JP2013258813A - ブラシレスモータ、及びブラシレスモータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束密度が低い磁石を使用した場合であっても高トルクを得ることが可能なブラシレスモータ等を提供する。
【解決手段】ブラシレスモータ１００は、３相以上の励磁コイルを有するステータ１２０と、ステータ１２０の内側に回転自在に配置されたロータ１４０と、励磁コイルに流れる励磁電流を制御することでロータ１４０を回転制御する回転制御部１６０と、ロータ１４０の各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する回転検出部１５０と、を備えている。そして、回転制御部１５０は、全ての励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、ロータ１４０の各磁極の周方向中心と励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスモータ、及びブラシレスモータの制御方法に関する。

高寿命が要求される場面では、機械摩擦の少ないブラシレスモータが使用される。特許文献１には、３相の励磁コイルを備え、３相のうちの２相のコイルを順に励磁してロータを回転させるブラシレスモータが開示されている。

特開２０００−１３９０９２号公報

ブラシレスモータのロータには永久磁石が使用される。磁束密度の低い永久磁石は安価である。そのため、磁束密度の低い永久磁石を使用したモータは安価に製造できる。しかし、磁束密度の低い永久磁石を使用したモータは、ロータと励磁コイルとの間の磁力が弱くなるため、高トルクが期待できない。一方、磁束密度が高い永久磁石を使用したモータは、高トルクが期待できる。しかし、磁束密度が高い永久磁石は高価であり、モータの製造コストが高くなる。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、磁束密度が低い磁石を使用した場合であっても高トルクを得ることが可能なブラシレスモータ、及びブラシレスモータの制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点にかかるブラシレスモータは、
３相以上の励磁コイルを有するステータと、
Ｎ極とＳ極が周方向に等間隔に配置され、前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータと、
前記励磁コイルに流れる励磁電流を制御することで前記ロータを回転制御する回転制御部と、
前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する回転検出部と、を備え、
前記回転制御部は、
全ての前記励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての前記励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、
前記回転検出部が前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心との対向を検出したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
ことを特徴とする。

前記回転検出部は、
前記励磁コイルの設置間隔もしくは前記励磁コイルの各相の間隔に対応した角度間隔で配置された発光体と、
前記発光体それぞれに対向して配置され、前記発光体から発せられた光を検出する受光体と、
前記ロータとともに回転し、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングに同期して前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を交互に繰り返す遮光体と、を備え、
前記受光体の光の受光状態に基づき各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出してもよい。

前記発光体と前記受光体は、各相の前記励磁コイルの周方向中心位置に対応した位置に配置され、
前記遮光体は、前記ロータとともに回転する半円形状もしくは扇形状の板状体を備え、半円形の直線部もしくは扇形の各辺が前記ロータの軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線と一致するよう配置され、前記ロータの回転に伴って各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向した時に前記直線部もしくは前記各辺が前記発光体と前記受光体との間を通過することで、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を切り替えてもよい。

前記発光体と前記受光体は、各相の前記励磁コイルの周方向中心位置に対応した位置に配置され、
前記遮光体は、前記ロータとともに回転する円盤状の板状体であり、前記ロータの軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線上に両端部を有する円弧状の通光トラックを有し、前記ロータの回転に伴って各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向した時に前記両端部が前記発光体と前記受光体との間を通過することで、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を切り替えてもよい。

前記受光体は、各相の前記励磁コイルそれぞれに対応しており、他相の前記受光体とは独立して、所定相の前記励磁コイルの周方向中心と前記ロータの各磁極の周方向中心とが対向したタイミングを検出して検出信号を出力し、
前記回転制御部は、前記励磁コイルに流れる励磁電流を制御する複数組のスイッチング素子から構成され、
各組の前記スイッチング素子は、それぞれ１つの相の前記受光体からの前記検出信号に基づいて１つの相の励磁コイルを制御してもよい。

前記ブラシレスモータは、前記ロータの周囲に前記励磁コイルが配置されたインナーロータ型モータであり、
前記ロータは、Ｎ極とＳ極の２つの極性を有する円柱形状の永久磁石から構成され、
前記回転検出部は、Ｎ極側の周方向中心およびＳ極側の周方向中心が前記励磁コイルの周方向中心と対向した時点を検出し、
前記回転制御部は、Ｎ極側の周方向中心およびＳ極側の周方向中心が前記励磁コイルの周方向中心と対向したタイミングで、対向した前記励磁コイルの極性を反対の極性に切り替えてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点にかかるブラシレスモータの制御方法は、
３相以上の励磁コイルを有するステータと、前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータと、を備えるブラシレスモータの制御方法であって、
全ての前記励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての前記励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出し、前記ロータの周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心との対向を検出したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
ことを特徴とする。

本発明によれば、磁束密度が低い磁石を使用した場合であっても高トルクを得ることが可能なブラシレスモータ、及びブラシレスモータの制御方法を提供できる。

本発明の実施の形態に係るブラシレスモータを説明するための軸方向の断面図である。 本発明の実施の形態に係るブラシレスモータを説明するための周方向の断面図である。 励磁コイルの構成を説明するための図である。 回転検出部の構成を説明するための図である。 図４に示すＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線断面図である。 発光体と受光体の設置位置を説明するための図であり（Ａ）は図４に示すＡ−Ａ’線、Ｃ−Ｃ’線断面図、（Ｂ）は図４に示すＡ−Ａ’線、Ｄ−Ｄ’線断面図である。 受光体が信号線で回転制御部と接続された様子を示す図である。 発光体から受光体へ向かう光が遮光体によって遮断される様子を示す図である。 信号線に流れる検出信号が各磁極の周方向中心と各相の励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで切り替わる様子を示す図である。 回転制御部の構成を説明するための図である。 制御回路の構成を説明するための回路図である。 検出信号に基づくスイッチングの様子を示す図であり、（Ａ）は一次コイルから二次コイルに向かって励磁電流が流れる様子を示す図、（Ｂ）二次コイルから一次コイルに励磁電流が流れる様子を示す図である。 受光体の受光状態に基づき各励磁コイルが磁化される様子を示す図である。 ロータの回転に伴って励磁コイルの極性が切り替わる様子を示す図であり、（Ａ）はロータの回転に伴って遮光体が回転する様子を示す図、（Ｂ）は受光体の受光状態が受光から遮光に変化する様子を示す図、（Ｃ）は受光体の受光状態が遮光から受光に変化する様子を示す図である。 本実施の形態のブラシレスモータの効果を説明するための図であり、（Ａ）は従来のブラシレスモータの回転制御方式を説明するための図、（Ｂ）は本実施の形態のブラシレスモータの回転制御方式を説明するための図である。 本実施の形態のブラシレスモータの効果を説明するための図であり、（Ａ）は励磁コイルの極性が切り替わるタイミングが早かったときのブラシレスモータの状態を示す図、（Ｂ）は励磁コイルの極性が切り替わるタイミングが遅かったときのブラシレスモータの状態を示す図である。 本実施の形態のブラシレスモータの効果を説明するための図であり、（Ａ）は励磁コイルの極性が切り替わる前のブラシレスモータの状態を示す図、（Ｂ）は励磁コイルの極性が切り替わった後のブラシレスモータの状態を示す図である。 遮光体の変形例を示す図であり、（Ａ）は４極ロータに対応して遮光体の形状を扇形にした様子を示す図、（Ｂ）は扇形の遮光体によって光が遮断される様子を示す図である。 遮光体の変形例を示す図であり、（Ａ）は円盤状の遮光体に半円弧状の通光トラックを設けた様子を示す図、（Ｂ）は４極ロータに対応して通光トラックの形状を変形した様子を示す図である。 回転検出部の変形例を示す図であり、（Ａ）は発光体の設置位置を示す図、（Ｂ）は遮光体の設置位置を示す図、（Ｃ）は受光体の設置位置を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。

本発明の実施の形態に係るモータ１００は、永久磁石ロータの周囲に複数の励磁コイルが等間隔に配置されたインナーロータ型のブラシレスモータである。モータ１００は、図１に示すように、ハウジング１１０と、ステータ１２０と、シャフト１３０と、ロータ１４０と、回転検出部１５０と、回転制御部１６０とから構成される。

ハウジング１１０は、円筒形の筐体から構成される。ハウジング１１０の内部には、ステータ１２０と、シャフト１３０と、ロータ１４０とが格納されている。

ステータ１２０は、ロータ１４０に回転力を加える固定子である。ステータ１２０は、図２に示すように、ハウジング１１０の内周面に周方向に沿って等間隔に固定された６つの励磁コイル１２１Ｕ、Ｕ’、Ｖ、Ｖ’、Ｗ、Ｗ’から構成される。なお、以下の説明では、理解を容易にするため、励磁コイル１２１ＵとＵ’を「Ｕ相の励磁コイル」、励磁コイル１２１ＶとＶ’を「Ｖ相の励磁コイル」、励磁コイル１２１ＷとＷ’を「Ｗ相の励磁コイル」とよぶ。また、励磁コイル１２１Ｕ、Ｖ、Ｗを「一次コイル」、励磁コイル１２１Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’を「二次コイル」とよぶ。

各相の一次コイルと二次コイルは、それぞれロータ１４０をはさんで対向した状態で設置されている。また、各相の一次コイルと二次コイルは、図３に示すように、それぞれ反対の極性に磁化されるよう、１つの導線でコイルが形成されている。例えば、一次コイルから二次コイルに向かって電流が流れたときに、一次コイルがＮ極に、二次コイルがＳ極に磁化し、二次コイルから一次コイルに向かって電流が流れたときに、一次コイルがＳ極に、二次コイルがＮ極に磁化するようコイルが形成されている。なお、以下の説明では、Ｕ相の励磁コイルを形成する導線を「コイル線１２２Ｕ」、Ｖ相の励磁コイルを形成する導線を「コイル線１２２Ｖ」、Ｗ相の励磁コイルを形成する導線を「コイル線１２２Ｗ」と呼ぶ。コイル線１２２Ｕ、Ｖ、Ｗは、それぞれ回転制御部１６０に接続されている。

シャフト１３０は、図１に示すように、ハウジング１１０の両底面を貫通するよう配置された回転軸である。シャフト１３０は、不図示の軸受により回転自在に構成されている。シャフト１３０の周囲には、図２に示すように、ロータ１４０が配置されている。

ロータ１４０は、シャフト１３０に回転力を加える回転子である。ロータ１４０は、例えば、フェライト磁石等の永久磁石から構成される。ロータ１４０は、円柱形状をしており、Ｎ極とＳ極がそれぞれ周方向の半分を占めている。

回転検出部１５０は、ステータ１２０に対するロータ１４０の相対的な回転位置を検出するための装置である。回転検出部１５０は、図４に示すように、ハウジング１１０の一方の底面に設置されている。回転検出部１５０は不図示の電力供給線で直流電源装置２００と接続されており、直流電源装置２００から供給された電力を使って、各磁極の周方向中心と各励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する。なお、「各磁極の周方向中心と各励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミング」には、各磁極の周方向中心と各励磁コイルの周方向中心とが完全に一致したタイミングのみならず、そのタイミングから励磁コイルが磁極の切替に要する時間分早いタイミングも含まれる。回転検出部１５０は、筐体１５１と、遮光体１５２と、発光体１５３と、受光体１５４とから構成される。

筐体１５１は、内部に遮光体１５２と、発光体１５３と、受光体１５４とを格納した有底円筒形の円筒体である。筐体１５１は、円筒体の軸心がシャフト１３０の軸心と一致するように、一方の底面をハウジング１１０の底面に固定した状態で設置されている。シャフト１３０の一端は、筐体１５１の一方の底面を貫いて筐体１５１の内部に浸入している。浸入したシャフト１３０の周面には、遮光体１５２が固定されている。なお、以下の説明では、筐体１５１の一方の底面（内面側）を内面Ａ、他方の底面（内面側）を内面Ｂとよぶ。

遮光体１５２は、ロータ１４０の周方向中心と各相の励磁コイル１２１の周方向中心とが対向したタイミングに同期して、発光体１５３から受光体１５４へ向かう光の遮光と通光を交互に繰りかえす遮光板である。遮光体１５２は、シャフト１３０に固定された、例えば図５に示すような、半円形状の板である。遮光体１５２は、発光体１５３と受光体１５４の間に、平面がシャフト１３０の軸心と直角をなすよう配置されている。また、遮光体１５２は、直線部分がロータ１４０の軸心と各磁極の周方向中心を結ぶ線と一致するようシャフト１３０に固定されている。

発光体１５３は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光体である。発光体１５３は、各相の励磁コイル１２１に割り当てられた３つの発光体から構成される（以下、３つの発光体をそれぞれ発光体１５３Ｕ、Ｖ、Ｗと呼ぶ）。発光体１５３Ｕ、Ｖ、Ｗは、励磁コイル１２１の設置間隔に対応した角度間隔（ステータ１２０が６つの励磁コイル１２１から構成されるのであれば６０°間隔）もしくは、励磁コイル１２１の各相の間隔に対応した間隔（ステータ１２０がＵ、Ｖ、Ｗ、３相から構成されるのであれば１２０°間隔）で配置されている。例えば、発光体１５３Ｕ、Ｖ、Ｗは、図６（Ａ）に示すように、各相の励磁コイル１２１（例えば、一次コイル）の周方向中心に対応した位置（以下、「周方向中心位置」という。）に配置されている。より具体的には、発光体１５３Ｕは内面Ａの励磁コイル１２１Ｕの周方向中心位置に、発光体１５３Ｖは内面Ａの励磁コイル１２１Ｖの周方向中心位置に、発光体１５３Ｗは内面Ａの励磁コイル１２１Ｗの周方向中心位置に固定されている。

受光体１５４は、フォトダイオードやＣｄＳセル等の受光体である。受光体１５４は、各相の励磁コイル１２１に割り当てられた３つの受光体から構成される（以下、３つの受光体をそれぞれ受光体１５４Ｕ、Ｖ、Ｗと呼ぶ）。受光体１５４Ｕ、Ｖ、Ｗは、それぞれ発光体１５３Ｕ、Ｖ、Ｗと対向する位置、すなわち、図６（Ｂ）に示すように、一次コイルの周方向中心位置に配置されている。より具体的には、受光体１５４Ｕは内面Ｂの励磁コイル１２１Ｕの周方向中心位置に、受光体１５４Ｖは内面Ｂの励磁コイル１２１Ｖの周方向中心位置に、受光体１５４Ｗは内面Ｂの励磁コイル１２１Ｗの周方向中心位置に固定されている。なお、発光体１５３と受光体１５４の設置位置は反対であってもよい。例えば、発光体１５３を底面Ｂに設置し、受光体１５４を底面Ａに設置してもよい。

受光体１５４Ｕ、Ｖ、Ｗは、図７に示すように、それぞれ、６つの信号線１５５Ｕ、Ｕ’、Ｖ、Ｖ’、Ｗ、Ｗ’で回転制御部１６０と接続されている。より具体的には、受光体１５４Ｕは信号線１５５ＵとＵ’で、受光体１５４Ｖは信号線１５５ＶとＶ’で、受光体１５４Ｗは信号線１５５ＷとＷ’で、それぞれ回転制御部１６０と接続されている。信号線１５５Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’は、信号線１５５Ｕ、Ｖ、Ｗが出力する信号とは反対の信号を出力するよう構成されている。例えば、信号線１５５ＵにＯＮ信号（例えば、１Ｖ電圧信号）が出力された場合、信号線１５５Ｕ’にはＯＦＦ信号（例えば、０Ｖ電圧信号）が出力され、信号線１５５ＵにＯＦＦ信号が出力された場合、信号線１５５Ｕ’にはＯＮ信号が出力される。なお、以下の説明では、理解を容易にするため、信号線１５５Ｕ、Ｖ、Ｗを「正信号線」、信号線１５５Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’を「負信号線」と呼ぶ。

受光体１５４Ｕ、Ｖ、Ｗは、受光した光量が所定閾値以上になると、それぞれ、正信号線にＯＮ信号を、負信号線にＯＦＦ信号を出力する。また、受光体１５４Ｕ、Ｖ、Ｗは、受光した光量が所定閾値以下になると、それぞれ、正信号線にＯＦＦ信号を、負信号線にＯＮ信号を出力する。なお、受光体１５４は、例えば図８に示す（ａ）のように、遮光体１５２が受光体１５４の所定量（例えば、半分）を覆うと、信号がＯＮからＯＦＦに、もしくはＯＦＦからＯＮに切り替わるよう閾値が調整されている。なお、閾値はコイルの磁極の切替の遅れを考慮して調整されていてもよい。また、各相の受光体１５４はそれぞれ独立して動作する。そのため、例えば、他相の受光体１５４や発光体１５３が故障して動作しなくなっても、回転制御部１６０に対して信号を出力し続ける。

受光体１５４は、遮光体１５２が受光体１５４の所定量（例えば、半分）を覆うと信号が切り替わるよう閾値が調整されている。そのため、受光体１５４から出力される信号（以下、「検出信号」という。）は、遮光体１５２の直線部が発光体１５３と受光体１５４の間を通過したタイミングで、すなわち、各磁極の周方向中心と各相の励磁コイル１２１の周方向中心とが対向したタイミングで、例えば図９に示すように、ＯＮからＯＦＦに、もしくはＯＦＦからＯＮに切り替わる。

回転制御部１６０は、励磁コイル１２１に流れる励磁電流を制御することでロータ１４０を回転制御する回転制御回路である。回転制御部１６０は、図１０に示すように、可変抵抗１６１と、制御回路１６２とから構成される。

可変抵抗１６１は、ロータ１４０の回転速度を調整するための抵抗である。可変抵抗１６１の一端は直流電源装置２００のプラス極（正極）に、他端は制御回路１６２に接続されている。可変抵抗１６１は、ユーザの操作によって、或いは他の装置からの指示によって抵抗値を変化させ、直流電源装置２００から励磁コイル１２１に供給される電圧値を変化させ、ロータ１４０の回転速度を調整する。

制御回路１６２は、励磁コイル１２１に流れる励磁電流を制御するための回路である。制御回路１６２は、図１１に示すように、Ｕ、Ｖ、Ｗ、各相に対応した３つの制御回路から構成される。３つの制御回路は、それぞれ、４つのスイッチング素子１６３から構成される。より具体的には、Ｕ相の制御回路はスイッチング素子１６３Ｕ１、Ｕ２，Ｕ’１、Ｕ’２から構成され、Ｖ相の制御回路はスイッチング素子１６３Ｖ１、Ｖ２，Ｖ’１、Ｖ’２から構成され、Ｗ相の制御回路はスイッチング素子１６３Ｗ１、Ｗ２，Ｗ’１、Ｗ’２から構成される。

スイッチング素子１６３は、例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチから構成される。スイッチング素子１６３Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１のドレイン端子は、可変抵抗１６１を介して直流電源装置２００の正極と接続されている。また、ソース端子は、スイッチング素子１６３Ｕ’１、Ｖ’１、Ｗ’１のドレイン端子、および、コイル線１２２の一次コイル側に接続されている。また、ゲート端子は、それぞれ、正信号線（信号線１５５Ｕ、Ｖ、Ｗ）と接続されている。

また、スイッチング素子１６３Ｕ’１、Ｖ’１、Ｗ’１のドレイン端子は、スイッチング素子１６３Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１のソース端子、および、コイル線１２２の一次コイル側に接続されている。また、ソース端子は、可変抵抗１６１を介して直流電源装置２００の正極と接続されている。また、ゲート端子は、それぞれ、正信号線と接続されている。

また、スイッチング素子１６３Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２のドレイン端子は、可変抵抗１６１を介して直流電源装置２００の正極と接続されている。また、ソース端子は、スイッチング素子１６３Ｕ’２、Ｖ’２、Ｗ’２のドレイン端子、および、コイル線１２２の二次コイル側に接続されている。また、ゲート端子は、それぞれ、負信号線（信号線１５５Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’）と接続されている。

また、スイッチング素子１６３Ｕ’２、Ｖ’２、Ｗ’２のドレイン端子は、スイッチング素子１６３Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２のソース端子、および、コイル線１２２の二次コイル側に接続されている。また、ソース端子は、可変抵抗１６１を介して直流電源装置２００の正極と接続されている。また、ゲート端子は、それぞれ、負信号線と接続されている。

各相のスイッチング素子１６３は、回転制御中、常にいずれか一方向に励磁電流を流すよう組み合わされている。例えば、Ｕ相を例にとると、受光体１５４Ｕが受光した場合には、図１２（Ａ）に示すように、スイッチング素子１６３Ｕ１とＵ２がＯＮ、スイッチング素子１６３Ｕ’１とＵ’２がＯＦＦされることにより、制御回路は一次コイル側から二次コイル側に励磁電流を流す。また、光が遮断された場合には、図１２（Ｂ）に示すように、スイッチング素子１６３Ｕ１とＵ２がＯＦＦ、制御回路はスイッチング素子１６３Ｕ’１とＵ’２がＯＮにされることにより、一次コイルから二次コイルに励磁電流を流す（つまり、受光体１５４が受光した相の一次コイルはＮ極に、遮光された相の一次コイルはＳ極に磁化される）。なお、制御回路１６２の回路構成は上記に限定されず、さまざまな変形が可能である。

前述したように、各相の受光体１５４は、それぞれ他相の受光体１５４とは独立して検出信号を出力する。また、各相の制御回路は他相の制御回路とは独立して動作する。そのため、スイッチング素子の破壊等により動作できない制御回路があっても、他相の制御回路はそのまま動作をし続ける。

次に、このような構成を有するモータ１００の動作を説明する。

直流電源装置２００に電源を投入すると、直流電源装置２００はモータ１００に電力の供給を開始する。電力の供給を受けて、発光体１５３Ｕ、Ｖ、Ｗは発光を開始する。

遮光体１５２は半円形状の板状体である。そのため、遮光体１５２の直線部を境に、遮光体１５２側に位置する受光体１５４は遮光され、反対に位置する受光体１５４は受光する。遮光された受光体１５４は、正信号線にＯＦＦ信号を、負信号線にＯＮ信号を出力する。一方、受光した受光体１５４は、正信号線にＯＮ信号を、負信号線にＯＦＦ信号を出力する。

スイッチング素子１６３は、受光体１５４から検出信号（ＯＮ信号、ＯＦＦ信号）を受け取ると、受け取った検出信号に基づいて、各スイッチング素子をＯＮまたはＯＦＦにする。前述したように、各相の一次コイルと二次コイルは反対の極性に磁化されるよう構成されている。また、受光体１５４が受光した相の一次コイルはＮ極に、遮光された相の一次コイルはＳ極に磁化されるよう構成されている。そのため、励磁コイル１２１は、遮光体１５２の直線部分を境に、図１３に示すように、遮光体１５２側にある励磁コイル１２１はＳ極に、遮光体１５２の反対側にある励磁コイル１２１はＮ極に磁化される。

励磁コイル１２１が磁化されると、ロータ１４０は回転を開始する。ロータ１４０が回転を開始すると、シャフト１３０に固定された遮光体１５２も、図１４（Ａ）に示すように、一緒に回転を開始する。

遮光体１５２は、ロータ１４０の周方向中心と軸心を結ぶ線に直線部が位置するよう配置されている。そのため、遮光体１５２は、図１４（Ｂ）に示すように、ロータ１４０の周方向中心と励磁コイル１２１の周方向中心とが対向したタイミングで、発光体１５３から受光体１５４に向かう光を遮断する。そうすると、受光体１５４は、正信号線の検出信号をＯＮからＯＦＦに、負信号線の検出信号をＯＦＦからＯＮに切り替える。また、遮光体１５２は、図１４（Ｃ）に示すように、ロータ１４０の周方向中心と励磁コイル１２１の周方向中心とが対向したタイミングで、発光体１５３から受光体１５４に向かう光を通過させる。そうすると、受光体１５４は正信号線の検出信号をＯＦＦからＯＮに、負信号線の検出信号をＯＮからＯＦＦに切り替える。

検出信号が切り替わると、制御回路は、該当のスイッチング素子を反転させる。そうすると、励磁コイル１２１に流れる励磁電流の向きが反転し、励磁コイル１２１の極性は図１４（Ｂ）や図１４（Ｃ）に示すように反転する。回転制御部１６０は、これらの動作を繰り返すことによって、励磁コイル１２１の極性を、ロータ１４０の周方向中心が通過するたびに、反対の極性に切り替える。

本実施の形態によれば、低い磁束密度の永久磁石を使用した場合であっても、モータ１００は大きなトルクを発生させることができる。例えば、従来のブラシレスモータは、図１５（Ａ）に示すように、３相のうちの２相を順に励磁してロータを回転させる。この場合、励磁電流が全く流れない励磁コイルが常に１相存在することになり、本来、得られるはずのトルクより低いトルクしか得られない。しかしながら、本実施の形態のブラシレスモータ１００は、図１５（Ｂ）に示すように、全ての相の励磁コイル１２１を励磁するよう構成されている（以下、この制御方式を「全相励磁方式」という）。そのため、モータ１００は全ての励磁コイル１２１の磁力を使用することができ、その結果、モータ１００は低い磁束密度の永久磁石を使用した場合であっても大きなトルクを発生させることができる。

また、全相励磁方式を使用した場合、極性が切り替わるタイミングが悪いとモータのトルクは逆に低下する。例えば、ロータ１４０の周方向中心と励磁コイル１２１の周方向中心とが対向する前に励磁コイル１２１の極性が切り替わると、例えば図１６（Ａ）に示すように、切り替わった励磁コイル１２１がロータ１４０に対して反発力を加え、それが逆方向の回転力となり、モータ１００のトルクが低下する。また、ロータ１４０の周方向中心が励磁コイル１２１の周方向中心を通過した後に、励磁コイル１２１の極性が切り替わると、図１６（Ｂ）に示すように、切り替わった励磁コイル１２１がロータ１４０に対して吸引力を加え、それが逆方向の回転力となり、モータ１００のトルクが低下する。しかしながら、本実施の形態のモータ１００は、ロータ１４０の各磁極の周方向中心と励磁コイル１２１の周方向中心とが対向したタイミングで励磁コイル１２１の極性が切り替わるよう構成されているので、例えば図１７（Ａ）や（Ｂ）に示すように、励磁コイル１２１がロータ１４０に対して常に順方向の回転力を加え、モータ１００のトルクを低下させない。しかも、励磁コイル１２１がロータ１４０に逆方向の回転力を加えることがないので、コギングの発生も抑制される。

また、ホール素子を使ってロータの回転位置を検出する場合、ハウジング等に複数のホール素子を設置し、各ホール素子が検出した磁力を制御部等で比較してロータの回転位置を算出する必要がある。そのため、ホール素子が故障したり、ホール素子から制御部までの信号線が短絡したりすると、制御部がロータの回転位置を見失い、その結果、モータは即座に動作を停止する。しかしながら、本実施の形態のモータ１００は、受光体１５４が他相の受光体１５４とは独立して動作し、各相の制御回路が他相の制御回路とは独立して各相の励磁コイルを制御する。そのため、受光体１５４の１つが故障したり、信号線１５５の１つが短絡したり、スイッチング素子の１つが破壊されたりしても、モータ１００は動作し続けることができる。

なお、上述の実施の形態は一例であり、種々の変更及び応用が可能である。

例えば、上述の実施の形態では、ロータ１４０を構成する永久磁石の一例としてフェライト磁石を挙げたが、永久磁石はフェライト磁石に限られず、例えば、アルニコ磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジム磁石等、種々の永久磁石を使用可能である。なお、永久磁石は、磁束密度の低いものに限られず、磁束密度の高いものも使用可能である。磁束密度の高い永久磁石を使用した場合あっても、上述の効果を得ることができる。

また、上述の実施の形態ではロータ１４０の一例として２極ロータを示したが、ロータ１４０の極数は２極に限られず、例えば、４極、６極、８極、・・・と、４極以上あってもよい。

ロータ１４０の極数を４極以上とする場合、遮光体１５２の形状は、半円形ではなく扇形であってもよい。この場合、扇形の２つの直線部（以下、「各辺」という。）は、各磁極の周方向中心と各相の励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングに同期して前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を交互に繰り返すように、ロータ１４０の軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線上に配置されていてもよい。例えば、ロータ１４０が図１８（Ａ）に示すような４極ロータの場合、遮光体１５２の形状を中心角が９０°の扇形とし、扇形の各辺は、９０°づつ、遮光と通光を繰り返すように、ロータ１４０の軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線上に、シャフト１３０をはさんで１８０°対向した状態で配置されていてもよい。なお、ロータ１４０を４極ロータとする場合、Ｕ、Ｖ、Ｗ、各相の一次コイルと二次コイルは同じ極性に磁化されるよう構成されていてもよい。このとき、回転制御部１６０は、各磁極の周方向中心と励磁コイル１２１の周方向中心とが対抗したタイミングで、図１８（Ｂ）に示すように、一次コイルと二次コイルを同時に同じ極性に反転させてもよい。

なお、遮光体１５２の形状は半円形や扇形に限られない。例えば、遮光体１５２の形状
は図１９（Ａ）や（Ｂ）に示すような円盤状であってもよい。この場合、円盤状の遮光体１５２に、各磁極の周方向中心と各相の励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングに同期して遮光と通光を交互に繰り返すように、ロータ１４０の軸心と各磁極の周方向中心を結ぶ線上に両端部を有する円弧状の通光トラックが配置されていてもよい。例えば、ロータ１４０の極数が２極の場合、遮光体１５２は、図１９（Ａ）に示すように、各磁極の周方向中心を結ぶ線上に両端部を有する１８０°の円弧状の通光トラックが配置されていてもよい。また、ロータ１４０の極数が４極の場合、遮光体１５２は、図１９（Ｂ）に示すように、各磁極の周方向中心を結ぶ線上に両端部を有する９０°の円弧状の通光トラックが、２つ、対向した状態で配置されていてもよい。ロータ１４０の回転に伴って両端部が発光体１５３と受光体１５４の間を通過することで、検出信号がＯＮからＯＦＦに、ＯＦＦからＯＮに切り替わる。

また、発光体１５３や受光体１５４の設置位置は、内面Ａや内面Ｂの励磁コイル１２１の周方向中心位置に限られない。例えば、発光体１５３や受光体１５４は、図２０（Ａ）や（Ｃ）に示すように、一次コイルの周方向中心位置から角度Ｒだけずらした位置に設置されていてもよい。このとき、遮光体１５２は、ロータ１４０の周方向中心位置に同期して発光体１５３から受光体１５４へ向かう光の遮光と通光を交互に繰りかえすように（つまり、ロータ１４０の各磁極の周方向中心が励磁コイル１２１の周方向中心と対向したときに、発光体１５３や受光体１５４へ向かう光が遮光開始もしくは通光開始されるように）、設置角度が調整されていてもよい。例えば、遮光体１５２は、図２０（Ｂ）に示すように、ロータ１４０の周方向中心位置から、発光体１５３や受光体１５４と同じ角度Ｒだけずらした位置に設置されていてもよい。

また、上述の実施の形態では励磁コイル１２１の相数を３相としたが、励磁コイル１２１の相数は３相に限られない。４相であってもよいし、５相以上であってもよい。また、１相のコイルの数も２つに限られない。１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

また、上述の実施の形態では、モータ１００はインナーロータ型のモータであったが、ステータ１２０の外側にロータ１４０が位置するアウターロータ型のモータであってもよい。

１００ モータ
１１０ ハウジング
１２０ ステータ
１２１ 励磁コイル
１２２ コイル線
１３０ シャフト
１４０ ロータ
１５０ 回転検出部
１５１ 筐体
１５２ 遮光体
１５３ 発光体
１５４ 受光体
１５５ 信号線
１６０ 回転制御部
１６１ 可変抵抗
１６２ 制御回路
１６３ スイッチング素子
２００ 直流電源装置

Claims (7)

1. ３相以上の励磁コイルを有するステータと、
   Ｎ極とＳ極が周方向に等間隔に配置され、前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータと、
   前記励磁コイルに流れる励磁電流を制御することで前記ロータを回転制御する回転制御部と、
   前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する回転検出部と、を備え、
   前記回転制御部は、
   全ての前記励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての前記励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、
   前記回転検出部が前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心との対向を検出したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
   ことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記回転検出部は、
   前記励磁コイルの設置間隔もしくは前記励磁コイルの各相の間隔に対応した角度間隔で配置された発光体と、
   前記発光体それぞれに対向して配置され、前記発光体から発せられた光を検出する受光体と、
   前記ロータとともに回転し、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングに同期して前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を交互に繰り返す遮光体と、を備え、
   前記受光体の光の受光状態に基づき各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記発光体と前記受光体は、各相の前記励磁コイルの周方向中心位置に対応した位置に配置され、
   前記遮光体は、前記ロータとともに回転する半円形状もしくは扇形状の板状体を備え、半円形の直線部もしくは扇形の各辺が前記ロータの軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線と一致するよう配置され、前記ロータの回転に伴って各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向した時に前記直線部もしくは前記各辺が前記発光体と前記受光体との間を通過することで、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を切り替える、
   ことを特徴とする請求項２に記載のブラシレスモータ。
4. 前記発光体と前記受光体は、各相の前記励磁コイルの周方向中心位置に対応した位置に配置され、
   前記遮光体は、前記ロータとともに回転する円盤状の板状体であり、前記ロータの軸心と各磁極の周方向中心とを結ぶ線上に両端部を有する円弧状の通光トラックを有し、前記ロータの回転に伴って各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向した時に前記両端部が前記発光体と前記受光体との間を通過することで、各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングで前記発光体から前記受光体へ向かう光の遮光と通光を切り替える、
   ことを特徴とする請求項２に記載のブラシレスモータ。
5. 前記受光体は、各相の前記励磁コイルそれぞれに対応しており、他相の前記受光体とは独立して、所定相の前記励磁コイルの周方向中心と前記ロータの各磁極の周方向中心とが対向したタイミングを検出して検出信号を出力し、
   前記回転制御部は、前記励磁コイルに流れる励磁電流を制御する複数組のスイッチング素子から構成され、
   各組の前記スイッチング素子は、それぞれ１つの相の前記受光体からの前記検出信号に基づいて１つの相の励磁コイルを制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
6. 前記ブラシレスモータは、前記ロータの周囲に前記励磁コイルが配置されたインナーロータ型モータであり、
   前記ロータは、Ｎ極とＳ極の２つの極性を有する円柱形状の永久磁石から構成され、
   前記回転検出部は、Ｎ極側の周方向中心およびＳ極側の周方向中心が前記励磁コイルの周方向中心と対向した時点を検出し、
   前記回転制御部は、Ｎ極側の周方向中心およびＳ極側の周方向中心が前記励磁コイルの周方向中心と対向したタイミングで、対向した前記励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
7. ３相以上の励磁コイルを有するステータと、前記ステータの内側又は外側に回転自在に配置されたロータと、を備えるブラシレスモータの制御方法であって、
   全ての前記励磁コイルに同時に励磁電流を供給することで、回転制御中、全ての前記励磁コイルをいずれかの極性に磁化するとともに、前記ロータの各磁極の周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心とが対向したタイミングを検出し、前記ロータの周方向中心と前記励磁コイルの周方向中心との対向を検出したタイミングで、対向した励磁コイルの極性を反対の極性に切り替える、
   ことを特徴とするブラシレスモータの制御方法。

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