(57)【要約】【解決課題】  トルクと重量バランスに優れ、小型化に適したモータを提供する。【解決手段】  交互に異極に励磁される複数のコイル列に、交互に異極の複数の永久磁極要素を配列させた永久磁極列を対面させた磁極手段と、を備え、前記コイルと永久磁極間の吸引−反発によって、前記永久磁極列を運動させるように構成して成るモータであって、前記コイル列に励磁信号を供給する駆動回路手段と、前記永久磁極列の位置を検出するためのセンサと、を備え、このセンサの出力を前記駆動回路手段に直接帰還させて、この駆動回路は前記帰還信号に基づいて前記励磁信号を形成するように構成されてなる。【選択図】  図８
2005261135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に異極に着磁された複数の永久磁石を連続して配置した移動体に対して、複数の電磁コイルをステータとして前記移動体に非接触に配置し、この電磁コイルに励磁電流を供給して前記移動体と電磁コイルとの間の吸引−反発により当該移動体を移動運動させるようにした、前記移動体と前記電磁コイルとを備えたモータの駆動システムであり、前記永久磁石の移動による周期的な磁界変化を検出するセンサを設け、このセンサの出力を前記電磁コイルへの励磁電流として直接供給したモータの駆動システム。
【請求項２】
前記移動体は異なった二つの永久磁石の異極配列を対とする構成を複数構成させ、対の構成となる前記異極の配列した間の位置を２πとした際に、前記センサは、前記２π間の任意位置をリニアに検出でき、かつこのセンサは前記電磁コイル相に対して設けられてなる請求項１記載のモータの駆動システム。
【請求項３】
異なった２つの永久磁石の異極配列を対とする構成を複数構成された移動体に、対の構成となる前記異極の配列した間の位置を２πとした前記移動体を非接触の電磁コイルにより吸引、反発させ前記移動体を移動運動させる装置において、前記２π間の任意位置をリニヤに検出できるセンサを、電磁コイル相に対応し設けたモータ駆動システム。
【請求項４】
前記電磁コイル相に対応した前記センサから得られた任意の位置信号のレベルを、前記電磁コイルに帰還した請求項１記載のシステム。
【請求項５】
交互に異極に励磁される複数の電磁コイル列に、交互に異極の複数の永久磁極要素を配列させた永久磁極列を対面させた磁極手段を備え、前記コイルと永久磁極間の吸引−反発によって、前記永久磁極列を運動させるように構成して成るモータであって、
前記永久磁極列の移動に伴う周期的な磁性変化を検出するセンサを備え、このセンサの出力を前記電磁コイルに直接帰還させてなるモータ。
【請求項６】
前記コイル列をＡ,Ｂの２相の組みから形成し、Ａ,Ｂ相間に前記永久磁極列を介在させ、かつＡ,Ｂ相とで前記コイルを設置する位相をシフトさせてなるとともに、前記Ａ相コイル用のセンサと、Ｂ相コイル用のセンサとを設け、Ａ相コイル用センサとＢ相コイル用センサを設置する位相をシフトさせてなる請求項５記載のモータ。
【請求項７】
前記Ａ相コイル及Ｂ相コイルにそれぞれ複数パターンの励磁信号を供給するように構成されてなる請求項６記載のモータ。
【請求項８】
前記永久磁極列がどのような位置に停止していても、前記Ａ相センサとＢ相センサの出力から前記複数のパターンの励磁信号の少なくとも一つを前記Ａ相コイル及Ｂ相コイルを励磁状態にする様に設定した請求項７記載のモータ。
【請求項９】
前記センサがアナログ検出値を出力するホール素子センサである請求項１乃至８のいずれか１項記載のモータ。
【請求項１０】
前記センサ出力値にモータの駆動要求トルクに基づいてＰＷＭ制御を加え、この制御信号を前記励磁コイルに供給してなる請求項１乃至４のいずれか１項記載のモータ駆動システム。
【請求項１１】
請求項１記載のモータを回生に使用するモータの回生時駆動システムにおいて、センサ信号に基づいて回生量を制御する回生量制御手段を設け、この制御手段は前記センサ信号からの回生許可信号を形成する手段と、負荷状態に基づいて回生許可信号のデューティを制御する手段と、このデューティに基づいて前記モータの回生量を任意に制御する手段とを有するモータの回生駆動システム。
【請求項１２】
前記回生許可信号を形成する手段は、前記センサ信号に対するヒステリシスレベルを任意の負荷変動に応じて変動させる手段である請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記センサ出力に基づいてＰＷＭ制御を加え、この制御信号により前記励磁コイルから得られる回生量を任意に可変にできる請求項１１又は１２記載のシステム。
【請求項１４】
モータの駆動信号を、要求される駆動レベルに応じてセンサから得られた信号とともに、ヒステリシスレベルを前記駆動レベルに応じて変更することにより、前記モータの駆動信号のパルス状波形のデューティ比を変更するようにしたモータの駆動制御方式。
【請求項１５】
要求されるモータの駆動レベルに応じて、前記センサの出力を制御する方式であり、センサから出力のヒステリシスレベルを前記駆動レベルに応じて変更することにより、前記センサの出力のパルス状波形のデューティ比を変更するようにした請求項１乃至４のいずれか１項記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁極を発生するコイルを線状に並べ、コイルに流す電流を順次切り替えることで、永久磁石や強磁性体からなるロータを回転させ、或いはスライダを移動させる各種モータに関し、さらに、このモータに利用される磁気構造体に係わり、さらに、このモータを駆動源として利用した駆動体に関するものである。本発明は、このような駆動体としての電気自動車、電動カート、電動車椅子等や、その他電動玩具、電動飛行機、小型電動機器、ＭＥＭＳに利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
交流などの周波数信号によって駆動されるＡＣモータには、大きく分けるとシンクロナス（同期）モータとインダクション（誘導）モータの２種類がある。シンクロナスモータは、ロータに永久磁石や鉄などの強磁性体の積層コアを使い、電源周波数によって決まる回転磁界の速さと同じ回転速度で回転するモータである。
【０００３】
ロータの違いによって永久磁石を使ったマグネット型とコイルが巻いてある巻線型、鉄などの強磁性体を使ったリアクタンス形がある。このうちマグネット型は、ロータの永久磁石がステータの回転磁界に引かれて回転する。一方、インダクションモータは、導線がカゴのような形のロータに、電磁誘導作用によって別の磁界を発生させることで回転するモータである。
【０００４】
このようなモータの中には、回転しないで直線状に動いたり、平面を自由に動けるモータも存在する。この種のモータは、広くリニアモータと呼ばれ、磁極を発生するコイルを直線状に並べ、流す電流を順次切替えることで、その上に載った永久磁石や強磁性体を移動させている。直線状に配置されたコイル列はステータであって、ロータは平たくなってその上を滑動するのでスライダに相当する。
【０００５】
前記マグネット型のシンクロナスモータとして、例えば、特開平８−５１７４５号公報（特許文献１）に記載された小型同期モータが存在する。この小型同期モータは、特許文献１の図１に示されるように、励磁コイル７を巻回したステータコア６と、内部にマグネット１を内蔵し周面にＮＳ極が等間隔に配列されたロータコア２を有するロータ３とを備えた構成を持っている。
【特許文献１】特開平８−５１７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の技術で説明したモータは、発生トルクに比較して重量が嵩み、発生トルクを大きくしようとすると大型化してしまうという課題があった。そこで、この発明は、トルクと重量バランスに優れ、小型化に適したモータ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】
前記目的を達成するために、本発明は、交互に異極に着磁された複数の永久磁石を連続して配置した移動体に対して、複数の電磁コイルをステータとして前記移動体に非接触に配置し、この電磁コイルに励磁電流を供給して前記移動体と電磁コイルとの間の吸引‐反発により当該移動体を移動運動させるようにした、前記移動体と前記電磁コイルとを備えたモータの駆動システムであり、前記永久磁石の移動による周期的な磁界変化を検出するセンサを設け、このセンサの出力を前記電磁コイルへの励磁電流として直接供給したモータの駆動システムであることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の好適な形態においては、前記移動体は異なった二つの永久磁石の異極配列を対とする構成を複数構成させ、対の構成となる前記異極の配列した間の位置を２πとした際に、前記センサは、前記２π間の任意位置をリニアに検出でき、かつこのセンサは前記電磁コイル相に対して設けられてなる。
【０００９】
異なった２つの永久磁石の異極配列を対とする構成を複数構成された移動体に、対の構成となる前記異極の配列した間の位置を２πとした前記移動体を非接触の電磁コイルにより吸引、反発させ前記移動体を移動運動させる装置において、前記２π間の任意位置をリニヤに検出できるセンサを、電磁コイル相に対応し設けた。前記電磁コイル相に対応した前記センサから得られた任意の位置信号のレベルを、前記電磁コイルに帰還した。
【００１０】
さらに本発明は、交互に異極に励磁される複数の電磁コイル列に、交互に異極の複数の永久磁極要素を配列させた永久磁極列を対面させた磁極手段を備え、前記コイルと永久磁極間の吸引−反発によって、前記永久磁極列を運動させるように構成して成るモータであって、前記永久磁極列の移動に伴う周期的な磁性変化を検出するセンサを備え、このセンサの出力を前記電磁コイルに直接帰還させてなることを特徴とするものである。さらに、より詳しいこの発明の形態においては、前記コイル列をＡ,Ｂの２相の組みから形成し、Ａ,Ｂ相間に前記永久磁極列を介在させ、かつＡ,Ｂ相とで前記コイルを設置する位相をシフトさせてなるとともに、前記Ａ相コイル用のセンサと、Ｂ相コイル用のセンサとを設け、Ａ相コイル用センサとＢ相コイル用センサを設置する位相をシフトさせてなる。前記Ａ相コイル及Ｂ相コイルにそれぞれ複数パターンの励磁信号を供給するように構成されてなる。前記永久磁極列がどのような位置に停止していても、前記Ａ相センサとＢ相センサの出力から前記複数のパターンの励磁信号の少なくとも一つを前記Ａ相コイル及Ｂ相コイルを励磁状態にする様に設定した。前記センサがアナログ検出値を出力するホール素子センサである。前記センサ出力値にモータの駆動要求トルクに基づいてＰＷＭ制御を加え、この制御信号を前記励磁コイルに供給してなる。
【００１１】
さらに、本発明は、前記モータを回生に使用するモータの回生時駆動システムにおいて、センサ信号に基づいて回生量を制御する回生量制御手段を設け、この制御手段は前記センサ信号からから回生許可信号を形成する手段と、負荷状態に基づいて回生許可信号のデューティを制御する手段と、このデューティに基づいてモータの回生量を任意に制御する手段とを備えることを特徴とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１及び図２は、本発明に係わるモータの動作原理を示したものである。このモータは、第１のコイル組（Ａ相コイル）１０及び第２のコイル組（Ｂ相コイル）１２の間に第３の永久磁石１４を介在した構成を備えている。これらコイルと永久磁石は環状（円弧状、円状）或いは直線状のいずれに構成されても良い。これら環状に形成された場合は、永久磁石又はコイル相のいずれかがロータとして機能し、これらがリニアに形成された場合には、いずれかがスライダとなる。
【００１３】
第１のコイル組１０は、交互に異極に励磁可能なコイル１６が、所定間隔、好適には、均等間隔を介して順番に配列された構成を備えている。この第１のコイル組の等価回路図を図５に示す。図１及び図２によれば、後述のとおり、２相の励磁コイルには、始動回転中（２π）中常時全コイルを既述した極性で交互励磁させている。したがって、ロータやスライダ等の被駆動手段を高トルクで回転・駆動することが可能となる。
【００１４】
図３（１）に示すように、交互に異極に励磁される、複数の電磁コイル１６（磁性単位）が等間隔に直列に接続されている。符号１８Ａはこの磁気コイルに周波数パルス信号を印加する駆動回路を示すブロックである。この駆動回路から電磁コイル１６にコイルを励磁させるための励磁信号を流したとき、隣接するコイル間で交互に磁極の向きが変わるように、各コイルが励磁されるように予め設定されている。図３（２）に示すように、電磁コイル１６が並列に接続されていても良い。このコイルの構造は、Ａ，Ｂ相コイルについて同様である。
【００１５】
この励磁回路１８Ａから電磁コイル１６に、供給される励磁電流の極性の方向を所定の周期で交互に切り替えるための周波数を持った信号を印加すると、図１及び図２に示すように、ロータ１４と面する側の極性がＮ極→Ｓ極→Ｎ極と交互に変化する磁気パターンがＡ相コイル組１０に形成される。周波数信号が逆極性になると、第１磁性体の第３磁性体側の極性がＳ極→Ｎ極→Ｓ極と交互に変化する磁気パターンが発生する。この結果、Ａ相コイル組１０に現れる励磁パターンは周期的に変化する。
【００１６】
Ｂ相コイル組の構造は、Ａ相コイル組と同様であるが、Ｂ相コイル組の電磁コイル１８はＡ相コイル組の１６に対して位置的にずれて配列されている点が異なる。すなわち、Ａ相コイル組におけるコイルの配列ピッチとＢ相コイル組の配列ピッチとが所定のピッチ差（角度差）を持つようにオフセット配置されている。このピッチ差は、永久磁石１４がコイル１６,１８に対して励磁電流の周波数の１周期（２π）に対応して動く角度の（１回転）、例えば、π／（２／Ｍ）：Ｍは永久磁石（Ｎ＋Ｓ）のセット数でＭ＝３である、π／６が好適である。
【００１７】
次に永久磁石について説明する。図１及び図２に示されるように、永久磁石からなるロータ１４は、二相のコイル組間に配置されており、交互に逆の極性を持った複数の永久磁石２０（黒く塗り潰されている。）が線状（円弧状）に、所定間隔、好適には均等間隔を介して配列されている。円弧状とは、完全な円、楕円など閉じられたループの他、不特定環状構造や、半円、扇型をも包含する。
【００１８】
Ａ相コイル組１０とＢ相コイル組１２とは等距離を介して配置されており、Ａ相コイル組とＢ相コイル組との中間に第３の磁性体１４が配置されている。永久磁石２０の永久磁石の配列ピッチは、殆どＡ相コイル１０及びＢ相コイル１２における磁気コイルの配列ピッチと同じである。
【００１９】
次に第１磁性体１０と第２磁性体１２との間に既述の第３磁性体１４が配置された磁気体構造の動作を、図1及び図２を利用して説明する。既述の励磁回路（図３の１８である。後に説明する。）によって、ある瞬間においてＡ相コイルとＢ相コイルの電磁コイル１６,１８には、図１（１）に示すような励磁パターンが発生しているとする。
【００２０】
この時、Ａ相コイル１０の永久磁石１４側に臨む表面の各コイル１６には、→Ｓ→Ｎ→Ｓ→Ｎ→Ｓ→のパターンで磁極が生じ、Ｂ相コイル１２の永久磁石１４側に臨む表面のコイル１８には、→Ｎ→Ｓ→Ｎ→Ｓ→Ｎ→のパターンで磁極が生じる。永久磁石と各相コイルとの磁気的な関係が図示されており、同極間では反発力が発生し、異極間では吸引力が働く。
【００２１】
次の瞬間、（２）に示すように、Ａ相コイルに駆動回路１８を介して印加されるパルス波の極性が反転すると、（１）のＡ相コイル１０のコイル１６に発生する磁極と永久磁石２０の磁極との間に反発力が発生し、一方、Ｂ相コイル１２のコイル１８に発生している磁極と永久磁石２０の表面の磁極との間に引力が発生しているために、図１（１）乃至図２（５）に示すように、永久磁石１４は、図示右方向に順次移動する。
【００２２】
Ｂ相コイル１２のコイル１８に、Ａ相コイルの励磁電流とは位相がずれたパルス波が印加されており、図２の（６）乃至（８）に示すように、Ｂ相コイル１２のコイル１８の磁極と永久磁石２０の表面の磁極とが反発して永久磁石１４をさらに右方向に移動させる。（１）乃至（８）はロータ１４がπに対応する回転をした場合を示し、（９）以降は同様にして残りのπ→2πに対応する回転をする。このようにロータはＡ相コイル列とＢ相コイル列に位相がずれた所定周波数の駆動電流（電圧）信号を供給することにより、回転するようになる。
【００２３】
なお、Ａ相コイル列、Ｂ相コイル列、及び永久磁石を円弧状にすると、図１に示す磁気構造は回転モータを構成するものとなり、これらを直線状に形成すると、この磁気構造はリニアモータを構成するものとなる。ケース、ロータ等の永久磁石と電磁コイルを除く部分は、非磁性体である樹脂（カーボン系含み）、セラミックス系により軽量化し、ヨークを用いないで磁気回路の開放状態にすることにより鉄損失を発生させずパワー・ウエイト比に優れた回転駆動体が実現できる。
この構造によれば、永久磁石にはＡ相コイル及びＢ相コイルから磁力を受けて動くことができるために、永久磁石が発生するトルクが大きくなり、トルク／重量バランスに優れ、したがって高トルクで駆動可能な小型軽量モータを提供することが可能となる。
【００２４】
図３の（１）は複数のコイル列が直列に形成された場合のＡ相コイル及びB相コイルの各回路であり、（２）は複数のコイル列が並列に形成されば場合のＡ相コイル及びＢ相コイルの各回路である。
【００２５】
図４はモータの斜視図であり、（１）は当該モータの斜視図、（２）はロータ（第３磁性体）の概略平面図、（３）はその側面図、（４）はＡ相電磁コイル（第１磁性体）、（５）はＢ相電磁コイル（第２磁性体）を示したものである。付された符号は、既述の図において対応する構成部分と同じものである。
【００２６】
このモータは、ステータに相当する一対のＡ相磁性体１０とＢ相磁性体１２を備え、そしてロータを構成する既述の第３の磁性体１４とを備え、Ａ相磁性体とＢ相磁性体との間にロータ１４が軸３７を中心に回転自在に配置されている。ロータと回転軸は一体に回転するように、回転軸３７はロータの中心にある回転軸用開口孔に圧入されている。図４の（２）、（４）、（５）に示すように、ロータには６つの永久磁石が円周方向に均等に設けられ、そして永久磁石の極性は交互に反対になるようになっており、ステータには６つの電磁コイルが円周方向に均等に設けられている。
【００２７】
Ａ相センサ３４ＡとＢ相センサ３４Ｂとが、位相をシフトさせて(π／６に相当する距離)Ａ相磁性体（第1磁性体）のケース内面側壁に設けられている。Ａ相センサ３４ＡとＢ相センサ３４Ｂとは、Ａ相コイル１６に供給される周波数信号とＢ相コイル１８に供給される周波数信号とに所定の位相差を設けるために既述のとおりセンサを設けた位相をシフトさせている。
センサとしては、永久磁石の運動に伴う磁極の変化から永久磁石の位置を検出可能であり、ホール効果を利用したホール素子が好ましい。このセンサを用いることにより、永久磁石のＳ極から次のＳ極までを２πとしたときに、永久磁石がこのどこにあっても永久磁石の位置がホール素子によって検出可能である。ホール素子としてはパルスを発生する方式のもののほか、磁極強度に応じたアナログ値を出力するものがある。
【００２８】
図５（１）及び（２）は、Ａ相コイル列からなるＡ相磁性体とＢ相コイル列からなるＢ相磁性体のそれぞれ別の駆動回路である。
【００２９】
この回路は、Ａ相電磁コイル又はＢ相電磁コイルにセンサの出力波形を励磁電流として印加すべきスイッチングトランジスタＴＲ１乃至ＴＲ４を含んでいる。今、信号としてＡ相センサの出力が「H」のとき、ＴＲ1のゲートには「Ｌ」が、ＴＲ２のゲートには「Ｌ」が、ＴＲ3のゲートには「Ｈ」が、ＴＲ４のゲートには「Ｈ」が印加される。すると、ＴＲ1及びＴＲ４がオンとなってＩＡ１の向きを持ったセンサからの出力としての励磁電流がＡ相コイルに印加される。一方、信号としてＡ相センサの出力が「Ｌ」のとき、ＴＲ1のゲートには「Ｈ」が、ＴＲ２のゲートには「Ｈ」が、ＴＲ3のゲートには「Ｌ」が、ＴＲ４のゲートには「Ｌ」が印加される。すると、ＴＲ２及びＴＲ３がオンとなってＩＡ２の向きを持った励磁電流がＡ相コイルに印加される。更に、ＴＲ１、ＴＲ３に「Ｈ」、ＴＲ２、ＴＲ４に「Ｌ」の場合はＨｉＺ状態となり電磁コイルには電流は供給されない。（２）のＢ相コイルへの励磁についても同様である。
【００３０】
図６は、図５に示す、Ａ相駆動回路とＢ相駆動回に供給される、制御信号の処理回路である。Ａ相センサ３５Ａからのデジタル出力がＥＸ−ＮＯＲゲート８０に供給され、Ｂ相センサ３５Ｂからのデジタル出力がＥＸ−ＮＯＲ回路８２に供給される。符号９２は、センサからの出力をそのまま既述の駆動回路に供給するか、センサ出力値のデューティを変化（ＰＷＭ）するかを選択する制御信号の形成手段であり、符号９３は永久磁石からなるロータの回転方向を、正転又は逆転するかを決めるための制御信号の形成手段である。Ａ相コイル及びＢ相コイルの一方のパターン(極性)を正転と逆転の場合で反対にすれば良い。これら各手段はマイクロコンピュータによって実現される。符号８８はＰＷＭ変換部であり、センサ出力からのアナログ量をＰＷＭ制御によりロジック量に変換(電流制御）し制御することによってモータのトルクを制御することが可能である。符号９０は、前記符号８８で形成された信号か、センサから得られた直接の信号を選択しＡ相駆動８４、Ｂ相駆動８６に供給するかを切り換える切換回路部である。
【００３１】
図7は、各相センサの出力波形と、各相コイルの駆動回路へ供給される励磁信号パターンを示したものである。Ａ相センサとＢ相センサとは互いの設置位置位相がシフトされていることによって、その出力値にも位相差が現れる。既述の８の制御回路はＡ相センサの出力（１）をＡ相コイルのドライバ８４に直接供給する。Ａ1相駆動波形（３）は図５のＡ相コイル列の端子Ａ１→端子Ａ２の電流方向を持った制御信号であり、Ａ２相駆動波形（４）はＡ２端子→Ａ１端子の電流方向を持った制御信号である。図５に示すようにＡ相センサ出力からＡ１相波形とＡ２相波形の複数のコイル励磁パターンが形成され、これが励磁回路(コイル駆動回路)に出力される。Ｂ相コイルについても同様である。図７はセンサ出力を直接駆動回路に供給している場合を示している。
【００３２】
今、仮にロータの永久磁石の位置がＡ相センサ出力及びＢ相センサ出力がともに［Ｌ］レベルであっても、Ａ２相駆動波形及びＢ２相駆動波形のそれぞれのレベルは「Ｈ」にあるために、これが駆動回路に供給されることによりＡ相コイル列及びＢ相コイル列とも励磁されて、永久磁石を備えたロータを回転させようとする。すなわち、永久磁石がどのような位置に停止していてもセンサ出力を直接ドライバ帰還することによってロータの回転を開始させることが可能となる。このように、センサ出力を直接駆動回路に帰還させることができるために、制御回路の構成を簡略化することが可能となる。
【００３３】
図８はコイル列をＰＷＭ駆動させることを示した制御波形図である。(１)−（６）は図７と同様である。（７）はＡ相コイル列の両端電位に印加させるサイン波出力を示したものであり、デューティ指令値によってこのサイン波の周波数が変更される。このサイン波出力とＡ相コイル両端のデジタル出力値（（１）と（３）の合成）のＡＮＤをとることによってＡ相コイルの出力値をデューティ変換することができる。Ｂ相コイル列に対しても同様である。
【００３４】
図９はアナログ方式センサによってドライバを直接駆動させる制御回路、すなわち、センサのアナログ出力値を直接励磁コイルに供給することを示すブロック図である。符号１００はセンサ出力の増幅器である。ロータの正転又は反転回路１０１によってセンサ出力の極性が制御される。１０２及び１０４はオートゲインコントロールである。図１０は各相センサのアナログ出力値、及びこのアナログ出力値が供給された各相コイル列の駆動電圧波形を示すものである。
【００３５】
図１１は、アナログ方式センサによるデジタル駆動回路を示したものであり、１３０は、ヒステリシスレベル設定手段の一例としての、ウインドコンパレータから得られた反転信号に係わる回路構成を用いたものであり(以下、これを「ウインドコンパレータ」という。)であり、Ａ相センサ３５Ａ出力とＢ相センサ出力３５Ｂとが入力され可変抵抗制御回路１３６の入力値と比較されてヒステリシスレベルが決定される。符合１３２は、ＡコイルをＡ１相の駆動波形８４ＡかＡ２相駆動波形で制御するかを切り換えるスイッチ回路であり、Ｂ相コイルについても同様である。符号１３４は、Ａ相センサの出力値の周波数を電圧値に変換するＦＶ変換部であり、これを前記電子ＶＲ制御回路１３６に供給することによって抵抗値が決定され、ヒステリシスレベルが設定される。すなわち、ヒステリシスレベルを可変にすることによってモータ特性のトルク制御ができる。例えば、始動時にヒステリシスレベルを最小で効率を犠牲にしトルク優先でモータを駆動させる。また、モータの安定回転動作時にはヒステリシスレベルを最大にして高効率を優先としたモータ駆動に切り換える。ヒステリシス調製用ボリューム（ｖ）をＣＰＵによって制御するようにしても良い。制御回路９３はＡ相コイル及びＢ相コイルを励磁してロータを回転させるモードと、どちらか一相を励磁してロータを回転させるモードを選択できるようになっている。
【００３６】
図１２は停止状態にあるロータを回転させようとする場合の制御波形図であり、ヒステリシスレベルを最小にすると、ウィンドコンパレータ１３０によってセンサ出力値とヒステリシスレベルとが比較されて、センサの出力値がロジック量に変換され、マルチプレクサ１３２からＡ相コイル列及びＢ相コイル列に高いデューティ比の励磁信号が切り換えられて供給され、モータは高トルクで回転しようとする。図１３のように、ロータが安定回転している状態ではヒステリシスレベルを最大にすると、各相コイル列に低いデューティ比の励磁信号が印加されてモータの駆動トルクは減少するが、モータを高効率で運転することが可能となる。
【００３７】
図１４はアナログ方式センサ出力によってヒステリシスレベル制御によらないでＰＷＭ制御する場合の回路構成を示したものである。ＰＷＭ変換部１６０には、ＰＬＬ回路１６２から基本周波数信号が分周された比較波が供給され、この比較波とＡ相センサ及びＢ相センサからのアナログ検出値が比較されてデューティが調整された信号波が各相コイル列に供給される。オートゲインコントロール１０２、１０４によってアナログ出力値のピークが調整されることと、ＰＬＬ回路１６２の比較用信号の周波数が制御されることによって、そしてこれらをモータの要求トルクに応じてＣＰＵなどによって適宜設定されることにより、図１５に示すように、センサ出力からＰＷＭ出力値が得られる。なお、既述の実施形態では永久磁石列をロータとして説明したが、リニアモータのような直線状に運動するようなものであっても良い。
【００３８】
図１６は、駆動回路の第２の例を示したものであり、図５の回路ではＡ相コイルとＢ相コイルで駆動回路が別に形成されていたものを単一の駆動回路にしたものである。今図１７に対応させて説明すると、Ｔ１の期間では、センサ出力によってＴＲ１及びＴＲ７がオンして、電源から供給されるＩＡ１の方向の励磁電流トランジスタＴＲ１からＡ相コイル１６を流れ、トランジスタＴＲ７を介してアースに流れる。Ｔ２の期間では、ＴＲ３及びＴＲ７がオンして、電源からの励磁電流がＢ相コイルをＩＢ１の方向に通過し、ＴＲ７を通過してアースに抜ける。Ｔ３の期間では、ＴＲ２がオンし、ＴＲ８がオンして、電源からの励磁電流がＩＡ２の方向に流れてアースに抜ける。Ｔ４の期間では、ＴＲ４がオン、ＴＲ８がオンして電源からの励磁電流がＩＢ２の方向に流れてアースに抜ける。
【００３９】
図１８は本発明に係わるセンサ直接駆動方式、すなわちセンサからの検出信号をコイル駆動用の駆動回路に直接入力する駆動方式をステッピングモータに適用した場合の回路図である。符号１９０は、複数の永久磁石を備えたロータであり、１９２はＡ−Ａ'相コイル、１９４はＢ−Ｂ'相コイルである、３４ＡはＡ相センサ、３４ＢはＢ相センサである。図１９はコイル駆動タイミングチャートであり、Ａ相センサの出力をＡ−Ａ'相コイル駆動回路にコイル励磁用電流として供給し、Ｂ相センサの出力をＢ−Ｂ'相コイルの駆動回路に供給する。図１９において中黒の期間は極性の切換によってロータの正逆転を制御できる。この実施形態によれば、ステッピングモータの負荷変動による駆動降伏点を無くせる。
【００４０】
図２０はヒステリシス調製用電子ＶＲを備えたウインドコンパレータ１３０を備えたアナログ方式センサによるデジタル回生／発電制御のブロック図である。Ａ相センサ３４Ａの出力がヒステリシスレベルの変動幅以上になった場合にＯＲ回路２００にＡ相ＴＰ又はＡ相ＢＴの「Ｈ」が出力され、これがＡ相回生許可信号として後述の受電制御回路に出力される。Ｂ相センサ３４Ｂの出力についても同様である。符号２０２はＯＲ回路である。
【００４１】
図２１は、ヒステリシス調整電子ＶＲが小の場合に回生エネルギーが最大となっている状態を示した場合の波形図であり、図２２はヒステリシス調整用電子ＶＲが最大の場合に回生エネルギーが最小となった状態を示した波形図である。高負荷時の場合(強い回生制動状態)には、各相の回生許可信号のデューティ比が高くなり、回生許可信号が「Ｈ」の期間Ａ相及びＢ相の各コイルからの回生電流が負荷（バッテリ）に供給される。これが図２１の状態である。一方、低負荷の場合(弱い回生制動状態)では、図２２に示すように、各相の許可信号のデューティ比が小さくなり、回生許可信号が「Ｈ」の期間各相コイルからの回生電流が負荷に供給される。
【００４２】
図２３は、各相コイルからの受電制御の機能ブロック図を示したものであり、Ａ相回生許可信号のＨ又はＬの切換に応じて、供給されるとインバータ２３２Ａ，２３２Ｂを介してトランジスタ２３０及び２３２が交互にオンし、整流手段２３１で整流され平滑回路２４０で平滑化された回生電流が＋送電端子と−送電の端子間に発生する。Ｂ相コイル側でも同様である。図２４は、回生電流のエネルギー変換部であり、２４０はＤＣ／ＤＣ変換部であり、２４２はＤＣ／ＡＣ変換部であり、２４4は化学変換部(バッテリ)である。
【００４３】
なお、既述の構成は図２５（１）及び（２）に示すように、Ａ相コイル１６とＢ相コイル１８と永久磁石からなるロータ２０とが径方向に対面している構造にも適用できる。（１）はモータの平面図であり、（２）は（１）のＡ−Ａ'断面図である。ステータはＡ相、Ｂ相の２相として説明したが、回転数／トルクは低下するが片相のみによる単独な駆動及び回生も可能である。ロータとステータのＡ相,Ｂ相との距離を可変にすることによって磁界強度を変動させることにより回転数／トルク特性も可変にできる。ステータのＡ相／Ｂ相の設計位置角度を変えることによって回転数／トルク特性も可変にできる。
【００４４】
ここで説明した実施形態によれば、ロータの回転に伴う磁界変化を検出する各相のセンサの出力を、角度をずらして設定された2相の電磁コイルにそれぞれ直接供給しているために、モータの駆動開始のトルク要求運転時において、微弱電流（マイクロオーダレベル）でロータを回転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係わる磁性体構造の模式図と動作原理を示したものである。
【図２】図１に続く動作原理を示したものである。
【図３】電磁コイルの接続状態を示す等価回路図である。
【図４】モータの斜視図である。
【図５】コイル列に励磁電流を供給する駆動回路のブロック図である。
【図６】センサのデジタル出力をコイル駆動回路に直接に帰還させるための制御回路ブロック図である。
【図７】その制御波形図である。
【図８】センサのデジタル出力からＰＷＭ制御処理動作を示す波形図である。
【図９】センサの名アログ出力をコイル駆動回路に直接に帰還させるための制御回路ブロック図である。
【図１０】その制御波形図である。
【図１１】センサのアナログ出力値に対するヒステリシスレベルの制御を達成するための制御回路ブロック図です。
【図１２】ヒステリシスレベルが小である場合の制御波形図である。
【図１３】ヒステリシスレベルが大である場合の制御波形図である。
【図１４】アナログ出力センサによるＰＷＭ制御回路のブロック図である。
【図１５】そのＰＷＭ制御動作を示す波形図である。
【図１６】コイルの駆動回路の他の例を示す、ブロック図である。
【図１７】その駆動波形図である。
【図１８】本発明をステッピングモータに適用した場合のブロック図である。
【図１９】ステッピングモータにおけるセンサ直接駆動方式の波形図である。
【図２０】ヒステリシス調製用電子ＶＲを備えたウインドコンパレータを備えたアナログ方式センサによるデジタル回生／発電制御のブロック図である。
【図２１】ヒステリシス調製電子ＶＲが小の場合に回生エネルギーが最大となっている状態を示した場合の波形図である。
【図２２】ヒステリシス調製用電子ＶＲが最大の場合に回生エネルギーが最小となった状態を示した波形図である。
【図２３】各相コイルからの受電制御の機能ブロック図を示したものである。
【図２４】回生電流のエネルギー変換部を示したブロック図である。
【図２５】各相コイルと永久磁石からなるロータとが径方向に対面している構造を示した図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成17年7月11日(2005.7.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に異極に着磁された複数の永久磁石を連続して配置した移動体に対して、複数の電磁コイルをステータとして前記移動体に非接触に配置し、この電磁コイルに励磁電流を供給して前記移動体と電磁コイルとの間の吸引−反発により当該移動体を移動運動させるようにした、前記移動体と前記電磁コイルとを備えたモータの駆動システムであり、前記永久磁石の移動による周期的な磁界変化を検出するセンサと、このセンサの出力のピーク値を調整して出力するゲインコントローラと、前記モータの回転方向指示部と、回転方向指示部の出力に基づいて、かつ、前記ゲインコントローラの出力をＰＷＭ制御して、前記電磁コイルを励磁するパターンを形成し、当該パターンを、前記電磁コイルを駆動する波形として、当該電磁コイルに直接供給するＰＷＭ制御部と、を設けた、モータの駆動制御システム。
【請求項２】
前記コイル列をＡ,Ｂの２相の組みから形成し、Ａ,Ｂ相間に前記永久磁石列を介在させ、かつＡ,Ｂ相とで前記コイルを設置する位相をシフトさせてなるとともに、前記Ａ相コイル用のセンサと、Ｂ相コイル用のセンサとを設け、Ａ相コイル用センサとＢ相コイル用センサを設置する位相をシフトさせてなる請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記移動体は異なった二つの永久磁石の異極配列を対とする構成を複数構成させ、対の構成となる前記異極の配列した間の位置を２πとした際に、前記センサは、前記２π間の任意位置をリニアに検出でき、かつこのセンサは前記各相のコイルに対して設けられてなる請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記各コイル相に対応した前記センサから得られた任意の位置信号のレベルを、前記コイルに帰還した請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記Ａ相コイル及び前記Ｂ相コイルにそれぞれ複数パターンの励磁信号を供給するように構成されてなる請求項２記載のシステム。
【請求項６】
前記永久磁石列がどのような位置に停止していても、前記Ａ相センサとＢ相センサの出力から前記複数のパターンの励磁信号の少なくとも一つを、前記Ａ相コイル及び前記Ｂ相コイルを励磁状態にする様に設定した請求項２記載のシステム。
【請求項７】
前記センサがアナログ検出値を出力するホール素子センサである請求項１乃至６のいずれか１項記載のシステム。
【請求項８】
請求項１記載のシステムを回生にも適用したモータの回生時駆動システムにおいて、センサ信号に基づいて回生量を制御する回生量制御手段を設け、この制御手段は前記センサ信号からの回生許可信号を形成する手段と、負荷状態に基づいて回生許可信号のデューティを制御する手段と、このデューティに基づいて前記モータの回生量を任意に制御する手段とを有するモータの回生駆動システム。
【請求項９】
前記回生許可信号を形成する手段は、前記センサ信号に対するヒステリシスレベルを任意の負荷変動に応じて変動させる手段である請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記センサ出力に基づいてＰＷＭ制御を加え、この制御信号により前記励磁コイルから得られる回生量を任意に可変にできる請求項８又は９記載のシステム。
【請求項１１】
要求されるモータの駆動レベルに応じて、前記センサの出力を制御する方式であり、センサから出力のヒステリシスレベルを前記駆動レベルに応じて変更することにより、前記センサの出力のパルス状波形のデューティ比を変更するようにした請求項１乃至４のいずれか１項記載のシステム。