JP2009077500A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転角度を検出するセンサを有するモータの小型化や軽量化を可能にする、モータを提供する。
【解決手段】モータの回転体１４と回転軸１６との間に、遊星ギアから成る減速ギア１９が設けられ、モータの回転体１４の回転軸１６と直交する表面に、幅が周期的に変化する導体パターン２１が形成され、この導体パターン２１に対向して、回転角度検出センサ２２が設けられているモータ１０を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータの回転子（回転体）の位置を検出するための回転角度検出センサを有するモータに関する。

ブラシレスＤＣモータで、固定子の整流制御のための回転子の角度情報を得ることを目的として、回転子の角度センサを設けている。

角度センサとしては、回転子の永久磁石の磁界を検出する方法が一般的である。
これに対して、さらに微細な制御を必要とする場合には、回転軸の角度を検出するレゾルバが使われる（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、ブラシレスモータにおいて、モータの回転子と回転軸との間に、減速ギアを設けて、モータのオリジナルの回転数よりも小さい回転数で、回転軸を回転させる構成を採用することがある。

減速ギアを中心部に同軸で設けた、薄型のブラシレスモータの概略構成図を、図７Ａ〜図７Ｃに示す。図７Ａは断面図を示し、図７Ｂは図７Ａの右側から見た平面図を示す。また、図７Ｃは、図７Ｂから回転子を取り外した状態の平面図を示す。
このブラシレスモータ５０は、コイル５３から成る固定子と、磁石５５が取り付けられた回転子５４とを備え、回転子５４の円筒状の内面と回転軸５６との間に、遊星ギアから成る減速ギア５９が３個設けられて成る。
減速ギア５９は、円柱形状で、回転軸５６の継手５７と、回転子５４の内面とに、それぞれ歯車でかみ合わせている。減速ギア５９の中央の軸５８は、固定子（コイル）５３の保持材（コイルのコア）５２が取り付けられた基板５１に取り付けられている。

このようなブラシレスモータでは、固定子５３に流す電流の向きを切り替えて、前述した整流制御を行うために、回転子５４の位置を検出するためのセンサを必要とする。

特開平８−１７８６１０号公報

通常のブラシレスモータでは、回転軸に直接レゾルバを設けている。
これに対して、減速ギアを設けたブラシレスモータでは、モータのオリジナルの回転数と、回転軸の回転数が異なるため、遊星ギアによって減速された回転軸に直接レゾルバを設けると、細かい整流制御を行うことが難しくなる。

そのため、図７に示したような、減速ギアを中心部に同軸で設けた薄型のブラシレスモータ５０にレゾルバを適用した場合には、モータのオリジナルの回転数を検出するために、回転子５４に対してレゾルバを設ける必要がある。
このとき、以下に挙げる問題点を生じる。

（１）レゾルバが軸方向にスペースを占有し、薄型化を阻害する。
（２）減速ギアの外周よりも径が大きいレゾルバを用いることになるため、大きな座面加工が必要になることも含めて、コストが増大、かつ重量が増大する。

ここで、図７Ａ〜図７Ｃに示した減速ギアを設けた薄型のブラシレスモータ５０に、レゾルバを適用した構成の概略構成図を、図８Ａ及び図８Ｂに示す。
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、図７Ａ〜図７Ｃに示した構成と比較して、回転子５４を回転軸方向へリング状に突出させており、その突出部にレゾルバの回転子６３が取り付けられている。さらにレゾルバの回転子６３の外側にギャップを有して、レゾルバの固定子６２が設けられている。この場合、図８Ｂに示すように、１０個の固定子６２が設けられている。

このように、全周にわたって、モータの回転子５４の外側に、レゾルバの回転子６３とレゾルバの固定子６２、並びにレゾルバの固定子６２の取り付け部材６１が設けられるので、大きいスペースを占有している。そのため、薄型化や小型化を妨げることになる。
また、レゾルバは、モータのオリジナルの回転数即ち回転子５４の回転数を検出するために、モータの回転子５４の外側に設けられているので、大きい径のレゾルバ（回転子６３、固定子６２、取り付け部材６１）を形成する必要があり、コストと重量が大きくなる。

また、レゾルバの回転子６３は複雑な形状をしているため、固定子６２に対して精度良く取り付けることが難しい。この観点からも製造管理の煩雑化が懸念され、それに伴い、コストが増大する。

上述した問題の解決のために、本発明においては、回転角度を検出するセンサを有するモータの小型化や軽量化を可能にする、モータを提供するものである。

本発明のモータは、モータの回転体と回転軸との間に、遊星ギアから成る減速ギアが設けられ、モータの回転体において、回転軸と直交する表面に、幅が周期的に変化する導体パターンが形成され、この導体パターンに対向して、回転角度検出センサが設けられているものである。

上述の本発明の回転角度検出センサによれば、モータの回転体において、回転軸と直交する表面に、幅が周期的に変化する導体パターンが形成され、この導体パターンに対向して、回転角度検出センサが設けられていることにより、遊星ギアから成る減速ギアが設けられていても、回転角度検出センサによって、モータの回転体のオリジナルの回転角度を検出することができる。

上述の本発明によれば、遊星ギアから成る減速ギアが設けられていても、回転角度検出センサによって、モータの回転体のオリジナルの回転角度を検出することができるため、細かい整流制御を行うことができる。
また、導体パターンと、対向して設けられた回転角度検出センサとから、回転体の回転角度を検出するので、回転体の全周３６０°に対して回転角度検出センサを設ける必要がなく、回転角度検出センサが占める空間を大幅に低減することができ、モータの設計の自由度が向上する。
従って、回転角度検出センサを有するモータの小型化や軽量化、センサの部品コストの低減が可能になる。

また、導体パターンは、回転体に容易に形成することができると共に、回転体に精度良く形成することができるので、回転角度検出センサの検出精度を高くすることや、製造コストの低減を図ることが、可能になる。

本発明の一実施の形態として、ブラシレスモータの概略構成図を、図１Ａ及び図１Ｂに示す。図１Ａは断面図を示し、図１Ｂは図１Ａの右から見た平面図を示している。図１Ａは、図１ＢのＡ−Ａにおける断面図となっている。

図１Ａ及び図１Ｂに示すブラシレスモータ１０は、コイル１３から成る固定子と、磁石１５が取り付けられた回転子１４とを備え、回転子１４の円筒状の内面と回転軸１６との間に、遊星ギアから成る減速ギア１９が３個設けられて成る。
減速ギア１９は、円柱形状で、回転軸１６の継手１７と、回転子１４の内面とに、それぞれ歯車でかみ合わせている。減速ギア１９の中央の軸１８は、固定子（コイル）１３の保持材（コイルのコア）１２が取り付けられた基板１１に取り付けられている。
磁石１５は、回転子１４の固定子１３側の表面に取り付けられ、間にギャップを有して固定子１３と対向している。

本実施の形態のブラシレスモータ１０においては、特に、回転子１４の磁石１５とは反対側の表面に、周期的に幅が変化するパターンで、導体パターン２１が形成されており、さらに、この導体パターン２１に対向して、モータケース２０の内面にセンサ本体２２が設けられている。
そして、導体パターン２１及びセンサ本体２２により、回転子１４の回転角度を検出するセンサを構成している。

導体パターン２１の材料としては、例えば、アルミニウム、鋼、銅、配線板、導電箔、または金属を含有するプラスチック材料等の導電性材料を用いることができる。導体パターン２１には、磁性材料を用いる必要はない。

本実施の形態では、導体パターン２１は、回転子１４の回転角度に対して、幅が三角関数状に変化する形状を有している。

図１のセンサ本体２２の概略構成図を、図２Ａ及び図２Ｂに示す。図２Ａは上面図を示し、図２Ｂは側面図を示す。
このセンサ本体２２は、円弧に沿ってカーブした形状を有する箱になっており、この箱の内部に、詳細を後述する４つのパターンコイル３１，３２，３３，３４を備えている。箱は薄い板状の部材２３に取り付けられていて、この板状の部材２３の端部に取り付け用の穴２４を有している。そして、図１Ａに示す部材２５に取り付けられる。

次に、図１及び図２に示したセンサ本体２２の内部の詳細な構成（平面図）を、図３に示す。
プリント回路基板等の基板３０の上に、角型の渦巻形状を有する導体により、４つのパターンコイル３１，３２，３３，３４が形成されている。各パターンコイル３１，３２，３３，３４により、それぞれ、空芯のコイルが構成される。
なお、これら基板３０及びパターンコイル３１，３２，３３，３４は、図２Ｂに示した箱の、導体パターン２１と対向する側（図２Ｂの左側）に配置することが望ましい。
そして、好ましくは、さらに、導体パターン２１と反対の側（図２Ｂの右側）に、演算処理用の回路や周辺回路等を設けることによって、回転角度検出センサのモジュール化を図ることができ、小型化が促進される。

なお、上述の構成からなる回転角度検出センサは、パターンコイル３１，３２，３３，３４のそれぞれに５００ｋＨｚ乃至５ＭＨｚの範囲で信号電流を印加することによって、導体パターン２１に渦電流を発生させ、その渦電流損失によってそれぞれのパターンコイルに生じるインダクタンスの相対的な変化を、角度情報に変換して角度を検出するという原理を有している。
従って、パターンコイル３１，３２，３３，３４に電流を流して発生する磁束を、なるべく多く導体パターン２１に作用させるために、センサ本体２２の箱を構成する部材には、非磁性で非導電性である材料を用いることが望ましい。

センサ本体２２の４つのパターンコイル３１，３２，３３，３４は、パターンコイル３１，３３を有する第１のセンサシステム２２ａと、パターンコイル３２，３４を有する第２のセンサシステム２２ｂとを構成する。
そして、図示しないが、例えば、第１のセンサシステム２２ａの２つのパターンコイル３１，３３を並列に接続し、第２のセンサシステム２２ｂの２つのパターンコイル３２，３４を並列に接続し、これらのそれぞれのセンサシステム２２ａ，２２ｂから検出信号を得るように回路を構成する。

さらに、各センサシステム２２ａ，２２ｂから得た検出信号を処理する信号処理回路を設けて、この信号処理回路から電圧信号を得るように構成することが好ましい。

なお、パターンコイル３１，３２，３３，３４は、センサ本体２２の箱の外面に露出状態で配置することも可能である。
また、センサ本体２２の箱の内部を、非磁性の充填材で満たして、パターンコイル３１，３２，３３，３４や回路を構成する回路部品を、充填材に埋め込むことも可能である。

さらにまた、図３では、パターンコイル３１，３２，３３，３４を１層のコイルで形成した場合を示しているが、２層以上のコイルを電気的に接続して、パターンコイルを構成しても構わない。

次に、図１の実施の形態における、パターンコイル３１，３２，３３，３４と導体パターン２１との対向配置状態を、図４に示す。
それぞれのパターンコイル３１，３２，３３，３４は、導体パターン２１の幅の周期的な変化の１／４周期（位相差９０°）の間隔で配置されている。
これにより、第１のセンサシステム２２ａの各パターンコイル３１，３３に対して、第２のセンサシステム２２ｂのパターンコイル３２，３４が、９０°の角度変位をもって配置されている。

そして、第１のセンサシステム２２ａのパターンコイル３１，３３と、第２のセンサシステム２２ｂのパターンコイル３２，３４とは、それらの各対パターンコイル（３１と３３、３２と３４）が１８０°の位相角度オフセットを形成している。
これにより、センサシステム２２ａ，２２ｂの各対に、差分信号を発生させることができる。この差分信号を利用して、回転子１４の絶対位置を検出することができる。また、導体パターン２１の移動方向、即ち回転子１４の回転方向（右回り、或いは左回り）を検出することも、可能である。

また、パターンコイル３１，３２，３３，３４の空芯部の長手寸法Ｌは、導体パターン２１の最大幅寸法Ｗｍａｘよりも大きく形成されている。このような寸法関係とすることによって、パターンコイル３１，３２，３３，３４から磁束を発生させたときに、導体パターン２１に生じる渦電流の発生度合いを高めることができるため、検出精度の向上を図ることができる。

図４に示した配置状態の全体を、図５に示す。
導体パターン２１は、回転子１４の１周に対して、１０周期のパターン（１周期が３６°）に形成されている。センサ本体２２の箱は導体パターン２１の約３周期に対応する大きさであり、箱の約半分内に４つのパターンコイル３１，３２，３３，３４が設けられている。

センサ本体２２は、取り付け穴２４と板状の部材２３の部分を含めても、回転子１４の全周の１／４程度を占める程度であり、図８Ｂに示したレゾルバよりも、占有面積が大幅に小さくなる。

図１の導体パターン２１の詳細を、図６の平面図に示す。
図６に示すように、導体パターン２１は、回転子１４が回転すると、特定の位置において幅が周期的に増減する。
この図６においては、導体パターン２１の幅の周期的な変化の１相分の範囲も示している。

なお、導体パターンの形状は、図６に示した正弦波状の曲線に限定されるものではなく、菱形や三角形のような直線的に変化する形状としてもよい。
また、図６のように連続的に幅が変化する構成の他に、段階的に幅が変化する構成としてもよい。

導体パターンの周期の数は、図６に示した１０周期に限定されるものではなく、回転子の大きさや、整流制御のための条件等を考慮して、適切な数の周期とする。

上述の本実施の形態のブラシレスモータ１０によれば、モータの回転子１４の表面に、幅が周期的に変化する導体パターン２１を形成し、この導体パターン２１に対向して、４つのパターンコイル３１，３２，３３，３４を配置したセンサ本体２２を設けている。これにより、極めて容易にモータの回転子１４の回転角度、即ちモータ１０のオリジナルの回転角度を検出することができる。
従って、遊星ギアから成る減速ギア１９があっても、問題なくモータ１０のオリジナルの回転角度を検出し、その角度情報をモータの電流制御にフィードバックさせ、高精度のモータ駆動を実現することができる。

また、本実施の形態のブラシレスモータ１０によれば、極めて薄い導体から成る導体パターン２１と、基板３０上に形成したパターンコイル３１，３２，３３，３４を有する比較的薄い箱から成るセンサ本体２２とから、回転角度検出センサを構成している。これにより、図８に示したレゾルバから成る回転角度検出センサと比較して、回転角度検出センサが占める空間を大幅に低減することができる。
従って、回転角度検出センサを有するブラシレスモータの小型化や軽量化が可能になる。

加えて、センサ本体２２の取り付けも、センサ本体の取り付け座面（図１Ａに示す部材２５）のみ確保すれば十分であり、モータの外周全体にわたる加工は必要としない。
そして、回転子１４において、回転軸と直交する表面に直接導体パターン２１を形成するので、導体パターン２１を回転子１４に対して精度良く形成することが容易にできる。

さらにまた、導体パターン２１に渦電流を発生させるために、パターンコイル３１，３２，３３，３４に印加される信号電流の周波数は、モータの駆動周波数に対して充分に高く設定されていることから、パターンコイルの芯部に、インダクタンスの値を増大させるための磁性体や鉄芯を配置する必要がなく、モータの軽量化が実現できる。
加えて、本発明のモータに備えられた回転角度検出センサは、従来のレゾルバが必要としていた磁性体や鉄心を用いない構成であるために、モータから外乱磁気が、角度検出制度に対して与える影響が小さい、という格別の効果を得ることができ、結果として、高精度の検出及びモータの駆動電流制御を実現できる。

なお、モータを駆動するための駆動回路は、モータの内部に設けても、外部に設けても、いずれでも構わない。

ところで、モータを含む駆動部を、車両（例えば、原動機付自転車）の車輪に組み込むことも考えられる。
上述の実施の形態の構成のような、本発明のモータを採用することにより、モータを含む駆動部を車輪に組み込む場合においても、車輪の幅が広くならなくて済む、という利点がある。

上述の実施の形態では、センサ本体２２のパターンコイル３１，３２，３３，３４を、２対４個形成していたが、コイルの個数は２対４個に限定されるものではない。
最低限１対２個のコイルがあれば、回転子の回転角度を精度良く検出することが可能である。また、センサ本体の占有する空間が大きくならない範囲で、コイルの個数を増やすことも可能である。
例えば、上述の実施の形態のセンサ本体２２は導体パターン２１の３周期分の大きさを有するので、コイルを４対８個形成することも可能である。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

Ａ、Ｂ 本発明の一実施の形態のセンサを備えたモータの概略構成図である。 Ａ、Ｂ 図１のセンサ本体の概略構成図である。 図１及び図２のセンサの詳細な構成を示す図である。 図１の実施の形態における、パターンコイルと導体パターンとの対向配置状態を示す図である。 図４に示した配置状態の全体を示す図である。 図１の導体パターンの詳細を示す平面図である。 Ａ〜Ｃ 減速ギアを有するブラシレスモータの概略構成図である。 Ａ、Ｂ 図７Ａ〜図７Ｃに示した構成のブラシレスモータに、レゾルバを適用した構成の概略構成図である。

符号の説明

１０ ブラシレスモータ、１１ 基板、１３ コイル（固定子）、１４ 回転子、１５ 磁石、１６ 回転軸、１９ 減速ギア（遊星ギア）、２１ 導体パターン、２２ センサ本体、３０ 基板、３１，３２，３３，３４ パターンコイル

Claims (2)

1. モータの回転体と回転軸との間に、遊星ギアから成る減速ギアが設けられ、
   前記モータの前記回転体において、前記回転軸と直交する表面に、幅が周期的に変化する導体パターンが形成され、
   前記導体パターンに対向して、回転角度検出センサが設けられている
   ことを特徴とするモータ。
2. 前記回転角度検出センサが、前記導体パターンの幅の周期に対応する間隔で形成された複数のパターンコイルを有して成ることを特徴とする請求項１に記載のモータ。

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