(57)【要約】【課題】トルクを増し回転数を上げる。【解決手段】ロータの回転位置に応じた位相の異なる二つの信号を出力するホール素子１１と、差動の入力端子対を持ちホール素子１１の出力信号に基づきコイル１４，１５への通電を制御するドライブＩＣ１２とを備え、ホール素子１１の一方の出力信号の位相を進める進相回路を設け、ホール素子１１の他方の出力信号と進相回路の出力信号をドライブＩＣの差動の入力端子に供給してコイル１４，１５への通電時期を早める。【選択図】　図１
2004040905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータの回転位置に応じた位相の異なる二つの信号を出力する位置検出器と、差動の入力端子対を持ち前記位置検出器の出力信号に基づきコイルへの通電を制御するドライブ回路とを備えたＤＣモータ駆動回路であって、前記位置検出器の一方の出力信号の位相を進める進相回路を設け、前記位置検出器の他方の出力信号と前記進相回路の出力信号を前記ドライブ回路の差動の入力端子に供給して前記コイルへの通電時期を早めるようにしたことを特徴とするＤＣモータ駆動回路。
【請求項２】
ロータの回転位置に応じた位相の異なる二つの信号を出力する複数の位置検出器と、前記複数の位置検出器毎に差動の入力端子対を持ち前記複数の位置検出器の出力信号に基づき複数相のコイルへの通電を制御するドライブ回路とを備えたＤＣモータ駆動回路であって、
前記位置検出器の一方の出力信号の位相を進める進相回路を前記複数の位置検出器毎に設け、前記ドライブ回路における前記複数の位置検出器毎の差動入力端子に、それぞれの前記進相回路により位相が進められたそれぞれの位置検出器の一方の出力信号と、それぞれの位置検出器の他方の出力信号とを入力して、前記各相のコイルへの通電時期を早めるようにしたことを特徴とするＤＣモータ駆動回路。
【請求項３】
前記進相回路は、差動増幅器、コンデンサ及び抵抗を有して構成され、前記差動増幅器の非反転入力端子に前記位置検出器の一方の出力が供給され、前記差動増幅器の反転入力端子に前記位置検出器の他方の出力と前記差動増幅器の出力とを前記コンデンサ及び前記抵抗で分圧した信号が入力されている請求項１又は２記載のＤＣモータ駆動回路。
【請求項４】
一つ又は複数の位置検出信号処理回路と、該位置検出信号処理回路からの出力に基づきコイルへの通電を制御する制御回路とを有するＤＣモータ駆動回路であって、
前記位置検出信号処理回路は、ロータの回転位置に応じた位相の異なる二つの信号を出力する一つの位置検出器と第一、第二の二つの差動増幅器とコンデンサと抵抗とを用いて構成され、
前記位置検出器の一方の出力端子は第一の差動増幅器の第一の入力端子とコンデンサの一端子に接続され、前記位置検出器の他方の出力端子は第二の差動増幅器の非反転入力端子に接続され、コンデンサの他端子は第二の差動増幅器の反転入力端子と抵抗の一端子に接続され、第二の差動増幅器の出力は抵抗の他端子と第一の差動増幅器の第二の入力端子に接続され、第一の差動増幅器の出力は前記位置検出信号処理回路の出力として前記制御回路に入力されていることを特徴とするＤＣ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、ファンモータ等のＤＣモータにおいて、特にロータの回転を検出するホール素子等の位置検出素子の信号に基づいてステータのコイルを駆動制御するＤＣモータ駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来使用されているＤＣファンモータに適用される２相半波（ユニポーラ）ブラシレスＤＣモータ駆動回路を示す。図５に示す回路は、例えばローム株式会社製モータドライブＩＣ（型番ＢＡ６８１１Ｆ）を使用した場合を示しており、２相のコイル１４，１５を駆動するドライブＩＣ１２と位置検出素子としてのホール素子１１とダイオード１３とコンデンサ１６で構成されている。ドライブＩＣ１２の内部には差動増幅器１７と制御回路１８と各相毎のトランジスタ１９，２０が納められている。
【０００３】
電源端子２１からドライブＩＣ１２の電源入力端子４へ電源Ｖｃｃが供給される一方、抵抗を通してロータの位置を検出するホール素子１１に電源Ｖｃｃが供給される。ホール素子１１はロータの磁石の磁極を検出し磁極の極性と磁力の強さに応じた差動の電圧をドライブＩＣ１２の端子５，６に供給し、この端子５，６に供給された電圧は差動増幅器１７の二つの入力端子に供給される。
【０００４】
ドライブＩＣ１２はホール素子１１の差動の電圧を差動増幅器１７で増幅して制御回路１８へ入力し、制御回路１８は差動増幅器１７からの信号に基づきトランジスタ１９，２０の何れかをオン状態にする信号を出力する。一方のトランジスタ１９がオン状態になると電源端子２１からダイオード１３，コイル１４，トランジスタ１９を通して電流が流れ、他方のトランジスタ２０がオン状態になると電源端子２１からダイオード１３，コイル１５，トランジスタ２０を通して電流が流れ、それぞれコイルが励磁されて磁力が発生しロータの磁石との間で反発と吸引の力が発生しロータが回転する。
【０００５】
ホール素子１１の出力端子９，１０の電圧波形と差動増幅器１７の出力電圧の波形を図６に示す。両出力端子９，１０の出力電圧は位相が１８０度ずれた正弦波状の波形となる。この二つの電圧をドライブＩＣ１２の差動増幅器１７で差動増幅すると図６の下側の波形の信号が差動増幅器１７から出力される。尚、図６における基準電圧は、ホール素子１１の両出力端子９，１０からの出力電圧が等しい場合における差動増幅器１７の出力電圧と同じ値である比較用電圧であり、制御回路１８内でこの基準電圧と差動増幅器１７の出力電圧が比較される。
【０００６】
図６の差動増幅器１７の出力電圧が基準電圧より高いと一方のトランジスタ１９がオン状態になり、差動増幅器１７の出力電圧が基準電圧より低いと他方のトランジスタ２０がオン状態になる。従ってホール素子１１の出力端子９，１０からの出力電圧が等しくなった瞬間に両トランジスタ１９，２０の何れかがオン状態になって他方がオフ状態に切換わる。この出力端子９，１０からの出力電圧が等しくなった瞬間から次に等しくなるまでの期間をホール素子１１の切換わりの周期とするとホール素子１１の切換わりの周期毎に両コイル１４，１５に交互に電流が流れる。
【０００７】
このように従来のＤＣモータ駆動回路はホール素子１１の切換わりの周期毎にコイル１４，１５に流れる電流をオン，オフすることでロータを回転させている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＤＣモータ駆動回路では、両トランジスタ１９，２０の何れかをオン状態にしても、コイルに流れる電流は直ちに増加せず、コイルの抵抗とインダクタンスの為に徐々に増加する特性を示している。コイルの抵抗とインダクタンスによる時定数は（インダクタンス／抵抗）で表され、この時定数がホール素子の切換わりの周期の長さに比較して長いとホール素子の切換わりの周期の期間でコイルに流れる電流は十分に増加しない、あるいは例え増加してもホール素子の切換わりの周期の末期で大きくなる特性となる。なお、このホール素子の切換わりの周期の末期の電流は、例えば特開平９−４７０７３号公報（発明が解決しようとする課題）にも記載されているように、モータの発生トルクにあまり寄与しない。
【０００９】
ホール素子の切換わりの周期の長さはモータが高速回転になるほど短くなる。
この為従来の駆動回路で高速回転させようとするとコイルの抵抗とインダクタンスによる時定数に比べてホール素子の切換わりの周期が短くなり、コイルに流れる電流が十分に大きくならず、たとえ大きくなってもホール素子の切換わりの周期の末期で大きくなる為回転トルクにあまり寄与せず、回転数を上げる為に大きな電流を流す必要があった。
【００１０】
本発明は、従来の技術の有するこのような問題点に留意してなされたものであり、その目的とするところは、進相回路でホール素子の出力信号の位相を進めて図６の差動増幅器１７の出力電圧が基準電圧と交わる時刻を早くし、トランジスタ１９又は２０のオン状態になる時刻を進めて、コイルに流れる電流がホール素子の切換わりの周期の中央に近い時刻で十分に大きくなり周期の末期だけで大きくなる事をなくしてトルクを増し回転数を上げる事にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のＤＣモータ駆動回路においては、ロータの回転位置に応じた位相の異なる二つの信号を出力する位置検出器と、差動の入力端子対を持ち位置検出器の出力信号に基づきコイルへの通電を制御するドライブ回路とを備え、位置検出器の一方の出力信号の位相を進める進相回路を設け、位置検出器の他方の出力信号と進相回路の出力信号をドライブ回路の差動の入力端子に供給してコイルへの通電時期を早めるようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明のＤＣモータ駆動回路においては、ロータの回転位置に応じた位相の異なる二つの信号を出力する複数の位置検出器と、この複数の位置検出器毎に差動の入力端子対を持ち複数の位置検出器の出力信号に基づき複数相のコイルへの通電を制御するドライブ回路とを備え、位置検出器の一方の出力信号の位相を進める進相回路を複数の位置検出器毎に設け、ドライブ回路における複数の位置検出器毎の差動入力端子に、それぞれの進相回路により位相が進められたそれぞれの位置検出器の一方の出力信号と、それぞれの位置検出器の他方の出力信号とを入力して、各相のコイルへの通電時期を早めるようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
上述したＤＣモータ駆動回路において、進相回路を、差動増幅器、コンデンサ及び抵抗を有して構成し、差動増幅器の非反転入力端子に位置検出器の一方の出力を供給し、差動増幅器の反転入力端子に位置検出器の他方の出力と差動増幅器の出力とをコンデンサ及び抵抗で分圧した信号を入力するのがよい。
【００１４】
さらに、本発明のＤＣモータ駆動回路においては、一つ又は複数の位置検出信号処理回路と、この位置検出信号処理回路からの出力に基づきコイルへの通電を制御する制御回路とを有し、位置検出信号処理回路を、ロータの回転位置に応じた位相の異なる二つの信号を出力する一つの位置検出器と第一、第二の二つの差動増幅器とコンデンサと抵抗とを用いて構成し、位置検出器の一方の出力端子を第一の差動増幅器の第一の入力端子とコンデンサの一端子に接続し、位置検出器の他方の出力端子を第二の差動増幅器の非反転入力端子に接続し、コンデンサの他端子を第二の差動増幅器の反転入力端子と抵抗の一端子に接続し、第二の差動増幅器の出力端子を抵抗の他端子と第一の差動増幅器の第二の入力端子に接続し、第一の差動増幅器の出力を位置検出信号処理回路の出力として制御回路に入力するようにしたことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態につき、図１〜図４を用いて説明する。なお、これらの図面で示した符号のうち従来技術で説明したものと同じものは同じか又は同等の機能を有するものを示すものとする。
【００１６】
［第一の実施形態］
図１は本発明のＤＣモータ駆動回路を２相半波（ユニポーラ）のファンモータに適用した場合の第一の実施形態を示した回路図である。又、図２は図１のホール素子の出力端子９，１０の出力電圧波形とドライブＩＣ１２における差動増幅器１７の出力電圧の波形図である。
【００１７】
位置検出器としてのホール素子１１、ドライブＩＣ１２、ダイオード１３、コイル１４，１５は図５の従来の駆動回路と同じ部品であり、第一の実施形態では図５の従来の駆動回路に、差動増幅器２３，コンデンサ２４，２６及び抵抗２５で構成された進相回路が追加されている。ホール素子１１の一方の出力端子９はドライブＩＣ１２の入力端子５とコンデンサ２４の一端子に接続され、他方の出力端子１０は差動増幅器２３の非反転入力端子に接続され、コンデンサ２４の他端子は差動増幅器２３の反転入力端子と抵抗２５の一端子に接続され、差動増幅器２３の出力端子は抵抗２５の他端子とドライブＩＣ１２の入力端子６に接続されている。コンデンサ２６は差動増幅器２３が発振しないように追加したもので、コンデンサ２４に比較して小さい容量値であり、抵抗２５に並列接続されている。
【００１８】
ホール素子１１はロータの磁極を検出して磁極の極性と磁力の強さに応じた差動の電圧をドライブＩＣ１２の中の差動増幅器１７の非反転入力端子及びコンデンサ２４と差動増幅器２３の非反転入力端子とにそれぞれ供給する。差動増幅器２３の出力は差動増幅器１７の反転入力端子に供給される。差動増幅器１７の出力から進相回路によって進相されたホール素子の信号が制御回路１８に供給される。
【００１９】
進相回路の説明を図３の回路図で説明する。図３は図１の差動増幅器２３、コンデンサ２４、抵抗２５、及びドライブＩＣ１２の中の差動増幅器１７を取出した回路図であり、それぞれの接続は図１のものと同じである。進相回路の差動増幅器２３は増幅度が非常に大きいいわゆる演算増幅器と呼ばれる増幅器であり、ドライブＩＣ１２の差動増幅器１７は増幅度が１の増幅器である。
【００２０】
前記の従来の駆動回路で説明したようにホール素子の出力電圧の波形はほぼ正弦波の形状をしているので、図３の説明では正弦波の信号を図３の端子３７，３８に加えた場合に出力端子４３の出力信号の位相が進む事を説明する。以下の説明ではコンデンサ２４の容量値をＣで表し抵抗２５の抵抗値をＲで表す。又、正弦波信号の計算の為、虚数ｊと正弦波の角周波数を表すωを用いる。
【００２１】
図３の回路を説明すると、信号Ｖａと信号Ｖｂは同じ角周波数ωを持つ正弦波信号で、ホール素子の二つの出力端子の信号を表す。信号Ｖａは差動増幅器１７の非反転入力端子４０とコンデンサ２４の一端子に供給され、信号Ｖｂは差動増幅器２３の非反転入力端子３４に供給され、コンデンサ２４の他端子は差動増幅器２３の反転入力端子３５と抵抗２５の一端子に接続され、差動増幅器２３の出力端子３６は抵抗２５の他端子と差動増幅器１７の反転入力端子４１に接続されている。
【００２２】
差動増幅器２３の反転入力端子３５に加わる信号は、信号Ｖａと差動増幅器２３の出力信号Ｖｃをコンデンサ２４と抵抗２５で分圧した信号なので、（Ｖａ×Ｒ＋Ｖｃ／ｊωＣ）／（Ｒ＋１／ｊωＣ）で表される。一方、差動増幅器２３の非反転入力端子３４に加わる信号はＶｂである。
【００２３】
増幅度が非常に大きいいわゆる演算増幅器では反転入力端子に加わる信号と非反転入力端子に加わる信号がほぼ等しくなるように出力端子の信号Ｖｃが変化し安定するので、次式が成り立つ。
【００２４】
Ｖｂ＝（Ｖａ×Ｒ＋Ｖｃ／ｊωＣ）／（Ｒ＋１／ｊωＣ）
これをＶｃについて解くと次のようになる。
【００２５】
Ｖｃ＝Ｖｂ×（１＋ｊωＣＲ）−Ｖａ×ｊωＣＲ
次に差動増幅器１７の非反転入力端子４０に加わる信号はＶａで、反転入力端子４１に加わる信号はＶｃなので差動増幅器１７の出力信号Ｖｏは、Ｖａ−Ｖｃとなり、これに上記のＶｃを代入すれば、次式のようになる。
【００２６】
Ｖｏ＝（１＋ｊωＣＲ）×（Ｖａ−Ｖｂ）
この計算結果は、差動増幅器１７の出力信号Ｖｏはホール素子の二つの出力端子の信号の差（Ｖａ−Ｖｂ）の位相を進めた信号となる事を表し、位相の進み角をθとすると、ｔａｎθ＝ωＣＲとなる。
【００２７】
以上の計算ではホール素子の出力信号を正弦波として扱ったが、実際のホール素子の出力信号は必ずしも完全な正弦波ではない。しかしホール素子の二つの出力信号が交叉する短い時間で見れば正弦波で近似出来るので、図３の回路でホール素子の信号の位相を進める事が可能になる。
【００２８】
図１の回路図では、差動増幅器１７の出力電圧の位相が進む事によって、図２に示すようにホール素子１１の端子９，１０の二つの出力電圧が交叉する時刻よりも早く基準電圧と交叉する。差動増幅器１７のこの出力電圧は制御回路１８へ入力され、制御回路１８は差動増幅器１７からの信号に基づきトランジスタ１９，２０の何れかをオン状態にする。トランジスタ１９，２０がオン状態になる時刻は、図６の従来の駆動回路に比較して早くなる。
【００２９】
トランジスタ１９，２０の何れかがオン状態になると電源端子２１からダイオード１３を通ってコイル１４，１５の何れかに電流が流れ、コイルが励磁されて磁力が発生しロータの磁石との間で反発と吸引の力が発生しロータが回転する。
【００３０】
本実施形態では電流が流れ始める時刻が図５の従来の駆動回路より早い為、コイルに流れる電流がコイルの抵抗とインダクタンスの為に徐々に増加してもホール素子の切換わりの周期の末期で大きくならず、ホール素子の切換わりの周期の中央に近い時刻で最大になる。ホール素子の切換わりの周期の末期に流れる電流は回転トルクにあまり寄与しないが、ホール素子の切換わりの周期の中央に流れる電流は回転トルクに十分寄与するので、本発明では従来の駆動回路に比較して同じ消費電流のモータであっても回転数を上げる事ができ、モータの効率が向上する。
【００３１】
モータの起動時やモータの回転が遅い場合のように、ホール素子の出力信号の変化が非常に遅い場合は、進相回路のコンデンサ２４は低い周波数に応答出来ない為、差動増幅器２３は増幅度１のボルテージフォロワとして働き、進相回路として動作しない。
【００３２】
尚、コイルに流れ始める時刻が早まった事で流れ始めの電流はモータの逆方向の回転トルクを発生させるが、流れ始めの電流は小さい為ホール素子の切換わりの周期の中央に流れる電流による回転トルクの向上が大きく寄与して回転数の低下は起こさない。尚、抵抗２７，２８は差動増幅器２３の出力電圧がチャタリングしないようにドライブＩＣ１２の出力端子７，１の電圧をホール素子の端子１０，９に正帰還させる為の抵抗である。
【００３３】
［第二の実施形態］
図４は本発明の第二の実施形態の回路図である。この実施形態は本発明を３相全波のファンモータに適用した例である。
【００３４】
図４の駆動回路は、例えば新日本無線株式会社製モータドライブＩＣ（型番ＮＪＭ２６２４Ｍ）を使用した回路を表していて、３個のホール素子７１，７２，７３と、３個の差動増幅器７４，７５，７６と、３個のコンデンサ７７，７８，７９と、３個の抵抗８０，８１，８２と、ドライブＩＣ８６と、３相ブリッジ接続された６個のトランジスタ８７〜９２と、３相のコイル９３，９４，９５とで構成されている。ドライブＩＣ８６の内部には３個の差動増幅器６７，６８，６９と制御回路７０が納められている。
【００３５】
電源端子９６からドライブＩＣ８６の電源入力端子５８へ電源が供給され、同時に抵抗を通してロータの位置を検出する各ホール素子７１，７２，７３に電源が供給される。ホール素子７１はロータの磁石の磁極を検出して磁極の極性と磁力の強さに応じた差動の電圧をドライブＩＣ８６の中の差動増幅器６７の非反転入力端子とコンデンサ７７及び差動増幅器７４の非反転入力端子に供給する。差動増幅器７４の出力は差動増幅器６７の反転入力端子に供給される。
【００３６】
ホール素子７１と差動増幅器７４とコンデンサ７７と抵抗８０で構成された回路は、図１のホール素子１１と差動増幅器２３とコンデンサ２４と抵抗２５で構成された進相回路と同じように接続され、進相回路を構成している。この為、差動増幅器６７からは進相回路によって進相されたホール素子７１の信号が制御回路７０に供給される。
【００３７】
同様に、ホール素子７２と差動増幅器７５とコンデンサ７８と抵抗８１で構成された回路と、ホール素子７３と差動増幅器７６とコンデンサ７９と抵抗８２で構成された回路は、それぞれ進相回路を構成して、差動増幅器６８と６９からは進相回路によって進相されたホール素子７２，７３の信号が制御回路７０に供給される
ドライブＩＣ８６の制御回路７０は差動増幅器６７〜６９からの信号に基づき、トランジスタ８７〜９２の内の２つのトランジスタを三相の相電流が巡回するようにオン状態にしてその他のトランジスタをオフ状態にする。トランジスタ８７〜９２の内の２つのトランジスタがオン状態になるとコイル９３〜９５の内の２つのコイルに電流が流れ、コイルに電流が流れることによって磁力が発生しロータの磁石との間で反発と吸引の力が発生しロータが回転する。
【００３８】
このように第二の実施形態の駆動回路では進相回路を３個のホール素子に対応して３回路使用し、制御回路７０に進相された３個のホール素子の信号を供給する。
【００３９】
制御回路７０はトランジスタ８７〜９２のオン，オフをホール素子の切換わりの周期よりも早く行うので、ホール素子の切換わりの周期の中央に近い時刻でコイルに流れる電流が最大になり、同じ消費電流のモータであっても回転数を上げることができ効率が向上する。
【００４０】
以上の説明では、差動増幅器７４〜７６と差動増幅器６７〜６９は別々の集積回路に納められている例であるが、例えばホール素子７１と差動増幅器７４と差動増幅器６７を一つの集積回路に納め、ホール信号処理回路として独立させる事も可能である。
【００４１】
その場合、一つのホール信号処理回路は一つのホール素子と二つの差動増幅器とコンデンサと抵抗で構成され、ホール素子の一端子は第一の差動増幅器の第一の入力端子とコンデンサの一端子に接続され、ホール素子の他端子は第二の差動増幅器の非反転入力に接続され、コンデンサの他端子は第二の差動増幅器の反転入力と抵抗の一端子に接続され、第二の差動増幅器の出力は抵抗の他端子と第一の差動増幅器の第二の入力端子に接続され、第一の差動増幅器の出力をホール信号処理回路の出力としてドライブ回路に入力してモータの駆動回路を構成する。
【００４２】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、進相回路で位置検出器の出力信号の位相を進めてドライブ回路に入力するので、コイルに流れる電流が位置検出器の切換わりの周期の中央に近い時刻で十分に大きくなり、周期の末期だけで大きくなる事が無くなり、トルクを増し回転数を上げる事ができると共に、モータの効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態を示す回路図である。
【図２】図１におけるホール素子の出力電圧と差動増幅器の出力電圧との波形図である。
【図３】図１における進相回路の説明用の回路図である。
【図４】本発明の第二の実施形態を示す回路図である。
【図５】従来のＤＣモータ駆動回路の回路図である。
【図６】図５におけるホール素子の出力電圧と差動増幅器の出力電圧との波形図である。
【符号の説明】
１１，７１〜７３　ホール素子
１２，８６　ドライブＩＣ
１４，１５，９３〜９５　コイル
１７，６７〜６９　差動増幅器
１８，７０　制御回路
２３，７４〜７６　差動増幅器
２４，７７〜７９　コンデンサ
２５，８０〜８２　抵抗
【図１】
2004040905.tif 000003
【図２】
2004040905.tif 000004
【図３】
2004040905.tif 000005
【図４】
2004040905.tif 000006
【図５】
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【図６】
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