JP3684165B2 - 駆動装置及び光量制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超小型に構成した駆動装置とそれを用いた光量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小型モータに適する形態としてブラシレスタイプのものがあげられる。ブラシレスタイプのモータで駆動回路の単純なものとしては以下に記載する永久磁石を用いたステップモータがある。
【０００３】
小型円筒形状のステップモータとしてはまず図６に示すものがある。これは、ボビン１０１にステータコイル１０５が同心状に巻回され、ボビン１０１は2個のステータヨーク１０６で軸方向から挟持固定されており、かつステータヨーク１０６にはボビン１０１の内径面円周方向にステータ歯１０６ａと１０６ｂが交互に配置され、ケース１０３には、ステータ歯１０６ａまたは１０６ｂと一体のステータヨーク１０６が固定されてステータ１０２が構成されている。２組のケース１０３の一方にはフランジ１１５と軸受け１０８が固定され、他方のケース１０３には他の軸受け１０８が固定されている。ロータ１０９はロータ軸１１０に固定されたロータ磁石１１１からなり、ロータ磁石１１１はステータ１０２のステータヨーク１０６ａと放射状の空隙部を形成している。そして、ロータ軸１１０は２個の軸受け１０８の間に回転可能に支持されている。
【０００４】
このような構造のステップモータの変形例として、特公昭５３−２７７４号で提案される光制御装置がある。これはステップモータに連結するシャッタ羽根をステップ的に開閉させて光の通過量を制御するものである。また、別の変形例として、特開昭５７−１６６８４７号で提案される中空形モータがある。これはステップモータをリング状の構造として、その中央部の空洞を光等が通過可能としたものである。
【０００５】
また、1個のコイルで駆動するステップモータとしては時計で多く用いられている図８に示すものがある。２０１は永久磁石からなるロータ、２０２、２０３はステータ、２０４はコイルである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示す上記従来の小型のステップモータは、ロータの外周にケース１０３、ボビン１０１、ステータコイル１０５、ステータヨーク１０６が同心状に配置されているため、モータの外形寸法が大きくなってしまう欠点があった。また、ステータコイル１０５への通電により発生する磁束は図７に示すように主としてステータ歯１０６ａの端面１０６ａ１とステータ歯１０６ｂの端面１０６ｂ１とを通過するため、ロータ磁石１１１に効果的に作用しないのでモータの出力は高くならない欠点がある。
【０００７】
特公昭５３−２７７４号の光制御装置及び特開昭５７−１６６８４７号の中空形モータにおいても上記と同様に、ロータ磁石の外周にステータコイル及びステータヨークが配置されているためモータの外形寸法が大きくなるとともに、ステータコイルへの通電により発生する磁束がロータ磁石に効果的に作用しない。
【０００８】
図８に示すものに関しても、ステータ２０２とステータ２０３のギャップが小さいところにコイルへの通電で発生する磁束が集中し、効果的にマグネットに作用しない。
【０００９】
また、小型モータとしては通常のブラシタイプのコアード直流モータ及びコアレス直流モータがあるが、構成部品が多いため、モータを超小型にすると各構成部品の製造及び組み立てが難しくコストアップを招く欠点がある。
【００１０】
更にはコイン型のブラシレスモータがある。例えば特開平７−２１３０４１や特開２０００−５０６０１で提案されている図９に示すようなものがある。これは、複数のコイル３０１、３０２、３０３と円盤形状のマグネット３０４で構成されるものであり、コイルは図９に示すように薄型コイン形状でありその軸はマグネットの軸と平行に配置されている。一方、円盤形状のマグネットはその円盤の軸方向に着磁されており、マグネットの着磁面とコイルの軸は対向する様に配置されている。
【００１１】
この場合、コイルから発生する磁束は図1０中の矢印で示すように完全には有効にマグネットに作用せず、また、マグネットが発生する回転力の中心はモータの外径からＬだけ離れた位置となるので、モータの大きさの割には発生するトルクは小さくなってしまう。また、このモータの中心部はコイルやマグネットが占有してしまっているので、モータの中心部を他に利用することは困難である。更には複数のコイルが必要であることから、コイルへの通電制御が複雑になったりコストが高くなる欠点がある。
【００１２】
本出願に係る第１の発明の目的は、製造が簡単で出力の高く取り扱いが容易な小型で薄型の駆動装置を提供することである。
【００１３】
また、本出願に係る第２の発明の目的は、製造が簡単で出力の高く取り扱いが容易な小型で薄型の駆動装置を用いた光量制御装置を提供することである。
【００１４】
【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記載の本発明は、中空円筒形状に形成されるとともに少なくとも外周面が周方向にｎ分割され異なる極に交互に着磁され中空部を中心に回転可能な出力部材を備えたマグネットと、該マグネットの回転軸方向に該マグネットに並んで配置されるコイルと、該コイルにより励磁され該マグネットの外周面に対向する複数の櫛歯形状の外側磁極部と、該コイルにより励磁され該マグネットの内周面に対向する内側磁極部とを有し、該マグネットの外径寸法をＤ１、該マグネットの内径寸法をＤ２、該外側磁極部の各々が該マグネットの外周面と対向する角度をＡとすると、
Ａ＜（２４８．４／ｎ）−５８．８６×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）
であり、該コイルへの無通電時に該マグネットと該外側磁極部との吸引力により該マグネットの回転位置が保持される第１の状態と、該マグネットが該第１の状態から所定の角度回転した位置であって該コイルへの無通電時に該マグネットと該外側磁極部との吸引力により該マグネットの回転位置が保持される第２の状態と、該コイルの通電方向により該第１の状態と該第２の状態とを切り換えることを特徴とする駆動装置とするものである。
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項４記載の本発明は、中空円筒形状に形成されるとともに少なくとも外周面が周方向にｎ分割され異なる極に交互に着磁され中空部を中心に回転可能なマグネットと、該マグネットの回転軸方向に該マグネットに並んで配置されるコイルと、該コイルにより励磁され該マグネットの外周面に対向する複数の櫛歯形状の外側磁極部と、該コイルにより励磁され該マグネットの内周面に対向する中空柱形状の内側磁極部とを備え、該マグネットの外径寸法をＤ１、該マグネットの内径寸法をＤ２、該外側磁極部の各々が該マグネットの外周面と対向する角度をＡとすると、
Ａ＜（２４８．４／ｎ）−５８．８６×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）
である駆動装置と、
該マグネットに連結して回動することで該中空柱形状の内側磁極部内の通過光量を制御する光量制御部材とを有し、
該コイルへの無通電時に該マグネットと該外側磁極部との吸引力により該マグネットの回転位置が保持される第１の状態と、該マグネットが該第１の状態から所定の角度回転した位置であって該コイルへの無通電時に該マグネットと該外側磁極部との吸引力により該マグネットの回転位置が保持される第２の状態と、該コイルの通電方向により該第１の状態と該第２の状態とを切り換えることにより該光量制御部材を制御することを特徴とする光量制御装置とするものである。
【００１７】
これら請求項１及び４に記載の構成においては、駆動装置の径はマグネットの外周面に対向する外側磁極部で決められ、駆動装置の軸方向高さはコイル、マグネットを順に配置することで決められ、駆動装置を非常に小型化することができるものである。また、コイルにより発生する磁束は外側磁極部と内側磁極部との間にあるマグネットを横切るので効果的に作用する。さらに、外側磁極部はマグネットの外周面に対向して設けられた軸方向に延出する櫛歯形状により構成されるため、半径方向への凹凸により構成されるものに比べて半径方向に関する寸法は小さく構成できる。これにより、マグネットの外径寸法を大きく構成できるので駆動装置のトルクを大きくできる。
【００１８】
また、外側磁極部の各々が該マグネットの外周面と対向する角度をＡ、マグネットの着磁分割数をｎ、マグネットの外径寸法をＤ１、マグネットの内径寸法をＤ２とすると、Ａ＜（２４８．４／ｎ）−５８．８６×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）と設定したことで、コイルへの無通電時において、マグネットに着磁された極の中心位置が外側磁極部の櫛歯の中心に対向する位置で安定的に保持される。
【００１９】
さらに、請求項４記載の構成においては、該駆動装置と、該駆動装置のマグネットに連結して回動することで中空柱形状の内側磁極部内の通過光量を制御する光量制御部材とを備えた光量制御装置とすることで、駆動装置の中央部を光が通過する構成とすることができる。すなわち、駆動装置の形状をドーナツ状のものとすることで、その内側にレンズを配置したり光路として利用でき、また半径方向（ドーナツの幅）に関する寸法を小さく構成できるので、その外側には他の構造物を配置でき、出力が高く、かつ安価で小型の駆動装置を備えた光量制御装置を提供することができる。
【００２０】
また、請求項４記載の構成においては、コイルの通電方向の切り換えにより２つの光量制御状態を切り換え可能であり、コイルの通電を切るとそれぞれの状態を保持する。よって、通電していなくても振動等により光量制御部材の位置が変化することはなく、光量制御装置の信頼性が向上するとともに、省エネルギーになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１〜図３は本発明の第１の実施例の光量制御装置を示す図であり、そのうち、図１は駆動装置を備えた光量制御装置の分解斜視図であり、図２は光量制御装置の組み立て完成状態の軸方向断面図であり、図３は駆動装置のマグネットの回転動作説明図である。
【００２２】
図１から図３において、１はロータを構成する中空円筒形状のマグネットであり、図３に示すようにマグネット１はその外周表面を円周方向にｎ分割（本実施例では１６分割）して、S極・N極が交互に着磁された着磁部１ａを有する。マグネット１は射出成形により形成されるプラスチックマグネット材料により形成される。これにより円筒形状の半径方向に関しての厚さ（特に着磁部１ａの厚さ）を非常に薄く構成することができる。また、マグネット１には回転規制用の突起部１ｂ、軸方向に突出するダボ１ｃ及び１ｄ、中央部に嵌合部１ｅが一体的に形成されている。嵌合部１ｅは後述の地板５の嵌合部５ｅに摺動可能に嵌合して回転可能に支持される。
【００２３】
マグネット１は射出成形により形成されるプラスチックマグネットからなるため、突起部１ｂ、ダボ１ｃ及び１ｄ、嵌合部１ｅを有するという複雑な形状でも製造が容易となる。また、嵌合部１ｅはマグネット１で一体成形されることにより、回転中心に対してマグネット部の同軸精度が向上し、振れを少なくするとともに着磁部１ａと後述のステータ４との空隙距離を少なくすることが可能となり、充分な出力トルクを得ることができる。また、射出成形マグネットは表面に薄い樹脂皮膜が形成されるため、錆の発生がコンプレッションマグネットに比較して大幅に少ないので、塗装などの防錆処理を廃止できる。さらにコンプレッションマグネットで問題になる磁性粉の付着もなく、防錆塗装時に発生しやすい表面のふくらみもなく、品質の向上が達成できる。
【００２４】
マグネット１の材料にはNd-Fe-B系希土類磁性粉とポリアミドなどの熱可塑性樹脂バインダー材との混合物を射出成形することにより形成されたプラスチックマグネットを用いている。これにより、コンプレッション成形されたマグネットの場合の曲げ強度が５００Kgf/cm²程度なのに対して、例えばポリアミド樹脂をバインダー材として使用した場合８００Kgf/cm²以上の曲げ強度が得られ、コンプレッション成形では出来ない薄肉円筒形状に形成することが可能となる。薄肉円筒状に形成することで後述のステータ４の外側磁極と内側磁極との間隔を短く設定することができ、その間の磁気抵抗を小さい磁器回路とすることができる。これにより、後述のコイル２への通電を行った場合、小さな起磁力でも多くの磁束を発生することができ、アクチュエータの性能が高まる。
【００２５】
２は円筒形状のコイルであり、絶縁材料からなるボビン３に巻き付けられている。コイル２はマグネット１と同心でかつ、マグネット１の軸方向に並んで配置され、その外径はマグネット１の外径とほぼ同じ寸法となっている。
【００２６】
４は軟磁性材料からなるステータであり、外筒及び内筒とそれらを結ぶ連結部４ｃとで構成される。ステータ４の外筒はその先端部が軸方向に延出する複数の歯、すなわち櫛歯形状によって構成される。この軸方向に延出する歯の数はマグネット１の着磁分割数ｎの１／２にて形成され（本実施例では８つ）、これらが外側磁極４ａを形成している。外側磁極４ａは円周方向に７２０／ｎ度（本実施例では４５度）ずつ等分配置されて形成される。また、ステータ４の内筒は中空柱形状により構成され、内側磁極４ｂを形成している。この構成によりアクチュエータの直径を最小限にしつつ磁極の形成が可能となる。すなわち外側磁極を半径方向に延びる凹凸で形成すると、その分アクチュエータの直径は大きくなってしまうが、本実施例では軸方向に延出する櫛歯形状により外側磁極を形成しているので、アクチュエータの直径を最小限に抑えることができる。
ステータ４の外側磁極４ａの軸方向に延出する歯の数は本実施例の場合はマグネット１の着磁分割数ｎの１／２にて形成しているが、これは理想的な歯の数であって、例えば歯の数を１つ減らしても出力が若干落ちる程度で駆動には何ら問題はない。ただし、その場合も残りの歯は円周方向に７２０／ｎ度ずつ配置する必要がある。すなわち歯の数を間引くことで、そこのスペースを他の部材が利用することも可能である。
【００２７】
ステータ４の内側磁極４ｂは本実施例の場合は単なる中空の円柱形状で構成しているが、外側磁極４ａ同様に櫛歯形状で構成してもよい。ただし、外側磁極が上に述べた櫛歯形状で構成されるならば、外側磁極と内側磁極の間を通過する磁束は櫛歯状の外側磁極と外側磁極の形状を円柱形状の内側磁極に投影した内側磁極上の位置との間を通過するため、内側磁極の形状は単なる中空の円柱形状のままでもよいのである。
【００２８】
ステータ４の外側磁極４ａ及び内側磁極４ｂの間にコイル２及びボビン３が接着等により固定され、コイル２に通電されることによりステータ４が励磁される。
【００２９】
ステータ４の外側磁極４ａ及び内側磁極４ｂはマグネット１の着磁部１ａの外周面及び内周面に対向してマグネット１の着磁部１ａを所定の隙間を持って挟み込むように設けられる。よってコイル２により発生する磁束は外側磁極４ａ及び内側磁極４ｂとの間にあるマグネット１を横切るので、ロータであるマグネット１に効果的に作用し、アクチュエータの出力を高める。
【００３０】
また、マグネット１は前記したように射出成形により形成されるプラスチックマグネット材料により構成されており、これにより円筒形状の半径方向に関しての厚さは非常に薄く構成することができる。そのため、ステータ４の外側磁極４ａと内側磁極４ｂとの間隔を非常に短くでき、コイル２とステータ４により形成される磁気回路の磁気抵抗を小さく構成できる。これにより少ない電流で多くの磁束を発生させることができ、アクチュエータの出力アップ、低消費電力化、コイルの小型化が達成されることになる。
【００３１】
以上、マグネット１、コイル２、ボビン３、ステータ４により本実施例の光量制御装置のアクチュエータが構成される。
【００３２】
５は中央に開口部５ｂが形成された地板であり、地板５の嵌合部５ｅにマグネット１の嵌合部１ｅが嵌合して回転可能に取り付けられ、マグネット押え６をマグネットの嵌合部１ｅを間に挟んで地板５に接着等により固定することでマグネット１の軸方向の抜け止めがなされる。なお、本実施例ではマグネット１の軸方向の抜け止めをマグネット押え６を用いて行っているが、地板５に抜け止め部を一体で成形してもよい。
【００３３】
また、地板５の別の嵌合部５ａにはステータ４の外側磁極４ａが嵌合して接着等により固定される。この時、マグネット１とステータ４とは同軸になるように固定され、マグネット１の着磁部１ａの先端とステータ４に固定されるボビン３との軸方向には所定の隙間が保たれる。なお、本実施例ではステータ４の地板５への嵌合を外側磁極４ａ（外径嵌合）で行っているが、内側磁極４ｂ（内径嵌合）で行ってもよい。
【００３４】
さらに、地板５にはマグネット１のダボ１ｃ及び１ｄと同一方向に突出するダボ５ｃ及び５ｄが一体で形成されるとともに、マグネット１の突起部１ｂが当接することでマグネット１の回転を規制するストッパー部５ｆ及び５ｇが形成されている。すなわちマグネット１は突起部１ｂがストッパー部５ｆに当接する位置から突起部１ｂがストッパー部５ｇに当接する位置まで回転可能となる。
【００３５】
７及び８は羽根であり、羽根７の丸穴７ａが地板５のダボ５ｃに回転可能に嵌合し、羽根７の長穴７ｂがマグネット１のダボ１ｃに摺動可能に嵌合し、羽根８の丸穴８ａが地板５のダボ５ｄに回転可能に嵌合し、羽根８の長穴８ｂがマグネット１のダボ１ｄに摺動可能に嵌合する。
【００３６】
９は中央に開口部９ａが形成された羽根押えであり、羽根７及び羽根８を所定の隙間を持って間に挟んで地板５に固定され、羽根７及び羽根８の軸方向の受けとなる。
【００３７】
マグネット１の回転により羽根７は長穴７ｂがマグネット１のダボ１ｃに押されて丸穴７ａを中心に回転し、羽根８は長穴８ｂがマグネット１のダボ１ｄに押されて丸穴８ａを中心に回転して地板５の開口部５ｂの通過光量を制御するよう構成されている。
【００３８】
以上、マグネット１、コイル２、ボビン３、ステータ４、地板５、マグネット押え６、羽根７及び８、羽根押え９により本実施例の光量制御装置が構成される。
【００３９】
図２は図１に示す駆動装置を備えた光量制御装置の組み立て完成状態の軸方向断面図であり、図３（ａ）、（ｂ）は駆動装置のマグネットの回転動作説明図であって図２のＡ−Ａ線から見た断面図を示している。図３（ａ）はマグネット１の突起部１ｂが地板５のストッパー部５ｆに当接している状態であり、図３（ｂ）はマグネット１の突起部１ｂが地板５のストッパー部５ｇに当接している状態である。マグネット１はコイル２への無通電時にそれぞれの状態で回転位置が保持される。この様子を図３、図４及び図５を用いて説明する。
【００４０】
図４はコギングトルクの様子を表すグラフであり、コイル２への通電がない状態でマグネット１の回転位置とマグネット１が外側磁極４ａにより吸引される様子を示している。
【００４１】
図４において縦軸はマグネット１に作用するステータ４との間で発生する磁力を表し、横軸はマグネット１の回転位相を表す。Ｅ１点，Ｅ２点で示されるところは正回転しようとするとマイナスの力が働いて元の位置に戻ろうとし、逆回転しようとするとプラスの力が働いて元の位置に戻される。すなわちマグネットと外側磁極の間の磁力の力によってマグネットがＥ１点或いはＥ２点に安定的に位置決めされようとするコギングの位置である。Ｆ１点，Ｆ２点，Ｆ３点はマグネットの位相が少しでもずれると前後のＥ１点或いはＥ２点の位置に回転する力が働く不安定な均衡状態にある停止位置である。コイル２への通電がなされない状態では、振動や姿勢の変化によってＦ１点，Ｆ２点，Ｆ３点に停止していることはなく、Ｅ１点或いはＥ２点の位置で停止する。
【００４２】
Ｅ１点，Ｅ２点のようなコギング安定点はマグネットの着磁極数をｎとすると、３６０／ｎ度の周期で存在し、その中間位置がＦ１点，Ｆ２点，Ｆ３点のような不安定点になる。
【００４３】
有限要素法による数値シミュレーションの結果、着磁される極の角度と外側磁極のマグネットに対向する角度との関係により、コイルへの通電がない状態での外側磁極とマグネットとの吸引状態の様子が変化することが明らかになった。それによると、外側磁極のマグネットに対向する角度によりマグネットのコギング位置が変化する。すなわち、外側磁極のマグネットに対向する角度が所定値以下の場合にはマグネットの極の中心が外側磁極の中心に対向する位置で安定的に保持される。この時、図４で述べたＥ１点及びＥ２点がマグネットの極の中心が外側磁極の中心に対向する位置となる。逆に、外側磁極のマグネットに対向する角度が所定値以上の場合にはマグネットの極と極の境界が外側磁極の中心に対向する位置で安定的に保持される。この時、図４で述べたＥ１点及びＥ２点がマグネットの極と極の境界が外側磁極の中心に対向する位置となる。その様子を図５で詳しく説明する。
【００４４】
図５は外側磁極の幅寸法とコギングトルク、マグネット寸法の関係を表すグラフである。
【００４５】
図５において、横軸は（マグネットの厚み／マグネット１極あたりの外周長さ）、縦軸は（外側磁極１つあたりのマグネットに対する対向角度／マグネット１極あたりの角度）である。
【００４６】
例えば、マグネットの外径寸法が１０ｍｍ、内径寸法が９ｍｍで極数が１６極の場合、マグネットの厚みは（１０−９）／２、磁極１極あたりの外周長さは１０×π／１６であるから横軸の（マグネットの厚み／マグネット１極あたりの外周長さ）の値は０．２５５となる。また、外側磁極１つあたりのマグネットに対する対向角度を１３度とすると、マグネット１極あたりの角度は２２．５度であるから縦軸の（外側磁極１つあたりのマグネットに対する対向角度／マグネット１極あたりの角度）は０．５７８となる。
【００４７】
図５中の各ポイントはコギングトルクがほぼ０となるようなモデルの（外側磁極１つあたりのマグネットに対する対向角度／マグネット１極あたりの角度）をプロットしたものである。縦軸をY、横軸をXとするとこれらのポイントは直線Ｙ＝−０．３２７X＋０．６９の式で近似できる。Y＜−０．３２７X＋０．６９ならばマグネットの極の中心が外側磁極の中心に対向する位置で安定的に保持され、Y＞−０．３２７X＋０．６９ならばマグネットの極と極の境界が外側磁極の中心に対向する位置で安定的に保持される。
【００４８】
つまり、Y＜−０．３２７X＋０．６９は次のように表される。上記各外側磁極のマグネットに対する各対向角をＡ度、着磁極数をｎ、マグネットの外径寸法をD１、マグネットの内径寸法をD２とすると、A＜（２４８．４／ｎ）−５８．８６×（D１−D２）／（D１×π）となる。すなわち、A＜（２４８．４／ｎ）−５８．８６×（D１−D２）／（D１×π）となるように設定しておけばマグネットの極の中心が外側磁極の中心に対向する位置で安定的に保持される。
【００４９】
本実施例の場合、マグネット１の着磁極数ｎを１６、マグネット１の外径寸法D１を１０ｍｍ、マグネット１の内径寸法D2を９ｍｍと設定しており、（２４８．４／ｎ）−５８．８６×（D１−D２）／（D１×π）＝１３．６５度となり、各外側磁極のマグネットに対する対向角Ａ度が１３．６５度未満の角度になればY＜−０．３２７X＋０．６９の条件に当てはまることになる。本実施例では外側磁極４ａのマグネット１に対する各対向角Ａ度は１３度と設定しているので、マグネット１の極の中心が外側磁極４ａの中心に対向する位置で安定的に保持されるようになっている。
【００５０】
ここで、外側磁極４ａのマグネット１に対する各対向角Ａ度は部品寸法公差や嵌合ガタ等を考慮して設定するのが望ましい。すなわち上記の場合、例えば外側磁極４ａのマグネット１に対する各対向角Ａ度を１３．６度と設定しても、理論上はマグネット１の極の中心が外側磁極４ａの中心に対向する位置で安定的に保持されるが、部品寸法公差や嵌合ガタ等を考慮すると、マグネット１の極の中心が外側磁極４ａの中心に対向する位置で常に安定的に保持できる保証は少ない。そこで、もう少し余裕を持って対向角Ａ度を設定する必要があるが、対向角Ａ度を必要以上に小さくするとコギング力が大きくなり過ぎて回転トルクが下がる傾向にあるため、コギング力と必要トルクのバランス点を見て設定する必要がある。
【００５１】
マグネットに着磁された極と極の境界が外側磁極の中心に対向する位置にある時、コイルへ通電をして外側磁極を励磁すると、必ずマグネットには回転力が生じ、起動が行われる。しかし、マグネットに着磁された極の中心が外側磁極の中心に対向する位置にある時は、コイルへ通電をして外側磁極を励磁してもマグネットに回転力は生じない。
【００５２】
本実施例では外側磁極４ａのマグネット１に対向する角度をA度、マグネット１の外径寸法をD１、マグネット１の内径寸法D２とすると、A＜（２４８．４／ｎ）−５８．８６×（D１−D２）／（D１×π） となるように各値を設定した。これは、図5に示す直線で示す部分より左下にある場合に相当する。ここで、コイル２への通電がない状態では、上記Ｅ１点及びＥ２点がマグネット１の極の中心が外側磁極４ａの中心に対向する位置に相当し、安定的にこの位置に停止する。しかし、この状態からコイル２へ通電をして外側磁極４ａを励磁しても、マグネット1に回転力が生じない。
【００５３】
そこで、本実施例では図３（ａ）のように地板５にマグネット１の回転規制のためのストッパー部５ｆを設け、マグネット１の突起部１ｂがストッパー部５ｆに当接している状態で、回転中心１ｆを中心としてマグネット１の極の中心と外側磁極４ａの中心とのなす角度がα度になるように設定してある。これにより、図３（ａ）の状態からコイル２へ通電して外側磁極４ａを励磁すると、マグネット1に回転力が生じて、安定して起動が行われる。また、図３（ａ）の状態を図４に当てはめると、Ｇ点の位置となる。この位置でのコギングトルク（マグネット１に作用するステータ４との間で発生する吸引力）はＴ２であり、これは、Ｅ１点に戻ろうとする回転方向にマイナスの力（図３において半時計方向の力）が働くことになる。すなわち、マグネット１の突起部１ｂが地板５のストッパー部５ｆに当接する位置の保持力がＴ２となる。よって、コイル２への無通電時にはマグネット１は安定的にこの位置（図３（ａ）の位置）に停止する。
【００５４】
同様に、本実施例では図３（ｂ）のように地板５にマグネット１の回転規制のためのストッパー部５ｇを設け、マグネット１の突起部１ｂがストッパー部５ｇに当接している状態で、回転中心１ｆを中心としてマグネット１の極の中心と外側磁極４ａの中心とのなす角度がβ度になるように設定してある。これにより、図３（ｂ）の状態からコイル２へ通電して外側磁極４ａを励磁すると、マグネット1に回転力が生じて、安定して起動が行われる。
【００５５】
また、図３（ｂ）の状態を図４に当てはめると、Ｈ点の位置となる。この位置でのコギングトルク（マグネット１に作用するステータ４との間で発生する吸引力）はＴ１であり、これは、Ｅ２点に進もうとする回転方向にプラスの力（図３において時計方向の力）が働くことになる。すなわち、マグネット１の突起部１ｂが地板５のストッパー部５ｇに当接する位置の保持力がＴ１となる。よって、コイル２への無通電時にはマグネット１は安定的にこの位置（図３（ｂ）の位置）に停止する。
【００５６】
次に、駆動装置のマグネット１の回転動作の様子を図３で説明する。
上記のごとく、コイル２への無通電時にはマグネット１は図３（ａ）の位置で安定的に停止している。図３(ａ)の状態からコイル２に通電して、ステータ４の外側磁極４ａをＳ極とし、内側磁極４ｂをＮ極に励磁すると、外側磁極４ａと内側磁極４ｂの励磁によりマグネット１は回転方向の電磁力を受け、ロータであるマグネット１は時計方向にスムーズに回転し始める。そして回転角度がＫ度となる図３(ｂ)に示す状態になるタイミングでコイル2への通電を断つ。図３(ｂ)に示す状態は図４におけるＨ点であるから上記のごとくコキング力Ｔ１によりマグネット１は安定的にこの位置を保持する。
【００５７】
ここで、コイル２への通電を反転させ、ステータ４の外側磁極４ａをＮ極とし、内側磁極４ｂをＳ極に励磁すると、外側磁極４ａと内側磁極４ｂの励磁によりマグネット１は回転方向の電磁力を受け、ロータであるマグネット１は反時計方向にスムーズに回転し始める。そして回転角度がＫ度となる図３(ａ)に示す状態になるタイミングでコイル２への通電を断つ。図３(ａ)に示す状態は図４におけるＧ点であるから上記のごとくコキング力Ｔ２によりマグネット１は安定的にこの位置を保持する。
【００５８】
以上のようにコイル２への通電方向を切り換えることにより、ロータであるマグネット１は図３（ａ）の状態と図３（ｂ）の状態とに切り換わる。マグネットの回転範囲ＫはそれぞれＥ１及びＥ２まで達しない範囲で設定すれば回動は可能であるが、コギング力と必要トルクのバランス点、及び必要な回転量を見て設定する必要がある。Ｅ１及びＥ２はマグネット１のＳ極及びＮ極の中心位置である。
【００５９】
上記に示したように羽根７及び羽根８はマグネット１に連動して回転する。マグネット１が図３（ａ）の状態にある時、羽根７及び羽根８はそれぞれ地板５の開口部５ｂから退避する位置にある。一方、マグネット１が図３（ｂ）の状態にある時、羽根７及び羽根８により地板５の開口部５ｂは閉鎖される。よって、コイル２への通電方向を切り換えることにより、羽根７及び羽根８の位置を開放位置と閉鎖位置とに制御可能となり、地板５の開口部５ｂの通過光量を制御できる。さらに、コイル２への無通電時にはマグネット１と外側磁極４ａとの吸引力により、それぞれの位置が保持される。よって、通電していなくても振動等により羽根７及び羽根８の位置が変化することはなく、光量制御装置の信頼性が向上するとともに、省エネルギーになる。
【００６０】
したがって、光量制御装置は開き位置でも閉じ位置でも無通電で安定して保持できるシャッター装置として作用する。
【００６１】
ここで、このような構成のアクチュエータが出力が高くて超小型化になる上で最適な構成であることについて述べる。
本実施例のアクチュエータの基本構成について述べると、
第１にマグネットを中空の円筒形状に形成していること
第２にマグネットの外周面を周方向にｎ分割して異なる極に交互に着磁していること
第３にマグネットの軸方向にコイルをならべて配置していること
第４にコイルにより励磁されるステータの外側磁極及び内側磁極をそれぞれマグネットの外周面及び内周面に対向させていること
第５に外側磁極を軸方向に延出する櫛歯により構成していること
第６にステータの内側磁極を中空柱形状にすることで、アクチュエータの形状をドーナツ状のものとしていること
第７にコイルへの無通電時にはマグネットの極の中心と外側磁極の中心とが対向する位置で安定的に保持されることである。
【００６２】
このアクチュエータの径はマグネットの径にステータの磁極を対向させるだけの大きさがあればよく、また、アクチュエータの高さはマグネットの高さにコイルの高さを加えただけの高さがあればよいことになる。このためアクチュエータの大きさは、マグネット及びびコイルの径と高さによって決まるので、マグネット及びコイルの径と高さをそれぞれ非常に小さくすればアクチュエータを超小型にすることができる。
【００６３】
ここで、マグネットおよびコイルの径と高さをそれぞれ非常に小さくすると、アクチュエータとしての精度を維持することが難しくなるが、本実施例ではマグネットを中空の円筒形状に形成し、この中空の円筒形状に形成されたマグネットの外周面および内周面にステータの外側磁極及び内側磁極を対向させるという単純な構造によりアクチュエータの精度の問題を解決している。ここで、マグネットの外周面だけでなく、マグネットの内周面も円周方向に分割して着磁すれば、アクチュエータの出力を更に高めることができる。
【００６４】
コイルにより発生する磁束は外側磁極と内側磁極との間にあるマグネットを横切るので効果的に作用する。
【００６５】
外側磁極は軸方向に延出する櫛歯形状により構成されるため、半径方向への凹凸により構成されるものに比べて半径方向に関する寸法は小さく構成できる。これにより、マグネットの外径寸法を大きく構成できるので駆動装置のトルクを大きくできる。
【００６６】
マグネットの外周面に対向する外側磁極の櫛歯形状の各対向角をＡ度、マグネットの着磁極数をｎ、マグネットの外径寸法をD１、マグネットの内径寸法をD２とすると、A＜（２４８．４／ｎ）−５８．８６×（D１−D２）／（D１×π） となるように設定したことで、マグネットに着磁された極の中心が外側磁極の櫛歯の中心に対向する位置で安定的に保持される。本実施例ではこのコギング安定位置からα度ずれた位置、及びそこからＫ度回転した位置であって次のコギング安定位置からβ度ずれた位置とに回転規制を設けることで、コイル２への無通電時にマグネット１と外側磁極４ａとの吸引力によりマグネット１の回転位置がそれぞれの回転規制位置で安定的に保持されるとともに、コイル２への通電方向の切り換えによりマグネット１はそれぞれの回転規制位置へと切り換わる。
【００６７】
コイル２は１つで構成されるので通電の制御回路も単純になり、コストも安く構成できる。
【００６８】
マグネット１に連結して羽根７及び羽根８が開閉することで中空柱形状の内側磁極４ｂの内側に設けられた地板５の開口部５ｂの通過光量を制御する光量制御装置とすることで、アクチュエータの中央部を光が通過する構成とすることができる。すなわち、アクチュエータの形状をドーナツ状のものとすることで、その内側にレンズを配置したり光路として利用できる。
【００６９】
また、アクチュエータの半径方向（ドーナツの幅）に関する寸法はステータ４の外側磁極４ａとマグネット１の着磁部１ｃとステータ４の内側磁極４ｂとで決まるため幅を小さく構成でき、光量制御装置のアクチュエータ部の外側には他の構造物を配置可能となる。
【００７０】
以上により、出力が高く、かつ安価で小型のアクチュエータを備えた光量制御装置を提供することができる。
【００７１】
（発明と実施の形態の対応）
上記実施の形態において、図１，図２のマグネット１及び図３の着磁部１ａが本発明のマグネットに相当し、図１，図２のコイル２が本発明のコイルに相当し、図１，図２，図３の外側磁極４ａが本発明の外側磁極部に相当し、図１，図２，図３の内側磁極４ｂが本発明の内側磁極部に相当し、図１，図２の羽根７及び羽根８が本発明の光量制御部材に相当する。
【００７２】
（変形例）
上記実施の形態においては、アクチュエータが２枚の羽根を開閉する光量制御装置としたが、羽根の枚数は１枚でも３枚以上でもよい。
また、羽根の状態を開放状態と閉鎖状態の２位置に切り換えるシャッター装置としたが、例えば羽根を開放状態と小絞り状態の２位置に切り換える可変絞り装置としてもよいし、フィルターの出し入れ切り換え装置としてもよい。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、駆動装置の外径はマグネットの外周面に対向する外側磁極部で決められ、駆動装置の内径はマグネットの内周面に対向する内側磁極部で決められ、駆動装置の軸方向高さはコイル、マグネットを順に配置することで決められる。このため、駆動装置の大きさはマグネット及びコイルの径と高さによって決まるもので、マグネット及びコイルの径と高さをそれぞれ非常に小さくすれば、駆動装置を非常に小型化することができるものである。
【００７４】
また、コイルにより発生する磁束は外側磁極部と内側磁極部との間にあるマグネットを横切るので効果的に作用する。さらに、外側磁極部はマグネットの外周面に対向して設けられた軸方向に延出する櫛歯形状により構成されるため、半径方向への凹凸により構成されるものに比べて半径方向に関する寸法は小さく構成できる。これにより、その分マグネットの外径寸法を大きく構成できるので、駆動装置のトルクを大きくできる。
【００７５】
また、コイルは１つで構成されるので通電の制御回路も単純になり、コストも安く構成できる。
【００７６】
さらに、外側磁極部の各々が該マグネットの外周面と対向する角度をＡ、マグネットの着磁分割数をｎ、マグネットの外径寸法をD１、マグネットの内径寸法をＤ２とすると、Ａ＜（２４８．４／ｎ）−５８．８６×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）と設定したことで、コイルへの無通電時において、マグネットに着磁された極の中心が外側磁極部の櫛歯の中心に対向する位置で安定的に保持される。
【００７７】
また、駆動装置と、駆動装置のマグネットに連結して回動することで中空柱形状の内側磁極部内の通過光量を制御する光量制御部材とを備えた光量制御装置とすることで、駆動装置の中央部を光が通過する構成とすることができる。すなわち、駆動装置の形状をドーナツ状のものとすることで、その内側にレンズを配置したり光路として利用でき、また半径方向（ドーナツの幅）に関する寸法を小さく構成できるので、その外側には他の構造物を配置でき、出力が高く、かつ安価で小型の駆動装置を備えた光量制御装置を提供することができる。
【００７８】
さらに、コイルの通電方向の切り換えにより２つの光量制御状態を切り換え可能であり、コイルの通電を切るとそれぞれの状態を保持する。よって、通電していなくても振動等により光量制御部材の位置が変化することはなく、光量制御装置の信頼性が向上するとともに、省エネルギーになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係る駆動装置を備えた光量制御装置の分解斜視図である。
【図２】図２は図１に示す光量制御装置の組み立て完成状態の軸方向断面図である。
【図３】図３は本発明に係る駆動装置のマグネットの回転動作説明図である。
【図４】図４はコギングトルクの様子を表すグラフである。
【図５】図５は外側磁極の幅寸法とコギングトルク、マグネット寸法の関係を表すグラフである。
【図６】図６は従来のステップモータの断面図である。
【図７】図７は従来のステップモータのステータの様子を示す断面図である。
【図８】図８は別の従来のステップモータの平面図である。
【図９】図９は従来のブラシレスモータの斜視構成図である。
【図１０】図1０は従来のブラシレスモータの断面図である。
【符号の説明】
１ ・・・ マグネット
１ａ ・・・ 着磁部
２ ・・・ コイル
３ ・・・ ボビン
４ ・・・ ステータ
４ａ ・・・ 外側磁極
４ｂ ・・・ 内側磁極
５ ・・・ 地板
６ ・・・ マグネット押え
７，８ ・・・ 羽根
９ ・・・ 羽根押え

Claims (6)

1. 中空円筒形状に形成されるとともに少なくとも外周面が周方向にｎ分割され異なる極に交互に着磁され中空部を中心に回転可能な出力部材を備えたマグネットと、該マグネットの回転軸方向に該マグネットに並んで配置されるコイルと、該コイルにより励磁され該マグネットの外周面に対向する複数の櫛歯形状の外側磁極部と、該コイルにより励磁され該マグネットの内周面に対向する内側磁極部とを有し、該マグネットの外径寸法をＤ１、該マグネットの内径寸法をＤ２、該外側磁極部の各々が該マグネットの外周面と対向する角度をＡとすると、
   Ａ＜（２４８．４／ｎ）−５８．８６×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）
   であり、該コイルへの無通電時に該マグネットと該外側磁極部との吸引力により該マグネットの回転位置が保持される第１の状態と、該マグネットが該第１の状態から所定の角度回転した位置であって該コイルへの無通電時に該マグネットと該外側磁極部との吸引力により該マグネットの回転位置が保持される第２の状態と、該コイルの通電方向により該第１の状態と該第２の状態とを切り換えることを特徴とする駆動装置。
2. 前記マグネットの回転角度を規制するための回転止め部材を有することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記回転止め部材によって規制された前記マグネットの回転角度は、前記マグネットの交互に着磁された一つの極の周方向長よりも狭いことを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
4. 中空円筒形状に形成されるとともに少なくとも外周面が周方向にｎ分割され異なる極に交互に着磁され中空部を中心に回転可能なマグネットと、該マグネットの回転軸方向に該マグネットに並んで配置されるコイルと、該コイルにより励磁され該マグネットの外周面に対向する複数の櫛歯形状の外側磁極部と、該コイルにより励磁され該マグネットの内周面に対向する中空柱形状の内側磁極部とを備え、該マグネットの外径寸法をＤ１、該マグネットの内径寸法をＤ２、該外側磁極部の各々が該マグネットの外周面と対向する角度をＡとすると、
   Ａ＜（２４８．４／ｎ）−５８．８６×（Ｄ１−Ｄ２）／（Ｄ１×π）
   である駆動装置と、
   該マグネットに連結して回動することで該中空柱形状の内側磁極部内の通過光量を制御する光量制御部材とを有し、
   該コイルへの無通電時に該マグネットと該外側磁極部との吸引力により該マグネットの回転位置が保持される第１の状態と、該マグネットが該第１の状態から所定の角度回転した位置であって該コイルへの無通電時に該マグネットと該外側磁極部との吸引力により該マグネットの回転位置が保持される第２の状態と、該コイルの通電方向により該第１の状態と該第２の状態とを切り換えることにより該光量制御部材を制御することを特徴とする光量制御装置。
5. 前記マグネットの回転角度を規制するための回転止め部材を有することを特徴とする請求項４に記載の光量制御装置。
6. 前記回転止め部材に規制された前記マグネットの回転角度は、前記マグネットの交互に着磁された一つの極の周方向長よりも狭いことを特徴とする請求項５に記載の光量制御装置。

Images