JP4640375B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、電気モータや発電機などの電動機（Electric Machine）に関する。

電動モータには、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。また、モータの種類は、ロータの違いにより、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と、鉄などの強磁性体を使ったリアクタンス型とに分類することも可能である。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。

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、励磁コイルを巻回したステータコアと、マグネットを含むロータとを備えている。

しかしながら、従来のモータは、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。

この発明は、従来と異なる構造の電動機を提供することを目的とする。

本発明による第１の電動機は、所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルを含む第１のコイル列と、
前記所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルを含み、前記第１のコイル列との相対的な位置関係が固定された第２のコイル列と、少なくとも１つの磁石を含む磁石列であって、前記第１及び第２のコイル列に対向してＮ極とＳ極とが交互に配置され、前記第１及び第２のコイル列との相対的な位置関係が前記所定の方向に沿って変化可能な磁石列と、
を備える。前記第１及び第２のコイル列は、電気角でπ／２の奇数倍だけ相互にずれた位置に配置されている。前記第１と第２のコイル列の各コイルは磁性体製のコアを実質的に有しておらず、前記電動機は、磁気回路を形成するための磁性体製のヨークを実質的に有していない。

この電動機は、磁性体製のコアや磁性体製のヨークを実質的に有していないので軽量であり、また、アクチュエータとして使用した場合にはトルクと重量のバランスに優れている。また、磁性体製のコアを有していないので、コギングが発生せずに安定したなめらかな回転が可能である。さらに、磁性体製のヨークを実質的に有していないので、鉄損（渦電流損）がほとんど無く、効率の良い電動機を実現できる。

上記電動機は、さらに、前記第１及び第２のコイル列および前記磁石列を収納するケースを備えており、前記第１及び第２のコイル列の各コイルは、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成された支持材の回りに巻き回されており、前記ケースは、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成されているものとしてもよい。

この構成によれば、鉄損やコギングがほとんど無い電動機を実現することができる。

上記電動機は、回転軸と、軸受け部以外の構造材は、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成されているものとしてもよい。

この構成によれば、さらに軽量化が可能であり、また、鉄損をさらに低減することができる。

なお、各コイル列の前記複数のコイルは、同一のコイル列に属する隣り合うコイル同士が常に逆極性に励磁されるように互いに接続されているものとしてもよい。

また、前記第１及び第２のコイル列は、前記磁石列を挟んだ両側に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、磁石列の両側の磁束を有効に利用できるので、大きなトルクを発生させることができる。

上記電動機は、前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列とが前記所定の方向に沿って相対的に回転する回転式モータまたは回転式ジェネレータであり、前記第１のコイル列のコイル数と、前記第２のコイル列のコイル数と、前記磁石列の磁石数とが等しいものとしてもよい。

この構成によれば、高効率で大トルクのモータを実現することができる。

上記電動機は、さらに、前記第１のコイル列に供給する第１の交流駆動信号と前記第２のコイル列に供給する第２の交流駆動信号とを供給するための駆動信号生成回路を備え、前記駆動信号生成回路は、前記第１及び第２のコイル列の各コイルの極性が前記磁石列内の磁石の中心と各コイルの中心とが対向するタイミングで切り替わるとともに、同一のコイル列に属する隣り合うコイル同士の間の中央位置が前記磁石列内の磁石の中心と対向するタイミングにおいて当該コイル列における磁束密度が最も大きくなるように、前記第１と第２の交流駆動信号を生成するようにしてもよい。

この構成によれば、駆動信号に同期して電動機を駆動することができる。

前記駆動信号生成回路は、前記第１及び第２のコイル列の電流方向を逆転させることによって、前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列との動作方向を逆転させることが可能であることが好ましい。

また、前記駆動信号生成回路は、位相がπ／２だけ相互にずれた第１と第２のＰＷＭ信号をそれぞれ生成する第１と第２のＰＷＭ回路と、前記電動機の出力要求に応じて前記第１と第２のＰＷＭ信号をマスクすることによって前記第１と第２の交流駆動信号を生成するマスク回路と、を備えるようにしてもよい。

この構成によれば、マスク回路によってＰＷＭ信号をマスクすることによって、電動機の出力を調節することが可能である。

前記マスク回路は、各交流駆動信号の極性が反転するタイミングを中心とした対称な時間的範囲で各ＰＷＭ信号をマスクするようにしてもよい。

一般に、各交流駆動信号の極性が反転するタイミング付近では、コイルがあまり有効な駆動力を発生せず、交流駆動信号のピーク付近で有効な駆動力を発生するという傾向がある。従って、上記の構成によれば、コイルが有効な駆動力をあまり発生しない期間においてＰＷＭ信号をマスクするので、電動機の効率を向上させることが可能である。

なお、上記電動機は、さらに、前記第１と第２のコイル列から電力を回生するための回生回路を備え、前記駆動信号生成回路と前記回生回路は、前記第１と第２のコイル列の一方から駆動力を発生させつつ他方から電力を回生する運転モードで前記電動機を運転することが可能であることが好ましい。

この構成によれば、必要に応じて、駆動力の発生と電力の回生とを同時に実行しつつ、電動機を動作させることができる。

なお、前記第１と第２のコイル列は、中空の二重円筒構造を構成する第１と第２の円筒部材に配置されており、前記磁石列は、前記第１と第２の円筒部材の間に挿入された第３の円筒部材に配置されているようにしてもよい。

この構成によれば、ロータ（第１と第２のコイル列、又は、磁石列）が回転時に振動しにくい電動機を得ることができる。

本発明による第２の電動機は、所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルを含む第１のコイル列と、前記所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルを含み、前記第１のコイル列との相対的な位置関係が固定された第２のコイル列と、前記所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルを含み、前記第１及び第２のコイル列との相対的な位置関係が固定された第３のコイル列と、少なくとも１つの磁石を含む磁石列であって、前記第１、第２、及び第３のコイル列に対向してＮ極とＳ極とが交互に配置されており、前記第１、第２、及び第３のコイル列との相対的な位置関係が前記所定の方向に沿って変化可能な磁石列と、を備える。前記第１、第２、及び第３のコイル列は、電気角で２π／３だけ順次相互にずれた位置に配置されており、前記第１、第２、及び第３のコイル列の各コイルは磁性体製のコアを実質的に有しておらず、前記電動機は、磁気回路を形成するための磁性体製のヨークを実質的に有していない。

この構成によっても、トルクと重量バランスに優れた電動機を実現できる。また、コギングが発生せずに安定したなめらかな回転が可能であり、鉄損がほとんど無い効率の良い電動機を実現できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、電動アクチュエータ、リニアモータや回転式モータなどの電動モータ、発電機、それらのアクチュエータやモータ、発電機の駆動方法および駆動装置等の態様で実現することができる。

発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例（二相モータ）：
Ｂ．第２実施例（二相モータ）：
Ｃ．二相モータの各種の変形例：
Ｄ．第３実施例（三相モータ）：
Ｅ．第４実施例：
Ｆ．その他の変形例：

Ａ．第１実施例（二相モータ）：
図１（Ａ）は、本発明の第１実施例における電動モータの概略構成を示す説明図である。この電動モータは、第１のコイル列構造１０Ａと、第２のコイル列構造２０Ｂと、磁石列構造３０Ｍとを有している。

第１のコイル列構造１０Ａは、支持部材１２Ａと、支持部材１２Ａに固定されたＡ相コイル列１４Ａとを有している。このＡ相コイル列１４Ａは、逆方向に励磁される２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２が一定のピッチＰｃで交互に配置されたものである。図１（Ａ）の状態では、３つのコイル１４Ａ１は磁化方向（Ｎ極からＳ極に向く方向）が下向きになるように励磁されており、また、他の３つのコイル１４Ａ２は磁化方向が上向きになるように励磁されている。

第２のコイル列構造２０Ｂも、支持部材２２Ｂと、支持部材２２Ｂに固定されたＢ相コイル列２４Ｂとを有している。このＢ相コイル列２４Ｂも、逆方向に励磁される２種類のコイル２４Ｂ１，２４Ｂ２が一定のピッチＰｃで交互に配置されたものである。なお、本明細書では、「コイルピッチＰｃ」は、Ａ相コイル列のコイル同士のピッチ、または、Ｂ相コイル列のコイル同士のピッチとして定義されている。

磁石列構造３０Ｍは、支持部材３２Ｍと、支持部材３２Ｍに固定された磁石列３４Ｍとを有している。この磁石列３４Ｍの永久磁石は、磁化方向が磁石列３４Ｍの配列方向（図１（Ａ）の左右方向）とは垂直な方向に向くようにそれぞれ配置されている。磁石列３４Ｍの磁石は、一定の磁極ピッチＰｍで配置されている。この例では、磁極ピッチＰｍはコイルピッチＰｃに等しく、電気角でπに相当する。なお、電気角の２πは、モータの駆動信号の位相が２πだけ変化したときに移動する機械的な角度又は距離に対応づけられる。第１実施例では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの駆動信号の位相が２πだけ変化すると、磁石列構造３０ＭがコイルピッチＰｃの２倍だけ移動する。

なお、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、電気角で互いにπ／２だけ異なる位置に配置されている。なお、Ａ相コイル１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、位置が異なるだけであり、他の点は実質的に同じ構成を有している。従って、以下では、コイル列に関する説明の際に特に必要な場合を除いてＡ相コイル列についてのみ説明する。

図１（Ｂ）は、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂに供給される交流駆動信号の波形の一例を示している。Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂには、二相交流信号がそれぞれ供給される。また、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの駆動信号の位相はπ／２だけ互いにずれている。図１（Ａ）の状態は、位相ゼロ（又は２π）の状態に相当する。

この電動モータは、さらに、Ａ相コイル列１４Ａ用の位置センサ１６Ａと、Ｂ相コイル列２４Ｂ用の位置センサ２６Ｂとを有している。これらを以下では「Ａ相センサ」、「Ｂ相センサ」と呼ぶ。Ａ相センサ１６ＡはＡ相コイル列１４Ａの２つのコイルの間の中央の位置に配置されており、Ｂ相センサ２６ＢはＢ相コイル列２４Ｂの２つコイルの間の中央の位置に配置されている。これらのセンサ１６Ａ，２６Ｂとしては、図１（Ｂ）に示す交流駆動信号と同様な波形を有するアナログ出力を有するものを採用することが好ましく、例えばホール効果を利用したホールＩＣを採用することができる。但し、矩形波状のデジタル出力を有するセンサを採用することも可能である。また、位置センサを省略してセンサレス駆動を行うことも可能である。

なお、支持部材１２Ａ，２２Ｂ，３２Ｍは、非磁性体材料でそれぞれ形成されている。また、本実施例の電動モータの各種の部材のうちで、コイルやセンサを含む電気配線と、磁石と、回転軸と、その軸受け部以外の部材は、すべて非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。

図２（Ａ），２（Ｂ）は、Ａ相コイル列１４Ａの２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２の結線方法を示す図である。図２（Ａ）の結線方法では、Ａ相コイル列１４Ａに含まれるすべてのコイルが、駆動信号生成回路１００に対して直列に接続されている。一方、図２（Ｂ）の結線方法では、一対のコイル１４Ａ１，１４Ａ２で構成される直列接続が、複数組並列に接続されている。このいずれの結線方法の場合にも、２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２は、常に逆の極性に磁化される。

図３（Ａ）〜３（Ｄ）は、第１実施例の電動モータの動作を示している。なお、第１実施例では、コイル列１４Ａ，２４Ｂがステータとして構成されており、磁石列３４Ｍがロータとして構成されている。従って、図３（Ａ）〜３（Ｄ）では、時間の経過とともに磁石列３４Ｍが移動している。

図３（Ａ）は位相が２πの直前のタイミングの状態を示している。なお、コイルと磁石との間に描かれた実線の矢印は吸引力の方向を示しており、破線の矢印は反発力の方向を示している。この状態では、Ａ相コイル列１４Ａは磁石列３４Ｍに対して動作方向（図の右方向）の駆動力を与えておらず、磁石列３４ＭをＡ相コイル列１４Ａに引きつける方向に磁力が働いている。従って、位相が２πのタイミングでは、Ａ相コイル列１４Ａへの印加電圧をゼロにすることが好ましい。一方、Ｂ相コイル列２４Ｂは、磁石列３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。また、Ｂ相コイル列２４Ｂは磁石列３４Ｍに対して吸引力だけで無く反発力も与えているので、Ｂ相コイル列２４Ｂから磁石列３４Ｍに対する上下方向（磁石列３４Ｍの動作方向と垂直な方向）の正味の力はゼロである。従って、位相が２πのタイミングでは、Ｂ相コイル列２４Ｂへの印加電圧をピーク値にすることが好ましい。

図１（Ｂ）に示されているように、位相が２πのタイミングでＡ相コイル列１４Ａの極性が反転する。図３（Ｂ）は、位相がπ／４の状態であり、Ａ相コイル列１４Ａの極性が図３（Ａ）から反転している。この状態では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂが、磁石列３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。図３（Ｃ）は、位相がπ／２直前の状態である。この状態は、図３（Ａ）の状態とは逆に、Ａ相コイル列１４Ａのみが、磁石列３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。位相がπ／２のタイミングではＢ相コイル列２４Ｂの極性が反転し、図３（Ｄ）に示す極性となる。図３（Ｄ）は、位相が３π／４の状態である。この状態では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂが、磁石列３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。

図３（Ａ）〜３（Ｄ）から理解できるように、Ａ相コイル列１４Ａの極性は、Ａ相コイル列１４Ａの各コイルが磁石列３４Ｍの各磁石と対向するタイミングで切り換えられる。Ｂ相コイル列も同様である。この結果、すべてのコイルからほとんど常に駆動力を発生させ得るので、大きなトルクを発生することが可能である。

なお、位相がπ〜２πの期間は、図３（Ａ）〜３（Ｄ）とほぼ同様なので詳しい説明を省略する。但し、Ａ相コイル列１４Ａの極性は位相がπのタイミングで再び反転し、Ｂ相コイル列２４Ｂの極性は位相が３π／２のタイミングで再び反転する。

上述の説明から理解できるように、本実施例の電動モータは、コイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４Ｍとの間の吸引力と反発力を利用することによって、磁石列３４Ｍに対する動作方向の駆動力を得ている。特に、本実施例では、磁石列３４Ｍを挟んだ両側にコイル列１４Ａ，２４Ｂが配置されているので、磁石列３４Ｍの両側の磁束を駆動力の発生に利用することができる。従って、従来の電動モータのように、磁石の片側のみを駆動力の発生に利用する場合に比べて磁束の利用効率が高く、効率が良くトルクの大きなモータを実現することができる。

また、本実施例のモータでは、磁性体製のコアが設けられていないのでいわゆるコギングが発生せず、なめらかで安定した動作を実現することができる。また、磁気回路を構成するためのヨークが設けられていないので、いわゆる鉄損（渦電流損）が極めて少なく、効率の良いモータを実現することができる。

ところで、通常のモータでは、コアやヨークが無いと磁束の利用効率が低下すると考えられている。一方、本実施例の電動モータでは、磁石列３４Ｍを挟んだ両側にコイル列１４Ａ，２４Ｂが配置されているので、磁束の利用効率が十分に高く、コアやヨークを設ける必要は無い。コアやヨークはコギングの原因となり、また、重量を増加させるので、むしろコアやヨークが無い方が好ましい。さらに、ヨークが無ければ鉄損も無いので、高いモータ効率が得られるという利点もある。

図４（Ａ）は、第１実施例における電動モータの斜視図であり、図４（Ｂ）はロータ（磁石列構造）３０Ｍの平面図、図４（Ｃ）はその側面図、図４（Ｄ）はＡ相コイル列構造１０Ａの平面図、図４（Ｅ）はＢ相コイル列構造２０Ｂの平面図である。

Ａ相コイル列構造１０ＡとＢ相コイル列構造２０Ｂはステータを構成しており、磁石列構造３０Ｍはロータを構成している。すなわち、磁石列構造３０Ｍは、Ａ相コイル列構造１０ＡとＢ相コイル列構造２０Ｂとの間に、軸３７を中心に回転自在に配置されている。ロータ３０Ｍと回転軸３７は一体に回転するように、回転軸３７がロータ３０Ｍの中心にある回転軸用開口孔に圧入されている。図４（Ｂ）、４（Ｄ）、４（Ｅ）に示すように、ロータ３０Ｍは、略円盤上の支持材３２Ｍに６つの永久磁石３４Ｍが円周方向に沿って均等に設けられたものである。また、Ａ相コイル列構造１０Ａは、支持材１２Ａに６つの電磁コイル１４Ａ１，１４Ａ２が円周方向に沿って均等に設けられたものである。同様に、Ｂ相コイル列構造２０Ｂも、支持材２２Ｂに６つの電磁コイル２４Ｂ１，２４Ｂ２が円周方向に沿って均等に設けられたものである。この説明から理解できるように、図１（Ａ）における磁石列構造３０Ｍの動作方向（図１（Ａ）の左右方向）は、ロータの回転方向に相当する。

Ａ相コイル列構造１０Ａの支持部材１２Ａは、中空円筒状のケースとして形成されている。この中空円筒状のケースの一方の底面（図４（Ａ）で見えない側）は閉止されており、他方の底面は解放されている。このケース１２Ａの側面には、Ａ相センサ１６ＡとＢ相センサ２６Ｂとが設けられている。これらのセンサ１６Ａ，２６Ｂの位置は、図１（Ａ）に示した位置と同じである。Ｂ相コイル列構造２０Ｂの支持部材２２Ｂは、ケース１２Ａの蓋として形成されている。

図５は、本発明の実施例としての電動アクチュエータの用途と好ましい材料との関係を示している。用途としては、例えば以下の項目を優先する用途が存在する。
（１）低価格であること。
（２）小型であること。
（３）消費電力が少ないこと。
（４）振動・衝撃への耐久性。
（５）高温環境での利用性。
（６）軽量であること。
（７）大トルクを発生可能であること。
（８）高回転が可能であること。
（９）環境に優しいこと。

図５の各用途の右の欄には、永久磁石と、ロータ材（磁石列の支持部材３２Ｍ）と、ボビン材（コイルのコア材）と、ケース材（コイル列構造１０Ａ，２０Ｂの支持部材１２Ａ，１４Ｂ）に適した材料がそれぞれ示されている。なお、「高価磁石」とは、ネオジウム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石などを意味する。また、「一般樹脂」とは、カーボン系樹脂と植物性樹脂とを除く各種の樹脂（特に合成樹脂）を意味する。「カーボン系樹脂」とは、ガラス状カーボン、（炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）、カーボンファイバなどを意味する。ロータ材用の金属としては、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、マグネシウム、銅、銀、金、及び、それらの合金を使用することができる。「セラミックス」としては、ファインセラミックス、ステアタイトセラミック、アルミナ、ジルコン、ガラスを使用することができる。また、「天然材」としては、植物、木材、土砂などを用いた材料（例えば植物性樹脂）を使用することができる。

これらの例からも理解できるように、本発明の実施例としての電動アクチュエータには、ロータ材やボビン材（コア材）やケース材として、非磁性で非導電性の各種の材料を利用することが可能である。但し、ロータ材（磁石列の支持部材３２Ｍ）としては、強度を考慮してアルミニウムやその合金などの金属材料を用いる場合もある。実際に、第１実施例では、ロータ材としてアルミニウムを使用している。この場合にも、ボビン材やケース材は、実質的に非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。ここで、「実質的に非磁性で非導電性の材料」とは、わずかな部分が磁性体または導電体であることが許容されることを意味している。例えば、ボビン材が実質的に非磁性で非導電性の材料で形成されているか否かは、モータにコギングが存在するか否かによって判定することができる。また、ケース材が実質的に非導電性の材料で形成されているか否かは、ケース材による鉄損（渦電流損）が所定の値（例えば入力の１％）以下か否かによって判定することができる。

なお、電動アクチュエータの構造材の中には、回転軸と軸受け部のように、金属材料で作成することが好ましい部材も存在する。ここで、「構造材」とは、電動アクチュエータの形状を支えるために使用される部材を意味しており、小さな部品や固定具などを含まない主要な部材を意味している。ロータ材やケース材も構造材の一種である。本発明の電動アクチュエータでは、回転軸と軸受け部以外の主要な構造材は、非磁性で非導電性の材料で形成することが好ましい。

図６は、第１実施例における駆動信号生成回路１００の構成を示している。この回路１００は、バス１０２に接続された動作モード信号生成部１０４と、電子可変抵抗器１０６と、ＣＰＵ１１０とを有している。動作モード信号生成部１０４は、動作モード信号Ｓmodeを生成する。動作モード信号Ｓmodeは、正転と逆転のいずれであるかを示す第１ビットと、ＡＢ相の両方を使用する動作モードとＡ相のみを使用する動作モードのいずれであるかを示す第２ビットとを含んでいる。なお、モータの始動時には、確実に回転方向を決定するためにＡ相とＢ相の２つのコイル列が使用される。但し、モータが動作を開始した後は、要求トルクが少ない運転状態では、Ａ相コイル列とＢ相コイル列の一方だけを使用しても十分に回転を継続することができる。動作モード信号Ｓmodeの第２ビットは、このような場合にＡ相コイル列のみを駆動することを指示するためのフラグである。

電子可変抵抗器１０６の両端の電圧は、４つの電圧比較器１１１〜１１４の一方の入力端子に与えられている。電圧比較器１１１〜１１４の他方の入力端子には、Ａ相センサ信号ＳＳＡとＢ相センサ信号ＳＳＢが供給されている。４つの電圧比較器１１１〜１１４の出力信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢを「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶ。これらの名前の意味については後述する。

マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢは、マルチプレクサ１２０に入力されている。マルチプレクサ１２０は、動作モード信号Ｓmodeに応じてＡ相用のマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの出力端子を切り換え、また、Ｂ相用のマスク信号ＴＰＢ，ＢＴＢの出力端子を切り換えることによってモータを逆転させることができる。マルチプレクサ１２０から出力されたマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢは、２段ＰＷＭ回路１３０に供給される。

２段ＰＷＭ回路１３０は、Ａ相ＰＷＭ回路１３２と、Ｂ相ＰＷＭ回路１３４と、４つの３ステートバッファ回路１４１〜１４４とを有している。Ａ相ＰＷＭ回路１３２には、Ａ相センサ１６Ａ（図１（Ａ））の出力信号ＳＳＡ（以下、「Ａ相センサ信号」と呼ぶ）と動作モード信号Ｓmodeとが供給されている。Ｂ相ＰＷＭ回路１３４には、Ｂ相センサ２６Ｂの出力信号ＳＳＢと動作モード信号Ｓmodeとが供給されている。これらの２つのＰＷＭ回路１３２，１３４は、センサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢに応じてＰＷＭ信号ＰＷＭＡ，＃ＰＷＭＡ，ＰＷＭＢ，＃ＰＭＷＭを発生する回路である。なお、信号＃ＰＭＷＡ，＃ＰＭＷＢは、信号ＰＭＷＡ，ＰＭＷＢを反転した信号である。前述したように、センサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢはいずれも正弦波信号であり、ＰＷＭ回路１３２，１３４はこれらの正弦波信号に応じて周知のＰＷＭ動作を実行する。

Ａ相ＰＷＭ回路１３２で生成された信号ＰＷＭＡ，＃ＰＷＭＡは、２つの３ステートバッファ回路１４１，１４２の２つの入力端子にそれぞれ供給される。これらの３ステートバッファ回路１４１，１４２の制御端子には、マルチプレクサ１２０から与えられたＡ相マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡが供給されている。３ステートバッファ回路１４１，１４２の出力信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２は、Ａ相コイル列用の駆動信号である（以下「Ａ１駆動信号」及び「Ａ２駆動信号」と呼ぶ）。Ｂ相に関しても同様に、ＰＷＭ回路１３４と３ステートバッファ回路１４３，１４４によってＢ相コイル列用の駆動信号ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２が生成される。

図７は、Ａ相ドライバ回路１２０ＡとＢ相ドライバ回路１３０Ｂとを示している。Ａ相ドライバ回路１２０Ａは、Ａ相コイル列１４Ａに、交流駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を供給するためのＨ型ブリッジ回路である。なお、駆動信号を示すブロックの端子部分に付されている白丸は、負論理であり信号が反転していることを示している。また、符号ＩＡ１，ＩＡ２が付された矢印は、Ａ１駆動信号ＤＲＶＡ１とＡ２駆動信号ＤＲＶＡ２によって流れる電流方向をそれぞれ示している。Ｂ相ドライバ回路１３０Ｂの構成もＡ相ドライバ回路１２Ａの構成と同じである。

図８は、第１実施例における各種の信号波形を示すタイミングチャートである。Ａ相センサ信号ＳＳＡとＢ相センサ信号ＳＳＢは、位相が互いにπ／２ずれた正弦波である。Ａ相ＰＷＭ回路１３２は、Ａ相センサ信号ＳＳＡのレベルに比例した平均電圧を有する信号ＰＷＭＡ（図８の上から７番目の信号）を生成する。第１のＡ相マスク信号ＴＰＡは、この信号ＴＰＡがＨレベルの期間では信号ＰＷＭＡをＡ相コイル列１４Ａに印加することを許可し、Ｌレベルの期間ではこれを禁止する。同様に、第２のＡ相マスク信号ＢＴＡも、この信号ＢＴＡがＨレベルの期間で信号ＰＷＭＡをＡ相コイル列１４Ａに印加することを許可し、Ｌレベルの期間ではこれを禁止する。但し、第１のＡ相マスク信号ＴＰＡは、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡがプラス側にあるときにＨレベルとなり、第２のＡ相マスク信号ＢＴＢはＰＷＭ信号ＰＷＭＡがマイナス側にあるときにＨレベルとなる。この結果、Ａ相コイル列１４Ａには、図８の下から２番目に示すような駆動信号ＤＲＶＡ１＋ＤＲＶＡ２が印加される。この説明から理解できるように、Ａ相マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＢは、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡを、Ａ相コイル列１４Ａに印加することを許可する信号と考えることができ、また、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡをマスクしてＡ相コイル列１４Ａに供給しないようにする信号と考えることも可能である。Ｂ相についても同様である。

なお、図８は、大トルクを発生する際の運転状態を示している。このとき、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの両方がＬレベルである期間は小さく、従って、ほとんどの時間においてＡ相コイル列１４Ａに電圧が印加されている。なお、Ａ相センサ信号ＳＳＡの波形の右端には、このときのヒステリシスレベルが示されている。ここで、「ヒステリシスレベル」とは、正弦波信号のゼロレベル付近の無効な（すなわち使用されていない）信号レベルの範囲を意味している。大トルク発生時には、ヒステリシスレベルは極めて小さいことが分かる。なお、ヒステリシスレベルは、電子可変抵抗器１０６の抵抗を変化させて、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢのデューティを変化させることによって変更することができる。

図９は、小さなトルクを発生する際の運転状態を示している。なお、小トルクは高回転であることを意味している。このとき、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢのデューティは図８に比べて小さく設定されており、これに応じて各コイルの駆動信号（ＤＲＶＡ１＋ＤＲＶＡ２），（ＤＲＶＢ１＋ＤＲＶＢ２）のパルス数も減少している。また、ヒステリシスレベルも大きくなっている。

なお、図８と図９を比較すれば理解できるように、第１のＡ相マスク信号ＴＰＡのＨレベルの期間は、Ａ相センサ信号ＳＳＡが極大値を示すタイミング（位相のπ／２の時点）を中心にした対称な形状を有している。同様に、第２のＡ相マスク信号ＢＴＡのＨレベルの期間は、Ａ相センサ信号ＳＳＡが極小値を示すタイミング（位相の３π／２の時点）を中心にした対称な形状を有している。このように、これらのマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡがＨレベルである期間は、Ａ相センサ信号ＳＳＡがピーク値を示すタイミングを中心とした対称な形状を有している。換言すれば、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡのマスク期間は、この信号ＰＷＭＡによって模擬される交流駆動信号（図１（Ｂ）に示す波形）の極性が反転するタイミング（π及び２π）を中心とした時間の範囲において信号ＰＷＭＡがマスクされるように設定されていると考えることも可能である。

ところで、図３（Ａ）で説明したように、Ａ相コイル列１４Ａは、位相が２π近傍ではあまり有効な駆動力を発生しない。位相がπ近傍のときも同様である。また、Ａ相コイル列１４Ａは、位相がπ／２および３π／２の近傍では最も効率良く有効な駆動力を発生させる。上述した図９に示されているように、本実施例の２段ＰＷＭ回路１３０は、モータの要求出力が小さいときには位相がπ及び２πの近傍でＡ相コイル列１４Ａに電圧を印加せず、また、図８，図９に示されているように、位相がπ／２および３π／２の近傍を中心としてＡ相コイル列１４Ａに電圧を印加している。このように、Ａ相マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡは、Ａ相コイル列１４Ａが最も効率良く駆動力を発生させる期間を優先的に使用するようにＰＷＭ信号ＰＷＭＡをマスクしているので、モータの効率を高めることが可能である。なお、位相がπ及び２πの近傍でＡ相コイル列１４Ａに電圧を印加すると、図３（Ａ）で説明したように、Ａ相コイル列１４Ａと磁石列３４Ｍとの間に吸引力が強く働き、ロータを振動させる原因となる。この意味からも、位相がπ及び２πの近傍でＡ相コイル列１４Ａに電圧を印加しないようにすることが好ましい。これらの事情は、Ｂ相コイル列２４Ｂに関しても同じである。但し、図１（Ｂ）に示されているように、Ｂ相コイル列２４Ｂは位相がπ／２と３π／２のタイミングで極性が反転するので、Ｂ相コイル列２４Ｂには位相がπ／２及び３π／２の近傍で電圧を印加しないようにすることが好ましい。

図１０（Ａ）は従来のＤＣブラシモータの特性を示しており、図１０（Ｂ）は第１実施例のモータ特性を示している。これらの図の横軸はトルクであり、縦軸は、６つの特性値（効率、出力、入力、電圧、電流、回転数）を示している。

第１実施例のモータは、ＤＣモータとしての特性を有している。また、従来のＤＣブラシモータと比較すると、第１実施例のモータは、最大トルクが大きく、また、最大出力時における効率が高いという特徴がある。最大出力時における重量トルク比は、従来のブラシモータが０．Ｏ６［Ｗ／ｇ］であるのに対して、第１実施例のモータは０．２８［Ｗ／ｇ］と極めて大きな値を示しており、重量とトルクのバランスの点で優れていることが理解できる。

なお、第１実施例のモータの詳細仕様は以下の通りである。
（１）コイル
・線材：銅
・径：φ０．３［ｍｍ］
・巻数：１５０［巻／ボビン］
・コイル接続：各相を極並列接続（図２（Ｂ））
（２）永久磁石
・直径：φ１４[mm]
・厚さ：５[mm]
・材料：ネオジウム
・平面中心磁束密度：3300[G](0.33[T])
・使用数：2 極＊３組＝６個
（３）ボビン（コイルの芯材）
・直径：φ１５[mm]
・厚み：６[mm]
・材料：フェノール樹脂
・使用数：２相＊２極＊３組＝１２個
（４）ロータ材
・直径：φ４８[mm]
・厚み：５[mm]
・材料：アルミニウム
（５）ケース（本体ケース、蓋）
・直径：５４［mm］
・厚み：２２[mm]
・材料：フェノール樹脂
なお、この例ではロータ材（磁石列構造３０Ｍの支持部材３２Ｍ）としてアルミニウムを使用しているが、非磁性かつ非導電性の材料を使用することも可能である。鉄損を少なくするという点では、ロータ材としてアルミニウムの代わりに非導電性材料を使用することが好ましい。

図１１（Ａ），１１（Ｂ）は、第１実施例のモータの特性を考察するために磁石列３４Ｍの周囲の磁束密度を測定した実験の様子を示している。図１１（Ａ）の実験１では、磁石列３４Ｍの両側を開放した状態で、磁石近傍の磁束密度を磁気センサＭＳで測定した。図１１（Ｂ）の実験２では、磁石列３４Ｍの下側にケイ素鋼板製のヨーク部ＹＫを設けた状態で、磁石近傍の磁束密度を磁気センサＭＳで測定した。実験１，２の結果は以下の通りである。
・実験１の磁束密度測定値：３５００Ｇ
・実験２の磁束密度測定値：４１００Ｇ

実験２のように、ヨーク部ＹＫを設けた場合には、ヨーク部ＹＫと反対側の磁石表面における磁束密度が確かに増加したが、実験１での測定結果からの増加率は約１７％であった。第１実施例のモータでは、図１１（Ａ）のように磁石列３４Ｍの両側が開放された状態において、磁石列３４Ｍの両側の磁束を利用して駆動力を発生させているので、磁石列３４Ｍの片側の２倍の磁束を利用していると考えることができる。従って、第１実施例のモータでは、ヨーク部ＹＫを設けてその反対側にコイルを配置する従来のモータに比べて、永久磁石の磁束をより有効に利用しており、この結果、より大きなトルクを発生させることが可能である。

図１２は、第１実施例のモータの無負荷時の回転数を示している。このグラフから理解できるように、第１実施例のモータは無負荷時に極く低回転数まで極めて安定した回転数で回転する。この理由は、磁性体のコアが無いのでコギングが発生しないからである。

以上のように、第１実施例の電動モータでは、磁石列３４Ｍの両側にコイル列１４Ａ、２４Ｂを設けるとともに、磁性体のコア及びヨークを全く設けない構成としたので、軽量で大きなトルクを得ることができる。また、コギングが無く、極めて低回転数まで安定した回転を維持することができる。

Ｂ．第２実施例（二相モータ）：
図１３（Ａ），１３（Ｂ）は、本発明の第２実施例としての電動モータの構成を示す断面図である。第２実施例のモータは、略円筒状のロータ３０Ｍが、略円筒状の二重構造のステータの間に挿入されたインサートロータ構造を有している。すなわち、２つのコイル列１４Ａ，２４Ｂは、中空の二重円筒構造を構成する２つの円筒部材に配置されており、磁石列３４Ｍはコイル列１４Ａ，２４Ｂの間に挿入された他の円筒部材に配置されている。このように、３つの中空円筒部材を同軸状に重ねた構造を、以下、「中空多重円筒構造」とも呼ぶ。

図１４（Ａ），１４（Ｂ）は、ロータとステータとを分離して示している。図１４（Ａ）に示すステータは、２つのコイル列１４Ａ，２４Ｂを有している。外側にあるＡ相コイル列１４Ａの支持部材１２Ａは、中空円筒状のケースを構成している。このケース１２Ａの円筒面の外側には、磁気遮蔽部材４０が設けられている。この磁気遮蔽部材４０は、磁気がモータの外部に漏れないようにするためのものであり、極く薄い強磁性材料（例えばパーマロイ）で形成されている。但し、磁気遮蔽部材１４０は、磁気回路を構成するためのヨークとしての機能は有していない。なお、モータに使用されている部材がヨークとしての機能を有しているか否かは、前述した図１１のような実験を行って磁束密度を測定することによって調べることができる。例えば、磁気遮蔽部材４０を設けたときに、コイル列１４Ａの表面磁束密度が１０％以上増加する場合にはヨークとしての機能を有していると判定し、１０％未満である場合にはヨークとしての機能を有していないと判定することが可能である。なお、この判定基準は、１０％でなく５％としてもよい。

ステータの内部の基板２２０には、駆動回路ユニット２００が設けられている。この駆動回路ユニット２００は、図６に示した駆動信号生成回路１００と、図７に示したドライバ回路１２０Ａ，１３０Ｂとを含む回路である。駆動回路ユニット２００には、電気配線２１０を介して外部から電源と制御信号とが供給される。

ロータ３０Ｍは、磁石列３４Ｍを有しており、また、中心に軸３７が設けられている。図１４（Ａ）に示すように、ステータの左側の底面には、軸受け部３８が設けられている。また、図１４（Ｂ）に示すように、ロータ３０Ｍの挿入後にケースを閉じるための蓋３９にも、軸受け部３６が設けられている。

なお、図１３（Ｂ）の例では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、それぞれ８つのコイルを有しており、磁石列３４Ｍも８つの磁石を有している。但し、コイルや磁石の数は任意の値に設定することが可能である。

この第２実施例の電動モータも、第１実施例とほぼ同様に動作し、ほぼ同じ効果を有する。この例から理解できるように、本発明の電動アクチュエータは種々の具体的な形態で実現することが可能である。

なお、第２実施例の電動モータは、上述したような中空多重円筒構造を有しているので、第１実施例に比べてロータの振動が少ないという利点がある。すなわち、図３に即して説明したように、磁石列３４Ｍには、コイル列１４Ａ，２４Ｂからの吸引力と反発力に応じて、Ａ相コイル列１４Ａ側に力が働くときと、Ｂ相コイル列２４Ｂ側に力が働くときがある。このような場合には、図４に示した第１実施例の構造（円盤状のロータ３０Ｍが、コイル列１４Ａ，２４Ｂを保持する２つの円盤状部材の間に挿入された構造）では、ロータ３０Ｍが回転しながら上下に振動する可能性がある。これに対して、図１３に示した中空多重円筒構造のモータでは、ロータ３０Ｍを振動させる力（コイル列１４Ａ，２４Ｂからの吸引力と反発力のアンバランス）が回転軸を中心として相殺されるので、このような振動が発生し難いという利点がある。

Ｃ．二相モータの各種の変形例：
図１５（Ａ）〜１５（Ｄ）は、二相モータのコイル列と磁石列の配列に関する第１変形例を示している。この第１変形例のモータは、図１，図３に示した第１実施例のモータのＡ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂのコイルを１／２に間引いてコイルピッチＰｃを２倍にした構成を有している。磁石列３４Ｍの構成は第１実施例と同じである。第１変形例のＡ相コイル列１４Ａは、第１実施例におけるＡ相コイル列１４Ａの２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２（図１）のうちの一方のコイル１４Ａ２を省略したものに相当する。従って、第１変形例のＡ相コイル列１４Ａのすべてのコイルは、常に同じ方向に磁化されている。

図１６（Ａ）〜１６（Ｄ）は、二相モータのコイル列と磁石列の配列に関する第２変形例を示している。この第２変形例のモータは、図１，図３に示した第１実施例のモータのＡ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂのコイルを１／３に間引いてコイルピッチＰｃを３倍にした構成を有している。磁石列３４Ｍの構成は第１実施例と同じである。なお、この第２変形例では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂとの相対的な位置関係は、３π／２だけずれている。これから理解できるように、二相モータのＡ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、電気角でπ／２の奇数倍ずれた位置関係にあれば良い。

図１７（Ａ）〜１７（Ｄ）は、二相モータのコイル列と磁石列の配列に関する第３変形例を示している。この第３変形例のモータは、図１，図３に示した第１実施例のモータの磁石列３４Ｍの磁石を１／２に間引いて磁極ピッチＰｍを２倍にした構成を有している。Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの構成は第１実施例と同じである。

上述した第１〜第３変形例は、第１実施例からコイルの一部または磁石の一部を間引いたものに相当するが、これらの変形例のモータも第１実施例とほぼ同様な原理で動作することが理解できる。但し、磁束の利用効率という点からは、第２，第３変形例よりも第１実施例の方が優れている。

図１８（Ａ）〜１８（Ｄ）は、二相モータのコイル列と磁石列の配列に関する第４変形例を示している。この第４変形例のモータでは、磁石列３４Ｍの両側に上部コイル列４０ＡＢと下部コイル列５０ＡＢとが設けられている。上部コイル列４０ＡＢは、図１，図３に示した第１実施例のモータのＡ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの両方を上方側にまとめたものに相当する。すなわち、上部コイル列４０ＡＢは、Ａ相コイル列１４Ａに含まれる２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２と、Ｂ相コイル列２４Ｂに含まれる２種類のコイル２４Ｂ１，２４Ｂ２とを含んでおり、これらが所定の順番で配置されたものである。下部コイル列５０ＡＢも、第１実施例のモータのＡ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの両方を下方側にまとめたものに相当する。なお、図１８（Ａ）〜１８（Ｄ）では、図示の便宜上、Ａ相コイル列のコイルを実線で描き、Ｂ相コイル列のコイルを破線で描いている。第４変形例のモータは、第１実施例のモータの２倍の数のコイルを有している。なお、コイルピッチＰｃは、Ａ相コイル列のコイル同士のピッチまたはＢ相コイル列のコイル同士のピッチと定義しているので、第４変形例のコイルピッチＰｃは第１実施例と同じである。

第４実施例の上部コイル列４０ＡＢと下部コイル列５０ＡＢは、両方ともにＡ相とＢ相のコイル列を有しているので、上部コイル列４０ＡＢと下部コイル列５０ＡＢの一方を省略することも可能である。但し、磁石の磁束の有効利用という観点からは、上部コイル列４０ＡＢと下部コイル列５０ＡＢの両方を設けておくことが好ましい。

図１９（Ａ）〜１９（Ｄ）は、二相モータのコイル列と磁石列の配列に関する第５変形例を示している。この第５変形例のモータは、図１，図３に示した第１実施例のモータの磁石列３４Ｍの磁石の磁化方向を磁石列３４Ｍの動作方向（図の横方向）に向けたものである。磁極ピッチＰｍは第１実施例と同じであるが、磁石数は第１実施例の１／２である。Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの構成は第１実施例と同じである。但し、Ｂ相コイル列２４Ｂの磁化方向は、図３に示した第１実施例とは逆になる。このように、磁石の磁化方向をロータ（この例では磁石列３４Ｍ）の動作方向に向けても、第１実施例とほぼ同様な動作を行うことが理解できる。

なお、これらの各種の変形例から理解できるように、Ａ相とＢ相のコイル列に含まれるコイル数や、磁石列に含まれる磁石数は種々の値に設定可能である。但し、磁束の利用効率の点からは、各相のコイル列のコイル数と、磁石列の磁極数（または磁石数）が等しいことが好ましい。

Ｄ．第３実施例（三相モータ）：
図２０（Ａ）〜２０（Ｃ）は、本発明の第３実施例における電動モータの概略構成を示す説明図である。この第３実施例例のモータは、Ａ相とＢ相とＣ相の３つのコイル列を有する三相モータである。磁石列７０Ｍは、図３（Ａ）に示した第１実施例の磁石列３４Ｍと同じ構成を有している。磁石列７０Ｍの両側には、上部コイル列６０ＡＢＣと下部コイル列８０ＡＢＣが設けられている。上部コイル列６０ＡＢＣは、Ａ相コイル列のコイル９１Ａ１と、Ｂ相コイル列のコイル９２Ｂ１と、Ｃ相コイル列のコイル９３Ｃ１とを含んでおり、これらが所定の順番で配置されたものである。なお、図２０（Ａ）〜２０（Ｃ）では、図示の便宜上、Ａ相コイル列のコイルを実線で描き、Ｂ相コイル列のコイルを点線で、Ｃ相コイル列のコイルを破線で描いている。下部コイル列８０ＡＢＣも同様に、Ａ相コイル列のコイル９１Ａ２と、Ｂ相コイル列のコイル９２Ｂ２と、Ｃ相コイル列のコイル９３Ｃ２とを含んでいる。なお、上部コイル列６０ＡＢＣのＡ相コイル９１Ａ１と、下部コイル列８０ＡＢＣのＡ相コイル９１Ａ２は、逆方向に磁化されている。これは、Ｂ相コイル及びＣ相コイルも同じである。Ａ相，Ｂ相，Ｃ相の各相のコイルピッチＰｃは、磁極ピッチＰｍの２倍であり、電気角で２πに相当する。上部コイル列６０ＡＢＣのＡ相コイル９１Ａ１は、下部コイル列８０ＡＢＣのＡ相コイル９１Ａ２と電気角でπだけずれた位置に配置されている。Ｂ相コイル及びＣ相コイルも同じである。なお、Ａ相とＢ相とＣ相のコイルは、電気角でπ／３ずつ順次ずれた位置に配置されている。

図２０（Ａ）は、位相が２π直前の状態を示している。位相が２πのタイミングでは、Ａ相コイル列９１Ａ１，９１Ａ２の極性が反転する。図２０（Ｂ）は、位相がπ／３の直前の状態を示している。位相がπ／３のタイミングでは、Ｃ相コイル列９３Ｃ１，９３Ｃ２の極性が反転する。図２０（Ｃ）は位相が２π／３の直前の状態を示している。位相が２π／３のタイミングでは、Ｂ相コイル列９２Ｂ１，９２Ｂ２の極性が反転する。

この第３実施例の三相モータにおいても、Ａ相コイル列９１Ａ１，９１Ａ２の極性（磁化方向）は、Ａ相コイル列９１Ａ１，９１Ａ２の各コイルが磁石列７０Ｍの各磁石と対向するタイミングで切り換えられる。Ｂ相コイル列及びＣ相コイル列も同様である。この結果、すべてのコイルから常に駆動力を発生させ得るので、大きなトルクを発生することが可能である。

なお、第３実施例の三相モータも、第１実施例と同様に、磁性体のコアを有しておらず、磁気回路を構成するヨークも有していない。また、回転軸と、軸受け部以外の構造材は、すべて非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。
図２１は、第３実施例における駆動信号生成回路の構成を示すブロック図である。この駆動信号生成回路１００ａは、図６に示した二相モータ用の回路に、Ｃ相のための回路部分（例えば電圧比較器１１５，１１６）を追加し、また、正弦波発生回路１０８を追加したものである。

正弦波発生回路１０８は、３相のセンサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢ，ＳＳＣに応じて、位相が２π／３ずつ順次ずれた３つの正弦波信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣを発生する。３つの正弦波信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣは、電圧比較器１１１〜１１６に入力され、また、２段ＰＷＭ回路１３０ａにも供給される。なお、マルチプレクサ１２０ａ及び２段ＰＷＭ回路１３０ａは、図６に示したこれらの回路を三相用に変更したものである。２段ＰＷＭ回路１３０ａからは、三相の駆動信号対（ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２），（ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２），（ＤＲＶＣ１，ＤＲＶＣ２）が出力される。なお、各駆動信号の波形は、図８及び図９に示したものとほぼ同じであり、各相の位相差が２π／３である点だけが異なっている。

図２２は、第３実施例におけるドライバ回路の構成を示すブロック図である。このドライバ回路１４０は、コイル列９１Ａ，９２Ｂ，９３Ｃを駆動するための三相ブリッジ回路である。

図２３は、第３実施例のセンサ信号と各相のコイルの励磁方向を示すタイミングチャートである。Ａ，Ｂ，Ｃ相のセンサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢ，ＳＳＣは、電気角でπの長さの期間毎にＨレベルとＬレベルが切り替わるデジタル信号である。また、各相の位相は、２π／３ずつ順次ずれている。図２３の下部には、Ａ，Ｂ，Ｃ相の各コイル列の励磁方向が示されている。各コイル列の励磁方向は、３つのセンサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢ，ＳＳＣの論理演算で決定されている。

図２４（Ａ）〜２４（Ｆ）は、図２３の６つの期間Ｐ１〜Ｐ６における電流方向を示している。本実施例では、Ａ，Ｂ，Ｃ相のコイル列がスター結線されているがデルタ結線してもよい。期間Ｐ１では、Ｂ相コイル列からＡ相とＣ相のコイル列に電流が流れる。期間Ｐ２では、Ｂ相とＣ相のコイル列からＡ相コイル列に電流が流れる。このように、Ａ，Ｂ，Ｃ相の各コイル列に常に電流が流れるように各コイル列を駆動すれば、大きなトルクを発生することができる。

第３実施例の三相モータにおいても、磁石列７０Ｍの両側にコイル列を設け、磁石列７０Ｍの両側の磁束を利用して駆動力を発生させているので、大きな駆動力を得ることができる。また、第３実施例の三相モータも、磁性体のコア及びヨークを全く設けない構成としたので、軽量で大きなトルクを得ることができる。また、コギングが無く、極めて低回転数まで安定した回転を維持することができる。

なお、三相モータも、上記第２実施例のような円筒型モータとして構成することができる。また、上述した第１実施例の各種の変形例と同様な変形を、第３実施例の三相モータにも適用することが可能である。

Ｅ．第４実施例：
図２５は、第４実施例における駆動回路ユニットの内部構成を示すブロック図である。なお、駆動回路ユニット以外のハードウェア構成は、上述した第１実施例と同じなので説明を省略する。

この駆動回路ユニット５００は、ＣＰＵ１１０と、駆動制御部１００と、回生制御部２００と、ドライバ回路１５０と、整流回路２５０とを備えている。２つの制御部１００，２００は、バス１０２を介してＣＰＵ１１０と接続されている。駆動制御部１００とドライバ回路１５０は、電動アクチュエータに駆動力を発生させる場合の制御を行う回路である。また、回生制御部２００と整流回路２５０は、電動アクチュエータから電力を回生する場合の制御を行う回路である。回生制御部２００と整流回路２５０とをまとめて「回生回路」とも呼ぶ。

なお、駆動制御部１００は、図６で説明した駆動信号生成回路１００と同じものである。また、ドライバ回路１５０は、図７で説明したＡ相ドライバ回路１２０ＡとＢ相ドライバ回路１３０Ｂとで構成される回路である。従って、これらの回路１００，１５０の内部構成と動作についての説明は省略する。

図２６は、回生制御部２００と整流回路２５０の内部構成を示す図である。回生制御部２００は、バス１０２に接続されたＡ相充電切換部２０２と、Ｂ相充電切換部２０４と、電子可変抵抗器２０６とを有している。２つの充電切換部２０２，２０４の出力信号は、２つのＡＮＤ回路２１１，２１２の入力端子に与えられている。

Ａ相充電切換部２０２は、Ａ相コイル列１４Ａからの回生電力を回収する場合には「１」レベルの信号を出力し、回収しない場合には「０」レベルの信号を出力する。Ｂ相充電切換部２０４も同様である。なお、これらの信号レベルの切換えは、ＣＰＵ３００によって行われる。また、Ａ相コイル列１４Ａからの回生の有無と、Ｂ相コイル列２４Ｂからの回生の有無とは、独立に設定することができる。従って、例えばＡ相コイル列１４Ａを用いてアクチュエータに駆動力を発生させつつ、Ｂ相コイル列２４Ｂから電力を回生することも可能である。

なお、駆動制御部１００も、同様に、Ａ相コイル列１４Ａを用いて駆動力を発生するか否かと、Ｂ相コイル列２４Ｂを用いて駆動力を発生するか否かとを、独立に設定できるように構成してもよい。例えば、図６の動作モード信号生成部１０４から、Ａ相コイル列１４Ａの駆動の有無を示す信号と、Ｂ相コイル列２４Ｂの駆動の有無を示す信号とを出力できるように動作モード信号生成部１０４を構成すれば良い。このようにすれば、２つコイル列１４Ａ，２４Ｂのうちの任意の一方で駆動力を発生させつつ、他方で電力を回生する運転モードで電動アクチュエータを運転することが可能である。

電子可変抵抗器２０６の両端の電圧は、４つの電圧比較器２２１〜２２４の２つの入力端子の一方に与えられている。電圧比較器２２１〜２２４の他方の入力端子には、Ａ相センサ信号ＳＳＡとＢ相センサ信号ＳＳＢが供給されている。４つの電圧比較器２２１〜２２４の出力信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢは、「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶことができる。

Ａ相コイル用のマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡはＯＲ回路２３１に入力されており、Ｂ相用のマスク信号ＴＰＢ，ＢＴＢは他のＯＲ回路２３２に入力されている。これらのＯＲ回路２３１，２３２の出力は、上述した２つのＡＮＤ回路２１１，２１２の入力端子に与えられている。これらのＡＮＤ回路２１１，２１２の出力信号ＭＳＫＡ，ＭＳＫＢも、「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶ。

ところで、電子可変抵抗器２０６と４つの電圧比較器２２１〜２２４の構成は、図６に示した駆動信号生成回路１００の電子可変抵抗器１０６と４つの電圧比較器１１１〜１１４の構成と同じである。従って、Ａ相コイル用のＯＲ回路２３１の出力信号は、図８に示したマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの論理和を取ったものに相当する。また、Ａ相充電切換部２０２の出力信号が「１」レベルの場合には、Ａ相コイル用のＡＮＤ回路２１１から出力されるマスク信号ＭＳＫＡはＯＲ回路２３１の出力信号と同じものとなる。これらの動作はＢ相についても同様である。

整流回路２５０は、Ａ相コイル用の回路として、複数のダイオードを含む全波整流回路２５２と、２つのゲートトランジスタ２６１，２６２と、バッファ回路２７１と、インバータ回路２７２（ＮＯＴ回路）とを有している。なお、Ｂ相用にも同じ回路が設けられている。ゲートトランジスタ２６１，２６２は、回生用の電源配線２８０に接続されている。

電力回生時にＡ相コイル列１４Ａで発生した交流電力は、全波整流回路２５２で整流される。ゲートトランジスタ２６１，２６２のゲートには、Ａ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＡとその反転信号が与えられており、これに応じてゲートトランジスタ２６１，２６２がオン／オフ制御される。従って、電圧比較器２２１，２２２から出力されたマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの少なくとも一方がＨレベルの期間では回生電力が電源配線２８０に出力され、一方、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの双方がＬレベルの期間では電力の回生が禁止される。

以上の説明から理解できるように、回生制御部２００と整流回路２５０を用いて、回生電力を回収することが可能である。また、回生制御部２００と整流回路２５０は、Ａ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＡ及びＢ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＢに応じて、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂからの回生電力を回収する期間を制限し、これによって回生電力の量を調整することが可能である。

上述したように、本実施例の電動アクチュエータでは、磁性体製のコアが設けられていないので、回生時にもいわゆるコギングが発生せず、なめらかで安定した動作を実現することができる。また、磁気回路を構成するためのヨークが設けられていないので、いわゆる鉄損（渦電流損）が極めて少なく、効率良く回生電力を回収することができる。

なお、第４実施例の駆動回路ユニットは、第１実施例以外の他の実施例や変形例の電動アクチュエータにも適用可能である。

Ｆ．その他の変形例：
（１）上記実施例や変形例では、回転式モータについて説明したが、本発明は、回転式モータ以外の種々の電動アクチュエータに適用することが可能であり、例えばリニアモータにも適用可能である。本発明をリニアモータに適用する場合には、例えば、磁石列の磁石は少なくとも１つ設けられていれば良い。また、本発明は、アクチュエータに限らず、発電機にも適用可能である。

（２）上記実施例では、複数のコイル列がステータを構成し、磁石列がロータを構成していたが、逆の構成にすることも可能である。一般に、本発明は、複数のコイル列と磁石列との相対的な位置が変化可能なアクチュエータや発電機に適用することが可能である。

（３）上記実施例や変形例で使用した回路構成は一例であり、これら以外の種々の回路構成を採用することが可能である。

この発明は、回転式モータやリニアモータなどの種々の電動アクチュエータ及び発電機に適用可能である。

本発明の第１実施例における電動モータの概略構成を示す説明図である。 Ａ相コイル列の２種類のコイルの結線方法の例を示す図である。 第１実施例の電動モータの動作を示す図である。 第１実施例における電動モータの機械的な構造を示す図である。 本発明の実施例としての電動アクチュエータの用途と好ましい材料との関係を示す説明図である。 第１実施例における駆動信号生成回路の構成を示すブロック図である。 第１実施例におけるドライバ回路の構成を示すブロック図である。 第１実施例のモータの大トルク発生時の信号波形を示すタイミングチャートである。 第１実施例のモータの小トルク発生時の信号波形を示すタイミングチャートである。 従来のＤＣブラシモータの特性と第１実施例のモータ特性を比較して示す図である。 第１実施例のモータの特性を考察するために磁石列の周囲の磁束密度を測定した実験の様子を示す説明図である。 第１実施例のモータの無負荷時の回転数を示すグラフである。 本発明の第２実施例としての電動モータの構成を示す断面図である。 第２実施例のステータとロータの構成を示す断面図である。 二相モータのコイル列と磁石列の配列に関する第１変形例を示す図である。 二相モータのコイル列と磁石列の配列に関する第２変形例を示す図である。 二相モータのコイル列と磁石列の配列に関する第３変形例を示す図である。 二相モータのコイル列と磁石列の配列に関する第４変形例を示す図である。 二相モータのコイル列と磁石列の配列に関する第５変形例を示す図である。 本発明の第３実施例における電動モータの概略構成を示す説明図である。 第３実施例における駆動信号生成回路の構成を示すブロック図である。 第３実施例におけるドライバ回路の構成を示すブロック図である。 第３実施例のセンサ信号と各相のコイルの励磁方向を示すタイミングチャートである。 第３実施例の６つの期間Ｐ１〜Ｐ６における電流方向を示す説明図である。 第４実施例における駆動回路ユニットの構成を示すブロック図である。 回生制御部と相対減速用のドライバ回路の内部構成を示す図である。

Claims (2)

1. 電動機であって、
   所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルを含む第１のコイル列と、
   前記所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルを含み、前記第１のコイル列との相対的な位置関係が固定された第２のコイル列と、
   少なくとも１つの磁石を含む磁石列であって、前記第１及び第２のコイル列に対向してＮ極とＳ極とが交互に配置され、前記第１及び第２のコイル列との相対的な位置関係が前記所定の方向に沿って変化可能な磁石列と、
   を備え、
   前記第１と第２のコイル列にそれぞれ対応付けられ前記第１と第２のコイル列に対して固定された磁気センサと、
   前記第１と第２の磁気センサの出力信号を利用して前記第１と第２のコイル列に供給するための第１と第２の交流駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、
   を備えており、
   前記駆動信号生成回路は、前記第１と第２のコイル列のいずれかの極性が反転するタイミング以外の期間において、前記第１と第２のコイル列の両方から同じ駆動方向に同時に駆動力を発生させるように前記第１と第２の交流駆動信号を生成し、
   前記駆動信号生成回路は、
   前記第１と第２のコイル列のいずれかの極性が反転するタイミング以外の期間において、前記第１と第２のコイル列の両方から同じ駆動方向に同時に駆動力を発生させるように前記第１と第２の交流駆動信号を生成することによって大トルクを発生させる第１の運転状態と、
   各交流駆動信号の極性が反転するタイミングを中心とした対称な時間的範囲で各交流駆動信号をマスクすることによって小トルクを発生させる第２の運転状態と、
   を実現可能である、電動機。
2. 電動機であって、
   所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルを含む第１のコイル列と、
   前記所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルを含み、前記第１のコイル列との相対的な位置関係が固定された第２のコイル列と、
   少なくとも１つの磁石を含む磁石列であって、前記第１及び第２のコイル列に対向してＮ極とＳ極とが交互に配置され、前記第１及び第２のコイル列との相対的な位置関係が前記所定の方向に沿って変化可能な磁石列と、
   を備え、
   前記第１と第２のコイル列にそれぞれ対応付けられ前記第１と第２のコイル列に対して固定された磁気センサと、
   前記第１と第２の磁気センサの出力信号を利用して前記第１と第２のコイル列に供給するための第１と第２の交流駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、
   を備えており、
   前記駆動信号生成回路は、前記第１と第２のコイル列のいずれかの極性が反転するタイミング以外の期間において、前記第１と第２のコイル列の両方から同じ駆動方向に同時に駆動力を発生させるように前記第１と第２の交流駆動信号を生成し、
   前記駆動信号生成回路は、前記第１と第２のコイル列のいずれかの極性が反転するタイミング以外の期間において、前記第１と第２のコイル列の両方から同じ駆動方向に同時に駆動力を発生させるように前記第１と第２の交流駆動信号を生成することによって大トルクを発生させる第１の動作モードと、
   前記第１と第２のコイル列のうちの一方のみに前記交流駆動信号を供給することによって小トルクを発生させる第２の動作モードと、
   を実現可能である、電動機。

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