JP2009153309A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、駆動効率の向上を図ったモータを提供することを目的とする。
【解決手段】各磁極３ａには、その磁極基部３ｄから、磁石５と略平行方向に上、下方向に伸ばした延長部３ｂを一体に形成している。この延長部３ｂは具体的には、ステータ３を構成する積層された複数の高透磁率電磁鋼板のうち、上、下面（最外層）を含む２枚の高透磁率電磁鋼板の外周部分を、前記磁石５と略平行方向にそれぞれ上、下方向に略直角に曲げることにより形成したものである。このモータにおいて、３０００ｒｐｍ以下の場合には、本発明に係るモータ２が従来のモータよりも損失が低くなる。他方、３０００ｒｐｍを超える場合には、本発明に係るモータ２が従来のモータよりも損失が高くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータとそれを用いた電子機器に関するものである。

電子機器、例えばレーザプリンタは、本体ケース内に設けた紙送り用ローラ（被駆動体）をモータに連結し、このモータの駆動により、紙送り用ローラを回動し、紙を所定部分に送っている。

上記モータは、外周部の周方向に、複数の磁極を第一の所定間隔で配置したステータと、このステータの外周に配置したロータとを備え、前記ロータの内周には、周方向に、第二の所定間隔ごとに異極に着磁された磁石を配置した構造となっていた。

また前記ステータの磁極には、その磁極基部から、前記磁石と略平行方向に伸ばした延長部を形成し、これにより駆動効率を高めている。

つまり、磁石の幅（周方向に直交する方向）は、ロータの回転を磁気的に検出する磁気検出素子に出来るだけ近接させるため、ステータの磁極基部の同方向幅（周方向に直交する方向の幅）よりも大きくなっているので、ステータの磁極基部から、前記磁石と略平行方向に伸ばした延長部を形成し、これによりステータの磁極と、磁石との対向面積を大きくし、それにより駆動力、駆動効率を高めようとしているのである（これに類似する技術は、例えば下記特許文献１に記載されている。）。
特開平９−２８５０４４号公報

上述のごとく、ステータの磁極の磁極基部から、前記磁石と略平行方向に伸ばした延長部を形成した従来のモータでは、ロータの磁石と、ステータの磁極との対向面積が大きくなるので、一般的には、駆動力が大きく、駆動効率を高めることが出来ると考えられていた。

しかしながら、本発明者の検討によれば、延長部を設けただけでは、必ずしも駆動力を大きくすることは出来なかった。

つまり、一般的概念にしたがえば、ロータの磁石と、ステータの磁極との対向面積を大きくすることが駆動力を高めることになるので、上記ステータの電極からの延長部は出来るだけ大きくすることになるが、このように延長部を大きくすると、対向する磁石からの磁束量がそれにしたがって増加し、その結果ステータの磁極につながる磁気回路の磁気飽和が発生し、駆動力を高めることが出来なくなる。

さらに、延長部に磁石からの磁束が垂直に鎖交するため、延長部でうず電流損が発生する。渦電流損は、磁束が導体を鎖交する時に発生する渦電流によって引き起こされ、磁石の磁束に対して、垂直方向の面積が大きいほど、渦電流損は大きくなる。その結果駆動力、駆動効率を高めることが出来なくなることを、本発明者は見出した。

そこで、本発明は駆動効率の向上を図ることを目的とするものである。

上記課題を解決するために、そしてこの目的を達成するために本発明は、外周部に複数の磁極を第一の所定間隔で配置したステータと、このステータの外周に回転自在に配置したロータとを備え、前記ロータの内周には、第二の所定間隔ごとに異極に着磁された磁石が配置され、前記ステータの磁極には、その磁極基部から、前記磁石と略平行方向に伸ばした、高透磁率電磁鋼板からなる延長部が形成され、前記ロータが、３０００ｒｐｍ以下で回転する。

以上のごとく、本発明は、外周部に複数の磁極を第一の所定間隔で配置したステータと、このステータの外周に回転自在に配置したロータとを備え、ロータの内周には、第二の所定間隔ごとに異極に着磁された磁石が配置され、ステータの磁極には、その磁極基部から、磁石と略平行方向に伸ばした、高透磁率電磁鋼板からなる延長部が形成され、ロータが、３０００ｒｐｍ以下で回転することから、駆動効率を向上することが出来る。

以下本発明の実施形態を、添付図面を用いて説明する。なお、以下の説明において、同一部材については、同一符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１はこの発明に係るモータを示す側断面図、図２はこの発明に係るモータを構成するステータを示す斜視図である。また、図３は図２の側面図、図４は図３の部分拡大図である。

図１において、１は電子機器（例えばレーザプリンター）の配線基板で、本体ケース（図示せず）内において水平方向に配置されている。

また、この配線基板１上にはモータ２が実装されている。

モータ２は、図１、図２のごとく板状体を積層して形成したステータ３と、このステータ３の外周に回転自在に配置した、下面が開放した円筒状のロータ４とを備え、前記ロータ４の内周には、所定間隔ごとにＮ極とＳ極に交互（隣接極が異極）に着磁されたリング状の磁石５を固定している。

また、ステータ３の外周部には、複数の磁極３ａを所定間隔で配置しており、各磁極３ａの内側の磁気回路３ｅ部分には、図１、図２のごとく電磁石用のコイル６が巻回されている。

すなわち、コイル６に交流電力を加えることで各磁極３ａを交互に、Ｎ極とＳ極に着磁し、その外周に存在する磁石５との間で吸引力と反発力を発生させ、これがロータ４の回転駆動力となるよう構成されている。

前記ステータ３は保持部３ｃを介して配線基板１に固定されており、このステータ３の内周に複数のベアリング７が設けられている。

そしてこのベアリング７群部分を上下方向に貫通して駆動軸８が設けられ、この駆動軸８の上端がロータ４の天面４ａに固定されている。

したがって、上記コイル６に交流電力を加え、各磁極３ａを交互に、Ｎ極とＳ極に着磁し、磁石５との間で、吸引力と反発力を発生させれば、ロータ４がこの駆動軸８を中心に回転し、またその回転力は駆動軸８を介して紙送り用ローラに、伝達されるようになっている。

具体的には、本実施形態では、駆動軸８の下端は配線基板１の貫通孔１ａを貫通して配線基板１下に伸ばされ、この駆動軸８下部に歯車（図示せず）が装着され、この歯車にギアボックス（図示せず）が連結され、それによってレーザプリンタにおける複数の紙送り用ローラ（図示せず）が回動し、これにより紙送りが行われるようになっている。

また、配線基板１上の磁石５下端対応部分には、磁気検出素子としてホールＩＣ９が実装され、周知のごとく、このホールＩＣ９により、ロータ４の回転スピードや回動量を検出し、回転数制御を行うようになっている。また、磁石５はホールＩＣ９に出来るだけ近づけるため、その下端をホールＩＣ９近傍まで延長した形状としており、さらにこのように磁石５の下端を下方に延長した時のステータ３に対するバランスずれを回避するために、この磁石５の上端も同量上方に延長している。

結論として磁石５の上下方向寸法は大きくなっており、それに合せるごとく、本実施形態では、図１乃至図３に示すように上記ステータ３の各磁極３ａには、その磁極基部３ｄから、前記磁石５と略平行方向に上、下方向に伸ばした延長部３ｂを一体に形成している。

この延長部３ｂは具体的には、ステータ３を構成する積層された複数の高透磁率電磁鋼板のうち、上、下面（最外層）を含む２枚の高透磁率電磁鋼板の外周部分を、前記磁石５と略平行方向にそれぞれ上、下方向に略直角に曲げることにより形成したものである。

そして、このようにステータ３を構成する積層された複数の高透磁率電磁鋼板のうち、上、下面（最外層を含む２枚づつ）の高透磁率電磁鋼板の外周部分を、前記磁石５と略平行方向にそれぞれ上、下方向に略直角に曲げることで延長部３ｂを形成すると、上記上、下方向に延長された磁石５との対向面積が図１のごとく大きくなり、その結果としてロータ４には大きな駆動力が与えられることになる。

ただし、上、下に延長した延長部３ｂの、磁石５と略平行方向の延長長さ（図３のＡ＋Ａ）は、前記磁極基部３ｄの、磁石５と略平行方向の長さ（図３のＢ）以下としている。

つまり、上記上、下に延長した延長部３ｂの、磁石５と略平行方向の延長長さ（Ａ＋Ａ）を大きくすると、磁石５からの進入磁束量が多くなり、その結果各磁極３ａの内側の電磁石用のコイル６が巻回されている磁気回路３ｅ部分において磁気飽和が発生することとなる。

そしてこのように磁気飽和が発生すると、コイル６に印加する電力を増加してもそれにつれてロータ４の回転トルクを増加させることができず、駆動効率の悪いものとなる。

そこで、種々検討した結果、本実施形態では、上述のごとく上、下に延長した延長部３ｂの、磁石５と略平行方向の延長長さ（Ａ＋Ａ）を、前記磁極基部３ｄの、磁石５と略平行方向の長さ（Ｂ）以下としたものであり、このようにした結果各磁極３ａの内側の電磁石用のコイル６が巻回されている磁気回路３ｅ部分において磁気飽和が発生することはなく、駆動効率の高いものとなった。

さらに、延長部に高透磁率電磁鋼板を使用するため、延長部で発生するうず電流が小さくなる。高透磁率電磁鋼板は、電磁軟鉄などに比べると、硬度が高くなり、折り曲げることが困難となる。しかし、珪素含有量を規定することにより、折り曲げることが可能となる。

図５は、珪素含有量と硬度および伸びとの関係を示す図である。また、図６は、珪素含有量と渦電流損失との関係を示す図である。なお、ここで渦電流損失とは、磁束が導体を鎖交する時に発生する渦電流によって引き起こされることにより生じる損失のことである。

図５に示すように、珪素有量が２．５％を超えると、硬度が急激に大きくなる。そして、珪素有量が２．５％を超えると、硬度とは反対に、伸びが急激に低くなる。また、図６に示すように、珪素含有量が０．３％よりも小さい割合になると、渦電流損失が急激に大きくなる。

したがって、珪素含有量が０．３％乃至２．５％の範囲の高透磁率電磁鋼板を使用すると、容易に折り曲げ等の加工処理を行うことができ、渦電流損失を低減することができる。なお、この珪素含有量が０．３％乃至２．５％の範囲の高透磁率電磁鋼板は、ＪＩＳ品番で表すと、板厚が０．５ｍｍであれば、５０Ａ４００〜５０Ａ１０００である。また、このような高透磁率電磁鋼板は、軟鉄や冷間圧延鋼板と比べて、渦電流損失が大幅に低減する。さらに、珪素含有量が２％乃至２．５％の範囲の高透磁率電磁鋼板を使用すれば、特に顕著な効果を得ることができるため、より好ましい。

また、この第１実施形態に係るモータを構成するロータ４が３０００ｒｐｍ以下で回転する。この理由を以下に説明する。

図７は本発明に係るモータの回転数と鉄損および銅損との関係を示す図であり、図８は延長部を有しない従来のモータの回転数と鉄損および銅損との関係を示す図である。

また、図９は、本発明に係るモータ２および延長部を有しない従来のモータの回転数と損失Ｗ（鉄損Ｗｆｅおよび銅損Ｗｃｕ）との関係を示す図である。

なお、鉄損Ｗｆｅとは、ヒステリシス損Ｗｈと渦電流損Ｗｅを合わせた損失である。ヒステリシス損Ｗｈは、直流ヒステリシスループが描く面積から求めた損失の周波数倍である。渦電流損Ｗｅは、磁性体に磁束が鎖交する際に、磁性体内に電磁誘導によって電界が発生し、電流が還流した発生するジュール損失である。銅損Ｗｃｕとは、巻線に電流を流した際に、巻線の抵抗により銅線内に生じる損失である。

また、延長部を有しない従来のモータとは、本発明のモータ２における延長部３ｂがない構成のモータである。そして、この従来のモータと本発明に係るモータ２との相違点は、延長部３ｂの有無のみであるものとする。

銅損Ｗｃｕについて、図７および図８において比較すると、本発明に係るモータ２は約５Ｗの一定値であるのに対し、従来のモータはその約２倍の約１１Ｗの一定値である。このように、本発明に係るモータ２と従来のモータとの間に銅損Ｗｃｕの相違が生じるのは、以下の理由である。

銅損Ｗｃｕは、電流Ｉの２乗の値と抵抗値Ｒと比例関係にある。具体的には、銅損Ｗｃｕと電流Ｉおよび抵抗値Ｒとの関係は、Ｗｃｕ＝ＲＩ２で表される。そうすると、銅損Ｗｃｕは、同じ銅線を使用する場合には、電流Ｉの２乗の値が変化する場合に変化する。また、モータのトルクＴは、係数Ｋｔと電流Ｉと比例関係にある。なお、係数Ｋｔは磁束量Φと比例関係にある。したがって、本発明に係るモータ２は延長部３ｂを有するため、従来のモータよりも磁束量Φが大きくなる。そうすると、本発明に係るモータ２に対応する係数Ｋｔは、従来のモータに対応する係数Ｋｔよりも大きくなる。そして、トルクＴが同トルクである場合には、本発明に係るモータ２の電流Ｉは、従来のモータの電流Ｉよりも
小さくなる。このため、本発明に係るモータ２の銅損Ｗｃｕは、従来のモータの銅損Ｗｃｕよりも小さくなる。

一方、鉄損Ｗｆｅについて、図７および図８において比較すると、１０００ｒｐｍ乃至４０００ｒｐｍの間、本発明に係るモータ２はほぼ一定に約４Ｗ／１０００ｒｐｍの割合で上昇しているのに対し、従来のモータは本発明に係るモータ２の上昇率の約１／２の約２Ｗ／１０００ｒｐｍの割合で上昇している。このように、本発明に係るモータ２と従来のモータとの間に鉄損Ｗｆｅの相違が生じるのは、以下の理由である。

鉄損Ｗｆｅは、磁束密度Ｂと回転数ｆと比例関係にある。具体的には、鉄損Ｗｆｅは、渦電流損Ｗｅとヒステリシス損Ｗｋとの和で表される。つまり、Ｗｆｅ＝Ｗｅ＋Ｗｋ＝Ｋｅ・ｆα・Ｂβ＋Ｋｋ・ｆ・Ｂγで表される。なお、α、β、γは、一般的に１．６〜２．０で用いられる。

そうすると、鉄損Ｗｆｅは、同じ回転数ｆである場合には、磁束密度Ｂの値が変化する場合に変化する。したがって、本発明に係るモータ２は延長部３ｂを有するため、磁束を取り込みやすい。このため、本発明に係るモータ２は従来のモータよりも磁束密度Ｂが大きくなる。このため、本発明に係るモータ２の鉄損Ｗｆｅは、従来のモータの鉄損Ｗｆｅよりも大きくなる。

そして、図９において、銅損Ｗｃｕと鉄損Ｗｆｅとを総合した損失Ｗについて、本発明に係るモータ２と従来のモータとを比較する。そうすると、３０００ｒｐｍ以下の場合には、本発明に係るモータ２が従来のモータよりも損失が低くなっている。他方、３０００ｒｐｍを超える場合には、本発明に係るモータ２が従来のモータよりも損失が高くなっている。

なお、近年使用されるレーザプリンタにおいてドキュメントの紙送りには、０ｒｐｍ乃至３０００ｒｐｍの範囲の回転数でモータが使用されている。このため、本発明に係るモータ２は、このレーザプリンタにおけるドキュメントの紙送りのために、特に有効である。
（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態におけるモータ１２を示す側断面図である。

この第２実施形態におけるモータ１２は、上下の延長部３ｂに代えて上（天面４ａ側）延長部１３ｂと下（配電基板１側）延長部１３ｃとを備える点で、第１実施形態におけるモータ２と異なる。

また、配線基板１上の磁石５の下端対応部分に、磁気検出素子としてホールＩＣ９が実装される。すなわち、配線基板１面に、磁石５と対向するようにホールＩＣ９が配置されている。

図１０に示すように、延長部１３ｂおよび１３ｃとして、互いの断面形状を非対称とした延長部１３ｂと延長部１３ｃとなるように折り曲げられている。より詳細には、配線基板１側となる一方の延長部１３ｃは、ロータ４の天面４ａ側となる他方の延長部１３ｂに比べて、延長部の折り曲げ先端部が、よりステータ３の内方側となるように配置された構造としている。

このため、磁気検出素子としてのホールＩＣ１９が実装された側の延長部１３ｃに取り込まれる磁束は、例えば延長部１３ｃを磁極基部１３ｄから下方向に略直角に曲げた構造とした場合に比べて、少なくなる。このため、延長部１３ｃに取り込まれる磁束の減少し
た磁束分がホールＩＣ１９に供給されることになる。これにより、ステータ１３に取り込まれる磁束が多くなって、ホールＩＣ１９に供給する磁束が減少した結果、ホールＩＣ１９による回転数や位置の検出精度に対して精度低下をもたらすこととなるという問題を抑制することができる。

なお、上述した第２実施形態においては、延長部１３ｃは延長部１３ｂに比べて延長部の折り曲げ先端部がよりステータ３の内方側となるように配置される構造としているが、その他の構造で互いの断面形状を非対称とした延長部１３ｂと延長部１３ｃとしてもよい。

図１１は、第２実施形態の変形例におけるモータ２２を示す側断面図である。

この第２実施形態の変形例では、配線基板１側となる一方の延長部２３ｃが、他方の延長部１３ｂに比べて、延長部を構成する板状体の個数が少なくなるように配置した構成例を示している。具体的には、延長部１３ｂが最外層を含む積層された２枚の板状体を、磁石５と実質的に平行方向に、磁石５と実質的に平行となるように曲げている。

このような構成であっても、ステータ１３に取り込まれる磁束が多くなって、ホールＩＣ１９に供給する磁束が減少した結果、ホールＩＣ１９による回転数や位置の検出精度に対して精度低下をもたらすこととなるという問題を抑制することができる。

また、その他の第２実施形態の実施例として、例えば、配線基板１側となる一方の延長部が、他方の延長部に比べて、延長部の長さが短くなるように配置されたような構成とするなど、各種の変形例が可能である。

本発明によれば、レーザプリンタ等の鉄損および銅損を低減したモータを提供できるため、レーザプリンタやレーザ複写機などの電子機器に使用されるモータに好適である。

この発明に係るモータを示す側断面図 この発明に係るモータを構成するステータを示す斜視図 この発明に係るモータを構成するステータを示す側面図 図３の部分拡大図 珪素含有量と硬度および伸びとの関係を示す図 珪素含有量と渦電流損失との関係を示す図 本発明に係るモータ２および延長部を有しない従来のモータの回転数と損失（鉄損および銅損）との関係を示す図 本発明に係るモータの回転数と鉄損および銅損との関係を示す図 延長部を有しない従来のモータの回転数と鉄損および銅損との関係を示す図 第２実施形態におけるモータ１２を示す側断面図 第２実施形態の変形例におけるモータ２２を示す側断面図

符号の説明

１ 配線基板
２ モータ
３ ステータ
３ａ 磁極
３ｂ 延長部
３ｃ 延長部
３ｄ 磁極基部
３ｅ 延長部
４ ロータ
５ 磁石
６ コイル
７ ベアリング
８ 駆動軸
９ ホールＩＣ

Claims (3)

1. 外周部に複数の磁極を第一の所定間隔で配置したステータと、このステータの外周に回転自在に配置したロータとを備え、
   前記ロータの内周には、第二の所定間隔ごとに異極に着磁された磁石が配置され、
   前記ステータの磁極には、その磁極基部から、前記磁石と略平行方向に伸ばした、高透磁率電磁鋼板からなる延長部が形成され、
   前記ロータが、３０００ｒｐｍ以下で回転するモータ。
2. 前記高透磁率電磁鋼板の珪素含有率が０．３ｗｔ％〜２．５ｗｔ％の範囲である請求項１に記載のモータ。
3. 本体ケースと、この本体ケース内に設けた被駆動体と、この被駆動体に連結したモータとを備え、前記モータとして請求項１または請求項２記載のモータを使用した電子機器。

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