JP2011010452A - モータおよびそれを用いた電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い駆動効率を確保しながら、FG信号に重畳されるノイズを低減し、回転速度検出精度を向上する。
【解決手段】複数の磁極13aを備えたステータ13の周囲に、ロータ14が回転自在に配置されている。ロータの内周面には、ステータに対向する面がメイン着磁され、更に、基板に対向する面がFG着磁された磁石15を備える。ステータの磁極の外周端には、磁極基部13dに対して上下に延びた延長部13b,13cが設けられている。基板のロータに対向する面に磁石15と対向してFGパターン19が設けられている。FGパターンはステータの外周面よりも半径方向の外側に配置されている。磁石の半径方向中央位置とFGパターンの半径方向中央位置とを結ぶ直線が駆動軸の中心に対してなす角度θ、FG着磁の方向が駆動軸の中心に対してなす角度Aが、0度<A≦θを満足する。
【選択図】図1
【解決手段】複数の磁極13aを備えたステータ13の周囲に、ロータ14が回転自在に配置されている。ロータの内周面には、ステータに対向する面がメイン着磁され、更に、基板に対向する面がFG着磁された磁石15を備える。ステータの磁極の外周端には、磁極基部13dに対して上下に延びた延長部13b,13cが設けられている。基板のロータに対向する面に磁石15と対向してFGパターン19が設けられている。FGパターンはステータの外周面よりも半径方向の外側に配置されている。磁石の半径方向中央位置とFGパターンの半径方向中央位置とを結ぶ直線が駆動軸の中心に対してなす角度θ、FG着磁の方向が駆動軸の中心に対してなす角度Aが、0度<A≦θを満足する。
【選択図】図1
Description
本発明は、モータとそれを用いた電子機器に関する。
電子機器、例えばレーザプリンタでは、本体ケース内に設けられた紙送り用ローラ(被駆動体)は、減速機構を介してモータの駆動軸に連結され、このモータを駆動することにより回動し、紙を所定部分に送る。
上記モータとしては、外周に複数の磁極が第一の所定間隔で配置されたステータと、このステータの周囲に回転自在に配置されたロータとを備え、このロータの内周面に、第二の所定間隔ごとに異極に着磁(メイン着磁)された磁石が設けられたブラシレスDCモータが一般的に用いられる。
このようなモータにおいては、通常、ロータの回転を磁気的に検出する磁気検出素子にロータの磁石をできるだけ近接させるため、モータ駆動軸と平行な方向における磁石の寸法をステータの磁極基部の同方向における寸法よりも大きく設定される。この場合、ステータの磁極の外周端に、その磁極基部の両側に、磁石と略平行方向に延びたエンドプレートと呼ばれる延長部が形成されることが多い(例えば特許文献1,2参照)。これにより、ロータの磁石とステータの磁極との対向面積が大きくなるので、モータの駆動力及び駆動効率を向上させることができる。
また、レーザプリンタの紙送り用ローラを減速機構を介して駆動する場合などでは、ブラシレスDCモータの回転を精密に制御する必要がある。このため、ブラシレスDCモータの回転速度をある程度の分解能で検出する必要がある。
このような用途に適した速度検出方法として、一般的に以下に説明するFG方式が用いられている。即ち、ロータの磁石に、トルクを発生させるための着磁(メイン着磁)とは別に、磁石の基板と対向する面に、基板に対向する方向に多極着磁(FG着磁)を施し、基板にはFG着磁の着磁極数と同数の線素を直列に接続したFGパターンを円周方向に設ける。ロータが回転すると、FG着磁による磁束によってこの線素に誘起電圧が発生し、モータの回転数に比例した周波数の速度検出信号(FG信号)をこのFGパターンを通じて得ることが出来る。
このようなFG方式では、メイン着磁による磁束の影響を受けにくくするために、FGパターンをメインパターンとキャンセルパターンとで構成し、メインパターンとキャンセルパターンとを直列に接続することにより、メイン着磁による磁束の影響をキャンセルする方法が知られている(例えば特許文献3参照)。
しかしながら、ステータの磁極の外周端に磁石と略平行方向に延びた延長部を設けると、上記FG方式においてメイン着磁による磁束の影響をキャンセルすることが困難となる恐れがあった。理由は以下の通りである。
磁極の外周端に設けられた延長部は集磁効果を有しているので、メイン着磁による磁束の多くが延長部に引き込まれる。しかしながら、延長部に流入した磁束の一部は、延長部の磁気飽和によって、延長部の周囲に漏れ出し、漏れ磁束となる。この漏れ磁束は、FGパターンのうちステータに近い部分(即ち、半径方向においてFGパターンの内周側の部分)に強い影響を及ぼす。従って、メイン着磁の漏れ磁束の影響が、半径方向において、FGパターンのうちステータに近い部分とステータから遠い部分とで異なり、メイン着磁の漏れ磁束の影響を十分にキャンセルすることができない。その結果、FG信号にノイズが重畳され、回転速度検出精度が低下するのである。
本発明は、上記の従来の問題を解決し、ステータの磁極の外周端に延長部を設けたモータにおいて、高い駆動効率を確保しながら、FG信号に重畳されるノイズを低減し、回転速度検出精度を向上することを目的とする。
本発明のモータは、基板に搭載され、外周に複数の磁極が第一の所定間隔で配置されたステータと、前記ステータの周囲に回転自在に配置されたロータとを備える。前記ロータの内周面には磁石が設けられており、前記磁石の前記ステータに対向する面は、前記ステータに対向する方向に第二の所定間隔ごとに異極にメイン着磁されており、且つ、前記磁石の前記基板に対向する面は、第三の所定間隔ごとに異極にFG着磁されている。前記ステータの前記複数の磁極のそれぞれの外周端には、磁極基部に対して前記基板側に延びた第1延長部と、前記磁極基部に対して前記基板とは反対側に延びた第2延長部とが設けられている。前記基板の前記ロータに対向する面には、前記磁石と対向するように、メインパターン及びキャンセルパターンからなるFGパターンが設けられている。前記FGパターンは前記ステータの外周面よりも半径方向において外側に配置されている。前記ロータに連結された駆動軸の中心を含む面に沿った断面において、前記磁石の半径方向中央位置と前記FGパターンの半径方向中央位置とを結ぶ直線が前記駆動軸の中心に対してなす角度θ(θ<90度)、前記FG着磁の方向が前記駆動軸の中心に対してなす角度A(A<90度)が、0度<A≦θを満足する。
本発明の電子機器は、本体ケースと、前記本体ケース内に設けられた被駆動体と、前記被駆動体に連結されたモータとを備えた電子機器であって、前記モータが上記の本発明のモータである。
本発明のモータは、ステータの磁極の外周端に、第1及び第2延長部を有しているので、集磁効果が高められ、高い駆動効率を実現できる。
そして、FGパターンが、ステータの外周面よりも半径方向の外側に配置されているので、メイン着磁による磁束が第1延長部から漏れ出した漏れ磁束はFGパターンにほとんど鎖交しない。一方、FGパターンは基板のロータに対向する面上に磁石と対向して配置され、且つ、FG着磁の方向が0度<A≦θを満足するように斜めを向いているので、FGパターンに鎖交するFG着磁による磁束量を増大させることができる。従って、FG信号に重畳されるノイズが低減され、FGパターンを用いた回転速度検出精度を向上することができる。
本発明の電子機器は、上記の本発明のモータを用いて被駆動体を駆動するので、被駆動体を高効率且つ高精度で駆動することができる。
以下、本発明を好適なの実施の形態を用いて説明する。但し、本発明は以下の実施の形態に限定されないことは言うまでもない。
図1は、本発明の一実施形態に係るモータ12の概略構成を示した、駆動軸18の中心18cを含む面に沿った断面図である。モータの断面図は駆動軸18の中心18cに対してほぼ対称であるので、図1では駆動軸18に対して片側のみを図示している。図2は、本実施形態に係るモータ12を構成するステータ13の斜視図である。図3は、本実施形態に係るモータ12に設けられたFGパターン19の平面図である。図3では第1象限内のFGパターン19のみを図示している。
以下の説明では、モータ12の駆動軸18の方向を上下方向とし、図1において紙面の上側及び下側をそれぞれモータ12の「上側」及び「下側」と呼ぶ。また、駆動軸18の中心18cと直交する方向を「半径方向」と呼ぶ。
図1に示すように、本実施の形態1のモータ12は、配線基板(基板)11に取付け具21を介して搭載されたステータ13と、ステータ13の周囲に配置されたロータ14とを備える。ロータ14は、円筒形状を有し、その上端に天板14aが固定され、その下端は開放されている。取り付け具21の内周面にベアリング17が設けられている。モータ12の駆動軸18は、ベアリング17を貫通し、駆動軸18の上端はロータ14の天板14aに固定されている。その結果、ロータ14及び駆動軸18は、駆動軸18の中心18cを中心として、ベアリング17を介してステータ13に対して回転自在である。
ロータ14の内周面にはリング状の磁石15が固定されている。磁石15のステータ13に対向する面は、所定間隔ごとにN極とS極とが交互に(隣接極が異極となるように)着磁(メイン着磁30)されている。メイン着磁30の方向は、半径方向と略平行である。更に、メイン着磁とは別に、磁石15の配線基板11に対向する面(下面)は、所定間隔ごとにN極とS極とが交互に多極着磁(FG着磁31)されている。
ステータ13は、同一厚さの複数の板状体(例えば高透磁率薄鋼板)が積層された積層体を含む。ステータ13の外周には、図2に示すように、複数の磁極13aが周方向に所定間隔で配置されている。各磁極13aの内側の磁気回路が形成される部分(磁路13e、図1参照)には、電磁石用のコイル16が巻回されている。コイル16に交流電力を印加することで、各磁極13aはN極とS極とに交互に着磁される。これにより、互いに対向する磁極13aと磁石15との間で吸引力と反発力が発生し、ロータ14が駆動軸18を中心に回転し、駆動軸18を介して回転駆動力が出力される。
配線基板11には、FGパターン19が設けられている。図3に示すように、FGパターン19は、メイン着磁の影響を受けにくくするために、ジグザグ状のメインパターン19aと円形のキャンセルパターン19bとで構成されており、メインパターン19aとキャンセルパターン19bとは直列に接続されている。なお、メインパターン19a及びキャンセルパターン19bの構成は、図3に限定されず、これ以外の任意の構成を有していても良い。また、キャンセルパターン19bがメインパターン19aよりも内側(駆動軸18側)に配置されていてもよい。
磁石15のFG着磁31による磁束がFGパターン19により多く鎖交するほど、FGパターン19から出力されるFG信号中のFG成分が増大し、S/N比が改善される。したがって、本実施の形態では、FGパターン19は、図1に示されるように、配線基板11の上面(ロータ14に対向する面)に設けられる。更に、FGパターン19は、磁石15の配線基板11に対向する面(下面)と対向している。ここで、FGパターン19と磁石15の下面とが対向するとは、図3に示すように、駆動軸18の中心18cと平行な方向に沿って見たとき、FGパターン19の少なくとも一部と磁石15の下面の少なくとも一部とが重なり合っていることをいう。
更に、磁石15のFG着磁31による磁束がFGパターン19により多く鎖交するためには、磁石15とFGパターン19とができるだけ接近していることが有利である。そこで、図1に示されているように、磁石15の配線基板11側の端部(即ち、磁石15の下端)を配線基板11の近傍にまで延長している。
その結果、磁石15の上下方向寸法は大きくなり、これに合わせるごとく、ステータ13の各磁極13aの外周端には、中央の磁極基部13dに対して配線基板11側(下側)に延びた第1延長部13cと、磁極基部13dに対して配線基板11とは反対側(上側、即ち、天板14a側)に延びた第2延長部13bとが設けられている。第1延長部13c及び第2延長部13bは、磁石15と実質的に平行、即ち、駆動軸18の中心18cと実質的に平行である。より詳細には、第1延長部13cは、ステータ13を構成する積層された複数層の板状体のうち最下層を含む下側の2層の外周部分を下向きに略直角に折り曲げることにより形成されており、第2延長部13bは、ステータ13を構成する積層された複数層の板状体のうち最上層を含む上側の2層の外周部分を上向きに略直角に折り曲げることにより形成されている。但し、第1及び第2延長部13c,13bを構成する板状体の層数は2層に限定されず、1層又は3層以上であってもよい。
このように磁極13aの外周端に、磁極基部13dの上下に第1延長部13c及び第2延長部13bを設けることにより、磁極13aと上下方向に延長された磁石15との対向面積は図1のように大きくなる。第1延長部13c及び第2延長部13bは集磁効果を有するので、ステータ13に引き込まれるメイン着磁による磁束が増大し、モータ12の駆動力及び駆動効率が向上する。第1延長部13c及び第2延長部13bは一般にエンドプレートと呼ばれる。
図4は図1の部分IVの拡大断面図である。本実施形態では、図1、図4に示すように、FGパターン19はステータ13の外周面よりも半径方向において外側(駆動軸18とは反対側)に配置されている。更に、駆動軸18の中心18cを含む面に沿った断面において、FG着磁31の方向が駆動軸18の中心18c(図1参照)に対してなす角度をA(A<90度)、磁石15の半径方向中央位置P15とFGパターン19の半径方向中央位置P19とを結ぶ直線Lが駆動軸18の中心18cに対してなす角度をθ(θ<90度)とすると、0度<A≦θを満足する。このような構成による作用を以下に説明する。
図5は本実施形態に係るモータ12において、FGパターン19の近傍での磁束の流れを矢印で簡略化して示した断面図である。図6は、従来のモータ12’において、FGパターン19の近傍での磁束の流れを矢印で簡略化して示した断面図である。図6に示す従来のモータ12’は、FGパターン19の内周側の一部がステータ13の外周面よりも半径方向において内側(駆動軸18側)に配置されている点、及び、図4で説明した角度A及び角度θがA=θ=0度を満足する点で、本実施形態のモータ12と異なる。
本実施形態のモータ12及び従来のモータ12’のいずれにおいても、メイン着磁30による磁束が、延長部13b,13cに、その集磁効果によって集められる。集められた磁束のほとんどは延長部13b,13c内を通り、磁極13aの磁路13eに向かう。しかし、延長部13b,13cが磁気飽和することにより、一部の磁束は延長部13b,13cから漏れ出して漏れ磁束となる。漏れ磁束は、延長部13b,13cの厚みを厚くすれば低減することは可能であるが、完全にゼロにすることは不可能である。更に、延長部13b,13cは周方向に所定間隔で配置されているので、延長部13b,13cがある部分とない部分とでは、メイン着磁30による磁束の集磁効果が異なり、その結果、延長部13b,13cからの漏れ磁束は不均一となる。
従来のモータ12’では、図6に示すように、半径方向において、FGパターン19の内周側の一部がステータ13の外周面よりも内側に配置されている。従って、FGパターン19のうち第1延長部13cから遠い部分(例えばキャンセルパターン19b)に比べて、FGパターン19のうち第1延長部13cに近い部分(例えばメインパターン19aの内周側の部分)は、メイン着磁30による磁束が第1延長部13cから漏れ出した漏れ磁束33による影響をより強く受ける。よって、FGパターン19に対する漏れ磁束33の影響を、メインパターン19aとキャンセルパターン19bとで十分にキャンセルすることができず、FG信号にノイズが重畳されてしまう。
これに対して、本実施形態のモータ12では、半径方向において、FGパターン19はステータ13の外周面よりも外側に配置されている。これにともなって、図4で説明した角度θがθ>0度を満足する。即ち、図5に示すように、FGパターン19は第1延長部13cから遠く離れている。このため、第1延長部13cからの漏れ磁束33はFGパターン19にはほとんど鎖交しない。従って、FGパターン19のうち第1延長部13cに近い部分(例えばメインパターン19aの内周側の部分)と第1延長部13cから遠い部分(例えばキャンセルパターン19b)とに対する漏れ磁束33の影響は、いずれも小さく且つ同等である。よって、FGパターン19に対する漏れ磁束33の影響を、メインパターン19aとキャンセルパターン19bとで十分にキャンセルすることが可能となり、FG信号に重畳されるノイズが低減され、FGパターン19を用いた回転速度検出精度を向上することができる。
しかしながら、図6に示す従来の構成において、単にFGパターン19をステータ13の外周面よりも半径方向において外側に移動させただけでは、FGパターン19に鎖交するFG着磁31による磁束量も減少してしまうので、FG着磁31による磁束によって発生する誘起電圧(FG成分)が低下し、回転速度検出精度を十分に向上することができない。そこで、本実施形態では、図4で説明した角度Aが0度<A≦θを満足するように、FG着磁31をFGパターン19の方を向くように斜めに着磁している。角度Aが0度<Aを満足することにより、FG着磁31による磁束をより多くFGパターン19に鎖交させることができるので、FG成分が増大し、高精度な回転速度検出を実現できる。但し、角度Aは角度θ以下である。A>θであると、FG着磁31がされた磁石15の下面とFGパターン19との距離が拡大するので、FGパターン19に鎖交するFG着磁31による磁束量が減少し、FG成分が低下する。
本実施の形態1のモータ12及び従来のモータ12’において、FG着磁31の磁束によってFGパターン19に発生する誘起電圧(FG成分)と、メイン着磁30の磁束の漏れ磁束33によってFGパターン19に発生する誘起電圧(ノイズ成分)とを磁界解析により求めた。結果を表1に示す。
以上のように、本実施形態によれば、FGパターン19が、ステータ13の外周面よりも半径方向の外側に配置されているので、第1延長部13cから漏れ出すメイン着磁30による漏れ磁束33のうちFGパターン19に鎖交する磁束量を低減することができる。更に、FGパターン19は配線基板11のロータ14に対向する面上に磁石15と対向して配置され、且つ、FG着磁31の方向が0度<A≦θを満足するようにFGパターン19の方に斜めを向いているので、FGパターン19に鎖交するFG着磁31による磁束量を増大させることができる。その結果、FG信号に重畳されるノイズ成分が低減され、且つ、FG成分が増大するので、FGパターン19を用いた回転速度検出精度を向上することができる。
よって、第1及び第2延長部13b,13cを利用して効率よい駆動を維持しながら、FG信号を利用して回転速度検出精度を向上することができる。
本発明では、駆動軸18の中心18cを含む面に沿った断面において、メインパターン19aの半径方向中心位置は磁石15の外周面よりも半径方向の外側に配置されていることが好ましい。これにより、メインパターン19aを第1延長部13cから更に遠く離すことができるので、第1延長部13cからの漏れ磁束33のうちメインパターン19aに鎖交する磁束量を更に低減することができる。従って、FG信号に重畳されるノイズ成分が更に低減され、FGパターン19を用いた回転速度検出精度を更に向上することができる。
図7は、本発明のモータを用いた電子機器の一例の概略構成を示した図である。図7において、電子機器61は、本体ケースとしての筐体62と、筐体62内に搭載される電動機67と、電動機67を駆動するための駆動器65と、駆動器65に給電するための電源68と、電動機67を動力源として駆動される機構部等の負荷(被駆動体)69とを含んでいる。ここで、電動機67と駆動器65とで電動機駆動装置63が構成される。電動機67は、電源68から電力供給を受けて駆動器65を介して駆動される。電動機67の駆動軸を介して負荷69に回転トルクが伝達される。電動機67として、本発明のモータ12を用いることができる。
電子機器61として、例えばレーザプリンタを例示することができる。この場合、負荷69としては紙送り用ローラが該当する。本発明のモータ12は、レーザプリンタの本体ケース内において、水平方向に配置された配線基板11上に、各種の電子部品とともに載置されていても良い。モータ12の、配線基板11を貫通して下側に延びた駆動軸18の下部に歯車(図示せず)を固定し、この歯車と、紙送り用ローラに設けられた歯車とを減速機構としてのギアボックス(図示せず)を介して連結することができる。本発明のモータ12は、高い駆動効率を有しながら、回転速度検出精度に優れているので、効率良く、回転ムラや騒音などが抑制された精度よい紙送りが可能となり、印字ずれ等のない精細な印刷が可能なレーザプリンタを実現することができる。
本発明によれば、効率よい駆動を維持しながら、回転速度検出精度が向上したモータを提供できるため、レーザプリンタやレーザ複写機などの電子機器に使用されるモータに好適である。但し、本発明のモータはこれらに限定されず、高い回転精度が要求されるモータとして広範囲に利用することができる。
11 配線基板
12 モータ
13 ステータ
13a 磁極
13b 第2延長部
13c 第1延長部
13d 磁極基部
13e 磁路
14 ロータ
14a 天板
15 磁石
16 コイル
17 ベアリング
18 駆動軸
18c 駆動軸の中心
19 FGパターン
19a メインパターン
19b キャンセルパターン
21 取り付け具
30 メイン着磁
31 FG着磁
33 漏れ磁束
61 電子機器
62 筐体(本体ケース)
63 電動機駆動装置
65 駆動器
67 電動機
68 電源
69 負荷(被駆動体)
P15 磁石の半径方向中央位置
P19 FGパターンの半径方向中央位置
12 モータ
13 ステータ
13a 磁極
13b 第2延長部
13c 第1延長部
13d 磁極基部
13e 磁路
14 ロータ
14a 天板
15 磁石
16 コイル
17 ベアリング
18 駆動軸
18c 駆動軸の中心
19 FGパターン
19a メインパターン
19b キャンセルパターン
21 取り付け具
30 メイン着磁
31 FG着磁
33 漏れ磁束
61 電子機器
62 筐体(本体ケース)
63 電動機駆動装置
65 駆動器
67 電動機
68 電源
69 負荷(被駆動体)
P15 磁石の半径方向中央位置
P19 FGパターンの半径方向中央位置
Claims (3)
- 基板に搭載され、外周に複数の磁極が第一の所定間隔で配置されたステータと、前記ステータの周囲に回転自在に配置されたロータとを備えたモータであって、
前記ロータの内周面には磁石が設けられており、
前記磁石の前記ステータに対向する面は、前記ステータに対向する方向に第二の所定間隔ごとに異極にメイン着磁されており、且つ、前記磁石の前記基板に対向する面は、第三の所定間隔ごとに異極にFG着磁されており、
前記ステータの前記複数の磁極のそれぞれの外周端には、磁極基部に対して前記基板側に延びた第1延長部と、前記磁極基部に対して前記基板とは反対側に延びた第2延長部とが設けられ、
前記基板の前記ロータに対向する面には、前記磁石と対向するように、メインパターン及びキャンセルパターンからなるFGパターンが設けられており、
前記FGパターンは前記ステータの外周面よりも半径方向において外側に配置されており、
前記ロータに連結された駆動軸の中心を含む面に沿った断面において、前記磁石の半径方向中央位置と前記FGパターンの半径方向中央位置とを結ぶ直線が前記駆動軸の中心に対してなす角度θ(θ<90度)、前記FG着磁の方向が前記駆動軸の中心に対してなす角度A(A<90度)が、0度<A≦θを満足することを特徴とするモータ。 - 前記ロータに連結された駆動軸の中心を含む面に沿った断面において、前記メインパターンの半径方向中心位置は前記磁石の外周面よりも半径方向の外側に配置されている請求項1に記載のモータ。
- 本体ケースと、前記本体ケース内に設けられた被駆動体と、前記被駆動体に連結されたモータとを備えた電子機器であって、前記モータが請求項1又は2に記載のモータである電子機器。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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