JP4217921B1 - モータ駆動回路、ファンモータ、電子機器、及びノート型パーソナルコンピュータ - Google Patents

Abstract

モータ駆動回路は、モータの目標回転速度に応じた駆動電圧が高くなるに連れて一方の論理レベルのデューティー比が高くなるパルス信号を生成するパルス生成回路と、モータの回転に応じた回転信号に基づいて、モータが停止している状態から回転を開始する際はパルス信号のデューティー比より高いデューティー比で、駆動電圧によってモータを駆動し、モータが回転を開始した後はパルス信号が一方の論理レベルである期間、駆動電圧によってモータを駆動する駆動制御回路と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動回路、ファンモータ、電子機器、及びノート型パーソナルコンピュータに関する。

ノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器では、例えばプロセッサ等の発熱部品を冷却するためにファンモータが用いられる。ファンモータを用いて発熱部品を冷却する場合、モータの回転速度を最大にすることによって冷却性能を高めることができるが、消費電力の抑制や静音化のために、発熱量に応じてモータの回転速度を調整する必要がある。例えば、ファンモータでは、モータコイルに印加される駆動電圧を発熱量に応じて上昇または下降させることにより、モータの回転速度を調整することができる。

また、消費電力の抑制や静音化をさらに進めるために、駆動電圧の制御に加えて、間欠駆動が行われる場合もある。例えば、特開２００６−１７４６４８号公報には、モータの目標回転速度に応じて駆動電圧が低くなるように制御するとともに、モータの目標回転速度が低くなるに連れて駆動電圧がモータコイルに印加される割合が低下するように制御する方式が開示されている。

このように、モータの目標回転速度が低くなるに連れて駆動電圧がモータコイルに印加される割合を低下させることにより、駆動電圧の調整のみによる制御の場合と比較してモータの回転速度をより低回転まで制御することが可能となり、消費電力の抑制や静音化を実現することができる。

ところで、モータの回転時には、磁極の位置とモータコイルの位置との関係に応じた引力や斥力によってコギング・トルクが生じる。そして、モータが停止している場合、コギング・トルクが最低となる場所にモータコイルが位置していることが多い。そのため、モータが停止している状態から回転を開始するためには、コギング・トルクの最大レベルを超えるトルクが必要となる。

特開２００６−１７４６４８号公報に開示された方式では、モータの回転速度を低速にする場合には駆動電圧が低い状態であるとともに駆動の割合も低下するため、モータを駆動するトルクも小さくなる。したがって、モータが回転している場合は慣性の働きによって小さいトルクであっても回転させ続けることができるが、モータが停止している状態から低速で回転させ始める場合、モータを駆動するトルクがコギング・トルクの最大レベルを超えることができず、低速での起動ができないことがある。特に単相モータの場合は三相の場合と比較してコギング・トルクの最大レベルと最小レベルとの差が大きいことが多いため、低速での起動が困難になる可能性が高くなる。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、モータを低速で起動可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のモータ駆動回路は、モータの目標回転速度に応じた駆動電圧が高くなるに連れて一方の論理レベルのデューティー比が高くなるパルス信号を生成するパルス生成回路と、前記モータの回転に応じた回転信号に基づいて、前記モータが停止している状態から回転を開始する際は前記パルス信号のデューティー比より高いデューティー比で、前記駆動電圧によって前記モータを駆動し、前記モータが回転を開始した後は前記パルス信号が前記一方の論理レベルの期間、前記駆動電圧によって前記モータを駆動する駆動制御回路とを備える。

本発明の一実施形態であるモータ駆動回路の構成を示す図である。 回転検出回路の構成例を示す図である。 回転検出回路の動作の一例を示す図である。 駆動電圧とモータの回転速度との関係の一例を示す図である。

符号の説明

１０ モータ駆動回路
１１〜１４ ＮＰＮトランジスタ
２０ 駆動電圧生成回路
２２ パルス生成回路
２４ 回転検出回路
２６ ＯＲ回路
２８ 制御回路
３０ ホール素子
３２ マイコン
４０ コンパレータ
４２ エッジ検出回路
４４ カウンタ
４６ 検出信号出力回路

図１は、本発明の一実施形態であるモータ駆動回路の構成を示す図である。モータ駆動回路１０は、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器において、プロセッサ等の発熱部品（被冷却装置）を冷却するためのファンモータに組み込まれており、冷却用のファンを回転させるためのモータを駆動するために用いられる。

本実施形態のモータ駆動回路１０は単相のファンモータを駆動する回路であり、ＮＰＮトランジスタ１１〜１４、駆動電圧生成回路２０、パルス生成回路２２、回転検出回路２４、ＯＲ回路２６、及び制御回路２８を含んで構成されている。本実施形態においては、モータ駆動回路１０は集積化されており、端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２間に、モータコイルＬが接続され、端子Ｈ１，Ｈ２間に、モータの回転位置に応じた電圧Ｖｈ１及び電圧Ｖｈ２（回転信号）を出力するホール素子３０が接続され、モータの回転速度を制御するための信号が端子ＣＮＴを介してマイコン３２から入力されている。なお、電圧Ｖｈ１，Ｖｈ２は互いに逆相となる正弦波状に変化する電圧である。

ＮＰＮトランジスタ１１〜１４はモータコイルＬを駆動電圧Ｖｍによって駆動するためのＨブリッジ回路を構成している。例えば、ＮＰＮトランジスタ１１，１４がオン、ＮＰＮトランジスタ１２，１３がオフの状態では、端子ＯＵＴ１から端子ＯＵＴ２の方向に電流が流れるようにモータコイルＬが駆動電圧Ｖｍによって駆動される。また、例えば、ＮＰＮトランジスタ１２，１３がオン、ＮＰＮトランジスタ１１，１４がオフの状態では、端子ＯＵＴ２から端子ＯＵＴ１の方向に電流が流れるようにモータコイルＬが駆動電圧Ｖｍによって駆動される。なお、モータ駆動回路１０を集積化する場合において、ＮＰＮトランジスタ１１〜１４を集積回路の外部に設けることも可能である。

駆動電圧生成回路２０は、マイコン３２から入力される目標回転速度を示す信号に応じて、目標回転速度の上昇に応じて高くなる駆動電圧Ｖｍを生成する。駆動電圧生成回路２０は、例えば５．０Ｖの電源電圧をマイコン３２からの信号に応じて降圧することによって駆動電圧Ｖｍを生成するレギュレータ回路により構成することができる。駆動電圧生成回路２０から出力される駆動電圧ＶｍはモータコイルＬを駆動するために用いられる。したがって、駆動電圧Ｖｍが高くなるに連れてモータの回転速度が速くなり、駆動電圧Ｖｍが低くなるに連れてモータの回転速度が遅くなる。

パルス生成回路２２は、駆動電圧Ｖｍが高くなるに連れて例えばＨレベルのデューティー比が高くなるパルス信号ＰＷＭを生成する。このパルス信号ＰＷＭはモータコイルＬを間欠駆動するためのものである。本実施形態では、モータコイルＬをパルス信号ＰＷＭに基づいて間欠駆動する場合、パルス信号ＰＷＭがＨレベルの期間にモータコイルＬが駆動されることとする。なお、パルス生成回路２２は、例えば、特開２００６−１７４６４８号公報に開示された基準電圧発生回路、三角波発生回路、及び比較回路を用いて実現することができる。

回転検出回路２４は、ホール素子３０から出力される電圧Ｖｈ１，Ｖｈ２に基づいて、モータが回転しているかどうかを検出し、検出信号ＤＥＴ（回転検出信号）を出力する。本実施形態では、モータが停止している状態では検出信号ＤＥＴがＨレベルとなり、モータの回転が検出されると検出信号ＤＥＴがＬレベルになることとする。なお、本実施形態ではホール素子３０から出力される電圧Ｖｈ１，Ｖｈ２に基づいてモータの回転を検出することとするが、ホール素子３０からの出力に限らず、モータの回転速度に応じた周波数となるＦＧ（Frequency Generator）信号等、モータの回転に応じて変化する信号を用いてモータの回転を検出することとしてもよい。

ＯＲ回路２６は、パルス生成回路２２から出力されるパルス信号ＰＷＭと、回転検出回路２４から出力される検出信号ＤＥＴとの論理和を駆動信号ＤＲＶとして出力する。モータが停止している状態からモータの回転が検出されるまでの期間は検出信号ＤＥＴがＨレベルであるため、その期間はパルス信号ＰＷＭにかかわらず、駆動信号ＤＲＶはＨレベルに維持される。モータの回転が検出されて検出信号ＤＥＴがＬレベルになると、駆動信号ＤＲＶはパルス信号ＰＷＭに応じて変化することとなる。

制御回路２８は、モータの回転位置に応じてＮＰＮトランジスタ１１，１４及びＮＰＮトランジスタ１２，１３を相補的にオンオフさせる。また、制御回路２８は、駆動信号ＤＲＶがＨレベルの期間にモータコイルＬが駆動電圧Ｖｍによって駆動されるよう、ＮＰＮトランジスタ１１〜１４を適宜オンオフさせる。したがって、駆動信号ＤＲＶがＨレベルで維持されている場合、モータコイルＬは駆動電圧Ｖｍによって駆動され続けることとなる。一方、駆動信号ＤＲＶがパルス信号ＰＷＭに応じて変化する場合、モータコイルＬは駆動電圧Ｖｍによって間欠駆動されることとなる。なお、モータコイルＬが駆動電圧Ｖｍによって駆動され続ける状態のことをフル駆動と称することとする。

なお、回転検出回路２４、ＯＲ回路２６、及び制御回路２８により構成される回路が本発明の駆動制御回路に相当し、ＯＲ回路２６及び制御回路２８により構成される回路が本発明の駆動回路に相当する。

図２は、回転検出回路２４の構成例を示す図である。回転検出回路２４は、コンパレータ４０、エッジ検出回路４２、カウンタ４４、及び検出信号出力回路４６を含んで構成されている。コンパレータ４０は電圧Ｖｈ１，Ｖｈ２の比較結果を出力する。本実施形態では、電圧Ｖｈ１が電圧Ｖｈ２より高い場合にコンパレータ４０の出力がＨレベルになり、電圧Ｖｈ１が電圧Ｖｈ２より低い場合にコンパレータ４０の出力がＬレベルになることとする。エッジ検出回路４２は、コンパレータ４０から出力される信号のエッジ、すなわち、ＬレベルからＨレベルへの変化及びＨレベルからＬレベルへの変化を検出し、エッジの検出に応じてパルスを出力する。カウンタ４４は、エッジ検出回路４２から出力されるパルスの数をカウントする。検出信号出力回路４６は、カウンタのカウント値が既定の値（例えば“４”）になると検出信号ＤＥＴをＬレベルに変化させる。なお、モータが停止している状態では、カウンタ４４のカウント値がゼロにリセットされるとともに、検出信号ＤＥＴがＨレベルにリセットされることとする。

モータ駆動回路１０において、モータが停止している状態から回転を開始する際の動作の一例について説明する。図３は、回転検出回路２４の動作の一例を示す図である。モータが停止している場合、ホール素子３０から出力される電圧Ｖｈ１，Ｖｈ２は変化せず、コンパレータ４０から出力される信号ＣＭＰも変化しない。本実施形態では、モータが停止している状態においてコンパレータ４０から出力される信号ＣＭＰはＨレベルになっていることとする。

マイコン３２からモータの目標回転速度を示す信号が入力されると、駆動電圧生成回路２０が目標回転速度に応じた駆動電圧Ｖｍを生成する。そして、パルス生成回路２２は、駆動電圧Ｖｍに応じたデューティーのパルス信号ＰＷＭを生成する。モータが停止している場合、カウンタ４４のカウント値がゼロにリセットされるとともに、検出信号出力回路４６から出力される検出信号ＤＥＴがＨレベルにリセットされている。そのため、ＯＲ回路２６から出力される駆動信号ＤＲＶはパルス信号ＰＷＭにかかわらずＨレベルに維持される。そのため、制御回路２８は、駆動電圧ＶｍによってモータコイルＬのフル駆動を開始する。フル駆動によってモータが回転し始めると、ホール素子３０から出力される電圧Ｖｈ１，Ｖｈ２がモータの回転に応じて変化し、コンパレータ４０から出力される信号ＣＭＰも変化する。そして、信号ＣＭＰの変化によってエッジ検出回路４２から信号ＥＤＧＥが出力され、カウンタ４４のカウント値が増加していく。

カウンタ４４のカウント値が既定の値（例えば“４”）に到達すると、モータが回転し始めたと判定され、検出信号出力回路４６から出力される検出信号ＤＥＴがＬレベルに変化する。検出信号ＤＥＴがＬレベルになると、ＯＲ回路２６から出力される駆動信号ＤＲＶはパルス信号ＰＷＭに応じて変化することとなり、モータコイルＬはパルス信号ＰＷＭに応じて間欠駆動されることとなる。すなわち、モータ駆動回路１０では、モータが回転し始めるまではフル駆動となり、モータが回転し始めた後は間欠駆動となる。

図４は、駆動電圧Ｖｍとモータの回転速度との関係の一例を示す図である。図４に示すように、駆動電圧Ｖｍが高くなるに連れて回転速度が速くなり、駆動電圧Ｖｍが低くなるに連れて回転速度が遅くなる。また、パルス信号ＰＷＭは駆動電圧Ｖｍが高くなるに連れてＨレベルのデューティー比が高くなるため、駆動電圧Ｖｍの変動範囲が同じ場合、フル駆動よりも間欠駆動の方が回転速度をより低速に制御することができる。なお、駆動電圧Ｖｍが最大レベル（Ｖｍａｘ）の場合におけるパルス信号ＰＷＭのＨレベルのデューティー比を１００％とすれば、間欠駆動の場合における最高回転速度はフル駆動の場合と同じとなり、冷却性能を維持することができる。

モータが回転している状態では、駆動電圧Ｖｍ及びパルス信号ＰＷＭのＨレベルのデューティー比を低下させていくことにより、モータの回転速度を遅くしていくことができる。そして、駆動電圧Ｖｍが最低レベル（Ｖｍｉｎ）に到達すると、モータの回転速度が最低速度Ｓｍｉｎとなる。一方、モータが停止している状態から回転速度Ｓｍｉｎで回転させ始めたい場合、駆動電圧ＶｍをＶｍｉｎとして間欠駆動を開始しても、コギング・トルクを超える起動トルクが得られない場合がある。換言すると、間欠駆動でモータを起動する場合、駆動電圧Ｖｍとして、Ｖｍｉｎより高いＶａが必要になる場合がある。このような場合であっても、本実施形態のモータ駆動回路１０では、モータが停止している状態から回転速度Ｓｍｉｎで回転させ始めたい場合、モータが回転し始めるまではフル駆動となるため、コギング・トルクを超える起動トルクを得ることが可能となり、モータの回転を開始させることができる。そして、モータが回転し始めた後は慣性の働きによって起動時ほどトルクが必要ではないため、モータ駆動回路１０ではフル駆動から間欠駆動に切り替わり、回転速度をＳｍｉｎに制御することができる。

以上、本実施形態のモータ駆動回路１０について説明した。モータが停止している状態から回転を開始する際は駆動電圧Ｖｍによってモータがフル駆動され、モータが回転を開始した後は、ＰＷＭ信号がＨレベルの期間、駆動電圧Ｖｍによってモータが駆動される。そのため、ＰＷＭ信号がＨレベルの期間のみの駆動ではモータを回転させ始めることができないような駆動電圧Ｖｍであってもモータを回転させ始めることが可能となり、ＰＷＭ信号がＨレベルの期間のみ駆動する場合と比較してモータをより低速で起動することができる。

そして、このようなモータ駆動回路１０を用いることにより、ノート型パーソナルコンピュータ等の電子機器において、プロセッサ等の発熱部品の発熱量が小さい場合においては、ファンの回転速度を十分低回転にすることが可能となり、電力消費量を抑制することができる。

なお、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。例えば、本実施形態では、モータを回転させ始める際の駆動割合を１００％、すなわちフル駆動としたが、モータを回転させ始める際の駆動割合（デューティー比）は１００％に限らず、パルス信号ＰＷＭのＨレベルのデューティー比よりも高い割合であればよい。例えば、Ｈレベルのデューティー比がパルス信号ＰＷＭよりも高いパルス信号を別途生成し、別途生成したパルス信号のＨレベルの期間に駆動電圧Ｖｍによってモータを駆動することとしてもよい。また、例えば、本実施形態では、モータ駆動回路１０を単相のファンモータの駆動用としたが、駆動対象のモータはファンモータに限られず、相数についても単相に限られない。

Claims (6)

1. モータの目標回転速度に応じた駆動電圧が高くなるに連れて一方の論理レベルのデューティー比が高くなるパルス信号を生成するパルス生成回路と、
   前記モータの回転に応じた回転信号に基づいて、前記モータが停止している状態から回転を開始する際は前記パルス信号の前記デューティー比より高いデューティー比で、前記駆動電圧が高くなるに連れて増加する駆動電流をモータコイルに供給し、前記モータが回転を開始した後は前記パルス信号が前記一方の論理レベルの期間、前記駆動電流を前記モータコイルに供給する駆動制御回路と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動回路。
2. 請求項１に記載のモータ駆動回路であって、
   前記駆動制御回路は、
   前記回転信号に基づいて、前記モータが回転を開始すると回転検出信号を出力する回転検出回路と、
   前記回転検出信号が出力されていない場合は、前記パルス信号の前記デューティー比より高いデューティー比で、前記駆動電流を前記モータコイルに供給し、前記回転検出信号が出力されている場合は、前記パルス信号が前記一方の論理レベルの期間、前記駆動電流を前記モータコイルに供給する駆動回路と、
   を含んで構成されることを特徴とするモータ駆動回路。
3. 請求項１または２に記載のモータ駆動回路であって、
   前記駆動制御回路は、
   前記回転信号に基づいて、前記モータが停止している状態から回転を開始する際は前記パルス信号にかかわらず前記駆動電流を前記モータコイルに供給し、前記モータが回転を開始した後は前記パルス信号が前記一方の論理レベルである期間、前記駆動電流を前記モータコイルに供給すること、
   を特徴とするモータ駆動回路。
4. ファンと、
   前記ファンを駆動するモータと、
   前記モータを駆動するモータ駆動回路と、
   を備え、
   前記モータ駆動回路は、
   前記モータの目標回転速度に応じた駆動電圧が高くなるに連れて一方の論理レベルのデューティー比が高くなるパルス信号を生成するパルス生成回路と、
   前記モータの回転に応じた回転信号に基づいて、前記モータが停止している状態から回転を開始する際は前記パルス信号の前記デューティー比より高いデューティー比で、前記駆動電圧が高くなるに連れて増加する駆動電流をモータコイルに供給し、前記モータが回転を開始した後は前記パルス信号が前記一方の論理レベルの期間、前記駆動電流を前記モータコイルに供給する駆動制御回路と、
   を含んで構成されることを特徴とするファンモータ。
5. ファンと、
   前記ファンを駆動するモータと、
   前記モータを駆動するモータ駆動回路と、
   前記ファンによって冷却される被冷却装置と、
   を備え、
   前記モータ駆動回路は、
   前記モータの目標回転速度に応じた駆動電圧が高くなるに連れて一方の論理レベルのデューティー比が高くなるパルス信号を生成するパルス生成回路と、
   前記モータの回転に応じた回転信号に基づいて、前記モータが停止している状態から回転を開始する際は前記パルス信号の前記デューティー比より高いデューティー比で、前記駆動電圧が高くなるに連れて増加する駆動電流をモータコイルに供給し、前記モータが回転を開始した後は前記パルス信号が前記一方の論理レベルの期間、前記駆動電流を前記モ ータコイルに供給する駆動制御回路と、
   を含んで構成されることを特徴とする電子機器。
6. ファンと、
   前記ファンを駆動するモータと、
   前記モータを駆動するモータ駆動回路と、
   前記ファンによって冷却されるプロセッサと、
   を備え、
   前記モータ駆動回路は、
   前記モータの目標回転速度に応じた駆動電圧が高くなるに連れて一方の論理レベルのデューティー比が高くなるパルス信号を生成するパルス生成回路と、
   前記モータの回転に応じた回転信号に基づいて、前記モータが停止している状態から回転を開始する際は前記パルス信号の前記デューティー比より高いデューティー比で、前記駆動電圧が高くなるに連れて増加する駆動電流をモータコイルに供給し、前記モータが回転を開始した後は前記パルス信号が前記一方の論理レベルの期間、前記駆動電流を前記モータコイルに供給する駆動制御回路と、
   を含んで構成されることを特徴とするノート型パーソナルコンピュータ。

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