JP2515968Y2 - 永久磁石ロータ型ステッピングモータ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は永久磁石ロータ型ステッピングモータに関
し、特にカメラのレンズ駆動やシャッタ駆動に用いられ
るＵ字形状のステータを有する小型のステッピングモー
タに関する。

〔従来の技術〕

従来からコンパクトカメラのレンズやシャッタの駆動
源としてステッピングモータが広く用いられている。特
に、一対のＵ字型ステータとこのステータにより囲まれ
た永久磁石ロータとからなるステッピングモータはカメ
ラシャッタ基板の周囲に沿ってコンパクトに収納できる
構造を有するので多用されている。

この型のステッピングモータにおいては、Ｕ字型ステ
ータの各脚部端面が垂直対極面を構成している。又、径
方向に着磁されたマグネットからなるロータの垂直磁極
面が所定のギャップを介してステータの垂直対極面に対
向配置されている。かかる構造を有するステッピングモ
ータにおいては、一般に、ステータヨークの集束効果を
得る様に垂直対極面の回転軸方向に沿った高さ寸法と、
垂直磁極面の回転軸方向に沿った高さ寸法は略等しくな
る様に設定されているか、ロータの垂直対極面の高さ寸
法の方を高くする様にしている。従って、回転軸方向に
沿って対極面と磁極面は所定のギャップを介して略全面
的に対向配置せられ磁路を形成している。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかしながら上述した従来の構造においては、ステー
タ対極面とロータ磁極面の磁気結合が比較的強い為ステ
ッピングモータの発生トルク並びにディテントトルクが
大きくなる一方で、ロータ垂直磁極面の寸法が大きくな
りイナーシャもその分増加する。従って、高トルク出力
である反面駆動パルスに対する周波数応答性が制約され
比較的低速回転しかできないという問題点がある。

ところで、コンパクトカメラのレンズやシャッタの駆
動源としてステッピングモータを用いた場合には、負荷
に要求される動作特性に応じて広範囲な使用電圧におい
て所望の出力トルク特性及び応答性が必要とされる。従
来から、負荷の質量や駆動速度に応じてステッピングモ
ータの種々のパラメータを最適化し必要な出力トルク特
性及び高速応答性を得る為の努力がなされてきている。
しかしながら、出力トルク特性と高速応答性は本質的に
相反する要因であり、ステッピングモータ特性の改善は
種々の制約を受け負荷に応じた最適特性は容易に得られ
ていないのが現状である。特に、ステータ対極面とロー
タ磁極面の間のギャップ寸法を調節する事によりトルク
特性と応答性の調節が行なわれているが、ギャップ寸法
によってはステータに対するロータの位置決め精度の安
定性を維持する事が難しく有効な特性改善手段とはなっ
ていない。

〔問題点を解決するための手段〕

上述した従来の技術の問題点に鑑み、本考案は出力ト
ルク特性を極端に低下させる事なく周波数応答特性を著
しく向上する事のできる改良されたステッピングモータ
の構造を提供する事を目的とする。併せて、ステータに
対するロータ位置決め精度の安定性についてはこれを損
なう事がない構造を有する改良されたステッピングモー
タを提供する事を目的とする。

上述した目的を達成する為に、本考案にかかる永久磁
石ロータ型ステッピングモータは、回転軸の周囲に沿っ
て配置され且つ軸方向に沿って所定の高さ寸法LSを有す
る垂直対極面を規定するステータを具備している。ロー
タは、径方向に着磁された外径φｄで高さ寸法が略LSに
等しいマグネットからなりステータの垂直対極面に対し
て所定のギャップを介して対向配置された垂直磁極面及
びその上下に位置し該垂直磁極面よりも垂直対極面から
径方向内側に後退した一対の後退端面を有する。この垂
直磁極面の軸方向に沿った高さ寸法LRはステータの垂直
対極面の高さ寸法LSに比べて小さく設定されているとと
もに軸方向に沿った各後退端面の高さ寸法ΔＬがφｄ×
0.1ないしφｄ×0.3の範囲に設定されている。

好ましくは、マグネットからなるロータの後退端面
は、軸方向に沿って離間配置された上下一対の水平端面
及びこれらに各々連続している上下一対の垂直端面から
なる。あるいは、マグネットの後退端面は、軸方向に沿
って離間配置された上下一対の傾斜端面であっても良
い。さらに好ましくは、ステーは一対のＵ字形状のステ
ータヨークからなる。各ステータヨークは二本の平行配
置された脚部を有するとともに各脚部の先端部が垂直対
極面を構成している。

〔作用〕

上述した構造によれば、外部負荷に応じて要求される
出力トルク特性及び周波数応答特性に合わせて、ロータ
磁極面の高さ寸法をステータ対極面の高さ寸法に比べて
小さく設定する事により、出力トルク特性を極端に損な
う事なく周波数応答特性を著しく向上する事ができる。
特に、磁極面と対極面の間のギャップを介した対向面積
が小さくなるにも拘らず、ロータ端面とステータ垂直対
向面の間に磁気的相互作用が働き有効磁束密度の減少を
防ぐ事ができる。そして垂直磁極面の高さ寸法が小さく
なった分ロータのイナーシャが減少し周波数特性が顕著
に改善される。この時、ステータ対極面とロータ磁極面
の間のギャップはそれらの高さ寸法の如何に拘らず常に
所定の寸法に設定する事ができるのでステータに対する
ロータの位置決め精度を損なう事がない。ロータ垂直磁
極面の高さ寸法の減少に応じてディテントトルクが下り
これによりモータの出力がその分増加し、動作電圧範囲
が下方に広がるとともにイナーシャの減少に応じてモー
タ入力に対して安定動作範囲が広がり動作電圧は上方に
も拡大できる。

〔実施例〕

以下図面に従って本考案の好適な実施例を詳細に説明
する。第１図は本考案にかかる永久磁石ロータ型ステッ
ピングモータの一実施例を示す模式的部分断面図であ
る。図示する様に、ステッピングモータ１はステータ２
とステータ２によって囲まれたロータ３とから構成され
る。ステータ２は回転軸又はロータ軸４の周囲に沿って
配置されたステータヨーク５を有している。ステータヨ
ーク５の内周面は垂直対極面６を構成しており、ロータ
軸方向に沿って所定の高さ寸法LSを有する。ステータヨ
ーク５の上端面には上ステータ枠７が配置されており、
同様にステータヨーク５の下端面には下ステータ枠８が
配置されている。一対のステータ枠７及び８の中央部に
は各々軸受９及び10が配設されている。この一対の軸受
９及び10には回動自在にロータ軸４が装着されている。

ロータ軸４の周りには径方向に着磁されたロータマグ
ネット11が固着されている。ロータマグネット11はステ
ータヨーク５の垂直対極面６に対して所定のギャップＤ
を介して対向配置された垂直磁極面12を有する。垂直磁
極面12の軸方向に沿った高さ寸法LRは垂直対極面の高さ
寸法LSに比べて小さく設定されている。好ましくは、LR
はLSの２分の１程度に設定される。又、ステータヨーク
５とロータマグネット11の間のギャップＤは加工寸法精
度に従って通常0.2mmないし0.3mmに設定される。このギ
ャップＤは垂直磁極面12の高さ寸法LRや垂直対極面６の
高さ寸法LSに関係なく常に所定の値に設定され、ロータ
位置決め精度の安定性を保つ様にしている。

本実施例においてはロータマグネット11の垂直磁極面
12は、軸方向に沿って離間配置された上下一対の水平端
面13及び14に連続している形状となっている。

第２図は本考案にかかる永久磁石ロータ型ステッピン
グモータの他の実施例を示す要部断面図である。図示す
る様に、本実施例においても、ステータヨーク５の垂直
対極面６の軸方向に沿った高さ寸法は、ロータマグネッ
ト11の垂直磁極面12の軸方向に沿った高さ寸法に比べて
大きく設定されている。第１図に示す実施例と異なる点
は、ロータマグネット11の垂直磁極面12が、軸方向に沿
って離間配置された上下一対の傾斜端面15及び16に連続
する形状となっている点である。かかる形状とする事に
より、第１図に示す実施例に比べて、垂直磁極面12の軸
方向に沿った高さ寸法を実質的に調整でき所望の有効高
さ寸法を得る事ができる。換言すると、一対の傾斜端面
15及び16の傾斜角度や傾斜面寸法を調整する事により所
望の出力トルク特性及び周波数応答特性を得る事ができ
る。

第３図は第１図に示す本考案にかかるステッピングモ
ータの周波数−トルク特性を従来のステッピングモータ
の周波数−トルク特性と比較したグラフである。従来例
においては、ステータヨークの垂直対極面の高さ寸法と
ロータマグネットの垂直磁極面の高さ寸法は等しく又は
ロータの高さ寸法を大きくなる様に設定されており、本
考案においては垂直磁極面の高さ寸法は垂直対極面の高
さ寸法の略２分の１に設定されている。実験では上下そ
の他の寸法パラメータ、磁気回路パラメータ、及び駆動
パルスパラメータは全て比較の為共通に設定している。
グラフから明らかな様に、低周波数領域においては、従
来例のステッピングモータの出力トルクが本考案にかか
るステッピングモータの出力トルクよりも上回ってい
る。しかしながら、その差は高さ寸法の比から類推され
る程度よりも小さい。一方、比較的高周波数領域におい
ては従来例のステッピングモータは動作不能であるのに
対して、本考案にかかるステッピングモータは有効に応
答する事ができる。従って、本考案にかかるステッピン
グモータは低出力トルク高速回転という特徴を有してい
る。さらに、出力トルクに関して言えば従来例に比して
極端に低下する事はない。又応答周波数特性は顕著に改
善されている。上述した説明から明らかな様に、本考案
によればステータとロータの間のギャップ寸法を変更す
る事なく、端にロータマグネット垂直磁極面の高さ寸法
を適宜設定する事により所望の出力トルク特性及び応答
周波数特性を得る事ができる。換言すると、第３図に示
すグラフ形状は単にロータマグネットの垂直磁極面高さ
寸法を変える事により簡単に変化させる事ができる。

一般に、ステッピングモータ特性は磁路によって決ま
る部分に着目した場合ロータのイナーシャ及び発生トル
クとディテントトルクによって決まる。従来の様にロー
タ垂直磁極面高さ寸法をステータ垂直対極面高さ寸法に
等しくあるいは大きくした場合と、本考案の様にロータ
垂直磁極面高さ寸法を小さくした場合を比較してみる
と、理論的にはディテントトルクは高さ寸法比例で減少
し且つ発生トルクも同様の方向にある。又、ロータのイ
ナーシャも略高さ比例で減少する。従って、この限りで
は出力低下のみで特性は変わらない事が予想される。

しかしながら第４図に示す様に、実際にステータ磁界
Ｓがロータマグネット11に作用した場合、ステータ磁界
はロータマグネットの上下両端面を覆う分布となり、ス
テータとロータの間に追加的な磁力が作用する。又、ロ
ータマグネット11の上下端面より出る磁束Ｒは、ステー
タ垂直対極面６のうちロータ垂直磁極面12と径方向に重
ならない上方部と下方部に収束され、ステータ磁界Ｓと
効果的に作用する。この効果は該上方部及び下方部の高
さ寸法ΔＬ＝（LS−LR）/2とロータマグネット11の外径
φｄとの間の相対的関係に依存している。実験結果によ
れば、最良の効果を得る為に、ΔＬ＝φｄ×0.1ないし
ΔＬ＝φｄ×0.3の間に設定すると良い事が判明した。
この実験結果は例えばロータ径を6mmに設定し、ステー
タ垂直対極面の高さ寸法を2mmないし5mmに設定して得ら
れた。この結果、実際のモータ発生トルクはロータ垂直
磁極面高さ寸法の比ほどには減少しない。従って、モー
タ出力トルク（発生トルク−ディテントトルク）及びト
ルク／イナーシャ比が改善される。即ち、トルクの減少
に比べてイナーシャの減少が顕著であるのでステッピン
グモータの高速応答特性が著しく改善される。

なお、第３図に示す特性曲線を測定するに当って、従
来例のステッピングモータの正常動作電圧範囲は3.8Vか
ら5.1Vの間であった。これに対して、本考案にかかるス
テッピングモータの正常動作電圧範囲は下方に対して2.
8Vまで拡大し上方に対して7Vまで拡大した。下方の拡大
は主としてディテントトルクの減少に起因していると考
えられる。又上方の拡大は主としてイナーシャの減少に
起因していると考えられる。従って、本考案によれば応
答周波数特性が改善されるばかりではなく、正常動作電
圧範囲が著しく拡大される。

最後に、本考案にかかるステッピングモータをカメラ
のレンズ駆動及びシャッタ駆動に応用した例について説
明する。第５図は、カメラに搭載されるステッピングモ
ータの平面構造を示す。ステッピングモータ１はレンズ
開口17又は露出用アパーチュアの周囲を囲む様に配置さ
れている。そして、レンズ開口17に配置されるレンズ及
びシャッタ（図示せず）を駆動する。

第５図に示す様にステッピングモータ１はＳ極・Ｎ極
が90度間隔で交互に配設された４磁極のロータ３を有し
ており、ロータ３の両側にはＵ字形又は馬締形のステー
タ2a,2bが配設されている。各ステータ2a,2bが各々有す
る対極はロータ３の回転角に換算して90度の間隔を有し
ており、ステータ2a,2bは一方の磁極が45度の間隔で、
又他方の磁極が135度の間隔を保って固定されている。

各ステータ2a,2bにはコイル18,19が捲着されており、
コイル18に加えるパルスを第１パルス、コイル19に加え
るパルスを第２パルスと定義した場合には、コイル18,1
9に対して〔Ｈ・Ｈ〕〔Ｈ・Ｌ〕〔Ｌ・Ｌ〕〔Ｌ・Ｈ〕
で１巡するパルス列（正転パルス）を順次供給する事に
よりロータ３は正転（反時計廻り）し、この正転パルス
とは位相順序が異なる〔Ｌ・Ｈ〕〔Ｌ・Ｌ〕〔Ｈ・Ｌ〕
〔Ｈ・Ｈ〕で１巡するパルス列（逆転パルス）を順次供
給する事によりロータ３は逆転（時計廻り）する。

第６図は、第５図に示すステッピングモータを搭載し
たカメラのアパーチュア囲りの要部断面図である。図示
する様に、ステッピングモータは上下から一対のモータ
受20及び21に挟持されて地板22の上に搭載されている。
ロータ軸４は一対のモータ受20,21によって支持されて
いるとともに、スリーブ22を介してその周囲にロータマ
グネット11を保持している。図から明らかな様に、ロー
タマグネット11の垂直磁極面は、ステータのヨーク５の
垂直対極面に比べてその高さ寸法を小さく設定してい
る。

ロータ軸４の端部にはピニオン23が固着されている。
このピニオン23には、ギア24が係合している。さらにこ
のギア24には駆動リング25が係合している。この駆動リ
ング25は、レンズ開口17を囲む様に配置されており、そ
の回動に従って図示しないレンズ及びシャッタを駆動す
る。

ところで、レンズ及びシャッタを含む負荷は、ギア24
及びピニオン23を介してロータ軸４に印加される。負荷
の大きさ及び要求される駆動速度に応じて、ロータマグ
ネット11の垂直磁極面高さ寸法を設定する事により所望
の出力トルク−周波数応答特性が得られる。従ってカメ
ラ機種の違いに応じて、単にロータマグネット11の垂直
磁極面高さ寸法を調整する事により、ステッピングモー
タユニット自体の汎用性が図れる。

〔考案の効果〕

上述した様に、本考案によれば、ロータマグネットの
垂直磁極面高さ寸法をステータヨークの対極面に比して
小さく設定する事により、従来に比して出力トルク特性
をそれほど低下させる事なく応答特性が著しく改善され
たステッピングモータを提供できるという効果がある。
又、磁極面及び対極面の間のギャップ寸法を変更する事
なく単にロータマグネットの垂直磁極面高さ寸法を調整
する事により極めて簡単にステッピングモータ出力特性
を外部負荷に合わせる事ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はステッピングモータの要部断面図、第２図はロ
ータマグネット形状の他の実施例を示す要部断面図、第
３図はステッピングモータのトルク−周波数特性を示す
グラフ、第４図は本考案の磁気的作用を説明する為の磁
束模式図、第５図はカメラに搭載されるステッピングモ
ータの平面図、及び第６図はステッピングモータを搭載
したカメラの要部断面図である。 １……ステッピングモータ、２……ステータ ３……ロータ、４……ロータ軸 ５……ステータヨーク、６……垂直対極面 11……ロータマグネット、12……垂直磁極面

Claims (4)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸を囲む様に配置され且つ軸方向に沿
   って所定の高さ寸法LSを有する垂直対極面を具備するス
   テータと、 径方向に着磁された外径φｄで高さ寸法が略LSに等しい
   マグネットからなり該ステータの垂直対極面に対して所
   定のギャップを介して対向配置された垂直磁極面及びそ
   の上下に位置し該垂直磁極面よりも垂直対極面から径方
   向内側に後退した一対の後退端面を有するとともに、該
   垂直磁極面の軸方向に沿った高さ寸法LRが該垂直対極面
   の高さ寸法LSに比べて小さく設定されているとともに軸
   方向に沿った各後退端面の高さ寸法ΔＬがφｄ×0.1な
   いしφｄ×0.3の範囲に設定されているロータとからな
   るステッピングモータ。
2. 【請求項２】該マグネットの後退端面は、軸方向に沿っ
   て離間配置された上下一対の水平端面及びこれらにそれ
   ぞれ連続している上下一対の垂直端面からなる請求項１
   に記載のステッピングモータ。
3. 【請求項３】該マグネットの後退端面は、軸方向に沿っ
   て離間配置された上下一対の傾斜端面からなる請求項１
   に記載のステッピングモータ。
4. 【請求項４】一対のＵ字形状のステータヨークを含み、
   各ステータヨークは二本の脚部を有するとともに各脚部
   の端部が垂直対極面を構成する請求項１に記載のステッ
   ピングモータ。