JP2012165577A - 相対駆動装置、移動体、及びロボット - Google Patents

Abstract

【課題】従来と異なる方式の相対駆動装置を提供する。
【解決手段】第１の駆動機構と第２の駆動機構とを有する相対駆動装置１０であって、ステーター１５と、第１のローター２０と、第２のローター１０２０と、を備え、前記ステーターは、第１の電磁コイル１００と前記第１の電磁コイルに流す電流を制御する第１の制御部５００とを有し、前記第１のローターは、第１と第２の磁石２００、１２００を有し、前記第２のローターは、第２の電磁コイル１１００と、前記第２の電磁コイルに流す電流を制御する第２の制御部１５００とを有し、前記第１の電磁コイルと前記第１の磁石とは対向して配置されて、前記第１の駆動機構を構成し、前記第２の電磁コイルと前記第２の磁石とは対向して配置されて、前記第２の駆動機構を構成している。
【選択図】図１Ａ

Description

この発明は、電気エネルギーを用いて２つの駆動力伝達部材を相対的に駆動するための装置に関する。

２つの駆動軸を相対的に駆動する装置としては、各種の変速機が知られている（例えば特許文献１）。

特開２００１−１２４１６３号公報

しかし、従来の変速機は、一方の駆動軸（第１の駆動軸）から他方の駆動軸（第２の駆動軸）に向かう所定の一方向に駆動力を伝達できるだけであった。また、いわゆる回生によって電力を回収するためには、別個にモーターを設けておく必要があった。また、一般にモーターの回転数は駆動電圧で決まるため、モーターを高回転させるためには、駆動電圧を上げる必要があった。

本発明は、従来と異なる方式の相対駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
第１の駆動機構と第２の駆動機構とを有する相対駆動装置であって、ステーターと、第１のローターと、第２のローターと、を備え、前記ステーターは、第１の電磁コイルと前記第１の電磁コイルに流す電流を制御する第１の制御部とを有し、前記第１のローターは、第１と第２の磁石を有し、前記第２のローターは、第２の電磁コイルと、前記第２の電磁コイルに流す電流を制御する第２の制御部とを有し、前記第１の電磁コイルと前記第１の磁石とは対向して配置されて、前記第１の駆動機構を構成し、前記第２の電磁コイルと前記第２の磁石とは対向して配置されて、前記第２の駆動機構を構成している、相対駆動装置。
この適用例によれば、１つの駆動装置に第１と第２の駆動機構を有する相対駆動装置を構成し、第１の駆動機構のローターを第２の駆動機構のステーターとして用いることができる。１つの駆動機構しか有さない駆動装置で大きな駆動速度を得るためには、大きな駆動電圧が必要であるが、本実施例によれば、第１の駆動機構のローターと第２の駆動機構の駆動電圧を低くして個々の駆動機構の駆動速度を小さく抑えても、全体として大きな駆動速度を得ることができる。

［適用例２］
第１の駆動機構と第２の駆動機構とを有する相対駆動装置であって、ステーターと、第１のローターと、第２のローターと、を備え、前記ステーターは、第１の電磁コイルと前記第１の電磁コイルに流す電流を制御する第１の制御部を有し、前記第１のローターは、磁石を有し、前記第２のローターは、第２の電磁コイルと、前記第２の電磁コイルに流す電流を制御する第２の制御部とを有し、前記第１の電磁コイルは、前記磁石の一方の極側に対向して配置されており、前記第１の電磁コイルと、前記磁石とで、前記第１の駆動機構を構成し、前記第２の電磁コイルは、前記磁石の他方の極側に対向して配置されており、前記第２の電磁コイルと、前記磁石とで、前記第２の駆動機構を構成している、相対駆動装置。
この適用例によれば、１つの駆動装置に第１と第２の駆動機構を有する相対駆動装置を構成できる。また、相対駆動装置を小型にすることができる。さらに、個々の駆動機構の駆動速度を小さく抑えつつ、全体として大きな駆動速度を得ることができる。

［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の相対駆動装置において、前記第１の電磁コイルに電流を流して、前記第１のローターを第１の方向に回転させ、前記第２の電磁コイルに保持電流を流すことにより、前記第２のローターを、前記第１のステーターに対して前記第１の方向に前記第１のローターと同速で回転させる同速駆動モードを有する、相対駆動装置。
この適用例によれば、第１のローターと第２のローターの間とを同速で駆動することができる。

［適用例４］
適用例１または適用例２に記載の相対駆動装置において、前記第１の電磁コイルに電流を流して、前記第１のローターを第１の方向に回転させ、前記第２の電磁コイルに電流を流すことにより、前記第２のローターを、前記第１のステーターに対して前記第１の方向に前記第１のローターよりも高速で回転させる高速駆動モードを有する、相対駆動装置。
この適用例によれば、駆動機構が１つしかない駆動装置に対し、同じ駆動電圧でもより高速に第２のローターを駆動することができる。

［適用例５］
適用例１または適用例２に記載の相対駆動装置において、前記第１の電磁コイルに電流を流して、前記第１のローターを第１の方向に回転させ、前記第２の電磁コイルから電流を回生することにより、前記第２のローターを、前記第１のステーターに対して前記第１の方向に前記第１のローターよりも低速で回転させる低速駆動モード、あるいは、前記第２のローターを前記ステーターに対して停止させる停止モードを有する、相対駆動装置。
この適用例によれば、第２の駆動機構から、電気エネルギーを回生することができる。

［適用例６］
適用例１〜５のいずれか一つに記載の相対駆動装置において、さらに、前記ステーターは、第１の送受信コイルを有する第１の非接触電力送受信部を有し、前記第２のローターは、第２の送受信コイルを有する第２の非接触電力送受信部を有し、前記第２の電磁コイルを駆動するための電力、または、前記第２の電磁コイルから回生される電気エネルギーは、前記第１の非接触電力送受信部と、第２の非接触電力送受信部との間は、前記第１と第２の送受信コイル間の電磁結合により送受信される、相対駆動装置。
電磁コイルがローターにある場合、ブラシとコミュテーターにより電磁コイルの駆動電力を送る。この場合、ブラシとコミュテーターの機械的摩擦によりブラシとコミュテーターの摩耗が起こる、これに対し、この適用例によれば、機械的接触がないので、摩耗の恐れがなく、耐久性を高めることが出来る。

［適用例７］
適用例６に記載の相対駆動装置において、さらに、前記第１の非接触電力送受信部は、第２の非接触電力送受信部に送る電力に前記第２の電磁コイルに流す電流の大きさ方向を制御するための制御信号を変調する変調回路を有しており、前記第２の非接触電力送受信部は、前記電力に変調された制御信号を復調するための復調回路を有している、相対駆動装置。
この適用例によれば、制御信号を送るための配線を省略することができる。

［適用例８］
適用例１〜７のいずれか一つに記載の相対駆動装置を有する移動体。

［適用例９］
適用例１〜７のいずれか一つに記載の相対駆動装置を有するロボット。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、相対駆動装置の他、その相対駆動装置を用いたロボット、ロボットハンド等様々な形態で実現することができる。

第１の実施例にかかる駆動装置の構成を模式的に示す説明図である。 第１の実施例の駆動装置の駆動軸と垂直な面で切った断面を示す説明図である。 第１の実施例のステーターの第１の電磁コイルをステーターの円筒面を展開して示す説明図である。 第１の実施例にかかる駆動装置のブロック構成を模式的に示す説明図である。 駆動装置を同速モードで動作させるときを説明する説明図である。 同速モード時の第１の駆動機構のトルク−回転数特性と、トルク−電流特性を示す説明図である。 駆動装置を第１のローター２０の回転数Ｎ１よりも第２のローター１０２０の回転数Ｎ３を高速回転させるために高速モードで動作させるときの説明図である。 高速モード時の第１、第２の駆動機構のトルク−回転数特性と、トルク−電流特性を示す説明図である。 駆動装置を回生モードで動作させるときを説明する説明図である。 第２の実施例にかかる駆動装置の構成を模式的に示す説明図である。 第２の実施例の駆動装置の駆動軸と垂直な面で切った断面を示す説明図である。 第３の実施例にかかる駆動装置の構成を模式的に示す説明図である。 電磁コイルの配置を示す説明図である。 永久磁石の配置を示す説明図である。 第４の実施例にかかる駆動装置の構成を模式的に示す説明図である。 第５の実施例にかかる駆動装置の構成を模式的に示す説明図である。 無線による送電回路の構成を示す説明図である。 上記各実施例の制御部の一例を示す説明図である。 制御部の内部構成と動作を示す説明図である。 第１の駆動機構の正転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。 第１の駆動機構の反転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。 励磁区間設定部５９０の内部構成と動作を示す説明図である。 符号化部の動作とタイミングチャートを示す説明図である。 駆動部の動作状態を示す説明図である。 回生回路の一例を示す説明図である。 本発明の変形例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。 本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。 本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。

[第１の実施例]
図１Ａは、第１の実施例にかかる駆動装置の構成を模式的に示す説明図である。図１Ｂは、第１の実施例の駆動装置の駆動軸と垂直な面で切った断面を示す説明図である。図１Ｃは、第１の実施例のステーターの第１の電磁コイルをステーターの円筒面を展開して示す説明図である。駆動装置１０は、ステーター１５と、第１のローター２０と、第２のローター１０２０と、中心軸２３０と、を備える。ステーター１５は、第１の電磁コイル１００と、第１のコイルバックヨーク１１５と、第１の磁気センサー３００と、第１の回路基板３１０と、モーター駆動制御部５００と、取り付けボルト１７と、ブラシ１１７０と、を有している。第１のローター２０は、第１の永久磁石２００と、第１の磁石バックヨーク２１５と、第２の永久磁石１２００と、第２の磁石バックヨーク１２１５と、を備える。第２のローター１０２０は、第２の電磁コイル１１００と、第２のコイルバックヨーク１１１５と、第２の磁気センサー１３００と、第２の回路基板１３１０と、モーター駆動回生制御部１５００と、出力部２３２と、コミュテーター１１８０と、取り付けボルト２０１７と、を備える。

ステーター１５は、円筒形状部分と円盤形状部分とを有している。ステーター１５の円筒形状部分には、図１Ｂ、図１Ｃに示すように、円筒面に沿って、複数の第１の電磁コイル１００が配置されている。なお、電磁コイル１００Ａは、Ａ相用の電磁コイル１００ＡとＢ相用の電磁コイル１００Ｂの２種があり、円周に沿って交互に配置されている。なお、Ａ相用の電磁コイル１００ＡとＢ相用の電磁コイル１００Ｂとを区別しない場合には、単に「電磁コイル１００」と呼ぶ。ここで、複数の第１の電磁コイル１００のそれぞれは、円筒面の法線を軸とするように巻かれている。すなわち第１の電磁コイル１００に電流が流れたときに生じる磁束の向きは、円筒の放射方向あるいは中心方向である。第１のコイルバックヨーク１１５は、第１の電磁コイル１００が為す円筒面の外側に円筒形状に配置されている。なお、第１のコイルバックヨーク１１５は、図１Ｃに示すように、第１の電磁コイル１００のコイルエンドを除いた部分と重なるように配置されていることが好ましい。コイルエンドとは、電磁コイルのうち、電磁コイル１００にローレンツ力が働くときに、円筒の円周方向と異なる方向に力が働く部分、すなわち駆動装置１０が回転する力と関係ない方向に力が働く部分である。第１のコイルバックヨーク１１５を第１の電磁コイル１００のコイルエンドを除いた部分と重なるように配置するのは、第１のローター２０に配置された永久磁石２００の磁束を、コイルエンドを除いた電磁コイル１００の部分に磁束を集中させるためである。また、第１のコイルバックヨーク１１５は、穴あき円盤を積層し円筒形に積み重ねて形成されていることが好ましい。渦電流損により発熱を抑制することができる。また。加工性を向上するために、穴あき円盤を分割して構成しても良い。尚、図１Ａと図１Ｂの第１の永久磁石２００と第２の永久磁石１２００の極数は、同極数として説明するが、極数は同じでなくても良く、第１の電磁コイル１００と第２の電磁コイル１１００も同相数及び同極数として説明するが、相数及び極数は同じでなくても良い。

図１Ａに示すように、ステーター１５には、第１の磁気センサー３００と、第１の回路基板３１０と、モーター駆動制御部５００と、取り付けボルト１７と、が配置されている。第１の磁気センサー３００は、第１の永久磁石２００の近傍に配置され、第１の永久磁石２００からの磁束に応じたセンサー信号を出力する。この時のセンサー信号が電磁コイル１００からの誘起電圧を正規化した波形に近い波形になるように、磁気センサー３００を設置することが好ましい。第１の磁気センサー３００としては、例えばホールセンサーを用いることが出来る。なお、第１の磁気センサー３００は、センサー信号の出力が、磁気センサー３００の温度変化によるセンサー出力の変化に対して補償できる回路を有した温度補償機能を備えていていることが好ましい。第１の磁気センサー３００は、第１の回路基板３１０上に配置されている。なお、第１の磁気センサー３００についてもＡ相用、Ｂ相用の２種あるが、ここでは区別して記載していない。第１の回路基板３１０上には、さらに、モーター駆動制御部５００が配置されている。なお、モーター制御駆動部５００は、駆動装置１０の外部に設けられていても良い。

第１のローター２０の内周面には、ステーター１５の第１の電磁コイル１００のコイルエンドを除いた有効長と対向するように、第１の永久磁石２００が配置されている。第１の永久磁石２００は極数に応じて複数あり、それぞれの第１の永久磁石２００は、ローター２０の外周に沿うように並べられている。第１の永久磁石２００の磁束の向きは、円筒形状の内周方向と外周方向であり、着磁は、パラレル方向、アキシャル方向のどちらでも良い。なお、隣接する永久磁石２００の磁束の向きは逆である。第１の永久磁石２００の内側には、第１の磁石バックヨーク２１５が配置されている。第１の磁石バックヨーク２１５は、円筒形状をしている。また、永久磁石２００が極異方性着磁の場合には、磁石バックヨーク２１５を省略することができる。

第１の駆動機構は、第１の電磁コイル１００と、第１のローター２０の第１の永久磁石２００とで構成されており、ステーター１５のモーター駆動制御部５００は、第１の電磁コイル１００に流す電流を制御することにより、第１の駆動機構の動作を制御する。

第１のローターの第１の磁石バックヨーク２１５の内周側には、第２の磁石バックヨーク１２１５が配置されている。第２の磁石バックヨーク１２１５は、円筒形状をしている。第２の磁石バックヨーク１２１５の内周側には、第２の永久磁石１２００が配置されている。第２の永久磁石１２００は極数に応じて複数あり、それぞれの第２の永久磁石１２００は、ローター２０内周に沿うように並べられている。第２の永久磁石１２００の磁束の向きは、円筒形状の内周方向と外周方向であり、着磁は、パラレル方向、アキシャル方向のどちらでも良い。そして、隣接する永久磁石１２００の磁束の向きは逆である。

第２のローター１０２０の外周面には、第１のローター２０の第２の永久磁石１２００と対向するように、ローター１０２０の外周面に沿って、永久磁石１２００の極数に応じて複数の第２の電磁コイル１１００が配置されている。なお、第２の電磁コイル１１００も第１の電磁コイル１００と同様に、Ａ相用の電磁コイル１１００Ａと、Ｂ相用の電磁コイル１１００Ｂとを有していること、及び両者を区別しない場合には、単に「電磁コイル１１００」と呼ぶことも同様である。ここで、複数の第２の電磁コイル１１００のそれぞれは、円筒面の法線を軸とするように巻かれている。すなわち第２の電磁コイル１１００内に電流が流れたときに生じる磁束の向きは、内周方向と外周方向である。第２の電磁コイル１１００が為す円筒面の内側には、第２のコイルバックヨーク１１１５が、円筒形状に配置されている。なお、第２のコイルバックヨーク１１１５は、第２の電磁コイル１１００のコイルエンドを除いた部分と重なるように配置されていることが好ましい。また、永久磁石１２００が極異方性着磁の場合には、第２の磁石バックヨーク１２１５を省略することができる。

第２のローター１０２０の円盤形状部分には、第２の磁気センサー１３００と第２の回路基板１３１０と、モーター駆動回生制御部１５００と、出力部２３２と、が配置されている。第２の磁気センサー１３００は、第２の永久磁石１２００の近傍に配置され、第２の永久磁石１２００からの磁束に応じたセンサー信号を出力する。この時のセンサー信号が電磁コイル１１００からの誘起電圧を正規化した波形に近い波形になるように、磁気センサー１３００を設置することが好ましい。第２の磁気センサー１３００についても、第１の磁気センサー３００と同様に、ホールセンサーを用いて構成することが出来、センサー信号の出力が、磁気センサー３００の温度変化によるセンサー出力の変化に対して補償できる回路を有した温度補償機能を備えてもよい。第２の磁気センサー１３００は、第２の回路基板１３１０上に配置されている。なお、第２の磁気センサー１３００についてもＡ相用、Ｂ相用の２種あるが、ここでは区別して記載していない。第２の回路基板１３１０上には、さらに、モーター駆動回生制御部１５００が配置されている。出力部２３２は駆動装置１０の出力となるであり、負荷を接続するための取り付けボルト２０１７を有している。

第２の駆動機構は、第２の電磁コイル１１００と、第１のローター２０の第２の永久磁石１２００とで構成されており、第２のローター１０２０のモーター駆動回生制御部１５００は、第２の電磁コイル１１００内に駆動または回生として流す電流を制御することにより、第２の駆動機構の動作を制御する。また、モーター駆動回生制御部１５００は、第２の駆動機構を発電機として動作させ、第１の駆動機構で得られた第１のローター２０の第１の回転運動（Ｐ１＝ω１×τ１）は、第２の永久磁石１２００と第２の電磁コイル１１００を経由し、出力部２３２に回転運動（Ｐ２＝ω２×τ２）を出力とする力伝達をさせることができる。また、第２の電磁コイル１１００から回生された電気エネルギーは、モーター駆動回生制御部１５００により回生することもできる。

出力部２３２には、コミュテーター１１８０が設けられている。コミュテーター１１８０は、ステーター１５に設けられたブラシ１１７０と接触しており、第２の電磁コイル１１００に流す電流が給電されるとともに、回生動作時には、第２の電磁コイル１１００からの電気エネルギーとなる回生電流を取り出すために用いられる。なお、一般に電磁コイルが回転するモーターでは、電磁コイルに印可する電流の向きを切り替えるため、コミュテーターは、整流子の機能を有しており、コミュテーターの２カ所に切り欠きが設けられている。これに対し、本実施例のコミュテーター１１８０は、出力部２３２の円周に沿って途切れなく設けられており、電流の極性を切り換えるための切り欠きを備えていない。なお、第２の電磁コイル１１００内に流れる電流の向きは、第２の磁気センサー１３００からのセンサー信号に基づいてモーター駆動回生制御部１５００が切り換える。

第１のローター２０と中心軸２３０との間、及び第２のローター１０２０と中心軸２３０との間には、軸受け２４０が配置されている。すなわち、本実施例では、中心軸２３０には、第１のローター２０あるいは、第２のローター１０２０からの捻れトルクを受けない構成になっている。また、中心軸２３０の端部にはネジ山が形成されており、ステーター１５の外側には、中心軸２３０の保持性を向上させるための軸受けリング２４１がネジにより取り付けられている。また、中心軸２３０の内側は空洞２３１となっており、空洞２３１には、モーター駆動制御部５００に電力を供給するための配線と、制御信号の入力／出力となる配線である配線２５が通っている。

図２は、第１の実施例にかかる駆動装置のブロック構成を模式的に示す説明図である。図２では、図１に示した、ステーター１５と、第１、第２のローター２０、１０２０と、第１、第２の電磁コイル１００、１１００と、第１、第２の永久磁石２００、１２００と、モーター駆動制御部５００と、モーター駆動回生制御部１５００と、出力部２３２と、ブラシ１１７０と、コミュテーター１１８０と、に加え、ＣＰＵ部４００と、駆動回生切替部１６００と、二次電池１７００と、負荷部２０００と、を記載している。ＣＰＵ部４００は、モーター駆動制御部５００に対して、第１の駆動機構の動作を指示し、モーター駆動回生制御部１５００に対して、駆動回生切替部１６００を経由して第２の駆動機構に対して動作（駆動または回生）を指示する。ここで、第２の駆動機構に対する指示は、電力に重畳させた指示信号により行うことができる。駆動回生切替部１６００は、第２の駆動機構の動作を駆動動作にするか、回生動作にするか、を切り換える。駆動回生切替部１６００には、二次電池１７００が接続されており、二次電池１７００は、回生電力を蓄電する。負荷部２０００は、出力部２３２に取り付けられている。すなわち、ステーター１５と中心軸２３０とは固定され、固定された中心軸２３０の外周を第１のローター２０と出力部２３２に連結された第２のローター１０２０が回転する。

ＣＰＵ部４００の指示により、駆動装置１０は、同速モードと、高速モードと、回生モードとの３つの動作モードを実行することが出来る。同速モードでは、駆動装置１０は、第１のローター２０と第２のローター１０２０とをステーター１５に対して同じ速度で回転させる。高速モードでは、駆動装置１０は、第１のローター２０をステーター１５に対して第１の方向に回転させ、第２のローター１０２０を第１のローター２０に対して第１の方向に回転させる。すなわち、第１のローター２０の回転速度に、第１のローター２０に対する第２のローター１０２０の回転速度を加えることにより、第２のローター１０２０をステーター１５に対して高速で回転させる。回生モードでは、駆動装置１０は、第１のローター２０をステーター１５に対して第１の方向に回転させ、第２のローター１０２０を、ステーター１５に対して第１の方向に第１のローターの回転速度よりも低速で回転させ、第１のローターに加えたエネルギーの少なくとも一部を回生する。以下、各動作モードについて説明する。

（１）同速モード
図３Ａは、駆動装置を同速モードで動作させるときを説明する説明図である。同速モードでは、第１の電磁コイル１００に第１の磁気センサー３００のセンサー信号に基づき電流ｉ１を流して、ステーター１５に対して、第１のローター２０を回転数Ｎ１で回転させる。また、同速モードでは、第２の電磁コイル１１００に第２の磁気センサー１３００のセンサー信号に基づき電圧ｖ２を印可することで、保持電流ｉ２を流して、第１のローター２０に対して、第２のローター１０２０を相対的に回転数ゼロで回転させる。すなわち、第２のローター１０２０に連結された出力部２３２を、ステーター１５に対して、回転数Ｎ１で回転させる。

図３Ｂは、同速モード時の第１の駆動機構のトルク−回転数特性と、トルク−電流特性を示す説明図である。第１の駆動機構について、負荷トルクＴ１のときの第１のローター２０は、ステーター１５に対して、回転数Ｎ１で回転する。このときの第１の電磁コイル１００に流れる電流は、ｉ１である。

モーター駆動制御部５００が第１の電磁コイル１００に第１の磁気センサー３００のセンサー信号に基づき駆動電流を印可すると、第１のローター２０は、ステーター１５と第２のローター１０２０に対して回転する。このとき、第２のローター１０２０の第２の電磁コイル１１００に対して、第１のローターの第２の永久磁石１２００が動くので、第２の電磁コイル１１００に誘起起電力が生じる。そこで、モーター駆動回生制御部１５００が誘起起電力を相殺するように第２の磁気センサー１３００のセンサー信号に基づいて第２の電磁コイル１１００を駆動することで第２のローター１０２０は未回転状態から回転数Ｎ１に向かい、第１のローターに追従して回転する。ここで、何も損失が発生しなければ、第２のローター１０２０は、第１のローター２０と同じ速度で回転する。しかし、第２の電磁コイル１１００には、銅損失、鉄損失、機械損失の損失に関わるジュール熱損失が生じる。したがって、第２の電磁コイル１１００のジュール熱損失に相当する電流を第２の電磁コイルに供給することにより、第１のローター２０と、第２のローター１０２０と、をステーター１５に対して同じ回転数で回転させることができる。この第２の電磁コイル１１００のジュール熱損失に相当する電気エネルギーを補うために流す電流を、保持電流と呼ぶ。なお、この保持電流は、第１のローター２０、第２のローター１０２０の回転数に依存する。

（２）高速モード
図４Ａは、第１のローター２０の回転数Ｎ１よりも第２のローター１０２０の回転数Ｎ３を高速回転させるために駆動装置を高速モードで動作させるときの説明図である。高速モードでは、第１の駆動機構の動作については、同速モードと同様である。すなわち、第１の電磁コイル１００に電流ｉ１を流して、ステーター１５に対して、第１のローター２０を回転数Ｎ１で回転させる。高速モードでは、第２の電磁コイル１１００に電圧ｖ３（ｖ３＞ｖ２）を印可し、保持電流ｉ２よりも大きな電流ｉ３を流して、第１のローター２０に対して、第２のローター１０２０を高回転で回転させる。第２のローター１０２０の、ステーター１５に対する回転数をＮ３とすると、Ｎ３＞Ｎ１である。

図４Ｂは、高速モード時の第１、第２の駆動機構のトルク−回転数特性と、トルク−電流特性を示す説明図である。図４Ｂ（１）に示す第１の駆動機構の特性は、同速モードの特性と同じである。図４Ｂ（２）には、第２の駆動機構のトルク−回転数特性と、トルク−電流特性を示している。第１の駆動機構と、第２の駆動機構は、第１のローター２０を共有しているので、第１の駆動機構に掛かる負荷トルクと、第２の駆動機構に掛かる負荷トルクは同じ大きさである。この負荷トルクの大きさをＴ１とする。負荷トルクＴ１のとき、高速モードでは、第２のローター１０２０は、第１のローターと相対的な回転数Ｎ２で回転する。そこで、ステーター１５と第２のローター１０２０間には、Ｎ１＋Ｎ２＝Ｎ３の回転差が生じる。このとき、第２の電磁コイル１１００に流れる電流は、ｉ３である（ｉ３＞ｉ２）。第１の駆動機構しかなければ回転数はＮ１までしか上げられないが、第２の駆動機構を備えることにより、回転数を目的に応じてＮ３（Ｎ３＞Ｎ１）まで上げることが可能となる。
（３）回生モード（ニュートラルモード、低速モード、停止モード）
図５は、駆動装置を回生モードで動作させるときを説明する説明図である。回生モードは、第１の駆動機構に加えた電気エネルギーにより永久磁石１２００が配置された第２のローター１２００を回転させ、その第１ローター２０の回転運動の一部を用いて、第１のローター２０に配置された永久磁石１２００と電磁結合した第２のローター１０２０の第２の電磁コイル１１００に誘起起電力を生じさせる。この誘起起電力は、第２の磁気センサー１３００に基づいてモーター駆動回生制御部１５００で電流制御されることで、第２のローター１０２０を経由して出力部２３２に回転運動を伝達させる。この電流制御により出力部２３２をニュートラルモード、低速モード、停止モードで動作させることができる。

まず、ニュ−トラルモードは、第２のローター１０２０にたいして第１のローター２０の回転数が影響を与えない状態で、第２の電磁コイル１１００間に生じる誘起起電力に対しモーター駆動回生制御部１５００で電流を流さない状態にすることで実現する。

次に、低速モードとは、第１のローター２０の回転数よりも低い回転数で、第１の回転運動の一部を第２のローター１０２０に回転運動としてトルクを伝達した状態で、第２の電磁コイル１１００間に生じる誘起起電力に対しモーター駆動回生制御部１５００で電流を流す状態にすることで実現する。この流す電流量をリニアに制御することで電流量に応じたトルク量がリニアに可変し機械伝達が容易に行える。この際に流れる電流を電気エネルギーとして外部に回生電力（発電機）として蓄電することも出来る。

更に、停止モードでは、低速モード状態の第２の電磁コイル１１００間に生じる誘起起電力に対しモーター駆動回生制御部１５００で電流を最大限に流す状態にすることで実現する。この状態は、第１のローター２０の持つ第１の回転運動の全部を第２のローター１０２０に回転運動としてトルクを伝達した状態で、第２の電磁コイル１１００間に生じる誘起起電力に対しモーター駆動回生制御部１５００で短絡電流を流す状態にすることで実現する。この流れた電流量で最大トルクの伝達が容易に行える。この際に流れる電流を電気エネルギーとして外部に回生電力（発電機）として蓄電することも出来る。

駆動機構が１つしかない単独の駆動装置では、同一の負荷トルクに対して、回転数を上げるためには、電磁コイルに印可する電圧を上げる必要がある。これに対し、本実施例の駆動装置によれば、高速モード時において、駆動装置の回転数Ｎ３は、第１の駆動機構の回転数Ｎ１に、第２の駆動機構の回転数Ｎ２を加えた回転数となるので、同じ駆動電圧でも、より高回転が可能となる。また、電磁コイル１００、１１００に掛かる電圧を低くできるので、電磁コイル１００、１１００の寄生容量に対する充放電電流を少なくすることが出来、かかる充放電電流による損失を抑えることが出来る。

また、本実施例では、上記回生モードで説明したように、第２の駆動機構を発電機として利用し、電気エネルギーを回生することができる。また、１つの駆動機構しかない場合、始動時には、高トルクが掛かるので、急加速が起こりやすいが、本実施例では、第１駆動機構を動作させ、第２駆動機構を回生から徐々に同速モード、高速モードへと移行させることにより、出力部２３２において、滑らかな始動、滑らかな加速を実現する事が出来る。すなわち、ニュートラルモード、低速モード、停止モードを寄りきめ細かに制御することで、第１駆動機構からの回転運動を第２駆動機構へ非接触で且つ無段階で伝達できる非接触無段階変速機として用いることが出来る。また、出力部２３２を車輪、プロペラ等の負荷に連結することで電動移動体を大きく発展させることに繋がる。

[第２の実施例]
図６Ａは、第２の実施例にかかる駆動装置の構成を模式的に示す説明図である。図６Ｂは、第２の実施例の駆動装置の駆動軸と垂直な面で切った断面を示す説明図である。第２の実施例の駆動装置は、第１の実施例の駆動装置と第１のローター２０の構成が異なっている。すなわち、第２の実施例では、第１の実施例の第１のローターの第１と第２の磁石バックヨーク２１５、１２１５を有しておらず、第１の永久磁石２００と第２の永久磁石１２００とが一体となっている構成を有している。なお、永久磁石の符号を永久磁石２００としている。

第２の実施例においても、第１の実施例と同様に、同速モード、高速モード、回生モードを実行することができる。また、第２の実施例では、第１の永久磁石２００と第２の永久磁石１２００とが一体となっているため、第１の実施例よりも小型化と軽量化が可能である。さらに、第２の実施例では、磁石バックヨーク２１５、１２１５が不要とすることができる。

[第３の実施例]
図７Ａは、第３の実施例にかかる駆動装置の構成を模式的に示す説明図である。図７Ｂは、電磁コイルの配置を示す説明図である。図７Ｃは、永久磁石の配置を示す説明図である。第１の実施例の駆動装置においては、第１、第２の駆動機構は、ラジアルギャップ型であったが、第３の実施例では、第１、第２の駆動機構は、アキシャルギャップ型である点が異なる。第３の実施例では、第１、第２の電磁コイル１００、１１００も同様に、電流を流したときに生じる磁束の向きが中心軸２３０と平行である複数の電磁コイル１００、１１００で構成されており、各電磁コイル１００、１１００は、図７Ｂに示すように、それぞれ、円盤の円周に沿って並べられている。第３の実施例では、第１、第２の永久磁石２００、１２００は、磁束の向きが中心軸２３０と平行である複数の永久磁石２００、１２００で構成されており、各永久磁石２００、１２００は、それぞれ、図７Ｃに示すように、円盤の円周に沿って並べられている。第２の電磁コイル１１００、第２の永久磁石１２００も、図７Ｂ、図７Ｃと同様の形状を有している。

第３の実施例においても、第１の実施例と同様に、同速モード、高速モード、回生モードを実行することができる。また、第３の実施例では、第１の永久磁石２００と第２の永久磁石１２００とを同じ形状にし易く、また、第１の電磁コイル１００と第２の電磁コイル１１００とを同じ形状にし易い。すなわち、第１と第２の駆動機構の特性を同じにし易い。

［第４の実施例］
図８は、第４の実施例にかかる駆動装置の構成を模式的に示す説明図である。第４の実施例は、第１の実施例に対する第２の実施例と同様に、第２のローター１０２０に配置される永久磁石２０１を第１のローター２０用の永久磁石と一体とした構成を有している。永久磁石２０１は、永久磁石２００及び永久磁石１２００の両方と重なるように、永久磁石２００及び永久磁石１２００よりも大きく形成されている。なお、永久磁石２００、永久磁石２０１、永久磁石１２００を同じ形状とし、第１、第２の電磁コイル１００、１１００を同一形状としてもよい。

第４の実施例によれば、第１のローター２０の永久磁石２０１を第２のローター１０２０の永久磁石と一体として形成しているので、小型化と軽量化が可能となる。また、第１に駆動機構と第２の駆動機構の特性を同じにすることが可能となる。

図９は、第５の実施例にかかる駆動装置の構成を模式的に示す説明図である。第５の実施例は、第１の実施例と、第２の駆動機構の第２の電磁コイルに流す電流を、非接触で送電する点が異なる。なお、第５の実施例における、第１、第２の駆動機構の構成は、第２の実施例と同じ構成を採用したが、第１〜４の実施例のいずれの構成を採用しても良い。であってもよい。

第５の実施例のステーター１５は、ブラシ１１７０の代わりに送電コイル１４１０を有し、第２のローター１０２０は、コミュテーター１１８０の代わりに受電コイル１４２０を有し、さらに電磁波遮蔽板１４５０を有している。すなわち、第５の実施例では、送電コイル１４１０と受電コイル１４２０との間の電磁結合を用いて第２の電磁コイル１１００を駆動する電力を送電する。電磁波遮蔽板１４５０は、送電コイル１４１０と受電コイル１４２０の間の電磁波により、第１、第２の電磁コイル１００、１１００や第１、第２の永久磁石２００、１２００が悪影響を受けないようにするために配置されている。

図１０は、無線による送電回路の構成を示す説明図である。無線送電回路は、電力送信部１４００と、電力受信部１４３０と、電磁コイル制御部１４４０と、を備える。電力送信部１４００は、情報送信部１４０５を有している。情報送信部１４０５は、図２に示すＣＰＵ部４００の指示を受けて、電磁コイル１１００に流す電流を決めるための制御情報を生成する。この制御情報は、電力信号に重畳される。電力信号は交流であり、制御情報が変調される。この変調としては、例えば、振幅変調、位相変調、周波数変調を用いることが出来る。この中では、位相変調、周波数変調が好ましい。位相変調、周波数変調は振幅が一定なので、制御情報の値による電力量の変動が起こりにくい。電力受信部１４３０は、整流回路１４３２と、情報受信部１４３５と、を備える。整流回路１４３２は、交流である電力信号を直流に変換する。情報受信部１４３５は、電力信号から制御情報を復調し、電磁コイル１１００に印可する電流の向きを指示する方向信号Ｓ１、Ｓ２を生成する。電磁コイル制御部１４４０は、電磁コイル１２００に印可する駆動信号を生成する。

図２に示すブラシ１１７０とコミュテーター１１８０を用いた電力供給では、ブラシ１１７０やコミュテーター１１８０の摩耗が問題となるが、無線による送電では、このような摩耗は起こらない。なお、無線による場合、送電コイル１４１０と受電コイル１４２０の役割を交換し、回生動作の時には、電力送電方向を逆にしてもよい。

図１１は、制御部の内部構成と動作を示す説明図である。なお、第１、第２の駆動機構のモーター駆動制御部５００、１５００は、回生機能に関する回路以外は同一の回路を用いることが出来るので、以下、第１の駆動機構のモーター駆動制御部５００を例にとり説明し、その後、回生機能に関する回路について説明する。ここでは、モーター駆動制御部５００と、駆動部２５０と、電磁コイル１００と、第１の磁気センサー３００Ａ、３００Ｂと、ＣＰＵ部４００と、が記載されている。駆動部２５０は、複数のスイッチング素子を備えたブリッジ回路である。モーター駆動制御部５００は、基本クロック生成回路５１０と、１／Ｎ分周器５２０と、ＰＷＭ部５３０と、正逆方向指示値レジスター５４０と、乗算器５５０、５５２と、符号化部５６０、５６２と、ＡＤ変換部５７０、５７２と、電圧指令値レジスター５８０と、励磁区間設定部５９０とを備えている。

基本クロック生成回路５１０は、所定の周波数を有するクロック信号ＰＣＬを発生する回路であり、例えばＰＬＬ回路で構成される。分周器５２０は、このクロック信号ＰＣＬの１／Ｎの周波数を有するクロック信号ＳＤＣを発生する。Ｎの値は所定の一定値に設定される。このＮの値は、予めＣＰＵ部４００によって分周器５２０に設定される。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＰＣＬ、ＳＤＣと、乗算器５５０、５５２から供給される乗算値Ｍａ、Ｍｂと、正逆方向指示値レジスター５４０から供給される正逆方向指示値ＲＩと、符号化部５６０、５６２から供給される正負符号信号Ｐａ、Ｐｂと、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅａ、Ｅｂとに応じて、駆動信号ＤＲＶＡ１、ＤＲＶＡ２、ＤＲＶＢ１、ＤＲＶＢ２を生成する。この動作については後述する。

正逆方向指示値レジスター５４０内には、第１の駆動機構の回転方向を示す値ＲＩがＣＰＵ部４００によって設定される。本実施例では、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルのときに第１の駆動機構が正転し、Ｈレベルのときに逆転する。

ＰＷＭ部５３０に供給される他の信号Ｍａ、Ｍｂ、Ｐａ、Ｐｂ、Ｅａ、Ｅｂは以下のように決定される。なお、乗算器５５０と符号化部５６０とＡＤ変換部５７０はＡ相用の回路であり、乗算器５５２と符号化部５６２とＡＤ変換部５７２はＢ相用の回路である。これらの回路群の動作は同じなので、以下ではＡ相用の回路の動作について主に説明する。なお、以下では、Ａ相とＢ相のパラメータ（後述する励磁区間など）は同じ値に設定されるものとして説明するが、Ａ相とＢ相のパラメータを互いに異なる値に設定することも可能である。

なお、本明細書において、Ａ相とＢ相とをまとめて指す場合には、符号の末尾「ａ」「ｂ」（Ａ相とＢ相を示すもの）を省略している。例えば、Ａ相とＢ相の乗算値Ｍａ、Ｍｂを区別する必要が無い場合には、これらを合わせて「乗算値Ｍ」と呼ぶ。他の符号についても同様である。

磁気センサー３００Ａの出力ＳＳＡは、ＡＤ変換部５７０に供給される。この磁気センサー３００Ａの出力ＳＳＡのレンジは、例えばＧＮＤ（接地電位）からＶＤＤ（電源電圧）までであり、その中位点（＝ＶＤＤ／２）が出力波形の中位点（正弦波の原点を通る点）である。ＡＤ変換部５７０は、このセンサー出力ＳＳＡをＡＤ変換して、センサー出力のデジタル値を生成する。ＡＤ変換部５７０の出力のレンジは、例えばＦＦｈ〜０ｈ（語尾の”ｈ”は１６進数であることを示す）であり、プラス側の中央値を８０ｈとし、マイナス側の中央値を７Ｆｈとしてそれぞれを波形の中位点に対応させる。

符号化部５６０は、ＡＤ変換後のセンサー出力値のレンジを変換するとともに、センサー出力値の中位点の値を０に設定する。この結果、符号化部５６０で生成されるセンサー出力値Ｘａは、正側の所定の範囲（例えば＋１２７〜０）と負側の所定の範囲（例えば０〜−１２７）の値を取る。但し、符号化部５６０から乗算器５５０に供給されるのは、センサー出力値Ｘａの絶対値であり、その正負符号は正負符号信号ＰａとしてＰＷＭ部５３０に供給される。

電圧指令値レジスター５８０は、ＣＰＵ部４００によって設定された電圧指令値Ｙａを格納する。この電圧指令値Ｙａは、後述する励磁区間信号Ｅａとともに、第１の駆動機構への印加電圧を設定する値として機能するものである。電圧指令値Ｙａは、典型的には０〜１．０の値を取るが、１．０よりも大きな値を設定可能としても良い。但し、以下では電圧指令値Ｙａが０〜１．０の範囲の値を取るものと仮定する。このとき、仮に、非励磁区間を設けずに全区間を励磁区間とするように励磁区間信号Ｅａを設定した場合には、Ｙａ＝０は印加電圧をゼロとすることを意味し、Ｙａ＝１．０は印加電圧を最大値とすることを意味する。乗算器５５０は、符号化部５６０から出力されたセンサー出力値Ｘａと、電圧指令値Ｙａとを乗算して整数化し、その乗算値ＭａをＰＷＭ部５３０に供給する。

図１１（Ｂ）〜（Ｅ）は、乗算値Ｍａが種々の値を取る場合におけるＰＷＭ部５３０の動作を示している。ここでは、全期間が励磁区間であり非励磁区間が無いものと仮定している。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＳＤＣの１周期の間に、デューティがＭａ／Ｎであるパルスを１つ発生させる回路である。すなわち、図１１（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように、乗算値Ｍａが増加するに従って、駆動信号ＤＲＶＡ１、ＤＲＶＡ２のパルスのデューティが増加する。なお、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１は、センサー出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であり、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２はセンサー出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であるが、図１１（Ｂ）〜（Ｅ）ではこれらを合わせて記載している。また、便宜上、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２を負側のパルスとして描いている。

図１２は、ＰＷＭ部５３０（図１１）の内部構成の一例を示すブロック図である。ＰＷＭ部５３０は、カウンタ５３１、５３２と、ＥＸＯＲ回路５３３、５３４と、駆動波形形成部５３５、５３６とを備えている。カウンタ５３１とＥＸＯＲ回路５３３と駆動波形形成部５３５はＡ相用の回路であり、カウンタ５３２とＥＸＯＲ回路５３４と駆動波形形成部５３６はＢ相用の回路である。これらは以下のように動作する。

図１３は、第１の駆動機構の正転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。この図には、２つのクロック信号ＰＣＬ、ＳＤＣと、正逆方向指示値ＲＩと、励磁区間信号Ｅａと、乗算値Ｍａと、正負符号信号Ｐａと、カウンタ５３１内のカウント値ＣＭ１と、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２と、駆動波形形成部５３５の出力である駆動信号ＤＲＶＡ１、ＤＲＶＡ２とが示されている。カウンタ５３１は、クロック信号ＳＤＣの１期間毎に、クロック信号ＰＣＬに同期してカウント値ＣＭ１を０までダウンカウントする動作を繰り返す。カウント値ＣＭ１の初期値は乗算値Ｍａに設定される。なお、図１３では、図示の便宜上、乗算値Ｍａとして負の値も描かれているが、カウンタ５３１で使用されるのはその絶対値｜Ｍａ｜である。カウンタ５３１の出力Ｓ１は、カウント値ＣＭ１が０で無い場合にはＨレベルに設定され、カウント値ＣＭ１が０になるとＬレベルに立ち下がる。

ＥＸＯＲ回路５３３は、正負符号信号Ｐａと正逆方向指示値ＲＩとの排他的論理和を示す信号Ｓ２を出力する。第１の駆動機構が正転する場合には、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルである。従って、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２は、正負符号信号Ｐａと同じ信号となる。駆動波形形成部５３５は、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２から、駆動信号ＤＲＶＡ１、ＤＲＶＡ２を生成する。すなわち、カウンタ５３１の出力Ｓ１のうち、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２がＬレベルの期間の信号を第１の駆動信号ＤＲＶＡ１として出力し、出力Ｓ２がＨレベルの期間の信号を第２の駆動信号ＤＲＶＡ２として出力する。なお、図１３の右端部付近では、励磁区間信号ＥａがＬレベルに立ち下がり、これによって非励磁区間ＮＥＰが設定されている。従って、この非励磁区間ＮＥＰでは、いずれの駆動信号ＤＲＶＡ１、ＤＲＶＡ２も出力されず、ハイインピーダンス状態に維持される。

上述の説明から理解できるように、カウンタ５３１は、乗算値Ｍａに基づいてＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成回路として機能している。また、駆動波形形成部５３５は、励磁区間信号Ｅａに応じてＰＷＭ信号をマスクするマスク回路として機能している。

図１４は、第１の駆動機構の反転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。第１の駆動機構の反転時には、正逆方向指示値ＲＩがＨレベルに設定される。この結果、２つの駆動信号ＤＲＶＡ１、ＤＲＶＡ２が図１３から入れ替わっており、この結果、第１の駆動機構が反転することが理解できる。なお、ＰＷＭ部５３０のＢ相用の回路５３２、５３４、５３６も上述と同様に動作する。

図１５は、励磁区間設定部５９０の内部構成と動作を示す説明図である。励磁区間設定部５９０は、電子可変抵抗器５９２と、電圧比較器５９４、５９６と、ＯＲ回路５９８と、ＡＮＤ回路５９９とを有している。電子可変抵抗器５９２の抵抗値Ｒｖは、ＣＰＵ部４００によって設定される。電子可変抵抗器５９２の両端の電圧Ｖ１、Ｖ２は、電圧比較器５９４、５９６の一方の入力端子に与えられている。電圧比較器５９４、５９６の他方の入力端子には、磁気センサー３００Ａの出力ＳＳＡが供給されている。なお、図１５ではＢ相用の回路は図示の便宜上省略されている。電圧比較器５９４、５９６の出力信号Ｓｐ、Ｓｎは、ＯＲ回路５９８に入力されている。ＯＲ回路５９８の出力は、励磁区間と非励磁区間とを区別するための励磁区間信号Ｅａである。

図１５（Ｂ）は、励磁区間設定部５９０の動作を示している。電子可変抵抗器５９２の両端電圧Ｖ１、Ｖ２は、抵抗値Ｒｖを調整することによって変更される。具体的には、両端電圧Ｖ１、Ｖ２は、電圧レンジの中央値（＝ＶＤＤ／２）からの差分が等しい値に設定される。磁気センサー３００Ａの出力ＳＳＡが第１の電圧Ｖ１よりも高い場合には第１の電圧比較器５９４の出力ＳｐがＨレベルとなり、一方、磁気センサー３００Ａの出力ＳＳＡが第２の電圧Ｖ２よりも低い場合には第２の電圧比較器５９６の出力ＳｎがＨレベルとなる。励磁区間信号Ｅａは、出力信号Ｓｐ、Ｓｎの論理和を取った信号となる。従って、図１５（Ｂ）の下部に示すように、励磁区間信号Ｅａは、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰとを示す信号として使用することができる。励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰの設定は、ＣＰＵ部４００が可変抵抗値Ｒｖを調整することによって行なわれる。

なお、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰの設定機能は、ＣＰＵ部４００以外の他の回路で実現するようにしてもよい。また、外部からの要求（例えばモータの出力要求）に応じて電圧指令値Ｙａと励磁区間信号Ｅａの両者の値を調整し、これによって、要求に応じた出力を達成する調整部としての機能についても同様である。

ところで、駆動装置１０の始動時には、励磁区間ＥＰはなるべく大きく、非励磁区間ＮＥＰはなるべく小さくすることが好ましい。この理由は、駆動装置１０が、位相が非励磁区間ＮＥＰの内部に相当する位置で静止している場合には、ＰＷＭ信号が駆動波形形成部５３５（図１２）でマスクされてしまうので、始動できない可能性があるためである。従って、始動時には、非励磁区間ＮＥＰは、その許容範囲の中の最小値とすることが好ましい。なお、非励磁区間ＮＥＰの最小値は、ゼロでない値とすることが好ましい。この理由は、非励磁区間ＮＥＰの最小値をゼロとすると、磁気センサー３００Ａの出力ＳＳＡの極性（すなわち駆動信号の極性）が反転するタイミングにおいて、駆動部２５０（図１１）内において電流が逆流してしまい、スイッチングトランジスタが損傷する可能性があるからである。

図１６は、符号化部の動作とタイミングチャートを示す説明図である。ここでは、Ａ相用の符号化部５６０（図１１）を例にとり説明する。符号化部５６０は、ＡＤＣ部５７０（図１１）からＡＤＣ信号を受取、センサー出力値Ｘａと正負符号信号Ｐａを生成する。ここで、センサー出力値Ｘａは、ＡＤＣ信号を＋１２７〜−１２８にシフトし、その絶対値を取った値である。また、正負符号信号Ｐａについては、ＡＤＣ信号の値が０よりも小さい場合に正負符号信号ＰａをＨ、ＡＤＣ信号の値が０よりも大きい場合に正負符号信号ＰａをＬとしている。なお、正負符号信号Ｐａの正負は、逆であってもよい。

図１７は、駆動部の動作状態を示す説明図である。なお、Ａ相、Ｂ相の構成は同じであるので、Ａ相についてのみ説明する。Ａ相駆動部２５０Ａは、４つのスイッチングトランジスタＴｒ１Ａ〜Ｔｒ４Ａを有しており、また、上アーム側のスイッチングトランジスタＴｒ１Ａ、Ｔｒ３Ａには、駆動信号のレベルを調整するためのレベルシフト回路２５５Ａ、２５６Ａが設けられている。但し、レベルシフト回路２５５Ａ、２５６Ａは省略可能である。

Ａ相駆動部２５０Ａには、ＰＷＭ部５３０（図１１、図１２）から駆動信号ＤＲＶＡ１、ＤＲＶＡ２が供給される。駆動信号ＤＲＶＡ１、ＤＲＶＡ２は、どちらか一方のみがオンし、同時にはオンしない。駆動信号ＤＲＶＡ１がオン状態になるととともに駆動信号ＤＲＶＡ２がオフ状態になるときに、第１の電流方向ＩＡ１に電流が流れる。逆に、駆動信号ＤＲＶＡ１がオフ状態になるととともに駆動信号ＤＲＶＡ２がオン状態になるときに、第２の電流方向ＩＡ２に電流が流れる。この結果、第１の駆動機構が駆動信号に応じて駆動される。

図１８は、回生回路の一例を示す説明図である。回生回路は、第２の駆動機構からの回生制御を行う。回生回路は、回生制御部１８００と、Ａ相充電切替部１８１０ａとＢ相充電切替部１８１０ｂと、ＥＸＯＲ回路１８１５ａ、１８１５ｂと、二次電池１７００と、を備える。回生制御部１８００は、Ａ相回生制御回路１８００ａ、Ｂ相回生制御回路１８００ｂを含んでいる。Ａ相回生制御回路１８００ａとＢ相回生制御回路１８００ｂの構成は同じであるので、Ａ相回生制御回路１８００ａを例にとり説明する。Ａ相回生制御回路１８００ａは、Ａ相電磁コイル１１００Ａに対して１２５０Ａと並列に接続されている。Ａ相回生制御部１８００ａは、インバーター回路１８２０ａと、バッファー回路１８３０ａと、ダイオードで構成される整流回路１８４０ａ〜１８４３ａと、スイッチングトランジスタ１８５０ａ、１８６０ａと、抵抗１８５２ａ、１８６２ａと、を備えている。

ＣＰＵ部４００からの回生信号Ｋａがオンとなると、Ａ相充電切替部１８１０ａの出力がオンとなる。Ａ相充電切替部１８０ａがオンになると、インバーター回路１８２０ａの出力がＬとなり、スイッチングトランジスタ１８５０ａがオン状態になる。一方、バッファー回路１８３０ａの出力はＨとなるため、スイッチングトランジスタ１８６０ａがオフ状態になる。そうすると、第１の駆動機構は、スイッチングトランジスタ１８５０ａを介して、Ａ相電磁コイル１１００Ａで発生した電力を回生して、二次電池１７００を充電することが可能である。逆に、Ａ相充電切替部１８１０ａがオフ（＝０＝Ｌ）になると、バッファー回路１８３０ａによってスイッチングトランジスタ１８６０ａがオン状態になる。一方、インバーター回路１８２０ａの出力がＨとなり、スイッチングトランジスタ１８５０ａがオフ状態になる。この場合は、二次電池１７００からＡ相電磁コイル１１００ａに電流を供給することが可能である。尚、回生モードは２つあり、モード切替信号ＭｏｄｅＳｅｌにより切り替えが行われる。図１８に示すように励磁区間信号Ｅａ（図１５）と回生モード切替信号ＭｏｄｅＳｅｌを入力とするＥＸＯＲ回路１８１５ａの出力が、回生区間ＥＰａとなる。モーター駆動回生制御部１５００は、回生モード切替信号ＭｏｄｅＳｅｌを生成し、回生モードを切り替える。回生モード切替信号ＭｏｄｅＳｅｌがＬのとき、励磁区間信号Ｅａと回生区間ＥＰａとは同じ論理である。このとき、モーター駆動回生制御部１５００は、電気角π／２、３π／２点の誘起電圧が大きな領域を中心に回生電流を流す。一方、回生モード切替信号ＭｏｄｅＳｅｌがＨの時、励磁区間信号Ｅａと回生区間ＥＰａの論理が逆であり、モーター駆動回生制御部１５００は、電気角０、π点の誘起電圧が小さな領域を中心に回生電流を流す。このように、モーター駆動回生制御部１５００は、モード切替信号ＭｏｄｅＳｅｌを用いて、励磁区間信号Ｅａの論理を維持または反転させることにより回生区間ＥＰａを生成し、電気角０，π、２π近傍点から徐々にπ／２、３π／２の点に向けて回生電流量を徐々に増減できるための機械伝達トルクを容易に制御し易くできる。Ｂ相についても同様である。

このように、本実施例によれば、第１の駆動機構で得られた第１の運動エネルギーを第２の駆動機構により第２の運動エネルギーとして非接触でリニアに出力部２３２に伝達ができ、更に電気エネルギーを回生することも出来る。なお、第１と第２の駆動機構の役割を入れ替えて、第２の駆動機構を駆動し、第１の駆動機構から電気エネルギーの回生を行ってもよい。すなわち、第１のローター２０により回転された第２の永久磁石１２００により、第２の電磁コイル１１００間にはフレミング右手の法則により誘起電圧が生じ、第２の電磁コイル１１００に生じた誘起電圧によるコイル内の電流量をリニア制御することで、出力部２３２には電流に応じたトルクでリニア伝達することが出来きる。

また、第１のローター２０により回転された第２の永久磁石１２００と同一回転方向に回転するように、第２の電磁コイル１１００間に第２の磁気センサー１３００のセンサー信号の出力に基づいて（フレミング左手の法則）、第２の電磁コイル１１００で生じる誘起電圧を超えた電圧をモーター駆動回生制御部１５００で供給することで、第１のローター２０を超えた回転数を出力部２３２に増速することが出来きる。

また、出力部２３２から得られる第２の運動エネルギーを、第２の駆動機構と第１の駆動機構により回生制動制御（フレミング右手の法則）することで制動と共に電気エネルギーとして回生することが出来ることで、電動モーターと非接触による無断変速機とが一体化したアクチュエータ構造を提供することができる。

図１９は、本発明の変形例によるモーター／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車３３００は、前輪にモーター３３１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路３３２０と充電池３３３０とが設けられている。モーター３３１０は、充電池３３３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモーター３３１０で回生された電力が充電池３３３０に充電される。制御回路３３２０は、モーターの駆動と回生とを制御する回路である。このモーター３３１０としては、上述した各種のモーターを利用することが可能である。

図２０は、本発明の変形例によるモーターを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット３４００は、第１と第２のアーム３４１０，３４２０と、モーター３４３０とを有している。このモーター３４３０は、被駆動部材としての第２のアーム３４２０を水平回転させる際に使用される。このモーター３４３０としては、上述した各種のモーターを利用することが可能である。

図２１は、本発明の変形例によるモーターを利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両３５００は、モーター３５１０と、車輪３５２０とを有している。このモーター３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、モーター３５１０は、鉄道車両３５００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。このモーター３５１０としては、上述した各種のモーターを利用することができる。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…駆動装置
１５…ステーター
１７…ボルト
２０…第１のローター
２５…配線
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１１００、１１００Ａ、１１００Ｂ…電磁コイル
１１５、１１１５…コイルバックヨーク
２００、２０１、１２００…永久磁石
２１５、１２１５…磁石バックヨーク
２３０…中心軸
２３１…空洞
２３２…出力部
２４０…軸受け
２４１…リング
２５０、２５０Ａ、２５０Ｂ…駆動部
２５５Ａ…レベルシフト回路
３００、３００Ａ、３００Ｂ、１３００…磁気センサー
３１０、１３１０…回路基板
４００…ＣＰＵ部
５００…モーター駆動制御部
５１０…基本クロック生成回路
５２０…分周器
５３１、５３２…カウンタ
５３３、５３４…ＥＸＯＲ回路
５３５、５３６…駆動波形形成部
５４０…正逆方向指示値レジスター
５５０、５５２…乗算器
５６０、５６２…符号化部
５８０…電圧指令値レジスター
５９０…励磁区間設定部
５９２…電子可変抵抗器
５９４…第１の電圧比較器
５９６…第２の電圧比較器
１０２０…第２のローター
１１７０…ブラシ
１１８０…コミュテーター
１４００…電力送信部
１４０５…情報送信部
１４１０…送電コイル
１４２０…受電コイル
１４３０…電力受信部
１４３２…整流回路
１４３５…情報受信部
１４４０…電磁コイル制御部
１４５０…電磁波遮蔽板
１５００…モーター駆動回生制御部
１６００…駆動回生切替部
１７００…二次電池
１８００…回生制御部
１８１５ａ、１８１５ｂ…ＥＸＯＲ回路
１８２０ａ…インバーター回路
１８３０ａ…バッファー回路
１８４０ａ…整流回路
１８５０ａ…スイッチングトランジスタ
１８５２ａ…抵抗
１８６０ａ…スイッチングトランジスタ
２０００…負荷部
２０１７…ボルト
３３００…自転車
３３１０…モーター
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０…第１のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モーター
３５００…鉄道車両
３５１０…モーター
３５２０…車輪

Claims (9)

1. 第１の駆動機構と第２の駆動機構とを有する相対駆動装置であって、
   ステーターと、
   第１のローターと、
   第２のローターと、
   を備え、
   前記ステーターは、第１の電磁コイルと前記第１の電磁コイルに流す電流を制御する第１の制御部とを有し、
   前記第１のローターは、第１と第２の磁石を有し、
   前記第２のローターは、第２の電磁コイルと、前記第２の電磁コイルに流す電流を制御する第２の制御部とを有し、
   前記第１の電磁コイルと前記第１の磁石とは対向して配置されて、前記第１の駆動機構を構成し、
   前記第２の電磁コイルと前記第２の磁石とは対向して配置されて、前記第２の駆動機構を構成している、相対駆動装置。
2. 第１の駆動機構と第２の駆動機構とを有する相対駆動装置であって、
   ステーターと、
   第１のローターと、
   第２のローターと、
   を備え、
   前記ステーターは、第１の電磁コイルと前記第１の電磁コイルに流す電流を制御する第１の制御部を有し、
   前記第１のローターは、磁石を有し、
   前記第２のローターは、第２の電磁コイルと、前記第２の電磁コイルに流す電流を制御する第２の制御部とを有し、
   前記第１の電磁コイルは、前記磁石の一方の極側に対向して配置されており、前記第１の電磁コイルと、前記磁石とで、前記第１の駆動機構を構成し、
   前記第２の電磁コイルは、前記磁石の他方の極側に対向して配置されており、前記第２の電磁コイルと、前記磁石とで、前記第２の駆動機構を構成している、相対駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の相対駆動装置において、
   前記第１の電磁コイルに電流を流して、前記第１のローターを第１の方向に回転させ、前記第２の電磁コイルに保持電流を流すことにより、前記第２のローターを、前記第１のステーターに対して前記第１の方向に前記第１のローターと同速で回転させる同速駆動モードを有する、相対駆動装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の相対駆動装置において、
   前記第１の電磁コイルに電流を流して、前記第１のローターを第１の方向に回転させ、前記第２の電磁コイルに電流を流すことにより、前記第２のローターを、前記第１のステーターに対して前記第１の方向に前記第１のローターよりも高速で回転させる高速駆動モードを有する、相対駆動装置。
5. 請求項１または請求項２に記載の相対駆動装置において、
   前記第１の電磁コイルに電流を流して、前記第１のローターを第１の方向に回転させ、前記第２の電磁コイルから電流を回生することにより、前記第２のローターを、前記第１のステーターに対して前記第１の方向に前記第１のローターよりも低速で回転させる低速駆動モード、あるいは、前記第２のローターを前記ステーターに対して停止させる停止モードを有する、相対駆動装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の相対駆動装置において、さらに、
   前記ステーターは、第１の送受信コイルを有する第１の非接触電力送受信部を有し、
   前記第２のローターは、第２の送受信コイルを有する第２の非接触電力送受信部を有し、
   前記第２の電磁コイルを駆動するための電力、または、前記第２の電磁コイルから回生される電気エネルギーは、前記第１の非接触電力送受信部と、第２の非接触電力送受信部との間は、前記第１と第２の送受信コイル間の電磁結合により送受信される、相対駆動装置。
7. 請求項６に記載の相対駆動装置において、さらに、
   前記第１の非接触電力送受信部は、第２の非接触電力送受信部に送る電力に前記第２の電磁コイルに流す電流の大きさ方向を制御するための制御信号を変調する変調回路を有しており、
   前記第２の非接触電力送受信部は、前記電力に変調された制御信号を復調するための復調回路を有している、相対駆動装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の相対駆動装置を有する移動体。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の相対駆動装置を有するロボット。

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