JP2011010490A - ブラシレスモータおよびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＧパターンから得られる信号の強度を改善する。
【解決手段】複数のティース２１を備えたステータコア２０の周囲に、マグネット１１を備えたロータ１０が回転自在に配置されている。マグネットのステータコアに対向する面はメイン着磁されており、マグネットの回路基板３０に対向する面はＦＧ着磁されている。回路基板のロータに対向する側の面には、マグネットと対向するようにＦＧパターン３１が設けられている。回路基板とＦＧパターンとの間には、ＦＧパターンの形状に沿ってパターニングされた高透磁率材料３２が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータに関する。特に、レーザビームプリンタ（ＬＢＰ）や普通紙複写機（ＰＰＣ）など事務機器用の紙送り用ローラの駆動用モータとして好ましく使用できるブラシレスモータに関する。更に、本発明は、ブラシレスモータを用いた電子機器に関する。

従来のブラシレスモータとしては、図３に示すように、外周に複数のティースが所定間隔で配置されたステータコア２０を含むステータと、このステータコア２０の周囲に回転自在に配置されたロータ１０とを備え、このロータ１０の内周面に、リング状のマグネット１１を備えたアウターロータ型のモータが一般的に用いられる。マグネット１１の内周面１１ｍは、トルクを発生させるために所定間隔ごとに異極に着磁（メイン着磁）されており、更に、マグネット１１の回路基板３０に対向する端面１１ｆは、ロータ１０の回転速度を検出するために所定間隔ごとに異極に着磁（ＦＧ着磁）されている。一方、回路基板３０には、ＦＧ着磁されたマグネット１１の端面１１ｆに対向する位置に、周波数発電機コイルパターン（ＦＧパターン）３１が円周状に形成されている。ＦＧパターン３１は、ＦＧ着磁の着磁極数と同数の線素を直列に接続したジグザク状の配線である。ロータ１０が回転すると、ＦＧ着磁による磁束によって各線素に誘起電圧が発生し、モータの回転数に比例した周波数の速度検出信号（ＦＧ信号）をこのＦＧパターン３１を通じて得ることが出来る。このＦＧ信号に基づいてロータ１０の回転速度が制御される。

ロータ１０の回転精度を向上するためには、ＦＧパターン３１を介してマグネット１１の位置情報をより多く得る必要がある。例えばＦＧ着磁の着磁極数を増大させることにより回転方向の磁束変化の周波数を高くするという多極着磁技術が重要である。しかし、ＦＧ着磁の多極化に伴いマグネット１１からの磁束の磁路長が低下するとともに、一極あたりの磁化領域が減少するので、ＦＧパターン３１に誘起される電圧が低下し、ＦＧパターン３１から得られる信号の強度が低下するという課題がある。

この課題に対して、特許文献１には、ＦＧパターンを鉄基板などの高透磁率材料上に配置することが記載されている。また、特許文献２には、ロータの回転位置を検出するホールＩＣなどの位置検出手段を基板に設け、この基板のロータとは反対側に強磁性体を配置すること、または、位置検出手段を設ける基板自体を磁性体とすることが記載されている。

特開平６−８６５２６号公報 特開２００７−１１０８６５号公報

しかしながら、特許文献１では、ＦＧパターンが搭載される高透磁率材料は、ＦＧパターンの半径方向寸法よりも広幅で大面積を有する円弧状の板であるので、ＦＧ着磁による磁束は、高透磁率材料のうちマグネットに最も近い部分に集中する。従って、マグネットとＦＧパターンと高透磁率材料との相対的な位置によっては、ＦＧ着磁による磁束がＦＧパターンにほとんど鎖交しない場合がある。

また、特許文献２では、マグネットのメイン着磁による磁束の漏れ磁束を強磁性体又は基板に導く。しかしながら、ＦＧ着磁による磁束の磁路長はメイン着磁のそれに比べて短いので、特許文献２の強磁性体又は基板ではＦＧ着磁による磁束を導く効果はほとんど得られない。

従って、特許文献１，２の方法では、ＦＧパターンから得られる信号の強度を高めることはできない。

本発明は、上記の従来の問題を解決し、ＦＧパターンから得られる信号の強度を改善することを目的とする。

本発明のブラシレスモータは、回路基板に搭載され、外周に複数のティースが第一の所定間隔で配置されたステータコアと、前記ステータコアの周囲に回転自在に配置されたロータとを備える。前記ロータの内周面にマグネットが設けられている。前記マグネットの前記ステータコアに対向する面は、前記ステータコアに対向する方向に第二の所定間隔ごとに異極にメイン着磁されており、且つ、前記マグネットの前記回路基板に対向する面は、前記回路基板に対向する方向に第三の所定間隔ごとに異極にＦＧ着磁されている。前記回路基板の前記ロータに対向する側の面には、前記マグネットと対向するようにＦＧパターンが設けられている。前記回路基板と前記ＦＧパターンとの間には、前記ＦＧパターンの形状に沿ってパターニングされた高透磁率材料が配置されている。

本発明の電子機器は、本体ケースと、前記本体ケース内に設けられた被駆動体と、前記被駆動体に連結されたモータとを備えた電子機器であって、前記モータが上記の本発明のブラシレスモータであることを特徴とする。

本発明のブラシレスモータでは、回路基板のロータに対向する側の面に、マグネットと対向するようにＦＧパターンが設けられており、回路基板とＦＧパターンとの間には、ＦＧパターンの形状に沿ってパターニングされた高透磁率材料が配置されている。従って、ＦＧ着磁による磁束のほとんどをＦＧパターンに鎖交させることができるので、ＦＧパターンから得られるＦＧ信号の強度を高めることができる。従って、回転速度検出精度に優れたブラシレスモータを実現することができる。

本発明の電子機器によれば、上記の本発明のブラシレスモータを用いて被駆動体を駆動するので、被駆動体の回転精度を向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るブラシレスモータの概略構成を示した断面図である。 図２は、本発明の実施の形態２に係るブラシレスモータの概略構成を示した断面図である。 図３は、従来のブラシレスモータの概略構成を示した断面図である。 図４は、本発明のモータを用いた電子機器の一例の概略構成を示した図である。

上記の本発明のブラシレスモータにおいて、前記ＦＧパターンが銅からなることが好ましい。これにより、所望する形状のＦＧパターンを公知のパターニング方法を用いて効率良く形成することができる。

前記高透磁率材料の比抵抗が１０μΩｃｍ以上であることが好ましい。これにより、ＦＧパターンに発生した電流はＦＧパターンを優先的に流れるとともに、高透磁率材料に渦電流が発生して発熱することで回路基板が温度上昇するのを抑えることができる。

前記ＦＧパターンと前記高透磁率材料との間に絶縁層が設けられていることが好ましい。これにより、ＦＧパターンに発生した電流が高透磁率材料を流れるのを抑えることができるので、ＦＧパターンから得られるＦＧ信号の品質を向上することができる。

前記ＦＧパターンの内周側端が前記ステータコアの外周側端よりも半径方向の外側に位置していることが好ましい。これにより、メイン着磁による磁束がＦＧパターンに鎖交するのを抑えることができるので、ＦＧパターンから得られるＦＧ信号に含まれるノイズ成分を低減することができる。この効果は、ティースの外周端にマグネットと略平行に延長部が設けられたブラシレスモータにおいて、特に顕著である。

以下、本発明を好適なの実施の形態を用いて説明する。但し、本発明は以下の実施の形態に限定されないことは言うまでもない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るブラシレスモータ（以下、単に「モータ」という）の概略構成を示した断面図である。以下の説明では、モータの駆動軸２５の方向を上下方向とし、図１において紙面の上側及び下側をそれぞれモータの「上側」及び「下側」と呼ぶ。また、駆動軸２５と直交する方向を「半径方向」と呼ぶ。

図１に示すように、本実施の形態１のモータは、回路基板（以下、単に「基板」という）３０にハウジング２８を介して搭載されたステータコア２０を含むステータと、ステータコア２０の周囲に配置されたロータ１０とを備えたアウターロータ型のモータである。ロータ１０は、円筒形状の磁性体からなり、その上端に天板１０ａが固定され、その下端は開放されている。ハウジング２８の内周面にベアリング２９が設けられている。モータの駆動軸２５は、ベアリング２９を貫通し、駆動軸２５の上端はロータ１０の天板１０ａに固定されている。その結果、ロータ１０及び駆動軸２５は、ベアリング２９を介してステータコア２０に対して回転自在である。

ロータ１０の内周面には中空円筒形状のマグネット１１が固定されている。マグネット１１のステータコア２０に対向する面１１ｍは、ステータコア２０に対向する方向に、第二の所定間隔ごとにＮ極とＳ極とが交互に（隣接極が異極となるように）着磁（メイン着磁）されている。更に、メイン着磁とは別に、マグネット１１の基板３０に対向する面（下面）１１ｆは、基板３０に対向する方向に、第三の所定間隔ごとにＮ極とＳ極とが交互に多極着磁（ＦＧ着磁）されている。

ステータコア２０は、複数の板状体（例えば高透磁率薄鋼板）が積層された積層体からなる。ステータコア２０の外周には、複数のティース２１が周方向に第一の所定間隔で配置されている。各ティース２１の内側の磁気回路が形成される部分（磁路２１ｅ）には、電磁石用のコイル２３が巻回されている。コイル２３に交流電力を印加することで、各ティース２１はＮ極とＳ極とに交互に着磁される。これにより、互いに対向するティース２１とマグネット１１との間で吸引力と反発力が発生し、ロータ１０が駆動軸２５を中心に回転し、駆動軸２５を介して回転駆動力が出力される。

基板３０には、ＦＧパターン（周波数発電機コイルパターン）３１が設けられている。ＦＧパターン３１は、例えば銅などの導電性材料を用いて形成することができる。ＦＧパターン３１の形状は、特に制限はないが、例えばＦＧ着磁の着磁極数と同数で、ＦＧ着磁の磁極と同ピッチで配された半径方向に沿った線素を直列に接続したジグザク状の配線で構成することができる。ＦＧパターン三一は、更に、メイン着磁の影響を受けにくくするために、ジグザグ状の配線の内側又は外側に配された円形のキャンセルパターンを含んでいても良い。ロータ１０が回転することにより、線素に鎖交するＦＧ着磁による磁束が変化し、線素に電圧が誘起される。ＦＧパターン３１から出力される電圧の変化を速度信号に変換して、ロータ１０の回転が制御される。

マグネット１１のＦＧ着磁による磁束がＦＧパターン３１により多く鎖交するほど、ＦＧパターン３１から出力される信号（ＦＧ信号）の強度が増大する。したがって、ＦＧパターン３１は、基板３０の上面（ロータ１０に対向する側の面）に、マグネット１１と対向して設けられる。

更に、マグネット１１のＦＧ着磁による磁束をＦＧパターン３１により多く鎖交させるために、マグネット１１の基板３０側の端部（即ち、マグネット１１の下端）は、基板３０までの距離が短くなるように下方に延長されていることが好ましい。上下での磁気的バランスを確保するために、マグネット１１の上端も同様に上方に延長されていることが好ましい。

この場合、マグネット１１の上下方向寸法と一致するように、ステータコア２０の各ティース２１の外周端には、マグネット１１と略平行な延長部２１ａ，２１ｂが設けられていることが好ましい。延長部２１ａ，２１ｂを設けることにより、ティース２１とマグネット１１との対向面積が拡大するので、より多くのメイン着磁による磁束がティース２１に引き込まれ、モータの駆動力及び駆動効率が向上する。

延長部２１ａ，２１ｂは、メイン着磁による磁束を導き入れる集磁効果を有している。延長部２１ａ，２１ｂに流入した磁束のほとんどは延長部２１ａ，２１ｂ内を通り磁路２１ｅに向かう。しかし、延長部２１ａ，２１ｂが磁気飽和することにより、一部の磁束は延長部２１ａ，２１ｂから漏れ出して漏れ磁束となる。基板３０側の延長部２１ａから漏れ出したメイン着磁による漏れ磁束がＦＧパターン３１に鎖交すると、ＦＧ信号にノイズ成分が発生し、回転速度検出精度が低下する。

そこで、ＦＧパターン３１は、延長部２１ａから遠ざけて配置されることが好ましい。具体的には、ＦＧパターン３１の内周側端がステータコア２０の外周側端よりも半径方向の外側に位置していることが好ましい。また、ＦＧパターン３１の半径方向の中央位置がマグネット１１の半径方向の中央位置よりも半径方向の外側に位置していることが好ましい。これにより、延長部２１ａから漏れ出すメイン着磁による漏れ磁束が、ＦＧパターン３１に鎖交するのを抑えることができる。

本実施の形態１では、基板３０とＦＧパターン３１との間に高透磁率材料３２が配置されている。高透磁率材料３２は、１００以上、更には１０００以上の比透磁率を有することが好ましい。比透磁率が１００以上の高透磁率材料３２として例えばコバルト、ニッケル、ＣｏＮｉ合金などを用いることができ、比透磁率が１０００以上の高透磁率材料３２として例えば鉄、ＦｅＳｉ合金、ＮｉＦｅ（パーマロイ）などを用いることができる。

高透磁率材料３２は、渦電流の発生を抑制するために大きな比抵抗値を有することが好ましく、具体的には高透磁率材料３２の比抵抗は１０μΩｃｍ以上、更には５０μΩｃｍ以上であることが好ましい。比抵抗が１０μΩｃｍ以上の高透磁率材料３２として例えばＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅなどを用いることができ、比抵抗が５０μΩｃｍ以上の高透磁率材料３２として例えばパーマロイに他の元素（Ｍｏ）を付与して高抵抗化したＮｉＦｅＭｏなどを用いることができる。

また、高透磁率材料３２として酸化物軟磁性材料（例えばフェライト）を用いることもできる。これにより、フェライト等の酸化物軟磁性材料は、上記の金属材料よりも高い比抵抗値を有するため、渦電流の発生を一層抑制することができる。

ＦＧパターン３１は上述したように所定形状を有しており、その下層である高透磁率材料３２もＦＧパターン３１の形状に沿ってパターニングされている。このようなそれぞれがパターニングされたＦＧパターン３１及び高透磁率材料３２の形成方法は、特に制限はないが、例えば以下のようにして形成することができる。

例えば、基板３０上に、高透磁率材料からなる層、及びＦＧパターン３１の材料である銅からなる層を順に成膜する。成膜方法としては、例えば印刷、めっき、蒸着、スパッタなど一般的な薄膜形成法を用いることができる。次いで、銅層上にフォトレジストなどで所望するＦＧパターンに対応するパターンを形成する。そして、このパターンをエッチングマスクとして銅層及び高透磁率材料層をエッチングし、その後、フォトレジストを除去することで、所望する形状のＦＧパターン３１と、ＦＧパターン３１の形状に沿ってパターニングされた高透磁率材料３２とを形成することができる。このような方法によれば、効率的にＦＧパターン３１と高透磁率材料３２とを形成することができる。

エッチングの方法としては、ＦＧパターン３１及び高透磁率材料３２の材料に応じて、湿式プロセス又は乾式プロセスを用いることができる。高透磁率材料３２として上記酸化物などを用いる場合には、湿式エッチングが難しいため、乾式エッチングなどを用いるのが好ましい。

上記の説明では、エッチングプロセスを用いてパターン形成を行う例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば以下に説明するリフトオフプロセスを用いることもできる。即ち、成膜する前に、基板３０上のＦＧパターン３１が不要な領域にフォトレジストを形成する。次いで、高透磁率材料からなる層、及びＦＧパターン３１の材料である銅からなる層を順に成膜する。最後に、フォトレジストを、その上の不要な層とともに除去することで、所望する形状のＦＧパターン３１と、ＦＧパターン３１の形状に沿ってパターニングされた高透磁率材料３２とを形成することができる。

上記の説明では、ＦＧパターン３１の材料として銅を用いた場合を説明したが、銅以外の公知の導電性材料を用いることもできる。

以上のように、基板３０とＦＧパターン３１との間に高透磁率材料３２を配置することにより、ＦＧ着磁による磁束は高透磁率材料３２内を通過する。そして、高透磁率材料３２はＦＧパターン３１に沿った形状を有しており、且つ、マグネット１１と高透磁率材料３２との間にＦＧパターン３１が配置されている。従って、マグネット１１からのＦＧ着磁による磁束のほとんどは、ＦＧパターン３１と鎖交することとなる。その結果、ＦＧ信号の強度を高めることができる。

また、ティース２１の外周端に延長部２１ａ，２１ｂが設けられたモータにおいては、ＦＧパターン３１を半径方向の外側にシフトさせて延長部２１ａから遠ざけることによって、延長部２１ａから漏れ出すメイン着磁による漏れ磁束が、高透磁率材料３２へ流入するのを抑えることができるので、当該漏れ磁束がＦＧパターン３１に鎖交するのを抑えることができる。その一方で、マグネット１１からのＦＧ着磁による磁束は、延長部２１ａに流入することなく、高透磁率材料３２へ流入させることができ、その際にＦＧパターン３１に鎖交する。従って、ＦＧ信号の強度を高め、ノイズ成分を低減することができる。

本発明者らは、ティース２１に延長部２１ａ，２１ｂが設けられておらず、また、高透磁率材料３２を有していない以外は本実施の形態と同じ構成を有する図３に示した従来のモータと同等のＦＧ信号強度を、本実施の形態のモータにおいて得られることを確認している。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係るモータの概略構成を示した断面図である。実施の形態１に係るモータを示した図１と同じ部材には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。

本実施の形態のモータは、ＦＧパターン３１と高透磁率材料３２との間に絶縁層３３が設けられている点で、実施の形態１のモータと異なる。絶縁層３３の材料としては、特に制限はないが、例えばＳｉＯ₂、アルミナなどを用いることができる。絶縁層３３を設けることにより、ＦＧパターン３１と高透磁率材料３２との絶縁性が確保されるので、ＦＧ信号品質が向上する。絶縁層３３は、ＦＧパターン３１の形状に沿ってパターニングされていても良く、あるいは、パターニングされていなくても良い。

ＦＧパターン３１及び高透磁率材料３２の材料は、実施の形態１と同じものを用いることができる。

絶縁層３３の形成方法は特に制限はない。例えば、基板３０上に、高透磁率材料からなる層、絶縁層、ＦＧパターン３１の材料である銅からなる層を順に成膜する。次いで、銅層上にフォトレジストなどで所望するＦＧパターンに対応するパターンを形成する。そして、このパターンをエッチングマスクとして銅層、絶縁層、及び高透磁率材料層をエッチングし、その後、フォトレジストを除去することで、所望する形状のＦＧパターン３１と、ＦＧパターン３１の形状に沿ってパターニングされた絶縁層３３及び高透磁率材料３２とを形成することができる。パターニング方法としては、エッチングプロセスに限定されず、実施の形態１で説明したのと同様にリフトオフプロセスを用いることもできる。

より高い絶縁性が必要な場合には、基板３０上に、所望するＦＧパターンに対応する形状にパターニングされた高透磁率材料３２を形成し、この高透磁率材料３２を覆うように絶縁層３３を形成し、絶縁層３３上に、パターニングされたＦＧパターン３１を形成する。高透磁率材料３２及びＦＧパターン３１のパターニング方法としては、エッチングプロセス、リフトオフプロセスのいずれであっても良い。

本発明者らは、ティース２１に延長部２１ａ，２１ｂが設けられておらず、また、高透磁率材料３２を有していない以外は本実施の形態と同じ構成を有する図３に示した従来のモータと同等のＦＧ信号強度を、本実施の形態のモータにおいても得られることを確認している。

なお、高透磁率材料３２が高い絶縁性を有している場合には、絶縁層３３を敢えて設ける必要はない。

（実施の形態３）
図４は、本発明のブラシレスモータを用いた電子機器の一例の概略構成を示した図である。図４において、電子機器６１は、本体ケースとしての筐体６２と、筐体６２内に搭載される電動機６７と、電動機６７を駆動するための駆動器６５と、駆動器６５に給電するための電源６８と、電動機６７を動力源として駆動される機構部等の負荷（被駆動体）６９とを含んでいる。ここで、電動機６７と駆動器６５とで電動機駆動装置６３が構成される。電動機６７は、電源６８から電力供給を受けて駆動器６５を介して駆動される。電動機６７の駆動軸を介して負荷６９に回転トルクが伝達される。電動機６７として、本発明のブラシレスモータを用いることができる。

電子機器６１として、例えばレーザプリンタを例示することができる。この場合、負荷６９としては紙送り用ローラが該当する。本発明のモータは、レーザプリンタの本体ケース内において、水平方向に配置された配線基板３０上に、各種の電子部品とともに載置されていても良い。モータの、配線基板３０を貫通して下側に延びた駆動軸２５の下部に歯車（図示せず）を固定し、この歯車と、紙送り用ローラに設けられた歯車とを減速機構としてのギアボックス（図示せず）を介して連結することができる。本発明のモータは、ＦＧ信号強度が改善されているので、モータの回転速度検出精度に優れる。従って、精度よい紙送りが可能となり、印字ずれ等のない精細な印刷が可能なレーザプリンタを実現することができる。

本発明によれば、回転速度検出精度が向上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。但し、本発明のモータはこれらに限定されず、高い回転精度が要求されるモータとして広範囲に利用することができる。

１０ ロータ
１０ａ 天板
１１ マグネット
２０ ステータコア
２１ ティース
２１ａ，２１ｂ 延長部
２１ｅ 磁路
２３ コイル
２５ 駆動軸
２８ ハウジング
２９ ベアリング
３０ 回路基板（基板）
３１ ＦＧパターン
３２ 高透磁率材料
３３ 絶縁層
６１ 電子機器
６２ 筐体（本体ケース）
６３ 電動機駆動装置
６５ 駆動器
６７ 電動機
６８ 電源
６９ 負荷（被駆動体）

Claims (6)

1. 回路基板に搭載され、外周に複数のティースが第一の所定間隔で配置されたステータコアと、前記ステータコアの周囲に回転自在に配置されたロータとを備えたブラシレスモータであって、
   前記ロータの内周面にマグネットが設けられており、
   前記マグネットの前記ステータコアに対向する面は、前記ステータコアに対向する方向に第二の所定間隔ごとに異極にメイン着磁されており、且つ、前記マグネットの前記回路基板に対向する面は、前記回路基板に対向する方向に第三の所定間隔ごとに異極にＦＧ着磁されており、
   前記回路基板の前記ロータに対向する側の面には、前記マグネットと対向するようにＦＧパターンが設けられており、
   前記回路基板と前記ＦＧパターンとの間には、前記ＦＧパターンの形状に沿ってパターニングされた高透磁率材料が配置されていることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記ＦＧパターンが銅からなる請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記高透磁率材料の比抵抗が１０μΩｃｍ以上である請求項１又は２に記載のブラシレスモータ。
4. 前記ＦＧパターンと前記高透磁率材料との間に絶縁層が設けられている請求項１〜３のいずれかに記載のブラシレスモータ。
5. 前記ＦＧパターンの内周側端が前記ステータコアの外周側端よりも半径方向の外側に位置している請求項１〜４のいずれかに記載のブラシレスモータ。
6. 本体ケースと、前記本体ケース内に設けられた被駆動体と、前記被駆動体に連結されたモータとを備えた電子機器であって、前記モータが請求項１〜５のいずれかに記載のブラシレスモータである電子機器。

Images