JP2005192380A - 駆動制御システム - Google Patents

Abstract

【解決課題】 モータの駆動力が伝達されていく過程で機械損失による損失が少なくなるようにした、複数モータの組み合わせ配置によるモータの駆動システムを提供する。
【解決課題】 互いに隣接配置される複数のモータと、このモータの駆動制御回路とを備えてなり、駆動制御回路は、少なくとも一つのモータに励磁信号を送って磁気ロータを駆動させ、他のモータの磁気ロータを、励磁駆動される磁気ロータから発生する磁界と磁気結合によって同期駆動するように構成した。
【選択図】 図１２

Description

本発明は複数の磁性駆動体を組み合わせて、エネルギの伝達機構を構成してなる発明に係わるものであり、特に、複数のモータを組み合わせて駆動するシステムで、あるモータから発生する磁界を他のモータの磁気ロータに磁気結合させて、他のモータに通電することなしにこの他の磁気ロータを同期回転駆動させてなるシステムに関するものである。本発明は、電動生活用品、電動自動車、電動ロボット制御、電動玩具、電動飛行機、自己発電機等に利用することができる。

複数の負荷を駆動させる場合には、一つのモータからの駆動力を、ギヤの伝達機構を介して複数の負荷と結合させることが行われている。図１７はこのことを示す図であり、モータは蓄電エネルギによって駆動され、モータの駆動はギヤ１に伝達されて負荷−１が駆動され、ギヤの回転はギヤ２に伝達されて負荷−２が駆動され、順にギヤＮの回転がギヤＮ＋１に伝達されて負荷−Ｎ＋１が駆動されるようになっている。

なお、本発明に関連する従来例として、特開平１１−２０６０７７記載の扁平形ブラシレス直流モータがある。この従来例によれば、配線基板２５の各回転部材２６，２７に臨む少なくとも一方の表面には、印刷配線によって複数 のコイル３６が形成され、コイル３５に順次通電することにより、配線基板２５の右回り方向に進行する回転磁界が形成され、永久磁石片３１，３２との磁気結合 で回転子２４が回転される、ことが示されている。
特開平１１−２０６０７７公報

しかしながら前記駆動システムによれば、モータの駆動力が伝達されていく過程で機械損失により損失が発生する。そこで、本発明は、このような損失が少ない、複数のモータの組み合わせ配置による駆動伝達制御システムを提供することを目的とする。本発明の他の目的は、機械損失が少なく負荷を駆動可能なモータ駆動伝達制御システムを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、磁性体の複数を配置して、少なくとも一つの磁性体の駆動力が機械的伝達機構を介すること無く他の磁性体に順次伝達されていく機構からなる駆動制御システムであり、少なくとも一つの磁性体が回転することによる磁界を他の磁性体に磁気結合させ、当該他の磁性体を同期駆動させるようにしたことを特徴とするものである。より詳しくは、前記磁性体が磁気ロータを備えるモータからなり、このモータの複数を互いに隣接配置してなるとともに、このモータの少なくとも一つを励磁して駆動させる駆動制御回路を備えてなる駆動システムであり、当該駆動制御回路は、少なくとも一つの前記モータに前記磁気ロータを駆動させるための駆動信号を送るように構成され、かつ、他のモータの磁気ロータは、励磁駆動される磁気ロータから発生する磁界との磁気結合によって、同期駆動されるように構成したことを特徴とする。

この発明によれば、励磁駆動される対象から発生する磁界による磁気結合によって他の駆動対象が同期駆動されるために、駆動の伝達の過程で機械的結合を介する必要が無く、この結果、機械損失が無いエネルギ伝達システムを提供することができる。

さらに、本発明は、前記駆動する磁性体の磁界の強度変化を検出するセンサを設け、このセンサの出力を前記他の磁性体の磁性コイルへ励磁電流として直接供給したことを特徴とする駆動制御システムであり、詳しくは、前記他の磁性体が、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てなり、かつ、前記駆動する磁性体が、駆動源に接続されてなる、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、特にロータである。

この発明によれば、駆動する磁性体から発生する磁界による磁気結合によって他の磁性体が励磁駆動されることに加えて、駆動する磁性体の周期的な磁界の変化をセンサが検出すると、このセンサの周期的な出力が他の磁性体の電磁コイルに供給される。このセンサ出力を他の磁性体の電磁コイルに直接供給することによって、他の電磁コイルと前記移動体との間で周期的な吸引―反発によってこの移動体をさらに回転させることができる。

さらに本発明は、複数の磁性体を配置したシステムからなる駆動体と負荷体の組み合わせにおいて、少なくとも一つの前記駆動体と少なくとも一つの負荷体間で磁気結合による非接触運動伝達を行い、前記負荷体には磁性体の位置検出手段を設け、この検出結果に基づき前記駆動体を励磁させる電磁コイルを設けたことを特徴とする磁気伝達システムであることを特徴とする。

図１乃至図４は、本発明に係わる励磁駆動されるモータの駆動原理を示す模式図を示したものである。このモータは、第１の磁性体（Ａ相コイル）１０及び第２の磁性体（Ｂ相コイル）１２の間に第３の磁性体１４を介在させた構成を備えている。

これら磁性体は環状（円弧状、円状）或いは直線状のいずれに構成されても良い。磁性体が環状に形成された場合は、第３の磁性体又は第１・第２磁性体のいずれかがロータとして機能し、磁性体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。

第１の磁性体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の磁性体の等価回路図を図５に示す。図１−図４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。

図５（１）に示すように、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励磁回路のブロックである。この励磁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５（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。

この励磁回路（駆動制御回路）１８Ａから第１の磁性体１０の電磁コイル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乃至図４に示すように、第３磁性体１４の側の極性がＮ極→Ｓ極→Ｎ極と交互に変化する磁気パターンが形成される。周波数パルス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、第１の磁性体１０に現れる励磁パターンは周期的に変化する。

第２の磁性体１２の構造は、第１磁性体１０と同様であるが、第２磁性体の電磁コイル１８は第１磁性体の電磁コイル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、特許請求の範囲に記載されているように、第１磁性体のコイルの配列ピッチと第２磁性体のコイルの配列ピッチとが所定のピッチ差（角度差）を持つように設定されている。このピッチ差は、永久磁石（第３の磁性体）１４がコイル１６,１８に対して励磁電流の周波数の１周期（２π）に対応して動く距離、すなわち、１対のＮ極とＳ極の合計距離、それの１／４であるπ／２に対応する距離が好適である。

次に第３磁性体１４について説明する。図１乃至図４に示されるように、この第３磁性体１４は、第１の磁性体及び第２の磁性体の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（直線或いは円弧状）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。

第１の磁性体１０と第２の磁性体１２とは等距離を介して、例えば平行に配置されており、第１の磁性体と第２の磁性体との中心位置に第３の磁性体１４が配置されている。第３の磁性体において個々の永久磁石の配列ピッチは、殆ど第１磁性体１０及び第２磁性体１２における磁気コイルの配列ピッチと同じである。

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乃至図４を利用して説明する。既述の励磁回路（図５の１８である。後に説明する。）によって、ある瞬間において第１磁性体及び第２磁性体の電磁コイル１６,１８には、図１の（１）に示すような励磁パターンが発生する。

この時、第１磁性体１０の第３磁性体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、第２磁性体１２の第３磁性体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。ここで、図中実線で表示される矢印は引力を示し、一点鎖線で表示される矢印は反力を示す。

次の瞬間、（２）に示すように、第１の磁性体に駆動回路１８（図５）を介して印加されるパルス波の極性が反転すると、（１）の第１の磁性体１０のコイル１６に発生する磁極と第３の磁性体１４の表面の永久磁石２０の磁極との間に反発力が発生し、一方、第２の磁性体１２のコイル１８に発生している磁極と第３の磁性体１４の永久磁石の表面の磁極との間に引力が発生しているために、（１）乃至（５）に示すように、第３の磁性体は、図示右方向に順次移動する。

第２の磁性体１２のコイル１８に、第１の磁性体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、（６）乃至（８）に示すように、第２の磁性体１２のコイル１８の磁極と第３の磁性体１４の永久磁石２０の表面の磁極とが反発して第３の磁性体１４をさらに右方向に移動させる。（１）乃至（８）は永久磁石がπに対応する距離を移動した場合を示しており、（９）乃至（１６）が残りのπに対応する距離を移動した場合、すなわち、（１）乃至（１６）で電磁コイル１６,１８に供給される周波数信号の１周期分（２π）に相当する距離を第３の磁性体が第１・第２磁性体に対して相対的に移動する。

このように、第１の磁性体（Ａ相）と第２の磁性体（Ｂ相）とに互いに位相が異なる周波数信号をそれぞれ供給することにより、第３の磁性体１４をリニアにスライドさせることができるか、或いは第３の磁性体１４をロータとして回転させることができる。

第１の磁性体、第２の磁性体、及び第３の磁性体を円弧状にすると、図１に示す磁気構造は回転ロータを構成するものとなり、これら磁性体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。すなわち、これら磁性体の構造によって、モータ等の回転駆動体を実現できる。

この磁気構造によれば、第３の磁性体は第１の磁性体及び第２の磁性体から磁力を受けて動くことができるために、第３の磁性体を動かす際のトルクが大きくなり、トルク／重量バランスが優れたものになるので、高トルクで駆動可能な小型モータを提供することが可能となる。

図６は第１の磁性体の電磁コイル（Ａ相電磁コイル）１６、及び第２の磁性体の電磁コイル（Ｂ相電磁コイル）１８に励磁電流を印加するための励磁回路（駆動制御回路）の一例を示すブロック図である。

この励磁回路は、Ａ相電磁コイル１６及びＢ相電磁コイル１８にそれぞれ制御されたパルス周波数信号を供給するように構成されている。符号３０は水晶発振器であり、符号３２Ｉはこの発振周波数信号をＭ分周して基準パルス信号を発生させるためのＤ−ＰＬＬ回路である。

符号３４は第３の磁性体（この場合はロータ）１４の回転速度に対応した位置検出信号を発生するセンサである。このセンサとしてはホールセンサ（磁気センサ）、光学式のものが好適に選択できる。磁気ロータには永久磁石の数に対応する数のホールが形成され、このホールがセンサに対応すると、センサはホールの箇所を通過する毎にパルスを発生させる。符合３４Ａは、Ａ相電磁コイルのドライバ回路に検出信号を供給するためのＡ相側センサであり、符号３４Ｂは、Ｂ相電磁コイルのドライバ回路に検出信号を供給するためのＢ相側センサである。

このセンサ３４Ａ，Ｂからのパルス信号はそれぞれ、第１・第２の磁性体に励磁電流を供給するためのドライバ３２に出力されている。符号３３はＣＰＵでありＤ―ＰＬＬ回路３２Ｉ及びドライバ３２に所定の制御信号を出力する。符合３２Ｇは、Ａ相コイルに励磁信号を出力するＡ相バッファ、３２Ｈは、Ｂ相コイルに励磁信号を出力するＢ相バッファである。

この駆動制御部は、図７に示すように、Ａ相コイル，Ｂ相コイル始動制御部３０２と、センサ追従制御部３０４から構成されている。始動制御部はモータの始動を制御するものであり、センサ追従制御部はモータの始動後基本波をバッファ部に供給することの必要なしに、各相コイルに供給される信号波を、各相センサからの検出パルスを帰還させてこれに追従させ、かつこれに同期させて作る動作を実行する。水晶発信器３０からの周波数がＤ−ＰＬＬ３２Ｉによって分周されて、これが駆動制御部３００に供給されている。

図７において、ＣＰＵ３３からの回転開始／停止指示３０６と回転方向指示３０８が始動制御部３０２とセンサ追従制御部３０４に入力されている。３１０はマルチプレクサであり、始動制御部からの制御出力とセンサ追従制御部からの出力とを切り換る。前記Ｄ−ＰＬＬ３２Ｉからの出力（基本波）は、始動制御部３０２に供給されている。マルチプレクサ３１０には、始動制御部３０２からの出力、センサ追従制御部３０４からの出力（Ａ相駆動、Ｂ相駆動）と、を切り換る切替指令値が始動制御部３０２からマルチプレクサの入力端子ＳＥＬに出力される。始動制御部３０２は、始動後始動制御フェーズからセンサ追従制御フェーズに制御態様を変換するための出力Ｔｉをマルチプレクサ３１０及びセンサ追従制御部３０４へ出力する。

符号３１２はＰＷＭ制御部であり、ＣＰＵ３３からのデューティ比指令値３４０に基づいて、各相コイルに供給される駆動信号のデューティ比が変更される。

図８は、本発明に係わる磁性体をシンクロナスモータとして具体化したものであり、（１）は当該モータの斜視図、（２）はモータ（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。図８に付された符号は、既述の図において対応する構成部分と同じものである。

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、そしてモ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、円環状のロータ（第３磁性体）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８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。

Ａ相センサ３４ＡとＢ相センサ３４Ｂとが、特定の距離Ｔ(π／２に相当する距離)を介して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との距離には、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相当する値が適用される。

既述のとおり、ロータの円周方向の縁には、均等に複数（例えば、ロータの円周方向に均等に配置してある永久磁石の数分、この実施例では６個）のホール３５が形成されている。センサは、発光部と受光部からなる。このホールにはセンサの発光部からの赤外光を常時反射して位置検出時に吸収する部材が適用されている。ロータの本体は、絶縁物あるいは導体によって形成される。

今、Ａ相・Ｂ相センサは、ロータ１４が回転している間既述のホール３５がこのセンサを通過する都度、パルスを発生する。すなわち、ホール３５には光を吸収する凹溝又は光吸収材が設けられ、ホールがセンサを通過する都度、センサの受光部は発光部から発光された光を受光しない。したがって、センサは、ロータ１４の回転速度とホールの数に応じて所定の周波数でパルス波を発生する。

図９は、デューティ比制御された波形特性図であり、Ａ相，Ｂ相の各駆動出力のＨ期間がＣＰＵからの制御の下でデューティ比が変更される。例えば、モータ（負荷）の最大トルク必要時（始動開始時、加速時、及び負荷増加変動時）ではデューティ比を１００％とし、それ以外の例えば、モータの定速運転時、低負荷時等ではデューティを下げれば良い。ＣＰＵは、Ａ相側の磁性体，Ｂ相側の磁性体からのセンサ出力を計測することによりモータの負荷変動を求めて、所定のデューティ比をメモリに設定記憶されたテーブルから決定する。

図１０は図７の回路における波形図を示すものであり、（１）はＤ−ＰＬＬのパルス波であり、（２）はモータのスタートフラグであり、（３）はＡ相センサの出力であり、（４）はＢ相センサの出力であり、（５）はＡ相センサの出力によって出力されるフィリップフロップの出力であり、（６）Ｂ相センサの出力によって出力されるフィリップフロップの出力であり、（７）はＡ相コイルへの出力パルス波形であり、（８）はＢ相コイルへの出力パルス波形であり、（９）はモータの始動期間であり、（１０）は始動期間に相当するカウンタのカウント値を示すものであり、（１Ａ）は、モータの正転／逆転フラグである。図７によるマルチプレクサ３１０は前記（９）の「Ｈ」の期間中（始動期間）、始動制御部３０２からの出力をＰＷＭ制御部３１２に出力し、「Ｌ」の期間中（センサ追従期間）、センサ追従制御部の出力をＰＷＭ制御部３１２に出力している。この出力の切換の様子を（７）、（８）に示す。

今、ＣＰＵから回転方向及び回転指示が始動制御部３０２及びセンサ追従制御部３０４に出力されると、始動制御部は始動期間であることのフラグをメモリ内に立てる（図１０（９）参照）。始動制御部３０２は、Ｄ−ＰＬＬ３２Ｉのパルス波を２π分カウントする（例えば、合計７パルス分）。この期間中（図１０（１０））は、センサからの出力に追従させることなく、図１０の（７）及び（８）に示すように、始動制御部は、Ａ相及びＢ相の各コイルに対する駆動信号をＤ−ＰＬＬからの周波数から作り、これを各相コイルに出力してモータの始動を開始させる。始動制御部は始動期間終了後既述の始動フラグをリセットする。

始動期間終了後、センサ追従制御部３０４は、各相センサの出力（図１０(３),（４））からフィリップフロップ(図１０（５），（６）)を介して各相コイルへの駆動信号を生成する。始動終了後のセンサ追従制御期間中、センサ追従制御部３０４は各相コイルへの駆動信号を生成することにＤ−ＰＬＬの出力を利用していない。ＣＰＵは始動期間終了後、センサ追従制御への切替指令をマルチプレクサ３１０に出力する。マルチプレクサは、始動制御部からの出力をセンサ追従制御部からの出力に切り換えて、これをＰＷＭ制御部３１２に出力する。ＰＷＭ制御部では、各相コイルへの駆動出力のデューティ比が変更調整された後、或いは制御されてこれが各相コイルのバッファ回路３２Ｇ，３２Ｈに送られる。低回転時は、各相センサを用いないで始動期間のみでＤ−ＰＬＬの周波数を変えた回転速度制御をした動作でもよい。

モータの逆転時、逆転指令がＣＰＵから始動制御部或いはセンサ追従制御部に指令されると、逆転フラグが立ち（図１０（１Ａ））、センサ追従制御部３０４はこのフラグ設定後、回転方向変位域期間（図３０の３５０）中のＢ相センサの出力を１回マスクして、マスクしている期間にＢ相コイルの正転時励時信号の極性をＢ相（逆転時）の極性になるように切り換える。これにより、モータの正転から逆転への挙動が円滑になる。又、正転時に逆転フラグをセットし、正転に対する制動効果が得られる。

ここで説明した実施形態によれば、モータの始動後、駆動制御部はＡ相磁性体及びＢ相磁性体への励磁信号を、センサの出力に追従させて形成しているために、モータの負荷変動に正確に対応した励磁信号を各相の磁性体に供給することができる。また、それほどモータにトルクが要求されない場合には、安定回転後Ａ相又はＢ相のどちらかを停止するものでもよい。この場合には、励磁信号が停止された相の磁性体は発電手段，制動制御手段に成り得る。

図１１は既述のＡ相・Ｂ相バッファ回路（３２Ｇ，Ｈ）の詳細図を示すものである。この回路は、Ａ相電磁コイル又はＢ相電磁コイルにパルス波からなる励磁電流を印加する際のスイッチングトランジスタＴＲ１乃至ＴＲ４を含んでいる。また、インバーター３５Ａを含んでいる。 今、信号として「Ｈ」がバッファ回路に印加されると、ＴＲ１がオフ、ＴＲ２がオン、ＴＲ３がオン、ＴＲ４がオフになり、Ｉｂの向きを持った励磁電流がコイルに印加される。一方、信号として「Ｌ」がバッファ回路に印加されると、ＴＲ１がオン、ＴＲ２がオフ、ＴＲ３がオフ、ＴＲ４がオンとなり、Ｉｂとは反対のＩａの向きを持った電流がコイルに印加される。したがって、Ａ相の電磁コイルとＢ相の電磁コイルのそれぞれの励磁パターンを交互に変化することができる。このことは図１において説明したとおりである。但し、Ａ／Ｂ相への励磁時は、トランジスタＴＲ１―ＴＲ４をオフさせることでも可能で、図１１の限りではない。

図１２は、モータを水平方向に複数配列（展開）してなる、駆動システムのブロック図を示すものである。モータの磁気ロータ１８−１〜１８−９は図８のものからそれぞれ構成されているが、中心のロータ１８−５のみが駆動制御手段（回路）３００に接続されて駆動体に相当し、それ以外のロータは駆動電源には接続されておらず、同期駆動される負荷となっている。即ち、中心のロータ１８−５が駆動回路によって励磁回転駆動され、その周囲のロータが、ロータ１８−５が回転した際に発生する回転磁界に磁気結合（非接触伝達駆動）されて同期回転される。駆動モータ（１８−５）を除く、（１８−１〜１８―４・１８―６〜１８―９）は単に負荷側の磁気ロータのみとして構成させることもできる。

同期駆動側のモータのＡ相コイル及びＢ相コイルは駆動制御回路に接続されてなく、必要に応じて発電手段に接続されていても良い。あるいは全てモータの各相コイルを駆動制御手段に接続するが、必要に応じて各モータに駆動制御手段をオン／オフすることにより、励磁駆動側モータと同期駆動側モータとを必要に応じて選択することができる。各モータには負荷を接続することができる。各モータの負荷変動は既述の位置センサの出力変動として検出することができる。

中心にある励磁駆動側のモータが矢印方向に回転すると、同期駆動側のモータがそれぞれ矢印方向に回転する。同期駆動側のモータが回転するとこれに隣接するさらに同期駆動側となるモータも磁気結合により回転する。この時、各ロータ間の駆動力の伝達においては機械損失に基づくエネルギ損失は存在しない。

図１３は、複数の磁気ロータが並列配置されたシステムの機能ブロック図の複数の例である。（１）では駆動源から電力（エネルギ）が励磁駆動側モータに供給される。各同期駆動側モータのコイルはそれぞれ発電機１，２，・・・・Ｎに接続されている。各発電機は電力制御ブロック１，２・・・・Ｎを介してそれぞれ負荷１，２，・・・・Ｎが接続されている。
（２）のブロックが（１）と異なる点は、同期駆動側モータにそれぞれ負荷が接続されていることである。（３）のブロックが（１）のブロックと異なる点は、全ての同期駆動側モータによって共通の負荷が駆動される点である。

図１４はさらに他の実施形態に係わるものであり、同期駆動側モータ７０２の回転位置センサ３４Ａ，Ｂからの信号を励磁駆動側モータ７００のドライバ３００に帰還させてなるものである。図６に示すように、同期駆動側のモータの磁気ロータ１４Ｔの回転位置の位相情報が励磁駆動側のドライバ３００に帰還されることにより、励磁駆動側のモータ７００のドライバは励磁駆動側モータの磁気ロータ１４の回転状態を制御する。この制御された磁気ロータの回転による回転磁界に磁気結合することにより同期駆動側のモータの磁気ロータ１４Ｔが回転され、かつその回転が制御される。図中の矢印が磁気結合を示している。

図１５はさらに他の実施形態に係わるものであり、同期駆動側モータのＡ相コイル１６，Ｂ相コイル１８は、充電回路（エネルギ再生回路）７１０に接続されていることにより、同期駆動側モータの磁気ロータ１４Ｔが同期駆動されることによって、それぞれの相で発生したエネルギが当該充電回路において蓄電手段に蓄えることができる。また、Ａ相エネルギ及びＢ相エネルギをエネルギ制御により同期駆動モータの回転制御を行うこともできる。

図１６は複数のモータを垂直方向（直列方向）に重ね、各モータの磁気ロータ（永久磁石）によって共通の軸１６０を回転させようとするものである。中心にあるモータ１６２が励磁駆動側であり、Ａ相コイル１６及びＢ相コイル１８にそれぞれ励磁用電気信号が出力される。その他のモータ１６６は同期駆動側であり、各Ａ相コイル，Ｂ相コイルはそれぞれ発電・充電制御回路に接続されている。

今、励磁駆動側モータ１６２の磁気ロータが回転すると同期駆動側モータの磁気ロータ１６６が磁気結合によって追従回転する。この結果、全てのモータで軸１６０を回転させる。軸回転速度を減速する場合には、同期駆動側モータを発電・充電制御回路に接続すれば、発電制動によって軸回転速度を減速することが可能となる。また、独立した複数の発電電源を容易に実現することができる。

なお、励磁駆動側のモータへの駆動信号と同期駆動側モータの回転位置センサ出力をＰＬＬ制御によって位相同期させるようにして、励磁駆動側モータと同期駆動側モータとを同速度で回転制御可能である。トルク増幅時以外は同期駆動側のモータのコイルを発電回路に接続すれば良い。モータによって回転される軸は全てのモータに共通になっている。

図１８は図１２の変形例であり、減速機能を備えた伝達システムの機能ブロック図である。１７−１は励磁駆動側の磁気ロータであり、１７−２は同期駆動側の磁気ロータ（減速機）であり、１７−３は同期駆動側の磁気ロータ（被伝達機構）である。符号１７００は磁気ロータ内の永久磁石を示す。１７−１の永久磁石個数（Ｎ:例６個）と、１７−２の永久磁石個数（Ｍ：例１４個）により、１７−１の磁気ロータの回転速度は（Ｎ／Ｍ）倍に減速されて、１７−３の磁気ロータに磁気結合伝達される。この実施例では磁気ロータ１７−３の回転速度がＡ相センサ,Ｂ相センサによって検出される。

図１９は複数のモータを直列方向に組み合わせてなる他の実施形態を示す側面図である。図１９の１８−１は３基のモータの真中に配列された励磁駆動側モータである。このモータの直列方向の両側にある、１８−２,１８−３が同期駆動側のモータである。１８−１のコイル１２,１６に通電することによって磁気ロータ１４が回転する。回転による発生する磁界の変化に磁気結合して同期駆動側のモータの磁気ロータ１４Ｔ,１４Ｓが同期回転する。これにより磁気ロータに結合する軸５００が回転し、軸回転トルクが負荷に伝達される。同期駆動される磁気ロータに対して既述のＡ相センサ,Ｂ相センサが設けられている。

図２０は図１２の変形例を示すものである。この例ではロータ（磁性体）の形状を図示するように変更している。すなわち、ロータを環状体であるディスクから構成し、このディスクの外周に沿って、歯状、特に正弦波曲線状に磁性領域が形成されている。２００は駆動側のロータであり、２１０は従動側(負荷側)のロータである。２１０は磁性領域を示し、２０４は駆動側ロータの回転軸、２０８は従動側ロータの回転軸である。

この磁性領域には、正弦波曲線の形状に沿って、交互に異極となるように複数の磁極要素（永久磁石）２１２が順に配列されている。ロータは非磁性体の円盤２０６からなり、この円盤の外周に沿って既述の磁性領域が形成されている。特に、ロータの外周部において、ロータ中心に向かう複数の短冊領域２１２を決め、この短冊領域に、短冊状の永久磁石を円盤外周に固定するようにした。円盤外周を研削することにより、円盤外周を既述の正弦波状にすることができる。

駆動側ロータ２００の磁性領域２１０と従動側ロータ２０１の磁性領域210は、歯車同士があたかも噛み合うかの如く、両ロータが隣接して配置されている。但し、両ロータの磁性域は、互いに接触することなく僅かな隙間を介して向き合っており、駆動側のロータが回転するとその磁界の方向が変化し、この影響を受けて従動側のロータが回転する。

この時、駆動側の磁性領域における磁極要素の配置と従動側の磁性領域における磁極要素の配置とが、互いに吸引方向に働くように、駆動側及び従動側のそれぞれで磁極要素が配置されている。

すなわち、駆動側ロータ２００の磁性領域２１０と従動側ロータ２０１の磁性領域２１０の結合部（駆動側ロータの凸部と従動側ロータの凹部との結合、又は駆動側ロータの凹部と従動側ロータの凸部との結合）において、駆動側ロータのＮ極と従動側ロータのＳ極とが最も近接して向き合うか、駆動側ロータのＳ極と従動側ロータのＮ極とが最も近接して向き合うようになっている。

したがって、駆動側ロータを回転させると、駆動側ロータの磁極要素と従動側ロータの磁極要素とが、互いに引き合うように磁気作用が働き、従動側ロータが駆動側ロータの回転に同期して回転する。既述のとおり、符号３４Ａは駆動側ロータのＡ相コイルに励磁信号を供給するタイミングを決定するためのセンサであり、３４Ｂは駆動側ロータのＢ相コイルに励磁信号を与えるためのセンサである。この実施形態ではこれらセンサが３０度の差を持って配置されている。

図２０に説明した複数の磁性体の配置構造では、駆動側ロータと従動側ロータの磁性領域が近づき駆動側ロータが回転すると、それぞれの磁性領域で生じている磁界が相互に干渉或いは作用して、これらロータ間での磁気伝達が実現される。すなわち、駆動側ロータの磁性領域と従動側ロータの磁性領域との吸引が駆動側ロータの回転にしたがって順次進行し、従動側ロータの軸２０８回りに回転トルクが発生することにより、従動側ロータが回転する。ここで、ロータ表面の磁性領域は、正弦波曲線から構成していることにより、隣接するロータの磁性領域間で磁極を集中させることができるので、磁気伝達を高効率に達成することができる。

図２１はさらに他の実施形態を示すものであり、この実施形態が図２０のものと異なる点は、隣接するロータの磁極領域における磁極要素の並びについてである。この実施形態では、両方のロータ磁性領域間の結合領域において、磁極の方向が反発するように磁極要素が各ロータの磁性領域２１０に対して配列されている。すなわち、駆動側ロータのＮ極と従動側のロータのＮ極とが、或いは駆動側ロータのＳ極と従動側ロータのＳ極とが向き合って両者の磁極要素間に反発力が発生する。

今、駆動側のロータ２００が回転すると、駆動側ロータ２００の周囲に沿って生じている磁界変化が従動側ロータ２０１の周囲に沿って生じている磁界に作用して、反発力が発生する。駆動側ロータ２００が回転すると磁界が変化し、この変化に伴って反発力が従動側ロータ２０１の周方向に沿って発生し、この発生トルクによって従動側ロータが軸２０８を中心に回転する。

図２２は更に他の実施形態を示すものであり、図２１の実施形態と異なる点は、磁極要素の配列ピッチである。すなわち、図２０の実施形態では、前記磁性領域のラインは正弦波を成すので、あたかもギヤのように複数の歯が配列されているかのような形状を持つが、駆動側ロータの磁性領域の一つの歯がＮとＳのペアで形成されているのに対して、図２２のものでは、駆動側ロータの磁性領域の一つの歯がＮ又はＳ極から構成されている。この実施形態においても、駆動側ロータの磁性領域と従動側ロータとの間の時期的反発力を利用して駆動側ロータの駆動を従動側ロータに伝達させている。図２３の実施形態は、図２２の変形例であり、隣接する磁性ロータ間で反発力が働くように隣接する磁性領域における磁極要素の配列が決められている。

図２４に示すように、複数の従動側のロータ２０１Ａ−２０１Ｃを駆動側ロータ２００に対して複数連結させることにより、多連の磁気伝達システムを構築することができる。なお、図中の矢印がロータの回転方向である。

なお、図１２、図２０―２４に説明した実施形態では、磁気伝達システムを構成する要素が図８に示すモータによって構成されるとしたが、このモータとは関係なく、これらの図に示す形状のロータそのもので、永久磁石によって磁極要素が作られるものでも良い。例えば、駆動側ロータをモータの回転軸に直結し、駆動側ロータの駆動を従動側ロータに磁気伝達するようなものでも良い。また、センサとしてはホール効果を用いた磁気センサでも良い。

図２５は、本発明の他の実施形態に係わるものであり、中央の磁性体２５０は、複数の永久磁石を交互に並べてなるロータであり、図示しない回転駆動源に接続して回転される。この磁性体の回りの磁性体２５２は、図８に示すように、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ロータに対して、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構成されたモータである、既述の実施形態で従動側モータとして説明されたものである。

図２６は、他の磁性体のＡ相駆動回路８４とＢ相駆動回路８６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、センサ出力がアナログの場合（ホール素子）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。

センサとしては、例えばホール素子がある。このホール素子は磁界の変化を検出するものであり、アナログ出力（正弦波）或いはデジタル出力を行う。 この実施形態によれば、中心の磁性体(第１磁性体)を駆動源に結合し、周りの隣接する駆動体（第２磁性体）のセンサ出力を第２の磁性体の励磁信号として用いため、第２の磁性体の駆動開始時（高トルク必要時）に第２の磁性体微弱電流(マイクロオーダアンペアレベル)で駆動することができる。

モータ構造の模式図と動作原理を示したものである。 図１に続く動作原理を示したものである。 図２に続く動作原理を示したものである。 図３に続く動作原理を示したものである。 電磁コイルの接続状態を示す等価回路図である。 モータのドライバ部のブロック図である。 その詳細ブロック図である。 （１）はシンクロナスモータの斜視図、（２）はモータの概略平面図、（３）はその側面図、（４）はＡ相電磁コイル（第１磁性部材）、（５）はＢ相電磁コイル（第２磁性部材）を示したものである。 コイルへ出力される励磁電流のＰＷＭ制御波形特性図である。 図２７のブロック構成による波形特性である。 Ａ相・Ｂ相バッファ回路の詳細図を示すものである。 励磁駆動側モータと同期駆動側モータとを水平方向に並列配置された構造を示すブロック図である。 そのモータ配置における駆動システムのブロック図である。 同期駆動側モータのセンサ出力を励磁駆動側モータのドライバに帰還させた機能ブロック図である。 その同期駆動側モータのコイルから出力されるエネルギを充電制御回路に接続した機能ブロック図である。 励磁駆動側モータと同期駆動側モータとを直線方向に重ねて配置した構造例である。 従来のモータを用いた負荷の駆動システムを示す、ブロック図である。 図１２の変形例である。 図１６の変形例である。 駆動側ロータ(磁性体)と従動側ロータ(負荷側)との配置例を示した平面図である。 その変形例に係わる平面図である。 さらに変形例に係わる平面図である。 さらに変形例に係わる平面図である。 駆動側ロータに対して従動側ロータを複数連結させた配置例荷かかわる平面図である。 本発明の第２の形態に係わる、複数の磁性体の配置例である。 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。

符号の説明

１０：第１磁性部材、１２：第２磁性部材、１４：第３磁性部材、１６,１８：電磁コイル、２０：永久磁石、３００：励磁駆動側モータのドライバ

Claims (27)

1. 複数の磁性体を配置して、少なくとも一つの磁性体を駆動させた時に、その駆動が機械的伝達機構を介すること無く他の磁性体に順次伝達されていく機構からなる駆動制御システムであり、少なくとも一つの磁性体が駆動することによる磁界を他の磁性体に磁気結合させ、当該他の磁性体を同期駆動させるようにした駆動制御システム。
2. 前記同期駆動される磁性体に負荷が結合されてなる請求項１記載のシステム。
3. 前記磁性体が磁気ロータを備えるモータからなり、このモータの複数を互いに隣接配置してなるとともに、このモータの少なくとも一つを励磁して駆動させる駆動制御回路を備えてなる駆動システムであり、当該駆動制御回路は、少なくとも一つの前記モータに前記磁気ロータを駆動させるための駆動信号を送るように構成され、かつ、他のモータの磁気ロータは、励磁駆動される磁気ロータから発生する磁界との磁気結合によって、同期駆動されるように構成した請求項１記載のシステム。
4. 少なくとも一つの前記モータの磁気ロータに、負荷が結合されてなる請求項３記載のシステム。
5. 前記駆動制御回路は、前記同期駆動される磁気ロータの回転位置センサを備え、この回転位置センサからの検出信号を前記駆動制御回路に帰還させ、この駆動制御回路は、前記同期駆動される磁気ロータの状態に応じて前記励磁駆動される磁気ロータを制御するようにした請求項３又は４記載のシステム。
6. 前記駆動制御回路は、前記同期駆動される磁気ロータの駆動状態に応じて、前記励磁駆動されるモータの駆動をＰＬＬ制御するものである、請求項５記載のシステム。
7. 前記駆動制御回路は、前記同期駆動されるロータの駆動状態に応じて、前記励磁駆動されるモータの駆動をＰＷＭ制御するものである、請求項５又は６記載のシステム。
8. 前記複数のモータは互いに２次元方向に並設されてなる請求項３記載のシステム。
9. 前記複数のモータは、互いに所定方向に重ねて配置されてなる請求項３又は８記載のシステム。
10. 前記モータは、第１の磁性体と第２の磁性体と、この磁性体間に配置され、前記第１及び第２の磁性体に対して所定方向に相対的に移動可能な第３の磁性体と、を備えた構造であって、
    前記第１の磁性体及び第２の磁性体のそれぞれは、交互に異極に励磁可能な複数の電磁コイルを順番に配置してなる構成を備えており、前記第３の磁性体は、交互に異極に着磁された永久磁石を順番に配置してなる構成を備えており、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体は、第１の磁性体の電磁コイルと第２の磁性体の電磁コイルとが互いに配列ピッチ差を持つように配置された構成を備えてなる請求項３乃至９の何れか１項記載のシステム。
11. 前記磁性体は、２個の励磁コイルＮ／Ｓ極側とＳ／Ｎ極側を一組とした複数のＮ組を等間隔に配置した相を形成し、この相を少なくとも２相設け各相の励磁コイル配置に角度差を設けて配置させ、かつ各相を対面させその間に他の磁性体を設けた請求項３乃至９の何れか１項記載のシステム。
12. 他の磁性体が交互に異極に着磁された永久磁石である請求項１１記載のシステム。
13. ２相の励磁コイルに対し前記磁性体からなるロータの回転（２π）中において常時全励磁コイルを駆動のため励磁させた請求項１１記載のシステム。
14. 前記センサを、最も大きい負荷に結合された、同期駆動される磁気ロータに対して設けてなる請求項７記載のシステム。
15. 複数の磁性体を配置して、少なくとも一つの磁性体を駆動させた時に、その駆動が機械的伝達機構を介すること無く他の磁性体に順次伝達されていく機構からなり、少なくとも一つの磁性体が駆動することによる磁界を他の磁性体に磁気結合させ、当該他の磁性体を同期駆動させるようにした複数の磁性体の配列構造であって、前記磁性体を環状体から形成し、当該環状体の周囲に沿って交互に異極に着磁された複数の磁極要素を歯状に形成されてなり、隣接する磁性体の歯が互いに接触することなく僅かな隙間を介して設けられている前記構造。
16. 前記歯が正弦波曲線の形状に形成されてなる請求項１５記載の構造。
17. 前記磁極要素が永久磁石から構成されてなる請求項１５記載の構造。
18. 隣接する磁性体の前記歯間における磁気結合が、互いに反発するように前記磁極要素が当該磁性体に配置されてなる請求項１５記載の構造。
19. 隣接する磁性体の前記歯間における磁気結合が、互いに吸引するように前記磁極要素が当該磁性体に配置されてなる請求項１５記載の構造。
20. 前記磁性体の磁極の方向が前記磁性体の周囲に沿って形成されている請求項１５記載の構造。
21. 請求項１５に記載された少なくとも一つの磁性体。
22. 所望の磁性体を駆動側と伝達側のいずれにも使用可能な請求項１記載のシステム。
23. 請求項１記載のシステムにおいて、前記駆動する磁性体の磁界の強度変化を検出するセンサを設け、このセンサの出力を前記他の磁性体の磁性コイルへ励磁電流として直接供給したことを特徴とする駆動制御システム。
24. 前記他の磁性体が、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請求項２３記載のシステム。
25. 前記駆動する磁性体が、駆動源に接続されてなる、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、特にロータである請求項２３又は２４記載のシステム。
26. 前記センサ出力値に他の磁性体に対する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２３―２５のいずれか１項記載のシステム。
27. 複数の磁性体を配置したシステムからなる駆動体と負荷体の組み合わせにおいて、少なくとも一つの前記駆動体と少なくとも一つの負荷体間で磁気結合による非接触運動伝達を行い、前記負荷体には磁性体の位置検出手段を設け、この検出結果に基づき前記駆動体を励磁させる電磁コイルを設けたことを特徴とする磁気伝達システム。

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