JP5104241B2

JP5104241B2 - ブラシレスモータ

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Publication number: JP5104241B2
Application number: JP2007295195A
Authority: JP
Inventors: 勇 ▲瀬▼下
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2027-11-14
Also published as: JP2009124834A; US20090121663A1; US8067910B2

Description

本発明は、モータの回転位置検出用の整流子が不要なブラシレスモータに関する。

保守やスパークの問題から、整流子であるブラシを半導体スイッチで置き換えたブラシレスモータが用いられている。ブラシレスモータの中でも、モータの回転位置検出用のエンコーダやホール効果を利用したセンサが不要なものが知られている。
図１１にその一例を示した。図１１は従来のモータ駆動部およびモータ駆動回路のブロック図である。
図１１において、ブラシレスモータ（無整流子直流電動機）１は、モータ駆動部２と駆動回路３とを備えている。駆動回路３は、誘起電圧検出部（逆起電力検出手段）４と位相シフト部（パルス遅延手段）５と駆動パルス発生ロジック部（論理パルス発生手段）６とスイッチング回路部（固定子巻線電力供給手段）７とを備えている。
誘起電圧検出部４はモータ駆動部２の各駆動コイル（固定子巻線）２ａの非通電区間に発生する誘起電圧を検出し、各相の誘起電圧波形のゼロクロス点のタイミングをパルス列にして出力する。位相シフト部５は，誘起電圧検出部４からの出力パルス列を各駆動コイル２ａに通電するタイミングに位相をずらし、駆動パルス発生ロジック部６は前記位相シフト部からの出力パルス列を基に、駆動コイル２ａ各相の駆動パルスを生成し、スイッチング回路部７は前記駆動パルスに基づいて、各駆動コイル２ａに駆動電圧を適宜供給する（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−２３０７９１号公報（第３〜第４項、図１）

しかしながら、センサを用いずに誘起電圧を利用するブラシレスモータでは、単相全波駆動等コイルに非通電区間が生じない場合には、適用が困難である。また、ゼロクロス点の検出や位相シフト等の演算部分を含むため、駆動システムの複雑化と、それに伴う設計コストの増加という問題点を有している。さらに、誘起電圧から非通電区間のゼロクロス点のみを検出する方法では、正弦波に近い誘起電圧波形を有効に利用することができないという問題点を有している。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
永久磁石と、前記永久磁石に対し、相対的に移動する駆動コイルと、前記永久磁石に対して、前記駆動コイルに生じる駆動コイル誘起電圧と同位相の誘起電圧が発生するように配置されたセンサコイルと、前記センサコイルに生じるセンサコイル誘起電圧と同位相の駆動電圧を、前記駆動コイルに印加する駆動回路とを備えていることを特徴とするブラシレスモータ。

この適用例によれば、駆動コイルとセンサコイルが同位相の誘起電圧を発生するように配置されているので、駆動コイルに印加されなければならない駆動電圧と同位相の信号が、センサコイル誘起電圧から取得できる。センサコイル誘起電圧を利用することで、従来方法で必要であった位相シフト部を省略できる。また、センサコイルは常に非通電状態であるため、従来方法で必要であった誘起電圧検出部のゼロクロス点の検出を省略できる。さらに、正弦波に近いセンサコイル誘起電圧の波形を、駆動回路を通して駆動コイルへの駆動電圧に反映させることが可能となるため、矩形波駆動に比べて高効率・低振動・低騒音を実現できる。

［適用例２］
上記ブラシレスモータであって、前記駆動コイルの駆動方式は、ａ相（ａ≧１）駆動方式で、ｂ極（ｂ≧ａ）の前記駆動コイルを通電し、ｃ極（ｂ≧ｃ≧ａ）の前記センサコイルは、ａ種類の前記センサコイル誘起電圧を発生し、前記センサコイルは、ａ種類の前記センサコイル誘起電圧が前記駆動コイルに発生するａ種類の前記駆動コイル誘起電圧と各々同位相になるように配置され、前記駆動回路は、前記センサコイル誘起電圧と前記駆動コイル誘起電圧との各々が同位相になる組合せで、前記センサコイル誘起電圧と同位相の前記駆動電圧を前記駆動コイルに印加することを特徴とするブラシレスモータ。
この適用例では、多相の駆動方式においても、相数に応じて各相で駆動される駆動コイルに発生する駆動コイル誘起電圧とセンサコイル誘起電圧とが同位相になるようにセンサコイルが配置されているので、前述と同様の効果が得られる。

［適用例３］
上記ブラシレスモータであって、前記永久磁石の有する極数が、前記センサコイルの有する極数の２倍であることを特徴とするブラシレスモータ。
この適用例では、センサコイルの各極に永久磁石の極が一対一で対応するので、よりセンサコイル誘起電圧が滑らかになり、より高効率・低振動・低騒音を実現できる。

［適用例４］
上記ブラシレスモータであって、前記駆動回路は、前記センサコイル誘起電圧と同位相で略同波形の前記駆動電圧を前記駆動コイルに印加することを特徴とするブラシレスモータ。
この適用例では、駆動コイルとセンサコイルの誘起電圧は同位相で同等形状であるため、センサコイル誘起電圧の波形を、駆動回路を通して駆動コイルへの駆動電圧に反映させることで、駆動コイルに適した駆動電圧を印加することが可能になり、矩形波駆動に比べてより、高効率・低振動・低騒音を実現できる。

［適用例５］
上記ブラシレスモータであって、前記駆動回路は、前記センサコイル誘起電圧をパルス幅変調制御するパルス幅変調手段を備えていることを特徴とするブラシレスモータ。
この適用例では、正弦波に近いセンサコイルの誘起電圧の波形を、ＰＷＭ制御することで、矩形波駆動に比べてより高効率・低振動・低騒音を実現できる。

［適用例６］
上記ブラシレスモータであって、前記センサコイルの極数が、前記駆動コイルの極数より少ないことを特徴とするブラシレスモータ。
この適用例では、前述の効果に加え、センサコイルを減らした分、電磁ヨークや巻線材等の材料を減らし、コストダウンが可能である。

［適用例７］
上記ブラシレスモータであって、前記センサコイルの巻き数が、前記駆動コイルの巻き数より少ないことを特徴とするブラシレスモータ。
この適用例では、前述の効果に加え、センサコイルの巻き数を減らした分、巻線材等の材料を減らし、コストダウンが可能である。

なお、上記の適用例の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。したがって、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１に本実施形態のブラシレスモータ１０のモータ駆動部２０の概略図を、図２にモータ駆動部２０および駆動回路であるモータ駆動回路３０のブロック図を示した。
図１において、モータ駆動部２０は、固定子２１と回転子２２とを備えている。回転子２２は固定子２１を取り囲むように配置され、固定子２１の外側を回転子２２が回転するアウターロータ型のモータである。
なお、本実施形態では、アウターロータ型モータで説明を行っているが、インナーロータ型モータ、平面ロータ型モータ等でも適用できる。また、主に単相全波駆動で説明を行っているが、多相駆動の場合にも適用できる。

固定子２１は、駆動コイル２３とセンサコイル２４とを備えている。駆動コイル２３の極数とセンサコイル２４の極数は同極数である。また、回転子２２は、駆動コイル２３の極数の２倍の極数を有する永久磁石２５を備えている。ここで、駆動コイル２３およびセンサコイル２４は、永久磁石２５に対し相対的に移動する。
また、永久磁石２５に対し、センサコイル２４は、駆動コイル２３に発生する駆動コイル誘起電圧と同位相のセンサコイル誘起電圧を発生するように配置されている。

以下に、ブラシレスモータ１０の駆動について説明する。
図１および図２において、駆動コイル２３はモータ駆動回路３０によって単相全波で双方向通電され、センサコイル２４は、センサコイル２４と永久磁石２５との相対的な移動によって誘起したセンサコイル誘起電圧、例えば、正弦波状出力を生成する。

図２において、モータ駆動回路３０は、誘起電圧検出部４０、電圧レベル変換部５０、駆動パルス発生ロジック部６０およびスイッチング回路部７０を備えている。
誘起電圧検出部４０は、センサコイル２４の発生する誘起電圧に対して、フィルタリング等により必要な電圧を検出し、検出信号を出力する。

電圧レベル変換部５０は、誘起電圧検出部４０から出力された検出信号の電圧レベルを駆動パルス発生ロジックに合わせて適宜変換する。図３に電圧レベル変換部５０のブロック図の一例を示した。
まず、誘起電圧検出部４０からの検出信号は、整流部５２で整流される。続いて、整流された検出信号は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５３ａにより平滑化される。さらに、平滑化された検出信号と駆動パルス発生ロジック部６０の構成に合わせて設定された基準電圧とは、コンパレータ５４で比較される。再度、ローパスフィルタ５３ｂで平滑化された検出信号は積分部５５で積分される。可変ゲインアンプ（ＶＧＡ）５６は、積分部５５から出力された電圧レベルに基づいて検出信号の電圧レベルを調整して出力する。

駆動パルス発生ロジック部６０は、変換された信号を基にして、ブラシレスモータ１０を駆動する駆動パルスを発生させる。
なお、駆動パルス発生ロジック部６０がパルス幅変調（ＰＷＭ）手段６２を有している場合には、正弦波に近い誘起電圧の波形形状が利用可能となる。
図４にパルス幅変調手段６２の概念図を一例として示した。基準となる三角波と電圧レベル変換部５０からの出力である入力信号とをコンパレートし、ＰＷＭ信号を発生させることが可能である。

スイッチング回路部７０は、駆動パルス発生ロジック部６０から出力された駆動パルスに基づいて、駆動コイル２３に適宜駆動電圧を供給する。図５はスイッチング回路部７０の回路図の一例を示している。
図５において、駆動パルス発生ロジック部６０からの出力に応じてトランジスタ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄがＯＮ／ＯＦＦされ単相全波駆動を実現する。
トランジスタ７１ｃとトランジスタ７１ｂがＯＮ、トランジスタ７１ａとトランジスタ７１ｄがＯＦＦの場合、駆動コイル２３にＩ₁の向きに電流が流れ、逆にトランジスタ７１ａとトランジスタ７１ｄがＯＮ、トランジスタ７１ｂとトランジスタ７１ｃがＯＦＦの場合、駆動コイル２３にＩ₂の向きに電流が流れる。
また、ダイオード７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄは主にトランジスタ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄのＯＮ／ＯＦＦ切り替え時に発生するサージ電圧からトランジスタ７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄを保護する。
ただし、起動に関しては、例えば実開昭６２−５４５７４号公報にあるように、まず回転子の初期位置を所定の通電切替を行うことで設定し、ついで回転子の回転速度を十分に誘起電圧取得可能な所定値以上まで上昇するようにした方式、等を利用する必要がある。

このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）駆動コイル２３とセンサコイル２４が同位相の誘起電圧を発生するように配置されているので、駆動コイル２３に印加されなければならない駆動電圧と同位相の信号が、センサコイル誘起電圧から取得できる。センサコイル誘起電圧を利用することで、従来方法で必要であった位相シフト部を省略できる。また、センサコイル２４は常に非通電状態であるため、従来方法で必要であった誘起電圧検出部のゼロクロス点の検出を省略できる。さらに、正弦波に近いセンサコイル誘起電圧の波形を、モータ駆動回路３０を通して駆動コイル２３への駆動電圧に反映させることが可能となるため、矩形波駆動に比べて高効率・低振動・低騒音を実現できる。

（２）センサコイル２４の各極に永久磁石２５の極が一対一で対応するので、センサコイル誘起電圧が滑らかになり、より高効率・低振動・低騒音を実現できる。

（３）矩形波駆動に比べて高効率・低振動・低騒音を実現できる。

（４）センサコイル２４を駆動コイル２３と同様のコイル設計にした場合には、センサコイル２４には駆動コイル２３と同位相かつ同等形状の誘起電圧が発生するため、センサコイル２４のセンサコイル誘起電圧の波形を、モータ駆動回路３０を通して駆動コイル２３への駆動電圧に反映させることで、駆動コイル２３に適した駆動電圧を印加することが可能になり、矩形波駆動に比べて更なる高効率・低振動・低騒音を実現できる。

（第２実施形態）
図６に本実施形態におけるブラシレスモータ１１のモータ駆動部２０ａの概略図を示した。
本実施形態では、単相全波で双方向通電しているが、駆動コイル２３ａの極数が第１実施形態よりも多い場合を示している。
図６に示すように、駆動コイル２３ａの極数に合わせて、駆動コイル２３ａと同極数で、かつ駆動コイル２３ａに生じる駆動コイル誘起電圧と同位相のセンサコイル誘起電圧が発生するセンサコイル２４ａと、駆動コイル２３ａの極数の２倍の極数を有する永久磁石２５ａとを備えている。

本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（５）駆動コイル２３ａおよびセンサコイル２４ａの極数が増えても、前述と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
図７に本実施形態におけるブラシレスモータ１２のモータ駆動部２０ｂの概略図を示した。
本実施形態においても、単相全波で双方向通電されているが、図７に示すように、センサコイル２４ｂの巻数を減らしている。その他の構成は、第２実施形態と同様に、駆動コイル２３ｂと同極数で、かつ駆動コイル２３ｂに生じる駆動コイル誘起電圧と同位相のセンサコイル誘起電圧が発生するセンサコイル２４ｂと、駆動コイル２３ｂの極数の２倍の極数を有する永久磁石２５ｂとを備えている。

本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（６）センサコイル２４ｂに発生するセンサコイル誘起電圧は、駆動コイル２３ｂの駆動コイル誘起電圧と同位相であるという効果と、正弦波に近いセンサコイル２４ｂのセンサコイル誘起電圧の形状を、駆動回路を通して駆動電圧へ反映できる。さらに、巻数を減らした分、巻線材を減らし、コストダウンができる。

（第４実施形態）
図８に本実施形態のブラシレスモータ１３のモータ駆動部２０ｃの概略図を示した。
本実施形態においても、単相全波で双方向通電されている。
図８において、本実施形態は、センサコイル２４ｃの極数が、駆動コイル２３ｃの極数より少ない場合である。具体的には、駆動コイル２３ｃの極数が３に対し、センサコイル２４ｃの極数は１となっている。
センサコイル２４ｃは、駆動コイル２３ｃに生じる駆動コイル誘起電圧と同位相のセンサコイル誘起電圧を発生するように配置されている。また、駆動コイル２３ｃの極数の２倍の極数を有する永久磁石２５ｃとを備えている。

本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（７）センサコイル２４ｃに発生するセンサコイル誘起電圧は、駆動コイル２３ｃの誘起電圧と同位相であり、正弦波に近いセンサコイル２４ｃのセンサコイル誘起電圧の形状を、駆動回路を通して駆動電圧へ反映できる。さらに、センサコイル２４ｃを減らした分、電磁ヨークや巻線材等の材料を減らし、コストダウンができる。

（第５実施形態）
図９および図１０に本実施形態のブラシレスモータ１４のモータ駆動部２０ｄの概略図およびブロック図を示した。
本実施形態では、三相全波駆動で双方向通電されている。
図９、図１０において、駆動コイル２３ｄ，２３ｅ，２３ｆの駆動コイル誘起電圧の波形はそれぞれ異なるため、センサコイル２４ｄは駆動コイル２３ｄと、センサコイル２４ｅは駆動コイル２３ｅと、センサコイル２４ｆは駆動コイル２３ｆとセンサコイル誘起電圧が同位相になるように配置されている。また、永久磁石２５ｄは、二極で構成されている。

図１０において、モータ駆動回路３１はこれらセンサコイル２４ｄ，２４ｅ，２４ｆに発生する誘起電圧を誘起電圧検出部４１でそれぞれ検出し、それら検出信号をそれぞれ駆動パルス発生ロジック部６１に合わせて電圧レベル変換部５１にて変換し、その変換された信号を基に駆動パルス発生ロジック部６１は、駆動コイルを駆動する駆動パルスを発生させる。その駆動パルスに基づいてスイッチング回路部７１は、センサコイル２４ｄの誘起電圧を駆動コイル２３ｄに、センサコイル２４ｅの誘起電圧を駆動コイル２３ｅに、センサコイル２４ｆの誘起電圧を駆動コイル２３ｆに利用するような組合せで適宜駆動電圧を供給するように構成される。

本実施形態によれば、以下の効果を有する。
（８）多相の駆動方式においても、相数に応じて各相で駆動される駆動コイル２３ｄ，２３ｅ，２３ｆに発生する駆動コイル誘起電圧とセンサコイル誘起電圧とが同位相になるようにセンサコイル２４ｄ，２４ｅ，２４ｆが配置されているので、前述と同様の効果を得ることができる。

本実施形態は、ファンモータ、時計（針駆動）、ドラム式洗濯機（単一回転）、ジェットコースタ、振動モータ等の種々の装置のモータに適用可能である。本実施形態をファンモータに適用した場合には、上述した種々の効果（低消費電力、低振動、低騒音、低回転ムラ、低発熱、高寿命）が特に顕著である。
ファンモータは、例えば、デジタル表示機器や車載機器、燃料電池式携帯電話等の燃料電池使用機器、プロジェクタ等の各種装置のファンモータとして使用することができる。本実施形態のブラシレスモータは、さらに、各種の家電機器や電子機器のモータとしても利用可能である。例えば、光記憶装置や、磁気記憶装置、ポリゴンミラー駆動装置等において、本実施形態のブラシレスモータをスピンドルモータとして使用することが可能である。

具体的にプロジェクタに対して本実施形態のブラシレスモータを利用した場合について、図１２を参照しながら説明をする。
図１２は本実施形態のブラシレスモータ１０，１１，１２，１３，１４をファンモータ１１０として適用したプロジェクタ１００の構成図である。

図１２において光源１２０からの光をミラー１３０およびダイクロイックミラー１４０によって赤、緑、青の光に分解し、それぞれに液晶表示器１５０を割り当てて透過させ、投射レンズ１６０にて投射を行っており、ファンモータ１１０は光源１２０の温度を適宜調整するために利用される。

図１３は、本実施形態のブラシレスモータを利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）２００を示す説明図である。
この電動自転車２００は、前輪にモータ２１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路２２０と充電池２３０とが設けられている。モータ２１０は、充電池２３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモータ２１０で回生された電力が充電池２３０に充電される。制御回路２２０は、モータの駆動と回生とを制御する回路である。このモータ２１０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

図１４は、本実施形態のブラシレスモータを利用したロボット３００の一例を示す説明図である。
このロボット３００は、第１と第２のアーム３１０，３２０と、モータ３３０とを有している。このモータ３３０は、被駆動部材としての第２のアーム３２０を水平回転させる際に使用される。このモータ３３０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

なお、上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。
例えば、上記の実施形態では、駆動コイル、センサコイルの数および極数を一例として示したが、これらの数および極数に限られるものではない。

さらに、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることは当業者に明らかである。また、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。

第１実施形態におけるモータ駆動部の概略図。モータ駆動部およびモータ駆動回路のブロック図。電圧レベル変換部のブロック図。パルス幅変調手段の概念図。スイッチング回路部の回路図。第２実施形態におけるモータ駆動部の概略図。第３実施形態におけるモータ駆動部の概略図。第４実施形態におけるモータ駆動部の概略図。第５実施形態におけるモータ駆動部の概略図。モータ駆動部およびモータ駆動回路のブロック図。従来例のモータ駆動部およびモータ駆動回路のブロック図。ブラシレスモータをファンモータとして適用したプロジェクタの構成図。ブラシレスモータを適用した自転車の構成図。ブラシレスモータを適用したロボットの構成図。

符号の説明

１０，１１，１２，１３，１４…ブラシレスモータ、２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ…駆動コイル、２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ…センサコイル、２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ…永久磁石、３０，３１…駆動回路としてのモータ駆動回路、６２…パルス幅変調手段。

Claims

永久磁石と、
前記永久磁石に対し、相対的に移動する駆動コイルと、
前記永久磁石に対して、前記駆動コイルに生じる駆動コイル誘起電圧と同位相の誘起
圧が発生するように配置されたセンサコイルと、
前記センサコイルに生じるセンサコイル誘起電圧を検出し、検出信号を出力する誘起電圧検出部と、
前記誘起電圧検出部から出力される前記検出信号を整流し、整流信号を出力する整流部と、
前記整流信号を平滑化し、第１の平滑化信号を出力する第１のローパスフィルタと、
前記第１の平滑化信号と予め設定された基準電圧とを比較し、コンパレータ信号を出力する、コンパレータと、
前記コンパレータ信号を平滑化し、第２の平滑化信号を出力する第２のローパスフィルタと、
前記第２の平滑化信号を積分し、積分信号を出力する積分部と、
前記積分信号の電圧レベルに基づいて、前記検出信号の電圧レベルを調整した変換信号を出力する可変ゲインアンプと、
前記変換信号を基に、ブラシレスモータを駆動する駆動パルスを発生させる駆動パルス発生ロジック部と、
前記駆動パルスを基に、センサコイル誘起電圧と同位相の駆動電圧を前記駆動コイルに供給するスイッチング回路部と、
を備え、
前記駆動コイルの駆動方式は、ａ相（ａ≧１）駆動方式で、
ｂ極（ｂ≧ａ）の前記駆動コイルを通電し、
ｃ極（ｂ≧ｃ≧ａ）の前記センサコイルは、ａ種類の前記センサコイル誘起電圧を発生し、
前記センサコイルは、ａ種類の前記センサコイル誘起電圧が前記駆動コイルに発生す
ａ種類の前記駆動コイル誘起電圧と各々同位相になるように配置され、
前記スイッチング回路部は、ａ種類の前記センサコイル誘起電圧とａ種類の前記駆動コイル誘起電圧との各々が同相になる組合せで、前記センサコイル誘起電圧と同位相の前記駆動電圧を前記駆動コイルに印加し、
前記永久磁石の有する極数は、前記センサコイルの有する極数の２倍である、
ことを特徴とするブラシレスモータ。
請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、
前記駆動回路は、前記センサコイル誘起電圧と同位相で略同波形の前記駆動電圧を前
駆動コイルに印加する
ことを特徴とするブラシレスモータ。
請求項２に記載のブラシレスモータにおいて、
前記駆動回路は、前記センサコイル誘起電圧をパルス幅変調制御するパルス幅変調手
を備えている
ことを特徴とするブラシレスモータ。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のブラシレスモータにおいて、
前記センサコイルの極数が、前記駆動コイルの極数より少ない
ことを特徴とするブラシレスモータ。
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のブラシレスモータにおいて、
前記センサコイルの巻き数が、前記駆動コイルの巻き数より少ない
ことを特徴とするブラシレスモータ。