JPH0241279B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、モータ可動部（ロータ）の位置に応
じて複数相のコイルへの電流路をトランジスタに
より電子的に切換えてゆくブラシレス直流モータ
に関するものである。

ブラシレス直流モータは、トルクリツプルが小
さく、ブラシによるノイズがなく、長寿命である
ことから、各種の民生機器や産業機器に使用され
ている。たとえば、このような直流モータをフア
ンモータに使用するならば、高速回転（非制御回
転）させた場合でも、ブラシがないために低雑
音、長寿命で信頼性の高いフアンモータを実現で
きる。

しかし、このような用途にブラシレス直流モー
タを使用する場合に、出力トランジスタは起動時
の大電流動作と高速回転時の小電流動作の両方を
行なう必要があり、そのベース電流は大電流動作
に合わせてかなり大きく設定されるために、高速
回転時には必要以上のベース電流が供給され、電
力損失を増大させていた。

この様な従来のモータについて、National
Technical Report Vol.26No.5P.794〜P.800の
“二相式トランジスタモータ”（1980年10月）に記
載されたるごとき２相のコイルに交互に電流を通
電することによつて、所定方向への持続的な回転
力を得るブラシレス直流モータを例にとつて説明
する。（本出願人は特願昭54−80507、54−84623、
54−158551等に、別種の２相のコイルを有するブ
ラシレスモータを提案している。） 第１図は上述の従来のブラシレス直流モータを
示す回路結線図である。Ｎ，Ｓ極を４極および８
極に着磁された界磁用のマグネツト３の４極部分
の磁束をホールIC４にて検知し、その極性に応
じてトランジスタ７をオン・オフ動作させる。ト
ランジスタ７がオンの時には直流電源Vcc＝12V
より抵抗６とトランジスタ７を通つて出力トラン
ジスタ９のベース電流が供給され、出力トランジ
スタ９は完全にオン（出力トランジスタ１０はオ
フ）となり、コイル１に電流を供給する。トラン
ジスタ７がオフとなると、抵抗６とダイオード１
１，１２を通つて出力トランジスタ１０にベース
電流が供給され、出力トランジスタ１０が完全に
オン（出力トランジスタ９はオフ）になり、コイ
ル２に電流を供給する。このように、モータ可動
部（ロータ）にとりつけられたマグネツト３の回
転に伴つて、出力トランジスタ９と１０は交互に
相補的にオン・オフ動作を行ない、モータを所定
方向に持続的に回転駆動する（トルク発生の原理
は公知であり、説明を省略する）。

いま、コイル１，２の抵抗を４Ωとすれば、起
動時の出力トランジスタ９，１０の通電電流は約
3Aとなる（出力トランジスタの飽和電圧を無
視）。出力トランジスタ９，１０の直流増幅利得
h_FEは大電流時に小さいことを考えてh_FE＝30とす
ると、ベース電流として約100ｍＡ必要となる。
一方、モータが高速回転動作を行なつている場合
には、コイル１，２に逆起電圧（発電電圧）が生
じているために供給電流は大幅に減小する。通電
時の発電電圧の大きさと11Vとすれば、コイルへ
の供給電流は（12−11）／４＝250ｍＡとなる。
このとき、出力トランジスタ９，１０の必要ベー
ス電流は約8.3ｍＡ（h_FE＝30）にもかかわらず、
前述の100ｍＡがベース電流として供給されてい
る。従つて、 （100−8.3）ｍＡ×12V≒1.1w の電力損失が生じている。

このような欠点をなくすために、モータの速度
制御を行なうことが考えられるが、そのような構
成にすると、速度検出や速度・電圧変換を伴う複
雑なモータ構造および回路構成が必要となり、コ
ストが著しく高くなる。

本発明は、このような点を考慮して、高速回転
動作するブラシレス直流モータにおいて、コイル
に発生する発電電圧を検出して、その検出信号に
もとづいて出力トランジスタへのベース電流を変
化させ、出力トランジスタをオン・オフ動作させ
るのに十分なベース電流を供給しながらも、発電
電圧が大きくなるとそのベース電流を小さくする
ようにし、簡単な構成ながらも電力損失の小さい
ブラシレス直流モータを実現しようとするもので
ある。

すなわち、本発明の構成は、モータ可動部の回
転位置を検出する位置検出手段と、複数相のコイ
ルと、前記位置検出手段の出力信号に応動してオ
ン・オフ動作し、直流電源から電流を供給する前
記コイルの相を切換える複数個の出力トランジス
タと、前記コイルの通電されていない時の発電電
圧に応じた検出電流信号を得る発電電圧検出手段
と、前記発電電圧検出手段の検出電流信号に応動
して出力電流を変化させ、前記発電電圧が大きく
なると前記出力電流を小さくする電流供給手段
と、前記電流供給手段の出力電流を前記位置検出
手段の出力信号に対応した前記出力トランジスタ
のベース電流として分配する電流分配手段を具備
し、前記電流供給手段は、前記発電電圧検出手段
の検出電流信号を所定の電流値から減算した電流
信号を得る電流減算手段と、前記電流減算手段の
出力電流を平滑するフイルタ手段と、前記フイル
タ手段の出力電流を増幅する電流増幅手段を含ん
で構成され、前記電流増幅手段の出力電流を前記
電流供給手段の出力電流として前記電流分配手段
に供給し、かつ、前記発電電圧検出手段は、前記
出力トランジスタの各コレクタ端子に一端を接続
された複数個の抵抗と、該抵抗の他端を共通接続
した端子にエミツタ端子が接続され、ベース端子
が基準電位点に接続された検出トランジスタを含
んで構成され、前記検出トランジスタのコレクタ
端子より前記検出電流信号を得るようにしたこと
により、所期の目的を達成したものである。

以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明す
る。第２図は本発明の一実施例を示す回路結線図
である。第２図において、１，２は２相のコイ
ル、３は８極と４極の多重の磁極を有する界磁用
のマグネツト、４はマグネツト３の４極の磁極部
分の磁束を感知することによりモータ可動部（ロ
ータ）の位置を検出するホールIC（ホール素子と
コンパレータを集積化したIC）、９，１０は出力
トランジスタである。また、破線にて囲まれたる
部分５１はコイル１，２に発生する発電電圧を検
出する発電電圧検出器、５２は発電電圧検出器５
１の出力に応動して、オン・オフ動作する出力ト
ランジスタ９，１０へのベース電流を変化させる
電流供給器である。

次に、その動作について説明する。ホールIC
４はマグネツト３の４極部分の磁束を感知し、そ
の磁束に応動してトランジスタ２２をオン・オフ
動作させる。トランジスタ２２がオフのときには
電流源２１の電流によりトランジスタ７がオンと
なり、電流供給器５２の出力電流を出力トランジ
スタ９のベース電流となし、出力トランジスタ９
を完全にオンとする。このとき、出力トランジス
タ１０はオフとなる。トランジスタ２２がオンの
ときにはトランジスタ７はオフとなり、電流供給
器５２の出力電流を出力トランジスタ１０のベー
ス電流となし、出力トランジスタ１０を完全にオ
ンとする。このとき、出力トランジスタ９はオフ
となる。このように、出力トランジスタ９，１０
を交互に相補的にオン・オフ動作させ、所定方向
に回転駆動していく。なお、ブリーダ抵抗８，１
３は56KΩと大きいため、その電流は無視でき
る。

発電電圧検出器５１は出力トランジスタ９，１
０の各コレクタ端子（出力端子）に一端を接続さ
れた抵抗３１，３２と、抵抗３１と３２の共通接
続点にエミツタ側を接続されたPNP形の検出ト
ランジスタ３３と、検出トランジスタ３３のベー
ス側に基準の電圧を与える抵抗３４，３５により
構成され、検出トランジスタ３３のコレクタ側か
ら出力電流i₁を得ている。

電流供給器５２は、発電電圧検出器５１の出力
電流i₁を所定電流値I₀より減算する電流減算器５
３と、トランジスタ４１，４２と抵抗４３，４４
により構成されるカレントミラーからなる第１の
電流増幅器５４と、コンデンサ４９と抵抗４０お
よび第１の電流増幅器５４により構成されるフイ
ルタと、トランジスタ４５，４６と抵抗４７，４
８により構成されるカレントミラーからなる第２
の電流増幅器５５とによつて構成され、第２の電
流増幅器５５の出力電流i₃が出力トランジスタ
９，１０のベース電流として供給される。

次に、その動作について説明する。モータの起
動段階においては、コイル１，２に大電流（約
3A）を供給する必要があり、出力トランジスタ
９，１０のベース電流を大きくしなければならな
い（約100ｍＡ）。いま、第３図ａのように、発電
電圧検出器５１の抵抗３１と３２の抵抗値が等し
く（R₁とする）、抵抗３４と３５の抵抗値が等し
い（R₂とする）ものとし、コイル１と２の端子
電圧（出力トランジスタ９，１０のコレクタ端子
電圧）をそれぞれV₁，V₂とすれば、第３図ａの
回路は第３図ｂのように等価的に表わされる。

モータの回転速度が小さい時には発電電圧は小
さく（発電電圧は回転速度に比例）、また、出力
トランジスタ９，１０は相補的にオン・オフする
からこのときの（V₁＋V₂）／２Vcc／２とな
り、検出トランジスタ３３はオフとなる。従つ
て、発電電圧検出器５１の出力電流i₁は零とな
る。

電流i₁は電流供給器５２の電流減算器５３に入
力されるが、i₁＝０であるから電流減算器５３の
出力電流i₂は定電流源３７の電流値i₀に等しくな
る。その電流i₂は第１の電流増幅器５４によつて
５倍に増幅され、さらに、第２の電流増幅器５５
によつて20倍に増幅されて（合計100倍の増幅）、
出力トランジスタのベース電流i₃となる。いま、
I₀＝１ｍＡとするとi₃＝100×I₀＝100ｍＡとなり、
出力トランジスタ９，１０をオンさせるのに必要
十分なベース電流が供給される。

次に、モータが高速回転している時の動作につ
いて第４図の動作説明波形図を参照して説明す
る。第４図ａはコイル１，２の端子電圧（出力ト
ランジスタ９，１０のコレクタ端子電圧）の波形
であり、コイル１の端子電圧を実線で示し、コイ
ル２の端子電圧を一点鎖線にて示す。また、同図
の縦線部分はコイル１へ供給される電流による電
圧降下を表わし、横線部分はコイル２への電流に
よる電圧降下を表わしている。

いま、コイル２に電流が供給されている場合
（たとえば、図示のＡ点）を考えると、コイル１
の発電電圧が大きくなり、その端子電圧V₁≒
20Vとなる。このとき、V₂＝0Vであるから、
（V₁＋V₂）／２＝10VとなりVcc／２＝6Vよりも
十分に大きくなり、検出トランジスタ３３は活性
となる（第３図ｂ参照）。その検出トランジスタ
３３の出力電流i₁は i₁＝（１／R1／２）・（V₁＋V₂／２−Vcc／２−V_D） となる。ここに、V_Dはベース・エミツタ間順方
向電圧（0.7V）である。第４図ｂに電流i₁の波形
を示す。

発電電圧検出器５１の出力電流i₁は電流供給器
５２の電流減算器５３に入力され、定電流源３７
の電流値I₀と電流i₁の差に対応した電流i₂がベー
ス接地されたトランジスタ３８を介して出力され
る。第４図ｃに電流i₂の波形を示す。

コンデンサ４９と抵抗４０および第２の電流増
幅器５４によつて構成されるフイルタにより、電
流リツプルを低減するとともに、５倍の電流増幅
を行なう。第２の電流増幅器５５によつて、さら
に20倍の電流増幅されて、第４図ｄに示すような
出力電流i₃を得ている。

従つて、電流供給器５２の出力電流i₃は高速回
転時に減小し、出力トランジスタ９，１０のベー
ス電流を小さくする（出力トランジスタ９，１０
はオン・オフ動作する）。その結果、高速回転時
のベース電流損失を著しく軽減している。たとえ
ば、出力トランジスタの通電電流が250ｍＡの時
に、起動時のベース電流の100ｍＡの２分の１の
50ｍＡに減らすものとすれば（このときの必要ベ
ース電流は8.3ｍＡ）、50ｍＡ×12V＝0.6wの軽減
となる。さらに、４分の１の25ｍＡに減らすもの
とすれば75ｍＡ×12V＝0.9wの軽減となる（これ
でも、出力トランジスタ９，１０はオン・オフ動
作する）。

上記実施例の発電電圧検出器５１は、各出力ト
ランジスタのコレクタ端子に一端を接続された抵
抗の他端を共通接続して、その接続点の電圧を検
出トランジスタ３３のエミツタ端子に与え、その
ベース端子に基準となる所定電圧値を与えるよう
にしている。その結果、複数相のコイル１，２に
生じる発電電圧について、発電電圧が所定電圧値
よりも大きくなると検出トランジスタ３３のコレ
クタ端子より発電電圧の振幅に応じた検出信号i₁
が得られる。このように構成すれば、コイル１と
２の発電電圧が位相差を持つているので、モータ
の１回転当りの発電電圧の検出回数が増え、検出
信号i₁に応動した電流減算器５３の出力電流i₂の
コンデンサ４９による平滑化（フイルタ）が容易
になる。すなわち、コンデンサ４９を小さくでき
る。

また、上記の構成により、発電電圧検出器５
１、電流供給器５２、ホールICおよびその他の
駆動回路を単一のシリコン・チツプ上に集積回路
（IC）化することが容易になる。

これについて更に説明する。第４図ａに示すよ
うに、通電するコイルを切換えるときオフとなる
コイルに急激なスパイク電圧を発生する。このス
パイク電圧は起動時の大電流動作時に非常に大き
くなり、80V〜100Vにもなる。コイル１，２に
並列に接続されたコンデンサ２３，２５と抵抗２
４，２６の直列回路は、このスパイク電圧を低減
するものであるが、通電電流が大きいために十分
小さくしきれない。一方、集積回路（IC）の耐
圧は24Vまたは45Vが限界であり、コイル１，２
の端子を直接にICの入力端子に接続すると耐圧
破壊を生じてしまう。すなわち、出力トランジス
タ９，１０および抵抗３１，３２をIC内に含め
ることはできない。

このとき、第２図の発電電圧検出器５１のよう
に構成するならば、抵抗３１，３２を共通接続し
た点をICの入力端子に接続すれば良く、少ない
ピン数（１本）によつて発電電圧の検出が正確に
できるとともに、外付け部品も低抗が２本必要と
されるだけである。

第５図は本発明の他の実施例を示す回路結線図
である。この実施例においては、電流供給器５２
の電流減算器５３を抵抗３６，６２，６３，６４
とトランジスタ３８により構成し、電流減算器５
３の出力電流i₂の最大値（発電電圧検出器５１の
電流i₁が零のときの値）が直流電流の電圧値Vcc
に連動して変化するようにして、Vccが大きくな
つた場合でも出力トランジスタ９，１０をオンさ
せるのに十分な電流を供給するようになしてい
る。また、第２図のコンデンサ４９をなくしてコ
ンデンサ６１に置き換えて、コンデンサ６１と抵
抗３６，６２によつてフイルタを構成し、発電電
圧検出器５１の出力電流i₁の含むリツプルを低減
させている。他の部分の構成および動作について
は、第２図の実施例と同様であり、説明を省略す
る。

第６図に本発明の更に他の実施例を示す回路結
線図である。この実施例では、発電電圧検出器５
１の構成を変え、NPN形の検出トランジスタ７
３を使用して検出するようにしている。すなわ
ち、コイル１，２に一端を接続された抵抗３１，
３２の他端を共通接続し、その共通接続点の電圧
を抵抗７１，７２にて分割して検出トランジスタ
７３のベース端子に与え、検出トランジスタ７３
のエミツタ端子には抵抗７４，７５により所定の
電圧を与え、その両電圧（ベースとエミツタの電
圧）を比較し、ベース電圧が大きくなると（コイ
ル１，２の発電電圧が大きくなると）、検出トラ
ンジスタ７３が活性となり、コレクタ側に電流を
出力する。検出トランジスタ７３のコレクタ電流
がトランジスタ７６，７７によつて反転され出力
される。

前述の実施例では、２相のコイルに交互に電流
を通電する構成を示したが、本発明はそのような
場合に限らず、一般に、多相のコイルを有するブ
ラシレス直流モータを構成できる。また、ホール
ICに限らず、周知の各種の位置検出器を使用で
きる。

また、前述の実施例では、発電電圧の値に応じ
て連続的に出力トランジスタのベース電流が変化
するようになしたが、本発明はそのような場合に
限らず、発電電圧が所定値以上になるとステツプ
的に出力トランジスタのベース電流が小さくなる
ようにしても良い。

以上の説明にて理解されるように、本発明のブ
ラシレス直流モータは、コイルに生じる発電電圧
を検出して、高速回転時には出力トランジスタの
ベース電流を小さくするようにしている（出力ト
ランジスタはオン・オフ動作する）ので、起動時
の大電流動作状態においても出力トランジスタに
十分なベース電流を供給し、高速回転時の小電流
動作状態においては出力トランジスタのベース電
流を必要値より少し多い程度まで小さくでき、そ
の結果、高速回転時のベース電流による電力損失
を著しく小さくできる利点を有する。また、発電
電圧検出器、電流供給器、ホールICおよびその
他の駆動回路を集積回路にて構成する場合には、
ピン数および外付け部品の少ない構成を実現でき
る。

従つて、本発明にもとづいて、たとえば軸流フ
アン用のブラシレス直流モータを構成するなら
ば、定常的な高速回転時における電力損失の小さ
い低消費電力形のフアンモータを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のブラシレス直流モータを示す回
路結線図、第２図は本発明の一実施例を示す回路
結線図、第３図ａ，ｂは動作説明のための部分回
路図とその等価回路図、第４図ａ〜ｄは動作説明
用波形図、第５図および第６図はそれぞれ本発明
の他の実施例を示す回路結線図である。 １，２……コイル、３……界磁用のマグネツ
ト、４……ホールIC、９，１０……出力トラン
ジスタ、５１……発電電圧検出器、５２……電流
供給器、３３，７３……検出トランジスタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ モータ可動部の回転位置を検出する位置検出
   手段と、複数相のコイルと、前記位置検出手段の
   出力信号に応動してオン・オフ動作し、直流電源
   から電流を供給する前記コイルの相を切換える複
   数個の出力トランジスタと、前記コイルの通電さ
   れていない時の発電電圧に応じた検出電流信号を
   得る発電電圧検出手段と、前記発電電圧検出手段
   の検出電流信号に応動して出力電流を変化させ、
   前記発電電圧が大きくなると前記出力電流を小さ
   くする電流供給手段と、前記電流供給手段の出力
   電流を前記位置検出手段の出力信号に対応した前
   記出力トランジスタのベース電流として分配する
   電流分配手段を具備し、前記電流供給手段は、前
   記発電電圧検出手段の検出電流信号を所定の電流
   値から減算した電流信号を得る電流減算手段と、
   前記電流減算手段の出力電流を平滑するフイルタ
   手段と、前記フイルタ手段の出力電流を増幅する
   電流増幅手段を含んで構成され、前記電流増幅手
   段の出力電流を前記電流供給手段の出力電流とし
   て前記電流分配手段に供給し、かつ、前記発電電
   圧検出手段は、前記出力トランジスタの各コレク
   タ端子に一端を接続された複数個の抵抗と、該抵
   抗の他端を共通接続した端子にエミツタ端子が接
   続され、ベース端子が基準電位点に接続された検
   出トランジスタを含んで構成され、前記検出トラ
   ンジスタのコレクタ端子より前記検出電流信号を
   得るようにしたブラシレス直流モータ。