(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータマグネットと、ステータコイルと、前記ロータマグネットの回転位置を検出するための３個の位置センサと、前記位置センサにより検出したロータ位置に応じて前記ステータコイルへの通電を切り替える駆動回路とを有する３相ブラシレスモータにおいて、
前記ロータマグネットは前記位置センサとの対向部に磁極配列密度が異なる２列の磁気リングを有し、前記ステータコイルへの通電の切替えに用いられる前記３個の位置センサのうちの１つの位置センサが磁気配列密度の大きい方の磁気リングに対向して配置され、
前記駆動回路が始動後前記３個の位置センサのうちの１つの位置センサから出力されるロータ位置信号のみに基づいてステータコイルへの通電を切替えるように該駆動回路を制御する制御回路を設け、
前記制御回路は前記位置センサから出力するアナログのロータ位置信号を波形整形する波形整形回路と、波形整形された位置信号をコード化する論理回路を含み、このコード化された信号に基づいてモータの回転方向を判断する
ことを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項２】
前記３個の位置センサのうちの１つの位置センサから出力されるロータ位置信号の周波数が他の位置センサから出力されるロータ位置信号の周波数のＮ（正の整数）倍大きい請求項１に記載のブラシレスモータ。
【請求項３】
前記Ｎがモータの相数に等しい請求項２に記載のブラシレスモータ。
【請求項４】
前記制御回路が前記３個の位置センサのうちの１つの位置センサから出力されるロータ位置信号の周波数を逓倍する周波数逓倍器を有し、前記駆動回路が該周波数逓倍器により周波数が逓倍された信号に基づいてステータコイルへの通電を切替えるようにした請求項１に記載のブラシレスモータ。
【請求項５】
前記３個の位置センサのうちの１つから出力されるロータ位置信号のみに基づくステータコイルへの通電切替えに先立ち、前記３個の位置センサから出力するロータ位置信号に基づいてモータの回転方向を検出する請求項１ないし４のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。
【請求項６】
ロータマグネットと、ステータコイルと、前記ロータマグネットの回転位置を検出するための複数個の位置センサと、前記位置センサで検出したロータ位置に応じて前記ステータコイルへの通電を切り替える駆動回路とを有するブラシレスモータの回転制御方法において、
前記ブラシレスモータは、前記ロータマグネットは前記位置センサとの対向部に磁極配列密度が異なる２列の磁気リングを有し、前記ステータコイルへの通電の切替えに用いられる前記特定の１つの位置センサが磁気配列密度の大きい方の磁気リングに対向して配置された構造であって、
前記複数個の位置センサの前記ロータマグネット位置信号からコードを生成するステップと、
前記ステータコイルに順次通電されて前記ロータマグネットが回転し始めるステップと、
制御回路が生成されたコードのパターンを予め定めた基準パターンと比較し回転方向を判断するステップと、
前記駆動回路が、始動後前記位置センサの特定の１つから出力されるロータマグネット位置信号のみに基づいて、他の位置センサから出力するロータ位置信号の整数倍高い周波数でステータコイルへの通電を切替えるステップとを特徴とするブラシレスモータの回転制御方法。
【請求項７】
前記複数の位置センサから出力するロータマグネット位置信号に基づいてモータの回転方向を判断検出した後、前記位置センサの特定の１つから出力されるロータ位置信号のみに基づいてステータコイルへの通電を切替えるステップを特徴とする請求項６に記載のブラシレスモータの回転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はブラシレスモータおよびその回転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレスモータは、基本的には、ロータマグネットと、ステータコイルと、ロータマグネットの回転位置を検出するための位置センサ（多くの場合ホール素子が用いられている）と、位置センサで検出したロータ位置に応じてステータコイルへの通電を順次切り替える駆動回路とにより構成されており、ステータコイルにより生成される磁界とロータマグネットとの間に生じる磁気力によりロータマグネットが連続回転する。通常、位置センサはモータの相数に関連し配列や構成もそれに応じて変わってゆく。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところでブラシレスモータが小型になると、プリント基板上に位置センサを許容誤差の範囲内で精度よく配列することが製作上困難になるために、位置センサから得られるロータマグネットの位置信号に基づく駆動制御はモータの回転むらやコギング現象の原因になる。この問題はモータが小型になるほどまた極数が多くなるほど深刻になる。
【０００４】
本発明は、ロータマグネットの回転位置検出用の位置センサのプリント基板への取り付け精度や素子のパッケージ内での位置精度の影響を受けることなく、精度のよい回転制御が可能なブラシレスモータおよびその回転制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明は上記の目的を達成するために、ロータマグネットと、ステータコイルと、前記ロータマグネットの回転位置を検出するための３個の位置センサと、前記位置センサにより検出したロータ位置に応じて前記ステータコイルへの通電を切り替える駆動回路とを有する３相ブラシレスモータにおいて、
前記ロータマグネットは前記位置センサとの対向部に磁極配列密度が異なる２列の磁気リングを有し、前記ステータコイルへの通電の切替えに用いられる前記３個の位置センサのうちの１つの位置センサが磁気配列密度の大きい方の磁気リングに対向して配置され、
前記駆動回路が始動後前記３個の位置センサのうちの１つの位置センサから出力されるロータ位置信号のみに基づいてステータコイルへの通電を切替えるように該駆動回路を制御する制御回路を設け、
前記制御回路は前記位置センサから出力するアナログのロータ位置信号を波形整形する波形整形回路と、波形整形された位置信号をコード化する論理回路を含み、このコード化された信号に基づいてモータの回転方向を判断するように構成した。
【０００６】
本発明においては、前記制御回路が前記３個の位置センサのうちの１つの位置センサから出力されるロータ位置信号の周波数を逓倍する周波数逓倍器を有し、前記駆動回路が該周波数逓倍器により周波数が逓倍された信号に基づいてステータコイルへの通電を切替えるようにした。
【０００７】
本発明においては、前記３個の位置センサのうちの１つから出力されるロータ位置信号のみに基づくステータコイルへの通電切替えに先立ち、前記３個の位置センサから出力するロータ位置信号に基づいてモータの回転方向を検出する。
【０００８】
図１は本発明を適用するブラシレスモータの一例としてのアウタロータ形３相ブラシレスモータの断面図である。ロータマグネットの位置を検出するための位置センサとしてホール素子を用いた例である。
【０００９】
ブラシレスモータ１００は、プリント基板１０上に非磁性材料の円筒１１を取り付け、この円筒１１の外側にはステータコイル１２が取り付けられている。一方、ステータコイル１２を外側で包むように椀状のロータケース１３が設けられ、その中心には回転軸１４が固定され、この回転軸１４は円筒１１の内部上下に設けられた軸受１５ａ、１５ｂで回転自在に軸受されている。
【００１０】
ロータケース１３の内周面には永久磁石から成るＮ、Ｓが交互に配列された永久磁石１６がステータコイル１２とわずかな間隙を隔てて配置されている。またロータケース１３の下端縁には扁平なリング１７が固定され、そのリング１７の下面（プリント基板１０に対向する面）には異なる磁極Ｎ、Ｓが交互に配列された２列の磁気リング２０、２１が取り付けられている。磁気リング２０と２１の磁極の配列密度は図３を参照して後述するように異なっている。
【００１１】
一方、プリント基板１０上には外側の磁気リング２０に対向して１個のホール素子Ｈ１が、また内側の磁気リング２１に対向して２個のホール素子Ｈ２、Ｈ３が１２０度で離間配置されている。このことについては図２を参照して後述する。
【００１２】
図２は図１に示したブラシレスモータのＡ−Ａ線に沿ってプリント基板１０上を見た図であり、図３は図１におけるＢ−Ｂ線に沿って上向きに見た図であり、ステータコイル１２は省略してある。
【００１３】
図２はプリント基板１０上の３つのホール素子の位置を示しており、ロータケース１３の回転軸１４の中心から半径Ｒ１の円上に機械角で１２０度の間隔で２個のホール素子Ｈ２とＨ３が配列され、同じく回転軸１４の中心から半径Ｒ２（Ｒ２>Ｒ１）の円上に１個のホール素子Ｈ１が配置されている。
【００１４】
一方、図３からわかるように、リング１７の下面に設けられた磁気リング２０、２１はいずれも磁極Ｎ、Ｓが交互に配列された磁極群から成るが、外側の磁気リング２０は６組のＮ、Ｓ磁極群から成り、内側の磁気リング２１は２組のＮ、Ｓ磁極群から成り、磁気リング２０は磁気リング２１より磁極群の配列が３倍の密度になっている。
【００１５】
図４（ａ）、（b）、（ｃ）は、ホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３から出力するアナログの位置信号を波形整形して得られる２値のロータ位置信号（たとえばハイレベルのときＮ極、ローレベルのときＳ極である）を示すタイミングチャートで、ホール素子Ｈ１から得られるロータ位置信号はホール素子Ｈ２、Ｈ３から得られるロータ位置信号の３倍の周波数を有する。それは、ホール素子Ｈ１が磁気リング２１の３倍の磁極密度を有する磁気リング２０に対向して配置されているのに対して、ホール素子Ｈ２、Ｈ３は磁気リング２１に対向して配置されているからである。
【００１６】
図５はホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３から得られるロータ位置信号に基づいて作られたコード表であり、３ビットでコード化されている。
【００１７】
図６はブラシレスモータ１００の駆動回路を示すブロック線図である。
【００１８】
制御回路３０は、ブラシレスモータ１００のホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３から出力するアナログのロータ位置信号を波形整形する波形整形回路と、波形整形された位置信号をコード化する論理回路を含み、このコード化された信号に基づいてモータの回転方向を判断する。通電切替回路３１は６個のパワートランジスタ３１ａ〜３１ｆで構成され、そのオン、オフが制御回路３０からの駆動制御信号（たとえばＰＷＭ駆動制御の場合はパルス幅が変調されたパルス信号）により切替えられてブラシレスモータ１００のステータコイル１２に供給する電流を切替えるようになっている。３２はブラシレスモータ１００の駆動用直流電源である。
【００１９】
次に本発明によるブラシレスモータの動作について説明する。
【００２０】
ブラシレスモータが始動する前の停止状態では、ホール素子Ｈ１は外側の磁気リング２０のいずれかの磁極と対向し、ホール素子Ｈ２、Ｈ３は内側の磁気リング２１のいずれかの磁極と対向している。モータ停止状態におけるロータ位置信号から生成したコードがたとえば図５のコード表におけるＸ１の状態とする。
【００２１】
いま制御回路３０から駆動制御信号が出力され、これにより通電切替回路３１のパワートランジスタ３１ａ〜３１ｆが順次オンされ、ステータコイル１２に順次通電されてロータケース１３が一方向に回転し始めたとすると、ロータケース１３が最大３０度回転するうちにホール素子Ｈ１の出力信号は反転するので、ホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３から出力するロータ位置信号に基づいて生成される３ビットのコードは変化し、たとえば図５のＸ２の状態になる。ロータケース１３が回転するにつれて、ホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３から出力するロータ位置信号の状態が順次変化していくので、生成されるコードも変化していく。制御回路３０では、こうして生成されるコードのパターンを予め定めた基準コードパターンと比較し、両者が同じであればその回転方向が予期した方向（たとえばＣＣＷ）であると判断する。
【００２２】
回転方向の判断ができた段階（これはモータの始動直後の極めて短い時点である）で、制御回路３０はモータの回転制御を特定のホール素子であるホール素子Ｈ１から出力するロータ位置信号だけによる回転制御に切替える。
【００２３】
すなわち制御回路３０はホール素子Ｈ１の出力信号だけに基づいて駆動制御信号（たとえば所定の時間間隔で所定時間持続するパルス信号の繰り返し）を生成し、その駆動制御信号により通電切替回路３１のパワートランジスタ３１ａ〜３１ｆを順次切替えてオンする。ホール素子Ｈ１の出力信号の周波数はホール素子Ｈ２、Ｈ３の出力信号の周波数の３倍となっているので、パワートランジスタ３１ａ〜３１ｆを順次オンするタイミング（たとえばＰＷＭ駆動制御の場合はパルス信号の周期）は３個のホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３すべての出力信号を用いて駆動制御する際のタイミングと同じになる。
【００２４】
このように本発明では特定の１つのホール素子Ｈ１の出力信号だけに基づいてモータの駆動制御信号を生成しているので、他のホール素子Ｈ２やＨ３の影響、特にプリント基板１０上におけるホール素子の取付位置のずれや取付精度のばらつきあるいは素子のパッケージ内の位置精度の影響を全く受けることがなく、精度の高い回転制御が可能となる。
【００２５】
ホール素子Ｈ１の出力信号だけに基づく回転制御は、モータ始動直後にモータの回転方向が確認できてから停止に至るまでの間を通して行うことができる。モータ始動前の状態においては、すべてのホール素子の出力信号を検出できる状態になっていることが必要である。なお、モータ始動後の加速制御や減速制御は従来知られている方法で行われる。
【００２６】
上記実施の形態においては３相アウタロ−タ形ブラシレスモータを例示したが、相数が異なる場合は、配列や構成もそれに応じて変わる。またモータの極数は特に問題にすることなく本発明を適用することができる。インナロータ形ブラシレスモータにももちろん適用することができる。また、モータに設けられる複数個のホール素子のうちの特定の１つのホール素子から得られるロータ位置信号の周波数を他のホール素子から得られるロータ位置信号の周波数の整数倍とする手段として、上記実施の形態で用いた磁気配列密度の異なる磁気リングの他に、前もって定めた１つのホール素子の出力信号の周波数だけを逓倍する周波数逓倍器を用いるとか、デジタルスイッチを用いてもよい。
【００２７】
磁極配列の異なる磁気リングは磁性材料への着磁により実現することもできる。磁気リングは１個または２個で形成してもよい。またモータ始動直後のモータ回転方向の確認は、回転につれて生成されるコードパターンを所定数個のコード分について順次基準パターンと比較して行ってもよいし、始動後の所定時間に亘り両者を比較して行ってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の３相ブラシレスモータは、ロータマグネットが位置センサとの対向部に磁極配列密度が異なる２列の磁気リングを有し、ステータコイルへの通電の切替えに用いられる３個の位置センサのうちの１つの位置センサが磁気配列密度の大きい方の磁気リングに対向して配置され、駆動回路が始動後、３個の位置センサのうちの１つの位置センサから出力されるロータ位置信号のみに基づいてステータコイルへの通電を切替えるように駆動回路を制御する制御回路を設け、制御回路は位置センサから出力するアナログのロータ位置信号を波形整形する波形整形回路と、波形整形された３個の位置信号をコード化する論理回路を含み、このコード化された信号に基づいてモータの回転方向を判断するようにしたので、すなわち、位置センサによって得た信号はコード化され、たとえば基準コードパターンと比較されることによって回転方向が判断されるようにしたので、モータの回転制御に当たり位置センサの取付位置のばらつきや取付け精度の影響を受けることがなくなり、精度の高い回転制御が可能になる。この点は小型モータ、特に極度に小型化されたモータや極数の多い小型モータにとって有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるブラシレスモータの一例の軸断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿って見た基板上のホール素子を示す平面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿って上方を見た図である。
【図４】（ａ）、（b）、（ｃ）はそれぞれホール素子Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３から出力するロータ位置信号を波形整形して示すタイミングチャートである。
【図５】波形整形されたロータ位置信号から生成されたコード表を示す。
【図６】図１に示したブラシレスモータの駆動回路のブロック線図を示す。
【符号の説明】
１０  プリント基板
１２  ステータコイル
１３  ロータケース
１４  回転軸
１５ａ、１５b  軸受
１６  永久磁石
１７  リング
２０、２１  磁気リング
３０  制御回路
３１  通電切替回路
３２  直流電源
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３  ホール素子
【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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