JP2020078193A - モータおよび回転機器 - Google Patents

Abstract

【課題】回転角度の検出精度の向上を図ること。【解決手段】実施形態のモータは、シャフトと、ロータと、部材と、センサとを備える。前記ロータは、前記シャフトに軸支される。前記部材は、前記シャフトの軸方向において、前記ロータと対向する。前記センサは、前記部材に設けられる。また、前記センサは、径方向に光を放射する光源と、前記光源からの光を受光する受光部とを有する。前記ロータは、軸方向における端部に遮光部が形成される。前記ロータの回転状態において、前記光源から前記受光部へ向かう光が前記遮光部により遮光される。【選択図】図２

Description

本発明は、モータおよび回転機器に関する。

従来、モータの制御のため、回転状態の検出にホール素子等による磁気センサが用いられていた。磁気センサは、モータのロータに取り付けられたマグネットの磁束を検出することで、モータの回転状態に応じた信号を出力する。

一方、発光素子が出力する光が反射して受光素子に入るように反射面を多極マグネットの同心円上に、反射板を貼り付けるかもしくは蒸着等で反射面を複数個作り、多極マグネットの反射面を有する面側に発光素子と受光素子とを配置した電動機が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開昭６２−２８４５号

しかしながら、磁気センサが用いられる場合、例えば、ロータのマグネットの温度が高温になると磁束密度が低下し、磁気センサがロータのマグネットの磁束を検出しにくい場合がある。また、磁気センサにホール素子が用いられる場合には、周囲の温度が高いとホール素子の性能が変化して所望する信号をホール素子から得られずにロータのマグネットの位置を検出することが難しくなる場合がある。

また、ロータのマグネットと磁気センサとの距離は、近すぎると接触してしまうおそれがあるためある程度は離す必要があり、距離が長い場合、磁気センサがロータのマグネットの磁束を検出しにくい場合がある。これらにより、磁気センサにより検出されたロータの回転角と実際のロータの回転角との間にずれが生じる場合がある。

本発明は、上記課題を一例とするものであり、回転角度の検出精度の向上を図ることができるモータを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るモータは、シャフトと、ロータと、部材と、センサとを備える。前記ロータは、前記シャフトに軸支される。前記部材は、前記シャフトの軸方向において、前記ロータと対向する。前記センサは、前記部材に設けられる。また、前記センサは、径方向に光を放射する光源と、前記光源からの光を受光する受光部とを有する。前記ロータは、軸方向における端部に遮光部が形成される。前記ロータの回転状態において、前記光源から前記受光部へ向かう光が前記遮光部により遮光される。

本発明の一態様に係るモータは、回転角度の検出精度の向上を図ることができる。

図１は、第１の実施形態に係るモータの外観斜視図である。 図２は、第１の実施形態におけるモータの縦断面図である。 図３は、第１の実施形態におけるセンサの周辺の要素を抽出した斜視図である。 図４は、第１の実施形態におけるロータヨークの取付の様子を示す図である。 図５は、第１の実施形態におけるロータヨークを別の視点から見た図である。 図６は、第２の実施形態に係るモータの外観斜視図である。 図７は、第２の実施形態におけるモータの縦断面図である。 図８は、第２の実施形態におけるロータヨークの取付の様子を示す図である。 図９は、第２の実施形態におけるロータヨークを別の視点から見た図である。 図１０は、第３の実施形態に係る回転機器の外観斜視図である。 図１１は、第３の実施形態における回転機器の要素を分解して示した斜視図である。

以下、実施形態に係るモータについて図面を参照して説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、１つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るモータ１００の外観斜視図であり、ロータがモータの内側に設けられたインナーロータ型のモータの例である。図１において、モータ１００は、ハウジング１１８と、シャフト１０４とを備えている。ハウジング１１８は、図における上側（シャフト１０４の一端部側）に底部を有する筒状の筒部１０１と、この筒部１０１の図における下側（シャフト１０４の他端部側）の開口を塞ぐ、図１では見えない蓋部（１０２）とから構成される。シャフト１０４は、棒状であり、筒部１０１の図における上側の端面の中央部に設けられた凸部１０１ａの中央から露出するようになっている。筒部１０１の外周面（側面）に設けられた配線部１０１ｃには、図示しない電源線が接続される。

図２は、第１の実施形態におけるモータ１００の縦断面図である。図２において、筒部１０１の図における下側の開口を覆う蓋部１０２が固定される。蓋部１０２は、ベースの一例である。

シャフト１０４の外周面には磁性体により形成される筒状のロータヨーク１０５が固定（嵌合）されている。ロータヨーク１０５の外周面にはリング状のマグネット１０６が固定（嵌合）されている。シャフト１０４とロータヨーク１０５とマグネット１０６とによりロータ１０３が構成される。ロータヨーク１０５は、磁性部材の一例である。

シャフト１０４は、筒部１０１の凸部１０１ａの内面（内壁）に外輪が嵌合された軸受１０７の内輪と、蓋部１０２の凸部１０２ａの内面（内壁）に外輪が固定（嵌合）された軸受１０８の内輪とにより回転可能に支持されている。径方向において、凸部１０１ａの中央部にはシャフト１０４が貫通する孔部１０１ｂが形成されている。また、径方向において、凸部１０２ａの中央部には孔部１０２ｂが形成されている。

また、筒部１０１の内面（内壁）には、コア１１２と、第１インシュレータ１１３および第２インシュレータ１１４と、コイル１１５とが設けられている。コア１１２は、電磁鋼板が積層されて形成されている。第１インシュレータ１１３および第２インシュレータ１１４は、コア１１２を軸方向の両側から挟む。コイル１１５は、第１インシュレータ１１３および第２インシュレータ１１４の外周面に巻回されている。コア１１２の内周面側はロータ１０３のマグネット１０６の外周面とギャップを介して対向している。コア１１２と第１インシュレータ１１３と第２インシュレータ１１４とコイル１１５とによりステータ１１１が構成される。

また、シャフト１０４の軸方向における蓋部１０２とロータ１０３との間には、抵抗素子やコンデンサなどの電子部品やこれら電子部品で構成される回路が設けられた基板１１６が固定されている。基板１１６上には、センサ１１７が設けられている。センサ１１７は、ロータヨーク１０５の端部に設けられた遮光部（遮光片）１０５ａを径方向に挟む位置に配置されている。センサ１１７は、ロータ１０３の径方向に対して光を放射する光源と、光源からの光を受光する受光部とを備えている。すなわち、センサ１１７は、横に倒した略コ字状の断面形状をしており、図において上を向いて立った両側の片の内面１１７ａ、１１７ｂの一方が光源側となり、他方が受光部側となっている。なお、内面１１７ａ、１１７ｂのどちらが光源側になってもよい。遮光部１０５ａは磁性部材のロータヨーク１０５と一体に構成することができ、製造が容易になる。センサ１１７は蓋部１０２とロータ１０３との間の基板１１６上に設けられるため、モータの大型化を招かないですむ。基板１１６は、部材の一例である。遮光部１０５ａは、遮光部または凸部の一例である。

図３は、第１の実施形態におけるセンサ１１７の周辺の要素を抽出した斜視図である。図３において、シャフト１０４に嵌合されたロータヨーク１０５の基板１１６側の端部には、軸方向に延出した遮光部１０５ａが等間隔に設けられている。なお、基板１１６上の複数の孔部１１６ａには、図示しない配線ピンが取り付けられる。

図４は、第１の実施形態におけるロータヨーク１０５の取付の様子を示す図である。図４において、ロータヨーク１０５はシャフト１０４に固定（嵌合）される前の状態が示されている。図５は、第１の実施形態におけるロータヨーク１０５を別の視点から見た図である。図示の例では、ロータヨーク１０５の端部に計４個の遮光部１０５ａが設けられているが、遮光部１０５ａの数はこれに限られず、一つでもよい。また、遮光部１０５ａが複数である場合、遮光部１０５ａの周方向の長さは等しくなくてもよいし、隣り合う遮光部１０５ａ間の周方向の間隔も等しくなくてもよい。

なお、遮光部１０５ａに代えて、ロータヨーク１０５の端部に透明な部材による筒（円筒）が設けられ、この透明な筒に着色や遮光膜を成膜すること等により遮光面による遮光部が設けられるようにしてもよい。遮光面による遮光部の数は任意であり、遮光面による遮光部間の周方向の長さは等しくなくてもよいし、隣り合う遮光部間の周方向の間隔も等しくなくてもよい。

図１〜図５に示されたような構成により、ロータ１０３の回転により遮光部１０５ａがセンサ１１７の光源と受光部との間を通過し、光を断続的に遮断することとなり、センサ１１７からはロータ１０３の回転状態を示す信号が得られ、速度制御等に利用される、すなわち、回転状態を示す信号は、基板１１６に設けられた回路で使用されるとともに、必要に応じて外部に出力される。このように、簡便な構成で回転角度の検出精度の向上を図ることができる。なお、従来のホール素子等による磁気センサの場合と比べ、マグネットの温度やマグネットとセンサとの距離に影響を受けないため、安定して検出が行える利点がある。また、マグネット上の反射面と発光素子および受光素子とによる場合と比べ、マグネットの振動による影響を受けないため、安定して検出が行える利点がある。

なお、センサ１１７や遮光部１０５ａや遮光面に汚れ等が付着することによる誤検出を避ける上で、センサ１１７の信号のうち、光源からの光が遮光された状態から遮光が解除された状態への変化から回転状態を検出することが望ましい。これは、光源からの光が遮光された状態は、本当の遮光部１０５ａによる遮光でなく汚れ等による遮光である場合が含まれるのに対し、遮光が解除された状態は汚れ等による影響がないからである。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係るモータ２００の外観斜視図であり、ロータがモータの外側に設けられたアウターロータ型のモータの例である。図６において、モータ２００は、ロータヨーク２０４と、基板２０７と、プレート２０６とを備えている。ロータヨーク２０４は、カップ状であり、シャフト２０２にハブ２０３を介して固定されている。基板２０７には、回路が設けられるとともに、センサ２１６が設けられている。センサ２１６は、ロータヨーク２０４の端部に設けられた遮光部（遮光片）２０４ａを挟む位置に配置されている。センサ２１６は、径方向に対して光を放射する光源と、光源からの光を受光する受光部とを備えている。プレート２０６は、ロータヨーク２０４を回転可能に支持する、後述するスリーブ（２０８）に固定されている。

図７は、第２の実施形態におけるモータ２００の縦断面図である。図７において、棒状のシャフト２０２にハブ２０３が嵌合され、ハブ２０３には磁性体により形成されるカップ状のロータヨーク２０４が固定されている。このロータヨーク２０４は筒状の筒部と、軸方向においてステータ２１１に対向する天面部（環状の平板部）を備えている。ロータヨーク２０４の外周部の内壁面（内面）にはリング状のマグネット２０５が固定されている。シャフト２０２とハブ２０３とロータヨーク２０４とマグネット２０５とによりロータ２０１が構成される。

また、シャフト２０２は、スリーブ２０８（軸受ハウジングともいう）の内面に固定（嵌合）された軸受２０９と軸受２１０とにより回転可能に支持されている。スリーブ２０８は、筒状であり、プレート２０６に一端が固定されている。ハブ２０３の軸方向の端部と軸受２０９の内輪との間には、テーパ状のスプリング２１７の小径の端部が軸受２０９の上に設けられている。これらの構成により、軸受２０９、２１０に与圧または予圧がかけられるとともに、遮光部２０４ａのセンサ２１６側の端部の位置が安定化され、検出精度が高められるようになっている。

また、スリーブ２０８の外周面には、コア２１２と、第１インシュレータ２１３および第２インシュレータ２１４と、コイル２１５とが設けられている。コア２１２は、電磁鋼板が積層されて形成されている。第１インシュレータ２１３および第２インシュレータ２１４は、コア２１２を軸方向の両側から挟む。コイル２１５は、第１インシュレータ２１３および第２インシュレータ２１４の外周面に巻回されている。コア２１２の外周面側はロータ２０１のマグネット２０５の内周面とギャップを介して対向している。コア２１２と第１インシュレータ２１３と第２インシュレータ２１４とコイル２１５とによりステータ２１１が構成される。

また、シャフト２０２の軸方向におけるプレート２０６とロータ２０１との間には、回路が設けられた基板２０７が固定されている。基板２０７上には、センサ２１６が設けられている。センサ２１６は、ロータヨーク２０４の端部に設けられた遮光部（遮光片）２０４ａを径方向に挟む位置に配置されている。センサ２１６は、ロータ２０１の径方向に対して光を放射する光源と、光源からの光を受光する受光部とを備えている。すなわち、センサ２１６は、横に倒した略コ字状の断面形状をしており、図において上を向いて立った両側の片の内面２１６ａ、２１６ｂの一方が光源側となり、他方が受光部側となっている。なお、内面２１６ａ、２１６ｂのどちらが光源側になってもよい。遮光部２０４ａは磁性部材のロータヨーク２０４と一体に構成することができ、製造が容易になる。センサ２１６はプレート２０６とロータ２０１との間の基板２０７上に設けられるため、モータの大型化を招かないですむ。基板２０７は、部材の一例である。遮光部２０４ａは、遮光部または凸部の一例である。

図８は、第２の実施形態におけるロータヨーク２０４の取付の様子を示す図である。図８において、ロータヨーク２０４はハブ２０３に固定（嵌合）される前の状態が示されている。基板２０７上にはセンサ２１６が設けられている。ロータヨーク２０４の基板２０７側の端部には、軸方向に延出した遮光部２０４ａが等間隔に設けられている。図９は、第２の実施形態におけるロータヨーク２０４を別の視点から見た図である。図示の例では、ロータヨーク２０４の端部に計４個の遮光部２０４ａが設けられているが、遮光部２０４ａの数はこれに限られず、一つでもよい。また、遮光部２０４ａが複数である場合、遮光部２０４ａの周方向の長さは等しくなくてもよいし、隣り合う遮光部２０４ａ間の周方向の間隔も等しくなくてもよい。

なお、遮光部２０４ａに代えて、ロータヨーク２０４の端部に透明な部材による筒（円筒）が設けられ、この透明な筒に着色等により遮光面による遮光部が設けられるようにしてもよい。遮光面による遮光部の数は任意であり、遮光面による遮光部の周方向の長さは等しくなくてもよいし、隣り合う遮光部間の周方向の間隔も等しくなくてもよい。

図６〜図９に示されたような構成により、ロータ２０１の回転により遮光部２０４ａがセンサ２１６の光源と受光部との間を通過し、光を断続的に遮断することとなり、センサ２１６からはロータ２０１の回転状態を示す信号が得られ、速度制御等に利用される、すなわち、回転状態を示す信号は、基板２０７に設けられた回路で使用されるとともに、必要に応じて外部に出力される。このように、簡便な構成で回転角度の検出精度の向上を図ることができる。なお、従来のホール素子等による磁気センサの場合と比べ、マグネットの温度やマグネットとセンサとの距離に影響を受けないため、安定して検出が行える利点がある。また、マグネット上の反射面と発光素子および受光素子とによる場合と比べ、マグネットの振動による影響を受けないため、安定して検出が行える利点がある。

なお、センサ２１６や遮光部２０４ａや遮光面に汚れ等が付着することによる誤検出を避ける上で、センサ２１６の信号のうち、光源からの光が遮光された状態から遮光が解除された状態への変化から回転状態を検出することが望ましい。これは、光源からの光が遮光された状態は、本当の遮光部２０４ａによる遮光でなく汚れ等による遮光である場合が含まれるのに対し、遮光が解除された状態は汚れ等による影響がないからである。

（第３の実施形態）
図１０は、第３の実施形態に係る回転機器３００の外観斜視図であり、回転機器３００が送風ファンである場合の例である。図１０において、回転機器３００は、外から見える部分として、カバー３０４と、送風口枠３０５と、インペラ３０３とを備えている。すなわち、カバー３０４の内部にインペラ３０３が設けられ、送風口枠３０５の内部から送風が行われる。

図１１は、第３の実施形態における回転機器３００の要素を分解して示した斜視図である。図１１において、回転機器３００は、プレート３０１と、モータ２００と、インペラ３０３と、カバー３０４と、送風口枠３０５とを備えている。すなわち、板状のプレート３０１の孔部３０１ａにモータ２００が固定され、モータ２００のロータヨーク２０４にインペラ３０３が固定される。また、カバー３０４に送風口枠３０５が固定されて、カバー３０４がプレート３０１に複数のネジ３０２により固定される。モータ２００は、図６〜図９に示されたアウター型のモータである。

モータ２００は、図７等に示されたように、遮光部２０４ａとセンサ２１６とにより簡便に回転状態を検出する機能を有しているため、回転機器３００におけるモータ２００の回転状態を正確に検出し、送風状態を適正に制御することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

以上のように、実施形態に係るモータは、シャフトと、シャフトに軸支されたロータと、シャフトの軸方向において、ロータと対向する部材と、部材に設けられたセンサと、を備え、センサは、径方向に光を放射する光源と、光源からの光を受光する受光部と、を有し、ロータは、軸方向における端部に遮光部が形成され、ロータの回転状態において、光源から受光部へ向かう光が遮光部により遮光される。これにより、回転角度の検出精度の向上を図ることができるモータを提供することができる。

また、遮光部は、ロータの端部において軸方向に突出する凸部である。これにより、簡便な構成で回転角度の検出精度の向上を図ることができる。

また、遮光部は、ロータの端部において透明な部材に形成された遮光面である。これにより、簡便な構成で回転角度の検出精度の向上を図ることができる。

また、ロータヨーク１０５の端部には、周方向において、遮光部と採光部とが設けられていても構わない。前述の実施例では、採光部は周方向において複数の遮光部の間に形成された間隙に相当する。

また、周方向において、遮光部が採光部より長くてもよく、採光部が遮光部より長くても構わない。また、周方向において、複数の遮光部の長さを合算したものが複数の採光部の長さを合算したものより大きくてもよく、複数の採光部の長さを合算したものが複数の遮光部の長さを合算したものより大きくてもよい。

また、ロータは、筒状の磁性部材を有し、遮光部は、磁性部材に形成される。これにより、遮光部をロータの磁性部材と一体に構成することができ、製造が容易になる。

また、ロータヨークは磁性部材で形成することに限定されず、樹脂部材などの非磁性部材で形成しても構わない。

また、ベースと、シャフトを回転自在に支持する軸受とを備え、シャフトは、軸受を介してベースに支持され、部材は、軸方向においてベースとロータとの間に形成される。これにより、モータの大型化を招かないですむ。

また、軸受１０８の内輪に接してリング状の台座（バネ座）１０９がシャフト１０４に固定（嵌合）されていても構わない。台座１０９とロータヨーク１０５の端面との間にはスプリング１１０が設けられていても構わない。必要に応じて、これらの構成を設けることで、軸受１０７、１０８に与圧または予圧をかけて、遮光部１０５ａのセンサ１１７側の端部の位置を安定させ、検出精度を高めても構わない。なおスプリング１１０は、弾性部材の一例である。

また、ベースと、シャフトを回転自在に支持する軸受と、軸受とロータとの間、または軸受とベースとの間に配置され、軸方向に弾性圧縮可能な弾性部材とを備えていても構わない。これにより、軸受に適切な与圧または予圧をかけるとともに、遮光部のセンサ側の端部の位置が安定化され、検出精度が高まる。

また、センサの信号のうち、光源からの光が遮光された状態から遮光が解除された状態への変化から回転状態を検出する。これにより、汚れ等が付着することによる誤検出を避けることができる。

また、ロータを囲むステータを備え、ロータの外周部に遮光部が設けられている。これにより、インナーロータ型のモータに容易に適用することができる。

また、ロータの内側にはステータが設けられており、ロータの外周部に遮光部が設けられている。これにより、アウターロータ型のモータに容易に適用することができる。

また、ハブの軸方向の端部と軸受の内輪との間に設けられているテーパ状のスプリングに代えて、筒状のスプリングを設けても構わない。

また、回転機器は、上記のモータと、シャフトに固定されるインペラとを備える。これにより、回転機器のモータの回転状態を正確に検出し、適正に制御することができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００、２００ モータ，１０３、２０１ ロータ，１０４、２０２ シャフト，１０５、２０４ ロータヨーク，１０５ａ、２０４ａ 遮光部，１０６、２０５ マグネット，１０７、１０８、２０９、２１０ 軸受，１１０、２１７ スプリング，１１１、２１１ ステータ，１１６、２０７ 基板，１１７、２１６ センサ

Claims (10)

1. シャフトと、
   前記シャフトに軸支されたロータと、
   前記シャフトの軸方向において、前記ロータと対向する部材と、
   前記部材に設けられたセンサと、
   を備え、
   前記センサは、
   径方向に光を放射する光源と、
   前記光源からの光を受光する受光部と、
   を有し、
   前記ロータは、軸方向における端部に遮光部が形成され、
   前記ロータの回転状態において、前記光源から前記受光部へ向かう光が前記遮光部により遮光される、
   モータ。
2. 前記遮光部は、前記ロータの端部において軸方向に突出する凸部である、
   請求項１に記載のモータ。
3. 前記遮光部は、前記ロータの端部において透明な部材に形成された遮光面である、
   請求項１に記載のモータ。
4. 前記ロータは、筒状の磁性部材を有し、
   前記遮光部は、前記磁性部材に形成される、
   請求項１〜３のいずれか一つに記載のモータ。
5. ベースと、
   前記シャフトを回転自在に支持する軸受と、
   を備え、
   前記シャフトは、前記軸受を介して前記ベースに支持され、
   前記部材は、軸方向において前記ベースと前記ロータとの間に形成される、
   請求項１〜４のいずれか一つに記載のモータ。
6. ベースと、
   前記シャフトを回転自在に支持する軸受と、
   前記軸受と前記ロータとの間、または前記軸受と前記ベースとの間に配置され、軸方向に弾性圧縮可能な弾性部材と、
   を備える、
   請求項１〜５のいずれか一つに記載のモータ。
7. 前記センサの信号のうち、前記光源からの光が遮光された状態から遮光が解除された状態への変化から回転状態を検出する、
   請求項１〜６のいずれか一つに記載のモータ。
8. 前記ロータを囲むステータを備え、
   前記ロータの外周部に前記遮光部が設けられている、
   請求項１〜７のいずれか一つに記載のモータ。
9. 前記ロータの内側にはステータが設けられており、
   前記ロータの外周部に前記遮光部が設けられている、
   請求項１〜７のいずれか一つに記載のモータ。
10. 請求項１〜９のいずれか一つに記載の前記モータと、
    前記シャフトに固定されるインペラと、
    を備える回転機器。

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