JP2001025279A - ブラシレスモータの駆動方法及び駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トルク定数、起動時間或いは負荷能力などの
モータ特性を犠牲にすることなく、騒音を低減するこ
と。 【解決手段】 ブラシレスモータＢＬＭの駆動装置を、
位置検出回路ＰＳＣと、各相の通電タイミングを決定し
各相の矩形波の通電制御信号を発生する制御回路ＣＴＲ
と、高周波パルス信号を発生する高周波パルス発生回路
ＨＰＣと、前記矩形波の通電制御信号を前記高周波パル
ス信号でチョッピングするチョッピング回路ＣＨＣと、
前記チョッピング回路ＣＨＣの出力信号で制御されてス
テータコイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗに駆動電圧を供給
する駆動回路ＤＶＲとで構成した。そして、矩形波電圧
にステータコアの歯の固有振動数よりも高い周波数、好
ましくは約１０倍又はそれ以上の高い周波数の高周波電
圧を重畳した駆動電圧を前記ステータコイルに印加し
て、ブラシレスモータを駆動するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多極着磁されたロ
ータマグネットを有するロータと磁性鋼板片を積層して
形成したステータコアと該ステータコアに巻回されたス
テータコイルとを有するステータとからなるブラシレス
モータ、特にハードディスク駆動装置等の回転駆動源と
して最適な小型スピンドルモータの回転時の騒音や振動
の抑制に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータ、通信、情報等の分
野で携帯型機器が普及し、これに伴って携帯型機器の構
成部品に対する小型化、軽量化、高性能化の要求が厳し
くなってきている。これらの要求は、ハードディスク駆
動装置等の回転駆動源として最適な小型ブラシレスモー
タに対しても当然になされているが、これらは切り口を
変えれば振動低減の要求でもある。

【０００３】従来からロータの構成部材であるリング状
ロータマグネットにスキュー着磁を施す方法、ステータ
の構成部材である積層型ステータコアにスキュー積層を
施す方法、ステータコアとロータマグネットとの間のギ
ャップを或る特定の数式に従って変える方法、ステータ
コアの歯を特定の形状にする方法等により、コギングト
ルクとトルクリップルを低減し、振動の低減が図られて
きている。しかしながら、これらの従来方法では、振動
源の一つであるステータの上下振動を抑制するという根
本対策とはなっていないし、しかもコギングトルクとト
ルクリップルの低減と引き換えにトルク定数や起動時
間、負荷能力などのモータ特性が犠牲にならざるを得な
かった。

【０００４】特開平９−２７５６５０に開示されている
防振構造のモータは、複数の突極を有する積層型ステー
タコアと前記複数の突極に夫々巻回されたステータコイ
ルとを有するステータと、前記積層型ステータコアに対
向配置されたロータマグネットを有するロータとからな
るモータにおいて、前記積層型ステータコアが磁性鋼板
コア片と磁性鋼板コア片との間をエポキシや両面接着剤
などの制振用接着剤で接着して積層されたことを特徴と
するものである。このモータは簡単な防振構造でありな
がら、振動低減や騒音低減に一定の効果が認められるも
のである。しかしながら、制振用接着剤が吸収できる振
動は低周波領域だけであって、高周波領域の振動は吸収
できないという問題がある。

【０００５】ブラシレスモータの駆動方法に工夫を凝ら
して、振動低減を実現しているものもある。図７は従来
のブラシレスモータの駆動装置のブロック回路図であ
る。図７において、ブラシレスモータＢＬＭは、多極着
磁されたロータマグネットを有するロータ１０と三相の
ステータコイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗを有するステー
タ２０とから構成されている。ブラシレスモータの駆動
装置は、直流電圧源Ｅと、この直流電圧源Ｅにステータ
コイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗを選択的に接続する整流
用スイッチングトランジスタ群からなる駆動回路ＤＶＲ
と、この駆動回路ＤＶＲのスイッチング動作を制御する
制御回路ＣＴＲと、ロータの位置を検出し位置検出信号
を制御回路ＣＴＲに与える位置検出回路ＰＳＣとから構
成されている。

【０００６】上述の如き構成のブラシレスモータの駆動
装置は、図８に示す矩形波電圧をステータコイル２１
Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗに与え、モータを回転させている。
このような矩形波駆動方式は、通電タイミングに基づい
て駆動電圧或いは駆動電流を矩形波とすることが最も簡
単であり、またステータコイルに発生する逆起電力に基
づいてロータ位置を検出できること等の理由により、広
く採用されている。ところが、矩形波駆動では、通電切
り替え時の急激な電流変化によりトルクむらが生じ、こ
れに起因した振動が生じるという問題がある。正弦波駆
動の場合には、このような問題はない。

【０００７】特開平７−２２２４８５号公報には駆動電
流を疑似正弦波とする方法が、特開平７−１９４１７２
号公報には駆動電流を台形波とする方法が、夫々開示さ
れている。しかしながら、疑似正弦波の駆動電流も、台
形波の駆動電流も、これを生成する回路が複雑であっ
て、コスト低減に反するという問題がある。

【０００８】また特開平５−６８３９５号公報に開示さ
れている方法は、矩形波駆動において駆動電流の立ち上
がり時間が固有振動数の逆数の整数倍に略一致するよう
に設定した矩形波駆動方法である。要するに、駆動波形
の立ち上がりと立ち下がりを傾かせて、発生する駆動力
を少し滑らかにすることで振動を抑制するものである。
なお、ここに例示されている固有振動数は３５００Ｈｚ
である。この方法も一定の効果が認められるものの問題
がある。立ち上がりと立ち下がり時間を優先すると、駆
動周波数の自由度は狭くなり、かなり低い周波数になっ
てしまうから、その駆動周波数がステータコイルの共振
周波数に近い場合、ステータコイルの共振を誘発してし
まうという問題である。更に、立ち上がりと立ち下がり
時間は、ステータコイルの抵抗値やインピーダンスの他
に、駆動回路からの配線が持つ抵抗成分やインダクタン
ス成分によっても変わってしまうので、設計時にきちん
と見積もることは必ずも容易でないという問題と使用時
の温度によって影響を受けるという問題もある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、ロータマグネットを有するロータと、ステ
ータコアと駆動電圧を与えられて磁界を発生し前記ロー
タマグネットとの電磁作用によって前記ロータを回転さ
せる複数相のステータコイルとを有するステータと、ロ
ータをステータに回転自在に支持させる軸受とからなる
ブラシレスモータにおいて、トルク定数、起動時間或い
は負荷能力などのモータ特性を犠牲にすることなく、振
動を抑制し、併せて騒音を低減することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、ステータコアはその固有振動数をブレークポイント
とするハイカット特性の伝達関数を有する機械構造体で
あることに着目し、矩形波の駆動電圧にステータコアの
歯の固有振動数よりも高い周波数好ましくは約１０倍又
はそれ以上の高い周波数の高周波電圧を重畳した電圧を
ステータコイルに印加して、ブラシレスモータを駆動す
るようにした。

【００１１】また、ロータマグネットを有するロータ
と、ステータコアと駆動電圧を与えられて磁界を発生し
前記ロータマグネットとの電磁作用によって前記ロータ
を回転させる複数相のステータコイルとを有するステー
タと、ロータをステータに回転自在に支持させる軸受と
からなるブラシレスモータの駆動装置を、ロータ位置を
検出して位置検出信号を発生する位置検出回路と、前記
位置検出信号に基づいて各相の通電タイミングを決定し
各相の矩形波の通電制御信号を発生する制御回路と、ス
テータコアの歯の固有振動数よりも高い周波数好ましく
は約１０倍又はそれ以上の高い周波数の高周波パルス信
号を発生する高周波パルス発生回路と、前記矩形波の通
電制御信号を前記高周波パルス信号でチョッピングする
チョッピング回路と、前記チョッピング回路の出力信号
で制御されて前記ステータコイルに駆動電圧を供給する
駆動回路とで構成した。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の一実施例のブラシレスモ
ータＢＬＭは、図２に横断面図、図３に縦断面図で示す
如く、ロータ１０、ステータ２０、及びロータ１０をス
テータ２０に回転自在に支持する軸受３０とから構成さ
れている。軸受３０はボールベアリングとして図示して
あるが、動圧軸受や磁気軸受も広く用いられている。軸
受３０は、ステータの一部を構成するモータフレーム２
３の円筒部２３ａの中に配置され、固着されている。ロ
ータ１０は、シャフト１１と、シャフト１１に同軸にし
て固着されたカップ状ハブ１３、このハブ１３の内周面
に取り付けられたリング状ロータマグネット１２とで構
成されている。リング状ロータマグネット１２は１２極
に多極着磁された永久磁石である。ステータ２０は、９
個の突極を有するステータコア２２と、ステータコア２
２に巻回されたステータコイル２１とを有する。ステー
タコイル２１が巻回されたステータコア２２は、モータ
フレーム２３の円筒部２３ａの外周面に配置され、固着
されている。

【００１３】三相結線されたステータコイル２１Ｕ、２
１Ｖ、２１Ｗには、図１に示す如き駆動装置によって駆
動電圧が与えられる。本発明の一実施例の駆動装置は、
図７に示した従来の駆動装置と同様に、直流電圧源Ｅ
と、この直流電圧源Ｅにステータコイル２１Ｕ、２１
Ｖ、２１Ｗを選択的に接続する整流用スイッチングトラ
ンジスタ群からなる駆動回路ＤＶＲと、この駆動回路Ｄ
ＶＲのスイッチング動作を制御する制御回路ＣＴＲと、
ロータの位置を検出し位置検出信号を制御回路ＣＴＲに
与える位置検出回路ＰＳＣを備え、更に、これら構成要
素にチョッピング回路ＣＨＣと高周波パルス発生回路Ｈ
ＰＣとを追加して構成されている。

【００１４】上述の如く構成された本発明に係る駆動装
置の作用は以下の通りである。位置検出回路ＰＳＣはス
テータコイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗに発生する逆起電
力を検出し、基準電圧と比較することによって各相のロ
ータ位置を検出し、位置検出信号を制御回路ＣＴＲに与
える。制御回路ＣＴＲは、位置検出回路ＰＳＣからの位
置検出信号に基づいて各相の通電タイミングを決定し、
この通電タイミングに基づいて各相の通電制御信号Ｓ
１、Ｓ２、Ｓ３を発生し、これら通電制御信号をチョッ
ピング回路ＣＨＣに与える。通電制御信号Ｓ１、Ｓ２、
Ｓ３は、図４に示す如く、３０度づつ位相のずれた矩形
波信号である。

【００１５】チョッピング回路ＣＨＣには高周波パルス
発生回路ＨＰＣからチョッピングパルスＰが与えられて
いるから、通電制御信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３はチョッピン
グパルスＰによってチョッピングされる。このようにし
てチョッピングされた通電制御信号によって、駆動回路
ＤＶＲを構成しているスイッチングトランジスタ群は制
御され、直流電圧源Ｅにステータコイル２１Ｕ、２１
Ｖ、２１Ｗが選択的に接続される。このようにしてステ
ータコイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗには、駆動電圧が与
えられる。この駆動電圧は、図５（Ａ）に示す如く、矩
形波電圧に周波数Ｆの高周波電圧が重畳されたものとな
る。

【００１６】本発明において、高周波パルスＰの周波数
Ｆは、ステータコアの歯の固有振動数ｆよりも高い周波
数、好ましくは約１０倍又はそれ以上の高い周波数であ
る。ステータコアの歯の固有振動数ｆは、ステータコア
の材質や構造等によって異なるが、有限要素法等の解析
手段によって或る程度の正確さで予測することができ
る。しかも機械構造体のもつ固有振動数は、使用時の温
度や回転負荷によって変わらない。従って、これらを基
にしてステータコアの歯の固有振動数ｆを設計時に確定
する。そして、この確定したステータコアの歯の固有振
動数ｆに、設計上最適な倍数、例えば１０を乗算して高
周波パルスＰの周波数Ｆを決定する。

【００１７】ところで、ステータコアの伝達関数特性図
である図６に示す如く、ステータコアはその固有振動数
をブレークポイントとするハイカット特性の伝達関数を
有する機械構造体である。但し図６において、横軸はス
テータコアの構造体として持つ固有周波数をステータコ
アの歯の上下方向の共振角周波数で除算して得られた周
波数、縦軸は無次元の振動変位を表す。矩形波の駆動電
圧に重畳された高周波電圧は、その周波数Ｆがステータ
コアの歯の固有振動数ｆの１０倍以上のものであるか
ら、図６から明らかな如く、ステータコアを振動させる
度合いが小さく、従ってステータコアの夫々の歯が上下
振動するような励振力が作用し難くなる。従って、本発
明においては、ステータコアの突極部の振動そのものを
発生し難くすることができた。

【００１８】なお、矩形波電圧に高周波電圧が重畳され
た駆動電圧は、図５（Ａ）に示すものに限定されず、図
５（Ｂ）や図５（Ｃ）の如きものであってもよい。ま
た、本発明が適用されるブラシレスモータは、図１に示
す逆起電力利用のロータ位置検出方式のものに限られな
い。例えば、ホール素子を利用したロータ位置検出方式
のものにも勿論適用できる。更に、ステータコイルに印
加される駆動電圧は、矩形波電圧に高周波電圧が重畳さ
れたものとして説明してきたが、矩形波電圧でなく階段
状波電圧や台形波電圧に高周波電圧が重畳されたものも
含まれることは勿論である。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、ステータコアがその固有振動
数をブレークポイントとするハイカット特性の伝達関数
を有する機械構造体であることに着目し、矩形波の駆動
電圧にステータコアの歯の固有振動数よりも高い周波数
好ましくは約１０倍又はそれ以上の高い周波数の高周波
電圧を重畳した電圧をステータコイルに印加して、ブラ
シレスモータを駆動するようにしたものであるから、ト
ルク定数や起動時間、負荷能力などのモータ特性を全く
犠牲にするものではなく、回転時の振動抑制と騒音低減
を図ることができ、回転振れなどの回転精度の向上も図
られた。しかも、比較的簡単な回路構成で実現できると
いう利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るブラシレスモータの駆動装置の一
実施例のブロック回路図である。

【図２】ブラシレスモータの一実施例の横断面図であ
る。

【図３】ブラシレスモータの一実施例の縦断面図であ
る。

【図４】本発明における通電制御信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３
とチョッピング信号Ｐの波形を示す図である。

【図５】本発明における駆動電圧の３種類の波形を示す
図である。

【図６】本発明の作用を説明するために示したステータ
コアの伝達関数特性図である。但し、横軸は周波数、縦
軸は無次元の振動変位を示す。

【図７】従来のブラシレスモータの駆動装置の一実施例
を示すブロック回路図である。

【図８】従来のブラシレスモータの駆動装置における矩
形波駆動電圧を示す図である。

【符号の説明】

１０ ロータ １１ シャフト １２ リング状ロータマグネット １３ カップ状ハブ ２０ ステータ ２１、２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗ ステータコイル ２２ ステータコア ２３ フレーム ２３ａ フレームの円筒部 ３０ 軸受 ＢＬＭ ブラシレスモータ ＣＨＣ チョッピング回路 ＣＴＲ 制御回路 ＤＶＲ 駆動回路 Ｅ 直流電圧源 ＨＰＣ 高周波パルス発生回路 ＰＳＣ 位置検出回路 Ｐ チョッピング信号 Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 通電制御信号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 敦司 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番 セイ コーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 似鳥 幸司 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番 セイ コーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 大木 茂 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番 セイ コーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 小川 真志 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番 セイ コーインスツルメンツ株式会社内 Ｆターム(参考） 5H560 AA04 BB04 BB07 BB12 DA13 DA19 DB20 EB01 EC03 EC10 JJ12 SS01 UA02 XA12

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータコイルに印加する矩形波の駆動
   電圧にステータコアの歯の固有振動数よりも高い周波数
   の高周波電圧を重畳したことを特徴とするブラシレスモ
   ータの駆動方法。
2. 【請求項２】 前記高周波の周波数はステータコアの歯
   の固有振動数の約１０倍又はそれ以上であることを特徴
   とする請求項１のブラシレスモータの駆動方法。
3. 【請求項３】 ロータマグネットを有するロータと、ス
   テータコアと駆動電圧を与えられて磁界を発生し前記ロ
   ータマグネットとの電磁作用によって前記ロータを回転
   させる複数相のステータコイルとを有するステータと、
   ロータをステータに回転自在に支持させる軸受とからな
   るブラシレスモータの駆動装置において、ロータ位置を
   検出して位置検出信号を発生する位置検出回路と、前記
   位置検出信号に基づいて各相の通電タイミングを決定し
   各相の矩形波の通電制御信号を発生する制御回路と、ス
   テータコアの歯の固有振動数よりも高い周波数の高周波
   パルス信号を発生する高周波パルス発生回路と、前記矩
   形波の通電制御信号を前記高周波パルス信号でチョッピ
   ングするチョッピング回路と、前記チョッピング回路の
   出力信号で制御されて前記ステータコイルに駆動電圧を
   供給する駆動回路とから構成されたブラシレスモータの
   駆動装置。
4. 【請求項４】 前記高周波の周波数はステータコアの歯
   の固有振動数の約１０又はそれ以上であることを特徴と
   する請求項３のブラシレスモータの駆動装置。