图，(B)是示出第2层中的定子及转子的剖视图，(C)是示出第3层中的定子及转子的剖视图。 图14涉及本发明的具体例子，是关于一个定子极齿，示出在第1层产生的止动转矩特性的图。 图15涉及本发明的具体例子，是关于一个定子极齿，示出在第2层产生的止动转矩特性的图。 图16涉及本发明的具体例子，是关于一个定子极齿，示出在第3层产生的止动转矩特性的图。 图17涉及本发明的具体例子，是示出在一个定子极齿与一个转子铁心部的转子极齿之间所产生的止动转矩特性的图。 图18涉及本发明的具体例子，是示出在第1层中，止动转矩所含高次谐波分量的比例的图。 图19涉及本发明的具体例子，是示出在第2层中，止动转矩所含高次谐波分量的比例的图。 图20涉及本发明的具体例子，是示出在第3层中，止动转矩所含高次谐波分量的比例的图。 图21涉及本发明的具体例子，是示出随着偏心发生的步进电机整体的止动转矩的变化的图。 图22为示出本发明的电动机的、极齿的相互位置关系和形状的展开图。 图23为对本发明的电动机的、磁通的走向进行解析的图。 图24为示出本发明其它具体例子中的电动机的、极齿的相互位置关系和形状的展开图。 图25为示出本发明其它具体例子中的电动机的、极齿的相互位置关系和形状的展开图。 图26为对本发明其它具体例子中的电动机的、磁通走向进行解析的图。 图27为示出将本发明的步进电机使用于打印机的打印头驱动的状态的立体图。 图28为示出将本发明的步进电机使用于打印机的送纸辊驱动的状态的立体图。 图29涉及传统例子，是示出定子及转子的基本构成的横剖视图。 图30涉及传统例子，是示出转子极齿及定子极齿的说明图。 图31涉及传统例子，是示出止动转矩的测定结果的模式图。 图32涉及传统例子，是示出对高次谐波的次数进行频率解析的结果的模式图。 图33涉及传统例子，是示出止动转矩的测定结果的模式图。 图34涉及传统例子，是示出对高次谐波的次数进行频率解析的结果的模式图。 图35涉及传统例子，是示出在一个定子极齿与转子极齿之间产生的止动转矩特性的图。 图36为示出传统电动机的极齿的相互位置关系与形状的展开图。 图37为示出另一传统电动机的极齿的相互位置关系与形状的展开图。 图38为示出传统的电动机的极齿的偏置与转矩之关系的曲线图。 图39为对传统电动机的磁通走向进行解析的图。 图40为对传统的其它电动机的磁通走向进行解析的图。 实施发明的最佳形态以下参照附图，详细说明本发明的具体例子。 如图1和图2所示，本例的步进电机1为三相电动机，其形成为圆筒状，并在其内侧具有以规定间隔设有6个定子极21的定子2、配置在定子2内部的转子3、分别配置在所述多个定子极21上的定子线圈4、转子3的转轴即输出轴5以及配置在转子3的必要部位的圆盘状的永久磁体6，通过对各定子线圈4分别进行励磁，输出轴5中就产生转矩。图中的7为输出轴5的轴承，8为保持定子2及轴承7的托架。 此外，在定子极21的顶端，以规定间隔设有定子极齿22，在转子3的外周，以规定间隔设有转子极齿31。另外，关于定子极齿22及转子极齿31的基本构成是与上述的图29所述的相同的，故标上相同的符号，省略附图说明。 如这些图所示，在本例的转子3上，以一定的间距P1设有26个转子极齿31。 另外，在各定子极21上，分别设有2组由2个定子极齿22组成的齿组23，各齿组23中的定子极齿22的间距P2设定为P1(1-1/12)，齿组23的间距P3设定为P1(2-1/8)。在此，P1、P2及P3为电气角。 即，为了降低4次高次谐波及6次高次谐波，将m＝2、n＝2、ν＝6、ν’＝4及任意的值即i＝1、i’＝1代入上述的式中，就可求出下式P2＝P1{1-1/(2×6)}P2＝P1(1-1/12)并可求出下式P3＝P1{2-1/(2×4)}P3＝P1(2-1/8)此外，因为m·P2＝P1(2-1/6)所以，式P3≠m·P2成立。 另外，转子极齿31的间距P1、齿组23内的定子极齿22的间距P2及齿组23的间距P3在图2中是按它们的凹凸示出的，但也可以如图3所示，从相邻的转子极齿31、定子极齿22或齿组23的中心至中心来表示。 对本例的步进电机1的止动转矩特性进行测定，获得如图4所示的结果。 再试制多个电动机，重复进行如上所述的测定，对这些止动转矩特性进行高次谐波次数的频率解析，获得如图5所示的结果。 将图3及图4所示的本例结果与定子极齿的间距与转子极齿的间距相等的传统三相电动机获得的结果(参照图33及图34)进行比较，可确认4次高次谐波、6次高次谐波及其它高次谐波显著降低了。 此外，将本例的结果与根据PS＝PR{1±1/(m·ν)}的关系设定定子极齿的间距的传统三相电动机的结果(参照图31及图32)进行比较，可以确认尤其是4次高次谐波显著降低了。 如上所述，若采用本例的步进电机，因为在一个定子极中能降低更多次数的高次谐波，所以能有效降低高次谐波，获得更安静平滑的旋转。 即在传统上，若是三相电动机，一般认为特别成问题的是6次高次谐波，定子极齿的间距的设定是与这样的条件对应来进行的，但在实际上，要通过相间及定子极间的配置来获得效果时，对电动机零部件制造及装配工序中的精度要求极严，要实现充分的静音是非常困难的，但在本例中，因为在一个定子极中降低了4次高次谐波和6次高次谐波，所以能避免这样的问题。 接着对本发明另一具体例，用图6至图8进行说明。 在本例的情况下，使用以一定的间距P1有38个转子极齿31的转子3，并且在定子极21上，设有2组由3个定子极齿22组成的齿组23，通过设定齿组23内的定子极齿22的间距P2和齿组23的间距P3，来降低高次谐波。另外，关于其它的构成，因为与前述的具体例一样，故在相同的部位标上相同的符号，并省略对其的说明。 在本例中，为了降低4次高次谐波及6次高次谐波，将m＝3、n＝2、ν＝4、ν’＝6及任意的值即i＝1、i’＝1代入上述的式中，就可求出下式P2＝P1{1-1/(3×4)}P2＝P1(1-1/12)并可求出下式 P3＝P1{3-1/(2×6)}P3＝P1(3-1/12)此外，因为m·P2＝P1(3-1/4)所以，式P3≠m·P2成立。 关于本例的电动机，对止动转矩特性进行测定，获得如图7所示的结果。 再试制多个电动机，重复进行如上所述的测定，并对这些止动转矩特性进行高次谐波次数的频率解析，获得如图8所示的结果。 如这些图所示，本例的情况下，也可确认4次高次谐波、6次高次谐波及其它高次谐波显著降低了。 再使用图9至图11，对本发明的其它具体例子进行说明。 本例的步进电机是使用有32个转子极齿31的转子3和有6个定子极21的定子2的三相结构的步进电机，在各定子极21上分别设有5个定子极齿22。 在本例的情况下，定子极齿22的间距PS相对转子极齿31的间距PR，用下式关系进行设定；PS＝PR(1-1/10)即，要降低4次高次谐波和6次高次谐波，只要存在下式的关系即可，即PS＝PR{1±i/(m·4)}，并且，PS＝PR{1±i’/(m·6)}因此，将m＝5、i＝2、i＝3代入这些式子，就可求出上述的关系。 另外在此，i及i’为非5的倍数的正整数，并满足i./2＝i’/3的关系。 对本例的装置测定止动转矩特性，获得如图10所示的结果。 再试制多个电动机并重复进行这样的测定，并就它们的止动转矩特性，对高次谐波的次数进行频率解析，获得如图11所示的结果。 将图10及图11所示的本例的结果与定子极齿的间距与转子极齿的间距相等的传统三相电动机的结果(参照图33及图34)进行比较，可确认4次高次谐波、6次高次谐波及其它高次谐波显著降低了。 此外，若将本例的结果与根据PS＝PR{1±1/(m·ν)}的关系设定定子极齿的间距的传统三相电动机的结果(参照图31及图32)进行比较，可以确认尤其是4次高次谐波显著降低了。 如上所述，若采用本例的...
【专利技术属性】
技术研发人员：池上昭彦，小池良和，
申请(专利权)人：精工爱普生株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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