JP2012165640A - マイクロモータ - Google Patents

Abstract

【課題】小形かつコンパクトな構造にも関わらず、特には僅少な回転数制御や回転角度制御など制御の改善が達成されるマイクロモータを提案する。
【解決手段】ステータコイル（８）を有する中空円筒形のステータ（２）の内側で回転軸心（１６）周りに回転するロータ軸（１０）に配置された磁気ロータ（４）を含む、外径（Ｄ_Ａ）６ｍｍ以下のマイクロモータ（１）。磁気ロータ（４）の回転角度を検出するために、磁気センサ素子（２２）を含んだセンサチップ（２０）が軸方向において磁気ロータ（４）の一方の端面につながる領域において回転軸心（１６）に対して垂直をなす面内に配置される。磁気センサ素子（２２）が作用を受けて検出した磁気ロータ（４）の磁界を評価することによって磁気ロータの回転角度を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータコイルを有する中空円筒形のステータと、前記ステータの内側で回転軸心周りに回転するロータ軸に配置された磁気ロータとを含み、前記ステータコイルは前記磁気ロータの回転角度に応じて回転磁界を発生するように制御可能な外径６ｍｍ以下のマイクロモータに関する。

この種のマイクロモータは、しばしばＢＬＤＣモータとも略称されるブラシレスＤＣモータである。最大でも外径６ｍｍという非常に小さな外形寸法のせいで、整流制御に必要なロータ回転角度の検出は通例センサレスで、詳細に言えば、ＥＭＫすなわち回転時にステータコイル内に逆誘導される電圧の検出および評価に基づいて行われる。それゆえ、この種のマイクロモータにあっては、僅少な回転数制御の実現あるいは回転角度制御の実現さえも不可能である。

これに対し、直径６ｍｍ超の相対的に大きなモータでは、構造形態が相対的に大きいことからセンサの収容が容易となるために、センサ、特にディジタル式ホール効果型センサを使用することができる。したがって、センサは円周方向に一定の円周角間隔で偏心的に分散配置することができるが、個々のセンサの正確な位置合わせが必要である。

欧州特許第０９２０１１３号明細書（特許文献１）には、径方向においてロータの脇に偏心配置されたセンサを有するブラシレスＤＣモータが記載されており、この場合、さらにロータは特別な永久磁化された測定磁化区域を有している。

ドイツ出願公開第１０２００７０００４４０号明細書（特許文献２）には、径方向においてロータの近傍に軸心からずらして位置決めされた回転角度検出装置が開示されている。

欧州特許第０５１０３３６号明細書（特許文献３）では、モータ磁石の漂遊磁界が利用されるが、回転方向のみの検出が意図され、角度位置の検出は行われない。

米国公開特許第２０１０／００９０６３３号明細書（特許文献４）には、モータ軸を用いてロータと共に回転する二極磁化された付加的な検出磁石の磁界を検出するホール効果型センサの使用が記載されている。欧州特許第２１１７１０３号明細書（特許文献５）に記載されたモータ制御についても同様である。最後に、欧州特許第１４５６９３５号明細書（特許文献６）でも、ロータ磁界の検出に個々のセンサが使用される。

上記従来の形態はすべて、本願明細書で取り扱われるマイクロモータにはてきしていない。特に、本願発明による、モータの外径がいずれにせよ６ｍｍ以下という極小の構造形態を有することから、上記従来の形態を適用することは困難である。

欧州特許第０９２０１１３号明細書 ドイツ出願公開第１０２００７０００４４０号明細書 欧州特許第０５１０３３６号明細書 米国特許第２０１０／００９０６３３号明細書 欧州特許第２１１７１０３号明細書 欧州特許第１４５６９３５号明細書

本発明の目的は、小形かつコンパクトな構造にも関わらず、特には僅少な回転数制御や回転角度制御など制御の改善が達成されるマイクロモータを提案することである。

上記目的は、ステータコイルを有する中空円筒形のステータと、前記ステータの内側で回転軸心周りに回転するロータ軸に配置された磁気ロータとを含み、前記ステータコイルは前記磁気ロータの回転角度に応じて回転磁界を発生するように制御可能な外径６ｍｍ以下のマイクロモータにおいて、上記目的は、前記磁気ロータの回転角度を検出するために、少なくとも１個の磁気センサ素子を含んだセンサチップが軸方向において前記磁気ロータの一方の端面につながる領域において前記回転軸心に対して垂直をなす面内に配置され、これにより前記磁気センサ素子が作用を受けて検出した前記磁気ロータの磁界を評価することによって前記磁気ロータの回転角度を決定することで解決される。

本発明によれば、上記磁気ロータの回転角度を検出するために、少なくとも１個の磁気センサ素子を含んだセンサチップが軸方向において上記磁気ロータの一方の端面につながる領域において上記回転軸心に対して垂直をなす面内に配置され、上記磁気センサ素子は上記磁気ロータの磁界による作用を受けるため、この磁界を評価することによってロータの回転角度を決定できるように構成されている。それゆえ、本発明では、好適には、付加的な検出素子なしに直接に磁界すなわち上記磁気ロータの漂遊磁界を検出し、この磁界を評価することによって上記磁気ロータの回転角度を決定することが可能である。上記センサチップには、好ましくは複数の、好ましくは少なくとも３個、より好ましくは４個の個別の磁気センサ素子とくにホール効果型センサ素子を１個の部品に集積した形で含まれている。これによって、非常に小さなモータの内部にあっても磁気ロータに対する磁気センサ素子の相対的な位置決めならびに定位を正確に行うことが可能であり、そのため、この一体型のセンサチップは、磁気ロータに対する相対的な位置決めならびに定位を実現するためには、ステータに機械的に位置決めするだけでよい。

上記センサチップは、ＩＣ素子として、集積化された磁気センサ素子以外に、外部の電子コントロールユニットに直接にアブソリュート回転角度および／またはインクレメンタル回転角度信号を出力する信号評価デバイスを含んだ非常にフラットな構造形態である、特に単一チップ・エンコーダとして形成される。これにより、電子コントロールユニットは、本来の整流に加えて、ロータポジション（回転角度）の正確な制御および／または僅少なロータ回転数制御を目的として構成されていてもよい。この場合、電子コントロールユニットは、停止状態から開始して、回転数域全体にわたってモータの最適な整流を行うことが可能であり、これは同期制御あるいはステータコイル内に逆誘導されるＥＭＫ電圧を使用したセンサレス制御では不可能である。好ましい単一チップ・エンコーダの出力信号が与えられるために正弦整流によるモータ制御も可能であるが、これは従来この種のマイクロモータでは不可能であった。

さらに、上記センサチップに集積された上記磁気センサ素子は、上記磁気ロータの軸方向投影と重なり合う領域内で、延長された上記回転軸心周りに、一定の周方向分散パターンにて円弧上に配置されているのが好適であり、この場合、上記円弧は、上記ロータ軸の直径（これは上記磁気ロータの内径に等しい）と、磁気ロータの外径の間となる直径を有している。磁気センサ素子が配置された上記円弧の直径は磁気ロータのリング状断面を同心二分割した外側リング領域の範囲内にあるのが特に有利である。さらに、センサチップは磁気ロータの近傍に配置されていてよいが、たとえば、センサチップは、磁気センサ素子の円弧の直径のｍａｘ．１〜１．５倍に等しい軸方向間隔だけ、磁気ロータの向かい合う端面から離間している必要がある。センサチップの上述した実施態様ならびに配置によって、上記ロータの磁界のみに基づき、したがって付加的な検出素子とく別個の検出磁石なしで、ロータ回転角度の確実な検出が可能であることは明らかである。

センサチップを備えた本発明によるマイクロモータを大幅に拡大して示す軸方向断面図である。 好ましくは上記センサチップに対応したフレキシブルな導体シートの平面図である。 図２の矢印方向ＩＩＩから見た上記導体シートの側面図である。 別個に軸受け台をさらに拡大して示す、図１と同じ軸方向断面図である。 センサチップを収容して位置決めするためのエンドキャップを別個に示す、図１と同じ拡大断面図である。 図５の矢印方向ＶＩから見た上記エンドキャップを示す図である。 図５の矢印方向ＶＩＩから見た上記エンドキャップの反対側を示す図である。 磁気ロータに対する上記センサチップの相対配置および実施態様を説明するために、本発明によるマイクロモータを非常に拡大して示す、軸方向から見た原理的な図である。

以下、図面によって示した好ましい実施形態を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。図面の各図において、同一部分には常に同一の符号が付されている。

以下に続いて説明を行なうにあたり、本発明は下記実施形態に制限されるものではなく、また、下記に説明されるすべてもしくは複数の特徴の組み合わせに制限されるものでもなく、むしろ、下記実施形態の個々の部分特徴はいずれも、それと関連して説明される他のすべての部分特徴から切り離されても、それ自体として発明上の意味を有するものである。

先ず図１から判明するように、本発明によるマイクロモータ１は、中空円筒形のステータ２と永久磁石ロータ４とを含んでいる。マイクロモータ１ないしそのステータ２は外径Ｄ_Ａを有しており、これは６ｍｍ以下とくに５ｍｍ以下であってもよい。ステータ２は外側の、軟磁性体材料からなる中空円筒形ヨーク部６、いわゆる鉄ヨークを有し、ヨーク部６内にはステータコイル８が収容されている。円筒形磁気ロータ４は回転軸受け１２、１４によって回転可能にガイドされたロータ軸１０上に外嵌されているため、磁気ロータ４はロータ軸１０に支持され、回転軸心１６周りに回転可能にステータ２内に配置されている。

マイクロモータ１は、不図示の好ましくは外部つまりモータ外部に位置する電子コントロールユニットによって制御可能であり、その際、この電子コントロールユニットは、ステータコイル８のブラシレス電子整流を行うために、磁気ロータ４の回転角度に応じて回転磁界を発生するように設計されている。

本発明により、マイクロモータ１はロータ回転角度を検出するために一体型のセンサチップ２０を有しており、このセンサチップは非常にフラットな薄い構造形態のＩＣデバイスとして、軸方向において磁気ロータ４の一方の端面につながる領域において、回転軸心１６に対して垂直をなす面内に回転軸心１６と同心状に配置されている。

特に図８から判明するように、センサチップ２０は特にホール効果型センサとして形成された好ましくは４個の集積化された磁気センサ素子２２を有している。この場合、図８に示したすべての磁気センサ素子２２は、磁気ロータ４の軸方向投影と重なり合う領域内で、延長された回転軸心１６周りないしロータ軸１０周りに、一定の分散様式にて、特に円弧２４の円周方向に放射相称的に分散して配置されている。円弧２４は、ロータ軸１０の直径Ｄ_Ｗ（この場合、この直径Ｄ_Ｗは中空円筒形磁気ロータ４の内径に等しい）と、磁気ロータ４の外径Ｄ_Ｒの間となる直径Ｄ_Ｔを有している。図８に示した好ましい実施形態において、直径Ｄ_Ｔを有する円弧２４は、磁気ロータ４のリング状断面を同心二分割した外側リング領域の範囲内にある。好ましくは４個の磁気センサ素子２２が円周方向に好ましくは放射対称的に分散配置されていることにより、これらのセンサは互いに円周方向にそれぞれ９０°離間している。センサチップ２０は、その外径寸法が僅小であることにより、ヨーク部６によって包囲された断面内に位置する。

上記の好ましい実施態様ならびに配置によってセンサチップ２０はその磁気センサ素子２２によって直接に磁界すなわち磁気ロータ４の漂遊磁界を検出して評価することができるため、好適には、付加的な検出素子とくに別個の検出磁石を不要にすることができる。

これに関連して、さらに、磁気センサ素子２２を有するセンサチップ２０は、磁気センサ素子２２の円弧２４の直径Ｄ_Ｔのｍａｘ．１〜１．５倍に等しい軸方向間隔Ａだけ、磁気ロータ４の向かい合う端面から離間しているのが好ましい。これについては図１も参照のこと。

さらに別の好ましい実施態様において、センサチップ２０は、ＩＣとして、集積化された磁気センサ素子２２以外に、磁気ロータ４のその時々の回転角度位置を直接検出し電子コントロールユニットにアブソリュート回転角度および／またはインクレメンタル回転角度信号を出力するように形成された信号評価デバイスを組み込んだ単一チップ・エンコーダとして形成されている。そのため、単一チップ・エンコーダの集積化された信号評価デバイスは図面中に図示されていない電子回路からなっている。

本発明によるマイクロモータ１の外径寸法は極めて小さいために、さらに、センサチップ２０をそれ自体公知であるフリップチップ実装で実装するのが好都合である。このことは、集積回路は裏返しされた姿勢での配置でキャリアの上面に、しかも付加的なハウジングなしで取付けられることを意味している。この場合、センサチップ２０はフレキシブルな導体シート２６、いわゆる「フレックスボード」上に配置され、導体バーを経て電気的に接続されているのが好適である。幾つかの、特に、電圧安定化用の受動部品１８は、図１に示したように、導体シート２６のセンサチップ２０に対向する側に配置されていてよい。

センサチップ２０はステータ２および磁気ロータ４に対して機械的に正確に位置決めされなければならないため、この位置決めによってすべての集積化された磁気センサ素子２２も直接に最適位置決めされることになる。図８、参照。センサチップ２０の機械式位置決めのため、ステータ２の片側はフランジ状のエンドキャップ２８と接続されている。これについては、図５〜７が参照される。エンドキャップ２８は、図１に示したように、軸方向に面一をなしてステータ２のヨーク部６に直接、または図示したように間接的に連結している。エンドキャップ２８は回転軸心１６に対して垂直をなす、収容孔３２の設けられた壁面３０を有している。この場合、収容孔３２の形状はセンサチップ２０の輪郭に適合されているため、センサチップ２０は収容孔３２に噛み合わせ嵌合し、それゆえ遊びなしに位置決めが行われ、同所に正確に挿着されることができる。センサチップ２０と当該収容孔３２とは非円形の輪郭を有しているため、センサチップ２０はその回転角度姿勢に関しても正確に定位される。図示した好ましい実施形態において、センサチップ２０と収容孔３２とはそれぞれ長方形の輪郭を有している。

センサチップ２０を担持するフレキシブルな導体シート２６は、図２および３に別個に図示されている。同図から判明するように、導体シート２６は、センサチップ２０と結合されるチップキャリア領域３４と、ステータコイル８と電気的に接続されるステータ領域３６とを有している。図１に示した組み付けられた状態において、チップキャリア領域３４とステータ領域３６とは軸方向に互いに平行に分岐した２つの面内に配置されて、１８０°折り曲げられた連結領域３８を経て互いに結合されている。ステータ領域３６は、チップキャリア領域３４に比較して、ステータ２と磁気ロータ４とに近接している。

さらに図１および図４に示した拡大図からも判明するように、導体シート２６のステータ領域３６はステータ２の軸受け台４０に取付けられている。軸受け台４０は回転軸受け１２を収容し、ここで、軸受け台４０は、ステータ２ないしそのヨーク部６の外側輪郭が軸受け台４０を経てエンドキャップ２８に面一をなして連続するようにして−ステータ２とチップエンドキャップ２８の間に着座している。軸受け台４０と、導体シート２６のステータ領域３６の間の機械式結合は、好ましくは、導体シート２６のステータ領域３６に設けられた孔に通してかしめられる（特に熱間かしめされる）軸受け台４０のリベット状保持手段４２によって行われる。軸受け台４０とステータ２との機械式結合によって、ステータコイル８はコイルタップ４４（図１、参照）を通じて導体シート２６のステータ領域３６と電気的に接続されることができる。そのため、コイルタップ４４すなわちステータコイル８の導線端は導体シート２６の周縁切り欠き部４６を通して案内され、接点領域４８にはんだ付けされる（図２、参照）。

図４につき、なお、軸受け台４０の内部には、該軸受け台と回転軸受け１２の間にさらにロータ軸１０の軸方向支持を行う当接支持円板５０が配置されている。これには図１も参照される。

さらに図１〜３から理解できるように、フレキシブルな導体シート２６は、このモータ１を外部と電気的に接続するための、すなわち、外部制御電子機器と電気的に接続するための接続領域５２を有している。接続領域５２は好ましくはステータ領域３６の延長部を形成し、したがって、ステータ領域と同一の面内にある。図２に示したように、導体シート２６はまだ組み付けられていないフラットな状態において略Ｙ字形を有している。接続領域５２は、差込接続用の接点エレメント５４を有する末端側肥厚部を有している。

図１ならびにそれと関連した説明から、好ましい実施態様において、磁気ロータ４の磁界は複数の部材を貫いてセンサチップ２０の領域に達することがわかる。それにもかかわらず、磁界は十分正確に検出され、ロータ回転角度の正確な決定が保証される。

これに関連して、さらに、図１に示したように、磁気ロータ４は、ステータ２内において、ステータコイル８に対してその中心から軸方向に相対的に変位しており、センサチップ２０の方向に片寄って配置されている。これによって、実効信号強度の向上という利点が得られる。

図１に示した完全に組み付けられた状態において、エンドキャップ２８の、ステータ２とは反対側の領域は、同所にオプショナルに配置された部品１８と共に、さらにカバーキャップ５６で被覆される。フレキシブルな導体シート２６は、その主たる部分はモータ１の外部に位置し、チップキャリア領域３４とステータ領域３６との端部でのみ当該孔を介してモータ１と係合しているにすぎない。その他の領域、たとえば連結領域３８および接続領域５２もモータ１の外部に位置している。

マイクロモータ１の図示された実施形態において、外径Ｄ_Ａ＝５ｍｍである。ここでは、センサチップ２０は２ｍｍ×２．８ｍｍの面積サイズを有している。磁気ロータ４の外径Ｄ_Ｒは、Ｄ_Ｒ＝２．４ｍｍであり、その際、センサ・円弧２４の直径Ｄ_Ｔは、Ｄ_Ｔ＝２ｍｍである。ヨーク部６は４ｍｍの内径Ｄ_Ｉを有している。図１に示した、センサチップ２０と磁気ロータ４の間の間隔Ａは公称寸法にて２．４７ｍｍである。ただし、本発明はこれらの具体的な寸法に制限されるものでないことは言うまでもない。

本発明は図示説明した上記実施形態に制限されるものではなく、本発明の趣旨と同様に機能するすべての実施形態を含むものである。本発明の実施形態はすべての特徴のコンビネーションに制限されるものではなく、むしろ、個々の部分特徴はいずれも、他のすべての部分特徴から切り離されても、それ自体として本発明における技術的特徴を有するものである。さらに、本発明は、請求項に定義された特徴コンビネーションに制限されるものでもなく、全体として開示されたすべての個別特徴のうちの一定の特徴のその他のいかなる任意のコンビネーションによって本発明を再構築することができる。このことは、基本的に請求項１のいずれの個別特徴も実際のところ取捨選択可能でありあるいは本出願のその他の箇所に開示された少なくとも１つの個別特徴によって置き換えられてもよいことを意味している。その限りで、請求項１は単に発明を画定するための第１の試みとして理解されるべきである。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造に限定されるものではない。

１：マイクロモータ
２：ステータ
４：磁気ロータ
８：ステータコイル
１０：ロータ軸
１６：回転軸心
２０：センサチップ
２２：磁気センサ素子

Claims (12)

1. ステータコイル（８）を有する中空円筒形のステータ（２）と、前記ステータ（２）の内側で回転軸心（１６）周りに回転するロータ軸（１０）に配置された磁気ロータ（４）とを含み、前記ステータコイル（８）は前記磁気ロータ（４）の回転角度に応じて回転磁界を発生するように制御可能な外径（Ｄ_Ａ）６ｍｍ以下のマイクロモータ（１）であって、
   前記磁気ロータ（４）の回転角度を検出するために、少なくとも１個の磁気センサ素子（２２）を含んだセンサチップ（２０）が軸方向において前記磁気ロータ（４）の一方の端面につながる領域において前記回転軸心（１６）に対して垂直をなす面内に配置され、これにより前記磁気センサ素子（２２）が作用を受けて検出した前記磁気ロータ（４）の磁界を評価することによって前記磁気ロータの回転角度を決定することを特徴とするマイクロモータ。
2. 前記センサチップ（２０）は前記回転軸心（１６）と同心的に配置されて、少なくとも３個の集積化された前記磁気センサ素子（２２）を有し、該磁気センサ素子は前記磁気ロータ（４）の軸方向投影と重なり合う領域内で、一定の周方向分散パターンにて前記回転軸心（１６）を中心とした円弧（２４）上に配置され、該円弧（２４）は、前記ロータ軸（１０）の直径（Ｄ_Ｗ）と前記磁気ロータ（４）の外径（Ｄ_Ａ）の間となる直径（Ｄ_Ｔ）を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロモータ。
3. 前記センサチップ（２０）は、前記磁気センサ素子（２２）の前記円弧（２４）の直径（Ｄ_Ｔ）のｍａｘ．１〜１．５倍に等しい軸方向間隔（Ａ）だけ、前記磁気ロータ（４）の向かい合う端面から離間していることを特徴とする請求項２に記載のマイクロモータ。
4. 前記センサチップ（２０）は４個の磁気センサ素子（２２）を含み、該磁気センサ素子は前記円弧（２４）上にそれぞれ互いに９０°の間隔で均等に分散配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロモータ。
5. 前記センサチップ（２０）は、前記磁気センサ素子（２２）以外に、外部の電子コントロールユニットに直接にアブソリュート回転角度またはインクレメンタル回転角度信号あるいはそれら両方を出力する信号評価デバイスを含んだ単一チップ・エンコーダとして形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロモータ。
6. フリップチップ実装で実装された前記センサチップ（２０）はフレキシブルな導体シート（２６）を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロモータ。
7. 前記センサチップ（２０）は前記ステータ（２）および前記磁気ロータ（４）に対して機械的に位置決めされていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のマイクロモータ。
8. 前記ステータ（２）の片側はフランジ状のエンドキャップ（２８）と接続され、該エンドキャップ（２８）は、前記センサチップ（２０）が遊びなしに位置決めされて収容される収容孔（３２）の設けられた、前記回転軸心（１６）に対して垂直をなす壁面（３０）を有することを特徴とする請求項７に記載のマイクロモータ。
9. 前記導体シート（２６）は、前記センサチップ（２０）と結合されたチップキャリア領域（３４）と、前記ステータコイル（８）と電気的に接続されたステータ領域（３６）とを有し、前記チップキャリア領域（３４）と前記ステータ領域（３６）とは軸方向に互いに平行に分岐した２つの面内に配置されて、折り曲げられた連結領域（３８）を経て互いに結合されていることを特徴とする請求項６に記載のマイクロモータ。
10. 前記導体シート（２６）の前記ステータ領域（３６）は前記ステータ（２）の軸受け台（４０）に取り付けられ、前記ステータ領域（３６）に前記ステータコイル（８）のコイルタップ（４４）がはんだ付けされていることを特徴とする請求項９に記載のマイクロモータ。
11. 前記導体シート（２６）は、外部と電気的に接続するための接続領域（５２）を有していることを特徴とする請求項６に記載のマイクロモータ。
12. 前記磁気ロータ（４）は、前記ステータ（２）内において、前記ステータコイル（８）に対して該ステータコイルの中心から軸方向に相対変位して、前記センサチップ（２０）の方向に片寄って配置されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のマイクロモータ。

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