JP2014068444A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの回転を検出する検出素子及び検出基板を備えつつ、小型化を実現することができる回転電機を提供すること。
【解決手段】モータ１は、略円環状のステータ４と、ステータ４の円環内部に配置されて中心軸Ｘを中心として回転するロータ３と、ロータ３の回転を検出するセンサ１１と、センサ１１を実装するセンサ基板７とを有する。センサ１１及びセンサ基板７が、中心軸Ｘに沿った方向においてステータ４の外側に配置されている。センサ１１が反射型投受光センサである。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、電動機等の回転電機の回転を制御するために、回転電機内に回転センサが配置されている。回転センサは、光学的にロータの回転を検出する。例えば、回転センサによる検出信号を処理するためのセンサ基板をモータ内に配置したものがある（例えば、特許文献１を参照。）。これによれば、センサ基板がステータの空芯内部に配置されて、モータの小型化が図られているとされている。また、ステータからの回転センサやセンサ基板へのノイズの影響も低減されているとのことである。

特開２００８−２５９２５２号公報

回転電機の小型化、特に回転電機の径方向の、すなわち軸直交平面内での小型化に対する要望がある。更に、回転電機の長さ方向の、すなわち軸方向の小型化に対する要望もある。

ステータからの回転センサやセンサ基板へのノイズの影響を更に低減したいとの要望もある。センサ基板を銅箔テープ等で覆う等によるノイズ対策を廃止すれば、部品点数の削減、製造効率の向上を図ることができ、コスト低減に寄与する。

回転電機の組立てにおいて、回転検出に用いるエンコーダディスク等の被検出体をロータに取り付ける作業がある。このとき、回転電機が、被検出体に損傷を与えることなく、容易に取付けを完了させられる構成であれば、なお好ましい。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ロータの回転を検出する検出素子及び検出基板を備えつつ、小型化を実現することができる回転電機を提供することを例示的課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明の例示的側面としての回転電機は、略円環状のステータと、ステータの円環内部に配置されて回転軸を中心として回転するロータと、ロータの回転を検出する検出素子と、検出素子を実装する検出基板とを有する。検出素子及び検出基板が、回転軸に沿った方向においてステータの外側に配置されている。検出素子が反射型投受光センサである。

ロータの一端部近傍に、フランジ部が形成され、フランジ部は、ステータと検出基板との間に位置して、ステータと検出基板との間を遮るようにロータから外周に向けて突出していてもよい。

フランジ部の、検出素子に対向する対向面に、検出素子によってロータの回転を検出するための被検出体が配置されていてもよい。

被検出体が、平面視円形状又は平面視円環形状であって、フランジ部から外側にはみ出さないように配置されていてもよい。

ロータが、回転軸を構成するロータシャフトと、ロータシャフトの外周に配置されたロータコアと、を有し、フランジ部が、ロータシャフトに形成されていてもよい。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施の形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、ロータの回転を検出する検出素子及び検出基板を備えつつ、回転電機の小型化を実現することができる。

実施形態１に係るモータの分解斜視図である。 図１に示すエンコーダユニットの内部構造の概略を示す構造図である。 従来のエンコーダユニットの内部構造の概略を示す構造図である。

以下、実施形態に係る回転電機の一種としてのモータ（電動機）１につき図面を用いて説明する。図１は、実施形態に係るモータ１の分解斜視図である。このモータ１は、インナーロータ型のダイレクトドライブ（ＤＤ）モータである。このモータ１においては、サーボ制御が可能となっている。また、ロータ３に界磁としての永久磁石が用いられている。モータ１は、モータケース２、ロータ（回転子、インナーロータ）３、ベアリング１２、ステータ（固定子、アウタステータ）４、エンコーダユニットＵを有している。

モータケース２は、モータ１の外郭をなすケーシングであり、その上面に貫通孔２ａが開口されている。モータケース２内には、界磁としてのロータ３が配置されている。ロータ３は、ロータコア６の中心に金属製のシャフト５が圧入、焼き嵌め等により固定されて構成されている。本実施形態では、シャフト５は、例えばホローシャフトである。モータケース２とロータ３との間に、ベアリング１２が配置されている。ロータ３は、交互に異極となるように列状に配置された複数個の永久磁石を有している。複数個の永久磁石は、ロータ３の円周面に沿って周状に配置されている。

シャフト５がベアリング１２の中心孔とモータケース２の貫通孔２ａとを貫通している。モータケース２にベアリング１２の外輪が連結され、ロータ３のシャフト５にベアリング１２の内輪が連結されることにより、ロータ３全体が、モータケース２に対してシャフト５の中心軸（回転軸）Ｘ回りに図中矢印α方向に回転可能とされている。

ベアリング１２がモータケース２やロータ３に結合されておらず、モータケース２とロータ３とでベアリング１２を挟み込むように構成されていてもよい。ロータ３の下方には、モータケース２の下面側を覆う下カバー１３が配置されている。ロータ３と下カバー１３との間にもベアリング１２が配置され、ロータ３を回転可能に支持している。

なお、本明細書内では、便宜的に、図１における上下方向をモータ１における上下方向と定義し、上面、下面等の名称を用いる。しかしながら、モータの使用姿勢に応じて上下方向は図１における上下方向に限定されないのはもちろんである。

ロータ３の外側には、ロータ３を囲むように電機子としてのステータ４が配置されている。ステータ４は、全体として軸直交平面（中心軸Ｘを法線方向とする平面）による断面が円環形状である。ステータ４は、円周状に配列された複数のティースを有するステータコア（不図示）と、複数のティースに各々挿入された複数の電機子コイル（不図示）とを有している。電機子コイルの巻線は、それぞれ２相、３相又はそれ以上の各相に対応する交流電源に接続されている。各相に異なる位相の電流が通電されると、電磁誘導作用によってロータ３が回転するようになっている。ステータの構造及び機能については、詳細な説明を省略する。

モータケース２内部には、ステータ４の下方位置であって下カバー１３の上方位置にエンコーダユニットＵが配置されている。エンコーダユニットＵは、ロータ３の回転速度を検出するためのものである。モータ１には、制御装置（不図示）が接続される。制御装置に、エンコーダユニットＵによって検出された回転速度が送信され、回転速度に基づくフィードバック制御（サーボ制御）が行われるようになっている。

図２は、エンコーダユニットＵの内部構造の概略を示す構造図である。図２は、エンコーダユニットＵを、モータ１の中心軸Ｘに沿った平面で切断した状態である。エンコーダユニットＵ内には、センサ（検出素子）１１とそのセンサ１１を実装するセンサ基板（検出基板）７とが配置されている。また、エンコーダユニットＵ内には、シャフト５の下部（一端部）５ａも侵入している。

センサ１１は、シャフト５の回転（＝ロータ３の回転）を検出するための素子であって、本実施形態では反射型の光学センサを用いている。したがって、センサ１１からシャフト５（より具体的には、後述するディスク１４）に向けて検出光が投光され、シャフト５からの反射光が再びセンサ１１によって受光される。センサ基板７は、表面にセンサ１１を実装する回路基板である。

シャフト５の下部５ａ近傍には、図２に示すように、シャフト５の外周に向けて突出したフランジ部５ｂが形成されている。フランジ部５ｂの下面（対向面）５ｃには、ディスク（被検出体）１４が配置されている。ディスク１４は、例えば、平面視円形状又は平面視円環形状の樹脂フィルムである。ディスク１４の外径は、フランジ部５ｂの外径以下とされており、フランジ部５ｂからディスク１４がはみ出さないようになっている。下面５ｃにディスク１４を配置すると、フランジ部５ｂによってディスク１４が保護される。モータ１の組立工程において、ディスク１４の端部が損傷を受ける等の事態を避けることができる。平面視とは、中心軸Ｘに沿った方向に矢視することをいう。

ディスク１４には、検出用のラインが放射状に複数形成されている。センサ１１からの検出光はディスク１４のラインを照射し、反射して再びセンサ１１によって受光される。一定時間内に検出したラインの本数に基づき、ロータ３の回転数（回転速度）が計測される。

ステータ４は、ロータ３と磁気的空隙Ｇを確保するように、ロータ３の周囲に配置されている。この実施形態に係るモータ１では、ステータ４、シャフト５のフランジ部５ｂ、センサ１１及びセンサ基板７の配置は、図２に示すようになっている。すなわち、ステータ４の下部４ａは、フランジ部５ｂの上方に位置している。ステータ４の一部又は全部は、平面視においてフランジ部５ｂと重複している。換言すれば、ステータ４の外周は、平面視において、フランジ部５ｂの外周よりも内側か又はその近傍に位置している。図２においては、ステータ４の外周は、平面視において、フランジ部５ｂの外周よりも少し外側の近傍位置にあるが、ステータ４の大部分はフランジ部５ｂの外周より内側に位置している。

センサ１１は、下面５ｃに対向しており、フランジ部５ｂから見てステータ４と反対側に配置されている。センサ基板７とステータ４との間にフランジ部５ｂが位置している。つまり、中心軸Ｘに沿った方向において、ステータ４の外側にセンサ１１及びセンサ基板７が配置されている。センサ基板７は、平面視においてフランジ部５ｂと重複している。センサ基板７の端部７ａは、平面視において、フランジ部５ｂの外周からはみ出さない位置に配置されている。

このモータ１では、ロータ３の回転検出に反射型のセンサ１１を用いており、投光のための発光素子をセンサと別に設けていない。発光素子を避けてステータ４を配置する必要がなくなり、モータ１内部のスペースに余裕が生まれている。モータ特性を維持しつつステータ４の外径Ｄを小さくすることができる。モータ１全体の外径の小型化に寄与している。ステータ４の外径を小型化しつつステータ４の半径方向サイズＷを増大させることができ、電機子コイルの巻線数を増加させることができる。モータ特性の向上を図ったり、モータ特性を維持しつつステータ４の長さ寸法Ｌを短縮することができる。モータ１全体の長さの短縮に寄与している。

センサ１１やセンサ基板７とステータ４との間にフランジ部５ｂが位置する。フランジ部５ｂはシャフト５と一体的に形成されており、金属製であるので、電磁ノイズ遮蔽効果を有する。ステータ４からの電磁ノイズがセンサ基板７上の素子や回路に影響するのを、フランジ部５ｂが効果的に防止している。

以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。

上記実施形態においては、回転電機がモータ（電動機）１であるものとして説明したが、回転電機は、モータ１と同等の構成のロータ３及びステータ４を備える発電機であってもよい。また、ステータ４のスロット数も限定されない。モータとしては、実施形態で説明したアウタステータ（インナーロータ）型に限られない。インナーステータ（アウタロータ）型のモータであってもよい。また、サーボ制御を行うモータであれば、ＤＤモータに限られない。

＜従来のエンコーダユニットＵ２＞
図３は、従来のエンコーダユニットＵ２の内部構造の概略を示す構造図である。図３は、エンコーダユニットＵ２を、モータの中心軸Ｘに沿った平面で切断した状態である。なお、図３において、図２と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省略する。

エンコーダユニットＵ２内には、センサ（検出素子）２１とそのセンサ２１を実装するセンサ基板（検出基板）７とＬＥＤ（発光素子）１５とが配置されている。また、エンコーダユニットＵ２内には、シャフト５の下部（一端部）５ａも侵入している。

センサ２１は、センサ１１同様にロータ３の回転を検出するための素子であるが、センサ２１は、透過型の光センサである。センサ２１は、ＬＥＤ１５からの検出光を、ディスク１４を通して受光する。ＬＥＤ１５は、ディスク１４から見てセンサ２１と反対側に配置される。すなわち、フランジ部２５ｂの上方に位置する。

ＬＥＤ１５からの検出光がディスク１４を透過してセンサ２１へと至るようになっている。そのため、ディスク１４は透明フィルムを基材とする必要があり、その透明フィルムに検出用の複数のラインが形成されている。ディスク１４の検出位置、すなわち検出光の通過位置は、フランジ部２５ｂよりも外側である必要がある。したがって、ディスク１４は、フランジ部２５ｂから部分的にはみ出るように配置される。

フランジ部２５ｂの上方にＬＥＤ１５が配置されるため、そのＬＥＤ１５を避けてステータ２４を配置する必要がある。すなわち、ステータ２４の外径Ｄ２は、ステータ４の外径Ｄよりも大きい。又は、ステータ２４の半径方向サイズＷ２は、ステータ４の半径方向サイズＷよりも小さい。従来のモータは、上記実施形態に係るモータ１に比較して、外径が大きいか、又はモータ特性が低い。モータ特性を確保するために、図３に示すように、ステータ２４の長さ寸法Ｌ２をステータ４の長さ寸法Ｌよりも長くして、フランジ部２５ｂよりも下方となる位置にまで延長する必要がある。

フランジ部２５ｂからはみ出してディスク１４を配置する必要がある。したがって、センサ２１やセンサ基板７とステータ２４との間にフランジ部２５ｂが位置しない。ステータ２４からの電磁ノイズがセンサ基板７上の素子や回路に影響するのを、フランジ部２５ｂが殆ど遮蔽しない。ステータ２４からの電磁ノイズがセンサ基板７上の素子や回路に影響するのを防止するために、ステータ２４とセンサ基板７との間となる位置、例えば、センサ基板７の端部７ａに電磁ノイズ防止用の金属テープ（アルミテープや銅箔テープなど）を配置する必要がある。

矢印：α
ステータの外径：Ｄ，Ｄ２
磁気的空隙：Ｇ
長さ寸法：Ｌ，Ｌ２
エンコーダユニット：Ｕ，Ｕ２
半径方向サイズ：Ｗ，Ｗ２
中心軸（回転軸）：Ｘ
モータ（回転電機）：１
モータケース：２
貫通孔：２ａ
ロータ（回転子、インナーロータ）：３
ステータ（固定子、アウタステータ）：４，２４
下部：４ａ
シャフト：５
下部（一端部）：５ａ
フランジ部：５ｂ，２５ｂ
下面（対向面）：５ｃ
ロータコア：６
センサ基板（検出基板）：７
端部：７ａ
センサ（検出素子）：１１，２１
ベアリング：１２
下カバー：１３
ディスク（被検出体）：１４
ＬＥＤ（発光素子）：１５

Claims (5)

1. 略円環状のステータと、
   前記ステータの円環内部に配置され、回転軸を中心として回転するロータと、
   前記ロータの回転を検出する検出素子と、
   前記検出素子を実装する検出基板と、を有する回転電機であって、
   前記検出素子及び前記検出基板が、前記回転軸に沿った方向において前記ステータの外側に配置され、かつ、
   前記検出素子が反射型投受光センサである、回転電機。
2. 前記ロータの一端部近傍に、フランジ部が形成され、
   前記フランジ部は、前記ステータと前記検出基板との間に位置して、前記ステータと前記検出基板との間を遮るように前記ロータから外周に向けて突出している、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記フランジ部の、前記検出素子に対向する対向面に、前記検出素子によって前記ロータの回転を検出するための被検出体が配置されている、請求項２に記載の回転電機。
4. 前記被検出体が、平面視円形状又は平面視円環形状であって、前記フランジ部から外側にはみ出さないように配置されている、請求項３に記載の回転電機。
5. 前記ロータが、
   前記回転軸を構成するロータシャフトと、
   前記ロータシャフトの外周に配置されたロータコアと、を有し、
   前記フランジ部が、前記ロータシャフトに形成されている、請求項２から請求項４のうちいずれか１項に記載の回転電機。
   

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