JP4378248B2

JP4378248B2 - ステッピングモータ

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Publication number: JP4378248B2
Application number: JP2004254454A
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Inventors: 悠安田
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Description

本発明は、ステッピングモータに関する。

従来、ステッピングモータとして、回転軸を中心とする直径を小さくし、かつ出力を高めたものが提案されている（特許文献１参照）。図９は従来のステッピングモータの構成部品を示す分解斜視図である。図１０は組み立て後のステッピングモータの構造を示す断面図である。このステッピングモータは、ロータ２０１、第１のコイル２０２、第２のコイル２０３、第１のステータ２０４、第２のステータ２０５、出力軸２０６および連結リング２０７から主に構成される。

ロータ２０１は、円周方向に４分割して異なる極性に交互に着磁された永久磁石からなる。第１のコイル２０２および第２のコイル２０３は、ロータの軸方向に隣り合って配置されている。第１のステータ２０４は、軟磁性材料からなり、第１のコイル２０２により励磁される。第２のステータ２０５は、軟磁性材料からなり、第２のコイル２０３により励磁される。

第１のステータ２０４は、ロータ２０１の外周面に隙間をあけて対向する第１の外側磁極２０４Ａ、２０４Ｂ、およびロータ２０１の内周面に隙間をあけて対向する第１の内側磁極２０４Ｃ、２０４Ｄを有する。第２のステータ２０５は、ロータ２０１の外周面に隙間をあけて対向する第２の外側磁極２０５Ａ、２０５Ｂ、およびロータ２０１の内周面に隙間をあけて対向する第２の内側磁極２０５Ｃ、２０５Ｄを有する。

出力軸２０６は、ロータ２０１に固着され、第１のステータ２０４の軸受け部２０４Ｅおよび第２のステータ２０５の軸受け部２０５Ｅに回転自在に支持される。連結リング２０７は、非磁性材料からなり、第１のステータ２０４および第２のステータ２０５を所定の間隔で保持する。

上記構造を有するステッピングモータは、第１のコイル２０２および第２のコイル２０３への通電方向を切り替えることにより、第１の外側磁極２０４Ａ、２０４Ｂ、第１の内側磁極２０４Ｃ、２０４Ｄ、第２の外側磁極２０５Ａ、２０５Ｂ、第２の内側磁極２０５Ｃ、２０５Ｄの極性を切り替え、ロータを回転させるものである。

このステッピングモータでは、コイルに通電することで発生した磁束が外側磁極から対向する内側磁極に、あるいは内側磁極から対向する外側磁極に流れ、外側磁極と内側磁極の間に位置するマグネットに効率的に作用する。また、外側磁極と内側磁極との距離を円筒形状のマグネット（ロータ）の厚さ程度にすることができるので、外側磁極および内側磁極から構成される磁気回路の抵抗を小さくすることができる。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。

しかしながら、特許文献１に示される、このタイプのステッピングモータは、中実の円筒形状であるので、カメラの鏡筒内で光軸と平行になるように、ステッピングモータを配置し、絞り羽根、シャッタ、レンズ等を駆動させようとした場合、鏡筒の半径寸法は、レンズの半径および絞り開口の半径寸法にモータの直径を加えた値になり、カメラの鏡筒の直径を十分小さいものにすることはできなかった。図１１は径方向における光量調節装置、開口部およびモータの関係を示す図である。モータＭの直径をＤ１、開口部３０１の直径をＤ２、光量調節装置（鏡筒地板）３００の直径をＤ３とすると、鏡筒地板３００の直径Ｄ３は少なくとも（２×Ｄ１＋Ｄ２）以上になってしまう。このため、このような用途に対し、半径方向の厚さ寸法の薄いドーナツ型のモータが望まれていた。また、鏡筒装置あるいは光量調節装置についても、コンパクト化が望まれていた。

このような問題を解決したステッピングモータが既に提案されている（特許文献２参照）。図１２は他の従来のステッピングモータの構成部品を示す分解斜視図である。図１３は組み立て後のステッピングモータの構造を示す図である。この断面図は軸の中心を通るように描かれている。また、このステッピングモータは、ロータ４０１、第１のコイル４０２、第２のコイル４０４、第１のステータ４１８、第２のステータ４１９および連結リング４２０から主に構成される。

ロータ４０１は、円周方向にＮ分割して異なる極性に交互に着磁された永久磁石からなる。ここでは、Ｎ＝１６に分割されている。第１のコイル４０２および第２のコイル４０４は、ロータ４０１の軸方向に隣り合って配置されている。第１のステータ４１８は、軟磁性材料からなり、第１のコイル４０２により励磁される。第２のステータ４１９は、軟磁性材料からなり、第２のコイル４０４により励磁される。連結リング４２０は、非磁性材料からなり、第１のステータ４１８および第２のステータ４１９を所定の距離および角度を持たせて同心に保持する。

上記構造を有するステッピングモータでは、ロータ４０１は連結リング４２０に内挿され、連結リングの凸部４２０ａ、４２０ｉによって回転自在に保持されている。また、ロータ４０１にピン４０１ｔを設けることにより、絞り羽根やレンズ鏡筒を動かすための出力が取り出される。

このステッピングモータは、中空の円筒形状を有するので、カメラの鏡筒内で光軸と平行になるように配置され、モータの内径部に絞り羽根、シャッタ、レンズなどを配置することができる。したがって、カメラの鏡筒の直径を小さくすることができる。
特開平０９−３３１６６６号公報特開２００２−５１５２６号公報

しかしながら、上記特許文献２に示されたステッピングモータでは、ロータであるマグネットがヨークに覆われる形状であるので、出力を取り出すためには、ピン４０１ｔを設ける必要があった。これにより、寸法が大きくなり、部品点数が増え、コストアップに繋がるなどの問題があった。

また、連結リング４２０の突起部４２０ｔは、マグネット４０１の外周面から径方向内側に位置するので、マグネット４０１を連結リング４２０に内挿する際、突起部を弾性変形させなければならず、組立性が良くなかった。

また、ロータ４０１を回転自在に支持する２つの軸受け部４２０ａ、４２０ｉの軸方向距離を、ロータであるマグネットの軸方向長さ以上に大きくすることができず、ロータが傾きやすく、回転が安定しないという問題があった。

また、ロータ４０１とステータの間に径方向の空隙が必要であった。これは、磁気抵抗の増大やスペース効率の低減の原因となり、高出力トルクを得ることができなくなる。

そこで、本発明は、中空の円筒形状を有しつつ、ロータをモータの外部に露出させることができるステッピングモータを提供することを目的とする。また、本発明は、組立性を高めることができるステッピングモータを提供することを他の目的とする。また、本発明は、ロータを支持する軸受け部間の距離をモータの軸方向距離とほぼ同じだけ離すことができ、ロータの回転軸がステータに対して傾くことがなく、ロスの少ない回転を実現できるステッピングモータを提供することを他の目的とする。また、本発明は、小型でありながら高出力トルクを得ることができるステッピングモータを提供することを他の目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１のステッピングモータは、中空円筒形状を有し、前記中空円筒形状の外周面を周方向に分割して異なる極性に交互に着磁されるマグネットと、第１のコイルが巻回されるとともに第１の軸受け部が形成され、前記マグネットの軸方向の一方側に配置される第１のボビンと、第２のコイルが巻回されるとともに第２の軸受け部が形成され、前記マグネットの軸方向の他方側に配置される第２のボビンと、軟磁性材で形成されるものであって、中空円筒形状を有し、前記第１のボビンと前記第２のボビンと前記マグネットとが前記中空円筒形状の外周面に固定される固定ヨークと、軟磁性材で形成されるものであって、櫛歯状に形成した第１の磁極部が前記マグネットの一方側および前記第１のボビンの外側で、前記マグネットの一方側および前記第１のボビンに対して向かい合うように配置され、前記第１の軸受け部によって前記マグネットおよび前記第１のボビンに対して回転可能に支持される第１の回転ヨークと、軟磁性材で形成されるものであって、櫛歯状に形成した第２の磁極部が前記マグネットの他方側および前記第２のボビンの外側で、前記マグネットの他方側および前記第２のボビンに対して向かい合うように配置され、前記第２の軸受け部によって前記マグネットおよび前記第２のボビンに対して回転可能に支持される第２の回転ヨークと、非磁性材で形成されるものであって、前記マグネットの外側で、前記マグネットに対して向かい合うように配置されるとともに、前記第１の磁極部と第２の磁極部と係合して、前記第１の回転ヨークおよび前記第２の回転ヨークと一体となって、前記第１のボビンと前記第２のボビンと前記マグネットに対して回転可能に支持される連結部材とを有することを特徴とする。
また、請求項２のステッピングモータは、中空円筒形状を有し、前記中空円筒形状の内周面を周方向に分割して異なる極性に交互に着磁されるマグネットと、前記マグネットの軸方向の一方側に配置される第１のコイルと、前記マグネットの軸方向の他方側に配置される第２のコイルと、軟磁性材で形成されるものであって、中空円筒形状を有し、前記中空円筒形状の内周面に前記第１のコイルと前記マグネットの一方側を固定する第１の固定ヨークと、軟磁性材で形成されるものであって、中空円筒形状を有し、前記中空円筒形状の内周面に前記第２のコイルと前記マグネットの他方側を固定する第２の固定ヨークと、軟磁性材で形成されるものであって、櫛歯状に形成した第１の磁極部が前記マグネットの一方側および前記第１のコイルの内側で、前記マグネットの一方側および前記第１のコイルに対して向かい合うように配置され、前記マグネットおよび前記第１のコイルに対して回転可能に支持される第１の回転ヨークと、軟磁性材で形成されるものであって、櫛歯状に形成した第２の磁極部が前記マグネットの他方側および前記第２のコイルの内側で、前記マグネットの他方側および前記第２のコイルに対して向かい合うように配置され、前記マグネットおよび前記第２のコイルに対して回転可能に支持される第２の回転ヨークと、非磁性材で形成されるものであって、前記マグネットの内側で、前記マグネットに対して向かい合うように配置されるとともに、前記第１の磁極部と第２の磁極部と係合して、前記第１の回転ヨークおよび前記第２の回転ヨークと一体となって、前記第１のコイルと前記第２のコイルと前記マグネットに対して回転可能に支持される連結部材とを有することを特徴とする。

請求項１のステッピングモータによれば、第１のボビン、第２のボビンおよびマグネットを中空円筒形状の固定ヨークの外周面に固定し、第１の回転ヨーク、第２の回転ヨークおよび連結部材からなるロータを第１のボビン、第２のボビンおよびマグネットの外側に配置することで、ロータをモータの最外層に位置させることができる。
また、請求項１のステッピングモータによれば、固定ヨークの外周面にマグネットを軸方向に挟んで固定される第１のボビンと第２のボビンにて第１の回転ヨーク、第２の回転ヨークおよび連結部材からなるロータを軸受けするので、ロータの回転軸が固定ヨークに対して傾くことがなく、ロスの少ない回転を実現できる。
請求項２のステッピングモータによれば、第１のコイル、第２のコイルおよびマグネットを中空円筒形状の第１および第２の固定ヨークの内周面に固定し、第１の回転ヨーク、第２の回転ヨークおよび連結部材からなるロータを第１のコイル、第２のコイルおよびマグネットの内側に配置することで、ロータをモータの最内層に位置させることができる。
また、請求項２のステッピングモータによれば、第１の固定ヨークの内周面に第１のコイルおよびマグネットの一方側を固定し、第２の固定ヨークの内周面に第２のコイルおよびマグネットの他方側を固定することによって、第１のコイルが作り出す磁気回路と第２のコイルが作り出す磁気回路との干渉を防ぐことができる。

本発明のステッピングモータの実施の形態について図面を参照しながら説明する。

［第１の実施形態］
（ステッピングモータの構造）
図１は第１の実施形態におけるステッピングモータの構成部品を示す分解斜視図である。図２は組み立て後のステッピングモータの構造を示す断面図である。図２では、軸の中心を通るように断面が描かれている。本実施形態のステッピングモータは、マグネット１、第１のコイル２、第２のコイル４、固定ヨーク６、第１の回転ヨーク７、第２の回転ヨーク８および連結部材９から主に構成される。

マグネット１は、中空円筒形状を有し、その外周表面（外周面）が円周方向にＮ分割され、Ｓ極およびＮ極が交互に着磁された着磁部を有する。本実施形態では、Ｎ＝２０である。一方、マグネット１の内周面には、外周面に比べ弱い着磁分布を持つか、全く着磁されていないか、あるいは外周面と逆の極性に着磁されているかのいずれかになっている。

第１のコイル２は、円筒形状を有し、第１のボビン３に巻き付けられている。また、第１のコイル２は、マグネット１と同心かつ軸方向に重ねた位置に配置される。第１のコイル２の外径は、マグネット１の外径とほぼ同じ寸法である。第１のボビン３は軸受け部３１を有し、この軸受け部３１の外径は第１のコイル２の外径よりも僅かに大きい。

第２のコイル４は、円筒形状を有し、第２のボビン５に巻き付けられている。第２のコイル４は、第１のコイル２と同様、マグネット１と同心かつ軸方向に重ねた位置に配置される。この結果、第１のコイルおよび第２のコイルは、マグネット１を挟み込むような位置関係になる。第２のコイル４の外径はマグネット１の外径とほぼ同じ寸法である。第２のボビン５は軸受け部５１を有し、この軸受け部５１の外径は第２のコイル４の外径よりも僅かに大きい。

固定ヨーク６は、軟磁性材料からなり、中空円筒形状を有する。固定ヨーク６の外径はマグネット１の内径とほぼ同じ寸法であり、最小値Ｄｓ２となっている。固定ヨーク６の片側端部は１段高くなっており、その端部には、天板６１および磁束伝達部６２が一体に形成されている。磁束伝達部６２の外径は、第１および第２のボビンの軸受け部３１、５１の外径よりも僅かに小さく、最大値Ｄｓ１となっている。

固定ヨーク６の外周部に、第１のコイル２、第１のボビン３、マグネット１、第２のコイル４および第２のボビン５を固定することで、本実施形態におけるステッピングモータのステータは構成される。このとき、マグネット１の内径Ｄｉと固定ヨーク６の外径の最大値Ｄｓ１、最小値Ｄｓ２との間には、Ｄｓ２≦Ｄｉ、Ｄｉ＜Ｄｓ１＜Ｄｒ１の関係が成り立っている。ここで、Ｄｒ１は第１の回転ヨーク７（ロータ）の内径の最大値である。また、固定ヨーク６の内径が最小になる箇所は開口端であるので、マグネット１を固定ヨーク６の開口端側から挿入することにより、容易に組み立てることができる。

第１の回転ヨーク７は、軟磁性材料からなり、外筒７１、ドーナツ状の天板７２および磁束伝達部７３から構成されている。第１の回転ヨーク７の外筒７１は、その先端部に第１の磁極部７１−１，７１−２，……，７１−Ｎ／２を有する（図３参照）。これら第１の磁極部７１−１，７１−２，……，７１−Ｎ／２は、円筒形状の一部を切り欠き、マグネット１の着磁面に対して平行にその中心軸方向に延設された、いわゆる櫛歯状に形成されている。第１の磁極部の櫛歯の数は、１本ないしＮ／２本であり、本実施形態では１０本である。したがって、第１の磁極部は、円周方向に７２０／Ｎ°の間隔をおき、所定の歯幅で形成されている。また、磁束伝達部７３の内径は、外筒７１の内径よりも小さく、第１のボビン３の軸受け部３１の外径とほぼ同じ寸法である。磁束伝達部７３は、天板７２を介して外筒７１と一体となっている。

第２の回転ヨーク８は、軟磁性材料からなり、外筒８１から構成される。第２の回転ヨークの外筒８１は、その先端部に第２の磁極部８１−１，８１−２，……，８１−Ｎ／２を有する。第２の磁極部８１−１，８１−２，……，８１−Ｎ／２は、円筒形状の一部を切り欠き、マグネット１の着磁面に対して平行にその中心軸方向に延設された、いわゆる櫛歯状に形成されている。第２の磁極部の櫛歯の数は、１本ないしＮ／２本であり、本実施形態では１０本である。したがって、第２の磁極部は、円周方向に７２０／Ｎ°の間隔をおき、所定の歯幅で形成されている。

連結部材９は、非磁性材料からなる中空円筒形状を有する。連結部材９の内径は第２の回転ヨーク８の内径とほぼ同じ寸法である。連結部材９の内周面には、第１の回転ヨーク位置決め部および第２の回転ヨーク位置決め部を有する。第１の回転ヨーク位置決め部は、第１の回転ヨーク７の第１の磁極部７１−１とほぼ同じ幅の溝部からなり、その数は第１の磁極部の数と同じである。第２の回転ヨーク位置決め部は、第２の回転ヨーク８の第２の磁極部８１−１とほぼ同じ幅の溝部からなり、その数は第２の磁極部の数と同じである。

本実施形態におけるステッピングモータのロータは、第１の回転ヨーク７、連結部材９および第２の回転ヨーク８から構成される。また、連結部材９の第１の回転ヨーク位置決め部に第１の回転ヨーク７の第１の磁極部を嵌合し、第２の回転ヨーク位置決め部に第２の回転ヨーク８の第２の磁極部を嵌合することにより、第１の回転ヨーク７および第２の回転ヨーク８は、同軸上の所定の位置および位相で配置される。また、連結部材９は、非磁性材料で構成されているので、第１の回転ヨーク７と第２の回転ヨーク８との間の磁気回路を分断し、互いの磁極の影響が出にくい構成となっている。尚、第１の回転ヨーク７および第２の回転ヨーク８は、それぞれ請求項１の第１の磁極部材および第２の磁極部材に相当する。

また、ロータ内径の最大値Ｄｒ１は、第１の磁極部７１および第２の磁極部８１の位置に相当し、その大きさはマグネット１の外径Ｄｏより僅かに大きい。ロータ内径の最小値Ｄｒ２は、第１の回転ヨーク７の磁束伝達部７３の位置に相当し、その値はＤｉ＜Ｄｒ２＜Ｄｏの関係を満たしている。ここで、Ｄｉは、マグネット１の内径である。このような関係を有することから、ステッピングモータは、ロータにステータ（固定ヨーク６）を内挿することにより組み立てられる。このとき、ロータの第２の回転ヨーク側からステータを内挿することにより、組み立てが容易に行える。また、第１の回転ヨーク７が第１のボビン３の軸受け部３１に、第２の回転ヨーク８が第２のボビン５の軸受け部５１に回転自在に支持されることにより、ロータはステータに対して回転自在に支持されることになる。このとき、固定ヨーク６の磁束伝達部６２は、軸径方向に僅かな隙間をあけて第２の回転ヨーク８と対向する。また、第１の回転ヨーク７の磁束伝達部７３は、軸径方向に僅かな隙間をあけて固定ヨーク６と対向する。

（ステッピングモータの動作）
上記構造を有するステッピングモータの回転動作を示す。図３、図４、図５および図６はステッピングモータの回転時における第１の回転ヨーク７および第２の回転ヨーク８の磁極部の極性および回転位置を示す図である。図３（Ａ）〜図６（Ａ）は図２のＡ−Ａ線方向から視た断面図であり、図３（Ｂ）〜図６（Ｂ）は図２のＢ−Ｂ線方向から視た断面図である。

図３には、第１のコイル２に正通電を行って、第１の回転ヨーク７をＮ極に励磁し、同時に第２のコイル４に正通電を行って、第２の回転ヨーク８をＮ極に励磁した状態が示されている。このとき、ステータ側であるマグネット１の外周表面の磁極（Ｎ極）と、励磁された第１の回転ヨーク７の磁極（Ｎ極）との間の磁力（反発力）により、反時計回りの回転力が発生する。同時に、ステータ側のマグネット１の外周表面のＳ極と、Ｎ極に励磁された第２の回転ヨーク８との間の磁力（吸引力）により、反時計回りの回転力が発生する。この結果、この通電状態の安定点である角度（図４参照）に向かって、ロータは回転する。

図４には、図３の状態からロータが１８０／Ｎ°（本実施形態では、９°）回転した状態が示されている。第１のコイル２に正通電を続けて、第１の回転ヨーク７をＮ極に励磁し、第２のコイル４を逆通電に切り替え、第２の回転ヨークをＳ極に励磁する。図３の場合と同様、ステータ側であるマグネット１の外周表面の磁極（Ｓ極）と、励磁された第２の回転ヨーク８の磁極（Ｓ極）との間の磁力（反発力）、および同時に発生する、マグネット１の外周表面のＳ極と、Ｎ極に励磁された第１の回転ヨーク７との間の磁力（吸引力）により、反時計回りの回転力が発生する。この結果、この通電状態の安定点である角度（図５参照）に向かって、ロータは回転する。

図５には、図４の状態からロータが２×１８０／Ｎ°（本実施形態では、１８°）回転した状態が示されている。第１のコイル２を逆通電に切り替えて、第１の回転ヨーク７をＳ極に励磁し、第２のコイル４の逆通電を続けて、第２の回転ヨーク８をＳ極に励磁する。図３、図４と同様、ステータ側であるマグネット１の外周表面の磁極と、励磁された第１、第２の回転ヨークの磁極との間の磁力により、反時計回りの回転力が発生し、この通電状態の安定点である角度（図６参照）に向かって、ロータは回転する。

図６には、図５の状態からロータが３×１８０／Ｎ°（本実施形態では、２７°）回転した状態が示されている。第１のコイル２に逆通電を続けて、第１の回転ヨーク７をＳ極に励磁し、第２のコイル４を正通電に切り替えて、第２の回転ヨーク８をＮ極に励磁する。図３、図４および図５と同様、ステータ側であるマグネット１の外周表面の磁極と、励磁された第１、第２の回転ヨークの磁極との間の磁力により、反時計回りの回転力が発生し、この通電状態の安定点である角度（図３参照）に向かって、ロータは回転する。

このように、第１のコイル２と第２のコイル４への通電方向を順次切り替えていくことにより、第１の回転ヨーク７および第２の回転ヨーク８で構成されたロータは、通電時の位相に応じた位置に順次回転することになる。尚、上記実施形態では、マグネット１の外周面を周方向に分割してなる着磁層の軸方向２箇所における、第１の回転ヨーク７と対向する一方の着磁層と第２の回転ヨーク８と対向する他方の着磁層の位相を同じものとし、第１の回転ヨークと第２の回転ヨークの位相を互いに１８０／Ｎ°ずらすようにしたが、これに限らず、第１の回転ヨーク７と対向する一方の着磁層と第２の回転ヨーク８と対向する他方の着磁層の位相を互いに１８０／Ｎ°ずらし、第１の回転ヨークと第２の回転ヨークの位相を同じものとしてもよく、本発明は同様に適用できる。

本実施形態のステッピングモータによれば、ロータをモータの最外層に配置して露出させることができ、出力が取り出し易い中空円筒形状のモータを実現できる。また、ロータを支持する２つの軸受け部の間の距離をほぼモータの軸方向距離と同じだけ離すことができる。したがって、ロータの回転軸がステータに対して傾くことが少なく、よりロスの少ない回転が可能となる。また、固定ヨークの外周面とマグネットの内周面との間に、空隙を設ける必要がなく、外側磁極部と内側磁極部の距離を短くすることが可能である。これにより、磁気抵抗を減少させ、モータの出力を高めることができる。また、固定ヨークの片方の端面に磁束伝達部を設け、かつ第１の回転ヨークに磁束伝達部を設けることにより、ロータとステータを別々に組み立てた後、ステータにロータを外挿することで、モータを完成することができ、組立性に優れたモータを実現できる。

（ステッピングモータの特徴）
以下に、本実施形態のステッピングモータの特徴的構成およびその効果を列挙する。本実施形態では、ステッピングモータを中空構造とすることができ、モータ内径部を、光路、流体の管路、電気の配線などに利用することができる。このことは装置全体の小型化に有利である。

また、第１の回転ヨーク７の第１の磁極部は、マグネット１の外周面に所定の隙間をもって対向しており、第２の回転ヨーク８の第２の磁極部も、同様にマグネット１の外周面に所定の隙間をもって対向している。また、第１の回転ヨーク７は第１のコイル２によって励磁され、第２の回転ヨーク８は第２のコイル４によって励磁される。第１の回転ヨーク７の磁極部および第２の回転ヨーク８の磁極部が対向してマグネット１を挟む位置に、固定ヨーク６は配置される。また、固定ヨーク６の、マグネット１を挟んで第１の回転ヨーク７と対向する部分は、第１のコイル２によって第１の回転ヨーク７の磁極部と反対の極性に励磁され、第１の内側磁極部として機能する。同様に、固定ヨーク６の、マグネット１を挟んで第２の回転ヨーク８と対向する部分は、第２のコイル４によって第２の回転ヨーク８の磁極部と反対の極性に励磁され、第２の内側磁極部として機能する。

第１のコイル２により発生する磁束は、マグネット１の外周面に対向する第１の回転ヨーク７の第１の磁極部と、マグネット１の内周面に固定され、第１の内側磁極部を構成する固定ヨーク６との間を通過するので、マグネット１に効果的に作用する。その際、固定ヨーク６とマグネット１の内周面との間に空隙を設ける必要がない。

同様に、第２のコイル４により発生する磁束は、マグネット１の外周面に対向する第２の回転ヨーク８の第２の磁極部と、マグネット１の内周面に固定され、第２の内側磁極部を構成する固定ヨーク６との間を通過するので、マグネット１に効果的に作用する。その際、固定ヨーク６の外周面とマグネット１の内周面との間に空隙を設ける必要がない。このように、外側磁極部と内側磁極部の距離を短くすることができ、特許文献２に記載された従来例に比べ、磁気抵抗を減少させ、トルク出力を高めることができる。

また、固定ヨーク６の片方の端面に磁束伝達部６２を、第１の回転ヨーク７に磁束伝達部７３を設けることにより、マグネット１の外径をＤｏ、内径をＤｉとし、ロータの内径の最大値をＤｒ１、内径の最小値をＤｒ２とし、ステータの外径の最大値をＤｓ１、外径の最小値をＤｓ２とすると、Ｄｒ１≧Ｄｏ、Ｄｉ＜Ｄｒ２＜Ｄｏであり、Ｄｓ２≦Ｄｉ、Ｄｉ＜Ｄｓ１＜Ｄｒ１の関係を有する。これにより、ロータとステータを別々に組み立てた後、ステータにロータを外挿することで、モータを完成でき、組立性に優れたモータを実現することができる。

ここで、モータのトルクを上げるためには、固定ヨークと回転ヨークの間に大きな磁束を流す必要がある。その結果、固定ヨークと回転ヨークの間には大きな磁力が働く。このとき、固定ヨークと回転ヨークが接触すると、接触点において大きな摩擦力が発生してしまう。この対策として、本実施形態では、第１のボビン３および第２のボビン５で軸受け部を構成し、固定ヨークと回転ヨークの間に常に僅かな空隙を存在させることで、ロータの滑らかな回転を可能にしている。尚、第１のボビン３および第２のボビン５は、請求項５の中間部材に相当する。

しかし、固定ヨークと回転ヨークの間の空隙は、磁気抵抗の増大を招くので、なるべく小さくすることが望ましい。本実施形態では、磁束伝達部を軸方向に延ばし、固定ヨークと回転ヨークとの対向面積を増やすことによって、固定ヨークと回転ヨークの間に磁束が流れ易くなるようにしている。また、固定ヨークおよび回転ヨーク間の空隙に、磁性流体を注入することにより、摺動性の向上と磁気抵抗の低減を図ることも有効である。

尚、本実施形態では、ステータに固定されたボビンを中間部材として利用したが、ロータ（例えば、連結部材９）に中間部材を固定して軸受け部としてもよい。あるいは、固定ヨークで回転ヨークを回転自在に直接支持し、固定ヨークと回転ヨークを接触させることで、磁気抵抗の低減を図ってもよい。

この場合、固定ヨーク、回転ヨークそれぞれの摺動面に潤滑材の塗布（潤滑性オイル、磁性流体など）、潤滑塗装（フッ素系潤滑塗装、グラファイト系潤滑塗装、二流化モリブデン系潤滑塗装など）、潤滑めっき（ポリテトラフルオロエチレン粒子を含有した無電解ニッケルめっき、テフロン（登録商標）潤滑無電解ニッケルめっきなど）などを施すことにより、摺動面の摩擦によるトルク損失を抑制し、摺動面の耐久性を損なうことを防ぎ、出力トルクを向上させることも可能である。あるいは、磁性材料からなるベアリング部材を用いて、ステータに対し、ロータを回転自在に支持することにより、ロータの摺動性を向上させつつ、磁気抵抗の増大を避けることも可能である。

また、本実施形態では、ロータは最外層に位置するので、従来例のように、出力ピンを立てる必要がなく、出力を取り出すことが容易である。また、モータの被駆動部材が、プラスチックモールド製のレンズ鏡筒のように、非磁性の円筒形状である場合、被駆動部材を連結部材として用いることができ、従来に比べ、より一層径方向に薄い（径の小さい）モータを実現することができる。

また、ロータを支える２つの軸受け部間の距離をほぼモータの軸方向距離と同じだけ離すことが可能である。これは、特許文献２に記載された従来例のように、軸受け部間の距離がほぼマグネットの高さだけ離れている場合に比べて有利であるので、ロータの回転軸がステータに対して傾くことが少なく、よりロスの少ない回転が可能となる。

また、マグネット１は、ロータ側の固定ヨークに固定されて回転しないので、振動や衝撃にさらされることは少なく、また内側が固定されるので、機械的強度も増す。これにより、従来に比べ、薄いマグネットを用いることができる。

さらに、マグネットおよびコイルはステータ側に固定されるので、コイルとマグネットを軸方向に密着させることができる。これにより、従来例に比べ、マグネットと第１のコイル、マグネットと第２のコイルの間に存在した２つの空隙の分だけ軸方向に短くでき、磁束をより有効に使うことができる。

さらに、従来では、ステータは「コ」の字型の断面を有する形状しており、内側磁極部と外側磁極部を一体的に構成しなければならなかった。このようなステータは、例えばメタルインジェクションモールドにより成形可能であるが、コスト高となってしまう。一方、本実施形態のステッピングモータでは、筒状の固定ヨーク、略筒状の第１および第２の回転ヨークなど、単純な部材で構成されるので、板材を円筒状に折り曲げて製作でき、加工が低コストで済む。

［第２の実施形態］
前記第１の実施形態では、最外層にロータが配置されたステッピングモータを示したが、第２の実施形態では、最内層にロータが配置されたステッピングモータを示す。図７は第２の実施形態におけるステッピングモータの構成部品を示す分解斜視図である。図８は組み立て後のステッピングモータの構造を示す断面図である。図８では、軸の中心を通るように断面が描かれている。また、前記第１の実施形態と同一の構成部品については、同一の符号が付されている。第２の実施形態のステッピングモータは、マグネット１１、第１のコイル２、第２のコイル４、第１の固定ヨーク１７、第２の固定ヨーク１６、第１の回転ヨーク１８、第２の回転ヨーク１９および連結部材２０から主に構成される。

マグネット１１は、中空円筒形状を有しており、その内周表面を円周方向にＮ分割してＳ極およびＮ極が交互に着磁された着磁部を有する。本実施形態では、Ｎ＝２０に分割されている。マグネット１の外周面は、内周面に比べて弱い着磁分布を持つか、全く着磁されていないか、あるいは内周面と逆の極性に着磁されているかのいずれかとなっている。また、マグネットを小径化していくと、内周側の面を着磁することが困難になってくる。この場合、シート状のマグネットを着磁した後にリング状に丸める方法、円弧状のマグネットを着磁した後に複数組み合わせる方法などにより、磁力の強いリング状のマグネットを製作することができる。

第１の固定ヨーク１７は、軟磁性材料からなり、一体に形成された磁極部１６１、天板１６２および磁束伝達部１６３から構成される。磁極部１６１は、中空円筒形状を有しており、その内径はマグネット１１の外径とほぼ同じである。磁束伝達部１６３は、中空円筒形状を有しており、その内径は第１の回転ヨーク１８の外径とほぼ同じである。また、第２の固定ヨーク１６は、軟磁性材料からなり、第１の固定ヨーク１７と同じ形状を有する。本実施形態のステータは、第１および第２のコイル、第１および第２の固定ヨークでマグネット１１を挟み込み、これらが同心となるように固定することで構成される。

第１の回転ヨーク１８は、軟磁性材料からなる内筒１８１で構成されている。第１の固定ヨーク１８の内筒１８１は、その先端部に第１の磁極部１８１−１，１８１−２，…１８１−Ｎ／２を有する。第１の磁極部１８１−１，１８１−２，…１８１−Ｎ／２は、円筒形状の一部を切り欠き、マグネット１１の着磁面に対向し、マグネット１１の中心軸方向に延設された、いわゆる櫛歯状に形成されている。第１の磁極部の櫛歯の数は、１本ないしＮ／２本である。本実施形態では、１０本であり、円周方向に１８０／Ｎ°の間隔をおき、所定の歯幅で形成されている。また、第２の回転ヨーク１９は、軟磁性材料からなり、第１の回転ヨーク１８と同じ形状を有する。

連結部材２０は、非磁性材料からなる中空円筒形状を有しており、その外径は第１および第２の回転ヨークの外径とほぼ同じ寸法である。また、連結部材２０の外周面には、第１の回転ヨーク位置決め部２０ａ、および第２の回転ヨーク位置決め部２０ｂが設けられている。第１の回転ヨーク位置決め部２０ａは、第１の回転ヨーク１８の第１の磁極部１８１−１とほぼ同じ幅の溝からなり、その数は第１の磁極部の数と同じである。第２の回転ヨーク位置決め部２０ｂは、第２の回転ヨーク１９の第２の磁極部１９１−１とほぼ同じ幅の溝からなり、その数は第２の磁極部の数と同じである。

そして、連結部材２０の第１の回転ヨーク位置決め部２０ａに第１の回転ヨーク１８を嵌合させ、第２の回転ヨーク位置決め部２０ｂに第２の回転ヨーク１９を嵌合させることにより、第１の回転ヨーク１８と第２の回転ヨーク１９は、同軸上の所定の位置に所定の位相で配置される。本実施形態のロータは、このように配置された、第１の回転ヨーク１８、連結部材２０および第２の回転ヨーク１９から構成される。また、連結部材２０は、非磁性材料からできているので、第１の回転ヨーク１８および第２の回転ヨーク１９間の磁気回路は分断され、互いの磁極の影響が出にくくなる。

このように、第２の実施形態によれば、最内層にロータが配置されているので、外側を固定して内側を回転させるもの、例えばレンズ鏡筒のカム筒等に利用することが好適である。この際、非磁性材料であるカム筒を連結部材として用いることにより、鏡筒全体として、径方向に薄い（径の短い）ものにすることができる。

ここで、回転ヨークとマグネットを比べると、一般的に回転ヨークの方が径方向に薄い。また、回転ヨークに用いられる電磁ステンレス、電磁軟鉄などの軟磁性材料の比重と、マグネットに用いられるネオジウム−鉄−ボロンやサマリウム−コバルトなどの希土類の比重は、ほぼ同程度である。したがって、本実施形態のように、回転ヨークをロータとすることで、ロータのイナーシャが小さいモータを実現することができる。

また、本実施形態のように、固定ヨークを２つの部品に分けることによって、第１のコイルが作り出す磁気回路と第２のコイルが作り出す磁気回路との干渉を防ぐことができる。また、第１および第２の固定ヨーク、第１および第２の回転ヨークをそれぞれ同じ形状で構成できるので、低コスト化を図ることができる。すなわち、第１の実施形態に比べ、部品点数は１点増えるものの、部品の種類は１種類減らすことができる。

尚、本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、特許請求の範囲で示した機能、または本実施形態の構成が持つ機能が達成できる構成であればどのようなものであっても適用可能である。

例えば、上記実施形態では、固定ヨークを固定側、回転ヨークを回転側に設定したが、用途によっては、固定ヨークを回転側、回転ヨークを固定側に利用してもよい。

第１の実施形態におけるステッピングモータの構成部品を示す分解斜視図である。組み立て後のステッピングモータの構造を示す断面図である。ステッピングモータの回転時における第１の回転ヨーク７および第２の回転ヨーク８の磁極部の極性および回転位置を示す図である。ステッピングモータの回転時における第１の回転ヨーク７および第２の回転ヨーク８の磁極部の極性および回転位置を示す図である。ステッピングモータの回転時における第１の回転ヨーク７および第２の回転ヨーク８の磁極部の極性および回転位置を示す図である。ステッピングモータの回転時における第１の回転ヨーク７および第２の回転ヨーク８の磁極部の極性および回転位置を示す図である。第２の実施形態におけるステッピングモータの構成部品を示す分解斜視図である。組み立て後のステッピングモータの構造を示す断面図である。従来のステッピングモータの構成部品を示す分解斜視図である。組み立て後のステッピングモータの構造を示す断面図である。径方向における光量調節装置、開口部およびモータの関係を示す図である。他の従来のステッピングモータの構成部品を示す分解斜視図である。組み立て後のステッピングモータの構造を示す図である。

符号の説明

１、１１マグネット
２第１のコイル
４第２のコイル
６固定ヨーク
７第１の回転ヨーク
８第２の回転ヨーク
３１、５１軸受け部
７１−１、…、７１−１０第１の磁極部
８１−１、…、８１−１０第２の磁極部

Claims

中空円筒形状を有し、前記中空円筒形状の外周面を周方向に分割して異なる極性に交互に着磁されるマグネットと、
第１のコイルが巻回されるとともに第１の軸受け部が形成され、前記マグネットの軸方向の一方側に配置される第１のボビンと、
第２のコイルが巻回されるとともに第２の軸受け部が形成され、前記マグネットの軸方向の他方側に配置される第２のボビンと、
軟磁性材で形成されるものであって、中空円筒形状を有し、前記第１のボビンと前記第２のボビンと前記マグネットとが前記中空円筒形状の外周面に固定される固定ヨークと、
軟磁性材で形成されるものであって、櫛歯状に形成した第１の磁極部が前記マグネットの一方側および前記第１のボビンの外側で、前記マグネットの一方側および前記第１のボビンに対して向かい合うように配置され、前記第１の軸受け部によって前記マグネットおよび前記第１のボビンに対して回転可能に支持される第１の回転ヨークと、
軟磁性材で形成されるものであって、櫛歯状に形成した第２の磁極部が前記マグネットの他方側および前記第２のボビンの外側で、前記マグネットの他方側および前記第２のボビンに対して向かい合うように配置され、前記第２の軸受け部によって前記マグネットおよび前記第２のボビンに対して回転可能に支持される第２の回転ヨークと、
非磁性材で形成されるものであって、前記マグネットの外側で、前記マグネットに対して向かい合うように配置されるとともに、前記第１の磁極部と第２の磁極部と係合して、前記第１の回転ヨークおよび前記第２の回転ヨークと一体となって、前記第１のボビンと前記第２のボビンと前記マグネットに対して回転可能に支持される連結部材とを有することを特徴とするステッピングモータ。
中空円筒形状を有し、前記中空円筒形状の内周面を周方向に分割して異なる極性に交互に着磁されるマグネットと、
前記マグネットの軸方向の一方側に配置される第１のコイルと、
前記マグネットの軸方向の他方側に配置される第２のコイルと、
軟磁性材で形成されるものであって、中空円筒形状を有し、前記中空円筒形状の内周面に前記第１のコイルと前記マグネットの一方側を固定する第１の固定ヨークと、
軟磁性材で形成されるものであって、中空円筒形状を有し、前記中空円筒形状の内周面に前記第２のコイルと前記マグネットの他方側を固定する第２の固定ヨークと、
軟磁性材で形成されるものであって、櫛歯状に形成した第１の磁極部が前記マグネットの一方側および前記第１のコイルの内側で、前記マグネットの一方側および前記第１のコイルに対して向かい合うように配置され、前記マグネットおよび前記第１のコイルに対して回転可能に支持される第１の回転ヨークと、
軟磁性材で形成されるものであって、櫛歯状に形成した第２の磁極部が前記マグネットの他方側および前記第２のコイルの内側で、前記マグネットの他方側および前記第２のコイルに対して向かい合うように配置され、前記マグネットおよび前記第２のコイルに対して回転可能に支持される第２の回転ヨークと、
非磁性材で形成されるものであって、前記マグネットの内側で、前記マグネットに対して向かい合うように配置されるとともに、前記第１の磁極部と第２の磁極部と係合して、前記第１の回転ヨークおよび前記第２の回転ヨークと一体となって、前記第１のコイルと前記第２のコイルと前記マグネットに対して回転可能に支持される連結部材とを有することを特徴とするステッピングモータ。