JP4801713B2 - ブラシレスｄｃモータ - Google Patents

Description

本発明は、モータ軸方向にロータとなるマグネットとステータとなる空心コイルとをエアギャップを介して対向させるアキシャルギャップ型のブラシレスＤＣモータ（以下モータと称する）に関するものである。

特開昭５９―１９４６４７号公報は、モータに透過式の光学式センサを搭載した構成が提案されている。この方式では速度検出用の透過式の光学式センサを構成する部品が、ロータを構成するマグネット（界磁マグネット）やステータを構成する空心コイル（電機子コイル）等のモータ部品の外周に配置されているため、モータの外径が必要以上に大きくなっていることが分かる。

特開平６―１１３４９５号公報には、空心コイルの中心近くにマグネットの磁極位置を検出するホール素子が配置されている。ホール素子の配置を空心コイルの外周に配置するとモータの外径を大きくする必要が生じる場合があり、現在ではホール素子を空心コイルの中央近くに配置するモータは多く存在する。

負荷や温度・電源電圧の変化に対して、モータを一定回転速度で運転するためには、速度センサが必要である。
従来は周波数発電機（以下、ＦＧと表示する）が多く採用されていた。ＦＧはプリント配線された放射線状のパターンにマグネットの磁束が鎖交することで、得られる正弦波状の微少誘起電圧を増幅し、その周波数を検知しモータの速度制御に使用するものである。
ＦＧの放射線は薄いフレキシブル基板で構成され、マグネットと空心コイル間に挿入されるため、省スペースの配置が可能である。
このＦＧには、出力される誘起電圧の電圧値がモータの回転速度に比例するため、モータの回転数が低いと誘起電圧値が更に小さくなり、増幅しても外乱にたいするＳＮ比が悪くなり使用できないという欠点がある。

また、モータに内蔵される他の速度検出方法としては、透過や反射の光学式センサやＭＲ素子による磁気センサがある。いずれの場合も、モータを構成するロータやステータの外部、即ちモータ軸方向ではロータやステータを構成以外の部分を延長して、モータ内外径方向では余分なスペースを確保して、光学式や磁気式のセンサを配置する必要があり、結果としてモータ体積が大きくなってしまう。そこが重大な欠点であった。

特開昭５９―１９４６４７号公報 特開平６―１１３４９５号公報

機器を直接駆動するダイレクトドライブ（以下ＤＤと称する）モータでは、モータの回転数が低いため、速度に関係なく安定した出力が得られる、光学式や磁気式のセンサを省スペースで配置する必要がある。

本発明の目的は，円周方向にＮ極、Ｓ極を等間隔に着磁したリング状マグネットと空隙を介して対向配設された複数の空心コイルから構成されるモータにおいて、低速時にも安定した回転パルスを出力できる速度センサをモータ内部であるステータとロータ間に搭載し、必要以上にモータ体積を大きくすることない構成で、且つ安価に提供することにある。

上記解決しようとする課題を解決するために本発明は，円周方向にＮ極、Ｓ極を等間隔に着磁したリング状マグネットと、リング状マグネットと空隙を介して対向配設された複数の空心コイルから構成されるモータにおいて、空心コイルの空心部分に反射方式のフォトセンサを内蔵し、リング状マグネットの空心コイルと対向する面に、円板状で放射スリットを設けた反射板を配設した構成とした。

本発明によれば，下記のような優れた特徴を有するモータを構成できる。
（１）低速時にも比較的高パルス数のエンコーダとして速度検出が可能。
（２）空心コイル内にフォトセンサを内蔵するので、モータを小型化できる。
（３）空心コイルとフォトセンサ・ホール素子を同一のプリント配線基板に実装して省スペース化が図れる。
（４）反射板をマグネットに貼り付けることで精度良くパルスを生成できる。
（５）反射板とフォトセンサの距離をスペーサにより適正に設定することが可能で安定してパルスを生成できる。
（６）フォトセンサとホール素子を配置する領域と、空心コイルを配置する領域を分離することで、空心コイルの内側引き出し線の半田付け作業が容易になり、モータの更なる小型化が可能で、フレキシブルプリント配線基板の配線一面化が可能で安価に構成できる。
（７）携帯用の輸液ポンプに搭載することで、装置全体の小型化が図れ、振動が少なく、信頼性の高い機器として構成できる。

以下，図面によって本発明の実施例を説明する。

本発明によるモータの第１の実施形態を図１と図２に基づいて説明する。
図１は本発明によるモータの第1の実施例の断面を示すもので、１はモータ軸、２は軸受けを含むホルダ、３は軟磁性材料からなるステータヨーク、４は軟磁性材料からなりモータ軸に固定されたロータヨーク、５は円周方向にＮ極、Ｓ極を等間隔に着磁したリング状マグネット、６は空心コイル、７は反射型のフォトセンサ、８は円板状で放射スリットを設けた反射板、９はフレキシブルな材質から構成されたプリント配線基板、１０はスペーサ、１１はリング状マグネット５の磁極位置を検出するホール素子である。

図２は本発明によるモータのプリント配線基板の組図である。１２は空心コイル６の端末を半田付けする丸ランドである。１９は空心コイル６の空心部分に配置される変形ランドで、空心コイル６内にホール素子１１又はフォトセンサ７が配置される場所はスペースが少ないため丸ランドが形成できない。１３はプリント配線基板９に設けられたスリット部であり、フォトセンサ７が搭載された部分に設けられていて、フォトセンサ７が移動できる構造となっている。１７は巻き初め部分の半田付け部、２０は巻き終わり部分の半田付け部である。

図１において、反射板８は外径３０ｍｍで厚み０．０７ｍｍの特殊な金属板から成り、放射状に０．１ピッチでスリットがレーザ加工されているもので、フォトセンサ７からは１回転で６９６パルスの信号を得ることが出来る。この反射板８は薄く変形しやすいためいため、一般的には補強板等に貼り付けてモータ軸に固定されて使用される。本発明では省スペースを考慮して、焼結材からなるリング状マグネット５の表面に貼り付けることで、間接的にモータ軸に固定されている。リング状マグネット５のモータ軸方向の面は研磨加工により表面は非常に滑らかに仕上げられていて、反射板８のように薄く平面的な形状の部品は歪みが無く精度良く確実に固定することができる。

図２において、空心コイル６の中心部にはホール素子１１とフォトセンサ７が配置されていて、電気的に接続が必要なモータ部品の全てがプリント配線基板９に搭載されていることが分かる。

７は反射型のフォトセンサであり、基本的にはホトダイオードとホトトランジスタで構成されている。安定してパルスを生成するにはフォトセンサ７と反射板８のエアギャップを適切に設定する必要があるため、プリント配線基板９にスリット１３を設け、フォトセンサ７の高さを調整できる構造とするため、フォトセンサ７の下側にスペーサ１０を配置している。

図３は本発明によるモータの第2の実施例の断面を示すもので、電気部品を搭載したプリント配線基板の部組をステータヨーク３と前記空心コイル６間に配置するもので、本構成でも実施例１と同様の効果を得ることが出来る。

上記で述べた実施例では、空心コイル６の空心部分に、ホール素子１１またはフォトセンサ７が配置され、また空心コイル６の巻き初め部分が半田付けされる。モータが更に小型化されると空心コイル６形状が小さくなり、空心コイル６の空心部分にホール素子１１またはフォトセンサ７が配置された場所では、空きスペースが少ないため丸ランド１２が形成できず変形ランド１９となっているため、巻き初め部分の半田付け部１７の作業が難しくなる。また、空心コイルの端末引き出し線の半田付け部とフォトセンサやホール素子の配置が近いため、それらの配線のクロス部分が多く、プリント配線基板のパターンは両面配線が必要であった。

図５は本発明によるモータの第３の実施例の断面を示すもので、更に小型化のモータに使用する場合の適用例である。図４はフォトセンサ７とホール素子１１を配置する第１の領域１４と、空心コイル６を配置する第２の領域１５と、連結部１６とを有する１枚のフレキシブルプリント配線基板１８である。
このフレキシブルプリント配線基板１８の連結部１６を折り曲げると、ホール素子１１とフォトセンサ７が、巻き初めと巻き終わり部分の半田付け作業が完了した空心コイル６の空心部分に収納され位置関係に設計されている。
また、第３の実施例におけるフレキシブルプリント配線基板１８のパターン配線は、空心コイル６とフォトセンサ７・ホール素子１１に分離できているので片面でパターン配線が可能になり安価に製作できる。

本発明のモータを小型軽量化を強く要求される医療機器等の携帯型輸液ポンプに搭載することで、コアレスモータの特徴を生かし、コギングトルクが無くトルク脈動の小さな駆動が可能となる。速度センサがフォト方式のため電磁ノイズに強く、誤動作を生じにくい。また、ＤＤ方式のためモータの回転数は低下するが、フォトセンサからは比較的多いパルス数が得られ、安定した低速の定速度制御系が構成できて、定速回転を維持できるため信頼性も高い小型軽量化が実現できる。

更に、モータの回転方向判別は、フォトセンサ７を２相出力として位相を判別する方法とモータの３相分のホール素子１１の出力を位相判別する二系統での回転方向判別が可能であり、治療中に逆回転動作が許されない医療機器等の輸液ポンプのようなシステムでは信頼性の向上が図れる。

本発明によれば，小型でありながら低速回転数においても比較的高パルス数のエンコーダとして、モータの速度検出が可能である。またアキシャルギャップ型のコアレスブラシレスＤＣモータの空心コイルの中にフォトセンサを内蔵し、リング状マグネットの表面に反射板を貼り付ける構造であり、モータの外形寸法を大きくすることなく、速度を安定に検出し、一定回転を維持できる制御系の構成が可能となる。
このようなモータは携帯用の輸液ポンプ機能を有する機器に使用すれば、小型軽量で回転信頼性が高いという格別な効果を有することになり広く適用が可能である。

本発明による第1の実施例のモータの構造図 本発明による第1の実施例のモータのプリント配線基板の組図 本発明による第２の実施例のモータの構造図 本発明による第３の実施例のモータのフレキシブルプリント配線基板の組図 本発明による第３の実施例のモータの構造図

符号の説明

１：モータ軸
２：軸受けを含むホルダ
３：ステータヨーク
４：ロータヨーク
５：リング状マグネット
６：空心コイル
７：フォトセンサ
８：反射板
９：プリント配線基板
１０：スペーサ
１１：ホール素子
１２：丸ランド
１３：スリット部
１４：第１の領域
１５：第２の領域
１６：連結部
１７：巻き初め半田付け部
１８：フレキシブルプリント配線基板
１９：変形ランド
２０：巻き終わり半田付け部

Claims (6)

1. 円周方向にＮ極、Ｓ極を等間隔に着磁したリング状マグネットと該リング状マグネットと空隙を介して対向配設された複数の空心コイルから構成されるアキシャルギャップ型ブラシレスＤＣモータにおいて、前記空心コイルの空心部分に反射方式のフォトセンサを配置し、前記リング状マグネットが空心コイルと対向する表面に、円板状の放射スリットを具備する反射板を配設し、前記フォトセンサ及び前記空心コイルを一枚のプリント配線基板に搭載すると共に、前記プリント配線基板の一部にスリットを設けて該プリント配線基板における前記フォトセンサの搭載部分の高さを調整可能とし、前記反射板と前記フォトセンサの距離調整が可能な構造としたことを特徴とするアキシャルギャップ型ブラシレスＤＣモータ。
2. 前記マグネットの磁極位置を検出するホール素子を設け、当該ホール素子を前記空心コイル及び前記フォトセンサと共に前記一枚のプリント配線基板に搭載し、かつ、前記ホール素子を前記空心コイルの空心部分に配置したことを特徴とする請求項１に記載のアキシャルギャップ型ブラシレスＤＣモータ。
3. 前記プリント配線基板は、前記反射板と対向して、ステータヨークに支持された前記空心コイル面に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型ブラシレスＤＣモータ。
4. 前記プリント配線基板は、前記空心コイルとこれを支持するステータヨークとの間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型ブラシレスＤＣモータ。
5. 前記一枚のプリント配線基板を、前記フォトセンサと前記ホール素子を配置した第１の領域と、前記空心コイルを配置した第２の領域と、該第１の領域と該第２の領域を接続する連結部とを有する一枚のフレキシブルプリント配線基板で構成し、該フレキシブルプリント配線基板の連結部を折り曲げて、前記フォトセンサと前記ホール素子が前記空心コイルの空心部上面に位置するように、配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載のアキシャルギャップ型ブラシレスＤＣモータ。
6. 前記プリント配線基板における前記フォトセンサの搭載部分は、前記反射板に対する前記フォトセンサの距離を適正に設定するスペーサにより支持されていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のアキシャルギャップ型ブラシレスＤＣモータ。

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