(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動制御部によって駆動されるブラシレス電気機械であって、
永久磁石と、
前記永久磁石との相対的な位置関係が固定された磁場強化部材と、
前記永久磁石および前記磁場強化部材の間に配置され、前記永久磁石に対して相対的に移動可能であり、前記駆動制御部から供給される第１の駆動信号によって駆動される第１の電磁コイルと、
前記永久磁石および前記磁場強化部材の間に配置され、前記永久磁石に対して相対的に移動可能であり、前記駆動制御部から供給され、前記第１の駆動信号との位相差がπ／２である第２の駆動信号によって駆動される第２の電磁コイルと、を有し、
前記磁場強化部材は、個々の前記永久磁石に向かって突出する突部を有する強磁性体である、ブラシレス電気機械。
【請求項２】
請求項１に記載のブラシレス電気機械であって、
前記永久磁石は、前記第１の電磁コイルおよび前記第２の電磁コイルに向かって突出する突部を有する、ブラシレス電気機械。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のブラシレス電気機械であって、更に、
前記第１の電磁コイルおよび前記第２の電磁コイルからの前記永久磁石の相対位置を検出する磁気センサを有する、ブラシレス電気機械。
【請求項４】
請求項３に記載のブラシレス電気機械であって、
前記磁気センサは、前記第１の電磁コイルおよび前記第２の電磁コイルからの前記永久磁石の相対位置に応じて３値以上のディジタル信号またはアナログ信号を出力するセンサである、ブラシレス電気機械。
【請求項５】
請求項４記載のブラシレス電気機械であって、
前記第１と第２の駆動信号は、前記第１の電磁コイルまたは前記第２の電磁コイルの逆起電力波形に相当する波形を有する、ブラシレス電気機械。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のブラシレス電気機械であって、
前記駆動制御部は、前記第１の電磁コイルおよび前記第２の電磁コイルから電力を回生する回生回路を含む、ブラシレス電気機械。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のブラシレス電気機械と、
前記ブラシレス電気機械によって駆動される被駆動部材と、
を備える装置。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のブラシレス電気機械を備える移動体。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のブラシレス電気機械を備えるロボット。
【請求項１０】
永久磁石と、
前記永久磁石との相対的な位置関係が固定された磁場強化部材と、
前記永久磁石および前記磁場強化部材の間に配置され、前記永久磁石に対して相対的に移動可能な複数の電磁コイルと、
前記複数の電磁コイルに駆動信号を供給する駆動制御部と、
を備え、
前記複数の電磁コイルのうちの第１の電磁コイルに供給される第１の駆動信号と、前記複数の電磁コイルのうちの第２の電磁コイルに供給される第２の駆動信号との位相差はπ／２であり、
前記磁場強化部材は、個々の前記永久磁石に向かって突出する突部を有する強磁性体である、ブラシレス電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、永久磁石と電磁コイルとを利用したブラシレス電気機械（brushless electric machine）に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石と電磁コイルとを利用したブラシレス電気機械としては、例えば下記の特許文献１に記載されたブラシレスモータが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２９８９８２号公報
【０００４】
図２６は、従来のブラシレスモータの構成の一例を示す概念図である。このブラシレスモータは、電磁コイル列１２と磁石列３２とを備えている。磁石列３２の近傍には、磁場が例示されている。従来のブラシレスモータでは、永久磁石による磁場が開放状態にあるため、電磁コイル列１２による磁場の利用効率がかなり低いという問題があった。このような問題はモータに限らず発電機にも共通する問題であり、一般にブラシレス電気機械に共通する問題であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ブラシレス電気機械における磁場の利用効率を高めて電気機械の効率を向上させる技術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】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
本発明の第１の形態は、駆動制御部によって駆動されるブラシレス電気機械であって、
永久磁石と、
前記永久磁石との相対的な位置関係が固定された磁場強化部材と、
前記永久磁石および前記磁場強化部材の間に配置され、前記永久磁石に対して相対的に移動可能であり、前記駆動制御部から供給される第１の駆動信号によって駆動される第１の電磁コイルと、
前記永久磁石および前記磁場強化部材の間に配置され、前記永久磁石に対して相対的に移動可能であり、前記駆動制御部から供給され、前記第１の駆動信号との位相差がπ／２である第２の駆動信号によって駆動される第２の電磁コイルと、を有し、
前記磁場強化部材は、個々の前記永久磁石に向かって突出する突部を有する強磁性体である。
本発明の第２の形態は、ブラシレス電気機械であって、
永久磁石と、
前記永久磁石との相対的な位置関係が固定された磁場強化部材と、
前記永久磁石および前記磁場強化部材の間に配置され、前記永久磁石に対して相対的に移動可能な複数の電磁コイルと、
前記複数の電磁コイルに駆動信号を供給する駆動制御部と、
を備え、
前記複数の電磁コイルのうちの第１の電磁コイルに供給される第１の駆動信号と、前記複数の電磁コイルのうちの第２の電磁コイルに供給される第２の駆動信号との位相差はπ／２であり、
前記磁場強化部材は、個々の前記永久磁石に向かって突出する突部を有する強磁性体である。
これらの形態によれば、永久磁石と磁場強化部材とが共同して磁場を強めるので、永久磁石による磁場の利用効率を高めて電気機械の効率を向上させることができる。また、突部近傍の磁場をより強めることができるので、効率をさらに改善することができる。
【０００７】
［適用例１］
ブラシレス電気機械であって、
複数の永久磁石を有する第１の駆動部材と、
複数の電磁コイルを有し、前記第１の駆動部材に対して相対的に移動可能な第２の駆動部材と、
前記第２の駆動部材を挟んで前記第１の駆動部材と反対側に配置され、前記第１の駆動部材との相対的な位置関係が固定された第３の駆動部材と、
前記第２の駆動部材に設けられて前記第１と第２の駆動部材の相対位置を検出する磁気センサと、
前記磁気センサの出力信号を利用して、前記ブラシレス電気機械の動作を制御する制御回路と、
を備え、
前記第３の駆動部材は、前記第１の駆動部材の各永久磁石と対向する位置に、前記各永久磁石と共同して前記第２の駆動部材の位置における磁場を強める磁場強化部材を有する、ブラシレス電気機械。
【０００８】
この構成によれば、永久磁石と磁場強化部材とが共同して磁場を強めるので、永久磁石による磁場の利用効率を高めて電気機械の効率を向上させることができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載のブラシレス電気機械であって、
前記磁場強化部材は、永久磁石である、ブラシレス電気機械。
【００１０】
この構成によれば、第２の駆動部材が永久磁石によって上下から挟まれるので、第２の駆動部材の位置における磁場をきわめて強くすることができる。
【００１１】
［適用例３］
適用例１記載のブラシレス電気機械であって、
前記磁場強化部材は、強磁性体である、ブラシレス電気機械。
【００１２】
この構成によれば、より少ない永久磁石を用いて、第２の駆動部材の位置における磁場を強くすることができる。
【００１３】
［適用例４］
適用例１ないし３のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、
各永久磁石は、前記第２の駆動部材に面する側に突出する突部を有する、ブラシレス電気機械。
【００１４】
この構成によれば、突部近傍の磁場をより強めることができる。
【００１５】
［適用例５］
適用例１ないし４のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、
前記複数の電磁コイルは、Ｎ個（Ｎは１以上の整数）の電磁コイルをそれぞれ有するＭ相（Ｍは２以上の整数）のコイル群を有し、
前記制御回路は、前記Ｍ相のコイル群が同時に駆動力を発生するように前記Ｍ相のコイル群を駆動する、ブラシレス電気機械。
【００１６】
この構成によれば、Ｍ相のコイル群が同時に駆動力を発生するので、大きな駆動力を発生させることが可能となる。
【００１７】
［適用例６］
適用例１ないし５のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、
前記磁気センサは、前記第１と第２の駆動部材の相対位置に応じてアナログ的変化を示す出力信号を出力するセンサである、ブラシレス電気機械。
【００１８】
この構成によれば、磁気センサのアナログ的変化を利用して効率良くブラシレス電気機械を駆動することができる。
【００１９】
［適用例７］
適用例６記載のブラシレス電気機械であって、
前記制御回路は、前記磁気センサの出力信号のアナログ的変化を利用したＰＷＭ制御を実行することによって、前記磁気センサの出力信号のアナログ的変化を模擬した駆動信号を生成するＰＷＭ制御回路を含む、ブラシレス電気機械。
【００２０】
この構成によれば、コイルの逆起電力波形に近い形状の駆動信号でブラシレス電気機械を駆動できるので、効率を向上することが可能である。
【００２１】
［適用例８］
適用例１ないし７のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、
前記制御回路は、前記電磁コイルから電力を回生する回生回路を含む、ブラシレス電気機械。
この構成によれば、ブラシレス電気機械を用いて発電を行うことが可能である。
【００２２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ブラシレスモータ、ブラシレス発電機、それらの制御方法（又は駆動方法）、それらを用いたアクチュエータ又は発電装置等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施例における電動モータのモータ本体の構成を示す断面図である。
【図２】磁気センサ出力とコイルの逆起電力波形との関係を示す説明図である。
【図３】コイルの印加電圧と逆起電力との関係を示す模式図である。
【図４】第１実施例のモータの正転動作の様子を示す説明図である。
【図５】第１実施例のモータの逆転動作の様子を示す説明図である。
【図６】実施例の電気機械の用途と好ましい材料との関係を示す説明図である。
【図７】モータの駆動回路ユニットの構成を示すブロック図である。
【図８】ドライバ回路の内部構成を示す図である。
【図９】駆動制御部の内部構成と動作を示す説明図である。
【図１０】センサ出力波形と駆動信号波形の対応関係を示す説明図である。
【図１１】ＰＷＭ部の内部構成を示すブロック図である。
【図１２】モータ正転時のＰＷＭ部の動作を示すタイミングチャートである。
【図１３】モータ逆転時のＰＷＭ部の動作を示すタイミングチャートである。
【図１４】励磁区間設定部の内部構成と動作を示す説明図である。
【図１５】第１実施例のモータを矩形波で駆動した場合と、正弦波で駆動した場合の各種の信号波形を比較して示す説明図である。
【図１６】ドライバ回路の他の構成を示す図である。
【図１７】実施例のモータの無負荷時の回転数を示すグラフである。
【図１８】回生制御部と整流回路の内部構成を示す図である。
【図１９】第１実施例の第１変形例のモータ構成を示す説明図である。
【図２０】第１実施例の第２変形例のモータ構成を示す説明図である。
【図２１】３相ブラシレスモータの正転動作の様子を示す説明図である。
【図２２】第１実施例の第３変形例の３相リニアモータの構成を示す説明図である。
【図２３】第２実施例における電動モータのモータ本体の構成を示す断面図である。
【図２４】第２実施例のモータの正転動作の様子を示す説明図である。
【図２５】第２実施例の第１変形例のモータ構成を示す説明図である。
【図２６】従来のブラシレスモータの構成の一例を示す概念図である。
【図２７】本発明の実施例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。
【図２８】本発明の実施例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。
【図２９】本発明の実施例によるモータ／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。
【図３０】本発明の実施例によるモータを利用したロボットの一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．第１実施例のモータ構成と動作の概要：
B．駆動回路ユニットの構成：
C．第１実施例のモータ構成の変形例：
D．第２実施例のモータ構成と動作の概要：
E．変形例：
【００２５】
A．第１実施例のモータ構成と動作の概要：
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１実施例としてのブラシレスモータのモータ本体の構成を示す断面図である。このモータ本体は、ステータ部１０と、上部ロータ部３０Ｕと、下部ロータ部３０Ｌとを有している。これらの部材１０，３０Ｕ，３０Ｌは、それぞれ略円盤状の形状を有している。図１（Ｂ）は、下部ロータ部３０Ｌの水平断面図である。下部ロータ部３０Ｌは、それぞれ略扇状の形状を有する４つの永久磁石３２Ｌを有している。上部ロータ部３０Ｕも、下部ロータ部３０Ｌと同じ構成を有しているので図示を省略する。上部ロータ部３０Ｕと下部ロータ部３０Ｌは、中心軸６４に固定されており、同時に回転する。各磁石３２Ｕ，３２Ｌの磁化方向は、回転軸６４と平行な方向である。
【００２６】
図１（Ｃ）は、ステータ部１０の水平断面図である。ステータ部１０は、図１（Ａ）に示すように、複数のＡ相コイル１２Ａと、複数のＢ相コイル１２Ｂと、これらのコイル１２Ａ，１２Ｂを支持する支持部材１４とを有している。図１（Ｃ）は、このＢ相コイル１２Ｂの側を示している。この例では、Ｂ相コイル１２Ｂは４つ設けられており、それぞれ略扇状の形状に巻かれている。Ａ相コイル１２Ａも同じである。ステータ部１０には、さらに、駆動回路ユニット５００が設置されている。図１（Ａ）に示すように、ステータ部１０は、ケーシング６２に固定されている。
【００２７】
図１（Ｄ）は、ステータ部１０と２つのロータ部３０Ｕ，３０Ｌの関係を示す概念図である。ステータ部１０の支持部材１４上には、Ａ相用の磁気センサ４０ＡとＢ相用の磁気センサ４０Ｂとが設けられている。磁気センサ４０Ａ，４０Ｂは、ロータ部３０Ｕ，３０Ｌの位置（すなわちモータの位相）を検出するためのものである。なお、これらのセンサを以下では「Ａ相センサ」及び「Ｂ相センサ」とも呼ぶ。Ａ相センサ４０Ａは、２つのＡ相コイル１２Ａの中間の中央位置に配置されている。Ｂ相センサ４０Ｂも、同様に、２つのＢ相コイル１２Ｂの中間の中央位置に配置されている。この例では、Ａ相センサ４０Ａが支持部材１４の下側の面においてＢ相コイル１２Ｂとともに配置されているが、この代わりに、支持部材１４の上側の面に配置されていても良い。Ｂ相センサ４０Ｂも同様である。なお、図１（Ｃ）からも理解できるように、この実施例ではＡ相センサ４０ＡをＢ相コイル１２Ｂの内部に配置するので、センサ４０Ａを配置する空間を確保しやすいという利点がある。
【００２８】
図１（Ｄ）に示すように、磁石３２Ｕ，３２Ｌは、それぞれ一定の磁極ピッチＰｍで配置されており、隣接する磁石同士は逆方向に磁化されている。Ａ相コイル１２Ａは、一定のピッチＰｃで配置されており、隣接するコイル同士が逆向きに励磁される。Ｂ相コイル１２Ｂも同様である。本実施例では、磁極ピッチＰｍはコイルピッチＰｃに等しく、電気角でπに相当する。なお、電気角の２πは、駆動信号の位相が２πだけ変化したときに移動する機械的な角度又は距離に対応づけられる。本実施例では、駆動信号の位相が２πだけ変化すると、ロータ部３０Ｕ，３０Ｌが磁極ピッチＰｍの２倍だけ移動する。また、Ａ相コイル１２Ａと、Ｂ相コイル１２Ｂは、位相がπ／２だけずれた位置に配置されている。
【００２９】
上部ロータ部３０Ｕの磁石３２Ｕと、下部ロータ部３０Ｌの磁石３２Ｌは、ステータ部１０に向かう磁極が互いに異なる極性（Ｓ極とＮ極）となるように配置されている。換言すれば、上部ロータ部３０Ｕの磁石３２Ｕと、下部ロータ部３０Ｌの磁石３２Ｌは、互いに反対の極が向き合うように配置されている。この結果、図１（Ｄ）の右端に示すように、これらの磁石３２Ｕ，３２Ｌの間の磁場は、ほぼ直線状の磁力線で表されるものとなり、これらの磁石３２Ｕ，３２Ｌの間で閉じたものとなる。このような閉じた磁場は、前述した図２６に示した開放された磁場に比べて強いことが理解できる。この結果、磁場の利用効率が高まり、モータ効率を向上させることが可能である。なお、磁石３２Ｕ，３２Ｌの外側の面には、強磁性体製の磁気ヨーク３４Ｕ，３４Ｌがそれぞれ設けられていることが好ましい。磁気ヨーク３４Ｕ，３４Ｌは、コイルにおける磁場をより強めることが可能である。但し、磁気ヨーク３４Ｕ，３４Ｌは省略してもよい。
【００３０】
図２は、センサ出力とコイルの逆起電力波形との関係を示す説明図である。図２（Ａ）は、図１（Ｄ）と同じものである。図２（Ｂ）は、Ａ相コイル１２Ａに発生する逆起電力の波形の例を示しており、図２（Ｃ），（Ｄ）は、Ａ相センサ４０ＡとＢ相センサ４０Ｂのセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢの波形の例を示している。これらのセンサ４０Ａ，４０Ｂは、モータ運転時のコイルの逆起電力とほぼ相似形状のセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢを発生することができる。図２（Ｂ）に示すコイル１２Ａの逆起電力は、モータの回転数とともに上昇する傾向にあるが、波形形状（正弦波）はほぼ相似形状に保たれる。センサ４０Ａ，４０Ｂとしては、例えばホール効果を利用したホールＩＣを採用することができる。この例では、センサ出力ＳＳＡと逆起電力Ｅｃは、いずれも正弦波か、正弦波に近い波形である。後述するように、このモータの駆動制御回路は、センサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢを利用して、逆起電力Ｅｃとほぼ相似波形の電圧をそれぞれのコイル１２Ａ，１２Ｂに印加する。
【００３１】
ところで、電動モータは、機械的エネルギと電気的エネルギとを相互に変換するエネルギ変換装置として機能するものである。そして、コイルの逆起電力は、電動モータの機械的エネルギが電気的エネルギに変換されたものである。従って、コイルに印加する電気的エネルギを機械的エネルギに変換する場合（すなわちモータを駆動する場合）には、逆起電力と相似波形の電圧を印加することによって、最も効率良くモータを駆動することが可能である。なお、以下に説明するように、「逆起電力と相似波形の電圧」は、逆起電力と逆向きの電流を発生する電圧を意味している。
【００３２】
図３（Ａ）は、コイルの印加電圧と逆起電力との関係を示す模式図である。ここで、コイルは交流の逆起電力Ｅｃと抵抗Ｒｃとで模擬されている。また、この回路では、交流印加電圧Ｅｉ及びコイルと並列に電圧計Ｖが接続されている。なお、逆起電力Ｅｃを「誘起電圧Ｅｃ」とも呼び、また、印加電圧Ｅｉを「励磁電圧Ｅｉ」とも呼ぶ。コイルに交流電圧Ｅｉを印加してモータを駆動すると、印加電圧Ｅｉと逆の電流を流す方向に逆起電力Ｅｃが発生する。モータが回転している状態でスイッチＳＷを開放すると、電圧計Ｖで逆起電力Ｅｃを測定することができる。スイッチＳＷを開放した状態で測定される逆起電力Ｅｃの極性は、スイッチＳＷを閉じた状態で測定される印加電圧Ｅｉと同じ極性である。上述の説明において「逆起電力とほぼ相似波形の電圧を印加する」という文言は、このような電圧計Ｖで測定された逆起電力Ｅｃと同じ極性を有するほぼ相似形状の波形を有する電圧を印加することを意味している。
【００３３】
図３（Ｂ）は、本実施例で採用している駆動方法の概要を示している。ここでは、モータを、Ａ相コイル１２Ａと、永久磁石３２Ｕと、Ａ相センサ４０Ａとで模擬している。永久磁石３２Ｕを有するロータが回転すると、センサ４０Ａに交流電圧Ｅｓ（「センサ電圧Ｅｓ」とも呼ぶ）が発生する。このセンサ電圧Ｅｓは、コイル１２Ａの誘起電圧Ｅｃと相似な波形形状を有している。そこで、センサ電圧Ｅｓの模擬したＰＷＭ信号を生成してスイッチＳＷをオン／オフ制御することによって、誘起電圧Ｅｃとほぼ相似波形の励磁電圧Ｅｉをコイル１２Ａに印加することが可能となる。この時の励磁電流Ｉｉは、Ｉｉ＝（Ｅｉ−Ｅｃ）／Ｒｃで与えられる。
【００３４】
上述したように、モータを駆動する場合には、逆起電力と相似波形の電圧を印加することによって、最も効率良くモータを駆動することが可能である。なお、正弦波状の逆起電力波形の中位点近傍（電圧０の近傍）ではエネルギ変換効率が比較的低く、反対に、逆起電力波形のピーク近傍ではエネルギ変換効率が比較的高いことが理解できる。逆起電力と相似波形の電圧を印加してモータを駆動すると、エネルギ変換効率の高い期間において比較的高い電圧を印加することになるので、モータ効率が向上する。一方、例えば単純な矩形波でモータを駆動すると、逆起電力がほぼ０となる位置（中位点）の近傍においてもかなりの電圧が印加されるので、モータ効率が低下する。また、このようにエネルギ変換効率の低い期間において電圧を印加すると、渦電流により回転方向以外の方向の振動が生じ、これによって騒音が発生するという問題も生じる。
【００３５】
上述の説明から理解できるように、逆起電力と相似波形の電圧を印加してモータを駆動すると、モータ効率を向上させることができ、また、振動や騒音を低減することができるという利点がある。
【００３６】
図４（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施例のブラシレスモータの正転動作の様子を示す説明図である。図４（Ａ）は、位相が０の直前における状態を示している。Ａ相コイル１２ＡとＢ相コイル１２Ｂの位置に記載されている「Ｎ」，「Ｓ」の文字は、これらのコイル１２Ａ，１２Ｂの励磁方向を示している。コイル１２Ａ，１２Ｂが励磁されると、コイル１２Ａ，１２Ｂと磁石３２Ｕ，３２Ｌとの間に吸引力と反発力が生じる。この結果、ロータ部３０Ｕ，３０Ｌは、正転方向（図の右方向）に回転する。なお、位相が０となるタイミングで、Ａ相コイル１２Ａの励磁方向が反転する（図２参照）。図４（Ｂ）は、位相がπ／２の直前まで進んだ状態を示している。位相がπ／２となるタイミングでは、Ｂ相コイル１２Ｂの励磁方向が反転する。図４（Ｃ）は、位相がπの直前まで進んだ状態を示している。位相がπとなるタイミングでは、Ａ相コイル１２Ａの励磁方向が再び逆転する。図４（Ｄ）は、位相が３π／２の直前まで進んだ状態を示している。位相が３π／２となるタイミングでは、Ｂ相コイル１２Ｂの励磁方向が再び逆転する。
【００３７】
なお、図２（Ｃ）、（Ｄ）からも理解できるように、位相がπ／２の整数倍となるタイミングでは、センサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢがゼロとなるので、２相のコイル１２Ａ，１２Ｂのうちの一方のみから駆動力を発生する。しかし、位相がπ／２の整数倍となるタイミングを除く他のすべての期間において、２相のコイル１２Ａ，１２Ｂの両方が同時に駆動力を発生することが可能である。従って、２相のコイル１２Ａ，１２Ｂの両方を用いて大きなトルクを発生することができる。
【００３８】
ところで、図４（Ａ）から理解できるように、Ａ相センサ４０Ａは、Ａ相コイル１２Ａの中心が永久磁石３２Ｕの中心と対向する位置においてそのセンサ出力の極性が切り替わる位置に配置されている。同様に、Ｂ相センサ４０Ｂは、Ｂ相コイル１２Ｂの中心が永久磁石３２Ｌの中心と対向する位置においてそのセンサ出力の極性が切り替わる位置に配置されている。このような位置にセンサ４０Ａ，４０Ｂを配置すれば、センサ４０Ａ，４０Ｂから、コイルの逆起電力とほぼ相似形状のセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢ（図２）を発生することが可能である。
【００３９】
図５（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施例のブラシレスモータの逆転動作の様子を示す説明図である。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、位相が０，π／２，π，３π／２の直前となる状態をそれぞれ示している。この逆転動作は、例えば、コイル１２Ａ，１２Ｂの駆動電圧の極性（すなわち正負）を、正転動作の駆動電圧からそれぞれ反転させることによって実現することができる。
【００４０】
図６は、本発明の実施例としての電気機械の用途と好ましい材料との関係を示している。用途としては、例えば以下の項目を優先する用途が存在する。
（１）低価格であること。
（２）小型であること。
（３）消費電力が少ないこと。
（４）振動・衝撃への耐久性。
（５）高温環境での利用性。
（６）軽量であること。
（７）大トルクを発生可能であること。
（８）高回転が可能であること。
（９）環境に優しいこと。
【００４１】
図６の各用途の右の欄には、永久磁石と、ロータ材（ロータ部３０Ｕ，３０Ｌの支持部材）と、ボビン材（コイルのコア材）と、ケース材に適した材料がそれぞれ示されている。なお、「高価磁石」とは、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石などを意味する。また、「一般樹脂」とは、カーボン系樹脂と植物性樹脂とを除く各種の樹脂（特に合成樹脂）を意味する。「カーボン系樹脂」とは、ガラス状カーボン、（炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）、カーボンファイバなどを意味する。ロータ材用の金属としては、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、マグネシウム、銅、銀、金、及び、それらの合金を使用することができる。「セラミックス」としては、ファインセラミックス、ステアタイトセラミック、アルミナ、ジルコン、ガラスを使用することができる。また、「天然材」としては、植物、木材、土砂などを用いた材料（例えば植物性樹脂）を使用することができる。
【００４２】
これらの例からも理解できるように、本発明の実施例としての電気機械では、ロータ材やボビン材（コア材）やケース材として、非磁性で非導電性の各種の材料を利用することが可能である。但し、ロータ材としては、強度を考慮してアルミニウムやその合金などの金属材料を用いる場合もある。この場合にも、ボビン材やケース材は、実質的に非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。ここで、「実質的に非磁性で非導電性の材料」とは、わずかな部分が磁性体または導電体であることが許容されることを意味している。例えば、ボビン材が実質的に非磁性で非導電性の材料で形成されているか否かは、モータにコギングが存在するか否かによって判定することができる。また、ケース材が実質的に非導電性の材料で形成されているか否かは、ケース材による鉄損（渦電流損）が所定の値（例えば入力の１％）以下か否かによって判定することができる。
【００４３】
なお、電気機械の構造材の中には、回転軸と軸受け部のように、金属材料で作成することが好ましい部材も存在する。ここで、「構造材」とは、電気機械の形状を支えるために使用される部材を意味しており、小さな部品や固定具などを含まない主要な部材を意味している。ロータ材やケース材も構造材の一種である。実施例の電気機械では、回転軸と軸受け部以外の主要な構造材は、非磁性で非導電性の材料で形成することができる。
【００４４】
B．駆動回路ユニットの構成：
図７は、実施例における駆動回路ユニットの内部構成を示すブロック図である。この駆動回路ユニット５００は、ＣＰＵ１１０と、駆動制御部１００と、回生制御部２００と、ドライバ回路１５０と、整流回路２５０と、電源ユニット３００とを備えている。２つの制御部１００，２００は、バス１０２を介してＣＰＵ１１０と接続されている。駆動制御部１００とドライバ回路１５０は、電動モータに駆動力を発生させる場合の制御を行う回路である。また、回生制御部２００と整流回路２５０は、電動モータから電力を回生する場合の制御を行う回路である。回生制御部２００と整流回路２５０とをまとめて「回生回路」とも呼ぶ。また、駆動制御部１００を「駆動信号生成回路」とも呼ぶ。電源ユニット３００は、駆動回路ユニット５００内の他の回路に各種の電源電圧を供給するための回路である。図７では、図示の便宜上、電源ユニット３００から駆動制御部１００及びドライバ回路１５０に向かう電源配線のみが描かれており、他の回路に向かう電源配線は省略されている。
【００４５】
図８は、ドライバ回路１５０（図７）に含まれるＡ相ドライバ回路１２０ＡとＢ相ドライバ回路１２０Ｂの構成を示している。Ａ相ドライバ回路１２０Ａは、Ａ相コイル１２Ａに、交流駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を供給するためのＨ型ブリッジ回路である。なお、駆動信号を示すブロックの端子部分に付されている白丸は、負論理であり信号が反転していることを示している。また、符号ＩＡ１，ＩＡ２が付された矢印は、Ａ１駆動信号ＤＲＶＡ１とＡ２駆動信号ＤＲＶＡ２によって流れる電流方向をそれぞれ示している。Ｂ相ドライバ回路１２０Ｂの構成もＡ相ドライバ回路１２０Ａの構成と同じである。
【００４６】
図９は、駆動制御部１００（図７）の内部構成と動作を示す説明図である。駆動制御部１００は、基本クロック生成回路５１０と、１／Ｎ分周器５２０と、ＰＷＭ部５３０と、正逆方向指示値レジスタ５４０と、乗算器５５０と、符号化部５６０と、ＡＤ変換部５７０と、電圧指令値レジスタ５８０と、励磁区間設定部５９０とを備えている。なお、駆動制御部１００は、Ａ相用の駆動信号とＢ相用の駆動信号の両方を生成する回路であるが、図９（Ａ）では図示の便宜上、Ａ相の回路構成のみが描かれている。Ｂ相についても、Ａ相と同じ回路が駆動制御部１００内に設けられている。
【００４７】
基本クロック生成回路５１０は、所定の周波数を有するクロック信号ＰＣＬを発生する回路であり、例えばＰＬＬ回路で構成される。分周器５２０は、このクロック信号ＰＣＬの１／Ｎの周波数を有するクロック信号ＳＤＣを発生する。Ｎの値は所定の一定値に設定される。このＮの値は、予めＣＰＵ１１０によって分周器５２０に設定される。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、乗算器５５０から供給される乗算値Ｍａと、正逆方向指示値レジスタ５４０から供給される正逆方向指示値ＲＩと、符号化部５６０から供給される正負符号信号Ｐａと、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅａとに応じて、交流駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２（図８）を生成する。この動作については後述する。
【００４８】
正逆方向指示値レジスタ５４０内には、モータの回転方向を示す値ＲＩがＣＰＵ１１０によって設定される。本実施例では、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルのときにモータが正転し、Ｈレベルのときに逆転する。ＰＷＭ部５３０に供給される他の信号Ｍａ，Ｐａ，Ｅａは以下のように決定される。
【００４９】
磁気センサ４０Ａの出力ＳＳＡは、ＡＤ変換部５７０に供給される。このセンサ出力ＳＳＡのレンジは、例えばＧＮＤ（接地電位）からＶＤＤ（電源電圧）までであり、その中位点（＝ＶＤＤ／２）が出力波形の中位点（正弦波の原点を通る点）である。ＡＤ変換部５７０は、このセンサ出力ＳＳＡをＡＤ変換して、センサ出力のデジタル値を生成する。ＡＤ変換部５７０の出力のレンジは、例えばＦＦｈ〜０ｈ（語尾の”ｈ”は１６進数であることを示す）であり、中央値８０ｈがセンサ波形の中位点に相当する。
【００５０】
符号化部５６０は、ＡＤ変換後のセンサ出力値のレンジを変換するとともに、センサ出力値の中位点の値を０に設定する。この結果、符号化部５６０で生成されるセンサ出力値Ｘａは、正側の所定の範囲（例えば＋１２７〜０）と負側の所定の範囲（例えば０〜−１２７）の値を取る。但し、符号化部５６０から乗算器５５０に供給されるのは、センサ出力値Ｘａの絶対値であり、その正負符号は正負符号信号ＰａとしてＰＷＭ部５３０に供給される。
【００５１】
電圧指令値レジスタ５８０は、ＣＰＵ１１０によって設定された電圧指令値Ｙａを格納する。この電圧指令値Ｙａは、後述する励磁区間信号Ｅａとともに、モータの印加電圧を設定する値として機能するものであり、例えば０〜１．０の値を取る。仮に、非励磁区間を設けずに全区間を励磁区間とするように励磁区間信号Ｅａを設定した場合には、Ｙａ＝０は印加電圧をゼロとすることを意味し、Ｙａ＝１．０は印加電圧を最大値とすることを意味する。乗算器５５０は、符号化部５６０から出力されたセンサ出力値Ｘａと、電圧指令値Ｙａとを乗算して整数化し、その乗算値ＭａをＰＷＭ部５３０に供給する。
【００５２】
図９（Ｂ）〜（Ｅ）は、乗算値Ｍａが種々の値を取る場合におけるＰＷＭ部５３０の動作を示している。ここでは、全期間が励磁区間であり非励磁区間が無いものと仮定している。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＳＤＣの１周期の間に、デューティがＭａ／Ｎであるパルスを１つ発生させる回路である。すなわち、図９（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように、乗算値Ｍａが増加するに従って、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２のパルスのデューティが増加する。なお、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１は、センサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であり、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２はセンサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であるが、図９（Ｂ）〜（Ｅ）ではこれらを合わせて記載している。また、便宜上、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２を負側のパルスとして描いている。
【００５３】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）は、センサ出力の波形とＰＷＭ部５３０で生成される駆動信号の波形の対応関係を示す説明図である。図中、「Ｈｉｚ」は電磁コイルを未励磁状態としたハイインピーダンス状態を意味している。図９で説明したように、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２はセンサ出力ＳＳＡのアナログ波形をそのまま利用したＰＷＭ制御によって生成される。従って、これらの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を用いて、各コイルに、センサ出力ＳＳＡの変化と対応するレベル変化を示す実効電圧を供給することが可能である。
【００５４】
ＰＷＭ部５３０は、さらに、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅａで示される励磁区間のみに駆動信号を出力し、励磁区間以外の区間（非励磁区間）では駆動信号を出力しないように構成されている。図１０（Ｃ）は、励磁区間信号Ｅａによって励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰを設定した場合の駆動信号波形を示している。励磁区間ＥＰでは図１０（Ｂ）の駆動信号パルスがそのまま発生し、非励磁区間ＮＥＰでは駆動信号パルスが発生しない。このように、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰを設定するようにすれば、逆起電力波形の中位点近傍（すなわち、センサ出力の中位点近傍）においてコイルを電圧を印加しないので、モータの効率をさらに向上させることが可能である。なお、励磁区間ＥＰは、逆起電力波形のピークを中心としする対称な区間に設定されることが好ましく、非励磁区間ＮＥＰは、逆起電力波形の中位点（中心点）を中心とする対称な区間に設定されることが好ましい。
【００５５】
なお、前述したように、電圧指令値Ｙａを１未満の値に設定すれば、乗算値Ｍａが電圧指令値Ｙａに比例して小さくなる。従って、電圧指令値Ｙａによっても、実効的な印加電圧を調整することが可能である。
【００５６】
上述の説明から理解できるように、本実施例のモータでは、電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号Ｅａとの両方を利用して印加電圧を調整することが可能である。望ましい印加電圧と、電圧指令値Ｙａ及び励磁区間信号Ｅａとの関係は、予め駆動回路ユニット５００（図７）内のメモリにテーブルとして格納されていることが望ましい。こうすれば、駆動回路ユニット５００が、外部から望ましい印加電圧の目標値を受信したときに、ＣＰＵ１１０がその目標値に応じて、電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号Ｅａとを駆動制御部１００に設定することが可能である。なお、印加電圧の調整には、電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号Ｅａの両方を利用する必要はなく、いずれか一方のみを利用するようにしてもよい。
【００５７】
図１１は、ＰＷＭ部５３０（図９）の内部構成の一例を示すブロック図である。ＰＷＭ部５３０は、カウンタ５３１と、ＥＸＯＲ回路５３３と、駆動波形形成部５３５とを備えている。これらは以下のように動作する。
【００５８】
図１２は、モータ正転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。この図には、２つのクロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、正逆方向指示値ＲＩと、励磁区間信号Ｅａと、乗算値Ｍａと、正負符号信号Ｐａと、カウンタ５３１内のカウント値ＣＭ１と、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２と、駆動波形形成部５３５の出力信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２とが示されている。カウンタ５３１は、クロック信号ＳＤＣの１期間毎に、クロック信号ＰＣＬに同期してカウント値ＣＭ１を０までダウンカウントする動作を繰り返す。カウント値ＣＭ１の初期値は乗算値Ｍａに設定される。なお、図１２では、図示の便宜上、乗算値Ｍａとして負の値も描かれているが、カウンタ５３１で使用されるのはその絶対値｜Ｍａ｜である。カウンタ５３１の出力Ｓ１は、カウント値ＣＭ１が０で無い場合にはＨレベルに設定され、カウント値ＣＭ１が０になるとＬレベルに立ち下がる。
【００５９】
ＥＸＯＲ回路５３３は、正負符号信号Ｐａと正逆方向指示値ＲＩとの排他的論理和を示す信号Ｓ２を出力する。モータが正転する場合には、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルである。従って、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２は、正負符号信号Ｐａと同じ信号となる。駆動波形形成部５３５は、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２から、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を生成する。すなわち、カウンタ５３１の出力Ｓ１のうち、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２がＬレベルの期間の信号を第１の駆動信号ＤＲＶＡ１として出力し、出力Ｓ２がＨレベルの期間の信号を第２の駆動信号ＤＲＶＡ２として出力する。なお、図１２の右端部付近では、励磁区間信号ＥａがＬレベルに立ち下がり、これによって非励磁区間ＮＥＰが設定されている。従って、この非励磁区間ＮＥＰでは、いずれの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２も出力されず、ハイインピーダンス状態に維持される。
【００６０】
図１３は、モータ逆転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。モータ逆転時には、正逆方向指示値ＲＩがＨレベルに設定される。この結果、２つの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２が図１２から入れ替わっており、この結果、モータが逆転することが理解できる。
【００６１】
図１４は、励磁区間設定部５９０の内部構成と動作を示す説明図である。励磁区間設定部５９０は、電子可変抵抗器５９２と、電圧比較器５９４，５９６と、ＯＲ回路５９８とを有している。電子可変抵抗器５９２の抵抗値Ｒｖは、ＣＰＵ１１０によって設定される。電子可変抵抗器５９２の両端の電圧Ｖ１，Ｖ２は、電圧比較器５９４，５９６の一方の入力端子に与えられている。電圧比較器５９４，５９６の他方の入力端子には、センサ出力ＳＳＡが供給されている。電圧比較器５９４，５９６の出力信号Ｓｐ，Ｓｎは、ＯＲ回路５９８に入力されている。ＯＲ回路５９８の出力は、励磁区間と非励磁区間とを区別するための励磁区間信号Ｅａである。
【００６２】
図１４（Ｂ）は、励磁区間設定部５９０の動作を示している。電子可変抵抗器５９２の両端電圧Ｖ１，Ｖ２は、抵抗値Ｒｖを調整することによって変更される。具体的には、両端電圧Ｖ１，Ｖ２は、電圧レンジの中央値（＝ＶＤＤ／２）からの差分が等しい値に設定される。センサ出力ＳＳＡが第１の電圧Ｖ１よりも高い場合には第１の電圧比較器５９４の出力ＳｐがＨレベルとなり、一方、センサ出力ＳＳＡが第２の電圧Ｖ２よりも低い場合には第２の電圧比較器５９６の出力ＳｎがＨレベルとなる。励磁区間信号Ｅａは、これらの出力信号Ｓｐ，Ｓｎの論理和を取った信号である。従って、図１４（Ｂ）の下部に示すように、励磁区間信号Ｅａは、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰとを示す信号として使用することができる。励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰの設定は、ＣＰＵ１１０が可変抵抗値Ｒｖを調整することによって行なわれる。
【００６３】
図１５は、上述した本実施例のモータを矩形波で駆動した場合と、正弦波で駆動した場合の各種の信号波形を比較して示している。矩形波駆動の場合には、矩形波の駆動電圧がコイルに与えられる。駆動電流は、始動時には矩形波に近いが、回転速度が上昇すると減少する。これは、回転速度の上昇に応じて逆起電力が増加するからである（図２）。但し、矩形波駆動では、回転速度が上昇しても、駆動電圧が切り替わるタイミング（位相＝ｎπ）の近傍における電流値はあまり減少せず、かなり大きな電流が流れる傾向にある。
【００６４】
一方、正弦波で駆動する場合には、駆動電圧の実効値が正弦波形状となるように駆動電圧がＰＷＭ制御される。駆動電流は、始動時には正弦波に近いが、回転速度が上昇すると逆起電力の影響で駆動電流が減少する。正弦波駆動では、駆動電圧の極性が切り替わるタイミング（位相＝ｎπ）の近傍において電流値が大幅に減少している。図２に即して説明したように、一般に、駆動電圧の極性が切り替わるタイミングの近傍では、モータのエネルギ変換効率が低い。正弦波駆動では、効率の低い期間における電流値が、矩形波駆動よりも小さくなるので、より高効率でモータを駆動することが可能である。
【００６５】
図１６は、ドライバ回路１５０（図７）に含まれるＡ相ドライバ回路１２０ＡとＢ相ドライバ回路１２０Ｂの他の構成例を示している。このドライバ回路１２０Ａ，１２０Ｂは、図８に示したドライバ回路１２０Ａ，１２０Ｂを構成するトランジスタのゲート電極の前に、増幅回路１２２を設けたものである。なお、トランジスタのタイプも図８とは異なっているが、各トランジスタとしては任意のタイプのものを使用することができる。本実施例のモータを、トルクと回転数に関して広い動作範囲で駆動させるためには、ドライバ回路１２０Ａ，１２０Ｂの電源電圧ＶＤＤを可変に設定できることが好ましい。電源電圧ＶＤＤを変更した場合には、各トランジスタのゲート電圧に与える駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２，ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２のレベルもこれに比例して変更される。こうすれば、広い範囲の電源電圧ＶＤＤを用いてモータを駆動することができる。増幅回路１２２は、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２，ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２のレベルを変更するための回路である。なお、図７に示した駆動回路ユニット５００の電源ユニット３００は、可変の電源電圧ＶＤＤをドライバ回路１５０に供給するものとすることが好ましい。
【００６６】
図１７は、本実施例のモータの無負荷時の回転数を示している。このグラフから理解できるように、本実施例のモータは無負荷時に極く低回転数まで極めて安定した回転数で回転する。この理由は、磁性体のコアが無いのでコギングが発生しないからである。
【００６７】
図１８は、図７に示した回生制御部２００と整流回路２５０の内部構成を示す図である。回生制御部２００は、バス１０２に接続されたＡ相充電切換部２０２と、Ｂ相充電切換部２０４と、電子可変抵抗器２０６とを有している。２つの充電切換部２０２，２０４の出力信号は、２つのＡＮＤ回路２１１，２１２の入力端子に与えられている。
【００６８】
Ａ相充電切換部２０２は、Ａ相コイル１２Ａからの回生電力を回収する場合には「１」レベルの信号を出力し、回収しない場合には「０」レベルの信号を出力する。Ｂ相充電切換部２０４も同様である。なお、これらの信号レベルの切換えは、ＣＰＵ１１０によって行われる。また、Ａ相コイル１２Ａからの回生の有無と、Ｂ相コイル１２Ｂからの回生の有無とは、独立に設定することができる。従って、例えばＡ相コイル１２Ａを用いてモータに駆動力を発生させつつ、Ｂ相コイル１２Ｂから電力を回生することも可能である。
【００６９】
なお、駆動制御部１００も、同様に、Ａ相コイル１２Ａを用いて駆動力を発生するか否かと、Ｂ相コイル１２Ｂを用いて駆動力を発生するか否かとを、独立に設定できるように構成してもよい。このようにすれば、２相のコイル１２Ａ，１２Ｂのうちの任意の一方で駆動力を発生させつつ、他方で電力を回生する運転モードでモータを運転することが可能である。
【００７０】
電子可変抵抗器２０６の両端の電圧は、４つの電圧比較器２２１〜２２４の２つの入力端子の一方に与えられている。電圧比較器２２１〜２２４の他方の入力端子には、Ａ相センサ信号ＳＳＡとＢ相センサ信号ＳＳＢが供給されている。４つの電圧比較器２２１〜２２４の出力信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢは、「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶことができる。
【００７１】
Ａ相コイル用のマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡはＯＲ回路２３１に入力されており、Ｂ相用のマスク信号ＴＰＢ，ＢＴＢは他のＯＲ回路２３２に入力されている。これらのＯＲ回路２３１，２３２の出力は、上述した２つのＡＮＤ回路２１１，２１２の入力端子に与えられている。これらのＡＮＤ回路２１１，２１２の出力信号ＭＳＫＡ，ＭＳＫＢも、「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶ。
【００７２】
ところで、４つの電圧比較器２２１〜２２４とＯＲ回路２３１，２３２の構成は、図１４に示した励磁区間設定部５９０内の電圧比較器５９４，５９６とＯＲ回路５９８を２つ並べたものと同じである。従って、Ａ相コイル用のＯＲ回路２３１の出力信号は、図１４（Ｂ）に示した励磁区間信号Ｅａと同様な波形を有する。また、Ａ相充電切換部２０２の出力信号が「１」レベルの場合には、Ａ相コイル用のＡＮＤ回路２１１から出力されるマスク信号ＭＳＫＡはＯＲ回路２３１の出力信号と同じものとなる。これらの動作はＢ相についても同様である。
【００７３】
整流回路２５０は、Ａ相コイル用の回路として、複数のダイオードを含む全波整流回路２５２と、２つのゲートトランジスタ２６１，２６２と、バッファ回路２７１と、インバータ回路２７２（ＮＯＴ回路）とを有している。なお、Ｂ相用にも同じ回路が設けられている。ゲートトランジスタ２６１，２６２は、回生用の電源配線２８０に接続されている。
【００７４】
電力回生時にＡ相コイル１２Ａで発生した交流電力は、全波整流回路２５２で整流される。ゲートトランジスタ２６１，２６２のゲートには、Ａ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＡとその反転信号が与えられており、これに応じてゲートトランジスタ２６１，２６２がオン／オフ制御される。従って、電圧比較器２２１，２２２から出力されたマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの少なくとも一方がＨレベルの期間では回生電力が電源配線２８０に出力され、一方、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの双方がＬレベルの期間では電力の回生が禁止される。
【００７５】
以上の説明から理解できるように、回生制御部２００と整流回路２５０を用いて、回生電力を回収することが可能である。また、回生制御部２００と整流回路２５０は、Ａ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＡ及びＢ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＢに応じて、Ａ相コイル１２ＡとＢ相コイル１２Ｂからの回生電力を回収する期間を制限し、これによって回生電力の量を調整することが可能である。
【００７６】
以上のように、第１実施例のブレシレスモータでは、複数の電磁コイルの両側を永久磁石で挟む構成を採用したので、電磁コイルの位置における磁場を強めることができ、効率を高めることが可能である。
【００７７】
C．第１実施例のモータ構成の変形例：
図１９は、第１実施例の第１変形例としてのブラシレスモータの構成を示す説明図である。このブラシレスモータのロータ部３０Ｕａ，３０Ｌａでは、永久磁石３２Ｕａ，３２Ｕｂの中央部に、ステータ部１０に向けて突出した凸部３６（図２２（Ｂ））がそれぞれ設けられている。他の構成は、図１に示したモータの構成と同じである。永久磁石３２Ｕａ，３２Ｕｂの中央の凸部３６は、図２２（Ｄ）に示すコイル１２Ａ，１２Ｂの有効コイル部ＥＣＰに相当する幅を有している。コイル１２Ａ，１２Ｂの有効コイル部ＥＣＰは、有効な駆動力を発生するコイル部分であり、これ以外のコイル部分は駆動力（回転式モータでは回転方向の力）をほとんど発生しない。従って、各永久磁石に有効コイル部ＥＣＰとほぼ同じ幅の凸部３６を設けることによって、磁石の磁場をより有効に活用することが可能である。
【００７８】
図２０は、第１実施例の第２変形例としての３相ブラシレスモータの構成を示す説明図である。このブラシレスモータは、ステータ部１０ａが３相のコイルを有している点が図１に示したモータと異なっており、ロータ部３０Ｕ，３０Ｌの構成は図１と同じである。図２０（Ｄ）に示すように、ステータ部１０ａは、Ａ相コイル１２ＡとＢ相コイル１２ＢとＣ相コイル１２Ｃの３層構造を有している。これらの３相のコイル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、２π／３の位相差で配置されている。Ａ相センサ４０Ａは、２つのＡ相コイル１２Ａの中間の中央位置に配置されている。同様に、Ｂ相センサ４０Ｂも、２つのＢ相コイル１２Ｂの中間の中央位置に配置されており、Ｃ相センサ４０Ｃも、２つのＣ相コイル１２Ｃの中間の中央位置に配置されている。なお、３相分のコイルを３層構造で配置する必要は無く、例えば、１層構造で（すなわち同じ面上に）配置することも可能である。但し、３層構造を採用すれば、より多くのコイルを配置できるので、大きなトルクを発生できるという利点がある。
【００７９】
図２１（Ａ）〜（Ｃ）は、図２０の３相ブラシレスモータの正転動作の様子を示す説明図である。図２１（Ａ）〜（Ｃ）は、位相が０，２π／３，４π／３の直前における状態をそれぞれ示している。３相駆動では、よく知られているように、π／３の期間毎にいずれかの相の励磁方向が逆点する。３相ブレシレスモータの逆転動作についての説明は省略する。
【００８０】
図２２は、第１実施例の第３変形例としての３相リニアモータの構成を示している。このリニアモータ１０００は、固定ガイド部１１００と、移動部１２００とを備えている。図２２（Ａ）に示すように、固定ガイド部１１００の上部と下部には、移動方向に沿って多数の永久磁石３２がそれぞれ配列されている。移動部１２００は、これらの永久磁石３２によって上下方向に挟まれた位置に設けられており、３相のコイル１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが設けられている。また、各相の隣接するコイルの間には、磁気センサが設けられているが、ここでは図示を省略している。図２２（Ｂ）に示すように、移動部１２００には駆動制御部１２５０が設けられている。駆動制御部１２５０は、燃料電池などの自立的な電源装置（図示省略）を有している。移動部１２００は、ベアリング部１１４０によって固定ガイド部１１００に摺動可能に保持されている。本発明の実施例は、このようなリニアモータとしても実現可能である。なお、リニアモータは、２相ブラシレスモータとして構成することも可能である。
【００８１】
D．第２実施例のモータ構成と動作の概要：
図２３（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第２実施例としてのブラシレスモータのモータ本体の構成を示す断面図である。このモータ本体は、図１に示したモータの下部ロータ部３０Ｌの構成を変更したものであり、他の構成は図１と同じである。図２３（Ａ），（Ｄ）に示すように、下部ロータ部３０Ｌｂには、永久磁石の代わりに強磁性体材料で形成された磁気ヨーク３８が設けられている。これらの磁気ヨーク３８は、上部ロータ部３０Ｕの永久磁石３２による磁場（特にステータ部１０の位置における磁場）を強める働きがある。
【００８２】
第１及び第２実施例から理解できるように、コイルの両側のうちの一方側には永久磁石を設け、他方側には永久磁石と共同してコイル位置における磁場を強める磁場強化部材を設けることが可能である。図１に示した第１実施例では永久磁石３２Ｌが磁場強化部材として機能し、図２３に示す第２実施例では磁気ヨーク３８が磁場強化部材として機能している。これらの構成では、コイル位置における磁場が強化されるので、ブラシレスモータにおける磁場の利用効率を高めてモータ効率を向上させることができる。
【００８３】
なお、磁気ヨーク３８は、図２３（Ｄ）に示すように、個々の永久磁石３２Ｕに対向する位置に永久磁石３２Ｕと同じ数だけ設けるようにしてもよく、あるいは、複数の永久磁石に対向するような板状の磁気ヨークを用いてもよい。後者の場合には、１枚の平板状のヨーク部材を、複数の永久磁石に対する磁場強化部材として使用することが可能である。なお、図２３（Ｄ）に示すように、各磁気ヨーク３８は、個々の永久磁石３２Ｕに対向する位置に凸部を有するようにすることが好ましい。
【００８４】
図２４（Ａ）〜（Ｄ）は、第２実施例のブラシレスモータの逆転動作の様子を示す説明図である。図２４（Ａ）〜（Ｄ）は、位相が０，π／２，π，３π／２の直前となる状態をそれぞれ示している。この動作は、図５に示したものと基本的に同じである。逆転動作も図６に示したものと同様なので省略する。
【００８５】
図２５は、第２実施例の第１変形例のモータ構成を示す説明図である。このブラシレスモータ２０００は、ファンモータとして構成されたものである。すなわち、上部ロータ部３０Ｕｂの外周部には、羽根２１００が固定されている。なお、この上部ロータ部３０Ｕｂの永久磁石３２Ｕｂは、ステータ部１０に向かって突出した凸部を有している。この凸部は、図２２で説明したように、モータ効率をさらに改善するための工夫である。
【００８６】
なお、第２実施例のブラシレスモータは、図２０に示した３相モータや、図２２に示したリニアモータとしても実現可能である。
【００８７】
ところで、図２２のリニアモータでは、電磁コイルが設けられている部材が移動し、永久磁石が設けられている部材が固定されている。この関係は、図１及び図２５に示した構成と逆である。すなわち、図１に示したモータでは、電磁コイルが設けられている部材（ステータ部１０）が固定されており、永久磁石（又は磁気ヨーク３８）が設けられている部材（ロータ部３０Ｕ，３０Ｌ）が移動する。これらの例から理解できるように、本発明の実施例による電気機械は、永久磁石が設けられている第１の部材（「第１の駆動部材」とも呼ぶ）と、電磁コイルが設けられている第２の部材（「第２の駆動部材」とも呼ぶ）と、磁場強化部材（永久磁石３２Ｌ又は磁気ヨーク３８）が設けられている第３の部材（「第３の駆動部材」とも呼ぶ）を備え、第１と第３の駆動部材が、第２の駆動部材に対して相対的に移動できるように構成された種々の電気機械として実現可能である。
【００８８】
E．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８９】
E１．変形例１：
上記実施例や変形例では２相ブラシレスモータと３相ブラシレスモータについて説明したが、本発明は、任意の相数Ｍ（Ｍは１以上の整数）のブラシレスモータに適用することが可能である。例えば、１相モータにも本発明を適用することができる。１相モータは、例えば、図１のモータの２相のコイルのうちの１相分を省略することによって実現可能である。なお、各相のコイル群は、少なくとも１個の電磁コイルを含んでいれば良いが、２個以上の電磁コイルを含むことが好ましい。
【００９０】
E２．変形例２：
上記実施例ではアナログ磁気センサを利用していたが、アナログ磁気センサの代わりに、多値のアナログ的出力を有するデジタル磁気センサを使用してもよい。アナログ磁気センサも多値出力を有するデジタル磁気センサも、アナログ的変化を示す出力信号を有する点で共通している。なお、本明細書において、「アナログ的変化を示す出力信号」とは、オン／オフの２値出力ではなく、３値以上の多数レベルを有するデジタル出力信号と、アナログ出力信号との両方を包含する広い意味で使用されている。
【００９１】
なお、アナログ的変化を示す出力信号を有するセンサの代わりに、２値のデジタル出力を有するデジタル磁気センサを使用するようにしてもよい。この場合には、図９のＡＤＣ部５７０と励磁区間設定部５９０が不要となる。従って、励磁区間の設定は行なわれず、また、正弦波駆動波形を用いないため、効率が低下し振動／騒音も生じてしまうが、安価なＩＣで駆動制御回路を実現することができる。
【００９２】
E３．変形例３：
ＰＷＭ回路としては、図１１に示した回路以外の種々の回路構成を採用することが可能である。例えば、センサ出力と基準三角波とを比較することによってＰＷＭ制御を行う回路を利用してもよい。また、ＰＷＭ制御以外の方法で駆動信号を生成するようにしてもよい。また、ＰＷＭ制御以外の方法で駆動信号を生成する回路を採用してもよい。例えば、センサ出力を増幅してアナログ駆動信号を生成する回路を採用することも可能である。
【００９３】
また、図９において、ＡＤＣ部５７０を電圧比較器（コンパレータ）に変えることも可能である。この場合には、正弦波駆動波形では無く、矩形波駆動となるため、効率が低下し振動／騒音も生じてしまうが、安価なＩＣで駆動制御回路を実現することができる。
【００９４】
E４．変形例４：
本発明は、回生回路を含まないモータや、駆動制御回路を含まない発電機にも適用可能である。具体例としては、例えば、ファンモータ、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機（単一回転）、ジェットコースタ、振動モータなどの種々の装置のモータに適用可能である。本発明をファンモータに適用した場合には、種々の効果（低消費電力、低振動、低騒音、低回転ムラ、低発熱、高寿命）が特に顕著である。このようなファンモータは、例えば、デジタル表示装置や、車載機器、燃料電池式パソコン、燃料電池式デジタルカメラ、燃料電池式ビデオカメラ、燃料電池式携帯電話などの燃料電池使用機器、プロジェクタ等の各種装置のファンモータとして使用することができる。本発明のモータは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモータとしても利用可能である。例えば、光記憶装置や、磁気記憶装置、ポリゴンミラー駆動装置等において、本発明によるモータをスピンドルモータとして使用することが可能である。また、本発明によるモータは、移動体やロボット用のモータとしても利用可能である。
【００９５】
図２７は、本発明の実施例によるモータを利用したプロジェクタを示す説明図である。このプロジェクタ６００は、赤、緑、青の３色の色光を発光する３つの光源６１０Ｒ、６１０Ｇ、６１０Ｂと、これらの３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブ６４０Ｒ、６４０Ｇ、６４０Ｂと、変調された３色の色光を合成するクロスダイクロイックプリズム６５０と、合成された３色の色光をスクリーンＳＣに投写する投写レンズ系６６０と、プロジェクタ内部を冷却するための冷却ファン６７０と、プロジェクタ６００の全体を制御する制御部６８０と、を備えている。冷却ファン６７０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。
【００９６】
図２８（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施例によるモータを利用した燃料電池式携帯電話を示す説明図である。図２８（Ａ）は携帯電話７００の外観を示しており、図２８（Ｂ）は、内部構成の例を示している。携帯電話７００は、携帯電話７００の動作を制御するＭＰＵ７１０と、ファン７２０と、燃料電池７３０とを備えている。燃料電池７３０は、ＭＰＵ７１０やファン７２０に電源を供給する。ファン７２０は、燃料電池７３０への空気供給のために携帯電話７００の外から内部へ送風するため、或いは、燃料電池７３０で生成される水分を携帯電話７００の内部から外に排出するためのものである。なお、ファン７２０を図２８（Ｃ）のようにＭＰＵ７１０の上に配置して、ＭＰＵ７１０を冷却するようにしてもよい。ファン７２０を駆動するモータとしては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。
【００９７】
図２９は、本発明の実施例によるモータ／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車８００は、前輪にモータ８１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路８２０と充電池８３０とが設けられている。モータ８１０は、充電池８３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモータ８１０で回生された電力が充電池８３０に充電される。制御回路８２０は、モータの駆動と回生とを制御する回路である。このモータ８１０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。
【００９８】
図３０は、本発明の実施例によるモータを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット９００は、第１と第２のアーム９１０，９２０と、モータ９３０とを有している。このモータ９３０は、被駆動部材としての第２のアーム９２０を水平回転させる際に使用される。このモータ９３０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１０…ステータ部
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…電磁コイル
１４…支持部材
３０…ロータ部
３０Ｌ…下部ロータ部
３０Ｕ…上部ロータ部
３２…永久磁石
３２Ｌ…永久磁石（磁場強化部材）
３４Ｕ，３４Ｌ…磁気ヨーク
３６…凸部
３８…磁気ヨーク（磁場強化部材）
４０Ａ，４０Ｂ…磁気センサ
６２…ケーシング
６４…回転軸（中心軸）
１００…駆動制御部
１０２…バス
１１０…ＣＰＵ
１２０Ａ，１２０Ｂ…ドライバ回路
１２２…増幅回路
１５０…ドライバ回路
２００…回生制御部
２０２，２０４…充電切換部
２０６…電子可変抵抗器
２１１，２１２…ＡＮＤ回路
２２１〜２２４…電圧比較器
２３１，２３２…ＯＲ回路
２５０…整流回路
２５２…全波整流回路
２６１，２６２…ゲートトランジスタ
２７１…バッファ回路
２７２…インバータ回路
２８０…電源配線
５００…駆動回路ユニット
５１０…基本クロック生成回路
５２０…分周器
５３０…ＰＷＭ部
５３１…カウンタ
５３３…ＥＸＯＲ回路
５３５…駆動波形形成部
５４０…レジスタ
５５０…乗算器
５６０…符号化部
５７０…ＡＤ変換部
５８０…指令値レジスタ
５９０…励磁区間設定部
５９２…電子可変抵抗器
５９４，５９６…電圧比較器
５９８…ＯＲ回路
６００…プロジェクタ
６１０Ｒ，６１０Ｇ，６１０Ｂ…光源
６４０Ｒ，６４０Ｇ，６４０Ｂ…液晶ライトバルブ
６５０…クロスダイクロイックプリズム
６６０…投写レンズ系
６７０…冷却ファン
６８０…制御部
７００…携帯電話
７１０…ＭＰＵ
７２０…ファン
７３０…燃料電池
８００…電動自転車（電動アシスト自転車）
８１０…モータ
８２０…制御回路
８３０…充電池
９００…ロボット
９１０…アーム
９２０…アーム
９３０…モータ
１０００…リニアモータ
１１００…固定ガイド部
１１４０…ベアリング部
１２００…移動部
１２５０…駆動制御部
２０００…ブラシレスモータ（ファンモータ）
２１００…羽根
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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