JP4951777B2 - ラジコン用サーボユニットの駆動モータ - Google Patents

Description

本発明は、無線操縦（通称：ラジオコントロール、以下、ラジコン＜登録商標＞という）式の模型飛行機、ヘリコプター、自動車、船舶、及び最近流行の人型ロボットに搭載される小型動作装置としてのサーボユニットの駆動モータに関するものである。特に巻線コイルを備えた外径φ30mm以下の円筒モータを用いるサーボユニットに関し、過負荷の状態で正・逆転及び静止状態を常に繰り返すような過酷な動作使用に耐える小型モータの熱対策に関するものである。

近年、送受信機のハイテク化と電動モーターのブラシレス化、及び軽量なリチウムポリマー(Li-Po)バッテリーの実用化、さらにはデジタルサーボ・ジャイロセンサなどの電子機器の高性能化に伴い、ラジコン機体の動力性能と操縦性は飛躍的に向上している。またラジコン機体のジェットエンジン化やスケール機の大型化や高性能化に伴う運動性能の向上に比例して、応答性良く制御するデジタルサーボユニットの高トルク化、大電流化への対応が望まれている。このためサーボユニット内の駆動モータの特性向上が必要不可欠とされている。

前記サーボユニットの高トルク化、大電流化への対応では、サーボユニット内の駆動モータの出力特性、特に高出力を得るために不可欠な大電流化による熱対策が最も重要である。過負荷の使用による駆動モータの異常発熱は、モータ自身の性能劣化及び故障のみならず、熱経時変化によるマグネットへの影響のほか、サーボユニット全体の動作特性の低下の原因にも大きく影響する。

図５に、従来のコアレスモータタイプのサーボユニットに用いられる駆動モータの構造の一例を示す。図７に示すように、駆動モータ101は、円筒型のハウジングケース102の筐体内の中心位置に、ベアリングハウス103部分が取り付けられ、前記ベアリングハウス103の外径側には、円筒状のマグネット105が挿入配置される。また内径側には２個のベアリング104が配置され、これらが駆動モータ101のステータ部となる。

これに対しロータ部は、シャフト111を中心軸として、外周に円筒型の巻線コイル112が配置され、前記巻線コイル112の一端を支持する形で、整流子108と放熱板113を配置した円盤状の樹脂モールド体110で、前記シャフト111と巻線コイル112とを一体に固定している。このカップ型巻線コイル112部分をロータ部として、前記ステータ部の円筒状のマグネット105部分に組み入れて、ハウジングケース102の開口端側にブラシ台106を取り付けることにより、モータ101が完成する。

図５に示すように、ロータ部側巻線コイル112は、ステータ部側ハウジングケース102及びマグネット105に対し、ある程度の空隙を持たせて回転駆動するように設計されているが、過負荷による異常発熱で巻線コイル112が熱変形した場合、ステータ側への接触が動作不良を引き起こすことがある。これは構造上、駆動モータ内部がほぼ密閉状態であるために、サーボユニットに対し無理な力が掛かり、ロックした過負荷な使用状態が連続して続くため、巻線コイル112の異常発熱が原因である。これは駆動モータ内部が、空気の対流がない閉鎖的な内部構造であるため、発熱箇所である巻線コイル112から外装のハウジングケース102までの熱伝導速度が非常に遅いことが構造上の問題となっていた。

この上記問題に対し、モータの内部構造と部品材質を改良した出願が、前記図５として、特開2002-017066号公報に示されている。この出願では、ロータ部に放熱板113として放熱と熱伝導の良いアルミハブを採用し、巻線コイル112の発熱を放熱板113からシャフト111を介して、効率よく外装ハウジングケース102側に伝導する駆動モータ101構造が提案されている。

上記冷却構造では、図６に示すように、矢印の流れに従い、巻線コイル112部分での発熱は、駆動モータ101内部の各部品の熱伝導を利用して、駆動モータ101のハウジングケース102からサーボユニット側の外装ケースへと伝わる。このためハウジングケース102に接するサーボユニット側の外装ケース材質を、熱伝導率の良い金属材料とすることで、外気と接するサーボユニット外装表面で自然放熱することにより対応していた。

また一般的には、特開平05-103443号公報に示されるように、「冷却風路の連通路にロータと一体的に回転して、各冷却風路に冷却風を生じさせるファンを配置する構造」が提案されている。しかしこの構造は、ロータが常に回転し続けることが冷却風を生じさせる前提条件であり、ラジコン用サーボユニットの駆動モータには不向きであった。

特開2002-017066号公報 特開平05-103443号公報

ラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいては、その用途における構造上、駆動モータの巻線コイルには常に電流が流れた状態で、ロータが回転するのを無理矢理止め、静止状態の位置で出力軸の回転方向を保持することを繰り返す動作を行っている。このようにラジコン用サーボユニットでの駆動モータの使い方は、通常、ロータが回転し続ける一般的な駆動モータの使用ではあり得ないことである。

これに対し、上記の特開2002-017066号公報に示される内部密閉型の放熱板付きロータ構造を用いた小型モータにあっては、熱対策がまだ不十分であるため、ロータ側では、巻線コイルの異常発熱→コイルの変形→ステータ側への接触、という問題や、ステータ側では、近接するステータ側マグネットの異常な温度上昇→マグネット特性劣化（減磁）→トルク減少、という問題が解決しきれず、例えば３Ｄ競技のラジコンヘリコプター模型（以下、ラジコンヘリという）向けにサーボユニットを搭載した場合など、連続する激しい動きに対し、前記サーボ用駆動モータの異常発熱の問題が、競技の正確さにも影響し、動力性能の劣化、及び信頼性、耐久性に問題があった。

すなわち、アクロバティックな演技を行う最近の３Ｄ競技でのラジコンヘリの場合、数分間の演技の間、その機体の激しい飛行の動きに伴い、サーボユニットの回転方向逆転過負荷の状態が連続して続くような使用においては、サーボユニット内の駆動モータ自身に掛かる駆動負荷による発熱も想像以上に過酷なものとなる。

このため限界使用領域でのサーボユニットの高トルク化、大電流化に対応した駆動モータの熱対策が昨今急速に望まれており、サーボユニットの過度の動きにより、サーボユニット内部の駆動モータに対し、過負荷時に流れる電流が大きくなる場合でも、巻線コイルの異常発熱による駆動モータ内部温度の上昇を抑え、モータ自信の効率低下を防ぐ強制放熱構造が望まれていた。

上述の問題を解決するため、請求項１に記載の発明では、ラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、前記駆動モータは外径φ30mm以下の円筒モータであって、
前記駆動モータのハウジングケースの一端に、サーボユニットの出力駆動軸側の第一ロータの動作とは別に、同出力駆動軸上に前記第一ロータとは独立して作動する第二ロータを設け、
前記第二ロータは、積層コア巻芯枠を備えた外磁型ロータ構造であって、軸流ファン形状を有し、サーボユニット機動中に常に回転して送風動作することを特徴とするラジコン用サーボユニットの駆動モータとしている。

また請求項２に記載の発明では、ラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、
前記駆動モータは外径φ30mm以下の円筒モータであって、
前記駆動モータのハウジングケースの一端に、サーボユニットの出力駆動軸側の第一ロータの動作とは別に、同出力駆動軸上に前記第一ロータとは独立して作動する第二ロータを設け、
前記第二ロータは、複数個の偏平空芯型巻線コイルを平面上に備えた面対向型偏平ロータ構造であって、軸流ファン形状を有し、サーボユニット機動中に常に回転して送風動作することを特徴とするラジコン用サーボユニットの駆動モータとしている。

また請求項３に記載の発明では、前記請求項１又は請求項２のラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、
前記ハウジングケースの一部、またはハウジングケースに嵌合するブラシ台の一部、または第二ロータ側のキャップ端面の一部に、各部を出力駆動軸方向に連通させる吸排気用の通気口を設けたことを特徴とするラジコン用サーボユニットの駆動モータ。

また請求項４に記載の発明では、前記請求項１乃至３のいずれかに記載の記載の駆動モータを備えたラジコン用サーボユニットとしている。

本発明によれば、駆動モータのハウジングケースの一端に、サーボユニットの出力駆動軸側の第一ロータの動作とは別に、同出力駆動軸上に前記第一ロータとは独立して作動する軸流ファン形状を有する第二ロータを設け、前記第二ロータが、サーボユニット機動中に、常に回転して送風動作する駆動モータを備えているので、サーボユニット動作時、駆動モータの第一ロータ側の巻線コイルに異常発熱があった場合でも、第二ロータ部の連続回転により、モータ内部の空気が強制的に排出され、第一ロータ側の巻線コイルの温度の上昇を抑え、駆動モータの動作効率低下を防ぐことができる。

つまり第一ロータ側では、巻線コイルの異常発熱→コイルの変形→ステータ側への接触の問題が前記第二ロータによる強制冷却で解消され、またステータ側では、近接するステータ側マグネットの異常な温度上昇→マグネット特性劣化（減磁）→トルク減少の問題も同時に解消される。このため限界使用領域でのサーボユニットの高トルク化、大電流化に対応することができる。

また、本発明によれば、ハウジングケースの一部、またはハウジングケースに嵌合するブラシ台の一部、または第二ロータ側のキャップ端面の一部に、各部を出力駆動軸方向に連通させる吸排気用の通気口を設けることで、第二ロータによるファン動作が、モータ内部の空気を滞留することなく流動させ、第一ロータの巻線コイルの異常発熱を拡散させる効果が得られる。

つまり駆動モータ内部の温度上昇を、吸排気用の通気口を通じて、前記第二ロータのファンで強制的に送風分散させ、前記ハウジングケースから駆動モータ外部へ排出する空気の流動を促す働きをし、冷却効果を高めることができる。

また、本発明によれば、第二ロータが、積層コア巻芯枠を備えた外磁型ロータ構造とすることで、薄型の軸流ファン形状と組み合わて駆動モータとして軸方向のスペースが少なくて済み、駆動モータ全体の小型化が可能である。

また、本発明によれば、第二ロータが、例えば、複数個の偏平な三角状の空芯型巻線コイルを平面上に備えた面対向型の偏平ロータ構造とすることで、前記積層コア巻芯枠を備えたロータ構造に比べ、極薄の軸流ファン形状と組み合わて、第二ロータとして、径方向及び軸方向のスペースがより少なくて済み、更なる駆動モータの小型化が可能である。

また本発明によれば、高性能なラジコン用サーボユニットとして、連続使用において安定した動作特性が得られる。

以下に、本発明の駆動モータの最良の形態について、図を参照して説明する。

＜実施形態１＞
図１と図２に、本発明の実施形態に係る駆動モータの一例を示す。図１と図２はそれぞれ、駆動モータの内部構造を示す側断面図と、駆動モータ内部における吸排気する空気の流れを説明する概略図である。

図１に示す駆動モータは、円筒空芯状の巻線コイル12をロータ部に用いたコアレスモータ構造であり、標準サイズのラジコン用サーボに用いる駆動モータに適応する径として、ハウジングケース外径φ20mmのものを示している。

ステータ部は、カップ型のハウジングケース2、及びハウジングケース2の底部側一端の中心に、ベアリング4を２個内包する形でベアリングハウス3が固定され、そのベアリングハウス3外周には円筒状のマグネット5が固定されている。また前記カップ型ハウジングケース2の開放端側を塞ぐ形で、給電端子7及びブラシ8が内部側に配置されたブラシ台6が嵌合し、駆動モータ本体の筐体部分が構成される。

これに対し第一ロータは、前記ステータ部のベアリング4で軸支され、出力軸となるシャフト11を中心軸に、一端側にピニオンギヤ14、また他端側に整流子9を配置し、ほぼシャフト11の中心位置に、円盤状の放熱板13を回り止めの樹脂モールド体10により配置固定し、さらに前記放熱板13の外径部分で、円筒状の巻線コイル12の一端側を支持する形で、前記マグネット5の外周との間隙を保ちながら、回転駆動する巻線コイル12を保持する構造となる。

さらに第二ロータのファン構造が、前記ブラシ台6の一端に付随して取り付けられる。ブラシ台6には、複数個の小片状のマグネット25が、ブラシ台6内径壁の円周上に配置され、前記マグネット25に対向する位置に、積層コア21に巻回した巻線コイル22が配置されている。また積層コア21と一体構造となる内径部分は、樹脂成形されたファン23とブラシ28と整流子29がそれぞれ配置され、前記シャフト11の延長線上に、第二ロータ全体がボールベアリング20により、第一ロータとは独立して回転自在に支持される。

この上記ロータ構造により、給電端子7にサーボ動作信号と電源を入力し、それぞれの動きをさせた場合、第一ロータのサーボ駆動動作に左右されることなく、第二ロータのファン構造は独立して回転し続けることができる。これにより、駆動モータ内の加熱した空気の滞留がなくなり、外気からの吸排気が常時起こることとなる。

図２に、ファン23による駆動モータ内部における具体的な空気の流れを矢印で示す。まずファン23の回転動作により、通気口Aから外気の空気が入る。その空気は発熱体である第一ロータの巻線コイル12の両サイドを通過する。この時、巻線コイル12の内径側の空気は、放熱板13箇所の通気口Bを通過する。巻線コイル12を冷却した空気は、次にブラシ台6を貫通する通気口Cを抜け、回転するファン23の送風動作に従い、通気口Dからハウジングケース2の外部へと排出される。

ラジコン用サーボユニットに用いる駆動モータでは、前記駆動モータ1のピニオンギヤ14を、サーボユニット側の多段の歯車と噛み合わせ、一定の角度範囲で動作するサーボホーンの動きを制御するため、第一ロータは常にモータ機能としての回転運動を止めた静止状態で保持しなければならない。このとき巻線コイル12には通電状態が常時続くことになり、巻線コイル12自体が発熱し続ける。

この第一ロータの巻線コイル12部分の発熱に対し、本実施形態における第二ロータの前記ファン23の回転動作は有効であり、ファン23の働きにより一連の空気の流れが常に得られるため、駆動モータ1内部の冷却効果を常時生むこととなる。

つまり、駆動モータ1の動作時、第一ロータの巻線コイル12に発熱があった場合でも、第二ロータの連続回転動作により、駆動モータ1内部の空気が強制的に排出され、巻線コイル12の温度の上昇を抑え、駆動モータ1の駆動効率低下を防ぐことができる。よって第一ロータでは、巻線コイル12の異常発熱→巻線コイル12の変形→ステータ側への接触の問題が強制冷却で解消され、またステータ側では、近接するステータ側マグネット5の温度上昇→マグネット5特性劣化（減磁）→トルク減少の問題も同時に解消される。

このため限界使用領域でのサーボユニットの高トルク化と大電流化に対応することができ、また、高性能なラジコン用サーボユニットとしても、放熱性に優れ、過酷な連続使用においても、常に安定した動作特性が得られる。

＜実施形態２＞
図３と図４に、本発明の実施形態に係る駆動モータの他の一例を示す。図３と図４はそれぞれ、駆動モータの内部構造を示す側断面図と、駆動モータ内部における吸排気する空気の流れを説明する概略図である。

図３に示す駆動モータ31は、前記実施形態１に示したコアレスモータ構造と同様に、標準サイズのラジコン用サーボに用いる駆動モータに適応する径として、ハウジングケース外径φ20mmのものを示している。

以下、前記実施形態１と同様な部分の符号の説明等は省略し、部分的に構造の異なるところのみを説明する。

図３に示すように、第二ロータのファン33は、前記実施形態１と同様に、ブラシ台6の一端に付随して取り付けられる。キャップ26には円環状のマグネット35が配置され、マグネット35に面対向する位置に、空芯形状の巻線コイル32がヨーク34と共に配置されている。また樹脂成形されたファン33の基部とブラシ28と整流子29がそれぞれ前記シャフト11の延長線上に配置され、第二ロータ全体がボールベアリング20により、第一ロータとは独立して回転自在に支持される。

この上記ロータ構造により、給電端子7にサーボ動作信号と電源を入力し、それぞれの動きをさせた場合、第一ロータのサーボ駆動動作に左右されることなく、第二ロータのファン構造は独立して回転し続けることができる。これにより、駆動モータ内の加熱した空気の滞留がなくなり、外気からの吸排気が常時起こることとなる。

図４に、ファン33による駆動モータ内部における具体的な空気の流れを矢印で示す。まずファン33の回転動作により、通気口Aから外気の空気が入る。その空気は発熱体である第一ロータの巻線コイル12の両サイドを通過する。この時、巻線コイル12の内径側の空気は、放熱板13箇所の通気口Bを通過する。巻線コイル12を冷却した空気は、次にブラシ台6を貫通する通気口Cを抜け、回転するファン33の送風動作に従い、通気口Dからハウジングケース2の外部へと排出される。

この第一ロータの巻線コイル12部分の発熱に対し、本実施形態における第二ロータの前記ファン33の回転動作は有効であり、ファン33の働きにより一連の空気の流れが常に得られるため、駆動モータ31内部の冷却効果を常時生むこととなる。

よって実施形態１と同様に、限界使用領域でのサーボユニットの高トルク化と大電流化に対応することができ、また、高性能なラジコン用サーボユニットとしても、放熱性に優れ、過酷な連続使用においても、常に安定した動作特性が得られる。

本発明は、位置制御装置等の駆動源として、過負荷の状態で常に繰り返し使用するような過酷な動作条件に耐える小型の駆動モータに応用することができる。

本発明に係る駆動モータの実施形態の一例を示す側断面図である。 本発明に係る駆動モータの実施形態の一例における空気の流れを示す側断面図である。 本発明に係る駆動モータの実施形態の他の一例を示す側断面図である。 本発明に係る駆動モータの実施形態の他の一例における空気の流れを示す側断面図である。 従来の駆動モータの冷却構造の一例を示す側断面図である。 従来の駆動モータの冷却構造における熱伝導の一例を示す側断面図である。

符号の説明

1、31、101 駆動モータ
2、102 ハウジングケース
3、103 ベアリングハウス
4、104 ベアリング
5、25、35、105 マグネット
6、106 ブラシ台
7、107 給電端子
8、28、108 ブラシ
9、29 整流子
10、110 樹脂モールド体
11、111 シャフト
12、22、32、112 巻線コイル
13、113 放熱板
14、114 ピニオンギヤ
20 ボールベアリング
21 コア
23、33 ファン
26 キャップ
34 ヨーク
A、B、C、D 通気口

Claims (4)

1. ラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、
   前記駆動モータは外径φ30mm以下の円筒モータであって、
   前記駆動モータのハウジングケースの一端に、サーボユニットの出力駆動軸側の第一ロータの動作とは別に、同出力駆動軸上に前記第一ロータとは独立して作動する第二ロータを設け、
   前記第二ロータは、積層コア巻芯枠を備えた外磁型ロータ構造であって、軸流ファン形状を有し、サーボユニット機動中に常に回転して送風動作することを特徴とするラジコン用サーボユニットの駆動モータ。
2. ラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、
   前記駆動モータは外径φ30mm以下の円筒モータであって、
   前記駆動モータのハウジングケースの一端に、サーボユニットの出力駆動軸側の第一ロータの動作とは別に、同出力駆動軸上に前記第一ロータとは独立して作動する第二ロータを設け、
   前記第二ロータは、複数個の偏平空芯型巻線コイルを平面上に備えた面対向型偏平ロータ構造であって、軸流ファン形状を有し、サーボユニット機動中に常に回転して送風動作することを特徴とするラジコン用サーボユニットの駆動モータ。
3. 前記請求項１又は請求項２のラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、
   前記ハウジングケースの一部、またはハウジングケースに嵌合するブラシ台の一部、または第二ロータ側のキャップ端面の一部に、各部を出力駆動軸方向に連通させる吸排気用の通気口を設けたことを特徴とするラジコン用サーボユニットの駆動モータ。
4. 前記請求項１乃至３のいずれかに記載の駆動モータを備えたことを特徴とするラジコン用サーボユニット。

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