JP2009130969A - 扁平形ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】通電時のトルク性能を悪化させずにデッドポイントの回避を確実に実現できる扁平形ブラシレスモータの提供。
【解決手段】扁平形ブラシレスモータは、支軸３０の周りに駆動コイル４２〜４５及び磁極検出素子を搭載したステータ磁性板１０と、円弧角６０°の扇状磁極面でＮ極とＳ極を周回方向に交互に持つ円環状マグネット５０をステータ磁性板１０に面対向で配置し、支軸３０に対し回転自在に支持されたロータ１００とを備え、ステータ磁性板１０のうち円環状マグネット５０に面対向する領域において、検出基準線ｍ１及び分割線ｍ２，ｍ３を除く位置に孔中心Ｃ_１〜Ｃ_３を持つコギングトルク発生用丸孔ｈ_１〜ｈ_３を備えており、孔縁Ｆ_１〜Ｆ_３が円環状マグネット５０の外周側縁５０ｂよりも内側に形成されている。
【選択図】 図６

Description

本発明は、携帯電話機などに搭載する扁平形振動モータに適用可能な扁平形ブラシレスモータに関する。

特開平５−１４６１３４に開示の扁平形ブラシレスモータにおいては、図１１に示す如く、４磁極を有する円環状磁石１と、これと対向して設けられて円環状磁石１のヨークとしても機能する磁性材プレート２と、このプレート２上に搭載されてロータ磁極の回転位置を検出するホール素子３及び通電時にロータ磁極に回転力を与える２個の駆動コイル４と、磁性材プレート２の外周縁においてホール素子３の位置及びこれを基準に９０°で等分割された位置を除く位置に形成された切り欠き部５とを有している。ロータ磁極が仮に駆動コイル４の真上で停止した場合、即ち、扇状の磁極面間の磁極境界線（磁気中性点）Ｌがホール素子３の真上で停止した場合は自起動が不可能なデッドポイントとなるが、ロータが停止する際は、磁極境界線Ｌがコギングトルクを発生する切り欠き部５の切り欠き中心線（対称軸）Ｏ上で停止するため、ホール素子３の真上には磁極面が位置することになるので、ホール素子３の磁極検出が可能となり、再通電によりロータを順方向に自起動でき、デッドポイントを回避できる。

なお、ホール素子３の位置から切り欠き中心線Ｏまでのズレ角θは切り欠き占有角度φの半分よりも２倍以上大きくなっている。
特開平５−１４６１３４（図３、図４）

しかしながら、上記のデッドポイントの回避技術にあっては次のような問題点がある。即ち、ロータが停止する直前、磁極境界線Ｌが切り欠き部５の上に来た状態では、切り欠き部５の縁に集中する磁力線の磁気吸引力が丁度釣り合うようになるまで磁極境界線Ｌが動き、磁極境界線Ｌが切り欠き部５の切り欠き中心線Ｏ上にほぼ整合して停止するものの、ロータが停止する直前、扇状の磁極面の主要磁気である中央部分が切り欠き部５の上に来た状態では、磁極境界線Ｌがホール素子３のほぼ真上でたまたま停止してしまう場合もあり、デッドポイントの回避策が確率論的になお不十分である。特に、この扁平形ブラシレスモータをロータに偏心錘を設けた扁平形振動モータとして利用する携帯電話機においては、停止時におけるモータ姿勢に伴う偏心錘の重力方向如何によって、磁極境界線Ｌが切り欠き部５の上に至らないことがまま起る。

図１２は磁極境界線Ｌが切り欠き部５の真上で停止した状態を示す部分平面図である。この切り欠き部５は扇状であるが、磁極（例えばＮ極）面上の点Ｐ_１から出た磁力線は切り欠き部５の径線縁５ａ上の最短点Ｑ_１に平面視で弦経路Ｗ_１として到達してから磁性材プレート２内を通るため、有効なコギングトルク成分の発生に寄与しているものの、他方、磁極面上の点Ｐ_２から出た磁力線の方は切り欠き部５の径線縁５ａ上の最短点Ｑ_２に平面視で弦経路Ｗ_２として到達する場合と切り欠き部５の弦線縁５ｂ上の最短点Ｒ_２に平面視で径線経路Ｗ_３として到達する場合とが存在する。この事情は上記点と左右対称なＳ極上の点でも同様である。このため、扇状の切り欠き部５のうち、平面視で径線経路が弦経路よりも概ね短い領域Ｅでは磁力線が弦線縁５ｂへ飛ぶだけになるので、この領域Ｅはコギングトルクの発生に実質上寄与していない。

ここで、コギングトルクの発生を強めるため、切り欠き部５を中心側へより深く形成して径線縁５ａを長くすることが考えられる。しかしながら、切り欠き面積の拡大はさほどではなく、また磁極境界線Ｌの近傍部分では起磁力が弱く、しかも中心側の弦経路を介する磁力線が多少増えても、トルク発生の要因である腕の長さが短くなる分、コギングトルクの増強には殆ど結び付かない。他方、切り欠き部５を円弧方向に幅広に形成し、切り欠き占有角度φを大きくした場合でも、コギングトルクの発生に寄与しない領域Ｅが依然と存在し、また漏洩磁束も多くなる分、通電時のトルク性能が悪化する。従って、扇状の切り欠き部５ではその空部の広さを拡大しても、コギングトルクを増強することが困難である。

そこで上記問題点に鑑み、本発明の課題は通電時のトルク性能を悪化させずにデッドポイントの回避を確実に実現できる扁平形ブラシレスモータを提供することにある。

本発明に係る扁平形ブラシレスモータは、ｎを自然数とし、支軸の周りに並んで回転磁界を発生する複数の駆動コイル及び磁極検出素子を搭載したステータ磁性板と、円弧角１８０°／ｎの扇状磁極面でＮ極とＳ極を周回方向に交互に持つ円環状磁石をステータ磁性板に面対向で配置し、支軸に対し回転自在に支持されたロータとを備える。ステータ磁性板のうち円環状磁石に面対向する領域において、ロータの回転中心を通る孔中心線に関し左右対称の平面形状であって、磁極検出素子の位置及びこれを基準に１８０°／ｎで等分割した位置を除く位置に孔中心線を持つコギングトルク発生用孔を備えており、回転中心からコギングトルク発生用孔の孔縁に接する一対の接線の成す孔占有角度（α）が１８０°／ｎ以下であり、孔縁が円環状磁石の外周縁よりも内側に形成されている。

本発明は、第１に、ステータ磁性板のうち円環状磁石に面対向する領域において、ステータ磁性板の外周側に切り欠き部が形成されているのではなく、ステータ磁性板の地板で取り囲まれた孔縁のあるコギングトルク発生用孔が形成され、反回転中心側の外側孔縁を有しているため、ロータの停止時にＮ極とＳ極間の磁極境界線がコギングトルク発生用孔の孔中心線の上に合致した状態では、磁極面に由来する磁力線の一部は外側孔縁の最短点に到達できるので、コギングトルクの発生が増強する。このため、コギングトルク発生用孔を拡大して孔占有角度（α）を１８０°／ｎの近くまで大きく設定すると、有効なコギングトルクを得ることができる。扇状磁極面がコギングトルク発生用孔を完全に覆った状態では、扇状磁極面のうち磁力が一番強い中央部分がコギングトルク発生用孔の中心付近に重なり、コギングトルクが極大となるものであるが、コギングトルク発生用孔を大きく形成し、その孔の両側で扇状磁性面に重なる地板部分を幅狭にすることができるため、コギングトルク極大付近がロータの僅少な回転角に対して急峻に大きく変化し、極大点として先鋭化でき、それ故、ロータの思案を有効に排除できる。このため、デッドポイントの回避を確実に実現できる。

第２に、孔縁が円環状磁石の外周縁よりも内側に形成されていることを特徴とする。円環状磁石の外周面から出る磁力線も反回転中心側の外側孔縁に集中するため、磁束漏洩を抑制でき、通電時のトルク性能の悪化を招かずに済む。

なお、駆動コイルや磁極検出素子の下にコギングトルク発生用孔を大きく形成した場合でも、非通電時にコギングトルクが発生するので構わない。スペース効率を高めることができる。

回転中心周りの角度で磁極検出素子の位置とこれから一番近いコギングトルク発生用孔の孔中心線とが成すズレ角（β）は孔占有角度（α）の半分以下であることが望ましい。ロータ停止の際は、磁極境界線が孔縁の一方の接線に重なった状態から孔中心線に重なって止まるため、孔占有角度（α）の半分の間はロータがコギングトルクで確実に回される。それ故、孔占有角度（α）の半分の間にズレ角（β）が収まっているので、磁極境界線は磁極検出素子の位置で停止することがない。なお、１８０°／ｎ−α＜βでもある。

ここで更に、磁極面のうちコギングトルク発生用孔内に収まる点からの磁力線が孔縁の１点のみの最短点に到達するようにするのは、孔縁が回転中心側の内側円弧縁と反回転中心側の外側円弧縁とを含むことが望ましく、同半径の内側円弧縁と外側円弧縁とを直接接続した円周縁でも、同半径の内側円弧縁と外側円弧縁とを直線縁で接続した長円状縁でも、小半径の内側円弧縁と大半径の外側円弧縁とを直線縁で接続した扇状縁でも良い。コギングトルク発生用孔内の各点に基づく磁気吸引力の磁極境界線の法線方向成分がコギングトルクの発生に確実に寄与し、コギングトルクの発生に寄与しない領域を殆ど無くすことができ、コギングトルクを増強できる。

ステータ磁性板においてコギングトルク発生用孔が１箇所だけであると、コギングトルクがなおも不足する場合もあり、また１磁極だけが過度に偏って磁気吸引されるため、通電時に回転するロータにとってはアンバランスになる。特に、ロータが偏心錘を持つ場合には面ブレのおそれが増す。そこで、ステータ磁性板は回転中心に関し３６０°／ｎの回転対称の位置毎に孔中心線を持つ同形ｎ個のコギングトルク発生用孔を備えることが望ましい。１つおきの磁極にコギングトルクがバランス良く発生し、またコギングトルクの増強に繋がる。

ｎ＝１の場合は、円弧角は１８０°の扇状磁極面を持つ円環状磁石となるため、孔占有角度（α）をこの円弧角に近づけて設定するには小型化の上で困難となる。ｎ＝２の場合の円弧角は９０°で、孔占有角度（α）を円弧角９０°にまで原理的に設定できるが、コギングトルクによる脈動周期がまだ長い。ｎ＝３の場合の円弧角は６０°で、孔占有角度（α）を円弧角６０°にまで原理的に設定できる。なお、ｎが４以上の場合も同様に原理的に設定できるが、ズレ角度（β）が僅少になるため、磁極検出素子の位置が磁極境界線の近傍になって磁気が弱くなる。衝撃等により磁極境界線が孔中心の正逆方向に微振動しただけでも、ロータが誤って逆方向に自起動されるおそれも起こり得る。ｎ＝３の場合が最も望ましい。

ロータが偏心錘を有して成る場合は、扁平形振動モータとして用いるに好適である。上記のようにデッドポイントの回避に有効であるばかりか、停止時にはロータの慣性動が強いものの、強力なコギングトルクの発生により制動作用が働き、慣性回転の持続時間を短縮できる。

本発明の扁平形ブラシレスモータによれば、通電時のトルク性能を悪化させずにデッドポイントの回避を確実に実現できる。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施例に係る扁平形振動モータを示す斜視図、図２は同扁平形振動モータの組立斜視図、図３は同扁平形振動モータにおけるステータ磁性板を示す平面図、図４は同ステータ磁性板の斜視図、図５は同ステータ磁性板に給電用フレキシブル基板を重ねた状態を示す平面図である。

本例の扁平形（コイン形）振動モータはブラシレスモータであり、シャフト受け１１を持ちヨークとして機能するステータ磁性板１０と、シャフト受け１１の上にワッシャー２０を重ねて一端を圧入した支軸３０と、ステータ磁性板１０上に熱溶着されており、中央孔４１を有しこの周りに４個の駆動用の空心扁平コイル４２〜４５，ホール素子（図示せず）を内蔵するスイッチング用集積回路４６及びコンデンサ４７を並べて搭載した給電用フレキシブル基板４０と、円弧角６０°の扇状磁極面でＮ極とＳ極を周回方向に交互に持つ円環状マグネット５０を下面側に、円弧状の偏心錘６０を外周縁に、中央部にラジアル軸受７０をそれぞれ持ち、支軸３０に回転自在に支持されたロータ板８０と、支軸３０の他端に圧入固定されてステータ磁性板１０に下端が固定したヨークとしての磁性材のカバー９０とを備えている。ロータ板８０と円環状ロータマグネット５０とがステータ磁性板１０に面対応するロータ１００を構成している。

給電用フレキシブル基板４０は外部にリード線（図示せず）を半田接続する給電パターン（図示せず）を持つ突片部４８を有し、コンデンサ４７，スイッチング用集積回路４６及び空心扁平コイル４２〜４５の端子を接続するための所定の回路配線（図示せず）が形成されている。

ステータ磁性板１０は鉄製などの磁性（強磁性）板をプレス成形した平板であって、扁平形振動モータの底板を形成するための略円形のベース板部１２と、その外周側の一部から突出して給電用フレキシブル基板４０の突片部４８を受ける端子受け板部１３とを一体的に有している。このステータ磁性板１０には、シャフト受け１１の中心（ロータ１００の回転中心）Ｃに関して１２０°の回転対称の位置に孔中心Ｃ_１〜Ｃ_３を持つ同形３個のコギングトルク発生用丸孔ｈ_１〜ｈ_３が形成されている。この丸孔ｈ_１〜ｈ_３は真円で円周孔縁Ｆ_１〜Ｆ_３を有する。中心Ｃからコギングトルク発生用丸孔ｈ_１〜ｈ_３の孔縁Ｆ_１〜Ｆ_３に接する一対の接線Ｓ_１，Ｓ_２の成す孔占有角度αは扇状磁極面の円弧角６０°以下の約５０°である。

このステータ磁性板１０に支軸３０を植立し、その上に給電用フレキシブル基板４０を正しく重ね合わせ熱溶着した状態は、図５に示す如く、検出基準線ｍ_１はスイッチング用集積回路４６が内蔵するホール素子（図示せず）の磁気検出位置を通っており、この検出基準線ｍ_１と一番近いコギングトルク発生用丸孔ｈ_１の孔中心Ｃ_１とが成すズレ角βは１５°であり、このズレ角βは孔占有角度αの半分以下である。このため、スイッチング用集積回路４６の下にコギングトルク発生用丸孔ｈ_１があり、また、空心扁平コイル４２，４３の下にコギングトルク発生用丸孔ｈ_２があり、空心扁平コイル４４，４５の下にコギングトルク発生用丸孔ｈ_３があるが、この検出基準線ｍ_１を基準に３等分割した分割線ｍ_２，ｍ_３には孔中心Ｃ_２，Ｃ_３に重なっておらず、同様にズレ角βだけ離れている。コギングトルク発生用丸孔ｈ_１〜ｈ_３は給電用フレキシブル基板４０に覆われて塞がれている。

そして、ロータ１００を支軸３０に取着した状態においてロータ板８０及び給電用フレキシブル基板４０を除き円環状マグネット５０とステータ磁性板１０と空心扁平コイル４２〜４５との位置関係を図６乃至図８に示す。図６は、実際には起こりえないが、円環状マグネット５０の磁極面が空心扁平コイル４２〜４５の真上で、磁気境界線Ｌが検出基準線ｍ_１又は分割線ｍ_２，ｍ_３の上に重なって停止したデッドポイント状態を示す。コギングトルク発生用丸孔ｈ_１〜ｈ_３の孔縁Ｆ_１〜Ｆ_３うち回転中心側の縁部分ｆ_１〜ｆ_３は円環状マグネット５０の内周側縁５０ａから内側へ若干はみ出ているが、孔縁Ｆ_１〜Ｆ_３の全体配置は円環状マグネット５０の外周側縁５０ｂから内側に位置している。

図７は、円環状マグネット５０がデットポイントでの停止を回避した実際の停止位置を示し、丸孔ｈ_１〜ｈ_３によるコギングトルク発生で磁気境界線Ｌが孔中心Ｃ_１〜Ｃ_３に重なった状態である。斯かる状態では、図９に示す如く、磁極（例えばＮ極）面上の点Ｐ_１〜Ｐ_３のいずれから出た磁力線も半径経路を経て孔縁Ｆ_１の唯一の最短点Ｔ_１〜Ｔ_３に到達し、ステータ磁性板１０内を通過する。コギングトルク発生用丸孔ｈ_１〜ｈ_３内の各点に基づく磁気吸引力の磁極境界線Ｌの法線方向成分がコギングトルクの発生に確実に寄与し、コギングトルクの発生に寄与しない領域を殆ど無くすことができ、コギングトルクを増強できる。

円環状マグネット５０の停止の際は、磁極境界線Ｌが孔縁Ｆ_１〜Ｆ_３の一方の接線Ｓ_１，Ｓ_２に重なった状態から孔中心Ｃ_１〜Ｃ_３に重なって止まるため、孔占有角度（α）の半分の間は円環状マグネット５０がコギングトルクで確実に回される。それ故、孔占有角度（α）の半分の間にズレ角βが収まっているので、磁極境界線Ｌは検出基準線ｍ_１又は分割線ｍ_２，ｍ_３の上で停止することがない。

孔縁Ｆ_１〜Ｆ_３が円環状マグネット５０の外周側縁５０ｂよりも内側に形成されている。このため、円環状マグネット５０の外周面から出る磁力線も孔縁Ｆ_１〜Ｆ_３のうち反回転中心側の外側孔縁に集中するので、磁束漏洩を抑制でき、通電時のトルク性能の悪化を招かずに済む。

図８は扇状磁極面がコギングトルク発生用丸孔ｈ_１〜ｈ_３を完全に覆った状態を示す。この状態は扇状磁極面の磁力が大勢の中央と孔中心とが重なるときであり、コギングトルクが極大となるものであるが、コギングトルク発生用丸孔ｈ_１〜ｈ_３を大きく形成し、孔占有角度αを大きく設定できているため、扇状磁極面に重なるステータ磁性板１０の地板部分（接線Ｓ_１，Ｓ_２と磁極境界線Ｌとが成す角度γ内の範囲）が５°程度の幅狭に限定されているので、コギングトルク極大付近がロータ１００の僅少な回転角に対して急峻に大きく変化し、極大点として先鋭化でき、それ故、ロータの思案を有効に排除できる。孔占有角度αを大きく設定できているため、この位置での円環状マグネット５０の思案点を有効的に排除できる。このため、デッドポイントの回避を確実に実現できる。ここで、２γ＜βの関係が成立している。

なお、コギングトルク発生用の孔の孔形状は丸孔に限らず、図１０（Ａ）に示す如く、中心Ｃを通る孔中心線（対称軸）Ｘに関して左右対称形状であって、同半径の内側円弧縁Ｄ_１と外側円弧縁Ｄ_２とを接線としての直線縁Ｇ_１，Ｇ_２で接続した長円状縁でも、また図１０（Ｂ）に示す如く、小半径の内側円弧縁ｄ_１と大半径の外側円弧縁Ｄ_２とを接線としての径線縁（直線縁）Ｇ_１′，Ｇ_２′で接続した扇状縁で構わない。

本発明の実施例に係る扁平形振動モータを示す斜視図である。 同扁平形振動モータの組立斜視図である。 同扁平形振動モータにおけるステータ磁性板を示す平面図である。 同ステータ磁性板の斜視図である。 同ステータ磁性板に給電用フレキシブル基板を重ねた状態を示す平面図である。 同扁平形振動モータにおけるロータのデッドポイントを示す平面図である。 同扁平形振動モータにおけるロータの停止位置を示す平面図である。 同扁平形振動モータにおけるロータの磁極がコギングトルク発生用丸孔を覆う状態を示す平面図である。 同ロータの停止位置においてコギングトルク発生用丸孔を拡大して示す部分平面図である。 同ステータ磁性板において別の孔形状のコギングトルク発生用孔を示す平面図である。 （Ａ）は従来の扁平形ブラシレスモータを示す平面図、（Ｂ）はその磁性材プレートの切り欠き部を示す拡大側面図である。 同扁平形ブラシレスモータにおいて切り欠き部を拡大して示す部分平面図である。

符号の説明

１…円環状磁石
２…磁性材プレート
３…ホール素子
４…駆動コイル
５…切り欠き部
５ａ…径線縁
５ｂ…弦線縁
１０…ステータ磁性板
１１…シャフト受け
１２…ベース板部
１３…端子受け板部
２０…ワッシャー
３０…支軸
４０…給電用フレキシブル基板
４１…中央孔
４２〜４５…空心扁平コイル
４６…スイッチング用集積回路
４７…コンデンサ
４８…突片部
５０…円環状マグネット
５０ａ…内周側縁
５０ｂ…外周側縁
６０…偏心錘
７０…ラジアル軸受
８０…ロータ板
９０…カバー
１００…ロータ
Ｃ…回転中心
Ｃ_１〜Ｃ_３…孔中心
Ｄ_１，ｄ_１…内側円弧縁
Ｄ_２…外側円弧縁
Ｅ…コギングトルク発生に寄与しない領域
Ｆ_１〜Ｆ_３…孔縁
ｆ_１〜ｆ_３…縁部分
Ｇ_１，Ｇ_２…直線縁
Ｇ_１′，Ｇ_２′…径線縁
ｈ_１〜ｈ_３…コギングトルク発生用丸孔
Ｌ…磁極境界線（磁気中性点）
ｍ_１…検出基準線
ｍ_２，ｍ_３…分割線
Ｏ…切り欠き中心線（対称軸）
Ｐ_１〜Ｐ_３…磁極面上の点
Ｑ_１，Ｑ_２，Ｒ_２，Ｔ_１〜Ｔ_３…最短点
Ｓ_１，Ｓ_２…接線
Ｗ_１，Ｗ_２…弦経路
Ｗ_３…径線経路
Ｘ…孔中心線（対称軸）
α…孔占有角度
β，θ…ズレ角
φ…切り欠き占有角度
γ…接線と磁極境界線とが成す角度

Claims (8)

1. ｎを自然数とし、支軸の周りに並んで回転磁界を発生する複数の駆動コイル及び磁極検出素子を搭載したステータ磁性板と、円弧角１８０°／ｎの扇状磁極面でＮ極とＳ極を周回方向に交互に持つ円環状磁石を前記ステータ磁性板に面対向で配置し、前記支軸に対し回転自在に支持されたロータとを備えた扁平形ブラシレスモータにおいて、
   ステータ磁性板のうち前記円環状磁石に面対向する領域において、前記ロータの回転中心を通る孔中心線に関し左右対称の平面形状であって、前記磁極検出素子の位置及びこれを基準に１８０°／ｎで等分割した位置を除く位置に前記孔中心線を持つコギングトルク発生用孔を備えており、前記回転中心から前記コギングトルク発生用孔の孔縁に接する一対の接線の成す孔占有角度（α）が１８０°／ｎ以下であり、前記孔縁が前記円環状磁石の外周縁よりも内側に形成されていることを特徴とする扁平形ブラシレスモータ。
2. 請求項１に記載の扁平形ブラシレスモータにおいて、前記回転中心周りの角度で前記磁極検出素子の位置とこれから一番近い前記コギングトルク発生用孔の前記孔中心線とが成すズレ角（β）は前記孔占有角度（α）の半分以下であることを特徴とする扁平形ブラシレスモータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の扁平形ブラシレスモータにおいて、前記孔縁は前記回転中心側の内側円弧縁と反回転中心側の外側円弧縁とを含むことを特徴とする扁平形ブラシレスモータ。
4. 請求項３に記載の扁平形ブラシレスモータにおいて、前記孔縁は円周縁であることを特徴とする扁平形ブラシレスモータ。
5. 請求項３に記載の扁平形ブラシレスモータにおいて、前記内側円弧縁と前記外側円弧縁とが直線縁で接続されていることを特徴とする扁平形ブラシレスモータ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の扁平形ブラシレスモータにおいて、前記ステータ磁性板は、前記回転中心に関し３６０°／ｎの回転対称の位置毎に前記孔中心線を持つ同形ｎ個の前記コギングトルク発生用孔を備えていることを特徴とする扁平形ブラシレスモータ。
7. 請求項６に記載の扁平形ブラシレスモータにおいて、ｎ＝３であることを特徴とする扁平形ブラシレスモータ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に規定する扁平形ブラシレスモータにおいて、前記ロータが偏心錘を有して成ることを特徴とする扁平形振動モータ。

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