(57)【要約】【課題】直流電流で正逆回転する単相全波整流型又は２相半波整流型ＤＣブラシレスモータを簡易な制御かつ低コストで提供する。【解決手段】回転子である磁石の磁極位置を検出する位置センサ及び位置センサからスイッチング素子への磁極検出信号の出力経路を２つ備え、位置センサの磁極検出信号の出力によりスイッチング素子のオンオフを制御し、ステータに巻かれたコイルへの通電方向を変更する単相全波整流型又は２相半波整流型ＤＣブラシレスモータにおいて、通電後最初に位置センサが検知したＳ極又はＮ極の磁極信号に対して予め磁極検出信号の出力経路が定められ、磁極信号に基づき磁極検出信号の出力経路を決定する信号を出力する切り替えモード制御回路を備え、切り替えモード制御回路が出力する信号に基づき磁気検出信号の出力経路を切り替え、回転子の回転方向を決定する正逆回転可能なＤＣブラシレスモータとした。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子である磁石の磁極位置を検出する位置センサ及び前記位置センサからスイッチング素子への磁極検出信号の出力経路を２つ備え、前記位置センサの磁極検出信号の出力によりスイッチング素子のオンオフを制御し、ステータに巻かれたコイルへの通電方向を変更する単相全波整流型ＤＣブラシレスモータ又はステータに巻かれた２相コイルのうち通電するコイルを切り替える２相半波整流型ＤＣブラシレスモータにおいて、
通電後最初に前記位置センサが検知したＳ極又はＮ極の磁極信号に対して予め前記磁極検出信号の出力経路が定められ、前記磁極信号に基づき前記磁極検出信号の出力経路を決定する信号を出力する切り替えモード制御回路を備え、前記切り替えモード制御回路が出力する信号に基づき前記磁気検出信号の出力経路を切り替え、前記回転子の回転方向を決定することを特徴とする正逆回転可能なＤＣブラシレスモータ。
【請求項２】
コギング角度を電気角で９０°としたことを特徴とする請求項１に記載の正逆回転可能なＤＣブラシレスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシ及び整流子を用いることなく直流（ＤＣ）電流で正転（ＣＷ）、逆転（ＣＣＷ）の双方向に回転する単相全波整流型又は２相半波整流型ＤＣブラシレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣブラシレスモータは、従来のブラシモータのブラシと整流子の機能を半導体などのスイッチング素子とその駆動を制御する制御回路に置換したものである。そして、ブラシモータに比べ、寿命が長く、小型化、そして多用な形状に組み立てることができるとともに、高効率かつ制御が容易で、かつ静かに駆動する点、ＤＣブラシレスモータは優れている。例えば、ＣＤ／ＤＶＤ−ＲＯＭドライブ、ハードディスク、冷蔵庫、エアコンなどに急速に普及している。
【０００３】
図１に示すように、ＤＣブラレスモータは、ケース、容器などの筺体２に収納された駆動などに伴い発熱する電気機器等の発熱体３に風を送風し冷却するファン１などに用いられ、その用途は益々拡大している。ファン１は、モータ１ａのステータに巻かれたコイルに正逆方向に通電することで、回転子である永久磁石が回転し、それに伴ってフィン１ｂが回転して空気の流れ（風）を形成する。フィン１ｂは回転子と一体となっている。風は吸気口２ａから吸気され排気口２ｂから排気される。なお、回転子がステータの内側にあることも、外側になることもある。
【０００４】
ところが、従来の単相全波整流型又は２相半波整流型ＤＣブラシレスモータは、一方向にしか回転させることができない。そのため、筺体２へ吸引される風とともに、埃、塵等の粉塵が風の吸込口２ａ、或いはファン１の風上に配置される、メッシュ、防塵ネットなどのスリット４に時間経過と共に蓄積され、冷却効率の低下、さらに発熱体の故障、発火の原因になるなどの問題があった。
【０００５】
他方、３相ＤＣブラシレスモータであれば、コイルへの通電タイミングを制御することで、回転方向を制御することができる。例えば、特許文献１などに公開されている。回転方向を逆回転させることで、風も逆向きに流れる。従って、スリット４に溜まった粉塵を定期的に飛散させ、粉塵の蓄積を低減、防止できる。また、このように正逆転できる３相ＤＣブラシレスモータであれば、装置内部全体の排気、または吸気を行うシステムファンとしてではなく、装置内部の局所冷却の場合でも同様の効果を発揮する。即ち、局所冷却の場合は、ヒートシンク部に溜まる粉塵の低減、防止も可能になる。
【０００６】
また、特許文献２には、直流ブラシレスモータ及びファンが公開されている。特許文献２の発明は、正逆転可能な直流ブラシレスモータであって、ホール素子２の出力信号を、コントロール信号ＣによってドライブＩＣ１に入力する間に反転させることが可能な反転回路を備えることにより、直列に接続されたコイル４、５への通電を逆転可能にし、または、コントロール信号Ｃによってホール素子に付加する電流の方向を反転させることが可能な反転回路を備えることにより、直列に接続されたコイルへの通電を逆転可能にするというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−７０５７８号公報
【特許文献２】特開２００５−２６１１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、３相ＤＣブラシレスモータでは、単相全波整流型、２相半波整流型ＤＣブラシレスモータより製造コストが高い上、制御が複雑である。また、単相全波整流型、２相半波整流型ＤＣブラシレスモータは、電源の＋／−を逆に接続しても、さらに、既存の回路を逆向きにしても以下に示す理由により、外部から双方向に回転させることはできない。
【０００９】
しかしながら、特許文献２では、コントロール信号Ｃのレベルを検知してホール素子２の出力信号を切り替えているため、制御、回路が複雑になって、製造コストが割高である点問題である。
【００１０】
図２に、従来の単相全波整流型ＤＣブラシレスモータ１ｃ（１本のコイルに正負逆向きの電流を交互に通電する（Ａ））、２相半波整流型ＤＣブラシレスモータ１ｄ（Ｂ：バイファイラ巻き）の断面模式図を示した。
【００１１】
Ｎ、Ｓは磁石６のＮ極、Ｓ極であり、ここでは永久磁石６とマグネットヨーク６ａの合体品が回転子となる。即ち、当該モータをファンモータに利用する場合には磁石６とマグネットヨーク６ａの合体品にフィン１ｂを接続させる。
【００１２】
ステータ５は、４極で各極はＴ字状をしており、Ｔ字の先端部が極５ａ、５ｂと呼ばれる。そして、ステータ５はファン１の枠などに固定或いは一体成形される。ステータ５の穴には、磁石６を含んだ回転子の回転軸５ｃが回動可能に保持される。
【００１３】
また、ステータ５の軸状部にコイル７（７ａ）が巻かれる。このコイル７（７ａ）に逆向きの電流が交互に通電されることで、磁石６は回転する。通電方向の切換は、磁石６の磁極の位置をステータ５に固定された位置センサ８で感知し、磁極検出信号をスイッチ素子を制御する回路（出力経路１０）に入力することで制御される。
【００１４】
モータが止まった後の再スタートがスムーズにいくように、位置センサ８は、磁極境目６ｂに来ないように配置される。このモータの停止点を決めるためにつけるトルクをコギング（コギングトルク）と言う。コギングによる停止点角度は４極モータであれば、前進方向に２２．５°、コギングトルクの最大値は回転しているときに磁石とコイルで発生する最大トルクの１／２に設計するのが理想的である。
【００１５】
この２２．５°とは磁石６の１回転を３６０°とした機械角での角度である。磁石６が回転して磁極の位置関係がもとの位置と同じところまでくる角度を電気角で３６０°とすると機械角は１８０°となる。コギング角度は電気角では４５°とするのが理想的で、機械角ではモータの磁極の数によって変動する。例えば、２極モータでは電気角と機械角は同じになるのでコギング角度は機械角でも４５°となる。
【００１６】
次に、図３に、従来の代表的な単相全波整流型ＤＣブラシレスモータ用ドライブＩＣのブロック図を示す。位置センサ８（Ｈ：ホール素子）が磁石６の磁極を検出し、その磁極検出信号を元に、磁極の切り替えに併せてコイル７に流す電流の向きをスイッチング素子９の駆動で反転させせる。ＩＮ+とＩＮ-とは、磁極があれば出力、磁極がなければ両方とも出力しないことを意味する。ホール素子Ｈへの印可電圧の中位に対して＋、−、で出力され、その大きさは同じである。
【００１７】
次に、図４に、従来の単相全波或いは２相半波整流型ＤＣブラシレスモータにおける通常回転（正転）時の理想的な合成トルクを示す。磁場トルクとコギングトルクを合成したトルクの値がすべての角度において＋に位置しているので、どこで止めても死点がなくＣＷ回転することが分かる。
【００１８】
他方、図５に従来の単相全波或いは２相半波整流型ＤＣブラシレスモータにおいて、電気回路によって逆回転モードにしたときの合成トルクを示す。この場合には、図５で明らかなように、回転方向（この場合はＣＣＷ方向）と逆のトルク（この場合はＣＷトルク）を発生しているところがあり、死点が発生してしまう。また、正転時に比べると、合成トルクの変動が非常に大きくなり、モータの振動が大きく、極めて問題である。
【００１９】
次に、図６を参照して、コギングトルク及び停止点につていて説明する。コギングトルクは、図６（Ａ）に示すようなトルクとなるので、その和は０になる。従って、回転しているモータでは、正回転、逆回転のときのモータトルクとしては同じ値になる。逆回転時の方が回転時のトルクが小さくなるということはない。
【００２０】
図６（Ｂ）には安定した停止点を、図６（Ｃ）には不安定な停止点を示した。安定した停止点では、磁石６がＣＷに回転するとＣＣＷのトルクが働き停止点に戻り、ＣＣＷに回転しようとしても同様にもとの位置に戻るので安定している。不安定な停止点では、磁石６がＣＷに回転すると同じＣＷのトルクが働き磁石６は、回転してしまい、次の安定した停止点で止まる。
【００２１】
図６（Ｂ）に示す断面模式図で分かるように、通常は安定した停止点（（Ａ）の実線円）に止まるが、不安点な停止点に止まる確率も０ではない。しかし、通常のモータでは不安定な停止点（（Ｂ）の破線円）に止まったとしても、位置センサ８が磁石６の磁極の境目に位置しないので、問題なく回転スタートする。
【００２２】
本発明は、ブラシ及び整流子を用いることなく直流電流で正回転、逆回転の双方向に回転する単相全波整流型又は２相半波整流型ＤＣブラシレスモータを、簡易な制御かつ低コストで提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の課題を解決するために、本発明は、
（１）
回転子である磁石の磁極位置を検出する位置センサ及び前記位置センサからスイッチング素子への磁極検出信号の出力経路を２つ備え、前記位置センサの磁極検出信号の出力によりスイッチング素子のオンオフを制御し、ステータに巻かれたコイルへの通電方向を変更する単相全波整流型ＤＣブラシレスモータ又はステータに巻かれた２相コイルのうち通電するコイルを切り替える２相半波整流型ＤＣブラシレスモータにおいて、
通電後最初に前記位置センサが検知したＳ極又はＮ極の磁極信号に対して予め前記磁極検出信号の出力経路が定められ、前記磁極信号に基づき前記磁極検出信号の出力経路を決定する信号を出力する切り替えモード制御回路を備え、前記切り替えモード制御回路が出力する信号に基づき前記磁気検出信号の出力経路を切り替え、前記回転子の回転方向を決定することを特徴とする正逆回転可能なＤＣブラシレスモータの構成とした。
（２）
コギング角度を電気角で９０°としたことを特徴とする（１）に記載の正逆回転可能なＤＣブラシレスモータの構成とした。
【００２４】
本発明の正逆回転可能なＤＣブラシレスモータで（以下、単に「モータ」ということもある。）は、回転子の配置は、スタータの内側、外側どちらでもよい。位置センサとしては、ホール素子が例示できるが、同様の機能、即ち、磁石例えば永久磁石の磁極位置を検知し、出力できればホール素子に限定されない。また、スイッチング素子としては半導体などがある。また、回路は、従来の回路に、位置センサからスイッチング素子を制御する回路へ入力（以下、出力経路ともいう。）を入れ換える機構、及びそれを制御する制御回路を付加するだけでよい。
【００２５】
回転方向の変更は、作業者が意図して変更するのではなく、作業者の通常の動作に連動して自動とすることが好ましい。例えば、発熱体の駆動電源或いはファンのオン又はオフに連動し、例えは数十秒間逆回転、或いは前記出力経路を入れ換える機構の制御回路に内部タイマーを備え、定期的に回転方向を変えても或いは発熱体の駆動電源のオンオフから所定時間逆回転させるなどすればよい。勿論、作業者が意図して、モータの回転方向のみ変更する機構としてもよい。  
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、極種を検知し、位置センサからのスイッチング素子への出力経路を入れ替えることで、或いはステータに巻かれたコイルへの通電方向を変更することで、回路を簡略化することができ低廉で、正逆回転する単相全波整流型又は２相半波整流型ＤＣブラシレスモータを提供することができる。従って、３相ＤＣブラシレスモータより簡易かつ廉価に正逆双方向に回転する単相全波整流型又は２相半波整流型ＤＣブラシレスモータを提供することができる。
【００２７】
従来、一方向にのみ回転するモータを利用したファンを電気機器等の発熱箇所への送風冷却に長期間使用すると、吸引部その他に埃がたまる問題があったが、本発明ではその問題を解決することができる。特に、電気機器の駆動電源のオンオフに連動させることで、例えば、駆動電源をオフしたとき逆向きに機械的に出力経路の接続を入れ替えることでモータが停止するまでの間、反対方向の送風が可能になり、吸引部に吸着した埃を吹き飛ばすことができる。次回駆動電源をオンするときには、また前記出力経路の接続を切り替えることで発熱体に送風する向きの送風が行われる。電気機器の駆動に連動し、特別な操作を必要なく、冷却風の吸引部への埃をクリーニングすることができ、ユーザーにとって便利である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ファンの使用例の説明図である。
【図２】従来のＤＣブラシレスモータの断面模式図である。
【図３】従来のＤＣブラシレスモータ（図１（Ａ））のブロック図である。
【図４】従来のＤＣブラシレスモータにおける通常回転（正転）時の理想的な合成トルクを示す図である。
【図５】従来のＤＣブラシレスモータにおいて、電気回路によって逆回転モードにしたときの合成トルクを示す図である。
【図６】コギングトルク及び停止点を示す図である。
【図７】実施例１（単相全波整流型ＤＣブラシレスモータ）のブロック図である。
【図８】実施例２（２相半波整流型ＤＣブラシレスモータ）のブロック図である。
【図９】実施例３／ステータ形状を変更し、正逆両方向の回転で合成トルクが同波形になるように改変した正逆回転可能なＤＣブラシレスモータの断面模式図である。
【図１０】図９の場合の正逆回転時の合成トルク及び停止点を示す図である。
【図１１】９において、コギングトルクの最大値を小さく設計した場合の正回転時の合成トルクの変更幅を示す図である。
【図１２】実施例４／正逆両方向の回転で合成トルクが同波形になるようにステータ形状を変更した他の形態の正逆回転可能なＤＣブラシレスモータの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００３０】
図７に、本発明である単相全波整流型ＤＣブラシレスモータにおいて、正逆回転可能なＤＣブラシレスモータの回路ブロック図を示す。図７（Ａ）が正回転時の回路接続、（Ｂ）が逆回転時の回路接続である。
【００３１】
図３において、位置センサ８が検知した磁石６の磁極の位置信号である磁極検出信号の出力経路１０を交差させる（入れ替える）ことで、正逆双方向に回転させることができる。制御回路等は、出力経路１０の入れ替え機構（機械的接続、或いは電気的接続）、それを制御する制御回路（切り換えモード制御回路）以外は、従来の一般的な単相全波整流型又は２相半波整流型ＤＣブラシレスモータと同じである。
【００３２】
切換のタイミングは、発熱体の駆動電源のオンオフ（電気器機の起動、終了）、その他、人の通常の動作に連動して、或いは内部タイマー、或いは電源ON時に磁気センサが最初に感知したロータの磁極種類により、  強制スイッチなどで、自動かつ定期的、或いは意図的かつ不定期に逆回転させることができる。このようなモータを備えるファンであれば、冷却のための風を逆向きに発生させ、蓄積した粉塵の飛散、粉塵の低減、防止に役立つ。
【実施例２】
【００３３】
図８に、本発明である２相全波整流型ＤＣブラシレスモータにおいて、正逆回転可能なＤＣブラシレスモータの回路ブロック図を示す。図８（Ａ）が正回転時の回路接続、（Ｂ）が逆回転時の回路接続である。正逆回転の制御は、位置センサ８からの磁極検出信号の出力経路１０を入れ換えること、切換モード制御回路を備えること以外、従来の２相全波整流型ＤＣブラシレスモータと同じである。なお、出力経路１０の入れ換え機構、切換モード制御回路は、実施例１と同じである。以下、同じ。
【実施例３】
【００３４】
次に、図９に、図２のステータ５に切欠部１２ｂを設けた形状のステータ１２ａに変更し、コギング角度を機械角で４５°（電気角９０°）とした正逆回転可能なＤＣブラシレスモータ１２の模式図を示す。切欠部１２ｂは、ステータ１２ａの各極の両極５ａ、極５ｂの中央部を回転軸５ｃ方向にＶ字状に窪ませたものである（ステータ１１ａ、１４ａも同じ。）。図９（Ａ）が安定した停止点、図９（Ｂ）が不安定な停止点を示している。符号６ｂは安定な停止点に止まった時の磁極境目、符号６ｃは不安定な停止点に止まった時の磁極境目である。このような形状にすると、図１０（Ａ）の正回転、図１０（Ｂ）の逆回転時の合成トルクが同波形を示すこととなる。
【００３５】
また、従来のＤＣモータ（図２）を採用したときに比べ、出力経路１０を入れ換えて逆回転時の合成トルクのトルク変動幅を小さくすることができる。さらに、全角度において負のトルク（逆に回転させようとするトルク）が発生する角度がなくなる。加えて、図１１に示すように、コギングトルクの最大値を小さく設計すれば、図１１の合成トルクのように、変動幅を小さくすることも可能である。
【００３６】
しかしながら、コギングトルクを小さくしすぎると、機械摩擦の影響も無視できなくなるので、モータ停止時に安定した停止点に止まらなくなる可能性もあり、設計するモータによりその設計値を調整することが必要である。
【００３７】
一般的に、モータが小型になればなるほど、コギングトルクと、摩擦によって回転させまいとする反対方向のトルクが近くなり、本来止めたい場所である安定した停止点に止めることが難しくなり問題が発生するので、コギングトルクを小さくすることには限界がある。
【００３８】
コギングトルクが摩擦に負けず、図９（Ａ）に示す安定した停止点で止まっていれば、モータに通電すると、その時に発生する電磁トルクが最大となりスムーズに回転を始める。
【００３９】
他方、図９（Ｂ）に示す不安定な停止点で停止する確立は、０ではない。図９（Ｂ）の状態で通電しても電磁トルクは０であるので磁石６が回転しないことがある。
【００４０】
このような危険を回避する方法としては、ドライブＩＣに内蔵された磁石の回転を検知する機構により、回転していない場合には、故意にコイル通電方向を正逆反転する回路を設け、コイルに通電することで磁場トルクを発生させ、磁石に振動を与えれば不安定な停止点から離脱することができ、回転させることができる。
【実施例４】
【００４１】
次に、図１２に、実施例６３同様にコギング角度を機械角で４５°（電気角９０°）として、正逆回転時における合成トルクが同波形になる他の形態のステータ１３ａを備える正逆回転可能なＤＣブラシレスモータ１３の模式図を示した。
【００４２】
ステータ１３ａ形状は、安定な停止点に停止した時、極５ａと極５ｂの間にある位置センサ８上の極５ａ、５ｂの先端が何れも切り欠かれている。即ち、図２のステータ５において、上下左右の四極の内、左右の２極が線対象に反転した形状である。この形状であっても、ここでは合成トルク波形は示さないが、正逆回転時の合成トルク波形は同様の波形になり、従来のステータ５を採用した場合よりも、実施例３同様にトルク変動幅が小さくなる。
【符号の説明】
【００４３】
１      ファン
１ａ    モータ
１ｂ    フィン
１ｃ    単相全波整流型ＤＣブラシレスモータ
１ｄ    ２相半波整流型ＤＣブラシレスモータ
２      筺体
２ａ    吸込口
２ｂ    排気口
３      発熱体
４      スリット
５      ステータ
５ａ    極
５ｂ    極
５ｃ    回転軸
６      磁石
６ａ    マグネットヨーク
６ｂ    磁極境目    
６ｃ    磁極境目
７      コイル
７ａ    コイル
８      位置センサ
９      スイッチング素子
１０    出力経路
１２    正逆回転可能なＤＣブラシレスモータ
１２ａ  ステータ
１２ｂ  切欠部
１３    正逆回転可能なＤＣブラシレスモータ
１３ａ  ステータ
【図１】
2014023285.tif 000003
【図２】
2014023285.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2014023285.tif 000012
【図１１】
2014023285.tif 000013
【図１２】
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