JP2013201886A - ブラシレス直流モータ、光学素子駆動装置及び撮像装置 - Google Patents

ブラシレス直流モータ、光学素子駆動装置及び撮像装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本件発明は、従来に比して小型で、且つ、フレキシブルプリント基板の配線面積を確保したブラシレス直流モータと、該ブラシレス直流モータを備えた光学素子駆動装置及び撮像装置を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するため、外周部12に、周方向に複数の磁極を有するロータ10と、ロータの回転軸方向に対して垂直な面を有する円環状部22と、円環状部及びロータの外周に沿って、円環状部から立設される複数の突条鉄心部23と、突条鉄心部の基端部側に巻線が巻回されたコイル巻線体24とを有するステータ20と、ロータの回転位置を検出する位置検出センサ50と、位置検出センサに電気的に接続される配線31aが設けられた配線部分312が回転軸11と直交する直線X、Yに沿って折り畳まれて、突条鉄心部の先端部23aの外側に巻き付けられたフレキシブルプリント基板30とを備えたブラシレス直流モータ100を提供する。
【選択図】図7

Description

本件発明は、ブラシレス直流モータと、当該ブラシレス直流モータを備えた光学素子駆動装置及び撮像装置に関する。特に、小口径のブラシレス直流モータに関する。
従来より、各種電子機器の駆動源等として各種の直流モータが使用されている。例えば、撮像装置においても、撮像用レンズ群のレンズ位置を移動させるためのレンズ移動機構の駆動源として小型のブラシレス直流モータが用いられている(例えば、特許文献1参照)。ブラシレス直流モータは始動トルクが大きく、加速性及び速度制御性に優れるため、レンズの位置を精密に制御しなければならないレンズ移動機構の駆動源として好適である。
ブラシ付の直流モータは、整流子とブラシを利用して機械的にコイルの巻線に流れる極性を変化させることにより、ロータを回転させる。これに対して、ブラシレス直流モータは、直流モータから整流子とブラシを取り除き、その代わりに、ホール素子等の磁気センサを用いてロータの回転位置(磁極)を検出し、この検出信号に基づいてコイルの巻線に与える駆動電流の極性を変化させる。ブラシレス直流モータは、ブラシや整流子などの機械的接触部品を有さないため、機械的なノイズが発生せず、機械寿命が長いという特性がある。
ブラシレス直流モータは、一般に、三相構成とされ、各相毎に磁気センサが設けられる。各相毎に設けられた3つの磁気センサは電源に対して直列又は並列に接続される。また、各磁気センサとモータ駆動回路とはそれぞれ2本の信号線により接続されており、各信号線から出力される信号レベルの高低の組み合わせによって、モータ駆動回路はロータの回転位置を検出する。コイル巻線体の一端は、例えばY字結線等の結線処理が施され、コイル巻線体の他端はそれぞれモータ駆動回路に接続される。モータ駆動回路はロータの回転位置に応じて、所定の通電パターンに従って、所定のコイル巻線体に駆動信号(駆動電流)を与える。これらの配線は、通常、フレキシブルプリント基板の配線パターンに接続され、フレキシブルプリント基板を介して、外部のモータ駆動回路等と接続される。
特開2010−288426号公報
磁気センサを備えるブラシレス直流モータは、ロータの速度制御を高精度に行うことができ、又、低速度におけるロータの安定的な回転を保持することができる。しかしながら、磁気センサを有しない通常の直流モータ等と比較すると、磁気センサに接続する配線を要するため配線数が増加する。また、コイル巻線体と接続するための配線は動作の信頼性を確保するため、一定レベル以上の太さを確保する必要がある。このため、ブラシレス直流モータでは、フレキシブルプリント基板の配線面積がセンサレスタイプのモータと比較すると大きくなり、当該ブラシレス直流モータのモータの小型化を阻む要因の一つとなっていた。
そこで、本件発明の課題は、フレキシブルプリント基板の配線面積を確保すると共に、従来に比して小型化が可能なブラシレス直流モータと、当該ブラシレス直流モータを備えた光学素子駆動装置及び撮像装置を提供することにある。
本発明者等は、鋭意研究を行った結果下記の構成を採用することにより上記課題を解決するに到った。
本件発明に係るブラシレス直流モータは、外周部に、周方向に複数の磁極を有するロータと、当該ロータの回転軸方向に対して垂直な面を有する円環状部と、当該円環状部の外周及び当該ロータの外周に沿って、当該円環状部から立設される複数の突条鉄心部と、突条鉄心部の基端部側に巻線が巻回されたコイル巻線体とを有するステータと、ロータの回転位置を検出するための位置検出センサと、当該位置検出センサに電気的に接続される配線が設けられた配線部分が当該回転軸と直交する直線に沿って折り畳まれて、当該突条鉄心部の先端部の外側に巻き付けられたフレキシブルプリント基板とを備えたことを特徴とする。
本件発明に係るブラシレス直流モータにおいて、前記位置検出センサは、前記フレキシブルプリント基板の前記配線部分の外側に搭載されると共に、互いに隣接する前記突条鉄心部の先端部間の間隙に配置されることが好ましい。
本件発明に係るブラシレス直流モータにおいて、前記位置検出センサは、位置検出部と、前記配線に接続される端子とを備え、前記フレキシブルプリント基板には、当該位置検出部側が挿入される挿入口と、当該挿入口に当該位置検出部が挿入されたときに、当該端子が接続される接続パターンとが設けられることが好ましい。
本件発明に係る光学素子駆動装置は、光学素子を光軸方向に移動させる駆動源として上述のブラシレス直流モータを備えることを特徴とする。
本件発明に係る撮像装置は、上述の光学素子駆動装置を用いて、撮像用のレンズを光軸方向に移動させることを特徴とする。
本件発明に係るブラシレス直流モータは、ロータと、ステータのコイル巻線領域とをロータの回転軸方向において上下に配置するため、ロータ径を大きくした場合であっても、コイル巻線領域を大きく確保することができ、モータの外径及び減速比を大きくすることなく、従来に比してブラシレス直流モータの高出力化を図ることができる。従って、各種の部品が高密度に狭小スペースに搭載される各種小型電子機器の駆動源として好適に用いることができる。
また、ブラシレス直流モータは、位置検出センサを備えるため、センサレスタイプのモータと比較すると配線数が多くなるが、本件発明では、フレキシブルプリント基板の配線面積を確保することができ、従来に比して当該ブラシレス直流モータの小型化を図ることができる。
本件発明に係る直流モータの一例を示す外観斜視図である。 本件発明に係る直流モータの一例を示す断面図である。 ロータの磁極の配置例を示す平面図である。 本件発明に係るブラシレス直流モータのステータ部分の一例を示す平面図(a)及び(a)のA−A’の断面を示す図(b)である。 コイル巻線体の配置を示す平面図である。 フレキシブルプリント基板の一例を示す図である。 フレキシブルプリント基板を折り畳んだ状態の一例を示す図である。 図1のブラシレス直流モータを備えた光学素子駆動装置の模式断面図である。
以下、本件発明に係るブラシレス直流モータの実施の形態を説明する。図1に、本件発明に係るブラシレス直流モータ100の外観斜視図を示す。また、図2は、当該ブラシレス直流モータ100の断面図であり、図3はロータ10の磁極13の配置例を示す平面図である。図4は、当該ブラシレス直流モータ100のステータ20(但し、コイルを除く)の平面図(a)及び断面図(b)である。図5はコイル巻線体24の配置を示す平面図である。
本件発明に係るブラシレス直流モータ100は、図1、図2及び図5に示すようにコイルの巻線を鉄心(後述する突条鉄心部23)に巻回したいわゆる鉄心型モータである。本件発明に係るブラシレス直流モータ100では、図1及び図2に示すように、ロータ10と、ステータ20のコイル巻線領域21(コイル巻線体24が配置される領域)とをロータ10の回転軸方向(ロータ10の回転軸11の軸方向)において上下に配置している。また、図1に示すように、コイル巻線領域21の上方(図1に示す回転軸方向においてロータ10が配置される側)には、突条鉄心部23(先端部23a)の外側にフレキシブルプリント基板30が巻き付けられている。このフレキシブルプリント基板30には、コイル巻線体24及びロータ10の回転位置を検出するための位置検出センサ50(図2参照)と接続される各種の配線パターン(図6参照)が設けられている。なお、図1では、当該ブラシレス直流モータ100がブラケット40を介して、取り付け部材(円環状平板)200に取り付けられた状態を示している。以下では、まず、当該ブラシレス直流モータ100の基本的な構成要素であるロータ10及びステータ20の具体的な構成について説明した後、フレキシブルプリント基板30の構成について説明する。
ロータ10は、その外周部12に、周方向に複数の磁極13(S、N)を有するマグネット(永久磁石)ロータである。図2に示すように、ロータ10は回転軸11(シャフト)を備え、回転軸11は軸受け14、15を介してブラケット40に回転自在に支持されている。図3に示す例では、周方向に8極に等分割された磁極13を有し、S極とN極が外周面において周方向に交互に現れるように磁極13が配置される。但し、本件発明において、磁極13の数には特に限定はなく、2×n(但し、nは1以上の整数)であればよい。
ステータ20は、図2及び図4に示すように、ロータ10の回転軸方向に対して垂直な面を有する円環状部22と、その先端部23aがロータ10側に延在する複数の突条鉄心部23と、各突条鉄心部23に巻回されるコイル巻線体24とを有する。また、円環状部22の中央は開口しており、この開口部22aにはブラケット40及び軸受け15を介して、ロータ10の回転軸11が挿入される。
円環状部22及び突条鉄心部23は、強磁性体材料を用いて一体的に成形することができる。具体的に、円環状部22の外周部に突条鉄心部23を放射状に連設した平板状部材を用い、当該突条鉄心部23を当該円環状部22に対して略垂直に折り曲げることにより、図2及び図3に示す形状の鉄心構造とすることができる。
突条鉄心部23は円環状部22の外周部に等間隔に設けられている。突条鉄心部23の数に特に限定はないが、ブラシレス直流モータ100は通常3相駆動とするため、突条鉄心部23の数(スロット数)は3×m(但し、mは1以上の整数)であることが好ましい。図示例では、突条鉄心部23を9本備えた例を示している。
また、各突条鉄心部23は、ロータ10の回転軸11と略平行に設けられる。本実施の形態において、回転軸方向を上下方向とし、ロータ10が配置される側を上側、円環状部22が配置される側を下側とした場合、上述したように、突条鉄心部23の略中央位置から下側(基端部23bの側)にはコイルの巻線が巻回されている。そして、突条鉄心部23の略中央位置から上側(先端部23aの側)はロータ10の外周面に対向配置されている。コイル巻線体24に通電したとき、コイル巻線体24から発生する磁力線(磁界)は強磁性体である突条鉄心部23に収束し、この突条鉄心部23の先端部23aを介してロータ10の外周面に作用する。本実施の形態では、各突条鉄心部23の回転軸方向における長さは、ロータ10の回転軸方向における長さと、コイル巻線領域21の回転軸方向における長さとの和よりも長く、各突条鉄心部23の先端はロータ10の上端より突出している。
コイルを突条鉄心部23に巻回する方法は特に限定されるものではなく、一般的なブラシレス直流モータ100の巻線技術を採用することができる。また、各相毎のコイル巻線体24の配置及び結線処理の方法等についても特に限定はない。例えば、図5に示すように、各相(U相、V相、W相)のコイル巻線体24を順に配置することができる。なお、突条鉄心部23には、絶縁性塗料が塗布されており、突条鉄心部23とコイル巻線体24との絶縁が図られている。
また、図2に示すように、各突条鉄心部23の先端部23aにおいて、突条鉄心部23間の間隙には、ロータ10の回転位置を検出するための位置検出センサ50が配置される。位置検出センサ50を突条鉄心部23間の間隙に配置することにより、ロータ10の磁極位置をロータ10により近い位置で検出することができる。また、位置検出センサ50は、各相(U相、V相、W相)毎に設けられる。これにより、ロータ10の回転位置を精度良く検出することが可能になる。
位置検出センサ50として、例えば、ホール素子を用いることができる。ホール素子は、磁束に対して直流電圧を発生する素子である。ホール素子は、一対の信号端子と、一対の電源端子を備え、これらはフレキシブルプリント基板30に設けられた配線パターンにそれぞれ接続される。ホール素子が検出した磁束の向きが変化した場合、各信号出力端子に現れる信号レベルの高低が変化する。この信号出力端子から出力される信号レベルの高低の変化によって、ロータ10の回転位置(磁極位置)を検出することができる。
次に、フレキシブルプリント基板30について説明する。図6に、本実施の形態のフレキシブルプリント基板30を示す。フレキシブルプリント基板30は、上記コイル巻線体24及び位置検出センサ50と電気的に接続される各種配線パターン31a、31bが設けられたものである。当該フレキシブルプリント基板30は、これらの配線パターン31a、31bが配置される配線領域31と、上記位置検出センサ50が搭載される位置検出センサ搭載領域32と、コイル巻線体24の巻線が半田接続される接続パターン33aが設けられるコイル接続領域33と、外部のモータ駆動回路(図示略)等と接続するための接続端子34a、34bが設けられる接続端子領域34とに大別することができる。なお、図6及び図7において、配線パターン31a及び接続端子34aについては、一部符号を付すのを省略している。以下、各領域について説明する。
まず、位置検出センサ搭載領域32について説明する。位置検出センサ搭載領域32には、上述した位置検出センサ50の4つの端子(信号端子及び電源端子をそれぞれ2つずつ)を接続するための接続パターン32aが設けられている。また、各接続パターン32aは配線領域31に設けられる位置検出センサ50の信号線用若しくは電源線用の配線パターン31aとそれぞれ接続されている。位置検出センサ50の各端子を各接続パターン32aに半田付け等により電気的に接続することで、位置検出センサ50を配線パターン31aに接続することができる。
図6に示すように、位置検出センサ搭載領域32には、位置検出センサ50の端子を当該接続パターン32aに接続したときに、位置検出センサ50の位置検出部51側が挿入される挿入口32bが切り欠かれている。フレキシブルプリント基板30を、後述する様に、折り曲げて突条鉄心部23の先端部23aの外側に巻き付けたときに、この挿入口32bは、互いに隣接する2つの突条鉄心部23の間隙に配置することができる。そして、位置検出センサ50の位置検出部51側を挿入口32bに挿入して、各端子を接続パターン32aに接続することで、位置検出センサ50を互いに隣接する突条鉄心部23の間隙に挿入配置することができる。フレキシブルプリント基板30に当該挿入口32bを設けておくことにより、フレキシブルプリント基板30を突条鉄心部23の周囲に巻き付けた後に、位置検出センサ50を所定の位置に配置することができるため、フレキシブルプリント基板30の巻き付け作業時に位置検出センサ50に機械的な負荷が加わるのを防止することができる。また、位置検出センサ50を突条鉄心部23間の間隙に配置することにより、位置検出センサ50が突条鉄心部23の外側に突出して、当該ブラシレス直流モータ100の外径が大きくなるのを防止することができる。
次に、コイル接続領域33について説明する。コイル接続領域33には、各コイル巻線体24の巻線が接続される接続パターン33aが形成されている。本実施の形態では、各コイル巻線体24毎に二つの接続パターン33aが設けられ、各コイル巻線体24の巻線の一端及び他端がそれぞれ所定の接続パターン33aに接続される。コイルの相構成に応じて、各接続パターン33aは互いに接続されている。これらの接続パターン33aを介して、各コイル巻線体24の巻線は配線領域31に設けられたコイル駆動用の配線パターン31bに接続される。コイル駆動用の配線パターン31bは、当該ブラシレス直流モータ100の動作の信頼性を確保するため、位置検出センサ50と接続される信号出力用の配線パターン31aと比較すると、パターン幅が太くなっている。
配線領域31は、直線状の各配線パターン31a、31bが略平行に配列されると共に、これらの配線パターン31a、31bの一端が接続端子領域34の接続端子34a、34bに接続される第一の配線領域311と、これらの直線状の配線パターン31a、31bを位置検出センサ搭載領域32及びコイル接続領域33に設けられた各接続パターン32a、33bとを接続するための湾曲した配線パターン31a、31bが設けられた第二の配線領域312(配線部分)とを有している。第一の配線領域311と、第二の配線領域312とは、回転軸方向に対して直交する方向に並んで配置されており、図示例では第一の配線領域311が左側、第二の配線領域312が右側に配置されている。また、第二の配線領域312の回転軸方向の上側(図示例では直線Xの上側)には位置検出センサ搭載領域32が配置され、第二の配線領域312の回転軸方向の下側(図示例では直線Zの下側)にコイル接続領域33が配置される。
第一の配線領域311に対して、第二の配線領域312では、第一の配線領域311に設けられた直線状の配線パターン31a、31bと、位置検出センサ搭載領域32及びコイル接続領域33に設けられた各接続パターン32a、33bとの配線を行うため、当該領域312に設けられる配線パターン31a、31bは湾曲している。このため、直線状の配線パターン31a、31bを一定の間隔を空けて平行に配列することが可能な第一の配線領域311に対して、第二の配線領域312は、配線パターン31a、31bを配置するための面積を要することから回転軸方向の長さが長くなる。そこで、本件発明では、回転軸方向において、第二の配線領域312が第一の配線領域311の上端よりも突出する部分、及び、位置検出センサ搭載領域32及び第二の配線領域312の境界部分を、回転軸方向と直交する直線(図示例では、直線X、Y)に沿って山折り又は谷折りして、図7に示すように当該フレキシブルプリント基板30を折り畳む。このように、配線面積を確保するために回転軸方向の長さが長くなる配線部分(第二の配線領域312)を回転軸方向に直交する直線に沿って少なくとも一回以上折り畳むことにより、フレキシブルプリント基板30の回転軸方向の長さを短くして、フレキシブルプリント基板30を小型化することができる。また、図7に示すように、位置検出センサ50の挿入口32bをフレキシブルプリント基板30の折り重ねられた部分の外側に配置することにより、フレキシブルプリント基板30を突条鉄心部23の外側に巻き付けた後、位置検出センサ50の挿入作業及び端子接続作業を容易に行うことができる。なお、図7においては、フレキシブルプリント基板30の折り重ねられた部分については、配線パターン31a、31bの図示を省略している。
<光学素子駆動装置>
次に、本件発明にかかるブラシレス直流モータ100を備えた光学素子駆動装置60について図8を参照して詳述する。図8は本件発明にかかる光学素子駆動装置60の模式断面図を示している。
本実施の形態における光学素子駆動装置60は、上述したブラシレス直流モータ100を駆動源とし、ブラシレス直流モータ100の回転軸11からの回転力を用いて、レンズ保持枠61を介してレンズ鏡筒62内に収容保持された撮像用のフォーカスレンズ等のレンズ(光学素子)63を光軸方向(図8中一点破線Lにて示す)に移動させるものである。
光学素子駆動装置60は、固定筒65と、当該固定筒65の外周に貫挿配置されるカム筒66と、ブラシレス直流モータ100の回転力をカム筒66に伝達する減速機構71とを備える。減速機構71は、上述のブラシレス直流モータ100の回転軸11に設けられたギヤ72と、当該ギヤ72に噛合してカム筒66を光軸を中心として回転させる伝達ギヤ73、74とを備えるものである。当該減速機構71は、上述のブラシレス直流モータ100と共にモータユニット70を構成する。カム筒66には、カムピン67、68を介してレンズ保持枠61に保持されたレンズ63が係合されている。ブラシレス直流モータ100の回転軸11が回転駆動することにより、固定筒65に対してカム筒66が回転駆動し、カムピン67、68により係合されるレンズ保持枠61が光軸方向に移動する。
これにより、フォーカスレンズ63の焦点調節を行うオートフォーカス動作において、ブラシレス直流モータ100の回転軸11に伝達された駆動力が、ギヤ72及び伝達ギヤ73、74に伝達されて、レンズ保持枠61を光軸方向に移動させることができる。
上述したように、本件発明にかかるブラシレス直流モータ100は、上述の光学素子駆動装置60を備えた撮像装置等、各種の部品が高密度に狭小スペースに搭載される各種小型電子機器の駆動源として好適に用いることができる。特に、本件発明にかかるブラシレス直流モータ100は、直径が10mm以下の構造を採用した場合に有効である。すなわち、本件発明にかかるブラシレス直流モータ100は、従来のインナ・ロータタイプ或いはアウタ・ロータタイプのものと比較すると、図1に示すような円環状平板200に取り付ける場合、同じ10mm以下の外寸であってもロータ10の径を従来に比して大きくすることができ、コイル巻線領域21も大きく確保することができる。そのため、従来に較べて2倍〜5倍程度のトルクを発揮することができる。従って、直径が10mm以下であっても、高いトルクを発揮することができる本件発明にかかるブラシレス直流モータ100は、上述したようにレンズ鏡筒62内などの狭小なスペースに配置されて動力が要求される機器に採用することで、より大きな利益をもたらすことができる。
また、回転軸11に減速機構71を設けたギヤードモータとした場合にも、当該ブラシレス直流モータ100は、従来に比して高トルクであるため、減速比を小さくすることができる。従って、上述のように撮像装置の光学素子駆動装置60の駆動源として、本件発明にかかるブラシレス直流モータ100を用いた場合、駆動時の静音化及び、停止精度の向上を図ることができるため、フォーカシングやズーミングを行う際に騒音を発生させることなく、迅速にレンズを精度良く移動させることができる。
また、本件発明に係るブラシレス直流モータによれば、位置検出センサを備え、センサレスタイプのモータと比較すると配線数が多いが、フレキシブルプリント基板の配線面積を確保すると共に、従来に比して当該ブラシレス直流モータの小型化を図ることができる。
以上説明した本実施の形態のブラシレス直流モータ100は、本件発明の一態様であり、本件発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能であるのは勿論である。突条鉄心部23(スロット)の数、及びロータ10の磁極数等は適宜変更してよいのは勿論である。
本件発明に係るブラシレス直流モータは、ロータと、ステータのコイル巻線領域とをロータの回転軸方向において上下に配置するため、ロータ径を大きくした場合であっても、コイル巻線領域を大きく確保することができ、モータの外径及び減速比を大きくすることなく、従来に比してブラシレス直流モータの高出力化を図ることができる。従って、各種の部品が高密度に狭小スペースに搭載される各種小型電子機器の駆動源として好適に用いることができる。また、ブラシレス直流モータは、位置検出センサを備えるため、センサレスタイプのモータと比較すると配線数が多くなるが、本件発明では、フレキシブルプリント基板の配線面積を確保することができ、従来に比して当該ブラシレス直流モータの小型化を図ることができる。
10・・・ロータ
11・・・回転軸
13・・・磁極
20・・・ステータ
21・・・コイル巻線領域
22・・・円環状部
23・・・突条鉄心部
24・・・コイル巻線体
30・・・フレキシブルプリント基板
50・・・位置検出センサ
60・・・光学素子駆動装置
100・・・ブラシレス直流モータ
311、312・・・配線領域(配線部分)

Claims (5)

  1. 外周部に、周方向に複数の磁極を有するロータと、
    当該ロータの回転軸方向に対して垂直な面を有する円環状部と、当該円環状部の外周及び当該ロータの外周に沿って、当該円環状部から立設される複数の突条鉄心部と、突条鉄心部の基端部側に巻線が巻回されたコイル巻線体とを有するステータと、
    ロータの回転位置を検出するための位置検出センサと、
    当該位置検出センサに電気的に接続される配線が設けられた配線部分が当該回転軸と直交する直線に沿って折り畳まれて、当該突条鉄心部の先端部の外側に巻き付けられたフレキシブルプリント基板と、
    を備えたことを特徴とするブラシレス直流モータ。
  2. 前記位置検出センサは、前記フレキシブルプリント基板の前記配線部分の外側に搭載されると共に、互いに隣接する前記突条鉄心部の先端部間の間隙に配置される請求項1に記載のブラシレス直流モータ。
  3. 前記位置検出センサは、位置検出部と、前記配線に接続される端子とを備え、
    前記フレキシブルプリント基板には、当該位置検出部側が挿入される挿入口と、当該挿入口に当該位置検出部が挿入されたときに、当該端子が接続される接続パターンとが設けられた請求項1又は請求項2に記載のブラシレス直流モータ。
  4. 光学素子を光軸方向に移動させる駆動源として請求項1〜請求項3のいずれかに記載のブラシレス直流モータを備えることを特徴とする光学素子駆動装置。
  5. 請求項4に記載の光学素子駆動装置を用いて、撮像用のレンズを光軸方向に移動させることを特徴とする撮像装置。
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