JP4698210B2

JP4698210B2 - 全閉形モータ駆動装置

Info

Publication number: JP4698210B2
Application number: JP2004351789A
Authority: JP
Inventors: 寛之中川; 道雄宮古
Original assignee: 株式会社ツバキエマソン
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: JP2006166532A

Description

本発明は、主巻線、該主巻線と一時的に併用される補助巻線、及び、回転速度に応じて前記補助巻線の電源スイッチ回路をオン／オフするガバナスイッチを有する全閉形モータを備える全閉形モータ駆動装置に関する。

主巻線及び補助巻線を有するモータの出力トルクを調節する方法として、モータの回転速度に応じて、前記補助巻線の電源スイッチ回路を機械的にオン／オフする機械式ガバナスイッチが用いられている。図５（ａ）は機械式ガバナスイッチを用いたモータの例を示す側面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すモータを用いたシュレッダの細断機構部分の例を示す上面図である。また、図６はモータの巻線部分の構成例を示すブロック図であり、図７は機械式ガバナスイッチの接点部分の例を示す模式図である。

図５（ａ）に示すように、モータ１００は円筒形状をしており、外面の一部に開放穴１１８が設けられている。また、図５（ｂ）に示すように、モータ１００には減速機４０が取付けられており、減速機４０がフレーム５０，５０の一方に固定されている。モータ軸の回転は、減速機４０を介して外部ギア４２へ伝動され、外部ギア４２が回転する。外部ギア４２の回転は伝動ギア４４に伝動され、カッター４６ｂを駆動させる。また、カッター４６ｂの駆動により、反転ギア４８ｂから反転ギア４８ａに回転が伝動され、カッター４６ａが駆動される。

図６に示すように、モータ１００は、主巻線１００ａ及び補助巻線１００ｂを備えており、主巻線１００ａはスイッチ４ａを介して交流電源と接続され、補助巻線１００ｂは機械式ガバナスイッチ１０３を介して前記スイッチ４ａと接続されている。主巻線１００ａ及び補助巻線１００ｂとの巻線比は、主巻線：補助巻線＝１：１．７である。また、図７に示すように、機械式ガバナスイッチ１０３は、固定片１０１及び可動片１０５からなる接点１０４と、モータ軸１０９に沿って摺動する摺動環１０８と、摺動環１０８を可動片１０５方向（Ａ方向）に押圧する開閉腕１０６及びつるまきばね１０７とを備える。

モータ軸１０９が回転していない場合、図７（ａ）に示すように、つるまきばね１０７の力によって開閉腕１０６は閉じ、可動片１０５は摺動環１０８に押圧されて固定片１０１と接触し、接点１０４はオンになる。モータ軸１０９が回転した場合、開閉腕１０６に遠心力が作用し、開閉腕１０６が開いて、摺動環１０８が可動片１０５から離れる方向（Ｂ方向）に力が作用する。モータ軸１０９の回転速度が大きくなり、つるまきばね１０７によって開閉腕１０６が閉じる力よりも遠心力によって開閉腕１０６が開く力の方が大きくなった場合、図７（ｂ）に示すように、摺動環１０８がＢ方向に摺動し、可動片１０５が押圧されなくなり、接点１０４はオフとなる。このように、機械式ガバナスイッチは、モータ軸１０９の回転速度の増減に応じた遠心力の増減を利用し、所定の回転速度にて補助巻線への通電の接点１０４のオン／オフを切換えて、モータ１００の出力トルクを調整することができる。

しかし、機械式ガバナスイッチを用いた場合、機械式接点を開閉するため、起動音が発生するという問題がある。また、機械式ガバナスイッチを用いた場合、各スイッチの組立にバラツキが生じるため、チャタリングが発生し、回転不良となる場合があるという問題を有する。さらに、機械式ガバナスイッチは、機械式接点を開閉するため、寿命に限りがあるという問題を有する。これらの問題を解決する方法として、電源スイッチ回路として半導体スイッチ回路を用いることが考えられる（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６１−２７３１９１号公報

図８（ａ）は電子式ガバナスイッチを用いたモータの例を示す背面図であり、図８（ｂ）は側面図である。また、図９はモータの巻線部分の構成例を示すブロック図であり、図１０は電子式ガバナスイッチの構成例を示すブロック図である。図９に示すように、図６の機械式ガバナスイッチ１０３に代えて、所定の回転速度でスイッチング動作する半導体スイッチ回路を有する電子式ガバナスイッチ３が用いられている。また、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、モータ軸９には磁石２が固定されており、磁石２の近傍にはホール素子２１が配置されている。電子式ガバナスイッチ３は、図１０に示すように、ホール素子２１から信号を受取って、モータ軸９の回転速度を検出し、検出した回転速度が所定回転速度に達したか否かを判定する回転速度判定部３２と、モータ軸９の回転速度が所定回転速度に達したと回転速度判定部３２が判定した場合、補助巻線１ａの通電を停止させる通電制御部３４とを備える。

図１１（ａ）、（ｂ）はモータ軸９の回転速度とトルクとの関係を示す図である。モータ軸９が回転し始めてから所定回転速度ｖに達するまでは、電子式ガバナスイッチ３はオンであり、補助巻線１ｂ及び主巻線１ａの両方が通電されている。その後、モータ軸９の回転速度が所定回転速度ｖに達したと回転速度判定部３２が判定した場合、電子式ガバナスイッチ３はオフとなり、補助巻線１ｂの通電は停止され、主巻線１ａのみが通電される。そして、モータ軸９は負荷とつりあう回転速度まで上昇して一定となる。

その後、モータ軸９の回転速度が所定回転速度ｖ以下になったと回転速度判定部３２が判定した場合、電子式ガバナスイッチ３がオンとなり、補助巻線１ｂが再度通電され、補助巻線１ｂ及び主巻線１ａの両方に通電され、トルクを増加させる。このように、例えばモータ軸９に最大トルクを超える負荷が作用するなどして、補助巻線１ｂを再度通電させてトルクを増加させる場合、電源側の制限を超えた電流が流れることがあるという問題を有している。特に、シュレッダの場合、電源は単相１００Ｖの商用電源（コンセント電源）であるため、容量に制限があり、補助巻線１ｂを再度通電させた際に、制限を超える電流が流れることがある。制限を超えた電流が流れた場合は、モータが備えるオートカット機能により、回転が停止される。そのため、図１１（ｂ）の斜線部分領域に示すように、回転速度が所定回転速度ｖに達した後は、所定回転速度ｖ以上の領域しか使用できないという問題がある。

また、シュレッダの場合は、紙紛がモータ１００の開放穴１１８から浸入し、機械式ガバナスイッチ１０３の作動不良が発生するなど、回転不良が生じたり、コイルに紙粉が付着したりすることがあるという問題を有している。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、主巻線に対する補助巻線の巻線比を１．２以上１．４以下とすることにより、制限を超えた電流が流れることを抑制できる全閉形モータを備える全閉形モータ駆動装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、回転開始から所定回転速度に達するまでは電源スイッチ回路をオンにし、前記所定回転速度に一旦達した後は回転速度によらず前記電源スイッチ回路をオフにするように構成したことにより、制限を超えた電流が流れることを防止できる全閉形モータを備える全閉形モータ駆動装置を提供することを他の目的とする。

また、本発明は、電源スイッチ回路に半導体スイッチ回路を用いることにより、前記所定回転速度に一旦達した後は回転速度によらず電源スイッチ回路をオフにすることができる全閉形モータを備える全閉形モータ駆動装置を提供することを他の目的とする。

本発明に係る全閉形モータ駆動装置は、主巻線、該主巻線と一時的に併用される補助巻線、及び、回転速度に応じて前記補助巻線の電源スイッチ回路をオン／オフするガバナスイッチを有する全閉形モータと、減速機とを備え、前記全閉形モータを駆動し、駆動した全閉形モータの回転を前記減速機を介して、カッターを有する細断機構へ伝動する全閉形モータ駆動装置において、前記全閉形モータは、主巻線に対する前記補助巻線の巻線比が、１．２以上１．４以下であり、前記電源スイッチ回路は半導体スイッチ回路であり、前記ガバナスイッチは、前記全閉形モータの軸のストールを防止するストール防止部を備え、該ストール防止部は、抵抗及びキャパシタが直列接続された充電回路を有し、前記全閉形モータの回転開始から所定回転速度に達するまでは前記電源スイッチ回路をオンにすると共に、前記全閉形モータの回転開始から前記充電回路に通電し、前記所定回転速度に一旦達した後は、前記キャパシタの端子電圧により、回転速度によらず前記電源スイッチ回路をオフにするように構成してあることを特徴とする。

本発明においては、モータの主巻線に対する補助巻線の巻線比を、１．２以上１．４以下にしているため、従来の主巻線：補助巻線＝１：１．７と比較して、主巻線及び補助巻線の両方を通電させる起動トルクは低下するが、主巻線のみを通電させる最大トルクは増加する。例えばモータによって細断機構を駆動させるシュレッダにおいては、細断能力は最大トルクで決まるため、最大トルクを増加させることにより、細断性能が向上する。そして、細断性能が向上する分、電流値を減少させることが可能となり、電源の制限を超えた電流が流れることを抑制できる。また、回転を開始してから所定回転速度に達するまでは電源スイッチ回路をオンにするため、回転開始から所定回転速度に達するまでは補助巻線及び主巻線の両方が通電される。また、前記所定回転速度に一旦達した後は回転速度によらず前記電源スイッチ回路をオフにするため、回転速度が前記所定回転速度以下になった場合であっても、主巻線のみが通電される。前記所定回転速度に一旦達した後は、補助巻線を再度通電させることがないため、電源の制限を超えた電流が流れることを防止することができ、これにより、モータ軸のストールを防止できる。

本発明においては、電源スイッチ回路として半導体スイッチ回路を用いることにより、回転開始から所定回転速度に達するまでは補助巻線を通電させるが、前記所定回転速度に一旦達した後は、回転速度が前記所定回転速度以下になっても補助巻線を通電させないように設定することが可能となる。また、半導体スイッチ回路を用いることにより、機械式スイッチに比べて、信頼性及び寿命が向上し、また、静音性が実現できる。

本発明によれば、最大トルクを増加させることにより、制限を超えた電流が流れることを抑制でき、また、補助巻線を再度通電させないことにより、制限を超えた電流が流れることを防止できる。

本発明によれば、所定回転速度に一旦達した後は回転速度によらず電源スイッチ回路をオフにすることができる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
図１（ａ）は本発明に係る全閉形モータ駆動装置の電子式ガバナスイッチを用いたモータの例を示す側面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すモータを駆動装置に用いたシュレッダの細断機構部分の例を示す上面図である。また、図２はモータの巻線部分の構成例を示すブロック図であり、図３（ａ）は電子式ガバナスイッチの構成例を示すブロック図である。

図１（ａ）に示すように、モータ１０は円筒形状の全閉形である。また、図１（ｂ）に示すように、モータ１０には減速機４０が取付けられており、減速機４０がフレーム５０，５０の一方に固定されている。また、モータ１０の減速機４０と反対側には、支持部材５２が取付けられており、支持部材５２はフレーム５０，５０の他方に固定されている。より詳しくは、モータ１０の減速機４０と反対側には固定用ボス１１が設けられており、支持部材５２には貫通孔が設けられており、固定用ボス１１が前記貫通孔に挿入されている。

モータ１０の回転は、減速機４０を介して外部ギア４２へ伝動し、外部ギア４２が回転する。外部ギア４２の回転は伝動ギア４４に伝動し、カッター４６ｂを駆動させる。また、カッター４６ｂが駆動されることにより、反転ギア４８ｂから反転ギア４８ａに回転が伝動し、カッター４６ａが駆動される。

図２に示すように、モータ１０は、主巻線１０ａ及び補助巻線１０ｂを備えており、主巻線１０ａはスイッチ４ａを介して交流電源と接続され、補助巻線１０ｂは電子式ガバナスイッチ３０を介してスイッチ４ａと接続されている。主巻線１０ａ及び補助巻線１０ｂとの巻線比は、主巻線：補助巻線＝１：１．３である。また、図示しないが、モータ軸には磁石が固定されており、磁石の近傍にはホール素子２１が配置されている。

電子式ガバナスイッチ３０は、ホール素子２１から信号を受取って、モータ軸の回転速度を検出し、検出した回転速度が所定回転速度に達したか否かを判定する回転速度判定部３２と、モータ軸の回転速度が所定回転速度に達したと回転速度判定部３２が判定した場合、補助巻線１０ｂの通電を停止させる通電制御部（電源スイッチ回路、半導体スイッチ回路）３４と、回転速度判定部３２及び通電制御部３４間に接続され、モータ軸のストールを防止するストール防止部３６とを備える。

図３（ｂ）はストール防止部３６の構成例を示すブロック図である。ストール防止部３６は、論理回路３８と、論理回路３８に接続されたＲＣ回路とを備える。ＲＣ回路は、抵抗ＲとキャパシタＣとが直列に接続され、抵抗Ｒ側が回転速度判定部３２に接続され、キャパシタＣ側がグランドレベル端子に接続されている。回転速度判定部３２は、モータ軸の回転が開始された場合、ＲＣ回路へ通電を行う。論理回路３８には、回転速度判定部３２からの入力信号を反転した信号と、抵抗Ｒ及びキャパシタＣの接続点の信号を反転した信号が入力され、入力信号の論理和が通電制御部３４へ出力される。

ＲＣ回路の抵抗ＲとキャパシタＣとの各値は、モータ軸が回転を開始してから所定回転速度ｖに達するまでの時間よりも若干長い時間、キャパシタＣで電荷を蓄積し続けることが可能な値に予め設定されている。そのため、モータ軸の回転開始から所定回転速度ｖ以上のｖ＋Δｖに達するまでは、ＲＣ回路から論理回路３８にロー信号を与え、ｖ＋Δｖに達した後は、ＲＣ回路から論理回路３８にハイ信号を与える。

図４（ａ）、（ｂ）はモータ軸の回転速度とトルクとの関係を示す図である。モータ軸が回転し始めてから所定回転速度ｖに達するまでは、電子式ガバナスイッチ３０はオンであり、補助巻線１０ｂ及び主巻線１０ａの両方に通電されている。より詳しくは、回転速度判定部３２は、ホール素子２１から受取った信号に基づいてモータ軸の回転速度を検出し、検出した回転速度と所定回転速度とを比較し、検出した回転速度の方が大きい場合はハイ信号をストール防止部３６へ与え、小さい場合はロー信号を与える。よって、回転が開始されてから所定回転速度ｖに達するまでは、回転速度判定部３２からストール防止部３６（論理回路３８）にロー信号が与えられ、またＲＣ回路から論理回路３８にロー信号が与えられるため、ストール防止部３６から通電制御部３４にハイ信号（スイッチオン）が与えられ、補助巻線１０ｂが通電される。

その後、モータ軸の回転速度が所定回転速度ｖに達したと回転速度判定部３２が判定した場合、回転速度判定部３２からストール防止部３６（論理回路３８）にハイ信号が与えられるため、ストール防止部３６から通電制御部３４にロー信号（スイッチオフ）が与えられ、補助巻線１０ｂの通電は停止される。

また、その後、モータ軸の回転速度が所定回転速度ｖ以下になったと回転速度判定部３２が判定した場合、回転速度判定部３２からストール防止部３６（論理回路３８）にロー信号が与えられるが、ＲＣ回路から論理回路３８にはハイ信号が与えられるため、ストール防止部３６から通電制御部３４にロー信号（スイッチオフ）が与えられ、補助巻線１０ｂの通電は停止されたままになる。そのため、モータ軸の回転速度が所定回転速度ｖ以下に低下した場合であっても、補助巻線１０ｂは通電されず、主巻線１０ａのみが通電される。補助巻線１０ｂに通電されないため、モータ軸の回転速度が所定回転速度ｖ以下に低下した場合の電流の上昇を防止することができる。よって、モータが備えるオートカット機能により、モータ軸の回転が停止されることはなく、図４（ｂ）の斜線部分領域に示すように、回転速度が所定回転速度ｖに達した後であっても、所定回転速度ｖ以下の領域も使用可能となる。なお、電子式ガバナスイッチ３０は、一度スイッチオンの状態になった場合、再度スイッチオンの状態にするためには、一旦モータの回転を停止させる必要がある。

なお、ストール防止部３６は、論理回路３８及びＲＣ回路に限定はされず、回転開始から所定回転速度に一旦達した後は、通電制御部３４にロー信号（スイッチオフ）を与える任意の構成とすることが可能である。また、電子式ガバナスイッチとストール防止部３６とを組合せて用いることにより、回転開始から所定回転速度に一旦達した後は、通電制御部３４にロー信号（スイッチオフ）を与える構成とすることも可能である。

また、主巻線１０ａと補助巻線１０ｂとの巻線比は、主巻線：補助巻線＝１：１．３であり、従来（図４（ａ）の破線）の主巻線：補助巻線＝１：１．７と比べて、補助巻線１０ｂの巻線比は低下し、主巻線１０ａの巻線比は増加している。そのため、主巻線１０ａ及び補助巻線１０ｂの両方に通電させた場合の起動トルクは従来（破線）よりも低下（例えば２１０％から１９０％）しているが、主巻線１０ａのみを通電させた場合の最大トルクは従来（破線）よりも増加（例えば２５０％から２６０％）している。シュレッダにおいては、起動トルクではなく、最大トルクによって細断を行っている。カッタ４６ａ，４６ｂに噛み込んだ紙を取出す場合に起動トルクは必要であるが、細断能力は最大トルクによって決まるため、最大トルクを重視した巻線比率としている。細断能力が向上した分、電流値を低下させることが可能となるため、電源の制限電流を超え難くなる。なお、巻線比は１：１．３に限定はされず、１：１．２〜１：１．４の任意の巻線比とすることが可能である。

また、所定の回転速度で半導体スイッチが動作する電子式ガバナスイッチ３０を用いることにより、モータの回転による遠心力を利用する機械式ガバナスイッチで生じていた起動時又は停止時のスイッチ音は発生せず、静音性を実現できる。特にシュレッダはオフィスで使用されるため、静音性が求められている。また、電子式ガバナスイッチ３０は、機械式ガバナスイッチと比べて、長寿命を実現できる。また、電子式ガバナスイッチ３０は、組立のバラツキが少なく、組立のばらつきによるチャタリングの発生を防止できる。

また、モータ１０に固定用ボス１１を設けることにより、減速機４０、モータ１０、及び支持部材５２を、フレーム５０の一部として使用することができ、フレーム５０の強度を向上させることができる。強度が向上するため、フレーム５０の厚みなどを抑えて、フレーム５０を小型化することができる。また、シュレッダの場合、カッタは消耗品であり、紙を細断することでカッタが磨耗するため、カッタを交換できるタイプのものもある。しかし、カッタが交換可能な場合、カッタが取外せるため、カッタ一体型のものと比べて、フレームの強度が低下する。このようなカッタが交換可能なシュレッダに、フレーム５０の強度を向上できる本発明は好適である。

さらに、モータ１０が全閉形であるため、モータ１０内への紙粉の侵入を防ぎ、安全性及び信頼性を向上させることができる。また、内部のモータ軸の回転などによる気流がモータ外部に流れず、紙紛の拡散を防止することができる。また、全閉形であるため、モータ軸の回転音などがモータ外部に漏れ難くなり、静音性を実現できる。なお、全閉形の場合は、開放穴が無いため、放熱性が低下するが、上述したように電流値の増加を抑えることにより、発熱量が低下するため、問題は生じない。

また、モータ１０の回転速度は、モータ軸の磁石及びホール素子２１を用いる方法に限定はされず、例えば回転スリットを用いた光学式の回転速度検出方法を用いるなど、任意の回転速度検出方法を用いることが可能である。また、本発明の電子式ガバナスイッチにおいては、回転開始から所定回転速度に達するまで作動（オン）していればよいため、回転速度検出手段を設けずに、例えばタイマを用いて回転開始からの経過時間をカウントし、経過時間が所定時間（所定回転速度に達する時間）を超えるまで作動（オン）するように構成することも可能である。

（ａ）は本発明に係る全閉形モータ駆動装置の電子式ガバナスイッチを用いたモータの例を示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すモータを駆動装置に用いたシュレッダの細断機構部分の例を示す上面図である。モータの巻線部分の構成例を示すブロック図である。（ａ）は電子式ガバナスイッチの構成例を示すブロック図であり、（ｂ）はストール防止部の構成例を示すブロック図である。モータ軸の回転速度とトルクとの関係を示す図である。（ａ）は従来の機械式ガバナスイッチを用いたモータの例を示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すモータを用いたシュレッダの細断機構部分の例を示す上面図である。従来のモータの巻線部分の構成例を示すブロック図である。従来の機械式ガバナスイッチの接点部分の例を示す模式図である。（ａ）は従来の電子式ガバナスイッチを用いたモータの例を示す背面図であり、（ｂ）は側面図である。従来のモータの巻線部分の構成例を示すブロック図である。従来の電子式ガバナスイッチの構成例を示すブロック図である。従来のモータ軸の回転速度とトルクとの関係を示す図である。

符号の説明

１０モータ
１０ａ主巻線
１０ｂ補助巻線
１１固定用ボス
３０電子式ガバナスイッチ
３２回転速度判定部
３４通電制御部
３６ストール防止部
３８論理回路
４０減速機
４６ａ、４６ｂカッタ
５２支持部材

Claims

主巻線、該主巻線と一時的に併用される補助巻線、及び、回転速度に応じて前記補助巻線の電源スイッチ回路をオン／オフするガバナスイッチを有する全閉形モータと、減速機とを備え、前記全閉形モータを駆動し、駆動した全閉形モータの回転を前記減速機を介して、カッターを有する細断機構へ伝動する全閉形モータ駆動装置において、
前記全閉形モータは、主巻線に対する前記補助巻線の巻線比が、１．２以上１．４以下であり、
前記電源スイッチ回路は半導体スイッチ回路であり、
前記ガバナスイッチは、前記全閉形モータの軸のストールを防止するストール防止部を備え、該ストール防止部は、抵抗及びキャパシタが直列接続された充電回路を有し、前記全閉形モータの回転開始から所定回転速度に達するまでは前記電源スイッチ回路をオンにすると共に、前記全閉形モータの回転開始から前記充電回路に通電し、前記所定回転速度に一旦達した後は、前記キャパシタの端子電圧により、回転速度によらず前記電源スイッチ回路をオフにするように構成してあることを特徴とする全閉形モータ駆動装置。