JP2008167537A - 小型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ停止後の電源供給により、モータが振動して発生するロック時異音を低減する。
【解決手段】本発明は、モータの回転を機械的に停止させる停止機構と共に用いる。一対のブラシは、対構成の２極のマグネットのそれぞれの中心を結ぶラインに対して、回転子中心を通って一対のブラシ中心を結ぶ線を所定角度ずらして配置する。整流子は、一対のブラシをずらした所定角度と同じ角度だけ、基準位置からずらして配置する。この所定角度は、（７０°〜２９０°）／固定子磁極対数の範囲内にある。即ち、２極の固定子磁極の場合の所定角度は、７０°〜２９０°の範囲内にあり、４極の固定子磁極の場合の所定角度は、３５°〜１４５°の範囲内にある。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータの回転を停止機構により機械的に停止させた際に発生する異音を低減した小型モータに関する。

例えば自動車用ドアロック開閉装置、電動ミラー格納装置など、自動車用電装機器に広く使われている小型モータの中には、所定時間のみ電源がオンされて駆動されるモータがある。このような小型モータは、例えばドアロックのようなモータ機能を達成した後、電源がオフされる前に、機械的なストッパにより停止する。通常、種々の条件の中でも確実にモータ機能を達成できるように、モータが機械的なストッパにより停止（モータロック）した後、わずかの時間後に電源がオフされるように、モータ電源オン期間は設定されている。言い換えると、小型モータがストッパにより停止後、依然として電源が供給される期間がある。そして、このモータ停止後の電源供給により、モータが振動して異音が発生することが分かった。発生した異音は、モータ電源がオフとなるまで継続する。

図１１は、特許文献１に開示のブラシ構造を示す図である。図示のように、ヨークの内周面に２極のマグネットを固定する。特許文献１は、磁気加振力を低減し、磁気音低減効果を得る目的で、整流子に接触する一対のブラシのうち第２のブラシの中心を第１のブラシの中心と対向する位置より、所定角度θだけ周方向にずらしたブラシ構造を開示する。このように、特許文献１は、ブラシ構造の改善によってモータの騒音対策を提案するものではあるが、モータロック時に発生する異音については、何らの開示もない。
特開昭６２−２３０３４０号公報

本発明は、係る問題点を解決して、モータ停止後の電源供給により、モータが振動して発生するロック時異音を低減することを目的としている。

本発明の小型モータは、有底中空筒状に形成されたケース及び該ケースの開口部に嵌着されるエンドベルと、ケースの内周面に取り付けた固定子磁極を構成する対構成のマグネットと、ケースの底部中央及びエンドベルの中央部にそれぞれ備えられた軸受によって支持されるモータシャフト上に、磁極コアに巻線を巻いて構成した回転子磁極及び整流子を備える回転子と、エンドベルに固定され、かつ整流子に摺動する一対のブラシを含むブラシ装置とを備え、モータの回転を機械的に停止させる停止機構と共に用いる。一対のブラシは、回転子中心を通って対構成の２極のマグネットのそれぞれの中心を結ぶラインに対して、回転子中心を通って一対のブラシ中心を結ぶ線を所定角度ずらした位置に配置する。磁極コアの周方向中心に整流子片間スリットが位置しかつこの磁極コアに巻回した巻線の両端がこのスリット両側の整流子片にそれぞれ接続される整流子位置を基準位置として、一対のブラシをずらした所定角度と同じ角度だけ、整流子を基準位置からずらして配置する。この所定角度は、（７０°〜２９０°）／固定子磁極対数の範囲内にある。即ち、２極の固定子磁極の場合の所定角度は、７０°〜２９０°の範囲内にあり、４極の固定子磁極の場合の所定角度は、３５°〜１４５°の範囲内にある。

ブラシ装置は、エンドベルの外部より挿入される一対の外部端子に接触する一対のリセプタクル端子を備えたブラシベースと、該ブラシベースに接続されるバネ性を有するブラシアームと、該ブラシアームに取り付けたカーボンブラシを備え、このカーボンブラシが整流子に摺動するように構成される。

本発明によれば、モータ停止後の電源供給により、モータが振動して発生するロック時異音を低減することが可能となる。

図１は本発明を適用することのできる停止機構付メカユニットを例示する図であり、（Ａ）はウォーム減速機部分を断面で示す小型モータの全体図であり、（Ｂ）は停止機構部を拡大して示す断面図である。図１（Ａ）において、モータ部は減速機部に取付けられ、そのモータシャフトの先端部は減速機部の軸受で軸止されている。ウォームは、モータシャフトに固定される。ウォームにはウォームホイールが噛み合わされて、モータ部から出力された駆動トルクは、モータシャフトからウォームに伝達され、減速機部においてウォームからウォームホイールに駆動トルクが伝わり、出力軸から外部にトルクが取り出される構成となっている。

図示の小型モータにおいて、停止機構は、出力軸に固定されて出力軸と共に回転するロック用ギヤと、該ギヤの歯車に噛み合う歯車を有して、回転軸を中心として揺動する係合部と、該係合部の揺動を規制して所定位置で停止させるストッパとから構成されている。そして、この小型モータは、例えばドアロックのようなモータ機能を達成した後、電源がオフされる前に、機械的なストッパにより停止する。即ち、モータが機械的なストッパにより停止（モータロック）した後、わずかの時間後に、電源がオフされるように、モータ電源オン期間は設定されている。なお、図示の停止機構は、モータ回転を減速機部を介してロックさせるものとして例示したが、モータ回転を所定位置でロックする構成であれば、いかなる停止機構も採用しうるものであって、減速機部は必ずしも必要ではない。

図２は、図１のモータ部に使用可能な小型モータの全体を示す部分断面図である。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は、偶数極（例えば２極）の対構成の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、絶縁材料で成形された（合成樹脂製）エンドベル（ケース蓋）が嵌着されてそれによって閉じられる。エンドベルの中央部には、モータシャフトのための軸受が収容される。

モータシャフトの他端は、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。このモータシャフトには、積層コア上に巻線を巻回することにより構成される回転子磁極と、整流子とが通常に備えられて、小型モータの回転子を構成している。そして、この整流子に接触する一対のカーボンブラシのそれぞれが、エンドベルに固定されているブラシ装置に取り付けられている。

図３は、小型モータのエンドベルの一例を、内部側から見た図である。（Ａ）と（Ｂ）は、同一のエンドベルを、互いに異なる方向から見た図である。図示したように、ブラシ装置は、整流子に摺動接触する一対のカーボンブラシと、これをそれぞれ圧入保持する一対のブラシアームと、このブラシアームとかしめ等により結合された一対のブラシベースと、このブラシベースと一体形成の一対のリセプタクル端子とから構成される。このように、適度なブラシ圧を得る為にバネ性を有するブラシアームにカーボンブラシを取付け、このカーボンブラシが、回転子の整流子に摺動するように構成されている。このような構成のブラシ装置は、合成樹脂製のエンドベルにおいて、それと一体に形成された柱状部により限定される凹所内に圧入保持される。このブラシ装置への電源供給は、一対の外部端子を外部端子挿入口を通してエンドベルの外部より挿入して、一対のリセプタクル端子のそれぞれに電気的に接触させることにより行われる。

ケースの内周面に取り付けられる２極のマグネットは、図３の水平方向に配置されるが、この２極のマグネットのそれぞれの中心を結ぶラインである水平方向に対して、回転子中心を通って一対のブラシ中心を結ぶ線が、詳細は後述するように所定角度傾斜させて配置されている。本発明は、このように所定角度傾斜させて配置することにより、モータロック時の異音の発生を防止する。

次に、図４を参照して異音発生メカニズムについて説明する。図４は、モータの各回転角度位置での動作を説明する図である。２極の固定子磁極及び３極の回転子磁極を有するモータを例として説明するが、本発明は、４極の固定子磁極及び６極の回転子磁極を有するモータに対しても適用することができる。

図４は、３個の回転子巻線のそれぞれの両端が、対応する隣接整流子片間に接続されることを示している。一対のブラシは、１８０°間隔の対向配置で、整流子に接触している。図４（ａ）に示す位置から矢印方向に進み、（ｂ）に示す位置で、ストッパに当たりモータがロックしたとする。この状態では、依然として電源はオンになっている。次に、図４（ｃ）に示すように、樹脂製ギヤ等を含む停止機構が有する弾性に基づく反力でモータはわずかに逆転する。この（ｃ）の状態は、（ａ）の状態と同じであり、（ｄ）に示すように再びトルクが上がって回転する。そして、（ｂ）と同じく、ストッパに当たりモータはロックする。この状態は、図４（ｂ）に示した状態である。そして、前述の動作を繰り返す。

このように、電源オンの間、モータは状態（ｂ）（ｃ）（ｄ）を繰り返し、磁力は変化し、モータは振動して異音を発生することになる。モータがロックして、反力で逆転した状態で、トルクが上がって、上記状態を繰り返すことになる。即ち、モータロック時のモータ回転角度位置が、高トルク位置であると、モータはその角度位置でそのまま停止するので異音は発生しないが、モータロック時のモータ回転角度位置が低トルク位置であると反力で逆転し、モータ回転角度位置が高トルク位置に達すると、上述の説明のようにして異音が発生する。

次に、図５及び図６を参照して、トルク上昇について説明する。図示したように、３個の整流子片Ａ，Ｂ，Ｃが互いの間にスリットを設けて配置されている。今、図５（Ａ）に示すように、一対のブラシはそれぞれ、異なる整流子片ＢとＣの上に位置している。一対のブラシの間には、直列接続された２つの巻線と、別の１つの巻線が並列接続されることになる。図５（Ｂ）は、この状態を示す等価回路図であり、各巻線抵抗をＲとすると、２つのブラシ間の合成抵抗は、２／３Ｒとなる。

次に、モータが図６（Ａ）に示す状態まで回転したとする。このとき、対向配置されている一方のブラシが、２つの整流子片ＡとＢの間のスリットの上に位置しているとする。このとき、１つの巻線は、このブラシによって短絡されているので、一対のブラシの間には、２つの巻線が並列接続された状態にある。図６（Ｂ）は、この状態を示す等価回路図である。各巻線抵抗をＲとすると、２つのブラシ間の合成抵抗は、１／２Ｒとなる。このように、図６の角度位置の方が図５の角度位置よりも、２つのブラシ間の合成抵抗は小さく、逆に、流れる電流、即ちトルクは大きい。

モータがストッパでロックした時、一方のブラシが２つの整流子片の間のスリットの上に位置していると、大きなトルクが発生して逆転は起こり難いのに対して、モータがストッパでロックした後の反力で逆転した時、一方のブラシが２つの整流子片の間のスリットの上に位置していると、大きなトルクで、再び回転を始めることになる。反力で逆転した時のブラシ位置が、整流子片の間のスリットの上に無ければ、トルクは上がらず異音は発生しない。しかし、モータがストッパでロックした時、或いは反力で逆転した時のブラシ位置は、確率的なものであり、ロックした時に整流子間のスリットの上に位置させ、或いは逆転時に整流子片間のスリットの上を避けるようにモータ回転を制御することは事実上困難である。

本発明は、一方のブラシが２つの整流子片間のスリットの上に位置する場合のトルクの変動を抑えることにより、異音の発生を防止する。このため、本発明は、回転子中心を通って一対のブラシを結ぶ線を、一対のマグネットを結ぶ線に対して所定角度傾斜させて、即ち、ブラシの位置をずらして配置する。そして、ブラシの位置をずらした場合、回転子をそのまま使用すると整流位相が進角（または遅角）に変化するので、整流位相を中性のままにするために、ブラシをずらした角度と同じだけ整流子をずらして配置する。

図７は、２極の固定子磁極及び３極の回転子磁極を有するモータを例として、位置をずらして配置するブラシ位置及び整流子位置を説明する図であり、典型例として、角度０°、３０°、１２０°ずらした場合を、それぞれ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示している。なお、以下、２極（一対）の固定子磁極及び３極の回転子磁極を例として説明するが、以下の説明は、例示した角度を、１／２（一対磁極／二対磁極）倍することにより、４極（二対）の固定子磁極及び６極の回転子磁極を有するモータにも当てはまる。４極の固定子磁極の場合、ＮＳ交互に二対の固定子磁極が配置され、各対の磁極は、回転子中心に対して９０°間隔となる。それ故に、４極の固定子磁極の場合の９０°間隔は、２極の固定子磁極の場合の１８０°間隔に対応することになるので、以下に例示する角度を、１／２（即ち１／固定子磁極対数）倍することにより、複数対数の固定子磁極にも適用できることになる。

図７に示すエンドベル図は、エンドベルを内側から見た一対のブラシ配置を示している。ケース内に固定される一対のマグネットは、水平方向の両側に配置される。回転子図は、エンドベル側から見た整流子及び磁極コアの図である。３個の整流子片１，２，３が、スリットにより分割されている。

図７（Ａ）に示す角度０°の配置において、一対のブラシは、回転子中心を通って一対のマグネットを結ぶラインである水平方向（角度０°）に配置される。また、整流子片間のスリットが、磁極コア（丸数字の１，２，３で示す）のアームの中心位置（磁極コアの周方向中心位置）にある。巻線は、結線図に見られるように、整流子片１をスタートして、磁極コア１に巻かれ、その後順次、整流子片２に接続し、磁極コア２，整流子片３，そして、磁極コア３に巻かれた後、最初の整流子片１に接続して終わることを示している。整流子片間の角度は、１２０°であり、かつ、スリットが磁極コアのアームの中心位置にあることから、整流子片１と磁極コア１中心間の角度は、図示したように６０°である（以下、この６０°の角度を、基準角度と言う）。また、基準位置とは、図７（Ａ）に示す角度０°配置の整流子位置を意味し、この基準位置では、各巻線を巻回した磁極コアの周方向中心に整流子片間スリットが位置しかつこの巻線の両端がこのスリット両側の整流子片にそれぞれ接続されている。

図７（Ｂ）は、角度３０°の配置を示す図である。角度は、右方向（時計回り）に偏倚した角度として以下説明するが、左方向（反時計回り）に偏倚させても同様に考えることができる。一対のブラシは、一対のマグネットを結ぶラインである水平方向に対して３０°の角度に配置される。結線図に見られるように、磁極コア１の中心に対して、基準角度（６０°）＋３０°＝９０°の位置になるように、整流子片１が配置される。整流子片１をスタートして、磁極コア１に巻線した後、整流子片２に接続し、以下同様にして、整流子片１で終わる巻線は、図７（Ａ）に示す角度０°の場合と同じである。

図７（Ｃ）は、角度１２０°の配置を示す図である。一対のブラシは、一対のマグネットを結ぶラインである水平方向に対して１２０°の角度に配置される。結線図に見られるように、磁極コア１の中心に対して、基準角度（６０°）＋１２０°＝１８０°の位置になるように、整流子が配置される。巻線は、上述の場合と同じである。この１２０°の角度位置では、図示したように、整流子片間スリット位置は、磁極コアのアーム中心位置に一致するために、生産性が良いという特徴を有している。巻線は、各磁極コアのアーム回りに巻回されるので、アームの周方向中心位置で、巻線はモータシャフト軸方向に最も突き出る巻線山を形成する。図示の１２０°配置は、各巻線山間の中央に各整流子片が位置し、これによって、各巻線端をそれぞれ対応する整流子片に接続することが容易となる。先に、図３に図示した構成は、この１２０°の角度位置で配置されている。

以上、図７を参照して、角度０°、３０°、１２０°ずらした場合の典型例を説明したが、これ以外にも、角度９０°、１５０°、１８０°、２１０°、２７０°、３００°ずらしたモータを作成して、角度に対するロック時異音発生時間の関係を求めた結果、ブラシを７０°〜２９０°の範囲で偏倚させると、異音発生に対して顕著な効果があることが分かった。

図８は、ロック時異音発生とブラシ接触位置の関係を示す表であり、図９は、図８の表に示すデータに基づき作成したグラフであり、角度別異音発生時間（平均値）を表している。試験は、各サンプル５個ずつのモータ（4.9mNm負荷時 電流0.6A 回転数10600r/min定格）について行ない、その平均を表に示している。本試験は、１サイクルを、0.2秒正転−2.3秒オフ−0.2秒逆転−2.3秒オフとして、初期と、10,000サイクル運転後、25,000サイクル運転後のそれぞれにおいて、２分中における異音発生時間（ミリ秒：ｍｓ）を測定した。試験条件(耐久試験の条件)は、端子間電圧13.5V (DC CONSTANT)、負荷4.9mNm、試験環境：常温常湿(およそ25℃60%RH)である。

図８及び図９に見られるように、角度７０°以上２９０°の間で、ロック時異音に対する顕著な効果があることが分かる。さらに、９０°以上２７０°の範囲がより望ましく、特に、角度１２０°配置は、図７（Ｃ）を参照して上述したように、生産性が良いという特徴も有している。なお、角度３６０°は、角度０°に一致する。

図１０は、４極の固定子磁極及び６極の回転子磁極を有するモータを例として、位置をずらして配置するブラシ位置及び整流子位置を説明する図であり、典型例として、角度０°、１５°、６０°ずらした場合を、それぞれ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示している。なお、前述したように、これら角度は、２極（一対）の固定子磁極及び３極の回転子磁極を有するモータの角度０°、３０°、１２０°に相当する。

図１０に示すエンドベル図は、エンドベルを内側から見た一対のブラシ配置を示している。ケース内に固定される二対のマグネットは、回転子中心に対して９０°間隔で、ＮＳ交互に配置される。回転子図は、エンドベル側から見た整流子及び磁極コアの図である。６個の整流子片１〜６が、スリットにより分割されている。

図１０（Ａ）に示す角度０°の配置において、一対のブラシは、回転子中心を通って一対のマグネットを結ぶ９０°角度のライン上に、９０°間隔で配置される。また、整流子片間のスリットが、磁極コア（丸数字の１〜６で示す）のアームの中心位置（磁極コアの周方向中心位置）にある。巻線は、結線図に見られるように、整流子片１をスタートして、順次、磁極コア４、磁極コア１、整流子片２、整流子片５、磁極コア５、磁極コア２、整流子片３、整流子片６、磁極コア６、磁極コア３、整流子片４、及び最初の整流子片１の順に、各磁極コアに巻回しかつ各整流子片に接続される。整流子片間の角度は、６０°であり、かつ、スリットが磁極コアのアームの中心位置にあることから、結線図に示すように、例示した整流子片５と磁極コア５中心間の角度は、図示したように３０°である（以下、この３０°の角度を、基準角度と言う）。また、基準位置とは、図１０（Ａ）に示す角度０°配置（水平位置から４５°）の整流子位置を意味している。

図１０（Ｂ）は、角度１５°の配置を示す図である。一対のブラシは、図１０（Ａ）に示した位置よりも１５°時計回りに回転させた位置に配置される。結線図に見られるように、例示の磁極コア５の中心に対して、基準角度（３０°）＋１５°＝４５°の位置になるように、整流子片５が配置される。整流子片１をスタートして、整流子片１で終わる巻線は、図１０（Ａ）に示す角度０°の場合と同じである。

図１０（Ｃ）は、角度６０°の配置を示す図である。一対のブラシは、図１０（Ａ）に示した位置よりも６０°時計回りに回転させた位置（水平方向位置に対して１０５°）に配置される。結線図に見られるように、磁極コア５の中心に対して、基準角度（３０°）＋６０°＝９０°の位置になるように、整流子片５が配置される。巻線は、上述の場合と同じである。この６０°の角度位置では、図示したように、整流子片間スリット位置は、磁極コアのアーム中心位置に一致するために、生産性が良いという特徴を有している。

本発明を適用することのできる停止機構付メカユニットを例示する図であり、（Ａ）はウォーム減速機部分を断面で示す小型モータの全体図であり、（Ｂ）は停止機構部を拡大して示す断面図である。 図１のモータ部に使用可能な小型モータの全体を示す部分断面図である。 小型モータのエンドベルの一例を、内部側から見た図であり、（Ａ）と（Ｂ）は、同一のエンドベルを、互いに異なる方向から見た図である。 モータの各回転角度位置での動作を説明する図である。 トルク上昇について説明する図である。 トルク上昇について説明する図である。 ２極の固定子磁極及び３極の回転子磁極を有するモータを例として、位置をずらして配置するブラシ位置及び整流子位置を説明する図であり、典型例として、角度０°、３０°、１２０°ずらした場合を、それぞれ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示している。 ロック時異音発生とブラシ接触位置の関係を示す表である。 図８の表に示すデータに基づき作成したグラフである。 ４極の固定子磁極及び６極の回転子磁極を有するモータを例として、位置をずらして配置するブラシ位置及び整流子位置を説明する図であり、典型例として、角度０°、１５°、６０°ずらした場合を、それぞれ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示している。 特許文献１に開示のブラシ構造を示す図である。

Claims (4)

1. 有底中空筒状に形成されたケース及び該ケースの開口部に嵌着されるエンドベルと、前記ケースの内周面に取り付けた固定子磁極を構成する対構成のマグネットと、前記ケースの底部中央及び前記エンドベルの中央部にそれぞれ備えられた軸受によって支持されるモータシャフト上に、磁極コアに巻線を巻いて構成した回転子磁極及び整流子を備える回転子と、前記エンドベルに固定され、かつ前記整流子に摺動する一対のブラシを含むブラシ装置とを備え、モータの回転を機械的に停止させる停止機構と共に用いる小型モータにおいて、
   回転子中心を通って前記対構成の２極のマグネットのそれぞれの中心を結ぶラインに対して、回転子中心を通って前記一対のブラシ中心を結ぶ線を所定角度ずらした位置に一対のブラシを配置し、
   磁極コアの周方向中心に整流子片間スリットが位置しかつこの磁極コアに巻回した巻線の両端がこのスリット両側の整流子片にそれぞれ接続される整流子位置を基準位置として、前記一対のブラシをずらした前記所定角度と同じ角度だけ、整流子を前記基準位置からずらして配置し、
   前記所定角度は、（７０°〜２９０°）／固定子磁極対数の範囲内にある小型モータ。
2. 前記ブラシ装置は、前記エンドベルの外部より挿入される一対の外部端子に接触する一対のリセプタクル端子を備えたブラシベースと、該ブラシベースに接続されるバネ性を有するブラシアームと、該ブラシアームに取り付けたカーボンブラシを備え、このカーボンブラシが前記整流子に摺動するように構成される請求項１に記載の小型モータ。
3. ２極の固定子磁極と３極の回転子磁極を有し、前記所定角度が７０°〜２９０°の範囲内にある請求項１に記載の小型モータ。
4. ４極の固定子磁極と６極の回転子磁極を有し、前記所定角度が、３５°〜１４５°の範囲内にある請求項１に記載の小型モータ。
   

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