JP6552267B2 - ブラシレスモータおよびこれを用いた装置 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータに関し、特にリードスクリューやギアを回転軸に設けたブラシレスモータに関する。

カメラ、交換レンズその他の光学機器等の各種装置には、ステッピングモータ、コアレスモータおよびインナーロータマグネット型ブラシレスモータ等の小型モータが用いられる。

特許文献１には、出力部（リードスクリュー）付きの回転軸およびマグネットにより構成されたロータと、コイルおよび該コイルの周囲を囲むステータコアにより構成されてマグネットの周囲に配置されたステータとを有するステッピングモータが開示されている。ステータコアの軸方向一端面には、回転軸の出力部側の端部を回転可能に支持する軸受けを保持するフレームが固定されている。回転軸のマグネット側の端部は、ステータコアの軸方向他端面とこれに固定された金属板（端板）とによって挟まれた保持された軸受けによって回転可能に支持されている。さらに、フレームには、回転軸の出力部側の端部をマグネット側の端部に付勢する板ばねが取り付けられている。

また、特許文献２には、先端にギア等の出力部材の取り付けが可能な回転軸を有するインナーロータのロータマグネットの周囲に、コイルおよびヨークにより構成されたステータが配置されたインナーロータマグネット型ブラシレスモータが開示されている。回転軸は、ステータの外周面を覆うケースの軸方向先端と末端に取り付けられた先端フランジおよび末端フランジによって保持された軸受けにより回転可能に支持されている。なお、このモータでは、ロータマグネットの軸方向一端に他の部分よりも外径が小さな小径部を形成し、この小径部とコイルの内周面との間にホール素子を配置している。ホール素子は、軸方向におけるロータマグネットと末端フランジとの間に配置されたホール素子用基板に実装されている。

特開２０１０−０１６９２３号公報 特開２００３−３３３８１８号公報

特許文献１にて開示されたリードスクリュー付き回転軸とこれを支持するフレームとを、特許文献２にて開示されたブラシレスモータに用いることも可能である。しかしながら、単純に特許文献１にて開示されたフレームを特許文献２のモータの先端フランジに固定するだけでは、フレームを含めた軸方向でのモータ全長が大きくなる。また、出力部付き回転軸を含むロータとステータとの位置精度等、モータ全体としての組立精度の向上を図る必要もある。

本発明は、出力部を有する回転軸とこれを支持するフレームを有しつつも、小型化を実現でき、かつ組立精度を向上させることができるようにしたブラシレスモータおよびこれを用いた装置を提供する。

本発明の一側面としてのブラシレスモータは、出力部が設けられた回転軸および該回転軸に固定されたマグネットにより構成されるロータと、回転軸の軸方向と平行な方向において両端が開口したヨークおよび該ヨークの内周側に配置されたコイルにより構成され、マグネットの周囲に配置されたステータと、ヨークの出力部側の端面を除くヨークの外面を覆うようにヨークに固定されたケースと、ヨークとは異なる材料により形成され、ヨークに固定されたフレームと、フレームに固定され、回転軸のうち出力部側の端部を回転可能に支持する第１の軸受けと、ケースに固定され、回転軸のうちマグネット側の端部を回転可能に支持するとともに該マグネット側の端部が軸方向と平行な方向において当接する受け面を有する第２の軸受けと、回転軸を第１の軸受け側から第２の軸受け側に付勢する付勢部材と、軸方向と平行な方向におけるステータとケースとの間に配置され、コイルへの通電を行うための配線基板とを有し、ヨークの出力部側の端面が、コイルの出力部側の端面を覆わず、かつコイルとマグネットよりも出力部側に突出しており、フレームがヨークの出力部側の端面に固定されていることを特徴とする。

本発明によれば、フレームをヨークの軸方向一端（開口端）に固定することでフレームを含む軸方向におけるモータ全長を短くすることができる。しかも、樹脂によりコイルが固定されたヨークに対してケースを固定し、さらに該ケースに第２の軸受けを固定するとともに回転軸を第２の軸受け側に付勢するので、これらの間の組立誤差を小さくすることができ、モータの組立精度を向上させることができる。

本発明の実施例１であるブラシレスモータの断面図。 実施例１のモータの外観図。 図１中のＡ部の拡大図。 従来および実施例１のモータにおけるマグネットの形状を示す図。 上記各マグネットを用いたときの磁束密度波形を示す図。 本発明の実施例２であるブラシレスモータの断面図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１および図２を用いて、本発明の実施例１であるインナーロータマグネット型ブラシレスモータ（以下、単にモータという）について説明する。図１はモータの後述するモータ軸方向に沿った断面を示しており、図２がモータの外観を示している。１０は回転軸であり、１０ａは回転軸１０に一体に設けられた出力部としてのリードスクリューである。回転軸１０は、ＳＵＳ等の金属の棒材に対してリードスクリュー１０ａの形状を転造加工によって形成することで作られている。以下の説明では、回転軸１０が延びる方向をモータ軸方向といい、モータ軸方向に直交する方向を径方向といい、モータ軸方向を中心とした回転方向を周方向ともいう。

リードスクリュー１０ａには、図２に示すようにレンズ等の光学調節部材（被駆動部材）２００に設けられたラック（図示せず）が係合し、リードスクリュー１０ａが回転することで光学調節部材２００をモータ軸方向に移動させる。

２０はマグネットであり、回転軸１０におけるリードスクリュー１０ａが形成されていないマグネット固定部に回転軸１０と一体回転するように固定されている。本実施例では、円筒形状のマグネット２０を１／４円筒形状の４つのマグネットを周方向に合体させて形成しており、マグネット２０の外周面にはＮ極とＳ極とが周方向に交互に計４極着磁されている。なお、マグネット２０として、本実施例のような４分割円筒マグネットではなく、一体円筒マグネットを用いてもよい。マグネット２０の内周部に回転軸１０が圧入または接着されることでこれらマグネット２０と回転軸１０とが固定される。回転軸１０とマグネット２０によりモータのロータが構成される。

３０はマグネット２０の周囲に配置された界磁コイルであり、不図示の駆動回路からの電流の供給を受けることで回転磁界を発生させ、これによりロータを回転させる。４０は界磁コイル３０の外周に配置されたヨークである。本実施例では、ヨーク４０は複数枚のリング状の磁性鋼板をモータ軸方向に積層して構成され、モータ軸方向両端が開口した円筒形状に形成されている。界磁コイル３０とヨーク４０は樹脂モールドにより一体成形され、モータのステータを構成する。図３には、図１中の丸点線で囲んだ部分を拡大して模式的に示している。３０ａは界磁コイルの巻き線であり、巻き線３０ａ間には樹脂３０ｂが充填されて固化している。

界磁コイル３０は、モータ軸方向において、マグネット２０とほぼ同じ長さを有する。また、ヨーク４０は、モータ軸方向において、界磁コイル３０およびマグネット２０よりも若干長い長さを有する。すなわち、ヨーク４０のうち回転軸１０のリードスクリュー１０ａに近い側（出力部側：以下、リードスクリュー側という）の端面（開口端）４０ａは、界磁コイル３０およびマグネット２０よりもリードスクリュー側に突出している。さらに、ヨーク４０のうちリードスクリュー側の端面４０ａは、樹脂モールドによって樹脂が設けられておらず、後述するフレーム５０がここに固定される前は露出している。

フレーム５０は、モータを上述した光学調節部材２００を有する光学機器（カメラや交換レンズ等）の本体に取り付けるための部材である。フレーム５０は、非磁性鋼板を、モータ軸方向に延びるベース部５０ａとその両側の立ち曲げ部５０ｂ，５０ｃとを有するように折り曲げることで作られている。ステータ（界磁コイル３０およびヨーク４０）およびマグネット２０に近い側（以下、マグネット側という）の立ち曲げ部５０ｂは、ヨーク４０のリードスクリュー側の端面（樹脂が設けられずに露出した端面）４０ａに溶接または接着により固定されている。すなわち、フレーム５０は、ヨーク４０におけるモータ軸方向一端（開口端）に直接、溶接または接着されている。これにより、フレーム５０とヨーク４０との間に他の部材が配置される場合やコイルを包み込むように軸方向一端が閉じたヨークに固定する場合に比べてフレーム５０を含むモータ軸方向におけるモータ全長を短くすることができる。

なお、フレーム５０を、樹脂等、非磁性鋼板以外の非磁性材料で製作してもよい。

リードスクリュー側の立ち曲げ部５０ｃには、回転軸１０のうち出力部側の端部である先端部を回転可能に支持する第１の軸受けとしてのリードスクリュー側軸受け６０が圧入等によって固定されている。また、この立ち曲げ部５０ｃには、付勢部材としての板ばね７０が取り付けられている。板ばね７０は、回転軸１０の先端部と当接して回転軸１０をリードスクリュー側からマグネット側、すなわち第１の軸受け側から後述する第２の軸受け側に付勢する。

８０は回転軸１０のうちマグネット側の端部である後端部を回転可能に支持する第２の軸受けとしてのマグネット側軸受けである。ここで、回転軸１０の後端部は、半球形状を有する。一方、マグネット側軸受け８０における回転軸１０の後端部が当接する受け面８０ｄは、回転軸１０の中心軸を中心とする円錐凹面、すなわちモータ軸方向に対して傾いた回転対称面として形成されている。板ばね７０によってマグネット側軸受け８０に向かって付勢された回転軸１０の半球形状の後端部がマグネット側軸受け８０の円錐凹面である受け面８０ｄに当接することで、回転軸１０の中心軸の変位を低減して回転軸１０のスムーズな回転を可能にしている。これにより、モータを駆動した際に回転軸１０の回転量を光学調節部材２００に正確に伝達することができる。しかも、モータの駆動中および反転駆動時においてモータ軸方向に直交する方向に回転軸１０が振動してマグネット側軸受け８０の内面と衝突することで打音が発生することを抑制することができる。

また、本実施例では、回転軸１０に出力部としてリードスクリュー１０ａを設けている。リードスクリュー１０ａによりラックを介して被駆動部材をモータ軸方向に駆動することで、その反力が回転軸１０を含むロータ全体にモータ軸方向に作用し、これがモータの起動および反転駆動の度に繰り返される。しかし、板ばね７０によって回転軸１０をモータ軸方向の一方に設けられたマグネット側軸受け８０に向かって付勢してロータのモータ軸方向への変位を抑えている。このため、モータ軸方向に変位したロータがフレーム５０（立ち曲げ部５０ｂ）やマグネット側軸受け８０に衝突することによる衝突音の発生を防止することができる。特に、本実施例のモータを動画撮影が可能なカメラに搭載する場合には、衝突音が録画時に記録されるのを回避することができる。

９０はロータ（マグネット２０）の回転を検出する磁気センサとしてのホール素子である。ホール素子９０は、モータを駆動する際に、マグネット２０からの磁束密度の変化を検出してホール信号を出力する。このホール信号を用いることで、ロータの回転位置を検出したり上述した不図示の駆動回路から界磁コイル３０への通電を制御したりすることができる。ホール素子９０は、マグネット２０のモータ軸方向での端面（リードスクリュー側とは反対側の端面であり、以下、磁束検出面という）に対向するように設けられている。なお、図には１つのホール素子９０しか示していないが、実際には不図示の２つのホール素子を含めて計３個のホール素子が周方向に等間隔で配置されている。

１００は配線基板（以下、単に基板という）であり、上記駆動回路から界磁コイル３０への通電を行うための配線（ＦＰＣ等）およびホール素子９０が実装されており、補強材によって平面形状に保持されている。基板１００には、マグネット側軸受け８０において受け面８０ｄを内側に有する円筒部（第１の部分）８０ａの外径にほぼ等しい又はそれよりも若干大きな穴（開口）が形成され、この穴にマグネット側軸受け８０の円筒部が挿入される。これにより、基板１００は、モータ軸方向においてマグネット側軸受け８０と重なるように配置されており、さらに言えば、マグネット側軸受け８０の少なくとも一部（円筒部８０ａの端面８０ｂ）よりもリードスクリュー側に配置されている。また、マグネット側軸受け８０には、円筒部８０ａからモータ軸方向に直交する方向（径方向）に延びるフランジ部（第２の部分）８０ｃを有する。基板１００は、モータ軸方向において、このフランジ部８０ｃと後述するケース１１０との間に挟まれるように配置されている。

これにより、基板１００のモータ軸方向での位置決めを行うことができ、特に本実施例の基板１００のようにホール素子９０が実装されている場合に該ホール素子９０とマグネット２０の端面との間のギャップを適正に設定および維持することができる。

ケース１１０は、樹脂により形成され、ヨーク４０のリードスクリュー側の端面４０ａを除くヨーク４０の外面（外周面およびマグネット側の端面）を覆っている。また、ケース１１０は、界磁コイル３０、マグネット２０およびマグネット側軸受け８０のマグネット側の端面も覆っている。本実施例では、ケース１１０と、界磁コイル３０がヨーク４０に一体成形されたステータと、マグネット側軸受け８０と、ホール素子９０を含む基板１００とを樹脂モールドにより一体固定している。この構成とともに前述した板ばね７０による回転軸１０の付勢とマグネット側軸受け８０の形状（円錐凹面）を採用することで、これら部品の間の組立誤差を小さくすることができ、モータの組立精度、さらにはモータの回転位置制御の精度を向上させることができる。この結果、モータにより駆動する光学調節部材２００の位置制御の精度を向上させることができる。

さらに、ケース１１０の内側から外側に延出した基板１００に外力（例えば、カメラの組立者が手で持ったときに加わる力）が作用した場合でも、その外力がホール素子９０や配線に伝わり難くすることができる。このため、モータ内部におけるホール素子の位置ずれや配線の断線の可能性を低減することができる。

次に、図４を用いてマグネット２０の詳細形状について説明する。図４（ａ）は、従来のマグネット２０ｚとホール素子９０との位置関係を示している。左側の図はこれらのモータ軸方向に沿った断面での位置関係を示し、右側の図はマグネット２０ｚとホール素子９０をマグネット側軸受け８０の側から見たときの位置関係を示している。従来のマグネット２０ｚは円筒形状の外周面を有し、ホール素子９０と対向する磁束検出面２０ｚｆは平坦面として形成されている。このため、回転軸１０とともにマグネット２０ｚが回転した場合のマグネット２０ｚとホール素子９０との間のモータ軸方向での距離は基本的に一定である。この関係は、特許文献１にて開示されたモータにおいても、ホール素子がマグネットの外周面に対向する位置かモータ軸方向端面に対向するかの違いはあるものの同じである。

一方、図４（ｂ）は、本実施例のマグネット２０とホール素子９０との位置関係を示す。左側の図はこれらのモータ軸方向に沿った断面での位置関係を示し、右側の図はマグネット２０とホール素子９０をマグネット側軸受け８０の側から見たときの位置関係を示している。さらに、図４（ｃ）は、本実施例のマグネット２０の磁束検出面２０ｆを周方向に展開して径方向から見たときの磁束検出面２０ｆの形状を示している。本実施例のマグネット２０は円筒形状の外周面を有するが、ホール素子９０と対向する磁束検出面２０ｆは山２０ｇと谷２０ｆが交互に形成された凹凸形状を有する。具体的には、周方向４５°ごとに山２０ｇと谷２０ｆが交互に形成されており、山と谷の間には一定の傾きを有する斜面が形成されている。図４（ｂ）において回転軸１０より上側は山２０ｇを通る面で切断したときのマグネット２０の断面を示し、回転軸１０より下側は谷２０ｈを通る面で切断したときのマグネット２０の断面を示している。

このように周方向に周期的な凹凸を有する磁束検出面２０ｆとホール素子９０との間の距離は、マグネット２０の回転とともに周期的に変化する。図５は、図４（ａ）および図４（ｂ）のように形成したマグネット２０ｚ，２０が回転したときにホール素子９０が配置される位置での磁束密度の変化を示している。図５において、破線は従来のマグネット２０ｚを用いたときの磁束密度の変化を示し、実線は本実施例のマグネット２０を用いたときの磁束密度の変化を示している。

従来のマグネット２０ｚを用いたときは、磁束密度は概ね台形形状を描くように変化し、プラス側とマイナス側のピーク付近に平坦部２０ｉができる。平坦部２０ｉの区間はホール素子９０による磁束密度の変化を検出不能な不感帯となり、この区間ではマグネット２０ｚの回転位置（回転角度）を正確に検出することができない。従来はこのような磁束密度変化を検出したホール素子９０からのホール信号をコンパレートして矩形信号とし、該矩形信号の立ち上がりおよび立ち下がりの粗い周期でロータの回転位置を検出したり駆動回路からの界磁コイル３０への通電制御を行ったりしていた。このため、モータの回転位置制御の精度（分解能）を高めることが難しかった。

これに対して、本実施例のマグネット２０を用いたときは、従来のマグネット２０ｚを用いたときよりも正弦波に近い滑らかな磁束密度の変化が得られる。すなわち、従来のマグネット２０ｚを用いたときにプラス側とマイナス側のピーク付近で生じていた磁束密度の平坦部２０ｉがなくなり、これらピーク付近でも有意な磁束密度の変化が生じている。このため、この正弦波に近い磁束密度の変化をホール素子９０で検出することで、ホール信号をそのまま又は複数の閾値に対して段階的に変化する信号に変換してロータの回転位置検出および界磁コイル３０への通電制御に使用することができる。この結果、モータの回転位置制御の精度（分解能）を十分に高めることができ、被駆動部材の位置制御の精度を向上させることができる。そして、前述したようにマグネット２０は板ばね７０の付勢力が回転軸１０をマグネット側軸受け８０の受け面８０ｄに圧接させることと相まって、磁束検出面２０ｆとホール素子９０との間の距離は磁束検出面２０ｆの周期的な凹凸分しか変化しない。このため、高精度なモータの回転位置検出および駆動制御、つまりは被駆動部材の位置制御を安定的に行うことができる。

なお、本実施例では、回転軸１０に直接、マグネット２０を固定することでロータを構成する場合について説明したが、回転軸１０とマグネット２０の間にマグネットヨークを配置してもよい。この場合、マグネットヨークは、円筒形状を有する磁性体でもよいし、ヨーク４０のような複数枚のリング状の磁性鋼板を積層して形成してもよい。

また、ホール素子９０に代えて、磁気センサとしてのＭＲセンサを基板１００に実装して用いてもよい。

図６には、本発明の実施例２であるインナーロータマグネット型ブラシレスモータの構成を示している。図６は、図１と同様にモータのモータ軸方向に沿った断面を示している。

本実施例では、回転軸１０の出力部として、はずば歯車１０ｂを設けている。はすば歯車１０ｂは、回転軸１０に対して圧入または接着により一体回転可能に固定されており、マグネット２０とともにロータを構成する。出力部を歯車により構成する場合、不図示の被駆動歯車と噛み合って駆動力を発生させる歯車であれば、はすば歯車以外の歯車を用いてもよい。

その他の構成は、実施例１のモータと同じであるので説明を省略するが、本実施例でも実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお、ロータの回転を検出するために、ケース１１０内においてマグネット２０の回転を検出するホール素子９０に代えて、図６中に一点鎖線で示すようにＭＲセンサ１５０をロータ回転検出用のマグネット１４０に近接して設けてもよい。ここでマグネット１４０は、外周面にはＮ極とＳ極とが周方向に交互に多極着磁されたマグネットである。ＭＲセンサ１５０は、マグネット１４０の磁界に応じた電気信号を出力するので、この信号を用いればロータの回転位置を検出したり界磁コイル３０への通電を制御したりすることができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１０ 回転軸
１０ａ，１０ｂ 出力部
２０ マグネット
３０ コイル
４０ ヨーク
５０ フレーム
６０，８０ 軸受
７０ 板ばね
１００ 配線基板
１１０ ケース

Claims (8)

1. 出力部が設けられた回転軸および該回転軸に固定されたマグネットにより構成されるロータと、
   前記回転軸の軸方向と平行な方向において両端が開口したヨークおよび該ヨークの内周側に配置されたコイルにより構成され、前記マグネットの周囲に配置されたステータと、
   前記ヨークの前記出力部側の端面を除く該ヨークの外面を覆うように該ヨークに固定されたケースと、
   前記ヨークとは異なる材料により形成され、前記ヨークに固定されたフレームと、
   前記フレームに固定され、前記回転軸のうち前記出力部側の端部を回転可能に支持する第１の軸受けと、
   前記ケースに固定され、前記回転軸のうち前記マグネット側の端部を回転可能に支持するとともに該マグネット側の端部が前記軸方向と平行な方向において当接する受け面を有する第２の軸受けと、
   前記回転軸を前記第１の軸受け側から前記第２の軸受け側に付勢する付勢部材と、
   前記軸方向と平行な方向における前記ステータと前記ケースとの間に配置され、前記コイルへの通電を行う配線基板とを有し、
   前記ヨークの前記出力部側の端面が、前記コイルの前記出力部側の端面を覆わず、かつ前記コイルと前記マグネットよりも前記出力部側に突出しており、
   前記フレームが前記ヨークの前記出力部側の端面に固定されていることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記フレームは、前記ヨークの前記出力部側の端面に直接、溶接または接着されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記ステータ、前記第２の軸受けおよび前記基板が樹脂によって前記ケースに固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスモータ。
4. 前記出力部は、リードスクリューまたは歯車であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のブラシレスモータ。
5. 前記第２の軸受けが、前記受け面が形成された第１の部分と、該第１の部分から前記軸方向に直交する方向に延びる第２の部分とを有し、
   前記基板が、前記第１の部分が挿入される開口を有するとともに、前記ケースと前記第２の部分との間に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のブラシレスモータ。
6. 前記基板に、前記マグネットの前記軸方向と平行な方向における端面に対向して前記ロータの回転を検出する磁気センサが設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のブラシレスモータ。
7. 前記マグネットの前記軸方向と平行な方向における端面のうち前記磁気センサに対向する部分が、周方向に周期的な凹凸を有することを特徴とする請求項６に記載のブラシレスモータ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のブラシレスモータと、
   前記出力部を介して駆動される被駆動部材とを有することを特徴とする装置。