JP5778349B1

JP5778349B1 - ブラシレスｄｃモータの駆動回路

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Publication number: JP5778349B1
Application number: JP2014534840A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　禮次郎; 禮次郎伊藤
Original assignee: Kokusai Display Kogyo Co Ltd
Current assignee: Kokusai Display Kogyo Co Ltd
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2034-04-15
Also published as: EP2955840A1; KR20150134256A; JPWO2015159358A1; TWI514748B; WO2015159358A1; US9641109B2; KR101590284B1; CN105612691A; CN105612691B; US20160301339A1; TW201539970A

Abstract

ホール素子などを使わずに小電力でも作動するブラシレスＤＣモータの駆動回路を提供すること、また、負荷の軽重や、慣性モーメントの大小に関わらず汎用的に起動可能なブラシレスＤＣモータの駆動回路の提供。駆動コイル１１への駆動電流をスイッチング・増幅するトランジスタ１３とトランジスタ１４の２段増幅回路と、回転子の永久磁石の磁界内に前記駆動コイルと共に配され、トランジスタ１４のベースに一端が接続される検出コイル１５と、その検出コイル１５の他端と直列に接続されてトランジスタ１４のベース・エミッタ間に設けられたダイオードであって、検出コイル１５に生じる誘導起電力が、逆方向電圧である状態においてトランジスタ１４がオンになるように、且つ、検出コイル１５の誘導起電力が順方向電圧である状態においてはトランジスタ１４がオフになるように、トランジスタ１４のベース電流を制御調整するダイオードと、を備える駆動回路。

Description

本発明は、乾電池などの直流電源を使ったブラシレスＤＣモータの駆動回路及びブラシレスＤＣモータに関するものであり、永久磁石付き回転子の回転に伴う検出コイルの誘導起電力を、駆動コイルへの通電制御に使った駆動回路に関する。

従来、ホール素子磁気センサで回転子の磁石位置の検出を行い、電子回路でコイルへの通電を制御することで、ブラシの物理的接触を排したブラシレスＤＣモータが存在している。このようなブラシレスＤＣモータに関し、非特許文献１の９１ページに、図１５（ａ）で示した駆動回路の回路図が記載されている。この２相双方向通電駆動のブラシレスＤＣモータの回路は、２相用の二つのプッシュプル回路の両入力部に、位相位置をずらして配設された２個のホール素子２０２を備え、それぞれのホール素子２０２による回転子の位置検出によって、位相をずらして配設されたそれぞれの駆動コイル２０１への通電が制御されるものである。

また、特許文献１には、図１５（ｂ）で示したように、Ｎ磁極とＳ磁極の着磁された永久磁石を持つ回転子１と、検出コイル３と、駆動コイル２と、駆動電流を制御するトランジスタ５を備え、検出コイル３の起電力により、駆動コイル２への駆動電流を制御する回路に関する記載がなされている。

萩野弘司著「ブラシレスＤＣモータの使い方」オーム社出版、2003年7月

特公昭３９−２０４１０号公報

非特許文献１に記載された駆動回路（図１５（ａ））では、ホール素子２０２を働かせるために、図中のIｈで示した電流（約１００ｍＶのホール素子出力電圧を得るための入力電流５ｍＡから１０ｍＡ。２相のため２倍の１０〜２０ｍＡ。）が必要になる。この消費電流は、例えば、室内用太陽電池の実用的発電電流の０．１〜２ｍＡを大きく超えているため、このような小さい太陽電池を用いてブラシレスＤＣモータを駆動させるという課題に対しては使えないものであった。

特許文献１で示される回路では、その電源投入時には、トランジスタ５のベースに接続した起動用コンデンサ６によってトランジスタ５をオンに（起動）しているものである（図１５（ｂ）参照）。しかし、もし、起動用コンデンサ６の容量が過大であり、必要以上に続けてトランジスタ５がオンにされると、駆動コイル２に電流が流れ続け、回転子１の回転を阻害（起動失敗）するおそれがある。また、逆に、起動用コンデンサ６の容量（若しくは充電量）が少なく、回転子１の摩擦負荷や慣性負荷が大きい場合、十分な回転が得られない（起動に失敗する）おそれがある。
これらの問題点は、負荷の慣性モーメントが一定であり、摩擦負荷も一定で、モータの起動時の加速度が一定であれば、コンデンサ容量を適切にすることで解消される。しかし、負荷に合わせていちいちコンデンサの容量を変え、起動時の駆動コイル通電時間を変えることは、汎用モータとしては不適なものであり、負荷の軽重や、慣性モーメントの大小に関わらず汎用的に利用できる起動回路が求められていた。

本発明は、上記の点に鑑み、ホール素子などを使わずに小電力でも作動するブラシレスＤＣモータの駆動回路を提供すること、また、負荷の軽重等に関わらず汎用的に起動可能なブラシレスＤＣモータの駆動回路を提供することを目的とする。

（構成１）
回転子に備えられる永久磁石の磁界内に配される駆動コイルと、前記駆動コイルに駆動電力を供給する直流電源と、エミッタ接地で、コレクタが前記駆動コイルに接続された第１のトランジスタと、エミッタ接地で、コレクタが前記第１のトランジスタのベースに接続された第２のトランジスタと、前記第２のトランジスタのベース電流を調整するベース電流制限用抵抗と、前記永久磁石の磁界内に配される検出コイルであって、前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間に設けられる検出コイルと、前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間に、前記検出コイルと直列に接続され、前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間の電流と並走順方向に設けられるダイオードであって、前記検出コイルに生じる誘導起電力によって逆方向電圧がかけられた状態において前記第２のトランジスタがオンになるように、且つ、前記検出コイルの誘導起電力によって順方向電圧がかけられた状態においては前記第２のトランジスタがオフになるように、前記第２のトランジスタのベース電流を制御調整するダイオードと、を備えることを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動回路。

（構成２）
前記第１のトランジスタをＰＮＰ型、前記第２のトランジスタをＮＰＮ型とし、前記ダイオードのアノードが前記第２のトランジスタのベースに接続され、前記ダイオードのカソードが前記検出コイルの一端と接続され、当該検出コイルの他端が前記第２のトランジスタのエミッタに接続されることを特徴とする構成１に記載のブラシレスＤＣモータ駆動回路。

（構成３）
前記第１のトランジスタをＮＰＮ型、前記第２のトランジスタをＰＮＰ型とし、前記ダイオードのカソードが前記第２のトランジスタのベースに接続され、前記ダイオードのアノードが前記検出コイルの一端と接続され、当該検出コイルの他端が前記第２のトランジスタのエミッタに接続されることを特徴とする構成１に記載のブラシレスＤＣモータ駆動回路。

（構成４）
直列に接続される第１の直流電源及び第２の直流電源と、回転子に備えられる永久磁石の磁界内に配され、前記第１の直流電源と第２の直流電源の間にその一端を接続された駆動コイルと、ＰＮＰ型トランジスタであって、エミッタが前記第１の直流電源の正極側に接続され、コレクタが前記駆動コイルの他端に接続される第１のトランジスタと、ＮＰＮ型トランジスタであって、エミッタが前記第１の直流電源と第２の直流電源の間に接続され、コレクタが前記第１のトランジスタのベースに接続された第２のトランジスタと、前記第２のトランジスタのベース電流を調整する第１のベース電流制限用抵抗と、前記永久磁石の磁界内に配される検出コイルであって、前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間に設けられる検出コイルと、アノードが前記第２のトランジスタのベースに接続され、カソードが前記検出コイルに接続されるダイオードであって、前記検出コイルに生じる誘導起電力によって逆方向電圧がかけられた状態において前記第２のトランジスタがオンになるように、且つ、前記検出コイルの誘導起電力によって順方向電圧がかけられた状態においては前記第２のトランジスタがオフになるように、前記第２のトランジスタのベース電流を制御調整する第１のダイオードと、ＮＰＮ型トランジスタであって、エミッタが前記第２の直流電源の負極側に接続され、コレクタが前記駆動コイルの他端に接続される第３のトランジスタと、ＰＮＰ型トランジスタであって、エミッタが前記第１の直流電源と第２の直流電源の間に接続され、コレクタが前記第３のトランジスタのベースに接続された第４のトランジスタと、前記第４のトランジスタのベース電流を調整する第２のベース電流制限用抵抗と、アノードが前記検出コイル及び前記第１のダイオードのカソードに接続され、カソードが前記第４のトランジスタのベースに接続されるダイオードであって、前記検出コイルに生じる誘導起電力によって逆方向電圧がかけられた状態において前記第４のトランジスタがオンになるように、且つ、前記検出コイルの誘導起電力によって順方向電圧がかけられた状態においては前記第４のトランジスタがオフになるように、前記第４のトランジスタのベース電流を制御調整する第２のダイオードと、を備えることを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動回路。

（構成５）
前記検出コイルに誘導起電力が生じていない状態において、前記駆動コイルに駆動電流が流れるように各素子定数が定められていることを特徴とする構成１又は構成４に記載のブラシレスＤＣモータ駆動回路。

（構成６）
前記第１のベース電流制限用抵抗と前記第２のベース電流制限用抵抗の抵抗値に差をつけることにより、又は、前記第１の直流電源の電源電圧と前記第２の直流電源の電源電圧との間に差をつけることにより、前記駆動コイルに駆動電流が流れるようにしたことを特徴とする構成５に記載のブラシレスＤＣモータ駆動回路。

（構成７）
前記回転子と、空芯コイルで構成された前記検出コイル及び前記駆動コイルと、当該検出コイル及び駆動コイルを、略同一平面上に、各空芯コイルの有効線輪面と前記回転子に備えられる複数の前記永久磁石の磁極とが空隙を有して対向するように配設させる固定子と、構成１乃至構成６の何れか１つに記載のブラシレスＤＣモータ駆動回路と、を備えることを特徴とするアキシャルギャップ型ブラシレスＤＣモータ。

（構成８）
外周面に前記永久磁石がＮ極Ｓ極交互に配される回転子と、当該回転子の永久磁石と空隙を有して対向して設けられる固定ヨークであって、内周面に形成される複数の凸状のコアに、前記検出コイルと、前記駆動コイルが巻きつけられて設けられた固定ヨークと、構成１乃至構成６の何れか１つに記載のブラシレスＤＣモータ駆動回路と、を備えることを特徴とするラジアルギャップ型ブラシレスＤＣモータ。

本発明のブラシレスＤＣモータ駆動回路（及びブラシレスＤＣモータ）によれば、ホール素子などを使わずに小電力で作動させることができる。
また、負荷の軽重（慣性モーメントの大小）等に応じて回路構成を変更（調整）しなければならないものではないため、汎用的に使用することができる。

実施形態１のブラシレスＤＣモータ駆動回路を示す回路図実施形態１のブラシレスＤＣモータ駆動回路に備えられる駆動コイルに流れる駆動電流及びトランジスタ１４のベース電圧と、回転子位置との関係を示す説明図実施形態１のブラシレスＤＣモータ駆動回路に備えられるトランジスタ１４のベース電圧の推移（図（ａ））と、トランジスタ１３のコレクタに流れる駆動電流の推移（図（ｂ））を示したグラフ実施形態１のブラシレスＤＣモータ駆動回路と同等の機能を有する別の回路構成を示す回路図実施形態２のブラシレスＤＣモータ駆動回路を示す回路図実施形態２のブラシレスＤＣモータ駆動回路に備えられるトランジスタ１４のベース電圧の推移と（図（ａ））、トランジスタ２４のベース電圧の推移と（図（ｂ））、駆動コイル１１に流れる駆動電流の推移を示したグラフ（図（ｃ））実施形態２のブラシレスＤＣモータ駆動回路の変形例を示す回路図であり、（ａ）：直流電源１２をチャージポンプ回路としたもの、（ｂ）：直流電源に太陽電池を用いたもの、（ｃ）：交流を整流することによって直流電源を構成しているもの回転子の停止位置を規制する小磁石の位置について説明する図実施形態３のターンテーブルを示す一部分解斜視図（ａ）：実施形態３のターンテーブルに備えられるアキシャルギャップ型ブラシレスＤＣモータを示す分解斜視図、（ｂ）：固定子ブロックに備えられるプリント基板を示す図実施形態３のターンテーブルに備えられるアキシャルギャップ型ブラシレスＤＣモータを示す図であり、（ａ）：上面図、（ｂ）：垂直断面図実施形態３の切り替えスイッチ機構（回転子の停止位置を規制する小磁石の位置）について説明する図２相駆動のブラシレスＤＣモータ駆動回路を示す回路図ラジアル型２相駆動ブラシレスＤＣモータを示す図（ａ）：非特許文献１で示された回路図、（ｂ）：特許文献１で示された回路図

以下、本発明の実施態様について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下の実施態様は、本発明を具体化する際の一形態であって、本発明をその範囲内に限定するものではない。

＜実施形態１＞
図１は、本実施形態のブラシレスＤＣモータ駆動回路１を示す回路図である。実施形態１のブラシレスＤＣモータ駆動回路１は、検出コイルと駆動コイルとが固定される固定子と、これに対向する位置に配される永久磁石を備え、回動自在に軸支される回転子と、を有するブラシレスＤＣモータを駆動するための回路である。

図１に示されるように、実施形態１のブラシレスＤＣモータ駆動回路１は、回転子に備えられる永久磁石の磁界内に配される駆動コイル１１と、駆動コイル１１に駆動電力を供給する直流電源１２と、エミッタ接地で、コレクタが駆動コイル１１に接続されたトランジスタ１３（第１のトランジスタ）と、エミッタ接地で、コレクタがトランジスタ１３のベースに接続されたトランジスタ１４（第２のトランジスタ）と、トランジスタ１４のベース電流を調整する抵抗（ベース電流制限用抵抗）１７と、駆動コイル１１と共に前記永久磁石の同一磁界内に配されるコイルであって、トランジスタ１４のベース・エミッタ間に設けられた検出コイル１５と、トランジスタ１４のベース・エミッタ間に、検出コイル１５と直列に接続され、トランジスタ１４のベース・エミッタ間の電流と並走順方向に設けられたダイオードであって、検出コイル１５に生じる誘導起電力によって逆方向電圧がかけられた状態においてトランジスタ１４がオンになるように、且つ、検出コイル１５の誘導起電力によって順方向電圧がかけられた状態においてはトランジスタ１４がオフになるように、トランジスタ１４のベース・エミッタ間電圧を調整するダイオード１６と、を備える。
ここで、「トランジスタ１４のベース・エミッタ間の電流と並走順方向に接続されたダイオード１６」とは、ベース・エミッタ間に並列に接続されるダイオード１６が、ベース・エミッタ間の電流方向（順方向）と並行な電流方向に対して、順方向に設けられるということである。実施形態１においては、ダイオード１６のアノードがトランジスタ１４のベースに接続され、ダイオード１６のカソードが検出コイル１５の一端と接続され、当該検出コイル１５の他端がトランジスタ１４のエミッタに接続される。

ブラシレスＤＣモータ駆動回路１は、検出コイル１５に生じる誘導起電力に基づいて、駆動コイル１１の駆動を行うために、トランジスタ１３（ＰＮＰ型）とトランジスタ１４（ＮＰＮ型）の２段スイッチング回路を備えている。さらに、トランジスタ１４を、検出コイル１５に生じる小さな誘導起電力に基づいてオン・オフさせるために、ダイオード１６と抵抗１７を備えているものである（具体的には以下で説明）。
なお、実施形態１のブラシレスＤＣモータ駆動回路１には、トランジスタ１３のベースとトランジスタ１４のコレクタ間に接続される電流制限用抵抗１８と、直流電源１２と駆動コイル１１との間に設けられるスイッチ１９と、をさらに有している。抵抗１８は、トランジスタ１４のコレクタ電流（トランジスタ１３のベース電流）を制限するための抵抗である。

ダイオード１６は、検出コイル１５に生じる誘導起電力がダイオード１６に逆方向電圧を与える状態においてトランジスタ１４がオンになるように、且つ、検出コイル１５の誘導起電力がダイオード１６に順方向電圧を与える状態においてはトランジスタ１４がオフになるように、トランジスタ１４のベース・エミッタ間電圧を調整するものである。
「検出コイル１５に生じる誘導起電力」とは、回転子の回転に伴い、回転子に備えられる永久磁石が検出コイル１５に接近又は遠ざかることによって生じる起電力である。即ち、検出コイル１５は、回転子の回転状態を検出する（回転位置や回転速度に応じた起電力が発生する）ものである。本発明に係るブラシレスＤＣモータ駆動回路は、この検出コイルに生じる誘導起電力を、駆動コイルへの通電制御に使っているものである。

ブラシレスＤＣモータ駆動回路１では、検出コイル１５に誘導起電力が生じていない状態におけるトランジスタ１４のベース・エミッタ間にかかる電圧Ｖ_BEが、トランジスタ１４のしきい値を僅かに上回るように（トランジスタがオンとなるように）、直流電源１２と抵抗１７とダイオード１６の相互の関係が設定される。
なお、本明細書における「トランジスタのしきい値」とは、トランジスタをオン動作とみなせるＶ_BEの限界値である。例えば、あるトランジスタのベース・エミッタ電圧とコレクタ電流の関係が、Ｖ_BEが０．５Ｖの際にコレクタ電流が８０μＡ流れるものであった場合、トランジスタ１４としてこのトランジスタを使用した場合、トランジスタ１３に電流増幅率２００のものを使えば、トランジスタ１３のコレクタ電流は１６ｍＡとなり、十分に飽和状態でのスイッチングが出来る。一方、同トランジスタのＶ_BEが０．４Ｖでのコレクタ電流が６μＡであった場合、この際にはトランジスタ１３はオフ状態となる。即ち、このトランジスタにおける本明細書でいうところの「トランジスタのしきい値」は、０．４Ｖより大きく０．５Ｖ前後と言えるものである。しかし、トランジスタのしきい値は周囲温度により変化し、前記ダイオードの順電圧しきい値により、周囲温度に対応したトランジスタのベース電圧を得ることが出来る。

次に、ブラシレスＤＣモータ駆動回路１の動作について図面を参照しつつ説明する。

図２は、トランジスタ１４のベース電圧（図（ｂ））及び駆動コイル１１に流れる駆動電流（図（ｃ））と、回転子位置との関係を示す説明図であり、図３は、トランジスタ１４のベース電圧の推移（図（ａ））と、トランジスタ１３のコレクタに流れる駆動電流の推移（図（ｂ））を示したグラフである。

ここでは、動作説明のために、アキシャル型のブラシレスＤＣモータであって、２個の駆動コイル１１と、１個の検出コイル１５を備えたものを例として用いる（図２（ａ））。このアキシャル型のブラシレスＤＣモータは、２個の駆動コイル１１と１個の検出コイル１５が、回転子の回転軸に垂直な平面と略同一平面上に周方向に等間隔に配されており、それら３つのコイルの有効線輪面に対して、各々少しの空隙を持って対面する永久磁石１０２が、Ｎ磁極、Ｓ磁極交互に配置される回転子を有するものである。また、当該回転子の停止時の停止位置（図２の状態Ａ）を所定の位置とさせるために、前記回転子に備えられる永久磁石１０２と空隙をもって配される小磁石１０１が備えられる。ここでは、回転子停止時の永久磁石１０２のＮ磁極を、Ｓ磁極である小磁石１０１により、駆動時に生じる磁力より弱い磁力でその位置を拘束させるものを例としている。
なお、「コイルの有効線輪面」とは、コイルに電流が流れている際に永久磁石１０２の磁極と対向することによって、回転子に回転力を与え得るコイルの範囲を示すものである。即ち、図２において、回転軸の同心円の法線方向に概ね沿った方向となるコイルの部分を示すものである。

上記のアキシャル型のブラシレスＤＣモータにおいて、停止状態からスイッチ１９をオンにすると、直流電源１２（具体例として１．６Ｖの乾電池とする）から電源電圧１．６Ｖが回路に供給されることになる。この状態においては、検出コイル１５には誘導起電力が生じておらず、直流電源１２からの電源供給により、抵抗１７を通ってトランジスタ１４にベース電流が流れる。このとき図２（ｂ）及び図３（ａ）に示したトランジスタ１４のベース・エミッタ間電圧Ｖ_BEが示す起動時の電圧は、電源電圧から抵抗１７を通ってダイオード１６に流れる微小電流により、ダイオード内の電圧降下分（しきい電圧）より僅かに高い電圧となる。本実施形態においては、トランジスタ１４のしきい値を僅かに上回るようにトランジスタ１４のベース・エミッタ間電圧を調整しており、具体例としては、例えば０．６Ｖである。（それは、トランジスタ１４のしきい値を０．５Ｖ程度とした場合、これを僅かに（０．１Ｖ程度）上回るように設定した例）。即ち、直流電源１２と抵抗１７の抵抗値とダイオード１６との兼ね合いにて、トランジスタ１４のＶ_BEに、しきい値を僅かに上回る電圧が印加されるように設定しているものである。

トランジスタ１４のしきい値を超える電圧がＶ_BEとして印加されることにより、トランジスタ１４はオンとなり、そのコレクタ電流がトランジスタ１３のベースに流れるため、飽和領域での増幅スイッチング動作により、駆動コイル１１に図２（ｃ）及び図３（ｂ）に示すようなほぼ平坦な直線状の駆動コイル電流が流れる。
これにより、駆動コイル１１の各「有効線輪面」に流れる電流と、これに対向して停止している永久磁石１０２の磁力線との間におけるフレミングの法則により、永久磁石１０２に電磁力が作用し、停止していた位置から回転移動（例えば、永久磁石のＮ磁極が、隣の駆動コイル１１の方に向かって移動）を開始する。そして、小磁石１０１と向き会っていた永久磁石１０２のＮ磁極が、図２の状態Ｂで示した、電磁力による回転力の発生しない位置にくるまで（ここの例では、回転子の回転角度が３０度に達するまで）、図２の下のグラフで示されるごとく、駆動コイル１１に駆動電流が供給され、確実に永久磁石１０２の回転移動を加速させる。

回転子の回転が進み、図２の状態Ｂに至った後は、検出コイル１５にダイオード１６に対する順電圧（トランジスタ１４のＶ_BEに対しては逆方向電圧）となる誘導起電力が生じ始める。これにより、ダイオード１６により、ダイオード順電圧の電圧降下分だけを取って、前記誘導起電力を通過させ、トランジスタ１４のベース電圧Ｖ_BEを０．４Ｖ以下にしてトランジスタ１４をオフにする。その後、図２（ｂ）及び図３（ａ）のグラフで示されるように、トランジスタ１４のＶ_BEの電圧は、図２（ｂ）の下向き矢印で示すベース逆方向電圧（下に垂れ下がる曲線）が生じ、これによってトランジスタ１３もオフとなり、図２（ｃ）及び図３（ｂ）のごとく、駆動コイル１１の駆動電流もオフとなる。検出コイル１５の誘導起電力によるトランジスタ１４のベース電圧（逆方向電圧）は、図２の状態Ｃで最大となり、状態Ｄとなるまでトランジスタ１４のベース電流を止める動作をし、駆動コイル１１への通電を止める。

駆動コイル１１への通電が無い状態においても、回転子の慣性によって更に回転が進み、図２の状態Ｄとなる。状態Ｄの瞬間においては、検出コイル１５に誘導起電力は生じず、よって、上記のトランジスタ１４をオフにする機能がなくなると同時に、抵抗１７経由の起動時の回路動作説明と同じように、図２（ｂ）で図示するトランジスタ１４のＶ_ＢＥが０．５Ｖ以上になって、電源から抵抗１７を通ってトランジスタ１４のベースに所定の値のベース電流を流す。これによるトランジスタ１４のオンにより、トランジスタ１３もオンになり、駆動コイル１１に通電が行われ、回転子の回転を加速させる。図２の状態Ｄを超えると、検出コイル１５にそれまでと逆の電圧が、図２（ｂ）中の上向き矢印の方向となる誘導起電力（仮想値なので図示せず）として発生する。この場合、トランジスタ１４のベース電流を妨げる逆電圧がないため、トランジスタ１４のオン状態が維持される（図（ｂ）に示されるごとく、トランジスタ１４のしきい値を僅かに上回る電圧である0.6VがＶ_BEとして印加される）。この時、ダイオード１６には逆電圧が掛けられているが、この場合、検出コイル１８の電圧は、ダイオード１６により遮断され、トランジスタ１４のベース電圧に影響しない。従って、起動時に検出コイル１８に誘導起電力が発生していなかった時と同じように、電源から抵抗１７を通ってトランジスタ１４にベース電流を流し、トランジスタ１４のオンが維持され、回転子の回転加速が継続される。

以降、回転子の回転が進むにつれて、検出コイル１５に生じる誘導起電力も正負交互に発生し、これによって上述した各トランジスタのオン・オフ制御がなされ、回転子を加速回転させるものである。
なお、図３（ｂ）のグラフで、駆動電流が飽和電流値から下に垂れ下がる曲線があるが、これは駆動コイル１１に発生する逆起電力により、駆動電流が減少したからであり、回転子の回転速度の上昇により、逆起電力による電流減少が大きくなることを示している（これにより、モータとしての消費電力が小さく抑えられる）。

以上のごとく、本実施形態のブラシレスＤＣモータ駆動回路１は、回転子の回転状態に基づいて検出コイル１５に生じる誘導起電力によって、駆動コイル１１の通電制御を行うものである。従って、検出コイル１５に生じる小さな誘導起電力に基づいて適切なスイッチングが行われる必要があるが、本発明に係るブラシレスＤＣモータ駆動回路１は、前述の構成を備えることによってこれを実現している。

上記動作説明からも明らかなように、例えば、検出コイル１５の誘導起電力が±０．１Ｖ程度である状態においても動作させるためには、当然に、０．１Ｖという小さい信号変化に応じてトランジスタ１４のオン・オフが切り替わる必要がある。また、より応答性を高めるためには、さらに小さな信号変化に応じてトランジスタのオン・オフを切り替える必要がある。このような場合には、検出コイル１５に誘導起電力が生じていない状態において、トランジスタ１４のしきい値（トランジスタをオン動作とみなせる限界値）を僅かに上回る程度の電位がトランジスタ１４のベース・エミッタ間に印加されるように、電源、抵抗、ダイオードなどの最適値の素子定数が設定されればよい。
例えば図２（ａ）でＤの位置に到達した時のように、起動時のような検出コイル１５に誘導起電力が発生していない時と同等な入力状態の時、トランジスタ１４のベースへの逆方向電圧が無くなった時にトランジスタ１４をオンにするスイッチングが可能となる。即ち、検出コイル１５に生じる誘導起電力の負から正（トランジスタ１４のベース逆電圧から順電圧）への転換点（例えば前記Ｄ位置）において、オンのスイッチングをし、また、検出コイル１５に発生した誘導起電力の方向が正から負になった時点（例えばＢ位置）以後において、トランジスタ１４のＶ_BEは、０．４Ｖ以下の電圧となり、ベース電流を止めるため、トランジスタ１４のオフへのスイッチングが行われる。これにより、高い応答性で、且つ、消費電力も極小化された駆動回路を得ることができる。なお、トランジスタのしきい値を“僅かに上回る”の具体的値は、各製品の設計思想に基づいて適宜定められるものである。

以上のごとく、本実施形態のブラシレスＤＣモータ駆動回路１は、ホール素子などを使わずに小電力でも作動するものであり、例えば、室内用太陽電池の光発電で生じる僅かな電力でも回転するモータとすることができる。乾電池等で作動させる場合でも小容量のものでも長期間作動させることができ、経済的である。
また、負荷の軽重（慣性モーメントの大小）に応じて回路構成を変更（調整）しなければならないものではないため、汎用的に使用することができる。
また、検出コイルに誘導起電力が発生しても、ダイオード１６と、トランジスタ１４のベース逆電流阻止機能により、検出コイル１５に電流が流れないため、各永久磁石に働く制動の電磁力を無くし、効率を向上させる効果がある。

なお、実施形態１のブラシレスＤＣモータ駆動回路１では、トランジスタ１３がＰＮＰ型でトランジスタ１４がＮＰＮ型のものを例として説明したが、図４に示したように、エミッタ接地のＮＰＮ型のトランジスタ２３（第１のトランジスタ）と、ＰＮＰ型のトランジスタ２４（第２のトランジスタ）とし、ダイオード２６のカソードがトランジスタ２４のベースに接続され、ダイオード２６のアノードが検出コイル１５の一端と接続され、検出コイル１５の他端がトランジスタ２４のエミッタに接続される構成としてもよい（正負が反転するが、動作概念は上述と同様である）。

＜実施形態２＞
図５は、実施形態２のブラシレスＤＣモータ駆動回路を示す回路図である。

実施形態２のブラシレスＤＣモータ駆動回路３は、実施形態１のブラシレスＤＣモータ駆動回路１（図１）とブラシレスＤＣモータ駆動回路２（図４）を組み合わせてプッシュプル型にしたものである。図５では、図１又は図４と同様の要素となるものについて同一の符号を使用し、ここでの説明を省略若しくは簡略化する。

図５に示されるように、ＰＮＰ型トランジスタ１３（第１のトランジスタ）とＮＰＮ型トランジスタ２３（第３のトランジスタ）のコレクタ同士が接続され、ＮＰＮ型トランジスタ１４（第２のトランジスタ）とＰＮＰ型トランジスタ２４（第４のトランジスタ）のエミッタ同士が接続され、さらに、ダイオード１６のカソードとダイオード２６のアノードが接続されることで、図１と図５の回路が接続されている。これにより、駆動コイル１１と検出コイル１５が共通化されている。

実施形態２のブラシレスＤＣモータ駆動回路３の動作概念は、基本的には実施形態１にて説明したものと同様である。実施形態１の図１又は図４の回路では、何れか一方向の駆動コイル通電で生じる磁極に対してのみ駆動力を与えるものであるが、図５のブラシレスＤＣモータ駆動回路３によれば、双方向の駆動コイル通電で生じる磁極に対して駆動力を与える（プッシュプル）動作となる。具体的には次のとおりである。

上記構成におけるダイオード１６と２６や、抵抗１７と２７の抵抗値は、実施形態１で説明したごとく、共にトランジスタ１４と２４をスイッチング動作させるのに適正なＶ_Ｂ _Ｅが得られるように設定されており、上側回路（図１部分）と下側回路（図４部分）で、正負逆で同様の構成となっている。そのため、スイッチ１９がオンされた起動時において、２石のダイオード１６、２６の整流方向を揃えた直列接続の接続点の電位は、二つの直流電源１２、２２を連結接続している連結部と同じ電位になっているため、この間に電流は流れない。即ち、上側回路（図１部分）と下側回路（図５部分）は均衡状態であり、従って駆動コイル１１への通電もなく、回転子は停止している。

この状態から、何らかの機械的始動、又は任意の電気磁気的起動手段によって回転子の回転が起きると、検出コイル１５に起電力が生じる。その起電力の方向は、起動時の回転方向で決まるが、仮に、その起動回転により起きる検出コイル起電力の方向が、トランジスタ１４のベース順電圧と同じ方向であった場合、トランジスタ２４においてはベース逆電圧となる。これにより、トランジスタ１４（上側回路）はオンであるが、トランジスタ２４（下側回路）はオフとなり、駆動コイル１１に直流電源１２（上側回路）に基づく駆動電流が供給される（回転子を手動などで初めに起動させた回転方向に駆動させ、回転を継続させる）。一方、回転が進み（若しくは上記と逆方向に回転始動された場合）、検出コイル１５に上記と逆の起電力が生じると、上記とは逆に、トランジスタ１４（上側回路）はオフであるが、トランジスタ２４（下側回路）はオンとなり、駆動コイル１１に直流電源２２（下側回路）に基づく駆動電流（先程とは逆方向の電流）が供給されるものである。
その後は、図６に示したごとく、検出コイル１５の起電力の変化に伴う２石のトランジスタ１４と２４のベース電圧推移（図６（ａ）、（ｂ））に同調して図６（ｃ）ように駆動コイル１１の双方向スイッチング通電が連続的に生じ、その双方向通電により励磁された駆動コイル１１の磁極と回転子の永久磁石磁極との電磁力により、回転子が加速され、回転する。

なお、実際には、上側回路と下側回路を、電気的（及び磁気的）に全く同様の構成として、均衡状態を作ることは簡単ではない場合が多く、電源オン時に、駆動コイル１１にどちらか一方向の電流が流れ、これによって回転子が回転する（自己起動し、その後は、検出コイル１５に生じる起電力に伴い上述の動作となる）ことが考えられる（なお、この場合、起動回転方向がどちらかわからない状態となるものである）。この回路の上側、下側不均衡による動作を積極的に利用して、検出コイルに誘導起電力が生じていない状態において、駆動コイルに対して所定の一方向に駆動電流が流れるように各素子定数を定めておくことで（例えば、抵抗１７と２７の抵抗値に差をつけておくことや、直流電源１２と２２の電源電圧に差をつける等）、より確実に自己起動（意図した回転方向で自己起動）させるようにしてもよい。

これに関連する回路例を図７に示した。なお、図５と同様の要素については同一の符号を使用している。
図７（ａ）は、上側回路の直流電源１２において、コンデンサ１２２とダイオード１２３によって構成されるチャージポンプ回路を追加している。これにより連動スイッチ１９のオン時に、上側回路の電源電圧が昇圧され、起動時には上側回路がオンとなるものである。なお、電流制限用抵抗１８をトランジスタ１４とトランジスタ２４のエミッタ接続点と、直流電源１２と２２との間（基準電位）に接続することで、共通化している。
図７（ｂ）では、直流電源１２と２２をそれぞれ、太陽電池１２３、２２３とコンデンサ１２４、２２４によって構成し、上側回路の太陽電池１２３の電圧を、下側回路の太陽電池２２３より高くしている。図７（ｂ）の例では、電源スイッチを設けない構成としているため、例えば、夜間停止している状態から、室内が明るくなった際にその光を受けることによって自動起動するようにすることができる。
なお、「直流電源」とは、例えば、図７（ｃ）に示されるように、交流電源を整流することによって構成されるものであってもよい。これにおいても、例えば、交流電源Ｐから電源を供給される二次側コイルの巻線量を上側と下側で変えることにより、意図した回転方向で自己起動させるようにしてもよい。

なお、図７（ｂ）のごとく、電源スイッチを設けない構成とした場合等において、勝手に自動起動しないように固定子の停止位置を操作できるようにしてもよい。図８には、小磁石１０１の位置を変えることができる構成とすることにより、起動回転方向選択操作と自動起動停止の操作ができるものを示した。同図及びこれまでの説明から理解されるように、図８のＡまたはＣの位置に小磁石１０１を設置することにより、自動起動する（ＡとＣでは回転方向が逆になる）が、Ｂの位置とした場合には自動起動しないようにすることができる。

＜実施形態３＞
図９は、実施形態３のターンテーブルを示す一部分解斜視図である。ターンテーブル１００は、図７（ｂ）の駆動回路によって駆動されるアキシャルギャップ型のブラシレスＤＣモータ５０を備えるものである。太陽電池１２３、２２３に光があたるとテーブル３１が回転するものであり、例えば、店頭広告用に、テーブル３１上に置かれた商品を回転展示するものである。筺体３２には、アキシャルギャップ型のブラシレスＤＣモータ５０が備えられると共に、太陽電池１２３、２２３との接続線や、適当なギア比を有する動力伝達機構、テーブル３１の回転軸やその軸受などの各構成が納められる。

図１０、図１１の各図は、アキシャルギャップ型のブラシレスＤＣモータ５０（以下単に「モータ５０」という）を示す図であり、図１０（ａ）は、モータ５０を示す分解斜視図、図１１（ａ）は上面図、図１１（ｂ）は垂直断面図である。
図１０（ａ）に示されるように、モータ５０は、大まかには、上側回転子ブロック５１と、固定子ブロック５２と、下側回転子ブロック５３との、３つのブロックで構成される。

固定子ブロック５２は、各コイル（検出コイル１５及び駆動コイル１１）を電気的に接続するためのプリント基板５２１によって構成される。
検出コイル１５及び駆動コイル１１は空芯コイルで構成され、本実施形態では駆動コイルを３つとしている。図１０（ａ）に示されるように、検出コイル１５及び３つの駆動コイル１１はプリント基板５２１上において略同一平面上に等間隔に配置される。

プリント基板５２１は、図１０（ｂ）に示されるように、その中央部に回転子の永久磁石が触らないように形成された穴５２４を有する。検出コイル１５はプリント基板５２１の検出コイル接続端子５２５に、駆動コイル１１は各駆動コイル接続端子５２２にそれぞれはんだ付けされ、引き出し線５２３によって電気的に駆動回路と接続される。

上側回転子ブロック５１は、ポリカーボネイトで成形された円盤部５１１とその上面に設けられる中空の四角柱５１３とを一体的に成形し、円盤部５１１の下面に形成した凹部に、ヨーク５１４に固着された８個の希土類磁石１０２が嵌め込まれて構成される。また、四角柱５１３の４側面の各面に、外側Ｎ磁極のゴム磁石５１５が貼付けられる。

下側回転子ブロック５３は、同じくポリカーボネイトで成形され、軸４０を軸装する軸支持部や、上側回転子ブロック５１と嵌合させる嵌込部等が形成される。また、円盤部５３１の上面に形成した凹部に、下側ヨーク５３４に固着された８個の希土類磁石１０２が嵌め込まれて構成される。

本実施形態のモータ５０は、上記のそれぞれのブロックを組み上げた後に、それぞれの中心部を合わせながら一体化することによって、基本的構成が組み上げられる。組み上げられた状態においては、略同一平面上に等間隔に配置された各空芯コイルの有効線輪面に対向する位置に、僅かな空隙を有して、上下の各希土類磁石１０２が配される。
一体化した各ブロックは、これを収納する筺体（上側筺体５５、下側筺体５６）に納められて組み付けされる。
上側筺体５５の、四角柱５１３を納める部分には円筒状の円筒部が形成され、その外周に切り替えスイッチ機構５４が取り付けられることで、モータ５０が構成される。

切り替えスイッチ機構５４は、上側筺体５５の円筒部の外周に回動可能に取り付けられるものであり、図１１に示されるように、四角柱５１３の側面に設けられるゴム磁石５１５を反発させるためのＮ極の小磁石５４２が等間隔に４つ設けられる。これは、実施形態１における小磁石１０１と同様に、回転子の停止位置を所望の位置に拘束するためのものであるが、本実施形態においては、永久磁石１０２とは別に設けられる磁石（四角柱５１３の側面に設けられるゴム磁石５１５）との間の磁力を利用している点で実施形態１と異なる。

図１２は、切り替えスイッチ機構に５４ついて説明する図である。同図において、レバー５４１が図（ａ）の位置である場合、駆動コイル１１の各有効線輪面に対向する位置に、各希土類磁石１０２が停止するように規制されるため、電源供給があると、所定方向に回転起動することとなる。
図（ａ）の停止状態において、レバー５４１を操作して図（ｂ）の位置にすると、各ゴム磁石５１５と各小磁石５４２の反発力によって、回転子が図（ｃ）の状態となる。この位置の場合、各有効線輪面に各希土類磁石１０２が対向しないように規制されるため、電源供給があっても自己起動はしない。
さらにレバー５４１を操作して図（ｄ）の位置にすると、図（ａ）とは磁極が逆の配置とされるため、電源供給があると、図（ａ）とは逆方向に回転起動するものである。

以上のごとく、本実施形態のモータ５０は、大きく３つのブロックで構成し、それぞれのブロックを組み上げた後に一体化する構成としているため、作業効率が向上され、製造が容易であり、部品管理もし易いものである。なおここでは、ターンテーブルを例として説明したが、本実施形態のモータ５０は、高効率で、低電力でも使用できるため、例えば小型の太陽電池を電源（若しくは小容量の乾電池を電源）とした、個人用の卓上扇風機、芳香発散機など、さまざまな用途に利用することができる。

なお、ここまで単相のものを例として説明したが、図１３にその一例を示したごとく、複相駆動としてもよい。図１３は、２相駆動のブラシレスＤＣモータ駆動回路を示す回路図であり、図７（ｂ）と同様の構成については同様の符号を付している。同図に示されるようにＡ相とＢ相それぞれに図７（ｂ）と同様の回路構成としており、直流電源１２と２２を供用する構成となっている。
これを本実施形態のアキシャルギャップ型のブラシレスＤＣモータに適用する場合には、図１０（ａ）を参照して、各コイルが取り付けられたプリント基板５２１と同様のもの（Ａ相のコイルに対して２２．５°ずらしてあるもの）をＢ相用としてもう一つ用意する。そしてＡ相用の各コイルが取り付けられたプリント基板と、Ｂ相用の各コイルが取り付けられたプリント基板を、Ａ相、Ｂ相の各コイル同士を密着して重ねるようにしながら（当然であるがＡ相、Ｂ相の各コイル同士は電気的に非接続）、上側筺体５５、下側筺体５６により挟んで配置する。さらに、上側回転子ブロック５１と下側回転子ブロック５３に、Ａ相用とＢ相用のずらし重なった各コイルの有効線輪面と対向するように、ヨークに固着された上下８個ずつの希土類磁石を設置する。
これにより、２相駆動によるパワフルで安定した駆動が可能となる。また、各コイルに貫通する磁束密度を上げる構成にしているため、電磁駆動力を増加させる効果がある。また、ステータヨークによる鉄損や渦電流損失が無くなり、軸受部に掛かる過大荷重による摩擦損をなくすことにより、小電力の高効率モータとすることの出来る効果がある。

また、ここまでアキシャルギャップ型のものを例として説明してきたが、本発明に係るブラシレスＤＣモータの駆動回路は、ラジアル型のモータにも当然適用することができる。図１４には、本発明に係るブラシレスＤＣモータの駆動回路を適用するラジアル型ブラシレスＤＣモータの一例を示した。

図１４は、ラジアルギャップ型ブラシレスＤＣモータ６０（以下単にラジアル型モータ６０）の回転軸に垂直な平面での断面図である。同図に示されるように、ラジアル型モータ６０は、外周面に永久磁石１０２がＮ極Ｓ極交互に配される回転子６１と、この回転子６１と僅かな空隙を有して対向して設けられる固定ヨーク６２とを備える。
固定ヨーク６２の内周面には、複数の凸状のコア６２１が形成され、このコア６２１には検出コイル１５と、駆動コイル１１が巻きつけられて設けられる。各コア６２１の間隔は、これに設けられる各コイルの有効線輪面が永久磁石１０２と対向する位置となるように定められる。
図１４の例では、例えば図１３の駆動回路によって駆動される２相のラジアル型モータを示しており、図１４における左側がＡ相、右側がＢ相となる。Ａ相の各コイル（１つの検出コイル１５ａ及び複数の駆動コイル１１ａ）の有効線輪面が永久磁石１０２と対向している状態（最大の回転力が得られる状態）においては、Ｂ相は各コイル（１つの検出コイル１５ｂ及び複数の駆動コイル１１ｂ）の有効線輪面と各永久磁石同士の境界が対向している状態（回転力最小）となる。

図１４のラジアル型モータ６０によれば、駆動力が空芯コイルを使ったものと比べると格段に大きくなり、屋外用の太陽電池を使って回転する看板など、大出力を必要とする回転装置に応用することが出来る。

１，３，４，５，６，７．．．ブラシレスＤＣモータ駆動回路、１１．．．駆動コイル、１２．．．直流電源、１３．．．トランジスタ（第１のトランジスタ）、１４．．．トランジスタ（第２のトランジスタ）、１５．．．検出コイル、１６．．．ダイオード、１７．．．抵抗（ベース電流制限用抵抗）、２２．．．直流電源（第２の直流電源）、２３．．．トランジスタ（第３のトランジスタ）、２４．．．トランジスタ（第４のトランジスタ）、２６．．．ダイオード（第２のダイオード）、２７．．．抵抗（第２のベース電流制限用抵抗）、５０．．．アキシャルギャップ型ブラシレスＤＣモータ、５１．．．上側回転子ブロック（回転子）、５２．．．固定子ブロック（固定子）、５３．．．下側回転子ブロック（回転子）、６０．．．ラジアルギャップ型ブラシレスＤＣモータ、６１．．．回転子、６２．．．固定ヨーク（固定子）、１００．．．ターンテーブル、１０１．．．小磁石、１０２．．．永久磁石

Claims

回転子に備えられる永久磁石の磁界内に配される駆動コイルと、
前記駆動コイルに駆動電力を供給する直流電源と、
エミッタ接地で、コレクタが前記駆動コイルに接続された第１のトランジスタと、
エミッタ接地で、コレクタが前記第１のトランジスタのベースに接続された第２のトランジスタと、
前記第２のトランジスタのベース電流を調整するベース電流制限用抵抗と、
前記永久磁石の磁界内に配される検出コイルであって、前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間に設けられる検出コイルと、
前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間に、前記検出コイルと直列に接続され、前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間の電流と並走順方向に設けられるダイオードであって、前記検出コイルに生じる誘導起電力によって逆方向電圧がかけられた状態において前記第２のトランジスタがオンになるように、且つ、前記検出コイルの誘導起電力によって順方向電圧がかけられた状態においては前記第２のトランジスタがオフになるように、前記第２のトランジスタのベース電流を制御調整するダイオードと、
を備えることを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動回路。
直列に接続される第１の直流電源及び第２の直流電源と、
回転子に備えられる永久磁石の磁界内に配され、前記第１の直流電源と第２の直流電源の間にその一端を接続された駆動コイルと、
ＰＮＰ型トランジスタであって、エミッタが前記第１の直流電源の正極側に接続され、コレクタが前記駆動コイルの他端に接続される第１のトランジスタと、
ＮＰＮ型トランジスタであって、エミッタが前記第１の直流電源と第２の直流電源の間に接続され、コレクタが前記第１のトランジスタのベースに接続された第２のトランジスタと、
前記第２のトランジスタのベース電流を調整する第１のベース電流制限用抵抗と、
前記永久磁石の磁界内に配される検出コイルであって、前記第２のトランジスタのベース・エミッタ間に設けられる検出コイルと、
アノードが前記第２のトランジスタのベースに接続され、カソードが前記検出コイルに接続されるダイオードであって、前記検出コイルに生じる誘導起電力によって逆方向電圧がかけられた状態において前記第２のトランジスタがオンになるように、且つ、前記検出コイルの誘導起電力によって順方向電圧がかけられた状態においては前記第２のトランジスタがオフになるように、前記第２のトランジスタのベース電流を制御調整する第１のダイオードと、
ＮＰＮ型トランジスタであって、エミッタが前記第２の直流電源の負極側に接続され、コレクタが前記駆動コイルの他端に接続される第３のトランジスタと、
ＰＮＰ型トランジスタであって、エミッタが前記第１の直流電源と第２の直流電源の間に接続され、コレクタが前記第３のトランジスタのベースに接続された第４のトランジスタと、
前記第４のトランジスタのベース電流を調整する第２のベース電流制限用抵抗と、
アノードが前記検出コイル及び前記第１のダイオードのカソードに接続され、カソードが前記第４のトランジスタのベースに接続されるダイオードであって、前記検出コイルに生じる誘導起電力によって逆方向電圧がかけられた状態において前記第４のトランジスタがオンになるように、且つ、前記検出コイルの誘導起電力によって順方向電圧がかけられた状態においては前記第４のトランジスタがオフになるように、前記第４のトランジスタのベース電流を制御調整する第２のダイオードと、
を備えることを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動回路。