説明

回転電機

【課題】反作用磁束を十分に生成することができ、これによって逆起電圧を抑制してモータ回転数を増加させること。
【解決手段】回転電機は、円環状の外周部分のヨーク11と、このヨーク11から径方向に独立して延びる複数のティース12と、これらティース12間のスロット13とを有する電機子鉄心1を用いた電機子と、この電機子の内周側に所定の空隙を介して配設された回転子2とを有する。電機子の反作用磁束が、回転子2の側よりも電機子の隣接するティース12の側に流れやすく、また、回転子2の磁極の主磁束が、隣接するティース12の側よりも電機子のヨーク11の側に流れやすい磁気抵抗を有するように構成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高回転で運転が必要な家電用、産業用、自動車用等の永久磁石ブラシレスモータである回転電機に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、製造が容易である観点から一般的に集中巻き電機子を備えるモータが採用されている。しかしながら集中巻きモータは、巻線ピッチが小さく起電圧が歪み易いことから騒音が生じる。この騒音は特に自動車用のブラシレスモータで顕著ある。これに対して所謂分布巻きモータを採用すると騒音が解消できることが古くから知られている。分布巻きモータとしては例えば特許文献1に記載のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2007−295764号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、上述の分布巻きモータは集中巻きモータに比べて、コイルエンド部の導線周回部分が増加して巻線抵抗値が大きくなることから、モータを高回転で運転する際の弱め界磁制御が効きにくく、図1にトルクと回転数との関係を示す線L1で示すように回転数を稼ぐことが困難であった。また、線L2で集中巻きモータのトルクと回転数との関係を示す。分布巻きモータが弱め界磁制御が効き難い理由は、巻線抵抗値が大きいのでモータ自体の電圧降下が大きく、このためモータの端子間に十分な電圧を印加できず、回転子の永久磁石磁束に対抗する反作用磁束を生成することが不十分であり、逆起電圧を抑えることができないといったことによる。逆起電圧は、磁束強さと磁束変化速度に比例することは言うまでもない。つまり、従来の分布巻きモータでは、反作用磁束を十分に生成することができず、このため逆起電圧を抑制することができないのでモータ回転数を増加させることができないという問題がある。
【0005】
特に自動車用モータでは、駆動電源は車載の鉛蓄電池であり一般に12Vと電圧が低く一層問題を深刻化している。少ない電圧でも十分に反作用磁束を生成させるために巻線の自己インダクタンスを大きくする設計を行えばよい。しかし、上記特許文献1では電機子ティースの先端形状を種々工夫しており、漏れ磁束防止のための非磁性材の記載はあるものの、回転子との関係は一切開示されていない。
【0006】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、反作用磁束を十分に生成することができ、これによって逆起電圧を抑制してモータ回転数を増加させることができる回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するためになされた請求項1に記載の発明は、円環状を成し、当該円環状の外周部分のヨークと、このヨークから径方向に独立して延びる複数のティースと、これらティース間のスロットとを有する電機子と、この電機子の内周側に所定の空隙を介して配設された回転子とを有する回転電機において、前記電機子の反作用磁束が、前記回転子の側よりも前記電機子の隣接するティースの側に流れやすく、また、前記回転子の磁極の主磁束が、前記隣接するティースの側よりも前記電機子のヨークの側に流れやすい磁気抵抗を有することを特徴とする。
【0008】
この構成によれば、電機子の反作用磁束が、前記回転子の側よりも前記電機子の隣接するティースの側に流れやすく、また、前記回転子の磁極の主磁束が、前記隣接するティースの側よりも前記電機子のヨークの側に流れやすい磁気抵抗を有するようにした。言い換えれば、電機子反作用磁束の回転子側への磁気抵抗よりも隣接するティース側への磁気抵抗が小さく、また、回転子主磁束の隣接するティース側への磁気抵抗よりも電機子のバックヨーク側への磁気抵抗が小さい構成とした。
【0009】
これによって、電機子の反作用磁束が回転子側に流れにくくなり電機子自体の導線を最短磁路で鎖交することができる。即ち、少ない電流(電圧)でも自己導線に鎖交する磁束を十分に発生させることができ(即ち自己インダクタンスを増大することができ)、回転が発生し電機子導線に鎖交しようとする主磁束を打ち消すことができるので、逆起電圧を小さくできて回転数を上昇させることができる。更には、回転子の主磁束の電機子巻線への鎖交数を減らすことなく反作用磁束のみを増強させることができ、これによって低速トルクの維持と回転数上昇を両立することができる。
【0010】
請求項2に記載の発明は、前記回転子の前記電機子に対向する周面の一部に永久磁石が露出した磁極を備えると共に、前記電機子のティースの前記回転子側の先端部に周方向両側に突出した鍔部を更に備え、前記鍔部の半径方向の厚みが前記空隙の距離の2倍以上であり、隣接する鍔部間の間隔が前記空隙の距離以下であることを特徴とする。
【0011】
この構成によれば、効果的且つ基本性能を損ねることなく、プレス型のみの変更で最適に回転子側への磁気抵抗よりも、鍔部を介して隣接するティースへ周回する磁路の磁気抵抗を小さくすることができる。
【0012】
請求項3に記載の発明は、前記ティースの最も細い部分の寸法よりも、当該鍔部の半径方向の厚みが大きいことを特徴とする。
【0013】
この構成によれば、自己インダクタンスをより一層効果的に増強することができる。
【0014】
請求項4に記載の発明は、前記鍔部における隣接する鍔部同士の間隔は、前記電機子の鉄心を積層構成する電磁鋼板の板厚よりも大きいことを特徴とする。
【0015】
この構成によれば、電機子巻線の反作用磁束が回転子側に流れようとすることを抑止することができ、効果的に自己インダクタンスを増強することができる。
【0016】
請求項5に記載の発明は、前記ティースの鍔部の総数gは、前記電機子に巻回される電機子巻線の相数をm(mは3以上の整数)、前記回転子の磁極数を2p(pは自然数)個、1極1相当りのティース数をn(nは自然数)とすると、g=2p×m×n×2であることを特徴とする。
【0017】
この構成によれば、設計ルールを定式化でき誰でも容易に所望の特性を得るモータを設計することができる。またモータの品質を均一化することができる。
【0018】
請求項6に記載の発明は、前記ティースは、前記ヨークの側が広く前記鍔部の側が狭い台形状を成すことを特徴とする。
【0019】
近年、モータの装荷を大きくするために導線を平角断面を備えるものを採用する機会が増えている。この際には電機子のティースをこのように台形状、即ち導線収容スロットを長方形状にすることが多いが、その際の鍔部の設計ルールを本構成で明確化することができる。
【0020】
請求項7に記載の発明は、前記永久磁石は希土類磁石であることを特徴とする。
【0021】
この構成によれば、フェライト磁石などよりも起磁力の強い希土類磁石にも少ない電流で効果的に弱め界磁効果を如実に実現することが可能となり、回転電機の小型化と高速回転化とを、特殊な制御を用いることなく成立することができる。
【0022】
請求項8に記載の発明は、前記電機子に装着される電機子巻線は、当該電機子の複数のスロットの内、所定の2スロットに挿入され、この挿入側の反対側から突き出た所定の突出端同士が接合されるU字状のセグメント導体であり、このセグメント導体は前記2p×m×n×k(kは自然数)個備えられることを特徴とする。
【0023】
この構成によれば、上記請求項1〜6を実現すると必然的に電機子のスロットの開口部がスロットに収容する導線の線サイズよりも小さくなってしまう。その際に巻線を容易に装着するために本請求項8の如く構成することで電機子の製造が容易となる。
【0024】
請求項9に記載の発明は、前記セグメント導体は平角断面であることを特徴とする。
【0025】
この構成によれば、電機子への巻線の巻回数を増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】従来の分布巻きモータ及び集中巻きモータと、本発明の分布巻きモータとのトルクと回転数との関係を示す図である。
【図2】本発明の実施形態に係る回転電機の同軸配置された電機子鉄心と回転子の構成を示す径方向断面図である。
【図3】本実施形態の回転電機の電機子の特徴部分の拡大図である。
【図4】ティース先端の鍔部の厚みaと電機子鉄心と回転子との空隙距離dとの比a/dと、電機子巻線の1相の自己インダクタンスとの関係を示す図である。
【図5】ティース先端の鍔部間隔距離bと電機子鉄心と回転子との空隙距離dとの比b/dと、電機子巻線の1相の自己インダクタンスとの関係を示す図である。
【図6】ティース最細部寸法cと鍔部厚みaとの比c/aと、電機子巻線の1相の自己インダクタンスとの関係を示す図である。
【図7】導体セグメントの構成を示す斜視図である。
【図8】図7に示す導体セグメントを電機子鉄心に巻回した構成を示す一部斜視図である。
【図9】電機子と回転子磁極との間で流れる鎖交磁束φ1及び漏れ磁束φ2を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。
【0028】
図2は、本発明の実施形態に係る回転電機の同軸配置された電機子鉄心と回転子の構成を示す径方向断面図である。図2には、電機子の円環状の電機子鉄心1と、この電機子鉄心1の内周側に所定ギャップを介して配置された回転子2とを示す。なお、電機子鉄心1に巻回される巻線は省略してある。
【0029】
電機子鉄心1の内周側にギャップを介して配置される回転子2は、ステンレスなどの非磁性材による回転軸31に挿通されており、外周側に周方向に一定間隔で5個の永久磁石21が配設され、この永久磁石21の間が軟磁性材による疑似極22となっている。いわゆるコンシクエントポール型のものを事例にしている。
【0030】
電機子鉄心1は、外周辺部分のヨーク11と、このヨーク11から半径方向に内周側に向い独立に突き出た60個のティース12とを備え、各ティース12の間には巻線を収容する60個のスロット13が構成されている。つまり、磁極数が10、1極1相のティース数が2、巻線相数が3であるから、10×2×3=60のティース12となっている。
【0031】
更に、電機子鉄心1の詳細図である図2に示すように、ティース12は、ヨーク11との付根から回転軸31方向に向かうに従い細くなっており、この細くなった先端部が周方向両側に所定長さ突き出て長方形状の幅広の鍔部15となっている。この隣接する鍔部15同士の間隔距離(以降、鍔部間隔距離と称す)をbとする。また、aは鍔部15の半径方向の厚み(以降、鍔部厚みと称す)、cはティース12の最も幅が細い部分の寸法(以降、ティース最細部寸法と称す)、dは回転子2の磁極と電機子鉄心1との空隙距離を示す。
【0032】
図4に線L2で、空隙距離dと鍔部厚みaとの比a/dと、a/d=1.0の時の電機子巻線の1相の自己インダクタンスを1.0とした時のa/dに対する自己インダクタンスの変化を相対的に示す。a/dを増大させてゆくと鍔部15の磁気飽和が緩和されてゆき自己インダクタンスが単調に増加してゆく。a/d=2.0で自己インダクタンスが約1.35倍になる。これにより電機子巻線に同じ電流値を流しても反作用磁束が約1.35倍になる。この結果、モータとして回転子磁極の主磁束の影響を弱めることができ、モータ自体の巻線に鎖交する磁束を低減することができるので逆起電圧の上昇を抑制し、回転数を増大することができる。
【0033】
つまり、本発明の分布巻きモータでは、図1に線L4で示すように、従来の分布巻きモータL1及び集中巻きモータL2に比べて高回転まで回転数を上昇させることができる。これは集中巻きに匹敵する。但し、線L4は、a/d=2.0を適用した際の本発明の分布巻きモータの回転数−トルク特性を示す。
【0034】
なお、a/dを2.0以上に設定することも可能だが、大きくしすぎるとスロット面積が犠牲になり巻線抵抗が増大するので各々の目的に応じて設計するのが望ましい。低速では、巻線係数が大きいので同じ体格であれば分布巻きの方が集中巻きよりもトルクが大きく出る。そこで、例えば磁気回路を回転軸方向に短縮してトルク特性を合わせ込めば、主磁束が減り、一層逆起電圧を抑制でき、高回転化が可能となる。つまり、磁気回路を回転軸方向に短縮することにより磁石の表面積を減少させると、これによって磁束量が減少するのでモータが発生する内部電圧が減少し、この内部電圧と印加電圧との差分が大きくなってその分モータに電流が多く流れ、これによって、より回転数が高くなる。
【0035】
次に、図5に線L5で、鍔部間隔距離bと、回転子2と電機子鉄心1との空隙距離dとの比に対する自己インダクタンスの変化の様子を示す。鍔部間隔距離bは空隙距離dを超えると、即ちb/dが1.0を超えると、著しく自己インダクタンスが低下してしまうので、鍔部間隔距離bは空隙距離dより小さく設計することが望ましい。しかし、一般的に電機子鉄心1は薄い電磁鋼板をプレスで所望の形状に打ち抜いて複数枚積層して製作するので、鍔部間隔距離bは電磁鋼板の板厚より大きいことも製造上要求される。これは、鍔部間隔距離bが電磁鋼板の板厚より小さいとプレスで打ち抜き難くなるため、製造工数が嵩むからである。つまり、鍔部間隔距離bを電磁鋼板の板厚より大きくすることでプレスで打ち抜き易くなるので、製造工数を削減することができる。
【0036】
更に、図3に破線矢印Y1で示すように鍔部15を通る磁路は、隣接するティース12及びヨーク11を周回するので、ティース最細部寸法cよりも鍔部厚みaを太く設計することが望ましい。これは、鍔部15で磁気飽和を起こさないためである。つまり、図6に線L6で示すように、c/aが1.0を超えない範囲では鍔部15が磁路中で最も幅が狭く鍔部15が自己インダクタンスの支配要因なのでc/aに対して変化が大きいが、c/aが1.0を超えると、磁路中で最も幅が狭くなるのはティース最細部寸法cなので鍔部厚みaを大きくしても自己インダクタンスの変化は小さくなる。
【0037】
また、このような設計をするとスロット13の開口部、即ち鍔部間隔距離bが導線径よりも小さくなり、スロット13の開口部から(本実施形態では電機子鉄心1の内周側から)導線を挿入することが困難になる。
【0038】
そこで、図7に示す略U字状のセグメントコンダクタ(セグメント導体)3を、図8に示すように、電機子鉄心1の軸方向(図2の紙面垂直方向)から挿入し、これによって電機子鉄心1を貫通して反対側から突き出たセグメントコンダクタ3を周方向に所定角度だけ曲げて所定のもの同士を隣接させ、この隣接するコンダクタ同士を溶接接合31する。同様に全てのスロット導体を挿入、曲げ、溶接して電機子巻線を構成する。これによってコイルエンドが整列されてコンパクトに収めることができる。また、この様に製造すれば容易に製造可能となる。更に、この場合、導線断面を略平角状にすれば電気装荷を極大化することができる。
【0039】
ここで、図9を参照して回転子磁極の主磁束の流れについて考察する。但し、図9には、主磁束からの電機子鉄心1へ鎖交する磁束(鎖交磁束)φ1と、主磁束が隣接するティース12を通って鎖交せずに回転子2の反対極(この場合は疑似極22)に戻る漏れ磁束φ2について記載している。
【0040】
漏れ磁束φ2は、回転子2と電機子鉄心1の空隙dの部分以外に、鍔部間隔bを2か所通らなければならない。しかし、鎖交磁束φ1は電機子鉄心1のバックヨーク11を通って疑似極22に戻るので、通過するのは回転子2と電機子鉄心1の空隙dのみであり、このため圧倒的に磁気抵抗は鎖交磁束φ1の磁路の方が小さい。
【0041】
即ち、漏れ磁束φ2を極小化することで低回転時のトルクを低下させることを抑制可能である。逆にいえば、隣接する鍔部15を磁性体で繋いでしまうと漏れ磁束φ2が劇的に上昇し、性能低下を招いてしまう。つまり鍔部15の間には適度な隙間b(非磁性部)が必要となる。この設計適量は、電機子鉄心1の積層鋼板の素板の板圧以上、回転子2と電機子鉄心1との空隙長d以下程度が目安となる。
【0042】
本実施形態では、所謂コンシクエントポール型モータに適用した例を示したが、もちろん疑似極22を使用しない表面磁石型モータ(所謂SPM)に適用しても同様の効果を呈することは言うまでもない。
【0043】
以上のような本実施形態の回転電機は、円環状を成し、当該円環状の外周部分のヨーク11と、このヨーク11から径方向に独立して延びる複数のティース12と、これらティース12間のスロット13とを有する電機子鉄心1を用いた電機子と、この電機子の内周側に所定の空隙を介して配設された回転子2とを有する。
【0044】
本実施形態の特徴は、電機子の反作用磁束が、回転子2の側よりも電機子の隣接するティース12の側に流れやすく、また、回転子2の磁極の主磁束が、隣接するティース12の側よりも電機子のヨーク11の側に流れやすい磁気抵抗を有するように構成した。言い換えれば、電機子反作用磁束の回転子2側への磁気抵抗よりも隣接するティース12側への磁気抵抗が小さく、また、回転子主磁束の隣接するティース12側への磁気抵抗よりも電機子1のヨーク11側への磁気抵抗が小さい構成とした。
【0045】
この構成によって、電機子の反作用磁束が回転子2側に流れにくくなり電機子自体の導線を最短磁路で鎖交することができる。即ち、少ない電流(電圧)でも自己導線に鎖交する磁束を十分に発生させることができ(即ち自己インダクタンスを増大することができ)、回転が発生し電機子導線に鎖交しようとする主磁束を打ち消すことができるので、逆起電圧を小さくできて回転数を上昇させることができる。更には、回転子2の主磁束の電機子巻線への鎖交数を減らすことなく反作用磁束のみを増強させることができ、これによって低速トルクの維持と回転数上昇を両立することができる。
【0046】
また、回転子2の電機子に対向する周面の一部に永久磁石21が露出した磁極を備えると共に、電機子のティース12の回転子2側の先端部に周方向両側に突出した鍔部15を更に備え、鍔部15の半径方向の厚みが空隙の距離の2倍以上であり、隣接する鍔部15間の間隔が空隙の距離以下である構成とした。
【0047】
この構成によって、効果的且つ基本性能を損ねることなく、プレス型のみの変更で最適に回転子2側への磁気抵抗よりも、鍔部15を介して隣接するティース12へ周回する磁路の磁気抵抗を小さくすることができる。
【0048】
また、ティース12は、ヨーク11に接合する根元から鍔部15に向かって細くなる形状で伸び、この形状の最も細い部分の寸法よりも、当該鍔部15の半径方向の厚みが大きい構成とした。この構成によって、自己インダクタンスをより一層効果的に増強することができる。
【0049】
また、鍔部15における隣接する鍔部15同士の間隔は、電機子の鉄心を積層構成する電磁鋼板の板厚よりも大きい構成とした。この構成によって、電機子巻線の反作用磁束が回転子2側に流れようとすることを抑止することができ、効果的に自己インダクタンスを増強することができる。
【0050】
また、ティース12の鍔部15の総数gは、電機子に巻回される電機子巻線の相数をm(mは3以上の整数)、回転子2の磁極数を2p(pは自然数)個、1極1相当りのティース12数をn(nは自然数)とすると、g=2p×m×n×2である構成とした。この構成によって、設計ルールを定式化でき誰でも容易に所望の特性を得るモータを設計することができる。またモータの品質を均一化することができる。
【0051】
また、ティース12は、ヨーク11の側が広く鍔部15の側が狭い台形状を成す構成とした。近年、モータの装荷を大きくするために導線を平角断面を備えるものを採用する機会が増えている。この際には上記構成のように、電機子のティース12をこのように台形状、即ち導線収容スロット13を長方形状にすることが多いが、その際の鍔部15の設計ルールを本構成で明確化することができる。
【0052】
また、永久磁石21は希土類磁石である。これによって、フェライト磁石などよりも起磁力の強い希土類磁石にも少ない電流で効果的に弱め界磁効果を如実に実現することが可能となり、回転電機の小型化と高速回転化とを、特殊な制御を用いることなく成立することができる。
【0053】
また、電機子に装着される電機子巻線は、当該電機子の複数のスロット13の内、所定の2スロット13に挿入され、この挿入側の反対側から突き出た所定の突出端同士が接合されるU字状のセグメント導体であり、このセグメント導体は2p×m×n×k(kは自然数)個備えられる。これによって、前述の構成を実現すると必然的に電機子のスロット13の開口部がスロット13に収容する導線の線サイズよりも小さくなってしまう。その際に巻線を容易に装着するために本構成の如くすることで電機子の製造が容易となる。
【0054】
更に、セグメント導体は平角断面とする。これによって、電機子への巻線の巻回数を増大することができる。
【符号の説明】
【0055】
1 電機子鉄心
2 回転子
3 セグメントコンダクタ
11 ヨーク
12 ティース
13 スロット
15 鍔部
21 永久磁石
22 疑似極
31 回転軸
a 鍔部厚み
b 鍔部間隔距離
c ティース最細部寸法
d 回転子と電機子鉄心との空隙距離

【特許請求の範囲】
【請求項1】
円環状を成し、当該円環状の外周部分のヨークと、このヨークから径方向に独立して延びる複数のティースと、これらティース間のスロットとを有する電機子と、この電機子の内周側に所定の空隙を介して配設された回転子とを有する回転電機において、
前記電機子の反作用磁束が、前記回転子の側よりも前記電機子の隣接するティースの側に流れやすく、また、前記回転子の磁極の主磁束が、前記隣接するティースの側よりも前記電機子のヨークの側に流れやすい磁気抵抗を有することを特徴とする回転電機。
【請求項2】
前記回転子の前記電機子に対向する周面の一部に永久磁石が露出した磁極を備えると共に、前記電機子のティースの前記回転子側の先端部に周方向両側に突出した鍔部を更に備え、
前記鍔部の半径方向の厚みが前記空隙の距離の2倍以上であり、隣接する鍔部間の間隔が前記空隙の距離以下であることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
【請求項3】
前記ティースの最も細い部分の寸法よりも、当該鍔部の半径方向の厚みが大きいことを特徴とする請求項2に記載の回転電機。
【請求項4】
前記鍔部における隣接する鍔部同士の間隔は、前記電機子の鉄心を積層構成する電磁鋼板の板厚よりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の回転電機。
【請求項5】
前記ティースの鍔部の総数gは、前記電機子に巻回される電機子巻線の相数をm(mは3以上の整数)、前記回転子の磁極数を2p(pは自然数)個、1極1相当りのティース数をn(nは自然数)とすると、g=2p×m×n×2であることを特徴とする請求項2に記載の回転電機。
【請求項6】
前記ティースは、前記ヨークの側が広く前記鍔部の側が狭い台形状を成すことを特徴とする請求項3記載の回転電機。
【請求項7】
前記永久磁石は希土類磁石であることを特徴とする請求項2に記載の回転電機。
【請求項8】
前記電機子に装着される電機子巻線は、当該電機子の複数のスロットの内、所定の2スロットに挿入され、この挿入側の反対側から突き出た所定の突出端同士が接合されるU字状のセグメント導体であり、このセグメント導体は前記2p×m×n×k(kは自然数)個備えられることを特徴とする請求項5記載の回転電機。
【請求項9】
前記セグメント導体は平角断面であることを特徴とする請求項8に記載の回転電機。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2011−250508(P2011−250508A)
【公開日】平成23年12月8日(2011.12.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−118358(P2010−118358)
【出願日】平成22年5月24日(2010.5.24)
【出願人】(000004260)株式会社デンソー (27,639)
【Fターム(参考)】