JP2018046651A - モータおよびモータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板、導線の変形、損傷を抑制するモータを提供する。【解決手段】静止部２は、複数のティース６３を有するステータコア６１と、ステータコアの表面を覆うインシュレータ８０と、ティースにインシュレータを介して巻かれた導線からなるコイル９０と、ハウジング４０と、回路基板７０とを有する。ハウジングは、ステータコアを外周に固定する円筒部４１と、円筒部から径方向外側に延びるベース部４２とを備える。回路基板は、ベース部の上方かつステータコアの下方に配置される。回路基板には、導線９１が電気的に接続される。インシュレータは、円筒部の外周を覆う筒状部８１と、筒状部から径方向外側に突出し、上下に弾性変形する弾性部８２と、を有する。回路基板は、ベース部に設けられた台座部４２２の上面に固定される。また、回路基板は、台座部よりも径方向内側で、弾性部の下面に接触する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータおよびモータの製造方法に関する。

従来、電子部品等が実装された回路基板を有するブラシレスモータが知られている。この種のブラシレスモータでは、回路基板を介して、コイルに駆動電流が供給される。特開平１１−１８３８５号公報には、電子部品等が実装された回路基板を、ハウジングに固定する構造が記載されている。
特開平１１−１８３８５号公報

特開平１１−１８３８５号公報のモータの製造時には、ステータと回路基板とを含むユニットを、ハウジングに固定する。その際、回路基板に負荷が生じ、回路基板が変形する場合がある。そして、回路基板が変形すると、回路基板に接続された導線に損傷が生じる虞がある。

本発明の目的は、ハウジングに対して回路基板を固定するときに、回路基板に固定された導線が損傷することを抑制できる、モータおよびモータの製造方法を提供することである。

本発明の例示的な一実施形態は、モータであって、ステータを含む静止部と、上下に延びる中心軸を中心に回転するロータと、を有し、前記静止部は、径方向外側へ突出する複数のティースを有するステータコアと、前記ステータコアの表面を覆うインシュレータと、前記ティースに前記インシュレータを介して巻かれた導線からなるコイルと、前記ステータコアを外周に固定する円筒部および前記円筒部から径方向外側に延びるベース部を備えハウジングと、前記ベース部の上方かつ、前記ステータコアの下方に配置され、前記導線が電気的に接続される回路基板と、を有し、前記ベース部は、上方に突出する台座部を有し、前記インシュレータは、前記円筒部の外周を覆う筒状部と、前記筒状部から径方向外側に突出し、上下に弾性変形可能な弾性部と、を有し、前記回路基板は、前記台座部の上面に固定され、前記台座部よりも径方向内側で、前記弾性部の下面に接触する。

本発明の例示的な一実施形態によれば、回路基板からの負荷に応じて弾性部が弾性変形する。このため、回路基板の変形を抑制できる。したがって、導線の損傷を抑制できる。

図１は、モータの縦断面図である。 図２は、モータの部分縦断面図である。 図３は、インシュレータの下面図である。 図４は、ステータユニットおよびハウジングの組み立ての手順を示したフローチャートである。 図５は、モータの組み立て時の様子を示す図（比較例）である。 図６は、モータの組み立て時の様子を示す図（比較例）である。 図７は、モータの組み立て時の様子を示す図である。 図８は、モータの組み立て時の様子を示す図である。 図９は、モータの組み立て時の様子を示す図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明では、モータの中心軸と平行な方向を「軸方向」、モータの中心軸に直交する方向を「径方向」、モータの中心軸を中心とする円弧に沿う方向を「周方向」、とそれぞれ称する。また、本発明では、軸方向を上下方向とし、ステータに対して回路基板側を下として、各部の形状や位置関係を説明する。ただし、この上下方向の定義により、本発明に係るモータの製造時および使用時の向きを限定する意図はない。

＜１．モータの構造について＞
図１は、一実施形態に係るモータ１の縦断面図である。図２は、回路基板７０の付近におけるモータ１の部分縦断面図である。図３は、インシュレータの下面図である。このモータ１は、例えば、サービスロボット等の小型ロボットに使用される。ただし、同等の構造を有するモータを、家電製品や産業用機械等の他の用途に使用してもよい。

図１に示すように、モータ１は、静止部２とロータ３とを有する。静止部２は、モータ１が搭載される機器の筐体に固定される。ロータ３は、静止部２に対して回転可能に支持される。

図１に示すように、ロータ３は、シャフト３１、ロータホルダ３２、および複数のマグネット３３を有する。

シャフト３１は、軸方向に延びる柱状の部材である。シャフト３１の材料には、例えば、ステンレス等の金属が用いられる。シャフト３１の少なくとも一部分は、ハウジング４０の径方向内側に位置する。シャフト３１は、軸受部５０を介して、ハウジング４０に回転可能に支持される。

ロータホルダ３２は、複数のマグネット３３を保持しつつ、シャフト３１とともに回転する。ロータホルダ３２の材料には、例えば、磁性体である鉄等の金属が用いられる。ロータホルダ３２は、ホルダ天板部３２１と、ホルダ円筒部３２２とを有する。ホルダ天板部３２１は、中心軸９に対して略垂直に拡がる。ホルダ天板部３２１の内周部は、接続部材３４を介して、シャフト３１の上部に接続される。これにより、ロータホルダ３２とシャフト３１とが、互いに固定される。ホルダ円筒部３２２は、ホルダ天板部３２１の外周部から軸方向下側へ向けて、円筒状に延びる。

複数のマグネット３３は、ホルダ円筒部３２２の内周面に固定される。複数のマグネット３３は、ステータ６０の径方向外側に位置する。各マグネット３３の径方向内側の面は、後述するティース６３の端面と径方向に対向する磁極面となる。複数のマグネット３３は、Ｎ極の磁極面とＳ極の磁極面とが交互に並ぶように、周方向に等間隔に配列される。なお、複数のマグネット３３に代えて、Ｎ極とＳ極とが周方向に交互に着磁された１つの円環状のマグネットを、使用してもよい。

静止部２は、ステータユニット２０、ハウジング４０、および軸受部５０を有する。

ハウジング４０は、シャフト３１を、中心軸９を中心として回転可能に支持する部材である。ハウジング４０は、円筒部４１およびベース部４２を有する。円筒部４１は、シャフト３１および軸受部５０の径方向外側、かつ、ステータ６０および回路基板７０の径方向内側において、軸方向に略円筒状に延びる。円筒部４１の外周面には、段差状の第１台座部４１１が設けられている。第１台座部４１１よりも上側における円筒部４１の外径は、第１台座部４１１よりも下側における円筒部４１の外径よりも小さい。

ベース部４２は、回路基板７０よりも下側に位置し、円筒部４１の外周面から径方向外側へ向けて、略円板状に広がる。ベース部４２は、径方向外側の端部に、上方へ突出する第２台座部４２２を有する。また、ベース部４２は、第２台座部４２２の上面から、さらに上方へ突出する突起４２３を有する。

軸受部５０は、シャフト３１を回転可能に支持するための機構である。本実施形態の軸受部５０には、球体を介して外輪と内輪とを相対回転させるボールベアリングが、使用されている。軸受部５０の外輪は、円筒部４１の内周面に固定される。軸受部５０の内輪は、シャフト３１の外周面に固定される。

ステータユニット２０は、ステータ６０および回路基板７０を有する。

ステータ６０は、円筒部４１の外周面に固定された電機子である。ステータ６０は、ステータコア６１、インシュレータ８０、およびコイル９０を有する。ステータコア６１は、ケイ素鋼板等の電磁鋼板が軸方向に積層された積層鋼板である。

ステータコア６１は、中心軸９の周りを取り囲む円環状のコアバック６２と、コアバック６２から径方向外側へ向けて突出する複数のティース６３とを有する。複数のティース６３は、周方向に略等間隔に配列されている。各ティース６３は、中心軸９に対して放射状に延びる。コアバック６２の下面は、第１台座部４１１と軸方向に接触する。これにより、ステータコア６１は、円筒部４１に対して軸方向に位置決めされつつ、固定される。

インシュレータ８０は、コアバック６２およびティース６３に、取り付けられている。インシュレータ８０は、絶縁体である樹脂により形成される。各ティース６３の上面および下面は、インシュレータ８０に覆われる。図１〜図３に示すように、インシュレータ８０は、筒状部８１および弾性部８２を有する。筒状部８１は、ハウジング４０の円筒部４１の外周面を覆う。弾性部８２は、筒状部８１から径方向外側に突出する。弾性部８２は、軸方向の負荷を受けると、上下に弾性変形可能である。

コイル９０は、ティース６３の周囲に、インシュレータ８０を介して、導線９１が巻かれることによって構成される。インシュレータ８０は、ティース６３と導線９１との間に介在することによって、ティース６３と導線９１とを電気的に絶縁する。

回路基板７０は、コイル９０に駆動電流を与えるための電子回路が実装された基板である。回路基板７０は、ステータコア６１の下方、ベース部４２の上方、かつ、シャフト３１および円筒部４１の径方向外側において、径方向および周方向に略円板状に広がる。回路基板７０の上面および下面には、電子回路を構成する複数の電子部品が、配置される。複数の電子部品の中には、駆動時に熱を発するＦＥＴ等の電子部品が含まれる。

このようなモータ１において、回路基板７０を介してコイル９０に駆動電流が与えられると、ステータコア６１の複数のティース６３に、磁束が生じる。そして、ティース６３とマグネット３３との間の磁束の作用によって、周方向のトルクが発生する。その結果、静止部２に対してロータ３が、中心軸９を中心として回転する。

＜２．回路基板の固定構造について＞
本実施形態の回路基板７０は、中央孔７１と、中央孔７１よりも径方向外側の貫通孔７２とを有する。ハウジング４０の円筒部４１は、中央孔７１に挿入される。これにより、回路基板７０は、円筒部４１の径方向外側に配置される。また、コイル９０から引き出された導線９１は、中央孔７１を通り、回路基板７０の下面に対して、半田により固定される。これにより、回路基板７０と導線９１とが、電気的に接続される。このように、中央孔７１から導線９１を引き出すことで、回路基板７０に、中央孔７１とは別に導線９１を引き出すための貫通孔を設ける必要がなくなる。その結果、回路基板７０の加工にかかる作業工数を低減できる。

第２台座部４２２の突起４２３は、中央孔７１よりも径方向外側で、回路基板７０の貫通孔７２に挿入される。また、回路基板７０の上面は、第２台座部４２２よりも径方向内側で、弾性部８２の下面と接触する。モータ１の製造時には、突起４２３に対して下向きの押圧力が加えられる。これにより、回路基板７０の上面において、突起４２３が塑性変形する。このように、回路基板７０は、いわゆるかしめによって、第２台座部４２２の上面に固定される。これにより、ハウジング４０に対してステータユニット２０が固定される。

弾性部８２は、回路基板７０からの負荷に応じて上下に弾性変形可能である。モータ１の製造時または使用時において、回路基板７０に上下方向の負荷がかかると、弾性部８２が撓むことによって、回路基板７０の負荷が分散される。これにより、回路基板７０の変形が抑制される。回路基板７０の変形が抑制されれば、回路基板７０に固定された導線９１に、過度な負荷がかかることも抑制できる。その結果、導線９１の損傷を抑制できる。特に、本実施形態の弾性部８２は、筒状部８１から径方向外側へ延びる。このため、筒状部８１よりも径方向内側の空間を広く利用することができる。その結果、筒状部８１よりも径方向内側の設計自由度を向上できる。

また、図２に示すように、本実施形態の弾性部８２は、厚肉部８２１および薄肉部８２２を有する。薄肉部８２２は、厚肉部８２１よりも径方向内側に位置し、厚肉部８２１よりも軸方向の厚みが薄い。回路基板７０は、厚肉部８２１および薄肉部８２２のうち、厚肉部８２１のみと接触する。これにより、弾性部８２が弾性変形しやすくなる。その結果、導線９１の損傷をより抑制できる。また、薄肉部８２２は、径方向内側へ向かうにつれて、軸方向の厚みが薄くなる部位を有する。これにより、弾性部８２は、より上下に弾性変形しやすくなる。その結果、導線９１の損傷をより抑制できる。

また、図３に示すように、本実施形態のインシュレータ８０は、複数の弾性部８２を有する（図３の例では３つ）。複数の弾性部８２は、周方向に等間隔に配置されている。このようにすれば、弾性部８２から回路基板７０に加わる負荷が、周方向の一部分に偏ることを抑制できる。したがって、ステータコア６１をハウジング４０に固定する際に、回路基板７０に、周方向に均等に負荷を与えることができる。

導線９１は、隣り合う弾性部８２の周方向の間を通って、回路基板７０の下面側へ引き出される。複数の弾性部８２の周方向の間には、それぞれ、少なくとも１本の導線９１が配置される。このようにすれば、各導線９１に加わる負荷の偏りを低減できる。これにより、導線９１の損傷をより抑制できる。

また、図３に示すように、本実施形態のインシュレータ８０は、筒状部８１の径方向外側、弾性部８２の上側、かつコイル９０の径方向内側に、配線部８３を有する。配線部８３は、コイル間に掛け渡される導線９１を配置するための、周方向に広がるスペースである。このような配線部８３を設けることによって、導線９１を掛け渡す作業が容易となる。

＜３．モータの組み立てについて＞
次に、本実施形態に係るモータ１の製造工程の一部について説明する。図４は、上記のモータ１の製造工程のうち、ステータユニット２０およびハウジング４０の組み立ての手順を示したフローチャートである。

図４の例では、まず、ステータ６０に回路基板７０を取り付ける（ステップＳ１）。ここでは、インシュレータ８０の下側に回路基板７０を配置する。具体的には、インシュレータ８０に対して回路基板７０を下方から接近させ、インシュレータ８０の弾性部８２に回路基板７０を接触させる。これにより、ステータ６０に対して回路基板７０が、軸方向に位置決めされる。

次に、コイル９０から下方へ向けて導線９１を引き出す。導線９１は、回路基板７０の中央孔７１を通過して、回路基板７０の下面側へ引き出される。そして、導線９１は、回路基板７０の下面に設けられたランド部９２に接続される（ステップＳ２）。これにより、ステータ６０と回路基板７０とを含むステータユニット２０が得られる。

その後、ハウジング４０の円筒部４１の外周部に、ステータユニット２０を配置する（ステップＳ３）。ここでは、円筒部４１の上方から、ステータユニット２０を下方に移動させる。そして、第２台座部４２２の突起４２３を、回路基板７０の貫通孔７２に挿入して、ベース部４２に回路基板７０を接触させる。また、ハウジング４０の第１台座部４１１に、ステータコア６１の下面を接触させる。

図５および図６は、比較例に係るモータの組み立て時の様子を示す図である。図５および図６の例では、第２台座部４２２Ａに対する回路基板７０Ａの接触よりも先に、第１台座部４１１Ａに対してステータコア６１Ａが接触する。この場合、図６のように、第２台座部４２２Ａの上面と、回路基板７０Ａとの間に、隙間４３Ａが生じる。この状態で、回路基板７０Ａの上方から、第２台座部４２２Ａの突起４２３Ａに向けて押圧力を加えると、導線９１Ａは回路基板７０Ａとともに下方へ引っ張られる。その結果、導線９１Ａが損傷する虞がある。

図７〜図９は、本実施形態に係るモータ１の組み立て時の様子を示す図である。本実施形態では、まず、第２台座部４２２の上面に、回路基板７０を接触させる。このとき、図８のように、第１台座部４１１と、ステータコア６１Ａの下面との間に、間隙４３が生じる。その後、ステータユニット２０をさらに下方へ移動させて、第１台座部４１１にステータコア６１を接触させる。このとき、回路基板７０と弾性部８２とが、軸方向に互いに押し合う。ただし、本実施形態の構造では、回路基板７０よりも弾性部８２の方が、軸方向に弾性変形しやすい。したがって、主として弾性部８２が、上方へ弾性変形する。これにより、間隙４３は解消され、かつ、回路基板７０の変形も抑制される。したがって、回路基板７０の変形に伴う導線９１の損傷も抑制できる。

その後、回路基板７０の上方から、突起４２３に向けて押圧力を加える。そうすると、突起４２３が塑性変形して、第２台座部４２２と突起４２３の塑性変形した部分との間に、回路基板７０が挟まれる。これにより、第２台座部４２２上に回路基板７０が固定される。その結果、ハウジング４０に対してステータユニット２０が固定される。このモータでは、ステータコア６１よりも先に、回路基板７０を、ハウジング４０に接触させる。このため、突起４２３を塑性変形させる際には、回路基板７０は、下方へ移動しにくい。したがって、回路基板７０の下方への移動に伴う導線９１の損傷も抑制できる。

特に、本実施形態のモータ１は、小型ロボットの関節を駆動させるために用いられる。このような用途では、モータ１の使用時に外力による振動が発生しやすい。しかしながら、本実施形態の構造を採れば、回路基板７０に接触する弾性部８２が撓むことによって、振動を吸収する。すなわち、組み立て時のみならず、使用時においても、導線９１の損傷を抑制できる。

＜４．変形例＞
以上、本発明の例示的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態には限定されない。

上記の実施形態では、モータ１の軸受部に、ボールベアリングが使用されていた。しかしながら、軸受部に、ボールベアリングに代えて、すべり軸受や流体軸受等の他の方式の軸受が使用されてもよい。

また、上記の実施形態では、第２台座部と回路基板とが、かしめにより固定されていた。しかしながら、第２台座部に対する回路基板の固定方法は、ネジ止め等の他の方法であってもよい。

また、上記の実施形態では、導線は、回路基板の下面に固定されていた。しかしながら、導線は、回路基板の上面に固定されてもよい。回路基板の上面に導線を固定した場合であっても、回路基板の変形を抑制することで、導線の損傷を抑制できる。

また、上記の実施形態では、インシュレータの筒状部と弾性部とが、一繋がりの部材であった。しかしながら、筒状部と弾性部とは、別部材であってもよい。

また、上記の実施形態では、弾性部の数は、３つであった。しかしながら、弾性部の数は２つ以下であってもよく、４つ以上であってもよい。

また、各部材の細部の形状については、本願の各図に示された形状と、相違していてもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

本発明は、モータおよびモータの製造方法に利用できる。

１ モータ
２ 静止部
３ ロータ
９ 中心軸
２０ ステータユニット
３１ シャフト
３２ ロータホルダ
３３ マグネット
３４ 接続部材
４０ ハウジング
４１ 円筒部
４２ ベース部
４３，４３Ａ 間隙
５０ 軸受部
６０ ステータ
６１，６１Ａ ステータコア
６２ コアバック
６３ ティース
７０，７０Ａ 回路基板
７１ 中央孔
７２ 貫通孔
８０ インシュレータ
８１ 筒状部
８２ 弾性部
８３ 配線部
９０ コイル
９１，９１Ａ 導線
９２ ランド部
３２１ ホルダ天板部
３２２ ホルダ円筒部
４１１，４１１Ａ 第１台座部
４２２，４２２Ａ 第２台座部
４２３ 突起
８２１ 厚肉部
８２２ 薄肉部

Claims (13)

1. ステータを含む静止部と、
   上下に延びる中心軸を中心に回転するロータと、
   を有し、
   前記静止部は、
   径方向外側へ突出する複数のティースを有するステータコアと、
   前記ステータコアの表面を覆うインシュレータと、
   前記ティースに前記インシュレータを介して巻かれた導線からなるコイルと、
   前記ステータコアを外周に固定する円筒部および前記円筒部から径方向外側に延びるベース部を備えるハウジングと、
   前記ベース部の上方かつ、前記ステータコアの下方に配置され、前記導線が電気的に接続される回路基板と、
   を有し、
   前記ベース部は、上方に突出する台座部を有し、
   前記インシュレータは、
   前記円筒部の外周を覆う筒状部と、
   前記筒状部から径方向外側に突出し、上下に弾性変形可能な弾性部と、
   を有し、
   前記回路基板は、前記台座部の上面に固定され、前記台座部よりも径方向内側で、前記弾性部の下面に接触するモータ。
2. 請求項１に記載のモータであって、
   前記回路基板は、上方からの押圧力による塑性変形によって、前記台座部と固定されるモータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のモータであって、
   前記回路基板は、貫通孔を有し、
   前記台座部は、上方に突出する突起を有し、
   前記突起は、前記貫通孔に挿入され、
   前記突起が塑性変形されるモータ。
4. 請求項１に記載のモータであって、
   前記回路基板は、前記台座部とネジで固定されるモータ。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のモータであって、
   前記導線は、前記回路基板の下面に接続されるモータ。
6. 請求項５に記載のモータであって、
   前記回路基板は、前記台座部よりも径方向内側に中央孔を有し、
   前記円筒部は、前記中央孔に挿入され、
   前記導線は、前記中央孔を通って、前記回路基板の下面に引き出されるモータ。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のモータであって、
   前記導線は、前記回路基板と半田により固定されるモータ。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のモータであって、
   前記弾性部は、
   厚肉部と、
   前記厚肉部よりも径方向内側に位置し、前記厚肉部よりも軸方向の厚みが薄い薄肉部と、
   を有し、
   前記厚肉部および前記薄肉部のうち、前記厚肉部のみが前記回路基板に接触するモータ。
9. 請求項８に記載のモータであって、
   前記薄肉部は、径方向内側に向かうにつれて、軸方向の厚みが薄くなる部位を有するモータ。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のモータであって、
    前記弾性部の数は、複数であり、
    複数の前記弾性部の周方向の間には、少なくとも一本の前記導線が配置されるモータ。
11. 請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載のモータであって、
    前記インシュレータは、前記筒状部の径方向外側、前記弾性部の上側、かつ前記コイルの径方向内側に、周方向に広がる配線部を、さらに有するモータ。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載のモータであって、
    前記筒状部と、前記弾性部とは、別部材であるモータ。
13. 請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載のモータの製造方法であって、
    ａ）前記ステータの下方に、前記回路基板を配置する工程と、
    ｂ）前記コイルから引き出された前記導線を前記回路基板に接続して、前記ステータおよび前記回路基板を含むユニットを得る工程と、
    ｃ）前記円筒部の外周部に、前記ユニットを配置する工程と、
    を有し、
    前記工程ｃ）では、前記円筒部の上方から、前記ユニットを下方に移動させ、前記ベース部と、前記回路基板とを接触させた後に、前記ハウジングと、前記ステータコアとを接触させるモータの製造方法。

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