JP2007166753A - モータ及びモジュールｉｃ - Google Patents

Abstract

【課題】ホール素子の位置決め誤差を低減することを課題とする。
【解決手段】放射状に内側に突出する複数のティース６を備える円筒状のステータ３と、前記各ティース６に巻線が巻回された複数の界磁コイルと、前記ステータ３の内部に同軸状に回転可能に配設されているマグネットロータ１と、前記各界磁コイルに電流を流す駆動回路と、前記マグネットロータの回転位置を検出する複数の位置センサと、前記回転位置に応じて順次選択された前記各界磁コイルに電流を流す駆動回路とを備えるモータであって、前記複数の位置センサを１つのモジュールＩＣに集積した。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置センサと駆動回路とを備えるモータ及びモジュールＩＣに関する。

ブラシレスモータは、回転角方向に配列された複数の界磁コイルに順次電流を流すことにより回転磁界を発生し、磁化されたロータを回転させるものである。界磁コイルに電流を流すために駆動ドライバが使用され、ロータの回転角度を検出するために複数のホール素子が使用される。また、ＣＷ／ＣＣＷ信号あるいはＰＷＭ信号等のモータ制御信号と、ホール素子出力とをデコードして駆動ドライバに供給する制御回路も必要になる。
駆動ドライバ、ホール素子及び制御回路をプリント基板上に搭載したブラシレスモータが開示されている（特許文献１，２参照）。
特開平６−３０５５１号公報（図１） 特開平６−３７１２２号公報（図２，図５）

ところが、特許文献の技術では、複数のホール素子をプリント基板上に搭載するので、プリント基板と筐体との位置ずれ、ホール素子（位置センサ）とプリント基板との位置ずれ等が発生し、正確なロータの回転角度を検出することが困難である。
そこで、本発明は、位置センサの位置決め誤差を低減することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明のモータは、放射状であって中心方向に向けて突出する複数のティースを備える円筒状のステータと、前記各ティースに巻線が巻回された複数の界磁コイルと、前記ステータの内部に同軸状に回転可能に配設されているマグネットロータと、前記各界磁コイルに電流を流す駆動回路と、前記マグネットロータの回転位置を検出する複数の位置センサと、前記回転位置に応じて順次選択された前記各界磁コイルに電流を流す駆動回路とを備え、前記複数の位置センサ及び前記駆動回路を１つのモジュールＩＣに集積したことを特徴とする。

複数の位置センサを１つのモジュールに集積したことにより、モジュールとステータとの間で位置決めを行えば足りる。すなわち、プリント基板とステータとの間の位置ずれが回避される。さらに、位置センサ相互間の位置ずれが少ない。また、位置センサと駆動回路とが１つのモジュールＩＣに集約されるので実装スペースが削減できる。

また、請求項２に係る発明によれば、前記モジュールは、ＩＣチップにより形成されていることを特徴とする。これによれば、ＩＣチップは素子間の位置精度が高いので、モジュールと位置センサとの間の位置ずれが回避され、位置センサ間の位置ずれも回避される。

また、請求項３に係る発明によれば、前記モジュールＩＣは、複合チップモジュールＩＣであり、前記複合チップモジュールＩＣの一端部に前記複数の位置センサが配設され、反対側の端部に前記駆動回路が配設されていることにより、前記位置センサと前記駆動回路とが離間していることを特徴とする。複合チップモジュールは、同一平面内に複数の素子を配列したものであり、略平行な端部の一端部に配された複数の位置センサと、反対側の端部に配された駆動回路とが離間していることにより、位置センサの放熱が図られる。

また、請求項４に係る発明によれば、請求項３に係るモータにおいて、前記反対側の端部に電極が設けられていることを特徴とする。これによれば、駆動回路からの発熱が電極を介して放熱され、位置センサに対する熱の影響が少なくなる。

請求項５に係る発明は、請求項１に係るモータにおいて、前記モジュールＩＣは、積層されて形成されたビルドアップモジュールＩＣであり、前記ビルドアップモジュールＩＣの一面側に前記複数の位置センサを設け、他面側に前記駆動回路を設けたことを特徴とする。これにより、位置センサと駆動回路とが１つのモジュールＩＣに集約されるので実装スペースが削減できる。

請求項６に係る発明は、請求項５に係るモータにおいて、前記他面側を筐体に接するように設けたことを特徴とする。これによれば、駆動回路の発熱が筐体を介して放熱され、位置センサへの熱の影響が少なくなる。

請求項７に係る発明は、請求項１に係るモータにおいて、前記ステータは、上側巻線部と下側巻線部との双方の絶縁体で嵌合されている磁性体であり、少なくとも前記上側巻線部が前記複数の界磁コイルのリード端末と一体成形されたモールド体を構成しており、 前記モールド体に前記モジュールＩＣが併設されていることを特徴とする。これによれば、リード端末の端末処理が不要になる。

請求項８に係る発明は、請求項１に係るモータにおいて、前記ステータは、上側巻線部と下側巻線部との双方の絶縁体で嵌合されている磁性体であり、少なくとも前記上側巻線部が前記複数の界磁コイルのリード端末と前記モジュールＩＣとが一体成形されたモールド体を構成していることを特徴とする。これによれば、リード端末の端末処理が不要になる。さらに、モジュールＩＣを取り付けるスペースが不要となる。

請求項９に係る発明は、請求項１に係るモータにおいて、前記モジュールＩＣは、前記複数の位置センサが円弧状に設けられ、前記円弧の半径が前記マグネットロータの外周半径に等しいことを特徴とする。これにより、より高精度にマグネットロータの回転位置を検出することができる。

請求項１０に係るモジュールＩＣは、回転磁界の回転位置を検出する円弧状に設けられた複数の位置センサと、前記回転位置に応じて複数の外部コイルに順次電流を流す駆動回路と、を備え、一面側に前記複数の位置センサが設けられ、他面側に前記駆動回路が設けられるように積層されたビルドアップ型であることを特徴とする。これによれば、位置センサと駆動回路とが１つのモジュールＩＣに集約されるので実装スペースを削減できる。また、位置センサ間の位置ずれが回避される。

請求項１１に係るモジュールＩＣは、回転磁界の回転位置を検出する円弧状に設けられた複数の位置センサと、前記回転位置に応じて複数の外部コイルに順次電流を流す駆動回路と、を備え、一端部に前記複数の位置センサが配置され、反対側の端部に前記駆動回路が配置されていることを特徴とする複合型であることを特徴とする。これによれば、位置センサと駆動回路とが１つのモジュールＩＣに集約されるので実装スペースが削減できる。また、位置センサ間の位置ずれが回避される。

本発明によれば、位置センサの位置決め誤差を低減することができるモータ及びモジュールＩＣを提供することができる。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態であるモータの構成を図１及び図２を参照して説明する。
図１において、モータ１０は、三相ブラシレスモータであり、マグネットロータ１と、インシュレータ２と、ステータ３と、モールド体７とを備え、モールド体７には図３（ａ）に示される制御用モジュールＩＣ３２が併設される。

マグネットロータ１は、回転角方向に多極に磁化された円柱形状の磁性体であり、中心軸に貫通された孔１ａに軸棒（図示せず）が嵌挿される。ステータ３は、円筒状のものの内面にＴ字状の複数のティース６が回転角方向に等角度間隔に設けられた一体形状の磁性体であり、各ティース６に絶縁被覆導線が巻回され、複数の界磁コイルが形成される。なお、図１では、ティース６が９本形成されている。

インシュレータ２は、ステータ３に併設される略円筒状の絶縁体であり、ステータ側の内面には、Ｌ字状の突起部２ａが回転角方向に、突起部２ｂが逆方向に、各々交互に複数形成されている。また、ステータ３と反対側の内面には、Ｌ字状の複数の突起部２ｃが軸方向に向けて複数形成されている。

モールド体７は、ステータ保持部材５と、上側巻線部であるインシュレータ４とリード端子８とがモールドされており、ステータ３とインシュレータ２，４とが併設されている。ステータ３のティース６と、インシュレータ２の突起部２ｃと、インシュレータ４の突起部４ｃとが軸方向に整列し、これらに被覆導線が巻回され、界磁コイルが形成される。

ステータ保持部材５は、円環状の絶縁物であり、４本のリード端末８と複数のパッド１３とが形成されている。リード端末８は、ステータ保持部材５の側面に形成された円柱状の突起部により補強されている。また、ステータ３のティース６に形成されている界磁コイルは９個形成されており、隣接する３個の界磁コイルの片端が中性線Ｎとして互いに接続され、他端にＵ相，Ｖ相，Ｗ相の矩形波三相電圧が印加される。また、互いに接続された３個の界磁コイルが３組構成され、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の端末が互いに並列接続される。パッド１３が形成されているステータ保持部材５と、上側巻線部であるインシュレータ４とがモールドされていることから、界磁コイルの端末処理が不要である。

図２は、モータ１０の組立図であり、モールド体７と、ステータ３と、インシュレータ２とが互いに嵌合されている。

次に、図３を参照して、モジュールＩＣの構成について説明する。
図３（ａ）は、モジュールＩＣの正面図であり、図３（ｂ）は、モジュールＩＣ３２をモータ１０に取り付けるための取付け位置を示す図である。
図３（ａ）において、モジュールＩＣ３２は、複合型モジュールＩＣであり、長方形状の基板２０と、基板２０の一端部である一辺側の中央部に円弧状に設けられた３個のホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、基板２０の他の端部である他辺側に設けられた３個の駆動ドライバ２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、基板２０の中央部に設けられた制御回路２４と、信号を入出力する複数のピン電極とを備え、ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、制御回路２４とは離間されている。このため、制御回路２４の発熱がホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃに影響することが低減される。なお、駆動ドライバ２２は、スイッチング素子である複数のＦＥＴ（Field Effect Transistor）を備え、三相ブリッジ回路を構成している。

ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、磁界の強度を検出するものであり、３個のホール素子を用いることにより、三相回転磁界を発生する界磁コイルに対するマグネットロータ１の回転位置を特定する。また、ホール素子２１ｂが他のホール素子２１ａ，２１ｃに対してオフセットされて取り付けられていることにより、ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、円弧状に取り付けられている。なお、この円弧に対するホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃの取付け角度は、ステータ３に複数設けられたティースの角度に対応している。駆動ドライバ２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、各相の界磁コイルに矩形波電圧を印加するものである。制御回路２４は、モータ回転方向を規定するＣＷ／ＣＣＷ信号（Clock Wise／Counter Clock Wise信号）と、界磁コイルに印加される矩形波電圧のＤＵＴＹ比を規定するＰＷＭ信号（Pulse Width Modulation信号）と、ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃの出力信号とを用いて、駆動ドライバ２２ａ，２２ｂ，２２ｃを選択制御するエンコード信号を生成する。

また、制御回路２４に入力されるＣＷ／ＣＣＷ信号、ＰＷＭ信号、駆動ドライバから出力されるＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各矩形波電圧、及び、電源Ｖｃｃ，ＧＮＤは、駆動ドライバ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ側に設けられた複数のピン電極を介して入出力される。また、電源線、接地線及び信号線は、基板２０の表面に形成される。

図３（ｂ）を参照して、モジュールＩＣ３２の取付け位置について説明する。
モジュールＩＣ３２は、モールド体７のリード端子８側に併設され、ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃの位置が形成する円弧がマグネットロータ１の外周に一致するように位置決めされている。取付け具９は、モータ１０の外形を一辺の長さとする略四角形状の板状体であり、中心部が円形に貫通している。また、取付け具９は四隅に固定孔１７が設けられている。

ここで、図４を参照して、ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃの位置ずれについて説明する。
図４（ａ）は、従来技術のように、プリント基板を用いた場合を示し、図４（ｂ）は、本実施形態のようにモジュールＩＣを用いた場合を示し、図４（ｃ）はＩＣチップを用いた場合を示している。
図４（ａ）において、プリント基板２７の表面にモジュールＩＣ３４が搭載されており、モジュールＩＣ３４にはホール素子２１ａ，２２ｂ，２２ｃが搭載されている。プリント基板２７を取付け具９に取り付けるときに位置ずれｅ１が発生し、プリント基板２７にモジュールＩＣ３４を半田付けする際に位置ずれｅ２が発生し、モジュールＩＣ３４の基板２５とホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃとの間で位置ずれｅ３が発生する。なお、ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ間の位置決め誤差は、モジュールＩＣを使用しているので比較的少ない。

図４（ｂ）においては、モジュールＩＣ３２と、取付け具９との間に位置ずれｅ４が発生し、モジュールＩＣ３２の基板２５とホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃとの間で位置ずれｅ５が発生する。図４（ｃ）においては、ホール素子２３ａ，２３ｂ，２３ｃが基板２６に設けられたＩＣチップ３６と取付け具９との間の位置ずれｅ６が発生し、ＩＣチップ３６の基板とホール素子２３ａ，２３ｂ，２３ｃとの間は、ＩＣ製造工程により高精度に位置決めされることから実質的に位置ずれ誤差は発生しない。

以上説明したように、本実施形態によれば、プリント基板が不要になり、スペース及びコストが低減される。また、プリント基板にモジュールＩＣ３２を搭載する場合は、（ｅ１＋ｅ２＋ｅ３）の３つの位置ずれ誤差が発生し、ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃと駆動回路を搭載したモジュールＩＣ３２を使用して、プリント基板を使用しない場合は（ｅ４＋ｅ５）の２つの位置ずれ誤差が発生し、ＩＣチップ３６を使用する場合は、ｅ６の１つの位置ずれ誤差が発生する。したがって、モジュールＩＣ３２を使用した方がプリント基板を使用するよりも位置決め誤差が小さく、ＩＣチップを使用した方がモジュールＩＣ３２を使用するよりも位置決め誤差が小さい。

（第２実施形態）
第１実施形態は、上側巻線部であるインシュレータ４と、ステータ保持部材５とをモールドしたが、下側巻線部であるインシュレータ２と、上側巻線部であるインシュレータ４と、ステータ３とをモールドすることができる。
図５の構造図を用いて本実施形態の構造を説明する。モールド体１２は、下側巻線部であるインシュレータ２と、上側巻線部であるインシュレータ４と、ステータ３とがモールドされている。モールド体１２の内面に形成されているティース６及びインシュレータ２，４の突起部に被覆導線を巻回することにより、複数の界磁コイルが形成される。さらに、ステータ保持部材５とモールド体１２のインシュレータ４とが嵌挿され、モールド体内部に、軸棒が嵌挿されたマグネットロータ１が遊挿される。そして、界磁コイルの端末がステータ保持部材５に形成されているパッド１３に接続される。なお、組み立て図は、図２と同様である。

なお、モジュールＩＣ３４がステータ保持部材５に形成されているパッド１３に半田付けされる点は、第１実施形態と同様であるので、実装スペースが低減し、ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃの位置決め誤差が低減し、放熱が図られる点は前記実施形態と同様である。

（第３実施形態）
第１実施形態は、上側巻線部であるインシュレータ４と、ステータ保持部材５とをモールドし、第２実施形態は、下側巻線部であるインシュレータ２と、上側巻線部であるインシュレータ４と、ステータ３とをモールドしていたが、下側巻線部であるインシュレータ２と、上側巻線部であるインシュレータ４と、ステータ３と、ステータ保持部材５とをモールドすることができる。

図６に本実施形態の外観図を示す。モールド体１５は、下側巻線部であるインシュレータ２と、上側巻線部であるインシュレータ４と、ステータ３と、ステータ保持部材５とがモールドされている。なお、本実施形態では、ステータ３は絶縁材で被覆されている。

図７を参照して、本実施形態のモータユニットの構造を説明する。
図７（ａ）は、モータユニットの外観図である。モータユニット１１は、モータ１０と、取付け具９’と、筐体であるカバー１８と、軸棒１４とから構成されるものであり、軸棒１４は、ロータ１に嵌挿され、カバーに固定されている。なお、前記実施形態の取付け具９は四隅に固定孔が設けられていたが、本実施形態の取付け具９’の固定孔１６は、３箇所に設けられている。また、取付け具９’は、４本のリード電極側が直線状であり、対向側が半円状である。
図７（ｂ）は、モールド体１５に取付け具９’が取り付けられ、カバー１８が取り外された状態の外観図である。モジュールＩＣ３２が半田付けされる複数のパッド１３が設けられている。図７（ｃ）は、モータユニット１１の正面図であり、図７（ｄ）は、モータユニット１１の背面図であり、図７（ｅ）は、モータユニット１１の左側面図である。

また、図７（ｆ）は、モータユニット１１の断面図である。モールド体１５を構成しているステータ保持部材５には、界磁コイルの端末のリードがインシュレータ４を介して引き出されている。また、インシュレータ２側には、他のカバー１８’で軸棒１４が固定されている。また、モジュールＩＣ３２は、パッド１３に半田付けされ、カバー１８に接触している。モジュールＩＣ３４は、筐体であるカバー１８に接触しているので駆動回路が効率よく冷却される。なお、モジュールＩＣ３４がステータ保持部材５に形成されているパッドに半田付けされる点は、第１実施形態と同様であるので、実装スペースが低減し、ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃの位置決め誤差が低減し、放熱が図られる点は前記実施形態と同様である。

（第４実施形態）
第１実施形態は、上側巻線部であるインシュレータ４と、ステータ保持部材５とをモールドしたが、さらにモジュールＩＣを含めてモールドすることができる。
本実施形態のモータの構成図を図８に示す。図８において図１と同一のものは同一の符号を付し、説明を省略する。図１と異なる点は、パッド１３が設けられて無く、破線で示されるモジュールＩＣ４０がステータ保持部材５の内部にモールドされている。すなわち、界磁コイルの末端は、直接モジュールＩＣ４０の端子に接続されることになる。さらに、モジュールＩＣを取り付けるスペースが不要となる。

（第５実施形態）
前記各実施形態は、モジュールＩＣに複合チップモジュールを用いたが、ビルドアップモジュールを用いることができる。
図示しないビルドアップモジュールＩＣは、複数の素子が厚さ方向に積層して構成された略直方体状のものであり、この直方体の各辺に複数の電極が設けられている。また、直方体の一面側（上面側）に位置検出素子であるホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃが設けられ、他面側（下面側）に駆動素子が配置されている。下面側に設けられた駆動素子をカバーに接触させることにより放熱が高められる。

本実施形態によれば、巻線部分がモールドされるので、コイルの末端処理が不要になる。なお、モジュールＩＣ４０がステータ保持部材５に形成されているパッドに半田付けされる点は、第１実施形態と同様であるので、実装スペースが低減し、ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃの位置決め誤差が低減し、放熱が図られる点は前記実施形態と同様である。

（変形例）
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が可能である。
（１）前記各実施形態は、本発明を３極の三相ブラシレスモータに適用したことから、９個のティースを設けたが、任意の極数、任意の相数のブラシレスモータに適用することができ、これに対応して、ティース、界磁コイルの個数が決定される。また、相数によって位置センサ（ホール素子）の数量が決定される。

本発明の一実施形態であるモータの構成図である。 本発明の一実施形態であるモータの外観図である。 モジュールＩＣの外観図及びモータへの取付け位置を示す図である。 位置決め誤差について説明するための図である。 本発明の他の実施形態であるモータの構成図である。 本発明のさらに他の実施形態であるモータの構成図である。 本発明のさらに他の実施形態であるモータの外観図及び構成図である。 本発明のさらに他の実施形態であるモータの構成図である。

符号の説明

１ マグネットロータ
２，４ インシュレータ
２ａ，２ｂ，２ｃ，４ｃ 突起部
３ ステータ
５ ステータ保持部材
６ ティース
７ モールド体
８ リード端子
９，９’ 取付け具
１０，１１ モータ
１２ モールド体
１３ パッド
１４ 軸棒
１５ モールド体
１６，１７ 固定孔
１８ カバー（筐体）
２０，２６ 基板
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ ホール素子（位置センサ）
２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ 駆動ドライバ（駆動回路）
２４ 制御回路
２５ 基板
２７ プリント基板
３２，３４，４０ モジュールＩＣ
３６ ＩＣチップ
３８ プリント基板ユニット
Ｎ 中性線
Ｖｃｃ 電源

Claims (11)

1. 放射状であって中心方向に向けて突出する複数のティースを備える円筒状のステータと、前記各ティースに巻線が巻回された複数の界磁コイルと、前記ステータの内部に同軸状に回転可能に配設されているマグネットロータと、前記各界磁コイルに電流を流す駆動回路と、前記マグネットロータの回転位置を検出する複数の位置センサと、前記回転位置に応じて順次選択された前記各界磁コイルに電流を流す駆動回路とを備えるモータであって、
   前記複数の位置センサ及び前記駆動回路を１つのモジュールＩＣに集積したことを特徴とするモータ。
2. 前記モジュールＩＣは、ＩＣチップにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記モジュールＩＣは、複合チップモジュールＩＣであり、
   前記複合チップモジュールＩＣの一端部に前記複数の位置センサが配設され、反対側の端部に前記駆動回路が配設されていることにより、前記位置センサと前記駆動回路とが離間していることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
4. 前記反対側の端部に電極が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のモータ。
5. 前記モジュールＩＣは、積層されて形成されたビルドアップモジュールＩＣであり、
   前記ビルドアップモジュールＩＣの一面側に前記複数の位置センサを設け、他面側に前記駆動回路を設けたことを特徴とする請求項１に記載のモータ。
6. 前記他面側を筐体に接するように設けたことを特徴とする請求項５に記載のモータ。
7. 前記ステータは、上側巻線部と下側巻線部との双方の絶縁体で嵌合されている磁性体であり、
   少なくとも前記上側巻線部が前記複数の界磁コイルのリード端末と一体成形されたモールド体を構成しており、
   前記モールド体に前記モジュールＩＣが併設されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
8. 前記ステータは、上側巻線部と下側巻線部との双方の絶縁体で嵌合されている磁性体であり、
   少なくとも前記上側巻線部が前記複数の界磁コイルのリード端末と前記モジュールＩＣとが一体成形されたモールド体を構成していることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
9. 前記モジュールＩＣは、前記複数の位置センサが円弧状に設けられ、
   前記円弧の半径が前記マグネットロータの外周半径に等しいことを特徴とする請求項１に記載のモータ。
10. 回転磁界の回転位置を検出する円弧状に設けられた複数の位置センサと、
    前記回転位置に応じて複数の外部コイルに順次電流を流す駆動回路と、
    を備えたモジュールＩＣであって、
    一面側に前記複数の位置センサが設けられ、他面側に前記駆動回路が設けられるように積層されたビルドアップ型であることを特徴とするモジュールＩＣ。
11. 回転磁界の回転位置を検出する円弧状に設けられた複数の位置センサと、
    前記回転位置に応じて複数の外部コイルに順次電流を流す駆動回路と、
    を備えたモジュールＩＣであって、
    一端部に前記複数の位置センサが配置され、反対側の端部に前記駆動回路が配置されていることを特徴とする複合型であることを特徴とするモジュールＩＣ。

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