JP2012060745A - Ｄｃモータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化と低騒音性を高いレベルで両立したＤＣモータを提供する。
【解決手段】ＤＣモータは、ハウジングと、電機子と同軸になるようにシャフトに取り付けられたコミテータ２６と、その先端面がコミテータ２６の外周面に摺接するカーボンブラシ３０と、カーボンブラシ３０をコミテータ２６側にストローク可能に支持するカーボンホルダ３１と、を備える。コミテータ２６は、その直径が１０ｍｍ未満であり、カーボンホルダ３１とカーボンブラシ３０との間には、カーボンブラシ３０をコミテータ２６側にストローク可能とするクリアランスＧ２が形成されており、カーボンホルダ３０のコミテータ２６と対向する側の端部３１ａにおけるクリアランスの両端Ｐ３，Ｐ４と、コミテータの中心とを結ぶ２本の直線が成す角が１．５度未満である。
【選択図】図９

Description

本発明はＤＣモータに関し、特にハウジングに給電用のブラシを備えたモータに関する。

自動車等の電装機器や音響・映像機器、あるいは家電機器から玩具・模型に至るまで、ＤＣモータ（以下、単に「モータ」ともいう）はあらゆる分野および用途に使用されている。一般的に、ＤＣモータは、直流電源からブラシおよびそれが摺動接触する整流子（コミテータ）を介して回転子巻線に電流を供給する。

また、自動化による電装品の増加に伴い、一つの製品に数多くのモータが搭載されるようになり、個々のモータの特性を確保した状態でその小型化が要求されている。従来、このようなモータには、そのケースが円筒状のラウンドタイプ、小判形のフラットタイプ、長方形のスクエアタイプと呼ばれるものが主流であった。フラットタイプやスクエアタイプは着磁極数が２極となり、そのケースの長手方向に対向してマグネットが設けられる。一方、４極以上になると、磁極をバランスよく配置するとともにその収容空間を小さくするためにラウンドタイプが採用されていた。

しかしながら、このようなラウンドタイプにおいては、周方向に隣接するマグネット間に余分なスペースが発生する。一方、マグネットとしての機能を維持するためには、その磁極の中心部の厚みが確保されていればよい。このようなことから、ケースの形状をその円筒形よりも小さな多角形状とし、その角部に磁極の中心を配置するようにマグネットを設けることで小型化を実現する技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような形状によれば、隣接するマグネット間の余分なスペースが削減される。一方、マグネットそのものは小さくなるが、その磁極の中心に十分な厚みがあるため、必要な特性は維持される。つまり、モータとしての特性を維持しつつその小型化を実現することができる。

国際公開第０９／１１８９７２号パンフレット

ところで、このようにして小型化を実現した多角形状のモータを実装対象である装置や機器等に装着し、負荷がかかった状態で繰り返し駆動させると、モータのノイズが徐々に上昇する傾向にある。また、モータの繰り返し動作によるノイズの上昇度合いは、ばらつきがあり必ずしも一定ではない。そのため、あるモータでは、当初想定している動作回数に到達する前にノイズの上限値を超えてしまう場合がある。このようなノイズの発生やノイズの上昇が発生する要因は種々考えられるが、本願発明者が鋭意検討した結果、ブラシとホルダとのクリアランスの大きさがノイズの上昇の一因である可能性に想到した。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型化と低騒音性を高いレベルで両立したＤＣモータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のＤＣモータは、筒状のハウジングと、ハウジングの内面に沿って設けられ、周方向に間隔をおいた複数の磁極を有するマグネットと、ハウジングの軸線に沿って挿通されたシャフトと、シャフトに固定され、マグネットに対向配置せれた電機子と、電機子と同軸になるようにシャフトに取り付けられたコミテータと、柱状の本体を有し、その先端面がコミテータの外周面に摺接するカーボンブラシと、ハウジングに設けられ、カーボンブラシをコミテータ側にストローク可能に支持するカーボンホルダと、ハウジングに配設され、カーボンブラシをコミテータ側に付勢する付勢部材と、を備える。コミテータは、その直径が１０ｍｍ未満であり、カーボンホルダとカーボンブラシとの間には、カーボンブラシをコミテータ側にストローク可能とするクリアランスが形成されており、カーボンホルダのコミテータと対向する側の端部におけるクリアランスの両端と、シャフトの中心とを結ぶ２本の直線が成す角が１．５度未満である。

ＤＣモータの動作に応じてカーボンブラシが摩耗した場合であっても、カーボンブラシとコミテータとの接触を確保すべくカーボンブラシが摺動できるように、カーボンブラシとカーボンホルダとの間にはある程度のクリアランスが設けられている。このクリアランスは、カーボンホルダの加工や組付けの公差を加味して設定されている。そのため、カーボンホルダの加工や組付けの公差が大きい場合、ばらつきによってカーボンブラシが摺動できなくならないように、クリアランスを大きく取る必要がある。断面積が大きなＤＣモータの場合、コミテータの直径も大きくできるため、クリアランスによるモータ位相への影響は小さい。しかしながら、本発明者らの検討により、小型化の要請で断面積が狭くなっているＤＣモータの場合、モータ位相に与えるクリアランスの影響がより顕著になることが明らかになってきた。

この態様によると、小型化され断面積の小さなＤＣモータにおいて、特にコミテータの直径が１０ｍｍ未満の場合、カーボンホルダのコミテータと対向する側の端部におけるクリアランスの両端と、シャフトの中心とを結ぶ２本の直線が成す角が１．５度未満となるように構成されている。つまり、コミテータの小型化に応じてカーボンブラシとカーボンホルダとのクリアランスも小さく設定されているため、モータ位相に与えるクリアランスの影響が低減され、ノイズの発生やノイズの上昇が抑制される。例えば、クリアランスは、０．１ｍｍ以下であってもよい。これにより、小型化されたＤＣモータにおいても低騒音を実現できる。

ハウジングは、互いに直交する４つの平坦部と、隣接する平坦部をつなぐ４つの連結部とからなる側面を有してもよい。マグネットは、４つの連結部の内側にそれぞれ磁極を有していてもよい。２極のマグネットと比較して４極のマグネットの場合、クリアランスの大きさがモータ位相に与える影響が大きい。そのため、マグネットが４極のＤＣモータでは、マグネットが２極のＤＣモータと比較して、ノイズの発生やノイズの上昇の抑制の効果がより顕著となる。

カーボンブラシは、連結部を結ぶ２つの対角線に沿ってそれぞれ一つずつ配置されていてもよい。これにより、一対のカーボンブラシをコミテータの中心を挟んで互いに対向させた場合と比較して、例えば、一対のカーボンブラシを、それぞれの長手方向がなす角が９０度となるように配置した場合、ノイズの発生やノイズの上昇の抑制の効果がより顕著となる。

カーボンホルダが取り付けられる取付穴が形成された樹脂製のブラシホルダを更に備えてもよい。カーボンホルダは、カーボンブラシを挟み込む一対の平坦面を有してもよい。一対の平坦面は、それぞれの先端が、取付穴に挿入可能な挿入部として一体的に形成されていてもよい。これにより、カーボンホルダは、平坦面と挿入部とが同一面を構成しており、加工が容易となる。そのため、カーボンホルダの寸法精度が向上し、クリアランスの設定を小さくすることができる。

カーボンホルダは、一対の平坦面および挿入部が一度の曲げ加工により形成されていてもよい。これにより、カーボンホルダの寸法精度が向上し、クリアランスの設定を小さくすることができる。

一対の平坦面に形成されているそれぞれの挿入部が挿入され貫通する複数の貫通孔を有する金属プレートを更に備えてもよい。複数の貫通孔は、挿入部が挿入され貫通した状態では、一対の平坦面の間隔が所定の範囲に含まれるように側壁が加工されていてもよい。これにより、仮にカーボンホルダの加工による形状のばらつきが生じても、一対の平坦面の間隔が所定の範囲に含まれるため、クリアランスの設定を小さくすることができる。

挿入部のそれぞれは、金属プレートの貫通孔およびブラシホルダの取付穴を貫通し、その先端部が互いに外側に曲げられることでブラシホルダに対してかしめられていてもよい。これにより、挿入部は金属プレートの貫通孔の内側の側壁に押し付けられるため、一対の平坦面の間隔の寸法精度が向上する。

本発明によれば、ＤＣモータの小型化と低騒音性を高いレベルで両立することができる。

本実施の形態に係るＤＣモータの正面図である。 本実施の形態に係るＤＣモータの背面図である。 本実施の形態に係るＤＣモータの側面図である。 ＤＣモータの主たる構成部品を説明するための分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図５のＢ−Ｂ矢視断面図である。 図５のＢ−Ｂ矢視断面図である。 ブラシホルダにコネクタが取り付けられたブラシホルダ組立て体を図５のＣ方向からみた矢視図である。 図９（ａ）は、実施例および比較例のモータ構成における、コミテータとカーボンホルダとの位置関係を説明するための模式図、図９（ｂ）は、図９（ａ）の領域Ｄを拡大した図である。 コミテータの直径が１０ｍｍ未満の小型のＤＣモータのクリアランスとライフサイクル数との関係を示すグラフである。 本実施の形態に係るカーボンホルダの全体斜視図である。 本実施の形態に係る金属プレートの全体斜視図である。 金属プレートを介してカーボンホルダをブラシホルダに取り付ける様子を示す模式図である。 ブラシホルダの取付穴の大きさと、金属プレートの貫通孔の大きさとの関係を説明するための図である。 最終的にカーボンホルダをブラシホルダに固定した状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

図１は、本実施の形態に係るＤＣモータの正面図である。図２は、本実施の形態に係るＤＣモータの背面図である。図３は、本実施の形態に係るＤＣモータの側面図である。図４は、ＤＣモータの主たる構成部品を説明するための分解斜視図である。

図１乃至図４に示すように、ＤＣモータ（単に「モータ」という）１０は、筒状のハウジング１２の内部に回転子１４が収容されて構成されている。ハウジング１２は、有底筒状の金属ケース１６と、筒状の樹脂製のブラシホルダ１８とを組み付けて構成される。金属ケース１６は、磁気回路を形成するヨークとしても機能し、その内周面には筒状の界磁マグネット（単に「マグネット」という）２０が固定され、共に固定子を構成している。金属ケース１６の底部中央にはボス部１７が外方にやや突出するように形成され、後述する軸受を収容している。

回転子１４は、回転軸となるシャフト２２の一端側半部に、電機子２４、コミテータ２６、検出用マグネット２８等が設けられて構成される。シャフト２２は、ハウジング１２の軸線に沿って挿通されている。また、電機子２４は、シャフト２２に固定され、マグネット２０に対向するように配置されている。ブラシホルダ１８には、コミテータ２６に対向配置される一対のカーボンブラシ３０が配設されている。ブラシホルダ１８には、図示しない電装品と電気的に接続するためのコネクタ３２が着脱可能に取り付けられる。

ブラシホルダ１８は、コネクタ３２を取り付けたブラシホルダ組立て体の状態で金属ケース１６に挿入されるようにして組み付けられる。金属ケース１６の開口端近傍の側面には切り欠き部３４，３５が設けられており、ブラシホルダ組立体を組み付ける際にコネクタ３２およびブラシホルダ１８の所定箇所が切り欠き部３４，３５の各基端部にそれぞれ係止されることにより適切な位置決めがなされる。

このようにブラシホルダ組立体を組み付けた後、金属ケース１６の開口部をエンドプレート３６により封止する。エンドプレート３６は、金属ケース１６の開口部とほぼ同形状の外形を有し、その開口部に挿通嵌合される。エンドプレート３６は、金属ケース１６内に挿入された後にエンドプレート３６の開口端が内方にかしめられることにより、金属ケース１６に対して固定される。エンドプレート３６の周縁部には互いに反対側に延出する一対のフランジ部３８が設けられ、各フランジ部３８が電装品への取付部を形成している。

エンドプレート３６の中央にはボス部３９が外方にやや突出するように形成され、リング状であって潤滑用のオイルを含浸したいわゆるオイルレスメタルからなる滑り軸受３７が圧入されている。ボス部３９の底部にはその滑り軸受３７と同軸状に挿通孔が設けられている。シャフト２２の他端側半部は、この挿通孔を貫通して外部に露出し、図示しないギア等を介して駆動対象に接続される。なお、滑り軸受３７をエンドプレート３６ではなくブラシホルダ１８に設けることもできるが、金属からなるエンドプレート３６にて保持する本実施の形態の構成は、樹脂と比べて温度湿度変化に強く、モータ使用温度湿度環境の変化による体積の膨張収縮が小さいのでシャフト２２の同軸度を向上させることができ、回転子１４を高精度で安定した回転状態を保持することができる。

図５は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。図５に示すように、金属ケース１６、ブラシホルダ１８、およびコネクタ３２に囲まれるようにしてハウジング１２の内部空間が形成される。エンドプレート３６のボス部３９には上述した滑り軸受３７が圧入され、シャフト２２の挿通されるシャフト孔４０近傍の部分を回転自在に軸支している。一方、金属ケース１６のボス部１７には、滑り軸受であって外形形状が球形である球形滑り軸受４１が同軸状に内挿嵌合された有底筒状の軸受ホルダ４２が配置されている。球形滑り軸受４１は、シャフト２２の一端部に圧入されている。軸受ホルダ４２の底部中央には断面三角形状の凸部４３が設けられ、ボス部１７の底部に設けられた同形状の凹部４４に嵌合することで、その軸線周りの回動が阻止されている。つまり、これら凸部４３および凹部４４により軸受ホルダ４２の回り止め構造が実現されている。また、球形滑り軸受４１が、その外周の曲面部において軸受ホルダ４２に相対的に回動可能となっている。すなわち、シャフト２２と同軸の球形滑り軸受４１の軸線が軸受ホルダ４２の軸線と所定角度の傾きを許容する構成となっており、シャフト２２の回転により自動調心がなされるようになっている。

電機子２４は、シャフト２２に圧入されたコア４６と、コア４６に巻回された巻線４８を含んで構成されており、コア４６の外周面がマグネット２０の内周面と所定のクリアランス（磁気ギャップ）をあけて対向配置されている。これらマグネット２０およびコア４６による磁極構成の詳細については後述する。

シャフト２２における電機子２４と滑り軸受３７との間には、電機子２４側から順にコミテータ２６、検出用マグネット２８、ブッシュ５０が並設されている。コミテータ２６は、円筒状をなし、コネクタ３２が金属ケース１６に組み付けられた際にカーボンブラシ３０に対向配置される位置にてシャフト２２に圧入されている。ブラシホルダ１８には筒状のカーボンホルダ３１が固定されており、カーボンブラシ３０は、このカーボンホルダ３１に内挿されて支持されている。また、カーボンブラシ３０は、この状態でコミテータ２６の外周面に摺接するよう位置決めされている。

検出用マグネット２８は、コミテータ２６よりも外径がやや小さな円筒状をなし、コミテータ２６に軸線方向に当接するようにシャフト２２に挿通されている。コネクタ３２の下面にはホール素子５２が配設されており、コネクタ３２が金属ケース１６に組み付けられた際には、そのホール素子５２が検出用マグネット２８に対向配置される。検出用マグネット２８がコミテータ２６よりもやや小さく構成されることで、シャフト２２が他端側からブラシホルダ１８に挿通される際に検出用マグネット２８がカーボンブラシ３０に干渉するのが防止される。また、検出用マグネット２８をコミテータ２６よりも小さな範囲で大きくすることで、ホール素子５２に近接配置できるようにされている。

検出用マグネット２８は、回転に伴ってその外周面にＮ極とＳ極とが交互に現れるように２極に着磁されており、ホール素子５２がその検出用マグネット２８の回転に伴う磁極の切り替わり（境界）を検出してパルス信号を出力する。所定期間におけるそのパルス信号の数を取得することにより、モータ１０の回転数を検出することができる。なお、本実施例では検出用マグネット２８を２極着磁としたが、例えば４極着磁等その他の偶数極数に設定してもよい。

検出用マグネット２８のブッシュ５０との対向面には、断面四角形状の凹部５４が設けられている。一方、ブッシュ５０は、その凹部５４と相補形状の外形を有する段付柱状をなしている。ブッシュ５０は、その先端部を凹部５４に嵌合させるようにシャフト２２に圧入されており、その結果、検出用マグネット２８のシャフト２２に対する回転が防止されている。ブッシュ５０は、鉄などの磁性材料からなり、検出用マグネット２８の磁力を安定化させるバックヨークとしても機能する。

図６は、図５のＢ−Ｂ矢視断面図である。図７も同様に、図５のＢ−Ｂ矢視断面図である。なお、図６では、マグネット２０の磁極を説明するためにそれ以外の部品が省略されている。また、図７では、金属ケースに電機子が挿入された状態を示しており、巻線は省略されている。

ハウジング１２の一部を構成する金属ケース１６の側面は、２対の対向する平坦面１６ａと、平坦面１６ａ同士をつなぐ４つの連結面としての曲面１６ｂとを有する。なお、以下の説明では、連結面の一例である曲面の場合について説明するが、連結面がフラットな面であってもかまわない。すなわち、金属ケース１６は、４つの平坦面１６ａを有する４角形状の断面を有し、隣接する平坦面１６ａが湾曲状（Ｒ状）の角部により接続されている。このように、四角形状の角部を落としたような形状とすることで、モータ１０全体の小型化を図っている。同時に、モータ性能を維持しつつ高価であるマグネットの使用量を削減している。

マグネット２０は、ハウジング１２の内面に沿って設けられており、その外周面が接着剤を介して金属ケース１６の内周面に固着されており、金属ケース１６の曲面１６ｂに対応する位置にて厚肉となり、平坦面１６ａに対応する位置にて薄肉となるように構成されている。このマグネット２０の内周面により形成される仮想円の中心が、電機子２４の軸中心に一致するように構成されており、マグネット２０の厚肉部分を中心に各磁極が形成されている。

すなわち、マグネット２０は、磁極６０（Ｎ極）、磁極６１（Ｓ極）、磁極６２（Ｎ極）、磁極６３（Ｓ極）が周方向に等間隔で設けられた４極界磁の偏肉筒状体からなり、厚肉部となる各磁極の中心が金属ケース１６の４つの曲面１６ｂの部分にそれぞれ配置されている。マグネット２０は、例えば磁性材料を偏肉筒形状に一体成形して金属ケース１６に固定した後、磁界発生装置により金属ケース１６の外部から着磁させることで形成できるが、その着磁技術については公知であるため詳細な説明を省略する。

一方、図７に示すように、コア４６は、シャフト２２に圧入された中央円筒部から放射状に延出する６つの磁極６４〜６９を有し、各磁極に巻線が巻回される。なお、コア４６と巻線との間には、絶縁用のコーティングパウダーの塗布が施される。

図８は、ブラシホルダにコネクタが取り付けられたブラシホルダ組立体を図５のＣ方向からみた矢視図である。図８に示すように、ブラシホルダ１８は有底筒状をなし、金属ケース１６と同様に四角形状の断面の角部が湾曲状に形成されている。ブラシホルダ１８の中央にはその軸線方向にコミテータ２６や検出用マグネット２８を挿通可能な円孔が形成されており、その周囲に各種機能部品がスペースを有効利用するよう最適配置されている。なお、ブラシホルダ１８の軸線方向は、そのブラシホルダ１８に挿通されるシャフト２２の長さ方向となる。

すなわち、ブラシホルダ１８の図８の左右下方の角部には、周方向に９０度をなすように一対の筒状のカーボンホルダ３１が固定され、その内部にカーボンブラシ３０が摺動可能に収容されている。カーボンホルダ３１は、導電性金属からなる断面四角形状の長尺筒状体からなり、ブラシホルダ１８の軸中心からその半径方向に沿って延びるように配設されている。

カーボンブラシ３０は、長方形状の断面を有する長尺角柱状をなし、カーボンホルダ３１に摺動可能に内挿され支持されている。これにより、金属ケース１６、回転子１４、ブラシホルダ組立体が組み付けられた際には、カーボンブラシ３０が、ブラシホルダ１８の角部とコミテータ２６の軸中心とをつなぐ線上に延びるように配置されるようになる。本実施の形態において、この軸中心と角部とをつなぐ線上は、ブラシホルダ１８の平坦部をつないで構成される正方形の対角線上でもあり、ブラシホルダ１８内の周方向位置においてその半径方向のスペースが最も長くなる位置である。このため、カーボンブラシ３０は、その長さが最も長く確保可能な位置に配置されることになる。

ブラシホルダ１８の角部と側面部との間のスペースには、ねじりばね７０ねじりばね７０が配設されている。ねじりばね７０は、その巻回部７１がブラシホルダ１８の側面部に近接配置されたボス部６８に挿通されて支持され、その巻回部７１から延出する一端部７２がカーボンブラシ３０の後端面に当接される。巻回部７１から延出する他端部は、ブラシホルダ１８の底部に固定されている。ねじりばね７０は、その巻回部７１にて付勢力を蓄積し、一端部７２がその付勢力をカーボンブラシ３０に伝達してコミテータ２６側に付勢する。

カーボンホルダ３１のねじりばね７０との対向面には、カーボンブラシ３０のストローク方向に沿ったスリット（図１１参照）が設けられている。これにより、カーボンブラシ３０がコミテータ２６側にストロークしたとしても、ねじりばね７０の一端部７２がそのスリットを介して変位し、常にカーボンブラシ３０に付勢力を付与できる。すなわち、カーボンブラシ３０が経年により摩耗して短くなっても、コミテータ２６との安定した接触状態を保持することができる。一方、ねじりばね７０の巻回部７１をカーボンブラシ３０のストローク範囲の延長線上から外れた位置に設けることで、あらかじめカーボンブラシ３０として可能な限り長いものを選択することができ、カーボンブラシ３０そのもの、ひいてはモータ１０の高寿命化を図ることができる。

ブラシホルダ１８の内部スペースには、さらに、２つのチョークコイル７６、プリント基板８０等が配設されている。チョークコイル７６は、電気ノイズ消去素子であり、図の左右上方の角部にそれぞれ配置されている。また、チョークコイル７６は、その軸線がブラシホルダ１８の軸線と平行となるように設けられているため、ブラシホルダ１８の断面のスペースを節約し、小型化を図っている。

プリント基板８０は、ブラシホルダ１８の図の上部空間に沿った矩形の外形を有し、一対のチョークコイル７６を正面側から覆うようにしてブラシホルダ１８に取り付けられる。プリント基板８０には、電気的ノイズをカットするためのコンデンサ、回路保護用のダイオード、ホール素子５２用の抵抗などの各種回路素子が実装されている。このような構成により、万が一チョークコイル７６の固定が外れてしまっても、これが電機子２４に接触することがないようにされている。

コネクタ３２は、モータ１０を駆動対象である電装品に直接接続するためのいわゆるダイレクトコネクタであり、一対の給電端子８２と、ホール素子５２の信号を取り出すための一対の出力端子８４とが一体に組み付けられている。コネクタ３２の下面には、上述のようにホール素子５２のほか、電気的ノイズをカットするためのフィルムコンデンサが配設されている。

給電端子８２の一方は、プリント基板８０、一方のチョークコイル７６などを介して一方のカーボンブラシ３０に電気的に接続される。給電端子８２の他方は、プリント基板８０、他方のチョークコイル７６などを介して他方のカーボンブラシ３０に電気的に接続される。なお、上記プリント基板８０の電気的接続は、並列の電気的接続となっている。

以上のように、本実施の形態に係るモータ１０は、筒状のハウジング１２と、ハウジング１２の内面に沿って設けられ、周方向に間隔をおいた複数の磁極６１〜６４を有するマグネット２０と、ハウジング１２の軸線に沿って挿通されたシャフト２２と、シャフト２２に固定され、マグネット２０に対向配置せれた電機子２４と、電機子２４と同軸になるようにシャフト２２に取り付けられたコミテータ２６と、柱状の本体を有し、ハウジングにおいて、その本体の長手方向がコミテータ２６の半径方向に沿うように配設され、その先端面がコミテータ２６の外周面に摺接するカーボンブラシ３０と、ハウジングに設けられ、カーボンブラシ３０をコミテータ２６の半径方向にストローク可能に支持するカーボンホルダ３１と、ハウジングに配設され、カーボンブラシ３０をコミテータ側に付勢するねじりばね７０と、を備える。

また、本実施の形態に係るＤＣモータ１０は、全体が小型化されており、ハウジング１２の断面積も小さくなっている（例えば、６００ｍｍ^２未満）。当然、ハウジング１２に収納されるコミテータの直径も従来より小さくなっている。このように全体が小型化されたＤＣモータは、駆動対象のユニットの負荷が環境や経年劣化によって高まると、ノイズが発生したりノイズレベルが所定の上限値を超えたりする場合が、大型のＤＣモータと比較して多い。

これは以下のような理由が考えられる。ＤＣモータは、その動作に応じてカーボンブラシが摩耗した場合であっても、カーボンブラシとコミテータとの接触を確保すべくカーボンブラシが摺動できるように、カーボンブラシとカーボンホルダとの間にはある程度のクリアランスが設けられている。このクリアランスは、カーボンホルダの加工や組付けの公差を加味して設定されている。そのため、カーボンホルダの加工や組付けの公差が大きい場合、ばらつきによってカーボンブラシが摺動できなくならないように、クリアランスを大きく取る必要がある。断面積が大きな大型ＤＣモータの場合、コミテータの直径も大きくできるため、クリアランスによるモータ位相への影響は小さい。しかしながら、本発明者らの検討により、小型化の要請で断面積が狭くなっているＤＣモータの場合、モータ位相に与えるクリアランスの影響がより顕著になることが明らかになってきた。

図９（ａ）は、実施例および比較例のモータ構成における、コミテータとカーボンホルダとの位置関係を説明するための模式図、図９（ｂ）は、図９（ａ）の領域Ｄを拡大した図である。

はじめに、比較例のモータ構成の場合について、図９（ａ）、図９（ｂ）の右半分を用いて説明する。比較例のコミテータ２６は、その直径が９ｍｍであり、カーボンホルダ３１とカーボンブラシ３０との間には、カーボンブラシ３０をコミテータ２６の半径方向にストローク可能とするクリアランスＧ１が形成されている。比較例の場合、クリアランスＧ１は、０．１７ｍｍである。また、カーボンホルダ３１のコミテータ２６と対向する側の端部３１ａと、コミテータ２６との距離ｄは、０．５ｍｍ程度である。このような構成において、クリアランスＧ１の両端Ｐ１，Ｐ２と、シャフトの中心（環状のコミテータの中心）とを結ぶ２本の直線が成す角は、１．７７°となる。

図１０は、コミテータの直径が１０ｍｍ未満の小型のＤＣモータのクリアランスとライフサイクル数との関係を示すグラフである。

図１０に示すグラフにおいて、横軸はカーボンブラシとカーボンホルダとのクリアランスを示し、縦軸はノイズが初期レベルから所定量増大するまでのＤＣモータのライフサイクル数を示している。また、グラフ中にある３つの曲線は、動作時の負荷が停電トルクＴｓの１／２（最大負荷）、１／４（中負荷）、１／６（低負荷）の場合に対応している。図１０に示すように、比較例に係るＤＣモータは、低負荷の場合のライフサイクル数が３４００回程度となっている。

次に、実施例に係るＤＣモータの場合について、図９（ａ）、図９（ｂ）の左半分を用いて説明する。モータ１０は、コミテータ２６の直径が９ｍｍであり、クリアランスＧ２が０．０８ｍｍに設定されている。なお、カーボンブラシ３０の幅は１．８ｍｍ〜２ｍｍ程度の範囲で選択すればよい。このような構成において、クリアランスＧ１の両端Ｐ３，Ｐ４と、シャフトの中心とを結ぶ２本の直線が成す角は、０．８４°となる。従って、図１０に示すように、実施例に係るＤＣモータ１０は、低負荷の場合のライフサイクル数が４４００回程度となっており、ＤＣモータの小型化と低騒音性を高いレベルで両立しつつ、長寿命化も図られている。

このように、モータの断面積が小さくコミテータの直径が小さい場合であっても、クリアランスをある程度小さくすることで、モータの低騒音化、長寿命化が可能なことが明らかになった。なお、更に検討すると、モータ位相に影響を与えるのは、クリアランスそのものの大きさというよりも、クリアランスに伴うカーボンブラシのコミテータ周方向へのずれ量が要因とも考えられる。つまり、クリアランスの両端と、シャフトの中心とを結ぶ２本の直線が成す角が、クリアランスによるカーボンブラシのずれとして、モータ位相に与える影響をより直接的に表しているとも考えられる。

そこで、本発明者らが鋭意検討した結果、本実施の形態に係るＤＣモータ１０は、直径が１０ｍｍ未満のコミテータの場合、カーボンホルダのコミテータと対向する側の端部におけるクリアランスの両端と、シャフトの中心とを結ぶ２本の直線が成す角が１．５度未満となるように構成されている。

このように、コミテータ２６の小型化に応じてカーボンブラシ３０とカーボンホルダ３１とのクリアランスも小さく設定されているため、モータ位相に与えるクリアランスの影響が低減され、ノイズの発生やノイズの上昇が抑制される。クリアランスは、０．１５ｍｍ以下に設定されていればよく、０．１ｍｍ以下に設定されていることが好ましい。これにより、小型化されたモータ１０においても低騒音を実現できる。

また、本実施の形態に係るモータ１０のように、４極のマグネット２０を備えている場合、２極のマグネットと比較してクリアランスの大きさがモータ位相に与える影響が大きい。換言すれば、本実施の形態に係るモータ１０の構成では、２極のＤＣモータと比較して、ノイズの発生やノイズの上昇が起きやすいので、それらを抑制する効果がより顕著となる。

加えて、本実施の形態に係るモータ１０は、一対のカーボンブラシ３０を、互いの長手方向が成す角度が９０°となるように配置されている。つまり、一対のカーボンブラシ３０は、４つの連結面を結ぶ２つの対角線に沿ってそれぞれ一つずつ配置されている。これにより、一対のカーボンブラシをコミテータの中心を挟んで互いに対向させた場合と比較して、ノイズの発生やノイズの上昇が起きやすいので、それらを抑制する効果がより顕著となる。

次に、カーボンブラシ３０とカーボンホルダ３１とのクリアランスを、カーボンブラシの摺動を妨げない範囲で小さくする構成について説明する。前述のように、単にクリアランスを小さくしようとする場合、カーボンホルダの加工や組付けの公差が大きいと、公差の範囲であってもカーボンブラシが摺動できなくなる可能性がある。そのため、クリアランスの目標設計値を小さくするためには、カーボンホルダの加工や組付けの公差自体を小さくできる構成が好ましい。

図１１は、本実施の形態に係るカーボンホルダ３１の全体斜視図である。図１２は、本実施の形態に係る金属プレートの全体斜視図である。図１３は、金属プレートを介してカーボンホルダをブラシホルダ１８に取り付ける様子を示す模式図である。

はじめに、本実施の形態に係るカーボンホルダ３１は、カーボンブラシ３０を挟み込む一対の平坦面３１ｂ，３１ｃを有している。カーボンホルダ３１は、一対の平坦面３１ｂ，３１ｃが互いに平行となるように曲げ加工されている。平坦面３１ｂには、前述のように、ねじりばね７０の一端部７２が侵入し変位できるようにスリット３１ｄが形成されている。一対の平坦面３１ｂ，３１ｃは、それぞれの先端が、ブラシホルダ１８に形成された取付穴１８ａに挿入可能な２つの脚３１ｅ（挿入部）として一体的に形成されている。

これにより、カーボンホルダ３１は、平坦面３１ｂ（３１ｃ）と脚３１ｅとが同一面を構成しているため、加工が容易となる。そのため、加工によって作製されるカーボンホルダ３１の寸法精度が向上し公差が小さくなるため、結果的に、クリアランスを小さく設定することができる。

また、カーボンホルダ３１は、一対の平坦面３１ｂ，３１ｃおよび脚３１ｅが一度の曲げ加工により形成されている。これにより、複数回の曲げ加工によりカーボンホルダを作製する場合と比較して、カーボンホルダ３１の寸法精度が向上し公差が小さくなるため、クリアランスを小さく設定することができる。

図１２に示す金属プレート９０は、その平らな面９１に、カーボンホルダ３１の４つの脚３１ｅが挿入され貫通する４つの貫通孔９２が形成されている。金属プレート９０は、真鍮からなり、厚みは０．３ｍｍ〜約１．０ｍｍが好ましい。貫通孔９２は、スリット形状となっており、カーボンホルダ３１の一対の平坦面３１ｂ，３１ｃの間隔が所定の範囲に含まれるように、平らな面９１の中央に近い側の側壁９２ａが加工されている。本実施の形態では、加工精度を考慮して打ち抜き加工により貫通孔９２が形成されている。つまり、一対の平坦面３１ｂ，３１ｃの間隔に対応する、貫通孔９２の側壁９２ａ同士の間隔Ｈのばらつきが抑えられる。

ここで、所定の範囲は以下の観点から設定されている。所定の範囲の下限値は、カーボンホルダ３１に支持されているカーボンブラシ３０が少なくともストローク可能な程度のクリアランスが確保できる間隔である。本実施の形態の下限値は、カーボンブラシ３０のコミテータ周方向の幅よりも少なくとも０．０１ｍｍ大きい値以上である。また、所定の範囲の上限値は、前述したモータ位相に与えるクリアランスの影響を考慮して設定される間隔である。本実施の形態の上限値は、カーボンブラシ３０のコミテータ周方向の幅よりも０．１５ｍｍ大きい値以下である。そして、本実施の形態では、所定の範囲に含まれるとは、一対の平坦面の間隔が前述の下限値から上限値までのいずれかの値となっていることを意味する。

そして、図１３に示すように、カーボンホルダ３１は、脚３１ｅが金属プレート９０の貫通孔９２に挿入され、さらに、ブラシホルダ１８の取付穴１８ａに挿入されることでブラシホルダ１８に固定される。そのため、金属プレート９０の寸法精度の高い貫通孔９２の側壁９２ａによって一対の平坦面３１ｂ，３１ｃが位置決めされる。従って、仮にカーボンホルダ３１の加工による形状のばらつきが生じても、一対の平坦面３１ｂ，３１ｃの間隔が金属プレート９０によって矯正される。つまり、平らな面を打ち抜き加工された寸法精度の高い貫通孔９２によって一対の平坦面３１ｂ，３１ｃの間隔が決まるため、公差が小さくなり、カーボンブラシ３０とカーボンホルダ３１とのクリアランスを小さく設定することができる。

図１４は、ブラシホルダ１８の取付穴１８ａの大きさと、金属プレート９０の貫通孔９２の大きさとの関係を説明するための図である。樹脂製のブラシホルダ１８は、金属プレート９０と比較して加工精度が悪い。その結果、カーボンホルダ３１の脚３１ｅがブラシホルダ１８の取付穴１８ａに触れた状態で位置決めされると、一対の平坦面３１ｂ，３１ｃの間隔は、取付穴１８ａの加工精度に依存することになり、公差が大きくなる。そのため、クリアランスを小さく設定するには好ましくない。

そこで、図１４に示すように、本実施の形態に係るモータ１０では、脚３１ｅが貫通孔９２の側壁９２ａにより確実に当接するように、貫通孔９２の幅Ｗ１よりも取付穴１８ａの幅Ｗ２が広くなるように構成されている。

図１５は、最終的にカーボンホルダ３１をブラシホルダ１８に固定した状態を示す断面図である。カーボンホルダ３１の脚３１ｅのそれぞれは、金属プレート９０の貫通孔９２およびブラシホルダ１８の取付穴１８ａを貫通し、その先端部３１ｆが互いに外側に曲げられることでブラシホルダ１８に対してかしめられている。これにより、図１５の矢印に示すように、脚３１ｅは金属プレート９０の貫通孔９２の内側の側壁９２ａに押し付けられるため、一対の平坦面３１ｂ，３１ｃの間隔の寸法精度が向上する。

本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０ モータ、 １２ ハウジング、 １４ 回転子、 １６ 金属ケース、 １８ ブラシホルダ、 １８ａ 取付穴、 ２０ マグネット、 ２２ シャフト、 ２４ 電機子、 ２６ コミテータ、 ３０ カーボンブラシ、 ３１ カーボンホルダ、 ３１ａ 端部、 ３１ｂ，３１ｃ 平坦面、 ３１ｅ 脚、 ３１ｆ 先端部、 ６０，６１，６２，６３，６４ 磁極、 ９０ 金属プレート、 ９２ 貫通孔、 ９２ａ 側壁。

Claims (8)

1. 筒状のハウジングと、
   前記ハウジングの内面に沿って設けられ、周方向に間隔をおいた複数の磁極を有するマグネットと、
   前記ハウジングの軸線に沿って挿通されたシャフトと、
   前記シャフトに固定され、前記マグネットに対向配置せれた電機子と、
   前記電機子と同軸になるように前記シャフトに取り付けられたコミテータと、
   柱状の本体を有し、その先端面が前記コミテータの外周面に摺接するカーボンブラシと、
   前記ハウジングに設けられ、前記カーボンブラシを前記コミテータ側にストローク可能に支持するカーボンホルダと、
   前記ハウジングに配設され、前記カーボンブラシを前記コミテータ側に付勢する付勢部材と、を備え、
   前記コミテータは、その直径が１０ｍｍ未満であり、
   前記カーボンホルダと前記カーボンブラシとの間には、前記カーボンブラシを前記コミテータ側にストローク可能とするクリアランスが形成されており、
   前記カーボンホルダの前記コミテータと対向する側の端部における前記クリアランスの両端と、前記シャフトの中心とを結ぶ２本の直線が成す角が１．５度未満である、
   ことを特徴とするＤＣモータ。
2. 前記クリアランスは、０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣモータ。
3. 前記ハウジングは、互いに直交する４つの平坦部と、隣接する前記平坦部をつなぐ４つの連結部とからなる側面を有し、
   前記マグネットは、前記４つの連結部の内側にそれぞれ磁極を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣモータ。
4. 前記カーボンブラシは、前記連結部を結ぶ２つの対角線に沿ってそれぞれ一つずつ配置されていることを特徴とする請求項３に記載のＤＣモータ。
5. 前記カーボンホルダが取り付けられる取付穴が形成された樹脂製のブラシホルダを更に備え、
   前記カーボンホルダは、前記カーボンブラシを挟み込む一対の平坦面を有し、
   前記一対の平坦面は、それぞれの先端が、前記取付穴に挿入可能な挿入部として一体的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＤＣモータ。
6. 前記カーボンホルダは、前記一対の平坦面および前記挿入部が一度の曲げ加工により形成されていることを特徴とする請求項５記載のＤＣモータ。
7. 前記一対の平坦面に形成されているそれぞれの前記挿入部が挿入され貫通する複数の貫通孔を有する金属プレートを更に備え、
   前記複数の貫通孔は、前記挿入部が挿入され貫通した状態では、前記一対の平坦面の間隔が所定の範囲に含まれるように側壁が加工されていることを特徴とする請求項５または６に記載のＤＣモータ。
8. 前記挿入部のそれぞれは、前記金属プレートの貫通孔および前記ブラシホルダの取付穴を貫通し、その先端部が互いに外側に曲げられることで前記ブラシホルダに対してかしめられていることを特徴とする請求項７に記載のＤＣモータ。

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