(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレス電気機械であって、
Ｎ極とＳ極のうちから選ばれた第１の極同士が互いに接した状態で保持された永久磁石対を少なくとも１つ含む磁石集合体を備える第１の移動部材と、
電磁コイルを含み、前記第１の移動部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の移動部材と、
前記電磁コイルへの電力の供給又は前記電磁コイルからの電力の回生を制御する制御回路と、
を備え、
前記磁石集合体は、各永久磁石のＮ極とＳ極のうちで前記第１の極とは反対の第２の極に接した状態で設けられた電磁ヨーク部材を含み、
前記永久磁石対は、前記第１の極同士が互いに接する同極接触面上の磁場方向であって、前記永久磁石対の中央から外側に向かう磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
前記電磁コイルは、前記磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており、
前記制御回路は、
（ｉ）前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を所定の駆動方向に動作させる駆動制御と、
（ｉｉ）前記第１と第２の移動部材との間の所定の方向に沿った相対的な移動に応じて前記電磁コイルに発生する直流電力を回生する回生制御と、
の少なくとも一方を実行するように構成されている、ブラシレス電気機械。
【請求項２】
請求項１記載のブラシレス電気機械であって、
前記磁石集合体は、２つ以上の前記永久磁石対と、隣接する永久磁石対の間に設けられた前記電磁ヨーク部材とを含む、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、
前記第１と第２の移動部材は、前記同極接触面に対して垂直な方向に沿って相対的に移動可能に構成されている、ブラシレス電気機械。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のブラシレス電気機械であって、
前記第１と第２の移動部材は、前記同極接触面に平行な所定の方向に沿って相対的に移動可能に構成されている、ブラシレス電気機械。
【請求項５】
請求項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、
前記制御回路は、前記駆動制御において、前記電磁コイルに前記第１の電流方向とは逆の方向に駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を前記駆動方向とは逆の方向に動作させる、ブラシレス電気機械。
【請求項６】
請求項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、
前記永久磁石は、前記駆動方向と交わる方向に沿って設けられた凹部又は凸部を有する、ブラシレス電気機械。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、
前記ブラシレス電気機械は回転式モータである、ブラシレス電気機械。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、
前記ブラシレス電気機械は直進式モータである、ブラシレス電気機械。
【請求項９】
電子機器であって、
所定の駆動方向に動作可能なブラシレスモータと、
前記ブラシレスモータによって駆動される被駆動部材と、
を備え、
前記ブラシレスモータは、
Ｎ極とＳ極のうちから選ばれた第１の極同士が互いに接した状態で保持された永久磁石対を少なくとも１つ含む磁石集合体を備える第１の移動部材と、
電磁コイルを含み、前記第１の移動部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の移動部材と、
前記電磁コイルへの電力の供給を制御する制御回路と、
を備え、
前記磁石集合体は、各永久磁石のＮ極とＳ極のうちで前記第１の極とは反対の第２の極に接した状態で設けられた電磁ヨーク部材を含み、
前記永久磁石対は、前記第１の極同士が互いに接する同極接触面上の磁場方向であって、前記永久磁石対の中央から外側に向かう磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
前記電磁コイルは、前記磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており、
前記制御回路は、前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレスモータを所定の駆動方向に動作させる駆動制御を実行する、電子機器。
【請求項１０】
請求項９記載の電子機器であって、
前記電子機器はプロジェクタである、電子機器。
【請求項１１】
燃料電池使用機器であって、
所定の駆動方向に動作可能なブラシレスモータと、
前記ブラシレスモータによって駆動される被駆動部材と、
前記ブラシレスモータに電源を供給する燃料電池と、
を備え、
前記ブラシレスモータは、
Ｎ極とＳ極のうちから選ばれた第１の極同士が互いに接した状態で保持された永久磁石対を少なくとも１つ含む磁石集合体を備える第１の移動部材と、
電磁コイルを含み、前記第１の移動部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の移動部材と、
前記電磁コイルへの電力の供給を制御する制御回路と、
を備え、
前記磁石集合体は、各永久磁石のＮ極とＳ極のうちで前記第１の極とは反対の第２の極に接した状態で設けられた電磁ヨーク部材を含み、
前記永久磁石対は、前記第１の極同士が互いに接する同極接触面上の磁場方向であって、前記永久磁石対の中央から外側に向かう磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
前記電磁コイルは、前記磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており、
前記制御回路は、前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレスモータを所定の駆動方向に動作させる駆動制御を実行する、燃料電池使用機器。
【請求項１２】
ロボットであって、
ブラシレスモータと、
前記ブラシレスモータによって駆動される被駆動部材と、
を備え、
前記ブラシレスモータは、
Ｎ極とＳ極のうちから選ばれた第１の極同士が互いに接した状態で保持された永久磁石対を少なくとも１つ含む磁石集合体を備える第１の移動部材と、
電磁コイルを含み、前記第１の移動部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の移動部材と、
前記電磁コイルへの電力の供給を制御する制御回路と、
を備え、
前記磁石集合体は、各永久磁石のＮ極とＳ極のうちで前記第１の極とは反対の第２の極に接した状態で設けられた電磁ヨーク部材を含み、
前記永久磁石対は、前記第１の極同士が互いに接する同極接触面上の磁場方向であって、前記永久磁石対の中央から外側に向かう磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
前記電磁コイルは、前記磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており、
前記制御回路は、前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレスモータを所定の駆動方向に動作させる駆動制御を実行する、ロボット。
【請求項１３】
請求項１記載のブラシレス電気機械を備えた移動体。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレス電気機械は、ブラシレスモータとブラシレス発電機とを包含する意味を有する用語である。ブラシレスモータとしては、例えば下記の特許文献１に記載されたものが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２９８９８２号公報
【０００４】
従来のブラシレス電気機械では、電磁コイルに印加する電流の方向や、回生される電流の方向を適宜切り替えることによって動作の制御が行われていた。しかし、電流方向の切り替えを行うための制御回路の構成が複雑であり、また、切り替えに伴って損失が発生するという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、制御回路の構成がより単純で効率の良いブラシレス電気機械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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本発明の一形態は、ブラシレス電気機械であって、
Ｎ極とＳ極のうちから選ばれた第１の極同士が互いに接した状態で保持された永久磁石対を少なくとも１つ含む磁石集合体を備える第１の移動部材と、
電磁コイルを含み、前記第１の移動部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の移動部材と、
前記電磁コイルへの電力の供給又は前記電磁コイルからの電力の回生を制御する制御回路と、
を備え、
前記磁石集合体は、各永久磁石のＮ極とＳ極のうちで前記第１の極とは反対の第２の極に接した状態で設けられた電磁ヨーク部材を含み、
前記永久磁石対は、前記第１の極同士が互いに接する同極接触面上の磁場方向であって、前記永久磁石対の中央から外側に向かう磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
前記電磁コイルは、前記磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており、
前記制御回路は、
（ｉ）前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を所定の駆動方向に動作させる駆動制御と、
（ｉｉ）前記第１と第２の移動部材との間の所定の方向に沿った相対的な移動に応じて前記電磁コイルに発生する直流電力を回生する回生制御と、
の少なくとも一方を実行するように構成されている。
このブラシレス電気機械によれば、電流や電圧の方向を切り換えること無く駆動制御や回生制御を行えるので、制御回路の構成がより単純で効率の良いブラシレス電気機械を得ることができる。また、磁石集合体に設けられた電磁ヨーク部材によって第２の極の磁場による影響を低減できるので、効率を向上させることが可能である。
【０００７】
［適用例１］  ブラシレス電気機械であって、
Ｎ極とＳ極のうちから選ばれた第１の極同士が互いに接した状態で保持された永久磁石対を少なくとも１つ含む磁石集合体を備える第１の移動部材と、
電磁コイルを含み、前記第１の移動部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の移動部材と、
前記電磁コイルへの電力の供給又は前記電磁コイルからの電力の回生を制御する制御回路と、
を備え、
前記永久磁石対は、前記第１の極同士が互いに接する同極接触面上の磁場方向であって、前記永久磁石対の中央から外側に向かう磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
前記電磁コイルは、前記磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており、
前記制御回路は、
（ｉ）前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を所定の駆動方向に動作させる駆動制御と、
（ｉｉ）前記第１と第２の移動部材との間の所定の方向に沿った相対的な移動に応じて前記電磁コイルに発生する直流電力を回生する回生制御と、
の少なくとも一方を実行するように構成されている、ブラシレス電気機械。
このブラシレス電気機械によれば、電流や電圧の方向を切り換えること無く駆動制御や回生制御を行えるので、制御回路の構成がより単純で効率の良いブラシレス電気機械を得ることができる。
【０００８】
［適用例２］  適用例１記載のブラシレス電気機械であって、
前記磁石集合体は、各永久磁石のＮ極とＳ極のうちで前記第１の極とは反対の第２の極に接した状態で設けられた電磁ヨーク部材を含む、ブラシレス電気機械。
この構成では、第２の極の磁場による影響を低減できるので、効率を向上させることが可能である。
【０００９】
［適用例３］  適用例２記載のブラシレス電気機械であって、
前記磁石集合体は、２つ以上の前記永久磁石対と、隣接する永久磁石対の間に設けられた前記電磁ヨーク部材とを含む、ブラシレス電気機械。
この構成によれば、複数の永久磁石対を用いるので、より長い距離に渡る駆動又は回生や、より大きな駆動力又は回生電力を実現することが可能である。
【００１０】
［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、
前記第１と第２の移動部材は、前記同極接触面に対して垂直な方向に沿って相対的に移動可能に構成されている、ブラシレス電気機械。
【００１１】
［適用例５］  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、
前記第１と第２の移動部材は、前記同極接触面に平行な所定の方向に沿って相対的に移動可能に構成されている、ブラシレス電気機械。
【００１２】
［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、
前記制御回路は、前記駆動制御において、前記電磁コイルに前記第１の電流方向とは逆の方向に駆動電流を供給することによって、前記ブラシレス電気機械を前記駆動方向とは逆の方向に動作させる、ブラシレス電気機械。
この構成では、ブラシレスモータを任意に逆転させることが可能である。
【００１３】
［適用例７］  適用例１ないし６のいずれかに記載のブラシレス電気機械であって、
前記永久磁石は、前記駆動方向と交わる方向に沿って設けられた凹部又は凸部を有する、ブラシレス電気機械。
この構成では、永久磁石の磁束密度を増大させることが可能である。
【００１４】
［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、
前記ブラシレス電気機械は回転式モータである、ブラシレス電気機械。
【００１５】
［適用例９］  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、
前記ブラシレス電気機械は直進式モータである、ブラシレス電気機械。
【００１６】
［適用例１０］  電子機器であって、
所定の駆動方向に動作可能なブラシレスモータと、
前記ブラシレスモータによって駆動される被駆動部材と、
を備え、
前記ブラシレスモータは、
Ｎ極とＳ極のうちから選ばれた第１の極同士が互いに接した状態で保持された永久磁石対を少なくとも１つ含む磁石集合体を備える第１の移動部材と、
電磁コイルを含み、前記第１の移動部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の移動部材と、
前記電磁コイルへの電力の供給を制御する制御回路と、
を備え、
前記永久磁石対は、前記第１の極同士が互いに接する同極接触面上の磁場方向であって、前記永久磁石対の中央から外側に向かう磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
前記電磁コイルは、前記磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており、
前記制御回路は、前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレスモータを所定の駆動方向に動作させる駆動制御を実行する、電子機器。
【００１７】
［適用例１１］  適用例１０記載の電子機器であって、
前記電子機器はプロジェクタである、電子機器。
【００１８】
［適用例１２］  燃料電池使用機器であって、
所定の駆動方向に動作可能なブラシレスモータと、
前記ブラシレスモータによって駆動される被駆動部材と、
前記ブラシレスモータに電源を供給する燃料電池と、
を備え、
前記ブラシレスモータは、
Ｎ極とＳ極のうちから選ばれた第１の極同士が互いに接した状態で保持された永久磁石対を少なくとも１つ含む磁石集合体を備える第１の移動部材と、
電磁コイルを含み、前記第１の移動部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の移動部材と、
前記電磁コイルへの電力の供給を制御する制御回路と、
を備え、
前記永久磁石対は、前記第１の極同士が互いに接する同極接触面上の磁場方向であって、前記永久磁石対の中央から外側に向かう磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
前記電磁コイルは、前記磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており、
前記制御回路は、前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレスモータを所定の駆動方向に動作させる駆動制御を実行する、燃料電池使用機器。
【００１９】
［適用例１３］  ロボットであって、
ブラシレスモータと、
前記ブラシレスモータによって駆動される被駆動部材と、
を備え、
前記ブラシレスモータは、
Ｎ極とＳ極のうちから選ばれた第１の極同士が互いに接した状態で保持された永久磁石対を少なくとも１つ含む磁石集合体を備える第１の移動部材と、
電磁コイルを含み、前記第１の移動部材との相対的な位置が変更可能に構成された第２の移動部材と、
前記電磁コイルへの電力の供給を制御する制御回路と、
を備え、
前記永久磁石対は、前記第１の極同士が互いに接する同極接触面上の磁場方向であって、前記永久磁石対の中央から外側に向かう磁場方向に沿って最も強い磁場を発生しており、
前記電磁コイルは、前記磁場方向と交差する方向に電流が流れるように配置されており、
前記制御回路は、前記電磁コイルに供給する電流の方向を変更せずに前記電磁コイルに所定の第１の電流方向の駆動電流を供給することによって、前記ブラシレスモータを所定の駆動方向に動作させる駆動制御を実行する、ロボット。
【００２０】
［適用例１４］  適用例１記載のブラシレス電気機械を備えた移動体。
【００２１】
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、電動モータ、発電機、それらの制御方法、それらを用いたアクチュエータや電子機器等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．磁石集合体の構成：
B．各種の実施例：
C．回路構成：
D．変形例：
【００２３】
A．磁石集合体の構成：
図１は、本発明の各種実施例で利用される磁石集合体の概略構成を示す説明図である。図１（Ａ）は、１つの永久磁石１０を示している。この磁石１０は、上下方向に磁化されている。Ｎ極から出る矢印及びＳ極に入る矢印は、磁力線を示している。図１（Ｂ）は、２つの磁石１０で構成される永久磁石対１０pairを示している。この永久磁石対１０pairは、２つの磁石１０が、Ｎ極同士が互いに接した状態で保持されたものである。この状態で２つの磁石１０を保持すると、太い矢印で示されるように、その同極接触面１０ｃから外部に向けた磁場方向ＭＤに沿って、最も強い磁場が発生する。ここで、「同極接触面」とは、互いに接する同極同士の表面で規定される平面を意味している。なお、磁場方向ＭＤは、同極接触面１０ｃ上の方向であって、永久磁石対１０pairの中央から外側に向かう方向である。磁石１０のサイズが小さい場合には、この磁場方向ＭＤは、永久磁石対１０pairの中央から外側に向かう放射状の方向となる。発明者の実験によれば、永久磁石対１０pairの磁場方向ＭＤの表面磁束密度は、単一の磁石１０の表面磁束密度（すなわち図１（Ａ）の上面の磁束密度）の約２倍に達することが見いだされた。そこで、本発明の各種実施例では、このような永久磁石対１０pairを用いて、その磁場方向ＭＤの強い磁場を利用して、モータや発電機を構成している。なお、Ｎ極でなく、Ｓ極同士を接するように永久磁石対１０pairを構成してもよい。
【００２４】
図１（Ｃ）は、３つの永久磁石対１０pairを含む磁石集合体２０を示している。３つの永久磁石対１０pairの両端には、電磁ヨーク部材１２がそれぞれ設けられている。すなわち、各永久磁石対１０pairのＳ極に接するように、電磁ヨーク部材１２がそれぞれ設けられている。電磁ヨーク部材１２は、強磁性体材料で形成することが可能であり、特にパーマロイなどの高透磁率材料で形成されていることが好ましい。図１（Ｄ）は、磁石集合体２０の表面磁束密度の分布を示している。このグラフから理解できるように、電磁ヨーク部材１２はＳ極における表面磁束密度を低下させる効果を有している。この結果、磁石集合体２０の周囲（図１（Ｃ）の左右位置）では、Ｎ極近傍での表面磁束密度が大きく、Ｓ極近傍での表面磁束密度が小さいという特徴的な磁場が形成される。後述する各種の実施例では、このような特徴的な磁場を発生する磁石集合体を用いている。
【００２５】
なお、磁石集合体としては、少なくとも１つの永久磁石対１０pairを有する任意の構成のものを使用することが可能である。また、磁石集合体は、図１（Ｂ）のように電磁ヨーク部材が無いものでも良いが、図１（Ｃ）のように、互いに接する第１の極（図１の例ではＮ極）とは異なる第２の極（Ｓ極）に電磁ヨーク部材１２を付加したものがより好ましい。この理由は、第１の極（Ｎ極）近傍の磁場を有効に利用しつつ、第２の極（Ｓ極）近傍の磁場の影響による効率の低下を防止できるからである。
【００２６】
B．各種の実施例：
図２（Ａ）は、第１実施例としてのブラシレスリニアモータの構成を示す従断面図である。このリニアモータ１００ａは、磁石集合体２０を含む第１の移動部材と、電磁コイル３０を含む第２の移動部材とを有している。この例では、磁石集合体２０は、４つの永久磁石対１０pairを有している。すべてのＳ極には、電磁ヨーク部材１２が設置されている。図２（Ｂ）は、リニアモータ１００ａの水平断面図である。Ｎ極近傍の磁場方向ＭＤは、磁石集合体２０の中央から外側に向けて放射状に延びている。図２（Ｂ）において、電流方向ＣＤに沿って電磁コイル３０に電流が流れると、電磁コイル３０には紙面の裏から表に向かう方向に駆動力が働く。電磁コイル３０が固定されている場合には、磁石集合体２０が図２（Ｂ）の紙面の表から裏に向かう方向に駆動される。また、電流方向を逆転させると、これとは反対の駆動力が発生する。このように、このブラシレスリニアモータ１００ａでは、電磁コイル３０に直流電流を流すことによって、図２（Ａ）の駆動方向ＤＤ（上下方向）に沿って磁石集合体２０を動作させることが可能である。
【００２７】
なお、図２（Ａ）にも示されているように、駆動方向ＤＤに沿った電磁コイル３０の長さは、２つ以上の同極接触面１０ｃに渡る範囲以上の長さ（すなわち同極接触面１０ｃのピッチ以上の長さ）に設定されていることが好ましい。この理由は、図１（Ｄ）に示すように、磁石集合体２０の磁束密度分布が、同極接触面１０ｃの位置で強く、他の位置で弱いからである。すなわち、電磁コイル３０が、同極接触面１０ｃのピッチ以上の長さを有していれば、同極接触面１０ｃ近傍の強い磁場を常に利用しつつ、大きな駆動力を発生することが可能である。一方、電磁コイル３０の長さが同極接触面１０ｃのピッチよりも短い場合には、停止位置によっては始動できない可能性が発生する。なお、これと同様の理由により、同極接触面１０ｃのピッチは、一定であることが好ましい。
【００２８】
図２（Ｂ）の例では、磁石集合体２０の水平断面は矩形状であったが、磁石集合体２０の水平断面形状としては、円形や三角形などの任意の形状を採用することが可能である。但し、磁石集合体２０を構成する個々の永久磁石１０は、磁極間の距離が大きな棒状の形状で無く、磁極間の距離（厚み）が小さい板状の形状を有していることが好ましい。この理由は、磁石集合体２０を用いた電気機械では、同極接触面１０ｃで発生する強い磁場を利用するので、磁石１０の厚みが小さい方が効率が良いからである。この意味では、永久磁石１０の磁化方向は、最も厚みの小さい方向と一致していることが好ましい。
【００２９】
図３（Ａ）は、第２実施例としてのブラシレスリニアモータの構成を示す従断面図であり、図３（Ｂ）はその側面図である。このリニアモータ１００ｂは、磁石集合体２０を含む第１の移動部材と、電磁コイル３０を含む第２の移動部材４０とを有している。電磁コイル３０は、フレーム（枠部材）４６で支持されており、フレーム４６上には荷重部４４が載置されている。荷重部４４は、フレーム４６とともに移動する物体であり、電磁コイル３０の制御回路と電源（電池など）も含んでいる。フレーム４６は、ベアリング４２を介して磁石集合体２０の上部に保持されている。電磁コイル３０に直流電流が流れると、電磁コイル３０とフレーム４６と荷重部４４とを含む移動部材４０は、図３（Ａ）の紙面に垂直な方向に沿って移動する。この移動方向は、図３（Ｂ）に示す駆動方向ＤＤに相当する。
【００３０】
図３（Ａ）に示す電流方向ＣＤに電流が流れた場合には、移動部材４０は紙面の裏から表に向かう方向に駆動される。但し、図３（Ａ）の構成では、電磁コイル３０のコイル部分のうちで、永久磁石対１０pairに近いコイル部分と、遠いコイル部分では逆方向の駆動力が発生する。しかしながら、永久磁石対１０pairによる磁束密度は、永久磁石対１０pairから遠くなると急激に減少するので、永久磁石対１０pairから遠いコイル部分で発生する逆方向の駆動力は、実用上あまり問題とならない程度である。
【００３１】
図３の例では、磁石集合体２０は、１つの永久磁石対１０pairと、その上端及び下端に設けられた電磁ヨーク部材１２とで構成されている。この磁石集合体２０は、図３（Ｂ）に示すように、駆動方向ＤＤの寸法が最も大きな磁石である。従って、このリニアモータ１００ｂでは、駆動方向ＤＤに沿った長い距離に渡って移動部材４０を移動させることが可能である。なお、図３（Ｂ）に示すように、永久磁石１０の表面（側面）には、多数のスリット１４が設けられている。
【００３２】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、磁石１０のスリット１４の配置例を示す説明図である。図４（Ａ）の例では、スリット１４が駆動方向ＤＤに直交する方向に沿って設けられている。図４（Ｂ），（Ｃ）の例では、スリット１４が、駆動方向ＤＤと駆動方向ＤＤに直交する方向との両方から傾いた方向に沿って設けられている。これらの例から理解できるように、スリット１４は、モータの駆動方向ＤＤに交わる方向に沿って設けられていることが好ましい。この理由は以下の通りである。一般に、厚み方向に磁化された無限大の板状磁石では、磁束密度が０になることが知られている。十分に大きな板状磁石でも同様の現象が生じうる。そこで、永久磁石の表面（電磁コイルと対向する表面）にスリット１４を設けるようにすれば磁束密度を増加させることができ、この結果、駆動力を増大させることが可能である。このようなスリット１４は、他の実施例においても設けることが好ましい。
【００３３】
なお、図４に示した変形例では、永久磁石にスリットを設けていたが、スリットの位置で永久磁石が分離されていてもよい。この場合には、小さな複数の永久磁石が隙間を空けて配列される状態となることが理解できる。この場合の隙間と、図４におけるスリットは、いずれも永久磁石に設けられた「凹部」に該当するものと理解することができる。なお、凹部の代わりに凸部を永久磁石に設けるようにしても、ほぼ同様な効果を達成することができる。駆動方向と交わる方向に沿って設けられた凹部又は凸部を有する永久磁石は、様々な方法で作成することが可能である。例えば、最終的な磁石形状と同じ形状を有する未着磁の強磁性体部材を準備し、この強磁性体部材を着磁装置で着磁することによって、上記のような永久磁石を作成することができる。
【００３４】
なお、前述した第１実施例では、図２（Ｂ）に示すように同極接触面１０ｃに沿った電流方向ＣＤに電流が流れるのに対して、第２実施例では、図３（Ａ）に示すように同極接触面１０ｃとは垂直な電流方向ＣＤに電流が流れる。但し、いずれの場合にも、電流方向ＣＤは、同極接触面１０ｃ上の磁場方向ＭＤと直交する方向である点で共通している。このように、同極接触面１０ｃ上の磁場方向ＭＤと直交する方向に沿って電流を流すようにすれば、効率良く駆動力を発生することが可能である。但し、電流方向ＣＤは、同極接触面１０ｃ上の磁場方向ＭＤと直交する方向で無くてもよく、同極接触面１０ｃ上の磁場方向ＭＤと交差する任意の方向に取ることが可能である。
【００３５】
図５（Ａ）は、第３実施例としてのブラシレス回転式モータの構成を示す従断面図であり、図５（Ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。この回転式モータ１００ｃは、磁石集合体２０を含むロータ（第１の移動部材）と、電磁コイル３０を含むステータ（第２の移動部材）とを有している。電磁コイル３０は、ケーシング１３０の内周に固定されている。ロータの上部軸１１０と下部軸１２０は、それぞれ軸受け１１２，１２２で保持されている。
磁石集合体２０の下端部は、固定ネジ１２４で下部軸１２０と連結されている。一方、磁石集合体２０の上端部に連結された上部軸１１０の回りには、バネ１１４が設けられており、このバネ１１４によって磁石集合体２０の上端がケーシング１３０の内面から押力を受けている。但し、このような連結構造は単なる一例であり、他の種々の連結構造を採用することが可能である。
【００３６】
第３実施例の磁石集合体２０は、図３（Ａ）に示した第２実施例と同様に、１つの永久磁石対とその両端に設けられた電磁ヨーク部材のみを含む構成を有している。但し、第３実施例の磁石集合体２０は、図５（Ａ），（Ｂ）から理解できるように、円盤状の形状を有している。
【００３７】
図５（Ａ）に示す電流方向ＣＤに電流が流れた場合には、ロータ（磁石集合体２０）は図５（Ｂ）の時計方向に駆動される。また、電流を逆方向に流せば、逆方向に駆動することも可能である。このように、第３実施例の回転式モータでは、電磁コイル３０に直流電流を流すことによって、所定の回転方向にロータを回転させることが可能である。
【００３８】
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、第３実施例に適した電磁コイルの断面構造を示す説明図である。図６（Ａ）では、コイル３０のコア部材として、強磁性体部材３２が設けられている。図６（Ｂ）では、コイル３０のコア部材として、非磁性体部材３４が設けられている。図６（Ｃ）では、コイル３０のコア部材として、永久磁石３６と強磁性体部材３２とが設けられている。なお、コア材としての永久磁石３６の磁化方向は、磁石集合体２０の同極接触面の磁場方向と同一（磁力線が同じ方向を向く）ものであることが好ましい。図６（Ａ）〜（Ｃ）には、コイル３０の部分として、磁石集合体２０により近いコイル部分３０ｉとより遠いコイル部分３０ｏとが示されている。図６（Ａ）及び（Ｃ）の構成では磁石集合体２０により近いコイル部分３０ｉでは、磁石集合体２０の磁場によって駆動力が有効に発生し、一方、磁石集合体２０により遠いコイル部分３０ｏでは、磁石集合体２０の磁場がコア部材によって遮蔽されるので駆動力がほとんど発生しない。この理由から、図６（Ａ）及び（Ｃ）の構成は、図６（Ｂ）の構成よりも好ましい。
【００３９】
図７は、第４実施例としてのブラシレス回転式モータの構成を示す従断面図である。この回転式モータ１００ｄは、磁石集合体２０として、２つの永久磁石対１０pairを有するものを利用した点が第３実施例と異なっている。このように、２つ以上の永久磁石対１０pairを有する磁石集合体２０を回転式モータとして利用すれば、より大きな駆動力を発生させることが可能である。
【００４０】
図８（Ａ）は、第５実施例としてのブラシレス回転式モータの構成を示す従断面図であり、図８（Ｂ）はその磁石集合体２０ｅのみを示す縦断面図である。この回転式モータ１００ｅでは、図８（Ｂ）に示すように、磁石集合体２０ｅの永久磁石に、中心軸用の空間の他に環状空間２２が設けられている。この環状空間２２の中にステータの電磁コイル３０が挿入される。また、磁石集合体２０ｅは全体として略円筒状の形状を有しており、その外周の全体が電磁ヨーク部材１２で被覆されている。磁石集合体２０ｅと電磁コイル３０とをこのように構成すれば、図８（Ａ）に示すように、電磁コイル３０のコア部材を挟んだ両側のコイル部分では逆向きの磁場が存在するので、電磁コイル３０の両側のコイル部分から同一方向の駆動力を発生させることが可能である。
【００４１】
図９（Ａ）〜（Ｃ）は、第５実施例に適した電磁コイルの断面構造を示す説明図である。図９（Ａ）、（Ｂ）は、前述した図６（Ａ），（Ｂ）の構成と同じである。図９（Ｃ）では、コイル３０のコア部材として、強磁性体部材３２の両側に永久磁石３６がそれぞれ設けられている。なお、コア材としての永久磁石３６の磁化方向は、図６（Ｃ）の例と同様に、磁石集合体２０ｅの同極接触面上の磁場方向と同一（磁力線が同じ方向を向く）ものであることが好ましい。
【００４２】
図１０は、第６実施例としてのブラシレス回転式モータの構成を示す従断面図である。この回転式モータ１００ｆは、図８に示した第５実施例の回転式モータ１００ｅを逆向きに２組配置して、上方と下方にそれぞれ独立に回転する軸１２０を設けた構成を有している。なお、ケーシングは２つのモータ１００ｅで共用している。この回転式モータ１００ｆでは、２つの軸１２０を利用して２つの被駆動部材を独立に駆動することが可能である。
【００４３】
以上の各種の実施例から理解できるように、本発明の各種実施例によるブラシレス電気機械は、１つ以上の永久磁石対を含む磁石集合体を備える第１の部材（「第１の移動部材」とも呼ぶ）と、電磁コイルを備える第２の部材（「第２の移動部材」とも呼ぶ）と、を備え、第１と第２の移動部材とが相対的に移動できるように構成された種々のブラシレス電気機械として実現可能である。
【００４４】
C．回路構成：
図１１は、実施例におけるブラシレス電気機械の制御回路の構成を示すブロック図である。この制御回路は、ＣＰＵシステム３００と、駆動信号生成部２００と、駆動ドライバ部２１０と、回生制御部２２０と、蓄電器２３０と、蓄電制御部２４０とを備えている。駆動信号生成部２００は、駆動ドライバ部２１０に供給する駆動信号を生成する。
【００４５】
図１２は、駆動ドライバ部２１０の構成を示す回路図である。この駆動ドライバ部２１０は、Ｈ型ブリッジ回路を構成している。駆動信号生成部２００からは、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１と、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２のうちの一方が駆動ドライバ部２１０に供給される。図１１に示す電流ＩＡ１，ＩＡ２は、これらの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２に応じて流れる電流（「駆動電流」とも呼ぶ）の方向を示している。例えば、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１に応じて電流ＩＡ１が流れる場合にはモータが所定の第１の駆動方向に動作し、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２に応じて電流ＩＡ２が流れる場合にはモータが第１の駆動方向とは逆の第２の駆動方向に動作する。この第１の駆動方向は、例えば図２（Ａ）の上方向であり、第２の駆動方向は下方向である。あるいは、図５のような回転式モータの場合には、第１の駆動方向は例えば右回りであり、第２の駆動方向は左回りである。駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２としては、例えば、一定のオン信号や、周期的なパルス信号等を使用することが可能である。
【００４６】
なお、駆動信号生成部２００は、２つの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２のうちの一方のみしか生成しないように構成することも可能である。この場合には、モータは一方向にしか駆動できないが、例えばファンモータのような実装例ではこれでも十分である。
【００４７】
図１３は、回生制御部２２０の内部構成を示す回路図である。回生制御部２２０は、電磁コイル３０に対して駆動ドライバ部と並列に接続されている。回生制御部２２０は、ダイオードで構成される整流回路２２２と、スイッチングトランジスタ２２４とを備えている。蓄電制御部２４０によってスイッチングトランジスタ２２４がオン状態になると、電磁コイル３０で発生した電力を回生して蓄電器２３０を充電することが可能である。また、蓄電器２３０から電磁コイル３０に電流を供給することも可能である。なお、制御部から、回生制御部２２０と蓄電器２３０と蓄電制御部２４０を省略してもよく、或いは、駆動信号生成部２００と駆動ドライバ部２１０を省略してもよい。
【００４８】
このように、上述した各実施例のブラシレスモータでは、永久磁石対１０pairを構成することによって強い磁場を発生させ、この磁場と電磁コイルとの電磁相互作用で駆動力を発生させるようにしたので、電磁コイルに一定方向の電流を流すことによって、モータに所定の駆動方向の力を発生させることができる。すなわち、本実施例のブラシレスモータでは、制御回路によって駆動電圧や駆動電流の切り替えを行うことなく、ブラシレスモータを動作させることが可能である。また、ブラシレス電気機械をブラシレス発電機として構成した場合には、所定の方向に沿った発電機の動作を直流電力に変換することが可能である。
【００４９】
D．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。
【００５０】
D１．変形例１：
上記実施例では、電磁コイルに直流の駆動電圧を印加するものとしていたが、駆動電圧としてパルス状の電圧を電磁コイルに印加しても良い。すなわち、駆動電圧の極性を変更することなく所定の極性の電圧を電磁コイルに与えることによって、所定の駆動方向にモータを動作させることができる。また、駆動電流の観点からは、駆動電流の方向を変更することなく所定の方向の駆動電流を電磁コイルに与えることによって、所定の駆動方向にモータを動作させることができることが理解できる。但し、パルス状の電圧や電流で無く、継続的に一定の直流電圧や直流電流をコイルに与えるようにすれば、制御回路の構成がより容易になるという利点がある。
【００５１】
D２．変形例２：
上記実施例では、ブラシレス電気機械の機械的構成や回路構成の具体例を説明したが、本発明のブラシレス電気機械の機械的構成や回路構成としては、これら以外の任意の構成を採用することが可能である。
【００５２】
D３．変形例３：
本発明は、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、上述した種々の効果（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。
【００５３】
図１４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。
【００５４】
図１５（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１５（Ａ）は携帯電話７００の外観を示しており、図１５（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１５（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。
【００５５】
図１６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。
【００５６】
図１７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。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の各種実施例で利用される磁石集合体の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施例としてのリニアモータの構成を示す断面図である。
【図３】第２実施例としてのリニアモータの構成を示す説明図である。
【図４】磁石のスリットの配置例を示す説明図である。
【図５】第３実施例としての回転式モータの構成を示す断面図である。
【図６】第３実施例に適した電磁コイルの断面構造を示す説明図である。
【図７】第４実施例としての回転式モータの構成を示す断面図である。
【図８】第５実施例としての回転式モータの構成を示す断面図である。
【図９】第５実施例に適した電磁コイルの断面構造を示す説明図である。
【図１０】第６実施例としての回転式モータの構成を示す断面図である。
【図１１】ブラシレス電気機械の制御回路の構成を示すブロック図である。
【図１２】駆動ドライバ部の構成を示す回路図である。
【図１３】回生制御部の内部構成を示す回路図である。
【図１４】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１５】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１６】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１７】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。
【符号の説明】
【００５８】
１０…永久磁石
１０ｃ…同極接触面
１０pair…永久磁石対
１２…電磁ヨーク部材
１４…スリット
２０…磁石集合体
２２…環状空間
３０…電磁コイル
３２…強磁性体部材
３４…非磁性体部材
３６…永久磁石
４０…移動部材
４２…ベアリング
４４…荷重部
４６…フレーム
１００ａ…リニアモータ
１００ｂ…リニアモータ
１００ｃ…回転式モータ
１００ｄ…回転式モータ
１００ｅ…回転式モータ
１００ｆ…回転式モータ
１１０…上部軸
１１４…バネ
１２０…軸
１２４…固定ネジ
１３０…ケーシング
２００…駆動信号生成部
２１０…駆動ドライバ部
２２０…回生制御部
２２２…整流回路
２２４…スイッチングトランジスタ
２３０…蓄電器
２４０…蓄電制御部
３００…ＣＰＵシステム
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
【図１】
0005211593.tif 000002
【図２】
0005211593.tif 000003
【図３】
0005211593.tif 000004
【図４】
0005211593.tif 000005
【図５】
0005211593.tif 000006
【図６】
0005211593.tif 000007
【図７】
0005211593.tif 000008
【図８】
0005211593.tif 000009
【図９】
0005211593.tif 000010
【図１０】
0005211593.tif 000011
【図１１】
0005211593.tif 000012
【図１２】
0005211593.tif 000013
【図１３】
0005211593.tif 000014
【図１４】
0005211593.tif 000015
【図１５】
0005211593.tif 000016
【図１６】
0005211593.tif 000017
【図１７】
0005211593.tif 000018