JP2014068416A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】エンドプレイを０（ゼロ）として軸方向の遊びを無くすことができる予圧調整作業を簡便かつ短時間に行うことができる廉価に構成可能な回転電機を提供する。
【解決手段】内周に雌ねじを設けてリアフランジ１５の軸受受容部２１の外端部側に形成された軸受ホルダー受容部２６と、軸受ホルダー受容部２６の雌ねじに螺着可能に、外周に雄ねじを設けた軸受ホルダー２７と、を有する回転電機であって、前記２つの玉軸受２４,２５の内輪２４ａ,２５ａは回転軸１１にそれぞれすきまばめで嵌合され、外輪２４ｂ,２５ｂはフロントフランジ１４及びリアフランジ１５の軸受受容部２３,２１にそれぞれすきまばめで嵌合されてなり、軸受ホルダー２７を回転ねじ送りして玉軸受２５の外輪２５ｂを押し込むことにより、２つの玉軸受２４,２５の予圧調整とエンドプレイの取り除き調整を同時に行えるようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は回転電機に関するものであり、特に、回転電機の軸方向のあそびを最小限にすることができる構造にした回転電機に関するものである。

医療用分析器のポンプ等には、細かな回転角度制御が可能なことから、ステッピングモータを使うケースが多い。しかしながら、ステッピングモータを使用した医療用分析器のポンプでは、ステッピングモータのエンドプレイ（これを「軸方向の遊び」とも言う）が問題視されてきた。つまり、医療用ポンプは、薬液等の吸入量を細かく調整する必要があるので、モータのエンドプレイがあるとその分だけ吸入量に誤差が生じてしまう。

また、一般的な直動アクチュエータとして使う場合にも、同様にエンドプレイは問題となる。

回転電機全般において、駆動時にステータとロータに発生する渦電流の発生を抑えるため、一般に、回転電機のステータとロータは積層された電磁鋼板で製作されている。ステータとロータにそれぞれ使用される積層電磁鋼板部品は、積層枚数も多いことから厚さのばらつきが発生しやすい。このばらつきは、予圧スプリングが入るスペースのばらつきとなるので、結果としてエンドプレイのばらつきにつながる。

また、回転電機全般において、軸受には玉軸受が用いられている。このような回転電機では、軸受に玉軸受を設けることにより回転軸は滑らかに回転することができる。しかし、玉軸受単体には内輪と外輪との間にアキシャル方向及びラジアル方向のガタツキが存在するとともに、内輪とロータとの間及び外輪とケースとの間にそれぞれガタツキが存在し、このガタツキが振動や騒音の発生要因となることがある。

このような背景から、スプリング等で玉軸受の内輪に軸方向の予圧を与えることにより玉及び外輪に対する予圧調整を行うことが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。しかしながら、スプリング等で玉軸受に予圧をかけた場合、回転軸のエンドプレイが発生するが、このエンドプレイは医療用ポンプやエンコーダを使用した回転機では最小限に留める必要がある。

上記特許文献１に記載の回転電機は、ロータの下端に調整ねじがねじ込まれ、その調整ねじと玉軸受の内輪との間に予圧バネ等の予圧調整用部材が挟持されている。そして、調整ねじがねじ込まれると、予圧調整部材は玉軸受の内輪をロータの軸方向に沿って押圧し、その玉軸受に予圧を与える構造にしている。

上記特許文献２に記載の回転電機は、ステータ及びロータを備えるとともに、ロータを軸支する玉軸受、及びステータが固定されるケースを有する回転電機であり、玉軸受の内輪はロータの回転軸に圧入され、玉軸受の外輪はケースの軸受圧入部に圧入されている。また、軸受圧入部の外側において、ケースの内面に設けられた雌ねじ部と、雌ねじ部に螺合する雄ねじ部を外周に有し、雌ねじ部と雄ねじ部との螺着により玉軸受の外輪の側面に当接する調整具（エンドプラグ）と、を備え、調整具を雌ねじ部に螺着させて外輪の側面に当接させ、その外輪を軸方向に押し込むことにより、玉軸受の軸方向隙間を調整する構造が開示されている。

特開平１１−４５５０１号公報。 特開２００７−１８１３２５号公報。

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機は、調整ねじがねじ込まれると、予圧調整部材が内輪をロータの軸方向に沿って押圧し、玉軸受に予圧を与えて調整するものであるが、その予圧調整用部材は、そのまま製品に組み込まれるため、部品点数、及び重量の増加、コストの高騰を招くという問題点があった。

一方、特許文献２に記載の回転電機の構造では、圧入力は玉軸受の外輪外径とケース内径等の嵌合部寸法に影響されやすく、ばらつきが非常に大きい。また、圧入する方法だと圧入時の抵抗のばらつきにより軸受と軸受ホルダーの間にアキシャル隙間が起こりやすい。そのため、製造時にエンドプレイを０（ゼロ）にしても使用時に軸受がアキシャル隙間方向へ動いた場合、エンドプレイが発生して不良となる虞がある問題点があった。

また、圧入力のばらつき等を考慮にいれて、予めケース内径を小さく形成しておくので、大きな圧入力を必要とする。したがって、調整には非常に大きなトルクで調整具を回転させなければならない。同時に大きな予圧を軸受にかけることになり、軸受の外輪に変形を生じさせやすい。軸受の外輪が変形した場合、軸受内のボールが正しく摺動しなくなり回転機の動作不良を発生させる原因となる。すなわち、予圧が高ければ高いほど玉軸受の寿命が短くなる。このため、信頼性を要求される用途には使用できないという問題点があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、エンドプレイを０（ゼロ）として軸方向の遊びを無くすことができる予圧調整作業を簡便かつ短時間に行うことができる廉価に構成可能な回転電機を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、本発明の回転電機は、回転軸と、ステータコアを有するステータと、前記回転軸と一体に回転するロータと、前記ロータを軸支する２つの軸受と、該軸受を受容する軸受受容部をそれぞれ有する第１フランジ及び第２フランジと、を有する回転電機であって、内周に雌ねじを設けて前記第２フランジの軸受受容部の外端部側に形成された軸受ホルダー受容部と、前記軸受ホルダー受容部の雌ねじに螺着可能に、外周に雄ねじを設けた軸受ホルダーと、を備え、前記２つの軸受の内輪は前記回転軸にそれぞれすきまばめで嵌合され、外輪は前記第１フランジ及び第２フランジの前記軸受受容部にそれぞれすきまばめで嵌合されてなり、前記軸受ホルダーを回転ねじ送りして前記軸受の外輪を押し込むことにより、前記２つの軸受の予圧調整とエンドプレイの取り除き調整を同時に行えるようにした、構成である。

この構成によれば、２つの軸受の内輪は回転軸にそれぞれすきまばめで嵌合され、外輪は第１フランジ部及び第２フランジの軸受受容部にそれぞれすきまばめで嵌合されており、軸受の内輪は回転軸に対してアキシャル方向に移動可能で、外輪は第１フランジ部及び第２フランジの軸受受容部に対してそれぞれアキシャル方向に移動可能である。したがって、スプリング（スプリングシム）を使用せずに外径に雄ねじを設けてある軸受ホルダーを、内周に雌ねじを設けてある軸受ホルダー受容部に螺着し、軸受の外輪に当接する位置までねじ送りさせて締め付けると、軸受をアキシャル方向に移動させることができる。これにより固定子と回転子の厚さのばらつきをねじ締め量で吸収し、軸受ホルダーによって軸受を押えることによりエンドプレイを０（ゼロ）にできる。この結果、軸受ホルダーの回転トルク（締め付け力）で軸受にかかる予圧を安定して設定でき、また軸受外輪の変形等を防ぐことができ、高寿命の軸受、高寿命な回転電機の設計が可能となる。

また、前記軸受ホルダーは概略円板形状で、前記軸受の外輪と当接する一方の側面には細い円環状の凸部が設けられ、他方の外面となる側面には回転させる際の工具受けの孔が少なくとも２個設けられている、構成が好ましい（請求項２）。

この構成によれば、軸受ホルダーをねじ込む際、工具受けの孔に工具を係合させて軸受ホルダーを容易に回転させてねじ込むことができるので、調整作業を簡単にすることができる。また、軸受ホルダーが軸受外輪に当接する位置までねじ送りされると、細い円環状の凸部が軸受外輪の端面全体に当接する。これにより、軸受端面全体に予圧を付与した状態で保持されるので、軸受外輪の変形を防ぐことができ、信頼性の高い回転電機を得ることができる。

また、前記軸受の外輪が前記フランジの前記軸受受容部にすきまばめされる際の隙間は５μｍ〜１６μｍである、構成が好ましい（請求項３）。

この構成によれば、軸受の外輪と軸受受容部との間の振動を抑えながら、２つの軸受の適切な予圧調整とエンドプレイの取り除き調整を同時に行うことができる。

また、前記軸受の内輪が前記回転軸にすきまばめされる際の隙間は５μｍ〜１３μｍである、構成が好ましい（請求項４）。

この構成によれば、軸受の内輪と回転軸との間の振動を抑えながら、２つの軸受の適切な予圧調整とエンドプレイの取り除き調整を同時に行うことができる。

また、前記回転軸に嵌合される前記ロータと前記軸受の間にスペーサが当接するように介在してなる、構成が好ましい（請求項５）。

この構成によれば、ロータと軸受との間の隙間をスペーサによりばらつきなく調整することができ、組立作業性及び組立精度が向上する。

また、前記回転軸は同一径の段なしの丸棒でなる、構成が好ましい（請求項６）。

この構成によれば、回転軸を同一径の段なしの丸棒とすることにより、回転軸の加工を容易にし、加工時間を少なくしてより廉価に製造することができる。また、回転軸に対する２つの軸受及びロータの装着がし易くなり、組立作業性が向上する。

本発明によれば、従来の回転電機で用いていたスプリング等の、エンドプレイの原因となる予圧バネを廃し、軸受ホルダーという「ねじ部品」により軸受位置と軸受にかかる予圧を調整してエンドプレイを最小限にすることができる。そのようにすることにより、予圧調整作業を簡便かつ短時間に行うことができるとともに、軸受ホルダーの回転トルク（締め付け力）で軸受にかかる予圧を安定して設定可能となる。結果として、高寿命の軸受、高寿命な回転電機の設計が可能となるとともに、エンドプレイが０（ゼロ）となるように軸方向の遊びを無くした回転電機、及び廉価に構成可能な回転電機が得られる。

また、軸受の内輪と回転軸との間及び軸受受容部と外輪との間をそれぞれすきまばめとし、このうち外輪については軸受ホルダーのねじ送りによって軸方向に押し込むことにより、軸方向の遊び、つまりエンドプレイを０に調整することができるので、振動及び騒音を低減することができる。

さらに、軸受ホルダーは、フランジの端部を覆うカバーとして兼用可能であることから、実質的に部品点数は増加することなく、回転電機は簡便、軽量、かつ廉価な構成となる。

さらにまた、内輪及びロータに対して付加されるもの（追加部品）がないので、重量は増えることがない。これにより、回転モーメントが増加することもなく、加減速の応答性を低下させることもない。

本発明の一実施形態による回転電機を示す斜視図である。 同上回転電機の上半分を断面して示す側面図である。 同上回転電機における軸受ホルダーの平面図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 すきまばめにおける隙間と振動との関係を示す特性図である。

以下、本発明を実施するための形態(以下、「実施形態」という)を、添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２は本発明に係る回転電機を示すものであり、図１はその外観斜視図、図２はその回転電機の上半分を断面して示す側面図である。

図１及び図２において、符号１０は本発明に係る回転電機の一例として示すハイブリット型ステッピングモータである。ステッピングモータ１０は、出力軸である回転軸１１と、回転軸１１に固定されたロータ１２と、ステータ１３と、ステータ１３の軸方向前方に設けられてケース部材となる第１フランジとしてのフロントフランジ１４と、ステータ１３の軸方向後方に設けられてケース部材となる第２フランジとしてのリアフランジ１５、等により構成されている。

前記回転軸１１は、同一径の段なしの丸棒で形成されている。回転軸１１には、電磁鋼板を積層してなるロータコア１６ａと１６ｂとで永久磁石１７を挟んで構成される前記ロータ１２が嵌挿されて固定されている。なお、回転軸１１とロータコア１６ａ,１６ｂ及び永久磁石１７との間は、必要に応じて接着剤により固定される。

前記ステータ１３は、電磁鋼板を積層してなるステータコア１３ａと、このステータコア１３ａに巻回されたコイル１３ｂ,１３ｂを有し、フロントフランジ１４とリアフランジ１５とに挟まれ、かつ、フロントフランジ１４とリアフランジ１５の間を長ビス１８で固定して一体化されている。そして、コイル１３ｂに通電することによって、ステータ１３が励磁される。

前記リアフランジ１５には、ステータ１３のコイル１３ｂに電力供給するための給電端子１９ａ（図２参照）を有するコネクタ１９が設けられている。

前記フロントフランジ１４及びリアフランジ１５は、それぞれ内方に突出する円筒リブ１４ａ及び円筒リブ１５ａを有し、円筒リブ１４ａ及び円筒リブ１５ａの各中心には回転軸１１を配置させる貫通孔２０及び貫通孔２１が軸中心を一致させて設けられている。

前記フロントフランジ１４には、内径が貫通孔２０の内径よりも大きく、かつフロントフランジ１４の内面側から穿設されて貫通孔２０との間に段差２２を設けてなる断面円形の軸受受容部２３が、貫通孔２０と連設形成されている。その軸受受容部２３内には、玉軸受２４が受容される。

前記リアフランジ１５の貫通孔２１は、玉軸受２５を受容する軸受受容部を兼ねる。したがって、以下の説明では、貫通孔２１を軸受受容部２１として説明する。また、この軸受受容部２１の外端部側には、リアフランジ１５の外面側から形成された、内周に雌ねじを設けてなる断面円形の軸受ホルダー受容部２６が軸受受容部２１と連設形成されている。その軸受ホルダー受容部２６には、軸受ホルダー２７が螺着により取り付けられる。

前記回転軸１１は、ロータ１２の両側にそれぞれ取り付けられた玉軸受２４,２５を介してフロントフランジ１４とリアフランジ１５に支持される。すなわち、ここでの支持は、玉軸受２４,２５の内輪２４ａ,２５ａが回転軸１１に嵌合され、外輪２４ｂ,２５ｂが軸受受容部２３,２１に嵌合（受容）され、この玉軸受２４,２５間に回転軸１１を掛け渡した状態にして支持する。なお、玉軸受２４,２５の内輪２４ａ,２５ａと回転軸１１との嵌合、及び玉軸受２４,２５の外輪２４ｂ,２５ｂと軸受受容部２３,２１との嵌合は、しまりばめではなく、それぞれすきまばめであり、したがってこれらは相対的に動くことができる。また、ロータ１２と各玉軸受２４,２５の内輪２４ａ,２５ａとの間にはスペーサ２８,２９が配置され、各内輪２４ａ,２５ａは、スペーサ２８,２９及びロータ１２に制止されて、それ以上軸方向内方に近接することができないようになっている。

なお、本実施例での軸受受容部２３と玉軸受２４の外輪２４ｂとの隙間は５μｍ〜１６μｍ、回転軸１１と玉軸受２４の内輪２４ａとの隙間は５μｍ〜１３μｍ、回転軸１１とスペーサ２８との隙間及び回転軸１１とスペーサ２９との隙間はそれぞれ５０μｍ〜５５０μｍ、回転軸１１と玉軸受２５の内輪２５ａとの隙間は５μｍ〜１３μｍ、軸受受容部２１と玉軸受２５の外輪２５ｂとの隙間は５μｍ〜１６μｍに設定してある。

前記軸受ホルダー２７は、図３及び図４に示しているように、軸受ホルダー受容部２６の雌ねじと螺合されて軸受ホルダー受容部２６に螺着するための雄ねじを外周に設けてある円環形状をした部材であり、玉軸受２５の外輪２５ｂと当接する内面となる一方の面には、細い円環状の凸部２７ａが設けられている。また、軸受ホルダー２７の外面となる他方の面には、その軸受ホルダー２７を回転移動させる際に工具（図示せず）の受けとなる工具受けの孔３０が２個設けられている。

したがって、このように構成されたステッピングモータ１０は、各部品を図２に示すように配置した後で、軸受ホルダー２７を回転させてねじ込むと、軸受ホルダー２７がモータ中心側にねじ送りされて移動する。移動した軸受ホルダー２７は、円環状の凸部２７ａが玉軸受２５の外輪２５ｂ側面に面で当接して、玉軸受２５がアキシャル方向に動かされ、順次突き当たる位置まで移動する。移動の伝達は、軸受ホルダー２７、玉軸受２５の外輪２５ｂ、玉軸受２５の内輪２５ａ、スペーサ２９、ロータ１２，スペーサ２８、玉軸受２４の内輪２４ａ、玉軸受２４の外輪２４ｂの順で予圧が掛かり、適正予圧に達したところで終了となる。

なお、適正予圧の調整は、軸受ホルダー２７を回転させる時の回転トルクを管理することで管理できる。また、玉軸受２４及び玉軸受２５が適切な予圧の突き当たり位置まで移動することにより、アキシャル方向のガタ、つまりエンドプレイを無くして０にすることができる。これにより、一つの軸受ホルダー２７を回転させてねじ込むことで一対の玉軸受２４,２５の位置調整と予圧調整が同時にできる。

すなわち、本実施例のステッピングモータ１０では、軸受受容部２３と玉軸受２４の外輪２４ｂ、回転軸１１と玉軸受２４の内輪２４ａ、回転軸１１とスペーサ２８、回転軸１１とスペーサ２９、回転軸１１と玉軸受２５の内輪２５ａ、軸受受容部２１と玉軸受２５の外輪２５ｂは、それぞれしまりばめではなく、すきまばめであり、特に軸受受容部２３及び軸受受容部２１と玉軸受２４及び玉軸受２５の外輪２４ｂ,２５ｂの間に、それぞれ５μｍ〜１６μｍの隙間を確保することで、振動を抑えて回転軸１１のエンドプレイを最小限にすることができる。

図５は、軸受受容部２１及び２３と玉軸受２４及び玉軸受２５の外輪２４ｂ,２５ｂの間に設けた隙間量（μｍ）と振動（ｍ／ｓ^２）との関係を示す、実験結果で得られたデータである。このデータからは、軸受受容部２１及び軸受受容部２３の内径と玉軸受２４及び玉軸受２５の外輪２４ｂ,２５ｂの隙間が５μｍ〜１６μｍの範囲までは振動レベルはほぼ一定であり、１６μｍを超えるとほぼ直線的に振動レベルが増加して行くことがわかる。また、５μｍ未満では中間ばめに近づき、軸受ホルダー２７が回転・移動できず、予圧調整ができなくなる。したがって、振動を抑えながら、適切な予圧を与えることが可能な範囲が、隙間量で５μｍ〜１６μｍということができる。

なお、軸受寿命は予圧によって大きく変わり、過予圧は寿命を大きく悪化させてしまう。例えば、回転軸１１の径φ５に対しては呼び番号1650（外径１６mm、内径５mm、幅５mm）の玉軸受を使用し、この時、軸受ホルダー２７と軸受ホルダー受容部２６はＭ１８(１mmピッチ)のねじを設ける。玉軸受２５に対してＭ１８(１mmピッチ)より小さいねじを使用すると、玉軸受２５の外輪２５ｂ側面全体を押すことができなくなり、反対に大きいねじを使用すると加工に時間がかかる。また、ピッチの小さい細目ねじを使うことで、細かな予圧調整が可能となり、結果として玉軸受２５の高寿命化が可能となる。

軸受ホルダー２７をリアフランジ１５の厚みの範囲内に収めるには、軸受ホルダー２７を薄くする必要があるが、軸受ホルダー２７を薄くすると雄ねじ部分の山数が少なくなり強度が低下する。ここでＭ１８(１mmピッチ)の細めねじを使うことで軸受ホルダー２７のねじ山数が多くでき、軸受ホルダー２７を薄くしてもねじ強度が確保される。軸受ホルダー２７を薄くできることによって、従来のサイズと変わらない回転電機の長さを実現できる。

さらに、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれものである。例えば、軸受ホルダー２７端面の工具受け孔３０の形状は、これに限定されず、例えば、縦溝等の形状でも廻し工具の形状との組合せで軸受ホルダー２７を回転可能にすることができればよい。さらに、縦溝等の形状、あるいは中心を外した位置に設けた場合では、２つ設けなくても少なくとも１つ以上であればよい。

また、軸受ホルダー２７は円環状に限定されず、円盤状であってもよい。この場合、重量は少し増すが回転軸１１端面も覆うことができ、カバーとしての機能も強くすることができる。

また、軸受ホルダー２７は、軸受ホルダー受容部２６の雌ねじ部と噛み合う部分を接着することによって「ゆるみ止め」とできる。

通常、スペーサ２８,２９は樹脂材料が使用されるが、熱膨張による寸法変化を抑制するため、フロントフランジ１４、リアフランジ１５、軸受ホルダー２７、スペーサ２８、２９を同一素材のアルミ材にすると、熱膨張（収縮）によるアキシャル方向の寸法変化を最小限にすることができる。

さらに、上記実施例では、ハイブリッド型ステッピングモータに適用した場合で説明したが、これに限定されるものではなく、他の各種モータ等、広く一般の回転電機にも適用することができるものである。

また、軸受として玉軸受を用いた場合で説明したが、これに限定されるものではなく、他の軸受を用いた場合にも適用することができるものである。

１０ ステッピングモータ（回転電機）
１１ 回転軸
１２ ロータ
１３ ステータ
１３ａ ステータコア
１３ｂ コイル
１４ フロントフランジ（第１フランジ）
１４ａ 円筒リブ
１５ リアフランジ（第２フランジ）
１５ａ 円筒リブ
１６ａ ロータコア
１６ｂ ロータコア
１７ 永久磁石
１８ 長ビス
１９ コネクタ
１９ａ 給電端子
２０ 貫通孔
２１ 貫通孔（軸受受容部）
２２ 段差
２３ 軸受受容部
２４ 玉軸受
２４ａ 内輪
２４ｂ 外輪
２５ 玉軸受
２５ａ 内輪
２５ｂ 外輪
２６ 軸受ホルダー受容部
２７ 軸受ホルダー
２７ａ 円環状の凸部
２８ スペーサ
２９ スペーサ
３０ 工具受けの孔

Claims (6)

1. 回転軸と、ステータコアを有するステータと、前記回転軸と一体に回転するロータと、前記ロータを軸支する２つの軸受と、該軸受を受容する軸受受容部をそれぞれ有する第１フランジ及び第２フランジと、を有する回転電機であって、
   内周に雌ねじを設けて前記第２フランジの軸受受容部の外端部側に形成された軸受ホルダー受容部と、
   前記軸受ホルダー受容部の雌ねじに螺着可能に、外周に雄ねじを設けた軸受ホルダーと、を備え、
   前記２つの軸受の内輪は前記回転軸にそれぞれすきまばめで嵌合され、外輪は前記第１フランジ及び第２フランジの前記軸受受容部にそれぞれすきまばめで嵌合されてなり、前記軸受ホルダーを回転ねじ送りして前記軸受の外輪を押し込むことにより、前記２つの軸受の予圧調整とエンドプレイの取り除き調整を同時に行えるようにしたことを特徴とする回転電機。
2. 前記軸受ホルダーは概略円板形状で、前記軸受の外輪と当接する一方の側面には細い円環状の凸部が設けられ、他方の外面となる側面には回転させる際の工具受けの孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記軸受の外輪が前記フランジの前記軸受受容部にすきまばめされる際の隙間は５μｍ〜１６μｍであることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の回転電機。
4. 前記軸受の内輪が前記回転軸にすきまばめされる際の隙間は５μｍ〜１３μｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の回転電機。
5. 前記回転軸に嵌合される前記ロータと前記軸受の間にスペーサが当接するように介在してなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の回転電機。
6. 前記回転軸は同一径の段なしの丸棒でなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の回転電機。

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