JP7490602B2

JP7490602B2 - ブラシレスモータ駆動装置

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Publication number: JP7490602B2
Application number: JP2021038557A
Authority: JP
Inventors: 申王
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Devices and Storage Corp
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2024-05-27
Anticipated expiration: 2041-03-10
Also published as: CN115085597A; US20240039436A1; US20220294369A1; JP2022138592A; US11817810B2

Description

本実施形態は、ブラシレスモータ駆動装置に関する。

従来、ロータの回転位置を検出する３個のセンサを、電気角において１２０度毎の位相差の位置に配置した３相のブラシレスモータの技術が開示されている。３個のセンサは個別に設けられる為、部品点数が増加する。また、１２０度毎の位相差の位置に３個のセンサを載置する為、センサを載置する為の広い面積の支持基盤が必要となりモータのコストが高くなる。また、モータ毎にセンサの配置位置の調整が必要であり、煩雑である。一方、センサを一つにした場合には、モータの起動不良のリスクがある。汎用性が高く、また、モータのコストを削減することが出来るブラシレスモータ駆動装置が望まれる。

特開２００８－１１８８３０号公報

一つの実施形態は、汎用性が高く、モータのコストを削減することが出来るブラシレスモータ駆動装置を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、モータ駆動装置は、ロータを回転させる磁界を発生する励磁コイルに励磁電流を供給する出力部と、前記ロータの回転位置を検出する位置検出部と、前記位置検出部からの検出信号に基づく駆動信号を生成して前記出力部に供給する駆動制御部と、を備え、前記位置検出部は、前記ロータの回転位置を検出する第１の検出素子と、前記第１の検出素子に先行して前記ロータの回転位置を検出する第２の検出素子と、前記第１の検出素子に追従して前記ロータの回転位置を検出する第３の検出素子と、を有し、前記第１乃至第３の検出素子は、一体的に集積化され、前記駆動制御部は、前記ロータの正転時において、前記第１の検出素子の検出信号と前記第２の検出素子の検出信号との間の位相差が所定の閾値以下の場合には前記第１の検出素子の検出信号と前記第２の検出素子の検出信号を用いて前記駆動信号を生成し、前記第１の検出素子の検出信号と前記第２の検出素子の検出信号との間の位相差が前記所定の閾値よりも大きい場合には、前記第１の検出素子の検出信号と前記第３の検出素子の検出信号を用いて前記駆動信号を生成する。

第１の実施形態のブラシレスモータ駆動装置の回路構成を概略的に示す図。ブラシレスモータ駆動装置とロータとの配置関係を模式的に示す図。ブラシレスモータ駆動装置の駆動方法を説明する為の図。ロータの正転時におけるブラシレスモータ駆動装置の駆動信号の生成方法を説明する為の図。ロータの反転時におけるブラシレスモータ駆動装置の駆動信号の生成方法を説明する為の図。位相差が閾値以下の場合の信号生成方法を説明する為の図。位相差が閾値以下の場合の信号生成方法を詳細に説明する為の図。位相差が閾値より大きい場合の信号生成方法を説明する為の図。位相差が閾値より大きい場合の信号生成方法を詳細に説明する為の図。補助センサの出力信号のオフセットと信号生成方法を説明する為の図。キャリブレーションの一つの実施形態のフローを示す図。ブラシレスモータ駆動装置を集積化した平面パターンの例を示す図。ブラシレスモータ駆動装置を内蔵したモータの一つの実施形態の分解斜視図。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかるブラシレスモータ駆動装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のブラシレスモータ駆動装置１００の回路構成を概略的に示す図である。本実施形態のブラシレスモータ駆動装置１００（以降、駆動装置１００と呼ぶ）は、センサ部１０を有する。センサ部１０は、メインセンサ１１、補助センサ１２、及び補助センサ１３を有する。各センサ１１、１２、及び１３は、例えば、ホール素子で構成され、あるいは、ホール素子の出力信号を増幅する増幅回路（図示せず）を備えた集積回路として構成される。

各センサ１１、１２、１３のホール素子は、シリコン、あるいは、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ等の化合物半導体で構成することが出来る。ホール素子をシリコンで構成した場合には、駆動装置１００を構成する他の回路部と共に、単一のシリコン基板（図示せず）に集積化することが出来る。ホール素子を化合物半導体で構成した場合には、化合物半導体で構成したホール素子が形成された個別チップ（図示せず）を、他の回路部が形成されたシリコン基板と共にマルチチップ構成により集積化させ、例えば、モールド樹脂で一体的に集積化することが出来る。

本実施形態の駆動装置１００は、検出部２０を有する。検出部２０は、メインセンサ１１の出力信号が供給されるオフセットキャンセル部２１を有する。オフセットキャンセル部２１は、例えば、メインセンサ１１のホール素子（図示せず）に供給する電流の方向を変えて得られる出力信号を引き算する構成とすることが出来る。オフセットキャンセル部２１の出力信号は、コンパレータ２２に供給される。コンパレータ２２は、例えば、ヒステリシス特性を有し、ゼロクロス点においてＨレベルとＬレベルが変化するデジタル信号を出力する。コンパレータ２２にヒステリシス特性を持たせることで、チャタリングを防止する構成とすることが出来る。

補助センサ１２、１３の出力信号は、それぞれ、コンパレータ２３、２４に供給される。コンパレータ２３、２４は、補助センサ１２、１３の出力信号を、所定の閾値と比較して、その比較結果に応じてＨレベルとＬレベルに変化するデジタル信号を出力する。コンパレータ２３、２４は、例えば、２つの閾値電圧と入力信号を比較して、その比較結果に応じてＨレベル、またはＬレベルのデジタル信号を出力するウィンドウコンパレータで構成される。コンパレータ２３、２４に供給される閾値電圧の設定とコンパレータ２３、２４の出力信号の関係については、後述する。

検出部２０は、オフセットキャンセル部２１の出力が供給されるＡＤコンバータ２５、補助センサ１２、１３の出力信号が供給されるＡＤコンバータ２６、２７を有する。各ＡＤコンバータ２５乃至２７は、各センサ１１、１２、及び１３の出力信号をデジタル信号に変換して出力する。

本実施形態の駆動装置１００は、制御部３０を有する。制御部３０は、信号処理部３１、閾値電圧生成部３２、位相差検出部３３、センサ出力選択部３４、及び駆動信号生成部３５を有する。

信号処理部３１は、各ＡＤコンバータ２５乃至２７の出力信号を用いて所定の演算処理を行う。例えば、信号処理部３１は、各ＡＤコンバータ２５乃至２７から取得したデジタル信号を用いて演算処理を行い、その処理結果を閾値電圧生成部３２、位相差検出部３３、及び、駆動信号生成部３５に供給する。

本実施形態の駆動装置１００は、メモリ部５０を有する。メモリ部５０は、モータ起動時に行うキャリブレーションにおいて取得した補助センサの選択結果と補助センサ１２、１３の出力信号の値を保持する。また、メモリ部５０は、起動時のキャリブレーションにおける駆動条件のデータを保持する。駆動信号生成部３５は、例えばキャリブレーションにおいてメモリ部５０から信号処理部３１を介して所定のタイミングで供給される信号に応答して、ロータ６２を一定周波数（回転数）で回転させる駆動信号を生成する。

閾値電圧生成部３２は、信号処理部３１から供給されるデジタル信号をアナログ変換し、モータ起動時に行うキャリブレーションにおいて取得したＡＤコンバータ２６、２７の出力信号からコンパレータ２３、２４の閾値電圧を生成してコンパレータ２３、２４に供給する。キャリブレーションについては、後述する。

位相差検出部３３は、信号処理部３１から供給される各センサ１１、１２、１３の出力信号間の位相差を検出する。位相差検出部３３の出力信号は、信号処理部３１を介してセンサ出力選択部３４に供給される。

センサ出力選択部３４は、信号処理部３１を介して供給される位相差検出部３３の出力信号に応答して、駆動信号生成部３５に供給する信号を選択する。センサ出力選択部３４は、ロータ６２の正転時におけるメインセンサ１１の出力信号と補助センサ１２の出力信号の位相差が所定の閾値以下の場合には、メインセンサ１１と補助センサ１２からの出力信号を選択して駆動信号生成部３５に供給する。閾値は、例えば、電気角で３０度である。閾値と出力信号の選択方法については、後述する。

駆動信号生成部３５は、センサ出力選択部３４から供給される信号を用いて駆動信号を生成して出力回路部４０に供給する。

出力回路部４０は、出力トランジスタ４１乃至４６を有する。各出力トランジスタ４１乃至４６は、ソース・ドレイン間に還流ダイオード４１１乃至４１６を有する。出力回路部４０の各出力トランジスタ４１乃至４６は、ブリッジ回路を構成し、駆動信号生成部３５からの駆動信号に応答して、例えば１２０度通電を行う。各出力トランジスタ４１乃至４６は、出力線３０１乃至３０３を介して、モータ６０のコイル部６１の励磁コイルＬＵ、ＬＶ、ＬＷに励磁電流を供給する。励磁コイルＬＵ、ＬＶ、ＬＷは、励磁電流によって励磁され、磁界を発生する。永久磁石で構成するロータ６２は、励磁コイルＬＵ、ＬＶ、ＬＷが発生する磁界に応じて回転する。尚、励磁コイルＬＵ、ＬＶ、ＬＷは、デルタ結線で構成しても良い。センサ部１０を備えた駆動装置１００は、モータ６０のロータ６２に近接した位置に配置される。

第１の実施形態の駆動装置１００には、メインセンサ１１、補助センサ１２、補助センサ１３が一体的に集積化される。また、駆動装置１００は、キャリブレーション時に取得した補助センサ１２、１３の選択結果と各補助センサ１２、１３の出力信号の値がメモリ部５０に保持され、閾値電圧生成部３２は各コンパレータ２３、２４の閾値電圧を設定する。従って、駆動装置１００が搭載されるモータ毎に閾値電圧の設定値が変更可能となる為、汎用性の高い構成となる。

図２は、駆動装置１００とロータ６２との配置関係を模式的に示す図である。既述した実施形態に対応する構成には、同一符号を付し、重複する記載は必要な場合にのみ行う。以降、同様である。図２は、インナーロータの場合の例を示す。ロータ６２は、例えば、図示のようにＮ極とＳ極の２極で構成される。センサ部１０の各センサ１１、１２、１３が一体的に集積化された駆動装置１００がロータ６２に近接して設けられる。中心線６００は、メインセンサ１１の中心を通る。破線６０３は、ロータ６２の中心Ｏから補助センサ１２の中心を通る線を示し、破線６０４は、中心Ｏから補助センサ１３の中心を通る線を示す。

中心線６００に対して、それぞれの破線６０３、６０４との間に生じる角度α１、α２によってメインセンサ１１の出力信号と夫々の補助センサ１２、１３の出力信号の間に位相差が生じる。好ましくは、補助センサ１２、１３は、メインセンサ１１に対して、すなわち、中心線６００を中心にして線対称の位置に設けられる。すなわち、α１とα２が等しくなる様に配置する。補助センサ１２と１３を、中心線６００を中心にして線対称の位置に配置することで、メインセンサ１１の出力信号に対して補助センサ１２、１３の一方の出力信号の位相は進み、他方の出力信号は同じ位相差で遅れる関係を有する構成とすることが出来る。

矢印６０１で示すロータ６２の正転時においては、補助センサ１２はメインセンサ１１に対して先行する出力信号を出力し、補助センサ１３が追従する出力信号を出力する。矢印６０２で示す反転時には、補助センサ１３がメインセンサ１１に対して先行する出力信号を出力し、補助センサ１２がメインセンサ１１に追従する出力信号を出力する。本実施形態の駆動装置１００は、メインセンサ１１と補助センサ１２、１３の出力信号の位相差を利用して、ロータ６２の回転位置を検出する。また、ロータ６２の回転方向によって、メインセンサ１１と補助センサ１２、１３の出力信号の前後関係が異なる為、ロータ６２の回転方向の検出が可能となり、モータ６０の起動不良のリスクを回避することが出来る。尚、ロータ６２の回転をモータ６０の回転として表現する場合がある。

各センサ１１、１２及び１３の出力信号は、ロータ６２の永久磁石のＮ極、Ｓ極が各センサ１１、１２及び１３に接近することに反応して発生する。すなわち、各センサ１１、１２及び１３の出力信号の大きさは、ロータ６２の回転速度に依存しない。従って、起動時に行うキャリブレーションによって取得した各補助センサ１２、１３の出力信号のレベルをコンパレータ２３、２４の閾値電圧として設定し、各コンパレータ２３、２４においてこれらの閾値電圧と各補助センサ１２、１３からの出力信号を比較することで、ロータ６２の回転位置を検出することが出来る。

尚、アウターロータの構成の場合には、駆動装置１００をロータ６２の内側、すなわち、中心Ｏ側に配置する。インナーロータの構成と同様に、各センサ１１、１２、１３を、ロータ６２の回転に応答させる構成とすることが出来る。

次に、図３を用いて駆動装置１００の駆動方法を説明する。図３は、ブラシレスモータ駆動装置の駆動方法を説明する為の図であり、ロータ６２の正転時における各センサ１１、１２及び１３の出力信号の関係を説明する為の図である。上段の実線５０１は、ロータ６２の回転角度を示す。ロータ６２を２極の永久磁石で構成した場合には、ロータ６２の回転角度は、電気角に対応する。回転角度１８０度のタイミングをＰ１８で示し、回転角度３６０度、従って、回転角度０度のタイミングをＰ００で示す。

次段は、オフセットキャンセル部２１を介して供給されたメインセンサ１１の出力信号５０２を疑似正弦波で示す。メインセンサ１１は、例えば、ロータ６２のＮ極が近づくと負の電圧を発生し、Ｓ極が近づくと正の電圧を発生する。ロータ６２のＳ極とＮ極の接続のタイミングで、メインセンサ１１の出力信号５０２は、ゼロとなる。すなわち、ロータ６２のＳ極とＮ極の接続のタイミングに対応するタイミングＰ０、Ｐ１０において、メインセンサ１１の出力信号５０２はゼロとなる。タイミングＰ０、Ｐ１０はゼロクロス点となる。

次段は、補助センサ１２と１３の出力信号５０３、５０４を疑似正弦波で示す。便宜的に、出力信号５０３、５０４に対応する補助センサ１２、１３を示す添え字（１２）、（１３）を付記している。補助センサ１２、１３は、メインセンサ１１と同様に、例えば、ロータ６２のＮ極が近づくと負の電圧を発生し、Ｓ極が近づくと正の電圧を発生する。補助センサ１２の出力信号５０３は、コンパレータ２３において閾値電圧ｔｈＡ１及び閾値電圧ｔｈＡ２と比較される。閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２との比較結果に応じて、メインセンサ１１の出力信号５０２がゼロになるタイミングＰ１８に対して１２０度位相が進んだタイミングＰ１、及び、６０度位相が遅れたタイミングＰ２が検出される。

同様に、補助センサ１３の出力信号５０４は、コンパレータ２４において閾値電圧ｔｈＢ１及び閾値電圧ｔｈＢ２と比較され、メインセンサ１１の出力信号５０２がゼロになるタイミングＰ１８に対して６０度位相が進んだタイミングＰ３、及び１２０度位相が遅れたタイミングＰ４が検出される。各閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２、ｔｈＢ１、ｔｈＢ２は、例えば、モータ６０の起動時に行うキャリブレーション時の各補助センサ１２、１３の出力信号の出力レベルに基づいて設定される。キャリブレーションについては、後述する。

次段は、メインセンサ１１の出力信号５０２から生成されるデジタル信号５０５を示す。オフセットキャンセル部２１を介して供給されたメインセンサ１１の出力信号５０２をコンパレータ２２で波形成型してデジタル信号５０５を得る。デジタル信号５０５は、出力信号５０２が負電圧から正電圧に変化するタイミングＰ０、即ち、ゼロクロス点において、ＬレベルからＨレベルに変化する。コンパレータ２２は、例えば、ヒステリシス特性を有し、出力信号５０２のゼロクロス点においてＨレベルとＬレベルが切替わる。

次段は、コンパレータ２３が出力する補助センサ１２のデジタル信号５０６を示す。コンパレータ２３は、例えば、ロー側の閾値電圧ｔｈＡ１とハイ側の閾値電圧ｔｈＡ２に応答してＨレベルとＬレベルのデジタル信号５０５を出力する。

次段は、コンパレータ２４が出力する補助センサ１３のデジタル信号５０７を示す。コンパレータ２４は、例えば、ロー側の閾値電圧ｔｈＢ１とハイ側の閾値電圧ｔｈＢ２に応答してＨレベルとＬレベルのデジタル信号を出力する。

各補助センサ１２、１３の閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２、ｔｈＢ１、ｔｈＢ２は、モータ起動時のキャリブレーションにおいて設定する。閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２、ｔｈＢ１、ｔｈＢ２は、メインセンサ１１の出力信号５０２において、電気角の位相差がそれぞれ１２０度の関係になるタイミングの補助センサ１２、１３の出力信号の出力レベルに基づいて設定する。

駆動信号生成部３５は、３つのデジタル信号５０５乃至５０７を用いて各出力トランジスタ４１乃至４６に供給する駆動信号ＨＵ、ＬＵ、ＨＶ、ＬＶ、ＨＷ、ＬＷを生成する。次段に実線６１０で示す駆動信号ＨＵは、Ｕ相の上段の出力トランジスタ４１に供給され、次段に実線６１１で示す駆動信号ＬＵは、Ｕ相の下段の出力トランジスタ４４に供給される。

同様に、次段に実線６１２で示す駆動信号ＨＶはＶ相の上段の出力トランジスタ４２に供給され、次段に実線６１３で示す駆動信号ＬＶはＶ相の下段の出力トランジスタ４５に供給される。同様に、次段に実線６１４で示す駆動信号ＨＷはＷ相の上段の出力トランジスタ４３に供給され、次段に実線６１５で示す駆動信号ＬＷはＷ相の下段の出力トランジスタ４６に供給される。

駆動信号ＨＵ、ＬＵ、ＨＶ、ＬＶ、ＨＷ、ＬＷによって、各出力トランジスタ４１乃至４６は、例えば１２０度通電で駆動される。尚、説明の便宜上、駆動信号ＨＵ、ＨＶ、ＨＷは、Ｐ型の出力トランジスタ４１乃至４３をオンさせる為の信号を示すため、Ｈ／Ｌの論理レベルを反転させて示している。

本実施形態の駆動装置１００によれば、駆動信号ＨＵ、ＬＵ、ＨＶ、ＬＶ、ＨＷ、ＬＷは、一体化して集積されたメインセンサ１１と２つの補助センサ１２、１３の出力信号の出力レベルに基づいて生成される。コンパレータ２３、２４の閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２、ｔｈＢ１、ｔｈＢ２は、モータ６０の起動時に行うキャリブレーション時において、メインセンサ１１の出力信号に対して所定の位相差の時点で検出した補助センサ１２、１３の出力信号の出力レベルによって設定する。閾値電圧と補助センサ１２、１３からの出力信号を比較することでロータ６２の回転位置を検出することが出来る。メインセンサ１１、補助センサ１２、１３を一体化して形成しても、従来の３相ブラシレスモータと同様に、ロータ６２の回転位置を検出することが出来る。また、キャリブレーションにおいてモータ毎に適切な閾値電圧の設定が出来る為、汎用性のある駆動装置１００を提供することが出来る。

次に図４を用いて、ロータ６２の正転時における駆動装置１００による駆動信号の生成方法の一つの実施形態を説明する。図４は、ロータ６２の正転時における各センサ１１、１２、１３の出力信号を説明する為の図である。上段から５段目までの信号の生成については、既述した図３と同じである。本実施形態においては、デジタル信号２は、メインセンサ１１のデジタル信号５０５と補助センサ１２のデジタル信号１を用いて生成する。

例えば、メインセンサ１１のデジタル信号５０５の立上りのタイミングＰ１８から補助センサ１２のデジタル信号１の立下りのタイミングＰ２の間の６０度の位相差に対応する時間Ｔ２を測定する。測定は、例えば、信号処理部３１に設けたカウンタ（図示せず）で行う。測定した時間Ｔ２を用いて信号処理部３１で演算処理を行い、６０度の位相差に対応する時間Ｔ３、及びＴ１、Ｔ４乃至Ｔ６を算出する。測定した時間Ｔ２と算出した時間Ｔ１、Ｔ３乃至Ｔ６を用いて、メインセンサ１１の出力信号５０２に応じて生成されデジタル信号５０５に対して１２０度位相が遅れた位相のデジタル信号２を生成する。時間Ｔ１からＴ６の合計値は、デジタル信号２の１周期となる。デジタル信号２は、駆動信号生成部３５で生成される。

尚、メインセンサ１１のデジタル信号５０５のみを使って演算処理を行い、１２０度位相が遅れた位相のデジタル信号２を生成することも可能であるが、補助センサ１２の情報も使用することで、より正確なデジタル信号２を生成することが出来る。また、数周期分の周波数の変動の情報を用いて時間Ｔ３を予測することも可能である。

本実施形態の信号生成方法においては、メインセンサ１１のデジタル信号５０５と補助センサ１２のデジタル信号１を用いて演算処理を行い、所定の位相差のタイミングでＨレベル、及びＬレベルが変化するデジタル信号２を生成する。具体的には、メインセンサ１１の出力信号５０２に対して位相が１２０度遅れる、実線５０８で示すデジタル信号２を生成する。メインセンサ１１、補助センサ１２のデジタル信号１、及び、デジタル信号２を用いて駆動信号を生成する方法は、図３の例と同様である為、省略する。駆動信号ＨＵ、ＬＵ、ＨＶ、ＬＶ、ＨＷ、ＬＷは、駆動信号生成部３５で生成する。

メインセンサ１１の出力信号５０２と補助センサ１２の出力信号５０３の間の位相差に応じてデジタル信号１、及びデジタル信号２の生成方法を異ならせる信号生成方法については、後述する。

図５は、ロータ６２の反転時における各センサ１１、１２、１３の出力信号と駆動信号の生成方法を説明する為の図である。上段は、ロータ６２の回転角度を実線５１１で示す。次段は、メインセンサ１１の出力信号５１２を示す。

次段は、補助センサ１２、１３の出力信号を、夫々、実線５１３、５１４で示す。ロータ６２の永久磁石の磁極と各センサ１１、１２、１３の出力電圧の関係は、ロータ６２の正転の場合と同じである。

次段は、コンパレータ２２が出力するメインセンサ１１のデジタル信号を実線５１５で示す。メインセンサ１１のゼロクロス点のタイミングＰ０、Ｐ１０においてＨレベル、Ｌレベルに変化する。次段は、メインセンサ１１のデジタル信号５１５に対して位相が１２０度進むデジタル信号１を実線５１６で示す。デジタル信号５１６は、補助センサ１３の出力信号５１４から生成する。

すなわち、モータ起動時のキャリブレーションにおいて、メインセンサ１１の出力信号に対して１２０度位相が進んだ時点のタイミングＰ３における補助センサ１３の出力信号のレベルを検出して、閾値電圧ｔｈＢ２として設定する。また、メインセンサ１１の出力信号５１２に対して６０度位相が遅れたタイミングＰ４における出力信号の出力レベルを検出して閾値電圧ｔｈＢ１として設定する。閾値電圧ｔｈＢ１、ｔｈＢ２が設定されたコンパレータ２４によって、実線５１６で示すデジタル信号１が生成される。

本実施形態の信号生成方法においては、実線５１８で示すデジタル信号２は、メインセンサ１１のデジタル信号５１５と補助センサ１３のデジタル信号１を用いて生成する。例えば、メインセンサ１１のデジタル信号５１５の立下りのタイミングＰ１８から補助センサ１３のデジタル信号１の立上りのタイミングＰ４の間の６０度の位相差に対応する時間Ｔ１２を測定する。測定は、例えば、信号処理部３１に設けたカウンタ（図示せず）で行う。測定した時間Ｔ１２を用いて信号処理部３１で演算処理を行い、６０度の位相差に対応する時間Ｔ１３、及びＴ１１、Ｔ１４乃至Ｔ１６を算出する。測定した時間Ｔ１２と算出した時間Ｔ１１、Ｔ１３乃至Ｔ１６を用いて、メインセンサ１１の出力信号５１２に応じて生成されデジタル信号５１５に対して１２０度位相が遅れた位相のデジタル信号２を生成する。時間Ｔ１１からＴ１６の合計値は、デジタル信号２の一周期となる。デジタル信号２は、駆動信号生成部３５で生成される。

尚、メインセンサ１１のデジタル信号５１５のみを使って演算処理を行い、１２０度位相が遅れた位相のデジタル信号２を生成することも可能であるが、補助センサ１３の情報も使用することで、より正確なデジタル信号２を生成することが出来る。

本実施形態の信号生成方法においては、ロータ６２の回転方向に応じてデジタル信号１を生成する補助センサを選択し、デジタル信号１のＨ／Ｌが切替わるタイミングが補助センサの出力信号がピーク値とボトム値に達する前のタイミングである為、補助センサの出力信号からデジタル信号１を生成する為の回路構成を簡素化することが出来る。

例えば、補助センサ１３からデジタル信号５１６を出力するコンパレータ２４は、２つの閾値電圧ｔｈＢ１、ｔｈＢ２と補助センサ１３の出力信号５１４を比較するウィンドウコンパレータで構成することが出来る。メインセンサ１１、補助センサ１３のデジタル信号５１６、及び、デジタル信号５１８を用いて駆動信号ＨＵ、ＬＵ、ＨＶ、ＬＶ、ＨＷ、ＬＷを生成する方法は、図３の実施形態の場合と同様である為、省略する。

図６、及び図７を用いて、ロータ６２の正転時においてメインセンサ１１と補助センサ１２の出力信号間の位相差が閾値以下の場合の信号生成方法を説明する。図７は、図６の上段から３段までを拡大して示した図である。

モータ６０の起動時のキャリブレーションにおいて、ロータ６２の正転時におけるメインセンサ１１の出力信号５０２と補助センサ１２の出力信号５０３の位相差と所定の閾値を比較する。すなわち、図６と図７の２段目に示すメインセンサ１１の出力信号５０２と３段目に示す補助センサ１２の出力信号５０３との間の位相差θ１を検出し、閾値と比較する。閾値は、例えば、３０度である。

メインセンサ１１と補助センサ１２の出力信号の位相差θ１は、図７に拡大して示す様に、メインセンサ１１の出力信号５０２がピーク値になるタイミングＰＵと補助センサ１２の出力信号５０３がピーク値になるタイミングＰＵ１２との間の位相差、あるいは、メインセンサ１１の出力信号５０２がボトム値になるタイミングＰＢと補助センサ１２の出力信号５０３がボトム値になるタイミングＰＢ１２との間の位相差により検出する。

メインセンサ１１の出力信号５０２がボトム値になるタイミングＰＢは、メインセンサ１１の回転角１８０度のタイミングＰ１８から９０度先行する位置に存在する。従って、位相差θ１が、３０度以下の場合には、メインセンサ１１の出力信号５０２がゼロになるタイミングＰ０よりも１２０度先行する補助センサ１２の出力信号５０３のタイミングＰ１は、補助センサ１２の出力信号５０３がボトム値になるタイミングＰＢ１２に達する迄の所定の位置に存在する。同様に、メインセンサ１１の出力信号５０２がゼロになるタイミングＰ０よりも補助センサ１２の出力信号５０３の位相が６０度遅れたタイミングＰ２は、補助センサ１２の出力信号５０３がピーク値になるタイミングＰＵ１２に達する迄の所定の位置に存在する。

従って、補助センサ１２の出力信号５０３をキャリブレーション時に設定した閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２と比較する構成により、メインセンサ１１の回転角１８０度のタイミングＰ１８に対して１２０度位相が先行するタイミングＰ１、及び６０度位相が遅れたタイミングＰ２のロータ６２の回転位置を検出することが出来る。例えば、コンパレータ２３は、２つの閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２と補助センサ１２の出力信号５０３を比較するウィンドウコンパレータで構成することが出来る。

図６の下段に実線５０８で示すデジタル信号２は、図４の場合と同様にメインセンサ１１のデジタル信号５０５と補助センサ１２のデジタル信号１を用いてＴ１乃至Ｔ６を生成し、１２０度位相が遅れた信号として生成することが出来る。メインセンサ１１、補助センサ１２の出力信号５０２から生成したデジタル信号１、及び、デジタル信号２を用いて駆動信号ＨＵ、ＬＵ、ＨＶ、ＬＶ、ＨＷ、ＬＷを生成する方法は、図３の例と同様である為、省略する。

図８、及び図９を用いて、ロータ６２の正転時においてメインセンサ１１の出力信号と補助センサ１２の出力信号の位相差が閾値より大きい場合の信号生成方法を説明する。図９は、図８の上段から３段までを拡大して示した図である。

メインセンサ１１の出力信号５０２がボトム値になるタイミングＰＢは、メインセンサ１１の回転角１８０度のタイミングＰ１８から９０度先行するタイミングに位置し、ピーク値になるタイミングＰＵは、９０度遅れたタイミングに位置する。従って、メインセンサ１１の出力信号５０２がピーク値になるタイミングＰＵと補助センサ１２の出力信号５２３がピーク値となるタイミングＰＵ１４の間、あるいは、メインセンサ１１の出力信号５０２がボトム値になるタイミングＰＢと補助センサ１２がボトム値になるタイミングＰＢ１４の間の位相差θ２が、３０度より大きい場合には、メインセンサ１１の出力信号５０２がゼロになるタイミングＰ０よりも６０度先行する補助センサ１３の出力信号５２４のタイミングＰ１４は、補助センサ１３の出力信号５２４がボトム値になるタイミングＰＢ１３に達する迄の所定の位置に存在する。同様に、メインセンサ１１の出力信号５０２がゼロになるタイミングＰ０よりも補助センサ１３の出力信号５２４の位相が１２０度遅れるタイミングＰ１３は、補助センサ１３の出力信号５２４がピーク値に達するタイミングＰＵ１３に達する迄の所定の位置に存在する。

従って、位相差が３０度より大きい場合には、補助センサ１３を選択し、キャリブレーション時に設定した閾値電圧ｔｈＢ１、ｔｈＢ２と補助センサ１３の出力信号５２４を比較することにより、メインセンサ１１の回転角１８０度のタイミングＰ１８に対して６０度位相が先行するタイミングＰ１４、及び１２０度位相が遅れたタイミングＰ１３のロータ６２の回転位置を検出することが出来る。補助センサ１３の出力信号５２４のボトム値、及びピーク値を検出する構成を設ける必要がない為、回路構成を簡略化することが出来る。例えば、補助センサ１３からデジタル信号５２６を得るコンパレータ２４は、２つの閾値電圧ｔｈＢ１、ｔｈＢ２と補助センサ１３の出力信号５２４を比較するウィンドウコンパレータで構成することが出来る。

メインセンサ１１と補助センサ１２の出力信号間の位相差θ２が閾値３０度より大きい場合には、補助センサ１３の出力信号５２４を用いてデジタル信号１を生成する。実線５２８で示すデジタル信号２は、デジタル信号１を演算処理して、デジタル信号１から１２０度位相が遅れた信号として生成することが出来る。尚、図４の場合と同様に、メインセンサ１１のデジタル信号５２５の情報も用いて補助センサ１３のデジタル信号１との位相差６０度に相当する時間を測定し、この測定値を用いて演算処理を行い、デジタル信号２を生成しても良い。

尚、記述した様に、補助センサ１２、１３をメインセンサ１１に対して線対称の位置に配置することで、メインセンサ１１と補助センサ１２の出力信号間の位相差θ２と同じ位相差が、メインセンサ１１の出力信号５０２と補助センサ１３の出力信号５２４との間に生じる。

図１０は、補助センサ１２、１３の出力信号にオフセットが有る場合の信号生成について説明する為の図である。ロータ６２の正転時において、補助センサ１２の出力信号５３３にオフセットｏｆｆｓｅｔが有る場合の例である。記述した様に、モータ起動時に行うキャリブレーションにおいて取得した補助センサ１２の所定のタイミングＰ１、Ｐ２における出力信号５３３の値に基づいて閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２が設定される。ロータ６２の１８０度の回転角度に対して１２０度が先行するタイミングＰ１における補助センサ１２の出力信号５３３の値が閾値電圧ｔｈＡ１として設定され、６０度遅れた回転角度におけるタイミングＰ２における出力信号５３３の値が閾値電圧ｔｈＡ２として設定される。閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２と補助センサ１２の出力信号５３３の比較結果に応じて実線５３６で示すデジタル信号１が生成される。実線５３８で示すデジタル信号２は、メインセンサ１１の出力信号５０２から生成されるデジタル信号５３５を用いて生成される。

本実施形態においては、閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２は、補助センサ１２のオフセットｏｆｆｓｅｔに応じて設定される。補助センサ１３の出力信号５３４が供給されるコンパレータ２４の閾値電圧ｔｈＢ１、ｔｈＢ２についても同様に補助センサ１３のオフセットに応じた出力信号５３４により設定される。オフセットに応じてコンパレータ２３、２４の閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２、ｔｈＢ１、ｔｈＢ２の設定が出来る為、補助センサ１２、１３に対してはオフセットキャンセル部を設ける必要が無い。従って、回路構成を簡素化することが出来る。尚、図４の場合と同様に、メインセンサ１１のデジタル信号５３５の情報も用いて補助センサ１２のデジタル信号１との位相差６０度に相当する時間を測定し、この測定値を用いて演算処理を行い、デジタル信号２を生成しても良い。

図１１は、キャリブレーションの一つの実施形態のフローを示す図である。モータ６０を一定の周波数で強制的に正転させる（Ｓ１０）。モータ６０を強制的に一定周波数（回転数）で正転させる所定パターンの駆動信号を駆動信号生成部３５で生成し、出力回路部４０の各出力トランジスタ４１乃至４６に供給する。所定パターンの元データは、例えば、メモリ部５０に保存されており、信号処理部３１を介して所定のタイミングで駆動信号生成部３５に供給される。元データは、駆動装置１００の外部から供給しても良い。

メインセンサ１１の出力信号と補助センサ１２の出力信号の位相差を検出する（Ｓ１１）。例えば、メインセンサ１１と補助センサ１２の出力信号のピーク値の間の位相差を検出する。ピーク値の間の位相差を検出することで、例えば、補助センサ１２の出力信号にオフセットが有る場合の影響を排除することが出来る。

位相差が閾値である３０度以下か否かを比較する（Ｓ１２）。位相差が３０度以下の場合（Ｓ１２：Ｙｅｓ）には、補助センサ１２を選択する（Ｓ１３）。すなわち、ロータ６２の正転時において先行する補助センサ１２を選択して、メインセンサ１１の出力信号に対して１２０度進んだ位相における補助センサ１２の出力信号の出力レベルを検出する（Ｓ１５）。

位相差が３０度より大きい場合（Ｓ１２：Ｎｏ）には、補助センサ１３を選択する（Ｓ１４）。すなわち、ロータ６２の正転時においてメインセンサ１１に追従する補助センサ１３を選択して、メインセンサ１１の出力信号に対して１２０度遅れた位相における補助センサ１３の出力信号の出力レベルを検出する（Ｓ１６）。

モータ６０の正転時の補助センサの選択結果と出力レベルをメモリ部５０のメモリに保存する（Ｓ１７）。保存した検出レベルが、コンパレータの閾値電圧として設定される。

次に、モータ６０を一定の周波数で強制的に反転させる（Ｓ１８）。モータ６０を強制的に一定周波数（回転数）で反転させる所定パターンの駆動信号を駆動信号生成部３５で生成し、出力回路部４０の各出力トランジスタ４１乃至４６に供給する制御を行う。所定パターンのベースとなる元データは、メモリ部５０に保存されており、信号処理部３１を介して所定のタイミングで駆動信号生成部３５に供給される。強制的に反転させるステップを設けるのは、モータ６０を反転させる場合に備える為である。

モータ６０の正転時に補助センサ１２を選択した場合（Ｓ１９：Ｙｅｓ）、すなわち、メインセンサ１１と補助センサ１２の出力信号の位相差が３０度以下の場合には、補助センサ１３を選択（Ｓ２０）して、メインセンサ１１の出力に対して１２０度進んだ位相における補助センサ１３の出力信号の出力レベルを検出する（Ｓ２２）。これにより、図５において説明した様に、補助センサ１３の出力信号の出力レベルがピーク値に達する前のタイミングＰ３における検出レベル（ｔｈＢ２）、及びボトム値に達する前のタイミングＰ４における出力信号の出力レベル（ｔｈＢ１）を検出して、コンパレータ２４の閾値電圧の設定値として検出することが出来る。

モータ６０の正転時に補助センサ１２を選択しなかった場合（Ｓ１９：Ｎｏ）には、補助センサ１２を選択して（Ｓ２１）、メインセンサ１１の出力に対して１２０度遅れた位相における補助センサ１２の出力信号の出力レベルを検出する（Ｓ２３）。これにより、補助センサ１２の出力信号の出力レベルがボトム値に達する前の値、及び、ピーク値に達する前の値をコンパレータ２３の閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２の設定値として検出することが出来る。

モータ６０の反転時の補助センサの選択結果と出力レベルをメモリ部５０のメモリに保存する（Ｓ２４）。保存した出力レベルが、コンパレータ２３、２４の閾値電圧ｔｈＡ１、ｔｈＡ２、ｔｈＢ１、ｔｈＢ２として設定される。

例えば、キャリブレーションをモータ起動時に自動的に行うことで、各コンパレータ２３、２４の閾値電圧が設定される。それぞれの閾値電圧と各補助センサ１２、１３の出力信号を比較してそれぞれの閾値電圧に達するタイミングを検出することで、ロータ６２の回転位置を検出することが出来る。尚、起動時のキャリブレーションの際の駆動信号は、駆動装置１００の外部から出力回路部４０に供給しても良い。

図１２は、駆動装置１００を集積化した平面パターンの例を示す図である。駆動装置１００は、メインセンサ１１、補助センサ１２．１３、検出部２０、制御部３０、出力回路部４０、及びメモリ部５０が一体的に集積化される。メインセンサ１１の両サイドに補助センサ１２、１３が形成される。メインセンサ１１の両サイドに補助センサ１２、１３を設けることで、ロータ６２の回転に応じてメインセンサ１１に対して先行、あるいは追従してロータ６２の回転位置を検出する構成とすることが出来る。

メインセンサ１１、補助センサ１２、１３をシリコンで形成した場合には、例えば、単一シリコン基板に検出部２０、制御部３０、出力回路部４０、メモリ部５０と共に一体化して形成し、モールド樹脂で一体的に集積化することが出来る。

各センサ１１、１２、１３を構成するホール素子を化合物半導体で構成した場合には、化合物半導体で構成したホール素子が形成された個別チップ（図示せず）を、他の回路部が形成されたシリコン基板と共にマルチチップ構成により一体化させ、例えば、モールド樹脂で一体的に集積化することが出来る。また、一部の構成要素を外付けとして、別の集積回路で構成しても良い。例えば、出力回路部４０を構成する出力トランジスタ４１乃至４６は高耐圧のＤＭＯＳ（ＤｏｕｂｌｅＤｉｆｆｕｓｅｄＭＯＳ）トランジスタで構成され発熱を伴う為、外付けの集積回路装置として構成しても良い。

図１３は、駆動装置１００を内蔵したモータの一つの実施形態の分解斜視図である。支持基盤２００に、駆動装置１００が載置される。ステータ２０２には、励磁コイル（図示せず）が設けられ、出力線３０１乃至３０３を介して、励磁電流が供給される。

永久磁石からなるロータ６２、ステータ２０２、支持基盤２００を、上側筐体２０１と下側筐体２０３によって収納する。

メインセンサ１１、補助センサ１２、１３が一体的に集積された駆動装置１００を設ける構成である為、点線で示す支持基盤２００の右側部２００Ａを削減することが出来る。これにより、モータのコストを削減することが出来る。例えば、リング状の平板（図示せず）を２分割して、その一方を支持基盤２００として使用し、他方をもう一つのモータの支持基盤として使用することが出来る。メインセンサ１１、補助センサ１２、１３を一体的に集積化した駆動装置１００とすることで、モータのコストを削減することが出来る。

記述した実施形態においては、ロータ６２が２極の場合について説明したが、ロータ６２が４極、あるいは、８極等の場合であっても、同様に駆動装置１００を用いてロータ６２の回転位置を検出することが出来る。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０センサ部、１１メインセンサ、１２、１３補助センサ、２０検出部、３０制御部、４０出力回路部、５０メモリ部、６０モータ、６１コイル部、６２ロータ、１００駆動装置、２００支持基盤、２０１上側筐体、２０２ステータ、２０３下側筐体。

Claims

ロータを回転させる磁界を発生する励磁コイルに励磁電流を供給する出力部と、
前記ロータの回転位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部からの検出信号に基づく駆動信号を生成して前記出力部に供給する駆動制御部と、
を備え、
前記位置検出部は、
前記ロータの回転位置を検出する第１の検出素子と、
前記第１の検出素子に先行して前記ロータの回転位置を検出する第２の検出素子と、
前記第１の検出素子に追従して前記ロータの回転位置を検出する第３の検出素子と、
を有し、
前記第１乃至第３の検出素子は、一体的に集積化され、
前記駆動制御部は、
前記ロータの正転時において、前記第１の検出素子の検出信号と前記第２の検出素子の検出信号との間の位相差が所定の閾値以下の場合には前記第１の検出素子の検出信号と前記第２の検出素子の検出信号を用いて前記駆動信号を生成し、前記第１の検出素子の検出信号と前記第２の検出素子の検出信号との間の位相差が前記所定の閾値よりも大きい場合には、前記第１の検出素子の検出信号と前記第３の検出素子の検出信号を用いて前記駆動信号を生成することを特徴とするブラシレスモータ駆動装置。
前記第１乃至第３の検出素子は、前記駆動制御部と共に一体的に集積化されることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ駆動装置。
前記所定の閾値は３０度であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ駆動装置。
前記第２の検出素子の検出信号と前記第３の検出素子の検出信号の検出レベルを設定する閾値電圧生成部を具備することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のブラシレスモータ駆動装置。
前記ロータを予め設定した条件で回転させるキャリブレーションにおいて取得した前記第２及び前記第３の検出素子の検出信号の値を保持するメモリ部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のブラシレスモータ駆動装置。
前記第１の検出素子にのみ設けられたオフセットキャンセル部を有し、
前記第１乃至第３の検出素子は、モールド樹脂により一体的に集積化されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のブラシレスモータ駆動装置。