JP3799362B1 - 磁気センサ付き回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転中心線の方向のケース寸法を薄型化できる磁気センサ付き回転電機を得る。
【解決手段】 回転中心線１を中心として回転する磁石回転子２と、この磁石回転子２から漏出する漏れ磁束を検出する１以上の磁気センサ１１とを備えている。磁石回転子２と固定子３とをケース４内に収納する。磁石回転子２の回転中心線１が延びる方向に位置するケース４の側壁の外壁部に、１以上の磁気センサ１１を収納するセンサ収納部１２を形成する。センサ収納部１２に１以上の磁気センサ１１を収納する。センサ収納部１２は、磁石回転子２から漏れ出す漏れ磁束を検出できる位置に設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば磁気センサ付き電動機の如き磁気センサ付き回転電機及び磁気センサ付き偏平電動機に関するものである。

例えば、従来の磁気センサ付き電動機は、一般的にケースの内に固定子と磁石回転子と該磁石回転子から漏れ出す漏れ磁束を検出して該磁石回転子の回転速度や回転角度等を検出する磁気センサとを収納した構造であつた（例えば、特許文献１及び２参照）。

磁気センサとしては、例えばホール素子やホールＩＣの如きものがある。
特開平９−３７５１２号公報 特許第２６９９６５５号公報 第１図

しかしながら、このような構造の磁気センサ付き回転電機では、ケース内に磁気センサとそれを支持する回路基板等の支持構造物とを収納していたので、磁石回転子の回転中心線が延びる方向（軸線方向）のケースの寸法が必然的に長くなり、薄型化ができない問題点があった。

また、回路基板の保守点検が必要になった場合、ケースを開けなければならず、簡単に且つ短時間に回路基板の保守点検が行えない問題点があった。

本発明の目的は、磁石回転子の回転中心線方向のケース寸法を小さくすることができる磁気センサ付き回転電機を提供することにある。

本発明の他の目的は、磁気センサの回転電機に対する位置決めを容易に行える磁気センサ付き回転電機を提供することにある。

本発明の他の目的は、磁気センサが複数ある場合あっても、それらの収納を容易に行える磁気センサ付き回転電機を提供することにある。

本発明の他の目的は、ケースにセンサ収納部を設けてもケースの著しい機械的強度の低下を招かない磁気センサ付き回転電機を提供することにある。

本発明の他の目的は、磁気センサをケースの外に配置しても電気的な短絡を発生させることがない磁気センサ付き回転電機を提供することにある。

本発明の別の目的は、磁石回転子の回転中心線方向のケース寸法を小さくすることができる磁気センサ付き偏平電動機を提供することにある。

本発明の磁気センサ付き回転電機は、回転中心線を中心として回転する磁石回転子と、該磁石回転子から漏出する漏れ磁束を検出する１以上の磁気センサとを備えている。そして磁石回転子と固定子とがケース内に収納されている。ここでケースとは、磁石回転子及び固定子の主要部を内部に収納できる構造であればよく、固定子及び磁石回転子を完全に包囲できる構造を有している必要はない。例えば、固定子のステータコアの両側に一対のエンドキャップを装着した構造の回転電機であれば、一対のエンドキャップがケースを構成することになる。本発明では、磁石回転子の回転中心線が延びる方向に位置するケースの側壁の外壁部に、１以上の磁気センサが収納されるセンサ収納部を形成する。このセンサ収納部には、１以上の磁気センサが収納される。そしてセンサ収納部を、磁石回転子から漏れ出す漏れ磁束を検出できる位置に設ける。

このように構成すると、１以上の磁気センサは総てケースの外部に配置される。その結果、磁石回転子の回転中心線方向のケースの寸法を短くすることができる。その結果、回転電機の薄型化または偏平化が可能になる。またセンサ収納部は、磁石回転子から漏れ出す漏れ磁束を検出できる位置に設けられているので、ケースの外に置かれた１以上の磁気センサで、磁石回転子から漏れ出す漏れ磁束を確実に検出することができる。

１以上の磁気センサは回路基板に対して実装することができる。この場合、回路基板が外壁部に取り付けられた状態で、磁気センサがセンサ収納部に収納されるように磁気センサの回路基板上における取付位置を定める。このようにすると１以上の磁気センサを備えた回路基板をケースの外壁部に取り付ける作業を行うだけで、１以上の磁気センサの回転電機に対する組み付けまたは位置決めを容易に行うことができる。また、ケースを含めた回転電機の本体と、磁気センサ付きの回路基板との作成は別の工程でそれぞれ行うことが可能となる。そのため、磁気センサ付き回転電機の分業による製造が簡単となる。また使用する回路基板を替えるだけで、仕様の異なる（例えば磁気センサの数が異なる）磁気センサ付き回転電機を簡単に製造することができる。さらに、磁気センサ付きの回路基板のケースからの分離が簡単となり、磁気センサの交換が可能となる。
センサ収納部は、ケースの側壁の外壁部を窪ませて形成した凹部に構成することができる。このような凹部によりセンサ収納部を構成すると、磁気センサをこの凹部内に収めることができ、磁気センサを含めた回転電機の回転中心線方向の寸法を小さくことができてる。

また、複数の磁気センサを用いる場合、ケースにおける側壁の機械的強度の低下を極力抑えるためには、センサ収納部をこれら複数の磁気センサに対し別個に設けるのが好ましい。しかしながら、複数の磁気センサに対して、１つのセンサ収納部を設けてもよいのは勿論である。複数の磁気センサに対して１つのセンサ収納部を設けると、センサ収納部の形成を容易に行うことができる。この場合、センサ収納部が回転中心線を中心とする円弧状の凹部により構成されていると、複数の磁気センサを磁石回転子の回転方向に沿って配置することができる。

なお、センサ収納部が有底の凹部構造を有していると、ケースに貫通孔が形成されないので、ケースの機械的強度の大きな低下を考慮する必要がなくなる。またケースの構造によっては、ケース内を密封化することも可能である。

さらに、ケースの少なくとも一部を絶縁樹脂で構成してもよい。絶縁樹脂は、非磁性であるので永久磁石から発生する漏れ磁束の検出には影響を与えない。また磁気センサを回路基板と共にケースの外に配置しても、回路基板上の回路または電気部品とケースとの間の電気絶縁を考慮する必要がなくなる。

本発明を磁気センサ付き偏平電動機に適用すれば、電動機本体を従来の電動機本体よりも偏平化することが可能になる。

本発明に係る磁気センサ付き回転電機によれば、１以上の磁気センサは総てケースの外部に配置されるので、磁石回転子における回転中心線方向のケースの寸法を短くすることができる。その結果、回転電機の薄型化または偏平化が可能になる利点が得られる。またセンサ収納部は、磁石回転子から漏れ出す漏れ磁束を検出できる位置に設けられているので、ケースの外に置かれた１以上の磁気センサで、磁石回転子から漏れ出す漏れ磁束を確実に検出することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を示す例を図面を参照して詳細に説明する。なお、各例は本発明に係る磁気センサ付き回転電機を磁気センサ付き偏平電動機に適用したものである。

図１（Ａ）及び（Ｂ）乃至図３は本発明の磁気センサ付き偏平電動機を実施する最良の形態の第１例を示したものである。図１（Ａ）は、本例の磁気センサ付き偏平電動機の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）に示した電動機の縦断面図、図２は図１（Ｂ）の拡大図、図３は本例で用いているケースの平面図である。

本例の磁気センサ付き偏平電動機では、回転中心線１を中心として回転する磁石回転子２と、固定子３とがケース４内に収納されている。この例では、ケース４は、２つのエンドキャップ４Ａ及び４Ｂによって構成されている。一方のエンドキャップ４Ａは、中心部に筒状のベアリングホルダ４Ｃを備えた構造を有している。また他方のエンドキャップ４Ｂは、ステータコア８に嵌合されるリング部材４Ｄと、このリング部材４Ｄの開口部を塞ぐようにリング部材４Ｄと一体に設けられた板状部材４Ｅとから構成される。板状部材４Ｅには、磁石回転子のロータヨーク５の一部が露出する窓部４Ｆが形成されている。エンドキャップ４Ａは、磁石回転子２の永久磁石６からの漏れ磁束が透過できるようにアルミニュウム等の非磁性金属で形成されている。なお、エンドキャップ４Ｂのリング部材４Ｄ及び板状部材４Ｅの材質は自由に選ぶことができ、例えば図２のモータ右側方向への漏れ磁束を遮断する目的で、鉄等の磁性材料で構成することも可能である。

磁石回転子２は、カップ状のロータヨーク５の外周に複数の永久磁石６が固定されて構成されている。ロータヨーク５は回転軸７の一端に固定されている。固定子３は、環状のヨークの内周側に周方向に所定の間隔をあけて並ぶ複数の突極８Ａを備えている。そしてこの固定子鉄心８の複数の突極８Ａに、それぞれ固定子巻線９が巻装されている。回転軸７はケース４のエンドキャップ４Ａに一体に設けられたベアリングホルダ４Ｃ内に配置された２つの軸受１０により回転自在に支持されている。複数極の永久磁石６におけ軸線方向の長さＬは、ステータコア８の突極８Ａの磁極面と永久磁石６が完全に対向した上で、永久磁石６における軸線方向の一方の端面が、エンドキャップ４Ａの内壁部に、できるだけ近付くように定められている。

磁石回転子２の永久磁石６から漏出する漏れ磁束を検出して、磁石回転子の回転位置及び速度等の情報を得るために、本例の電動機は４個の磁気センサ１１を備えている。各磁気センサ１１は、回転する複数の永久磁石６から漏出する漏れ磁束を検出する。各磁気センサ１１の出力は、回路基板１３に設けた信号処理回路で処理されて、磁石回転子２の回転数や回転角度等の情報が検出されている。

前述のように、永久磁石６は各磁気センサ１１が漏れ磁束を容易に検出できるように、固定子鉄心８に対向する位置よりも各磁気センサ１１側に長さを長くして形成されている。各磁気センサ１１として、本例ではホール素子がそれぞれ用いられている。磁石回転子２の回転中心線１が延びる方向（軸線方向の一方の方向）に位置するケース４の側壁すなわちエンドキャップ４Ａの外壁部には、４個の磁気センサ１１が収納される１個のセンサ収納部１２が形成されている。このセンサ収納部１２は、エンドキャップ４Ａの外壁部を窪ませた有底の凹部として構成されている。この凹部からなるセンサ収納部１２は、軸線方向の一方の方向に向かって開口している。そしてセンサ収納部１２は、回転中心線１を中心とする円弧形状を有している。本例のように、センサ収納部１２を凹部により構成すると、凹部が有底であっても、磁石回転子２の永久磁石６から漏れ出す漏れ磁束を検出できる。

各磁気センサ１１は、回路基板１３に対して磁石回転子２の回転中心線１を中心とする円弧状のラインに沿うように実装されている。そして回路基板１３が、ケース４の外壁部にネジ１３Ａで取り付けられたときに、各磁気センサ１１がセンサ収納部１２に収納されるように、回路基板１３上の４つの磁気センサにおける位置が定められている。回路基板１３のケース４の一部を構成するエンドキャップ４Ａの外壁部に対向する面は、その面上に存在する印刷電気素子や導電パターンを覆う絶縁樹脂層で被覆されている。このため回路基板１３がエンドキャップ４Ａの外壁部に接触していても、直ちに電気的な短絡の問題は生じない。回路基板１３には、フラットケーブル１４が接続されている。なお励磁巻線９のリード線は、エンドキャップ４Ａの周壁部に設けた図示しない貫通孔を通してケースの外部に引き出され、回路基板１３上の電極に半田付けされている。

なおこの例では、この電動機から回転出力を取り出す手段として、回転軸７の他端に歯車１５が取り付けられている。さらに、この電動機から回転出力を取り出すもうひとつの手段として、回転軸７の軸端面にタップと割り溝を加工し、負荷対象物を軸端面に取り付け可能にすることもできる。

上記のような構造を採用すると、４つの磁気センサ１１は総てケース４（エンドキャップ４Ａ）の外に出た状態になる。その結果、２つのエンドキャップ４Ａ及び４Ｂの外壁面間の寸法（電動機本体の軸線方向の外形寸法）を短くすることができ、電動機の偏平化を図ることが可能になる。なお上記例では、センサ収納部１２を、磁石回転子２における永久磁石６の軸線方向の端面と対向する位置に設けており、センサ収納部１２を構成する凹部の底壁部の厚みを機械的強度の低下を考慮した範囲で可能な限り薄くしている。したがって、エンドキャップ４Ａの外に４つの磁気センサ１１を設けても、磁石回転子２の永久磁石から漏れ出す漏れ磁束を検出することが十分に可能である。

また本例では、４つの磁気センサ１１が回路基板１３に対して実装されているので、エンドキャップ４Ａの外壁部に回路基板１３を取り付ける作業を行うだけで、磁気センサ１１をセンサ収納部１２に収納することができ、且つ永久磁石６に対して磁気センサ１１を適当な位置に位置決めることができる。

また本例では、４つの磁気センサ１１に対して、１つのセンサ収納部１２を設けている。したがってセンサ収納部１２の形成を容易に行うことができる。その上、本例では、センサ収納部１２が回転中心線１を中心とする円弧形状の凹部から構成されているので、４つの磁気センサ１１を磁石回転子２の回転方向に沿って配置することができる。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は本発明に係る磁気センサ付き回転電機を実施する最良の形態の第２例を示したものである。図４（Ａ）は本例の磁気センサ付き偏平電動機の平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の縦断面図である。なお、図１（Ａ）及び（Ｂ）乃至図３に示した例と対応する部分には、同一符号を付してある。

本例の磁気センサ付き偏平電動機では、複数（本例では３個）の磁気センサ１１としてホール素子と信号処理回路とを備えたホールＩＣが用いられている。これらホールＩＣよりなる磁気センサ１１はホール素子に比べてパッケージの高さが高く、しかも形状が大きい。そのため前の例と同様に、回路基板１３の裏面上にホールＩＣを実装すると、センサ収納部１２の凹部の深さを更に深くする必要性がある。そこで本例では各磁気センサ１１の取り付け位置の回路基板１３に切り欠き部１６を複数個所（本例では３個）設けている。各ホールＩＣは、回路基板１３の裏面からはめ込まれ、その端子１１ａが回路基板１３上の裏面上に設けられた電極に半田付け接続されている。その他の構成は、第１例と同様である。

このような構成を採用すると、磁気センサ１１の形状寸法が大きくなった場合でも、センサ収納部１２の凹部の深さを必要以上に（機械的強度を極端に低下させるほどに）深くする必要がなくなる。

図５は本発明に係る磁気センサ付き回転電機を実施する最良の形態の第３例を示した縦断面図である。なお、図１（Ａ）（Ｂ）乃至図３に示した例と対応する部分には、同一符号を付して説明を省略する。本例の磁気センサ付き偏平電動機でも、ケース４のエンドキャップ４Ａはアルミニュウム等の非磁性金属で形成されている。これに伴い、回路基板１３上の導電パターンまたは印刷電子素子等とエンドキャップケース４を絶縁するためケース４と回路基板１３との間には、絶縁層１７を介在させている。この絶縁層１７は、例えば、回路基板１３上に絶縁樹脂を塗布して形成した絶縁被覆層により構成することができる。また接合面に粘着層を有する絶縁シートを回路基板１３の上に貼り付けて、この絶縁層１７を構成してもよい。なおエンドキャップ４Ａの回路基板１３と対向する面領域に上に、絶縁シートを貼り付けたり、または絶縁樹脂を塗布して絶縁層を形成してもよいのは勿論である。

図６は本発明の磁気センサ付き回転電機を実施する最良の形態の第４例を示した縦断面図である。なお、図１（Ａ）（Ｂ）乃至図３に示した例と同様の部分には、同一符号を付して説明を省略する。本例の磁気センサ付き偏平電動機では、ケース４´の一部を構成するエンドキャップ４´Ａが絶縁性樹脂材料により一体成形されている。これに伴い、絶縁樹脂製のエンドキャップ４´Ａの中央部に設けられた貫通孔には、金属製のベアリングホルダ１８がインサート成形により固定されている。この例のようにエンドキャップ４´Ａを絶縁材料により形成すると、図５に示す実施の形態のように、絶縁層１７を回路基板１３とエンドキャップ４´Ａとの間に設ける必要がなくなる。また、回路基板１３上に絶縁層を設ける必要がなければ、回路基板１３の製作コストを低減することができる。

特に、エンドキャップ４´Ａが絶縁樹脂材料で構成されていると、永久磁石６から発生する漏れ磁束の検出にエンドキャップ４´Ａが全く影響を与えない。また磁気センサ１１を回路基板１３と共にエンドキャップ４´Ａの外に配置しても、電気的な短絡の問題が一切発生することがない。

図７は本発明で用いるケースにおけるエンドキャップの構造の他の例を示した平面図である。図７に示したエンドキャップ１０４では、磁気センサ１１の数に応じた数のセンサ収納部１１２が外壁部にそれぞれ凹部として構成されている。

なお、上記各例では本発明を電動機に適用した例について示したが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、発電機や回転位置センサ等にも適用することができる。

上記例では、磁気センサ１１を複数設けているが、磁気センサ１１は１つでもよい。

また、上記各例は、本発明を偏平型（径方向寸法よりも軸線方向の寸法が短い形状）の回転電機に適用したものであるが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、径方向寸法よりも軸線方向の寸法が長くなる回転電機にも適用することができるのは勿論である。

本発明に係る磁気センサ付き回転電機を実施する最良の形態の第１例を示したもので、図１（Ａ）は本例の磁気センサ付き偏平電動機の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の縦断面図である。 図１（Ｂ）の拡大図である。 第１例で用いているケースの平面図である。 本発明に係る磁気センサ付き回転電機を実施する最良の形態の第２例を示したもので、図４（Ａ）は本例の磁気センサ付き偏平電動機の平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の縦断面図である。 本発明に係る磁気センサ付き回転電機を実施する最良の形態の第３例を示した縦断面図である。 本発明に係る磁気センサ付き回転電機を実施する最良の形態の第４例を示した縦断面図である。 本発明で用いるケースの他の例を示した平面図である。

符号の説明

１ 回転中心線
２ 磁石回転子
３ 固定子
４，４´ ケース
４Ａ，４´Ａ，４Ｂ，４´Ｂ，１０４Ａ エンドキャップ
４Ｃ ベアリングホルダ
４Ｄ リング部材
４Ｅ 板状部材
４Ｆ 開口部
５ ロータヨーク
６ 永久磁石
７ 回転軸
８ 固定子鉄心
８Ａ 突極
９ 固定子巻線
１０ 軸受
１２，１１２ センサ収納部
１３ 回路基板
１３Ａ 基板固定用ネジ
１４ フラットケーブル
１５ 歯車
１６ 切り欠き部
１７ 絶縁層
１８ ベアリングホルダ

Claims (5)

1. 回転中心線を中心として回転する磁石回転子と、前記磁石回転子から漏出する漏れ磁束を検出する１以上の磁気センサとを備え、前記磁石回転子と固定子とがケース内に収納されている磁気センサ付き回転電機であって、
   前記磁石回転子の前記回転中心線が延びる方向に位置する前記ケースの側壁の外壁部に、前記１以上の磁気センサが収納されるセンサ収納部が形成され、前記センサ収納部は前記側壁の前記外壁部を窪ませて形成した有底の凹部から構成され、前記センサ収納部に前記１以上の磁気センサが収納され、
   前記センサ収納部が、前記磁石回転子から漏れ出す漏れ磁束を検出できる位置に設けられ、
   前記１以上の磁気センサは、回路基板に対して実装されており、
   前記外壁部に前記回路基板が取り付けられた状態で、前記磁気センサが前記センサ収納部に収納されるように前記磁気センサの前記回路基板における取付位置が定められていることを特徴とする磁気センサ付き回転電機。
2. 複数の前記磁気センサが設けられ、前記センサ収納部は前記複数の磁気センサに対してそれぞれ別個に設けられている請求項１に記載の磁気センサ付き回転電機。
3. 複数の前記磁気センサが設けられ、前記センサ収納部は前記複数の磁気センサに対して１つ設けられ、前記センサ収納部は前記回転中心線を中心とする円弧状の凹部から構成されている請求項１に記載の磁気センサ付き回転電機。
4. 前記ケースは絶縁樹脂で構成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気センサ付き回転電機。
5. ステータコアに励磁巻線が設けられてなる固定子と、前記ステータコアの内側に配置されて回転中心線を中心として回転する磁石回転子と、前記磁石回転子から漏出する漏れ磁束を検出する１以上の磁気センサとを備え、前記磁石回転子と前記固定子とがケース内に収納されている磁気センサ付き偏平電動機であって、
   前記磁石回転子の前記回転中心線が延びる方向に位置する前記ケースの側壁の外壁部に、前記１以上の磁気センサが収納されるセンサ収納部が形成され、前記センサ収納部は前記側壁の前記外壁部を窪ませて形成した有底の凹部から構成され、前記センサ収納部に前記１以上の磁気センサが収納され、
   前記センサ収納部が、前記磁石回転子から漏れ出す漏れ磁束を検出できる位置に設けられ、
   前記１以上の磁気センサは、回路基板に対して実装されており、
   前記外壁部に前記回路基板が取り付けられた状態で、前記磁気センサが前記センサ収納部に収納されるように前記磁気センサの前記回路基板における取付位置が定められていることを特徴とする磁気センサ付き偏平電動機。

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