JPH0694751A

JPH0694751A - 可動磁石型検流計

Info

Publication number: JPH0694751A
Application number: JP4037576A
Authority: JP
Inventors: Jean Montagu; ジーン・モンターグ
Original assignee: General Scanning Inc
Current assignee: General Scanning Inc
Priority date: 1991-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1994-04-08
Anticipated expiration: 2016-08-20
Also published as: DE4245021B4; US5424632A; JP3199813B2; US5225770A

Abstract

(57)【要約】【目的】軸の対向側に２つの半円筒状磁極に分極され
た円筒状磁気ロータを含む検流計を提供する。【構成】２つのコイル部分７５は、ロータの対向側に
配置され、運動範囲の中心でロータの磁極と整合状態に
ある対称面により分割される。各コイル部分の巻きの各
グループの脚部が、コイル部分が巻付けられるボビン５
０の半径面と対応する地点で始まり、対称面まで略々連
続的に延在する分布状態で配設される。この分布は、前
記対称面における密度がこれから隔てられた位置より低
く、逆余弦分布に近似しうる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転制限振動性モータ
即ち検流計に関し、特に大きなトルクを伝達することが
できる種類のモータ（時に、トルク・モータと呼ばれ
る）に関する。

【０００２】

【従来の技術】これらのデバイスの一般的な用途は、光
ビームを案内する目的のためのミラーの如き光学的要素
を駆動することである。この形式のデバイスは、しばし
ばスキャナと呼ばれる。スキャナは、典型的には１５°
より大きな広い回転角を有する。

【０００３】当業界における要求の１つは、高精度抵抗
の彫込み即ちレーザ・トリミングにおいて使用される如
き種々の光電デバイスで使用される強靭かつ正確な高周
波スキャナである。比較的高い周波数デバイスは、より
高速またはより高精度あるいはこれら両方の動作を可能
にする。

【０００４】公知である多数の形式の検流計が存在す
る。一般的な形式は、可動コイルあるいはいわゆるＤ’
Ａｒｓｏｎｖａｌ検流計、可動鉄片検流計、および可動
磁石検流計を含む。各々は、それ自体の特性および制約
を有する。本発明は、可動磁石型に関する。

【０００５】可動磁石トルク・モータは、３つの基本的
な形式に属する。第１のものは、米国特許第４，３０
２，７２０号および同第３，４３４，０８２号により例
示される埋設コイル構造である。これらは、典型的に
は、ＡＬＮＩＣＯ型の磁石によく適する空隙および高イ
ンダクタンス・デバイスである。第２の形式は、金属コ
アに巻付けられたトロイダル・コイルを含む。この形式
の典型は、Ａｅｒｏｆｌｅｘ，Ｃｌｉｆｔｏｎａｎｄ
Ｈａｒｏｗｅ社により市販されるトルク・モータであ
る。その構造により、この形式のものは、比較的低い加
速に限定される。典型的には、これらはその長さが直径
の一部を越える時有効に巻くことができない。例えば米
国特許第４，０７６，９８８号の構造を含む第３の形式
は、コイルが静止し、磁界を定める電機子がが回転する
可動磁石デバイスを有する。本発明は、この最後の種別
のトルク・モータに関するものである。

【０００６】このようなモータの性能を支配するパラメ
ータは、加速能力を表わすトルク対慣性比、駆動側電子
要素に負荷を及ぼす電気的時定数、およびモータに関与
するサーボ系の安定度を限定する第１の制御不能共振周
波数を含む。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】可動磁石検流計の従来
の設計は、軸を磁石に固定するため磁性体を通る貫通孔
を採用してきた。これは、磁石がこれに課される変動磁
界の結果として磁石が運動させられる時、磁性体に対す
る軸の強靭かつ固定された関係を保証するため必要とさ
れてきた。

【０００８】ネオジム鉄ホウ素の如きある望ましい磁性
材料は、その異なる軸に沿って異なる熱体膨張係数を持
つ傾向を呈する。この故に、またこれらのデバイスがし
ばしば置かれる種々の熱的環境の故に、この種の材料か
ら作られた検流計のロータ磁石は１つの方向に著しく膨
張するが、他の方向には著しく収縮し得る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】一般に、本発明は、中心
軸の周囲に回転振動を生じるように取付けられ、その軸
の反対側の２つの本質的に半円筒状の磁極に分極される
円筒状磁石ロータを含む検流計を特徴とする。２つのコ
イル部は、ロータの反対側に配設され、各コイル部が非
常に多くの導線の巻きにより構成され、各巻きはロータ
の全長に沿って延長する導体側方脚部と、巻きの各側方
脚部と接続された導体端部とからなっている。巻きの第
１および第２の側方脚部は、導体脚部の第１および第２
の各グループに一体に仕分けられ、これらグループは周
方向に相互に隔てられている。コイル部間の軸心を通る
対称面が存在する。各コイル部の巻きの各グループの脚
部は、コイル部が巻付けられるボビンの半径面と対応す
る点で始まり、対称面と略々連続的に延長する分散状態
に配設され、ロータの電極は検流計の運動範囲の中心に
おいて前記面と本質的に整合状態にある。

【００１０】別の特質においては、本発明は、軸心の周
囲に回転する磁石ロータと、このロータと同心状であり
軸心の対向側に軸方向の巻線部を持つコイル、および軸
心を通り軸方向コイル部を分割する対称面とを有するス
テータとを含み、前記コイルはその間隔よりも対称面の
密度が低い変化する巻線密度分布を有する検流計を特徴
とする。

【００１１】別の特質においては、本発明は、２つの端
部を持つ磁石を含むロータと、各々が磁石端部の一方と
当接する関係にある後部軸と出力軸とを含むトルク・モ
ータを特徴とする。このトルク・モータはまた、磁石の
少なくとも一部を囲繞し出力軸と磁石に対して接合され
る薄い肉厚のトルク伝達スリーブを含む。

【００１２】別の特質においては、本発明は、静止外側
殻即ちシェルと、構造的ポッティング材料により前記シ
ェル内に配設されたボビンの周囲に巻付けられたコイル
にポッティングされたステータであってシェルに向けて
配置された係止穴を有するステータと、この穴に嵌合さ
れシェルに延在してステータをシェルに係止して反作用
力がコイルに加えられる間スキャナの加速中その間の相
対的回転運動を阻止する堅固な固定要素と、直径方向に
分極されステータに対して内方に同心的関係に回転自在
に取付けられた磁石ロータとを備える、回転振動運動す
るミラーの如き光学的要素を駆動するのに適する可動磁
石スキャナを特徴とする。

【００１３】別の特質においては、本発明は、軸心の周
囲に回転する磁石ロータであって、その対向端部に出力
軸および後部軸を含む磁石ロ−タと、外部負荷と結合す
るための出力ベアリングであって出力軸を回転自在に保
持する出力ベアリングと、この出力ベアリングに対する
ロータの反対側端部に置かれ、後部軸を回転自在に支持
する後部ベアリングと、前記ベアリング間の距離を最小
限に抑える結果ロータの第１共振周波数に好影響を及ぼ
すためベアリング間の空間の外側でロータと結合され、
ロータの回転運動に応答してフィードバック信号を生じ
る、ロータと結合された位置トランスジューサとを備え
る検流計を特徴とする。

【００１４】別の特質においては、本発明は、内側と外
側の円筒状面を持つ円筒状部分と、この円筒状部分の対
向側で外側面から突出し、それぞれ外側面、長手方向の
半径面および第１および第２の端部面を有する２つの円
筒状巻線部とを備えるボビンであって、この円筒状巻線
部の中心軸と円筒状部分の中心軸とが本質的に同一直線
上にある、ボビンを特徴とする。

【００１５】別の特質においては、本発明は、内側およ
び外側の円筒状面を持つ円筒状部分を有するボビンであ
って、２つの円筒状巻線部は前記円筒状部分の対向する
側の前記外側面から突出し、前記２つの円筒状巻線部各
々が、外側面と、長手方向の半径面と、第１および第２
の端部面とを有し、前記円筒状巻線部の中心軸心と前記
円筒状部分の中心軸とが実質的に同一直線上にあり、前
記円筒状巻線部は、ボビンを所定位置に保持する固定具
を収受する１対の係止穴を規定する、ボビンを収受する
巻線固定具において、１対の円筒状本体部であって、該
本体部のそれぞれが、１対の長手方向の半径面と、湾曲
面を持つ第１および第２の端部と、整合された、位置決
め穴を共に有する内側および外側面とを有し、前記本体
部の前記内側面が、前記ボビンの円筒状巻線部の１つの
外側面を保持するための寸法に作られた、１対の円筒状
巻線部と、１対の弾丸状のプラグの各々が、一方の弾丸
状プラグの半円筒状部分に隣接して前記ボビンの円筒状
部分の中心に挿入される湾曲したノーズ部と半円筒状部
分とを有し、前記半円筒状部分は位置決め穴を含む、１
対の弾丸状プラグと、前記本体部の前記位置決め穴と、
前記ボビンの係止穴と、巻き付け中前記ボビンを所定位
置に保持するための弾丸状プラグの穴を通して挿入され
る固定具と、を備える巻線固定具を特徴とする。

【００１６】種々の望ましい実施例において、前記ロー
タは自由に回転するロータであり、その分布は逆余弦分
布に近似し、この分布は下式により定まる。即ち、Ｔ＝（ＫＢｒＬＮｉＤ／α₀）・ｃｏｓγ 但し、Ｔは検流計のトルク出力、Ｂｒは磁気ロータの一
定残留インダクタンス、Ｋは無次元定数、Ｌは磁気ロー
タの長さ、Ｎはコイルの巻き数、ｉはコイルに流れる電
流、Ｄは導体が配置される基礎円の直径、α₀は巻線腔
部の半角、およびγはロータの角度位置である。巻きの
変分は軸周囲の面から±４５°の範囲にわたり延在し、
対称面における巻きはこの範囲の外側制限における巻き
の約７０％の密度を持ち、巻き密度分布の変分はコイル
の所与の電力消費に対してコイル性能を最適化するよう
選定され、スリーブと出力軸は一体部分であり、スリー
ブは磁石の慣性の１０％より小さな慣性を持ち、スリー
ブは後部軸に取付けられ、スリーブおよび磁石は半可撓
性接着剤で結合され、この半可撓性接着剤はシリコーン
接着剤であり、半可撓性接着剤はエポキシであり、磁石
はその直径に沿って分極され、出力軸は当接端部を有
し、この当接端部はスリーブに取付けられ、出力軸およ
び後部軸は当接端部を有し、またこの当接端部はスリー
ブに取付けられ、出力軸はこのスリーブに溶接され、こ
のスリーブは磁石を完全に囲繞し、この磁石はネオジム
鉄ホウ素から作られ、この磁石はサマリウム・コバルト
から作られ、上記スリーブはステンレス鋼から作られ、
上記スリーブはチタンから作られ、上記ロータはその直
径より大きな長さを持ち、このロータの長さは少なくと
もロータ直径の３倍以上であり、該ロータの直径は約１
２．７mm（０．５インチ）以下程度であり、該ロータの
直径は約４．７６mm（３／１６インチ）以下程度であ
り、上記固定具はピンまたはボルトの形態で軸方向に延
在する要素であり、上記位置トランスジューサは後部軸
に取付けられ、該位置トランスジューサは後部軸と螺合
するねじにより後部軸に取付けられ、上記円筒状巻線部
はボビンを所定位置に保持する固定具を収受する１対の
係止穴を定め、該円筒状巻線部は更に半径面と端部面と
の間に略々傾斜した移行面を含み、この円筒状巻線部は
それぞれ更に各巻線部の各端部で巻線部から延長する環
状の区分端部材を含んでいる。

【００１７】本発明は、迅速な加速が可能な小径で慣性
の小さなロータを提供する利点を有する。このため、ト
ルク・モータを高い周波数で、例えば光学的走査におい
て動作することを可能にする。ロータ自体の大きな体積
量は、所与の体積に対して大きなトルクを生じる磁性材
料から作ることができる。別々の軸心に沿って異なる熱
膨張係数を有する磁性材料の使用が可能である。本発明
のボビンは所定位置に堅固に係止されるため、ロータ
は、ボビンを移動させることなく迅速に加速することが
できる。ステータのコイルは、所与の巻き数に対してよ
り多くの量の銅の使用を可能にするため、所与の電力量
に対してモータにより生じるトルクを最大化する巻線密
度特性を呈する。ボビンは、線巻き機械で有効に巻付け
ることができ、また線をその内面に巻付ける必要がない
ため、結果として得るコイルは小さな直径となり得る。
位置トランスジューサがベアリング間の空間の外側でロ
ータと結合されるため、ベアリングは相互により接近し
て配置でき、デバイスの第１共振周波数を増大させる。

【００１８】

【実施例】図１において、走査システム１０は、タコメ
ータまたは位置センサの如き位置トランスジューサ３０
と、トルク・モータ１７とを含む。トルク・モータ１７
は、ミラー１５に取付けられた出力軸１４を含む。減算
回路１３が、位置トランスジューサのフィードバック出
力と、増幅回路１１の入力とに接続されている。この増
幅回路１１は、トルク・モータ１７と接続された出力を
有する。信号１９が減算回路１３に付与され、この回路
は、この信号を、位置トランスジューサと接続された回
転運動に応答して生じるフィードバック信号と比較す
る。結果として生じる信号は、処理され（例えば、増幅
され）てトルク・モータを駆動するため使用される。次
に、トルク・モータは、ミラー１５を回転させてこれを
異なる方向に反射させる。

【００１９】図２、図３および図６において、トルク・
モータ１７は、ステータ５１を保持する磁気的に透過し
得る外側ハウジング２８を含む。このステータは、ボビ
ン５０の周囲に巻付けられた多数の巻き（即ち巻線）３
１から作られたコイル１２からなる。ピンまたはボルト
の如き固定具３７は、ボビン５０の１対の穴６０、６２
（図１０も参照）、および外側ハウジング２８の対応す
る穴６１、６３に定置して、ボビンを所定位置に係止す
る。このボビンもまた、ボビンとハウジング間の空間を
充填するポッティング剤（例えば、エポキシ）で詰めら
れ、コイルにより生じる熱を吸収するための熱伝達経路
を提供する。

【００２０】ステータは、それぞれ後部軸１６および前
部（即ち出力）軸１４により後部ベアリング４２および
前部（即ち出力）ベアリング４０上に回転自在に支持さ
れたロータ１００を包囲している。これらベアリング
は、前部ストッパ２０に当接する圧力ワッシャ４４で予
め荷重が与えられている。このロータおよびステータ
は、比較的狭い間隙により分離されている。

【００２１】次に図２、図３および図５において、ロー
タ１００の出力軸１４は、静止ストッパ２０と係合して
トルク・モータの自由回転範囲を制限するように位置決
めされる可動ストッパ１８を含む。この静止ストッパ２
０は、ボルト２２、２４により所定位置に保持される。

【００２２】図２および図３において、後部軸１６は、
後部ベアリング４０に関してロータと反対側の位置トラ
ンスジューサ３０の回転部９７と結合されている。この
後部軸および回転部は、後部軸と螺合したねじ９９によ
り結合されうる。

【００２３】トルク・モータ１７は、典型的には、ハッ
チ２３により示されるように、ハウジング２８により組
込まれるのが典型的である。このため、典型的には鋼鉄
から作られるハウジングからの熱伝導を可能にする。基
準ストッパ３２がこの組込みを助ける。トルク・モータ
１７および位置トランスジューサ３０は、一体に組込ま
れうる。

【００２４】図４において、ロータは、磁石２７を所定
位置に保持するスリーブ２６を含む。このスリーブおよ
び磁石は、シリコーン接着剤またはエポキシの如き半可
撓性接着剤により一体に保持される。半可撓性接着剤
は、ゆるやかな圧力下で流動する傾向を有するが、高い
作用力の下では剛性を示す。軸１４、１６は、スリーブ
および磁石に対して本質的に当接する位置関係にある。
この軸の当接部２１、２５は、スリーブに対して（例え
ば、スポット溶接、シーム溶接、またはレーザ溶接によ
り）堅固に接合されている。

【００２５】より多くのトルクが出力接合点に生じるた
め、スリーブを出力軸に対して堅固に接合することは、
これを後部軸に対して取付けることよりも重要であるこ
とに注目されたい。従って、スリーブおよび出力軸を一
体材料から作り、後部軸を別の方法で取付けることも可
能である。また、磁石の全面を覆わない部分スリーブを
使用することも可能である。

【００２６】この薄いスリーブのロータ構造は、幾つか
の利点を有する。第１に、ステータ内部に所与の容積を
生じるために、軸が磁石を貫通しないため、多量の磁性
体を許容する。このため、同じ磁石体積の一部が同等に
有効な非磁性軸により占有された場合に生じるよりも強
い磁界を生じる結果となる。逆に、所与の磁界強度を有
するロータをこの技術を用いて作ることができる。

【００２７】所与の電力要求に対しては、より小さくか
つより長いロータを持つモータを作ることが特に有利で
ある。これは、小さな直径と長い長さのロータを持つモ
ータが、より長い直径を持つ相等のモータよりも高いト
ルク対慣性モーメント比を有するためである。このた
め、ロータがより早く加速し、従ってより高い周波数で
作動することを可能にする。

【００２８】図６においては、磁石２７が略々半円筒形
の北極および南極を持つように励磁される。ロータが図
示の如くその運動範囲の中心にある時、磁石の磁極はス
テータの中心軸７９を通るデバイスの主要対称面７３に
沿っておおよそ整合されている。この面７３は、磁性体
の方向によって定まる。

【００２９】磁石が半可撓性接着剤によりスリーブに対
して結合されるため、ネオジム鉄ホウ素の如き所要の磁
性材料の不均一な熱係数を許容し得る。この接着に大き
な作用力が生じるので、接着のため比較的大きな面積が
使用される。磁石が軸上に支持される時比較的小さな面
積で済むのとは対照的に、このような応力は、磁石の外
面全体にわたって広がるので非常に低く抑えることがで
きる。

【００３０】スリーブは、ステンレス鋼またはチタンか
ら作ることができ、約２５．４mm（１インチ）の略々１
０００分の２乃至１０の厚さとなる。これは、高い捩り
剛性を有するも、同時にロータの慣性の僅か（例えば、
１０％以下）を呈する。非常に小さな直径の長いロータ
を、このように作ることができる（例えば、約４．７６
mm（３／１６インチ）の如き小さな直径は４ＫＨzより
よい帯域幅を生じる）。本例のロータは、約１１．１８
mm（０．４４インチ）の直径と約３４．２９mm（１．３
５インチ）の長さを持ち、そのスリーブは約０．１３mm
（５／１０００インチ）の厚さである。このロータは、
ジグ内で組立てられる。

【００３１】ステータ５１は、ロータ１００を包囲し、
それぞれハウジング２８の内面、ボビン５０の外側巻き
面５４、およびボビンの軸面６５により規定される２つ
の軸方向に延長する巻き腔部７１を形成するボビン５０
を含む。一連の巻き３１の各々は、各巻き腔部７１を貫
通してボビン５０上に２つのコイル部７５（図７乃至図
９も参照）を形成する。

【００３２】図７乃至図１０において、本発明の使用に
適するボビンは、内面５６および外面５４を持つ内側円
筒部５２を含む。２つの対向する傾斜した円筒状巻線部
６７が、内側円筒状部分の外面５４から突出している。
各巻線部６７は、半径面６５と、外面５７と、端面６４
とを有する。略々傾斜した移行面６９が、端面６４と半
径面６５とを分割している。ボビンは、ナイロン、ガラ
ス充填ナイロン、ＡＢＳなどの非導電性プラスチック材
料を射出成型することにより製造することができる。

【００３３】図６乃至図１０において、コイルはそれぞ
れボビン５０の巻線部６７上に巻付けられる。これは、
図７に示されるように、最初に第１の巻き３３を各巻線
部６７に巻付けることにより行われる。これらの巻きの
各々は、１対の周方向に隔てられた脚部９３と、１対の
端部９１（図７参照）を含んでいる。更に類似の巻き３
１が第１の巻き３３の周囲に巻付けられてコイル部７５
を構成する２つの脚グループ９５を生じる（図８参
照）。

【００３４】結果として得るコイル部は、図６および図
９に示されるように、主要対称面７３の周囲に対称をな
している。この２つのコイル部は、同じ線を用いて同じ
動作で巻付けられるか、あるいは連続して巻付けられて
直列に接続される。このコイルの方向、およびロータの
相対的な磁気的配向は、図１３に略図的に示される。

【００３５】動作においては、電流がコイル５０に流れ
てロータの磁石２７の磁界と互に作用することによりロ
ータ上にトルクを与える磁界を生じる。ロータのみによ
る磁界線が図１４に示され、磁界の相互作用の結果とし
て生じる磁界線が図１５に示される。

【００３６】磁石およびコイルが図に示される如き関係
にある時トルクが生じることが以下に示される。この関
係は、米国特許第４，０７６，９９８号に示される配向
に関して９０°をなす。ロータ１００に与えられるトル
クの大きさは、コイルにより生じる磁界の大きさに依存
する。巻きが更に多くなるとより強い磁界を生じ、従っ
て、巻き腔部７１の全周寸法に巻きを配置することが有
利である。また以下に示すように、図６、図８および図
９に示す如き変更可能な半径方向の巻線密度を提供する
ことが、所与の腔部形状に対するトルクを更に最適化す
るのである。

【００３７】図１３乃至図１６、および図２２乃至図２
３を全体的に参照すれば、非常に異方性を呈する材料の
永久磁石と、磁石の磁極に対する軟磁性材料のシェルと
の間隙が下記の値を持つことが最初に示される。即ち、Ｂ＝Ｋ・Ｂ_rｃｏｓθ (１) この値は、磁石の軸心と、セグメント４７が位置する直
径との間の角度θ（即ち、４５°）に依存する。Ｂ_rは
磁石２６の一定残留インダクタンス、Ｋは選択された形
状および特定の磁性材料、ならびにシェル（ハウジング
２８）の条件に依存する無次元定数（典型的には、０．
５乃至１の間）である。

【００３８】特に図１６および図２２において、式(１)
の誘導は下記の如くである。即ち、典型的な動作範囲に
おける希土類異方性磁石の磁気特性は、下式により近似
化することができる。即ち、Ｂ_m＝＋Ｈ_mＢ_r／Ｈ_c＋Ｂ_r (２) 但し、Ｂ_mは誘導の強さ、Ｈ_mは磁界の強さ、Ｂ_rは残留
インダクタンス、Ｈ_cは保磁力である。

【００３９】アンペア則を用いて、電流が存在しないこ
とを仮定して、図１６の経路ｑ−ｒ−ｓ−ｔに沿った∫
Ｈ・ｄ１＝ＮＩは、Ｈ_a ２・ｇ＋Ｈ_m・ｄ・ｃｏｓθ＝０ (３) 但し、Ｈ_aは空隙５９における磁界の強さ、ｄは磁石２
７の直径、ｇは空隙５９の幅である。

【００４０】材料が充分に異方性に富む、磁界が面ａ
ａ′ｐｐ′および面ｅｅ′ｎｎ′の境界のみと交差する
場合には、ガウス則は、点ａ、ａ′、ｐ、ｐ′、ｎ、ｎ′、ｅ、ｅ′により
定義される容積の基本的軸方向面に対して用いることが
できる。このため、下式を得る。即ち、Ｂ_m・ｄＡ_m＝Ｂ_a・ｄＡ_a (４) 但し、サフィックス「ａ」は区分ｎｎ′、ｐｐ′におけ
る空隙を指し、サフィックス「ｍ」は磁性体を指す。ｄ
Ａ_m＝ｄＡ_a・ｃｏｓθであるため、式(４)は、Ｂ_m・ｃｏｓθ＝Ｂ_a (５) となる。

【００４１】この空隙においては、Ｂ_a＝μＨ_a (６) 但し、μは空気の透磁率である。

【００４２】式(２)および(５)を組合わせて下式を得
る。即ち、Ｂ_a／ｃｏｓθ＝Ｂ_r（１＋Ｈ_m／Ｈ_c） (７) また式(３)および(６)を組合わせて下式を得る。即ち、２ｇＢ_a／μ＋Ｈ_m・ｄｃｏｓθ＝０ (８) 式(７)および(８)は、簡単にすると下式となる。即ち、Ｂ_a＝Ｂ_rｃｏｓθ／（１＋Ｂ_r／μＨ_c・２ｇ／ｄ） (９) 大半の希土類磁石は、Ｂ_r／μＨ_c＝１．１となり、もし
ｇ／ｄが小さく、典型的には０．３より小さければ、式
(９)は簡単にすると下式となる。即ち、Ｂ_a＝Ｋ・Ｂ_rｃｏｓθ (10) 但し、０．５＜Ｋ＜１これは式(１)と同じである（参考
のため本文に引用される米国特許第４，９５９，５６８
号「ＤｙｎａｍｉｃａｌｌｙＴｕｎａｂｌｅＲｅｓ
ｏｎａｎｔＤｅｖｉｃｅｗｉｔｈＥｌｅｃｔｒｉ
ｃＣｏｎｔｒｏｌ」をも参照）。

【００４３】シェル−ステータに関して磁石−ロータに
与えられるトルクの誘導は下記の如くである。

【００４４】トルクを決定する目的のため、磁石および
シェルは静止するものと仮定し、図１３に示される如き
１つの導体におけるトルクを計算する。ローレンツ式に
より下式が得られる。即ち、Ｔ＝ＢＬｉＤ／２ (11) 但し、Ｂは基底直径Ｄにおける導体位置の磁界である。
磁石の実効長はＬである。

【００４５】各トルクに対しては、等しいが反対方向の
反作用がある。もしこのコイルが基準として使用される
ならば、同じトルクがこの磁石およびシェルの組合わせ
に働く。

【００４６】シェルは磁石に対して同心状であり、分極
されずかつ等方性を呈するため、磁界の角度位置は磁石
によってのみ規定される。全てのトルクはコイルと磁石
間に働く。コイルをハウジングに載置することにより、
トルクはこのハウジングと磁石間に働く。コイルをシェ
ルに対して適正に係止すること、およびこの係止がデバ
イスの全トルクを受けることになることを念頭に置くこ
とが必要である。この堅固な係止は、ボビンおよびハウ
ジングにおける穴６０、６１、６２、６３に取付けられ
る固定具３７によって行われる。

【００４７】Ｎ／２α₀として表わされる巻きの均一な
密度を持つコイルについて考察する。但し、Ｎは全巻き
数、α₀は図１５に示した如き巻線腔部の半角であり、
ロータにおける全トルクは各導体におけるトルクの積分
として導かれる。

【００４８】位置αにおける各導体に対する磁界Ｂがγ
およびθの関数であること、およびロータの各角度位置
γに対しては、下記の関係が存在することを念頭に置い
て、 θ＝α−γ (12) トルクは、下記の如くに表わされる。即ち、この式を簡単にすると、Ｔ＝ＫＢｒＬＮｉＤ・（ｓｉｎα₀／α₀）・ｃｏｓγ (14) ｓｉｎα₀／α₀が小さなα₀に対して最大値を有するこ
とが明らかである。不都合にも、このことは、電線が小
さなα₀により規定される小さな空間内に適合するため
にはより小さな寸法でなければならないため、所与の巻
き数Ｎに対して比例的に抵抗を増加させることになる。
従って、実際には、α₀はで可能な限り大きくなければ
ならない。もしα₀が９０°となれば、ｓｉｎα₀／α₀
＝０．８２となる。α₀＝６０°ならば、ｓｉｎα₀／α
₀＝０．８７となる。

【００４９】可変コイル密度の場合は、ｓｉｎα₀／α₀
項を除去することが可能である（ｓｉｎα₀は常に１よ
り小さい）。

【００５０】ｎを巻きの密度とし、２ｎ＝Ｎ／α₀ ｃｏｓα (15) とすると、式(１３)は、下式となる。即ち、これを簡単にすると、下式となる。即ち、Ｔ＝（ＫＲｒＬＮｉＤ／α₀）・ｃｏｓγ (17) 実際には、このことは、巻き密度がエッジにおけるより
も中心において小さいコイルを巻くことを導く。もし巻
きが±４５°の間にあるならば、中心の密度はエッジの
密度の７１％を呈すべきである。式(１７)によりα₀＝
４５°として設計すれば、所与の電力消費に対して、均
一な密度で設計されたコイルよりも略々４０％大きなト
ルクを生じる。

【００５１】この変化した密度は、図６および図９に略
図的に示され、ここで２つのコイル部７５を分離する主
要対称面７３にはより少ない電線が存在し、この面から
離れたボビンの側方の半径面にはより多くの電線が存在
することが判る。本発明の利点を取得するためには、分
布が正確には式(１７)に従う必要はないが、より優れた
近似化がより優れた結果を導くことに注意すべきであ
る。

【００５２】この形式のコイルは、巻付け中、電線が長
く狭い円筒状部分を通る必要がないため、巻付け機械を
用いて容易にボビン５０上に巻付けることができる。こ
の理由のため、長さ対直径比が大きい（例えば、１以上
の）モータを効率よく作ることができる。

【００５３】図１７乃至図２１において、可変の巻き密
度を可能にする巻き固定具は、１対の本体部８２と、１
対の弾丸状プラグ８４と、ボルト８６および関連するナ
ット８８、ワッシャ８７の如き１つの固定具７７とを含
む。この本体部は、本質的に円筒状の部分であり、各々
が湾曲端部９０と穴９２を有する。弾丸状プラグ８４は
それぞれ、ノーズ部１０４と、穴１０８を持つ半円筒状
部分１０６とを含む。固定具は、本体部の内面がボビン
の周囲で緊締されることを可能にし、また弾丸状プラグ
をボビン内の所定位置に保持する。

【００５４】本体部の湾曲した端面９０および弾丸状プ
ラグの湾曲したノーズ部１０４は、電線が巻付け機械に
よりボビンに巻付けられる時、電線を指向させて、上述
の逆余弦の電線密度分布を生じる。実際に得られる分布
は、弾丸状プラグの直径１１０、本体部の間隔、および
これら部分の湾曲形状との関数となる。これらのパラメ
ータもまた、使用された巻線機械の種類、その巻線速度
および張力、および電線のサイズなどの他の可変要因と
ともに相互に作用する。これらのパラメータの決定は、
所与の巻線機械およびボビン設計に対して短い１連の試
行錯誤的実験によるのが効率的である。

【００５５】図１１および図１２は、前記ボビンの別の
実施例を示している。本例においては、環状の区分端部
材５８が、各々の巻線部の各端部におけるその巻線部５
５から延在し、一般に傾斜した移行面がない。あるいは
また、ボビンは、ポッティング措置の前に個々に巻付け
られかつ組立てられる２つの部片で作られる。

【００５６】このように提供される検流計は、比較的薄
いスリーブ内に多量の磁性材料を含む堅固に構成された
小さな直径のロータを備える。これはまた、長く狭くか
つ容易に巻付けられるコイルを有し、また最適化された
密度特性を呈する。更にまた、ベアリング間の間隔の外
側の位置トランスジューサに対するリンク部を設置する
ことは、ベアリングを相互により接近して保持し、第１
共振周波数を増大させることを可能にする。これらの特
徴は、有利にも最大出力トルク、およびコンパクトなデ
バイスの帯域幅における著しい全体的な改善を提供す
る。

【００５７】このようなレベルの性能の改善の故に、先
に述べたように、その運動を阻止するため固定具を用い
てボビンを所定位置に堅固に係止することが必要であ
る。この固定具の支持装置は、ポッティングに対して比
較的小さな表面となる小さな直径のボビンの場合に、特
にポッティングのみよりも大きな強度を提供する。従っ
て、このような支持装置は、高い磁気力に曝される時の
ように、コイルがハウジングから離れて切れたりあるい
はハウジング内でずれることを防止する。

【００５８】また、この向上した加速によりロータがス
トッパにより激しく当たることを可能にするので、出力
軸１４とスリーブ２６との間、およびスリーブ２６と磁
石２７との間の接合は強靭なものになる利点がある。

【００５９】この全体的な設計は、同様な特性の可動鉄
片デバイスと比較して有利である。可動鉄片デバイス
は、同じトルク対慣性比を持つが、このデバイスのイン
ダクタンスは１０の係数だけ低くなる。可動鉄片デバイ
ス相等サイズのデバイスを作るためには、少なくとも約
２５×１０⁶ガウスエルステッドの磁気エネルギを有す
る磁性材料を使用することが必要である。ネオジム鉄ホ
ウ素およびサマリウム・コバルトは、このような特性を
有する。電気的時定数および制御不能な第１共振周波数
もまた、この低減されたインダクタンスにより好ましい
影響を受ける。

【００６０】他の実施例は、頭書の特許請求の範囲内に
含まれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ走査システムにおいて用いられる如き検
流計を示す概略図である。

【図２】取外し位置の関連固定具を示す図１の検流計お
よび位置トランスジューサの縦断面図である。

【図３】図２の線３−３に沿って直角に見た図１の検流
計および位置トランスジューサを示す縦断面図である。

【図４】磁石が図３の検流計の方向に対する運動範囲中
心で示される図１乃至図３の検流計のロータを示す分解
図である。

【図５】停止ボルトを除いて図３の線５−５に関する図
１乃至図３の検流計および位置トランスジューサを示す
端面図である。

【図６】図２の線６−６に関して図１乃至図３の検流計
を示す断面図である。

【図７】各コイル部の第１の巻きを略図的に示す係止穴
を除いた図１乃至図３のトルク・モータのボビンの縦方
向斜視図である。

【図８】ボビンの頂部の半分が仮想線で示されその係止
穴が除かれた、図１乃至図３のトルク・モータの線を巻
かれたステータの底部の半分を示す縦断面斜視図であ
る。

【図９】ボビンの係止穴が省かれた、主要対称面の背後
の特徴が破線で示される対称面により二等分された巻線
の底部の半分を含む図１乃至図３のトルク・モータのボ
ビンを示す縦斜視図である。

【図１０】係止穴を示す、図７のボビンの水平斜視図で
ある。

【図１１】図１０のボビンの別の実施例を示す水平斜視
図である。

【図１２】図１１のボビンを示す端面図である。

【図１３】本発明によるロータおよびコイル組立体を示
す斜視図である。

【図１４】ロータによる磁束線を示す図１３の組立体の
端部を示す概略図である。

【図１５】励起されたコイルおよび取外されたロータに
よる磁束線を示す図１３の組立体の端部の概略図であ
る。

【図１６】図１３のロータおよびステータを示す斜視図
である。

【図１７】本発明による巻線固定具を示す拡大図であ
る。

【図１８】図１7の巻線固定具の本体を示す端面図であ
る。

【図１９】頂部のみにおける両本体を表わす詳細を示す
図１7の巻線固定具の本体の側面図である。

【図２０】図１7の巻線固定具の球状プラグ要素を示す
側面図である。

【図２１】図１7の巻線固定具の球状プラグ要素を示す
端面図である。

【図２２】ネオジム鉄ホウ素の１組の磁化特性カーブを
示すグラフである。

【図２３】サマリウム・コバルトの１組の磁化特性カー
ブを示すグラフである。

【符号の説明】

１０走査システム１１増幅回路１２コイル１３減算回路１４前部軸１５ミラー１６後部軸１７トルク・モータ１８可動ストッパ２０静止ストッパ２１当接部２２ボルト２４ボルト２５当接部２６スリーブ２７磁石２８外側ハウジング３０位置トランスジューサ３１巻き３２基準ストッパ３３巻き３７固定具４０前部ベアリング４２後部ベアリング４４圧力ワッシャ５０ボビン５１ステータ５２内側円筒部５４外側巻き面５６内面５７外面５９空隙６０穴６１穴６２穴６３穴６４端面６５ボビンの半径面６７傾斜円筒状巻線部６９傾斜過渡面７１巻き腔部７３主要対称面７５コイル部７７固定具７９ステータ中心軸８２本体部８４球状プラグ８６ボルト８７ワッシャ８８ナット９０湾曲端部９１端部９２穴９３脚部９５脚グループ９７回転部９９ねじ１００ロータ１０４ノーズ部１０６半円筒状部分１０８穴１１０弾丸状プラグ直径部

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【手続補正書】

【提出日】平成４年５月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心軸の周囲に回転振動するように取付
けられ、かつ該軸の対向側に２つの実質的に半円筒形状
の磁極に分極された円筒状磁気ロータと、各々が多数の導体の巻きにより構成される、前記ロータ
の対向側に配設された２つのコイル部分とを設け、前記巻きの各々は、前記ロータの全長に沿って延在する
導体側方脚部と、前記巻きの各側方脚部と接続された導
体端部とからなり、前記巻きの第１および第２の側方脚
部は、導体脚部の第１および第２の各グループで一緒に
分けられ、該グループは相互に周方向に離間されてお
り、前記コイル部分間には前記軸を通る対称面が存在し、各
コイル部分の巻きの各グループの脚部は、前記コイル部
分が巻付けられるボビンの半径面と対応する地点で始ま
り、かつ実質的に前記対称面まで連続的に延在する分布
状態に配設され、前記ロータの前記磁極が、検流計の運
動範囲の中心で前記面と実質的に整合状態にある検流
計。
【請求項２】前記ロータは自由に回転するロータであ
る請求項１記載の検流計。
【請求項３】前記分布は、逆余弦分布に近似する請求
項１記載の検流計。
【請求項４】前記分布は、Ｔ＝（ＫＢｒＬＮｉＤ／α₀）・ｃｏｓγ により決定される請求項３記載の検流計。但し、Ｔは検
流計のトルク出力、Ｂｒは磁気ロータの一定残留インダ
クタンス、Ｋは無次元定数、Ｌは磁気ロータの長さ、Ｎ
はコイルの巻き数、ｉはコイルに流れる電流、Ｄは導体
が配置される基礎円の直径、α₀は巻線腔部の半角、お
よび、γはロータの角度位置である。
【請求項５】前記巻線の変分は、前記軸周囲で前記面
から±４５°の範囲にわたって延在し、前記対称面にお
ける前記巻線は、前記範囲の外側制限における密度の約
７０％の密度を有する請求項３記載の検流計。
【請求項６】軸の周囲に回転する磁気ロータと、前記ロータと同心状を呈し、かつ前記軸の対向側に軸方
向の巻線部分と、該軸を通り前記軸方向コイル部分を分
割する対称面とを有するコイルを含むステータとを設
け、前記コイルは、前記対称面における密度がこれから隔て
られた位置の密度より低い異なる巻線密度分布を有する
検流計。
【請求項７】前記巻線密度分布の前記の変分が、前記
コイルの所与の電力消費に対してコイルの性能を最適化
するように選定される請求項６記載の検流計。
【請求項８】前記巻線密度分布の前記の変分が、逆余
弦分布に近似する請求項６記載の検流計。
【請求項９】前記分布は、Ｔ＝（ＫＢｒＬＮｉＤ／α₀）・ｃｏｓγ により決定される請求項８記載の検流計。但し、Ｔは検
流計のトルク出力、Ｂｒは磁気ロータの一定残留インダ
クタンス、Ｋは無次元定数、Ｌは磁気ロータの長さ、Ｎ
はコイルの巻き数、ｉはコイルに流れる電流、Ｄは導体
が配置される基礎円の直径、α₀は巻線腔部の半角、お
よびγはロータの角度位置である。
【請求項１０】前記巻線の前記の変分は、前記軸周囲
で前記面から±４５°の範囲にわたって延在し、前記対
称面における前記巻線は、前記範囲の外側制限における
密度の約７０％の密度を有する請求項６記載の検流計。
【請求項１１】ロータを有するトルク・モータであっ
て、前記ロータが、２つの端部を有する磁石と、各々が前記磁石端部の一方に対して当接する位置関係に
ある後部軸および出力軸と、前記磁石の少なくとも一部を囲繞して、前記出力軸およ
び前記磁石と接合されている薄い壁部のトルク支持スリ
ーブとを含む、トルク・モータ。
【請求項１２】前記スリーブと前記出力軸とが一体の
部分である請求項１１記載のモータ。
【請求項１３】前記スリーブが、前記磁石の慣性の１
０％より小さな慣性を有する請求項１１記載のモータ。
【請求項１４】前記スリーブが前記後部軸に取付けら
れる請求項１１記載のモータ。
【請求項１５】前記スリーブと前記磁石とが半可撓性
接着剤で結合される請求項１１記載のモータ。
【請求項１６】前記半可撓性接着剤がシリコーン接着
剤である請求項１５記載のモータ。
【請求項１７】前記半可撓性接着剤がエポキシである
請求項１５記載のモータ。
【請求項１８】前記磁石がその直径に沿って分極され
る請求項１１記載のモータ。
【請求項１９】前記出力軸が突合せ端部を含み、該突
合せ端部が前記スリーブに対して取付けられる請求項１
１記載のモータ。
【請求項２０】前記出力軸と前記後部軸とが突合せ端
部を含み、該突合せが前記スリーブに対して取付けされ
る請求項１４記載のモータ。
【請求項２１】前記出力軸が前記スリーブに対して溶
接される請求項１１記載のモータ。
【請求項２２】前記スリーブが前記磁石を完全に囲繞
する請求項１１記載のモータ。
【請求項２３】前記磁石がネオジム鉄ホウ素から作ら
れる請求項１１記載のモータ。
【請求項２４】前記磁石がサマリウム・コバルトから
作られる請求項１１記載のモータ。
【請求項２５】前記スリーブがステンレス鋼から作ら
れる請求項１１記載のモータ。
【請求項２６】前記スリーブがチタンから作られる請
求項１１記載のモータ。
【請求項２７】前記ロータがその直径より長い長さを
有する請求項１１記載のモータ。
【請求項２８】前記ロータの長さが、該ロータの直径
の少なくとも３倍以上の大きさである請求項２７記載の
モータ。
【請求項２９】前記ロータの直径が、約２５．４mm
（１インチ）の半分程度であるか又はそれより小さい請
求項１１記載のモータ。
【請求項３０】前記ロータの直径が、約２５．４mm
（１インチ）の３／１６程度であるか又はそれより小さ
い請求項１１記載のモータ。
【請求項３１】ミラーの如き光学要素を回転振動運動
するよう駆動するのに適した可動磁石スキャナにおい
て、静止外側シェルと、前記シェル内部に配設されるボビンの周囲に巻付けられ
たコイルに構造的ポッティング材でポッティングされた
ステータであって、前記シェルに向けて配置された係止
穴を含むステータと、前記穴にはめられて前記シェルまで延在し、反作用力が
前記コイルに加えられる前記スキャナの加速中、前記ス
テータを前記シェルに係止してその間の相対的な回転運
動を阻止する剛性の固定要素と、直径方向に沿って分極されて、前記ステータに対して内
部に同心状の関係で回転自在に支持された磁石とを備え
るスキャナ。
【請求項３２】前記固定要素がピンまたはボルトの形
態の軸方向に延在する要素である請求項３１記載のスキ
ャナ。
【請求項３３】前記ロータの直径が、約２５．４mm
（１インチ）の半分程度であるか又はそれより小さい請
求項３１記載のスキャナ。
【請求項３４】前記ロータの直径が、約２５．４mm
（１インチ）の３／１６程度であるか又はそれより小さ
い請求項３１記載のスキャナ。
【請求項３５】前記ロータがその直径より長い長さを
有する請求項３１記載のスキャナ。
【請求項３６】前記ロータの長さが、該ロータの直径
の少なくとも３倍以上の大きさである請求項３１記載の
スキャナ。
【請求項３７】ロータの対向側端部に出力軸と後部軸
とを含み、軸の周囲に回転する磁気ロータと、前記出力軸を回転自在に支持し、外部の負荷と結合する
ための出力ベアリングと、前記後部軸を回転自在に支持し、前記出力軸に対して前
記ロータの反対側端部に配設される後部ベアリングと、前記ロータと結合されて、該ロータの回転に応答してフ
ィードバック信号を生じる位置トランスジューサであっ
て、前記ベアリング間の距離を最小限に抑えてその結果
前記ロータの第１共振周波数に好影響を及ぼすため、前
記ベアリング間の間隔の外側で前記ロータと結合される
位置トランスジューサとを備える検流計。
【請求項３８】前記位置トランスジューサが前記後部
軸に取付けられる請求項３７記載の検流計。
【請求項３９】前記位置トランスジューサが、前記後
部軸と螺合するねじにより前記後部軸に取付けられる請
求項３８記載の検流計。
【請求項４０】内側および外側の円筒面を持つ円筒状
部分を設け、２つの円筒状巻線部が、前記円筒状部分の対向側で前記
外側面から突出し、該２つの円筒状巻線部のそれぞれが、外側面と、長手方
向の半径面と、第１および第２の端部面とを有し、前記円筒状巻線部の中心軸と前記円筒状部分の中心軸と
が本質的に同一直線上にある、ボビン。
【請求項４１】前記円筒状巻線部が、前記ボビンを所
定位置に保持する固定具を収受する１対の係止穴を規定
する請求項４０記載の検流計。
【請求項４２】前記円筒状巻線部が更に、前記半径面
と前記端部面との間に略々傾斜した移行面を含む請求項
４０記載の検流計。
【請求項４３】前記円筒状巻線部がそれぞれ、前記各
巻線部の各端部でこれから延在する環状の区分端部材を
更に含む請求項４０記載の検流計。
【請求項４４】内側および外側の円筒状面と、該円筒
状部分の対向側の前記外側面から突出して各々が外側
面、長手方向半径面および第１および第２の端部面を有
する２つの円筒状巻線部とを有する円筒状部分を有する
ボビンであって、該円筒状巻線部の中心軸と前記円筒状
部分の中心軸が本質的に同一直線上にあり、該円筒状巻
線部が、ボビンを所定位置に保持する固定具を収受する
ための１対の係止穴を規定する、ボビンを収受する巻線
固定具において、１対の円筒状巻線部の本体部であって、該本体部のそれ
ぞれが、１対の長手方向の半径面と、湾曲面を持つ第１
および第２の端部と、整合された位置決め穴を共に有す
る内側および外側の面とを有し、前記本体部の前記内側
面が、前記ボビンの円筒状巻線部の１つの外側面を保持
するための寸法に作られた、１対の円筒状巻線部と、１対の弾丸状のプラグの各々が、一方の弾丸状プラグの
半円筒状部分に隣接する前記ボビンの円筒状部分の中心
に挿入される湾曲したノーズと半円筒状部分とを有し、
前記半円筒状部分は位置決め穴を含む、１対の弾丸状プ
ラグと、前記本体部の前記位置決め穴と、前記ボビンの係止穴
と、巻き付け中前記ボビンを所定位置に保持するための
前記弾丸状プラグの穴とを通して挿入される固定具とを
備える巻線固定具。