JP6938294B2 - 回路基板、モータユニット、およびファン - Google Patents

回路基板、モータユニット、およびファン Download PDF

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Description

本発明は、回路基板、モータユニット、およびファンに関し、特にモータの駆動を制御するモータ駆動制御回路を搭載した回路基板、当該回路基板とモータとを備えたモータユニット、および当該モータユニットとインペラとを備えたファンに関する。
一般に、車載用途の電子機器は、高水準の電磁両立性(EMC;Electro−Magnetic Compatibility)が要求される。ここで、EMC性能には、外部からの電磁ノイズに対する電子機器の耐性を示す電磁感受性(EMS:Electro Magnetic Susceptibility)を持つことと、電子機器が発する通信用の電波や高周波の電磁波ノイズが周囲の電子機器や人体に影響を与える電磁妨害(EMI:Electro Magnetic Interference)を生じさせないことの両方が含まれる。
しかしながら、モータを搭載した電子機器は、EMC性能がよいとは言い難い。例えば、車載用途のファンにおいて、モータの駆動を制御するモータ駆動制御回路が実装された回路基板は、電源供給用の電線や信号通信用の電線等が接続される。そのため、モータ駆動制御回路は、それらの電線を介して外部から入射された電磁ノイズによって誤動作するおそれがあり、EMSが低下する点で課題となり得る。
また、モータ駆動制御回路の構成要素の一つである、モータを駆動するための駆動回路(インバータ回路)は、モータ(コイル)を大電流で駆動するバイポーラトランジスタやFET等の半導体スイッチング素子を備えている。そのため、駆動回路自身が電磁ノイズの放出源になり、EMIが増加する点で課題となり得る。
このように、ファン等のモータを搭載した電子機器は、EMC性能がよいとは言い難い。そこで、以前から、モータを搭載した電子機器のEMC性能を改善するための研究が行われている。
例えば、モータを搭載した回路基板ユニットのEMC性能を改善するための技術が特許文献1に開示されている。具体的に、特許文献1には、モータを制御する回路が実装された回路基板を金属から構成されたケースで覆うことにより、回路基板から発せられる電磁波を遮蔽するとともに、外部から基板に入射される電磁波を遮蔽する回路基板ユニットが開示されている。
特開2015−60879号公報
近年、車載用途のモータは小型化が進んでいる。それに伴い、車載用途のモータを制御するモータ制御回路が搭載される回路基板についても、小型化および高密度化が要求されている。そのため、車載用途のファンにおいて、要求されるEMC性能を満足することは以前よりも困難になっている。
具体的には、小型のファンに内蔵される回路基板は、モータの出力軸を支持する軸受の寸法および外形の制約により、電子部品を実装できる面積が小さく、且つ配線の自由度が低いため、車載用途で要求されるEMC性能を満足することは容易ではない。例えば、上述した特許文献1の技術を適用した場合、モータ駆動制御回路のEMC性能が向上する可能性は高いが、ファンの小型化は困難である。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、モータを搭載した電子機器のEMC性能を向上させることにある。
本発明の代表的な実施の形態に係る回路基板は、モータを搭載したモータユニットの回路基板であって、互いに背向する一対の面の一方である主面と前記一対の面の他方である裏面とを有する基板と、前記主面に形成され、前記モータのコイルを接続するための第1ランドおよび第2ランドと、前記モータのロータの位置に応じた検出信号を出力する磁気検出素子と、前記検出信号に基づいて、前記モータを駆動するための駆動信号を生成するモータ駆動制御用ICとを備え、前記磁気検出素子および前記モータ駆動制御用ICは、前記基板を前記主面側から見て、前記第1ランドと前記モータの出力軸の軸線とを結ぶ第1直線と、前記第2ランドと前記モータの前記軸線とを結ぶ第2直線とによって画成される前記主面上の領域のうち、前記第1直線と前記第2直線とによって形成される劣角側の領域に配置されていることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、モータを搭載した電子機器のEMC性能を向上させることが可能となる。
本発明の実施の形態に係るファンの構成を示す図である。 モータ駆動制御回路120の回路構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る回路基板12の主面131側の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る回路基板12の裏面132側の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る回路基板12におけるグランド電極P2とエミッタ電極Eおよびグランド端子GND1との接続関係を模式的に示す図である。 本実施の形態に係る回路基板12の比較例としての回路基板におけるグランド電極P2とエミッタ電極Eおよびグランド端子GND1との接続関係を模式的に示す図である。 本実施の形態に係る回路基板12を採用したモータユニット10のBCI試験の結果の具体例を示す図である。 本実施の形態に係る回路基板12の比較例として従来の回路基板を採用したモータユニットのBCI試験の結果の具体例を示す図である。
1.実施の形態の概要
先ず、本願において開示される発明の代表的な実施の形態について概要を説明する。なお、以下の説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を、括弧を付して記載している。
〔1〕本発明の代表的な実施の形態に係る回路基板(12)は、モータ(11)を搭載したモータユニット(10)の回路基板であって、互いに背向する一対の面の一方である主面(131)と前記一対の面の他方である裏面(132)とを有する基板(130)と、前記主面に形成され、前記モータのコイル(17)を接続するための第1ランド(P4)および第2ランド(P5)と、前記モータのロータ(14)の位置に応じた検出信号を出力する磁気検出素子(122)と、前記検出信号に基づいて、前記モータを駆動するための駆動信号(VOUTA,VOUTB)を生成するモータ駆動制御用IC(121)とを備え、前記磁気検出素子および前記モータ駆動制御用ICは、前記基板を前記主面側から見て、前記第1ランドと前記モータの出力軸の軸線とを結ぶ第1直線()と、前記第2ランドと前記モータの前記軸線とを結ぶ第2直線()とによって画成される前記主面上の領域のうち、前記第1直線と前記第2直線とによって形成される劣角(θ)側の領域(AR1)に配置されていることを特徴とする。
〔2〕上記回路基板において、前記第1直線と前記第2直線とによって形成される劣角(θ)は90度以下であってもよい。
〔3〕上記回路基板において、前記主面および前記裏面の何れか一方に形成され、外部からグランド電圧が供給されるグランド電極(P2)と、制御電極(B)と、前記グランド電極に接続される第1主電極(E)と、第2主電極(C)とを有し、前記主面に配置されたトランジスタ(Q1)とを更に備え、前記モータ駆動制御用ICは、前記グランド電圧(VGND)を入力するためのグランド端子(GND1)と、前記検出信号を入力するための第1入力端子(INP)および第2入力端子(INN)と、前記第1入力端子および前記第2入力端子から入力された前記検出信号に基づいて生成した前記駆動信号を出力する第1出力端子(OUTA)および第2出力端子(OUTB)と、前記グランド端子に入力された電圧を基準にして生成した前記モータの回転数に応じた周期信号(Vfg)を出力する第3出力端子(FGOUT)とを有し、前記トランジスタの前記制御電極は、前記モータ駆動制御用ICの前記第3出力端子に接続され、前記基板において、前記グランド端子と前記第1主電極とは、互いに共通の配線(138_1〜138_3,136)を経由して前記グランド電極に接続されていてもよい。
〔4〕上記回路基板において、前記第1主電極および前記グランド端子の一方は、前記第1主電極および前記グランド端子の他方と前記グランド電極とを接続するグランド接続経路(グランド電極への接続配線経路)を経由して前記グランド電極に接続されていてもよい。
〔5〕上記回路基板において、前記基板の前記裏面に形成された金属薄膜から成る不連続な環状のベタパターン(136)を更に備え、前記ベタパターンは、前記グランド電極、前記グランド端子、および前記第1主電極に接続されていてもよい。
〔6〕上記回路基板において、前記ベタパターンは、前記基板を前記裏面側から見て、前記グランド電極と重なる領域から前記グランド端子と重なる領域を経由して前記第1主電極と重なる領域まで延在していてもよい。
〔7〕上記回路基板において、前記基板は、複数の配線パターン(141〜146,136,138_1〜138_4)を有し、前記複数の配線パターンのうち、前記グランド電圧が供給される配線パターン(136,138_1〜138_4)以外の配線パターン(141〜146)は、前記主面にのみ形成されていてもよい。
〔8〕本発明の代表的な別の実施の形態に係る回路基板(12)は、モータ(11)を搭載したモータユニット(10)の回路基板であって、互いに背向する一対の面の一方である主面(131)と前記一対の面の他方である裏面(132)とを有する基板(130)と、前記主面および前記裏面の何れか一方に形成され、外部からグランド電圧(VGND)が供給されるグランド電極(P2)と、前記基板の前記主面に配置され、前記モータを駆動するための駆動信号を生成するとともに、前記モータの回転数に応じた周波数の周期信号(Vfg)を生成するモータ駆動制御用IC(121)と、制御電極(B)と、前記グランド電極に接続される第1主電極(E)と、第2主電極(C)とを有し、前記主面に配置されたトランジスタ(Q1)とを備え、前記モータ駆動制御用ICは、前記グランド電圧を入力するためのグランド端子(GND1)と、前記駆動信号を出力する第1出力端子(OUTA)および第2出力端子(OUTB)と、前記グランド端子の電圧を基準として生成した前記周期信号を出力する第3出力端子(FGOUT)とを有し、前記トランジスタの前記制御電極は、前記モータ駆動制御用ICの前記第3出力端子に接続され、前記基板において、前記グランド端子と前記第1主電極とは、互いに共通の配線(138_1〜138_3,136)を経由して前記グランド電極に接続されていてもよい。
〔9〕上記回路基板において、前記第1主電極および前記グランド端子の一方は、前記第1主電極および前記グランド端子の他方と前記グランド電極とを接続するグランド接続経路を経由して前記グランド電極に接続されていてもよい。
〔10〕上記回路基板において、前記基板の前記裏面に形成された金属薄膜から成る不連続な環状のベタパターン(136)を更に備え、前記ベタパターンは、前記グランド電極、前記グランド端子、および前記第1主電極に接続されていてもよい。
〔11〕上記回路基板において、前記ベタパターンは、前記基板を前記裏面側から見て、前記グランド電極と重なる領域から前記グランド端子と重なる領域を経由して前記第1主電極と重なる領域まで延在していてもよい。
〔12〕上記回路基板において、前記基板は、複数の配線パターン(138_1〜138_4,141〜146)を有し、前記複数の配線パターンのうち、前記グランド電圧が供給される配線パターン以外の配線パターンは、前記主面にのみ形成されていてもよい。
〔13〕本発明の代表的な実施の形態に係るモータユニット(10)は、上記回路基板(12)と、前記モータ(11)と、を備えることを特徴とする。
〔14〕本発明の代表的な実施の形態に係るファン(1)は、上記モータユニット(10)と、前記モータの回転力によって回転可能に構成されたインペラ(30)とを備えることを特徴とする。
2.実施の形態の具体例
以下、本発明の実施の形態の具体例について図を参照して説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態において共通する構成要素には同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
図1は、本発明の実施の形態に係るファンの構成を示す図である。同図には、本実施の形態に係るファン1の断面形状が示されている。
ファン1は、インペラ(羽根車)を回転させる事により、風を発生させる装置であり、例えば、機器の内部で発生する熱を外部へ排出し、その機器の内部を冷却する装置である。
具体的に、ファン1は、図1に示されるように、モータユニット10、インペラ30、およびケース40を備えている。ケース40は、モータユニット10およびインペラ30を収容する筐体であって、例えば樹脂から構成されている。ケース40には、ファンによって発生した風を通過させるための開口41,42が形成されている。
インペラ30は、回転することにより風を発生させる部品である。インペラ30は、モータ11の回転力によって回転可能に構成されている。
モータユニット10は、インペラ30を回転させるための回転力を発生するモータ11と、モータ11の駆動を制御するためのモータ駆動制御回路120が形成された回路基板12とを含んで構成されている。
モータ11は、例えば単相のブラシレスDCモータである。具体的に、モータ11は、ステータ13とロータ14を含む。ステータ13は、ステータコア15、インシュレータ16、およびコイル17を含む。ロータ14は、出力軸(シャフト)18、軸受19、軸受ハウジング20、マグネット(永久磁石)21、およびロータヨーク22を含む。出力軸18には、インペラ30が連結されている。
モータ駆動制御回路120からコイル17に電流が流れ、その電流の向きが周期的に切り替えられることにより、ロータ14が回転する。これにより、ロータ14の出力軸18に連結されたインペラ30が回転し、風を発生させることができる。
次に、モータ駆動制御回路120について詳細に説明する。
図2は、モータ駆動制御回路120の回路構成を示す図である。
同図に示すように、モータ駆動制御回路120は、モータ駆動制御用IC(Integrated Circuit)121、磁気検出素子122、信号出力回路123、抵抗R4,R5、容量C1〜C3、および複数の外部電極P1〜P5を含む。
外部電極P1は、外部から電源電圧VCCが供給される端子である。外部電極P2は、外部からグランド電圧VGNDが供給される端子である。外部電極P1と外部電極P2との間には、安定化容量として容量C1が接続されている。以下、外部電極P1を「電源電極P1」と、外部電極P2を「グランド電極P2」と称する場合がある。
外部電極P3は、後述する信号FGを出力する端子である。外部電極P4,P5は、モータ11のコイル17に接続するための端子である。
磁気検出素子122は、モータ11のロータ14の位置を検出する部品であり、例えばホール素子やホールIC等である。磁気検出素子122は、電源端子VCC2、グランド端子GND2、出力端子OUTP,OUTNを有している。磁気検出素子122の電源端子VCC2は、抵抗R4を介して電源電極P1に接続され、磁気検出素子122のグランド端子GND2は、抵抗R5を介してグランド電極P2に接続されている。磁気検出素子122の出力端子OUTPは、後述するモータ駆動制御用IC121の第1入力端子INPに接続され、磁気検出素子122の出力端子OUTNは、後述するモータ駆動制御用IC121の第2入力端子INNに接続されている。
磁気検出素子122は、電源端子VCC2に電源電圧VCCが供給され、グランド端子GND2にグランド電圧VGNDが供給されて動作する。具体的に、磁気検出素子122は、モータ11のロータ14の位置を検出し、検出したロータ14の位置に応じた検出信号を生成して出力端子OUTPおよび出力端子OUTNから出力する。
モータ駆動制御用IC121は、磁気検出素子122から出力された検出信号に基づいてモータ11を駆動するための駆動信号VOUTA,VOUTBを生成するとともに、モータ11の回転数に応じた周期信号Vfgを生成する半導体集積回路である。
モータ駆動制御用IC121は、例えば、公知のCMOS(Complementary Metal−Oxide−Semiconductor field effect transistor)LSIの製造技術等を用いて、シリコン等の単一半導体基板上に形成されたチップが一つのパッケージに収容されることにより実現されている。
モータ駆動制御用IC121は、電源端子VCC1、グランド端子GND1、第1入力端子INP、第2入力端子INN、および第1出力端子OUTA,第2出力端子OUTB、第3出力端子FGOUTを有する。
電源端子VCC1は、電源電極P1に接続されている。グランド端子GND1は、グランド電極P2に接続されている。電源端子VCC1とグランド端子GND1との間には、安定化容量としての容量C2が接続されている。第1出力端子OUTAは、外部電極P4に接続されている。第2出力端子OUTBは、外部電極P5に接続されている。第3出力端子FGOUTは、後述するトランジスタQ1のベース電極(制御電極の一例)Bに接続されている。
また、上述したように、第1入力端子INPは、磁気検出素子122の出力端子OUTPに接続され、第2入力端子INNは、磁気検出素子122の出力端子OUTNに接続されている。第1入力端子INPと第2入力端子INNとの間には、容量C3が接続されている。
モータ駆動制御用IC121は、電源端子VCC1に電源電圧VCCが供給され、グランド端子GND1にグランド電圧VGNDが供給されて動作する。モータ駆動制御用IC121は、モータ11のコイル17に供給すべき駆動信号VOUTAおよびVOUTBを生成し、第1出力端子OUTAおよび第2出力端子OUTBからそれぞれ出力する。モータ駆動制御用IC121は、第1入力端子INPおよび第2入力端子INNに入力された磁気検出素子122からの検出信号に基づいて、駆動信号VOUTA,VOUTBの電圧の極性を切り替える。これにより、モータ11のコイル17に流れる電流の向きが周期的に切り替わり、ロータ14が回転する。
また、モータ駆動制御用IC121は、第1入力端子INPおよび第2入力端子INNに入力された磁気検出素子122からの検出信号に基づいて、グランド端子GND1の電圧を基準としてロータ14の回転数に応じた周波数の周期信号Vfgを生成し、第3出力端子FGOUTから出力する。
周期信号Vfgは、トランジスタQ1をオンするハイ(High)レベルと、トランジスタQ1をオフするロー(Low)レベルパルス信号であり、ロータ14の回転数に比例した周波数を有する。
信号出力回路123は、モータ駆動制御用IC121の第3出力端子FGOUTから出力された周期信号Vfgを外部電極P3に出力するための回路である。具体的に、信号出力回路123は、トランジスタQ1と抵抗R1,R2,R3とを含んで構成されている。
トランジスタQ1は、例えばバイポーラトランジスタである。トランジスタQ1の制御電極の一例としてのベース電極Bには、周期信号Vfgが供給される。例えば、トランジスタQ1のベース電極Bは、モータ駆動制御用IC121の第3出力端子FGOUTに接続されている。また、ベース電極Bと電源電極P1との間には抵抗R1が接続され、ベース電極Bとグランド電極P2との間には抵抗R2が接続されている。トランジスタQ1の第1主電極の一例としてのエミッタ電極Eは、グランド電極P2に接続されている。トランジスタQ1の第2主電極の一例としてのコレクタ電極Cは、抵抗R3を介して外部電極P3に接続されている。
信号出力回路123において、モータ駆動制御用IC121の第3出力端子FGOUTから出力された周期信号VfgがトランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧の閾値より小さいとき、すなわち、周期信号Vfgがローレベルのとき、トランジスタQ1がオフし、外部電極P3は開放状態(オープン)となる。一方、周期信号VfgがトランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧の閾値より大きいとき、すなわち周期信号Vfgがハイレベルのとき、トランジスタQ1がオンし、外部電極P3とグランド電極P2とが抵抗R3を介して導通する。これによれば、外部電極P3に適切な負荷を接続することにより、外部電極P3から周期信号Vfgに同期した信号FGが出力される。
上述したように、モータ駆動制御回路120は、回路基板12に形成されている。回路基板12は、ファン1のEMC性能を改善するための種々の構成を備えている。以下、回路基板12について詳細に説明する。
図3A,3Bは、本発明の実施の形態に係る回路基板12の構成を示す図である。
図3Aには、回路基板12(基板130)の主面131側の平面図が示され、図3Bには、回路基板12(基板130)の裏面132側の平面図が示されている。
図3A,3Bに示される回路基板12は、基板130と、基板130上に実装された各種電子部品とを含む。
回路基板12は、モータ駆動制御用IC121、磁気検出素子122、トランジスタQ1、抵抗R1〜R5、および容量C1〜C3等の電子部品が基板130に実装され、各電子部品が基板130に形成された配線パターンによって互いに接続されることにより、モータ駆動制御回路120が実現された実装基板(Printed Circuit Board)である。
基板130は、例えば、金属薄膜(例えば銅箔)から成る複数の配線パターンが形成されたプリント基板(PWB:Printed Wired Board)である。図3A,3Bに示すように、基板130は、互いに背向する一対の面の一方である主面131と、一対の面の他方である裏面132とを有する。基板130は、例えば、主面131を第1配線層とし、裏面132を第2配線層とする2層基板(両面基板)である。
基板130は、平面視で円環(リング)状に形成されている。具体的には、平面視で円形状の外形を有する基板130の中心部分に、主面131と裏面132とを貫通する円形状の貫通孔133が形成されている。貫通孔133は、モータ11の一部を設置するための孔である。具体的には、図1に示すように、製品としてのファン1(モータユニット10)を組み立てた場合、基板130の貫通孔133内には、モータ11の出力軸18、軸受19、および軸受ハウジング20が配置される。
なお、図3A,3Bにおいて、ファン1を組み立てた場合の出力軸18の軸線を参照符号「S」で示している。
基板130の主面131には、外部電極P1〜P3が形成されている。外部電極P1〜P3は、例えば、金属薄膜から成る配線パターンを含む。
また、主面131には、外部電極P4,P5として、モータ11のコイル17を接続するためのランドが形成されている。以下、外部電極P4,P5としてのランドを、それぞれ「ランド(第1ランドの一例)P4」および「ランド(第2ランドの一例)P5」と称する。ランドP4,P5は、金属薄膜から成る配線パターンを含む。ランドP4,P5を形成する配線パターンには、主面131と裏面132とを貫通する貫通孔134,135がそれぞれ形成されている。貫通孔134,135は、例えば平面視円形状に形成されている。
また、主面131には、上述したモータ駆動制御用IC121、磁気検出素子122、トランジスタQ1、抵抗R1〜R5、および容量C1〜C3等の電子部品が実装されている。
なお、図3Aでは、説明の便宜上、モータ駆動制御用IC121、磁気検出素子122、およびトランジスタQ1を、その下に存在する主面131の配線パターンが透視可能なようにモデル化して表している。また、図3Aでは、抵抗R1〜R5および容量C1〜C3等の他の電子部品の図示を省略している。
主面131には、更に、実装された上述の電子部品および外部電極P1〜P5を互いに接続するための金属薄膜から成る配線パターンが複数形成されている。
図3Aに示すように、回路基板12において、配線パターンのうち、グランド電極P2に接続される配線パターンを「配線パターン138_1〜138_4」と表記する。
図3Bに示すように、基板130の裏面132には、金属薄膜から成るベタパターン136が形成されている。ベタパターン136は、基板130の主面131と裏面132とを貫通する複数の貫通配線(ビア)137によって、主面131に形成された複数の配線パターン138_1〜138_4にそれぞれ接続されている。これにより、ベタパターン136および配線パターン138_1〜138_4は、グランド電極P2と電気的に接続される。
ここで、ファン1のEMC性能の改善のために、モータ駆動制御用IC121および磁気検出素子122は、基板130上に以下に示すように配置される。
基板130の主面131において、ランドP4とモータ11の出力軸18の軸線の位置Sとを結ぶ仮想的な第1直線と、ランドP5とモータ11の出力軸18の軸線の位置Sとを結ぶ仮想的な第2直線とをそれぞれ引いた場合を考える。例えば、ランドP4の貫通孔134の中心と位置Sとを通るように第1直線を引き、ランドP5の貫通孔135の中心と位置Sとを通るように第2直線を引く。この場合において、磁気検出素子122およびモータ駆動制御用IC121は、基板130を主面131側から見て第1直線と第2直線とによって画成される主面131上の領域のうち、第1直線と第2直線とによって形成される劣角θ側の領域AR1に配置されている。
劣角θは、モータ11が単相モータである場合、90度以下であることが好ましい。
図3A,3Bに示すように、回路基板12において、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1とトランジスタQ1のエミッタ電極Eとは、互いに共通の配線を経由してグランド電極P2に接続されている。例えば、図3A,3Bに示すように、グランド端子GND1とエミッタ電極Eとは、ベタパターン136の一部、配線パターン138_1、138_2、138_3、および貫通配線137を含む共通の配線を経由してグランド電極P2に接続されている。
換言すれば、トランジスタQ1のエミッタ電極Eは、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1とグランド電極P2とを接続する接続経路(以下、「グランド端子GND1のグランド接続経路」とも称する。)を経由して、グランド電極P2に接続されている。
ここで、本実施の形態に係る回路基板12において、上記グランド接続経路は、例えば、ベタパターン136の一部、配線パターン138_1、138_2、138_3、および貫通配線137を含む共通の配線によって実現されている。
例えば、図3A,3Bに示すように、ベタパターン136は、グランド電極P2からグランド端子GND1との接続を経由してエミッタ電極Eまで延在する不連続な環状に形成されている。
ベタパターン136は、グランド電極P2、グランド端子GND1、およびエミッタ電極Eに接続されている。例えば、ベタパターン136は、グランド電極P2を含む配線パターン138_1と貫通配線137によって接続され、グランド端子GND1が接続される配線パターン138_3と貫通配線137によって接続され、エミッタ電極Eが接続される配線パターン138_4と貫通配線137によって接続されている。
より具体的には、図3Bに示すように、ベタパターン136は、裏面132における貫通孔133の周に沿って形成した円環状の配線パターンの一部の領域AR2をカットした形状、すなわちアルファベットの“C”字状に形成されている。ここで、領域AR2は、外部電極P3とトランジスタQ1(エミッタ電極E)との間の領域である。
図3Bに示すように、ベタパターン136は、基板130を裏面132側から見て、グランド電極P2と重なる領域からモータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1と重なる領域を経由してトランジスタQ1のエミッタ電極Eと重なる領域まで延在している。
一方で、グランド電圧VGNDが供給される配線パターン(例えば、配線パターン138_1〜138_4およびベタパターン136)以外の配線パターンは、基板130の主面131にのみ形成されていてもよい。
例えば、外部電極(ランド)P4とモータ駆動制御用IC121の第1出力端子OUTAとを接続する配線パターン141、外部電極(ランド)P5とモータ駆動制御用IC121の第2出力端子OUTBとを接続する配線パターン142、磁気検出素子122の出力端子OUTPとモータ駆動制御用IC121の第1入力端子INPとを接続する配線パターン143、磁気検出素子122の出力端子OUTNとモータ駆動制御用IC121の第2入力端子INNとを接続する配線パターン144、電源電極P1とモータ駆動制御用IC121等の各電子部品とを接続する配線パターン145、および外部電極P3と信号出力回路123とを接続する配線パターン146等を、主面131にのみ形成する。
換言すれば、基板130の裏面132に形成される配線パターンは、グランド電圧VGNDが供給されるベタパターン136のみとなる。
以上、本発明の一実施の形態に係る回路基板12によれば、以下に示す効果がある。
すなわち、回路基板12において、磁気検出素子122およびモータ駆動制御用IC121は、第1直線と第2直線とによって画成される主面131上の領域のうち、第1直線と第2直線とによって形成される劣角θ側の領域AR1に配置されている。
これによれば、モータ駆動制御用IC121が、モータ11のコイル17に接続されるランドP4,P5と磁気検出素子122とが近接して配置されるので、モータ駆動制御用IC121とランドP4,P5とを接続する配線パターン141,142の配線長を短くすることができる。これにより、モータ11のコイル17を駆動する大電流が流れる配線パターン141,142のインピーダンスを小さくすることができるので、回路基板12から放射される電磁ノイズを小さくすることが可能となり、EMIを低減させることが可能となる。
また、モータ駆動制御用IC121と磁気検出素子122とが近接して配置されるので、モータ駆動制御用IC121と磁気検出素子122とを接続する配線パターン143,144の配線長を短くすることができる。
これにより、配線パターン143,144のインピーダンスを小さくすることができるので、回路基板12から放射される電磁ノイズを小さくすることが可能となり、EMIを低減させることが可能となる。また、配線パターン143,144に外部からの電磁ノイズが印加された場合であっても、磁気検出素子122から出力される検出信号への電磁ノイズの影響を小さくすることが可能となり、モータ駆動制御回路120の誤動作を防ぐことが可能となる。
また、回路基板12において、第1直線と第2直線とによって形成される劣角θを90度以下にすることにより、モータ11が単相のブラシレスモータである場合に、モータ駆動制御用IC121と、ランドP4,P5と、磁気検出素子122とをより近接して配置することができる。これによれば、よりEMIを低減可能な単相モータ用回路基板を実現することが可能となる。
また、本実施の形態に係る回路基板12において、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1とトランジスタQ1のエミッタ電極Eとは、互いに共通の配線を経由してグランド電極P2に接続されている。具体的には、トランジスタQ1のエミッタ電極Eは、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1のグランド接続経路を経由して、グランド電極P2に接続されている。
これによれば、外部からの電磁ノイズが印加された場合であっても、モータ駆動制御回路120の誤動作を防ぐことが可能となる。以下、詳細に説明する。
図4Aは、グランド電極P2とトランジスタQ1のエミッタ電極Eおよびモータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1との接続関係を模式的に示す図である。
図4Bは、本実施の形態に係る回路基板12の比較例としての回路基板における、グランド電極P2とトランジスタQ1のエミッタ電極Eおよびモータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1との接続関係を模式的に示す図である。
上述したように、本実施の形態に係る回路基板12において、トランジスタQ1のエミッタ電極Eは、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1のグランド接続経路を経由してグランド電極P2に接続されているので、グランド電極P2とエミッタ電極およびグランド端子GND1とは、図4Aに示す接続関係となる。
具体的には、図4Aに示すように、グランド電極P2とエミッタ電極Eとを接続するグランド配線L2は、グランド電極P2とグランド端子GND1とを接続するグランド配線L1と、グランド端子GND1とエミッタ電極Eとを接続するグランド配線L3とを含む。換言すれば、グランド電極P2とエミッタ電極Eとを接続するグランド配線L2の一部は、グランド電極P2とグランド端子GND1とを接続するグランド配線L1と一致している。ここで、グランド配線L1は、上述したグランド端子GND1のグランド接続経路に相当する。
これにより、トランジスタQ1のエミッタ電極Eからグランド電極P2側を見たインピーダンス成分の一部として、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1からグランド電極P2側を見たインピーダンス成分を含むことになる。
これに対し、図4Bに示す比較例としての回路基板12Xのように、トランジスタQ1のエミッタ電極Eおよびモータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1を別個の配線パターンL1X,L2Xによってグランド電極P2にそれぞれ接続した場合、配線パターンL1Xと配線パターンL2Xは、互いに別個のインピーダンス成分を有することになる。
そのため、回路基板12Xでは、例えば配線パターンL1Xに外部から電磁ノイズが印加された場合、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1の電圧とトランジスタQ1のエミッタ電極Eの電圧とが異なる値となり、トランジスタQ1が誤動作するおそれがある。
例えば、通常、モータ駆動制御用IC121がローレベルの周期信号Vfgを出力している期間には、トランジスタQ1はオフしている。この期間において、配線パターンL1Xへ電磁ノイズが印加され、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1の電圧がトランジスタQ1のエミッタ電極Eの電圧(グランド電圧VGND)よりも大きくなった場合、グランド端子GND1の電圧を基準として生成されているトランジスタQ1のベース電極Bの電圧も同様に、エミッタ電極Eの電圧よりも大きくなる。このとき、トランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧VBEの閾値よりもベース電極Bの電圧(すなわち、周期信号Vfgのローレベル)が大きくなった場合、トランジスタQ1がオフすべき期間であるにもかかわらずオンしてしまい、誤った信号FGが出力されるおそれがある。
これに対し、本実施の形態に係る回路基板12では、図4Aに示すように、グランド電極P2とエミッタ電極Eとを接続するグランド配線L2の一部が、グランド電極P2とグランド端子GND1とを接続するグランド配線L1と共通しているので、グランド電極P2からグランド端子GND1までのインピーダンスと、グランド電極P2からエミッタ電極Eまでのインピーダンスとが一部において共通する。
回路基板12において、グランド配線L1に電磁ノイズが印加された場合、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1の電圧とトランジスタQ1のエミッタ電極Eの電圧とが、同一方向に変動する。すなわち、トランジスタQ1のベース電極Bの電圧とエミッタ電極Eの電圧が同一方向に変動するため、トランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧VBEの変動は、上述の回路基板12Xに比べて抑えられる。
そのため、モータ駆動制御用IC121がローレベルの周期信号Vfgを出力している期間において、グランド配線L1へ電磁ノイズが印加された場合であっても、ベース電極Bの電圧(すなわち、周期信号Vfgのローレベル)がトランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧VBEの閾値を超えず、トランジスタQ1の誤動作を防止することが可能となる。
ここで、回路基板12において、グランド端子GND1とグランド電極P2とを接続するグランド配線L1の配線長は、エミッタ電極Eとグランド端子GND1とを接続するグランド配線L3の配線長よりも長いことが好ましい。
これによれば、グランド端子GND1からエミッタ電極Eまでのインピーダンスが、グランド端子GND1からグランド電極P2までのインピーダンスに比べて小さくなるので、トランジスタQ1のエミッタ電極Eの電圧の変動幅とモータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1の電圧の変動幅との差を小さくすることができる。これにより、トランジスタQ1のベース・エミッタ間電圧VBEの変動を更に抑えることが可能となり、トランジスタQ1の誤動作をより効果的に防ぐことが可能となる。
また、回路基板12において、金属薄膜から成る不連続な環状のベタパターン136が基板130の裏面132に形成され、ベタパターン136は、グランド電極P2と、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1と、トランジスタQ1のエミッタ電極Eとにそれぞれ接続されている。
これによれば、トランジスタQ1のエミッタ電極Eを、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1のグランド接続経路を経由してグランド電極P2に接続することが容易となる。
例えば、図3Bに示すように、基板130の裏面132側から見て、ベタパターン136が、グランド電極P2と重なる領域から、モータ駆動制御用IC121のグランド端子GND1と重なる領域を経由して、トランジスタQ1のエミッタ電極Eと重なる領域まで延在することにより、容易に、エミッタ電極Eとグランド電極P2とをグランド端子GND1のグランド接続経路を経由して接続することができる。
また、回路基板12において、グランド電圧が供給される配線パターン以外の配線パターンは、基板130の主面131にのみ形成されている。
これによれば、電源電極P1とモータ駆動制御用IC121等を接続する配線やモータ駆動制御用IC121と外部電極P3,P4とを接続する配線等は、貫通配線(ビア)が不要となるので、貫通配線を用いる場合に比べて配線のインピーダンスを小さくすることができる。これにより、グランド電圧が供給される配線以外の配線から放射される電磁ノイズを抑えることが可能になるとともに、当該配線に外部から電磁ノイズが入射された場合であっても、モータ駆動制御回路120の誤動作を防止することが可能となる。
このように、本実施の形態に係る回路基板12によれば、回路基板12から放射される電磁ノイズを抑えることが可能になる(EMIの抑制)とともに、外部から入射された電磁ノイズによるモータ駆動制御回路120の誤動作を防止することが可能となる(EMSの向上)。
図5Aは、EMC試験の一例として、本実施の形態に係る回路基板12を採用したモータユニット10のBCI(Bulk Current Injection,ISO11452_4)試験の結果の具体例を示す図である。図5Bは、本実施の形態に係る回路基板12の比較例として従来の回路基板を採用したモータユニット10のBCI試験の結果の具体例を示す図である。なお、BCI試験は、電子機器に接続されたハーネスに強い電磁界ノイズが誘起した際の耐性を評価する試験である。
図5A,5Bにおいて、横軸は印加するノイズの測定周波数を表し、縦軸は、モータの定格回転数を100%としたときの定格回転数に対するモータの回転数の割合を表している。
図5Bに示すように、本実施の形態に係る回路基板12のようなEMC対策を施していない従来の回路基板を用いた場合、周波数が200MHzから500MHzの区間でモータの回転数が不安定になっていることがわかる。これに対し、本実施の形態に係る回路基板12を採用したモータユニット10では、図5Aに示すように、測定周波数範囲(0Hz〜800MHz)のどの周波数においてもモータの回転数が安定していることがわかる。
このように、本実施の形態に係る回路基板12をモータユニット10の回路基板として採用することにより、回路基板12とモータ11とを含むモータユニット10のEMC性能を向上させることが可能となり、ひいてはモータユニット10とインペラ30を含むファン1のEMC性能を向上させることが可能となる。
≪実施の形態の拡張≫
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施の形態では、基板130において、エミッタ電極Eがグランド端子GND1のグランド接続経路を経由してグランド電極P2に接続される場合を例示したが、グランド端子GND1は、エミッタ電極Eとグランド電極P2とを接続する接続経路(エミッタ電極Eのグランド接続経路)を経由してグランド電極P2に接続されていてもよい。例えば、図3Bにおいて、ベタパターン136は、グランド電極P2と重なる領域からエミッタ電極Eと重なる領域を経由してグランド端子GND1と重なる領域まで延在するC字状に形成されていてもよい。この場合、領域AR2は、裏面132側から見て、グランド電極P2とグランド端子GND1との間の領域となる。
これによれば、エミッタ電極Eがグランド端子GND1のグランド接続経路を経由してグランド電極P2に接続される場合と同様に、電磁ノイズによるトランジスタQ1の誤動作を防止することが可能となる。
また、グランド電極P2が基板130の主面131に形成される場合を例示したが、グランド電極P2は、基板130の裏面132に形成されていてもよい。
また、上記実施の形態では、基板130の外形が平面視で円形状である場合を示したが、これに限定されず、例えば、矩形状(例えば四角形状)やその他の形状であってもよい。また、基板130に形成される貫通孔133が平面視で円形状である場合を例示したが、これに限られず、例えば、矩形状(例えば四角形状)であってもよい。更に、貫通孔133は、基板130の中心部分に限られず、基板130の別の位置に形成されていてもよい。また、基板130に貫通孔133が形成されていなくてもよい。この場合には、図3A,3Bにおいて貫通孔133に対応する領域に出力軸18、軸受19、および軸受ハウジング20が載置可能になっていればよい。
また、トランジスタQ1がバイポーラトランジスタである場合を例示したが、FET(Field effect transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の別種類のトランジスタであってもよい。
また、上記実施の形態において、回路基板12が単相のブラシレスモータ用の回路基板である場合を例示したが、これに限られない。例えば、複数相(例えば3相)のブラシレスモータ用の回路基板においても同様に、エミッタ電極Eがグランド端子GND1のグランド接続経路を経由してグランド電極P2に接続されるように配線パターンを形成してもよい。また、この場合に、グランド電圧VGNDが供給される配線パターン以外の配線パターンを主面131にのみ形成してもよい。
また、上記実施の形態では、磁気検出素子122がホール素子である場合を例示したが、磁気検出素子122は、ホール素子とその他の周辺回路とを含んだホールICであってもよい。
また、基板130が両面基板である場合を例示したが、基板130は、3層以上の配線層を有する多層基板であってもよい。
また、ファン1の構成は、図1に示した構成に限定されない。たとえば、回路基板12を採用した上でファンとしての機能を実現することができるのであれば、構成部品の追加や変更等を行ってもよい。
また、回路基板12に形成された配線パターンの形状やモータ駆動制御用IC121等の電子部品のパッケージの形状等は、図3A,3Bに示した形状に限定されず、その目的を達成することができれば、種々の形状を採用することができる。
また、上記実施の形態では、モータ駆動制御用IC121が磁気検出素子122からの検出信号に基づいてモータ11を制御する場合を例示したが、モータ駆動制御用IC121は、ホール素子が不要のセンサレスモータ制御用ICであってもよい。この場合、回路基板12に磁気検出素子122を実装しなくてもよい。
1…ファン、10…モータユニット、11…モータ、12…回路基板、13…ステータ、14…ロータ、15…ステータコア、16…インシュレータ、17…コイル、18…出力軸、19…軸受、20…軸受ハウジング、21…マグネット、22…ロータヨーク、30…インペラ、40…ケース、41,42…開口、120…モータ駆動制御回路、121…モータ駆動制御用IC、122…磁気検出素子、123…信号出力回路、Q1…トランジスタ、R1〜R5…抵抗、C1〜C3…容量、130…基板、131…主面、132…裏面、133,134,135…貫通孔、136…ベタパターン、137…貫通配線、138_1〜138_4,141〜146…配線パターン、P1…外部電極(電源電極)、P2…外部電極(グランド電極)、P3…外部電極、P4…ランド(第1ランドの一例、外部電極),P5…ランド(第2ランドの一例、外部電極)、VCC1…電源端子、GND1…グランド端子、OUTA…第1出力端子、OUTB…第2出力端子、FGOUT…第3出力端子、INP…第1入力端子、INN…第2入力端子、VCC2…電源端子、GND2…グランド端子、OUTP,OUTN…出力端子、B…ベース電極(制御電極の一例)、E…エミッタ電極(第1主電極の一例)、C…コレクタ電極(第2主電極の一例)、…第1直線、…第2直線、S…出力軸18の軸線の位置、AR1,AR2…領域、VGND…グランド電圧、VCC…電源電圧、VOUTA,VOUTB…駆動信号、Vfg…周期信号、FG…信号

Claims (13)

  1. モータを搭載したモータユニットの回路基板であって、
    互いに背向する一対の面の一方である主面と前記一対の面の他方である裏面とを有する基板と、
    前記主面に形成され、前記モータのコイルを接続するための第1ランドおよび第2ランドと、
    前記モータのロータの位置に応じた検出信号を出力する磁気検出素子と、
    前記検出信号に基づいて、前記モータを駆動するための駆動信号を生成するモータ駆動制御用ICと、を備え、
    前記磁気検出素子および前記モータ駆動制御用ICは、前記基板を前記主面側から見て、前記第1ランドと前記モータの出力軸の軸線とを結ぶ第1直線と、前記第2ランドと前記モータの前記軸線とを結ぶ第2直線とによって画成される前記主面上の領域のうち、前記第1直線と前記第2直線とによって形成される劣角側の領域に配置され
    前記回路基板は、
    前記主面および前記裏面の何れか一方に形成され、外部からグランド電圧が供給されるグランド電極と、
    制御電極と、前記グランド電極に接続される第1主電極と、第2主電極とを有し、前記主面に配置されたトランジスタと、を更に備え、
    前記モータ駆動制御用ICは、前記グランド電圧を入力するためのグランド端子と、前記検出信号を入力するための第1入力端子および第2入力端子と、前記第1入力端子および前記第2入力端子から入力された前記検出信号に基づいて生成した前記駆動信号を出力する第1出力端子および第2出力端子と、前記グランド端子の電圧を基準として生成した前記モータの回転数に応じた周期信号を出力する第3出力端子と、を有し、
    前記トランジスタの前記制御電極は、前記モータ駆動制御用ICの前記第3出力端子に接続され、
    前記基板において、前記グランド端子と前記第1主電極とは、互いに共通の配線を経由して前記グランド電極に接続されている
    回路基板。
  2. 請求項1に記載の回路基板において、
    前記第1直線と前記第2直線とによって形成される劣角は90度以下である
    ことを特徴とする回路基板。
  3. 請求項に記載の回路基板において、
    前記基板において、前記第1主電極および前記グランド端子の一方は、前記第1主電極および前記グランド端子の他方と前記グランド電極とを接続するグランド接続経路を経由して前記グランド電極に接続されている
    ことを特徴とする回路基板。
  4. 請求項に記載の回路基板において、
    前記基板の前記裏面に形成された金属薄膜から成る不連続な環状のベタパターンを更に備え、
    前記ベタパターンは、前記グランド電極、前記グランド端子、および前記第1主電極に接続されている
    ことを特徴とする回路基板。
  5. 請求項に記載の回路基板において、
    前記ベタパターンは、前記基板を前記裏面側から見て、前記グランド電極と重なる領域から前記グランド端子と重なる領域を経由して前記第1主電極と重なる領域まで延在している
    ことを特徴とする回路基板。
  6. 請求項1乃至5の何れか一項に記載の回路基板において、
    前記基板は、複数の配線パターンを有し、
    前記複数の配線パターンのうち、前記グランド電圧が供給される配線パターン以外の配線パターンは、前記主面にのみ形成されている
    ことを特徴とする回路基板。
  7. モータを搭載したモータユニットの回路基板であって、
    互いに背向する一対の面の一方である主面と前記一対の面の他方である裏面とを有する基板と、
    前記主面および前記裏面の何れか一方に形成され、外部からグランド電圧を供給するためのグランド電極と、
    前記基板の前記主面に配置され、前記モータを駆動するための駆動信号を生成するとともに、前記モータの回転数に応じた周波数の周期信号を生成するモータ駆動制御用ICと、
    制御電極と、前記グランド電極に接続される第1主電極と、第2主電極とを有し、前記主面に配置されたトランジスタと、を備え、
    前記モータ駆動制御用ICは、前記グランド電圧を入力するためのグランド端子と、前記駆動信号を出力する第1出力端子および第2出力端子と、前記グランド端子の電圧を基準として生成した前記周期信号を出力する第3出力端子と、を有し、
    前記トランジスタの前記制御電極は、前記モータ駆動制御用ICの前記第3出力端子に接続され、
    前記基板において、前記グランド端子と前記第1主電極とは、互いに共通の配線を経由して前記グランド電極に接続されている
    回路基板。
  8. 請求項に記載の回路基板において、
    前記基板において、前記第1主電極および前記グランド端子の一方は、前記第1主電極および前記グランド端子の他方と前記グランド電極とを接続するグランド接続経路を経由して前記グランド電極に接続されている
    ことを特徴とする回路基板。
  9. 請求項に記載の回路基板において、
    前記基板の前記裏面に形成された金属薄膜から成る不連続な環状のベタパターンを更に備え、
    前記ベタパターンは、前記グランド電極、前記グランド端子、および前記第1主電極に接続されている
    ことを特徴とする回路基板。
  10. 請求項に記載の回路基板において、
    前記ベタパターンは、前記基板を前記裏面側から見て、前記グランド電極と重なる領域から前記グランド端子と重なる領域を経由して前記第1主電極と重なる領域まで延在している
    ことを特徴とする回路基板。
  11. 請求項7乃至10の何れか一項に記載の回路基板において、
    前記基板は、複数の配線パターンを有し、
    前記複数の配線パターンのうち、前記グランド電圧が供給される配線パターン以外の配線パターンは、前記主面にのみ形成されている
    ことを特徴とする回路基板。
  12. 請求項1乃至11の何れか一項に記載の回路基板と、
    前記モータと、を備える
    ことを特徴とするモータユニット。
  13. 請求項12に記載のモータユニットと、
    前記モータの回転力によって回転可能に構成されたインペラと、を備える
    ことを特徴とするファン。
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