(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータハウジングの内周面に４極以上の多極界磁磁極として取り付けられたマグネットと、回転可能に支持されたシャフト上に回転子磁極構成及び整流子を備えて構成される回転子と、該整流子に接触するブラシとを有する有ブラシＤＣモータにおいて、
前記磁極は、周方向にＮ極とＳ極が交互になっていて、
Ｎ極及びＳ極の磁極の着磁中心はそれぞれ、その両側に配置された他方の極性の２つの磁極それぞれの着磁中心間の中央位置からずれた位置に配置されている、かつ、隣接する２つの磁極の着磁中心のそれぞれが、等間隔に位置する形状中心線のそれぞれから、互いに近付く方向或いは互いに離れる方向にずらした位置にある、
ことから成る有ブラシＤＣモータ。
【請求項２】
隣接する２つの磁極の着磁中心が、前記形状中心線のそれぞれから等しいずらし角度αだけずらした位置にある請求項１に記載の有ブラシＤＣモータ。
【請求項３】
前記磁極の数は４極であり、隣接する磁極の着磁中心間のピッチ角度を、ピッチ角度１及びピッチ角度２とし、かつ、その小さい方をピッチ角度１として、
ピッチ角度１＜ピッチ角度２であり、
ピッチ角度１＋ピッチ角度２＝１８０°、かつ、
ピッチ角度１が７５°〜８５°の範囲にある請求項２に記載の有ブラシＤＣモータ。
【請求項４】
各磁極の着磁中心において表面磁束密度が最大となり、かつ、最大表面磁束密度が全ての磁極間で実質的には等しくなるように、各磁極を着磁した請求項３に記載の有ブラシＤＣモータ。
【請求項５】
前記マグネットは、マグネット材により一体に全体的にはリング形状に形成した請求項４に記載の有ブラシＤＣモータ。
【請求項６】
前記リング形状マグネットは正方形状であり、その内径を回転子外径よりもわずかに大きくする一方、その外形は、側面部で肉薄にして、コーナー部で厚肉にした偏肉形状にして、マグネットの磁極は径方向に着磁されかつ周方向に交互の極性の４極である請求項５に記載の有ブラシＤＣモータ。
【請求項７】
各磁極マグネットの形状は、形状中心線を中心として、その左右に対称に形成される請求項６に記載の有ブラシＤＣモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータに流れる電流の波形からその回転数を検出するのに十分に大きなモータ電流パルスを発生させることのできる４極界磁以上の有ブラシＤＣモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンコーダやタコジェネレータ等を用いずに有ブラシＤＣモータの回転数を検出する装置として、モータに流れる電流の波形からその回転数を検出する装置が知られている（特許文献１，２参照）。
【０００３】
図９は、特許文献１に記載の従来のモータの回転に伴って発生する回転パルスを検出するためのパルス検出回路である。このパルス検出回路は、モータドライバのグランド側に接続された電流検出抵抗Ｒからモータに流れる貫通電流を検出し、モータの回転に伴って発生する貫通電流のパルスを検出するものである。
【０００４】
パルス検出回路は、微分コンデンサＣおよび反転増幅回路ＯＡからなるパルス増幅回路および比較判定回路から構成されている。この構成のパルス検出回路において、モータが正転または逆転するとき、モータの回転に伴って発生する電流パルスが電流検出抵抗Ｒを流れる。このパルスは、微分コンデンサＣおよび抵抗Ｒ１を介して演算増幅器ＯＡに入力され、パルス増幅される。このとき、演算増幅器ＯＡの出力には、図１０の上段に示したように、電流検出抵抗Ｒに現れたパルス電圧の時間微分に比例した出力電圧が得られる。２つの抵抗Ｒ２，Ｒ３からなる分圧器は、電源電圧Ｖｃｃを１／２に分圧して演算増幅器ＯＡの非反転入力に供給する。比較器Ｃｏｍｐは、その反転入力に電源電圧Ｖｃｃの２／３（抵抗Ｒ５とＲ６の分圧比）の電圧がしきい値として入力されているので、入力されたパルス信号の電圧がしきい値を超えたときに、図１０の下段に示したようなパルスを出力する。このように、図示の回路は、電流検出抵抗Ｒに現れたパルス電圧の時間微分によりモータ回転数に比例したパルス数を得ることができる。しかし、モータ電流が周期的に滑らかに変化するとき、パルスとして検出することができない。特に、４極界磁以上のモータにおいては、電流検出抵抗に流れる電流から、しきい値を十分に越えるパルスの確実な検出が困難であった。
【０００５】
図１１は、特許文献３に開示の従来技術によるモータの断面図である。界磁マグネットは、マグネットの円弧長を長くすることにより磁束密度を大きくしたＮ極の第１マグネット及びＳ極の第２マグネットと、円弧長を短くすることにより磁束密度を小さくしたＮ極の第３マグネット及びＳ極の第４マグネットからなる。磁束密度の大きなものも磁束密度の小さなものもいずれもＮ極とＳ極の１対を単位として用いることによって、磁束密度の大きなＮ極の第１マグネットとＳ極の第２マグネットの間に吸引方向Ｔが来る。各マグネットは、マグネットの円弧面の磁気中心が回転軸の中心に対して均等な開き角となるように配置する。
【０００６】
このように、図示の界磁マグネットは、アマチュアコアの外周面に対向する面の大きさを変えて、磁力の間に差がつくように構成し、一方のマグネット側へアマチュアコアを引き付け、そのアマチュアコアと一体の軸を軸受の一方側に引き付け、軸と軸受の間に所定のクリアランスがあっても、軸ががたつくことを防止し、騒音を軽減することができる。しかし、各マグネット間で磁束密度に差を設けるだけでは、上述した特許文献１に記載のようなパルス検出回路で検出するのに十分な大きさのパルス電圧を発生させることができなかった。
【特許文献１】特開２００４−２９７８６１号公報
【特許文献２】特開平９−２２２４３３号公報
【特許文献３】特開２００７−１０４８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、モータ回転数を検出するための特別の装置を用いること無く、モータに流れる電流の波形からその回転数を検出するのに十分に大きなモータ電流パルスを発生させることのできる４極界磁以上の有ブラシＤＣモータを提供することを目的としている。
【０００８】
また、本発明は、回転ムラが生じて振動が大きくなる現象を防ぐために、対向する磁極の中心をずらすこと無く、ブラシの切り替えタイミングをずらすことにより、電流波形の落差を発生させ、この電流波形の落差を回転検出のために利用することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の有ブラシＤＣモータは、モータハウジングの内周面に４極以上の多極界磁磁極として取り付けられたマグネットと、回転可能に支持されたシャフト上に回転子磁極構成及び整流子を備えて構成される回転子と、該整流子に接触するブラシとを有する。磁極は、周方向にＮ極とＳ極が交互になっていて、Ｎ極同士及びＳ極同士は、１８０°の間隔で対向する。Ｎ極及びＳ極の磁極の着磁中心はそれぞれ、その両側に配置された他方の極性の２つの磁極それぞれの着磁中心間の中央位置からずれた位置に配置されている。
【００１０】
各磁極の着磁中心は、等間隔に位置する形状中心線からずらして配置し、前記ブラシは、各磁極の着磁中心線上に配置されていない。かつ、この形状中心線に沿ってブラシを配置する。隣接する２つの磁極の着磁中心は、形状中心線のそれぞれから等しいずらし角度αだけ、互いに近付く方向或いは互いに離れる方向にずらした位置にある。
【００１１】
磁極数が４極の場合、隣接する磁極の着磁中心間のピッチ角度を、ピッチ角度１及びピッチ角度２とし、かつ、その小さい方をピッチ角度１として、ピッチ角度１＜ピッチ角度２であり、ピッチ角度１＋ピッチ角度２＝１８０°、かつ、ピッチ角度１が７５°〜８５°の範囲にある。各磁極の着磁中心において、表面磁束密度が最大となり、かつ、最大表面磁束密度が磁極間で実質的には等しくなるように、各磁極を着磁する。
【００１２】
マグネットは、マグネット材により一体に全体的にはリング形状に形成される。このリング形状マグネットが、全体的には正方形状であり、その内径を回転子外径よりもわずかに大きくする一方、その外形は、側面部で肉薄にして、コーナー部で厚肉にした偏肉形状にして、マグネットの磁極は径方向に着磁されかつ周方向に交互の極性の４極である。各磁極マグネットの形状は、磁極の着磁中心線ではなく、形状中心線を中心として、その左右に対称に形成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、４極界磁以上の有ブラシＤＣモータにおいて、対向する磁極の中心をずらさない結果として、機械ノイズ及び振動を増加させることなく、ブラシの切り替えタイミングをずらすことにより、特別の検出装置を付加すること無く簡易な回転検出を可能にする電流波形を得ることが出来た。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、本発明を具体化する４角形状外形の小型モータの構成を示す一部縦断面図である。図２は、図１に示したモータのケース蓋を取り除いた状態で、整流子側から見た側面図である。以下、４極界磁のマグネット及び６極の回転子磁極を有し、かつ、４角形（正方形）状外形の小型モータについて説明するが、本発明は、４極以上の界磁極及び３極以上の回転子磁極を有する小型モータに対して適用可能であり、また、その形状については、円形状外形などの他の外形状にすることができる。
【００１５】
図示したように、金属材料により有底中空筒状にプレス加工されたモータケースの内周面に界磁極としてマグネットが取り付けられている。略一定板厚を有する金属製モータケースの４角形状側面が、マグネットの磁路となるヨークを形成している。このモータケースと、その開口部に嵌着したケース蓋とによって、モータハウジングを構成している。回転子のシャフトは、ケース蓋の中央部と、モータケースの底部中央にそれぞれ設けられた軸受によって支持されている。シャフト上に構成される回転子は、磁極コアと該磁極コア上に巻いた巻線とからなる回転子磁極構成を備えている。整流子は、シャフト上に固定されており、その端部には火花消去用のバリスタを備えている。この整流子に接触する一対（又は２対）のブラシは、ブラシアームを介してケース蓋に支持されると共に、ブラシアームに接続された一対の外部端子を介して外部より電源が供給される。
【００１６】
また、図３（Ａ）及び（Ｂ）は、モータケース及びマグネットそれぞれ単独の側面図である。マグネット外形形状は、モータケース内周面形状に略等しくして、その内側に圧入もしくは接着により取着される。ヨークを形成するモータケース側面は、４極の界磁極と同数の４辺の平坦な側面部（フラット面）と、この４辺の側面部間の角部に位置する同数の４個のコーナー部とを連続的に結合した形状になっている。コーナー部は、その内面側でマグネットを支持して固定する部分であり、円弧形状からなっている。
【００１７】
マグネットの磁極は径方向に着磁される４極であり、かつ周方向にＳとＮが交互になっている。ここで例示するマグネットは、マグネット材により一体に全体的にはリング形状に形成されている。このリング形状マグネットは、その内径を回転子外径よりもわずかに大きくする一方、その外形は、側面部で肉薄にして、コーナー部で厚肉にした偏肉形状となっている。このように、マグネットが偏肉形状になることで、マグネットの磁束は側面部で、マグネットコーナー部の周方向中心（図中の形状中心線）から周方向に離れる程になめらかに減少して、コギングトルク低減を図ることができる。そして、図３（Ｂ）に示すマグネットは、各マグネットの周方向磁極中心（各磁極の頂点）を、互いに直交する２本の形状中心線（その間の角度が９０°）からずらして配置している。正方形状外形のモータにおいて、形状中心線とは、図示のようにモータ中心を通り、かつ、コーナー部の周方向中心を通る線であり、この形状中心線に沿ってブラシが配置されることになる。
【００１８】
図４は、マグネットの着磁を説明する図である。図示のように、磁極は、周方向にＮ極とＳ極を交互にして径方向に着磁される。Ｎ極同士及びＳ極同士は、１８０°の間隔で対向している。そして、図示したように、Ｎ極とＮ極の周方向の中央位置ではなく、中央位置からずれた位置（ピッチ角度１＜ピッチ角度２）にＳ極が位置している。同様に、Ｓ極とＳ極の周方向の中央位置からずれた位置にＮ極が位置している。なお、各磁極の着磁中心（センター）とは、表面磁束密度が最大となる位置を意味している。そして、最大表面磁束密度が全ての磁極間で実質的には等しくなるように、各磁極を着磁している。
【００１９】
図示のように、隣接する２つの磁極の着磁中心が、互いに直交する２本の形状中心線のそれぞれから等しいずらし角度αだけ、互いに近付く方向或いは互いに離れる方向にずらした位置にある。４個のマグネットにそれぞれ図示のようにＭ１〜Ｍ４の名称を付ける。マグネットＭ１とＭ４の間で、及びマグネットＭ２とＭ３の間で、着磁中心はより近付くように、それぞれ形状中心線から同じずらし角度αだけずらして着磁される。この結果、マグネットＭ１とＭ４の間の中心及びマグネットＭ２とＭ３の間の中心（隣接する磁極間でその極性が反転する磁極切り替え位置）は、形状中心線の上に位置するブラシの切り替え間隔の中心に一致する。
【００２０】
それ故に、マグネットＭ１とＭ２の間で、及びマグネットＭ３とＭ４の間では、着磁中心はより離れるように、それぞれ形状中心線から同じずらし角度αだけずらされることになる。そして、マグネットＭ１とＭ２の間の中心及びマグネットＭ３とＭ４の間の中心（磁極切り替え位置）は、同様に、ブラシの切り替え間隔の中心に一致する。
【００２１】
隣接する磁極（Ｎ極とＳ極）の着磁中心間のピッチ角度を、ピッチ角度１及びピッチ角度２とする。本発明においては、ピッチ角度１とピッチ角度２を異ならせているが、その小さい方をピッチ角度１と呼ぶ（ピッチ角度１＜ピッチ角度２）。シャフト軸中心を挟んで対向するピッチ角度同士は等しく、また、ピッチ角度１＋ピッチ角度２＝１８０°になる。言い換えると、互いに直交する２本の形状中心線のそれぞれから等しいずらし角度αだけずらした位置に、Ｎ極或いはＳ極（の着磁中心）がある。即ち、２×α＋ピッチ角度１＝ピッチ角度２−２×α＝９０°となる。ピッチ角度１としては、後述するように、７５°〜８５°の範囲にある角度とすることが望ましい。
【００２２】
このように、本発明の磁極は、着磁中心位置をずらしたことに特徴がある。このずらした着磁中心位置を中心として周方向の左右対称にマグネットを形成することは可能であるが、例示のような正方形外形のモータの場合は、形状的には、各マグネットを等しい形状にして等間隔で配置することが望ましい。この場合、各磁極マグネットは、磁極の着磁中心線ではなく、形状中心線を中心として、その左右に対称に形成される。正方形外形のモータにおいて、形状的に、ヨークの対向するコーナー部同士、側面部同士の中心をモータシャフト中心と一致させ、マグネットのコーナー部外径中心、内径中心をモータ中心と一致させるように、モータシャフト中心（それ故に、軸受中心）に、各部中心を一致させることによりモータ組立が容易となる。
【００２３】
マグネット材質としては、フェライトマグネット、ネオジウムマグネット、プラスチックマグネットのような従来より用いられているいずれの材質を用いることもできる。このようなマグネットは、マグネット単体を磁界発生装置を用いて４極に着磁した後、モータケースに固定することも可能であるが、望ましくは、モータケースに固定した後に着磁する。すなわち、磁性材料をリング形状に一体成形し、モータケースに固定した後、磁界発生装置を用いてモータケース外部、またはモータケースに固定した磁性材料の内側より、４極のマグネットに着磁する。
【００２４】
図５は、マグネットの着磁を、円形状外形モータに用いることのできる断面円筒形状のマグネットに適用した例を説明する図である。断面円筒形状マグネットについても、その着磁は、図４に示した場合と同様に行うことができるので、その詳細な説明は省略する。
【００２５】
図６は、８極マグネットの着磁を説明する図である。８極マグネットについても、上述した４極マグネットと同様に着磁することができる。図示のように、磁極は、４極マグネットと同様に、周方向にＮ極とＳ極を交互にして径方向に着磁され、かつＮ極同士及びＳ極同士は、１８０°の間隔で対向している。但し、８極マグネットにおいては、１８０°間隔で対向しているＮ極同士（或いはＳ極同士）の中央に、別の対のＮ極同士（或いはＳ極同士）が１８０°の間隔で対向している。言い換えると、４個のＮ極（或いはＳ極）が、周方向には等間隔で配置されている。
【００２６】
Ｎ極とＳ極の関係については、上述した４極マグネットと同様に、隣接するＮ極とＮ極の中央位置ではなく、中央位置からずれた位置（ピッチ角度１＜ピッチ角度２）にＳ極が位置している。同様に、Ｓ極とＳ極の中央位置からずれた位置にＮ極が位置している。このため、隣接する２つの磁極の着磁中心が、形状中心線のそれぞれから等しいずらし角度αだけ、互いに近付く方向或いは互いに離れる方向にずらした位置にある。断面円筒形状の８極マグネットの場合、形状中心線は、中心を通り、かつ円周を４５°の等間隔で分割する線であり、例えば、一対のブラシが、この形状中心線の内の隣接する２本に沿って配置される。
【００２７】
次に、図７を参照して、４極界磁のマグネット及び６極の回転子磁極を例として、巻線への電流供給について説明する。図７（Ａ）は、ブラシ配置を概念的に示す図であり、（Ｂ）は、回転子を整流子側から見た側面図である。なお、図７を参照して、以下に説明する回転子構成及びブラシ配置自体は、従来より知られた通常の構成を採用できる。一対のブラシ（二対のブラシを用いることもできる）は、９０°間隔で形状中心線に一致させて、固定子側に配置されている。回転子側には、６個の整流子片１−６が互いの間にスリットを設けて配置されている。また、６個の回転子磁極コアを、丸数字の１−６で表している。
【００２８】
整流子片間のスリットは、典型的には、磁極コアのアームの中心位置（磁極コアの周方向中心位置）にある。巻線は、典型的には、整流子片１をスタートして、順次、磁極コア４、磁極コア１、整流子片２、整流子片５、磁極コア５、磁極コア２、整流子片３、整流子片６、磁極コア６、磁極コア３、整流子片４、及び最初の整流子片１の順に、各磁極コアに巻回しかつ各整流子片に接続される。
【００２９】
図８は、４極磁極の磁極間のピッチ角度を９０°から７５°まで変化させた場合に、モータに流れる電流の波形を示す図である。図８は、実際にモータを製作して実測により得られた結果を示している。図中の（ａ）は、ずらし角度α＝０で、等間隔のピッチ角度（ピッチ角度１＝ピッチ角度２）の場合（従来技術）を示している。図８（ｂ）〜（ｄ）は、それぞれ、図４或いは図５に示したピッチ角度１（小さい方のピッチ角度）を、８５°、８０°、７５°に変化させたそれぞれの場合の電流波形を示している。
【００３０】
図８（ａ）において、各区間の境界は、ブラシの切替え位置であると同時に、マグネット磁極の切替え位置でもある。各区間の中央で、各磁極の表面磁束密度及び逆起電圧は最大になる。区間１、区間２、区間１、区間２、・・・と連続する各区間は、それぞれ、ブラシが１つの整流子片に接触し始めてから、そこを離れるまでを表している。モータ巻線には、一定値の電源電圧と、逆起電圧との差電圧が印加される。モータ電流は、ブラシが１つの整流子片に接触し始めるとき、逆起電圧が低いために、実質的に大きな電圧がモータ巻線に印加される。しかし、モータ巻線はインダクタンスを有しているために、電流は、所定の時定数で立ち上がることになる。立ち上がった後の電流は、電源電圧と逆起電圧との差電圧に比例して流れることになる。
【００３１】
図８（ａ）において、各区間の中央で、逆起電圧は最大になり、また、各区間の終わり近くでは逆起電圧が小さくなるために電流は増加する。そして、ブラシは隣接する次の整流子片に接触することになる。このように、ブラシが１つの整流子片から隣接する整流子片に切り替わるときに、１つの区間での電流オフに続く次の区間での電流オン時の電流段差が、パルス検出部で検出されて、パルス出力を発生するが、モータ制御を可能にするのに十分大きなパルス出力を発生できないことは前述した通りである。特に、ブラシの使用時間の経過につれて、ブラシが摩耗する時、整流子片に対して点ではなく面で接触することになるので、益々、モータ電流の段差は小さくなる。
【００３２】
次に、図８（ｂ）〜（ｄ）に示すような８５°〜７５°のピッチ角度の場合について説明する。ここでの区間１は、図４或いは図５に示したピッチ角度１に対応している。区間１の終わりに、磁極極性が切り替わるときに小さな電流段差が生じる。但し、区間２が始まった直後に、ブラシは１つの整流子片から隣接する整流子片に切り替わるが、このときには、検知し得る程の電流段差は生じない。次に、ピッチ角度２に対応する区間２の終わり近くでは、逆起電圧が小さくなるために電流は増加し、かつ電流が十分に大きくなった後に、ブラシは隣接する次の整流子片に接触することになる。このとき、電流段差は十分に大きなものとなる。この電流段差が、パルス検出部で検出されて、パルス出力を発生してモータ制御が行われることになる。但し、本発明により検出されるパルス数は、１つ置きの整流子片間スリットでの電流切替えに相当するものであり、通常の９０°ピッチ角度の場合（図８（ａ））の半分のパルス数となる。
【００３３】
図８に示すように、モータ電流段差は、ピッチ角度１（図４又は図５参照）を小さくする程に大きくなって、確実にパルス出力を発生することができるが、しかし、この電流段差は、パルス検出部で検出可能な以上に大きくする必要はない。不必要に大きな電流段差は、モータ振動及び騒音を発生することになる。それ故、電流段差が、パルス検出部で確実に検出でき、かつ不必要に大きくならない７５°〜８５°のピッチ角度１の範囲が望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明を具体化する４角形状外形の小型モータの構成を示す一部縦断面図である。
【図２】図１に示したモータのケース蓋を取り除いた状態で、整流子側から見た側面図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、モータケース及びマグネットそれぞれ単独の側面図である。
【図４】マグネットの着磁を説明する図である。
【図５】マグネットの着磁を、円形外形モータに用いることのできる断面円筒形状のマグネットに適用した例を説明する図である。
【図６】８極マグネットの着磁を説明する図である。
【図７】（Ａ）は、ブラシ配置を概念的に示す図であり、（Ｂ）は、回転子を整流子側から見た側面図である。
【図８】磁極間のピッチ角度を９０°から７５°まで変化させた場合に、モータに流れる電流の波形を示す図である。
【図９】特許文献１に記載の従来のモータの回転に伴って発生する回転パルスを検出するためのパルス検出回路である。
【図１０】図９のパルス検出回路の出力を表す図である。
【図１１】特許文献３に開示の従来技術によるモータの断面図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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