JP4498275B2 - ステップモータ - Google Patents

Description

本発明は、カメラ等に用いる小型のステップモータに関する。より詳細には、例えばカメラのシャッタ、レンズやバリア等を駆動するのに好適なステップモータに関する。

近年、カメラは電子化されており、シャッタの駆動がステップモータによって行なわれるようになっている。また、カメラは小型軽量化が促進され、小型で高精度なステップモータを提供する必要がある。例えば特許文献１では、固定子（ステータ）に設けた２つのコイルを同時に励起して回転子（ロータ）を回転させるステップモータが開示されている。

図７は、特許文献１で開示されているステップモータ１００の概略を示した平面図である。ロータ１０１の外周に等脚台形型のステータ１０３が配置されている。このステータ１０３は３個の磁極１０４、１０５、１０６を備えている。左右に第１コイル１０８と第２コイル１０９を備えており、これらコイル１０８、１０９に供給する電流の向きを制御することで、磁界の向きを変更して永久磁石で形成したロータ１０１を回転させるようにしている。なお、第３磁極１０６は左右のコイルから励磁されるようになっており、特にこの第３磁極１０６はロータ１０１に接近する突出部１０７を備えている。この突出部１０７を設けることにより無磁場の時にロータ１０１のＮ極（又はＳ極）がこの突出部１０７に位置するようにしている。
特公平２−２３８２号公報

ところで、ステップモータが停止状態から、より少ない消費電力で回転を開始するように形成しておくことが好ましい。しかし、上記ステップモータ１００のロータ１０１は２磁極であり、無磁場の状態では突出部１０７にＳ極又はＮ極が位置決めされるように構成されている。よって、上記ステップモータ１００は、回転開始時にエネルギー消費が大きいという問題がある。

よって、本発明は、上記課題を解決してロータの回転開始時に電力消費を抑制できるステップモータを提供することを目的とする。

上記目的は、４磁極を有するロータと、第１のコイルにより励磁される第１磁極と、第２のコイルにより励磁される第２磁極と、前記第１及び第２のコイルにより励磁される第３磁極とを含み、前記第３磁極と前記ロータとのギャップを、前記第１磁極及び前記第２磁極と前記ロータとのギャップより小さく形成したステップモータにより達成される。本発明によると、第３磁極とロータとのギャップが、第１磁極及び前記第２磁極と前記ロータとのギャップより小さく形成されている。このような構造を採用することにより、４磁極を有するロータに対して第３磁極からの磁界の影響を強めることができる。よって、ロータへの影響が強くなる傾向がある第１磁極及び前記第２磁極からの磁界を相対的に弱めることができるので、ロータの回転開始時における消費電力を小さくできる。これにより、回転開始における消費電力を小さくした省エネ型でかつ駆動トルクの高いステップモータを提供できる。

前記ロータは円筒形状を有し、前記ロータの外周面に対向するように平面略コ字状のステータが配置され、該ステータの両端部の各々に前記第１磁極及び前記第２磁極が設定され、該ステータの中央部位置に前記第３磁極が設定されている構造を一例として採用することができる。そして、前記ステータの前記第１磁極と第３磁極との間に前記第１のコイルが、前記第２磁極と第３磁極との間に前記第２のコイルがそれぞれ配置され、前記ステータは前記第１及び第２のコイルの位置ずれ防止用の突部を備えることがより好ましい。このように突部を備えていれば、第１及び第２のコイルの位置が安定するのでより好ましい構造を備えたステップモータとして提供することができる。

そして、前記第１のコイル及び前記第２のコイルを励磁する電流制御回路に接続し、この電流制御回路から第１のコイル及び前記第２のコイルへ供給する電流の方向を切換えることにより、２相励磁の状態でステータの回転制御を実行することができる。また、前記第１のコイル及び前記第２のコイルを励磁する電流制御回路に接続し、この電流制御回路の第１のコイル及び前記第２のコイルのいずれか一方へ供給する電流の方向を切換えることにより、１相励磁の状態でステータの回転制御を実行してもよい。第１のコイル及び第２のコイルを励磁する電流を供給してロータの駆動を制御する場合には、ロータのステップ角を４５°としてロータを回転させることができる。また、第１のコイル及び第２のコイルのいずれか一方を励磁する電流を供給してロータの駆動を制御する場合には、ロータのステップ角を９０°としてロータを回転させることができる。よって、本ステップモータは、このようにステップ角を変更することができるので自由度が高いステップモータとして提供できる。

本発明によれば４磁極を有するロータに対して、ステータ側に設ける第３磁極からの磁界の影響を強めることができる。よって、ロータへの影響が強くなる傾向がある第１磁極及び前記第２磁極からの磁界を相対的に弱めることができるので、ロータのディテントトルクが小さく、電力消費を低く抑えたステップモータを提供できる。

以下、本発明に係る一実施形態を図面を参照して説明する。図１は実施形態に係るステップモータの主要部の構成を示した図である。本ステップモータ１は、中央に配置した両方向に回転可能なロータ２及びこのロータ２の外周に対向するように配置したステータ３を備えている。このロータ２は断面円形で円筒形状を成している。ステータ３は平面略コ字状で一体型に形成され、その内部空間にロータ２を収納する状態で配置されている。なお、図１ではステータ３のコ字の開放側が上向きとなる状態でステップモータ１を示している。

ロータ２は、Ｎ磁極及びＳ磁極をそれぞれ２個ずつ備えた４磁極構成である。このロータ２は、同一磁極が互いに対向する位置に着磁された永久磁石であり、軸２１回りに両方向へ回動自在に設けられている。上記コ字形状を有するステータ３の両端は、ロータ２の周面に対向するように形成されている。これらのそれぞれが第１磁極１１、第２磁極１２となる。そして、この第１磁極１１及び第２磁極１２の中間位置に第３磁極１３が配置されている。

上記第１磁極１１と第３磁極１３との間には第１のコイル４が、第２磁極１２と第３磁極１３との間には第２のコイル５が、それぞれ巻回されている。第１磁極１１は第１のコイル４が通電されたときに励磁され、第２磁極１２は第２のコイル５が通電されたときに励磁される。これに対して、第３磁極１３は第１のコイル４及び第２のコイル５の両方によって励磁される。よって、第３磁極１３の励磁状態は、第１のコイル４及び第２のコイル５への通電状態を組み合わせた状態が見た目の状態として現れる。

図１では、ステップモータ１の第１のコイル４及び第２のコイル５に接続される電流制御回路２５が点線で示されている。本実施形態では、この電流制御回路２５から第１のコイル４及び第２のコイル５を励磁する電流が供給される。この電流供給には、２つのパターンが設定されている。第１のパターンでは、電流制御回路２５から第１のコイル４及び第２のコイル５の両コイルを励磁する電流が供給され、その電流供給方向をコイル毎に切換えることによりロータ２の駆動状態が制御される。この第１パターンでは、第１磁極１１及び第２磁極１２が、共に同じ磁極に励磁される状態と、互いに異なる磁極に励磁される状態とが存在する。このとき第３磁極１３に結果として現れる磁界は、第１磁極１１及び第２磁極１２が共に同じ磁極に励磁された場合には、これらよりも強力なものとなる。その逆に、第１磁極１１及び第２磁極１２が互いに異なる磁極に励磁された場合には、第３磁極１３での磁化は相殺されて無磁化状態となる。

第２のパターンでは、電流制御回路２５から第１のコイル４又は第２のコイル５のいずれか一方を励磁する電流が供給され、その電流供給方向を切換えることによりロータ２の駆動状態が制御される。この第２のパターンの場合には、第１磁極１１側又は第２磁極１２側のみが励磁され、電流供給方向を変更することにより反対の磁極に切換えられる。この第２のパターンでの第３磁１３は、励磁された第１磁極１１又は第２磁極１２の対極を成す磁極に励磁される。

第１のパターンでは、第１のコイル４及び第２のコイル５を励磁する２相励磁の状態でロータ２の駆動が制御される。また、第２のパターンでは、第１のコイル４及び第２のコイル５の内でいずれか一方のみが励磁される１相励磁の状態でロータ２の駆動が制御される。これら第１のパターン及び第２のパターンによるロータ２の回動状態については、後に図を参照してより詳細に説明する。

本ステップモータ１はロータ２が４磁極構成であり、特に回転開始時のトルクを軽減できるようにした構造を備えている。この点について説明する。本ステップモータ１では、ロータ２の周表面と第１磁極１１及び第２磁極１２との間の間隔は、同じギャップｄとされている。これに対し、ロータ２の周表面と第３磁極１３との間のギャップＤは、ギャップｄよりも小さく設定されている。このギャップＤは、第３磁極１３からロータ２への磁界を強めて、ロータ２に作用する第１磁極１１及び第２磁極１２からの磁界を相対的に弱めるために狭く設定される。このギャップＤは、例えばギャップｄの０．３から１倍程度、より好ましくは０．８倍程度に設定するのが望ましい。

第１磁極１１及び第２磁極１２からの磁界がロータ２に強く作用すると、ロータ２が停止状態のディテントトルクが大きくなってしまう。そこで、本ステップモータ１では、ロータ２の周表面と第３磁極１３とのギャップＤを小さく設定して、第３磁極１３の影響を強めることでロータ２に対する第１磁極１１及び第２磁極１２からの磁気的影響力を相対的に低下させている。これにより、ステータ３とロータ２との磁気的なバランスを平均化してディテントトルクを低減している。よって、本ステップモータ１は消費電力を低減することができる。なお、先に示した従来技術におけるステップモータも、第３磁極をロータに近付けた構造である。このステップモータのロータは２磁極構成であり、ロータの一方の磁極が第３磁極に対向して停止するように第３磁極をロータに近付けている。しかし、本ステップモータ１で第３磁極１３をロータ２の表面に近付けるのは、各磁極からロータ２に作用する磁界を平均化してトルク低減を図るためである。このように一見、類似した構造で異なる作用効果を奏するのは、本ステップモータ１では４磁極構成のロータ２を採用しているからである。

以下、図２〜図４を参照して、本ステップモータ１のロータ２が回転する際の様子をより詳細に説明する。図２は、前述した第１の電流供給パターンの場合であり、第１のコイル４及び第２のコイル５を励磁する２相励磁によりロータ２を回転させた場合について示している。また、図３及び図４は、前述した第２のパターンであり、第１のコイル４及び第２のコイル５の内、一方のみをを励磁する１相励磁でロータ２を回転させた場合について示している。そして、特に図３は第１のコイル４を励磁した場合、図４は第１のコイル５を励磁した場合について示している。図２〜図４に示す各コイル４、５への電流供給は、図１に示した電流制御回路２５により行なわれるが、これらの図では図示を省略している。また、図３及び図４では、理解を容易とするために通電されたコイルのみを図示している。

図２を参照して、本ステップモータ１のロータ２が回転する際の様子を説明する。この図２は、前述した第１のパターンについて示しており、第１のコイル４及び第２のコイル５を励磁して、ステップ角４５°でロータ２を時計方向（右回転方向）に回転する場合を示している。図２（ａ）はコイル４、５が無通電である状態を示している。図２（ｂ）から（ｅ）では、コイル４、５へ供給する電流を制御してロータ２を時計方向に回転させる場合を時系列で示している。図２（ａ）は、第１磁極１１及び第２磁極１２は励磁されおらず、ロータ２のＮ、Ｓ磁極が第１、第２磁極１１、１２に対向して位置している。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の状態から第１及び第２のコイル４、５に通電され、第１磁極１１及び第２磁極１２が共にＳ極に励磁された場合を示している。このとき第３磁極１３ではＮ極が倍化して励磁される。つぎに示す、図２（ｃ）では、図２（ｂ）の状態から第１磁極１１の励磁状態がＳ極に維持され、第２磁極１２が逆のＮ極に励磁された場合を示している。このとき第３磁極１３にはＮ極とＳ極が励磁されるので相殺し合って無磁化状態となる。以下同様に、図２（ｄ）では、図２（ｃ）の状態から第１磁極１１及び第２磁極１２が共にＮ極に励磁された場合を示している。このとき第３磁極１３ではＳ極が倍化して励磁される。つぎに、図２（ｅ）では、図２（ｄ）の状態から第１磁極１１の励磁状態がＮ極に維持され、第２磁極１２が逆のＳ極に励磁された場合を示している。このとき第３磁極１３にはＮ極とＳ極が励磁されるので相殺し合って無磁化状態となる。

上記のように、ステータ３側の各磁極１１〜１３の磁化状態が順次変化するのに伴って、図示するようにロータ２が時計回転方向に４５°ずつ回転する。なお、図２の各図では第１、第２のコイル４、５に通電が行なわれ、４５°の回転が完了した位置にあるロータ２を示している。ロータ２が図２（ａ）の停止状態から、図２（ｂ）で示すように、電流制御回路２５による通電によって各コイル１１、１２が励磁されるとロータ２は時計回転方向へのトルクを受ける。ロータ２が時計方向への回転を開始するときに、本ステップモータ１では第３磁極１３がロータ２の表面に近付いて配置されているので、相対的に少ない消費電力で回転を開始できる。すなわち、電流制御回路から供給する電流量を小さくできるので、省エネを図ってロータ２を回転させることができる。

図３は、前述した第２の電流供給パターンの場合であり、第１のコイル４のみを励磁する１相励磁でロータ２を時計方向にステップ角９０°回転させる場合を示している。図３（ａ）はコイル４、５が無通電である状態を示している。図３（ｂ）から（ｅ）では、コイル４に供給する電流を制御してロータ２を９０°ずつ時計方向に回転させる場合を時系列で示している。この図３の場合には、第１のコイル４に供給する電流を逆向きに切換えることで第１磁極１１に発生させる磁極を反転させている。このとき第３磁極１３に発生する磁極は、第１磁極とは反対の磁極となる。また、第２磁極１２はコイルから励磁を受けないので、第３磁極１３と一体の磁極となる。

まず、図３（ａ）は、第１磁極１１及び第２磁極１２は励磁されおらず、図２（ａ）と同様であり、ロータ２のＮ、Ｓ磁極が第１、第２磁極１１、１２に対向した位置となる。次の図３（ｂ）は、図３（ａ）の状態から第１のコイル４に通電がされ、第１磁極１１がＳ極に励磁された場合を示している。このとき第３磁極１３及び第２磁極はＮ極に励磁される。つぎに示す図３（ｃ）では、図３（ｂ）の状態から第１磁極１１の励磁状態がＮ極に切換えられ、第３磁極１３及び第２磁極１２が逆のＳ極に励磁された場合を示している。以下同様に、図３（ｄ）では、図３（ｃ）の状態から第１磁極１１が共にＳ極に励磁された場合を示している。このとき第３磁極１３及び第２磁極１２がＮ極に励磁される。つぎに、図３（ｅ）では、図３（ｄ）の状態から第１磁極１１がＮ極に切換えられ、第３磁極１３及び第２磁極１２が逆のＳ極に励磁される。

上記のように、ステータ３側の各磁極１１〜１３の磁化状態が順次変化するのに伴って、図示するようにロータ２が時計回転方向に９０°ずつ回転する。なお、図３の各図では第１のコイル４に通電が行なわれ、９０°の回転が完了した位置にあるロータ２を示している。図３で示す場合も、ロータ２が図３（ａ）の停止状態から、電流制御回路の通電により図３（ｂ）で示すようにコイル４が励磁されて時計方向への回転が開始されるときに、第３磁極１３がロータ２の表面に近付いて配置されているので相対的に少ない消費電力で回転を開始できる。よって、電力消費を低く抑制できる。さらに、この図３で示す例では、第２のコイル５を休ませた状態でロータ２を時計方向に９０°ずつ回転させることができるという顕著なメリットもある。

さらに、図４は、前述した第２の電流供給パターンの場合であり、第２のコイル５のみを励磁する１相励磁でロータ２を反時計方向にステップ角９０°回転させる場合を示している。この図４は、図３の場合とはちょうど逆の動作を示している。すなわち、図４（ａ）はコイル４、５が無通電である状態を示している。図４（ｂ）から（ｅ）では、コイル５に供給する電流を制御してロータ２を反時計方向に回転させる場合を時系列で示している。この図４の場合には、第２のコイル５に供給する電流を逆向きに切換えることで第２磁極１２に発生する磁極が反転する。そして、第３磁極１３に発生する磁極は第２磁極と反対磁極となる。さらに、第１磁極１１はコイルから励磁を受けないので、第３磁極１３と一体の磁極となる。

図４で示す場合もステータ３側の各磁極１１〜１３の磁化状態が順次変化するのに伴って、図示するようにロータ２が反時計回転方向に９０°ずつ回転する。そして、反時計方向への回転を開始するときに第３磁極１３がロータ２の表面に近付いて配置されているので、相対的に弱いトルクで回転を開始できるの電力消費を抑制できる。この図４で示した場合は、第１のコイル４を休ませた状態でロータ２を反時計方向に９０°ずつ回転させることができる。

図５は、本ステップモータ１で用いるのに好ましい形状を備えたステータについて示した図である。この図５では、図１及び図２で示した部位と対応する部位に同一の符号を付している。ステータ３の第１磁極１１及び第２磁極１２は、図示を省略しているロータの周面に対向し、かつロータの長手方向での長さに対応するように縦長に形成されている。ステータ３は両側にアーム部３１、３２を備え、このアーム部３１、３２が基部３５に接続されている。基部３５の中央部には第３磁極１３が形成されている。この第３磁極１３も上記第１磁極１１及び第２磁極１２と同様の縦長形状に形成されている。磁極１１〜１３の縦長形状は、ステータ３の厚み方向両側に延びて形成している。また、長さとしては半分になるが、厚み方向片側のみに延ばして縦長形状を形成してもよい。

本ステータ３は、上記アーム部３１、３２に第１〜第３磁極を励磁するためのコイル４、５が巻回される。これらコイル４、５を位置決めするため、各アーム部の後端には突部３３、３４が形成されている。このように突部３３、３４を設けることにより、各アーム部３１、３２に巻回したコイル４、５を確実に位置決めできる構造が実現される。なお、各磁極１１〜１３の上部には凹部３７〜３９が形成されている。本実施形態で示すステップモータ１は、その上下にケースがセットされてモジュール化される。これら凹部３７〜３９はケースをセットする際の位置決めに用いられる。

図６は前述したステップモータ１の主要部構造を含みモジュール化した場合のステップモータの外観を示した斜視図である。なお、この図６でも図１及び図２で示した部位と対応する部位に同一の符号を付している。図６は主要部構成の上下それぞれに、上部ケース７及び下部ケース８をセットして一体化したモジュールを示している。このようにモジュール化したステップモータを例えばカメラのシャッタ駆動部として採用すると、起動時に消費電力の少ないステップモータとして提供できる。また、電流制御回路２５による電流の制御でステップ角を４５°、９０°、更には１３５°、１８０°以上とすることも可能であるのでステップ角を調整できる自由度の高いステップモータとして提供できる。

以上本発明の好ましい一実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施形態に係るステップモータの主要部の構成を示した図である。 実施形態に係るステップモータのロータが２相励磁で回転される場合について示した図である。 実施形態に係るステップモータのロータが１相励磁で時計方向に回転される場合について示した図である。 実施形態に係るステップモータのロータが１相励磁で反時計方向に回転される場合について示した図である。 ステップモータで用いるのに好ましい形状を備えたステータについて示した図である。 ステップモータの構造を含みモジュール化した場合の外観を示した斜視図である。 従来のステップモータの概略を示した図である。

Claims (3)

1. ４磁極を有するロータと、第１のコイルにより励磁される第１磁極と、第２のコイルにより励磁される第２磁極と、前記第１及び第２のコイルにより励磁される第３磁極とを含み、
   前記第３磁極と前記ロータとのギャップを、前記第１磁極及び前記第２磁極と前記ロータとのギャップより小さく形成し、
   前記ロータの外周面に対向するように配置されたステータを有し、
   前記ステータの両端部の各々に前記第１磁極及び前記第２磁極が設定され、該ステータの中央部位置に前記第３磁極が設定され、
   前記ステータの前記第１磁極と前記第３磁極との間に前記第１のコイルが配置され、前記ステータの前記第１磁極と前記第３磁極とは互いに異なる極性に励磁可能であり、前記第２磁極と前記第３磁極との間に前記第２のコイルが配置され、前記第２磁極と前記第３磁極とは互いに異なる極性に励磁可能であることを特徴とするステップモータ。
2. 前記ロータは円筒形状を有し、前記ステータは平面略コ字状であることを特徴とする請求項１記載のステップモータ。
3. 前記ステータは前記第１及び第２のコイルの位置ずれ防止用の突部を備えることを特徴とする請求項２に記載のステップモータ。

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