JP6465014B2 - モータシャフト - Google Patents

Description

本発明は、モータのロータを構成する回転軸であるモータシャフトに関する。

従来、例えば特許文献１に開示されているように、回転軸心に沿って延びる１つの軸方向穴を有する中空状のモータシャフトが知られている。モータシャフトは、外壁に固定されたロータコアと共にモータのロータを構成している。軸方向穴はモータシャフトの軽量化に貢献している。

特開２０１４−１５８３５５号公報

モータシャフトの更なる軽量化のためには、軸方向穴の内径を大きくすればよい。しかし、モータシャフトの強度を確保することを考えた場合、軸方向穴の内径を大きくするには限界がある。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、強度を確保しつつ軽量化を図ることができるモータシャフトを提供することである。

本発明によるモータシャフトは、薄肉筒状の外側部と、外側部の内部に設けられている内側部とを備える。内側部は、外側部と同じ材料から当該外側部と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部からなる構造体であり、複数の支持部間に区画された空隙を有する。
本発明の第１態様では、内側部は、モータシャフトの径方向の内側にいくほど嵩密度が大きい。
本発明の第２態様では、外側部は、筒部と、筒部の一端を液密に封止している一端部と、筒部の他端を液密に封止している他端部とを有する。
本発明の第３態様では、内側部は、モータシャフトの径方向へ延びる板状の支持部が複数集まってなるとともに、軸心部から放射状へ延びる複数の中空柱の集合体から構成されるハニカム構造体である。空隙は、中空柱内部の空洞部分を含む。
本発明の第４態様では、内側部は、モータシャフトの軸心まわりに回転しながら軸方向へ延びるように螺旋状に形成された板状の支持部が複数集まってなるハニカム構造体である。
本発明の第５態様では、内側部は、棒状の支持部が複数集まってなる格子構造体である。複数の支持部のうち少なくとも半分は、モータシャフトの径方向に対して交差する方向へ延びている。
本発明の第６態様では、外側部の外壁には、モータシャフトの軸方向へ延びるキー溝が形成されている。内側部は、キー溝の延伸方向に交差する方向へ延びる板状の支持部が複数集まってなるハニカム構造体である。

以上より、構造体である内側部により外側部が支持されるので、外側部を薄肉化してもモータシャフトの強度を確保することができる。また、内側部は、空隙を有することで軽量に構成されている。したがって、本発明のモータシャフトによれば、強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。さらに、複数の支持部が放熱フィンとして機能し、外側部から内側部に伝わる熱を空隙に放熱することができるので、モータシャフトを効果的に冷却することができる。

本発明の第１実施形態によるモータシャフトが適用されたモータを示す断面図である。 図１のモータシャフトの縦断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図１のモータシャフトの斜視図であって、外側部の筒部の一部を切り欠いて示す図である。 本発明の第２実施形態によるモータシャフトの外観を示す図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 本発明の第３実施形態によるモータシャフトの縦断面図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 本発明の第４実施形態によるモータシャフトの縦断面図である。 図９のＸ−Ｘ線断面図である。 本発明の第５実施形態によるモータシャフトの縦断面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。 本発明の第６実施形態によるモータシャフトの外観を示す図である。 本発明の第６実施形態によるモータシャフトの縦断面図である。 図１４のＸＶ−ＸＶ線断面図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態によるモータシャフトが適用されたモータを図１に示す。先ず、モータ８０の概略構成について図１を参照して説明する。モータ８０は、ハウジング８１、軸受８２、８３、ステータ８４およびロータ８５を備えている。

ハウジング８１は、筒状のケース９０と、ケース９０の一方の開口を塞ぐように設けられた第１プレート９１と、ケース９０の他方の開口を塞ぐように設けられた第２プレート９２とを備えている。軸受８２は、第１プレート９１の中央部に設けられている。軸受８３は、第２プレート９２の中央部に設けられている。

ステータ８４は、ケース９０の内壁に固定されたステータコア９３と、ステータコア９３に装着された複数相のコイル９４とを有する。ロータ８５は、軸受８２、８３により回転可能に支持されているモータシャフト１０と、モータシャフト１０の外壁に例えば圧入により固定されたロータコア９５とを有する。ロータコア９５は、図示しない磁石からなる複数の磁極を有する。

このように構成されたモータ８０では、コイル９４の通電相が順次切り替えられると、モータシャフト１０の軸心ＡＸまわりに回転する磁界が発生する。ロータ８５は、磁極が上記回転磁界に磁気吸引されることにより軸心ＡＸまわりに回転する。

次に、モータシャフト１０の詳細な構成について図１〜図４を参照して説明する。以下の説明では、モータシャフト１０の軸心ＡＸと平行な方向を「軸方向」と記載する。また、軸心ＡＸと直交する方向を「径方向」と記載する。なお、図２〜図４、および、後述の図５〜図９では、煩雑になることを避けるために、一部において断面の奥に本来見える形状の図示を省略している。

モータシャフト１０は、薄肉筒状の外側部１１と、外側部１１の内部に設けられている内側部１２とを備えている。
外側部１１は、筒部１３と、筒部１３に対して軸方向の一方に位置する一端部１４と、筒部１３に対して軸方向の他方に位置する他端部１５とを有する。

本実施形態では、筒部１３は、段付き状に形成されており、一端部１４側から順に鍔部１６、大径部１７、および小径部１８を有する。大径部１７は、外壁に形成された凹凸状のローレット部１９を有しており、ロータコア９５の内側に嵌合している。ロータコア９５は、鍔部１６に当接するまで圧入されている。小径部１８は、軸受８３の内側に嵌合している。小径部１８のうち軸受８３に対して他端部１５側には、カラー２１およびプーリ２２が嵌合している。大径部１７および小径部１８は、薄肉筒状に形成されている。

一端部１４は、軸受８２の内側に嵌合している。他端部１５には、ナット２３が螺合されている。プーリ２２は、カラー２１とナット２３との間に挟持されている。本実施形態では、一端部１４および他端部１５は閉じている。つまり、一端部１４および他端部１５には貫通孔は形成されていない。筒部１３にも貫通孔は形成されていないため、外側部１１の内部は外部に対して液密に封止されている。

内側部１２は、外側部１１と同じ材料から当該外側部１１と一体に形成されている。また、内側部１２は、互いに結合している複数の支持部２４からなる構造体であり、複数の支持部２４間に区画された空隙２５を有する。本実施形態では、内側部１２は、径方向へ延びる板状の支持部２４が複数集まってなるハニカム構造体である。言い換えれば、内側部１２は、軸心部から放射状へ延びる複数の中空柱の集合体から構成されるハニカム構造体である。空隙２５は、主として上記中空柱内部の空洞部分から構成されている。支持部２４は、径方向の内側にいくほど厚みが厚い。また、空隙２５は、径方向の内側にいくほど軸方向幅および周方向幅が小さい。これにより、内側部１２は、径方向内側にいくほど嵩密度が大きくなっている。

ここで、「ハニカム構造体」とは、複数の中空柱を隙間なく並べてなる構造体である。中空柱の横断面形状は、六角形に限らず、例えば四角形などの他の形状であってもよい。本実施形態では、中空柱の横断面形状は六角形である。
また、物体の「嵩」とは、物体自身が占める体積、物体表面に開口している穴の体積、および、物体内部にあり且つ外部に対して閉塞している空隙の体積の合計である。「嵩密度」とは、物体の質量を嵩で割った値である。

モータシャフト１０は３Ｄプリンタにより成形されている。具体的には、平らに敷いた微細な金属粉末にレーザーを照射して一層ずつ焼結させ、この工程を繰り返すことで３次元造形する方法（すなわち、粉末焼結法）によって、モータシャフト１０は成形されている。空隙２５は、外側部１１および内側部１２の成形と同時に成形される。モータシャフトが３Ｄプリンタにより成形されているという点は、後述の実施形態においても同様である。

（効果）
以上説明したように、第１実施形態では、モータシャフト１０は、薄肉筒状の外側部１１と、外側部１１の内部に設けられている内側部１２とを備える。内側部１２は、外側部１１と同じ材料から当該外側部１１と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部２４からなる構造体であり、複数の支持部２４間に区画された空隙２５を有する。

以上より、構造体である内側部１２により外側部１１が支持されるので、外側部１１を薄肉化してもモータシャフト１０の強度を確保することができる。また、内側部１２は、空隙２５を有することで軽量に構成されている。したがって、モータシャフト１０によれば、強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。さらに、複数の支持部２４が放熱フィンとして機能し、外側部１１から内側部１２に伝わる熱を空隙２５に放熱することができるので、モータシャフト１０を効果的に冷却することができる。

また、第１実施形態では、内側部１２は、径方向の内側にいくほど嵩密度が大きい。したがって、軽量となるように支持部２４をできるだけ薄肉化しつつも、内側部１２を、例えばロータコア９５の圧入時などに作用する径方向の力に耐えうる構造体とすることができる。

また、第１実施形態では、外側部１１は、筒部１３と、筒部１３の一端を液密に封止している一端部１４と、筒部１３の他端を液密に封止している他端部１５とを有する。これにより、外側部１１の内部は外部に対して液密に封止される。したがって、外側部１１の内部すなわち内側部１２の腐食を防止することができる。

また、第１実施形態では、内側部１２は、モータシャフト１０の径方向へ延びる板状の支持部２４が複数集まってなるハニカム構造体である。したがって、軽量となるように支持部２４をできるだけ薄肉化しつつも、内側部１２を、例えばロータコア９５の圧入時などに作用する径方向の力に耐えうる構造体とすることができる。
また、第１実施形態では、支持部２４は、径方向の内側にいくほど厚みが厚い。このようにして径方向の内側にいくほど内側部１２の嵩密度を大きくすることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態では、図５および図６に示すように、モータシャフト３０は、外側部１１および内側部３１を備えている。内側部３１は、軸心ＡＸまわりに回転しながら軸方向へ延びるように螺旋状に形成された板状の支持部３２が複数集まってなるハニカム構造体である。言い換えれば、内側部３１は、軸心ＡＸまわりに回転しながら軸方向へ延びる複数の螺旋状の中空柱の集合体から構成されるハニカム構造体である。本実施形態では、中空柱の横断面形状は六角形である。空隙３３は、上記中空柱内部の空洞部分から構成される螺旋状の穴である。図５では、便宜上、１つの支持部３２のみを破線で示している。

以上のように、モータシャフト３０は、薄肉筒状の外側部１１と、外側部１１の内部に設けられている内側部３１とを備える。内側部３１は、外側部１１と同じ材料から当該外側部１１と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部３２からなる構造体であり、複数の支持部３２間に区画された空隙３３を有する。したがって、モータシャフト３０によれば、第１実施形態と同様に、強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。

また、第２実施形態では、内側部３１は、軸心ＡＸまわりに回転しながら軸方向へ延びるように螺旋状に形成された板状の支持部３２が複数集まってなるハニカム構造体である。したがって、モータシャフト３０のねじれに対する強度が特に高められている。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態では、図７および図８に示すように、モータシャフト４０は、外側部１１および内側部４１を備えている。内側部４１は、軸方向へ延びる複数の棒状の支持部４２と、軸方向に対して直交する方向へ延びる複数の棒状の支持部４３とが結合してなる格子構造体である。言い換えれば、内側部４１は、複数の中空立方体の集合体から構成される構造体である。支持部４２、４３は、径方向に対して交差する方向へ延びている。各支持部４２、４３の間に区画されている空隙４４は、１つの空間である。

以上のように、モータシャフト４０は、薄肉筒状の外側部１１と、外側部１１の内部に設けられている内側部４１とを備える。内側部４１は、外側部１１と同じ材料から当該外側部１１と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部４２、４３からなる構造体であり、複数の支持部４２、４３間に区画された空隙４４を有する。したがって、モータシャフト４０によれば、第１実施形態と同様に、強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。

また、第３実施形態では、内側部４１は、複数の支持部４２、４３が集まってなる格子構造体である。支持部４２、４３は、径方向に対して交差する方向へ延びている。したがって、例えば遠心力などの径方向の力に対する強度が特に高められている。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態では、図９および図１０に示すように、モータシャフト５０は、外側部５１および内側部４１を備えている。外側部５１の一端部５２は通孔５３を有しており、また、他端部５４は通孔５５を有している。本実施形態では、通孔５３、５５は軸心ＡＸに沿って軸方向へ貫通している。空隙４４は、通孔５３と通孔５５とを連通させている。空隙４４および通孔５３、５５は、冷却液を循環させる冷却通路として利用される。したがって、モータシャフト５０を効率的に冷却することができる。
また、モータシャフト５０は、通孔５３、５５以外の構成は第３実施形態と同じであり、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第５実施形態］
本発明の第５実施形態では、図１１および図１２に示すように、モータシャフト６０は、外側部１１および内側部６１を備えている。内側部６１は、軸方向、径方向、および、軸方向に垂直な仮想面と交差する方向へ延びる複数の棒状の支持部６２が互いに結合してなる格子構造体である。言い換えれば、内側部６１は、対角線上の一対の角が径方向に並ぶように配置された複数の中空状の六面体の集合体からなる構造体である。各支持部６２の間に区画されている空隙６３は、１つの空間である。

以上のように、モータシャフト６０は、薄肉筒状の外側部１１と、外側部１１の内部に設けられている内側部６１とを備える。内側部６１は、外側部１１と同じ材料から当該外側部１１と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部６２からなる構造体であり、複数の支持部６２間に区画された空隙６３を有する。したがって、モータシャフト６０によれば、第１実施形態と同様に、強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。

また、第５実施形態では、内側部６１は、複数の支持部６２が集まってなる格子構造体である。支持部６２は、軸方向、径方向、および、軸方向に垂直な仮想面と交差する方向へ延びている。したがって、軸方向および径方向の力に対する強度が特に高められている。

［第６実施形態］
本発明の第６実施形態では、図１３〜図１５に示すように、モータシャフト７０は、外側部７１および内側部７２を備えている。外側部７１の外壁には、軸方向へ延びるキー溝７３が形成されている。キー溝７３にはキー７４が嵌め込まれる。
内側部７２は、キー溝７３の延伸方向と直交する方向へ延びる複数の板状の支持部７５が互いに結合してなる構造体である。言い換えれば、内側部７２は、上記延伸方向と直交する方向へ延びる複数の中空柱の集合体から構成されるハニカム構造体である。本実施形態では、上記中空柱の横断面形状は四角形である。上記中空柱は、横断面の対角線上の一対の角が径方向に並ぶように配置されている。空隙７６は、上記中空柱内部の空洞部分から構成される多角穴である。

以上のように、モータシャフト７０は、薄肉筒状の外側部７１と、外側部７１の内部に設けられている内側部７２とを備える。内側部７２は、外側部７１と同じ材料から当該外側部７１と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部７５からなる構造体であり、複数の支持部７５間に区画された空隙７６を有する。したがって、モータシャフト７０によれば、第１実施形態と同様に、強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。

また、第６実施形態では、内側部７２は、キー溝７３の延伸方向と直交する方向へ延びる複数の中空柱の集合体から構成されるハニカム構造体である。上記中空柱の横断面形状は四角形である。上記中空柱は、横断面の対角線上の一対の角が径方向に並ぶように配置されている。したがって、モータシャフト７０のねじれに対する強度が高められているとともに、軸方向および径方向の力に対する強度も高められている。特に本実施形態のように外側部７１の外壁にキー溝７３が形成されている場合において、重量物であるロータコアの回転力によりキー７４を介してキー溝７３の側壁に作用する周方向の力によってモータシャフト７０がねじれようとするとき、内側部７２が上記ねじれを抑制するように働く。

［他の実施形態］
本発明の他の実施形態では、モータシャフトの外側部の筒部は、段付き状でなくてもよい。また、モータシャフトの外側部の筒部の段付きの数は、３つ以上であってもよい。また、モータシャフトの外側部の筒部の一部または全部は、テーパ状であってもよい。
本発明の他の実施形態では、外側部の筒部に径方向に貫通する穴が設けられてもよい。
本発明の他の実施形態では、モータシャフトの端部は、ねじに限らず、例えばスプライン、キー溝またはギヤ等が形成されてもよい。また、モータシャフトの端部には、プーリ以外の動力伝達部材が固定されてもよい。

第１〜第６実施形態では、内側部の空隙の中は空間であった。これに対して、本発明の他の実施形態では、空隙の中に、粉末焼結法によりモータシャフトを成形するときに溶かされなかった金属粉末が内包されていてもよい。
本発明の他の実施形態では、工具ホルダを３Ｄプリンタによって成形するとき、粉末焼結法以外の方法を用いてもよい。
本発明の他の実施形態では、モータシャフトは、同期電動機に限らず、例えば整流子電動機または誘導電動機などのモータに用いられ得る。さらに、モータシャフトは、電磁力により回転力を生み出すものに限らず、例えば超音波モータまたは静電モータなどにも用いられ得る。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１１、５１、７１・・・外側部
１２、３１、４１、６１、７２・・・内側部
２４、３２、４２、４３、６２、７５・・・支持部
２５、３３、４４、６３、７６・・・空隙
８０・・・モータ
８５・・・ロータ

Claims (7)

1. モータ（８０）のロータ（８５）を構成するモータシャフトであって、
   薄肉筒状の外側部（１１）と、
   前記外側部の内部に設けられており、前記外側部と同じ材料から当該外側部と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部（２４）からなる構造体であり、複数の前記支持部間に区画された空隙（２５）を有する内側部（１２）と、
   を備えており、
   前記内側部は、前記モータシャフトの径方向の内側にいくほど嵩密度が大きいモータシャフト。
2. モータ（８０）のロータ（８５）を構成するモータシャフトであって、
   薄肉筒状の外側部（１１、７１）と、
   前記外側部の内部に設けられており、前記外側部と同じ材料から当該外側部と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部（２４、３２、４２、４３、６２、７５）からなる構造体であり、複数の前記支持部間に区画された空隙（２５、３３、４４、６３、７６）を有する内側部（１２、３１、４１、６１、７２）と、
   を備えており、
   前記外側部は、筒部（１３）と、当該筒部の一端を液密に封止している一端部（１４）と、前記筒部の他端を液密に封止している他端部（１５）とを有するモータシャフト。
3. モータ（８０）のロータ（８５）を構成するモータシャフトであって、
   薄肉筒状の外側部（１１）と、
   前記外側部の内部に設けられており、前記外側部と同じ材料から当該外側部と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部（２４）からなる構造体であり、複数の前記支持部間に区画された空隙（２５）を有する内側部（１２）と、
   を備えており、
   前記内側部は、前記モータシャフトの径方向へ延びる板状の前記支持部が複数集まってなるとともに、軸心部から放射状へ延びる複数の中空柱の集合体から構成されるハニカム構造体であり、
   前記空隙は、前記中空柱内部の空洞部分を含むモータシャフト。
4. 前記支持部は、径方向の内側にいくほど厚みが厚い請求項３に記載のモータシャフト。
5. モータ（８０）のロータ（８５）を構成するモータシャフトであって、
   薄肉筒状の外側部（１１）と、
   前記外側部の内部に設けられており、前記外側部と同じ材料から当該外側部と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部（３２）からなる構造体であり、複数の前記支持部間に区画された空隙（３３）を有する内側部（３１）と、
   を備えており、
   前記内側部は、前記モータシャフトの軸心（ＡＸ）まわりに回転しながら軸方向へ延びるように螺旋状に形成された板状の前記支持部が複数集まってなるハニカム構造体であるモータシャフト。
6. モータ（８０）のロータ（８５）を構成するモータシャフトであって、
   薄肉筒状の外側部（１１、５１、７１）と、
   前記外側部の内部に設けられており、前記外側部と同じ材料から当該外側部と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部（４２、４３、６２、７５）からなる構造体であり、複数の前記支持部間に区画された空隙（４４、６３、７６）を有する内側部（４１、６１、７２）と、
   を備えており、
   前記内側部は、棒状の前記支持部が複数集まってなる格子構造体であり、
   複数の前記支持部のうち少なくとも半分は、前記モータシャフトの径方向に対して交差する方向へ延びているモータシャフト。
7. モータ（８０）のロータ（８５）を構成するモータシャフトであって、
   薄肉筒状の外側部（７１）と、
   前記外側部の内部に設けられており、前記外側部と同じ材料から当該外側部と一体に形成されており、互いに結合している複数の支持部（７５）からなる構造体であり、複数の前記支持部間に区画された空隙（７６）を有する内側部（７２）と、
   を備えており、
   前記外側部の外壁には、前記モータシャフトの軸方向へ延びるキー溝（７３）が形成されており、
   前記内側部は、前記キー溝の延伸方向に交差する方向へ延びる板状の前記支持部が複数集まってなるハニカム構造体であるモータシャフト。

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