JP2016013035A

JP2016013035A - インナーロータ型モータ及び該モータを具備したサーボ装置

Info

Publication number: JP2016013035A
Application number: JP2014134768A
Authority: JP
Inventors: 秀明清野; Hideaki Kiyono; 小田桐　琴也; Kinya Odagiri; 琴也小田桐
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2016-01-21

Abstract

【課題】磁束の漏れを低減できる上、摺動抵抗を低減してモータ寿命を延ばすことができるインナーロータ型モータを提供する。
【解決手段】マグネットを有するロータ１０と、ロータ１０の周囲に位置するコイル３０及びハウジング５０とを具備し、コイル３０への通電によりロータ１０を回転させるようにしたインナーロータ型モータにおいて、ハウジング５０を磁性体によって有底筒状に形成し、ハウジング５０の底部５０ｂに対向するロータ１０の端部を、磁性体によって覆った。
【選択図】図１

Description

本発明は、マグネットを有するロータをハウジング内で回転させるようにしたインナーロータ型モータ及び該モータを具備したサーボ装置に関するものである。

従来、この種のモータは、減速機構やポテンショメータ等を一体的に備えて、サーボ装置を構成する場合がある。例えば、特許文献１に記載の模型用サーボ装置では、駆動軸（５）を突出したモータ（４）と、駆動軸（５）と平行に並ぶ出力軸（７）と、駆動軸（５）の回転力を出力軸（７）へ伝達する平歯車ユニット（１０）と、出力軸の回転角度を検出するポテンショメータ（２７）とを具備している。

ところで、前記サーボ装置のポテンショメータには、可変抵抗を用いた抵抗式ポテンショメータが用いられることが多い。しかし、この可変抵抗式のポテンショメータは、摺動接触部分を持つため、その寿命にも限界がある。
その為、用途等によっては、回転抵抗の低減等のために、非接触の磁気式センサを用いたポテンショメータが用いることが考えられる。しかし、このような磁気式のポテンショメータを用いる場合、モータ側から漏れる磁束が磁気式センサに悪影響を及ぼし、正確な回転位置検出ができなくなってしまうおそれがある。
そこで、モータハウジングの材質に磁性材を用いて、磁束の漏れを遮断することが考えられるが、マグネットを有するロータと、モータハウジングとの間に吸引力が発生し、この吸引力に起因して、摺動部分の摩擦抵抗の増大や、寿命低下を招く場合があり、工夫を要する。

特開２００９−２６８７９６号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、磁束の漏れを低減できる上、摺動抵抗を低減してモータ寿命を延ばすことができるインナーロータ型モータ及び該モータを具備したサーボ装置を提供することにある。

上記課題を解決するための一手段は、マグネットを有するロータと、前記ロータの周囲に位置するコイル及びハウジングとを具備し、前記コイルへの通電により前記ロータを回転させるようにしたインナーロータ型モータにおいて、前記ハウジングを磁性体によって有底筒状に形成し、前記ハウジングの底部に対向する前記ロータの端部を、磁性体によって覆ったことを特徴とする。

本発明は、以上説明したように構成されているので、磁束の漏れを低減して磁気センサ等へ悪影響を防止できる上、摺動抵抗を低減してモータ寿命を延ばすことができる。

本発明に係るインナーロータ型モータの断面図である。同インナーロータ型モータの実施例と比較例について、内部の磁束を模式的に表した図である。同インナーロータ型モータの実施例と比較例について、ロータに作用する吸引力を比較した実験結果を示す表である。本発明に係るインナーロータ型モータを具備したサーボ装置を示す概略構成図である。

本実施の形態の第一の特徴は、マグネットを有するロータと、前記ロータの周囲に位置するコイル及びハウジングとを具備し、前記コイルへの通電により前記ロータを回転させるようにしたインナーロータ型モータにおいて、前記ハウジングを磁性体によって有底筒状に形成し、前記ハウジングの底部に対向する前記ロータの端部を、磁性体によって覆った。
この構成によれば、マグネットの磁束が径外方向へ洩れるのを、磁性体からなるハウジングの周壁により阻むことができる。このため、例えば、当該モータの径方向に磁気式センサを設けた場合でも、該センサに磁気的な悪影響を及ぼすようなことを防ぐことができる。しかも、ロータの前端部とハウジング底部との間の磁束の流れを、ロータ端部を覆う磁性体により遮断するようにしているため、ロータがハウジング底部に吸引されてスラスト方向の摩擦が大きくなったり、該摩擦により寿命低下を招いたりするのを防ぐことができる。

第二の特徴としては、特に磁束を遮断する作用を効果的に得るために、前記ロータの端部の磁性体を、前記ロータと同径の円盤状に形成した。

第三の特徴としては、生産性の良好な具体的態様として、前記コイルを前記ロータの周囲に設け、このコイルの周囲を磁性体からなるステータコアにより覆い、前記コイル及び前記ステータコアの周囲及び前端部を覆うように前記ハウジングを配置し、前記ロータの中心部に回転軸を固定し、該回転軸の前端側を前記ハウジングの底部に挿通して回転自在に支持した。

また、第四の特徴としては、上記インナーロータ型モータと、該インナーロータ型モータに隣り合うように配置された磁気センサとを具備して、サーボ装置を構成した。
この構成によれば、磁気センサがインナー型モータの磁束により悪影響を受けることのないサーボ装置を提供することができる。

次に、上記特徴を有する好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例を示す断面図である。
このモータ１は、マグネットを有するロータ１０と、ロータ１０の中心部に固定された回転軸２０と、ロータ１０の周囲に位置するコイル３０と、コイル３０の周囲に位置するステータコア４０と、これらコイル３０及びステータコア４０の周囲及び前端部を覆うハウジング５０と、ハウジング５０の後端開口部を塞ぐようにして配置された基台６１、配線基板６２及びエンドプレート６３とを具備し、コイル３０への通電によりロータ１０及び回転軸２０を回転させるようにしたインナーロータ型のブラシレスＤＣモータである。

ロータ１０は、マグネット（永久磁石）を有する円柱状に構成される。前記マグネットは、例えば、径方向の一方側にＮ極を有するとともにその他方側にＳ極を有することで、２極モータを構成する。
このロータ１０には、その前端部を覆うように磁性体からなる磁束遮蔽部材１１が固定されている。

磁束遮蔽部材１１は、ロータ１０の外径と略同外形であって、中心部に回転軸２０を挿通した薄肉円盤状に形成される。この磁束遮蔽部材１１は、例えば、冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）等、磁性体として鉄を含む板材からなり、嵌合や接着等の固定手段により、ロータ１０の前端面に不動に固定される。

また、回転軸２０は、例えば、ステンレス等の硬質金属材料からなる軸状の部材であり、ロータ１０と一体回転するように、ロータ１０の中心部に固定されている。この回転軸２０の前端側は、ハウジング５０の底部５０ｂに挿通され、該底部５０ｂに固定された軸受部材５１によって回転自在に支持される。また、同回転軸２０の後端側は、エンドプレート６３に固定された軸受部材６３ａによって回転自在に支持される。
図示例によれば、回転軸２０の前端側は、ハウジング５０の底部５０ｂよりも前方へ突出しており、この突出部分には、ギヤ２１が固定される。
なお、この回転軸２０は、本実施例では、磁性を有するステンレス材料（例えばＳＵＳ４２０等）から形成しているが、非磁性体のステンレス材料や、他の硬質材料から形成することも可能である。

コイル３０は、導電性の線材によって略筒状に形成され、後述するステータコア４０の内周面に沿うようにして固定される。このコイル３０は、ロータ１０の外周面との間に所定のクリアランスを置いて配置され、ロータ１０の略全長を覆う長さを有する。

ステータコア４０は、薄肉円環状の磁性体を、ロータ軸方向に複数積層するとともにかしめ加工により接続することで、略円筒状に構成される。このステータコア４０の材質は、例えばケイ素鋼板等、周知の薄板状磁性体から選択される。
そして、このステータコア４０は、ハウジング５０の内周面に嵌合され固定される。なお、図１中、符号４１は、ステータコア４０とハウジング５０の底部５０ｂとの間に設けられて、ステータコア４０を軸方向に位置決めする環状スペーサである。

ハウジング５０は、筒部５０ａと、該筒部５０ａの前端を塞ぐ底部５０ｂとからなる有底筒状に一体形成される。
このハウジング５０の材質は、例えば、深絞り加工用冷間圧延鋼板（ＳＰＣＥ）等、磁性材として鉄を含む金属製板材である。

筒部５０ａは、ロータ１０の全長を軸方向にわたって覆うように、ロータ１０の全長よりも若干長い円筒状に形成される。
また、底部５０ｂは、その中央部に貫通孔を有する円板状に形成され、前記貫通孔には軸受部材５１が嵌合固定される。

基台６１は、ハウジング５０の後端部を塞ぐようにして配置された合成樹脂製の円盤状部材である。この基台６１は、中心部に回転軸２０を挿通するとともに、後面に配線基板６２を固定し、周縁側には配線基板６２からコイル３０へわたる給電配線を挿通している。

配線基板６２は、ガラスエポキシ樹脂からなる電気配線基板であり、基台６１に固定される円盤状の被固定部６２ａと、該被固定部６２ａから径方向へ延設されて例えば磁気式センサ等（図示せず）を支持する支持部６２ｂとを有する。この配線基板６２には、当該モータ１を制御するための電子回路、前記磁気式センサの配線等が構成される。この配線基板６２から延びる給電配線は、基台６１に挿通されてコイル３０に接続される。

エンドプレート６３は、基台６１との間に配線基板６２を挟むとともに、ハウジング５０の後端側に嵌合接続された合成樹脂製の円盤状部材であり、その中央の貫通孔に軸受部材６３ａを固定し、該軸受部材６３ａによって回転軸２０の後端側を回転自在に支持している。

また、ギヤ２１と軸受部材５１の間、軸受部材５１と磁束遮蔽部材１１の間、及び回転軸２０後端部とエンドプレート６３の間には、それぞれ、潤滑油が注入される。

また、軸受部材５１，６３ａは、本実施例によれば鉄銅系金属材料からなるすべり軸受けとしているが、他の材質の軸受や、玉軸受等を選択することも可能である。

次に上記構成のモータ１について、特徴的な作用効果を詳細に説明する。
配線基板６２等を介して、コイル３０にロータ１０を回転させるための電力が供給されると、ロータ１０の周囲には磁束が発生する。図２（ａ）は、本実施例のモータ１の設計データに基づいて、コンピュータによってシミュレーションしたロータ１０前端とハウジング５０の底部５０ｂとの間の磁束の流れを模式的に表したものである。また、図２（ｂ）は、本実施例に対する比較例であり、具体的には、前記モータ１から磁束遮蔽部材１１を省いたものである。
これらの図から明らかなように、比較例（図２（ｂ））では、ロータ１０の前端とハウジング５０の底部５０ｂとの間に磁束の流れがあるが、本実施例（図２（ａ））では、ロータ１０前端とハウジング５０の底部５０ｂとの間の磁束の流れが磁束遮蔽部材１１によって遮られることがわかる。
尚、これらの図では表していないが、比較例と本実施例の何れも、ハウジング５０の径方向の外側には、磁束の漏れをほとんど生じていないことが、シミュレーションの結果、わかっている。

また、図３は、上記構成のモータ１について、微小ばね試験機（（株）昭和試験機製ＳＳＰ−Ｄ２）にて、回転軸２０に対し前方側から押圧力を加えて、該回転軸２０を後方へ２段階移動させ、前記押圧力に対する反力を測定した実験結果である。表中の寸法０．１ｍｍ及び０．２ｍｍは、回転軸２０が、前記微小ばね試験機に押圧されて初期位置から後方へ移動した距離を示している。
図３表中の比較例１は、上記構成のモータ１に対し、ハウジング５０をアルミニウム合金製（非磁性材）とし、磁束遮蔽部材１１を省いたものである。
比較例２は、ハウジング５０を磁性材とした上記モータ１に対し、磁束遮蔽部材１１のみを省いたものである。
同表中の実施例は、ハウジング５０を磁性材とし磁束遮蔽部材１１を有する上記モータ１である。
比較例１、比較例２及び実施例の各部の寸法は同一であり、ハウジング５０の外径Ｄが１０ｍｍ、ハウジング５０の前端からエンドプレート６３後端までの長さＬが１１ｍｍである。

図３に示す実験結果によれば、実施例の反力は、比較例１の反力と略同等であって、比較例２の反力よりも顕著に小さいといえる。
すなわち、実施例では、ハウジング５０の底部５０ｂとロータ１０（マグネット）の間の磁束の流れが磁束遮蔽部材１１によって遮断されるため（図２（ａ））、これら底部５０ｂとロータ１０の間に作用する吸引力を、ハウジングをアルミニウム合金とした比較例１と同程度になるまで、大幅に低下させることができた。

よって、上記構成のモータ１によれば、磁束が当該モータ１の径外方向へ漏れるのを、磁性体からなるハウジング５０によって防ぐことができる。このため、例えば、当該モータ１の周囲に磁気式センサを設置した場合に該センサへの磁気的な悪影響を防ぐことができる。
さらに、ハウジング５０の底部５０ｂとロータ１０の間の磁束を磁束遮蔽部材１１によって遮るようにしているため、ロータ１０と底部５０ｂとの間の磁気的吸引力を弱めることができる。このため、ハウジング５０及び軸受部材５１等に相対し、ロータ１０、回転軸２０及び磁束遮蔽部材１１等が前方へ移動したり、該移動によって磁束遮蔽部材１１の前端面が軸受部材５１後端面に摺接して摩耗粉が発生したり等するのを防ぐことができ、これらの結果、当該モータ１の寿命を増加させることができる。

次に、上記構成のモータ１を具備したサーボ装置Ａについて、図４を用いて説明する。
このサーボ装置Ａは、矩形箱状のケースａ１内に、上記モータ１と、該モータ１の回転力を出力軸ａ４に伝達する動力伝達機構（例えば、図示しない複数の歯車）と、出力軸ａ４の回転位置を検出する磁気センサａ３とを備え、前記出力軸ａ４をケースａ１外に突出させ、その突端側にサーボホーンａ２を固定している。
磁気センサａ３は、出力軸ａ４の回転位置又は回転量を磁気的に検出するものであればよく、例えば、コイルや、ホール素子、磁気抵抗効果素子等を用いた周知のセンサから選択すればよい。

上記構成のサーボ装置Ａによれば、磁気センサａ３がモータ１の磁束により誤作動するようなことを防ぐことができ、動作性及び制御性等を向上することができる。そして、このサーボ装置Ａは、例えば、ラジコン模型や、産業機器、医療機器等に有効に利用することができる。

なお、上記実施例では、特に生産性の良好な態様として、ハウジング５０を一体の有底筒状に形成したが、他例としては、ハウジング５０を、それぞれ別部材の筒部５０ａと底部５０ｂとを組み合わせた構成とすることも可能である。

また、上記実施例によれば、基台６１、配線基板６２及び配線基板６２等を非磁性材とし、ロータ１０の後端には磁束遮蔽部材１１を有さない構造としたが、他例としては、基台６１、配線基板６２及び配線基板６２の一部を磁性材から形成し、ロータ１０の後端にも磁束遮蔽部材１１を設けて、ロータ１０が後方へ吸引されるのを低減するようにしてもよい。

また、上記実施例によれば、特に好ましい一例として磁束遮蔽部材１１をロータ１０と同径の円盤状に形成したが、この磁束遮蔽部材１１の他例としては、円形以外の形状や、ロータ１０の端面を部分的に覆う態様とすることも可能である。

また、上記実施例によれば、特に小型で生産性の良好なモータを構成するためにコイル３０の外周側にステータコア４０を配置したが、他例としては、ステータコアの外周側にコイルを有する態様や、ステータコアを構成するティースにコイルを巻回した態様、さらに、ステータコア４０を省いて磁性材からなるハウジング５０をコアとして作用させるようにした態様等とすることが可能である。

１：モータ
１０：ロータ
１１：磁束遮蔽部材（磁性体）
２０：回転軸
３０：コイル
４０：ステータコア
５０：ハウジング（磁性体）
５０ａ：筒部
５０ｂ：底部
Ａ：サーボ装置
ａ３：磁気センサ

Claims

マグネットを有するロータと、前記ロータの周囲に位置するコイル及びハウジングとを具備し、前記コイルへの通電により前記ロータを回転させるようにしたインナーロータ型モータにおいて、前記ハウジングを磁性体によって有底筒状に形成し、前記ハウジングの底部に対向する前記ロータの端部を、磁性体によって覆ったことを特徴とするインナーロータ型モータ。
前記ロータの端部の磁性体を、前記ロータと同径の円盤状に形成したことを特徴とする請求項１記載のインナーロータ型モータ。
前記コイルを前記ロータの周囲に設け、前記コイルの周囲を磁性体からなるステータコアにより覆い、前記コイル及び前記ステータコアの周囲及び前端部を覆うように前記ハウジングを配置し、前記ロータの中心部に回転軸を固定し、前記回転軸の前端側を前記ハウジングの底部に挿通して回転自在に支持したことを特徴とする請求項１又は２記載のインナーロータ型モータ。
請求項１〜３何れか１項記載のインナーロータ型モータと、該インナーロータ型モータに隣り合うように配置された磁気センサとを具備したことを特徴とするサーボ装置。