TW201539970A - 無刷直流馬達之驅動電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種不使用霍爾元件等，即便利用小電力亦作動之無刷直流馬達之驅動電路，又，提供一種不論負載之輕重或慣性力矩之大小均能夠通用地啟動之無刷直流馬達之驅動電路。 本發明之驅動電路包括：電晶體13與電晶體14之2級放大電路，其等切換、放大流向驅動線圈11之驅動電流；檢測線圈15，其與上述驅動線圈一併配置於轉子之永久磁鐵之磁場內，且一端連接於電晶體14之基極；及二極體，其與該檢測線圈15之另一端串聯連接且設置於電晶體14之基極、發射極間，且以於產生於檢測線圈15之感應電動勢為反向電壓之狀態下電晶體14變為接通、且於檢測線圈15之感應電動勢為正向電壓之狀態下電晶體14變為斷開之方式，控制調整電晶體14之基極電流。

Description

無刷直流馬達之驅動電路
本發明係關於一種使用乾電池等直流電源之無刷DC(Direct Current，直流)馬達之驅動電路及無刷直流馬達，且係關於一種將伴隨著附有永久磁鐵之轉子之旋轉的檢測線圈之感應電動勢用於對驅動線圈之通電控制的驅動電路。
先前，存在一種無刷直流馬達，其利用霍爾元件磁感測器檢測轉子之磁鐵位置，利用電子電路控制對線圈之通電，藉此排除刷之物理性接觸。關於此種無刷直流馬達，於非專利文獻1之91頁記載有圖15(a)所示之驅動電路之電路圖。該雙相雙向通電驅動之無刷直流馬達之電路具備錯開相位位置而配設於雙相用之兩個推挽電路之兩輸入部的2個霍爾元件202，藉由利用各個霍爾元件202檢測轉子之位置，而控制對錯開相位配設之各個驅動線圈201之通電。
又，於專利文獻1中記載有如下電路，如圖15(b)所示，該電路包括：具有N磁極與S磁極經磁化之永久磁鐵的轉子1、檢測線圈3、驅動線圈2、及控制驅動電流之電晶體5，且該電路藉由檢測線圈3之電動勢控制流向驅動線圈2之驅動電流。
[先前技術文獻] [非專利文獻]
[非專利文獻1]萩野 弘司著「無刷直流馬達之使用方法」Ohmsha出版，2003年7月
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特公昭39-20410號公報
於非專利文獻1所記載之驅動電路(圖15(a))中，為了使霍爾元件202作動，必需圖中以Ih所示之電流(用以獲得約100mV之霍爾元件輸出電壓之5mA至10mA之輸入電流，由於為雙相，故而為2倍之10~20mA)。該消耗電流由於大幅超過例如室內用太陽電池之0.1~2mA之實用性發電電流，故而對於使用此種較小之太陽電池使無刷直流馬達驅動之課題而言無法使用。
專利文獻1所示之電路係於其電源接通時，藉由連接於電晶體5之基極之啟動用電容器6使電晶體5接通(啟動)(參照圖15(b))。然而，若啟動用電容器6之電容過大，而過度持續地接通電晶體5，則有如下之虞：電流持續流至驅動線圈2，而阻礙轉子1之旋轉(啟動失敗)。又，相反地，於啟動用電容器6之電容(或充電量)較小，且轉子1之摩擦負載或慣性負載較大之情形時，有無法獲得充分之旋轉(啟動失敗)之虞。
若負載之慣性力矩固定，摩擦負載亦固定，且馬達啟動時之加速度固定，則藉由使電容器電容適當即可消除該等問題。然而，作為通用馬達而言並不適合依照負載而逐一改變電容器之電容，且改變啟動時之驅動線圈通電時間，因而謀求一種不論負載之輕重或慣性力矩之大小均可通用地利用之啟動電路。
本發明之目的在於，鑒於上述方面而提供一種不使用霍爾元件等，即便利用小電力亦作動之無刷直流馬達之驅動電路，又，提供一種不論負載之輕重等均能夠通用地啟動之無刷直流馬達之驅動電路。
(構成1)
一種無刷直流馬達驅動電路，其特徵在於包括：驅動線圈，其配置於轉子所具備之永久磁鐵之磁場內；直流電源，其對上述驅動線圈供給驅動電力；第1電晶體，其係發射極接地，且集極連接於上述驅動線圈；第2電晶體，其係發射極接地，且集極連接於上述第1電晶體之基極；基極電流限制用電阻，其調整上述第2電晶體之基極電流；檢測線圈，其配置於上述永久磁鐵之磁場內，且設置於上述第2電晶體之基極、發射極間；及二極體，其係於上述第2電晶體之基極、發射極間，與上述檢測線圈串聯連接，且設置於與上述第2電晶體之基極、發射極間之電流並行之正向上，且以於藉由產生於上述檢測線圈之感應電動勢而被施加反向電壓之狀態下上述第2電晶體變為接通、且於藉由上述檢測線圈之感應電動勢而被施加正向電壓之狀態下上述第2電晶體變為斷開之方式，控制調整上述第2電晶體之基極電流。
(構成2)
如構成1之無刷直流馬達驅動電路，其特徵在於：將上述第1電晶體設為PNP型，將上述第2電晶體設為NPN型，且上述二極體之陽極連接於上述第2電晶體之基極，上述二極體之陰極與上述檢測線圈之一端連接，該檢測線圈之另一端連接於上述第2電晶體之發射極。
(構成3)
如構成1之無刷直流馬達驅動電路，其特徵在於：將上述第1電晶體設為NPN型，將上述第2電晶體設為PNP型，且上述二極體之陰極連接於上述第2電晶體之基極，上述二極體之陽極與上述檢測線圈之一端連接，該檢測線圈之另一端連接於上述第2電晶體之發射極。
(構成4)
一種無刷直流馬達驅動電路，其特徵在於包括：第1直流電源及第2直流電源，其等串聯連接；驅動線圈，其配置於轉子所具備之永久磁鐵之磁場內，且將其一端連接於上述第1直流電源與第2直流電源之 間；第1電晶體，其係PNP型電晶體，且發射極連接於上述第1直流電源之正極側，集極連接於上述驅動線圈之另一端；第2電晶體，其係NPN型電晶體，且發射極連接於上述第1直流電源與第2直流電源之間，集極連接於上述第1電晶體之基極；第1基極電流限制用電阻，其調整上述第2電晶體之基極電流；檢測線圈，其配置於上述永久磁鐵之磁場內，且設置於上述第2電晶體之基極、發射極間；第1二極體，其係陽極連接於上述第2電晶體之基極、陰極連接於上述檢測線圈之二極體，且以於藉由產生於上述檢測線圈之感應電動勢而被施加反向電壓之狀態下上述第2電晶體變為接通、且於藉由上述檢測線圈之感應電動勢而被施加正向電壓之狀態下上述第2電晶體變為斷開之方式，控制調整上述第2電晶體之基極電流；第3電晶體，其係NPN型電晶體，且發射極連接於上述第2直流電源之負極側，集極連接於上述驅動線圈之另一端；第4電晶體，其係PNP型電晶體，且發射極連接於上述第1直流電源與第2直流電源之間，集極連接於上述第3電晶體之基極；第2基極電流限制用電阻，其調整上述第4電晶體之基極電流；及第2二極體，其係陽極連接於上述檢測線圈及上述第1二極體之陰極、陰極連接於上述第4電晶體之基極之二極體，且以於藉由產生於上述檢測線圈之感應電動勢而被施加反向電壓之狀態下上述第4電晶體變為接通、且於藉由上述檢測線圈之感應電動勢而被施加正向電壓之狀態下上述第4電晶體變為斷開之方式，控制調整上述第4電晶體之基極電流。
(構成5)
如構成1或4之無刷直流馬達驅動電路，其特徵在於：於在上述檢測線圈未產生感應電動勢之狀態下，以使驅動電流流至上述驅動線圈之方式規定各元件常數。
(構成6)
如構成5之無刷直流馬達驅動電路，其特徵在於：藉由對上述第1 基極電流限制用電阻與上述第2基極電流限制用電阻之電阻值賦予差，或者，藉由在上述第1直流電源之電源電壓與上述第2直流電源之電源電壓之間賦予差，而使驅動電流流至上述驅動線圈。
(構成7)
一種軸向間隙型無刷直流馬達，其特徵在於包括：上述轉子；上述檢測線圈及上述驅動線圈，其等由空芯線圈構成；定子，其係使該檢測線圈及驅動線圈於大致同一平面上，以各空芯線圈之有效線圈面與上述轉子所具備之複數個上述永久磁鐵之磁極具有空隙而對向之方式配設；及如構成1至6中任一項之無刷直流馬達驅動電路。
(構成8)
一種徑向間隙型無刷直流馬達，其特徵在於包括：轉子，其於外周面以N極S極交替之方式配置上述永久磁鐵；固定磁軛，其與該轉子之永久磁鐵具有空隙而對向設置，且於形成於內周面之複數個凸狀之磁芯捲繞設置有上述檢測線圈與上述驅動線圈；及如構成1至6中任一項之無刷直流馬達驅動電路。
根據本發明之無刷直流馬達驅動電路(及無刷直流馬達)，可不使用霍爾元件等而以小電力使其作動。
又，由於並非必須根據負載之輕重(慣性力矩之大小)等變更(調整)電路構成者，故而可通用地使用。
1‧‧‧無刷直流馬達驅動電路/轉子
2‧‧‧無刷直流馬達驅動電路/驅動線圈
3‧‧‧無刷直流馬達驅動電路/檢測線圈
4‧‧‧無刷直流馬達驅動電路
5‧‧‧無刷直流馬達驅動電路/電晶體
6‧‧‧無刷直流馬達驅動電路/電容器
7‧‧‧無刷直流馬達驅動電路
11、11a、11b‧‧‧驅動線圈
12‧‧‧直流電源
13‧‧‧電晶體(第1電晶體)
14‧‧‧電晶體(第2電晶體)
15、15a、15b‧‧‧檢測線圈
16‧‧‧二極體
17‧‧‧電阻(基極電流限制用電阻)
18‧‧‧電流限制用電阻
19‧‧‧開關
22‧‧‧直流電源(第2直流電源)
23‧‧‧電晶體(第3電晶體)
24‧‧‧電晶體(第4電晶體)
26‧‧‧二極體(第2二極體)
27‧‧‧電阻(第2基極電流限制用電阻)
31‧‧‧台
32‧‧‧殼體
40‧‧‧軸
50‧‧‧軸向間隙型無刷直流馬達
51‧‧‧上側轉子區塊(轉子)
52‧‧‧定子區塊(定子)
53‧‧‧下側轉子區塊(轉子)
54‧‧‧切換開關機構
55‧‧‧上側殼體
56‧‧‧下側殼體
60‧‧‧徑向間隙型無刷直流馬達
61‧‧‧轉子
62‧‧‧定子磁軛(定子)
100‧‧‧轉盤
101、542‧‧‧小磁鐵
102‧‧‧永久磁鐵
122‧‧‧電容器
123‧‧‧二極體
123、223‧‧‧太陽電池
124、224‧‧‧電容器
201‧‧‧驅動線圈
202‧‧‧霍爾元件
511、531‧‧‧圓盤部
513‧‧‧四角稜柱
514‧‧‧磁軛
515‧‧‧橡膠磁鐵
521‧‧‧印刷基板
522‧‧‧驅動線圈連接端子
523‧‧‧引出線
524‧‧‧孔
525‧‧‧檢測線圈連接端子
534‧‧‧下側磁軛
541‧‧‧桿
621‧‧‧磁芯
A、B‧‧‧相
A、B、C‧‧‧位置
Ih‧‧‧電流
N、S‧‧‧磁極
P‧‧‧交流電源
圖1係表示實施形態1之無刷直流馬達驅動電路之電路圖。
圖2(a)-(c)係表示於實施形態1之無刷直流馬達驅動電路所具備之驅動線圈中流動之驅動電流及電晶體14之基極電壓與轉子位置之關係的說明圖。
圖3係表示實施形態1之無刷直流馬達驅動電路所具備之電晶體 14之基極電壓之推移(圖(a))、及流至電晶體13之集極之驅動電流之推移(圖(b))的曲線圖。
圖4係表示具有與實施形態1之無刷直流馬達驅動電路同等之功能之另一電路構成的電路圖。
圖5係表示實施形態2之無刷直流馬達驅動電路之電路圖。
圖6係表示實施形態2之無刷直流馬達驅動電路所具備之電晶體14之基極電壓之推移(圖(a))、電晶體24之基極電壓之推移(圖(b))、及流至驅動線圈11之驅動電流之推移的曲線圖(圖(c))。
圖7係表示實施形態2之無刷直流馬達驅動電路之變化例之電路圖，(a)：將直流電源12設為電荷泵電路之電路圖，(b)：對直流電源使用太陽電池之電路圖，(c)：藉由整流交流而構成直流電源之電路圖。
圖8係對限制轉子之停止位置之小磁鐵之位置進行說明之圖。
圖9係表示實施形態3之轉盤之局部分解立體圖。
圖10(a)：表示實施形態3之轉盤所具備之軸向間隙型無刷直流馬達之分解立體圖，(b)：表示定子區塊所具備之印刷基板之圖。
圖11係表示實施形態3之轉盤所具備之軸向間隙型無刷直流馬達之圖，(a)：俯視圖，(b)：垂直剖面圖。
圖12(a)-(d)係對實施形態3之切換開關機構(限制轉子之停止位置之小磁鐵之位置)進行說明之圖。
圖13係表示雙相驅動之無刷直流馬達驅動電路之電路圖。
圖14係表示徑向型雙相驅動無刷直流馬達之圖。
圖15(a)：非專利文獻1中所示之電路圖，(b)：專利文獻1中所示之電路圖。
以下，一面參照圖式一面對本發明之實施態樣進行具體說明。再者，以下之實施態樣係將本發明具體化時之一形態，並非將本發明限 定於其範圍內。
<實施形態1>
圖1係表示本實施形態之無刷直流馬達驅動電路1之電路圖。實施形態1之無刷直流馬達驅動電路1係用以驅動無刷直流馬達之電路，該無刷直流馬達包括：定子，其將檢測線圈與驅動線圈固定；及轉子，其具備配置於與定子對向之位置之永久磁鐵，且旋動自如地被軸支。
如圖1所示，實施形態1之無刷直流馬達驅動電路1包括：驅動線圈11，其配置於轉子所具備之永久磁鐵之磁場內；直流電源12，其對驅動線圈11供給驅動電力；電晶體13(第1電晶體)，其係發射極接地，且集極連接於驅動線圈11；電晶體14(第2電晶體)，其係發射極接地，且集極連接於電晶體13之基極；電阻(基極電流限制用電阻)17，其調整電晶體14之基極電流；檢測線圈15，其係與驅動線圈11一併配置於上述永久磁鐵之同一磁場內之線圈，且設置於電晶體14之基極、發射極間；二極體16，其係於電晶體14之基極、發射極間與檢測線圈15串聯連接，且設置於與電晶體14之基極、發射極間之電流並行之正向上，且以於藉由產生於檢測線圈15之感應電動勢而被施加反向電壓之狀態下電晶體14變為接通、且於藉由檢測線圈15之感應電動勢而被施加正向電壓之狀態下電晶體14變為斷開之方式，調整電晶體14之基極、發射極間電壓。
此處，所謂「於與電晶體14之基極、發射極間之電流並行之正向上連接之二極體16」係指並聯連接於基極、發射極間之二極體16相對於與基極、發射極間之電流方向(正向)平行之電流方向設置於正向上。於實施形態1中，二極體16之陽極連接於電晶體14之基極，二極體16之陰極與檢測線圈15之一端連接，該檢測線圈15之另一端連接於電晶體14之發射極。
無刷直流馬達驅動電路1為了基於產生於檢測線圈15之感應電動 勢進行驅動線圈11之驅動，而具備電晶體13(PNP型)與電晶體14(NPN型)之2級切換電路。進而，為了基於產生於檢測線圈15之較小之感應電動勢使電晶體14接通、斷開，而具備二極體16與電阻17(以下進行具體說明)。
再者，實施形態1之無刷直流馬達驅動電路1中進而包括：電流限制用電阻18，其連接於電晶體13之基極與電晶體14之集極間；及開關19，其設置於直流電源12與驅動線圈11之間。電阻18係用以限制電晶體14之集極電流(電晶體13之基極電流)之電阻。
二極體16以於產生於檢測線圈15之感應電動勢對二極體16給予反向電壓之狀態下電晶體14變為接通、且於檢測線圈15之感應電動勢對二極體16給予正向電壓之狀態下電晶體14變為斷開之方式，調整電晶體14之基極、發射極間電壓。
所謂「產生於檢測線圈15之感應電動勢」係因轉子所具備之永久磁鐵伴隨著轉子之旋轉而接近或遠離檢測線圈15而產生之電動勢。即，檢測線圈15係檢測轉子之旋轉狀態(產生對應於旋轉位置或旋轉速度之電動勢)者。本發明之無刷直流馬達驅動電路將產生於該檢測線圈之感應電動勢用於對驅動線圈之通電控制。
無刷直流馬達驅動電路1中，以對在檢測線圈15未產生感應電動勢之狀態下之電晶體14之基極、發射極間施加之電壓VBE略微超過電晶體14之閾值之方式(以電晶體成為接通之方式)，設定直流電源12、電阻17、及二極體16之相互關係。
再者，本說明書中之所謂「電晶體之閾值」係可視作接通電晶體之動作之VBE之極限值。例如，於某一電晶體之基極、發射極電壓與集極電流之關係為於VBE為0.5V時，集極電流流動80μA之情形時，於使用該電晶體作為電晶體14之情形時，若對電晶體13使用電流放大率為200者，則電晶體13之集極電流成為16mA，可於充分飽和狀態下進行 切換。另一方面，於該電晶體之VBE為0.4V時之集極電流為6μA之情形時，此時電晶體13成為斷開狀態。即，該電晶體之本說明書中所提及之「電晶體之閾值」可以說大於0.4V且為0.5V左右。然而，電晶體之閾值根據周圍溫度而變化，可根據上述二極體之正向電壓閾值而獲得對應於周圍溫度之電晶體之基極電壓。
其次，一面參照圖式一面對無刷直流馬達驅動電路1之動作進行說明。
圖2係表示電晶體14之基極電壓(圖(b))及流至驅動線圈11之驅動電流(圖(c))與轉子位置之關係的說明圖，圖3係表示電晶體14之基極電壓之推移(圖(a))、及流至電晶體13之集極之驅動電流之推移(圖(b))的曲線圖。
此處，為了說明動作，使用軸向型無刷直流馬達即包括2個驅動線圈11及1個檢測線圈15者為例(圖2(a))。該軸向型無刷直流馬達包含轉子，該轉子係將2個驅動線圈11與1個檢測線圈15在與垂直於轉子之旋轉軸之平面大致為同一平面上沿周向等間隔地配置，且將相對於該等3個線圈之有效線圈面分別具有少許空隙而相對之永久磁鐵102以N磁極、S磁極交替之方式配置。又，為了將該轉子停止時之停止位置(圖2之狀態A)設為特定之位置，該軸向型無刷直流馬達包括與上述轉子所具備之永久磁鐵102具有空隙而配置之小磁鐵101。此處，以如下情況為例，即，藉由作為S磁極之小磁鐵101，以較於驅動時產生之磁力弱之磁力約束轉子停止時之永久磁鐵102之N磁極之位置。
再者，所謂「線圈之有效線圈面」係表示藉由在電流流至線圈時與永久磁鐵102之磁極對向，而可對轉子給予旋轉力之線圈之範圍。即，於圖2中表示成為大致沿著旋轉軸之同心圓之法線方向之方向的線圈之部分。
於上述軸向型無刷直流馬達中，若自停止狀態使開關19接通，則 自直流電源12(以1.6V之乾電池作為具體例)將電源電壓1.6V供給至電路。於該狀態下，於檢測線圈15未產生感應電動勢，藉由自直流電源12之電源供給而使基極電流通過電阻17流至電晶體14。此時，圖2(b)及圖3(a)所示之電晶體14之基極、發射極間電壓VBE表示之啟動時之電壓因自電源電壓通過電阻17流至二極體16之微小電流，而成為略高於二極體內之電壓下降量(臨界電壓)之電壓。於本實施形態中，以略微超過電晶體14之閾值之方式調整電晶體14之基極、發射極間電壓，作為具體例，例如為0.6V。(其係於將電晶體14之閾值設為0.5V左右之情形時，以略微(0.1V左右)超過該閾值之方式設定之例)。即，設定為藉由直流電源12、電阻17之電阻值及二極體16之均衡對電晶體14之VBE施加略微超過閾值之電壓。
藉由將超過電晶體14之閾值之電壓作為VBE施加，從而電晶體14接通，其集極電流流至電晶體13之基極，因此，藉由飽和區域內之放大切換動作，使如圖2(c)及圖3(b)所示之大致平坦之直線狀之驅動線圈電流流至驅動線圈11。
藉此，根據流至驅動線圈11之各「有效線圈面」之電流、和與此對向並停止之永久磁鐵102之磁力線間之弗萊明定則(Fleming rule)，對永久磁鐵102作用電磁力，使永久磁鐵102自停止之位置開始旋轉移動(例如，永久磁鐵之N磁極朝向相鄰之驅動線圈11之方向移動)。而且，於與小磁鐵101相面對之永久磁鐵102之N磁極來到圖2之狀態B所示之不產生電磁力所致之旋轉力之位置之前(於此處之例中係轉子之旋轉角度達到30度之前)，如圖2之下方之曲線圖所示般，對驅動線圈11供給驅動電流，而確實地使永久磁鐵102之旋轉移動加速。
轉子持續旋轉而達到圖2之狀態B之後，開始於檢測線圈15產生成為對二極體16之正向電壓(相對於電晶體14之VBE為反向電壓)之感應電動勢。藉此，利用二極體16僅取得二極體正向電壓之電壓下降量， 並使上述感應電動勢通過，將電晶體14之基極電壓VBE設為0.4V以下而斷開電晶體14。其後，如圖2(b)及圖3(a)之曲線圖所示，電晶體14之VBE電壓產生圖2(b)之朝下之箭頭所示之基極反向電壓(向下下垂之曲線)，藉此，電晶體13亦斷開，如圖2(c)及圖3(b)般，驅動線圈11之驅動電流亦斷開。檢測線圈15之感應電動勢所致之電晶體14之基極電壓(反向電壓)於圖2之狀態C下成為最大，在成為狀態D之前進行停止電晶體14之基極電流之動作，而停止對驅動線圈11通電。
即便於不對驅動線圈11通電之狀態下，亦會藉由轉子之慣性進而繼續旋轉，而成為圖2之狀態D。於成為狀態D之瞬間，於檢測線圈15不產生感應電動勢，由此，於使上述電晶體14斷開之功能消失之同時，與經由電阻17之啟動時之電路動作說明同樣地，圖2(b)所圖示之電晶體14之VBE達到0.5V以上，而使特定值之基極電流自電源通過電阻17流至電晶體14之基極。由此使電晶體14接通，藉此電晶體13亦變為接通，而對驅動線圈11進行通電，使轉子之旋轉加速。若超過圖2之狀態D，則於檢測線圈15產生與之前相反之電壓作為成為圖2(b)中之朝上之箭頭之方向的感應電動勢(由於為假想值，故而未圖示)。於此情形時，由於不存在阻礙電晶體14之基極電流之反向電壓，故而維持電晶體14之接通狀態(如圖(b)所示般，施加略微超過電晶體14之閾值之電壓即0.6V作為VBE)。此時，雖對二極體16施加有反向電壓，但於此情形時，檢測線圈18之電壓被二極體16阻斷，不會對電晶體14之基極電壓造成影響。因此，與在啟動時於檢測線圈18未產生感應電動勢時同樣地，基極電流自電源通過電阻17流至電晶體14，而維持電晶體14之接通，繼續使轉子之旋轉加速。
之後，隨著轉子繼續旋轉，產生於檢測線圈15之感應電動勢亦正負交替地產生，藉此，進行上述各電晶體之接通、斷開控制，使轉子加速旋轉。
再者，於圖3(b)之曲線圖表示：雖存在驅動電流自飽和電流值向下下垂之曲線，但其係由於產生於驅動線圈11之逆電動勢導致驅動電流減少之緣故，且轉子之旋轉速度加快會導致由逆電動勢引起之電流減少增大(藉此，將作為馬達之消耗電力抑制為較小)。
如上所述，本實施形態之無刷直流馬達驅動電路1係藉由基於轉子之旋轉狀態而產生於檢測線圈15之感應電動勢進行驅動線圈11之通電控制。因此，雖必須基於產生於檢測線圈15之較小之感應電動勢進行適當之切換，但本發明之無刷直流馬達驅動電路1藉由具備上述構成而實現驅動線圈11之通電控制。
亦如根據上述動作說明所明示般，例如，為了於檢測線圈15之感應電動勢為±0.1V左右之狀態下亦進行動作，當然，必須根據該0.1V之較小之信號變化切換電晶體14之接通、斷開。又，為了進一步提高應答性，必須根據更小之信號變化切換電晶體之接通、斷開。於此種情形時，只要以於在檢測線圈15未產生感應電動勢之狀態下，將略微超過電晶體14之閾值(可視作接通電晶體之動作之極限值)之程度之電位施加至電晶體14之基極、發射極之間之方式，設定電源、電阻、二極體等之最佳值之元件常數即可。
例如，如圖2(a)中到達至D之位置時般，可於如啟動時之與在檢測線圈15未產生感應電動勢時同等之輸入狀態時，於不再對電晶體14之基極施加反向電壓時切換為使電晶體14接通。即，於產生於檢測線圈15之感應電動勢由負變為正(電晶體14由基極反向電壓變為正向電壓)之轉換點(例如上述D位置)，進行接通之切換，又，於產生於檢測線圈15之感應電動勢之方向由正變為負之時點(例如B位置)以後，由於電晶體14之VBE成為0.4V以下之電壓，而停止基極電流，故而將電晶體14切換為斷開。藉此，可獲得應答性較高、且消耗電力亦被極小化之驅動電路。再者，“略微超過”電晶體之閾值之具體值係基於各製品之 設計思想而適當規定。
如上所述，本實施形態之無刷直流馬達驅動電路1不使用霍爾元件等，即便利用小電力亦作動，例如，可製成即便藉由利用室內用太陽電池之光發電而產生之微小電力亦進行旋轉之馬達。於利用乾電池等使其作動之情形時，即便為小電容者亦可使其長時間作動，且便宜。
又，由於並非必須根據負載之輕重(慣性力矩之大小)變更(調整)電路構成者，故而可通用地使用。
又，即便於檢測線圈產生感應電動勢，藉由二極體16與電晶體14之基極逆電流阻止功能，亦使電流不流至檢測線圈15，故而消除作用於各永久磁鐵之制動之電磁力，而有提高效率之效果。
再者，於實施形態1之無刷直流馬達驅動電路1中，以電晶體13為PNP型、電晶體14為NPN型者為例進行了說明，但亦可設為如下構成：如圖4所示，包含發射極接地之NPN型電晶體23(第1電晶體)、及PNP型電晶體24(第2電晶體)，且二極體26之陰極連接於電晶體24之基極，二極體26之陽極與檢測線圈15之一端連接，檢測線圈15之另一端連接於電晶體24之發射極(雖正負反轉，但動作概念與上述相同)。
<實施形態2>
圖5係表示實施形態2之無刷直流馬達驅動電路之電路圖。
實施形態2之無刷直流馬達驅動電路3係將實施形態1之無刷直流馬達驅動電路1(圖1)與無刷直流馬達驅動電路2(圖4)加以組合而成為推挽型者。於圖5中，對成為與圖1或圖4相同之要素者使用相同之元件符號，並省略或簡化此處之說明。
如圖5所示，使PNP型電晶體13(第1電晶體)與NPN型電晶體23(第3電晶體)之集極彼此連接，使NPN型電晶體14(第2電晶體)與PNP型電晶體24(第4電晶體)之發射極彼此連接，進而，使二極體16之陰極與二極體26之陽極連接，藉此，將圖1與圖5之電路連接。藉此，使驅動線圈 11與檢測線圈15共用化。
實施形態2之無刷直流馬達驅動電路3之動作概念基本上與實施形態1中所說明者相同。與實施形態1之圖1或圖4之電路中，僅對藉由任意一方向之驅動線圈通電而產生之磁極給予驅動力，但根據圖5之無刷直流馬達驅動電路3，成為對藉由雙向之驅動線圈通電而產生之磁極給予驅動力之(推挽)動作。具體而言如下所述。
上述構成中之二極體16與26、或電阻17與27之電阻值係如實施形態1中所說明般，均以獲得對使電晶體14與24進行切換動作適當之VBE之方式設定，且於上側電路(圖1部分)與下側電路(圖4部分)成為正負相反且相同之構成。因此，由於在接通開關19之啟動時，使2石二極體16、26之整流方向一致之串聯連接之連接點之電位成為與連接兩個直流電源12、22之連接部相同之電位，故而電流不流至其間。即，上側電路(圖1部分)與下側電路(圖5部分)為均衡狀態，因此，亦不對驅動線圈11通電，轉子停止。
若自該狀態藉由某些機械性起動或任意之電磁性啟動機構使轉子發生旋轉，則於檢測線圈15產生電動勢。該電動勢之方向由啟動時之旋轉方向決定，假設於因該啟動旋轉而產生之檢測線圈電動勢之方向與電晶體14之基極正向電壓之方向相同之情形時，於電晶體24成為基極反向電壓。藉此，雖電晶體14(上側電路)為接通，但電晶體24(下側電路)成為斷開，而對驅動線圈11供給基於直流電源12(上側電路)之驅動電流(使轉子向藉由手動等初次啟動之旋轉方向驅動，並使旋轉繼續)。另一方面，若使轉子繼續旋轉(或者於使轉子向與上述相反之方向旋轉起動之情形時)，而於檢測線圈15產生與上述相反之電動勢，則與上述相反地，電晶體14(上側電路)為斷開，但電晶體24(下側電路)成為接通，而對驅動線圈11供給基於直流電源22(下側電路)之驅動電流(與方才為相反方向之電流)。
其後，如圖6所示般，與伴隨著檢測線圈15之電動勢之變化之2石電晶體14與24之基極電壓推移(圖6(a)、(b))同步地，如圖6(c)般連續地產生驅動線圈11之雙向切換通電，利用藉由該雙向通電而被激磁之驅動線圈11之磁極與轉子之永久磁鐵磁極之電磁力，使轉子加速旋轉。
再者，實際上，多數情形時，將上側電路與下側電路設為於電性(及磁性)方面完全相同之構成而形成均衡狀態並不簡單，考慮於接通電源時，任意一方向之電流流至驅動線圈11，藉此使轉子旋轉(自行啟動，其後，伴隨著產生於檢測線圈15之電動勢而進行上述動作)(再者，於此情形時，成為不清楚啟動旋轉方向為哪一方向之狀態)。亦可積極地利用因該電路之上側、下側不均衡所引起之動作，而於在檢測線圈未產生感應電動勢之狀態下，以驅動電流於特定之一方向上流至驅動線圈之方式規定各元件常數(例如，預先對電阻17與27之電阻值賦予差、或對直流電源12與22之電源電壓賦予差等)，藉此更確實地使其自行啟動(以意圖之旋轉方向自行啟動)。
將與此相關之電路例示於圖7。再者，對與圖5相同之要素使用相同之符號。
圖7(a)中，於上側電路之直流電源12追加包括電容器122與二極體123之電荷泵電路。藉此，於接通連動開關19時，上側電路之電源電壓上升，於啟動時，上側電路接通。再者，藉由將電流限制用電阻18連接於電晶體14與電晶體24之發射極連接點、及直流電源12與22之間(基準電位)而共用化。
於圖7(b)中，直流電源12與22分別包括太陽電池123、223與電容器124、224，且使上側電路之太陽電池123之電壓高於下側電路之太陽電池223。於圖7(b)之例中，由於設為未設置電源開關之構成，故而例如可藉由自夜間停止之狀態於室內變亮時接收其光而自動啟動。
再者，所謂之「直流電源」，例如，如圖7(c)所示，亦可為藉由對 交流電源進行整流而構成者。即便如此，亦可例如藉由在上側與下側改變自交流電源P供給電源之二次側線圈之繞線量，而使其以意圖之旋轉方向自行啟動。
再者，如圖7(b)般，亦可於設為不設置電源開關之構成之情形等時，可對定子之停止位置進行操作以使其不隨意地自動啟動。於圖8中表示藉由設為可改變小磁鐵101之位置之構成而能夠進行啟動旋轉方向選擇操作與自動啟動停止之操作。由該圖及之前之說明可理解，可藉由在圖8之A或C之位置設置小磁鐵101而自動啟動(在A與C處旋轉方向相反)，而於B之位置設置小磁鐵101之情形時不自動啟動。
<實施形態3>
圖9係表示實施形態3之轉盤之局部分解立體圖。轉盤100係具備藉由圖7(b)之驅動電路而被驅動之軸向間隙型無刷直流馬達50者。若對太陽電池123、223照射光，則台31旋轉，例如，為用於店前廣告之旋轉展示放置於台31上之商品者。於殼體32中具備軸向間隙型無刷直流馬達50，並且收容與太陽電池123、223之連接線、具有適當之齒輪比之動力傳遞機構、及台31之旋轉軸及其軸承等各構成。
圖10、圖11之各圖係表示軸向間隙型無刷直流馬達50(以下簡稱為「馬達50」)之圖，圖10(a)係表示馬達50之分解立體圖，圖11(a)係俯視圖，圖11(b)係垂直剖面圖。
如圖10(a)所示，馬達50大致包括上側轉子區塊51、定子區塊52、及下側轉子區塊53之3個區塊。
定子區塊52包括用以電性連接各線圈(檢測線圈15及驅動線圈11)之印刷基板521。
檢測線圈15及驅動線圈11由空芯線圈構成，於本實施形態中設為3個驅動線圈。如圖10(a)所示，檢測線圈15及3個驅動線圈11於印刷基板521上等間隔地配置於大致同一平面上。
如圖10(b)所示，印刷基板521於其中央部具有以轉子之永久磁鐵觸不到之方式形成之孔524。分別將檢測線圈15焊接於印刷基板521之檢測線圈連接端子525，將驅動線圈11焊接於各驅動線圈連接端子522，並藉由引出線523與驅動電路電性連接。
上側轉子區塊51係將由聚碳酸酯成形之圓盤部511與設置於其上表面之中空之四角稜柱513一體成形，並於形成於圓盤部511之下表面之凹部嵌入固著於磁軛514之8個稀土類磁鐵102而構成。又，於四角稜柱513之4側面之各面貼附外側N磁極之橡膠磁鐵515。
下側轉子區塊53同樣地由聚碳酸酯成形，且形成軸裝軸40之軸支持部、及使下側轉子區塊53與上側轉子區塊51嵌合之嵌入部等。又，於形成於圓盤部531之上表面之凹部嵌入固著於下側磁軛534之8個稀土類磁鐵102而構成。
本實施形態之馬達50係於搭建上述各個區塊後，一面使各個中心部對準一面進行一體化，藉此搭建基本構成。於搭建後之狀態下，於與等間隔地配置於大致同一平面上之各空芯線圈之有效線圈面對向之位置，具有微小空隙而配置上下之各稀土類磁鐵102。
經一體化之各區塊係被收容至收納其之殼體(上側殼體55、下側殼體56)而組裝。
於上側殼體55之收容四角稜柱513之部分形成圓筒狀之圓筒部，且於其外周安裝切換開關機構54，藉此構成馬達50。
切換開關機構54係可旋動地安裝於上側殼體55之圓筒部之外周，如圖11所示，等間隔地設置4個N極小磁鐵542，該N極小磁鐵542用以使設置於四角稜柱513之側面之橡膠磁鐵515排斥。該小磁鐵542與實施形態1中之小磁鐵101相同，用以將轉子之停止位置約束於所期望之位置，但於本實施形態中，於利用與除永久磁鐵102以外另外設置之磁鐵(設置於四角稜柱513之側面之橡膠磁鐵515)之間之磁力之方面 與實施形態1不同。
圖12係對切換開關機構54進行說明之圖。該圖中，於桿541為圖(a)之位置之情形時，以使各稀土類磁鐵102於與驅動線圈11之各有效線圈面對向之位置停止之方式進行限制，因此，若有電源供給，則向特定方向旋轉啟動。
於圖(a)之停止狀態下，若操作桿541使其到達圖(b)之位置，則因各橡膠磁鐵515與各小磁鐵542之斥力，使轉子成為圖(c)之狀態。於該位置之情形時，由於將各稀土類磁鐵102限制為不與各有效線圈面對向，故而即便有電源供給，亦不會自行啟動。
進而，若操縱桿541使其到達圖(d)之位置，則成為磁極與圖(a)相反之配置，故而若有電源供給，則向與圖(a)相反之方向旋轉啟動。
如上所述，本實施形態之馬達50設為如下構成，即，大致包括3個區塊，於搭建各個區塊後進行一體化，故而使作業效率提高，而容易製造，亦易於進行零件管理。再者，此處雖以轉盤為例進行了說明，但本實施形態之馬達50由於效率高，且即便以低電力亦可使用，故而可利用於例如以小型之太陽電池作為電源(或者以小電容之乾電池作為電源)之個人用桌上電扇、芳香散發機等各種用途。
再者，上文中以單相者為例進行了說明，但如圖13中所示之一例般，亦可設為多相驅動。圖13係表示雙相驅動之無刷直流馬達驅動電路之電路圖，對與圖7(b)相同之構成標註相同之符號。如該圖所示，於A相與B相分別設為與圖7(b)相同之電路構成，而成為共用直流電源12與22之構成。
於將其應用於本實施形態之軸向間隙型無刷直流馬達之情形時，參照圖10(a)，另外準備一個與安裝有各線圈之印刷基板521相同者(相對於A相之線圈錯開22.5°者)作為B相用。繼而，將A相用之安裝有各線圈之印刷基板與B相用之安裝有各線圈之印刷基板一面使A 相、B相之各線圈彼此密接而重疊(當然，A相、B相之各線圈彼此不電性連接)，一面由上側殼體55、下側殼體56夾持而配置。進而，於上側轉子區塊51與下側轉子區塊53，以與A相用及B相用之錯開且重疊之各線圈之有效線圈面對向之方式，設置固著於磁軛之上下各8個之稀土類磁鐵。
藉此，可利用雙相驅動以強力進行穩定之驅動。又，由於設為使於各線圈貫通之磁通密度提昇之構成，故而有使電磁驅動力增強之效果。又，由定子磁軛所致之鐵損或渦電流損耗消失，且消除由施加至軸承部之過大荷重所致之摩擦損耗，藉此有可製成小電力之高效率馬達之效果。
又，上文中以軸向間隙型者為例進行了說明，但本發明之無刷直流馬達之驅動電路當然亦可應用於徑向型馬達。於圖14中表示應用本發明之無刷直流馬達之驅動電路之徑向型無刷直流馬達之一例。
圖14係與徑向間隙型無刷直流馬達60(以下簡稱為徑向型馬達60)之旋轉軸垂直之平面上之剖面圖。如該圖所示，徑向型馬達60包括：轉子61，其於外周面以N極S極交替之方式配置永久磁鐵102；及固定磁軛62，其與該轉子61具有微小空隙而對向設置。
於固定磁軛62之內周面形成複數個凸狀之磁芯621，於該磁芯621捲繞設置檢測線圈15與驅動線圈11。各磁芯621之間隔係規定為使設置於該磁芯621之各線圈之有效線圈面成為與永久磁鐵102對向之位置。
於圖14之例中表示藉由例如圖13之驅動電路而被驅動之雙相之徑向型馬達，圖14中之左側成為A相，右側成為B相。於A相之各線圈(1個檢測線圈15a及複數個驅動線圈11a)之有效線圈面與永久磁鐵102對向之狀態(獲得最大旋轉力之狀態)下，B相成為各線圈(1個檢測線圈15b及複數個驅動線圈11b)之有效線圈面與各永久磁鐵彼此之邊界對向之狀態(旋轉力最小)。
根據圖14之徑向型馬達60，與使用空芯線圈者相比，驅動力明顯變大，可應用於屋外用之使用太陽電池進行旋轉之看板等需要大輸出之旋轉裝置。
1‧‧‧無刷直流馬達驅動電路
11‧‧‧驅動線圈
12‧‧‧直流電源
13‧‧‧電晶體(第1電晶體)
14‧‧‧電晶體(第2電晶體)
15‧‧‧檢測線圈
16‧‧‧二極體
17‧‧‧電阻(基極電流限制用電阻)
18‧‧‧電流限制用電阻
19‧‧‧開關

Claims (2)

  1. 一種無刷直流馬達驅動電路，其特徵在於包括：驅動線圈，其配置於轉子所具備之永久磁鐵之磁場內；直流電源，其對上述驅動線圈供給驅動電力；第1電晶體，其係發射極接地，且集極連接於上述驅動線圈；第2電晶體，其係發射極接地，且集極連接於上述第1電晶體之基極；基極電流限制用電阻，其調整上述第2電晶體之基極電流；檢測線圈，其配置於上述永久磁鐵之磁場內，且設置於上述第2電晶體之基極、發射極間；及二極體，其係於上述第2電晶體之基極、發射極間，與上述檢測線圈串聯連接，且設置於與上述第2電晶體之基極、發射極間之電流並行之正向上，且以於藉由產生於上述檢測線圈之感應電動勢而被施加反向電壓之狀態下上述第2電晶體變為接通、且於藉由上述檢測線圈之感應電動勢而被施加正向電壓之狀態下上述第2電晶體變為斷開之方式，控制調整上述第2電晶體之基極電流。
  2. 一種無刷直流馬達驅動電路，其特徵在於包括：第1直流電源及第2直流電源，其等串聯連接；驅動線圈，其配置於轉子所具備之永久磁鐵之磁場內，且將其一端連接於上述第1直流電源與第2直流電源之間；第1電晶體，其係PNP型電晶體，且發射極連接於上述第1直流電源之正極側，集極連接於上述驅動線圈之另一端；第2電晶體，其係NPN型電晶體，且發射極連接於上述第1直流電源與第2直流電源之間，集極連接於上述第1電晶體之基極； 第1基極電流限制用電阻，其調整上述第2電晶體之基極電流；檢測線圈，其配置於上述永久磁鐵之磁場內，且設置於上述第2電晶體之基極、發射極間；第1二極體，其係陽極連接於上述第2電晶體之基極、陰極連接於上述檢測線圈之二極體，且以於藉由產生於上述檢測線圈之感應電動勢而被施加反向電壓之狀態下上述第2電晶體變為接通、且於藉由上述檢測線圈之感應電動勢而被施加正向電壓之狀態下上述第2電晶體變為斷開之方式，控制調整上述第2電晶體之基極電流；第3電晶體，其係NPN型電晶體，且發射極連接於上述第2直流電源之負極側，集極連接於上述驅動線圈之另一端；第4電晶體，其係PNP型電晶體，且發射極連接於上述第1直流電源與第2直流電源之間，集極連接於上述第3電晶體之基極；第2基極電流限制用電阻，其調整上述第4電晶體之基極電流；及第2二極體，其係陽極連接於上述檢測線圈及上述第1二極體之陰極、陰極連接於上述第4電晶體之基極之二極體，且以於藉由產生於上述檢測線圈之感應電動勢而被施加反向電壓之狀態下上述第4電晶體變為接通、且於藉由上述檢測線圈之感應電動勢而被施加正向電壓之狀態下上述第4電晶體變為斷開之方式，控制調整上述第4電晶體之基極電流。
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