JP2005137036A - 軸方向空隙型単相ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】小さなコギングトルク発生手段により、構成が簡単で薄型、小型化を図り、かつ強度を保ちつつ、ロータを安定して所定位置へ停止させる。
【解決手段】ベース（２）上に一対の空心コイル（６Ａ、６Ｂ）が配されたステータ（Ｓ）に、６磁極のマグネット（２０）を有するロータ（Ｒ）が回転支持された軸方向空隙型単相ブラシレスモータで、一対のうちの一つの空心コイル（６Ａ）の空心部（６Ｃ）内で、基準線（Ｙ）に対しロータ回転方向と反対側に空心部の周方向略半分の長さで磁性を有する磁性材（９）を前記ブラケットと平行に取り付け、ベース（２）上で回転中心を通り基準線と直角をなす他の基準線（Ｘ）上にホールセンサ（７）を設けた
【選択図】 図２

Description

本発明は、位置検出素子としてのホールセンサを内蔵した単相のブラシレスモータに関し、薄く小型ながらも簡単な構成で、ロータを確実に自起動可能な位置に停止させることのできる軸方向空隙型単相ブラシレスモータに関する。

単相ブラシレスモータは位置検出素子が一つですみ、駆動回路も比較的簡単で安価に構成されるのでファンモータ等に多く利用され、小型化が進み最近では振動モータへの利用もみられるようになった。
ファンモータに用いられるものとして、実開昭５９−１３８３７８号及びその分割出願、実開昭６２−１３５５６８号、実開昭６０−１７７６７０号、実開昭６０−１１９８８４号等の各公報にその構成が開示されている。
単相ブラシレスモータの場合、自起動のための構成としてコイルの有効導体部とホールセンサおよびロータを停止させるためのコギングトルクを発生させる部材の位置関係が重要となる。上記公報はいずれもこれら位置関係を開示しており、モータを問題なく自起動するよう各部材を配置した構成となっている。
実開昭５９−１３８３７８号公報では、コギングトルク発生部材として螺子の頭がステータのコイル側に突出するよう取り付けられ、その螺子はコイル下部のヨークとケースを固定するよう構成されている。

単相のブラシレスモータを振動モータとして用いる構成として、特開２００３−８８８０５号、特開２００３−８８８０７号等の公報が公開されている。
これら公報には、空心コイルのヨークを兼ねた平板状のコギングトルク発生部材が、樹脂によりステータとして一体となる構成が開示されている。また、駆動回路が集積化されモータ本体へ組み込まれるようになっている。
実開昭５９−１３８３７８号 実開昭６１−７２８０号 実開昭６２−１３５５６８号 実開昭６０−１７７６７０号 実開昭６０−１１９８８４号 実開昭５９−１３８３７８号 特開２００３−８８８０５号 特開２００３−８８８０７号

単相のブラシレスモータを自起動させるため、ロータを所定位置へ確実に停止させるには、上記公報にも記載されているように、停止位置でロータに取り付けられた磁石が磁気的に安定する必要がある。
そのため、例えば特許文献１および２においてはコギングトルク発生部材としての磁性体の突出部を螺子の頭により形成し、コイル下方のヨークとともに磁路を形成する構成となっている。このようにすれば、磁性体の突出部はマグネットの磁束を受け、安定してロータを停止させることができる。
また、その他の引用文献については、コギングトルク発生部材としてのヨーク板の切り欠き部がマグネットの強磁性部からの磁束を受け、安定してロータを停止させるようになっている。

これら構成では、安定してロータを停止させることでは優れているが、コギングトルク発生部材としての各構成が大きなものとなり、モータの小型化が困難になるという問題が生ずる。
引用文献１のような構成では螺子によりヨークとケースを固定し、その螺子をコギングトルク発生手段として利用しているため、部品点数が多くなり厚み方向の小型化が難しくなる。
また、その他の構成でも、コイル下方に設けたヨーク板をコギングトルク発生部材としていることから、比較的大きなコギングトルク発生部材が必要となり、モータの小型化
や低価格化が難しいものであった。
さらに、これらの構成はロータを停止させることが主な目的のため、コギングトルクが大きいものとなり、大きな起動トルクが必要で起動電流が大きくなるという問題が出てくる。
本願発明はこれら課題を解決したもので、構成が簡単で薄型、小型化を図り、かつ小型ながらも強度を保ちつつ、ロータを安定して所定位置へ停止させることのできる軸方向空隙型単相ブラシレスモータを提供するものである。

上記課題を解決するには、本願発明は請求項１に示すように、単相に接続された一対の空心コイルがモータの回転中心から直径方向へ延びる所定の基準線上に同心に配された印刷配線基板を有するステータと、そのステータに、前記空心コイルに軸方向の空隙を有して対向するロータが回転支持された軸方向空隙型単相ブラシレスモータにおいて、前記ロータは６極の磁極を有する軸方向空隙型マグネットとそのマグネットの磁路を形成してマグネットの磁束を空心コイルへ作用させるヨークからなり、前記一対の空心コイルは有効導体部の開角が６０度であり、そのうちの一つの空心コイルの空心部内で前記基準線よりロータ回転方向と反対側に、前記空心部の周方向略半分の長さで磁性を有するコギングトルク発生部材を前記ブラケットと平行に取り付け、前記印刷配線基板上で前記ロータの回転中心を通り前記基準線と直角をなす他の基準線上にホールセンサを設けたことを特徴とする軸方向空隙型単相ブラシレスモータ、のように構成する。

このような構成では、コギングトルク発生部材は、その空心コイルの空心部のほぼ半分にあたる長さを利用して、コイルの有効導体部から必要な角度だけ変位した位置にマグネットのニュートラル部を磁気的に安定した状態で位置させ、ロータを確実に自起動可能な状態で停止させる。また、そのときホールセンサはマグネットのニュートラル部には位置しない。
このようにロータを確実に停止させる構成でも、コギングトルク発生手段は小さいものですみ、そのコギングトルク発生手段が空心コイル内に収納され、かつブラケットには薄い板状のものを用いるので、モータ全体の小型化が可能である。また、全体に小型であるにもかかわらず強度を保つ構造とできる。
さらに、請求項１の構成ではホールセンサとコイルが重畳することがないのでモータとして薄型、小型化が可能となる。

さらに請求項２のように、前記ステータは非磁性あるいは弱磁性の板材で形成されたブラケットの平板部に前記印刷配線基板が取り付けられ、非磁性あるいは弱磁性の板材で形成されたケースがロータを覆うようブラケットに取り付けられ、前記コギングトルク発生手段は前記ブラケットより強磁性を有するようにすれば、モータを小型化、薄型化したにもかかわらず強度の強いモータとすることができる。
請求項３のように、前記コギングトルク発生部材は板状であり、平面が前記ブラケットと平行に取り付けられたようにすれば、マグネットの隣り合った磁極の磁束を確実にとらえて、マグネットのニュートラル部をコギングトルク発生部材の中心へ確実に停止させることができる。
請求項４のように、前記印刷配線基板に開口が設けられ、コギングトルク発生部材がその開口に配されるようにすれば、コギングトルク発生部材を容易に位置決めでき、マグネットとの距離を調節することもできる。

本願発明によれば、コギングトルク発生部材は、ロータマグネットの中立位置で隣り合ったＮ極からＳ極、あるいはＳ極からＮ強の磁束をうけることでコギングトルクを発生させるため、他に磁路形成のための部材を設ける必要がない。また、ブラケットより磁性の強い薄い板材を用いて隣り合った磁極からの磁束を受ける。
このように本願発明によればモータを小型にでき、構成が簡単で安価に構成することができる。
そしてコギングトルク発生部材は単独でコギングトルクを発生させるため、コイルの内径部に形成される空心部を利用して配置でき、かつコイルの内径部を配置の案内と位置規制に利用できるため、ロータの停止位置をホールセンサやコイルの有効導体部に対して確実に有効な位置とすることができる。

さらに、ブラケットを薄い非磁性或いは弱磁性の金属板で構成でき、コギングトルク発生手段も小さいため、モータ全体として小型化でき、ブラケットと同様な金属板のケースと組み合わせることにより強度も強いものとできる。

図１は本願発明を振動モータに利用した軸方向空隙型単相ブラシレスモータの側面断面図（図２のＡ−Ａ断面）である。
図２は図１に示す単相ブラシレスモータの平面図で、ステータを示す。
図３はこの単相ブラシレスモータに用いられるロータの平面図で、ケース側から見たロータを示す。
この軸方向空隙型単相ブラシレスモータは、ステータＳとステータＳに回転支持されるロータＲおよびステータＳのブラケット１に取り付けられロータＲを覆うカバー３で形成されている。
ブラケット１には印刷配線基板で形成されたベース２が取り付けられ、ベース２上には所定位置に単相に結線された空心コイル６Ａ、６Ｂとホールセンサ７および駆動用ＩＣ８が取り付けられている。
空心コイル６Ａの内径部で空心となる空心部６Ｃには、コギングトルク発生部材である磁性片９がロータＲの反回転方向へ偏るよう配置されている。
以下各図を基に詳述する。なお、以下の実施例で示される上下および左右の方向は図１および図２を基にする。

ステータＳはブラケット１、ベース２およびベース２上に取り付けられる空心コイル６等で形成されている。
ブラケット１は磁性を有さない薄いステンレス等の板材でほぼ円形に形成され、一端部が半径方向に延長されて端子支持部１ａを形成している。材料としては、いわゆる非磁性材のＳＵＳ３０４を用いる。また、モータの厚みを２から３ミリメートル程度にするにはその厚みを０．１５から０．２ミリメートル程度の板材を用いる。
ブラケット１は強度を保つため一部アウトサート用開口が設けられる他は平板状に形成される。ただし強度を増すため、あるいはケース３を組み立てる関係上その外周部で環状に絞りによる段部が形成される場合がある。
ブラケットの中央には、焼結含油金属等の軸受５を保持するためアウトサートで形成された樹脂製の軸受ホルダ４が形成される。
ブラケット１の上面にはベース２が接着紙２ａあるいは接着剤等で張り付けられる。ベース２はいわゆるガラスエポキシ樹脂あるいはフレキシブル素材等でできた印刷配線基板で、円形状に形成され一端部が半径方向へ給電端子２ｂとして延長され端子支持部１ａに支持される。

ベース２上には、回転中心を通る基準線Ｙ上に空心コイル６Ａ、６Ｂが基準線Ｙに対し対称になるよう１８０度対向して同心位置に取り付けられる。この実施例では、後述のロータＲを構成するマグネットの磁極数が６極であるので、その有効導体部６Ｅ、６Ｆの開角は６０度となっている。
空心コイル６Ａ、６Ｂは、長軸が円周方向となる長円形状の空心部６Ｃ、６Ｄを有している。この空心部６Ｃ、６Ｄは線材を巻き付けてコイルを形成する際の心となる部分で、やはり基準軸Ｙに対し対称に配されることになる。
この空心部の形状は長円形状、楕円、多角形等種々のものがある。
ベース２上にはこの他、基準軸Ｙと直交する基準軸Ｘ上で左方にホールセンサ７が、右方に駆動用ＩＣ８が取り付けられる。
空心コイル６Ａ、６Ｂ、ホールセンサ７および駆動用ＩＣ８は所定のランドおよびパターンにより接続され、給電ランド１７から電源供給されるが、それらランドを図２でハッチングで示し詳細な説明は省略する。また、空心コイルの有効導体部６Ａ、６Ｆ、ホールセンサ７は同心上に位置するがこれら構成については周知の構成であるので説明は省略する。

空心部６Ｃの基準軸Ｙ左側には磁性片９を配置する。この磁性片９は強磁性の板材で形成され、その外径は空心部６Ｃの左側半分とほぼ同形上で、外径をやや小さくしてある。強磁性材としては例えばＳＵＳ４３０系のステンレス板や珪素鋼板等が利用できる。その長さは空心部６Ｃの長軸半分とほぼ同じとする。
板材の厚みは要求されるコギングトルクの大きさによるが、０．１５から０．３ミリメートル程度の厚みが用いられる。
また、上述でブラケット１の材質を非磁性のＳＵＳ３０４とした。このようにすればブラケット１が磁路を形成しないので、磁性片９にるコギングトルク発生カ所が明確となり、ロータＲが確実に停止することになる。
ブラケット１を弱磁性材であるＳＵＳ３０４・１／２Ｈ・ＣＳＰ等で形成することもできる。この場合は磁性片９を珪素鋼板等の磁性のより強いものを用いれば良いが、この場合いコギングトルクが増し、その分起動トルクが増すので起動に比較的大きな電流が必要となる。

磁性片９を配置する位置のベース２には磁性片９よりやや大きめの開口２ｃを開けておく。これは磁性片９を配置する位置を明確にするためのもので、磁性片９はブラケット１に直接置かれることになる。
磁性片９を配置する位置を明確にするには、ベース２上の同位置にレジスト、あるいはダミーパターン等で目印を付けても良い。その場合図１（ｂ）に示すようにベース２上に磁性片９が置かれ、ロータＲとの距離が小さくなる。
また、図１（ａ）に示す開口２ｃは接着紙２ａも含めて開口としているが、印刷配線板の部分だけを開口にすれば、残った接着紙で磁性片９を仮止めすることができる。
このように開口２ｃは磁性片９の位置決め、高さ調整、あるいは仮止め等に利用できる。
磁性片９は空心部６Ｃに配置された後、この空心部６Ｃに紫外線硬化型接着剤１０等を充填して固定される。紫外線硬化型接着剤は硬化前には粘度が低いが、空心部に充填されるため他の部位へ流出してしまうことがない。

ロータＲは、Ｎ極とＳ極が円周方向で交互に６極着磁された軸方向空隙型マグネット２０とヨーク２１、マグネット２０の半径方向外方でヨーク２１に固定された弧状のウエイト２３およびロータＲの回転中心となりヨーク２１に固定された回転軸２２で構成されている。
ヨーク２１はマグネット２０の磁路を形成し、マグネット２０で発生する磁束を空心コイル６Ａ、６Ｂへ作用させる。
着磁極の開角は６０度で、隣り合った極の間には若干幅の無着磁部が形成され、ニュートラル部２０ａを形成している。このニュートラル部２０ａも開角６０度間隔で６カ所形成されている。
図３はロータＲをケース３側から見た平面図で、本願発明の構成では矢印Ｔ方向に回転する。
ブラケット１の外周辺にはキャップ状に形成されたケース３の下端辺部が溶接等で固定される。ケース３もＳＵＳ３０４等の非磁性ステンレス板材で形成され、モータ全体の強度を保つよう構成されている。
ケース３は円筒キャップ状に形成され、ブラケットと同材料で形成される。その下方開口側を複数カ所でブラケット１の外周と溶接等で固定すると全体の強度が増す。

このように構成された軸方向空隙型単相ブラシレスモータの動作を説明する。
図２からわかるように、コギングトルク発生部材としての磁性片９は、基準軸Ｙより左側に空心部６Ｃの半分の長さを有している。その長さはマグネット２０のニュートラル部２０ａより広い。また板状で面方向でブラケット１に平行に配され、それ以外の部材による磁路を形成しない。そのため、ロータに駆動トルクが働かない場合ニュートラル部２０ａが磁性片９の面積中心部（線Ｐで示される位置）に安定して停止することになる。 すなわち、隣り合う磁極からの磁束の流れを受けるよう配置されていることになる。
磁性片９の左側端部は空心６Ｃの左側辺で案内されそこに位置することから、ニュートラル部２０ａが有効導体部６Ｆ上にくることは無い。
また、磁性片９の長さが空心部６Ｃのほぼ半分なので、ニュートラル部２０ａが基準線Ｙと重なることもない。
このとき、ホールセンサ７は基準軸Ｙと直交する基準軸Ｘ上にあるため、図２からもわかるとおりニュートラル部２０ａ（線Ｑで示される位置）がホールセンサ７の位置にくることが無い。

このような位置関係にあるとき、空心コイル６Ａ、６Ｂにロータを右方向（矢印Ｔ方向）へ回転させるよう電流が流れると、有効導体部６Ｆおよびホールセンサ７が共に磁束中にあるので、ロータＲが回転しモータが自起動可能となる。
また、有効導体部６Ｆおよびホールセンサ７は回転方向のニュートラル部２０ａと磁極の最強磁性部分の間に位置でき、自起動が確実となる。
磁性片９の長さを空心部２Ｃの半分より長くしていくと、ニュートラル部２０Ａの停止位置は徐々に基準軸Ｙへ近づくため、磁性片９の長さは空心部２Ｃの長さの約３／４以下で、ほぼ半分が望ましい。

上述の説明では、図１ないし図３の構成として軸回転型のモータについて説明したが、近年振動モータに利用されている軸固定型のモータにも適用できる。その場合、軸受ホルダ４に軸受でなく軸を固定し、ロータ側に回転軸２２のかわりに軸受けを取り付ける。あるいは軸受ホルダ４をブラケットから立ち上げたバーリングとし軸を固定する。
ロータについても上述の実施例はウエイト２３を有する振動モータのロータとしたが、ファンモータや通常のブラシレスモータとしても良いことはいうまでもない。
また、磁性片９も板材に限らず、空心部６Ｃと同じ直径で空心部６Ｃの幅の半分ほどの長さを有する棒状の形状を用いても良い。この場合棒の軸方向をブラケットと平行に配置する。

図４に、ステータを軸固定型とし、またステータを樹脂で形成した本願発明の実施例を示す。
実施例１と同一の構成で同一の作用を示すものについては同一の符号を付けてその説明を省略する。
ステータＳ１はベース２、空心コイル６Ａ、６Ｂ、ホールセンサ７および駆動用ＩＣ８が樹脂３０により一体成型されたものである。
軸２２ａはやはり樹脂３０によりステータＳ１として一体成型されたもので、ロータＲ１のヨーク４１に固定された軸受５ａを介して、ロータＲ１をステータＳ１に対して回転支持している。
磁性片９はベース２の開口部２ｃの位置で樹脂３０の上に配置され、紫外線硬化樹脂１０で固定される。
磁性片９はそれ自体でディテントトルクを発生させるため、ステータが樹脂で形成されていてもロータを所定位置に停止させることができる。

さらに、上述の説明ではロータＲの回転方向を右方向（矢印Ｔ方向）としたが、左方向（反矢印Ｔ方向）にする場合は、磁性片９を空心部６Ｃの基準軸Ｙの右側に配置すればよい。
そして、磁性片９を空心コイル６Ｂ側、空心部６Ｄへ配置するときは上述の説明に対し回転軸を中心に点対称位置に配置すればよい。
前述の実施例では板状のコギングトルク発生部材をブラケットと面で平行になる場合を示したが、同様の部材をブラケットの面に対し立てた状態で空心部へ配することも考えられる。
この場合、マグネットのニュートラル部でなく最強磁化部分がコギングトルク発生手段の位置になるよう停止する。これはコギングトルク発生手段のマグネットに対向する面積が小さく、マグネットの面に対し直角の方向が長いため、強磁束の方向に対して安定するからである。
この場合、コギングトルク発生手段を基準軸Ｙの回転方向側、すなわちロータが矢印方向Ｔへ回転する場合空心部６Ｃの右側に配置する。配置位置を基準軸Ｙに対し逆にすることで前述と同様の作用が得られることになる。

図１は本願発明を振動モータに利用した軸方向空隙型単相ブラシレスモータの第１の実施例の側面断面図（図２のＡ−Ａ断面）である。 図２は図１に示す単相ブラシレスモータの平面図で、ステータを示す。 図３はこの単相ブラシレスモータに用いられるロータの平面図で、ステータ側から見たロータを示す。 図４は本願発明を振動モータに利用した軸方向空隙型単相ブラシレスモータの第２の実施例の側面断面図である。

符号の説明

Ｓ ステータ
Ｒ ロータ
１ ブラケット
２ ベース
６Ａ、６Ｂ 空心コイル
６Ｃ、６Ｄ 空心部
７ ホールセンサ
９ 磁性片
２０ マグネット
２１ ヨーク

Claims (4)

1. 印刷配線基板上に単相に接続された一対の空心コイルが配されたステータに、前記空心コイルに軸方向の空隙を有して対向するロータが回転支持された軸方向空隙型単相ブラシレスモータにおいて、前記ロータは６極の磁極を有する軸方向空隙型マグネットとそのマグネットの磁束を空心コイルへ作用させるヨークからなり、前記一対の空心コイルは有効導体部の開角が６０度であり、前記ロータの回転中心から直径方向へ延びる所定の基準線上に配されると共に、そのうちの一つの空心コイルの空心部内で、前記基準線に対しロータ回転方向と反対側に前記空心部の周方向略半分の長さで磁性を有するコギングトルク発生部材を前記ブラケットと平行に取り付け、前記印刷配線基板上で前記回転中心を通り前記基準線と直角をなす他の基準線上にホールセンサを設けたことを特徴とする軸方向空隙型単相ブラシレスモータ。
2. 前記ステータは、非磁性あるいは弱磁性の板材で形成されたブラケットの平板部に前記印刷配線基板が取り付けられ、非磁性あるいは弱磁性の板材で形成されたケースがロータを覆うようブラケットに取り付けられ、前記コギングトルク発生手段は前記ブラケットより強磁性を有することを特徴とする請求項１記載の軸方向空隙型単相ブラシレスモータ。
3. 前記コギングトルク発生部材は板状であり、平面が前記ブラケットと平行に取り付けられたことを特徴とする請求項１または２記載の軸方向空隙型単相ブラシレスモータ。
4. 前記印刷配線基板に開口が設けられ、コギングトルク発生部材がその開口に配されることを特徴とする請求項１ないし３記載の軸方向空隙型単相ブラシレスモータ。

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