CN101127476A - 步进电机 - Google Patents

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CN101127476A CNA2007101436268A CN200710143626A CN101127476A CN 101127476 A CN101127476 A CN 101127476A CN A2007101436268 A CNA2007101436268 A CN A2007101436268A CN 200710143626 A CN200710143626 A CN 200710143626A CN 101127476 A CN101127476 A CN 101127476A
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辛斗植
薛镇洙
辛正佶
李钟弼
丁瑛彬
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Abstract

一种步进电机，包括：环形永磁铁；结合构件，插入永磁铁的中部，结合构件具有形成在其内圆周上的螺纹；轴，与结合构件的螺纹螺纹连接。施加到结合构件的旋转力传递到轴，从而轴执行沿着螺纹的往复运动。

Description

步进电机
技术领域
本发明涉及一种小型致动器，更具体地讲，涉及这样一种小型致动器，该小型致动器具有能够精确地控制安装在小型电子设备，例如数码相机或者移动电话中的光学系统的自动调焦(automatic focusing)操作和光学变焦操作的直线步进电机。
背景技术
近来，便携式数字设备和电子设备提供各种功能。具体地讲，随着小型化相机光学系统的发展，配备有数字设备和电子设备的相机光学系统已经普及。这样的数字设备和电子设备包括各种类型的具有多个类似的部件的设备，例如PMP、MP3、数码相机、移动电话、PDA和笔记本PC。在移动电话中已经采用了这样的组合电子模式。因此，配备有光学透镜和图像传感器的移动电话(以下，称为相机电话)已经得到了推广。
由于相机光学系统和图像传感器的发展，相机电话配备了包括自动调焦控制装置、焦点振动防止装置(focus-vibration prevention device)和光学变焦装置的高功能的相机光学系统和高像素图像传感器。使用调焦控制装置和焦点振动防止装置以使当拍摄目标时由于目标摇动而引起的拍摄的图像的散射最小化。
数字设备和电子设备变得越来越小，从而需要更加小型化的相机光学系统。为了满足便携式相机电话的上述需求，越来越多的研究集中在提供用于将自动调焦控制装置、光学变焦装置等安装在相机光学系统的外侧的结构以及集中在使致动器的尺寸最小化上。
上述致动器可分成音圈电机类型、压电类型或者步进电机类型。音圈类型便宜，并且具有简单的结构，这使其易于实现小型化产品。然而，音圈类型的缺点在于功耗高，并且由于需要恒定的功率，所以音圈类型需要单独的位置检测装置和控制装置。
压电类型的优点在于功耗低，响应特性和运动分辨率良好，这使其易于实现小型化产品。
同时，Yajima Katsuhide et al.在第6,747,382号美国专利(标题为“motor”)中详细披露了步进电机型致动器，其中，Katsuhide et al.的电机包括：转子、定子芯，带有与转子相对的定子；旋转轴，延伸穿过转子并固定到转子；轴承，转动地支撑旋转轴；固定部分(anchoring part，帽)，用于固定轴承。Katsuhide et al.还披露了由树脂形成轴承固定部分和轴承的结构。Katsuhide etal.的电机还包括：凹槽，供应将旋转轴固定到转子的粘合剂；端部，用于安装C型垫圈；丝杠，位于延伸到步进电机的外侧的输出部分上。
结果，除需要与旋转轴的丝杠的延伸的长度对应的空间之外，保证用以安装步进电机型致动器的空间还需要与从与步进电机的外侧的相机透镜接触的丝杠延伸的可运动的构件的宽度对应的空间。因此，配备有相机透镜、相机电话等的数字设备和电子设备存在的问题在于：如果它们设置有步进电机型致动器，则它们的体积增大。如果步进电机的外径最小化，则步进电机的旋转力(turning force)减小。结果，相机透镜不能被稳定地操作。
换句话说，在便携式相机电话或者数字设备中配备的相机光学系统的传统的致动器存在的问题在于：其功耗很高或者其体积非常大。
发明内容
因此，提出本发明以解决现有技术中存在的上述问题，并通过提供一种具有低功耗的步进电机提供另外的优点，该步进电机可应用于纤小的相机电话或者纤小的数字电话中。
根据本发明的第一方面，提供一种步进电机，该步进电机包括：环形永磁铁；结合构件，插入永磁铁的中部，结合构件具有形成在其内圆周上的螺纹；轴，与结合构件的螺纹螺纹连接，从而执行沿着螺纹的往复运动。
根据本发明的第二方面，提供一种步进电机，该步进电机包括旋转单元和轭单元。所述旋转单元包括：环形永磁铁；结合构件，插入永磁铁的中部，结合构件具有形成在其内圆周上的螺纹；轴，与结合构件的螺纹螺纹连接，从而执行沿着螺纹的往复运动。所述轭单元具有：环形绕组，环绕永磁铁的侧表面；上轭和下轭，结合成相对于绕组彼此上下对称，上轭和下轭的每个具有多个齿和环绕所述多个齿的电磁线圈。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明第一实施例的步进电机的分解透视图；
图2是示出图1的步进电机处于装配状态下的剖视图；
图3是示出处于装配状态下的图2的步进电机的透视图；
图4是示出配备有图1至图3的绕组以及上轭和下轭的下壳体的透视图；
图5是示出图1的旋转单元的透视图；
图6是根据本发明的平板的透视图；
图7是示出图1的步进电机和图6的平板处于彼此装配的状态下的透视图；
图8是示出图1的轴的透视图；
图9是示出轴和反位锁闭防止构件之间的测量到的吸引力关系的曲线图；
图10和图11是分别用于描述图1和图7所示出的步进电机的运动的透
视图；图12是根据本发明第二实施例的步进电机的剖视图；
图13是根据本发明第三实施例的步进电机的剖视图；
图14是根据本发明第四实施例的步进电机的剖视图。
具体实施方式
以下，将参照附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，即使相同的元件出现在不同的附图中，它们仍将由相同的标号表示。
图1是根据本发明第一实施例的步进电机的分解透视图。此外，图2是示出图1的步进电机处于装配状态下的剖视图，图3是示出处于装配状态下的图2的步进电机的透视图。此外，图4是示出配备有图1至图3的绕组(bobbin)以及上轭(yoke)和下轭的下壳体的透视图。
如图1至图4以及图6至图7所示，根据本发明的步进电机100包括：旋转单元300；轭单元141-143；上壳体120；下壳体110，旋转单元130和轭单元141-143安装在下壳体110中；上轴承161和下轴承162；垫圈154；反位锁闭防止构件(reverse-locking prevention member)170，布置在下轴承162之下；支撑构件190；平板200。
图5是旋转单元130的透视图。如图所示，旋转单元130包括：环形永磁铁133；结合构件132，插入永磁铁133的中部，并具有形成在其内圆周上的螺纹；轴131，随着螺纹运动可往复运动。
结合构件132按照管形形成，并且在其内圆周上形成有螺纹。轴131穿过结合构件132的中部插入，并具有与结合构件132的螺纹相对应的螺纹。也就是说，结合构件132和轴131彼此螺纹连接，并且轴131沿着结合构件132的螺纹旋转，并执行与结合构件132同轴的上下往复运动。
再参照图1，轭单元141-143包括：环形绕组143，环绕永磁铁133的侧表面；上轭141和下轭142，结合成相对于绕组143彼此上下对称，上轭141和下轭142分别具有向着绕组143突出的多个齿141a和142a以及环绕齿141a和142a的电磁线圈141b和142b。绕组143可由绝缘构件构成，并且两个或者多个轭可安装在绕组143的内圆周上。
轭单元141-143被供电，并通过附于下壳体110的开口侧的端子基片180控制。
下壳体110按照杯形形成，轭单元141-143和旋转单元130可安装在下壳体110内。如图4所示，在下壳体110的底表面的与第一滚珠轴承152接触的区域可形成有导轨111，从而防止第一滚珠轴承152脱离其轨道，并确保第一滚珠轴承152的平稳旋转。
此外，下壳体110可具有中部，轴131延伸穿过该中部，并且该中部按照沿着轴的延伸部分延伸的圆筒形形成，从而从外部保护轴的延伸部分的端部。
上壳体120盖住下壳体的敞开侧，轴131的一部分从上壳体120的中部区域向外突出。上轴承161位于上壳体120的中部区域，其中，轴延伸穿过上轴承161，并从上壳体120的中部区域向外突出。
上轴承和下轴承分别插入到上壳体110和下壳体120中，其插入方式是，轴131的相对两端从上壳体110和下壳体120突出。
再参照图2，垫圈154介于上轴承161和永磁铁133之间。第一滚珠轴承152介于下壳体110和永磁铁133之间，轴承导向件151布置成盖住结合构件132侧壁的一部分，该轴承导向件151与第一滚珠轴承152接触。当永磁铁133旋转时，第一滚珠轴承152使永磁铁133和下壳体110之间的摩擦力最小化，从而使旋转单元130平滑地旋转。
此外，第一滚珠轴承152由下壳体110的导轨111和轴承导向件151支撑，从而保持第一滚珠轴承152不脱离旋转轨道。轴承导向件151形成有分别与第一滚珠轴承对应的凹槽。
图6是示出本发明的平板的透视图，图7是示出图1所示出的步进电机和图6所示出的平板处于装配状态下的透视图。
参照图6和图7，支撑构件190从下壳体110的侧表面的一部分向着上壳体120延伸，并在其侧壁的与轴131相对的一部分上具有防旋转凹槽191。此外，平板200具有：孔，穿过其中部区域形成，从而固定穿过上壳体120的轴的顶端；防旋转构件220，与防旋转凹槽191相对。可选地，支撑构件190也可按照其从上壳体120的侧表面的一部分向着下壳体110延伸的方式构造。
第二滚珠轴承192位于防旋转凹槽191和平板200之间。平板200的防旋转构件220锁定到防旋转凹槽191上，从而限制防旋转构件220的旋转。结果，轴131执行沿着结合构件132的螺纹的往复运动。当轴往复运动时，第二滚珠轴承192使防旋转凹槽191和防旋转构件220之间所产生的摩擦力最小化，并防止防旋转构件脱离防旋转凹槽191。防旋转构件220由板簧或者弹性材料形成，并可形成有突起211和凹陷212。
图10和图11是用于描述图1和图7所示出的步进电机的操作的透视图。具体地讲，图10示出了轴131运动到下壳体110的内侧的状态，图11示出了轴131运动到上壳体120的外侧的状态。
图8是示出图1所示出的轴131的透视图。如图8所示，圆柱形永磁铁可用作反位锁闭防止构件170，该反位锁闭防止构件170布置在下轴承162之下，以环绕轴131。此外，当旋转单元130旋转时，通过采用磁性构件，轴131可平滑地旋转，这是因为反位锁闭防止构件170产生了吸引力。
也就是说，反位锁闭防止构件170是用于防止彼此螺纹连接的结合构件132和轴131之间出现啮合间隙的装置，其中，反位锁闭防止构件170与轴131隔开而不接触。反位锁闭防止构件170的磁场分布可定向为对轴131往复运动的轴线在垂直于该轴线的方向上产生影响。然而，磁场分布的方向可按照期望进行选择。
图9是用于描述轴131和反位锁闭防止构件170之间所产生的吸引力的关系的曲线图，其中，反位锁闭防止构件170具有与轴131的运动轴垂直的磁场分布，其中，x轴指示轴131的运动距离，y轴指示吸引力。x轴上的“0”指示轴131被驱动前的初始状态，这意味着轴131缩回到步进电机100中，如图10所示。x轴上的“1”指该曲线测量所使用的步进电机的轴131最大限度地运动到步进电机的外侧，如图11所示。
总之，可以理解，反位锁闭防止构件170施加到轴131上的吸引力从如图10所示的状态逐渐增大，并在通过预定点之后，开始减小直到到达图11所示的状态。如图9所示，在使在轴131缩回最多的位置和轴131延伸最多的位置之间由反位锁闭防止构件170所施加的吸引力之差最小化的同时，能够使当轴往复运动时所产生的负载最小化。
图12是根据本发明第二实施例的步进电机的剖视图。将参照图12描述第二实施例，为了避免赘述，将省略对与第一实施例的结构相同的结构的描述。
根据第二实施例的步进电机300包括：下壳体310，上壳体320；多个滚珠轴承352；轴承导向件351；上轴承361和下轴承362；滚珠轴承接触构件353；弹簧构件301和302，布置在下轴承362之下。
旋转单元包括：环形永磁铁333；结合构件332，穿过永磁铁333的中部插入，并具有形成在其内圆周上的螺纹；轴331，执行沿着结合构件332的螺纹的往复运动。
轭单元包括：环形绕组343，环绕永磁铁333的侧表面；上轭341和下轭342，结合成相对于绕组343彼此上下对称，上轭341和下轭342具有向着绕组343突出的多个齿以及环绕所述齿的电磁线圈341b和342b，其中，绕组343分别与上轭341和下轭342接触。绕组可由绝缘构件构成，并且两个或者多个轭可安装在绕组的内圆周上。
弹簧构件301和302介于轴331的顶端和下壳体310之间，作为用于防止轴331的啮合间隙的装置。弹簧构件301和302可使轴偏移，从而防止可在结合构件332和轴331之间产生的啮合间隙。
图13是根据本发明第三实施例的步进电机的剖视图。另外，为了避免赘述，将省略对与第一实施例的结构相同的结构的描述。
根据第三实施例的步进电机400包括：旋转单元；轭单元；下壳体410，旋转单元和轭单元安装在该下壳体410内；上壳体420；多个滚珠轴承452；轴承导向件453；上轴承461和下轴承462；滚珠轴承垫圈454；接触构件456，布置在滚珠轴承452之上；反位锁闭防止构件470，布置在下轴承462之下；导向杆421；平板401。
旋转单元包括：环形永磁铁433；结合构件432，穿过永磁铁433的中部插入，并具有形成在其内圆周上的螺纹；轴431，执行沿着结合构件432的螺纹的往复运动。
轭单元包括：环形绕组443，环绕永磁铁433的侧表面；上轭441和下轭442，结合成相对于绕组443彼此上下对称，上轭441和下轭442具有向着绕组443突出的多个齿以及环绕所述齿的电磁线圈441b和442b，其中，绕组443分别与上轭441和下轭442接触。
导向杆421从上壳体420延伸，并穿过平板401的一部分。从上壳体420突出的轴431的顶端固定到平板401上，使得平板401限制施加到轴431上的旋转力，从而防止轴431旋转。
其旋转力受到平板401和导向杆421限制的轴431将施加到轴431上的旋转力传递到与轴431螺纹连接的螺纹，从而执行沿着结合构件432的螺纹的往复运动。
图14是根据本发明第四实施例的步进电机的剖视图。为了避免赘述，将省略对与第一实施例的结构相同的结构的描述。
根据第四实施例的步进电机500包括：旋转单元；轭单元；下壳体510，旋转单元和轭单元安装在该下壳体510内；上壳体520，盖住下壳体510的敞开侧；平板504；防旋转弹簧502，其一端连接到平板504，其另一端安装在形成在上壳体520的壁上的凹槽503中；弹性构件501；下轴承562。
旋转单元包括：环形永磁铁533；轴531，穿过永磁铁533的中部插入；结合构件532，与轴531的端部螺纹连接。
轭单元包括：环形绕组543，环绕永磁铁533的侧表面；上轭541和下轭542，结合成相对于绕组543彼此上下对称，上轭541和下轭542具有向着绕组543突出的多个齿以及环绕所述齿的电磁线圈541b和542b，其中，绕组543分别与上轭541和下轭542接触。
从上壳体520突出的结合构件532的顶端固定到平板504，防旋转弹簧502的一端连接到平板，其另一端安装在形成在上壳体520的壁上的凹槽503中。
由永磁铁533产生的旋转力通过轴531传递到结合构件532，但是结合构件532的旋转受到平板的限制。结果，结合构件532执行沿着轴531的螺纹的往复运动。
防旋转弹簧502的运动受到凹槽503的限制。凹槽503可按照直线导轨的形式形成。此外，防旋转弹簧502的弹力可提供这样的功能，其限制结合构件532和轴531之间的反位锁闭现象的发生。能够提供这样的结构，在所述结构中，根据本发明第一实施例至第三实施例的永磁铁的布置方式是，相反的磁极被重复地交替地布置。
根据本发明，由于作为传递旋转力的主运动轴的轴将被传递的力转换成往复运动，所以能够提供可在纤小体积的情况下传递功率的步进电机。因此，本发明的步进电机可应用于逐渐小型化的移动数字设备和数码相机中。
虽然已参照本发明的特定优选实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节上的各种变化。

Claims (13)

1.一种步进电机，包括：
环形永磁铁；
结合构件，插入永磁铁的中部，结合构件具有形成在其内圆周上的螺纹；
轴，与结合构件的螺纹螺纹连接，从而提供沿着螺纹的往复运动。
2.一种步进电机，包括：
旋转单元，该旋转单元具有：环形永磁铁；结合构件，插入永磁铁的中部，结合构件具有形成在其内圆周上的螺纹；轴，与结合构件的螺纹螺纹连接，从而提供沿着螺纹的往复运动；
轭单元，该轭单元具有：环形绕组，环绕永磁铁的侧表面；上轭和下轭，相对于绕组按照对称关系彼此结合，上轭和下轭的每个具有多个齿和环绕所述多个齿的电磁线圈。
3.如权利要求2所述的步进电机，还包括：
下壳体，轭单元和旋转单元安装在该下壳体内；
上壳体，盖住下壳体的敞开侧，轴的一部分从上壳体的中部区域突出；
多个第一滚珠轴承，介于下壳体和永磁铁之间。
4.如权利要求3所述的步进电机，还包括分别环绕轴的相对的端部的上轴承和下轴承。
5.如权利要求4所述的步进电机，还包括布置在下轴承之下环绕轴的反位锁闭防止构件。
6.如权利要求3所述的步进电机，其中，下壳体包括形成在其底表面上的导轨，所述第一滚珠轴承与该导轨接触，从而保持所述第一滚珠轴承的每个的旋转轨道。
7.如权利要求3所述的步进电机，还包括环绕结合构件的侧壁的轴承导向件，所述轴承导向件与所述第一滚珠轴承接触，轴承导向件形成有分别与所述第一滚珠轴承对应的多个凹槽。
8.如权利要求3所述的步进电机，还包括：
防旋转凹槽，形成在从下壳体的侧表面的一部分朝着上壳体突出的侧壁上，以与轴相对；
平板，包括与防旋转凹槽相对的防旋转构件，突出穿过上壳体的轴的端部固定到形成在平板的中部区域的孔中；
第二滚珠轴承，布置在防旋转凹槽和平板之间。
9.如权利要求2所述的步进电机，还包括为轭单元供电的端子基片，端子基片结合到下壳体的开口侧。
10.一种步进电机，包括：
旋转单元，该旋转单元具有：环形永磁铁；结合构件，插入永磁铁的中部，结合构件具有形成在其内圆周上的螺纹；轴，与结合构件的螺纹螺纹连接，从而提供沿着螺纹的往复运动；
轭单元，该轭单元具有：环形绕组，环绕永磁铁的侧表面；上轭和下轭，相对于绕组按照对称关系彼此结合，上轭和下轭分别具有向着绕组突出的多个齿，环形绕组分别与上轭和下轭接触；
下壳体，轭单元和旋转单元安装在该下壳体内；
上壳体，盖住下壳体的敞开侧，轴的一部分从上壳体的中部区域突出；
平板，从上壳体突出的轴的端部固定到平板上；
导向杆，从上壳体延伸，并穿过平板的侧部。
11.如权利要求10所述的步进电机，还包括：
多个滚珠轴承，介于下壳体和永磁铁之间；
轴承导向件，环绕结合构件的侧壁的一部分，并与所述滚珠轴承接触。
12.一种步进电机，包括：
旋转单元，该旋转单元包括：环形永磁铁；轴，延伸穿过永磁铁的中部；结合构件，与轴的端部螺纹连接；
轭单元，该轭单元包括：环形绕组，环绕永磁铁的侧表面；上轭和下轭，相对于绕组按照对称关系彼此结合，上轭和下轭分别具有向着绕组突出的多个齿以及环绕所述齿的电磁线圈，环形绕组分别与上轭和下轭接触；
下壳体，轭单元和旋转单元安装在该下壳体内；
上壳体，盖住下壳体的敞开侧，轴的一部分从上壳体的中部区域突出；
平板，从上壳体突出的结合构件的端部固定到平板上；
防旋转弹簧，其一端连接到平板上，其另一端接合在形成在上壳体的壁上的凹槽中。
13.如权利要12所述的步进电机，还包括：
弹性构件，介于下壳体和轴的一端之间；
上轴承和下轴承，分别安装在轴的相对端。
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