JP4011727B2

JP4011727B2 - モータ

Info

Publication number: JP4011727B2
Application number: JP12531498A
Authority: JP
Inventors: 浩章前川; 力青島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2018-04-20
Also published as: JPH11308844A

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１２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１２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１４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１４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１２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１３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１４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、上記目的を達成するため、１相駆動のステップモータにおいて、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と、前記ロータマグネットに対して空隙をもって対向する円筒形のステータと、前記ステータの外側磁極と内側磁極の間に装着されたコイルと、を備え、前記ロータマグネットの内径部に、軟磁性材料からなり着磁部の極の中心が前記ステータの外側磁極の中心からずれた位置に停止させる磁路を構成する円筒部材を固着し、前記コイルを前記ロータマグネットの軸方向に配置し、前記コイルにより励磁される前記ステータの外側磁極を前記マグネットの外周面に対向させ、前記ステータの内側磁極を前記円筒部材の内周面に対向させたことを特徴とする。
【０００８】
【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は本発明を適用したモータの一実施例の分解斜視図であり、図２は本発明を適用したモータの一実施例の縦断面図である。図１及び図２において、本発明によるモータは、コイルが１つである１相駆動のステップモータであり、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、前記ロータマグネット１の内径部に軟磁性材料からなる円筒部材１１を固着し、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を前記円筒部材１１の内周面に対向させて構成されている。
【０００９】
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。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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
図１及び図２において、前記マグネットロータ１の内径部に固着された前記円筒部材１１は、電磁軟鉄や純鉄等の軟磁性材料から成っている。そのため、円筒部材１１の内径部にマグネットロータ１の磁束が漏れることはない。図３は、前記円筒部材１１が固着されたマグネットロータ１の磁束の状態をモータ軸に垂直な断面で見る模式図である。
【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、本実施例では、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４〜図９は図１〜図３のモータの動作を図２中の線４−４に沿った断面図を用いて順次示す説明図である。図４〜図９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。図１〜図９において、ロータマグネット１の内径部に軟磁性材料からなる円筒部材１１が固着されているので、該ロータマグネット１の磁束は該円筒部材１１の内径部及び内側磁極１８ｃ、１８ｄに漏れることはない。そのため、コイル２に非通電時のロータマグネット１の停止位置は、図４に示すように、着磁部の各極の中心がステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂの中心Ｑ₁、Ｑ₂とマグネット１の回転中心Ｑ₃とを結ぶ直線上からずれた位置となる。この位置からコイル２に通電すると、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。
【００１９】
円筒部材１１を備えないモータにおいて、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１０に示す位置か図１１に示す位置のどちらかになる。図１０及び図１１はそれら２つの位置を示す模式的断面図である。従って、図１〜図９で説明したステップモータにおいて、もしも前記円筒部材１１を備えない場合は、コイル２へ通電しない時（非通電時）にマグネット１が安定的に停止する位置は図１０及び図１１のいずれかになる。もし図１０に示すようになった場合は、着磁部の磁極の中心が外側磁極の中心Ｑ₁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へ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ので起動できない。
【００２０】
次に、図４〜図９を参照して、図１〜図４で説明した本発明を適用したステップモータの動作を説明する。図４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４５度回転し、図５に示す状態になり、慣性によりさらに図６に示す位置まで回転する。この図６の状態では、着磁部の極の中心が外側磁極の中心とマグネット１の回転中心とを結ぶ直線上にはないため、この図６のタイミングでコイル２への通電を切り換えてステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂをＳ極とし、内側磁極１８ｃ、１８ｄをＮ極とするように励磁することによって、ロータマグネット１は回転駆動力を受けて回転する。
【００２１】
これにより、図７の状態を経過し、マグネット１はさらに反時計方向に回転し、図８に示すこの通電状態における安定状態を一瞬のうちに通過し、慣性によりさらに回転して図９に示す位置まで回転する。この図９の状態は、着磁部の極の中心が外側磁極の中心とマグネット１の回転中心とを結ぶ直線上にはないため、この図９のタイミングでコイル２への通電を切り換えてステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂをＮ極とし、内側磁極１８ｃ、１８ｄをＳ極とする方向に励磁することによって、ロータマグネット１は回転駆動力を受けて回転する。以後、図４〜図９で説明したような通電を繰り返し行うことで、ロータマグネット１は回転していく。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４又は図７の安定状態になる。この状態では、前述したようにコイル２へ通電すると電磁力はマグネット１を回転させる方向に作用するので、再度起動させようとする場合、スムーズに起動できる。
【００２２】
以上説明した実施例によれば、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。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、円筒部材１１は、ロータマグネット１の内径部から発生する磁束が内側磁極１８ｃ、１８ｄへ回るのを防ぎ、コイル２への非通電時にロータマグネット１を、外側磁極の中心と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保持するので、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に作用する力は、マグネットの回転中心に向かわず、従って円滑で安定した回転の起動を行うことが可能になる。
【００２３】
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、出力軸７及び円筒部材１１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。
【００２４】
次に、以上の実施例で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、詳しく説明する。すなわち、ステップモータの基本構成において、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に延出する歯により形成していること、第６に、ロータマグネット１の内径部に軟磁性材料から成る円筒部材１１を固着していること、である。
【００２５】
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。
【００２６】
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、前記実施例においては、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。
【００２７】
また、前記円筒部材１１により、ロータマグネット１の磁束が該円筒部材１１の内径部及び内側磁極１８ｃ、１８ｄに漏れることを防止できる。このため、コイル２に通電しない時のマグネット１の停止位置は、図４に示すように、該マグネットの着磁部の各極の中心がステータ１８の外側磁極１８ａ、１８ｂの中心Ｑ₁、Ｑ₂とマグネット１の回転中心Ｑ₃とを結ぶ直線上からずれた位置に設定される。この位置（ずれた位置）からコイル２に通電すると、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。そのため、マグネット１はスムーズに起動される。
【００２８】
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。
【００２９】
さらに、円筒部材１１によりマグネット１の機械的強度を増すことができ、従って、マグネット１をより薄い構造にすることができる。マグネット１を薄くすれば、ステータ１８の外側磁極と内側磁極との間の間隔（ギャップ）を狭くすることができ、その分磁気抵抗を少なくすることができる。これによって、少ない電流により駆動することも可能になる。
【００３０】
【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、１相駆動のステップモータにおいて、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と、前記ロータマグネットに対して空隙をもって対向する円筒形のステータと、前記ステータの外側磁極と内側磁極の間に装着されたコイルと、を備え、前記ロータマグネットの内径部に、軟磁性材料からなり着磁部の極の中心が前記ステータの外側磁極の中心からずれた位置に停止させる磁路を構成する円筒部材を固着し、前記コイルを前記ロータマグネットの軸方向に配置し、前記コイルにより励磁される前記ステータの外側磁極を前記マグネットの外周面に対向させ、前記ステータの内側磁極を前記円筒部材の内周面に対向させた構成としたので、ロータマグネット及びコイルの径と長さを小さくしてモータを小型にすることができ、スムーズに起動す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】本発明を適用したモータの一実施例の模式的分解斜視図である。
【図２】本発明を適用したモータの一実施例の縦断面図である。
【図３】円筒部材が固着されたマグネットロータの磁束の状態をモータ軸に垂直な断面で見る模式図である。
【図４】図２中の線４−４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４−４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４−４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】図２中の線４−４の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図８】図２中の線４−４の断面図を用いてモータの動作を示す説明図である。
【図９】図２中の線４−４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】円筒部材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１１】円筒部材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１２】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１３】図１２のモータのステータの状態を示す部分断面図である。
【図１４】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
２コイル
７出力軸（ロータ軸）
１１円筒部材
１８ステータ
１８ａ外側磁極
１８ｂ外側磁極
１８ｃ内側磁極
１８ｄ内側磁極
２０カバー

Claims

１相駆動のステップモータにおいて、
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と、
前記ロータマグネットに対して空隙をもって対向する円筒形のステータと、
前記ステータの外側磁極と内側磁極の間に装着されたコイルと、を備え、
前記ロータマグネットの内径部に、軟磁性材料からなり着磁部の極の中心が前記ステータの外側磁極の中心からずれた位置に停止させる磁路を構成する円筒部材を固着し、前記コイルを前記ロータマグネットの軸方向に配置し、前記コイルにより励磁される前記ステータの外側磁極を前記マグネットの外周面に対向させ、前記ステータの内側磁極を前記円筒部材の内周面に対向させたことを特徴とするモータ。