JP2009098389A - リードスクリュー駆動機構のためのステッピングモータ - Google Patents

Abstract

【課題】特別な部品は必要とせず簡素な構成であり、可動対象と連係したナットがリードスクリューと噛み付くことを防止でき、噛み合い関係の解放と再度の噛み合わせを確実に行えるリードスクリュー駆動機構のためのステッピングモータを提供すること。
【解決手段】ロータの軸後端側には太径止め部１３を設け、通常は当て止まり位置で動作させる。ロータの永久磁石１１はその全長を、Ａ相ステータ４とＢ相ステータ５とを連ねたステータの、モータ中心部に位置する極歯６ａ，６ｂを連ねた長さ２Ｔよりも短い設定とし、軸方向での移動を可能にする。ナットが手前側に繰り込まれて着座した際は、ロータが繰り出して噛み合いが外れてしまい、細径軸部１２で空回りする関係になる。次に逆回転すると、ロータは繰り出し方向に移動しているので磁場が戻す向きに力を作用し、互いのねじ条が接触状態を保つ動作になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リードスクリュー駆動機構のためのステッピングモータに関するもので、より具体的には、リードスクリューへ噛み合わせたナットでのねじ対偶の運動により可動対象の駆動を行うリードスクリュー駆動機構における噛み合い関係の改良に関する。

リードスクリューとナットのねじ対偶の運動により駆動を行うリードスクリュー駆動機構は、例えば特許文献１などに見られるように、レンズ移動のためのレンズ駆動装置などへ適用され、一般によく知られている機構と言える。この種のレンズ駆動装置は、例えばデジタルスチルカメラなどへ適用される。

しかし、リードスクリューとナットとの噛み合いでは、特許文献１にも問題点の指摘があるように、可動対象と連係したナットを手前側に移動させて最大限に繰り込んだ際に、可動対象を当て止めするストッパの押し圧力のため、ナットがリードスクリューと噛み付いてしまい、ロックアップを起こす問題がある。そこで、特許文献１に開示された発明では、その対策として切れ込みを有して押し広げできるハーフナットを使用し、そのハーフナットを手前側に移動させて最大限に繰り込んだ際に、突起部が押し広げを行って解放する構成とし、噛み付きを防止するようにした構造を提案している。
特開２００５−０２４６５０号公報

しかし、そうした従来の噛み付き防止構造は、構造が複雑となり、押し広げのための突起部の配置やハーフナットなどの部品に公差の許容が少ないという問題がある。これは各部品の精度管理が難しくなり、高精度を保つにはコストが高くついてしまう。

また、リードスクリューとナットとの噛み合いでは、一旦外れた噛み合いを再度ねじ込み戻すには単に逆向きに回転させるだけでは不十分であり、互いのねじ条が接触状態を保つ向きに外力を与えなければ噛み合いのきっかけを作ることができず、その復帰動作のための機構が必要になる問題がある。

この発明は上述した課題を解決するもので、その目的は、ハーフナットなどの特別な部品は必要とせず簡素な構成であり、可動対象と連係したナットがリードスクリューと噛み付くことを防止でき、そのリードスクリューとの噛み合い関係の解放と再度の噛み合わせを確実に行えるリードスクリュー駆動機構のためのステッピングモータを提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明に係るステッピングモータは、（１）ロータの軸端にリードスクリューを設けてナットと噛み合わせるとともに、ナットは可動対象と連係させて両者のねじ対偶の運動により駆動を行うリードスクリュー駆動機構のためのものであって、ロータは外周に多数の磁極を配列し、Ａ相ステータ，Ｂ相ステータの２つのステータ側には櫛歯状の極歯を有し、それぞれで極歯を噛み合う状態にして磁極と対面させるクローポール式の構成とし、前記ロータの永久磁石はその全長を、前記Ａ相ステータと前記Ｂ相ステータとを連ねたステータの、モータ中心部に位置する極歯を連ねた長さよりも短い設定とし、リードスクリューの先端側と後端側ではロータ軸を外径が細い細径軸部に形成してナットに対する空回りの領域とし、ロータの軸後端側には当該軸方向で当て止めとなって位置決めする位置決め手段を設ける構成にする。

（２）位置決め手段として、ロータの軸後端を先が凸状となる略半円状あるいは略円錐状に形成し、当該軸後端側の軸受けは凸状先端に対応した受け穴を有するピボット軸受けとする構成にするとよい。

本発明では、ナットは可動対象と連係させるものであり、そのナットには、ばね等により所定の向き例えばロータの軸後端側へ向けて力を加えておく。そうした状態であれば、リードスクリューの回転に伴ってナットを自在に送り移動できることになる。ロータの後端側には位置決め手段を設けるので、ナットに加えた上記の力によりロータが当て止まり位置に位置し、通常に回転動作する。

ナットが手前側へ繰り込まれた際は所定の位置で着座して移動できなくなるので、逆にロータ自身が前方へ繰り出す移動を開始し、やがてリードスクリューの後端側で噛み合いが外れることになる。リードスクリューの後端側は細径軸部に形成してあるので、当該部位ではナットは空回りする関係になる。

次に、ナットが空回りの関係にあるとき、ロータを逆回転させることで復帰する。すなわち、ロータが繰り出し方向に移動した状態なので、ロータの磁極はステータ側に対して位置がずれており、これは位置ずれを戻す向きに磁場が力を作用する。つまり、ロータが逆回転すると、磁極の中央を両ステータの中間へ位置させるような作用力を生じ、この軸方向の作用力は、リードスクリューの後端をナットへ押し当てる作用を行う。このため、互いのねじ条が接触状態を保つことができ、噛み合いのきっかけとなるので、ナットに対してリードスクリューを再度噛み合わせることができ、ロータが軸後端側へ向かって移動を始める。ロータの移動は当て止まり位置で止まるので、続いてナットが繰り出し方向へ移動を始め、通常の移動範囲まで戻すことができる。

位置決め手段としてピボット軸受けを利用するようにした場合は、点接触の支持が行えるので接触抵抗が低減する。

本発明では、ロータの軸後端側に位置決め手段を設けるので、通常はその当て止まり位置での回転動作となるが、ロータは軸方向で所定に移動が可能であり、ナットが手前側に繰り込まれて着座した際はロータが繰り出してリードスクリューの後端側で噛み合いが外れてしまい、ナットは細径軸部で空回りする関係になる。このため、可動対象と連係したナットがリードスクリューと噛み付くことを防止できる。

ナットが細径軸部で空回りする関係にあるとき、ロータは繰り出し方向に移動しているので、逆回転させた際に磁場が戻す向きに力を作用し、このため、互いのねじ条が接触状態を保つことができ、ナットに対してリードスクリューを再度噛み合わせることができる。

したがって、リードスクリューとの噛み合い関係の解放と再度の噛み合わせを確実に行える。この場合、ハーフナットなどの特別な部品は必要とせず、簡素な構成になっている。

図１は本発明の好適な一実施形態を示している。本実施形態において、ステッピングモータは、ロータ１の軸端にリードスクリュー２を設け、ロータ１について当該軸方向で所定の移動を可能とし、後述するリードスクリュー駆動機構のナット３との噛み合い関係に対して作用力を発生する構成になっている。

このステッピングモータは、いわゆるクローポール式の構成を採る。これはロータ１の外周に多数の磁極を配列し、Ａ相ステータ４，Ｂ相ステータ５の２つのステータ側には後述する図３に示すように櫛歯状の誘導子（極歯６）を有し、それぞれで極歯６を噛み合う状態にしてロータ１の磁極と対面させている。

ロータ１は、回転軸１０に円筒形状の永久磁石１１を設け、当該永久磁石１１は周回向きに等間隔の多極に着磁し、多数の磁極を形成している。Ａ相ステータ４，Ｂ相ステータ５は、それぞれヨーク内にコイル７を有し、両者を連結した端部に前フランジ８，後フランジ９をそれぞれ配置して各軸受け８０，９０により回転軸１０の支持を行っている。

ロータ１の回転軸１０には、前フランジ８側でリードスクリュー２の後端との間に細径軸部１２を形成している。細径軸部１２は、ナット３の厚さよりも長い領域をナット３のメスねじ内径よりも細い外径としてあり、噛み合いが外れて当該部位に位置したナット３に対して空回りの関係が得られる設定にしている。

永久磁石１１の長さＭは、Ａ相ステータ４とＢ相ステータ５とを連ねたステータの、モータ中心部に位置する極歯６ａ，６ｂを連ねた長さよりも短い設定とし、極歯６の高さの２倍（図中に示す２Ｔ）よりも短い長さに設定している。また回転軸１０には、後フランジ９側で永久磁石１１の後端との間に太径止め部１３を設けている。太径止め部１３は、後フランジ９の軸受けと摺り合い接触し、ロータ１には後述する引っ張りばね２６により軸方向に作用力を加えるため、後フランジ９の軸受け９０と摺り合い接触を保持することになり、当該軸方向での当て止めとなり位置決め手段として機能している。したがって、ロータ１は、太径止め部１３が後フランジ９の軸受け９０と摺り合い接触した状態において、前フランジ８との間に所定の隙間を有し、当該軸方向について所定の移動が可能になっている。

図２，図３は、図１に示すステッピングモータの適用例を示す断面図であり、適用したレンズ駆動装置での動作を順に示している。本発明に係るステッピングモータは、前フランジ８を支持板２０へ固定させている。リードスクリュー２と噛み合うナット３は、リードスクリュー駆動機構の可動体となるものであり、レンズ駆動装置においてはレンズホルダ２１へ一体に連係させている。レンズホルダ２１には、ガイド孔部２２およびレンズ孔部２３を設け、レンズ孔部２３へレンズ２４を装着し、ガイド孔部２２はガイド軸２５へ嵌め合わせて移動可能に連係している。

ガイド軸２５は、回転軸１０に対してねじれがなく平行となる位置関係に配置している。そして、ガイド軸２５と平行に引っ張りばね２６を配置し、引っ張りばね２６は一方端をレンズホルダ２１と連係させ、ロータ１を後フランジ９側へ押し込む作用力を発生する構成としており、太径止め部１３が後フランジ９の軸受け９０と摺り合い接触した状態を保持できるようになっている。

図２（ａ）に示すように、可動体であるナット３がリードスクリュー２の先端側に位置する状況では、ステッピングモータは通常の動作となる。この場合、引っ張りばね２６の作用力によりロータ１の太径止め部１３が後フランジ９の軸受け９０に押し当たり摺り合い接触を保持するので、永久磁石１１は、Ａ相，Ｂ相の２つ連なりの両ステータ４，５に対して略中間に位置して、それぞれ対面部位Ｍａ，Ｍｂが、
Ｍａ ＝ Ｍｂ
という位置関係に対面することになる。この通常動作時が図４（ａ）に示す位置関係であり、同図は極歯６部分の展開図になっている。

したがって、ステッピングモータは通常に回転トルクを発生し、時計回り（ＣＷと呼ぶことにする）の回転によれば、図２（ｂ）に示すように、ナット３を手前側（前フランジ８側）へ繰り込むことができ、レンズホルダ２１を移動させることができる。

ＣＷ回転を続けると、図３（ａ）に示すように、やがてナット３が支持板２０上に着座して移動できなくなる。このとき、本発明によれば駆動回路は急いで遮断する必要はない。ＣＷ回転を続行すると、支持板２０上に着座したナット３に対して逆にロータ１自身が送り移動し、図３（ｂ）に示すように、リードスクリュー２の後端側で噛み合いが外れてしまい、ナット３が細径部１２に落ち込み空回りする関係になる。このため、ナット３とリードスクリュー２の噛み付きを起こすことはなく、駆動回路に不具合が生じた場合などの事態に対応でき、破損等を防止することができる。

次に、図３（ｂ）に示す噛み合いが外れて空回りする状況において、逆に反時計回り（ＣＣＷと呼ぶことにする）に回転させることでは、ＣＣＷ回転に伴ってロータ１を後フランジ９側へ押す作用力を発生し、復帰動作する。この場合、永久磁石１１は、Ａ相，Ｂ相の２つ連なりの両ステータ４，５に対して位置がずれており、それぞれ対面部位Ｍａ，Ｍｂが、
Ｍａ ＞ Ｍｂ
という位置関係に対面することになる。この復帰動作時が図４（ｂ）に示す位置関係であり、同図は極歯６部分の展開図になっている。

したがって、ステッピングモータはＣＣＷ回転に伴って永久磁石１１の位置ずれを戻す向きに磁場が力を作用し、永久磁石１１の中央を両ステータ４，５の中間へ位置させるように作用力を生じる。この軸方向の作用力は、リードスクリュー２の後端をナット３へ押し当てる作用を行い、このため、互いのねじ条が接触状態を保つことができ、噛み合いのきっかけとなるので、ナット３に対してリードスクリュー２を再度噛み合わせることができ、ロータ１が後フランジ９側へ向かって移動を始める。

このＣＣＷ回転をさらに続けると、図３（ａ）に示すように、太径止め部１３が後フランジ９の軸受けへ当て止まり、続いてナット３が繰り出し方向へ移動を始める。これにより、図２（ｂ）に示すように、レンズホルダ２１の通常の移動範囲まで戻ることができる。

このように、ロータ１の軸後端側には太径止め部１３を設けるので、通常はその当て止まり位置での回転動作となるが、ロータ１は軸方向で所定に移動が可能であり、ナット３が手前側に繰り込まれて着座した際はロータ１が繰り出してリードスクリュー２の後端側で噛み合いが外れてしまい、ナット３は細径軸部１２で空回りする関係になる。このため、可動対象と連係したナット３がリードスクリュー２と噛み付くことを防止できる。

ナット３が細径軸部１２で空回りする関係にあるとき、ロータ１は繰り出し方向に移動しているので、逆回転させた際に磁場が戻す向きに力を作用する。このため、互いのねじ条が接触状態を保つことができ、ナット３に対してリードスクリュー２を再度噛み合わせることができる。

したがって、リードスクリュー２との噛み合い関係の解放と再度の噛み合わせを確実に行える。この場合、ハーフナットなどの特別な部品は必要とせず、簡素な構成になっている。

また本発明にあっては、図５に示すように軸受け部分を変更した構成を採ることもできる。ここでは太径止め部１３を設けない構成とし、後フランジ９にはピボット軸受け９１を設けて点接触の当て止めにより位置決めを行うようにしている。つまり、ロータ１の回転軸１０は軸後端を先が凸状となる略半円状に形成し、ピボット軸受け９１は凸状先端に対応した受け穴を備えるものとし、凸状先端で点接触する支持を行う。凸状先端としては例えば略円錐状に形成することでもよい。したがってこの場合、接触抵抗を格段に小さくでき、回転抵抗を低減した駆動が行える。

本発明に係るリードスクリュー駆動機構のためのステッピングモータの好適な一実施の形態を示す断面図である。 図１に示すステッピングモータの適用例を示す断面図である。 図１に示すステッピングモータの適用例を示す断面図である。 ステータ極歯に対面するロータ磁極の位置関係を説明する展開図であり、通常動作時（ａ）および復帰動作時（ｂ）それぞれの状態を示している。 軸受け部分を変更した他例を示す断面図である。

符号の説明

１ ロータ
２ リードスクリュー
３ ナット
４ Ａ相ステータ
５ Ｂ相ステータ
６ 極歯
７ コイル
８ 前フランジ
９ 後フランジ
１０ 回転軸
１１ 永久磁石
１２ 細径軸部
１３ 太径止め部
２０ 支持板
２１ レンズホルダ
２２ ガイド孔部
２３ レンズ孔部
２４ レンズ
２５ ガイド軸
２６ 引っ張りばね
８０，９０ 軸受け
９１ ピボット軸受け

Claims (2)

1. ロータの軸端にリードスクリューを設けてナットと噛み合わせるとともに、前記ナットは可動対象と連係させて両者のねじ対偶の運動により駆動を行うリードスクリュー駆動機構のためのステッピングモータであって、
   前記ロータは外周に多数の磁極を配列し、Ａ相ステータ，Ｂ相ステータの２つのステータには櫛歯状の極歯を有し、それぞれで極歯を噛み合う状態にして前記磁極と対面させるクローポール式の構成とし、
   前記ロータの永久磁石はその全長を、前記Ａ相ステータと前記Ｂ相ステータとを連ねたステータの、モータ中心部に位置する極歯を連ねた長さよりも短い設定とし、前記リードスクリューの先端側と後端側では前記ロータ軸を外径が細い細径軸部に形成して前記ナットに対する空回りの領域とし、
   前記ロータの軸後端側には当該軸方向で当て止めとなって位置決めする位置決め手段を設けることを特徴とするリードスクリュー駆動機構のためのステッピングモータ。
2. 前記位置決め手段として、前記ロータの軸後端を先が凸状となる半円状あるいは円錐状に形成し、当該軸後端側の軸受けは前記凸状先端に対応した受け穴を有するピボット軸受けとすることを特徴とする請求項１に記載のリードスクリュー駆動機構のためのステッピングモータ。

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