JP4685371B2 - 相対駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、電気エネルギを用いて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、一方の駆動軸から他方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、別個にモータを設けておく必要があった。

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。

上記目的を達成するために、本発明による第１の相対駆動装置は、互いに分離された第１と第２の駆動力伝達部材を相対的に回転駆動するための相対駆動装置であって、前記第１の駆動力伝達部材に連結された第１と第２のコイル列と、前記第２の駆動力伝達部材に連結された磁石列と、前記第１の駆動力伝達部材に設置され、前記磁石列に対する前記第１と第２のコイル列の位置を検出する第１と第２の位置センサと、前記第１と第２の位置センサの出力に応じて前記第１と第２のコイル列を駆動して回転磁界を発生させる駆動制御と回生制御とを実行する駆動回路ユニットと、を備える。前記第１と第２のコイル列は、所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルをそれぞれ含む。前記磁石列は、複数の磁石を含むとともに、前記第１と第２のコイル列に対向してＮ極とＳ極とが交互に配置されている。前記第１と第２のコイル列は、電気角でπ／２の奇数倍だけ相互にずれた位置に配置されている。前記第１と第２の位置センサは、前記第１と第２のコイル列の位置を示すセンサ出力として、前記第１と第２のコイル列の電気角のずれに等しい前記π／２の奇数倍だけ相互に位相がずれたセンサ出力を生成するセンサである。前記第１の駆動力伝達部材は、駆動軸を介して原動機と連結される部材であり、前記第２の駆動力伝達部材は、前記駆動軸から分離された負荷軸を介して負荷部と連結される部材である。前記相対駆動装置は、（ｉ）前記駆動軸を介して前記原動機から供給される第１の運動エネルギと、前記相対駆動装置の電気エネルギから変換された第２の運動エネルギとの合計を、前記負荷軸を介して前記負荷部に伝達する相対加速動作モードと、（ｉｉ）前記第１の運動エネルギの一部を前記相対駆動装置の電気エネルギに変換した残りの運動エネルギを、前記負荷軸を介して前記負荷部に伝達する相対減速動作モードと、を含む複数の動作モードで動作可能である。この相対駆動装置によれば、相対加速動作モードと相対減速動作モードとを利用することによって、負荷軸に連結された負荷部に、広い範囲の駆動力を供給することが可能である。また、相対減速動作モードでは、原動機から供給された運動エネルギの一部を電気エネルギとして回収することが可能である。

前記複数の動作モードは、さらに、（ｉｉｉ）前記駆動軸と前記負荷軸との関係が固定された状態で前記駆動軸と前記負荷軸とを回転させる保持モードと、（ｉｖ）前記駆動軸と前記負荷軸とを互いに空転させる空転モードと、を含むようにしてもよい。こうすれば、駆動軸と負荷軸を固定したり、或いは、互いに空転させたりすることが可能である。

上記相対駆動装置は、さらに、前記第１及び第２のコイル列および前記磁石列を収納するケースを備えており、前記第１及び第２のコイル列の各コイルは、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成された支持材の回りに巻き回されており、前記ケースは、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成されているものとしてもよい。

この構成によれば、鉄損やコギングがほとんど無い相対駆動装置を実現することができる。

上記相対駆動装置は、回転軸と、軸受け部以外の構造材は、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成されているものとしてもよい。

この構成によれば、さらに軽量化が可能であり、また、鉄損をさらに低減することができる。

なお、各コイル列の前記複数のコイルは、同一のコイル列に属する隣り合うコイル同士が常に逆極性に励磁されるように互いに接続されているものとしてもよい。

また、前記第１及び第２のコイル列は、前記磁石列を挟んだ両側に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、磁石列の両側の磁束を有効に利用できるので、大きなトルクを発生させることができる。

前記相対駆動装置は、前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列とが前記所定の方向に沿って相対的に回転する回転式モータ／ジェネレータであり、前記第１のコイル列のコイル数と、前記第２のコイル列のコイル数と、前記磁石列の磁石数とが等しいものとしてもよい。

この構成によれば、高効率で大トルクの相対駆動装置を実現することができる。

上記相対駆動装置は、さらに、前記第１と第２のコイル列の駆動と回生を制御するための駆動回路ユニットを内蔵してもよい。また、前記第１の駆動力伝達部材には、前記駆動回路ユニットに外部からブラシを介して電源を供給するためのブラシ用接点が設けられていてもよい。このとき、前記駆動回路ユニットは、前記第１と第２のコイル列に第１と第２の交流駆動信号を供給して前記第１と第２の駆動力伝達部材のうちの一方から他方に伝達されるエネルギを増大させる第１の動作モードで運転を実行する第１の駆動制御回路と、前記第１と第２のコイル列に発生した電力を回収することによって前記第１と第２の駆動力伝達部材のうちの一方から他方に伝達されるエネルギを減少させる第２の動作モードで運転を実行する第２の駆動制御回路と、を含んでいてもよい。

この構成によれば、第１の駆動制御回路を用いた第１の動作モードで相対的な加速を実現することができ、一方、第２の駆動制御回路を用いた第２の動作モードで電力の回生を実現することができる。

前記駆動制御回路ユニットは、さらに、前記相対駆動装置の外部から無線で制御指令を受けるための通信部を備えるようにしてもよい。

この構成によれば、外部と接続された配線を通じて相対駆動装置内の駆動回路ユニットに制御指令を伝達する必要が無いので、第１と第２の駆動力伝達部材が双方とも動いている状態でも、外部からの制御指令を駆動回路ユニットに供給することができる。

前記第１の駆動制御回路は、前記第１及び第２のコイル列の各コイルの極性が前記磁石列内の磁石の中心と各コイルの中心とが対向するタイミングで切り替わるとともに、同一のコイル列に属する隣り合うコイル同士の間の中央位置が前記磁石列内の磁石の中心と対向するタイミングにおいて当該コイル列における磁束密度が最も大きくなるように、前記第１と第２の交流駆動信号を生成するものとしてもよい。

この構成によれば、駆動信号に同期して相対駆動装置を駆動することができる。

前記第１の駆動制御回路は、前記第１及び第２のコイル列の電流方向を逆転させることによって、前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列との相対的な動作方向を逆転させることが可能であるものとしてもよい。

また、前記第１の駆動制御回路は、位相がπ／２だけ相互にずれた第１と第２のＰＷＭ信号をそれぞれ生成する第１と第２のＰＷＭ回路と、前記相対駆動装置の出力要求に応じて前記第１と第２のＰＷＭ信号をマスクすることによって前記第１と第２の交流駆動信号を生成するマスク回路と、を備えるものとしてもよい。

この構成によれば、マスク回路によってＰＷＭ信号をマスクすることによって、相対駆動装置の出力を調節することが可能である。

前記マスク回路は、各交流駆動信号の極性が反転するタイミングを中心とした対称な時間的範囲で各ＰＷＭ信号をマスクするものとしてもよい。

一般に、各交流駆動信号の極性が反転するタイミング付近では、コイルがあまり有効な駆動力を発生せず、交流駆動信号のピーク付近で有効な駆動力を発生するという傾向がある。従って、上記の構成によれば、コイルが有効な駆動力をあまり発生しない期間においてＰＷＭ信号をマスクするので、相対駆動装置の効率を向上させることが可能である。

上記相対駆動装置は、さらに、前記第１と第２の駆動力伝達部材の間の相対動作速度が高くなるのに従って前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列との間の磁気結合が弱くなるように前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列との間の位置関係を調整する調整機構を備えるものとしてもよい。

一般に、モータの動作速度は、逆起電力定数に反比例することが知られている。上記の構成によれば、高速動作時の磁気結合が弱くなって逆起電力定数が小さくなるので、これに応じて相対速度を高めることができる。

前記調整機構は、前記第１と第２の駆動力伝達部材の間の相対動作速度が高くなるのに従って前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列との間の距離を大きくする機構であるものとしてもよい。

この構成によれば、より効率に逆起電力定数を小さくできるので、より大幅な高速化を実現することができる。

なお、前記第１と第２のコイル列は、中空の二重円筒構造を構成する第１と第２の円筒部材に配置されており、前記磁石列は、前記第１と第２の円筒部材の間に挿入された第３の円筒部材に配置されているようにしてもよい。

この構成によれば、第１と第２のコイル列及び磁石列が、回転時に振動しにくい相対駆動装置を得ることができる。

本発明による第２の相対駆動装置は、互いに分離された第１と第２の駆動力伝達部材を相対的に回転駆動するための相対駆動装置であって、前記第１の駆動力伝達部材に連結された第１、第２及び第３のコイル列と、前記第２の駆動力伝達部材に連結された磁石列と、前記第１の駆動力伝達部材に設置され、前記磁石列に対する前記第１、第２及び第３のコイル列の位置を検出する第１、第２、及び第３の位置センサと、前記第１、第２、及び第３の位置センサの出力に応じて前記第１、第２、及び第３のコイル列を駆動して回転磁界を発生させる駆動制御と回生制御とを実行する駆動回路ユニットと、を備える。前記第１ないし第３のコイル列は、所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルをそれぞれ含む。前記磁石列は、複数の磁石を含むとともに、前記第１ないし第３のコイル列に対向してＮ極とＳ極とが交互に配置されている。前記第１ないし第３のコイル列は、電気角で２π／３だけ順次相互にずれた位置に配置されている。前記第１ないし第３の位置センサは、前記第１ないし第３のコイル列の位置を示すセンサ出力として、前記第１ないし第３のコイル列の電気角のずれに等しい前記２π／３だけ順次相互に位相がずれたセンサ出力を生成するセンサでありる。前記第１の駆動力伝達部材は、駆動軸を介して原動機と連結される部材であり、前記第２の駆動力伝達部材は、前記駆動軸から分離された負荷軸を介して負荷部と連結される部材である。前記相対駆動装置は、（ｉ）前記駆動軸を介して前記原動機から供給される第１の運動エネルギと、前記相対駆動装置の電気エネルギから変換された第２の運動エネルギとの合計を、前記負荷軸を介して前記負荷部に伝達する相対加速動作モードと、（ｉｉ）前記第１の運動エネルギの一部を前記相対駆動装置の電気エネルギに変換した残りの運動エネルギを、前記負荷軸を介して前記負荷部に伝達する相対減速動作モードと、を含む複数の動作モードで動作可能である。この相対駆動装置によれば、相対加速動作モードと相対減速動作モードとを利用することによって、負荷軸に連結された負荷部に、広い範囲の駆動力を供給することが可能である。また、相対減速動作モードでは、原動機から供給された運動エネルギの一部を電気エネルギとして回収することが可能である。

この構成によっても、相対加速動作モードと相対減速動作モードとを利用することによって、負荷軸に連結された負荷部に、広い範囲の駆動力を供給することが可能である。また、相対減速動作モードでは、原動機から供給された運動エネルギの一部を電気エネルギとして回収することが可能である。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、相対駆動装置、相対駆動装置のための制御装置、それらの装置の駆動方法態様で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．第６実施例：
Ｇ．変形例

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例の駆動システムを示すブロック図である。この駆動システムは、相対駆動装置１０００と、原動機１１００と、負荷部１２００と、電力制御部１３００と、制御司令部１４００とを備えている。電力制御部１３００には、２次電池１３１０が接続されている。

原動機１１００としては、内燃機関や電動モータを使用することができる。負荷部１２００は、例えば車両の車輪である。原動機１１００と相対駆動装置１０００は、駆動軸１１１０で互いに連結されている。相対駆動装置１０００と負荷部１２００は、負荷軸１２１０で互いに連結されている。負荷軸１２１０には、直流電源用の接点１３２０が設けられている。この接点１３２０は、相対駆動装置１０００の内部の駆動制御回路ユニット（後述する）に接続されており、また、ブラシ１３３０および電源配線１３４０を介して電力制御部１３００に接続されている。なお、接点１３２０は、いわゆるコミュテータとしての機能を有しておらず、その全周にわたって途切れることなく連続した接点を構成している。

制御司令部１４００は、後述するように、無線を介して相対駆動装置１０００の内部の駆動制御回路ユニットに制御指令を送信するための装置である。なお、「無線」とは、可視光や赤外光を用いる場合も含む広い意味を有している。但し、制御司令部１４００は、無線を介して制御指令を伝送する代わりに、電力線を介して（すなわちブラシ１３３０と接点１３２０を介して）制御指令を伝送するようにしてもよい。

図２は、相対駆動装置１００の２つの動作モード（「運転モード」とも呼ぶ）を示している。図２（Ａ）は、相対加速動作モードを示す。このモードでは、各部のエネルギは以下の（１）式で与えられる。
Ｆｂ≒Ｋ×Ｆｒ＋Ｆａ …（１）
ここで、Ｆｂは駆動軸１１１０の運動エネルギ、Ｆｂは負荷軸１２１０の運動エネルギ、Ｆｒは相対駆動装置１０００の電気エネルギ、Ｋは電気エネルギと運動エネルギの間の変換効率である。

この相対加速動作モードでは、相対駆動装置１０００は、駆動軸１１１０の運動エネルギＦａにＫ×Ｆｒを加えた運動エネルギを負荷軸１２１０に伝達する。

図２（Ｂ）は、相対減速動作モードを示す。このモードでは、各部のエネルギは以下の（２）式で与えられる。
Ｆｂ≒−Ｋ×Ｆｒ＋Ｆａ …（２）

この相対加速動作モードでは、相対駆動装置１０００は、駆動軸１１１０の運動エネルギＦａのうちからＫ×Ｆｒを減算した運動エネルギを負荷軸１２１０に伝達する。電気エネルギＦｒは、回生電力として回収することができる。

なお、相対駆動装置１０００の動作モードとしては、この他に、駆動軸１１１０と負荷軸１２１０との関係が固定された状態で回転させる保持モードと、駆動軸１１１０と負荷軸１２１０とが互いに空転する空転モードとが存在する。保持モードは、相対駆動装置１０００に十分な保持力が発生するように、装置内のコイル（後述する）に電流を供給することによって実現される。一方、空転モードは、装置内のコイルに電流を供給しないことによって実現される。これから理解できるように、この相対駆動装置１０００は、クラッチとしての機能も有している。

図３（Ａ），３（Ｂ）は、第１実施例の相対駆動装置１０００の機械的構造を示す断面図である。相対駆動装置１０００は、第１ロータ部１０と、第２ロータ部３０とを有している。第１ロータ部１０は、負荷軸１２１０に対して固定されている。第２ロータ部３０は、駆動軸１１１０に対して固定されている。ここで、第１ロータ部１０をステータと考え、第２のロータ部３０をロータと考えると、この相対駆動装置１０００は、略円筒状のロータが、略円筒状の二重構造のステータの間に挿入されたインサートロータ型のモータ構造を有していることが理解できる。

図４（Ａ），４（Ｂ）は、第１ロータ部１０と第２ロータ部３０を分離して示したものである。図４（Ａ）に示す第１ロータ部１０は、中空円筒状のケース１２Ａの内面に配置されたＡ相コイル列１４Ａと、より内側にある略円筒状の支持部材２２Ｂに設けられたＢ相コイル列２４Ｂとを有している。Ａ相コイル列１４Ａは第２ロータ部３０よりも外側に配置され、Ｂ相コイル列２４Ｂは第２ロータ部３０よりも内側に配置される。第１ロータ部１０の内部には、さらに、駆動軸１１１０のための軸受け部２８と、基板５１０と、駆動回路ユニット５００とが設けられている。駆動回路ユニット５００には、負荷軸１２１０に固定された接点１３２０から電力が供給される。

図４（Ｂ）に示すように、第２ロータ部３０は、略円筒状の支持部材３２Ｍに固定された磁石列３４Ｍを有している。第２ロータ部３０は、さらに、第１ロータ部１０のケース１２Ａを閉じるための蓋３９を有しており、この蓋３９には軸受け部３６が設けられている。

なお、図３（Ｂ）に示した例では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、それぞれ８つのコイルを有しており、磁石列３４Ｍも８つの磁石を有している。但し、コイルや磁石の数は任意の値に設定することが可能である。

図３の構造では、２つのコイル列１４Ａ，２４Ｂは、中空の二重円筒構造を構成する２つの円筒部材に配置されており、磁石列３４Ｍはコイル列１４Ａ，２４Ｂの間に挿入された他の円筒部材に配置されている。このように、３つの中空円筒部材を同軸状に重ねた構造を、以下、「中空多重円筒構造」とも呼ぶ。この中空多重円筒構造を採用すると、ロータ部１０，３０の振動を少なく抑えることができるという利点がある。この理由は、ロータ部に振動を発生させるような力（コイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４Ｍとの間の吸引力と反発力のアンバランス）が回転軸を中心として相殺されるからである。

図５（Ａ）は、第１ロータ部１０のコイル列と第２ロータ部３０の磁石列の位置関係を示している。前述したように、第１ロータ部１０は、ケース１２Ａ（「支持部材」とも呼ぶ）に固定されたＡ相コイル列１４Ａと、支持部材２２Ｂ上に配置されたＢ相コイル列２４Ｂとを有している。Ａ相コイル列１４Ａは、逆方向に励磁される２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２が一定のピッチＰｃで交互に配置されたものである。図５（Ａ）の状態では、３つのコイル１４Ａ１は磁化方向（Ｎ極からＳ極に向く方向）が下向きになるように励磁されており、また、他の３つのコイル１４Ａ２は磁化方向が上向きになるように励磁されている。Ｂ相コイル列２４Ｂも、逆方向に励磁される２種類のコイル２４Ｂ１，２４Ｂ２が一定のピッチＰｃで交互に配置されたものである。なお、本明細書では、「コイルピッチＰｃ」は、Ａ相コイル列のコイル同士のピッチ、または、Ｂ相コイル列のコイル同士のピッチとして定義されている。

第２ロータ部３０は、支持部材３２Ｍに固定された磁石列３４Ｍを有している。この磁石列３４Ｍの永久磁石は、磁化方向が磁石列３４Ｍの配列方向（図５（Ａ）の左右方向）とは垂直な方向に向くようにそれぞれ配置されている。磁石列３４Ｍの磁石は、一定の磁極ピッチＰｍで配置されている。この例では、磁極ピッチＰｍはコイルピッチＰｃに等しく、電気角でπに相当する。なお、電気角の２πは、コイル列に供給されるの駆動信号の位相が２πだけ変化したときに移動する機械的な角度又は距離に対応づけられる。第１実施例では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの駆動信号の位相が２πだけ変化すると、磁石列３４ＭがコイルピッチＰｃの２倍だけ移動する。

なお、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、電気角で互いにπ／２だけ異なる位置に配置されている。Ａ相コイル１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、位置が異なるだけであり、他の点は実質的に同じ構成を有している。従って、以下では、コイル列に関する説明の際に特に必要な場合を除いてＡ相コイル列についてのみ説明する。

図５（Ｂ）は、相対加速動作モード（図２（Ａ））において、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂに供給される交流駆動信号の波形の一例を示している。Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂには、二相交流信号がそれぞれ供給される。また、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの駆動信号の位相はπ／２だけ互いにずれている。図５（Ａ）の状態は、位相ゼロ（又は２π）の状態に相当する。

図５（Ａ）に示すように、この相対駆動装置１００は、さらに、Ａ相コイル列１４Ａ用の位置センサ１６Ａと、Ｂ相コイル列２４Ｂ用の位置センサ２６Ｂとを有している。これらを以下では「Ａ相センサ」、「Ｂ相センサ」と呼ぶ。Ａ相センサ１６ＡはＡ相コイル列１４Ａの２つのコイルの間の中央の位置に配置されており、Ｂ相センサ２６ＢはＢ相コイル列２４Ｂの２つコイルの間の中央の位置に配置されている。これらのセンサ１６Ａ，２６Ｂとしては、図１（Ｂ）に示す交流駆動信号と同様な波形を有するアナログ出力を有するものを採用することが好ましく、例えばホール効果を利用したホールＩＣを採用することができる。但し、矩形波状のデジタル出力を有するセンサを採用することも可能である。また、位置センサを省略してセンサレス駆動を行うことも可能である。

なお、支持部材１２Ａ，２２Ｂ，３２Ｍは、非磁性体材料でそれぞれ形成されている。また、本実施例の相対駆動装置の各種の部材のうちで、コイルやセンサを含む電気配線と、磁石と、回転軸と、その軸受け部以外の部材は、すべて非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。

図６（Ａ），６（Ｂ）は、Ａ相コイル列１４Ａの２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２の結線方法を示す図である。図２（Ａ）の結線方法では、Ａ相コイル列１４Ａに含まれるすべてのコイルが、駆動回路ユニット５００に対して直列に接続されている。一方、図６（Ｂ）の結線方法では、一対のコイル１４Ａ１，１４Ａ２で構成される直列接続が、複数組並列に接続されている。このいずれの結線方法の場合にも、２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２は、常に逆の極性に磁化される。

図７（Ａ）〜７（Ｄ）は、第１実施例の相対駆動装置の動作を示している。なお、この例では、コイル列１４Ａ，２４Ｂに対して磁石列３４Ｍが時間の経過とともに右に移動する様子が描かれている。

図７（Ａ）は位相が２πの直前のタイミングの状態を示している。なお、コイルと磁石との間に描かれた実線の矢印は吸引力の方向を示しており、破線の矢印は反発力の方向を示している。この状態では、Ａ相コイル列１４Ａは磁石列３４Ｍに対して動作方向（図の右方向）の駆動力を与えておらず、磁石列３４ＭをＡ相コイル列１４Ａに引きつける方向に磁力が働いている。従って、位相が２πのタイミングでは、Ａ相コイル列１４Ａへの印加電圧をゼロにすることが好ましい。一方、Ｂ相コイル列２４Ｂは、磁石列３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。また、Ｂ相コイル列２４Ｂは磁石列３４Ｍに対して吸引力だけで無く反発力も与えているので、Ｂ相コイル列２４Ｂから磁石列３４Ｍに対する上下方向（磁石列３４Ｍの動作方向と垂直な方向）の正味の力はゼロである。従って、位相が２πのタイミングでは、Ｂ相コイル列２４Ｂへの印加電圧をピーク値にすることが好ましい。

図５（Ｂ）に示されているように、位相が２πのタイミングでＡ相コイル列１４Ａの極性が反転する。図７（Ｂ）は、位相がπ／４の状態であり、Ａ相コイル列１４Ａの極性が図７（Ａ）から反転している。この状態では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂが、磁石列３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。図７（Ｃ）は、位相がπ／２直前の状態である。この状態は、図７（Ａ）の状態とは逆に、Ａ相コイル列１４Ａのみが、磁石列３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。位相がπ／２のタイミングではＢ相コイル列２４Ｂの極性が反転し、図７（Ｄ）に示す極性となる。図７（Ｄ）は、位相が３π／４の状態である。この状態では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂが、磁石列３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。

図７（Ａ）〜７（Ｄ）から理解できるように、Ａ相コイル列１４Ａの極性は、Ａ相コイル列１４Ａの各コイルが磁石列３４Ｍの各磁石と対向するタイミングで切り換えられる。Ｂ相コイル列も同様である。この結果、すべてのコイルからほとんど常に駆動力を発生させ得るので、大きなトルクを発生することが可能である。

なお、位相がπ〜２πの期間は、図７（Ａ）〜７（Ｄ）とほぼ同様なので詳しい説明を省略する。但し、Ａ相コイル列１４Ａの極性は位相がπのタイミングで再び反転し、Ｂ相コイル列２４Ｂの極性は位相が３π／２のタイミングで再び反転する。

上述の説明から理解できるように、本実施例の相対駆動装置は、コイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４Ｍとの間の吸引力と反発力を利用することによって、磁石列３４Ｍに対する動作方向の駆動力を得ている。特に、本実施例では、磁石列３４Ｍを挟んだ両側にコイル列１４Ａ，２４Ｂが配置されているので、磁石列３４Ｍの両側の磁束を駆動力の発生に利用することができる。従って、従来の電動モータのように、磁石の片側のみを駆動力の発生に利用する場合に比べて磁束の利用効率が高く、効率が良くトルクの大きな相対駆動装置を実現することができる。

また、本実施例の相対駆動装置では、磁性体製のコアが設けられていないのでいわゆるコギングが発生せず、なめらかで安定した動作を実現することができる。また、磁気回路を構成するためのヨークが設けられていないので、いわゆる鉄損（渦電流損）が極めて少なく、効率の良い相対駆動装置を実現することができる。

ところで、通常のモータでは、コアやヨークが無いと磁束の利用効率が低下すると考えられている。一方、本実施例の相対駆動装置では、磁石列３４Ｍを挟んだ両側にコイル列１４Ａ，２４Ｂが配置されているので、磁束の利用効率が十分に高く、コアやヨークを設ける必要は無い。コアやヨークはコギングの原因となり、また、重量を増加させるので、むしろコアやヨークが無い方が好ましい。さらに、ヨークが無ければ鉄損も無いので、高い効率が得られるという利点もある。

このように、本発明の相対駆動装置では、ロータ材（特に第２ロータ部３０の支持部材３２Ｍ）や、ボビン材（コア材）や、ケース材（第１ロータ部１０の支持部材１２Ａ）として、非磁性で非導電性の各種の材料を利用することが好ましい。但し、ロータ材（磁石列の支持部材３２Ｍ）としては、強度を考慮してアルミニウムやその合金などの金属材料を用いる場合もある。この場合にも、ボビン材やケース材は、実質的に非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。ここで、「実質的に非磁性で非導電性の材料」とは、わずかな部分が磁性体または導電体であることが許容されることを意味している。例えば、ボビン材が実質的に非磁性で非導電性の材料で形成されているか否かは、相対駆動装置にコギングが存在するか否かによって判定することができる。また、ケース材が実質的に非導電性の材料で形成されているか否かは、ケース材による鉄損（渦電流損）が所定の値（例えば入力の１％）以下か否かによって判定することができる。

なお、相対駆動装置の構造材の中には、回転軸と軸受け部のように、金属材料で作成することが好ましい部材も存在する。ここで、「構造材」とは、相対駆動装置の形状を支えるために使用される部材を意味しており、小さな部品や固定具などを含まない主要な部材を意味している。ロータ材（第２ロータ部３０の支持部材３２Ｍ）やケース材も構造材の一種である。本発明の相対駆動装置では、回転軸と軸受け部以外の主要な構造材は、非磁性で非導電性の材料で形成することが好ましい。

図８は、駆動回路ユニット５００の内部構成を示すブロック図である。駆動回路ユニット５００は、ＣＰＵ３００と、通信部３１０と、相対加速制御部１００と、相対減速制御部２００と、ドライバ回路１５０と、整流回路２５０とを備えている。通信部３１０と２つの制御部１００，２００は、バス３０２を介してＣＰＵ３００と接続されている。相対加速制御部１００とドライバ回路１５０は、図２（Ａ）で説明した相対加速動作モードにおける相対駆動装置１０００の運転を制御するための回路である。相対減速制御部２００と整流回路２５０は、図２（Ｂ）で説明した相対減速動作モードにおける相対駆動装置１０００の運転を制御するための回路である。通信部３１０は、無線を介して制御司令部１４００（図１）と信号を送受信する機能を有している。但し、通信部３１０は、少なくとも受信機能を有していれば良い。

図９は、相対加速制御部１００の内部構成を示している。相対加速制御部１００は、バス３０２に接続された動作モード信号生成部１０４と、電子可変抵抗器１０６とを有している。動作モード信号生成部１０４は、動作モード信号Ｓmodeを生成する。動作モード信号Ｓmodeは、正転と逆転のいずれであるかを示す第１ビットと、ＡＢ相の両方を使用する動作モードとＡ相のみを使用する動作モードのいずれであるかを示す第２ビットとを含んでいる。なお、第１ロータ部１０と第２ロータ部３０が保持モードから相対加速動作モードに移行する際には、確実に動作方向を決定するためにＡ相とＢ相の両方のコイル列を使用することが好ましい。但し、通電を開始した後は、要求トルクが少ない運転状態では、Ａ相コイル列とＢ相コイル列の一方だけを使用しても十分に動作を継続することができる。動作モード信号Ｓmodeの第２ビットは、このような場合にＡ相コイル列のみを駆動することを指示するためのフラグである。

電子可変抵抗器１０６の両端の電圧は、４つの電圧比較器１１１〜１１４の一方の入力端子に与えられている。電圧比較器１１１〜１１４の他方の入力端子には、Ａ相センサ信号ＳＳＡとＢ相センサ信号ＳＳＢが供給されている。４つの電圧比較器１１１，１１２の出力信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢを「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶ。これらの名前の意味については後述する。

マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢは、マルチプレクサ１２０に入力されている。マルチプレクサ１２０は、動作モード信号Ｓmodeに応じてＡ相コイル用のマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの出力端子を切り換え、また、Ｂ相用のマスク信号ＴＰＢ，ＢＴＢの出力端子を切り換えることによって、第１ロータ部１０と第２ロータ部３０の相対的な動作方向を逆転させることができる。マルチプレクサ１２０から出力されたマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢは、２段ＰＷＭ回路１３０に供給される。

２段ＰＷＭ回路１３０は、Ａ相ＰＷＭ回路１３２と、Ｂ相ＰＷＭ回路１３４と、４つの３ステートバッファ回路１４１〜１４４とを有している。Ａ相ＰＷＭ回路１３２には、Ａ相センサ１６Ａ（図８）の出力信号ＳＳＡ（以下、「Ａ相センサ信号」と呼ぶ）と動作モード信号Ｓmodeとが供給されている。Ｂ相ＰＷＭ回路１３４には、Ｂ相センサ２６Ｂの出力信号ＳＳＢと動作モード信号Ｓmodeとが供給されている。これらの２つのＰＷＭ回路１３２，１３４は、センサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢに応じてＰＷＭ信号ＰＷＭＡ，＃ＰＷＭＡ，ＰＷＭＢ，＃ＰＷＭＢを発生する回路である。なお、信号＃ＰＷＭＡ，＃ＰＷＭＢは、信号ＰＷＭＡ，ＰＷＭＢを反転した信号である。前述したように、センサ信号ＳＳＡ，ＳＳＢはいずれも正弦波信号であり、ＰＷＭ回路１３２，１３４はこれらの正弦波信号に応じて周知のＰＷＭ動作を実行する。

Ａ相ＰＷＭ回路１３２で生成された信号ＰＷＭＡ，＃ＰＷＭＡは、２つの３ステートバッファ回路１４１，１４２の入力端子にそれぞれ供給される。これらの３ステートバッファ回路１４１，１４２の制御端子には、マルチプレクサ１２０から与えられたＡ相マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡが供給されている。３ステートバッファ回路１４１，１４２の出力信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２は、Ａ相コイル用の駆動信号である（以下「Ａ１駆動信号」及び「Ａ２駆動信号」と呼ぶ）。Ｂ相に関しても同様に、ＰＷＭ回路１３４と３ステートバッファ回路１４３，１４４によってＢ相コイル列用の駆動信号ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２が生成される。

図１０は、相対加速動作モード用のドライバ回路１５０（図８）の内部構成を示している。Ａ相ドライバ回路１５２は、Ａ相コイル列１４Ａに、交流駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を供給するためのＨ型ブリッジ回路である。なお、駆動信号を示すブロックの端子部分に付されている白丸は、負論理であり信号が反転していることを示している。また、符号ＩＡ１，ＩＡ２が付された矢印は、Ａ１駆動信号ＤＲＶＡ１とＡ２駆動信号ＤＲＶＡ２によって流れる電流方向をそれぞれ示している。Ｂ相ドライバ回路１５４の構成もＡ相ドライバ回路１５２の構成と同じである。

図１１は、相対加速動作モードにおける各種の信号波形を示すタイミングチャートである。Ａ相センサ信号ＳＳＡとＢ相センサ信号ＳＳＢは、位相が互いにπ／２ずれた正弦波である。Ａ相ＰＷＭ回路１３２は、Ａ相センサ信号ＳＳＡのレベルに比例した平均電圧を有する信号ＰＷＭＡ（図１１の上から７番目の信号）を生成する。第１のＡ相マスク信号ＴＰＡは、この信号ＴＰＡがＨレベルの期間では信号ＰＷＭＡをＡ相コイル列１４Ａに印加することを許可し、Ｌレベルの期間ではこれを禁止する。同様に、第２のＡ相マスク信号ＢＴＡも、この信号ＢＴＡがＨレベルの期間で信号ＰＷＭＡをＡ相コイル列１４Ａに印加することを許可し、Ｌレベルの期間ではこれを禁止する。但し、第１のＡ相マスク信号ＴＰＡは、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡがプラス側にあるときにＨレベルとなり、第２のＡ相マスク信号ＢＴＢはＰＷＭ信号ＰＷＭＡがマイナス側にあるときにＨレベルとなる。この結果、Ａ相コイル列１４Ａには、図１１の下から２番目に示すような駆動信号ＤＲＶＡ１＋ＤＲＶＡ２が印加される。この説明から理解できるように、Ａ相マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＢは、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡを、Ａ相コイル列１４Ａに印加することを許可する信号と考えることができ、また、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡをマスクしてＡ相コイル列１４Ａに供給しないようにする信号と考えることも可能である。Ｂ相についても同様である。

なお、図１１は、第１ロータ部１０と第２ロータ部３０との間に大トルクを発生する際の運転状態を示している。このとき、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの両方がＬレベルである期間は小さく、従って、ほとんどの時間においてＡ相コイル列１４Ａに電圧が印加されている。なお、Ａ相センサ信号ＳＳＡの波形の右端には、このときのヒステリシスレベルが示されている。ここで、「ヒステリシスレベル」とは、正弦波信号のゼロレベル付近の無効な（すなわち使用されていない）信号レベルの範囲を意味している。大トルク発生時には、ヒステリシスレベルは極めて小さいことが分かる。なお、ヒステリシスレベルは、電子可変抵抗器１０６の抵抗を変化させて、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢのデューティを変化させることによって変更することができる。

図１２は、小さなトルクを発生する際の運転状態を示している。なお、小トルクは高回転であることを意味している。このとき、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢのデューティは図１１に比べて小さく設定されており、これに応じて各コイルの駆動信号（ＤＲＶＡ１＋ＤＲＶＡ２），（ＤＲＶＢ１＋ＤＲＶＢ２）のパルス数も減少している。また、ヒステリシスレベルも大きくなっている。

なお、図１１と図１２を比較すれば理解できるように、第１のＡ相マスク信号ＴＰＡのＨレベルの期間は、Ａ相センサ信号ＳＳＡが極大値を示すタイミング（位相のπ／２の時点）を中心にした対称な形状を有している。同様に、第２のＡ相マスク信号ＢＴＡのＨレベルの期間は、Ａ相センサ信号ＳＳＡが極小値を示すタイミング（位相の３π／２の時点）を中心にした対称な形状を有している。このように、これらのマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡがＨレベルである期間は、Ａ相センサ信号ＳＳＡがピーク値を示すタイミングを中心とした対称な形状を有している。換言すれば、ＰＷＭ信号ＰＷＭＡのマスク期間は、この信号ＰＷＭＡによって模擬される交流駆動信号（図５（Ｂ）に示す波形）の極性が反転するタイミング（π及び２π）を中心とした時間の範囲において信号ＰＷＭＡがマスクされるように設定されていると考えることも可能である。

ところで、図７（Ａ）で説明したように、Ａ相コイル列１４Ａは、位相が２π近傍ではあまり有効な駆動力を発生しない。位相がπ近傍のときも同様である。また、Ａ相コイル列１４Ａは、位相がπ／２および３π／２の近傍では最も効率良く有効な駆動力を発生させる。上述した図１２に示されているように、本実施例の２段ＰＷＭ回路１３０は、相対駆動装置１０００の要求出力が小さいときには位相がπ及び２πの近傍でＡ相コイル列１４Ａに電圧を印加せず、また、図１１，図１２に示されているように、位相がπ／２および３π／２の近傍を中心にしてＡ相コイル列１４Ａに電圧を印加している。このように、Ａ相マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡは、Ａ相コイル列１４Ａが最も効率良く駆動力を発生させる期間を優先的に使用するようにＰＷＭ信号ＰＷＭＡをマスクしているので、モータ効率を高めることが可能である。なお、位相がπ及び２πの近傍でＡ相コイル列１４Ａに電圧を印加すると、図７（Ａ）で説明したように、Ａ相コイル列１４Ａと磁石列３４Ｍとの間に吸引力が強く働き、第２ロータ部３０を振動させる原因となる。この意味からも、位相がπ及び２πの近傍でＡ相コイル列１４Ａに電圧を印加しないようにすることが好ましい。これらの事情は、Ｂ相コイル列２４Ｂに関しても同じである。但し、図５（Ｂ）に示されているように、Ｂ相コイル列２４Ｂは位相がπ／２と３π／２のタイミングで極性が反転するので、Ｂ相コイル列２４Ｂには位相がπ／２及び３π／２の近傍で電圧を印加しないようにすることが好ましい。

図１３は、相対減速制御部２００（図８）と整流回路２５０の内部構成を示す図である。相対減速制御部２００は、バス３０２に接続されたＡ相充電切換部２０２と、Ｂ相充電切換部２０４と、電子可変抵抗器２０６とを有している。２つの充電切換部２０２，２０４の出力信号は、２つのＡＮＤ回路２１１，２１２の入力端子に与えられている。

Ａ相充電切換部２０２は、Ａ相コイル列１４Ａからの回生電力を回収する場合には「１」レベルの信号を出力し、回収しない場合には「０」レベルの信号を出力する。Ｂ相充電切換部２０４も同様である。なお、これらの信号レベルの切換えは、ＣＰＵ３００によって行われる。また、Ａ相コイル列１４Ａからの回生の有無と、Ｂ相コイル列２４Ｂからの回生の有無とは、独立に設定することができる。従って、例えばＡ相コイル列１４Ａを用いてアクチュエータに駆動力を発生させつつ、Ｂ相コイル列２４Ｂから電力を回生することも可能である。

なお、相対加速制御部１００も、同様に、Ａ相コイル列１４Ａを用いて駆動力を発生するか否かと、Ｂ相コイル列２４Ｂを用いて駆動力を発生するか否かとを、独立に設定できるように構成してもよい。例えば、図９の動作モード信号生成部１０４から、Ａ相コイル列１４Ａの駆動の有無を示す信号と、Ｂ相コイル列２４Ｂの駆動の有無を示す信号とを出力できるように動作モード信号生成部１０４を構成すれば良い。このようにすれば、２つコイル列１４Ａ，２４Ｂのうちの任意の一方で駆動力を発生させつつ、他方で電力を回生する運転モードで相対駆動装置を運転することが可能である。

電子可変抵抗器２０６の両端の電圧は、４つの電圧比較器２２１〜２２４の２つの入力端子の一方に与えられている。電圧比較器２２１〜２２４の他方の入力端子には、Ａ相センサ信号ＳＳＡとＢ相センサ信号ＳＳＢが供給されている。４つの電圧比較器２２１〜２２４の出力信号ＴＰＡ，ＢＴＡ，ＴＰＢ，ＢＴＢは、「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶことができる。

Ａ相コイル用のマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡはＯＲ回路２３１に入力されており、Ｂ相用のマスク信号ＴＰＢ，ＢＴＢは他のＯＲ回路２３２に入力されている。これらのＯＲ回路２３１，２３２の出力は、上述した２つのＡＮＤ回路２１１，２１２の入力端子に与えられている。これらのＡＮＤ回路２１１，２１２の出力信号ＭＳＫＡ，ＭＳＫＢも、「マスク信号」または「許可信号」と呼ぶ。

ところで、電子可変抵抗器２０６と４つの電圧比較器２２１〜２２４の構成は、図９に示した相対加速制御部１００の電子可変抵抗器１０６と４つの電圧比較器１１１〜１１４の構成と同じである。従って、Ａ相コイル用のＯＲ回路２３１の出力信号は、図１１に示したマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの論理和を取ったものに相当する。また、Ａ相充電切換部２０２の出力信号が「１」レベルの場合には、Ａ相コイル用のＡＮＤ回路２１１から出力されるマスク信号ＭＳＫＡはＯＲ回路２３１の出力信号と同じものとなる。これらの動作はＢ相についても同様である。

整流回路２５０は、Ａ相コイル用の回路として、複数のダイオードを含む全波整流回路２５２と、２つのゲートトランジスタ２６１，２６２と、バッファ回路２７１と、インバータ回路２７２（ＮＯＴ回路）とを有している。なお、Ｂ相用にも同じ回路が設けられている。ゲートトランジスタ２６１，２６２は、電源配線２８０に接続されている。この電源配線２８０は、負荷軸１２１０（図１）に設けられた接点１３２０に接続されている。

相対減速時にＡ相コイル列１４Ａで発生した交流電力は、全波整流回路２５２で整流される。ゲートトランジスタ２６１，２６２のゲートには、Ａ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＡとその反転信号が与えられており、これに応じてゲートトランジスタ２６１，２６２がオン／オフ制御される。従って、電圧比較器２２１，２２２から出力されたマスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの少なくとも一方がＨレベルの期間では回生電力が電源配線２８０に出力され、一方、マスク信号ＴＰＡ，ＢＴＡの双方がＬレベルの期間では電力の回生が禁止される。

以上の説明から理解できるように、相対減速制御部２００と整流回路２５０は、相対減速動作モードにおいて回生電力を回収するための回路である。この回生電力は、２次電池１３１０の充電や、他の電動モータの駆動のための電源として利用される。また、相対減速制御部２００と整流回路２５０は、Ａ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＡ及びＢ相コイル用のマスク信号ＭＳＫＢに応じて、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂからの回生電力を回収する期間を制限し、これによって相対減速量（図２（Ｂ）のエネルギ量Ｆｒ）を調整することができる。

上述したように、本実施例の相対駆動装置１０００では、磁性体製のコアが設けられていないので、相対減速時にもいわゆるコギングが発生せず、なめらかで安定した動作を実現することができる。また、磁気回路を構成するためのヨークが設けられていないので、いわゆる鉄損（渦電流損）が極めて少なく、効率良く回生電力を回収することができる。

Ｂ．第２実施例：
図１４は、第２実施例の相対駆動装置１００１を示す断面図である。この相対駆動装置１００１は、図３に示した第１実施例の装置の磁石列３４Ｍの支持部材３２Ｍと軸受け部３８の間に、ガバナ機構９０を設けたものであり、他の構成は第１実施例と同じである。ガバナ機構９０は、磁石列３４の支持部材３２Ｍを図中の左側に付勢するバネ９２を有している。

図１４（Ａ）に示すように、低速回転時は、ガバナ機構９０のバネ９２によって、磁石列３４Ｍの支持部材３２Ｍがストッパ３３に押しつけられた位置に維持される。この状態は、図３（Ａ）の状態と実質的に同じである。高速回転時には、図１４（Ｂ）に示すように、ガバナ機構９０の遠心力によってバネ９２が圧縮され、磁石列３４の支持部材３２Ｍが図の右側に移動する。この状態では、コイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４Ｍの重なりが少なくなるので、両者の間の磁気結合が弱くなる。ところで、一般にモータの回転速度は逆起電力定数Ｋｅに反比例することが知られている。モータのコイルと磁石の間の磁気結合が弱くなると、逆起電力定数Ｋｅも小さくなる。図１４（Ｂ）の状態では、図１４（Ａ）の状態に比べて逆起電力定数Ｋｅが小さいので、より高速に回転することが可能となる。この結果、第２実施例の相対駆動装置１００１は、第１実施例の相対駆動装置１０００に比べて、無負荷時の最大相対回転速度（無負荷回転速度）がより大きくなるという特徴がある。

なお、ガバナ機構９０の代わりに、電動モータなどの他のアクチュエータを用いて磁石列３４Ｍを移動させるようにしてもよい。すなわち、一般には、２つのロータ部１０，３０の相対回転数（すなわち相対動作速度）が高くなるに従ってコイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４の磁気結合を弱めるような調整機構を設けることが好ましい。

Ｃ．第３実施例：
図１５は、第３実施例の相対駆動装置１００２を示す断面図である。この相対駆動装置１００２は、図１４に示した第２実施例の装置から、コイル列１４Ａ，２４Ｂの対向する内周面がそれぞれテーパ状になるようにコイル列１４Ａ，２４Ｂの配置を変更し、また、磁石列３４Ｍの磁石の断面もこれに合わせてテーパ状にしたものである。

この相対駆動装置１００２も、コイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４Ｍとの間の磁気結合を変更するガバナ機構９０を有している。従って、高速回転になると、磁石列３４Ｍが図の右側に移動して、コイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４Ｍとの間の磁気結合が弱くなる。特に、第３実施例では、回転数の増加に応じて磁石列３４Ｍが右方向に移動すると、コイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４Ｍとの間の隙間（すなわち距離）が大きくなるので、第２実施例に比べて両者の磁気結合が更に弱くなる。従って、より大きな相対回転速度が得られるという特徴がある。

Ｄ．第４実施例：
図１６（Ａ），１６（Ｂ）は、第４実施例の相対駆動装置１００３の機械的構造を示す断面図である。この相対駆動装置１００３の第２ロータ部３０ｂは、図１６（Ｂ）に示すように、略円盤状の支持部材３２Ｍの上に磁石列３４Ｍの８個の磁石が周方向に沿って並べられたものである。第１ロータ部１０ａも同様に、コイル列１４Ａの８個のコイルが略円盤状の支持部材１２の上に配置されている。磁石とコイルの数は、他の値に設定可能である。

なお、この実施例では、Ｂ相コイル列２４Ｂは設けられていない。但し、磁石列３４Ｍを挟んでＡ相コイル列１４Ａとは反対側（図１６（Ａ）の左側）に、第１ロータ部１０ａの一部としてＢ相コイル列２４Ｂを設けることも可能である。

この第４実施例の相対駆動装置１００３によっても、第１ないし第３実施例の装置と同様に、駆動軸１１１０と負荷軸１２１０との間の相対的な回転を効率良く調整することが可能である。

Ｅ．第５実施例：
図１７（Ａ）〜１７（Ｄ）は、第５実施例の相対駆動装置におけるコイル列と磁石列の配列を示しており、第１実施例の図７（Ａ）〜７（Ｄ）に対応するものである。なお、機械的な構造としては、上述した第１〜第４実施例の構造を採用することができる。

この第５実施例の相対駆動装置では、磁石列３４Ｍの両側に上部コイル列４０ＡＢと下部コイル列５０ＡＢとが設けられている。上部コイル列４０ＡＢは、図５，図７に示した第１実施例のＡ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの両方を上方側にまとめたものに相当する。すなわち、上部コイル列４０ＡＢは、Ａ相コイル列１４Ａに含まれる２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２と、Ｂ相コイル列２４Ｂに含まれる２種類のコイル２４Ｂ１，２４Ｂ２とを含んでおり、これらが所定の順番で配置されたものである。下部コイル列５０ＡＢも、第１実施例のＡ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの両方を下方側にまとめたものに相当する。なお、図１７（Ａ）〜１７（Ｄ）では、図示の便宜上、Ａ相コイル列のコイルを実線で描き、Ｂ相コイル列のコイルを破線で描いている。第５実施例の相対駆動装置は、第１実施例の装置の２倍の数のコイルを有している。なお、コイルピッチＰｃは、Ａ相コイル列のコイル同士のピッチまたはＢ相コイル列のコイル同士のピッチと定義しているので、第５実施例のコイルピッチＰｃは第１実施例と同じである。

この第５実施例の相対駆動装置によっても、第１実施例の装置と同様に、駆動軸と負荷軸との間の相対的な回転を効率良く調整することが可能である。

なお、第５実施例の上部コイル列４０ＡＢと下部コイル列５０ＡＢは、両方ともにＡ相とＢ相のコイル列を有しているので、上部コイル列４０ＡＢと下部コイル列５０ＡＢの一方を省略することも可能である。但し、磁石の磁束の有効利用という観点からは、上部コイル列４０ＡＢと下部コイル列５０ＡＢの両方を設けておくことが好ましい。

Ｆ．第６実施例：
図１８（Ａ）〜１８（Ｃ）は、第６実施例の相対駆動装置におけるコイル列と磁石列の配列を示している。機械的な構造としては、上述した第１〜第４実施例の構造を採用することができる。

第６実施例の相対駆動装置は、Ａ相とＢ相とＣ相の３つのコイル列を有する三相モータとしての機能を有している。磁石列７０Ｍは、図５（Ａ）に示した第１実施例の磁石列３４Ｍと同じ構成を有している。磁石列７０Ｍの両側には、上部コイル列６０ＡＢＣと下部コイル列８０ＡＢＣが設けられている。上部コイル列６０ＡＢＣは、Ａ相コイル列のコイル９１Ａ１と、Ｂ相コイル列のコイル９２Ｂ１と、Ｃ相コイル列のコイル９３Ｃ１とを含んでおり、これらが所定の順番で配置されたものである。なお、図１８（Ａ）〜１８（Ｃ）では、図示の便宜上、Ａ相コイル列のコイルを実線で描き、Ｂ相コイル列のコイルを点線で、Ｃ相コイル列のコイルを破線で描いている。下部コイル列８０ＡＢＣも同様に、Ａ相コイル列のコイル９１Ａ２と、Ｂ相コイル列のコイル９２Ｂ２と、Ｃ相コイル列のコイル９３Ｃ２とを含んでいる。なお、上部コイル列６０ＡＢＣのＡ相コイル９１Ａ１と、下部コイル列８０ＡＢＣのＡ相コイル９１Ａ２は、逆方向に磁化されている。これは、Ｂ相コイル及びＣ相コイルも同じである。Ａ相，Ｂ相，Ｃ相の各相のコイルピッチＰｃは、磁極ピッチＰｍの２倍であり、電気角で２πに相当する。上部コイル列６０ＡＢＣのＡ相コイル９１Ａ１は、下部コイル列８０ＡＢＣのＡ相コイル９１Ａ２と電気角でπだけずれた位置に配置されている。Ｂ相コイル及びＣ相コイルも同じである。なお、Ａ相とＢ相とＣ相のコイルは、電気角でπ／３ずつ順次ずれた位置に配置されている。

図１８（Ａ）は、位相が２π直前の状態を示している。位相が２πのタイミングでは、Ａ相コイル列９１Ａ１，９１Ａ２の極性が反転する。図１８（Ｂ）は、位相がπ／３の直前の状態を示している。位相がπ／３のタイミングでは、Ｃ相コイル列９３Ｃ１，９３Ｃ２の極性が反転する。図１８（Ｃ）は位相が２π／３の直前の状態を示している。位相が２π／３のタイミングでは、Ｂ相コイル列９２Ｂ１，９２Ｂ２の極性が反転する。

この第６実施例の相対駆動装置においても、Ａ相コイル列９１Ａ１，９１Ａ２の極性（磁化方向）は、Ａ相コイル列９１Ａ１，９１Ａ２の各コイルが磁石列７０Ｍの各磁石と対向するタイミングで切り換えられる。Ｂ相コイル列及びＣ相コイル列も同様である。この結果、すべてのコイルから常に駆動力を発生させ得るので、大きなトルクを発生することが可能である。また、磁性体のコア及びヨークを全く設けない構成とすれば、軽量でかつ高効率な相対駆動装置を実現することができる。

Ｇ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｇ１．変形例１：
上記各相対駆動装置のケースの外側に、磁気遮蔽部材を設けるようにしてもよい。但し、磁気遮蔽部材としては、磁気回路を構成するためのヨークとしての機能を有していないものが好ましい。なお、一般に、相対駆動装置に使用されている部材がヨークとしての機能を有しているか否かは、その部材がある場合と無い場合とにおける磁石列やコイル列の磁束密度を測定することによって調べることができる。例えば、磁気遮蔽部材を設けたときに、磁石列やコイル列の表面磁束密度が１０％以上増加する場合にはヨークとしての機能を有していると判定し、１０％未満である場合にはヨークとしての機能を有していないと判定することが可能である。なお、この判定基準は、１０％でなく５％としてもよい。

Ｇ２．変形例２：
上記実施例の相対駆動装置は、駆動軸１１１０と負荷軸１２１０（図１）を相対的に駆動するものとしていたが、駆動軸と負荷軸の少なくとも一方を、他の種類の駆動力伝達部材（例えばベルトやギア）に変更することも可能である。例えば、第１ロータ部１０（図３（Ｂ））の外周にベルト用の溝を設けておくようにしてもよい。

Ｇ３．変形例３：
上記実施例で使用した回路構成は一例であり、これら以外の種々の回路構成を採用することが可能である。

本発明の第１実施例の駆動システムを示すブロック図である。 相対駆動装置の２つの動作モードを示す説明図である。 第１実施例の相対駆動装置の機械的構造を示す断面図である。 第１ロータ部と第２ロータ部の断面図である。 第１ロータ部のコイル列と第２ロータ部の磁石列の位置関係を示す説明図である。 コイルの結線方法を示す説明図である。 第１実施例の相対駆動装置の動作の原理を示す説明図である。 駆動回路ユニットの内部構成を示すブロック図である。 相対加速制御部の内部構成を示す図である。 相対加速用のドライバ回路の内部構成を示す図である。 相対加速動作モードにおける各種の信号波形を示すタイミングチャートである。 相対加速動作モードにおける各種の信号波形を示すタイミングチャートである。 相対減速制御部と整流回路の内部構成を示す図である。 第２実施例の相対駆動装置の断面図である。 第３実施例の相対駆動装置の断面図である。 第４実施例の相対駆動装置の断面図である。 第５実施例の相対駆動装置におけるコイル列と磁石列の配列を示す説明図である。 第６実施例の相対駆動装置におけるコイル列と磁石列の配列を示す説明図である。

符号の説明

１０…第１ロータ部
１２Ａ…ケース（支持部材）
１４Ａ…Ａ相コイル列
１６Ａ…Ａ相センサ
２２Ｂ…支持部材
２４Ｂ…Ｂ相コイル列
２６Ｂ…Ｂ相センサ
３０…第２ロータ部
３２Ｍ…支持部材
３３…ストッパ
３４Ｍ…磁石列
３６…軸受け部
３８…軸受け部
３９…蓋
４０ＡＢ…上部コイル列
５０ＡＢ…下部コイル列
６０ＡＢＣ…上部コイル列
７０Ｍ…磁石列
８０ＡＢＣ…下部コイル列
９０…ガバナ機構
９２…バネ
９１Ａ１，９１Ａ２…Ａ相コイル列
９２Ｂ１，９２Ｂ２…Ｂ相コイル列
９３Ｃ１，９３Ｃ２…Ｃ相コイル列
１００…相対加速制御部
１０４…動作モード信号生成部
１０６…可変抵抗器
１１１〜１１４…電圧比較器
１２０…マルチプレクサ
１３２…Ａ相ＰＷＭ回路
１３４…Ｂ相ＰＷＭ回路
１４１〜１４４…アンド回路
１５０…ドライバ回路
１５２…Ａ相ドライバ回路
１５４…Ｂ相ドライバ回路
２００…相対減速制御部
２０２…Ａ相充電切換部
２０４…Ｂ相充電切換部
２０６…可変抵抗器
１０００…相対駆動装置
１１００…原動機
１１１０…駆動軸
１２００…負荷部
１２１０…負荷軸
１３００…電力制御部
１３２０…接点
１３３０…ブラシ
１３４０…電源配線
１４００…制御司令部
２１１，２１２…ＡＮＤ回路
２２１〜２２４…電圧比較器
２３１，２３２…ＯＲ回路
２５０…整流回路
２５２…全波整流回路
２６１，２６２…ゲートトランジスタ
２７１…バッファ回路
２７２…インバータ回路
２８０…電源配線
３００…ＣＰＵ
３０２…バス
３１０…通信部
５００…駆動回路ユニット
５１０…基板

Claims (18)

1. 互いに分離された第１と第２の駆動力伝達部材を相対的に回転駆動するための相対駆動装置であって、
   前記第１の駆動力伝達部材に連結された第１と第２のコイル列と、
   前記第２の駆動力伝達部材に連結された磁石列と、
   前記第１の駆動力伝達部材に設置され、前記磁石列に対する前記第１と第２のコイル列の位置を検出する第１と第２の位置センサと、
   前記第１と第２の位置センサの出力に応じて前記第１と第２のコイル列を駆動して回転磁界を発生させる駆動制御と回生制御とを実行する駆動回路ユニットと、
   前記第１と第２のコイル列は、所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルをそれぞれ含み、
   前記磁石列は、複数の磁石を含むとともに、前記第１と第２のコイル列に対向してＮ極とＳ極とが交互に配置されており、
   前記第１と第２のコイル列は、電気角でπ／２の奇数倍だけ相互にずれた位置に配置されており、
   前記第１と第２の位置センサは、前記第１と第２のコイル列の位置を示すセンサ出力として、前記第１と第２のコイル列の電気角のずれに等しい前記π／２の奇数倍だけ相互に位相がずれたセンサ出力を生成するセンサであり、
   前記第１の駆動力伝達部材は、駆動軸を介して原動機と連結される部材であり、
   前記第２の駆動力伝達部材は、前記駆動軸から分離された負荷軸を介して負荷部と連結される部材であり、
   前記相対駆動装置は、
   （ｉ）前記駆動軸を介して前記原動機から供給される第１の運動エネルギと、前記相対駆動装置の電気エネルギから変換された第２の運動エネルギとの合計を、前記負荷軸を介して前記負荷部に伝達する相対加速動作モードと、
   （ｉｉ）前記第１の運動エネルギの一部を前記相対駆動装置の電気エネルギに変換した残りの運動エネルギを、前記負荷軸を介して前記負荷部に伝達する相対減速動作モードと、
   を含む複数の動作モードで動作可能である、相対駆動装置。
2. 請求項１記載の相対駆動装置であって、
   前記複数の動作モードは、さらに、
   （ｉｉｉ）前記駆動軸と前記負荷軸との関係が固定された状態で前記駆動軸と前記負荷軸とを回転させる保持モードと、
   （ｉｖ）前記駆動軸と前記負荷軸とを互いに空転させる空転モードと、
   を含む、相対駆動装置。
3. 請求項１又は２記載の相対駆動装置であって、さらに、
   前記第１及び第２のコイル列および前記磁石列を収納するケースを備えており、
   前記第１及び第２のコイル列の各コイルは、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成された支持材の回りに巻き回されており、
   前記ケースは、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成されている、相対駆動装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の相対駆動装置であって、
   回転軸と、軸受け部以外の構造材は、実質的に非磁性かつ非導電性の材料で形成されている、相対駆動装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の相対駆動装置であって、
   各コイル列の前記複数のコイルは、同一のコイル列に属する隣り合うコイル同士が常に逆極性に励磁されるように互いに接続されている、相対駆動装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の相対駆動装置であって、
   前記第１及び第２のコイル列は、前記磁石列を挟んだ両側に配置されている、相対駆動装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の相対駆動装置であって、
   前記相対駆動装置は、前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列とが前記所定の方向に沿って相対的に回転する回転式モータ／ジェネレータであり、
   前記第１のコイル列のコイル数と、前記第２のコイル列のコイル数と、前記磁石列の磁石数とが等しい、相対駆動装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の相対駆動装置であって、
   前記第１の駆動力伝達部材には、前記駆動回路ユニットに外部からブラシを介して電源を供給するためのブラシ用接点が設けられており、
   前記駆動回路ユニットは、
   前記第１と第２のコイル列に第１と第２の交流駆動信号を供給して前記相対加速動作モードで運転を実行する第１の駆動制御回路と、
   前記第１と第２のコイル列に発生した電力を回収することによって前記相対減速動作モードで運転を実行する第２の駆動制御回路と、
   を含む、相対駆動装置。
9. 請求項８記載の相対駆動装置であって、
   前記駆動制御回路ユニットは、さらに、
   前記相対駆動装置の外部から無線で制御指令を受けるための通信部を備える、相対駆動装置。
10. 請求項８又は９記載の相対駆動装置であって、
    前記第１の駆動制御回路は、前記第１及び第２のコイル列の各コイルの極性が前記磁石列内の磁石の中心と各コイルの中心とが対向するタイミングで切り替わるとともに、同一のコイル列に属する隣り合うコイル同士の間の中央位置が前記磁石列内の磁石の中心と対向するタイミングにおいて当該コイル列における磁束密度が最も大きくなるように、前記第１と第２の交流駆動信号を生成する、相対駆動装置。
11. 請求項１０記載の相対駆動装置であって、
    前記第１の駆動制御回路は、前記第１及び第２のコイル列の電流方向を逆転させることによって、前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列との相対的な動作方向を逆転させることが可能である、相対駆動装置。
12. 請求項８ないし１１のいずれかに記載の相対駆動装置であって、
    前記第１の駆動制御回路は、
    位相がπ／２だけ相互にずれた第１と第２のＰＷＭ信号をそれぞれ生成する第１と第２のＰＷＭ回路と、
    前記相対駆動装置の出力要求に応じて前記第１と第２のＰＷＭ信号をマスクすることによって前記第１と第２の交流駆動信号を生成するマスク回路と、
    を備える、相対駆動装置。
13. 請求項１２記載の相対駆動装置であって、
    前記マスク回路は、各交流駆動信号の極性が反転するタイミングを中心とした対称な時間的範囲で各ＰＷＭ信号をマスクする、相対駆動装置。
14. 請求項１ないし１３のいずれかに記載の相対駆動装置であって、さらに、
    前記第１と第２の駆動力伝達部材の間の相対動作速度が高くなるのに従って前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列との間の磁気結合が弱くなるように前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列との間の位置関係を調整する調整機構を備える、相対駆動装置。
15. 請求項１４記載の相対駆動装置であって、
    前記調整機構は、前記第１と第２の駆動力伝達部材の間の相対動作速度が高くなるのに従って前記第１及び第２のコイル列と前記磁石列との間の距離を大きくする機構である、相対駆動装置。
16. 請求項１ないし１５のいずれかに記載の相対駆動装置であって、
    前記第１と第２のコイル列は、中空の二重円筒構造を構成する第１と第２の円筒部材に配置されており、
    前記磁石列は、前記第１と第２の円筒部材の間に挿入された第３の円筒部材に配置されている
    相対駆動装置。
17. 互いに分離された第１と第２の駆動力伝達部材を相対的に回転駆動するための相対駆動装置であって、
    前記第１の駆動力伝達部材に連結された第１、第２及び第３のコイル列と、
    前記第２の駆動力伝達部材に連結された磁石列と、
    前記第１の駆動力伝達部材に設置され、前記磁石列に対する前記第１、第２及び第３のコイル列の位置を検出する第１、第２、及び第３の位置センサと、
    前記第１、第２、及び第３の位置センサの出力に応じて前記第１、第２、及び第３のコイル列を駆動して回転磁界を発生させる駆動制御と回生制御とを実行する駆動回路ユニットと、
    を備え、
    前記第１ないし第３のコイル列は、所定の方向に沿って所定のピッチで配列されて相互に電気的に接続された複数のコイルをそれぞれ含み、
    前記磁石列は、複数の磁石を含むとともに、前記第１ないし第３のコイル列に対向してＮ極とＳ極とが交互に配置されており、
    前記第１ないし第３のコイル列は、電気角で２π／３だけ順次相互にずれた位置に配置されており、
    前記第１ないし第３の位置センサは、前記第１ないし第３のコイル列の位置を示すセンサ出力として、前記第１ないし第３のコイル列の電気角のずれに等しい前記２π／３だけ順次相互に位相がずれたセンサ出力を生成するセンサであり、
    前記第１の駆動力伝達部材は、駆動軸を介して原動機と連結される部材であり、
    前記第２の駆動力伝達部材は、前記駆動軸から分離された負荷軸を介して負荷部と連結される部材であり、
    前記相対駆動装置は、
    （ｉ）前記駆動軸を介して前記原動機から供給される第１の運動エネルギと、前記相対駆動装置の電気エネルギから変換された第２の運動エネルギとの合計を、前記負荷軸を介して前記負荷部に伝達する相対加速動作モードと、
    （ｉｉ）前記第１の運動エネルギの一部を前記相対駆動装置の電気エネルギに変換した残りの運動エネルギを、前記負荷軸を介して前記負荷部に伝達する相対減速動作モードと、
    を含む複数の動作モードで動作可能である、相対駆動装置。
18. 請求項１７記載の相対駆動装置であって、
    前記複数の動作モードは、さらに、
    （ｉｉｉ）前記駆動軸と前記負荷軸との関係が固定された状態で前記駆動軸と前記負荷軸とを回転させる保持モードと、
    （ｉｖ）前記駆動軸と前記負荷軸とを互いに空転させる空転モードと、
    を含む、相対駆動装置。

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