JP4890796B2 - モータ駆動回路およびそれを用いたディスク装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転子の回転を制御する技術に関し、特に、複数のコイルを有するステータと磁性を有するロータとを含むモータの回転を制御するモータ駆動回路に関する。

ポータブルＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）装置や、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）など、ディスク型メディアを使用した電子機器において、そのディスクを回転させるためにブラシレス直流モータが用いられる。ブラシレス直流（ＤＣ）モータは、一般に、永久磁石を備えたロータと、スター結線された複数の相のコイルを備えたステータとを備えており、コイルに供給する電流を制御することによりコイルを励磁し、ロータをステータに対して相対回転させて駆動する。ブラシレスＤＣモータは、ロータの回転位置を検出するために、一般に、ホール素子や光学エンコーダなどのセンサを備えており、センサにより検出された位置に応じて、各相のコイルに供給する電流を切り換えて、ロータに適切なトルクを与える。

モータをより小型化するために、ホール素子などのセンサを利用せずにロータの回転位置を検出するセンサレスモータも提案されている（たとえば、特許文献１参照）。センサレスモータは、たとえばモータの中点配線の電位を計測することにより、コイルに発生する誘導電圧を検出して位置情報を得る。

特許文献２において、発明が解決しようとする課題として説明されるように、こうしたセンサレスモータにおいては、逆起ノイズなどによって各コイルに発生する逆起電圧にスパイク状のノイズが発生し、モータの回転が不安定となるという問題がある。
特開平３−２０７２５０号公報 特開平１０−２４３６８５号公報

こうした逆起ノイズによる影響を低減するために、本出願人は上述の特許文献２において、逆起ノイズが発生する所定期間の間、逆起ノイズによる信号レベルの遷移をマスクして当該逆起ノイズがモータの駆動に影響を低減する技術を提案した。特許文献２で提案した技術では、逆起ノイズをマスクする期間を所定の値に固定しているため、モータの回転数が大きく変化するアプリケーションにおいては、モータの安定性に改善の余地があった。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの回転数が変化しても、ノイズを除去して回転を安定化可能なモータ駆動回路の提供にある。

本発明のある態様は、多相モータに駆動電流を供給して駆動するモータ駆動回路に関する。このモータ駆動回路は、多相モータの各相のコイルに発生する逆起電圧を多相の中点電圧とそれぞれ比較し、各相の第１矩形波信号を生成する逆起検出コンパレータと、逆起検出コンパレータから出力される各相の第１矩形波信号のノイズ成分を除去するマスキング処理を行い、各相の第２矩形波信号として出力するマスク回路と、各相の第２矩形波信号にもとづき、多相モータの各相のコイルに駆動電流を供給する出力回路と、各相の第２矩形波信号のエッジを検出し、検出したエッジ毎にレベルが切り替わる周波数発生信号を生成する周波数発生回路と、周波数発生信号のレベル遷移後、周波数発生信号のパルス幅に所定の係数を乗じた期間、所定レベルとなるマスク信号を生成するマスク信号生成回路と、を備える。マスク回路は、マスク信号が所定レベルの期間、第１矩形波信号のレベル変動を無効化するマスキング処理を行う。

この態様によると、マスク信号により規定される第１矩形波信号の変動を無効化する期間は、周波数発生信号のパルス幅、すなわちモータの回転数に応じて変化することになるため、モータの回転数が変動した場合においても、第１矩形波信号から逆起ノイズなどを好適に除去し、モータを安定に回転させることができる。

マスク信号生成回路は、周波数発生信号のレベル遷移ごとにリセットされ、カウントを開始するカウンタと、カウンタによりカウントされたリセット時のカウント値を保持するレジスタと、レジスタに保持されたカウント値に所定の係数を乗じて得られる数値に応じたパルス幅を有するマスク信号を出力するマスク幅設定部と、を含んでもよい。

レジスタは、出力すべきマスク信号に対して１つ前の周波数発生信号のカウント値を保持してもよい。この場合、マスク時間には、直前のモータの回転数が反映されるため、モータの回転数を急激に変化させる場合にも、安定に駆動することができる。

マスク信号生成回路は、多相モータの駆動開始時において、所定の固定値をパルス幅として有するマスク信号を出力してもよい。
モータの駆動開始時において、マスク信号のパルス幅を固定することにより、周波数信号を固定することができる。

モータ駆動回路は、１つの半導体基板上に一体集積化されてもよい。なお、ここでの集積化とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。

本発明の別の態様は、電子機器である。この電子機器は、ディスクを回転させるスピンドルモータと、スピンドルモータを駆動する上述のモータ駆動回路と、を備える。

この態様によると、逆起ノイズの影響御抑え、ディスクの回転数を安定化することができる。

本発明によれば、モータの回転数が変化しても、ノイズを除去して回転を安定化可能なモータ駆動回路を提供できる。

図１は、実施の形態に係るモータ駆動回路１００の構成を示す回路図である。モータ駆動回路１００は、センサレスブラシレスＤＣモータ５０（以下、単に「モータ５０」という）に駆動電流を供給して回転を制御する。モータ５０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル５０ａ〜５０ｃを含む３相ＤＣモータである。

モータ駆動回路１００は、逆起検出コンパレータ１０、マスク回路１２、出力回路１４、周波数発生回路２０、マスク信号生成回路３０を含む。モータ駆動回路１００は、１つの半導体基板上に一体集積化された機能ＩＣである。

逆起検出コンパレータ１０は、モータ５０の各相のコイル５０ａ〜５０ｃに発生する逆起電圧Ｖｕ〜Ｖｗを多相のコイルの中点電圧Ｖｎとそれぞれ比較し、各相の第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗを生成する。第１矩形波信号Ｐｕは、Ｖｕ＞Ｖｎのときハイレベル、Ｖｕ＜Ｖｎのときローレベルとなる。同様に、第１矩形波信号Ｐｖは、Ｖｖ＞Ｖｎのときハイレベル、Ｖｖ＜Ｖｎのときローレベルとなり、第１矩形波信号Ｐｗは、Ｖｗ＞Ｖｎのときハイレベル、Ｖｗ＜Ｖｎのときローレベルとなる。

マスク回路１２は、逆起検出コンパレータ１０から出力される各相の第１矩形波信号Ｐｖ〜Ｐｗのノイズ成分を除去するマスキング処理を行い、各相の第２矩形波信号Ｍｕ〜Ｍｗとして出力する。出力回路１４は、各相の第２矩形波信号Ｍｕ〜Ｍｗにもとづき、モータ５０の各相のコイル５０ａ〜５０ｃに駆動電流を供給する。

周波数発生回路２０は、ロータの位置を検出するための位置検出回路であって、各相の第２矩形波信号Ｍｕ〜Ｍｗの信号の遷移エッジを検出し、検出したエッジ毎にレベルがハイレベルとローレベルとで切り替わる周波数発生信号ＳｉｇＦＧを生成する。たとえば、周波数発生信号ＳｉｇＦＧは、第２矩形波信号Ｍｕ〜Ｍｗの排他的論理和（Ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ−ＯＲ）を演算することにより生成することができる。

マスク信号生成回路３０は、周波数発生信号ＳｉｇＦＧのパルス幅Ｔｐに所定の係数を乗じた期間、ハイレベルとなるマスク信号ＭＳＫを生成する。周波数発生信号ＳｉｇＦＧのパルス幅Ｔｐとは、信号レベルが遷移してから、次に遷移するまでの時間をいう。マスク信号ＭＳＫは、マスク回路１２へと出力される。

マスク信号生成回路３０は、カウンタ３２、レジスタ３４、マスク幅設定回路３６を含む。カウンタ３２には、外部から入力されるクロック信号ＣＫをカウントする。カウンタ３２には、周波数発生信号ＳｉｇＦＧが入力されており、その信号レベルが切り替わるごとにカウント値ＣＮＴがリセットされ、再びカウントを開始する。レジスタ３４は、カウンタ３２がリセットされるごとに、リセット時のカウント値ＣＮＴを逐次保持する。マスク幅設定回路３６は、レジスタ３４に保持されたカウント値ＣＮＴに所定の係数αを乗じて得られる数値に対応する期間、ハイレベルとなるマスク信号ＭＳＫを出力する。

マスク回路１２は、第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗのいずれかが遷移してから、マスク信号ＭＳＫがハイレベルの期間、第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗのレベル変動を無効化するマスキング処理を行う。すなわち、マスク信号ＭＳＫがハイレベルの期間は、第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗの信号レベルが変動しても、その変動は第２矩形波信号Ｍｕ〜Ｍｗには反映されない。一方、マスク信号ＭＳＫがローレベルの期間は、第２矩形波信号Ｍｕ〜Ｍｗは、それぞれ第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗと等しくなる。

出力回路１４は、モータ５０のステータを構成する３相のコイル５０ａ〜５０ｃに供給する電流を制御する。出力回路１４は、ドライブ信号合成回路１６、パワートランジスタ回路１８を含む。パワートランジスタ回路１８は、６個のスイッチング用のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を備え、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオンオフによりコイル５０ａ〜５０ｃに供給される電流がオンオフされる。トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオンオフは、ドライブ信号合成回路１６により制御される。

ドライブ信号合成回路１６は、マスク回路１２から出力される第２矩形波信号Ｍｕ〜Ｍｗにもとづき、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のゲートに印加すべきドライブ信号Ｄｕｕ〜Ｄｕｌを生成する。

以上のように構成されたモータ駆動回路１００の動作について説明する。図２（ａ）〜（ｍ）は、モータ駆動回路１００の動作状態を示すタイムチャートである。図２（ａ）〜（ｃ）は、モータ５０の各相のコイル５０ａ〜５０ｃに発生する逆起電圧Ｖｕ〜Ｖｗを、同図（ｄ）はコイル５０ａ〜５０ｃの中点電圧Ｖｎを、同図（ｅ）〜（ｇ）は第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗを、同図（ｈ）〜（ｊ）は第２矩形波信号Ｍｕ〜Ｍｗを、同図（ｋ）は周波数発生信号ＳｉｇＦＧを、同図（ｌ）はレジスタ３４に保持されるカウント値ＣＮＴを、同図（ｍ）はマスク信号ＭＳＫを表す。

コイル５０ａ〜５０ｃには、出力回路１４によって駆動電流が供給され、その結果生じる逆起電圧Ｖｕ〜Ｖｗは、互いに１２０°づつ位相がずれた周期信号となる。逆起検出コンパレータ１０は、逆起電圧Ｖｕ〜Ｖｗと中点電圧Ｖｎをそれぞれ比較し、第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗを生成する。逆起電圧Ｖｕ〜Ｖｗには、スパイク状の逆起ノイズＮｖ１〜Ｎｖ３が発生しており、第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗにも、この逆起ノイズがＮｐ１〜Ｎｐ３として現れる。

時刻Ｔ０に第２矩形波信号Ｍｕがローレベルからハイレベルへと遷移すると、周波数発生回路２０は、この立ち上がりエッジ（ポジエッジ）を検出し、周波数発生信号ＳｉｇＦＧをローレベルに切り替える。マスク信号生成回路３０のカウンタ３２は、周波数発生信号ＳｉｇＦＧが遷移すると同時にリセットされ、あらたなカウントを開始する。

逆起ノイズＮｖ１が現れる時刻Ｔ１において、マスク信号ＭＳＫはハイレベルである。上述のように、マスク回路１２は、マスク信号ＭＳＫがハイレベルの期間、第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗのレベル変動を無効化する。したがって、Ｗ相に着目すると、第２矩形波信号Ｍｗに第１矩形波信号Ｐｗに現れるノイズ成分Ｎｐ１は現れず、逆起ノイズの影響が除去された平坦な信号が得られる。

時刻Ｔ２にマスク信号ＭＳＫがローレベルとなり、時刻Ｔ３に第１矩形波信号Ｐｗがローレベルとなる。時刻３において、マスク信号ＭＳＫはローレベルであって、マスク回路１２は、第１矩形波信号Ｐｗのレベル変動に追従した第２矩形波信号Ｍｗを出力するため、第２矩形波信号Ｍｗもローレベルとなる。周波数発生回路２０は、第２矩形波信号Ｍｗの立ち下がりエッジ（ネガエッジ）を検出し、周波数発生信号ＳｉｇＦＧをローレベルからハイレベルに切り替える。カウンタ３２は、時刻Ｔ３に再度リセットされ、それまでのカウント値ｃｎｔ１をレジスタ３４に書き込む。このカウント値ｃｎｔ１は、図中Ｔｐ１で示す周波数発生信号ＳｉｇＦＧのパルス幅Ｔｐ１に応じた値となる。すなわち、カウンタ３２に入力されるのクロック信号ＣＫの周期時間をＴｃｋとすると、ｃｎｔ１＝Ｔｐ１／Ｔｃｋとなる。

マスク幅設定回路３６は、マスク幅設定回路３６に書き込まれたカウント値ｃｎｔ１に所定の係数αを乗じて得られる値（α×ｃｎｔ１）に対応したマスク期間Ｔｍｓｋ１＝α×ｃｎｔ１×Ｔｃｋの間、マスク信号ＭＳＫをハイレベルとする。たとえば、所定の係数αは１３／１６程度に設定してもよい。時刻Ｔ４に逆起ノイズＮｖ２が発生し、第１矩形波信号Ｐｖに逆起ノイズＮｐ２が現れる。逆起ノイズＮｖ２が現れる時刻Ｔ４は、マスク信号ＭＳＫがハイレベルであるため、第２矩形波信号Ｍｖにノイズ成分は現れない。時刻Ｔ５にマスク信号ＭＳＫはローレベルであるため、マスク回路１２は、第１矩形波信号Ｐｖがハイレベルとなると同時に第２矩形波信号Ｍｖをハイレベルとする。周波数発生回路２０は、第２矩形波信号Ｍｖのポジエッジを検出し、周波数発生信号ＳｉｇＦＧをローレベルに切り替える。

このように、本実施の形態に係るモータ駆動回路１００によれば、マスク信号ＭＳＫによるマスク時間Ｔｍｓｋを、周波数発生信号ＳｉｇＦＧのパルス幅Ｔｐ、すなわちモータ５０の回転数に応じて変化させる。その結果、モータ５０の回転数が変動した場合においても、第１矩形波信号Ｖｕ〜Ｖｗから逆起ノイズなどを好適に除去し、モータを安定に回転させることができる。

さらに、マスク信号生成回路３０において、レジスタ３４は、出力すべきマスク信号ＭＳＫに対して１つ前の周波数発生信号ＳｉｇＦＧに対するカウント値ＣＮＴを保持し、このカウント値にもとづいてマスク信号ＭＳＫのマスク時間Ｔｍｓｋを設定する。その結果、マスク時間Ｔｍｓｋには、直前のモータ５０の回転数が反映されるため、モータの回転数を急激に変化させる場合にも、安定に駆動することができる。

図３（ａ）〜（ｍ）は、モータ５０の加速時におけるモータ駆動回路１００の動作状態を示すタイムチャートである。図３（ａ）〜（ｍ）は、図２（ａ）〜（ｍ）とそれぞれ対応した波形を示している。
モータ５０の回転数が上昇するにしたがって、各相のコイル５０ａ〜５０ｃに駆動電流を供給する時間は短くなっていく。その結果、逆起電圧Ｖｕ〜Ｖｗおよび第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗ、第２矩形波信号Ｍｕ〜Ｍｗの周期時間は徐々に短くなっていく。第２矩形波信号Ｍｕ〜Ｍｗの周期時間が短くなると、周波数発生信号ＳｉｇＦＧの信号レベルが遷移する時間Ｔｐも短くなり、レジスタ３４に保持されるカウンタ３２のカウント値ＣＮＴは小さくなっていく。その結果、マスク幅設定回路３６により設定されるマスク信号ＭＳＫのマスク時間Ｔｍｓｋは、モータ５０の回転数の上昇にともない、徐々に短くなっていく。

マスク信号生成回路３０は、モータ５０の駆動開始時において、マスク信号ＭＳＫのマスク時間Ｔｍｓｋを、周波数発生信号ＳｉｇＦＧのパルス幅Ｔｐにかかわらず、所定の固定値に設定してもよい。モータ５０の駆動開始直後においては、レジスタ３４にはいかなるカウント値も保持されていない。そこで、あらかじめ定めた固定値を初期値としてマスク信号ＭＳＫのマスク時間Ｔｍｓｋを決定し、このマスク信号ＭＳＫのマスク時間Ｔｍｓｋにもとづき、第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗから逆起ノイズを除去する。その後、上述のように周波数発生信号ＳｉｇＦＧのパルス幅Ｔｐに応じてマスク信号ＭＳＫのマスク時間Ｔｍｓｋを設定することにより、駆動開始から所定の回転数に達するまでの期間、安定にモータ５０を回転させることができる。

同様に、モータ５０の減速時においても、同様の動作によって、マスク信号ＭＳＫのマスク時間Ｔｍｓｋが徐々に長くなっていき、逆起ノイズを好適に除去することができる。

つぎに、本実施の形態に係るモータ駆動回路１００のアプリケーションについて説明する。図４は、図１のモータ駆動回路１００を搭載したディスク装置２００の構成を示すブロック図である。ディスク装置２００は、ＣＤやＤＶＤなどの光ディスクに対して記録、再生処理を行うユニットであり、ＣＤプレイヤやＤＶＤプレイヤ、パーソナルコンピュータなどの電子機器に搭載される。ディスク装置２００は、ピックアップ２１０、信号処理部２１２、ディスク２１４、モータ５０、モータ駆動回路１００を含む。
ピックアップ２１０は、ディスク２１４にレーザを照射して所望のデータを書き込み、あるいは、反射した光を読み込むことによりディスク２１４に書き込まれたデータを読み出す。信号処理部２１２は、ピックアップ２１０により読み書きするデータに対して増幅処理、Ａ／Ｄ変換あるいはＤ／Ａ変換など必要な信号処理を行う。モータ５０は、ディスク２１４を回転させるために設けられたスピンドルモータである。図４に示すようなディスク装置２００は、特に小型化が要求されるため、モータ５０としてホール素子などを用いないセンサレスタイプが用いられる。本実施の形態に係るモータ駆動回路１００は、このようなセンサレスのスピンドルモータを安定に駆動するために好適に用いることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、３相モータを駆動する場合について説明したが、本発明は３相以外のセンサレスモータの駆動にも好適に用いることができる。

また、実施の形態において、逆起検出コンパレータ１０は、モータ５０の各相のコイル５０ａ〜５０ｃに発生する逆起電圧Ｖｕ〜Ｖｗを各相のコイルの中点電圧Ｖｎとそれぞれ比較したが、必要に応じて抵抗を用いて分圧し、分圧された電圧を比較することにより第１矩形波信号Ｐｕ〜Ｐｗを生成してもよい。

実施の形態で説明した信号のハイレベル、ローレベルのロジックの設定は一例であって、論理回路ブロックの構成には様々な変形例が考えられ、こうした変形例も本発明の範囲に含まれる。

実施の形態に係るモータ駆動回路の構成を示す回路図である。 図２（ａ）〜（ｍ）は、図１のモータ駆動回路の動作状態を示すタイムチャートである。 図３（ａ）〜（ｍ）は、図１のモータ駆動回路のモータの加速時における動作状態を示すタイムチャートである。 図１のモータ駆動回路を搭載したディスク装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００ モータ駆動回路、 １０ 逆起検出コンパレータ、 １２ マスク回路、 １４ 出力回路、 ２０ 周波数発生回路、 ３０ マスク信号生成回路、 ３２ カウンタ、 ３４ レジスタ、 ５０ モータ、 ２００ ディスク装置、 ２１４ ディスク。

Claims (5)

1. 多相モータに駆動電流を供給して駆動するモータ駆動回路であって、
   前記多相モータの各相のコイルに発生する逆起電圧を前記各相の中点電圧とそれぞれ比較し、各相の第１矩形波信号を生成する逆起検出コンパレータと、
   前記逆起検出コンパレータから出力される前記各相の第１矩形波信号のノイズ成分を除去するマスキング処理を行い、各相の第２矩形波信号として出力するマスク回路と、
   複数のトランジスタを含み、前記各相の第２矩形波信号にもとづき、前記複数のトランジスタのゲートに印加すべきドライブ信号を生成する出力回路と、
   前記各相の第２矩形波信号のエッジを検出し、検出したエッジ毎にレベルが切り替わる周波数発生信号を生成する周波数発生回路と、
   前記周波数発生信号のレベル遷移後、前記周波数発生信号のパルス幅に所定の係数を乗じた期間、所定レベルとなるマスク信号を生成するマスク信号生成回路と、
   を備え、前記マスク回路は、前記マスク信号が前記所定レベルの期間、前記第１矩形波信号のレベル変動を無効化するマスキング処理を行うことを特徴とするモータ駆動回路。
2. 前記マスク信号生成回路は、
   前記周波数発生信号のレベル遷移ごとにリセットされ、カウントを開始するカウンタと、
   前記カウンタによりカウントされたリセット時のカウント値を保持するレジスタと、
   前記レジスタに保持されたカウント値に前記所定の係数を乗じて得られる数値に応じたパルス幅を有するマスク信号を出力するマスク幅設定部と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
3. 前記マスク信号生成回路は、
   前記多相モータの駆動開始時において、所定の固定値をパルス幅として有する前記マスク信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
4. １つの半導体基板上に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータ駆動回路。
5. ディスクを回転させるスピンドルモータと、
   前記スピンドルモータを駆動する請求項１から３のいずれかに記載のモータ駆動回路と、
   を備えることを特徴とするディスク装置。

Images