JPH1066364A - 小型モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 励磁コイルの無い小型モータを提供する。 【解決手段】 回転軸９の回りに回転可能な永久磁石か
らなる回転子１０と、回転軸９に垂直な面内に、該回転
子１０の回りに少なくとも１対の対向する固定子５，
６，７，８を略等間隔に配置した。固定子５，６，７，
８は同様の構成であり、それぞれ磁力制御素子，永久磁
石，圧電素子を直列に積層し、ハウジングに収納してあ
る。対向する磁力制御素子の先端部１ａ同士は同磁極で
あり、回転子１０に向っている。固定子５，６，７，８
に時計回りに順次印加電圧を与えることにより回転子１
０を時計回りに回転させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、時計や今後更に小
型化が要求される小型携帯機器等に用いられる小型モー
タの構成に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の前記小型モータの駆動力発生機構
は、大型モータと同じように、永久磁石からなる回転子
と、励磁コイルからなる固定子で構成される。該小型モ
ータはこの励磁コイルに励磁電流を流して磁界を発生さ
せ、永久磁石の磁気モーメントとの間に発生した磁力を
駆動力として回転子を回転させる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】励磁コイルを小型にす
るため導線の線径を細くしたいが、１０μｍ以下の線径
では導線が切れやすくなるため、実用的ではない。

【０００４】また該コイルはかなり多くの巻き数を要求
されることもあるため励磁コイルの小型化は困難であ
る。励磁コイルはモータの構成の中で大きな容積を占め
るので、励磁コイルが小型化できなければモータ全体の
小型化は困難である。

【０００５】本発明の目的は、この課題を解決し、励磁
コイルを無くすことによって、全体の小型化を可能とす
る小型モータを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の小型モータは、下記の構成を採用する。

【０００７】本発明の小型モータは、永久磁石からなる
回転子並びに、永久磁石と圧電素子と該圧電素子の変位
により生じた圧力により透磁率が変化する磁力制御素子
とを積層した固定子を備えることを特徴とする。

【０００８】また、本発明の小型モータは、前記磁力制
御素子の残存透磁率による磁力を打ち消す機構を有する
ことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態を
図面を基に説明する。図１は本発明の実施の形態である
小型モータに用いられる固定子の構成を示す断面図であ
る。図２は本発明の実施の形態である小型モータの正面
図であり、回転子に殆ど力が加わらない状態を表してい
る。図３は図２の固定子の１つに電圧を加えた状態を示
し、図４は図２の固定子の他の１つに電圧を加えた状態
を示す。図５は固定子に電圧を加えるタイミングを示す
波形図である。

【００１０】図１において、１は圧力を受けると透磁率
が変化する円筒形の磁力制御素子であり径小に形成した
先端部１ａを持つ。２は円筒軸方向に磁極を有する円筒
形の永久磁石、３は印加電圧により円筒軸方向に変位す
る円筒形の圧電素子を示す。永久磁石２の一方の磁極に
接して円筒形の磁力制御素子１を置く。また、永久磁石
の他方の磁極に接して円筒形の圧電素子３を置く。４は
円筒軸方向に積層した磁力制御素子１，永久磁石２，圧
伝素子３を隙間無く包んだ円筒形のハウジングである。
但し先端部１ａだけは覆わない。ここで磁力制御素子１
の一部１ａをハウジング４で覆わなかったのは、透磁率
の高い部分（１ａ）をハウジング４の外部へ露出させて
おくためである。このとき、該ハウジング４と該ハウジ
ング４で覆われる磁力制御素子１、また該ハウジング４
と該ハウジング４で覆われる永久磁石２、そして該ハウ
ジング４と該ハウジング４で覆われる圧電素子３は、各
々互いに接合されていないようにする。該ハウジング４
は圧電素子３の発生する変位を圧力に変換するため、剛
性の高い材料で構成する。また、該ハウジング４には磁
力の回り込みを防ぐため、例えばＳＵＳ３０４の様な透
磁率の小さな物質を使用する。５は磁力制御素子１，永
久磁石２，圧伝素子３から成る磁力制御機構としての固
定子である。

【００１１】本実施形態では、磁力制御素子として、高
磁歪材料（ＴｂＤｙ）Ｆｅを用いた場合について説明す
る。（ＴｂＤｙ）Ｆｅは、磁場方向に圧力を加えると透
磁率が変化する性質を持ち、１０ＭＰａ程度の圧力を加
えるとその透磁率は３０％程度変化する。

【００１２】この構成で、圧電素子３に電圧を印加する
と、圧電素子３は軸方向に変位するので永久磁石２を介
して磁力制御素子１に圧力が加わる。これにより、磁力
制御素子１は透磁率が変化して、永久磁石２の作る磁場
により生成される磁力制御素子１の磁化の大きさが変化
する。これは磁場の変化をもたらす。従って永久磁石２
の生成する磁場は、これに接する磁力制御素子１の、永
久磁石２との接触面の反対側で変化することになる。結
果として永久磁石２の作る磁力を前記印加電圧で制御す
ることができる。

【００１３】従来のモーターでは固定子側の磁力の制御
に励磁コイルを用いたが、本発明では磁力の制御をここ
で説明した磁力制御機構である固定子を用いて行う。

【００１４】図２において、５は図１に示した固定子で
あり、６，７および８は５と同じ構成の固定子を示す。
１０はＮ極とＳ極との１対の磁極を有する永久磁石から
なる回転子を示し、９は回転軸を示す。回転子１０は回
転軸９を介して回転可能に軸支されている。

【００１５】また、本実施形態では、固定子５，６，
７，８を、回転軸９に垂直な面内に、磁力制御素子１の
先端部１ａを回転軸９の方向に向けて、先端部１ａと回
転軸９の中心と距離を回転子１０の半径より僅かに大き
な距離に、回転方向に略９０度等間隔に配置する。ここ
で回転子１０と各固定子５，６，７及び８との距離を小
さくするのは、磁力を有効に利用するためである。

【００１６】前記（ＴｂＤｙ）Ｆｅは圧力を加えると透
磁率を減じるが、この物質の性質として、その値を極端
に小さくすることはできない。従って本実施例の固定子
では、常にある一定の値以上の透磁率を発生している。
この一定の値を残存透磁率と呼ぶ事にする。（ＴｂＤ
ｙ）Ｆｅの透磁率は真空透磁率の４から６倍程度であ
り、透磁率は最低の状態でも真空透磁率の４倍程度の透
磁率が残る。

【００１７】図２では、対向する２つの固定子５と７並
びに６と８の永久磁石の回転子１０側の磁極を同極と
し、いずれの固定子にも電圧が印可されていない環境
で、対向する双方の永久磁石が回転子１０に及ぼす回転
方向の力が互いにキャンセルし合うような配置としてい
る。この構成により回転子１０に働く固定子５，６，
７，８の持つ残存透磁率による磁力同士を打ち消すこと
ができ、回転子１０に回転方向に殆ど力が加わらない状
態を作り出している。

【００１８】次にこの小型モータの動作について説明す
る。図５において、Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８はそれぞれ
固定子５，６，７，８に与える電圧波形を示し、それぞ
れ波形が立ち上がった期間が電圧を印加した期間を表
す。

【００１９】まず、いずれの固定子にも電圧が印可され
ていない、図５の例えばＴ０のタイミングでは、対向す
る固定子間の前記残存透磁率による磁力同士が打ち消し
合っていて回転子１０に回転力が加わらないから、回転
子１０は停止している（図２）。Ｔ１のタイミングにな
って固定子６の圧電素子に電圧Ｖ６が印可されると、固
定子６の磁力制御素子に永久磁石を介して圧力が加わ
り、磁力制御素子の透磁率が磁力が減少する方向に変化
して、対抗する固定子８との間の磁力バランスが崩れ
て、回転子１０のＳ極が固定子８のＮ極へ引きつけられ
る。このため回転子１０は図２の方向から時計回りに回
転移動する（図３）。

【００２０】さらにＴ２のタイミングでこの固定子６に
印可した電圧Ｖ６を切って、この磁力制御素子に加えた
圧力を取り除き、同時に時計回りの隣の固定子７に電圧
Ｖ７を印可して、この磁力制御素子に圧力を加えると、
固定子６，８間の磁力バランスが回復し、固定子５，７
間に新たに生じた前述と同様な磁力アンバランスの影響
で回転子１０は更に右回りに９０度回転する（図４）。

【００２１】さらに、引き続いて図５に示すように固定
子８，５に順次電圧Ｖ８，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７と印加して
ゆくことにより、回転子１０は時計回りに連続回転を行
い、モータとして動作することができる。電圧印加の方
向を変えれば逆転させることができるし、また電圧印加
の周波数を変えることより回転速度の調整ができること
も当然である。

【００２２】図２の実施形態では、固定子５，６，７，
８の永久磁石のすべてのＮ極を回転子１０の方向に向け
る構成をとっているが、このＮ極をすべてＳ極に置き換
えた構成をとってもよい。また、対向して配置される固
定子同士の残留透磁率による磁力を打ち消す構成をとる
ためには、回転子１０に向かって対向する永久磁石の磁
極同士が同極であればよいのであって、回転子１０に向
かう固定子の磁極がすべて同じである必要はない。

【００２３】図６は本発明の他の実施の形態である固定
子が２個の小型モータの正面図を示しており、図６
（ａ）は回転子に殆ど力が加わらない状態を表してい
る。図６（ｂ）は一方の固定子に電圧を加えた状態を示
し、図６（ｃ）は他方の固定子に電圧を加えた状態を示
す。

【００２４】図６において９，１０，１１及び１２はそ
れぞれ図１と同様の構成の回転軸、回転子及び対向する
固定子を示し、１３は非常に小さな軟磁性体の小片を示
す。小片１３を配置する位置は、回転方向に固定子１
１，１２のいずれかに寄せて配置する（ここでは固定子
１２寄り）。ここで、小片１３と回転子１０の磁極との
間に働く磁力による回転方向の力は、固定子１１，１２
の磁力の大きい状態と磁力の小さい状態の磁力の差によ
り生じる回転方向の力より小さくなるようにしておく。

【００２５】図６（ａ）においては、回転子１０の何れ
か一方の磁極（ここではＮ極）は、前記小片１３に接近
した位置にある。図６（ｂ）において固定子１１に電圧
が加えられると固定子１１は透磁率変化により磁力が減
少し、他方の固定子１２とこの固定子１１の磁力の差に
より回転子１０に働く回転方向の力が、小片１３により
回転子１０に働く回転方向の保持力に打ち勝ち、回転子
１０のＳ極が固定子１２のＮ極へ引きつけられる。この
ため回転子１０は図６の方向から反時計回りに回転移動
し、回転子１０の磁極（ここではＳ極）は、回転方向に
固定子１２と小片１３の間にある力のつりあった位置に
至る。ここでいったん印可電圧を取り除くと、固定子１
１，１２による回転力は再び打ち消し合い回転子１０に
働かないので図６（ｃ）に示すように回転子１０は更に
反時計回りに回転し、今度は回転子１０の反対の磁極
（ここではＳ極）が小片１３に引きつけられる。この時
点で固定子１２に電圧を印加すると回転子１０は更に反
時計回りに回転することは明かである。

【００２６】回転子１０を時計回りに回転させるために
は、予め小片１３の配置を図６の位置から回転軸９を中
心に反時計回りに９０度回転した位置に配置しておき、
最初に電圧を印加する固定子を１２とすればよい。この
ように、最初に電圧を印加する固定子の選択と小片１３
の追加及びその配置により回転子１０の回転方向が制御
できることを示した。

【００２７】４個の固定子の場合は、回転方向制御のた
めの機構を除けば、該２個の固定子の機構を組み合わせ
た物と考えて良く、同様にＮを自然数として、２×Ｎ個
の固定子を有するモータを構成し、複数の圧電素子に順
次、印加電圧を与えて変位を引き起こし、該変位により
対応する固定子の磁力を変化させ、該固定子と回転子と
の間に働く力を変化させ、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、回転子をどちらの方向にも回転させることができる
ことは明かである。

【００２８】また、本発明の実施の形態では、固定子の
形状として加工の容易な円筒形状としたが、多角柱でも
可能であるし、モーターの設計の都合に合わせ、平板状
等、形状に特に制約はない。

【００２９】以上のような、本発明の実施の形態に用い
る圧電素子は、チタン酸バリウム、ジルコチタン酸鉛、
多成分系固容体セラミックス等の圧電セラミックスや、
チタン酸バリウム単結晶や、水晶や、ロッシェル塩等の
圧電性を示す物質なら何でも良い。

【００３０】また、本発明の実施の形態に磁力制御素子
として用いる磁歪物質は、磁歪の大きい（ＴｂＤｙ）Ｆ
ｅ、特に結晶に異方性を持たせたものが有利であるが、
ＴｂＦｅ２，ＤｙＦｅ２，ＳｍＦｅ２等の稀土類金属と
遷移金属の合金や磁性酸化物やフッ化物等で、圧力によ
る透磁率の変化の大きな物質なら何でも良い。また、図
１において磁力制御素子の先端部１ａは必ずしも磁歪物
質である必要はなく、加工性の良い、透磁率の高い軟磁
性物質であって、これが磁歪物質に接合された構造であ
っても良い。

【００３１】将来磁力制御可能で、透磁率を強磁性から
常磁性物質程度に変化させられる物質が発見されれば、
更に効率の良い小型モータを提供できる。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よる小型モータは、印加電圧により変位する圧電素子の
変位を圧力に変換し、該圧力を磁力制御素子に加えで磁
力を制御し固定子の磁力を変化させ、回転子を回転させ
ているため、大きなコイルは必要なく、小型機械、例え
ば、小型の時計ムーブメントや、小型の携帯機器や、モ
ータによる画素駆動型の、大きすぎない表示パネル等を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である小型モータに使用す
る磁力制御機構（固定子）を示す断面図である。

【図２】本発明の実施の形態である小型モータの構成を
示す正面図である。

【図３】図２の小型モータの動作を説明する正面図であ
る。

【図４】図２の小型モータの動作を説明する正面図であ
る。

【図５】図２の小型モータを回転させる駆動電圧の波形
図である。

【図６】本発明の他の実施の形態である小型モータの動
作を説明する正面図である。

【符号の説明】

１ 磁力制御素子 １ａ 先端部 ２ 永久磁石 ３ 圧電素子 ４ フレーム ５，６，７，８，１１，１２ 磁力制御機構（固定子） ９ 回転軸 １０ 回転子 １３ 小片 Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８ 印可電圧 Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７ タ
イミング

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 永久磁石からなる回転子並びに、永久磁
   石と圧電素子と該圧電素子の変位により生じた圧力によ
   り透磁率が変化する磁力制御素子とを積層した固定子を
   備えることを特徴とする小型モータ。
2. 【請求項２】 前記磁力制御素子の残存透磁率による磁
   力を打ち消す機構を有することを特徴とする請求項１記
   載の小型モータ。