JP2009177894A - モータ駆動装置、駆動方法およびそれを用いた冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータを所望のトルクで駆動する。
【解決手段】第１キャパシタＣ１は一端の電位が固定される。充放電回路２０は、モータの回転数を指示する入力信号Ｓ１に応じた電流Ｉｃｔによって第１キャパシタＣ１を充放電する。第１コンパレータＣＭＰ１は、第１キャパシタＣ１の電圧Ｖｃｔを所定のしきい値電圧Ｖｔｈと比較する。制御信号生成部３０は、モータの回転と同期した周期信号ＦＧのエッジと、第１コンパレータＣＭＰ１から出力される比較信号Ｓ２のエッジのタイミングに応じたレベルを有する制御電圧Ｖｃｏｎｔを生成する。さらに制御信号生成部３０は、充放電回路２０の充放電状態を周期信号ＦＧと比較信号Ｓ２のエッジにもとづいて切りかえる。モータは、制御電圧Ｖｃｏｎｔに応じたトルクで駆動される。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータ駆動技術に関し、特にそのトルク制御技術に関する。

近年のパーソナルコンピュータやワークステーションの高速化にともない、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ(Digital Signal Processor)などの演算処理用ＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）の動作速度は上昇の一途をたどっている。

このようなＬＳＩは、その動作速度、すなわちクロック周波数が高くなるにつれて発熱量も大きくなる。ＬＳＩからの発熱は、そのＬＳＩ自体を熱暴走に導いたり、あるいは周囲の回路に対して影響を及ぼすという問題がある。したがって、ＬＳＩの適切な熱冷却はきわめて重要な技術となっている。

ＬＳＩを冷却するための技術の一例として、冷却ファンによる空冷式の冷却方法がある。この方法においては、たとえば、ＬＳＩの表面に対向して冷却ファンを配設し、冷たい空気を冷却ファンによりＬＳＩ表面に吹き付ける。冷却ファンによるＬＳＩの冷却に際して、ＬＳＩ付近の温度をモニタし、その温度に応じてファンの回転を変化させることにより冷却の程度を調整することが行われている（特許文献１、２参照）。

特許文献３から５には、回転数の目標値に応じて、モータのトルクを適切に設定する駆動技術が開示される。
特開平７−３１１９０号公報 特開２００１−２８４８６８号公報 特開２００７−６８３４４号公報 特開２００７−６８３４７号公報 特開２００７−６８３４８号公報

本発明はこうした状況においてなされたものであり、その目的は、従来と異なる手法によってモータを駆動するためのモータ駆動装置および方法の提供にある。

本発明のある態様のモータ駆動装置は、モータの回転数を指示する入力信号に応じた電流によって一端の電位が固定された第１キャパシタを充放電する充放電回路と、第１キャパシタの電圧を所定のしきい値電圧と比較するコンパレータと、モータの回転と同期した周期信号のエッジとコンパレータから出力される比較信号のエッジのタイミングに応じたレベルを有する制御信号を生成するとともに、充放電回路の充放電状態を切りかえる制御信号生成部と、制御信号に応じたトルクでモータを駆動する駆動部と、を備える。

比較信号のエッジの間隔は、入力信号に応じて変化する。そこで比較信号と周期信号のエッジのタイミングに応じたレベルを有する制御信号を生成することにより、入力信号に応じた回転数でモータを駆動できる。

制御信号生成部は、周期信号の所定エッジと、コンパレータからの比較信号の所定エッジごとにレベルが遷移するパルス信号を生成するパルス生成部と、パルス生成部からのパルス信号のレベルに応じて、一端の電位の固定された第２キャパシタを充放電するチャージポンプ回路と、を含んでもよい。制御信号生成部は、チャージポンプ回路の第２キャパシタの他端の電位を、制御信号として出力してもよい。充放電回路は、パルス信号のレベルに応じて充電状態と放電状態を切りかえてもよい。
この場合、パルス信号を周期信号と同期させることができる。

制御信号生成部は、周期信号の所定エッジと、コンパレータからの比較信号の所定エッジごとにレベルが遷移するパルス信号を生成するパルス生成部と、積分アンプと、を含んでもよい。積分アンプは、一端にパルス信号が入力された入力抵抗と、反転入力端子に入力抵抗の他端が接続された演算増幅器と、演算増幅器の非反転入力端子と出力端子の間に設けられた帰還抵抗と、帰還抵抗と並列に設けられたキャパシタと、を含み、演算増幅器の出力端子の電位を制御信号として出力してもよい。充放電回路は、パルス信号のレベルに応じて充電状態と放電状態を切りかえてもよい。
この場合、パルス信号を周期信号と同期させることができる。

充放電回路は、入力信号に応じた第１電流を生成する第１電流源と、所定の第２電流を生成する第２電流源と、を含み、第１電流と第２電流を合成した電流によって第１キャパシタを充放電してもよい。
この場合、第２電流によって入力信号とトルク（回転数）の関係をシフトさせることができる。

第１電流源は、第１電流を所定の範囲に制限してもよい。この場合、トルクを制限することができる。

入力信号は、モータの回転数の目標値に応じたデューティ比を有するパルス変調された信号であり、モータ駆動装置は、入力信号を平滑化するフィルタをさらに備えてもよい。充放電回路は、フィルタにより平滑化された入力信号を電流に変換する電圧電流変換回路を含んでもよい。
この場合、ＣＰＵからは出力されるパルス変調された入力信号にもとづいてモータのトルクを設定できる。

モータ駆動装置は、フィルタを構成するシャントキャパシタを接続するためのキャパシタ端子をさらに備えてもよい。入力信号がアナログ電圧であるとき、キャパシタ端子から入力信号を入力可能に構成されてもよい。
この場合、入力信号が、サーミスタを利用して得られる温度に依存した電圧レベルを有するアナログ電圧の場合でもモータを駆動できる。

モータ駆動装置は、モータの回転数を指示する入力信号として、回転数に応じたデューティ比を有するデジタル信号と、回転数に応じた電圧レベルを有するアナログ電圧と、を受けてもよい。充放電回路は、２つの入力信号のうち、回転数を高める信号に応じた電流を生成し、第１キャパシタを充放電してもよい。
この場合、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やマイコンなどからのデジタル信号と、サーミスタなどにより生成されるアナログ電圧の両方にもとづいて回転数を制御できる。

本発明の別の態様もまた、モータ駆動装置である。この装置は、モータの回転数を指示する入力信号に応じたパルス幅を有し、かつモータの回転と同期した周期信号に応じた周期を有するパルス信号を生成するパルス生成部と、パルス信号のデューティ比に応じたレベルを有する制御信号を生成する時間電圧変換部と、制御信号に応じたトルクでモータを駆動する駆動部と、を備える。

この態様によると、パルス信号のデューティ比は、モータの回転数と入力信号に応じた値に設定される。このパルス信号に応じた制御信号を生成することにより、モータを入力信号に応じたトルクで駆動できる。

本発明のさらに別の態様は、冷却装置である。この装置は、ファンモータと、ファンモータを駆動する上述のいずれかのモータ駆動装置と、を備える。
この態様によれば、ファンモータの回転数を制御信号に応じて設定することができ、冷却対象を所望の程度で冷却することができる。

本発明のさらに別の態様は、モータ駆動方法である。この方法は、モータの回転数を指示する入力信号に応じた電流を生成するステップと、電流よって一端の電位が固定された第１キャパシタを充放電するステップと、第１キャパシタの電圧を所定のしきい値電圧と比較し、大小関係に応じたレベルを有する比較信号を生成するステップと、モータの回転と同期した周期信号のエッジと比較信号のエッジのタイミングに応じたレベルを有する制御信号を生成するステップと、モータの回転と同期した周期信号のエッジと比較信号のエッジのタイミングに応じて第１キャパシタの充放電状態を切りかえるステップと、制御信号に応じたトルクでモータを駆動するステップと、を備える。

本発明のさらに別の態様も、モータ駆動方法である。この方法は、モータの回転と同期した周期信号を生成するステップと、モータの回転数を指示する入力信号に応じたパルス幅を有するパルス信号を生成するステップと、周期信号の周期とパルス信号のパルス幅の時間比率に応じたレベルを有する制御信号を生成するステップと、制御信号に応じたトルクでモータを駆動するステップと、を備える。

本発明のさらに別の態様も、モータ駆動方法である。この方法は、モータの回転数を指示する入力信号に応じたパルス幅を有し、かつモータの回転と同期した周期信号に応じた周期を有するパルス信号を生成するステップと、パルス信号のデューティ比に応じたレベルを有する制御信号を生成するステップと、制御信号に応じたトルクでモータを駆動するステップと、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係るモータ駆動装置により、モータを入力信号に応じた回転数で駆動できる。

本発明の実施の形態について、パーソナルコンピュータやワークステーションなどの電子計算機に搭載され、ＣＰＵなどを冷却するためのファンモータを駆動させるためのファンモータ駆動装置を例に説明する。

はじめに、図１を参照して実施の形態に係るモータ駆動装置２００全体の構成を説明する。図１は、実施の形態に係るモータ駆動装置２００を含む冷却装置３００の構成を示す。冷却装置３００は、モータ駆動装置２００およびファンモータ２０２を含む。ファンモータ２０２は、冷却対象のＣＰＵ（図示せず）に近接して配置されている。モータ駆動装置２００は、ファンモータ２０２のトルク（回転数）を指示するための制御入力信号（以下、単に制御信号という）Ｓ１にもとづいてファンモータ２０２を駆動する。入力信号Ｓ１は、サーミスタなどを利用して得られる周囲温度Ｔａに応じたアナログ電圧であってもよいし、ＣＰＵなどのホストプロセッサからのデジタル信号であってもよい。

モータ駆動装置２００は、制御回路１００とスイッチング回路１０２を含む。ファンモータ２０２は単相モータであって、スイッチング回路１０２はＨブリッジ回路である。なおファンモータ２０２は多相モータであってもよく、この場合、スイッチング回路１０２の回路形式を適宜変更すればよい。

制御回路１００は、入力信号Ｓ１にもとづいてスイッチング回路１０２のトランジスタＭ１〜Ｍ４を目標トルクに応じたデューティ比を有するパルス幅変調信号（以下、ＰＷＭ信号）によってスイッチング駆動する。

制御回路１００は、回転数制御回路１０、駆動部４０、バイアス回路７０、ホールコンパレータ７２を備え、ひとつの半導体基板上に一体集積化された機能ＩＣである。スイッチング回路１０２は、制御回路１００に集積化されてもよいし、外付けのディスクリート素子で構成されてもよい。

ホール素子１０４は、ファンモータ２０２のロータの位置に応じた信号レベルを有するホール信号Ｈ＋、Ｈ−を生成し、制御回路１００へと出力する。ホールコンパレータ７２は、ホール信号Ｈ＋、Ｈ−のレベルを比較し、ファンモータ２０２の回転と同期した周期信号（以下、ＦＧ信号と記す）を生成する。バイアス回路７０はホール素子１０４に供給すべきバイアス電圧を生成する。抵抗Ｒ１０、Ｒ１１はホール素子１０４のバイアスレベルを調節するために設けられる。

回転数制御回路１０は、入力信号Ｓ１およびＦＧ信号にもとづいて、ファンモータ２０２のトルクに応じた電圧レベルを有するアナログの制御電圧Ｖｃｏｎｔを生成する。駆動部４０は、制御電圧Ｖｃｏｎｔに応じたトルクが得られるように、スイッチング回路１０２を介してファンモータ２０２を駆動する。

駆動部４０は、パルス幅変調器５０、ロジック部５６、プリドライバ５８を含む。パルス幅変調器５０は、制御電圧Ｖｃｏｎｔのレベルに応じたデューティ比を有するＰＷＭ信号Ｓｐｗｍを生成する。パルス幅変調器５０は、三角波またはのこぎり波（ランプ波形）の周期電圧Ｖｏｓｃを生成するオシレータ５４と、周期電圧Ｖｏｓｃと制御電圧Ｖｃｏｎｔを比較するＰＷＭコンパレータ５２を含んでもよい。ＰＷＭコンパレータ５２の出力は、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍとして後段のロジック部５６に入力される。なお、パルス幅変調器５０の構成は図１のそれに限定されない。

ロジック部５６は、ＦＧ信号およびＰＷＭ信号Ｓｐｗｍにもとづいて、スイッチング回路１０２のトランジスタＭ１〜Ｍ４のゲートに与えるべき駆動信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４を生成する。プリドライバ５８は駆動信号Ｓｄ１〜Ｓｄ４を増幅し、トランジスタＭ１〜Ｍ４のゲートに供給する。

スイッチング回路１０２は、ファンモータ２０２のコイル電流の経路上に設けられた電流検出抵抗Ｒｄを含む。検出抵抗Ｒｄに生ずる電圧降下は、コイル電流に比例する。ロジック部５６は検出抵抗Ｒｄの電圧降下を監視して過電流保護やトルクの制御を行う。この機能は公知の技術を用いればよく、特に限定されない。

実施の形態に係るモータ駆動装置２００は、ＦＧ信号および入力信号Ｓ１にもとづいて制御電圧Ｖｃｏｎｔを生成する回転数制御回路１０に特徴を有している。以下、回転数制御回路１０の構成について詳細に説明する。

図２は、実施の形態に係る回転数制御回路１０の構成を示す回路図である。回転数制御回路１０は、フィルタ１２、充放電回路２０、第１キャパシタＣ１、第１コンパレータＣＭＰ１、制御信号生成部３０ならびに外付けされる周辺部品を含んで構成される。

入力信号Ｓ１がパルス変調されたデジタル信号である場合、入力信号Ｓ１は入力端子Ｐ１に与えられる。この場合の入力信号Ｓ１は、ファンモータ２０２の回転数（トルク）の目標値に応じたデューティ比を有する。フィルタ１２は、入力信号Ｓ１を平滑化し、入力信号Ｓ１の平均レベル（デューティ比）に応じたレベルを有する直流電圧Ｖ１に変換する。フィルタ１２は、インバータ１４、バッファ１６、抵抗Ｒ３、外付けされるキャパシタＣ３を含む。インバータ１４は入力信号Ｓ１を反転する。抵抗Ｒ３およびキャパシタＣ３は、１次のローパスフィルタを構成しており、バッファ１６の出力の高周波成分を除去し、直流電圧Ｖ１に変換する。入力信号Ｓ１のデューティ比が大きいほど、直流電圧Ｖ１は小さくなる。インバータ１４を除外した場合、入力信号Ｓ１のデューティ比が大きいほど、直流電圧Ｖ１は大きくなる。したがって、インバータ１４の有無によって、入力信号Ｓ１のデューティ比とトルクの関係を設定できる。

入力信号Ｓ１がトルクに応じたレベルを有するアナログの直流電圧（Ｖ１）である場合、キャパシタＣ３が接続されるキャパシタ端子Ｐ２に直接入力されてもよい。

第１キャパシタＣ１は一端が接地され、その電位が固定されている。充放電回路２０は、モータの回転数を指示する入力信号Ｓ１に応じた電流Ｉｃｔによって第１キャパシタＣ１を充放電する。

充放電回路２０は第１キャパシタＣ１を充放電することにより、のこぎり波状の周期電圧Ｖｃｔを生成する。

第１コンパレータＣＭＰ１は、第１キャパシタＣ１の電圧Ｖｃｔを所定のしきい値電圧Ｖｔｈと比較し、Ｖｃｔ＞Ｖｔｈのときハイレベル、Ｖｃｔ＜Ｖｔｈのときローレベルとなる比較信号Ｓ２を生成する。

制御信号生成部３０は、ファンモータ２０２の回転と同期したＦＧ信号（周期信号）のエッジと、第１コンパレータＣＭＰ１から出力される比較信号Ｓ２を受ける。制御信号生成部３０は、２つの信号のエッジのタイミング（時間差）に応じた電圧レベルを有するアナログの制御電圧Ｖｃｏｎｔを生成する。さらに制御信号生成部３０は、２つの比較信号Ｓ２およびＦＧ信号のエッジを利用して充放電回路２０の充放電状態を切りかえる。

制御信号生成部３０は、パルス生成部３２、チャージポンプ回路３４を含む。パルス生成部３２は、ＦＧ信号の所定エッジと、比較信号Ｓ２の所定エッジごとにレベルが遷移するパルス信号Ｓ３を生成する。ＦＧ信号の所定エッジは、ポジティブエッジ、ネガティブエッジのいずれかでもよいし、あるいは両エッジであってもよい。また比較信号Ｓ２の所定エッジは、ポジティブエッジ、ネガティブエッジのいずれでもよい。

たとえば、パルス生成部３２は、ＦＧ信号の両エッジごとにパルス信号Ｓ３をハイレベルに遷移させ、比較信号Ｓ２のポジティブエッジごとにパルス信号Ｓ３をローレベルに遷移させる。

チャージポンプ回路３４は、パルス生成部３２からのパルス信号Ｓ３のレベルに応じて、一端の電位の固定された第２キャパシタＣ２を充放電する。たとえばチャージポンプ回路３４はパルス信号Ｓ３がハイレベルのとき第２キャパシタＣ２を所定の充電電流Ｉｃｈで充電し、ローレベルのとき第２キャパシタＣ２を所定の放電電流Ｉｄｉｓで放電する。その結果、第２キャパシタＣ２には、パルス信号Ｓ３のデューティ比に応じた制御電圧Ｖｃｏｎｔが現れる。パルス信号Ｓ３のハイ期間が長いほど、つまりデューティ比が大きいほど、制御電圧Ｖｃｏｎｔは高くなる。

以上が回転数制御回路１０および制御回路１００の構成である。図３は、図２の回転数制御回路１０の動作状態を示すタイムチャートである。図３のタイムチャートは、入力信号Ｓ１により指示されるトルクが第１の値のときの動作を実線で、第２の値のときの動作を破線で示す。

ＦＧ信号のエッジが現れると、パルス信号Ｓ３がハイレベルとなり、充放電回路２０が第１キャパシタＣ１の充電を開始し、キャパシタ電圧Ｖｃｔが上昇する。キャパシタ電圧Ｖｃｔがしきい値電圧Ｖｔｈに達すると、比較信号Ｓ２がハイレベルとなる。比較信号Ｓ２がハイレベルとなると、パルス信号Ｓ３がローレベルに遷移し充放電回路２０は第１キャパシタＣ１の電荷を放電する。その結果、キャパシタ電圧Ｖｃｔは低下する。次にＦＧ信号のエッジが現れると、パルス信号Ｓ３が再びハイレベルとなる。回転数制御回路１０は以上の動作を繰り返す。

入力信号Ｓ１のレベルが変化すると、充放電回路２０の充電電流Ｉｃｔが変化する。その結果、ＦＧ信号のエッジによって充電が開始されてから、キャパシタ電圧Ｖｃｔがしきい値電圧Ｖｔｈに達するまでの時間が変化する。その結果、パルス信号Ｓ３のパルス幅、すなわちデューティ比が、入力信号Ｓ１のレベルに応じて変化する。制御電圧Ｖｃｏｎｔは、パルス信号Ｓ３のデューティ比に応じて第２キャパシタＣ２を充放電することにより生成されるから、制御電圧Ｖｃｏｎｔの電圧値は、パルス信号Ｓ３のデューティ比に応じた値となる。

このように、実施の形態に係る回転数制御回路１０によれば、ＦＧ信号と同期しながら、入力信号Ｓ１のレベルに応じた電圧レベルを有する制御電圧Ｖｃｏｎｔを生成することができ、ひいては入力信号Ｓ１に応じたトルクでファンモータ２０２を駆動できる。

図４は、入力信号Ｓ１のデューティ比とファンモータ２０２の回転数の関係（入出力特性）を示す図である。実施の形態では、入力信号Ｓ１のデューティ比が大きいほど、制御電圧Ｖｃｏｎｔの電圧レベルは低下する。駆動部４０が、制御電圧Ｖｃｏｎｔが低いほど、高トルクでファンモータ２０２を駆動する場合、入力信号Ｓ１のデューティ比が大きいほど高トルク、高回転でファンモータ２０２が駆動される。図４には、第２電流Ｉ２の値を変化させたときの入出力特性が示されている。

なお、入力信号Ｓ１と制御電圧Ｖｃｏｎｔの大小関係が所望の関係を満たせばよく、入力信号Ｓ１のデューティ比と直流電圧Ｖ１の大小関係、直流電圧Ｖ１と第１電流Ｉ１の大小関係、第１電流Ｉ１と充電電流Ｉｃｔの大小関係、パルス信号Ｓ３のデューティ比と制御電圧Ｖｃｏｎｔの大小関係は、それぞれ任意に設定すればよい。

以上が回転数制御回路１０および制御回路１００の構成および動作である。次に、各ブロックの詳細な構成および動作を説明する。

充放電回路２０は、第１電流源２２、第２電流源２６、電流合成部２９、充電スイッチＳＷ１、放電スイッチＭ１０を含む。

第１電流源２２は、入力信号Ｓ１に応じた第１電流Ｉ１を生成する。充放電回路２０は、充電状態において充電スイッチＳＷ１をオンし、第１電流Ｉ１に応じた充電電流Ｉｃｔを第１キャパシタＣ１に供給する。放電状態において、放電スイッチＭ１０をオンし、第１キャパシタＣ１の電荷を放電する。

以上の基本構成に加えて、充放電回路２０は以下の特徴を有する。
第２電流源２６は、所定の第２電流Ｉ２を生成する。電流合成部２９は、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２を合成した電流を充電電流Ｉｃｔとして出力する。
Ｉｃｔ＝Ｉ２−Ｉ１
で与えられる。電流合成部２９はカレントミラー回路などを利用して構成すればよく、その構成は任意である。

入力信号Ｓ１に応じた第１電流Ｉ１に、入力信号Ｓ１に依存しない第２電流Ｉ２を合成することにより、充電電流Ｉｃｔをシフトさせることができる。詳しくは後述するが、その結果、第２電流Ｉ２の値に応じて、デューティ比とトルクの関係をシフトさせることができる。

第１電流源２２は、第１演算増幅器２４、バイポーラトランジスタＱ１および外付けされる抵抗Ｒ１を含んで構成される。第１演算増幅器２４の非反転入力端子には直流電圧Ｖ１が入力される。抵抗Ｒ１は、バイポーラトランジスタＱ１のエミッタと接地端子間に接続される。第１演算増幅器２４の反転入力端子は、バイポーラトランジスタＱ１のエミッタと接続され、その出力端子はバイポーラトランジスタＱ１のベースと接続される。その結果、バイポーラトランジスタＱ１には、
Ｉ１＝Ｖ１／Ｒ１
で与えられる第１電流が流れる。

図２の第１電流源２２は、第１電流Ｉ１を所定の範囲に制限する機能を備える。このために、第１演算増幅器２４は２つの非反転入力端子を備える。２つめの非反転入力端子には、クランプの目標値を設定するための電圧ＶＣＬが入力される。電圧ＶＣＬは、所定の電圧を抵抗Ｒ１０、Ｒ１１によって分圧して生成される。第１演算増幅器２４は、２つの非反転入力端子の電圧のうち低い方と反転入力端子の電圧の誤差を増幅する。その結果、Ｖ１＜ＶＣＬの領域では、Ｉ１＝Ｖ１／Ｒ１となる。Ｖ１＞ＶＣＬの領域では、Ｉ１は目標値ＩＣＬ＝ＶＣＬ／Ｒ１にクランプされる。

第２電流源２６は、第２演算増幅器２８およびバイポーラトランジスタＱ２および抵抗Ｒ２を含み、第１電流源２２と同様に構成される。第２電流Ｉ２は、
Ｉ２＝Ｖｒｅｆ／Ｒ２
で与えられる。

Ｉｃｔ＝Ｉ２−Ｉ１が成り立つから、第１電流Ｉ１に上限値が設定されると、充電電流Ｉｃｔの下限値は、Ｉ２−ＩＣＬに設定される。図３のタイムチャートから明らかなように、充電電流Ｉｃｔの下限値を設定すると、パルス信号Ｓ３のオン時間（ハイレベルの期間）に上限値が設定される。その結果、制御電圧Ｖｃｏｎｔに上限値を設定でき、ファンモータ２０２のトルク（回転数）に下限を設定することができる。
論理レベルを反転すれば、トルクに上限を設定することも可能である。

充放電回路２０を図２の構成とした場合、第１抵抗Ｒ１の抵抗値および第１キャパシタＣ１の容量値に応じて、図４の入出力特性の傾きを調節することができる。

また、図４に示すように、第２電流Ｉ２を変化させることにより、デューティ比とファンモータ２０２の回転数の関係をシフトすることができる。第２電流Ｉ２は、第２抵抗Ｒ２の抵抗値に応じて変化させることができる。つまり、Ｒ１とＲ２の大小関係に応じて、デューティ比と回転数の関係を調節できる。

いま、バッファ１６の電源電圧Ｖｄｄと、第２電流源２６の基準電圧Ｖｒｅｆが等しいと仮定する。この場合、Ｒ１＝Ｒ２に設定すれば、デューティ比が０％のときの第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２が等しくなるため、充電電流Ｉｃｔは０となり、回転数を０に設定できる。

Ｒ２＝Ｒ１／（１−Ａ／１００）に設定する場合、つまりＲ１＜Ｒ２の場合、デューティ比がＡ％のときの回転数がデューティ比０％のときの回転数と一致するようにシフトする。

反対に、Ｒ２＝Ｒ１／（１＋Ｂ／１００）に設定する場合、つまりＲ１＞Ｒ２の場合、デューティ比がＢ％のとき、回転数が０％となるようにシフトする。

図３の回転数制御回路１０によれば、第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２を変化させることにより入出力特性をシフトさせることができる。

図３の回転数制御回路１０は、別の観点からみると、以下の構成を有する回路と把握することも可能である。

回転数制御回路１０のパルス生成部３６は、モータの回転数を指示する入力信号Ｓ１に応じたパルス幅を有するパルス信号Ｓ２を生成する。制御信号生成部３０は、モータの回転と同期したＦＧ信号の周期とパルス信号Ｓ２のパルス幅の時間比率に応じたレベルを有する制御電圧Ｖｃｏｎｔを生成する。駆動部４０は、制御電圧Ｖｃｏｎｔに応じたトルクでファンモータ２０２を駆動する。

また別の観点によると、回転数制御回路１０は、フィルタ１２、パルス生成部３６、時間電圧変換部３８を備える。
フィルタ１２は、入力信号Ｓ１を平滑化し、入力信号Ｓ１の平均レベル（デューティ比）に応じたレベルを有する直流電圧Ｖ１に変換する。パルス生成部３６は、ファンモータ２０２の回転数を指示する入力信号Ｓ１に応じたパルス幅を有し、かつファンモータ２０２の回転と同期したＦＧ信号に応じた周期を有するパルス信号Ｓ３を生成する。時間電圧変換部３８は、パルス信号Ｓ３のデューティ比に応じたレベルを有する制御電圧Ｖｃｏｎｔを生成する。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

図５は、変形例に係る制御信号生成部３０ａの構成を示す回路図である。図５の制御信号生成部３０ａは、図２のチャージポンプ回路３４の代わりに積分アンプ回路３４ａを備えている。この積分アンプ回路３４ａは上述の時間電圧変換部３８として認識することも可能である。積分アンプ回路３４ａは、演算増幅器３５、入力抵抗Ｒ２０、帰還抵抗Ｒ２１、第２キャパシタＣ２ａを備える。

入力抵抗Ｒ２０は、一端が演算増幅器３５の反転入力端子に接続され、他端にパルス信号Ｓ３が入力される。帰還抵抗Ｒ２１は、演算増幅器３５の反転入力端子と出力端子の間に設けられる。第２キャパシタＣ２ａは帰還抵抗Ｒ２１と並列に、回転数制御回路１０に外付けされる。演算増幅器３５の反転入力端子にはしきい値電圧Ｖｔｈ２が入力される。

積分アンプ回路３４ａは、パルス信号Ｓ３の電圧レベルがしきい値電圧Ｖｔｈ２より高いとき（ハイレベル期間Ｔ１という）、第２キャパシタＣ２ａを充電し、しきい値電圧Ｖｔｈ２より低いとき（ローレベル期間Ｔ２という）、第２キャパシタＣ２ａを放電する。積分アンプ回路３４ａは、しきい値電圧Ｖｔｈ２によってスライスされるパルス信号Ｓ３の上側と下側の面積が等しくなるように動作する。

その結果、ハイレベルの期間Ｔ１とローレベルの期間Ｔ２の時間比率に応じて、第２キャパシタＣ２ａの充放電が行われ、パルス信号Ｓ３のデューティ比に応じたレベルを有する制御電圧Ｖｃｏｎｔを生成することができる。

図２の回転数制御回路１０は、ファンモータ２０２の回転数（トルク）の目標値に応じたデューティ比を有するデジタルの入力信号Ｓ１、もしくは回転数の目標値に応じたレベルを有するアナログの直流電圧Ｖ１のいずれかを受けてファンモータ２０２を制御する構成としたが、以下の変形例を用いてもよい。

変形例において回転数制御回路１０は、回転数を指示する入力信号として、デジタルの入力信号Ｓ１およびアナログの入力電圧Ｖ２を両方受ける。図６は、２つの入力信号を受ける回転数制御回路１０の入力部を示す回路図である。入力部１１は、フィルタ１２および信号選択部１３を備える。フィルタ１２はデジタルの入力信号Ｓ１を平滑化して直流電圧Ｖ１を出力する。信号選択部１３は、フィルタ１２から出力される直流電圧Ｖ１と、外部から入力されるアナログの入力電圧Ｖ２を受ける。信号選択部１３は、２つの電圧Ｖ１、Ｖ２のうち、回転数を高める電圧レベルを有する方を選択し第１電流源２２へと出力する。信号選択部１３の機能は、最大値回路もしくは最小値回路で実現することができ、あるいは、後段の第１演算増幅器２４の非反転入力端子を増やして、それぞれに電圧Ｖ１、Ｖ２を入力することで実現でき、その方法は問わない。図６の変形例によれば、ＣＰＵからのデジタル制御と、サーミスタからの温度情報の両方を考慮してファンモータ２０２の回転数を制御できる。

実施の形態において、モータ駆動装置２００を構成する素子はすべて一体集積化されていてもよく、または別の集積回路に分けて構成されていてもよく、さらにはその一部がディスクリート部品で構成されていてもよい。どの部分を集積化するかは、コストや占有面積、用途などに応じて決めればよい。

また、実施の形態において、冷却装置３００を電子計算機に搭載してＣＰＵを冷却する場合について説明したが、本発明の用途はこれには限定されず、発熱体を冷却するさまざまなアプリケーションに用いることができる。さらにいえば、本実施の形態に係るモータ駆動装置２００の用途は、ファンモータの駆動に限定されるものではなく、その他の各種モータの駆動に用いることができる。

実施の形態に係るモータ駆動装置を含む冷却装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る回転数制御回路の構成を示す回路図である。 図２の回転数制御回路の動作状態を示すタイムチャートである。 入力信号のデューティ比とファンモータの回転数の関係（入出力特性）を示す図である。 変形例に係る制御信号生成部の構成を示す回路図である。 ２つの入力信号を受ける回転数制御回路の入力部を示す回路図である。

符号の説明

１０…回転数制御回路、１２…フィルタ、１４…インバータ、１６…バッファ、２０…充放電回路、２２…第１電流源、２４…第１演算増幅器、２６…第２電流源、２８…第２演算増幅器、２９…電流合成部、ＳＷ１…充電スイッチ、Ｍ１０…放電スイッチ、ＣＭＰ１…第１コンパレータ、３０…制御信号生成部、３２…パルス生成部、３４…チャージポンプ回路、３６…パルス生成部、３８…時間電圧変換部、４０…駆動部、５０…パルス幅変調器、５２…ＰＷＭコンパレータ、５４…オシレータ、５６…ロジック部、５８…プリドライバ、１００…制御回路、１０２…スイッチング回路、１０４…ホール素子、２００…モータ駆動装置、２０２…ファンモータ、３００…冷却装置、Ｃ１…第１キャパシタ、Ｃ２…第２キャパシタ、７０…バイアス回路、７２…ホールコンパレータ、Ｓ１…入力信号、Ｓ２…比較信号、Ｓ３…パルス信号。

Claims (14)

1. モータの回転数を指示する入力信号に応じた電流によって一端の電位の固定された第１キャパシタを充放電する充放電回路と、
   前記第１キャパシタの電圧を所定のしきい値電圧と比較するコンパレータと、
   前記モータの回転と同期した周期信号のエッジと前記コンパレータから出力される比較信号のエッジのタイミングに応じたレベルを有する制御信号を生成するとともに、前記充放電回路の充放電状態を切りかえる制御信号生成部と、
   前記制御信号に応じたトルクで前記モータを駆動する駆動部と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記制御信号生成部は、
   前記周期信号の所定エッジと、前記コンパレータからの前記比較信号の所定エッジごとにレベルが遷移するパルス信号を生成するパルス生成部と、
   前記パルス生成部からのパルス信号のレベルに応じて、一端の電位の固定された第２キャパシタを充放電するチャージポンプ回路と、
   を含み、前記チャージポンプ回路の第２キャパシタの他端の電位を、前記制御信号として出力し、
   前記充放電回路は、前記パルス信号のレベルに応じて充電状態と放電状態を切りかえることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記制御信号生成部は、
   前記周期信号の所定エッジと、前記コンパレータからの前記比較信号の所定エッジごとにレベルが遷移するパルス信号を生成するパルス生成部と、
   積分アンプと、
   を含み、
   前記積分アンプは、
   一端に前記パルス信号が入力された入力抵抗と、
   反転入力端子に前記入力抵抗の他端が接続された演算増幅器と、
   前記演算増幅器の非反転入力端子と出力端子の間に設けられた帰還抵抗と、
   前記帰還抵抗と並列に設けられたキャパシタと、
   を含み、前記演算増幅器の出力端子の電位を前記制御信号として出力し、
   前記充放電回路は、前記パルス信号のレベルに応じて充電状態と放電状態を切りかえることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記充放電回路は、
   前記入力信号に応じた第１電流を生成する第１電流源と、
   所定の第２電流を生成する第２電流源と、
   を含み、前記第１電流と第２電流を合成した電流によって前記第１キャパシタを充放電することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
5. 前記第１電流源は、前記第１電流を所定の範囲に制限することを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動装置。
6. 前記入力信号は、モータの回転数の目標値に応じたデューティ比を有するパルス変調された信号であり、
   前記モータ駆動装置は、前記入力信号を平滑化するフィルタをさらに備え、
   前記充放電回路は、前記フィルタにより平滑化された前記入力信号を電流に変換する電圧電流変換回路を含むことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
7. 前記フィルタを構成するシャントキャパシタを接続するためのキャパシタ端子をさらに備え、
   前記入力信号がアナログ電圧であるとき、前記キャパシタ端子から前記入力信号を入力可能に構成されることを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動装置。
8. モータの回転数を指示する入力信号として、回転数に応じたデューティ比を有するデジタル信号と、回転数に応じた電圧レベルを有するアナログ電圧と、を受け、前記充放電回路は、２つの入力信号のうち、回転数を高める信号に応じた電流を生成し、前記第１キャパシタを充放電することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
9. モータの回転数を指示する入力信号に応じたパルス幅を有し、かつ前記モータの回転と同期した周期信号に応じた周期を有するパルス信号を生成するパルス生成部と、
   前記パルス信号のデューティ比に応じたレベルを有する制御信号を生成する時間電圧変換部と、
   前記制御信号に応じたトルクで前記モータを駆動する駆動部と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
10. モータの回転数を指示する入力信号に応じたパルス幅を有するパルス信号を生成するパルス生成部と、
    モータの回転と同期した周期信号の周期と前記パルス信号のパルス幅の時間比率に応じたレベルを有する制御信号を生成する制御信号生成部と、
    前記制御信号に応じたトルクで前記モータを駆動する駆動部と、
    を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
11. ファンモータと、
    前記ファンモータを駆動する請求項１から１０のいずれかに記載のモータ駆動装置と、
    を備えることを特徴とする冷却装置。
12. モータの回転数を指示する入力信号に応じた電流を生成するステップと、
    前記電流よって一端の電位が固定された第１キャパシタを充放電するステップと、
    前記第１キャパシタの電圧を所定のしきい値電圧と比較し、大小関係に応じたレベルを有する比較信号を生成するステップと、
    前記モータの回転と同期した周期信号のエッジと前記比較信号のエッジのタイミングに応じたレベルを有する制御信号を生成するステップと、
    前記モータの回転と同期した周期信号のエッジと前記比較信号のエッジのタイミングに応じて前記第１キャパシタの充放電状態を切りかえるステップと、
    前記制御信号に応じたトルクで前記モータを駆動するステップと、
    を備えることを特徴とするモータ駆動方法。
13. モータの回転と同期した周期信号を生成するステップと、
    前記モータの回転数を指示する入力信号に応じたパルス幅を有するパルス信号を生成するステップと、
    前記周期信号の周期と前記パルス信号のパルス幅の時間比率に応じたレベルを有する制御信号を生成するステップと、
    前記制御信号に応じたトルクで前記モータを駆動するステップと、
    を備えることを特徴とするモータ駆動方法。
14. モータの回転数を指示する入力信号に応じたパルス幅を有し、かつ前記モータの回転と同期した周期信号に応じた周期を有するパルス信号を生成するステップと、
    前記パルス信号のデューティ比に応じたレベルを有する制御信号を生成するステップと、
    前記制御信号に応じたトルクで前記モータを駆動するステップと、
    を備えることを特徴とするモータ駆動方法。

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