JP7394570B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータに関し、特に、ロータの回転を検出する磁気センサを有するブラシレスモータに関する。

ブラシレスモータには、磁気センサによってロータの位置を検出して、ステータのコイルに流す電流を制御する位置センサ付き駆動タイプのブラシレスモータと、センサを備えない位置センサレス駆動タイプのブラシレスモータがある。位置センサレス駆動タイプのブラシレスモータは、センサを備えていないため、安価に構成できるほか、高温の環境等、劣悪な環境でも使用することができる。一方、位置センサ付き駆動タイプのブラシレスモータは、ロータの位置を確実に検出することができるため、低速から高速までスムーズに回転制御が可能になるという利点がある。

また、位置センサ付き駆動タイプのブラシレスモータは、ロータの位置に応じて適切な駆動電流を供給することができるため、位置センサレス駆動タイプよりも、応答性を高くすることができる。このため、動画又は静止画撮影用のカメラのレンズ鏡筒の中に配置され、鏡筒内に設けられたフォーカス用のレンズや、ズームレンズを駆動するためのブラシレスモータには、応答性の高い位置センサ付き駆動タイプのブラシレスモータを使用することが好ましい。

一方、特開平１－１９０２４４号公報（特許文献１）には、無刷子電動機（ブラシレスモータ）が記載されている。このブラシレスモータは、磁気感応素子を備えた位置センサ付き駆動タイプのブラシレスモータであり、回転子（ロータ）と、ステータを構成する磁極子と、巻線体と、を備えている。ステータに備えられるコイルの巻線は、巻線体に巻かれると共に、磁気感応素子は、巻線体に設けられた素子収容部に収容されている。素子収容部に収容された状態において、磁気感応素子の検知部は、ロータに直接対向するように向けられている。

特開平１－１９０２４４号公報

しかしながら、特許文献１記載の無刷子電動機（ブラシレスモータ）では、磁気感応素子（磁気センサ）の検知部（磁束検出面）の位置を正確に位置決めすることができないという問題がある。即ち、ロータの磁気を検出し、これに基づいてステータの巻線コイルに流す電流を正確に制御するためには、磁気センサの磁束検出面を高精度で位置決めする必要がある。磁気センサの磁束検出面の取り付け位置や、方向に誤差があると、正確なタイミングでステータの巻線コイルに電流を流すことができなくなり、これがブラシレスモータの出力を低下させたり、振動や騒音が発生したりするという問題が発生する。

この問題は、動画又は静止画撮影用のカメラのレンズ鏡筒の中に配置されるブラシレスモータ等、小型のモータにおいて特に顕著となる。即ち、小型のブラシレスモータにおいては、磁気センサの磁束検出面の位置や、角度の僅かな誤差が、ブラシレスモータの制御に多大な影響を与える。このように、小型のブラシレスモータでは、磁気センサの磁束検出面に極めて高い取り付け位置精度が要求されることが、本件発明者の研究開発により明らかにされた。

従って、本発明は、磁気センサの磁束検出面を正確に位置決めすることができ、出力の低下や、振動、騒音の発生を抑制することができるブラシレスモータを提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、ロータの回転を検出する磁気センサを有するブラシレスモータであって、マグネットを備え、回転軸を中心に回転可能なロータと、複数の巻線コイルを備えたステータと、このステータ側に設けられ、ロータのマグネットの磁気を検出するための磁束検出面を備えた複数の磁気センサと、ロータの周囲を取り囲むようにステータ側に設けられ、磁気センサの磁束検出面を夫々当接させて取り付けるように構成された複数のセンサ取付面が外周に形成された、単一のセンサ保持部材と、を有し、各センサ取付面は、回転軸を中心とする円の接線に平行な平面であり、且つ、回転軸を中心とする円の半径方向外方に向けられていることを特徴としている。

このように構成された本発明によれば、センサ保持部材のセンサ取付面が、回転軸を中心とする円の接線に平行に、回転軸を中心とする円の半径方向外方に向けられている。このセンサ取付面に、磁気センサの磁束検出面が当接されて取り付けられるので、磁束検出面がロータに向けられると共に、磁束検出面の角度がセンサ取付面によって規定される。これにより、磁気センサの磁束検出面を正確に位置決めすることができ、ブラシレスモータの出力の低下や、振動、騒音の発生を効果的に抑制することができる。

本発明のブラシレスモータによれば、磁気センサの磁束検出面を正確に位置決めすることができ、出力の低下や、振動、騒音の発生を抑制することができる。

本発明の実施形態によるブラシレスモータを示す斜視図である。 本発明の実施形態によるブラシレスモータを示す側面図である。 本発明の実施形態によるブラシレスモータの、図２のIII－III線に沿う断面図である。 本発明の実施形態によるブラシレスモータを、フレキシブル基板を取り除いた状態で示す側面図である。 本発明の実施形態によるブラシレスモータを、フレキシブル基板及びホール素子を取り除いた状態で示す斜視図である。 本発明の実施形態によるブラシレスモータに使用されているホール素子の平面図である。 本発明の実施形態によるブラシレスモータに使用されているホール素子の、フレキシブル基板への取り付けを示す部分拡大図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるブラシレスモータを説明する。
図１は、本発明の実施形態によるブラシレスモータを示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態によるブラシレスモータを示す側面図である。図３は、図２のIII－III線に沿う本発明の実施形態によるブラシレスモータの断面図である。図４は、本発明の実施形態によるブラシレスモータを、フレキシブル基板を取り除いた状態で示す側面図である。図５は、本発明の実施形態によるブラシレスモータを、フレキシブル基板及びホール素子を取り除いた状態で示す斜視図である。図６は、本発明の実施形態によるブラシレスモータに使用されているホール素子の平面図である。図７は、本発明の実施形態によるブラシレスモータに使用されているホール素子の、フレキシブル基板への取り付けを示す部分拡大図である。

図１乃至図３に示すように、本発明の実施形態によるブラシレスモータ１は、回転軸２ａを中心に回転可能なロータ２と、このロータ２の周囲を取り囲むように設けられたステータ４と、このステータ４側に設けられた磁気センサであるホール素子６と、ステータ４の周囲に巻かれたフレキシブル基板８と、を有する。本実施形態のブラシレスモータ１は、ステータ４のコイルに所定のタイミングで電流を流すことにより、ステータ４とロータ２の間に磁力を作用させ、回転軸２ａを中心にロータ２を回転させるように構成されている。また、ロータ２の磁気はホール素子６によって検出され、ホール素子６の検出信号に基づいて、制御装置（図示せず）により、ステータ４のコイルに電流を流すタイミングを制御するように構成されている。

ロータ２は、ステータ４に対して回転可能に支持された回転軸２ａと、この回転軸２ａと同心円状に設けられた円筒形のマグネット２ｂと、を有する。
回転軸２ａは金属製の円形断面のシャフトであり、その中間部が軸受け２ｃ（図２）により回転可能に支持され、軸受け２ｃよりも下部が図２における下方に向けて突出している。なお、本実施形態においては、軸受け２ｃとして、焼結含油軸受けが使用されている。

マグネット２ｂは円筒形に形成され、その中心軸線に沿って回転軸２ａが貫通して延びている。また、マグネット２ｂの外周は、円周方向に沿ってＮ極とＳ極が交互に入れ替わるように着磁されている。マグネット２ｂは、回転軸２ａと共に回転されるように、軸受け２ｃよりも上方で回転軸２ａに取り付けられ、ステータ４によって周囲が取り囲まれている。なお、本実施形態においては、マグネット２ｂとして、希土類マグネットが使用されている。

フレキシブル基板８は、薄い、可撓性のある基板であり、ステータ４の上部に、周囲を一周するように巻き付けられている。また、フレキシブル基板８上には、ステータ４の各コイルに電流を供給するための配線パターン、各ホール素子６に電流を供給するための配線パターン、及び各ホール素子６の検出信号を取り出すための配線パターン（以上、図１には図示せず）が形成されている。

次に、図４及び図５を参照して、ステータ４の構成を説明する。図４はブラシレスモータ１からフレキシブル基板８を取り除いた状態を示し、図５はフレキシブル基板８及びホール素子６を取り除いた状態を示している。
図４及び図５に示すように、ステータ４は、磁性体部材であるステータ鉄心１０と、このステータ鉄心１０に取り付けられた複数の巻線コイル１２と、ホール素子６を取り付けるためのセンサ保持部材１４と、ステータ鉄心１０が取り付けられたベース部材１６と、を有する。

ステータ鉄心１０は磁性体材料製の部材であり、各巻線コイル１２が生成した磁気をロータ２のマグネット２ｂに導くように構成されている。ステータ鉄心１０はベース部材１６に取り付けられ、ベース部材１６には回転軸２ａの軸受け２ｃが設けられている。ステータ鉄心１０は６本の直線部１０ａを備え、これらの直線部１０ａは回転軸２ａと平行に、ロータ２の周囲を取り囲むように延びている。また、直線部１０ａは長方形断面を有し、中心角６０度ずつ隔てて、ロータ２の周囲に等間隔に延びている。このため、６本の直線部１０ａは、その長方形断面の長辺が互いに向かい合うように、３つの対を為すように配置される。

また、各直線部１０ａの基端部は半径方向内方に向けて９０度湾曲され、水平方向に延びる基部１０ｂに続いている。各基部１０ｂの先端は、回転軸２ａの周囲で一体化されている。換言すれば、ステータ鉄心１０の基部１０ｂは、回転軸２ａを中心に放射状に水平方向に延びた後、上方に向けて９０度湾曲され、鉛直方向に延びる直線部１０ａに夫々連なっている。

巻線コイル１２は、ステータ鉄心１０の各直線部１０ａの下部に夫々設けられたコイルであり、各直線部１０ａの周囲に夫々巻回されている。これらの巻線コイル１２に電流を流すことにより、その内側を貫通するステータ鉄心１０の直線部１０ａが磁化され、この磁気がロータ２のマグネット２ｂに作用して、ロータ２を回転させる駆動力が生成される。

図４及び図５に示すように、センサ保持部材１４は非磁性体材料製の概ね円筒状の部材であり、ロータ２を取り囲むように配置されている。なお、本実施形態においては、センサ保持部材１４は、ガラス繊維で強化されたポリカーボネート樹脂製である。センサ保持部材１４は、概ね円筒形の円筒部１４ａと、この円筒部１４ａから下方に延びる３つの嵌合部１４ｂ（図５には１つのみ図示）と、を有する。

図５に示すように、円筒部１４ａは、概ね円筒形の部分であり、内側にロータ２のマグネット２ｂを回転可能に受け入れている。円筒部１４ａの外周面は３箇所で平面状に切り欠かれており、切り欠かれた平面の中央部に、ホール素子６を取り付けるためのセンサ取付面１８が夫々構成されている。センサ取付面１８は、円筒部１４ａの外周面に、１２０度ずつ間隔を空けて等間隔に３つ形成されている。各センサ取付面１８は、回転軸２ａを中心とする円の半径方向外方に向けられていると共に、回転軸２ａを中心とする円の接線に沿って延びている。換言すれば、各センサ取付面１８は、回転軸２ａから半径方向に延びる直線と直交する方向に向けられている。

また、各センサ取付面１８の両側には、互いに対向するように位置規制壁１８ａが夫々設けられている。これらの位置規制壁１８ａは、センサ取付面１８から直角に立ち上がるように設けられると共に、回転軸２ａと平行な方向に延びている。後述するように、各ホール素子６は、対向する位置規制壁１８ａの間で、各センサ取付面１８に取り付けられる。なお、センサ保持部材１４は、非磁性体材料製であるため、ロータ２のマグネット２ｂからの磁束は容易にセンサ保持部材１４を透過し、透過した磁束を各ホール素子６によって検出することができる。

嵌合部１４ｂは、円筒部１４ａの下端から下方に向けて突出するように、等間隔に３つ設けられている。即ち、円筒部１４ａの側壁面が、部分的に下方に突出するように延長され、この部分が嵌合部１４ｂを構成している。また、円筒部１４ａの円周上において、センサ取付面１８が等間隔に３つ設けられており、嵌合部１４ｂは各センサ取付面１８の間に１つずつ設けられている。図５に示すように、センサ保持部材１４の円筒部１４ａは、ステータ鉄心１０の上端部の上に配置され、円筒部１４ａの側面には、３つのセンサ取付面１８が設けられている。さらに、嵌合部１４ｂは、隣り合う２つのセンサ取付面１８の間に、円筒部１４ａの下端から下方に垂下するように設けられている。各嵌合部１４ｂは、ステータ鉄心１０の、隣接して配置された２本の直線部１０ａの間に嵌まり込むように設けられている。即ち、嵌合部１４ｂの両側の側面は、ステータ鉄心１０の直線部１０ａの側面と夫々合致して、２つの直線部１０ａの間に嵌まり込むように構成されている。

このように、センサ保持部材１４は、その円筒部１４ａの下面が、ステータ鉄心１０の直線部１０ａの上端面に当接する一方、円筒部１４ａの下面から垂下する各嵌合部１４ｂが、直線部１０ａの間に嵌合するように構成されている。これにより、センサ保持部材１４は、ステータ４の一部を構成するステータ鉄心１０に対して正確に位置決めされ、センサ保持部材１４に設けられた各センサ取付面１８の位置が、ステータ鉄心１０に対して位置決めされる。

次に、図６及び図７を新たに参照して、ホール素子６の構成、及びその取り付け構造を説明する。
図６に示すように、ホール素子６は、直方体状の本体部６ａと、本体部６ａの両側の側面から突出する４本の電極６ｂを有する。また、本実施形態において、ホール素子６は、リード付きの表面実装型の素子である。即ち、ホール素子６は、本体部から延びる電極をプリント基板等の孔に貫通させた状態で電気的に接続されるタイプの素子ではなく、電極がプリント基板等の表面に載置された状態で実装されるタイプの素子である。

本実施形態において、ホール素子６は、４本の電極６ｂのうちの２本に入力電流が流され、残りの２本の電極６ｂの間に、検出した磁束の密度に比例した電圧が出力されるように構成されている。また、直方体状の本体部６ａの上面は磁束検出面６ｃであり、この磁束検出面６ｃを通る磁束の密度がホール素子６から検出信号として出力されるように構成されている。さらに、４本の電極６ｂは、本体部６ａの両側の側面６ｄに２本ずつ設けられている。

また、図３に示すように、ホール素子６は、その磁束検出面６ｃがセンサ保持部材１４のセンサ取付面１８に当接するように、センサ保持部材１４に取り付けられる。さらに、磁束検出面６ｃの両側に設けられた、本体部６ａの側面６ｄは、センサ保持部材１４のセンサ取付面１８に設けられた２つの位置規制壁１８ａ（図５）と夫々合致するように構成されている。また、図４に示すように、位置規制壁１８ａは、ホール素子６の各側面６ｄに設けられた２本の電極６ｂの間に嵌まり込み、電極６ｂの間で各側面６ｄに夫々当接するように構成されている。換言すれば、各位置規制壁１８ａは、ホール素子６の電極６ｂが突出していない部分で、ホール素子６の各側面６ｄに当接する。

このように、ホール素子６は、その磁束検出面６ｃの向きが、センサ保持部材１４のセンサ取付面１８によって規定され、磁束検出面６ｃの軸線方向の位置、及び円周方向の位置が、各位置規制壁１８ａによって規定される。また、半径方向外方に向くようにセンサ保持部材１４に形成されたセンサ取付面１８に、ホール素子６の磁束検出面６ｃを直接当接させて配置することにより、磁束検出面６ｃの向きを半径方向内方に向けて正確に規定することができる。即ち、磁束検出面６ｃがセンサ取付面１８に直接当接されるので、ホール素子６の本体部６ａに寸法誤差、形状誤差がある場合でも、磁束検出面６ｃの向きを正確に規定することができる。

次に、図２、図４及び図７を参照して、ホール素子６とフレキシブル基板８の接続構造を説明する。
まず、図４に示すように、３つのホール素子６を、センサ保持部材１４の外周面に設けられた３つのセンサ取付面１８に、夫々取り付ける。即ち、ホール素子６の磁束検出面６ｃを、センサ保持部材１４のセンサ取付面１８に接着する。この際、磁束検出面６ｃの両側の側面６ｄが、センサ取付面１８に設けられた位置規制壁１８ａに夫々当接される。なお、磁束検出面６ｃをセンサ取付面１８に接着する接着剤の層は、極めて薄く、均一に形成することが好ましい。これにより、各ホール素子６がセンサ保持部材１４に対して正確に位置決めされる。

次に、図２に示すように、フレキシブル基板８を、ステータ鉄心１０の直線部１０ａ及びセンサ保持部材１４の周囲に巻き付ける。なお、フレキシブル基板８には、各ホール素子６の磁束検出面６ｃを受け入れる長方形の切欠８ａが設けられており、これらの切欠８ａの縁には、ホール素子６の電極６ｂを電気的に接続するための接続部である基板ランド８ｂが形成されている。また、フレキシブル基板８上には、各基板ランド８ｂから夫々延びるように配線パターン８ｃが設けられており、これらの配線パターン８ｃは、ホール素子６への電流の供給、及びホール素子６の検出信号の伝達に利用される。また、フレキシブル基板８上には、各巻線コイル１２に電流を供給するための配線パターン（図示せず）も設けられている。

各ホール素子６の磁束検出面６ｃが、フレキシブル基板８の切欠８ａの内側に夫々受け入れられるように配置された状態においては、図７に示すように、フレキシブル基板８は、ホール素子６の磁束検出面６ｃと、ホール素子６の電極６ｂの先端との間に配置される。この状態においては、フレキシブル基板８の基板ランド８ｂは、巻き付けられたフレキシブル基板８の外周側に位置する。一方、ホール素子６の側面から突出する各電極６ｂは、フレキシブル基板８の切欠８ａの中を通って、フレキシブル基板８の外周側まで延びている。フレキシブル基板８の切欠８ａの縁に設けられた各基板ランド８ｂは、ホール素子６の各電極６ｂに対応する位置に設けられている。このため、各電極６ｂの先端を、巻き付けられたフレキシブル基板８の外周面で各基板ランド８ｂに半田付けし、電極６ｂを基板ランド８ｂに電気的に接続することができる。

このように、各ホール素子６をセンサ保持部材１４に接着した後、センサ保持部材１４にフレキシブル基板８を巻き付け、その後、各ホール素子６の電極６ｂと、フレキシブル基板８の基板ランド８ｂを接合している。このため、フレキシブル基板８を巻き付ける際に、電極６ｂと基板ランド８ｂの接合部に半田クラックが生じるのを防止することができる。なお、電極６ｂと基板ランド８ｂは、導電性の接着剤により接合することもできる。

本発明の実施形態のブラシレスモータ１によれば、センサ保持部材１４のセンサ取付面１８が、回転軸２ａを中心とする円の接線に平行に、回転軸２ａを中心とする円の半径方向外方に向けられている。このセンサ取付面１８に、ホール素子６の磁束検出面６ｃが当接されて取り付けられるので、磁束検出面６ｃがロータ２に向けられると共に、磁束検出面６ｃの角度がセンサ取付面１８によって規定される。これにより、ホール素子６の磁束検出面６ｃを正確に位置決めすることができ、ブラシレスモータ１の出力の低下や、振動、騒音の発生を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態のブラシレスモータ１によれば、センサ保持部材１４が、ステータ鉄心１０に対して位置決めされるので、センサ保持部材１４を確実に位置決めすることができ、これに形成されたセンサ取付面１８を正確に位置決めすることができる。

さらに、本実施形態のブラシレスモータ１によれば、センサ保持部材１４がステータ鉄心１０と嵌合する嵌合部１４ｂを備えているので、センサ保持部材１４のステータ鉄心１０に対する位置を容易に位置決めすることができる。

また、本実施形態のブラシレスモータ１によれば、センサ保持部材１４のセンサ取付面１８には、ホール素子６の側面６ｄと夫々合致する位置規制壁１８ａが設けられているので、ホール素子６の磁束検出面６ｃの角度に加え、磁束検出面６ｃの円周方向の位置も正確に位置決めすることができる。

さらに、本実施形態のブラシレスモータ１によれば、位置規制壁１８ａは、ホール素子６の側面６ｄの、電極６ｂが突出していない部分に当接するので、ホール素子６の軸線方向の位置も、位置規制壁１８ａにより位置決めすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、ステータ鉄心１０の、回転軸２ａと平行に延びる直線部１０ａの周りに巻線コイル１２が巻かれていたが、回転軸から放射状に延びるステータ鉄心の周りに巻線コイルが巻かれるタイプのブラシレスモータに本発明を適用することもできる。

１ ブラシレスモータ
２ ロータ
２ａ 回転軸
２ｂ マグネット
２ｃ 軸受け
４ ステータ
６ ホール素子（磁気センサ）
６ａ 本体部
６ｂ 電極
６ｃ 磁束検出面
６ｄ 側面
８ フレキシブル基板
８ａ 切欠
８ｂ 基板ランド（接続部）
８ｃ 配線パターン
１０ ステータ鉄心（磁性体部材）
１０ａ 直線部
１０ｂ 基部
１２ 巻線コイル
１４ センサ保持部材
１４ａ 円筒部
１４ｂ 嵌合部
１６ ベース部材
１８ センサ取付面
１８ａ 位置規制壁

Claims (6)

1. ロータの回転を検出する磁気センサを有するブラシレスモータであって、
   マグネットを備え、回転軸を中心に回転可能なロータと、
   複数の巻線コイルを備えたステータと、
   このステータ側に設けられ、上記ロータの上記マグネットの磁気を検出するための磁束検出面を備えた複数の磁気センサと、
   上記ロータの周囲を取り囲むように上記ステータ側に設けられ、上記磁気センサの上記磁束検出面を夫々当接させて取り付けるように構成された複数のセンサ取付面が外周に形成された、単一のセンサ保持部材と、
   を有し、
   上記各センサ取付面は、上記回転軸を中心とする円の接線に平行な平面であり、且つ、上記回転軸を中心とする円の半径方向外方に向けられていることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 上記ステータは、上記各巻線コイルが生成した磁束を夫々導くための磁性体部材を備え、上記センサ保持部材は、上記磁性体部材に対して位置決めされる請求項１記載のブラシレスモータ。
3. 上記磁性体部材は、上記回転軸の周囲に、上記回転軸と概ね平行に延びるように構成され、上記センサ保持部材は、上記磁性体部材に対する位置が位置決めされるように、上記磁性体部材と嵌合する嵌合部を備えている請求項２記載のブラシレスモータ。
4. 上記磁気センサは、上記磁束検出面の両側に設けられた側面を有し、上記センサ保持部材の上記センサ取付面には、上記磁気センサの上記側面と夫々合致する位置規制壁が設けられている請求項１乃至３の何れか１項に記載のブラシレスモータ。
5. 上記磁気センサは、上記磁気センサの両側の上記側面から夫々突出する電極を有し、上記位置規制壁は、上記磁気センサの上記側面の、上記電極が突出していない部分に当接する請求項４記載のブラシレスモータ。
6. さらに、フレキシブル基板を有し、このフレキシブル基板には、上記磁気センサの上記磁束検出面を受け入れる切欠、この切欠の縁に設けられた上記磁気センサの電極に接続すべき接続部、及びこの接続部から延びる配線パターンが設けられ、上記センサ保持部材は概ね円筒形に形成されると共に、上記磁気センサは表面実装型の素子であり、上記磁気センサの電極は、上記センサ保持部材の外周に巻き付けられた上記フレキシブル基板の外周面で、上記接続部に電気的に接続される請求項１乃至５の何れか１項に記載のブラシレスモータ。

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