(57)【要約】【課題】プリント基板に銅パターンにより渦巻き状の駆動コイルを形成してステータとする永久磁石式モータに関するもので、モータが小径化するなかで前記プリント基板を固定する為の切り欠や半田ラウンドおよびスルーホールといった銅バターンの形成に障害となる障害要素の占める面積は小さくすることが出来ず、結果としてモータの小径化比率以上に駆動コイルの大きさが小さくなることで、要求されるモータ特性を満足することが出来ないといった課題があった。【解決手段】前記障害要素２３，２４，４５を前記駆動コイル１４，１５のコーナー部近傍に位置するように配置し、かつ駆動コイル１４，１５の形状を障害要素２３，２４，４５に沿う形で変形するとともに、各駆動コイルの相間の発生トルクおよび抵抗値を均一化することで駆動コイル１４，１５のうちトルク発生に有効な径方向の距離を大きく取る構成とした。【選択図】　図１
2004048950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅パターンを渦巻状に形成した駆動コイルが１個または複数個配置された２枚のプリント基板を、前記駆動コイル同士が重なるように接合し、その重なり合った駆動コイル同士をスルーホールで電気的に直列接続したものを１組または複数枚組み合わせた第一の部材に対向して、１個または多数の磁極を有する永久磁石を備えた第二の部材を相対的に移動可能に支持した永久磁石式モータにおいて、前記銅パターンによる駆動コイルのプリント基板上の配置に障害となる障害要素を前記駆動コイルのコーナー部近傍に位置するように配置し、かつ、前記駆動コイルの形状を前記障害要素に沿う形で変形させたことを特徴とする永久磁石式モータ。
【請求項２】
銅パターンを渦巻状に形成した駆動コイルが複数個配置された２枚のプリント基板を、前記駆動コイル同士が重なるように接合し、その重なり合った駆動コイル同士をスルーホールで電気的に直列接続したものを複数枚組み合わせた第一の部材に対向して、多数の磁極を有する永久磁石を備えた第二の部材を相対的に移動可能に支持した永久磁石式モータにおいて、前記銅パターンによる駆動コイルのプリント基板上の配置に障害となる障害要素を前記駆動コイルのコーナー部近傍に位置するように配置し、かつ、前記駆動コイルの形状を前記障害要素に沿う形で変形させるとともに、前記駆動コイルの各相間の発生トルクおよび抵抗値を均一化したことを特徴とする永久磁石式モータ。
【請求項３】
前記永久磁石式モータにおいて、前記永久磁石の磁束が実質的に届く範囲にある前記駆動コイルのコーナーすべての面取りを実質的な鋭角であるＲ０．４以下としたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式モータ。
【請求項４】
前記永久磁石式モータにおいて、前記障害要素を逃げる為に変形させた区間と前記永久磁石による磁束と鎖交する区間をつなぐコーナー部の面取りを実質的な鋭角であるＲ０．４以下としたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式モータ。
【請求項５】
前記駆動コイル形状のアンバランスによる各相間の発生トルクの相間差を、駆動コイルの巻数または前記永久磁石の磁束が実質的に届く範囲に配置された駆動コイルのコーナーの面取り量によって調節したことを特徴とする請求項２記載の永久磁石式モータ。
【請求項６】
前記駆動コイル形状のアンバランスによる各相間の駆動コイルの抵抗値の相間差を、前記永久磁石の磁束が実質的に届く範囲外にある銅パターンや駆動コイルのコーナーの面取り量で調節したことを特徴とする請求項２記載の永久磁石式モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は１個の磁極または多数の磁極対を有する永久磁石を備えたロータまたはステーターに対向して、銅パターンを渦巻状に形成した駆動コイルを１個または複数個有するプリント基板を２枚積層したものを１組または複数組具備するステーターまたはロータを相対的に移動可能に配置した永久磁石式モータに関するもので、特に、モータを小型化する際に生じるモータ特性の劣化を、前記駆動コイルの形状を変えて改善せんとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
１個または多数の磁極対を有する永久磁石を備えた第一の部材に対向し、銅パターンを渦巻状に形成した１個または複数個の駆動コイルを有するプリント基板を複数枚積層した第二の部材を移動可能に配置した永久磁石式モータにおいては、モータを駆動する為の前記駆動コイルを配置したプリント基板は、その製法上の問題から２枚以上の偶数枚で構成される。しかし、モータのコストが高くなることから、通常２枚で構成される場合が多い。
【０００３】
このようなモータにおいて、第一のプリント基板と第二のプリント基板のそれぞれに配置された駆動コイルを電気的に接続する為に、スルーホールが複数個必要となる。前記スルーホールには、半田ペーストなどを注入する孔および半田ペーストで導通させる銅パターンが必要であり、それらは一定の大きさが必要となる。モータを小型化するにあたっては、プリント基板を小さくする必要があるが、スルーホールはある大きさからは小さくすることができず、相対的にスルーホールの占める面積が大きくなってくる。このことは、駆動コイルを配置可能な面積が相対的に小さくなることとなり、結果としてモータの小型化に伴いモータ特性がモータの直径の小型化比率以上に小さくなる。
【０００４】
以下に、従来の技術による銅パターンを形成したプリント基板を２枚積層したステータを有するブラシレスモータについて、図２および図３を用いて説明する。図２（ａ）は、ＶＴＲのへッドシリンダに組み込まれた前記ブラシレスモータの断面図であり、図２（ｂ）は、同ブラシレスモータを駆動する為の駆動コイルが２枚のプリント基板上に銅パターンにて形成されたステータを拡大した断面図を示す。図３は、前記ステータにおける各プリント基板上に配置した銅パターンを示す平面図である。
【０００５】
図２（ａ）において、４０は基板（図示せず）に固定された円筒状の下シリンダであり、４１はその下シリンダ４０の中心に植設されたシャフトである。４２は前記シャフト４１に軸受４３により回転可能に取り付けられた円筒状の上シリンダ、１はブラシレスモータを駆動する為の環状の永久磁石２を具備する円盤状のロータであり、前記上シリンダ４２に固定されている。
【０００６】
３はブラシレスモータを駆動する為の駆動コイルを銅パターンで形成したプリント基板を２枚積層することによって構成されたステータであり、前記環状の永久磁石２に所定の間隙を介して対向するように下シリンダ４０にビス４４で固定されている。図２（ｂ）に前記ステータ３を拡大した断面図を示す。１枚目のプリント基板４と２枚目のプリント基板５を接着剤層６にて積層することで、ブラシレスモータのステータを構成している。そして、銅パターンの絶縁の為に、絶縁層１３が両表面に施されている。
【０００７】
プリント基板４と５はそれぞれ銅パターン７と絶縁層８で構成され、前記各プリント基板のそれぞれ同じ位置に設けられた端子９と１０を貫通するスルーホール１１に半田ペースト１２などを埋め込むことによって、各プリント基板間の銅パターン同士を導通させることにより、プリント基板４の銅パターンとプリント基板５の銅パターンとを電気的に接続している。
【０００８】
図３において、１枚目のプリント基板４上にブラシレスモータを駆動する為の渦巻状の駆動コイル１４が３相の各３個で合計９個が３６０／９＝４０度毎に等間隔に環状に配置されている。前記駆動コイル１４はそれぞれの巻線の内周側スルーホール端子１９から外周側へ巻かれている。そして、前記駆動コイル１４の外周側は銅パターン１５を介して、ブラシレスモータの駆動回路に接続する為の端子２２に接続されるか、もしくは同相の駆動コイル１４の外周側に接続されている。
【０００９】
ここで、１個の駆動コイル１４が内周側スルーホール端子１９から外周側へ時計方向に巻かれた場合、その駆動コイルと接続される他方の駆動コイルは、内周側から反時計方向に巻かれることによって、同相の駆動コイルが同一結線上で同じ巻方向となる様に配慮されている。同一相の駆動コイルをすべて結線することが２次元的に不可能な場合、接続不可能な駆動コイルの外周側に銅パターン１５を介してスルホール端子２３を設ける。
【００１０】
２枚目のプリント基板５においては、前記プリント基板４上のブラシレスモータを駆動するための駆動コイル１４の内周側スルホール端子１９と同じ位置に内周側スルホール端子２１を配置し、そこから外周側に９個の駆動コイル２０を銅パターンによって形成している。前記駆動コイル２０は、プリント基板４とプリント基板５とを所定の位置関係で重ね合わせた場合、駆動コイル１４と２０は重なり合い、かつ、その重なり合った駆動コイル１４と２０とは同じ巻き方向となるように配慮されている。
【００１１】
また、駆動コイル２０の外周側は銅パターン１６を介して、プリント基板４と同様に、同相の駆動コイルの外周側同士を接続する。同一相の駆動コイルをすべて結線することが２次元的に不可能な場合、接続不可能な駆動コイルの外周側に銅パターン１６を介してスルーホール端子２４を設ける。この場合、前記スルホール端子２４は前記のプリント基板４のスルホール端子２３と同じ位置になるように設定されている。
【００１２】
上記の配慮によって銅パターンが形成されたプリント基板４とプリント基板５を接着剤層６で貼り合せた後、各プリント基板の同じ場所にある前記駆動コイルの内周側スルホール端子１９と２１をスルーホールにて導通させ、駆動コイル１４と２０を電気的に直列接続する。さらに前記の同相の駆動コイルで電気的に直列接続できていない外周側スルホール端子２３および２４を、前記と同様にスルーホールにて導通させる。以上の銅パターンの配置によって、２枚のプリント基板に配置された駆動コイル１４および２０の合計１８個が、駆動回路に接続する為の端子２２からそれぞれ直列に、かつ同方向に巻線された３群の渦巻状の駆動コイルが構成され、その３群それぞれのもう一方の端末を電気的に接続することで、ブラシレスモータのステータが構成される。
【００１３】
以上の構成によって、ブラシレスモータのステータが２枚のプリント基板を積層することによって形成される。
【００１４】
駆動コイル１４，２０の形状は、通常内周からパターン作成されることから、最内周のコーナーでＲ０．５の面取りを設けた場合、外周の銅パターンは銅パターンのピッチ分外側に配置されることとなり、最外周でのコーナーの面取り量はＲ（０．５＋（巻数×パターンピッチ））となる。
【００１５】
また、プリント基板４，５には、そのプリント基板４，５をビスにより固定の為の切り欠き４５や外周側スルーホール端子２３、２４および駆動コイル同士を接続する為の銅パターン１５、１６が必要であり、駆動コイル１９，２０の配置可能な領域が制限されることとなる。
【００１６】
このため、駆動コイルの最外周コーナーのＲ面取りをさらに大きくとることで、駆動コイルを配置可能とする場合が多い。上記の手段を執っても配置できない場合は、駆動コイルの外径を小さくするか、内径を内径を大きくするといった手段を執ることとなる。これらによって、駆動コイルのうちトルクを発生する部分である前記永久磁石が発生する磁束に交差する区間の直線部が短くなってしまい、結果として発生トルクが小さくなっている。
【００１７】
前記駆動コイルのコーナー面取り部においても、トルク発生方向のベクトル分についてはトルクが生じることとなる。しかし、コーナーの先端側ではトルク発生箇所が近接し、前記永久磁石の同磁極の範囲内になる場合が生じる。この場合、発生するトルクは互いに逆方向であり、逆にロストルクとなってしまう。このことによっても、モータの発生トルクが小さくなることとなり、モータ特性の低下につながる。
【００１８】
ここで、モータやプリント基板の内径および外径が前記永久磁石の内径および外径に対して十分オーバラップしていれば、永久磁石の磁束の届く範囲外に前記スルーホールや切り欠きを設けることが可能となり、駆動コイルを優先的に配置することで、モータ特性への影響を少なくすることができる。しかし、モータが小型化されるなかでプリント基板の面積も小さくなっており、結果として、モータ特性の低下を抑えることが困難となっている。
【００１９】
また、従来、多数の駆動コイルを有する複数相のブラシレスモータにおいては、そのの回転ムラや振動を低減する為、駆動コイル毎の発生するトルクを同じとする目的で、駆動コイルの形状を全く同じとしている。このことによって、駆動コイルのサイズを大きく取れる個所があっても、一個所でも駆動コイルのサイズを小さくしないといけない個所が生じると、全ての駆動コイルのサイズを前記の小さい駆動コイルに合わせないといけなくなり、駆動コイルのうちトルクを発生する部分である、前記永久磁石が発生する磁束に鎖交する区間の直線部が短くなってしまい、結果として、ブラシレスモータの発生するトルクが小さくなることとなり、モータ特性の低下につながっていた。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
このように、プリント基板の銅パターンによる駆動コイルで構成される永久磁石式モータにおいては、モータが小径化するなかでプリント基板を固定する為のビスや半田ラウンドおよび半田スルーホールといった障害要素の占める面積を小さくすることが出来ず、結果として、モータの小径化の比率以上に駆動コイルの大きさが小さくなることで、要求されるモータ特性を満足することが出来ないといった課題があった。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の永久磁石式モータは、前記銅パターンによる駆動コイルの配置に障害となる障害要素を前記駆動コイルのコーナー部近傍に位置するように配置し、かつ前記駆動コイルの形状を前記障害に沿う形で変形させたことを特徴とするもので、前記障害要素の形状に沿う形で駆動コイルを変形させることで、駆動コイルのうち永久磁石の磁束と鎖交する区間を従来のものより長く取ることを可能し、小型化に伴うモータ特性の低下を抑え、従来のモータ特性のまま２割程度永久磁石式モータの小型化を可能とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、銅パターンを渦巻状に形成した駆動コイルが１個または複数個配置された２枚のプリント基板を、前記駆動コイル同士が重なるように接合し、その重なり合った駆動コイル同士をスルーホールで電気的に直列接続したものを１組または複数枚組み合わせた第一の部材に対向して、１個または多数の磁極を有する永久磁石を備えた第二の部材を相対的に移動可能に支持した永久磁石式モータにおいて、前記銅パターンによる駆動コイルのプリント基板上の配置に障害となる障害要素を前記駆動コイルのコーナー部近傍に位置するように配置し、かつ、前記駆動コイルの形状を前記障害要素に沿う形で変形させたことを特徴とする永久磁石式モータであり、前記障害要素の形状に沿う形で駆動コイルを変形させることで、駆動コイルのうち永久磁石の磁束と鎖交する区間を従来のものより長く取ることを可能し、小型化に伴うモータ特性の低下を抑え、従来のモータ特性のまま２割程度永久磁石式モータの小型化を可能とするものである。
【００２３】
本発明の請求項２に記載の発明は、銅パターンを渦巻状に形成した駆動コイルが複数個配置された２枚のプリント基板を前記駆動コイル同士が重なるように接合し、その重なり合った駆動コイル同士をスルーホールで電気的に直列接続したものを１組または複数枚組み合わせた第一の部材に対向して、多数の磁極を有する永久磁石を備えた第二の部材を相対的に駆動可能に支持した永久磁石式モータにおいて、前記銅パターンによる駆動コイルの配置に障害となる障害要素を前記駆動コイルのコーナー部近傍に位置するように配置し、かつ前記駆動コイルの形状を前記障害に沿う形で変形させるとともに、前記駆動コイルの各相間の発生トルクおよび抵抗値を均一化したことを特徴とする永久磁石式モータであり、従来の各駆動コイルの形状を全て同一にするとの考えに反し、一部の駆動コイルの形状を変形し、各相間の発生トルクおよび抵抗値の差異を無くするように配慮することにより、特に前記駆動コイルのうち前記永久磁石による磁束と鎖交する区間の直線部が長く取れるよこととなり、小型永久磁石式モータのモータ特性を改善することができる。
【００２４】
本発明の請求項３に記載の発明は、前記永久磁石式モータにおいて、前記永久磁石の磁束が実質的に届く範囲にある前記駆動コイルのコーナーすべての面取りを実質的な鋭角であるＲ０．４以下としたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式モータであり、特に、小型の永久磁石式モータのモータ特性を改善することができる。
【００２５】
本発明の請求項４に記載の発明は、永久磁石式モータにおいて、前記障害要素を逃げる為に変形させた区間と前記永久磁石による磁束と鎖交する区間をつなぐコーナー部の面取りを実質的な鋭角であるＲ０．４以下としたことを特徴とする請求項１記載の永久磁石式モータであり、特に小型の永久磁石式モータのモータ特性を改善することができる。
【００２６】
本発明の請求項５に記載の発明は、前記駆動コイル形状のアンバランスによる各相間の発生トルクの相間差を、駆動コイルの巻数または前記永久磁石の磁束が実質的に届く範囲に配置された駆動コイルのコーナーの面取り量によって調節したことを特徴とする請求項２記載の永久磁石式モータであり、特に、小型の永久磁石式モータの特性を改善し、永久磁石式モータのトルクムラや振動を改善可能とするものである。
【００２７】
本発明の請求項６に記載の発明は、前記駆動コイル形状のアンバランスによる各相間の駆動コイルの抵抗値の相間差を、前記永久磁石の磁束が実質的に届く範囲外にある銅パターンや駆動コイルのコーナーの面取り量で調節したことを特徴とする請求項２記載の永久磁石式モータであり、特に小型の永久磁石式モータのトルクムラや振動を改善可能とするものである。
【００２８】
（実施の形態）
以下に、本発明の請求項に記載された発明の実施の形態について、図１を用いて説明する。図１は本発明のブラシレスモータのステータを構成するプリント基板上に配置した銅パターンを示す平面図であり、前述の図３に示すプリント基板と同一機能部位には同一符号を付している。
【００２９】
図３に示した従来のプリント基板と異なる点は、プリント基板４、５において、下シリンダに固定する為の切り欠き４、５、スルーホールの為の外周側スルーホール端子２３、２４および駆動コイル同士を接続する銅パターン１５、１６によって、駆動コイル１４、２０の配置可能な領域が制限されることとなるが、本実施の形態においては、前記の障害となる各要素を駆動コイル１４、２０のコーナー部に配置し、かつ、駆動コイル１４，２０のコーナーを前記障害となる各要素の形状に沿う形で駆動コイル１４、２０を変形させる。すなわち、全ての駆動コイル１４，２０が同一形状で構成されていない。
【００３０】
このことによって、前記障害となる各要素があっても駆動コイル１４、２０の内径および外径をプリント基板の内外径寸法に近づけることが可能となる。その結果、駆動コイルのうち対向する永久磁石の磁束と鎖交する区間の直線部を大きく取ることができ、モータ特性の改善に効果的である。さらに、前記駆動コイルの径方向の長さが大きくなることで、駆動コイルの巻数を増やすことも可能となり、さらにモータ特性の改善に効果的である。　また、外周側と内周側のコーナーＲを同じとすることでコーナー部に隙間を取ることができ、駆動コイル外周への小さな変形であれば内周側は変形させなくて済むこともあって、モータ特性への影響が小さくなる。
【００３１】
次に、前記の切り欠き４５、スルーホール端子２３、２４および駆動コイル同士を接続する銅パターン１５、１６は、各駆動コイルに対し均等に配置されないことから、駆動コイル自体の対称性および駆動コイル同士でサイズが違うといった課題が生じる。このことにより、前記制約要素によって駆動コイルの形状を変形させた場合、個々の駆動コイルで発生されるトルクと抵抗でアンバランスが生じることとなる。
【００３２】
従来、各駆動コイル間でのアンバランスを抑える為に、９個の駆動コイルの形状が近似する様に配慮することから、個々の駆動コイルにおいてはサイズを大きく取れるにも関わらず、最も制約がある個所の駆動コイルで取れるサイズで、１８個すべての駆動コイルのサイズを決定していた。この結果、プリント基板全体を見ると、空きスペースが多くある状態となり、ブラシレスモータの効率として損失が大きかった。勿論この課題を改善するべく、前記障害となる切り欠き・スルーホール端子および結線の為の銅パターンをバランス良く配置するといった手段が取られていたが、均等な配置は困難であり改善効果がかぎられていた。
【００３３】
これに対し、本実施の形態では、個々の駆動コイル間でのアンバランスは考慮しないこととし、むしろ積極的にアンバランスを生じる様に、駆動コイルのサイズを大きく取れる個所は可能な限り大きく取ることとした。そして、１相あたり６個の駆動コイルを合計した発生トルクおよび抵抗を、３相間で比較し、最も大きい所を削減することで、３相間で等しくなるよう構成し、ブラシレスモータとしては問題無い様に配慮した。この結果、プリント基板のスペースを効率よく使うことができ、結果としてモータ特性の改善が図れる。
【００３４】
上記手法は、前記の切り欠き４、５、外周側スルーホール端子２３、２４および結線の為の銅パターン１５、１６の配置バランスを改善した後、即ち、個々の駆動コイル間でのアンバランスをある程度抑えた後に行なわれるのが効果的である。
【００３５】
同様に、駆動コイルのうち永久磁石の磁束と鎖交する直線部が長い方がブラシレスモータの発生トルクが大きくなることから、駆動コイルのコーナーに制約が無い場合は、前記コーナーをＲ０．４以下の鋭角的に曲げる方が有利である。永久磁石の磁束が届く範囲にある駆動コイルのコーナーは、特に無視できない。上記の範囲外にある駆動コイルのコーナーにおいては、逆にコーナーＲを大きく取った方が銅パターンの線長が短くなることから抵抗が小さくなる。小型ブラシレスモータにおいては、電池駆動となることが多い為、抵抗の低さも要求されることが多いので有効である。実際には、要求される発生トルクと抵抗から駆動コイルのコーナーＲの大きさを選定することとなる。
【００３６】
また、駆動コイルのコーナーＲの大きさを意図的に変更することで、ブラシレスモータの発生トルクおよび抵抗のアンバランスを改善することができる。特に、前記永久磁石の磁束が有効な範囲では、発生トルク、抵抗ともに改善効果が期待できる。前記永久磁石の磁束が有効な範囲外では、発生トルクへの影響は小さく、抵抗のみに改善効果が期待できる。これらを組み合わせることで、ブラシレスモータとして大きな損失を出すこと無く、３相間の発生トルクおよび抵抗のアンバランスを改善することが期待できる。上記手段のほか、駆動コイルのサイズを小さくする、巻数を変化させるなどの手段も有効であるが、これらの手段は発生トルクや抵抗への影響が大きいことから、ブラシレスモータとしての損失が大きくなる可能性もある。まず、駆動コイルのコーナーＲで改善を図り、それでも不十分な場合に採用する方がモータ特性にとって有利である。
【００３７】
以上述べた様に、同じ面積のプリント基板を使用したモータと比較して、プリント基板のスペースをムダなく効果的に駆動コイルを配置することで、モータ特性が高くなるといった効果が得られる。現在あるいは今後、モータのさらなる小型化が要求される状況であること、モータの高効率化により省電力、環境対策が可能であることから、有効な技術である。
【００３８】
また、本発明の実施例としてブラシレスモータの例をあげたが、リニアモータやボイスコイルモータなどの永久磁石式モータにおいて、駆動コイルを効果的に配置することで適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の永久磁石式モータによれば、プリント基板上への駆動コイルの配置効率を高めることで、同じサイズのモータのモータ特性を２割程度高めることを可能とし、効率の高い小型モータを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるブラシレスモータのステータを構成する２枚のプリント基板の平面図
【図２】ブラシレスモータを駆動源とするへッドシリンダの断面図
【図３】同従来のブラシレスモータのステータを構成する２枚のプリント基板の平面図
【符号の説明】
１　円盤状ロータ
２　環状永久磁石
３　ステータ
４、５　プリント基板
６　接着剤
７　銅パターン
８　絶縁層
９、１０　端子
１１　孔
１２　　半田ペースト
１４、２０　　駆動コイル
１５、１６　　駆動コイル同士を接続する銅パターン
１９、２０　駆動コイル内周側スルーホール端子
２２　接続端子
２３、２４　駆動コイル外周側スルーホール端子
４５　　切り欠き
【図１】
2004048950.tif 000003
【図２】
2004048950.tif 000004
【図３】
2004048950.tif 000005