(57)【要約】  電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃを有するステータ２１と、回転磁界により回転するロータ２２と、スイッチング素子３０ａとを備えたブラシレスモータであって、低速モードと高速モードとを切り替える回転数制御部３３を有し、回転数制御部３３は、低速モードのときに、電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃへ予め定められた通電タイミングで電流を供給し、かつ、デューティ比を制御してロータ２２の回転数を制御する一方、高速モードのときに、低速モードでの通電タイミングよりも進角させた通電タイミングで電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに電流を供給することにより、回転磁界を低速モードのときよりも弱くする弱め界磁制御を行ってロータ２２の回転数を制御することを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流が供給される電機子コイルを有するステータと、前記電機子コイルにより形成される回転磁界で回転し、かつ、動作部材に接続されたロータと、前記電機子コイルに電流を供給する経路に設けられたスイッチング素子とを備えたブラシレスモータであって、
前記ロータの回転数が異なる少なくとも２つの制御モードで前記ロータの回転数を制御する回転数制御部を有し、
前記回転数制御部は、第１の制御モードが選択されたときには、前記電機子コイルへ予め定められた通電タイミングで電流を供給し、かつ、前記スイッチング素子のオン割合であるデューティ比を制御して前記ロータの回転数を制御する一方、前記第２の制御モードが選択されたときには、前記第１の制御モードが選択されたときの通電タイミングよりも進角させた通電タイミングで前記電機子コイルに電流を供給することにより、前記電機子コイルにより形成される回転磁界を前記第１の制御モードが選択されたときよりも弱くする弱め界磁制御を行って前記ロータの回転数を制御することを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項２】
請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、前記ロータから前記動作部材に至る動力の伝達経路に設けられた減速機構を備え、前記減速機構は、入力回転数に対して出力回転数を低くする構成を有することを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項３】
請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、前記電機子コイルに供給する電流の向きを切り替えることにより、前記ロータを正逆に回転させる回転方向制御部を備えていることを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項４】
請求項２に記載のブラシレスモータにおいて、前記回転数制御部を有する制御基板が設けられており、前記減速機構及び前記制御基板は、共通のハウジング内に収容されていることを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項５】
車両のガラスを払拭する動作部材であるワイパアームを備えたワイパ装置であって、
前記ワイパアームは、請求項１ないし４のいずれかに記載のブラシレスモータの前記ロータと接続されていることを特徴とするワイパ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のワイパ装置において、前記ロータと一体回転するセンサマグネットと、前記ロータが回転したときに前記センサマグネットの磁極の変化に応じて信号を出力する回転数センサとが設けられており、
前記回転数制御部は、前記弱め界磁制御を行うときに、前記回転数センサの信号に基づいて前記ロータの回転数を検出するとともに、前記電機子コイルへの通電タイミングを電気角で３０度進角させることにより、前記ロータの回転数を制御することを特徴とするワイパ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石を取り付けたロータと、電機子コイルが設けられたステータとを有するブラシレスモータ及びワイパ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロータの回転数を切り替え可能なモータの一例が、特許文献１、２、３に記載されている。特許文献１、２に記載されたモータは、ケースと、ケース内に収容されたマグネットと、ケースの内部に回転自在に設けられ、かつ、コイルが巻き付けられた電機子と、電機子とともに一体回転するシャフトと、シャフトに設けられた整流子と、整流子に接触する高速運転用ブラシ及び低速運転用ブラシとを有している。そして、運転者がスイッチを操作して低速運転を選択した場合は、低速運転用ブラシに電流が流れてシャフトが低回転数で回転する。一方、運転者がスイッチを操作して高速運転を選択した場合は、高速運転用ブラシに電流が流れてシャフトが高回転数で回転する。【０００３】
一方、特許文献３に記載されたモータは、ヨークハウジングの内面に固定され、かつ、複数の電機子コイルが巻かれた円環状のステータと、ステータの内側に回転可能に配置され、かつ、回転軸を有するロータと、回転軸に設けられた磁石とを有する。この特許文献３に記載されたモータにおいては、複数の電機子コイルに位相の異なる励磁電流が供給されて回転磁界が発生し、ロータが回転する。なお、特許文献３に記載されたモータは、特許文献１、２に記載されたブラシを備えていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２０２３９１号公報
【特許文献２】特開２００７−１４３２７８号公報
【特許文献３】特開２０１０−９３９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１〜３に記載されているようなモータにおいては、ブラシ付き、ブラシ無しに限らず、電機子コイルに電流を供給するタイミングを制御するスイッチング素子を有している。そして、スイッチング素子をオン・オフ制御するデューティ比を変えることで、ロータの回転速度を制御していた。このため、モータの体格は、ロータを高速回転できるように設計し、ロータを高回転数で回転させるときのデューティ比に対して、ロータを低回転数で回転させるときのデューティ比を少なくする制御を行っていた。したがって、モータの体格は、ロータを高回転数で回転させるときを基準として設計することとなり、モータの体格が大きくなるという問題があった。【０００６】
本発明の目的は、体格をなるべく小さくすることのできるブラシレスモータ及びワイパ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のブラシレスモータは、電流が供給される電機子コイルを有するステータと、前記電機子コイルにより形成される回転磁界で回転し、かつ、動作部材に接続されたロータと、前記電機子コイルに電流を供給する経路に設けられたスイッチング素子とを備えたブラシレスモータであって、前記ロータの回転数が異なる少なくとも２つの制御モードで前記ロータの回転数を制御する回転数制御部を有し、前記回転数制御部は、第１の制御モードが選択されたときには、前記電機子コイルへ予め定められた通電タイミングで電流を供給し、かつ、前記スイッチング素子のオン割合であるデューティ比を制御して前記ロータの回転数を制御する一方、前記第２の制御モードが選択されたときには、前記第１の制御モードが選択されたときの通電タイミングよりも進角させた通電タイミングで前記電機子コイルに電流を供給することにより、前記電機子コイルにより形成される回転磁界を前記第１の制御モードが選択されたときよりも弱くする弱め界磁制御を行って前記ロータの回転数を制御することを特徴とする。【０００８】
本発明のブラシレスモータは、前記ロータから前記動作部材に至る動力の伝達経路に設けられた減速機構を備え、前記減速機構は、入力回転数に対して出力回転数を低くする構成を有することを特徴とする。【０００９】
本発明のブラシレスモータは、前記電機子コイルに供給する電流の向きを切り替えることにより、前記ロータを正逆に回転させる回転方向制御部を備えていることを特徴とする。【００１０】
本発明のブラシレスモータは、前記回転数制御部を有する制御基板が設けられており、前記減速機構及び前記制御基板は、共通のハウジング内に収容されていることを特徴とする。【００１１】
本発明のワイパ装置は、車両のガラスを払拭する動作部材であるワイパアームを備えたワイパ装置であって、前記ワイパアームは、上記した本発明のいずれかに記載のブラシレスモータの前記ロータと接続されていることを特徴とする。【００１２】
本発明のワイパ装置は、前記ロータと一体回転するセンサマグネットと、前記ロータが回転したときに前記センサマグネットの磁極の変化に応じて信号を出力する回転数センサとが設けられており、前記回転数制御部は、前記弱め界磁制御を行うときに、前記回転数センサの信号に基づいて前記ロータの回転数を検出するとともに、前記電機子コイルへの通電タイミングを電気角で３０度進角させることにより、前記ロータの回転数を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明（請求項１）によれば、第１の制御モードにおけるロータの回転数を基準としてブラシレスモータの定格を決定し、第２の制御モードにおけるロータの回転数は、弱め界磁制御により得ることができる。したがって、ブラシレスモータの体格をなるべく小さくすることができる。【００１４】
本発明（請求項２）によれば、ロータの回転数を制御することに加えて、減速機構は、入力トルクに対して出力トルクを増幅することができる。【００１５】
本発明（請求項３）によれば、電機子コイルに流れる電流の向きを切り替えることにより、ロータを正逆回転させることができる。【００１６】
本発明（請求項４）によれば、減速機構及び制御基板は、共通のハウジング内に収容されているため、ブラシレスモータを小型化することができ、対象物にブラシレスモータを取り付ける際のレイアウト性が向上する。【００１７】
本発明（請求項５）によれば、ブラシレスモータのロータの動力をワイパアームに伝達して、ワイパアームを動作させることにより、車両のガラスを払拭することができる。【００１８】
本発明（請求項６）によれば、弱め界磁制御を行うときに、回転数センサの信号に基づいてロータの回転数を検出するとともに、電機子コイルへの通電タイミングを電気角で３０度進角させることにより、ロータの回転数を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のブラシレスモータを、車両のワイパ装置に適用した例を示す概略図である。
【図２】本発明のブラシレスモータを示す外観図である。
【図３】本発明のブラシレスモータであり、アンダーカバーを取り外した状態の底面図である。
【図４】本発明のブラシレスモータの制御系統を示すブロック図である。
【図５】ブラシレスモータの回転数とトルクとの関係を示す線図である。
【図６】ブラシレスモータの回転数と進角との関係を示す線図である。
【図７】ブラシレスモータの効率と進角との関係を示す線図である。
【図８】本発明のブラシレスモータを、車両のワイパ装置に適用した例を示す概略図である。
【図９】本発明のブラシレスモータを示す外観図である。
【図１０】本発明のブラシレスモータであり、アンダーカバーを取り外した状態の底面図である。
【図１１】本発明のブラシレスモータの制御系統を示す模式図である。
【図１２】本発明のブラシレスモータの特性の一例を示す線図である。
【図１３】本発明のブラシレスモータを、車両のワイパ装置に適用した例を示す概略図である。
【図１４】本発明のブラシレスモータを示す外観図である。
【図１５】本発明のブラシレスモータであり、アンダーカバーを取り外した状態の底面図である。
【図１６】本発明のブラシレスモータの制御系統を示すブロック図である。
【図１７】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明のブラシレスモータで実行される第１の制御及び第２の制御の一例を示す図である。
【図１８】本発明のブラシレスモータの特性を示す図である。
【図１９】本発明のブラシレスモータの特性と電気角との関係を示す線図である。
【図２０】本発明のブラシレスモータを作動角に基づいて制御する例を示す図である。
【図２１】本発明のブラシレスモータを回転数に基づいて制御する例を示す図である。
【図２２】本発明のブラシレスモータを時間に基づいて制御する例を示す図である。
【図２３】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明のブラシレスモータで実行される第１の制御及び第２の制御の一例を示す図表である。
【図２４】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明のブラシレスモータに用いるロータの構造例を示す断面図である。
【図２５】本発明のブラシレスモータにおいて、ロータとステータとの関係を示す模式図である。
【図２６】本発明のブラシレスモータにおいて、ロータとステータとの関係を示す模式図である。
【図２７】本発明のブラシレスモータの特性を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１に示された車両１０はフロントガラス１１を有している。また、車両１０は、フロントガラス１１を払拭するワイパ装置１２を有している。ワイパ装置１２は、ピボット軸１３を中心として揺動するワイパアーム１４と、ピボット軸１５を中心として揺動するワイパアーム１６とを有する。ワイパアーム１４の自由端にはワイパブレード１７が取り付けられており、ワイパアーム１６の自由端にはワイパブレード１８が取り付けられている。また、ワイパ装置１２は、ワイパアーム１４,１６を駆動する動力源としてブラシレスモータ１９を有している。ブラシレスモータ１９の動力は、レバー、リンク等により構成された動力伝達機構２０を経由して、ワイパアーム１４，１６に個別に伝達されるように構成されている。
【００２１】
ブラシレスモータ１９は、図２、図３、図４に示すように構成されている。本実施形態におけるブラシレスモータ１９は、一例として３相４極形のものが挙げられている。ブラシレスモータ１９は、ステータ２１及びロータ２２を有する。また、ブラシレスモータ１９は、有底円筒形状のケース２３を有しており、ケース２３の内周にステータ２１が固定して設けられている。ステータ２１は、図４に示すように、３相、具体的には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃを有する。ロータ２２は、ステータ２１の内側に設けられており、ロータ２２は、回転軸２２ａと、回転軸２２ａに取り付けた４極の永久磁石２２ｂとを有する。ケース２３内には複数の軸受（図示せず）が設けられており、回転軸２２ａは、複数の軸受により回転可能に支持されている。
【００２２】
また、ブラシレスモータ１９は、中空のフレーム２４を有しており、フレーム２４及びケース２３は、図示しない締結部材により固定されている。回転軸２２ａは、長さ方向の略半分はケース２３の内部に配置されており、残りの略半分はフレーム２４内に配置されている。回転軸２２ａのうちフレーム２４内に配置された部分の外周には、ウォーム２２ｃが形成されている。フレーム２４内にはウォームホイール２５が設けられている。このウォームホイール２５の外周にはギヤ２５ａが形成されており、ギヤ２５ａとウォーム２２ｃとが噛合されている。さらに、回転軸２２ａのうちフレーム２４内に配置された箇所には、センサマグネット３８が取り付けられている。センサマグネット３８は、回転軸２２ａと一体回転する。センサマグネット３８は、回転軸２２ａの円周方向に沿って、Ｎ極とＳ極とが交互に並ぶように着磁されている。
【００２３】
また、ウォームホイール２５は、出力軸２６と一体回転するように構成されている。ウォーム２２ｃ及びギヤ２５ａは、本実施形態における減速機構２７を構成している。この減速機構２７は、ロータ２２の動力を出力軸２６に伝達する際に、ロータ２２の回転数（入力回転数）よりも出力軸２６の回転数（出力回転数）を低くする機構である。さらに、図２において、フレーム２４の上部には、図示しない軸孔が設けられている。出力軸２６におけるウォームホイール２５が固定された端部とは反対側の端部は、フレーム２４の軸孔を経由して外部に露出している。出力軸２６におけるフレーム２４の外部に露出した部分には、図１のように動力伝達機構２０が連結されている。
【００２４】
フレーム２４における軸孔とは反対側の部分には開口部２４ａが設けられている。この開口部２４ａは、フレーム２４の内部にウォームホイール２５等を取り付けるために形成されたものである。また、開口部２４ａを塞ぐアンダーカバー２８が設けられている。アンダーカバー２８はトレイ形状を有しており、そのアンダーカバー２８とフレーム２４とにより取り囲まれた空間に、制御基板２９が設けられている。図２においては、制御基板２９がアンダーカバー２８に取り付けられた例が示されている。
【００２５】
この制御基板２９には、ブラシレスモータ１９を制御する駆動装置３３が、図４のように設けられている。駆動装置３３は、各電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに対する通電を制御するインバータ回路３０を有する。インバータ回路３０は、図示しない端子に接続されている。また、フレーム２４にはコネクタ（図示せず)が設けられており、外部電源３１に接続された電線のソケット（図示せず)をコネクタに装着することにより、外部電源３１とインバータ回路３０とが接続される。外部電源３１は、車両１０に搭載されたバッテリまたはキャパシタ等である。
【００２６】
また、インバータ回路３０は、外部電源３１と電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃとを接続及び遮断するスイッチング素子３０ａを備えている。このスイッチング素子３０ａは、例えば、ＦＥＴ等の半導体素子により構成されている。より具体的には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応し、外部電源３１の正極に接続される３つの正極側のスイッチング素子と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応し、外部電源３１の負極側に接続される３つの負極側のスイッチング素子とを含む。スイッチング素子３０ａが接続（オン）されると、外部電源３１から各電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに電流が供給される。これに対して、スイッチング素子３０ａが遮断（オフ）されると、外部電源３１から各電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに電流は供給されない。さらに、インバータ回路３０には、スイッチング素子３０ａのオン及びオフを切り替え制御する機能を有する制御回路（コンロトーラ)３２が接続されている。
【００２７】
この制御回路３２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えた公知のマイクロコンピュータである。また、駆動装置３３は、ＰＷＭ信号発生回路３４を有しており、ＰＷＭ信号発生回路３４の信号は、制御回路３２に入力されるように構成されている。この制御回路３２は、３つの負極側スイッチング素子を制御する駆動信号を出力し、その駆動信号にＰＷＭ信号が重畳される。つまり、３つの負極側スイッチング素子は、ＰＷＭ制御により駆動されて各電通区間において断続的にオンされる。そして、３つの負極側スイッチング素子が別個にオンされる割合、すなわち、デューティ比を制御することにより、各電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに供給する電流値が制御されるように構成されている。つまり、電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに給電される通電期間を、通電可能な全期間に対して０％〜１００％の間で増減することができる。さらに、制御回路３２は、ブラシレスモータ１９の起動時に実行する制御のデータ、プログラム等を記憶している。ブラシレスモータ１９の起動時とは、停止しているブラシレスモータ１９を回転させる初期のことである。
【００２８】
さらにまた、各電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃの非結線端には、誘起電圧検出部３５が接続されている。誘起電圧検出部３５は、ロータ２２の回転に伴い各電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに生じる誘起電圧を検出するセンサであり、誘起電圧検出部３５の検出信号は、制御回路３２に入力される。制御回路３２は、誘起電圧検出部３５から入力される検出信号に基づいて、ロータ２２の回転位置（回転方向の位相）を推定する処理を行う。
【００２９】
さらに、本実施形態におけるブラシレスモータ１９は、スイッチング素子３０ａのオン及びオフを切り替え制御して、電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに対する通電の向きを反転させることにより、ロータ２２を正逆に回転させることが可能である。
【００３０】
さらに、フレーム２４の内部には、出力軸２６の回転数または絶対位置の少なくとも一方を検出する出力軸センサ３６が設けられている。絶対位置とは、基準位置に対する出力軸２６の回転角度を意味する。基準位置は、３６０度の範囲内のうち、任意の位置に定めればよい。この出力軸センサ３６の検出信号は、制御回路３２に入力されるようになっている。さらに、制御基板２９にはホールＩＣ３９が取り付けられている。ホールＩＣ３９は、センサマグネット３８と非接触で対向して固定されている。ホールＩＣ３９は、ロータ２２の回転に伴い、センサマグネット３８の磁極の変化によりスイッチング動作し、スイッチング信号（オン・オフ信号）を発生する。制御回路３２は、ホールＩＣ３９のスイッチング信号に基づいて、ロータ２２の回転数（回転速度）を検出することができる。さらに、車両１０の室内にはワイパスイッチ３７が設けられており、ワイパスイッチ３７の操作信号が、制御回路３２に入力されるように構成されている。
【００３１】
ワイパ装置１２においては、降雨量、降雪量等の条件に基づいて、運転者の意思でワイパスイッチ３７を操作し、ワイパアーム１４，１６の払拭速度を切り替えることができる。運転者は、降雨量、降雪量が少ないとき、ワイパスイッチ３７を操作して、ワイパアーム１４，１６を予め定められた低速で動作させる低速払拭モードを選択することができる。これに対して、運転者は、降雨量、降雪量が多いとき、ワイパスイッチ３７を操作して、ワイパアーム１４，１６を、前記低速よりも高速で動作させる高速払拭モードを選択することができる。運転者は、降雨量、降雪量が多い、少ないを自分の主観で判断するのであり、多い、少ないを区別する基準があるわけではない。そして、制御回路３２には、低速払拭モード及び高速払拭モードについて、スイッチング素子３０ａを制御するパターン、データ、演算式等が予め記憶されている。
【００３２】
本実施形態におけるブラシレスモータ１９の制御を説明する。ワイパスイッチ３７が操作されて低速モードが選択されているとき、誘起電圧検出部３５の検出信号は、制御回路３２に入力される。制御回路３２は、誘起電圧検出部３５の検出信号に基づいて、ロータ２２の回転位置（回転方向の角度)を推定し、ロータ２２の回転位置に基づいた通電制御を行う。つまり、各相の正極側スイッチング素子を電気角で１２０度ずつ順次オンするとともに、正極側スイッチング素子とは異なる相の負極側スイッチング素子を電気角で１２０度ずつ順次オンして、各相の電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに対する通電を切り替えて相電流を転流させる。
【００３３】
上記の制御が繰り返されるとステータ２１により回転磁界が形成され、ロータ２２が回転する。また、ブラシレスモータ１９は、電流値が高くなることに伴い回転数が上昇する特性を有する。さらに、ブラシレスモータ１９は、回転数が上昇することに伴いトルクが低下する特性を有する。低速払拭モードが選択されているときは、弱め界磁制御を行うことなく、デューティ比の制御を行うことにより、ロータ２２の実回転数を要求されている回転数に近づけることができる。また、低速払拭モードが選択されているときは、電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃへの通電タイミングは、予め定められた固定値が用いられる。
【００３４】
一方、高速払拭モードが選択されたときは、電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに供給する電流値を変えず、弱め界磁制御を行う。弱め界磁制御は、電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに電流を供給することにより形成される磁界を、なるべく弱くする制御である。弱め界磁制御を具体的に説明すると、電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃへの通電タイミングを、低速払拭モードが選択されているときに比べて、３０度進角（進み位相）とする制御である。すなわち、高速払拭モードが選択されたときに電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃで形成される回転磁界は、低速払拭モードが選択されたときに電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃで形成される回転磁界よりも弱くなる。この弱め界磁制御を行うと、電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃに生じる逆起電力が減少し、ロータ２２の回転数が上昇する。前記進角は、ロータ２２の回転方向における電機子コイルと永久磁石との相対的な位置関係を電気角で表したものである。
【００３５】
図５は、ブラシレスモータ１９の特性を示す線図である。図５においては、縦軸にブラシレスモータ１９の回転数が示され、横軸にブラシレスモータ１９のトルクが示されている。また、図５に示された破線は、低速払拭モードに対応する低速用特性の一例であり、図５に示された実線は、高速払拭モードに対応する高速用特性の一例である。
【００３６】
本実施形態のブラシレスモータ１９は、その定格を設定するにあたり、図５の低速用特性に対応する回転数及びトルクを得ることができるように、例えば実線で示す位置に設定特性が存在している。このため、ワイパスイッチ３７の操作により低速払拭モードが選択されているときは、設定特性以下の範囲内で、要求されている回転数及びトルクを得ることができる。
【００３７】
これに対して、ワイパスイッチ３７の操作により高速払拭モードが選択されて、要求されるトルク及び回転数が設定特性を超えたときは、制御回路３２が弱め界磁制御を実行することにより、設定特性を超える回転数及びトルクの範囲を得ることができる。これにより、ブラシレスモータ１９の特性は、見かけ上、図５に二点鎖線で示す位置にあることと同等となる。すなわち、ブラシレスモータ１９は、設計上、低速払拭モードを基準として定格を決定することができ、ブラシレスモータ１９の体格をなるべく小さくすることができる。そして、電流値を変えずにブラシレスモータ１９の回転数を上昇させて、トルクを上昇させることができるということは、トルク定数が相対的に大きくなることを意味する。言い換えれば、本実施形態のブラシレスモータ１９は、より少ない消費電力でなるべく高トルクを発生することができ、モータ効率が向上する。
【００３８】
図６は、通電タイミングとしての進角と、ブラシレスモータ１９の回転数との関係を示す線図である。図６では、横軸に電流が示され、縦軸に回転数が示されている。図６のように、進角３０度であるときの回転数の方が、進角０度であるときの回転数よりも高い。進角０度は、低速払拭モードで説明した通電タイミングの固定値である。また、図７は、通電タイミングとしての進角と、ブラシレスモータ１９の効率との関係を示す線図である。図７では、横軸に電流が示され、縦軸に効率が示されている。図７のように、進角３０度であるときの効率の方が、進角０度であるときの効率よりも高い。
【００３９】
また、一般的に、車両用のワイパ装置は、低速払拭モードの方が高速払拭モードよりも、使用頻度が高い。このため、本実施形態のブラシレスモータ１９をワイパ装置１２に用いると、低速払拭モードが選択されたときに、消費電力を低減する効果が大きい。
【００４０】
また、本実施形態のブラシレスモータ１９は、弱め界磁制御を行うときに、誘起電圧検出部３５の検出信号に基づいて、ロータ２２の回転位置を推定することができる。さらに、誘起電圧検出部３５の検出信号に代えて、出力軸センサ３６の検出信号、及び減速機構２７の減速比に基づいて、ロータ２２の回転位置を推定することもできる。このように、本実施形態のブラシレスモータ１９は、予め設けられている誘起電圧検出部３５、出力軸センサ３６を利用して、ロータ２２の回転位置を推定することができる。
【００４１】
さらに、本実施形態のブラシレスモータ１９は、弱め界磁制御を行うことにより、高速用特性に対応する回転数及びトルクを得ることができるとともに、減速機構２７が設けられている。したがって、ブラシレスモータ１９は、ワイパ装置１２のワイパアーム１４，１６の作動条件に適した特性、つまり、回転数、トルクとなるように、減速機構２７の減速比を設定することができる。減速機構２７の減速比は、出力軸２６の回転数をロータ２２の回転数で除算した値であり、減速機構２７の減速比を大きくするほど、出力軸２６の回転数が低下する。すなわち、減速機構２７が設けられていることにより、ロータ２２のトルクに対して、出力軸２６のトルクを増幅することができる。
【００４２】
さらにまた、本実施形態のブラシレスモータ１９は、ロータ２２の回転位置の推定結果に基づいて、ブラシレスモータ１９の正逆転時における進角制御を最適化することができる。さらにまた、本実施形態のブラシレスモータ１９は、ブラシ、コミュテータ（整流子)等が設けられていないため、ブラシとコミュテータとの摺動によるフリクショントルクの発生もなく、モータの効率低下、ブラシの温度上昇を防止し、モータ出力が制限されることを回避できる。さらに、本実施形態のブラシレスモータ１９は、ブラシがあることに起因するノイズの発生、作動音の発生を防止でき、静粛性を確保できる。
【００４３】
さらにまた、本実施形態のブラシレスモータ１９は、制御基板２９及び減速機構２７が、共にフレーム２４及びアンダーカバー２８により取り囲まれた空間内に配置された構造、つまり、機電一体の構造である。したがって、ブラシレスモータ１９全体をコンパクトに構成することができ、車体へブラシレスモータ１９を取り付ける際のレイアウト性が向上する。
【００４４】
さらにまた、本実施形態のブラシレスモータ１９は、高速モードが選択されて弱め界磁制御を行うときに、制御回路３２は、ホールＩＣ３９のオン・オフ信号に基づいてロータ２２の回転数を検出する制御を行うとともに、電機子コイル２１ａ，２１ｂ，２１ｃへの通電タイミングを電気角で３０度進角させることにより、ロータ２２の回転数を制御することができる。
【００４５】
特に、ワイパ装置１２においては、ワイパアーム１４,１６が初期位置から動作を開始した時点から、反転位置を経由して初期位置に戻るまでの所要時間は、一定に保たれることが望ましい。これに対して、車速による風の抵抗、ワイパブレード１７,１８の払拭抵抗等の条件により、ワイパアーム１４，１６の実際の払拭速度が変化して、所要時間が変化する可能性がある。そこで、弱め界磁制御と並行して、デューティ比を変化させる制御を行うこともできる。具体的に説明すると、制御回路３２は、ホールＩＣ３９の信号に基づいて、ワイパアーム１４，１６の実際の払拭速度を間接的に求める。そして、制御回路３２は、ワイパアーム１４，１６の実際の払拭速度を目標払拭速度に近づけるように、フィードバック制御を行うにあたり、デューティ比を制御する。このようにすると、前回の通電タイミング制御を行ってから次回の通電タイミング制御を行うまでの間、デューティ比の制御を行うことにより、ワイパアーム１４，１６の払拭速度をきめ細かく制御することができる。
【００４６】
ここで、本実施形態において説明した構成と、本発明の構成との対応関係を説明すると、制御回路３２を有する駆動装置３３が、本発明の回転数制御部及び回転方向制御部に相当し、フレーム２４及びアンダーカバー２８が、本発明のハウジングに相当し、フロントガラス１１が、本発明のガラスに相当し、ワイパアーム１４,１６が、本発明の動作部材に相当し、スイッチング素子３０ａが、本発明のスイッチに相当し、ホールＩＣ３９が、本発明の回転数センサに相当する。また、低速払拭モードが、本発明の第１の制御モードに相当し、高速払拭モードが、本発明の第２の制御モードに相当する。
【００４７】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、ワイパスイッチは運転者の操作により操作されるものに限らず、降雨量、降雪量等を検出する機能を有する検出スイッチであってもよい。このように構成されていれば、降雨量、降雪量等に基づいて、回転数制御部がワイパ装置を自動的に起動させ、かつ、低速モード、高速モードを自動的に切り替える制御を実行する。この場合、回転数制御部には、低速モード、高速モードを切り替える基準となる降雨量、降雪量等のデータが予め記憶されている。さらにまた、電機子コイルの数、永久磁石の数は任意に変更可能である。
【００４８】
また、ワイパ装置は、フロントガラスに限らずリヤガラスを払拭するものであってもよい。また、ワイパ装置は、出力軸を支点としてワイパアームが揺動する構造でもよい。さらに、ワイパ装置は、２本のワイパアームを、それぞれ別個のブラシレスモータにより駆動する構成であってもよい。また、本実施形態のブラシレスモータは、永久磁石を鉄心に埋め込んだ構造のＩＰＭ（Interior Permanent Magnet ）型モータであってもよい。
【００４９】
さらに、ワイパスイッチにより選択されるモードは、低速払拭モード及び高速払拭モードの２種類に限らず、３種類以上あってもよい。例えば、ロータの回転数を制御するモードは、低速払拭モード、中速払拭モード、高速払拭モードの３種類あってもよい。ここで、中速払拭モードにおけるロータの回転数は、低速払拭モードにおけるロータの回転数よりも高く、高速払拭モードにおけるロータの回転数よりも低い。
【００５０】
そして、回転数制御部は、３種類の払拭モードのうち、低速払拭モードが選択されたときに、電機子コイルへ予め定められた通電タイミングで電流を供給し、かつ、スイッチング素子のオン割合であるデューティ比を制御してロータの回転数を制御する一方、中速払拭制御モードが選択されたときには、低速払拭制御モードが選択されたときの通電タイミングよりも進角させた通電タイミングで電機子コイルに電流を供給することにより、電機子コイルにより形成される回転磁界を、低速払拭制御モードが選択されたときよりも弱くする弱め界磁制御を行ってロータの回転数を制御することができる。このように、低速払拭モードと中速払拭モードとで、ロータの回転数を異ならせる場合は、低速払拭モードが、本発明における第１の制御モードに相当し、中速払拭モードが、本発明における第２の制御モードに相当する。
【００５１】
一方、回転数制御部は、３種類の払拭モードのうち、中速払拭モードが選択されたときに、電機子コイルへ予め定められた通電タイミングで電流を供給し、かつ、スイッチング素子のオン割合であるデューティ比を制御してロータの回転数を制御する一方、高速払拭制御モードが選択されたときには、中速払拭制御モードが選択されたときの通電タイミングよりも進角させた通電タイミングで電機子コイルに電流を供給することにより、電機子コイルにより形成される回転磁界を、中速払拭制御モードが選択されたときよりも弱くする弱め界磁制御を行ってロータの回転数を制御することもできる。このように、中速払拭モードと高速払拭モードとで、ロータの回転数を異ならせる場合は、中速払拭モードが、本発明における第１の制御モードに相当し、高速払拭モードが、本発明における第２の制御モードに相当する。
【００５２】
さらにまた、本発明のブラシレスモータは、ステータの内側にロータが配置されたインナロータ形のブラシレスモータ、またはステータの外側にロータが配置されたアウタロータ形のブラシレスモータのいずれにも適用可能である。さらに、本実施形態のブラシレスモータは、車両に設けられる利便快適系装置、例えば、パワースライドドア装置、サンルーフ装置、パワーウィンド装置等において、ドア、ルーフ、ガラス等の動作部材を動作させる動力源として用いることもできる。
【００５３】
以下、本発明の他の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図８に示された車両１１０はフロントガラス１１１を有している。また、車両１１０は、フロントガラス１１１を払拭するワイパ装置１１２を有している。ワイパ装置１１２は、ピボット軸１１３を中心として揺動するワイパアーム１１４と、ピボット軸１１５を中心として揺動するワイパアーム１１６とを有する。ワイパアーム１１４の自由端にはワイパブレード１１７が取り付けられており、ワイパアーム１１６の自由端にはワイパブレード１１８が取り付けられている。また、ワイパ装置１１２は、ワイパアーム１１４,１１６を駆動する動力源としてブラシレスモータ１１９を有している。ブラシレスモータ１１９の動力は、レバー、リンク等により構成された動力伝達機構１２０を経由して、ワイパアーム１１４，１１６に個別に伝達されるように構成されている。
【００５４】
ブラシレスモータ１１９は、図９、図１０、図１１に示すように構成されている。本実施形態におけるブラシレスモータ１１９は、一例として３相４極形のものが挙げられている。ブラシレスモータ１１９は、ステータ１２１及びロータ１２２を有する。また、ブラシレスモータ１１９は、有底円筒形状のケース１２３を有しており、ケース１２３の内周にステータ１２１が固定して設けられている。ステータ１２１は、図１１に示すように、３相、具体的には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃを有する。図１０のように、ロータ１２２はステータ１２１の内側に設けられている。ロータ１２２は、回転軸１２２ａと、回転軸１２２ａに取り付けた４極の永久磁石１２２ｂとを有する。なお、便宜上、図４では回転軸１２２ａを省略している。ケース１２３内には複数の軸受（図示せず）が設けられており、回転軸１２２ａは、複数の軸受により回転可能に支持されている。
【００５５】
また、ブラシレスモータ１１９は、中空のフレーム１２４を有しており、フレーム１２４及びケース１２３は、図示しない締結部材により固定されている。回転軸１２２ａは、長さ方向の略半分はケース１２３の内部に配置されており、残りの略半分はフレーム１２４内に配置されている。回転軸１２２ａのうちフレーム１２４内に配置された部分の外周には、ウォーム１２２ｃが形成されている。フレーム１２４内にはウォームホイール１２５が設けられている。このウォームホイール１２５の外周にはギヤ１２５ａが形成されており、ギヤ１２５ａとウォーム１２２ｃとが噛合されている。さらに、回転軸１２２ａのうちフレーム１２４内に配置された箇所には、センサマグネット１３８が取り付けられている。センサマグネット１３８は、回転軸１２２ａと一体回転する。センサマグネット１３８は、回転軸１２２ａの円周方向に沿って、Ｎ極とＳ極とが交互に並ぶように着磁されている。
【００５６】
また、ウォームホイール１２５は、出力軸１２６と一体回転するように構成されている。ウォーム１２２ｃ及びギヤ１２５ａは、本実施形態における減速機構１２７を構成している。この減速機構１２７の減速比は、ロータ１２２の動力を出力軸１２６に伝達する際に、ロータ１２２の回転速度よりも出力軸１２６の回転速度を低速とするものである。さらに、図９において、フレーム１２４の上部には、図示しない軸孔が設けられている。出力軸１２６におけるウォームホイール１２５が固定された端部とは反対側の端部は、フレーム１２４の軸孔を経由して外部に露出している。出力軸１２６におけるフレーム１２４の外部に露出した部分には、図８のように動力伝達機構１２０が連結されている。
【００５７】
フレーム１２４における軸孔とは反対側の部分には開口部１２４ａが設けられている。この開口部１２４ａは、フレーム１２４の内部にウォームホイール１２５等を取り付けるために形成されたものである。また、開口部１２４ａを塞ぐアンダーカバー１２８が設けられている。アンダーカバー１２８はトレイ形状を有しており、そのアンダーカバー１２８とフレーム１２４とにより取り囲まれた空間に、制御基板１２９が設けられている。図９においては、制御基板１２９がアンダーカバー１２８に取り付けられた例が示されている。
【００５８】
この制御基板１２９には、ブラシレスモータ１１９を制御する駆動装置１３３が、図１１のように設けられている。駆動装置１３３は、各電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃに対する通電を制御するインバータ回路１３０を有する。インバータ回路１３０は、図示しない端子に接続されている。また、フレーム１２４にはコネクタ（図示せず)が設けられており、外部電源１３１に接続された電線のソケット（図示せず)をコネクタに装着することにより、外部電源１３１とインバータ回路１３０とが接続される。外部電源１３１は、車両１１０に搭載されたバッテリまたはキャパシタ等である。
【００５９】
また、インバータ回路１３０は、外部電源１３１と電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃとを接続及び遮断するスイッチング素子１３０ａを備えている。このスイッチング素子１３０ａは、例えば、ＦＥＴ等の半導体素子により構成されている。より具体的には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応し、外部電源１３１の正極に接続される３つの正極側のスイッチング素子と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応し、外部電源１３１の負極側に接続される３つのスイッチング素子とを含む。さらに、インバータ回路１３０には、スイッチング素子１３０ａのオン及びオフを切り替え制御する機能を有する制御回路（コンロトーラ)１３２が接続されている。
【００６０】
この制御回路１３２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えた公知のマイクロコンピュータである。また、駆動装置１３３は、ＰＷＭ信号発生回路１３４を有しており、ＰＷＭ信号発生回路１３４の信号は、制御回路１３２に入力されるように構成されている。この制御回路１３２は、３つの負極側スイッチング素子を制御する駆動信号を出力し、その駆動信号にＰＷＭ信号が重畳される。つまり、３つの負極側スイッチング素子は、ＰＷＭ制御により駆動されて各電通区間において断続的にオンされる。そして、３つの負極側スイッチング素子が別個にオンされる割合、すなわち、デューティ比を制御することにより、各電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃに供給する電流値が制御されるように構成されている。さらに、制御回路１３２は、ブラシレスモータ１１９の起動時に実行する制御のデータ、プログラム等を記憶している。ブラシレスモータ１１９の起動時とは、停止しているブラシレスモータ１１９を回転させる初期のことである。
【００６１】
さらにまた、各電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃの非結線端には、誘起電圧検出部１３５が接続されている。誘起電圧検出部１３５は、ロータ１２２の回転に伴い各電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃに生じる誘起電圧を検出するセンサであり、誘起電圧検出部１３５の検出信号は、制御回路１３２に入力される。制御回路１３２は、誘起電圧検出部１３５から入力される検出信号に基づいて、ロータ１２２の回転位置（回転方向の位相）を推定する処理を行う。
【００６２】
さらに、本実施形態におけるブラシレスモータ１１９は、スイッチング素子１３０ａのオン及びオフを切り替え制御して、電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃに対する通電の向きを反転させることにより、ロータ１２２を正逆に回転させることが可能である。スイッチング素子１３０ａがオンされると、外部電源１３１と各電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃとが接続され、スイッチング素子１３０ａがオフされると、外部電源１３１と各電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃとが遮断される。
【００６３】
さらに、フレーム１２４の内部には、出力軸１２６の回転数または絶対位置の少なくとも一方を検出する出力軸センサ１３６が設けられている。絶対位置とは、基準位置に対する出力軸１２６の回転角度を意味する。基準位置は、３６０度の範囲内のうち、任意の位置に定めればよい。この出力軸センサ１３６の検出信号は、制御回路１３２に入力されるようになっている。さらに、制御基板１２９にはホールＩＣ１３９が取り付けられている。ホールＩＣ１３９は、センサマグネット１３８と非接触で対向して固定されている。ホールＩＣ１３９は、ロータ１２２の回転に伴い、センサマグネット１３８の磁極の変化によりスイッチング動作し、スイッチング信号（オン・オフ信号）を発生する。制御回路１３２は、ホールＩＣ１３９のスイッチング信号に基づいて、ロータ１２２の回転数（回転速度）を検出することができる。さらに、車両１１０の室内にはワイパスイッチ１３７が設けられており、ワイパスイッチ１３７の操作信号が、制御回路１３２に入力されるように構成されている。
【００６４】
ワイパ装置１１２においては、降雨量、降雪量等の条件に基づいて、ワイパアーム１１４，１１６の払拭速度を切り替えることができる。例えば、降雨量、降雪量が少ないときは、運転者がワイパスイッチ１３７を操作して、ワイパアーム１１４，１１６を予め定められた低速で動作させる低速払拭モードを選択することができる。これに対して、降雨量、降雪量が多いときには、運転者がワイパスイッチ１３７を操作して、ワイパアーム１１４，１１６を、前記低速よりも高速で動作させる高速払拭モードを選択することができる。このため、制御回路１３２には、低速払拭モード及び高速払拭モードについて、スイッチング素子１３０ａを制御するパターン、データ、演算式等が予め記憶されている。
【００６５】
本実施形態におけるブラシレスモータ１１９の制御を説明する。ワイパスイッチ１３７が操作されて低速モードが選択されているとき、誘起電圧検出部１３５の検出信号は、制御回路１３２に入力される。制御回路１３２は、誘起電圧検出部１３５の検出信号に基づいて、ロータ１２２の回転位置（回転方向の角度)を推定し、ロータ１２２の回転位置に基づいた通電制御を行う。つまり、各相の正極側スイッチング素子を電気角で１２０度ずつ順次オンするとともに、正極側スイッチング素子とは異なる相の負極側スイッチング素子を電気角で１２０度ずつ順次オンして、各相の電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃに対する通電を切り替えて相電流を転流させる。
【００６６】
上記の制御が繰り返されるとステータ１２１により回転磁界が形成され、ロータ１２２が回転する。また、ブラシレスモータ１１９は、電流値が高くなることに伴い回転数が上昇する特性を有する。さらに、ブラシレスモータ１１９は、回転数が上昇することに伴いトルクが低下する特性を有する。低速払拭モードが選択されているときは、弱め界磁制御を行うことなく、デューティ比の制御を行うことにより、ロータ１２２の実回転数を要求されている回転数に近づけることができる。
【００６７】
一方、高速払拭モードが選択されたときは、電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃに供給する電流値を変えることなく、電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃへの通電タイミングを、低速払拭モードが選択されているときに比べて進み位相とする弱め界磁制御を行う。弱め界磁制御では、低速払拭モードが選択されているときに比べて、電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃへの通電タイミングが電気角で３０度進角される。弱め界磁制御は、電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃに電流を供給することにより形成される磁界を、なるべく弱くする制御である。この弱め界磁制御を行うと、電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃに生じる逆起電力が減少し、ロータ１２２の回転数が上昇する。
【００６８】
図１２は、ブラシレスモータ１１９の特性を示す線図である。図１２においては、縦軸にブラシレスモータ１１９の回転数が示され、横軸にブラシレスモータ１１９のトルクが示されている。また、図１２に示された破線は、低速払拭モードに対応する低速用特性の一例であり、図１２に示された実線は、高速払拭モードに対応する高速用特性の一例である。
【００６９】
本実施形態のブラシレスモータ１１９は、その定格を設定するにあたり、図１２の低速用特性に対応する回転数及びトルクを得ることができるように、例えば実線で示す位置に設定特性が存在している。このため、ワイパスイッチ１３７の操作により低速払拭モードが選択されているときは、設定特性以下の範囲内で、要求されている回転数及びトルクを得ることができる。
【００７０】
これに対して、ワイパスイッチ１３７の操作により高速払拭モードが選択されて、要求されるトルク及び回転数が設定特性を超えたときは、制御回路１３２が弱め界磁制御を実行することにより、設定特性を超える回転数及びトルクの範囲を得ることができる。これにより、ブラシレスモータ１１９の特性は、見かけ上、二点鎖線で示す位置にあることと同等となる。そして、電流値を変えずにブラシレスモータ１１９の回転数を上昇させて、トルクを上昇させることができるということは、トルク定数が相対的に大きくなることを意味する。言い換えれば、本実施形態のブラシレスモータ１１９は、より少ない消費電力でなるべく高トルクを発生することができ、モータ効率が向上する。
【００７１】
一般的に、車両用のワイパ装置は、低速払拭モードの方が高速払拭モードよりも、使用頻度が高い。このため、本実施形態のブラシレスモータ１１９をワイパ装置１１２に用いると、低速払拭モードが選択されたときに、消費電力を低減する効果が大きい。また、本実施形態のブラシレスモータ１１９は、設計上、高速払拭モードを基準として定格を決定する必要がなくなり、ブラシレスモータ１１９の体格をなるべく小さくすることができる。
【００７２】
また、本実施形態のブラシレスモータ１１９は、弱め界磁制御を行うときに、誘起電圧検出部１３５の検出信号に基づいて、ロータ１２２の回転位置を推定することができる。さらに、誘起電圧検出部１３５の検出信号に代えて、出力軸センサ１３６の検出信号、及び減速機構１２７の減速比に基づいて、ロータ１２２の回転位置を推定することもできる。このように、本実施形態のブラシレスモータ１１９は、予め設けられている誘起電圧検出部１３５、出力軸センサ１３６を利用して、ロータ１２２の回転位置を推定することができる。つまり、本実施形態のブラシレスモータ１１９は、ロータ１２２の回転位置を検出するセンサを専用で設ける必要がない、センサレス構造である。したがって、ブラシレスモータ１１９の部品点数及び製造コストを低減することができる。
【００７３】
さらに、本実施形態のブラシレスモータ１１９は、弱め界磁制御を行うことにより、高速用特性に対応する回転数及びトルクを得ることができるとともに、減速機構１２７が設けられている。したがって、ブラシレスモータ１１９は、ワイパ装置１１２のワイパアーム１１４，１１６の作動条件に適した特性、つまり、回転数、トルクとなるように、減速機構１２７の減速比を設定することができる。減速機構１２７の減速比は、出力軸１２６の回転数をロータ１２２の回転数で除算した値であり、減速機構１２７の減速比を大きくするほど、出力軸１２６の回転数が低下する。
【００７４】
さらにまた、本実施形態のブラシレスモータ１１９は、ロータ１２２の回転位置の推定結果に基づいて、ブラシレスモータ１１９の正逆転時における進角制御を最適化することができる。さらにまた、本実施形態のブラシレスモータ１１９は、ブラシ、コミュテータ（整流子)等が設けられていないため、ブラシとコミュテータとの摺動によるフリクショントルクの発生もなく、モータの効率低下を防止できる。さらに、本実施形態のブラシレスモータ１１９は、ブラシがあることに起因するノイズの発生をも防止できる。
【００７５】
さらにまた、本実施形態のブラシレスモータ１１９は、制御基板１２９及び減速機構１２７が、共にフレーム１２４及びアンダーカバー１２８により取り囲まれた空間内に配置された構造、つまり、機電一体の構造である。したがって、ブラシレスモータ１１９全体をコンパクトに構成することができ、車体へブラシレスモータ１１９を取り付ける際のレイアウト性が向上する。
【００７６】
さらにまた、本実施形態のブラシレスモータ１１９は、弱め界磁制御を行うときに、制御回路１３２は、ホールＩＣ１３９のオン・オフ信号に基づいてロータ１２２の回転数を検出する制御を行うとともに、電機子コイル１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃへの通電タイミングを電気角で３０度進角させることにより、ロータ１２２の回転数を制御する機能を有する。
【００７７】
ここで、本実施形態において説明した構成と、本発明の構成との対応関係を説明すると、制御回路１３２を有する駆動装置１３３が、本発明の第１回転数制御部及び第２回転数制御部及び回転位置推定部及び回転方向制御部に相当し、フレーム１２４及びアンダーカバー１２８が、本発明のハウジングに相当し、フロントガラス１１１が、本発明のガラスに相当し、ワイパアーム１１４,１１６が、本発明の動作部材に相当し、ホールＩＣ１３９が、本発明のスイッチング素子に相当する。さらに、図１２において回転数及びトルクで表された特性が、本発明におけるブラシレスモータの特性に相当する。
【００７８】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、ワイパ装置１１２は、フロントガラス１１１に限らずリヤガラスを払拭するものであってもよい。また、図８に示すワイパ装置１１２は、出力軸１２６に動力伝達機構１２０を介してワイパアーム１１４,１１６が連結されているが、出力軸に直接ワイパアームが連結されている構造であってもよい。また、図８に示すワイパ装置１１２は、２本のワイパアーム１１４，１１６を単独のブラシレスモータ１１９により駆動する構成であるが、２本のワイパアームを、それぞれ別個のブラシレスモータにより駆動する構成であってもよい。また、本実施形態のブラシレスモータは、永久磁石を鉄心に埋め込んだ構造のＩＰＭ（Interior Permanent Magnet ）型モータであってもよい。さらに、ワイパスイッチにより選択されるモードは、低速払拭モード及び高速払拭モードの２種類に限らず、３種類以上あってもよい。さらにまた、電機子コイルの数、永久磁石の数は任意に変更可能である。
【００７９】
さらにまた、本発明のブラシレスモータは、ステータの内側にロータが配置されたインナロータ形のブラシレスモータ、またはステータの外側にロータが配置されたアウタロータ形のブラシレスモータのいずれにも適用可能である。さらに、本実施形態のブラシレスモータは、車両に設けられる利便快適系装置、例えば、パワースライドドア装置、サンルーフ装置、パワーウィンド装置等において、ドア、ルーフ、ガラス等の動作部材を動作させる動力源として用いることもできる。
【００８０】
以下、本発明の他の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１３に示された車両２１０はフロントガラス２１１を有している。また、車両２１０は、フロントガラス２１１を払拭するワイパ装置２１２を有する。ワイパ装置２１２は、ピボット軸２１３を中心として揺動するワイパアーム２１４と、ピボット軸２１５を中心として揺動するワイパアーム２１６とを有する。ワイパアーム２１４の自由端にはワイパブレード２１７が取り付けられており、ワイパアーム２１６の自由端にはワイパブレード２１８が取り付けられている。また、ワイパ装置２１２は、ワイパアーム２１４，２１６を駆動する動力源としてブラシレスモータ２１９を有している。ブラシレスモータ２１９の動力は、レバー、リンク等により構成された動力伝達機構２２０を経由して、ワイパアーム２１４，２１６に個別に伝達される。
【００８１】
ブラシレスモータ２１９は、図１４、図１５、図１６に示す構成を備えている。本実施形態におけるブラシレスモータ２１９は３相直流形のモータであり、一例として３相６極形のものが挙げられている。ブラシレスモータ２１９は、ステータ２２１及びロータ２２２を有する。また、ブラシレスモータ２１９は、有底円筒形状のケース２２３を有しており、ケース２２３の内周にステータ２２１が固定して設けられている。ステータ２２１は、図１６に示すように、３相、具体的には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応する巻線、すなわち、電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃを有する。具体的には、３相の電機子コイルが、Ｙ結線、つまり、三相の電機子コイルを一端の中性点で接続する結線方法により接続してある。また、ブラシレスモータ２１９は、各電機子コイルが、正極及び負極の両方として機能するバイポーラ駆動型のモータである。ロータ２２２は、ステータ２２１の内側に設けられており、ロータ２２２は、ロータ軸２２２ａと、ロータ軸２２２ａに取り付けた４極の永久磁石２２２ｂとを有する。ケース２２３内には複数の軸受が設けられており、ロータ軸２２２ａは、複数の軸受により回転可能に支持されている。前記軸受は図示されていない。
【００８２】
また、ブラシレスモータ２１９は、中空のフレーム２２４を有しており、フレーム２２４及びケース２２３は、図示しない締結部材により固定されている。ロータ軸２２２ａは、長さ方向の略半分はケース２２３の内部に配置されており、残りの略半分はフレーム２２４内に配置されている。ロータ軸２２２ａのうちフレーム２２４内に配置された部分の外周には、ウォーム２２２ｃが形成されている。フレーム２２４内にはウォームホイール２２５が設けられている。このウォームホイール２２５の外周にはギヤ２２５ａが形成されており、ギヤ２２５ａとウォーム２２２ｃとが噛み合わされている。さらに、ロータ軸２２２ａのうちフレーム２２４内に配置された箇所には、センサマグネット２３８が取り付けられている。センサマグネット２３８は、ロータ軸２２２ａと一体回転する。センサマグネット２３８は、ロータ軸２２２ａの円周方向に沿って、Ｎ極とＳ極とが交互に並ぶように着磁されている。
【００８３】
また、ウォームホイール２２５は、出力軸２２６と一体回転するように構成されている。ウォーム２２２ｃ及びギヤ２２５ａは、本実施形態における減速機構２２７を構成している。この減速機構２２７は、ロータ２２２の動力を出力軸２２６に伝達する際に、ロータ２２２の回転数よりも出力軸２２６の回転数を低くする機構である。ロータ２２２の回転数は入力回転数であり、出力軸２２６の回転数は出力回転数である。さらに、図１４において、フレーム２２４の上部には、図示しない軸孔が設けられており、出力軸２２６は軸孔に挿入されている。出力軸２２６におけるウォームホイール２２５が固定された端部とは反対側の端部は、フレーム２２４の外部に露出している。動力伝達機構２２０は、出力軸２２６におけるフレーム２２４の外部に露出した部分に連結されている。
【００８４】
フレーム２２４における軸孔とは反対側の部分に開口部２２４ａが設けられている。この開口部２２４ａは、フレーム２２４の内部にウォームホイール２２５等を取り付けるために形成されたものである。また、開口部２２４ａを塞ぐアンダーカバー２２８が設けられている。アンダーカバー２２８はトレイ形状を有しており、そのアンダーカバー２２８とフレーム２２４とにより取り囲まれた空間に、制御基板２２９が設けられている。図１４においては、制御基板２２９がアンダーカバー２２８に取り付けられた例が示されている。
【００８５】
この制御基板２２９には、ブラシレスモータ２１９を制御する制御部、つまり、コントローラとしての駆動装置２３３が、図１６のように設けられている。駆動装置２３３は、電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃに対する通電を制御するインバータ回路２３０を有する。インバータ回路２３０は、図示しない端子に接続されている。また、フレーム２２４にはコネクタが設けられており、外部電源２３１に接続された電線のソケットをコネクタに装着することにより、外部電源２３１とインバータ回路２３０とが接続される。外部電源２３１は、車両２１０に搭載されたバッテリまたはキャパシタ等である。なお、コネクタ及びソケットは図示されていない。
【００８６】
また、インバータ回路２３０は、外部電源２３１と電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃとを接続及び遮断するスイッチング素子２３０ａを備えている。このスイッチング素子２３０ａは、例えば、ＦＥＴ等の半導体素子により構成されている。より具体的には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応し、外部電源２３１の正極に接続される３つの正極側のスイッチング素子と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応し、外部電源２３１の負極側に接続される３つの負極側のスイッチング素子とを含む。すなわち、スイッチング素子は、合計で６個設けられている。スイッチング素子２３０ａが接続、つまりオンされると、外部電源２３１から各電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃに電流が供給される。これに対して、スイッチング素子２３０ａが遮断、つまりオフされると、外部電源２３１から各電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃに電流は供給されない。さらに、インバータ回路２３０に、スイッチング素子２３０ａのオン及びオフを切り替える制御回路２３２が接続されている。
【００８７】
この制御回路２３２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えた公知のマイクロコンピュータである。また、駆動装置２３３は、ＰＷＭ信号発生回路２３４を有しており、ＰＷＭ信号発生回路２３４の信号は、制御回路２３２に入力されるように構成されている。この制御回路２３２は、３つの負極側スイッチング素子を制御する駆動信号を出力し、その駆動信号にＰＷＭ信号が重畳される。つまり、３つの負極側スイッチング素子は、ＰＷＭ制御により駆動されて各電通区間において断続的にオンされる。そして、３つの負極側スイッチング素子が別個にオンされる割合、すなわち、デューティ比を制御することにより、各電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃに供給する電流値が制御されるように構成されている。つまり、電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃに給電される通電期間を、通電可能な全期間に対して０％〜１００％の間で増減することができる。さらに、制御回路２３２は、ブラシレスモータ２１９の起動時に実行する制御のデータ、プログラム等を記憶している。ブラシレスモータ２１９の起動時とは、停止しているブラシレスモータ２１９を回転させる初期のことである。
【００８８】
さらにまた、各電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃの非結線端には、誘起電圧検出部２３５が接続されている。誘起電圧検出部２３５は、ロータ２２２の回転に伴い各電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃに生じる誘起電圧を検出するセンサであり、誘起電圧検出部２３５の検出信号は、制御回路２３２に入力される。制御回路２３２は、誘起電圧検出部２３５から入力される検出信号に基づいて、ロータ２２２の回転位置、つまり回転方向の位相を推定する処理を行う。
【００８９】
また、制御基板２２９にホールＩＣ２３９が取り付けられている。ホールＩＣ２３９は、センサマグネット２３８と非接触で対向して固定されている。ホールＩＣ２３９は、ロータ軸２２２ａの回転に伴い、センサマグネット２３８の磁極の変化によりスイッチング動作し、スイッチング信号、つまり、オン・オフ信号を発生する。なお、ホールＩＣ２３９は、ロータ軸２２２ａの回転方向に沿って複数個、例えば３個設けることができる。制御回路２３２は、ホールＩＣ２３９のスイッチング信号に基づいて、ロータ軸２２２ａの回転数及び回転角度を検知する。また、出力軸２２６の回転角度及び回転数を検知する出力軸センサ２３６が設けられている。出力軸センサ２３６の検知信号は、制御回路２３２へ入力される。さらに、車両２１０の室内にはワイパスイッチ２３７が設けられており、ワイパスイッチ２３７の操作信号が、制御回路２３２に入力されるように構成されている。さらにまた、車速センサ２４０が設けられており、車速センサ２４０の信号が制御回路２３２に入力される。車速センサ２４０は、車両２１０の走行速度を検知するセンサである。
【００９０】
本実施形態におけるブラシレスモータ２１９の制御を説明する。制御回路２３２は、誘起電圧検出部２３５の検出信号に基づいて、ロータ軸２２２ａの回転方向及び回転位置、つまり回転方向の角度を推定し、ロータ軸２２２ａの回転位置に基づいた通電制御を行う。つまり、各相の正極側スイッチング素子を電気角で所定の角度ずつ順次オン・オフするとともに、正極側スイッチング素子とは異なる相の負極側スイッチング素子を電気角で所定の角度ずつ順次オン・オフして、各相の電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃに対する通電を切り替えて相電流を転流させる。上記の制御が繰り返されるとステータ２２１により回転磁界が形成され、ロータ軸２２２ａが回転する。
【００９１】
また、本実施形態におけるブラシレスモータ２１９は、スイッチング素子２３０ａのオン及びオフを切り替え制御して、電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃに対する通電の向きを反転させることにより、ロータ軸２２２ａを正回転・停止・逆回転させることができる。ワイパアーム２１４，２１６は、ロータ軸２２２ａの動力で所定角度の範囲内で往復動作し、ワイパブレード２１７，２１８によりフロントガラス２１１が払拭される。
【００９２】
さらに、本実施形態におけるブラシレスモータ２１９は、ロータ軸２２２ａの回転数を制御するにあたり、弱め界磁制御を行うことができる。弱め界磁制御は、電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃに電流を供給することにより形成される磁界を、なるべく弱くする制御である。弱め界磁制御を具体的に説明すると、電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃへの通電タイミングを、通常の通電タイミングと比べて、電気角で３０°進角する、つまり、進み位相とする制御である。弱め界磁制御を行うと、電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃに生じる逆起電力が減少し、ロータ軸２２２ａの回転数が上昇する。
【００９３】
さらに、本実施形態のブラシレスモータ２１９は、ロータ軸２２２ａの出力、すなわち、回転数及びトルクを制御するにあたり、第１の制御と第２の制御とを切り替えることができる。第１の制御と第２の制御とを切り替える条件としては、例えば、車両２１０の走行速度を挙げることができる。制御回路２３２には、第１の制御と第２の制御とを切り替えるしきい値となる基準車速が、予め記憶されている。そして、車速センサ２４０の信号により検知される実車速が、基準車速以下であると第１の制御が行われる。車速センサ２４０の信号により検知される実車速が、基準車速を超えると第２の制御が行われる。
【００９４】
第１の制御及び第２の制御の例を図１７により説明する。図１７に示された０°〜３６０°の角度は、電気信号の１周期内における通電期間を表す電気角である。正は正極からの通電を表し、負は負極からの通電を表す。図１７（Ａ）は、第１の制御の一例である。Ｕ相では、０°を基準位置として、３０°で正極から通電が開始され、電気角で１２０°の範囲で通電が維持された後に正極からの通電が終了する。また、正極からの通電が終了してから所定の電気角を空けて、負極からの通電が開始され、電気角で１２０°の範囲で通電が維持された後に通電が終了する。
【００９５】
一方、Ｖ相では、Ｕ相の正極からの通電が終了した時点から、正極からの通電が開始され、電気角１２０°の範囲で通電が維持された後に、通電が終了する。また、Ｖ相では、Ｕ相の負極からの通電が終了した時点から、負極からの通電が開始され、電気角１２０°の範囲で負極からの通電が維持された後、負極からの通電が終了する。さらに、Ｗ相では、Ｖ相の正極からの通電が終了した時点から、正極からの通電が開始され、電気角１２０°の範囲で正極からの通電が維持された後に、正極からの通電が終了する。また、Ｗ相では、Ｖ相の負極からの通電が終了した時点から、負極からの通電が開始され、電気角１２０°の範囲で負極からの通電が維持された後に、負極からの通電が終了する。このように、第１の制御では、正極からの通電及び負極からの通電が維持される範囲、つまり、通電角は、いずれも１２０°である。
【００９６】
つぎに、第２の制御の一例を示す図１７（Ｂ）に基づいて説明する。Ｕ相では、０°で正極からの通電が開始され、正極からの通電は電気角で１２０°＋αの範囲で維持された後、正極からの通電が終了する。また、正極からの通電が終了した後、負極からの通電が開始され、負極からの通電が電気角で１２０°＋αの範囲で維持された後、負極からの通電が終了する。
【００９７】
Ｖ相では、Ｕ相の正極から通電されている間に、正極からの通電が開始される。また、正極からの通電は電気角で１２０°＋αの範囲で維持された後、正極からの通電が終了する。さらに、正極からの通電が終了した後、かつ、Ｕ相の負極からの通電が維持されている時点で、負極からの通電が開始されている。負極からの通電は、電気角で１２０°＋αの範囲で維持された後、負極からの通電が終了する。
【００９８】
Ｗ相では、Ｕ相の負極から通電され、かつ、Ｖ相の正極から通電されている間に、正極からの通電が開始される。また、正極からの通電は電気角で１２０°＋αの範囲で維持された後、正極からの通電が終了する。さらに、正極からの通電が終了した後、かつ、Ｕ相の正極からの通電が維持され、かつ、Ｖ相の負極からの通電が維持されている間に、負極からの通電が開始されている。負極からの通電は、電気角で１２０°＋αの範囲で維持された後、負極からの通電が終了する。図１７（Ｂ）では、Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、Ｗ相とＶ相とで、正極の通電のそれぞれが重なる部分はαの範囲となり、負極の通電についても同様である。
【００９９】
さらに、第２の制御の他の例を、図１７（Ｃ）に基づいて説明する。Ｕ相では、０°を超え、かつ、３０°未満の電気角から正極からの通電が開始され、正極からの通電は電気角で１２０°＋αの範囲で維持された後、正極からの通電が終了する。なお、Ｕ相の負極における通電制御、Ｖ相の正極及び負極における通電制御、Ｗ相の正極及び負極における通電制御は、図１７（Ｂ）と同じである。また、通電角１２０°＋αは、通電角が１２０°を超える値であることを意味する。本実施形態では、ブラシレスモータ２１９の通電角を、１２０°以上であり、かつ、１８０°以下の範囲で制御する。
【０１００】
このように、第２の制御例における通電角は、第１の制御例における通電角よりも広い。すなわち、第１の制御と第２の制御とは、互いに通電角が異なる。図１７（Ｃ）では、Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相、Ｗ相とＶ相とで、正極の通電のそれぞれが重なる部分はαの範囲となり、負極の通電についても同様である。
【０１０１】
そして、第１の制御または第２の制御と併せて、前述したデューティ比の制御が行われて、ロータ軸２２２ａの回転数が制御される。図１８は、ブラシレスモータ２１９の特性を示す線図であり、ブラシレスモータ２１９の単体特性は実線で示されている。そして、ブラシレスモータ２１９の通電角を制御することで、見掛け上の特性を一点鎖線で示す位置とすることができる。単体特性は、車両２１０の実車速が基準車速以下であるときの目標出力、つまり、低速用特性を満足する特性である。見掛け上の特性は、車両２１０の実車速が基準車速を超えたときの目標出力、つまり、高速用特性を満足する特性である。目標出力は、ロータ軸２２２ａの回転数及びトルクで表される。目標出力を決定する条件は、ワイパスイッチ２３７の操作信号、車両２１０の走行速度、ワイパアーム２１４，２１６の動作位置等を含む。
【０１０２】
本実施形態のブラシレスモータ２１９では、目標出力が単体特性以下の特性である場合は、第１の制御を実行し、かつ、デューティ比を制御することによりロータ軸２２２ａの回転数を低下させ、低速用特性を得ることができる。これに対して、目標出力が単体特性を超える特性である場合は、第２の制御を実行してロータ軸２２２ａの回転数を上昇させ、かつ、デューティ比を制御することにより、高速用特性を得ることができる。このため、ブラシレスモータ２１９を設計上、単体特性を基準として定格を決定することができ、ブラシレスモータ２１９の体格をなるべく小さくすることができる。ブラシレスモータ２１９の電流値を変えずに通電角を広くすることで、ロータ軸２２２ａの回転数を上昇させて、トルクを上昇させることができるということは、トルク定数が相対的に大きくなることを意味する。言い換えれば、本実施形態のブラシレスモータ２１９は、より少ない消費電力でなるべく高トルクを発生することができ、モータ効率が向上する。さらに、ブラシレスモータ２１９の出力が一定であると仮定すれば、消費電力を低く設定できる。
【０１０３】
また、ブラシレスモータ２１９の定格をなるべく小さくすることができるということは、電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃの太さをなるべく細くすることを意味する。その結果、ステータ２２１に巻き掛けられる電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃのターン数が増え、ブラシレスモータ２１９としての電気抵抗が相対的に大きくなる。このため、例えば、駆動装置２３３が故障したときにスイッチング素子２３０ａに流れる電流、即ち、許容電流を、相対的に小さくすることができる。スイッチング素子２３０ａにおける許容電流が相対的に小さくなるということは、駆動装置２３３の小型化に寄与する。よって、ブラシレスモータ２１９の小型化に寄与し、車両２１０のエンジンルーム内にブラシレスモータ２１９を配置するにあたり、レイアウト性が向上するメリットがある。
【０１０４】
ここで、ブラシレスモータ２１９の特性と通電角との関係の一例を、図１９に基づいて説明する。ブラシレスモータ２１９の特性は回転数及びトルクで表されている。図１９では、通電角として１２０°、１３５°、１５０°、１６５°が示されている。図１９に示すように、ブラシレスモータ２１９は、トルクが同じであるとすれば、通電角が大きいほど、回転数が高くなる特性を有する。
【０１０５】
次に、第１の制御及び第２の制御を実行する条件の他の例を順次説明する。例えば、図２０に示すように、ホールＩＣ２３９の検知信号から求めたロータ軸２２２ａの作動角に基づいて、第１の制御及び第２の制御を実行することも可能である。図２０では、縦軸にロータ軸２２２ａの回転数が示され、横軸に作動角が示されている。ロータ軸２２２ａの回転数は実線で示されている。作動角は、ワイパアーム２１４，２１６の動作位置に対応するロータ軸２２２ａの作動角を含む。
【０１０６】
具体的に説明すると、ロータ軸２２２ａの作動角は、図１３に示すワイパアーム２１４，２１６が、ブラシレスモータ２１９に最も近い初期位置、つまり、所定位置から動作したときの回転角度である。ロータ軸２２２ａの作動角の最大値は、ワイパアーム２１４，２１６が反転する位置に対応する。つまり、ワイパアーム２１４，２１６の動作位置がブラシレスモータ２１９から遠いほど、ロータ軸２２２ａの作動角が大きくなる。ここで、ワイパアーム２１４，２１６が初期位置から動作を開始すると、ロータ軸２２２ａの作動角が増加することに伴い回転数が上昇し、作動角θ１から作動角θ２の間では、ロータ軸２２２ａの回転数がほぼ一定となっている。そして、作動角θ２から最大値となる間では、ロータ軸２２２ａの回転数は徐々に低下する。
【０１０７】
これとは逆に、ワイパアーム２１４，２１６が反転するときは、最大値から作動角θの間でロータ軸２２２ａの回転数が上昇する。また、作動角θ２から作動角θ１の間では、ロータ軸２２２ａの回転数がほぼ一定となっている。そして、作動角θ１から初期位置となる間では、ロータ軸２２２ａの回転数は徐々に低下する。そして、第１の制御は、作動角θ１で実行することができ、第２の制御は、作動角θ２で実行することができる。ここで、作動角θ２は作動角θ１よりも大きい。なお、ワイパアーム２１４，２１６の動作角度に基づいて、第１の制御及び第２の制御を実行するにあたり、ワイパアーム２１４，２１６の動作角度を、出力軸センサ２３６の検知信号に基づいて求めることも可能である。
【０１０８】
さらに、第１の制御及び第２の制御を実行する条件の他の例を、図２１に基づいて説明する。ここでは、ホールＩＣ２３９の検知信号から求めたロータ軸２２２ａの回転数に基づいて、第１の制御及び第２の制御を実行することができる。図２１では、縦軸に回転数が示され、横軸に時間が示されている。回転数は実線で示されている。図２１に示す時間は、ワイパアーム２１４，２１６が、初期位置から動作して反転位置に到達するまでの経過時間を意味する。そして、ロータ軸２２２ａの実回転数が回転数Ｎ１であると第１の制御を実行し、ロータ軸２２２ａの実回転数が回転数Ｎ２であると第２の制御を実行する。ここで、回転数Ｎ２は回転数Ｎ１よりも高い。
【０１０９】
図２１に示す回転数として、出力軸２２６の回転数を用いることもできる。すなわち、出力軸センサ２３６の信号から出力軸２２６の回転数を求めて、第１の制御及び第２の制御を実行することができる。この制御を行うと、ワイパアーム２１４，２１６の動作速度に基づいて、第１の制御と第２の制御とを切り替えることになる。
【０１１０】
なお、ワイパアーム２１４，２１６の初期位置に対応する位置からロータ軸２２２ａが回転を開始すると、時間の経過に伴いロータ軸２２２ａの回転数は上昇する。その後、ロータ軸２２２ａの回転数が所定時間の間一定に維持され、ロータ軸２２２ａの回転数が徐々に低下している。ワイパアーム２１４，２１６が反転位置から戻るときは、上記とは逆の回転数の変化特性となる。
【０１１１】
さらに、第１の制御及び第２の制御を実行する条件の他の例を、図２２に基づいて説明する。ここでは、ホールＩＣ２３９で検知したロータ軸２２２ａの回転数に基づいて、第１の制御及び第２の制御を実行する。図２２では、縦軸にロータ軸２２２ａの回転数が示され、横軸に時間が示されている。図２２に示す時間の意味は、図２１に示す時間の意味と同じである。そして、ワイパアーム２１４，２１６が初期位置から動作を開始した時点から、所定時間が経過した時刻ｔ１で、第１の制御が実行される。また、時刻ｔ１からさらに所定時間が経過した時刻ｔ２で、第２の制御が実行される。なお、図２２の回転数として、出力軸センサ２３６で検知した出力軸２２６の回転数を用いることも可能である。つまり、ワイパアーム２１４，２１６の動作速度に基づいて、第１の制御と第２の制御とを切り替えることができる。
【０１１２】
さらに、第１の制御及び第２の制御を実行する条件の他の例を、図２３に基づいて説明する。図２３（Ａ）は、高速払拭に対応する第２の制御を示し、図２３（Ｂ）は、低速払拭に対応する第１の制御を示す。ここで、図２３（Ａ）、（Ｂ）には、いずれの車速においても、作動角θが変わると、進角及び通電角を変更する制御が示されている。また、作動角θの変化量に対する進角、通電角の変化量は、全ての車速で同一にしてもよいし、車速毎に変えてもよい。
【０１１３】
次に、ブラシレスモータ２１９に用いるロータ２２２の構造例を、図２４に基づいて説明する。ブラシレスモータ２１９のロータ２２２の構造にはＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構造と、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）構造とがある。ＩＰＭ構造は、図２４（Ａ）のように、ロータコア２２２ｄの内部に永久磁石２２２ｂを埋め込んだロータ２２２の構造である。ＳＰＭ構造は、図２４（Ｂ）のように、ロータコア２２２ｄの表面に永久磁石２２２ｂを固定するロータ２２２の構造である。つまり、ＩＰＭ構造のロータ２２２は、ロータ２２２の表面には鉄系の磁性材料で成形されたロータコア２２２ｄが配置される。これに対して、ＳＰＭ構造のロータ２２２は、ロータ２２２の表面には永久磁石２２２ｂが配置される。そして、鉄系の磁性材料の透磁率は、空気に対して１０3 オーダーで大きいのに対して、永久磁石の透磁率は空気の値に近い。したがって、ＳＰＭ構造のロータ２２２の方が、ＩＰＭ構造のロータ２２２よりもインダクタンスが小さくなる。
【０１１４】
本実施形態のブラシレスモータ２１９の制御では、通電角を一般の１２０°よりも拡大するので、各相の無通電区間が狭くなる。そのため電流の切替えを早くするために、インダクタンスによるスイッチング素子オフ時の電流の遅れ区間を小さくしたい。よって、ロータ２２２の構造としては、ＩＰＭ構造よりもＳＰＭ構造の方が好ましい。
【０１１５】
また、ロータ２２２がＳＰＭ構造であっても、永久磁石２２２ｂとしてフェライト磁石を使うと、形成される磁気回路の軸長が大きくなる。一般に、電機子コイルにおけるインダクタンスは磁気回路の軸長に比例するので、永久磁石２２２ｂとしてフェライト磁石を使うと、電機子コイル２２１ａ，２２１ｂ，２２１ｃにおけるインダクタンスが大きくなる。これに対して、永久磁石２２２ｂとして希土類焼結磁石を使ったＳＰＭ構造のロータ２２２とすれば、形成される磁気回路の軸長が小さくなり、かつ、電機子コイルにおけるインダクタンスを低減できる。しかしながら、希土類焼結磁石には高価な重希土類元素（Ｄｙ、Ｔｂ）が含まれるため、ブラシレスモータ２１９が高価なものになってしまう。
【０１１６】
そこで、永久磁石２２２ｂとして、形成される磁気回路の軸長を小さくでき、かつ、重希土類元素を含まない希土類ボンド磁石のリングマグネットを使用し、ＳＰＭ構造のロータ２２２とすることが好ましい。ここで、希土類ボンド磁石は、ネオジムボンド、ＳｍＦｅＮボンドを含む。また、ネオジムボンド、ＳｍＦｅＮボンドは、両方とも等方性、異方性を含む。
【０１１７】
次に、ロータに取り付けられる永久磁石の数、つまり極数、及び電機子コイルを巻くステータのスロット数について説明する。極数とスロット数との比を極数：スロット数で表すと、大きく分類して、２ｎ：３ｎ、４ｎ：３ｎ、８ｎ：９ｎ、１０ｎ：９ｎ、１０ｎ：１２ｎ、１４ｎ：１２ｎの関係のものがある。ここで、ｎは１以上の整数である。８ｎ：９ｎ、１０ｎ：９ｎ、１０ｎ：１２ｎ、１４ｎ：１２ｎの構成は、同じ相における電機子コイルと永久磁石との位置関係が異なるため、通電タイミングに進角を付けたり、通電角を拡大することにより、ベースの値に対してより通電の位相が進んでしまう。そのため、永久磁石が減磁しやすくなる。
【０１１８】
図２５は、６極９スロットに対応するロータ及びステータの一例を示す模式図、図２６は、８極９スロットに対応するロータ及びステータの一例を示す模式図である。つまり、図２５は、前記２ｎ：３ｎであり、かつ、ｎが３である場合の例である。図２５、図２６において、ＶはＶ相、ＵはＵ相、ＷはＷ相を表す。また、各相における「−」の符号は、電機子コイルが逆向きに巻かれていることを表す。また、図２６は、前記８ｎ：９ｎであり、かつ、ｎが１である場合の例である。図２５では、円周方向で、同じ相の電機子コイルＵ１，Ｕ２，Ｕ３と、永久磁石２２２ｂとの位置関係が等しい。このため、通電タイミングの進角設定値を電気角θ1とすると、各電機子コイルの進角は、
Ｕ１：θ１＝Ｕ２：θ１＝Ｕ３：θ１
で表される。
【０１１９】
一方、図２６では、円周方向で、同じ相の電機子コイルＵ１，Ｕ２，Ｕ３と永久磁石２２２ｂとの位置関係が異なる。このため、通電タイミングの進角設定値を電気角θ１とすると、各電機子コイルの進角は、
Ｕ１：θ１−２０°＝Ｕ２：θ１＝Ｕ３：θ１＋２０°
で表される。なお、ロータ２２２の回転方向は、ウォームホイール２２５側の軸端から見て時計方向、つまり、ＣＷであるものとする。このように、Ｕ３に対向した永久磁石２２２ｂは進角大のため減磁しやすくなる。
【０１２０】
よって、第１の制御及び第２の制御を行なうには、同じ相の電機子コイルと永久磁石との位置関係が等しい２ｎ：３ｎまたは４ｎ：３ｎの構造を有するブラシレスモータが望ましい。さらに永久磁石の数が多くなると、機械的な回転角に対する電気角の影響が大きくなる、つまり、電流の遅れの影響が大となる。このため、同じスロット数であれば、永久磁石の数を少なくできる２ｎ：３ｎの構成が好ましい。なお、駆動装置２３３とステータ２２１とは一体構造でも別体構造でもよい。しかしながら、駆動装置２３３から電機子コイルへの配線が短かく、配線抵抗が小さくすることができるように、駆動装置２３３とステータ２２１とが一体構造である方が望ましい。
【０１２１】
さらに、ブラシレスモータ２１９のデューティ比を制御すると、モータ特性の一例であるモータ効率は、デューティ比が高いほど、駆動装置２３３も含めたモータ効率が高くなる。これは、デューティ比が低くなるほど、駆動装置２３３による損失が大きくなるためである。デューティ比と、モータ特性との関係の一例を図２７に示す。図２７においては、縦軸にロータ軸の回転数、モータ効率が示され、横軸にロータ軸のトルクが示されている。また、図２７において、Ｄｕｔｙはデューティ比を表す。なお、図２７において、実線はトルクと回転数との関係を示し、破線はトルクと効率との関係を示す。
【０１２２】
本実施形態のブラシレスモータ２１９において、第１の制御と第２の制御とを切り替える条件として、ワイパスイッチ２３７の操作を用いることができる。運転者は、降雨量または降雪量が少ないとき、ワイパスイッチ２３７を操作して、ワイパアーム２１４，２１６を予め定められた低速で動作させる低速払拭モードを選択することができる。
【０１２３】
これに対して、運転者は、降雨量また降雪量が多いとき、ワイパスイッチ２３７を操作して、ワイパアーム２１４，２１６を、前記低速よりも高速で動作させる高速払拭モードを選択することができる。運転者は、降雨量または降雪量が多い、少ないを自分の主観で判断するのであり、降雨量または降雪量が多い、少ないを区別する客観的な基準があるわけではない。ワイパスイッチ２３７により、高速払拭モードと低速払拭モードとの切り替えができることを前提として、低速払拭モードが選択された場合に第１の制御を実行し、高速払拭モードが選択された場合に第２の制御を実行することが可能である。
【０１２４】
さらにまた、本実施形態のブラシレスモータ２１９は、ブラシ、コミュテータ（整流子)等が設けられていないため、ブラシとコミュテータとの摺動によるフリクショントルクの発生もなく、モータの効率低下、ブラシの温度上昇を防止し、モータ出力が制限されることを回避できる。さらに、本実施形態のブラシレスモータ２１９は、ブラシがあることに起因するノイズの発生、作動音の発生を防止でき、静粛性を確保できる。なお、上記の実施形態では、ロータ軸２２２ａの回転数、トルク、作動角に基づいて、第１の制御と第２の制御とを切り替える説明となっているが、ロータ軸２２２ａはロータ２２２の一部を構成する要素であるから、上記実施形態で記載されているロータ軸２２２ａを、ロータ２２２と置き換えても、技術的意味は同じである。
【０１２５】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、ワイパ装置は、ブラシレスモータのロータ軸が一方向にのみ回転して、ワイパアームがピボット軸を中心として揺動する構成を含む。また、ワイパスイッチは運転者の操作により操作されるものに限らず、降雨量、降雪量等を検出する機能を有する検出スイッチであってもよい。このように構成されていれば、降雨量、降雪量等に基づいて、回転数制御部がワイパ装置を自動的に起動させ、かつ、低速払拭モード、高速モードを自動的に切り替える制御を実行する。この場合、回転数制御部には、低速モード、高速モードを切り替える基準となる降雨量、降雪量等のデータが予め記憶されている。
【０１２６】
さらにまた、車両の走行速度を検知する車速センサは、車両の走行速度を直接検知せずに、抵抗や払拭面の状態など、ワイパブレードからワイパ装置に伝えられる情報や、ブラシレスモータに間接的に伝えられる情報により検知するようにしてもよい。ここで、抵抗とは走行風によりワイパブレードが受ける抵抗や払拭面を払拭する際の抵抗であり、ワイパ装置は、抵抗や払拭面の状態等を、ワイパブレードから出力軸を介して検知する。また、ブラシレスモータに間接的に伝えられる情報は、抵抗や払拭面の状態等により得られた情報を車両の走行速度として認識するためのものであり、またその情報は駆動装置にて車両の走行速度として検出されるよう変換されることで検知される。さらにまた、電機子コイルの数、永久磁石の数は任意に変更可能である。
【０１２７】
また、本発明のワイパ装置は、ワイパブレードがリヤガラスを払拭するものを含む。即ち、本発明のワイパ装置におけるウィンドガラスは、フロントガラス及びリヤガラスを含む。また、本発明のワイパ装置は、ウォームホイールと同軸に設けられた出力軸が、ピボット軸を兼ねている構成を含む。さらに、本発明のワイパ装置は、２本のワイパアームを、それぞれ別個のブラシレスモータにより単独で駆動する構成を含む。
【０１２８】
さらにまた、本発明のブラシレスモータは、ステータの内側にロータが配置されたインナロータ形のブラシレスモータ、またはステータの外側にロータが配置されたアウタロータ形のブラシレスモータを含む。さらに、本実施形態のブラシレスモータは、ワイパ装置を動作させるワイパモータの他、車両に設けられる利便快適系装置、例えば、パワースライドドア装置、サンルーフ装置、パワーウィンド装置等において、ドア、ルーフ、ガラス等の動作部材を動作させるために設けられるブラシレスモータを含む。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
ブラシレスモータは、自動車等の車両に搭載されるワイパ装置等の駆動源として用いられ、ブラシレスモータを回転駆動させることでワイパブレードがガラス面上を往復払拭動作し、これにより運転者等の視界が良好に保たれる。
【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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【国際調査報告】
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