JP2005086977A - ファンモータ - Google Patents

Abstract

【課題】インペラを低電流、低騒音、長寿命で回転駆動できるファンモータを提供する。
【解決手段】コイル３が巻線されたステータとステータに対向配置されるマグネット７を有するロータと有し、コイル３への通電によりステータの磁極を変化させてロータを回転駆動する単相ステッピングモータと、ロータの出力軸８により回転駆動されるインペラ１２と、インペラ１２を出力軸８に対して相対的に回転可能に連結するホルダ１０及びボール１１とを備え、ホルダ１０はインペラ１２側の円筒部１２ａとで空間を形成し、当該空間内に遠心力により移動するボール１１を設け、モータ起動時にはボール１１が空間内に遊嵌されて出力軸８がインペラ１２に対して空転し、出力軸８の回転数が上昇するにつれてボール１１に遠心力が作用して空間内を移動し、インペラ１２の円筒部１２ａとホルダ１０の側壁部１０ｂとに嵌合することによってインペラ１２を出力軸８に追従して回転させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、除湿器や防虫器などに用いられ、低電流、低騒音、長寿命を実現するファンモータに関するものである。

従来より、除湿器などに用いられる電動ファンが提案されている（例えば、特許文献１〜３，８参照）。これら従来技術は、電動モータを電池により駆動することを考慮しておらず、低電流、低騒音、長寿命を実現するものではない。

これに対して、ファンモータを低消費電力化するために、ファンモータによる効果を検知し、この効果の量に応じてファンモータの回転数を制御（低減）したり、間欠的に駆動して消費電流を抑える制御に関する技術（例えば、特許文献４参照）や圧電素子を用いた単一ブレードにより構成する技術（例えば、特許文献５参照）などが提案されている。

しかしながら、上記単一ブレードにより構成した場合には、昇圧回路が必要となるため高価となる。

また、低消費電流型のモータとして時計用の単相ステッピングモータが知られている（例えば、特許文献６，９）が、これらはトルクが微小でファンモータには応用が難しい。

また、特許文献７には、ステッピングモータを駆動源とするファンモータが提案されているが、低電流駆動ではインペラの慣性モーメントが大きく、起動できずに脱調するため、低電流駆動は困難である。

また、上記特許文献２，３には、モータ軸にファン受け部を設け、ファンをファン受け部との間の摩擦で駆動させる構成が開示されているが、これは装置が傾いたときにモータ回転中でもファンを停止させるためのもので、モータ軸とファンとはラジアル方向に隙間を持っているために、ファンの重心がモータ軸からずれることがあり、バランスの悪化や、振動、騒音の原因となる。
実開平２−１００６３１号公報 特開平３−１５４６１３号公報 特開平１１−１９７４３８号公報 特開平１０−５６２２号公報 特表２０００−５１３０７０号公報 特公昭６１−１１３９０号公報 特開平１０−１３６６３４号公報 特開平５−１５３８９２号公報 特開平８−２５５８５９号公報

上記事情により、従来はロータの抵抗値を大きくしたブラシ付きＤＣモータをファンモータとして使用し、数ｍＡの無負荷電流を得ていたが、長時間連続駆動するため、ブラシの摩耗が発生し、寿命が問題となる。このため、ブラシ等の接点のないブラシレスモータを用いて長寿命化を図ることも考えられるが、ブラシレスモータはホール素子だけでも少なくとも数ｍＡの電流を必要とし、その他の駆動回路やモータへの通電を含めると数１０ｍＡの消費電流となり、例えば電池を用いた長時間連続駆動は困難である。

また、ホール素子のないセンサレスモータもあるが、コイル逆起電流を検知するため、起動特性が高くなくてはならず、結果として低消費電力化は難しく、高価になる。また、ホール素子を必要としないステッピングモータを使えば低電流駆動も可能であるが、起動トルクが小さいため、インペラのような慣性モーメントの大きなものを回転駆動しようとすると、起動できずに脱調が起こり、低電流での駆動は困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、インペラを低電流、低騒音、長寿命で回転駆動できるファンモータを提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るファンモータは、コイルが巻線されたステータと当該ステータに対向配置されるマグネットを有するロータと有し、当該コイルへの通電により前記ステータの磁極を変化させて前記ロータを回転駆動する単相ステッピングモータと、前記ロータの回転軸により回転駆動されるインペラと、前記インペラを前記回転軸に対して相対的に回転可能に連結する連結手段とを備え、前記連結手段は、前記インペラ側の連結部と前記回転軸側の連結部とで空間を形成し、当該空間内に遠心力により移動するボールを設け、モータ起動時には前記ボールが前記空間内に遊嵌されて前記回転軸が前記インペラに対して空転し、前記回転軸の回転数が上昇するにつれて前記ボールに遠心力が作用して前記空間内を移動し、前記インペラの連結部と前記回転軸の連結部とに嵌合することによって前記インペラを前記回転軸に追従して回転させる。

また、好ましくは、前記コイルへの通電を制御するためのＣＭＯＳトランジスタを有する駆動回路を更に備える。

また、好ましくは、前記駆動回路は、時計用ＩＣと同等である。

また、好ましくは、前記駆動回路は、起動時に出力するパルス周波数が定常時よりも低く設定されている。

また、好ましくは、前記ファンモータの外装の一部に太陽電池が設けられ、前記駆動回路は当該太陽電池を電源として駆動される。

以上説明したように、本発明によれば、インペラを低電流、低騒音、長寿命で回転駆動できる。

以下に、本発明の好適な一実施形態につき、添付の図面を参照して説明する。

尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。

図１は本発明に係る実施形態のファンモータの分解斜視図、図２は図１のファンモータを組み立てた状態（インペラを除く）での側断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態のファンモータは、軸流ファンやシロッコファンなどの複数の羽根部を持つインペラ１２が単相ステッピングモータの出力軸８に接続されている。

単相ステッピングモータは、単極（直径で２等分し、互いに対称に相反する磁極（Ｓ極及びＮ極）を持つように着磁された２極）に着磁された円筒状のロータマグネット（永久磁石）７が出力軸８に固定されてロータ（回転子）を構成している。出力軸８はその軸方向に組み合わされる一対の軸受１ａ，９ａにより回転自在に軸支される。軸受１ａはモータの外形をなす箱状のハウジング１の一部であり、当該ハウジング１の中央部分に突出して設けられて出力軸８の一端部をスラスト方向に軸支する。軸受９ａは円盤状の軸受部材９の中央部に形成された孔によって出力軸８の他端部をラジアル方向に軸支する。軸受部材９は、位置決め機能を兼ねる取り付け孔６ｄに突起部９ｂを圧入等することによって有底円筒状（カップ状）ヨーク６の端面６ｅに固定される。

一方、ステータ（固定子）は、ロータマグネット７と同心円状に当該ロータマグネット７に対して所定の間隙を持って対向配置されるコイル３と、コイル３を取り囲むように保持し、ロータマグネット７とコイル３の間に介在する磁極部４ａ，６ａを有する磁性部材としてのヨーク４，６とを備える。

上記ヨーク４，６は、薄板で構成される円盤状の第１のヨーク４と、この第１のヨーク４により開口端部６ｆが閉成される有底円筒状の第２のヨーク６とを備える。第１のヨーク４は、ロータの出力軸８と同心状に開口する開口部４ｂと、この開口部４ｂの側縁部の一部からコイル３側に立設された円弧状の第１の磁極部４ａとを有する。また、第２のヨーク６の有底の底部には、ロータの出力軸８と同心状に開口する開口部６ｂと、この開口部６ｂの側縁部の一部からコイル３側に立設された円弧状の第１の磁極部６ａとを有する。

上記第１の磁極部４ａと第２の磁極部６ａとはロータの出力軸８に対して対称な位置に設けられる。

コイル３は、両端に拡径されたフランジ１５ａ，１５ｂを有する円筒状の樹脂製ボビン１５に、その巻回軸線がロータの出力軸８となるように巻線されている。

また、ボビン１５の一端のフランジ１５ｂにはコイル３に通電して励磁するための電極部２が延設されており、第１及び第２の磁極部４ａ，６ａにＳ極又はＮ極の磁界が発生する。電極部２には、コイル４の各端部に電気的に接続された一対の電極ピン１４が突出している。電極ピン１４は、第１のヨーク４の裏面に取り付けられる回路基板５に半田付け等で電気的に接続されると共に、コイル３への通電を制御する外部の駆動回路等にコネクタ等を介して接続される。回路基板５には配線パターンが形成されてコイル３に印加されるパルス電圧波形を生成する。

第１のヨーク４と第２のヨーク６とはコイル３を収容した状態でかしめ等により機械的に結合される。また、ハウジング１は、回路基板５と共に第１のヨーク４のネジ孔４ｄにネジ１３等により締結されて固定される。

第１及び第２の磁極部４ａ，６ａはコイル３への通電により励磁されて磁極となり、これら磁極の極性を反転させることによりロータマグネット７を回転させる。また、第１及び第２の磁極部４ａ，６ａの内周部の一部には、凹状溝４ｃ，６ｃが形成されている。これら凹状溝４ｃ、６ｃは、第１及び第２の磁極部４ａ，６ａとロータマグネット７の外周部との間隙を不均一にし、ロータマグネット７の電磁的安定位置と無励磁での安定位置とを形成し、ロータマグネット７の自起動による回転を可能としている（図６参照）。

つまり、上記無励磁安定位置では、ロータマグネット７の磁極が第１及び第２の磁極部４ａ，６ａからコギングトルクを受けて、励磁時に第１及び第２の磁極部４ａ，６ａ間に発生する磁束の向きＤ１（図６参照）とロータマグネット７の極性方向Ｄ２が交差してずれるような（平行にならないような）位置関係となる（図６（ａ）、図６（ｃ）及び図６（ｅ）参照）。

また、上記電磁的安定位置では、ロータマグネット７の磁極が第１及び第２の磁極部４ａ，６ａから吸引力及び反発力を受けてバランスし、無励磁安定位置からロータマグネット７の極性が１８０°未満で反転した位置関係となる（図６（ｂ）及び図６（ｄ）参照）。

図２に示すように、出力軸８はインペラ１２の回転中心軸上に設けられた軸孔１２ａに対して摺動（空転）可能に挿入され、インペラ１２は出力軸８に対して相対的に回転可能に連結手段により連結される。

連結手段は、インペラ１２側の連結部１２ｂと出力軸８側の連結部１０ａとで空間を形成し、当該空間内に遠心力により移動するボール１１を設け、モータ起動時にはボール１１が空間内に遊嵌されて出力軸８がインペラ１２に対して空転し、出力軸８の回転数が上昇するにつれてボール１１に遠心力が作用して空間内を移動し、インペラ１２の連結部１２ｂと出力軸８の連結部１０ｂとに嵌合することによってインペラ１２を出力軸８に追従して回転させる。

具体的には、上記連結手段は、出力軸８側の連結部としてホルダ１０を有し、このホルダ１０は出力軸８に圧入等により軸着され、その外縁部に少なくとも１箇所（図では中心軸に対して対称に２箇所）の扇状の切り欠き１０ａが形成されている。また、連結手段は、インペラ１２側の連結部としてインペラ１２の回転中心軸まわりに同心円状に形成された円筒面１２ｂを有し、上記切り欠き１０ａと円筒面１２ｂとの間の扇状空間にボール１１が配置される。なお、上記切り欠き１０ａの側壁部１０ｂと円筒面１２ｂとの隙間ｔは、扇状空間における中央の最も広い箇所（中心軸とボール１１の中心とが同一直線上にある位置）でボール１１の直径ｄと略同じであり、遠心力Ｆが作用する方向である周辺になるほど狭くなる。

そして、モータ起動時にはボール１１が扇状空間内に遊嵌されて出力軸８がインペラ１２に対して空転し、出力軸８の回転数が上昇するにつれてボール１１に遠心力Ｆが作用して扇状空間内を中央から周辺に移動し、ボール１１がインペラ１２の円筒面１２ｂと切り欠き１０ａの側壁部１０ｂとの空間に楔効果により入り込んで両者を嵌合する。このような作用によってホルダ１０とインペラ１２がボール１１を介して連結されて出力軸８に追従して回転する。

上記連結手段によれば、インペラを出力軸に固定して連結した従来の構成のように、インペラの慣性モーメントが大きく、モータの起動が困難、或いはモータ起動時にモータが脱調してしまうような大きな慣性モーメントを有する場合であっても、起動トルクの小さいステッピングモータを用いてインペラのような慣性モーメントの大きなものを回転駆動できるため、起動時の脱調を発生させず、低電流、低騒音、長寿命での駆動が可能が可能となる。

図３は本発明に係る実施形態の駆動回路を示すブロック図であり、図４は図３の駆動回路により生成されるファンモータの駆動電圧波形を示す図である。

図３に示すように、駆動回路２５は、例えば、２本の乾電池２９を電源とし、水晶発振子などを内蔵する発振回路２６から出力されるクロック信号を制御部２７で分周及び波形整形を行い、４つのＣＭＯＳトランジスタからなるＣＭＯＳＦＥＴ２８の各ゲートに駆動制御信号を出力して、コイル７の端子間に図４に示すような周期的に反転する交番パルス波形の駆動電圧を印加し、単相ステッピングモータを一定回転で駆動する。尚、本実施形態では、駆動電圧のＯＮ時間は、例えば２０ｍｓであり、モータ回転数が４８０ｒｐｍである。

尚、図４では起動時からパルス周波数を一定に設定した例を示しているが、図５に示すように、起動時のパルス周波数を定常時よりも低く設定することで（スローアップ電圧波形）、ステッピングモータの回転数を起動時から定常時まで徐々に高めていくスローアップ機能を付加することができ、慣性モーメントの大きなインペラを低電流で回転駆動させる上記連結手段の作用をより一層助長することができる。

本実施形態の単相ステッピングモータのコイル抵抗は、数百オームと一般的なステッピングモータに比べてかなり大きく、また、直列に数百オームの抵抗を接続することもあり、駆動電流は数ｍＡとなる。

また、上記駆動回路２５として汎用の時計用ＩＣを用いることができるので、コストも安く、消費電流も小さく、時計などと同様に乾電池を用いて長時間の駆動が可能となる（例えば、電池２本で３Ｖ、２ｍＡの消費電流で、乾電池は２０００ｍＡの容量であるから４０日間の連続駆動が可能となる）。

図６は、本実施形態のファンモータの回転動作を説明する図であり、第１及び第２の磁極部４ａ，６ａとロータマグネット７との位置関係を示している。

図６（ａ）の無励磁安定位置（通電ＯＦＦ）では、ロータマグネット７の磁極が第１及び第２の磁極部４ａ，６ａから微小なコギングトルクを受けて、第１及び第２の磁極部４ａ，６ａ間に発生する磁束の向きＤ１とロータマグネット３の極性方向Ｄ２が交差してずれるような位置関係となる。このコギングトルクは磁場を弱くするためにできるだけ小さい方がよいが、ゼロにはしない。

上記無励磁安定位置からコイル３に通電（ＯＮ）して第１及び第２の磁極部４ａ，６ａを励磁することにより、第１及び第２の磁極部４ａ，６ａと極性が異なるロータマグネット７の磁極が吸引されると共に、極性が同じ磁極が反発してバランスし、図６（ａ）の無励磁安定位置からロータマグネット７の極性が１８０°未満で右回りに回転した図６（ｂ）の電磁的安定位置まで回転する。

その後コイル３への通電を停止（ＯＦＦ）すると上記コギング力の作用により、図６（ｂ）の電磁的安定位置から更にわずかに回転して図６（ａ）の位置から１８０°反転した図６（ｃ）の無励磁安定位置にまで回転する。

次に、図６（ｃ）の無励磁安定位置からコイル３に図６（ｂ）の通電時とは反転したパルスを出力して第１及び第２の磁極部４ａ，６ａに図６（ｂ）の励磁時とは反転した極性を発生させることにより、第１及び第２の磁極部４ａ，６ａと極性が異なるロータマグネット７の磁極が吸引されると共に、極性が同じ磁極が反発してバランスし、図６（ｃ）の無励磁安定位置からロータマグネット７の極性が１８０°未満で右回りに回転した図６（ｄ）の電磁的安定位置まで回転する。

その後コイル３への通電を停止（ＯＦＦ）すると上記コギング力の作用により、図６（ｄ）の電磁的安定位置から更にわずかに回転して図６（ｅ）の無励磁安定位置（図６（ｃ）の位置から１８０°回転した位置、或いは、図６（ａ）の位置から３６０°回転した位置）にまで回転することにより図６（ａ）の位置に戻って１回転が終了する。以後同様の通電パターンを繰り返すことでロータマグネット７が連続的に回転することになる。 図７は、本実施形態の変形例としてファンモータのハウジングの外装に太陽電池を搭載した例を示す斜視図であり、太陽電池２０はハウジング１の側面の一部に設けられ、上記駆動回路２５は太陽電池２０（乾電池２９と併用してもよい）を電源として駆動される。本実施形態のファンモータは低電流であるため、例えば、５０×２０ｍｍ程度の大きさの太陽電池を装着することにより日中での使用に際しては乾電池が不要となる。

本発明は、例えば、携帯用除湿器や防虫器等のインペラの駆動に用いられる。

本発明に係る実施形態のファンモータの分解斜視図である。 図１のファンモータを組み立てた状態（インペラを除く）での側断面図である。 本発明に係る実施形態の駆動回路を示すブロック図である。 図３の駆動回路により生成されるファンモータの駆動電圧波形を示す図である。 図３の駆動回路により生成されるファンモータの駆動電圧波形を示す図である。 本実施形態のファンモータの回転動作を説明する図である。 本実施形態の変形例としてファンモータのハウジングの外装に太陽電池を搭載した例を示す斜視図である。

符号の説明

１ ハウジング
１ａ 軸受
２ 電極部
３ コイル
４ 第１のヨーク
４ａ 第１の磁極部
５ 回路基板
６ 第２のヨーク
６ａ 第２の磁極部
７ ロータマグネット
８ 出力軸
９ 軸受部材
９ａ 軸受
１０ ホルダ
１１ コイルバネ
１２ インペラ
１４ 電極ピン
１５ ボビン
２０ 太陽電池
２５ 駆動回路
２６ 発振回路
２７ 制御部
２８ ＣＭＯＳＦＥＴ
２９ 電池

Claims (5)

1. コイルが巻線されたステータと当該ステータに対向配置されるマグネットを有するロータと有し、当該コイルへの通電により前記ステータの磁極を変化させて前記ロータを回転駆動する単相ステッピングモータと、
   前記ロータの回転軸により回転駆動されるインペラと、
   前記インペラを前記回転軸に対して相対的に回転可能に連結する連結手段とを備え、
   前記連結手段は、前記インペラ側の連結部と前記回転軸側の連結部とで空間を形成し、当該空間内に遠心力により移動するボールを設け、モータ起動時には前記ボールが前記空間内に遊嵌されて前記回転軸が前記インペラに対して空転し、前記回転軸の回転数が上昇するにつれて前記ボールに遠心力が作用して前記空間内を移動し、前記インペラの連結部と前記回転軸の連結部とに嵌合することによって前記インペラを前記回転軸に追従して回転させることを特徴とするファンモータ。
2. 前記コイルへの通電を制御するためのＣＭＯＳトランジスタを有する駆動回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のファンモータ。
3. 前記駆動回路は、時計用ＩＣと同等であることを特徴とする請求項２に記載のファンモータ。
4. 前記駆動回路は、起動時に出力するパルス周波数が定常時よりも低く設定されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のファンモータ。
5. 前記ファンモータの外装の一部に太陽電池が設けられ、前記駆動回路は当該太陽電池を電源として駆動されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のファンモータ。

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