JP2663602B2 - 無刷子直流モータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は１個の磁気検出素子で３相全波駆動を可能に
し、駆動回路の構成を簡素化することにより小型化を実
現し得る無刷子直流モータに関するものである。

従来の技術 近年、小型直流モータは音響分野ばかりでなく、情報
・産業分野においてもその制御性の良さが認められ、非
常な勢いで用途が拡大している。その中でも無刷子直流
モータは刷子・整流子という接触部分がなく、長寿命と
いう利点をもっていることから特に信頼性が重視される
産業用モータとしても用途が拡大している。

従来よりプラシレスモータは、ロータの回転位相を検
出するセンサ（磁気検出素子など）と、そのセンサの出
力信号を電気的に処理して電流を流すべき駆動コイルを
選択し励磁電流を流す駆動回路とで構成されているのが
一般であった。第８図はそのような従来のブレシレスモ
ータの代表的な一例である３相４極６コイルの平面対向
型のモータの構成を示す分解斜視図である。この図にお
いて、51はロータフレーム52に取り付けられ、駆動マグ
ネット部51a及びFG用マグネット部51bより構成されるロ
ータマグネットである。53はプリント基板56上で駆動用
マグネット部51aと対向する位置に設けられている駆動
コイル、54は３個のホール素子、55は上記プリント基板
56上でFG用マグネット部51bと対向する位置に設けられ
ているFGコイル、57はステータヨーク、58はモータの回
転軸、59はその軸受である。駆動コイル53は回転軸58を
挟んで相対する２つのコイルが直列に接続されて１つの
相を形成しているので３相となっている。

次にこのモータの動作について説明する。

３つのホール素子54はプリント基板56上において、回
転軸58からほぼ等距離の位置に互いに回転角60゜で設け
られているので、駆動用マグネット部51aの磁束に応じ
た位置信号を互いに電気角120゜elの位相差で発生す
る。この位相信号は差動増巾器（図示せず）で増巾、整
形されて位置信号となる。続いて複数のゲート回路（図
示せず）で論理処理されて３相の駆動信号となり、コイ
ル駆動用の複数のスイッチングトランジスタ（図示せ
ず）を夫々駆動する。この結果駆動コイル53には階段形
状の励磁電流が流れ、モータは駆動回転される。

発明が解決しようとする課題 このような構成の従来のモータにおいては各ホール素
子54は夫々１個当たり２本の電流入力端子と２本の電圧
出力端子とを有し、３個で合計12本の端子を配線しなけ
ればならない。これはモータの小型化が望まれている折
からその妨げになるものである。一方、ホール素子１個
で駆動するモータとして２相半波駆動方式及び３相半波
駆動方式等あるが、いずれも電流効率が悪くトルクリッ
プルも大きい。

課題を解決するための手段 本発明は多極着磁された駆動用マグネット部と駆動用
マグネット部のＮ極に対応してＮ−０−Ｎ極（０は無着
磁部）を配置し、駆動用マグネット部のＳ極に対応して
Ｓ−０−Ｓ極を配置した位置検出用マグネット部と、こ
の位置検出用マグネット部に対向して配置され、位置信
号を出力する１個の磁気検出素子と、上記位置検出素子
からの出力信号を増巾する増巾回路と、その増巾された
位置信号を上記磁極に対応して分離する波形整形回路
と、上記駆動用マグネット部の3n（ｎは自然数）倍のパ
ルス数を発生するFG発生機構と、上記3n倍のパルス数を
分周して上記駆動用マグネット部の３倍のパルス数に変
換する分周回路と、上記分周回路からの信号を分離する
分離回路と、切替回路と、上記切替回路によって起動時
には上記波形整形回路からの信号を、運転時には上記分
離回路からの信号を合成して３相全波駆動信号を作る信
号処理回路と、この信号処理回路からの信号に基づき３
相コイルを駆動する３相全波駆動回路と、上記FG発生機
構からの回転信号に応じてモータの回転速度を制御し得
る回転速度制御回路とを備えたものである。

作用 上記構成によれば、磁気検出素子の出力を増巾器にか
けた後、その出力波形の上側及び下側におのおのスレッ
ショールド特性を有する波形整形回路を通して波形整形
を行うと、磁極に応じて分離された信号が得られ、この
信号を信号処理回路で演算処理して合成すると120゜el
位相のずれた３相全波駆動信号が得られ、この信号に基
づき駆動回路を作動させることにより３相全波駆動を行
うことができる。更に精度の高い回転を得るために所定
の回転数以上に達した時、FG発生機構から得られる駆動
用マグネット部1aの3n倍のパルス数を分周して、駆動マ
グネット部の３倍のパルス信号を得、これを分離回路に
より磁極に応じた信号に変換し、この信号を切替回路を
通して上記信号処理回路で演算処理して合成すると120
゜el位相のずれた３相全波駆動信号が得られ、この信号
に基づき駆動回路を作動させることにより３相全波駆動
を行うことができる。又、FG発生機構からの回転信号を
Ｆ−Ｖ変換回路、速度制御回路等を通して駆動回路をコ
ントロールし、所定の回転数にすることができる。

実施例 本発明の一実施例について、図面を参照しながら説明
する。

第１図は円板状ロータマグネットを駆動用マグネット
の一周期（360゜el）分について展開した着磁分布のパ
ターン図、第２図はブラシレスモータの構成を示す分解
斜視図である。図において１はロータフレーム２に固着
した円板状ロータマグネット、３は磁気検出素子４及び
コイル５と共にプリント基板６上に設けられたFGコイ
ル、７はステータヨーク、８はモータの回転軸、９はそ
の軸受である。上記構成において、ロータマグネット１
の着磁分布及び１個の磁気検出素子４以外は通常の３相
４極６コイルのモータ構造である。本発明の構造上の特
徴の一つに上記ロータマグネット１の着磁分布がある。

即ち、第１図のように駆動用マグネット部1aと同磁極
数をもった位置検出用マグネット部1bの中央に磁極巾の
約1/3の巾で０極（無着磁又は切欠きなどにより磁束を
発生しない部分）を設け、駆動用マグネット部1aのＮ極
に対応してＮ−０−Ｎ極を配置し、駆動用マグネット部
1aのＳ極に対応してＳ−０−Ｓ極を配置している。この
ような磁極分布を得るには着磁ヨークを工夫するか、プ
ラスチックマグネット又はゴムマグネットを用いて切欠
き部を設けても容易に実現可能である。更にFGコイル３
に対向する部分にFG用マグネット部1cを駆動用マグネッ
ト部1aの磁極数の3n（ｎは自然数）倍の磁極数で配置し
ている。

上述したような位置検出用マグネット部1b及びFG用マ
グネット部1cと１個の磁気検出素子４を用いて本発明の
３相全波の駆動信号を合成する構成を第３図の信号波形
図及び第４図のブロック図を用いて説明する。

上記位置検出用マグネット部1bの磁束を検出する例え
ばホール素子のような磁気検出素子４の出力波形は第３
図（ａ）のようになる。この出力を増巾器12にかけた
後、その出力波形の上側及び下側に各々スレッショール
ド特性を有する波形整形回路13を通して波形整形を行う
と（ｃ），（ｄ）のような波形が得られる。これらの波
形と（ａ）を更に増巾して得られた（ｂ）の波形を信号
処理回路18で演算処理する。即ち、（ｂ）の正側と
（ｃ）の反転した信号とを信号処理回路18で演算処理す
ると（ｈ）及び（ｉ）を得る。同様にして（ｂ）の負側
の反転した信号と（ｄ）の反転した信号とを信号処理回
路18で演算処理すると（ｊ）及び（ｋ）を得る。以上の
ようにして得られた４つの信号のうち（ｈ）と（ｋ）を
NOR回路にて演算処理をすると（ｌ）が得られ、同様に
（ｉ）と（ｊ）をNOR回路にて演算処理すると（ｍ）が
得られる。次に（ｈ）と（ｉ）を合成して（ｎ）を得、
同様にして（ｊ）と（ｌ）から（ｏ）を、（ｋ）と
（ｍ）から（ｐ）を得ることができる。（ｎ），
（ｏ），（ｐ）は夫々120゜el位相のずれた信号であ
り、これらを駆動回路19に出力すれば３相全波180゜el
駆動を行うことができる。又、第３図（ｋ）〜（ｍ）の
６つの信号で駆動すれば３相全波120゜el駆動を行うこ
とができる。

更に精度の高い回転を得るために所定の回転数以上に
達した時、FG発生機構14から得られる駆動用マグネット
部1aの3n倍のパルス数を分周回路15により駆動用マグネ
ット部の３倍のパルス数に分周した信号を第３図（ｅ）
に示す。この信号を（ｂ）の信号を利用して分離回路16
により分離する。即ち、（ｂ）の正側と（ｅ）とをAND
回路により演算処理すると（ｆ）が得られる。又、
（ｂ）の負側の反転信号と（ｅ）の反転信号をAND回路
により演算処理すると（ｇ）が得られる。これらの波形
と（ｂ）の波形を切替回路17を介して信号処理回路18で
演算処理する。即ち、第３図（ｂ）の正側と（ｆ）の反
転した信号とを信号処理回路18で演算処理すると（ｈ）
と（ｉ）を得る。同様にして（ｂ）の負側の反転した信
号と（ｇ）の反転した信号とを信号処理回路18で演算処
理すると（ｊ）と（ｋ）を得る。

以上のようにして得られた４つの信号のうち、（ｈ）
と（ｋ）をNOR回路にて演算処理すると（ｌ）が得ら
れ、同様に（ｉ）と（ｊ）をNOR回路にて演算処理する
と（ｍ）が得られる。

以下、上述した経過をふんで３相全波駆動を行うこと
ができる。又、FG発生機構14からの回転信号をＦ−Ｖ変
換回路20,速度制御回路21を介して駆動回路19をコント
ロールすることができるのはいうまでもない。

以上述べてきた一連の動作を行う回路構成のうち、信
号処理回路18,分離回路16及び切替回路17について一実
施例に基づいて説明する。

第５図の如く、夫々第１の入力端子と出力端子が互い
にクロスカップリング接続された論理ゲート31及び32
と、夫々第１の入力端子と出力端子が互いにクロスカッ
プリング接続された論理ゲート35及び36と、夫々第１の
入力端子と出力端子が互いにクロスカップリング接続さ
れた論理ゲート38及び39と、出力端子が上記論理ゲート
35の第２の入力端子に接続された論理ゲート33と、出力
端子が上記論理ゲート38の第２の入力端子に接続された
論理ゲート37と、第１の入力端子に上記論理ゲート38及
び39によるゲート対の出力が供給された論理ゲート40を
備え、上記論理ゲート33の第１の入力端子に上記論理ゲ
ート31及び32によるゲート対の出力が供給され、上記論
理ゲート37の第１の入力端子に上記論理ゲート35及び36
によるゲート対の出力が供給され、上記論理ゲート32の
第２の入力端子と論理ゲート36の第２の入力端子と論理
ゲート39の第２の入力端子と論理ゲート40の第２の入力
端子は接続されて、増巾回路により十分に増巾された出
力信号（第１の信号）が供給され、上記論理ゲート31の
第２の入力端子は上記論理ゲート33の第２の入力端子に
接続されると共にインバータ34を介して上記論理ゲート
37の第２の入力端子に接続され、波形整形回路の出力信
号（第２の信号）が供給され、上記論理ゲート31〜40に
よって順序回路を構成すると、上記論理ゲート40の出力
端子及び論理ゲート35の出力端子に夫々順序付けされた
第１の出力信号及び第２の出力信号が出力される。この
とき第１の信号に第３図（ｂ）の正側の信号、第２の信
号に第３図（ｃ）の反転された信号を供給すると第１の
出力信号には第３図（ｈ）、第２の出力信号には第３図
（ｉ）が出力される。同様に、第１の信号に第３図
（ｂ）の負側の反転された信号、第２の信号に第３図
（ｄ）の反転された信号を供給すると第１の出力信号に
は第３図（ｊ）、第２の出力信号には第３図（ｋ）が出
力される。更に、前述したようにNOR回路を用いて、第
３図（ｈ）と（ｋ）から（ｌ）が得られ、同様にして第
３図（ｉ）と（ｊ）から（ｍ）が得られる。

本出願人の出願に係る特願昭61−268001号の発明の場
合は分周回路を用いていたため、起動時にロータの位置
と駆動信号との間に信号の同期化が必要となり、別途起
動回路を付加したが、本発明においては上記論理ゲート
32の第１の入力端子、論理ゲート36の第１の入力端子及
び論理ゲート38の第１の入力端子に電源投入時に初期化
パルスを供給するだけでよい。このようにしておけば、
第３図（ａ）において０から上側のスレッショールドを
越えるまでと、０から下側のスレッショールドを越える
までの各々１区間ずつの間、起動時に逆回転するがこの
区間を通過するとすぐに正回転モードになり、その後は
上述したような３相全波駆動を行うことができる。

次に駆動用マグネット1aの３倍のパルス数にまで分周
された第３図（ｅ）の信号から（ｆ），（ｇ）を分離す
る方法を第６図を用いて説明する。論理ゲート41の第１
の入力端子はインバータ43を介して論理ゲート42の第１
の入力端子に接続されると共に第１の信号を供給され、
上記論理ゲート41の第２の入力端子はインバータ44を介
して上記論理ゲート42の第２の入力端子に接続されると
共に第２の信号を供給される。このように構成された順
序回路に第１の信号として第３図（ｂ）の信号を第２の
信号として（ｅ）の信号を供給すると第１の出力信号と
して（ｆ）が出力され、第２の出力信号として（ｇ）が
出力される。

次に切替回路17について第７図を用いて説明する。

入力端子に波形整形回路13からの信号を供給されるア
ナログスイッチ45の出力端子は、入力端子に分離回路16
からの信号を供給されるアナログスイッチ46の出力端子
に接続されると共に信号処理回路18の論理回路31の第２
の入力端子に接続され、上記アナログスイッチ45のゲー
ト端子はインバータ47を介して上記アナログスイッチ46
のゲート端子に接続されると共に回転数を検出して出力
する回転数判定回路からの信号を供給される。このよう
に構成すれば起動時から所定の回転数に到達するまでの
間はアナログスイッチ45がON状態、アナログスイッチ46
がOFF状態となり、波形整形回路13からの信号を信号処
理回路18へ供給し、所定の回転数以上になると上記アナ
ログスイッチ45はOFF状態、上記アナログスイッチ46はO
N状態となり、分離回路16からの信号を信号処理回路18
に供給する。

発明の効果 以上の説明から明らかなように本発明は、従来のブラ
シレスモータのようにホール素子のような位置検出素子
を複数個配設する必要はなく、配線が簡単になり従って
組立工数も少なくなるのでモータの信頼性が向上すると
共に、小形化に貢献しかつ安価に実現でき、この種の方
式にありがちな起動装置の付与の必要もなく、しかもIC
化が容易に実現でき、FGパターンの精度でモータの駆動
信号を得るため高回転精度が要求される機器にも適用す
ることができ、機器の信頼性・精度を落とさずにモータ
の小形化による機器全体としての小形化が実現できる等
様々な特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の円板状マグネットを駆動用マグネット
の一周期（360゜el）分について展開した着磁分布パタ
ーン図、第２図は本発明のブラシレスモータ実施例の構
成を示す分解斜視図、第３図は本発明の信号処理の出力
波形図、第４図は本発明の一実施例の回路構成のブロッ
ク図、第５図は信号処理回路の回路図、第６図は分離回
路の回路図、第７図は切替回路の回路図、第８図は従来
例の説明図である。 １……ロータマグネット、1a……駆動用マグネット部、
1b……位置検出用マグネット部、1c……FG用マグネット
部、4,11……磁気検出素子、12……増巾器、13……波形
整形回路、14……FG発生機構、15……分周回路、16……
分離回路、17……切替回路、18……信号処理回路、19…
…駆動回路。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多極着磁された駆動用マグネット部と、上
   記駆動用マグネット部と同磁極数をもち、駆動用マグネ
   ット部のＮ極に対応してＮ−０−N,S極に対応してＳ−
   ０−Ｓ（０は無着磁又は実効的に磁束を発生しない部
   分）の形にほぼ等分に着磁された位置検出用マグネット
   部と、上記位置検出用マグネット部に対向して配置さ
   れ、位置信号を出力する１個の磁気検出素子と、上記位
   置検出素子からの信号を増巾する増巾回路と、その増巾
   された位置信号の上記磁極に対応して分離する波形整形
   回路と、上記駆動用マグネット部の3n（ｎは自然数）倍
   のパルス数を発生するFG発生機構と、上記3n倍のパルス
   数を分周して上記駆動用マグネット部の３倍のパルス数
   に変換する分周回路と、上記分周回路からの信号を分離
   する分離回路と、切替回路と、上記切替回路によって起
   動時には上記波形整形回路からの信号を、運転時には上
   記分離回路からの信号を合成して３相全波駆動信号を作
   る信号処理回路と、この信号処理回路からの信号に基づ
   き、３相コイルを駆動する３相全波駆動回路とを備えた
   無刷子直流モータ。
2. 【請求項２】多極着磁された駆動用マグネット部と、上
   記駆動用マグネット部と同磁極数をもち、駆動用マグネ
   ット部のＮ極に対応してＮ−０−N,S極に対応してＳ−
   ０−Ｓ（０は無着磁又は実効的に磁束を発生しない部
   分）の形にほぼ等分に着磁された位置検出用マグネット
   部と、上記位置検出用マグネット部に対向して配置さ
   れ、位置信号を出力する１個の磁気検出素子と、上記位
   置検出素子からの信号を増巾する増巾回路と、その増巾
   された位置信号を上記磁極に対応して分離する波形整形
   回路と、上記駆動用マグネット部の3n（ｎは自然数）倍
   のパルス数を発生するFG発生機構と、上記3n倍のパルス
   数を分周して上記駆動用マグネット部の３倍のパルス数
   に変換する分周回路と、上記分周回路からの信号を分離
   する分離回路と、切替回路と、上記切替回路によって起
   動時には上記波形整形回路からの信号を運転時には上記
   分離回路からの信号を合成して３相全波駆動信号を作る
   信号処理回路と、この信号処理回路からの信号に基づ
   き、３相コイルを駆動する３相全波駆動回路と、上記FG
   発生機構からの回転信号に応じてモータの回転速度を制
   御し得る回転速度制御回路とを備えた無刷子直流モー
   タ。