JP6610461B2 - クランク機構付モータおよび真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、クランク機構付モータおよび真空ポンプに関し、特に、センサレス制御を行うクランク機構付モータおよび真空ポンプに関する。

従来、センサレス制御を行うモータが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載のモータは、複数相のコイルを有するステータと、ステータに設けられるロータ（マグネットロータ）とを備えているブラシレスモータである。また、上記モータは、ロータを回転させる際に各相のコイルに生じる誘起電圧に基づいてロータの位置を検出し、検出されたロータの位置に基づいて各相のコイルに対する通電を制御する制御手段を備えている。また、上記制御手段は、モータへの電源供給が途切れた際に、ロータを静止状態から駆動状態にするために初期位置にセットする制御を行う。なお、ロータを初期位置にセットする際は、各相のコイルに対する通電時間の割合を徐々に変化させる制御を行う。

特開２００８−２６３６６５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のモータでは、ロータ（マグネットロータ）を初期位置にセットする制御を行う際に、電気的な制御を行っているため、発熱等に起因してモータの性能が低下するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、電気的な制御を行わずにロータを初期位置にセットすることによって、モータの性能の低下を抑制することが可能なクランク機構付モータおよび真空ポンプを提供することである。

この発明の第１の局面によるクランク機構付モータは、コイルを有するステータと、ステータに対向するように設けられるロータとを含み、コイルに生じる誘起電圧に基づいてセンサレス制御が行われるモータと、モータの回転軸に接続されるクランク部と、クランク部に接続され、モータの回転に伴ってクランクケース内を往復移動する移動部材とを含むクランク機構と、を備え、移動部材は、モータの回転が停止された際に、所定の位置に移動するように構成されており、移動部材がクランクケース内の所定の位置に移動した際に、ロータが初期位置にセットされるように、ロータとクランク部とが組み付けられている。

この発明の第１の局面によるクランク機構付モータでは、上記のように、移動部材がクランクケース内の所定の位置に移動した際に、ロータが初期位置にセットされるように、ロータとクランク部とが組み付けられていることによって、電気的な制御を行わずにロータを初期位置に自動的にセットすることができる。これにより、ロータを初期位置にセットする際のモータの発熱等を抑制することができるので、発熱等に起因するモータの性能の低下を抑制することができる。また、ロータを初期位置にセットするための制御が不要であるので、モータの起動時間を短縮することができるとともに、モータの構成（制御）を簡略化することができる。

上記第１の局面によるクランク機構付モータにおいて、好ましくは、クランクケースは、移動部材に対して一方側に設けられ、移動部材とクランクケースとに囲まれる空間である第１室と、移動部材に対して他方側に設けられ、移動部材とクランクケースとに囲まれる空間である第２室とを含み、移動部材は、モータの回転が停止された際に、第１室と第２室との圧力差に基づいて、所定の位置に移動するように構成されており、移動部材がクランクケース内の所定の位置に移動した際に、ロータが初期位置にセットされるように、ロータとクランク部とが組み付けられている。

このように構成すれば、第１室と第２室との圧力差に基づいて、移動部材が所定の位置に移動された際に、ロータが初期位置にセットされるように、ロータとクランク部とが組み付けられていることによって、電気的な制御を行わずに容易にロータを初期位置にセットすることができる。また、振動等によりロータが初期位置からずれた場合でも、第１室と第２室との圧力差によってロータが初期位置に戻るので、モータの性能の低下を効果的に抑制することができる。

この場合、好ましくは、第１室は移動部材の上部に設けられているとともに、第２室は移動部材の下部に設けられており、クランクケース内を往復移動する移動部材が、第１室の最上点であるクランクケース内の上死点に移動した際に、ロータが初期位置にセットされるように、モータとクランク部とが組み付けられている。

ここで、第１室と第２室との圧力差を利用すると、移動部材が自動的に上死点に移動するので、移動部材を第１室の最上点である上死点に移動させることは、移動部材を第１室の最上点以外に移動させることに比べて比較的容易である。したがって、移動部材が、第１室の最上点であるクランクケース内の上死点に移動した際に、ロータが初期位置にセットされるように、モータとクランク部とが組み付けられていることによって、ロータを初期位置にさらに容易に自動的にセットすることができる。

上記移動部材が上死点に移動した際にモータが初期位置にセットされるクランク機構付モータにおいて、好ましくは、クランク機構は、対象物内を真空にするように構成されており、移動部材がクランクケース内を下降する際に、対象物内の空気が第１室へ吸気されるとともに、移動部材がクランクケース内を上昇する際に、第１室の空気が外部へ排気されるように構成されており、吸気または排気の工程において、モータの回転が停止された際、第２室内が大気圧であるとともに第１室内が負圧になることによって、移動部材が上死点に移動されるように構成されている。

ここで、対象物内を真空にするクランク機構において、対象物内の空気の吸気、または、外部への空気の排気が行われる第１室は、大気圧に比べて低い圧力の状態になる。したがって、大気圧である第２室の圧力よりも第１室の圧力の方が低い状態を容易に作ることができるので、移動部材を上死点に容易に移動させることができる。

上記第１の局面によるクランク機構付モータ回転電機において、好ましくは、ロータは、移動部材がクランクケース内の所定の位置に移動したことにより、ロータが初期位置にセットされた後に、静止状態から駆動状態になるように制御されるように構成されている。

ここで、ロータが初期位置にセットされていない状態で、ロータを静止状態から駆動状態にすることによって、ロータに対して不適切な電圧の印加状態になり、正常にモータが動作しない。したがって、ロータが初期位置にセットされた後に、静止状態から駆動状態になるように制御されることによって、適切にロータを静止状態から駆動状態にすることができるとともに、正常にモータを動作させることができる。

この発明の第２の局面による真空ポンプは、コイルを有するステータと、ステータに対向するように設けられるロータとを含み、コイルに生じる誘起電圧に基づいてセンサレス制御が行われるモータと、モータの回転軸に接続されるクランク部と、クランク部に接続され、モータの回転に伴ってクランクケース内を往復移動する移動部材とを含むとともに、対象物内を真空にするように構成されているクランク機構と、を備え、移動部材は、モータの回転が停止された際に、所定の位置に移動するように構成されており、移動部材がクランクケース内の所定の位置に移動した際に、ロータが初期位置にセットされるように、ロータとクランク部とが組み付けられている。

この発明の第２の局面による真空ポンプでは、上記のように、移動部材がクランクケース内の所定の位置に移動した際に、ロータが初期位置にセットされるように、ロータとクランク部とが組み付けられていることによって、電気的な制御を行わずにロータを初期位置に自動的にセットすることができる。これにより、ロータを初期位置にセットする際の発熱を抑制することができる。その結果、モータの性能の低下を抑制することができるとともに、ポンプ能力の低下を抑制することができる。

なお、上記第２の局面による真空ポンプにおいて、以下のような構成も考えられる。

（付記項１）
上記第２の局面による真空ポンプにおいて、好ましくは、クランク機構は、対象物内を真空にするように構成されており、移動部材がクランクケース内を下降する際に、対象物内の空気が第１室へ吸気されるとともに、移動部材がクランクケース内を上昇する際に、第１室の空気が外部へ排気されるように構成されており、吸気または排気の工程において、モータの回転が停止された際、第２室内が大気圧であるとともに第１室内が負圧になることによって、移動部材が上死点に移動されるように構成されている。

ここで、対象物内を真空にする真空ポンプにおいて、対象物内の空気の吸気、または、外部への空気の排気が行われる第１室は、大気圧に比べて低い圧力の状態になる。したがって、大気圧である第２室の圧力よりも第１室の圧力の方が低い状態を容易に作ることができるので、移動部材を上死点に容易に移動させることができる。

本発明の一実施形態によるクランク機構付モータの全体構成の斜視図である。 本発明の一実施形態によるクランク機構付モータの側面図である。 本発明の一実施形態によるロータの初期位置を説明するための上面図である。 本発明の一実施形態による移動部材が上死点に到達した際のクランク機構付モータの側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図４を参照して、本実施形態による真空ポンプ１００（クランク機構付モータの一例）の構成について説明する。

［真空ポンプの全体構成］
図１に示すように、真空ポンプ１００は、モータ１を備えている。モータ１は、筐体１０１に収容されている。また、真空ポンプ１００は、後述する対象物６（図２参照）内を真空にするように構成されているクランク機構２を備えている。また、モータ１は、クランク機構２に対して、Ｙ２方向側に配置されている。具体的には、筐体１０１は、後述する筐体１０２のＹ２方向側に配置されている。また、モータ１の回転軸１ａは、モータ１からＹ１方向に延びている。なお、図１は、真空ポンプ１００の構成を示す概略図である。

図２に示すように、クランク機構２は、クランク部３を含む。クランク部３は、ロッド３ａを有する。また、クランク部３は、筐体１０２に収容されている、連結部３ｂとバランサ３ｃとを有する。

クランク部３は、モータ１（図１参照）が回転することによって、連結部３ｂとバランサ３ｃとが一体となって回転する（ＸＺ平面上を回転する）とともに、ロッド３ａが上下方向（Ｚ方向）に往復運動するように構成されている。

また、クランク機構２は、ピストン４（移動部材の一例）を含む。ピストン４は、筐体１０２の上部に配置されているクランクケース５に収容されている。クランクケース５は、内部に円柱状の空洞が設けられているシリンダ形状を有している。また、ピストン４は、クランク部３のロッド３ａに接続されており、ロッド３ａの往復運動に連動してクランクケース５内を上下方向（Ｚ方向）に往復運動する。なお、クランクケース５と筐体１０２とは連通するように構成されており、ロッド３ａはクランクケース５と筐体１０２とに渡って設けられている。

また、クランクケース５は、ピストン４に対してＺ１方向側に設けられ、ピストン４とクランクケース５とに囲まれる空間である第１クランク室５ａ（第１室の一例）を含む。また、クランクケース５は、ピストン４に対してＺ２方向側に設けられ、ピストン４とクランクケース５とに囲まれる空間である第２クランク室５ｂ（第２室の一例）を含む。また、クランクケース５は、接続部１０３を介して、対象物６に接続されている。対象物６は、たとえば、ブレーキブースタなどである。また、クランクケース５は、接続部１０４を介して、外部に接続されている。

ピストン４がクランクケース５内を下降（Ｚ２方向側へ移動）する際に、対象物６内の空気が第１クランク室５ａへ吸気されるとともに、ピストン４がクランクケース５内を上昇（Ｚ１方向側へ移動）する際に、第１クランク室５ａの空気が外部へ排気されるように構成されている。具体的には、対象物６内の空気は、ピストン４が下降し、第１クランク室５ａの容積が大きくなることによって、第１クランク室５ａに流入するように構成されている。

詳細には、ピストン４が下降（Ｚ２方向側へ移動）した場合、第１クランク室５ａの容積が大きくなることによって、第１クランク室５ａの圧力が低下し、クランクケース５に設けられる逆止弁１０５が開く。この場合、対象物６内の空気は、接続部１０３を介して、逆止弁１０５を通り、第１クランク室５ａに流入する。また、ピストン４が上昇（Ｚ１方向側に移動）した場合、第１クランク室５ａの容積が小さくなることによって、第１クランク室５ａの圧力が増加し、クランクケース５に設けられる逆止弁１０６が開く。この場合、第１クランク室５ａ内の空気は、逆止弁１０６を通り、接続部１０４を介して外部に流出する。

［モータの構成］
図３に示すように、モータ１（図１参照）は、たとえば、３相ブラシレスモータとして構成されている。そして、モータ１は、コイル１０を有するステータ１１を含む。また、モータ１は、ステータ１１に対向するように設けられるロータ１２を含む。また、モータ１は、コイル１０に生じる誘起電圧に基づいてセンサレス制御が行われるように構成されている。すなわち、モータ１は、ロータ１２の回転に伴ってコイル１０に生じる誘起電圧に基づいて、ロータ１２の位置（回転角度）を推定する制御を行うように構成されている。

ステータ１１には、バックヨーク１１ａから、等角度間隔で、径方向の内側に突出する複数（たとえば、９個）のティース１１ｂが設けられている。なお、図３では、９個のティース１１ｂに対して、説明を容易にするため、それぞれ番号（１番〜９番）を付している。また、隣接するティース１１ｂの間に、それぞれスロット１３が形成されている。

ロータ１２は、ステータ１１に対向するように、円環状のステータ１１の内側に配置されている。また、ロータ１２は、軸方向（Ｙ方向）から見て、断面が矩形形状（長方形形状）の複数（たとえば、６個）の永久磁石１４が、周方向に等角度間隔に埋め込まれている。すなわち、モータ１（図１参照）は、６極９スロットの回転電機として構成されている。また、永久磁石１４は、Ｎ極永久磁石１４ａとＳ極永久磁石１４ｂとが、交互に配列されるように周方向に埋め込まれている。

コイル１０は、１番〜９番の各ティース１１ｂに巻回されている。また、ステータ１１には、図示しない、Ｕ相用端子、Ｖ相用端子、および、Ｗ相用端子が設けられている。また、Ｕ相用端子に電圧を印加するとともにＶ相用端子を接地する（以下、Ｕ−Ｖ通電する）ことにより、１番、４番、および、７番のティース１１ｂ近傍にはＳ極の磁場が発生するように、コイル１０が巻回されている。この場合、１番、４番、および、７番以外のティース１１ｂ近傍にはＮ極の磁場が発生している。また、Ｕ−Ｖ通電した際に、Ｓ極の磁場を発生する１番、４番、および、７番のティース１１ｂの各々と、Ｎ極永久磁石１４ａとが対向している図３の配置が、ロータ１２の初期位置である。なお、ロータ１２の初期位置は、Ｕ−Ｖ通電した際にロータ１２が停止する位置である。

［クランク機構の構成］
ここで、本実施形態では、図４に示すように、ピストン４は、モータ１（図１参照）の回転が停止された際に、所定の位置に移動するように構成されている。また、ピストン４がクランクケース５内の所定の位置に移動した際に、ロータ１２が初期位置（図３参照）にセットされるように、ロータ１２とクランク部３とが組み付けられている。具体的には、ピストン４が、第１クランク室５ａの最上点であるクランクケース５内の上死点７（所定の位置の一例）に移動した際に、ロータ１２が初期位置にセットされるように、モータ１とクランク部３とが組み付けられている。すなわち、ピストン４が上死点７に移動すると、Ｓ極の磁場を発生するコイル１０とＮ極永久磁石１４ａとが対向する配置となるように、モータ１とクランク部３とが組み付けられている。

また、本実施形態では、ピストン４は、モータ１（図１参照）の回転が停止された際に、第１クランク室５ａと第２クランク室５ｂとの圧力差に基づいて、上死点７に移動するように構成されている。具体的には、吸気または排気の工程において、モータ１の回転が停止された際、第２クランク室５ｂ内が大気圧であるとともに、第１クランク室５ａ内が負圧（大気圧より低い圧力）になることによって、ピストン４が上死点７に移動されるように構成されている。詳細には、第１クランク室５ａが負圧であるとともに第２クランク室５ｂが大気圧である場合、第２クランク室５ｂ内の空気が第１クランク室５ａへ流入しようとすることによって、ピストン４がＺ１方向側へ押されるので、ピストン４がＺ１方向側へ移動する。

さらに詳細には、対象物６内の空気が第１クランク室５ａへ吸気されている場合、対象物６内および第１クランク室５ａ内は略真空状態になる。この場合、第１クランク室５ａ内の気圧（略真空）は、第２クランク室５ｂ内の気圧（略大気圧）よりも低い。これにより、第２クランク室５ｂ内の空気が第１クランク室５ａへ流入しようとすることによって、ピストン４がＺ１方向側へ押されるので、ピストン４がＺ１方向側へ移動する。

また、ピストン４が下降（Ｚ２方向側へ移動）した場合、第１クランク室５ａの容積が大きくなることによって、第１クランク室５ａの圧力が低下し、第１クランク室５ａ内の気圧（負圧）は、第２クランク室５ｂ内の気圧（略大気圧）よりも低くなる。これにより、ピストン４がＺ１方向側へ押されるので、ピストン４がＺ１方向側へ移動する。

また、本実施形態では、ロータ１２は、ピストン４がクランクケース５内の上死点７に移動したことにより、ロータ１２が初期位置にセットされた後に、静止状態から駆動状態になるように制御されるように構成されている。具体的には、ロータ１２が初期位置の状態でＵ−Ｖ通電することによって、ロータ１２は静止状態から駆動状態になる。そして、ロータ１２が駆動状態となった後に、所定時間毎に通電状態を変化させることによって、ロータ１２が回転する。

［本実施形態の効果］
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、ピストン４がクランクケース５内の所定の位置に移動した際に、ロータ１２が初期位置にセットされるように、ロータ１２とクランク部３とが組み付けられていることによって、電気的な制御を行わずにロータ１２を初期位置に自動的にセットすることができる。これにより、ロータ１２を初期位置にセットする際のモータ１の発熱等を抑制することができるので、発熱等に起因するモータ１の性能の低下を抑制することができる。また、ロータ１２を初期位置にセットするための制御が不要であるので、モータ１の起動時間を短縮することができるとともに、モータ１の構成（制御）を簡略化することができる。

また、本実施形態では、第１クランク室５ａと第２クランク室５ｂとの圧力差に基づいて、ピストン４が所定の位置に移動された際に、ロータ１２が初期位置にセットされるように、ロータ１２とクランク部３とが組み付けられていることによって、電気的な制御を行わずに容易にロータ１２を初期位置にセットすることができる。また、振動等によりロータ１２が初期位置からずれた場合でも、第１クランク室５ａと第２クランク室５ｂとの圧力差によってロータ１２が初期位置に戻るので、モータ１の性能の低下を効果的に抑制することができる。

ここで、第１クランク室５ａと第２クランク室５ｂとの圧力差を利用すると、ピストン４が自動的に上死点７に移動するので、ピストン４を第１クランク室５ａの最上点である上死点７に移動させることは、ピストン４を第１クランク室５ａの最上点以外に移動させることに比べて比較的容易である。したがって、本実施形態では、ピストン４が、第１クランク室５ａの最上点であるクランクケース５内の上死点７に移動した際に、ロータ１２が初期位置にセットされるように、モータ１とクランク部３とが組み付けられていることによって、ロータ１２を初期位置にさらに容易に自動的にセットすることができる。

ここで、対象物６内を真空にするクランク機構２において、対象物６内の空気の吸気、または、外部への空気の排気が行われる第１クランク室５ａは、大気圧に比べて低い圧力の状態になる。したがって、本実施形態では、大気圧である第２クランク室５ｂの圧力よりも第１クランク室５ａの圧力の方が低い状態を容易に作ることができるので、ピストン４を上死点７に容易に移動させることができる。

ここで、ロータ１２が初期位置にセットされていない状態で、ロータ１２を静止状態から駆動状態にすることによって、ロータ１２に対して不適切な電圧の印加状態になり、正常にモータ１が動作しない。したがって、本実施形態では、ロータ１２が初期位置にセットされた後に、静止状態から駆動状態になるように制御されることによって、適切にロータ１２を静止状態から駆動状態にすることができるとともに、正常にモータ１を動作させることができる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、クランク機構付モータが、真空ポンプである構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、クランク機構付モータが、真空ポンプ以外であってもよい。

また、上記実施形態では、ロータ１２が初期位置で静止している状態からＵ−Ｖ通電をすることによって、ロータ１２が駆動状態になる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、Ｕ−Ｖ通電以外（たとえば、Ｕ−Ｗ通電）をすることによって、初期位置で静止しているロータ１２を駆動状態にしてもよい。

また、上記実施形態では、モータ１が、６極９スロットの回転電機である構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、６極９スロット以外の回転電機であってもよい。

また、上記実施形態では、ロータ１２の初期位置は、Ｕ−Ｖ通電によってロータ１２が停止する位置である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、Ｕ−Ｖ通電以外（たとえば、Ｕ−Ｗ通電）によってロータ１２が停止する位置を初期位置としてもよい。

１ モータ
２ クランク機構
３ クランク部
４ ピストン（移動部材）
５ クランクケース
５ａ 第１クランク室（第１室）
５ｂ 第２クランク室（第２室）
６ 対象物
７ 上死点（所定の位置）
１０ コイル
１１ ステータ
１２ ロータ
１００ 真空ポンプ（クランク機構付モータ）

Claims (6)

1. コイルを有するステータと、前記ステータに対向するように設けられるロータとを含み、前記コイルに生じる誘起電圧に基づいてセンサレス制御が行われるモータと、
   前記モータの回転軸に接続されるクランク部と、前記クランク部に接続され、前記モータの回転に伴ってクランクケース内を往復移動する移動部材とを含むクランク機構と、を備え、
   前記移動部材は、前記モータの回転が停止された際に、所定の位置に移動するように構成されており、
   前記移動部材が前記クランクケース内の所定の位置に移動した際に、前記ロータが初期位置にセットされるように、前記ロータと前記クランク部とが組み付けられている、クランク機構付モータ。
2. 前記クランクケースは、前記移動部材に対して一方側に設けられ、前記移動部材と前記クランクケースとに囲まれる空間である第１室と、前記移動部材に対して他方側に設けられ、前記移動部材と前記クランクケースとに囲まれる空間である第２室とを含み、
   前記移動部材は、前記モータの回転が停止された際に、前記第１室と前記第２室との圧力差に基づいて、所定の位置に移動するように構成されており、
   前記移動部材が前記クランクケース内の所定の位置に移動した際に、前記ロータが初期位置にセットされるように、前記ロータと前記クランク部とが組み付けられている、請求項１に記載のクランク機構付モータ。
3. 前記第１室は前記移動部材の上部に設けられているとともに、前記第２室は前記移動部材の下部に設けられており、前記クランクケース内を往復移動する前記移動部材が、前記第１室の最上点である前記クランクケース内の上死点に移動した際に、前記ロータが初期位置にセットされるように、前記モータと前記クランク部とが組み付けられている、請求項２に記載のクランク機構付モータ。
4. 前記クランク機構は、対象物内を真空にするように構成されており、
   前記移動部材が前記クランクケース内を下降する際に、前記対象物内の空気が前記第１室へ吸気されるとともに、前記移動部材が前記クランクケース内を上昇する際に、前記第１室の空気が外部へ排気されるように構成されており、
   吸気または排気の工程において、前記モータの回転が停止された際、前記第２室内が大気圧であるとともに前記第１室内が負圧になることによって、前記移動部材が前記上死点に移動されるように構成されている、請求項３に記載のクランク機構付モータ。
5. 前記ロータは、前記移動部材が前記クランクケース内の所定の位置に移動したことにより、前記ロータが初期位置にセットされた後に、静止状態から駆動状態になるように制御されるように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のクランク機構付モータ。
6. コイルを有するステータと、前記ステータに対向するように設けられるロータとを含み、前記コイルに生じる誘起電圧に基づいてセンサレス制御が行われるモータと、
   前記モータの回転軸に接続されるクランク部と、前記クランク部に接続され、前記モータの回転に伴ってクランクケース内を往復移動する移動部材とを含むとともに、対象物内を真空にするように構成されているクランク機構と、を備え、
   前記移動部材は、前記モータの回転が停止された際に、所定の位置に移動するように構成されており、
   前記移動部材が前記クランクケース内の所定の位置に移動した際に、前記ロータが初期位置にセットされるように、前記ロータと前記クランク部とが組み付けられている、真空ポンプ。

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