JP4065531B2

JP4065531B2 - 駆動装置

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Publication number: JP4065531B2
Application number: JP2003107443A
Authority: JP
Inventors: 香織堀池
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: JP2004320828A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒形状の駆動装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
回転軸を中心とする直径を小さくし、かつ出力を高めた駆動装置として、特許文献１において以下のような光量調節装置における駆動装置が提案されている。
【０００３】
図８に特許文献１に開示された駆動装置の分解斜視図を、図９にその駆動装置の側面の断面図を、それぞれ示す。
【０００４】
これらの図において、１０１は外周面が周方向に４分割して交互にＳ極とＮ極に着磁され、回転中心を中心として回転可能な永久磁石を備えたマグネットであり、１０２はマグネット１０１の軸方向に配置されたコイルであり、１０３はコイル１０２により励磁され、先端部に歯形状の外側磁極部１０３ａと円柱形状の内筒１０３ｂからなりマグネット１０１の外周面及び内周面に対向したステータであり、１０４はステータ１０３の内筒１０３ｂに固着され、ステータ１０３の内筒１０３ｂとともに内側磁極部をなしている補助ステータであり、以上によって光量調節装置における駆動装置を構成している。
【０００５】
マグネット１０１は回転可能に保持されるように軸部分１０１ｅ，１０１ｆを備え、これらが一体的に成形されたものである。また、ステータ１０３の外側磁極部１０３ａはマグネット１０１の外周面に隙間をあけて対向しており、またステータ１０３の内筒１０３ｂはマグネット１０１の内周面に隙間をあけて対向している。
【０００６】
この駆動装置は、コイル１０２への通電方向を切り換えて外側磁極部１０３ａ、内側磁極部（内筒１０３ｂおよび補助ステータ１０４）の極性を切り換えることによって、マグネット１０１を往復回転させるものである。また、往復回転するマグネット１０１の回転規制を、地板１０５に設けられた案内溝１０５ａに駆動ピン１０１ｄが当接することによって行っている。
【０００７】
この駆動装置は、コイル１０２に通電することで発生した磁束が外側磁極部１０３ａから対向する内側磁極部（内筒１０３ｂ、補助ステータ１０４）へ、あるいは内側磁極部から対向する外側磁極部１０３ａへと流れ、外側磁極部１０３ａと内側磁極部の間に位置するマグネット１０１に効果的に作用する。また、外側磁極部１０３ａと内側磁極部との距離を、円筒形状のマグネット１０１の厚さと、マグネット１０１と外側磁極部１０３ａとの隙間およびマグネット１０１と内側磁極部との隙間分の距離にすることで、外側磁極部１０３ａと内側磁極部とで構成される磁気回路の抵抗をできるだけ小さくしている。磁気回路の抵抗が小さいほど、少ない電流で多くの磁束を発生させることができ、出力が向上する。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−４９０７６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１にて開示された駆動装置においては、マグネット１０１と外側磁極部１０３ａおよび内側磁極部の間に所定の隙間をそれぞれ必要としており、その分外側磁極部と内側磁極部の距離が広がってしまい、磁気回路の抵抗は大きくなる。
【００１０】
また、マグネット１０１の内径とそれに対向する外側磁極部１０３ａおよび内側磁極部との間に必要となるそれぞれの間隔を製造時に管理することはコストアップを招くものである。また、駆動装置の径を小さくしたり、外側磁極部１０３ａと内側磁極部の距離を小さくするために円筒形状のマグネット１０１の径方向の厚みを薄くしたりすることは機械的強度の点で難しいものであった。
【００１１】
（発明の目的）
本発明の目的は、小型で高出力であって、安定して駆動することのできる、安価な駆動装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、外周面が周方向に分割されて異なる極に交互に着磁された概略円筒形状の永久磁石からなるマグネットと、前記マグネットと同心でかつ該マグネットの前記軸方向に配置されたコイルと、少なくとも一つの歯形状の外側磁極部が前記マグネットの外周面に対向し、前記コイルにより励磁されるステータと、前記コイルの内径部に挿入されかつ前記マグネットの内径部に固定された軟磁性材料からなる回転可能なロータとからなる駆動装置において、前記ロータのマグネットの内径部に挿入される部分の軸方向と垂直方向の断面形状は外径寸法が大なる部分と小なる部分を複数個形成されている形状であることを特徴とする駆動装置とするものである。
【００１３】
【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。
【００１４】
図１乃至図４は本発明の実施の一形態に係る駆動装置を示す図であり、詳しくは、図１は駆動装置の分解斜視図、図２は図１の駆動装置の断面図である。また、図３〜図４は駆動装置が往復回転駆動する際の様子を示す図であって、ロータに設けられた突起部がカバーの案内溝の一端に接触した第１の状態での図２におけるＡ−Ａ断面図であり、図４はロータに設けられた突起部がカバーの案内溝の他端に接触した第２の状態での図２におけるＡ−Ａ断面である。
【００１５】
これらの図において、１はプラスチックマグネットからなる略円筒形状をしたマグネットであり、その外周面を周方向にｎ分割（本実施形態では４分割）して交互にＳ極とＮ極に着磁されている。詳しくは図３および図４に示すように、着磁部１ａ，１ｃは外周面がＮ極に、着磁部１ｂ，１ｄは外周面がＳ極に、それぞれ着磁されている。また、マグネット１の内径部に設けられたｎ／２個（本実施形態では２個）の溝部１ｅ，１ｆのそれぞれの溝部の中心が、着磁されたマグネット１の極と極の境界となるように形成されている。本実施形態では着磁極数は４極であるが、２極以上であれば何極でも構わない。マグネット１の内径部に設けられた溝部１ｅ，１ｆに後述のロータ５の凸部５ｄ，５ｅが嵌合して両者が固定され、これによってマグネット１の着磁位相とロータ５の凸部５ｄ，５ｅとの位相は常に一定になるようにしている。
【００１６】
２は円筒形状のコイルであり、絶縁体からなるボビン３に巻きつけられている。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の回転軸方向に重なる位置に配置され、コイル２はその外径がマグネット１の着磁部の外径とほぼ同じ寸法である。
【００１７】
４は軟磁性材料からなるステータであり、該ステータ４は先端部にｎ／２個（本実施形態では２個であるが、少なくとも１個以上であればよい）の歯形状の外側磁極部４ａ，４ｂが形成された外筒および外側磁極部の根元部分に軸と垂直な面４ｃをもつ。外側磁極部４ａ，４ｂはマグネット１の外周面に所定の隙間を持って対向するように構成されている。また、外側磁極部４ａ，４ｂは７２０／ｎ度（本実施形態では１８０度）ずれて形成されている。ステータ４は外側磁極部４ａ，４ｂが後述のカバー７の内周面に設けられた溝部７ｂ，７ｃと嵌合し、ここに固定される。
【００１８】
５は駆動装置の出力軸及び内側磁極部を成す軟磁性材料からなるロータであり、該ロータの一端側（円柱部５ａ）はコイル２の内径部に挿入され、他端側（内側磁極部を成す凸部５ｄ，５ｅと凹部５ｆ，５ｇ）はマグネット１の内径部に固定されている。そして、マグネット１の内径部に挿入される部分の軸方向と垂直な断面形状は、周方向において、外径寸法が大なる部分（凸部５ｄ，５ｅ）と外径寸法が小なる部分（凹部５ｆ，５ｇ（円柱部５ａと同じ外径寸法））を交互にｎ個（本実施形態では４個）もっている。このロータ５に設けられた内側磁極部を成す凸部５ｄ，５ｅが外側磁極部４ａ，４ｂに吸引されることによって駆動装置の出力がアップし、安定した駆動となる。このことについては後述する。また、マグネット１とロータ５とは、マグネット１の内径部に設けられた溝部１ｅ，１ｆにロータ５に設けられた凸部５ｄ，５ｅが嵌合させられ、これらは固定される。これにより、マグネット１の着磁位相とロータ５の位相は、ロータ５に設けられた凸部５ｄ，５ｅの中心が着磁されたマグネット１の極と極の境界と一致するようになる。そして、前述したようにロータ５の、マグネット１の内径部に固定される凸部５ｄ，５ｅが、マグネット１に対向しているステータ４の外側磁極部と対向して内側磁極部を形成している。ロータ５の内側磁極部（凸部５ｄ，５ｅ）はコイル２によってステータ４の外側磁極部４ａ，４ｂとは反対の極に励磁される。
【００１９】
６は軸受けであり、ステータ４に固定され、ロータ５の軸部５ｂが嵌合して、該ロータ５を回転可能に保持している。軸受け６を非磁性材料にすれば、ステータ４とロータ５との間に発生する磁力による吸着を防ぎ、回転特性および耐久性を高めることができる。軸受けを軟磁性材料で作成する場合には、軸受けを介してステータ４とロータ５は磁気的に接続されるので、ロータ５が吸着する可能性もあるが磁気回路が効率的なものになる。
【００２０】
７は駆動装置を覆うカバーである。該カバー７には案内溝７ａが設けられ、ロータ５の出力ピン５ｈがこの案内溝７ａ内で一端あるいは他端に当接することにより、ロータ５の回転を規制する。また、ロータ５の軸部５ｃが回転可能に嵌合する嵌合部７ｄを持つ。さらに、カバー７の内側には溝部７ｂ，７ｃが形成されており、この溝部７ｂ，７ｃにステータ４の外側磁極部４ａ，４ｂが嵌合し、接着等によって固定される。
【００２１】
前記マグネット１の着磁位相とロータ５の出力ピン５ｈの位相は一定となるように設定されていることから、カバー７の案内溝７ａ内で規制されるロータ５の回転範囲におけるステータ４の外側磁極部４ａ，４ｂとマグネット１の着磁部１ａ〜１ｄとの位相を決定することができる。本実施形態では駆動装置の回転可能角度範囲のちょうど中央にあるとき、マグネット１の極と極の中心がステータ４の歯形状の外側磁極部４ｂ，４ｃの中心に対向するような位相関係となっている。
【００２２】
次に、駆動のしくみについて詳細に説明する。
【００２３】
図３の状態（ロータ５の出力ピン５ｈがカバー７の案内溝７ａの一端に当接している第１の状態）からコイル２に通電を行い、ステータ４の外側磁極部４ａ，４ｂをＳ極に、ロータ５の内側磁極部（凸部５ｄ，５ｅ）をＮ極に、それぞれ励磁すると、マグネット１は時計周りに回転し、ロータ５の出力ピン５ｈがカバー７の案内溝７ａの他端に当接することによって回転を止められ、図４に示す状態になる。
【００２４】
図４の状態（ロータ５の出力ピン５ｈがカバー７の案内溝７ａの他端に当接した第２の状態）から前記コイル２に逆方向の通電を行い、ステータ４の外側磁極部４ａ，４ｂをＮ極に、ロータ５の内側磁極部５ａをＳ極にそれぞれ励磁すると、マグネット１は反時計周りに回転し、ロータ５の出力ピン５ｈがカバー７の案内溝７ａの一端に当接することによって回転を止められ、図３に示す状態に戻る。
【００２５】
以上のことにより、本駆動装置は前記コイル２への通電方向を変えることによって、所定角度（後述のθ度）内で往復回転可能な、例えば光量調節部材の駆動などに好適な駆動装置となる。
【００２６】
前述のように、ロータ５の、マグネット１の内径部に固定される部分の断面形状を、外径寸法が大なる部分（凸部５ｄ，５ｅ）と外径寸法が小なる部分（凹部５ｆ，５ｇ）とが交互に形成される形状にしている。このような構成にすることによって、駆動装置が高トルクで、安定した駆動となる仕組みについて詳細に説明する。
【００２７】
図５は、図８および図９に示した特許文献１に示される駆動装置におけるトルクＴの変化の様子である。縦軸は、マグネット１０１に作用するコイル１０２への無通電時におけるトルク（コギングトルク）とコイル１０２へ通電を行ったときに発生するトルク（通電によって着磁部に生じるトルク）を示し、横軸は、マグネット１０１の回転位相を示す図である。この引用文献１に開示の駆動装置も、マグネット１０１の回転を規制されており、３６０／ｎのうちのα，βを除いた、θで示される範囲でのみ往復回転をする駆動装置となっている。
【００２８】
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ろうとする。すなわち、マグネット１０１と外側磁極部１０３ａとの間の磁力によってロータを成すマグネット１０１がＥ１点、あるいは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点はマグネット１０１の位相が少しでもずれると前後のＥ１点、あるいは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。
【００２９】
前記コイル１０２への通電が無い状態では、Ｅ１点あるいはＥ２点の位置で停止する。このコイル１０２へ通電が行われていない状態での外側磁極部１０３ａとマグネット１０１との吸引状態（コギングトルク）は、外側磁極部１０３ａがマグネット１０１に対向する角度範囲によって変化する。すなわち、このコギングトルクの変化は内側磁極部１０３ｂ（本実施形態ではロータ５の凸部がこれにに相当）の形状には依存せずに決定することができるので、駆動装置の使用状態に合わせて、外側磁極部の形状（外側磁極部がマグネットと対向する角度）を変化させればコギングトルク曲線は変化する。
【００３０】
本実施形態では、従来と同様、図５に示すような曲線になるように（ロータ５の出力ピン５ｈがカバー７の案内溝７ａの一端および他端に接触した状態で、コギングの力によってその位置保持ができるようなコギング曲線になるように）外側磁極部４ａの形状を決定している。
【００３１】
次に、図６は本発明の実施形態に係る駆動装置において、マグネット１を用いないで組み立てた駆動装置におけるコイル２への通電状態でロータ５に発生するトルク、つまりコイル２への通電によってロータ５の凹凸部が外側磁極部に吸引されることによって発生するトルクの様子を示している。
【００３２】
図５と同様に、横軸はロータ５に発生するコイル２への通電時のトルク変化であり、横軸はロータ５の回転位相を示すものである。Ｆ１点で示されるところは、本実施形態に係る駆動装置の回転範囲における中央点にあたる部分であって、回転初めには回転方向に向かう力が発生するが、Ｆ１点をすぎると回転方向とは反対の方向に向かう力となる。このトルク曲線は、ロータ５の断面形状（凹部５ｆ，５ｇに対する凸部５ｄ，５ｅの外径寸法や周方向の大きさ）を変えることで変化させることができる。つまり、ロータ５の断面形状を変化させて、駆動装置の往復回転角度に合わせたトルク曲線を選ぶことで、最適なトルク特性をもつ駆動装置にすることが可能となる。
【００３３】
以上により、本実施形態に係る駆動装置において発生する駆動トルクは、図５と図６を合わせたトルクになり、その結果を図７に示す。図７における縦軸には、マグネット１が外側磁極部との間で発生する、コイル２への無通電時のトルクと、マグネット１およびロータ５に発生する、コイル２への通電時におけるトルクの変化、および、引用文献１に開示の駆動装置におけるトルクも合わせて示している。
【００３４】
図７からわかるように、本実施の形態における通電時発生トルクは、引用文献１に開示の駆動装置のトルクと比べて、駆動の動きはじめにおいて高いトルクがでており（Ｔ４＜Ｔ５）、回転範囲の中点（Ｆ１点）あたりからトルクが低くなっている。駆動装置におけるトルクは動き初めにおけるトルクが重要であって、一度動いてしまえば慣性力により駆動することが容易となる。このことにより、引用文献１に開示の駆動装置に比べて、高トルクで安定した動作特性をもつ駆動装置となる。そして、このトルク曲線はロータ５の断面形状によって変化させることが可能であるから、駆動装置の駆動回転角度に合わせてロータ５の断面形状を変えれば、高トルクで安定した駆動をする駆動装置となる。
【００３５】
以上により、出力が高く、コンパクトで、安定した動作特性を有する駆動装置とすることができる。
【００３６】
本実施の形態に係る駆動装置には、次のような特徴もある。
【００３７】
１）マグネット１の内径部がロータ５によって埋められているので、引用文献１に開示の駆動装置に比べ、マグネット１の機械的強度が大きく、またバックメタルとしてロータ５は作用するので、該マグネット１の磁気的劣化も少ない。
【００３８】
２）上記のようにマグネット１の機械的強度が大きく、磁気的劣化も少なくなることによって、該マグネット１の径方向の厚みを薄くすることも可能となり、径寸法に関して非常にコンパクトなアクチュエータとなる。
【００３９】
３）マグネット１の外周面と内周面に対向する外側磁極部４ａ，４ｂと内側磁極部（凸部５ｄ，５ｆ）とで該マグネット１を挟む磁路となるので、磁気抵抗が少ないものとなる。
【００４０】
４）外側磁極部と内側磁極部との距離が、マグネット１の厚みと該マグネット１と外側磁極部４ａ，４ｂとのギャップのみとなり、引用文献１に開示の駆動装置に比べて縮めることができる。つまり、従来はマグネット１０１と内側磁極部１０３ｂの間にもギャップを有していたが、本実施形態では、マグネット１の溝部１ｅ，１ｆに内側磁極部を成す凸部５ｄ，５ｆが固定されているので、外側磁極部と内側磁極部との距離を縮めることができる。よって、前記コイル２により発生する磁力が効果的にマグネット１に作用する。
【００４１】
５）特許文献１に開示の駆動装置は、マグネットの外形部と外側磁極部の隙間を精度良く保って組み立てる必要がある他に、マグネットの内径部に対向する位置にある内側磁極部もマグネットに対し所定の隙間を設けて配置する必要もあり、部品精度のばらつきや組み立て精度が悪い事によりこの隙間を確保できず、内側磁極部がマグネットに接触してしまうなどの不良が生じる可能性もあった。これに対し、本実施形態における駆動装置では、上記４）に述べたようにマグネット１の外形部の隙間のみを管理するだけでよいので組み立てが容易となり、不良が生じる可能性も低くなる。
【００４２】
６）マグネット１の内径部にロータ５との位相を合わせるための溝部１ｅ，１ｆを設けており、これによってロータ５との位相あわせを容易に行うことができる。さらに、マグネット１の溝部が嵌合するような突起部を持った軸を冶具に用いれば、マグネット１をその軸方向にいくつか重ねて一度に着磁することが可能となるから、一つずつ着磁するものに比べて、低コストとなる。
【００４３】
７）ステータ４は、特許文献１に開示の駆動装置のステータに比べて単純な構造であるから、製造コストが低くなる。
【００４４】
８）コイル２の外径はマグネット１の外径とほぼ同径で、かつマグネット１の軸方向に配置されているため、本駆動装置の外形寸法を小さくしており、コイル２の内径はロータ５のコイルと重なった部分の外径に隙間を持った径にすることができるので、特許文献１に開示の駆動装置に比べてコイル２の内径を小さく構成でき、換言すればコイル２の巻数を最大限にすることができるから駆動装置の出力を高めることができる。
【００４５】
９）円筒形状をした駆動装置の径はマグネット１の径にステータ４の磁極部を対向させるだけの大きさがあればよく、また駆動装置の軸方向の長さはマグネット１の長さにコイル２の長さを加えた長さとすることができるので、駆動装置を非常に小型化することができるものである。
【００４６】
最後に、請求項１に記載以外の本発明に係る駆動装置の実施態様を以下に列挙する。
【００４７】
（実施態様１）外周面が周方向に分割されて異なる極に交互に着磁された略円筒形状のマグネットと、該マグネットと同心でかつ該マグネットの軸方向に配置されるコイルと、歯形状の外側磁極部が前記マグネットの外周面に対向し、前記コイルにより励磁されるステータと、軸方向の一端側が前記コイルの内径部に挿入され、他端側が前記マグネットの内径部に固定され、前記コイルにより励磁される軟磁性材料より成るロータとを有する駆動装置であって、前記ロータの前記他端側の軸方向と垂直な断面形状を、周方向において、外径寸法が大なる凸部と小なる凹部とを交互に複数個有する形状にし、かつ、前記凸部を前記外側磁極部に対向するように前記マグネットの内径部に固定して、該凸部を内側磁極部として用いることを特徴とする駆動装置。
【００４８】
（実施態様２）前記マグネットの内径部には前記ロータの凸部が嵌合する溝部が形成されており、前記マグネットは、前記溝部の中心が極と極の境界となるように着磁されていることを特徴とする請求項１又は実施態様１に記載の駆動装置。
【００４９】
（実施態様３）前記マグネットの前記溝部に前記ロータの凸部が嵌合して固定されることで、前記マグネットの着磁位相と前記ロータの凸部の位相が一定に保たれることを特徴とする実施態様２に記載の駆動装置。
【００５０】
（実施態様４）前記コイルへの通電開始時に発生する駆動初期トルクが大きくなるように、前記ロータの前記凹部に対する前記凸部の外形寸法、周方向の大きさが設定されることを特徴とする請求項１、実施態様１、２又は３に記載の駆動装置。
【００５１】
（実施態様５）外周面が周方向に分割されて異なる極に交互に着磁された概略円筒形状のマグネットと、該マグネットと同心でかつ該マグネットの軸方向に配置されるコイルと、少なくとも一つの歯形状の外側磁極部が前記マグネットの外周面に対向し、前記コイルにより励磁されるステータと、前記コイルの内径部に挿入されかつ前記マグネットの内径部に固定された軟磁性材料より成るロータとからなる駆動装置において、前記ロータの前記マグネットの内径部に挿入される部分における軸方向と垂直な断面形状は、外径寸法が大なる範囲と外径寸法が小なる範囲とが周方向に交互に複数個形成されている形状であることを特徴とする駆動装置。
【００５２】
（実施態様６）前記ロータの前記マグネットの内径部に挿入される部分の、軸方向と垂直な断面形状の外径寸法が大なる範囲と小なる範囲の凹凸の数は前記マグネットの着磁極数と同じであって、該凹凸が周方向に等分に配置されており、前記ロータの位相と前記マグネットの着磁位相は、前記ロータの前記凸部の中心と前記マグネットの極と極の中心とが一致するような関係に定められていることを特徴とする実施態様５に記載の駆動装置。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型で高出力であって、安定して駆動することができる、安価な駆動装置を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係る駆動装置を示す分解斜視図である。
【図２】図１の駆動装置の断面図である。
【図３】図１の駆動装置が第１の状態時である場合の図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１の駆動装置が第２の状態時である場合の図２のＡ−Ａ断面図である。
【図５】従来の駆動装置におけるマグネット部に生じるのコギングトルクと通電トルクを示す図である。
【図６】本発明の実施の一形態における外側磁極部によって吸引されるロータに生じる通電トルク変化を示す図である。
【図７】本発明の実施の一形態における駆動装置と従来の駆動装置におけるトルク変化を比較した図である。
【図８】従来の駆動装置を示す分解斜視図である。
【図９】図８の駆動装置の断面図である。
【符号の説明】
１マグネット
２コイル
３，１３ボビン
４ステータ
４ａ，４ｂ外側磁極部
５ロータ
５ａ内側磁極部
６軸受け
７カバー

Claims

外周面が周方向に分割されて異なる極に交互に着磁された略円筒形状のマグネットと、該マグネットと同心でかつ該マグネットの軸方向に配置されるコイルと、歯形状の外側磁極部が前記マグネットの外周面に対向し、前記コイルにより励磁されるステータと、軸方向の一端側が前記コイルの内径部に挿入され、他端側が前記マグネットの内径部に固定され、前記コイルにより励磁される軟磁性材料より成るロータとを有する駆動装置であって、
前記ロータの前記他端側の軸方向と垂直な断面形状を、周方向において、外径寸法が大なる凸部と小なる凹部とを有する形状にし、かつ、前記凸部を前記外側磁極部に対向するように前記マグネットの内径部に固定して、該凸部を内側磁極部として用いることを特徴とする駆動装置。