JP4789280B2 - マイクロモータ用のモータシャフト及びマイクロモータ - Google Patents

Description

本発明は、各種小型装置類の駆動源として用いられるマイクロモータ用のモータシャフトと、このモータシャフトが適用されたマイクロモータ及びマイクロギヤードモータに関する。

従来、携帯電話に内蔵される無音呼び出し用振動発生装置の駆動源等として、外径が数ｍｍ程度のマイクロモータが用いられている。また、この種のマイクロモータは、医療機器（例えば、内視鏡先端部のレンズ駆動機構や胎空内診断治療装置の駆動機構）をはじめとする様々な最先端装置類の駆動源として、今後その利用分野が益々拡大するものと考えられる。
一般に、マイクロモータを医療機器等のような小型装置類に使用する場合、減速用ギヤ機構を有するギヤヘッドを結合したマイクロギヤードモータとして装置内に組み込まれる（例えば、特許文献１）。
特開２００１−１１９８９４号公報

このマイクロギヤードモータは、図４に示すように、モータシャフト２２にピニオン２３が固着されたモータ部２０（マイクロモータ）と、このモータ部２０に前記ピニオン２３を介して駆動連結される減速用ギヤヘッド部２１とからなる。前記ピニオン２３はその取付孔（中心貫通孔）内にモータシャフト２２を圧入又は接着することにより、モータシャフト２２に固定されている。また、前記減速用ギヤヘッド部２１には減速用ギヤ機構部２４が内蔵され、その初段歯車２６に前記ピニオン２３が噛み合い、モータシャフト２２の駆動力は減速用ギヤ機構部２４を経て出力軸２５に伝えられる。

マイクロギヤードモータが適用される装置によっては、減速用ギヤ機構部による大きな減速比が必要となる場合がある。減速比は減速用ギヤ機構部側の歯車の歯数とモータシャフト側のピニオンの歯数との関係で決まり、減速用ギヤ機構部側の歯車の歯数が多いほど、また、ピニオンの歯数が少ないほど大きな減速比を得ることができる。しかし、減速用ギヤヘッド部には大きさ（径）の制約があるため、減速用ギア機構部側の歯車の歯数を増やすことには限度があり、一方において、上述したような構造の従来のマイクロギヤードモータでは、ピニオン径を小さくして歯数を少なくすることにも限度がある。このため従来のマイクロギヤードモータでは、十分に大きな減速比が得られないという問題がある。

また、従来のマイクロモータでは、ピニオンが接着や圧入等の方法でモータシャフトに接合されるが、この接合構造には次のような問題がある。
(a) 極小サイズのピニオンとモータシャフトとを接着又は圧入するための工程が必要であるため、コストアップとなるだけでなく、繰り返し運転により接合部が緩み、ピニオンスリップなどの不具合が生じることがある。
(b) 極小サイズのものどうしの接合であるため、モータシャフトとピニオンの同軸度の確保が難しく、このためピニオンと減速用ギヤ機構部側の初段歯車との良好な噛み合い状態が得られないことがあり、モータの故障や騒音発生の原因となりやすい。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、減速用ギヤ機構により大きな減速比を得ることができるとともに、モータシャフトとピニオンとの高い同軸度を確保でき、しかもピニオンスリップなどの不具合を生じることがないマイクロモータ用のモータシャフトを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、そのようなモータシャフトを用いたマイクロモータ及びマイクロギヤードモータを提供することにある。

先に述べたように、マイクロギヤードモータにおいて大きな減速比を得ようとする場合、モータの大きさ（径）の制約上、減速用ギヤ機構部側の歯車径を大きくして歯数を増やすことはできない。そこで、本発明者らは、モータシャフトのピニオンを小径化するという観点から詳細な検討を行い、その際に、ピニオンを取付孔を介してモータシャフトに接合するという旧来の構造に対して、モータシャフトそのものにピニオンを一体的に形成（成形）することによりピニオンを極限的に小径化する、すなわちシャフト径以下のピニオン径にするという着想を得た。しかし、従来の当業者の技術常識からして、そのようにピニオンをモータシャフト径以下まで小径化したような構造では、ピニオンの強度が著しく不足し、モータトルクによる負荷によってピニオン（＝モータシャフトの一部）の破損や疲労破壊が頻発することが予想された。ところが、本発明者らが実際に同構造のマイクロギヤードモータを試作し、繰り返し運転試験を行ったところ、当初の予想に全く反し、ピニオンに強度不足による破損や繰り返し荷重の負荷による疲労破壊が生じるようなことはなく、実用上全く問題がない十分な耐久性が得られることが判明した。これは、マイクロギヤードモータは一般のモータや他の小型モータに較べてモータトルクが非常に小さい（通常、数μＮｍ〜数百μＮｍ程度）ために、シャフト径以下のピニオンであってもモータトルクに対して十分な強度を有するためであると考えられ、従来全く知られていなかったマイクロギヤードモータに特有の性能である。

本発明は、以上のような着想と知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
（1）シャフトの先端側に、シャフトの外径以下の外径を有するピニオンが一体的に形成されたことを特徴とするマイクロモータ用のモータシャフト。
（2）上記（1）のモータシャフトにおいて、シャフトの外径が１ｍｍ以下であることを特徴とするマイクロモータ用のモータシャフト。
（3）上記（1）又は（2）のモータシャフトを有することを特徴とするマイクロモータ。
（4）上記（3）のマイクロモータにおいて、外径が４ｍｍ以下であることを特徴とするマイクロモータ。

（5）上記（3）又は（4）のマイクロモータで構成されるモータ部と、該モータ部に、モータシャフトに形成されたピニオンを介して駆動連結される減速用ギヤヘッド部とを備えることを特徴とするマイクロギヤードモータ。
（6）上記（5）のマイクロギヤードモータにおいて、モータ部のモータシャフトに形成されたピニオンと減速用ギヤヘッド部の第１段目の減速用歯車との間の減速比が５以上となるように、前記ピニオンと減速用歯車の歯数が設定されることを特徴とするマイクロギヤードモータ。
（7）上記（5）又は（6）のマイクロギヤードモータにおいて、モータ部がブラシレスモータであり、減速用ギヤヘッド部の減速用ギヤ機構が遊星歯車減速機構であることを特徴とするマイクロギヤードモータ。
（8）上記（5）〜（7）のいずれかのマイクロギヤードモータにおいて、外径が４ｍｍ以下であることを特徴とするマイクロギヤードモータ。

本発明に係るマイクロモータ用のモータシャフト及びこれを適用したマイクロモータ並びにマイクロギヤードモータによれば、ピニオンを十分に小径化できるため、減速用ギヤ機構により大きな減速比を得ることができる。また、モータシャフトそのものにピニオンを一体的に形成するため、モータシャフトとピニオンとの高い同軸度を確保でき、このため故障が少なく長寿命であって且つ騒音発生の少ないモータとすることができ、しかもピニオンスリップなどの不具合を生じることもない。また、接着や圧入等によるピニオンの接合工程も不要であるため、製造工数と製造コストを削減できる利点もある。

図１〜図３は本発明のモータシャフト及びこれが適用されたマイクロギヤードモータの一実施形態を示すもので、図１は縦断面図、図２は図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
図において、１はマイクロモータで構成されるモータ部、２はこのモータ部１にモータシャフトのピニオンを介して駆動連結される減速用ギヤヘッド部である。なお、この実施形態において減速用ギヤヘッド部２を設けないものが、本発明のマイクロモータである。
本発明において、前記モータ部１を構成するマイクロモータの機構は任意であり、例えば、コアレスモータ、ブラシレスモータ等とすることができるが、本実施形態ではブラシレスモータにより構成されている。すなわち、モータ部１は、ハウジング３Ａと、モータシャフト用の軸受４ａ，４ｂと、この軸受４ａ，４ｂに回転自在に保持されるモータシャフト５と、軸受４ａ，４ｂ間のモータシャフト部分に外装固定されるローターマグネット６と、このローターマグネット６に対向してハウジング３Ａの内側に固定されるステータコイル７等から構成されており、このような構造自体は従来のマイクロギヤードモータと同様である。

前記モータシャフト５の先端部には、モータシャフト５の外径以下の外径を有するピニオン８が一体的に形成（成形）されている。
通常、ピニオン８はモータシャフト５そのものにホブ加工などの切削加工や転造加工等を施すことにより形成（成形）するが、それ以外の方法、例えば、ピニオンが形成された部材をモータシャフトの先端部に接合するなど、適宜な方法でピニオン８を形成することができる。
ピニオン８をモータシャフト５そのものを切削加工や転造加工して形成する場合には、ステンレス鋼などの丸棒からなるシャフト用部材をセンタレス加工して外径寸法精度と面粗さを調整した後、その先端部に切削加工又は転造加工等によってピニオン８を形成（成形）し、次いで、熱処理、バレル研磨処理等の工程を経てピニオン８を備えたモータシャフト５に仕上げられる。
ピニオン８はモータシャフト５の先端側に形成されるが、その位置はモータシャフト５の最先端部でなくてもよい。

図３は、ピニオン８の構造をより詳細に示した斜視図である。このピニオン８は、モータシャフト５の先端をホブ加工して形成されたものであり、図中Ｐで示す範囲がピニオン８を構成している。
先に述べたように、一般的なサイズのモータや小型モータのなかでもマイクロモータよりも大きいモータは相応のモータトルクを有するため、ピニオン径をあまり小さくすると歯の部分に大きな応力が加わるため、破損や疲労破壊が容易に生じてしまう。これに対して、一般に外径が４ｍｍ以下であるマイクロモータの場合には、モータトルクが数μＮｍ〜数百μＮｍと非常に小さく、仮にロックして最大負荷を加えた場合でも、ピニオンの歯の部分が破損したり、繰り返し荷重によって疲労破壊することはないことが判った。ちなみに、本発明者らが試作した直径２ｍｍのマイクロモータのモータトルクは７μＮｍであった。

本発明において、ピニオン８の外径をモータシャフト５の外径以下とするのは、言うまでもなくピニオンを小径化して大きな減速比を得るためであるが、モータシャフト５そのものを切削加工や転造加工等で加工してピニオン８を形成する場合においては、ピニオン８の外径をモータシャフト５の外径以下とすることは、以下のようなメリットもある。すなわち、ピニオン外径をモータシャフト外径より大きくする場合には、ピニオン形成前のブランク状態のモータシャフトは、直径の異なる段付きの棒形状となり、特に切削加工されたモータシャフトの外径精度と面粗さを高精度に仕上げることが難しくなる。これに対して、ピニオン外径がモータシャフト外径よりも小さければ、ピニオン形成前のブランク状態のモータシャフトは段付きのない丸棒形状となり、センタレス加工を行うことでモータシャフトの外径精度と面粗さが高精度に仕上げられる。そして、このようにセンタレス加工されたモータシャフトにピニオンを加工し、熱処理、バレル研磨処理等の工程を経てピニオン８を有するモータシャフト５が仕上げられる。

また、モータシャフトに一体形成されるピニオンの外径がモータシャフトの外径より大きい場合には、モータシャフトを軸受（ギヤヘッド側）に前方側から通した状態でローターマグネットを接着剤等によって固着しなければならないが、軸受が介在されている状態であると、モータシャフトとローターマグネットを高精度な位置関係で固着することが難しく、また接着剤がはみ出した場合、拭き取る工程も難しくなる。この点、ピニオン８の外径がモータシャフト５の外径より小さい本発明の場合には、予めモータシャフト５とローターマグネット６を固着することができるため、高精度で容易な組立が可能となる。

本発明のモータ自体の外径やモータシャフト５の外径に特別な制約はないが、先に述べたようにマイクロモータのモータシャフト５にシャフト径以下のピニオン８を一体的に形成した場合でも、ピニオンが強度の面で十分な耐久性を得られるのは、モータトルクが非常に小さいマイクロモータに特有の性質であり、このような観点からは、特にモータの外径が４ｍｍ以下、モータシャフト５の外径が
１ｍｍ以下のマイクロモータ（マイクロギヤードモータ）が好適である。
また、ピニオン８の外径はモータシャフト５の外径よりも小さければよく、ピニオン外径の下限は特に限定しないが、一般には強度的な面からモータシャフト５の外径の少なくとも８０％程度の外径を有することが好ましい。

前記減速用ギヤヘッド部２は、ハウジング３Ｂと、前記ピニオン８が駆動連結される減速用ギヤ機構部９と、その出力側（先端側）に配置され、軸受１１に回転自在に支持される出力軸１０とを備えており、前記ピニオン８は、減速用ギヤ機構部９の初段歯車に噛み合っている。
この減速用ギヤヘッド部２が有する減速用ギヤ機構部９の構造は任意であり、種々の機構のものを適用することができるが、本実施形態では遊星歯車減速機構により構成されている。この遊星歯車減速機構の基本構造は、図４に示すような従来の機構と同じであり、本実施形態ではモータ部１側から出力軸１０側に向かって順に配置される２組の独立したキャリアユニット１２ａ，１２ｂと、出力軸１０の基端部に設けられた１組のキャリアユニット１２ｃを備えている。

前記各キャリアユニット１２ａ，１２ｂは、モータ部側の面に遊星歯車支持用の３本の軸部１３０が周方向において１２０°等分の配置関係で突設されるとともに、反モータ部側の面の中央部に太陽歯車１５が突設された板状のキャリア１３と、前記各軸部１３０に回転自在に支持された遊星歯車１４（周方向において１２０°等分の配置関係の遊星歯車１４）とを備えている。
また、キャリアユニット１２ｃは、モータ部側の面に遊星歯車支持用の３本の軸部１３０ｃが周方向において１２０°等分の配置関係で突設されるとともに、反モータ部側の面の中央部に出力軸１０が基端部に固定（又は基端部に一体的に形成）された板状のキャリア１３ｃと、前記各軸部１３０ｃに回転自在に支持された遊星歯車１４ｃとを備えている。
また、減速用ギヤ機構部９が配置されたハウジング３Ｂの内面には内歯車１６が設けられている。

以上のような減速用ギヤ機構部９は、キャリアユニット１２ａ〜１２ｃの遊星歯車１４，１４ｃは内歯車１６に噛み合うとともに、隣り合うキャリアユニット１２間では、モータ部側のキャリアユニット１２の太陽歯車１５が反モータ側のキャリアユニット１２の各３つの遊星歯車１４，１４ｃに噛み合い、さらに、第１段目のキャリアユニット１２ａの３つの遊星歯車１４にモータシャフト５のピニオン８が噛み合っている。これによりピニオン８の回転は、３つのキャリアユニット１２ａ〜１２ｃを経て出力軸１０に伝えられるが、その過程において、
減速比＝（Z3／Z1＋１）
Z1：ピニオン８又は太陽歯車１５の歯数
Z3：内歯車１６の歯数
で示される減速比で回転数が順次減速され、最終的に出力軸１０から出力される。
ここで、ピニオン８と減速用ギヤ機構部９の第１段目の減速用歯車（本実施形態では内歯車１６）との間の減速比が５以上となるように、前記ピニオン８と減速用歯車の歯数を設定することが好ましい。この減速比５以上は、図４に示すような従来のマイクロギヤードモータでは達成不可能な減速比であるが、本発明によれば容易に達成することができる。

図４に示すような従来例のマイクロギヤードモータと、図１に示すような本発明例のマイクロギヤードモータについて、得られる減速比の一例を以下に示す。
・従来例
ピニオン（＝太陽歯車）の歯数Z1：１４枚
遊星歯車の歯数Z2：１５枚
内歯車の歯数Z3：４６枚
減速比＝（Z3／Z1＋１）≒４．２８６（４．２８６：１）
・本発明例
ピニオン（＝太陽歯車）の歯数Z1：８枚
遊星歯車の歯数Z2：１８枚
内歯車の歯数Z3：４６枚
減速比＝（Z3／Z1＋１）≒６．７５（６．７５：１）
以上のとおり、本発明例では従来例に較べて減速比を５０％以上も高めることができる。

本発明のマイクロギヤードモータの一実施形態を示す縦断面図 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図 図１の実施形態において、モータシャフト先端に形成されたピニオンの構造をより具体的に示す斜視図 従来のマイクロギヤードモータの一例を示す縦断面図

符号の説明

１ モータ部
２ 減速用ギヤヘッド部
３Ａ，３Ｂ ハウジング
４ａ，４ｂ 軸受
５ モータシャフト
６ ローターマグネット
７ ステータコイル
８ ピニオン
９ 減速用ギヤ機構部
１０ 出力軸
１１ 軸受
１２ａ〜１２ｃ キャリアユニット
１３，１３ｃ キャリア
１３０，１３０ｃ 軸部
１４，１４ｃ 遊星歯車
１５ 太陽歯車
１６ 内歯車

Claims (3)

1. シャフトの先端側に、シャフトの外径以下の外径を有するピニオンが一体的に形成されたモータシャフトを有するマイクロモータで構成されるモータ部と、該モータ部に、前記モータシャフトに形成されたピニオンを介して駆動連結される減速用ギヤヘッド部とを備え、
   前記モータ部のモータシャフトに形成されたピニオンと減速用ギヤヘッド部の第１段目の減速用歯車との間の減速比が５以上となるように、前記ピニオンと減速用歯車の歯数が設定され、且つモータ外径が４ｍｍ以下であることを特徴とするマイクロギヤードモータ。
2. モータ部のモータシャフトの外径が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロギヤードモータ。
3. モータ部がブラシレスモータであり、減速用ギヤヘッド部の減速用ギヤ機構が遊星歯車減速機構であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロギヤードモータ。

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