JPS623661B1 - - Google Patents

Description

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による基本的な可変磁気回路の
概略図、第２図は上記可変磁気回路の動特性を示
す図、第３図は単極マイクロモータの第１実施例
の概略図、第４図は第３図の部分拡大図、第５図
は第３図の実施例の縦断面図、第６図ないし第１
０図は特に腕時計用に用いられる本発明の変形例
の説明図、第１１図は咬み合つた２個の磁気回路
から成る別の実施例によるマイクロモータの概略
図である。

【発明の詳細な説明】

本発明は、小さな占有スペースしか要らないコ
イルを備えた磁気回路により構成され、特に時計
ムーブメントに用いる「マイクロモータ」や小型
有極装置等の低電力電源で付勢される電気モータ
装置に関する。上記磁気回路は装置の作動中に磁
気回路のギヤツプを通る磁束通路が変更されるの
で、本明細書では以後この磁気回路を「可変磁気
回路」と称する。 本発明はより詳しく言えば、永久磁石によつて
生じる励磁磁束と、コイルを流れる電流による磁
束とがほぼ同じ経路をたどり、電流による磁束の
有効部分が磁石を通り、また磁石によつて生じる
磁束がコイルを通る上記形式のモータ装置に関す
るものである。 上記形成の分極モータ装置は、永久磁石の磁気
作用を利用できるから入力エネルギに対する出力
エネルギの効率を良好にすることができる。しか
しながら、入力エネルギによつて極めて小さなア
ンペアターンしか得られない時には入力電流によ
つて補償されるべき静止時残留トルク（非通電時
に永久磁石によつてロータを拘束することによる
トルク）が常に生じているから、ロータがいかな
る位置にあつても同モータの起動を確実に行うこ
とができない惧れがある。 したがつて本発明の目的は、永久磁石による磁
束と電流による磁束とがほぼ同じ経路をたどるよ
うにした可変磁気回路から成り、最小限の電流を
流すだけで効率的に作動できるにも拘らず静止時
残留トルクのきわめて小さな電気モータ装置を提
供することである。 本発明の別の目的は、高保磁力を有し厚みの方
向に磁化された硬磁性材薄肉層を従来のかさばる
磁石の代りに使用し、また回路のギヤツプにおけ
る磁界を上記硬磁性薄肉層に対しほゞ垂直にした
上記形成の電気モータ装置を提供することであ
る。 これを更に詳述すれば、上記薄肉層の厚みの値
は、Ｘ＝Hc・Ｌ／Br・ｅ＜１（Ｘは、保持力Hc
と層厚Ｌとの積と、残留磁気Brとギヤツプの大
きさｅとの積との比率である）を実質上満たすよ
うに選択される。したがつてこの薄肉層について
は以下層と称するが、これは上述の定義による硬
磁性材層である。 本発明による有極マイクロモータでは、回転子
好ましくは硬磁性材「薄層」を形成する円形フラ
ンジから成るカツプ形磁気要素で構成され、固定
子は上記薄層の両側に設置されて発生磁界が上記
層と実質上垂直になるようにした磁極片で構成さ
れる。 本発明のこれらの目的並びに効果については以
下の説明から明白になろう。 第１図は基本回路を示し、この回路はギヤツプ
ｅと、厚さＬの硬磁性材層と、磁位Uiを生じる
磁磁コイルとで構成されている。このような磁気
回路では、励磁コイルによつて生じる磁束の有効
部分は磁石を通り、またこれに対し磁石によつて
生じる磁束はコイルを通り、こうして永久磁石を
用いた励磁が得られるがこの励磁はより複雑な可
変磁気系の要素として上記磁気回路を用いたモー
タ装置の効率を向上させる。 後の説明から分るように、かようなモータ装置
は例えばマイクロモーまたは小形有極電磁石とし
て用いられる。第１図においてはギヤツプｅ内の
可動部分としてヒンジ部Ｃに枢着された棒Ｒを示
しているが、上記可動部分を実際にはきわめて
様々な形状になし得ることは全く自明であり、こ
れについては後述する。 層Ｌを構成している磁性材の保磁力Hcが高
く、また磁束密度Ｂと磁界Ｈとの間に偏差の広範
囲に亘る直線関係が存在する（例えばフエライト
及びプラチナ―コバルト合金の場合）とすれば理
解できるように、上記硬磁性材層内に存在する磁
界の強さは次式で表わされる。 Ｈ＝Hc（１−Ｂ／Ｂｒ） ここでBrは残留磁気である。 電流のもたらす磁位をU₁とすると、ギヤツプ
長ｅ、永久磁石の厚さＬなる磁気回路においては
ラプラス方程式から下式（CGS単位系による）
が得られる。 HL＋U₁＝Beこれから Ｂ＝Ｈｃ・Ｌ＋Ｕ_１／ｅ＋ＬＨｃ／Ｂｒ パラメータｘ＝Ｈｃ・Ｌ／Ｂｒ・ｅを代入すると、 Ｂ＝Brｘ／１＋ｘ＋Ｕ_１／ｅ／１＋ｘ が得られる。 これから磁気圧すなわち磁極の単位表面積当り
の磁力Ｐは公知文献（たとえばパーカー、スチユ
ーダー共著「Penmahent Magnets and Their
Application」ジヨン、ウイリー、アンド、ソン
ズ社1967年発行、第143頁）に示されているよう
に、 Ｐ＝Ｂ^２／８π＝１／８π〔B²Ｘ^２／（１＋Ｘ）^２ ＋２Ｕ_１／ｅBrＸ／（１＋Ｘ）^２＋（Ｕ１／ｅ）
^２／（１＋Ｘ）^２〕 が得られる。 有極装置においては、第３項 P₂＝（Ｕ_１／ｅ）／（１＋Ｘ）^２は第２図に示すP₂と
一致するもの で、この第２図の特性から分るように無視し得る
ものである。 なお、上式中磁石に定数項Br²Ｘ^２／（１＋Ｘ）^２はP
₀で表 わし、更に電流に比例する項 ２Ｕ_１／ｅBrＸ／（１＋Ｘ）^２はP₁で表わす。 更に時計用マイクロモータ（有極装置）には、
次の条件が適用される。 (1) U₁（アンペアターンの関数）が実際にはコ
イルの大きさや許容電力値により制限される。 (2) ギヤツプｅを機械的公差の見地から禁止され
る値にまで減少することを避けることが必要で
ある。 上に与えられた２つのデータからU₁／ｅが限
定される。これはギヤツプｅが磁気抵抗のみを表
わすものとすれば、電流によつて生じる磁界の強
さである。例えば、U₁／ｅは１アンペアターン
から得られる約100エルステツドの程度になり得
る。 電流により生じる磁気圧は磁石による磁気圧に
対する比率が高くモータを充分実用できる程度で
なければならない。しかしながら実際には磁石の
吸引作用を完全に補償することは不可能であると
思われる。上記のように電流による磁気圧を大き
くすることは、比率すなわち、 Ｐ_１／Ｐ_０＝２Ｕ_１／ｅ／Ｂｒ・１／Ｘを充分に大き
くしようとする、 すなわち換言すれば小さいｘの値に対応して磁性
材層の厚みＬを小さく選ぶことに等しい。 上記のアプローチは効率について考察すれば確
認できる。 第２図はＸの関数としてP₁の変化（実線の曲
線）、P₀／10の変化（一点鎖線の曲線）、及びP₂の
変化（点線の曲線）を任意の単位で示している。
ｘの関数としてP₀及びP₁の変化を調べれば解るよ
うに、 (a) P₁はｘ＝１の場合に最大値をとり、これは積
Ｂ・Ｈの最大値に対応する。 (b) 他方、P₀は０から、ギヤツプｅが０の場合に
得られるB²／８πの値に向つて均一に増加す
る。 このように、ｘの値を実質上１以下にすればP₁
により表わされる電流の効果が得られ、このP₁は
その最大値を保ち、一方P₀ははるかに低い値をと
る。例えば、ｘが１から0.3に減ると、P₁は約30
％低下するが、P₀は第２図に示すように0.0055／
0.025≒1/5つまり約1/5になる。したがつて以上
の点で、有極装置に適用され得る入手容易な磁石
を用いた技術が達成される。 要するに、本発明は保持力が高く、厚み方向に
磁化され且つその高磁力磁界によつて垂直に横切
られる硬磁性材の薄層を備えた磁気回路を用いて
モータ装置を構成したものであり、上記薄層は有
極形成の磁気回路における厚い永久磁石に代わる
ものである。 次に本発明の実施例を図面を参照して以下に説
明する。第１図は本発明の概略を示すものであ
る。 マイクロモータ、特に出力が数マイクロワツト
に過ぎない時計に応用するマイクロモータの場合
には、小さいアンペアターンで可能な限り大きい
トルクを得ると共に、静止時残留トルクすなわち
静止時に永久磁石によつて与えられるトルクを低
減させることに困難な問題を生じる。この静止時
残留トルクはモータが自起動できるようにするた
めに電流によるトルクによつて克服されるもので
なければならず、しかしながら現在では静止時の
トルクをなくすことを成就するための実際の手段
は知られていない。 第２図の特性図の曲線は上記形式の磁気回路の
公知技術について示しており、それら磁気回路は
構造が簡単で少数の部分から作られるという利点
を有しているが、この従来技術においては永久磁
石の長さＬはｘが１より大きくなるような大きな
ものであり、従つて、静止時のトルクはかなり大
きくなるので充分なものとはいえない。 従来の技術ではこの困難を克服するために、透
磁性体で作られる磁気回路を完全に排除すること
がしばしば必要になるが、この解決法は磁束が横
切らねばならない空気の長さを比較的大きくし、
最後の解析では、それは充分に縮少された装置を
獲得することを可能にしない。 「薄層」を使用する本発明と上記公知の技術と
の相違点は次の通りである。すなわち本発明にお
いては、静止時トルクを著しく低下させることが
できてしかも電流によるトルクを著しく低下させ
ることがない。例として、Ｂ_r＝4000ガウス及び
Ｈ_c＝4000エルステツドとすれば、全磁気抵抗が
0.3mmの平均ギヤツプに相当する回路のＬ＝0.10
mmでｘ＝0.33が得られる。実質上１以下のｘに対
応して本発明の薄層は従つて普通のかさばつた磁
石と完全に一線を画し得るものである。この技術
は非常に簡単であつて、しかもかような回路を必
要とする極めて小型のモータ装置を提供すること
を可能にするものである。小さい寸法のコイルを
小寸法に、またアンペアターンを少くしても電流
による磁気作用と磁石による磁気作用との比を許
容範囲内に維持することができる。 以下の添付図面はマイクロモータすなわち多極
回転磁石をもつマイクロモータを得るための薄層
応用例について示す。 第３図ないし第５図は単極モータの概略図であ
る。 固定子は２つの磁極片１９，２０で成端してい
る鉄心からなり、これら磁極片は突出した固定子
磁極あるいは「歯」を備え、コイル２１を流れる
電流によりそれぞれ正、負に磁化される。第６図
から解るように、２つの磁極片の歯は等間隔をお
いてそれぞれ互いに向き合つて配列されている。 回転子はプラチナコバルト合金で作つたカツプ
状部材で構成されており、鉄心に取付けたベアリ
ングによつて支持される軸と一体形成された平面
部２２と円筒壁部２４からなつている。 上記円筒壁部（薄層）２４は固定子の磁極と同
じピツチで交互の正、負極性が径方向に磁化され
る。第４図ａはこの磁化の様子を示している。こ
の壁部の厚みはＸが0.1乃至1.0の範囲内となるよ
うに決められる。Ｘの下限は理論上は特に存在し
ないが、製造技術的には同筒壁部２４をＸ＜0.1
となるように製作することは殆んど不可能であ
る。したがつてＸの実際上の下限はＸ≒0.1とな
る。 第６図及び第７図に図示したマイクロモータは
特に小型時計用モータとして設計され、このため
その磁気回路は平らな形にされる。それは透磁性
の磁性体で作られ真鍮製胴部２８内に格納される
部分２５，２６，２７から成る固定子と、プラチ
ナ―コバルト磁性合金で作つたカツプ状部材２９
から成る回転子とから成る。このカツプ（回転
子）はビボツト３１，３２によつて支持される軸
３０上に取付けられ、運動の受容部を構成するピ
ニオン３３（第７図）を駆動する。 第６図に見られるように、部材２５は切欠かれ
ていてスリツト２５ｄを有し、鉄心の部材２７か
らなる上端と２組の突出磁性２５ｂ，２５ｃとを
受入れる部分２５ａを形成している。上記磁極２
５ｃは第７図のみに示す。部材２６は総体的にス
リーブ状を呈しており、１組の突出磁極２６ａを
備え、これらの磁極の歯は突出磁極組対２５ｂの
歯と向合つて配されている。カツプ状部材２９の
円筒部分２９ａは上記２組の磁極で形成されたギ
ヤツプの中に収容されている。 鉄心２７はコイル３４を支え、その下端は直角
に形付けられる部材３５内に係合する。透磁性材
で作られるこの部材３５は部材２６に結合されて
おり、部材２６はねじ３５ａ，３５ｂによつて固
定されて前記形式の薄層をそなえた閉磁気回路が
形成され、その薄層をそなえた閉磁気回路が形成
され、その薄層は上記２組の磁極２５ｂ，２５ｃ
と同ピツチの交互極性で径方向に磁化される。回
転子カツプ２９の円筒部２９ａから構成されてい
る。固定子によつて形成される磁界はこのカツプ
２９を半径方向に横切るので、各基本磁路内に含
まれる磁石部分の全長Ｌはちようど磁石の厚さに
等しくなる。もしもこの基本磁路が磁石を２回横
切つているならば、またはさらに、もしもそれが
磁石のその厚さ内に非半径方向部分を含むことに
なるならば、もちろんこれはそうはならないので
あつて、その時にはＬは例えば磁石の厚さの10倍
になる。 等極配置の回路、またはより一般的に、反対の
極性の極片が硬磁性材の薄層の両側に置かれ、従
つてそれらが生じる磁界が前記薄層にほぼ垂直に
なる配置のすべての回路は、このようにして最小
の長さＬを与え、このことによつてのみパラメー
タｘの最適値が得られる。実際、磁気回路の効率
を低下させることなく、ギヤツプｅを大きくする
ことは不可能であり、従つてｘを１より小さくす
るためには、Ｌを充分に減少することが必要であ
る。 例えば層２９ａの厚さは0.05ないし0.2mmの範
囲である。 ギヤツプの軸方向長の一部だけに作用する磁極
組対２５ｃの数は磁極組対２５ｂ，２６ａの場合
の２倍である。 第６図及び第７図に図示したモータは、鉄心３
０の軸線の周りでギヤツプの高さにおいて回転対
称になつているので残留静トルクは極めて小さく
なりすでに第１図及び第２図を参照して明らかに
された理由によつて非常に小さくなつている径方
向吸引トルクが相互にほぼ相殺する。 以上の説明から分る通り第６図及び第７図のモ
ータの２倍磁極数の磁極組対の部分は米国特許願
第495642号明細書に記載の構成により相違なる極
性のパルスによつて正しく進歩動作し得るもので
ある。 第６図及び第７図のモータはまた一定の極性の
パルスで付勢し得るようにも設計できる。 以下の図は第６図及び第７図のモータの構造を
より良く理解させる。 第８図は第７図の２倍周波数ホイール２５ｃの
上面図であつて、この図は同ホイールがそなえる
突出磁極片ないしは歯を示している。 第９図は及び第１０図はそれぞれ第６図の基部
部材３５の上面図及び立面図であつて、同部材の
形状がこれらの図からより良く理解させる。 第１１図は変形実施例の半横断面図であり、こ
の実施例は２個の独立した磁気回路７ａ，７ｂ及
び８ａ，８ｂから成り、それら回路は咬合した磁
極を備え、また２個のコイル９，１０も上記回路
を構成している。 第１１図のモータは２相パルスで作動させる
か、または普通の駆動コイル９に加えて、いわゆ
る「探り」コイル（これはコイル１０を示す）を
使用する装置において使用することができる。か
ような装置は例えば昭和44年１月17日に電気マイ
クロモータ材料研究民事会社の出願人名で出願し
た「時間的に相互に連続する２つの運動相をもつ
回転ステツプ式電気モータによつて生じる時計仕
掛けの運動」という名称の昭和44年特許願第2978
号に説明されている。 回転子は硬磁性材で作られ、軸１２と運動の取
入れ部１３に係合するピニオン１２ａとから成る
ハブと一体的である薄いコツプ形の部分１１から
成る。 軸１２は軸受け１４，１５上に取付けられる。
固定子の２個の回路のおのおのは上方部分（７ａ
または８ａ）と下方部分（７ｂまたは８ｂ）とか
ら成り、上方部分の磁極は２個の重なつた櫛の歯
と類似した仕方で対応する下方部分の歯と咬み合
つている。かような配置は公知であり、この理由
で第１１図の概図的な表現がされている。この単
極の実施例においてさえ、固定子によつて生じる
磁界は回転子を半径方向に横切ることに留意すべ
きである。 特許請求の範囲で定義した本発明の精神及び範
囲から逸脱することなく、説明し図示した装置に
種々の変更を加えることができることは自明であ
る。

【特許請求の範囲】

１ ギヤツプと電子コイルとを備えた少なくとも
１つの可変磁気回路と、上記電磁コイルを付勢し
て同コイルに磁束を生じさせる電流供給手段と、
上記ギヤツプ内に設けて上記コイルからの磁束に
よつて横切られ、上記コイルを横切る別の磁束を
生じさせるようにした永久磁石手段とから成り、
上記永久磁石を、厚み方向に磁化された少なくと
も１層の硬磁性材で形成し、上記層の厚みをＬと
して、上記永久磁石手段の保磁力Hcと上記厚み
Ｌとの積Hc・Ｌと、残留磁気Brと上記ギヤツプ
の大きさｅとの積Br・ｅとの比Ｘを0.1＜Ｘ＜１
となるようにＬの値を選び、更に上記磁束が上記
硬磁性材層と垂直になるように構成したことを特
徴とするマイクロモータ。