WO2006109712A1

WO2006109712A1 - モータ駆動装置及び電子機器

Info

Publication number: WO2006109712A1
Application number: PCT/JP2006/307435
Authority: WO
Inventors: Kazuya Nakamura; Toshiyuki Mizuno; Tomohide Aoyagi; Hiroshi Makino
Original assignee: Namiki Seimitsu Houseki Kabushiki Kaisha; Yuugen Kaisha Makino Denki; Tokyodenkisangyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2006-10-19
Also published as: CN101189789A; CN101189789B; JP4829520B2; JP2006296084A; TW200644385A

Abstract

【課題】　センサレス駆動のブラシレスモータについて起動時の応答性を向上させる。【解決手段】　制御回路は、通電パターンが異なる６つのステージ（ステージ０～５）を２ｍｓごとに順次移行して振動モータへ通電するようにモータ駆動回路を制御して、振動モータを起動する。このステージ移行により、各モータコイルのモータ駆動回路側の電位（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が、３ステージ分はＨレベルに、次の２ステージ分はＬレベルに、次の１ステージ分はＬレベルとＨレベルとの中間的電位（Ｚレベル）になる電圧波形となるようにし、かつ、この電圧波形は各モータコイル間で２ステージずつ位相がずれたものとなるようにする。

Description

明細書

モータ駆動装置及び電子機器

技術分野

[0001] 本発明は、振動モータを駆動するモータ駆動装置、及び振動モータとモータ駆動装置を備えた電子機器に関する。

背景技術

[0002] 携帯電話には着信を振動で知らせる振動モータが搭載されて!、る。この振動モータは、モータ本体の回転軸に偏心分銅を設け、モータ回転動作時に偏心分銅の小刻みな振れ回りにより振動力を発生させるものである。

[0003] 振動モータとしては、ブラシと整流子を備えた DCモータも用いられる力ブラシと整流子との摺動接点部分の機械的な摩耗及び電食による寿命低下という問題があり、長寿命化のためにはブラシレスモータを用いるのが望ま U、。

[0004] ブラシレスモータとしては、ホール素子などのセンサを用いて駆動するものが広く用いられているが、携帯電話に搭載する振動モータはスペースの限られた筐体内に搭載されるものであるため、極力小型化する必要があり、小型化のためにはブラシレスモータをセンサレス駆動するのが望まし、。

特許文献 1：特開平 6— 153580号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 携帯電話にお!/、ては、着信メロディの曲に合わせて振動モータを振動させる場合がある。そして、このようなモータ駆動を行なう場合は、モータ起動時の応答性が良くないと、着信メロディと振動モータの振動とがずれてしまい、このようなずれの発生はユーザにも知覚しうる。

[0006] し力しながら、モータコイルに発生する逆起電圧を検出してロータ部の回転位置を認識するセンサレス駆動のブラシレスモータは、起動時の応答性の点で不利であるという問題がある。

[0007] そこで、本発明の目的は、センサレス駆動のブラシレスモータについて起動時の応答性を向上させることである。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明は、各モータコイルがスター結線されたインナーロータ型 3相ブラシレスモータである振動モータをセンサレス駆動するモータ駆動装置にお、て、前記各モータコィルへの通電をオン、オフする複数のスイッチング素子を備えたモータ駆動回路と、通電パターンが異なる 6つのステージを所定時間ごとに順次移行して前記振動モータへ通電するように前記モータ駆動回路を制御して、前記振動モータを起動する起動手段と、を備え、前記起動手段は、前記ステージ移行により、前記各モータコイルの前記モータ駆動回路側の電位が、 3ステージ分は Hレベルに、次の 2ステージ分は Lレベルに、次の 1ステージ分は Lレベルと Hレベルとの中間的電位になる電圧波形となるようにし、かつ、前記電圧波形は前記各モータコイル間で 2ステージずつ位相がずれたものとなるようにする、ことを特徴とするモータ駆動装置である。

発明の効果

[0009] ブラシレスモータである振動モータをセンサレス駆動する際に、 6ステージのうち、各モータコイルのモータ駆動回路側の電位力 3ステージ分は Hレベルに、次の 3ステージ分は Lレベルになる電圧波形となるようにして、かつ、この電圧波形は各モータコイル間で 2ステージずつ位相がずれたものとなるようにして起動する技術は従来行なわれている。

[0010] し力し、各モータコイルのモータ駆動回路側の電位力 3ステージ分は Hレベルに、次の 2ステージ分は Lレベルに、次の 1ステージ分は Lレベルと Hレベルとの中間的電位 (Zレベル）になる電圧波形となるようにし、かつ、この電圧波形は各モータコイル間で 2ステージずつ位相がずれたものとなるようにして起動する技術は知られてヽなヽ

[0011] このような本発明の通電制御で振動モータを起動することにより、振動モータをスムーズに起動することができ、従来に比べて振動モータの起動時の応答性を高めることができることを、本発明者らは検証することができた (詳細は後述の実施例を参照）発明を実施するための最良の形態 [0012] 以下、本発明を実施するための最良の一形態について図面を参照して説明する。

[0013] 図 1は、本実施形態のモータ駆動装置が対象とする振動モータの一構成例を示す概略縦断面図 (a)、概略横断面図 (b)である。なお、図 1 (a)の断面図と図 1 (b)の断面図のそれぞれの切断位置は、各図の A— A線及び B - B線で示してヽる。

[0014] 図 1 (b)に示すように、振動モータ 1において、インナーロータ部のマグネット 2の形状は、径方向に N' S磁場配向された異方性マグネット材料の磁極方向に対し、直交する方向に位置する非有効磁束範囲部分を両端均等に切除した断面略長方形の板状マグネットである。材質的な組成は Nd—Fe— B系、又は Sm— Co系の希土類マグネットが好ましぐ希土類マグネットは磁気特性に優れ、小径ィ匕によるサイズダウンにも対応できる。また、図 1 (b)からも明らかなように、マグネット 2自体単体は、回転中心軸 6に対して対称な断面形状を有し、動的にもロータ部バランスが保たれている

[0015] また、逆にロータ部のアンバランス手段として、別途前記マグネット 2の略長方形形状となった基の円形部分を切除し、軽量ィ匕した一方の部分 (つまり、円弧を切除した片方の領域）に、マグネット材質より高比重の非磁性材料力もなる重量慣性体として、棒状の偏心分銅 3を、ロータ部を偏重心させる錘として、マグネット 2と一体に取付けている。つまり、小型モータにおけるマグネット 2の磁気特性はそのままで、偏重心に有効なマグネット 2の片側の一部に、高比重の材質の偏心分銅 3を取付けることにより、ロータ部の回転軸中心力もの重心半径を大きくでき、インナーロータ型の振動モータとして、スペース的に優れた偏心ロータ部が構成できる。高比重のタングステン合金は比重 18に近いものほどその効果が得られる。

[0016] 前記ロータ部外周には、ハウジングケース 5の内壁に固定配置された界磁コイル 4 が精度良く配置される。このとき、図 1 (a)に示すように、ロータ部は、回転軸 6がハウジングケース 5の絞り込まれた小径部側にある軸受 8と、ハウジングケース 5の他端部エンドフランジ 7にある軸受 8と、の両軸で軸支される。また、同時にロータ部のスラスト方向の支持は、エンドフランジ 7側のスラスト受 9と、他方側のライナー 10とで規制し保持する形となる。

[0017] 一方、界磁コイル 4には、フレキシブル基板である給電端子 12により給電され、給電端子 12はターミナル 11で固定されている。この給電端子 12は、機器本体側の後述のモータ駆動装置 101 (図 2参照）に接続される。

[0018] 本実施形態では、振動モータ 1は、各モータコイル U, V, W (後述する）がスター結線されたインナーロータ型 3相ブラシレスモータであり、後述のとおりセンサレス駆動されるため、ホール素子などのセンサは設けられて!/ヽな、。

[0019] ブラシレス化によりブラシ及び整流子力なる物理的な整流機構を有せず、長寿命なモータ構造が可能となる。ブラシレス化は、モータの特性上、摺動接点部分の機械的な摩耗及び電蝕による寿命低下の心配がなぐ実質的に軸受摺動箇所の摩耗、つまりロータ部を両端で支持する軸受部分の部品寿命が、前記摺動接点部であるブラシ、整流子に比べ長寿命であり、結果的にモータの信頼性を向上させることができる。

[0020] 図 2は、振動モータ 1を駆動するモータ駆動装置 101の概略構成を示す回路図である。

[0021] 前述の振動モータ 1と、このモータ駆動装置 101とは、携帯電話その他の電子機器に搭載される。

[0022] 振動モータ 1にお、て、符号 U, V, Wはスター結線された 3つのモータコイルである。符号 Cは、このスター結線された 3つのモータコイル U, V, Wの中点（コモン）を示す。

[0023] モータ駆動装置 101は、モータ駆動回路 102、制御回路 103、マイクロコンピュータ 104から構成される。

[0024] モータ駆動回路 102は、端子 TU, TV, TW, TCを介して振動モータ 1と接続され、振動モータ 1のモータコイル U, V, Wの通電をオン、オフする 6つのスイッチング素子 SUl, SU2, SVl, SV2, SWl, SW2を備えている。スイッチング素子 SUl, SU 2, SVl, SV2, SWl, SW2は、 MOSFET、トランジスタなどの半導体スィッチで構成することができる。

[0025] スイッチング素子 SUl, SU2はモータコイル Uを、スイッチング素子 SVl, SV2はモータコイル Vを、スイッチング素子 SWl, SW2はモータコイル Wを、それぞれ駆動する。 [0026] すなわち、スイッチング素子 SUl, SV1, SW1の少なくともいずれか 1つと、スイツチング素子 SU2, SV2, SW2のいずれ力 1つをオンすることにより、モータコイル U, V, Wに電源から電流が流れ、後述する図 4のステージ 0〜5のいずれかの通電パターンを実現することができる。この通電パターンは、ステージ 0〜5の 6パターン存在する。

[0027] 例えば、図 4に示すステージ 0は、 U相が Hレベル電圧（Vボルト（=例えば、 3. 7ボルト） )、 V相が Lレベル電圧（0ボルト）、 W相が Hレベル電圧（Vボルト）であるが、これは、スイッチング素子 SUl, SW1及び SV2をオンにすることにより実現することができる。なお、図 4に示す Hレベル、 Lレベル、 Zレベルの各電圧はそれぞれ端子 TU , TV, TWの電位を示している。

[0028] また、ステージ 1は、 U相が Hレベル電圧（Vボルト）、 V相が Zレベル電圧（1Z2Vボルト）、 W相が Lレベル電圧（0ボルト）である力これは、スイッチング素子 SU1及び S W2をオンにすることにより実現することができる。

[0029] 符号 111〜113は、振動モータ 1をセンサレス駆動するための位置検出回路となるコンパレータ回路であり、それぞれの非反転入力端子はモータコイル U, V, Wと接続され、それぞれの反転入力端子はコモン Cと接続されている。振動モータ 1のロータ部回転位置は、モータコイル U, V, Wに発生する逆起電圧をコンパレータ回路 11 1〜113で検出することにより判断することができる。

[0030] マグネット 2の磁極（2極）を各コンパレータ回路 111〜113で検出する場合、ロータ部の回転角 60° ごとに、いずれかのコンパレータ回路 111〜113からの検出信号が変化することになる。

[0031] 制御回路 103は、各スイッチング素子 SUl, SU2, SV1, SV2, SW1, SW2に、それぞれゲート信号 UH, UL, VH, VL, WH, WLを出力して、モータ駆動回路 10 2を制御する。また、制御回路 103は、コンパレータ回路 111〜113から検出信号を受けて、この検出信号に応じてモータ駆動回路 102を制御することもできる。

[0032] より具体的には、制御回路 103は、ゲート信号 UH, UL, VH, VL, WH, WLを出力して各スイッチング素子 SUl, SU2, SV1, SV2, SW1, SW2のオン、オフを切り換える切換回路、マイクロコンピュータ 104からの PWM信号に応じて振動モータ 1を PWM制御する PWM制御回路などを備え、切換回路は、後述のマイクロコンピュータ 104のタイマ回路でカウント時間が所定時間（後述する 2ms)を経過した時点で、各スイッチング素子 SU1, SU2, SV1, SV2, SW1, SW2のオン、オフのノ《ターンを順次切り換えることで、後述するステージ 0〜5に次々に移行させることができる。

[0033] マイクロコンピュータ 104は、各種制御信号を出力して制御回路 103に振動モータ 1を制御させる。また、所定時間（後述する 2ms)を計時するタイマ回路を備えている

[0034] 次に、以上のような回路構成のモータ駆動装置 101を用いて行なわれる振動モータ 1の回転制御について説明する。

[0035] 図 3は、振動モータ 1の制御内容の概要を説明するフローチャートである。図 3に示すように、振動モータ 1の回転制御は、まず、オーバーラップ初期起動を一定期間行なう (ステップ Sl)。これは、起動手段を実現するものである。これにより、振動モータ 1を起動したら、通常運転を行って (ステップ S2)、振動モータ 1の運転を停止する。通常運転 (ステップ S2)は、 PWM制御手段を実現するもので、ステップ S1により起動された振動モータ 1を PWM制御して回転駆動するものである。以下では、一例として、マグネット 2の磁極が 2極の場合につき、ステップ S1の詳細について説明する。

[0036] 図 4は、オーバーラップ初期起動（ステップ S1)のサブルーチンのフローチャートである。振動モータ 1の起動の際には、各モータコイル U, V, Wへの通電パターンが異なる 6つのステージ (ステージ 0〜5)を、所定時間（本例では 2ms)ごとに順次移行してモータ駆動回路 102を制御する。

[0037] ステップ S11〜S16は、それぞれステージ 0〜5を示している。ステージ 0では端子 TUの電位を Hレベル、端子 TVの電位を Lレベル、端子 TWの電位を Hレベルとする (ステップ Sl l)。ステージ 1では端子 TUの電位を Hレベル、端子 TVの電位を Zレべル、端子 TWの電位を Lレベルとする（ステップ S 12)。ステージ 2では端子 TUの電位を Hレベル、端子 TVの電位を Hレベル、端子 TWの電位を Lレベルとする（ステップ S 13)。ステージ 3では端子 TUの電位を Lレベル、端子 TVの電位を Hレベル、端子 T Wの電位を Zレベルとする（ステップ S 14)。ステージ 4では端子 TUの電位を Lレベル、端子 TVの電位を Hレベル、端子 TWの電位を Hレベルとする（ステップ S 15)。ステージ 5では端子 TUの電位を Zレベル、端子 TVの電位を Lレベル、端子 TWの電位を Hレベルとする（ステップ S 16)。

[0038] このような通電を行なうことにより、 U相（端子 TU)、 V相（端子 TV)、 W相（端子 TW )の電圧波形は図 5に示すようになる。

[0039] オーバーラップ初期起動では、 2msごとにステージ 0〜5を順次移行させ、先行するステージ力次ステージに移行させる条件は時間経過（例えば 2ms)のみであり、口ータ部のセンサレス検出とは無関係である。

[0040] 図 5に示すように、 U相（端子 TU)、 V相（端子 TV)、 W相（端子 TW)の電位 (すなわち、各モータコイル U, V, Wのモータ駆動回路 102側の電位）は、まず、 U相（端子 TU)についてはステージ 0〜2の 3ステージ分は Hレベル、次のステージ 3, 4の 2 ステージ分は Lレベル、次のステージ 5の 1ステージ分は Zレベルとなる波形である。 V相（端子 TV)につヽては U相（端子 TU)から 2ステージ分（120° )ずれた波形となり、 W相（端子 TW)についてはさらに 2ステージ分（120° )ずれた波形となる。このようなオーバーラップ初期起動は、ステージ 0〜5がー巡するまでの 12msの間継続する。ステージ 0〜5の一巡により、ロータ部はほぼ 1回転することになる。

[0041] 図 6は、従来のモータ駆動装置による U相 (端子 TU)、 V相 (端子 TV)、 W相 (端子 TW)の電位（すなわち、各モータコイル U, V, Wのモータ駆動回路 102側の電位）を示すものである。図 5と図 6を比較すると明らかなように、本実施形態の電圧波形と従来の電圧波形との違いは、従来例には一般的な 180° 通電が使用されているのに対して、本実施形態ではステージ 1の V相（端子 TV)、ステージ 3の W相（端子 TW )、ステージ 5の U相（端子 TU)が Zレベルであることである（従来例はいずれも Lレべル)。

[0042] 本発明者らは、図 5のような通電パターンで振動モータ 1に通電して起動を図ることにより、振動モータ 1をスムーズに起動することができ、図 6の場合に比べて振動モータ 1の起動時の応答性を高めることができることを検証することができた (詳細は後述の実施例で説明する)。

[0043] なお、以上説明したモータ駆動装置 101、振動モータ 1は、様々な電子機器に搭載することができる。例えば、電子機器が携帯電話機の場合であれば、モータ駆動装置 101は図 3のステップ SI, S2の処理を繰返すことで、着信メロディにあわせた振動を発生させることができる（この場合、図 3の処理開始のタイミング、ステップ S2における PWM信号はマイクロコンピュータ 104が制御回路 103に与える）。本実施形態のモータ駆動装置 101によれば、このような使用方法を行なっても、センサレス駆動のブラシレスモータである振動モータ 1の起動時の応答性が高いため、発生させた振動が着信メロディに遅れることがなぐ着信メロディに対する発生振動の高い追従性を実現することができる。

実施例

[0044] 本発明者らは、前述の振動モータ 1にモータ駆動装置 101を適用して、比較対照実験を行なった。以下では、この比較対照実験の内容を説明する。

[0045] 実験結果を図 7に示す。本実験は、 2つの異なる条件 (モード 1と 2の 2パターン)で、それぞれモータ駆動装置 101で振動モータ 1を駆動して、モータ起動時の立上り性能を比較するものである。モード 1は本発明の実施例を示し、モード 2は従来例である。なお、マグネット 2の磁極は 2極である。

[0046] 図 7において、「起動運転」とあるのは、振動モータ 1の起動時の運転を示し (前述のステップ S1に相当）、" PWM100%"とあるように、モータ駆動装置 101で通電制御を行う際の PWM制御のデューティを 100%としている。 "2ms X 6 (1回転） 180° 通電"とあるのは、 1ステージの継続時間が" 2ms"で、 "6"ステージ分、すなわちモータ" 1回転"分の運転を、いわゆる" 180° 通電"で行なったことを示す。また、モード 1 において、 "特殊波形"とあるのは前述した図 5の波形を用いたことを示し、モード 2において、"通常 180° 通電波形"とあるのは、従来の一般的な 180° 通電、すなわち前述した図 6の波形を用いたことを示して、る。

[0047] 「通常運転」とあるのは、ステップ S2の通常運転であり、従来の一般的な 120° 通電を PWM制御のデューティを 80%として行った。この通常運転は、モード 1, 2において同条件で行なった。

[0048] 「回転数の変ィ匕」とあるのは、通電開始時点から 40ms, 60ms, 90ms経過時点でのそれぞれの振動モータ 1の回転数を示している。

[0049] 「立上り時間」とあるのは、通電開始時点力も振動モータ 1が定格回転数の 50%に達するまでに要する時間を示して、る。

[0050] なお、測定結果の各データは、図 2の回路構成において、モータ駆動回路 102の電源の電源電流を電流プローブでオシロスコープに取り込むことにより得たものである。すなわち、振動モータ 1の回転数の上昇に反比例して、この電源電流は低下するので、起動電流を基準に、電流値が起動電流と定格電流との中間値（50%)となった時点を定格回転数の 50%に達した点と判断し、通電開始時点から前記の定格回転数の 50%に達した点までの時間力「立上り時間」となる。また、通電開始時点から 4 Oms, 60ms, 90ms経過時点での端子 TU (あるいは端子 TV又は TW)の電圧出力波形の周期を計測することで、「回転数の変化」を測定することができる。

[0051] 図 7のモード 1, 2の各結果は何れも 3回分の測定値の平均値を示しており、各モード 1, 2の測定回数 1〜3における生データについては図 8に示している。

[0052] 図 7の結果を見るに、モード 2の「立上り時間」は 59msecを要しているのに対して、モード 1の「立上り時間」は 54msecに短縮され、モード 2に比べてモード 1では「立上り時間」を 1割程度短縮できたことがわかる。

[0053] このように、振動モータ 1への通電パターンに図 5に示すモード 1を用いることで、従来に比べて「立上り時間」の短縮を実現できることが検証できた。

図面の簡単な説明

[0054] [図 1]本発明の一実施形態のモータ駆動装置が対象とする振動モータの一構成例を示す概略縦断面図 (a)、概略横断面図 (b)である。

[図 2]本実施形態のモータ駆動装置の回路図である。

[図 3]モータ駆動装置による振動モータの制御内容の概要を説明するフローチャートである。

[図 4]オーバーラップ初期起動のサブルーチンを説明するフローチャートである。

[図 5]オーバーラップ初期起動による振動モータの起動について説明するタイミングチャートである。

[図 6]従来の振動モータの起動について説明するタイミングチャートである。

[図 7]実施例の比較対象実験の結果を示す説明図である。

[図 8]図 7の結果における各測定回数のデータを示す説明図である。符号の説明

1 振動モータ

101 モータ駆動装置

102 モータ駆動回路

SUl, SU2, SVl, SV2, SWl, SW2 スイッチング素子 U, V, W モータコイル

Claims

請求の範囲

[1] 各モータコイルがスター結線されたインナーロータ型 3相ブラシレスモータである振動モータをセンサレス駆動するモータ駆動装置において、

前記各モータコイルへの通電をオン、オフする複数のスイッチング素子を備えたモータ駆動回路と、

通電パターンが異なる 6つのステージを所定時間ごとに順次移行して前記振動モータへ通電するように前記モータ駆動回路を制御して、前記振動モータを起動する起動手段と、を備え、

前記起動手段は、前記ステージ移行により、前記各モータコイルの前記モータ駆動回路側の電位が、 3ステージ分は Hレベルに、次の 2ステージ分は Lレベルに、次の 1 ステージ分は Lレベルと Hレベルとの中間的電位になる電圧波形となるようにし、かつ、前記電圧波形は前記各モータコイル間で 2ステージずつ位相がずれたものとなるようにする、

ことを特徴とするモータ駆動装置。

[2] 前記起動手段による前記振動モータの起動後に前記モータ駆動回路を制御して前記振動モータを PWM制御する PWM制御手段をさらに備えている、

ことを特徴とする請求項 1に記載のモータ駆動装置。

[3] 電子機器において、

各モータコイルがスター結線されたインナーロータ型 3相ブラシレスモータである振動モータと、

前記振動モータを駆動する請求項 1又は 2に記載のモータ駆動装置と、を備えてヽることを特徴とする電子機器。