步进马达、镜头装置及图像摄取装置制造方法
【专利摘要】一种步进马达，包括：转子，其具有固定至旋转轴的转子磁体；多个卷绕线圈的线圈绕线筒；定子轭组，其具有多个定子轭，每个定子轭在旋转轴的轴向和径向上围绕所述多个线圈绕线筒中的每一个，所述多个定子轭中的每个具有围绕旋转轴在圆周方向上交替布置的极齿，使得极齿对置于转子磁体的侧面；以及磁引力生成部件，其被配置成用以通过磁引力将转子磁体向旋转轴的轴向吸引；转子磁体的磁中心与定子轭组的磁中心彼此一致。本发明还涉及镜头装置及图像摄取装置。
【专利说明】步进马达、镜头装置及图像摄取装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种步进马达。
【背景技术】
[0002]步进马达用作多种装置的可移动部件的驱动源，且特别是用作那些要求位置控制精度的光学调节部件(例如镜头)的驱动源。近来，根据减小相机或镜头尺寸的设计，需要能够进一步提高空间效率并且具有高驱动扭矩特性的小型步进马达。在该步进马达中，还要求适应于相机拍摄运动照片又能够改进驱动扭矩特性的静音特性。因此，提出了减小步进马达自身噪音的各种建议。
[0003]日本专利特开N0.H8-149780公开了一种步进马达，其中，轴承两个端部之一伸出以抵接转子磁体，从而使线圈绕线筒的抵接面从转子磁体的中心面在轴向上偏移所需的量。在日本专利特开N0.H8-149780的步进马达中，转子磁体的磁中心和线圈绕线筒的磁中心相对于彼此预先偏移所需的量。因此，即便当转子磁体和线圈绕线筒之间的磁平衡因部件的个体差异而丧失时，也能够防止转子在轴向上的偏移。因此，能够减少转子磁体和轴承产生的碰撞声。
[0004]然而，在日本专利特开N0.H8-149780的步进马达中，为了防止因转子磁体和线圈绕线筒之间的磁平衡丧失而导致转子在轴向上偏移，转子磁体的磁中心和线圈绕线筒的磁中心偏移。因此,与转子磁体的磁中心和线圈绕线筒的磁中心彼此一致的情形相比,减小了马达的驱动扭矩。另一方面，为了确保日本专利特开N0.H8-149780的结构中所需的驱动扭矩，马达的总长度需要延长一定的补偿量以用于补偿因轴承伸出而造成的转子磁体和线圈绕线筒的相对区域的缩减，且因此增大了步进马达的尺寸。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种静音的步进马达，其减少了转子磁体和轴承产生的碰撞声，同时保持了驱动扭矩的特性。本发明还提供了包括该步进马达的镜头装置和图像摄取装置。
[0006]作为本发明一个方面的步进马达包括:转子，其具有固定至旋转轴的转子磁体；多个卷绕线圈的线圈绕线筒；定子轭组，其具有多个定子轭，每个定子轭在旋转轴的轴向和径向上围绕所述多个线圈绕线筒中的每一个，所述多个定子轭中的每个具有围绕旋转轴在圆周方向上交替布置的极齿，使得极齿对置于(即面对)转子磁体的侧面；以及磁引力生成部件，其被配置成用以通过磁引力将转子磁体向旋转轴的轴向吸引；转子磁体的磁中心与定子轭组的磁中心彼此一致。
[0007]作为本发明另一个方面的镜头装置包括上述步进马达。
[0008]作为本发明另一个方面的图像摄取装置包括上述步进马达。
[0009]本发明的其它特征和方面从下面参考附图对示范性实施例的说明中将变得明显。
【专利附图】
【附图说明】[0010]图1是作为比较例的步进马达的截面图。
[0011]图2是描述步进马达的驱动电流的波形的图。
[0012]图3A至3D是示出在步进马达中的转子磁体和定子轭极齿之间的位置关系的示意图。
[0013]图4A和4B是示出作为比较例的步进马达的操作的截面图。
[0014]图5是实施例1中的步进马达的截面图。
[0015]图6是实施例2中的步进马达的截面图。
[0016]图7是实施例3中的步进马达的截面图。
【具体实施方式】
[0017]下面将参考附图对本发明的示范性实施例进行描述。在各个附图中，相同的元件将用相同的附图标记来指示，并且将省略对其的重复描述。
[0018]首先，参考图1，将描述用于与本发明进行比较的作为比较例的步进马达。图1是作为比较例的步进马达(双相PM步进马达)的截面图。
[0019]在图1中，附图标记10指代旋转轴。附图标记20指代转子磁体，其被固定至旋转轴10。附图标记31和32指代止推垫圈，其被设置在转子磁体20的两端上，从而转子磁体20被保持固定在旋转轴10轴向的两侧之间。旋转轴10、转子磁体20以及止推垫圈31及32组成了步进马达的转子。当步进马达被励磁时，这些组成转子的部件一体地旋转。
[0020]附图标记40a指代A相定子轭，而附图标记40b指代B相定子轭(它们一起被称作“定子轭组”)。该定子轭组包括多个定子轭，每一个定子轭沿旋转轴10的轴向和径向分别包围多个线圈绕线筒中的每一个，并且多个定子轭的每一个都具有围绕旋转轴10在圆周方向上交替布置的极齿，使得极齿对着(即面对)转子磁体20的侧面。A相定子轭40a和B相定子轭40b均包括定子，S卩，在转子磁体20的圆周方向上交替布置的极齿(未示出)，以使极齿对着(即面对)转子磁体20的侧面(圆柱体外径的侧面)。A相定子轭40a和B相定子轭40b还均包括形成了步进马达外部形状的轭。A相定子轭40a和B相定子轭40b在旋转轴10的轴向上叠成两层，且通过焊接等方式被固定。
[0021]附图标记50a指代A相线圈绕线筒，附图标记50b指代B相线圈绕线筒(它们一起被称作“线圈绕线筒”)。A相线圈绕线筒50a和B相线圈绕线筒50b分别被A相定子轭40a和B相定子轭40b在轴向和径向(正交于轴向和圆周方向的方向)上包围。A相线圈60a和B相线圈60b (它们一起被称作“线圈”)分别卷绕在A相线圈绕线筒50a和B相线圈绕线筒50b上。用于使线圈励磁的端子被省略了。
[0022]附图标记71指代轴承(第一轴承)，其被固定至壳板81 (法兰板)。附图标记72指代轴承(第二轴承)，其被固定至壳板82。壳板81和82保持被叠成两层的A相定子轭40a和B相定子轭40b，用焊接等方式在旋转轴10轴向的两侧上将A相定子轭40a和B相定子轭40b固定。换句话说，壳板81和82分别保持轴承71和72，还在轴向的两侧上保持A相定子轭40a和B相定子轭40b。因此，转子布置成保持在壳板81和82之间。根据这样的布置，轴承71和72在径向上支承旋转轴10 (旋转轴10轴向上的两端)。为了防止在励磁步进马达以旋转转子时轴承71和72与转子磁体20之间的干涉，止推垫圈31和32分别被布置在轴承71和72与转子磁体20之间。结果，转子磁体20在轴向上(推力方向)的移动被限制。
[0023]接下来，参考图2及图3A至3D，将描述步进马达(双相PM步进马达)的操作原理。图2是步进马达的驱动电流的波形图，横轴表示电角度，纵轴表示电流值。在图2中，附图标记IOOa指代用于使A相线圈60a励磁的驱动电流的余弦波形，附图标记IOOb指代用于使B相线圈60b励磁的驱动电流的正弦波形。图3A至3D是示出步进马达的转子磁体20与A相定子轭40a和B相定子轭40b的极齿(通过向A相线圈60a和B相线圈60b提供电流而生成磁极)之间的位置关系的示意图。
[0024]在双相PM步进马达中，转子磁体20被配置成使得在总共20个极(图3A至3D中8个极)中的北极和南极被交替磁化。例如，当步进马达通过1-2相驱动法被驱动时，每一步的旋转角为4.5度。A相定子轭40a和B相定子轭40b被布置成包围转子磁体20的侧面(外周)，并且当同一形状对应于一个周期时转换大约90度的相位。当电流被提供到励磁线圈的各相时，在A相定子轭40a和B相定子轭40b中生成磁极以便吸引转子磁体20的磁极，并且转子磁体20停止在磁力平衡的角度处。
[0025]图3A示出了当在图2的励磁状态中电角度为PO时，转子磁体20与A相定子轭40a和B相定子轭40b之间的位置关系。图3B示出了当在图2的励磁状态中电角度为P2时，转子磁体20与A相定子轭40a和B相定子轭40b之间的位置关系。图3C示出了当在图2的励磁状态中电角度为P4时，转子磁体20与A相定子轭40a和B相定子轭40b之间的位置关系。图3D示出了当在图2的励磁状态中电角度为P6时，转子磁体20与A相定子轭40a和B相定子轭40b之间的位置关系。因此，当电流励磁每个双相励磁线圈时，作为转子的转子磁体20旋转，即，步进马达被可旋转地驱动。
[0026]接下来，参考图4A和4B，将描述当步进马达被励磁时旋转轴10在轴向上的操作。图4A是当图2的电角度为PO或P4时仅有A相定子轭40a被励磁的情况下步进马达的截面图。由于B相定子轭40b在这一,清形下未被励磁,故对于B相定子轭40b未生成磁力。因此,转子磁体20的磁中心(轴向中心)与A相定子轭40a的磁中心(轴向中心)彼此吸引，且因此轴承71抵接止推垫圈31。
[0027]另一方面，图4B是当图2的电角度为P2或P6时仅有B相定子轭40b被励磁的情况下步进马达的截面图。由于A相定子轭40a在这一情形下未被励磁，故对于A相定子轭40a未生成磁力。因此，转子磁体20的磁中心(轴向中心)与B相定子轭40b的磁中心(轴向中心)彼此吸引，且因此轴承72抵接止推垫圈32。
[0028]由于步进马达通过图2中所示的A相电流和B相电流(驱动电流)而运行，因此图4A和4B的励磁状态反复出现。结果，轴承71和止推垫圈31的撞击(碰撞)以及轴承72和止推垫圈32的撞击(碰撞)反复产生，通过这些撞击产生了撞击声。由于用户在使用图像摄取装置(相机)等拍摄运动图像时这一撞击声将作为不想要的异常噪音被觉察到，因此会干扰相机质量。在本实施例中，提供了减小撞击的步进马达、镜头装置以及图像摄取装置。在随后的实施例1至3中将描述具体的结构。
[0029][实施例1]
[0030]首先，参考图5，将描述本发明实施例1中的步进马达。图5是本实施例中的步进马达的截面图。
[0031]本实施例中的步进马达的基本结构与参考图1描述的比较例中的步进马达的基本结构相同。因此，仅在图5中示出说明所必需的附图标记，省略了其它附图标记。在本实施例的步进马达中，附图标记90指代作为磁引力生成部件的磁性垫圈(SUS不锈钢)，其由磁性材料制成。设置了磁性垫圈90，以减小当对作为比较例的步进马达执行旋转驱动时所生成的撞击声。磁性垫圈90通过焊接等方式被固定至壳板82。
[0032]本实施例的磁性垫圈90具有环形圈形状，外径为DM1，内径为DM2。优选地，磁性垫圈90的内径Dm2设定成不小于轴承72的外径Db，即，磁性垫圈90的内径Dm2和轴承72的外径Db设定成满足Dm2 ≥Db的关系。更为优选地，磁性垫圈90的外径Dmi设定成不大于转子磁体20的外径DK，即，磁性垫圈90的外径Dmi和转子磁体20的外径Dk设定成满足Dk≥ Dm的关系。通过把直径设定成满足上述关系，能够减小步进马达的尺寸。
[0033]另外，磁性垫圈90在轴向上的厚度Tm及在转子磁体20在轴向上一侧端面20a和壳板82 —侧端面82a之间的距离Ta被设定成满足Tm ≤ Ta的关系。通过把厚度和距离设定成满足这样的关系，能够防止当转子磁体20通过励磁被旋转时转子磁体20和磁性垫圈90之间的干涉。
[0034]随后，将描述磁性垫圈90起到磁引力生成部件作用的机理。首先，对本实施例中步进马达的转子磁体20的磁化是对与磁性垫圈90对置的底面(转子磁体20的一侧端面20a)以及与每个励磁定子对置的侧面执行的。因此，一定的磁通密度也存在于转子磁体20的底面上。换句话说，通过把磁性垫圈90布置成对置于转子磁体20的底面，磁引力在转子磁体20和磁性垫圈90之间生成。根据这一结构，磁性垫圈90能够通过磁引力在轴向上吸引转子磁体20。例如，当在作为比较例的步进马达中仅仅对于A相或B相执行励磁时，相对于转子磁体20在旋转轴10的轴向上作用的磁力最大为1.1gf0另一方面，在本实施例的步进马达中，磁性垫圈90的磁引力被设定为超过1.1gf。
[0035]根据上述的结构，在仅仅A相或B相被励磁的状态下，即便相对于转子磁体20在旋转轴10的轴向上生成磁力时，磁性垫圈90被不小于作用至转子磁体20的磁力(磁引力)的一磁力所吸引。因此，在步进马达的旋转驱动期间，转子磁体20始终被吸引至轴承72的一侧，并保持了止推垫圈32和轴承72彼此抵接的状态。因此，轴承71和止推垫圈31的碰撞及轴承72和止推垫圈32的碰撞被减少了，结果，能够减少碰撞声的生成。
[0036]在本实施例的步进马达中，转子磁体20在轴向10上的中心面22和定子轭组(A相定子轭40a和B相定子轭40b)的中心面彼此一致。术语“彼此一致”是指它们被评价为彼此基本上一致即彼此几乎一致，以及它们彼此完全一致的情形。换句话说，在本实施例的步进马达中，转子磁体20和定子轭组的磁中心彼此一致。转子磁体20的磁中心是转子磁体20在轴向上的中心面22。定子轭组的磁中心是A相定子轭40a和B相定子轭40b的抵接表面42 (定子轭组的中心面)，它是指在电流被同时提供至各相线圈60a和60b的状态下的磁中心。术语“磁中心彼此一致”是指它们被评价为彼此基本上一致即彼此几乎一致，以及它们彼此完全一致的情形。在本实施例中，定子轭组具有A相定子轭40a和B相定子轭40b叠成两层的结构(即，两个定子轭层叠)，但本实施例不限于此，仅需要具有多层叠层的结构(即，多个定子轭层叠)即可。例如，当其具有三层叠层的结构(即，三个定子轭层叠)时，定子轭组的磁中心对应于位于三层叠层结构中心处的定子轭(三个定子轭中的第二定子轭)的中心面。
[0037]在本实施例的步进马达中，磁性垫圈90以适当的空间效率被布置，而没有减小转子磁体20和各相定子(定子轭)的对置区域。因此，即便当磁性垫圈90被设置以作为降噪措施时，也能够保持优选的驱动扭矩特性。此外，在本实施例的步进马达中，由于在没有增大步进马达外部形状的情况下考虑了空间效率，因此能够减小步进马达的尺寸。在本实施例中，磁性垫圈90被布置在轴承72的一侧处(壳板82的一侧处)，但该实施例不限于此。可替换地，磁性垫圈90也可以被布置在轴承71的一侧处(壳板81的一侧处)。
[0038] [实施例2]
[0039]接下来，参考图6，将描述本发明实施例2中的步进马达。图6是本实施例的步进马达的截面图。本实施例的步进马达与实施例1中步进马达的不同之处在于，设置了具有能够接收旋转轴10 —端(底端)的轴向接收形状(推力接收形状)的轴承73，代替了实施例1中的轴承72。其它结构与参考图5所描述的实施例1的那些结构相同，且因此省略了对这些结构的描述。
[0040]因此，通过使用具有能够轴向接收旋转轴10的轴向接收形状的轴承73，转子磁体20和磁性垫圈90之间的气隙能被更加精确地设定。因此，能够减小磁性垫圈90所需的磁引力。结果，由于磁性垫圈90的尺寸能够减小，因此步进马达的尺寸也能够减小。此外，相对于旋转轴10的与轴承73抵接的抵接部的形状而言，接触面积减小了，驱动损耗也降低了，因此在末端处的R形状能够被自由设定。
[0041 ] 在本实施例中，与实施例1相似地，优选地是磁性垫圈90的内径Dm2被设定成不小于轴承73的外径Db，即，磁性垫圈90的内径Dm2和轴承73的外径Db设定成满足Dm2 ^ Db的关系。更为优选地，磁性垫圈90的外径Dmi被设定成不大于转子磁体20的外径DK，即，磁性垫圈90的外径Dmi和转子磁体20的外径Dk设定成满足Dk ^ Dmi的关系。另外，优选地是磁性垫圈90在轴向上的厚度Tm及转子磁体20在轴向上一侧端面20a和壳板82 —侧端面82a之间的距离Ta被设定成满足Tm ( Ta的关系。
[0042][实施例3]
[0043]接下来，参考图7，将描述本发明实施例3中的步进马达。图7是本实施例的步进马达的截面图。本实施例的步进马达与实施例1中步进马达的不同之处在于，设置了具有能够接收旋转轴10 —端(底端)的轴向接收形状(推力接收形状)的壳板83，代替了实施例1中的壳板82。其它结构与参考图5所描述的实施例1的那些结构相同，且因此省略了对这些结构的描述。
[0044]因此，通过使用具有能够接收旋转轴10的轴向接收形状的壳板83，转子磁体20和磁性垫圈90之间的气隙能被更加精确地设定。因此，能够减小磁性垫圈90所需的磁引力。结果，由于磁性垫圈90的尺寸能够减小，因此步进马达的尺寸也能够减小。此外，相对于旋转轴10的与壳板83抵接的抵接部的形状而言，接触面积减小了，驱动损耗也降低了，因此在末端处的R形状能够被自由设定。
[0045]在本实施例中，与实施例1相似地，优选地是磁性垫圈90的内径Dm2被设定成不小于轴承72的外径Db，即，磁性垫圈90的内径Dm2和轴承72的外径Db设定成满足Dm2 ^ Db的关系。更为优选地，磁性垫圈90的外径Dmi被设定成不大于转子磁体20的外径DK，即，磁性垫圈90的外径Dmi和转子磁体20的外径Dk设定成满足Dk ^ Dmi的关系。另外，优选地是磁性垫圈90在轴向上的厚度Tm及转子磁体20在轴向上一侧端面20a和壳板83 —侧端面83a之间的距离Ta被设定成满足Tm ( Ta的关系。[0046]根据上述的每个实施例，能够提供一种静音的步进马达，其减少了转子磁体和轴承的碰撞声，同时保持驱动扭矩特性。另外，该步进马达适合于空间效率，因此能够减小步进马达的尺寸。此外，根据上述的每个实施例，能够提供包括该步进马达的镜头装置和图像摄取装置。例如，在镜头装置中，每个实施例的步进马达被用以驱动光阑。
[0047]尽管已参考示范性实施例描述了本发明，但可以理解的是，本发明不限于已公开的示范性实施例。随后权利要求的范围应给予最宽泛的解释，从而涵盖所有变例和等同结构及功能。
[0048]例如，代替磁性垫圈90和轴承72 (轴承73)，即便当采用在径向上延伸的由磁性材料制成的轴承作为磁引力生成部件时，也都能够获得与上述每个实施例相同的效果。另夕卜，代替磁性垫圈90和壳板82 (壳板83)，即便当采用由这两个用磁性材料制成的部件一体构成的壳板作为磁引力生成部件时，也都能够获得与上述每个实施例相同的效果。磁性垫圈90的外径Dmi和转子磁体20的外径Dk也可以设定成满足Dk < Dmi的关系，即磁性垫圈90也可以被保持在B相定子轭40b和壳板82之间。
【权利要求】
1.一种步进马达，包括: 转子，其具有固定至旋转轴的转子磁体； 多个卷绕线圈的线圈绕线筒； 定子轭组，其具有多个定子轭，每个定子轭在旋转轴的轴向和径向上围绕所述多个线圈绕线筒中的每一个，所述多个定子轭中的每个具有围绕旋转轴在圆周方向上交替布置的极齿，使得极齿对置于转子磁体的侧面；以及 磁引力生成部件，其被配置成用以通过磁引力将转子磁体向旋转轴的轴向吸引， 其特征在于，转子磁体的磁中心与定子轭组的磁中心彼此一致。
2.根据权利要求1的步进马达，其特征在于， 转子磁体的磁中心是转子磁体在轴向的中心面，并且 定子轭组的磁中心是定子轭组在轴向的中心面。
3. 根据权利要求1的步进马达，还包括: 轴承，其被配置成在径向上支承旋转轴的两端；以及 壳板，其被配置成固定轴承，并通过把定子轭组保持在轴向上两侧之间来固定定子轭组， 其特征在于， 磁引力生成部件的内径Dm2和轴承的外径Db被设定成满足Dm2 ^ Db的关系， 磁引力生成部件在轴向上的厚度Tm及转子磁体在轴向上一侧端面和壳板一侧端面之间的距离Ta被设定成满足Tm ( Ta的关系。
4.根据权利要求1至3中任一项的步进马达，其特征在于，磁引力生成部件的外径Dmi和转子磁体的外径Dk被设定成满足Dk ^ Dmi的关系。
5.根据权利要求3的步进马达，其中，轴承具有接收旋转轴一端的轴向接收形状。
6.根据权利要求3的步进马达，其中，壳板具有接收旋转轴一端的轴向接收形状。
7.一种镜头装置，包括: 转子，其具有固定至旋转轴的转子磁体； 多个卷绕线圈的线圈绕线筒； 定子轭组，其具有多个定子轭，每个定子轭在旋转轴的轴向和径向上围绕所述多个线圈绕线筒中的每一个，所述多个定子轭中的每个具有围绕旋转轴在圆周方向上交替布置的极齿，使得极齿对置于转子磁体的侧面；以及 磁引力生成部件，其被配置成用以通过磁引力将转子磁体向旋转轴的轴向吸引， 其特征在于，转子磁体的磁中心与定子轭组的磁中心彼此一致。
8.一种图像摄取装置，包括: 转子，其具有固定至旋转轴的转子磁体； 多个卷绕线圈的线圈绕线筒； 定子轭组，其具有多个定子轭，每个定子轭在旋转轴的轴向和径向上围绕所述多个线圈绕线筒中的每一个，所述多个定子轭中的每个具有围绕旋转轴在圆周方向上交替布置的极齿，使得极齿对置于转子磁体的侧面；以及 磁引力生成部件，其被配置成用以通过磁引力将转子磁体向旋转轴的轴向吸引， 其特征在于，转子磁体的磁中心与定子轭组的磁中心彼此一致。
【文档编号】H04N5/225GK103516171SQ201310234129
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月14日 优先权日:2012年6月19日
【发明者】浅野幸太 申请人:佳能株式会社