(57)【要約】【課題】電動式のモータにおいて界磁用磁石の位置の検出精度を向上する。【解決手段】モータ１では、ロータヨーク２２、界磁用磁石２３等を主要部としてロータ部２ａが構成され、電機子３、回路基板５２等を主要部としてハウジング１１内に固定されたステータ部３ａが構成され、シャフト２１およびボール軸受１３１，１３２が、ロータ部２ａをステータ部３ａに対して中心軸Ｊ１を中心に相対的に回転可能に支持する軸受機構の役割を果たす。モータ１では、円環状のセンサ用磁石２５がシャフト２１に取り付けられ、センサ用磁石２５の位置を検出するセンサである３つのホールセンサ５３が回路基板５２に実装される。センサ用磁石２５としてラジアル異方性を有するネオジウム−鉄−ボロン系希土類磁石が用いられることにより、ホールセンサ５３によるセンサ用磁石２５を介しての界磁用磁石２３の位置の検出精度を向上することができる。【選択図】図１
2006174526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動式のモータであって、
電機子を有するステータ部と、
前記電機子との間で所定の中心軸を中心とするトルクを発生する界磁用磁石を有するロータ部と、
前記中心軸を中心に前記ロータ部を前記ステータ部に対して回転可能に支持する軸受機構と、
を備え、
前記ロータ部が、略円環状の希土類異方性磁石であって、前記中心軸を中心として前記界磁用磁石に対応付けられて多極着磁されたセンサ用磁石を備え、
前記ステータ部が、前記センサ用磁石と対向して配置され、前記センサ用磁石の位置を検出するセンサを備えることを特徴とするモータ。
【請求項２】
請求項１に記載のモータであって、
前記センサ用磁石が、ラジアル異方性を有することを特徴とするモータ。
【請求項３】
請求項２に記載のモータであって、
前記センサが、前記センサ用磁石の外周面と対向して配置されることを特徴とするモータ。
【請求項４】
請求項３に記載のモータであって、
前記センサ用磁石の径が、前記界磁用磁石の径に等しいことを特徴とするモータ。
【請求項５】
請求項１に記載のモータであって、
前記センサが、前記センサ用磁石の前記中心軸に垂直な一方の主面と対向して配置されることを特徴とするモータ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のモータであって、
前記センサ用磁石が、熱間押出により異方性が付与されつつ成形された磁石材料を着磁したものであることを特徴とするモータ。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれかに記載のモータであって、
前記センサ用磁石が、磁界中にて成形されることにより異方性が付与された後に焼結された磁石材料を着磁したものであることを特徴とするモータ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載のモータであって、
前記センサ用磁石が、ネオジウムを含有することを特徴とするモータ。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載のモータであって、
前記センサがホールセンサであることを特徴とするモータ。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載のモータであって、
車両の運転操作を補助するシステムに利用されることを特徴とするモータ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のモータであって、
自動車のパワーステアリングにおいて操舵を直接補助することを特徴とするモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動式のモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電動式のモータでは、ホールセンサ等のセンサにより、回転トルクを発生させるための界磁用磁石とは別に設けられたセンサ用磁石による磁界の変化を検出することにより、界磁用磁石の磁極の位置を間接的に検出し、センサからの出力に基づいて駆動電流の切替を行うことによりロータを回転させる。
【０００３】
例えば、特許文献１では、ブラシレスＤＣモータにおいて、薄板状の複数の磁石が周方向に等間隔に設けられた磁石保持リングを、回転子の一方の端面に固定してセンサ用磁石として利用する技術が開示されている。特許文献１のモータでは、ネオジウム−鉄−ボロン系の粉末状磁石を混入したアクリル系樹脂からなる磁石（いわゆる、ネオジボンド磁石）が、回転軸の長手方向に着磁されてセンサ用磁石として利用され、ホールセンサはセンサ用磁石の回転子とは反対側に配置される。ネオジボンド磁石は、フェライト磁石等に比べて表面磁束密度が高いため、界磁用磁石の位置を精度良く検出することができる。
【０００４】
また、特許文献２では、金型成形された略円筒状のネオジ鉄系プラスチックマグネット（ネオジボンド磁石）である第二永久磁石（センサ用磁石）を回転子の一方の端部に取り付け、ホールセンサを第二永久磁石の回転子とは反対側に設け、ホールセンサを含む制御回路部と回転子等を含むモータ部とを隔壁により隔離することにより、制御回路部への熱害や異物の進入を防止する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−１５６９６３号公報
【特許文献２】特開２００２−２５２９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このようなネオジボンド磁石は等方性磁石であるため、着磁時に磁力線が磁石内を通るため、Ｎ極とＳ極との界面近傍まで強く磁化することが困難である。このため、界磁用磁石の位置の検出の高精度化に限界があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、界磁用磁石の位置の検出精度を向上することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、電動式のモータであって、電機子を有するステータ部と、前記電機子との間で所定の中心軸を中心とするトルクを発生する界磁用磁石を有するロータ部と、前記中心軸を中心に前記ロータ部を前記ステータ部に対して回転可能に支持する軸受機構とを備え、前記ロータ部が、略円環状の希土類異方性磁石であって、前記中心軸を中心として前記界磁用磁石に対応付けられて多極着磁されたセンサ用磁石を備え、前記ステータ部が、前記センサ用磁石と対向して配置され、前記センサ用磁石の位置を検出するセンサを備える。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモータであって、前記センサ用磁石が、ラジアル異方性を有する。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のモータであって、前記センサが、前記センサ用磁石の外周面と対向して配置される。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のモータであって、前記センサ用磁石の径が、前記界磁用磁石の径に等しい。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載のモータであって、前記センサが、前記センサ用磁石の前記中心軸に垂直な一方の主面と対向して配置される。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載のモータであって、前記センサ用磁石が、熱間押出により異方性が付与されつつ成形された磁石材料を着磁したものである。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載のモータであって、前記センサ用磁石が、磁界中にて成形されることにより異方性が付与された後に焼結された磁石材料を着磁したものである。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載のモータであって、前記センサ用磁石が、ネオジウムを含有する。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載のモータであって、前記センサがホールセンサである。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし９のいずれかに記載のモータであって、車両の運転操作を補助するシステムに利用される。
【００１７】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載のモータであって、自動車のパワーステアリングにおいて操舵を直接補助する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、界磁用磁石の位置の検出精度を向上することができる。請求項２の発明では、界磁用磁石の位置の検出精度をより向上することができる。請求項３の発明では、界磁用磁石の位置の検出精度の更なる向上が実現できる。
【００１９】
請求項４の発明では、センサ用磁石および界磁用磁石の着磁位置を精度良く一致させることができる。請求項５の発明では、センサの取り付けを簡素化することができる。
【００２０】
請求項６の発明では、磁石材料に容易に異方性を付与することができる。請求項７の発明では、磁界の特性を変更することにより、磁石材料に付与する異方性の特性を容易に変更することができる。請求項９の発明では、モータの製造コストを削減することができる。
【００２１】
請求項１０および１１の発明では、車両の運転操作を円滑に補助することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る電動式のモータ１の縦断面図である。モータ１はいわゆる３相のブラシレスモータとなっており、例えば、自動車のパワーステアリングにおいて操舵を直接補助する駆動源として利用される。なお、断面の細部における平行斜線の図示を省略している。モータ１は図１中において上側が開口する円筒状のハウジング１１と、ハウジング１１の開口を塞ぐとともに中央に開口が形成されたカバー部１２とに覆われ、カバー部１２の開口およびハウジング１１の底面にはそれぞれボール軸受１３１，１３２が取り付けられ、ボール軸受１３１，１３２により、シャフト２１が回転可能に支持される。
【００２３】
シャフト２１にはハウジング１１内において磁性材からなる円柱状のロータヨーク２２が取り付けられ、ロータヨーク２２の外周面には多極着磁された円筒状の界磁用磁石２３が固定される。一方、ハウジング１１の内周面には電機子３が界磁用磁石２３に対向して取り付けられる。電機子３は、電機子３の中心軸Ｊ１がシャフト２１の中心軸と合致するように配置される。電機子３は、磁性材のコアの環状部の内周面から先端を中心軸Ｊ１に向けて中心軸Ｊ１を中心に放射状に配置される（すなわち、ハウジング１１の内周面からシャフト２１および界磁用磁石２３に向かって伸びる）複数のティース３１、複数のティース３１を覆うインシュレータ３２、および、複数のティース３１にインシュレータ３２上から多層に導線を巻回することにより設けられたコイル３５を備える。コイル３５は、ティース３１およびインシュレータ３２の外周に上下方向（中心軸Ｊ１方向）に向かって導線が巻かれて形成されている。
【００２４】
中心軸Ｊ１の伸びる方向に関して電機子３のカバー部１２側には、電機子３のコイル３５へ駆動用の電流を供給するための複数の金属板からなる配線部材を樹脂によりモールドしたブスバー５１が取り付けられ、ブスバー５１には、外部へと伸びる配線５１５と共に各コイル３５の導線が接続される。ブスバー５１のカバー部１２側にはホールセンサ５３等が実装される回路基板５２が取り付けられる。
【００２５】
モータ１では、ロータヨーク２２、界磁用磁石２３等を主要部としてロータ部２ａが構成され、電機子３、ブスバー５１、回路基板５２等を主要部としてハウジング１１内に固定されたステータ部３ａが構成され、ボール軸受１３１，１３２が、ロータ部２ａをステータ部３ａに対して中心軸Ｊ１を中心に相対的に回転可能に支持する軸受機構の役割を果たす。そして、ブスバー５１を介して電機子３に駆動電流が供給されることにより、電機子３と界磁用磁石２３との間で中心軸Ｊ１を中心とするトルクが発生し、ロータ部２ａが回転する。
【００２６】
シャフト２１において界磁用磁石２３のカバー部１２側には、界磁用磁石２３の径と等しい径を有する円環状のセンサ用磁石２５が、磁性材からなるフランジ２５ａを介して取り付けられてロータ部２ａの一部を構成する。ロータ部２ａでは、フランジ２５ａがセンサ用磁石２５の下側（すなわち、界磁用磁石２３および電機子３に面する側）を覆うため、センサ用磁石２５と界磁用磁石２３および電機子３との間の磁界の干渉を防止することができる。一方、回路基板５２のブスバー５１側には、種々の電子部品が実装されるとともに、センサ用磁石２５の位置を検出するセンサである３つのホールセンサ５３が下方に向かって突出するように実装されており、ホールセンサ５３はセンサホルダ５４に保持される。なお、センサ用磁石２５の位置とは、センサ用磁石２５の磁極のホールセンサ５３に対する相対的な位置を意味する（界磁用磁石２３の位置についても同様）。
【００２７】
センサ用磁石２５は多極着磁されており、複数の磁極の着磁位置および幅（すなわち、中心軸Ｊ１を中心としての角度）は、界磁用磁石２３の複数の磁極の着磁位置および幅と一致する。ホールセンサ５３は、センサ用磁石２５の外周面（すなわち、中心軸Ｊ１とは反対側の側面）と対向して配置され、センサ用磁石２５の位置がホールセンサ５３により検出されることにより、界磁用磁石２３の位置が間接的に検出される。そして、検出結果に基づいて電機子３への駆動電流が制御される。なお、センサ用磁石２５および界磁用磁石２３のそれぞれの磁極の着磁位置および幅は必ずしも一致していなくてもよく、両磁石の磁極の着磁位置と幅との関係が明確にされていればよい。換言すれば、センサ用磁石２５は、中心軸Ｊ１を中心として界磁用磁石２３に対応付けられて多極着磁されていればよい。
【００２８】
センサ用磁石２５および界磁用磁石２３としては、同一材料にて製造された希土類磁石、好ましくは、ネオジウム（Ｎｄ）を含有するネオジウム−鉄（Ｆｅ）−ボロン（Ｂ）系希土類磁石が利用され、両磁石はラジアル異方性（すなわち、中心軸Ｊ１を中心とする放射状の磁場配向）を有する。
【００２９】
センサ用磁石２５および界磁用磁石２３の製造方法について説明すると、まず、ネオジウム、鉄およびボロンを主成分とする磁石材料が準備され、常温にてプレスされた後に高温下にて再度プレスすることにより押し固められる。続いて、円筒の金型内の磁石材料に対して金型の内径より径が小さい円柱状の部材を押し込む熱間後方押出により、磁石材料がラジアル異方性を付与されつつ円筒状に成形され、加工されてセンサ用磁石２５および界磁用磁石２３となる部材（すなわち、両磁石の元になる部材であり、以下、「元部材」という。）が得られる。円筒状の元部材の内周面は高精度に成形されているため、押出成形後の加工が不要となる。
【００３０】
次に、円筒状の元部材が中心軸に垂直に所定の長さに切断されてセンサ用磁石２５となる部材（以下、「第１元部材」という。）、および、界磁用磁石２３となる部材（以下、「第２元部材」という。）が製造され、必要に応じて機械加工および表面処理が行われる。その後、第１元部材および第２元部材がそれぞれ、フランジおよびロータヨーク２２を介してシャフト２１に取り付けられ、単一の着磁ヨークにより同時に多極着磁されることにより、複数の磁極の着磁位置および幅が一致するセンサ用磁石２５および界磁用磁石２３が製造される。また、単一の元部材からセンサ用磁石２５および界磁用磁石２３が製造されることにより両磁石の径が等しくなるが、両磁石のそれぞれの元部材を同時に容易に着磁することができる。その結果、センサ用磁石２５および界磁用磁石２３の各磁極の着磁位置および幅を精度良く一致させることができる。
【００３１】
図２は、モータ１のコイル３５を流れる駆動電流を示す図であり、線６１〜６３は３相のコイル３５にそれぞれ流れる駆動電流を示す。モータ１では、回転するセンサ用磁石２５の位置がホールセンサ５３により検出され、センサ用磁石２５のＮ極とＳ極との界面がホールセンサ５３の前を通過する際に、図２に示すように、各相に流れる駆動電流が切り替えられ、いわゆる矩形波駆動が行われる。
【００３２】
図３は、センサ用磁石２５の外周面における位置と表面磁束密度との関係を示す図である。外周面における位置は、円環状のセンサ用磁石２５において、所定の基準位置からの中心軸Ｊ１を中心とする角度により表され、図３では、隣接する１つのＮ極（図中の横軸の上側の部分）および１つのＳ極（図中の横軸の下側の部分）における表面磁束密度が示されている。図３中における実線７１は、センサ用磁石２５の表面磁束密度を示し、破線７２は、等方性の磁石材料をセンサ用磁石２５と同様に多極着磁した場合の表面磁束密度を比較のために示している。また、２本の一点鎖線７３はホールセンサ５３の検出限界を示し、２本の一点鎖線７３に挟まれる範囲がホールセンサ５３の不感帯を示す。二点鎖線７４は、Ｎ極とＳ極との界面に対応する。
【００３３】
図３に示すように、ホールセンサ５３は不感帯を有するため、等方性磁石がセンサ用磁石として用いられた場合、Ｎ極からＳ極への変化（すなわち、ホールセンサ５３の位置における界面の通過）の検出は、図３中の点７２１（線７２と線７４との交点であり、実際の界面の位置に相当する。）ではなく、点７２２（線７２と下側の線７３との交点）において行われる。これに対し、ラジアル異方性のセンサ用磁石２５では、１つの磁極において界面近傍まで強く磁化されて表面磁束密度分布が台形波状となっており、界面近傍における表面磁束密度の変化の程度が等方性磁石に比べて大きくなるため、界面の検出が点７２３（線７１と下側の線７３との交点）において行われ、実際の界面の通過と界面検出とのずれ（以下、単に「検出ずれ」という。）は、等方性磁石が用いられる場合に比べて小さくなる。
【００３４】
図４は、駆動電流がコイル３５に流れることによりロータ部２ａが回転して発生するトルクを示す図である。図４中の実線８１は、ラジアル異方性のセンサ用磁石２５を有するモータ１のトルクを示し、破線８２は、等方性磁石がセンサ用磁石として用いられたと仮定した場合のトルクを示す。モータ１では、上述のように界面の検出が実際の界面の位置とずれるため、矩形波である駆動電流の切替のタイミングが僅かに遅れ、図４に示すように、駆動電流の切替時にトルクが減少する現象（いわゆる、トルクリップル）が発生するが、等方性磁石がセンサ用磁石として用いられた場合に比べて検出ずれが小さいため、トルクの減少が抑制される。
【００３５】
以上説明したように、モータ１では、センサ用磁石２５としてラジアル異方性を有する希土類磁石が用いられることにより、隣接する磁極の界面近傍においてホールセンサ５３の不感帯に入るセンサ用磁石２５の幅が等方性磁石に比べて小さくなり、ホールセンサ５３によるセンサ用磁石２５を介しての界磁用磁石２３の位置の検出精度を向上することができる。その結果、電機子３の駆動電流の制御を精度良く行い、駆動電流の切替時におけるトルクの変動を抑制し、モータ１の駆動効率を向上することができる。そして、このモータ１がパワーステアリングの駆動源として利用されることにより、操舵時のフィーリングが良好となり、ステアリングの操作を円滑に補助することができる。
【００３６】
モータ１では、ホールセンサ５３が、センサ用磁石２５の異方性の方向に配置されてセンサ用磁石２５の表面磁束密度が大きい面に対向するため、センサ用磁石２５の位置を精度良く検出することができる。また、モータ１では、ラジアル方向（すなわち、軸方向に垂直な方向）がアキシャル方向（すなわち、軸方向）に比べて高精度に設計されているため、ホールセンサ５３がセンサ用磁石２５の外周面と対向して配置されることにより、界磁用磁石２３の位置の検出精度の更なる向上が実現できる。このように、モータ１では、安価なホールセンサ５３をセンサとして使用しつつ界磁用磁石２３の位置を精度良く検出することができるため、モータ１の製造コストを削減することができる。
【００３７】
図５は、本発明の第２の実施の形態に係るモータ１ａの縦断面図である。モータ１ａでは、ホールセンサ５３が回路基板５２に面実装され、センサ用磁石２５の中心軸Ｊ１に垂直な上側の主面と対向して配置される（すなわち、アキシャル方向に配置される）ことを除いて、他の構成は図１と実質的に同様であり、以下、同符号を付す。
【００３８】
モータ１ａでは、センサ用磁石２５は、中心軸Ｊ１に平行な磁場配向（いわゆる、アキシャル異方性）を有する。また、センサ用磁石２５は、第１の実施の形態と同様の方法により製造されたネオジウム−鉄−ボロン系希土類磁石であり、中心軸Ｊ１を中心として界磁用磁石２３に対応付けられて多極着磁されている。
【００３９】
モータ１ａでは、ホールセンサ５３を回路基板５２に面実装することができ、回路基板５２に対するホールセンサ５３の取り付けを簡素化することができる。また、ホールセンサ５３が、センサ用磁石２５の異方性の方向に配置されてセンサ用磁石２５の表面磁束密度が大きい面に対向するため、センサ用磁石２５の位置を精度良く検出することができる。
【００４０】
モータ１ａでは、センサ用磁石２５としてアキシャル異方性を有する希土類磁石が用いられることにより、第１の実施の形態と同様に、隣接する磁極の界面近傍における表面磁束密度の変化の程度が等方性磁石に比べて大きくなるため、界面近傍においてホールセンサ５３の不感帯に入るセンサ用磁石２５の幅が等方性磁石に比べて小さくなり、ホールセンサ５３によるセンサ用磁石２５を介しての界磁用磁石２３の位置の検出精度を向上することができる。その結果、電機子３の駆動電流の制御を精度良く行い、駆動電流の切替時におけるトルクの変動を抑制し、モータ１ａの駆動効率を向上することができる。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【００４２】
上記実施の形態に係るモータでは、機械的強度が高く破損しにくい点、機械加工が容易である点、また、比較的安価である点等を考慮すると、センサ用磁石２５としてネオジウム−鉄−ボロン系の希土類異方性磁石が用いられることが好ましいが、これ以外の希土類異方性磁石、例えば、サマリウム（Ｓｍ）−コバルト（Ｃｏ）系の希土類異方性磁石が用いられてもよい。
【００４３】
また、磁界を強くして、すなわち、磁束密度を向上して位置検出の精度を向上させるという観点からは、磁石材料を樹脂等により固めたいわゆるボンド磁石に比べて、磁石材料の含有割合が高くなる上述の方法により製造された磁石がセンサ用磁石２５として利用されることがより好ましい。また、ボンド磁石であっても、希土類異方性磁石であれば適用することができる。なお、希土類異方性磁石の製法は限定されない。
【００４４】
モータの製造コスト削減の観点からは、センサ用磁石２５の位置を検出するセンサとして、安価なホールセンサが利用されることが好ましいが、必要に応じて、高価ではあるが高解像度を有するレゾルバ等、ホールセンサ以外の他のセンサが利用されてもよい。
【００４５】
上記実施の形態に係るモータはインナーロータ型であるが、アウターロータ型であってもよく、また、自動車の電動パワーステアリング以外に、電動ブレーキシステムや電磁サスペンション、トランスミッションシステムに利用されてもよい。また、モータは、自動車以外の車両の運転操作を直接補助する様々なシステムに利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１の実施の形態に係るモータの縦断面図である。
【図２】モータの駆動電流を示す図である。
【図３】センサ用磁石の外周面における位置と表面磁束密度との関係を示す図である。
【図４】モータのトルクを示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係るモータの縦断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１，１ａ  モータ
２ａ  ロータ部
３ａ  ステータ部
３  電機子
２１  シャフト
２３  界磁用磁石
２５  センサ用磁石
５３  ホールセンサ
１３１，１３２  ボール軸受
Ｊ１  中心軸
【図１】
2006174526.tif 000003
【図２】
2006174526.tif 000004
【図３】
2006174526.tif 000005
【図４】
2006174526.tif 000006
【図５】
2006174526.tif 000007