JP3411311B2

JP3411311B2 - 超小型パルスモータ

Info

Publication number: JP3411311B2
Application number: JP26051892A
Authority: JP
Inventors: 章夫中島
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1992-09-04
Filing date: 1992-09-04
Publication date: 2003-05-26
Anticipated expiration: 2018-05-26
Also published as: JPH0690556A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超精密加工による小型
化機械のアクチュエータのなかの超小型モータの構成に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の小型モータ、たとえば水晶時計用
の小型ステップモータは、永久磁石からなる回転子と、
固定子と、この固定子の一部に一個の駆動コイルを巻い
てステップモータを構成している。そして、この駆動コ
イルに励磁電流を流し、駆動力を発生して回転子を回転
させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のステップモータは、一個の駆動コイルを用いて
いるため、駆動コイルの部分の長さがかなり長くなり、
これにともなって全体の磁気回路も長くなる。この結
果、磁気抵抗が高くなって、モータの小型化、高効率化
が難しいという第１の課題がある。

【０００４】さらに、回転子の固定子に対する静止点
は、最大負荷に最適であるように、固定子形状によって
定めている。したがって、通常の軽負荷に対しては最適
の静止点ではないため、全体として効率が下がってしま
うという第２の課題がある。

【０００５】またさらに、静止点が定まってしまうの
で、反時計方向に回転させる場合は、駆動コイルに印加
する駆動電圧波形が複雑になり、出力トルクも時計方向
回転時よりかなり低く、回転速度も遅いという第３の課
題がある。

【０００６】この第１の課題を解決するため、本発明の
目的は、全体の小型化、高効率化を可能とする超小型パ
ルスモータを提供することにある。

【０００７】さらに、第２、第３の課題を解決するため
に、本発明の目的は、固定子に対する回転子の静止点を
任意に設定することが可能な超小型パルスモータを提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の超小型パルスモータは、下記記載の構成を
採用する。

【０００９】本発明の超小型パルスモータは、永久磁石
からなる回転子と、印加電圧により変位するアクチュエ
ータと、前記回転子の外周を囲み、前記回転子の回転中
心を中心とする点対称な線分で分離可能であり、アクチ
ュエータに連動して前記回転子の回転中心を中心とする
点対称な線分と平行な方向に変位する磁性材からなる固
定子と、駆動コイルとを備えることを特徴とする。

【００１０】本発明の超小型パルスモータは、永久磁石
からなる回転子と、印加電圧により変位するアクチュエ
ータと、前記回転子の外周を囲み、前記回転子の回転中
心を中心とする点対称な線分で分離可能である磁性材か
らなる固定子を有し、前記固定子は駆動コイルが巻回さ
れた一方の固定子と前記アクチュエータと連動して前記
回転子の回転中心を中心とする点対称な線分と平行な方
向に変位する駆動コイルが巻回された他方の固定子とか
らなり、前記アクチュエータへの印加電圧によって、前
記他方の固定子が前記線分に対して平行な方向に移動し
て回転子と固定子間の静止点を時計方向またはその逆方
向に任意の位置に設定することを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明の超小型パルスモータは、回転軸を中心
に回転可能な永久磁石による回転子と、回転子の外周を
囲む磁性材からなる固定子と、回転子の回転中心を通る
直線に関してほぼ対称な位置に駆動コイルとを有する。

【００１２】そして、駆動コイルが回転子の回転中心を
通る直線に関して対称な同一極性の磁極を発生するよう
に、励磁することにより、回転子を一方向に回転させる
ことを可能にしている。

【００１３】このことにより、それぞれの固定子と駆動
コイルで最短の磁気回路を形成し、この組み合わせによ
って、全体の磁気回路を短くすることによって、磁気抵
抗を減らし、効率を上げてパルスモータの小型化を達成
している。

【００１４】さらに、本発明の超小型パルスモータは、
回転軸を中心に回転可能な永久磁石からなる回転子と、
印加電圧により変位するアクチュエータと、回転子の外
周を囲み、回転子の回転中心を中心とする点対称な線分
で分離可能な磁性材からなる固定子と、駆動コイルとを
有する。

【００１５】そして、アクチュエータに電圧を印加する
ことにより、アクチュエータを変位させ、アクチュエー
タに連動した固定子を回転子の回転中心を中心とする点
対称な線分に平行な方向に変位させることにより、回転
子の静止点を任意な位置に設定している。

【００１６】このことにより、回転子の静止点を負荷に
応じて最適な位置に変えることができるので、効率が高
くなる。さらにそのうえ、逆方向回転に対しても、回転
子の位置を最適にすることができるので、同様に効率が
上がる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明による実施例を図面を用いて説
明する。図１は本発明の請求項１における一実施例の超
小型パルスモータの平面図を示している。さらに、図６
は本発明の請求項１における超小型パルスモータの他の
実施例の平面図を示している。さらに、図２と、図３
と、図４とは、本発明の請求項２における一実施例の超
小型パルスモータの平面図を示している。ここで図２は
時計方向回転および反時計方向回転の無負荷時の状態を
表し、図３は時計方向回転の負荷時の状態を表し、図４
は反時計方向回転の負荷時の状態を表している。さらに
図５は本発明の超小型パルスモータのインデックストル
クと発生トルクとの関係を示すグラフである。

【００１８】まずはじめに、本発明の請求項１における
超小型パルスモータの構成を、図１と図６とを用いて説
明する。

【００１９】図１に示すように、Ｎ極とＳ極との一対の
２極の磁極を有する永久磁石からなる回転子１は、回転
軸２を中心に回転可能に構成する。

【００２０】磁性材料からなる固定子３、４は、回転子
１の回転中心を通る直線ＡＢに関して対称に、回転子１
の外周を囲むように設置する。この固定子３、４はギャ
ップ９、１０で、図１の左右２つに分離している。

【００２１】さらに固定子３、４に対応する駆動コイル
５、６を、直線ＡＢに関してほぼ対称な位置に設置す
る。

【００２２】回転子１は、この回転子１と固定子３、４
とからなる磁気回路の磁気ポテンシャルが最小になる点
に安定して静止する。

【００２３】この図１に示すような状態にあるとする
と、回転子１のＮ極からでる磁束の一方は、破線３１で
示すように、ギャップ９に対して左側の部分を通って固
定子４に入り、回転子１のＳ極に戻る。

【００２４】一方これに対して、回転子１のＮ極からで
る磁束の他方は、破線３２で示すように、ギャップ９に
対して右側の部分を通って固定子３に入り、回転子１の
Ｓ極に戻る。

【００２５】破線３１と破線３２とで示すいずれの磁路
も、固定子３、４中にはギャップがないので、磁気抵抗
が最も小さく、磁気ポテンシャルも最小になる。

【００２６】なんとなれば、かりに回転子１を左右のど
ちらかの方向に回転させてみると、二つの磁路にはかな
らずギャップ９、またはギャップ１０が含まれるように
なるので、磁気抵抗が大きくなって、磁気ポテンシャル
も大きくなり、回転子１は静止できない。したがって、
静止点は各固定子３、４中のギャップ９、１０位置と一
致する。

【００２７】図１の駆動コイル５、６の図には示してい
ないコイル端子を通して、各々の駆動コイル５、６の左
側がＮ極、右側がＳ極になる励磁電流が流れるように駆
動パルスを印加する。すると、回転子１を囲む空間の破
線３３、３４で示す磁束は、図１の左から右に向かうほ
ぼ平行な磁束となり、回転子１は回転力を受けて時計方
向へ回転をはじめる。

【００２８】そして回転子１の回転角度が９０度になっ
たときか、またはそれ以前に駆動コイル５、６に印加す
る駆動パルスを切ると、回転子１自身が得た運動エネル
ギーでさらに約９０度、合計して１８０度回転する。そ
の結果、回転子１のＮ極がギャップ１０に達し、Ｓ極が
ギャップ９に達して安定し静止する。

【００２９】つぎに、前述とは逆に各々の駆動コイル
５、６の左側がＳ極、右側がＮ極になる励磁電流が流れ
るように、反対方向の駆動パルスを駆動コイル５、６に
印加すると、回転子１はさらに１８０度回転する。

【００３０】以下同様にして、１ステップが１８０度の
角度で回転し、２ステップで回転子１は１回転する。

【００３１】それぞれの駆動コイル５、６の発生磁束か
らみた磁気回路は、直線ＡＢに関して対称な閉磁路とな
り、各々の磁路長は、従来の１／２以下となり、磁気抵
抗も１／２以下となる。

【００３２】このために、それぞれの駆動コイル５、６
の卷き数を従来の１／２より少なくして、発生起磁力を
従来の１／２以下にしても、従来と同じ特性が得られ
る。

【００３３】したがって、それぞれの駆動コイル５、６
の容積を加えても、従来の駆動コイル一個の容積より、
小さくすることができるため、全体の小型化が可能とな
る。

【００３４】またさらに、各々の駆動コイル５、６の卷
き数を増加させることによって、効率を上げて消費電流
を下げることもできる。

【００３５】図１を用いて説明した実施例では、２個の
駆動コイルを設ける例を示したが、駆動コイルの数は、
２個に限定されるものではなく、４個あるいはそれ以上
でもよく、回転子の磁極数も２極に限らず、４極以上で
も可能である。このときの実施例を、図６の平面図を用
いて説明する。

【００３６】図６は本発明の請求項１における超小型パ
ルスモータの他の一実施例であり、図１を用いて説明し
た実施例の駆動コイルの数を４個にしたものである。

【００３７】対向する駆動コイル１６、１７には、図１
を用いて説明した実施例で述べたと同じように、同時
に、駆動パルスを印加して、固定子１５のギャップ２
０、２１の静止点にある回転子１に時計方向の回転力を
与えて、角度９０度回転させ、次の静止点のギャップ２
２、２３位置に回転子１を静止させる。

【００３８】つぎに、もう一方の対向する駆動コイル１
８、１９に、図１を用いて説明した実施例で述べたのと
同じように、駆動パルスを印加して、さらに角度９０度
回転させ、静止点のギャップ２１、２０に回転子１を静
止させる。

【００３９】以下このような繰り返しによって、回転子
１は４ステップで１回転する。

【００４０】図１を用いて説明した前述の実施例では、
回転子１への駆動力を回転角度の前半で与えて、回転角
度の後半は回転子１の運動エネルギーのみで回転するよ
うにしている。このため、高い出力トルクはやや得にく
い。

【００４１】しかしながら、図６を用いて説明した実施
例のように、回転子１を角度９０度ステップで回転する
ようににすれば、回転子１への駆動力を全回転角度にわ
たって与えられる。この結果、高い出力トルクを容易に
得ることができるという効果を有する。

【００４２】つぎに、本発明の請求項２における超小型
パルスモータの一実施例を図２、図３、図５、および図
６を用いて説明する。

【００４３】図２に示すように、Ｎ極とＳ極との一対の
２極の磁極を有する永久磁石からなる回転子１は、回転
軸２を中心に回転可能に構成する。

【００４４】磁性材料からなる固定子３、４は、線分Ａ
Ｂに関して対称に回転子１の外周を囲むように設置す
る。そしてこの固定子３、４は、回転子１の回転中心を
中心とする点対称な線分ＡＢで分離することができるよ
うに構成する。

【００４５】固定子３、４に対応する駆動コイル５、６
を、線分ＡＢに関してほぼ対称な位置に設置する。

【００４６】さらに、アクチュエータ７の伸縮方向が線
分ＡＢと平行になるように、アクチュエータ７としてた
とえば圧電素子の一端を固定子４と接合し、アクチュエ
ータ７の他の一端を固定部材８と接合する。

【００４７】アクチュエータ７は、図２には示していな
いが、アクチュエータ７の二つの電極間に電圧を印加す
ることにより、線分ＡＢに平行な方向にアクチュエータ
７が伸縮するように構成している。

【００４８】回転子１は、この回転子１と固定子３、４
とからなる磁気回路の磁気ポテンシャルが最小になる点
に安定して静止する。

【００４９】この図２に示すような状態にあるとする
と、回転子１のＮ極からでる磁束の一方は、破線３１で
示すように、固定子３のギャップ９に対して左側の部分
を通って固定子４に入り、回転子１のＳ極に戻る。

【００５０】これに対して回転子１のＮ極からでる磁束
の他方は、破線３２で示すように、固定子３の右側の部
分を通って固定子４に入り、回転子１のＳ極に戻る。

【００５１】破線３１と破線３２とで示すいずれの磁路
も、固定子３、４中にはギャップがないので、磁気抵抗
が最も小さく、磁気ポテンシャルも最小になる。

【００５２】なんとなれば、かりに回転子１を左右のど
ちらかの方向に回転させてみると、二つの磁路にはかな
らずギャップ９、またはギャップ１０が含まれるように
なるので、磁気抵抗が大きくなって、磁気ポテンシャル
も大きくなり、回転子１は静止できない。したがって、
回転子１の静止点は各固定子３、４中のギャップ９、１
０位置と一致する。

【００５３】そして図２の駆動コイル５、６の図には示
していないコイル端子を通して、各々の駆動コイル５、
６の左側がＮ極、右側がＳ極となる励磁電流が流れるよ
うに駆動パルスを印加する。すると、回転子１を囲む空
間の破線３３、３４で示す磁束は、図２の左から右に向
かうほぼ平行な磁束となり、回転子１は回転力を受けて
時計方向へ回転をはじめる。

【００５４】回転子１の回転角度が９０度になったとき
かまたはそれ以前に駆動パルスをきると、回転子１自身
が得た運動エネルギーでさらに約９０度、合計して１８
０度回転する。その結果、回転子１のＮ極がギャップ１
０に達し、Ｓ極がギャップ９に達して、回転子１は安定
し静止する。

【００５５】つぎに、前とは逆に各々の駆動コイル５、
６の左側がＳ極、右側がＮ極になる励磁電流が流れるよ
うに、反対方向の駆動パルスを駆動コイル５、６に印加
すると、回転子１はさらに１８０度回転する。

【００５６】以下同様にして、１ステップが１８０度の
角度で回転し、２ステップで回転子１は１回転する。

【００５７】パルスモータの出力トルクは、駆動パルス
を印加しない状態での固定子３、４と回転子１との引き
合う力であるインデックストルクと、駆動パルスによる
発生トルクとの和で表せる。

【００５８】図２に示すように、回転子１の静止点がギ
ャップ９、１０の位置にある場合には、インデックスト
ルクと発生トルクとの関係を示すグラフの図５（ａ）に
示すように、回転角度θ＝０の静止点での起動時の発生
トルクは大きいが、回転子が回転するにつれて、急激に
小さくなるので、消費電流は小さくなるものの、結果的
には大きな出力トルクは得られない。

【００５９】したがって、この図２に示す状態は通常の
無負荷、または軽負荷での使用に最適である。

【００６０】ここで、回転子１の静止点はギャップ９、
１０とかならずしも一致しなくても良く、ギャップ９、
１０の近傍位置にあればよい。

【００６１】つぎに図３に、時計方向回転時の負荷に対
して最適となるように、回転子の静止点を移動させた場
合を示す。

【００６２】アクチュエータ７の図３には図示していな
い電極を通して、図２に示す状態から、アクチュエータ
７が線分ＡＢと平行に距離γだけ縮小するように、電圧
を印加する。ここで、固定子３と固定子４とは回転子１
の回転中心を中心とする線分ＡＢで隙間がないように突
き合わすように分離しており、固定子４は移動可能なよ
うに構成している。したがって、アクチュエータ７に連
動して駆動コイル６と固定子４とが、図３の左側に距離
γだけ平行移動する。

【００６３】これにともなって、回転子１と固定子４の
右側部分との対向面の距離が接近するため、回転子１
は、図３のようにギャップ９、１０を中心に、角度αだ
け反時計方向に回転し、静止点は点１１、１２となる。

【００６４】回転子１の静止点が反時計方向に角度α回
転した位置にある場合には、静止点を基準にして、イン
デックストルクと発生トルクとの関係を示すグラフであ
る図５（ｂ）に示すように、インデックストルクに対し
て発生トルクが角度α進んだ形となる。さらに、起動時
の発生トルクは比較的大きく、さらに、回転子の回転に
つれて、次第に大きくなるので、大きな出力トルクが得
られる。したがって、この図３に示す状態は通常より大
きい負荷での使用に最適となる。

【００６５】つぎに図４に反時計方向回転時の負荷に対
して最適となるように、回転子１の静止点をギャップ
９、１０に対して、図３に示すときと反対側に移動させ
た場合を示す。

【００６６】アクチュエータ７の図４には図示していな
い電極を通して、図２に示す状態から、アクチュエータ
７が線分ＡＢと平行に距離δだけ伸張するように、電圧
を印加する。すると、アクチュエータ７に連動して駆動
コイル６と固定子４とが、図３に示す場合とは逆に、図
４の右側に距離δだけ平行移動する。

【００６７】これにともなって、回転子１と固定子４の
左側部分との対向面の距離が接近するため、回転子１
は、図４に示すようにギャップ９、１０を中心に、角度
βだけ時計方向に回転し、静止点は点１３、１４とな
る。

【００６８】回転子１の静止点が時計方向に角度β回転
した位置にある場合は、静止点を基準にして、発生トル
クとインデックストルクとの関係を示す図５（ｃ）に示
すように、負の角度からみると、インデックストルクに
対して発生トルクが角度β進んだ形となる。

【００６９】時計方向回転時とは励磁電流が逆に流れる
ように、駆動コイル５、６に、図３を用いて説明したと
きとは逆方向の駆動パルスを印加すると、起動時の反時
計方向の発生トルクは比較的大きく、さらに、回転子の
回転につれて、次第に大きくなるので、大きな出力トル
クが得られる。したがって、この図４に示す状態は通常
より大きい負荷での使用に最適となる。

【００７０】以上説明した実施例では２個の固定子を設
ける例を示したが、固定子の数は、これに限定されるも
のではなく４極、あるいはそれ以上でもよく、回転子の
磁極数も２極に限らず、４極以上でも可能である。

【００７１】本実施例に使用するアクチュエータは、例
えば、圧電セラミクス（チタン酸バリウム、ジルコチタ
ン酸鉛、多成分系固溶体セラミックス）や、チタン酸バ
リウム単結晶や、水晶や、ロッシェル塩などの圧電性を
示す物質からなる圧電素子のように、電圧や電流で変形
するものなら何でも良い。

【００７２】またさらに、固定子の変位の拡大や、圧電
素子駆動電圧の低減のため、圧電素子の構造を屈曲変位
型のモノモルフ、ユニモルフ、バイモルフ、マルチモル
フ、直線変位型の積層型にすることも可能である。

【００７３】なお本実施例のパルスモータは、固定子に
接合したアクチュエータへの印加電圧を変えることによ
って、アクチュエータの伸縮の長さを変えて固定子の位
置を精密に微細寸法で制御し、回転子の静止点を任意に
設定できる。したがって、量産による固定子のばらつき
のために発生する静止点の移動を、所定の電圧を印加す
ることによって、修正することができるという効果も有
する。

【００７４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よる超小型パルスモータは、各々の固定子と駆動コイル
で最短の磁気回路を形成し、この組み合わせによって、
全体の磁気回路を短くすることによって、磁気抵抗を減
らし、効率を上げて小型化を可能とすることができる。

【００７５】さらに、固定子に接合するアクチュエータ
への印加電圧を変えることによって固定子の位置を制御
して、回転子の静止点を負荷に応じて最適な位置に変え
ることができるので、効率が高くなる。またさらに、逆
方向回転に対しても回転子の位置を最適にできるので同
様に効率が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１の一実施例における超小型パ
ルスモータの静止時の状態を示す平面図である。

【図２】本発明の請求項２の一実施例における超小型パ
ルスモータの無負荷時の状態を示す平面図である。

【図３】本発明の請求項２の一実施例における超小型パ
ルスモータの負荷時の時計方向回転の状態を示す平面図
である。

【図４】本発明の請求項２の一実施例における超小型パ
ルスモータの負荷時の反時計方向回転の状態を示す平面
図である。

【図５】本発明の請求項２の一実施例における超小型パ
ルスモータのインデックストルクと発生トルクの関係を
示すグラフである。

【図６】本発明の請求項１の他の一実施例における超小
型パルスモータの静止時の状態を示す平面図である。

【符号の説明】

１回転子３固定子４固定子５駆動コイル６駆動コイル７アクチュエータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】永久磁石からなる回転子と、印加電圧に
より変位するアクチュエータと、前記回転子の外周を囲
み、前記回転子の回転中心を中心とする点対称な線分で
分離可能であり、アクチュエータに連動して前記回転子
の回転中心を中心とする点対称な線分と平行な方向に変
位する磁性材からなる固定子と、駆動コイルとを備える
ことを特徴とする超小型パルスモータ。
【請求項２】永久磁石からなる回転子と、印加電圧に
より変位するアクチュエータと、前記回転子の外周を囲
み、前記回転子の回転中心を中心とする点対称な線分で
分離可能である磁性材からなる固定子を有し、前記固定
子は駆動コイルが巻回された一方の固定子と前記アクチ
ュエータと連動して前記回転子の回転中心を中心とする
点対称な線分と平行な方向に変位する駆動コイルが巻回
された他方の固定子とからなり、前記アクチュエータへ
の印加電圧によって、前記他方の固定子が前記線分に対
して平行な方向に移動して回転子と固定子間の静止点を
時計方向またはその逆方向に任意の位置に設定すること
を特徴とする超小型パルスモータ。