JP3990811B2 - モータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小型の円筒形状のモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は従来の円筒形状の小型ステップモータの構成例を示す縦断面図である。図１５において、図示のモータはモータ軸方向に配列された２個のステータ１０２を備え、各ステータ１０２のそれぞれは軸方向に相対向するように配置された２個のステータヨーク１０６を有する。各ステータ１０２ごとに、前記２個のステータヨーク１０６により保持されたボビン１０１には、ステータコイル１０５が同心状に巻回されている。前記ステータコイル１０５が巻回された各ボビン１０１は、前記２個のステータヨーク１０６により軸方向から挟持固定されている。各ステータヨーク１０６、１０６には、ボビン１０１の内径面円周方向に交互に配置されたステータ歯１０６ａ、１０６ｂが形成されている。一方、各ステータ１０２のケース１０３には、前記ステータ歯１０６ａ、１０６ｂを有する一対のステータヨーク１０６、１０６が固定されている。こうしてステータ１０２が構成されている。
【０００３】
２組のケース１０３の一方（図示左側）にはフランジ１１５及び軸受１０８が固定され、他方（図示右側）のケース１０３には反対側の軸受１０８が固定されている。ロータ１０９はロータ磁石１１１をロータ軸１１０に固定した構造をしている。前記ロータ磁石１１１の外周面と前記ステータ１０２のステータヨーク１０６の内径面との間には空隙部（エアギャップ）が形成されている。そして、ロータ軸１１０は前記各ケース１０３に固定された２個の軸受１０８により回転自在に軸支されている。
【０００４】
図１７は時計などで使用されている１個のコイルで駆動するステップモータを例示する平面図である。図１７において、２０１は永久磁石から成るロータを、２０２及び２０３はステータを、２０４はコイルをそれぞれ示す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１５に示す従来の小型ステップモータにあっては、ロータの外周にケース１０３、ボビン１０１、ステータコイル１０５及びステータヨーク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という不都合がある。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１６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には効果的に作用せず、モータ出力が高くならないという解決すべき課題がある。また、図１７に示すモータにあっても、コイル２０４への通電で発生する磁束がロータ２０１とステータ２０２との間のギャップが小さいところに集中しマグネット２０１に効果的に作用しないという解決すべき課題がある。
【０００６】
本発明はこのような技術的課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、出力が高く、小型化が可能で、スムーズに起動させることができ、安価に製造し得る円筒形状のモータを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のモータは、円筒形状に形成され、少なくともその外周面を周方向に異なる極に交互に着磁された第１の着磁部及び軸方向に隣り合う位置で第１の着磁部と位相をずらしてその外周面を周方向に異なる極に交互に着磁された第２の着磁部を有するマグネットと、前記マグネットの軸方向に配置されたコイルと、マグネットの第１の着磁部の外周面に対向し前記コイルにより励磁される外側磁極と、マグネットの第１の着磁部の内周面に対向し前記コイルにより励磁される内側磁極とを備え、前記コイルは外側磁極と内側磁極の間に装着され、前記コイルにより前記外側磁極及び内側磁極が励磁されていない際に、前記マグネットの極の中心が前記外側磁極の中心と前記マグネットの回転中心とを結ぶ直線上からずれた位置に該マグネットを保持する保持手段を有し、前記保持手段は、前記外側磁極から延出し前記マグネットの第２の着磁部の外周面に対向する延出部を有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の基本構成例に係るモータの分解斜視図であり、図２は本発明の基本構成例に係るモータの縦断面図である。図１及び図２において、モータは、周方向に交互に異なる極に着磁された回転可能なロータマグネット１と、該ロータマグネット１に対して空隙をもって対向する円筒形のステータ１８と、該ステータ１８の内部に装着されたコイル２と、を備え、前記コイル２を前記ロータマグネット１の軸方向に配置し、前記コイル２により励磁される前記ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂを前記マグネット１の外周面に対向させ、前記ステータ１８の内側磁極１８ｃ、１８ｄを前記マグネット１の内周面に対向させ、前記マグネットの極の中心が前記外側磁極の中心と該マグネットの回転中心とを結ぶ直線上からずれた位置に該マグネットを保持する保持手段が設けられて構成されている。なお、以下の説明では、モータがステップモータである場合を例に挙げて説明する。
【００１０】
図１及び図２において、１はロータを構成するマグネット（ロータマグネット）であり、このロータマグネット１はその外周表面を円周方向に複数箇所に分割（本実施例では４分割）してＳ極及びＮ極に交互に着磁されている。着磁部を１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとすると、着磁部１ａ、１ｃがＳ極に着磁され、着磁部１ｂ、１ｄがＮ極に着磁されている。着磁部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの各極の中心をＫ1 、Ｋ2 、Ｋ3 、Ｋ4 として図３に示す。また、マグネット１は射出成形により成形されるプラスチックマグネット材料で作られている。このようにプラスチックマグネット材料で作ることにより、ロータマグネット１の円筒形状の半径方向に関しての厚さを非常に薄くすることができる。
【００１１】
前記ロータマグネット１の中心部には軸方向貫通孔が形成され、この貫通孔の軸方向中間部には内径が小さくされた嵌合部１ｅが形成されている。ロータ軸となる出力軸７は前記ロータマグネット１の前記嵌合部１ｅに圧入して該マグネット１に固着されている。マグネット１は射出成形により成形されるプラスチックマグネットから成るため、前記ロータ軸７を圧入するなどの組み立て方法によっても、割れを生じることはない。また、マグネット１は、その貫通孔の軸方向中央部に内径の小さい嵌合部１ｅを有するという複雑な形状であっても、これを容易に製造することができる。また、出力軸７とマグネット１は圧入で組み立て及び固着されるので、組み立てが容易になり、安価に製造することが可能になる。ロータ（マグネットロータ）１は前記出力軸７及び前記マグネット１で構成されている。
【００１２】
前記マグネット１の材料としては、例えば、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が用いられる。これにより、圧縮成形されたマグネットの場合の曲げ強度が５００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度であるのに対し、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 以上の曲げ強度を得ることができ、従って、圧縮成形では実現できないような薄肉円筒形状にすることができる。薄肉円筒形状にすることは、後述するように、モータの性能を高めることになる。また、前記プラスチックマグネットを用いることにより、マグネットの形状を自由に選定することができ、圧縮成形では得られない効果、つまり、ロータ軸７を固着するための形状を一体化することができ、かつ十分なロータ軸固着強度を得ることができる。また、強度的に優れているため、ロータ軸７を圧入する方法などを用いても該ロータ軸が破損する（割れる）ことはない。
【００１３】
同時に、ロータ軸７の固着部が一体成形されたことにより、ロータ軸部に対するマグネット部の同軸精度が向上し、振れを少なくすることが可能となり、マグネット１とステータ部との空隙距離を少なくすることが可能となり、圧縮成形マグネットの磁気特性８ＭＧＯｅ以上に対して射出成形マグネットの磁気特性は５〜７ＭＧＯｅ程度であるが、モータの十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、表面に薄い樹脂被膜が形成されるため、圧縮成形マグネットに比べて錆の発生が大幅に減少し、塗装などの防錆処理を廃止することができる。また、圧縮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脹らみもなく、品質を向上させることができる。
【００１４】
図１及び図２において、２は円筒形状のコイルであり、該コイル２はマグネット１と同心でかつ該マグネット１の軸方向に並んで配置されている。前記コイル２の外径は前記マグネット１の外径とほぼ同じ寸法にされている。１８は軟磁性材料からなるステータであり、該ステータ１８は外筒部及び内筒部から成っている。このステータ１８の外筒部と内筒部との間にコイル２が装着されている。このコイル２に通電することによりステータ１８が励磁される。ステータ１８の外筒部の先端部が外側磁極１８ａ、１８ｂを形成し、該ステータ１８の内筒部の先端部が内側磁極１８ｃ、１８ｄを形成している。前記内側磁極１８ｃ及び前記内側磁極１８ｄの位相は、互いに同位相となるように３６０／０．５ｎ度、すなわち本実施例のように磁極数が４の場合は１８０度ずれて形成されている。そして、内側磁極１８ｃに対して外側磁極１８ａが対向配置され、また、内側磁極１８ｄに対して外側磁極１８ｂが対向配置されている。
【００１５】
ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂは切欠き穴と軸と平行方向に延出する歯により構成されている。この構成により、モータの直径を最小限にしつつ磁極の形成が可能となる。つまり、もし外側磁極を半径方向に延びる凹凸で形成すると、その分モータの直径は大きくなってしまうが、切欠き穴と軸と平行方向に延出する歯により外側磁極を構成しているので、モータの直径を最小限に抑えることができる。
【００１６】
前記ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂ及び内側磁極１８ｃ、１８ｄは、ロータマグネット１の一端側の外周面及び内周面に対向して該ロータマグネット１の一端側を挟み込むように設けられている。また、ステータ１８の穴１８ｅには、出力軸７の一端部７ｂが回転可能に嵌合している。したがって、コイル２により発生する磁束は、外側磁極１８ａ、１８ｂ及び内側磁極１８ｃ、１８ｄとの間のロータであるマグネット１を横切るので、効果的にロータであるマグネットに作用し、モータの出力を高める。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１８の外側磁極１８ａ、１８ｂと内側磁極１８ｃ、１８ｄとの距離を非常に小さくすることができ、コイル２とステータ１８により形成される磁気回路の磁気抵抗を小さくすることができる。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、モータの出力アップ、低消費電力化、コイルの小型化が達成されることになる。
【００１７】
２０は非磁性材料から成る円筒形状部材としてのカバーであり、このカバー２０の内径部２０ａにはステータ１８の外径部（外側磁極１８ａ、１８ｂが形成された部分）が嵌合し接着剤等で固定される。出力軸７の嵌合部７ａがカバー２０の嵌合孔２０ｂと、一端部７ｂがステータ１８の嵌合穴１８ｅと回転可能に嵌合している。
【００１８】
図３〜図６は図１及び図２のモータの動作を図２中の線３−３に沿った断面図を用いて順次示す説明図である。図３〜図６において、Ｑ1 はステータ１８の外側磁極１８ａの中心を示し、Ｑ2 はステータ１８の外側磁極１８ｂの中心を示し、Ｑ3 はロータマグネット１の回転中心を示す。２１、２２は軟磁性材料から成る位置出しステータである。これらの位置出しステータ２１、２２はカバー２０の内径部２０ａ（図２）に固着されている。
【００１９】
位置出しステータ２１、２２はロータマグネット１の外周面に対向している。一方の位置出しステータ２１は、図３に示すように、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂの間であって外側磁極１８ａ寄りに位置している。もう一つの位置出しステータ２２は、図３に示すように、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂの間であって外側磁極１８ｂ寄りに位置している。これらの位置出しステータ２１、２２は、ステータ１８と接触しておらず、かつ内側磁極１８ｃ、１８ｄと対向していないか、あるいは十分離れていることにより、コイル２に通電しても外側磁極１８ａ、１８ｂに比べほとんど磁化されず、従って、ロータマグネット１を回転駆動させるのには寄与しない。
【００２０】
前記位置出しステータ２１、２２を設けることにより、コイル２に通電しないときのマグネット１の停止位置は図３に示す位置に設定される。すなわち、マグネット１の着磁部の各極の中心Ｋ1 、Ｋ2 、Ｋ3 、Ｋ4 がステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂの中心と該マグネット１の回転中心とを結ぶ直線Ｌ1 上からずれた位置（図３に示す位置）に停止するように設定される。Ｋ2 に関して言えば、角度θだけずれた位置に停止している。この位置からコイル２に通電すると、前述したように位置出しステータ２１、２２は励磁されず、外側磁極１８ａ、１８ｂと内側磁極１８ｃ、１８ｄが励磁され、励磁された外側磁極１８ａ、１８ｂがマグネット１の着磁部に作用する力は必ず該マグネット１の回転方向に向くことになる。このため、マグネット（ロータマグネット）１はスムーズに起動される。
【００２１】
前記位置出しステータ２１、２２を有しないモータの場合は、コイル２に通電しない時にマグネット１が安定的に停止する位置は図１３又は図１４のどちらかになる。図１３及び図１４はこれら安定的に停止する２つの位置を示す模式的断面図である。図１３の位置では、マグネット１の着磁部の極の中心Ｋ1 、Ｋ2 、Ｋ3 、Ｋ4 が外側磁極の中心Ｑ1 、Ｑ2 とマグネット１の回転中心Ｑ3 とを結ぶ直線上にあるため、コイル２に通電しても電磁力はマグネット１を回転させる方向には作用しない。
【００２２】
図１４の位置では、コイル２への通電によってマグネット１の起動は可能であるが、あるタイミングで通電を変えていかない限りマグネット１を安定状態で回転させることはできない。すなわち、図１４の状態から外側磁極１８ａ、１８ｂを例えばＮ極に励磁した場合、マグネット１が図１３と同じ位置に停止してからコイル２への通電を逆方向に切り換え、外側磁極１８ａ、１８ｂをＳ極に励磁しても、図１３で説明したとおり、電磁力はマグネット１を回転させる方向には作用しない。前記位置出しステータ２１、２２は、ロータマグネット１と共働して該マグネット１を保持する保持手段を構成している。また、位置出しステータ２１、２２は、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂの間に位置しているので、モータのサイズを大きくすることなく構成することができる。
【００２３】
次に、図３〜図６を参照して、以上説明したステップモータの動作を説明する。図３の状態からコイル２に通電して、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂをＮ極とし、内側磁極１８ｃ、１８ｄをＳ極に励磁すると、ロータであるマグネット１は図中の反時計方向に回転し、図４に示す状態になる。位置出しステータ２１、２２はコイル２によりほとんど励磁されないので、実質的にはマグネット１の着磁部とステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂ、内側磁極１８ｃ、１８ｄのコイル２による励磁状態によりマグネット１の位置は決められ図４に示す状態となる。この状態からコイル２への通電を遮断すると、マグネット１の磁力により安定する状態（図５の位置）になる。
【００２４】
次にコイル２への通電を反転させて、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂをＳ極とし、内側磁極１８ｃ、１８ｄをＮ極に励磁すると、ロータであるマグネット１はさらに反時計方向に回転し、図６に示す状態になる。以後、このようにコイル２への通電方向を順次切り換えていくことにより、ロータであるマグネット１は通電位相に応じた位置へと回転していく。すなわち、モータが回転していく。モータが回転している状態からコイル２への通電を遮断すると、ロータマグネット１の磁力により安定する状態である図３の位置に停止する。
【００２５】
以上説明した基本構成例によれば、モータの径はマグネット１の外周面にステータ１８の磁極を対向させるだけの大きさがあればよく、また、モータの長さはマグネット１の長さにコイル２の長さを加えただけの長さがあればよいことになる。このため、モータの大きさは、マグネット１及びコイル２の径と長さによって決まることになり、マグネット１及びコイル２の径と長さをそれぞれ非常に小さくすることでモータを超小型にすることができる。すなわち、モータの径はロータマグネット１の外周面に対向する外側磁極１８ａ、１８ｂで実質的に決められ、モータの軸方向の長さはコイル２及びロータマグネット１を軸方向に並べる（配置する）ことで決められ、モータを非常に小型化することができる。
【００２６】
また、コイル２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。さらに、ロータマグネット１と該マグネット１の外周面に対向する位置出しステータ２１、２２とで構成される保持手段を設けたので、コイル２への非通電時に、該マグネット１の極の中心が外側磁極の中心と該マグネットの回転中心Ｑ3 とを結ぶ直線上からずれた位置に該マグネット１を保持することができ、従って、モータの停止時からコイル２への最初の通電時にはコイル２から発生する磁束がマグネット１に作用する力は、該マグネット１の回転中心に向かわず、従って円滑で安定したモータの起動を行うことが可能になる。
【００２７】
また、部品の数も、ロータマグネット１、コイル２、ステータ１８及び出力軸７といった非常に少ない部品点数でモータを構成することができ、コストを低く抑えることができる。また、ロータマグネット１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ロータマグネット１の外周面及び内周面に外側磁極１８ａ、１８ｂ及び内側磁極１８ｃ、１８ｄを対向させることにより、モータとして効果的な出力を得ることができる。前記出力軸（ロータ軸）７は、ロータであるマグネット１の中心孔の嵌合部１ｅに圧入にて固着されている。ロータマグネット１は射出成形により成形されるプラスチックマグネットから成るため、圧入による組み立てでも、ロータマグネット１に割れが発生することはなく、また、軸方向中央部に内径が小なる嵌合部１ｅを設けるという複雑な形状でも、容易に製造することができる。また、出力軸７とマグネット１は圧入で組み立て及び固着されるので、組み立てが容易で安価に製造することが可能となる。
【００２８】
次に、以上説明した構成のステップモータがモータを超小型化するうえで最適な構成であることについて、更に説明する。すなわち、ステップモータの基本構成例において、第１に、ロータマグネット１を中空の円筒形状にしていること、第２に、ロータマグネット１の外周面を周方向に複数に分割して異なる極を交互に着磁していること、第３に、ロータマグネット１の軸方向にコイル２を並べて配置していること、第４に、コイル２により励磁されるステータ１８の外側磁極及び内側磁極をロータマグネット１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１８ａ、１８ｂを切り欠き穴と軸と平行方向に延出する歯により形成していること、第６に、コイル２に通電していないときには、ロータマグネット１の極の中心が外側磁極１８ａ、１８ｂの中心と該マグネット１の回転中心Ｑ3 とを結ぶ直線上からずれた位置に該ロータマグネット１を保持する保持手段を備えていること、である。
【００２９】
このステップモータ（モータ）の径は、ロータマグネット１の径にステータ１８の磁極を対向させるだけの大きさがあればよく、また、このステップモータの長さは、ロータマグネット１の長さにコイル２の長さを加えるだけの長さがあればよいことになる。そのため、ステップモータの大きさは、ロータマグネット１及びコイル２の径と長さによって決まることになり、ロータマグネット１及びコイル２の径と長さをそれぞれ非常に小さくすれば、ステップモータを超小型にすることができる。
【００３０】
この時、ロータマグネット１及びコイル２の径と長さをそれぞれ非常に小さくすると、ステップモータとしての精度を維持することが難しくなるが、前記基本構成例においては、ロータマグネット１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ロータマグネット１の外周面及び内周面にステータ１８の外側磁極及び内側磁極を対向させる単純な構成により、前記ステップモータの精度の問題を解決している。その場合、ロータマグネット１の外周面だけでなく、ロータマグネット１の内周面も円周方向に複数に分割して着磁すれば、モータ出力を更に高めることができる。また、ロータマグネット１をずれた位置に保持する前記保持手段を設けるので、モータの停止時からコイル２へ通電（最初の通電）する際に、該コイル２からの磁束によりマグネット１に作用する力は該マグネット１の回転中心に向かわないようになり、そのため円滑で安定したモータの起動を行うことができる。
【００３１】
また、ロータマグネット１は前述の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１８の外側磁極１８ａ、１８ｂと内側磁極１８ｃ、１８ｄとの距離を非常に小さくすることができ、コイル２とステータ１８により形成される磁気回路の磁気抵抗を小さくすることができる。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、モータの出力アップ、低消費電力化、コイルの小型化を達成するすることが可能になる。
【００３２】
図７は本発明を適用したモータの一実施例の分解斜視図であり、図８は図７の一実施例に係るモータの縦断面図であり、図９〜１２は図７及び図８のモータの動作を図８中の線９−９に沿った断面図を用いて順次示す説明図である。本実施例もモータがステップモータである場合を示す。本実施例では、前述の基本構成例の位置出しステータ２１、２２に代えて、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂを更に延ばして保持手段が構成されている。外側磁極１８ａ、１８ｂは、内側磁極１８ｃ、１８ｄと対向する１８ａ1 、１８ｂ1 と延ばした部分の１８ａ2 、１８ｂ2 から成る。この延出部１８ａ2 、１８ｂ2 は、内側磁極１８ｃ、１８ｄと対向していないので、コイル２に通電しても対向部１８ａ1 、１８ｂ1 に比べほとんど磁化されず、従って駆動力を発生しない。
【００３３】
ロータマグネット１は、図７に示すように、外側磁極１８ａ、１８ｂの１８ａ1 、１８ｂ1 に対向する部分Ｅと延出部１８ａ2 、１８ｂ2 に対向する部分Ｄとで着磁位相を変えてある。つまり、ロータマグネット１は、図７に示すように、位相をずらした２つの着磁部Ｅ、Ｄを有する。これにより、図９に示すように、コイル２へ通電していない時には、マグネット１のＥ部分は前記外側磁極１８ａ、１８ｂのコイル２により磁化される磁化部１８ａ1 、１８ｂ1 の中心とマグネット１の回転中心Ｑ3 とを結ぶ直線上からずれた位置に保持される。一方、延出部１８ａ2 、１８ｂ2 は、内側磁極１８ｃ、１８ｄと対向していないので、コイル２に通電しても磁化部１８ａ1 、１８ｂ1 に比べほとんど磁化されず、駆動力を発生しない。従って、コイル２への通電によって該コイルから発生する磁束は実質的には磁化部１８ａ1 、１８ｂ1 と内側磁極１８ｃ、１８ｄとを通過するので、ロータマグネット１に作用する力は該ロータマグネットの回転中心に向かわない。そのため、モータを安定してスムーズに起動することができる。
【００３４】
前記延出部１８ａ2 、１８ｂ2 は、コイル２に通電しても、磁化部１８ａ1 、１８ｂ1 に比べほとんど磁化されず、コイル２への通電により発生する駆動力にほとんど影響を及ぼさない。そのため、モータから十分にして安定した出力を取り出すことができる。本実施例では、マグネット１の極の中心が外側磁極１８ａ、１８ｂの中心と該マグネット１の回転中心Ｑ3 とを結ぶ直線上からずれた位置に該マグネット１を保持する保持手段は、該マグネット１と該マグネット１の外周面に対向する前記延出部１８ａ2 、１８ｂ2 によって構成されている。この延出部１８ａ2 、１８ｂ2 は、前述の位置出しステータ２１、２２に対応するものであり、外側磁極１８ａ、１８ｂと一体的に形成された位置出しステータを形成している。
【００３５】
次に、図９〜図１２を参照して、本実施例によるモータ（ステップモータ）の動作を説明する。図９の状態からコイル２に通電して、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂをＮ極とし、内側磁極１８ｃ、１８ｄをＳ極に励磁すると、ロータであるマグネット１は図中の反時計方向に回転し、図１０に示す状態になる。前述の位置出しステータ２１、２２に相当する延出部１８ａ2 、１８ｂ2 はコイル２によりほとんど励磁されないので、実質的にはマグネット１の着磁部とステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂ、内側磁極１８ｃ、１８ｄのコイル２による励磁状態によりマグネット１の位置は決められ図１０に示す状態となる。この状態からコイル２への通電を遮断すると、マグネット１の磁力により安定する状態である図１１の状態になる。
【００３６】
次にコイル２への通電を反転させて、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂをＳ極とし、内側磁極１８ｃ、１８ｄをＮ極に励磁すると、ロータであるマグネット１はさらに反時計方向に回転し、図１２に示す状態になる。以後、このようにコイル２への通電方向を順次切り換えていくことにより、ロータであるマグネット１は通電位相に応じた位置へと回転していく。すなわち、モータが回転していく。モータが回転している状態からコイル２への通電を遮断すると、ロータマグネット１の磁力により安定する状態である図９の位置に停止する。
【００３７】
図７〜図１２の実施例は、以上説明した点で図１〜図６の基本構成例と相違している。従って、図７〜図１２の実施例によれば、図１〜図６の基本構成例と同様の効果が得られる他にのような効果を奏することができる。図７〜図１２の実施例によれば、保持手段はステータ１８の外側磁極と一体的に形成された延出部１８ａ2 、１８ｂ2 とマグネット１とにより構成されているので、さらに、部品点数が少なく組み立てが容易になり、コストも低減することができる。また、前述の基本構成例と同様、このステップモータの径はマグネット１の外周面にステータ１８の磁極を対向させるだけの大きさがあればよく、また、モータの長さはマグネット１の長さにコイル２の長さを加えただけの長さがあればよいことになる。このため、モータの大きさは、マグネット１及びコイル２の径と長さによって決まることになり、マグネット１及びコイル２の径と長さをそれぞれ非常に小さくすることでモータを超小型にすることができる。
【００３８】
この時、マグネット１及びコイル２の径と長さをそれぞれ非常に小さくすると、ステップモータとしての精度を維持するのが難しくなるが、これはマグネット１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１の外周面及び内周面にステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂ及び内側磁極１８ｃ、１８ｄを対向させるという単純な構造によりステップモータの精度の問題を解決することができる。その際、マグネット１の外周面だけでなく、該マグネットの内周面も円周方向に複数に分割して着磁すれば、モータの出力を更に高めることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなごとく、本発明のモータによれば、円筒形状に形成され、少なくともその外周面を周方向に異なる極に交互に着磁された第１の着磁部及び軸方向に隣り合う位置で第１の着磁部と位相をずらしてその外周面を周方向に異なる極に交互に着磁された第２の着磁部を有するマグネットと、前記マグネットの軸方向に配置されたコイルと、マグネットの第１の着磁部の外周面に対向し前記コイルにより励磁される外側磁極と、マグネットの第１の着磁部の内周面に対向し前記コイルにより励磁される内側磁極とを備え、前記コイルは外側磁極と内側磁極の間に装着され、前記コイルにより前記外側磁極及び内側磁極が励磁されていない際に、前記マグネットの極の中心が前記外側磁極の中心と前記マグネットの回転中心とを結ぶ直線上からずれた位置に該マグネットを保持する保持手段を有し、前記保持手段は、前記外側磁極から延出し前記マグネットの第２の着磁部の外周面に対向する延出部を有する構成としたので、小型化が可能で、スムーズに起動させることができるモータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の基本構成例に係るモータの模式的分解斜視図である。
【図２】 本発明の基本構成例に係るモータ（図１）の縦断面図である。
【図３】 図２中の線３−３の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図４】 図２中の線３−３の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図５】 図２中の線３−３の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図６】 図２中の線３−３の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図７】 本発明の一実施例に係るモータの模式的分解斜視図である。
【図８】 本発明の一実施例に係るモータ（図７）の縦断面図である。
【図９】 図８中の線９−９の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図１０】 図８中の線９−９の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図１１】 図８中の線９−９の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図１２】 図８中の線９−９の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図１３】 保持手段を備えないモータにおけるコイル非通電時のマグネットの一つの安定停止状態を示す説明である。
【図１４】 保持手段を備えないモータにおけるコイル非通電時のマグネットの他の安定停止状態を示す説明である。
【図１５】 従来の円筒形状の小型ステップモータの構成例を示す縦断面図である。
【図１６】 図１５のモータのステータの状態を示す部分断面図である。
【図１７】 時計などで使用されている１個のコイルで駆動するステップモータを例示する平面図である。
【符号の説明】
１ ロータマグネット（マグネット）
２ コイル
７ 出力軸（ロータ軸）
１８ ステータ
１８ａ 外側磁極
１８ｂ 外側磁極
１８ａ1 磁化部（外側磁極１８ａ）
１８ｂ1 磁化部（外側磁極１８ｂ）
１８ａ2 延出部（外側磁極１８ａ）
１８ｂ2 延出部（外側磁極１８ｂ）
１８ｃ 内側磁極
１８ｄ 内側磁極
２０ カバー
２１ 位置出しステータ
２２ 位置出しステータ
【発明の属する技術分野】
本発明は小型の円筒形状のモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は従来の円筒形状の小型ステップモータの構成例を示す縦断面図である。図１５において、図示のモータはモータ軸方向に配列された２個のステータ１０２を備え、各ステータ１０２のそれぞれは軸方向に相対向するように配置された２個のステータヨーク１０６を有する。各ステータ１０２ごとに、前記２個のステータヨーク１０６により保持されたボビン１０１には、ステータコイル１０５が同心状に巻回されている。前記ステータコイル１０５が巻回された各ボビン１０１は、前記２個のステータヨーク１０６により軸方向から挟持固定されている。各ステータヨーク１０６、１０６には、ボビン１０１の内径面円周方向に交互に配置されたステータ歯１０６ａ、１０６ｂが形成されている。一方、各ステータ１０２のケース１０３には、前記ステータ歯１０６ａ、１０６ｂを有する一対のステータヨーク１０６、１０６が固定されている。こうしてステータ１０２が構成されている。
【０００３】
２組のケース１０３の一方（図示左側）にはフランジ１１５及び軸受１０８が固定され、他方（図示右側）のケース１０３には反対側の軸受１０８が固定されている。ロータ１０９はロータ磁石１１１をロータ軸１１０に固定した構造をしている。前記ロータ磁石１１１の外周面と前記ステータ１０２のステータヨーク１０６の内径面との間には空隙部（エアギャップ）が形成されている。そして、ロータ軸１１０は前記各ケース１０３に固定された２個の軸受１０８により回転自在に軸支されている。
【０００４】
図１７は時計などで使用されている１個のコイルで駆動するステップモータを例示する平面図である。図１７において、２０１は永久磁石から成るロータを、２０２及び２０３はステータを、２０４はコイルをそれぞれ示す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１５に示す従来の小型ステップモータにあっては、ロータの外周にケース１０３、ボビン１０１、ステータコイル１０５及びステータヨーク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という不都合がある。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１６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には効果的に作用せず、モータ出力が高くならないという解決すべき課題がある。また、図１７に示すモータにあっても、コイル２０４への通電で発生する磁束がロータ２０１とステータ２０２との間のギャップが小さいところに集中しマグネット２０１に効果的に作用しないという解決すべき課題がある。
【０００６】
本発明はこのような技術的課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、出力が高く、小型化が可能で、スムーズに起動させることができ、安価に製造し得る円筒形状のモータを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のモータは、円筒形状に形成され、少なくともその外周面を周方向に異なる極に交互に着磁された第１の着磁部及び軸方向に隣り合う位置で第１の着磁部と位相をずらしてその外周面を周方向に異なる極に交互に着磁された第２の着磁部を有するマグネットと、前記マグネットの軸方向に配置されたコイルと、マグネットの第１の着磁部の外周面に対向し前記コイルにより励磁される外側磁極と、マグネットの第１の着磁部の内周面に対向し前記コイルにより励磁される内側磁極とを備え、前記コイルは外側磁極と内側磁極の間に装着され、前記コイルにより前記外側磁極及び内側磁極が励磁されていない際に、前記マグネットの極の中心が前記外側磁極の中心と前記マグネットの回転中心とを結ぶ直線上からずれた位置に該マグネットを保持する保持手段を有し、前記保持手段は、前記外側磁極から延出し前記マグネットの第２の着磁部の外周面に対向する延出部を有することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の基本構成例に係るモータの分解斜視図であり、図２は本発明の基本構成例に係るモータの縦断面図である。図１及び図２において、モータは、周方向に交互に異なる極に着磁された回転可能なロータマグネット１と、該ロータマグネット１に対して空隙をもって対向する円筒形のステータ１８と、該ステータ１８の内部に装着されたコイル２と、を備え、前記コイル２を前記ロータマグネット１の軸方向に配置し、前記コイル２により励磁される前記ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂを前記マグネット１の外周面に対向させ、前記ステータ１８の内側磁極１８ｃ、１８ｄを前記マグネット１の内周面に対向させ、前記マグネットの極の中心が前記外側磁極の中心と該マグネットの回転中心とを結ぶ直線上からずれた位置に該マグネットを保持する保持手段が設けられて構成されている。なお、以下の説明では、モータがステップモータである場合を例に挙げて説明する。
【００１０】
図１及び図２において、１はロータを構成するマグネット（ロータマグネット）であり、このロータマグネット１はその外周表面を円周方向に複数箇所に分割（本実施例では４分割）してＳ極及びＮ極に交互に着磁されている。着磁部を１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄとすると、着磁部１ａ、１ｃがＳ極に着磁され、着磁部１ｂ、１ｄがＮ極に着磁されている。着磁部１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの各極の中心をＫ1 、Ｋ2 、Ｋ3 、Ｋ4 として図３に示す。また、マグネット１は射出成形により成形されるプラスチックマグネット材料で作られている。このようにプラスチックマグネット材料で作ることにより、ロータマグネット１の円筒形状の半径方向に関しての厚さを非常に薄くすることができる。
【００１１】
前記ロータマグネット１の中心部には軸方向貫通孔が形成され、この貫通孔の軸方向中間部には内径が小さくされた嵌合部１ｅが形成されている。ロータ軸となる出力軸７は前記ロータマグネット１の前記嵌合部１ｅに圧入して該マグネット１に固着されている。マグネット１は射出成形により成形されるプラスチックマグネットから成るため、前記ロータ軸７を圧入するなどの組み立て方法によっても、割れを生じることはない。また、マグネット１は、その貫通孔の軸方向中央部に内径の小さい嵌合部１ｅを有するという複雑な形状であっても、これを容易に製造することができる。また、出力軸７とマグネット１は圧入で組み立て及び固着されるので、組み立てが容易になり、安価に製造することが可能になる。ロータ（マグネットロータ）１は前記出力軸７及び前記マグネット１で構成されている。
【００１２】
前記マグネット１の材料としては、例えば、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が用いられる。これにより、圧縮成形されたマグネットの場合の曲げ強度が５００ｋｇｆ／ｃｍ2 程度であるのに対し、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 以上の曲げ強度を得ることができ、従って、圧縮成形では実現できないような薄肉円筒形状にすることができる。薄肉円筒形状にすることは、後述するように、モータの性能を高めることになる。また、前記プラスチックマグネットを用いることにより、マグネットの形状を自由に選定することができ、圧縮成形では得られない効果、つまり、ロータ軸７を固着するための形状を一体化することができ、かつ十分なロータ軸固着強度を得ることができる。また、強度的に優れているため、ロータ軸７を圧入する方法などを用いても該ロータ軸が破損する（割れる）ことはない。
【００１３】
同時に、ロータ軸７の固着部が一体成形されたことにより、ロータ軸部に対するマグネット部の同軸精度が向上し、振れを少なくすることが可能となり、マグネット１とステータ部との空隙距離を少なくすることが可能となり、圧縮成形マグネットの磁気特性８ＭＧＯｅ以上に対して射出成形マグネットの磁気特性は５〜７ＭＧＯｅ程度であるが、モータの十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、表面に薄い樹脂被膜が形成されるため、圧縮成形マグネットに比べて錆の発生が大幅に減少し、塗装などの防錆処理を廃止することができる。また、圧縮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脹らみもなく、品質を向上させることができる。
【００１４】
図１及び図２において、２は円筒形状のコイルであり、該コイル２はマグネット１と同心でかつ該マグネット１の軸方向に並んで配置されている。前記コイル２の外径は前記マグネット１の外径とほぼ同じ寸法にされている。１８は軟磁性材料からなるステータであり、該ステータ１８は外筒部及び内筒部から成っている。このステータ１８の外筒部と内筒部との間にコイル２が装着されている。このコイル２に通電することによりステータ１８が励磁される。ステータ１８の外筒部の先端部が外側磁極１８ａ、１８ｂを形成し、該ステータ１８の内筒部の先端部が内側磁極１８ｃ、１８ｄを形成している。前記内側磁極１８ｃ及び前記内側磁極１８ｄの位相は、互いに同位相となるように３６０／０．５ｎ度、すなわち本実施例のように磁極数が４の場合は１８０度ずれて形成されている。そして、内側磁極１８ｃに対して外側磁極１８ａが対向配置され、また、内側磁極１８ｄに対して外側磁極１８ｂが対向配置されている。
【００１５】
ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂは切欠き穴と軸と平行方向に延出する歯により構成されている。この構成により、モータの直径を最小限にしつつ磁極の形成が可能となる。つまり、もし外側磁極を半径方向に延びる凹凸で形成すると、その分モータの直径は大きくなってしまうが、切欠き穴と軸と平行方向に延出する歯により外側磁極を構成しているので、モータの直径を最小限に抑えることができる。
【００１６】
前記ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂ及び内側磁極１８ｃ、１８ｄは、ロータマグネット１の一端側の外周面及び内周面に対向して該ロータマグネット１の一端側を挟み込むように設けられている。また、ステータ１８の穴１８ｅには、出力軸７の一端部７ｂが回転可能に嵌合している。したがって、コイル２により発生する磁束は、外側磁極１８ａ、１８ｂ及び内側磁極１８ｃ、１８ｄとの間のロータであるマグネット１を横切るので、効果的にロータであるマグネットに作用し、モータの出力を高める。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１８の外側磁極１８ａ、１８ｂと内側磁極１８ｃ、１８ｄとの距離を非常に小さくすることができ、コイル２とステータ１８により形成される磁気回路の磁気抵抗を小さくすることができる。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、モータの出力アップ、低消費電力化、コイルの小型化が達成されることになる。
【００１７】
２０は非磁性材料から成る円筒形状部材としてのカバーであり、このカバー２０の内径部２０ａにはステータ１８の外径部（外側磁極１８ａ、１８ｂが形成された部分）が嵌合し接着剤等で固定される。出力軸７の嵌合部７ａがカバー２０の嵌合孔２０ｂと、一端部７ｂがステータ１８の嵌合穴１８ｅと回転可能に嵌合している。
【００１８】
図３〜図６は図１及び図２のモータの動作を図２中の線３−３に沿った断面図を用いて順次示す説明図である。図３〜図６において、Ｑ1 はステータ１８の外側磁極１８ａの中心を示し、Ｑ2 はステータ１８の外側磁極１８ｂの中心を示し、Ｑ3 はロータマグネット１の回転中心を示す。２１、２２は軟磁性材料から成る位置出しステータである。これらの位置出しステータ２１、２２はカバー２０の内径部２０ａ（図２）に固着されている。
【００１９】
位置出しステータ２１、２２はロータマグネット１の外周面に対向している。一方の位置出しステータ２１は、図３に示すように、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂの間であって外側磁極１８ａ寄りに位置している。もう一つの位置出しステータ２２は、図３に示すように、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂの間であって外側磁極１８ｂ寄りに位置している。これらの位置出しステータ２１、２２は、ステータ１８と接触しておらず、かつ内側磁極１８ｃ、１８ｄと対向していないか、あるいは十分離れていることにより、コイル２に通電しても外側磁極１８ａ、１８ｂに比べほとんど磁化されず、従って、ロータマグネット１を回転駆動させるのには寄与しない。
【００２０】
前記位置出しステータ２１、２２を設けることにより、コイル２に通電しないときのマグネット１の停止位置は図３に示す位置に設定される。すなわち、マグネット１の着磁部の各極の中心Ｋ1 、Ｋ2 、Ｋ3 、Ｋ4 がステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂの中心と該マグネット１の回転中心とを結ぶ直線Ｌ1 上からずれた位置（図３に示す位置）に停止するように設定される。Ｋ2 に関して言えば、角度θだけずれた位置に停止している。この位置からコイル２に通電すると、前述したように位置出しステータ２１、２２は励磁されず、外側磁極１８ａ、１８ｂと内側磁極１８ｃ、１８ｄが励磁され、励磁された外側磁極１８ａ、１８ｂがマグネット１の着磁部に作用する力は必ず該マグネット１の回転方向に向くことになる。このため、マグネット（ロータマグネット）１はスムーズに起動される。
【００２１】
前記位置出しステータ２１、２２を有しないモータの場合は、コイル２に通電しない時にマグネット１が安定的に停止する位置は図１３又は図１４のどちらかになる。図１３及び図１４はこれら安定的に停止する２つの位置を示す模式的断面図である。図１３の位置では、マグネット１の着磁部の極の中心Ｋ1 、Ｋ2 、Ｋ3 、Ｋ4 が外側磁極の中心Ｑ1 、Ｑ2 とマグネット１の回転中心Ｑ3 とを結ぶ直線上にあるため、コイル２に通電しても電磁力はマグネット１を回転させる方向には作用しない。
【００２２】
図１４の位置では、コイル２への通電によってマグネット１の起動は可能であるが、あるタイミングで通電を変えていかない限りマグネット１を安定状態で回転させることはできない。すなわち、図１４の状態から外側磁極１８ａ、１８ｂを例えばＮ極に励磁した場合、マグネット１が図１３と同じ位置に停止してからコイル２への通電を逆方向に切り換え、外側磁極１８ａ、１８ｂをＳ極に励磁しても、図１３で説明したとおり、電磁力はマグネット１を回転させる方向には作用しない。前記位置出しステータ２１、２２は、ロータマグネット１と共働して該マグネット１を保持する保持手段を構成している。また、位置出しステータ２１、２２は、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂの間に位置しているので、モータのサイズを大きくすることなく構成することができる。
【００２３】
次に、図３〜図６を参照して、以上説明したステップモータの動作を説明する。図３の状態からコイル２に通電して、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂをＮ極とし、内側磁極１８ｃ、１８ｄをＳ極に励磁すると、ロータであるマグネット１は図中の反時計方向に回転し、図４に示す状態になる。位置出しステータ２１、２２はコイル２によりほとんど励磁されないので、実質的にはマグネット１の着磁部とステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂ、内側磁極１８ｃ、１８ｄのコイル２による励磁状態によりマグネット１の位置は決められ図４に示す状態となる。この状態からコイル２への通電を遮断すると、マグネット１の磁力により安定する状態（図５の位置）になる。
【００２４】
次にコイル２への通電を反転させて、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂをＳ極とし、内側磁極１８ｃ、１８ｄをＮ極に励磁すると、ロータであるマグネット１はさらに反時計方向に回転し、図６に示す状態になる。以後、このようにコイル２への通電方向を順次切り換えていくことにより、ロータであるマグネット１は通電位相に応じた位置へと回転していく。すなわち、モータが回転していく。モータが回転している状態からコイル２への通電を遮断すると、ロータマグネット１の磁力により安定する状態である図３の位置に停止する。
【００２５】
以上説明した基本構成例によれば、モータの径はマグネット１の外周面にステータ１８の磁極を対向させるだけの大きさがあればよく、また、モータの長さはマグネット１の長さにコイル２の長さを加えただけの長さがあればよいことになる。このため、モータの大きさは、マグネット１及びコイル２の径と長さによって決まることになり、マグネット１及びコイル２の径と長さをそれぞれ非常に小さくすることでモータを超小型にすることができる。すなわち、モータの径はロータマグネット１の外周面に対向する外側磁極１８ａ、１８ｂで実質的に決められ、モータの軸方向の長さはコイル２及びロータマグネット１を軸方向に並べる（配置する）ことで決められ、モータを非常に小型化することができる。
【００２６】
また、コイル２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。さらに、ロータマグネット１と該マグネット１の外周面に対向する位置出しステータ２１、２２とで構成される保持手段を設けたので、コイル２への非通電時に、該マグネット１の極の中心が外側磁極の中心と該マグネットの回転中心Ｑ3 とを結ぶ直線上からずれた位置に該マグネット１を保持することができ、従って、モータの停止時からコイル２への最初の通電時にはコイル２から発生する磁束がマグネット１に作用する力は、該マグネット１の回転中心に向かわず、従って円滑で安定したモータの起動を行うことが可能になる。
【００２７】
また、部品の数も、ロータマグネット１、コイル２、ステータ１８及び出力軸７といった非常に少ない部品点数でモータを構成することができ、コストを低く抑えることができる。また、ロータマグネット１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ロータマグネット１の外周面及び内周面に外側磁極１８ａ、１８ｂ及び内側磁極１８ｃ、１８ｄを対向させることにより、モータとして効果的な出力を得ることができる。前記出力軸（ロータ軸）７は、ロータであるマグネット１の中心孔の嵌合部１ｅに圧入にて固着されている。ロータマグネット１は射出成形により成形されるプラスチックマグネットから成るため、圧入による組み立てでも、ロータマグネット１に割れが発生することはなく、また、軸方向中央部に内径が小なる嵌合部１ｅを設けるという複雑な形状でも、容易に製造することができる。また、出力軸７とマグネット１は圧入で組み立て及び固着されるので、組み立てが容易で安価に製造することが可能となる。
【００２８】
次に、以上説明した構成のステップモータがモータを超小型化するうえで最適な構成であることについて、更に説明する。すなわち、ステップモータの基本構成例において、第１に、ロータマグネット１を中空の円筒形状にしていること、第２に、ロータマグネット１の外周面を周方向に複数に分割して異なる極を交互に着磁していること、第３に、ロータマグネット１の軸方向にコイル２を並べて配置していること、第４に、コイル２により励磁されるステータ１８の外側磁極及び内側磁極をロータマグネット１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１８ａ、１８ｂを切り欠き穴と軸と平行方向に延出する歯により形成していること、第６に、コイル２に通電していないときには、ロータマグネット１の極の中心が外側磁極１８ａ、１８ｂの中心と該マグネット１の回転中心Ｑ3 とを結ぶ直線上からずれた位置に該ロータマグネット１を保持する保持手段を備えていること、である。
【００２９】
このステップモータ（モータ）の径は、ロータマグネット１の径にステータ１８の磁極を対向させるだけの大きさがあればよく、また、このステップモータの長さは、ロータマグネット１の長さにコイル２の長さを加えるだけの長さがあればよいことになる。そのため、ステップモータの大きさは、ロータマグネット１及びコイル２の径と長さによって決まることになり、ロータマグネット１及びコイル２の径と長さをそれぞれ非常に小さくすれば、ステップモータを超小型にすることができる。
【００３０】
この時、ロータマグネット１及びコイル２の径と長さをそれぞれ非常に小さくすると、ステップモータとしての精度を維持することが難しくなるが、前記基本構成例においては、ロータマグネット１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ロータマグネット１の外周面及び内周面にステータ１８の外側磁極及び内側磁極を対向させる単純な構成により、前記ステップモータの精度の問題を解決している。その場合、ロータマグネット１の外周面だけでなく、ロータマグネット１の内周面も円周方向に複数に分割して着磁すれば、モータ出力を更に高めることができる。また、ロータマグネット１をずれた位置に保持する前記保持手段を設けるので、モータの停止時からコイル２へ通電（最初の通電）する際に、該コイル２からの磁束によりマグネット１に作用する力は該マグネット１の回転中心に向かわないようになり、そのため円滑で安定したモータの起動を行うことができる。
【００３１】
また、ロータマグネット１は前述の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１８の外側磁極１８ａ、１８ｂと内側磁極１８ｃ、１８ｄとの距離を非常に小さくすることができ、コイル２とステータ１８により形成される磁気回路の磁気抵抗を小さくすることができる。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、モータの出力アップ、低消費電力化、コイルの小型化を達成するすることが可能になる。
【００３２】
図７は本発明を適用したモータの一実施例の分解斜視図であり、図８は図７の一実施例に係るモータの縦断面図であり、図９〜１２は図７及び図８のモータの動作を図８中の線９−９に沿った断面図を用いて順次示す説明図である。本実施例もモータがステップモータである場合を示す。本実施例では、前述の基本構成例の位置出しステータ２１、２２に代えて、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂを更に延ばして保持手段が構成されている。外側磁極１８ａ、１８ｂは、内側磁極１８ｃ、１８ｄと対向する１８ａ1 、１８ｂ1 と延ばした部分の１８ａ2 、１８ｂ2 から成る。この延出部１８ａ2 、１８ｂ2 は、内側磁極１８ｃ、１８ｄと対向していないので、コイル２に通電しても対向部１８ａ1 、１８ｂ1 に比べほとんど磁化されず、従って駆動力を発生しない。
【００３３】
ロータマグネット１は、図７に示すように、外側磁極１８ａ、１８ｂの１８ａ1 、１８ｂ1 に対向する部分Ｅと延出部１８ａ2 、１８ｂ2 に対向する部分Ｄとで着磁位相を変えてある。つまり、ロータマグネット１は、図７に示すように、位相をずらした２つの着磁部Ｅ、Ｄを有する。これにより、図９に示すように、コイル２へ通電していない時には、マグネット１のＥ部分は前記外側磁極１８ａ、１８ｂのコイル２により磁化される磁化部１８ａ1 、１８ｂ1 の中心とマグネット１の回転中心Ｑ3 とを結ぶ直線上からずれた位置に保持される。一方、延出部１８ａ2 、１８ｂ2 は、内側磁極１８ｃ、１８ｄと対向していないので、コイル２に通電しても磁化部１８ａ1 、１８ｂ1 に比べほとんど磁化されず、駆動力を発生しない。従って、コイル２への通電によって該コイルから発生する磁束は実質的には磁化部１８ａ1 、１８ｂ1 と内側磁極１８ｃ、１８ｄとを通過するので、ロータマグネット１に作用する力は該ロータマグネットの回転中心に向かわない。そのため、モータを安定してスムーズに起動することができる。
【００３４】
前記延出部１８ａ2 、１８ｂ2 は、コイル２に通電しても、磁化部１８ａ1 、１８ｂ1 に比べほとんど磁化されず、コイル２への通電により発生する駆動力にほとんど影響を及ぼさない。そのため、モータから十分にして安定した出力を取り出すことができる。本実施例では、マグネット１の極の中心が外側磁極１８ａ、１８ｂの中心と該マグネット１の回転中心Ｑ3 とを結ぶ直線上からずれた位置に該マグネット１を保持する保持手段は、該マグネット１と該マグネット１の外周面に対向する前記延出部１８ａ2 、１８ｂ2 によって構成されている。この延出部１８ａ2 、１８ｂ2 は、前述の位置出しステータ２１、２２に対応するものであり、外側磁極１８ａ、１８ｂと一体的に形成された位置出しステータを形成している。
【００３５】
次に、図９〜図１２を参照して、本実施例によるモータ（ステップモータ）の動作を説明する。図９の状態からコイル２に通電して、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂをＮ極とし、内側磁極１８ｃ、１８ｄをＳ極に励磁すると、ロータであるマグネット１は図中の反時計方向に回転し、図１０に示す状態になる。前述の位置出しステータ２１、２２に相当する延出部１８ａ2 、１８ｂ2 はコイル２によりほとんど励磁されないので、実質的にはマグネット１の着磁部とステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂ、内側磁極１８ｃ、１８ｄのコイル２による励磁状態によりマグネット１の位置は決められ図１０に示す状態となる。この状態からコイル２への通電を遮断すると、マグネット１の磁力により安定する状態である図１１の状態になる。
【００３６】
次にコイル２への通電を反転させて、ステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂをＳ極とし、内側磁極１８ｃ、１８ｄをＮ極に励磁すると、ロータであるマグネット１はさらに反時計方向に回転し、図１２に示す状態になる。以後、このようにコイル２への通電方向を順次切り換えていくことにより、ロータであるマグネット１は通電位相に応じた位置へと回転していく。すなわち、モータが回転していく。モータが回転している状態からコイル２への通電を遮断すると、ロータマグネット１の磁力により安定する状態である図９の位置に停止する。
【００３７】
図７〜図１２の実施例は、以上説明した点で図１〜図６の基本構成例と相違している。従って、図７〜図１２の実施例によれば、図１〜図６の基本構成例と同様の効果が得られる他にのような効果を奏することができる。図７〜図１２の実施例によれば、保持手段はステータ１８の外側磁極と一体的に形成された延出部１８ａ2 、１８ｂ2 とマグネット１とにより構成されているので、さらに、部品点数が少なく組み立てが容易になり、コストも低減することができる。また、前述の基本構成例と同様、このステップモータの径はマグネット１の外周面にステータ１８の磁極を対向させるだけの大きさがあればよく、また、モータの長さはマグネット１の長さにコイル２の長さを加えただけの長さがあればよいことになる。このため、モータの大きさは、マグネット１及びコイル２の径と長さによって決まることになり、マグネット１及びコイル２の径と長さをそれぞれ非常に小さくすることでモータを超小型にすることができる。
【００３８】
この時、マグネット１及びコイル２の径と長さをそれぞれ非常に小さくすると、ステップモータとしての精度を維持するのが難しくなるが、これはマグネット１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１の外周面及び内周面にステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂ及び内側磁極１８ｃ、１８ｄを対向させるという単純な構造によりステップモータの精度の問題を解決することができる。その際、マグネット１の外周面だけでなく、該マグネットの内周面も円周方向に複数に分割して着磁すれば、モータの出力を更に高めることができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなごとく、本発明のモータによれば、円筒形状に形成され、少なくともその外周面を周方向に異なる極に交互に着磁された第１の着磁部及び軸方向に隣り合う位置で第１の着磁部と位相をずらしてその外周面を周方向に異なる極に交互に着磁された第２の着磁部を有するマグネットと、前記マグネットの軸方向に配置されたコイルと、マグネットの第１の着磁部の外周面に対向し前記コイルにより励磁される外側磁極と、マグネットの第１の着磁部の内周面に対向し前記コイルにより励磁される内側磁極とを備え、前記コイルは外側磁極と内側磁極の間に装着され、前記コイルにより前記外側磁極及び内側磁極が励磁されていない際に、前記マグネットの極の中心が前記外側磁極の中心と前記マグネットの回転中心とを結ぶ直線上からずれた位置に該マグネットを保持する保持手段を有し、前記保持手段は、前記外側磁極から延出し前記マグネットの第２の着磁部の外周面に対向する延出部を有する構成としたので、小型化が可能で、スムーズに起動させることができるモータが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の基本構成例に係るモータの模式的分解斜視図である。
【図２】 本発明の基本構成例に係るモータ（図１）の縦断面図である。
【図３】 図２中の線３−３の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図４】 図２中の線３−３の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図５】 図２中の線３−３の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図６】 図２中の線３−３の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図７】 本発明の一実施例に係るモータの模式的分解斜視図である。
【図８】 本発明の一実施例に係るモータ（図７）の縦断面図である。
【図９】 図８中の線９−９の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図１０】 図８中の線９−９の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図１１】 図８中の線９−９の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図１２】 図８中の線９−９の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図１３】 保持手段を備えないモータにおけるコイル非通電時のマグネットの一つの安定停止状態を示す説明である。
【図１４】 保持手段を備えないモータにおけるコイル非通電時のマグネットの他の安定停止状態を示す説明である。
【図１５】 従来の円筒形状の小型ステップモータの構成例を示す縦断面図である。
【図１６】 図１５のモータのステータの状態を示す部分断面図である。
【図１７】 時計などで使用されている１個のコイルで駆動するステップモータを例示する平面図である。
【符号の説明】
１ ロータマグネット（マグネット）
２ コイル
７ 出力軸（ロータ軸）
１８ ステータ
１８ａ 外側磁極
１８ｂ 外側磁極
１８ａ1 磁化部（外側磁極１８ａ）
１８ｂ1 磁化部（外側磁極１８ｂ）
１８ａ2 延出部（外側磁極１８ａ）
１８ｂ2 延出部（外側磁極１８ｂ）
１８ｃ 内側磁極
１８ｄ 内側磁極
２０ カバー
２１ 位置出しステータ
２２ 位置出しステータ
Claims (1)
- 円筒形状に形成され、少なくともその外周面を周方向に異なる極に交互に着磁された第１の着磁部及び軸方向に隣り合う位置で第１の着磁部と位相をずらしてその外周面を周方向に異なる極に交互に着磁された第２の着磁部を有するマグネットと、
前記マグネットの軸方向に配置されたコイルと、
マグネットの第１の着磁部の外周面に対向し前記コイルにより励磁される外側磁極と、 マグネットの第１の着磁部の内周面に対向し前記コイルにより励磁される内側磁極とを備え、
前記コイルは外側磁極と内側磁極の間に装着され、前記コイルにより前記外側磁極及び内側磁極が励磁されていない際に、前記マグネットの極の中心が前記外側磁極の中心と前記マグネットの回転中心とを結ぶ直線上からずれた位置に該マグネットを保持する保持手段を有し、前記保持手段は、前記外側磁極から延出し前記マグネットの第２の着磁部の外周面に対向する延出部を有することを特徴とするモータ。
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