(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータに配置された磁石の回転による磁界の変化に応じて、位相の異なるＭ個の信号を出力する信号出力部と、
Ｎ相（Ｎは２以上の整数）のコイルの各相に供給される互いに位相の異なる駆動電圧を制御するための２種類以上の位相制御信号群を、少なくとも前記Ｍ個の信号に基づいて生成する制御信号生成部と、
前記位相制御信号群に基づいて前記駆動電圧を前記Ｎ相のコイルの各相に供給する駆動部と、を備え、
前記制御信号生成部は、
ブラシレスモータの第１駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する第１位相制御信号群と、
ブラシレスモータの第２駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する、前記第１位相制御信号群に対して所定位相α度（α＞０）だけ位相が異なる第２位相制御信号群と、を生成できるように構成されており、
前記信号出力部から出力された複数の信号と所定の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の比較出力を生成する比較回路と、
前記比較出力のパルスの立ち上がり及び立ち下がりの一方のタイミングに基づいて前記第１位相制御信号群を生成し、前記比較出力のパルスの立ち上がり及び立ち下がりの他方のタイミングに基づいて前記第２位相制御信号群を生成する生成回路と、
を有することを特徴とするブラシレスモータの位相制御回路。
【請求項２】
前記信号出力部は、Ｐ個（Ｐ＝Ｍ／２）のホール素子を有しており、
前記ホール素子は、磁界の変化に応じた第１波形と、該第１波形の極性を反転した第２波形とを別々に出力するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータの位相制御回路。
【請求項３】
前記制御信号生成部は、３相のコイルの各相に供給される、互いに電気角で１２０度位相が異なる３つの位相制御信号を生成することを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスモータの位相制御回路。
【請求項４】
前記信号出力部は、３個のホール素子を有していることを特徴とする請求項３に記載のブラシレスモータの位相制御回路。
【請求項５】
ロータに配置された磁石の回転による磁界の変化に応じて、位相の異なるＭ個の信号を出力する信号出力部と、
Ｎ相（Ｎは２以上の整数）のコイルの各相に供給される互いに位相の異なる駆動電圧を制御するための２種類以上の位相制御信号群を、少なくとも前記Ｍ個の信号に基づいて生成する制御信号生成部と、
前記位相制御信号群に基づいて前記駆動電圧を前記Ｎ相のコイルの各相に供給する駆動部と、を備え、
前記制御信号生成部は、
ブラシレスモータの第１駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する第１位相制御信号群と、
ブラシレスモータの第２駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する、前記第１位相制御信号群に対して所定位相α度（α＞０）だけ位相が異なる第２位相制御信号群と、を生成できるように構成されており、
前記信号出力部から出力された複数の信号と所定の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の比較出力を生成する比較回路と、
前記比較出力のパルスの立ち上がり及び立ち下がりの一方のタイミングに基づいて前記第１位相制御信号群を生成する生成回路と、
前記第１位相制御信号群に対して所定位相α度（α＞０）だけ遅延した前記第２位相制御信号群を生成する遅延回路と、
を有することを特徴とするブラシレスモータの位相制御回路。
【請求項６】
前記所定位相α度は、電気角で０度＜α度＜２４０度（ただし、α＝６０、１２０、１８０は除く）であり、
前記パルス幅は、電気角で６０度＜６０度＋α度＜３００度（ただし、α＝６０、１２０、１８０は除く）であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のブラシレスモータの位相制御回路。
【請求項７】
前記信号出力部から出力される信号の波形は、波形の立ち上がりから前記閾値に達するまでの電気角が４０度以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のブラシレスモータの位相制御回路。
【請求項８】
前記制御信号生成部は、
ブラシレスモータの駆動モードとして前記第１駆動モードまたは前記第２駆動モードのいずれが選択されているかを示す選択信号を取得するモード情報取得部を有し、選択された駆動モードに応じた位相制御信号群を出力することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のブラシレスモータの位相制御回路。
【請求項９】
前記信号出力部は、Ｐ個（Ｐ＝Ｍ／２）のホール素子を有しており、
前記ホール素子は、磁界の変化に応じた第１波形と、該第１波形と異なる第２波形とを別々に出力するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータの位相制御回路。
【請求項１０】
前記信号出力部は、Ｐ個（Ｐ＝Ｍ／２）のホール素子と、反転回路とを有しており、
前記ホール素子は、磁界の変化に応じた第１波形を出力するように構成されており、
前記反転回路は、前記第１波形に基づく出力を反転させて第２波形を出力するように構成されている請求項１に記載のブラシレスモータの位相制御回路。
【請求項１１】
前記比較回路は、
前記信号出力部から出力された複数の信号と第１の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の第１比較出力を生成する第１比較回路と、
前記信号出力部から出力された複数の信号と、前記第１の閾値と異なる第２の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の第２比較出力を生成する第２比較回路と、
を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のブラシレスモータの位相制御回路。
【請求項１２】
複数の巻線が配置されている筒状のステータと、
前記ステータの中心部に設けられている円形のロータコアと、
前記ロータに配置されている複数の板状マグネットと、
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のブラシレスモータの位相制御回路と、
前記ステータの複数の巻線に給電する給電部と、
を備えるブラシレスモータ。
【請求項１３】
前記複数の板状マグネットは、前記ロータコアの周方向に間隔を空けて配置されており、前記ロータコアの回転軸方向の端面から突き出た突出部を有しており、
前記位相制御回路は、前記信号出力部が有するホール素子が前記突出部の内側領域であって前記突出部と対向する位置になるように、配置されている、
ことを特徴とする請求項１２に記載のブラシレスモータ。
【請求項１４】
ロータに配置された磁石の回転による磁界の変化に応じて、位相の異なるＭ個の信号を出力する信号出力ステップと、
Ｎ相（Ｎは２以上の整数）のコイルの各相に供給される互いに位相の異なる駆動電圧を制御するための２種類以上の位相制御信号群を、少なくとも前記Ｍ個の信号に基づいて生成する制御信号生成ステップと、
前記位相制御信号群に基づいて前記駆動電圧を前記Ｎ相のコイルの各相に供給する駆動ステップと、を備え、
前記制御信号生成ステップは、
ブラシレスモータの第１駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する第１位相制御信号群と、
ブラシレスモータの第２駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する、前記第１位相制御信号群に対して所定位相α度（α＞０）だけ位相が異なる第２位相制御信号群と、を選択的に生成し、
前記信号出力ステップで出力された複数の信号と所定の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の比較出力を生成するステップと、
前記比較出力のパルスの立ち上がり及び立ち下がりの一方のタイミングに基づいて前記第１位相制御信号群を生成し、前記比較出力のパルスの立ち上がり及び立ち下がりの他方のタイミングに基づいて前記第２位相制御信号群を生成するステップと、
有することを特徴とするブラシレスモータの位相制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な装置や製品の駆動源としてモータが用いられている。例えば、プリンタや複写機等の事務機器、様々な家電製品、自動車や電動自転車等の車両のアシスト動力源の用途で採用されている。特に、動作頻度の高い可動部品の駆動源として、耐久性や電気ノイズの観点からブラシレスモータが使われる場合がある。【０００３】
高出力のブラシレスモータでは、要求される最大トルクが大きく、誘起電圧が大きくなる傾向にある。そのため、低トルク領域におけるモータ回転数が不足しやすい。そこで、低トルク領域におけるモータ回転数を大きくするためには、例えば、誘起電圧を小さくする必要がある。そして、高出力のブラシレスモータの出力範囲を広くするためには、ブラシレスモータの位相を制御する必要があり、ロータの位置検出が重要となる。つまり、ブラシレスモータは、何らかの方法でロータの回転位置を検出し、コイルへ流す電流の位相を制御する必要がある。【０００４】
そこで、マグネットロータの回転位置を検出する複数のホール素子と、ホール素子から出力される検出信号の出力タイミングに基づき励磁コイルに駆動電流を供給する駆動制御回路と、を備えたブラシレス直流モータが考案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平２−１４６９９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のブラシレス直流モータは、ロータが高速回転した場合に生じる位相制御の遅れを考慮して、一組（三個）の低速用ホール素子とは別に、一組（三個）の高速用ホール素子を備えており、マグネットロータが一定回転速度以上の高速になったときに、低速用ホール素子から高速用ホール素子に切り替えて駆動制御回路を作動させる。そのため、二組のホール素子が必要となり、部品点数の増加や配置スペースの増大を招くことになる。【０００７】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出力範囲を広くする位相制御を簡易な構成で実現する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様のブラシレスモータの位相制御回路は、ロータに配置された磁石の回転による磁界の変化に応じて、位相の異なるＭ個の信号を出力する信号出力部と、Ｎ相（Ｎは２以上の整数）のコイルの各相に供給される互いに位相の異なる駆動電圧を制御するための２種類以上の位相制御信号群を、少なくともＭ個の信号に基づいて生成する制御信号生成部と、位相制御信号群に基づいて駆動電圧をＮ相のコイルの各相に供給する駆動部と、を備える。制御信号生成部は、ブラシレスモータの第１駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する第１位相制御信号群と、ブラシレスモータの第２駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する、第１位相制御信号群に対して所定位相α度（α＞０）だけ位相が異なる第２位相制御信号群と、を生成できるように構成されている。【０００９】
この態様によると、Ｍ個の信号に基づいて、複数の位相制御信号群を生成できるため、各位相制御信号群に対応して異なる信号出力部を設けなくてもよい。つまり、ブラシレスモータの駆動モード毎に対応する信号出力部を設けなくてもよい。【００１０】
信号出力部は、Ｐ個（Ｐ＝Ｍ／２）のホール素子を有しており、ホール素子は、磁界の変化に応じた第１波形と、該第１波形の極性を反転した第２波形とを別々に出力するように構成されていてもよい。これにより、信号出力部は、ホール素子の数よりも多い波形を出力でき、ホール素子の数を低減できる。【００１１】
制御信号生成部は、３相のコイルの各相に供給される、互いに電気角で１２０度位相が異なる３つの位相制御信号を生成してもよい。信号出力部は、３個のホール素子を有していてもよい。【００１２】
制御信号生成部は、信号出力部から出力された複数の信号と所定の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の比較出力を生成する比較回路と、比較出力のパルスの立ち上がり及び立ち下がりの一方のタイミングに基づいて第１位相制御信号群を生成し、比較出力のパルスの立ち上がり及び立ち下がりの他方のタイミングに基づいて第２位相制御信号群を生成する生成回路と、を有していてもよい。これにより、同じ比較出力から２種類の位相制御信号群を生成できる。【００１３】
制御信号生成部は、信号出力部から出力された複数の信号と所定の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の比較出力を生成する比較回路と、比較出力のパルスの立ち上がり及び立ち下がりの一方のタイミングに基づいて第１位相制御信号群を生成する生成回路と、第１位相制御信号群に対して所定位相α度（α＞０）だけ遅延した第２位相制御信号群を生成する遅延回路と、を有していてもよい。これにより、同じ比較出力から２種類の位相制御信号群を生成できる。【００１４】
所定位相α度は、電気角で０度＜α度＜２４０度（ただし、α＝６０、１２０、１８０は除く）であり、パルス幅は、電気角で６０度＜６０度＋α度＜３００度（ただし、α＝６０、１２０、１８０は除く）であってもよい。これにより、ブラシレスモータを駆動するためのロータの位置検出が可能となる。【００１５】
信号出力部から出力される信号の波形は、波形の立ち上がりから閾値に達するまでの電気角が４０度以下、好ましくは３０度以下であってもよい。これにより、ロータの位置検出の精度が向上する。【００１６】
制御信号生成部は、ブラシレスモータの駆動モードとして第１駆動モードまたは第２駆動モードのいずれが選択されているかを示す選択信号を取得するモード情報取得部を有し、選択された駆動モードに応じた位相制御信号群を出力してもよい。これにより、ブラシレスモータは、複数の駆動モードで駆動できる。【００１７】
信号出力部は、Ｐ個（Ｐ＝Ｍ／２）のホール素子を有しており、ホール素子は、磁界の変化に応じた第１波形と、該第１波形と異なる第２波形とを別々に出力するように構成されていてもよい。【００１８】
信号出力部は、Ｐ個（Ｐ＝Ｍ／２）のホール素子と、反転回路とを有しており、ホール素子は、磁界の変化に応じた第１波形を出力するように構成されており、反転回路は、第１波形に基づく出力を反転させて第２波形を出力するように構成されていてもよい。これにより、信号出力部は、ホール素子の数よりも多い波形を出力でき、出力が一つのホール素子であっても数を低減できる。【００１９】
比較回路は、信号出力部から出力された複数の信号と第１の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の第１比較出力を生成する第１比較回路と、信号出力部から出力された複数の信号と、第１の閾値と異なる第２の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の第２比較出力を生成する第２比較回路と、を有していてもよい。これにより、信号出力部から出力された同じ信号から、２種類の位相制御信号群を生成できる。
【００２０】
本発明の別の態様は、ブラシレスモータである。このブラシレスモータは、複数の巻線が配置されている筒状のステータと、ステータの中心部に設けられている円形のロータコアと、ロータに配置されている複数の板状マグネットと、ブラシレスモータの位相制御回路と、ステータの複数の巻線に給電する給電部と、を備える。【００２１】
複数の板状マグネットは、ロータコアの周方向に間隔を空けて配置されており、ロータコアの回転軸方向の端面から突き出た突出部を有しており、位相制御回路は、信号出力部が有するホール素子が突出部の内側領域であって突出部と対向する位置になるように、配置されていてもよい。【００２２】
本発明の更に別の態様は、ブラシレスモータの位相制御方法である。この方法は、ロータに配置された磁石の回転による磁界の変化に応じて、位相の異なるＭ個の信号を出力する信号出力ステップと、Ｎ相（Ｎは２以上の整数）のコイルの各相に供給される互いに位相の異なる駆動電圧を制御するための２種類以上の位相制御信号群を、少なくともＭ個の信号に基づいて生成する制御信号生成ステップと、位相制御信号群に基づいて駆動電圧をＮ相のコイルの各相に供給する駆動ステップと、を備える。制御信号生成ステップは、ブラシレスモータの第１駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する第１位相制御信号群と、ブラシレスモータの第２駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する、第１位相制御信号群に対して所定位相α度（α＞０）だけ位相が異なる第２位相制御信号群と、を選択的に生成する。【００２３】
この態様によると、Ｍ個の信号に基づいて、複数の位相制御信号群を生成できるため、各位相制御信号群に対応して異なる信号出力部を設けなくてもよい。つまり、ブラシレスモータの駆動モード毎に対応する信号出力部を設けなくてもよい。【００２４】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、ブラシレスモータの出力範囲を広くする位相制御を簡易な構成で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】高出力モータの一例における特性を示したグラフである。
【図２】２極３スロットの３相ブラシレスモータの概略構成を説明するための模式図である。
【図３】図３（ａ）は、図２に示すブラシレスモータのロータが反時計回りに回転している様子を連続的に示す模式図、図３（ｂ）は、各相の巻線に印加する電圧の変化を示す図、図３（ｃ）は、各ホール素子の出力の変化を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、図３（ｃ）の各ホール素子の出力とロータの回転角度との関係を表にした図、図４（ｂ）は、図３（ｂ）の各相への印加電圧とロータの回転角度との関係を表にした図である。
【図５】ホール素子の出力に基づいて矩形波を生成する回路の一例を示すブロック図である。
【図６】ホール素子から出力される２つの信号波形と２つのコンパレータ出力信号波形の変化を示す図である。
【図７】図５に示すホール素子を含む回路を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに設けた場合の各コンパレータの出力の変化を示す図である。
【図８】各コンパレータの出力とロータの回転角度との関係を表にした図である。
【図９】ホール素子の出力が閾値よりも大きくなる区間が電気角で６０度＋２０度の場合の各コンパレータの出力の変化を示す図である。
【図１０】各コンパレータの出力とロータの回転角度との関係を表にした図である。
【図１１】中性点駆動および進角駆動において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相における１２０度矩形波駆動電圧の変化を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）は、中性点駆動の場合における各相への印加電圧とロータの回転角度との関係を表にした図、図１２（ｂ）は、進角駆動の場合における各相への印加電圧とロータの回転角度との関係を表にした図である。
【図１３】位相差αによって変化する各コンパレータの出力を模式的に示した図である。
【図１４】第１の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。
【図１５】第１位相モードにおける第１の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。
【図１６】第２位相モードにおける第１の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。
【図１７】第１の実施の形態に係るブラシレスモータの断面図である。
【図１８】図１７に示すブラシレスモータの分解斜視図である。
【図１９】図１９（ａ）は、第１の実施の形態に係るロータを一方から見た斜視図、図１９（ｂ）は、第１の実施の形態に係るロータを他方から見た斜視図である。
【図２０】第１の実施の形態に係るロータの分解斜視図である。
【図２１】図２１（ａ）は、第１の実施の形態に係るロータの断面図、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）に示すＡ方向から見た上面図、図２１（ｃ）は、図２１（ａ）に示すＢ方向から見た底面図である。
【図２２】図２２（ａ）は、第１の実施の形態に係るロータおよびステータの断面図、図２２（ｂ）は、図２２（ａ）に示すＣ方向から見た上面図、図２２（ｃ）は、図２２（ａ）に示すＤ方向から見た底面図である。
【図２３】ホール素子付きエンドベルの分解斜視図である。
【図２４】本実施の形態に係る各ホール素子から出力される信号の波形を示す図である。
【図２５】図２５（ａ）は、信号出力部から出力される信号の波形が、波形の立ち上がりから閾値に達するまでの電気角が２０度の場合を模式的に示した図、図２５（ｂ）は、信号出力部から出力される信号の波形が、波形の立ち上がりから閾値に達するまでの電気角が４０度の場合を模式的に示した図である。
【図２６】変形例１に係るブラシレスモータの断面図である。
【図２７】図２６に示すブラシレスモータの分解斜視図である。
【図２８】変形例１に係るロータの斜視図である。
【図２９】変形例１に係るロータの分解斜視図である。
【図３０】図３０（ａ）は、変形例１に係るロータの断面図、図３０（ｂ）は、図３０（ａ）に示すＥ方向から見た上面図、図３０（ｃ）は、図３０（ａ）に示すＦ方向から見た底面図である。
【図３１】図３１（ａ）は、変形例１に係るロータおよびステータの断面図、図３１（ｂ）は、図３１（ａ）に示すＧ方向から見た上面図、図３１（ｃ）は、図３１（ａ）に示すＨ方向から見た底面図である。
【図３２】変形例１に係る各ホール素子から出力される信号の波形を示す図である。
【図３３】変形例２に係るブラシレスモータの断面図である。
【図３４】変形例２に係るロータの斜視図である。
【図３５】変形例２に係るロータの分解斜視図である。
【図３６】図３６（ａ）は、変形例２に係るロータの断面図、図３６（ｂ）は、図３６（ａ）に示すＩ方向から見た上面図、図３６（ｃ）は、図３６（ａ）に示すＪ方向から見た底面図である。
【図３７】図３７（ａ）は、変形例２に係るロータおよびステータの断面図、図３７（ｂ）は、図３７（ａ）に示すＫ方向から見た上面図、図３７（ｃ）は、図３７（ａ）に示すＬ方向から見た底面図である。
【図３８】変形例２に係る各ホール素子から出力される信号の波形を示す図である。
【図３９】第２の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。
【図４０】第１位相モードにおける第２の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。
【図４１】第２位相モードにおける第２の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。
【図４２】第３の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。
【図４３】第１位相モードにおける第３の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。
【図４４】第２位相モードにおける第３の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。
【図４５】第４の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。
【図４６】第１位相モードにおける第４の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。
【図４７】第２位相モードにおける第４の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。
【図４８】第５の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。
【図４９】第６の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。
【図５０】ブラシレスモータの位相制御方法を示すフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００２８】
はじめに、本願発明者が本願発明に想到した背景について説明する。電動自転車等に用いられる高出力モータでは、要求最大トルクが大きいため、誘起電圧が大きくなる傾向がある。そのため、低トルク領域のモータ回転数が不足しやすい。
【００２９】
図１は、高出力モータの一例における特性を示したグラフである。図１では、効率の高い進角４５度における効率ηおよび回転数ＮとトルクＴとの関係、並びに、位相を更に進角にした進角７５度における効率ηおよび回転数ＮとトルクＴとの関係を示している。
【００３０】
図１に示す高出力モータでは、効率の高い進角４５度の設定において低トルク領域での回転数Ｎが小さい。定格出力は回転数ＮとトルクＴに比例するため、進角４５度の設定では定格出力が不足する。そこで、この高出力モータを進角７５度に設定すると、進角４５度に設定されている場合と比較して、図１に示すように、最大効率ηは全体的に低下するものの、低トルク領域での回転数Ｎが増加する。つまり、定格出力が増加する。
【００３１】
このように、一つの高出力モータを２種類の位相で制御できれば、要求される最大出力を満たしつつ、低トルク領域での定格出力も確保できるため、実用的な出力範囲を広くできる。しかしながら、複数の位相を切り替えてモータを制御するためには、ロータの回転位置の情報が必要となる。このような情報はエンコーダやレゾルバを用いれば精度良く得ることができるが、装置全体のコストが高くなる。そこで、本発明者は、位相制御を実現するために必要なロータの回転位置の情報を簡易な構成で実現すべく鋭意検討した結果、本願発明に想到した。
【００３２】
（第１の実施の形態）
本実施の形態では、ブラシレスモータの駆動方法として１２０度矩形波駆動を例に説明する。はじめに、説明の簡略化のために２極３スロットの３相ブラシレスモータを例に説明する。図２は、２極３スロットの３相ブラシレスモータの概略構成を説明するための模式図である。
【００３３】
ブラシレスモータ１００は、２極からなるロータ１０２と、３つのアーム１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃを有するステータ１０４と、を有する。３つのアーム１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃには、それぞれＵ相巻線１０６ａ，Ｖ相巻線１０６ｂ，Ｗ相巻線１０６ｃが巻き回されている。また、３つのアーム１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃのそれぞれと対向する位置には、第１のホール素子（ホール素子Ｕ）１０８ａ、第２のホール素子（ホール素子Ｖ）１０８ｂ、第３のホール素子（ホール素子Ｗ）１０８ｃが配置されている。各ホール素子は、磁束を電圧へ変換する。
【００３４】
図３（ａ）は、図２に示すブラシレスモータのロータが反時計回りに回転している様子を連続的に示す模式図、図３（ｂ）は、各相の巻線に印加する電圧の変化を示す図、図３（ｃ）は、各ホール素子の出力の変化を示す図である。なお、ロータの角度は、図２に示す位置を０度（３６０度）としている。また、２極モータの場合、機械角と電気角は同じである。
【００３５】
１２０度矩形波駆動とは、３０度から１５０度（２１０度から３３０度）の区間においてＵ相に一定電圧を印加し、１５０度から２７０度（３３０度から９０度）の区間においてＶ相に一定電圧を印加し、２７０度から３０度（９０度から２１０度）の区間においてＷ相に一定電圧を印加する駆動方法である。この場合、図３（ｂ）に示すように、
（１）−３０度〜３０度（３３０度〜３９０度）
（２）３０度〜９０度
（３）９０度〜１５０度
（４）１５０度〜２１０度
（５）２１０度〜２７０度
（６）２７０度〜３３０度
の６つの区間内では、各相に印加する電圧は変化せず、同一の電圧で駆動されている。そのため、６０度間隔の６つの位置情報を得ることができれば１２０度矩形波駆動ができる。
【００３６】
また、図３（ｃ）では、説明の簡略化のために、各ホール素子がＮ極と対向するときに＋出力、Ｓ極と対向するときに０を出力するとして、各ホール素子の出力の変化を示している。この場合、図３（ｃ）に示すように
（１）−３０度〜３０度（３３０度〜３９０度）
（２）３０度〜９０度
（３）９０度〜１５０度
（４）１５０度〜２１０度
（５）２１０度〜２７０度
（６）２７０度〜３３０度
の６つの区間内では、各ホール素子から出力される波形に変化はない。
【００３７】
図４（ａ）は、図３（ｃ）の各ホール素子の出力とロータの回転角度との関係を表にした図、図４（ｂ）は、図３（ｂ）の各相への印加電圧とロータの回転角度との関係を表にした図である。
【００３８】
図４（ａ）に示すように、６つの区間においては、各ホール素子の出力の組合せが同じものはない。したがって、３つのホール素子の出力から、ロータが現在どの区間にあるか判断できる。そして、そのタイミングに同期させて各相に図４（ｂ）に示す電圧を印加することで、１２０度矩形波駆動が可能となる。
【００３９】
次に、ホール素子の出力波形について説明する。図５は、ホール素子の出力に基づいて矩形波を生成する回路の一例を示すブロック図である。図６は、ホール素子から出力される２つの信号波形と２つのコンパレータ出力信号波形の変化を示す図である。図６では、説明の簡素化のため、磁束の変化が正弦波状であると仮定している。また、図５に示すホール素子における出力−からは、出力＋に対して極性が反転した値が得られる。
【００４０】
図５に示すコンパレータ１は、ホール素子の出力＋が入力＋に入力され、閾値が入力−に入力される。そして、入力＋の値が入力−の値よりも大きい場合、＋の値が出力される。一方、入力＋の値が入力−の値よりも小さい場合、−の値が出力される。コンパレータ２は、ホール素子の出力−が入力＋に入力され、閾値が入力−に入力される。そして、入力＋の値が入力−の値よりも大きい場合、＋の値が出力される。一方、入力＋の値が入力−の値よりも小さい場合、−の値が出力される。
【００４１】
このような回路において、閾値は、図６に示すように、ホール素子の出力＋または出力−の値が閾値よりも大きくなる区間が電気角で６０度となるように設定されている。この場合、図６に示すように、コンパレータ１からの出力１は、１５０度から２１０度の範囲で＋の値を出力し、それ以外の範囲では−の値を出力する。また、コンパレータ２からの出力２は、３３０度から３９０度（−３０度から３０度）の範囲で＋の値を出力し、それ以外の範囲では−の値を出力する。
【００４２】
図７は、図５に示すホール素子を含む回路を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに設けた場合の各コンパレータの出力の変化を示す図である。図８は、各コンパレータの出力とロータの回転角度との関係を表にした図である。
【００４３】
図７、図８に示すように、＋の値が出力されているのが、どのコンパレータの出力＋か出力−かを判別できれば、ロータの回転位置が６０度間隔のどの区間に位置するか判別できる。したがって、図５に示すようなホール素子を含む回路を３組用いることで、６０度間隔で印加電圧を制御できるため、前述の１２０度矩形波駆動が可能となる。
【００４４】
しかしながら、このような回路であっても、位相制御によりブラシレスモータの中性点駆動と進角駆動とを使い分けることはできない。図７や図８に示すように、３０，９０，１５０，２１０，２７０，３３０度の６０度間隔のタイミングに基づいて駆動電圧を変化させる中性点駆動は可能であるが、例えば進角２０度で駆動しようとすると、１０、７０，１３０，１９０，２５０，３１０度の各タイミングを検出する必要がある。しかしながら、図７に示す各コンパレータの出力から明らかなように、１０、７０，１３０，１９０，２５０，３１０度においては、いずれのコンパレータの出力においても変化はない。
【００４５】
そこで、図５に示す回路における閾値を、ホール素子の出力＋または出力−の値が閾値よりも大きくなる区間が電気角で６０度＋α、具体的には６０度＋２０度となるように設定した場合について説明する。例えば、図６に示す閾値を小さくすることで、ホール素子の出力が閾値よりも大きくなる区間を大きくできる。
【００４６】
図９は、ホール素子の出力が閾値よりも大きくなる区間が電気角で６０度＋２０度の場合の各コンパレータの出力の変化を示す図である。図１０は、各コンパレータの出力とロータの回転角度との関係を表にした図である。この場合、図１０に示すように、
（１）−３０度〜１０度（３３０度〜３７０度）
（２）１０度〜３０度（３７０度〜３９０度）
（３）３０度〜７０度
（４）７０度〜９０度
（５）９０度〜１３０度
（６）１３０度〜１５０度
（７）１５０度〜１９０度
（８）１９０度〜２１０度
（９）２１０度〜２５０度
（１０）２５０度〜２７０度
（１１）２７０度〜３１０度
（１２）３１０度〜３３０度
の１２の区間で、各コンパレータから出力される信号の組合せが異なる。また、４０度間隔の位置情報を示す（１）、（３）、（５）、（７）、（９）、（１１）の区間では、コンパレータの出力が一つだけ＋の値であり、２０度間隔の位置情報を示す（２）、（４）、（６）、（８）、（１０）、（１２）の区間では、コンパレータの出力が２つだけ＋の値である。このように、ホール素子の出力が閾値よりも大きくなる区間を６０度＋αとすることで、１２のタイミングでロータの回転位置を検出することができる。
【００４７】
そのため、このような構成であれば、３０，９０，１５０，２１０，２７０，３３０度の６０度間隔のタイミングに基づいて駆動電圧を変化させる中性点駆動と、１０，７０，１３０，１９０，２５０，３１０度の６０度間隔のタイミングに基づいて駆動電圧を変化させる進角駆動と、を実現できる。
【００４８】
図１１は、中性点駆動および進角駆動において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相における１２０度矩形波駆動電圧の変化を示す図である。図１２（ａ）は、中性点駆動の場合における各相への印加電圧とロータの回転角度との関係を表にした図、図１２（ｂ）は、進角駆動の場合における各相への印加電圧とロータの回転角度との関係を表にした図である。このように図５に示すような回路において閾値を調整することで、ブラシレスモータを複数の位相で制御できる可能性が明らかになった。
【００４９】
次に、ホール素子の出力が閾値よりも大きくなる区間が６０度＋α度がいずれの場合（−６０＜α＜３００）であっても複数の位相制御が可能か検討する。図１３は、位相差αによって変化する各コンパレータの出力を模式的に示した図である。
【００５０】
上述の図７に示すように、αが０の場合、複数の位相制御はできない。また、図１３に示すようにαが−２０の場合も、２０度〜４０度、８０度〜１００度、１４０度〜１６０度、２００度〜２２０度、２６０度〜２８０度、３２０度〜３４０度の範囲では、いずれのコンパレータの出力も−を出力しており、ロータの位置を検出できない。このことから、−６０＜α＜０の場合も同様にロータの位置を検出できない。
【００５１】
また、αが６０の場合は、コンパレータの出力が変化する位置は、０，６０，１２０，１８０，２４０，３００度の６０度間隔のタイミングに基づいて駆動電圧を変化させる中性点駆動は可能であるが、それ以外のタイミングでロータの回転位置を検出することはできないため、中性点駆動とは別に進角駆動をすることはできない。この点は、αが１２０、１８０、２４０の場合も同様である。
【００５２】
また、αが２４０より大きい２６０の場合、２０度〜４０度、８０度〜１００度、１４０度〜１６０度、２００度〜２２０度、２６０度〜２８０度、３２０度〜３４０度の範囲では、いずれのコンパレータの出力も＋を出力しており、ロータの位置を検出できない。このことから、２４０＜α＜３００の場合も同様にロータの位置を検出できない。
【００５３】
以上を勘案すると、αが０＜α＜２４０（ただし、α＝６０、１２０、１８０は除く）の場合に、複数の位相制御が可能であることがわかる。
【００５４】
図１４は、第１の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。図１５は、第１位相モードにおける第１の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。図１６は、第２位相モードにおける第１の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。
【００５５】
図１４に示すホール素子Ａ〜Ｃは、ロータに配置された磁石の回転による磁界の変化に応じて、位相の異なる６個の電圧を出力する。なお、本実施の形態に係る各ホール素子は、前述のように、極性が反転した１組の電圧を出力する（図１５のホール素子出力参照）。これら６個のホール素子出力は、増幅回路１１０で増幅される。ホール素子出力の電圧は小さいため、増幅を行うことでその後の処理においてノイズの影響を小さくできる。また、各ホール素子は、極性の異なる２つの電圧を出力するため、増幅回路１１０で増幅を行う際に、極性の異なる２つの電圧差を出力することでノイズを除去できる。増幅回路１１０としては、例えば、オペアンプが用いられる。本実施の形態では、ホール素子Ａ〜Ｃと増幅回路１１０により信号出力部が構成されている。なお、ホール素子は、磁界の変化に応じた第１波形と、該第１波形と異なる第２波形とを別々に出力するように構成されていてもよい。
【００５６】
増幅回路１１０で増幅された各増幅回路出力は、比較回路１１２に入力される。また、比較回路１１２には、閾値電圧も入力されている。比較回路１１２では、増幅回路出力と所定の閾値とを比較しＡ／Ｄ変換が行われ、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の比較出力（以下、「比較回路出力」と称する場合がある。）を生成する。この際、増幅回路出力より閾値が小さい場合は１（比較回路出力は５Ｖ）、大きい場合は０（比較回路出力は０Ｖ）を出力する。比較回路１１２としては、例えば、コンパレータが用いられる。
【００５７】
比較回路１１２から出力された各比較出力は、マイコン１１４に入力される。マイコン１１４では、６個の比較出力の信号に基づいて、３相のコイルの各相に供給される互いに位相の異なる駆動電圧を制御するための２種類以上の位相制御信号群を生成する。本実施の形態では、比較回路１１２とマイコン１１４とにより制御信号生成部が構成されている。
【００５８】
そして、比較回路１１２およびマイコン１１４は、ブラシレスモータの第１駆動モード（通常（遅角）モード）において３相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する第１位相制御信号群（例えば、図１５の第１位相モードのＵ相Ｈｉｇｈ信号、Ｕ相Ｌｏｗ信号、Ｖ相Ｈｉｇｈ信号、Ｖ相Ｌｏｗ信号、Ｗ相Ｈｉｇｈ信号、Ｗ相Ｌｏｗ信号）と、ブラシレスモータの第２駆動モード（進角モード）において３相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する、第１位相制御信号群に対して所定位相α度（α＞０）だけ位相が異なる第２位相制御信号群（例えば、図１６の第２位相モードのＵ相Ｈｉｇｈ信号、Ｕ相Ｌｏｗ信号、Ｖ相Ｈｉｇｈ信号、Ｖ相Ｌｏｗ信号、Ｗ相Ｈｉｇｈ信号、Ｗ相Ｌｏｗ信号）と、を生成できるように構成されている。なお、本実施の形態では、αは２０である。
【００５９】
また、マイコン１１４には、位相切替えスイッチ１１５のＯｎ、Ｏｆｆにより、電圧の異なる２つの外部信号のいずれかが入力される。マイコン１１４は、２つの外部信号のいずれが入力されているか否かによって、第１駆動モードまたは第２駆動モードのいずれかを選択し、選択された駆動モードの位相制御信号群を生成する。
【００６０】
このように、マイコン１１４は、ブラシレスモータの駆動モードとして第１駆動モードまたは第２駆動モードのいずれが選択されているかを示す選択信号を取得するモード情報取得部を有しており、選択された駆動モードに応じた位相制御信号群を出力する。これにより、ブラシレスモータは、複数の駆動モードで駆動できる。
【００６１】
マイコン１１４から出力された、各相に対応するマイコン出力は、ゲートドライバ１１６に入力される。ゲートドライバ１１６は、ＭＯＳＦＥＴ１１８を駆動できる電圧にマイコン出力を変換する。ＭＯＳＦＥＴ１１８は、ゲートドライバ出力に基づいて各相の巻線に印加する電圧を制御する。ここで、ゲートドライバ１１６およびＭＯＳＦＥＴ１１８は、位相制御信号群に基づいて駆動電圧を３相のコイルの各相に供給する駆動部として機能する。
【００６２】
上述のように構成された本実施の形態に係る位相制御回路１２０は、Ｍ個（図１４ではＭ＝６）の信号に基づいて、複数の位相制御信号群（図１４では２つ）を生成できるため、各位相制御信号群に対応して異なる信号出力部を設けなくてもよい。つまり、ブラシレスモータの駆動モード毎に対応する信号出力部を設けなくてもよい。
【００６３】
ここで、本実施の形態に係る信号出力部は、３個のホール素子を有しており、ホール素子は、磁界の変化に応じた第１波形と、該第１波形の極性を反転した第２波形とを別々に出力するように構成されている。これにより、信号出力部は、ホール素子の数（３個）よりも多い波形（６個）を出力でき、ホール素子の数を低減できる。
【００６４】
また、マイコン１１４は、比較出力のパルスの立ち下がりのタイミングに基づいて第１位相制御信号群を生成し、比較出力のパルスの立ち上がりのタイミングに基づいて第２位相制御信号群を生成する。これにより、同じ比較出力から２種類の位相制御信号群を生成できる。なお、マイコン１１４は、比較出力のパルスの立ち上がりのタイミングに基づいて第１位相制御信号群を生成し、比較出力のパルスの立ち下がりのタイミングに基づいて第２位相制御信号群を生成してもよい。
【００６５】
また、マイコン１１４は、３相のコイルの各相に直接または間接的に変換されて供給される、互いに電気角で１２０度位相が異なる３つの位相制御信号（例えば、Ｕ相Ｈｉｇｈ信号、Ｖ相Ｈｉｇｈ信号、Ｗ相Ｈｉｇｈ信号）を生成する。
【００６６】
ここで、前述の第１位相制御信号群と第２位相制御信号群との位相の差、α度は、図１３で説明したとおり、電気角で０度＜α度＜２４０度（ただし、α＝６０、１２０、１８０は除く）であり、パルス幅は、電気角で６０度＜６０度＋α度＜３００度（ただし、α＝６０、１２０、１８０は除く）であればよい。この範囲であれば、ブラシレスモータを複数の駆動モードで動作可能な位相制御を実現するためのロータの位置検出が可能となる。
【００６７】
［ブラシレスモータ］
次に、本実施の形態に係るブラシレスモータの概略について説明する。図１７は、第１の実施の形態に係るブラシレスモータの断面図である。図１８は、図１７に示すブラシレスモータの分解斜視図である。第１の実施の形態に係るブラシレスモータ１０は、出力軸側ベル１２と、ロータ１４と、ステータ１６と、エンドベル１８と、前述の位相制御回路１２０とを備える。
【００６８】
出力軸側ベル１２は、円筒状の部材であり、中央にロータ１４のシャフト２０が貫通できるように孔１２ａが形成されている。また、エンドベル１８は、円筒状の部材であり、中央にロータ１４のベアリング２２ａ，２２ｂを保持する凹部１８ａが形成されている。出力軸側ベル１２およびエンドベル１８は、固定ボルト２４で互いに固定される。また、ステータ１６は、固定ボルト２６によりエンドベル１８に固定される。
【００６９】
［ロータ］
図１９（ａ）は、第１の実施の形態に係るロータを一方から見た斜視図、図１９（ｂ）は、第１の実施の形態に係るロータを他方から見た斜視図である。図２０は、第１の実施の形態に係るロータの分解斜視図である。図２１（ａ）は、第１の実施の形態に係るロータの断面図、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）に示すＡ方向から見た上面図、図２１（ｃ）は、図２１（ａ）に示すＢ方向から見た底面図である。
【００７０】
ロータ１４は、シャフト２０と、ロータホイール２８、ベアリングホルダ３０と、ベアリング２２ａ，２２ｂと、板状の１２個のマグネット３２と、ロータコア３４と、を備える。シャフト２０は、円柱状の部材であり、固定ボルト３６によりロータホイール２８に固定される。ロータホイール２８は、ロータコア３４の内縁部に嵌合される。ベアリングホルダ３０は、後の組立てにおいて、ベアリング２２ａ，２２ｂを間に挟んだ状態で固定ボルト３８でエンドベル１８に固定される。ロータコア３４は、マグネット３２の形状に応じた貫通収容部３４ａが１２個形成されている。貫通収容部３４ａは、ロータコア３４の外周部に円形に形成されている。マグネット３２は、貫通収容部３４ａから突出する突出部３２ａを有する。
【００７１】
また、複数の板状のマグネット３２は、貫通収容部３４ａに挿入され、固定されることで、ロータコア３４の周方向に間隔を空けて配置されており、ロータコアの回転軸方向の端面から突き出た突出部を有している。
【００７２】
［ステータ］
図２２（ａ）は、第１の実施の形態に係るロータおよびステータの断面図、図２２（ｂ）は、図２２（ａ）に示すＣ方向から見た上面図、図２２（ｃ）は、図２２（ａ）に示すＤ方向から見た底面図である。
【００７３】
ステータ１６は、筒状のステータコア４０と、巻線４２と、を備える。ステータコア４０の内周部には、１８個のアームが設けられており、各アームには、それぞれ巻線４２が巻かれている。１８個の巻線は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、・・・、の順に配置されている。
【００７４】
このように、ブラシレスモータ１０は、複数の巻線４２が配置されている筒状のステータ１６と、ステータ１６の中心部に設けられている円形のロータコア３４と、ロータコア３４に配置されている複数の板状のマグネット３２と、位相制御回路１２０と、ステータの複数の巻線４２に給電する給電部（不図示）と、を備える。
【００７５】
［ホール素子］
図２３は、ホール素子付きエンドベルの分解斜視図である。図２３に示すように、本実施の形態に係る３つのホール素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃ（以下、適宜ホール素子４４と称する場合がある。）は、基板４６に搭載されている。基板４６は、基板固定ネジ４８によりエンドベル１８に固定される。信号出力部を構成する各ホール素子４４は、図２２に示すように、マグネット３２の突出部３２ａの内側領域であってマグネット３２の突出部３２ａと対向するように配置されている。
【００７６】
各ホール素子は、ロータ１４の中心に対して、周方向に２０度の間隔で配置されている。本実施の形態に係るブラシレスモータ１０は、１２極１８スロットの３相モータであり、電気角１２０度に対応する機械角は、１２０度／（１２極／２）＝２０度である。したがって、図２２に示す位置に配置された３つのホール素子から出力される波形の位相は、図２に示した２極３スロットの３相ブラシレスモータと近似する。
【００７７】
図２４は、本実施の形態に係る各ホール素子から出力される信号の波形を示す図である。ホール素子に鎖交する永久磁石の磁束を利用した位置検出方法を用いる場合、細かい位置情報を得るには鎖交磁束をアナログ量として扱う必要があり、Ａ／Ｄ変換において高演算能力のＡ／Ｄ回路が必要となる。そこで、図２４に示すように、ステップ状に変化する波形を出力するブラシレスモータ１０を用いることで、位相制御回路１２０は、例えばコンパレータ回路を用いるだけで簡単にＡ／Ｄ変換が可能となり、演算時間の増加を低コストで抑制できる。また、ホール素子に鎖交する永久磁石の磁束を利用した位置検出を用いる場合、モータ損失による発熱や使用環境による熱、および、永久磁石の寸法や材料特性のバラツキ、により位相誤差が発生する懸念がある。しかしながら、ステップ状に変化する波形を出力するブラシレスモータ１０を用いることで、位相制御回路１２０は、磁束低下が発生した場合でも位相誤差をなくすことができる。
【００７８】
なお、完全なステップ状の波形を出力するようにロータの構成を設計することは容易ではない。そこで、ステップ状の波形に近い台形形状の波形を形成することでも前述の効果は得られる。図２５（ａ）は、信号出力部から出力される信号の波形が、波形の立ち上がりから閾値に達するまでの電気角が２０度の場合を模式的に示した図、図２５（ｂ）は、信号出力部から出力される信号の波形が、波形の立ち上がりから閾値に達するまでの電気角が４０度の場合を模式的に示した図である。
【００７９】
ロータに用いられる永久磁石は、熱により減磁する場合を考え、例えば、２０％減磁すると、図２５（ａ）や図２５（ｂ）に示す８０％磁束波形（点線）となる。この場合、通常の磁束波形（実線）と比較して、閾値に達する電気角がずれる。つまり、位相制御に誤差が生じることになる。誤差は、波形の立ち上がりから閾値に達するまでの電気角が大きいほど、つまり立ち上がりが緩やかなほど、大きくなる。そこで、減磁の影響による位相の誤差が電気角で１０度以内になるようにするためには、ホール素子を含む信号出力部から出力される信号の波形が、波形の立ち上がりから閾値に達するまでの電気角が４０度以下、好ましくは３０度以下となるようにする。これにより、ロータの位置検出の精度が向上する。
【００８０】
（変形例１）
本願発明が適用できるブラシレスモータの変形例について説明する。なお、ブラシレスモータ１０と同様の構成については説明を適宜省略する。図２６は、変形例１に係るブラシレスモータの断面図である。図２７は、図２６に示すブラシレスモータの分解斜視図である。変形例１に係るブラシレスモータ２００は、出力軸側ベル５０と、ロータ５２と、ステータ５４と、エンドベル５６と、ハウジング５８と、前述の位相制御回路１２０とを備える。
【００８１】
出力軸側ベル５０は、円板状の部材であり、中央にシャフト６０が貫通できるように孔５０ａが形成されているとともに、孔５０ａの近傍にベアリング６２を保持する凹部５０ｂが形成されている。また、エンドベル５６は、円板状の部材であり、中央にシャフト６０が貫通できるように孔５６ａが形成されているとともに、孔５６ａの近傍にベアリング６４を保持する凹部５６ｂが形成されている。ハウジング５８は、筒状の部材である。出力軸側ベル５０は、固定ボルト６６によりハウジング５８に固定される。また、エンドベル５６は、固定ボルト６８によりハウジング５８に固定される。そして、出力軸側ベル５０、エンドベル５６およびシャフト６０は、ブラシレスモータ２００の筐体を構成する。
【００８２】
［ロータ］
図２８は、変形例１に係るロータの斜視図である。図２９は、変形例１に係るロータの分解斜視図である。図３０（ａ）は、変形例１に係るロータの断面図、図３０（ｂ）は、図３０（ａ）に示すＥ方向から見た上面図、図３０（ｃ）は、図３０（ａ）に示すＦ方向から見た底面図である。
【００８３】
ロータ５２は、シャフト６０と、出力軸側バックヨーク７０と、出力軸側Ｚマグネット７２と、スペーサ７４ａ，７４ｂと、ロータコア７６と、複数のθマグネット７８と、エンド側Ｚマグネット８０と、エンド側バックヨーク８２と、調整スリーブ８４と、を備える。シャフト６０は、円柱状の部材であり、ロータコア７６の中心の孔に嵌合されて固定される。
【００８４】
出力軸側Ｚマグネット７２は、出力軸側バックヨーク７０とロータコア７６とにより挟持される。同様に、エンド側Ｚマグネット８０は、エンド側バックヨーク８２とロータコア７６とにより挟持される。
【００８５】
出力軸側Ｚマグネット７２は、複数（１６個）の扇形の小片７２ａをリング状に配置したものであり、小片７２ａ同士の間には隙間がある。小片７２ａ同士は吸引力が働くため、隙間が一定間隔に保持されるように、その隙間に非磁性部材を配置し、若しくは出力軸側バックヨーク７０の出力軸側Ｚマグネット７２側の面に放射状の凸形状を設けてもよい。同様に、エンド側Ｚマグネット８０は、複数（１６個）の扇形の小片８０ａをリング状に配置したものであり、小片８０ａ同士の間には隙間がある。小片８０ａ同士は吸引力が働くため、隙間が一定間隔に保持されるように、その隙間に非磁性部材を配置し、若しくはエンド側バックヨーク８２のエンド側Ｚマグネット８０側の面に放射状の凸形状を設けてもよい。
【００８６】
また、出力軸側Ｚマグネット７２およびエンド側Ｚマグネット８０は、ロータコア７６の回転軸方向の端面と対向する対向面およびその反対側の面に、Ｎ極とＳ極とが環状に交互に形成されている。つまり、各Ｚマグネットの小片８０ａは、平らな一方の面にＳ極、平らな他方の面にＮ極が形成されている。
【００８７】
ロータコア７６は、θマグネット７８が挿入され固定される複数のマグネット収容部７６ｂが回転軸を中心に放射状に設けられている。θマグネット７８は、マグネット収容部７６ｂの形状に対応した板状の部材である。
【００８８】
そして、これら各部材を順に組み立てる。具体的には、出力軸側Ｚマグネット７２を固定した出力軸側バックヨーク７０をシャフト６０に挿入する。次に、複数（１６個）のθマグネット７８のそれぞれを、対応するマグネット収容部７６ｂに嵌め込んだロータコア７６の貫通孔７６ａに、上述のシャフト６０を挿入する。そして、エンド側Ｚマグネット８０を固定したエンド側バックヨーク８２の中央部に上述のシャフト６０を挿入する。そして、ベアリング６２は、シャフト６０に取り付けられる。また、ベアリング６４は、調整スリーブ８４を介してシャフト６０に取り付けられる。
【００８９】
なお、ロータコア７６は、複数の板状の部材を積層したものである。複数の板状の部材のそれぞれは、無方向性電磁鋼板（例えばケイ素鋼板）または冷延鋼板からプレス加工によって所定の形状で打ち抜くことで作製される。
【００９０】
θマグネット７８は、隣接するθマグネットと同じ磁極同士がロータコア７６の周方向θにおいて対向するようにマグネット収容部７６ｂに収容されている。つまり、θマグネット７８は、略直方体の６つの面のうち表面積の広い２つの主面７８ａ，７８ｂがそれぞれＮ極とＳ極となるように構成されている。これにより、θマグネット７８の主面７８ａから出た磁力線は、２つのθマグネット７８の間の領域からロータコア７６の外に向かう。その結果、本実施の形態に係るロータ５２は、その外周面の周方向に、Ｎ極とＳ極が交互に８極ずつ計１６極ある磁石として機能する。
【００９１】
［ステータ］
図３１（ａ）は、変形例１に係るロータおよびステータの断面図、図３１（ｂ）は、図３１（ａ）に示すＧ方向から見た上面図、図３１（ｃ）は、図３１（ａ）に示すＨ方向から見た底面図である。
【００９２】
ステータ５４は、筒状のステータコア８６と、巻線８８と、を備える。ステータコア８６の内周部には、１２個のアームが設けられており、各アームには、それぞれ巻線８８が巻かれている。１２個の巻線は、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相、・・・、の順に配置されている。
【００９３】
［ホール素子］
図３１（ｃ）に示すように、本実施の形態に係る３つのホール素子９０ａ，９０ｂ，９０ｃ（以下、適宜ホール素子９０と称する場合がある。）は、基板９２（図２６参照）に搭載されている。信号出力部を構成する各ホール素子９０は、図３１（ｃ）に示すように、エンド側バックヨーク８２と対向するように配置されている。各ホール素子は、ロータ５２の中心に対して、周方向に３０度の間隔で配置されている。
【００９４】
図３２は、変形例１に係る各ホール素子から出力される信号の波形を示す図である。図３１（ｃ）に示すエンド側バックヨーク８２は、開口部の内側に向かって１６個の矩形の磁束ショート部８２ａが形成されている。磁束ショート部８２ａは、隣接する２つのエンド側Ｚマグネット８０を磁気的にショートする。これにより、磁束変化を急峻にできる。図３２では、磁束ショート部８２ａがない場合、磁束ショート部８２ａの幅Ｗ１が１．４ｍｍ、２．０ｍｍの場合の波形を示している。このように、磁束ショート部８２ａの形状を適宜選択することで、ホール素子からの出力波形を所望の形状に変化させることができる。
【００９５】
（変形例２）
本願発明が適用できるブラシレスモータの他の変形例について説明する。なお、ブラシレスモータ２００と同様の構成については同じ符号を付して説明を適宜省略する。変形例２に係るブラシレスモータと、変形例１に係るブラシレスモータ２００との大きな相違はロータである。
【００９６】
図３３は、変形例２に係るブラシレスモータの断面図である。変形例２に係るブラシレスモータ３００は、出力軸側ベル５０と、ロータ９４と、ステータ５４と、エンドベル５６と、ハウジング５８と、前述の位相制御回路１２０とを備える。
【００９７】
［ロータ］
図３４は、変形例２に係るロータ９４の斜視図である。図３５は、変形例２に係るロータの分解斜視図である。図３６（ａ）は、変形例２に係るロータの断面図、図３６（ｂ）は、図３６（ａ）に示すＩ方向から見た上面図、図３６（ｃ）は、図３６（ａ）に示すＪ方向から見た底面図である。
【００９８】
ロータ９４は、シャフト６０と、ロータコア７６と、複数のθマグネット７８と、シールド板９６と、調整スリーブ８４と、を備える。
【００９９】
ロータコア７６は、θマグネット７８が挿入され固定される複数のマグネット収容部７６ｂが回転軸を中心に放射状に設けられている。θマグネット７８は、マグネット収容部７６ｂの形状に対応した板状の部材である。
【０１００】
そして、これら各部材を順に組み立てる。具体的には、複数（１６個）のθマグネット７８のそれぞれを、対応するマグネット収容部７６ｂに嵌め込み、そのロータコア７６の貫通孔７６ａにシャフト６０を挿入する。
【０１０１】
θマグネット７８は、隣接するθマグネットと同じ磁極同士がロータコア７６の周方向θにおいて対向するようにマグネット収容部７６ｂに収容されている。つまり、θマグネット７８は、略直方体の６つの面のうち表面積の広い２つの主面７８ａ，７８ｂがそれぞれＮ極とＳ極となるように構成されている。これにより、θマグネット７８の主面７８ａから出た磁力線は、２つのθマグネット７８の間の領域からロータコア７６の外に向かう。その結果、本実施の形態に係るロータ９４は、その外周面の周方向に、Ｎ極とＳ極が交互に８極ずつ計１６極ある磁石として機能する。
【０１０２】
［ステータ］
図３７（ａ）は、変形例２に係るロータおよびステータの断面図、図３７（ｂ）は、図３７（ａ）に示すＫ方向から見た上面図、図３７（ｃ）は、図３７（ａ）に示すＬ方向から見た底面図である。
【０１０３】
ステータ５４は、筒状のステータコア８６と、巻線８８と、を備える。ステータコア８６の内周部には、１２個のアームが設けられており、各アームには、それぞれ巻線８８が巻かれている。１２個の巻線は、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相、・・・、の順に配置されている。
【０１０４】
［ホール素子］
図３７（ｃ）に示すように、本実施の形態に係る３つのホール素子９０ａ，９０ｂ，９０ｃ（以下、適宜ホール素子９０と称する場合がある。）は、基板９２（図３３参照）に搭載されている。信号出力部を構成する各ホール素子９０は、図３７（ｃ）に示すように、ロータコア７６の端面と対向するように配置されている。各ホール素子は、ロータ５２の中心に対して、周方向に３０度の間隔で配置されている。
【０１０５】
図３８は、変形例２に係る各ホール素子から出力される信号の波形を示す図である。図３７（ｃ）に示すシールド板９６は、中心から外側に向かって放射状に１６個の矩形の磁束遮断部９６ａが形成されている。磁束遮断部９６ａは、各θマグネット７８の軸方向の端面の一部を遮蔽するように配置されている。図３８では、磁束遮断部９６ａがない場合、磁束遮断部９６ａの幅Ｗ２が２．０ｍｍの場合の波形を示している。このように、磁束遮断部９６ａを設けることで、ホール素子からの出力波形を所望の形状に変化させることができる。
【０１０６】
（第２の実施の形態）
図３９は、第２の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。図４０は、第１位相モードにおける第２の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。図４１は、第２位相モードにおける第２の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。なお、第１の実施の形態に係る位相制御回路１２０と同様の構成については同じ符号を付して説明を適宜省略する。
【０１０７】
図３９に示すホール素子Ａ〜Ｃは、ロータに配置された磁石の回転による磁界の変化に応じて、位相の異なる６個の電圧を出力する。なお、本実施の形態に係る各ホール素子は、前述のように、極性が反転した１組の電圧を出力する（図４０のホール素子出力参照）。これら６個のホール素子出力は、増幅回路１１０で増幅される。ホール素子出力の電圧は小さいため、増幅を行うことでその後の処理においてノイズの影響を小さくできる。また、各ホール素子は、極性の異なる２つの電圧を出力するため、増幅回路１１０で増幅を行う際に、極性の異なる２つの電圧差を出力することでノイズを除去できる。増幅回路１１０としては、例えばオペアンプが用いられる。なお、ホール素子は、磁界の変化に応じた第１波形のみを出力する構成であっても、ノイズの影響を除けば本実施の形態の信号出力部として用いることができる。
【０１０８】
増幅回路１１０で増幅された増幅回路出力Ａ〜Ｃは、比較回路１１２および反転回路１１３に入力される。反転回路１１３では、増幅回路出力Ａ〜Ｃが反転され、反転回路出力Ａ〜Ｃとして比較回路１１２に入力される。比較回路１１２には、閾値電圧も入力されている。比較回路１１２では、増幅回路出力と所定の閾値とを比較しＡ／Ｄ変換が行われ、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の比較出力を生成する。反転回路１１３としてはダイオードを利用できる。これ以降は、第１の実施の形態と同じ処理である。
【０１０９】
上述のように構成された位相制御回路１３０は、３個のホール素子（１０８ａ〜１０８ｃ）と、反転回路１１３とを有しており、ホール素子は、磁界の変化に応じた第１波形を出力するように構成されていればよい。反転回路１１３は、第１波形に基づく出力を反転させて第２波形を出力するように構成されている。これにより、信号出力部は、ホール素子の数よりも多い波形を出力でき、出力が一つのホール素子であっても数を低減できる。
【０１１０】
（第３の実施の形態）
図４２は、第３の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。図４３は、第１位相モードにおける第３の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。図４４は、第２位相モードにおける第３の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。なお、第１の実施の形態に係る位相制御回路１２０および第２の実施の形態に係る位相制御回路１３０と同様の構成については同じ符号を付して説明を適宜省略する。
【０１１１】
図４２に示すように、増幅回路１１０で増幅された増幅回路出力Ａ〜Ｃは、比較回路１１２ａおよび比較回路１１２ｂに入力される。比較回路１１２ａには、閾値電圧１が入力されている。また、比較回路１１２ｂには、閾値電圧２が入力されている。比較回路１１２ａは、増幅回路出力Ａ〜Ｃと第１の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の第１比較出力を生成する。また、比較回路１１２ｂは、増幅回路出力Ａ〜Ｃと第１の閾値と異なる第２の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の第２比較出力を生成する。これにより、位相制御回路１４０は、増幅回路１１０から出力された同じ信号（増幅回路出力Ａ〜Ｃ）から、２種類の位相制御信号群を生成できる。
【０１１２】
（第４の実施の形態）
図４５は、第４の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。図４６は、第１位相モードにおける第４の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。図４７は、第２位相モードにおける第４の実施の形態に係る位相制御回路の各ブロックの入出力特性を示す図である。なお、第１の実施の形態に係る位相制御回路１２０と同様の構成については同じ符号を付して説明を適宜省略する。
【０１１３】
本実施の形態に係る位相制御回路１５０は、増幅回路１１０で増幅された増幅回路出力Ａ〜ＣをＡ／Ｄ変換ポートを介してマイコン１１４に入力する。マイコン１１４では、増幅回路出力Ａ〜Ｃに基づいて、３相のコイルの各相に供給される互いに位相の異なる駆動電圧を制御するための２種類以上の位相制御信号群を生成する。
【０１１４】
（第５の実施の形態）
図４８は、第５の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。なお、第１の実施の形態に係る位相制御回路１２０と同様の構成については同じ符号を付して説明を適宜省略する。
【０１１５】
第５の実施の形態に係る位相制御回路１６０は、比較回路１１２のあとに遅延回路１１７を設けている。つまり、位相制御回路１６０の制御信号生成部は、増幅回路１１０から出力された増幅回路出力Ａ〜Ｃと所定の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる比較回路出力Ａ〜Ｃを生成する比較回路１１２と、比較回路出力Ａ〜Ｃに対して所定位相α度（α＞０）だけ遅延した遅延回路出力Ａ〜Ｃを出力する遅延回路１１７と、比較回路出力Ａ〜Ｃおよび遅延回路出力Ａ〜Ｃのパルスの立ち上がり及び立ち下がりの一方のタイミングに基づいて第１位相制御信号群を生成し、比較回路出力Ａ〜Ｃおよび遅延回路出力Ａ〜Ｃのパルスの立ち上がり及び立ち下がりの他方のタイミングに基づいて第２位相制御信号群を生成するマイコン１１４とを有している。
【０１１６】
（第６の実施の形態）
図４９は、第６の実施の形態に係るブラシレスモータの位相制御回路のブロック図である。第６の実施の形態に係る位相制御回路１７０は、ホール素子を有する信号出力部１２２と、制御信号生成部１２４と、駆動部１２６と、を備える。制御信号生成部１２４は、信号出力部１２２から出力された複数の信号と所定の閾値とを比較し、所定のパルス幅を有する互いに位相の異なる複数の比較出力を生成する比較回路１１２と、比較回路出力のパルスの立ち上がり及び立ち下がりの一方のタイミングに基づいて第１位相制御信号群を生成するマイコン１１４と、第１位相制御信号群に対して所定位相α度（α＞０）だけ遅延した第２位相制御信号群を生成する遅延回路１１７と、モード切替え信号に基づいて第１位相制御信号群および第２位相制御信号群のいずれを出力するか選択する選択部１２８と、を有する。これにより、同じ比較出力から２種類の位相制御信号群を生成できる。
【０１１７】
図５０は、ブラシレスモータの位相制御方法を示すフローチャートを示す図である。図５０に示す位相制御方法は、ロータに配置された磁石の回転による磁界の変化に応じて、位相の異なるＭ個の信号を出力する信号出力ステップ（Ｓ１０）と、Ｎ相（Ｎは２以上の整数）のコイルの各相に供給される互いに位相の異なる駆動電圧を制御するための２種類以上の位相制御信号群を、少なくともＭ個の信号に基づいて生成する制御信号生成ステップ（Ｓ１２）と、位相制御信号群に基づいて駆動電圧をＮ相のコイルの各相に供給する駆動ステップ（Ｓ１４）と、を備える。制御信号生成ステップは、ブラシレスモータの第１駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する第１位相制御信号群と、ブラシレスモータの第２駆動モードにおいてＮ相のコイルの各相に供給する駆動電圧を制御する、第１位相制御信号群に対して所定位相α度（α＞０）だけ位相が異なる第２位相制御信号群と、を選択的に生成する。
【０１１８】
この位相制御方法によると、Ｍ個の信号に基づいて、複数の位相制御信号群を生成できるため、各位相制御信号群に対応して異なる信号出力部を設けなくてもよい。つまり、ブラシレスモータの駆動モード毎に対応する信号出力部を設けなくてもよい。
【０１１９】
上述のように、各実施の形態に係る位相制御回路を用いることでブラシレスモータの出力範囲を広くする位相制御を簡易な構成で実現できる。
【０１２０】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【符号の説明】
【０１２１】
１０  ブラシレスモータ、  １２  出力軸側ベル、  １４  ロータ、  １６  ステータ、  １８  エンドベル、  ２０  シャフト、  ３２  マグネット、  ３２ａ  突出部、  ３４  ロータコア、  ４０  ステータコア、  ４２  巻線、  ４４  ホール素子、  ５０  出力軸側ベル、  ５２  ロータ、  ５４  ステータ、  ５６  エンドベル、  ５８  ハウジング、  ６０  シャフト、  ７０  出力軸側バックヨーク、  ７２  出力軸側Ｚマグネット、  ７６  ロータコア、  ７８  マグネット、  ８０  エンド側Ｚマグネット、  ８２  エンド側バックヨーク、  ８６  ステータコア、  ８８  巻線、  ９０  ホール素子、  ９４  ロータ、  ９６  シールド板、  ９６ａ  磁束遮断部、  １００  ブラシレスモータ、  １０２  ロータ、  １０４  ステータ、  １１０  増幅回路、  １１２，１１２ａ，１１２ｂ  比較回路、  １１３  反転回路、  １１４  マイコン、  １１５  位相切替えスイッチ、  １１６  ゲートドライバ、  １１７  遅延回路、  １１８  ＭＯＳＦＥＴ、  １２０  位相制御回路、  １２２  信号出力部、  １２４  制御信号生成部、  １２６  駆動部、  １２８  選択部、  １３０，１４０，１５０，１６０，１７０  位相制御回路、  ２００，３００  ブラシレスモータ。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明は、ブラシレスモータに利用できる。
【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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【図１０】
0005931273.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0005931273.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
0005931273.tif 000015
【図１７】
0005931273.tif 000016
【図１８】
0005931273.tif 000017
【図１９】
0005931273.tif 000018
【図２０】
0005931273.tif 000019
【図２１】
0005931273.tif 000020
【図２２】
0005931273.tif 000021
【図２３】
0005931273.tif 000022
【図２４】
0005931273.tif 000023
【図２５】
0005931273.tif 000024
【図２６】
0005931273.tif 000025
【図２７】
0005931273.tif 000026
【図２８】
0005931273.tif 000027
【図２９】
0005931273.tif 000028
【図３０】
0005931273.tif 000029
【図３１】
0005931273.tif 000030
【図３２】
0005931273.tif 000031
【図３３】
0005931273.tif 000032
【図３４】
0005931273.tif 000033
【図３５】
0005931273.tif 000034
【図３６】
0005931273.tif 000035
【図３７】
0005931273.tif 000036
【図３８】
0005931273.tif 000037
【図３９】
0005931273.tif 000038
【図４２】
0005931273.tif 000039
【図４５】
0005931273.tif 000040
【図４８】
0005931273.tif 000041
【図４９】
0005931273.tif 000042
【図５０】
0005931273.tif 000043
【図１５】
0005931273.tif 000044
【図１６】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４６】
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【図４７】
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