JPS638718B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、モータ可動部の位置に応じて複数相
のコイルに対する給電をトランジスタ等を使用し
て電子的に切換えてゆくブラシレス直流モータに
関するものである。

ブラシレス直流モータは、トルクリツプルが小
さく、ブラシによるノイズがなく、長寿命である
ことから、各種の音響機器に応用されている。特
公昭55−6938号公報には、このようなブラシレス
直流モータにおいて、星形結線された３相のコイ
ルに両方向の電流を通電（全波駆動）するように
なし、コイルの利用効率を向上させることが開示
されている。これによれば、多相のコイルに第１
のトランジスタ群によつて定電流を供給するよう
にし、第２のトランジスタ群によつて多相コイル
の共通接続点の電位が所定の値となるように制御
している。

しかし、この様な構成では、コイルに電流を供
給する端子の他に共通接続端子（単に電圧を検出
するために必要とされる）も、モータ側より引き
出して回路素子に接続する必要があり、配線数が
多くなり、製造が繁雑となつていた。

本発明は、そのような点を考慮し、多相のコイ
ルに電流を供給する端子のみの配線（共通接続端
子の配線は不要）により安定かつ確実な全波駆動
を実現したブラシレス直流モータを提供するもの
である。

本発明によるブラシレス直流モータの構成は、
モータ可動部の位置を検出する位置検出手段と、
複数のコイルと、前記コイルに電流を供給する複
数個のトランジスタからなる第１の駆動トランジ
スタ群と、前記コイルへの電流供給を指令する指
令電圧信号に対応しかつ前記位置検出手段の出力
に応動して前記第１の駆動トランジスタ群の通電
を分配制御する第１の分配制御手段と、前記コイ
ルと第１の駆動トランジスタ群による電流路に直
列に挿入された複数個のトランジスタからなる第
２の駆動トランジスタ群と、前記位置検出手段の
出力に応動して前記第２の駆動トランジスタ群の
通電を分配制御する第２の分配制御手段を具備
し、前記第２の分配制御手段は、基準電圧信号を
得る基準電圧発生手段と、前記第１の駆動トラン
ジスタ群の通電状態にあるトランジスタの動作電
圧と前記基準電圧信号を比較する比較手段を含ん
で構成され、通電状態にある前記第１の駆動トラ
ンジスタの動作電圧が大きくなると通電状態にあ
る前記第２の駆動トランジスタの通電電流を小さ
くし、通電状態にある前記第１の駆動トランジス
タの動作電圧が小さくなると通電状態にある前記
第２の駆動トランジスタの通電電流を大きくする
ように、前記比較手段の出力に応じて前記第２の
駆動トランジスタ群の動作状態を制御するように
なされ、かつ、前記基準電圧発生手段は前記指令
電圧信号に応動して前記基準電圧信号を変化する
ように構成されたことを特徴とするものである。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明
する。第１図は、本発明の一実施例を表わす電気
回路結線図である。第１図において、１１はロー
タにとりつけられた界磁マグネツト、１２，１
３，１４は星形結線された３相のコイル群、２
６，２７，２８は第１の駆動トランジスタ群、４
６，４７，４８は第２の駆動トランジスタ群、２
１はコイル１２，１３，１４への合成供給電流を
検出するための抵抗である。また、破線で囲まれ
た部分１０１はマグネツト１１の磁束を感知する
ホール素子１５，１６，１７，１８，１９，２０
によつて構成される位置検出器、１０２はホール
素子１５，１６，１７の出力に応動して対応する
第１の駆動トランジスタ群２６，２７，２８の通
電を分配制御する第１の分配制御器、１０３はホ
ール素子１８，１９，２０の出力に応動して対応
する第２の駆動トランジスタ群４６，４７，４８
の通電を分配制御する第２の分配制御器である。
さらに、１１０はカレントミラー回路、６２と１
０５はそれぞれ電圧・電流変換器である。

次に、その動作について説明する。電源電圧
V_CCに22Vが印加されると、指令電圧信号６０は
直流電源６１の電圧値と電圧・電流変換器６２に
て比較され、その両者の差に応じた電流が吸入さ
れる。なお、周知の方法にて、ロータの回転速度
を検出し、その速度に対応した変換電圧を指令電
圧信号６０に使用する。

電圧・電流変換器６２の構成例を第２図に示
す。信号６０と電源６１は差動トランジスタ１５
２，１５３のベースにそれぞれ印加され、その電
圧差に応じて定電流源１５０の電流値を各コレク
タ側に分配する。そのコレクタ電流はトランジス
タ１５７と１５８からなるカレントミラーによつ
て比較・反転され、ベース接地されたトランジス
タ１６０を介して出力（電流吸込）される。

電圧・電流変換器６２の出力は、カレントミラ
ー回路１１０によつて電流反転され、トランジス
タ６７の出力は第１の分配器１０２に供給されて
ダイオード７０と抵抗７１により電圧信号イに変
換される。一方、トランジスタ６９の出力は第２
の分配制御器１０３に供給されてダイオード３
０，３１と抵抗２９により電圧信号ロに変換され
る。

電圧信号イと抵抗２１の電圧降下は電圧・電流
変換器１０５にて比較され、その両者の差に応じ
た電流が出力され、第１の差動回路１０４を構成
するトランジスタ２３，２４，２５の共通エミツ
タ電流として供給される。

第３図に電圧・電流変換器１０５の構成例を示
す。トランジスタ１７１のベース側に電圧信号イ
が印加され、エミツタ側に抵抗２１の電圧降下信
号が印加され、その両者の差に応じたコレクタ電
流が流れ、トランジスタ１７３と１７４からなる
カレントミラーによつて電流反転され、第１の差
動回路１０４に供給される。

差動回路１０４のトランジスタ２３，２４，２
５の各ベース端子には、それぞれホール素子１
５，１６，１７の出力電圧が印加され、そのベー
ス電圧の差に応じて共通エミツタ電流が各コレク
タ電流に分配され、ベース電圧の最も低いトラン
ジスタのコレクタ電流が最も大きくなり、他のト
ランジスタのコレクタ電流は零またはほとんど零
となる。

トランジスタ２３，２４，２５の各コレクタ電
流は第１の駆動トランジスタ群２６，２７，２８
の各ベース電流となり、電流増幅されてコイル１
２，１３，１４へ供給される。コイル１２，１
３，１４への供給電流は抵抗２１の電圧降下とし
て検出され、電圧・電流変換器１０５の反転入力
端子に入力される。

これにより、電圧・電流変換器１０５、第１の
差動回路１０４、第１の駆動トランジスタ群２
６，２７，２８および抵抗２１によつて第１の帰
還ループ（電流帰還ループ）が構成され、コイル
１２，１３，１４への供給電流は確実に電圧信号
イ（従つて、指令電圧信号６０）に対応した電流
値となしている。その結果、トランジスタ２６，
２７，２８のh_FEバラツキ等の影響は著しく小さ
くなる。

また、界磁マグネツト１１の回転に伴つて、ホ
ール素子１５，１６，１７の出力電圧が変化し、
対応するコイルに電流を供給するように第１の駆
動トランジスタ群２６，２７，２８の通電を制御
し、切り換えてゆく。

なお、コンデンサ２２は、上述の帰還ループの
位相補償のためにつけている。

次に第２の分配制御器と、第２の駆動トランジ
スタ群の動作について説明する。第２の分配制御
器１０３は、第１の駆動トランジスタ群２６，２
７，２８の通電状態にあるトランジスタの動作電
圧と、基準電圧値を比較する検出・比較器１０６
と、第２の差動回路１０８によつて構成されてい
る。

カレントミラー回路１１０の出力は検出・比較
器１０６に入力され、抵抗２９ダイオード３０，
３１によつて第１の駆動トランジスタ群２６，２
７，２８の共通接続端子（エミツタ側）から所定
電圧値の基準電圧信号ロを発生する。

検出トランジスタ３２，３３，３４の各エミツ
タ側は入力端子として基準電位点（信号ロの点）
に直流的に（直接または抵抗を介して）接続さ
れ、各ベース側は検出端子として第１の駆動トラ
ンジスタ群２６，２７，２８の各出力端子に接続
されている。その結果、第１の駆動トランジスタ
群２６，２７，２８の通電状態にあるトランジス
タの動作電圧V_CE（コレクタ・エミツタ間電圧）
と基準電圧信号ロとが比較され、その動作電圧値
が信号ロよりもエミツタ・ベース間順方向電圧
V_D分小さくなると、対応する検出トランジスタ
が導通し、コレクタ側に電流を出力する。

第４図に駆動トランジスタ４６と２７が活性と
なつている場合の電流路を示す。その電流路は 側電源→第２の駆動トランジスタ４６→コイ
ル１２および１３→第１の駆動トランジスタ２７
→抵抗２１→側電源 となり、通電状態にある第１の駆動トランジスタ
２７の動作電圧V_CEが他の駆動トランジスタ２
６，２８の電圧V_CEよりも小さくなる。そして検
出トランジスタ３２，３３，３４は第１の駆動ト
ランジスタ群２６，２７，２８の電圧V_CEと基準
電圧信号ロを比較して、その差に応じたコレクタ
電流を出力する。第４図においては、第１の駆動
トランジスタ２７の動作電圧が電圧信号ロよりも
ベース・エミツタ間順方向電圧分小さくなると、
検出トランジスタ３３が活性となり、コレクタ電
流を出力する。各検出トランジスタ３２，３３，
３４の出力電流は合成され（コレクタ側を共通接
続）、トランジスタ３７、ダイオード３５、抵抗
３６，３８からなるカレントミラーによつて反転
増幅され、第２の差動回路１０８の共通エミツタ
電流として吸引される。

差動回路１０８のトランジスタ４３，４４，４
５の各ベース端子には、ホール素子１８，１９，
２０の出力が印加され、そのベース電圧に応じて
共通エミツタ電流をコレクタ側に分配する。トラ
ンジスタ４３，４４，４５の各コレクタ電流は第
２の駆動トランジスタ群４６，４７，４８の各ベ
ース電流となり、コイル１２，１３，１４への通
電を切換え制御している。

従つて、検出・比較器１０６、第２の差動回路
１０８、第２の駆動トランジスタ群４６，４７，
４８によつて、第２の帰還ループが構成され、第
１の駆動トランジスタ群２６，２７，２８の通電
状態にあるトランジスタの動作電圧V_CEを能動領
域内の所定の小さな電圧値に一致させるように動
作する。これについてさらに説明すれば、第１の
駆動トランジスタの動作電圧の減小は、検出・比
較器１０６によつて検出・比較されてその吸込電
流を大きくし、第２の駆動トランジスタのベース
電流、従つてコレクタ電流を大きくなし、第２の
駆動トランジスタの動作電圧V_CEを小さくし、そ
の結果、第１の駆動トランジスタの動作電圧が大
きくなる。

この様な帰還ループを施こすならば、第２の差
動回路１０８および第２の駆動トランジスタ群４
６，４７，４８の動作が安定し、位置検出器１０
１の出力に応動する通電トランジスタの切換えは
確実かつ円滑に行なわれる。

さらに、本実施例に示したように、第１の駆動
トランジスタ群の通電状態にあるトランジスタの
動作電圧を検出して、その動作電圧を基準電圧信
号ロに対応した所定値に保つように第２の駆動ト
ランジスタ群の通電電流を制御するならば、第２
の駆動トランジスタ群の電流制御を極めて安定に
行うことができる。

次に、これについて説明する。たとえば、第４
図に示したように、第１の駆動トランジスタ２７
と第２の駆動トランジスタ４６によつてコイル１
２，１３に電流を供給している場合に、指令電圧
信号６０がステツプ的に変化したものとする。指
令電圧信号６０の変化は、第１の駆動トランジス
タ２７の通電電流の変化を引き起こす。

まず、第１の駆動トランジスタ２７の通電電流
がステツプ的に増加した場合を考える。このと
き、第２の駆動トランジスタ４６の通電電流は、
前述の第２の帰還ループ（第２の分配制御器１０
３）が動作するまで一定である。従つて、第１の
駆動トランジスタ２７の通電電流は第２の駆動ト
ランジスタ４６の通電電流よりも大きくなる。こ
れにより、第１の駆動トランジスタ２７の動作電
圧は必ず小さくなり、検出トランジスタ３３のコ
レクタ電流が大きくなり、第２の帰還ループが第
２の駆動トランジスタ４６の通電電流を大きくす
るように必ず動作する。すなわち、第１の駆動ト
ランジスタ２７の動作電圧が小さくなると第２の
駆動トランジスタ４６の通電電流が大きくなり、
第２の駆動トランジスタ４６の通電電流が第１の
駆動トランジスタ２７の通電電流と必ず一致する
ようになる。

逆に、第１の駆動トランジスタ２７の通電電流
がステツプ的に減少したとする。第２の駆動トラ
ンジスタ４６の通電電流は、第２の帰還ループ
（第２の分配制御器１０３）が動作するまで一定
である。従つて、第１の駆動トランジスタ２７の
通電電流は第２の駆動トランジスタ４６の通電電
流よりも小さくなる。これにより、第１の駆動ト
ランジスタ２７の動作電圧は必ず大きくなり、検
出トランジスタ３３のコレクタ電流が小さくな
り、第２の帰還ループは第２の駆動トランジスタ
４６の通電電流を小さくするように必ず動作す
る。すなわち、第１の駆動トランジスタ２７の動
作電圧が大きくなると第２の駆動トランジスタ４
６の通電電流が小さくなり、第２の駆動トランジ
スタ４６の通電電流が第１の駆動トランジスタ２
７の通電電流と必ず一致するようになる。

このように、第１の駆動トランジスタの通電電
流にどのような変化、変動が生じた場合であつて
も、極めて安定かつ正確な第１の駆動トランジス
タの動作電圧の検出が可能であり、第２の駆動ト
ランジスタの電流制御は安定に行われ、最終的に
は、第２の駆動トランジスタの通電電流が第１の
駆動トランジスタの通電電流と必ず一致するよう
になる。このような効果は、第２の帰還ループの
動作が遅い場合にも、安定に得られるものであ
る。従つて、第２の分配制御器１０３の検出・比
較器１０６や第２の差動回路１０８やコンデンサ
４２の構成や選定が非常に簡単になる。また、急
激な供給電流の変化を行わせても、常に安定な電
流供給が可能であり、速度制御等の用途にも十分
に使用可能である。

また、基準電圧信号ロの値はV_CCに較べて十分
小さく設定できるため、コイル１２，１３，１４
における電圧降下がかなり大きくても、通電状態
にある第２の駆動トランジスタは活性領域にあつ
て飽和しにくく、前述の第１の帰還ループおよび
第２の帰還ループは安定に動作する。すなわち、
コイル１２，１３，１４への供給電圧の最大値は
十分に大きくとれる。

さらに、本実施例では、入力端子側を直流的に
（直接または抵抗を介して）基準電圧信号ロの電
位点に接続し、検出端子側を直流的に第１の駆動
トランジスタ群２６，２７，２８の各出力端子に
接続したPNP形の検出トランジスタを使用して
いるために、第１の駆動トランジスタ群２６，２
７，２８の動作電圧の検出に必要とされる素子
は、トランジスタ３２，３３，３４，３７、ダイ
オード３０，３１，３５、抵抗２９，３６，３８
となり、単一のシリコン・チツプ上に集積回路化
が可能となる（抵抗、トランジスタ、ダイオード
が集積化できることは周知）。その結果、第１図
のモータ駆動回路部分をワンチツプ集積回路にて
構成する場合に、外付部品が少なくなり、製造が
著しく容易となる。

また、その検出特性も相間のバラツキがなく、
検出に必要な電流も小さくて良い。さらに、ラテ
ラル構造のPNP形トランジスタを検出トランジ
スタとして使用するならば、ベース・エミツタ間
耐圧およびベース・コレクタ間耐圧が大きくと
れ、コイルでのスパイク電圧によつて破壊される
恐れがなくなる。

また、本実施例では、第１の駆動トランジスタ
群２６，２７，２８の動作電圧と比較する基準電
圧信号ロを指令電圧信号６０に応動して変化さ
せ、コイル１２，１３，１４への供給電流（すな
わち、第１の駆動トランジスタの通電電流）が大
きい時に信号ロを大きくし、供給電流の小さい時
に信号ロを小さくしている。これにより、第１の
駆動トランジスタ群２６，２７，２８の通電状態
にあるトランジスタの動作電圧V_CEが、その通電
電流の大小にかかわらず確実に能動領域内の小さ
な電圧値となるように第２の駆動トランジスタ群
４６，４７，４８の通電電流が制御される。

このような動作は、特に第１の駆動トランジス
タが飽和するときに重要となる。これについて第
５図により説明する。トランジスタの飽和電圧は
通電電流に比例して大きくなり、逆に、能動領域
は狭くなつてゆく。いま、電圧信号ロを一定（抵
抗２９、ダイオード３０，３１の両端電圧が一
定）とするならば、第１の駆動トランジスタが飽
和状態になり、かつ、その通電電流を大きくする
ように動作するならば、通電電流の増大に伴つて
動作電圧（この場合は飽和電圧）が大きくなる。
従つて、基準電圧信号ロと動作電圧の差が小さく
なり、第２の駆動トランジスタ群４６，４７，４
８の供給電流を小さくし、その結果、第１の駆動
トランジスタの動作電圧がさらに大きくなるとい
う誤動作を生じる。一方、本実施例のごとく電圧
信号ロを通電電流に応動して運動変化させるなら
ば、上述の誤動作を生じないで、確実な動作を得
ることができる。

なお、コンデンサ４２は上述の帰還ループの位
相補償のためにつけられている。また、コイル１
２，１３，１４の端子に接続されたコンデンサ４
９，５１，５３と抵抗５０，５２，５４の直列回
路は、通電路の切換えに伴うスパイク電圧を低減
するものである。

前述の実施例では、３相のコイルを星形結線し
た例を示したが、本発明はそのような場合に限ら
ず、一般に、多相のコイルを有するモータを構成
できる。また、駆動トランジスタはバイポーラ形
トランジスタに限らず、電界効果形トランジスタ
でも良いことはいうまでもない。その他、本発明
の主旨を変えずして、種々の変形が可能である。

以上本発明によれば、通電状態にある第１の駆
動トランジスタの動作電圧を検出し、その電圧が
所定の値になるように、通電状態にある第１の駆
動トランジスタの動作電圧が大きくなると通電状
態にある第２の駆動トランジスタの通電電流を小
さくし、通電状態にある第１の駆動トランジスタ
の動作電圧が小さくなると通電状態にある第２の
駆動トランジスタの通電電流を大きくするよう
に、第２の駆動トランジスタ群の動作状態を制御
しているので、モータのコイルへの接続端子数は
少なくてよく、部品点数、製造工数は低減され
る。また、駆動回路とコイルとの接続数の減小に
より、例えば、第１図の回路をワンチツプ集積回
路にて構成する場合には、その出力ピン数も少な
くなる。

従つて、本発明に基づいて、音響機器または映
像機器用のブラシレス直流モータを構成するなら
ば、安価に性能の良い機器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を表わす電気回路結
線図、第２図および第３図はそれぞれ電圧・電流
変換器の構成例を表わす回路図、第４図は第１図
の回路の動作を説明するための図、第５図はトラ
ンジスタの動作領域を表わす図である。 １１……マグネツト、１２，１３，１４……コ
イル、２６，２７，２８……第１の駆動トランジ
スタ群、３２，３３，３４……検出トランジス
タ、４６，４７，４８……第２の駆動トランジス
タ群、６２……電圧・電流変換器、１０１……位
置検出器、１０２……第１の分配制御器、１０３
……第２の分配制御器、１０４……第１の差動回
路、１０５……電圧・電流変換器、１０６……検
出・比較器、１０８……第２の差動回路、１１０
……カレントミラー回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ モータ可動部の位置を検出する位置検出手段
   と、複数相のコイルと、前記コイルに電流を供給
   する複数個のトランジスタからなる第１の駆動ト
   ランジスタ群と、前記コイルへの電流供給を指令
   する指令電圧信号に対応しかつ前記位置検出手段
   の出力に応動して前記第１の駆動トランジスタ群
   の通電を分配制御する第１の分配制御手段と、前
   記コイルと第１の駆動トランジスタ群による電流
   路に直列に挿入された複数個のトランジスタから
   なる第２の駆動トランジスタ群と、前記位置検出
   手段の出力に応動して前記第２の駆動トランジス
   タ群の通電を分配制御する第２の分配制御手段を
   具備し、前記第２の分配制御手段は、基準電圧信
   号を得る基準電圧発生手段と、前記第１の駆動ト
   ランジスタ群の通電状態にあるトランジスタの動
   作電圧と前記基準電圧信号を比較する比較手段を
   含んで構成され、通電状態にある前記第１の駆動
   トランジスタの動作電圧が大きくなると通電状態
   にある前記第２の駆動トランジスタの通電電流を
   小さくし、通電状態にある前記第１の駆動トラン
   ジスタの動作電圧が小さくなると通電状態にある
   前記第２の駆動トランジスタの通電電流を大きく
   するように、前記比較手段の出力に応じて前記第
   ２の駆動トランジスタ群の動作状態を制御するよ
   うになされ、かつ、前記基準電圧発生手段は前記
   指令電圧信号に応動して前記基準電圧信号を変化
   するように構成されたブラシレス直流モータ。 ２ 比較手段は、各ベース端子側を第１の駆動ト
   ランジスタ群の各出力端子とコイルとの接続端に
   接続され、各エミツタ端子側を共通接続して基準
   電圧発生手段の基準電圧信号に対応した電位点に
   接続された複数個の検出トランジスタを含んで構
   成され、通電状態にある前記第１の駆動トランジ
   スタの動作電圧と前記基準電圧信号を前記検出ト
   ランジスタより比較するようにしたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載のブラシレス直流
   モータ。