JP5228383B2 - ドライバ回路及びそれを備えた電動モータ - Google Patents

Description

この発明は、モータの電磁コイルに電圧を供給するドライバ回路に関し、特に、ドライバ回路への供給電圧を変更可能とする技術に関する。

電動モータとしては、例えば下記の特許文献１に記載されたブラシレスモータが知られている。

特開２００１−２９８９８２号公報

ブラシレスモータの制御では、複数のスイッチングトランジスタで構成されたドライバ回路を用い、スイッチングトランジスタのオン／オフ制御によって電磁コイルに電圧が印加される。

ところで、モータに供給する供給電圧としては、モータの用途に応じて異なる電圧値が用いられる場合がある。従来は、供給電圧が異なる場合には、モータのコイルを駆動するドライバ回路もそれに応じた専用の回路を用いなればならないという問題があった。そこで、従来から、供給電圧の変更に柔軟に対応可能なドライバ回路が望まれていた。

本発明は、供給電圧の変更に柔軟に対応可能なドライバ回路を提供することを目的とする。

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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
電動モータの電磁コイルに電圧を印加するためのドライバ回路であって、可変供給電圧Ｖｓｕｐを生成する電圧レギュレータと、前記可変供給電圧Ｖｓｕｐを受ける可変電源端子と、接地端子と、前記可変電源端子と前記接地端子との間に接続され、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の上アームトランジスタとＮ個の下アームトランジスタとを含む２Ｎ個のＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを備えるブリッジ回路と、駆動信号を受ける駆動信号入力端子と、前記ブリッジ回路の前記上アームトランジスタと前記下アームトランジスタとの間の節点に接続され、前記電磁コイルに印加電圧を出力するための出力端子と、前記駆動信号入力端子に入力された前記駆動信号の電圧値を調整することによって、前記ブリッジ回路に含まれる各トランジスタのゲートに供給するためのゲート駆動信号を生成するレベルシフタ回路と、前記レベルシフタ回路に一定の電源電圧Ｖｃｃを供給する電源回路と、を備え、前記レベルシフタ回路は、前記上アームトランジスタと前記下アームトランジスタとの間の前記節点に現れる第１の電圧を昇圧して第２の電圧を生成する昇圧回路と、前記駆動信号のオフレベルに応じて前記上アーム用ゲート駆動信号の電圧値を前記第１の電圧に設定するとともに、前記駆動信号のオンレベルに応じて前記上アーム用ゲート駆動信号の電圧値を前記第２の電圧に設定するゲート駆動信号生成部と、を有しており、前記ゲート駆動信号生成部は、前記第２の電圧を所定の最低電圧以上の電圧値に維持するオン電圧補償回路を有しており、前記レベルシフタ回路は、前記上アームトランジスタに供給される上アーム用ゲート駆動信号のレベルを、前記可変供給電圧の電圧値に応じて調整し、前記可変供給電圧Ｖｓｕｐが前記電源電圧Ｖｃｃより高い場合にも、低い場合にも、前記上アームトランジスタと前記下アームトランジスタとをオン・オフ可能である、ドライバ回路。

［適用例１］
電動モータの電磁コイルに電圧を印加するためのドライバ回路であって、
可変供給電圧を受ける可変電源端子と、
接地端子と、
前記可変電源端子と前記接地端子との間に接続され、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の上アームトランジスタとＮ個の下アームトランジスタとを含む２Ｎ個のＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを備えるブリッジ回路と、
駆動信号を受ける駆動信号入力端子と、
前記ブリッジ回路の前記上アームトランジスタと前記下アームトランジスタとの間の節点に接続され、前記電磁コイルに印加電圧を出力するための出力端子と、
前記駆動信号入力端子に入力された前記駆動信号の電圧値を調整することによって、前記ブリッジ回路に含まれる各トランジスタのゲートに供給するためのゲート駆動信号を生成するレベルシフタ回路と、
を備え、
前記レベルシフタ回路は、前記上アームトランジスタに供給される上アーム用ゲート駆動信号のレベルを、前記可変供給電圧の電圧値に応じて調整する、ドライバ回路。
このドライバ回路によれば、レベルシフタ回路が上アーム用ゲート駆動信号のレベルを可変供給電圧の電圧値に応じて調整するので、可変供給電圧の電圧値が変更されても、上アームトランジスタを適切にオン／オフすることのできる上アーム用ゲート駆動信号を生成することが可能である。

［適用例２］
適用例１記載のドライバ回路であって、
前記レベルシフタ回路は、
前記上アームトランジスタと前記下アームトランジスタとの間の前記節点に現れる第１の電圧を昇圧して第２の電圧を生成する昇圧回路と、
前記駆動信号のオフレベルに応じて前記上アーム用ゲート駆動信号の電圧値を前記第１の電圧に設定するとともに、前記駆動信号のオンレベルに応じて前記上アーム用ゲート駆動信号の電圧値を前記第２の電圧に設定するゲート駆動信号生成部と、
を有するドライバ回路。
この構成では、上アームトランジスタと下アームトランジスタとの間の節点に現れる第１の電圧を上アーム用ゲート駆動信号のオフ電圧とし、第１の電圧を昇圧した第２の電圧をオン電圧とするので、第１の電圧の値に拘わらず上アームトランジスタをオン／オフさせることが可能である。

［適用例３］
適用例２記載のドライバ回路であって、
前記ゲート駆動信号生成部は、前記第２の電圧を所定の最低電圧以上の電圧値に維持するオン電圧補償回路を有する、ドライバ回路。
この構成では、第２の電圧が過度に低くなることを防止できるので、上アームトランジスタを確実にオンさせることが可能である。

［適用例４］
適用例３記載のドライバ回路であって、さらに、
基準電圧を受ける基準電圧端子を備え、
前記ゲート駆動信号生成部は、前記駆動信号のオフレベルに応じて下アーム用ゲート駆動信号の電圧値を接地電圧に設定するとともに、前記駆動信号のオンレベルに応じて前記下アーム用ゲート駆動信号の電圧値を前記基準電圧に設定する、ドライバ回路。
この構成では、下アームトランジスタを確実にオン／オフさせることができる。

［適用例５］
適用例４記載のドライバ回路であって、
前記オン電圧補償回路は、ダイオードで構成されており、
前記最低電圧は、前記基準電圧から前記ダイオードにおける電圧降下だけ低い電圧である、ドライバ回路。
この構成では、簡単な構成でオン電圧補償回路を実現することが可能である。

［適用例６］
電動モータであって、
複数の電磁コイルを有するコイル列と、
複数の永久磁石を有する磁石列と、
前記駆動信号を生成するための駆動信号生成回路と、
適用例１ないし５のいずれかに記載のドライバ回路と、
を備える電動モータ。

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、電動モータの制御方法又は制御回路、電動モータ用のドライバ回路、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．駆動制御回路の構成と動作：
B．モータの構成例：
C．変形例：

A．駆動制御回路の構成と動作：
図１は、本発明の一実施例としてのモータ用駆動制御回路の構成を示すブロック図である。モータ本体１００は、電磁コイル１２と、ロータの位置センサとして機能する磁気センサ４０とを有している。駆動制御回路２００は、駆動信号生成部２４０と、ドライバ回路２５０と、電源レギュレータ２６０とを備えている。

電源レギュレータ２６０は、直流の可変の駆動用供給電圧ＶＳＵＰをドライバ回路２５０に供給する。駆動用供給電圧ＶＳＵＰの値は、モータ本体１００の用途や動作モードに応じて変更可能である。電源レギュレータ２６０は、また、それぞれ一定の電圧値を有する第１の電源電圧ＶＤＤと第２の電源電圧Ｖｃｃとを生成して、駆動信号生成部２４０及びドライバ回路２５０に供給する。例えば、第１の電源電圧ＶＤＤは３．３Ｖに設定され、第２の電源電圧Ｖｃｃは１２Ｖに設定される。但し、これらの電源電圧ＶＤＤ，Ｖｃｃを同じ値に設定してもよい。なお、以下では第２の電源電圧Ｖｃｃを「基準電圧」とも呼ぶ。

駆動信号生成部２４０は、モータ本体１００内の磁気センサ４０の出力信号ＳＳＡに基づいて、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を生成してドライバ回路２５０に供給する回路である。本明細書では、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を「スイッチング信号」とも呼び、駆動信号生成部２４０を「スイッチング信号生成回路」とも呼ぶ。ドライバ回路２５０は、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２に従ってモータ本体１００内の電磁コイル１２を駆動する。

図２は、ドライバ回路２５０の内部構成を示している。このドライバ回路２５０は、４つのトランジスタ２５１〜２５４を有している。これらのトランジスタ２５１〜２５４で構成される回路は、Ｈブリッジ回路又は単相フルブリッジインバータとも呼ばれている。これらのトランジスタ２５１〜２５４は、いずれもＮチャンネルＭＯＳＦＥＴである。ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴは、導通時のドレイン／ソース間の電圧降下を小さくできるので、供給電圧ＶＳＵＰが低い場合（例えば０．３Ｖ以下の場合）にもモータを駆動することが可能である。一方、バイポーラトランジスタは、導通時の電圧降下が０．６〜０．７Ｖと比較的大きい。従って、バイポーラトランジスタをトランジスタ２５１〜２５４として用いた場合には、駆動用供給電圧ＶＳＵＰが０．６Ｖ以下の場合にはモータを駆動することができない。同様に、ＩＧＢＴやＤＭＯＳトランジスタをトランジスタ２５１〜２５４として用いた場合には、駆動用供給電圧ＶＳＵＰが０．３Ｖ以下の場合にはモータを駆動することができない。このように、駆動用供給電圧ＶＳＵＰが０．６Ｖ以下となる場合には、トランジスタ２５１〜２５４として、導通時の電圧降下が０．３Ｖ以下のものを用いることが好ましく、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いることがさらに好ましい。

ドライバ回路２５０の左側の２つのトランジスタ２５１，２５２のゲート電極の前段には、レベルシフタ回路３１１が設けられている。同様に、右側の２つのトランジスタ２５３，２５４のゲート電極の前段にも、同じ構成のレベルシフタ回路３１３が設けられている。これらのレベルシフタ回路３１１，３１３の内部構成と動作については後述する。

ドライバ回路２５０は、以下の端子を有している。
・駆動信号入力端子４０１，４０２：駆動信号生成部２４０（図１）から供給される駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を受ける端子。
・可変電源入力端子４１１：可変の駆動用供給電圧ＶＳＵＰ（図１）を受ける端子。
・接地端子４１２：接地電位ＧＮＤを受ける端子。
・基準電源入力端子４３１：第２の電源電圧Ｖｃｃ（図１）を受ける端子。
・出力端子４４１，４４２：電磁コイル１２に印加電圧を出力する端子であり、各端子４４１，４４２は、上アームトランジスタのソース電極と下アームトランジスタのドレイン電極との間の節点にそれぞれ接続されている。
なお、図２では、図示の便宜上、端子４０１，４０２，４３１が第１のレベルシフタ回路３１１にのみ接続されているものとして描かれているが、これらの端子４０１，４０２，４３１は第２のレベルシフタ回路３１３にも同様に接続されている。

第１のレベルシフタ回路３１１は、入力駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２の電圧レベルを駆動用供給電圧ＶＳＵＰの電圧レベルに応じてシフトすることによって、トランジスタ２５１，２５２を適切にオン／オフさせることのできるゲート駆動信号ＤＨ１，ＤＬ２を生成する。第２のレベルシフタ回路３１３も同様に、入力駆動信号ＤＲＶＡ２，ＤＲＶＡ１の電圧レベルを駆動用供給電圧ＶＳＵＰの電圧レベルに応じてシフトすることによって、トランジスタ２５３，２５４を適切にオン／オフさせることのできるゲート駆動信号ＤＨ２，ＤＬ１を生成する。なお、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１は、電磁コイル１２に所定方向（図では右方向）の電流ＩＡ１を流すための信号であり、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２はその逆方向の電流ＩＡ２を流すための信号である。トランジスタ２５１〜２５４は、レベルシフタ回路３１１，３１３で生成されたゲート駆動信号ＤＨ１，ＤＬ２，ＤＨ２，ＤＬ１に応じてオン／オフし、この結果、電磁コイル１２に駆動用供給電圧ＶＳＵＰが断続的に印加される。

なお、ドライバ回路としては、複数のスイッチング素子で構成される種々の構成の回路を利用可能である。例えば、３相モータを駆動する場合には、６個のスイッチング素子が用いられる。また、いわゆるフリーホイールダイオード（還流ダイオード）を各スイッチング素子に並列に設けるようにしてもよい。

図３は、レベルシフタ回路３１１の内部構成を示すブロック図である。このレベルシフタ回路３１１は、上アーム用の回路要素として、レベル調整回路３２１と、インバータ３２２（ＮＯＴ回路）と、２つのスイッチング素子３２３，３２４と、昇圧回路３４０と、オン電圧補償回路３５０とを備えている。レベルシフタ回路３１１は、さらに、下アーム用の回路要素として、レベル調整回路３３１と、インバータ３３２（ＮＯＴ回路）と、２つのスイッチング素子３３３，３３４とを有している。下アーム用の回路要素３３１〜３３４は、上アーム用の回路要素３２１〜３２４と同じものである。

レベルシフタ回路３１１の上アーム側の回路は、以下のように構成されている。可変電圧入力端子３６２は、図２に示したドライバ回路２５０の第１の出力端子４４１に接続されている。従って、可変電圧入力端子３６２には、上アームトランジスタ２５１のソース電圧Ｖｓが供給される。このソース電圧Ｖｓは、レベルシフタ回路３１１内の第２のスイッチング素子３２４のソース電極と、昇圧回路３４０とに供給されている。昇圧回路３４０は、ソース電圧Ｖｓの電圧レベルを高めることによって、昇圧後電圧Ｖｕ（＝Ｖｓ＋ΔＶ１）を生成する回路である。図３の例では、昇圧回路３４０として、コンデンサ３４１が利用されているが、例えばチャージポンプ回路などの他の任意の構成の昇圧回路を利用可能である。昇圧後電圧Ｖｕは、第１のスイッチング素子３２３のドレイン電極と、レベル調整回路３２１とに供給されている。第１のスイッチング素子３２３のソース電極と第２のスイッチング素子３２４のドレイン電極とは、レベルシフタ回路３１１の第１の出力端子３６１に共通に接続されている。この第１の出力端子３６１から、上アーム用のゲート駆動信号ＤＨ１が出力される。２つのスイッチング素子３２３，３２４のゲート電極の間には、インバータ３２２が接続されている。このインバータ３２２の入力端子と、第１のスイッチング素子３２３のゲート電極には、レベル調整回路３２１の出力が供給されている。レベル調整回路３２１は、駆動信号ＤＲＶＡ１のレベルを調整して、スイッチング素子３２３，３２４をオン／オフする適切な電圧レベルの信号に変換するための回路である。例えば、レベル調整回路３２１として、昇圧後電圧Ｖｕを電源として動作するフリップフロップ回路を利用することが可能である。２つのスイッチング素子３２３，３２４の一方がオン状態にある場合には他方がオフ状態にある。従って、出力端子３６１からは、ソース電圧Ｖｓ又は昇圧後電圧Ｖｕを有するゲート駆動信号ＤＨ１が出力される。なお、２つのスイッチング素子３２３，３２４の導通時の電圧降下は無視できる程度であることが好ましい。

上記の説明から理解できるように、レベル調整回路３２１と、インバータ３２２と、２つのスイッチング素子３２３，３２４とで構成される回路部分は、上アーム用ゲート駆動信号ＤＨ１を生成するための回路として機能している。なお、レベル調整回路３２１は省略可能である。また、上アーム用ゲート駆動信号ＤＨ１を生成するための回路構成としては、種々の他の構成を採用してもよい。

レベルシフタ回路３１１の下アーム側の回路も、昇圧回路３４０が無い点を除いて、上述した上アーム側の回路とほぼ同様に構成されている。下アーム用の出力端子３６４からは、基準電圧入力端子３６３から供給される基準電圧Ｖｃｃ又は接地電圧ＧＮＤを有するゲート駆動信号ＤＬ２が出力される。

オン電圧補償回路３５０は、ソース電圧Ｖｓから昇圧された後の電圧Ｖｕ（＝Ｖｓ＋ΔＶ１）が、基準電圧Ｖｃｃよりも十分に低い場合に、スイッチング素子３２３のドレイン電極とレベル調整回路３２１とに所定の最低電圧を供給するための回路である。図３の例では、オン電圧補償回路３５０として、ダイオード３５１が利用されている。このダイオード３５１の順方向の電圧降下ΔＶ２は、約０．６Ｖ程度である。従って、ソース電圧Ｖｓから昇圧された後の電圧Ｖｕが（Ｖｃｃ−ΔＶ２）よりも低い場合には、この電圧（Ｖｃｃ−ΔＶ２）が最低電圧としてスイッチング素子３２３のドレインとレベル調整回路３２１とに供給される。この結果、後で詳しく説明するように、可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰ（図１）が低く、このためにソース電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｃｃよりもかなり低い場合にも、スイッチング素子３２３，３２４を適切にオン／オフさせることが可能となる。

図４は、可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰが基準電圧Ｖｃｃよりも十分に高い場合におけるレベルシフタ回路３１１の動作を示すタイミングチャートである。この例では、駆動用供給電圧ＶＳＵＰが２０Ｖである。また、図４の左半分では、第１の入力駆動信号ＤＲＶＡ１はオン電圧、第２の入力駆動信号ＤＲＶＡ２はオフ電圧であり、これに応じて、ドライバ回路２５０のトランジスタ２５１，２５４がオン状態にあり、他のトランジスタ２５２，２５３がオフ状態にある。図４の右半分はこの逆である。なお、入力駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２のオン電圧値（３．３Ｖ）は、電源レギュレータ２６０から駆動信号生成部２４０に供給される電源電圧ＶＤＤの値に等しく、一定である。

上アーム側のトランジスタ２５１がオン状態（図４の左半分）のときには、そのソース電圧Ｖｓは、供給電圧ＶＳＵＰ（＝２０Ｖ）とほぼ等しい電圧である。昇圧後電圧Ｖｕは、このソース電圧Ｖｓに昇圧値ΔＶ１を加算した電圧であり、この例では約３５Ｖである。一方、上アーム側のトランジスタ２５１がオフ状態（図４の右半分）のときには、そのソース電圧Ｖｓは、ほぼ０Ｖである。従って、昇圧後電圧Ｖｕは、このソース電圧Ｖｓに昇圧値ΔＶ１を加算した電圧であり、約１５Ｖとなる。

図３のレベルシフタ回路３１１で生成される上アーム側のゲート駆動信号ＤＨ１は、入力駆動信号ＤＲＶＡ１がオン電圧のときには昇圧後電圧Ｖｕとほぼ等しくなり、３５Ｖとなる。このゲート駆動信号ＤＨ１の電圧値は、ドライバ回路２５０のトランジスタ２５１のソース電圧Ｖｓ（＝２０Ｖ）よりも十分に高いので、トランジスタ２５１をオン状態にすることが可能である。一方、入力駆動信号ＤＲＶＡ１がオフ電圧（０Ｖ）のときには、ゲート駆動信号ＤＨ１の電圧値はソース電圧Ｖｓとほぼ等しくなり、約０Ｖとなる。従って、このゲート駆動信号ＤＨ１によって、上アーム側のトランジスタ２５１をオフ状態にすることが可能である。

レベルシフタ回路３１１で生成される下アーム側のゲート駆動信号ＤＬ２は、入力駆動信号ＤＲＶＡ２がオン電圧のときには接地電圧ＧＮＤとなり、一方、入力駆動信号ＤＲＶＡ２がオン電圧のときには基準電圧Ｖｃｃ（＝１２Ｖ）となる。この結果、ドライバ回路２５０（図２）への可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰが２０Ｖと高い場合にも、下アーム側のトランジスタ２５２を、適切にオン／オフさせることが可能である。

図５は、可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰが基準電圧Ｖｃｃよりも十分に低い場合におけるレベルシフタ回路３１１の動作を示すタイミングチャートである。この例では、駆動用供給電圧ＶＳＵＰが０．１Ｖである。上アーム側のトランジスタ２５１がオン状態にあるときには、レベルシフタ回路３１１に供給されるソース電圧Ｖｓも約０．１Ｖとなる。このときの昇圧後電圧Ｖｕは、ソース電圧Ｖｓを昇圧した値では無く、基準電圧Ｖｃｃからオン電圧補償回路３５０（図３）の電圧降下ΔＶ２を減算した最低電圧（Ｖｃｃ−ΔＶ２）になり、約１１．４Ｖとなっている。

図５において、レベルシフタ回路３１１で生成される上アーム側のゲート駆動信号ＤＨ１は、入力駆動信号ＤＲＶＡ１がオン電圧のときには昇圧後電圧Ｖｕ（＝１１．４Ｖ）となり、一方、入力駆動信号ＤＲＶＡ１がオフ電圧のときにはソース電圧Ｖｓ（＝０Ｖ）とほぼ等しくなる。また、下アーム側のゲート駆動信号ＤＬ２は、入力駆動信号ＤＲＶＡ２がオフ電圧のときには接地電圧ＧＮＤとなり、一方、入力駆動信号ＤＲＶＡ２がオン電圧のときには基準電圧Ｖｃｃ（＝１２Ｖ）となる。この結果、ドライバ回路２５０への可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰが０．１Ｖと極めて低い場合にも、トランジスタ２５１，２５２を、それぞれ適切にオン／オフさせることが可能である。以上の動作は、第２のレベルシフト回路３１３及びトランジスタ２５３，２５４についても同様である。

なお、発明者の実験によれば、この回路において、可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰの値を１ｍＶまで低下させてもモータ本体を十分に回転させることが可能であった。但し、モータ本体としては、高いモータ効率を有するとともにコギングの無いものを使用することが好ましい。具体的には、モータ本体として、コアレスで、かつ、磁気ヨークの無いものを使用することが好ましい。

以上のように、本実施例のドライバ回路では、可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰの電圧レベルに応じてゲート駆動信号の電圧レベルを調整するレベルシフタ回路を設けたので、可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰの広い範囲の電圧レベルに渡って、ドライバ回路を適切に動作させることが可能である。

B．モータの構成例：
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施例における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、ステータ部１０と、上部ロータ部３０Ｕと、下部ロータ部３０Ｌとを有するブラシレスモータである。これらの部材１０，３０Ｕ，３０Ｌは、それぞれ略円盤状の形状を有している。図６（Ｂ）は、下部ロータ部３０Ｌの水平断面図である。下部ロータ部３０Ｌは、それぞれ略扇状の形状を有する４つの永久磁石３２Ｌを有している。上部ロータ部３０Ｕも、下部ロータ部３０Ｌと同じ構成を有しているので図示を省略する。上部ロータ部３０Ｕと下部ロータ部３０Ｌは、中心軸６４に固定されており、同時に回転する。各磁石３２Ｕ，３２Ｌの磁化方向は、回転軸６４と平行な方向である。

図６（Ｃ）は、ステータ部１０の水平断面図である。ステータ部１０は、図６（Ａ）に示すように、複数のＡ相コイル１２Ａと、複数のＢ相コイル１２Ｂと、これらのコイル１２Ａ，１２Ｂを支持する支持部材１４とを有している。図６（Ｃ）は、このＢ相コイル１２Ｂの側を示している。この例では、Ｂ相コイル１２Ｂは４つ設けられており、それぞれ略扇状の形状に巻かれている。Ａ相コイル１２Ａも同じである。ステータ部１０には、さらに、駆動回路ユニット５００が設置されている。この駆動回路ユニット５００は、図１に示した駆動制御回路２００と同じものである。図６（Ａ）に示すように、ステータ部１０は、ケーシング６２に固定されている。なお、各コイルは、コアに磁性体を含まないコアレス構造を有していることが好ましい。

図６（Ｄ）は、ステータ部１０と２つのロータ部３０Ｕ，３０Ｌの関係を示す概念図である。ステータ部１０の支持部材１４上には、Ａ相用の磁気センサ４０ＡとＢ相用の磁気センサ４０Ｂとが設けられている。磁気センサ４０Ａ，４０Ｂは、ロータ部３０Ｕ，３０Ｌの位置（すなわちモータの位相）を検出するためのものである。なお、これらのセンサを以下では「Ａ相センサ」及び「Ｂ相センサ」とも呼ぶ。Ａ相センサ４０Ａは、２つのＡ相コイル１２Ａの中間の中央位置に配置されている。Ｂ相センサ４０Ｂも、同様に、２つのＢ相コイル１２Ｂの中間の中央位置に配置されている。この例では、Ａ相センサ４０Ａが支持部材１４の下側の面においてＢ相コイル１２Ｂとともに配置されているが、この代わりに、支持部材１４の上側の面に配置されていても良い。Ｂ相センサ４０Ｂも同様である。なお、図６（Ｃ）からも理解できるように、この実施例ではＡ相センサ４０ＡをＢ相コイル１２Ｂの内部に配置するので、センサ４０Ａを配置する空間を確保しやすいという利点がある。

なお、図１に示した電磁コイル１２は、Ａ相コイル１２ＡとＢ相コイル１２Ｂを代表するものとして描かれている。また、図１の磁気センサ４０も、Ａ相センサ４０ＡとＢ相センサ４０Ｂを代表するものとして描かれている。この例のように２相分のコイルが存在する場合には、図２に示したドライバ回路２５０が各相毎に設けられる。

図６（Ｄ）に示すように、磁石３２Ｕ，３２Ｌは、それぞれ一定の磁極ピッチＰｍで配置されており、隣接する磁石同士は逆方向に磁化されている。Ａ相コイル１２Ａは、一定のピッチＰｃで配置されており、隣接するコイル同士が逆向きに励磁される。Ｂ相コイル１２Ｂも同様である。本実施例では、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、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、駆動信号の位相が２πだけ変化すると、ロータ部３０Ｕ，３０Ｌが磁極ピッチＰｍの２倍だけ移動する。また、Ａ相コイル１２Ａと、Ｂ相コイル１２Ｂは、位相がπ／２だけずれた位置に配置されている。

上部ロータ部３０Ｕの磁石３２Ｕと、下部ロータ部３０Ｌの磁石３２Ｌは、ステータ部１０に向かう磁極が互いに異なる極性（Ｓ極とＮ極）となるように配置されている。換言すれば、上部ロータ部３０Ｕの磁石３２Ｕと、下部ロータ部３０Ｌの磁石３２Ｌは、互いに反対の極が向き合うように配置されている。この結果、図６（Ｄ）の右端に示すように、これらの磁石３２Ｕ，３２Ｌの間の磁場は、ほぼ直線状の磁力線で表されるものとなり、これらの磁石３２Ｕ，３２Ｌの間で閉じたものとなる。このような閉じた磁場は、開放された磁場に比べて強いことが理解できる。この結果、磁場の利用効率が高まり、モータ効率を向上させることが可能である。なお、磁石３２Ｕ，３２Ｌの外側の面には、強磁性体製の磁気ヨーク３４Ｕ，３４Ｌがそれぞれ設けられているが、磁気ヨーク３４Ｕ，３４Ｌは省略してもよい。

図７は、センサ出力とコイルの逆起電力波形との関係を示す説明図である。図７（Ａ）は、図６（Ｄ）と同じものである。図７（Ｂ）は、Ａ相コイル１２Ａに発生する逆起電力の波形の例を示しており、図７（Ｃ），（Ｄ）は、Ａ相センサ４０ＡとＢ相センサ４０Ｂのセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢの波形の例を示している。これらのセンサ４０Ａ，４０Ｂは、モータ運転時のコイルの逆起電力とほぼ相似形状のセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢを発生することができる。図７（Ｂ）に示すコイル１２Ａの逆起電力は、モータの回転数とともに上昇する傾向にあるが、波形形状（正弦波）はほぼ相似形状に保たれる。センサ４０Ａ，４０Ｂ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。この例では、センサ出力ＳＳＡと逆起電力Ｅｃは、いずれも正弦波か、正弦波に近い波形である。図１に示した駆動制御回路２００は、センサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢを利用して、逆起電力Ｅｃとほぼ相似波形の電圧をそれぞれのコイル１２Ａ，１２Ｂに印加する。

図８（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施例のブラシレスモータの正転動作の様子を示す説明図である。図８（Ａ）は、位相が０の直前における状態を示している。Ａ相コイル１２ＡとＢ相コイル１２Ｂの位置に記載されている「Ｎ」，「Ｓ」の文字は、これらのコイル１２Ａ，１２Ｂの励磁方向を示している。コイル１２Ａ，１２Ｂが励磁されると、コイル１２Ａ，１２Ｂと磁石３２Ｕ，３２Ｌとの間に吸引力と反発力が生じる。この結果、ロータ部３０Ｕ，３０Ｌは、正転方向（図の右方向）に回転する。なお、位相が０となるタイミングで、Ａ相コイル１２Ａの励磁方向が反転する（図７参照）。図８（Ｂ）は、位相がπ／２の直前まで進んだ状態を示している。位相がπ／２となるタイミングでは、Ｂ相コイル１２Ｂの励磁方向が反転する。図８（Ｃ）は、位相がπの直前まで進んだ状態を示している。位相がπとなるタイミングでは、Ａ相コイル１２Ａの励磁方向が再び逆転する。図８（Ｄ）は、位相が３π／２の直前まで進んだ状態を示している。位相が３π／２となるタイミングでは、Ｂ相コイル１２Ｂの励磁方向が再び逆転する。

なお、図７（Ｃ）、（Ｄ）からも理解できるように、位相がπ／２の整数倍となるタイミングでは、センサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢがゼロとなるので、２相のコイル１２Ａ，１２Ｂのうちの一方のみから駆動力を発生する。しかし、位相がπ／２の整数倍となるタイミングを除く他のすべての期間において、２相のコイル１２Ａ，１２Ｂの両方が同時に駆動力を発生することが可能である。従って、２相のコイル１２Ａ，１２Ｂの両方を用いて大きなトルクを発生することができる。

ところで、図８（Ａ）から理解できるように、Ａ相センサ４０Ａは、Ａ相コイル１２Ａの中心が永久磁石３２Ｕの中心と対向する位置においてそのセンサ出力の極性が切り替わる位置に配置されている。同様に、Ｂ相センサ４０Ｂは、Ｂ相コイル１２Ｂの中心が永久磁石３２Ｌの中心と対向する位置においてそのセンサ出力の極性が切り替わる位置に配置されている。このような位置にセンサ４０Ａ，４０Ｂを配置すれば、センサ４０Ａ，４０Ｂから、コイルの逆起電力とほぼ相似形状のセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢ（図７）を発生することが可能である。

図１に示した駆動信号生成部２４０は、Ａ相センサ出力ＳＳＡを用いてＡ相用の駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を生成する。Ｂ相についても同様である。なお、駆動信号の生成は、例えばＰＷＭ制御を用いて行われるが、アナログ増幅などの他の方法を用いて駆動信号を生成してもよい。

モータ本体としては、駆動用供給電圧ＶＳＵＰ（図１）がきわめて低い場合（例えば０．１ｍＶ〜０．３Ｖの範囲）にも、動作可能なものを利用することが好ましい。このために、モータ本体は、銅損や鉄損などの各種の損失が小さく、また、コギングが無いものとすることが好ましい。

図９は、銅損を低減させる工夫を採用したモータ本体の一例を示す断面図である。このモータ本体１００ａは、冷却剤ＣＬを冷却するための冷却器４００と、循環配管４１０とを図６（Ａ）のモータ本体に追加したものである。循環配管４１０は、ケーシング６２の左右の側面に接続されており、ケーシング６２の内部に開口している。ケーシング６２内に導入された冷却剤ＣＬは、コイルを冷却する。一般に、導電部材は温度が低いほど抵抗も低くなるので、コイルを冷却することによって銅損を低減させることが可能である。なお、冷却剤ＣＬとしては、気体を用いることが好ましい。また、コイルとして、内部に冷却剤ＣＬを通すための冷却流路を有する導電部材を用いて形成されたコイルを用いることも可能である。この場合には、循環配管４１０から、コイル内の冷却流路内に冷却剤ＣＬを直接導入するように構成することが好ましい。但し、モータ本体としては、上述した例以外の種々の構造のものを利用することが可能である。

C．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。

C１．変形例１：
上記実施例では、ドライバ回路は、単相フルブリッジインバータを含む回路として構成されていたが、本発明は、三相ブルブリッジインバータや、ハーフブリッジインバータなどの他の種類のブリッジ回路を含むものにも適用可能である。一般には、ブリッジ回路としては、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）以上の上アームトランジスタとＮ個以上の下アームトランジスタとを含む２Ｎ個のトランジスタを備えるブリッジ回路を利用可能である。

C２．変形例２：
レベルシフタ回路は、上記実施例で説明した回路構成以外の種々の構成で実現可能である。例えば、上記実施例のレベルシフタ回路３１１では、上アーム用ゲート駆動信号ＤＨ１と下アーム用ゲート駆動信号ＤＬ２の両方の電圧レベルをシフトしていたが、下アーム用ゲート駆動信号ＤＬ２の電圧レベルはシフトしなくてもよい。この理由は、ブリッジ回路の上アーム側トランジスタはソースソースフォロワなので、可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰの電圧値に応じて上アーム側トランジスタのオン電圧は変化するが、一方、下アーム側トランジスタのオン電圧は可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰに依存しないからである。

また、上記実施例のレベルシフタ回路３１１は昇圧回路３４０を有していたが、昇圧回路３４０を用いずに、可変供給電圧の最大値よりも十分に大きな所定の電圧値を上アーム用ゲート駆動信号ＤＨ１のオン電圧として出力するようにレベルシフタ回路を構成することも可能である。また、オン電圧補償回路３５０も省略可能である。

以上の説明からも理解できるように、レベルシフタ回路としては、可変供給電圧の電圧値に応じて上アーム用ゲート駆動信号の電圧値を調整する種々の回路を採用可能である。

C３．変形例３：
本発明は、上記実施例で説明した２相のブラシレスモータに限らず、任意の相数及び極数のモータに適用することが可能である。また、本発明は、モータに限らず、任意の負荷装置に電圧を印加するためのドライバ回路にも適用可能である。

C４．変形例４：
本発明は、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、振動モータなどの種々の装置のモータに適用可能である。本発明をファンモータに適用した場合には、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。このようなファンモータは、例えば、デジタル表示装置や、車載機器、燃料電池式携帯電話など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。本発明のモータは、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、本発明による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。

本発明の一実施例としてのモータ用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ブロック図である。 レベルシフタ回路の内部構成を示すブロック図である。 可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰが基準電圧Ｖｃｃよりも十分に高い場合におけるレベルシフタ回路の動作を示すタイミングチャートである。 可変駆動用供給電圧ＶＳＵＰが基準電圧Ｖｃｃよりも十分に低い場合におけるレベルシフタ回路の動作を示すタイミングチャートである。 本実施例におけるモータ本体の構成を示す断面図である。 センサ出力とコイルの逆起電力波形との関係を示す説明図である。 本実施例のブラシレスモータの正転動作の様子を示す説明図である。 銅損を低減させる工夫を採用したモータ本体の一例を示す断面図である。

符号の説明

１０…ステータ部
１２，１２Ａ，１２Ｂ…電磁コイル
１４…支持部材
３０Ｌ…下部ロータ部
３０Ｕ…上部ロータ部
３２Ｕ，３２Ｌ…永久磁石
３４Ｕ，３４Ｌ…磁気ヨーク
４０，４０Ａ，４０Ｂ…磁気センサ
６２…ケーシング
６４…回転軸
６４…中心軸
１００…モータ本体
２００…駆動制御回路
２４０…駆動信号生成部
２５０…ドライバ回路
２５１〜２５４…トランジスタ（ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ）
２６０…電源レギュレータ
３１１，３１３…レベルシフタ回路
３２１…レベル調整回路
３２２…インバータ
３２３，３２４…スイッチング素子
３３１…レベル調整回路
３３２…インバータ
３３３，３３４…スイッチング素子
３４０…昇圧回路
３４１…コンデンサ
３５０…オン電圧補償回路
３５１…ダイオード
３６１…出力端子
３６２…可変電圧入力端子
３６３…基準電圧入力端子
３６４…出力端子
４００…冷却器
４０１，４０２…駆動信号入力端子
４１０…循環配管
４１１…可変電源入力端子
４１２…接地端子
４３１…基準電源入力端子
４４１，４４２…出力端子
５００…駆動回路ユニット
ＤＨ１，ＤＨ２…上アーム用ゲート駆動信号
ＤＬ１，ＤＬ２…下アーム用ゲート駆動信号

Claims (5)

1. 電動モータの電磁コイルに電圧を印加するためのドライバ回路であって、
   可変供給電圧Ｖｓｕｐを生成する電圧レギュレータと、
   前記可変供給電圧Ｖｓｕｐを受ける可変電源端子と、
   接地端子と、
   前記可変電源端子と前記接地端子との間に接続され、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の上アームトランジスタとＮ個の下アームトランジスタとを含む２Ｎ個のＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを備えるブリッジ回路と、
   駆動信号を受ける駆動信号入力端子と、
   前記ブリッジ回路の前記上アームトランジスタと前記下アームトランジスタとの間の節点に接続され、前記電磁コイルに印加電圧を出力するための出力端子と、
   前記駆動信号入力端子に入力された前記駆動信号の電圧値を調整することによって、前記ブリッジ回路に含まれる各トランジスタのゲートに供給するためのゲート駆動信号を生成するレベルシフタ回路と、
   前記レベルシフタ回路に一定の電源電圧Ｖｃｃを供給する電源回路と、
   を備え、
   前記レベルシフタ回路は、
   前記上アームトランジスタと前記下アームトランジスタとの間の前記節点に現れる第１の電圧を昇圧して第２の電圧を生成する昇圧回路と、
   前記駆動信号のオフレベルに応じて前記上アーム用ゲート駆動信号の電圧値を前記第１の電圧に設定するとともに、前記駆動信号のオンレベルに応じて前記上アーム用ゲート駆動信号の電圧値を前記第２の電圧に設定するゲート駆動信号生成部と、
   を有しており、
   前記ゲート駆動信号生成部は、前記第２の電圧を所定の最低電圧以上の電圧値に維持するオン電圧補償回路を有しており、
   前記レベルシフタ回路は、
   前記上アームトランジスタに供給される上アーム用ゲート駆動信号のレベルを、前記可変供給電圧の電圧値に応じて調整し、
   前記可変供給電圧Ｖｓｕｐが前記電源電圧Ｖｃｃより高い場合にも、低い場合にも、前記上アームトランジスタと前記下アームトランジスタとをオン・オフ可能である、ドライバ回路。
2. 請求項１記載のドライバ回路であって、さらに、
   基準電圧を受ける基準電圧端子を備え、
   前記ゲート駆動信号生成部は、前記駆動信号のオフレベルに応じて下アーム用ゲート駆動信号の電圧値を接地電圧に設定するとともに、前記駆動信号のオンレベルに応じて前記下アーム用ゲート駆動信号の電圧値を前記基準電圧に設定する、ドライバ回路。
3. 請求項２記載のドライバ回路であって、
   前記オン電圧補償回路は、ダイオードで構成されており、
   前記最低電圧は、前記基準電圧から前記ダイオードにおける電圧降下だけ低い電圧である、ドライバ回路。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のドライバ回路において、
   前記可変供給電圧Ｖｓｕｐの値は、０．１Ｖである、ドライバ回路。
5. 電動モータであって、
   複数の電磁コイルを有するコイル列と、
   複数の永久磁石を有する磁石列と、
   前記駆動信号を生成するための駆動信号生成回路と、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のドライバ回路と、
   を備える電動モータ。

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