JP5977026B2

JP5977026B2 - ブラシモータ

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Publication number: JP5977026B2
Application number: JP2011287702A
Authority: JP
Inventors: 早川　幸彦; 幸彦早川
Original assignee: Nisca Corp
Current assignee: Nisca Corp
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN103187822A; US20130169107A1; JP2013138544A; US9077235B2

Description

本発明はブラシモータに係り、特に、モータ回転軸に固定された整流子と、整流子の周面に摺接されるブラシと、ブラシを整流子側に押圧するバネとを備えたブラシモータに関する。

従来、電気、電子機器では、ブラシを整流子（コミテータ）側に押圧してコイルへ通電し励磁スイッチングを行うブラシモータが多用されている。このようなブラシモータでは、出力の向上とともに、静音化や耐久性の向上が求められている。一般に、静音化に対しては主としてブラシ、整流子等の部品精度を向上させる対策が採られており、耐久性に対しては損耗するブラシの大型化（長寸化）やマグネット、コアスロットの多極化等を図る対策が採られている。

ところが、ブラシは対で装着されるため、部品精度を向上させても、対間のブラシの寸法バラツキや、ブラシを整流子側にそれぞれ押圧するバネ間の押圧力のバラツキを抑えることには限界がある。また、モータへの通電電極差によるブラシの損耗量は、一般に＋側より−側のブラシが大きくなるため、使用時間とともに拡大する（これに伴ってブラシを整流子側にそれぞれ押圧するバネの押圧力の差も拡大する。）。さらに、高出力（高回転、高トルク）での使用や起動運転が多くなれば、上述したバラツキは助長される。従って、部品精度の向上等を図っても、依然として騒音が生じ寿命も低減する、という問題がある。

このような問題に対応するために、ブラシを押圧するバネに捩りコイルバネ（以下、捩りバネという。）を用いた技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、捩りバネを用いて対間のブラシへの押圧力（ブラシ圧）を均一化させる技術も開示されている（例えば、特許得文献２参照）。

特開２００３−０７０２０３号公報（図２（Ａ）、符号１２ａ参照）特開２００６−０９４６４７号公報（図３、段落「００３０」〜「００３２」参照）

しかしながら、上述した特許文献２の技術では、１つの捩りバネの両側の延出部でそれぞれ対（２つ）のブラシを押圧する構造のため、構造が簡単となり部品点数が少なくなる反面、２つのブラシ間が通電（短絡）しないように捩りバネの材質を選定することは難しい。このような通電を防止するために、延出部の先端部に絶縁コーティングを施すことが提案されているが、外装ケース内で浮遊する導電性ブラシ粉の堆積付着を考慮すると、２つのブラシ間の絶縁性が不安定となるおそれがある。

本発明は上記事案に鑑み、静音化、耐久性を向上させつつブラシ間の絶縁性を確保したブラシモータを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、モータ回転軸に固定された整流子と、前記整流子の周面に摺接される一対のブラシと、前記一対のブラシを前記整流子側にそれぞれ押圧する第１、第２の捩りバネと、前記第１、第２の捩りバネのコイル部が挿通される突起と前記第１、第２の捩りバネの一端を固定する係止部とを有し、前記第１、第２の捩りバネがそれぞれ取り付けられた１つのバネ取り付け部材と、前記バネ取り付け部材を支持する支持部材と、を備え、前記バネ取り付け部材は、前記第１および第２の捩りバネによる前記一対のブラシに対する押圧力がそれぞれ均一となるように前記支持部材を中心として回動可能にまたは前記支持部材による支持位置を変更可能に構成されたことを特徴とする。

本発明において、バネ取り付け部材は一対のブラシの間に配置されていてもよい。この場合に、支持部材は一対のブラシそれぞれの軸線から等距離となる位置に配されていることが望ましい。また、バネ取り付け部材は支持部材に軸支され、支持部材を中心として回動するように構成されていてもよい。さらに、支持部材はネジないしピン状部材であり、バネ取り付け部材にはネジないしピン状部材が挿入された溝が形成されていてもよい。このとき、ネジないしピン状部材は外装ケースに取り付けられており、外装ケース側からバネ取り付け部材に形成された溝に挿入されていてもよい。

本発明によれば、バネ取り付け部材は、第１および第２の捩りバネによる一対のブラシに対する押圧力がそれぞれ均一となるように支持部材を中心として回動可能にまたは支持部材による支持位置を変更可能に構成されているので、第１および第２の捩りバネによる一対のブラシに対する押圧力が均一となり静音化を図ることができるとともに、押圧力が均等となることから一対のブラシ間の損耗量に差がなくなるため耐久性を高めることができ、バネ取り付け部材の材質を樹脂とし１つのバネ取り付け部材に第１および第２の捩りバネがそれぞれ取り付けられているため、一対のブラシ間の絶縁性を確保できる、という効果を得ることができる。

本発明が適用可能な実施形態のブラシモータの長手方向断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線側から見た実施形態のブラシモータのブラシ支持構成の正面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線での支持プレートの断面図である。ブラシと捩りバネとの関係を示す正面図であり、（Ａ）は第１、第２のブラシの損耗が不均一となった状態、（Ｂ）は第１、第２の捩りバネが第１、第２のブラシをそれぞれ押圧するバネ圧のバランスをとるように支持プレートが回動した状態、（Ｃ）は第１、第２のブラシの損耗が均一化された状態を示す。ブラシ圧自動調整機構の作動原理を示す説明図である。捩りバネの説明図であり、（Ａ）は捩りバネの荷重、たわみ角および荷重作用半径の関係についての説明図、（Ｂ）は第１、第２の捩りバネの押圧力、たわみ角およびばね定数の説明図である。

（構成）
以下、図面を参照して、本発明が適用可能な実施形態のブラシモータについて説明する。

＜回転子側構成＞
図１に示すように、本実施形態のブラシモータ１は、モータ回転軸としてのシャフト３を備えている。本実施形態では、シャフト３の一側（図１の右側）は切り欠かかれており出力側とされているが、他側（図１の左側）を出力側とするようにしてもよい。

シャフト３の長手方向中央部を含む左寄りの位置には、磁束の通路となる円柱状の鉄心（コア）４が固定されている。鉄心４の周部には長手方向に沿って複数本の溝（コアスロット）が形成されており、これらの溝に巻線（コイル）１７が多数回巻き付けられている。このため、鉄心４の両側に巻線１７が膨らむように配設された構造となる。なお、鉄心４と巻線１７との間には両者の絶縁を保つ絶縁層（プラコ）１６が介在しており、絶縁層１６の材質には例えばエポキシ樹脂が用いられる。

また、シャフト３には、鉄心４の一側（図１の右側）に配された巻線１７から若干離間した位置に、巻線１７に流れる電流の方向と相を切り替えるための整流子（コミテータ）９が固定されている。本実施形態では、６片に分割された整流子９が用いられている（図２参照）。なお、整流子９の鉄心４側には巻線１７と接続するための接続部が設けられている。

従って、ブラシモータ１では、シャフト３、鉄心４、巻線１７、絶縁層１６および整流子９により回転子（ロータ）が構成されている。一方、固定子（ステータ）側は次のように構成されている。

＜固定子側構成＞
鉄心４から離間した位置には、断面が円弧状でモータのトルク発生に必要な磁束を発生させるマグネット（永久磁石）１５が配置されている。マグネット１５はケース２の内側に固定されている。なお、本実施形態では、Ｎ、Ｓ極がそれぞれ着磁されたマグネット１５が４つ用いられている。

ケース２は、鋼板に深絞り加工を施すことで有底円筒状に形成されており、底側（図１の左側）中央部にはシャフト３を挿通するための丸穴が形成されている。ケース２に鋼板が用いられる理由は、発生した磁束の通路を構成するとともに、モータ外部への磁束の漏れを防ぐためである。

ケース２の開口部側は円板状のブラケット２０で封止されており、ブラケット２０の中央部にはシャフト３を挿通するための丸穴が形成されている。ブラケット２０の材質にはケース２と同様に鋼板が用いられている。なお、本実施形態では、ケース２とブラケット２０とでブラシモータ１の外装ケースを構成している。

ケース２の底側中央部に形成された丸穴およびブラケット２０の中央部に形成された丸穴にはそれぞれシャフト３を支持する軸受２２、２３が固定されており、シャフト３はこれらの軸受２２、２３と摺接するように回転する。

図１および図２に示すように、整流子９の周面には黒鉛を主材料とする第１のブラシ５および第２のブラシ６（一対のブラシ）の一端が圧接されており、これら一対のブラシは整流子９の周面に摺接する構造を有している。ブラシ５、６はそれらの一端が整流子９の周面と直角に当接するようにそれぞれブラシケース２４、２５内に収容されている。なお、本実施形態では、ブラシ５、６の軸線方向の角度が９０°を構成する（直交する）ようにブラシケース２４、２５が配設されている。また、ブラシ５、６には製造上同一（材質、長さ等が同一）のものが用いられている。

ブラシ５、６の間には、第１の捩りバネ７、第２の捩りバネ８がそれぞれ取り付けられた樹脂製の支持プレート１０が配置されている。本実施形態では支持プレート１０は概ね扇状の形状を呈しており板状部材で構成されているが、本発明はこれに限るものではない。図３に示すように、支持プレート１０からはマグネット１５側に突出し（図１も参照）、捩りバネ７、８のコイル部が挿通された円柱状の位置決め突起１３、１４が突設されている。また、支持プレート１０には捩りバネ７、８のそれぞれの一端を係止するための係止部（空間）が形成されている。

図２に示すように、捩りバネ７、８の他端はブラシ５、６のそれぞれの他端を押圧するように当接（圧接）している。なお、上述したブラシケース２４、２５には長手方向に切り欠きが形成されており、ブラシ５、６が損耗しても捩りバネ７、８の他端によるブラシ５、６の他端への圧接が継続して確保されるように構成されている。

図２および図３に示すように、支持プレート１０の中央部には溝（丸孔）１１が形成されている。溝１１には、ブラケット２０の外側に頭部の座部が当接し、ブラケット２０に螺設された雌ネジに螺合するネジ部を有する支持部材としてのネジ１２の先端部が挿入されている。本実施形態では、この溝１１の位置が捩りバネ７、８を取り付けた後の支持プレート１０の重心と平面上で一致する位置に形成されている。また、ネジ１２はブラシ５、６を収容するブラシケース２４、２５、より具体的にはブラシ５、６の軸線から等距離となる位置に設けられている。このため、支持プレート１０はネジ１２に軸支され、ネジ１２を中心として回動するように構成されている。

すなわち、図４（Ａ）に示すように、ブラシ５、６の損耗が不均一となった場合には、第１の捩りバネ７による第１のブラシ５への押圧力（付勢力）Ｆ１と、第２の捩りバネ８による第２のブラシ６への押圧力Ｆ２には差が生じる。従来技術欄で述べたように、第１のブラシ５が電源の−側に接続され、第２のブラシ６が＋側に接続される場合には、一般に経時に従って第１のブラシ５の損耗が第２のブラシ６の損耗より大きくなり（第１のブラシ５が第２のブラシ６より短くなり）、押圧力Ｆ２が押圧力Ｆ１より大きくなる。

その際、本実施形態では、図４（Ｂ）に示すように、支持プレート１０が、押圧力Ｆ１およびＦ２のバランスを取るように（押圧力Ｆ１とＦ２が同じ大きさとなるように）、ネジ１２を回動中心として回動する。その原理については後述する（「ブラシ圧自動調整機構」参照）。

図１および図２に示すように、ブラシモータ１は電源と接続するためのリード線１８を有している。リード線１８は、電源の−側に接続されるリード線１８ａと、＋側に接続されるリード線１８ｂとで構成されており、リード線１８の端部には電源接続用のコネクタが設けられている。なお、リード線１８はブラケット２０に形成された孔を介して外装ケース内に導入されている。

すなわち、リード線１８ａは断面コ字状の金属製接続片１９ａの一側に接続されており、接続片１９ａの他側は接続線２１ａを介してブラシ５に接続されている。同様に、リード線１８ｂは断面コ字状の金属製接続片１９ｂの一側に接続されており、接続片１９ｂの他側は接続線２１ｂを介してブラシ６に接続されている。

（ブラシ圧自動調整機構）
図６（Ａ）に示すように、捩りバネによる荷重Ｆは、バネ定数をｋ、たわみ角をΔθ、コイル部の中心から荷重作用点までの荷重作用半径をＬとすると、荷重Ｆ（Ｎ）＝バネ定数ｋ×たわみ角Δθ（ｄｅｇ）÷荷重作用半径Ｌで表される。

本実施形態では、上述したように、捩りバネ７、８に同一部材を用いているため、ブラシ５、６の損耗が不均一となった状態では、第１の捩りバネ７による第１のブラシ５への押圧力（荷重）Ｆ１と、第２の捩りバネ８による第２のブラシ６への押圧力Ｆ２には差が生じる。すなわち、第１の捩りバネ７のたわみ角Δθ１と第２の捩りバネ８のたわみ角Δθ２とには、Δθ２＞Δθ１＞０・・・式（１）で表される関係式が成立する。また、押圧力Ｆ１、Ｆ２、たわみ角Δθ１、Δθ２およびバネ定数ｋの間には、図４（Ｂ）に示す関係（Ｆ１＜Ｆ２）が成立する。

以上を前提として、図５は、図４（Ａ）に示した状態を模式的に表したものであり、第１のブラシ５の軸線をｘ軸に配置し、第２のブラシ６の軸線をｙ軸に配置したものである。なお、図５では、ブラシ圧自動調整機構の原理を分かりやすく説明するために、溝１１に代えて長穴１１’で表し、θ０はたわみ角が０°の位置を示している。

第１の捩りバネ７の第１のブラシ５への押圧力Ｆ１および第２の捩りバネ８の第２のブラシ６への押圧力Ｆ２のｘ、ｙ成分はそれぞれ下式（２）〜（５）のように表される。なお、下式（２）〜（５）では、例えば、Ｆ１ｘのように末尾がｘのものは押圧力Ｆ１のｘ成分を表し、Ｆ２ｙのように末尾がｙのものは押圧力Ｆ２のｙ成分を表している。

Ｆ１ｘ＝｜Ｆ１｜ｃｏｓΔθ１・・・式（２）
−Ｆ１ｙ＝｜Ｆ１｜ｓｉｎΔθ１・・・式（３）
Ｆ２ｘ＝｜Ｆ２｜ｓｉｎΔθ２・・・式（４）
−Ｆ２ｙ＝｜Ｆ２｜ｃｏｓΔθ２・・・式（５）

式（２）〜（５）により、シャフト３の中心Ｏでの押圧力Ｆ１およびＦ２のｘ方向成分の絶対値｜Ｆｘ｜およびｙ方向成分の絶対値｜Ｆｙ｜はそれぞれ下式で表される。

｜Ｆｘ｜＝Ｆ１ｘ＋Ｆ２ｘ＝｜Ｆ１｜ｃｏｓΔθ１＋｜Ｆ２｜ｓｉｎΔθ２
｜Ｆｙ｜＝Ｆ１ｙ＋Ｆ２ｙ＝｜Ｆ１｜ｓｉｎΔθ１＋｜Ｆ２｜ｃｏｓΔθ２

式（１）および図４（Ｂ）に示した関係（Ｆ１＜Ｆ２）から、｜Ｆｙ｜＞｜Ｆｘ｜となり、シャフト３の軸Ｏでの押圧力Ｆ１およびＦ２の合成押圧力が作用する方向は、図５に示すＦで表される。

一方、ブラシ５、６の損耗が均一の場合には、第１の捩りバネ７による第１のブラシ５への押圧力Ｆ１と、第２の捩りバネ８による第２のブラシ６への押圧力Ｆ２は絶対値が同じとなり、シャフト３の軸Ｏでの押圧力Ｆ１およびＦ２の合成押圧力が作用する方向は、ｘ軸、ｙ軸から等分の（それぞれ４５°の）線Ｅ上の方向となる。ネジ１２はこの方向の延長線上に位置している。換言すれば、ネジ１２の軸からｘ軸に垂らした垂線の足の長さと、ネジ１２の軸からｙ軸に垂らした垂線の足の長さとは同じ位置となるように、すなわち、一対のブラシの軸線から等距離となる位置に、ネジ１２の位置が設定されている。

上述した合成押圧力Ｆの反力として、支持プレート１０は長穴１１’に沿って図５の矢印Ｓ方向へ移動する。これにより、第２の捩りバネ８のたわみ角Δθ２は減少し、第１の捩りバネ７のたわみ角Δθ１は増加し、反力のバランスがとれたところで安定する。逆に云えば、シャフト３の軸Ｏでの押圧力Ｆ１およびＦ２の合成押圧力が作用する方向は、ｘ軸、ｙ軸から等分の方向となる。従って、ブラシ圧自動調整機構により、第１の捩りバネ７による第１のブラシ５への押圧力Ｆ１と、第２の捩りバネ８による第２のブラシ６への押圧力Ｆ２とが均一となるように調整される。なお、図５の例では、長穴１１’は支持プレート１０上で上述した線Ｅと交差する方向に形成されている。

以上の説明では、支持プレート１０に形成された長穴１１’に挿入されたネジ１１に対し支持プレート１０が矢印Ｓ方向へ移動することでバランスをとり、ネジ１１による支持位置を変更可能な例を示したが、これに代えて、上記実施形態では、支持プレート１０に形成された溝（丸孔）１１に挿入され支持プレート１０を軸支するネジ１１に対し支持プレート１０が回動することでバランスをとっている。図４（Ｃ）は本実施形態のブラシ圧自動調整機構により第１のブラシ５および第２のブラシ６の損耗量が均一化された状態を示したものである。

（作用効果等）
次に、本実施形態のブラシモータ１の作用効果等について説明する。

本実施形態のブラシモータ１では、支持プレート１０は、第１の捩りバネ７および第２の捩りバネ８による一対のブラシ５、６に対する押圧力がそれぞれ均一となるようにネジ１２を中心として回動可能に（図４）またはネジ１２による支持位置を変更可能に（図５）構成されているので（ブラシ圧自動調整機構を有しているので）、２つの捩りバネ７、８による一対のブラシ５、６に対する押圧力が均一となり静音化を図ることができる。また、捩りバネ７、８による押圧力が均等となるため一対のブラシ５、６の損耗量に差がなくなるため耐久性を高めることができる。さらに、支持プレート１０の材質を樹脂とし支持プレート１０に２つの捩りバネ７、８がそれぞれ別々に取り付けられているため、一対のブラシ５、６間の絶縁性を確保することができる。

また、本実施形態のブラシモータ１では、支持プレート１０が一対のブラシ５、６間に配置されているので、ブラシ５、６を押圧する捩りバネ７、８の他端の長さを短くすることができ、ひいてはブラシ圧自動調整機構のサイズを小さくすることができる。

さらに、本実施形態のブラシモータ１では、ネジ１２が外装ケースを構成するブラケット２０に固定されており（取り付けられており）、ブラケット２０側から支持プレート１０に形成された溝１１に挿入されているので、組み立てが簡単となり組立工数を低減させることができる。

また、本実施形態のブラシモータ１では、支持プレート１０に、捩りバネ７、８のコイル部が挿通された位置決め突起１３、１４が突設されているので、上述したブラシ圧自動調整機構によりブラシ５、６から反力が働いても、捩りバネ７、８が座屈することなくバネ本来の機能を発揮させることができる。

なお、本実施形態では、支持プレート１０を扇形の一部材とした例を示したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、捩りバネ７、８をそれぞれ取り付けるための２つ部材と、これら２つの部材を接続するための接続部材とで構成し、溝１２を接続部材に形成するようにしてもよい。その際、接続部材の強度を確保するために、溝形成位置の近傍を大きくするようにしてもよい。従って、バネを取り付けるための部材はプレート状のものに限られるものでもない。

さらに、本実施形態では、支持部材にネジ１２を例示したが、本発明はこれに限らず、例えば、ピン状の部材であってもよい。また、本実施形態では、支持プレート１０（バネ取り付け部材）とネジ１２（支持部材）とを別個のものとした例を示したが、バネ取り付け部材と支持部材とを一体とし、支持部材を外装ケースまたは外装ケースから外装ケース内に向けて延出した箇所や外装ケースに固定された別の部材の溝等に挿入することで軸支するようにしてもよい。さらにまた、本実施形態では、ネジ１２を溝１１に挿入した例を示したが、図５でも示したように、ネジが溝ないし長穴を貫通するようにしてもよい。

また、本実施形態では、ネジ１２を支持プレート１０の重心の位置に配置した例を示したが、図５でも示したように、本発明はこれに制限されるものではない。このような構成では、支持プレートの揺動（例えば、図５に示す支持プレートの右上と左下とで紙面方向での高さが異なるように動くこと）を避けるために、揺動規制部材を設けるようにしてもよい。そのような揺動規制部材としてガイド部材やピン若しくはネジ状部材を用いるようにしてもよい。また、本実施形態のようにネジ１２を支持プレート１０の重心の位置に配置した場合でも必要に応じてこのような揺動規制部材を設けるようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、ブラシ５、６を押圧するバネに捩りバネを例示したが、本発明はこれに限らず、例えば、板バネやうず巻バネを用いるようにしてもよい。

本発明は静音化、耐久性を向上させつつブラシ間の絶縁性を確保したブラシモータを提供するものであるため、ブラシモータの製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

１ブラシモータ
２ケース（外装ケース）
３シャフト（モータ回転軸）
５第１のブラシ（一対のブラシの一部）
６第２のブラシ（一対のブラシの一部）
７第１の捩りバネ（バネの一部）
８第２の捩りバネ（バネの一部）
９整流子
１０支持プレート（バネ取り付け部材）
１１溝
１２ネジ（支持部材）
１３、１４位置決め突起（突起）

Claims

モータ回転軸に固定された整流子と、
前記整流子の周面に摺接される一対のブラシと、
前記一対のブラシを前記整流子側にそれぞれ押圧する第１、第２の捩りバネと、
前記第１、第２の捩りバネのコイル部が挿通される突起と前記第１、第２の捩りバネの一端を固定する係止部とを有し、前記第１、第２の捩りバネがそれぞれ取り付けられた１つのバネ取り付け部材と、
前記バネ取り付け部材を支持する支持部材と、
を備え、
前記バネ取り付け部材は、前記第１および第２の捩りバネによる前記一対のブラシに対する押圧力がそれぞれ均一となるように前記支持部材を中心として回動可能にまたは前記支持部材による支持位置を変更可能に構成されたことを特徴とするブラシモータ。
前記バネ取り付け部材は前記一対のブラシの間に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のブラシモータ。
前記支持部材は前記一対のブラシそれぞれの軸線から等距離となる位置に配されたことを特徴する請求項２に記載のブラシモータ。
前記バネ取り付け部材は前記支持部材に軸支され、前記支持部材を中心として回動するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のブラシモータ。
前記支持部材はネジないしピン状部材であり、前記バネ取り付け部材には前記ネジないしピン状部材が挿入された溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシモータ。
前記ネジないしピン状部材は外装ケースに取り付けられており、前記外装ケース側から前記バネ取り付け部材に形成された溝に挿入されていることを特徴とする請求項５に記載のブラシモータ。