JP2005341647A - モータ、駆動ユニット及び動作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】始動トルクの小さいモータと、該モータを組み込んだ駆動ユニットと、該モータや該駆動ユニットを組み込んだ動作装置とを提供すること。
【解決手段】永久磁石を有するロータと、空芯コイルを有するステータとを備え、前記空芯コイルの通電制御によって前記永久磁石と前記空芯コイルとの間に回転磁界を形成して前記ロータを回転させるように構成されたモータにおいて、前記ロータを構成する部品又は部分であって前記永久磁石を除く部品又は部分のうちでロータ軸以外が非磁性体で構成されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータ、駆動ユニット及び動作装置に関するものである。

従来、モータとして、ロータと、ステータとを備えたモータであって、ロータは、円板形の磁性体を介して重ね合わされた一対の永久磁石を有し、永久磁石の各々は軸方向に着磁された複数の磁極が周方向に交互に異磁極となるように形成され、一対の永久磁石の相互は軸方向に異磁極が対向し、一対のステータの各々は、内周リングと外周リングとを有する磁性薄板のステータ鉄心と、磁性コイルからなるものが知られている。（例えば、特許文献１を参照）。
特公平６−８３５６１号公報

しかしながら、上記特許文献１のモータでは、永久磁石と磁性コイルとの間に形成される磁場内に鉄などの磁性体が存在するため、始動トルクが極めて大きいものとなっていた。そのため、電源としてソーラバッテリを使用する場合などには必然的に動作電流の大きいものを使用せざるを得なかった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、始動トルクの小さいモータと、該モータを組み込んだ駆動ユニットと、該モータや該駆動ユニットを組み込んだ動作装置とを提供することを目的としている。

請求項１に記載のモータは、永久磁石を有するロータと、空芯コイルを有するステータとを備え、前記空芯コイルの通電制御によって前記永久磁石と前記空芯コイルとの間に回転磁界を形成して前記ロータを回転させるように構成されたモータにおいて、前記ロータを構成する部品又は部分であって前記永久磁石を除く部品又は部分のうちでロータ軸以外が非磁性体で構成されていることを特徴とする。非磁性体の中には、金や銅のように反磁性を示す物質をも含む。

この場合、永久磁石を設けるにあたっては、ロータ軸の周りに永久磁石を複数設けるようにしてもよいし、ロータ軸を取り囲むような円環状の永久磁石を設けてもよい。要は、ロータ軸の周方向に沿って異磁極（Ｎ極とＳ極）が交互に（好ましくは等間隔に）並ぶようにすることである。一方、空芯コイルはロータ軸の周方向に沿って２個以上設けることが好ましい。また、空芯コイルの設置場所は、永久磁石に対してロータ軸の軸線方向に離反した位置でもよいし、永久磁石に対してロータ軸の直径方向に離反した位置でもよい。さらに、空芯コイルの全体形状は、永久磁石側から見て円形、楕円形又は矩形等に巻回されていてもよいし、ロータ軸の周方向に沿うように弧状又は弓形等に巻回されていてもよい。なお、永久磁石と空芯コイルとを対峙させるにあたっては、必ずしも永久磁石の中心と空芯コイルの中心とが正対することは必要ではない。空芯コイルを偶数個設ける場合には、ロータ軸を中心とする点対称位置に空芯コイルを設置することが好ましい。そして、この場合、ロータ軸を中心とする対象位置に存する永久磁石は互いに同磁極であっても異磁極となっていてもよい。ただし、ロータ軸を中心とする点対称位置に存する空芯コイルを交互に通電するものでは、ロータ軸を中心とする対象位置に存する永久磁石を互いに異磁極としておくことが好ましい。

また、永久磁石をロータ軸に付設するにあたっては、ロータ軸に永久磁石を直接的に付設することもできるし、磁石支持部を介して永久磁石を間接的に付設することもできる。後者の場合には、磁石支持部は非磁性体で構成することが好ましい。一方、ロータ軸は非磁性体に限らず、磁性体（例えば金属）で構成されていてもよい。ロータ軸は、ロータの中心に存在しロータと共に回転するので永久磁石と空芯コイルとの間に生じる回転磁界に及ぼす影響は少ないからである。

さらに、モータを設置するにあたっては、仮に磁性体を近付けるとした場合に永久磁石と空芯コイルとの間に生じる回転磁界に影響を及ぼす領域の部品又は部分（周辺部品又は周辺部分）は全て非磁性体で構成することが好ましい。例えば、磁性体を近付けた場合に永久磁石と空芯コイルとの間に生じる回転磁界に影響を及ぼしロータの回転が停止してしまうような領域に配置される部品又は部分は全て非磁性体で構成するようにする。このような領域は実験等によって容易に確定できる。

さらに、請求項２に記載のようにモータはソーラバッテリを電源とするものであることが好ましい。この場合、空芯コイルの通電制御は請求項３に記載のように発振回路（例えばマルチバイブレータ、特に請求項４に記載のように無安定マルチバイブレータ）で行うことがさらに好ましい。

また、ロータは、回転抵抗をでき得る限り小さくするために軽量化することが好ましい。そのため、ロータ軸を可能な限り細くして軽量化したり、磁石支持体を持つものでは磁石支持体の形状や材料の工夫によって磁石支持体を軽量化したりすることが好ましい。さらに、ロータ軸の端部を丸めるか尖らせてメタルピボットに当接させて支持させることで回転抵抗を小さくすることが好ましい。

請求項５に記載の駆動ユニットは、請求項１から４いずれか一に記載のモータが一の筐体に設けられ、仮に磁性体で構成するとした場合に前記永久磁石と前記空芯コイルとの間に生じる回転磁界に影響を及ぼす部品及び部分が非磁性体によって構成されていることを特徴とする。この請求項５に記載の「部品」は筐体自体も含む概念であるし、筐体にモータ以外の部品（モータ外部品）が組み付けられる場合にはモータ外部品も指す概念として用いている。また、請求項５に記載の「部分」とは前記部品の一部分をいう。したがって、駆動ユニットを構成する一部の部品が非磁性体の場合もあるし、それらの部品のうちの一部分が非磁性体の場合もある。もっとも、筐体と、その筐体内に設けられるモータ外部品とは全て非磁性体とすることが好ましい。この場合、筐体は、永久磁石と空芯コイルとの間に生じる回転磁界が及ぶ範囲をカバーできる形態とすることが好ましい。換言すれば、筐体の外部の任意の場所に磁性体を設置したとしても、永久磁石と空芯コイルとの間に生じる回転磁界が実質的に減殺されないような大きさ及び形状となるように筐体を構成することが好ましい。

請求項６に記載の駆動ユニットは、請求項１から４いずれか一に記載のモータと、前記モータの回転動力を伝達するための動力伝達機構とが一の筐体に設けられ、仮に磁性体で構成するとした場合に前記永久磁石と前記空芯コイルとの間に生じる回転磁界に影響を及ぼす部品及び部分が非磁性体によって構成されていることを特徴とする。この請求項６に記載の「部品」は筐体自体や機構部品も含む概念であるし、筐体にモータや機構部品以外の部品が組み付けられる場合にはそれら部品も指す概念として用いている。また、請求項６に記載の部品の一部分をいう。したがって、駆動ユニットを構成する一部の部品が非磁性体の場合もあるし、それらの部品のうちの一部分が非磁性体の場合もある。もっとも、筐体と、その筐体内に設けられる部品とは全て非磁性体とすることが好ましい。この場合、筐体は、永久磁石と空芯コイルとの間に生じる回転磁界が及ぶ範囲をカバーできる形態とすることが好ましい。換言すれば、筐体の外部の任意の場所に磁性体を設置したとしても、永久磁石と空芯コイルとの間に生じる回転磁界が実質的に減殺されないような大きさ及び形状となるように筐体を構成することが好ましい。

請求項７に記載の動作装置は、請求項１から４いずれか一に記載のモータを備え、仮に磁性体で構成するとした場合に前記永久磁石と前記空芯コイルとの間に生じる回転磁界に影響を及ぼす部品及び部分が非磁性体によって構成されていることを特徴とする。この請求項７に記載の「部品」は動作装置を構成する部品であってモータ以外のものをいう。

請求項８に記載の動作装置は、請求項５又は６に記載の駆動ユニットを備え、仮に磁性体で構成するとした場合に前記永久磁石と前記空芯コイルとの間に生じる回転磁界に影響を及ぼす部品及び部分が非磁性体によって構成されていることを特徴とする。この請求項７に記載の「部品」は動作装置を構成する部品であってモータ以外のものをいう。

請求項１から８記載の発明によれば、ロータを構成する部品であって永久磁石を除く部品のうちで少なくともロータ軸以外の部品が非磁性体で構成されているので、極めて小さな動作電流でもってロータを回転させることができる。通電制御手段としてはＩＣを用いることもできるが、発振回路特に無安定マルチバイブレータを使用する場合には小さい動作電流でも作動するのでＩＣを用いる場合と比較して有利である。また、電源としてソーラバッテリを使用する場合には乾電池等が不要となるので省エネが図れることになる。

図１には動作装置が示されている。この動作装置１は、最終動作部品である円板状のテーブル２の上に例えば携帯型電話等の商品を載せ、テーブル２を回転させて商品を展示するために使用される。ここに「最終動作部品」とはモータによって最終的に動作させるべき部品をいう。この動作装置１は、テーブル２、駆動装置３（図２参照）及びソーラバッテリ４を備えている。このうち駆動装置３は筐体５に組み込まれている。筐体５は非磁性体である合成樹脂（例えばＡＢＳ樹脂（スチレン−ブタジエン−アクリロニトリル共重合樹脂））で構成されている。

図２（Ａ）〜（Ｃ）には筐体５の内部が示されている。ここで同図（Ａ）は同図（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。この筐体５は、図３に示すように、矩形状の下板５ａ及び上板５ｂと、所定の間隔を有して相互に組み付けられる下板５ａ及び上板５ｂによって形成される４方の隙間を閉塞する側枠５ｃとによって構成されている。下板５ａと上板５ｂとの間には軸７，８，９が掛け渡される。この軸７，８，９の設置は、下板５ａの所定位置に軸７，８，９を仮置きすると共に下板５ａのボス５ａ−１上に上板５ｂを載せ、その状態で、下板５ａと上板５ｂとの隙間から挿入した非磁性体の道具で軸７，８，９の位置決めを行い、下板５ａと上板５ｂとをビス６によって相互に組み付けることによって行われる。この場合のビス６は非磁性体（例えば真鍮や合成樹脂）で構成されたものを用いることが好ましい。そして、相互に組み付けられた下枠５ａ及び上枠５ｂの組立体に対して側枠５ｃを上板５ｂ側から外嵌させることによって筐体５が完成する。

なお、側枠５ｃは非磁性体のビスによって前記組立体に組み付けてもよいが、その取付構造は次のようにすることが好ましい。
すなわち、図３に示すように、上板５ｂの周囲に部分的に（好ましくは複数箇所に）断面三角形状の爪５ｂ−１を設けておくと共に、側枠５ｃに爪５ｂ−１と係合する三角形状の凹部５ｃ−１を設けておく。そして、前記組立体に対して上板５ｂ側から側枠５ｃを外嵌させることができるようにしておく。そして、組立体に対して上板５ｂ側から側枠５ｃを外嵌させたときに爪５ｂ−１と凹部５ｃ−１とが係合し、側枠５ｃが上方へ抜けないようにしておく。一方、下板５ａを上板５ｂよりも僅かに大きめに形成しておき、組立体に対して上板５ｂ側から側枠５ｃを外嵌させたときに、側枠５ｃの端が下枠５ａの上面に突き当たるようにし、側枠５ｃが下方へ抜けないようにしておく。そして、筐体５内の部品の交換や修理の際には、ビス６を外して下枠５ａを上枠５ｂから取り外した後に、側枠５ｃを上枠５ｂから取り外すことができるようにしておく。以上のような取付構造とすれば、その組立てが簡単に行えることになる。なお、上板５ｂを下板５ａよりも僅かに大きめに形成しておき、上記の構造とは逆の構造としてもよいことは勿論である。

軸（ロータ軸）７はロータ軸であって非磁性体であるＳＵＳ又は真鍮によって形成されている。この場合、軸７は非磁性体で構成することが好ましいが、磁性体で構成してもよい。軸７はロータの中心に存在しロータと共に回転するので回転磁界に及ぼす影響は少ないという理由からである。この軸７は軽量化のためにでき得る限り細いことが好ましい。この軸７には磁石支持部材１０が付設されている。この磁石支持部材１０は非磁性体である合成樹脂（例えばＰＯＭ樹脂（ポリアセタール）で構成されている。この磁石支持部材１０は、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、軸７に外嵌する軸筒１１と、その軸筒１１と一体的に形成されてロータ軸外に十字状に張り出す４つの磁石支持部１２とから構成されている。ここで同図（Ｂ）は下面図である。この磁石支持体１２は円環状に張り出していてもよいが、軽量化のために磁石の個数に対応させてロータ軸外に放射状に張り出させることが好ましい。各磁石支持部１２の下面には永久磁石１３がそれぞれ付設されている。この場合、永久磁石１３は、軸７の周方向に等間隔に異磁極（Ｎ極とＳ極）が交互に並ぶように配置されている。また、軸筒１１には小径歯車１４が一体的に設けられている。その小径歯車１４は非磁性体である合成樹脂（例えばＰＯＭ樹脂（ポリアセタール）で構成されている。この小径歯車１４も非磁性体で構成することが好ましいが、磁性体で構成してもよい。小径歯車１４はロータの中心に存在しロータと共に回転するので回転磁界に及ぼす影響は少ないという理由からである。
なお、永久磁石１３としては、バリウムフェライト系磁石、ストロンチウムフェライト系磁石、サマリウム系磁石、ネオジム系磁石など様々な磁石が使用できるが、そのうちでも最大エネルギー積の大きいサマリウム系磁石、ネオジム系磁石を使用することが好ましい。また、軸７は角軸でもよいが丸軸とすることが好ましい。そして、軸７の両端部を丸穴に挿入すると共に、軸７の端部を丸めるか尖らせてメタルピボット２０（例えばＣｕ）などによってほぼ点接触状態で支持させ、軸方向の移動を抑止すると共に回転摩擦を低減させることが好ましい。非磁性体（常磁性体）の中には、金や銅のように反磁性を示す物質（反磁性体）も含まれる。反磁性体は強磁性体とまったく反対の性質を有するわけであるが、その作用は極めて微妙なため、区別上は常磁性体に含められる。本明細書でもその区分に従って非磁性体の語を用いている。
図５には軸７の支持構造の具体例が示されている。この支持構造では、メタルピボット２０で軸方向の荷重を受けている。つまり、メタルピボット２０はスラスト軸受けとして機能する。一方、軸７の端部が挿入される丸穴を持つ支持部５−１は軸７に垂直に加わる荷重を受けている。つまり、支持部５−１はラジアル軸受けとして機能する。この支持部５−１の厚みは可及的に小さくしておくことが好ましい。実施形態では、軸７が鉛直方向となるようにして動作装置１を使用しているが、横にして使用する場合もあるので、その場合に軸７との接触面積を減らして回転摩擦を可及的に低減させるためである。他の軸８及び９の支持構造においても同様の構造とすることが好ましい。
以上、軸７と、軸７に付設された磁石支持部材１０と、永久磁石１３とによってロータが構成されている。また、小径歯車１４は動力伝達機構の一部を構成している。

軸８は非磁性体である合成樹脂（例えばＰＯＭ樹脂（ポリアセタール）で構成されている。軸８には大径歯車１５及び小径歯車１６が一体的に設けられている。大径歯車１５及び小径歯車１６は非磁性体である合成樹脂（例えばＰＯＭ樹脂（ポリアセタール）で構成されている。そして、大径歯車１５は前記小径歯車１４に噛合している。
なお、軸８は角軸でもよいが丸軸とすることが好ましい。さらに、軸８の端部を丸めるか尖らせてメタルピボット（例えばＣｕ）２１などによってほぼ点接触状態で支持させ、軸方向の移動を抑止すると共に回転摩擦を低減させることが好ましい。

軸９は非磁性体である真鍮によって形成されている。軸９には大径歯車１７が設けられている。大径歯車１７は非磁性体である合成樹脂（例えばＰＯＭ樹脂（ポリアセタール）で構成されている。この大径歯車１７の上端面には図６に示すように突起１７ａが付設されている。そして、大径歯車１７は前記小径歯車１６に噛合している。また、軸９は上板５ｂを貫通して上板５ｂの上方にまで延びている。
なお、軸９は角軸でもよいが丸軸とすることが好ましい。さらに、軸９の端部を丸めるか尖らせてメタルピボット（例えばＣｕ）２２などによってほぼ点接触状態で支持させると共に、軸筒２３を軸９に外嵌させて、軸方向の移動を抑止すると共に回転摩擦を低減させることが好ましい。

軸９において筐体５から突出する部分には非磁性体で構成された円形のテーブル２が着脱自在に付設されている。このテーブル２は非磁性体である合成樹脂（例えばＡＢＳ樹脂（スチレン−ブタジエン−アクリロニトリル共重合樹脂））で構成されている。

さらに、筐体５内には２つの空芯コイル（ステータ）１８が設けられている。２つの空芯コイル１８は、実施形態の場合、単巻きであって巻数はそれぞれ８００〜２０００回程度である。８００程度未満とすると動作電流（例えば動作電流が６０μＡ程度）では回転が継続しないからであり、２０００程度を越えると必要以上に高価となるからである。好ましくは１４００〜１６００回程度である。この２つの空芯コイル１８の通電制御は制御装置１９によってなされるように構成されている。

なお、上板５ｂには図３に示すように差込み孔５ｂ−２が設けられている。この差込み孔５ｂ−２には図１に示すようにピン６０が着脱自在に挿入されている。差込み孔５ｂ−２に挿入されたピン６０は、大径歯車１７の回転に伴って突起１７ａが突き当たる位置に存在する。そして、大径歯車１７の回転に伴ってピン６０に突起１７ａが突き当たった後には、ロータひいては大径歯車１７の回転方向が変化するようになっている。これは、本実施形態においては、２つの永久磁石１３と２つの空芯コイル１８との間に作用する微妙な磁力バランスによって回転方向が決定されるため、大径歯車１７の回転に伴ってピン６０に突起１７ａが突き当たり反力によって大径歯車１７ひいてはロータ軸が僅かに反転すると、今までの磁力バランスが崩れて反対方向に回転することになるからである。

また、下板５ａには、図７に示すように、空芯コイル１８の位置決めのための囲繞壁５ａ−３及び十字状突起５ａ−４が下板５ａに設けられている。この囲繞壁５ａ−３及び十字状突起５ａ−４も非磁性体で構成されている。例えば、囲繞壁５ａ−３及び十字状突起５ａ−４は非磁性材料で下板５ａと一体成形されている。そして、空芯コイル１８の中心の孔部を十字状突起５ａ−４と合致させた状態で、空芯コイル１８を囲繞壁５ａ−３に押し込むことによって空芯コイル１８が下板５ａに設置される。この場合の囲繞壁５ａ−３は空芯コイル１８の全周を囲めることは必要ではなく、部分的に囲めるようなものであってもよい。

図８にはその制御装置１９を含む回路ブロック図が示されている。この場合の制御装置１９は発振回路によって構成されている。発振回路の具体的な構成は図９に示されている。この発振回路としては無安定マルチバイブレータが使用されている。そして、ソーラバッテリ４を電源として２つの空芯コイル１８に交互に通電を行うように構成されている。この制御装置１９は筐体５内に設けられた基板２５に構成されている。この基板２５は図２（Ｂ）に示すように下板５ａのＵ字状の係合部５ａ−５に上方から抜差し自在となっている。なお、同図において符号２６は充電回路を示している。

以上のように構成された動作装置１によれば、最終動作部品である円板状のテーブル２の上に例えば携帯型電話等の商品を載せ、ソーラバッテリ４を例えば蛍光灯下に設置することによってテーブル２が回転し、テーブル２上に載せられた商品を回転させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態では、空芯コイル１８の設置場所は、永久磁石１３に対して軸（ロータ軸）７の軸線方向に離反した位置としたが、図１１に示すように、永久磁石１３に対して軸（ロータ軸）７の直径方向に離反した位置でもよい。

また、上記実施形態では、空芯コイル１８の設置場所は、永久磁石１３に対して軸（ロータ軸）７の軸線方向に離反した位置とするにあたって、永久磁石１３の一面側としたが、図１２に示すように、永久磁石１３を挟み込むような位置にそれぞれ空芯コイル１８を設けてもよい。この場合、永久磁石１３を挟み込む空芯コイル１８の組は１組であってもよい。

なお、上記実施形態では、ロータ軸が縦置き使用（鉛直方向に延在して使用）される場合について説明したが、逆さにしても、また、ロータ軸が横置き使用される場合にも適用できることは勿論である。

本発明に係る動作装置の斜視図である。 本発明に係る動作装置の筐体の内部構造を示す図であり、同図（Ａ）は側枠を取り外した状態の同図（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、同図（Ｂ）は上板を取り外した状態の平面図、同図（Ｃ）はロータ軸の取付構造を示す断面図である。 本発明に係る動作装置の筐体の構造を示す斜視図である。 本発明に係る動作装置のロータの構造を示す図であり、同図（Ａ）はロータの主要部分を示す断面図、同図（Ｂ）はロータの下面図である。 本発明に係る動作装置のロータ軸の支持構造の具体例を示す図である。 本発明に係る動作装置の一の大径歯車の構造を示す斜視図である。 本発明に係る動作装置の下板の構造を示す平面図である。 本発明に係る動作装置の回路ブロック図である。 本発明に係る動作装置の発振回路の回路図である。 本発明に係る動作装置の変形例における空芯コイルの設置場所を示す図である。 本発明に係る動作装置の変形例における空芯コイルの設置場所を示す図である。

符号の説明

１ 動作装置
４ ソーラバッテリ
５ 筐体（筐体）
７ 軸（ロータ軸）
１３ マグネット
１８ 空芯コイル（ステータ）
１９ 通電制御装置

Claims (8)

1. 永久磁石を有するロータと、空芯コイルを有するステータとを備え、前記空芯コイルの通電制御によって前記永久磁石と前記空芯コイルとの間に回転磁界を形成して前記ロータを回転させるように構成されたモータにおいて、前記ロータを構成する部品又は部分であって前記永久磁石を除く部品又は部分のうちでロータ軸以外が非磁性体で構成されていることを特徴とするモータ。
2. ソーラバッテリを電源とすることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記空芯コイルの通電制御が発振回路によって行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ。
4. 前記発振回路は無安定マルチバイブレータによって構成されていることを特徴とする請求項３記載のモータ。
5. 請求項１から４いずれか一に記載のモータが一の筐体に設けられ、仮に磁性体で構成するとした場合に前記永久磁石と前記空芯コイルとの間に生じる回転磁界に影響を及ぼす部品及び部分が非磁性体によって構成されていることを特徴とする駆動ユニット。
6. 請求項１から４いずれか一に記載のモータと、前記モータの回転動力を伝達するための動力伝達機構とが一の筐体に設けられ、仮に磁性体で構成するとした場合に前記永久磁石と前記空芯コイルとの間に生じる回転磁界に影響を及ぼす部品及び部分が非磁性体によって構成されていることを特徴とする駆動ユニット。
7. 請求項１から４いずれか一に記載のモータを備え、仮に磁性体で構成するとした場合に前記永久磁石と前記空芯コイルとの間に生じる回転磁界に影響を及ぼす部品及び部分が非磁性体によって構成されていることを特徴とする動作装置。
8. 請求項５又は６に記載の駆動ユニットを備え、仮に磁性体で構成するとした場合に前記永久磁石と前記空芯コイルとの間に生じる回転磁界に影響を及ぼす部品及び部分が非磁性体によって構成されていることを特徴とする動作装置。

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