JP4748649B2 - 駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ステッピングモータに適用される駆動装置に関する。
従来から、様々な機構の駆動源として使用されるステッピングモータに関する各種提案が行われている。ステッピングモータの第1の従来例として、回転軸を中心とする直径を小さくし且つ出力を高めたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
図10は、第1の従来例に係るステッピングモータの構成を示す分解斜視図であり、図11は、図10のステッピングモータを組み立てた状態における内部構造を示す縦断面図である。
図10及び図11において、第1の従来例に係る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、連結リング207を備えている。
第1のステータ204及び第2のステータ205は、軟磁性材料から形成され、ステッピングモータの軸方向に所定の間隔を置いて互いに対向する状態に配置される。連結リング207は、非磁性材料から形成され、第1のステータ204と第2のステータ205を所定の間隔で保持する。出力軸206は、第1のステータ204の軸受部204E及び第2のステータ205の軸受部205Eに回転自在に支持されている。ロータ201は、出力軸206に固着され、円周方向に4分割して異なる極に交互に着磁されたマグネット(永久磁石)から構成されている。
第1のステータ204は、先端部が櫛歯形状を有すると共に、ロータ201の外周面に所定の隙間をあけて対向する第1の外側磁極部204A、204Bと、ロータ201の内周面に所定の隙間をあけて対向する第1の内側磁極部204C、204Dとを備える。第2のステータ205は、ロータ201の外周面に所定の隙間をあけて対向する第2の外側磁極部205A、205Bと、ロータ201の内周面に所定の隙間をあけて対向する第2の内側磁極部205C、205Dとを備える。
第1の内側磁極部204C、204Dには、ロータ201に対しモータ軸方向に隣接して、第1のステータ204を励磁する第1のコイル202が巻回されている。第2の内側磁極部205C、205Dには、ロータ201に対しモータ軸方向に隣接して、第2のステータ205を励磁する第2のコイル203が巻回されている。
ステッピングモータのロータ201を回転させる場合は次のように行う。第1のコイル202、第2のコイル203への通電方向を切り換えることで、第1の外側磁極部204A、204B、第1の内側磁極部204C、204D、第2の外側磁極部205A、205B、第2の内側磁極部205C、205Dの各極性を切り換える。これにより、ロータ201を回転させる。
上記構成のステッピングモータは、第1及び第2のコイル202、203に通電することにより発生した磁束が外側磁極部から対向する内側磁極部へ、または内側磁極部から対向する外側磁極部へと流れる。これに伴い、外側磁極部と内側磁極部の間に位置するロータ201(マグネット)に効率的に作用する。また、外側磁極部と内側磁極部との間隔を円筒形状のロータ201の厚さ程度とすることができるため、外側磁極部と内側磁極部とで構成される磁気回路の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て、出力を向上させることができる。
他方、ステッピングモータの第2の従来例として、PM型ステッピングモータが提案されている(例えば、特許文献2、特許文献3参照)。第2の従来例に係るPM型ステッピングモータは、ステータ部と、ボビン部と、ステータ部の一端面に一方の軸受を挟持する穴部を有するカバー部とが、合成樹脂により一体に形成されたものである。
ステータ部は、2対のステータヨークが同一軸上に配置され、内周が円筒面となっている。ボビン部は、2対のステータヨークの各々の鍔の間にはステータコイルが挟持されるスペースを有する。カバー部は、ステータ部の一端面に回転軸もしくは回転軸を支持する一方の軸受を挟持する軸受嵌合孔が穿設されている。ステータユニットは、カバー部に回転軸と同一方向に引き出された複数個の端子ピンを備える。ロータは、ステータユニットの円筒状部の内側に配設され、回転軸とマグネットとから構成される。外ヨークは、他方の軸受が固定されると共にステータユニットの外周部に嵌合される。該ステッピングモータでは、ステータヨーク内周と軸受内周との同軸度のズレを最小限に押えることが可能となる。
特開平9−331666号公報 特許第3327406号 実開平5−91191号公報
しかしながら、上記第1の従来例に係るステッピングモータは、ロータ(マグネット)の内径とそれに対向する内側磁極部との間には所定の間隔が必要であり、該間隔が形成されるように製造時に管理することはコストの上昇を招く。また、ステータは、円筒形状の内側磁極部と外側磁極部を一体化した形状に構成することが必要であり、内側磁極部及び外側磁極部を一体的に構成するのは部品製造上難しい。
更に、内側磁極部及び外側磁極部を別体で製造し、後で一体的に組み立てる場合は、部品点数が多くなり、コストの上昇をもたらす。また、ステッピングモータの軸方向寸法は、2つのコイルの軸方向長さとマグネットの軸方向長さとステータの厚みで決まるため、ステッピングモータの所定の出力を確保しようとすると、軸方向寸法が長いものとなる。逆に、コイルやマグネット等の軸方向長さを短くすると、ステッピングモータの出力が大幅に低下する。
また、上記第2の従来例に係るステッピングモータは、製造上、ステータ部とボビン部とを一体に形成するための設備であるインサート成形機が必要となる。そのため、設備投資が大掛かりなものとなってしまい、コストにも影響してくる。即ち、ステータ部とボビン部とを一体に形成する構造のステッピングモータは、上記のような設備投資が必要となるため、大量生産を前提とする場合しか成り立たない。
更に、マグネットはコイルを含むステータユニットの内径部に配置されるため、ステッピングモータの外径に対するマグネットの外径は小さなものとなってしまう。ステッピングモータの外径を小型化すると、これに伴いマグネットの外径も小さくなるため、ステッピングモータの出力が大幅に低下する。
本発明の目的は、小型で且つ軸方向の長さが短く、低コストで高出力な駆動装置を実現し、特に、リードスクリュー軸の支持精度を、互いに直接位置決めされるステータとアングルの位置精度だけで決めることを可能とし、リードスクリュー軸に対するラック支持部材の位置精度を向上させ、ボビンの蓋の分だけ駆動装置をリードスクリュー軸の軸方向に小型化することを可能とした駆動装置を提供することにある。
上述の目的を達成するために、本発明の駆動装置は、基部と該基部から軸方向に延出された第1及び第2の外側磁極部を有するステータと、前記第1及び第2の外側磁極部の間に配設され、前記基部に軸方向一端部が回転自在に支持される軟磁性材料からなるロータと、前記ロータの外周部に固定され、周方向に異なる極が交互に着磁されたマグネットと、前記第1及び第2の外側磁極部のそれぞれの先端に固定され、前記ロータの軸方向他端部を回転自在に支持する蓋部材と、前記第1及び第2の外側磁極部が係合され、前記マグネットの外周面を覆うカバー部を有するボビンと、前記軸方向における前記マグネットと前記基部との間で、前記第1及び第2の外側磁極部に、前記ボビンを介してそれぞれ巻回される第1及び第2のコイルと、を備えることを特徴とする。
上述の目的を達成するために、本発明の駆動装置は、基部と前記基部から軸方向に延出された第1の外側磁極部および第2の外側磁極部が形成されるステータと、前記第1の外側磁極部と前記第2の外側磁極部の間に配置され、軟磁性材料からなるロータと、前記基部に軸方向一端部が回転自在に支持され、前記ロータと一体で回転するリードスクリュー軸と、前記ロータの外周部に固定され、周方向に異なる極が交互に着磁されたマグネットと、前記第1の外側磁極部と前記第2の外側磁極部とが係合し、前記マグネットを収容するボビンと、前記軸方向における前記マグネットと前記基部との間で、前記第1の外側磁極部および前記第2の外側磁極部に、前記ボビンを介してそれぞれ巻回される第1のコイルおよび第2のコイルと、前記ボビンに収容された前記マグネットを覆う天板部と前記リードスクリュー軸の軸方向他端部を回転自在に支持する保持部とが一体的に形成されるアングルと、前記リードスクリュー軸に噛合し、前記リードスクリュー軸の回転に伴い軸方向に移動するラックと、前記アングルの前記天板部と前記保持部との間に固定され、前記ラックを回動可能に支持するラック支持部材とを備え、前記アングルの前記天板部には、前記第1の外側磁極部が位置決めされる第1の穴部と前記第2の外側磁極部が位置決めされる第2の穴部とが形成されることを特徴とする
本発明によれば、ステータの第1の外側磁極部および第2の外側磁極部の間に配置したロータの外周部にマグネットを固定する構成のため、マグネットの機械的強度を向上できると共に、ロータに内側磁極部を兼ねさせることができる。これにより、マグネットと内側磁極部との間に隙間を設けることが不要となり、磁気抵抗を低減でき、駆動装置の出力を向上させることができる。
また、ステータの基部がリードスクリュー軸の軸方向一端部を回転自在に支持し、アングルの保持部がリードスクリュー軸の軸方向一端部を回転自在に支持し、保持部と一体的に形成されるアングルの天板部はステータの第1の外側磁極部および第2の外側磁極部が位置決めされているため、リードスクリュー軸の支持精度は、互いに直接位置決めされるステータとアングルの位置精度だけで決めることができる。
また、リードスクリュー軸の支持精度を決めているアングルに一体的に形成されている天板部と保持部との間にラック支持部材が固定されているので、リードスクリュー軸に対するラック支持部材の位置精度が向上する。
さらに、アングルの天板部はボビンに収容されたマグネットを覆う機能を果たすことで、ボビンの蓋の分だけ駆動装置をリードスクリュー軸の軸方向に小型化することができる。
また、駆動装置の外径をマグネットの外径とボビンの厚みで決定可能な構造とし、ステータの第1の外側磁極部および第2の外側磁極部を軸方向に延出した櫛歯形状としているため、駆動装置の外径及び軸方向長さを最小限に抑え、小型化を図ることができる。
また、ボビンは、第1のコイルおよび第2のコイルの両方が巻回されると共に、マグネットを収容しているため、部品点数及びコストを削減することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るステッピングモータの構成を示す分解斜視図であり、図2は、ステッピングモータを組み立てた状態における内部構造を示す縦断面図である。
図1及び図2において、ステッピングモータは、ステータ1、第1の軸受2、第2の軸受11、第1のコイル3、第2のコイル4、ボビン5、マグネット8、コア9、回転軸10、天板12を備えている。
ステータ1は、軟磁性材料により形成されており、第1の外側磁極部1a、第2の外側磁極部1b、平板部1c、穴部1d、突起部1e、1fを備えている。平板部1cは、開き角θ(図3参照)のへの字形をなす板状の部材である。平板部1cの中央には、第1の軸受2が取り付けられる穴部1dが形成されている。第1の外側磁極部1a及び第2の外側磁極部1bは、それぞれ、櫛歯形状を有し、平板部1cの両端部において該平板部1cに対し一体的に単純に曲げられると共に、ロータを構成する回転軸10に対し平行に配置される。突起部1e、1fは、第1の外側磁極部1aの先端と第2の外側磁極部1bの先端とにそれぞれ一体的に設けられている。
ステータ1は、上記第1の従来例におけるステータとは異なり、第1の外側磁極部1aと第2の外側磁極部1bが平板部1cと一体的に構成されている。このため、第1の外側磁極部1aと第2の外側磁極部1bとの相互誤差が少なくなり、組み立てによるステッピングモータの性能のばらつきを最小限に抑えることができる。
第1の軸受2は、軟磁性材料により円筒形状に形成されており、中央部に軸穴部2a、軸方向一方の端部に固定部2bを備えている。第1の軸受2は、軸穴部2aに回転軸10が嵌合し、固定部2bがステータ1の穴部1dに取り付けられることで、回転軸10を回転自在に支持する。
第2の軸受11は、円環形状に形成されており、中央部に軸穴部11aを備えている。第2の軸受11は、軸穴部11aに回転軸10が嵌合することで、回転軸10を回転自在に支持する。
ボビン5は、第1のボビン部5a、第2のボビン部5b、カバー部5c、ダボ5d、5eを備えている。カバー部5cは、ステータ1の第1の外側磁極部1a及び第2の外側磁極部1bが嵌合可能な形状を有する。カバー部5cは、ステータ1の平板部1cの上面に載置され、マグネット8の外周面を覆うと共に、ステッピングモータの外観の一部を構成する。
第1のボビン部5aは、第1のコイル3が巻回されるものであり、カバー部5cに一体的に配設されている。また、第1のボビン部5aは、その内側に、第1の外側磁極部1aの軸方向における平板部1c寄りの部分が嵌合する切り欠き部を有する。第2のボビン部5bは、第2のコイル4が巻回されるものであり、カバー部5cに一体的に配設されている。また、第2のボビン5bは、その内側に、第2の外側磁極部1bの軸方向における平板部1c寄りの部分が嵌合する切り欠き部を有する。
更に、ボビン5のカバー部5cの長手方向両側には、第1のコイル3のコイル端子がからげられる(接続される)2つの端子ピン6(一部不図示)、及び、第2のコイル4のコイル端子がからげられる(接続される)2つの端子ピン7が配設されている。更に、ボビン5のカバー部5cの上面には、天板12の取り付け位置を決めるための2つのダボ5d、5eが配設されている。
第1のコイル3は、軸方向におけるマグネット8とステータ1の平板部1cとの間で、第1の外側磁極部1aの外周側において、第1のボビン部5aに巻回される。第1のコイル3は、両端のコイル端子がボビン5に付設された上記2つの端子ピン6にからげられることで導通状態となる。これにより、第1のコイル3へ通電することにより、ステータ1の第1の外側磁極部1aが励磁される。
第2のコイル4は、軸方向におけるマグネット8とステータ1の平板部1cとの間で、第2の外側磁極部1bの外周側において、第2のボビン部5bに巻回される。第2のコイル4は、両端のコイル端子がボビン5に付設された上記2つの端子ピン7にからげられることで導通状態となる。これにより、第2のコイル4へ通電することにより、ステータ1の第2の外側磁極部1bが励磁される。
第1のコイル3及び第2のコイル4は、ステータ1の平板部1cの上面に隣接して配置され、第1のコイル3及び第2のコイル4の間には、回転軸10及び第1の軸受2が隣接して配置される。これにより、上記第1の従来例のように2つのコイル及びマグネットをモータ軸方向に間隔を置いて配置した構造と比較し、ステッピングモータの軸方向長さを短くすることができる。
マグネット8は、円筒形状に形成されており、コア9が嵌合可能な内径部8aを備えている。マグネット8は、円周方向にN分割(着磁極数:N)(本実施の形態では6分割(着磁極数:6))され、S極とN極が交互に着磁されている(図3参照)。マグネット8の内周面は、外周面に比べ弱い着磁分布を有するか、或いは全く着磁されていないか、或いは外周面と逆の極(外周面がS極の場合はN極)に着磁されている。
コア9は、軟磁性材料により円筒形状に形成されており、回転軸10が嵌合可能な穴部9aを備えている。コア9は、マグネット8の内径部8aに接着等により固定される。マグネット8とコア9とは、互いの軸方向寸法が同一に形成されており、互いの軸方向端面が同一となるように固定される。
回転軸10は、軟磁性材料から形成されており、第1の軸受2の軸穴部2a、コア9の穴部9a、第2の軸受11の軸穴部11aに挿入され固定される。回転軸10は、第1の軸受2及び第2の軸受11により回転自在に支持される。また、回転軸10は、第2の軸受11による支持部分から軸方向外側に突出している先端部に、不図示のギア・レバー・スクリューねじ等の伝達部材を固定することが可能である。これにより、前記伝達部材を介して回転軸10の回転出力を得ることができる。
上記のコア9と回転軸10とによりロータが構成される。ロータは、ステッピングモータの軸方向に関しての位置が、該ロータを構成するコア9が第1の軸受2と第2の軸受11とにより所定の隙間を持って規制されることで、定められる。
なお、本実施の形態では、コア9と回転軸10は別体のものを一体に固定する構成としているが、コア9と回転軸10を一体で形成しても良い。コア9と回転軸10を別体で構成する場合は、回転軸10には強度が強くて耐磨耗性が優れるSUS等の材料を使用し、コア9には磁気効率の良いSUY等の軟磁性材料を使用することが可能となる。他方、コア9と回転軸10を一体で形成する場合は、部品点数の削減によるコストの低減を図ることができると共に、コア9と回転軸10との同軸位置精度を向上させることが可能となる。
天板12は、平板状に形成されており、突起用穴部12a、12b、位置決め用穴部12c、12d、軸受用穴部12eを備えている。突起用穴部12a、12bには、それぞれ、ステータ1の第1の外側磁極部1aの先端に配設された突起部1e、第2の外側磁極部1bの先端に配設された突起部1fが挿入され、レーザ溶接やカシメ等により固定される。位置決め用穴部12c、12dには、それぞれ、ボビン5のダボ5d、5eが嵌合される。これにより、天板12に対するボビン5の取り付け位置が決められる。軸受用穴部12eには、第2の軸受11が挿入され固定される。
本実施の形態では、ステータ1の第1の外側磁極部1aと第2の外側磁極部1bは、マグネット8の外周面に所定の隙間をあけて対向している。そして、コア9における第1の外側磁極部1aに対向する部分と、回転軸10と、第1の軸受2とにより、第1の内側磁極部が形成される。同様に、コア9における第2の外側磁極部1bに対向する部分と、回転軸10と、第1の軸受2とにより、第2の内側磁極部が形成される。
これにより、第1のコイル3へ通電することで、第1の外側磁極部1aと第1の内側磁極部をそれぞれ反対の極に励磁して、その磁極間にマグネット8を横切る磁束を発生させ、磁束を効果的にマグネット8に作用させる。同様に、第2のコイル4へ通電することで、第2の外側磁極部1bと第2の内側磁極部をそれぞれ反対の極に励磁し、その磁極間にマグネット8を横切る磁束を発生させ、磁束を効果的にマグネット8に作用させる。
また、本実施の形態では、マグネット8の内側で内側磁極部を成すコア9とマグネット8の内周部との間に、空隙を設ける必要がなくなるので、第1の外側磁極部1aとコア9との間隔及び第2の外側磁極部1bとコア9との間隔を小さくすることができる。よって、第1のコイル3、第1の外側磁極部1a、及び第1の内側磁極部で形成される磁気回路、及び第2のコイル4、第2の外側磁極部1b、及び第2の内側磁極部で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、ステッピングモータの出力を高めることができる。
また、本実施の形態では、第1の内側磁極部及び第2の内側磁極部を、コア9と回転軸10と第1の軸受2とで構成しているので、ロータが内側磁極部を兼ねることにより、製造コストを低減することができる。更に、ステータ1は、第1の外側磁極部1a及び第2の外側磁極部1bを平板部1cと直交する方向へ単純に折り曲げただけで構成されることから、製造が容易であり、製造コストを低減することができる。
一方、上記第1の従来例では、第1のステータ及び第2のステータは内側磁極部を外側磁極部と一体的に構成しなければならないが、内側磁極部を外側磁極部と同一部品で構成することは製造上難しい。例えばメタルインジェクションモールドにより成型することは可能であるが、コスト高となる。プレスにより一体的に製造することは、外側磁極部のみを構成する部品を製造する場合と比較して部品が小さくなればなるほど困難になる。また、内側磁極部と外側磁極部とを別々に製造してから、カシメや溶接または接着等により一体的に固着する場合も、コストが高くなる。
また、本実施の形態では、図2に示すように、マグネット8は、コア9の外周部に固定されているので、上記第1の従来例のものに比べると、マグネット8の機械的強度が大きい。また、コア9は、マグネット8の内径部に現れるS極とN極との間の磁気抵抗を小さくするいわゆるバックメタルとして作用する。そのため、磁気回路のパーミアンス係数は高く設定されることになり、本ステッピングモータが高温の環境下で使用された場合でも減磁による磁気的劣化も少ない。
また、上記第1の従来例では、マグネットの外径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をマグネットに対して所定の隙間をあけて配置する必要がある。そのため、部品精度のばらつきや組み立て精度が悪い場合に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が高い。
これに対して、本実施の形態では、マグネット8の外径部側のみの隙間を管理するだけでよいので、ステッピングモータを構成する各部品の組み立てが容易になる。
また、上記第1の従来例では、内側磁極部はマグネットと出力軸をつなぐ部分に接触しないように構成しなければならず、内側磁極部とマグネットとが対向する軸方向の長さを十分に長くすることができない。
これに対して、本実施の形態では、ロータが内側磁極部を兼ねているので、内側磁極部とマグネット8とが対向する軸方向の長さを十分長く確保することができる。これにより、ステータ1の第1の外側磁極部1a及び第2の外側磁極部1bとマグネット8を有効に利用することが可能となり、ステッピングモータの出力を高めることができる。
また、本実施の形態では、ステータ1の第1の外側磁極部1a及び第2の外側磁極部1bは、ステッピングモータの軸方向に延びる櫛歯形状であるので、ステッピングモータの最外径(図3のL1)を最小限に抑えることができる。
例えば、外側磁極部をマグネットの半径方向に伸びるステータ板で構成すると、マグネットを平面的な展開にする必要があると共に、半径方向に向かってコイルを巻くことになる。そのため、軸方向の長さは短くてもステッピングモータの最外径は大きなものとなってしまう。
これに対して、本実施の形態では、ステッピングモータの最外径(図3のL1)は、マグネット8の直径と、第1の外側磁極部1a及び第2の外側磁極部1bの厚みと、第1のコイル3及び第2のコイル4の巻き線幅とで決定される。この場合、第1及び第2のコイル3、4の巻き線幅の片側部分(第1の軸受2側の部分)は、径方向でマグネット8と略同じ位置にあるので(図2参照)、ステッピングモータの最外径を最小限に抑えることができる。
また、本実施の形態では、第1の外側磁極部1a及び第2の外側磁極部1bを、モータ軸方向に延出した櫛歯形状に構成している。これにより、第1のコイル3、第2のコイル4、マグネット8、及び、コア9と回転軸10とからなるロータを、すべて一方向(図1の上方向から下方向へ)から組み込むことが可能となり、組み立て作業性がよい。
また、本実施の形態では、ボビン5は、第1のコイル3と第2のコイル4の両方が巻回されると共に、マグネット8の外周面を覆うカバーを兼ねている。そのため、第1及び第2のコイルを別々のボビンに巻回する場合やカバーを別個に設ける場合と比較し、部品点数及びコストを削減することができる。
また、上記第2の従来例では、ステータ部、ボビン部、及び、ステータ部の一端面に一方の軸受を挟持する穴部を有するカバー部とが合成樹脂により一体に形成されており、本実施の形態と同様、カバー部とボビン部とは一体のものではある。しかし、ステータ部、ボビン部、カバー部を一体に形成するためのインサート成形機が必要となり、設備投資が大掛かりなものとなってしまい、コストにも影響してくる。即ち、大量生産を前提とする場合しか成り立たない。
これに対して、本実施の形態では、第1の軸受2はステータ1に固定される構造のため、上記第2の従来例のように、ステータ部を、軸受を挟持する穴部を有するカバー部と一体で形成して、ステータ部に対する軸受の位置精度を高める必要がない。そのため、インサート成形機は必要なく、コストの低減につながる。
また、上記第2の従来例では、マグネットはコイルを含むステータユニットの内径に配置されるため、ステッピングモータの外径に対するマグネットの外径は小さなものとなってしまう。そのため、ステッピングモータの外径を小型化すると出力が大幅に落ちてしまう。
これに対して、本実施の形態では、ステッピングモータの外径(図3のL2)は、マグネット8の直径と、ボビン5のカバー部5cの厚みだけで決定される。そのため、ステッピングモータの外径(図3のL2)に対するマグネット8の外径はかなり近いものにすることが可能となり、ステッピングモータの外径の小型化に対して有利である。
また、本実施の形態では、ステータ1に取り付けられる第1の軸受2と、ステータ1に固定される天板12に取り付けられる第2の軸受11とで、ロータ(コア9と回転軸10)を支持する構成のため、2つの支持部の同軸度のズレを最小限に抑えることができる。これにより、マグネット8の外周面と第1の外側磁極部1a及び第2の外側磁極部1bの内周面とのギャップの均一化を図ることができ、ステッピングモータの安定した回転を得ることができる。
次に、本実施の形態に係るステッピングモータの特徴並びにステッピングモータの動作について図3乃至図6を参照しながら説明する。
先ず、ステッピングモータの特徴について説明する。
図3は、ステッピングモータの第1の通電状態の場合を示す上面図である。図4は、第2の通電状態の場合を示す上面図である。図5は、第3の通電状態の場合を示す上面図である。図6は、第4の通電状態の場合を示す上面図である。
図3乃至図6において、マグネット8は、その外周側表面及び内周側表面が円周方向に等角度間隔で複数個に分割(本実施の形態では6分割)され、S極とN極が交互に着磁されている。外周側表面がS極である部分に対応する、内周側表面はN極であり、外周側表面がN極である部分に対応する、内周側表面はS極である。
また、ステータ1の第1の外側磁極部1aと第2の外側磁極部1bとは、図3に示すように、マグネット8の回転中心を基準としてθ度位相がずれた位置に配置されている。ここで、θ度は(180度−180度/N)である(N=着磁分割数)。本実施の形態では、N=6であるので、θ度は150度である。このように、θ度=(180度−180度/N)にすることにより、図3中のL2寸法(ステッピングモータの最小外径寸法)を小さくすることができる。
上記のように、ステータ1の第1の外側磁極部1aと第2の外側磁極部1bは、マグネット8における軸方向に直交する方向の同一面(外周面)に対して、それぞれ異なる角度範囲(θ度位相がずれた位置)で対向するように構成されている。これにより、マグネット8を軸方向に関して短くすることができ、ひいては、ステッピングモータも軸方向に関して短くすることができる。
上記構成の大きな特徴として、マグネット8の外周面の一部分に着目すれば、次のように磁束が作用する。即ち、マグネット8が回転することにより、マグネット8の一部分に対して、第1のコイル3により励磁される第1の外側磁極部1aの磁束と、第2のコイル4により励磁される第2の外側磁極部1bの磁束とが交互に作用することになる。第1の外側磁極部1aと第2の外側磁極部1bがマグネット8の同じ個所に対して磁束を作用させるので、着磁のバラツキなどによる悪影響を受けず、ステッピングモータの性能を安定化させることができる。
次に、ステッピングモータの動作について説明する。
図3の状態で、第1のコイル3に正方向に通電することにより、第1の外側磁極部1aはN極に励磁され、第1の内側磁極部(コア9のうち第1の外側磁極部1aに対向する部分)はS極に励磁されている。また、第2のコイル4に正方向に通電することにより、第2の外側磁極部1bはN極に励磁され、第2の内側磁極部(コア9のうちのうち第2の外側磁極部1bに対向する部分)はS極に励磁されている(第1の通電状態)。
次に、図3の状態から、第2のコイル4への通電方向のみ逆方向にして、第2の外側磁極部1bをS極に励磁し、第2の内側磁極部をN極に励磁する。これに伴い、図4に示すように、マグネット8は時計方向に30度回転する(第2の通電状態)。
更に、図4の状態から、第1のコイル3への通電方向のみ逆方向にして、第1の外側磁極部1aをS極に励磁し、第1の内側磁極部をN極に励磁する。これに伴い、図5に示すように、マグネット8は時計方向に更に30度回転する(第3の通電状態)。
更に、図5の状態から、第2のコイル4への通電方向のみ正方向にして、第2の外側磁極部1bをN極に励磁し、第1の内側磁極部をS極に励磁する。これに伴い、図6に示すように、マグネット8は時計方向に更に30度回転する(第4の通電状態)。
以後、同様に、第1のコイル3及び第2のコイル4への通電方向を順次切り換えていくことにより、第1の外側磁極部1aと第2の外側磁極部1bとは異なるタイミングで励磁の切り換えが行われる。これにより、マグネット8は通電位相に応じた位置へと回転する。
上記のように、本実施の形態では、第1の通電状態として、第1のコイル3と第2のコイル4を共に正方向に通電する。第2の通電状態として、第1のコイル3を正方向に通電し、第2のコイル4を逆方向に通電する。第3の通電状態として、第1のコイル3と第2のコイル4を共に逆方向に通電する。第4の通電状態として、第1のコイル3を逆方向に通電し、第2のコイル4を正方向に通電する。このように、第1の通電状態→第2の通電状態→第3の通電状態→第4の通電状態へと通電状態の切り換えを行い、マグネット8を回転させている。
上記の通電状態の切り換えは次のようにしてもよい。即ち、第5の通電状態として、第1のコイル3と第2のコイル4を共に正方向に通電する。第6の通電状態として、第1のコイル3を正方向に通電し、第2のコイル4を非通電状態とする。第7の通電状態として、第1のコイル3を正方向に通電し、第2のコイル4を逆方向に通電する。第8の通電状態として、第1のコイル3を非通電状態とし、第2のコイル4を逆方向に通電する。このように、第5の通電状態→第6の通電状態→第7の通電状態→第8の通電状態へと通電状態を切り換えるようにしてもよい。これにより、マグネット8は通電位相に応じた回転位置へと回転する。
次に、マグネット8と、ステータ1の第1の外側磁極部1a及び第2の外側磁極部1bとの位相関係について説明する。
上述したように、第1の通電状態、第2の通電状態、第3の通電状態、第4の通電状態と通電状態を切り換えると、第1の外側磁極部1aと第2の外側磁極部1bとは、交互に励磁される極性の切り換えが行われる。
図3の状態で、第1のコイル3に正方向に通電することにより、第1の外側磁極部1aをN極に励磁すると、マグネット8には第1の外側磁極部1aの中心とマグネット8の着磁部の中心(S極の中心)が一致するように図中時計方向の回転力が発生する。同時に、第2のコイル4にも正方向に通電することにより、第2の外側磁極部1bをN極に励磁すると、マグネット8には第2の外側磁極部1bの中心とマグネット8の着磁部の中心(S極の中心)が一致するように図中反時計方向の回転力が発生する。
両コイルの通電中は、マグネット8は回転力のバランスがとれた状態で静止する。図3はこの状態を示している。両コイルへの通電量が等しい時は、第1の外側磁極部1aの中心とマグネット8の着磁部の中心(S極の中心)との位相差、及び、第2の外側磁極部1bの中心とマグネット8の着磁部の中心(S極の中心)との位相差は、共に約15度となる。
図3の状態から、第2のコイル4を逆方向の通電に切り換えると、第2の外側磁極部1bはS極に励磁されて、マグネット8には、第2の外側磁極部1bの中心と該マグネット8の着磁部の中心(N極の中心)が一致するように図中時計方向の回転力が発生する。ここで、第1のコイル3は正方向の通電のままにしておくことで、マグネット8には、第1の外側磁極部1aの中心と該マグネット8の着磁部の中心(S極の中心)が一致するように同じく時計方向の回転力が発生する。これにより、図3の状態から、マグネット8は時計方向に回転を始める。
図3の状態から、マグネット8が時計方向に約15度回転すると、第1の外側磁極部1aの中心とマグネット8の着磁部の中心(S極の中心)が一致する状態になる。この時、第2の外側磁極部1bの中心は、マグネット8の着磁部の境界(S極、N極の境界)と一致した状態であり、マグネット8を更に時計方向に回転させる力が発生している。そして、マグネット8は、その状態から更に時計方向に約15度回転(図3の状態から時計方向に約30度回転)すると、両コイルの回転力のバランスがとれた状態となり、その位置で静止する。この状態は図4に示される。
図4の状態から、第1のコイル3を逆方向の通電に切り換えると、第1の外側磁極部1aはS極に励磁されて、マグネット8には、第1の外側磁極部1aの中心と該マグネット8の着磁部の中心(N極の中心)が一致するように図中時計方向の回転力が発生する。ここで、第2のコイル4は逆方向の通電のままにしておくことで、マグネット8には、第2の外側磁極部1bの中心と該マグネット8の着磁部の中心(N極の中心)が一致するように同じく時計方向の回転力が発生する。これにより、図4の状態から、マグネット8は時計方向に回転を始める。
図4の状態から、マグネット8が時計方向に約15度回転すると、第2の外側磁極部1bの中心とマグネット8の着磁部の中心(N極の中心)が一致する状態になる。この時、第1の外側磁極部1aの中心は、マグネット8の着磁部の境界(S極、N極の境界)と一致した状態であり、マグネット8を更に時計方向に回転させる力が発生している。そして、マグネット8は、その状態から更に時計方向に約15度回転(図4の状態から時計方向に約30度回転)すると、両コイルの回転力のバランスがとれた状態となり、その位置で静止する。この状態は図5に示される。
図5の状態から、第2のコイル4を正方向の通電に切り換えると、第2の外側磁極部1bはN極に励磁されて、マグネット8には、第2の外側磁極部1bの中心と該マグネット8の着磁部の中心(S極の中心)が一致するように図中時計方向の回転力が発生する。ここで、第1のコイル3は逆方向の通電のままにしておくことで、マグネット8には、第1の外側磁極部1aの中心と該マグネット8の着磁部の中心(N極の中心)が一致するように同じく時計方向の回転力が発生する。これにより、図5の状態から、マグネット8は時計方向に回転を始める。
図5の状態から、マグネット8が時計方向に約15度回転すると、第1の外側磁極部1aの中心とマグネット8の着磁部の中心(N極の中心)が一致する状態になる。この時、第2の外側磁極部1bの中心は、マグネット8の着磁部の境界(S極、N極の境界)と一致した状態であり、更に時計方向に回転させる力が発生している。そして、マグネット8は、その状態から更に時計方向に約15度回転(図5の状態から時計方向に約30度回転)すると、両コイルの回転力のバランスがとれた状態となり、その位置で静止する。この状態が図6に示される。
以上説明したように、本実施の形態によれば、ステータ1の第1の外側磁極部1aと第2の外側磁極部1bの間に配置したロータ(回転軸10及びコア9)の外周部に、マグネット8を固定する構成としている。これにより、マグネット8の機械的強度を向上できると共に、ロータに内側磁極部を兼ねさせることができ、マグネット8と内側磁極部との間に隙間を設けることが不要となる。この結果、磁気抵抗を低減することができるため、ステッピングモータの出力を向上させることができる。
また、ステッピングモータを、その外径がマグネット8の直径とボビン5のカバー部5cの厚みだけで決定可能な構造とし、ステータ1の第1の外側磁極部1a及び第2の外側磁極部1bを、ステッピングモータの軸方向に延出した櫛歯形状としている。これにより、ステッピングモータの外径及び軸方向長さを最小限に抑え、小型化を図ることができる。
また、コア9の第1及び第2の外側磁極部1a、1bに対向する部分と、回転軸10と、第1の軸受2とで形成する内側磁極部を、マグネット8の軸方向長さと同じ長さとし、第1及び第2の外側磁極部1a、1b、マグネット8を有効に利用する構成としている。これにより、外側磁極部と内側磁極部を接続または一体に構成する場合と比較し、製造が容易になる。
また、マグネット8の外径部側のみの隙間を管理するだけでよいため、従来のようにマグネット外径部と外側磁極部の間及びマグネット内径部と内側磁極部の間に隙間を確保する場合と比較し、ステッピングモータを構成する各部品の組み立てが容易になる。更に、構造の簡易化及び組み立ての容易化により、不良率も低減することができる。
また、ボビン5は、第1のコイル3と第2のコイル4の両方が巻回されると共に、マグネット8の外周面を覆うカバーを兼ねているため、部品点数及びコストを削減することができる。
また、ステータ1に取り付けた第1の軸受2と、ステータ1に固定した天板12に取り付けた第2の軸受11とで、ロータを支持する構成のため、2つの支持部の同軸度のズレを最小限に抑えることができる。これにより、マグネット外周面と第1の外側磁極部内周面とのギャップの均一化を図ることができ、ステッピングモータの安定した回転を得ることができる。
上記の効果をまとめると、小型で且つ軸方向の長さが短く、低コストで高出力なステッピングモータを提供することができる。
[第2の実施の形態]
図7は、本発明の第2の実施の形態に係るステッピングモータの構成を示す分解斜視図である。図8は、ステッピングモータを組み立てた状態の外観を示す斜視図である。図9は、ステッピングモータを組み立てた状態における内部構造を示す縦断面図である。
図7乃至図9において、ステッピングモータは、ステータ1、第1の軸受21、第2の軸受24、第1のコイル3、第2のコイル4、ボビン5、マグネット8、コア9、リードスクリュー軸22、アングル23、ラック27を備えている。
本実施の形態は、上述した第1の実施の形態に対して、リードスクリュー軸22をステッピングモータの回転軸とし、アングル23、ラック27等を設けた点において相違する。本実施の形態のその他の要素は、上述した第1の実施の形態(図1)の対応するものと同一なので、共通する要素には同一符号を付け説明を省略する。以下では相違点を中心に説明する。
第1の軸受21は、軟磁性材料により形成されており、第1のコイル3と第2のコイル4の間に配置され、ステータ1の穴部1dに嵌合され圧入やカシメやレーザ溶接等により固定される。第1の軸受21は、リードスクリュー軸22を回転自在に支持する。
リードスクリュー軸22は、軟磁性材料により形成されており、第1軸部22a、第2軸部22b、雄ネジ部22cを備えている。第1軸部22aは、先端部以外の部分がコア9の穴部9aに嵌合して固定され、球面(球R)形状を有する先端部が第1の軸受21に回転自在に支持される。第2軸部22bは、球面(球R)形状を有する先端部が第2の軸受24に回転自在に支持される。雄ネジ部22cは、後述するラック27の突起部27bと噛み合うことで、リードスクリュー軸22の回転に伴い、ラック27を軸方向に直進移動させる。
アングル23は、一体で形成された、平板状の天板部23a、アーム部23b、保持部23cを備えている。また、天板部23aは、穴部23d、23e、位置決め部23f、23g、穴部23h、23i、23j、23kを備えている。また、保持部23cは、穴部23h、23jを備えている。
天板部23aの穴部23d、23eには、ステータ1の第1の外側磁極部1aの先端の突起部1eと、第2の外側磁極部1bの先端の突起部1fとがそれぞれ挿入され、レーザ溶接やカシメ等により固定される。アーム部23bは、天板部23aの端部から直角に折り曲げた状態(組み立て状態でリードスクリュー軸22と平行方向)で一体に形成されている。保持部23cは、アーム部23bの端部から直角に折り曲げた状態(天板部23aと平行方向)で一体に形成されている。
天板部23aは、該天板部23aとステータ1との間にボビン5を挟持する状態でステータ1に固定される。天板部23aの位置決め部23f、23gには、ボビン5のダボ5d、5eが嵌合され、天板部23aに対するボビン5の取り付け位置が決められる。また、天板部23aの穴部23hは、略中央部に形成されており、リードスクリュー軸22の雄ネジ部22cの外径よりも大きな径を有する。
なお、本実施の形態では、リードスクリュー軸22とコア9とは別体のものを一体に固定する構成としているが、リードスクリュー軸22とコア9を一体で形成しても良い。リードスクリュー軸22とコア9を別体で構成する場合は、リードスクリュー軸22には強度が強くて耐磨耗性が優れるSUS等の材料を使用し、コア9には磁気効率の良いSUY等の軟磁性材料を使用することが可能となる。他方、リードスクリュー軸22とコア9を一体で形成する場合は、部品点数の削減によるコスト低減を図ることができると共に、コア9とリードスクリュー軸22との同軸位置精度を向上させることが可能となる。
第2の軸受24は、アングル23の保持部23cに設けられた穴部23kに取り付けられる。第2の軸受24は、リードスクリュー軸22の第2軸部22bを回転自在に支持する。
軸押えバネ25は、アングル23の保持部23cに取り付けられ、リードスクリュー軸22の第2軸部22bの球R形状の先端部を軸方向に片寄せた状態に付勢すると共に、ラック支持バー26の抜け止めを兼ねている。
ラック支持バー26は、アングル23の天板部23aの穴部23i及び保持部23cの穴部23jに取り付けられ、ラック27を回動可能に支持する。
ラック27は、軸穴部27a、突起部27b、腕部27c、出力部27d、バネ掛け部27eを備えている。軸穴部27aには、ラック支持バー26が挿入され嵌合する。突起部27bは、リードスクリュー軸22の雄ネジ部22cに噛み合う。腕部27cは、バネ性を有し、リードスクリュー軸22の雄ネジ部22cを突起部27bと共に挟み込む。また、腕部27cには、ラック押えバネ28の一端部28aが引っ掛けられる。出力部27dは、リードスクリュー軸22の回転をステッピングモータの外部に駆動力として伝達する。バネ掛け部27eには、ラック押えバネ28の他端部28bが引っ掛けられる。
ラック押えバネ28は、一端部28aをラック27の腕部27cに引っ掛け、他端部28bをラック27のバネ掛け部27eに引っ掛けることで、ラック27の突起部27bをリードスクリュー軸22の雄ネジ部22cに押し付ける。
本実施の形態では、リードスクリュー軸22は、第1軸部22aの球面(球R)形状の先端が第1の軸受21の穴部21aの底面に当接することで、軸方向の位置が決められる。これにより、リードスクリュー軸22が回転時に軸方向への振れが抑制される結果、リードスクリュー軸22の雄ネジ部22cに噛み合うラック27の軸方向送り精度が向上する。また、軸押えバネ25は、アングル23の穴部23kからの第2の軸受24の抜け止めも兼ねている。
また、本実施の形態では、アングル23は、リードスクリュー軸22を支持すると共に、上記第1の実施の形態の天板12と同様に、マグネット8の軸方向の一端面を覆い、ステータ1にボビン5を間に挟んで固定されるという機能を兼ねている。
これにより、天板とアングルとが別体でアングルを天板に後から固定するという構造のもの、即ち、上記第1の実施の形態のようなステッピングモータ単体に後からアングルを取り付ける構造のものと比較し、次のような利点がある。部品点数が少なくなるので、コストを低減することができると共に、ステッピングモータの軸方向長さをより短くすることができる。
また、ステータ1と、該ステータ1に固定されるアングル23とにより、リードスクリュー軸22を支持する構成であるため、2つの支持部の同軸度のズレを最小限に抑えることができる。更に、マグネット8の外周面と第1の外側磁極部1a及び第2の外側磁極部1bの内周面とのギャップの均一化を図ることができ、ステッピングモータの安定した回転を得ることができる。
また、リードスクリュー軸22がステッピングモータの回転軸となっていることで、例えばリードスクリュー軸がステッピングモータの回転軸とは別体のものと比較し、リードスクリュー軸と回転軸を接合する必要がなくなる。これにより、接合時の芯ズレがなくなることで、ステッピングモータの安定した回転を得ることができると共に、大幅にコストの低減を図ることができる。
また、ステッピングモータが、リードスクリュー軸22に噛み合うラック27とラック支持バー28も備えることで、マグネット8の回転を、リードスクリュー軸22を介してラック27の軸方向移動に変換して出力することができる。これにより、本ステッピングモータのみで、他に減速機などの機構を用いることなく、例えばレンズ等の直進駆動をステップ制御で行うことが可能となる。
なお、本実施の形態のステッピングモータの回転駆動方法は、上記第1の実施の形態と同様であり、説明を省略する。
以上説明したように、本実施の形態によれば、リードスクリュー軸22を支持するアングル23がマグネット8の一端面を覆う構成のため、天板を設ける必要がない。更に、ステッピングモータに後からアングルを取り付けるものと比較し、ステッピングモータの軸方向長さをより短くでき、ステッピングモータの小型化とコストの低減を図ることができる。
また、ステータ1と、該ステータ1に固定されるアングル23とにより、リードスクリュー軸22を支持する構成のため、2つの支持部の同軸度のズレを最小限に抑えることができる。これにより、マグネット外周面と第1及び第2の外側磁極部内周面とのギャップの均一化を図ることができ、ステッピングモータの安定した回転を得ることができる。
また、リードスクリュー軸22がステッピングモータの回転軸となっているため、例えばリードスクリュー軸が回転軸と別体のものと比較し、リードスクリュー軸と回転軸を接合する必要がなくなる。これにより、接合時の芯ズレがなくなることで、ステッピングモータの安定した回転を得ることができると共に、大幅にコスト低減を図ることができる。
また、ステッピングモータにラック27とラック支持バー28も備わるため、マグネット1の回転を、リードスクリュー軸22を介してラック27の軸方向移動に変換して出力することができる。これにより、本ステッピングモータのみで、他に減速機などの機構を用いることなく、例えばレンズ等の直進駆動をステップ制御で行うことが可能となる。
上記の効果をまとめると、小型で且つ軸方向の長さが短く、低コストで高出力なリードスクリュー付のステッピングモータを提供することができる。
[他の実施の形態]
上記第1及び第2の実施の形態では、ステッピングモータ及びリードスクリュー付のステッピングモータについて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。特許請求の範囲で示した機能または上記実施の形態における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よいことは言うまでもない。
上記第1及び第2の実施の形態では、ステッピングモータ単体について説明したが、本発明は、ステッピングモータ単体のみへの適用に限定されるものではない。本発明のステッピングモータを例えば撮像装置等の電子機器に搭載し、レンズ等の機構の直進駆動をステップ制御で行う場合にも適用することが可能である。
本発明の第1の実施の形態に係るステッピングモータの構成を示す分解斜視図である。 図1のステッピングモータを組み立てた状態における内部構造を示す縦断面図である。 図1のステッピングモータの第1の通電状態の場合を示す上面図である。 図1のステッピングモータの第2の通電状態の場合を示す上面図である。 図1のステッピングモータの第3の通電状態の場合を示す上面図である。 図1のステッピングモータの第4の通電状態の場合を示す上面図である。 本発明の第2の実施の形態に係るステッピングモータの構成を示す分解斜視図である。 図7のステッピングモータを組み立てた状態の外観を示す斜視図である。 図7のステッピングモータを組み立てた状態における内部構造を示す縦断面図である。 第1の従来例に係るステッピングモータの構成を示す分解斜視図である。 図10のステッピングモータを組み立てた状態における内部構造を示す縦断面図である。
符号の説明
1 ステ−タ
1a 第1の外側磁極部
1b 第2の外側磁極部
1c 平板部(基部)
2、21 第1の軸受
3 第1のコイル
4 第2のコイル
5 ボビン
5c カバー部
8 マグネット
9 コア
10 回転軸
11、24 第2の軸受
12 天
22 リードスクリュー軸
23 アングル
26 ラック支持バー(ラック支持部材)
27 ラック
27d 出力部

Claims (4)

  1. 基部と前記基部から軸方向に延出された第1の外側磁極部および第2の外側磁極部が形成されるステータと、
    前記第1の外側磁極部と前記第2の外側磁極部の間に配され、軟磁性材料からなるロータと、
    前記基部に軸方向一端部が回転自在に支持され、前記ロータと一体で回転するリードスクリュー軸と、
    前記ロータの外周部に固定され、周方向に異なる極が交互に着磁されたマグネットと、
    前記第1の外側磁極部と前記第2の外側磁極部とが係合し、前記マグネットを収容するボビンと、
    前記軸方向における前記マグネットと前記基部との間で、前記第1の外側磁極部および前記第2の外側磁極部に、前記ボビンを介してそれぞれ巻回される第1のコイルおよび第2のコイルと、
    前記ボビンに収容された前記マグネットを覆う天板部と前記リードスクリュー軸の軸方向端部を回転自在に支持する保持部とが一体的に形成されるアングルと、
    前記リードスクリュー軸に噛合し、前記リードスクリュー軸の回転に伴い軸方向に移動するラックと、
    前記アングルの前記天板部と前記保持部との間に固定され、前記ラックを回動可能に支持するラック支持部材とを備え、
    前記アングルの前記天板部には、前記第1の外側磁極部が位置決めされる第1の穴部と前記第2の外側磁極部が位置決めされる第2の穴部とが形成されることを特徴とする駆動装置。
  2. 前記アングルの前記天板部には、前記ボビンの位置決めを行う位置決め部が形成されることを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
  3. 前記アングルの前記保持部には、前記リードスクリュー軸を前記軸方向に付勢するとともに、前記ラック支持部材の抜け止めを行うバネ部材が取り付けられることを特徴とする請求項1または2に記載の駆動装置。
  4. 前記ステータの前記基部には、前記リードスクリュー軸の軸方向一端部を支持する第1のベアリングが配置され、前記アングルの前記保持部には、前記リードスクリュー軸の軸方向他端部を支持する第2のベアリングが配置されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の駆動装置。
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