JP4186593B2 - Ｄｃブラシレスモータ及びそれを備えたｄｃポンプ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁極位置センサの感度を向上させ、薄型で長寿命、高効率のＤＣブラシレスモータ及びそれを備えたＤＣポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電機子は固定子鉄心に巻線を巻いて使用されるため、どうしても物理的にスペースが必要で機構上大型化する傾向があり、最近では小型化、さらに薄型化に対する要求が高まりつつある。
【０００３】
以下に薄型化を目的とした従来のＤＣブラシレスモータについて、図４を用いて説明する。図４は従来のＤＣブラシレスモータの構成図である。図４において、電機子１０８の中央付近にドライバＩＣ１１３が位置するように基板１１２上にドライバＩＣ１１３を配し、シ−ルド板１１４を基板１１２の下に配設した後、この基板１１２にコイル１１０が巻装された電機子１０８を固定し、ロ−タフレ−ム１０７に保持されたマグネットロータ１０６に対向するように電機子１０８を配し、直流ブラシレスモ−タを構成している。また、この基板１１２上には、マグネットロータ１０６の磁極位置を検出する磁極位置センサ１１５も配置され、この磁極位置センサ１１５の出力信号を受けて、ドライバＩＣ１１３は電機子１０８の巻線１１０に流す電流を制御する。これによって電機子１０８が電磁石となり、マグネットロータ１０６の磁極との吸引と反発が発生し、マグネットロータ１０６に回転トルクが発生する。
【０００４】
この構成により、ドライバＩＣ１１３からのパタ−ン配線が容易にでき、基板１１２に対するパタ−ン配線の面積を小さくすることができるため、基板１１２の外形を小さくすることができ直流ブラシレスモ−タの小型化ができる。また、電機子１０８に巻装されているコイルからの制約がなくなり、より薄型な直流ブラシレスモ−タを実現することができるものである（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３１０６５８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＤＣブラシレスモータの構成では、磁極位置センサ１１５とドライバＩＣ１１３実装用の基板１１２を、固定子鉄心のコイルエンドから適当なギャップを設けて配置するため、コイルエンドと基板側の厚みによりモータの厚みが決定されるという制約を受け、しかも基板１１２へ電気を供給するためにリード線１１１を必要とし、そのリード線１１１の外径寸法も無視できずモータの薄型化が図れない課題を有していた。なお、１１６はコネクタである。
【０００７】
また、この従来のＤＣブラシレスモータは、薄型化を図る必要からマグネットロータの長さが固定子鉄心の長さより充分でなく、このため漏れ磁束から磁極位置を確実に検出できず、安定したモータ性能が得られないという課題を有していた。
【０００８】
さらに、従来のＤＣポンプは薄型でなく、しかも安定したポンプ性能を得ることが難しいものであった。
【０００９】
そこで本発明は、薄型で、マグネットロータの磁極位置を確実に検出して安定したモータ性能のＤＣブラシレスモータを提供することを目的としている。
【００１０】
また、本発明は、薄型で、マグネットロータの磁極位置を確実に検出して安定した出力のＤＣポンプを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、複数のティースの先端にそれぞれ突極を有する固定子鉄心と、突極の外周側で回転するマグネットロータと、ティースに巻かれた巻線コイルと突極とに囲まれた位置に配置されて、マグネットロータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、磁極位置センサからの出力信号によって巻線コイルに流す電流を制御するドライバＩＣとを備えたＤＣブラシレスモータであって、少なくとも磁極位置センサとドライバＩＣを実装したフレキシブル基板が、巻線コイルが巻かれていない位置で固定子鉄心に取り付けられるとともに、そのリード部がモータ側面形状に沿って屈曲自在に外部に引き出され、、且つフレキシブル基板が突極側面からマグネットロータと対向する面に屈曲され、屈曲された部分に磁極位置センサの検出面をマグネットロータに対向させた状態で取り付けたことを特徴とする。
【００１２】
これにより、薄型で、マグネットロータの磁極位置を確実に検出して安定したモータ性能にすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するためになされた請求項１の発明は、複数のティースの先端にそれぞれ突極を有する固定子鉄心と、突極の外周側で回転するマグネットロータと、ティースに巻かれた巻線コイルと突極とに囲まれた位置に配置されて、マグネットロータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、磁極位置センサからの出力信号によって巻線コイルに流す電流を制御するドライバＩＣとを備えたＤＣブラシレスモータであって、少なくとも磁極位置センサとドライバＩＣを実装したフレキシブル基板が、巻線コイルが巻かれていない位置で固定子鉄心に取り付けられるとともに、そのリード部がモータ側面形状に沿って屈曲自在に外部に引き出され、且つフレキシブル基板が突極側面からマグネットロータと対向する面に屈曲され、屈曲された部分に磁極位置センサの検出面をマグネットロータに対向させた状態で取り付けたことを特徴とするＤＣブラシレスモータであり、フレキシブル基板のリード部を使うのでドライバＩＣに電気を給電するためのリード線が不要となり、薄いフレキシブル基板が屈曲できるので巻線コイルを避けた位置で固定子鉄心に取り付けることが可能であり、ＤＣブラシレスモータの薄型化が飛躍的に図れるとともに、薄いため機器に組込む際の自由度が向上するという作用を有する。
【００１４】
更に、ＤＣブラシレスモータの薄型化を図るとき、マグネットロータの漏れ磁束で磁極位置を検出するのではなく、主磁束で検出するため磁極位置の検出感度が向上し、モータ性能の安定化が図れる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１記載のＤＣブラシレスモータを駆動部とし、マグネットロータを水封したケーシングを備えたＤＣポンプであって、固定子鉄心および巻線コイルからなる電機子の形成する磁界によってマグネットロータがケーシング内で回転されることを特徴とするＤＣポンプであり、ＤＣポンプを薄型化できるとともに長寿命を実現でき、磁極位置センサの感度も向上し、ポンプ性能が安定する。
【００１６】
以下、フレキシブル基板を設けたＤＣブラシレスモータの基本構成について図１を用いて説明する。
【００１７】
（基本構成）
図１（ａ）は４極４スロットのＤＣブラシレスモータの基本構成図であり、図１（ｂ）は（ａ）のＤＣブラシレスモータのＡ−Ａ断面図である。図１（ａ），（ｂ）において、１は固定子鉄心、１ａは固定子鉄心１の突極、２はティース、３は巻線コイル、４はマグネットロータ、５は電機子、６は磁極位置（磁極の切れ目）、７は磁極位置センサ、８はドライバＩＣ、９はＦＰＣ基板（本発明のフレキシブル基板）、９ａはＦＰＣリード部、１０は補強板、１１は屈曲部、１２はコイルエンド長である。
【００１８】
この固定子鉄心１の素材としては、鉄損を低減しモータ効率を向上するために、透磁率が大きく、厚さがｔ＝０．２〜０．５ｍｍ程度の珪素鋼鈑が好適である。固定子鉄心１はこの鋼鈑を複数枚積層されて構成される。この固定子鉄心１の中心から放射状にのびる腕の部分がティース２であり、ティース２の部分に巻線が施され、巻線コイル３が形成される。巻線コイル３の巻線材は一般的に銅線に薄い絶縁皮膜を施したものが使用される。
【００１９】
ところで、マグネットロータ４と対向する突極１ａは、できるだけマグネットロータ４のマグネットからの磁束を固定子鉄心１内に取り込むと同時に、巻線コイル３の巻線可能な部分を確保するため、ティース２と比較して幅広い形状となっている。電機子５はこのような固定子鉄心１とそれに巻かれた巻線コイル３とから構成される。また、マグネットロータ４のマグネットは永久磁石となりうるフェライトや金属系磁性体（ＳｍＣｏ等）等がよい。
【００２０】
マグネットロータ４は、巻線コイル３に電流を流すことで各ティース２に順に形成される電磁石の磁力によって吸引または反発され、磁界の方向にトルクが発生し、電機子５周りに回転を始める。このときトルクを効率よく発生させるには、巻線コイル３に流す電流の向きをタイミングよく切り替える必要がある。そこで、この切り替えのタイミングを正確にするため、磁極位置センサ７が設けられ、これがマグネットロータ４の磁極位置（磁極の切れ目）６を検出し、タイミング信号として出力する。この磁極位置センサ７が発生したタイミング信号は、ドライバＩＣ８に入力され、ドライバＩＣ８はこのタイミング信号に基づいて巻線コイル３に流す電流方向を切り替える。これにより４つの突極１ａに発生する電磁石の磁極の極性がそれぞれ切り替わる。
【００２１】
ところで、磁極位置センサ７とドライバＩＣ８は、屈曲可能なＦＰＣ基板９に実装されている。このＦＰＣ基板９の材質としては耐熱性のあるポリイミド(厚さt＝０．１ｍｍ程度)等が適当である。また、磁極位置センサ７とドライバＩＣ８等の電子部品が実装される部分には、ＦＰＣ基板９の実装面と反対側に補強板１０を貼り合わすのが好適である。この補強板１０の材質は一般的に耐熱性を持つガラス繊維入りのエポキシ基板（通称ガラエポ基板）、もしくはＦＰＣ基板９と同じポリイミドを使うのがよく、厚さは０．２〜０．３ｍｍ程度が適当である。
【００２２】
このＤＣブラシレスモータで最も特徴的な部分はこのＦＰＣ基板９の形状と電機子５上のレイアウトにある。図１（ａ）に示すように、ＦＰＣ基板９の形状は徳利形である。磁極位置センサ７は、磁極位置６を検出するために、漏れ磁束を検出するため可能な限りマグネットロータ４に近づける必要があり、徳利の口側部分の上に配置される。またドライバＩＣ８は磁極位置センサ７より数倍の実装面積を必要とするため、固定子鉄心１の中心部分に実装される。また、モータの薄型化するため、コイルエンド長１２に影響しないように巻線コイル３の位置を避け、ＦＰＣ基板９の形状も徳利形で、これがベルト状のＦＰＣリード部９ａに繋がった形状となっている。すなわち、ＦＰＣ基板９でドライバＩＣ８に電気を給電するため、従来必要だったリード線を実装する必要がなく、リード線の外径寸法よりはるかに薄いＦＰＣ基板９を使い、しかも巻線コイル３を避けて固定子鉄心１（補強板１０を含む）上にＦＰＣ基板９を配設するために、屈曲部１１で巻線コイル３等のモータ側面形状に沿って屈曲（９０°程度まで屈曲可能）させてＦＰＣリード部９ａを引き出すことができ、モータの薄型化が図れる。
【００２３】
このように図１のＤＣブラシレスモータにおいては、ドライバＩＣ８や磁極位置センサ７等が実装されたＦＰＣ基板９を電機子５上にレイアウトすることで、従来の技術のように、コイルエンド長とギャップ、さらに基板の厚みと、補強板の厚み、実装部品の高さ、これに加えてドライバＩＣに給電するためのリード線の外径寸法とを加算した寸法をＤＣブラシレスモータの厚みとする必要はない。すなわち、図１のＤＣブラシレスモータでは、固定子鉄心１の厚みにＦＰＣ基板９と補強板１０を含めた厚みと、実装部品の高さを加算した寸法が、ＤＣブラシレスモータの厚みを決定することになる。これにより、電源電圧５Ｖ、最大出力２００ｍＷのＤＣブラシレスモータを外径２０ｍｍの固定子鉄心１で４ｍｍの厚みとすることができた。なお、この厚み４ｍｍというのは、従来の技術では７．５ｍｍ必要であったものであり、図１の基本構成のＤＣブラシレスモータはこれをほぼ半分の厚みとし、大幅な薄型化を実現するものである。
【００２４】
（実施の形態１）
図２，図３を用いて本発明の実施の形態１について説明する。実施の形態１は、図１のＤＣブラシレスモータにおいて、マグネットロータ４の磁極位置検出の感度を向上させるものである。図２（ａ）は本発明の実施の形態１における４極４スロットのＤＣブラシレスモータの構成図、図２（ｂ）は（ａ）のＤＣブラシレスモータのＡ−Ａ断面図である。なお、図１と同一符号の構成に関しては同一内容であるから、説明を割愛する。
【００２５】
実施の形態１のＤＣブラシレスモータは、図１と同様、第１の屈曲部１１で巻線コイル３に沿って屈曲させてＦＰＣ基板９のＦＰＣリード部９ａを引き出すとともに、磁極位置センサ７とドライバＩＣ８との間に更に第２の屈曲部１１を設けている。すなわち、ＦＰＣ基板９は、第２の屈曲部１１で屈曲され、この部分に磁極位置センサ７の検出面がマグネットロータ４に対向させた状態で取り付けられる。当然ながら、部品を実装した部分の補強板１０は第２の屈曲部１１の部分では除かれる。これにより第２の屈曲部１１を設け易くしている。そして、この磁極位置センサ７の検出面をマグネットロータ４に対向することで、磁極位置センサ７の感度が格段に向上する。この感度向上を（表１）を用いて説明する。（表１）は、磁界解析を用いて磁極位置センサの位置での磁束密度Ｂのベクトル値を解析したものである。この磁界解析の条件は、コア形状が外径２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの４枚積層、６スロットコアであり、マグネットが内径２２ｍｍ、コア積層方向の寸法３ｍｍ、表面磁束密度のピーク１７０ｍＴである。
【００２６】
【表１】
解析した結果は、各位置での磁極位置センサ７の出力信号の大きさから算出された磁束密度値とほぼ一致する。（表１）によれば、ポイントｘとポイントｙのどちらのポイントにおいても、磁束密度はコア軸方向（スラスト方向）よりもコアラジアル方向が５〜６倍向上していることが分かる。また、マグネットからの距離が小さくなる（コア中心からの距離が大きい）ほどセンサ位置での磁束密度が大きくなる。
【００２７】
ところで、ドライバＩＣ８と磁極位置センサ７から規定されるモータ性能に関し、このバラツキをなくすための最低限の磁束密度は３ｍＴ以上である。従ってコア軸方向での検出、すなわち図１の構成ではモータ性能にかなりバラツキが生じることとなる。これに対し、実施の形態１の構成ではかなりマグネットから距離がはなれても、充分な磁極位置検出ができる磁束密度が存在する。例えば、マグネットから３．３ｍｍ（＝２２／２ｍｍ−７．７ｍｍ）離れても、４．１５ｍＴの磁束密度が存在することになり、モータ性能のバラツキがほとんど発生しなくなる。
【００２８】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１のＤＣブラシレスモータをシールレスポンプの駆動部として使用した場合である。図３（ａ）は本発明の実施の形態２における４極４スロットのＤＣブラシレスモータを駆動部とするＤＣポンプの構成図、図３（ｂ）は（ａ）のＤＣポンプのＡ−Ａ断面図である。
【００２９】
実施の形態２のＤＣポンプについて図３に基づいて説明する。実施の形態２のＤＣポンプは渦流ポンプもしくは摩擦ポンプであって、羽根車と一体のマグネットロータ４を水封し同時に固定子鉄心１を防水するための隔壁、すなわちキャンとなる分離板（後述する）を有し、マグネットロータ４が直接駆動され軸シールをもたないシールレスポンプである。図１，２と同一符号の構成に関しては同一内容であるから、説明を割愛する。
【００３０】
図３（ａ），（ｂ）において、１３はシールレスポンプ内の循環水と電気部（電機子５とＦＰＣ基板９の実装部品）とを隔離するための分離板であり、１４は固定子鉄心１をポンプ下方から分離板１３に圧入して組み立てるとき、突極１ａの上面と接触し、圧入位置を決定するコア圧入ストッパー、１５はＦＰＣ基板９の厚み分だけコア圧入ストッパー１４より上部に位置する基板固定用ストッパーである。なお、分離板１３はマグネットロータ４を内部に収容したポンプケーシングということができる。
【００３１】
実施の形態２のＤＣポンプは、組み立て時に分離板１３の内周面と突極１ａの外周面を接触させながら圧入固定する。マグネットロータ４と突極１ａの位置が、コア圧入ストッパー１４によってモータ性能を最大にする位置に確実に圧入される。このとき同時にポンプ性能も向上する。また、ＦＰＣ基板９は基板固定用ストッパー１５と突極１ａに挟まれ簡単且つ確実に固定される。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明のＤＣブラシレスモータによれば、モータの薄型化を飛躍的に実現できるとともに、主磁束から磁極位置を検出することで、モータ性能のバラツキをほとんど発生せず、個々のモータのモータ性能を安定化することができる。
【００３３】
また、本発明のＤＣポンプは、ＤＣブラシレスモータのモータ性能の安定性によってポンプ性能の安定化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明におけるフレキシブル基板を設けた４極４スロットのＤＣブラシレスモータの基本構成図
（ｂ）（ａ）のＤＣブラシレスモータのＡ−Ａ断面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における４極４スロットのＤＣブラシレスモータの構成図
（ｂ）（ａ）のＤＣブラシレスモータのＡ−Ａ断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における４極４スロットのＤＣブラシレスモータを駆動部とするＤＣポンプの構成図
（ｂ）（ａ）のＤＣポンプのＡ−Ａ断面図
【図４】従来のＤＣブラシレスモータの構成図
【符号の説明】
１ 固定子鉄心
１ａ 突極
２ ティース
３ 巻線コイル
４，１０６ マグネットロータ
５，１０８ 電機子
６ 磁極位置
７，１１５ 磁極位置センサ
８，１１３ ドライバＩＣ
９ ＦＰＣ基板
９ａ ＦＰＣリード部
１０ 補強板
１１ 屈曲部
１２ コイルエンド長
１３ 分離板
１４ コア圧入ストッパー
１５ 基板固定用ストッパー
１０７ ロータフレーム
１０８ 電機子
１１０ 巻線
１１１ リード線
１１２ 基板
１１４ シールド板
１１６ コネクタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁極位置センサの感度を向上させ、薄型で長寿命、高効率のＤＣブラシレスモータ及びそれを備えたＤＣポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電機子は固定子鉄心に巻線を巻いて使用されるため、どうしても物理的にスペースが必要で機構上大型化する傾向があり、最近では小型化、さらに薄型化に対する要求が高まりつつある。
【０００３】
以下に薄型化を目的とした従来のＤＣブラシレスモータについて、図４を用いて説明する。図４は従来のＤＣブラシレスモータの構成図である。図４において、電機子１０８の中央付近にドライバＩＣ１１３が位置するように基板１１２上にドライバＩＣ１１３を配し、シ−ルド板１１４を基板１１２の下に配設した後、この基板１１２にコイル１１０が巻装された電機子１０８を固定し、ロ−タフレ−ム１０７に保持されたマグネットロータ１０６に対向するように電機子１０８を配し、直流ブラシレスモ−タを構成している。また、この基板１１２上には、マグネットロータ１０６の磁極位置を検出する磁極位置センサ１１５も配置され、この磁極位置センサ１１５の出力信号を受けて、ドライバＩＣ１１３は電機子１０８の巻線１１０に流す電流を制御する。これによって電機子１０８が電磁石となり、マグネットロータ１０６の磁極との吸引と反発が発生し、マグネットロータ１０６に回転トルクが発生する。
【０００４】
この構成により、ドライバＩＣ１１３からのパタ−ン配線が容易にでき、基板１１２に対するパタ−ン配線の面積を小さくすることができるため、基板１１２の外形を小さくすることができ直流ブラシレスモ−タの小型化ができる。また、電機子１０８に巻装されているコイルからの制約がなくなり、より薄型な直流ブラシレスモ−タを実現することができるものである（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３１０６５８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＤＣブラシレスモータの構成では、磁極位置センサ１１５とドライバＩＣ１１３実装用の基板１１２を、固定子鉄心のコイルエンドから適当なギャップを設けて配置するため、コイルエンドと基板側の厚みによりモータの厚みが決定されるという制約を受け、しかも基板１１２へ電気を供給するためにリード線１１１を必要とし、そのリード線１１１の外径寸法も無視できずモータの薄型化が図れない課題を有していた。なお、１１６はコネクタである。
【０００７】
また、この従来のＤＣブラシレスモータは、薄型化を図る必要からマグネットロータの長さが固定子鉄心の長さより充分でなく、このため漏れ磁束から磁極位置を確実に検出できず、安定したモータ性能が得られないという課題を有していた。
【０００８】
さらに、従来のＤＣポンプは薄型でなく、しかも安定したポンプ性能を得ることが難しいものであった。
【０００９】
そこで本発明は、薄型で、マグネットロータの磁極位置を確実に検出して安定したモータ性能のＤＣブラシレスモータを提供することを目的としている。
【００１０】
また、本発明は、薄型で、マグネットロータの磁極位置を確実に検出して安定した出力のＤＣポンプを提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、複数のティースの先端にそれぞれ突極を有する固定子鉄心と、突極の外周側で回転するマグネットロータと、ティースに巻かれた巻線コイルと突極とに囲まれた位置に配置されて、マグネットロータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、磁極位置センサからの出力信号によって巻線コイルに流す電流を制御するドライバＩＣとを備えたＤＣブラシレスモータであって、少なくとも磁極位置センサとドライバＩＣを実装したフレキシブル基板が、巻線コイルが巻かれていない位置で固定子鉄心に取り付けられるとともに、そのリード部がモータ側面形状に沿って屈曲自在に外部に引き出され、、且つフレキシブル基板が突極側面からマグネットロータと対向する面に屈曲され、屈曲された部分に磁極位置センサの検出面をマグネットロータに対向させた状態で取り付けたことを特徴とする。
【００１２】
これにより、薄型で、マグネットロータの磁極位置を確実に検出して安定したモータ性能にすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するためになされた請求項１の発明は、複数のティースの先端にそれぞれ突極を有する固定子鉄心と、突極の外周側で回転するマグネットロータと、ティースに巻かれた巻線コイルと突極とに囲まれた位置に配置されて、マグネットロータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、磁極位置センサからの出力信号によって巻線コイルに流す電流を制御するドライバＩＣとを備えたＤＣブラシレスモータであって、少なくとも磁極位置センサとドライバＩＣを実装したフレキシブル基板が、巻線コイルが巻かれていない位置で固定子鉄心に取り付けられるとともに、そのリード部がモータ側面形状に沿って屈曲自在に外部に引き出され、且つフレキシブル基板が突極側面からマグネットロータと対向する面に屈曲され、屈曲された部分に磁極位置センサの検出面をマグネットロータに対向させた状態で取り付けたことを特徴とするＤＣブラシレスモータであり、フレキシブル基板のリード部を使うのでドライバＩＣに電気を給電するためのリード線が不要となり、薄いフレキシブル基板が屈曲できるので巻線コイルを避けた位置で固定子鉄心に取り付けることが可能であり、ＤＣブラシレスモータの薄型化が飛躍的に図れるとともに、薄いため機器に組込む際の自由度が向上するという作用を有する。
【００１４】
更に、ＤＣブラシレスモータの薄型化を図るとき、マグネットロータの漏れ磁束で磁極位置を検出するのではなく、主磁束で検出するため磁極位置の検出感度が向上し、モータ性能の安定化が図れる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１記載のＤＣブラシレスモータを駆動部とし、マグネットロータを水封したケーシングを備えたＤＣポンプであって、固定子鉄心および巻線コイルからなる電機子の形成する磁界によってマグネットロータがケーシング内で回転されることを特徴とするＤＣポンプであり、ＤＣポンプを薄型化できるとともに長寿命を実現でき、磁極位置センサの感度も向上し、ポンプ性能が安定する。
【００１６】
以下、フレキシブル基板を設けたＤＣブラシレスモータの基本構成について図１を用いて説明する。
【００１７】
（基本構成）
図１（ａ）は４極４スロットのＤＣブラシレスモータの基本構成図であり、図１（ｂ）は（ａ）のＤＣブラシレスモータのＡ−Ａ断面図である。図１（ａ），（ｂ）において、１は固定子鉄心、１ａは固定子鉄心１の突極、２はティース、３は巻線コイル、４はマグネットロータ、５は電機子、６は磁極位置（磁極の切れ目）、７は磁極位置センサ、８はドライバＩＣ、９はＦＰＣ基板（本発明のフレキシブル基板）、９ａはＦＰＣリード部、１０は補強板、１１は屈曲部、１２はコイルエンド長である。
【００１８】
この固定子鉄心１の素材としては、鉄損を低減しモータ効率を向上するために、透磁率が大きく、厚さがｔ＝０．２〜０．５ｍｍ程度の珪素鋼鈑が好適である。固定子鉄心１はこの鋼鈑を複数枚積層されて構成される。この固定子鉄心１の中心から放射状にのびる腕の部分がティース２であり、ティース２の部分に巻線が施され、巻線コイル３が形成される。巻線コイル３の巻線材は一般的に銅線に薄い絶縁皮膜を施したものが使用される。
【００１９】
ところで、マグネットロータ４と対向する突極１ａは、できるだけマグネットロータ４のマグネットからの磁束を固定子鉄心１内に取り込むと同時に、巻線コイル３の巻線可能な部分を確保するため、ティース２と比較して幅広い形状となっている。電機子５はこのような固定子鉄心１とそれに巻かれた巻線コイル３とから構成される。また、マグネットロータ４のマグネットは永久磁石となりうるフェライトや金属系磁性体（ＳｍＣｏ等）等がよい。
【００２０】
マグネットロータ４は、巻線コイル３に電流を流すことで各ティース２に順に形成される電磁石の磁力によって吸引または反発され、磁界の方向にトルクが発生し、電機子５周りに回転を始める。このときトルクを効率よく発生させるには、巻線コイル３に流す電流の向きをタイミングよく切り替える必要がある。そこで、この切り替えのタイミングを正確にするため、磁極位置センサ７が設けられ、これがマグネットロータ４の磁極位置（磁極の切れ目）６を検出し、タイミング信号として出力する。この磁極位置センサ７が発生したタイミング信号は、ドライバＩＣ８に入力され、ドライバＩＣ８はこのタイミング信号に基づいて巻線コイル３に流す電流方向を切り替える。これにより４つの突極１ａに発生する電磁石の磁極の極性がそれぞれ切り替わる。
【００２１】
ところで、磁極位置センサ７とドライバＩＣ８は、屈曲可能なＦＰＣ基板９に実装されている。このＦＰＣ基板９の材質としては耐熱性のあるポリイミド(厚さt＝０．１ｍｍ程度)等が適当である。また、磁極位置センサ７とドライバＩＣ８等の電子部品が実装される部分には、ＦＰＣ基板９の実装面と反対側に補強板１０を貼り合わすのが好適である。この補強板１０の材質は一般的に耐熱性を持つガラス繊維入りのエポキシ基板（通称ガラエポ基板）、もしくはＦＰＣ基板９と同じポリイミドを使うのがよく、厚さは０．２〜０．３ｍｍ程度が適当である。
【００２２】
このＤＣブラシレスモータで最も特徴的な部分はこのＦＰＣ基板９の形状と電機子５上のレイアウトにある。図１（ａ）に示すように、ＦＰＣ基板９の形状は徳利形である。磁極位置センサ７は、磁極位置６を検出するために、漏れ磁束を検出するため可能な限りマグネットロータ４に近づける必要があり、徳利の口側部分の上に配置される。またドライバＩＣ８は磁極位置センサ７より数倍の実装面積を必要とするため、固定子鉄心１の中心部分に実装される。また、モータの薄型化するため、コイルエンド長１２に影響しないように巻線コイル３の位置を避け、ＦＰＣ基板９の形状も徳利形で、これがベルト状のＦＰＣリード部９ａに繋がった形状となっている。すなわち、ＦＰＣ基板９でドライバＩＣ８に電気を給電するため、従来必要だったリード線を実装する必要がなく、リード線の外径寸法よりはるかに薄いＦＰＣ基板９を使い、しかも巻線コイル３を避けて固定子鉄心１（補強板１０を含む）上にＦＰＣ基板９を配設するために、屈曲部１１で巻線コイル３等のモータ側面形状に沿って屈曲（９０°程度まで屈曲可能）させてＦＰＣリード部９ａを引き出すことができ、モータの薄型化が図れる。
【００２３】
このように図１のＤＣブラシレスモータにおいては、ドライバＩＣ８や磁極位置センサ７等が実装されたＦＰＣ基板９を電機子５上にレイアウトすることで、従来の技術のように、コイルエンド長とギャップ、さらに基板の厚みと、補強板の厚み、実装部品の高さ、これに加えてドライバＩＣに給電するためのリード線の外径寸法とを加算した寸法をＤＣブラシレスモータの厚みとする必要はない。すなわち、図１のＤＣブラシレスモータでは、固定子鉄心１の厚みにＦＰＣ基板９と補強板１０を含めた厚みと、実装部品の高さを加算した寸法が、ＤＣブラシレスモータの厚みを決定することになる。これにより、電源電圧５Ｖ、最大出力２００ｍＷのＤＣブラシレスモータを外径２０ｍｍの固定子鉄心１で４ｍｍの厚みとすることができた。なお、この厚み４ｍｍというのは、従来の技術では７．５ｍｍ必要であったものであり、図１の基本構成のＤＣブラシレスモータはこれをほぼ半分の厚みとし、大幅な薄型化を実現するものである。
【００２４】
（実施の形態１）
図２，図３を用いて本発明の実施の形態１について説明する。実施の形態１は、図１のＤＣブラシレスモータにおいて、マグネットロータ４の磁極位置検出の感度を向上させるものである。図２（ａ）は本発明の実施の形態１における４極４スロットのＤＣブラシレスモータの構成図、図２（ｂ）は（ａ）のＤＣブラシレスモータのＡ−Ａ断面図である。なお、図１と同一符号の構成に関しては同一内容であるから、説明を割愛する。
【００２５】
実施の形態１のＤＣブラシレスモータは、図１と同様、第１の屈曲部１１で巻線コイル３に沿って屈曲させてＦＰＣ基板９のＦＰＣリード部９ａを引き出すとともに、磁極位置センサ７とドライバＩＣ８との間に更に第２の屈曲部１１を設けている。すなわち、ＦＰＣ基板９は、第２の屈曲部１１で屈曲され、この部分に磁極位置センサ７の検出面がマグネットロータ４に対向させた状態で取り付けられる。当然ながら、部品を実装した部分の補強板１０は第２の屈曲部１１の部分では除かれる。これにより第２の屈曲部１１を設け易くしている。そして、この磁極位置センサ７の検出面をマグネットロータ４に対向することで、磁極位置センサ７の感度が格段に向上する。この感度向上を（表１）を用いて説明する。（表１）は、磁界解析を用いて磁極位置センサの位置での磁束密度Ｂのベクトル値を解析したものである。この磁界解析の条件は、コア形状が外径２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの４枚積層、６スロットコアであり、マグネットが内径２２ｍｍ、コア積層方向の寸法３ｍｍ、表面磁束密度のピーク１７０ｍＴである。
【００２６】
【表１】
【００２７】
ところで、ドライバＩＣ８と磁極位置センサ７から規定されるモータ性能に関し、このバラツキをなくすための最低限の磁束密度は３ｍＴ以上である。従ってコア軸方向での検出、すなわち図１の構成ではモータ性能にかなりバラツキが生じることとなる。これに対し、実施の形態１の構成ではかなりマグネットから距離がはなれても、充分な磁極位置検出ができる磁束密度が存在する。例えば、マグネットから３．３ｍｍ（＝２２／２ｍｍ−７．７ｍｍ）離れても、４．１５ｍＴの磁束密度が存在することになり、モータ性能のバラツキがほとんど発生しなくなる。
【００２８】
（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１のＤＣブラシレスモータをシールレスポンプの駆動部として使用した場合である。図３（ａ）は本発明の実施の形態２における４極４スロットのＤＣブラシレスモータを駆動部とするＤＣポンプの構成図、図３（ｂ）は（ａ）のＤＣポンプのＡ−Ａ断面図である。
【００２９】
実施の形態２のＤＣポンプについて図３に基づいて説明する。実施の形態２のＤＣポンプは渦流ポンプもしくは摩擦ポンプであって、羽根車と一体のマグネットロータ４を水封し同時に固定子鉄心１を防水するための隔壁、すなわちキャンとなる分離板（後述する）を有し、マグネットロータ４が直接駆動され軸シールをもたないシールレスポンプである。図１，２と同一符号の構成に関しては同一内容であるから、説明を割愛する。
【００３０】
図３（ａ），（ｂ）において、１３はシールレスポンプ内の循環水と電気部（電機子５とＦＰＣ基板９の実装部品）とを隔離するための分離板であり、１４は固定子鉄心１をポンプ下方から分離板１３に圧入して組み立てるとき、突極１ａの上面と接触し、圧入位置を決定するコア圧入ストッパー、１５はＦＰＣ基板９の厚み分だけコア圧入ストッパー１４より上部に位置する基板固定用ストッパーである。なお、分離板１３はマグネットロータ４を内部に収容したポンプケーシングということができる。
【００３１】
実施の形態２のＤＣポンプは、組み立て時に分離板１３の内周面と突極１ａの外周面を接触させながら圧入固定する。マグネットロータ４と突極１ａの位置が、コア圧入ストッパー１４によってモータ性能を最大にする位置に確実に圧入される。このとき同時にポンプ性能も向上する。また、ＦＰＣ基板９は基板固定用ストッパー１５と突極１ａに挟まれ簡単且つ確実に固定される。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明のＤＣブラシレスモータによれば、モータの薄型化を飛躍的に実現できるとともに、主磁束から磁極位置を検出することで、モータ性能のバラツキをほとんど発生せず、個々のモータのモータ性能を安定化することができる。
【００３３】
また、本発明のＤＣポンプは、ＤＣブラシレスモータのモータ性能の安定性によってポンプ性能の安定化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明におけるフレキシブル基板を設けた４極４スロットのＤＣブラシレスモータの基本構成図
（ｂ）（ａ）のＤＣブラシレスモータのＡ−Ａ断面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における４極４スロットのＤＣブラシレスモータの構成図
（ｂ）（ａ）のＤＣブラシレスモータのＡ−Ａ断面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態２における４極４スロットのＤＣブラシレスモータを駆動部とするＤＣポンプの構成図
（ｂ）（ａ）のＤＣポンプのＡ−Ａ断面図
【図４】従来のＤＣブラシレスモータの構成図
【符号の説明】
１ 固定子鉄心
１ａ 突極
２ ティース
３ 巻線コイル
４，１０６ マグネットロータ
５，１０８ 電機子
６ 磁極位置
７，１１５ 磁極位置センサ
８，１１３ ドライバＩＣ
９ ＦＰＣ基板
９ａ ＦＰＣリード部
１０ 補強板
１１ 屈曲部
１２ コイルエンド長
１３ 分離板
１４ コア圧入ストッパー
１５ 基板固定用ストッパー
１０７ ロータフレーム
１０８ 電機子
１１０ 巻線
１１１ リード線
１１２ 基板
１１４ シールド板
１１６ コネクタ
Claims (2)
- 複数のティースの先端にそれぞれ突極を有する固定子鉄心と、前記突極の外周側で回転するマグネットロータと、前記ティースに巻かれた巻線コイルと前記突極とに囲まれた位置に配置されて、前記マグネットロータの磁極位置を検出する磁極位置センサと、前記磁極位置センサからの出力信号によって前記巻線コイルに流す電流を制御するドライバＩＣとを備えたＤＣブラシレスモータであって、少なくとも前記磁極位置センサと前記ドライバＩＣを実装したフレキシブル基板が、前記巻線コイルが巻かれていない位置で前記固定子鉄心に取り付けられるとともに、そのリード部がモータ側面形状に沿って屈曲自在に外部に引き出され、且つフレキシブル基板が突極側面から前記マグネットロータと対向する面に屈曲され、前記屈曲された部分に前記磁極位置センサの検出面を前記マグネットロータに対向させた状態で取り付けたことを特徴とするＤＣブラシレスモータ。
- 請求項１記載のＤＣブラシレスモータを駆動部とし、前記マグネットロータを水封したケーシングを備えたＤＣポンプであって、前記固定子鉄心および前記巻線コイルからなる電機子の形成する磁界によって前記マグネットロータが前記ケーシング内で回転されることを特徴とするＤＣポンプ。
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