JP2006280101A - ステッピングモータ及びそれを備えるファン - 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ステッピングモータ及びファン装置を提供する。
【解決手段】中空状にコイルが巻線されたステータと、前記中空状の空間に配置されるマグネットを有するロータとを備え、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ステッピングモータであって、前記コイルの励磁時又は無励磁時における前記マグネットの安定位置で、当該マグネットの極性方向が前記コイルの巻軸線方向に対して交差するように、前記コイルに近接して磁性部材を配置した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、除湿器や防虫器等に用いられ、低電流、低騒音、長寿命を実現するステッピングモータやそれを備えるファンに関するものである。

従来より、除湿器等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）等が提案されている。

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ステッピングモータ及びそれを備えるファン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、本発明は、中空状にコイルが巻線されたステータと、前記中空状の空間に配置されるマグネットを有するロータとを備え、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ステッピングモータであって、前記コイルの励磁時又は無励磁時における前記マグネットの安定位置で、当該マグネットの極性方向が前記コイルの巻軸線方向に対して交差するように、前記コイルに近接して磁性部材を配置した。

また、好ましくは、前記磁性部材は円柱状であり、前記コイルの巻軸線と当該巻軸線及びロータの回転軸に直交する線とにより定められ、かつ各々の線上を除く領域に配置される。

また、好ましくは、前記ステータは、同形状の２つのコイルボビンがコイルの巻軸線方向に沿って連結されて構成されている。

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、本発明のファンは、上記いずれかのステッピングモータと、前記ロータの回転軸の一方側に配されるインペラと、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、モータ起動時には前記回転軸が前記インペラに対して空転しつつ当該インペラの慣性力を吸収し、前記回転軸の回転数が上昇するにつれて前記インペラを前記回転軸に対して追従して回転させる。

また、好ましくは、前記連結手段は、一端に前記インペラが連結され、他端に前記回転軸が固定され、当該回転軸まわりに巻回されたコイルバネである。

また、好ましくは、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て構成されている。

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ステッピングモータ及びファン装置の分解斜視図、図２は図１のファン装置を組み立てた状態での側断面図、図３は図１のファン装置の一部を破断した平面図である。図４はインペラと出力軸との連結構造を示す斜視図である。

図１乃至図３に示すように、本実施形態のファン装置は、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５が単相ＰＭ型ステッピングモータの出力軸７に接続されている。

単相ＰＭ型ステッピングモータは、一組のＳ極、Ｎ極に着磁された円筒状のロータマグネット（永久磁石）１２が出力軸７に固定されてロータ（回転子）を構成している。出力軸７はその軸方向に組み合わされる一対のラジアル軸受８ａにより回転自在に軸支される。軸受８ａの一方はモータの外形をなす有底円筒状（カップ状）のカバー４、他方がファン装置の外形をなすハウジング１の底板中央部に対してそれぞれ圧入などにより固定されており、出力軸８の両端部をラジアル方向に軸支する。また、スラスト軸受８ｂはハウジング１の底板１ａの中央部に形成された孔によって出力軸７の下端部をスラスト方向に軸支する。

一方、ステータ（固定子）は一対の中空状のコイルボビン体３を備え、各コイルボビン３ａ，３ｂにはエナメル銅線などのコイルが２０００巻き程度で巻き付けられている。各コイルボビン３ａ，３ｂは、コイルの巻軸線方向（又は、コイルボビンの長手軸方向）Ｌ１に沿って連結されており、その連結部にロータマグネット１２の出力軸７が軸支されている。また、ロータマグネット１２は上記連結部における中空状の空間に配置されている。つまり、ロータマグネット１２の出力軸７がコイルの巻軸線方向Ｌ１に対して直交するように配置される。

各々のコイルボビン３ａ，３ｂには、コイルの始端及び終端を電気的に結線する一対の端子１５ａ，１５ｂが樹脂などで一体的に成形されている。端子１５ａ，１５ｂは、ハウジング１の底板１ａに配置されるプリント配線板やＦＰＣなどの回路基板２のランド孔２ａに挿入されて半田などにより電気的に接続される。各コイルボビン３ａ，３ｂはコイルへの通電により励磁されて磁極となり、ロータマグネット１２との間にローレンツ力を発生させる。また、各コイルボビン３ａ，３ｂに巻線されたコイルは、互いに巻軸線方向Ｌ１まわりに反対方向に巻き付けられており、通電時には各コイルボビン３ａ，３ｂには異なる磁極が発生する。

また、各々のコイルボビン３ａ，３ｂには突起部１５ｃが一体的に成形されており、回路基板２に形成された孔部２ｂ及びハウジング１の底板１ａに形成された孔部１ｂに係合させることで、回路基板２をハウジング１の底板１ａとで挟み込むように適正に位置決めされる。なお、これら突起部１５ｃは、出力軸７から離れた位置であって、厚さのある強度の高い部位に設けるのが好ましい。

なお、コイルボビン３ａ，３ｂは一対（２個）に限られず、３個以上を巻軸線方向Ｌ１方向に直列に連結したり、４個のコイルボビンを十字状に連結した構造にしてもよい。

回路基板２には、後述する駆動回路が搭載されてコイルに印加されるパルス電圧波形を生成する。

上記コイルボビン３ａ，３ｂのいずれかの近傍には、コイルの励磁時（通電時）又は無励磁時（非通電時）におけるマグネット１２の安定位置で、当該マグネット１２の極性方向（図７のＬ３参照）がコイルの巻軸線方向Ｌ１に対して交差してずれるように、磁性部材（ステンレス（ＳＵＳ４２０）、鉄、フェライトなど）から構成される円柱状のコギングピン１０が配置されている。このコギングピン１０はカバー４内に圧入などにより固定されておりコイルボビン３ａ，３ｂに近接して配置される。これは、ロータマグネット１２が２極に着磁されているのに対してコイルボビン３ａ，３ｂが２相で励磁されるので、コギングピン１０によって互いの安定位置をずらしてロータマグネット１２に回転トルクを付与し、かつ回転方向を一方向に特定するためである。

コギングピン１０は、上述したカバー４内におけるコイルボビン３ａ，３ｂの近傍であって、コイルの巻軸線方向Ｌ１と当該巻軸線方向Ｌ１及び出力軸７とに直交する線Ｌ２とで定められる扇状の領域内に配置するのが好ましい（但し、Ｌ１とＬ２上は除く。）。

また、コギングピン１０を、ロータマグネット１２の磁極がコイルボビン３ａ，３ｂの磁極からずれた位置で安定させ、かつ始動時に所定の回転トルクが得られるような位置に配置することで、始動時の電流を少なくすることができる。

コギングピン１０の形状は、コイルボビン３ａ，３ｂの励磁強さやロータマグネット１２の磁力により決定されるので円柱状に限られず、例えば、円盤状にしてコイルボビン３ａ，３ｂの上方や下方、インペラ５の下部などに配置したり、角形状や中空状であってもよい。

カバー４はその内部に上記コイルボビンａ，３ｂなどからなるステータとロータマグネット１２などからなるロータとを収容して、ハウジング１の底板１ａにネジ６などにより締結されて固定される。

コイルボビン３ａ，３ｂは各々のコイル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１２を回転させる。そして、コギングピン１０は、コイルボビン３ａ，３ｂの励磁時の磁束の向き（コイルの巻軸線方向Ｌ１）とロータマグネット１２の極性方向とが同一直線上又は平行にならないように交差した位置関係とし、ロータマグネット１２の励磁時と無励磁時の各安定位置を形成し、ロータマグネット１２の自起動による回転を可能としている（図７参照）。

つまり、無励磁安定位置では、ロータマグネット１２の磁極がコギングピン１０からコギングトルクを受けて、励磁時にコイルボビン３ａ，３ｂ間に発生する磁束の向きＬ１（図７参照）とロータマグネット７の極性方向Ｌ３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７（ａ）、図７（ｃ）参照）。

また、励磁安定位置では、ロータマグネット１２の磁極がコイルボビン３ａ，３ｂ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１２の極性が１８０°回転した位置関係となる（図７（ｂ）、図７（ｄ）参照）。

図４（ａ）に示すように、出力軸７はインペラ５の回転中心軸上に設けられた軸孔５ａに対して摺動（空転）可能に挿入され、インペラ５は出力軸７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。

上記連結手段は、その一端がインペラ５の軸孔５ａ近傍に設けられた取り付け孔５ｂに連結され、他端が出力軸７に圧入などにより軸着されたホルダ２０の取り付け孔２０ｂに固定され、出力軸７まわりに巻回されたコイルバネ２１である。コイルバネ２１のコイル部２１ａは、インペラ５とホルダ２０の段差部２０ａとの間に保持される。

コイルバネ２１はばね定数を小さくするために線径を細くするなどしてねじりトルクを弱く設定し、モータ起動時には出力軸７をインペラ５に対して空転させつつ当該インペラ５の慣性力（モーメント）を吸収することにより出力軸７に作用する起動時の慣性モーメントを低減し、その後出力軸７の回転数が上昇するにつれてコイルバネ２１が吸収した力を放出してインペラ５を出力軸７に対して追従して回転させる。

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。

なお、上記コイルバネ２１に代えて、図４（ｂ）に示すボール４１を用いてもよい。、 図４（ｂ）に示す連結手段は、出力軸７側の連結部としてホルダ４０を有し、このホルダ４０は出力軸７に圧入などにより軸着され、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４０ａが形成されている。また、連結手段は、インペラ５側の連結部としてインペラ５の回転中心軸まわりに同心円状に形成された円筒面４２ｂを有し、上記切り欠き４０ａと円筒面４２ｂとの間の扇状空間にボール４１が配置される。なお、上記切り欠き４０ａの側壁部４０ｂと円筒面４２ｂ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４１の中心とが同一直線上にある位置）でボール４１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４１が扇状空間内に遊嵌されて出力軸７がインペラ５に対して空転し、出力軸７の回転数が上昇するにつれてボール４１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４１がインペラ５の円筒面４２ｂと切り欠き４０ａの側壁部４０ｂ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４０とインペラ５がボール４１を介して連結されて出力軸７に追従して回転する。

図５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６は図５の駆動回路により生成されるステッピングモータに印加する駆動電圧波形を示す図である。

図５に示すように、駆動回路３５は、例えば、２本の乾電池３９を電源とし、水晶発振子などを内蔵する発振回路３６から出力されるクロック信号を制御部３７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ＣＭＯＳＦＥＴ３８の各ゲートに駆動制御信号を出力して、コイルの端子間に図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２４ｍｓ程度であり、モータ回転数が７００ｒｐｍ程度である。

尚、図６（ａ）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６（ｂ）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３５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７は、本実施形態のステッピングモータの回転動作を説明する図であり、コイルボビン３ａ，３ｂとロータマグネット１２との位置関係を示している。

図７（ａ）の無励磁安定位置（通電ＯＦＦ）では、ロータマグネット１２の磁極がコギングピン１０からコギングトルクを受けて、コイルボビン３ａ，３ｂ間に発生する磁束の向きＬ１とロータマグネット１２の極性方向Ｌ３が交差してずれるような位置関係となる。

上記無励磁安定位置からコイルに通電（ＯＮ）してコイルボビン３ａ，３ｂを励磁することにより、コイルボビン３ａ，３ｂと極性が異なるロータマグネット１２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７（ａ）の無励磁安定位置からロータマグネット１２の極性が左回りに１８０°回転した図７（ｂ）の電磁的安定位置まで回転する。

その後、コイルへの通電を停止（ＯＦＦ）しても、図７（ａ）に対してロータマグネット１２の極性が１８０°反転した無励磁安定位置を維持する（図７（ｃ））。

次に、図７（ｃ）の無励磁安定位置からコイルに図７（ｂ）の通電時とは反転したパルスを出力してコイルボビン３ａ，３ｂに図７（ｂ）の励磁時とは反転した極性を発生させることにより、コイルボビン３ａ，３ｂと極性が異なるロータマグネット１２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７（ｃ）の無励磁安定位置からロータマグネット１２の極性が左回りに１８０°回転した図７（ｄ）の電磁的安定位置まで回転し、図７（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１２が連続的に回転することになる。

なお、上記実施形態の変形例としてハウジング１の外装に太陽電池を搭載し、上記駆動回路３５を太陽電池（乾電池３９と併用してもよい）を電源として駆動する構成としてもよい。本実施形態のステッピング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、空気を対流させるために電動ファンなどが搭載された空気清浄器、芳香剤噴霧器、除湿器、防虫器などに駆動用モータとして適用可能である。

また、上記実施形態では単相ＰＭ型ステッピングモータの適用例を説明したが、これに限られず、２相以上のＰＭ型ステッピングモータや、ＰＭ型の他にロータを歯車状の鉄芯で構成したＶＲ型(Variable Reluctance Type)やロータを歯車状の鉄芯と磁石で構成したＨＢ型(Hybrid Type)のステッピングモータにも適用可能である。

本発明に係る実施形態のステッピングモータ及びファン装置の分解斜視図である。 図１のファン装置を組み立てた状態での側断面図である。 図１のファン装置の一部を破断した平面図である。 インペラと出力軸との連結構造を示す斜視図である。 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５の駆動回路により生成されるステッピングモータの駆動電圧波形を示す図である。 本実施形態のステッピングモータの回転動作を説明する図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 回路基板
３ａ、３ｂ コイルボビン
４ カバー
５ インペラ
６ ネジ
７ 出力軸
８ａ ラジアル軸受
８ｂ スラスト軸受
１０ コギングピン
１２ ロータマグネット
２０ ホルダ
２１ コイルバネ
１５ａ，１５ｂ 端子
１５ｃ 突起部
３５ 駆動回路
３６ 発振回路
３７ 制御部
３８ ＣＭＯＳＦＥＴ
３９ 電池
４１ ボール

Claims (9)

1. 中空状にコイルが巻線されたステータと、前記中空状の空間に配置されるマグネットを有するロータとを備え、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ステッピングモータであって、
   前記コイルの励磁時又は無励磁時における前記マグネットの安定位置で、当該マグネットの極性方向が前記コイルの巻軸線方向に対して交差するように、前記コイルに近接して磁性部材を配置したことを特徴とするステッピングモータ。
2. 前記磁性部材は円柱状であり、前記コイルの巻軸線と当該巻軸線及びロータの回転軸に直交する線とにより定められ、かつ各々の線上を除く領域に配置されることを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ。
3. 前記ステータは、同形状の２つのコイルボビンがコイルの巻軸線方向に沿って連結されて構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のステッピングモータ。
4. 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乃至３のいずれか１項に記載のステッピングモータ。
5. 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４に記載のステッピングモータ。
6. 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４又は５に記載のステッピングモータ。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のステッピングモータと、
   前記ロータの回転軸の一方側に配されるインペラと、
   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、モータ起動時には前記回転軸が前記インペラに対して空転しつつ当該インペラの慣性力を吸収し、前記回転軸の回転数が上昇するにつれて前記インペラを前記回転軸に対して追従して回転させることを特徴とするファン。
8. 前記連結手段は、一端に前記インペラが連結され、他端に前記回転軸が固定され、当該回転軸まわりに巻回されたコイルバネであることを特徴とする請求項７に記載のファン。
9. 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て構成されていることを特徴とする請求項７に記載のファン。

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