JP2000253638A - 光を駆動源とする直流モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光を照射することによって回転する直流モー
タを提供する。 【解決手段】 光電変換素子２０Ｂにレーザ光Ｌが照射
されると、電機子コイル１０には、光電変換素子２０Ｂ
で発生した光電流が供給され、図に示すような向きの回
転トルクが生じる。電機子コイル１０が１／４回転して
磁界Ｈと垂直な状態になると、レーザ光Ｌは一瞬の間絶
縁部３２に照射されるが、その後、光電変換素子２０Ａ
に照射されることになり、ここから電機子コイル１０が
半回転して再び磁界Ｈと垂直な状態になるまでの間、電
機子コイル１０には、光電変換素子２０Ｂで発生される
光電流とは逆向きの光電流が流れ、図に示すような向き
の回転トルクが生じる。このようなことが繰り返され、
直流モータの回転は持続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁モータの内の
ブラシレスモータ、さらに詳しくは、光を照射すること
によって回転する直流モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、永久磁石と電磁石を組み合わ
せた種々の直流モータが考案され、多くが実用化されて
いる。もっとも直流モータの原理を忠実に利用した構造
は、整流機構（ブラシあるいはコミュテータともいう）
を用いたモータで、その構造は、例えば「ＤＣブラシレ
スモータと制御回路」（谷腰欣司：総合電子出版社．19
84年．p．11)等に開示されている。また、いわゆるコア
レスモータも原理はこれと同様である。

【０００３】しかし、これらの直流モータは、機械的な
スイッチとしての摺動部を有する整流機構を採用してい
るため整流機構の摩耗が避けられず、その磨耗によりモ
ータの寿命が制限されるという制約があった。また、摩
耗が進行すると、電磁的なノイズが増すばかりでなく、
モータに過大な電流が流れているにもかかわらず、発生
トルクが少ないという異常を生じる原因にもなる。

【０００４】これらの欠点を解消する目的で、整流機構
を用いない、いわゆるブラシレスモータというものも実
用化され、例えば、前記成本p．13や「精密小形モータ
の基礎と応用」（山田博：総合電子出版社．1975年．ｐ
26）等に開示されている。

【０００５】しかし、従来のブラシレスモータは永久磁
石を回転子として用いることから、モータの回転に伴っ
て永久磁石回転子の磁極の位置が変化することは原理的
に不可避である。このため、モータが一定方向に回転す
るためには，磁極位置の変化に応じ対応したコイルを励
磁する必要があることから、なんらかの方法で永久磁石
回転子の磁極位置を検知しなければならない。さらに、
固定子たる駆動コイルに流す電流（励磁電流）の向きや
大きさを制御する必要があることから、これを制御する
外付けの電子回路をも必要になる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる課題
を解決することを目的としたものであって、すなわち電
機子を回転子としながらも、整流機構等の機械的な摺動
部を排除できる直流モータを提供することにある。

【０００７】また、従来のブラシレスモータでは必須で
あった励磁電流を制御するための電子回路をも不要にで
きる直流モータを提供することにある。

【０００８】さらに、モータを回転させるための電機子
電流を光による光起電力から得る構造とし、非接触でエ
ネルギーの供給を受けながら回転することができる直流
モータを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明は次のように構成される。

【００１０】請求項１に記載の発明では、Ｎ極とＳ極が
対向して配置された磁極間に電機子コイルを回転自在に
支持し、当該電機子コイルに光起電力を供給する光電変
換素子が当該電機子コイルの回転軸を中心として、少な
くとも２つ、軸対象に配置され、これらの光電変換素子
は、前記電機子コイルの端部に取り付けられ、かつ前記
電機子コイルとともに回転するように構成されてなり、
前記少なくとも２つの光電変換素子のうち、いずれか１
つの光電変換素子に向けて光を照射するように構成した
ことを特徴とする。

【００１１】このような構成によれば、光が照射されて
いる側の光電変換素子から電機子コイルに光電流が供給
され、この光電流によって電機子コイルに発生する磁界
と磁極間に発生している磁界との相互作用で電機子コイ
ルが回転することになる。

【００１２】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の光を駆動源とする直流モータにおいて、前記光電変
換素子は、前記電機子コイルの回転軸と軸対称に配置さ
れた２つの光電変換素子が一組として用いられ、これら
２つの光電変換素子は、互いに一方の光電変換素子のア
ノード電極が他方の光電変換素子のカソード電極と接続
され、当該一方の光電変換素子のアノード電極と当該他
方の光電変換素子のカソード電極とを接続するそれぞれ
のラインは、前記電機子コイルの両端子にそれぞれ接続
されていることを特徴とする。

【００１３】請求項３に記載の発明では、請求項２に記
載の光を駆動源とする直流モータにおいて、前記一組の
光電変換素子には、前記電機子コイルの回転に伴って前
記光がいずれか一方の光電変換素子に交互に照射される
ように構成したことを特徴とする。

【００１４】請求項４に記載の発明では、請求項１乃至
請求項３に記載の光を駆動源とする直流モータにおい
て、前記光は、レーザ光であることを特徴とする。

【００１５】請求項５に記載の発明では、請求項１に記
載の光を駆動源とする直流モータにおいて、前記光電変
換素子がモノリシックに形成されていることを特徴とす
る。

【００１６】すなわち、本発明の光を駆動源とする直流
モータでは、例えば、一組の光電変換素子を互いに光起
電力の向きが異なるように接続して２つの電極を構成
し、この２つの電極を電機子コイルの両端に電気的に接
続し、一組の光電変換素子を電機子コイルの一端に取り
付けて、電機子コイルの回転とともに回転するようにす
る。

【００１７】このように構成した直流モータにおいて、
２つの光電変換素子のうちのいずれか一方の光電変換素
子だけに、電機子コイルを回転させるに十分なだけの電
流量を発生させる強度の光を照射すれば、直流モータを
回転させることができる。

【００１８】また、光電変換素子は電機子コイルの一方
の端部に取り付けるようにし、２つの光電変換素子は電
機子コイルの回転軸を中心として軸対称に、かつ回転中
心から等距離に配置する。光電流を発生させるための光
を光ファイバーを用いて導き、いずれか一方の光電変換
素子に光が照射されるようにする。

【００１９】このようにすれば、電機子コイルの回転に
伴って、自動的に２つのうちのいずれかの光電変換素子
に交互に光が照射されるようになる。このため、外部電
子回路を用いることなく、電機子電流の向きを変えるこ
とが可能となり、直流モータを駆動することができる。

【００２０】また、光電変換素子に照射する光は、エネ
ルギー密度の高い光が容易に得られることから、レーザ
光を用いる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００２２】図１は、本発明の直流モータ（光駆動型）
の回転原理を説明するための等価回路図である。

【００２３】磁極Ｎと磁極Ｓに挟まれた磁界中に回転自
在に支持される電機子コイル１０の両端１０Ａ，１０Ｂ
には、図１に示すように、互いに逆の極性同士が電気的
に接続された２つの光電変換素子２０Ａ，２０Ｂが接続
されている。

【００２４】この２つの光電変換素子２０Ａ，２０Ｂ
は、電機子コイル１０の回転軸（図２参照）に取り付け
られており、電機子１０の回転とともに回転するように
なっている。このため、光電変換素子２０Ａ，２０Ｂか
ら回転子である電機子コイル１０に電流を供給する経路
において機械的な摺動部が必要なくなる。

【００２５】光電変換素子２０Ａ，２０Ｂのいずれか一
方にだけ当たるようにレーザ光（スポット光が望まし
い）を照射すると、レーザ光が照射された光電変換素子
２０Ａまたは２０Ｂのいずれかに光起電力が生じ、この
ために電機子コイル１０に電流が流れる。電機子コイル
１０に電流が流れたときに発生する磁界は、磁極Ｎと磁
極Ｓによって発生している磁界との相互作用（ローレン
ツ力）により、電機子コイル１０に回転トルクを生じさ
せる。

【００２６】たとえば、光電変換素子２０Ａにだけレー
ザ光が照射されているとすれば、電機子コイル１０の一
端１０Ａから他端１０Ｂに向かう方向に電流が流れ、こ
の電流に伴って発生する磁界が電機子コイル１０に回転
トルクを与える。また、光電変換素子２０Ｂにだけレー
ザ光が照射されているとすれば、光電変換素子２０Ａに
だけレーザ光が照射されている場合とは逆に、電機子コ
イル１０の一端１０Ｂから他端１０Ａに向かう方向に電
流が流れ、電機子コイル１０に光電変換素子２０Ａにだ
けレーザ光が照射されている場合とは逆向きの磁界を発
生させる。

【００２７】したがって、電機子コイル１０が半回転す
る間は光電変換素子２０Ａにレーザ光が当たるように
し、次の半回転の間は光電変換素子２０Ｂにレーザ光が
当たるように、両光電変換素子２０Ａ，２０Ｂを配置す
る構成を採れば、電機子コイル１０に流れる電流の向き
が半回転ごとに反転するので、電機子コイル１０には磁
極Ｎと磁極Ｓによって発生している磁界の影響により常
に同じ向きの回転トルクが生じ、電機子コイル１０が連
続的に回転するようになる。本発明の直流モータでは、
電機子コイル１０の半回転ごとの光電変換素子へのレー
ザ光の切り替えが電機子コイル１０自体の回転によって
自動的に行なえるように構成してある。

【００２８】図２は、上記の原理に基づいて回転する直
流モータの概略構成図である。

【００２９】例示した直流モータは、電機子コイル１０
が回転する回転電機子型のモータである。電機子コイル
１０は、２つの光電変換素子２０Ａ，２０Ｂと２つの電
極を介して図１に示したように結線されている。光電変
換素子２０Ａ及び２０Ｂは、それぞれが基板３０上で半
円形状にモノリシック形成されている。基板３０は円形
を成し、電機子コイル１０の回転軸Ｘとその中心が一致
するように電機子コイル１０の１端部に固定して取り付
けられている。したがって、光電変換素子２０Ａ，２０
Ｂと電機子コイル１０との相対的な位置は不変であり、
光電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、電機子コイル１０の回
転とともに回転することになる。このため、光電変換素
子２０Ａ，２０Ｂから電機子コイル１０に電流を供給す
る経路になんらの機械的な摺動部を介在させる必要はな
い。また、光電変換素子２０Ａ，２０Ｂは、電機子コイ
ル１０の回転軸の片端に取り付けているので、回転軸の
もう一方の端部から外部にトルクを取り出すことは容易
である。

【００３０】また、回転軸が基板３０を貫くように構成
することもできる。

【００３１】なお、図２では、電機子コイル１０を含む
回転子の軸受けは図示していないが、軸受けは次のいず
れの位置にあっても良い。すなわち、電機子コイル１０
から見て回転軸の片側にのみ設けても良いし、通常のモ
ータのように回転軸の両側に設けてもよい。また、図２
では発明の理解を容易にするために電機子コイル１０は
１ターンのものを例示しているが、トルクの仕様に応じ
て多数回巻にすることはもちろんである。

【００３２】上記した２つの光電変換素子２０Ａと２０
Ｂは、絶縁部３２を介し、電機子コイル１０の回転軸Ｘ
を中心として軸対称に取り付けられている。光電変換素
子２０Ａ，２０Ｂのそれぞれの受光部は、回転軸Ｘを中
心とする異なる半径の２つの同心円の円弧をその輪郭線
とする２つ割りのドーナツ状に形成されている。電機子
コイル１０が回転するためのエネルギーを供給するレー
ザ光Ｌは、光ファイバ４０により二つのうちいずれか一
方の光電変換素子２０Ａまたは２０Ｂにのみ照射される
ように構成してある。

【００３３】電機子コイル１０と光電変換素子２０Ａ，
２０Ｂとの取り付け位置の関係及びレーザ光の照射位置
の関係は、図２に示すような関係とすることが好まし
い。つまり、図２に示すように、電機子コイル１０のコ
イル面（電機子コイル１０が含まれる面）と磁極Ｎと磁
極Ｓによって発生している磁界Ｈが平行になっていると
きに、光電変換素子２０Ａと２０Ｂとを分離する絶縁部
３２の軸線Ｚが磁界Ｈと直角になるような位置関係にな
るように電機子コイル１０に基板３０を取り付ける。こ
の状態のときに、レーザ光Ｌは、図２に示すように、光
電変換素子２０Ａまたは２０Ｂの磁界Ｈ方向に最も膨ら
んでいる部分に照射されるようにする。

【００３４】換言すれば、発生するトルクが０となる角
度に電機子コイル１０が位置したときに、電機子コイル
１０に流れる電流の向きが切り替わるように、すなわ
ち、レーザ光が２つの光電変換素子２０Ａ，２０Ｂのう
ち一方からもう一方に照射されるように、２つの光電変
換素子２０Ａ，２０Ｂを取り付ける。このようにすれ
ば、通常のブラシモータのように、トルク角が常にπ/2
となるため、最も効率的に回転トルクを発生させること
ができる。

【００３５】このような位置関係にある場合に、図２に
示すように光電変換素子２０Ｂにレーザ光Ｌが照射され
ると、電機子コイル１０には、光電変換素子２０Ｂで発
生した光電流が供給され、図に示すような向きにトルク
が生じる。この結果、電機子コイル１０はその回転軸Ｘ
を中心として回り始める。電機子コイル１０が１／４回
転して磁界Ｈと垂直な状態になると、レーザ光Ｌは光電
変換素子２０Ａと２０Ｂとを分離する絶縁部３２に照射
されることになり、一瞬の間、光電変換素子２０Ａと２
０Ｂのいずれからも光電流が供給されなくなる。ところ
が電機子コイル１０は慣性で回転を続けるので、次の瞬
間から、レーザ光Ｌは光電変換素子２０Ａに照射され、
ここから電機子コイル１０が半回転して再び磁界Ｈと垂
直な状態になるまでの間、電機子コイル１０には、光電
変換素子２０Ｂで発生される光電流とは逆向きの光電流
が流れ、図に示すような向きにトルクが生じる。このよ
うなことが繰り返され、電機子コイル１０には常に同じ
向きに回転を生じさせるような回転トルクが与えられ、
本発明の直流モータの回転は持続されることになる。

【００３６】このように、本発明の直流モータで採用し
ている構成によれば、モータ自身の回転によって、光電
変換素子２０Ａ，２０Ｂから電機子コイル１０に供給さ
れる電流の向きが交番し、かつその電流の向きの変化に
際しては、機械的な切り替え（スイッチング）は一切不
要であり、非常に簡単な構成のブラシレスモータが実現
できることとなる。さらに、従来のブラシレスモータで
は必須であった回転子の位置検知機構や励磁電流のスイ
ッチング回路等も用いる必要はなくなる。

【００３７】なお、光電変換素子２０Ａ，２０Ｂに照射
する光は、本実施の形態でも例示しているように、エネ
ルギー効率や実用性の点から、光ファイバ４０で導いた
レーザ光Ｌを用いることが好適である。レーザ光Ｌを用
いれば、直流モータの駆動に十分な強度の光を容易に得
ることができ、かつ光ファイバ４０で導いたレーザ光Ｌ
は、光電変換素子２０Ａ，２０Ｂの小さな受光部にも正
確にスポット的に照射することができるからである。

【００３８】また、光電変換素子２０Ａ，２０Ｂの材料
は、単結晶シリコン、多結晶あるいはアモルファスシリ
コン、ゲルマニウム、または化合物半導体を用いたもの
など、直流モータの駆動に必要な電力が発生できるもの
であれば種類を問わないが、光電変換効率やこれと関連
するが、十分な電機子電流をまかなえるだけの光電変換
素子の大きさ等を考慮すると、単結晶シリコンまたは化
合物半導体が好適である。

【００３９】光電変換素子２０Ａ，２０Ｂの材質や設計
にも依存するが、光電変換素子２０Ａ，２０Ｂの材質と
して単結晶シリコンを用いた場合には、レーザ光の波長
は０．６μｍから１．１μｍの可視光ないし近赤外光が
適している。この範囲の波長で十分な光強度が得られれ
ばレーザの種類は問わないが、たとえば、半導体レーザ
やＮｄ：ＹＡＧレーザなどを用いることができる。た
だ、小型であることや携帯性、コスト等を考慮すると使
用するレーザは、半導体レーザが好適である。

【００４０】磁極Ｎと磁極Ｓを構成する永久磁石は、従
来の直流モータに用いられているもので差し支えない
が、直流モータの回転トルクは、この磁石で発生する磁
界の強さに比例するため、十分に強力な磁力を発生させ
得るものであることが必要である。磁界が強ければ、同
じ回転トルクを得る上で、電機子コイル１０で発生させ
るべき磁束がそれだけ少なくて済むからである。すなわ
ち、これは光電変換素子２０Ａ，２０Ｂから出力される
光電流が少なくて済むか、あるいは、電機子コイル１０
の巻数が少なくて済むことを意味し、結果として直流モ
ータの小型化に繋がることになる。

【００４１】これらの観点から、永久磁石としてはフェ
ライト磁石、アルニコ磁石あるいは希土類磁石などが使
用できる。この中でも、小さな体積で強い磁界が発生で
きる希土類磁石が好適である。永久磁石の体積が小さい
こと、またコイルの巻数が少ないことは、モータの小型
化や製造コストの低減に有利である。

【００４２】図３は、２つ一組の光電変換素子２０Ａ，
２０Ｂをモノリシックに形成した単一チップの構造を示
す図であり、図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。本実
施の形態では、この図に示すように、２つ−組の光電変
換素子２０Ａ，２０Ｂを基板３０上でモノリシックに単
一チップ状に形成して、互いの位置を高精度に設定して
いる。

【００４３】これらの図において、回転軸Ｘを中心とす
る半円形状の２つのｎ型シリコン部分３４は下地である
ｐ型シリコン基板３０の上に成長させたエピタキシャル
層である。２つのｎ型シリコン部分３４の上にそれぞれ
形成した２つのｐ型シリコン領域３６は、この部分だけ
にアクセプタ不純物（ボロン、Ｂ）を選択的に導入した
もので、光電変換素子２０Ａ，２０Ｂの内部バイアスを
もたらすｐｎ接合を形成している。このｐ型シリコン領
域３６は、光電変換素子２０Ａ，２０Ｂの受光部を構成
し、レーザー光Ｌは、図３に示すようにこの受光部にス
ポット状に照射される。この光電変換素子間の絶縁は、
ｎ型シリコン部分３４とｐ型シリコン基板３０で構成さ
れるｐｎ接合の逆バイアスによって実現される。

【００４４】なお、図３では、図を簡単にするために、
外形線、エピタキシャル層を除去した結果生じる段差、
及びｐｎ接合の境界線のみを示してある。

【００４５】図４に示すように、回転軸Ｘを挟んで左右
に対称に形成した二つの光電変換素子２０Ａ，２０Ｂ
は、ｐ型シリコン基板３０を共通の基板としている（モ
ノリシック構造）が、ｐｎ接合の逆バイアスを利用して
互いに電気的には絶縁してある。その上で、図１に示し
た回路となるように電気配線（図示せず）が施されてい
る。

【００４６】２つの光電変換素子２０Ａ，２０Ｂが個々
のチップに分かれている場合は、実装・組み立て工程に
おいてそれぞれについて位置あわせが必要であるため工
程が煩雑になるが、本実施の形態のように、モノリシッ
ク構造として光電変換素子２０Ａ，２０Ｂを形成すれ
ば、単一チップの中心をモータの回転軸の中心と一致さ
せるような位置合わせをすれば済むため組み立て工程は
簡略化できることになる。

【００４７】なお、図３には、ｎ ｏｎ ｐ型のエピタキ
シャル基板を用いたモノリシック光電変換素子の構造を
示したが、ｐ型シリコン、ｎ型シリコンを入れ替えたｐ
ｏｎ ｎ型のエピタキシャル基板を用いても良い。この
場合は、ｐ型シリコン中にｐｎ結合を形成するための不
純物としてボロンではなく、リン（Ｐ）またはヒ素（Ａ
ｓ）を用いる。

【００４８】また、本実施の形態では、基板や光電変換
素子の形を円形としたが、作製工程に応じて多角形とし
てもよい。

【００４９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、機
械的な摺動部を有する整流子を用いることなく、照射し
た光のエネルギーによって直流モータを駆動し、トルク
を得ることができる。このため、従来のブラシモータに
伴っていた電磁的、機械的ノイズが減少する。

【００５０】直流モータの回転に要するエネルギーは、
すべて光で供給されるため、外部から直流モータに電気
配線を設ける必要がない。このように、エネルギーは非
接触で供給されるため、従来のブラシモータでは不可欠
であった整流子（ブラシ）が不要となり、部品コストと
組立コストが低減できるだけでなく、直流モータの小型
化にも効果的である。

【００５１】レーザ光でエネルギーを供給する仕組みで
あるため、エネルギー伝達経路（光ファイバ）は電磁
的、機械的ノイズを発生することがなく、周囲の電磁環
境に与える悪影響をなくすことができる。また、外部の
電磁ノイズによる干渉も受けにくい。

【００５２】また、いわゆるブラシレスモータでありな
がら、回転子（電機子コイル）の位置検知機構や外付け
の励磁電流スイッチング回路が不要である。したがっ
て、これらの機構、回路に要していたコスト、スペース
が削減でき、安価なモータを提供することができる。

【００５３】さらに、本発明の直流モータは、回転子位
置検知機構が不要でありながら、トルク角を常にπ/2に
維持できる仕組みであるため、原理的に最も効率的にト
ルクが発生でき、強力な直流モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の直流モータ（光駆動型）の回転原理
を説明するための等価回路図である。

【図２】 図１に示した回転原理に基づく直流モータの
概略構成図である。

【図３】 ２つ一組の光電変換素子をモノリシックに形
成した単一チップの構造を示す図である。

【図４】 図３のＡ−Ａ断面図である。

【符号の説明】

１０ 電機子コイル １０Ａ，１０Ｂ コイル端 ２０Ａ，２０Ｂ 光電変換素子 ３０ 基板 ３２ 絶縁部 ４０ 光ファイバ Ｈ 磁界 Ｌ レーザ光 Ｘ 回転軸 Ｚ 絶縁部の軸線

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎ極とＳ極が対向して配置された磁極間
   に電機子コイルを回転自在に支持し、当該電機子コイル
   に光起電力を供給する光電変換素子が当該電機子コイル
   の回転軸を中心として、少なくとも２つ、軸対象に配置
   され、これらの光電変換素子は、前記電機子コイルの端
   部に取り付けられ、かつ前記電機子コイルとともに回転
   するように構成されてなり、前記少なくとも２つの光電
   変換素子のうち、いずれか１つの光電変換素子に向けて
   光を照射するように構成したことを特徴とする光を駆動
   源とする直流モータ。
2. 【請求項２】 前記光電変換素子は、前記電機子コイル
   の回転軸と軸対称に配置された２つの光電変換素子が一
   組として用いられ、これら２つの光電変換素子は、互い
   に一方の光電変換素子のアノード電極が他方の光電変換
   素子のカソード電極と接続され、当該一方の光電変換素
   子のアノード電極と当該他方の光電変換素子のカソード
   電極とを接続するそれぞれのラインは、前記電機子コイ
   ルの両端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする
   請求項１に記載の光を駆動源とする直流モータ。
3. 【請求項３】 前記一組の光電変換素子には、前記電機
   子コイルの回転に伴って前記光がいずれか一方の光電変
   換素子に交互に照射されるように構成したことを特徴と
   する請求項２に記載の光を駆動源とする直流モータ。
4. 【請求項４】 前記光は、レーザ光であることを特徴と
   する請求項１乃至請求項３に記載の光を駆動源とする直
   流モータ。
5. 【請求項５】 前記光電変換素子がモノリシックに形成
   されていることを特徴とする請求項１に記載の光を駆動
   源とする直流モータ。