(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単相の巻線と鉄心を有する第１の物体と、前記第１の物体に対して相対的に可動に設けられ永久磁石を有する第２の物体と、交流電源と、双方向の電流の開閉が可能な開閉端子対とその開閉を制御する制御入力端子を有する双方向スイッチング回路と、位置検知手段と、極性検知回路と、駆動回路とを備え、前記巻線は、前記永久磁石の磁束が作用する位置に設けられ、前記開閉端子対は、前記交流電源の一端子と前記巻線の一端子間に接続され、前記交流電源の他端は前記巻線の他端に接続され、前記位置検知手段は、前記第１の物体の前記永久磁石の磁気が作用する位置に固定され対向する前記永久磁石の極性を検知し、前記極性検知回路は、前記交流電源の電圧の瞬時値の正負を判定し、前記双方向スイッチング回路の制御端子は、前記駆動回路に接続され、前記駆動回路は、前記位置検知手段の出力と前記極性検知回路の出力の排他的論理和に応じて前記双方向スイッチング回路を前記交流電源の周波数より高い周波数で開閉する動力発生装置。
【請求項２】
中間タップを有する単相の巻線と鉄心を有する第１の物体と、前記第１の物体に対して相対的に可動に設けられ永久磁石を有する第２の物体と、交流電源と、双方向の電流の開閉が可能な開閉端子対とその開閉を制御する制御入力端子を有する双方向スイッチング回路と、補助スイッチング素子と、補助駆動回路と、位置検知手段と、極性検知回路と、駆動回路とを備え、前記巻線は前記永久磁石の磁束が作用する位置に設けられ、前記開閉端子対は、前記交流電源の一端子と前記巻線の一端子間に接続され、前記交流電源の他端は前記巻線の中間タップに接続され、前記巻線の別の一端子と前記交流電源の前記巻線の中間タップとの接続側の反対側の端子の間に、前記補助スイッチング素子を接続し、前記位置検知手段は、前記第１の物体の前記永久磁石の磁気が作用する位置に固定されて対向する前記永久磁石の極性を検知し、前記極性検知回路は、前記交流電源の電圧の瞬時値の正負を判定し、前記双方向スイッチング回路の制御端子は、前記駆動回路に接続され、前記駆動回路は、前記位置検知手段の出力と前記極性検知回路の出力の排他的論理和に応じて前記双方向スイッチング回路を前記交流電源の周波数より高い周波数で開閉し、前記補助スイッチング素子は、前記補助駆動回路によってオンオフされ、前記補助駆動回路は、前記双方向スイッチング回路が、ターンオフされた直後に導通される動力発生装置。
【請求項３】
鉄心は、磁気的な凹凸を有し、死点からずれた位置で磁気抵抗が最小となる請求項１または２記載の動力発生装置。
【請求項４】
双方向スイッチング回路は、整流ブリッジと、トランジスタを有し、前記整流ブリッジは、４本のダイオードを有し、前記トランジスタのコレクタとエミッタは、前記整流ブリッジの出力端子の正負端子にそれぞれ接続され、前記整流ブリッジの入力端子を開閉端子対とし、前記トランジスタのゲートまたはベースを制御端子とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の動力発生装置。
【請求項５】
サージ吸収回路を有し、前記サージ吸収回路は、コンデンサと負荷の並列回路にダイオードを直列接続し、トランジスタのコレクタとエミッタ間に接続した請求項４記載の動力発生装置。
【請求項６】
スナバ回路を有し、前記スナバ回路は、抵抗とコンデンサの直列回路によって構成され、双方向スイッチング回路に並列に接続した請求項１〜５のいずれか１項に記載の動力発生装置。
【請求項７】
導通比制御回路を有し、前記導通比制御回路は、前記駆動回路に接続され、前記駆動回路に対して動作信号と休止信号の期間を所定の比率で交互に出力し、前記休止信号期間には双方向スイッチング回路を非導通とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の動力発生装置。
【請求項８】
送風ファンを有し、前記送風ファンは、動力発生装置によって回転駆動されてなる請求項１〜７のいずれか１項に記載の動力発生装置の応用機器たる掃除機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用および産業用に使用されるモータやリニアモータなど、機械的にパワーを取り出して負荷に供給する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術における、一般にＤＣブラシレスモータと呼ばれる動力発生装置の回路図を図１０に示す。図１０の動力発生装置は、一般に固定子と呼ばれる第１の物体１と、第１の物体１の内側に回転自在に設けられ、一般に回転子と呼ばれる第２の物体２を有している。第２の物体２は、永久磁石３、永久磁石４、磁性体５、出力軸６により成り立っていて、永久磁石３は磁性体５の表面にＮ極が外側になるように接着されており、永久磁石４は磁性体５の表面にＳ極が外側になるように接着されている。出力軸６は、磁性体５の中心に取り付けられていて、回転の動力を外部の機械的な負荷に取り出すために設けられている。
【０００３】
第１の物体１は、鉄心７、巻線８ａ、巻線９ａ、巻線１０ａ、巻線８ｂ、巻線９ｂ、巻線１０ｂによって構成されており、巻線８ａ、巻線９ａ、巻線１０ａ、巻線８ｂ、巻線９ｂ、巻線１０ｂはいずれも、第２の物体２が回転した場合、永久磁石３および永久磁石４が発生する磁束を受ける位置に巻かれ、巻線８ａと巻線８ｂは直列に接続され、巻線９ａと巻線９ｂは直列に接続され、巻線１０ａと巻線１０ｂは直列に接続されている。鉄心７は、磁気回路の磁気抵抗を減らす作用をするもので、永久磁石３および永久磁石４から発生する磁束が巻線８ａ、巻線９ａ、巻線１０ａ、巻線８ｂ、巻線９ｂ、巻線１０ｂに作用する際、その磁束を大にする作用をしている。
【０００４】
交流電源１１は、１００Ｖ６０Ｈｚで、一般に商用電源とも呼ばれるものである。交流電源１１の出力は、全波の整流回路１２に接続されている。整流回路１２は、ダイオード１３、ダイオード１４、ダイオード１５、ダイオード１６によって構成され、交流電源１１の全波整流波形を出力するものである。インバータ１７は、整流回路１２の出力に接続されていて、一般に３相インバータと呼ばれる構成となっている。インバータ１７は、トランジスタ１８、トランジスタ１９、トランジスタ２０、トランジスタ２１、トランジスタ２２、トランジスタ２３、ダイオード２４、ダイオード２５、ダイオード２６、ダイオード２７、ダイオード２８、ダイオード２９によって構成されている。また、フィルタ回路４０は、電解式の平滑コンデンサ４１とチョークコイル４２によって構成され、整流回路１２の出力電圧をリプルが少ない、ほぼ完全な直流にすることができるものとなっている。
【０００５】
制御回路３０は、駆動回路３１と、論理回路３２によって構成され、各トランジスタのベース端子は、すべて駆動回路３１に接続されている。位置検知手段３３は、第２の物体２上に設けられたホールＩＣ３４、ホールＩＣ３５、ホールＩＣ３６によって構成されていて、第２の物体２が回転運動する際、永久磁石３および永久磁石４の位置を検知して電気的に出力するものである。論理回路３２は、位置検知手段３３からの信号を受け、それに応じて各トランジスタのオンオフ信号を作り出す仕組みとなっている。
【０００６】
以上の構成により、従来の技術の動力発生装置は、第２の物体２の回転に応じて、位置検知手段３３から信号が出力され、その信号によって論理回路３２からＨＩＧＨ又はＬＯＷ信号が出力され、その信号によって駆動回路３１が作用し、ＨＩＧＨ信号の場合には、当該トランジスタにベース電流を供給してオンさせ、ＬＯＷの場合には、ベースに逆バイアスを印加してオフ状態とさせる。それによって、電流が所定の巻線に供給され、その巻線は永久磁石３または永久磁石４の磁束と作用して、力を発生し、永久磁石３と永久磁石４は、その反作用でトルクを生み、出力軸６からそのトルクを取り出すことができる。外部の負荷はそのトルクで回転運動を起こし、第２の物体２もそれと連動して回転運動を行うが、ある角度だけ回転すると、位置検知手段３３の作用により、論理回路３２への信号が変化し、論理回路３２の出力も変化して、インバータ１７を構成する各トランジスタのオンオフ状態の変化が起こる。と、各巻線への電流供給状態が変化し、再び永久磁石３および永久磁石４からトルクが発生するようになる。
【０００７】
このような動作を繰り返すことにより、従来の技術の動力発生装置は、出力軸６から連続的に機械的な回転パワーを外部の負荷に供給することができるものである。また、このような動力発生装置を用いた掃除機も市販されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術においては、第１の物体１に多数の巻線が必要となり、またインバータ１７の構成が非常に複雑、かつ部品点数が多いことから、組立工数および材料費が大となり、その結果装置の価格が高くなるという課題があった。
【０００９】
また、従来の技術の動力発生装置を使用した掃除機は、スイッチング素子の数が多いことなどのために、価格が高いものとなり、また大型となるという課題も有していた。従来の技術で、掃除機を構成する場合には、このようなスイッチング素子を多数使用する動力発生装置を用いる方法のほかに、一般に整流子モータと呼ばれる、整流子とブラシを有する動力発生装置を使用したものも多かったが、これらは、ブラシと整流子との機械的な摩擦と、整流作用による電気的な磨耗が発生するため、特に長期間の使用に対しては、信頼性に課題を有するものであった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、第１の物体を構成する巻線の相数を１とすることにより、第１の物体の構成を簡単とし、かつ前記巻線に電流を供給するためのスイッチング素子の数を極力削減することにより、電気部品の数を大幅に減少させ、もって低コストながら十分な性能を発揮する動力発生装置を提供するものである。また、装置の部品点数を減らし、構成を簡単にすることにより、信頼性を確保した上で、小形・低価格の掃除機を実現するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明は、単相の巻線と鉄心を有する第１の物体と、前記第１の物体に対して相対的に可動に設けられ永久磁石を有する第２の物体と、交流電源と、双方向の電流の開閉が可能な開閉端子対とその開閉を制御する制御入力端子を有する双方向スイッチング回路と、位置検知手段と、極性検知回路と、駆動回路とを備え、前記巻線は、前記永久磁石の磁束が作用する位置に設けられ、前記開閉端子対は、前記交流電源の一端子と前記巻線の一端子間に接続され、前記交流電源の他端は前記巻線の他端に接続され、前記位置検知手段は、前記第１の物体の前記永久磁石の磁気が作用する位置に固定されて対向する前記永久磁石の極性を検知し、前記極性検知回路は、前記交流電源の電圧の瞬時値の正負を判定し、前記双方向スイッチング回路の制御端子は、前記駆動回路に接続され、前記駆動回路は、前記位置検知手段の出力と前記極性検知回路の出力の排他的論理和に応じて前記双方向スイッチング回路を前記交流電源の周波数より高い周波数で開閉してなるものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、極性検知回路は、交流電源の瞬時値の極性に応じた信号を出力し、位置検知手段は対向する永久磁石の極性に応じた信号を出力し、駆動回路は、位置検知手段と極性検知回路の出力の排他的論理和によって、双方向スイッチング回路を前記交流電源の周波数より高い周波数で開閉することから、低速時においては、前記双方向スイッチング素子が、ほぼ交流電源の周波数でオンオフし、巻線に半波の整流出力が印加されることから、およそ１／２の時間比率ではあるが、第１の物体と第２の物体との間に力（あるいはトルク）を発生することができる。また、高速回転時において、交流電源の周波数よりも、位置検知手段の出力信号の周波数の方が高くなった場合には、位置検知手段からの信号の周波数によって、双方向スイッチング回路の開閉が行われることから、やはり１／２の時間比率ではあるが、第１の物体と第２の物体との間に力（あるいはトルク）を発生することができる。したがって、単相の巻線と双方向スイッチング回路が１つずつという、非常に簡単な構成でありながら、動力を発生する事が可能である。
【００１３】
請求項２記載の発明は、第１の物体と第２の物体の間に、磁気抵抗が最小になろうとする力（リラクタンス力）が作用することから、負荷に必要な力がある程度以下の条件であれば、死点からはずれた位置で停止し、つぎの起動時においては、駆動回路が、交流電源の電圧の瞬時の極性が、所定の向きの力（あるいはトルク）が得られる位相で開閉動作を行うことから、巻線は適切な向きの電流を流すことができ、したがって必ず起動力を得ることができる。したがって、非常に簡単な構成でありながら、起動を保証することができる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、トランジスタと整流ブリッジとを組み合わせて双方向スイッチング回路を構成したことにより、一方向の電流のスイッチングについては、前記整流ブリッジを構成するダイオードのうち２本が導通状態、他の２本が逆阻止状態となり、逆方向の電流のスイッチングについては、それらの立場が逆転することにより、開閉動作がなされる。したがって特に高速回転（あるいは走行）時に必要となる高速のオンオフ動作となり、かつ電圧・電流の向きが単方向しか許されないトランジスタの特性をカバーすることが可能となるために、装置を簡単・安価な構成で実現することができるものである。
【００１５】
請求項４記載の発明は、スイッチング素子がオフした瞬間にダイオードがオンし、巻線に蓄えられた余分なエネルギーを直流電源に回生することから、スイッチング素子のターンオフ時のスパイク電圧を抑えることができ、信頼性を向上することができると同時に、ムダな電力の消費がなくなり、高効率の装置を実現することができるものである。
【００１６】
請求項５記載の発明は、サージ吸収回路によって、双方向スイッチング回路がターンオフした瞬間の巻線の蓄積エネルギーを吸収することによって、比較的簡単な構成で、双方向スイッチング回路に発生する過渡的な過電圧を吸収することができることから、双方向スイッチング回路を構成する素子には、耐圧の低い安価なものを使用しながらも、高い信頼性を確保することができ、かつ前記負荷にも直流の電源を供給することができるものである。
【００１７】
請求項６記載の発明は、スナバ回路によって、双方向スイッチング回路がターンオフした瞬間の巻線の蓄積エネルギーを吸収することによって、非常に簡単な構成で、双方向スイッチング回路に発生する過渡的な過電圧を吸収することができることから、双方向スイッチング回路を構成する素子には、耐圧の低い安価なものを使用しながらも、高い信頼性を確保することができるものである。
【００１８】
請求項７記載の発明は、導通比制御回路が、動作期間と休止期間の値を制御することによって、巻線および双方向スイッチング回路に流れる電流の値を増減することができることから、例えば起動時等の過電流を抑えることが可能となり、よって巻線や双方向スイッチング回路などの電流定格を低くすることによって、装置の小形化、コストダウンが可能となり、あるいは高い信頼性の確保が実現し得るものとなるものである。
【００１９】
請求項８記載の発明は、第１〜第７に述べた構成の動力発生手段によって送風ファンを回転駆動することから、整流子やブラシのない構成で装置が実現でき、よって長期間の使用においても信頼性の高い掃除機が、簡単な構成で実現されるものであり、すなわち低価格、小形の掃除機が提供することを可能とさせるものである。
【００２０】
（実施の形態１）
図１に第１の実施の形態における回転の動力を出力する動力発生装置の回路図を示す。図１においては、第１の物体５１、第２の物体５２、１００Ｖ６０Ｈｚの出力を有する交流電源５３、ＩＧＢＴ式のトランジスタ５４と、ダイオード５５〜５８による整流ブリッジ５９で構成される双方向スイッチング回路６０、駆動回路６１、交流電源５３の出力電圧ＶＡＣの瞬時の極性を検知し、ＶＡＣが正の場合にはハイを、負の場合にはローを出力する極性検知回路６２を備えている。双方向スイッチング回路６０は、整流ブリッジの入力端子ｄ、ｅを開閉端子対としていて、トランジスタ５４のゲート端子を制御端子ｆとしている。
【００２１】
なお、本実施の形態においては、駆動回路６１は、ＥＸ−ＯＲ回路６３と電流バッファ６４によって成り立っている。電流バッファ６４は、ＥＸ−ＯＲ回路６３の出力ｃがハイの場合に、トランジスタ５４のゲート・エミッタ間に２０Ｖの順電圧を印加したオンさせ、ｃがローの場合には、ゲート・エミッタ間を０Ｖに短絡することによりオフさせるものである。第２の物体５２は、第１の物体５１に対して軸６５により回転自由に設けられ、第１の物体５１は、直径０．７５ｍｍエナメル線で構成した単相の巻線６６が、鉄心６７に巻かれている。
【００２２】
本実施の形態においては、鉄心６７は、厚さ０．３５ｍｍのケイ素鋼板を互いに電気的に絶縁し、１１４枚積み重ねた積層構造を有しており、巻線６６の巻数は、１２０ターンとしている。第２の物体５２は、第２の永久磁石６８、第２の永久磁石６９を鉄心７０の表面に張り付けている。
【００２３】
第２の永久磁石６８は、外側にＮ極、内側にＳ極を有し、第２の永久磁石６９は、逆に外側にＳ極、内側にＮ極を有している。鉄心６７と、第２の物体５２の間には、ギャップ７１があり、ギャップ７１の大きさは、図１に示されるように、一定ではなく、０．２ｍｍから０．５ｍｍまでの傾斜をつけている。巻線６６は、第２の永久磁石６８・６９の磁束が作用する位置に設けられており、図１に示す向きに電流が流れた時に、鉄心６７の中に磁束Φが正となる向きに発生せしめる様な向きに巻かれているものとなっている。
【００２４】
位置検知手段７２は、第１の物体５１に固定されたホールＩＣによって構成されていて、永久磁石６８・６９の外側の面に対向するように設けられている。位置検知手段７２は、Ｓ極が対向している場合には、出力ｂをハイとし、Ｎ極が対向している場合には、出力ｂをローに出力するものである。図２は、図１の動力発生装置の低速時における動作波形図を示したものである。図２において、（ア）は交流電源５３の出力電圧ＶＡＣの波形、（イ）は極性検知回路６２の出力ａの波形、（ウ）は位置検知手段７２の出力波形、（エ）はＥＸ−ＯＲ回路６３の出力電圧ｃの波形を示したものである。
【００２５】
交流電源５３の周波数が６０Ｈｚであるが故に、ａの波形は、周波数が６０Ｈｚの方形波となり、第２の物体５２が回転することにより、ｂの波形は（ウ）の様になる。ＥＸ−ＯＲ回路６３には、（イ）と（ウ）が入力されることから、それらの排他的論理和をとった（エ）の信号が出力されてくる。トランジスタ５４は、（エ）の波形において、ハイとなっている期間にオン状態となるが、整流ブリッジ５９の作用によって、ｄ−ｅ間は、正負いずれの電流についても、トランジスタ５４がオンとなっている期間において、ちょうどスイッチの接点が閉じられた状態となり、双方向のスイッチングが行われることになる。（エ）におけるハイ期間においては、ｄ−ｅ間が短絡された状態となり、ロー期間においては、ｄ−ｅ間が解放された状態となる。ただし、ハイ期間において、巻線６６に流れる電流の向きは、交流電源５３の電圧ＶＡＣの極性によって異なり、ＶＡＣが正の期間、すなわち（イ）がハイの期間、ｔ５〜ｔ６、ｔ７〜ｔ８、ｔ１３〜の各期間においては、図１のＩが正となる方向であるため、Φは正となり、第２の物体５２の鉄心７０には、左側にＮ極、右側にＳ極が発生する。その期間においては、（ウ）は必ずローであって、位置検知手段７２に対向する永久磁石６８・６９の外側の面は、Ｎ極であることから、第２の物体５２には、時計方向のトルクが発生することになる。
【００２６】
また、ＶＡＣが負の期間、すなわち（イ）がローの期間、ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４、ｔ９〜ｔ１０、ｔ１１〜ｔ１２の各期間においては、図１のＩが負となる方向であるため、Φは負となり、第２の物体５２の鉄心７０には、左側にＳ極、右側にＮ極が発生する。その期間においては、（ウ）は必ずハイであって、位置検知手段７２に対向する永久磁石６８・６９の外側の面は、Ｓ極であることから、第２の物体５２には、やはり時計方向のトルクが発生することになる。すなわち、発生するトルクは、どれも時計方向（矢印に示す向き）となるので、この方向に回転がなされる。
【００２７】
なお、（エ）がローの期間には、双方向スイッチング回路６０がオフの状態となり、巻線６６の電流がほぼ０となり、電流によるトルクは発生しないものである。
【００２８】
本実施の形態においては、ギャップ７１が一定の大きさではなく、傾斜をもったものになっていることから、磁気的な凹凸を有していて、第２の物体５２の回転角によってはリラクタンストルク、すなわち磁気抵抗を最も小にしようとする様にトルクが発生する。軸６５に接続されている機械的な負荷が、必要とするトルクが小である場合、前述のリラクタンストルクによって、最も磁気抵抗が小さくなる角度、すなわちギャップと、Ｎ極またはＳ極の中心が対向する角度において、第２の物体５２が引きつけられるようにして停止するという効果を得る。図１に示した状態のその１つの場合であり、他の場合は、図１から１８０度回転させ、永久磁石６８と６９を逆とした状態である。いずれの状態にあっても、巻線の電流Ｉによるトルクを全く受けることがなくなる位置（これを死点という）から、ずれた位置で静止する状態となっていることから、次回の起動時には、駆動回路６１の作用によって、双方向スイッチング回路６０がオンオフすれば、巻線６６に電流が流れ、かつその時に発生するトルクの向きは、必ず第２の物体５２を時計方向に回転させようとする向きであることから、次回の起動が確実に行えるという特徴を有する装置が実現できるものである。
【００２９】
図３は、毎分６０００回転の速度で第２の物体５２が回転している状態における、各部の波形を示したものである。本実施の形態においては、第１の物体５１および第２の物体５２の構造を２極の構成としているため、毎分６０００回転している状態では、位置検知手段７２の出力はｂは、（ウ）に示すように、１００Ｈｚとなる。この場合においても、（エ）におけるハイ期間においては、ｄ−ｅ間が短絡された状態となり、ロー期間においては、ｄ−ｅ間が解放された状態となり、やはりハイ期間において、巻線６６に流れる電流の向きは、交流電源５３の電圧ＶＡＣの極性によって異なるものとなる。
【００３０】
つまり、ＶＡＣが正の期間、すなわち（イ）がハイの期間、ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４、ｔ９〜の各期間においては、図１のＩが正となる方向であるため、Φは正となり、第２の物体５２の鉄心７０には、左側にＮ極、右側にＳ極が発生する。その期間においては、（ウ）は必ずローであって、位置検知手段７２に対向する永久磁石６８・６９の外側の面は、Ｎ極であることから、第２の物体５２には、時計方向のトルクが発生することになる。
【００３１】
また、ＶＡＣが負の期間、すなわち（イ）がローの期間、ｔ５〜ｔ６、ｔ７〜ｔ８の各期間においては、図１のＩが負となる方向であるため、Φは負となり、第２の物体５２の鉄心７０には、左側にＳ極、右側にＮ極が発生する。その期間においては、（ウ）は必ずハイであって、位置検知手段７２に対向する永久磁石６８・６９の外側の面は、Ｓ極であることから、第２の物体５２には、やはり時計方向のトルクが発生することになる。すなわち、発生するトルクは、やはり時計方向（矢印に示す向き）となり、この方向に回転がなされる。
【００３２】
以上のようにして、本実施の形態の動力発生装置は、単相の巻線６６と、１つの双方向スイッチング回路６０を有する、非常に簡単な構成でありながら、起動時、低速、高速のいずれにおいても、時計方向のトルクを生むことができるため、良好に動作させることができるものとなる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、双方向スイッチング回路６０の構成要素として整流ブリッジを使用しているが、従来の技術においても、この構成要素は、交流電源をまず直流電源に変換するために用いられる（図１０の整流回路１２に相当する）ものであることから、これによる構成部品点数の増加は発生しない。
【００３４】
また、スイッチング時の特にターンオフにおける動作は、ＩＧＢＴ式のトランジスタ５４のターンオフ特性によって決まるものであり、整流ブリッジ５９の構成要素であるダイオード５５、５６、５７、５８は、逆回復時間が長いものであっても動作が悪くなることがないため、従来の技術によく用いられる低速用の安価な部品で十分間に合うものである。
【００３５】
（実施の形態２）
図４は、第２の実施の形態における動力発生装置の回路図である。図４においては、図１とよく似た構成となっており、しかしながら以下の点において、図１とは異なった構成となっているものである。巻線７８は、中間タップｋを有し、交流電源５３の一端子は、ｋに接続されている。双方向スイッチング回路６０の一端子は、巻線７８の一方の端のｌに接続され、巻線７８の他端子ｍは、トライアックで構成した補助スイッチング素子７６を通って、交流電源５３の他端子に接続されている構成となっているものである。なお、本実施の形態においては、ｍ−ｋ間とｋ−ｌ間のターン数は、いずれも１２０ターンの巻数を持たせている。
【００３６】
補助スイッチング素子７６のゲート端子には、補助駆動回路７７が接続され、補助駆動回路７７は、駆動回路６１からトランジスタ５４のゲート電圧が０Ｖの印加となり、それによって双方向スイッチング回路６０がオン状態からオフ状態にターンオフ動作を行うタイミングにおいて、補助スイッチング素子７６のゲートから電流パルスを引き抜くことによって、補助スイッチング素子７６をオンさせるものである。
【００３７】
以上の構成において、動作の説明を行う。双方向スイッチング回路６０のオンオフについては、駆動回路６１によって行われ、したがって、そのタイミング等については、図１と全くの同一動作となる。巻線７８による、鉄心６７の内部への磁束の発生については、交流電源５３から巻線７８のｋ−ｌ間に電流Ｉが通ずることによってなされるものとなるが、その時にはＩが正であるならば、Φが正となるという向きに磁束の形成がなされ、これは図１の場合と同じ動作である。
【００３８】
双方向スイッチング回路６０がオンの状態になっている時には、ｄ−ｅ間の電圧がほぼ０となっているが、この時には補助スイッチング素子７６の両端子間には、巻線７８がオートトランス（単巻変圧器）として作用し、ｍ−ｋ間とｋ−ｌ間の電圧がほぼ同値とする働きによって、交流電源５３の出力の瞬時電圧の約２倍が印加されている状態で、オフを保っているものとなる。トランジスタ５４が駆動回路６１からの信号によってターンオフされた瞬間に、本実施の形態においては、補助駆動回路７７は、補助スイッチング素子７６のゲートからの電流引き抜き動作を行い、これによって補助スイッチング素子７６はターンオンする。
【００３９】
ここで、トライアックは、ゲート電流の向きと主回路の電流の極性によって、ターンオンさせるための感度が異なり、ゲート電流を正（ゲート端子から流し込む向き）とすると、感度の低いモードが存在して、良好なターンオンがなされないことがあるが、本実施の形態においては、ゲートから電流を引き抜く方向で、補助駆動回路７６はターンオンの信号を発することから、十分なゲート感度がえられ、従って確実に補助スイッチング素子７６のターンオンがなされるものとなる。双方向スイッチング回路６０がオフとされると、オン期間中において、巻線７８に流れていた電流Ｉによって、磁気回路内に磁気的なエネルギーの蓄積がなされており、そのエネルギーの放出がなされようとする動作によって、巻線７８の各端子間には、かなりの電圧がサージ的に発生するという現象が見られる。
【００４０】
本実施の形態では、この期間においては、前述したように、補助スイッチング素子７６のオンが見られることから、前述の蓄積エネルギーの大部分は、巻線７８のｍ−ｋから交流電源５３へ回生されることから、ｋ−ｌ間に発生する電圧も同様に抑えられ、よって双方向スイッチング回路６０のｄ−ｅ間に印加される電圧のピーク値を低く抑えることができるものとなる。
【００４１】
したがって、トランジスタ５４や整流ブリッジ５９を構成している各ダイオードに必要な耐圧仕様は、低減することができ、低価格のものを使用することができるものとなる。当然、高耐圧の部品で構成するならば、信頼性を十二分に持たせた設計を行うことも可能となるのは、いうまでもないことである。
【００４２】
本実施の形態においては、トライアックによって、補助スイッチング素子７６を構成していることにより、双方向スイッチング回路６０に流れる電流の極性がいずれの場合に、ターンオフになった時にも、補助スイッチング素子７６に流れる電流が双方向としているので、前述の蓄積エネルギーの放出による、双方向スイッチング回路への過電圧の印加を効果的に吸収することができ、かつ交流電源５３への蓄積エネルギーの回生動作が終了した段階では、トライアックを通過する電流が０となることから、自然にトライアックのターンオフがなされる。したがって、補助駆動回路７７は、非常に簡単な構成で実現でき、かつ蓄積エネルギーの大きさによらず、必要なだけの期間だけ補助スイッチング素子７６のオンを行わせ、その後に自動的にオフとし、初期状態に戻すことができるという優れた特徴を持つものとなる。
【００４３】
（実施の形態３）
図５は、第３の実施の形態における動力発生装置の回路図である。図５においても、図１と非常によく似た構成としており、双方向スイッチング回路６０のｄ−ｅ間にスナバ回路７９を接続した点が加えられている。スナバ回路７９は、コンデンサ８０と抵抗８１の直列回路によって、構成されている。
【００４４】
動作については、双方向スイッチング回路６０がオン状態になっている時には、コンデンサ８０の電荷はなく、電圧がほぼ０の状態となっている。双方向スイッチング回路６０が駆動回路６１によってターンオフされると、図４の説明において述べたように、磁路内の蓄積された磁気エネルギーの放出が行われようとして、巻線６６の右端から電流が流出しようとする。この電流は、スナバ回路７９のコンデンサ８０と抵抗８１を経て交流電源５３に流れ出すことから、抵抗８１によるドロップと、コンデンサ８０の充電による電圧上昇の和がｄ−ｅ間に印加されるが、これらの定数を適切に選択することにより、ｄ−ｅ間の印加電圧のピーク値を低く抑えることができる。よって、簡単な構成でありながら、双方向スイッチング回路６０のターンオフ時の過渡的な過電圧の印加を抑えることができるものとなる。
【００４５】
本実施の形態においても、双方向スイッチング回路６０に流れる電流の正負を問わず、スナバ回路７９による効果が期待できるものである。なお、双方向スイッチング回路６０がオフ状態にある期間においては、コンデンサ８０には電圧がかかり、充電がなされていることから、次回の双方向スイッチング回路６０のターンオンの際には、コンデンサ８０の蓄積エネルギーは、抵抗８１を通じて放電されるものである。したがって、抵抗８１の電力定格値は、これらの充放電電流による損失にたいして十分に耐量が確保できるものを選定することになる。
【００４６】
なお、本実施の形態では、スナバ回路７９を双方向スイッチング素子６０のｄ−ｅ間に設けているが、トランジスタ５４のコレクタ・エミッタ間に接続した場合にあっても、効果はほぼおなじであり、その場合には、コンデンサ８０に印加される電圧の極性は一方向のみとなる。
【００４７】
（実施の形態４）
図６は、第４の実施の形態における動力発生装置の回路図である。図６においても、図１と非常によく似た構成としており、双方向スイッチング回路６０を構成するトランジスタ５４のコレクタ・エミッタ間にサージ吸収回路８２を接続した点が加えられている。サージ吸収回路８２は、コンデンサ８４と負荷８５を並列に接続し、これにダイオード８３を直列に接続した構成で成り立つものである。
【００４８】
次に動作の説明を行う。双方向スイッチング回路６０が駆動回路６１によってターンオフされると、図４の説明において述べたように、磁路内の蓄積された磁気エネルギーの放出が行われようとして、巻線６６の右端から電流が流出しようとする。
【００４９】
本実施の形態では、この電流は、整流ブリッジ５９を経て、トランジスタ５４のコレクタ・エミッタ間に加わる。ここで、ダイオード８３がオンし、コンデンサ８２に電流が流れ込むことにより、コレクタ・エミッタ間の電圧のピーク値を、ほぼコンデンサ８２の端子電圧以下に抑える様に作用するものである。ここで、負荷８５は、ヒータ、モータ等の直流電圧で動作するものが使用され、これらの電圧定格が、交流電源５３のピーク電圧よりも若干高めのものであれば、あとは消費電流が許される範囲で直流電源の供給が可能となるものである。消費電流の大きすぎるものを接続した場合には、トランジスタ５４の印加電圧は低く抑えられる反面、蓄積エネルギーの放出に要する時間が長く必要となることから、実働に差し支えない範囲に抑える必要性はある。
【００５０】
なお、負荷８５として、特に直流電圧で動作できるものがない場合には、抵抗器を設けて、そこで損失を行わせる方法もある。その場合には、構成部品としてわざわざ抵抗器を別途設ける必要があるため、やや経済的には不利となるが、磁路の蓄積エネルギーによる双方向スイッチング回路６０への過電圧の印加を抑える作用としては、同様に期待ができるものである。
【００５１】
本実施の形態においても、双方向スイッチング回路６０に流れる電流の向きがどちら向きであっても、整流ブリッジ５９の作用によって、かならずサージ吸収回路８２によるトランジスタ５４の印加電圧の過渡的なピークに対する保護動作が行われるものである。
【００５２】
（実施の形態５）
図７は、第５の実施の形態における動力発生装置の回路図である。図７においても、図１と非常によく似た構成としており、パルス列を出力する導通比制御回路７４が備え付けられており、駆動回路７３は、ＡＮＤ回路７５によって、ＥＸ−ＯＲ回路６３出力ｃと導通比制御回路７４の出力ｈとの論理積をとって、出力ｇとし、それを電流バッファ６４に出力している点が相違点となっている。本実施の形態においては、導通比制御手段７４は、約２０ｋＨｚの一定周波数で規則的にパルス列を出力し、かつそのハイの期間の比率（デューティ比）は、１０％〜１００％の範囲で連続的に変化することができるものとなっている。
【００５３】
図８に、図７の構成の動力発生装置の低速回転時における各部の動作波形を示している。（ア）〜（エ）は、図２と全くの同一の波形となっている。（オ）は、（エ）と導通比制御回路７４の出力ｈの論理積となっていることから、（エ）がハイの期間において、導通比制御手段７４のパルス列がそのまま出力され、（エ）がローの期間においては、ローに固定されて出力がなされている。図８は、導通比制御回路７４の出力のデューティ比が５０％としていることから、パルス列のハイ期間は、２５μｓとなる。
【００５４】
一般に、巻線に発生する誘導起電力の値は、回転の速度に比例し、低速時においては、誘導起電力の値が非常に低くなるが、一方では交流電源５３の出力電圧は、回転速度によらず一定の振幅であるため、誘導起電力の値が小さい低速時においては、非常に大きな電流が流れてしまう傾向がある。しかし、本実施の形態においては、低速時において、導通比制御回路７４の作用によって、駆動回路６１をコントロールし、双方向スイッチング回路６０のオン時間を２５μｓに制限していることから、巻線６６および双方向スイッチング回路６０に流れる電流の大きさを低く抑えることができるものである。したがって、巻線６６、および双方向スイッチング回路６０を構成している各部品の電流定格を低く抑えることができ、それによって低コスト、小形の構成が可能となっている。
【００５５】
なお、本実施の形態では、特に起動直後などの低速時においては、デューティ比を１０％という低い値とし、速度が上昇するに従い、それに応じてデューティ比も増加させていく制御を行っていることから、速度が上昇しても、電流値がほぼ一定に保たれ、良好な加速性能を実現しているものである。
【００５６】
本実施の形態においては、毎分４０００回転以上となった場合には、導通比制御回路７４の出力信号ｈをハイに固定し、デューティ比を１００％としているが、必ずしもこのような制御にする必要はなく、高速時においても引き続き１００％未満のデューティ比で制御を行ってもよい。また、本実施の形態では、磁路の蓄積エネルギーを逃がすための特別な構成を設けていないが、例えば図４〜図６のような構成を付け加えて、それを実現するようにしてもよい。その場合には、２０ｋＨｚのスイッチングの際に、そのターンオフの期間ごとに、蓄積エネルギーを吸収することができる。したがって、図４のような補助スイッチング素子を設ける場合には、補助駆動回路は２０ｋＨｚの周波数で、ゲート信号を発生させる。
【００５７】
以上のように、本実施の形態では、導通比制御回路７４が動作することにより、過電流の防止がなされるものである。
【００５８】
なお、電流が抑えられることにより、当然発生する力（トルク）も抑えられるが、起動時に特別大きな力（もしくはトルク）を必要とする応用を除いては、別段の問題は発生しないものである。
【００５９】
なお、図１〜図８で示した各実施の形態においては、第１の物体５１および第２の物体５２を２極としているが、特に２極に限るものではなく、４極や６極、さらに多い極数にしたものも当然可能である。
【００６０】
また、各実施の形態は、回転運動を行ういわゆるモータと呼ばれる実施の形態を示しているが、リニアモータに用いてもよい。
【００６１】
また、トランジスタ５４をＩＧＢＴにて構成を行っているが、特にこの種類のものでなければならないという限定はなく、例えばＭＯＳＦＥＴ、バイポーラ石などを用いてもよく、その場合には、駆動回路をそれに応じた出力特性のものとすることによって実現することができるものである。
【００６２】
また、各実施の形態においては、ＥＸ−ＯＲ回路６３を用い、その出力を電流バッファ６４に入れて使用しているが、極性検知回路６２のハイとローが逆であったり、位置検知手段７２の出力のハイとローが逆であったり、巻線６６と磁束Φの発生する方向が逆であったり、ギャップ７１の傾斜（もくしは回転させたい方向）等が、ＥＸ−ＯＲ回路６３だけではローとハイが逆になってしまう場合もあり得る。
【００６３】
このような場合には、どこかで論理のハイとローを逆にすることにより、正常な動作を行わせることができるものであり、例えばそのために、ＥＸ−ＯＲ回路６３の出力などにＮＯＴ回路を挿入するなど、構成に若干手を加えたものも、本発明の範疇と見なせるものである。
【００６４】
（実施の形態６）
図９は、第６の実施の形態における掃除機の断面図である。図９においては、請求項１〜請求項７のいずれかによる動力発生装置８６が設けられていて、送風ファン８７が動力発生装置８６の軸に接続されている。紙パック８８は、吸い取ったゴミをためるためのもので、ホース８９、ノズル９０が設けられている。電源コード９１は、１００Ｖの交流電源（周波数は６０Ｈｚ等）に接続するために設けられている。なお、前輪９３、後輪９２は、掃除機を移動するときに、使い勝手が良いように設けられているものである。
【００６５】
以上の構成における動作は、電源コード９１によって、交流電源が動力発生装置８６に供給され、それによって送風ファン８７が回転駆動され、空気と一緒にゴミがノズル９０、ホース８９を経て紙パック８８に集められることにより、掃除ができるものである。ここで、動力発生装置８６は、すでに図１〜図８による説明で述べた請求項１〜請求項７の構成のものによって成り立っていることから、整流子やブラシがなく、したがって長期間の使用によっても信頼性の確保が十分にでき、また、単相の巻線と、双方向スイッチング素子を使用した非常に簡単な構成で実現されていることから、低価格・小形の掃除機を実現しているものである。
【００６６】
また、送風ファン８７を機械負荷としていることから、起動に必要なトルクも数ｇｃｍと非常に小さく、またギャップに傾斜をつけるなどして、磁気的な凹凸を設け、死点を外した位置に引きつけておく構成をとる場合にも、送風ファン８７は例えばベアリングなどの使用により、回転の摩擦を非常に小さくすることが可能となることから、上記のギャップは、０．２〜０．５ｍｍ程度のごく小さな値で十分な効果を得ることができることから、起動時の動作も、確実に保証することができるものとなる。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明によれば、１／２の時間比率ではあるが、第１の物体と第２の物体との間に力（あるいはトルク）を発生することができる。したがって、巻線が単相であり、双方向スイッチング回路が１個しかない極簡単な構成であるにも関わらず、動力を発生することができるものとなる。
【００６８】
また、請求項２記載の発明によれば、信頼性を向上することができると同時に、ムダな電力の消費がなくなり、高効率の装置を実現することができるものである。
【００６９】
また、請求項３記載の発明によれば、つぎの起動時においては、駆動回路が、交流電源の電圧の瞬時の極性が、所定の向きの力（あるいはトルク）が得られる位相で開閉動作を行うことから、巻線は適切な向きの電流を流すことができ、したがって必ず起動力を得ることができ、非常に簡単な構成でありながら、起動を保証することができる。
【００７０】
また、請求項４記載の発明によれば、電圧・電流の向きが単方向しか許されないトランジスタの特性をカバーし、装置を簡単・安価な構成で実現することができるものである。
【００７１】
また、請求項５記載の発明によれば、双方向スイッチング回路を構成する素子には、耐圧の低い安価なものを使用しながらも、高い信頼性を確保することができ、かつ前記負荷にも直流の電源を供給することができるものである。
【００７２】
また、請求項６記載の発明によれば、双方向スイッチング回路を構成する素子には、耐圧の低い安価なものを使用しながらも、高い信頼性を確保することができるものである。
【００７３】
また、請求項７記載の発明によれば、装置の小形化、コストダウンが可能となり、あるいは高い信頼性の確保が実現し得るものとなるものである。
【００７４】
さらに、請求項８記載の発明によれば、小形・低価格でありながら、優れた信頼性を得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における動力発生装置の回路図
【図２】同、動力発生装置の低速時の動作波形図
【図３】同、動力発生装置の毎分６０００回転時の動作波形図
【図４】本発明の第２の実施の形態における動力発生装置の回路図
【図５】本発明の第３の実施の形態における動力発生装置の回路図
【図６】本発明の第４の実施の形態における動力発生装置の回路図
【図７】本発明の第５の実施の形態における動力発生装置の回路図
【図８】同、動力発生装置の低速時の動作波形図
【図９】本発明の第６の実施の形態の動力発生装置の応用機器たる掃除機の断面図
【図１０】従来の動力発生装置の回路図
【符号の説明】
５１  第１の物体
５２  第２の物体
５３  交流電源
６０  双方向スイッチング回路
７２  位置検知手段
６２  極性検知回路
６１  駆動回路
６６  巻線
６７  鉄心
６８  永久磁石
【図１】
0003555297.tif 000002
【図２】
0003555297.tif 000003
【図３】
0003555297.tif 000004
【図４】
0003555297.tif 000005
【図５】
0003555297.tif 000006
【図６】
0003555297.tif 000007
【図７】
0003555297.tif 000008
【図８】
0003555297.tif 000009
【図９】
0003555297.tif 000010
【図１０】
0003555297.tif 000011