JPS624954B2

JPS624954B2 -

Info

Publication number: JPS624954B2
Application number: JP54018010A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamauchi
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1979-02-19
Filing date: 1979-02-19
Publication date: 1987-02-02
Also published as: JPS55111689A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は励磁巻線はステータヨークに被着さ
れて固定され、この励磁巻線に対し磁界を与える
マグネツトがロータヨークに被着されてこれが回
転するようにされる無刷子直流モータに関する。

この種の無刷子直流モータではロータマグネツ
トから励磁巻線（以下ステータコイルという）に
加わる磁界の変化に同期してそのステータコイル
に駆動電流を供給しなければならない。

ところが、このような磁界に同期した駆動信号
を得るには従来複雑な回路構成を必要とするとと
もに正確な駆動信号を得ることも困難であつた。

例えば、この種の無刷子直流モータの一例とし
て第１図〜第４図に示すように、磁界が正弦波状
になるようにロータマグネツトが着磁されるとと
もに、互いに位相が90度異なる２相交流電流を、
２相のステータコイルに流すことにより、ロータ
の回転角に無関係に常に一定のトルクが得られ、
トルクむらのない回転をなすようにしたものがあ
る。

すなわち、第１図はこの無刷子直流モータの一
例の縦断面を示すもので、１は回転軸、２はロー
タマグネツト、３はロータヨークで、ロータマグ
ネツト２はロータヨーク３に被着されている。

ロータマグネツト２は複数極に着磁された永久
磁石が用いられるもので、第２図に示すように例
えば８極に着磁されるとともに、磁界が正弦波状
になるように着磁されている。

また、ステータコイルは２相設けられるもの
で、第３図に示すようにロータマグネツト２より
の磁界に対して互いに同相となる位置に配置され
ている巻線ブロツクC₁とC₂が直列に接続されて
第１のステータコイル４が形成され、ロータマグ
ネツト２よりの磁界に対して互いに同相となる位
置に同様に配されている巻線ブロツクC₃とC₄が
直列に接続されて第２のステータコイル５が形成
される。そして、これら第１及び第２のステータ
コイル４及び５はロータマグネツト２に対向する
ように配されるとともに互いに電気角で90゜の奇
数倍だけ異なるように配されている。

また、２個のステータコイル４及び５に対応し
てロータマグネツト２の磁界を検出するための検
出素子として２個のホール素子６及び７が設けら
れる。すなわち、ホール素子６はステータコイル
４と電気角で同相となる位置に、ホール素子７は
ステータコイル５と電気角で同相となる位置に、
それぞれ配されるとともに、２個のホール素子６
及び７は、第３図に示すようにロータマグネツト
２よりの磁束を検出する位置で、かつ、互いに電
気角で90゜異なる位置に配置される。

第４図は、この無刷子直流モータの駆動回路の
一例を示すもので、２個のホール素子６及び７に
は、端子８を通じて直流電流Ｉが供給されてい
る。

したがつて、ロータマグネツト２の回転に応じ
て、ホール素子６及び７には正弦波電圧が得ら
れ、この電圧が直線性を有する増幅回路９及び１
０に供給される。すなわち、ホール素子６及び７
の出力に得られる正弦波電圧がオペレーシヨナル
アンプ（以下オペアンプという）１１及び１２の
正及び負入力端子間に印加され、このオペアンプ
１１及び１２の出力により、正弦波電圧の正の半
サイクル期間にはそれぞれトランジスタ１３及び
１５が導通状態となつて、これを通じてステータ
コイル４及び５に電流が流れ、負の半サイクル期
間にはそれぞれトランジスタ１４及び１６が導通
状態となつてこれを通じてステータコイル４及び
５に電流が流れる。

したがつて、ステータコイル４及び５には、ホ
ール素子６及び７より得られた電圧に比例した電
流が供給される。

すなわち、ロータの回転角をθとすれば、一方
のステータコイル４に鎖交する磁束φ_１及び他方
のステータコイル５に鎖交する磁束φ_２は、 φ_１＝φ_nsinθ ………(1) φ_２＝φ_ncosθ ………(2) で表わされる。ただし、φｍは定数である。

また、２個のホール素子６及び７によつてロー
タマグネツト２よりの正弦波状に変化する磁界が
検出され、これらホール素子６及び７には、検出
磁界に比例した電圧が発生し、これが増幅回路９
及び１０に供給されるから、各ステータコイル４
及び５に流れる電流i₁及びi₂は、 i₁＝Ksinθ ………(3) i₂＝Kcosθ ………(4) となる。但し、Ｋは回転角θに無関係の値で、完
成したモータでは電流Ｉが一定ならば定数であ
る。

したがつて、ステータコイル４及び５による力
F₁及びF₂は、 F₁＝i₁・φ_１＝φmKsin²θ ………(5) F₂＝i₂・φ_２＝φmKcos²θ ………(6) したがつて、ロータマグネツト２が受ける力Ｆ
は、Ｆ＝F₁＋F₂＝φmK（sin²θ＋cos²θ）＝φmK ………(7) となり、ロータの回転角θに関係なく一定のもの
となる。

このように、この無刷子直流モータによれば、
磁界が正弦波状になるようにロータマグネツトを
着磁するとともに２相のステータコイルに、互い
に位相が90度ずれた２相正弦波交流信号を通電す
ることにより、ロータの回転角に無関係に常に一
定のトルクを得ることができ、トルクむらのない
直流モータが実現できるものである。

ところで、上述の例のように、ロータマグネツ
トよりの磁界を２個のホール素子で検出し、その
検出出力から直接的にステータコイルに流す正弦
波電流を形成するようにした場合には次のような
欠点がある。

すなわち、ホール素子の検出出力には直流オフ
セツト電圧が発生し、したがつてステータコイル
に流れる正弦波電流には直流分が含まれる。この
ため正弦波の正の区間と負の区間との長さが異な
り、これがトルクリツプルの原因となる。

また、ホール素子は同一材料で構成されたもの
であつても、その積感度は同じではなく、バラツ
キがある。したがつて、その出力電圧にもバラツ
キが生じ、上述の例の場合、ホール素子６の出力
電圧とホール素子７の出力電圧が同じにならず、
これもトルクリツプルの原因となる。

さらに、ロータマグネツトに対し、その磁界が
正確に正弦波状になるように着磁することは困難
で、通常、着磁むらを生じる。上述の例では、こ
の着磁むらのあるロータマグネツトよりの磁界を
検出することにより正弦波を形成することにな
り、ステータコイルに流れる電流は正確な正弦波
にはならない。これもトルク変動の原因となる。

この発明は、上記の点にかんがみ、ステータコ
イルに加わる磁界の変化に同期した駆動電流を得
るに当たつて、簡単な構成で、正確な所望波形の
駆動電流を容易に得ることができるようにしたも
のである。

以下、この発明による無刷子直流モータの一例
を、上述したロータの回転角位置に無関係に常に
一定の回転トルクが得られるようにした無刷子直
流モータの場合を例にとつて、第５図以下を参照
しながら説明しよう。

すなわち、この発明では、第５図に示すよう
に、例えば、ロータヨーク３の外周の側周面の全
周に磁気コーテイング層１７を形成する。そし
て、この磁気コーテイング層１７部分に、例えば
磁気ヘツドによつて駆動電流波形情報が記録され
て記憶される。

この例の場合、ロータマグネツト２が８極着磁
されている場合には、第６図に示すようにロータ
の１回転では磁界は正弦波状に４回くり返す。そ
こで、コーテイング層１７には４周期分の正弦波
形がＮ個のサンプリングパルスでサンプリングさ
れ、そのサンプリング値が、コーテイング層１７
のロータヨーク３の全周分がＮ分割された各位置
にそれぞれ記録される。この場合は、記録される
信号はサンプリング値が量子化されたデジタル信
号で、例えば６ビツトのデジタル信号として記録
される場合には、ロータの回転方向と垂直な方向
に６個のヘツドチツプが並列的に配され、この６
個のヘツドチツプにてそれぞれ各ビツトの状態
（「０」か「１」）が記録される。なお、この例で
は正弦波の正又は負の極性を示す信号用として１
ビツト分設けられ、また各分割記録位置を示す信
号用としてさらに１ビツト設けられ、合計８ビツ
トの信号が記録される。すなわち、ロータの回転
方向に沿つて８本の磁気トラツクが形成されるこ
とになる。

こうして記録されている波形情報を読み出す素
子として、この例では、ロータの回転方向に垂直
な方向に８個のヘツドチツプが配列されたマルチ
トラツクヘツド１８及び１９が設けられる。これ
らマルチトラツクヘツド１８及び１９は、磁気コ
ーテイング層１７に対接するように配されるとと
もに、各ヘツドチツプが各ビツトのトラツク部分
上を走査するように配される。

そして、さらに、マルチトラツクヘツド１８と
１９とは、電気角で互いに90度異なるような位置
に配されるとともに、例えば、マルチトラツクヘ
ツド１８にては、ステータコイル４に加わる磁界
Ｈ_Sに同期した波形が得られ、マルチトラツクヘ
ツド１９にてはステータコイル５に加わる磁界Ｈ
_Cに同期した波形が得られるような位置に配置さ
れる。

第７図は、この無刷子直流モータの駆動回路の
一例である。

すなわち、マルチトラツクヘツド１８及び１９
は、ロータヨーク２の側面の磁気コーテイング層
１７に形成された記録トラツク上を走査し、デジ
タル情報が再生される。この場合、ロータの回転
方向が図中矢印Ａで示す方向であるとすると、ヘ
ツド１８よりはヘツド１９よりも電気角で90度分
遅れて再生される。

こうしてヘツド１８及び１９により取り出され
た信号は、リミツタアンプ２０及び２１に供給さ
れて波形整形される。

そして、リミツタアンプ２０及び２１よりは、
第８図Ａに示すようなアナログ波形のサンプリン
グ値SD₀，SD₁，SG₂………のデイジタル情報
（６ビツト分）と、そのデジタル情報が正弦波の
正極性のものか負極性のものかを示す信号D₁及
びD₂と、Ｎ個の記録位置毎に得られる記録位置
パルス、すなわち、くり返し数がロータの１回転
につきＮで、周波数が回転速度に応じて変わるパ
ルス、Ｐ_FG1及びＰ_FG2（第８図Ｃ参照）とが得ら
れる。

リミツタアンプ２０及び２１の出力のうちのパ
ルスＰ_FG1及びＰ_FG2は、それぞれフリツプフロツ
プ回路２４及び２５のセツト端子に供給されて、
このフリツプフロツプ回路２４及び２５がＮ個の
記録位置の時点でセツトされる。

また、リミツタアンプ２０及び２１の出力のう
ちの６ビツト分のデジタル波形情報は、それぞれ
デジタル比較回路２２及び２３に供給される。

一方、パルスＰ_FG1及びＰ_FG2よりも十分高い周
波数f₀の信号P₀₁及びP₀₂（第８図Ｂ参照）を得る
クロツク発振器２６及び２７が設けられるととも
に信号P₀₁及びP₀₂をそれぞれ計数する６ビツトの
カウンタ２８及び２９が設けられる。そして、カ
ウンタ２８及び２９はパルスＰ_FG1及びＰ_FG2によ
りそれぞれリセツトされ、この時点からカウンタ
２８及び２９で信号P₀₁及びP₀₂がそれぞれ「０」
「１」「２」………と計数される。

そして、このカウンタ２８及び２９の出力がそ
れぞれデジタル比較回路２２及び２３に供給され
て、それぞれリミツタアンプ２０及び２１よりの
６ビツトの波形情報と比較される。そして、それ
ぞれ、両情報の全ビツトの状態が一致したとき一
致出力パルスＰ_E1及びＰ_E2（第８図Ｄ参照）がこ
のデジタル比較回路２２及び２３より得られ、こ
れがそれぞれフリツプフロツプ回路２４及び２５
のリセツト端子に供給される。

したがつて、フリツプフロツプ回路２４よりは
パルスＰ_FG1の時点を前縁とし、パルスＰ_E1の時
点を後縁とするパルス幅のパルス幅変調信号Ｐ_W1
が得られ、フリツプフロツプ回路２５よりはパル
スＰ_FG2の時点を前縁とし、パルスＰ_E2の時点を
後縁とするパルス幅のパルス幅変調信号Ｐ_W2が得
られる（第８図Ｅ参照）。この場合、図からも明
らかなように、リミツタアンプ２０及び２１より
のデジタル情報に一致するカウント情報となるパ
ルスP₀₁あるいはP₀₂の数は、デジタルレベルに比
例するので、各パルス幅は、各デジタル量に比例
する。したがつて、パルス幅変調信号Ｐ_W1及びＰ
_W2の各々のパルス幅は正弦波の各サンプリングレ
ベルに比例したものとなる。

そして、この例の場合、正弦波の正及び負の半
サイクル期間とも、同じ動作がくり返えされて、
パルス幅変調信号Ｐ_W1及びＰ_W2は形成されるの
で、このパルス幅変調信号Ｐ_W1及びＰ_W2は、第９
図Ｂ及びＤに示すように正弦波の1/2周期分毎
に、同じ信号がくり返すものとなる。

したがつて、この信号Ｐ_W1及びＰ_W2をそれぞれ
ステータコイル４及び５に供給するようにした場
合には正弦波の全波整流信号がステータコイル４
及び５に供給されたのと等価であり、正弦波交流
信号が供給されたことにならない。

そこで、この例ではパルス幅変調信号Ｐ_W1及び
_W2はスイツチ回路３０及び３１にそれぞれ供給さ
れて、このスイツチ回路３０及び３１がステータ
コイル４に加わる磁界Ｈ_S（第９図Ａの実線）及
びステータコイル５に加わる磁界Ｈ_C（第９図Ａ
の破線）にそれぞれ同期して切り換えられて、正
弦波交流信号とされる。

すなわち、リミツタアンプ２０及び２１よりの
そのときの再生信号情報が正弦波の正又は負の極
性であることを示す信号D₁及びD₂がそれぞれ極
性判別回路３２及び３３に供給されて、これより
は、信号D₁及びD₂が正の極性を示す状態である
ときにはパルスP₁及びP₂が、信号D₁及びD₂が負
の極性を示す状態であるときにはパルスN₁及び
N₂が、それぞれ得られる。

そして、パルスP₁及びP₂によりそれぞれフリツ
プフロツプ回路３４及び３５がセツトされ、パル
スN₁及びN₂によりそれぞれフリツプフロツプ回
路３４及び３５がリセツトされる。

したがつて、ステータコイル４及び５に加わる
磁界Ｈ_S及びＨ_Cの正の半サイクル区間では、フリ
ツプフロツプ回路３４及び３５はセツトされ続け
るため、その出力SW₁及びSW₂（第９図Ｃ及び
Ｅ）は「１」の状態となり、一方、磁界Ｈ_S及び
Ｈ_Cの負の半サイクル区間では、フリツプフロツ
プ回路３４及び３５はリセツトされ続けるため、
その出力SW₁及びSW₂は「０」の状態となる。す
なわち、フリツプフロツプ回路３４の出力SW₁は
磁界Ｈ_Sに同期して、一方、フリツプフロツプ回
路３５の出力SW₂は磁界Ｈ_Cに同期して、それぞ
れ正弦波磁界の正の半サイクル区間では「１」の
状態、負の半サイクル区間では「０」の状態とな
る。

これら出力SW₁及びSW₂は、それぞれスイツチ
ング信号としてスイツチ回路３０及び３１に供給
されて、それぞれ出力SW₁及びSW₂が「１」のと
きには図の状態に、「０」のときには図の状態と
は逆の状態に、それぞれ切り換えられる。

そして、スイツチ回路３０及び３１が図の状態
に切り換えられる正弦波の正の半サイクル区間で
は、パルス幅変調信号Ｐ_W1及びＰ_W2の「１」であ
るパルス幅区間で、トランジスタ３６，３７及び
トランジスタ４３，４４がそれぞれオンとなり、
それぞれ正の直流電圧の得られる端子４０及び４
７より実線の矢印A₁及びA₂で示すような向きの
駆動電流がステータコイル４及び５に流れる。

また、スイツチ回路３０及び３１が図の状態と
は逆の状態に切り換えられる正弦波の負の半サイ
クル区間では、パルス幅変調信号Ｐ_W1及びＰ_W2の
「１」であるパルス幅区間で、トランジスタ３
８，３９及びトランジスタ４５，４６がそれぞれ
オンとなり、それぞれ端子４０及び４７より点線
の矢線B₁及びB₂で示すように正弦波磁界Ｈ_S及び
Ｈ_Cの正の半サイクル区間とは逆向きの駆動電流
がステータコイル４及び５に流れる。

すなわち、実線の矢印の方向が正の電流の方向
であるとすると、ステータコイル４及び５には、
正弦波磁界Ｈ_S及びＨ_Cの正の半サイクル区間では
正の電流が、負の半サイクル区間では、負の電流
が、それぞれ流れることになる。

ここで、インダクタンス４１とコンデンサ４
２、また、インダクタンス４８とコンデンサ４９
は、それぞれローパスフイルタを構成するもの
で、これにてそれぞれステータコイル４及び５に
流れる電流の高周波成分が除去される。

したがつて、ステータコイル４及び５には、磁
界Ｈ_S及びＨ_Cに同期した正弦波状電流が流れるも
のである。

以上述べたようにして、この発明によれば、ロ
ータヨークの外周部分に回転駆動に必要なステー
タコイルに供給する信号波形情報をロータの全周
にわたつてあらかじめ記憶しておき、この記憶情
報をロータマグネツトの磁界に同期して読み出す
ようにすることによつて、モータを駆動するの
で、ステータコイルに供給する信号としては、正
確な波形の信号を容易に得ることができるという
効果がある。

特に、図の例のような無刷子直流モータの場合
には、従来のようにロータマグネツトよりの磁界
をホール素子にて検出して得た出力から正弦波信
号を形成する場合に比べて、２個のホール素子の
ゲイン差や、直流オフセツト電圧に起因するトル
クリツプルは全く生じないという顕著な効果があ
る。また、ロータマグネツトの着磁むらによる磁
界が正しく正弦波状でないことによる影響も、ス
テータコイルに流れる電流には全くないという効
果もある。

また、この発明では、起動時から即座に回転に
必要な信号が得られ、起動時に、別の方法で駆動
しなければならないというような不都合はない。

また、さらにこの発明においてはモータの速度
サーボ回路に、いわゆる周波数サーボ方式を採用
する場合には、図の例のパルスＰ_FG1あるいはＰ_F
_Ｇ２を回転速度情報として利用できるので、従来の
ようにロータ軸と同軸的に周波数発電機を設けた
りする必要がなくなるという利点がある。

また、ロータヨークの外周に、波形情報の他
に、その記録位置の絶対番地を記録しておくこと
により、任意の所望回転角位置の検出が可能にな
るという利点もある。

また、図の実施例では、再生したデジタル情報
をアナログ信号に戻すことなく、デジタル的に処
理してステータコイルに供給するようにしたの
で、デジタル情報の再生後において、オペアンプ
などの直流オフセツト電圧を発生する部分がない
ので、図の例のような無刷子直流モータとして、
さらにトルクリツプルのない良好な直流モータが
実現できるものである。

なお、以上の例では、ロータヨークの外周側面
部を記憶部分としたが、ロータヨークの上面でも
よい。また、図の例では、マグネツトが被着され
たロータヨークに波形情報を記憶させておくよう
にしたが、ロータ軸に別の回転部材を取り付け、
この部材に波形情報を記憶させておいてもよい。
また、図の例では、記録部分には磁気コーテイン
グを施し、これに磁気的に記録し、磁気ヘツドに
て再生するようにしたが、これに限られるもので
はなく、例えば、発光素子と受光素子とを用い
て、波形情報の記録及び読み出し（再生）をする
こともできる。

また、さらに、この発明は、上述の例のような
無刷子直流モータに限られるものではなく、例え
ば、電流を各ステータコイルに切り換えて供給す
るようにするいわゆるスイツチング駆動方式の無
刷子直流モータ及びその他の無刷子直流モータに
も適用できることは言うまでもない。特に、スイ
ツチング方式の場合には、切り換え時に生じるノ
イズを除去するための補正なども加味したスイツ
チング波形が記録でき、良好なモータが得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は無刷子直流モータの一例の構造を示す
断面図、第２図及び第３図はその説明のための
図、第４図は従来の無刷子直流モータの駆動回路
の要部の一例の回路図、第５図はこの発明による
無刷子直流モータの一例の構造を示す断面図、第
６図はその説明のための波形図、第７図はこの発
明による無刷子直流モータの駆動回路の一例の系
統図、第８図及び第９図はその動作の説明のため
の波形図である。２はロータマグネツト、３はロータヨーク、４
及び５はステータコイル、１７は磁気コーテイン
グ層、１８及び１９はマルチトラツクヘツドであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１ステータコイルに駆動信号が与えられ、この
ステータコイルに磁界を与えるロータマグネツト
が回転するようになされた無刷子直流モータにお
いて、上記ステータコイルに供給する回転に必要な駆
動信号の波形情報がデジタルコード化されて記憶
され上記ロータマグネツトと一体に回転する回転
体と、この回転体に近接して設けられ上記記憶された
波形情報を読み取る検出素子と、読み取られた波形情報より上記駆動信号を形成
する駆動回路とより成る無刷子直流モータ。