JP2006288112A - 小型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 カーボンブラシを長時間使用後に摩耗しても、モータ電流波形からパルス出力を安定に出力することを可能にし、これによってモータ回転を検出し、かつモータの回転制御を行うことを可能にする。
【解決手段】 本発明のカーボンブラシは、摩耗した状態では、周方向後端部が回転する第１のコミテータ片を離れるとき遮断されるモータ電流と、周方向先端部が、先行する第２のコミテータ片に既に接触して流れているモータ電流との間の差電流に相当する段差を生じて、この段差に基づき、モータ回転位置に基づくパルスを出力する。カーボンブラシの周方向先端部と後端部の距離に相当するカーボンブラシ幅は、パルスを誤り無く発生するように十分に狭くし、コミテータ片１個の周長の２１〜２８％に設定される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、小型モータに関し、特に、モータ電流の波形に基づき、モータ回転位置に基づくパルスを出力して位置制御する用途に用いられる小型モータに関する。

図１２（Ａ）は、従来の小型モータを、コミテータ部で切断した断面図を示している。また、（Ｂ）は、そのコミテータ部に摺動接触する一対のカーボンブラシの一方を取り出して示す拡大図である。図示したように、小型モータは、回転子シャフト上に樹脂製のコミテータ芯を介してコミテータを取り付けると共に、この回転するコミテータに摺動接触するカーボンブラシがブラシアームを介して、ケース蓋に取り付けられている。ケース蓋は、モータケースの開口部に嵌着される。図示したコミテータは、３個のコミテータ片からなり、各コミテータ片の間にはそれぞれ溝を有している。

従来、このような３個のコミテータ片からなるコミテータを有する有ブラシ有鉄心モータのカーボンブラシの幅（周方向長さ）は、コミテータ片の１個の周長に対し４０〜６０％とする設計が一般的になされている。例えば、自動車用ミラー鏡面駆動に用いるモータも、このような一般的モータが用いられている。

図１３は、５個のコミテータ片によりコミテータを構成した例を示している。このように３個を超えるコミテータ片を有するモータにおいても、コミテータ片の１個の周長に対し、カーボンブラシの幅を３０％以上とする設計が採用されている。

また、カーボンブラシの幅を、小さくすることにより（コミテータ片の１個の周長に対してではなく、コミテータ周方向長さに対して８％〜１４％）、モータの使用時間の経過に関係なく、モータ起動時のスパーク発生を抑制することが知られている（特許文献１参照）。

一方、モータ電流の波形に基づきモータの回転（位置）を検出して、モータの回転制御を行う技術が知られている。図１４は、モータ電流の検出で位置制御する一般例を説明するためのパルス検出部回路図及び波形図である。モータ（巻線）は、インダクタンスＬと抵抗Ｒからなるものとして図示している。図中、インダクタンスＬ１，Ｌ２，キャパシタンスＣ１，Ｃ２，抵抗Ｒ１，Ｒ２によって、パルス検出回路を構成している。モータを直流電源（例えば、１５Ｖ）に接続したときに流れるモータ電流の波形を、図中に示している。カーボンブラシが、コミテータ片間の溝の上を通過するとき、電流の瞬断が生じる。図示したパルス検出部は、モータ電流波形から、図中に示すパルス出力を作成する回路である。この出力パルスをカウントすることにより、モータ回転位置或いは回転数を検出し、かつ、モータの回転制御を行うことが可能となる。

しかし、このようなモータ電流を用いてモータ回転位置或いは回転数を検出する方式は、モータの使用時間の経過につれてカーボンブラシが摩耗し、モータ電流波形の変化によりパルスをカウントできなくなるという問題がある。
特開昭６３−２４９４４７号公報

そこで、本発明は、係る問題点を解決して、カーボンブラシを長時間使用後に摩耗しても、モータ電流波形からパルス出力を安定に出力し、これによってモータ回転を検出し、かつモータの回転制御を行うことを可能にすることを目的としている。

本発明の小型モータは、モータ電流の波形に基づき、モータ回転位置に基づくパルスを出力して位置制御する用途に用いられる。バネ性を有するブラシアームにカーボンブラシを取り付け、このカーボンブラシがコミテータに摺動接触するよう構成する。このカーボンブラシは、摩耗した状態では、回転するコミテータに対してカーボンブラシの周方向先端部と後端部の間の全体で接触し、かつ、カーボンブラシの周方向後端部が回転する第１のコミテータ片を離れるとき遮断されるモータ電流と、カーボンブラシの周方向先端部が回転方向に先行する第２のコミテータ片に既に接触して流れているモータ電流との間の差電流に相当する段差を生じて、この段差に基づき、モータ回転位置に基づくパルスを出力する。カーボンブラシの周方向先端部と後端部の距離に相当するカーボンブラシ幅は、パルスを誤り無く発生するように十分に狭くする。このカーボンブラシ幅は、コミテータ片１個の周長の２１〜２８％に設定される。

本発明は、カーボンブラシの幅をコミテータ片周長に対し２１〜２８％としたのでモータの位相ズレ角度が抑えられ、長時間（５５ｈ）使用後も、パルスエラーは発生せず、モータ回転位置制御を安定化できる効果がある。このため、カーミラーの鏡面駆動に用いても、鏡面位置のずれが発生しない。

本発明を具体化するモータは、例えば自動車用ドアミラー鏡面駆動用に用いられる。人が直接ミラー鏡面を動作することなく自動で動かす際に、モータ電流波形を検出してモータの回転動作と鏡面角度を決めている。

図１は、このようなモータの全体構成を例示する図である。（Ａ）は、小型モータの全体を上半分断面図で示し、また、（Ｂ）は、ケース蓋を取り出して、モータ内方向から見た図を示している。金属材料により有底中空筒状に形成されたケースの内周面に、マグネットが取り付けられている。このケースの開口部は、ケース蓋が嵌着されてそれによって閉じられている。ケース蓋の中央部には、回転シャフトのための軸受が収容される。回転シャフトの他端は、有底中空筒状のケースの底部中央に設けられた軸受によって支持されている。

この回転シャフトには、積層コアと、該積層コア上に巻いた巻線と、コミテータとが備えられて、小型モータの回転子を構成している。そして、このコミテータに接触する一対のカーボンブラシはブラシアームに接続される。カーボンブラシを導電性金属板で構成したブラシアームにより保持することにより、金属板のバネ性によりカーボンブラシをコミテータに押しつけて摺動するように構成している。このブラシアームに接続された一対の入力端子が、電気的接続のためにケース蓋を貫通して外部に突出している。

本発明は、このような小型モータに組み込まれるカーボンブラシの構成に特徴を有している。カーボンブラシは、モータの使用時間の経過につれて摩耗し、モータ電流波形の変化によりパルスをカウントできなくなる。図２は、コミテータに摺動接触する一対のブラシの内の一方を示している。樹脂製のコミテータ芯の表面上に備えられる複数のコミテータ片から成るコミテータが、回転シャフト上に取り付けられる。カーボンブラシのコミテータ当接面は、コミテータ周方向に所定の直線長さ（以下、「ブラシ幅」という）及びシャフト軸方向に所定の長さ（軸方向ブラシ長）を有する矩形平面形状を有している。図２は、摩耗した状態のカーボンブラシを例示しており、この場合、円周形状のコミテータに対して、カーボンブラシは、その当接面の全体で接触することになる。

図３（Ａ）は、使用開始当初のカーボンブラシが、コミテータに当接している状態を示している。カーボンブラシのコミテータ当接面は、コミテータ周方向に所定の長さ（ブラシ幅）及びシャフト軸方向に所定の長さ（軸方向ブラシ長）を有する矩形平面形状を有している。それ故、円周形状のコミテータと、平面形状のカーボンブラシ当接面とは、ブラシ断面で見れば、周方向中央の１点（接触点）で接触する（但し、ブラシを全体的に見れば、ブラシは所定の軸方向ブラシ長を有しているので、１点では無く、１線で接触することになる）。

このとき流れる電流について、図４を参照して説明する。モータ巻線には、一定値の電源電圧と、図中に示す逆起電力との差電圧が印加される。即ち、図中で黒く塗りつぶした部分に相当する値の電圧が印加される。図中の区間１〜３は、それぞれ、ブラシが１つのコミテータ片に接触し始めてから、そこを離れるまでを表している。

図４に示すように、ブラシ使用開始当初の電流は、ブラシが１つのコミテータ片に接触し始めるとき、逆起電力が低いために、実質的に大きな電圧がモータ巻線に印加される。しかし、モータ巻線はインダクタンスを有しているために、電流は、所定の時定数で立ち上がることになる。立ち上がった後の電流は、電源電圧と逆起電力との差電圧に比例して流れることになる。そして、上述したように、ブラシ使用開始当初は、コミテータ片に対して点接触するので、この接触点が、コミテータ片間の溝に到達すると、この区間１での電流はオフとなり、そして、区間２において、次のコミテータ片２に対して接触をし始める。この区間１での電流オフに続く区間２での電流オン時の電流段差が、パルス検出部で検出されて、パルス出力を発生してモータ制御が行われることは前述した通りである。

これに対して、ブラシの使用時間の経過につれて、ブラシが摩耗する時、図３（Ｂ）に示すように、ブラシは、その当接面が、当初の平面形状から円周形状に変形する。その結果、ブラシは、その周方向のブラシ幅全体で、コミテータに当接することになる。これは、ブラシの周方向の中央が、未だ、コミテータ片１に接触しているときに、既に、ブラシの周方向先端部が、コミテータ片２に接触することを意味する（図３（Ｂ））。また、図３（Ｃ）に示すように、ブラシの周方向の中央が、既に、コミテータ片２に接触しているときに、未だ、ブラシの周方向後端部が、コミテータ片１に接触した状態にあることを意味する。

このブラシ摩耗後の電流は、図４の最下段に示すようになる。即ち、ブラシの周方向の中央を基準として定めている区間１の電流終了期間が事実上延長される一方、区間２の電流開始期間が、早められることになり、電流のまたがりが生じる。これによって、コミテータ片間の溝において、電流はなだらかに接続されることになるので、前述したパルス検出回路で検出することは不可能となる。

ブラシ幅が、溝幅（周方向の直線長さ）よりも短いとき、図３を参照して説明したような「またがり」は生じないが、ブラシ幅をあまりに狭くして、１９％以下にすると、ブラシの機械的強度が不足してブラシが折損するという問題とか、モータ回転中にブラシが溝内に入り込んでブラシの振動が大きくなり、機械ノイズが高くなるという問題が生じることになる。ブラシ幅が、わずかでも溝幅を超えるとき、ブラシの周方向先端部と後端部がそれぞれ異なるコミテータ片に接触する「またがり」は発生する。しかし、また、前述したように、ブラシの周方向先端部が、回転方向に先行する次のコミテータ片に接触しても、接触当初は、モータ巻線のインダクタンスのために、大きな電流は流れない。それ故、ブラシ先端部を通して流れる電流が大きな値になる前に、ブラシ後端部がコミテータ片を離れると、このときにはパルス検出回路で十分検出可能なモータ電流値の段差が生じることになる。即ち、この電流段差は、カーボンブラシの周方向後端部が回転する第１のコミテータ片を離れるとき遮断されるモータ電流と、カーボンブラシの周方向先端部が回転方向に先行する第２のコミテータ片に既に接触して流れているモータ電流との間の差電流に相当する。本発明は、ブラシ幅を狭くすることにより、十分な電流段差を発生させ、これによって、モータ回転検出のためのパルスを誤り無く発生することが可能となる。

図５は、同一コミテータを有する５個のモータについて、カーボンブラシ幅を変えた場合のパルスエラー発生までの耐久時間（実働耐久時間）を測定した表である。図６は、図５に示す表を、グラフ表示したものである。耐久テストは、電圧：１３．５Ｖの定格電圧、負荷：5gcm、寿命試験条件：（正回転＋逆回転）×１０秒、ＯＦＦなしの条件で、異なるカーボンブラシ幅のそれぞれモータ５個について、５５時間行った。カーボンブラシ幅を０．６〜０．８ｍｍ（コミテータ片周長に対する比率で表すと、２１〜２８％）にした場合、５５時間経過後も、パルスエラーが全く発生しなかった。図７は、この状態を示すオシロスコープ波形図である。耐久試験後も、初期の状態と同じく、電流波形の段差は小さくなっておらず、それ故、パルスエラーを生じることなく、パルスが発生しているのが分かる。

これに対して、カーボンブラシ幅を１．１ｍｍ以上（コミテータ片周長に対する比率で表すと、３８％以上）にした場合、１３時間経過後に、パルスエラーが発生した。図８は、この状態を示すオシロスコープ波形図である。耐久試験後に、電流波形の段差が小さくなっている箇所があり、そして、その部分で、パルスエラーを生じているのが分かる。

前述した従来技術は、『コミテータ片周長に対するカーボンブラシ幅』の比率が３０％を超えているが、このようなカーボンブラシを採用すると、耐久テストの時間が７時間になるとパルスエラーが発生するモータが出現し始める。

カーミラーの鏡面駆動等に用いるモータには、カーボンブラシが適している。一般的には、小型モータには、金属製の板状ブラシを用いることができるが、しかし、鏡面駆動用途に用いると、自動車に求められる厳しい環境耐久条件において電気的に接触が不安定になりやすい問題が生じ、接点を安定化するのに貴金属材料を用いるとコストが高くなってしまう欠点がある。

本発明のようにカーボンブラシを用いる場合も、その幅のコミテータ片周長に対する比率が３０％を超えると、長時間使用後の位相ズレが大きすぎて、パルスを安定に検出することが不可能となる。また、１９％以下になると、カーボンブラシの強度が弱くなったり、コミテータ片間の溝に落ち込みやすいのでブラシ振動が大きくなり機械ノイズを上昇させてしまう。

本発明は、前述したように、カーボンブラシの幅をコミテータ片周長に対して所定比率に設定するものであるが、このカーボンブラシの幅は、コミテータに摺動接触する先端部のみを所定比率に設定すれば、十分である。図９は、先端幅を狭くして、コミテータに摺動接触させるカーボンブラシを例示している。この構成にすると、カーボンブラシのブラシアームに保持される部分を太くすることができ、カーボンブラシの保持力を高く保つ事ができる。

図１０及び図１１は、先端幅を狭くした別の例を示している。回転方向に対して、ブラシの前後の一方を切除することにより、先端幅を狭くしている。図１０は、直線的に斜めにカットした例を、また、図１１は、先端部と根本部（ブラシアーム取付側）では段差を生じるように切除した例を示している。いずれの場合も、コミテータの位相中性ライン（コミテータ円周の径方向ライン）に対して、ブラシ中線ではなく、ブラシ先端幅の中央を一致させることにより、良好な摺動接触が可能となる。

モータの全体構成を例示する図である。 コミテータに摺動接触する一対のブラシの内の一方を示す図である。 使用開始当初のカーボンブラシが、使用時間の経過と共に摩耗する時の動作を説明する図である。 カーボンブラシに流れる電流について説明する図である。 同一コミテータを有する５個のモータについて、カーボンブラシ幅を変えた場合のパルスエラー発生までの耐久時間（実働耐久時間）を測定した表である。 図５に示す表を、グラフ表示した図である。 本発明に基づき、パルスエラーが全く発生しなかった状態を示すオシロスコープ波形図である。 従来技術に基づき、パルスエラーが発生した状態を示すオシロスコープ波形図である。 先端幅を狭くして、コミテータに摺動接触させるカーボンブラシを例示する図である。 直線的に斜めに切除することにより先端幅を狭くした別の例のカーボンブラシを示す図である。 先端部と根本部では段差を生じるように切除することにより先端幅を狭くしたさらに別の例のカーボンブラシを示す図である。 従来の小型モータを、コミテータ部で切断した断面図（Ａ）、及びコミテータ部に摺動接触するカーボンブラシを取り出して示す拡大図（Ｂ）である。 ５個のコミテータ片によりコミテータを構成した例を示す図である。 モータ電流の検出で位置制御する一般例を説明するためのパルス検出部回路図及び波形図である。

Claims (3)

1. モータ電流の波形に基づき、モータ回転位置に基づくパルスを出力して位置制御する用途に用いられる小型モータにおいて、
   バネ性を有するブラシアームにカーボンブラシを取り付け、このカーボンブラシがコミテータに摺動接触するよう構成し、
   前記カーボンブラシは、摩耗した状態では、回転するコミテータに対してカーボンブラシの周方向先端部と後端部の間の全体で接触し、かつ、
   前記モータ回転位置に基づくパルスを出力できるように、カーボンブラシの周方向後端部が回転する第１のコミテータ片を離れるとき遮断されるモータ電流と、カーボンブラシの周方向先端部が回転方向に先行する第２のコミテータ片に既に接触して流れているモータ電流との間の差電流に相当する段差を生じるために、前記カーボンブラシの周方向先端部と後端部の距離に相当するカーボンブラシ幅を、コミテータ片１個の周長の２１〜２８％にした、
   ことから成る小型モータ。
2. 前記カーボンブラシは、ブラシアーム取付側から先端部に向けてブラシ幅を狭くし、かつ、この狭いブラシ幅の先端部において、コミテータに接触するよう構成した請求項１に記載の小型モータ。
3. 前記先端部のブラシ幅の中央を、コミテータの位相中性ラインに一致させた請求項２に記載の小型モータ。
   

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