CN1166719A - 电动机和推进装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全新配置的超小型电动机，包括以圆柱形形成的磁体，至少在其外表面按圆周被划分为n部分并被交错磁化为不同的磁极，其中第一线圈，转子和第二线圈按这样顺序被沿着转子的轴向布置，并且由第一线圈磁化的第一外磁极和内磁极被布置为在磁体的一端分别与外表面和内表面相对而由第二线圈磁化的第二外磁极和内磁极被布置为在磁体的另一端分别与外表面和内表面相对。

Description

电动机和推进装置
本发明涉及超小型尺寸电动机和用于镜头推进的利用这种超小型电动机的推进装置。
在小型电动机领域，举例而言有一种如图31所示的小型圆柱步进电动机。在这样的电动机中，定子线圈被绕在在轴向固定和支撑在两个定子磁轭106之间的线圈架101上。定子磁轭106提供有沿着线圈架101的内圆周交错布置的定子齿106a和106b。定子磁轭106与定子齿106a和106b被整体地固定在壳体103内而构成定子102。
在两壳体103之一内固定有法兰115和轴承108，而另一轴承108固定在另一壳体103上。转子109由固定在转子轴110上的转子磁体111组成，而转子磁体111与定子磁轭106a构成径向延伸的气隙。转子轴110被转动支撑在两轴承108之间。延迟公开的第3-180823号日本专利申请公开了这样的小型步进电动机在驱动照相机镜头方面的应用，在此将弧形步进电动机置于照相镜头旁以利用步进电动机的输出轴转动内螺纹，从而在轴向移动固定在支撑照相镜头的镜头框上的外螺纹。
但上述常规小型步进电动机有外部尺寸大的缺点，因为壳体103、线圈架101，定子线圈105和定子磁轭106是围绕着转子同心地提供的。还有这种电动机的输出是相对有限的，因为如图32所示由定子线圈105通电而产生的磁通主要在定子齿106a的端面106a1和定子齿106b的端面106b1之间通过而没有有效地作用于转子磁体111。
此外在常规镜头推进装置中，围绕镜头布置的弧形步进电动机在圆周方向占据较大面积，从而难以在同一平面再布置其它机件，如驱动快门的执行机构。
考虑到以上所述，本发明的目的是提供一种全新配置的超小型电动机。
本发明的另一目的是提供一种具有允许易于制造的配置的超小型电动机。
本发明的另一目的是提供一种尽管为小型配置但具有高驱动力的电动机。
本发明的另一目的是提供一种小型的镜头推进装置。
本发明的其他目的，以及它们的特征将通过以下对实施例的介绍而完全明朗。
图1是构成本发明的实施例1的步进电动机的分解透视图；
图2是图1所示的步进电动机在组装后状态的截面图；
图3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G、和3H是解释图2所示的步进电动机的转动运行的图；
图4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G、和4H是解释本发明的实施例2的步进电动机的转动运行的图；
图5是本发明的实施例3的步进电动机的分解透视图；
图6是本发明的实施例4的步进电动机的截面图；
图7是图6所示的步进电动机沿着其中直线7-7的截面图；
图8是图6所示的步进电动机沿着其中直线8-8的截面图；
图9是利用上述实施例的步进电动机的用来移动照相镜头的推进装置的分解透视图；
图10是本发明的实施例5的步进电动机中的第三磁轭的截面图；
图11是图10所示的步进电动机沿着其中直线11-11的截面图；
图12是图10所示的步进电动机中的第三磁轭的透视图；
图13是本发明的实施例6的步进电动机截面图；
图14是图13所示的步进电动机沿着其中直线14-14的截面图；
图15是图13所示的步进电动机中的第三磁轭的透视图；
图16是本发明的实施例7的步进电动机的分解透视图；
图17是图16所示的步进电动机在组装后状态的截面图；
图18A、18B、18C、18D、18E、18F、18G、和18H是解释图17所示的步进电动机的转动运行的图；
图19A、19B、19C、19D、19E、19F、19G、和19H是解释本发明的实施例8的步进电动机的转动运行的图；
图20是本发明的实施例9的步进电动机的分解透视图；
图21是图20所示的步进电动机在组装后状态的截面图；
图22A、22B、22C、22D、22E、22F、22G、和22H是解释图21所示的步进电动机的转动运行的图；
图23是本发明的实施例10的步进电动机的分解透视图；
图24是图23所示的步进电动机在组装后状态的截面图；
图25是实施例9的截面图，表示与实施例10的比较；
图26是图24所示的步进电动机转子的放大透视图；
图27A和27B是表示图24所示步进电动机的转子的第一和第二磁化层之间和第一和第二磁轭之间的关系的第一种状态的图；
图28A和28B是表示图24所示步进电动机的转子的第一和第二磁化层之间和第一和第二磁轭之间的关系的第二种状态的图；
图29A和29B是表示图24所示步进电动机的转子的第一和第二磁化层之间和第一和第二磁轭之间的关系的第三种状态的图；
图30A和30B是表示图24所示步进电动机的转子的第一和第二磁化层之间和第一和第二磁轭之间的关系的第四种状态的图；
图31是常规步进电动机的截面图；和
图32是表示图31所示常规步进电动机中的磁通的图。
现在将通过附图所示的实施例来明确本发明。
图1至3H解释本发明实施例1的步进电动机，分别是步进电动机的分解透视图，步进电动机处于组装后状态的截面图，和沿着图2中的直线A-A和B-B的截面图。
参照图1至3H，构成转子的中空圆柱磁体1在其外表面按圆周分为交错磁化的几部分(在本实施例中为1a，1b，1c，1d四部分)，其中部分1a和1c被磁化为S级而部分1b和1d被磁化为N级。构成转子轴的输出轴7固定在磁体1上。转子由输出轴7和磁体1构成。线圈2，3与上述磁体1呈同心状提供，其位置在轴向将磁体1夹在中间，且外直径约等于磁体1的外径。
由软磁体材料组成的第一和第二定子18，19被布置为互相间隔180°/n或45°。第一和第二定子18，19每个均由外管和内管组成。在第一定子18的外管和内管之间提供线圈2，该线圈在通入电流后使第一定子18磁化。第一定子18的外管和内管在其端部构成外磁极18a，18b和内磁极18c，18d。内磁极18c，18d互相间隔360°/(n/2)或180°以处于同相位。外磁极18a被提供在与内磁极18c相对的位置处，而外磁极18b被提供在与内磁极18d相对的位置处。
第一定子18的外磁极18a，18b和内磁极18c，18d被提供在分别与在磁体1的端部的外表面和内表面相对的位置处，从而将磁体1的这一端部夹在中间。转动轴7的端部可转动地装在第一定子18的一个孔18e内。
在第二定子19的外管和内管之间提供线圈3，该线圈在通入电流后使第二定子19磁化。第二定子19的外管和内管在其端部构成外磁极19a，19b和内磁极19c，19d。内磁极19c，19d互相间隔360°/(n/2)或180°以处于同相位。外磁极19a被提供在与内磁极19c相对的位置处，而外磁极19b被提供在与内磁极19d相对的位置处。第二定子19的外磁极19a，19b和内磁极19c，19d被提供在分别与在磁体1的另一端部的外表面和内表面相对的位置处，从而将磁体1的另一端部夹在中间。转动轴7的另一端部可转动地装在第二定子19的一个孔19e内。
结果由线圈2产生的磁通在外磁极18a，18b和内磁极18c，18d之间通过磁体1，从而有效地作用在构成转子的磁体1上。另外由线圈3产生的磁通在外磁极19a，19b和内磁极19c，19d之间通过磁体1，从而有效地作用在磁体1上而增加了电动机的输出。
由非磁性材料圆柱状部件组成的联接环20在一端的内表面上提供有凹槽20a，20b，而在另一端提供有与凹槽20a，20b在相位上间隔45°的凹槽20c，20d。第一定子18的外磁极18a，18b装在凹槽20a，20b中而第二定子19的外磁极19a，19b装在凹槽20c，20d中且这些安装部位与有粘性的材料固定在一起以将第一和第二定子18，19安装在联接环20上。第一和第二定子18，19按以下方式安装在联接环20上：外磁极18a，18b和内磁极18c，18d的端部分别与外磁极19a，19b和内磁极19c，19d的端部相对且外磁极18a，18b和外磁极19a，19b互相隔开联接环20的内部突出部分20e，20f的宽度。
图2是步进电动机的截面图，图3A，3B，3C和3D是沿图2中直线A-A的截面图，而图3E，3F，3G和3H是沿图2中直线B-B的截面图。图3A和3E是同一时刻的截面图，此外图3B和3F是同一时刻的截面图，图3C和3G是同一时刻的截面图，图3D和3H是同一时刻的截面图。
下面将解释本实施例的步进电动机的功能。在图3A和3E所示的状态，线圈2和3的通电方式是使第一定子18的外磁极18a，18b磁化为N极，内磁极18c，18d磁化为S极，第二定子19的外磁极19a，19b磁化为S极和内磁极19c，19d磁化为N极，用以使构成转子的磁体1逆时针转动45°以达到图3B和3F所示的状态。
然后将供给线圈2的电流反向使第一定子18的外磁极18a，18b磁化为S极，内磁极18c，18d磁化为N极，第二定子19的外磁极19a，19b磁化为S极和内磁极19c，19d磁化为N极，用以使构成转子的磁体1逆时针再转动45°以达到图3C和3G所示的状态。
然后将供给线圈3的电流反向使第二定子19的外磁极19a，19b磁化为S极和内磁极19c，19d磁化为N极，第一定子18的外磁极18a，18b磁化为S极，内磁极18c，18d磁化为N极，用以使构成转子的磁体1逆时针再转动45°以达到图3D和3H所示的状态。因而供应线圈2，3的电流被连续切换从而使转子的磁体1转动到与电流供应对应的相位的位置。
下面将解释为什么上面解释的配置对于实现超小型步进电动机是最优的。
步进电动机的基本配置的特征是：
1)磁体的中空圆柱形结构；
2)对由划分磁体外表面形成的n个部分的交错磁化；
3)在磁体轴向的第一线圈，磁体和第二线圈的布置；和
4)分别由第一和第二线圈磁化的第一和第二定子的外磁极和内磁极，被布置为分别与磁体的外表面和内表面相对。
结果本步进电动机仅要求允许在磁体直径外布置定子磁极的直径，和等于磁体长度与第一和第二线圈长度之和的长度。由于步进电动机的尺寸由磁体和线圈的直径和长度这样确定，因而可通过使该直径和长度最小化而将电动机制成超小型的。
这种对磁体和线圈的直径和长度的最小化使得保持步进电动机的输出精度有困难，但这种困难可通过将磁体形成为中空圆柱形并将第一和第二定子的外磁极和内磁极布置为与这样的中空圆柱形磁体的外表面和内表面相对这样的简单结构而避免。通过不仅磁化磁体的外表面而且也磁化磁体的内表面可使得电动机输出更加有效，如后面将要解释的实施例2的情况。
图4A至4H解释本发明的实施例2。在以上本发明的实施例1中，构成转子的磁体1按圆周分为n部分且在其外表面被交错磁化，但在本实施例2中，构成转子的磁体1不仅在其外表面，而且在其内表面也划分为n部分(本实施例中为4部分)且交错磁化为S和N，以便改进电动机的输出效率。磁体1的内表面的每部分按照与外表面上相邻部分相反的方式被磁化。更具体地说对应与被磁化部分1a，1c的内表面部分被磁化为N极而对应与被磁化部分1b，1d的内表面部分被磁化为S极。在本实施例2中，由于不仅转子的磁体1的外表面而且其内表面也按圆周划分为n部分且被交错磁化为N极和S极，所以根据磁体1的内表面和第一定子18的内磁极18c，18d及第二定子19的内磁极19c，19d之间的关系可增加电动机的输出。
图5解释本发明的实施例3。与以上外管和内管整体地形成在每个第一和第二定子18，19中的实施例1相比，本实施例3中的外管和内管独立地形成在每个第一和第二定子18，19中，如图5所示。更具体地，第一定子18的内管与在其端部的内磁极18c，18d一起构成第一磁轭181，而第一定子18的外管与在其端部的外磁极18a，18b一起构成第三磁轭182。另外第二定子19的内管与在其端部的内磁极19c，19d一起构成第二磁轭191，而第二定子19的外管与在其端部的外磁极19a，19b一起构成第四磁轭192。另外在实施例3中，转子的磁体1可不仅在外表面而且在内表面按圆周划分为n部分且被交错磁化为N和S，如实施例2一样，从而可有效地增加电动机输出。
图6至8解释实施例4的步进电动机，分别为步进电动机的纵向截面图，沿图6中直线7-7的横截面图和沿图6中直线8-8的横截面图。
参照图6至8，磁体环1由环形永磁体组成，如图7和8所示，它被按圆周划分为四个相等的部分并在径向方向被交错磁化为N和S极。
在磁环1两侧位置同轴地提供有线圈2，3。
由软磁性材料形成的第一磁轭4提供有插入线圈2的内部并与磁环1的内表面相对的管形磁极部分4a。
由软磁性材料形成的第二磁轭5提供有插入线圈3的内部并与磁环1的内表面相对的管形磁极部分5a。
由软磁性材料形成的具有管形形状的第三磁轭6被构成为覆盖线圈2，3和磁环1的外表面，如图6所示。第三磁轭与第一磁轭和第二磁轭固定。
输出轴7在其较大直径部分7c与磁环1固定且被构成为与之整体地转动。输出轴7在较大直径部分7c两侧上的部分7a，7b被第一和第二磁轭4，5的开口4b，5b可转动地支撑。
可线性移动的管8在其外表面8a处被滑动安装在第一磁轭4的内表面4c上，且提供有与在输出轴7上形成的外螺纹部分7d配合的内螺纹8b。可线性移动的管8进一步提供有凹槽8c，并表现为不在圆周方向而通过滑动地嵌入上述凹槽8c的第一磁轭的销4d仅在轴向移动。由于这种机构，管8通过输出轴7的转动而被沿轴向移动。
第三磁轭6在磁环1与第一磁轭4的磁极部分4a在轴向基本重迭的范围内和预定的圆周范围内提供有与磁环1的外表面相对的较小的内径的部分6e，6f(参见图8)。此外还形成有在磁环1与第二磁轭5的磁极部分5a在轴向基本重迭的范围内和预定的圆周范围内的与磁环1的外表面相对的较小的内径的部分6a，6b(参见图7)。上述预定圆周范围在本实施例中是90°，这也是磁环1磁化的角间距。
如图7和图8所示，部分6e，6f与第三磁轭6的部分6a，6b互相间隔45°相位。该相位间隔理想地是90°/n，其中2n是磁环1的极数。在本实施例中由于n＝2，相位差是45°。
线圈2通电在第一磁轭4的磁极部分4a和第三磁轭6的部分6e，6f间产生磁通，但在较大内径部分6g，6h(参见图8)与第一磁轭4的磁极部分4a之间几乎不产生磁通。
类似地线圈3通电在第二磁轭5的磁极部分5a和第三磁轭6的部分6a，6b间产生磁通，但在较大内径部分6c，6d(参见图7)与第二磁轭5的磁极部分5a之间几乎不产生磁通。
通过交错切换加到线圈2，3的电流的方向，部分6a，6b和部分6e，6f根据电流的方向被切换为N或S极，从而使磁环1转动。因而与输出轴1的外螺纹啮合的可线性移动管8被沿轴向推进。
在本实施例中，由线圈2产生的磁通的位置与由线圈3产生的磁通的位置在转动方向的相对位置关系由在单个第三磁轭6上形成的部分6a，6b和部分6e，6f之间的相对位置关系确定，因而电动机的精度可以提高，而且能够以恒定的性能制造，而与个别的性能变动无关。
此外在本实施例中，线圈同轴地(同心地)提供有输出轴因而整个电动机被形成为小直径的管形。因此，当将其置于照相机的镜头管内时，与延迟公开的第3-180823号日本专利申请作为例子公开的弧形步进电动机相比它占据的圆周面积较小，因而其他的结构部件或驱动单元如快门可被容易地布置在同一平面内。
图9是采用以上任意实施例的步进电动机用来移动照相镜头的推进装置的分解透视图。在这样的推进装置中，步进电动机被提供在镜头管内且照相镜头利用可线性移动管8通过电动机输出轴沿轴向移动。
在图9中表示出照相镜头9和在其内表面10a支撑照相镜头9的镜头架10。可线性移动管8被安装在镜头架耳部10b处，因而与之在轴向整体地移动。
导引轴11被固定在镜头架10的凸出部分10c处。导引管12被固定在镜头管上(未示出)。导引轴11滑动安装在导引管12的内表面12a内且在轴向可移动地导引镜头架10。
在镜头架10和镜头管的基板(未示出)间提供有螺旋弹簧13，施加一偏置力以分离镜头架10和镜头管的基板，从而消除上述输出轴7和第一或第二磁轭4，5之间的间隙和输出轴7的外螺纹部分7c和可线性移动管8的内螺纹部分之间的间隙。此外通过在基板(未示出)上提供的销14与镜头架10的U形槽10d的滑动啮合可防止镜头架10绕镜头架10的导引轴11的转动。
在上面解释的配置中，输出轴7的转动使可线性移动管8沿着光轴方向移动，因而照相镜头9根据输出轴7的转动量被沿轴向驱动。起照相镜头9的驱动源作用的步进电动机在镜头管的圆周方向(用箭头D表示)仅占据相对较小的部分，因而可将用于快门的另一驱动单元布置在同一平面内。
由于由输出轴7的外螺纹部分7c和可线性移动管8的外螺纹部分8b组成的推进机构被包含在第三磁轭6中，包括驱动源的推进装置能够以小型的形式实现。在本实施例中，可线性移动管8被用于驱动镜头架，但它也可被用于驱动其他可移动部件，例如取景器的镜头或用于光圈切换的避光框。
在本发明的本实施例4中，转子的磁体1被按圆周划分为n部分且不仅在外表面而且也在内表面被交错磁化为S和N极，但也可以象实施例1中那样，只将磁体1的外表面划分为n部分(在本实施例中为4部分)并将该外表面交错磁化。
图10至12解释本发明的实施例5的步进电动机，分别为仅表示步进电动机的第三磁轭的纵向截面图，沿图10中直线6的横截面图，和只有第三磁轭的透视图。
在本实施例的第三磁轭6中，内径较小的部分6a，6b，6f，6e(向内突出的部分)通过从外表面冲压而形成。这种结构与实施例4的结构相比提供了更易于制造的优点。
图13至15解释本发明的实施例6的步进电动机，分别为仅表示实施例6的步进电动机的纵向截面图，沿图13中直线14-14的横截面图，和只有步进电动机的第三磁轭的透视图。
实施例6采用了第三磁轭16，而不是实施例4的第三磁轭6。第三磁轭16在实施例4的第三磁轭6中解释的轴向范围提供有开孔16c，16d，而不是由部分6a，6b确定的较大内径的部分6c，6d，此外在类似的轴向范围内，提供有开孔16g，16h，而不是由部分6e，6f确定的部分6g，6h。开孔16c，16d和开孔16g，16h按圆周间隔45°。因此由线圈3通电产生的磁通在第二磁轭5和部分16a，16b之间通过。该情形对应于实施例4中第三磁轭6的部分6a，6b和第二磁轭之间的关系。
类似地，由线圈2通电产生的磁通在部分16g，16h以外的部分和第二磁轭之间通过，对应于实施例4中第一磁轭4和第三磁轭6的部分6e，6f之间的位置。
因而可象实施例4和5一样可通过连续切换加至线圈2，3的电流的方向而转动磁环1。
由于实施例6的第三磁轭16与实施例4和5中的第三磁轭6相比缺少了凸出部分6a，6b，6e，6f，因而磁环1的外径相应地可被做得更大，因而电动机的输出可提高。上面提到的开孔也可在第一和第二磁轭中而不是在第三磁轭中提供。
图16至18H解释本发明实施例7的步进电动机，分别是步进电动机的分解透视图，步进电动机处于组装后状态的截面图，和沿着图17中的直线A-A和B-B的截面图。
参照图16，构成转子的中空圆柱永磁体1提供有由通过将磁体的外表面按圆周划分为n部分(本实施例中为4部分)并将这些部分交错磁化为S极和N极而形成的被磁化的部分1a，1b，1c，1d组成的第一磁化层，和由通过将磁体的外表面按圆周划分为n部分(本实施例中为4部分)并将这些部分交错磁化为S极和N极而在轴向相邻位置形成的被磁化的部分1e，1f，1g，1h组成的第二磁化层。第一和第二磁化层被以180°/n或45°的相位间隔磁化。在第一磁化层中，被磁化部分1a，1c被磁化为S级而部分1b，1d被磁化为N级，而在第二磁化层中，被磁化部分1e，1g被磁化为S级而部分1f，1h被磁化为N级。
构成转子轴的输出轴7固定在永磁体1上。转子由转动轴和永磁体构成。圆柱形线圈2，3与永磁体1呈同心状在其轴向两侧提供，且外直径约等于永磁体1的外径。
由软磁体材料组成的第一和第二定子18，19分别由外管和内管组成。在第一定子18的外管和内管之间提供线圈2，该线圈在通入电流后使第一定子18磁化。第一定子18的外管和内管在其端部形成为外磁极18a，18b和内磁极18c，18d。内磁极18c，18d互相间隔360°/(n/2)或180°以处于同相位，且外磁极18a被提供在与内磁极18c相对的位置处，而外磁极18b被提供在与内磁极18d相对的位置处。第一定子18的外磁极18a，18b和内磁极18c，18d被提供在分别与在永磁体1的端部的外表面和内表面相对的位置处，从而将这一端部夹在中间。转动轴7的端部可转动地安装在第一定子18的一个孔18e内。
在第二定子19的外管和内管之间提供线圈3，该线圈在通入电流后使第二定子19磁化。第二定子19的外管和内管在其端部构成外磁极19a，19b和内磁极19c，19d。内磁极19c，19d互相间隔360°/(n/2)或180°以处于同相位，且外磁极19a被提供在与内磁极19c相对的位置处，而外磁极19b被提供在与内磁极19d相对的位置处。第二定子19的外磁极19a，19b和内磁极19c，19d被提供在分别与在永磁体1的一端部的外表面和内表面相对的位置处，从而将该端部夹在中间。转动轴7的一端部可转动地安装在第二定子19的一个孔19e内。
由非磁性材料圆柱状部件组成的联接环20在一端的内表面上提供有凹槽20a，20b，而在另一端提供有与凹槽20a，20b在相位上间隔45°的凹槽20c，20d。第一定子18的外磁极18a，18b装在凹槽20a，20b中而第二定子19的外磁极19a，19b装在凹槽20c，20d中且这些安装部位与有粘性的材料固定在一起以将第一和第二定子18，19安装在联接环20上。
第一和第二定子18，19按以下方式安装在联接环20上：外磁极18a，18b和内磁极18c，18d的端部分别与外磁极19a，19b和内磁极19c，19d的端部相对且外磁极18a，18b和外磁极19a，19b互相隔开联接环20的内部突出部分20e，20f的宽度。
图17是步进电动机的截面图，图18A，18B，18C和18D是沿图17中直线A-A的截面图，而图18E，18F，18G和18H是沿图2中直线B-B的截面图。图18A和18E是同一时刻的截面图，此外图18B和18F是同一时刻的截面图，图18C和18G是同一时刻的截面图，图18D和18H是同一时刻的截面图。
下面将解释本实施例的步进电动机的功能。在图18A和18E所示的状态，线圈2和3的通电方式是使第一定子18的外磁极18a，18b磁化为N极，内磁极18c，18d磁化为S极，第二定子19的外磁极19a，19b磁化为S极和内磁极19c，19d磁化为N极，用以使永磁体1逆时针转动45°以达到图18B和18F所示的状态。
然后将供给线圈2的电流反向使第一定子18的外磁极18a，18b磁化为S极，内磁极18c，18d磁化为N极，第二定子19的外磁极19a，19b磁化为S极和内磁极19c，19d磁化为N极，用以使永磁体1逆时针再转动45°以达到图18C和18G所示的状态。
然后将供给线圈3的电流反向使第二定子19的外磁极19a，19b磁化为S极和内磁极19c，19d磁化为N极，第一定子18的外磁极18a，18b磁化为S极，内磁极18c，18d磁化为N极，用以使构成转子的磁体1逆时针再转动45°以达到图18D和18H所示的状态。因而供应线圈2，3的电流被连续切换从而永磁体1转动到与电流供应对应的相位的位置。
下面将解释为什么上面解释的配置对于实现超小型步进电动机是最优的。
步进电动机的基本配置的特征是：
1)永磁体的中空圆柱形结构；
2)对由划分永磁体外表面形成的n个部分的交错磁化；
3)在永磁体轴向的第一线圈，永磁体和第二线圈的布置；和
4)分别由第一和第二线圈磁化的第一和第二定子的外磁极和内磁极，被布置为分别与永磁体的外表面和内表面相对。
结果本步进电动机仅要求允许在磁体直径外布置定子磁极的直径，和等于永磁体长度与第一和第二线圈长度之和的长度。由于步进电动机的尺寸由磁体和线圈的直径和长度这样确定，因而通过使该直径和长度最小化而可以将电动机制成超小型的。
这种对磁体和线圈的直径和长度的最小化使得保持步进电动机的输出精度有困难，但这种困难可通过将永磁体形成为中空圆柱形并将第一和第二定子的外磁极和内磁极布置为与这样的中空圆柱形磁体的外表面和内表面相对这样的简单结构而避免。通过不仅磁化磁体的外表面而且也磁化磁体的内表面可使得电动机输出更加有效，如后面将要解释的实施例8的情况。
图19A至19H解释本发明的实施例8并示出了步进电动机转子的旋转操作。在以上本发明的实施例7中，构成转子的永磁体1按圆周分为n部分且在其外表面被交错磁化为N极和S极，但在本实施例中，永磁体1不仅在其外表面，而且在其内表面也划分为n部分(本实施例中为4部分)且交错磁化为S和N。永磁体1的内表面的每部分按照与外表面上相邻部分相反的方式被磁化。更具体地说对应与被磁化部分1a，1c的内表面部分被磁化为N极而对应与被磁化部分1b，1d的内表面部分被磁化为S极。
在本实施例8中，由于不仅永磁体1的外表面而且其内表面也按圆周划分为n部分且被交错磁化为N极和S极，所以根据永磁体1的内表面和第一定子18的内磁极18c，18d及第二定子19的内磁极19c，19d之间的关系可增加电动机的输出。
下面将参照图20至22H解释构成本发明的实施例9的步进电动机，其中与图16至18H所示的实施例7中相同的部件用同样的数字表示。在上面的实施例7中外管和内管在每一第一和第二定子18，19中整体地形成，但在本实施例8中，第一和第二定子18，19的外管整体地形成而第一和第二定子18，19的内管则独立地形成，如图20所示。
图20是本发明的实施例9的步进电动机的分解透视图，而图21是该步进电动机在组装后状态的纵截面图，且图22A至22H是沿着图21中的直线A-A和B-B的截面图。
参照图20至22H，圆柱形永磁体1提供有由通过将圆周划分为n部分(本实施例中为4部分)并将这些部分交错磁化为S极和N极而形成的被磁化的部分1a，1b，1c，1d组成的第一磁化层，和由通过类似地将圆周划分为4部分并将这些部分交错磁化为S极和N极而形成的被磁化的部分1e，1f，1g，1h组成的第二磁化层。第一和第二磁化层被以180°/n或45°的相位间隔磁化。在本实施例中，按以下方式磁化：第一磁化层的部分1a，1c和第二磁化层的部分1e，1g在外表面上为S极且在内表面上为N极而第一磁化层的部分1b，1d和第二磁化层的部分1f，1h在外表面上为N极且在内表面上为S极。
转动轴7固定在永磁体1上。转子由转动轴7和永磁体1构成。线圈2，3与永磁体1呈同心状在其轴向两侧提供，且外直径基本等于永磁体1的外径。由软磁性材料组成的第一磁轭4提供有被插入线圈2的内部2a的部分4d，和与上述永磁体1的第一磁化层的内部相对的齿4b，4c。齿4b，4c互相间隔360°/(n/2)或180°，以便与第一磁化层的极保持同相位。转动轴7的部分7a可转动地安装在第一磁轭4的一个孔4a内。
由软磁性材料组成的第二磁轭5提供有被插入线圈3的内部3a的部分5d，和与上述永磁体1的第二磁化层的内部相对的齿5b，5c。齿5b，5c互相间隔360°/(n/2)或180°，以便与第二磁化层的极保持同相位。转动轴7的部分7b可转动地安装在第二磁轭5的一个孔5a内。
由于被插入的部分4d和第一磁轭4的齿4b，4c的直径相同且被插入的部分5d和第二磁轭5的齿5b，5c的直径相同，因而线圈容易插入。第一磁轭4的齿4b，4c和第二磁轭5的齿5b，5c处于同相位，即在轴向处于互相相对的位置。第三磁轭6由软磁性材料组成。由于线圈2，3和永磁体1具有基本相同的外径，第三磁轭以简单的管形构成，从而覆盖线圈2，3和与之有适当的间隙地覆盖永磁体的1的外表面。
第三磁轭6在部分65与第一磁轭4的部分4c连接且在部分66与第二磁轭5的部分5c连接。第三磁轭6在第一磁轭4的齿4b，4c和第二磁轭5的齿5b，5c经过永磁体1互相相对的位置处提供有部分61，62，且在其它位置提供有孔63，64。由于第一磁轭4的齿4b，4c和第二磁轭5的齿5b，5c处于同相位，与这些齿相对的第三磁轭6的磁极部分61，62可保持简单的形状，如图20所示，并且易于制造，例如通过冲压。此外在上面解释的结构中，第一与第三磁轭4，6之间和第二与第三磁轭5，6之间的气隙主要地被永磁体1填充，由线圈2，3通电而产生的磁通被有效地作用到永磁体上以提高电动机的输出。
图21是步进电动机的截面图，图22A，22B，22C和22D是沿图21中直线A-A的截面图，而图22E，22F，22G和22H是沿图21中直线B-B的截面图。图22A和22E是同一时刻的截面图，此外图22B和22F是同一时刻的截面图，图22C和22G是同一时刻的截面图，图22D和22H是同一时刻的截面图。
下面将解释本实施例的步进电动机的功能。在图22A和22E所示的状态，线圈2和3的通电方式是使第一磁轭4的齿4b，4c磁化为S极，与齿4b，4c相对的第三磁轭6的部分61，62磁化为N极，第二磁轭的齿5b，5c磁化为S极，与齿5b，5c相对的第三磁轭6的部分61，62磁化为N极，用以使永磁体1逆时针转动45°以达到图22B和22F所示的状态。
然后将加到线圈2上的电流反向使第一磁轭4的齿4b，4c磁化为N极，与齿4b，4c相对的第三磁轭6的部分61，62磁化为S极，第二磁轭的齿5b，5c磁化为S极，与齿5b，5c相对的第三磁轭6的部分61，62磁化为N极，用以使永磁体1进一步逆时针转动45°以达到图22C和22G所示的状态。
然后将加到线圈3上的电流反向使第二磁轭5的齿5b，5c磁化为N极，与齿5b，5c相对的第三磁轭6的部分61，62磁化为S极，用以使永磁体1进一步逆时针转动45°以达到图22D和22H所示的状态。因而供应线圈2，3的电流被连续切换用以使永磁体1转动到与电流供应对应的相位的位置。
在本发明的实施例9中，构成转子的永磁体1不仅在外表面而且也在内表面按圆周划分为n部分且交错磁化为S和N极，但在本发明中，构成转子的永磁体1的外表面也可独自按圆周划分为n部分且交错磁化为S和N极。
图23和24解释本发明的实施例10的步进电动机，其中图23是步进电动机的分解透视图而图24是其截面图。与以上外管和内管整体地形成在每个第一和第二定子18，19中的实施例7相比，本实施例10中的外管和内管独立地形成在每个第一和第二定子18，19中，如图23和24所示。更具体地，第一定子18的内管与在其端部的内磁极部分18c，18d一起构成第一磁轭181，而第一定子18的外管与在其端部的外磁极18a，18b一起构成第三磁轭182。另外第二定子19的内管与在其端部的内磁极19c，19d一起构成第二磁轭191，而第二定子19的外管与在其端部的外磁极19a，19b一起构成第四磁轭192。另外在实施例10中，转子的磁体1可不仅在外表面而且在内表面按圆周划分为n部分且被交错磁化为N和S极，如实施例8一样，从而可有效地增加电动机输出。
图26是转子的放大透视图，而27A，27B，28A，28B，29A，29B，30A和30B是表示永磁体1的相位关系的图，其中A表示第一磁化层而B表示第二磁化层。如果第三磁轭是象图25所示的实施例9那样整体地形成的，结果磁通穿过第三磁轭6从永磁体1的第一磁化层C和第二磁化层D之间流过。结果转矩变动力在图27A，27B，29A和29B所示的永磁体1的转动位置处比在图28A，28B，30A和30B所示的永磁体1的转动位置处要强。这种具有较强转矩变动的相位在一次循环中出现四次，间距为90°。由于本电动机通过8次切换加到线圈2，3上的电流而转动一整圈，因而由线圈2，3通电而产生的电磁力不会必须和转矩变动力相一致。
由于这一原因所产生的驱动力表现出明显的波动而得到的转动变得不平稳。在实施例10中，由于第三磁轭182和第四磁轭192由非磁性材料的连接环20进行磁隔离，通过第三和第四磁轭182和192在第一磁化层和第二磁化层之间基本不会产生磁通的流动，因而转矩变动产生8次，即由第一磁化层以90°间距产生4次和由第二磁化层相差45°以90°间距产生4次。由于转矩变动以45°间距产生，产生的驱动力表现出较小的波动以提供电动机的更平稳的转动。
尽管上面的实施例是以步进电动机解释的，但本发明并不限于这些实施例还可通过根据转子的位置例如利用霍尔元件切换电流供应而自然地应用到无刷电动机上。
如上面详细解释的，本发明提供包括以圆柱形形成的且至少在其外表面按圆周划分为n部分并交错磁化为不同的磁极的磁体的电动机，其中第一线圈，磁体和第二线圈按该顺序沿着磁体的轴向布置，且由第一线圈磁化的第一外磁极和内磁极被布置为在磁体的一端分别与外表面和内表面相对而由第二线圈磁化的第二外磁极和内磁极被布置为在磁体的另一端分别与外表面和内表面相对。因而可提供与常规配置不同的而且对于得到超小型电动机是最优的全新配置的电动机。
此外根据本发明，通过提供具有一个磁化层或两个磁化层的磁体可得到类似的效果。更具体地说，具有这样的两个磁化层的电动机包括以圆柱形形成的永磁体且提供有按圆周至少将其外表面划分为n个部分且将这些部分交错磁化为不同的磁极而形成的第一磁化层，和提供有按圆周至少将其外表面按照与第一磁化层的相间距为180°/n划分为n个部分且将这些部分交错磁化为不同的磁极而形成的第二磁化层，其中第一线圈，永磁体和第二线圈按该顺序沿着永磁体的轴向布置，且由第一线圈磁化的第一外磁极和内磁极被布置为分别与永磁体的第一磁化层的外表面和内表面相对而由第二线圈磁化的第二外磁极和内磁极被布置为分别与永磁体的第二磁化层的外表面和内表面相对。
在这种一层或两层结构的电动机中，电动机的直径通过将第一和第二外磁极以互相相对的方式布置在永磁体的外表面上来确定，而电动机的轴向长度通过依次将第一线圈，永磁体和第二线圈沿着永磁体的轴向布置来确定。结果电动机可实现超小型化，而且这种配置对于超小型电动机是最优的。
此外通过将永磁体形成为中空的圆柱形并将第一和第二外磁极和内磁极分别布置在这样的中空圆柱形永磁体的外表面和内表面上也可得到有效的电动机输出。另外，由于第一和第二定子可由同一部件组成，因而可提供一种允许易于组装和降低性能波动的电动机。
这样的电动机应用在照相机的镜头推进装置上时，允许提供一种小型的推进装置。

Claims (26)

1.一种电动机，包括：
以圆柱形形成的磁体，至少在其外表面按圆周被划分为n部分并被交错磁化为不同的磁极；
在所述磁体轴向提供并隔着所述磁体布置的第一和第二线圈；
由所述第一线圈磁化并与所述磁体的一端的外表面相对的第一外磁极；
由所述第一线圈磁化并与所述磁体的一端的内表面相对的第一内磁极；
由所述第二线圈磁化并与所述磁体的另一端的外表面相对的第二外磁极；和
由所述第二线圈磁化并与所述磁体的另一端的内表面相对的第二内磁极。
2.根据权利要求1的电动机，其中所述磁体的内表面按圆周划分为n部分并交错磁化为不同的磁极，这些磁极与外表面上相邻位置处的磁极不同。
3.根据权利要求1的电动机，其中所述第一外磁极和内磁极构成第一定子，而所述第二外磁极和内磁极构成第二定子。
4.根据权利要求3的电动机，其中所述第一定子的第一外磁极和所述第二定子的第二外磁极通过圆柱形连接部件相连。
5.根据权利要求1的电动机，其中所述具有互相相对的关系的第一外磁极和内磁极与所述具有互相相对的关系的第二外磁极和内磁极间隔180°/n。
6.根据权利要求1的电动机，其中所述第一和第二线圈形成有约等于所述磁体直径的直径。
7.根据权利要求1的电动机，其中所述第一内磁极以第一磁轭形成，所述第二内磁极以第二磁轭形成，所述第一外磁极以第三磁轭形成，及所述第二外磁极以第四磁轭形成，并且所述第一和第二外磁极通过圆柱形连接部件相连。
8.一种电动机，包括：
圆柱形磁体，沿圆周方向被等分并在径向被交错磁化为不同的磁极；
与所述磁体呈同心关系并在其两端提供的第一和第二线圈；
插入所述第一线圈内表面并按照与所述磁体的内表面相对并具有间隙的方式提供的第一管形磁轭；
插入所述第二线圈内表面并按照与所述磁体的内表面相对并具有间隙的方式提供的第二管形磁轭；和
覆盖所述第一和第二磁轭及所述磁体的外表面的第三磁轭。
9.一种电动机，包括：
圆柱形磁体，按圆周被等分为2n部分并在径向被交错磁化为不同的磁极；
与所述磁体呈同心关系并在其两端提供的第一和第二线圈；
插入所述第一线圈内表面并按照与所述磁体的内表面相对并具有间隙的方式提供的第一管形磁轭；
插入所述第二线圈内表面并按照与所述磁体的内表面相对并具有间隙的方式提供的第二管形磁轭；和
覆盖所述第一和第二磁轭及所述磁体的外表面的第三磁轭；
其中所述第三磁轭在所述磁体与所述第一磁轭在轴向基本重迭位置处，在预定的圆周范围内提供有具有相对的较小的内径的第一磁极部分，并且在所述磁体与所述第二磁轭在轴向基本重迭位置处，在预定的圆周范围内提供有具有相对较小的内径的第二磁极部分，并且所述第一和第二磁极部分在圆周方向互相间隔90°/n。
10.根据权利要求9的电动机，其中所述第三磁轭的第一和第二磁极部分通过使所述第三磁轭比所述第三磁轭的其它部分向内厚度加大而形成。
11.根据权利要求9的电动机，其中所述第三磁轭的第一和第二磁极部分通过在所述第三磁轭中形成与所述第三磁轭的其它部分相比有向内突出部分而得到。
12.一种电动机，包括：
圆柱形磁体，按圆周被等分为2n部分并在径向被交错磁化为不同的磁极；
与所述磁体呈同心关系并在其两端提供的第一和第二线圈；
插入所述第一线圈内表面并按照与所述磁体的内表面相对并具有间隙的方式提供的第一管形磁轭；
插入所述第二线圈内表面并按照与所述磁体的内表面相对并具有间隙的方式提供的第二管形磁轭；和
覆盖所述第一和第二磁轭及所述磁体的外表面的第三磁轭；
其中所述第三磁轭在所述磁体与所述第一磁轭在轴向基本重迭位置处，提供有在预定的圆周范围内的第一开孔，并且在所述磁体与所述第二磁轭在轴向基本重迭位置处，提供有在预定的圆周范围内的第二开孔，并且所述第一和第二开孔在圆周方向互相间隔90°/n。
13.一种推进装置，包括：
一种电动机，包括：
a)以圆柱形形成的磁体，至少在其外表面按圆周被划分为n部分并被交错磁化为不同的磁极，所述磁体具有一输出轴；
b)在所述磁体轴向提供并隔着所述磁体布置的第一和第二线圈；
c)由所述第一线圈磁化并与所述磁体的一端的外表面相对的第一外磁极；
d)由所述第一线圈磁化并与所述磁体的一端的内表面相对的第一内磁极；
e)由所述第二线圈磁化并与所述磁体的另一端的外表面相对的第二外磁极；和
f)由所述第二线圈磁化并与所述磁体的另一端的内表面相对的第二内磁极；
用来将电动机的磁体的输出轴的转动运动转换为线性运动的转换装置；和
由来自所述转换装置的线性运动线性驱动的可线性移动的装置。
14.根据权利要求13的推进装置，其中所述可线性移动的装置与支撑镜头的镜头架固定在一起。
15.一种推进装置，包括：
一种电动机，包括：
a)圆柱形磁体，按圆周被等分并在径向被交错磁化为不同的磁极；
b)与所述磁体呈同心关系并在其两端提供的第一和第二线圈；
c)插入所述第一线圈内表面并按照与所述磁体的内表面相对并具有间隙的方式提供的第一管形磁轭；
d)插入所述第二线圈内表面并按照与所述磁体的内表面相对并具有间隙的方式提供的第二管形磁轭；和
f)覆盖所述第一和第二磁轭及所述磁体的外表面的第三磁轭；
用来将电动机的磁体的输出轴的转动运动转换为线性运动的转换装置；和
由来自所述转换装置的线性运动线性驱动的可线性移动的装置。
16.根据权利要求15的推进装置，其中所述转换装置包括在所述磁体的输出轴上提供的第一螺纹装置，在所述可线性移动的部件上提供的并与所述第一螺纹装置啮合的第二螺纹装置，和在所述可线性移动的装置与所述第一或第二磁轭之间提供以使得所述可线性移动的装置能够线性移动并阻止其转动的限位装置。
17.根据权利要求15的推进装置，其中所述可线性移动的装置与支撑镜头的镜头架固定在一起。
18.一种电动机，包括：
圆柱形的磁体，提供有至少在其外表面按圆周被划分为n部分并被交错磁化为不同的磁极的第一磁化层，和至少在其外表面在轴向相邻位置按圆周被划分为n部分并被交错磁化为不同的磁极的第二磁化层；
与所述磁体同心地并在其两端上提供的第一和第二线圈；
由所述第一线圈磁化并与所述磁体的第一磁化层的外表面相对的第一外磁极；
由所述第一线圈磁化并与所述磁体的第一磁化层的内表面相对的第一内磁极；
由所述第二线圈磁化并与所述磁体的第二磁化层的外表面相对的第二外磁极；和
由所述第二线圈磁化并与所述磁体的第二磁化层的内表面相对的第二内磁极。
19.根据权利要求18的电动机，其中所述磁体的第一和第二磁化层的内表面按圆周划分为n部分并交错磁化为不同的磁极，这些磁极与外表面上相邻位置处的磁极不同。
20.根据权利要求18的电动机，其中所述第一外磁极和内磁极被提供为分别与所述第二外磁极和内磁极相对。
21.根据权利要求18的电动机，其中所述第一外磁极和内磁极构成第一定子，而所述第二外磁极和内磁极构成第二定子。
22.根据权利要求21的电动机，其中所述第一定子的第一外磁极和所述第二定子的第二外磁极通过圆柱形连接部件相连。
23.根据权利要求18的电动机，其中所述第一和第二线圈按约等于所述磁体直径的直径形成。
24.根据权利要求18的电动机，其中所述第一内磁极以第一磁轭形成，所述第二内磁极以第二磁轭形成，所述第一外磁极以第三磁轭形成，及所述第二外磁极以第四磁轭形成，并且所述第一和第二外磁极通过圆柱形连接部件相连。
25.一种电动机，包括：
圆柱形的磁体，提供有至少在其外表面按圆周被划分为n部分并被交错磁化为不同的磁极的第一磁化层，和至少在其外表面在轴向相邻位置按圆周被划分为n部分并被交错磁化为不同的磁极的第二磁化层；
与所述磁体呈同心关系并在其两端提供的第一和第二线圈；
插入所述第一线圈内表面并按照与所述磁体的第一磁化层的内表面相对并具有间隙的方式提供的第一管形磁轭；
插入所述第二线圈内表面并按照与所述磁体的第二磁化层的内表面相对并具有间隙的方式提供的第二管形磁轭；和
覆盖所述第一和第二磁轭及所述磁体的外表面的第三磁轭。
26.一种电动机，包括：
圆柱形的磁体，提供有至少在其外表面按圆周被划分为n部分并被交错磁化为不同的磁极的第一磁化层，和至少在其外表面在轴向相邻位置按圆周被划分为n部分并被交错磁化为不同的磁极的第二磁化层；
与所述磁体呈同心关系并在其两端提供的第一和第二线圈；
插入所述第一线圈内表面并按照与所述磁体的第一磁化层的内表面相对并具有间隙的方式提供的第一管形磁轭；
插入所述第二线圈内表面并按照与所述磁体的第二磁化层的内表面相对并具有间隙的方式提供的第二管形磁轭；和
在一端与所述第一磁轭相连，覆盖所述第一磁轭的外表面，并且在另一端具有与所述磁体的第一磁化层的外表面相对的磁极部分的第三磁轭；
在一端与所述第二磁轭相连，覆盖所述第二磁轭的外表面，并且在另一端具有与所述磁体的第二磁化层的外表面相对的磁极部分的第四磁轭；和
用来同心地支撑所述第三和第四磁轭的连接部件。
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