(57)【要約】  【課題】直径、長さが共に１ｃｍ前後の超小型モータにおいて、駆動回路の変更、あるいは形状寸法の大きな変更を行うことなくトルクを増大させたモータの実現を目的とした。  【解決手段】駆動コイルと外筐を形成しているヨークとの間に厚さ方向に着磁した磁気シートを配置し、永久磁石であるロータと磁気シートとの合成磁界として駆動コイルを横切る磁束密度を増加させトルク向上を図っている。この他、駆動コイルと制動コイルとの中間位置に形成している磁路の途中にヨークと同じ磁気特性を有する金属片を配置し、これにより生じるリラクタンス効果を利用してトルクを向上する方法、あるいは、駆動コイルと制動コイルとを２重巻構造とし、且つこの２重巻構造のコイルを２分割してロータ回転軸に対して対称の位置に配置する構成もある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径方向に着磁されたロータと、該ロータを囲むように、且つロータ回転軸に対して対称の位置にそれぞれ配置された駆動コイルおよび制動コイルと、該駆動コイルおよび制動コイルを囲むように配置された筒状のヨークとを有するアイリス制御用モータにおいて、
前記駆動コイルと前記筒状のヨークとの間に厚さ方向に磁化されたシート状の永久磁石を外部磁石として挿入することによりモータ磁気回路の磁束密度を増大し、これによりトルクの向上を行うことを特徴とするアイリス制御用駆動モータ。
【請求項２】
直径方向に着磁されたロータと、該ロータを囲むように、且つロータ回転軸に対して対称の位置にそれぞれ配置された駆動コイルおよび制動コイルと、該駆動コイルおよび制御コイルを囲むように配置された筒状のヨークとを有するアイリス制御用モータにおいて、
前記ロータと前記駆動コイルおよび制動コイルとで形成される磁路中の所定の場所に高透磁率材料片を配置しヨークを含む磁路を形成することで磁気抵抗の低減によるリラクタンス効果を増大せしめ、これによりモータ磁気回路における磁束密度を増大し、これによりトルクの向上を行うことを特徴とするアイリス制御用駆動モータ。
【請求項３】
直径方向に着磁されたロータと、該ロータを囲むように配置されている駆動コイルおよび制動コイルを有するコイル部と、該コイル部を囲むように配置された筒状のヨークとを有するアイリス制御用モータにおいて、
前記駆動コイルと前記制動コイルとを同一ボビン上に２重巻として形成し、且つ該２重巻きコイルを前記ロータの回転軸の両側に該回転軸を挟むように配置することでモータ磁気回路における磁束密度を増大せしめ、これによりトルクの向上を行うことを特徴とするアイリス制御用駆動モータ。
【請求項４】
直径方向に着磁されたロータと、該ロータを囲むように、且つロータ回転軸に対して対称の位置にそれぞれ配置された駆動コイルおよび制動コイルと、該駆動コイルおよび制動コイルを囲むように配置された筒状のヨークとを有するアイリス制御用モータにおいて、
前記駆動コイルと前記筒状のヨークとの間に厚さ方向に磁化されたシート状の永久磁石を外部磁石として挿入し、且つ、前記ロータと前記駆動コイルおよび制動コイルとで形成される磁路中の所定の場所に高透磁率材料片を配置しヨークを含む磁路を形成することで磁気抵抗の低減によるリラクタンス効果を増大せしめてモータ磁気回路における磁束密度を増大し、これによりトルクの向上を行うことを特徴とするアイリス制御用駆動モータ。
【請求項５】
直径方向に着磁されたロータと、該ロータを囲むように配置されている駆動コイルおよび制動コイルを有するコイル部と、該コイル部を囲むように配置された筒状のヨークとを有するアイリス制御用モータにおいて、
前記駆動コイルと前記制動コイルとを同一ボビン上に２重巻として形成し、該２重巻きコイルを前記ロータの回転軸の両側に該回転軸を挟むように配置する構成とし、
且つ、前記ロータ回転軸を挟むように配置された前記両コイル部の外側と、コイル部を囲むように外側に配置された筒状のヨークとの間に、厚さ方向に磁化されたシート状の永久磁石を外部磁石として挿入することによりモータ磁気回路の磁束密度を増大し、これによりトルクの向上を行うことを特徴とするアイリス制御用駆動モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学機器に用いられるアイリスの自動調整機構に係る。
【背景技術】
【０００２】
小型テレビカメラ特に監視用のカメラにおいては長時間一定場所に固定し、２４時間連続的に動作させるため、遠隔操作によりあるいは自動調整により撮像条件の調整を行うことが多い。撮像条件調整の基本項目の１つとしてアイリス調整がある。一般にこのアイリス調整機構は図９に示す構造が多く用いられている（下記、特許文献１および特許文献２）。すなわち、２枚のアイリス形成部材８０２が互いに逆方向（矢印方向）に直線移動することによりアイリス８０１の開口を制御している。アイリス形成部材８０２の直線移動は、モータ８０３で発生したトルクが回転運動としてモータ軸８０４及びこのモータ軸８０４に対称位置に固着された２本のアーム部材８０５に伝達される。
【０００３】
さらに、２本のアーム部材８０５の先端部にそれぞれ取り付けられたピン８０６とアイリス形成部材８０２のアーム部材８０５側端部に設けられたスリット８０７とは摺動可能な状態で繋合され、この構造によりモータ８０３の回転運動がアイリス形成部材８０２の相互逆方向の直線移動に変換される。
【特許文献１】特開２００３−３４８３９８号公報
【特許文献２】実開平７−８８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような構造のアイリス制御機構においては、モータのロータ回転角は上記アイリス形成部材の移動距離により限定されている。一方、本用途に使用するモータ自体は、長さ、直径共に１ｃｍ程度の極めて小型であるため、構造上、性能面での制限があり、特にトルクの向上が問題となっていた。このため、本発明においては、モータのトルク向上をモータの外形寸法および駆動電流等外的条件に関して大きな変更を行うことなく実現することを目的とした。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明においてはロータと駆動コイルで形成される磁気回路における磁束密度等の磁気特性を実効的に高めることによりモータのトルク向上を図った。すなわち、請求項１においては、シート状の外部磁石を駆動コイルの外側で且つ外筐を形成しているヨークの内側の部分に配置することにより磁気特性の向上を図る構造について規定した。
【０００６】
請求項２においては、ロータと駆動コイルとで形成される磁路中で予め定められた位置に高透磁率の材料による金属片を配置しヨークを含む磁路を形成することで磁気抵抗の低減によるリラクタンス効果を増大せしめ、これにより磁気回路の特性を向上しトルク増加を図っている。
【０００７】
請求項３においては、駆動コイルと制動コイルとを同一ボビンに２層巻とし、且つロータの回転中心に対して対称の位置となるように分割構造とすることでモータ磁気回路の磁気特性を改善し、トルク増加を図った。
【０００８】
請求項４においては、直径方向に着磁されたロータと、該ロータを囲むように、且つロータ回転軸に対して対称の位置にそれぞれ配置された駆動コイルおよび制動コイルと、該駆動コイルおよび制動コイルを囲むように配置された筒状のヨークとを有するアイリス制御用モータにおいて、前記駆動コイルと前記筒状のヨークとの間に厚さ方向に磁化されたシート状の永久磁石を外部磁石として挿入し、且つ、前記ロータと前記駆動コイルおよび制動コイルとで形成される磁路中の所定の場所に高透磁率材料片を配置し、ヨークを含む磁路を形成することで磁気抵抗の低減によるリラクタンス効果を増大せしめてモータ磁気回路における磁束密度を増大し、これによりトルクの向上を図っている。
【０００９】
請求項５においては、直径方向に着磁されたロータと、該ロータを囲むように配置されている駆動コイルおよび制動コイルを有するコイル部と、該コイル部を囲むように配置された筒状のヨークとを有するアイリス制御用モータにおいて、前記駆動コイルと前記制動コイルとを同一ボビン上に２重巻として形成し、該２重巻きコイルを前記ロータの回転軸の両側に該回転軸を挟むように配置する構成とし、且つ、前記ロータ回転軸を挟むように配置された前記両コイル部の外側と、コイル部を囲むように外側に配置された筒状のヨークとの間に、厚さ方向に磁化されたシート状の永久磁石を外部磁石として挿入することによりモータ磁気回路の磁束密度を増大し、これによりトルクの向上を行う構成とした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により磁束密度を増加し、これによるトルクの向上を実現し得たと同時に、ロータの磁化の方向に対するコイル面の傾き角が大きくなってもトルク低下によるロータ回転角の範囲内におけるトルクの向上が実現することができ、回転角に伴うトルク変動も抑制することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
モータのトルクは下記（数１）式から求めることが出来る。
【００１２】
Ｔ＝Ｎ・Ｉ・Ｂ・ａ・ｂ・ｃｏｓγ                    （数１）
ここで、Ｔはトルク（Ｎ・ｍ）であり、トルクの決定要因としては下記項目が列挙できる。
【００１３】
Ｎ：コイルの巻数
Ｉ：コイル電流（Ａ）
Ｂ：磁束密度（Ｗｂ／ｍ２）
ａ：コイルの横寸（ｍ）
ｂ：コイルの縦寸（ｍ）
γ：磁界方向とコイル面との傾き角（ｄｅｇ）
である。なおコイル面とは方形コイルを想定し、その縦寸・横寸で形成された面としている。（数１）式において、「ａ・ｂ」はコイルの形状寸法に関係する部分であるがモータ自体の外寸が直径、長さ共に１０ｍｍ程度で制限されており、「Ｎ・Ｉ」で与えられる所謂アンペアターン値も同様に、電流値を増すための線径を増大するか、あるいは巻数を増加するか何れの方法に対しても寸法上の制限がある。以上のことから本発明においては、磁束密度か、あるいは磁界強度を向上することによりトルクを増大させる構成としている。以下この具体的方法について説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
一般にアイリス調整用のモータは、ロータには直径方向に着磁された永久磁石を、界磁側には制動コイルおよび駆動コイルを用いるブラシレス直流モータの形状としている。図１は本発明による実施の形態１を示すモータ断面図である。図１はロータの軸方向から見たもので、直径方向に磁化されたロータ１０１の中心軸にはピン１０２（図９における８０６）が両端部に取り付けられたアーム１０３（図９における８０５）が固着されている。本発明の特徴は駆動コイル１０４の外側と外筐を形成しているヨーク１０５との間にシート状の永久磁石による外部磁石１０６を配置したことにある。以下、この外部磁石１０６を駆動コイルの外側に付加することの効果について説明する。なお、ここで用いられるシート状の外部磁石１０６は厚さ方向に磁化されているものとする。
【００１５】
図２（ａ）に示すようにロータ１０１の回転角をΘ（ｄｅｇ）とし、図２（ｂ）に示すように着磁方向からのずれ角をθ（ｄｅｇ）、ロータの半径をａ（ｍ）とし、磁性体すなわちロータ１０１の外側の領域（ｒ＞ａ）における半径方向の磁束密度成分をＢｒ（Ｗｂ／ｍ２）、ロータ１０１の周方向（回転方向）の磁束密度成分をＢθ（Ｗｂ／ｍ２）とすれば、これら各磁束密度成分は下記（数２）式および（数３）式で与えられる。
【００１６】
Ｂｒ＝Ｋ・ｃｏｓθ／ｒ２                          （数２）
Ｂθ＝Ｋ・ｓｉｎθ／ｒ２                          （数３）
ここで、Ｋは着磁後のロータ１０１の磁束密度に関する係数で、ロータ（磁性体）１０１の透磁率、ロータ１０１着磁時に加える外部磁界によるロータ１０１における磁束密度およびロータ半径で決定される。実際には着磁後の磁束密度を実測してこの係数に代入する。
【００１７】
次に、外部磁石１０６（磁気シート）を駆動コイル１０４とヨーク１０５の間に取り付けた場合を考える。図３にΘ＝０の場合、すなわち図２（ｂ）の場合に相当、の軸方向断面図を示す。図３において、ロータ１０１の半径をａ（ｍ）、駆動コイル１０４をロータ１０１中心から見込む角度を（θｃ２−θｃ１）、ただしθｃ２＞θｃ１で単位は何れも（ｄｅｇ）、駆動コイル１０４の半径方向の厚みをｔ（ｍ）、ロータ１０１と駆動コイル１０４のロータ１０１側との空隙をｇ（ｍ）、コイルの縦寸を（数１）式の場合と同様ｂ（ｍ）としている。この状態で駆動コイル１０４にはロータ側からの磁束密度成分Ｂｒと、外部磁石１０６からの磁束密度成分Ｂｍとが加算されることになり、この合成成分をＢ（ｒ，θ，Θ）で示すことにするとこの合成成分は次式で与えられる。
【００１８】
Ｂ（ｒ，θ，Θ）＝Ｂｒ（ｒ，θ，Θ）＋Ｂｍ（θ）      （数４）
なお、外部磁石１０６の範囲はロータ１０１の中心からの角度表示でθｍ１（ｄｅｇ）からθｍ２（ｄｅｇ）とする。以上から、図３の全領域について得られるトルクＴ（Ｎ・ｍ）は下記（数５）式で得られる。
【００１９】
【数５】
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ただし、Ｂｒ（ｒ，θ，Θ）＝Ｋｃｏｓ（θ−Θ）／ｒ２
Ｂｍ（θ）＝αＢｍ
すなわち、Ｂｍ（θ）の積分値が本実施の形態１を適用することにより得られるトルク増加分となる。
【００２０】
なお、ヨーク材と同じ材質の円柱型棒材をロータに挿入すると、上記のシート状磁性体による効果をより高められる結果が得られている。この場合、ロータの形状は図４のようになる。
【００２１】
（実施の形態２）
実施の形態１においては外部磁石１０６を付加することにより磁束密度向上を行ったが、駆動および制動の両コイルの磁路中にヨーク１０５と同じ磁性（例えば、ヨークと同じ材質等の高透磁率材料）を有する材質の一片を配置することによりトルク特性を有効に改善することができる。この場合の磁性体片の配置例を図５に示す。図５において、駆動コイル１０４および制動コイル１０７の巻き線面に直角方向で、且つヨーク材１０５に接触した状態で高透磁率の材料片５０１を配置することにより、ロータ１０１・駆動コイル１０４（または制動コイル１０７）・ヨーク１０５で形成する磁気回路に、局所的に磁気抵抗の低い部分を設ける。この高透磁率材料片５０１を含む経路に磁気抵抗の低減によるリラクタンス効果増大し、これにより高磁束密度の部分が発生し、ロータの磁極に対する吸引力が強められ、トルクの向上を実現することが出来る。なお、この鉄片を設置する位置としては、図５に示した位置以外においても、駆動コイル、制動コイルで形成される磁気回路の中にあり、且つ設置スペースが確保できれば他の位置に設置することも可能である。
【００２２】
（実施の形態３）
従来は駆動コイル１０４と制動コイル１０７とを図１に示したようにロータ１０１の回転軸を中心にして直径に対称な位置にそれぞれ配置する構成となっていた。しかし、この構成では駆動コイル１０４に関して言えば、直径位置に対し非対称の位置にあるため、駆動コイルの側の方により大きなトルクが発生し、平均トルクの点で損失があり、トルク変動の発生も避けられない。さらに、ロータ１０１を片一方の方向に押し付ける作用もあるため、これもトルク損失の原因ともなっていた。
【００２３】
このため、本実施の形態３においては駆動コイル１０４、制動コイル１０７共にロータ１０１の直径に関し対称配置となるように、図６に示すようにこれら両コイルを２重巻構造とした。これにより、駆動コイルによるトルクがロータ１０１の回転軸に対して対称に発生させることが出来、トルク変動も平均化される利点がある、と同時に、上記のトルク損失分も排除することが出来る。図７に従来の非対称巻に対して本発明による対称巻とすることによるトルク特性の改善効果を示す。
【００２４】
図８は上記３種の実施の形態に関する構成におけるトルク特性の差をシミュレーションにより比較した結果を示すものである。図８において、座標軸は比較のため正規化して任意スケールとしているが基本的には、横軸はロータの回転角θ（ｄｅｇ）を、縦軸はトルクＴ（Ｎ・ｍ）を示している。図８の曲線ａは本発明によるトルク向上の処置を施していない従来の特性曲線を示している。また、縦軸、横軸共に任意スケールで示しているが、トルクはロータ１０１の回転角０度で最大となり、回転角９０度で０になる。すなわち、ロータ１０１は±θ回転するため図８においてはロータ１０１の回転角の半分を示しており、全回転角（２θ）に対する特性曲線は縦軸に対称な曲線を想定すればよい。また、実用時の回転角θの値は４０度前後であるから図８で矢印により示した範囲Ａがおおよその実用範囲と見做すことが出来る。
【００２５】
曲線ｂは「実施の形態１」による外部磁界を付加した場合の、曲線ｃは「実施の形態２」による高透磁率部材を磁気回路中に配置した場合の、曲線ｄは「実施の形態３」によるコイルの対称性改善を行った場合のトルク特性曲線を示したもので、上記範囲Ａ内ではいずれの対策においても曲線ａに比べてトルク向上の効果が見られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施の形態１におけるロータの軸方向から見たモータの断面図。
【図２】ロータの回転に伴うロータ・コイル間の相互関係を示す模式図。
【図３】実施の形態１における駆動コイル・外部磁石の相互位置関係を説明する模式図。
【図４】ヨークと同じ材質の棒を取り付けたロータの外観図。
【図５】実施の形態２における磁気回路における高透磁率磁性体片の配置図。
【図６】実施の形態３における２重巻構造コイルの断面図。
【図７】２重巻き構造コイルによる対称配置と従来の非対称配置との特性比較図。
【図８】実施の形態１乃至３による構成に対する性能比較図。
【図９】従来用いられてきたアイリス調整機構の見取り図。
【符号の説明】
【００２７】
１０１：ロータ                    １０２：ピン
１０３：アーム                    １０４：駆動コイル
１０５：ヨーク                    １０６：外部磁石
１０７：制動コイル
４０１：ヨーク材質の棒材を挿入したロータ外観図。
５０１：磁性体片                  ８０１：アイリス
８０２：アイリス形成部材          ８０３：モータ
８０４：モータ軸                  ８０５：アーム
８０６：ピン                      ８０７：スリット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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