JP2013046428A - 整流子およびブラシ付ｄｃモータ - Google Patents

Abstract

【課題】外周側に整流子弧片が配置された構造の整流子を備えたブラシ付ＤＣモータにおける火花消去用素子の配置において、寸法の増大を招かずに火花消去用素子の実装スペースを確保することができる技術を提供する。
【解決手段】整流子基台３０１の外周には、周方向に沿って１０個の整流子弧片３０２が隙間をおいて配置され、その一つ置きの隙間の５箇所の部分の整流子基台３０１には、凹部３０５が設けられている。凹部３０５の内部には、隣接する整流子弧片３０２を接続するチップコンデンサが収納され、このチップコンデンサが火花消去用素子として機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、火花消去用素子の配置に特徴のある整流子およびこの整流子を備えたブラシ付ＤＣモータに関する。

ブラシ付ＤＣモータの整流子は、周方向に沿って複数が配置された整流子弧片の間に火花（スパーク）が発生する問題がある。この整流子弧片の間で発生する火花は、整流子の磨耗、ブラシの磨耗、整流子弧片間の目詰まりによるショートといった問題の要因となる。この整流子弧片間における火花の発生を抑える技術として、整流子弧片間にコンデンサやバリスタ等の火花消去用素子を接続する技術が知られている（例えば、特許文献１や特許文献２を参照）。

特開２００２―３４５２１４号公報 特開２００６―６７７２４号公報

整流子弧片間に火花消去用素子を配置する場合、その実装スペースを確保しなくてはならない問題が生じる。この問題は、ブラシ付ＤＣモータの小型化を追及する場合に特に問題となる。特許文献１に記載の技術では、火花消去用素子を配置するための基板を別に用意しなくてはならず、ブラシ付ＤＣモータを小型化する上で障害となる。

また、特許文献２には、平面型の整流子において、樹脂により構成される整流子本体の裏面側（整流子弧片として機能する摺動部が設けられた面の裏面側）に火花消去用素子を配置することで、軸方向における寸法が増大することがない構造が記載されている。しかしながら、特許文献２に記載の構造は、接続用の導電部材を別途用意しなくてはならず、構造が複雑になる。また、特許文献２に記載されているのは、軸側の面でブラシと接触する構造の平面側の整流子であり、外周側に整流子弧片が配置された構造の整流子に適用できる技術ではない。

このような背景において、本発明は、外周側に整流子弧片が配置された構造の整流子を備えたブラシ付ＤＣモータにおける火花消去用素子の配置において、寸法の増大を招かずに火花消去用素子の実装スペースを確保することができる技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、整流子の基台と、前記基台の外周に周方向に沿ってそれぞれ隙間を有して配置された２Ｎ（Ｎは、２以上の自然数）個の整流子弧片と、前記隙間の一つ置きの部分に配置され、隣接する前記整流子弧片に接続された火花消去用素子とを備えることを特徴とする整流子である。

請求項１に記載の発明によれば、２Ｎ個の整流子弧片に対して、火花消去用素子の数が半分のＮ個となり、また隣接する整流子弧片の間に火花消去用素子が配置されるので、部品点数の削減および火花消去用素子の収容スペースの確保が容易となる。火花消去用素子としては、コンデンサが挙げられるが、火花消去機能を有する他のデバイスを利用することも可能である。

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、前記隙間の前記一つ置きの部分の前記基台には凹部が設けられており、前記凹部の内部に前記火花消去用素子が収められていることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、火花消去用素子を配置する基板を別途利用せず、既存の基台を利用して火花消去用素子の収容場所を確保するので、部品点数の削減および火花消去用素子の収容スペースの確保の点で有利となる。特に基台に凹部を設け、そこに火花消去用素子を収める構造とすることで、外側に突出する部分を設けなくて良く、また火花消去用素子の分寸法が増大することがない構造とできる。

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、隣接する前記整流子弧片の一部が前記火花消去用素子の電極と半田により接続されていることを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、整流子弧片の一部を用いて火花消去用素子への半田接続が行われるので、接続用の導電部材を別途用意する必要がなく、部品点数が削減され、構造がシンプル化される。

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、前記火花消去用素子はチップコンデンサであり、前記凹部に収められた前記チップコンデンサの２つの電極のそれぞれが前記整流子弧片の隣接するものと接続されていることを特徴とする。チップコンデンサは、角型であるので、効率よく基台の凹部に収めることができ、また基台の凹部に収めた状態での整流子弧片との接続が容易となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発明において、前記整流子弧片の端部は、バネ性を有する折り曲げ部を備え、前記折り曲げ部が前記チップコンデンサの電極に付勢された状態で接触していることを特徴とする。請求項５に記載の発明によれば、部品点数を増加することなく、凹部にチップコンデンサを収容させることで、整流子弧片とチップコンデンサとの接続が行えるので、作業が簡単であり、製造コストが抑えられる。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発明において、軸方向から見て、前記整流子弧片の内側に前記火花消去用素子が位置していることを特徴とする。請求項６に記載の発明によれば、外側から見て、火花消去用素子が整流子弧片の内側に隠れる構造となり、整流子弧片を通常の火花消去用素子が搭載されないブラシ付ＤＣモータと同じ大きさで設計できる。

請求項７の記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の整流子および当該整流子に接続されたコイルと、前記２Ｎ個の整流子弧片に接触可能なブラシとを備えることを特徴とするブラシ付ＤＣモータである。

本発明によれば、外周側に整流子弧片が配置された構造の整流子を備えたブラシ付ＤＣモータにおける火花消去用素子の配置において、寸法の増大を招かずに火花消去用素子の実装スペースを確保することができる。

実施形態のブラシ付ＤＣモータの断面図である。 アマチュアおよび整流子の側面図である。 シャフトに取り付けられたアマチュアおよび整流子を軸方向から見た背面図である。 整流子の一部を拡大した拡大図である。 実施形態における結線の状態を示す等価回路図である。 整流子の一部を拡大した拡大図である。 実施形態における結線の状態を示す等価回路図である。

（全体の構成）
図１には、実施形態のブラシ付ＤＣモータ１００の断面構造が示されている。なお、図１において、符号１０５および符号２００の部品は、断面構造ではなく、その外観が示されている。ブラシ付ＤＣモータ１００は、フレーム１０１を備えている。フレーム１０１は、ブラシ付ＤＣモータ１００のケーシングを構成する部材であり、軟磁性材料により構成された略筒形状を有している。フレーム１０１の内側には、永久磁石により構成される界磁マグネット１０２が配置されていて、フレーム１０１は、界磁マグネット１０２のバックヨークとしても機能する。界磁マグネット１０２の着磁の状態は、通常のブラシ付ＤＣモータの場合と同じである。フレーム１０１は、軸方向の一方（図１における右の方向）が開放された構造を有し、そこに樹脂製のブラケット１０３が取り付けられている。ブラケット１０３には、ブラシ（刷子）１０５が固定されている。ブラシ１０５の構造は、通常のブラシ付ＤＣモータの場合と同じである。ブラケット１０３には、ブラシ１０５に接続された端子１０６が取り付けられている。端子１０６に外部からの配線が接続される。また、ブラケット１０３には、板金により構成されたリアフレーム１０４が取り付けられている。

界磁マグネット１０２の内側には、後述するアマチュア２００が回転自在な状態で保持されている。アマチュア２００の中心には、回転軸であるシャフト１１０が固定されている。シャフト１１０は、軸受１１１によってフレーム１０１に回転自在な状態で保持され、軸受１１２によってリアフレーム１０４に回転自在な状態で保持されている。またシャフト１１０には、アマチュア２００に近接して後述する整流子３００が取り付けられている。

端子１０６に駆動電流を供給すると、ブラシ１０５および整流子３００を介して、アマチュア２００のアマチュアコイル２０５に励磁電流が流れ、アマチュア２００と界磁マグネット１０２との間で磁気吸引力および磁気反発力が作用してアマチュア２００が回転する。このアマチュア２００の回転に従って整流子３００で駆動電流の極性の切り替えが行われ、上述したアマチュア２００の回転が持続する。これは、通常のブラシ付ＤＣモータの場合と同じである。

（アマチュアおよび整流子の構造）
図２には、アマチュア２００および整流子３００がシャフト１１０に固定された状態の側面図が示されている。図３には、図２を軸方向（図２のＺ軸正の方向（図２の右の方向））から見た背面図が示されている。なお、図３において、アマチュアコイル２０５の記載は省略されている。

図３に示すように、アマチュア２００は、軟磁性材料により構成されたアマチュアコア２０１を備えている。アマチュアコア２０１の中心には、回転軸となるシャフト１１０が固着されている。この例において、アマチュアコア２０１は、打抜き加工により形成した図３に示す形状の珪素鋼板を軸方向において複数積層したもので構成している。図３に示すようにアマチュアコア２０１は、軸中心から離れる方向に延在した複数の突極２０２を備えている。この例において、突極２０２は、軸方向から見た場合の等角な位置に１０個が配置されている。突極２０２には、図３では図示省略されているアマチュアコイル２０５（図２参照）が巻回されている。突極２０２は、その先端の部分に周方向に平たく延在した突極先端部２０３を備えている。突極先端部２０３の外周は、図１の界磁マグネット１０２に対向する突極面２０４とされている。この突極の構造は、通常の構造であり、また１０個ある全ての突極において同じである。

整流子３００は、絶縁材料により構成された略円筒形状の整流子基台３０１を基台（ベース）としている。整流子基台３０１の中心には、シャフト１１０が固着されている。整流子基台３０１の外周には、長方形の導電金属材料を軸方向からみて弧形状となるように加工した整流子弧片３０２が周方向に沿って、それぞれが特定の間隔を有した状態で固定されている。整流子基台３０１への整流子弧片３０２の固定は、接着剤を用いた接着や整流子弧片３０２の一部を利用した図示しない爪構造を用いた係合構造により行われている。

整流子弧片３０２は、突極２０２と同じ数（この場合は、１０個）が、軸方向から見て等角な位置に配置されている。整流子弧片３０２のアマチュア側の端部は、外側（軸から離れる方向）に折り返され、ライザ３０３とされている。ライザ３０３は、アマチュアコイル２０５の巻線（マグネットワイヤ）が接続される整流子側の端子として機能する部材である。図１および図２には、各アマチュアコイル２０５の巻線がライザ３０３に巻きつけられ固定された状態が示されている。

整流子３００のアマチュア２００と反対側の端面（図１，図２の右側の端面）には、火花消去用素子が埋め込まれた状態で実装されている。図３および図４に示すように、整流子基台３０１の端部には、軸方向から見た等角な５箇所の位置に凹部３０５が設けられている。この５箇所の凹部３０５は、隣接する整流子弧片３０２の隙間部分の一つ置きの部分に設けられている。すなわち、１０個の整流子弧片の隙間の部分は、軸方向から見た周方向に沿って１０箇所あり、この１０箇所ある隙間の部分の一つ置きの５箇所の部分に５個の凹部３０５が設けられている。図３の符号３０９の部分を拡大したものが図４（Ａ）に示されている。なお、図４（Ｂ）には、図４（Ａ）をＢ−Ｂ’の線で切断した切断面が示されている。

図４に示すように凹部３０５には、チップコンデンサ３０６が収められている。チップコンデンサ３０６は、略箱型を有し、両端に電極３０６ａおよび３０６ｂを備えている。図４（Ａ）に示す隣接する整流子弧片３０２ａ，３０２ｂは、隙間を有して配置されており、その隙間の部分に凹部３０５が設けられている。外側から見て、凹部３０５の開口部の一部は、整流子弧片３０２ａの一部３０２ａ’および整流子弧片３０２ｂの一部３０２ｂ’によって覆われている。整流子弧片３０２ａの内側は、チップコンデンサ３０６の電極３０６ａと半田３０７によって他の部材を介さずに直接接続されている。また、整流子弧片３０２ｂの内側がチップコンデンサ３０６の電極３０６ｂと半田３０８によって他の部材を介さずに直接接続されている。

なお、５箇所の凹部３０５は、整流子基台３０１の軸方向の端面側にも開放され、この端面側の開口部からチップコンデンサ３０６の実装作業が可能な構造を有している。図５には、この例におけるアマチュアコイル、整流子弧片およびチップコンデンサの電気的な結線の状態が示されている。図５に示されるように、整流子弧片３０２の数に対して、Ｃ１〜Ｃ５のチップコンデンサ３０６の数が半分である。すなわち、整流子弧片の数を２Ｎ（Ｎは、２以上の自然数）とした場合に、隣接する整流子弧片の隙間の一つ置きの部分に配置されたチップコンデンサはＮ個となる。

（製造方法の一例）
以下、図２の構造を得るための製造工程の一例を説明する。まず、打抜き加工により、図３に示す形状を有する珪素鋼板を得、それをシャフト１１０に通した状態で積層し、シャフト１１０に固着されたアマチュアコア２０５を得る。

また、これとは別に、整流子基台３０１を用意し、その外周に１０個の整流子弧片３０２を固定する。整流子基台３０１への整流子弧片３０２の固定は、接着剤を用いた接着や整流子弧片３０２の一部を利用した図示しない爪構造を用いた係合構造を用いて行う。

整流子基台３０１の外周への整流子弧片３０２の固定を行ったら、図２のＺ軸正の方向側から凹部３０５の内部にチップコンデンサ３０６を挿入する。そしてその状態において、図４（Ａ）に例示されているように、半田３０７，３０８を用いて、隣接する一方の整流子弧片（例えば符号３０２ａ）と電極３０６ａとを接続し、また隣接する他方の整流子弧片（例えば符号３０２ｂ）と電極３０６ｂとを接続する。こうして、５箇所の凹部３０５のそれぞれにおいて、図４（Ａ）に示す状態を得、整流子３００を得る。

整流子３００を得たら、整流子３００の中心に設けられた開口に既にアマチュア２０１が取り付けられているシャフト１１０を通し、接着剤を用いて整流子３００をシャフト１１０に固定する。こうして、図２に示すようなアマチュア２０１と整流子３００とがシャフト１１０に組み付けられた状態を得る。次に、アマチュアコア２０５の突極２０２（図３参照）に巻線を巻回し、アマチュアコイル２０５を形成する。この際、整流子弧片３０２のライザ３０３に巻線を図２に示す状態で接続し、図５に示す結線の状態を得る。以上の工程により、図２に示す構造を得る。

（優位性）
以上説明した実施形態によれば、２Ｎ個（この例の場合は１０個）の整流子弧片３０２に対して、火花消去用素子であるチップコンデンサ３０６の数が半分のＮ個（この場合は５個）であり、また隣接する整流子弧片の間にチップコンデンサ３０６が配置されるので、部品点数の削減および火花消去用素子の収容スペースの確保が容易となる。

また、火花消去用素子であるチップコンデンサ３０６を配置するための基板を別途用意することもなく、既存の整流子基台３０１を利用してチップコンデンサ３０６の収容場所を確保するので、部品点数の削減およびチップコンデンサ３０６の収容スペースの確保の点で有利となる。特に整流子基台３０１に凹部３０５を設け、そこにチップコンデンサ３０６を収める構造とすることで、整流子３００の外形寸法が増大することはない。

整流子弧片３０２ａの一部を用いて半田３０７によりチップコンデンサ３０６の電極３０６ａへの接続が直接行われ、また整流子弧片３０２ｂの一部を用いて半田３０８によりチップコンデンサ３０６の電極３０６ｂへの接続が直接行われる。このため、接続用の導電パターンや配線を別途用意する必要がなく、部品点数が削減され、構造がシンプル化される。

また、チップコンデンサ３０６は、角型であるので、効率よく整流子基台３０１の凹部３０５に収めることができ、またこの収めた状態において、チップコンデンサ３０６と整流子弧片３０２ａ，３０２ｂとの接続が容易となる。

また、外側から見て、チップコンデンサ３０６が整流子弧片３０２ａ，３０２ｂの内側に隠れる構造になるため、整流子弧片を通常の火花消去用素子が搭載されないブラシ付ＤＣモータと同じ大きさで設計できる。

（その他）
図６には、図４とは異なる構造のチップコンデンサ（火花消去用素子）の整流子基台３０１への実装構造が示されている。なお、図６（Ａ）は図４（Ａ）に対応し、図６（Ｂ）は図４（Ｂ）に対応している。すなわち、図６（Ａ）のＤ−Ｄ’の線で切断した断面をＹ軸負の方向から見た状態が図６（Ｂ）に示されている。

この例では、整流子基台３０１に凹部３０５を設ける点は、図４の場合と同じである。図４の構造と異なるのは、整流子弧片３０２ａの一部が折り曲げられ、図６（Ｂ）の折り曲げ部３０２ｃが設けられている点である。この折り曲げ部３０２ｃの部分には、バネ性が付与されており、折り曲げ部３０２ｃは、チップコンデンサ３０６における電極３０６ａの側面に自身のバネ性により付勢された状態で接触する。この接触により整流子弧片３０２ａとチップコンデンサ３０６の電極３０６ａとの接続が行われている。この接続構造は、整流子弧片３０２ｂとチップコンデンサの電極３０６ｂとの間においても同じである。また、図６を一例として説明した構造は、５箇所ある全ての凹部においても同じである。

図６に示す構造を採用した場合、部品点数を増加させることなく、整流子弧片とチップコンデンサとの確実な接続が行える。また、凹部にチップコンデンサを嵌め込む作業で、整流子弧片とチップコンデンサとの接続が行えるので、作業が簡単であり、製造コストが抑えられる。なお、折り曲げ部３０２ｃのバネ性に起因する付勢力による接続に加えて、半田や接着剤による固定を併用することも可能である。

以上の例示では、チップコンデンサの収納場所、つまり火花消去用素子を収納する凹部を整流子３００（図２参照）のアマチュア２０１と反対側の端部３０４の部分に設ける場合を説明したが、火花消去用素子を収納する凹部を設ける位置は、符号３０４の部分に限定されず、ライザ３０３が設けられた部分の近傍や、符号３０４の部分とライザ３０３が設けられた部分との間の部分であってもよい。

整流子弧片の数は、１０個（１０極）に限定されず、４個（４極）以上の偶数が可能である。図７には、６個の整流子弧片および６個の突極を備えた構造のブラシ付ＤＣモータにおける結線の状態の等価回路図の一例が示されている。

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。

本発明は、ブラシ付ＤＣモータに利用することができる。

１００…ブラシ付ＤＣモータ、１０１…フレーム、１０２…界磁マグネット、１０３…ブラケット、１０４…リアフレーム、１０５…ブラシ、１０６…端子、１１０…シャフト、１１１…軸受、１１２…軸受、２００…アマチュア、２０１…アマチュアコア、２０２…突極、２０３…突極先端部、２０４…突極面、２０５…アマチュアコイル、３００…整流子、３０１…整流子基台、３０２…整流子弧片、３０２ａ…整流子弧片、３０２ｂ…整流子弧片、３０３…ライザ、３０４…整流子の端部、３０５…凹部、３０６…チップコンデンサ、３０６ａ…電極、３０６ｂ…電極、３０７…半田、３０８…半田。

Claims (7)

1. 整流子の基台と、
   前記基台の外周に周方向に沿ってそれぞれ隙間を有して配置された２Ｎ（Ｎは、２以上の自然数）個の整流子弧片と、
   前記隙間の一つ置きの部分に配置され、隣接する前記整流子弧片に接続された火花消去用素子と
   を備えることを特徴とする整流子。
2. 前記隙間の前記一つ置きの部分の前記基台には凹部が設けられており、前記凹部の内部に
   前記火花消去用素子が収められていることを特徴とする請求項１に記載の整流子。
3. 隣接する前記整流子弧片の一部が前記火花消去用素子の電極と半田により接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の整流子。
4. 前記火花消去用素子はチップコンデンサであり、前記凹部に収められた前記チップコンデンサの２つの電極のそれぞれが前記整流子弧片の隣接するものと接続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整流子。
5. 前記整流子弧片の端部は、バネ性を有する折り曲げ部を備え、前記折り曲げ部が前記チップコンデンサの電極に付勢された状態で接触していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の整流子。
6. 軸方向から見て、前記整流子弧片の内側に前記火花消去用素子が位置していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の整流子。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の整流子および当該整流子に接続されたコイルと、
   前記２Ｎ個の整流子弧片に接触可能なブラシと
   を備えることを特徴とするブラシ付ＤＣモータ。

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