JPH08130861A

JPH08130861A - 面対向型直流ブラシレスモータ

Info

Publication number: JPH08130861A
Application number: JP17219495A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Koseki; 和宏小関; Takeshi Aizawa; 剛相沢; Tomotaka Takamura; 智隆篁
Original assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Current assignee: Tohoku Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-09-07
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 1996-05-21

Abstract

(57)【要約】【目的】トルク定数を小さくし、常用するＤＣ24Ｖで
高速回転を得、かつ、鉄損をなくしてモータの効率を向
上する。【構成】軸受３により回転自在に支持された回転軸
１、回転軸１に取り付けられたロータヨーク５、ロータ
ヨーク５に固着された環状マグネット６からなるロータ
と、環状マグネット６に対向するように配置された駆動
コイル９、駆動コイル９を保持するステータ基板７とか
らなるステータと、軸受３を保持するベース部材16とを
備えており、環状マグネット６から出る界磁束の磁路を
開磁路に形成する。磁路を開磁路に形成するために、バ
ックヨークを無くし、ベース部材も、非導電材、かつ非
磁性材で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、面対向型直流ブラシレ
スモータに関し、特に、レーザプリンタやディジタル複
写機等に用いられる光学的スキャナに好適なブラシレス
モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、面対向型直流ブラシレスモータ
は、種々提案されている。例えば、特公昭60−1823号公
報、実開昭63−109577号公報、特開平３−226254号公報
等参照。

【０００３】図３は、光学的スキャナを構成するポリゴ
ンミラーの回転に用いられるこの種ブラシレスモータの
一例を示したもので、１はベース部材２に設けられた軸
受３により回転自在に支持された回転軸であり、上部に
フランジ４が取り付けられている。５はフランジ４に取
り付けられたロータヨーク、６はこのロータヨーク５に
固着され、周方向に所定角度でＮ極、Ｓ極交互に着磁さ
れた環状マグネットである。前記回転軸１、フランジ
４、ロータヨーク５および環状マグネット６はロータを
構成している。７はベース部材２にねじ19及びスペーサ
８により取り付けられたステータ基板、９はステータ基
板７を介して前記環状マグネット６に対向するように、
ステータ基板７に配設された駆動コイル、10は、ロータ
ヨーク５、環状マグネット６と共に閉磁路を形成するバ
ックヨークである。前記ステータ基板７、駆動コイル
９、バックヨーク10はステータを構成する。なお、11は
フランジ４に嵌合されたポリゴンミラーであり、押えば
ね12で押圧固定されている。

【０００４】上記構成において、図４に示したように、
ロータヨーク５、環状マグネット６およびバックヨーク
10の間で閉磁路が形成され、環状マグネット６から出た
界磁束が流れ、通電された駆動コイル９との間で磁気作
用が働いてロータが回転する。従来一般的には、閉磁路
を形成することにより、界磁磁界を強くすることができ
るので、低速回転、高出力用のモータとして好適であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、レーザプリ
ンタ等に利用されるポリゴンミラー回転駆動用のモータ
(以下、簡単にポリゴンスキャナモータという)として
は、高速、高密度印字の要求に応えるため、高速回転
で、安定かつ高精度の一定速度で回転させる必要があ
る。そのため、従来技術によるモータをポリゴンスキャ
ナモータに適用すると、次のような理由で、高速、高精
度の回転が得られないという問題があった。

【０００６】(1) トルク定数Ｋtが高いため、高速回転
になると逆起電力(Ｋt・ω)が大きくなり、常用してい
るＤＣ24Ｖ電源では、高速度に回転させることができな
い。 (2) 高速回転になると、閉磁路を形成するための磁性体
(バックヨーク10、あるいはバックヨーク10がなくても
ベース部材２が磁性体の場合)には、交番磁界で大きな
鉄損が生じ、モータの効率が低下する。また、鉄損を小
さくするために高価な磁性体(けい素鋼板、ソフトフェ
ライトなど)を使用することになり、コスト高となる。

【０００７】本発明は、上記従来技術の問題点を解決し
ようとするもので、トルク定数を小さくし、常用するＤ
Ｃ24Ｖで高速回転が得られ、かつ、鉄損をなくしてモー
タの効率を上げ、低コストの面対向型直流ブラシレスモ
ータを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の面対向型直流ブラシレスモータは、軸受に
より回転自在に支持された回転軸、該回転軸に取り付け
られたロータヨーク、該ロータヨークに固着された環状
マグネットからなるロータと、前記環状マグネットに対
向するように配置された駆動コイル、該駆動コイルを保
持するステータ基板からなるステータと、前記軸受を保
持するベース部材とを備え、前記環状マグネットから出
る界磁束の磁路を開磁路に形成した構成とするものであ
る。

【０００９】そして、磁路を開磁路に形成するために、
従来使用のバックヨークを無くし、しかもベース部材
を、非導電材で、かつ非磁性材から構成する。

【００１０】

【作用】上記構成によれば、環状マグネットから出た界
磁束の磁路は開磁路を形成しており、駆動コイルに作用
する有効な界磁磁界を意識的に弱められ、その結果トル
ク定数Ｋtが低くなる。一方、バックヨークを無くし、
ベース部材を非磁性材で構成するので磁路とはならず、
また、ベース部材を非導電材とすることにより、うず電
流損とヒステリシス損が発生せず、実質的に鉄損が０に
なる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して実施例を詳細に説明す
る。図１は、本発明の一実施例を示したもので、図３と
同一符号のものは同一のものを表わしている。即ち、１
は、アルミニウム、黄銅、プラスチック等からなる軸受
ハウジング15に設けられた軸受３により回転自在に支持
された回転軸であり、上部に、同じくアルミニウム、黄
銅、プラスチック等からなるフランジ４が設けられてい
る。５はフランジ４に取り付けられた亜鉛処理鋼板やけ
い素鋼板からなる環状のロータヨーク、６はこのロータ
ヨーク５に固着され、周方向に所定角度でＮ極、Ｓ極交
互に着磁された環状マグネットである。回転軸１、フラ
ンジ４、ロータヨーク５および環状マグネット６はロー
タを構成している。

【００１２】７は、ベース部材16に複数のねじ19及びス
ペーサ８等により取り付けられ、環状マグネット６にわ
ずかな空隙を介して平行に取付られたステータ基板、９
はステータ基板７を介して前記環状マグネット６に対向
するように、ステータ基板７下面に配設された駆動コイ
ルである。また、ステータ基板７には、モータの回転を
駆動、制御するための電子部品18が実装されており、図
７に示した各素子に対応する。図１では示していない
が、ステータ基板７にはホール素子が取り付けられてお
り、これは、回転する環状マグネット６の位置を検出す
るためのものである。前記ステータ基板７、駆動コイル
９はステータを構成する。16は軸受ハウジング15を保持
するベース部材である。11はフランジ４に嵌合されたポ
リゴンミラーであり、押えばね12で押圧固定されてい
る。

【００１３】ここで、ベース部材16を、非導電性で、か
つ非磁性の材質をもって構成する。本実施例では、熱硬
化性のプラスチックを用いている。外に、炭素繊維やガ
ラス繊維で構成された板、あるいは木材、硝子、セラミ
ック等でもよい。また、図３の従来例のように、軸受ハ
ウジング15をベース部材と一体のものとしてもよい。ま
た、ステータ基板７を支持しているスペーサ８は、非鉄
金属又はプラスチック若しくは樹脂のような非磁性体の
材料から作られている。モータは、ベース部材16の底部
に形成された小さな突起物17の孔にボルト又はねじを挿
通して、例えばレーザプリンタのシャーシに固定する。
回転軸１の下端部には、スプリング、ワッシャを含むＣ
型リングが、回転軸１の抜け防止用に設けられている。

【００１４】図５は、回転軸１に沿って配置されるロー
タヨーク５、環状マグネット６、ステータ基板７、駆動
コイル９及びベース部材16の分解斜視図である。ロータ
ヨーク５は環状マグネット６の上に置かれている。環状
マグネット６は、中心角45度で周方向にＮ極、Ｓ極が交
互に着磁された８個の極を有している。環状マグネット
６の下には、わずかな空隙を介してステータ基板７が配
置されている。ステータ基板７は、その上にプリント配
線を有しているが、これはステータ基板７の下面に取り
付けられたホール素子及び駆動コイル９に対する電気信
号の供給、取出のためのものである。駆動コイル９は、
周方向に中心角120度の間隔で配置されており、またマ
グネット６の磁極の角度幅に合わせて、45度の角度幅を
有する略台形となっている。

【００１５】ステータ基板７は、スペーサ８を介してベ
ース部材16に取り付けられている。ベース部材16は、モ
ータを使用することになっている任意の装置に対して取
り付けられる。ベース部材16が取り付けられる装置の材
質は、鉄のような磁性体か又はプラスチックあるいは樹
脂のような非磁性体の何れでもよい。

【００１６】図６は、ホール素子の配置の例を示したも
のである。図６(a)では、３個のホール素子Ｈ1，Ｈ2，
Ｈ3を中心角120度の等間隔で配置しており、120度間隔
で配置された駆動コイル９の中間に置かれている。

【００１７】図６(b)では、３個のホール素子は、120度
間隔で配置された駆動コイル９の内部に配置されてい
る。

【００１８】図６(c)では、３個のホール素子は、中心
角120度の範囲内に互いに60度の間隔で配置されてい
る。本実施例では、駆動コイル９が120度の間隔で配置
されているので、ホール素子Ｈ2だけが１つのコイルの
内部に配置されるか、若しくはホール素子Ｈ1とＨ3がコ
イルの内部に配置されるようになる。

【００１９】ここで、モータの寸法、及びその他の特性
について説明する。いま、このモータをある装置に取り
付けたとき、ポリゴンミラー11の高さを２つの異なる所
要の高さにセットするために、ベース部材16の厚さ(突
起物17を含む)の異なる２機種を用意したとする。そし
て、図１におけるベース部材16の厚さをＡ1，Ａ2とし、
その他の各部の寸法Ｂ〜Ｇは表１の通りである。

【００２０】

【表１】

【００２１】このモータは、6,000rpmから21,000rpmに
おいて回転するように設計された３相全波モータ(３相
バイポーラ）である。このモータのトルク定数Ｋtは0.0
055Nm／Aに等しくなっており、またこのモータの電圧定
数Ｋeは0.0055Vs／radとなっている。コイルが置かれて
いる磁界の強さは、280Mx(マクスウェル)となっている
が、これは280×10~⁸Wb(ウェーバー)に等しい。いろい
ろなrpmにおいてモータが発生するトルクは、トルク定
数Ｋtにモータ電流Ｉaを乗算することによって計算され
る。表２は、10,000rpm，16,000rpm及び20,000rpmにお
いて、モータが発生するトルクを示したものである。

【００２２】

【表２】

【００２３】モータを駆動するための回路の概略を図７
に示す。図７において、３個のホール素子Ｈ1，Ｈ2及び
Ｈ3は、電源100に接続されると共に、ホール素子が置か
れている磁界に従って、３個の増幅器102，104及び106
に対してそれぞれ信号を送出する。３個の増幅器102，1
04及び106からの出力は、波形整形回路108に入り、その
波形整形回路の出力信号は、トランジスタ120，122，12
4，126，128及び130を駆動する。Ｌ1，Ｌ2及びＬ3で示
される駆動コイル９は、Ｙ接続になっている。この回路
は、従来から使用されているものであり、詳細な説明は
省略するものとし、この回路及びその特徴については、
1985年オックスフォード大学出版会発行の、Ｔ.ケンジ
ョー等による“永久磁石及びブラシレス直流モータ”と
題する本の中に見ることができる。

【００２４】図８は、図７における点(1)−(6)に現われ
る信号を示したものである。信号(1)−(3)は、３個のホ
ール素子Ｈ1，Ｈ2及びＨ3による信号出力に相当してい
る。モータには８個の磁極があるが、90度という機械的
な角度は、360度という電気的な角度に相当している。
信号(4)−(6)は、図７においてＬ1，Ｌ2及びＬ3で示さ
れた３個のコイル９に加えられる信号に相当している。

【００２５】モータが10,000rpmにおいて回転している
場合の、点(4)における実際の電圧及び電流は、図９に
示した通りである。上側の曲線は、点(4)における電圧
を示しており、これは7.5Ｖのピーク・ツー・ピーク電
圧を有していると共に、オシロスコープのチャンネル１
上において測定されている。図９の下側の曲線は、チャ
ンネル４によって測定された電流であり、その各目盛は
10mA／divとなつている。モータが10,000rpmで運転され
ている場合には、図７においてＶccから引き出されてい
る電流は、24Ｖにおいてほぼ一定の63mAとなっている。

【００２６】本発明における重要な特徴は、環状マグネ
ット６の下方における磁界が開放された状態にあるとい
うことである。このような開放磁界は、比較的弱い磁界
であり、これによってモータは高速で回転することがで
きると共に、駆動コイルの下方に磁界を閉じるバックヨ
ークを設けていないことによって、ヒステリシス損又は
鉄損が軽減され、又は削除されることになる。このよう
な開放された磁界は、マグネット６の下面から予め定め
られた距離内に少なくとも磁性材料を保持していないこ
とによって実現される。本発明では、コイル９及びマグ
ネット６の下方に位置している任意の磁性材料(例えば
モータを取り付ける装置のシャーシなど)を、コイルが
存在している磁界の強さが前記任意の磁性材料の存在に
よって全く影響を受けないか若しくは基本的に影響を受
けないような距離に保持しておくことによって、開放磁
界を得るものである。

【００２７】つまり、本発明のモータは、そのベース部
材をレーザプリンタ等の磁性体からなるシャーシに取り
付けても、コイルが存在している磁界には全く影響を及
ぼさないか又は基本的に影響を及ぼさないと共に、モー
タの運転特性も影響を受けることはない。本発明のこの
ような特徴について、次に図10〜図12を用いて説明す
る。

【００２８】環状マグネット６の下方の磁束密度を測定
するための２つの試験を実施した。磁束を測定するため
のプローブは、図10に示したように、マグネット６の磁
極の一つの中央部分140の下方に置かれている。

【００２９】(試験１)図11(a)において、マグネット６
の下面からプローブ150を順次下方へ移動させて、磁束
密度がどのように変化するかを測定した。その結果を図
12の試験１に示している。ベース部材16がＡ1＝2.6mmの
ものの場合、ベース部材16の底部(モータを取り付ける
物の表面に該当)に相当する距離、即ち、表１から、Ａ1
＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ＝7.2mmの位置においては、磁束密度
は0.004Tであった。また、ベース部材16がＡ2＝4.1mmの
ものの場合、Ａ2＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＋Ｅ＝8.7mmの位置におい
ては、磁束密度は0.002Tであった。マグネット６の下面
における磁束密度0.040Tに対して、それぞれ１／10及び
１／20となっている。

【００３０】(試験２)図11(b)において、プローブ150を
マグネット６の下面に接して固定しておく。さらに閉磁
路を形成するような厚さ１mmの鉄板160をマグネット６
の下面から順次下方へ移動させ、プローブ150により磁
束密度を測定した。測定結果は図12の試験２に示してい
る。即ち、マグネット６の下面から７mm以上離れたとこ
ろに鉄板があってもマグネット６の下面の磁束密度は変
化しないか、又は基本的に一定となっている。

【００３１】以上の２つの試験から言えることは、たと
えベース部材16が、鉄等の磁性材料の板に取り付けられ
ているような場合でも、駆動コイル９が置かれているマ
グネットの下方における磁束密度は変化せず、従って、
モータ特性に影響を及ぼすことはないことを意味してい
る。

【００３２】以上説明したように、本実施例では、従来
例と比較して、バックヨークを設けておらず、またベー
ス部材16として、非導電材で、かつ非磁性材を用いた点
に特徴を有する。このような構成にすることにより、環
状マグネット６から出た界磁束の磁路は、図２に示した
ように、開磁路を形成する。

【００３３】開磁路を形成することより、駆動コイル９
に作用する有効な界磁磁界は弱くなり、トルク定数Ｋt
が低くなる。これによって、面対向型直流ブラシレスモ
ータへの印加電圧が低くても、高い回転数が得られるこ
とになる。

【００３４】さらに、ベース部材16が非導電材であるこ
とから、うず電流損とヒステリシス損が発生せず、実質
的に鉄損が０になる。即ち、モータの効率が上がること
になる。

【００３５】本発明によるバックヨークなしと、亜鉛処
理鋼板(SECC)のバックヨークを設けた従来構成との特性
を比較すると、

【００３６】

【表３】

【００３７】上記表３より、バックヨークをなくするこ
とによってＫtが25％低下し、ηは15％向上する。さら
に、低い電圧でも高い回転数が得られる。

【００３８】以上、実施例について説明したが、本発明
は、上記実施例で示された構成に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、改
変を施し得ることは言うまでもない。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来使用していたバックヨークを無くし、かつベース部
材として、非導電材で、非磁性材を用いて開磁路とする
ことにより、トルク定数Ｋtが低くなり、従って、Ｋt・
ωが小さくなって、常用するＤＣ24Ｖで高速回転が可能
になり、ポリゴンスキャナモータとして十分な性能を具
備することになる。また、うず電流損とヒステリシス損
が発生せず、実質的に鉄損が０になり、モータの効率が
向上する。さらに、コスト、工数を低減することがで
き、また、バックヨークの厚さ分だけ、つまり0.5〜1.0
mm、モータの厚さを薄くすることができるなど多大の効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の断面図である。

【図２】本発明の一実施例の開磁路を示す図である。

【図３】従来例の断面図である。

【図４】従来例の閉磁路を示す図である。

【図５】本発明の一実施例の回転軸に沿って配置された
ロータヨーク、環状マグネット、ステータ基板、駆動コ
イル及びベース部材の分解斜視図である。

【図６】本発明の一実施例のマグネットの位置を測定す
るホール素子の配置例を示す図である。

【図７】本発明の一実施例のモータ駆動回路の概略を示
す図である。

【図８】図７の駆動回路の各部信号のタイムチャートで
ある。

【図９】図７の駆動回路の一測定点における電圧及び電
流を示す図である。

【図１０】本発明の一実施例における試験でプローブの
位置を示す図である。

【図１１】本発明の一実施例における試験１(a)及び試
験２(b)の説明図である。

【図１２】図１１の試験１，２の結果を示す図である。

【符号の説明】

１ … 回転軸、３ … 軸受、４ … フランジ、５ …
ロータヨーク、６ …環状マグネット、７ … ステー
タ基板、９ … 駆動コイル、 11 … ポリゴンミラー、
15 … 軸受ハウジング、 16 … ベース部材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸受により回転自在に支持された回転
軸、該回転軸に取り付けられたロータヨーク、該ロータ
ヨークに固着された環状マグネットからなるロータと、
前記環状マグネットに対向するように配置された駆動コ
イル、該駆動コイルを保持するステータ基板からなるス
テータと、前記軸受を保持するベース部材とを備え、前
記環状マグネットから出る界磁束の磁路を開磁路に形成
したことを特徴とする面対向型直流ブラシレスモータ。
【請求項２】ベース部材は、非導電材で、かつ非磁性
材からなることを特徴とする請求項１記載の面対向型直
流ブラシレスモータ。
【請求項３】環状マグネットは、周方向に等しい中心
角で、複数のＮ極とＳ極が交互に配置されており、駆動
コイルは、環状マグネットに空隙を介して対面するステ
ータ基板の、環状マグネット側とは反対側の面に固着さ
れていることとを特徴とする請求項１又は請求項２記載
の面対向型直流ブラシレスモータ。
【請求項４】環状マグネットは、８個の極を有し、駆
動コイルは、周方向に等しい中心角で３個配置されてい
ることを特徴とする請求項３記載の面対向型直流ブラシ
レスモータ。
【請求項５】環状マグネットの各極は45度の角度幅を
有し、駆動コイルも同様に角度幅45度の略台形を有する
ことを特徴とする請求項４記載の面対向型直流ブラシレ
スモータ。
【請求項６】モータの設置に際し、ベース部材が取り
付けられる物の材質が磁性材料であるなしに関わらず、
駆動コイルが存在する磁界の強さは基本的に同一状態と
なることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の面対
向型直流ブラシレスモータ。
【請求項７】回転軸にポリゴンミラーが取り付けられ
ていることを特徴とする請求項１記載の面対向型直流ブ
ラシレスモータ。