JP2002535955A - ディスクモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、回転可能に取り付けられ永久磁石を具備する電機子ディスク（３）と、コイル（１７ａ〜１７ｆ）を具備する固定子プレート（１０）よりなる固定子とを具有するディスクモータに関するものである。本発明の目的は、できる限り平たく、かつ回転の滑らかさが改善されたことを特徴とするディスクモータを提供することにある。この目的を達成するため、環状の軟質磁気プレストレス手段（２０）を該プレストレス手段の少なくとも一部がコイル（１７ａ、１７ｂ）のコイル窓（１８ａ、１８ｂ）の軸方向下方に位置するようにして固定子プレート（１０）に同心状に設けたものである。上記電機子ディスク（３）には、上記環状のプレストレス手段（２０）と半径方向に対向する位置にある環状の磁束還流要素（５）を支持させることが可能である。上記プレストレス手段（２０）は、上記環状の磁束還流要素（５）からコイル窓に磁力線を案内するような横断面形状を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、回転可能に取り付けられていて永久磁石を具備した電機子ディスク
（３）と、コイルを具備した固定子プレートよりなる固定子とを具有するディス
クモータに関するものである。

【０００２】 このようなディスクモータは、例えば、ターンテーブル用のダイレクトドライ
ブとして使用される。ディスクモータの基礎的な説明は、Ｈ．Ｄ．シュテールテ
ィング（Ｓｔo ｌｔｉｎｇ）、Ａ．ヴァイセ（Ｂｅｉｓｓｅ）共著の「小形電気
機械（Ｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈｅ Ｋｌｅｉｎｍａｓｃｈｉｎｅｎ）、フェアラー
ク・トイブナー（Ｖｅｒｌａｇ Ｔｅｕｂｎｅｒ）刊、ｌ９８７年、１６９ペー
ジ以降及び１８６ページ以降に記載されている。

【０００３】 ドイツ国特許公開公報ＤＥ ３４ ２５ ８０５ Ａ１号には、ミラーを回転
させるためのディスクモータとして実施された直流モータが開示されている。こ
の直流モータの固定子は、コイル絶縁フレーム及び該フレームに結合された固定
子フランジよりなり、該フランジは完全に回転子を取り囲んで外部の影響から回
転子を保護するようになっている。回転子は、ミラーに取り付けられた軸を有し
、該軸の下端部には２極永久磁石を具備するマグネットホルダが設けられている
。この回転子軸は、固定子フランジに固定された２つの玉軸受に取り付けられて
いる。軸方向の遊びを最小限にするために、玉軸受の外輪には対応する内輪を押
圧する向きの圧縮応力をあらかじめ与えなければならない。これを達成するため
に、同特許公開公報には、一方が他方の上に配置された２つの外輪を両方共固定
子フランジに固定する一方、対応する内輪には回転子の寸法によって互いに逆向
きの応力を与えることが記載されている。しかしながら、この構成には、一方が
他方の上に互いにある距離を隔てて配置された２つの玉軸受が用いられるという
短所がある。従って、全高を小さくするために、軸受は１つにすることが望まし
い。

【０００４】 高トルクを達成するために、ディスクモータには、通常、軟質の磁束還流要素
、すなわちエアギャップ中の磁束密度を増加させるための閉磁気回路が設けられ
る。磁力線は、強磁性体と、個々の構成要素間の小さなエアギャップだけを通っ
て導かれる。これは、例えば前記のシュテールティング／ヴァイセによる文献中
に説明されているように、電機子ディスクの周に環状スカートを設け、このスカ
ートに環状の磁束還流要素を取り付け、該磁束還流要素によって固定子のフラッ
トコイルを下側から支持することによって達成される。磁力線は、永久磁石から
電機子ディスクを通って外方に出、環状スカートを下方に通り、環状の磁束還流
要素及びコイルの作用領域を通って再び永久磁石に戻る（前記シュテールティン
グ／ヴァイセの文献の１８６ページを参照）。

【０００５】 同様の設計のディスクモータがドイツ国実用新案公報ＤＥ−ＧＭ−７５ ４１
９ １１号に開示されている。電機子ディスクの中心部には鐘形のスペーサが設
けられており、このスペーサに環状の磁束還流要素が固定されている。回転子外
被に軸受管体が設けられ、その中に２つの有孔軸受及び油貯留用の中間フェルト
リングがあって回転子軸のラジアル軸受を構成している。軸方向加重の軸受につ
いては、外被が管状の延長部が設けられた床プレートを有し、その下縁部に回転
子軸のスラスト軸受として支持部材が取り付けられている。回転子軸の底端面は
凸面形状に下降され、スラスト軸受に受支されている。このモータの全高は、合
計３つの軸受があるため、前記ドイツ国特許公開公報ＤＥ ３４ ２５ ８０５ Ａ１号に開示されたモータの全高より著しく大きい。

【０００６】 ２つの玉軸受と環状磁束還流要素を備えたディスクモータのもう一つの態様と
して、全高をより低くすることを目指したドイツ国特許公開公報ＤＥ ３５ ２
８ ３０３ Ａ１号開示の技術がある。その電機子ディスクは、２つの玉軸受が
内部に設けられた管状ハブを有する。これらの玉軸受は、固定子プレートに取り
付けられた軸スタブ上に互いに所定距離を隔てて固定されている。環状磁束還流
要素の機能は固定子プレートが受け持ち、この固定しプレートは適切な強磁性体
で製造しなければならない。

【０００７】 このディスクモータには次のような短所がある：第１には、２つの玉軸受があ
り、これに伴って余分に組立／取り付けコストが発生する；第２には、磁束還流
路はその全体がコイルの作用領域を通ることはなく、従って総じてトルクの発生
には寄与しない。固定子プレート全体が磁束還流路内にあるため、著しい渦電流
が発生し、これが電機子ディスクに制動作用を及ぼす。さらに、スカート部分及
びハブ部分の両方で電機子ディスクに吸引力が作用し、そのために非常に大きな
力が電機子ディスクに作用し、結果的に軸受に作用する；かなり大きい軸受荷重
が生じて、状況によっては軸受の早期破壊が起こり得る。さらに、軸受プレート
全体を強磁性体で製造しなければならず、また電機子ディスクと同じ直径にしな
ければならない。その結果モータが重くなる。

【０００８】 本発明の目的は、フラット設計で、良好な回転の滑らかさと高トルクが得られ
ることを特徴とするディスクモータを提供することにある。

【０００９】 上記目的を達成するため、本発明は、環状の軟質磁気プレストレス手段を該プ
レストレス手段の少なくとも一部がコイルのコイル窓の軸方向下方に位置するよ
うにして固定子プレートに同心状に設けたものである。

【００１０】 本発明の長所は、磁気プレストレスによって電機子ディスク軸受の軸方向の遊
びが取り除かれ、その結果、軸受、例えば玉軸受、滑り軸受を１つしか用いない
で適切な回転の滑らかさを達成することができるということにある。軸受が１つ
で十分ならば、全高が大幅に縮小され、しかも軸受として通常入手可能な標準的
な玉軸受は使用することができるだけの十分なスペースが確保される。

【００１１】 ディスクモータがマイクロモータとして実施される場合、通常入手可能な軸受
は全高が１ｍｍ以上のものであると考えられる。通常入手可能な軸受を使用する
利点は、総製造コストが全高が非常に低い２つの特注軸受を使用しなければなら
ない場合より低くなるということである。このように本発明の技術による磁気プ
レストレス方式によれば、より低い全高で回転特性の最適化が可能となる。

【００１２】 磁気プレストレス付与には、固定子プレートに軟質磁性材料、特に強磁性体製
の閉リングあるいは少なくとも１つのリングセグメントを設けるだけで十分であ
ることが実証されている。磁気プレストレスの大きさは、全高を変えることなく
プレストレスリングまたはリングセグメントの幅によって設定することができ、
その結果現用の電機子ディスク及び軸受の寸法形状に対する適応が可能になる。
これによって不必要に大きな軸受荷重が回避され、その結果モータの耐用年数を
大幅に長くすることができる。

【００１３】 プレストレス手段の半径方向幅はコイル窓の対応する幅以下であることが好ま
しい。

【００１４】 プレストレス手段の少なくとも一部を、それにより磁力線がコイル軸と平行に
走るコイルの内部領域があることが分かるコイルのコイル窓の下方に軸方向に配
置することによって、磁気プレストレス回路はトルクの発生にも寄与する。

【００１５】 プレストレス手段には、渦電流を防ぐために高いオーム抵抗を有する材料を含
有させると効果的である。

【００１６】 プレストレス手段は固定子プレート、特に固定子プレートの上部に設けられる
ため、プレストレス手段とコイル窓の間には磁場に悪影響を及ぼす外被がない。
これには固定子材料を自由に選択できるという利点がある。

【００１７】 本発明のもう一つの実施例によれば、電機子ディスクでコイルの下方に延出す
る環状の磁束還流要素を支持することが可能である。この場合、プレストレス手
段は環状の磁束還流要素に半径方向に対向するよう設けられる。コイル窓の下方
にプレストレス手段を配置することによって、プレストレス手段は磁束還流要素
となり、その結果全ての磁力線はもっぱらトルク発生のために使用されることに
なる。

【００１８】 また、プレストレス手段が環状の磁束還流要素からコイル窓へ磁力線を案内す
るような外形を有することも効果的である。

【００１９】 プレストレス手段は、好ましくは、コイル窓の方に向けて末広がりにする。ま
た、例えば、段付きの横断面形状とすると、固定子プレートとの係合が可能にな
るので好都合である

【００２０】 また、本発明においては、固定子プレートの材料は、磁気還流に関わらなくて
済むので、自由に選択できるという利点がある。そのために、軽量の素材を用い
てモータの重量を減らすことができる。

【００２１】 固定子プレートは、好ましくは、非磁性材料、より好ましくは反磁性材料を使
用する。このことは、電機子ディスク軸受についても同様である。こうすること
によって、磁力線が軸受からはみ出して滑らかな回転に悪影響を及ぼすのを防ぐ
ことができる。ここで、非磁性材料は、軟質磁性材料でも硬質磁性材料でもない
非磁性材料とすることが分かる。

【００２２】 固定子プレートは、例えば、プレストレスリングをしっかり保持することがで
きるような設計でありさえすればよい。このことも、設計のコンパクトさに寄与
する。

【００２３】 以下、本発明を実施例により添付図面を参照して詳細に説明する。

【００２４】 図１は、ディスクモータの縦断面図である。回転子は軸１を具有し、該軸１は
電機子ディスク３に挿入され、カラー２によって電機子ディスク３に固着されて
いる。電機子ディスク３の下側には極性逆にすることができる永久磁石よりなる
環状永久磁石６が設けられている。

【００２５】 固定子は固定子プレート１０を具有し、これには通常入手可能な玉軸受１４の
外輪１５が固定されている。玉軸受１４の内輪１６は軸１を係支している。固定
子プレート１０の上面１２にはフラットコイル１７ａ及び１７ｂが固定され、こ
れらのコイル１７ａ及び１７ｂは、コイル巻線内の内部空間によって形成される
コイル窓１８ａ、１８ｂが環状永久磁石６下方に位置するように配置されている
。フラットコイル１７ａ、１７ｂと固定子プレート１０は一体構造部品として統
合することも可能である。

【００２６】 固定子プレート１０にはプレストレスリング２１の形のプレストレス手段２０
が嵌め込まれている。プレストレスリング２１の配置関係は、プレストレスリン
グ２１がコイル１７ａ、１７ｂのコイル窓１８ａ、１８ｂの軸方向下方にコイル
窓の寸法以下のある量だけ延出するように選択される。その結果、プレストレス
リング２１／磁力線がトルクの発生に寄与する。

【００２７】 ディスクモータの全高は低く、主として玉軸受１４の高さによって規定される
。

【００２８】 図２は、磁束還流要素を有するディスクモータを示す。電機子ディスク３の周
部には、下方に延びて環状の磁束還流要素５を支持する環状スカート４が固定さ
れている。固定子プレート１０は玉軸受１４が座支される中心穴１３を有し、こ
れによって外輪１５は穴１３内に動かないように保持される。環状の磁束還流要
素５と電機子ディスク３との間のスペースに延入するフラットコイル１７ａ及び
１７ｄは、固定子プレート１０の上面１２に固定されている。フラットコイル１
７ａ及び１７ｄと付随のコイル窓１８ａ及び１８ｄを具備した図２に示すコイル
装置は、この図４に概略的に示すコイル装置を線II−IIに沿って切断した断面図
に対応している。固定子プレート１０は、その外縁部に環状段部１１を有し、こ
の段部に強磁性体製のプレストレスリングが固定されている。プレストレスリン
グ２１の配置関係は、プレストレスリング２１が半径方向において環状の磁束還
流要素５と対向するように選択される。固定子プレート１０は磁束還流には関与
しないので、固定子プレート１０の直径はプレストレスリングの外径と同じであ
るだけでよい。固定子プレート１０の材料は任意に選択することができる。

【００２９】 図３は、図２に示すディスクモータの修正態様の部分拡大縦断面図である。磁
束還流路は、実線の矢印によって示す閉路２３（「主回路」）及び破線の矢印に
よって示すプレストレス回路２２として概略的に示されている。主回路２３は電
機子ディスク３、環状のスカート４、環状の磁束還流要素５及びコイル１７ａの
コイル窓１８ａを通って形成される。

【００３０】 本発明に従ってプレストレスリング２１を配置することによって、プレストレ
ス回路２２の磁束の磁力線はコイル窓１８ａをも通り抜け、その結果この磁気プ
レストレス回路２２はトルクの発生にも寄与することになる。さらに、本発明に
従ってプレストレス回路２２を磁束還流路の一部として形成したため、磁気プレ
ストレスはコイル窓１８ａ中のプレストレスリング２１の幅を変えることにより
磁束還流及びディスクモータの総トルクとは無関係に設定することができる。プ
レストレスリング２１の横断面形状は磁束の磁力線をコイル窓１８ａに向け直す
ように設計され、そのために段部２４を有する。その結果、プレストレスリング
２１はコイル窓１８ａの軸方向に幅が広くなり、同時に固定子プレート１０に対
してよりよく保持されるように係合部が形成される。

【００３１】 磁気プレストレスは、電機子ディスク３を固定子プレート１０の方へ吸引させ
、玉軸受１４の内輪１６を下方に引き付ける。外輪１５は固定子プレート１０中
に動かないように保持されているので、玉軸受１４の軸方向の遊びは全て除去さ
れる。

【００３２】 ここで説明する実施態様は、図２及び図３に概略的に示すような設計に関する
ものである。ディスクモータは、外径が１２．８ｍｍで高さが１．４ｍｍである
。

【００３３】 ディスクモータは、０．４０μＮｍ／Ｍａのトルク定数を持する。このモータ
は、最高２０，０００ｒｐｍまでの回転速度で容易に使用することができ、良好
な回転特性を発揮することができる。

【００３４】 設計上の特徴により、玉軸受は磁場による影響を受けない。磁気プレストレス
によってＭｎ域の吸引力が作用させられる。

【００３５】 環状永久磁石は、バインダーとしてプラスチックを含有するＮｄＦｅＢ粉末の
マイクロ射出成形法あるいはサイジング法によって製造される。環状磁石は厚さ
が約３００μｍである。環状磁石は、端面に８つの磁極（４極対）が得られるよ
う軸方向に磁化される。

【００３６】 小形フラットコイルは、ＵＶディープ・リソグラフィ法及びその後流電気析出
法を用いることによって製造される。フラットコイルは、支持体としてのポリイ
ミドフィルムによって分離された２本の重畳印刷された導体よりなる。全部で６
つのコイルがあり、対向するコイル対同士が直列に接続される。フラットコイル
は高が約２５０μｍである。

【００３７】 あるいは、コイルはミクロ精密レーザ技術を使用して多層プリント回路基板（
ＰＣＢ）として製造することもできる。

【００３８】 コイルと回転するモータ部品との間のエアギャップはわずかに約８０μｍであ
る。

【００３９】 制御は三相矩形パルス信号によって行われ、このパルス信号は別の実施例では
ディスクモータを支持する基盤に組み込まれたディジタル制御装置によって作り
出される。

【００４０】 電機子ディスク及び環状磁束還流要素のような個々の構成部分用の軟質磁性材
料としてはＦｅＳｉが使用される。スタンピングや深絞り加工によるような安価
な大量生産が、個々の構成部分や部品の設計によって可能になる。個々の構成部
品は、組立プラットフォーム上で一つに組み立てられ、これによれば単一の組立
方向で直線移動のみが行われる。

【００４１】 図４は、フラットコイル１７ａ〜１７ｆの設計を示したものである。コイル１
７ａ〜１７ｆは、導体が印刷された重畳フィルム２６からなり、個々のフィルム
の印刷導体はコンタクトポイント１９によって互いに接続されている（コンタク
トポイントは２つだけしか示されていない）。半径方向に対向するコイルは三相
モータの構成が得られるように互いに直列に接続される。

【００４２】 図５乃至図１３は、図２に示すディスクモータの組立における１つのオプショ
ンを示し、各図の「ａ」は追加の構成部分を取り付ける前の状態、「ｂ」は取り
付けた後の状態をそれぞれ示す。

【００４３】 組立には、個々の構成部分または部品が取り付けられる取付プレートが必要で
ある。図５ａは、環状の磁束還流要素５が取付プレート２５に挿入される様子を
示す。これに続いて、固定子プレート１０（図６ａ及び図６ｂ）が取り付けられ
、固定子プレート１０にプレストレスリング２１がセットされる（図７ａ、図７
ｂ）。次のステップ（図８ａ及び図８ｂ）では、コイル１７ａ〜１７ｆが取り付
けられる。次に、コイル１７ａ〜１７ｆは固定子プレート１０中のコンタクトピ
ン２９ａ、２９ｂに機械的、電気的に接続される（これらのコンタクトピン２９
ａ、２９ｂリードは外部に引き出されている）。

【００４４】 次に、玉軸受１４は摩擦嵌めされる（図９ａ及び図９ｂ）。その後のステップ
では、軸１が取り付けられ（図１０ａ及び図１０ｂ）、そして環状の永久磁石６
と共に電機子ディスク３が軸に取り付けられる（図１１ａ及び図１１ｂ）。

【００４５】 図ｌ２ａ及び図１２ｂには、フォースダイ２７を用いて電機子ディスク３を摩
擦嵌めする様子が示されている。最終ステップでは、リベットダイ２８を用いて
電機子ディスクをリベット止めされる（図１３ａ及び図１３ｂ）。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ディスクモータ縦断面図である。

【図２】 本発明のもう一つの実施例におけるディスクモータの縦断面図である。

【図３】 図２に示す実施例の修正態様の断面図における左側の部分を磁気回路を図解す
るために拡大したものである。

【図４】 コイル装置の概略上面図である。

【図５】 図２のディスクモータの組立手順をそれぞれ示す概略断面図である。

【図６】 図２のディスクモータの組立手順をそれぞれ示す概略断面図である。

【図７】 図２のディスクモータの組立手順をそれぞれ示す概略断面図である。

【図８】 図２のディスクモータの組立手順をそれぞれ示す概略断面図である。

【図９】 図２のディスクモータの組立手順をそれぞれ示す概略断面図である。

【図１０】 図２のディスクモータの組立手順をそれぞれ示す概略断面図である。

【図１１】 図２のディスクモータの組立手順をそれぞれ示す概略断面図である。

【図１２】 図２のディスクモータの組立手順をそれぞれ示す概略断面図である。

【図１３】 図２のディスクモータの組立手順をそれぞれ示す概略断面図である。

【符号の説明】

１ 軸 ２ カラー ３ 電機子ディスク ４ 環状スカート ５ 環状磁束還流要素 ６ 環状永久磁石 １０ 固定子プレート １１ 環状段部 １２ 上面 １３ 中心穴 １４ 玉軸受 １５ 外輪 １６ 内輪 １７ａ〜１７ｆ コイル １８ａ〜１８ｆ コイル窓 １９ コンタクトポイント ２０ プレストレス手段 ２１ プレストレスリング ２２ 磁気プレストレス回路 ２３ 主磁気回路 ２４ 段部 ２５ 取付プレート ２６ フィルム ２７ フォースダイ ２８ リベットダイ ２９ａ、２９ｂ コンタクトピン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミッシェル．フランク ドイツ連邦共和国．ナイデール−オルム． デ−55268．エーベルシェイマー．ストラ ーセ．104 (72)発明者 ナインハース．マチィアス ドイツ連邦共和国．マインツ．デ−55128． セント−セバスチャン−ストラーセ．６ (72)発明者 クレン．ステファン ドイツ連邦共和国．マインツ．デ−55118． ボップストラーセ．64 Ｆターム(参考） 5D109 BA12 BA17 BA20 BA26 BA31 BB16 5H605 AA07 AA08 BB05 BB20 CC01 CC02 DD05 EA06 EA19 FF01 GG04 5H621 AA02 AA03 GA02 GA12 GA16 GB03 HH01 JK08 JK10 PP10

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転可能に取り付けられ永久磁石を具備する電機子ディスク
   と、コイルを具備する固定子プレートよりなる固定子とを具有するディスクモー
   タにおいて： 環状の軟質磁気プレストレス手段（２０）を該プレストレス手段の少なくとも
   一部がコイル（１７ａ、１７ｂ）のコイル窓（１８ａ、１８ｂ）の下方軸方向に
   位置するようにして固定子プレート（１０）に同心状に設けたことを特徴とする
   ディスクモータ。
2. 【請求項２】 上記固定子プレート（１０）が非磁性材料性であることを特
   徴とする請求項１記載のディスクモータ。
3. 【請求項３】 上記環状のプレストレス手段（２０）が閉じたプレストレス
   リング（２１）よりなることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載
   のディスクモータ。
4. 【請求項４】 上記環状のプレストレス手段（２０）が少なくとも１つのリ
   ングセグメントをよりなることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記
   載のディスクモータ。
5. 【請求項５】 上記電機子ディスク（３）が、上記環状のプレストレス手段
   （２０）と半径方向に対向する位置にある環状の磁束還流要素（５）を支持して
   いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のディスクモータ。
6. 【請求項６】 上記プレストレス手段（２０）が、上記環状の磁束還流要素
   （５）からコイル窓（１８ａ、１８ｂ）に磁力線を案内するような横断面形状を
   有することを特徴とする請求項５記載のディスクモータ。
7. 【請求項７】 上記プレストレス手段（２０）の断面がコイル窓（１８ａ、
   １８ｂ）の方向に幅広状をなすことを特徴とする請求項６記載のディスクモータ
   。
8. 【請求項８】 上記プレストレス手段（２０）が段付き横断面形状を有する
   ことを特徴とする請求項６または７のいずれか１項記載のディスクモータ。