JPH09215372A

JPH09215372A - 動力発生装置及びその応用機器たる掃除機

Info

Publication number: JPH09215372A
Application number: JP8019597A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Asada; 和彦麻田; Hidekazu Yamashita; 秀和山下
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-02-06
Filing date: 1996-02-06
Publication date: 1997-08-15
Anticipated expiration: 2016-02-06
Also published as: JP3555297B2

Abstract

(57)【要約】【課題】交流電源入力の単相一石（双方向スイッチン
グ回路使用）の簡単な構成で、必要な力を得ること。【解決手段】第１の物体５１と、第２の物体５２と、
交流電源５３と、双方向スイッチング素子６０を有し、
駆動回路６０は、位置検知手段７２と極性検知回路６２
の排他的論理和に応じて双方向スイッチング素子６０の
開閉を行うことにより、巻線６６に適切な向きの電流を
供給する。以上の構成により、交流電源５３を入力と
し、単相でかつ双方向スイッチング回路６０が１個の簡
単な構成でありながらも必要な力（あるいはトルク）が
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、家庭用および産業
用に使用されるモータやリニアモータなど、機械的にパ
ワーを取り出して負荷に供給する装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術における、一般にＤＣブラシ
レスモータと呼ばれる動力発生装置の回路図を図１０に
示す。図１０の動力発生装置は、一般に固定子と呼ばれ
る第１の物体１と、第１の物体１の内側に回転自在に設
けられ、一般に回転子と呼ばれる第２の物体２を有して
いる。第２の物体２は、永久磁石３、永久磁石４、磁性
体５、出力軸６により成り立っていて、永久磁石３は磁
性体５の表面にＮ極が外側になるように接着されてお
り、永久磁石４は磁性体５の表面にＳ極が外側になるよ
うに接着されている。出力軸６は、磁性体５の中心に取
り付けられていて、回転の動力を外部の機械的な負荷に
取り出すために設けられている。

【０００３】第１の物体１は、鉄心７、巻線８ａ、巻線
９ａ、巻線１０ａ、巻線８ｂ、巻線９ｂ、巻線１０ｂに
よって構成されており、巻線８ａ、巻線９ａ、巻線１０
ａ、巻線８ｂ、巻線９ｂ、巻線１０ｂはいずれも、第２
の物体２が回転した場合、永久磁石３および永久磁石４
が発生する磁束を受ける位置に巻かれ、巻線８ａと巻線
８ｂは直列に接続され、巻線９ａと巻線９ｂは直列に接
続され、巻線１０ａと巻線１０ｂは直列に接続されてい
る。鉄心７は、磁気回路の磁気抵抗を減らす作用をする
もので、永久磁石３および永久磁石４から発生する磁束
が巻線８ａ、巻線９ａ、巻線１０ａ、巻線８ｂ、巻線９
ｂ、巻線１０ｂに作用する際、その磁束を大にする作用
をしている。

【０００４】交流電源１１は、１００Ｖ６０Ｈｚで、一
般に商用電源とも呼ばれるものである。交流電源１１の
出力は、全波の整流回路１２に接続されている。整流回
路１２は、ダイオード１３、ダイオード１４、ダイオー
ド１５、ダイオード１６によって構成され、交流電源１
１の全波整流波形を出力するものである。インバータ１
７は、整流回路１２の出力に接続されていて、一般に３
相インバータと呼ばれる構成となっている。インバータ
１７は、トランジスタ１８、トランジスタ１９、トラン
ジスタ２０、トランジスタ２１、トランジスタ２２、ト
ランジスタ２３、ダイオード２４、ダイオード２５、ダ
イオード２６、ダイオード２７、ダイオード２８、ダイ
オード２９によって構成されている。また、フィルタ回
路４０は、電解式の平滑コンデンサ４１とチョークコイ
ル４２によって構成され、整流回路１２の出力電圧をリ
プルが少ない、ほぼ完全な直流にすることができるもの
となっている。

【０００５】制御回路３０は、駆動回路３１と、論理回
路３２によって構成され、各トランジスタのベース端子
は、すべて駆動回路３１に接続されている。位置検知手
段３３は、第２の物体２上に設けられたホールＩＣ３
４、ホールＩＣ３５、ホールＩＣ３６によって構成され
ていて、第２の物体２が回転運動する際、永久磁石３お
よび永久磁石４の位置を検知して電気的に出力するもの
である。論理回路３２は、位置検知手段３３からの信号
を受け、それに応じて各トランジスタのオンオフ信号を
作り出す仕組みとなっている。

【０００６】以上の構成により、従来の技術の動力発生
装置は、第２の物体２の回転に応じて、位置検知手段３
３から信号が出力され、その信号によって論理回路３２
からＨＩＧＨ又はＬＯＷ信号が出力され、その信号によ
って駆動回路３１が作用し、ＨＩＧＨ信号の場合には、
当該トランジスタにベース電流を供給してオンさせ、Ｌ
ＯＷの場合には、ベースに逆バイアスを印加してオフ状
態とさせる。それによって、電流が所定の巻線に供給さ
れ、その巻線は永久磁石３または永久磁石４の磁束と作
用して、力を発生し、永久磁石３と永久磁石４は、その
反作用でトルクを生み、出力軸６からそのトルクを取り
出すことができる。外部の負荷はそのトルクで回転運動
を起こし、第２の物体２もそれと連動して回転運動を行
うが、ある角度だけ回転すると、位置検知手段３３の作
用により、論理回路３２への信号が変化し、論理回路３
２の出力も変化して、インバータ１７を構成する各トラ
ンジスタのオンオフ状態の変化が起こる。と、各巻線へ
の電流供給状態が変化し、再び永久磁石３および永久磁
石４からトルクが発生するようになる。

【０００７】このような動作を繰り返すことにより、従
来の技術の動力発生装置は、出力軸６から連続的に機械
的な回転パワーを外部の負荷に供給することができるも
のである。また、このような動力発生装置を用いた掃除
機も市販されていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の技術においては、第１の物体１に多数の巻線
が必要となり、またインバータ１７の構成が非常に複
雑、かつ部品点数が多いことから、組立工数および材料
費が大となり、その結果装置の価格が高くなるという課
題があった。

【０００９】また、従来の技術の動力発生装置を使用し
た掃除機は、スイッチング素子の数が多いことなどのた
めに、価格が高いものとなり、また大型となるという課
題も有していた。従来の技術で、掃除機を構成する場合
には、このようなスイッチング素子を多数使用する動力
発生装置を用いる方法のほかに、一般に整流子モータと
呼ばれる、整流子とブラシを有する動力発生装置を使用
したものも多かったが、これらは、ブラシと整流子との
機械的な摩擦と、整流作用による電気的な磨耗が発生す
るため、特に長期間の使用に対しては、信頼性に課題を
有するものであった。

【００１０】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、第１の物体を構成する巻線の相数を１とするこ
とにより、第１の物体の構成を簡単とし、かつ前記巻線
に電流を供給するためのスイッチング素子の数を極力削
減することにより、電気部品の数を大幅に減少させ、も
って低コストながら十分な性能を発揮する動力発生装置
を提供するものである。また、装置の部品点数を減ら
し、構成を簡単にすることにより、信頼性を確保した上
で、小形・低価格の掃除機を実現するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は、単相の巻線と鉄心を有する第１の物体
と、前記第１の物体に対して相対的に可動に設けられ永
久磁石を有する第２の物体と、交流電源と、双方向の電
流の開閉が可能な開閉端子対とその開閉を制御する制御
入力端子を有する双方向スイッチング回路と、位置検知
手段と、極性検知回路と、駆動回路とを備え、前記巻線
は、前記永久磁石の磁束が作用する位置に設けられ、前
記開閉端子対は、前記交流電源の一端子と前記巻線の一
端子間に接続され、前記交流電源の他端は前記巻線の他
端に接続され、前記位置検知手段は、前記第１の物体の
前記永久磁石の磁気が作用する位置に固定されて対向す
る前記永久磁石の極性を検知し、前記極性検知回路は、
前記交流電源の電圧の瞬時値の正負を判定し、前記双方
向スイッチング回路の制御端子は、前記駆動回路に接続
され、前記駆動回路は、前記位置検知手段の出力と前記
極性検知回路の出力の排他的論理和に応じて前記双方向
スイッチング回路を開閉してなるものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】請求項１記載の発明は、極性検知
回路は、交流電源の瞬時値の極性に応じた信号を出力
し、位置検知手段は対向する永久磁石の極性に応じた信
号を出力し、駆動回路は、位置検知手段と極性検知回路
の出力の排他的論理和によって、双方向スイッチング回
路を開閉することから、低速時においては、前記双方向
スイッチング素子が、ほぼ交流電源の周波数でオンオフ
し、巻線に半波の整流出力が印加されることから、およ
そ１／２の時間比率ではあるが、第１の物体と第２の物
体との間に力（あるいはトルク）を発生することができ
る。また、高速回転時において、交流電源の周波数より
も、位置検知手段の出力信号の周波数の方が高くなった
場合には、位置検知手段からの信号の周波数によって、
双方向スイッチング回路の開閉が行われることから、や
はり１／２の時間比率ではあるが、第１の物体と第２の
物体との間に力（あるいはトルク）を発生することがで
きる。したがって、単相の巻線と双方向スイッチング回
路が１つずつという、非常に簡単な構成でありながら、
動力を発生する事が可能である。

【００１３】請求項２記載の発明は、第１の物体と第２
の物体の間に、磁気抵抗が最小になろうとする力（リラ
クタンス力）が作用することから、負荷に必要な力があ
る程度以下の条件であれば、死点からはずれた位置で停
止し、つぎの起動時においては、駆動回路が、交流電源
の電圧の瞬時の極性が、所定の向きの力（あるいはトル
ク）が得られる位相で開閉動作を行うことから、巻線は
適切な向きの電流を流すことができ、したがって必ず起
動力を得ることができる。したがって、非常に簡単な構
成でありながら、起動を保証することができる。

【００１４】請求項３記載の発明は、トランジスタと整
流ブリッジとを組み合わせて双方向スイッチング回路を
構成したことにより、一方向の電流のスイッチングにつ
いては、前記整流ブリッジを構成するダイオードのうち
２本が導通状態、他の２本が逆阻止状態となり、逆方向
の電流のスイッチングについては、それらの立場が逆転
することにより、開閉動作がなされる。したがって特に
高速回転（あるいは走行）時に必要となる高速のオンオ
フ動作となり、かつ電圧・電流の向きが単方向しか許さ
れないトランジスタの特性をカバーすることが可能とな
るために、装置を簡単・安価な構成で実現することがで
きるものである。

【００１５】請求項４記載の発明は、スイッチング素子
がオフした瞬間にダイオードがオンし、巻線に蓄えられ
た余分なエネルギーを直流電源に回生することから、ス
イッチング素子のターンオフ時のスパイク電圧を抑える
ことができ、信頼性を向上することができると同時に、
ムダな電力の消費がなくなり、高効率の装置を実現する
ことができるものである。

【００１６】請求項５記載の発明は、サージ吸収回路に
よって、双方向スイッチング回路がターンオフした瞬間
の巻線の蓄積エネルギーを吸収することによって、比較
的簡単な構成で、双方向スイッチング回路に発生する過
渡的な過電圧を吸収することができることから、双方向
スイッチング回路を構成する素子には、耐圧の低い安価
なものを使用しながらも、高い信頼性を確保することが
でき、かつ前記負荷にも直流の電源を供給することがで
きるものである。

【００１７】請求項６記載の発明は、スナバ回路によっ
て、双方向スイッチング回路がターンオフした瞬間の巻
線の蓄積エネルギーを吸収することによって、非常に簡
単な構成で、双方向スイッチング回路に発生する過渡的
な過電圧を吸収することができることから、双方向スイ
ッチング回路を構成する素子には、耐圧の低い安価なも
のを使用しながらも、高い信頼性を確保することができ
るものである。

【００１８】請求項７記載の発明は、導通比制御回路
が、動作期間と休止期間の値を制御することによって、
巻線および双方向スイッチング回路に流れる電流の値を
増減することができることから、例えば起動時等の過電
流を抑えることが可能となり、よって巻線や双方向スイ
ッチング回路などの電流定格を低くすることによって、
装置の小形化、コストダウンが可能となり、あるいは高
い信頼性の確保が実現し得るものとなるものである。

【００１９】請求項８記載の発明は、第１〜第７に述べ
た構成の動力発生手段によって送風ファンを回転駆動す
ることから、整流子やブラシのない構成で装置が実現で
き、よって長期間の使用においても信頼性の高い掃除機
が、簡単な構成で実現されるものであり、すなわち低価
格、小形の掃除機が提供することを可能とさせるもので
ある。

【００２０】（実施の形態１）図１に第１の実施の形態
における回転の動力を出力する動力発生装置の回路図を
示す。図１においては、第１の物体５１、第２の物体５
２、１００Ｖ６０Ｈｚの出力を有する交流電源５３、Ｉ
ＧＢＴ式のトランジスタ５４と、ダイオード５５〜５８
による整流ブリッジ５９で構成される双方向スイッチン
グ回路６０、駆動回路６１、交流電源５３の出力電圧Ｖ
ＡＣの瞬時の極性を検知し、ＶＡＣが正の場合にはハイ
を、負の場合にはローを出力する極性検知回路６２を備
えている。双方向スイッチング回路６０は、整流ブリッ
ジの入力端子ｄ、ｅを開閉端子対としていて、トランジ
スタ５４のゲート端子を制御端子ｆとしている。

【００２１】なお、本実施の形態においては、駆動回路
６１は、ＥＸ−ＯＲ回路６３と電流バッファ６４によっ
て成り立っている。電流バッファ６４は、ＥＸ−ＯＲ回
路６３の出力ｃがハイの場合に、トランジスタ５４のゲ
ート・エミッタ間に２０Ｖの順電圧を印加したオンさ
せ、ｃがローの場合には、ゲート・エミッタ間を０Ｖに
短絡することによりオフさせるものである。第２の物体
５２は、第１の物体５１に対して軸６５により回転自由
に設けられ、第１の物体５１は、直径０．７５ｍｍエナ
メル線で構成した単相の巻線６６が、鉄心６７に巻かれ
ている。

【００２２】本実施の形態においては、鉄心６７は、厚
さ０．３５ｍｍのケイ素鋼板を互いに電気的に絶縁し、
１１４枚積み重ねた積層構造を有しており、巻線６６の
巻数は、１２０ターンとしている。第２の物体５２は、
第２の永久磁石６８、第２の永久磁石６９を鉄心７０の
表面に張り付けている。第２の永久磁石６８は、外側
にＮ極、内側にＳ極を有し、第２の永久磁石６９は、逆
に外側にＳ極、内側にＮ極を有している。鉄心６７と、
第２の物体５２の間には、ギャップ７１があり、ギャッ
プ７１の大きさは、図１に示されるように、一定ではな
く、０．２ｍｍから０．５ｍｍまでの傾斜をつけてい
る。巻線６６は、第２の永久磁石６８・６９の磁束が作
用する位置に設けられており、図１に示す向きに電流が
流れた時に、鉄心６７の中に磁束Φが正となる向きに発
生せしめる様な向きに巻かれているものとなっている。

【００２３】位置検知手段７２は、第１の物体５１に固
定されたホールＩＣによって構成されていて、永久磁石
６８・６９の外側の面に対向するように設けられてい
る。位置検知手段７２は、Ｓ極が対向している場合に
は、出力ｂをハイとし、Ｎ極が対向している場合には、
出力ｂをローに出力するものである。図２は、図１の動
力発生装置の低速時における動作波形図を示したもので
ある。図２において、（ア）は交流電源５３の出力電圧
ＶＡＣの波形、（イ）は極性検知回路６２の出力ａの波
形、（ウ）は位置検知手段７２の出力波形、（エ）はＥ
Ｘ−ＯＲ回路６３の出力電圧ｃの波形を示したものであ
る。

【００２４】交流電源５３の周波数が６０Ｈｚであるが
故に、ａの波形は、周波数が６０Ｈｚの方形波となり、
第２の物体５２が回転することにより、ｂの波形は
（ウ）の様になる。ＥＸ−ＯＲ回路６３には、（イ）と
（ウ）が入力されることから、それらの排他的論理和を
とった（エ）の信号が出力されてくる。トランジスタ５
４は、（エ）の波形において、ハイとなっている期間に
オン状態となるが、整流ブリッジ５９の作用によって、
ｄ−ｅ間は、正負いずれの電流についても、トランジス
タ５４がオンとなっている期間において、ちょうどスイ
ッチの接点が閉じられた状態となり、双方向のスイッチ
ングが行われることになる。（エ）におけるハイ期間に
おいては、ｄ−ｅ間が短絡された状態となり、ロー期間
においては、ｄ−ｅ間が解放された状態となる。ただ
し、ハイ期間において、巻線６６に流れる電流の向き
は、交流電源５３の電圧ＶＡＣの極性によって異なり、
ＶＡＣが正の期間、すなわち（イ）がハイの期間、ｔ５
〜ｔ６、ｔ７〜ｔ８、ｔ１３〜の各期間においては、図
１のＩが正となる方向であるため、Φは正となり、第２
の物体５２の鉄心７０には、左側にＮ極、右側にＳ極が
発生する。その期間においては、（ウ）は必ずローであ
って、位置検知手段７２に対向する永久磁石６８・６９
の外側の面は、Ｎ極であることから、第２の物体５２に
は、時計方向のトルクが発生することになる。

【００２５】また、ＶＡＣが負の期間、すなわち（イ）
がローの期間、ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４、ｔ９〜ｔ１
０、ｔ１１〜ｔ１２の各期間においては、図１のＩが負
となる方向であるため、Φは負となり、第２の物体５２
の鉄心７０には、左側にＳ極、右側にＮ極が発生する。
その期間においては、（ウ）は必ずハイであって、位置
検知手段７２に対向する永久磁石６８・６９の外側の面
は、Ｓ極であることから、第２の物体５２には、やはり
時計方向のトルクが発生することになる。すなわち、発
生するトルクは、どれも時計方向（矢印に示す向き）と
なるので、この方向に回転がなされる。

【００２６】なお、（エ）がローの期間には、双方向ス
イッチング回路６０がオフの状態となり、巻線６６の電
流がほぼ０となり、電流によるトルクは発生しないもの
である。

【００２７】本実施の形態においては、ギャップ７１が
一定の大きさではなく、傾斜をもったものになっている
ことから、磁気的な凹凸を有していて、第２の物体５２
の回転角によってはリラクタンストルク、すなわち磁気
抵抗を最も小にしようとする様にトルクが発生する。軸
６５に接続されている機械的な負荷が、必要とするトル
クが小である場合、前述のリラクタンストルクによっ
て、最も磁気抵抗が小さくなる角度、すなわちギャップ
と、Ｎ極またはＳ極の中心が対向する角度において、第
２の物体５２が引きつけられるようにして停止するとい
う効果を得る。図１に示した状態のその１つの場合であ
り、他の場合は、図１から１８０度回転させ、永久磁石
６８と６９を逆とした状態である。いずれの状態にあっ
ても、巻線の電流Ｉによるトルクを全く受けることがな
くなる位置（これを死点という）から、ずれた位置で静
止する状態となっていることから、次回の起動時には、
駆動回路６１の作用によって、双方向スイッチング回路
６０がオンオフすれば、巻線６６に電流が流れ、かつそ
の時に発生するトルクの向きは、必ず第２の物体５２を
時計方向に回転させようとする向きであることから、次
回の起動が確実に行えるという特徴を有する装置が実現
できるものである。

【００２８】図３は、毎分６０００回転の速度で第２の
物体５２が回転している状態における、各部の波形を示
したものである。本実施の形態においては、第１の物体
５１および第２の物体５２の構造を２極の構成としてい
るため、毎分６０００回転している状態では、位置検知
手段７２の出力はｂは、（ウ）に示すように、１００Ｈ
ｚとなる。この場合においても、（エ）におけるハイ期
間においては、ｄ−ｅ間が短絡された状態となり、ロー
期間においては、ｄ−ｅ間が解放された状態となり、や
はりハイ期間において、巻線６６に流れる電流の向き
は、交流電源５３の電圧ＶＡＣの極性によって異なるも
のとなる。

【００２９】つまり、ＶＡＣが正の期間、すなわち
（イ）がハイの期間、ｔ１〜ｔ２、ｔ３〜ｔ４、ｔ９〜
の各期間においては、図１のＩが正となる方向であるた
め、Φは正となり、第２の物体５２の鉄心７０には、左
側にＮ極、右側にＳ極が発生する。その期間において
は、（ウ）は必ずローであって、位置検知手段７２に対
向する永久磁石６８・６９の外側の面は、Ｎ極であるこ
とから、第２の物体５２には、時計方向のトルクが発生
することになる。

【００３０】また、ＶＡＣが負の期間、すなわち（イ）
がローの期間、ｔ５〜ｔ６、ｔ７〜ｔ８の各期間におい
ては、図１のＩが負となる方向であるため、Φは負とな
り、第２の物体５２の鉄心７０には、左側にＳ極、右側
にＮ極が発生する。その期間においては、（ウ）は必ず
ハイであって、位置検知手段７２に対向する永久磁石６
８・６９の外側の面は、Ｓ極であることから、第２の物
体５２には、やはり時計方向のトルクが発生することに
なる。すなわち、発生するトルクは、やはり時計方向
（矢印に示す向き）となり、この方向に回転がなされ
る。

【００３１】以上のようにして、本実施の形態の動力発
生装置は、単相の巻線６６と、１つの双方向スイッチン
グ回路６０を有する、非常に簡単な構成でありながら、
起動時、低速、高速のいずれにおいても、時計方向のト
ルクを生むことができるため、良好に動作させることが
できるものとなる。

【００３２】なお、本実施の形態では、双方向スイッチ
ング回路６０の構成要素として整流ブリッジを使用して
いるが、従来の技術においても、この構成要素は、交流
電源をまず直流電源に変換するために用いられる（図１
０の整流回路１２に相当する）ものであることから、こ
れによる構成部品点数の増加は発生しない。

【００３３】また、スイッチング時の特にターンオフに
おける動作は、ＩＧＢＴ式のトランジスタ５４のターン
オフ特性によって決まるものであり、整流ブリッジ５９
の構成要素であるダイオード５５、５６、５７、５８
は、逆回復時間が長いものであっても動作が悪くなるこ
とがないため、従来の技術によく用いられる低速用の安
価な部品で十分間に合うものである。

【００３４】（実施の形態２）図４は、第２の実施の形
態における動力発生装置の回路図である。図４において
は、図１とよく似た構成となっており、しかしながら以
下の点において、図１とは異なった構成となっているも
のである。巻線７８は、中間タップｋを有し、交流電源
５３の一端子は、ｋに接続されている。双方向スイッチ
ング回路６０の一端子は、巻線７８の一方の端のｌに接
続され、巻線７８の他端子ｍは、トライアックで構成し
た補助スイッチング素子７６を通って、交流電源５３の
他端子に接続されている構成となっているものである。
なお、本実施の形態においては、ｍ−ｋ間とｋ−ｌ間の
ターン数は、いずれも１２０ターンの巻数を持たせてい
る。

【００３５】補助スイッチング素子７６のゲート端子に
は、補助駆動回路７７が接続され、補助駆動回路７７
は、駆動回路６１からトランジスタ５４のゲート電圧が
０Ｖの印加となり、それによって双方向スイッチング回
路６０がオン状態からオフ状態にターンオフ動作を行う
タイミングにおいて、補助スイッチング素子７６のゲー
トから電流パルスを引き抜くことによって、補助スイッ
チング素子７６をオンさせるものである。

【００３６】以上の構成において、動作の説明を行う。
双方向スイッチング回路６０のオンオフについては、駆
動回路６１によって行われ、したがって、そのタイミン
グ等については、図１と全くの同一動作となる。巻線７
８による、鉄心６７の内部への磁束の発生については、
交流電源５３から巻線７８のｋ−ｌ間に電流Ｉが通ずる
ことによってなされるものとなるが、その時にはＩが正
であるならば、Φが正となるという向きに磁束の形成が
なされ、これは図１の場合と同じ動作である。

【００３７】双方向スイッチング回路６０がオンの状態
になっている時には、ｄ−ｅ間の電圧がほぼ０となって
いるが、この時には補助スイッチング素子７６の両端子
間には、巻線７８がオートトランス（単巻変圧器）とし
て作用し、ｍ−ｋ間とｋ−ｌ間の電圧がほぼ同値とする
働きによって、交流電源５３の出力の瞬時電圧の約２倍
が印加されている状態で、オフを保っているものとな
る。トランジスタ５４が駆動回路６１からの信号によっ
てターンオフされた瞬間に、本実施の形態においては、
補助駆動回路７７は、補助スイッチング素子７６のゲー
トからの電流引き抜き動作を行い、これによって補助ス
イッチング素子７６はターンオンする。

【００３８】ここで、トライアックは、ゲート電流の向
きと主回路の電流の極性によって、ターンオンさせるた
めの感度が異なり、ゲート電流を正（ゲート端子から流
し込む向き）とすると、感度の低いモードが存在して、
良好なターンオンがなされないことがあるが、本実施の
形態においては、ゲートから電流を引き抜く方向で、補
助駆動回路７６はターンオンの信号を発することから、
十分なゲート感度がえられ、従って確実に補助スイッチ
ング素子７６のターンオンがなされるものとなる。双方
向スイッチング回路６０がオフとされると、オン期間中
において、巻線７８に流れていた電流Ｉによって、磁気
回路内に磁気的なエネルギーの蓄積がなされており、そ
のエネルギーの放出がなされようとする動作によって、
巻線７８の各端子間には、かなりの電圧がサージ的に発
生するという現象が見られる。

【００３９】本実施の形態では、この期間においては、
前述したように、補助スイッチング素子７６のオンが見
られることから、前述の蓄積エネルギーの大部分は、巻
線７８のｍ−ｋから交流電源５３へ回生されることか
ら、ｋ−ｌ間に発生する電圧も同様に抑えられ、よって
双方向スイッチング回路６０のｄ−ｅ間に印加される電
圧のピーク値を低く抑えることができるものとなる。

【００４０】したがって、トランジスタ５４や整流ブリ
ッジ５９を構成している各ダイオードに必要な耐圧仕様
は、低減することができ、低価格のものを使用すること
ができるものとなる。当然、高耐圧の部品で構成するな
らば、信頼性を十二分に持たせた設計を行うことも可能
となるのは、いうまでもないことである。

【００４１】本実施の形態においては、トライアックに
よって、補助スイッチング素子７６を構成していること
により、双方向スイッチング回路６０に流れる電流の極
性がいずれの場合に、ターンオフになった時にも、補助
スイッチング素子７６に流れる電流が双方向としている
ので、前述の蓄積エネルギーの放出による、双方向スイ
ッチング回路への過電圧の印加を効果的に吸収すること
ができ、かつ交流電源５３への蓄積エネルギーの回生動
作が終了した段階では、トライアックを通過する電流が
０となることから、自然にトライアックのターンオフが
なされる。したがって、補助駆動回路７７は、非常に簡
単な構成で実現でき、かつ蓄積エネルギーの大きさによ
らず、必要なだけの期間だけ補助スイッチング素子７６
のオンを行わせ、その後に自動的にオフとし、初期状態
に戻すことができるという優れた特徴を持つものとな
る。

【００４２】（実施の形態３）図５は、第３の実施の形
態における動力発生装置の回路図である。図５において
も、図１と非常によく似た構成としており、双方向スイ
ッチング回路６０のｄ−ｅ間にスナバ回路７９を接続し
た点が加えられている。スナバ回路７９は、コンデンサ
８０と抵抗８１の直列回路によって、構成されている。

【００４３】動作については、双方向スイッチング回路
６０がオン状態になっている時には、コンデンサ８０の
電荷はなく、電圧がほぼ０の状態となっている。双方向
スイッチング回路６０が駆動回路６１によってターンオ
フされると、図４の説明において述べたように、磁路内
の蓄積された磁気エネルギーの放出が行われようとし
て、巻線６６の右端から電流が流出しようとする。この
電流は、スナバ回路７９のコンデンサ８０と抵抗８１を
経て交流電源５３に流れ出すことから、抵抗８１による
ドロップと、コンデンサ８０の充電による電圧上昇の和
がｄ−ｅ間に印加されるが、これらの定数を適切に選択
することにより、ｄ−ｅ間の印加電圧のピーク値を低く
抑えることができる。よって、簡単な構成でありなが
ら、双方向スイッチング回路６０のターンオフ時の過渡
的な過電圧の印加を抑えることができるものとなる。

【００４４】本実施の形態においても、双方向スイッチ
ング回路６０に流れる電流の正負を問わず、スナバ回路
７９による効果が期待できるものである。なお、双方向
スイッチング回路６０がオフ状態にある期間において
は、コンデンサ８０には電圧がかかり、充電がなされて
いることから、次回の双方向スイッチング回路６０のタ
ーンオンの際には、コンデンサ８０の蓄積エネルギー
は、抵抗８１を通じて放電されるものである。したがっ
て、抵抗８１の電力定格値は、これらの充放電電流によ
る損失にたいして十分に耐量が確保できるものを選定す
ることになる。

【００４５】なお、本実施の形態では、スナバ回路７９
を双方向スイッチング素子６０のｄ−ｅ間に設けている
が、トランジスタ５４のコレクタ・エミッタ間に接続し
た場合にあっても、効果はほぼおなじであり、その場合
には、コンデンサ８０に印加される電圧の極性は一方向
のみとなる。

【００４６】（実施の形態４）図６は、第４の実施の形
態における動力発生装置の回路図である。図６において
も、図１と非常によく似た構成としており、双方向スイ
ッチング回路６０を構成するトランジスタ５４のコレク
タ・エミッタ間にサージ吸収回路８２を接続した点が加
えられている。サージ吸収回路８２は、コンデンサ８４
と負荷８５を並列に接続し、これにダイオード８３を直
列に接続した構成で成り立つものである。

【００４７】次に動作の説明を行う。双方向スイッチン
グ回路６０が駆動回路６１によってターンオフされる
と、図４の説明において述べたように、磁路内の蓄積さ
れた磁気エネルギーの放出が行われようとして、巻線６
６の右端から電流が流出しようとする。

【００４８】本実施の形態では、この電流は、整流ブリ
ッジ５９を経て、トランジスタ５４のコレクタ・エミッ
タ間に加わる。ここで、ダイオード８３がオンし、コン
デンサ８２に電流が流れ込むことにより、コレクタ・エ
ミッタ間の電圧のピーク値を、ほぼコンデンサ８２の端
子電圧以下に抑える様に作用するものである。ここで、
負荷８５は、ヒータ、モータ等の直流電圧で動作するも
のが使用され、これらの電圧定格が、交流電源５３のピ
ーク電圧よりも若干高めのものであれば、あとは消費電
流が許される範囲で直流電源の供給が可能となるもので
ある。消費電流の大きすぎるものを接続した場合には、
トランジスタ５４の印加電圧は低く抑えられる反面、蓄
積エネルギーの放出に要する時間が長く必要となること
から、実働に差し支えない範囲に抑える必要性はある。

【００４９】なお、負荷８５として、特に直流電圧で動
作できるものがない場合には、抵抗器を設けて、そこで
損失を行わせる方法もある。その場合には、構成部品と
してわざわざ抵抗器を別途設ける必要があるため、やや
経済的には不利となるが、磁路の蓄積エネルギーによる
双方向スイッチング回路６０への過電圧の印加を抑える
作用としては、同様に期待ができるものである。

【００５０】本実施の形態においても、双方向スイッチ
ング回路６０に流れる電流の向きがどちら向きであって
も、整流ブリッジ５９の作用によって、かならずサージ
吸収回路８２によるトランジスタ５４の印加電圧の過渡
的なピークに対する保護動作が行われるものである。

【００５１】（実施の形態５）図７は、第５の実施の形
態における動力発生装置の回路図である。図７において
も、図１と非常によく似た構成としており、パルス列を
出力する導通比制御回路７４が備え付けられており、駆
動回路７３は、ＡＮＤ回路７５によって、ＥＸ−ＯＲ回
路６３出力ｃと導通比制御回路７４の出力ｈとの論理積
をとって、出力ｇとし、それを電流バッファ６４に出力
している点が相違点となっている。本実施の形態におい
ては、導通比制御手段７４は、約２０ｋＨｚの一定周波
数で規則的にパルス列を出力し、かつそのハイの期間の
比率（デューティ比）は、１０％〜１００％の範囲で連
続的に変化することができるものとなっている。

【００５２】図８に、図７の構成の動力発生装置の低速
回転時における各部の動作波形を示している。（ア）〜
（エ）は、図２と全くの同一の波形となっている。
（オ）は、（エ）と導通比制御回路７４の出力ｈの論理
積となっていることから、（エ）がハイの期間におい
て、導通比制御手段７４のパルス列がそのまま出力さ
れ、（エ）がローの期間においては、ローに固定されて
出力がなされている。図８は、導通比制御回路７４の出
力のデューティ比が５０％としていることから、パルス
列のハイ期間は、２５μｓとなる。

【００５３】一般に、巻線に発生する誘導起電力の値
は、回転の速度に比例し、低速時においては、誘導起電
力の値が非常に低くなるが、一方では交流電源５３の出
力電圧は、回転速度によらず一定の振幅であるため、誘
導起電力の値が小さい低速時においては、非常に大きな
電流が流れてしまう傾向がある。しかし、本実施の形態
においては、低速時において、導通比制御回路７４の作
用によって、駆動回路６１をコントロールし、双方向ス
イッチング回路６０のオン時間を２５μｓに制限してい
ることから、巻線６６および双方向スイッチング回路６
０に流れる電流の大きさを低く抑えることができるもの
である。したがって、巻線６６、および双方向スイッチ
ング回路６０を構成している各部品の電流定格を低く抑
えることができ、それによって低コスト、小形の構成が
可能となっている。

【００５４】なお、本実施の形態では、特に起動直後な
どの低速時においては、デューティ比を１０％という低
い値とし、速度が上昇するに従い、それに応じてデュー
ティ比も増加させていく制御を行っていることから、速
度が上昇しても、電流値がほぼ一定に保たれ、良好な加
速性能を実現しているものである。

【００５５】本実施の形態においては、毎分４０００回
転以上となった場合には、導通比制御回路７４の出力信
号ｈをハイに固定し、デューティ比を１００％としてい
るが、必ずしもこのような制御にする必要はなく、高速
時においても引き続き１００％未満のデューティ比で制
御を行ってもよい。また、本実施の形態では、磁路の蓄
積エネルギーを逃がすための特別な構成を設けていない
が、例えば図４〜図６のような構成を付け加えて、それ
を実現するようにしてもよい。その場合には、２０ｋＨ
ｚのスイッチングの際に、そのターンオフの期間ごと
に、蓄積エネルギーを吸収することができる。したがっ
て、図４のような補助スイッチング素子を設ける場合に
は、補助駆動回路は２０ｋＨｚの周波数で、ゲート信号
を発生させる。

【００５６】以上のように、本実施の形態では、導通比
制御回路７４が動作することにより、過電流の防止がな
されるものである。

【００５７】なお、電流が抑えられることにより、当然
発生する力（トルク）も抑えられるが、起動時に特別大
きな力（もしくはトルク）を必要とする応用を除いて
は、別段の問題は発生しないものである。

【００５８】なお、図１〜図８で示した各実施の形態に
おいては、第１の物体５１および第２の物体５２を２極
としているが、特に２極に限るものではなく、４極や６
極、さらに多い極数にしたものも当然可能である。

【００５９】また、各実施の形態は、回転運動を行うい
わゆるモータと呼ばれる実施の形態を示しているが、リ
ニアモータに用いてもよい。

【００６０】また、トランジスタ５４をＩＧＢＴにて構
成を行っているが、特にこの種類のものでなければなら
ないという限定はなく、例えばＭＯＳＦＥＴ、バイポー
ラ石などを用いてもよく、その場合には、駆動回路をそ
れに応じた出力特性のものとすることによって実現する
ことができるものである。

【００６１】また、各実施の形態においては、ＥＸ−Ｏ
Ｒ回路６３を用い、その出力を電流バッファ６４に入れ
て使用しているが、極性検知回路６２のハイとローが逆
であったり、位置検知手段７２の出力のハイとローが逆
であったり、巻線６６と磁束Φの発生する方向が逆であ
ったり、ギャップ７１の傾斜（もくしは回転させたい方
向）等が、ＥＸ−ＯＲ回路６３だけではローとハイが逆
になってしまう場合もあり得る。

【００６２】このような場合には、どこかで論理のハイ
とローを逆にすることにより、正常な動作を行わせるこ
とができるものであり、例えばそのために、ＥＸ−ＯＲ
回路６３の出力などにＮＯＴ回路を挿入するなど、構成
に若干手を加えたものも、本発明の範疇と見なせるもの
である。

【００６３】（実施の形態６）図９は、第６の実施の形
態における掃除機の断面図である。図９においては、請
求項１〜請求項７のいずれかによる動力発生装置８６が
設けられていて、送風ファン８７が動力発生装置８６の
軸に接続されている。紙パック８８は、吸い取ったゴミ
をためるためのもので、ホース８９、ノズル９０が設け
られている。電源コード９１は、１００Ｖの交流電源
（周波数は６０Ｈｚ等）に接続するために設けられてい
る。なお、前輪９３、後輪９２は、掃除機を移動すると
きに、使い勝手が良いように設けられているものであ
る。

【００６４】以上の構成における動作は、電源コード９
１によって、交流電源が動力発生装置８６に供給され、
それによって送風ファン８７が回転駆動され、空気と一
緒にゴミがノズル９０、ホース８９を経て紙パック８８
に集められることにより、掃除ができるものである。こ
こで、動力発生装置８６は、すでに図１〜図８による説
明で述べた請求項１〜請求項７の構成のものによって成
り立っていることから、整流子やブラシがなく、したが
って長期間の使用によっても信頼性の確保が十分にで
き、また、単相の巻線と、双方向スイッチング素子を使
用した非常に簡単な構成で実現されていることから、低
価格・小形の掃除機を実現しているものである。

【００６５】また、送風ファン８７を機械負荷としてい
ることから、起動に必要なトルクも数ｇｃｍと非常に小
さく、またギャップに傾斜をつけるなどして、磁気的な
凹凸を設け、死点を外した位置に引きつけておく構成を
とる場合にも、送風ファン８７は例えばベアリングなど
の使用により、回転の摩擦を非常に小さくすることが可
能となることから、上記のギャップは、０．２〜０．５
ｍｍ程度のごく小さな値で十分な効果を得ることができ
ることから、起動時の動作も、確実に保証することがで
きるものとなる。

【００６６】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、特に第１の物体と、第２の物体と、交流電源と、
双方向スイッチング回路と、位置検知手段と、極性検知
回路と、駆動回路からなり、前記第２の物体は、前記第
１の物体に対して相対的に可動に設けられ、前記第１の
物体は、単相の巻線と鉄心を有し、前記第２の物体は、
永久磁石を有し、前記巻線は、前記永久磁石の磁束が作
用する位置に設けられ、前記双方向スイッチング回路
は、双方向の電流の開閉が可能な開閉端子対と、その開
閉を制御する制御入力端子を有し、前記開閉端子対は、
前記交流電源の一端子と前記巻線の一端子間に接続さ
れ、前記交流電源の他端は前記巻線の他端に接続され、
前記位置検知手段は、前記第１の物体の前記永久磁石の
磁気が作用する位置に固定され、対向する前記永久磁石
の極性を検知し、前記極性検知回路は、前記交流電源の
電圧の瞬時値の正負を判定し、前記双方向スイッチング
回路の制御端子は、前記駆動回路に接続され、前記駆動
回路は、前記位置検知手段の出力と前記極性検知回路の
出力の排他的論理和に応じて前記双方向スイッチング回
路を開閉する構成としたことにより、１／２の時間比率
ではあるが、第１の物体と第２の物体との間に力（ある
いはトルク）を発生することができる。したがって、巻
線が単相であり、双方向スイッチング回路が１個しかな
い極簡単な構成であるにも関わらず、動力を発生するこ
とができるものとなる。

【００６７】また、請求項２記載の発明によれば、特
に、補助スイッチング素子と、補助駆動回路を有し、前
記巻線を、中間タップを持った３端子とし、前記中間タ
ップには前記交流電源の一端を接続し、前記巻線の一端
には前記双方向スイッチング回路の一端を接続し、前記
巻線のもう一方の端子と前記交流電源の他端子の間に、
前記補助スイッチング素子を接続し、前記補助スイッチ
ング素子は、前記補助駆動回路によってオンオフされ、
前記補助駆動回路は、前記双方向スイッチング回路が、
ターンオフされた直後に導通される構成としたことによ
り、信頼性を向上することができると同時に、ムダな電
力の消費がなくなり、高効率の装置を実現することがで
きるものである。

【００６８】また、請求項３記載の発明によれば、特
に、鉄心に磁気的な凹凸を設け、死点からずれた位置で
磁気抵抗が最小となる構成としたことにより、つぎの起
動時においては、駆動回路が、交流電源の電圧の瞬時の
極性が、所定の向きの力（あるいはトルク）が得られる
位相で開閉動作を行うことから、巻線は適切な向きの電
流を流すことができ、したがって必ず起動力を得ること
ができ、非常に簡単な構成でありながら、起動を保証す
ることができる。

【００６９】また、請求項４記載の発明によれば、特
に、動力発生装置の双方向スイッチング回路を、整流ブ
リッジと、トランジスタで構成し、前記整流ブリッジ
を、４本のダイオードによって構成し、前記トランジス
タのコレクタとエミッタを、前記整流ブリッジの出力端
子の正負端子にそれぞれ接続し、前記整流ブリッジの入
力端子を開閉端子対とし、前記トランジスタのゲートま
たはベースを制御端子としたことにより、電圧・電流の
向きが単方向しか許されないトランジスタの特性をカバ
ーし、装置を簡単・安価な構成で実現することができる
ものである。

【００７０】また、請求項５記載の発明によれば、特
に、サージ吸収回路を有し、前記サージ吸収回路は、コ
ンデンサと負荷の並列回路にダイオードを直列接続し、
前記サージ吸収回路は、前記トランジスタのコレクタと
エミッタ間に接続した構成としたことにより、双方向ス
イッチング回路を構成する素子には、耐圧の低い安価な
ものを使用しながらも、高い信頼性を確保することがで
き、かつ前記負荷にも直流の電源を供給することができ
るものである。

【００７１】また、請求項６記載の発明によれば、特
に、スナバ回路を有し、前記スナバ回路は、抵抗とコン
デンサの直列回路によって構成され、前記スナバ回路
は、前記双方向スイッチング回路に並列に接続した構成
としたことにより、非常に簡単な構成で、双方向スイッ
チング回路に発生する過渡的な過電圧を吸収することが
できることから、双方向スイッチング回路を構成する素
子には、耐圧の低い安価なものを使用しながらも、高い
信頼性を確保することができるものである。

【００７２】また、請求項７記載の発明によれば、特
に、導通比制御回路を有し、前記導通比制御回路は、前
記駆動回路に接続され、前記駆動回路に対して、動作信
号と休止信号を所定の比率で交互に出力し、前記駆動回
路は、前記休止信号期間には、前記双方向スイッチング
回路を非導通とする構成としたことにより、装置の小形
化、コストダウンが可能となり、あるいは高い信頼性の
確保が実現し得るものとなるものである。

【００７３】さらに、請求項８記載の発明によれば、特
に、送風ファンを有し、前記送風ファンは、前記動力発
生装置によって回転駆動される構成としたことにより、
小形・低価格でありながら、優れた信頼性を得ることが
できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における動力発生装
置の回路図

【図２】同、動力発生装置の低速時の動作波形図

【図３】同、動力発生装置の毎分６０００回転時の動作
波形図

【図４】本発明の第２の実施の形態における動力発生装
置の回路図

【図５】本発明の第３の実施の形態における動力発生装
置の回路図

【図６】本発明の第４の実施の形態における動力発生装
置の回路図

【図７】本発明の第５の実施の形態における動力発生装
置の回路図

【図８】同、動力発生装置の低速時の動作波形図

【図９】本発明の第６の実施の形態の動力発生装置の応
用機器たる掃除機の断面図

【図１０】従来の動力発生装置の回路図

【符号の説明】

５１第１の物体５２第２の物体５３交流電源６０双方向スイッチング回路７２位置検知手段６２極性検知回路６１駆動回路６６巻線６７鉄心６８永久磁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単相の巻線と鉄心を有する第１の物体
と、前記第１の物体に対して相対的に可動に設けられ永
久磁石を有する第２の物体と、交流電源と、双方向の電
流の開閉が可能な開閉端子対とその開閉を制御する制御
入力端子を有する双方向スイッチング回路と、位置検知
手段と、極性検知回路と、駆動回路とを備え、前記巻線
は、前記永久磁石の磁束が作用する位置に設けられ、前
記開閉端子対は、前記交流電源の一端子と前記巻線の一
端子間に接続され、前記交流電源の他端は前記巻線の他
端に接続され、前記位置検知手段は、前記第１の物体の
前記永久磁石の磁気が作用する位置に固定され対向する
前記永久磁石の極性を検知し、前記極性検知回路は、前
記交流電源の電圧の瞬時値の正負を判定し、前記双方向
スイッチング回路の制御端子は、前記駆動回路に接続さ
れ、前記駆動回路は、前記位置検知手段の出力と前記極
性検知回路の出力の排他的論理和に応じて前記双方向ス
イッチング回路を開閉する動力発生装置。
【請求項２】中間タップを有する単相の巻線と鉄心を
有する第１の物体と、前記第１の物体に対して相対的に
可動に設けられ永久磁石を有する第２の物体と、交流電
源と、双方向の電流の開閉が可能な開閉端子対とその開
閉を制御する制御入力端子を有する双方向スイッチング
回路と、補助スイッチング素子と、補助駆動回路と、位
置検知手段と、極性検知回路と、駆動回路とを備え、前
記巻線は前記永久磁石の磁束が作用する位置に設けら
れ、前記開閉端子対は、前記交流電源の一端子と前記巻
線の一端子間に接続され、前記交流電源の他端は前記巻
線の中間タップに接続され、前記巻線の別の一端子と前
記交流電源の前記巻線の中間タップとの接続側の反対側
の端子の間に、前記補助スイッチング素子を接続し、前
記位置検知手段は、前記第１の物体の前記永久磁石の磁
気が作用する位置に固定されて対向する前記永久磁石の
極性を検知し、前記極性検知回路は、前記交流電源の電
圧の瞬時値の正負を判定し、前記双方向スイッチング回
路の制御端子は、前記駆動回路に接続され、前記駆動回
路は、前記位置検知手段の出力と前記極性検知回路の出
力の排他的論理和に応じて前記双方向スイッチング回路
を開閉し、前記補助スイッチング素子は、前記補助駆動
回路によってオンオフされ、前記補助駆動回路は、前記
双方向スイッチング回路が、ターンオフされた直後に導
通される動力発生装置。
【請求項３】鉄心は、磁気的な凹凸を有し、死点から
ずれた位置で磁気抵抗が最小となる請求項１または２記
載の動力発生装置。
【請求項４】双方向スイッチング回路は、整流ブリッ
ジと、トランジスタを有し、前記整流ブリッジは、４本
のダイオードを有し、前記トランジスタのコレクタとエ
ミッタは、前記整流ブリッジの出力端子の正負端子にそ
れぞれ接続され、前記整流ブリッジの入力端子を開閉端
子対とし、前記トランジスタのゲートまたはベースを制
御端子とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の動力
発生装置。
【請求項５】サージ吸収回路を有し、前記サージ吸収
回路は、コンデンサと負荷の並列回路にダイオードを直
列接続し、トランジスタのコレクタとエミッタ間に接続
した請求項４記載の動力発生装置。
【請求項６】スナバ回路を有し、前記スナバ回路は、
抵抗とコンデンサの直列回路によって構成され、双方向
スイッチング回路に並列に接続した請求項１〜５のいず
れか１項に記載の動力発生装置。
【請求項７】導通比制御回路を有し、前記導通比制御
回路は、前記駆動回路に接続され、前記駆動回路に対し
て動作信号と休止信号の期間を所定の比率で交互に出力
し、前記休止信号期間には双方向スイッチング回路を非
導通とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の動力発
生装置。
【請求項８】送風ファンを有し、前記送風ファンは、
動力発生装置によって回転駆動されてなる請求項１〜７
のいずれか１項に記載の動力発生装置の応用機器たる掃
除機。