JP2000184681A - ステッピングモータ - Google Patents

ステッピングモータ

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JP2000184681A
JP2000184681A JP10350297A JP35029798A JP2000184681A JP 2000184681 A JP2000184681 A JP 2000184681A JP 10350297 A JP10350297 A JP 10350297A JP 35029798 A JP35029798 A JP 35029798A JP 2000184681 A JP2000184681 A JP 2000184681A
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Japan
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stator
housing
rotors
stepping motor
rotor
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JP10350297A
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Toshihiro Idota
敏博 井戸田
Nuio Tsuchida
縫夫 土田
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Toyota Motor Corp
Toyota Gauken
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Gauken
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 吸引力及び反発力の両者を利用して回転トル
クを得るステッピングモータにおいて、反発力を有効に
利用できるようにする。 【解決手段】 ハウジング10内周上に固定されたステ
ータ11,12の内周面に、コイル13,14が周方向
に巻回されているとともに、それらの各両側には径方向
に突出した凸部11b,11c,12b,12cが周方
向に沿って等間隔にそれぞれ設けられている。ハウジン
グ10に回転可能に支持された第1〜第3回転軸15〜
17の外周上には第1〜第4ロータ21〜24が固定さ
れ、各ロータ21〜24に周方向に沿って固定された磁
石25〜28は前記各凸部にそれぞれ対向している。ハ
ウジング10、ころがり軸受18、又は第2及び第3回
転軸16,17を非磁性材料により構成して、ステータ
11,12の凸部と反発位置にあるロータにも磁束が十
分に通るようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、吸引力及び反発力
を用いてロータをステータに対して回転させるステッピ
ングモータに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種のステッピングモータは、
例えば特開平9−9602号公報に示されているよう
に、ハウジング内に固定されて断面円形に形成した内周
面に径方向に突出するとともに周方向に沿って等間隔に
設けた軸線方向に2列の凸部を有するステータと、ハウ
ジングに軸受を介して回転可能に支持された回転軸と、
回転軸に同軸的に固定され断面円形に形成した外周面に
磁石を周方向に沿って等間隔に配置してなり同外周面を
ステータの2列の凸部にそれぞれ対向させてなる第1及
び第2のロータと、ステータの2列の凸部の間にて同ス
テータの周方向に沿って巻回されてステータの2列の凸
部と第1及び第2のロータを通過する磁束を形成するコ
イルとを備え、第1及び第2のロータの磁石とステータ
の2列の凸部との間の吸引力及び反発力を用いて第1及
び第2のロータをステータに対して回転させるようにし
ている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のス
テッピングモータにあっては、第1又は第2のロータ
が、ステータの凸部とロータの磁石との間の反発力によ
り回転トルクを得ている回転位置にあるとき、コイルに
よって発生された磁束はステータの凸部と前記回転位置
にある第1又は第2のロータとからなる磁路を通過し難
くなる。一方、ハウジング、軸受、回転軸などは鉄など
の磁性材料で構成されているので、コイルにより発生さ
れる多量の磁束がステータ、ハウジング、軸受、回転
軸、及び第1又は第2のロータを通ることになる。した
がって、前記反発力を有効に利用することができず、ス
テッピングモータは大きな回転トルクを得ることができ
ない。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題に対
処するためになされたもので、その目的は、反発力を有
効に利用して大きな回転トルクを得ることができるステ
ッピングモータを提供することにある。
【0005】前記目的を達成するために、本発明の構成
上の特徴は、ハウジング内に固定されて断面円形に形成
した内周面に径方向に突出するとともに周方向に沿って
等間隔に設けた軸線方向に2列の凸部を有するステータ
と、ハウジングに軸受を介して回転可能に支持された回
転軸と、回転軸に同軸的に固定され断面円形に形成した
外周面に磁石を周方向に沿って等間隔に配置してなり同
外周面をステータの2列の凸部にそれぞれ対向させてな
る第1及び第2のロータと、ステータの2列の凸部の間
にて同ステータの周方向に沿って巻回されてステータの
2列の凸部と第1及び第2のロータを通過する磁束を形
成するコイルとを備え、第1及び第2のロータの磁石と
ステータの2列の凸部との各間の吸引力及び反発力を用
いて同第1及び第2のロータを同ステータに対して回転
させるステッピングモータにおいて、ハウジング、軸受
及び回転軸を通る経路内に磁束の通過を阻止する磁束通
過阻止手段を設けたことにある。
【0006】このように構成した本発明においては、磁
束通過阻止手段が、ステータ、ハウジング、軸受、回転
軸、及び第1又は第2のロータを通る経路における磁束
の通過を阻止する。したがって、第1又は第2のロータ
が、ステータの凸部とロータの磁石との間の反発力によ
り回転トルクを得ている回転位置にあっても、コイルに
よって発生された多量の磁束がステータの凸部と前記回
転位置にある第1又は第2のロータとからなる経路を通
過することになり、ステッピングモータは、前記反発力
を有効に利用して大きな回転トルクを得ることができる
ようになる。
【0007】また、本発明の他の構成上の特徴は、ハウ
ジング、軸受及び回転軸のうちの少なくとも一つの部材
又はその一部を非磁性材料で構成して、前記磁束通過阻
止手段としたことにある。
【0008】これによれば、ステッピングモータとして
通常備えているハウジング、軸受及び回転軸の少なくと
も一つ又はその一部が、ステータ、ハウジング、軸受、
回転軸、及び第1又は第2のロータを通る経路における
磁束の通過を阻止するので、ハウジング、軸受及び回転
軸を通る経路内に格別な部材を設ける必要がない。した
がって、従来のステッピングモータの構造を変えること
なく、簡単な構成で大きな回転トルクを得ることができ
るステッピングモータが実現される。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
を用いて説明すると、図1は同実施形態に係るステッピ
ングモータの縦断面図であり、図2は図1のA−A線に
沿って見た断面図である。
【0010】ステッピングモータは、円筒部10a及び
その両端に設けた環状の支持部10b,10cからな
り、鉄などの磁性材料で構成したハウジング10を備え
ている。ハウジング10の円筒部10aの内周面上に
は、鉄などの磁性材料で構成した第1及び第2ステータ
11,12が同軸的に固定されている。第1及び第2ス
テータ11,12は、それぞれ環状に形成され、各内周
面には、軸線方向中央位置にて環状に形成した環状溝1
1a,12aがそれぞれ設けられている。各環状溝11
a,12aには、周方向に沿って巻回されたコイル1
3,14が組み込まれている。第1ステータ11の内周
面上には、環状溝11aを挟んで、径方向に突出すると
ともにそれぞれ周方向に沿って等間隔に2列の凸部11
b,11cが設けられている。また、第2ステータ12
の内周面上には、環状溝12aを挟んで、径方向に突出
するとともに周方向に沿ってそれぞれ等間隔に2列の凸
部12b,12cが設けられている。各凸部11b,1
1c,12b,12cの周方向位置は全て同じである。
なお、本実施形態では、凸部11b,11c,12b,
12cは、第1及び第2ステータ11,12の内周面に
それぞれ各12個ずつ設けられている。
【0011】ハウジング10には、第1〜第3回転軸1
5〜17からなる回転軸が同軸的かつ回転可能に支持さ
れている。第1回転軸15は、鉄などの磁性材料により
円柱状に形成されてハウジング10内に収容されてお
り、その両端面には突起15a,15bが一体的に形成
されている。第2及び第3回転軸16,17は、アルミ
ニウム、ステンレスなどの非磁性材料で第1回転軸15
よりも小径の円柱状に形成されて、各内側端面に設けた
穴16a,17aへの各突起15a,15bの圧入によ
り第1回転軸15の両端に一体回転するように固着され
ている。第2及び第3回転軸16,17は、ハウジング
10の支持部10b,10cから軸線方向にそれぞれ突
出しており、同支持部10b,10cの各内周面上にこ
ろがり軸受18,19を介して回転可能に支持されてい
る。ころがり軸受18,19は鉄などの磁性材料により
構成されている。
【0012】第1回転軸15の外周面上には、鉄などの
磁性材料で構成した環状の第1〜第4ロータ21〜24
が、第1及び第2ステータ11,12の各凸部11b,
11c,12b,12cにそれぞれ対向するように固定
されている。第1〜第4ロータ21〜24の外周面に
は、第1及び第2ステータ11,12の凸部11b,1
1c,12b,12cの数に等しい数(本実施形態では
12個)の穴21a〜24a(ただし、穴21aのみを
図示)が周方向に沿ってそれぞれ等間隔に形成されてい
る。これらの各穴21a〜24aには、永久磁石25〜
28が、径方向外側をN極とするとともに径方向内側を
S極としてそれぞれ埋め込まれて固定されている。永久
磁石26は永久磁石25に対して1/2ピッチだけずれ
て配置され、永久磁石27は永久磁石26に対して1/
4ピッチだけずれて配置され、永久磁石28は永久磁石
27に対して1/2ピッチだけずれて配置されている。
ただし、1ピッチは周方向に隣り合う永久磁石25〜2
8の中心間距離に等しい。
【0013】上記のように構成したステッピングモータ
においては、コイル13,14に図3に示す向きに電流
を通電することにより、第1及び第2ステータ11,1
2の各凸部11b,11c,12b,12cは図示のよ
うにN極及びS極に磁化される。そして、磁性材料によ
りそれぞれ構成されている第1ステータ11の凸部11
b、第1ロータ21、第2ロータ22、第1ステータの
凸部11c及びハウジング10の円筒部10aを通る磁
路が形成され、コイル13への前記通電によって形成さ
れる磁束は同磁路(図示実線矢印方向)を通過する。ま
た、磁性材料によりそれぞれ構成されている第2ステー
タ12の凸部12c、第4ロータ24,第3ロータ2
3、第2ステータの凸部12b及びハウジング10の円
筒部10aを通る磁路も形成され、コイル14への前記
通電によって形成される磁束は同磁路(図示実線矢印方
向)を通過する。また、コイル13,14への通電方向
を図示と逆方向にすれば、第1及び第2ステータ11,
12の各凸部11b,11c,12b,12cは図示と
逆極性に磁化されるとともに、コイル13,14によっ
て形成される磁束も図示矢印方向とは逆向きになる。
【0014】この場合、第2回転軸16は非磁性材料で
構成されているので、ハウジング10の円筒部10a及
び支持部10b、ころがり軸受18、並びに第2回転軸
16を通る経路内に磁路が形成されることはない。第3
回転軸17も非磁性材料で構成されているので、ハウジ
ング10の円筒部10a及び支持部10c、ころがり軸
受19、並びに第3回転軸17を通る経路内に磁路が形
成されることもない。これらのことを言い換えれば、第
2及び第3回転軸16,17が磁束の通過を阻止し、コ
イル13,14への通電によって形成される磁束は、前
記形成された磁路(図示実線)のみをそれぞれ通過する
ことになる。
【0015】次に、このステッピングモータの回転動作
について説明すると、コイル13,14は図4(A)(B)
に示すパルス列信号によりそれぞれ通電される。なお、
前記各パルス列信号の通電においては、パルス列信号の
ハイレベル時にコイル13,14は図3のコイル13の
通電方向にそれぞれ通電され、パルス列信号のローレベ
ル時にコイル13,14は図3のコイル14の通電方向
にそれぞれ通電される。
【0016】図5(A)〜(F)は、第1ステータ11の凸
部11b,11c及び第2ステータ12の凸部12b,
12cと、第1〜第4ロータ21〜24の永久磁石25
〜28との相対回転位置を展開して示すとともに、図4
の時刻t1〜t6にそれぞれ対応させて示すものであ
る。なお、図5(A)〜(F)の凸部11b,11c,12
b,12c内の”N”,”S”はコイル13,14への
通電により磁化された同凸部11b,11c,12b,
12cの磁極を表し、永久磁石25〜28内の”N”は
同磁石25〜28の外周面の磁極を表している。
【0017】時刻t1において、凸部11b,11c,
12b,12cと永久磁石25〜28との相対回転位置
及びそれらの各磁極が図5(A)に示す状態にあると、永
久磁石25,28は凸部11b,12cによって図示矢
印方向にそれぞれ吸引され、永久磁石26,27は凸部
11c,12bによって図示矢印方向にそれぞれ反発さ
れる。したがって、この状態では、第1〜第4ロータ2
1〜24は、第1及び第2ステータ11,12に対して
図示回転方向に大きな回転トルクで駆動される。
【0018】次に、時刻t2において、永久磁石25〜
28が第1及び第2ステータ11,12に対して図5
(B)の回転位置にくると、永久磁石25は凸部11bに
よって図示矢印方向に吸引されるとともに、永久磁石2
6は凸部11cによって図示矢印方向にそれぞれ反発さ
れる。一方、永久磁石27は隣り合う凸部12bのちょ
うど中間に位置するとともに、永久磁石28は凸部12
cの真下に位置し、両磁石27,28は凸部12b,1
2cによる吸引力も反発力も回転方向に受けない。しか
しながら、永久磁石25への前記吸引力、永久磁石26
への反発力、及び第1〜4ロータ21〜24の回転慣性
力により、第1〜第4ロータ21〜24は以前と同様な
回転方向に回転しようとする。この時刻t2において、
コイル14への通電方向を図4(B)に示すように切り換
えると、凸部12b,12cはS,N極にそれぞれ切り
換えられるので、その直後に前記図5(B)の回転位置か
ら前記回転方向に若干回転している永久磁石27,28
は、凸部12b,12cによってそれぞれ吸引及び反発
され始める。したがって、第1〜第4ロータ21〜24
は、第1及び第2ステータ11,12に対して図示回転
方向に大きな回転トルクでふたたび駆動され始める。
【0019】そして、時刻t3において、永久磁石25
〜28が第1及び第2ステータ11,12に対して図5
(C)の回転位置にくると、永久磁石25は凸部11bの
真下に位置するとともに、永久磁石26は凸部11cの
中間に位置し、両磁石25,26は凸部11b,11c
による吸引力も反発力も回転方向に受けない。一方、永
久磁石27は凸部12bによって図示矢印方向に吸引さ
れるとともに、永久磁石28は凸部12cによって図示
矢印方向にそれぞれ反発される。したがって、この場合
も、前記場合と同様に、この時刻t3において、コイル
13への通電方向を図4(A)に示すように切り換えれ
ば、凸部11b,11cはN,S極にそれぞれ切り換え
られるので、その直後に前記図5(C)の回転位置から前
記回転方向に若干回転している永久磁石25,26は、
凸部11b,11cによってそれぞれ反発及び吸引され
始める。したがって、第1〜第4ロータ21〜24は、
第1及び第2ステータ11,12に対して図示回転方向
に大きな回転トルクでふたたび駆動され始める。
【0020】以降も、図4(A),(B)に示すようなパル
ス列信号によりコイル13,14を通電し続けることに
より、永久磁石25〜28は、図5(D)〜(F)に示すよ
うな凸部11b,11c,12b,12cによる吸引力
及び反発力を受け続けて、第1〜第4ロータ21〜24
は第1及び第2ステータ11,12に対して図示回転方
向に大きな回転トルクで回転され続ける。この第1〜第
4ロータ21〜24の回転は第1〜第3回転軸15〜1
7を介して出力される。
【0021】また、図4(A)(B)のいずれかの一方のみ
のパルス列信号を反転したパルス列信号をコイル13,
14に通電すれば、第1〜第4ロータ21〜24の回転
方向を逆に切り換えることもできる。さらに、前記通電
を解除すれば、第1〜第4ロータ21〜24の回転が停
止する。この場合、第1及び第2ステータ11,12の
凸部11b,11c,12b,12cは周方向に12個
設けられているとともに、第1〜第4ロータ21〜24
に周方向に沿って組み付けた永久磁石25〜28の周方
向位置をそれぞれ異ならせているので、第1〜第3回転
軸15〜17の停止位置は1回転当たり48箇所とな
る。
【0022】上記のように動作するステッピングモータ
においては、非磁性材料で構成した第2回転軸16が、
ハウジング10の円筒部10a及び支持部10b、ころ
がり軸受18、並びに第2回転軸16を通る経路におけ
る磁束の通過を阻止するので、コイル13への通電によ
り形成される磁束は、磁性材料によりそれぞれ構成され
ている第1ステータ11の凸部11b、第1ロータ2
1、第2ロータ22、第1ステータの凸部11c及びハ
ウジング10の円筒部10aからなる磁路のみを通る。
また、非磁性材料で構成した第3回転軸17が、ハウジ
ング10の円筒部10a及び支持部10c、ころがり軸
受19、並びに第3回転軸17を通る経路における磁束
の通過を阻止するので、コイル14への通電により形成
される磁束は、磁性材料によりそれぞれ構成されている
第2ステータ12の凸部12b、第3ロータ23、第2
ロータ24、第2ステータの凸部12c及びハウジング
10の円筒部10aからなる磁路のみを通る。その結
果、上記実施形態によれば、第1及び第2ステータ1
1,12の凸部11b,11c,12b,12cと第1
〜第4ロータの永久磁石25〜28との間に大きな反発
力を吸引力と同時に発生させることができ、大きな回転
トルクを得ることができるようになる。なお、計算によ
れば、上記実施形態に係るステッピングモータにおいて
は、従来のステッピングモータ(前記磁束の阻止を行わ
ないもの)に比べて、1.6倍程度の回転トルクが得ら
れる。
【0023】また、上記実施形態によれば、ステッピン
グモータに通常備えている回転軸の一部すなわち第2及
び第3回転軸16,17を非磁性材料で構成するように
したので、前記磁束通過の阻止のために格別な部材を設
ける必要がない。したがって、従来のステッピングモー
タの構造を変えることなく、簡単な構成で大きな回転ト
ルクを得ることができるステッピングモータが実現され
る。また、非磁性材料として、アルミニウム、ステンレ
スなどの鉄よりも高価な材料を用いても、回転軸の一部
の第2及び第3回転軸16,17のみを非磁性材料で構
成すればよいので、上記実施形態に係るステッピングモ
ータの製造コストがそれほど高くなることもない。
【0024】なお、上記実施形態にあっては、磁束の通
過を阻止するために第2及び第3回転軸16,17を非
磁性材料で構成するようにしたが、両回転軸16,17
に代えて、ころがり軸受18,19及びハウジング10
の全部又は一部を非磁性材料で構成してもよい。これに
よっても、ハウジング10の円筒部10a及び支持部1
0b、ころがり軸受18、並びに第2回転軸16を通る
経路における磁束の通過が阻止されるとともに、ハウジ
ング10の円筒部10a及び支持部10c、ころがり軸
受19、並びに第3回転軸17を通る経路における磁束
の通過が阻止されるので、上記実施形態と同様な効果が
期待される。
【0025】また、上記実施形態に係るステッピングモ
ータの第1〜第4ロータ21〜24を図6に示すように
変形することも可能である。図6の変形例においては、
第1〜第4ロータ21〜24を永久磁石25〜28を除
いて上記実施形態と同様に構成するとともに、各ロータ
21〜24の周方向にそれぞれ埋め込んだ永久磁石25
〜28を一つおきに削除するようにしている。これによ
っても、第1〜第4ロータ21〜24に組み付けた永久
磁石25〜28は第1及び第2ステータ11,12によ
って上記実施形態と同様な吸引力及び反発力を受けるの
で、回転トルクは低下するものの、第1〜第3回転軸1
5〜17を上記実施形態と同様に回転させることができ
る。また、第1〜第4ロータ21〜24は、同ロータ2
1〜24にそれぞれ組み付けた永久磁石25〜28を第
1及び第2ステータ11,12の各凸部11b,11
c,12b,12cに対面させた位置で停止するので、
この変形例においても、第1〜第3回転軸15〜17の
停止位置は上記実施形態と同様に1回転当たり48箇所
となる。その結果、この変形例に係るステッピングモー
タによれば、回転トルクは低下するものの、上記実施形
態よりも簡単な構成で、同実施形態とほぼ同様な回転動
作を行わせることができる。また、この変形例によれ
ば、永久磁石25〜28を削除した分だけ第1〜第4ロ
ータ21〜24の質量が軽くなるので、慣性モーメント
が小さくなる結果、高速応答性に優れる。
【0026】また、上記変形例の永久磁石25〜28を
さらに削除して、同永久磁石25〜28を第1〜第4ロ
ータ21〜24の穴21a〜24aに2つおき、3つお
きに埋め込むようにしてもよい。
【0027】また、上記変形例における永久磁石25〜
28を埋め込まなかった第1〜第4ロータ21〜24の
穴21a〜24aに関しては、図7に示すように、同各
穴21a〜24aを省略でき、この場合、各ロータ21
〜24に前記省略した穴21a〜24aを形成する制作
行程を削除することができる。
【0028】さらに、上記実施形態及び変形例において
は、本発明を第1〜第4ロータ21〜24とを設けたス
テッピングモータに適用した例について説明したが、本
発明は、吸引力及び反発力の両方を用いて回転トルクを
得るステッピングモータ、例えば第1及び第2ロータ2
1,22のみ、又は第3及び第4ロータ23,24のみ
を設けたステッピングモータにも適用できるものであ
る。この場合、第1回転軸15の外周上に前記2個のロ
ータを固定するとともに、同各ロータに第1及び第2ス
テータ11,12のいずれか一方を対向させるととも
に、コイル13,14に関してもいずれか一方をのみを
第1又は第2ステータ11,12の一方に組み付けるよ
うにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態に係るステッピングモー
タの縦断面図である。
【図2】 図1のA−A線に沿って見た断面図である。
【図3】 図1のステッピングモータに関する磁路を説
明するための説明図である。
【図4】 (A)(B)は、図1のステッピングモータの各
コイルを通電するためのパルス列信号の波形図である。
【図5】 (A)〜(F)は、図1のステッピングモータの
作動を説明するためのステータと永久磁石との相対位置
関係及びそれらの各磁極を示す作動説明図である。
【図6】 上記実施形態の変形例に係るステッピングモ
ータの図2に対応した断面図である。
【図7】 上記実施形態の他の変形例に係るステッピン
グモータの図2に対応した断面図である。
【符号の説明】
10…ハウジング、11,12…ステータ、13,14
…コイル、15〜17…回転軸、18,19…ころがり
軸受、21〜24…ロータ、25〜28…永久磁石。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ハウジング内に固定されて断面円形に形成
    した内周面に径方向に突出するとともに周方向に沿って
    等間隔に設けた軸線方向に2列の凸部を有するステータ
    と、 前記ハウジングに軸受を介して回転可能に支持された回
    転軸と、 前記回転軸に同軸的に固定され断面円形に形成した外周
    面に磁石を周方向に沿って等間隔に配置してなり同外周
    面を前記ステータの2列の凸部にそれぞれ対向させてな
    る第1及び第2のロータと、 前記ステータの2列の凸部の間にて同ステータの周方向
    に沿って巻回されて前記ステータの2列の凸部と前記第
    1及び第2のロータを通過する磁束を形成するコイルと
    を備え、 前記第1及び第2のロータの磁石と前記ステータの2列
    の凸部との各間の吸引力及び反発力を用いて同第1及び
    第2のロータを同ステータに対して回転させるステッピ
    ングモータにおいて、 前記ハウジング、軸受及び回転軸を通る経路内に磁束の
    通過を阻止する磁束通過阻止手段を設けたことを特徴と
    するステッピングモータ。
  2. 【請求項2】前記ハウジング、軸受及び回転軸のうちの
    少なくとも一つ又はその一部を非磁性材料で構成して、
    前記請求項1に記載の磁束通過阻止手段としたことを特
    徴とするステッピングモータ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020073740A (ko) * 2001-03-15 2002-09-28 방창엽 영구자석을 이용한 스테핑 모터
CN112211925A (zh) * 2019-07-10 2021-01-12 佳能株式会社 旋转阻力设备和电子设备

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