CN1816961A - 步进电机 - Google Patents

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Abstract

公开了一种步进电机，包括：具有四个磁极的转子，由第一线圈励磁的第一磁极，由第二线圈励磁的第二磁极，以及由第一线圈和第二线圈励磁的第三磁极。在该步进电机中，第三磁极与转子之间的间隙被形成为小于第一磁极或第二磁极与转子之间的间隙。因此，增大了第三磁极的磁场对转子的影响。结果，可以相对减弱倾向于加强的第一磁极和第二磁极的磁场对转子的影响，从而减小转子在开始转动时的转矩。

Description

步进电机
技术领域
本发明总体上涉及用于摄像机等的小型步进电机，更具体地，涉及适用于驱动例如摄像机的快门、镜头、挡片等的步进电机。
背景技术
近年来，摄像机已经成为电子设备，其快门由步进电机驱动。此外，摄像机向小型化和轻量化升级，导致需要高精确度的小型步进电机。例如，专利文献1公开了同时激励设置在固定元件(定子)上的两个线圈并使转动元件(转子)转动的步进电机。
图7是示意性地示出专利文献1中公开的步进电机100的平面图。具有等腰梯形形状的定子103设置在转子101的外周。该定子103包括三个磁极104、105和106，还包括左边的第一线圈108和右边的第二线圈109。通过对提供给线圈108和109的电流的方向进行控制以改变磁场的方向，使由永磁体构成的转子101转动。此外，左线圈和右线圈对第三磁极106励磁，特别地，第三磁极106包括与转子101接近的突出部107。设置该突出部107以使得当没有建立磁场时转子101的N极(或S极)定位于该突出部107。
专利文献1：特公平2-2382号公报。
发明内容
本发明要解决的问题
然而，优选地将步进电机设计为以较小的功率损耗从停止状态开始转动。然而，上述步进电机100的转子101具有两个磁极，其被构成为使得在无磁场状态下使得S极或N极定位于突出部107。因此，上述步进电机100具有在开始转动时能量消耗大的缺点。
由此，本发明的目的是解决上述缺点并提供一种可以抑制转子开始转动时的功耗的步进电机。
解决问题的手段
根据本发明的一方面，提供了一种步进电机，包括：具有四个磁极的转子；由第一线圈励磁的第一磁极；由第二线圈励磁的第二磁极；以及由第一线圈和第二线圈励磁的第三磁极。第三磁极与转子之间的间隙小于第一磁极与转子之间的间隙以及第二磁极与转子之间的间隙。根据本发明，第三磁极与转子之间的间隙小于第一磁极与转子之间的间隙以及第二磁极与转子之间的间隙。通过使用这样的结构，可以加强来自第三磁极的磁场对具有四个磁极的转子的影响。由此，可以相对减弱倾向于加强对转子的影响的从第一磁极和第二磁极建立的磁场，使得能够减少转子开始转动时的功耗。因此，可以提供在开始转动时可以节省能量并损耗较少的功率并产生高驱动转矩的步进电机。
上述转子可以具有圆柱形状；平面图为大致横向U形的定子被设置为面对转子的外周面；第一磁极和第二磁极分别设置在定子的两端；第三磁极设置在定子的中央。此外，优选地，在前述步进电机中，第一线圈设置在第一磁极与第三磁极之间，第二线圈设置在第二磁极与第三磁极之间；定子包括用于防止第一线圈和第二线圈的移位的突部。使用这样的突部，使得第一线圈和第二线圈的位置稳定，可以提供具有更优选结构的步进电机。
此外，第一线圈和第二线圈连接到对其进行励磁的电流控制电路，可以通过改变从电流控制电路提供给第一线圈和第二线圈的电流方向来按两相励磁状态控制定子的转动。此外，第一线圈和第二线圈连接到对其进行励磁的电流控制电路，可以通过改变从电流控制电路提供给第一线圈和第二线圈中的任一个的电流方向来按一相励磁状态控制定子的转动。当提供电流以对第一线圈和第二线圈进行励磁从而控制对转子的驱动时，可以使转子按45°的转子步进角转动。此外，当提供电流以对第一线圈和第二线圈中的任一个进行励磁从而控制对转子的驱动时，可以使转子按90°的转子步进角转动。由此，因为可以如上所述地改变步进角，所以可以提供灵活性高的步进电机。
本发明的效果
根据本发明，可以加强从设置在定子的第三磁极建立的磁场对具有四个磁极的转子的影响。这使得可以相对减弱趋向于加强对转子的影响的从第一磁极和第二磁极建立的磁场，并提供转子制动转矩很小并抑制功耗的步进电机。
具体实施方式
以下参照附图来说明本发明的实施例。图1是示出根据本发明实施例的步进电机的主要组成部件的图。步进电机1包括转子2和定子3，转子2被设置在其中央并且能够沿两个方向转动，定子3被设置为面对转子2的外周。转子2具有圆形的横截面且具有圆柱形状。定子3被一体地形成为具有大致横向U形的平面图，并处于使转子2容纳于其内部空间的状态。此外，在图1中以定子3的横向U形的开口端朝上的状态示出步进电机1。
转子2包括由两个N磁极和两个S磁极组成的四个磁极。转子2是在具有相同极性的磁极彼此面对的位置被磁化的永磁体，并被设置为可以围绕轴21沿两个方向转动。具有上述横向U形的定子3的两端被形成为面对转子2的周面。两端分别是第一磁极11和第二磁极12。此外，在第一磁极11与第二磁极12的中间位置设置有第三磁极13。
在第一磁极11与第三磁极13之间卷绕有第一线圈4，在第二磁极12与第三磁极13之间卷绕有第二线圈5。当第一线圈4通电时第一磁极11被励磁，当第二线圈5通电时第二磁极12被励磁。与此相对，第一线圈4和第二线圈5二者都使第三磁极13励磁。由此，第三磁极13的励磁状态表现为第一线圈4和第二线圈5的通电状态的组合。
图1中用虚线示出了连接到步进电机1的第一线圈4和第二线圈5的电流控制电路25。根据本实施例，电流控制电路25提供电流以对第一线圈4和第二线圈5进行励磁。这样提供的电流包括设置的两种模式。在第一模式中，从电流控制电路25提供电流以对第一线圈4和第二线圈5都进行励磁，通过改变各个线圈中的电流提供方向来控制对转子2的驱动状态。在第一模式中，存在两种状态：一种状态是第一磁极11和第二磁极12被励磁为具有相同的磁性，另一种状态是第一磁极11和第二磁极12被励磁为分别具有不同类型的磁性。此时，如果第一磁极11和第二磁极12被励磁为具有相同的磁性，则导致第三磁极13建立比前述磁极的磁场更强的磁场。相反地，如果第一磁极11和第二磁极12被励磁为分别具有不同类型的磁性，则第三磁极13中的磁化相互抵消，导致无磁化状态。
在第二模式中，从电流控制电路25提供电流以对第一线圈4和第二线圈5中的任一个进行励磁，通过改变电流提供方向来控制对转子2的驱动状态。在第二模式中，仅仅对第一磁极11进行励磁或者仅仅对第二磁极12进行励磁，并通过改变电流提供方向将其改变为具有相反的极性。在第二模式中，第三磁极13被励磁为具有与已被励磁的第一磁极11或者第二磁极12的极性相反的极性。
在第一模式中，通过对第一线圈4和第二线圈5进行励磁的两相励磁状态来对控制转子2的驱动。另一方面，在第二模式中，通过仅仅对第一线圈4和第二线圈5中的任一个进行励磁的一相励磁状态来控制对转子2的驱动。稍后将参照附图详细说明在第一模式和第二模式中转子2的转动状态。
在步进电机1中，将转子2构成为包括四个磁极，特别地，将其构成为能够减小转动开始时的转矩。现在详细说明这一点。在步进电机1中，将转子2的周面与第一磁极11之间的间距以及转子2的周面与第二磁极12之间的间距设置为相同的间隙d。与此相对，将转子2的周面与第三磁极13之间的间距设置为小于间隙d的间隙D。将间隙D构成得很窄以加强从第三磁极13建立的作用在转子2上的磁场，并相对减弱从第一磁极11和第二磁极12建立的作用在转子2上的磁场。优选地，将间隙D设置为间隙d的大约0.3至1倍长。更优选地，大约0.8倍。
如果从第一磁极11和第二磁极12建立的磁场强烈地作用于转子2，则增大转子2在停止状态下的制动转矩。由此，在步进电机1中，将转子2的周面与第三磁极13之间的间隙D设置为很小并加强第三磁极13的影响，从而相对减小从第一磁极11和第二磁极12产生的作用于转子2的磁影响。这样，通过平均定子3与转子2之间的磁均衡来减小制动转矩。这使得可以减小步进电机1中的功耗。也将如上所述的常规步进电机设置为使得第三磁极靠近转子。前述步进电机中的转子包括两个磁极，将第三磁极设置为靠近转子以使得转子中的磁极之一停止为面对第三磁极。然而，在根据本实施例的步进电机1中，将第三磁极13设置于靠近转子2的表面以使得从各个磁极建立的作用于转子2的磁场均衡从而减小转矩。以这种方式，可以用看起来相似的结构获得不同的效果。这是因为根据本发明实施例的步进电机1应用了具有四个磁极的转子2。
以下，参照图2到图4来说明步进电机1中的转子2的转动。图2示出了上述第一电流提供模式，通过对第一线圈4和第二线圈5进行激励的两相励磁状态使转子2转动。图3和图4示出了上述第二模式，通过仅仅对第一线圈4和第二线圈5中的一个进行励磁的一相励磁状态使转子2转动。具体地，图3示出了对第一线圈4进行励磁的情况，图4示出了对第一线圈5进行励磁的情况。通过图1所示的电流控制电路25向如图2到图4所示的各线圈4和5提供电流，但在这些图中没有示出电流控制电路25。此外，为了便于理解，图3和图4仅仅示出通电的线圈。
参照图2，将说明步进电机1的转子2如何转动。图2示出了上述第一模式，还示出了对第一线圈4和第二线圈5进行励磁以使转子2沿顺时针方向(右手方向)按45°的步进角转动的情况。在图2(a)中示出了线圈4和5未通电的状态。在图2(b)至图2(e)中，按时间序列的方式示出了对提供给线圈4和5的电流进行控制并使转子2沿顺时针方向转动的情况。在图2(a)中，第一磁极11和第二磁极12未被励磁，转子2的N磁极和S磁极分别被设置为面向第一磁极11和第二磁极12。
在图2(b)中，从图2(a)所示的状态，对第一线圈4和第二线圈5通电，并且第一磁极11和第二磁极12都被励磁为S极。此时，在第三磁极13中N极被加倍地励磁。接着，在图2(c)中，从图2(b)所示的状态，第一磁极11的励磁状态保持为S极，第二磁极12被励磁为相反的N极。此时，N极和S极被励磁并且互相抵消，导致第三磁极13处于无磁化状态。以相同的方式，在图2(d)中，从图2(c)所示的状态，第一磁极11和第二磁极12都被励磁为N极。此时，在第三磁极13中S极被加倍地励磁。接着，在图2(e)中，从图2(d)所示的状态，第一磁极11中的励磁状态保持为N极，第二磁极12被励磁为相反的S极。此时，N极和S极被励磁并且互相抵消，导致第三磁极13处于无磁化状态。
如上所述，随着定子3中的磁极11至13的磁化状态逐渐变化，转子2如图所示地沿顺时针方向按45°的步进转动。这里，图2中的各图示出对第一线圈4和第二线圈5通电并且转子2位于完成了45°转动的位置。如图2(b)所示，当从图2(a)所示转子2的停止状态通过从电流控制电路25提供的电流对线圈11和12进行励磁时，沿顺时针方向向转子2提供转矩。当转子2开始沿顺时针方向转动时，因为第三磁极13设置在转子2的表面附近，所以步进电机1能够以相对较小的功耗开始转动。也就是说，可以减小从电流控制电路提供的电流量，能够节省能量地使转子2转动。
图3示出了上述第二电流提供模式的情况，还示出了按一相励磁状态仅对第一线圈4进行励磁以使转子2沿顺时针方向(沿右手方向)按90°的步进角转动的情况。在图3(a)中示出了线圈4和5未通电的状态。在图3(b)至图3(e)中，以时间序列的方式示出了对提供给线圈4的电流进行控制以使转子2沿顺时针方向按90°的步进转动的情况。在图3中，通过使提供给第一线圈4的电流方向反向来使第一磁极11的极性反转。此时，第三磁极13的极性与第一磁极相反。此外，第二磁极12不受线圈励磁，具有与第三磁极13的极性相同的极性。
首先，在图3(a)中，第一磁极11和第二磁极12不被励磁，与图2(a)所示的相同，转子2的N极和S极分别被设置为面向第一磁极11和第二磁极12。接着，在图3(b)中，从图3(a)的状态对第一线圈4通电，第一磁极11被励磁为S极。此时，第三磁极13和第二磁极被励磁为N极。在随后示出的图3(c)中，从图3(b)所示的状态，第一磁极11的励磁状态改变为N极，并且第三磁极13和第二磁极12被励磁为相反的S极。以相同的方式，在图3(d)中，从图3(c)所示的状态，第一磁极11被励磁为S极。此时，第三磁极13和第二磁极12被励磁为N极。接着，在图3(e)中，从图3(d)所示的状态，第一磁极11变成N极，第三磁极13和第二磁极12被励磁为相反的S极。
如上所述，随着定子3中的磁极11至13的磁化状态逐渐变化，转子2如图所示地沿顺时针方向按90°的步进转动。这里，图3中的各图示出了对第一线圈4通电并且转子2位于完成了90°转动的位置。如图3所示，当从图3(a)所示的转子2的停止状态如图3(b)所示地通过从电流控制电路25提供的电流对线圈4进行励磁并且转子2开始沿顺时针方向转动时，因为第三磁极13设置在转子2的表面附近，所以步进电机1能够以相对较小的功耗开始转动。这使得转子2能够节省能量地转动。这里，图3所示的示例展示了显著的优点：在第二线圈5处于停止状态的情况下，可以使转子2沿顺时针方向按90°的步进转动。
此外，图4示出上述第二电流提供模式的情况，还示出按一相励磁状态仅对第二线圈5进行励磁以使转子2沿逆时针方向按90°的步进角转动的情况。图4精确地示出图3中的动作的逆动作。也就是说，在图4(a)中，线圈4和5处于未通电的状态。在图4(b)到图4(e)中，按时间序列的方式示出了对提供给线圈5的电流进行控制以使转子2沿逆时针方向转动。在图4中，通过使提供给第二线圈5的电流反向来使第二磁极12的极性反转。然后，第三磁极13的极性与第二磁极的磁性相反。此外，第一磁极11不被线圈励磁，并具有与第三磁极13的磁性相同的极性。
也如图4所示，随着在定子3中的各磁极11到13的磁化状态逐渐变化，转子2沿逆时针按90°的步进转动。此外，当转子2开始沿逆时针方向转动时，第三磁极13设置在转子2的表面附近。这使得可以以相对小的转矩开始转动并抑制功耗。图4示出了在第一线圈4处于停止状态的情况下转子2可以沿逆时针方向以90°的步进转动的情况。
图5是示出具有适用于步进电机1的优选形状的定子的图。在图5中，与图1和图2的部件和结构相同的部件和结构具有相同的标号。定子3的第一磁极11和第二磁极12被构造为面对未示出的转子的周面，并被形成为纵向边较长以对应于转子的较长边的形状。定子3在两侧具有臂部31和32，并且臂部31和32连接到基部35。第三磁极13形成在基部35的中央。第三磁极13也被形成为与第一磁极11和第二磁极12相同的纵长形状。磁极11到13被形成为沿定子3的厚度的两个方向延伸的纵长形状。此外，可以使长度变为一半，仅在厚度方向上的一侧延伸而形成纵长形状。
定子3包括臂部31和32，用于对第一至第三磁极进行励磁的线圈4和5卷绕着臂部31和32。为了定位线圈4和5，在各臂部的后端设置有突部33和34。如此设置的突部33和34能够实现可以使分别卷绕臂部31和32的线圈4和5可靠地定位的结构。此外，在磁极11至13的上部形成有凹部37至39。根据本实施例的步进电机1与上下壳(case)一起并入到模块中。凹部37至39用于对要设置的壳进行定位。
图6是示出步进电机1的外观的透视图，其主要部件合并到模块中。此外，在图6中，与图1和图2的部件和结构相同的部件和结构具有相同的标号。图6示出了上壳7和下壳8从顶部和底部与主要部件设置在一起的模块。将这种步进电机模块用于摄像机的快门驱动部，实现了在起动时功耗较小的步进电机。通过用电流控制电路25控制电流，可以将步进角设置为45°、90°、135°、180°及更多。这使得可以提供步进角可调的灵活性高的步进电机。
本发明不限于上述实施例和其他实施例，在不脱离如权利要求所述的本发明的范围的情况下可以作出各种修改和变化。
附图说明
图1是示出根据实施例的步进电机的主要组成部件的图；
图2是示出根据实施例的步进电机的转子在两相励磁状态下转动的情况的图；
图3是示出根据实施例的步进电机的转子在一相励磁状态下顺时针方向转动的情况的图；
图4是示出根据实施例的步进电机的转子在一相励磁状态下逆时针方向转动的情况的图；
图5是示出具有适用于步进电机的优选形状的定子的图；
图6是示出具有步进电机的结构的模块的外观的透视图；以及
图7示意性地示出了常规的步进电机。

Claims (3)

1、一种步进电机，其特征在于包括：具有四个磁极的转子；由第一线圈励磁的第一磁极；由第二线圈励磁的第二磁极；以及由第一线圈和第二线圈励磁的第三磁极；
其中第三磁极与转子之间的间隙小于第一磁极和转子之间的间隙以及第二磁极与转子之间的间隙。
2、根据权利要求1所述的步进电机，其特征在于，转子具有圆柱形状；平面图为大致横向U形的定子被设置为面对转子的外周面；第一磁极和第二磁极被设置在定子的两端；并且第三磁极被设置在定子的中央。
3、根据权利要求2所述的步进电机，其特征在于，第一线圈被设置在第一磁极与第三磁极之间，第二线圈被设置在第二磁极与第三磁极之间；并且定子包括用于防止第一线圈和第二线圈的位移的突部。
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