(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファンを回転させるためのモータを構成するステータ及びロータの相対的位置関係に応じてホール素子が発生する正弦波信号に基づいて、第１コイル及び第２コイルを相補的に駆動する第１駆動トランジスタ及び第２駆動トランジスタを有するモータ駆動回路において、
前記第１及び第２コイルの駆動時に一方向に変化し且つ前記第１及び第２コイルの相切り換え時に他方向に変化する鋸歯状波信号と温度変化に応答して変化する基準電圧とを比較し、第１矩形波信号を出力する手段と、
前記正弦波信号を全波変換した第１全波信号と、前記第１全波信号を増幅又は減衰した振幅が異なる第２全波信号を前記第１矩形波信号のタイミングでサンプルホールドしたサンプルホールド信号とを比較し、前記第１及び第２コイルの相切り換え点近傍において、前記第１及び第２駆動トランジスタを同時オフさせる第２矩形波信号を出力する手段と、
前記ファンを周囲温度に応じた速度で常時回転させるべく、温度変化に応答して変化する前記基準電圧の上限及び下限を制限する手段と、
を備えたことを特徴とするモータ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファンの静音化に適したモータ駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は従来のモータ駆動回路を示す回路ブロック図である。
【０００３】
図８において、駆動コイル（１）（２）は、構造上はモータを構成するステータ側に固着され、配線上は一端が電源ＶＣＣを介して接地され、電気角１８０度毎に駆動電流ＩＬ１、ＩＬ２が相補的に流れるものである。ホール素子（３）は、構造上はモータを構成するステータ側の所定位置に固着され、配線上は電源ＶＣＣと接地との間に接続されて電源が供給され、ステータ及びロータの相対的位置関係に応じて各々逆相の正弦波信号Ｈ＋、Ｈ−を出力するものである。増幅器（４）は正弦波信号Ｈ＋と逆相の正弦波信号Ｈ−とを比較し、矩形波信号Ｆを出力するものである。制御回路（５）は、矩形波信号Ｆの立上り及び立下り毎に制御パルスＣを発生する。抵抗（１０２）及びコンデンサ（１０３）は電源ＶＣＣと接地との間に直列接続され、コンデンサ（１０３）は抵抗（１０２）の抵抗値及びコンデンサ（１０３）の容量で定まる時定数に従って充電を行う。充放電制御回路（１０４）は制御パルスＣが供給される毎にコンデンサ（１０３）の蓄積電荷を放電させるものである。従って、コンデンサ（１０３）の非接地側には鋸歯状波信号Ｄが発生する。抵抗（１０５）及びサーミスタ（１０６）は電源ＶＣＣと接地との間に直列接続され、サーミスタ（１０６）の非接地側には周囲温度変化に応答して変化する基準電圧Ｖｒｅｆが発生する。比較器（１０７）は鋸歯状波信号Ｄと基準電圧Ｖｒｅｆを比較し、鋸歯状波信号Ｄが基準電圧Ｖｒｅｆより低い時にハイレベルとなる比較信号Ｅを出力するものである。制御回路（５）は比較信号Ｅを基に駆動信号Ａ，Ｂを電流増幅して出力するものである。ＮＰＮ型トランジスタ（６）（７）はダーリントン接続された状態で駆動コイル（１）の他端と接地との間に接続され、ＮＰＮ型トランジスタ（６）のベースに駆動信号Ａのハイレベルが供給された時、ＮＰＮ型トランジスタ（６）（７）がオンして駆動コイル（１）に駆動電流ＩＬ１を流すものである。同様に、ＮＰＮ型トランジスタ（８）（９）はダーリントン接続された状態で駆動コイル（２）の他端と接地との間に接続され、ＮＰＮ型トランジスタ（８）のベースに駆動信号Ｂのハイレベルが供給された時、ＮＰＮ型トランジスタ（８）（９）がオンして駆動コイル（２）に駆動電流ＩＬ２を流すものである。コンデンサ（１００）はＮＰＮ型トランジスタ（６）のベースコレクタ間に接続され、駆動電流ＩＬ１の立下りに傾斜を持たせるものである。コンデンサ（１０１）はＮＰＮ型トランジスタ（８）のベースコレクタ間に接続され、駆動電流ＩＬ２の立下りに傾斜を持たせるものである。コンデンサ（１００）（１０１）はモータのトルク変動を最小限に抑える為に設けられる。そして、駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２が駆動コイル（１）（２）に交互に流れることによりモータは回転する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図９は前記駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２を示す波形図である。駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２（＝ＩＬ）は次式で表される。
【０００５】
ＩＬ＝（ＶＣＣ−Ｖｓａｔ−Ｅｃ）／ＲＬ
但し、ＶＣＣ……電源電圧
Ｖｓａｔ…駆動トランジスタ（７）（９）の飽和電圧
Ｅｃ………逆起電圧
ＲＬ………駆動コイル（１）（２）の抵抗成分
さて、モータの回転中において、駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２を切り換える相切り換え点の近傍Ｔでは、逆起電圧Ｅｃが小さくなる為、駆動電流ＩＬは大きくなる。しかし、相切り換え点の近傍Ｔでの駆動電流ＩＬでは、元々モータの回転トルク発生効率が悪く、駆動電流ＩＬの大きさが災いして駆動電流ＩＬの急激な下降変化に伴いモータの回転トルクが変動してモータの振動音を誘発する問題があった。
【０００６】
また、サーミスタ（１０６）の抵抗値は周囲温度の上昇に伴い小さくなる。即ち、基準電圧Ｖｒｅｆが下がり、矩形波信号Ｅの立下りが左側に移動する。従って、周囲温度が特定温度を越えて上昇すると、駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２の立下りがコンデンサ（１００）（１０１）の容量の影響で相切り換え点を越えている為、駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２の終端と始端とが重なってしまい、モータに制動が掛かりモータの駆動効率が大幅に落ちて高速回転できない問題があった。
【０００７】
一方、サーミスタ（１０６）の抵抗値は周囲温度の下降に伴い大きくなる。即ち、基準電圧Ｖｒｅｆが上がり、矩形波信号Ｅの立下りが右側に移動する。従って、周囲温度が特定温度より下降すると、駆動信号Ａ，Ｂのローレベル期間が共に長くなり、モータは筐体を強制空冷するのに十分な風量及び静圧を得ることができなくなってしまう。図８の従来回路はファンに対し十分な強制空冷能力を要求する筐体等の機器には不適当である。
【０００８】
そこで、本発明は、モータの静音化と駆動効率向上を実現するモータ駆動回路を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記問題点を解決する為に創作されたものであり、モータを構成するステータ及びロータの相対的位置関係に応じてホール素子が発生する正弦波信号に基づいて、第１コイル及び第２コイルを相補的に駆動する第１駆動トランジスタ及び第２駆動トランジスタを有するモータ駆動回路において、前記第１及び第２コイルの駆動時に一方向に変化し且つ前記第１及び第２コイルの相切り換え時に他方向に変化する鋸歯状波信号と温度変化に応答して変化する基準電圧とを比較し、第１矩形波信号を出力する手段と、前記正弦波信号を全波変換した第１全波信号と、前記第１全波信号を増幅又は減衰した振幅が異なる第２全波信号を前記第１矩形波信号のタイミングでサンプルホールドしたサンプルホールド信号とを比較し、前記第１及び第２コイルの相切り換え点近傍において、前記第１及び第２駆動トランジスタを同時オフさせる第２矩形波信号を出力する手段と、温度変化に応答して変化する前記基準電圧の上限及び下限を制限する手段と、を備え、温度変化に対するモータの最低回転数及び最高回転数を設定することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の詳細を図面に従って具体的に説明する。
【００１１】
図１は本発明のモータ駆動回路を示す回路ブロック図である。尚、図１の中で図８と同じ素子には同じ番号を記しその説明を省略する。また、図２は図１の全体動作を示す波形図、図３は鋸歯状波信号と基準電圧との関係を示す波形図である。
【００１２】
図１において、制御回路（１０）は増幅器（４）から出力された正弦波信号を矩形波信号Ａに波形変換するものである。制御パルス発生回路（１１）は、矩形波信号Ａが供給され、矩形波信号Ａの立上り時点及び立下り時点で制御パルスＢを発生するものである。抵抗（１２）及びコンデンサ（１３）は時定数回路を構成し、抵抗（１２）の抵抗値及びコンデンサ（１３）の容量に従って充電を行う。充放電制御回路（１４）は、制御パルス発生回路（１１）と接続され、制御パルスＢが供給された時、コンデンサ（１３）の蓄積電荷を放電するものである。尚、放電時、コンデンサ（１３）の蓄積電荷の最小値は電圧Ｖ１に制限され、電圧Ｖ１未満となることはない。従って、抵抗（１２）及びコンデンサ（１３）の接続点からは相切り換え毎に最小電圧Ｖ１まで放電を行う鋸歯状波信号Ｃが発生する。抵抗（１５）及びサーミスタ（１６）は電源ＶＣＣと接地との間に直列接続され、接続中点から周囲温度変化に応答して変化する電圧Ｖ２（＞Ｖ１）を発生する。選択回路（４２）は、電圧Ｖ１より高い電圧Ｖ２又はＶ４の何れか一方を選択出力するものである。サーミスタ（１６）は周囲温度が高いほど抵抗値が小さくなる特性を有している。選択回路（４２）は、周囲温度の変化に伴い、電圧Ｖ２が電圧Ｖ４より低くなった時、電圧Ｖ４を選択出力する。第１比較器（１７）は鋸歯状波信号Ｃと電圧Ｖ２、Ｖ４、Ｖ５（Ｖ４＜Ｖ２＜Ｖ５）とを比較する。即ち、第１比較器（１７）は、電圧Ｖ２が電圧Ｖ４、Ｖ５の間の時は鋸歯状波信号Ｃを電圧Ｖ２と比較し、電圧Ｖ２が電圧Ｖ４より下降した時は鋸歯状波信号Ｃを電圧Ｖ４と比較し、電圧Ｖ２が電圧Ｖ５より上昇した時は鋸歯状波信号Ｃを電圧Ｖ５と比較する。そして、第１比較器（１７）は、電圧Ｖ２、Ｖ４、Ｖ５が鋸歯状波信号Ｃより高い期間はハイレベルとなり、電圧Ｖ２、Ｖ４、Ｖ５が鋸歯状波信号Ｃより低い期間はローレベルとなる第１比較信号Ｄ（第１駆動オフ信号）を出力する。第１比較信号Ｄのハイレベル期間は、サーミスタ（１６）の周囲温度が高いほど短く且つ低いほど長くなる。
【００１３】
絶対値回路（１８）はホール素子（３）が出力する正弦波信号Ｈ＋、Ｈ−に対し振幅中点を境に絶対値を取った絶対値信号Ｅを出力する。増幅器（１９）は抵抗（２０）（２１）の抵抗値で定まる減衰率で絶対値信号Ｅを減衰させた減衰信号Ｆを出力する。絶対値信号Ｅ及び減衰信号Ｆは基準電圧（３２）により共通の直流バイアスが与えられる。尚、減衰信号Ｆは、後述するサンプルホールド回路に制御パルスＢ及び比較信号Ｄが作用しない場合の波形である。サンプルホールド回路（２２）は、減衰信号Ｆを比較信号Ｄの立下りでサンプルホールドして保持し、その後、減衰信号Ｆを比較信号Ｄの立上りで絶対値信号Ｅの最小電圧まで下降させた台形波信号Ｇを出力するものである。第２比較器（２３）は絶対値信号Ｅと台形波信号Ｇとを比較し、台形波信号Ｇが絶対値信号Ｅより高い期間はハイレベルとなり、台形波信号Ｇが絶対値信号Ｅより低い期間はローレベルとなる第２比較信号Ｈ（第２駆動オフ信号）を出力する。第２比較信号Ｈは、駆動コイル（１）（２）の相切り換え前の所定幅だけ発生する。ＯＲ回路（４１）は第１比較信号Ｄと第２比較信号Ｈとを加算し、駆動コイル（１）（２）の相切り換え点の前後半近傍で第１及び第２駆動トランジスタ（７）（９）を同時オフする為の加算信号Ｋを出力するものである。尚、第１及び第２比較信号Ｄ、Ｈを加算した場合、第１比較信号Ｄの立上り及び第２比較信号Ｈの立下りが制御パルスＢを基準にしている為、第１比較信号Ｄの立上り及び第２比較信号Ｈの立下りの接合点でチャタリングが起こることは無い。制御回路（１０）は加算信号Ｋが供給され、加算信号Ｋを基に、第１駆動トランジスタ（７）をオンする為の第１駆動信号Ｉと第２駆動トランジスタ（９）をオンする為の第２駆動信号Ｊを出力する。これより、駆動コイル（１）（２）には駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２が流れ、モータは回転する。
【００１４】
以上より、
（ａ）相切り換え点の前半近傍においては、駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２を逆起電圧Ｅｃが小さくなる影響を受ける前に零とできる為、駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２が高いレベルから急激に立下る不都合を防止でき、モータの静音化が可能となる。
【００１５】
（ｂ）ホール素子（３）の特性ばらつきに伴い正弦波信号Ｈ＋、Ｈ−の振幅が変動した場合、或いは、モータの回転速度に変化に伴い正弦波信号Ｈ＋、Ｈ−の周期が変動した場合であっても、相切り換え点の前半近傍での第１及び第２駆動トランジスタ（７）（９）の同時オフ期間を一定とでき、駆動電流ＩＬの急峻な立上りを防止できる為、可変速モータの静音化に適する。
【００１６】
（ｃ）周囲温度一定の条件下で、相切り換え点の後半近傍においては、前半近傍から引き続き駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２を零とできる為、無効電流を無視できモータの駆動効率の低下を防止できる。
【００１７】
（ｄ）減衰信号Ｆから台形波信号Ｇを作成する為、第１比較信号Ｄの幅が周囲温度変化に伴うサーミスタ（１６）の抵抗値変化の影響を受けても、第２比較信号Ｈは必ず発生し、モータの回転トルクの変動及びそれに伴う騒音の発生を防止できる。
【００１８】
といった作用効果を奏する。
【００１９】
しかし、コンデンサ（１００）（１０１）の容量に起因して駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２の終端が相切り換え点を越え、また、周囲温度の上昇に伴い駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２の始端が相切り換え点に近づくと、駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２の終端及び始端が重なり、上記（ｃ）の効果を期待できない。そこで、本発明は、周囲温度が上昇した場合でもモータの駆動効率の低下を防止し、上記（ｃ）の効果を確実に得ることができる。
【００２０】
図７は周囲温度に対する駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２の変化を示す波形図である。
【００２１】
図７において、期間Ｔ０は例えば常温（２５℃）における第１及び第２駆動トランジスタ（７）（９）の同時オフ時間、期間Ｔ１は駆動電流ＩＬがコンデンサ（１００）（１０１）の容量に起因して零まで下降するのに要する時間であり、説明の便宜上、駆動電流ＩＬの立下りは第１及び第２コイル（１）（２）の相切り換え点を越えるものとする。期間Ｔ２は周囲温度の上昇に伴い駆動電流ＩＬの始端が変動しようとする時間幅、期間Ｔ３は本発明により得られる駆動電流ＩＬの始端が変動できる時間幅である。本発明によれば、駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２の終端及び始端が重ならない様にできる。
【００２２】
さて、図１の鋸歯状波信号Ｃ、第１比較信号Ｄ、台形波信号Ｇに関し、一実施回路を用いて信号出力動作を説明する。
【００２３】
図４は充放電制御回路（１４）の一実施例を示す回路図である。図４はトランジスタ（２４）のオンオフに応じて互いに同電位のトランジスタ（２５）のベース電圧及びトランジスタ（２６）のエミッタ電圧を変動させるものである。
【００２４】
図４において、制御パルスＢが発生しない時、トランジスタ（２４）がオフし、トランジスタ（２５）のベース電圧及びトランジスタ（２６）のエミッタ電圧はは電源ＶＣＣから抵抗（２８）の両端電圧を減算した電圧Ｖｍａｘとなる。従って、コンデンサ（１３）は抵抗（１２）の抵抗値及びコンデンサ（１３）の容量で定まる時定数で充電を行い、コンデンサ（１３）の端子電圧は上昇する。尚、制御パルスＢの発生周期はモータの回転数に応じて変化するが、前記時定数は、コンデンサ（１３）の充電電圧が制御パルスＢの発生周期の途中で電圧Ｖｍａｘに達することのない値に設定される。一方、制御パルスＢが発生した時、トランジスタ（２４）がオンし、トランジスタ（２５）のベース電圧及びトランジスタ（２６）のエミッタ電圧は抵抗（２８）（２９）の分圧電圧Ｖ１（＜Ｖｍａｘ）となる。この時、コンデンサ（１３）の非接地側電圧は電圧Ｖ１より高い為、コンデンサ（１３）の蓄積電荷はトランジスタ（２７）を介して電圧Ｖ１まで放電される。この動作を繰り返し、鋸歯状波信号Ｃが発生する。
図６は比較器（１７）及び選択回路（４２）の一実施例を示す回路図である。尚、常温では、サーミスタ（１６）の抵抗値の影響で電圧Ｖ２は電圧Ｖ４及び電圧Ｖ５の間の値であるものとする。
【００２５】
図６において、ＮＰＮ型トランジスタ（４３）（４４）は差動接続され、ＮＰＮ型トランジスタ（４３）のベースには電圧Ｖ２が印加され、ＮＰＮ型トランジスタ（４４）のベースには抵抗（４５）（４６）（４７）で分圧された電圧Ｖ４が印加される。抵抗（４５）（４６）の合成値は抵抗（２８）の抵抗値と等しく、且つ、抵抗（２９）（４７）の抵抗値が等しく、即ち、電圧Ｖ４は電圧Ｖ１より高い。従って、電圧Ｖ２が電圧Ｖ４より高い時は、ＮＰＮ型トランジスタ（４３）がオンする為、比較器（１７）の一方の入力には基準電圧Ｖ２が印加され、比較器（１７）は鋸歯状波信号Ｃを基準電圧Ｖ２と比較する。また、周囲温度が上昇し、電圧Ｖ２が電圧Ｖ４より低くなった時は、ＮＰＮ型トランジスタ（４４）がオンする為、比較器（１７）の一方の入力には基準電圧Ｖ４が印加され、比較器（１７）は鋸歯状波信号Ｃを基準電圧Ｖ４と比較する。基準電圧Ｖ４は、第１比較信号Ｄを期間Ｔ３しか短縮できない値である。これより、駆動電流ＩＬ１，ＩＬ２の重なりを防止でき、無効電流の発生を防止できる。また、周囲温度が下降し、電圧Ｖ２が直列抵抗（４８）（４９）で分圧された電圧Ｖ５より高くなった時は、ＰＮＰ型トランジスタ（５０）がオフしてＰＮＰ型トランジスタ（５１）がオンし、比較器（１７）は鋸歯状波信号Ｃを基準電圧Ｖ５と比較する。以上より、基準電圧Ｖ２は最小電圧Ｖ４と最大電圧Ｖ５との間に制限され、ファンを周囲温度に応じて常時回転させる機器に適合する。そして図５の基準電圧の上下限の制限機能を１チップに集積化することが可能となる。
【００２６】
図５は増幅器（１９）、サンプルホールド回路（２２）、比較器（２３）の一実施例を示す回路図である。
【００２７】
図５において、増幅器（１９）は絶対値信号Ｅの入力部に抵抗（３１）及び基準電圧（３２）から成る直列体を設けている。従って、電流で表された絶対値信号Ｅは最小電圧Ｖ３を基準に抵抗（３１）で電圧変換される。電圧変換された絶対値信号Ｅは内部の差動増幅回路、電流ミラー回路を介して抵抗（２０）（２１）の各抵抗値Ｒａ，Ｒｂで決定する減衰率Ｒｂ／（Ｒａ＋Ｒｂ）で減衰され、減衰信号Ｆとなる。ここで、増幅器（１９）の出力と比較器（２３）の入力との間にはサンプルホールド回路（２２）が介在する。サンプルホールド回路（２２）において、制御パルスＢが発生するとＮＰＮ型トランジスタ（３３）がオンし、コンデンサ（３４）の蓄積電荷は放電される。この時、第１比較信号Ｄは制御パルスＢが発生してから鋸歯状波信号Ｃが電圧Ｖ２を超えるまでハイレベルとなる為、トランジスタ（３５）がオン、トランジスタ（３６）がオフし、コンデンサ（３４）はダイオード（３７）を介して充電を行う。その後、第１比較信号Ｄがローレベルに変化すると、トランジスタ（３５）がオフ、トランジスタ（３６）がオンする為、電流源（３８）の全電流はトランジスタ（３６）のコレクタエミッタ路を流れ、コンデンサ（３４）は充電を停止しコンデンサ（３４）の端子電圧は保持された状態となる。尚、ダーリントン接続されたトランジスタ（３９）（４０）は、コンデンサ（３４）が電圧保持状態の時、蓄積電荷の放電量を最小限に抑える為のものである。これより、台形波信号Ｇが発生する。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、第１及び第２コイルの相切り換え点の前半近傍においては、コイル電流を逆起電圧が小さくなる影響を受ける前に零とできる為、コイル電流が高いレベルから急激に立下る不都合を防止でき、モータの静音化が可能となる。また、ホール素子の特性ばらつきに伴い正弦波信号の振幅が変動した場合、或いは、モータの回転速度に変化に伴い正弦波信号の周期が変動した場合であっても、相切り換え点の前後半近傍での第１及び第２駆動トランジスタの同時オフ期間を一定とでき、コイル電流の急峻な立上りを防止できる為、可変速モータの静音化に適する。また、周囲温度が上昇しても、第１及び第２コイルを流れる各コイル電流の終端と始端とが重なるのを防止でき、モータの駆動効率の低下を防止できる。また、周囲温度の変化に応答して変化する基準電圧の上下限範囲を制限し、ファンを周囲温度に応じた速度で常時回転できるモータ駆動回路を１チップ集積回路で提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータ駆動回路を示す回路ブロック図である。
【図２】図１の全体波形を示す波形図である。
【図３】図１の鋸歯状波信号と基準電圧との関係を示す波形図である。
【図４】図１の鋸歯状波信号の発生回路の具体例を示す回路図である。
【図５】図１の台形波信号の発生回路の具体例を示す回路図である。
【図６】図１の選択回路の具体例を示す回路図である。
【図７】周囲温度変化に応じた駆動電流波形を示す波形図である。
【図８】従来のモータ駆動回路を示す回路ブロック図である。
【図９】図８のコイル電流波形を示す波形図である。
【符号の説明】
（１）（２）  駆動コイル
（３）  ホール素子
（７）（９）  駆動トランジスタ
（１０）  制御回路
（１１）  制御パルス発生回路
（１４）  充放電制御回路
（１７）  第１比較器
（１９）  増幅器
（２２）  サンプルホールド回路
（２３）  第２比較器
（４１）  ＯＲ回路
（４２）  選択回路
【図１】
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【図２】
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【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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