JP4829520B2 - モータ駆動装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動モータを駆動するモータ駆動装置、及び振動モータとモータ駆動装置を備えた電子機器に関する。

携帯電話には着信を振動で知らせる振動モータが搭載されている。この振動モータは、モータ本体の回転軸に偏心分銅を設け、モータ回転動作時に偏心分銅の小刻みな振れ回りにより振動力を発生させるものである。

振動モータとしては、ブラシと整流子を備えたＤＣモータも用いられるが、ブラシと整流子との摺動接点部分の機械的な摩耗及び電食による寿命低下という問題があり、長寿命化のためにはブラシレスモータを用いるのが望ましい。

ブラシレスモータとしては、ホール素子などのセンサを用いて駆動するものが広く用いられているが、携帯電話に搭載する振動モータはスペースの限られた筐体内に搭載されるものであるため、極力小型化する必要があり、小型化のためにはブラシレスモータをセンサレス駆動するのが望ましい。
特開平６−１５３５８０号公報

携帯電話においては、着信メロディの曲に合わせて振動モータを振動させる場合がある。そして、このようなモータ駆動を行なう場合は、モータ起動時の応答性が良くないと、着信メロディと振動モータの振動とがずれてしまい、このようなずれの発生はユーザにも知覚しうる。

しかしながら、モータコイルに発生する逆起電圧を検出してロータ部の回転位置を認識するセンサレス駆動のブラシレスモータは、起動時の応答性の点で不利であるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、センサレス駆動のブラシレスモータについて起動時の応答性を向上させることである。

本発明は、各モータコイルがスター結線されたインナーロータ型３相ブラシレスモータである振動モータをセンサレス駆動するモータ駆動装置において、前記各モータコイルへの通電をオン、オフする複数のスイッチング素子を備えたモータ駆動回路と、通電パターンが異なる６つのステージを所定時間ごとに順次移行して前記振動モータへ通電するように前記モータ駆動回路を制御して、前記振動モータを起動する起動手段と、を備え、前記起動手段は、位置検出回路の検出結果とは無関係に、前記各モータコイルの前記モータ駆動回路側の電位が、連続する３ステージ分はＨレベルに、次の連続する２ステージ分はＬレベルに、次の１ステージ分はＬレベルとＨレベルとの中間的電位になる電圧波形となるようにし、かつ、前記電圧波形は前記各モータコイル間で２ステージずつ位相がずれたものとなるようにする、ことを特徴とするモータ駆動装置である。

ブラシレスモータである振動モータをセンサレス駆動する際に、６ステージのうち、各モータコイルのモータ駆動回路側の電位が、３ステージ分はＨレベルに、次の３ステージ分はＬレベルになる電圧波形となるようにして、かつ、この電圧波形は各モータコイル間で２ステージずつ位相がずれたものとなるようにして起動する技術は従来行なわれている。

しかし、各モータコイルのモータ駆動回路側の電位が、３ステージ分はＨレベルに、次の２ステージ分はＬレベルに、次の１ステージ分はＬレベルとＨレベルとの中間的電位（Ｚレベル）になる電圧波形となるようにし、かつ、この電圧波形は各モータコイル間で２ステージずつ位相がずれたものとなるようにして起動する技術は知られていない。

このような本発明の通電制御で振動モータを起動することにより、振動モータをスムーズに起動することができ、従来に比べて振動モータの起動時の応答性を高めることができることを、本発明者らは検証することができた（詳細は後述の実施例を参照）。

以下、本発明を実施するための最良の一形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態のモータ駆動装置が対象とする振動モータの一構成例を示す概略縦断面図（ａ）、概略横断面図（ｂ）である。なお、図１（ａ）の断面図と図１（ｂ）の断面図のそれぞれの切断位置は、各図のＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線で示している。

図１（ｂ）に示すように、振動モータ１において、インナーロータ部のマグネット２の形状は、径方向にＮ・Ｓ磁場配向された異方性マグネット材料の磁極方向に対し、直交する方向に位置する非有効磁束範囲部分を両端均等に切除した断面略長方形の板状マグネットである。材質的な組成はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系、又はＳｍ−Ｃｏ系の希土類マグネットが好ましく、希土類マグネットは磁気特性に優れ、小径化によるサイズダウンにも対応できる。また、図１（ｂ）からも明らかなように、マグネット２自体単体は、回転中心軸６に対して対称な断面形状を有し、動的にもロータ部バランスが保たれている。

また、逆にロータ部のアンバランス手段として、別途前記マグネット２の略長方形形状となった基の円形部分を切除し、軽量化した一方の部分（つまり、円弧を切除した片方の領域）に、マグネット材質より高比重の非磁性材料からなる重量慣性体として、棒状の偏心分銅３を、ロータ部を偏重心させる錘として、マグネット２と一体に取付けている。つまり、小型モータにおけるマグネット２の磁気特性はそのままで、偏重心に有効なマグネット２の片側の一部に、高比重の材質の偏心分銅３を取付けることにより、ロータ部の回転軸中心からの重心半径を大きくでき、インナーロータ型の振動モータとして、
スペース的に優れた偏心ロータ部が構成できる。高比重のタングステン合金は比重１８に近いものほどその効果が得られる。

前記ロータ部外周には、ハウジングケース５の内壁に固定配置された界磁コイル４が精度良く配置される。このとき、図１（ａ）に示すように、ロータ部は、回転軸６がハウジングケース５の絞り込まれた小径部側にある軸受８と、ハウジングケース５の他端部エンドフランジ７にある軸受８と、の両軸で軸支される。また、同時にロータ部のスラスト方向の支持は、エンドフランジ７側のスラスト受９と、他方側のライナー１０とで規制し保持する形となる。

一方、界磁コイル４には、フレキシブル基板である給電端子１２により給電され、給電端子１２はターミナル１１で固定されている。この給電端子１２は、機器本体側の後述のモータ駆動装置１０１（図２参照）に接続される。

本実施形態では、振動モータ１は、各モータコイルＵ，Ｖ，Ｗ（後述する）がスター結線されたインナーロータ型３相ブラシレスモータであり、後述のとおりセンサレス駆動されるため、ホール素子などのセンサは設けられていない。

ブラシレス化によりブラシ及び整流子からなる物理的な整流機構を有せず、長寿命なモータ構造が可能となる。ブラシレス化は、モータの特性上、摺動接点部分の機械的な摩耗及び電蝕による寿命低下の心配がなく、実質的に軸受摺動箇所の摩耗、つまりロータ部を両端で支持する軸受部分の部品寿命が、前記摺動接点部であるブラシ、整流子に比べ長寿命であり、結果的にモータの信頼性を向上させることができる。

図２は、振動モータ１を駆動するモータ駆動装置１０１の概略構成を示す回路図である。

前述の振動モータ１と、このモータ駆動装置１０１とは、携帯電話その他の電子機器に搭載される。

振動モータ１において、符号Ｕ，Ｖ，Ｗはスター結線された３つのモータコイルである。符号Ｃは、このスター結線された３つのモータコイルＵ，Ｖ，Ｗの中点（コモン）を示す。

モータ駆動装置１０１は、モータ駆動回路１０２、制御回路１０３、マイクロコンピュータ１０４から構成される。

モータ駆動回路１０２は、端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷ，ＴＣを介して振動モータ１と接続され、振動モータ１のモータコイルＵ，Ｖ，Ｗの通電をオン、オフする６つのスイッチング素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＷ１，ＳＷ２を備えている。スイッチング素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＷ１，ＳＷ２は、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタなどの半導体スイッチで構成することができる。

スイッチング素子ＳＵ１，ＳＵ２はモータコイルＵを、スイッチング素子ＳＶ１，ＳＶ２はモータコイルＶを、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２はモータコイルＷを、それぞれ駆動する。

すなわち、スイッチング素子ＳＵ１，ＳＶ１，ＳＷ１の少なくともいずれか１つと、スイッチング素子ＳＵ２，ＳＶ２，ＳＷ２のいずれか１つをオンすることにより、モータコイルＵ，Ｖ，Ｗに電源から電流が流れ、後述する図４のステージ０〜５のいずれかの通電パターンを実現することができる。この通電パターンは、ステージ０〜５の６パターン存在する。

例えば、図４に示すステージ０は、Ｕ相がＨレベル電圧（Ｖボルト（＝例えば、３．７ボルト））、Ｖ相がＬレベル電圧（０ボルト）、Ｗ相がＨレベル電圧（Ｖボルト）であるが、これは、スイッチング素子ＳＵ１，ＳＷ１及びＳＶ２をオンにすることにより実現することができる。なお、図４に示すＨレベル、Ｌレベル、Ｚレベルの各電圧はそれぞれ端子ＴＵ，ＴＶ，ＴＷの電位を示している。

また、ステージ１は、Ｕ相がＨレベル電圧（Ｖボルト）、Ｖ相がＺレベル電圧（１／２Ｖボルト）、Ｗ相がＬレベル電圧（０ボルト）であるが、これは、スイッチング素子ＳＵ１及びＳＷ２をオンにすることにより実現することができる。

符号１１１〜１１３は、振動モータ１をセンサレス駆動するための位置検出回路となるコンパレータ回路であり、それぞれの非反転入力端子はモータコイルＵ，Ｖ，Ｗと接続され、それぞれの反転入力端子はコモンＣと接続されている。振動モータ１のロータ部回転位置は、モータコイルＵ，Ｖ，Ｗに発生する逆起電圧をコンパレータ回路１１１〜１１３で検出することにより判断することができる。

マグネット２の磁極（２極）を各コンパレータ回路１１１〜１１３で検出する場合、ロータ部の回転角６０°ごとに、いずれかのコンパレータ回路１１１〜１１３からの検出信号が変化することになる。

制御回路１０３は、各スイッチング素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＷ１，ＳＷ２に、それぞれゲート信号ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬを出力して、モータ駆動回路１０２を制御する。また、制御回路１０３は、コンパレータ回路１１１〜１１３から検出信号を受けて、この検出信号に応じてモータ駆動回路１０２を制御することもできる。

より具体的には、制御回路１０３は、ゲート信号ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬを出力して各スイッチング素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＷ１，ＳＷ２のオン、オフを切り換える切換回路、マイクロコンピュータ１０４からのＰＷＭ信号に応じて振動モータ１をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御回路などを備え、切換回路は、後述のマイクロコンピュータ１０４のタイマ回路でカウント時間が所定時間（後述する２ｍｓ）を経過した時点で、各スイッチング素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＷ１，ＳＷ２のオン、オフのパターンを順次切り換えることで、後述するステージ０〜５に次々に移行させることができる。

マイクロコンピュータ１０４は、各種制御信号を出力して制御回路１０３に振動モータ１を制御させる。また、所定時間（後述する２ｍｓ）を計時するタイマ回路を備えている。

次に、以上のような回路構成のモータ駆動装置１０１を用いて行なわれる振動モータ１の回転制御について説明する。

図３は、振動モータ１の制御内容の概要を説明するフローチャートである。図３に示すように、振動モータ１の回転制御は、まず、オーバーラップ初期起動を一定期間行なう（ステップＳ１）。これは、起動手段を実現するものである。これにより、振動モータ１を起動したら、通常運転を行って（ステップＳ２）、振動モータ１の運転を停止する。通常運転（ステップＳ２）は、ＰＷＭ制御手段を実現するもので、ステップＳ１により起動された振動モータ１をＰＷＭ制御して回転駆動するものである。以下では、一例として、マグネット２の磁極が２極の場合につき、ステップＳ１の詳細について説明する。

図４は、オーバーラップ初期起動（ステップＳ１）のサブルーチンのフローチャートである。振動モータ１の起動の際には、各モータコイルＵ，Ｖ，Ｗへの通電パターンが異なる６つのステージ（ステージ０〜５）を、所定時間（本例では２ｍｓ）ごとに順次移行してモータ駆動回路１０２を制御する。

ステップＳ１１〜Ｓ１６は、それぞれステージ０〜５を示している。ステージ０では端子ＴＵの電位をＨレベル、端子ＴＶの電位をＬレベル、端子ＴＷの電位をＨレベルとする（ステップＳ１１）。ステージ１では端子ＴＵの電位をＨレベル、端子ＴＶの電位をＺレベル、端子ＴＷの電位をＬレベルとする（ステップＳ１２）。ステージ２では端子ＴＵの電位をＨレベル、端子ＴＶの電位をＨレベル、端子ＴＷの電位をＬレベルとする（ステップＳ１３）。ステージ３では端子ＴＵの電位をＬレベル、端子ＴＶの電位をＨレベル、端子ＴＷの電位をＺレベルとする（ステップＳ１４）。ステージ４では端子ＴＵの電位をＬレベル、端子ＴＶの電位をＨレベル、端子ＴＷの電位をＨレベルとする（ステップＳ１５）。ステージ５では端子ＴＵの電位をＺレベル、端子ＴＶの電位をＬレベル、端子ＴＷの電位をＨレベルとする（ステップＳ１６）。

このような通電を行なうことにより、Ｕ相（端子ＴＵ）、Ｖ相（端子ＴＶ）、Ｗ相（端子ＴＷ）の電圧波形は図５に示すようになる。

オーバーラップ初期起動では、２ｍｓごとにステージ０〜５を順次移行させ、先行するステージから次ステージに移行させる条件は時間経過（例えば２ｍｓ）のみであり、ロータ部のセンサレス検出とは無関係である。

図５に示すように、Ｕ相（端子ＴＵ）、Ｖ相（端子ＴＶ）、Ｗ相（端子ＴＷ）の電位（すなわち、各モータコイルＵ，Ｖ，Ｗのモータ駆動回路１０２側の電位）は、まず、Ｕ相（端子ＴＵ）についてはステージ０〜２の３ステージ分はＨレベル、次のステージ３，４の２ステージ分はＬレベル、次のステージ５の１ステージ分はＺレベルとなる波形である。Ｖ相（端子ＴＶ）についてはＵ相（端子ＴＵ）から２ステージ分（１２０°）ずれた波形となり、Ｗ相（端子ＴＷ）についてはさらに２ステージ分（１２０°）ずれた波形となる。このようなオーバーラップ初期起動は、ステージ０〜５が一巡するまでの１２ｍｓの間継続する。ステージ０〜５の一巡により、ロータ部はほぼ１回転することになる。

図６は、従来のモータ駆動装置によるＵ相（端子ＴＵ）、Ｖ相（端子ＴＶ）、Ｗ相（端子ＴＷ）の電位（すなわち、各モータコイルＵ，Ｖ，Ｗのモータ駆動回路１０２側の電位）を示すものである。図５と図６を比較すると明らかなように、本実施形態の電圧波形と従来の電圧波形との違いは、従来例には一般的な１８０°通電が使用されているのに対して、本実施形態ではステージ１のＶ相（端子ＴＶ）、ステージ３のＷ相（端子ＴＷ）、ステージ５のＵ相（端子ＴＵ）がＺレベルであることである（従来例はいずれもＬレベル）。

本発明者らは、図５のような通電パターンで振動モータ１に通電して起動を図ることにより、振動モータ１をスムーズに起動することができ、図６の場合に比べて振動モータ１の起動時の応答性を高めることができることを検証することができた（詳細は後述の実施例で説明する）。

なお、以上説明したモータ駆動装置１０１、振動モータ１は、様々な電子機器に搭載することができる。例えば、電子機器が携帯電話機の場合であれば、モータ駆動装置１０１は図３のステップＳ１，Ｓ２の処理を繰返すことで、着信メロディにあわせた振動を発生させることができる（この場合、図３の処理開始のタイミング、ステップＳ２におけるＰＷＭ信号はマイクロコンピュータ１０４が制御回路１０３に与える）。本実施形態のモータ駆動装置１０１によれば、このような使用方法を行なっても、センサレス駆動のブラシレスモータである振動モータ１の起動時の応答性が高いため、発生させた振動が着信メロディに遅れることがなく、着信メロディに対する発生振動の高い追従性を実現することができる。

本発明者らは、前述の振動モータ１にモータ駆動装置１０１を適用して、比較対照実験を行なった。以下では、この比較対照実験の内容を説明する。

実験結果を図７に示す。本実験は、２つの異なる条件（モード１と２の２パターン）で、それぞれモータ駆動装置１０１で振動モータ１を駆動して、モータ起動時の立上り性能を比較するものである。モード１は本発明の実施例を示し、モード２は従来例である。なお、マグネット２の磁極は２極である。

図７において、「起動運転」とあるのは、振動モータ１の起動時の運転を示し（前述のステップＳ１に相当）、"ＰＷＭ１００％"とあるように、モータ駆動装置１０１で通電制御を行う際のＰＷＭ制御のデューティを１００％としている。"２ｍｓ×６（１回転）１８０°通電"とあるのは、１ステージの継続時間が"２ｍｓ"で、"６"ステージ分、すなわちモータ"１回転"分の運転を、いわゆる"１８０°通電"で行なったことを示す。また、モード１において、"特殊波形"とあるのは前述した図５の波形を用いたことを示し、モード２において、"通常１８０°通電波形"とあるのは、従来の一般的な１８０°通電、すなわち前述した図６の波形を用いたことを示している。

「通常運転」とあるのは、ステップＳ２の通常運転であり、従来の一般的な１２０°通電をＰＷＭ制御のデューティを８０％として行った。この通常運転は、モード１，２において同条件で行なった。

「回転数の変化」とあるのは、通電開始時点から４０ｍｓ，６０ｍｓ，９０ｍｓ経過時点でのそれぞれの振動モータ１の回転数を示している。

「立上り時間」とあるのは、通電開始時点から振動モータ１が定格回転数の５０％に達するまでに要する時間を示している。

なお、測定結果の各データは、図２の回路構成において、モータ駆動回路１０２の電源の電源電流を電流プローブでオシロスコープに取り込むことにより得たものである。すなわち、振動モータ１の回転数の上昇に反比例して、この電源電流は低下するので、起動電流を基準に、電流値が起動電流と定格電流との中間値（５０％）となった時点を定格回転数の５０％に達した点と判断し、通電開始時点から前記の定格回転数の５０％に達した点までの時間が、「立上り時間」となる。また、通電開始時点から４０ｍｓ，６０ｍｓ，９０ｍｓ経過時点での端子ＴＵ（あるいは端子ＴＶ又はＴＷ）の電圧出力波形の周期を計測することで、「回転数の変化」を測定することができる。

図７のモード１，２の各結果は何れも３回分の測定値の平均値を示しており、各モード１，２の測定回数１〜３における生データについては図８に示している。

図７の結果を見るに、モード２の「立上り時間」は５９ｍｓｅｃを要しているのに対して、モード１の「立上り時間」は５４ｍｓｅｃに短縮され、モード２に比べてモード１では「立上り時間」を１割程度短縮できたことがわかる。

このように、振動モータ１への通電パターンに図５に示すモード１を用いることで、従来に比べて「立上り時間」の短縮を実現できることが検証できた。

本発明の一実施形態のモータ駆動装置が対象とする振動モータの一構成例を示す概略縦断面図（ａ）、概略横断面図（ｂ）である。 本実施形態のモータ駆動装置の回路図である。 モータ駆動装置による振動モータの制御内容の概要を説明するフローチャートである。 オーバーラップ初期起動のサブルーチンを説明するフローチャートである。 オーバーラップ初期起動による振動モータの起動について説明するタイミングチャートである。 従来の振動モータの起動について説明するタイミングチャートである。 実施例の比較対象実験の結果を示す説明図である。 図７の結果における各測定回数のデータを示す説明図である。

符号の説明

１ 振動モータ
１０１ モータ駆動装置
１０２ モータ駆動回路
ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＷ１，ＳＷ２ スイッチング素子
Ｕ，Ｖ，Ｗ モータコイル

Claims (3)

1. 各モータコイルがスター結線されたインナーロータ型３相ブラシレスモータである振動モータをセンサレス駆動するモータ駆動装置において、
   前記各モータコイルへの通電をオン、オフする複数のスイッチング素子を備えたモータ駆動回路と、
   通電パターンが異なる６つのステージを所定時間ごとに順次移行して前記振動モータへ通電するように前記モータ駆動回路を制御して、前記振動モータを起動する起動手段と、
   を備え、
   前記起動手段は、位置検出回路の検出結果とは無関係に、前記各モータコイルの前記モータ駆動回路側の電位が、連続する３ステージ分はＨレベルに、次の連続する２ステージ分はＬレベルに、次の１ステージ分はＬレベルとＨレベルとの中間的電位になる電圧波形となるようにし、かつ、前記電圧波形は前記各モータコイル間で２ステージずつ位相がずれたものとなるようにする、
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記起動手段による前記振動モータの起動後には、位置検出回路の検出結果に基づいて、前記モータ駆動回路を制御して前記振動モータをＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段をさらに備えている、ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 電子機器において、
   各モータコイルがスター結線されたインナーロータ型３相ブラシレスモータである振動モータと、
   前記振動モータを駆動する請求項１又は２に記載のモータ駆動装置と、
   を備えていることを特徴とする電子機器。

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