JP5546169B2 - モータとそれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、モータとそれを用いた電子機器に関する。

電子機器、例えばレーザプリンターでは、本体ケース内に設けられた紙送り用ローラ（被駆動体）は、減速機構を介してモータの駆動軸に連結され、このモータを駆動することにより回動し、紙を所定部分に送る。

上記モータとしては、外周に複数の磁極が第一の所定間隔で配置されたステータと、このステータの周囲に回転自在に配置されたロータとを備え、このロータの内周面に、第二の所定間隔ごとに異極に着磁された磁石が設けられたブラシレスＤＣモータが一般的である。

このようなモータにおいては、通常、ロータの回転を磁気的に検出する磁気検出素子にロータの磁石をできるだけ近接させるため、モータ駆動軸と平行な方向における磁石の寸法をステータの磁極基部の同方向における寸法よりも大きく設定される。この場合、ステータの磁極の外周端に、その磁極基部の両側に、磁石と略平行方向に延びた延長部が形成されることが多い（例えば特許文献１，２参照）。これにより、ロータの磁石とステータの磁極との対向面積が大きくなるので、モータの駆動力及び駆動効率を向上させることができる。

特開平９−２８５０４４号公報 特開２００７−２４４００４号公報

延長部は磁石からの磁束を流入させる効果があるので、延長部を設けた場合には、延長部を設けない場合に比べて、磁石からより多くの磁束をステータの磁極に導くことができる。従って、ステータの磁極の外周端に延長部を形成すると、駆動力が大きく、駆動効率を高めることが出来ると考えられていた。

しかしながら、本発明者らの検討によれば、単に延長部を設けただけでは必ずしも駆動力を大きくすることは出来なかった。

延長部は、一般に、ステータを構成する板状体を磁石と略平行となるように折り曲げることで形成される。延長部を構成する板状体のうち磁石に最も近接した板状体の折り曲げ部の磁石に対向する側の面（外面）の半径（以下、「外径」という）が大きいと、折り曲げ部と磁石との距離が大きくなるので、折り曲げ部では磁石からの磁束を流入させる効果が低下する。その結果、駆動力及び駆動効率を期待したほどに高めることができない。

また、延長部に流入した磁石からの磁束は、板状体の折り曲げ部を通過する。ところが、板状体の折り曲げ加工の際に起こる加工歪によって、折り曲げ部に磁気特性劣化領域が発生する。この磁気特性劣化領域では磁気飽和が発生しやすく、磁気飽和が発生すると鉄損が増加する。その結果、駆動力及び駆動効率を高めることが出来なくなる。

本発明は、上記の問題を解決し、モータの駆動効率を向上することを目的とする。

本発明のモータは、外周に複数の磁極が周方向に第一の所定間隔で配置されたステータと、前記ステータの周囲に回転自在に配置されたロータとを備える。前記ロータは、その内周面に、周方向に第二の所定間隔ごとに異極に着磁された磁石を備える。前記ステータは複数枚の板状体が積層されてなる。前記複数の磁極のそれぞれの外周端には、前記複数枚の板状体のうち最外層を含む、一定厚さを有する少なくとも１枚の板状体が前記磁石と実質的に平行となるように折り曲げられた延長部が形成されている。そして、前記延長部を構成する前記少なくとも１枚の板状体のうち前記磁石に最も近接した板状体の折り曲げ部の内径をＲ１ｉ、厚さをＴ１としたとき、Ｒ１ｉ＜Ｔ１を満足することを特徴とする。

本発明の電子機器は、本体ケースと、前記本体ケース内に設けられた被駆動体と、前記被駆動体に連結されたモータとを備えた電子機器であって、前記モータが上記の本発明のモータであることを特徴とする。

本発明によれば、延長部を構成する少なくとも１枚の板状体のうち磁石に最も近接した板状体の折り曲げ部の内径Ｒ１ｉが板状体の厚さＴ１より小さいので、この板状体の折り曲げ部の外径も小さくなる。従って、磁石からの磁束を流入させるのに効果的な延長部の領域の面積が増加し、これにより磁石から延長部への磁束の流入量が増加する。その結果、モータの駆動効率を向上させることが出来る。

また、延長部を構成する少なくとも１枚の板状体のうち磁石に最も近接した板状体の折り曲げ部の内径Ｒ１ｉが板状体の厚さＴ１より小さいので、この板状体を折り曲げ加工する際に折り曲げ部に起こる加工歪による磁気特性劣化領域を小さくすることが出来る。従って、延長部を設けたことにより折り曲げ部を通過する磁束量が増加しても、折り曲げ部で磁気飽和が発生するのを抑制することが出来、鉄損の増加を低減出来る。その結果、モータの駆動効率を向上させることが出来る。

以上のように、本発明によれば、磁石から延長部への磁束の流入量を増加させることができ、更に、延長部に流入する磁束量が増加することによって折り曲げ部を通過する磁束量が増加しても、折り曲げ部で磁気飽和が発生することなく、この磁束を磁路（ステータの磁極のコイルが巻回された部分）に導くことができる。よって、モータの駆動効率を向上させることが出来るのである。

図１は、本発明の一実施形態に係るモータの概略構成を示した断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るモータを構成するステータの概略構成を示した斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るモータを構成するステータの概略構成を示した正面図である。 図４は、従来のモータにおいて、ステータの延長部及びその周辺を示した拡大側面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係るモータにおいて、ステータの延長部及びその周辺を示した拡大側面図である。 図６は、本発明の一実施形態に係るモータにおいて、延長部を構成する板状体のうち磁石に最も近接する板状体の折り曲げ部に形成される磁気特性劣化領域を示した図である。 図７は、従来のモータにおいて、延長部を構成する板状体のうち磁石に最も近接する板状体の折り曲げ部に形成される磁気特性劣化領域を示した図である。 図８は、本発明の一実施形態に係るモータと従来のモータとの誘起電圧を比較した図である。 図９は、本発明のモータを用いた電子機器の一例の概略構成を示した図である。

以下に本発明を好適な一実施形態を示しながら詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

図１は本発明の一実施形態に係るモータ２の概略構成を示した断面図である。図１に示すように、本実施形態のモータ２は、電子機器（例えばレーザプリンタ）の配線基板（基板）１上に実装されている。配線基板１は電子機器を構成する本体ケース（図示せず）内に、水平方向に配置されている。

以下の説明では、モータ２の駆動軸８の方向を上下方向とし、図１において紙面の上側及び下側をそれぞれモータ２の「上側」及び「下側」と呼ぶ。

モータ２は、配線基板１に保持部３ｃを介して搭載されたステータ３と、ステータ３の周囲に配置されたロータ４とを備える。ロータ４は、円筒形状を有し、その上端に天板４ａが固定され、その下端は開放されている。保持部３ｃの内周面に複数のベアリング７が設けられている。モータ２の駆動軸８は、複数のベアリング７を貫通し、駆動軸８の上端はロータ４の天板４ａに固定されている。その結果、ロータ４及び駆動軸８は、ベアリング７を介してステータ３に対して回転自在である。駆動軸８の下端は配線基板１の貫通孔１ａを貫通して配線基板１より下方に延長されている。

ロータ４の内周面にはリング状の磁石５が固定されている。磁石５のステータ３に対向する面は、周方向に所定間隔ごとにＮ極とＳ極とが交互に（隣接極が異極となるように）着磁（メイン着磁）されている。メイン着磁の方向はステータ３に対向する方向（半径方向）である。

図２はステータ３の斜視図、図３はステータ３の正面図である。ステータ３は、複数の板状体（例えば高透磁率薄鋼板）が積層された積層体を含む。ステータ３の外周には、複数の磁極３ａが周方向に所定間隔で配置されている（図２参照）。各磁極３ａの内側の磁気回路が形成される部分である磁路３ｅ（図１参照）には、電磁石用のコイル６が巻回されている。コイル６に交流電力を印加することで、各磁極３ａはＮ極とＳ極とに交互に着磁される。これにより、互いに対向する磁極３ａと磁石５との間で吸引力と反発力が発生し、ロータ４が駆動軸８を中心に回転し、駆動軸８を介して回転駆動力が出力される。

図１に戻り、配線基板１の磁石５の下端面が対向する位置に、磁気検出素子としてホールＩＣ９が実装されている。ホールＩＣ９は、配線基板１の上面（磁石５と対向する側の面）及び下面のいずれに設けられていても良い。周知の方法により、ホールＩＣ９を用いてロータ４の回転スピードや回動量を検出し、回転数制御を行う。

磁石５をホールＩＣ９に出来るだけ近づけるため、磁石５の下端（配線基板１１側の端部）はホールＩＣ９近傍まで下方に延長されている。更に、磁石５の下端を下方に延長したことによるステータ３に対するバランスの悪化を回避するために、磁石５の上端も上方に同量だけ延長されている。

その結果、磁石５の上下方向寸法は大きくなり、これに合わせるごとく、ステータ３の各磁極３ａの外周端には、中央の磁極基部３ｄに対して配線基板１側（下側）及び天板４ａ側（上側）にそれぞれ延びた延長部３ｂが設けられている。延長部３ｂは、磁石５と実質的に平行、即ち、駆動軸８の軸線方向と実質的に平行である。延長部３ｂを設けることにより、磁極３ａの磁石５と対向する面積が大きくなるので、磁石５からの磁束の流入量が増加し、ロータ４に大きな駆動力が与えられる。

延長部３ｂは、ステータ３を構成する積層された複数枚の板状体のうち最外層（最上層及び最下層）を含む少なくとも１枚（本実施形態では２枚）の板状体の外周部分を、磁石５と実質的に平行になるように上向き又は下向きに略直角に折り曲げることにより形成される。

本発明では、延長部３ｂを構成する板状体のうち磁石５に最も近接した板状体の折り曲げ部の内径をＲ１ｉ、この板状体の厚さをＴ１としたとき、Ｒ１ｉ＜Ｔ１を満足する。ここで、折り曲げ部の内径Ｒ１ｉとは、折り曲げ部の磁石に対向する側とは反対側の面（内面）の半径を意味する。このような構成による作用を以下に説明する。

図４は、従来のモータの延長部３ｂ及びその周辺を示した図である。図４では、ステータ３を構成する複数の板状体のうち最外層を含む２枚の板状体３１１，３１２を折り曲げることで延長部３ｂが形成されている。延長部３ｂを構成する板状体３１１，３１２は同一厚さＴ１である。延長部を構成しない板状体（即ち、磁極基部３ｄを構成する板状体）は全て同一厚さＴ２である。従来は、一般に、２枚の板状体３１１，３１２を同時に折り曲げて延長部３ｂを形成していた。この折り曲げ方法では、延長部３ｂを構成する板状体３１１，３１２のうち磁石５に最も近接した板状体３１１の折り曲げ部３２１の内径Ｒ１ｉは、板状体３１１に隣接する板状体３１２の折り曲げ部３２２の外径Ｒ２ｏと同じになる。そして、板状体３１２の折り曲げ部３２２の外径Ｒ２ｏは、折り曲げ部３２２の内径Ｒ２ｉによって決まり、且つ、内径Ｒ２ｉより大きくなる。従って、厚さＴ１の板状体３１１の折り曲げ部３２１の内径Ｒ１ｉがＲ１ｉ＜Ｔ１を満足するように板状体３１１，３１２を折り曲げることは困難であった。更に、板状体３１１の折り曲げ部３２１の外径Ｒ１ｏも必然的に大きくならざるを得なかった。

図５は、本実施形態のモータの延長部３ｂ及びその周辺を示した図である。図４と同様に、図５でも、ステータ３を構成する複数の板状体のうち最外層を含む２枚の板状体３１１，３１２を折り曲げることで延長部３ｂが形成されている。延長部３ｂを構成する板状体３１１，３１２は同一厚さＴ１である。延長部を構成しない板状体（即ち、磁極基部３ｄを構成する板状体）は全て同一厚さＴ２である。延長部３ｂを構成する板状体３１１，３１２のうち磁石５（図１参照）に最も近接した板状体３１１の折り曲げ部３２１の内径をＲ１ｉ、外径をＲ１ｏとする。板状体３１１に隣接する板状体３１２の折り曲げ部３２２の内径をＲ２ｉ、外径をＲ２ｏとする。本発明では、延長部３ｂを構成する板状体３１１，３１２のうち磁石５に最も近接した板状体３１１に関して、Ｒ１ｉ＜Ｔ１を満足する。これは、例えば、板状体３１１を、板状体３１２とは別個に折り曲げることで容易に実現できる。

板状体３１１に関してＲ１ｉ＜Ｔ１を満足することにより、この板状体３１１の折り曲げ部３２１の外径Ｒ１ｏを小さくすることが出来る。磁石５に対向する延長部３ｂの領域のうち折り曲げ部３２１を除く領域は、折り曲げ部３２１に比べて、磁石５までの空隙距離が小さいので、磁石５からの磁束を流入させる効果が大きい。本発明では、折り曲げ部３２１の外径Ｒ１ｏを小さくすることが出来るので、磁石５からの磁束を流入させるのに効果的な領域である、折り曲げ部３２１を除いた延長部３ｂの磁石５と対向する領域（有効対向領域）の面積が増加する。これにより、磁石５から延長部３ｂへの磁束の流入量が増加する。その結果、モータの駆動効率を向上させることが出来る。

また、Ｒ１ｉ＜Ｔ１を満足することにより、板状体３１１の変形領域（即ち、折り曲げ部３２１）が小さくなるので、磁気特性劣化領域を小さくすることが出来る。磁気特性劣化領域とは、板状体を折り曲げ加工することにより起こる加工歪によって磁気特性が劣化した領域のことをいう。板状体に発生する磁気特性劣化領域が大きくなると、磁気特性劣化領域にて磁気飽和が発生しやすくなる。磁気飽和が発生すると、コイル６に印加する電力を増加してもそれに比例してロータ４の回転トルクは増加せず、駆動効率が悪化する。

図６は、図５に示した本実施形態のモータにおいて、板状体３１１の折り曲げ部３２１に形成される磁気特性劣化領域３ｆを示した図である。また、図７は、図４に示した従来のモータにおいて、板状体３１１の折り曲げ部３２１に形成される磁気特性劣化領域３ｆを示した図である。図６、図７のいずれにおいても、折り曲げ部３２１の内周側と外周側の表面に磁気特性劣化領域３ｆが形成される。但し、図６に示す本実施形態では、折り曲げ部３２１の内径Ｒ１ｉが板状体３１１の厚さＴ１より小さくなるように板状体３１１を折り曲げているので、図６に示す本実施形態の磁気特性劣化領域３ｆは図７に示す従来の磁気特性劣化領域３ｆに比べて小さい。従って、延長部３ｂを設けたことにより折り曲げ部３２１を通過する磁束量が増加しても、折り曲げ部３２１で磁気飽和が発生するのを抑制することが出来、鉄損の増加を低減出来る。その結果、モータの駆動効率を向上させることが出来る。

延長部３ｂを構成する少なくとも１枚の板状体のうち磁石５に最も近接した板状体３１１の折り曲３２１げ部３２１の外径Ｒ１ｏが、Ｒ１ｏ＜Ｔ１を満足することが好ましい。これにより、折り曲げ部３２１を除いた延長部３ｂの磁石５と対向する領域（有効対向領域）の面積が増加するので、磁石５から延長部３ｂへの磁束の流入量が増加する。また、折り曲げ部３２１に形成される磁気特性劣化領域を小さくすることが出来るので、折り曲げ部３２１で磁気飽和が発生するのを抑制することが出来る。これらにより、モータの駆動効率を更に向上させることが出来る。

上記の説明では、延長部３ｂを構成する少なくとも１枚の板状体のうち磁石５に最も近接した板状体３１１の折り曲げ部３２１の内径Ｒ１ｉをこの板状体３１１の厚さＴ１よりも小さくすることを説明したが、延長部３ｂが少なくとも２枚の板状体で構成され、この少なくとも２枚の板状体のそれぞれについて、折り曲げ部の内径が板状体の厚さより小さいことが好ましい。例えば、図５に示すように延長部３ｂが２枚の板状体３１１，３１２により形成されている場合には、板状体３１１に関して上述したＲ１ｉ＜Ｔ１を満足することに加えて、板状体３１１に隣接する板状体３１２に関してＲ２ｉ＜Ｔ１を満足することが好ましい。これにより、延長部３ｂを構成する各板状体３１１，３１２の折り曲げ部３２１，３２２に形成される磁気特性劣化領域を小さくすることが出来るので、折り曲げ部３２１，３２２で磁気飽和が発生するのを抑制することが出来、鉄損の増加を低減出来る。その結果、モータの駆動効率を更に向上させることが出来る。

延長部３ｂを構成する少なくとも１枚の板状体のうち磁石５に最も近接した板状体３１１の厚さＴ１と、延長部３ｂを構成しない板状体（即ち、磁極基部３ｄを構成する板状体）の厚さＴ２とが、Ｔ１＞Ｔ２を満足することが好ましい。このように、延長部３ｂを構成する板状体３１１の厚さＴ１を大きくすることにより、板状体３１１の折り曲げ部３２１内で磁気特性劣化が起きていない領域の断面積を大きくすることが出来る。延長部３ｂを形成することにより延長部３ｂを構成する板状体３１１に多くの磁束が流入し、この磁束は折り曲げ部３２１を通って磁路３ｅ（図１参照）に向かう。Ｔ１＞Ｔ２を満足するように板状体３１１を相対的に厚くすることにより、折り曲げ部３２１内により大きな磁気特性劣化が起きていない領域を確保することができるので、延長部３ｂを構成する板状体３１１に多くの磁束が流入しても、折り曲げ部３２１で磁気飽和が発生するのを抑制することが出来、それにより鉄損の増加を低減出来る。その結果、駆動効率を更に向上させることが出来る。

延長部３ｂを構成しない板状体（即ち、磁極基部３ｄを構成する板状体）の厚さが同一でない場合には、延長部３ｂを構成しない板状体のうち最も薄い板状体の厚さをＴ２としてＴ１＞Ｔ２を満足することが好ましい。磁気飽和は板状体が薄いほど発生しやすいので、最も薄い板状体に着目するのが合理的だからである。

上記の実施形態では、延長部３ｂが２枚の板状体３１１，３１２で構成される場合を説明したが、本発明はこれに限定されず、延長部３ｂが１枚の板状体で構成されていても良く、あるいは３枚以上の板状体で構成されていても良い。

また、上記の実施形態では、延長部３ｂが複数枚の板状体で構成されている場合において、この複数の板状体が同一厚さＴ１を有している場合を説明したが、本発明はこれに限定されず、延長部３ｂを構成する複数の板状体のうちの少なくとも１枚が他の板状体と厚さが異なっていても良い。

本発明の効果を確認するために実験を行った。

実験方法は以下の通りである。ステータを構成する複数枚の板状体のうち最上層の板状体及び最下層の板状体を磁石と実質的に平行になるように上向き又は下向きに折り曲げて延長部を形成した。延長部を構成する板状体の厚さはＴ１＝０．７ｍｍ、この板状体の折り曲げ部の内径はＲ１ｉ＝０．５ｍｍであった。延長部３ｂが１枚の板状体で構成されている以外は図１〜図３に示したモータと同じ構成を有するモータを作成した（本発明品）。

比較のため、延長部を構成する板状体の折り曲げ部の内径をＲ１ｉ＝２．５ｍｍに変更する以外は上記本発明品と同様にしてモータを作成した（従来品）。

上記の２種のモータの駆動軸８を駆動してロータ４を回転させたときにコイル６に発生する誘起電圧を測定した。結果を図８に示す。図８の縦軸は、従来品の誘起電圧を１として正規化された誘起電圧を示す。Ｒ１ｉ＜Ｔ１を満足する本発明品では、この不等式を満足しない従来品よりも高い誘起電圧を発生することを確認した。これは、本発明品では、従来品に比べて、コイル６が巻回された磁極３ａの磁路３ｅを通過する磁束量が多いためである。従って、本発明によれば、モータの駆動効率を向上させることが出来ることを確認できた。

図９は、本発明のモータを用いた電子機器の一例の概略構成を示した図である。図９において、電子機器６１は、本体ケースとしての筐体６２と、筐体６２内に搭載されるモータ６７と、モータ６７を駆動するための駆動器６５と、駆動器６５に給電するための電源６８と、モータ６７を動力源として駆動される機構部等の負荷（被駆動体）６９とを含んでいる。ここで、モータ６７と駆動器６５とでモータ駆動装置６３が構成される。モータ６７は、電源６８から電力供給を受けて駆動器６５を介して駆動される。モータ６７の駆動軸を介して負荷６９に回転トルクが伝達される。モータ６７として、本発明のモータ２を用いることができる。

電子機器６１として、例えばレーザプリンタを例示することができる。この場合、負荷６９としては紙送り用ローラが該当する。図１に示した本発明のモータ２は、レーザプリンタの本体ケース内において、水平方向に配置された配線基板１１上に、各種の電子部品とともに載置されていても良い。モータ２の、配線基板１１を貫通して下側に延びた駆動軸８の下部に歯車（図示せず）を固定し、この歯車と、紙送り用ローラに設けられた歯車とを減速機構としてのギアボックス（図示せず）を介して連結することができる。本発明のモータ２は、高い駆動効率を有しているので、効率良い紙送りが可能なレーザプリンタを実現することができる。

本発明によれば、駆動効率が向上したアウターロータ型モータを提供できるため、例えばレーザプリンタやレーザ複写機などの電子機器に使用されるモータに好適である。但し、本発明のモータはこれらに限定されず、高い駆動効率が要求されるモータとして広範囲に利用することができる。

１ 配線基板
１ａ 貫通孔
２ モータ
３ ステータ
３ａ 磁極
３ｂ 延長部
３ｃ 保持部
３ｄ 磁極基部
３ｅ 磁路
３ｆ 磁気特性劣化領域
３１１，３１２ 板状体
３２１，３２２ 折り曲げ部
４ ロータ
４ａ 天板
５ 磁石
６ コイル
７ ベアリング
８ 駆動軸
９ ホールＩＣ
６１ 電子機器
６２ 筐体（本体ケース）
６３ モータ駆動装置
６５ 駆動器
６７ モータ
６８ 電源
６９ 負荷（被駆動体）
Ｒ１ｉ，Ｒ２ｉ 折り曲げ部の内径
Ｒ１ｏ，Ｒ２ｏ 折り曲げ部の外径

Claims (5)

1. 外周に複数の磁極が周方向に第一の所定間隔で配置されたステータと、前記ステータの周囲に回転自在に配置されたロータとを備えたモータであって、
   前記ロータは、その内周面に、周方向に第二の所定間隔ごとに異極に着磁された磁石を備え、
   前記ステータは複数枚の板状体が積層されてなり、
   前記複数の磁極のそれぞれの外周端には、前記複数枚の板状体のうち最外層を含む、一定厚さを有する少なくとも１枚の板状体が前記磁石と実質的に平行となるように折り曲げられた延長部が形成されており、
   前記延長部を構成する前記少なくとも１枚の板状体のうち前記磁石に最も近接した板状体の折り曲げ部の内径をＲ１ｉ、厚さをＴ１としたとき、Ｒ１ｉ＜Ｔ１を満足することを特徴とするモータ。
2. 前記延長部を構成する前記少なくとも１枚の板状体のうち前記磁石に最も近接した板状体の折り曲げ部の外径をＲ１ｏとしたとき、Ｒ１ｏ＜Ｔ１を満足する請求項１に記載のモータ。
3. 前記延長部が少なくとも２枚の板状体で構成され、前記少なくとも２枚の板状体のそれぞれについて、折り曲げ部の内径が板状体の厚さより小さい請求項１又は２に記載のモータ。
4. 前記延長部を構成しない板状体のうち最も薄い板状体の厚さをＴ２としたとき、Ｔ１＞Ｔ２を満足する請求項１〜３のいずれかに記載のモータ。
5. 本体ケースと、前記本体ケース内に設けられた被駆動体と、前記被駆動体に連結されたモータとを備えた電子機器であって、前記モータが請求項１〜４のいずれかに記載のモータである電子機器。

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