JP2005012947A - 振動モータおよび振動モータの駆動回路 - Google Patents
振動モータおよび振動モータの駆動回路 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】携帯電話のように比較的大きな機器に対しても、例えば十分な振動を発生可能な振動モータとする。
【解決手段】振動モータはモータ３のロータ軸５に偏心重りが取付けられている。モータ３は、ロータ軸５に装着された２極のマグネット９からなるロータ１１と、マグネット９の対向面とギャップＧを介して磁気結合する２極のステータコア１３Ａ，１３Ｂに分割された単相巻線１７Ａ，１７Ｂが巻かれたコイル１９Ａ，１９Ｂと、からなる。各単相巻線１７Ａ，１７Ｂは前記ステータコア１３Ａ，１３ＢにギャップＧの近傍で１８０°対向して直接卷回され、２極のステータコア１３Ａ，１３Ｂの外側もしくは軸方向端面はモータ構造材料を継鉄２３として接続されている。ステータコア１３Ａ，１３Ｂの２極に到達するまでの磁路が短いので、磁束は少ないロスでロータ１１に流れ、ギャップ磁束密度が大きくなる。
【選択図】 図１
【解決手段】振動モータはモータ３のロータ軸５に偏心重りが取付けられている。モータ３は、ロータ軸５に装着された２極のマグネット９からなるロータ１１と、マグネット９の対向面とギャップＧを介して磁気結合する２極のステータコア１３Ａ，１３Ｂに分割された単相巻線１７Ａ，１７Ｂが巻かれたコイル１９Ａ，１９Ｂと、からなる。各単相巻線１７Ａ，１７Ｂは前記ステータコア１３Ａ，１３ＢにギャップＧの近傍で１８０°対向して直接卷回され、２極のステータコア１３Ａ，１３Ｂの外側もしくは軸方向端面はモータ構造材料を継鉄２３として接続されている。ステータコア１３Ａ，１３Ｂの２極に到達するまでの磁路が短いので、磁束は少ないロスでロータ１１に流れ、ギャップ磁束密度が大きくなる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、モータのロータ軸に取付けた偏心重りを回転せしめて振動を発生する振動モータに関し、特に回転駆動源となるブラシを有さないモータ構成とステータ構造とを備えた振動モータ、並びにロータ位置検出手段を持たない振動発生用駆動回路を備えた振動モータおよび振動モータの駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯電話などの電子機器に使用されている着信検知用の振動モジュールは、ブラシ付きコアレスモータ、ブラシ付きコアードモータ、ブラシレスモータの構造を用いている小型モータが主流であり、上記の小型モータの回転軸に偏心重りが搭載されている。
【０００３】
その中でもブラシの付いた小形モータに偏心重りを付けたものが多い。このようなブラシ付きモータが用いられるのは、振動発生を２端子接続のＯＮ−ＯＦＦで制御でき、往復運動より回転運動の方がイナーシャも利用できるのでエネルギー効率が良いからである。しかし、ブラシ付きモータは構造が複雑になり生産コストが掛かってしまう。
【０００４】
一方、ブラシレスモータはブラシ・整流子がないので部品点数が少なく機械的構造が比較的シンプルで、故障率が低くて低コストであるが、ロータ位置を検出するセンサを用い、電機子に印加する電圧のタイミングをロータ位置に合わせるための駆動回路が必要であり、駆動回路を外部に設けても、２相、３相のブラシレスモータは接続端子数が増えてコストと設置スペースに影響し、１相モータであってもセンサが付けば接続端子数が増えるので、２端子接続で且つブラシのないモータ構成が要求されていた。この要求に応えるものとして単相ステップモータを用いた振動モータが開発されている。
【０００５】
従来、振動モータに用いられている単相ステップモータとしては、時計に使われている時計用振動発生装置の回転駆動装置として単相２極ステップモータが開発されている。この単相２極ステップモータ１０１は図７に示されているような概略的な原理構成となっており、ロータ軸１０３に装着された２極の永久磁石１０５からなるロータ１０７と、このロータ１０７の対向面と不均一なギャップＧを介して磁気結合する２極のステータ磁極１０９Ａ，１０９Ｂを有するステータコア１１１と、このステータコア１１１に単相巻線が巻かれて接続端子１１３Ａ，１１３Ｂに接続されているコイル１１５と、から構成されている。この図７と併せて同様の構成部材は同符号を用いてその具体的な例を以下に示す。
【０００６】
図８を参照するに、このステップモータ１１７は扁平型のモータであり、ロータ軸１０３に装着された２極の永久磁石１０５からなるロータ１０７と、このロータ１０７とギャップＧを介して磁気結合するステータコア１１１と、コイル１１５と、から構成される。前記コイル１１５は駆動コイルとロータ位置を検出する逆起電圧検出コイルとからなり、この逆起電圧検出コイルからのロータ位置検出信号に基づいてロータ１０７が高速で回転駆動される。なお、このステップモータ１０１はロータ軸１０３に偏心重り１１９が固定されることによって振動モータとして使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
図９を参照するに、このステップモータ１２１は円筒型のモータであり、ロータ軸１０３に装着された２極の永久磁石１０５からなるロータ１０７と、励磁コイルと前記ロータ１０７の回転位置を検出する検出コイルからなるコイル１１５と、前記ロータ１０７と不均一なギャップＧを介して磁気結合し、前記ロータ１０７を収納配置するためのロータ穴部１２３を有する平坦部１２５と、該平坦部１２５に対して略直角に折り曲げて形成された２箇所の接続部１２７Ａ，１２７Ｂと、コイル１１５の巻心端部１２９に接続するために、折り曲げられた接続端部１３１Ａ，１３１Ｂを有する２極のステータコア１１１と、から構成されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
また、従来の他の例としては、１コイルで、複数極マグネットロータを備え、変形クローポールステータ磁極で構成されているステップモータがある。クローポール構成は多極着磁のロータで１パルス当たりの回転角が小さい用途に有利である（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
さらに、従来の他の例としては、多極着磁多相駆動用のブラシレスモータがある。ロータの回転位置を検出する位置検出センサを持たないセンサレス方式のブラシレスモータ駆動回路を搭載したものである。定速回転時は各相のコイルに発生する逆起電圧の位相を位相検出アンプで検出し、次の出力段のＯＮタイミングを決めるようにしている。モータの負荷変動があり、それに応じて逆起電圧の位相も変化した場合には、それに合わせて回転速度をコントロールし、安定した回転駆動を図っている（例えば、特許文献４参照）。
【００１０】
さらに、従来の他の例としては、２極着磁単相駆動用のステップモータがある。１コイルで、２極マグネットロータを備え、逆起電圧によるロータ位置検出駆動回路を備えている（例えば、特許文献５参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−９３９９０号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平９−２５２５７３号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開２００２−２６３５７５号公報
【００１４】
【特許文献４】
特開２００３−６１３８７号公報
【００１５】
【特許文献５】
特開平６−２３５７７７号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の振動モータに用いられている単相２極ステップモータ１０１は２端子接続でブラシのないモータ構成であるが、例えば単相２極ステップモータ１２１は、腕時計などのように質量が軽く容積の小さなところへ装着されるように小型化と生産性が考えられているので、コイル１１５が発生する磁束をロータ１０７と対向するステータ磁極１０９Ａ，１０９Ｂまでヨークで運んでいるように磁路長が長い磁路構成となっている。さらに、コイル１１５は生産性を考慮して外部で卷回したものを装着する構造になっている。このモータ１２１は、携帯電話のように腕時計より質量のある機器に装着され、振動を感じさせるのに十分な偏心重りを回転させるには不十分であった。
【００１７】
つまり、図７に示されているように、通電によりコイル１１５で発生した磁束が、ロータ１０７とエアギャップＧで対向するステータコア１１１の２極のステータ磁極１０９Ａ，１０９Ｂに到達するまでの磁路が長く、磁束のロスが多い構成になっている。たとえ、コイル１１５が細い線材で多数巻きされても、抵抗値が大きくなり電流が流れず磁束数は増えないという問題点があった。
【００１８】
ちなみに、図８及び図９に示されているステップモータ１１７，１２１は、図７の原理図を実装容積に合わせて生産性が考慮されたものであり、ステータコア１１１に単相巻線したコイル１１５が例えば図９では接続端部１３１Ａ，１３１Ｂへ接続されて磁気回路を形成している。１コイル構成で、コイル１１５からロータ１０７の外周までの磁路に長い距離があり、磁気抵抗もあるという問題点があった。
【００１９】
鉄心にコイル１１５を巻いた状態で、鉄心端とコイル端との距離が鉄心端における磁束密度にどのように影響するかは、芯入り着磁ヨークでマグネットを面着磁させて、前記距離と着磁後のマグネットの表面磁束密度との関係を測定すれば明らかである。まして、途中に磁気抵抗の大きい部分があると、そのロスが大きいものである。つまり、磁束は、飽和磁束密度内であれば継鉄内に磁束が閉じ込められてしまい、水道管の中を水が流れるように流れるのではないものと考えられる。
【００２０】
また、従来の振動モータに用いられている特許文献３におけるステップモータは、１コイルで、変形クローポールステータ磁極のユニークな構成であるが、このクローポール構成は多極着磁のロータで、１パルス当たりの回転角が小さい用途には有利である。しかし、少ないステータ磁極で回転角が大きい使い方であるので、磁束のロスが大きく、同じターン数でステータ磁極に直接卷回されたコイルより有効磁束の利用効率が悪く、トルクは出にくいという問題点があった。トルクが出ないと、例え回転してもロータのイナーシャが大きな負担となり、設定回転数、つまり設定振動量に到達するまでに時間がかかることになる。
【００２１】
なお、１相４極のファンモータ構成がインナーロータにしてセンサレスで回転されると、駆動回路を外部に設けても２端子接続でブラシのないモータ構成となるが、このモータ構成ではファンモータよりはるかに小型化してインナーロータにしたマグネットに４極着磁をすることが難しく、センサレス駆動回路が複雑になり高コストになるという問題点が生じる。上述した特許文献３におけるステップモータは、インナーロータ構成ではないが、小径多極着磁とセンサレス駆動回路という点では、上記のファンモータの場合と同様の問題点が生じる。
【００２２】
また、前述した従来のブラシレス駆動回路を搭載したモータは、逆起電圧を利用し、センサレス駆動のために起動引き入れ回路を有しているので多少複雑な回路となっている。したがって、逆起電圧を利用しないでモータを回転せしめることができ、逆起電圧を検出することなく、起動後の引き入れ回路も設けることなく、単相２極ステップモータ構成のモータを連続回転させるための駆動回路を開発する必要があった。
【００２３】
この発明は上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、腕時計などのような小さな機器に比べて比較的大きな機器に対しても、例えば携帯電話機などで小型振動モータに用いられたときに十分に振動を発生可能となるステップモータを用いた振動モータ、および逆起電圧を利用せずに回転し、起動後の引き入れ回路を設けずに連続回転させる駆動回路を備えた振動モータの駆動回路を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１によるこの発明の振動モータは、モータのロータ軸に取付けた偏心重りを回転せしめて振動を発生する振動モータにおいて、
前記モータは、ロータ軸に装着された２極のマグネットからなるロータと、前記マグネットの対向面とギャップを介して磁気結合する２極のステータコアに単相巻線が巻かれたコイルと、からなるステップモータであり、
前記単相巻線は分割され、この分割された各単相巻線を前記２極のステータコアに前記ギャップの近傍で１８０°対向して直接卷回し、前記２極のステータコアの外側もしくは軸方向端面に配設されたモータ構造材料を継鉄としてステータ磁路を形成してなることを特徴とするものである。
【００２５】
したがって、単相巻線が分割されているためにコイル設置の自由度が増加するので、同じ外形範囲内で無効なスペースを少なくして巻線のための容積が大きくなる。しかも、ロータの対向面とエアギャップで対向するステータコアの２極に到達するまでの磁路が短いので、分割されたコイルで発生した磁束は少ないロスでロータに流れ、ギャップ磁束密度が大きくなる。結果として、携帯電話機などのような比較的大きな振動発生装置や他の機器のモータとして幅広く適用可能となる。
【００２６】
また、分割されたコイルが同じ方向の単相巻線であると巻線工程が簡略化され、構造が簡単であるのでコストダウンに寄与する。また、ロータの長さを短くすれば、扁平モータにも適用可能である。
【００２７】
また、ロータの回転に有効に作用しない側の磁路は、ステータコアの外側に配設されたモータ構造部材が継鉄として利用されるので構造が簡単で安価となる。
【００２８】
請求項２によるこの発明の振動モータは、請求項１記載の振動モータにおいて、前記ステータコアは、複数枚の分割コアをロータ回転面と直角方向または水平方向に組み合わせて構成してなることを特徴とするものである。
【００２９】
したがって、ステータコアは複数枚の分割コアとして組み合わされることにより、鉄損が軽減され、効率アップに寄与する。さらには厚さの違うステ−タコアを容易に作ることができる。
【００３０】
請求項３によるこの発明の振動モータの駆動回路は、モータのロータ軸に取付けた偏心重りを回転せしめて振動を発生する振動モータの駆動回路において、
前記モータを駆動する駆動回路が、タイマ回路と、このタイマ回路で設定された設定時間に自起動最大周波数以下の単相発振周波数を供給して起動させる起動発振回路と、振動発生時間の間に設定回転数となる最大応答周波数以下の単相発振周波数を供給してモータを一定回転数で回転させる定常発振回路と、を備えてなることを特徴とするものである。
【００３１】
したがって、駆動回路が、振動モータに許容される適用範囲内で、タイマ回路と起動発振回路と定常発振回路との各回路に集約されているので、簡素化が図られ、電圧変動などの外乱による回転数変動がなく一定振動量が得られる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３３】
この実施の形態に係る振動モータ１は、図２に示されているように回転駆動装置であるモータとしての例えばステップモータ３において突出したロータ軸としての例えばシャフト５に偏心重り７が装着され、前記シャフト５の回転駆動により偏心重り７が回転して振動が発生するものである。
【００３４】
まず、この実施の形態に係る振動モータ１に用いられるステップモータ３の原理について説明する。
【００３５】
ステップモータ３は、図１に示されているような概略的な原理構成となっており、ロータ軸としての例えばシャフト５に装着された２極の永久磁石としての例えばマグネット９からなるロータ１１と、このロータ１１の対向面と不均一な（均一でない）ギャップＧを介して磁気結合する２極のステータコア１３Ａ，１３Ｂからなるステータ１５と、前記ステータコア１３Ａ，１３Ｂに２以上に分割された単相巻線が巻かれたコイル、この実施の形態では２つの単相巻線１７Ａ，１７Ｂに分割されたコイル１９Ａ，１９Ｂと、から構成されている。上記の分割した各単相巻線１７Ａ，１７Ｂはステータコア１３Ａ，１３Ｂの２極に前記ギャップＧの近傍で１８０°対向して同一方向に巻かれ、並列にそれぞれ接続端子２１Ａ，２１Ｂに接続されている。
【００３６】
図７の従来のステップモータ３の原理図と比較すると、図１のこの実施の形態の原理図は、２分割されたコイル１９Ａ，１９Ｂの間にロータ１１を挟んだ構造となっている。また、上記の２極のステータコア１３Ａ，１３Ｂは、当該ステータコア１３Ａ，１３Ｂの外側に配設されたモータ構造部材が継鉄２３となって接続される磁路が形成されている。つまり、単相巻線１７Ａ，１７Ｂのロータ１１側と反対側は外側に継鉄２３が形成されて、ロータ１１の回転に有効に作用しない側の磁路が長くなっている。
【００３７】
次に、上記構成のステップモータ３の回転の原理について図１を参照して説明する。
【００３８】
コイル１９Ａ，１９Ｂに通電されていないとき、２極のロータ１１の磁極Ｎ、Ｓは、図１の位置か、あるいは１８０°回転してＮ、Ｓ極が逆になった位置かのどちらかである。ギャップＧが不均一であるので、ギャップＧの狭い部分に磁束が集中して、自由に回転するロータ１１は上記の位置で安定する。
【００３９】
コイル１９Ａ，１９Ｂには極性を入れ替える発振波形が通電されるので、コイル１９Ａ，１９ＢにはＮ、Ｓ極が交互に励磁され、ロータ１１と対向しているステータ磁極２５Ａ，２５Ｂには、Ｎ、Ｓ極が交互に励磁される。
【００４０】
今、図１の状態で、ロータＮ極側のステータ磁極２５ＡにＮ極が励磁されたとすると、Ｎ極同士、１８０°反対側ではＳ極同士が反発してロータ１１は矢印の方向に回転しようとする。ロータ１１とステータ磁極２５Ａ，２５Ｂとの磁気吸引力より大きい反発力を発生する磁力が励磁されることによりロータ１１は回転を開始する。
【００４１】
回転したロータＮ極は、次のステータ磁極２５Ｂの磁極の中心に引き寄せられるが、励磁が終了してもイナーシャとギャップＧの狭い部分への吸引力とにより回転が続けられ、図１より１８０°回転した位置で安定する。半回転のたびに励磁の極性が入れ替わって繰り返され、発振波形が一周期で一回転の回転数が得られることになる。
【００４２】
なお、コイル１９Ａ，１９Ｂに通電開始時にロータＮ極側のステータ磁極２５ＡにＳ極が励磁された場合は、ロータ１１はステータ磁極２５ＡのＳ極内から脱出できず、次のＮ極が励磁された時点から回転が始まる。
【００４３】
なお、通常の単相モータでは回転子が起動できないポイントが存在するが、この欠点を回避するために、ステップモータ３ではロータ１１とステータ磁極２５Ａ，２５ＢとのギャップＧが不均一にされているので、停止時のロータ１１の位置が起動し易いポイントヘ容易に移動される。また、駆動させたい回転数のサイン波が入力されるだけで駆動可能となる。
【００４４】
上記構成により、ロータ１１とエアギャップＧで対向するステータコア１３Ａ，１３Ｂの２極のステータ磁極２５Ａ，２５Ｂに到達するまでの磁路が短く形成されているので、磁束のロスが少なくなり、ギャップ磁束密度を大きくすることができる。
【００４５】
さらに、コイルが分割されていることの効果について説明すると、コイルが発生する磁束数は電流Ａ×巻き数Ｔで決まる。巻き数Ｔを多くすると線材の長さも増加するので、一般的には抵抗値が増加し電流Ａが減少するので磁束数は変わらない。したがって、磁束数を増加させるためには、電流Ａを減少させないように太い線材を多く巻かなければならないが、それに伴って必要な巻線容積も増加するので限られた容積では困難な課題となる。
【００４６】
しかし、上述したように一つの単相コイルをコイル１９Ａ，１９Ｂに２分割すると、コイル設置の自由度が増加するため、同じ外形範囲内に一つだけのコイルブロックの配置場所を考えるのとは違って、同一外形範囲の中で無効なスペースを少なくして巻線のための容積を大きくとることができる。このことは、図１のこの実施の形態の構成と図７の従来の構成がそれぞれ同じ外形範囲に入れた場合であるので、この両者を比較してみれば容易にわかる。
【００４７】
より詳しく説明すると、この実施の形態では、同一外形範囲の中で磁束発生端であるコイル１９Ａ，１９Ｂの端と磁束利用場所であるロータ１１の外周との距離が短くなるので、コイル１９Ａ，１９Ｂで発生した磁束は少ないロスでロータ１１に流れることになる。つまり、磁束発生端と磁束利用場所との距離が短い方が磁束を有効に活用できるので、この現象を利用してギャップ有効磁束数をより大きくした構成である。つまり、磁路を短くしたモータ構成と、コイル容積を大きくできるコイル配置が行われている。
【００４８】
以上のように、このステップモータ３は２端子接続且つブラシレス、センサレスのモータ構成で、分割された単相巻線１７Ａ，１７Ｂがステータ磁極２５Ａ，２５Ｂに直接卷回されることにより、励磁磁束を高効率で利用することができる。
【００４９】
しかも、上記のような顕著な効果を図ることができたにもかかわらず、構造が簡単であるのでコストダウンが容易である。また、コイルが２つのコイル１９Ａ，１９Ｂに分かれているが、同じ方向の単相巻線１７であるので、巻線工程が簡略化できる。
【００５０】
また、この実施の形態のステップモータ３は、時計のような小型の振動発生装置の回転駆動装置としてだけでなく、携帯電話機などのような比較的大きな振動発生装置の回転駆動装置としても、あるいは他の機構装置の回転駆動装置として幅広く適用される。また、ステップモータ３のロータ１１の長さを短くすれば、扁平モータにも変更が可能である。
【００５１】
次に、上記のステップモータ３を駆動する駆動回路２７について図面を参照して説明する。
【００５２】
図１において左側は駆動回路ブロック図を示しており、駆動回路２７としては、起動発振回路２９と、定常発振回路３１と、タイマ回路３３と、増幅回路３５と、から構成されている。
【００５３】
上記の起動発振回路２９はＣＲ発振回路で、被駆動モータとしてのステップモータ３の自起動最大周波数以下に設定された周波数が発振される。なお、ステップモータ３は、偏心重り７を装着した状態において自起動最大周波数で起動することが保証されているモータを使用する。
【００５４】
定常発振回路３１はＣＲ発振回路で、ステップモータ３の最大応答周波数以下に設定された周波数が発振される。なお、ステップモータ３は、偏心重り７を装着した状態において最大応答周波数で回転することが保証されているモータを使用する。
【００５５】
タイマ回路３３は、ＣＲとコンパレータで構成されており、ステップモータ３の最大起動時間以上に設定された時間に起動発振回路２９からの起動発振周波数をモータに供給し、その以後、定常発振回路３１からの定常発振周波数に切り替えてモータに供給する回路である。なお、ステップモータ３は、偏心重り７を装着した状態において最大起動時間内で起動することが保証されているモータを使用する。
【００５６】
増幅回路３５は、２端子に双方向通電可能な１相全波通電駆動出力回路になっており、発振波形を増幅してコイル１９Ａ，１９Ｂに給電する回路である。
【００５７】
また、駆動回路２７は２端子３７Ａ，３７Ｂの接続で、ＤＣ電源から直流電流がスイッチＳＷ１を経て供給される電線３９と、アース線４１とが接続されている。
【００５８】
上記構成により、ＳＷ１が閉じて駆動回路２７にＤＣ電圧が印加されると、起動発振回路２９にて起動発振が始まり、タイマ回路３３で設定された設定時間の間に起動発振周波数波形が増幅回路３５で増幅され、出力端子４３Ａ，４３Ｂに接続された接続端子２１Ａ，２１Ｂを経てコイル１９Ａ，１９Ｂに供給される。その後、タイマ回路３３内のスイッチＳＷ２で定常発振回路３１に切り替えられ、定常発振回路３１からの定常発振周波数波形が増幅回路３５で増幅され、コイル１９Ａ，１９Ｂに供給されることにより、ステップモータ３は設定回転数で回転することになる。
【００５９】
したがって、駆動回路２７が、振動モータ１に許容される適用範囲内で、起動発振回路２９と、定常発振回路３１と、タイマ回路３３と、増幅回路３５と、からなる各回路に集約されたことにより、この簡素化された駆動回路２７によって電圧変動などの外乱による回転数変動がなく一定振動量が得られる。
【００６０】
次に、この発明の実施の形態のステップモータ３の上述した構成原理に基づいて製作したステップモータ３の構成部品と組み立て方について、図面を参照して説明する。
【００６１】
単相ステップモータ３は、回転するロータ１１の部分と回転しないステータ１５の部分とから構成されているので、各部分ごとに説明する。
【００６２】
図２及び図３を参照するに、ロータ１１は、シャフト５に永久磁石としての例えばプラスチックマグネット９（以下、単に「マグネット」という）を円筒状に一体成形した構成であり、小型のステップモータには多用されているものである。ロータ１１の着磁は２極なので、モータ組立て後に外部から着磁した方がステータ１５への挿入時には組立て易いので、シャフト５にマグネット９を一体成形した組立品がロータ１１として準備される。
【００６３】
図２ないしは図５を参照するに、ステータ１５の構成と巻線方法について説明すると、ステータ１５の核となるステータコア１３Ａ，１３Ｂは、通常は鉄損を減少させるために積層鋼板が使われるが、この実施の形態では非常に面積が小さいのでステータコア１３Ａ，１３Ｂはそれぞれ後述する２分割コアの一体品とされている。
【００６４】
ステータコア１３Ａ，１３Ｂの形状とその配置は図１のステップモータ３の原理構成図に基づいているが、図１で示されている形状ではコイル１９Ａ，１９Ｂの位置に線材を巻くことが困難なので、図２及び図３に示されているように巻線をするステータコア１３Ａ，１３Ｂと外周部分のモータ構造部材としての例えばハウジング４５とが分離されている。
【００６５】
なお、図２及び図３では、ハウジング４５が継鉄２３となってステータコア１３Ａ，１３Ｂに図３において上下のロータ１１側と反対側で接続されているが、継鉄２３の部分としては、モータ３の厚み方向（ロータ１１の軸線方向）、つまり図２において左右方向でステータコア１３Ａ，１３Ｂの外側にハウジング４５以外の他の部材で接続されていても構わない。いずれにしても、ステータコア１３Ａ，１３Ｂはコイル１９Ａ，１９Ｂのロータ１１側と反対側の外側が継鉄２３で接続されている。
【００６６】
さらに、巻線を容易とするために、図４（Ａ），（Ｂ）に示されているようにステータコア１３Ａ，１３Ｂのステータ磁極２５Ａ，２５Ｂ側を樹脂で固めてコアブロック４７とした。このコアブロック４７は樹脂の両側に巻芯部４９Ａ，４９Ｂが突き出た形状であり、巻芯部４９Ａ，４９Ｂに直接巻線をしてコイル１９Ａ，１９Ｂが形成されている。コアブロック４７の中心部にはロータ１１のマグネット９が回転可能なロータ用穴部５１が設けられている。
【００６７】
なお、この実施の形態ではステータコア１３Ａ，１３Ｂはそれぞれ、２枚の分割コア５３Ａ，５３Ｂが組み合わされて構成されている。例えば、ステータコア１３Ｂを例にとって説明すると、図５（Ａ），（Ｂ）に示されているように、分割コア５３Ａ，５３Ｂがロータ回転面と直角方向に組み合わされてロータ１１のマグネット９の外周面と不均一なギャップＧでステータ磁極２５Ｂを形成するように構成されている。
【００６８】
なお、ステータコア１３Ａ，１３Ｂとしては、複数枚の分割コアが上記のようにロータ回転面と直角方向に組み合わされるものに限らず、ロータ回転面に対して水平方向に組み合わせて構成されても構わない。このように、ステータコア１３Ａ，１３Ｂは２つ以上の分割コアとして組み合わされることにより、鉄損が軽減でき、効率アップを図ることができる。
【００６９】
また、上記のコアブロック４７には様々な機能が備えられている。例えば、図４（Ａ），（Ｂ）に示されているように、コアブロック４７はステータコア１３Ａ，１３Ｂのステータ磁極２５Ａ，２５Ｂを埋め込む形で固定され、ステータ磁極２５Ａ，２５Ｂの間に前述したロータ用穴部５１が形成された筒状になっている。コアブロック４７の図４（Ａ）において左側はロータ１１のシャフト５の回転を軸承するための軸受穴部５５が形成されており、ロータ用穴部５１の図４（Ａ）において右側はロータ１１のマグネット９を挿入して内装することを可能とするために開口されている。なお、前記軸受穴部５５は振動発生装置として用いられるときの偏心重り７を装着する側のシャフト５の軸受部であり、同一金型によりコアブロック４７と同一樹脂で一体成形されているので、安定した強度と良好な同軸度が得られる。
【００７０】
また、ロータ１１のマグネット９がコアブロック４７のロータ用穴部５１内で回転されるとき、精度が良好な同軸となるために、ロータ用穴部５１には図２に示されているようにロータ１１のシャフト５を軸承するための軸受５７がロータ用穴部５１の内径と略同径で圧入される。なお、上記のロータ１１及び軸受５７は、後述するモータ部組立時に装着される。
【００７１】
なお、コアブロック４７の製法としては、絶縁塗装されたステータコア１３Ａ，１３Ｂと、詳述していない接続端子２１Ａ，２１Ｂとが成形金型内で位置決めされた後に、流動性と潤滑性が良く高強度のエンジニアリングプラスチックなどの樹脂で一体成形される。
【００７２】
また、コイル１９Ａ，１９Ｂの巻線方法としては、コアブロック４７のロータ用穴部５１の内周面と巻芯部４９Ａ，４９Ｂが突き出ていない側の２面とが巻線機に固定され、図１を併せて参照すると、コイル１９Ａの線材が一方の接続端子２１Ａに絡げられた後に、一方のステータコア１３Ａの巻芯部４９Ａの外側から設定ターン数だけ巻線されてから、他方の接続端子２１Ｂに絡げられる。次いで、コアブロック４７が１８０°ターンされてから、他方のステータコア１３Ｂの巻芯部４９Ｂの外側から同一方向に設定ターン数だけ巻線されてから、一方の接続端子２１Ａに絡げられる。以上のようにして図１に示されているような並列配線となる。
【００７３】
ステータ１５の組立としては、上記のように巻線されたコアブロック４７が継鉄２３を兼ねるハウジング４５に挿入され、コアブロック４７の例えば図２の左側の樹脂の一部が熱カシメされてハウジング４５に固定されて終了する。
【００７４】
次に、モータ部組立としては、上記の準備したロータ１１がコアブロック４７のロータ用穴部５１内に挿入される。つまり、ロータ１１のシャフト５の図２において左側は軸受穴部５５に挿通されてコアブロック４７の図２において左端面から左方へ突出される。なお、シャフト５が回転時に軸心方向の位置を規制するためのストッパ部材６９が軸受穴部５５の左側でシャフト５に装着されている。
【００７５】
次いで、軸受５７がシャフト５の図２において右端側とロータ用穴部５１内に圧入される。絶縁性で可撓性のある材質からなるエンドキャップ６３がハウジング４５の図２において右側から被せるように装着されると共に、コアブロック４７の図２において右端側が前記エンドキャップ６３により支持され、空芯着磁器で着磁されてステップモータ３の組立が完成する。
【００７６】
図２及び図６を参照するに、この発明の実施の形態の振動モータ１は、前述したステップモータ３において突出したロータ１１のシャフト５に偏心重り７が装着されて完成する。この偏心重り７は、例えばタングステン製からなり、図６に示されているように扇形状をしており、この扇形状の中心部にはシャフト５のほぼ半円周上に嵌入可能な凹部６５が設けられており、図２において左右方向の中間部には溝部６７が扇形状の前記凹部６５を除く他の外周面に形成されている。
【００７７】
偏心重り７の装着方法としては、上記のシャフト５に例えばアルミ製の金属リング６９が軽圧入される。また、偏心重り７は、金属リング６９に抱かせるようにして凹部６５がシャフト５の半円周上に接触された状態で設置される。この状態で前記溝部６７とシャフト５に例えばステンレス製の薄板のバンド７１が巻かれ、このバンド７１がシャフト５に接触している部分で溶接され、この溶接部７３により偏心重り７がシャフト５に確実に固定される。
【００７８】
なお、この発明は前述した実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他の態様で実施し得るものである。
【００７９】
【発明の効果】
以上のごとき発明の実施の形態の説明から理解されるように、請求項１の発明によれば、単相巻線が分割されているためにコイル設置の自由度が増加するので、同じ外形範囲内で無効なスペースを少なくして巻線のための容積を大きくとることができる。しかも、ロータの対向面とエアギャップで対向するステータコアの２極に到達するまでの磁路が短いので、分割されたコイルで発生した磁束は少ないロスでロータに流れ、ギャップ磁束密度を大きくできる。その結果、携帯電話などのような比較的大きな振動発生装置や他の機器のモータとして幅広く適用できる。
【００８０】
また、分割されたコイルが同じ方向の単相巻線であると巻線工程を簡略化でき、構造が簡単であるためコストダウンを図ることができる。また、ロータの長さを短くすれば、扁平モータにも変更が可能である。
【００８１】
また、ロータの回転に有効に作用しない側の磁路は、ステータコアの外側に配設されたモータ構造部材を継鉄として利用できるので、構造が簡単で安価である。
【００８２】
請求項２の発明によれば、ステータコアは複数枚の分割コアとして組み合わされることにより、鉄損が軽減でき、効率アップを図ることができる。さらには厚さの違うステータコアを容易に作ることができる。
【００８３】
請求項３の発明によれば、駆動回路を、振動モータに許容される適用範囲内で、タイマ回路と起動発振回路と定常発振回路との各回路に集約したので、簡素化を図ることができ、電圧変動などの外乱による回転数変動がなく一定振動量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態のステップモータの原理構成図及び駆動回路ブロック図である。
【図２】図１の原理構成に基づいたこの発明の実施の形態のステップモータを用いた小型振動モータの要部断面を含む正面図である。
【図３】図２の右側面図で、エンドキャップと軸受を図示しない図である。
【図４】（Ａ）はコアブロックを示すもので図３のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図で、（Ｂ）は（Ａ）の矢視ＩＶ−ＩＶ線の断面図である。
【図５】（Ａ）は図２におけるステータコアの一部を示す正面図で、（Ｂ）は（Ａ）の矢視Ｖ−Ｖ線の断面図である。
【図６】図２の左側面図で、エンドキャップを図示しない図である。
【図７】従来のステップモータの原理構成図である。
【図８】図７の原理構成に基づいた従来のステップモータを用いた小型振動モータの平面図である。
【図９】図７の原理構成に基づいた従来の他のステップモータの部分的な斜視図である。
【符号の説明】
１ 振動モータ
３ ステップモータ
５ シャフト（ロータ軸）
７ 偏心重り
９ マグネット（永久磁石）
１１ ロータ
１３Ａ，１３Ｂ ステータコア
１５ ステータ
１７Ａ，１７Ｂ 単相巻線
１９Ａ，１９Ｂ コイル
２１Ａ，２１Ｂ 接続端子
２３ 継鉄
２５Ａ，２５Ｂ ステータ磁極
２７ 駆動回路
２９ 起動発振回路
３１ 定常発振回路
３３ タイマ回路
３５ 増幅回路
４３Ａ，４３Ｂ 出力端子
４５ ハウジング（モータ構造部材）
４７ コアブロック
４９ 巻芯部
５１ ロータ用穴部
５３Ａ，５３Ｂ 分割コア
６３ エンドキャップ
７１ バンド
Ｇ ギャップ
【発明の属する技術分野】
この発明は、モータのロータ軸に取付けた偏心重りを回転せしめて振動を発生する振動モータに関し、特に回転駆動源となるブラシを有さないモータ構成とステータ構造とを備えた振動モータ、並びにロータ位置検出手段を持たない振動発生用駆動回路を備えた振動モータおよび振動モータの駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯電話などの電子機器に使用されている着信検知用の振動モジュールは、ブラシ付きコアレスモータ、ブラシ付きコアードモータ、ブラシレスモータの構造を用いている小型モータが主流であり、上記の小型モータの回転軸に偏心重りが搭載されている。
【０００３】
その中でもブラシの付いた小形モータに偏心重りを付けたものが多い。このようなブラシ付きモータが用いられるのは、振動発生を２端子接続のＯＮ−ＯＦＦで制御でき、往復運動より回転運動の方がイナーシャも利用できるのでエネルギー効率が良いからである。しかし、ブラシ付きモータは構造が複雑になり生産コストが掛かってしまう。
【０００４】
一方、ブラシレスモータはブラシ・整流子がないので部品点数が少なく機械的構造が比較的シンプルで、故障率が低くて低コストであるが、ロータ位置を検出するセンサを用い、電機子に印加する電圧のタイミングをロータ位置に合わせるための駆動回路が必要であり、駆動回路を外部に設けても、２相、３相のブラシレスモータは接続端子数が増えてコストと設置スペースに影響し、１相モータであってもセンサが付けば接続端子数が増えるので、２端子接続で且つブラシのないモータ構成が要求されていた。この要求に応えるものとして単相ステップモータを用いた振動モータが開発されている。
【０００５】
従来、振動モータに用いられている単相ステップモータとしては、時計に使われている時計用振動発生装置の回転駆動装置として単相２極ステップモータが開発されている。この単相２極ステップモータ１０１は図７に示されているような概略的な原理構成となっており、ロータ軸１０３に装着された２極の永久磁石１０５からなるロータ１０７と、このロータ１０７の対向面と不均一なギャップＧを介して磁気結合する２極のステータ磁極１０９Ａ，１０９Ｂを有するステータコア１１１と、このステータコア１１１に単相巻線が巻かれて接続端子１１３Ａ，１１３Ｂに接続されているコイル１１５と、から構成されている。この図７と併せて同様の構成部材は同符号を用いてその具体的な例を以下に示す。
【０００６】
図８を参照するに、このステップモータ１１７は扁平型のモータであり、ロータ軸１０３に装着された２極の永久磁石１０５からなるロータ１０７と、このロータ１０７とギャップＧを介して磁気結合するステータコア１１１と、コイル１１５と、から構成される。前記コイル１１５は駆動コイルとロータ位置を検出する逆起電圧検出コイルとからなり、この逆起電圧検出コイルからのロータ位置検出信号に基づいてロータ１０７が高速で回転駆動される。なお、このステップモータ１０１はロータ軸１０３に偏心重り１１９が固定されることによって振動モータとして使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
図９を参照するに、このステップモータ１２１は円筒型のモータであり、ロータ軸１０３に装着された２極の永久磁石１０５からなるロータ１０７と、励磁コイルと前記ロータ１０７の回転位置を検出する検出コイルからなるコイル１１５と、前記ロータ１０７と不均一なギャップＧを介して磁気結合し、前記ロータ１０７を収納配置するためのロータ穴部１２３を有する平坦部１２５と、該平坦部１２５に対して略直角に折り曲げて形成された２箇所の接続部１２７Ａ，１２７Ｂと、コイル１１５の巻心端部１２９に接続するために、折り曲げられた接続端部１３１Ａ，１３１Ｂを有する２極のステータコア１１１と、から構成されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
また、従来の他の例としては、１コイルで、複数極マグネットロータを備え、変形クローポールステータ磁極で構成されているステップモータがある。クローポール構成は多極着磁のロータで１パルス当たりの回転角が小さい用途に有利である（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
さらに、従来の他の例としては、多極着磁多相駆動用のブラシレスモータがある。ロータの回転位置を検出する位置検出センサを持たないセンサレス方式のブラシレスモータ駆動回路を搭載したものである。定速回転時は各相のコイルに発生する逆起電圧の位相を位相検出アンプで検出し、次の出力段のＯＮタイミングを決めるようにしている。モータの負荷変動があり、それに応じて逆起電圧の位相も変化した場合には、それに合わせて回転速度をコントロールし、安定した回転駆動を図っている（例えば、特許文献４参照）。
【００１０】
さらに、従来の他の例としては、２極着磁単相駆動用のステップモータがある。１コイルで、２極マグネットロータを備え、逆起電圧によるロータ位置検出駆動回路を備えている（例えば、特許文献５参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−９３９９０号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平９−２５２５７３号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開２００２−２６３５７５号公報
【００１４】
【特許文献４】
特開２００３−６１３８７号公報
【００１５】
【特許文献５】
特開平６−２３５７７７号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の振動モータに用いられている単相２極ステップモータ１０１は２端子接続でブラシのないモータ構成であるが、例えば単相２極ステップモータ１２１は、腕時計などのように質量が軽く容積の小さなところへ装着されるように小型化と生産性が考えられているので、コイル１１５が発生する磁束をロータ１０７と対向するステータ磁極１０９Ａ，１０９Ｂまでヨークで運んでいるように磁路長が長い磁路構成となっている。さらに、コイル１１５は生産性を考慮して外部で卷回したものを装着する構造になっている。このモータ１２１は、携帯電話のように腕時計より質量のある機器に装着され、振動を感じさせるのに十分な偏心重りを回転させるには不十分であった。
【００１７】
つまり、図７に示されているように、通電によりコイル１１５で発生した磁束が、ロータ１０７とエアギャップＧで対向するステータコア１１１の２極のステータ磁極１０９Ａ，１０９Ｂに到達するまでの磁路が長く、磁束のロスが多い構成になっている。たとえ、コイル１１５が細い線材で多数巻きされても、抵抗値が大きくなり電流が流れず磁束数は増えないという問題点があった。
【００１８】
ちなみに、図８及び図９に示されているステップモータ１１７，１２１は、図７の原理図を実装容積に合わせて生産性が考慮されたものであり、ステータコア１１１に単相巻線したコイル１１５が例えば図９では接続端部１３１Ａ，１３１Ｂへ接続されて磁気回路を形成している。１コイル構成で、コイル１１５からロータ１０７の外周までの磁路に長い距離があり、磁気抵抗もあるという問題点があった。
【００１９】
鉄心にコイル１１５を巻いた状態で、鉄心端とコイル端との距離が鉄心端における磁束密度にどのように影響するかは、芯入り着磁ヨークでマグネットを面着磁させて、前記距離と着磁後のマグネットの表面磁束密度との関係を測定すれば明らかである。まして、途中に磁気抵抗の大きい部分があると、そのロスが大きいものである。つまり、磁束は、飽和磁束密度内であれば継鉄内に磁束が閉じ込められてしまい、水道管の中を水が流れるように流れるのではないものと考えられる。
【００２０】
また、従来の振動モータに用いられている特許文献３におけるステップモータは、１コイルで、変形クローポールステータ磁極のユニークな構成であるが、このクローポール構成は多極着磁のロータで、１パルス当たりの回転角が小さい用途には有利である。しかし、少ないステータ磁極で回転角が大きい使い方であるので、磁束のロスが大きく、同じターン数でステータ磁極に直接卷回されたコイルより有効磁束の利用効率が悪く、トルクは出にくいという問題点があった。トルクが出ないと、例え回転してもロータのイナーシャが大きな負担となり、設定回転数、つまり設定振動量に到達するまでに時間がかかることになる。
【００２１】
なお、１相４極のファンモータ構成がインナーロータにしてセンサレスで回転されると、駆動回路を外部に設けても２端子接続でブラシのないモータ構成となるが、このモータ構成ではファンモータよりはるかに小型化してインナーロータにしたマグネットに４極着磁をすることが難しく、センサレス駆動回路が複雑になり高コストになるという問題点が生じる。上述した特許文献３におけるステップモータは、インナーロータ構成ではないが、小径多極着磁とセンサレス駆動回路という点では、上記のファンモータの場合と同様の問題点が生じる。
【００２２】
また、前述した従来のブラシレス駆動回路を搭載したモータは、逆起電圧を利用し、センサレス駆動のために起動引き入れ回路を有しているので多少複雑な回路となっている。したがって、逆起電圧を利用しないでモータを回転せしめることができ、逆起電圧を検出することなく、起動後の引き入れ回路も設けることなく、単相２極ステップモータ構成のモータを連続回転させるための駆動回路を開発する必要があった。
【００２３】
この発明は上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、腕時計などのような小さな機器に比べて比較的大きな機器に対しても、例えば携帯電話機などで小型振動モータに用いられたときに十分に振動を発生可能となるステップモータを用いた振動モータ、および逆起電圧を利用せずに回転し、起動後の引き入れ回路を設けずに連続回転させる駆動回路を備えた振動モータの駆動回路を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１によるこの発明の振動モータは、モータのロータ軸に取付けた偏心重りを回転せしめて振動を発生する振動モータにおいて、
前記モータは、ロータ軸に装着された２極のマグネットからなるロータと、前記マグネットの対向面とギャップを介して磁気結合する２極のステータコアに単相巻線が巻かれたコイルと、からなるステップモータであり、
前記単相巻線は分割され、この分割された各単相巻線を前記２極のステータコアに前記ギャップの近傍で１８０°対向して直接卷回し、前記２極のステータコアの外側もしくは軸方向端面に配設されたモータ構造材料を継鉄としてステータ磁路を形成してなることを特徴とするものである。
【００２５】
したがって、単相巻線が分割されているためにコイル設置の自由度が増加するので、同じ外形範囲内で無効なスペースを少なくして巻線のための容積が大きくなる。しかも、ロータの対向面とエアギャップで対向するステータコアの２極に到達するまでの磁路が短いので、分割されたコイルで発生した磁束は少ないロスでロータに流れ、ギャップ磁束密度が大きくなる。結果として、携帯電話機などのような比較的大きな振動発生装置や他の機器のモータとして幅広く適用可能となる。
【００２６】
また、分割されたコイルが同じ方向の単相巻線であると巻線工程が簡略化され、構造が簡単であるのでコストダウンに寄与する。また、ロータの長さを短くすれば、扁平モータにも適用可能である。
【００２７】
また、ロータの回転に有効に作用しない側の磁路は、ステータコアの外側に配設されたモータ構造部材が継鉄として利用されるので構造が簡単で安価となる。
【００２８】
請求項２によるこの発明の振動モータは、請求項１記載の振動モータにおいて、前記ステータコアは、複数枚の分割コアをロータ回転面と直角方向または水平方向に組み合わせて構成してなることを特徴とするものである。
【００２９】
したがって、ステータコアは複数枚の分割コアとして組み合わされることにより、鉄損が軽減され、効率アップに寄与する。さらには厚さの違うステ−タコアを容易に作ることができる。
【００３０】
請求項３によるこの発明の振動モータの駆動回路は、モータのロータ軸に取付けた偏心重りを回転せしめて振動を発生する振動モータの駆動回路において、
前記モータを駆動する駆動回路が、タイマ回路と、このタイマ回路で設定された設定時間に自起動最大周波数以下の単相発振周波数を供給して起動させる起動発振回路と、振動発生時間の間に設定回転数となる最大応答周波数以下の単相発振周波数を供給してモータを一定回転数で回転させる定常発振回路と、を備えてなることを特徴とするものである。
【００３１】
したがって、駆動回路が、振動モータに許容される適用範囲内で、タイマ回路と起動発振回路と定常発振回路との各回路に集約されているので、簡素化が図られ、電圧変動などの外乱による回転数変動がなく一定振動量が得られる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３３】
この実施の形態に係る振動モータ１は、図２に示されているように回転駆動装置であるモータとしての例えばステップモータ３において突出したロータ軸としての例えばシャフト５に偏心重り７が装着され、前記シャフト５の回転駆動により偏心重り７が回転して振動が発生するものである。
【００３４】
まず、この実施の形態に係る振動モータ１に用いられるステップモータ３の原理について説明する。
【００３５】
ステップモータ３は、図１に示されているような概略的な原理構成となっており、ロータ軸としての例えばシャフト５に装着された２極の永久磁石としての例えばマグネット９からなるロータ１１と、このロータ１１の対向面と不均一な（均一でない）ギャップＧを介して磁気結合する２極のステータコア１３Ａ，１３Ｂからなるステータ１５と、前記ステータコア１３Ａ，１３Ｂに２以上に分割された単相巻線が巻かれたコイル、この実施の形態では２つの単相巻線１７Ａ，１７Ｂに分割されたコイル１９Ａ，１９Ｂと、から構成されている。上記の分割した各単相巻線１７Ａ，１７Ｂはステータコア１３Ａ，１３Ｂの２極に前記ギャップＧの近傍で１８０°対向して同一方向に巻かれ、並列にそれぞれ接続端子２１Ａ，２１Ｂに接続されている。
【００３６】
図７の従来のステップモータ３の原理図と比較すると、図１のこの実施の形態の原理図は、２分割されたコイル１９Ａ，１９Ｂの間にロータ１１を挟んだ構造となっている。また、上記の２極のステータコア１３Ａ，１３Ｂは、当該ステータコア１３Ａ，１３Ｂの外側に配設されたモータ構造部材が継鉄２３となって接続される磁路が形成されている。つまり、単相巻線１７Ａ，１７Ｂのロータ１１側と反対側は外側に継鉄２３が形成されて、ロータ１１の回転に有効に作用しない側の磁路が長くなっている。
【００３７】
次に、上記構成のステップモータ３の回転の原理について図１を参照して説明する。
【００３８】
コイル１９Ａ，１９Ｂに通電されていないとき、２極のロータ１１の磁極Ｎ、Ｓは、図１の位置か、あるいは１８０°回転してＮ、Ｓ極が逆になった位置かのどちらかである。ギャップＧが不均一であるので、ギャップＧの狭い部分に磁束が集中して、自由に回転するロータ１１は上記の位置で安定する。
【００３９】
コイル１９Ａ，１９Ｂには極性を入れ替える発振波形が通電されるので、コイル１９Ａ，１９ＢにはＮ、Ｓ極が交互に励磁され、ロータ１１と対向しているステータ磁極２５Ａ，２５Ｂには、Ｎ、Ｓ極が交互に励磁される。
【００４０】
今、図１の状態で、ロータＮ極側のステータ磁極２５ＡにＮ極が励磁されたとすると、Ｎ極同士、１８０°反対側ではＳ極同士が反発してロータ１１は矢印の方向に回転しようとする。ロータ１１とステータ磁極２５Ａ，２５Ｂとの磁気吸引力より大きい反発力を発生する磁力が励磁されることによりロータ１１は回転を開始する。
【００４１】
回転したロータＮ極は、次のステータ磁極２５Ｂの磁極の中心に引き寄せられるが、励磁が終了してもイナーシャとギャップＧの狭い部分への吸引力とにより回転が続けられ、図１より１８０°回転した位置で安定する。半回転のたびに励磁の極性が入れ替わって繰り返され、発振波形が一周期で一回転の回転数が得られることになる。
【００４２】
なお、コイル１９Ａ，１９Ｂに通電開始時にロータＮ極側のステータ磁極２５ＡにＳ極が励磁された場合は、ロータ１１はステータ磁極２５ＡのＳ極内から脱出できず、次のＮ極が励磁された時点から回転が始まる。
【００４３】
なお、通常の単相モータでは回転子が起動できないポイントが存在するが、この欠点を回避するために、ステップモータ３ではロータ１１とステータ磁極２５Ａ，２５ＢとのギャップＧが不均一にされているので、停止時のロータ１１の位置が起動し易いポイントヘ容易に移動される。また、駆動させたい回転数のサイン波が入力されるだけで駆動可能となる。
【００４４】
上記構成により、ロータ１１とエアギャップＧで対向するステータコア１３Ａ，１３Ｂの２極のステータ磁極２５Ａ，２５Ｂに到達するまでの磁路が短く形成されているので、磁束のロスが少なくなり、ギャップ磁束密度を大きくすることができる。
【００４５】
さらに、コイルが分割されていることの効果について説明すると、コイルが発生する磁束数は電流Ａ×巻き数Ｔで決まる。巻き数Ｔを多くすると線材の長さも増加するので、一般的には抵抗値が増加し電流Ａが減少するので磁束数は変わらない。したがって、磁束数を増加させるためには、電流Ａを減少させないように太い線材を多く巻かなければならないが、それに伴って必要な巻線容積も増加するので限られた容積では困難な課題となる。
【００４６】
しかし、上述したように一つの単相コイルをコイル１９Ａ，１９Ｂに２分割すると、コイル設置の自由度が増加するため、同じ外形範囲内に一つだけのコイルブロックの配置場所を考えるのとは違って、同一外形範囲の中で無効なスペースを少なくして巻線のための容積を大きくとることができる。このことは、図１のこの実施の形態の構成と図７の従来の構成がそれぞれ同じ外形範囲に入れた場合であるので、この両者を比較してみれば容易にわかる。
【００４７】
より詳しく説明すると、この実施の形態では、同一外形範囲の中で磁束発生端であるコイル１９Ａ，１９Ｂの端と磁束利用場所であるロータ１１の外周との距離が短くなるので、コイル１９Ａ，１９Ｂで発生した磁束は少ないロスでロータ１１に流れることになる。つまり、磁束発生端と磁束利用場所との距離が短い方が磁束を有効に活用できるので、この現象を利用してギャップ有効磁束数をより大きくした構成である。つまり、磁路を短くしたモータ構成と、コイル容積を大きくできるコイル配置が行われている。
【００４８】
以上のように、このステップモータ３は２端子接続且つブラシレス、センサレスのモータ構成で、分割された単相巻線１７Ａ，１７Ｂがステータ磁極２５Ａ，２５Ｂに直接卷回されることにより、励磁磁束を高効率で利用することができる。
【００４９】
しかも、上記のような顕著な効果を図ることができたにもかかわらず、構造が簡単であるのでコストダウンが容易である。また、コイルが２つのコイル１９Ａ，１９Ｂに分かれているが、同じ方向の単相巻線１７であるので、巻線工程が簡略化できる。
【００５０】
また、この実施の形態のステップモータ３は、時計のような小型の振動発生装置の回転駆動装置としてだけでなく、携帯電話機などのような比較的大きな振動発生装置の回転駆動装置としても、あるいは他の機構装置の回転駆動装置として幅広く適用される。また、ステップモータ３のロータ１１の長さを短くすれば、扁平モータにも変更が可能である。
【００５１】
次に、上記のステップモータ３を駆動する駆動回路２７について図面を参照して説明する。
【００５２】
図１において左側は駆動回路ブロック図を示しており、駆動回路２７としては、起動発振回路２９と、定常発振回路３１と、タイマ回路３３と、増幅回路３５と、から構成されている。
【００５３】
上記の起動発振回路２９はＣＲ発振回路で、被駆動モータとしてのステップモータ３の自起動最大周波数以下に設定された周波数が発振される。なお、ステップモータ３は、偏心重り７を装着した状態において自起動最大周波数で起動することが保証されているモータを使用する。
【００５４】
定常発振回路３１はＣＲ発振回路で、ステップモータ３の最大応答周波数以下に設定された周波数が発振される。なお、ステップモータ３は、偏心重り７を装着した状態において最大応答周波数で回転することが保証されているモータを使用する。
【００５５】
タイマ回路３３は、ＣＲとコンパレータで構成されており、ステップモータ３の最大起動時間以上に設定された時間に起動発振回路２９からの起動発振周波数をモータに供給し、その以後、定常発振回路３１からの定常発振周波数に切り替えてモータに供給する回路である。なお、ステップモータ３は、偏心重り７を装着した状態において最大起動時間内で起動することが保証されているモータを使用する。
【００５６】
増幅回路３５は、２端子に双方向通電可能な１相全波通電駆動出力回路になっており、発振波形を増幅してコイル１９Ａ，１９Ｂに給電する回路である。
【００５７】
また、駆動回路２７は２端子３７Ａ，３７Ｂの接続で、ＤＣ電源から直流電流がスイッチＳＷ１を経て供給される電線３９と、アース線４１とが接続されている。
【００５８】
上記構成により、ＳＷ１が閉じて駆動回路２７にＤＣ電圧が印加されると、起動発振回路２９にて起動発振が始まり、タイマ回路３３で設定された設定時間の間に起動発振周波数波形が増幅回路３５で増幅され、出力端子４３Ａ，４３Ｂに接続された接続端子２１Ａ，２１Ｂを経てコイル１９Ａ，１９Ｂに供給される。その後、タイマ回路３３内のスイッチＳＷ２で定常発振回路３１に切り替えられ、定常発振回路３１からの定常発振周波数波形が増幅回路３５で増幅され、コイル１９Ａ，１９Ｂに供給されることにより、ステップモータ３は設定回転数で回転することになる。
【００５９】
したがって、駆動回路２７が、振動モータ１に許容される適用範囲内で、起動発振回路２９と、定常発振回路３１と、タイマ回路３３と、増幅回路３５と、からなる各回路に集約されたことにより、この簡素化された駆動回路２７によって電圧変動などの外乱による回転数変動がなく一定振動量が得られる。
【００６０】
次に、この発明の実施の形態のステップモータ３の上述した構成原理に基づいて製作したステップモータ３の構成部品と組み立て方について、図面を参照して説明する。
【００６１】
単相ステップモータ３は、回転するロータ１１の部分と回転しないステータ１５の部分とから構成されているので、各部分ごとに説明する。
【００６２】
図２及び図３を参照するに、ロータ１１は、シャフト５に永久磁石としての例えばプラスチックマグネット９（以下、単に「マグネット」という）を円筒状に一体成形した構成であり、小型のステップモータには多用されているものである。ロータ１１の着磁は２極なので、モータ組立て後に外部から着磁した方がステータ１５への挿入時には組立て易いので、シャフト５にマグネット９を一体成形した組立品がロータ１１として準備される。
【００６３】
図２ないしは図５を参照するに、ステータ１５の構成と巻線方法について説明すると、ステータ１５の核となるステータコア１３Ａ，１３Ｂは、通常は鉄損を減少させるために積層鋼板が使われるが、この実施の形態では非常に面積が小さいのでステータコア１３Ａ，１３Ｂはそれぞれ後述する２分割コアの一体品とされている。
【００６４】
ステータコア１３Ａ，１３Ｂの形状とその配置は図１のステップモータ３の原理構成図に基づいているが、図１で示されている形状ではコイル１９Ａ，１９Ｂの位置に線材を巻くことが困難なので、図２及び図３に示されているように巻線をするステータコア１３Ａ，１３Ｂと外周部分のモータ構造部材としての例えばハウジング４５とが分離されている。
【００６５】
なお、図２及び図３では、ハウジング４５が継鉄２３となってステータコア１３Ａ，１３Ｂに図３において上下のロータ１１側と反対側で接続されているが、継鉄２３の部分としては、モータ３の厚み方向（ロータ１１の軸線方向）、つまり図２において左右方向でステータコア１３Ａ，１３Ｂの外側にハウジング４５以外の他の部材で接続されていても構わない。いずれにしても、ステータコア１３Ａ，１３Ｂはコイル１９Ａ，１９Ｂのロータ１１側と反対側の外側が継鉄２３で接続されている。
【００６６】
さらに、巻線を容易とするために、図４（Ａ），（Ｂ）に示されているようにステータコア１３Ａ，１３Ｂのステータ磁極２５Ａ，２５Ｂ側を樹脂で固めてコアブロック４７とした。このコアブロック４７は樹脂の両側に巻芯部４９Ａ，４９Ｂが突き出た形状であり、巻芯部４９Ａ，４９Ｂに直接巻線をしてコイル１９Ａ，１９Ｂが形成されている。コアブロック４７の中心部にはロータ１１のマグネット９が回転可能なロータ用穴部５１が設けられている。
【００６７】
なお、この実施の形態ではステータコア１３Ａ，１３Ｂはそれぞれ、２枚の分割コア５３Ａ，５３Ｂが組み合わされて構成されている。例えば、ステータコア１３Ｂを例にとって説明すると、図５（Ａ），（Ｂ）に示されているように、分割コア５３Ａ，５３Ｂがロータ回転面と直角方向に組み合わされてロータ１１のマグネット９の外周面と不均一なギャップＧでステータ磁極２５Ｂを形成するように構成されている。
【００６８】
なお、ステータコア１３Ａ，１３Ｂとしては、複数枚の分割コアが上記のようにロータ回転面と直角方向に組み合わされるものに限らず、ロータ回転面に対して水平方向に組み合わせて構成されても構わない。このように、ステータコア１３Ａ，１３Ｂは２つ以上の分割コアとして組み合わされることにより、鉄損が軽減でき、効率アップを図ることができる。
【００６９】
また、上記のコアブロック４７には様々な機能が備えられている。例えば、図４（Ａ），（Ｂ）に示されているように、コアブロック４７はステータコア１３Ａ，１３Ｂのステータ磁極２５Ａ，２５Ｂを埋め込む形で固定され、ステータ磁極２５Ａ，２５Ｂの間に前述したロータ用穴部５１が形成された筒状になっている。コアブロック４７の図４（Ａ）において左側はロータ１１のシャフト５の回転を軸承するための軸受穴部５５が形成されており、ロータ用穴部５１の図４（Ａ）において右側はロータ１１のマグネット９を挿入して内装することを可能とするために開口されている。なお、前記軸受穴部５５は振動発生装置として用いられるときの偏心重り７を装着する側のシャフト５の軸受部であり、同一金型によりコアブロック４７と同一樹脂で一体成形されているので、安定した強度と良好な同軸度が得られる。
【００７０】
また、ロータ１１のマグネット９がコアブロック４７のロータ用穴部５１内で回転されるとき、精度が良好な同軸となるために、ロータ用穴部５１には図２に示されているようにロータ１１のシャフト５を軸承するための軸受５７がロータ用穴部５１の内径と略同径で圧入される。なお、上記のロータ１１及び軸受５７は、後述するモータ部組立時に装着される。
【００７１】
なお、コアブロック４７の製法としては、絶縁塗装されたステータコア１３Ａ，１３Ｂと、詳述していない接続端子２１Ａ，２１Ｂとが成形金型内で位置決めされた後に、流動性と潤滑性が良く高強度のエンジニアリングプラスチックなどの樹脂で一体成形される。
【００７２】
また、コイル１９Ａ，１９Ｂの巻線方法としては、コアブロック４７のロータ用穴部５１の内周面と巻芯部４９Ａ，４９Ｂが突き出ていない側の２面とが巻線機に固定され、図１を併せて参照すると、コイル１９Ａの線材が一方の接続端子２１Ａに絡げられた後に、一方のステータコア１３Ａの巻芯部４９Ａの外側から設定ターン数だけ巻線されてから、他方の接続端子２１Ｂに絡げられる。次いで、コアブロック４７が１８０°ターンされてから、他方のステータコア１３Ｂの巻芯部４９Ｂの外側から同一方向に設定ターン数だけ巻線されてから、一方の接続端子２１Ａに絡げられる。以上のようにして図１に示されているような並列配線となる。
【００７３】
ステータ１５の組立としては、上記のように巻線されたコアブロック４７が継鉄２３を兼ねるハウジング４５に挿入され、コアブロック４７の例えば図２の左側の樹脂の一部が熱カシメされてハウジング４５に固定されて終了する。
【００７４】
次に、モータ部組立としては、上記の準備したロータ１１がコアブロック４７のロータ用穴部５１内に挿入される。つまり、ロータ１１のシャフト５の図２において左側は軸受穴部５５に挿通されてコアブロック４７の図２において左端面から左方へ突出される。なお、シャフト５が回転時に軸心方向の位置を規制するためのストッパ部材６９が軸受穴部５５の左側でシャフト５に装着されている。
【００７５】
次いで、軸受５７がシャフト５の図２において右端側とロータ用穴部５１内に圧入される。絶縁性で可撓性のある材質からなるエンドキャップ６３がハウジング４５の図２において右側から被せるように装着されると共に、コアブロック４７の図２において右端側が前記エンドキャップ６３により支持され、空芯着磁器で着磁されてステップモータ３の組立が完成する。
【００７６】
図２及び図６を参照するに、この発明の実施の形態の振動モータ１は、前述したステップモータ３において突出したロータ１１のシャフト５に偏心重り７が装着されて完成する。この偏心重り７は、例えばタングステン製からなり、図６に示されているように扇形状をしており、この扇形状の中心部にはシャフト５のほぼ半円周上に嵌入可能な凹部６５が設けられており、図２において左右方向の中間部には溝部６７が扇形状の前記凹部６５を除く他の外周面に形成されている。
【００７７】
偏心重り７の装着方法としては、上記のシャフト５に例えばアルミ製の金属リング６９が軽圧入される。また、偏心重り７は、金属リング６９に抱かせるようにして凹部６５がシャフト５の半円周上に接触された状態で設置される。この状態で前記溝部６７とシャフト５に例えばステンレス製の薄板のバンド７１が巻かれ、このバンド７１がシャフト５に接触している部分で溶接され、この溶接部７３により偏心重り７がシャフト５に確実に固定される。
【００７８】
なお、この発明は前述した実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他の態様で実施し得るものである。
【００７９】
【発明の効果】
以上のごとき発明の実施の形態の説明から理解されるように、請求項１の発明によれば、単相巻線が分割されているためにコイル設置の自由度が増加するので、同じ外形範囲内で無効なスペースを少なくして巻線のための容積を大きくとることができる。しかも、ロータの対向面とエアギャップで対向するステータコアの２極に到達するまでの磁路が短いので、分割されたコイルで発生した磁束は少ないロスでロータに流れ、ギャップ磁束密度を大きくできる。その結果、携帯電話などのような比較的大きな振動発生装置や他の機器のモータとして幅広く適用できる。
【００８０】
また、分割されたコイルが同じ方向の単相巻線であると巻線工程を簡略化でき、構造が簡単であるためコストダウンを図ることができる。また、ロータの長さを短くすれば、扁平モータにも変更が可能である。
【００８１】
また、ロータの回転に有効に作用しない側の磁路は、ステータコアの外側に配設されたモータ構造部材を継鉄として利用できるので、構造が簡単で安価である。
【００８２】
請求項２の発明によれば、ステータコアは複数枚の分割コアとして組み合わされることにより、鉄損が軽減でき、効率アップを図ることができる。さらには厚さの違うステータコアを容易に作ることができる。
【００８３】
請求項３の発明によれば、駆動回路を、振動モータに許容される適用範囲内で、タイマ回路と起動発振回路と定常発振回路との各回路に集約したので、簡素化を図ることができ、電圧変動などの外乱による回転数変動がなく一定振動量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態のステップモータの原理構成図及び駆動回路ブロック図である。
【図２】図１の原理構成に基づいたこの発明の実施の形態のステップモータを用いた小型振動モータの要部断面を含む正面図である。
【図３】図２の右側面図で、エンドキャップと軸受を図示しない図である。
【図４】（Ａ）はコアブロックを示すもので図３のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図で、（Ｂ）は（Ａ）の矢視ＩＶ−ＩＶ線の断面図である。
【図５】（Ａ）は図２におけるステータコアの一部を示す正面図で、（Ｂ）は（Ａ）の矢視Ｖ−Ｖ線の断面図である。
【図６】図２の左側面図で、エンドキャップを図示しない図である。
【図７】従来のステップモータの原理構成図である。
【図８】図７の原理構成に基づいた従来のステップモータを用いた小型振動モータの平面図である。
【図９】図７の原理構成に基づいた従来の他のステップモータの部分的な斜視図である。
【符号の説明】
１ 振動モータ
３ ステップモータ
５ シャフト（ロータ軸）
７ 偏心重り
９ マグネット（永久磁石）
１１ ロータ
１３Ａ，１３Ｂ ステータコア
１５ ステータ
１７Ａ，１７Ｂ 単相巻線
１９Ａ，１９Ｂ コイル
２１Ａ，２１Ｂ 接続端子
２３ 継鉄
２５Ａ，２５Ｂ ステータ磁極
２７ 駆動回路
２９ 起動発振回路
３１ 定常発振回路
３３ タイマ回路
３５ 増幅回路
４３Ａ，４３Ｂ 出力端子
４５ ハウジング（モータ構造部材）
４７ コアブロック
４９ 巻芯部
５１ ロータ用穴部
５３Ａ，５３Ｂ 分割コア
６３ エンドキャップ
７１ バンド
Ｇ ギャップ
Claims (3)
- モータのロータ軸に取付けた偏心重りを回転せしめて振動を発生する振動モータにおいて、
前記モータは、ロータ軸に装着された２極のマグネットからなるロータと、前記マグネットの対向面とギャップを介して磁気結合する２極のステータコアに単相巻線が巻かれたコイルと、からなるステップモータであり、
前記単相巻線は分割され、この分割された各単相巻線を前記２極のステータコアに前記ギャップの近傍で１８０°対向して直接卷回し、前記２極のステータコアの外側もしくは軸方向端面に配設されたモータ構造材料を継鉄としてステータ磁路を形成してなることを特徴とする振動モータ。 - 前記ステータコアは、複数枚の分割コアをロータ回転面と直角方向または水平方向に組み合わせて構成してなることを特徴とする請求項１記載の振動モータ。
- モータのロータ軸に取付けた偏心重りを回転せしめて振動を発生する振動モータの駆動回路において、
前記モータを駆動する駆動回路が、タイマ回路と、このタイマ回路で設定された設定時間に自起動最大周波数以下の単相発振周波数を供給して起動させる起動発振回路と、振動発生時間の間に設定回転数となる最大応答周波数以下の単相発振周波数を供給してモータを一定回転数で回転させる定常発振回路と、からなることを特徴とする振動モータの駆動回路。
Priority Applications (1)
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-
2003
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