JP2010057322A - モータ装置の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンピュータを用いてアマチュア軸に設ける溝部の直径寸法を最適化し、設計期間の短縮化を図る。
【解決手段】第５ステップ（Ｓ１０）で求めた固有振動周波数(PF)(1次〜4次)(φa〜φn)と、第３ステップ（Ｓ７）で求めた高周波領域周波数(HF)(1次〜4次)とを、第６ステップ（Ｓ１２〜Ｓ１５）において比較部により比較し、周波数差が70Hz以上となる最適直径寸法(φs)を決定し、第７ステップ（Ｓ１６）において最適直径寸法(φs)をディスプレイに表示するようにした。アマチュア軸の各溝部の直径寸法(φ)を複数の試作品を製作せずに最適化することができ、ワイパモータの設計期間の大幅な短縮化を図ることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、アマチュア軸に設ける溝部の直径寸法を、コンピュータを用いて最適化するようにしたモータ装置の設計方法に関する。

従来、自動車等の車両に搭載されるワイパ装置やパワーウィンド装置等には、電動モータ（駆動源）が設けられている。このような車載用の電動モータとしてはブラシ付きの直流モータがあり、ブラシ付きの直流モータは、モータケース（ヨーク）の内部に回転自在に設けられるコアと、コアのスロットに巻装されるコイルと、コアの回転中心に設けられるアマチュア軸と、アマチュア軸に一体に設けられてコイルの端部が接続されるコンミテータ（整流子）とを備えている。

ブラシ付きの直流モータとしては、例えば、特許文献１に記載された電動モータが知られている。この特許文献１に記載された電動モータは、ワイパ装置の駆動源、つまり車載用の電動モータとして用いられるものであり、この種の電動モータは、車両デザインの自由度向上やレイアウト性向上等の理由から、小型でありながら高出力が得られるようにすることが望まれている。

そこで、このような要請に対応して小型かつ高出力が得られる電動モータを得るために、例えば、アマチュア軸のコアと近接する位置に、アマチュア軸の周方向に沿う溝部を設け、当該溝部にコイルを巻装することが挙げられる。つまり、溝部に入り込むようコイルを巻装することによりコイルの巻き数を増加させ、その結果、小型かつ高出力が得られる電動モータを提供することが可能となる。
特開２００３−０３２９６６号公報（図１）

しかしながら、コイルの巻き数を増加させるために、単にアマチュア軸の所定箇所に溝部を形成したのでは、高出力化は期待できるものの、アマチュア軸の形状変更に伴って作動音が増大する虞がある。つまり、アマチュア軸の形状変更によりアマチュア軸の固有振動周波数が変化し、仮に、アマチュア軸の固有振動周波数と、モータ装置の作動時における振動周波数（ブラシの摺接ノイズ等による振動周波数）とが一致するような場合には、それぞれの周波数で共振が発生して大きな作動音が発生することになる。

各周波数が近似することにより共振が発生（作動音が増大）するか否かを検証するには、まず、アマチュア軸に設ける溝部の寸法の候補を複数挙げて、各寸法の溝部に対応した複数の試作品を製作する。そして、実際に各試作品を規定の回転数（定格回転数（無負荷））で作動させ、そのときの作動音を騒音計等の計測機器により測定する。このように、複数の試作品を実際に作動させて検証する必要があり、試作品の製作や作動音の測定等に手間がかかり、ひいては設計期間の長期化を招くといった問題が生じ得る。

本発明の目的は、コンピュータを用いてアマチュア軸に設ける溝部の直径寸法を最適化し、設計期間の短縮化を図ることができるモータ装置の設計方法を提供することにある。

本発明のモータ装置の設計方法は、ヨーク内に回転自在に設けられ、回転中心から放射状に延びる複数のティースおよび当該各ティース間に形成される複数のスロットを有するコアと、前記コアの回転中心に設けられるアマチュア軸と、前記アマチュア軸の軸方向に沿う前記コアの一側および他側に設けられ、前記アマチュア軸の周方向に沿う第１溝部および第２溝部と、前記アマチュア軸の前記第１溝部側に設けられる整流子と、前記複数のスロットに巻装され、端部が前記整流子に電気的に接続されるコイルとを備えるモータ装置の設計方法であって、記憶手段に格納された複数の異なるモータ装置のデータ群から、設計対象とする設計対象データを選択する第１ステップと、前記設計対象データのモータ基準回転数に基づいて、演算手段により前記設計対象データにおけるベース周波数を求める第２ステップと、前記ベース周波数に基づいて、前記演算手段により前記設計対象データにおける高周波領域周波数を求める第３ステップと、前記第１溝部および前記第２溝部の直径寸法を、入力手段により前記演算手段に複数入力する第４ステップと、前記各直径寸法に対応した前記設計対象データにおけるアマチュア軸の固有振動周波数を、前記演算手段により求める第５ステップと、前記第５ステップで求めた各固有振動周波数と前記第３ステップで求めた高周波領域周波数とを比較手段により比較し、周波数差が所定値以上となる最適直径寸法を決定する第６ステップと、前記最適直径寸法を表示手段に表示する第７ステップとを有することを特徴とする。

本発明のモータ装置の設計方法は、前記第３ステップでは、前記高周波領域周波数を、前記ベース周波数と、前記スロットのスロット数と、周波数の次数とを積算して求めることを特徴とする。

本発明のモータ装置の設計方法は、前記第６ステップでは、周波数差が７０Ｈｚ以上となる前記第１溝部および前記第２溝部の直径寸法を、前記最適直径寸法に決定することを特徴とする。

本発明のモータ装置の設計方法は、前記第６ステップでは、前記最適直径寸法の決定条件に、前記アマチュア軸の強度条件および組立条件を加えることを特徴とする。

本発明のモータ装置の設計方法は、前記第７ステップでは、前記最適直径寸法の表示に加えて、前記アマチュア軸の振動状態をシミュレーション表示することを特徴とする。

本発明によれば、第５ステップで求めた各固有振動周波数と、第３ステップで求めた高周波領域周波数とを、第６ステップにおいて比較手段により比較し、周波数差が所定値以上となる最適直径寸法を決定し、第７ステップにおいて最適直径寸法を表示手段に表示するようにしたので、共振の発生（作動音の増大）が抑制された第１溝部および第２溝部を備えたアマチュア軸を設計することができる。したがって、複数の試作品を製作した上で、実際に各試作品を作動させて検証する作業が不要となる。アマチュア軸に設ける溝部の直径寸法を複数の試作品を製作せずに最適化することができるので、設計期間の短縮化を図ることができ、ひいては製造コストを低減することができる。

本発明によれば、第３ステップでは、高周波領域周波数を、ベース周波数と、スロットのスロット数と、周波数の次数とを積算して求めるので、記憶部に格納されたモータ装置のデータを用いて高周波領域周波数を求めることができる。したがって、高周波領域周波数を求めるために別途データ等を入力する作業が不要となる。

本発明によれば、第６ステップでは、周波数差が７０Ｈｚ以上となる第１溝部および第２溝部の直径寸法を、最適直径寸法に決定するので、アマチュア軸の回転数のバラツキ（モータ装置の個体差）により高周波領域周波数に差が生じる場合であっても、共振の発生を確実に抑制することができる。

本発明によれば、第６ステップでは、最適直径寸法の決定条件に、アマチュア軸の強度条件および組立条件を加えるので、耐久性および生産性にも優れたモータ装置を設計することができる。

本発明によれば、第７ステップでは、最適直径寸法の表示に加えて、アマチュア軸の振動状態をシミュレーション表示するので、モータ装置の作動状態の可否を容易に検証することができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る設計方法により設計したモータ装置の断面図を、図２（ａ），（ｂ）は図１のモータ装置のアマチュア軸組立体を説明する説明図をそれぞれ表している。

図１に示すように、モータ装置としてのワイパモータ１０は、自動車等の車両に設けられるリヤガラスを払拭するリヤワイパ装置（図示せず）の駆動源として用いられ、ワイパモータ１０は、モータ本体部２０とギヤケース部４０とを備えている。

モータ本体部２０は、磁性材料よりなる鋼板等をプレス加工することにより有底状に形成されたヨーク２１を有している。ヨーク２１の内部には、断面が略円弧形状に形成された一対のマグネット（永久磁石）２２が対向配置されており、その内側には、所定の隙間を介してアマチュア軸組立体２３が回転自在に設けられている。

図２に示すように、アマチュア軸組立体２３は、磁性材料よりなる複数の鋼板を積層して形成されたコア２４を有している。コア２４は、図２（ｂ）に示すように、当該コア２４の回転中心側に設けられる芯部２４ａと、コア２４の回転中心から放射状に延びる複数のティース２４ｂとを備えている。芯部２４ａおよび各ティース２４ｂは、打ち抜き加工（プレス加工）によりそれぞれ一体に形成されている。

本実施の形態においては、各ティース２４ｂは、芯部２４ａの周方向に沿って略等間隔で10個設けられており、各ティース２４ｂ間には10個のスロット２４ｃが形成されている。各スロット２４ｃには、銅製の線材等よりなるコイル２５が重ね巻きにより巻装されている。

コア２４の回転中心、つまり芯部２４ａの中心部分には、アマチュア軸２６が貫通して固定されており、当該アマチュア軸２６は、コア２４とともに回転するようになっている。

アマチュア軸２６の基端側（図中右側）には凹部２６ａが設けられており、凹部２６ａには、アマチュア軸２６のスラスト荷重を受けるスチールボール（鋼球）２７が収容されている（図１参照）。スチールボール２７は、アマチュア軸２６の凹部２６ａとヨーク２１の底部側（図中右側）に設けられたスラストプレート２１ａとの間に配置され、凹部２６ａおよびスラストプレート２１ａのそれぞれに線接触あるいは点接触するようになっている。また、アマチュア軸２６の基端側は、ヨーク２１の底部側に設けられたラジアル軸受２８により回転自在に支持されている。

アマチュア軸２６の先端側（図中左側）には、螺旋状のギヤ歯（詳細図示せず）よりなるウォーム２６ｂが一体に設けられている。ウォーム２６ｂの先端側は、ギヤケース部４０のケース４１に設けられたスラスト軸受２９により支持されており、ウォーム２６ｂの基端側は、ケース４１に設けられたラジアル軸受３０により回動自在に支持されている。

アマチュア軸２６の軸方向に沿うコア２４の近傍には、第１溝部３１および第２溝部３２が一体に設けられている。第１溝部３１はコア２４の一側（図中左側）に設けられ、第２溝部３２はコア２４の他側（図中右側）に設けられている。各溝部３１，３２は、アマチュア軸２６の周方向に沿うよう環状に形成されており、その直径寸法は何れもφ5(mm)に設定されている。なお、アマチュア軸２６のウォーム２６ｂ，各溝部３１，３２を除く他の部分の直径寸法はφ7(mm)に設定されている。

アマチュア軸２６の第１溝部３１側には、当該アマチュア軸２６と同心状に略筒状に形成されたコンミテータ（整流子）３３が設けられている。コンミテータ３３はアマチュア軸２６とともに回転するようになっており、導電性を有する鋼材よりなる複数の接触片３３ａを備えている。各接触片３３ａは、溶融樹脂をモールド成形することにより略筒状に一体化されており、各接触片３３ａは、各スロット２４ｃの数と同じ数だけ(10個)設けられている。各接触片３３ａには、各スロット２４ｃから延ばされたコイル２５の端部が電気的に接続されている。

各溝部３１，３２には、各スロット２４ｃに巻装されたコイル２５が入り込んでいる。コイル２５は、各スロット２４ｃ間を跨ぐよう各溝部３１，３２の部分で折り返されて、その際に各溝部３１，３２内に配置されるようになっている。このように、各溝部３１，３２内にコイル２５の折り返し部分を入り込ませることにより、コイル２５の所謂「巻き太り」を抑え、ひいてはコイル２５の良好な組立性確保と巻き数増加とを実現させている。これによりワイパモータ１０の外形寸法を大型化させずに高出力化を図っている。

モータ本体部２０とギヤケース部４０との間には、図１に示すように、プラスチック等の樹脂材料により略円筒状に形成されたブラシホルダ３４が装着されている。ブラシホルダ３４は、一対のカーボン製のブラシ３５を移動自在に保持しており、各ブラシ３５は、コンミテータ３３の各接触片３３ａに摺接するようになっている。

ギヤケース部４０は、溶融したアルミ材料等を鋳造することにより有底状に形成されたケース４１を有しており、ケース４１の内部には、減速機構４２および運動変換機構４３が収容されている。また、ケース４１には、図示しない車両側の外部コネクタ（給電コネクタ）が接続される樹脂製のコネクタ接続部４４が一体に設けられており、コネクタ接続部４４内のターミナル４４ａを介して、各ブラシ３５に駆動電流が供給されるようになっている。

減速機構４２は、ケース４１内に突出されたウォーム２６ｂと、ケース４１内に回転自在に設けられたウォームホイール４５とから構成されている。ウォームホイール４５の回転中心には回転軸４５ａが設けられ、ウォームホイール４５の外周側にはウォーム２６ｂと噛み合うギヤ歯（平歯車）４５ｂ（詳細図示せず）が設けられている。減速機構４２は、アマチュア軸２６の回転を所定の速度にまで減速し、回転軸４５ａを介して高トルク化された出力を出力するようになっている。

ウォームホイール４５の回転軸４５ａから所定距離離間した位置には、セクタギヤ４６の一端側（図中右側）が回動自在に設けられており、セクタギヤ４６の一端側は、ウォームホイール４５の回転に伴って、回転軸４５ａの周囲を移動するようになっている。セクタギヤ４６の他端側（図中左側）には、略扇形状のギヤ本体４６ａが設けられており、ギヤ本体４６ａには、ギヤ歯（平歯車）４６ｂが一体に設けられている。

ギヤ本体４６ａのギヤ歯４６ｂには、出力歯車４７のギヤ歯（平歯車）４７ａが噛み合わされており、出力歯車４７は、セクタギヤ４６の揺動に伴って揺動運動するようになっている。出力歯車４７の回転中心には、一端側がケース４１の外部に突出された出力軸４７ｂの他端側が一体に設けられている。

セクタギヤ４６の他端側と出力軸４７ｂの他端側との間には、連結板４８の端部がそれぞれ回動自在に設けられている。連結板４８は、セクタギヤ４６の他端側と出力軸４７ｂの他端側との間の距離を一定に保ち、各ギヤ歯４６ｂ，４７ａの噛み合い状態を維持するようになっている。ここで、運動変換機構４３は、セクタギヤ４６，出力歯車４７および連結板４８により構成されている。

アマチュア軸２６の回転に伴いウォームホイール４５が回転すると、セクタギヤ４６の一端側が回転軸４５ａの周囲を移動する。これに伴い、セクタギヤ４６のギヤ本体４６ａが揺動し、この揺動運動が出力歯車４７に伝達されて出力軸４７ｂが揺動する。このように、運動変換機構４３は、減速機構４２の回転運動を出力軸４７ｂの揺動運動に変換し、出力軸４７ｂの一端側に装着されるリヤワイパアーム（図示せず）を揺動運動させるようになっている。

次に、ワイパモータ１０の設計方法について図面を用いて詳細に説明する。図３は本発明に係る設計方法を実行するコンピュータの構成図を、図４はアマチュア軸の振動状態の表示内容を説明する説明図を、図５は比較部の処理内容を説明する説明図を、図６は図３のコンピュータの処理内容を示すフローチャートを、図７は周波数(Hz)−音圧レベル(dB)グラフをそれぞれ表している。

図３に示すように、本発明に係る設計方法を実行するコンピュータ５０は、記憶部（記憶手段）５１，演算部（演算手段）５２，シミュレーション部５３，比較部（比較手段）５４および表示制御部５５を備えている。また、コンピュータ５０には、入力手段としてのキーボード５６および表示手段としてのディスプレイ５７が接続されている。

記憶部５１は、図６に示すフローチャートを実行するプログラムに加えて、複数の異なるワイパモータのデータ群（基準データ群）が予め格納されている。基準データ群は、フロント用やリヤ用等、さらには減速比の異なる既存のワイパモータの種々のデータ（アマチュア軸の直径，アマチュア軸の長さ，コアの直径，コアの長さ等）により構成されている。本発明に係る設計方法は、記憶部５１に格納された基準データ群に基づいて、設計すべき新規のワイパモータ１０（低騒音型ワイパモータ）を設計するようになっている。

演算部５２は、操作者によるキーボード５６からの入力データ（仕様選定データ）に基づき、記憶部５１から一のワイパモータ１０の基準データ（設計対象データ）を抽出する。そして、演算部５２は所定の演算処理を実行し、設計対象データ（仕様ａ）に基づくベース周波数(BF)および高周波領域周波数(HF)を算出する。ここで、ベース周波数(BF)は下記式(1)により求められ、高周波領域周波数(HF)は下記式(2)により求められる。

BF(Hz)＝R(rpm)×SR×1/60・・・式(1)
BF：ベース周波数
R：モータ基準回転数（定格回転数（無負荷））
SR：減速機構の減速比

ベース周波数(BF)は、ワイパモータ１０が回転することにより発生する周波数を表し、この場合、仕様ａのモータ基準回転数(R)と、仕様ａの減速機構４２の減速比(SR)とから求めることができる。ここで、仕様ａのモータ基準回転数(R)を「40.00rpm」，仕様ａの減速比(SR)を「86.50」とすると、仕様ａのベース周波数(BF)は「57.60Hz」となる。

HF(Hz)＝BF(Hz)×S(個)×周波数の次数(自然数)・・・式(2)
HF：高周波領域周波数
S：スロットの個数

高周波領域周波数(HF)は、各ブラシ３５のコンミテータ３３への摺接等により発生する振動（ノイズ）に起因するもので、約300Hz〜2500Hzの範囲の高周波数を指している。高周波領域周波数(HF)は、アマチュア軸２６が一回転するときに各ブラシ３５が各接触片３３ａを何回乗り越えるかにより決定される。ここで、仕様ａのベース周波数(BF)を「57.60Hz」，仕様ａのスロット２４ｃの個数(S)を「10個」とすると、仕様ａの高周波領域周波数(HF)(1次〜4次)は、「576.00Hz(1次)」，「1152.00Hz(2次)」，「1728.00Hz(3次)」，「2304.00Hz(4次)」となる。

演算部５２では、ベース周波数(BF)および高周波領域周波数(HF)(1次〜4次)の算出に加えて、操作者によるキーボード５６からの入力データ（第１，第２溝部３１，３２の直径寸法データ）に基づき、各溝部３１，３２を有するアマチュア軸２６の固有振動周波数(PF)(1次〜4次)を求める。ここで、設計すべき各溝部３１，３２の直径寸法(φ)としては、比較対象を生成するために幾つかの候補(φa〜φn)を入力しておく。固有振動周波数(PF)は、入力した各溝部３１，３２の直径寸法(φa〜φn)，アマチュア軸２６の長さ，重さ，コア２４の長さ，重さ，アマチュア軸２６とコア２４との位置関係等により求められる。

演算部５２で求めたアマチュア軸２６の固有振動周波数(PF)(1次〜4次)(φa〜φn)は、シミュレーション部５３に送出される。シミュレーション部５３では、候補(φa〜φn)に対応するアマチュア軸２６の振動状態を、それぞれＦＥＭ（Finite Element Method）解析によりシミュレートする。具体的には、図４に示すアマチュア軸組立体２３を複数のメッシュにより３次元モデル化（図中破線円Ｂ部参照）し、複数のメッシュを振動規模に応じて色分けする処理を行う。そして、シミュレーション部５３におけるシミュレーション結果は、ディスプレイ５７にシミュレーション表示するために表示制御部５５へ送出される。

比較部５４は、演算部５２で求めた高周波領域周波数(HF)(1次〜4次)および、固有振動周波数(PF)(1次〜4次)(φa〜φn)に基づいて、図５に示す比較表を生成し、高周波領域周波数(HF)(1次〜4次)と、候補(φa〜φn)に対応する固有振動周波数(PF)(1次〜4次)とをそれぞれ比較する。比較部５４では、各次数(1〜4)のそれぞれにおいて所定の周波数差（70Hz以上の差）を有する候補を選定、つまり共振の発生を抑えられる各溝部３１，３２の直径寸法を最適直径寸法(φs)として決定する。ここで、所定の周波数差を70Hz以上としたのは、モータ本体部２０の個体差によるモータ基準回転数のバラツキ（±5rpm）を考慮し、余裕を持たせた十分な大きさの周波数差とするためである。

比較部５４における最適直径寸法(φs)の決定条件には、アマチュア軸２６の強度条件や組立条件が加えられる。ここで、アマチュア軸２６の強度条件とは、各溝部３１，３２の直径寸法が小さすぎて「強度不足」が生じているか否かを強度計算により判定する条件のことである。また、アマチュア軸２６の組立条件とは、各溝部３１，３２の直径寸法が大きすぎてコイル２５の「巻き太り」が生じるか否かを組立シミュレーションにより判定する条件のことである。

表示制御部５５では、シミュレーション部５３におけるシミュレーション結果（図４参照）と、比較部５４で生成した比較表（図５参照）とを、ディスプレイ５７に表示させる制御を行う。これにより、操作者は、ディスプレイ５７を目視することで、入力した候補(φa〜φn)のアマチュア軸２６の振動状態を認識することができ、また、入力した候補(φa〜φn)のうちの最適直径寸法(φs)を認識することができる。

次に、コンピュータ５０の処理内容について、図６に示すフローチャートを用いて詳細に説明する。

［設計対象データの選定工程］
まず、コンピュータ５０を起動させて記憶部５１に格納されたプログラムを実行する（ステップＳ１）。次いで、キーボード５６を介して、今回設計対象とする仕様選定データ（仕様ａ）を入力する（ステップＳ２）。ステップＳ３では、演算部５２が仕様ａに基づいて記憶部５１内の基準データ群を参照する。ステップＳ４では、基準データ群の中に仕様ａの基準データ（設計対象データ）があるか否かを判定し、Yesと判定した場合にはステップＳ５に進み、Noと判定した場合にはステップＳ２に戻る。

［ベース周波数(BF)の算出工程］
ステップＳ５では、仕様ａの基準データ（設計対象データ）を記憶部５１から抽出する。ステップＳ６では、上記式(1)に基づいて、演算部５２により仕様ａのベース周波数(BF)を算出する。ここで、ステップＳ２〜ステップＳ５の処理内容が本発明における第１ステップを構成し、ステップＳ６の処理内容が本発明における第２ステップを構成している。

［高周波領域周波数(HF)(1次〜4次)の算出工程］
ステップＳ７では、上記式(2)に基づいて、演算部５２により、図５中破線部(I)に示す高周波領域周波数(HF)(1次〜4次)を算出する。ここで、ステップＳ７の処理内容が本発明における第３ステップを構成している。

［各溝部の直径寸法候補の入力工程］
ステップＳ８では、キーボード５６を介して、各溝部３１，３２の直径寸法の候補(φa〜φn)を演算部５２に入力する。ここでは、図５中破線部(II)に示すように、No.1(φ3)〜No.4(φ6)の４つの候補を入力している。なお、図５中破線部(II)のNo.5(無し)は、比較のための各溝部３１，３２が無いものを示している。

ステップＳ９では、ステップＳ８で入力されたNo.1(φ3)〜No.4(φ6)の数値が適正か否か、つまりNo.1(φ3)〜No.4(φ6)の数値がアマチュア軸２６の他の部分の直径寸法φ7(mm)よりも小さいか否かを判定する。Yesと判定した場合にはステップＳ１０に進み、Noと判定した場合にはステップＳ８に戻る。ここで、ステップＳ８およびステップＳ９の処理内容が本発明における第４ステップを構成している。

［固有振動周波数(PF)(1次〜4次)(φa〜φn)の算出工程］
ステップＳ１０では、演算部５２により、ステップＳ８で入力されたNo.1(φ3)〜No.4(φ6)のそれぞれについて、図５中破線部(II)に示すように、アマチュア軸２６の固有振動周波数(PF)(1次〜4次)を求める。ここで、ステップＳ１０の処理内容が本発明における第５ステップを構成している。

ステップＳ１１では、シミュレーション部５３により、ステップＳ１０で求めたアマチュア軸２６の固有振動周波数(PF)(1次〜4次)に基づいて、No.1(φ3)〜No.4(φ6)のそれぞれに対応するアマチュア軸組立体２３の３次元モデルを生成（ＦＥＭ解析）する。ここでは、No.5(無し)の３次元モデルも生成し、その後、各３次元モデルはそれぞれディスプレイ５７に表示される。

［最適直径寸法(φs)の決定工程］
ステップＳ１２では、比較部５４により、図５中破線部(I)の高周波領域周波数(HF)(1次〜4次)と、図５中破線部(II)のNo.1(φ3)〜No.5(無し)に対応する固有振動周波数(PF)(1次〜4次)とに基づいて、図５に示す比較表を生成するとともに、高周波領域周波数(HF)と各固有振動周波数(PF)とをそれぞれ比較する比較処理を実行する。

ステップＳ１３では、No.1(φ3)〜No.4(φ6)の中から、各次数(1〜4)のそれぞれにおいて70Hz以上の差を有する直径寸法(φ)のものを選定する。ここでは、図５に示すようにNo.1(φ3)〜No.3(φ5)の３つが、周波数比較の観点から最適直径寸法(φs)として選定される。

ステップＳ１４では、ステップＳ１３で選定したNo.1(φ3)〜No.3(φ5)が諸条件を満たすか否か、つまり、図５中破線部(III)に示すように、No.1(φ3)〜No.3(φ5)がそれぞれ「強度条件」および「組立条件」の双方を満たすか否かを判定する。Yesと判定した場合にはステップＳ１５に進み、Noと判定した場合にはステップＳ８に戻る。

ステップＳ１５では、No.1(φ3)〜No.3(φ5)のうち、「強度条件」および「組立条件」の双方を十分に満たすものを１つ選定、つまり図５に示すようにNo.3(φ5)を選定する。そして、選定したNo.3(φ5)を、「周波数比較条件」，「強度条件」および「組立条件」の何れをも満たす最適直径寸法(φs)として最終的に決定し、No.3(φ5)の総合判定を「○」とする。ここで、ステップＳ１２〜ステップＳ１５の処理内容が本発明における第６ステップを構成している。

［ディスプレイ表示工程］
ステップＳ１６では、シミュレーション表示（図４参照）および最適直径寸法(φs)（図５参照）の表示に加え、No.3(φ5)にて量産に移行可能である旨の内容、つまり「量産移行許可」等をディスプレイ５７に表示させ、これにより操作者は、低騒音化を実現できる各溝部３１，３２の最適直径寸法(φs)を認識することができる。その後、ステップＳ１７に進んで本プログラムが終了する。ここで、ステップＳ１６の処理内容が本発明における第７ステップを構成している。

図７は、従来の設計方法によるワイパモータ（図示せず）の作動音と、本発明の設計方法によるワイパモータ１０の作動音とを比較したグラフ（実測値）を示しており、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）解析により得たものである。図７に示すように、Over All値で従来例が「34.00dB」であったのに対し、本発明では「28.80dB」となり「5.20dB」の作動音低減が図れた。特に、耳障りとなる２次成分周波数（1200Hz）の近傍において、大幅に作動音を低減させることができた（図中破線円部分参照）。なお、図７に示すグラフは、何れもモータ基準回転数「40.00rpm」で、かつ無負荷状態における測定結果である。

ここで、従来の設計方法によるグラフ（一点鎖線）は、製作した複数の試作品の中で最も作動音が最小となるものをピックアップしたものであり、各試作品の中には、本発明の設計方法により見出した最適直径寸法(φs)のものが存在しなかった。つまり、本発明の設計方法においては、試作品を製作すること無く最適直径寸法(φs)を容易に導き出すことができるが、従来の設計方法において本発明と同等の結果を得るためには、最適直径寸法（φs）が得られる可能性を高めるために、より多くの試作品を製作することが必要となる。

以上詳述したように、本実施の形態に係るモータ装置の設計方法によれば、第５ステップで求めた固有振動周波数(PF)(1次〜4次)(φa〜φn)と、第３ステップで求めた高周波領域周波数(HF)(1次〜4次)とを、第６ステップにおいて比較部５４により比較し、周波数差が70Hz以上となる最適直径寸法(φs)を決定し、第７ステップにおいて最適直径寸法(φs)をディスプレイ５７に表示するようにしたので、共振の発生（作動音の増大）が抑制された第１溝部３１および第２溝部３２を備えたアマチュア軸２６を設計することができる。

したがって、従前のように、複数の試作品を製作した上で、実際に各試作品を作動させて検証する作業が不要となる。アマチュア軸２６に設ける各溝部３１，３２の直径寸法(φ)を複数の試作品を製作せずに最適化することができるので、ワイパモータ１０の設計期間の大幅な短縮化を図ることができ、ひいては製造コストを低減することができる。

また、本実施の形態に係るモータ装置の設計方法によれば、第３ステップでは、高周波領域周波数(HF)(1次〜4次)、ベース周波数(BF)と、スロット２４ｃのスロット数と、周波数の次数とを積算して求めるので、記憶部５１に格納されたワイパモータ１０のデータ（設計対象データ）を用いて高周波領域周波数を求めることができる。したがって、高周波領域周波数を求めるために別途データ等を入力する作業が不要となる。

さらに、本実施の形態に係るモータ装置の設計方法によれば、第６ステップでは、周波数差が70Hz以上となる第１溝部３１および第２溝部３２の直径寸法(φ)を、最適直径寸法(φs)に決定するので、アマチュア軸２６の回転数のバラツキ（ワイパモータ１０の個体差）により高周波領域周波数に差が生じる場合であっても、共振の発生を確実に抑制することができる。

また、本実施の形態に係るモータ装置の設計方法によれば、第６ステップでは、最適直径寸法(φs)の決定条件に、アマチュア軸２６の強度条件および組立条件を加えるので、耐久性および生産性にも優れたワイパモータ１０を設計することができる。

さらに、本実施の形態に係るモータ装置の設計方法によれば、第７ステップでは、最適直径寸法(φs)の表示に加えて、アマチュア軸２６の振動状態をシミュレーション表示するので、ワイパモータ１０の作動状態の可否を容易に検証することができる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記実施の形態においては、本発明の設計方法を、車両のリヤガラスを払拭するリヤワイパ装置のワイパモータ１０に適用したものを示したが、本発明はこれに限らず、車両のフロントガラスを払拭するフロントワイパ装置のワイパモータに適用することもできる。また、この他に、車載用の電動モータとしてのパワーウィンドモータや電動サンルーフ用モータ，電動スライドドア用モータ等にも本発明を適用することができる。

さらに、上記実施の形態においては、本発明の設計方法を、車両に搭載されるワイパモータ１０に適用したものを示したが、本発明はこれに限らず、例えば、航空機や鉄道車両，建設機械等に設けられるワイパ装置のワイパモータに適用することもできる。

本発明に係る設計方法により設計したモータ装置の断面図である。 （ａ），（ｂ）は、図１のモータ装置のアマチュア軸組立体を説明する説明図である。 本発明に係る設計方法を実行するコンピュータの構成図である。 アマチュア軸の振動状態の表示内容を説明する説明図である。 比較部の処理内容を説明する説明図である。 図３のコンピュータの処理内容を示すフローチャートである。 周波数(Hz)−音圧レベル(dB)グラフである。

符号の説明

１０ ワイパモータ（モータ装置）
２０ モータ本体部
２１ ヨーク
２１ａ スラストプレート
２３ アマチュア軸組立体
２４ コア
２４ａ 芯部
２４ｂ ティース
２４ｃ スロット
２５ コイル
２６ アマチュア軸
２６ａ 凹部
２６ｂ ウォーム
２７ スチールボール
２８ ラジアル軸受
２９ スラスト軸受
３０ ラジアル軸受
３１ 第１溝部
３２ 第２溝部
３３ コンミテータ（整流子）
３３ａ 接触片
３４ ブラシホルダ
３５ ブラシ
４０ ギヤケース部
４１ ケース
４２ 減速機構
４３ 運動変換機構
４４ コネクタ接続部
４４ａ ターミナル
４５ ウォームホイール
４５ａ 回転軸
４６ セクタギヤ
４６ａ ギヤ本体
４６ｂ ギヤ歯
４７ 出力歯車
４７ｂ 出力軸
４８ 連結板
５０ コンピュータ
５１ 記憶部（記憶手段）
５２ 演算部（演算手段）
５３ シミュレーション部
５４ 比較部（比較手段）
５５ 表示制御部
５６ キーボード（入力手段）
５７ ディスプレイ（表示手段）

Claims (5)

1. ヨーク内に回転自在に設けられ、回転中心から放射状に延びる複数のティースおよび当該各ティース間に形成される複数のスロットを有するコアと、
   前記コアの回転中心に設けられるアマチュア軸と、
   前記アマチュア軸の軸方向に沿う前記コアの一側および他側に設けられ、前記アマチュア軸の周方向に沿う第１溝部および第２溝部と、
   前記アマチュア軸の前記第１溝部側に設けられる整流子と、
   前記複数のスロットに巻装され、端部が前記整流子に電気的に接続されるコイルとを備えるモータ装置の設計方法であって、
   記憶手段に格納された複数の異なるモータ装置のデータ群から、設計対象とする設計対象データを選択する第１ステップと、
   前記設計対象データのモータ基準回転数に基づいて、演算手段により前記設計対象データにおけるベース周波数を求める第２ステップと、
   前記ベース周波数に基づいて、前記演算手段により前記設計対象データにおける高周波領域周波数を求める第３ステップと、
   前記第１溝部および前記第２溝部の直径寸法を、入力手段により前記演算手段に複数入力する第４ステップと、
   前記各直径寸法に対応した前記設計対象データにおけるアマチュア軸の固有振動周波数を、前記演算手段により求める第５ステップと、
   前記第５ステップで求めた各固有振動周波数と前記第３ステップで求めた高周波領域周波数とを比較手段により比較し、周波数差が所定値以上となる最適直径寸法を決定する第６ステップと、
   前記最適直径寸法を表示手段に表示する第７ステップとを有することを特徴とするモータ装置の設計方法。
2. 請求項１記載のモータ装置の設計方法において、前記第３ステップでは、前記高周波領域周波数を、前記ベース周波数と、前記スロットのスロット数と、周波数の次数とを積算して求めることを特徴とするモータ装置の設計方法。
3. 請求項１または２記載のモータ装置の設計方法において、前記第６ステップでは、周波数差が７０Ｈｚ以上となる前記第１溝部および前記第２溝部の直径寸法を、前記最適直径寸法に決定することを特徴とするモータ装置の設計方法。
4. 請求項３記載のモータ装置の設計方法において、前記第６ステップでは、前記最適直径寸法の決定条件に、前記アマチュア軸の強度条件および組立条件を加えることを特徴とするモータ装置の設定方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のモータ装置の設計方法において、前記第７ステップでは、前記最適直径寸法の表示に加えて、前記アマチュア軸の振動状態をシミュレーション表示することを特徴とするモータ装置の設計方法。

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