JP2023121442A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの位置推定の正確度が向上したモータを提供する。
【解決手段】一実施形態に係るモータが備えるロータは、磁性体によって形成されたロータコア３１と、ロータコア３１上に、ロータの回転方向に沿って並べられた複数の磁石３３ａ～３３ｊと、共通の実装面４１ａ上に配置され、磁石３３ａ～３３ｊの磁界を検出可能な複数のホール素子と、を有する。複数の磁石３３ａ～３３ｊが実装面４１ａに対向する対向面３８が実装面４１ａに対してなす角度が不均一である。
【選択図】図６

Description

本発明は、モータに関する。

回転子（ロータ）の位置を検出するための位置センサを備えたモータが知られている。位置センサには、光学式センサや磁気式センサ等が用いられる。光学式センサの一例として光学式エンコーダが挙げられ、磁気式センサの一例としてホール素子が挙げられる。

特許第６２３３５３２号公報

位置センサとしてのホール素子を複数備えているモータでは、それぞれのホール素子から出力される電圧（ホール信号）が有する特徴を利用してロータの位置が推定されることがある。

１つのモータに搭載される複数のホール素子の寸法，形状、材料特性，搭載位置などは、完全に同一ではない。つまり、１つのモータに搭載されている複数のホール素子にはばらつきが存在する。この結果、それぞれのホール素子から出力されるホール信号には、ばらつきに起因する固有の特徴が存在する。したがって、各ホール素子から出力されるホール信号に存在する特徴をマイクロコンピュータに学習させることにより、当該マイクロコンピュータにロータの位置を推定させることができる。

しかし、ホール信号の特徴は様々なばらつきに起因しており、無作為に発生する。このため、偶然に、同一又は略同一の特徴を有するホール信号を出力する２つ以上のホール素子が１つのモータに搭載されることもあり得る。この場合、ロータの位置が誤って推定される虞がある。

一実施形態に係るモータは、ステータおよびロータを備える。前記ロータは、磁性体によって形成されたロータコアと、前記ロータコア上に、前記ロータの回転方向に沿って並べられた複数の磁石と、共通の実装面上に配置され、前記磁石の磁界を検出可能な複数の磁気センサと、を有する。そして、複数の前記磁石が前記実装面に対向する対向面が前記実装面に対してなす角度が不均一である。

本発明の一態様によれば、ロータの位置推定の正確度が向上したモータが提供される。

一実施形態に係るモータの構造を示す分解斜視図である。 一実施形態に係るモータの構造を示す斜視図である。 一実施形態に係るモータの構造を示す断面図である。 一実施形態に係るモータの機能ブロック図である。 一実施形態に係るロータの正面図である。 一実施形態に係るロータに設けられる各磁石の角度を示す模式図である。 １つの磁石がホール素子に最接近したときの磁石とホール素子と磁気の方向との関係を示す部分拡大断面図である。 他の１つの磁石がホール素子に最接近したときの磁石とホール素子と磁気の方向との関係を示す部分拡大断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態を説明するために参照する全ての図面において、同一又は実質的に同一の構成には同一の符号を用いる。また、既に説明した構成については、原則として繰り返しの説明は行わない。

図１は、本実施形態に係るモータ１Ａの構造を示す分解斜視図である。図２は、モータ１Ａの構造を示す斜視図である。また、図３は、モータ１Ａの構造を示す断面図である。なお、図３に示されている断面は、モータ１Ａを図２中のＸ－Ｘ線に沿って切断したときの断面である。

＜モータの概要＞
モータ１Ａは、ハウジング１０，ステータ２０，ロータ３０，基板４０等を備えている。ハウジング１０に収容されているロータ３０は、同じくハウジング１０に収容されているステータ２０の径方向内側に配置されており、ステータ２０に対して回転可能である。つまり、モータ１Ａは、インナーロータ型モータである。

＜ハウジング＞
ハウジング１０は、互いに組み合わされる２つの部材から構成されている。より特定的には、ハウジング１０は、ベース部材１１ａとカバー部材１１ｂとから構成されている。なお、図２，図３では、カバー部材１１ｂの図示が省略されている。ベース部材１１ａは、底壁部１２と、一対の固定片１３ａ，１３ｂと、一対のリブ１４ａ，１４ｂと、を備えている。

ベース部材１１ａの底壁部１２は、円形又は略円形であって、その中心に貫通孔１５が設けられている。さらに、ベース部材１１ａの底壁部１２には、貫通孔１５と連通する円筒状のシャフトホルダ１６が設けられている。

固定片１３ａ，１３ｂは、底壁部１２の縁から底壁部１２と平行に張り出している。一方、リブ１４ａ，１４ｂは、底壁部１２の縁から底壁部１２に対して垂直に立ち上がっている。それぞれの固定片１３ａ，１３ｂには、モータ１Ａを所定位置に固定するためのネジが挿通されるネジ穴が形成されている。また、リブ１４ａ，１４ｂは、底壁部１２の縁に沿って湾曲している。

カバー部材１１ｂは、円筒状の周壁部１７と、周壁部１７の一端を閉塞する天壁部１８と、を備えている。ベース部材１１ａとカバー部材１１ｂとが組み合わされると、カバー部材１１ｂの周壁部１７はベース部材１１ａのリブ１４ａ，１４ｂの外側に配置され、カバー部材１１ｂの天壁部１８はベース部材１１ａの底壁部１２と対向する。この結果、底壁部１２と天壁部１８との間に、周壁部１７によって囲まれた収容空間が形成される。なお、収容空間の一部は、リブ１４ａ，１４ｂおよび周壁部１７によって二重に囲まれる。

＜ステータ＞
ステータ２０は、ロータ３０を取り囲む環状に形成されており、ハウジング１０の内側に固定されている。ステータ２０とロータ３０との間には、所定の隙間（エアギャップ）が設けられている。

ステータ２０は、ハウジング１０の内周面に固定されたステータコア２１を有する。ステータコア２１は、積層された複数枚の電磁鋼板によって形成されている。尚、ステータコア２１は、１枚の電磁鋼板によって形成されてもよい。ステータコア２１は、径方向内側に向かって（ロータ３０に向かって）突出する複数本のティース２２を備えている。より特定的には、ステータコア２１は、３０度間隔で配置された１２本のティース２２を備えている。別の見方をすると、ステータ２０は、１２個のスロットを備えている。

ステータ２０は、ステータコア２１に加えて、それぞれのティース２２の周囲に設けられたインシュレータ２３と、それぞれのインシュレータ２３の周囲に設けられたコイル２４と、を有する。

インシュレータ２３は、絶縁性の材料（例えば、樹脂材料）によって形成されている。コイル２４は、インシュレータ２３の周囲に巻かれた導線（例えば、銅合金線）によって形成されている。

１２個のコイル２４のうちの４個はＵ相コイルであり、他の４個はＶ相コイルであり、さらに他の４個はＷ相コイルである。別の見方をすると、ステータ２０には、１２０度ずつ位相がずれている三相電流が入力される。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各コイル２４は、電流（コイル電流）が供給されると励磁され、ロータ３０に作用する磁界を発生させる。

＜ロータ＞
ロータ３０は、ロータコア３１，ロータハブ３２，磁石３３およびシャフト３４を有し、中心軸Ｃを回転軸として回転可能である。ここで、中心軸Ｃの方向を上下方向と定義する。かかる定義に従えば、ハウジング１０を構成しているベース部材１１ａとカバー部材１１ｂとは、上下方向で対向している。より特定的には、ベース部材１１ａの底壁部１２とカバー部材１１ｂの天壁部１８とは、上下方向で対向している。以下の説明では、便宜上、底壁部１２の側を“下側”又は“下方”と呼び、天壁部１８の側を“上側”又は“上方”と呼ぶ場合がある。また、中心軸Ｃを回転軸とするロータ３０の回転方向を“周方向”と呼ぶ場合がある。

ロータコア３１は、磁性体によって形成されており、上下方向に延びる円筒形状を有する。ロータコア３１の内側にロータハブ３２が設けられ、ロータコア３１の外側に複数の磁石３３が設けられている。

ロータハブ３２は、ロータコア３１の内径よりも外径が小さい円筒形の側面部３２ａと、側面部３２ａの一端を閉塞する円盤形の上面部３２ｂと、を備えている。側面部３２ａおよび上面部３２ｂは、非磁性体によって一体成形されている。

ロータハブ３２は、ロータコア３１の内側に嵌め込まれており、両者は相対回転不能に固定されている。より特定的には、ロータコア３１の内周面とロータハブ３２の外周面とが互いに固定されている。つまり、ロータコア３１とロータハブ３２とは一体化されている。

複数の磁石３３は、ロータコア３１上にロータ３０の回転方向（周方向）に沿って並べられている。より特定的には、１０個の磁石３３がロータコア３１上に周方向に沿って等間隔で並べられている。また、１０個の磁石３３は、Ｎ極とＳ極とが周方向に沿って交互に並ぶように配置されている。なお、それぞれの磁石３３は、ロータコア３１の外周面に固定（接着）されている。磁石３３の配置状態については、後に改めて詳述する。

シャフト３４は、ロータハブ３２に固定されている。より特定的には、シャフト３４の基端は、シャフトホルダ１６を貫通してシャフトホルダ１６から突出している。さらに、シャフトホルダ１６から突出しているシャフト３４の基端は、ロータハブ３２の中心に圧入されている。

シャフト３４は、シャフトホルダ１６の内部に設けられている軸受３５ａ，３５ｂによって回転自在に支持されている。軸受３５ａ，３５ｂは上下に重ねられており、それら軸受３５ａ，３５ｂの間にはスプリングワッシャ３６が介在している。

一方、シャフト３４の先端は、ベース部材１１ａの底壁部１２を貫通してハウジング１０から突出している。さらに、ハウジング１０から突出しているシャフト３４の先端には、ピニオンギア３７が取り付けられている。

＜基板＞
基板４０は、フレキシブル基板である。基板４０の一部はハウジング１０の内部に配置され、基板４０の他の一部はハウジング１０の外部に引き出されている。以下の説明では、ハウジング１０内に配置されている基板４０の一部を“本体部４１”と呼び、ハウジング１０外に引き出されている基板４０の他の一部を“引出部４２”と呼んで区別する場合がある。もっとも、かかる区別は説明の便宜上の区別に過ぎない。

基板４０の本体部４１は、シャフトホルダ１６を避けてベース部材１１ａの底壁部１２の略全域を覆う円盤状である。一方、引出部４２は、ベース部材１１ａの固定片１３ａとリブ１４ｂとの間を通ってハウジング１０の外に延びる帯状である。

＜磁気センサ＞
ロータ３０に設けられている磁石３３の磁界を検出可能な複数の磁気センサが基板４０に実装されている。より特定的には、３つのホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗが基板４０に実装されている。ホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗは、本体部４１の表面４１ａに、周方向に沿って等間隔で実装されている。つまり、本体部４１の表面４１ａは、３つのホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗにとって共通の実装面である。そこで、以下の説明では、本体部４１の表面４１ａを“実装面４１ａ”と呼ぶ場合がある。また、ホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗを“ホール素子５０”と総称する場合がある。

ホール素子５０ｕは、Ｕ相の磁界強度を検出するための磁気センサであって、Ｕ相の磁界強度に応じた電圧（ホール信号／差動信号）を出力する。ホール素子５０ｖは、Ｖ相の磁界強度を検出するための磁気センサであって、Ｖ相の磁界強度に応じた電圧（ホール信号／差動信号）を出力する。ホール素子５０ｗは、Ｗ相の磁界強度を検出するための磁気センサであって、Ｗ相の磁界強度に応じた電圧（ホール信号／差動信号）を出力する。

それぞれのホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗは、基板４０に形成されている配線と電気的に接続されている。ホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗから出力されるホール信号は、基板４０に形成されている配線を介して所定の装置，処理部，制御部などに入力される。

図４は、モータ１Ａの機能ブロック図である。モータ１Ａは、増幅部６０，位置推定部６１，制御部６２，駆動部６３等を有する。ホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗから出力されるホール信号は、基板４０を介して増幅部６０に入力される。増幅部６０は、入力されたホール信号を増幅させて位置推定部６１に出力する。

位置推定部６１は、ロータ３０の位置を推定するための情報処理装置であって、演算部や記憶部などを備えている。位置推定部６１は、入力されたホール信号に基づいて算出される値や、記憶部に予め記憶されている情報などに基づいてロータ３０の位置を推定し、推定結果を制御部６２に出力する。なお、位置推定部６１は、停止しているロータ３０の位置や、回転中のロータ３０の位置などを推定可能である。

制御部６２は、位置推定部６１によって推定されたロータ３０の位置と、外部装置から入力された指示信号とに基づいて制御信号を生成し、駆動部６３に出力する。指示信号は、例えば、ロータ３０の回転方向，回転力，回転角度，回転速度などを表す信号である。また、制御信号は、例えば、指示信号が表す回転方向に応じたレジスタ値を表す信号や、駆動部６３からステータ２０に出力される電流の電流値を表す信号などである。

駆動部６３は、入力された制御信号に基づいてステータ２０を駆動する。駆動部６３は、例えば、制御信号が表す電流値の三相電流をステータ２０の各コイル２４に供給することによって、ロータ３０を指示された方向に指示された速度で回転させる。

＜磁石の配置＞
図５は、ロータ３０の正面図である。図６は、実装面４１ａに対する各磁石３３の角度を示す模式図である。別の見方をすると、図６は、ロータコア３１の展開図である。なお、図５ではピニオンギア３７の図示は省略されている。また、図５，図６では、各磁石３３の傾き量（角度）は一例であり、発明の理解を容易にすることを目的として、模式的に示されている。

既述のとおり、ロータコア３１の外周面３１ａ上には、Ｎ極とＳ極とが周方向に沿って交互に並ぶように配置された１０個の磁石３３が貼り付けられている。ここで、１０個の磁石３３の周方向における配置間隔は均一である。一方、１０個の磁石３３の実装面４１ａに対する取り付け角度（傾き）が不均一である。

以下の説明では、便宜上の理由により、１０個の磁石３３のそれぞれを“磁石３３ａ”，“磁石３３ｂ”，“磁石３３ｃ”などと呼んで区別する場合がある。つまり、図６に示されている１０個の磁石３３ａ～３３ｊの角度θａ～θｊは、互いに異なる（θａ≠θｂ≠θｃ≠θｄ≠θｅ≠θｆ≠θｇ≠θｈ≠θｉ≠θｊ）。そのため、図６に示されている磁石３３ａ～３３ｊの磁界の方向Ｄａ～Ｄｊは、互いに異なる。尚、各磁石３３の実装面４１ａに対する角度は、各磁石３３の磁界をロータコア３１の周方向成分と上下向成分とに分割可能な範囲内、すなわち実装面４１ａ上のホール素子５０に対して直交する磁界成分が得られる範囲内の値である。

別の見方をすると、ロータコア３１の下端面３１ｂに対する各磁石３３の下端面（すなわち、実装面４１ａに対向する対向面）３８の角度は不均一である。より特定的には、磁石３３ａの対向面３８の角度θａは、ロータコア３１の下端面３１ｂに対して０°（すなわちθａ＝０°）である。つまり、磁石３３ａの対向面３８とロータコア３１の下端面３１ｂとは面一である。尚、角度θａは０°でなくてもよい。

一方、磁石３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆの対向面３８がロータコア３１の下端面３１ｂに対してなす角度θｂ，θｃ，θｄ，θｅ，θｆは、０°より大きく９０°よりも小さい範囲で互いに異なる。すなわち、磁石３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆの対向面３８はロータコア３１の下端面３１ｂとは面一ではない。

これに対し、磁石３３ｇ，３３ｈ，３３ｉ，３３ｊの対向面３８の傾き方向は、磁石３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆの対向面３８の傾き方向と異なる。そして、磁石３３ｇ，３３ｈ，３３ｉ，３３ｊの対向面３８がロータコア３１の下端面３１ｂに対してなす角度θｇ，θｈ，θｉ，θｊは、０°より大きく９０°よりも小さい範囲で異なる。すなわち、磁石３３ｇ，３３ｈ，３３ｉ，３３ｊの対向面３８はロータコア３１の下端面３１ｂとは面一ではない。

以上のように、本実施形態では、ホール素子５０が実装されている実装面４１ａに対する各磁石３３の取り付け角度を無作為（不規則）に、或は規則的（作為的に同一角度なく）に異ならせてある。このため、上述したように、各磁石３３の磁界の方向が異なる。その結果、１つの磁石３３からホール素子５０に到達する磁束量と、他の１つの磁石３３からホール素子５０に到達する磁束量とが一致することはない。

理解を容易にするために、磁石３３ａ，３３ｆおよびホール素子５０ｕに着目して説明する。

図７Ａは、磁石３３ａがホール素子５０ｕに及ぼす磁界の強度が最大となるときの磁石３３ａとホール素子５０ｕと磁界の方向Ｄａとの関係を示す図である。図７Ｂは、磁石３３ｆがホール素子５０ｕに及ぼす磁界の強度が最大となるときの磁石３３ｆとホール素子５０ｕと磁界の方向Ｄｆとの関係を示す図である。なお、磁石３３ｆの角度θｆは、１０個の磁石３３の中で実装面４１ａに対する角度θが、０°以上９０°未満の範囲で最も大きい磁石である（図６参照）。

図７Ａと図７Ｂとを比較すると、磁界の方向Ｄａと比べて磁界の方向Ｄｆの方がホール素子５０ｕに対する角度（入射角度）が浅い。すなわち、磁界の方向Ｄｆの下方向成分Ｄｆｙの大きさは、図７Ａに示される磁界の方向Ｄａの大きさよりも小さい。このことから、磁石３３ｆから到達する磁束量の方が、磁石３３ａから到達する磁束量よりも少なくなる。このような磁界の入射角度の不一致（すなわち磁束量の不一致）は、磁石３３ａ，３３ｆがホール素子５０ｕに最接近したときだけでなく、ホール素子５０ｕの磁界検出可能領域の全域において発生する。また、ホール素子５０ｕを他のホール素子５０ｖ，５０ｗに置き換えた場合にも同様に発生する。

つまり、本実施形態に係るモータ１Ａでは、それぞれの磁石３３がホール素子５０に及ぼす磁界の強度が一致することがない。言い換えると、ホール素子５０がそれぞれの磁石３３から受ける磁界の強度が一致することはない。したがって、ホール素子５０は、磁石３３毎に大きさ（電圧）が異なるホール信号を出力する。より特定的には、モータ１Ａに搭載されている３つのホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗの特性などが偶然に一致していたとしても、これらホール素子５０ｕ，５０ｖ，５０ｗから出力されるホール信号の最大値や最小値は、磁石３３毎に異なる。

この結果、２つ以上のホール素子５０から同一又は略同一の特徴を有するホール信号が出力されることがなくなり、ロータ３０の位置推定の正確度が向上する。

本発明は上記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変更可能である。例えば、図５，図６に示されている磁石３３ａ～３３ｊの配置（傾き）は一例である。図５，図６に示されている磁石３３ａ～３３ｊの配置は、θａ≠θｂ≠θｃ≠θｄ≠θｅ≠θｆ≠θｇ≠θｈ≠θｉ≠θｊの関係が満たされることを条件に適宜変更することができる。

また、ティース２２，磁石３３，ホール素子５０の数は適宜変更することができる。図４は機能ブロックの一例を示しているに過ぎず、ホール信号の入力先は増幅部６０に限られない。

１Ａ モータ
１０ ハウジング
１１ａ ベース部材
１１ｂ カバー部材
１２ 底壁部
１３ａ，１３ｂ 固定片
１４ａ，１４ｂ リブ
１５ 貫通孔
１６ シャフトホルダ
１７ 周壁部
１８ 天壁部
２０ ステータ
２１ ステータコア
２２ ティース
２３ インシュレータ
２４ コイル
３０ ロータ
３１ ロータコア
３１ａ 外周面
３１ｂ 下端面
３２ ロータハブ
３２ａ 側面部
３２ｂ 上面部
３３，３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆ，３３ｇ，３３ｈ，３３ｉ，３３ｊ 磁石
３４ シャフト
３５ａ，３５ｂ 軸受
３６ スプリングワッシャ
３７ ピニオンギア
３８ 対向面
４０ 基板
４１ 本体部
４１ａ 表面（実装面）
４２ 引出部
５０，５０ｕ，５０ｖ，５０ｗ ホール素子
６０ 増幅部
６１ 位置推定部
６２ 制御部
６３ 駆動部
Ｃ 中心軸

Claims (4)

1. ステータおよびロータを備えるモータであって、
   前記ロータは、
   磁性体によって形成されたロータコアと、
   前記ロータコア上に、前記ロータの回転方向に沿って並べられた複数の磁石と、
   共通の実装面上に配置され、前記磁石の磁界を検出可能な複数の磁気センサと、を有し、
   複数の前記磁石が前記実装面と対向する対向面が前記実装面に対してなす角度が不均一である、モータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記磁石の対向面が前記実装面に対してなす角度は、前記磁石の磁界のうち前記磁気センサに対して直交する成分が生じる範囲内である、モータ。
3. 請求項１または２に記載のモータにおいて、
   前記ロータは、非磁性体によって形成されたロータハブをさらに有し、
   前記ロータコアの内周面は、前記ロータハブの外周面に固定され、
   複数の前記磁石は、前記ロータコアの外周面に固定される、モータ。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載のモータにおいて、
   前記磁気センサから出力される信号に基づいて前記ロータの位置を推定する位置推定部を有する、モータ。

Images