(57)【要約】【課題】バックヨークとして機能するフレームを採用したＤＣモータとトータルの外径寸法は同等であるが、アマチュアをより大きくすることを可能にしたＤＣモータを提供する。【解決手段】円筒形状の界磁マグネット４を軸方向の両端側からブラケット２とブラケット３によって挟み込んだ構造とし、界磁マグネット４の外側には、磁性フレームを配置しない。外径が５ｍｍ以下というように小径の場合、磁性フレームが存在すると磁気飽和や磁性フレームに寸法を取られることによるアマチュアの外径を確保できなくなることに起因して、磁性フレームを配置しない場合に比較してＤＣモータの特性が低下する。磁性フレームを用いないことで、その分大きな外径のアマチュアを配置することができ、高い特性が得られる。【選択図】図１
2012175731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バックヨークとして機能する磁性フレームを有しないＤＣモータであって、
筒形状の界磁マグネットと、
前記界磁マグネットの軸方向の前後に結合した第１のブラケットおよび第２のブラケットと、
前記第１のブラケットに取り付けられた第１の軸受と、
前記第２のブラケットに取り付けられた第２の軸受と、
前記第１の軸受および前記第２の軸受によって回転自在な状態で保持された回転軸部材と
を備えることを特徴とするＤＣモータ。
【請求項２】
前記筒形状の界磁マグネットは、その外径が５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＤＣモータ。
【請求項３】
前記筒形状の界磁マグネットの外側表面に塗装または電鋳により形成された厚膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣモータ。
【請求項４】
前記第１のブラケットまたは前記第２のブラケットと、前記筒形状の界磁マグネットとが一体成形されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＤＣモータ。
【請求項５】
前記界磁マグネットと、
前記界磁マグネットと一体成形される前記第１のブラケットまたは前記第２のブラケットとが共に樹脂材料を含むことを特徴とする請求項４に記載のＤＣモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界磁マグネットに特徴のあるＤＣモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にＤＣモータは、回転子であるアマチュア、その外側に隙間を隔てて配置された界磁マグネット、界磁マグネットの外側に設けられ、バックヨークとして機能すると共にＤＣモータのケーシングの一部を構成する円筒や角筒構造を有する磁性フレームを備えている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３―６１３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この従来のＤＣモータは、フレームの厚さ分だけ、アマチュア径が小さくなる。トルクは、アマチュア径の４乗に比例するので、外径が５ｍｍ以下というような極小モータにおいては、アマチュア径が小さくなることによる特性への影響は大きい。また、上記のような極小モータの領域では、巻き線技術も難しくなるので、アマチュアが大きいことは有利となる。
【０００５】
上述したバックヨークとして機能する磁性フレームとしては、磁性を持つ金属、主に鉄製のフレームが採用されている。これは、界磁マグネットのバックヨークの役目を負い、磁気効率を高める機能を有している。しかしながら、小型化が進むモータにおいては、このフレームの存在も、小型化を妨げる要素になる。特に、極小モータにおいては、よりフレームが薄くなり、しかも希土類型磁石を用いるなど、マグネットの磁力は強くなる傾向にあるため、このフレームで磁気飽和がおこり、バックヨークの役目を果たさないことが多い。また、モータを小型化していった場合、このフレームの肉厚は、寸法上大きな比率を占めているので、このフレームの肉厚により、他に磁気回路を構成する部品を寸法上小さくせざるを得ない。
【０００６】
このような背景において、本発明は、バックヨークとして機能するフレームを採用したＤＣモータとトータルの外径寸法は同等であるが、アマチュアをより大きくすることを可能にしたＤＣモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、バックヨークとして機能する磁性フレームを有しないＤＣモータであって、筒形状の界磁マグネットと、前記界磁マグネットの軸方向の前後に結合した第１のブラケットおよび第２のブラケットと、前記第１のブラケットに取り付けられた第１の軸受と、前記第２のブラケットに取り付けられた第２の軸受と、前記第１の軸受および前記第２の軸受によって回転自在な状態で保持された回転軸部材とを備えることを特徴とするＤＣモータである。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、バックヨークを無くすことで、バックヨークとして機能する磁性フレームを採用したＤＣモータとトータルの外径寸法は同等であるが、アマチュアをより大きくすることが可能となる。この構造では、バックヨークとして機能する磁性フレームがない構造であっても、筒形状の界磁マグネットを２つのブラケット（支持部材）によって軸方向両側から挟んだ構造とすることで、強度が確保される。筒形状を有する界磁マグネットの具体的な形状としては、円筒形状が挙げられるが、断面が多角形の角筒形状であってもよい。また、角筒形状において、角を丸めた構造も可能である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記筒形状の界磁マグネットは、その外径が５ｍｍ以下であることを特徴とする。本発明者らの知見によれば、円筒形状を有する界磁マグネットの外径が５ｍｍ以下となると、バックヨークとして機能する磁性フレームの悪影響が顕在化し、同一外径で比較して、磁性フレームを用いない場合の特性が、磁性フレームを用いた場合の特性に比較して良好となる。したがって、請求項１のバックヨークとして機能する磁性フレームを用いない構造は、界磁マグネットの外径が５ｍｍ以下である場合に特に有効となる。なお、断面形状が多角形の筒形状の界磁マグネットの場合、円形に近似した構造で外径を評価することで、円筒形状の場合と同様に理解することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記筒形状の界磁マグネットの外側表面に塗装または電鋳により形成された厚膜が形成されていることを特徴とする。厚膜は、保護膜として機能する。厚膜の厚さは、２０μｍ〜１００μｍ程度であることが適当である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記第１のブラケットまたは前記第２のブラケットと、前記筒形状の界磁マグネットとが一体成形されていることを特徴とする。請求項４に記載の発明によれば、界磁マグネットを射出成形によりブラケットと一体化させるので、磁性フレームを用いない構造であっても高い強度が得られる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記界磁マグネットと、前記界磁マグネットと一体成形される前記第１のブラケットまたは前記第２のブラケットとが共に樹脂材料を含むことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明によれば、一体成形される双方の部材に共に樹脂成分が含まれるので、界磁マグネットとブラケットの一体性が高くなり、磁性フレームを用いない構造であっても高い強度が得られる。この場合、界磁マグネットに含まれる樹脂成分とブラケットに含まれる樹脂成分とは同じでなくてもよいが、少なくとも一部が同じ、あるいは親和性が高い関係であると一体性が高くなり好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、バックヨークとして機能するフレームを用いないので、バックヨークとして機能するフレームを採用したＤＣモータとトータルの外径寸法は同等であるが、アマチュアをより大きくすることを可能にしたＤＣモータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態のＤＣモータを軸方向で切断した断面図（Ａ）と、軸に垂直な方向で切断した断面図（Ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（１）第１の実施形態
（構成）
図１（Ａ）は、実施形態のＤＣモータを軸方向で切断した断面図である。図１（Ｂ）は、実施形態のＤＣモータを軸に垂直な方向で切断した断面図であり、図１（Ａ）におけるａ−ａの線で切断した部分の断面構造を示す断面図である。図１には、実施形態のＤＣモータ１が示されている。ＤＣモータ１は、ブラケット２、ブラケット３、界磁マグネット４を有している。ブラケット２とブラケット３は、樹脂材料により構成されている。界磁マグネット４は、公知のプラスチックマグネット材料により構成され、軸回り方向に多極にラジアル着時（例えば、４極）が行われた円筒形状を有している。また、円筒形状を有する界磁マグネット４の外径Rの寸法は、４ｍｍとされている。ＤＣモータ１は、界磁マグネットの外側にフレームが存在しないので、ＤＣモータ１の外径は４ｍｍとなる。
【００１７】
界磁マグネット４は、軸方向の前後からブラケット２とブラケット３によって挟まれた状態で、それらと一体化されている。この一体化された構造は、ブラケット２またはブラケット３を射出成形型内に配置した状態において、この射出成形型内に界磁マグネットを構成する材料を射出する射出成形法により製造されている。ＤＣモータ１では、ブラケット２とブラケット３、およびそれらに挟み込まれる状態の界磁マグネット４により、ＤＣモータ１の筐体が構成されており、バックヨークとして機能する磁性フレームは備えていない。つまり、ブラケット２とブラケット３、およびそれらに挟み込まれる状態の界磁マグネット４により、ＤＣモータ１は、一体物としての強度が保たれている。
【００１８】
ブラケット２における界磁マグネット４との接触部分は、縮径された縮径部２ｂとされている。この縮径部２ｂの外周面と、この縮径部２ｂが形成されていることで設けられている段差部２ａの端面（軸方向の端面）とが円筒形状の界磁マグネット４と接触する構造とすることで、ブラケット２と界磁マグネット４とが接触する面積が確保されている。また、界磁マグネット４の軸方向の端部付近が、直交する２面においてブラケット２と接触する構造が実現されている。
【００１９】
この接触構造は、ブラケット３と界磁マグネット４においても同じである。すなわち、ブラケット３における界磁マグネット４との接触部分は、縮径された縮径部３ｂとされている。この縮径部３ｂの外周面と、この縮径部３ｂが形成されていることで設けられている段差部３ａの端面（軸方向の端面）とが円筒形状の界磁マグネット４と接触する構造とすることで、ブラケット３と界磁マグネット４とが接触する面積が確保されている。また、界磁マグネット４の軸方向の端部付近が、直交する２面においてブラケット３と接触する構造が実現されている。
【００２０】
縮径部２ｂおよび３ｂが設けられていることで、ブラケット２と界磁マグネット４の軸位置がずれない構造が得られ、またブラケット３と界磁マグネット４の軸位置がずれない構造が得られている。また、段差部２ａおよび段差部３ａが設けられていることで、ブラケット２とブラケット３の軸方向における位置関係が決められている。
【００２１】
ブラケット２は、軸受５を保持し、軸受５は、回転軸部材であるシャフト６を回転自在な状態で保持している。ブラケット２は、シャフト６を外側に突出させるための貫通穴を有している。ブラケット３は、軸受７を保持し、軸受７は、シャフト６の一端を回転自在な状態で保持している。軸受５と軸受７との間には、シャフト６に固定された回転子であるアマチュア８が配置されている。アマチュア８は、ワッシャ９により、軸方向における位置決めがされている。
【００２２】
アマチュア８は、放射状に６方向に延在した６個の極歯１１を備えている。各極歯１１の先端付近は、傘型に開いた極歯先端部１２を有している。各極歯１１には、図示省略したロータコイルが巻かれている。各極歯１１に巻かれたロータコイルは、通常のＤＣモータのアマチュアにおけるものと同様に接続され、その端部は、整流子１０に接続されている。整流子１０は、界磁マグネット４の内側に配置された図示省略した公知のブラシ給電機構のブラシ給電部に接触している。
【００２３】
円筒形状を有する界磁マグネット４の外周には、樹脂塗料による厚膜を形成してもよい。また、この塗装膜の代わりに電鋳による軟磁性材料の厚膜を形成してもよい。これらの厚膜の厚さは、２０〜１００μｍ程度が適当である。また、複数種類の厚膜を重ねて形成してもよい。
【００２４】
（製造方法）
まず、樹脂材料を用いた射出成形法（モールド成形法）により、ブラケット２およびブラケット３を作製する。他方で、円筒形状を有する界磁マグネット４を射出成形するための射出成形型を用意する。この射出成形型は、ブラケット２を成形型内に装着した状態でマグネット構成材料の射出を行うことで、ブラケット２と一体化した界磁マグネット４を得ることができる構造とされている。この射出成形型にブラケット２を装着した状態で、マグネット構成材料の型内部への射出を行うことで、ブラケット２と界磁マグネット４が一体化した構造体を得る。なお、射出成形に用いるマグネット構成材料は、フェライト等のマグネット構成材料と熱可塑性樹脂とを練り合わせたプラスチックマグネットの原料を利用する。
【００２５】
ブラケット２と界磁マグネット４が一体化した構造体を得たら、公知の着磁装置にこの構造体を装着し、界磁マグネット４の多極着磁を行う。この場合、周方向に交互に磁極が反転するように４極の着磁構造とする。また、図示しないブラシ給電機構を界磁マグネット４の内側に取り付ける。
【００２６】
次に、シャフト６に軸受５、ロータコイルを巻いたアマチュア８および整流子１０を取り付けたものを作製し、アマチュア８と整流子１０との間の配線を行う。次に、この状態のシャフト６をブラケット２と界磁マグネット４とが一体化された構造体に装着する。そして、軸受７によりシャフト６を回転自在な状態で保持した状態で、界磁マグネット４にブラケット３を接着剤により固定する。またこの際、軸受７をブラケット３に接着剤により固定する。こうして、図１（Ａ）に示す断面構造を得る。
【００２７】
上記の場合と異なり、ブラケット３を界磁マグネット４と一体に成形する形態も可能である。また、先に界磁マグネットを作製しておき、この界磁マグネットを射出成形型内に配置した状態で、ブラケット２またはブラケット３を、樹脂を用いた射出成形により形成してもよい。この場合も、一方のブラケットと界磁マグネット４とが一体に形成される形態となる。この際も界磁マグネットに樹脂材料を含ませておき、樹脂材料同士の親和性により、界磁マグネットと後から射出成形されるブラケットとの一体性を高めることが好ましい。
【００２８】
（特性）
下記表１に界磁マグネットの外側に厚さ０．２ｍｍの鉄製のフレームを備えた外径寸法が４ｍｍのＤＣモータ（従来品）と、同じ４ｍｍの外形寸法を有する本実施形態のＤＣモータ（実施形態）を比較したものを示す。なお、界磁マグネットの厚さは、共に０．２ｍｍであり、着磁方法はラジアル着磁である。また、巻線線積とは、一つの極歯に巻かれた巻線の総断面積のことである。
【００２９】
【表１】
2012175731.tif 000003
【００３０】
表１から明らかなように、同じ外径寸法とした場合、ステータヨークとなるフレームが存在しない分、本実施形態ではアマチュアの外径をより大きくできる。また、アマチュアの外径をより大きくできることで、極歯１１に巻かれる巻線の巻数を増やすことができる。この巻数が増えることで、アマチュアが生成する磁束の磁束密度がより大きくなり、鉄製フレームがある場合に比較して起動トルクを４５％程大きくすることができる。
【００３１】
本発明者らの知見によれば、モータの外径が５ｍｍを超えると、フレームの有無の違いによる特性の違いは現れ難くなり、外径が大きくなるにつれてフレームがあった方が特性はよくなる。これは、フレームが存在することによるアマチュアの寸法制限のデメリットよりも、フレームのバックヨークとしての機能のメリットの方が上回るためであると考えられる。また、外径が大きくなると、界磁マグネットのみでは強度が不足する傾向が顕著になる。この意味でも５ｍｍを超える外径の場合、フレームを用いない構造の優位性は低下する。
【００３２】
他方で、モータの外径が５ｍｍ以下の範囲では、フレームが存在することによるアマチュアの寸法制限のデメリットの方が、フレームのバックヨークとしての機能のメリットよりも影響が大きく、上記の表１に示されているように、フレームなしの方が良い特性が得られる。なお、自動巻線機装置等の製造装置の精度等に依存するのであるが、本発明のステータにフレームを採用せず、界磁マグネットで構造の強度を確保する構成では、外径が２ｍｍ程度のものまで実用的に製造が可能である。つまり、本発明を適用したＤＣモータは、外径が２ｍｍ〜５ｍｍ程度の範囲において有効となる。
【００３３】
表２にサンプルの試作により得られたモータの外径と起動トルクの関係を示す。ここで、起動トルクは、ステータにフレームを備えた従来構造のものを１００として、それに対する比が示されている。なお、表１のデータはアマチュア外径の影響と巻線数の影響のいずれをも考慮しているのに対して、表２のデータはアマチュア外径の影響のみを考慮し巻線数の影響は考慮していない（巻線数は同じとしている）。そのため、表１と表２のデータは、傾向は一致するが、数値は一致しない。
【００３４】
【表２】
2012175731.tif 000004
【００３５】
表２に示すように、外径が１ｍｍのものは本発明を採用した構造であっても、従来構造のものであっても作製は行えなかった。表２に示すように、外径が５ｍｍ以上となると、フレームを用いない本実施形態の構造の起動トルクの優位性は徐々に低下し、外径が６ｍｍとなると、起動トルクの点で従来構造のものより劣ることが判明している。これは、外径が５ｍｍ以上となると、巻き線の線積が大きくなるので、フレームが無くなった分だけアマチュアが大きくなっても、巻き線数によるトルク向上は微々たるものとなり、それよりもフレームがないことによる磁気効率の低下の影響が大きくなるためであると考えられる。これら表２から得られる知見からも、本発明を適用したＤＣモータは、外径が２ｍｍ〜５ｍｍ程度の範囲において有効となる点が裏付けられる。
【００３６】
（優位性）
以上述べたように、円筒形状の界磁マグネット４を軸方向の両端側からブラケット２とブラケット３によって挟み込んだ構造とし、界磁マグネット４の外側には、磁性フレームを配置しない構造とすることで、外径が５ｍｍ以下というような小径のＤＣモータの特性を、同じ外径で磁性フレームを用いた構造に比較して高くすることができる。すなわち、ステータ外周の磁性フレームがバックヨークとして有効に機能しない小径のＤＣモータにおいて、フレームを配置せず、筒形状の界磁マグネットによって前後のブラケット間の強度を確保した構造とすることで、限られた寸法においてより大きな外径のアマチュアを得ることができる。この構造は、巻線をより多くアマチュアに巻くことができるので、界磁マグネットの外側にバックヨークとして機能するフレームを配置する場合に比較して、同じ大きさでより大きな起動トルクを得ることができる。また、鉄製のフレームを必要としないので、フレームの材料費および加工費の削減、および重量の削減が可能となる。
【００３７】
また、射出成形法により、界磁マグネットとブラケットの一方とを一体に成形することで、共に樹脂成分を含む界磁マグネットとブラケットとの一体性をより高くでき、磁性フレームを用いなくても強度を確保することができる。
【００３８】
また、ブラケットに縮径部２ｂおよび３ｂが設けられていることで、ブラケット２と界磁マグネット４の軸位置がずれない構造が得られ、またブラケット３と界磁マグネット４の軸位置がずれない構造が得られている。また、段差部２ａおよび段差部３ａが設けられていることで、ブラケット２とブラケット３の軸方向における位置関係が決められている。これにより、ケーシングとして機能する磁性フレームを用いない構造でありながら、ぶれのないシャフト６の回転が得られ、単体の部品として強度が確保されたＤＣモータが提供される。
【００３９】
（その他）
極歯の数は、６個に限定されず４個や８個も可能である。界磁マグネットの磁極の数も４極に限定されず、６極や８極も可能である。また、界磁マグネットの着磁の方法は、ラジアル着磁に限定されず、他の着磁方法を採用することができる。
【００４０】
本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、小型のＤＣモータに利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…ＤＣモータ
２…ブラケット
２ａ…段差部
２ｂ…縮径部
３…ブラケット
３ａ…段差部
３ｂ…縮径部
４…界磁マグネット
５…軸受
６…シャフト（回転軸）
７…軸受
８…アマチュア
９…ワッシャ
１０…整流子
【図１】
2012175731.tif 000005