JP2658032B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ビデオテープレコーダのキャプスタン等を
駆動するのに用いられるブラシレスモータに関する。

（従来の技術） 第９図には従来の３相ブラシレスモータが示されてお
り、ロータ１と３相駆動コイル２とを備えている。ロー
タ１にはＮ及びＳ極が交互に位置するように着磁されて
いるロータ磁石が取付けられ、その近傍にはロータ位置
を検出するための３個の位置検出器３が配されている。
各位置検出器３は論理回路４に接続され、論理回路４の
出力側には駆動回路５が接続されている。そして、駆動
回路５の出力側に駆動コイル２を構成している星形結線
の各相コイルＵ、Ｖ、Ｗが接続されている。

かかる構成の３相ブラシレスモータにおいて、各位置
検出器３はロータ１のロータ磁石を検出すると、それぞ
れ120度の位相差を有する位置信号Sa〜Scを出力する。
これらの位置信号Sa〜Scは論理回路４にて処理され、こ
の論理回路４より選択信号Ssが出力される。従って、駆
動回路５はこの選択信号に基づいて各相コイルＵ、Ｖ、
Ｗに選択的に駆動電流を供給するので、各相コイルＵ、
Ｖ、Ｗの磁束とロータ磁石の界磁磁束とが鎖交してロー
タ１にトルクが発生し、ロータ１が回転する。

（発明が解決すべき問題点） ところで、上記位置検出器３としては、通常、ホール
素子が用いられている。しかし、ホール素子は非常に高
価な上にその設置スペースを確保しなければならない。
また、ホール素子はバイアス用の一対の入力端子と位置
信号出力用の一対の出力端子とを有しているので、多数
のリード線を配線するスペースも確保する必要がある。
このため、ブラシレスモータが高価になってしまう上に
その小型化に限界が生じてしまう。更に、ホール素子は
温度によって特性が大きく変化するので、温度変化の激
しい場所ではブラシレスモータの動作が不安定になって
しまう欠点がある。

このような欠点を防止するために、位置検出器を用い
ずに駆動回路を駆動制御する構成のブラシレスモータ
（特公昭50−4242号公報等参照）が提案されている。即
ち、このブラシレスモータは、駆動コイルの各相コイル
に発生する逆起電力がロータの回転位相と一致している
点に着目したもので、各相コイルの端子電圧を抵抗等の
インピーダンス素子にて適宣合成してロータの回転位相
を検知し、これにより駆動回路より各相コイルに駆動電
流を選択的に供給している。しかし、この種のブラシレ
スモータでは、各相コイルへ供給する駆動電流のレベル
が変動した場合駆動電流の供給タイミングが変化するた
め、回転効率が低下したり、トルクリップルが増加して
ロータに大きな回転むらが生じてしまう他の欠点が免れ
ない。

本発明は、このような点を解決するためになされたも
ので、駆動コイルの各相コイルの降下電圧を再生すると
共にこの再生電圧と各相コイルの端子電圧とを合成して
各相コイルで発生する逆起電力のみを取り出し、各逆起
電力に基づいて駆動回路に選択信号を送給する構成のブ
ラシレスモータを提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 第１図は本発明の構成を示すブロック図であり、１は
ロータ磁石を備えるロータを示している。２は駆動コイ
ルであり、図では星形結線されている３相のコイルＵ、
Ｖ、Ｗを含んでいる。６は電圧降下再生回路を示し、そ
れぞれの出力側には合成回路７が接続されている。各電
圧降下再生回路６は各相コイルＵ、Ｖ、Ｗの抵抗分によ
る降下電圧を再生して再生電圧Vu、Vv、Vwをそれぞれ出
力する。合成回路７はこれら再生電圧Vu、Vv、Vwと各相
コイルＵ、Ｖ、Ｗの端子電圧とを合成し、各相コイル
Ｕ、Ｖ、Ｗに発生する逆起電力Pu、Pv、Pwのみを選択処
理回路８に出力する。選択処理回路８は逆起電力Pu、P
v、Pwに基づいて選択信号Ssを駆動回路９に出力する。
駆動回路９は選択信号Ssの入力で各相コイルＵ、Ｖ、Ｗ
に選択的に駆動電流を供給する。

（作用） 駆動回路９より各相コイルＵ、Ｖ、Ｗに選択的に駆動
電流を供給すると、各相コイルＵ、Ｖ、Ｗに逆起電力と
その抵抗分による降下電圧が重畳された端子電圧が発生
する。一方、各電圧降下再生回路６は駆動電流を検知し
て各相コイルＵ、Ｖ、Ｗの降下電圧Vu、Vv、Vwを再生す
る。従って、合成回路７は、各相コイルＵ、Ｖ、Ｗの端
子電圧と降下電圧Vu、Vv、Vwとを合成し、逆起電力Pu、
Pv、Pwのみを確実に出力するので、選択処理回路８より
駆動回路９に選択信号が供給される。よって、ホール素
子等の位置検出器を用いずにロータ１を安定的に回転さ
せることができる。

（発明の実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明す
る。

本発明に係るブラシレスモータは、第２図に示すよう
に、ロータ１及び駆動コイル２を備えている。ロータ１
にはＮ及びＳ極が交互に着磁されているロータ磁石が取
付けられている。駆動コイル２は３相のコイルＵ、Ｖ、
Ｗを含み、各相コイルは各駆動回路10₁〜10₃の出力側に
それぞれ接続されている。各駆動回路10₁〜10₃は、第３
図に示すように、駆動トランジスタQ₁、Q₂を有してい
る。トランジスタQ₁のエミッタは電源端子11a（正極）
に接続され、そのコレクタに駆動トランジスタQ₂のコレ
クタが接続されている。駆動トランジスタQ₂のエミッタ
は電源端子11b（負極）に接続されている。駆動トラン
ジスタQ₁、Q₂はそれぞれ正方向及び負方向に駆動コイル
２のコイルＵ（又はＶ又はＷ）に駆動電流Iaを供給す
る。駆動トランジスタQ₁のベースは抵抗R₁を介して制御
端子12aに接続され、駆動トランジスタQ₂のベースは抵
抗R₂を介して制御端子12bに接続されている。

各駆動回路10₁〜10₃は、第３図に示すように、電圧降
下再生回路13を含んでいる。この電圧降下再生回路13
は、電源端子11aにエミッタが接続されている検出トラ
ンジスタQ₃と、電源端子11bにエミッタが接続されてい
る検出トランジスタQ₄とを有している。これら検出トラ
ンジスタQ₃、Q₄のベースは駆動トランジスタQ₁、Q₂のベ
ースに共通に接続され、検出トランジスタQ₃のコレクタ
には他のトランジスタQ₇のコレクタ及びベースが接続さ
れている。このトランジスタQ₇のエミッタは電源端子11
bに接続され、そのベースにはトランジスタQ₈のベース
が接続されている。トランジスタQ₈のエミッタは電源端
子11bに接続され、そのコレクタは出力端子14に接続さ
れている。また、検出トランジスタQ₄のコレクタには他
のトランジスタQ₅のコレクタ及びベースが接続され、こ
のトランジスタQ₅のエミッタは電源端子11bに接続され
ている。トランジスタQ₅のベースにはトランジスタQ₆の
ベースが接続され、このトランジスタQ₆のエミッタ及び
コレクタは電源端子11aと出力端子14にそれぞれ接続さ
れている。尚、トランジスタQ₅とQ₆及びQ₇とQ₈はそれぞ
れカレントミラー回路を構成している。

出力端子14には検出抵抗器15の一端が接続され、検出
抵抗器15の他端はボルテージフォロワ構成の増幅器16の
出力側に接続されている。増幅器16の入力側は駆動トラ
ンジスタQ₁、Q₂のコレクタ間に接続され、これらコレク
タ間には駆動コイル２のコイルＵ（Ｖ、Ｗ）が接続され
ている。

各駆動回路10₁〜10₃の出力端子14には、第２図に示す
ように、電圧比較器17₁〜17₃の入力側が接続されてい
る。電圧比較器17₁の出力側にはANDゲート18₁、18₆の入
力端子とANDゲート18₄、18₅の反転入力端子とがそれぞ
れ接続されている。また、電圧比較器17₂の出力側にはA
NDゲート18₂、18₄の入力端子とANDゲート18₁、18₅の反
転入力端子とがそれぞれ接続されている。更に、電圧比
較器17₃の出力側にはANDゲート18₃、18₅の入力端子とAN
Dゲート18₂、18₆の反転入力端子とがそれぞれ接続され
ている。そして、ANDゲート18₁、18₂、18₃の各反転出力
は駆動回路10₁〜10₃の各制御端子12aに接続され、ANDゲ
ート18₄、18₅、18₆の各出力は駆動回路10₁〜10₃の各制
御端子12bに接続されている。

ところで、トランジスタのコレクタ電流Icはベース・
エミッタ間電圧Vbeによって次式のように変化する。

Ic＝α・Is・loge（Vbe・q/K・Ｔ） ……（１） 但し、α：電流到達率、Is:暗電流、q:電子の電荷、
K:ボルツマン定数、T:絶対温度である。

上記（１）式において、電流到達率αは概略１であ
り、暗電流Isはトランジスタの有効エミッタ面積に比例
する。従って、ベース及びエミッタが相互に共通に接続
された二つのトランジスタは同一のベース・エミッタ電
圧Vbeが印加されるので、それぞれのコレクタ電流をI
c₁、Ic₂、エミッタ面積をAe₁、Ae₂とすると、次式の関
係が生じる。

Ic₂/Ic₁＝Ae₂/Ae₁ ……（２） 即ち、コレクタ電流比はエミッタ面積比と等しくな
る。

さて、上記駆動トランジスタQ₁、Q₂と検出トランジス
タQ₃、Q₄はベース及びエミッタが相互に共通に接続さ
れ、かつ駆動トランジスタQ₁のエミッタ面積と検出トラ
ンジスタQ₃のエミッタ面積、及び駆動トランジスタQ₂の
エミッタ面積と検出トランジスタQ₄のエミッタ面積は10
0:1にそれぞれ設定されている。従って、駆動トランジ
スタQ₁にコレクタ電流Ipが流れると、検出トランジスタ
Q₃にはIp/100のコレクタ電流が流れ、又駆動トランジス
タQ₂にコレクタ電流Inが流れると、検出トランジスタQ₄
にはIn/100のコレクタ電流が流れる。一方、上記検出抵
抗器15は各相コイルＵ、Ｖ、Ｗの抵抗分Raに対して100
倍の抵抗値100Raに設定されている。

次に、本発明のブラシレスモータの動作を説明する。

先ず、駆動回路10₁の駆動トランジスタQ₁、Q₂が駆動
されると、コレクタ電流Ip、Inがそれぞれ流れ、これら
コレクタ電流Ip、Inの差が駆動電流Iaとして駆動コイル
２のコイルＵに供給される。コイルＵはRaの抵抗分を有
しているので、次式のように電圧降下が生じる。

（Ip−In）・Ra＝Ia・Ra ……（３） 従って、コイルＵには第４図の（ａ）で示すように、
駆動コイル２の中点電位V₀を基準にして逆起電力Eaに抵
抗分Raによる降下電圧（Ia・Ra）が重畳された波形の端
子電圧Vtが発生する。

また、駆動トランジスタQ₁、Q₂にコレクタ電流Ip、In
が流れると、検出トランジスタQ₃、Q₄にはIp/100とIn/1
00のコレクタ電流が流れる。一方、トランジスタQ₇、Q₈
とQ₅、Q₆はカレントミラー回路を構成しているので、ト
ランジスタQ₈には検出トランジスタQ₃のコレクタ電流Ip
/100と同一のコレクタ電流が流れ、トランジスタQ₆には
検出トランジスタQ₄のコレクタ電流In/100と同一のコレ
クタ電流が流れる。そして、これらトランジスタQ₈、Q₆
の差電流は検出抵抗器15に流れる。従って、検出抵抗器
15の降下電圧はその抵抗値をRsとすると次式のように示
される。

（In/100−Ip/100）Rs ……（４） ところで、検出抵抗器15はコイルＵの抵抗分Raの100
倍の抵抗値を有しているので、上記（４）式は次のよう
になる。

（In/100−Ip/100）・100Rs ＝（In−Ip）・Ra ……（５） 従って、検出抵抗器15は（３）式から明らかなよう
に、コイルＵでの降下電圧と同一の電圧が再生電圧Vsと
して発生する（第４図の（ｂ）参照）。

一方、検出抵抗器15の一端はボルテージフォロワ構成
の増幅器16の出力側に接続されているので、この検出抵
抗器15による再生電圧VsとコイルＵの端子電圧Vtとが合
成される。従って、次式で示すように出力端子14には電
圧Vuが出力される。

Vu＝Vt＋Vs＝（V₀＋Ea＋Ia・Ra） ＋（In−Ip）・Ra ＝（V₀＋Ea＋Ia・Ra）−Ia・Ra ＝V₀＋Ea ……（６） つまり、この電圧Vuは第４図の（ｃ）に示すように、
コイルＵの逆起電力である。

以下、同様に他の相コイルＶ、Ｗに接続されている出
力端子14にも、第５図の（ａ）で示すように、逆起電力
Vv、Vwが120度の位相差で出力される。

次に、これらの逆起電力Vu、Vv、Vwは電圧比較器17₁
〜17₃に入力される。電圧比較器17₁は逆起電力Vuが同Vw
よりも大きいと、第５図の（ｂ）に示すように、「Ｈ」
を出力する。電圧比較器17₂は逆起電力Vvが同Vuよりも
大きいと、同図（ｃ）に示すように、「Ｈ」を出力す
る。電圧比較器17₃は逆起電力Vwが同Vvよりも大きい
と、同図（ｄ）に示すように、「Ｈ」を出力する。

従って、ANDゲート18₁は、同図（ｅ）に示すように、
電圧比較器17₁が「Ｈ」、同17₂が「Ｌ」で「Ｌ」の選択
信号を出力する。ANDゲート18₂では同図（ｆ）に示すよ
うに、電圧比較器17₂が「Ｈ」、同17₃が「Ｌ」で「Ｌ」
の選択信号を出力する。ANDゲート18₃は、同図（ｇ）に
示すように、電圧比較器17₁が「Ｌ」、同17₃が「Ｈ」で
「Ｌ」の選択信号を出力する。また、ANDゲート18₄は同
図（ｈ）に示すように、電圧比較区器7₁が「Ｌ」、同17
₂が「Ｈ」で「Ｈ」の選択信号を出力する。ANDゲート18
₅は同図（ｉ）に示すように、電圧比較器17₂が「Ｌ」、
同17₃が「Ｈ」で「Ｈ」の選択信号を出力する。ANDゲー
ト18₆は、同図（ｊ）に示すように、電圧比較器17₃が
「Ｌ」、同17₁が「Ｈ」で「Ｈ」の選択信号を出力す
る。

そして、ANDゲート18₁の選択信号「Ｌ」が駆動回路10
₁の制御端子12aに入力されている間ANDゲート18₆の選択
信号「Ｈ」が駆動回路10₃の制御端子12bに入力される
と、第５図の（ｋ）、（ｍ）に示すように、コイルＵ、
Ｗにこの順で駆動電流Iaが供給される。よって、ロータ
１に合成トルクが発生する。

また、ANDゲート18₆の選択信号「Ｈ」が出力されてい
る間ANDゲート18₂の選択信号「Ｌ」が出力されると、同
図（ｌ）、（ｍ）に示すように、コイルＶ、Ｗにこの順
に駆動電流Iaが供給され、ANDゲート18₂の選択信号
「Ｌ」が出力されている間ANDゲート18₄の選択信号
「Ｈ」が出力されると、コイルＶ、Ｕにこの順に駆動電
流Iaが供給される。更に、ANDゲート18₄の選択信号
「Ｈ」が出力されている間ANDゲート18₃の選択信号
「Ｌ」が出力されると、コイルＷ、Ｕの順に駆動電流が
供給され、ANDゲート18₃の選択信号「Ｌ」が出力されて
いる間ANDゲート18₅の選択信号「Ｈ」が出力されると、
コイルＷ、Ｖの順に駆動電流Iaが供給される。

従って、ホール素子等の位置検出器を用いずにロータ
１を回転駆動させることができる。

上記実施例のように電圧比較器17₁〜17₃を用いると、
ロータ１を低速回転させた場合に駆動コイル２の逆起電
力が小さくなってもロータ１を確実に回転駆動すること
ができる。

尚、上記実施例では、駆動トランジスタQ₁、Q₂及び検
出トランジスタQ₃、Q₄のコレクタ出力により駆動電流Ia
を検知しているが、第６図に示すように、エミッタ出力
により駆動電流Iaを検知してもよいのは勿論である。

第７図には本発明の他の実施例が示されている。即
ち、この実施例では逆起電力Vu、Vv、Vwを出力する各駆
動回路10₁〜10₃の出力端子14をバッファ19₁〜19₃を介し
てNPNトランジスタ20₁〜20₃のベースに接続すると共にP
NPトランジスタ21₁〜21₃のベースに接続しており、三差
動回路より成る簡単な構成の選択処理回路を備えてい
る。NPNトランジスタ20₁〜20₃の各コレクタは各駆動回
路10₁〜10₃の制御端子12aに接続され、PNPトランジスタ
21₁〜21₃の各コレクタは各駆動回路10₁〜10₃の制御端子
12bに接続されている。

この実施例でも逆起電力Vu、Vv、Vwが、第５図の
（ａ）で示すように、120度の位相差で生じた場合同図
の（ｅ）〜（ｊ）に示すように選択信号が各駆動回路10
₁〜10₃に供給される。そして、これら選択信号は徐々に
変化するので、駆動電流Iaの切り換え供給を連続的に変
化させて行うことができる。従って、ロータ１の振動の
発生が少ないので、高速回転時でも騒音レベルを比較的
低く抑えることができる。

第８図には本発明の更に他の実施例が示されている。
この実施例では３相半波駆動回路に電圧降下再生回路と
合成回路が組み込まれている。即ち、駆動トランジスタ
Q₁のベース及びエミッタに検出トランジスタQ₃のベース
及びエミッタが共通に接続され、これらベースにトラン
ジスタ22₁〜22₃の各コレクタが接続されている。これら
トランジスタ22₁〜22₃はエミッタが共通に接続されて選
択信号入力用のトランジスタ23のコレクタに接続されて
いる。このトランジスタ23のベースには制御トランジス
タ24のコレクタが接続されている。検出トランジスタQ₃
のコレクタにはトランジスタQ₆と共にカレントミラー回
路を構成しているトランジスタQ₅のコレクタが接続され
ている。そして、トランジスタ22₁〜22₃の各ベースとコ
イルＵ、Ｖ、Ｗの一端には検出抵抗器15がそれぞれ接続
されている。

この実施例において、駆動トランジスタQ₁のエミッタ
面積をAe₁、検出トランジスタQ₃のエミッタ面積をAe₂と
すると、これらの比Ae₁/Ae₂をαとおくことができ、検
出抵抗器15の抵抗値はコイルＵ（Ｖ、Ｗ）の抵抗分をRa
とした場合（α−１）Raに設定されている。また、駆動
トランジスタQ₁のコレクタ電流をI₀とすると、駆動電流
Iaは次式のようになる。

Ia＝I₀−I₀/α＝（α−１）I₀/α ……（７） また、検出トランジスタQ₃による検出電流はI₀/αと
なる。従って、検出抵抗器15の再生電圧Vsは次式のよう
になる。

Vs＝I₀/α・（α−１）Ra ＝｛（α−１）／α｝・I₀・Ra ＝Ia・Ra ……（８） よって、コイルＵ（Ｖ、Ｗ）の端子電圧Vtは逆起電力
Eaと降下電圧（Ra・Ia）の和なので、出力端子14からは
Vt−Vs＝Ea＋Ra・Ia＋Ia・Ra＝Eaが出力される。この結
果、この逆起電力Eaを選択処理回路に供給することで、
ホール素子等の位置検出器を用いずにロータを回転駆動
することができる。

尚、本発明は星形結線している駆動コイルを有する３
相以上のブラシレスモータに適用できる。

（発明の効果） 本発明によれば、電圧降下再生回路により駆動コイル
の各相コイルの降下電圧を再生し、この再生電圧と各相
コイルの端子電圧とを合成回路にて合成して各相コイル
で発生する逆起電力を得、この逆起電力に基づいて選択
処理回路により選択信号を駆動回路に供給するようにし
たので、ホール素子等の位置検出器を用いずに駆動コイ
ルに駆動電流を選択的に供給することができる。従っ
て、小型で組み立てが容易な上に安価でありながら耐温
度特性が優れ、しかもロータに殆んど回転むらの生じる
ことのないブラシレスモータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図及び第
３図は本発明に係る３相ブラシレスモータの全体構成図
と要部の回路構成図、第４図は本発明に係る発生電圧の
波形図、第５図は第１図のブラシレスモータの動作を説
明するタイミングチャート、第６図は第２図に示すブラ
シレスモータの要部の変形例を示す図、第７図及び第８
図は本発明の他の実施例をそれぞれ示す図、第９図は従
来のブラシレスモータの概略図である。 ２……駆動コイル、 Ｕ、Ｖ、Ｗ……各相コイル、 10₁〜10₃……駆動回路、 12a、12b……制御端子、 13……電圧降下再生回路、 14……出力端子、 15……検出抵抗器、 16……増幅器、 17₁〜17₃……電圧比較器、 18₁〜18₆……ANDゲート。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数相の駆動コイルと、該駆動コイルの各
   相コイルに駆動電流を選択的に供給する駆動回路とを備
   えるブラシレスモータにおいて、該各相コイルの抵抗分
   に対応した抵抗値を有する検出抵抗器に、該駆動電流に
   比例して変化する検出電流を流すことによって前記各相
   コイルの降下電圧を再生して再生電圧を出力する電圧降
   下再生回路と、前記再生電圧と前記各相コイルの端子電
   圧とを合成して該各相コイルで発生する逆起電力を出力
   する合成回路と、前記逆起電力に基づいて選択信号を前
   記駆動回路に供給する選択処理回路とを含むことを特徴
   とするブラシレスモータ。
2. 【請求項２】該電圧降下再生回路は該駆動回路を構成す
   る駆動トランジスタにベース及びエミッタ相互が共通に
   接続され、かつ該駆動トランジスタのエミッタ面積に対
   して所定比率のエミッタ面積を有する検出トランジスタ
   を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   のブラシレスモータ。