JP2000134872A - 直流モータ駆動システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気ノイズの発生を抑制し、バリスタやＥＭ
Ｉフィルタ等による保護対策を不要として、低コスト化
を促進する。ブラシでの発熱を抑制し、モータの耐久性
と信頼性を向上する。 【解決手段】 フォトセンサからの回転信号Ｓａに基づ
き、この回転信号Ｓａの立ち上がりよりｔ_t 秒遅れてｔ
_S 秒間、ブラシへの給電を停止する。これにより、コミ
ュテータの電極２Ｂ間のスリット幅Ｗａの全てがブラシ
面に対向する時間範囲の全てにおいて、ブラシ３への給
電を停止する。すなわち、ブラシ面が隣接する電極２Ｂ
間にまたがっている間は、ブラシへの給電を停止する。
ブラシ面が隣接する電極２Ｂ間にまたがっている間、ブ
ラシへの給電を抑制するようにしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ブラシ付きの直
流モータを駆動する直流モータ駆動システムに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ブラシ付きの直流モータは、コ
ミュテータ（整流子）を備えている。コミュテータは回
転軸（ロータシャフト）の周方向にスリットを介して分
割して設けられた複数の電極（整流子片）から構成され
ている。この直流モータでは、ブラシからコミュテータ
を介して、ロータに巻装されたコイルへの給電を行うこ
とによって、ロータが回転する。この場合、コミュテー
タとブラシとの間では、連続的にスイッチのような形で
の開閉が行われ、電気ノイズが発生する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来、この電気ノイズ
を抑制するために、小型モータではバリスタやＥＭＩ
（Electro Magnetic Interference ）フィルタを使用し
ており、高コストとなっていた。また、大型モータで
は、その他の手段として、モータの火花抑制のため、高
カーボンタイプ（例えば、Ｃｕ４０％含）のブラシが使
われている。しかし、高カーボンタイプのブラシを使用
すると、ブラシの導電抵抗が大きいため、モータ特性が
銅リッチカーボンブラシ（例えば、Ｃｕ６０％含）に比
べ、明らかに劣るという問題がある。また、ブラシの導
電抵抗が大きいため、ブラシの自己発熱が大きく、ブラ
シの劣化を促進し、モータの耐久性と信頼性を著しく落
とす傾向があった。

【０００４】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、その目的とするところは、電気ノイズ
の発生が少なく、信頼性が高く、高寿命かつ低コストで
ブラシ付きの直流モータを駆動することのできる直流モ
ータ駆動システムを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、回転軸の回転に際して、コミュテ
ータの電極間のスリットのスリット幅の全てがブラシ面
に対向する時間範囲をスリットの通過範囲とし、少なく
ともこのスリットの通過範囲の全てにおいてブラシへの
給電を停止するようにしたものである。あるいは、少な
くともこのスリットの通過範囲におけるブラシへの給電
を抑制するようにしたものである。この発明によれば、
少なくともブラシ面が隣接する電極間にまたがっている
間は、ブラシへの給電が停止あるいは抑制される。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態に基づ
き詳細に説明する。図２はこの発明に係る直流モータ駆
動システムの要部を示す構成図である。

【０００７】同図において、１はロータシャフト、２は
コミュテータである。コミュテータ２はロータシャフト
１の周方向にスリット２Ａ（２Ａ１〜２Ａ８：図３
（ａ）参照）を介して分割して設けられた複数の電極２
Ｂ（２Ｂ１〜２Ｂ８：図３（ａ）参照）から構成されて
いる。３（３−１，３−２）はロータシャフト１の回転
に伴いコミュテータ２の各電極２Ｂがそのブラシ面３Ａ
（３−１Ａ，３−２Ａ）に摺接するように設けられたブ
ラシ、４はコアを積層してなるロータ、５はロータ４に
巻装されたコイル（マグネットワイヤ）、６はロータシ
ャフト１に取り付けられたエンコーダ板、７はフォトセ
ンサ（又はフォトＩＣ）、８はモータ駆動コントローラ
である。

【０００８】エンコーダ板６には所定の回転角度ピッチ
で複数のスリット６Ａが開設されている。この実施の形
態では、図３（ｂ）に示すように、コミュテータ２のス
リット２Ａ１〜２Ａ８に対応して、スリット６Ａ１〜６
Ａ８がエンコーダ板６に開設されている。エンコーダ板
６のスリット６Ａ１〜６Ａ８のスリット幅Ｗｂはコミュ
テータ２のスリット２Ａ１〜２Ａ８のスリット幅Ｗａよ
りも広く形成されている。また、エンコーダ板６は、そ
のスリット６Ａ１〜６Ａ８の中心（スリット幅Ｗｂの中
心）がコミュテータ２のスリット２Ａ１〜２Ａ８の中心
（スリット幅Ｗａの中心）と一致するように、ロータシ
ャフト１に位置決め固定されている。

【０００９】フォトセンサ７は、送光部と受光部とを備
えており、この送光部と受光部との間にエンコーダ板６
の周縁部を位置させている。すなわち、フォトセンサ７
の送受光部間に形成される光路をロータシャフト１の回
転に伴うエンコーダ板６のスリット６Ａの通過により断
続させ、これによってフォトセンサ７からパルス状の回
転信号Ｓａを得るものとしている。

【００１０】モータ駆動コントローラ８は、インターフ
ェイス８−１，ＣＰＵ８−２，ＲＯＭ８−３，ＲＡＭ８
−４，ドライバ８−５，パワースイッチング回路（Ｐ−
ＭＯＳ回路）８−６等を備え、ブラシ３（３−１，３−
２）への給電信号Ｓｂを作る。ＣＰＵ８−２は、インタ
ーフェイス８−１を介して与えられるフォトセンサ７か
らの回転信号Ｓａを得て、ＲＯＭ８−３に格納されたプ
ログラムに従い、ＲＡＭ８−４にアクセスしながら、以
下に説明するような本実施の形態特有の処理動作を行
う。なお、図２において、ケース（ヨーク），マグネッ
ト，軸受，ブラシホルダなどは省略している。

【００１１】ＣＰＵ８−２は、フォトセンサ７からの回
転信号Ｓａ（図１（ｃ）参照）に基づき、この回転信号
Ｓａの立ち上がりよりｔ_t 秒遅れてｔ_S 秒間、ブラシ３
への給電を停止する（図１（ｄ）参照）。すなわち、Ｃ
ＰＵ８−２は、回転信号Ｓａの立ち上がりよりｔ_t 秒経
過するまでは、ブラシ３への給電信号Ｓｂを所望の回転
数に応じたデューティ比のＰＷＭ信号とするが、回転信
号Ｓａの立ち上がりよりｔ_t 秒経過すると、ｔ_S 秒間、
デューティ比を零（給電量を零）としてブラシ３への給
電を停止する。ｔ_S 秒経過すれば、ブラシ３への給電信
号Ｓｂを給電停止前のデューティ比のＰＷＭ信号へ戻
す。

【００１２】ここで、上記ｔ_t およびｔ_S は、次のよう
にして定めている。図１（ａ）はコミュテータ２の外周
部展開を示し、図１（ｂ）はエンコーダ板６の周縁部展
開を示している。コミュテータ２のスリット２Ａの中心
（スリット幅Ｗａの中心）とエンコーダ板６のスリット
６Ａの中心（スリット幅Ｗｂの中心）とは一致してい
る。エンコーダ板６のスリット６Ａは、ロータシャフト
１の回転に伴い、フォトセンサ７の送受光部の光路をオ
ンとする。この間、フォトセンサ７からの回転信号Ｓａ
は、図１（ｃ）に示すように「Ｈ」レベルとなる。

【００１３】図１（ａ）において電極２Ｂの展開長（ス
リット幅Ｗａを含む）をＷ₀ 、図１（ｃ）において回転
信号Ｓａの周期をｔ₀ とすると、コミュテータ２のスリ
ット幅Ｗａ分の移動時間ｔａは、Ｗａ／Ｗ₀ ＝ｔａ／ｔ
₀ の関係により、ｔａ＝（Ｗａ／Ｗ₀ ）×ｔ₀ となる。
ここで、Ｗａ／Ｗ₀ は予め設定できるので定数Ｋとする
と、ｔａ＝Ｋ×ｔ₀ となる。

【００１４】仮に、給電を停止する時間ｔｓをｔａのＮ
倍とすると、ｔｓ＝Ｎ×Ｋ×ｔ₀ となる。ここで、Ｎ×
Ｋは定数なので、定数Ｍ（Ｍ＝（Ｗａ／Ｗ₀ ）×Ｎ）と
すると、ｔｓ＝Ｍ×ｔ₀ となる。

【００１５】したがって、コミュテータ２のスリット幅
Ｗａの中心を起点として給電停止時間ｔｓを振り分ける
とすると、遅れ時間ｔ_t は下記の（１）式によって求め
られる。なお、この実施の形態では、エンコーダ板６の
スリット幅Ｗｂと隣接するスリット６Ａ間の展開長Ｗｃ
とは等しいものとする。すなわち、この実施の形態にお
いては、回転信号Ｓａが「Ｈ」レベルとなる期間ｔ_H と
「Ｌ」レベルとなる期間ｔ_L とは等しく、ｔ_H ＝ｔ_L ＝
ｔ₀ ／２になるものとする。 ｔ_t ＝（１／４）×ｔ₀ −（１／２）×ｔｓ＝（１／４）×ｔ₀ −（１／２） ×Ｍ×ｔ₀ ＝（１／４）×ｔ₀ ×（１−２×Ｍ）＝（１／４）×ｔ₀ ×（１−２ ×（Ｗａ／Ｗ₀ ）×Ｎ） ・・・・（１）

【００１６】このような値としてｔ_t を定めることによ
り、コミュテータ２のスリット幅Ｗａの中心を起点とし
て、給電停止時間ｔｓが振り分けられる。

【００１７】ここで、本実施の形態においては、図３に
示すように、コミュテータ２のスリット２Ａの中心（ス
リット幅Ｗａの中心）とブラシ３のブラシ面３Ａの中心
（ブラシ面幅Ｗｄの中心）とが一致したときにフォトセ
ンサ７からの回転信号Ｓａが「Ｈ」レベル期間ｔ_H の中
央となるような位置関係として、フォトセンサ７のエン
コーダ板６に対する取り付け位置を定めている。

【００１８】これにより、コミュテータ２のスリット２
Ａの中心がブラシ面３Ａの中心と回転対向するタイミン
グを中心とし、ｔｓ時間だけブラシ３への給電が遮断さ
れるものとなる。

【００１９】ここで、本実施の形態では、上記の定数Ｎ
を適切な値として定めることにより、図４（ａ）〜
（ｄ）に示すように、コミュテータ２のスリット２Ａの
スリット幅Ｗａの全てがブラシ面３Ａに対向する時間範
囲をスリット２Ａの通過範囲とし、このスリット２Ａの
通過範囲の全てにおいてブラシ３への給電を停止するよ
うにしている。すなわち、ブラシ面３Ａが隣接する電極
２Ｂ間にまたがっている間は、ブラシ３への給電を停止
するようにしている。

【００２０】これにより、本実施の形態によれば、コミ
ュテータ２とブラシ３との間の火花（アーク）の抑制が
画期的に図られ、電気ノイズが抑制される。これによ
り、バリスタやＥＭＩフィルタ等による保護対策が不要
となり、低コスト化を促進することができるようにな
る。また、ブラシ３での発熱が抑制され、ブラシ３の寿
命がアップし、モータの耐久性と信頼性が向上する。ま
た、ブラシ３の摩耗粉飛散に対するモータ内の特別な防
御構造を簡略化することができ、これによっても低コス
ト化を促進することができる。

【００２１】なお、上述した実施の形態では、スリット
２Ａの通過範囲の全てにおいてブラシ３への給電を停止
するようにしたが、スリット２Ａの通過範囲を含むその
前後の広い範囲においてブラシ３への給電を停止するよ
うにしてもよい。また、スリット２Ａの通過範囲におい
て、ブラシ３への給電を抑制するようにしてもよい。こ
の場合も、スリット２Ａの通過範囲を含むその前後の広
い範囲においてブラシ３への給電を抑制するようにして
もよい。

【００２２】〔定数Ｎの設定例〕例えば、スリット幅Ｗ
ａを［１］、ブラシ面幅Ｗｄをスリット幅Ｗａの４倍の
［４］とすると、スリット幅Ｗａの全てがブラシ面３Ａ
に対向する時間範囲は、スリット幅Ｗａに換算すると
「４−１」で［３］となる。この実施の形態では、図３
（ｂ）に示すように、コミュテータ２のスリット２Ａ１
〜２Ａ８に対応して、スリット６Ａ１〜６Ａ８がエンコ
ーダ板６に開設されているので、Ｗ₀ ＝ｔ₀である。

【００２３】仮に、Ｗ₀ ＝ｔ₀ ＝１０とする。すると、
ｔａ＝（Ｗａ／Ｗ₀ ）×ｔ₀ であるから、ｔａ＝（１／
１０）×１０で、ｔａ＝Ｗａ＝１となる。仮に、給電を
停止するあるいは抑制する時間ｔｓをスリット幅Ｗａの
全てがブラシ面３Ａに対向する時間範囲と等しい時間に
設定すると、ｔｓ＝３となり、Ｎ＝３に設定すればよ
い。この場合、上記（１）式より、ｔ_t ＝１となる。

【００２４】一方、スリット幅Ｗａを［１］、ブラシ面
幅をスリット幅Ｗａの２倍の［２］とすると、スリット
幅Ｗａの全てがブラシ面３Ａに対向する時間範囲は、ス
リット幅Ｗａに換算すると「２−１」で［１］となる。
この場合、給電を停止するあるいは抑制する時間ｔｓを
スリット幅Ｗａの全てがブラシ面３Ａに対向する時間範
囲と等しい時間に設定すると、ｔｓ＝１となり、Ｎ＝１
に設定すればよい。この場合、上記（１）式により、ｔ
_t ＝２となる。

【００２５】また、給電を停止するあるいは抑制する時
間ｔｓをスリット幅Ｗａの全てがブラシ面３Ａに対向す
る時間範囲の２倍の時間に設定すると、ｔｓ＝２とな
り、Ｎ＝２に設定すればよい。この場合、上記（１）式
により、ｔ_t ＝３／２となる。

【００２６】上述した実施の形態では、コミュテータ２
のスリット２Ａと同数のスリット６Ａをエンコーダ板６
に設けるようにしたが、偶数倍あるいは偶数分の１倍の
スリット６Ａをエンコーダ板６に設けるようにしてもよ
い。このような場合でも、コミュテータ２のスリット２
Ａの回転位相と所定の位相関係をもった回転信号がフォ
トセンサ７より得られるので、この回転信号に基づい
て、スリット２Ａの通過範囲の全てにおいてブラシ３へ
の給電を停止することができる。また、この回転信号に
基づいて、スリット２Ａの通過範囲においてブラシ３へ
の給電を抑制することができる。

【００２７】また、上述した実施の形態では、所望の回
転数に応じたデューティ比のＰＷＭ信号を給電信号Ｓｂ
としてブラシ３へ与える給電方式への適用例として説明
したが、給電信号Ｓｂを所望の回転数に応じた電流値や
電圧値として与えるような給電方式へも適用可能であ
り、ブラシ３に対する給電停止方式や給電抑制方式は種
々考えられる。

【００２８】例えば、図５（ａ）の方式（給電停止方
式）では、通過範囲に入る手前から段階的に電流値を下
げ、通過範囲においては電流値を零とし、通過範囲を出
た後から段階的に電流値を上げて元に戻すようにしてい
る。図５（ｂ）の方式（給電抑制方式）では、通過範囲
に入ってから段階的に電流値を下げ、通過範囲の中央部
において電流値を零とし、通過範囲を出る手前から段階
的に電流値を上げ、通過範囲を出た時点で元の電流値に
戻すようにしている。図５（ｃ）の方式（給電抑制方
式）では、通過範囲に入る手前から段階的に電流値を下
げ、通過範囲においては電流値を所定値とし、通過範囲
を出た後から段階的に電流値を上げて元に戻すようにし
ている。

【００２９】図５（ｄ）の方式（給電抑制方式）では、
通過範囲に入ってから段階的に電流値を下げ、通過範囲
の中央部において電流値を所定値とし、通過範囲を出る
手前から段階的に電流値を上げ、通過範囲を出た時点で
元の電流値に戻すようにしている。図５（ｅ）の方式
（給電抑制方式）では、通過範囲に入る手前から段階的
に電流値を下げ、通過範囲に入ってもさらに段階的に電
流値を下げ、通過範囲の中央部において電流値を所定値
とし、通過範囲を出る手前から段階的に電流値を上げ、
通過範囲を出てからもしばらくの間は段階的に電流値を
上げて元に戻すようにしている。図５（ｆ）の方式（給
電抑制方式）では、通過範囲に入ってからしばらくして
電流値を零とし、通過範囲を出る手前から元の電流値に
戻すようにしている。

【００３０】図６（ａ）の方式（給電停止方式）では、
通過範囲に入る手前からＰＷＭ信号のデューティ比を徐
々に小さくし、通過範囲においてはデューティ比を零と
し、通過範囲を出た後から徐々にデューティ比を大きく
して元に戻すようにしている。図６（ｂ）の方式（給電
抑制方式）では、通過範囲に入ってから徐々にＰＷＭ信
号のデューティ比を小さくし、通過範囲の中央部におい
てデューティ比を零とし、通過範囲を出る手前から徐々
にデューティ比を大きくし、通過範囲を出た時点で元の
デューティ比に戻すようにしている。図６（ｃ）の方式
（給電抑制方式）では、通過範囲に入る手前から徐々に
ＰＷＭ信号のデューティ比を小さくし、通過範囲におい
てはデューティ比を所定値とし、通過範囲を出てから徐
々にデューティ比を上げて元に戻すようにしている。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように本
発明によれば、回転軸の回転に際して、コミュテータの
電極間のスリットのスリット幅の全てがブラシ面に対向
する時間範囲をスリットの通過範囲とし、少なくともこ
のスリットの通過範囲の全てにおいてブラシへの給電を
停止するようにしたので、あるいは少なくともこのスリ
ットの通過範囲におけるブラシへの給電を抑制するよう
にしたので、コミュテータとブラシとの間の火花（アー
ク）の抑制を画期的に図って、電気ノイズを抑制するこ
とができるようになり、バリスタやＥＭＩフィルタ等に
よる保護対策を不要として、低コスト化を促進すること
ができる。また、ブラシでの発熱が抑制され、ブラシの
寿命がアップし、モータの耐久性と信頼性が向上する。
また、ブラシの摩耗粉飛散に対するモータ内の特別な防
御構造を簡略化することができ、これによっても低コス
ト化を促進することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図２に示した直流モータ駆動システムにおけ
る特有の動作を説明するためのタイムチャートである。

【図２】 本発明に係る直流モータ駆動システムの要部
を示す構成図である。

【図３】 コミュテータの電極間のスリットおよびエン
コーダ板に開設されたスリットを示す図である。

【図４】 コミュテータのスリットがブラシ面を通過し
ている状況を示す図である。

【図５】 種々考えられる給電停止方式や給電抑制方式
を説明する図（電流値制御方式への適用例）である。

【図６】 種々考えられる給電停止方式や給電抑制方式
を説明する図（ＰＷＭ制御方式への適用例）である。

【符号の説明】

１…ロータシャフト（回転軸）、２…コミュテータ、２
Ａ（２Ａ１〜２Ａ８）…スリット、２Ｂ（２Ｂ１〜２Ｂ
８）…電極、３（３−１，３−２）…ブラシ、３Ａ（３
−１Ａ，３−２Ａ）…ブラシ面、４…ロータ、５…コイ
ル、６…エンコーダ板、６Ａ（６Ａ１〜６Ａ８）…スリ
ット、７…フォトセンサ、８…モータ駆動コントロー
ラ、８−１…インターフェイス、８−２…ＣＰＵ、８−
３…ＲＯＭ、８−４…ＲＡＭ、８−５…ドライバ、８−
６…パワースイッチング回路。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸の周方向にスリットを介して分割
   して設けられた複数の電極から構成されるコミュテータ
   と、 このコミュテータの各電極が前記回転軸の回転に伴いそ
   のブラシ面に摺接するように設けられたブラシと、 前記回転軸の回転に際して、前記コミュテータの電極間
   のスリットのスリット幅の全てが前記ブラシ面に対向す
   る時間範囲をスリットの通過範囲とし、少なくともこの
   スリットの通過範囲の全てにおいて前記ブラシへの給電
   を停止する給電停止手段とを備えたことを特徴とする直
   流モータ駆動システム。
2. 【請求項２】 回転軸の周方向にスリットを介して分割
   して設けられた複数の電極から構成されるコミュテータ
   と、 このコミュテータの各電極が前記回転軸の回転に伴いそ
   のブラシ面に摺接するように設けられたブラシと、 前記回転軸の回転に際して、前記コミュテータの電極間
   のスリットのスリット幅の全てが前記ブラシ面に対向す
   る時間範囲をスリットの通過範囲とし、少なくともこの
   スリットの通過範囲における前記ブラシへの給電を抑制
   する給電抑制手段とを備えたことを特徴とする直流モー
   タ駆動システム
3. 【請求項３】 請求項１において、前記給電停止手段
   は、 前記回転軸と一体となって回転する前記コミュテータの
   電極間のスリットの回転位相と所定の位相関係をもった
   回転信号を発生する回転信号発生手段と、 この回転信号発生手段からの回転信号に基づいて少なく
   とも前記スリットの通過範囲の全てにおいて前記ブラシ
   への給電量を零とする手段とを備えたことを特徴とする
   直流モータ駆動システム。
4. 【請求項４】 請求項２において、前記給電抑制手段
   は、 前記回転軸と一体となって回転する前記コミュテータの
   電極間のスリットの回転位相と所定の位相関係をもった
   回転信号を発生する回転信号発生手段と、 この回転信号発生手段からの回転信号に基づいて少なく
   とも前記スリットの通過範囲における前記ブラシへの給
   電量を減少する手段とを備えたことを特徴とする直流モ
   ータ駆動システム。