(57)【要約】【課題】インペラを低電流、低騒音、長寿命で回転駆動できるファンモータを提供する。【解決手段】出力軸４は、インペラ８の回転中心軸上に設けられた軸穴８ａに対して摺動（空転）可能に挿入される。また、インペラ８が挿入される出力軸４の先端部４ａは球面状に形成され、インペラ８の軸穴８ａの底部に当接している。インペラ８におけるステータヨーク１Ａ，１Ｂに対向する裏面部には、出力軸４と同軸に薄板リング状永久磁石からなる保持部材１０が固定され、この保持部材１０が磁力によりステータヨーク１Ａ，１Ｂ側に吸引されることで、出力軸４の先端部４ａがインペラ８の軸穴８ａの底部に所定の押圧力で当接している。そして、ステッピングモータの起動時には出力軸４がインペラ８の軸穴８ａに対して摺動（空転）し、その後の定常時になるにつれて出力軸４の先端部４ａとインペラ８の軸穴８ａとの間の摩擦力により徐々にインペラ８が出力軸４に対して追従して回転させる。【選択図】      図２
2004297942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルへの通電により単相の磁極に励磁される固定子と、当該固定子の磁極の変化により回転する単相に着磁された永久磁石を有する回転子とを有する単相ステッピングモータと、
前記回転子の回転軸により回転駆動されるインペラと、
前記コイルへの通電を制御する駆動回路とを備え、
前記駆動回路は前記コイルに対してパルス電圧を印加し、当該コイルに通電される電流の平均値が１０ｍＡ以下になるように前記コイルの定数を設定したことを特徴とするファンモータ。
【請求項２】
前記駆動回路はＣＭＯＳトランジスタを有することを特徴とする請求項１に記載のファンモータ。
【請求項３】
前記駆動回路として、時計用ＩＣを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載のファンモータ。
【請求項４】
前記駆動回路は、起動時に出力するパルス周波数が定常時よりも低く設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のファンモータ。
【請求項５】
前記インペラを前記回転軸に対して相対的に回転可能に連結する連結手段を更に備え、前記連結手段は、前記インペラを前記回転子の回転軸に対して摺動可能に連結し、モータ起動時には前記回転軸が前記インペラに対して空転し、定常時には摩擦により前記インペラを前記回転軸に対して追従して回転させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のファンモータ。
【請求項６】
前記インペラを前記回転軸に対して相対的に回転可能に連結する連結手段を更に備え、前記連結手段は、前記インペラを前記回転子の回転軸に対して摺動可能に連結し、前記インペラが前記回転子の回転軸に所定の押圧力で当接するように当該インペラを吸引する永久磁石を備え、モータ起動時には前記回転軸が前記インペラに対して空転し、定常時には前記インペラを前記回転軸に対して追従して回転させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のファンモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、除湿器や防虫器などに用いられ、低電流、低騒音、長寿命を実現するファンモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、除湿器などに用いられる電動ファンが提案されている（例えば、特許文献１〜３，８参照）。これら従来技術は、電動モータを電池により駆動することを考慮しておらず、低電流、低騒音、長寿命を実現するものではない。
【０００３】
これに対して、ファンモータを低消費電力化するために、ファンモータによる効果を検知し、この効果の量に応じてファンモータの回転数を制御（低減）したり、間欠的に駆動して消費電流を抑える制御に関する技術（例えば、特許文献４参照）や圧電素子を用いた単一ブレードにより構成する技術（例えば、特許文献５参照）などが提案されている。
【０００４】
しかしながら、上記単一ブレードにより構成した場合には、昇圧回路が必要となるため高価となる。
【０００５】
また、低消費電流型のモータとして時計用の単相ステッピングモータが知られている（例えば、特許文献６，９）が、これらはトルクが微小でファンモータには応用が難しい。
【０００６】
また、特許文献７には、ステッピングモータを駆動源とするファンモータが提案されているが、低電流駆動ではインペラの慣性モーメントが大きく、起動できずに脱調するため、低電流駆動は困難である。
【０００７】
また、上記特許文献２，３には、モータ軸にファン受け部を設け、ファンをファン受け部との間の摩擦で駆動させる構成が開示されているが、これは装置が傾いたときにモータ回転中でもファンを停止させるためのもので、モータ軸とファンとはラジアル方向に隙間を持っているために、ファンの重心がモータ軸からずれることがあり、バランスの悪化や、振動、騒音の原因となる。
【０００８】
【特許文献１】
実開平２−１００６３１号公報
【特許文献２】
特開平３−１５４６１３号公報
【特許文献３】
特開平１１−１９７４３８号公報
【特許文献４】
特開平１０−５６２２号公報
【特許文献５】
特表２０００−５１３０７０号公報
【特許文献６】
特公昭６１−１１３９０号公報
【特許文献７】
特開平１０−１３６６３４号公報
【特許文献８】
特開平５−１５３８９２号公報
【特許文献９】
特開平８−２５５８５９号公報。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記事情により、従来はロータの抵抗値を大きくしたブラシ付きＤＣモータをファンモータとして使用し、数ｍＡの無負荷電流を得ていたが、長時間連続駆動するため、ブラシの摩耗が発生し、寿命が問題となる。このため、ブラシ等の接点のないブラシレスモータを用いて長寿命化を図ることも考えられるが、ブラシレスモータはホール素子だけでも少なくとも数ｍＡの電流を必要とし、その他の駆動回路やモータへの通電を含めると数１０ｍＡの消費電流となり、例えば電池を用いた長時間連続駆動は困難である。
【００１０】
また、ホール素子のないセンサレスモータもあるが、コイル逆起電流を検知するため、起動特性が高くなくてはならず、結果として低消費電力化は難しく、高価になる。また、ホール素子を必要としないステッピングモータを使えば低電流駆動も可能であるが、起動トルクが小さいため、インペラのような慣性モーメントの大きなものを回転駆動しようとすると、起動できずに脱調が起こり、低電流での駆動は困難である。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、インペラを低電流、低騒音、長寿命で回転駆動できるファンモータを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るファンモータは、コイルへの通電により単相の磁極に励磁される固定子と、当該固定子の磁極の変化により回転する単相に着磁された永久磁石を有する回転子とを有する単相ステッピングモータと、前記回転子の回転軸により回転駆動されるインペラと、前記コイルへの通電を制御する駆動回路とを備え、前記駆動回路は前記コイルに対してパルス電圧を印加し、当該コイルに通電される電流の平均値が１０ｍＡ以下になるように前記コイルの定数を設定した。
【００１３】
また、好ましくは、前記駆動回路はＣＭＯＳトランジスタを有する。
【００１４】
また、好ましくは、前記駆動回路として、時計用ＩＣを用いる。
【００１５】
また、好ましくは、前記駆動回路は、起動時に出力するパルス周波数が定常時よりも低く設定されている。
【００１６】
また、好ましくは、前記インペラを前記回転軸に対して相対的に回転可能に連結する連結手段を更に備え、前記連結手段は、前記インペラを前記回転子の回転軸に対して摺動可能に連結し、モータ起動時には前記回転軸が前記インペラに対して空転し、定常時には摩擦により前記インペラを前記回転軸に対して追従して回転させる。
【００１７】
また、好ましくは、前記インペラを前記回転軸に対して相対的に回転可能に連結する連結手段を更に備え、前記連結手段は、前記インペラを前記回転子の回転軸に対して摺動可能に連結し、前記インペラが前記回転子の回転軸に所定の押圧力で当接するように当該インペラを吸引する永久磁石を備え、モータ起動時には前記回転軸が前記インペラに対して空転し、定常時には前記インペラを前記回転軸に対して追従して回転させる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な一実施形態につき、添付の図面を参照して説明する。
【００１９】
尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で下記実施形態を修正又は変形したものに適用可能である。
【００２０】
図１は本発明に係る実施形態のファンモータの分解斜視図、図２は、図１のファンモータを組み立てときのｉ−ｉ断面図である。
【００２１】
図１及び図２に示すように、本実施形態のファンモータは、軸流ファンやシロッコファンなどの複数の羽根部を持つインペラ８が単相ステッピングモータの出力軸４に接続されている。
【００２２】
単相ステッピングモータは、単相（径方向に２極）に着磁された円筒状の永久磁石（ロータマグネット）３が出力軸４に固定されて回転子を構成している。出力軸４はその軸方向に組み合わされる一対の軸受部材５Ａ，５Ｂにより回転自在に軸支される。
【００２３】
また、上記一対の軸受部材５Ａ，５Ｂに挟み込まれるように、磁性薄板からなる一対のステータヨーク１Ａ，１Ｂが設けられている。各ステータヨーク１Ａ，１Ｂは、コイル７への通電により単相の磁極（Ｓ極又はＮ極）に励磁される固定子を構成する。
【００２４】
一対のステータヨーク１Ａ，１Ｂは、それぞれが磁気的に対称なＬ字状の磁性材料（例えば、金属）により構成され、出力軸４の回転軸Ｌに対して対称に配置される。各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの磁極となる一端部は、ロータマグネット３の外周部３ａの円弧形状に対応して円弧状にくり貫いた形状になっている。また、各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの磁極の近傍には位置決め孔１ａが形成されている。
【００２５】
一対の軸受部材５Ａ，５Ｂのそれぞれには、突起部５ａと孔部５ｂとが形成されており、一方（上方）の軸受部材５Ａの突起部５ａを他方（下方）の軸受部材５Ｂの孔部５ｂに嵌合させることによって両部材が固定される。また、各軸受部材５Ａ，５Ｂを固定する際に、突起部５ａの各々をステータヨーク１Ａ，１Ｂの上記位置決め孔１ａに挿通させることで、各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの一端部（磁極）が、ロータマグネット３の外周部３ａに所定の間隙を持って対向するように正確に位置決めされる。
【００２６】
また、他方の軸受部材５Ｂには長軸方向の側縁部にガイド面５ｃが設けられ、一方の軸受部材５Ａの対応する側縁部５ｄが上記ガイド面５ｃに当接することで、軸受部材５Ａ，５Ｂ同士の位置ずれをなくし、ロータマグネット３とステータヨーク１Ａ，１Ｂとの間のガタを抑えて、ロータマグネット３とステータヨーク１Ａ，１Ｂとの間の間隙を所望の距離に保持する。
【００２７】
また、ステータヨーク１Ａ，１Ｂの他端部の各々には、リベット９などによってコイルヨーク２の両端部が磁気的及び機械的に連結される取付孔１ｂが形成されている。磁性材料により構成されたコイルヨーク２は、ボビン６に巻かれたコイル７の中心軸を貫通しており、コイル７への通電により励磁されて各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの一端部に単相の磁極（Ｓ極又はＮ極）を発生させる。
【００２８】
ボビン６には、後述する駆動回路とコイル７とを電気的に接続するための端子部１５が設けられている。各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの一端部は、コイル７への通電によりコイルヨーク２が励磁されて磁極となり、この磁極を反転させることによりロータマグネット３を回転させる。
【００２９】
各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの磁極となる一端部には切欠部１ｃが形成されている。これら切欠部１ｃは、各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの一端部（磁極）とロータマグネット３の外周部３ａとの間隙を不均衡にして、ロータマグネット３の電磁的安定位置と無励磁での安定位置とを形成し、ロータマグネット３の自起動による回転を可能としている（図６参照）。
【００３０】
つまり、上記無励磁安定位置では、ロータマグネット３の磁極が各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの磁極からコギングトルクを受けて、励磁時にステータヨーク１Ａ，１Ｂ間に発生する磁束の向きＤ１（図６参照）とロータマグネット３の極性方向Ｄ２が交差してずれるような（平行にならないような）位置関係となる（図６（ａ）、図６（ｃ）及び図６（ｅ）参照）。
【００３１】
また、上記電磁的安定位置では、ロータマグネット３の磁極が各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの磁極から吸引力及び反発力を受けてバランスし、無励磁安定位置からロータマグネット３の極性が１８０°未満で反転した位置関係となる（図６（ｂ）及び図６（ｄ）参照）。
【００３２】
出力軸４は、インペラ８の回転中心軸上に設けられた軸穴８ａに対して摺動（空転）可能に挿入される。また、インペラ８が挿入される出力軸４の先端部４ａは球面状に形成され、インペラ８の軸穴８ａの底部に当接している。インペラ８におけるステータヨーク１Ａ，１Ｂに対向する裏面部には、出力軸４と同軸に薄板リング状永久磁石からなる保持部材１０が固定され、この保持部材１０が磁力によりステータヨーク１Ａ，１Ｂ側に吸引されることで、出力軸４の先端部４ａがインペラ８の軸穴８ａの底部に所定の押圧力で当接している。上記保持部材１０は、慣性モーメントを小さくするために、できるだけ小径で薄い形状がよい。
【００３３】
上記連結手段によれば、ステッピングモータの起動時には出力軸４がインペラ８の軸穴８ａに対して摺動（空転）し、その後の定常時になるにつれて出力軸４の先端部４ａとインペラ８の軸穴８ａとの間の摩擦力により徐々にインペラ８が出力軸４に対して追従して回転させるように作用する。
【００３４】
よって、インペラを出力軸に固定して連結した従来の構成のように、インペラの慣性モーメントが大きく、モータの起動が困難、或いはモータ起動時にモータが脱調してしまうような大きな慣性モーメントを有する場合であっても、起動トルクの小さいステッピングモータを用いてインペラのような慣性モーメントの大きなものを回転駆動できるため、起動時の脱調を発生させず、低電流、低騒音、長寿命での駆動が可能が可能となる。
【００３５】
図３は、本発明に係る実施形態の駆動回路を示すブロック図と、図１のファンモータを組み立てときのｉｉ−ｉｉ断面図である。
【００３６】
図３に示すように、駆動回路１１は、例えば、２本の乾電池１５を電源とし、水晶発振子などを内蔵する発振回路１２から出力されるクロック信号を制御部１３で分周及び波形整形を行い、４つのＣＭＯＳトランジスタからなるＣＭＯＳＦＥＴ１４の各ゲートに駆動制御信号を出力して、コイル７の端子間に図４に示すような周期的に反転する交番パルス波形の駆動電圧を印加し、単相ステッピングモータを一定回転で駆動する。尚、本実施形態では、駆動電圧のＯＮ時間は、例えば２０ｍｓであり、モータ回転数が４８０ｒｐｍである。
【００３７】
尚、図４では起動時からパルス周波数を一定に設定した例を示しているが、図５に示すように、起動時のパルス周波数を定常時よりも低く設定することで（スローアップ電圧波形）、ステッピングモータの回転数を起動時から定常時まで徐々に高めていくスローアップ機能を付加することができ、慣性モーメントの大きなインペラを低電流で回転駆動させる上記連結手段の作用をより一層助長することができる。
【００３８】
本実施形態の単相ステッピングモータのコイル抵抗は、数百オームと一般的なステッピングモータに比べてかなり大きく、また、直列に数百オームの抵抗を接続することもあり、駆動電流は数ｍＡとなる。本実施形態では、コイルに通電される電流の平均値が１０ｍＡ以下になるように固定子（コイル）の電気的な時定数が設定されている。
【００３９】
また、上記駆動回路１１として汎用の時計用ＩＣを用いることができるので、コストも安く、消費電流も小さく、時計などと同様に乾電池を用いて長時間の駆動が可能となる（例えば、電池２本で３Ｖ、２ｍＡの消費電流で、乾電池は２０００ｍＡの容量であるから４０日間の連続駆動が可能となる）。
【００４０】
図６は、本実施形態のステッピングモータの回転動作を説明する図であり、ステータヨーク１Ａ，１Ｂとロータマグネット３との位置関係を示している。
【００４１】
図６（ａ）の無励磁安定位置（通電ＯＦＦ）では、ロータマグネット３の磁極が各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの磁極から微小なコギングトルクを受けて、ステータヨーク１Ａ，１Ｂ間に発生する磁束の向きＤ１とロータマグネット３の極性方向Ｄ２が交差してずれるような位置関係となる。このコギングトルクは磁場を弱くするためにできるだけ小さい方がよいが、ゼロにはしない。
【００４２】
上記無励磁安定位置からコイル７に通電（ＯＮ）して各ステータヨーク１Ａ，１Ｂを励磁することにより、各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの磁極と極性が異なるロータマグネット３の磁極が吸引されると共に、極性が同じ磁極が反発してバランスし、図６（ａ）の無励磁安定位置からロータマグネット３の極性が１８０°未満で右回りに回転した図６（ｂ）の電磁的安定位置まで回転する。
【００４３】
その後コイル７への通電を停止（ＯＦＦ）すると上記コギング力の作用により、図６（ｂ）の電磁的安定位置から更にわずかに回転して図６（ａ）の位置から１８０°反転した図６（ｃ）の無励磁安定位置にまで回転する。
【００４４】
次に、図６（ｃ）の無励磁安定位置からコイル７に図６（ｂ）の通電時とは反転したパルスを出力して各ステータヨーク１Ａ，１Ｂに図６（ｂ）の励磁時とは反転した極性を発生させることにより、各ステータヨーク１Ａ，１Ｂの磁極と極性が異なるロータマグネット３の磁極が吸引されると共に、極性が同じ磁極が反発してバランスし、図６（ｃ）の無励磁安定位置からロータマグネット３の極性が１８０°未満で右回りに回転した図６（ｄ）の電磁的安定位置まで回転する。
【００４５】
その後コイル７への通電を停止（ＯＦＦ）すると上記コギング力の作用により、図６（ｄ）の電磁的安定位置から更にわずかに回転して図６（ｅ）の無励磁安定位置（図６（ｃ）の位置から１８０°回転した位置、或いは、図６（ａ）の位置から３６０°回転した位置）にまで回転することにより図６（ａ）の位置に戻って１回転が終了する。以後同様の通電パターンを繰り返すことでロータマグネット３が連続的に回転することになる。
【００４６】
図７は、本実施形態の変形例の単相ステッピングモータの断面構成を示し、図２に対応する図である。尚、以下では、図１及び図２の構成と同一の機能を持つ部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４７】
上記実施形態では、出力軸４とインペラ８とを保持部材１０により吸引させる構成としたが、図７に示すように、保持部材１０の代りにインペラ８と出力軸４とを樹脂製の摩擦部材２１により摺動可能に連結した構成にすることもできる。
【００４８】
この場合、摩擦部材２１の出力軸４に対する接触（摺動）面積や出力軸４の直径を最適化することで出力軸４とインペラ８との間の摩擦力を調整でき、モータ起動時から定常時に亘って徐々にインペラ８が出力軸４に対して追従して回転するように構成できる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、インペラを低電流、低騒音、長寿命で回転駆動できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態のファンモータの分解斜視図である。
【図２】図１のファンモータを組み立てときのｉ−ｉ断面図である。
【図３】本発明に係る実施形態の駆動回路を示すブロック図と、図１のファンモータを組み立てときのｉｉ−ｉｉ断面図である。
【図４】ステッピングモータを駆動するための電圧波形を示す図である。
【図５】ステッピングモータの駆動するための電圧波形を示す図である。
【図６】本実施形態のステッピングモータの回転動作を説明する図である。
【図７】本実施形態の変形例の単相ステッピングモータの断面構成を示し、図２に対応する図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ  ステータヨーク
２  コイルヨーク
３  永久磁石
４  出力軸
５Ａ，５Ｂ  軸受部材
６  ボビン
７  コイル
８  インペラ
９  リベット
１０  保持部材
１１  駆動回路
１２  発振回路
１３  制御部
１４  ＣＭＯＳＦＥＴ
２１  摩擦部材
【図１】
2004297942.tif 000003
【図２】
2004297942.tif 000004
【図３】
2004297942.tif 000005
【図４】
2004297942.tif 000006
【図５】
2004297942.tif 000007
【図６】
2004297942.tif 000008
【図７】
2004297942.tif 000009