JP4505050B2

JP4505050B2 - ステップモータ

Info

Publication number: JP4505050B2
Application number: JP2001220905A
Authority: JP
Inventors: 孝一小林
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2021-07-23
Also published as: JP2003032991A; US20030048033A1; US6714733B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カメラなど小型製品の駆動源に使用するステップモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、カメラなどの小型機器に組み込まれるステップモータは、電源に電池が使用される為、高効率で消費電流が少なく、しかも小型なものが望まれる。従来からこの様な小型ステップモータとして、例えば特開昭５５−１２２４７１号公報に開示されたものが知られている。従来のステップモータは、中央に回転可能なロータが配され、これと対向する位置に各々コイルを備えたステータを左右に配置している。この構成のステップモータでは、ロータとして四極に着磁されたマグネットを用いている。一般に行なわれている二相励磁駆動では、１パルス当りの回転角度は４５度となっている。即ち、パルスに応答して間欠的に回転を繰り返す動作を行なっており、回転と回転の間には停止状態が入ることになる。四極着磁構成のステップモータを二相励磁駆動する場合、停止状態は非安定位相と安定位相が交互に存在する特徴を有している。非安定位相では、左右のステータに巻回されたコイルへそれぞれ通電を行なう状態で停止状態を保つ。換言すると、安定状態を維持する為に通電が必要なので、非安定位相と呼ばれる。これに対し、安定位相では、コイルに対する通電を遮断してもロータとステータ間の磁気的な均衡により停止状態を保つことができる。
【０００３】
係る特徴を有するステップモータは、例えばカメラのレンズ鏡筒の駆動源として使用される。ステップモータの回転量に応じてレンズ鏡筒の繰り出し量を制御し、もって自動焦点合わせやズーミングなどを行なう構成である。ステップモータの停止位置に応じて、レンズ鏡筒の繰り出し量の制御を行なう場合、停止状態に非安定位相と安定位相が含まれるステップモータでは、その駆動制御方法に制約が生じていた。即ち、レンズ鏡筒の繰り出し完了後にステップモータへの通電を遮断する構成とした場合、ステップモータが磁気的に安定する停止状態のみを使用することになる。この場合、非安定位相は使えないので安定位相を選択する必要があり、結局２パルス毎の停止制御が必要となる。逆に、非安定位相と安定位相の両方を停止制御に使う場合、１パルス毎に停止可能なのでレンズ繰り出し量の分解能は向上するが、レンズ鏡筒の繰り出し完了後もステータのコイルへ通電する必要があり、その分消費電力の増加につながる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した制約を解消する手段として、補極を利用した構成が知られており、例えば実開昭６０−１４１６８３号公報に開示されている。ロータに対向し且つ左右のステータの間に補極を配備し、これにより非安定位相での停止状態を磁気的に安定化させるものである。即ち、通電を維持しなければ安定とはならない状態を、補極により磁気的に安定化させる手段である。しかしながら、従来の停止状態安定化構成は、単一の補極を利用していた。この補極の磁気的な効果が強過ぎると、逆に安定位相での停止状態に悪影響を及ぼし不安定化してしまう。即ち、補極の存在が安定位相におけるロータとステータ間の磁気的な均衡を崩してしまう。逆に、補極の磁気的な効果が弱いと、通電を遮断した際に非安定位相を安定化することが不十分となり、結局停止位置が変動する恐れがある。以上の様に、従来の単一補極構成では補極の磁気的な効果を最適に設定することが困難であり、ロータの停止状態を安定化するには不十分であった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明はステップモータの停止状態をより安定化することを目的とする。係る目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち、本発明は、回転可能に支持され且つ四極に着磁された磁極を有するマグネットからなるロータと、該マグネットに対向配置した一対の対向極を有し且つコイルが巻回された第一のステータと、該マグネットに対向配置した一対の対向極を有し且つコイルが巻回されているとともに、該ロータを間にして該第一のステータと反対側に位置する第二のステータとからなるステップモータにおいて、該第一のステータと第二のステータの中間に位置し且つ該ロータに対向する一対の補極を有する磁性部材を備えており、前記一対の補極は、該マグネットの一磁極が占める角度範囲の半分に相当する角度だけ互いに離間しており、該補極の各々は隣接する異なった磁極又は同一磁極に対向するようにしたことを特徴とする。好ましくは、前記磁性部材は、磁性体金属材料により一体加工されており、該ロータの回転軸を基準にして取り付けられている。又該コイルに対する通電を遮断したとき、該ロータは第一の停止位置と第二の停止位置を有し、該ロータが第一の停止位置にあるとき、該補極の各々は該ロータの互いに隣接する異なった磁極に対向し、該ロータが第二の停止位置にあるとき、該補極の各々は該ロータの同一磁極に対向する。
【０００６】
本発明によれば、ロータのマグネットに対向させる補極を二脚形態としている。換言すると、単一の補極ではなく一対の補極を用いている。二脚の補極の角度関係をマグネットの一磁極が占める角度範囲の半分とすることにより、補極の磁気的な効果は、安定位相及び非安定位相の何れにおいても有効に作用し、コイル無通電でも停止が可能となり、従来よりも優れた停止安定性を得ることが可能になる。補極を二脚形態とすることで、ロータマグネットの停止精度は安定化し、非安定位相及び安定位相何れにおいても、ステータコイルへの通電を遮断してもロータマグネットの位置がずれることはなく安定化が図れる。この結果、従来は回転動作後に通電遮断する駆動方式では、２パルス毎の停止が必要であったものが、１パルス毎で停止制御を行なうことが可能となり、作動時間を短縮化し、あるいは停止分解能を高めることが可能となる。又、1パルス毎で常に停止位置を保持する為に通電を行なっていた従来方法に対しては、二脚構成の方法を用いることで通電保持が不要となり非安定位相でもコイルに対する通電を遮断可能となる。この為、消費電力を低減化することができる。
【０００７】
【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詳細に説明する。図１は本発明に係るステップモータの全体構成を示す部分分解斜視図である。図示する様に、本ステップモータはロータ１と二個のステータ２，４とで構成されており、基板０の上に組み付けられている。ロータ１は基板０に植設された回転軸１ｚにより回転可能に支持され、且つＮ，Ｓ，Ｎ，Ｓの四極に着磁された磁極を有するマグネット１ｍで構成されている。尚、マグネット１ｍの上部にはロータ１の回転力を外部に取り出す為のピニオン１ｐも同軸で取り付けられている。一方、第一のステータ２は、マグネット１ｍに対向配置した一対の対向極２ａ，２ｂを有し、且つコイル３が巻回されている。第二のステータ４は、同じくマグネット１ｍに対向配置した一対の対向極４ａ，４ｂを有し且つコイル５が巻回されているとともに、ロータ１を間にして第一のステータ２と反対側に位置している。
【０００８】
特徴事項として、一対の補極３０，３１を有する二脚構成の磁性部材６が基板０に組み込まれている。一対の補極３０，３１は、第一のステータ２と第二のステータ４の中間に位置し且つロータ１に対向している。一対の補極３０，３１は、マグネット１ｍの一磁極が占める角度範囲（９０度）の半分に相当する角度（４５度）だけ互いに離間している。磁性部材６は磁性体金属材料により一体加工されており、ロータ１の回転軸１ｚを基準にして基板０に取り付けられている。
【０００９】
図２は、図１に示したステップモータの模式的な平面図である。但し、補極は除いた基本的構成のみを表わしてある。（１）は安定位相における停止状態を示し、（２）は非安定位相における停止状態を表わしている。図示する様に、ロータ１のマグネットは四極に着磁されている。ロータ１の右側に位置する第一のステータ２は、一対の対向極２ａ，２ｂを有するとともに、コイル３が巻回されている。コイル３の一対の端子をＡ，ＡＸで表わしてある。一対の対向極２ａ，２ｂは、ロータ１のマグネットの一磁極が占める角度分、互いに離間している。ステータ１の左側に位置する第二のステータ４は、第一のステータ２と反対側で対称的な関係にあり、一対の対向極４ａ，４ｂを有するとともにコイル５が巻回されている。コイル５の端子はＢ，ＢＸで表わされている。一対の対向極４ａ，４ｂは、ロータ１のマグネットの一磁極が占める角度分、互いに離間している。そして、ステータ２側の対向極２ｂとステータ４側の対向極４ｂは、ロータ１のマグネットの一磁極が占める角度の半分に相当する角度だけ互いに離間している。
ロータ１は回転軸１ｚを回転中心として構成されており、（１）に示した停止状態においては、ロータ１は右側のステータ２と左側のステータ４との間に位置して、磁気的な均衡が保たれ、安定位相となっている。即ち、コイル３，５に通電することなく、図示のロータの停止位置を保持できる。
【００１０】
（１）に示した状態で、コイル３，５に通電を行ない、ステータ２，４を励磁させる。この結果、対向極２ａはＮ極に励磁し、対向極２ｂはＳ極に励磁する。
又ステータ４側の対向極４ａはＳ極に励磁し、対向極４ｂはＮ極に励磁する。この場合、ロータマグネットの四極着磁された各磁極と、ステータの四つの対向極とが互いに吸引し合う。従って、通電開始後も図示の停止位置関係を保っている。
【００１１】
次に、コイル３の通電を逆方向にすると、ステータ２側の対向極２ａはＳ極に切り換わり、対向極２ｂはＮ極に切り換わる。これにより、ロータ１との間では吸引状態から反発状態となり、反対側のステータ４の対向極との間で磁気的なバランスが取れる状態に、ロータ１が４５度反時計方向に回転して、（２）の状態に至って停止する。（２）に示した停止状態から引続き回転を継続させる為には、コイル５に対する通電を逆にすればよい。更にこの後コイル３に対する通電を逆にすれば、回転が間欠的に持続する。この様に、交互にコイル３，５に対する通電を逆転させることで、４５度単位でのステップ回転が継続される。
【００１２】
（１）に示した状態では、ロータマグネットの四極とステータ２，４の四つの対向極はそれぞれ、Ｓ／Ｎが対面する位置にあり、磁気的な安定状態となっている。この場合には、コイル３，５に対する通電を遮断しても停止位置を保持でき、安定位相と呼ばれている。これに対し、（２）に示した状態は、前述した様に（１）に示した状態から１ステップ分ロータ１が回転した位置を示しており、磁気的にはロータ１とステータ２，４間で一応バランスが成立した状態である。しかしながら、部品精度やロータマグネットとステータ対向極との間隔差などにより、バランスを崩し易い状態である。外的な要因などで磁気的なバランスが崩れると、（２）に示した状態は容易に（１）に示した状態に移行する。その為、（２）に示した停止状態は非安定位相と呼ばれている。
【００１３】
図３を参照して、図２に示したステップモータの回転動作を詳細に説明する。
まず期間Ｔ１では、コイル３の端子ＡをＨレベルの電位とし、端子ＡＸをＬレベルの電位とする。又、コイル５側の端子ＢをＨレベルとし端子ＢＸをＬレベルとする。これにより、ステータ２の対向極２ａはＮ極となり、対向極２ｂはＳ極となる。又ステータ４の対向極４ａはＳ極となり対向極４ｂはＮ極となる。これは、図２の（１）に示した状態であり、ロータ１と左右のステータ２，４との間で磁気的な吸引力が作用し、安定した状態にある。この状態から次の期間Ｔ２で、コイル３の端子ＡをＬレベルとし端子ＡＸをＨレベルとなる様に切り換える。他方のコイル５に対する通電極性はそのまま維持する。これにより、ステータ２の一方の対向極２ａはＳ極となり、他方の対向極２ｂはＮ極となり、ロータ１との間で反発力が生じ、反時計方向に１ステップ分４５度だけ回転する。この状態が図２の（２）に示されている。この後期間Ｔ３で更に１ステップ分回転させる為に、コイル３に対する通電極性は維持したまま、コイル５に対する通電極性を切り換える。即ち端子ＢをＬレベルとし端子ＢＸをＨレベルにする。この後期間Ｔ４で更に１ステップ分回転させる為には、コイル３側の通電極性を切り換える。続く期間Ｔ５ではコイル５側の通電極性を切り換えることにより、更に１ステップ分回転する。この様にすると期間Ｔ５では結局４ステップ分回転したこととなり、コイル３，５に対する通電極性は期間Ｔ１と同様の状態に戻る。以下、この二相励磁駆動を繰り返すことで４５度ずつロータは回転していく。
【００１４】
図４は、ステップモータの参考例を示す模式図であって、理解を容易にする為図２に示した構成と対応する部分には対応する参照番号を付してある。この参考例では、ロータ１の停止位置の安定化を図る為、単一の補極２０を設けている。補極２０はロータ１に対面し且つ一対のステータ２，４の間に配されている。しかしながら、この補極２０はロータ１の回転動作を円滑にすることが主目的であり、通電遮断時の停止位置を安定させるには不向きである。即ち、（１）に示す安定位相の停止状態では、単一の補極２０は丁度ロータマグネットの一方の着磁極Ｎと他方の着磁極Ｓの境界に位置し、磁気的には不安定要因となる。即ち部品の加工精度などによりどちらかの極へ引き込まれ易い状態となってしまい、結果的に（２）に示す状態に移行し易い。換言すると、単一の補極２０を設けると、逆に（２）に示した停止状態が磁気的には安定位相となってしまう。又、この様な不具合が発生しない様に、補極２０とロータ１のマグネットとの間隔などを最適に設定したとしても、（２）の状態で最適となる保証はなく、停止状態（２）が停止状態（１）に移行してしまう可能性が生じる。
【００１５】
図５は、図１に示した本発明に係るステップモータの模式的な平面図である。
理解を容易にする為、図２及び図４に示した構成と対応する部分には対応する参照番号を付してある。前述した様に、本発明では、ロータ１のマグネットと対向する様に、一対の補極３０，３１を設置している。一対の補極３０，３１の角度関係は、図示の通り概略４５度とする。この状態において、一方の補極３０はロータマグネットのＮ極と引き合い、他方の補極３１は同じくロータマグネットのＳ極と引き合う関係で安定している。従って、本来安定位相である停止状態（１）をより安定化させることができる。
【００１６】
停止状態（１）から１ステップ分回転させた後の停止状態が（２）である。この停止状態では、補極３０，３１は何れもロータ１のマグネットのＳ極と引き合う関係となっている。この為、元々非安定位相であったロータマグネットの停止状態を、この二本の補極３０，３１で安定化させることが可能となり、コイルに対する通電遮断が実現できる。この二本の補極３０，３１は、停止状態（１）及び（２）の何れにおいても、補極３０，３１にてロータ１の位置を磁気的に安定させる効果がある。この為、非安定位相における安定化を重点に一対の補極の位置関係を決定しても、安定位相に影響を与えることはない。従って、安定位相及び非安定位相の停止位置を何れも安定的に確保することが可能である。しかも、非安定位相において通電を遮断しても停止位置は変化しない。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、第一のステータと第二のステータの中間に位置し且つロータに対向する一対の補極を設けている。これにより、１ステップ毎の停止においてもコイルに対する通電遮断が可能であり、しかも停止位置精度を損なうことがない。この為、従来に比し作動時間の短縮化及び分解能の向上が可能となり、更に通電遮断が可能な為消費電力を低減させることができる。尚、実施形態では一対の補極を共通の磁性部材で形成しているが、本発明はこれに限られるものではない。一対の補極をそれぞれ別の磁性部材で形成してもよい。
又、本発明の実施形態では、一対の補極の角度間隔を概略４５度に設定しているが、本発明はこれに限られるものではない。図５に示したロータと補極との間の位置関係が成立する範囲において、一対の補極の角度間隔を適宜設定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るステップモータの模式的な分解斜視図である。
【図２】図１に示したステップモータの基本構成を示す平面図である。
【図３】図２に示したステップモータの動作説明に供する波形図である。
【図４】ステップモータの参考例を示す平面図である。
【図５】図１に示した本発明に係るステップモータの模式的な平面図である。
【符号の説明】
０・・・基板、１・・・ロータ、１ｍ・・・マグネット、１ｚ・・・回転軸、２・・・ステータ、２ａ・・・対向極、２ｂ・・・対向極、３・・・コイル、４・・・ステータ、４ａ・・・対向極、４ａ・・・対向極、５・・・コイル、６・・・磁性部材、３０・・・補極、３１・・・補極

Claims

回転可能に支持され且つ四極に着磁された磁極を有するマグネットからなるロータと、
該マグネットに対向配置した一対の対向極を有し且つコイルが巻回された第一のステータと、
該マグネットに対向配置した一対の対向極を有し且つコイルが巻回されているとともに、該ロータを間にして該第一のステータと反対側に位置する第二のステータとからなるステップモータにおいて、
該第一のステータと第二のステータの中間に位置し且つ該ロータに対向する一対の補極を有する磁性部材を備えており、
前記一対の補極は、該マグネットの一磁極が占める角度範囲の半分に相当する角度だけ互いに離間しており、
該補極の各々は隣接する異なった磁極又は同一磁極に対向するようにしたことを特徴とするステップモータ。
前記磁性部材は、磁性体金属材料により一体加工されており、該ロータの回転軸を基準にして取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のステップモータ。
該コイルに対する通電を遮断したとき、該ロータは第一の停止位置と第二の停止位置を有し、
該ロータが第一の停止位置にあるとき、該補極の各々は該ロータの互いに隣接する異なった磁極に対向し、
該ロータが第二の停止位置にあるとき、該補極の各々は該ロータの同一磁極に対向することを特徴とする請求項１記載のステップモータ。