JP4561705B2 - 電動モータ - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石と電磁コイルとを利用した電動モータに関する。

永久磁石と電磁コイルとを利用した電動モータとしては、例えば下記の特許文献１に記載されたものなどが知られている。

特開２００１−２９８９８２号公報

この従来技術の電動モータでは、デジタル磁気センサからのオン／オフ信号を用いて制御を行っている。具体的には、デジタル磁気センサのオン／オフ信号を用いて、電磁コイルへの印加電圧の極性反転のタイミングが決定されている。

しかし、デジタル磁気センサのオン／オフ信号を用いた従来の制御では、電動モータに矩形状の有効電圧が印加されるので、矩形状電圧波形のエッジ部分において効率が低下し、また、これによってかなりの振動や騒音が発生するという問題が生じていた。

本発明は、磁気センサの出力を利用して高効率なモータ制御を実現する技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による電動モータは、
複数の電磁コイルをそれぞれ有するＡ相コイル列及びＢ相コイル列と、
複数の永久磁石を有する磁石列と、
前記磁石列と前記Ａ相コイル列及びＢ相コイル列の相対位置に応じて、アナログ的変化を示す出力信号を出力するＡ相磁気センサ及びＢ相磁気センサと、
前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号のアナログ的変化を利用して、前記Ａ相コイル列及びＢ相コイル列への印加電圧を生成する駆動制御回路と、
前記電動モータの動作時における前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号が前記Ａ相コイル列及び前記Ｂ相コイル列に関してそれぞれ予め測定された逆起電力波形に一致するように、前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号の波形をそれぞれ補正する出力波形補正部と、
を備える、電動モータ。

この電動モータは、Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号が予め測定された逆起電力波形にそれぞれ一致するように補正を行う出力波形補正部を備えているので、駆動制御回路が、磁気センサの出力信号のアナログ的変化を利用して、Ａ相コイル列及びＢ相コイル列に対してそれぞれの逆起電力波形に応じた印加電圧を印加することができる。この結果、磁気センサの出力を利用して高効率なモータ制御を実現することが可能である。

前記出力波形補正部は、
前記磁気センサの出力信号のレベルを入力とし、前記出力信号の補正に使用される補正値を出力とするルックアップテーブルと、
前記ルックアップテーブルを参照し、前記補正値を用いて前記磁気センサの出力信号の補正を実行する補正実行部と、
を含むようにしてもよい。

あるいは、前記出力波形補正部は、
前記磁気センサの出力信号のレベルを引数とし、前記出力信号の補正に使用される補正値を関数値とする関数の係数を記憶する関数係数記憶部と、
前記関数係数を参照し、前記補正値を用いて前記磁気センサの出力信号の補正を実行する補正実行部と、
を含むようにしてもよい。

ルックアップテーブルや関数を利用すれば、磁気センサの出力信号を所定の波形形状に容易に補正することができる。

前記補正値は、前記磁気センサの出力信号のレベルと前記所定の波形形状を有する補正後の出力信号のレベルとの間の差分であるものとしてもよい。

この構成では、差分を元の信号レベルに加算することによって容易に所望の波形形状を得ることができる。

前記出力波形補正部は、更に、
前記補正実行部による補正の前に、前記磁気センサの出力信号のオフセット補正を実行するオフセット補正部を含むようにしてもよい。

この構成によれば、磁気センサに関する誤差によって磁気センサの出力信号にズレが生じている場合にも、そのズレを補正できる。従って、ズレ補正後の出力信号に基づいて所望の波形形状の出力信号を容易に得ることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電動モータ及びその制御方法、電動モータのセンサの補正方法及び装置、それらを用いたアクチュエータ等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．電動モータの構成：
B．駆動制御回路の構成と動作：
C．磁気センサ及び駆動制御回路の他の実施例：
D．変形例：

A．電動モータの構成：
図１（Ａ）は、本発明の一実施例としての電動モータのモータ本体の構成を示す断面図である。このモータ本体１００は、それぞれ略円盤状のステータ部１０及びロータ部３０を有している。ロータ部３０は、複数の磁石を有する磁石列３４Ｍを有しており、回転軸１１２に固定されている。磁石列３４Ｍの磁化方向は上下方向である。ステータ部１０は、ロータ部３０の上部に配置されたＡ相コイル列１４Ａと、ロータ部３０の下部に配置されたＢ相コイル列２４Ｂとを有している。

図１（Ｂ）〜（Ｄ）は、ステータ部１０の第１のコイル列１４Ａと、ロータ部３０と、ステータ部１０の第２のコイル列２４Ｂとを分離して示したものである。この例では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、それぞれ６つのコイルを有しており、磁石列３４Ｍも６つの磁石を有している。但し、コイルや磁石の数は任意の値に設定することが可能である。

図２（Ａ）は、コイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４Ｍの位置関係を示している。Ａ相コイル列１４Ａは支持部材１２Ａに固定されており、Ｂ相コイル列２４Ｂは支持部材２２Ｂに固定されている。Ａ相コイル列１４Ａは、逆方向に励磁される２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２が一定のピッチＰｃで交互に配置されたものである。図２（Ａ）の状態では、３つのコイル１４Ａ１は磁化方向（Ｎ極からＳ極に向く方向）が下向きになるように励磁されており、また、他の３つのコイル１４Ａ２は磁化方向が上向きになるように励磁されている。Ｂ相コイル列２４Ｂも、逆方向に励磁される２種類のコイル２４Ｂ１，２４Ｂ２が一定のピッチＰｃで交互に配置されたものである。なお、本明細書では、「コイルピッチＰｃ」は、Ａ相コイル列のコイル同士のピッチ、または、Ｂ相コイル列のコイル同士のピッチとして定義されている。

ロータ部３０の磁石列３４Ｍは、支持部材３２Ｍに固定されている。この磁石列３４Ｍの永久磁石は、磁化方向が磁石列３４Ｍの配列方向（図２（Ａ）の左右方向）とは垂直な方向に向くようにそれぞれ配置されている。磁石列３４Ｍの磁石は、一定の磁極ピッチＰｍで配置されている。この例では、磁極ピッチＰｍはコイルピッチＰｃに等しく、電気角でπに相当する。なお、電気角の２πは、コイル列に供給されるの駆動信号の位相が２πだけ変化したときに移動する機械的な角度又は距離に対応づけられる。本実施例では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの駆動信号の位相が２πだけ変化すると、磁石列３４ＭがコイルピッチＰｃの２倍だけ移動する。

なお、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、電気角で互いにπ／２だけ異なる位置に配置されている。Ａ相コイル１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂは、位置が異なるだけであり、他の点は実質的に同じ構成を有している。従って、以下では、コイル列に関する説明の際に特に必要な場合を除いてＡ相コイル列についてのみ説明する。

図２（Ｂ）は、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂに供給される交流駆動信号の波形の一例を示している。Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂには、二相交流信号がそれぞれ供給される。また、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの駆動信号の位相はπ／２だけ互いにずれている。図２（Ａ）の状態は、位相ゼロ（又は２π）の状態に相当する。

図２（Ａ）に示すように、モータ本体１００は、さらに、Ａ相コイル列１４Ａ用のアナログ磁気センサ１６Ａと、Ｂ相コイル列２４Ｂ用のアナログ磁気センサ２６Ｂとを有している。これらを以下では「Ａ相センサ」、「Ｂ相センサ」と呼ぶ。Ａ相センサ１６ＡはＡ相コイル列１４Ａの２つのコイルの間の中央の位置に配置されており、Ｂ相センサ２６ＢはＢ相コイル列２４Ｂの２つコイルの間の中央の位置に配置されている。本実施例では、これらのセンサ１６Ａ，２６Ｂのアナログ出力を利用して、図１（Ｂ）に示す交流駆動信号が生成される。これらのセンサ１６Ａ，２６Ｂとしては、例えばホール効果を利用したホールＩＣを採用することができる。

図３は、磁気センサの出力波形とコイルの逆起電力波形の例を示す説明図である。この例では、補正前のＡ相センサ出力ＳＳＡ０とＢ相センサ出力ＳＳＢ０は、いずれも逆起電力波形と若干異なる波形形状を有している。Ａ相コイルの逆起電力ＥcaとＢ相コイルの逆起電力Ｅcbの波形は、コイル形状や磁石とコイルとの位置関係にも依存するが、正弦波か、正弦波に近い波形となるのが普通である。

ところで、電動モータは、機械的エネルギと電気的エネルギとを相互に変換するエネルギ変換装置として機能するものである。そして、コイルの逆起電力は、電動モータの機械的エネルギが電気的エネルギに変換されたものである。従って、コイルに印加する電気的エネルギを機械的エネルギに変換する場合（すなわちモータを駆動する場合）には、逆起電力と同じ波形の電圧を印加することによって、最も効率良くモータを駆動することが可能である。なお、以下に説明するように、「逆起電力と同じ波形の電圧」は、逆起電力と逆向きの電流を発生する電圧を意味している。

図４は、コイルの印加電圧と逆起電力との関係を示す模式図である。ここで、コイルは逆起電力Ｅｃと抵抗とで模擬されている。また、この回路では、印加電圧Ｅ１及びコイルと並列に電圧計Ｖが接続されている。コイルに電圧Ｅ１を印加してモータを駆動すると、印加電圧Ｅ１と逆の電流を流す方向に逆起電力Ｅｃが発生する。モータが回転している状態でスイッチＳＷを開放すると、電圧計Ｖで逆起電力Ｅｃを測定することができる。スイッチＳＷを開放した状態で測定される逆起電力Ｅｃの極性は、スイッチＳＷを閉じた状態で測定される印加電圧Ｅ１と同じ極性である。上述の説明において「逆起電力と同じ波形の電圧を印加する」という文言は、このような電圧計Ｖで測定された逆起電力Ｅｃと同じ極性及び波形を有する電圧を印加することを意味している。

上述したように、モータを駆動する場合には、逆起電力と同じ波形の電圧を印加することによって、最も効率良くモータを駆動することが可能である。なお、正弦波状の逆起電力波形の中位点近傍（電圧０の近傍）ではエネルギ変換効率が比較的低く、反対に、逆起電力波形のピーク近傍ではエネルギ変換効率が比較的高いことが理解できる。逆起電力と同じ波形の電圧を印加してモータを駆動すると、エネルギ変換効率の高い期間において比較的高い電圧を印加することになるので、モータ効率が向上する。一方、例えば単純な矩形波でモータを駆動すると、逆起電力がほぼ０となる位置（中位点）の近傍においてもかなりの電圧が印加されるので、モータ効率が低下する。また、このようにエネルギ変換効率の低い期間において電圧を印加すると、振動や騒音が発生するという問題も生じる。

上述の説明から理解できるように、逆起電力と同じ波形の電圧を印加してモータを駆動すると、モータ効率を向上させることができ、また、振動や騒音を低減することができるという利点がある。

図５（Ａ），５（Ｂ）は、Ａ相コイル列１４Ａの２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２の結線方法を示す図である。図５（Ａ）の結線方法では、Ａ相コイル列１４Ａに含まれるすべてのコイルが、駆動制御回路３００に対して直列に接続されている。一方、図５（Ｂ）の結線方法では、一対のコイル１４Ａ１，１４Ａ２で構成される直列接続が、複数組並列に接続されている。このいずれの結線方法の場合にも、２種類のコイル１４Ａ１，１４Ａ２は、常に逆の極性に磁化される。

図６（Ａ）〜６（Ｄ）は、本実施例の電動モータの動作を示している。なお、この例では、コイル列１４Ａ，２４Ｂに対して磁石列３４Ｍが時間の経過とともに右に移動する様子が描かれている。これらの図の左右方向は、図１に示すロータ部３０の回転方向に相当することが理解できる。

図６（Ａ）は位相が２πの直前のタイミングの状態を示している。なお、コイルと磁石との間に描かれた実線の矢印は吸引力の方向を示しており、破線の矢印は反発力の方向を示している。この状態では、Ａ相コイル列１４Ａは磁石列３４Ｍに対して動作方向（図の右方向）の駆動力を与えておらず、磁石列３４ＭをＡ相コイル列１４Ａに引きつける方向に磁力が働いている。従って、位相が２πのタイミングでは、Ａ相コイル列１４Ａへの印加電圧をゼロにすることが好ましい。一方、Ｂ相コイル列２４Ｂは、磁石列３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。また、Ｂ相コイル列２４Ｂは磁石列３４Ｍに対して吸引力だけで無く反発力も与えているので、Ｂ相コイル列２４Ｂから磁石列３４Ｍに対する上下方向（磁石列３４Ｍの動作方向と垂直な方向）の正味の力はゼロである。従って、位相が２πのタイミングでは、Ｂ相コイル列２４Ｂへの印加電圧をピーク値にすることが好ましい。

図６（Ｂ）に示されているように、位相が２πのタイミングでＡ相コイル列１４Ａの極性が反転する。図６（Ｂ）は、位相がπ／４の状態であり、Ａ相コイル列１４Ａの極性が図６（Ａ）から反転している。この状態では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂが、磁石列３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。図６（Ｃ）は、位相がπ／２直前の状態である。この状態は、図６（Ａ）の状態とは逆に、Ａ相コイル列１４Ａのみが、磁石列３４Ｍに動作方向の駆動力を与えている。位相がπ／２のタイミングではＢ相コイル列２４Ｂの極性が反転し、図６（Ｄ）に示す極性となる。図６（Ｄ）は、位相が３π／４の状態である。この状態では、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂが、磁石列３４Ｍの動作方向に同じ駆動力を与えている。

図６（Ａ）〜６（Ｄ）から理解できるように、Ａ相コイル列１４Ａの極性は、Ａ相コイル列１４Ａの各コイルが磁石列３４Ｍの各磁石と対向するタイミングで切り換えられる。Ｂ相コイル列も同様である。この結果、すべてのコイルからほとんど常に駆動力を発生させ得るので、大きなトルクを発生することが可能である。

なお、位相がπ〜２πの期間は、図６（Ａ）〜６（Ｄ）とほぼ同様なので詳しい説明を省略する。但し、Ａ相コイル列１４Ａの極性は位相がπのタイミングで再び反転し、Ｂ相コイル列２４Ｂの極性は位相が３π／２のタイミングで再び反転する。

上述の説明から理解できるように、本実施例の電動モータは、コイル列１４Ａ，２４Ｂと磁石列３４Ｍとの間の吸引力と反発力を利用することによって、磁石列３４Ｍに対する動作方向の駆動力を得ている。特に、本実施例では、磁石列３４Ｍを挟んだ両側にコイル列１４Ａ，２４Ｂが配置されているので、磁石列３４Ｍの両側の磁束を駆動力の発生に利用することができる。従って、従来の電動モータのように、磁石の片側のみを駆動力の発生に利用する場合に比べて磁束の利用効率が高く、効率が良くトルクの大きなモータを実現することができる。但し、２つのコイル列１４Ａ，２４Ｂの一方を省略することも可能である。

なお、支持部材１２Ａ，２２Ｂ，３２Ｍは、非磁性体材料でそれぞれ形成されていることが好ましい。また、本実施例のモータ本体の各種の部材のうちで、コイルやセンサを含む電気配線と、磁石と、回転軸と、その軸受け部以外の部材は、すべて非磁性で非導電性の材料で形成されていることが好ましい。磁性体製のコアが設けないようにすれば、いわゆるコギングが発生せず、なめらかで安定した動作を実現することができる。また、磁気回路を構成するためのヨークを設けないようにすれば、いわゆる鉄損（渦電流損）が極めて少なく、効率の良いモータを実現することができる。

B．駆動制御回路の構成と動作：
図７は、本実施例のモータの駆動制御回路の構成を示すブロック図である。図７（Ａ）は、センサ波形のキャリブレーション時の構成を示し、図７（Ｂ）は、実用時の構成を示している。なお、「センサ波形のキャリブレーション」は、「センサの出力波形の補正」と同義語である。

図７（Ａ）に示すように、キャリブレーション時には、モータ本体１００の接続部９０（コネクタ）に、キャリブレーション用の駆動制御回路２００が接続される。この駆動制御回路２００は、電源回路２１０と、ＣＰＵ２２０と、Ｉ／Ｏインタフェース２３０と、ＰＷＭ制御部２４０と、ドライバ回路２５０と、通信部２６０と、電圧計２７０とを備えている。電源回路２１０は、駆動制御回路２００内の各回路と、モータ本体１００とに電源を供給する。ＣＰＵ２２０は、駆動制御回路２００内の各回路に設定値を設定することによって、駆動制御回路２００の動作を制御する。Ｉ／Ｏインタフェース２３０は、モータ本体１００から供給されるセンサ出力ＳＳＡ０，ＳＳＢ０を受信して、ＣＰＵ２２０に供給する機能を有している。ＣＰＵ２２０は、センサ出力ＳＳＡ０，ＳＳＢ０を、所望の波形形状（逆起電力波形又は正弦波）に補正するための補正データＤcorrectを決定する。この補正データＤcorrectの内容及びその決定方法については後述する。

ＰＷＭ制御部２４０は、コイル駆動用のＰＷＭ信号を生成する。ドライバ回路２５０は、コイルを駆動するためのブリッジ回路である。通信部２６０は、キャリブレーションによって決定された補正データＤcorrectをセンサ１６Ａ，２６Ｂに供給して記憶させる機能を有している。また、通信部２６０は、センサ１６Ａ，２６Ｂ内に記憶している補正データＤcorrectを外部装置に送信する機能も有している。なお、Ａ相センサ１６Ａ用の補正データとＢ相センサ２６Ｂ用の補正データとを区別するために、通信部２６０は、各センサのＩＤコード（識別信号）を補正データとともに送受信する。このようにＩＤコードを用いて補正データを送信すれば、１つの通信用バスを介して複数のセンサの補正データを互いに区別して送信することが可能である。

電圧計２７０は、Ａ相コイル列１４ＡとＢ相コイル列２４Ｂの逆起電力をそれぞれ測定することが可能である。この電圧計２７０は、図４で説明した接続関係で各コイル列に接続される。なお、電圧計２７０は、Ａ相コイル列とＢ相コイル列の逆起電力を同時に測定する必要は無く、測定対象のコイル列を切り換えて別個に測定すれば良い。後述するように、ＣＰＵ２２０は、電圧計２７０で測定された逆起電力の波形形状と、各磁気センサの出力波形とに基づいて、補正データＤcorrectを決定する。

図７（Ｂ）に示すように、モータの実用時には、モータ本体１００の接続部９０に、キャリブレーション時とは異なる駆動制御回路３００が接続される。この駆動制御回路３００は、キャリブレーション用の駆動制御回路２００から、通信部２６０と電圧計２７０を省略したものに相当する。

図８は、ドライバ回路２５０の内部構成を示している。Ａ相ドライバ回路２５２は、Ｈ型ブリッジ回路であり、交流駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２に応じてＡ相コイル列１４Ａを駆動する。なお、駆動信号を示すブロックの端子部分に付されている白丸は、負論理であり信号が反転していることを示している。また、符号ＩＡ１，ＩＡ２が付された矢印は、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２によって流れる電流方向をそれぞれ示している。Ｂ相ドライバ回路２５４の構成もＡ相ドライバ回路２５２の構成と同じであり、交流駆動信号ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２によって電流ＩＢ１，ＩＢ２が流れることが示されている。

図９は、本実施例で使用する磁気センサ１６Ａの内部構成を示すブロック図である。なお、Ａ相センサ１６ＡとＢ相センサ２６Ｂは同一の構成を有しているので、以下ではＡ相センサ１６Ａについてのみ説明する。

磁気センサ１６Ａは、磁気センサ素子４１０と、ＡＤ変換部４２０と、逆起電力変換部４３０と、記憶部４４０と、ＤＡ変換部４５０と、増幅器４６０と、ＩＤコード記録部４７０と、通信部４８０とを備えている。磁気センサ素子４１０は、例えばホール素子である。

通信部４８０は、キャリブレーション時（図７（Ａ））において、駆動制御回路２００と通信して、センサ出力の補正データＤcorrectを、センサＩＤと共に受け取る。センサ内部のＩＤコード記録部４７０には、センサ固有のＩＤが記録されているか、又は、外部スイッチによりＩＤが設定されている。図９の例では、ディップスイッチなどの外部スイッチ４７２を用いてＩＤを設定することが可能である。但し、ＩＤは、ディップスイッチ以外の種々の任意の手段でモータ内に記録又は設定することが可能である。例えば、外部スイッチ４７２を省略し、不揮発性メモリでＩＤコード記録部４７０を構成することも可能である。通信部４８０は、駆動制御回路２００から供給されたＩＤが、ＩＤコード記録部４７０のＩＤと一致する場合には、補正データＤcorrectを記憶部４４０に格納する。図９の例では、補正データＤcorrectは、変換テーブルＣＴの内容を表すデータであり、記憶部４４０には変換テーブルＣＴが格納される。逆起電力変換部４３０は、この変換テーブルＣＴを利用して、磁気センサ素子４１０の出力ＳＳＡ０の波形を補正する。具体的には、センサ出力が逆起電力波形を有するように補正を実行する。補正後のセンサ出力は、ＤＡ変換器４５０でアナログ信号に変換された後、増幅器４６０で増幅されて、センサ出力ＳＳＡとして出力される。

変換テーブルＣＴとしては、例えば以下のようなテーブルを使用することができる。
（１）補正前の出力ＳＳＡ０のレベルを入力とし、補正後の出力ＳＳＡのレベルを出力とする第１のルックアップテーブル。
（２）補正前の出力ＳＳＡ０のレベルを入力とし、補正前の出力ＳＳＡ０と補正後の出力ＳＳＡとの差分を出力とする第２のルックアップテーブル。
（３）補正前の出力ＳＳＡ０のレベルを引数とし、補正前の出力ＳＳＡ０と補正後の出力ＳＳＡとの比を出力とする第３のルックアップテーブル。

上記第１のルックアップテーブルを使用した場合には、変換部４３０は、第１のルックアップテーブルを参照することによって、補正後のセンサ出力を直接得ることができる。一方、上記第２のルックアップテーブルを使用した場合には、変換部４３０は、第２のルックアップテーブルを参照して得られた差分を、磁気センサ素子４１０の出力に加算することによって、補正後のセンサ出力を得ることができる。上記第３のルックアップテーブルを使用した場合には、変換部４３０は、第３のルックアップテーブルを参照して得られた比を、磁気センサ素子４１０の出力に乗算することによって、補正後のセンサ出力を得ることができる。なお、補正後の出力波形は、厳密な逆起電力波形でなくてもよく、例えば正弦波を利用することも可能である。

図１０は、センサ出力のキャリブレーション手順を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、キャリブレーション用の駆動制御回路２００をモータ本体１００に装着する（図７（Ａ））。ステップＳ２００では、Ａ相又はＢ相に関して、コイル列の逆起電力波形の測定と、磁気センサの出力波形の測定とを行う。ステップＳ３００では、これらの測定結果に応じてＣＰＵ２２０が補正データＤcorrectを決定し、センサ内の記憶部４４０（図９）に格納する。ステップＳ４００では、未処理のセンサが存在するか否かが判断され、未処理のセンサが存在する場合にはステップＳ２００に戻ってステップＳ２００，Ｓ３００の処理を繰り返す。なお、２番目以降のセンサに関してステップＳ２００の処理を行う場合には、逆起電力波形は測定済みなので、そのセンサの出力波形の測定のみを行えば良い。ステップＳ５００では、駆動制御回路を、実用時の回路３００（図７（Ｂ））に交換する。

なお、図９の回路要素４３０，４４０は、センサ１６Ａの出力波形を補正する出力波形補正部として機能することが理解できる。記憶部４４０は、不揮発性メモリで構成することが好ましい。ＰＷＭ制御部２４０（図７（Ｂ））は、この補正後のセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢの波形形状を利用して駆動信号を生成する。

図１１（Ａ）〜１１（Ｆ）は、センサ出力の波形とＰＷＭ制御部２４０で生成される駆動信号の波形の対応関係を示す説明図である。図１１（Ａ），１１（Ｂ）は、補正前のセンサ出力ＳＳＡ０，ＳＳＢ０を示しており、図１１（Ｃ），１１（Ｄ）は補正後のセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢを示している。補正後のセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢは、逆起電力Ｅca，Ｅcb（図３）と同じ波形形状を有している。図１１（Ｅ），１１（Ｆ）は、補正後のセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢを利用して生成された駆動信号を示している。図中、「Ｈｉｚ」はハイインピーダンス状態を意味している。Ａ相用の駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２はＡ相センサ出力ＳＳＡのアナログ波形を利用したＰＷＭ制御によって生成される。Ｂ相用の駆動信号ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２も同様である。従って、これらの駆動信号を用いて、Ａ相コイルとＢ相コイルに、センサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢの変化と対応するレベル変化を示す実効電圧を供給することが可能である。この結果、駆動信号の実効電圧の波形が逆起電力の波形と等価なものとなるので、効率が極めて向上し、騒音や振動の少ないモータを実現することが可能である。

C．磁気センサ及び駆動制御回路の他の実施例：
図１２は、磁気センサ１６Ａの他の構成を示すブロック図である。この磁気センサ１６Ａは、図９に示したセンサの逆起電力変換部４３０を関数演算部４３０ａに置き換えたものであり、他の構成は図９と同じである。記憶部４４０は、変換テーブルの代わりに関数係数を格納している。

関数演算部４３０ａは、磁気センサ素子４１０の出力ＳＳＡ０を特定の関数で補正することによって、逆起電力波形に補正する。この関数としては、例えば以下のような関数が利用可能である。
（１）補正前の出力ＳＳＡ０のレベルを引数（変数）とし、補正後の出力ＳＳＡのレベルを関数値とする第１の関数。
（２）補正前の出力ＳＳＡ０のレベルを引数（変数）とし、補正前の出力ＳＳＡ０と補正後の出力ＳＳＡとの差分を関数値とする第２の関数。
（３）補正前の出力ＳＳＡ０のレベルを引数（変数）とし、補正前の出力ＳＳＡ０と補正後の出力ＳＳＡとの比を関数値とする第３の関数。

なお、関数としては、例えば、補正前の出力ＳＳＡ０のレベルｘの多項式ｆ（ｘ）を使用することができる。記憶部４４０に格納されている関数係数は、このような特定の関数ｆ（ｘ）の係数である。図１２の構成によっても、図９と同様に、センサ素子の出力を所望の波形形状に容易に補正することが可能である。

図１３は、本発明の他の実施例における磁気センサと駆動信号生成回路の構成を示すブロック図である。この実施例では、磁気センサ１６Ａ，２６Ｂは、磁気センサ素子のみを含んでおり、図９に示した磁気センサ内の他の回路要素４２０〜４８０は磁気センサ内には含まれていない。駆動信号生成回路６００は、増幅器６１０，６２０と、ＡＤ変換部６１２，６２２と、逆起電力変換部６１４，６２４と、ＰＷＭ制御部２４０と、記憶部６６０と、通信部６７０とを有している。逆起電力変換部６１４，６２４は、図９に示した逆起電力変換部４３０と同じものである。記憶部６６０は、Ａ相センサ１６ＡとＢ相センサ２６Ｂの両方に関する変換テーブルＣＴａ，ＣＴｂを、それぞれのＩＤコードと関連付けて記憶している。ＰＷＭ制御部２４０は、図７（Ｂ）に示したものと同じである。通信部６７０は、Ｉ／Ｏインタフェース２３０を介してＣＰＵ２２０と接続されている。キャリブレーション時には、センサ１６Ａ，２６Ｂの出力が増幅器６１０，６２０で増幅され、ＡＤ変換部２３２でデジタル信号に変換された後に、Ｉ／Ｏインタフェース２３０を介してＣＰＵ２２０に供給される。

なお、図１３の回路構成では、例えば駆動信号生成回路６００とドライバ回路２５０をモータ本体内に設置し、ＣＰＵ２２０とＩ／Ｏインタフェース２３０とＡＤ変換部２３２とを備える回路をモータ本体の接続部９０（図７（Ｂ））に接続するように構成することができる。このような回路構成を採用しても、上記実施例と同様に、センサの出力波形を補正してモータを高効率で運転することが可能である。

図１４は、磁気センサ１６Ａのさらに他の構成を示すブロック図である。この磁気センサ１６Ａは、図９に示したセンサの構成に、オフセット補正回路４２２とゲイン補正回路４２４を追加したものであり、他の構成は図９と同じである。オフセット補正回路４２２は、逆起電力波形への変換の前に、センサ出力のオフセット（ズレ）を補正する機能を有している。ゲイン補正回路４２４は、センサ出力の最大値を所定の許容範囲に収める機能を有している。記憶部４４０は、変換テーブルＣＴに加えて、オフセット値とゲイン補正値を格納している。

図１５は、センサ出力のオフセット補正の内容を示す説明図である。図１５（Ａ）は、ズレの無い出力波形ＳＳidealを示している。図１５（Ｂ）は、ズレの無いセンサ出力ＳＳidealよりも上側にシフトしたセンサ出力ＳＳupと、下側にシフトしたセンサ出力ＳＳdownの例を示している。このような場合には、シフトしているセンサ出力（例えばＳＳup）に上下オフセットＰoffset1を加えることによって、ズレの無いセンサ出力ＳＳidealに近い波形に補正することができる。この補正は、例えば、出力波形の中位点（出力レベルの中央値を取る位置）が、センサの出力電圧レンジ（ＧＮＤ〜ＶＤＤ）の中央値ＶＤＤ／２から、所定の許容範囲内に収まるように実行される。

図１５（Ｃ）は、ズレの無いセンサ出力ＳＳidealよりも右側にシフトしたセンサ出力波形ＳＳrigntと、左側にシフトしたセンサ出力ＳＳleftの例を示している。このような場合には、シフトしているセンサ出力（例えばＳＳright）に左右オフセットＰoffset2を加えることによって、ズレの無いセンサ出力ＳＳidealに近い波形に補正することができる。この補正は、出力波形の中位点（出力レベルの中央値を取る位置）の位相が、センサの出力電圧レンジ（ＧＮＤ〜ＶＤＤ）が中央値ＶＤＤ／２を取る位置の位相から、所定の許容範囲内に収まるように実行される。なお、センサ出力が左右方向にオフセットしているか否かは、モータのロータ部を所定の規定位置（出力波形の中位点となるべき位置）に停止させて、センサ出力がセンサの出力電圧レンジの中央値ＶＤＤ／２となっているか否かを調べることによって判定することができる。

このように、オフセットとしては上下オフセットＰoffset1と左右オフセットＰoffset2との両方を補正可能である。但し、これらの２つのオフセットのうちの一方のみを補正するようにしても実用上は十分な場合が多い。そこで、後述する手順では、２種類のオフセットのうちで上下オフセットＰoffset1のみを補正する場合を説明する。

図１６は、センサ出力のゲイン補正の内容を示す説明図である。図１６（Ａ）は、センサ出力の望ましい出力波形ＳＳidealを示しており、これは図１５（Ａ）と同じものである。図１６（Ｂ）は、望ましいセンサ出力ＳＳidealよりもピークの小さなセンサ出力波形ＳＳsmallの例を示している。この場合には、センサ出力ＳＳsmallに１よりも大きなゲインＰgainを乗じることによって、望ましいセンサ出力ＳＳidealに近い波形に補正することができる。より具体的に言えば、このゲイン補正は、補正後のセンサ出力のピーク値が、所定の許容範囲に収まるように実行される。図１６（Ｃ）は、望ましいセンサ出力ＳＳidealよりもピークの大きなセンサ出力波形ＳＳlargeの例を示している。なお、この出力波形ＳＳlargeでは、電圧範囲の最大値ＶＤＤ（電源電圧）を超えるところはＶＤＤに止まるので、一点鎖線で示すようにピーク部分が扁平になった波形が観察される。この場合には、センサ出力ＳＳlargeに１よりも小さなゲインＰgainを乗じることによって、望ましいセンサ出力ＳＳidealに近い波形に補正することができる。

図１７は、キャリブレーション時のオフセット補正の詳細手順を示すフローチャートである。なお、以下ではＡ相センサのオフセット補正を説明するが、Ｂ相センサについても同じ補正が行われる。なお、１つの磁気センサについてオフセット補正が行われる際には、ＣＰＵ２２０によって、補正対象となる磁気センサのＩＤが最初に指定され、指定された磁気センサに関して補正処理が開始される。オフセット補正は、図１０の逆起電力波形に関する補正データの決定の前（すなわちステップＳ２００の前）に実行される。

ステップＳ２１０では、ロータ部３０（図１）を回転させて、磁石のＳ極とＮ極との境界位置で磁気センサ１６Ａを停止させる。この操作は、例えば、モータ本体の蓋を開けて手動で行うことができる。ステップＳ２２０では、オフセットＰoffsetの初期値を駆動制御回路２００から磁気センサ１６Ａに送信し、磁気センサ１６Ａ内の記憶部４４０（図１４）内に記憶させる。なお、オフセットＰoffsetの初期値としては、任意の値を使用することができる。但し、オフセット補正によってオフセットＰoffsetを増加したり減少したりできるように、その初期値を０でない正の値に設定しておくことが好ましい。

ステップＳ２３０では、磁気センサ１６Ａが出力する出力信号ＳＳＡ０の電圧Ｅbcを測定する。ステップＳ２４０では、測定された電圧Ｅbcが許容範囲の最小値Ｅ１min（図１５（Ｂ）参照）以上であるか否かが判定される。電圧Ｅbcが許容範囲の最小値Ｅ１minよりも小さい場合には電圧Ｅbcが許容範囲外にあるので、ステップＳ２５０に移行して、オフセット値Ｐoffsetを１つ加算し、ステップＳ２８０で磁気センサ１６Ａにオフセット値Ｐoffsetを書き込む。一方、ステップＳ２４０において電圧Ｅbcが許容範囲の最小値Ｅ１min以上の場合には、ステップＳ２６０において、電圧Ｅbcが許容範囲の最大値Ｅ１max以下であるか否かがさらに判定される。電圧Ｅbcが許容範囲の最大値Ｅ１maxよりも大きい場合には電圧Ｅbcが許容範囲外にあるので、ステップＳ２７０に移行して、オフセット値Ｐoffsetを１つ減算し、ステップＳ２８０で磁気センサ１６Ａにオフセット値Ｐoffsetを書き込む。一方、ステップＳ２６０において電圧Ｅbcが許容範囲の最大値Ｅ１max以下である場合には、電圧Ｅbcが許容範囲内に収まっているので、図１７の処理を終了する。

図１８は、ゲイン補正の詳細手順を示すフローチャートである。ゲイン補正についても、Ａ相センサの補正のみを説明する。なお、１つの磁気センサについてゲイン補正が行われる際には、ＣＰＵ２２０によって、補正対象となる磁気センサのＩＤが最初に指定され、指定された磁気センサの補正処理が開始される。このゲイン補正は、オフセット補正の後であって、逆起電力波形に関する補正データの決定前に実行される。

ステップＳ３１０では、ロータ部３０（図１）を回転させて、磁石のＳ極又はＮ極と正対する位置で磁気センサ１６Ａを停止させる。この位置は、磁気センサ１６Ａの磁束密度が最大となる位置である。この操作は、例えばモータ本体の蓋を開けて手動で行うことができる。ステップＳ３２０では、ゲインＰgainの初期値を駆動制御回路２００から磁気センサ１６Ａに送信し、磁気センサ１６Ａ内の記憶部４５０（図１４）内に記憶させる。なお、ゲインＰgainの初期値としては、任意の値を使用することができるが、０でない正の値に設定しておくことが好ましい。

ステップＳ３３０では、磁気センサ１６Ａの出力信号ＳＳＡ０の電圧Ｅbmを測定する。ステップＳ３４０では、測定された電圧Ｅbmが許容範囲の最小値Ｅ２min（図１６（Ｂ）参照）以上であるか否かが判定される。電圧Ｅbmが許容範囲の最小値Ｅ２minよりも小さい場合には電圧Ｅbmが許容範囲外にあるので、ステップＳ３５０に移行して、ゲイン値Ｐgainを１つ加算し、ステップＳ３８０で磁気センサ１６Ａにゲイン値Ｐgainを書き込む。一方、ステップＳ３４０において電圧Ｅbmが許容範囲の最小値Ｅ２min以上の場合には、ステップＳ３６０において、電圧Ｅbmが許容範囲の最大値Ｅ２max以下であるか否かがさらに判定される。電圧Ｅbmが許容範囲の最大値Ｅ２maxよりも大きい場合には電圧Ｅbmが許容範囲外にあるので、ステップＳ３７０に移行して、ゲイン値Ｐgainを１つ減算し、ステップＳ３８０で磁気センサ１６Ａにゲイン値Ｐgainを書き込む。一方、ステップＳ３６０において電圧Ｅbmが許容範囲の最大値Ｅ２max以下である場合には、電圧Ｅbmが許容範囲内に収まっているので、図１８の処理を終了する。

なお、ゲイン補正時の許容範囲の最大値Ｅ２maxとしては、センサ出力が取りうる最大値（すなわち電源電圧ＶＤＤ）よりも若干小さい値が好ましい。この理由は、センサ出力の電圧は電源電圧ＶＤＤよりも大きく成り得ないので、許容範囲の最大値Ｅ２maxを電源電圧ＶＤＤに設定すると、補正前のセンサ出力ＳＳＡのピークが、図１６（Ｃ）に一点鎖線で示すようにつぶれているか否かを判定できない可能性があるからである。

オフセット補正回路４２２とゲイン補正回路４２４（図１４）は、こうして決定されたオフセット値とゲイン値を用いて、磁気センサ素子４１０の出力ＳＳＡ０のズレとゲインを補正する。図１４の逆起電力変換部４３０は、オフセット及びゲイン補正後の出力を用いて逆起電力波形への変換を実行するので、より正確な逆起電力波形を有する出力信号ＳＳＡを得ることが可能である。但し、オフセット補正とゲイン補正の一方又は両方を省略してもよい。

なお、センサ出力にオフセット補正とゲイン補正とを行う場合には、図１０のステップＳ２００においてセンサ波形を改めて測定しなくてもよく、また、逆起電力波形は１回測定すれば良い。なお、各センサの出力に対してオフセット補正とゲイン補正とを行えば、各センサの出力波形はほぼ同じ波形を有していると考えることができる。従って、この補正後のセンサ波形を逆起電力波形に補正するための１つの変換テーブルをすべてのセンサに対して共通に使用することも可能である。この場合には、図１０のステップＳ２００を省略し、ステップＳ３００，Ｓ４００の繰り返し処理を開始する前に、逆起電力を１回測定しておけばよい。

D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

D１．変形例１：
上記実施例ではアナログ磁気センサを利用していたが、アナログ磁気センサの代わりに、多値のアナログ的出力を有するデジタル磁気センサを使用してもよい。アナログ磁気センサも多値出力を有するデジタル磁気センサも、アナログ的変化を示す出力信号を有する点で共通している。なお、本明細書において、「アナログ的変化を示す出力信号」とは、オン／オフの２値出力ではなく、３値以上の多数レベルを有するデジタル出力信号と、アナログ出力信号との両方を包含する広い意味で使用されている。

D２．変形例２：
上記実施例では、キャリブレーション時の駆動制御回路と実用時の駆動制御回路をそれぞれ用いていたが、この代わりに、キャリブレーション時にも実用時の駆動制御回路をそのまま使用し、キャリブレーション用の回路を接続部９０に接続するようにしてもよい。このキャリブレーション用の回路としては、センサの出力波形の補正値をモータ内に登録する機能を有する任意の回路を利用することができる。

D３．変形例３：
ＰＷＭ回路としては、種々の回路構成を採用することが可能である。例えば、センサ出力と基準三角波とを比較することによってＰＷＭ制御を行う回路を利用してもよい。この場合には、ＰＷＭ制御時において、望ましい印加電圧に応じてセンサ出力のゲインが調整されるが、このゲイン調整は、上述したセンサ波形の補正とは異なるものである。換言すれば、上述したセンサ波形の補正は、望ましい印加電圧のレベルに拘わらず、センサ出力を所望の波形に整形するための補正である。

なお、ＰＷＭ制御部２４０の代わりにＤＡ変換器とアナログ増幅器を使用し、補正後のセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢを増幅することによって、駆動信号を生成することも可能である。

D４．変形例４：
上記実施例では、６極２相のブラシレスＤＣモータを説明したが、本発明はこれ以外の種々の電動モータに適用可能である。例えば、極数と相数としては、それぞれ任意の整数を採用することができる。

実施例における電動モータのモータ本体の構成を示す断面図である。 実施例におけるコイル列と磁石列の位置関係を示す説明図である。 磁気センサの出力波形とコイルの逆起電力波形を示す説明図である。 コイルの印加電圧と逆起電力との関係を示す模式図である。 コイルの結線方法を示す説明図である。 実施例における電動モータの動作原理を示す説明図である。 実施例のモータの駆動制御回路の構成を示すブロック図である。 ドライバ回路の内部構成を示す図である。 磁気センサの内部構成を示すブロック図である。 センサ出力のキャリブレーション手順を示すフローチャートである。 センサ出力波形と駆動信号波形の対応関係を示す説明図である。 磁気センサの他の構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施例における磁気センサと駆動信号生成回路の他の実施例を示すブロック図である。 磁気センサのさらに他の構成を示すブロック図である。 センサ出力のオフセット補正の内容を示す説明図である。 センサ出力のゲイン補正の内容を示す説明図である。 オフセット補正の手順を示すフローチャートである。 ゲイン補正の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…ステータ部
１２Ａ…支持部材
１４Ａ…Ａ相コイル列
１６Ａ…Ａ相センサ（アナログ磁気センサ）
２２Ｂ…支持部材
２４Ｂ…Ｂ相コイル列
２６Ｂ…Ｂ相センサ（アナログ磁気センサ）
３０…ロータ部
３２Ｍ…支持部材
３４Ｍ…磁石列
９０…接続部
１００…モータ本体
１１２…回転軸
２００…駆動制御回路（キャリブレーション時）
２１０…電源回路
２２０…ＣＰＵ
２３０…Ｉ／Ｏインタフェース
２３２…ＡＤ変換部
２４０…ＰＷＭ制御部
２５０…ドライバ回路
２５２…Ａ相ドライバ回路
２５４…Ｂ相ドライバ回路
２６０…通信部
２７０…電圧計
３００…駆動制御回路（実用時）
４１０…磁気センサ素子
４２０…ＡＤ変換部
４２２…オフセット補正回路
４２４…ゲイン補正回路
４３０…逆起電力変換部
４３０ａ…関数演算部
４４０…記憶部
４５０…ＤＡ変換部
４６０…増幅器
４７０…ＩＤコード記録部
４８０…通信部
６００…駆動信号生成回路
６１０，６２０…増幅器
６１２，６２２…ＡＤ変換部
６１４，６２４…逆起電力変換部
６６０…記憶部
６７０…通信部

Claims (6)

1. 電動モータであって、
   複数の電磁コイルをそれぞれ有するＡ相コイル列及びＢ相コイル列と、
   複数の永久磁石を有する磁石列と、
   前記磁石列と前記Ａ相コイル列及びＢ相コイル列の相対位置に応じて、アナログ的変化を示す出力信号を出力するＡ相磁気センサ及びＢ相磁気センサと、
   前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号のアナログ的変化を利用して、前記Ａ相コイル列及びＢ相コイル列への印加電圧を生成する駆動制御回路と、
   前記電動モータの動作時における前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号が前記Ａ相コイル列及び前記Ｂ相コイル列に関してそれぞれ予め測定された逆起電力波形に一致するように、前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号の波形をそれぞれ補正する出力波形補正部と、
   を備える、電動モータ。
2. 請求項１記載の電動モータであって、
   前記出力波形補正部は、
   前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号のレベルを入力とし、前記出力信号の補正に使用される補正値を出力とするルックアップテーブルと、
   前記ルックアップテーブルを参照し、前記補正値を用いて前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号の補正を実行する補正実行部と、
   を含む、電動モータ。
3. 請求項１記載の電動モータであって、
   前記出力波形補正部は、
   前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号のレベルを引数とし、前記出力信号の補正に使用される補正値を関数値とする関数の係数を記憶する関数係数記憶部と、
   前記関数係数を参照し、前記補正値を用いて前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号の補正を実行する補正実行部と、
   を含む、電動モータ。
4. 請求項２又は３記載の電動モータであって、
   前記補正値は、前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号のレベルと前記予め測定された逆起電力波形を有する補正後の出力信号のレベルとの間の差分である、電動モータ。
5. 請求項２ないし４のいずれかに記載の電動モータであって、
   前記出力波形補正部は、更に、
   前記補正実行部による補正の前に、前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号のオフセット補正を実行するオフセット補正部を含む、電動モータ。
6. 複数の電磁コイルをそれぞれ有するＡ相コイル列及びＢ相コイル列と、複数の永久磁石を有する磁石列と、前記磁石列と前記Ａ相コイル列及びＢ相コイル列の相対位置に応じてアナログ的変化を示す出力信号を出力するＡ相磁気センサ及びＢ相磁気センサとを有する電動モータにおいて、前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号の波形を補正する方法であって、
   前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号のレベルを測定する工程と、
   前記Ａ相コイル列及び前記Ｂ相コイル列の逆起電力波形をそれぞれ測定する工程と、
   前記電動モータの動作時において前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号が前記予め測定された逆起電力波形に一致するように、前記Ａ相磁気センサ及びＢ相磁気センサの出力信号の波形をそれぞれ補正する工程と、
   を備える方法。

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