JP2012105406A - センサレスファンモータの駆動装置、それを用いた冷却装置および電子機器、ならびにセンサレスファンモータの起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】さまざまなセンサレスファンモータを起動可能な汎用性の高い駆動装置を提供する。
【解決手段】ＢＥＭＦ検出回路１０は、複数のコイルそれぞれの一端に生ずる逆起電力Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗと、中点電圧Ｖ_ＣＯＭとの比較結果を示す回転検出信号Ｓ３を生成する。ロータ位置検出回路３８は、停止したロータの位置を示すロータ位置検出信号Ｓ１０を生成する。内部起動同期信号生成部４０は、所定の周波数を有する強制同期信号ＳＹＮＣ２を生成する。駆動信号合成回路１４は、ファンモータ６の起動が指示されるとロータ位置検出信号Ｓ１０に応じて駆動制御信号Ｓ４を生成する。その結果、（１）逆起電力が発生したとき、回転検出信号Ｓ３にもとづくセンサレス駆動を開始する。（２）逆起電力が発生しないとき、強制同期信号ＳＹＮＣ２にもとづいて駆動制御信号Ｓ４を生成し、その後逆起電力が発生すると、回転検出信号Ｓ３にもとづくセンサレス駆動を開始する。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサレスファンモータの駆動技術に関し、特にその起動技術に関する。

センサレスモータは、停止状態において逆起電力が発生しないため、逆起電力にもとづくセンサレス駆動によって始動することができない。ロータの位置を検出する位置検出機能によって、ロータの位置を検出し、検出した位置に応じた論理の駆動信号をセンサレスモータに印加して、センサレスモータが正転するような適切なトルクを与える技術が提案されている（たとえば特許文献１、２）。

特開２００４−１０４８４６号公報 国際公開第０５／０８３８７６号パンフレット

この方式によって、ロータの位置を適切に検出するためには、ロータの位置検出回路を、駆動対象のセンサレスモータに最適化して設計する必要がある。つまりある特性のモータに最適化して設計された駆動装置は、他のモータを起動できるとは限らない。冷却ファン用のセンサレスモータ（以下、ファンモータとも称する）は、磁気ディスク用のスピンドルモータに比べて、モータの種類が非常に多く、またモータの回転数、モータのトルクなどの特性が、搭載される機器によって大きく異なるという特性を有し、その駆動装置には、幅広い汎用性が要求される。かかる事情から、位置検出機能をファンモータに適用することは難しかった。

本発明はこうした状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、さまざまなセンサレスファンモータを起動可能な汎用性の高い駆動装置の提供にある。

本発明のある態様は、複数のコイルを有するセンサレスファンモータの駆動装置に関する。この駆動装置は、センサレスファンモータが回転した状態において、複数のコイルそれぞれの一端に生ずる逆起電力を、複数のコイルの共通接続ノードに生ずる中点電圧と比較し、比較結果を示す回転検出信号を生成する逆起電力検出回路と、センサレスファンモータが停止した状態においてセンサレスファンモータのロータの位置を検出し、ロータの位置を示すロータ位置検出信号を生成するロータ位置検出回路と、所定の周波数を有する強制同期信号を生成する強制同期信号生成部と、センサレスファンモータを駆動するための駆動制御信号を生成する駆動信号合成回路と、駆動制御信号にもとづいて、センサレスファンモータを駆動する駆動回路と、を備える。駆動信号合成回路は、センサレスファンモータの起動が指示されるとロータ位置検出信号に応じて駆動制御信号を生成し、その結果、（１）逆起電力が発生したとき、回転検出信号にもとづいて駆動制御信号を生成するセンサレス駆動を開始する。（２）逆起電力が発生しないとき、強制同期信号にもとづいて駆動制御信号を生成し、その後逆起電力が発生すると、回転検出信号にもとづいて駆動制御信号を生成するセンサレス駆動を開始する。

この態様によると、位置検出信号にもとづく起動に失敗した場合には、強制同期信号にもとづく強制同期駆動が行われるため、センサレスファンモータを確実に回転させることができ、汎用性を高めることができる。

本発明の別の態様は、冷却装置である。この装置は、センサレスファンモータと、センサレスファンモータを駆動する上述のモータ駆動装置と、を備える。

本発明のさらに別の態様は、電子機器である。この電子機器は、演算処理装置と、演算処理装置を冷却する上述の冷却装置と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わ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。

本発明のある態様によれば、さまざまなセンサレスファンモータを起動可能な汎用性の高い駆動装置の提供できる。

実施の形態に係る冷却装置を備える電子機器の構成を示すブロック図である。 図１の駆動装置の起動時の動作を示すフローチャートである。 図３（ａ）は、位置検出モードから直ちにセンサレス駆動モードに移行した場合の波形を、図３（ｂ）は、位置検出モードにおける駆動信号のシーケンスの一例を示す図である。 図１の駆動装置の動作を示すタイムチャートである。 ＰＷＭ信号生成回路の入出力関係を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

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駆動装置１００全体の構成を説明する。駆動装置１００は、センサレスのファンモータを有する冷却装置に搭載され、ファンモータを駆動する。図１は、実施の形態に係る冷却装置４を備える電子機器１の構成を示すブロック図である。

電子機器１は、パーソナルコンピュータ、ワークステーションなどの計算機、あるいは冷蔵庫やテレビなどの家電製品であり、冷却対象、たとえばＣＰＵ２を備える。冷却装置４は、送風によってＣＰＵ２を冷却する。

冷却装置４は、駆動装置１００およびファンモータ６を備える。ファンモータ６は、冷却対象のＣＰＵ２に近接して配置されている。駆動装置１００は、ファンモータ６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６を駆動する。冷却装置４は、モジュール化されて市販、流通される。

ファンモータ６は、３相交流モータであり、スター結線されたＵ相、Ｖ相、Ｌ相のコイルＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗと、図示しない永久磁石を備える。本実施の形態では、ファンモータ６の極数は４である。

駆動装置１００は、ひとつの半導体基板上に集積化された機能ＩＣ（Integrated Circuit）である。電源端子ＩＣＶＤＤには、電源電圧が供給され、接地端子ＩＣＧＮＤには接地電圧が供給される。

駆動装置１００は、逆起電力（ＢＥＭＦ：Back ElectroMotive Force）検出回路１０、ＰＷＭ信号生成回路１２、駆動信号合成回路１４、駆動回路１６、回転数信号生成回路２０、ロータ位置検出回路３８、内部起動同期信号生成部４０を備える。

ＰＷＭ信号生成回路１２は、ファンモータ６の目標トルクに応じてパルス幅変調されたＰＷＭ制御信号Ｓ２を出力する。ＰＷＭ信号生成回路１２には、駆動装置１００の外部から、モータの目標トルクに応じてパルス幅変調された制御信号Ｓ１が入力され、それをＰＷＭ制御信号Ｓ２として出力してもよい。あるいはＰＷＭ信号生成回路１２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を受け、アナログ電圧に応じたデューティ比を有するＰＷＭ制御信号Ｓ２を生成してもよい。あるいはＰＷＭ信号生成回路１２は、ＣＰＵなどのホストプロセッサから、デューティ比を示すデジタル信号を受け、デジタル信号に応じたＰＷＭ制御信号Ｓ２を生成してもよい。

ＢＥＭＦ検出回路１０は、スター結線されるＵ、Ｖ、Ｗ相のコイルＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗそれぞれの一端に生ずる逆起電力Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗを、３つのコイルの共通接続ノードＮ１に生ずる中点電圧Ｖ_ＣＯＭと比較し、電気角６０度ごとにアサートされる回転検出信号Ｓ３を生成する。たとえばＢＥＭＦ検出回路１０は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相ごとに設けられたコンパレータ（不図示）を備える。各コンパレータは、対応する相のコイルの一端に生ずるコイル電圧（逆起電力）Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗを、中点電圧Ｖ_ＣＯＭと比較し、比較結果を示す信号を生成する。各相のコンパレータから出力される信号を論理合成することにより、回転検出信号Ｓ３が生成される。

駆動信号合成回路１４は、回転検出信号Ｓ３およびＰＷＭ制御信号Ｓ２を受け、それらを合成して、駆動制御信号Ｓ４を生成する（センサレス駆動）。

駆動回路１６は、駆動制御信号Ｓ４に応じて、コイルＬ_Ｕ、Ｌ_Ｖ、Ｌ_Ｗそれぞれの一端に、駆動電圧を印加する。駆動回路１６は、ファンモータ６をＢＴＬ駆動してもよいし、制御信号Ｓ１に応じてＰＷＭ駆動してもよい。

回転数信号生成回路２０は、ファンモータ６の機械角（モータ角）１８０度ごとに、すなわちファンモータ６の１／２回転ごとに遷移する回転数信号ＦＧを生成し、ＦＧ端子から出力する。

以上が駆動装置１００の基本的な構成である。続いて、駆動装置１００がファンモータ６を起動するための構成について説明する。

ロータ位置検出回路３８は、インダクティブセンスによってファンモータ６のロータの位置を検出し、ロータの位置を示すロータ位置検出信号Ｓ１０を生成する。位置検出モードにおいて駆動信号合成回路１４は、ロータ位置検出信号Ｓ１０にもとづいて駆動制御信号Ｓ４を生成する。ロータ位置検出回路３８の構成、その信号処理は特に限定されないが、たとえば特開２００４−１０４８４６号公報、国際公開第０５／０８３８７６号パンフレットに記載の技術を用いることができる。

内部起動同期信号生成部４０は、所定の周波数を有する内部強制同期信号ＳＹＮＣ２を生成する。たとえば内部起動同期信号生成部４０は、リングオシレータや別の構成の発振器を含んでもよい。

図２は、図１の駆動装置１００の起動時の動作を示すフローチャートである。ＩＣ（駆動装置１００）の電源が投入されてファンモータ６の起動が指示されると（Ｓ１００）、位置検出モードに移行する（Ｓ１０２）。位置検出モードでは、ロータ位置検出回路３８によって静止状態のロータの位置が検出され、駆動信号合成回路１４は、ロータ位置検出信号Ｓ１０にもとづいて駆動制御信号Ｓ４を生成する。ロータ位置検出モードによる駆動の結果、ファンモータ６が意図した方向に回転し、逆起電力つまり回転検出信号Ｓ３が発生すると（Ｓ１０４のＹ）、センサレス駆動モードに移行する（Ｓ１０６）。

位置検出モードによる駆動の結果、逆起電力が発生しない場合（Ｓ１０４のＮ）、強制同期モードに移行する（Ｓ１１０）。強制同期モードにおいて駆動信号合成回路１４は、ロータの位置にかかわらず、内部強制同期信号ＳＹＮＣ２と同期してファンモータ６の駆動相を順に進相させ、ファンモータ６の回転を試みる。この処理は、逆起電力が発生するまで繰り返される（Ｓ１１２のＮ）。強制同期モードの駆動の結果、逆起電力が発生すると（Ｓ１１２のＹ）、センサレス駆動モードに移行する（Ｓ１０６）。

以上が駆動装置１００の構成である。続いてその動作を説明する。図３（ａ）、（ｂ）および図４は、図１の駆動装置１００の動作を示すタイムチャートである。
図３（ａ）は、位置検出モードから直ちにセンサレス駆動モードに移行した場合の波形を、図３（ｂ）は、位置検出モードにおける駆動信号のシーケンスの一例を示す。時刻ｔ１〜ｔ２のロータ位置検出区間において、ファンモータ６には図３（ｂ）の位置検出用の駆動信号Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗが印加される。この駆動信号Ｖ_Ｕ〜Ｖ_Ｗは、ファンモータ６を回転させずに、中点電圧Ｖ_ＣＯＭに変化を発生させる。ロータ位置検出回路３８は、中点電圧Ｖ_ＣＯＭの変動にもとづきロータ位置を検出し、ロータ位置を示すロータ位置検出信号Ｓ１０を出力する。駆動信号合成回路１４には、ロータ位置検出信号Ｓ１０の値ごとの起動論理が格納されており、ロータ位置検出信号Ｓ１０に応じた駆動制御信号Ｓ４を生成する。その結果、ファンモータ６が回転を開始すると直ちに回転検出信号Ｓ３が発生する。時刻ｔ２以降、回転検出信号Ｓ３にもとづくセンサレス駆動に切りかわる。

図４は、位置検出モードから強制同期モードを経てセンサレス駆動モードに移行した場合を示す。時刻ｔ１〜ｔ２の位置検出モードによる駆動の結果、回転検出信号Ｓ３が発生しない場合、強制同期モードによる駆動に切りかわる。時刻ｔ３以降、逆起電力が発生すると、回転検出信号Ｓ３にもとづくセンサレス駆動に切りかわる。

以上が駆動装置１００の動作である。

位置検出モードは、ファンモータ６の起動時間が安定するという利点を有する。その一方で、適用可能なファンモータ６が限定的であり汎用性は低い。図１の駆動装置１００は、まず位置検出モードによる起動を試み、成功すれば安定的にファンモータ６を回転させることができる。もし位置検出モードによる起動が失敗した場合であっても、補助的に用意された強制同期モードによってファンモータ６の起動をアシストできるため、ファンモータ６を確実に回転させることができる。

従来では、強制同期信号を生成するために、内部起動同期信号生成部４０に代えて、冷却装置４の設計者が、強制同期信号の周波数を自由に設定できるように構成する場合があった。具体的には、オシレータがキャパシタを充放電する形式で構成され、キャパシタは駆動装置１００に外付けされていた。しかしこの構成では、キャパシタを接続するための端子（周波数設定端子）が必要となるため、駆動装置１００のパッケージサイズが大きくなるという問題がある。また外付けのキャパシタが必要となるため、冷却装置４のサイズが大きくなるという問題もある。

これに対して、図１の駆動装置１００では、位置検出モードと強制同期モードを併用することにより、強制同期信号の周波数を変化させなくても、ファンモータ６を回転させることができるため、キャパシタが不要となり、サイズを小さくできるという利点がある。 あるいは駆動装置１００は、キャパシタを接続するための端子（周波数設定端子）が不要となったことにより、その端子を別の目的に割り当てることができる。たとえばファンモータ６の回転方向（正転、反転）を指示する制御信号を入力するための端子を設けてもよい。この場合、駆動信号合成回路１４には、指示された回転方向に応じて駆動制御信号Ｓ４のシーケンスを切りかえる機能を追加すればよい。

このように図１の駆動装置１００は、さまざまなセンサレスファンモータを起動可能な汎用性を有している。

さらに図１の駆動装置１００は以下の機能を備える。ＰＷＭ信号生成回路１２は、起動時において制御信号Ｓ１が、所定の最低デューティ比Ｄ_ＭＩＮより低いとき、起動開始からある起動期間の間、ＰＷＭ制御信号Ｓ２のデューティ比を、最低デューティ比Ｄ_ＭＩＮに設定し、その後、ＰＷＭ制御信号Ｓ２のデューティ比を制御信号Ｓ１が指示する値に設定する。たとえば最低デューティ比Ｄ_ＭＩＮは５０％程度に設定される。

図５は、ＰＷＭ信号生成回路１２の入出力関係を示す図である。横軸は制御信号Ｓ１が指示するデューティ比を、縦軸は起動開始からある起動期間の間のＰＷＭ制御信号Ｓ２のデューティ比を示す。

この機能によれば、起動時において制御信号Ｓ１が指示するデューティ比が低すぎる場合には、最低デューティ比でファンモータ６を駆動することができ、トルク不足を補うことができる。一方、制御信号Ｓ１が十分高いデューティ比を指示する場合には、そのデューティ比でファンモータ６を駆動することにより、短時間でファンモータ６を目標の回転数に安定化できる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この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み合わ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。以下、こうした変形例について説明する。

実施の形態において、冷却装置４を電子機器に搭載して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駆動装置１００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。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…駆動装置、１…電子機器、２…ＣＰＵ、４…冷却装置、６…ファンモータ、１０…ＢＥＭＦ検出回路、１２…ＰＷＭ信号生成回路、１４…駆動信号合成回路、１６…駆動回路、２０…回転数信号生成回路、３８…ロータ位置検出回路、４０…内部起動同期信号生成部、ＦＧ…回転数信号、Ｓ１０…ロータ位置検出信号、Ｓ１…制御信号、Ｓ２…ＰＷＭ制御信号、Ｓ３…回転検出信号、Ｓ４…駆動制御信号、ＳＹＮＣ２…内部強制同期信号。

Claims (5)

1. 複数のコイルを有するセンサレスファンモータの駆動装置であって、
   前記センサレスファンモータが回転した状態において、前記複数のコイルそれぞれの一端に生ずる逆起電力を、前記複数のコイルの共通接続ノードに生ずる中点電圧と比較し、比較結果を示す回転検出信号を生成する逆起電力検出回路と、
   前記センサレスファンモータが停止した状態において前記センサレスファンモータのロータの位置を検出し、前記ロータの位置を示すロータ位置検出信号を生成するロータ位置検出回路と、
   所定の周波数を有する強制同期信号を生成する強制同期信号生成部と、
   前記センサレスファンモータを駆動するための駆動制御信号を生成する駆動信号合成回路と、
   前記駆動制御信号にもとづいて、前記センサレスファンモータを駆動する駆動回路と、
   を備え、
   前記駆動信号合成回路は、前記センサレスファンモータの起動が指示されると前記ロータ位置検出信号に応じて前記駆動制御信号を生成し、その結果、
   （１）前記逆起電力が発生したとき、前記回転検出信号にもとづいて前記駆動制御信号を生成するセンサレス駆動を開始し、
   （２）前記逆起電力が発生しないとき、前記強制同期信号にもとづいて前記駆動制御信号を生成し、その後前記逆起電力が発生すると、前記回転検出信号にもとづいて前記駆動制御信号を生成するセンサレス駆動を開始する
   ことを特徴とする駆動装置。
2. 前記センサレスファンモータをパルス幅変調駆動する際のデューティ比を指示する制御信号を外部から受け、前記制御信号が指示するデューティ比を有するパルス幅変調制御信号を生成するパルス幅変調信号生成回路をさらに備え、
   前記パルス幅変調信号生成回路は、前記制御信号が指示するデューティ比が所定の最低デューティ比より低いとき、起動開始からある起動期間の間、前記パルス幅変調制御信号のデューティ比を前記最低デューティ比に設定し、その後、前記パルス幅変調制御信号のデューティ比を前記制御信号が指示する値に設定することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. センサレスファンモータと、
   前記センサレスファンモータを駆動する請求項１または２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。
4. 演算処理装置と、
   前記演算処理装置を冷却する請求項３に記載の冷却装置と、
   を備えることを特徴とする電子機器。
5. 複数のコイルを有するセンサレスファンモータの起動方法であって、
   前記センサレスファンモータが回転した状態において、前記複数のコイルそれぞれの一端に生ずる逆起電力を、前記複数のコイルの共通接続ノードに生ずる中点電圧と比較し、比較結果を示す回転検出信号を生成するステップと、
   前記センサレスファンモータが停止した状態において前記センサレスファンモータのロータの位置を検出し、前記ロータの位置を示すロータ位置検出信号を生成するステップと、
   所定の周波数を有する強制同期信号を生成するステップと、
   前記センサレスファンモータを駆動するための駆動制御信号を生成するステップと、
   前記駆動制御信号にもとづいて、前記センサレスファンモータを駆動するステップと、
   を備え、
   前記センサレスファンモータの起動が指示されると前記ロータ位置検出信号に応じて前記駆動制御信号を生成し、その結果、
   （１）前記逆起電力が発生したとき、前記回転検出信号にもとづいて前記駆動制御信号を生成するセンサレス駆動を開始し、
   （２）前記逆起電力が発生しないとき、前記強制同期信号にもとづいて前記駆動制御信号を生成し、その後前記逆起電力が発生すると、前記回転検出信号にもとづいて前記駆動制御信号を生成するセンサレス駆動を開始する
   ことを特徴とする起動方法。

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