JP4391646B2 - ステップモータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、時計等の電子機器の駆動に使われるステップモータの構造とその駆動方法に関し、特にステータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電子機器特に時計においては、針をステップ駆動するためにステップモータが使われているが、電池寿命を増大するために、該ステップモータに対してさらなる低消電化が切望されている。
【0003】
本出願人はこの目的のために特開平10−28367号公報に開示されている技術を出願した。この特開平10−28367号公報に開示されている従来のステップモータの構造について説明する。図3は従来のステップモータを示し、(a)は平面図、(b)は(a)の直線C−C断面図である。図3に示す従来のステップモータ11は、2極で直径がdの永久磁石8から成るロータ2と、保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部50(半円60a、60bと中心が6cの円60dに囲まれたハッチング部)と該保持トルク部を除くヨーク部30aから成り前記のロータ2が入るロータ穴60を有し該ロータ2に磁気結合する板状の2極のステータ30と、該ステータ30に2個のネジ7によって固定されたコイル4から成る。
【0004】
前記ロータ穴60は、保持トルクを発生させるために、直線C−Cに直角に、お互いに逆方向にずれた中心を有する2個の半円60a、60bから構成され(偏心50aと50bを生じる)、真円(真円のときはロータ2の回転方向の保持トルクは生じない)からずれた保持トルクを生ぜしめる構造(図3(a)に示す保持トルク部50の内周に等しい)を形成している。
【0005】
さらに、図3(b)に示すように内周が前記ロータ穴60の外周60a、60bで、外周が該ロータ穴60の中心(ロータ2の中心でもある)と同一である中心6cを持つ、直径D3の円60d(半径は該6cと前記半円60aあるいは半円60bとの間の最大距離となっている)となる保持トルク部50の厚みt2が、ステータ30のヨーク部30aの厚みtに比べ薄くなっていることである。なお、90a、90bはステータ30の接合部90のエッジである。
【0006】
前記特開平10−28367号公報に開示した他の従来のステップモータの構造について説明する。図4は他の従来のステップモータを示し、(a)は平面図、(b)は(a)の直線E−E断面図である。平面図(a)に示す他の従来のステップモータ110は、2極で直径がdの永久磁石8から成るロータ2と、保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部140(中心が6cの円150aと円150bに囲まれたハッチング部)と該保持トルク部を除くヨーク部120aから成り、該ロータ2が入るロータ穴150を有し該ロータ2に磁気結合する板状の2極のステータ120と該ステータ120に2個のネジ7によって固定されたコイル4から成る。
【0007】
このステップモータの前記ロータ穴150は、保持トルクを発生させるために、直線E−Eから約45度で、お互いに対向した位置に形成された2個のノッチ140aと140bから構成され、真円(真円のときはロータ2の回転方向の保持トルクは生じない)からずれた保持トルクを生ぜしめる構造(2個のノッチからなる)を形成している。
【0008】
図4(a)のハッチング部で示される、内周が前記ロータ穴150の外周150aで、外周が該ロータ穴150の中心(ロータ2の中心でもある)と同一である中心6cを持つ、直径D4の円150b(ノッチ140aと140bに接した円となっている)となる保持トルク部140の厚みt2は、図4(b)に示すようにステータ120のヨーク部120aの厚みtに比べ薄くなっている。なお、図4(a)に示す92はステータ120の狭部である。
【0009】
ここで、前記従来のステップモータの作用を図3に示す従来のステップモータについて説明する。該従来のステップモータの作用については、前記本出願人による出願特許に詳しく説明されているので、概要を述べるにとどめる。
【0010】
ステップモータの低消電化を実現するためには、第1にロータ2と、ステータ30とコイル4間の磁気結合を上げなければならない。磁気結合を上げることによって、コイル4に流す単位駆動電流当たりの駆動トルクが増大する。駆動トルクは、ロータ穴60の径の逆数に比例して大きくなるので、ステップモータの構造に対しては、1つには、磁石8の外形をそのままでロータ穴60の径を小さくする方法が考えられる。
【0011】
第2には、保持トルクを維持しなければならない。保持トルクを生ぜしめる構造の偏心50aと50bの寸法をそのままにしておくと、保持トルクはロータ穴60の径の逆数の3乗に比例して大きくなるので、ロータ穴6の径が小さくなった結果、保持トルクが非常に大きくなり、ロータ2は回転しにくくなるので、低消電化は期待できない。
【0012】
そこで、保持トルクを維持するために、保持トルクを生ぜしめる構造の偏心50aと50bの寸法を現状の30μ程度から数μ程度にしなければならないが(図4に示すステップモータ110では、ノッチ140aと140bの半径は現状の150μ程度から数十μ程度にしなければならない)、この寸法の偏心50aと50bを精度よく加工するのは現状の加工技術では困難である。
【0013】
そこで、偏心またはノッチの寸法を現状のままで、保持トルクが保持トルク部50の厚みt2に比例することに着目し、保持トルクを維持するために保持トルク部50の厚みt2を保持トルクの増大分ヨーク部30aの厚みtより薄くしている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低消電化をさらに進めるためには、ロータ2と、ステータ30とコイル4間の磁気結合を可能な限り上げる必要がある。その結果、保持トルクも増大してくるが、保持トルクを維持するために、どこまで保持トルク部50の厚みt2を小さくすればよいか、開示されていなかった。
【0015】
また、ロータ穴60の径D3が小さくなることによって、円60dの真円からの加工上のずれにより発生する不必要なトルクも増大し、そのトルクが、偏心50a、50bと保持トルク部50の厚みt2で決まる保持トルクにプラスされ、トータルの保持トルクを歪めていた。
【0016】
さらには、ロータ2と、ステータ30とコイル4間の磁気結合が上がった結果、ロータ2が加工や組み立てで偏心したことによって発生する半径方向の吸引力も増大し、ロータ2の軸摩擦トルクが増大することになり、低消電化の妨げとなっていた。
【0017】
また、ステップモータ11の駆動方法については、開示されていなかった。
【0018】
本発明の目的は、時計等の電子機器の駆動に使われるステップモータの低消電化のためのその最適な構造と駆動方法を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の要旨は、2極の永久磁石から成るロータと、お互いに逆方向にずれた中心を有する2個の半円で構成する保持トルクを生ぜしめる構造で且つ前記ロータが入るロータ穴を有し前記ロータに磁気結合する板状のステータと、該ステータに固定されたコイルから成り、前記ステータは前記保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部と該保持トルク部を除くヨーク部から成り、さらに、該保持トルク部の厚みは前記ヨーク部の厚みより薄いステップモータにおいて、該ステップモータの前記ステータは一体ステータであって、前記保持トルク部は、前記ロータの中心と同一中心を持つ円からなる該保持トルク部の外径D0 と前記中心をずらした2個の略半円で囲まれた平面形状をなすと共に、前記2個の略半円で形成される最大寸法をDとする時、D0 >Dであることを特徴とする。
【0020】
また、2極の永久磁石から成るロータと、お互いに対向した位置に形成される2個のノッチで構成する保持トルクを生ぜしめる構造で且つ前記ロータが入るロータ穴を有し前記ロータに磁気結合する板状のステータと、該ステータに固定されたコイルから成り、前記ステータは前記保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部と該保持トルク部を除くヨーク部から成り、さらに、該保持トルク部の厚みは前記ヨーク部の厚みより薄いステップモータにおいて、該ステップモータの前記ステータは一体ステータであって、前記保持トルク部は、該保持トルク部の外径D2 と前記ノッチを除く内円により囲まれた平面形状をなすと共に、前記ノッチとノッチの外接円の径をD1 とする時、D2 >D1 であることを特徴とする。
【0021】
前記ステータは1枚の単層板あるいは2枚以上の積層板で形成されたステータであることを特徴とする。
【0022】
前記ステータは2極で形成されていることを特徴とするものであり、また前記ステップモータはチョッパー駆動されることを特徴とする。
【0023】
前記保持トルク部の厚みは、0ミクロンより大きく50ミクロンより小さくすることを特徴とする。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1実施の形態での偏心式一体ステータ型のステップモータを示し、(a)は平面図、(b)は(a)の直線A−A断面図である。図1により本発明の実施の形態を説明する。図1に示す本発明のステップモータ1は、2極で直径がdの永久磁石8から成るロータ2と、保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部5(半円6a、6bと中心が6cの円6dに囲まれたハッチング部)と該保持トルク部を除くヨーク部3aから成り、該ロータ2が入るロータ穴6を有し、該ロータ2に磁気結合する1枚の単層板で形成された2極のステータ3と、該ステータ3に2個のネジ7によって固定されたコイル4から成る。
【0025】
前記ロータ穴6は、保持トルクを発生させるために、直線A−Aに直角に、ロータ穴6の中心6cに対して、お互いに逆方向にずれた中心を有する2個の半円6a、6bから構成され(偏心5aと5bを有する)、真円からずれた保持トルクを生ぜしめる構造(図1(a)に示す保持トルク部5の内周に等しい)を形成している。
【0026】
本実施形態の特徴は、まず、図1(b)に示すように、ヨーク部3aの厚みt(本実施形態では500μに設定)に対して保持トルク部5の厚みt0が100μよりも小さくなっていることである。
【0027】
また、保持トルク部5の外径D0は前記半円6aと半円6bとで形成される最大寸法Dより大きくなっていることである。本実施形態では、該D0は1200μ、該Dは1125μである。なお、偏心5a、5bの寸法は25μである。
【0028】
図2は本発明の第2実施の形態によるノッチ式一体ステータ型ステップモータを示し、(a)は平面図、(b)は(a)の直線B−B断面図である。図2により本発明の実施形態を説明する。平面図(a)に示す本発明のステップモータ10は、2極で直径がdの永久磁石8から成るロータ2と、保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部14(中心が6cの15aと円15bに囲まれたハッチング部)と該保持トルク部を除くヨーク部12aから成る。
【0029】
該ロータ2が入るロータ穴15を有し該ロータ2に磁気結合する板状の2極の一体のステータ12と該ステータ12に2個のネジ7によって固定されたコイル4から成るステップモータであり、前記ロータ穴15は、保持トルクを発生するために直線B−Bから約45度で、お互いに対向した位置に形成された2個のノッチ14aと14bから構成され、真円からずれた保持トルクを生ぜしめる構造を形成している。
【0030】
本実施形態の特徴は、まず、図2(b)に示すように保持トルク部14の厚みt0が100μよりも小さくなっていることである。
【0031】
また、保持トルク部14の外径D2はノッチ14aと14bの外接円の径D1より大きくなっていることである。しかし、ステップモータ10のモータ性能をステップモータ1のそれと同等に出すためには、外径D2は径D1に対して、前記外径D0の前記Dに対してよりも大きくとれない。なぜなら、通常、ノッチ14aと14bの寸法(ロータ穴15の径方向の寸法)は図1に示すステップモータ1の偏心5a、5bの寸法に比べ、100μほど大きくなるからである。
【0032】
そこで、保持トルクを変えないために、保持トルクはノッチ14aと14bの面積に比例するから、ノッチ14aと14bのロータ穴15の円周方向の寸法を通常より2倍ほどにし、前記偏心5a、5bの寸法に比べ、50μほどの大きさにする。その結果、保持トルク部14の外径D2の寸法1200μに対して、該ノッチ14aと14bの外接円の径D1の寸法は、保持トルク部14の外周の加工位置精度(10μ程度)を考慮しても、該保持トルク部14の外周がノッチ14aと14bにかからない寸法、1180μになる。
【0033】
図1に示す本発明の第1の偏心式一体ステータ型ステップモータの作用について説明する。前述のように、低消電化を最大限達成するためには、駆動トルクを大きくするために、ロータ2と、ステータ3とコイル4間の磁気結合を可能な限り上げる必要がある。その結果、保持トルクも増大し、ロータ2を回転できるトルクの余裕量である余力が増大するが、消電も増大してしまうので、保持トルクを維持するために、保持トルク部5の厚みt0を小さくしていかなければならない。
【0034】
図7に示す低消電化と余力アップの保持トルク部の厚みtの変化図を使ってさらに詳しく説明する。丸と三角形印は厚み50μと100μのときの低消電化と余力アップの実験データである。厚みtが100μのときは、−5%で低消電化は達成できないが、保持トルクが大きい分、余力が19%アップしている。一方、厚みtが50μになると、17%の低消電化が達成でき、保持トルクが小さくなった分、余力は9%アップになっている。なお、低消電化と余力アップの比較対象としたステップモータは前述の特開平10−28367号で引用されている、保持トルク発生部の厚みがステータの厚みと同一の従来のステップモータである。
【0035】
図7に示す余力アップの厚み変化から、厚みt0が50μでは、まだ、余力に9%の余裕がある。そこで、保持トルクを小さくし、余力を小さくすることによって、つまり、厚みt0を50μより小さくすることによって、さらに、低消電化が可能であることがわかる。
【0036】
ちなみに、本発明の第1の偏心式一体ステータ型ステップモータに対しては、永久磁石8の外径は750μ、ロータ穴6の最大外径Dは1125μ、偏心5aと5b寸法は25μ、ステータ3の厚みtは500μであった。
【0037】
なお、第1に、保持トルク部5の外径D0を前記半円6aと半円6bとで形成される最大寸法Dより大きくとったのは、外径D0の真円部分と永久磁石8との磁気結合を、厚みt0の保持トルク発生部の永久磁石8との磁気結合より小さくすることによって、外径D0の円が真円からずれても、そのずれによって生じる余分なトルクを厚みt0の保持トルク発生部より発生する保持トルクに比べ無視出来るほどに小さくするためである。
【0038】
また、第2に、保持トルク部5の外径D0を前記半円6aと半円6bとで形成される最大寸法Dより大きくとったのは、外径D0の円が真円でも、永久磁石8と、ステータ3とコイル4が磁気回路を作っているので、永久磁石8のN、S磁極がコイル4の軸方向に平行に引っ張られるが、その力を無視出来るほど弱めて、ロータ2が厚みt0の保持トルク発生部により決められた始動し易い保持トルク静止安定位置に静止し、低消電で回転できるようにするためである。なお、本発明の第1の偏心式一体ステータ型ステップモータに対しては、前記半円6aと半円6bとで形成される最大寸法D1125μに対して、保持トルク部5の外径D0は1200μであった。
【0039】
また、ステータ3を一体ステータにしたのは、特に、ロータ3の駆動時、ステータ3の狭部9の表面への磁極の発生を抑え、ロータ3の半径方向の吸引力を小さくするためである。その結果、偏心するロータ3の半径方向の吸引力によって発生する軸摩擦トルクを小さくでき、軸摩擦トルクによる駆動電力損失を小さくできる。
【0040】
図2に示す本発明の第2のノッチ式一体ステータ型ステップモータの作用についても、前述の偏心式一体ステータ型ステップモータの作用の説明における偏心をノッチに代えることによって同様に説明できるので、説明を省略する。
【0041】
図8は、本発明の第3の実施形態によるステップモータの断面図である。トータル厚みtのヨーク31は、保持トルク部51を形成する厚みt0の薄板とロータ穴61を有する厚みt1の1枚の板を積層することによって作製される。
【0042】
図5は、1秒運針時のチョッパー駆動パルス図である。このチョッパー駆動パルスはパルス幅が約0.3msの8個のチョッパーパルスからなり、パルス幅は4msである。図6は、1秒運針時のフル駆動パルス図である。このフル駆動パルスのパルス幅は2msである。
【0043】
図7は、低消電化と余力アップの保持トルク部厚み変化図である。丸印のデータは、チョッパー駆動パルスのデータで、三角形印のデータは、フル駆動パルスのデータで、低消電化と余力アップの各データをチョッパー駆動パルスとフル駆動パルスで分けるためにそれぞれ線分L1、L2と線分L10、L20でつなげてある。保持トルク部の厚みt0が50μのデータにおいて、図5に示すチョッパー駆動パルスで、低消電化は17%、余力は9%アップしている(丸印データ)。
【0044】
一方、保持トルク部の厚みt0が100μのデータにおいて、図6に示すフル駆動パルスで、低消電化とはならず、むしろ5%消電がアップし、余力は19%アップしている(三角形印データ)。ここで、各駆動パルスとも、保持トルク部の厚みt0が50μから100μに大きくなったことによって、消電が増大し、余力がアップしたのは、保持トルクの増大が原因である。なお、チョッパーあるいはフル駆動パルスで余力のデータに違いがあまり見られないのは、チョッパーあるいはフル駆動パルス後にそれよりも幅の広い同一の駆動パルス(図省略)を印加して測定しているためである。
【0045】
ここで、低消電化は各線分L1、L2内で厚みt0に対してリニアーに変化すると考える。すると、チョッパー駆動パルスの低消電化のデータの線分L1とフル駆動パルスの低消電化のデータの線分L2は、100μよりわずか小さい厚みt01で交叉しており、厚みt01より小さい厚みt0では、チョッパー駆動パルスの方が、低消電化になると考えられる。以上により、保持トルク部の厚みt0が100μより小さい(本実施形態ではt01より小さい)本発明のステップモータにおいては、1秒運針において、フル駆動パルスよりもチョッパー駆動パルスによる駆動によって、より低消電化が達成されることがわかる。1秒運針以外の駆動においても、チョッパー駆動の方が、低消電化に適していることは明らかである。
【0046】
【発明の効果】
上記の説明からわかるように、特許請求項1から5に記載の本発明によれば、時計等の電子機器の駆動に使われるステップモータを低消電化でき、電池の寿命をのばすことができる効果があることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態によるステップモータの平面図、断面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態によるステップモータの平面図、断面図である。
【図3】従来のステップモータの平面図、断面図である。
【図4】従来の他のステップモータの平面図、断面図である。
【図5】1秒運針時のチョッパー駆動パルス図である。
【図6】1秒運針時のフル駆動パルス図である。
【図7】低消電化と余力アップの保持トルク部厚み変化図である。
【図8】本発明の第3の実施形態によるステップモータの断面図である。
【符号の説明】
1、10、11、110 ステップモータ
2 ロータ
3、12、30、120 ステータ
4 コイル
5、14、50、140 保持トルク部
3a、12a、30a、120a ヨーク部
5a、5b、50a、50b 偏心
14a、14b、140a、140b ノッチ
9、91、92 ステータ狭部
90 ステータ接合部
t0、t2 保持トルク部厚み
D0、D2、D3、D4 保持トルク部最外周径
Claims (6)
- 2極の永久磁石から成るロータと、お互いに逆方向にずれた中心を有する2個の半円で構成する保持トルクを生ぜしめる構造で且つ前記ロータが入るロータ穴を有し前記ロータに磁気結合する板状のステータと、該ステータに固定されたコイルから成り、前記ステータは前記保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部と該保持トルク部を除くヨーク部から成り、さらに、該保持トルク部の厚みは前記ヨーク部の厚みより薄いステップモータにおいて、該ステップモータの前記ステータは一体ステータであって、前記保持トルク部は、前記ロータの中心と同一中心を持つ円からなる該保持トルク部の外径D0 と前記中心をずらした2個の略半円で囲まれた平面形状をなすと共に、前記2個の略半円で形成される最大寸法をDとする時、D0 >Dであることを特徴とするステップモータ。
- 2極の永久磁石から成るロータと、お互いに対向した位置に形成される2個のノッチで構成する保持トルクを生ぜしめる構造で且つ前記ロータが入るロータ穴を有し前記ロータに磁気結合する板状のステータと、該ステータに固定されたコイルから成り、前記ステータは前記保持トルクを生ぜしめる構造を含む保持トルク部と該保持トルク部を除くヨーク部から成り、さらに、該保持トルク部の厚みは前記ヨーク部の厚みより薄いステップモータにおいて、該ステップモータの前記ステータは一体ステータであって、前記保持トルク部は、該保持トルク部の外径D2 と前記ノッチを除く内円により囲まれた平面形状をなすと共に、前記ノッチとノッチの外接円の径をD1 とする時、D2 >D1 であることを特徴とするステップモータ。
- 前記ステータは1枚の単層板あるいは2枚以上の積層板で形成されたステータであることを特徴とする請求項1または2に記載のステップモータ。
- 前記ステータは2極で形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のステップモータ。
- 前記ステップモータはチョッパー駆動されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のステップモータ。
- 前記保持トルク部の厚みは、0ミクロンより大きく50ミクロンより小さくすることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のステップモータ。
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