WO1995015610A1 - Micromoteur - Google Patents

Description

明 細 書 超小型モータ 発明の昔暑

[発明の技術分野]

本発明は、 超精密小型機械における駆動モータなどと して用いら れる超小型モータに関し、 特に、 励磁コイルを無くすことによって より小型化を可能とした超小型のバルスモ一夕に関する。

[背景技術]

従来、 超精密小型機械の駆動モータ、 たとえば水晶時計用の駆動 モータなどに用いられている小型モータは、 大型のモータと同じよ うに、 固定子の一部に銅線からなる励磁コィルを巻いてモータを構 成し、 この励磁コィルに励磁電流を流すことによつて駆動力を発生 させ回転させている。

このように、 従来の小型モータにおいては、 駆動力を発生させる ための励磁コイルが必要である。 そして、 励磁コイルを用いる場合 には、 コイルはかなりの巻き数を要求され、 さらに、 小型化のため コィルの線径を細く して 1 0 ミ クロンメー トル以下の線径のものを 用いると、 コイルが切れやすく なり、 このため、 固定子にコイルを 巻く のが非常に困難になる。

したがって、 励磁コイルは結果的に太く大きく なつてしまい、 モ ―タ全体の小型化が難しいという問題がある。

そこで、 本発明は、 モータの小型化の妨げとなっている励磁コィ ルを無く すことによって、 モータの、 より超小型化を可能とした超 小型モータの提供を目的とする。 発明の開示 本発明の超小型モータは、 永久磁石からなる回転子と、 印加エネ ルギにより変位するァクチユエ一夕と、 回転子の外周又は上下を囲 み、 ァクチユエ一夕に連動して径方向に変位する磁性材からなる固 定子とを備えた構成、

あるいは、 磁性材からなる回転子と、 印加工ネルギにより変位す るァクチユエ一夕と、 回転子の外周を囲み、 ァクチユエ一夕に連動 して径方向に変位する永久磁石からなる固定子とを備えた構成と し てある。

そして、 複数のァクチユエ一タに順次、 印加工ネルギと して電圧 を印加して、 対応した固定子と回転子との間の距離を変化させて、 磁気吸引力を変化させ、 かつ、 その変化を回転軸から見て、 時計方 向または反時計方向に回転させることにより、 回転子をいずれか一 方向に回転させている。

このように、 印加電圧により変位するァクチユエ一夕によって、 回転子と固定子間のギヤ ップを変えることにより、 駆動力を得るよ うにしている本発明の超小型モータによれば、 励磁電流を流すため の大きな励磁コィルが不要となるので、 従来の小型モータに比べて、 より小型の超小型モータの実現が可能となる。 闵而の簡単な 明 第 1図〜第 6図は、 本発明の超小型モータに関する図面であり、 第 1図は、 本発明の第一実施例における超小型モータの静止時の 状態を示す平面図である。 第 2図は、 本発明の第一実施例における 超小型モータのーステップ回転時の状態を示す平面図である。 第 3 図は、 本発明の第二実施例における超小型モータの静止時の状態を 示す断面図である。 第 4図は、 本発明の第二実施例における超小型 モータの静止時の状態を示す平面図である。 第 5図は、 本発明の第 二実施例における超小型モータのーステップ回転時の状態を示す断 面図である。 第 6図は、 本発明の第二実施例における超小型モーダ の回転時の状態を示す平面図である。 本発明を卖施するための最良の形熊 以下、 本発明の実施例を図面にもとづいて説明するが、 本発明は, これら実施例に限定されるものではない。

第 1図と第 2図は、 本発明超小型モータの第一実施例の平面図を 示しており、 第 1図は静止時、 第 2図は一ステップ回転時の状態を 示している。

第 1図に示すように、 N極と S極との一対の 2極の磁極を有する 永久磁石からなる 0転子 1は、 回転軸 1 5を中心に回転可能に設け てある。 また、 磁性材料からなる固定子 2, 3， 4， 5, 6， 7は、 回転子 1の外周を取り囲むように配置してある。 さ らに、 それぞれ の固定子 2, 3， 4， 5 , 6 , 7に対応する、 たとえば圧電素子を 用いたァクチユエ一夕 8， 9， 1 0， 1 1 , 1 2, 1 3をその固定 子の外側に配置してある。

これらァクチユエ一夕 8, 9, 1 0， 1 1， 1 2， 1 3の一端は、 対応するそれぞれの固定子 2 , 3， 4， 5, 6 , 7と、 また他端は、 外枠 1 4に接着してある。 そ して、 これらァクチユエ一夕 8， 9 , 1 0， 1 1， 1 2， 1 3は、 矢印で示す径方向に分極しており、 第 1図には示していない力 、 ァクチユエ一夕の二つの電極間に電圧を 印加することにより、 径方向にァクチユエ一夕が変位するように構 成してある。

回転子 1は、 この回転子 1 と固定子 2， 3 , 4, 5， 6， 7から なる磁気回路の磁気ポテンシャルが最小になる点に安定して静止す る。 いま第 1図に示すように、 回転子 1の N極が固定子 6， 7のギ ヤ ップ 1 6位置にあり、 S極が固定子 3， 4のギャ ップ 1 7位置に あるとすると、 回転子 1の N極からでる磁束の一方は固定子 6， 5 , 4を通過して S極に戻り、 他方の磁束は固定子 7， 8， 9を通過し て S極へ戻り、 どちらも途中の固定子間のギヤ ップは二箇所と最小 となり、 磁気抵抗が最も小さ く 、 磁気ポテンシャルも最小になる。 一方、 かりに、 回転子 1 の N極を固定子 7の中心に、 S極を固定 子 4の中心にもってく ると、 N極からでる磁束の一方は固定子 7， 6， 5， 4を通過して S極に戻り、 他方の磁束は固定子 7 , 8 , 9 . 1 0を通過して S極へ戻ることになる。 このため、 どちら も途中の 固定子間のギヤ ップは三箇所となって、 磁気抵抗が大きく なり、 磁 気ポテンシャルも大き くなつて、 この位置には回転子が静止できな い。 したがって、 安定点は各固定子間のギヤ ップ位置と一致する。 第 2図に示すように、 図には示していない電極を通して、 圧電素 子からなるァクチユエ一夕 9， 1 2に、 これらァクチユエ一タ 9 , 1 2が径方向に縮小するように電圧を印加すると、 ァクチユエ一夕 9に連動して固定子 3力 、 またァクチユエ一タ 1 2に連動して固定 子 6がそれぞれ外側に移動する。 これにより、 回転子 1の N極と固 定子 6のギヤ ップ、 および回転子の S極と固定子 3のギヤ ップが広 がって、 この間の磁気抵抗が大きく なる。

このため、 回転子 1 の N極と固定子 7 との磁気抵抗、 および回転 子 1の S極と固定子 4 との磁気抵抗は前と同じであるから、 全体の 磁気抵抗を下げるように磁気ポテンシャルの勾配が発生する。

この結果、 回転子 1 は時計方向の回転力を受けて一ステップ、 6 0度回転し、 第 2図に示すように、 固定子 7 と 8の間のギャ ップ 1 8 と、 固定子 4 と 5の間のギャ ップ 1 9 との磁気抵抗の最小点で静 止安定する。

なお、 ァクチユエ一夕に加える電圧は、 回転子が静止安定するま で印加しても良いが、 静止安定する時間より短い時間の印加であつ ても良い。 次いで、 ァクチユエ一夕 9， 1 2への電圧印加を停止して固定子 3 , 6を元に戻すとともに、 ァクチユエ一夕 1 0， 1 3に電圧を印 加して固定子 4， 7を外側に移動させ、 前記と同様にして、 ーステ ッブで 6 0度の角度回転させ、 六ステツブで回転子 1を一回転させ 第 3図から第 6図は、 本発明超小型モータの第二実施例を示し、 第 3図と第 4図は静止時を示す断面図と平面図であり、 第 5図と第 6図はーステツブ回転時の状態を表す断面図と平面図である。 以下、 第 3図， 第 4図， 第 5図及び第 6図を交互に参照して説明する。

第 3図に示すように、 軸方向に着磁した N極と S極との二対 4極 の磁極を有する永久磁石からなる回転子 2 1は、 回転軸 4 0を中心 に回転可能に設けてある。 また、 この回転子 2 1を挟むように、 回 転子 2 1の上部及び下部にはそれぞれ六個の磁性材料からなる固定 チ 2 2 ( 2 2 a , 22 b) , 23 ( 23 a, 2 3 b , ) 2 4 (2 4 a , 24 b ) , 25 (25 a , 25 b) , · · · を配置してある。 さらに、 それぞれの各固定子 2 2， 2 3， 2 4, 2 5 · · · に対 応して、 たとえば圧電素子からなるァクチユエ一タ 2 8 ( 2 8 a , 2 8 b) , 29 ( 29 a, 2 9 b) ， 3 0 ( 30 a , 30 b) ， 3 1 ( 3 1 a, 3 1 b) ， · · · が配置してある。 そして、 これらァ クチユエ一夕 2 8， 2 9, 3 0, 3 1 · · · は、 一端がそれぞれ固 定子 22， 2 3 , 24， 25 · · · に、 他端が外枠 1 4に接着して め o

第 4図は、 第 3図における A— A面で切断したときの平面図であ o

第 1図と第 2図とを用いて説明した第一実施例のように、 第 4図 に示す回転子 2 1の N極は固定子間のギヤ ップ 41を安定点と して 静止し、 S極はギャ ップ 42を安定点と して静止している。 ここで 第 4図の B— B面で切断したときの断面図が、 第 3図の断面図に相 当する。 第 5図に示すように、 固定子 2 4 a , 2 4 bおよび、 これと軸対 称な固定子 （第 6図に示す固定子 2 7 a , 2 7 b ) に対応するァク チユエ一夕 3 0 a， 3 0 b (および 3 3 a， 3 3 b ) 力 、 軸方向に 縮小するように電圧を印加して固定子 2 4 a， 2 4 b、 2 7 a , 2 7 b と回転子 2 1間のギャ ップを広くすると、 第一実施例で説明し たと同様に、 磁気抵抗が変化し、 磁気ポテンシャルの変化によって、 回転力が発生し、 回転子 2 1 は第 6図に示すように 6 0度の角度回 転して、 安定点 4 3， 4 4で静止安定する。

次いで、 固定子 2 4 a， 2 4 b、 2 7 a , 2 7 bを元に戻すとと もに、 固定子 2 3 a , 2 3 b、 2 6 a , 2 6 bを移動させ、 第一実 施例と同様に六ステップで回転子 2 1を一回転させる。

以上説明した第一及び第二の実施例では、 6個または 1 2個の固 定子を使用する例を示したが、 固定子の数は、 これに限定されるも のではなく、 ァクチユエ一夕への電圧印加時間を適当に選定すれば、 最低二個の固定子でも可能であり、 固定子も 2極または 4極に限ら ず、 N極あるいは S極の単極以上なら可能である。

なお、 これら実施例のモータの出力は、 固定子に連動するァクチ ユエ一夕の印加電圧を変えて、 回転子と固定子間のギヤ ップを変え るこ とにより、 変化させることが可能となる。

また、 これら実施例に使用するァクチユエ一夕と して用いる圧電 素子は、 圧電セラ ミ ックス （チタン酸バリウム， ジルコチタン酸鉛， 多成分系容体セラ ミ ッ クス） や、 チタン酸バリ ゥム単結晶や、 水晶 や、 ロッ シュル塩等圧電性を示す物質なら何でも良い。

また、 固定子の変位の拡大や駆動電圧の低減のため、 固定子とァ クチユエ一夕の組み合わせを屈曲変位型のモノモルフ， ュニモルフ， バイモルフ， マルチモルフ， 直線変位型の積層型にするこ とも可能 こ、、める。

また、 パルスモータ以外にも、 連続的に電圧を印加すれば、 連続 回転モータとすることも可能であり、 特に、 固定子とァクチユエ一 タによる共振周波数を利用すれ 低消費電力の連続回転モータが 実現できる。

また、 以上の説明ではァクチユエ一夕として圧電素子を用いた例 で説明したが、 形状記憶合金などの入力エネルギで変位するもので あばァクチユエ一夕に適用できる。

さ らに、 上記実施例では、 回転子を永久磁石で、 固定子を磁性材 で構成した例について説明したが、 回転子を磁性材で、 固定子を永 久磁石で構成するようにしてもよい。 卜の利用可能 # 以上のように、 本発明にかかる超小型モータは、 水晶時計， 医療 用福祉ロボッ ト， 医療用メカ トロニクス及びマイク ロロボッ ト等の 駆動モータとして好適に用いることができる。

Claims

請求 の 範囲

1 . 永久磁石からなる回転子と、 印加工ネルギにより変位するァク チユエ一夕と、 回転子の外周を囲み、 ァクチユエ一夕に連動して径 方向に変位する磁性材からなる固定子とを備えるこ とを特徴とする 超小型モータ。

2 . 磁性材からなる回転子と、 印加工ネルギにより変位するァクチ ユエ一夕と、 回転子の外周を囲み、 ァクチユエ一夕に連動して径方 向に変位する永久磁石からなる固定子とを備えるこ とを特徴とする 超小型モータ。

3 . 永久磁石からなる回転子と、 印加工ネルギにより変位するァク チユエ一夕と、 回転子の上下を囲み、 ァクチユエ一夕に連動して軸 方向に変位する磁性材からなる固定子とを備えるこ とを特徴とする 超小型モータ。

4 . 磁性材からなる回転子と、 印加工ネルギにより変位するァクチ ユエ一夕と、 回転子の上下を囲み、 ァクチユエ一夕に連動して軸方 向に変位する永久磁石からなる固定子とを備えるこ とを特徴とする 超小型モータ。

5 . ァクチユエ一夕と して、 印加電圧によって変位する圧電素子を 用いたこ とを特徴とする請求の範囲第 1， 2 , 3または 4項記載の 超小型モータ。