(57)【要約】【課題】ロータに永久磁石を備えた有効性を損なうことなく、部品点数が少なく小型化も可能な直流モータを構成する。【解決手段】ロータＡの回転に連係して複数のコイル５に供給する電力を制御する整流部Ｃとして、シャフト１の軸芯Ｘに直交する姿勢のコンミテータ１２と、これに平行する姿勢の２つのスリップリング１３、１４とを備え、これらの間に挟み込まれ、ホルダ１７によってシャフト１と一体的に回転するブラシ１５、１６を備えた。２つのスリップリング１３、１４は、バネ付勢されたシフトリング２５、２６に支持され、このバネ付勢力によりブラシ１５、１６はコンミテータ１２とスリップリング１３、１４とに挟み込まれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトに永久磁石を備えたロータと、前記永久磁石の回転軌跡の外側に複数のコイルを配置したステータと、ロータの回転に連係して前記複数のコイルに供給する電力を制御する整流部とを備えると共に、
前記整流部が、前記シャフトの軸芯を中心とした円周上に複数のセグメントを配置したコンミテータと、このコンミテータから前記軸芯の方向に離間した位置において前記軸芯を中心とする環状で電力供給用の２つのスリップリングとを備え、前記コンミテータと前記スリップリングとの間に前記シャフトとともに回転するブラシを備えている直流モータ。
【請求項２】
前記コンミテータの複数のセグメントが前記軸芯と直交する平面上に配置され、２つの前記スリップリングが前記複数のセグメントと向かい合う位置に配置され、この複数のセグメントと前記スリップリングとに挟まれる位置に前記ブラシが配置されている請求項１記載の直流モータ。
【請求項３】
前記スリップリングが、前記軸芯に沿う方向に移動自在に支持されると共に、このスリップリングを前記ブラシの方向に押し出す付勢機構を備えている請求項１又は２記載の直流モータ。
【請求項４】
前記シャフトと一体的に回転するホルダを備えると共に、このホルダに対して前記ブラシが前記軸芯に沿う方向に移動自在に支持されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の直流モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流モータに関し、詳しくは、シャフトに永久磁石を備えたロータと、この永久磁石の回転軌跡の外側にコイルを備えたステータとを有し、ロータの回転に連係してコイルに供給する電力を制御する整流部を備えた構成の直流モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のように構成された直流モータとして特許文献１と特許文献２に記載されるものが存在する。特許文献１の直流モータでは、永久磁石２２が固設されたロータ１４の周囲に複数のコイル１６が配置されている。更に、ロータ１４の出力軸３８が貫通する構造となる支持筒部２８の外周に整流子２０として複数の整流子片３０を備え、この整流子片３０の一部に外嵌する固定スリーブ３６に２つの給電用リング３２、３４が形成されている。
【０００３】
永久磁石２２に固着されたブラシ固定部材４６には、上部突出片５２ａとブラシとして下側突出片５４ａ、及び、下側突出片５２ｂとブラシとして下側突出片５４ｂとが形成されている。上部突出片５２ａ及び下側突出片５２ｂを対応する給電リング３２、３４に接触させ、下側突出片５４ａを整流子片３０に接触させている。
【０００４】
これにより、給電リング３２、３４からの電流を上部突出片５２ａ及び下側突出片５２ｂから下側突出片５４ｂに供給し、整流子片３０に供給するコイル１６に磁力を発生させる。そして、回転に伴いコイル１６への電流の供給方向と、供給されるコイル１６が切り換わることになり、コイル１６の磁力の吸引と反発を利用してロータ１６を回転させている。
【０００５】
また、特許文献２の直流モータでは、ステータ１２に対して回転自在にロータ１３が支持されている。ロータ１３にはシャフト３６と、マグネット３８と、ブラシホルダ３９とを備えている。ステータ１２は、ステータ本体１４と、コネクタ本体１５とで構成され、ステータ本体１４にはロータ１３の外周となる位置にコイル２２が巻回されたコア２１を配置している。コネクタ本体１５の内周面には２本のスリップリング３１、３２を備えると共に、複数のコミュテータセグメント２３ａを有するコミュテータ２３（コンミテータ）を備えている。
【０００６】
ブラシホルダ３９の複数のブラシ収容孔のうち、コミュテータセグメント２３ａに対応するものにはブラシ４３、４７を収容し、他のブラシ収容孔のうちスリップリング３１、３２に対向するものにはブラシ４４、４８を収容している。また、ブラシ４３とブラシ４４とを接続線４５によって接続し、ブラシ４７とブラシ４８とを接続線４９によって接続している。
【０００７】
夫々のブラシはスリップリング３１、３２、コミュテータ２３のうち対応するものに対してコイルバネによって付勢されている。これにより、スリップリング３１、３２からの電流をブラシ４３、４４から接続線を介してブラシ４３，４８からコミュテータ２３に供給することで、コイル２２に電流が供給される。そして、ロータ１３とともにブラシホルダ３９が回転することにより、コイル２２への電流の供給方向と、電流が供給されるコイル１６が切り換わり、コイル２２の磁力の吸引と反発を利用してロータ１３を回転させている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３‐１１１３７２号公報  （段落番号〔００２２〜００３１〕、図１〜図４）
【特許文献２】特開２００５‐１１７８２２号公報  （段落番号〔００１６〜００３６〕、図１〜図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１と特許文献２とに記載された直流モータでは、コイルに電流を供給するためのコンミテータの構造の部品点数が多く、しかも、これらの部品がロータの軸芯の方向に配置されるため、軸芯方向の寸法が大きくなり易い。
【００１０】
つまり、特許文献１と特許文献２との何れも、回転時には４つの部位で接触することで電気的な導通状態を維持するブラシ類を４つ備える必要があり、この４つのブラシ類の一対を電気的に導通させるための構造や接続線を必要とするものである。特に特許文献２では４つのブラシを付勢するために独立したコイルバネを必要とすることから、部品点数が多く、組み立てにも手間が掛かるものであった。
【００１１】
また、特許文献１と特許文献２との何れも、ロータの軸芯に沿う方向（ロータの軸芯に平行する方向）にブラシ類を配置し、これに対応するリング状の導体を配置しているため軸芯方向での寸法の大型化に繋がっていたのである。
【００１２】
このようにロータに永久磁石を備え、その周囲にコアとコイルとを配置した構造の直流モータは、ブラシレス直流モータに比較して制御回路を必要としないため安価である。また、このようにロータに永久磁石を備え、その周囲にコアとコイルとを配置した構造の直流モータは、ロータにコアとコイルとを備えたものと比較してロータが軽量化する。従って、始動性が良好である特徴を有しており、このような特徴を生かすためにも前述した課題の解消が望まれている。
【００１３】
本発明の目的は、ロータに永久磁石を備えた有効性を損なうことなく、部品点数が少なく小型化も可能な直流モータを合理的に構成する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の特徴は、シャフトに永久磁石を備えたロータと、前記永久磁石の回転軌跡の外側に複数のコイルを配置したステータと、ロータの回転に連係して前記複数のコイルに供給する電力を制御する整流部とを備えると共に、
前記整流部が、前記シャフトの軸芯を中心とした円周上に複数のセグメントを配置したコンミテータと、このコンミテータから前記軸芯の方向に離間した位置において前記軸芯を中心とする環状で電力供給用の２つのスリップリングとを備え、前記コンミテータと前記スリップリングとの間に前記シャフトとともに回転するブラシを備えている点にある。
【００１５】
特許文献で示した直流モータは最低限４つのブラシを必要とするものであるが、この構成では、コンミテータとスリップリングとの間にブラシを配置することにより、最低限２つのブラシを備えるだけで直流モータとして機能させることが可能となる。また、コンミテータとスリップリングとがロータの軸芯の方向に離間した位置に配置されるので、夫々の間隔がブラシを備え得る寸法で済むことになり、整流部の寸法の縮小が可能となる。従って、ロータに永久磁石を備えた有効性を損なうことなく、部品点数が少なく小型化も可能な直流モータが合理的に構成された。
【００１６】
本発明は、前記コンミテータの複数のセグメントが前記軸芯と直交する平面上に配置され、２つの前記スリップリングが前記複数のセグメントと向かい合う位置に配置され、この複数のセグメントと前記スリップリングとに挟まれる位置に前記ブラシが配置されても良い。この構成によると、セグメントとスリップリングとの間隔がブラシの寸法にできるばかりでなく、ブラシを回転する構造も単純なものにできる
【００１７】
本発明は、前記スリップリングが、前記軸芯に沿う方向に移動自在に支持されると共に、このスリップリングを前記ブラシの方向に押し出す付勢機構を備えても良い。この構成によると、ブラシが高速回転する場合でも、ブラシが摩耗した場合でも、付勢機構の付勢力によってブラシをスリップリングとコンミテータとに接触させて電気的な導通状態に維持できる。
【００１８】
本発明は、前記シャフトと一体的に回転するホルダを備えると共に、このホルダに対して前記ブラシが前記軸芯に沿う方向に移動自在に支持されても良い。この構成によると、ブラシの一方の端部の摩耗の程度が、他方の端部の摩耗の程度と等しくない場合でも、ブラシがホルダに対して変位することにより、コンミテータとスリップリングとに対して等しい圧力で接触させて電気的な導電状態に維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
図１〜図４に示すように、シャフト１に対してヨーク２と円筒状の永久磁石３とを有したロータＡを備え、このロータＡの永久磁石３の回転軌跡の外側にコア４にコイル５を巻回した界磁ユニットで成るステータＢを備え、ロータＡの回転に連係して複数のコイル５に供給する電力を制御する整流部Ｃを備えて直流モータが構成されている。
【００２０】
この直流モータは自動車の変速機構の変速作動を行うアクチュエータのように良好な起動特性が要求される部位に用いられる。尚、この直流モータは自動車の変速装置に限らず自動車以外の装置に用いても良い。
【００２１】
シャフト１は、ステータＢとして機能するケース１０に対してボールベアリングで成る軸受６により回転自在に支持されている。このケース１０は一方の端部の開放部に備えた蓋体１１により一方の軸受６を支持しており、ケース１０の内部において界磁ユニットに設けた支持ブロック７により他方の軸受６を支持している。
【００２２】
ヨーク２は、シャフト１の軸芯Ｘと同軸芯の円柱状に成形された珪素鋼材やアモルファス材等の磁性体で成り、シャフト１に固定されている。永久磁石３は、シャフト１の軸芯Ｘと同軸芯の筒状に成形されたフェライト磁石、ネオジム磁石等が用いられると共に、ヨーク２の外周に接着等の技術によって固定され、その外周にはＳ極とＮ極とが周方向に交互に形成されている。
【００２３】
コア４は、珪素鋼板やアモルファス薄板を電気的な絶縁状態で積層した構造を有しており、ケース１０の内面に接触する環状の継鉄部４Ａの内周方向に突出する６つの界磁鉄心部４Ｂを備えている。コイル５は、界磁鉄心部４Ｂに銅線を巻回した構造を有している。
【００２４】
尚、図１、図４では、継鉄部４Ａと、界磁鉄心部４Ｂとを別体で構成したものを示しているが、これらを一体的に形成しても良い。また、ケース１０に磁性体で製作することで、このケース１０で継鉄部を構成することも可能である。
【００２５】
〔整流部〕
整流部Ｃは、銅板等の導体で成る６つのセグメント１２Ａを軸芯Ｘに対して直交する仮想平面状において周方向に配置したコンミテータ１２と、このコンミテータ１２と平行する姿勢で同軸芯に配置された銅板等の導体で成る２つのスリップリング１３、１４とを備えると共に、これらコンミテータ１２と２つのスリップリング１３、１４との間に配置され黒鉛等の導体で成る棒状の２つのブラシ１５、１６とを備えている。
【００２６】
尚、スリップリング１３とブラシ１５とがプラス電源側に配置され、スリップリング１４とブラシ１６とがマイナス電源側に配置される。この構成の直流モータでは、スリップリング１４とブラシ１６とに対応して１つの合計２つのブラシ１５を用いることで機能するものであるが、この実施形態では、スリップリング１４とブラシ１６とに対応して２つの合計４つのブラシ１５を用いる構成が採用されている。
【００２７】
ケース１０の内部に備えた支持ブロック７は、筒状部７Ａと、軸芯Ｘと直交する姿勢のディスク部７Ｂとを有した絶縁性の樹脂の成形物である。そして、ディスク部７Ｂには軸芯Ｘを中心とする円周上に６つのセグメント１２Ａを固設することによりコンミテータ１２が構成されている。また、各セグメント１２Ａにはコイル５の一部を引き出した銅線５Ａと電気的に導通するように接続されている。
【００２８】
ケース１０のうち、支持ブロック７が備えられた端部には軸芯Ｘと直交する姿勢の壁部が形成され、この壁部に開口１０Ａが形成されている。この開口１０Ａを覆う位置に絶縁性の樹脂で成る有底筒状のターミナルブロック２０が取り付けられている。
【００２９】
このターミナルブロック２０の筒状部分２０Ａの中心をシャフト１の軸芯Ｘと一致させてあり、このターミナルブロック２０には、直流電力のプラス側に接続するプラス側のターミナル２１と、マイナス側に接続するマイナス側のターミナル２２とを備えている。
【００３０】
このターミナルブロック２０の底壁２０Ｂ（図１では上側）の内面にはターミナル２１、２２に接続する環状の銅箔等の導体で成る一対の環状電極２３、２４が同心円状に配置形成されている。また、ターミナルブロック２０の内部には、軸芯Ｘに沿う方向に移動自在となる小径と大径との２つのシフトリング２５、２６を同芯円状に備え、夫々のシフトリング２５、２６に対して銅板等の導体で成るスリップリング１３、１４を固設している。尚、図２では、シフトリング２５、２６とスリップリング１３、１４とを分離して示している。
【００３１】
シフトリング２５、２６には軸芯Ｘに沿う姿勢の複数の貫通孔が形成され、シフトリング２５、２６の夫々の貫通孔に対して銅合金等の導体で成る圧縮コイル型のバネ２７、２８（付勢機構の一例）が配置されている。
【００３２】
このバネ２７、２８は、対応するシフトリング２５、２６を独立してコンミテータ１２、１３の方向に押し出す付勢力を作用させ、これと同時にバネ２７が環状電極２３とスリップリング１３とを導通させ、バネ２８が環状電極２４とスリップリング１４とを導通させる。
【００３３】
尚、本発明の付勢機構として、複数のバネ２７、２８に代えて、軸芯Ｘを中心とする単一のコイル状のものを用いることも可能である。この場合、バネ２７、２８をシフトリング２５、２６に１つずつ用いることになる。また、付勢機構としてピアノ線に金メッキを施したバネ２７、２８を用いても良く、板バネや、導電性のゴムを用いても良い。
【００３４】
シャフト１の端部に絶縁性の樹脂等で形成された円盤状のホルダ１７を、このシャフト１と一体回転するように備えビス１８で固定している。ホルダ１７には、軸芯Ｘを中心として半径方向でスリップリング１３、１４と重複する位置に軸芯Ｘと平行姿勢となる孔部１７Ａが形成され、この孔部１７Ａにブラシ１５、１６が軸芯Ｘに沿う方向に移動自在に支持されている。
【００３５】
図２に示す如く、軸芯Ｘに沿う方向視において、コンミテータ１２のセグメント１２Ａが扇状の形状であるため、ブラシ１５、１６の断面形状も、扇状の一部の形状を有している。更に、内側（軸芯Ｘに近い位置）に配置されるブラシ１５の断面積より、外側に配置されるブラシ１６の断面積が大きく設定される。
【００３６】
この整流部Ｃでは、図３に示すように軸芯Ｘを挟んで対向する位置にブラシ１５が配置され、これと同様に軸芯Ｘを挟んで対向する位置にブラシ１６が配置され、これによりホルダ１７の回転バランスをとっている。尚、図１ではブラシ１５とブラシ１６とが現れるように切断面を設定した断面を示している。
【００３７】
特に、２つブラシ１５、及び、２つのブラシ１６を軸芯Ｘを挟んで対向する位置に配置する構成は必須ではなく、ホルダ１７の周方向に２つブラシ１５が隣り合う位置に配置し、２つのブラシ１６が隣り合う位置に配置しても良い。このように配置した場合には、ホルダ１７の回転バランスが悪化することも考えられる。このように配置した場合には回転バランスを取るためのバランスウエイトをホルダ１７に設けても良い。
【００３８】
この直流モータでは、２つのブラシ１５、１６を１組として、２組のブラシ１５、１６を備えているため、ターミナル２１、２２に電力が供給された場合には、軸芯Ｘを挟んで対向する位置の少なくとも２つのコイル５に対して同時に電力が供給される。
【００３９】
〔動作形態〕
このような構成から、ターミナル２１、環状電極２３、バネ２７、スリップリング１３、ブラシ１５、このブラシ１５が接触するコンミテータ１２のセグメント１２Ａが導通状態に達する。これと同時に、ターミナル２２、環状電極２４、バネ２８、スリップリング１４、ブラシ１６、このブラシ１６が接触するコンミテータ１２のセグメント１２Ａが導通状態に達する。
【００４０】
このように導通状態に達するため、ターミナル２１をプラスの電源に接続し、ターミナル２２をマイナス電源に接続することにより、対応するコイル５に電流が流れ、コイル５に発生した磁力と永久磁石３の磁力との吸引と反発により、永久磁石３に回転力が作用する。
【００４１】
この回転力の作用によりロータＡが回転を開始すると、シャフト１と一体的にホルダ１７が回転することにより、電流が供給されるコイル５が切り換わり、コイル５によって作り出される磁界も回転することから、この回転に伴い磁力の吸引と反発の関係から回転が継続する。
【００４２】
〔実施形態の効果〕
このように本発明によると、ロータＡに永久磁石３を備え、ステータＢにはコア４にコイル５を巻回した界磁ユニットを備えているため、ロータが軽量化し、始動特性が良好となる。
【００４３】
また、整流部Ｃとして、軸芯Ｘに対して直交する姿勢となる位置関係でコンミテータ１２のセグメント１２Ａと、２つのスリップリング１３、１４とを配置し、これらの間に挟み込まれるブラシ１５、１６を備えているので、ブラシの数の増大を抑制しながら、整流部Ｃの小型化を実現している。
【００４４】
特に、２つのシフトリング２５、２６が独立して軸芯Ｘに沿う方向に移動自在であり、夫々のシフトリング２５、２６にバネ２７、２８から独立して付勢力が作用する。この付勢力により、スリップリング１３と、コンミテータ１２のセグメント１２Ａとにブラシ１５が挟み込まれ、スリップリング１４と、コンミテータ１２のセグメント１２Ａとにブラシ１６が挟み込まれる。
【００４５】
このような構造から、ブラシ１５の両端部は、このブラシ１５の摩耗状況に拘わらずスリップリング１３とセグメント１２Ａとに圧接して導電状態を良好に維持する。これと同様に、ブラシ１６の両端部は、このブラシ１６の摩耗状況に拘わらずスリップリング１４とセグメント１２Ａとに圧接して導電状態を良好に維持し、結果としてロータＡの円滑な回転を現出する。
【００４６】
〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施の形態以外に以下のように構成しても良い（この別実施形態では前記実施形態と同じ機能を有するものには、前記実施形態と共通の番号、符号を付している）。
【００４７】
（ａ）図５（ａ）、（ｂ）に示すように、コンミテータ１２の構造は実施形態と同様であるものの、２つのスリップリング１３、１４を、軸芯Ｘを中心とし、半径が異なる筒状に成形した銅板等の導体で構成する。そして、セグメント１２Ａとスリップリング１３とに対して同時に接触する黒鉛等の導体で成るブラシ１５を備え、セグメント１２Ａとスリップリング１４とに対して同時に接触する黒鉛等の導体で成るブラシ１６を備え、夫々のブラシ１５、１６に付勢力を作用させる付勢機構としてバネ３１、３２を備える。
【００４８】
ホルダ１７に対して半径方向に伸びる４つのガイド凹部１７Ｇが形成され、夫々のガイド凹部１７Ｇに対して２つのブラシ１５と２つのブラシ１６とを係合状態で配置することで、夫々のブラシ１５、１６をホルダ１７と一体的に回転させるように構成している。別実施形態においても、軸芯Ｘを挟んで対向する位置にブラシ１５が配置され、これと同様に軸芯Ｘを挟んで対向する位置にブラシ１６が配置することにより、ホルダ１７の回転バランスをとっている。
【００４９】
このようにセグメント１２Ａと、スリップリング１３、１４とで作り出されるコーナ部に対してブラシ１５、１６を配置し、このコーナ部に対してブラシ１５、１６を押し付けるバネ３１、３２を備えることにより、実施形態のように軸芯Ｘに沿う方向に移動するシフト部材が不要となり、軸芯Ｘ方向での直流モータの小型化が実現する。
【００５０】
この別実施形態（ａ）では、内側のスリップリング、あるいは、外側のスリップリングの一方だけを筒状の部材を用いても良い。
【００５１】
（ｂ）図６（ａ）、（ｂ）に示すように、実施の形態に記載したブラシ１５、１６を、両端部に黒鉛等の導体で成る接触片Ｐ、Ｐを備え、夫々の間に圧縮コイル型のバネＳを備えて構成する。
【００５２】
この別実施形態においても、図６（ｂ）に示すように、軸芯Ｘを挟んで対向する位置の孔部１７Ａにブラシ１５が挿入配置され、これと同様に軸芯Ｘを挟んで対向する位置の孔部１７Ａにブラシ１６挿入が配置され、これによりホルダ１７の回転バランスをとっている。
【００５３】
このように軸芯Ｘの方向に伸長する構造のブラシ１５、１６を備えることにより、スリップリング１３、１４に付勢力を作用させるバネ類を備えずに済み、可動部分を小型化して信頼性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】直流モータの縦断側面図
【図２】整流部の分解斜視図
【図３】ホルダの平面図
【図４】直流モータの横断平面図
【図５】別実施形態（ａ）の整流部の構造を示す縦断側面図及びホルダ構造を示す平面図
【図６】別実施形態（ｂ）の整流部の構造を示す縦断側面図及びホルダ構造を示す平面図
【符号の説明】
【００５５】
１            シャフト
３            永久磁石
５            コイル
１２          コンミテータ
１２Ａ        セグメント
１３、１４    スリップリング
１５、１６    ブラシ
１７          ホルダ
２７、２８    付勢機構（バネ）
Ａ            ロータ
Ｂ            ステータ
Ｃ            整流部
Ｘ            軸芯
【図１】
2010075016.tif 000003
【図２】
2010075016.tif 000004
【図３】
2010075016.tif 000005
【図４】
2010075016.tif 000006
【図５】
2010075016.tif 000007
【図６】
2010075016.tif 000008