JP3695653B2

JP3695653B2 - ブラシモータ

Info

Publication number: JP3695653B2
Application number: JP2002114316A
Authority: JP
Inventors: 善男樋口
Original assignee: Funai Electric Co Ltd
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: CN100358224C; JP2003319630A; CN1452302A; US6867523B2; US20040140724A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子コアの回転位置の変化に対応して生じる界磁の変化を検出する磁気センサを設けたブラシモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流モータの回転速度の検出に使用される周波数発電機（以下ではＦＧと称する）については、ブラシレスモータの場合、回転する永久磁石からの磁界を検出するＦＧコイル等のセンサを設ける構成が提案されている（実公平４−４８１４５号）。しかし、ブラシモータにおいては、永久磁石が回転しないため、実公平７−１３４２０号なる従来技術が提案されている。
【０００３】
すなわち、この技術においては、回転子に装着され、且つ、外周に複数個の磁極歯を備えた円板状のロータを設けている。また、モータハウジングに接し、且つ、ロータの板面状の磁極歯と重なり合うように、ロータの磁極歯と相対向して配置された内周に、複数個の磁極歯を備えた環状且つ円板状のステータを設けている。また、ロータの磁極歯とステータの磁極歯との間に磁界を形成する永久磁石を設けている。且つ、ロータの磁極歯とステータの磁極歯との間に生じる磁界の変化を検出する周波数検出用コイルを設けている。このため、回転子が回転すると、ロータの磁極歯とステータの磁極歯との間の磁気抵抗が変化する。従って、この磁気抵抗の変化によって磁界の変化が発生するので、その変化が周波数検出用コイルによって検出されることになる（第１の従来技術とする）。
【０００４】
また、実開昭５８−５７２８４号や実公昭６０−１５４３１号として提案された従来技術においては、複数の磁極が着磁され、モータ軸と一体に回転する回転磁石を設けている。そして、この回転磁石が回転することによって生じる磁界の変化を、検出コイルを用いて検出している（第２の従来技術とする）。
【０００５】
また、実開昭６１−２０５２７７号として提案された従来技術では、コアレス型電機子の外周に、磁極を細かなピッチで着磁している。また、電機子の外周部分に着磁された磁極が発生する磁界を検出するための磁気センサを設けている。このため、電機子が回転するときには、磁気センサから、電機子の回転速度に比例した周波数の出力が送出されることになる（第３の従来技術とする）。
【０００６】
また、ＦＧ信号の発生手段を有しないブラシモータを用いた場合の従来技術が提案されている。すなわち、この構成においては、図１４に示すように、ＤＶＤ再生装置のシャーシ９２に取り付けられたブラシモータ９１のモータ軸には、ＤＶＤを回転駆動するためのターンテーブル９４が取り付けられている。また、ターンテーブル９４の下面９４１には、反射部材が貼り付けられるとともに、基板９３には反射型のフォトイタラプタ９５が設けられている。そして、フォトイタラプタ９５の出力を波形整形し、ＦＧ信号としていた。つまり、ブラシモータ９１の外部に、ＦＧ信号の発生手段を設けていた（第４の従来技術とする）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した第１の従来技術においては、外周に複数個の磁極歯を備えた円板状のロータと、内周に複数個の磁極歯を備えたステータと、ロータの磁極歯とステータの磁極歯との間に磁界を形成するための永久磁石と、周波数検出用コイルとを必要としている。このため、第１の従来技術を用いる場合には、モータの構造が複雑になるという問題が生じていた。また、第２の従来技術においても、ＦＧを構成するためには、別途に設けられた回転磁石を必要とするので、モータの構造が複雑になり、形状が大型化するという問題が生じていた。
【０００８】
また、第３の従来技術は、コアレス型電機子を備えたモータに限定される技術となっている。つまり、回転子コアを備えた構成のモータにおいては、電機子の外周に、直接に、ＦＧを構成するための着磁を行うことができない。
【０００９】
また、第４の従来技術においては、ブラシモータ９１の外部にフォトイタラプタ９５を設ける必要があるので、フォトイタラプタ９５のための空隙Ｌ９を確保する必要がある。また、フォトイタラプタ９５を取り付けるための基板９３を必要とする。その結果、ターンテーブル９４を、シャーシ９２から距離Ｌ８分だけ離れた位置に設けなければならないので、ターンテーブル９４がシャーシ９２から出っ張ることになる。このため、ブラシモータ９１を用いた装置（ＤＶＤ再生装置）の形状を偏平化することが困難となっていた（なお、ターンテーブル９４の下面９４１に、周方向に分割された着磁を行い、ホール素子を用いて、この着磁による磁界の変化を検出する構成とすることもできるが、この場合でも、ホール素子の高さ分と基板９３の厚み分とが、装置の形状を偏平化するときの障害となる）。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するため創案されたものであって、その目的は、形状の大型化と構造の複雑化とを招くことなくＦＧ信号を生成することのでき、且つ、ＦＧ信号を生成する磁気センサの出力レベルを極めて高くすることのできるブラシモータを提供することにある。
【００１１】
また、上記目的に加え、磁気センサをコイルとすることにより、磁気センサの価格を安価なものとすることのできるブラシモータを提供することにある。
【００１２】
また、上記目的に加え、磁気センサをホール素子とすることにより、出力レベルを高くするときにも磁気センサの取り付けを容易にすることのできるブラシモータを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係るブラシモータは、界磁形成用の永久磁石を有する固定子と、回転子コアに回転子巻線が巻回された回転子とを備え、給電用ブラシに摺動するコミテータを介して回転子巻線に電流が供給されるブラシモータにおいて、回転子コアの回転位置の変化に対応して生じる前記界磁の変化を検出する磁気センサを設け、且つ、固定子を、その内周面が回転子コアの外周面と対向するリング状の永久磁石とし、且つ、磁気センサの周方向における取り付け位置を、永久磁石の磁極の中央位置の近傍とし、且つ、軸方向においては永久磁石の長さが回転子コアの長さより長く形成され、且つ、永久磁石を、コミテータの取り付け側に、回転子コアの軸方向における端面より出っ張らせ、且つ、磁気センサの取り付け位置を、前記出っ張らせた部分の内周側としている。
【００１４】
すなわち、永久磁石により形成される界磁の状態は、回転子の回転位置によって変化する。従って、磁気センサを用いて前記変化を検出すると、検出結果は回転子の回転速度を示すことになる。且つ、回転子の回転により生じる界磁の変化の程度は、周方向においては、永久磁石の磁極の中央位置の近傍において大きくなり、且つ、磁気センサを取り付けることが可能な空間のうちでは、出っ張り部分の内周側においてより大きくなる。
【００１５】
また、上記構成に加え、磁気センサを検出コイルとしている。すなわち、磁気センサを安価な素子でもって構成することができる。
【００１６】
また、上記構成に加え、磁気センサをホール素子としている。すなわち、ホール素子をチップ部品とするときには、狭い空間にも容易に取り付けることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係るブラシモータの第１の実施形態を示す構造図であり、同図（Ｂ）は、後部側から見たときの形状を示し、同図（Ａ）は、（Ｂ）のＡＡ断面を示している。また、図２は、エンドベルプレートを内部側から見たときの形状図となっている。
【００１８】
図において、一方の端部が閉じられた略円筒状のモータハウジング４の内部には、界磁を形成するためのリング状の永久磁石２が取り付けられている。また、回転子３は、エンドベルプレート５に設けられた軸受５８と、モータハウジング４の円板状の前面板４１に設けられた軸受４８とにより、回転可能に支持されている。この回転子３は、モータ軸３７に固着された回転子コア３１を備えており、回転子コア３１は３つのアーム部３３を有している。また、アーム部３３のそれぞれには回転子巻線３２が巻回されている。また、モータ軸３７のエンドベルプレート５側にはコミテータ７が取り付けられている（７１はノイズ消去用素子となっている）。
【００１９】
エンドベルプレート５は、略円板状の、合成樹脂等の絶縁材からなり、軸受５８を挟んで対向する位置のそれぞれには、内部側に突出する弓状凸部５２，５３が形成されている。そして、下方側の弓状凸部５２は、給電用ブラシ６を支持するためのブラシ支持部となっている。すなわち、回転子巻線３２には、給電用ブラシ６に摺動するコミテータ７を介して電流が供給されるようになっている。また、上部側の弓状凸部５３には、内部側に向かって四角柱状に突出する突部５４が形成されている。そして、この突部５４の先端面には、回転子コア３１の回転位置の変化に対応して生じる界磁の変化を検出するホール素子（磁気センサ）１が取り付けられている。
【００２０】
なお、リング状の永久磁石２の軸方向に沿った長さＬ１は、回転子コア３１の軸方向に沿った長さＬ２より長くなっている。且つ、永久磁石２は、軸方向においては、コミテータ７の取り付け側に、回転子コア３１の軸方向における端面３４１より出っ張るように設けられている。また、永久磁石２は、回転子コア３１の他方の端面３４２の側においても、軸方向において出っ張っているが、出っ張る長さは、端面３４１の側の方が長くなっている。すなわち、ホール素子１は、永久磁石２の軸方向における出っ張り部分のうち、端面から長く出っ張った側の出っ張り部分の内周側に位置するようになっている。また、ホール素子１の磁界の検出方向は、矢印１１でもって示したように軸方向となっている。
【００２１】
なお、また、本実施形態は、２極３スロットのブラシモータとなっている。このため、リング状の永久磁石２は、図３に示したように、内周面の一方の半周部２１がＮ極に着磁されている。従って、内周面２１に対応する外周面２３はＳ極となる。また、内周面の他方の半周部２２はＳ極に着磁されている。従って、内周面２２に対応する外周面２４はＮ極となる。なお、内周面２１に着磁された磁極は、ホール素子１の近傍位置が磁極の中央位置となっている。
【００２２】
上記構成からなる第１の実施形態の作用について説明する。
【００２３】
いま、回転子３の回転位置が、図５の（Ａ）や（Ｂ）に示した位置となる場合、すなわち、アーム部３３の先端部分である弓状部３４が、ホール素子１に最接近する場合、図４（Ａ）の破線２５１に示すように、永久磁石２の出っ張り部分の内周面２１と、弓状部３４との間には、ほぼ最短距離を結ぶように磁力線が走る磁界が形成される。このため、ホール素子１の近傍においては、強い磁界が形成されない（矢印１２は回転子３の軸方向を示しており、ホール素子１の磁界の検出方向ともなっている）。従って、ホール素子１は磁界を検出しないことになる。
【００２４】
一方、回転子３の回転位置が、図５の（Ｃ）に示した位置となる場合、すなわち、ホール素子１に最も接近する部分が、弓状部３４ａと弓状部３４ｂとの間の空隙部となる場合、外周面２３がＳ極に着磁されているので、図４（Ｂ）の破線２５２に示すように、永久磁石２の出っ張り部分の内周面２１と、２５に示す位置近傍との間で磁力線が走るように磁界が形成される。つまり、ホール素子１にとっては、検出方向に沿って磁力線が通過することになる。このため、ホール素子１は強い磁界を検出することになる。
【００２５】
以上のことから、ホール素子１の出力は、図６に示したように、回転子３の回転位置が、図５の（Ｃ）に示した位置となる場合に、強い磁界の検出を示すレベル（１１１により示す）となる。そして、回転子３の回転位置がその他の位置となるときには、磁界の検出を示さないレベル（１１２により示す）となる。
【００２６】
以上で第１の実施形態の説明を終了し、以下に第２の実施形態について説明する。
【００２７】
第２の実施形態と第１の実施形態との差異は、突部５４の先端近傍の形状と、ホール素子１の取り付け方向のみとなっている。すなわち、第２の実施形態においては、ホール素子１は、第１の実施形態と略同一位置に、検出方向が周方向となるように設けられている。詳細には、図７に示すように、先端近傍の形状が変更された突部５４ａに、ホール素子１ａが、磁界の検出方向が、同図（Ｂ）の矢印１３に示す方向（同図（Ａ）においては紙面と鉛直方向）となるように取り付けられている。
【００２８】
上記構成からなる第２の実施形態の作用について説明する。
【００２９】
いま、回転子３が図８の紙面における時計方向に回転しているとする。そして、回転子３の回転位置が、同図（Ａ）に示した位置となる場合、すなわち、ホール素子１ａの近傍位置を通過した弓状部３４ａが、弓状部３４ｂよりホール素子１ａの近くに位置している場合、永久磁石２の出っ張り部分の内周面２１と、弓状部３４ａとの間に形成された磁界がホール素子１ａを通る（２６１により示す）。そして、回転子３が、（Ａ）に示す回転位置から少しの角度だけ回転したときには、（Ｂ）に示すように、永久磁石２の出っ張り部分の内周面２１と、弓状部３４ｂとの間に形成された磁界がホール素子１ａを通る（２６２により示す）。つまり、僅かの時間において、ホール素子１ａを通過する磁界の方向が反転する。
【００３０】
そして、回転子３がさらに回転したときには、（Ｃ）に示すように、永久磁石２と弓状部３４ｂとの間には、磁力線の方向が、ホール素子１ａの検出方向と略直交方向となる磁界が形成される（２６３により示す）。従って、このときでは、ホール素子１ａが検出する磁界は微小レベルに留まる。そして、この微小レベルの検出状態は、弓状部３４ｂの大部分がホール素子１ａの近傍位置を通過するまで続くことになる。そして、弓状部３４ｂがホール素子１ａの近傍位置を通過した直後では、永久磁石２と弓状部３４ｂとの間に形成される磁界は、同図（Ａ）の２６１に示す形状となる。
【００３１】
以上のことから、ホール素子１の出力波形は、図９に示したように、回転子３が、（Ａ）に示す回転位置から（Ｂ）に示す回転位置まで回転する僅かの期間において大きく変化し（１２１により示す）、その他の期間では緩やかに変化する（１２２により示す）波形形状となる。
【００３２】
以上で第２の実施形態の説明を終了し、以下に第３の実施形態について説明する。
【００３３】
第３の実施形態と第２の実施形態との差異は、磁気センサが、ホール素子１ａから検出コイルに変更されていることと、この変更に合わせて、突部５４の先端近傍の形状が変更されていることとの２点となっている。すなわち、第３の実施形態でおいては、検出コイルが、第２の実施形態のホール素子１ａと略同一位置に、検出方向が周方向となるように設けられている。詳細には、図１０に示すように、先端近傍の形状が変更された突部５４ｂに、検出コイル１ｂが、磁界の検出方向が、同図（Ｂ）の矢印１５に示す方向（同図（Ａ）においては紙面と鉛直方向）となるように取り付けられている。
【００３４】
また、第３の実施形態においては、検出コイル１ｂの特性により生じる出力波形の関係から、回転子３が正転するときと逆転するときとの双方において、回路構成の複雑化を招くことなく、簡単な回路構成でもって、正確なＦＧパルスを生成するための波形整形回路が用いられている。この波形整形回路を備えた回転制御装置について、図１１を参照しつつ説明する。
【００３５】
抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とは、プラス電源Ｐの電圧（５Ｖ）を１／２に分圧する分圧回路を構成している。そして、分圧された２．５Ｖの出力は、基準電圧として、ＯＰアンプ７７１のプラス入力と、ＯＰアンプ７７２のマイナス入力とに導かれている。また、検出コイル１ｂの端子の一方は、抵抗Ｒ３を介して、ＯＰアンプ７７１のマイナス入力に導かれている。また、検出コイル１ｂの端子の他方は、ＯＰアンプ７７１のプラス入力に接続されている。また、ＯＰアンプ７７１のマイナス入力と出力との間には、抵抗Ｒ３と対となることによって、ＯＰアンプ７７１の増幅率を設定する抵抗Ｒ４が接続されている。また、抵抗Ｒ４には、ＯＰアンプ７７１の周波数特性をローパス特性とするため、コンデンサＣ１が並列に接続されている。
【００３６】
ＯＰアンプ７７２は、マイナス入力に導かれた電圧（２．５Ｖ）を基準電圧として、プラス入力に導かれた電圧と基準電圧とを比較するようになっている。このため、ＯＰアンプ７７２のプラス入力には、抵抗Ｒ５を介して、ＯＰアンプ７７１の出力が導かれている。また、ＯＰアンプ７７２のプラス入力と出力との間には、抵抗Ｒ５と対となることによって、ＯＰアンプ７７２にヒステリシスを与える抵抗Ｒ６が接続されている。また、抵抗Ｒ５を介して導かれたＯＰアンプ７７１の出力レベルの全体を、モータ本体７７３の回転方向に対応して変移させるため、ＯＰアンプ７７２のプラス入力には、抵抗Ｒ７を介して、マイクロコンピュータ７７５の出力８４が与えられている。そして、ＯＰアンプ７７２の出力は、ＦＧ信号８３として、マイクロコンピュータ７７５に導かれている。
【００３７】
また、図１に示す構成のうち、磁気センサ（検出コイル１ｂ）を除いたブロックであるモータ本体７７３には、駆動回路７７４の出力が導かれている。また、駆動回路７７４には、マイクロコンピュータ７７５に内蔵されたＤ／Ａ変換器の出力が導かれている。すなわち、マイクロコンピュータ７７５は、ＦＧ信号８３に基づき、駆動回路７７４に送出する直流電圧を変化させることによって、モータ本体７７３を所定速度で回転させるための制御を行う。
【００３８】
上記構成からなる第３の実施形態の作用について、図１２を参照しつつ説明する。
【００３９】
いま、回転子３は、図１０における紙面の時計方向に回転しているとする。検出コイル１ｂは、その特性として、磁界の変化速度を示す出力を送出する。一方、検出コイル１ｂの近傍における検出方向１５に沿った磁界の変化は、第２の実施形態において説明したように、図９に示す変化となる（図１２における８０は、図９に示す変化を再度示したものとなっている）。従って、検出コイル１ｂの出力は、波形８０を微分した波形を反転増幅した波形８１となる。なお、この波形８１は、その大部分が、２．５Ｖの基準電圧ｒｅｆより高い電圧範囲において変化する波形となっている。
【００４０】
一方、比較器を構成するＯＰアンプ７７２の比較の基準となる電圧は、回路構成を簡単化するため、共に基準電圧ｒｅｆとなっている。このため、マイクロコンピュータ７７５は、モータ本体７７３を正転方向に回転させる場合、出力８４をＬレベルとすることによって、ＯＰアンプ７７１の出力８１を低い側に変移させる。その結果、ＯＰアンプ７７２のプラス入力に導かれる信号波形は、８２に示す波形となる。従って、ＯＰアンプ７７２の出力からは、プラス入力に導かれた信号が、基準電圧ｒｅｆより高くなる期間において、ＨレベルとなるＦＧ信号８３が送出される。
【００４１】
一方、マイクロコンピュータ７７５がモータ本体７７３を逆転方向に回転させる場合、検出コイル１ｂの近傍の磁界は、図１２に示す波形８０を反転させた変化を示す（図１３の８０ａにより示す）。このため、ＯＰアンプ７７１の出力からは、図１３の８１ａにより示す波形の信号が出力される。なお、この波形８１ａは、その大部分が、２．５Ｖの基準電圧ｒｅｆより低い電圧範囲において変化する波形となっている。
【００４２】
一方、比較器を構成するＯＰアンプ７７２の比較の基準となる電圧は、既に述べたように、基準電圧ｒｅｆとなっている。このため、マイクロコンピュータ７７５は、モータ本体７７３を逆転方向に回転させる場合、出力８４をＨレベルとすることによって、ＯＰアンプ７７１の出力８１を高い側に変移させる。このため、ＯＰアンプ７７２のプラス入力に導かれる信号波形は、８２ａに示す波形となる。従って、ＯＰアンプ７７２の出力からは、プラス入力に導かれた信号が、基準電圧ｒｅｆより低くなる期間において、ＬレベルとなるＦＧ信号８３ａが送出される。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、磁気センサについては、ホール素子や検出コイルとした場合について説明したが、その他の素子として、例えば、磁気抵抗素子等を用いた構成とすることができる。
【００４４】
また、２極３スロットのブラシモータに適用した場合について説明したが、その他の極数とスロット数とからなるブラシモータにも、同様に適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、回転子の回転による界磁の変化は磁気センサにより検出される。また、磁気センサの取り付け位置は、磁界の変化の程度が極めて大きい位置となっている。このため、形状の大型化と構造の複雑化とを招くことなくＦＧ信号を生成することができ、且つ、ＦＧ信号を生成する磁気センサの出力レベルを極めて高くすることができる。
【００４６】
またさらに、磁気センサを検出コイルとしている。従って、磁気センサの価格を安価なものとすることができる。
【００４７】
またさらに、磁気センサをホール素子としている。従って、ホール素子をチップ部品とするときには、狭い空間にも容易に取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るブラシモータの実施形態を示す構造図である。
【図２】エンドベルプレートを内部側から見たときの形状図である。
【図３】リング状の永久磁石の着磁状態を示す説明図である。
【図４】回転子の回転位置とＡＡ断面における磁界との関係を示す説明図である。
【図５】回転子の回転位置を示す説明図である。
【図６】磁界の検出方向を軸方向とした場合のホール素子の出力波形を示す説明図である。
【図７】磁界の検出方向を周方向とした場合のホール素子近傍の構造を示す説明図である。
【図８】回転子の回転位置とホール素子近傍の磁界との関係を示す説明図である。
【図９】磁界の検出方向を周方向とした場合のホール素子の出力波形を示す説明図である。
【図１０】磁気センサを検出コイルとした場合の検出コイル近傍の構造を示す説明図である。
【図１１】磁気センサを検出コイルとした場合の回転制御装置の電気的構成を示す回路図である。
【図１２】回転制御装置の主要信号の波形を示す説明図である。
【図１３】回転制御装置の主要信号の波形を示す説明図である。
【図１４】従来技術のＦＧ信号発生手段を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１ａホール素子
１ｂ検出コイル
２固定子である永久磁石
３回転子
６給電用ブラシ
７コミテータ
２１，２２内周面
３１回転子コア
３２回転子巻線
３４１端面

Claims

界磁形成用の永久磁石を有する固定子と、
回転子コアに回転子巻線が巻回された回転子とを備え、
給電用ブラシに摺動するコミテータを介して回転子巻線に電流が供給されるブラシモータにおいて、
回転子コアの回転位置の変化に対応して生じる前記界磁の変化を検出する磁気センサを設け、
且つ、固定子を、その内周面が回転子コアの外周面と対向するリング状の永久磁石とし、
且つ、磁気センサの周方向における取り付け位置を、永久磁石の磁極の中央位置の近傍とし、
且つ、軸方向においては永久磁石の長さが回転子コアの長さより長く形成され、
且つ、永久磁石を、コミテータの取り付け側に、回転子コアの軸方向における端面より出っ張らせ、
且つ、磁気センサの取り付け位置を、前記出っ張らせた部分の内周側としたことを特徴とするブラシモータ。
磁気センサを検出コイルとしたことを特徴とする請求項１に記載のブラシモータ。
磁気センサをホール素子としたことを特徴とする請求項１に記載のブラシモータ。