JP2009142099A - ポンプ用ｄｃモータ - Google Patents

Abstract

【目的】設計の際に定めたホールＩＣ（磁電変換素子）の最適位置と現物でのホールＩＣの最適位置が異なっていたとしても、回路基板の配線を修正することなく、最高効率点を追求できるホールＩＣの取付構造にできること。
【構成】 マグネットロータ１に対して磁力を読み取る磁電変換素子２を設けたポンプ用ＤＣモータにおいて、円形孔４１が所定位置に穿孔された回路基板４と、前記磁電変換素子２を収納した素子ソケット３とを備えてなること。該素子ソケット３の脚部３２の端に形成された係止部３３が前記円形孔４１の周縁部に係合されていること。前記素子ソケット３及び前記磁電変換素子２は前記回路基板４に対して角度調整可能に構成されてなること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、設計の際に定めたホールＩＣ（磁電変換素子）の最適位置と現物でのホールＩＣの最適位置が異なっていたとしても、回路基板の配線を修正することなく、最高効率点を追求できるホールＩＣの取付構造を有するポンプ用ＤＣモータに関する。

近年、省エネ、低燃費、地球環境への配慮などからハイブリッド車やアイドリングストップ車が普及してきている。このような車ではエンジン停止時はメインの機械式ウォーターポンプも停止してしまうため、それを補うために別途電動ウォーターポンプも取り付けられている。

現在は、モータ部分とウォーターポンプ部分が別部材となっているいわゆる別体型電動ウォーターポンプが主流であるが、更なる軽量化、省スペース化を図るため、モータ機能を果たす部材とウォーターポンプ機能を果たす部材が一体となったいわゆる一体型電動ウォーターポンプも使われ始めている。

一体型電動ウォーターポンプでは電磁石とそれに対応するインペラに一体化された永久磁石との吸引反発力によりインペラは回転する。このとき、インペラを滑らかに回転させ続けるためにはインペラに一体化されている永久磁石の磁極の位相を読み取って、それに対応した磁極を電磁石に発生させ続ける必要がある。

インペラに一体化されている永久磁石の磁極の位相を読み取るセンサーとしては、磁電変換素子としてのホール素子（主にホールＩＣ）が広く使われている。該ホールＩＣにより永久磁石（マグネットロータ）の磁極（つまりはロータの位相）を検出し、その出力信号に基づいてステータコイルに通電することでマグネットロータの回転を制御する。車両用一体型電動ウォーターポンプにおいて前記ホールＩＣの取付け方については、特許文献１及び２に開示されている。該特許文献１及び２には、車両用一体型電動ウォーターポンプにおいて、一般的にホールＩＣは回路基板上（電動ウォーターポンプの制御基板上）に配置されている。前記ホールＩＣとは垂直方向からの磁力を読み取るものである。

回路基板上に実際にどのようにホールＩＣを配置するのかについては特許文献３に開示されている。回路基板にホールＩＣの端子用の孔を設け、そこにホールＩＣを挿し込み、半田付けすることによりホールＩＣは回路基板上に固定されている。上記構造によりインペラに一体化された永久磁石の磁極の位相をホールＩＣで読み取り、それに対応した磁気吸引反発力が発生するように電磁石の磁極を入れ替えていくことで、インペラを回転させている。
特開２００１−３１７４８２ 特開２００５−３２３４５２ 実開平６−８６３５０

その特許文献３では、次のような課題が存在する。電磁石とインペラの永久磁石間の効率について考えると最も磁気吸引反発力が大きくなるような位相で電磁石の磁極を入れ替えていくのが最も効率は良くなる。但し、これには課題があり、永久磁石の磁束密度の設計値と現物の磁束密度には特性のバラツキによる差異があるため、ホールＩＣの最も適切な磁石までの距離は設計段階とは異なった位置となっている。また、ホールＩＣ自体も生産バラツキや温度により感度が変化し、設計時に基準にしたホールＩＣ感度と現物でのホールＩＣ感度も異なっている。

ホールＩＣの取り付け位置は設計段階で最も適切な位置に配置するものの、現物では上記理由により最適なホールＩＣの位置は設計したときとは異なった位置となっていた。そのため特許文献１乃至３でのホールＩＣの取付け方では電磁石とインペラの永久磁石間の効率について最高効率点を追求することができない最大の課題があった。開発の最終段階で現物の磁束密度や感度を測定し、最適なホールＩＣの位置を決定するという方法が存在するが、ホールＩＣの位置をずらすということは回路の配線を変更するということであり、開発の最終段階で回路の配線を変更するのは、極力避けたい。

以上のように、一体型電動ウォーターポンプでのモータの効率は、マグネットロータの位相に対するステータコイルの通電タイミングにより変化し、最高効率となる位置にホールＩＣを設置したいものであるが、現実には、ホールＩＣの取付位置は、ステータコイルと回路基板の組み付け精度や回路基板へのホールＩＣの実装精度によりばらつき、開発の最終段階で回路基板の配線の変更はしていない。その結果、モータの効率が低下する場合が多い。

このため、本発明が解決しようとする課題（技術的課題又は目的等）は、設計する際に定めたホールＩＣの最適位置と現物でのホールＩＣの最適位置が異なっていたとしても、回路の配線を修正することなく、最高効率点を追求できるホールＩＣの取付構造を有するポンプ用ＤＣモータを提供するものである。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、
マグネットロータに対して磁力を読み取る磁電変換素子を設けたポンプ用ＤＣモータにおいて、円形孔が所定位置に穿孔された回路基板と、前記磁電変換素子を収納した素子ソケットとを備えてなり、該素子ソケットの脚部の端に形成された係止部が前記円形孔の周縁部に係合され、前記素子ソケット及び前記磁電変換素子は前記回路基板に対して角度調整可能に構成されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決した。

請求項２の発明を、前述の構成において、前記素子ソケットの脚部は弾性を有すると共に、前記脚部端の係止部は溝部として形成され、該溝部が前記円形孔の周縁部に係合されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決した。請求項３の発明を、前述の構成において、前記マグネットロータは、インナーマグネットとして構成されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決した。請求項４の発明を、前述の構成において、前記マグネットロータは、アウターマグネットとして構成されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決した。請求項５の発明を、前述の構成において、前記磁電変換素子は、ホールＩＣとして構成してなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータとしたことにより、前記課題を解決したものである。

請求項１の発明においては、ホールＩＣ等の磁電変換素子の取付け角度を変えるだけで、該磁電変換素子とマグネットロータとの間の距離（位置）を変えたのと同じ効果が得られ、磁電変換素子自体は同じ位置でも前記磁電変換素子の感度調節が可能となる。つまり、前記磁電変換素子の位置をずらすことなく、磁電変換素子の取付け角度を変えるだけで最高効率点となる磁電変換素子の取り付け角度を探すことができるという最大利点がある。以上のように、ホールＩＣ等の磁電変換素子の位置変更（角度変更含む）によって発生するはずだった回路配線の変更が発生せず、追加費用の発生無しに電磁石とインペラに一体化された永久磁石（マグネットロータ１）の磁気吸引反発力の最高効率点を探すことができる。以上のように、前記磁電変換素子の角度調整により、ステータコイルの通電タイミングを広範囲に調整することで、高効率のポンプ用ＤＣモータを提供できる。

また、請求項２の発明では、係止部は溝部として形成されているため、係止が確実で安定した取付ができる利点がある。請求項３の発明では、ポンプ構造が、中心側をインナーマグネットからなるマグネットロータからなるタイプに応用できるし、請求項４の発明では、外周側が、アウターマグネットからなるマグネットロータからなるタイプに応用でき、それぞれ請求項１と同等の効果を奏する。請求項５の発明では、特に、磁電変換素子をホールＩＣとして構成できるため、広く普及している安価な素子を利用できる。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。本発明は、一体型電動ウォーターポンプにおけるＤＣモータに関するものであり、特に、インナーマグネット１１又はアウターマグネット１２等のマグネットロータ１の磁極の検出位置調整を、磁電変換素子２としてのホール素子２１（主に、ホールＩＣ２２）のセット角度調整によりなし得ることを要旨とした構造である。まず、第１実施形態について図１乃至図４において説明する。その図１（Ａ）に示すように、前記マグネットロータ１がインナーマグネット１１の場合である。

該インナーマグネット１１は、回転軸５に軸支され、上部にインペラ６が一体化されている。また、前記インナーマグネット１１の外周には隔壁７を介してステータコイル８なる電磁石がケーシング９内に設けられている。つまり、一体型電動ウォーターポンプは、前記インナーマグネット１１とステータコイル８とからなるモータ部分と、回転軸５及びインペラ６からなるウォーターポンプ部分から構成されている。また、前記ステータコイル８に制御信号を通電するための回路基板４が設けられている。

前記ホールＩＣ２２を収納した素子ソケット３が回転できる（角度を変えられる）円形とした円形孔４１が、前記回路基板４の適宜な箇所に穿孔されている。前記ホールＩＣ２２には、リード線２２ｂ，２２ｂ，…が３本又は４本設けられ、且つ適宜の形状（形）にフォーミングされている。

前記素子ソケット３は、前記ホールＩＣ２２を収納する両側、上部、後部等が塞がったケース状をなす収納部３１と、両側と後部とから下方を向いて、弾性を有した板状片とした脚部３２，３２，…が設けられている。該脚部３２，３２，…の下方位置（下端位置）には、係止部３３が形成されている。該係止部３３には、前記回路基板４の厚みに相当する間隔の溝部３３ａが形成されている。

前記素子ソケット３の脚部３２，３２，…の下方側をすぼめて、その下端が前記回路基板４の円形孔４１内に挿入され、その後に、そのすぼませた脚部３２，３２，…を解除すると、その脚部３２，３２，…の下方の溝部３３ａ，３３ａ，…が、前記円形孔４１の周囲の基板部に嵌合される。この嵌合によって、円周方向に回転可能に構造されている。つまり、前記素子ソケット３を前記円形孔４１上で回転可能とすることで、前記素子ソケット３に収納されているホールＩＣ２２の正面部２２ａが角度調整可能に構成されている。

前記ホールＩＣ２２付き素子ソケット３が前記円形孔４１上で回転可能に設けられていることは、その位置は所望の位置であるとしても、結果的には、マグネットロータ１なるインナーマグネット１１の中心位置Ｏに対して、Ｙ軸方向の距離は、Ｈ_０、で、Ｘ軸方向の距離は、Ｍ_０となって、定点となっている（図１及び２参照）。また、前記ホールＩＣ２２のリード線２２ｂ，２２ｂ，…が３方向又は４方向別々に向けて適宜折り曲げられて、回路配線と半田付けされる。ホールＩＣ２２は回路上を覆う樹脂（封止材）が充填され、固まることにより固定される。また、図４（Ｄ）に示すように、符号４２は、前記回路基板４のパターン、４３はランドである。

次に、作用について図１及び２において述べる。前記ホールＩＣ２２がマグネットロータ１（インナーロータ１１）の磁束密度を読み取る距離を考えると、ホールＩＣ２２の正面部２２ａからの垂線を前記マグネットロータ１の中心方向に向けておくのが最もマグネットロータ１と前記ホールＩＣ２２間の距離は短く、Ｌmin.となっている〔図１（Ｂ）及び図２参照〕。

ところが、本発明のように、前記ホールＩＣ２２の正面部２２ａが角度調整可能であるため、前記ホールＩＣ２２からの垂線を測定するマグネットロータ１の中心からずらせばずらすほど〔図１（Ｂ）鎖線、図２鎖線参照〕、前記ホールＩＣ２２からの垂線とマグネットロータ１との間の距離は、Ｌ_０＝Ｌmin.＋αと長くなる。これは、前記ホールＩＣ２２は垂直方向の磁力を読み取るためである。つまり、例え、前記ホールＩＣ２２の位置が同じだったとしても該ホールＩＣ２２の取付け角度をマグネットロータ１に対して傾けることにより、前記ホールＩＣ２２とマグネットロータ１間の距離を変更したのと同じ効果が得られる。

また、図５の摸式図で説明すると、ホールＩＣ２２を角度調整することでマグネットロータ１の中心Ｏから半径Ｒのピッチ円Ｇを描き、該ピッチ円Ｇ上で、前記ホールＩＣ２２（磁電変換素子２、ホール素子２１）が磁束分布のそれぞれの磁力線に直交する位置を、Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３とすることと同様のことが同位置で可能となる（同位置で検出位相が変えられる）。すなわち、マグネットロータ１間の距離を変えることなく、前記ホールＩＣ２２の角度を適宜変えることのみで、それぞれの磁力線を検出できる。

つまり、Ｐ_２，Ｐ_３のような傾け方により、Ｎ極とＳ極とを検出する角度を同じ位置でも変えることができる。これによって、ステータコイル８のＮ極とＳ極を切り換えるタイミングを変えることができ、図６に示すようなグラフにより、前記ホールＩＣ２２のセット角度を適宜変えることにより、モータ効率を最大効率点にすることができる。

設計段階で計算により最適と考えられる前記ホールＩＣ２２の位置をある程度決めておき、後に実際の製品ができ上がったときに、最適なホールＩＣ２２までの距離を確定し、その距離に対応するように前記ホールＩＣ２２の角度を変更する。従来ではホールＩＣの配置位置の変更をすると、回路配線を作り直す必要があったが、本発明では、ホールＩＣ２２のマグネットロータ１に対する取付け角度を回転（調整）させるだけで距離を変更したのと同じ効果が得られるため、前記ホールＩＣ２２の角度を変えることのみで、最高効率点を探すことができる。

特に、前記ホールＩＣ２２の位置は変わらないため、回路基板４の回路配線を作り直す必要も全く不要であり、追加費用は何等発生しない。また、前記ホールＩＣ２２のセット角度を適宜変えることで、前記リード線２２ｂ，２２ｂ，…の方向が適宜変更するが、図４（Ｄ）のように、複数のランド４３を設けておけば、角度が変わってもハンダ付けによる通電が可能である。

また、本願発明の第１実施形態の変形例について図７に基づいて説明する。この変形例は、前記係止部３３の形状が、溝もなく、単に、係止するのみの形状を有している。これによって、前記円形孔４１に、図７（Ｃ）に示すように、前記ホールＩＣ２２を収納した素子ソケット３の脚をすぼめることなく、そのまま挿入して、図７（Ｄ）に示すように係止できる。その後に、ホールＩＣ２２が所望角度になるように素子ソケット３を角度調整した後であれば、封入樹脂又は接着などにて固定することがある。その他の構成は、第１実施形態（図１乃至図４参照）と同一の構成であるため、説明を省略する。

次に、本願発明の第２実施形態について図８に基づいて説明する。この第２実施形態は、図８（Ａ）に示すように、前記マグネットロータ１がアウターマグネット１２の場合である。この場合には、中央箇所には、ステ−タコア８なる電磁石が設けられている。この場合には、中心側適所の前記回路基板４に設けた円形とした円形孔４１に、ホールＩＣ２２を収納した素子ソケット３が回転できる（角度を変えられる）ように、本願発明の第１施形態と同様に構成されている。その構成及び作用については、第１実施形態の構造と同様であるため、説明を省略する。なお、図中１０ａは吸入口、１０ｂは吐出口である。

（Ａ）は本願発明の第１実施形態のポンプの断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＵ−Ｕ矢視の断面図である。 本願発明の第１実施形態の一部断面とした要部平面図である。 （Ａ）はホールＩＣ付き素子ソケットの斜視図、（Ｂ）はホールＩＣ付き素子ソケットの裏面側からの斜視図、（Ｃ）は円形孔を穿孔した回路基板の一部斜視図、（Ｄ）はホールＩＣ付き素子ソケットを円形孔に係合している状態図、（Ｅ）はホールＩＣ付き素子ソケットを円形孔に係合完了した状態図である。 （Ａ）はホールＩＣ付き素子ソケットを円形孔に係合完了した斜視図、（Ｂ）は図３（Ｅ）のＶ−Ｖ矢視の断面図、（Ｃ）は（Ｂ）において回転角度を適宜変更した断面図、（Ｄ）は回路基板の一部拡大図である。 マグネットロータに対してホールＩＣ付き素子ソケットを同一ピッチ円上に回転角度調整して設けた模式図である。 ホールＩＣセット角度とモータ効率との関係グラフである。 （Ａ）はホールＩＣ付き素子ソケットの逆向きの斜視図、（Ｂ）は円形孔を穿孔した回路基板の一部斜視図、（Ｃ）はホールＩＣ付き素子ソケットを円形孔に挿入している状態図、（Ｄ）はホールＩＣ付き素子ソケットを円形孔に係合完了した状態図である。 （Ａ）は本願発明の第２実施形態のポンプの断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＷ−Ｗ矢視の断面図である。

符号の説明

１…マグネットロータ、１１…インナーマグネット、１２…アウターマグネット、
２…磁電変換素子、２１…ホール素子、２２…ホールＩＣ、３…素子ソケット、
３２…脚部、３３…係止部、３３ａ…溝部、４…回路基板、４１…円形孔。

Claims (5)

1. マグネットロータに対して磁力を読み取る磁電変換素子を設けたポンプ用ＤＣモータにおいて、円形孔が所定位置に穿孔された回路基板と、前記磁電変換素子を収納した素子ソケットとを備えてなり、該素子ソケットの脚部の端に形成された係止部が前記円形孔の周縁部に係合され、前記素子ソケット及び前記磁電変換素子は前記回路基板に対して角度調整可能に構成されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータ。
2. 請求項１において、前記素子ソケットの脚部は弾性を有すると共に、前記脚部端の係止部は溝部として形成され、該溝部が前記円形孔の周縁部に係合されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータ。
3. 請求項１において、前記マグネットロータは、インナーマグネットとして構成されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータ。
4. 請求項１において、前記マグネットロータは、アウターマグネットとして構成されてなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータ。
5. 請求項１において、前記磁電変換素子は、ホールＩＣとして構成してなることを特徴とするポンプ用ＤＣモータ。

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