JP2010094010A - 振動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】高効率、高トルクで、かつ、薄くて小型の振動モータを提供する。
【解決手段】外筒１の内周面には永久磁石３が隣同士が互いに異極となるように固着されている。そして、この永久磁石３は、１極当たり６０度の範囲を覆うように設定され、周状に６極の固定子４が構成されている。一方、回転軸５には電機子鉄心７が取り付けられ、この電機子鉄心７からは放射状に３本の鉄心７ａ、７ｂ、７ｃが突設されて回転子８が形成されている。また、この鉄心７ａ、７ｂ、７ｃの先端には、それぞれ対峙する永久磁石３と周方向幅が一致した寸法となるように周方向に拡開された鉄心を有する歯頭部９ａ、９ｂ、９ｃが形成されている。鉄心７ａ、７ｂ、７ｃ同士の間隔はそれぞれの間が８０度ずつに設定され、それぞれ巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃが同じターン数で捲回されている。
【選択図】図１

Description

本発明は振動モータに係わり、特に高効率、高トルクで、かつ、薄くて小型の振動モータに関する。

従来、携帯電話のマナーモード時に振動を発する小型の振動モータが知られている。この振動モータには、例えば、回転軸の先端にアンバランスな重りを取り付けることでモータ回転時に振動を発するものがある。あるいは、固定子側には軸方向に着磁された複数の永久磁石を備え、一方、回転子側には軸方向に磁束を生ずることでこの永久磁石との間で回転トルクを生ずる電磁石を備え、分銅によりこの回転子のアンバランス化を図ったアキシャルモータが開示されている（特許文献１参照）。

特開２００２−２８５６９号公報

ところで、従来の振動モータでは重りの取り付け分だけ軸方向に長くなったり、永久磁石と電磁石とをアキシャル方向に配置した分厚くなるおそれがあった。

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、高効率、高トルクで、かつ、薄くて小型の振動モータを提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）は、２ｎ（ｎは２以上の整数）極となるように永久磁石が周状に配置された固定子と、該永久磁石と同じ弧の角度の歯頭部を有する回転子と、該回転子に径方向の磁束を発生させ、デルタ結線にて接続されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の接続端を有する電機子巻線と、該Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の接続端と接続された３ｎ個の整流子と、前記回転子の回転に連れて６０／ｎ度毎に永久磁石と歯頭部とが一致した時点で整流子を切り替えるブラシとを備えて構成した。

振動モータは２ｎ極で構成され、３ｎ個の整流子を備える。回転子は永久磁石と同じ弧の角度の歯頭部を有し、また、ブラシが６０／ｎ度毎に永久磁石と歯頭部とが一致した時点で整流子を切り替えることで逆トルクを生じ難くできる。このため、高トルク、高効率にできる。

また、本発明（請求項２）は、前記ブラシの一極が、隣接する整流子の間に形成されたギャップに位置されたときに、ブラシの他極が回転軸を挟んで前記ブラシの一極とは１８０度隔て、かつ前記整流子の配設角の中間に位置されることを特徴とする。

ブラシの一極が、隣接する整流子の間に形成されたギャップに位置されたときに、ブラシの他極が回転軸を挟んでブラシの一極とは１８０度隔て、かつ整流子の配設角の中間に位置される。また、永久磁石と歯頭部とが丁度一致した時点で整流子を切り替えることにする。このため、永久磁石と電磁石間の吸引力と反発力とが円滑に切り替えられ、最も効率がよい。

以上説明したように本発明によれば、永久磁石と同じ弧の角度の歯頭部を有する回転子を有し、この回転子に径方向の磁束を発生させブラシは６０／ｎ度毎に永久磁石と歯頭部とが丁度一致した時点で整流子を切り替えるように構成したので逆トルクを生じ難く、かつ薄くできる。このため、高トルク、高効率で小型にできる。

本発明の実施形態の構成図 ＵＶＷ接続点間でのデルタ結線 回転角度が０度のときの整流子及びブラシの配置 通電パターン 電流パターン 電流ピーク時の回転角度 有限要素法に基づく解析結果（回転角度に対するトルク特性） 有限要素法に基づく解析結果（トルクの最大値、平均値、最小値、リプル）

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態の構成図を図１に示す。図１は６極三相のインナーロータ型の振動モータ１０の構成を示し、回転角度が０度の場合を示している。但し、アウターロータであっても同様に構成可能である。図１において、鉄からなる円筒状の外筒１の内周面には永久磁石３が隣同士が互いに異極となるように固着されている。そして、この永久磁石３は、１極当たり６０度の範囲を覆うように設定され、周状に６極（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、３Ｆの合計６つの永久磁石）の固定子４が構成されている。

一方、回転軸５には電機子鉄心７が取り付けられ、この電機子鉄心７からは放射状に３本の鉄心７ａ、７ｂ、７ｃが突設されて回転子８が形成されている。また、この鉄心７ａ、７ｂ、７ｃの先端には、それぞれ対峙する永久磁石３と弧の角度が一致するように円弧状の鉄心を有する歯頭部９ａ、９ｂ、９ｃが形成されている。即ち、この歯頭部９ａ、９ｂ、９ｃの表面の角度も永久磁石３に合わせて６０度に設定されている。

鉄心７ａ、７ｂ、７ｃ同士の間隔はそれぞれの間が８０度ずつに設定され、それぞれ巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃが図１中に示す方向に同じターン数で捲回されている。そして、接続点Ｕは巻線１１ａの巻き始め端、及び巻線１１ｂの巻き始め端とに接続され、接続点Ｖは巻線１１ｃの巻き始め端、及び巻線１１ｂの巻き終わり端とに接続され、接続点Ｗは巻線１１ｃの巻き終わり端、及び巻線１１ａの巻き終わり端とに接続されることで、図２に示すようなＵＶＷ接続点間でデルタ結線構成されている。図１中の回転子８の下側には空間が存在するが、この空間には図示しない重りが配設され、この重りは回転子８に対し固着されている。

また、図３に回転角度が０度のときの整流子及びブラシの配置を示すが、この整流子１３はＵＶＷ相の組み合わせを３組備え、合計９個の整流子１３が周状に４０度ずつ隔てて配置されている。この整流子１３は周状に時計方向にＵ、Ｖ、Ｗ、Ｕ、Ｖ、Ｗ・・・のように順に規則的に配置されている。ここに、Ｕ相の整流子同士は互いに接続され、接続点Ｕと結ばれている。Ｖ相の整流子同士は互いに接続され、接続点Ｖと結ばれている。Ｗ相の整流子同士は互いに接続され、接続点Ｗと結ばれている。そして、隣接する整流子１３の間には電流切り換えを滑らかにするため筋状のギャップ１５が形成されている。ブラシ１７は径方向より９．３度程斜めに形成されている。但し、この傾斜の度合いは９．３度に限りものではない。

更に、この図３には、回転角度が０度のときにギャップ１５がブラシ１７の負極と接触している状態が例示されている。ブラシ１７はこのギャップ１５の境界においてＵ相、Ｗ相のいずれかと接触している状態に位置されているが、この回転角度０度のときにはわずかにＷ相に接触している。ブラシ１７の大きさは隣接する相間の切り換えが瞬時に行われるようにギャップ１５の幅に丁度一致するように設計されている。そして、このブラシ１７の負極とは１８０度隔てた位置にブラシ１７の正極が配置されている。回転角度が０度のとき、このブラシ１７の正極は、整流子１３の周方向幅の丁度中間に位置されており、図３では、整流子１３の周方向幅が４０度であることから２０度の位置に設置されている。

次に、本発明の実施形態の動作を説明する。
回転角度が０度のとき、ブラシ１７の正極はＶ相に接続し、一方、負極はＷ相に接続している。このブラシ１７の正極及び負極間に直流電圧を印加すると、ブラシ１７及び整流子１３を介して、例えば回転角度が０度のときにはＶ相からＷ相に向かって直流電流が流される。このＶ相とＷ相とが結ばれる状態は回転角度が０度から２０度まで続く。図４にこのときの通電パターンを示す。

このとき、図２に示すように巻線１１ｃと、巻線１１ａ及び巻線１１ｂとが並列に接続された形になるが、それぞれの巻数が同じターン数なので、巻線１１ｃを経るルート（Ｖ−Ｗ）に比べて巻線１１ａ及び巻線１１ｂの２つが直列されたルート（Ｖ−Ｕ−Ｗ）の方が抵抗値は倍になっている。このため、巻線１１ｃの方が巻線１１ａ及び巻線１１ｂの直列巻線を通る電流の倍流れる。

この間の電流パターンを図５に示す。回転角度が０度から２０度でＶ相からＷ相に向かって直流電流が流れた場合には、巻線１１ｃには正方向に電流が流れているため、例えば＋０．０６Ａが流れる。また、このときには、巻線１１ｂには負方向に電流が流れ、かつ、電流値も０．０６Ａの半分が流れるため、−０．０３Ａが流れることになる。更に、巻線１１ａには正方向に電流が流れ、かつ、電流値も０．０６Ａの半分が流れるため、＋０．０３Ａが流れることになる。

次に、回転子８が時計回りに回転角度２０度回転したときには、歯頭部９ｂの幅が丁度永久磁石３Ｆの幅に一致する。このときに、ブラシ１７と接触する整流子１３は切り替えられ、ブラシ１７の正極はＵ相に接続が切り替わり、一方、負極はＷ相にそのまま継続して接続する。Ｕ相からＷ相に向かって電流が流されるときには、巻線１１ａには正方向に＋０．０６Ａが流れる。また、このときには、巻線１１ｂにも正方向に電流が流れるが、電流値は０．０６Ａの半分が流れるため、＋０．０３Ａが流れることになる。更に、巻線１１ｃにも正方向に電流が流れ、かつ、電流値が０．０６Ａの半分が流れるため、＋０．０３Ａが流れることになる。

次に、回転子８が更に時計回りに回転角度２０度回転し、合計４０度にまで回転したときには、歯頭部９ｃの幅が丁度永久磁石３Ｃの幅に一致する。このときに、ブラシ１７と接触する整流子１３は切り替えられ、ブラシ１７の正極はＵ相にそのまま継続して接続し、一方、負極はＶ相に接続が切り替わる。Ｕ相からＶ相に向かって電流が流されるときには、巻線１１ｂには正方向に＋０．０６Ａが流れる。また、このときには、巻線１１ａにも正方向に電流が流れるが、電流値は０．０６Ａの半分が流れるため、＋０．０３Ａが流れることになる。更に、巻線１１ｃには負方向に電流が流れ、かつ、電流値が０．０６Ａの半分が流れるため、−０．０３Ａが流れることになる。回転角度が６０度以降も上記と同様に整流子１３の切り替えが行われる。

以上の通電パターンを図４に示す通り回転角度２０度毎に切り替えることで、振動モータを回転させることができる。歯頭部の幅が丁度永久磁石の幅に一致したときに整流子の切り替えを行うため、逆トルクを生ぜずに効率のよい回転を行うことができる。ちなみに歯頭部の幅が永久磁石の幅に一致しない箇所で整流子の切り替えを行うと逆トルクを生じ、その分効率が悪くなる。

例えば、図３において、ブラシ１７をギャップ１５の位置ではなく、回転軸を通り図３の紙面において水平な正極及び負極が互いに１８０度を隔てた位置に配設したと仮定する。この場合、歯頭部の幅が永久磁石の幅に一致する少し手前で整流子が切り替わることになるため、歯頭部の幅が永久磁石の幅に一致するまでの少しの期間逆トルクを生じ、その分効率が悪くなる。
かかる弊害を改善するため、本実施形態では、永久磁石と歯頭部とが丁度一致した時点で整流子を切り替え、図６の断面図に示すように、歯頭部の中間が永久磁石の極間に位置したとき、その鉄心に巻かれた巻線に流す電流がピーク（即ち、波形振幅の中間）になるように電流パターンを決定する（図５の電流パターンを参照）。

次に、本実施形態の振動モータの設計に必要な整流子の個数、切り替えの角度、極数の関係について説明する。今、ＵＶＷ相の組み合わせをｎ（ｎ＝２、３、４・・・）組み備えるとすると整流子の個数は３ｎとなる。このときの整流子１個当たりの角度は３６０度／３ｎで１２０度／ｎとなる。この整流子１個当たりの角度の中間にて整流子の切り替えを行うため、（１２０度／ｎ）×（１／２）＝６０度／ｎ毎に整流子を切り替えればよい。図５及び図１に示すように、この整流子切り替え角度が３つ分で一つの永久磁石の配設角度に相当するため、１極当たりの角度は（６０度／ｎ）×３＝１８０度／ｎとなる。このため、極数は３６０度÷（１８０度／ｎ）＝２ｎ極となる。なお、回転子鉄心の間隔は永久磁石１極当たりの角度１８０度／ｎと、整流子の切り替え間隔６０度／ｎの和、即ち、１８０度／ｎ＋６０度／ｎ＝２４０度／ｎになる。このことから、具体的にはｎ＝３のとき６極モータ、ｎ＝４のとき８極モータで構成可能である。

図７及び図８には有限要素法に基づく解析結果を示す。このときの回転数は１２，０００ｒ／ｍｉｎである。リプルは、（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）×１００／Ａｖｅパーセントで求めている。その結果、従来の振動モータの厚みが５ｍｍ程度であったのに対し、本実施形態の振動モータが２．２ｍｍの厚みで大幅に小型構成された一方で、トルクの最小値、平均値は従来と同等かそれ以上の値が得られた。また、リプルも小さい。

１ 外筒
３ 永久磁石
４ 固定子
５ 回転軸
７ 電機子鉄心
８ 回転子
９ａ、９ｂ、９ｃ 歯頭部
１０ 振動モータ
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 巻線
１３ 整流子
１５ ギャップ
１７ ブラシ
Ｕ、Ｖ、Ｗ 接続点

Claims (2)

1. ２ｎ（ｎは２以上の整数）極となるように永久磁石が周状に配置された固定子と、
   該永久磁石と同じ弧の角度の歯頭部を有する回転子と、
   該回転子に径方向の磁束を発生させ、デルタ結線にて接続されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の接続端を有する電機子巻線と、
   該Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の接続端と接続された３ｎ個の整流子と、
   前記回転子の回転に連れて６０／ｎ度毎に永久磁石と歯頭部とが一致した時点で整流子を切り替えるブラシとを備えたことを特徴とする振動モータ。
2. 前記ブラシの一極が、隣接する整流子の間に形成されたギャップに位置されたときに、ブラシの他極が回転軸を挟んで前記ブラシの一極とは１８０度隔て、かつ前記整流子の配設角の中間に位置されることを特徴とする請求項１記載の振動モータ。

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