JP4111452B2 - 減速機構付き電動モータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車のワイパアームの駆動や空気調整装置の流路調節弁を駆動するのに用いられるアクチュエータとしての減速機構付き電動モータに関する。

自動車などの車両に用いられるワイパ装置や空気調整装置の気流調節弁の駆動源として、電動モータにより駆動されるアクチュエータが用いられている。そのアクチュエータはモータの回転を所要の回転数に減速して出力軸へ伝える減速機構が付いた減速機構付き電動モータとなっている。
このようなアクチュエータの減速機構は、モータの回転軸に取り付けられたウォームギヤから平歯車、ピニオンギヤにより減速され出力軸を駆動する構成が用いられる。出力軸にはワイパアームを動作させるリンク機構や流路調節弁が取り付けられる。
このようなアクチュエータでは、ワイパアームや弁の揺動運動を行うにあたりより精度良く揺動運動を行うため、出力軸の回転位置を検出する必要がある。そのため、減速機構付き電動モータには、出力軸の回転角度を検出するためのセンサが設けられている。

これまで、出力軸の回転位置を検出するには、接触式センサとして出力軸と一体に回転する減速歯車にブラシを設け、そのブラシを減速歯車近傍に取り付けた印刷配線基板上に印刷形成された印刷抵抗等のパターンへ摺接させる構成が用いられている。
また、出力軸の回転位置を検出する構成として非接触式のセンサも用いられる。このような減速機構付き電動モータとしては、特開２００２−２６２５１５号公報に示すような、出力軸の絶対位置を示すためのセンサを設けたものが知られている。
これは、モータ回転軸に設けられた多極着磁磁石の磁気をホールセンサにより検出することで出力軸の相対位置を検出し、出力軸と一体に設けられた減速用歯車に磁石を取付け、その磁石の磁気をホールセンサで検出して出力軸の絶対位置を検出するものである。
特開２００２−２６２５１５号公報

ところで、減速機構付き電動モータにおいては出力軸の回転位置を検出するには、その初期位置を精度良く設定する必要がある。また、同時にこれら装置においては長寿命、高信頼性、高精度および低価格が常に要求される。
ブラシを用いた構成では接触式であるために長寿命化、高信頼性化に限界があり、ブラシや印刷抵抗等のばらつきにより初期位置設定や位置検出の高精度化にも限界がある。
そのため、ホールセンサを用い非接触式で検出する構成が用いられる。この構成は非接触式であるため長寿命化や高信頼性といった面では有利だが、センサやマグネット、検出回路等が比較的高価になり低価格化について問題が残る。

本願発明は上記課題を解決するもので、センサによる非接触式で長寿命化を達成し、回転を検出するセンサやマグネットの取付位置等の構成に工夫を凝らし、簡単な構成で組み立てを容易にすることで、高精度でありながらより安価な減速機構付き電動モータを提供するものである。

上記課題を解決する本願発明の構成は、請求項１に示すよう、電動モータと、モータ回転軸に取り付けられたウオームギヤと回転軸が平行な複数の平歯車やピニオンギヤおよび出力軸が設けられた最終段の平歯車からなる複数段の減速歯車列を有する減速機構付き電動モータにおいて、前記モータ回転軸と一体に回転し回転円周方向で等間隔に複数極着磁された磁極を有する環状磁石と、前記モータ回転軸と平行でかつ前記平歯車と平行に配置された印刷配線基板と、その印刷配線基板に取り付けられた第一のセンサおよび導通線を有するセンサ部が前記印刷配線基板から離れて配置された第二のセンサとを有し、前記第一のセンサは前記印刷配線基板の基板面と垂直で前記モータ回転軸と直交する線上に位置するとともに前記環状磁石の回転外周面と対向して前記印刷配線基板に取り付けられ、前記第二のセンサはホールＩＣであり前記環状磁石の回転外周面と対向するよう前記ホールＩＣの導通線が挿通される脚部と本体の位置を決めつつ保持する箱状の収容部と前記印刷配線基板に起立させる基部を有するホルダに取り付けられ、前記導通線の先端は前記印刷配線基板に半田付けされ、前記第一のセンサとは異なる位相で前記環状磁石の磁気を検出することを特徴とする減速機構付き電動モータ、とする。

ここで、環状磁石は所定厚みをもつ環状の磁性体に周方向で複数の磁極を着磁させた磁石をいう。センサはその外周面と対向して磁石の磁気を検出するよう配置される。また、センサはいわゆる磁気センサで、具体的には磁気を検出してアナログの検出波形を出力するホールセンサや、波形整形回路を内蔵しデジタル（矩形）の検出波形を出力するホールＩＣ等が考えられる。いずれもセンサ部を有し、本請求項ではセンサとはこれら部材のセンサ部分を指すものである。
また、第一のセンサの取付位置は、いわゆる面実装タイプの部品を基板面に取り付ける場合や基板に設けた穴に部品の本体を収納して取り付ける場合、さらにはリード付き部品のリードを曲げて本体を基板へ載置するような取り付け方を含む。すなわち、印刷配線基板と垂直でモータ回転軸と直交する線上で基板の厚み内、基板面上を含む基板近傍を意味する。
さらに、第二のセンサの取付位置はモータの回転軸を中心として第一のセンサと一致する円周上はもとより、その円周上に対する取付のばらつき範囲を含み、両センサが同等の磁気検出感度となる範囲の位置を含むものとする。

また、第二のセンサは導通線を有するが、導通線とはセンサ本体から出されたリード線、センサ本体の端子に接続された電線、割基板のパターン等を含む。そして第二のセンサの取付位置は、モータ回転軸を中心として第一のセンサと同一円周上とする。すなわち環状磁石が回転する際にその外周面と対向する位置で、磁石との間隔が第一のセンサと等しい位置である。

この請求項１をさらに具体的にした構成として請求項２に示すよう、前記環状磁石はその円周上１８０度の範囲に着磁された極数が奇数極であり、前記第二のセンサは前記モータ回転軸を中心として前記第一のセンサと同一円周上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の減速機構付き電動モータ、とする。

本願発明による構成で、出力軸の位置を検出するのに初期設定をする場合、請求項３に示すよう、前記最終段の平歯車と一体に回転し２極に着磁された磁石と、その磁石の旋回範囲で一つの極と対向するよう前記印刷配線基板に設けられた第三のセンサをさらに設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の減速機構付き電動モータ、とする。
ここでいう磁石はＮ極とＳ極が一極ずつ着磁された磁石で、例えば出力軸方向へＮ、Ｓと着磁しセンサへは片方の極のみ対向するようにする。あるいは半径方向にＮ、Ｓと着磁しどちらかの極の旋回範囲にセンサを位置させるものとする。
このようにすれば第一、第二、第三のセンサが全て一つの印刷配線板で繋がれることになるため装置の簡略化が可能となる。

本願発明の構成により、比較的簡単な構成で組立の容易な減速機構付き電動モータが得られる。回転を検出するための構成で、一つのセンサを印刷配線基板に取付け、もう一つのセンサを基板から離して取り付けることにより、簡単な部品あるいは簡単な工程で組立ができ、さらに全体の構成も組立が容易になるとともに小型化が図れるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図を用いて説明する。
図１および図２は本願発明の減速機構付き電動モータの一例であるアクチュエータ１で、図１はその内部平面図を示し、図２は図１に示す切断線A-Aにより要部を切断した側面図を示す。断面はそれぞれハッチングで示すものとする。
アクチュエータ１は下ケース２と上ケース３により箱状に形成され、内部に駆動用モータ２２、減速歯車列となるウオームギヤ１０、第一中間ギヤ１１、第二中間ギヤ１２、第三中間ギヤ１３および出力軸１４ｃを有する出力ギヤ１４、そして印刷配線基板で形成された基板２１が収容されている。基板２１は減速ギヤの回転を検出するための回路を構成している。
下ケース２はケースの底面を構成する底板２ａとその底板２ａの外周に形成された外周壁２ｂにより浅いカップ状に形成され、外周壁２ｂにはこのアクチュエータ１を各種装置へ取り付けるための取付フランジ２ｄが設けられている。上ケース３は図を見やすくするため破線でその外形を示し、説明を省略する。

モータ２２は取付板２２ｂにより底板２ａの所定位置に固定され、モータワイヤ（図示せず）により基板２１と電気的に接続される。
このアクチュエータ１の減速歯車列は、モータ２２の回転軸２２ｃに取り付けられたウオームギヤ１０、第一中間ギヤ１１、第二中間ギヤ１２、第三中間ギヤ１３および出力ギヤ１４で構成されている。第一中間ギヤ１１、第二中間ギヤ１２、第三中間ギヤ１３はそれぞれ底板２ａに形成された支持ボス２ｈ、２ｉ、２ｊに回転支持されている。
第一中間ギヤ１１は大ギヤ１１ａと小ギヤ１１ｂが一体に形成され、所定の減速比になるよう歯数が決定される。また、第二中間ギヤ１２、第三中間ギヤ１３も同様に大ギヤ１２ａと小ギヤ１２ｂ、大ギヤ１３ａと小ギヤ１３ｂで形成されている。
ウオームギヤ１０は第一中間ギヤ１１の大ギヤ１１ａと噛み合い、小ギヤ１１ｂが第二中間ギヤ１２の大ギヤ１２ａと噛み合う。さらに、第二中間ギヤ１２、第三中間ギヤ１３がそれぞれ大ギヤと小ギヤ同士噛み合い、第三中間ギヤ１３の小ギヤ１３ｂが出力ギヤ１４の大ギヤ１４ａと噛み合う。第一中間ギヤ１１から出力ギヤ１４までは平歯車とピニオンギヤが用いられ、それらの回転軸は底板２ａに対し垂直でそれぞれ平行している。

出力ギヤ１４は大ギヤ１４ａに出力軸１４ｃがフランジ部１４ｄを介して一体に形成され、出力ギヤの回転軸である出力軸１４ｃが底板２ａに設けられた開孔を有する出力軸ガイド２ｇにより下ケース２に回転支持されている。
出力軸１４ｃには同心に開孔１４ｈが形成されて筒状になるとともにその内壁には係止用凸片１４ｇが形成されている。この係止用凸片１４ｇにより開孔１４ｈは断面Ｄ字状の穴になり、この開孔に合わせた形状の軸を有する被駆動装置（例えば空調装置の扉の回転軸やワイパの回転軸）が装着される。
基板２１は印刷配線板で、減速機構の歯車の回転を検出するホールＩＣ３１、３２、３３が搭載され、各種接続パターンが形成されている。ホールＩＣ３１、３３は基板２１に設けた開孔にその本体が収納されるよう基板に取り付けられ、ホールＩＣ３２はホルダ３４によりセンサ部分が基板から離れた位置に取り付けられている。
基板２１にはまた、このアクチュエータ１を制御する制御機器からの信号や電源等を接続するコネクタ２１ｂが取り付けられ、下ケース２にはコネクタを固定する取付リブ２ｃが形成されている。
この基板２１は、各中間ギヤ１１、１２、１３およびウオームギヤ１０と底板２ａの間で、また出力ギヤ１４を底板２ａとの間に挟む位置に配置されている。基板２１は外周壁２ｂに設けられた基板取付リブ２ｋや基板取付軸２ｆにより下ケース２にとりつけられる。この基板２１は各中間ギヤ１１、１２、１３および出力ギヤ１４と面で平行に、かつウオームギヤ１０の回転軸（すなわちモータの回転軸２２ｃ）と平行に取り付けられている。

次に、図３により図１および図２に示すアクチュエータ１の回転検出部分の構成を説明する。図３（イ）はそれぞれの中間ギヤの軸方向から見た図で、図３（ロ）はモータの回転軸方向から見た図である。それぞれ、要部断面をハッチングで示す。
モータ２２の回転軸２２ｃに取り付けられたウオームギヤ１０は、歯が形成されたギヤ部１０ａと円柱状の基部１０ｂで構成されている。そして、基部１０ｂにはホールＩＣ３１および３２と対向するよう環状磁石１６がヨーク１７とともに取り付けられている。
ヨーク１７は鉄板等の磁性材で、基部１０ｂに固定される円筒状の筒部１７ａと、その筒部１７ａの一端側に外側へ円盤上に形成されたフランジ１７ｂと、他端側に内側へやはり円盤状に形成されたストッパ１７ｃで構成されている。
環状磁石１６は内径が筒部１７ａの外径とほぼ同じで、筒部１７ａの外周およびフランジ１７ｂに接着や圧入等で固定され、フランジ１７ｂとストッパ１７ｃによりその環状磁石１６の位置がウオームギヤ１０に対して決められる。このヨーク１７は環状磁石１６をウオームギヤ１０に対し位置決めして取り付けるとともに環状磁石１６の磁気を効率よくホールＩＣ３１、３２へ作用させる働きを有している。

ホールＩＣ３１は実装型部品で、基板２１上に平面実装された状態で取り付けられる。図３（ロ）は、基板２１に開孔２１ｃを設けセンサ部のあるホールＩＣ３１の本体３１ｂをその開孔２１ｃへ収納して基板へ取付けた状態を示す。この構成では厚み方向への小型化が図られている。ホールＩＣ３１の取付は基板の位置により基板面上に実装しても良い。また、ホールＩＣ３１をリード付き部品とし、基板２１へ取り付けた後治具等で位置出しを行いつつリード部を曲げて本体３１ｂを基板２１の面に沿わせても良い（後述図５参照）。
ホールＩＣ３１の位置は、本体３１ｂが基板２１の面に対し垂直（回転軸２２ｃに対しても垂直）で回転軸２２ｃと交わる直線Ｙ上であって、環状磁石１６の外周と対向する位置に取り付けられる。この位置は基板２１上の環状磁石１６と対向する位置のなかで最も環状磁石１６に近い位置となる。

ホールＩＣ３２はリード部３２ａを有する部品で、ホルダ３４を用いて基板２１へ取り付けられている。
ホルダ３４はホールＩＣ３２のリード部３２ａが挿通される脚部３４ａと本体３２ｂの位置を決めつつ保持する箱状の収納部３４ｂ、そしてホルダ３４を基板に起立させる基部３４ｃが樹脂で一体に形成されたもので、基部３４に基板２１と係合する取付フック等を設けて基板に取り付ける。リード部３２ａの先端は基板２１に設けられた差込穴に通されて基板２１に形成されたパターンに半田付けされる。ホルダ３４を自立型にすれば、ホールＩＣ３２をホルダ３４に取り付けてそれを基板に取り付けるだけで、ホールＩＣ３２が位置出しされて基板２１に取り付けることができる。
ホールＩＣ３２の位置は、磁気検出部のある本体３２ｂが、直線Ｙと直角で回転軸２２ｃと交わる直線Ｘ上で、環状磁石１６の外周と対向する位置に取り付けられる。
ホールＩＣ３１、３２は回転軸２２ｃを中心として同心の位置に取り付ければ環状磁石１６の磁気が各ホールＩＣに均一に作用する。このようにホールＩＣ３１とホールＩＣ３２の配置角αを９０度とすれば磁石との距離を同じにすることが容易である。各ホールＩＣと環状磁石の間隔は磁石の磁力により適宜定めると良い。

図４は環状磁石１６の着磁位置とセンサとしてのホールＩＣの位置を示したもので、図４（イ）は環状磁石１６の円周１８０度の範囲に一極着磁とし、図４（ロ）は１８０度の範囲に３極着磁した状態を示すものである。
環状磁石１６は円環板状の磁性材に円周方向にＮ極とＳ極が１８０度ずつ着磁された２極の磁石で、モータの回転軸２２ｃと同心に回転するよう、ヨーク１７を介してウオームギヤ１０に取り付けられている。
本実施例の場合、環状磁石１６の着磁開角が１８０度でホールＩＣ３１、３２の配置角が９０度なので、それぞれのホールＩＣから出力される検出波形はモータ一回転に対し一周期で連続し位相が９０度ずれたものとなる。
環状磁石１６の着磁極数を、１８０度の範囲で奇数極着磁すると、上述のようにホールＩＣを取り付けた場合にそれぞれのホールＩＣが９０度位相のずれた検出波形とすることができる。
また、その極数が１極や３極（全体で２極あるいは６極）といった少ない極数であれば、円周方向で一極の範囲が広いことから、ホールＩＣ３２の取り付け位置が線Ｘから若干ずれた場合にも対応可能となる。つまり、ホールＩＣ３１が磁石の極の変わり目を検出しているときに、ホールＩＣ３２が一つの極の範囲を検出する位置であれば良い。

上述のようにホールＩＣの配置角αを９０度とし、環状磁石の着磁を１８０度の範囲で奇数にすれば、一つのホールＩＣを基板上に実装し、もう一つを立たせることで減速歯車列のギヤの回転を精度よく検出できる。
すなわち、同一基板上に一つのホールＩＣを直接取付け、もう一つのホールＩＣを単に立たせて取り付ければよいので、部品の構成や組立が容易になり、簡単な構成と容易な組立で精度よく回転の検出ができる。

上述の例はホールＩＣの配置角を９０度としたものだが、配置角αを例えば６０度とすることも可能である。そのようにホールＩＣ３２を配置するにはホルダ３４の収納部３４ｂを傾けた形状とし、リード部３２ａを曲げ加工するなど追加の作業をして基板２１へ取り付けることとなる。その場合、環状磁石１６の着磁極数は１８０度の範囲で偶数にすることも可能である。そのような構成を図５に示す。
図５には、ホールＩＣ３１をリード部３１ｂを有するものとし、そのリード部３１ｂを曲げ加工して本体部を基板２１面上へ載置した構成を併せて示す。
ホールＩＣ３２を傾けて配置することで、それぞれの配置角が９０度以外でも環状磁石１６とホールＩＣの距離をホールＩＣ３１と同じ距離とすることができ、検出の感度を合わせることができる。

一方出力ギヤ１４にはフランジ部１４ｄに磁石片１８が、ヨーク片１９を介して基板２１と対向するよう取り付けられている。そして、基板２１の磁石片１８が旋回する周上に磁石片の磁気を検出するホールＩＣ３３が実装状態で取り付けられている。
磁石片はＮ極とＳ極が１極ずつ出力軸と平行な方向に着磁され、ホールＩＣ３３には一極のみが対向する。そのためホールＩＣ３３から出力される検出波形は、出力軸１４ｃが一回転する毎に一つの山が形成される波形となる。磁石片１８は出力軸１４ｃの係止用凸片１４ｇと対応した位置に取り付けられる。この磁石片１８によるホールＩＣ３３の検出波形を用いて出力ギヤ１４の初期位置を設定すれば、ホールＩＣ３１、３２の出力波形をカウントして回転軸１４ｃの回転位置を検出することができる。

ここで、上述の構成による減速機構付き電動モータの動作を説明する。
各ギヤのギヤ比を、ウオームギヤ１０について１：４３、第一中間ギヤ１１を１１：２７、第二中間ギヤ１２を１０：２８、第三中間ギヤを１０：２２と設定する。このように設定すると出力軸１４ｃ（すなわち出力ギヤ１４）一回転に対しモータ回転軸２２ｃ（すなわちウオームギヤ１０）は６５０．１６回転することになる。
環状磁石１６が２極で構成されていることからホールＩＣ３１あるいは３２の出力波形は１相毎に６５０．１６パルスとなり、このときの出力軸１４ｃの最小検出角は０．１３８度となる。
モータ２２を回転させてホールＩＣ３１、３２の検出波形によりモータの回転および回転方向を検出しながらホールＩＣ３３で磁石片１８による検出波形を検知した時点を初期位置と設定する。上述のギヤ比により、この初期位置が設定された位置からホールＩＣ３１、３２の検出波形のパルスをカウントすることにより、出力軸１４ｃの回転位置を最小検出角０．１３８度で検出可能となる。

以上説明したように、本願発明の構成は、モータの回転を検出する構成として、モータの回転軸と一体に回転する磁石を、モータの回転軸と垂直に交わる面上に配置角が９０度で磁石に対向するよう配置した、２つの磁気センサで検出するものとした。さらに磁石は円周方向１８０度の範囲で奇数の極数を持つよう着磁した円環状のものを用いる。
このような構成では一方のホールＩＣを基板上に配置し、他方のホールＩＣを基板に対し直立させればよいので、基板の組立が容易になる。また、回転数の高いモータに磁石を設けることで磁極の数が少ないものでも高い周波数の検出波形が得られるため、磁石の極数は２極あるいは６極といった少ない極数でよく、磁石の製造が容易になる。

さらに少ない極数ではそれぞれの極の範囲が広くなるため、ホールＩＣの取付位置精度に余裕ができる。特に基板上に直立させるホールＩＣは基板上に実装するホールＩＣより位置精度が出にくいが、精度に余裕ができることでその組立も容易になる。
また、本願発明の構成では、回転検出用の磁石をモータの回転軸と一体に回転するようにし、出力軸の位置検出を出力軸と一体に回転する磁石により検出する構成とした。モータの回転数は出力軸の回転数より大きいので出力軸の回転位置の最小検出角を小さくでき、精度良く検出できることとなる。
そして、モータの回転軸と平行で、かつ中間の減速ギヤと平行に基板を配置し、その基板上にモータの回転および出力軸の位置を検出するセンサを設けたので全体の構成を簡略化でき、装置全体が小型化できるとともに組立を簡略化できる。

本願発明の減速機構付き電動モータの平面図で、その内部を示す図である。 図１に示す減速機構付き電動モータの側面図で、切断線A-Aによる要部断面をハッチングで示した図である。 図１および図２に示す構成を詳しく示した図で、図３（イ）にその正面図、図３（ロ）にその側面図を示し、要部断面をハッチングで示したものである。 図３（ロ）に示す構成で、環状磁石の着磁範囲とホールＩＣの位置を示し、図４（イ）、図４（ロ）で異なる着磁極数の例を示したものである。 図４に示す構成の他の実施の形態を示す図である。

符号の説明

１ アクチュエータ
２ 下ケース
１０ ウオームギヤ
１４ 出力ギヤ
１４ｃ 出力軸
１６ 環状磁石
１７ ヨーク
１８ 磁石片
２１ 基板
２２ モータ
２２ｃ モータ回転軸
３１、３２、３３ ホールＩＣ
３４ ホルダ

Claims (3)

1. 電動モータと、モータ回転軸に取り付けられたウオームギヤと回転軸が平行な複数の平歯車やピニオンギヤおよび出力軸が設けられた最終段の平歯車からなる複数段の減速歯車列を有する減速機構付き電動モータにおいて、前記モータ回転軸と一体に回転し回転円周方向で等間隔に複数極着磁された磁極を有する環状磁石と、前記モータ回転軸と平行でかつ前記平歯車と平行に配置された印刷配線基板と、その印刷配線基板に取り付けられた第一のセンサおよび導通線を有するセンサ部が前記印刷配線基板から離れて配置された第二のセンサとを有し、前記第一のセンサは前記印刷配線基板の基板面と垂直で前記モータ回転軸と直交する線上に位置するとともに前記環状磁石の回転外周面と対向して前記印刷配線基板に取り付けられ、前記第二のセンサはホールＩＣであり前記環状磁石の回転外周面と対向するよう前記ホールＩＣの導通線が挿通される脚部と本体の位置を決めつつ保持する箱状の収容部と前記印刷配線基板に起立させる基部を有するホルダに取り付けられ、前記導通線の先端は前記印刷配線基板に半田付けされ、前記第一のセンサとは異なる位相で前記環状磁石の磁気を検出することを特徴とする減速機構付き電動モータ。
2. 前記環状磁石はその円周上１８０度の範囲に着磁された極数が奇数極であり、前記第二のセンサは前記モータ回転軸を中心として前記第一のセンサと同一円周上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の減速機構付き電動モータ。
3. 前記最終段の平歯車と一体に回転し２極に着磁された磁石と、その磁石の旋回範囲で前記磁石の一つの極と対向するよう前記印刷配線基板に設けられた第三のセンサをさらに設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の減速機構付き電動モータ。

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