(57)【要約】【課題】軸方向の厚さ（高さ）が小でコンパクトであり、しかもコイルに供給する駆動電力に比して大なる回転トルクが得られるエネルギー効率の高いブラシレスモータを実現する。【解決手段】コイル８を、マグネット５の上下面と相対し、平面形状が円弧状をなす巻線部分よりなる平坦部と、マグネットの外周側面と相対する巻線部分よりなる湾曲折返し部を有し、これら巻線部分を構成する導線の一端から他端までが連続する中空状に構成されたもので構成してこのコイルを円周方向に３つ設け、かつ前記マグネットはラジアル方向に４極着磁されたものとしてあり、また、前記マグネットの下方に、マグネットの回転軌道に沿って６０°または１２０°間隔で３つのホール素子１０を配設して、各ホール素子にて検出されるマグネットからの磁束の極性変化の組み合わせに基づいて前記コイルに通電制御がなされるようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に固定されたリング状のコイルヨークの内側に通電用のコイルを備え、同コイルの内面に、リング状のマグネットの外周面が対峙するように配設され、ケーシング内に設けられた制御回路から前記コイルへの通電によりマグネットが回転軸とともに回転駆動させられるブラシレスモータにおいて、前記コイルはマグネットの上下面と相対し、平面形状が円弧状をなす巻線部分よりなる平坦部と、マグネットの外周側面と相対する巻線部分よりなる湾曲折返し部を有し、これら巻線部分を構成する導線の一端から他端までが連続する中空状に構成されたものを円周方向に３つ備え、かつ前記マグネットはラジアル方向に４極着磁されたものとしてあり、また、前記マグネットの下方に、マグネットの回転軌道に沿って６０°または１２０°間隔で３つのホール素子を配設して、各ホール素子にて検出されるマグネットからの磁束の極性変化の組み合わせに基づいて前記コイルに通電制御がなされるように構成してなるブラシレスモータ。
【請求項２】
前記コイルヨークは、内周面の形状がコイルの外周面と上下面に倣う形状のものとしてあり、かつ上半部材と下半部材の２部材で構成されてなる請求項１に記載のブラシレスモータ。
【請求項３】
前記コイルヨークの上半部材と下半部材は、ともに外径は同じであるが、内径が異なる多数の薄板状の磁性材製リングを積層してなる請求項２に記載のブラシレスモータ。
【請求項４】
前記上半部材と下半部材は、ともに磁性材粉末を混入せしめた合成樹脂材よりなる請求項２に記載のブラシレスモータ。
【請求項５】
前記回転軸は、ケーシングの頂板部中央に形成された上下が開口し、下部がケーシング内に突出する筒状のベアリングホルダ内に上下２列のベアリングを介して回転可能に支承され、かつ、前記マグネットは、中央部を前記回転軸に固定したマグネットホルダの外周に取り付けられ、このマグネットホルダは中央部上側に陥凹部を有し、この陥凹部内に前記ベアリングホルダの下部が収容されるようにした請求項１に記載のブラシレスモータ。
【請求項６】
前記マグネットは、中央部を前記回転軸に固定したマグネットホルダの外周に取り付けられ、これらマグネットとマグネットホルダの上面どうしおよび下面どうしを、それぞれ薄板リング状の補強板にて固定してなる請求項１に記載のブラシレスモータ。
【請求項７】
前記マグネットは、外周辺部に複数の半径方向の小径凹部を等間隔に有し、これら小径凹部に対応する位置の前記補強板の外周縁に、小径凹部に係合するフック部を設けてなる請求項６に記載のブラシレスモータ。
【請求項８】
前記補強板は、上下に貫通する多数の孔を有する請求項６、７に記載のブラシレスモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は精密機器の動力用として好適なブラシレスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】
ブラシレスモータは、通電用コイルへの駆動電力供給用のブラシや整流子が不要であるので、ブラシや整流子が不要である分軸方向の厚さ（高さ）を小なるものとすることができ、また、ブラシと整流子との間の機械的接触がないので、長寿命であるとともにブラシと整流子間に生じる火花に起因するノイズの発生がなく、精密機器のアクチュエータとして広く用いられている。
【０００３】
ところで、ブラシレスモータにおいてはケーシング内に固定されたコイルの内側にマグネットを回転可能に支承し、コイルにより形成される磁界によってマグネットに回転トルクを作用せしめる構成となっているが、マグネットに作用する回転トルクは、コイルを構成する導線の向きと直角をなす方向に生じるので、マグネットの回転円周方向に対して、コイルを構成する導線の向き（巻線方向）が直角をなすようにコイルを構成すればコイルにより形成される磁界の強さに対するマグネットの回転トルク（回転出力）の割合が向上し、エネルギー効率の高いモータが得られるのであるが、従来のコイルはマグネットを囲む円筒状に形成されていて、同コイルを構成する導線がコイルの高さ方向に対して平行となるように捲回されているのではなく、ある程度の傾斜角度を有し、したがってこの傾斜角度が大になるとマグネットに作用する回転トルクが減少してエネルギー効率が低下する。
【０００４】
特に、モータの軸方向の長さが小である扁平型のモータの場合には、コイルの巻線方向がコイルの軸方向となす角度がより大となり、したがってエネルギー効率はさらに低下し、小型で高効率のモータを実現する際の障碍となっている。
【０００５】
【目的】
本発明の目的とするところは、軸方向の厚さ（高さ）が小でコンパクトであり、しかもコイルに供給する駆動電力に比して大なる回転トルクが得られるエネルギー効率の高いブラシレスモータを実現することにある。
【０００６】
【発明の構成】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るブラシレスモータは、ケーシング内に固定されたリング状のコイルヨークの内側に通電用のコイルを備え、同コイルの内面に、リング状のマグネットの外周面が対峙するように配設され、ケーシング内に設けられた制御回路から前記コイルへの通電によりマグネットが回転軸とともに回転駆動させられるブラシレスモータにおいて、前記コイルはマグネットの上下面と相対し、平面形状が円弧状をなす巻線部分よりなる平坦部と、マグネットの外周側面と相対する巻線部分よりなる湾曲折返し部を有し、これら巻線部分を構成する導線の一端から他端までが連続する中空状に構成されたものを円周方向に３つ備え、かつ前記マグネットはラジアル方向に４極着磁されたものとしてあり、また、前記マグネットの下方に、マグネットの回転軌道に沿って６０°または１２０°間隔で３つのホール素子を配設して、各ホール素子にて検出されるマグネットからの磁束の極性変化の組み合わせに基づいて前記コイルに通電制御がなされるようにした構成のものとしてある。
【０００７】
本発明の請求項２に係るブラシレスモータは、前記コイルヨークの内周面の形状がコイルの外周面と上下面に倣う形状のものとしてあり、かつ上半部材と下半部材の２部材で構成されたものとしてある。
【０００８】
本発明の請求項３に係るブラシレスモータは、前記コイルヨークの上半部材と下半部材が、ともに外径は同じであるが、内径が異なる多数の薄板状の磁性材製リングを積層してなる構成のものとしてある。
【０００９】
本発明の請求項４に係るブラシレスモータは、前記上半部材と下半部材が、ともに磁性材粉末を混入せしめた合成樹脂材よりなる構成のものとしてある。
【００１０】
本発明の請求項５に係るブラシレスモータは、前記回転軸が、ケーシングの頂板部中央に形成された上下が開口し、下部がケーシング内に突出する筒状のベアリングホルダ内に上下２列のベアリングを介して回転可能に支承され、かつ、前記マグネットが、中央部を前記回転軸に固定したマグネットホルダの外周に取り付けられ、このマグネットホルダは中央部上側に陥凹部を有し、この陥凹部内に前記ベアリングホルダの下部が収容されるようにした構成のものとしてある。
【００１１】
本発明の請求項６に係るブラシレスモータは、前記マグネットが、中央部を前記回転軸に固定したマグネットホルダの外周に取り付けられ、これらマグネットとマグネットホルダの上面どうしおよび下面どうしを、それぞれ薄板リング状の補強板にて固定してなる構成のものとしてある。
【００１２】
本発明の請求項７に係るブラシレスモータは、前記マグネットが、外周辺部に複数の半径方向の小径凹部を等間隔に有し、これら小径凹部に対応する位置の前記補強板の外周縁に、小径凹部に係合するフック部を設けてなる構成のものとしてある。
【００１３】
本発明の請求項８に係るブラシレスモータは、前記補強板が、上下に貫通する多数の孔を有する構成のものとしてある。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明に係るブラシレスモータの実施例を添付図面に示す具体例に基づいて説明する。
下部が開口するケーシング１は頂板部１ａ中央に上下が開口する略円筒状のベアリングホルダ２を有し、同ベアリングホルダ内に収容されている上下２列のベアリング３、３によって回転軸４が回転可能に支承されている。
【００１５】
上記回転軸４の下端部まわりには、回転軸と同心のリング状のマグネット５を外周に備えるマグネットホルダ６の中央縦孔６ａが嵌合固定されていて、上記マグネットホルダの素材は非磁性材、例えば合成樹脂、アルミニウム、ステンレスあるいは真鍮製のものを用い、かくすると慣性モーメントを小ならしめることができて応答性の良好なモータを実現することができる。
【００１６】
また、マグネットホルダ６は中央に陥凹部６ｂを有し、この陥凹部が前記ベアリングホルダ２の外周を囲むようにしてあって、モータの高さ（厚さ）を小ならしめることができるようにしてある。
【００１７】
さらに、マグネットホルダ６の上下面には、それぞれマグネットの上下面との間の取り付け強度を補強する補強リング１４、１４を設けてあり、この補強リングは例えば合成樹脂板よりなり、図３に示されるように軽量化のための多数の孔１４ａ、１４ａをあけたものとしてあり、マグネットホルダとマグネットに接着剤で固定してある。
【００１８】
なお、小型精密モータに用いられるマグネットは焼結マグネットが使用されるのが一般的であり、焼結マグネットは衝撃に弱く、高速回転時において遠心力によって変形や破損するおそれがあるが、上述のように補強板を設けることによって、変形や破損を未然に防止することができる。
【００１９】
上記各マグネット５はラジアル方向に４極着磁されたものとしてあって、マグネット５の上下面および外周側面は前記ケーシング１の内周面にコイルヨーク７を介して設けられた複数の通電用コイル８、８の内面に磁気ギャップを隔てて相対している。
【００２０】
上記各コイル８は、図４に示されるように前記マグネット５の上下面に相対する上下の平坦部８ａ、８ｂと、マグネットの外周側面に相対する湾曲折返し部８ｃ、８ｄを有し、上記平坦部８ａ、８ｂはその平面形状が円弧状をなすように構成されていて、導線の一端８ｅから他端８ｆまでが連続する中空状に巻かれて形成されており、複数個（図２では３個）のコイルが、それぞれの平坦部の巻線部分がマグネットの上下面に相対し、湾曲折返し部の巻線部分がマグネットの外周側面に相対するように前記マグネットの円周方向に並んで配設されている。
【００２１】
しかして上記各コイル８の内面はマグネット５の上下面と外周側面に倣う形状としてあり、したがってコイルとマグネットの互いに向い合う部分の距離は一定であり、均一な磁気ギャップが形成されている。
【００２２】
また、上記コイル８、８はコイルヨーク７の内面に例えば接着剤によって固定されていて、このコイルヨーク７は平面形状がリング状であって、内面がマグネット５の外周側面と上下面を半径方向外側から囲み、これら外周側面と上下面に倣う凹面形状のものとしてあって、鉄等の磁性材よりなる薄板を積層して構成してあり、具体的には、外径は同じであるが内径の異なる多数の薄板状リングを、内径の最も大なるリングの上下に内径が徐々に小となるリングを積層して、内周面が断凹面形状をなすように構成してある。
【００２３】
なお、コイルヨーク７は上半部材と下半部材の上下２部材で構成してあり、モータを組立てる際にコイルヨーク下部の内方へ突出する縁部が邪魔にならないように構成してある。
【００２４】
ケーシング１内の下部には電子部品収容用のスペース９を設けてあり、このスペースにロータの回転位置を検出するための磁気検出素子たるホール素子１０、１０が搭載された基板１１が設けられており、ホール素子１０はその感磁面の中心がマグネット５の下方に位置するように配設され、３個のホール素子が軸まわりに６０度間隔で設けられている。なお、ホール素子の配設間隔は１２０°とする場合もある。
【００２５】
本実施例のモータにおいては、上記スペース９には制御回路を設けておらず、外部の制御回路から制御信号を送るようにするが、スペース９内に制御回路を内蔵させる場合もある。
【００２６】
なお、図中の符号１２はケーシング１の開口下部を塞ぐ蓋板、１３はベアリング間のスペーサを示している。
【００２７】
しかして、本発明のモータはマグネットの下方に６０°間隔で配設されたホール素子１０、１０によってマグネット５の回転位置を検出し、マグネットが４極着磁であるからホール素子によって検知されるマグネットからの磁束の極性はマグネットが９０°回転するごとに変化し、かつホール素子が円周方向に６０°間隔で配設されているので、図５に示されるように３つのホール素子によって検知される磁束の極性の組み合わせはマグネットが３０°回転するごとに変化し、その極性の組み合わせはマグネットが１回転するごとに１２通り現れ、これらホール素子１０、１０からの信号に基づいて図６に示されるように３つのコイルに３０°ごとの通電制御を行なうことができる。
【００２８】
したがって、３つのコイルへの通電制御はこれら３つのホール素子からの信号に基づいて簡単な制御回路で行なうことができ、従来のもののように複雑なフォトエンコーダ等の機構の省略を図ることができる。
【００２９】
なお、図５、６においては３つのホール素子と３つのコイルを区別するために各ホール素子に符号ａ，ｂ，ｃを、各コイルに符号Ａ，Ｂ，Ｃを付した。
【００３０】
上述のように構成されたモータにおいては、外部の制御回路からコイル８、８への通電によってマグネット５に軸まわりの回転駆動力が生じ、マグネット５およびマグネットホルダ６とともに出力軸たる回転軸４が回転駆動する。
【００３１】
しかして上述した本発明のモータにおいては、マグネット５からの磁束が基板１１に配設されているホール素子１０、１０にて検知され、このホール素子からの出力に基づいて外部の制御回路からコイル８、８への駆動用電力の供給が制御される。
【００３２】
また、本発明のモータはマグネット５の回転方向に対してコイルを構成する導線がほぼ直角をなし、しかもコイル８とコイルヨーク７はマグネットの外周側面だけでなくマグネットの上面および下面も囲んでマグネットから放射される磁束のうちの殆どがコイルヨークに導かれるので、モータの出力たる回転軸４の回転駆動トルクに対する消費駆動電力が小なるもので済み、したがって低電力での駆動が可能で極めてエネルギー効率の良好なモータが得られる。
【００３３】
また、上述した本発明のモータにおいてはマグネットとコイル間の磁気ギャップがマグネットまわりに均一に形成されているので、磁気抵抗が小で回転むらが殆どなく、極めてスムースかつ安定した回転出力を得ることができる。
【００３４】
上述した実施例のものではホール素子を６０°間隔で配設してあるが、１２０°間隔に配設しても３つのコイルに対して同様の通電制御を行なうことができる。
【００３５】
図７、８は本発明に係るモータの第２実施例を示し、この実施例のものはマグネットの外周辺部に、半径方向の小径凹部５ａ、５ａを等間隔に形成するとともに、補強板１５の外周縁部にフック部１５ａ、１５ａを等間隔に設け、これらのフック部を上記凹部に係止してマグネット５とマグネットホルダ６間をより強固に固定する場合もある。
なお、図８中の符号１５ｂは補強板１５の軽量化のための孔を示している。
【００３６】
また、この第２実施例のものでは、コイルヨーク１６を磁性材粉末を混入せしめて成型した合成樹脂材よりなるものとしてあり、第１実施例のもののように積層板で構成する場合に比して格段に製造が容易で低コストに製造できるというメリットがある。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係るモータは、ラジアル方向に４極着磁されたマグネットからの磁束を、マグネットの回転軌道に沿って６０°間隔または１２０°間隔で配設された３つのホール素子によって検知し、これらのホール素子においてそれぞれ検知されるマグネットからの磁束の極性の組み合わせに基づいて３つのコイルへの通電を制御するので、複雑な制御回路が不要であり、しかも安定した回転が得られる。
【００３８】
また、コイルおよびコイルヨークがマグネットの外周側面および上下面を囲む形状に構成されているので、マグネットからの磁束のうちの殆どがコイルとコイルヨークに導かれ、モータの出力たる回転軸の回転駆動トルクに対する消費駆動電力が小なるもので済み、したがって低電力での駆動が可能で極めてエネルギー効率の良好なモータを得ることができる。
【００３９】
さらに、上記コイルは平面形状が円弧状をなす巻線部分と、マグネットの外周側面と相対する巻線部分を有し、これら巻線部分を構成する導線の一端から他端までが連続する中空状に構成されたものとしてあるので、コイルを構成する導線の殆どの部分がマグネットの円周方向すなわちマグネットかコイルのいずれかの回転方向に対して直角をなし、したがってマグネットからの磁束を有効に利用することができてこのことによってもエネルギー効率の良好なモータが得られる。
【００４０】
また、コイルヨークを、磁性材粉末を混入せしめた合成樹脂材で構成したものでは、ヨークを磁性材性の薄板を積層したもので形成する場合に比して格段に製造が容易で低コストに製造できるというメリットがある。
【００４１】
さらに、マグネットとマグネットホルダとの間を補強板によって強固に固定してあるので、マグネットの変形や破損のおそれが極めて少なくて済み、モータの信頼性を向上せしめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るモータの実施例を示す縦断面図。
【図２】本発明に係るモータの実施例を示す横断面図。
【図３】マグネットの取付構造を示す平面図。
【図４】コイルの斜視図。
【図５】ホール素子によって検知される磁束の極性変化を示すタイムチャート。
【図６】コイルへの通電状態を示すタイムチャート。
【図７】本発明の第２実施例に係るモータの縦断面図。
【図８】本発明の第２実施例に係るモータのマグネットの取り付け状態を示す平面図。
【符号の説明】
１  ケーシング                  ２  ベアリングホルダ
３  ベアリング                  ４  回転軸
５  マグネット                  ６  マグネットホルダ
７  コイルヨーク                ８  コイル
９  電子部品収容用スペース    １０  ホール素子
１１  基板                      １２  蓋板
１３  スペーサ                  １４  補強板
１５  補強板                    １６  コイルヨーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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