JP2023108805A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの位置推定の正確度が向上したモータを提供する。
【解決手段】一実施形態に係るモータが備えるロータは、磁性体によって形成されたロータコア３１と、ロータコア３１上に、ロータの回転方向に沿って並べられた複数の磁石３３ａ～３３ｊと、共通の実装面４１ａ上に配置され、磁石３３ａ～３３ｊの磁界を検出可能な複数のホール素子と、を有する。実装面４１ａと対向する磁石３３ａ～３３ｊの下端面３８の実装面４１ａに対する高さは、一定である。一方、実装面４１ａと対向するロータコア３１の下端面３１ｂの実装面４１ａに対する高さは、ロータの回転方向に沿って変化している。
【選択図】図７

Description

本発明は、モータに関する。

回転子（ロータ）の位置を検出するための位置センサを備えたモータが知られている。位置センサには、光学式センサや磁気式センサ等が用いられる。光学式センサの一例として光学式エンコーダが挙げられ、磁気式センサの一例としてホール素子が挙げられる。

特許第６２３３５３２号公報

位置センサとしてのホール素子を複数備えているモータでは、それぞれのホール素子から出力される電圧（ホール信号）が有する特徴を利用してロータの位置が推定されることがある。

１つのモータに搭載される複数のホール素子の寸法，形状、材料特性，搭載位置などは、完全に同一ではない。つまり、１つのモータに搭載されている複数のホール素子にはばらつきが存在する。この結果、それぞれのホール素子から出力されるホール信号には、ばらつきに起因する固有の特徴が存在する。したがって、各ホール素子から出力されるホール信号に存在する特徴をマイクロコンピュータに学習させることにより、当該マイクロコンピュータにロータの位置を推定させることができる。

しかし、ホール信号の特徴は様々なばらつきに起因しており、無作為に発生する。このため、偶然に、同一又は略同一の特徴を有するホール信号を出力する２つ以上のホール素子が１つのモータに搭載されることもあり得る。この場合、ロータの位置が誤って推定される虞がある。

一実施形態に係るモータは、ステータおよびロータを備える。前記ロータは、磁性体によって形成されたロータコアと、前記ロータコア上に、前記ロータの回転方向に沿って並べられた複数の磁石と、共通の実装面上に配置され、前記磁石の磁界を検出可能な複数の磁気センサと、を有する。そして、前記実装面と対向するそれぞれの前記磁石の下端面の前記実装面に対する高さは、一定である。一方、前記実装面と対向する前記ロータコアの下端面の前記実装面に対する高さは、前記ロータの回転方向に沿って変化している。

本発明の一態様によれば、ロータの位置推定の正確度が向上したモータが提供される。

一実施形態に係るモータの構造を示す分解斜視図である。 一実施形態に係るモータの構造を示す斜視図である。 一実施形態に係るモータの構造を示す断面図である。 一実施形態に係るモータの機能ブロック図である。 一実施形態に係るロータの正面図である。 一実施形態に係るロータコアの側面図である。 一実施形態に係るロータコアの斜視図である。 一実施形態に係るロータコアと各磁石との重複面積を示す模式図である。 他の実施形態に係るロータコアの側面図である。 他の実施形態に係るロータコアの斜視図である。 他の実施形態に係るロータコアと各磁石との重複面積を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態を説明するために参照する全ての図面において、同一又は実質的に同一の構成には同一の符号を用いる。また、既に説明した構成については、原則として繰り返しの説明は行わない。

図１は、本実施形態に係るモータ１Ａの構造を示す分解斜視図である。図２は、モータ１Ａの構造を示す斜視図である。また、図３は、モータ１Ａの構造を示す断面図である。なお、図３に示されている断面は、モータ１Ａを図２中のＸ－Ｘ線に沿って切断したときの断面である。

＜モータの概要＞
モータ１Ａは、ハウジング１０，ステータ２０，ロータ３０，基板４０等を備えている。ハウジング１０に収容されているロータ３０は、同じくハウジング１０に収容されているステータ２０の径方向内側に配置されており、ステータ２０に対して回転可能である。つまり、モータ１Ａは、インナーロータ型モータである。

＜ハウジング＞
ハウジング１０は、互いに組み合わされる２つの部材から構成されている。より特定的には、ハウジング１０は、ベース部材１１ａとカバー部材１１ｂとから構成されている。なお、図２，図３では、カバー部材１１ｂの図示が省略されている。ベース部材１１ａは、底壁部１２と、一対の固定片１３ａ，１３ｂと、一対のリブ１４ａ，１４ｂと、を備えている。

ベース部材１１ａの底壁部１２は、円形又は略円形であって、その中心に貫通孔１５が設けられている。さらに、ベース部材１１ａの底壁部１２には、貫通孔１５と連通する円筒状のシャフトホルダ１６が設けられている。

固定片１３ａ，１３ｂは、底壁部１２の縁から底壁部１２と平行に張り出している。一方、リブ１４ａ，１４ｂは、底壁部１２の縁から底壁部１２に対して垂直に立ち上がっている。それぞれの固定片１３ａ，１３ｂには、モータ１Ａを所定位置に固定するためのネジが挿通されるネジ穴が形成されている。また、リブ１４ａ，１４ｂは、底壁部１２の縁に沿って湾曲している。

カバー部材１１ｂは、円筒状の周壁部１７と、周壁部１７の一端を閉塞する天壁部１８と、を備えている。ベース部材１１ａとカバー部材１１ｂとが組み合わされると、カバー部材１１ｂの周壁部１７はベース部材１１ａのリブ１４ａ，１４ｂの外側に配置され、カバー部材１１ｂの天壁部１８はベース部材１１ａの底壁部１２と対向する。この結果、底壁部１２と天壁部１８との間に、周壁部１７によって囲まれた収容空間が形成される。なお、収容空間の一部は、リブ１４ａ，１４ｂおよび周壁部１７によって二重に囲まれる。

＜ステータ＞
ステータ２０は、ロータ３０を取り囲む環状に形成されており、ハウジング１０の内側に固定されている。ステータ２０とロータ３０との間には、所定の隙間（エアギャップ）が設けられている。

ステータ２０は、ハウジング１０の内周面に固定されたステータコア２１を有する。ステータコア２１は、積層された複数枚の電磁鋼板によって形成されている。ステータコア２１は、径方向内側に向かって（ロータ３０に向かって）突出する複数本のティース２２を備えている。より特定的には、ステータコア２１は、３０度間隔で配置された１２本のティース２２を備えている。別の見方をすると、ステータ２０は、１２個のスロットを備えている。

ステータ２０は、ステータコア２１に加えて、それぞれのティース２２の周囲に設けられたインシュレータ２３と、それぞれのインシュレータ２３の周囲に設けられたコイル２４と、を有する。

インシュレータ２３は、絶縁性の材料（例えば、樹脂材料）によって形成されている。コイル２４は、インシュレータ２３の周囲に巻かれた導線（例えば、銅合金線）によって形成されている。

１２個のコイル２４のうちの４個はＵ相コイルであり、他の４個はＶ相コイルであり、さらに他の４個はＷ相コイルである。別の見方をすると、ステータ２０には、１２０度ずつ位相がずれている三相電流が入力される。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各コイル２４は、電流（コイル電流）が供給されると励磁され、ロータ３０に作用する磁界を発生させる。

＜ロータ＞
ロータ３０は、ロータコア３１，ロータハブ３２，磁石３３およびシャフト３４を有し、中心軸Ｃを回転軸として回転可能である。ここで、中心軸Ｃの方向を上下方向と定義する。かかる定義に従えば、ハウジング１０を構成しているベース部材１１ａとカバー部材１１ｂとは、上下方向で対向している。より特定的には、ベース部材１１ａの底壁部１２とカバー部材１１ｂの天壁部１８とは、上下方向で対向している。以下の説明では、便宜上、底壁部１２の側を“下側”又は“下方”と呼び、天壁部１８の側を“上側”又は“上方”と呼ぶ場合がある。また、中心軸Ｃを回転軸とするロータ３０の回転方向を“周方向”と呼ぶ場合がある。

ロータコア３１は、磁性体によって形成されており、上下方向に延びる円筒形状を有する。ロータコア３１の内側にロータハブ３２が設けられ、ロータコア３１の外側に複数の磁石３３が設けられている。ロータコア３１の形状については、後に改めて詳述する。

ロータハブ３２は、ロータコア３１の内径よりも外径が小さい円筒形の側面部３２ａと、側面部３２ａの一端を閉塞する円盤形の上面部３２ｂと、を備えている。側面部３２ａおよび上面部３２ｂは、非磁性体によって一体成形されている。

ロータハブ３２は、ロータコア３１の内側に嵌め込まれており、両者は相対回転不能に固定されている。より特定的には、ロータコア３１の内周面とロータハブ３２の外周面とが互いに固定されている。つまり、ロータコア３１とロータハブ３２とは一体化されている。

複数の磁石３３は、ロータコア３１上に、ロータ３０の回転方向（周方向）に沿って並べられている。より特定的には、１０個の磁石３３がロータコア３１上に、周方向に沿って等間隔で並べられている。また、１０個の磁石３３は、Ｎ極とＳ極とが周方向に沿って交互に並ぶように配置されている。なお、それぞれの磁石３３は、ロータコア３１の外周面に固定（接着）されている。

シャフト３４は、ロータハブ３２に固定されている。より特定的には、シャフト３４の基端は、シャフトホルダ１６を貫通してシャフトホルダ１６から突出している。さらに、シャフトホルダ１６から突出しているシャフト３４の基端は、ロータハブ３２の中心に圧入されている。

シャフト３４は、シャフトホルダ１６の内部に設けられている軸受３５ａ，３５ｂによって回転自在に支持されている。軸受３５ａ，３５ｂは上下に重ねられており、それら軸受３５ａ，３５ｂの間にはスプリングワッシャ３６が介在している。

一方、シャフト３４の先端は、ベース部材１１ａの底壁部１２を貫通してハウジング１０から突出している。さらに、ハウジング１０から突出しているシャフト３４の先端には、ピニオンギア３７が取り付けられている。

＜基板＞
基板４０は、フレキシブル基板である。基板４０の一部はハウジング１０の内部に配置され、基板４０の他の一部はハウジング１０の外部に引き出されている。以下の説明では、ハウジング１０内に配置されている基板４０の一部を“本体部４１”と呼び、ハウジング１０外に引き出されている基板４０の他の一部を“引出部４２”と呼んで区別する場合がある。もっとも、かかる区別は説明の便宜上の区別に過ぎない。

基板４０の本体部４１は、シャフトホルダ１６を避けてベース部材１１ａの底壁部１２の略全域を覆う円盤状である。一方、引出部４２は、ベース部材１１ａの固定片１３ａとリブ１４ｂとの間を通ってハウジング１０の外に延びる帯状である。

＜磁気センサ＞
ロータ３０に設けられている磁石３３の磁界を検出可能な複数の磁気センサが基板４０に実装されている。より特定的には、３つのホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗが基板４０に実装されている。磁気式センサとしては、ホール素子やリニアホールＩＣを始めとした磁束の変化をアナログ信号として出力する素子を使用するが、本発明では代表としてホール素子を使用している。ホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗは、本体部４１の表面４１ａに、周方向に沿って等間隔で実装されている。つまり、本体部４１の表面４１ａは、３つのホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗにとって共通の実装面である。そこで、以下の説明では、本体部４１の表面４１ａを“実装面４１ａ”と呼ぶ場合がある。また、ホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗを“ホール素子５０”と総称する場合がある。

ホール素子５０ｕは、Ｕ相の磁界強度を検出するための磁気センサであって、Ｕ相の磁界強度に応じた電圧（ホール信号／差動信号）を出力する。ホール素子５０ｖは、Ｖ相の磁界強度を検出するための磁気センサであって、Ｖ相の磁界強度に応じた電圧（ホール信号／差動信号）を出力する。ホール素子５０ｗは、Ｗ相の磁界強度を検出するための磁気センサであって、Ｗ相の磁界強度に応じた電圧（ホール信号／差動信号）を出力する。

それぞれのホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗは、基板４０に形成されている配線と電気的に接続されている。ホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗから出力されるホール信号は、基板４０に形成されている配線を介して所定の装置，処理部，制御部などに入力される。

図４は、モータ１Ａの機能ブロック図である。モータ１Ａは、増幅部６０，位置推定部６１，制御部６２，駆動部６３等を有する。ホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗから出力されるホール信号は、基板４０を介して増幅部６０に入力される。増幅部６０は、入力されたホール信号を増幅させて位置推定部６１に出力する。

位置推定部６１は、ロータ３０の位置を推定するための情報処理装置であって、演算部や記憶部などを備えている。位置推定部６１は、入力されたホール信号に基づいて算出される値や、記憶部に予め記憶されている情報などに基づいてロータ３０の位置を推定し、推定結果を制御部６２に出力する。なお、位置推定部６１は、停止しているロータ３０の位置や、回転中のロータ３０の位置などを推定可能である。

制御部６２は、位置推定部６１によって推定されたロータ３０の位置と、外部装置から入力された指示信号とに基づいて制御信号を生成し、駆動部６３に出力する。指示信号は、例えば、ロータ３０の回転方向，回転力，回転角度，回転速度などを表す信号である。また、制御信号は、例えば、指示信号が表す回転方向に応じたレジスタ値を表す信号や、駆動部６３からステータ２０に出力される電流の電流値を表す信号などである。

駆動部６３は、入力された制御信号に基づいてステータ２０を駆動する。駆動部６３は、例えば、制御信号が表す電流値の三相電流をステータ２０の各コイル２４に供給することによって、ロータ３０を指示された方向に指示された速度で回転させる。

＜ロータコアの形状＞
図５は、ロータ３０の正面図である。図６Ａはロータコア３１の側面図であり、図６Ｂはロータコア３１の斜視図である。また、図７は、ロータコア３１の外周面３１ａと各磁石３３との重複面積を示す模式図である。別の見方をすると、図７は、ロータコア３１の展開図である。

既述のとおり、ロータコア３１の外周面３１ａ上には、Ｎ極とＳ極とが周方向に沿って交互に並ぶように配置された１０個の磁石３３が貼り付けられている。つまり、ロータコア３１は、環状に並ぶ１０個の磁石３３の背後（内側）に設けられ、バックヨークとして機能する。

１０個の磁石３３の周方向（配列方向）における間隔は一定であり、１０個の磁石３３の実装面４１ａに対する高さも一定である。ここで、実装面４１ａに対する磁石３３の高さとは、実装面４１ａから当該実装面４１ａと対向する磁石３３の下端面３８までの最短直線距離を意味する。

なお、以下の説明では、便宜上の理由により、１０個の磁石３３のそれぞれを“磁石３３ａ”，“磁石３３ｂ”，“磁石３３ｃ”などと呼んで区別する場合がある。

１０個の磁石３３の実装面４１ａに対する高さは一定である一方、ロータコア３１の実装面４１ａに対する高さは一定ではない。より特定的には、ロータコア３１の実装面４１ａに対する高さは、周方向に沿って変化している。なお、実装面４１ａに対するロータコア３１の高さとは、実装面４１ａから当該実装面４１ａと対向するロータコア３１の下端面３１ｂまでの最短直線距離を意味する。

別の見方をすると、ロータコア３１の幅ｗは、周方向一方側に向かって連続的に狭くなっている。言い換えれば、ロータコア３１の幅ｗは、周方向他方側に向かって連続的に広くなっている。したがって、ロータコア３１の上端面３１ｃを水平にしたとき、ロータコア３１の下端面３１ｂは、周方向に沿って上端面３１ｃに次第に近接する（上端面３１ｃから次第に離間する）勾配を有する。この結果、ロータコア３１の実装面４１ａに対する高さが周方向に沿って次第に高く又は低くなっている。

磁石３３の高さが一定である一方、ロータコア３１の高さが上記のように変化しているため、ロータコア３１とそれぞれの磁石３３との重複面積が異なっている。具体的には、磁石３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆ，３３ｇ，３３ｈ，３３ｉ，３３ｊは、周方向に沿ってこの順で配列されている。さらに、配列方向の一端に位置している磁石３３ａは、ロータコア３１の最も幅が広い領域に配置されており、配列方向の他端に位置している磁石３３ｊは、ロータコア３１の最も幅が狭い領域に配置されている。別の見方をすると、磁石３３ａは、ロータコア３１との重複面積が最も大きい磁石３３であり、磁石３３ｊは、ロータコア３１との重複面積が最も小さい磁石３３である。また、磁石３３とロータコア３１との重複面積は、磁石３３ａ～３３ｊの順で次第に減少している。

以上のように、本実施形態では、バックヨークとして機能するロータコア３１とそれぞれの磁石３３との重複面積が異なっている。このため、１つの磁石３３の磁束及びホール素子５０を含む磁気回路の磁気抵抗と、他の１つの磁石３３の磁束及びホール素子５０を含む磁気回路の磁気抵抗と、が一致することはない。

したがって、ホール素子５０は、磁石３３毎に大きさ（電圧）が異なるホール信号を出力する。より特定的には、モータ１Ａに搭載されている３つのホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗの特性などが偶然に一致していたとしても、これらホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗから出力されるホール信号の最大値や最小値は、磁石３３毎に異なる。

この結果、２つ以上のホール素子５０から同一又は略同一の特徴を有するホール信号が出力されることがなくなり、ロータ３０の位置推定の正確度が向上する。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、ロータコアの形状は、上記形状に限られない。図８Ａは他の実施形態におけるロータコア１３１の側面図であり、図８Ｂはロータコア１３１の斜視図である。図９は、ロータコア１３１の外周面１３１ａと各磁石３３との重複面積を示す模式図である。

ロータコア１３１の下端面１３１ｂには、上端面１３１ｃに近接するように湾曲した複数の凹部１３１ｄが周方向に沿って設けられている。この上記実施形態のロータコア３１（図６Ａ，図６Ｂ）を図８Ａ，図８Ｂに示されているロータコア１３１に置換すると、ロータコア１３１の下端面１３１ｂの実装面４１ａに対する高さは、ロータ３０の回転方向（周方向）に沿って変化する。

また、図９に示されるように、ロータコア１３１と当該ロータコア１３１上に配置される各磁石３３との重複面積は、一様にはならない。よって、上記原理と同様の原理により、２つ以上のホール素子５０から同一又は略同一の特徴を有するホール信号が出力される確率が低くなり、ロータ３０の位置推定の正確度が向上する。

もっとも、ロータコア３１（図６Ａ，図６Ｂ）の形状には対称性が存在しない一方、ロータコア１３１（図８Ａ，図８Ｂ）の形状には対称性が存在する。したがって、ロータコア３１とロータコア１３１とを比較した場合、ロータの位置推定の正確度の観点からは、ロータコア３１の方が優れている。

但し、ロータコア１３１（図８Ａ，図８Ｂ）と従来のロータコア（上端面及び下端面が互いに平行な平面であるロータコア）とを比較した場合、ロータコア１３１の方がロータの位置推定の正確度の点で優れている。

ティース２２，磁石３３，ホール素子５０の数は適宜変更することができる。図４は機能ブロックの一例を示しているに過ぎず、ホール信号の入力先は増幅部６０に限られない。

１Ａ モータ
１０ ハウジング
１１ａ ベース部材
１１ｂ カバー部材
１２ 底壁部
１３ａ，１３ｂ 固定片
１４ａ，１４ｂ リブ
１５ 貫通孔
１６ シャフトホルダ
１７ 周壁部
１８ 天壁部
２０ ステータ
２１ ステータコア
２２ ティース
２３ インシュレータ
２４ コイル
３０ ロータ
３１，１３１ ロータコア
３１ａ，１３１ａ 外周面
３１ｂ，１３１ｂ 下端面
３１ｃ，１３１ｃ 上端面
１３１ｄ 凹部
３２ ロータハブ
３２ａ 側面部
３２ｂ 上面部
３３，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆ，３３ｇ，３３ｈ，３３ｉ，３３ｊ 磁石
３４ シャフト
３５ａ，３５ｂ 軸受
３６ スプリングワッシャ
３７ ピニオンギア
３８ 下端面
４０ 基板
４１ 本体部
４１ａ 表面（実装面）
４２ 引出部
５０，５０ｕ，５０ｖ，５０ｗ ホール素子
６０ 増幅部
６１ 位置推定部
６２ 制御部
６３ 駆動部
Ｃ 中心軸
ｄ１，ｄ２ 空間的距離

Claims (5)

1. ステータおよびロータを備えるモータであって、
   前記ロータは、
   磁性体によって形成されたロータコアと、
   前記ロータコア上に、前記ロータの回転方向に沿って並べられた複数の磁石と、
   共通の実装面上に配置され、前記磁石の磁界を検出可能な複数の磁気センサと、を有し、
   前記実装面と対向するそれぞれの前記磁石の下端面の前記実装面に対する高さは、一定であり、
   前記実装面と対向する前記ロータコアの下端面の前記実装面に対する高さは、前記ロータの回転方向に沿って変化している、モータ。
2. 前記ロータコアとそれぞれの前記磁石との重複面積が異なる、請求項１に記載のモータ。
3. 前記ロータコアの前記下端面の前記実装面に対する高さが、前記ロータの回転方向に沿って次第に高く又は低くなっている、請求項１又は２に記載のモータ。
4. 前記ロータは、非磁性体によって形成されたロータハブをさらに有し、
   前記ロータコアの内周面は、前記ロータハブの外周面に固定され、
   複数の前記磁石は、前記ロータコアの外周面に固定されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のモータ。
5. 前記磁気センサから出力される信号に基づいて前記ロータの位置を推定する位置推定部を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載のモータ。

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