JP5375169B2 - 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、過負荷の状態で正転・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。

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位置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。

とりわけ、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正転・逆転の連続による負荷が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、モータ自体の効率低下を防ぐ強制放熱構造が望まれていた。

これに対し出願人は、出力駆動軸側のロータとは別に、独立して動作するロータが、常に回転して送風動作する強制放熱構造を備えるラジコン用サーボユニットの駆動モータを提案している。（特許文献１参照）

図５は、特許文献１に開示される駆動モータの冷却構造の一例を示す側断面図である。
駆動モータ１０１にはサーボユニットの出力駆動軸側の第一ロータとは別に、独立して作動する第二ロータであるファン１０２が備わる。

第一のロータからは独立して第二のロータを動作させる為に、マグネット１０３、ハウジングケース１０４等からなる第一のロータの磁気回路とは別に、マグネット１０５、巻回した巻線コイル１０６を備えたコア１０７等の第二のロータの磁気回路を構成する部品が配置されている。

特開２００８−５６０６号公報

特許文献１に開示したラジコン用サーボユニットの駆動モータは、従来品と比較して、放熱性に優れ、過酷な連続使用においても安定した動作特性が得られるが、より高性能なラジコン用サーボユニットを得る上で以下の課題が挙げられる。

第二のロータは、ロータ本体と、ロータ本体の周囲に磁気回路を構成する部品を配置する必要がある為、第二のロータに形成されているファン形状の部分の大きさが制約される。その結果として、送風による放熱の効率にも影響することになる。

また第二のロータをより高回転で安定して回転させることで放熱効率を上げる場合、モータとしての特性を上げる為に、磁気回路の構成上、軸方向の寸法をより長くする必要が生じたり、入力電流を上げた結果、第二のロータ部自体が発熱源となってしまうおそれがある。

また、この駆動モータは２つのロータを備える構造である為、組立作業が複雑であることに加え、メインテナンス性も良いとはいえない。

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、駆動モータは、駆動モータ本体のロータの動作とは独立して回動するギヤ部品を、駆動モータ本体の出力軸に、ベアリングによって、出力側とは反対側に、該出力軸と同軸で回転自在に支持して配置した。

そしてギヤ部品は、軸流ファン形状の部分を有しており、駆動モータ本体とは別の第二のモータが、駆動モータ本体に固定した。

そして、第二のモータは、出力軸にギヤを配置しており、第二のモータが発生するトルクをギヤを介して、軸流ファン形状部分を有するギヤ部品に伝達することにより、ギヤ部品を回転させ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、請求項１に記載のラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、駆動モータ本体のハウジングと一体にカバー部品が配置されており、カバー部品は、少なくとも前記ギヤ部品と前記ギヤの外周方向をカバーしてい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、請求項２に記載のラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、カバー部品は、外装面の表面積を増加して放熱効果を高める凹凸形状をした部分を有してい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４に記載の発明では、請求項２に記載のラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、カバー部品が、熱伝導樹性脂により形成されてい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５に記載の発明では、請求項２に記載のラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、カバー部品の少なくとも一部が、アルミニウム材により形成されてい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６に記載の発明では、請求項１から請求項５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としている。

請求項１に記載の発明によれば、駆動モータの巻線コイルに異常発熱があった場合でも、第二のモータが軸流ファンを連続回転させることにより、駆動モータ内部の空気が強制的に排出され、巻線コイルの温度上昇を抑え、駆動モータの動作効率低下を防ぐことができる。

また、軸流ファン形状を有する部品及びその周囲に磁気回路を構成する部品を配置する必要がないので、限られたスペースの中で放熱の効率を良くするためにファン形状の部分を最大限確保することができる。

また、軸流ファンの回転動作は、第二のモータとギヤ部による為、軸流ファンの回転特性を上げるための手段として、磁気回路の構成部分を大きく確保する必要が生じることがなく、駆動モータ本体の外寸、特に軸方向についての長さを抑えることができる。

また、サーボユニットの駆動用と冷却用軸流ファンの駆動用として、別々の２つのモータを使用した構造である為、組立作業が比較的容易であるとともにメインテナンス性も良い。

また、軸流ファンの駆動源である第二のモータは、汎用のものを適用することが可能である為、コストパフォーマンスに優れる。

請求項２に記載の発明によれば、駆動モータのハウジングと一体に配置されたカバー部品により、駆動モータの出力軸と同軸上に配置されたギヤ部品と、第二のモータに備わるピニオンギヤを保護し、サーボユニット内における組込配置を容易にする。

また、ファンによる送風動作時において、ファンの外周方向に漏れ出す空気の流動を、駆動モータ本体の軸方向に送ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、凹凸形状により外装面の表面積が増加することにより、効率よく放熱することができる。

請求項４に記載の発明によれば、サーボユニットに組み込んだ状態で、カバー部品を形成している熱伝導性樹脂を介して外部に熱を伝えることにより、放熱効率を良くすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、サーボユニットに組み込んだ状態で、カバー部品自体がヒートシンクとして機能させる、或いは、カバー部品の少なくとも一部を形成している金属材料部分を介して外部に熱を伝えることにより、放熱効率をより良くすることができる。

また請求項６に記載の発明によれば、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、図２及び図３に、本発明の実施の形態に係る駆動モータ１００を示す。

図１は駆動モータ１００の斜視図であり、（ａ）は駆動モータ１００の出力側から見た図を示し、（ｂ）は出力側と反対の方向から見た図を示している。

図２と図３はそれぞれ駆動モータ１００の本体部分の内部構造を示す側断面図と、本体内部における吸排気をする空気の流れを説明する概略図である。

図１の斜視図で駆動モータ１００は、駆動モータ本体１（第一のモータ）と、駆動モータ本体１に一体的に配置された第二のモータ２とカバー部品３とを備えている。

駆動モータ１００に備わる第一と第二のモータは、円筒空芯状の巻線コイルをロータ部に用いたコアレスモータ構造を採用している。

また、第一のモータである駆動モータ本体１は、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φ１７mmのものを示し、第二のモータ２はφ４mmのものを示している。

また、カバー部品３の材質には、耐熱性、耐薬品性、強度、耐摩耗性に優れるＰＰＳ樹脂を採用している。

ギヤ付ファン５は駆動モータ本体１の出力軸と同軸上に、駆動モータ本体１のロータの動作とは独立して回動するように保持されている。このギヤ付ファン５の外周部は歯車形状となっており、内側には軸流ファン形状の部分を有している。

また、ギヤ付ファン５の材質には、カバー部品３と同じくＰＰＳ樹脂により形成されている。

第二のモータ２は出力軸にピニオンギヤ４を備えており、第二のモータ２が起動しているとき、ピニオンギヤ４がギヤ付ファン５にトルクを伝達し、ギヤ付ファン５が回転する。

そしてカバー部品３は、少なくともピニオンギヤ４とギヤ付ファン５の外周方向をカバーしており、ギヤ付ファン５が回転することにより生じる空気の流動を、外周方向に漏れ出すのを防いで軸方向に送る役割を持つ。

ここで図２の駆動モータ本体１の内部構造図により、主にロータ部とステータ部とロータ部からなる駆動モータ本体１の構造を説明する。

まずステータ部について円筒型のハウジングケース６を中心に構成されており、このハウジングケース６には、ハブ部品７、ベアリングハウス２０、固定プレート１９、マグネット１１が固定配置されている。

ハブ部品７は中心部にベアリング９を包含している。またハブ部品７にはブラシ台１２が固定配置されている。ブラシ台１２には給電用リード線１３及びブラシ１４が配置されている。

ベアリングハウス２０は、軸流ファン側の中心部にベアリング１０を包含している。

固定プレート１９には、第二のモータ２が取り付けられている。

これに対しロータ部は、円筒状の巻線コイル１５、出力軸となるシャフト１６、整流子部２１、放熱板１８により構成されており、ステータ部のベアリング９、１０で軸支されている。

上記の構造により、給電用リード線１３にサーボ動作信号と電源を入力して駆動モータ本体（第一のモータ）１のロータを回転制御する。

シャフト１６には、ギヤ付ファン５がボールベアリング１７により回転自在に支持されており、第二のモータ２を起動中、ギヤ付ファン５は駆動モータ本体１のロータとは独立して回転し続けることができる。

尚、固定プレート１９、ハウジングケース６、ハブ部品７、放熱板１８には、通気口の役目をする穴あき部が設けられている。

次に図３により、ギヤ付ファン５が回転している状態における駆動モータ本体１内部の吸排気の様子を説明する。尚、各部の符号は図２に対応している。
図３において、矢印は駆動モータ本体１内部における具体的な空気の流れを示している。

まずギヤ付ファン５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ロータ部の巻線コイル１５の両サイドを通過する。

この時、巻線コイル１５の内径側の空気は、放熱板１８箇所の通気口Ｂを通過する。巻線コイル１５を冷却した空気は、次にブラシ台１２を貫通する通気口Ｃを抜け、通気口Ｄからハウジングケース６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、駆動モータのピニオンギヤ８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、ロータは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状態が続くことになる。

このとき巻線コイル１５には通電状態が常時続くことになり、巻線コイル１５自体が発熱し続ける。

この巻線コイル１５部分の発熱に対し、本実施形態におけるギヤ付ファン５の回転動作は有効であり、ギヤ付ファン５の軸流ファン形状の働きにより一連の空気の流れが常に得られるため、駆動モータ本体１内部の冷却効果を常時生むこととなる。

つまり、駆動モータ本体１の動作時、ロータの巻線コイル１５に発熱があった場合でも、ギヤ付ファン５の連続回転動作により、駆動モータ本体１内部の空気が強制的に排出され、巻線コイル１５の温度の上昇を抑え、駆動モータ本体１の駆動効率低下を防ぐことができる。

よってロータ部では、巻線コイル１５の異常発熱→巻線コイル１５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１１の温度上昇→マグネット１１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。

本実施例では、カバー部品３及びギヤ付ファン５の樹脂材質をＰＰＳとしたが、当然ながらＰＢＴ、ＰＥＥＫ等、他の樹脂材料を適用することが可能である。

或いはＰＰＳ等の樹脂中に熱伝導性の高い材料（熱伝導性フィラー）を添加した熱伝導樹脂を使用すれば、より放熱の効率を上げることができる。

＜実施形態２＞
図４に本発明の他の実施形態に係わる駆動モータの一例である駆動モータ２００の斜視図を示す。図４において、（ａ）は駆動モータ２００の出力側から見た図を示し、（ｂ）は出力側と反対の方向から見た図を示している。

図４に示す駆動モータは２００は、前記実施形態１に示した構造と同様に、駆動モータ本体である外径φ１７mmの第一のモータと、冷却用ファンの駆動源となる外径φ４mmの第二のモータを備えている。

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。

カバー部品３０は、アルミニウム材により形成されている。またカバー部品１９は、ｆ部に示されるように外装面に、凹凸形状をした部分を有している。

駆動モータ本体１を起動中、その内部で巻線コイル１５が生じる熱はハウジングケース６にも伝導され、ハウジングケース６の熱は、ハウジングケース６の外周表面に接しているカバー部品３０に伝導する。

カバー部品３０は、熱伝導性に優れるアルミニウム材からなるともに、凹凸形状により表面積が増加している為、効率よく放熱し、ヒートシンクとして機能する。

本実施例では、カバー部品３０の材質をアルミニウムとしたが、他の熱伝導性に優れる金属材料として銅等を使用してもよい。

また、必ずしも１種類の材質のみでカバー部品を形成する必要はなく、例えばハウジングケース６の熱を放熱する為の伝導路が熱伝導性に優れる金属材料で確保されていれば、部分的に樹脂材料を使用してもよい。

本発明の実施の形態に係わる、駆動モータの斜視図である。 本発明の実施の形態に係わる、駆動モータの側断面図である。 本発明の実施の形態に係わる、空気の流れを示す駆動モータの側断面図である。 本発明の実施の形態に係わる、駆動モータの斜視図である。 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。

１ 駆動モータ本体（第一のモータ）
２ 第二のモータ
３，３０ カバー部品
４ （第二のモータの）ピニオンギヤ
５ ギヤ付ファン
６，１０４ ハウジングケース
７ ハブ部品
８ （第一のモータの）ピニオンギヤ
９，１０ ベアリング
１１，１０３，１０５ マグネット
１２ ブラシ台
１３ 給電用リード線
１４ ブラシ
１５，１０６ 巻線コイル
１６ シャフト
１７ ボールベアリング
１８ 放熱板
１９ 固定プレート
２０ ベアリングハウス
２１ 整流子部
１００，１０１，２００ 駆動モータ
１０２ ファン
１０７ コア
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 通気口
ｆ 凹凸部

Claims (6)

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、駆動モータ本体のロータの動作とは独立して回動するギヤ部品を、前記駆動モータ本体の出力軸に、ベアリングによって、出力側とは反対側に該出力軸と同軸で回転自在に支持しており、
   前記ギヤ部品は、軸流ファン形状の部分を有しており、
   前記駆動モータ本体とは別の第二のモータが、前記駆動モータ本体に固定されており、
   前記第二のモータは、出力軸にギヤを配置しており、
   前記第二のモータが発生するトルクを前記ギヤを介して、前記軸流ファン形状部分を有するギヤ部品に伝達することにより、前記ギヤ部品を回転させ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. 請求項１に記載のラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、
   前記駆動モータ本体のハウジングと一体にカバー部品が配置されており、
   前記カバー部品は、少なくとも前記ギヤ部品と前記ギヤの外周方向をカバーしてい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. 請求項２に記載のラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、
   前記カバー部品は、外装面の表面積を増加して放熱効果を高める凹凸形状をした部分を有してい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。
   
4. 請求項２に記載のラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、
   前記カバー部品が、熱伝導性樹脂により形成されてい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。
   
5. 請求項２に記載のラジコン用サーボユニットの駆動モータにおいて、
   前記カバー部品の少なくとも一部が、アルミニウム材により形成されてい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。
   
6. 請求項１から請求項５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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