以下、本発明のDCモータおよびそれを備� �たポンプの実施例について、〔実施例1〕、� ��実施例2〕の順に図面を参照して詳細に説明 する。

〔実施例1〕
 図2は本発明の実施例1に係るDCモータを備え たポンプの概略断面構成図であり、図1は実� �例1のDCモータの主として駆動制御回路部分� �構成図である。

 まず、図2を参照して本実施例のDCモータ� ��備えたポンプについて説明する。同図に示� ��ように、ポンプにはDCモータが搭載され、DC モータは、薄い鉄板が積層されたステータ7� �該ステータ7に巻かれた複数相のモータ巻線� ��回転子としてのマグネットロータ8、該マグ ネットロータ8の回転と共に回転しマグネッ� �ロータ8の回転中心を貫通するように配置さ� ��た回転軸9、並びに、マグネットロータ8の� �転位置を検出する位置検出部10などからなっ ている。ここで、位置検出部10はホール素子� ��により構成される。なお、位置検出部10は� �モータ巻線の誘起電圧を利用してマグネッ� �ロータ8の回転位置を検出する構成であって� ��よい。

 このようなDCモータでは、位置検出部10に よって検出したマグネットロータ8の回転位� �の情報がDCモータの駆動制御回路に送信され 、該駆動制御回路において複数相のモータ巻 線への通電状態が決定され、決定された通電 状態に従って複数相のモータ巻線へ電流が供 給される。これにより、DCモータは、ステー� ��7が電磁石として作用し、電磁石の磁界とマ グネットロータ8との磁極が吸引・反発して� �グネットロータ8に回転トルクを発生させる� ��とで、駆動することとなる。

 DCモータの駆動制御回路は、電装基板6上� ��形成されている。このDCモータの駆動制御� �路は、モータ巻線に電流を供給するにあた� �、電流のピーク即ち電流の最大値を制限し� �所定のモータ出力(回転数)が得られるように 調整するようになっている。この制御を電流 ピーク制御という。

 より詳しく説明すると、電流ピーク制御� ��、複数相のモータ巻線への電流供給をデュ� ��ティ比100%で行うと共に、モータ巻線に通電 する電流の値が所定電流値(第2所定電流値)に 達したときに、モータ巻線への通電の次回の 相切替時点までモータ巻線への電流供給を停 止する制御をいう。また、DCモータの駆動制� ��回路は、DCモータの駆動初期段階においてPW M制御を行うようになっており、DCモータの始 動をスムーズにさせるようにしている。

 さらに、ポンプには信号入出力部1が設け られ、該信号入出力部1を通じてDCモータの駆 動制御回路に各種信号が入出力されるように なっている。具体的に、信号入出力部1の信� �線2を介してDCモータの駆動電圧が供給され� �信号線3を介して駆動制御回路の基準電圧(GND )が供給される。また、信号線4を介してDCモ� �タの駆動制御回路の制御電圧が供給され、� �号線5を介して回転速度信号(以下SP信号とい� ��)が入力される。ここで、SP信号は、DCモー� �の回転速度の目標となる信号であり、DCモー タの駆動制御回路は、該SP信号の電圧の大き� ��に応じてDCモータの回転数、即ちDCモータ出 力を制御することとなる。

 次に、図1を参照して、DCモータの駆動制� ��回路について説明する。同図に示すように� ��DCモータの駆動制御回路は、大まかに、外� �からの回転速度信号(SP信号)の大きさに応じ� ��DCモータの出力を制御する制御手段と、制� �手段の制御出力に応じて三相のモータ巻線� �流れる電流を切り換え制御してDCモータを駆 動するスイッチング手段(上アーム側FET群17a� �よび下アーム側FET群17b)と、を備える構成で� ��る。なお、図1に示すスイッチング手段(上� �ーム側FET群17aおよび下アーム側FET群17b)、ス� ��ータ7および位置検出部10を除く各構成要素� ��制御手段に含まれる。

 まず、制御手段は、基本的構成要素とし� ��SP増幅器11およびコントロールIC12を備えて� �る。SP増幅器11の非反転入力端子には信号線5 を介してSP信号が入力されており、該SP信号(5 )は抵抗R1およびR2の比率でSP増幅器11により増 幅され、また該SP増幅器11の出力電圧Vo(sp)は� �ントロールIC12に入力される。ここで、SP信� �(5)の電圧値をViとするとき、SP増幅器11の出� �電圧Vo(sp)は、「Vo(sp)=(1+R2/R1)×Vi」で表すこと ができる。

 また、コントロールIC12は、信号線4を介� �て供給される制御電圧により動作するもの� �あり、SP増幅器11の出力電圧Vo(sp)の大きさに� ��じてDCモータの出力を制御する。

 本実施例のコントロールIC12は、汎用三相 ブラシレスモータコントロールICであり、SP� �幅器11の出力電圧Vo(sp)の大きさに応じてDCモ� ��タの回転速度を制御するPWM制御部と、位置� ��出部10からの電圧信号に応じて相切換えを� �う分配回路と、PWM制御を分配回路に重畳し� �相切換え出力する上アーム側出力部と分配� �路の相切換えを出力する下アーム側出力部� �を持つ三相分配出力回路と、位相検出部10の 出力信号に応じて回転信号13を生成して出力� ��る回転出力回路と、内部回路の電源と、当� ��コントロールIC12の外部に対して基準電圧14� ��出力する電源回路と、を備えている。なお� ��汎用のコントロールIC12を用いる代わりに、 ロジックICやディスクリート半導体部品を使� ��して同等の処理を行う回路を組み立てて用� ��るようにしても良い。

 また、コントロールIC12の出力の内、15aは 三相分配出力回路から出力される上アーム側 のU相出力信号であり、15bは三相分配出力回� �から出力される上アーム側のV相出力信号で� ��り、15cは三相分配出力回路から出力される� ��アーム側のW相出力信号である。

 またこれら出力信号15a,15b,15cは、ブート� �トラップ回路16に出力されるが、このブート ストラップ回路16は、上アーム側の各相出力� ��号15a,15b,15cをDCモータの駆動電圧(2)の電位ま でレベルシフトするもので、各相毎に独立し たブートストラップ回路を備えている。

 また、ブートストラップ回路16でレベルシ� �トされた各相の信号は、スイッチング手段� �上アーム側FET群17aに供給される。上アーム� �FET群17aは、半導体スイッチ(FET)で構成され、 レベルシフトされた各相の信号に応じてステ ータ7に電流を出力する上アーム側駆動手段� �ある。また、下アーム側FET群17bは、半導体� �イッチ(FET)で構成され、コントロールIC12の� �相分配出力回路から出力される下アーム側� �各相出力信号に応じてステータ7に電流を出� ��する下アーム側駆動手段である
 また、制御手段は、マグネットロータ8の回 転によって生じる磁極の変化に応じた周期に 基づいて三相のモータ巻線に流れる電流を循 環的に相切換え制御しているときに、モータ 巻線に流れる電流のピーク値が回転速度信号 (SP信号)を変換して生成される閾値に達した� �合、その閾値に達した時を含む周期におい� �電流供給している相のモータ巻線への電流� �給をその閾値に達した時から該周期の終わ� �までの期間だけ強制的に停止する機能を持� �が、この機能を実現するために、以下で説� �するI/V増幅器18、S/I比較器19およびラッチ回� ��20並びにこれらに付属する抵抗群を備えて� �る。

 I/V増幅器18は、コントロールIC12が生成す� ��基準電圧14を電源電圧としており、モータ� �転時にステータ7に流れた電流Imをシャント� �抗R5によって変換した電圧を増幅する。I/V増 幅器18の出力電圧Vo(im)は、モータ電流Imの電� �波形と相似の電圧波形となる。また、モー� �電流Im、シャント抵抗R5、抵抗R6,R7によって� �I/V増幅器18の出力電圧Vo(im)は、「Vo(im)=(1+R7/R6 )×Im×R5」で表すことができる。

 また、S/I比較器19は、コントロールIC12が� ��成する基準電圧14を電源電圧としており、SP 信号の電圧を抵抗R3,R4で分圧した電圧Vi(sp)と� ��I/V増幅器18の出力電圧Vo(im)とを比較する。� �こで、SP信号の電圧を抵抗R3,R4で分圧した電� ��Vi(sp)は、モータ回転時にステータス7に流れ る電流Imをオフすべきピーク電流の閾値であ� ��。また、S/I比較器19の電圧Vi(sp)を入力する� �子は、さらに抵抗R8(抵抗R4の10倍程度の抵抗� ��を持つ)を介してコントロールIC12が生成す� �基準電圧14に接続されている。

 S/I比較器19の出力電圧Vo(si)は、SP信号の電 圧を抵抗R3,R4で分圧した電圧Vi(sp)によって、� ��の関係で表すことができる。すなわち、「� ��圧Vi(sp)>電圧Vo(im)のピーク値のとき、S/I比 較器19の出力電圧Vo(si)はLレベルとなり、この 時のモータ状態は停止状態またはPWM制御運転 状態」であり、また、「電圧Vi(sp)<電圧Vo(im )のピーク値のとき、S/I比較器19の出力電圧Vo( si)はHレベルとなり、この時のモータ状態はPW M制御と電流ピーク制御を同時に行う制御運� �状態または電流ピーク制御運転状態」であ� �。

 また、ラッチ回路20は、回転信号13の電圧 レベルの切換えタイミング毎にリセットされ 、S/I比較器19の出力電圧Vo(si)の電圧レベルがH レベルのときラッチ動作する。該ラッチ回路 20の出力は、コントロールIC12の三相分配出力 回路から出力される上アーム側の各相出力信 号15a,15b,15cにそれぞれアノード端子が接続さ� ��ているダイオードD1a,D1b,D1cのカソード端子� �接続されている。つまり、ラッチ回路20がラ ッチ動作して回転信号13の電圧レベルの切換� ��タイミングでリセットされるまでの期間、� ��アーム側の各相出力信号15a,15b,15cを強制的� �Lレベルにする。

 次に、本実施例のDCモータの駆動制御回� �によるDCモータの駆動制御について、図3お� �び図4を参照しながら説明する。

 図3は、電圧Vi(sp)>電圧Vo(im)のピーク値� �DCモータが運転状態にあるときの各種信号の タイミングチャートであり、図3(a)は各相の� �置検出信号10a,10b,10cを、図3(b)は上アーム側� �各相出力信号15a,15b,15cを、図3(c)は回転信号13 を、図3(d)はS/I比較器19の入力信号(電圧Vi(sp)� �電圧Vo(im))をそれぞれ示す。

 DCモータが運転状態にあるときには、位� �検出部10により、マグネットロータ8の回転� �って生じる磁極の変化に応じて、図3(a)に示� ��ような各相の位置検出信号10a,10b,10cが出力� �れる。コントロールIC12の回転出力回路では� ��この各相の位置検出信号10a,10b,10cに応じて� �図3(c)に示すような回転信号13を生成して出� �する。また、S/I比較器19の2つの入力信号(SP� �号電圧を分圧した電圧Vi(sp)とI/V増幅器18の出 力電圧Vo(im))の関係は、図3(d)に示すように電� ��Vi(sp)>電圧Vo(im)のピーク値の関係にあるの で、ラッチ回路20はラッチ許可状態のままで� ��ッチ動作することはない。

 したがって、コントロールIC12の三相分配 出力回路では、各相の位置検出信号10a,10b,10c� ��応じて図3(b)に示すような上アーム側の各相 出力信号15a,15b,15cが生成され、ブートストラ� ��プ回路16でレベルシフトされた後、上アー� �側FET群17aに供給されることになる。

 また図4は、電圧Vi(sp)<電圧Vo(im)のピー� �値でDCモータが運転状態にあるときの各種信 号のタイミングチャートであり、図4(a)はS/I� �較器19の入力信号(SP信号の電圧を抵抗R3,R4で� ��圧した電圧Vi(sp)と電圧Vo(im))を、図4(b)は上� �ーム側の各相出力信号15a,15b,15cを、図4(c)は� �転信号13をそれぞれ示す。なお図4中、図3に� ��応した波形を点線で示している。

 図3に示したタイミングチャートからも分 かるように、モータ巻線に流れる電流の循環 的な相切換え制御は、回転信号13の電圧レベ� ��の切換えに同期して、換言すれば回転信号1 3の周期(または半周期)に基づいて行われてい る。この回転信号13の半周期の間に、I/V増幅� ��18の出力電圧Vo(im)が立ち上がり、ピーク電� �の閾値であるSP信号電圧を分圧した電圧Vi(sp) に達すると、S/I比較器19の出力電圧Vo(si)がHレ ベルとなり、ラッチ回路20がラッチ動作する� ��ととなり、その時点から回転信号13の電圧� �ベルの切換えタイミングでラッチ回路20がリ セットされるまでの期間、上アーム側の各相 出力信号15a,15b,15cは強制的にLレベルとなる。

 例えば、図4(c)に示す回転信号13の第1周期 の前半周期において、上アーム側のU相出力� �号15aは、電圧Vo(im)が電圧Vi(sp)に達するタイ� �ング(図4(a)参照)でLレベルとなる。このとき� ��ートストラップ回路16もオフし、それに接� �された上アーム側FET群17aもオフする。する� �、モータ電流Imは瞬時にゼロになり、I/V増幅 器18の出力電圧Vo(im)もゼロ(Lレベル)になる。

 一方、マグネットロータ8は、モータ電流 Imがゼロの状態でも回転慣性により位相切換� ��位置まで回転する。これにより、位置検出� ��10はマグネットロータ8の磁極の切り替わり� ��検出して、回転信号13の電圧レベルはHレベ� ��からLレベルへ、或いはLレベルからHレベル� ��切り替わることとなる。この回転信号13の� �圧レベルの切り替わりにより、ラッチ回路20 は、上アーム側のU相出力信号15aをLレベルに� ��た状態を瞬時にリセット(解放)して、ラッ� �許可状態になる。

 同時に、コントロールIC12には、磁極の切 り替わった情報が入力され、出力相が上アー ム側のU相出力信号15aから上アーム側のV相出� ��信号15bに切換えられることとなる。すると� ��上アーム側のV相出力信号15bはHレベルとな� �、ブートストラップ回路16を介して上アーム 側FET群17aがオン制御されることとなり、モー タ電流Imが生じることで、I/V増幅器18の出力� �圧Vo(im)が立ち上がる。

 以上の一連の位相切換え動作をU相、V相� �W相の順に循環的に繰り返すことで、マグネ� ��トロータ8は回転を続ける。これにより、マ グネットロータ8の回転によって生じる磁極� �変化に応じてラッチ回路20をリセットするラ ッチ許可信号を出力する回路構成ができ、容 易に位相毎の電流ピーク制御を行うことがで きる。またその結果として、DCモータを駆動� ��る駆動回路の構成部品の1つである半導体ス イッチ(FET)の全損失を軽減して半導体スイッ� ��(FET)の発熱を抑制し、放熱部品の小型化、� �コスト化、或いは半導体スイッチ(FET)の長寿 命化を図ることができる。

 以上説明したように、本実施例のDCモー� �では、三相のモータ巻線に流れる電流によ� �ステータ7に発生する磁界とマグネットロー� ��8の磁界との反発・吸引により回転トルクを 発生して該マグネットロータ8を回転させるDC モータであって、外部からの回転速度信号の 大きさに応じて当該DCモータの出力を制御す� ��制御手段と、該制御手段の制御出力に応じ� ��三相のモータ巻線に流れる電流を切り換え� ��御して当該DCモータを駆動するスイッチン� �手段(上アーム側FET群17aおよび下アーム側FET� ��17b)と、を備え、制御手段は、マグネットロ ータ8の回転によって生じる磁極の変化に応� �た周期に基づいて三相のモータ巻線に流れ� �電流を循環的に相切換え制御しているとき� �、モータ巻線に流れる電流のピーク値が回� �速度信号(SP信号)を変換して生成される閾値� ��達した場合、その閾値に達した時を含む周� ��において電流供給している相のモータ巻線� ��の電流供給をその閾値に達した時から該周� ��の終わりまでの期間だけ強制的に停止する� ��なお、上記周期の1周期は回転信号13の半周� ��が該当する。

 これにより、位相切換え毎の電流ピーク� ��御ができ、DCモータを駆動する駆動回路の� �成部品の1つである半導体スイッチの全損失� ��低減して半導体スイッチの発熱を抑制し、� ��熱部品の小型化、低コスト化、或いは半導� ��スイッチの長寿命化を図ることができる。

〔実施例2〕
 次に、図5は本発明の実施例2に係るDCモータ の主として駆動制御回路部分の構成図である 。同図において、図1(実施例1)と重複する部� �には同一の符号を附して説明を省略する。

 図5に示す実施例2の駆動制御回路の構成� �、実施例1(図1参照)の構成に対して、カソー� ��端子をSP増幅器11の出力に、アノード端子を ラッチ回路20のリセット入力端子にそれぞれ� ��続したダイオードD3を付加したものである� �

 次に、本実施例のDCモータの駆動制御回� �によるDCモータの駆動制御について、図6お� �び図7を参照しながら説明する。

 図6は、SP増幅器11の出力電圧Vo(sp)と、DCモ ータの動作/停止閾値電圧Vssと、ラッチ回路20 のリセット電圧Vrを例示して、電圧Vo(sp)と閾� ��電圧Vssの関係におけるDCモータの状態を説� �する説明図である。ここで、DCモータの動作 /停止閾値電圧Vssは、コントロールIC12で設定� ��れものである。また、ラッチ回路20のリセ� �ト電圧Vrは閾値電圧Vssに設定される。

 図6において、T1およびT3の期間は電圧Vo(sp )<閾値電圧Vssであり、モータ停止状態であ� ��。また、T2の期間は電圧Vo(sp)>閾値電圧Vss� ��あり、モータ運転状態である。

 ラッチ回路20のリセット動作は、次の関� �で表すことができる。すなわち、「電圧Vo(sp )<リセット電圧Vrのとき、ラッチ回路はリ� �ット状態にあり、また、電圧Vo(sp)>リセッ� ��電圧Vrのとき、ラッチ回路はラッチ動作状� �およびラッチ許可状態にある」という関係� �ある。

 次に、図7はマグネットロータ8の拘束時� �おける動作および拘束解除後の復帰動作を� �明するタイミングチャートであり、図7(a)はS /I比較器19の入力信号(SP信号の電圧を抵抗R3,R4 で分圧した電圧Vi(sp)と電圧Vo(im))を、図7(b)は� ��アーム側の各相出力信号15a,15b,15cを、図7(c)� ��回転信号13をそれぞれ示す。

 マグネットロータ8の拘束時には、I/V増幅 器18の出力電圧Vo(im)が立ち上がり、ピーク電� ��の閾値であるSP信号電圧を分圧した電圧Vi(sp )に達すると、S/I比較器19の出力電圧Vo(si)がH� �ベルとなり、ラッチ回路20がラッチ動作する こととなり、その時点から回転信号13の電圧� ��ベルの切換えタイミングでラッチ回路20が� �セットされるまでの期間、上アーム側の各� �出力信号15a,15b,15cは強制的にLレベルとなる� �

 図7の例では、上アーム側のU相出力信号15 aは、電圧Vo(im)が電圧Vi(sp)に達するタイミン� �でLレベルとなっている。このときブートス� ��ラップ回路16もオフし、それに接続された� �アーム側FET群17aもオフする。すると、モー� �電流Imは瞬時にゼロになり、I/V増幅器18の出� ��電圧Vo(im)もゼロ(Lレベル)になる。

 一方、マグネットロータ8が拘束状態のた め、位置検出部10はマグネットロータ8の磁極 の切り替わりを検出できず、回転信号13の電� ��レベルは切り替わらない。同様に、上アー� ��側のV相出力信号15bも、ラッチ回路20のラッ� ��動作によりLレベルとなったままであり、ブ ートストラップ回路16および上アーム側FET群1 7aもオフ状態のままである。

 次に、マグネットロータ8の拘束解除後の 復帰動作は、外部から入力されるSP信号の電� ��レベルを下げることで、SP増幅器11を介して 電圧Vo(sp)も同様に電圧レベルが下がり、ラッ チ回路20のリセット電圧Vrに達するとラッチ� �路20はリセットされる。また、ラッチ回路20� ��リセットされたとき、すでに電圧Vo(sp)<閾 値電圧Vssでモータ停止状態である。よって、 リセット後にDCモータが再起動することはな� ��安全である。モータの再起動は、SP信号の� �圧レベルを上げることにより、SP増幅器11の� ��力電圧Vo(sp)の電圧レベルを上げて行われる� ��とになる。

 このように、マグネットロータ8の拘束時 の復帰動作を自由に外部から制御することが でき、マグネットロータ8の拘束時の復帰動� �を容易に行うことができる。また、半導体� �イッチ(FET)を瞬時にオフ制御するため、半導 体スイッチ(FET)の全損失を軽減して半導体ス� ��ッチ(FET)の発熱を抑制することができ、結� �として、放熱部品の小型化、低コスト化、� �いは半導体スイッチの長寿命化を図ること� �できる。

 以上説明したように、本実施例のDCモー� �では、外部からの回転速度信号(SP信号)の大� ��さが相対的に小さい所定値以下であるとき� ��即ちSP増幅器11の出力電圧Vo(sp)の電圧レベル がラッチ回路20のリセット電圧Vr以下となっ� �ときに、モータ巻線への電流供給を強制的� �停止する制御をリセットする。

 これにより、マグネットロータ拘束時の� ��帰動作を自由に外部から制御することがで� ��、マグネットロータ拘束時の復帰動作を容� ��に行うことができる。また、半導体スイッ� ��を瞬時にオフ制御するため、半導体スイッ� ��の全損失を低減して半導体スイッチの発熱� ��抑制することができ、結果として、放熱部� ��の小型化、低コスト化、或いは半導体スイ� ��チの長寿命化を図ることができる。

〔実施例3〕
 次に、実施例1または実施例2の何れかに示� �れたDCモータを備えたポンプを、例えば浴槽 水の循環装置に組み込んだ適用例について説 明する。図8は、本実施例の浴槽水の循環装� �の構成図である。

 同図に示すように、本実施例の浴槽水の� ��環装置は、人工大理石やステンレスまたはF RP(繊維強化プラスチック)等からなる浴槽50を 備えており、また、該浴槽50の外側には、浴� ��50内の浴槽水60を吸入して吐出するためのポ ンプ51と、浴槽水60を加熱するためのガスや� �気または灯油等を用いた加熱部53と、を備え ている。

 浴槽50の下部の側面には、浴槽水60の流出 口54が取り付けられていて、その流出口54に� �、耐熱塩ビ(塩化ビニル)やステンレス等から なる循環往路55が接続されている。また、循� ��往路55の途中には、ポンプ51が取り付けられ ていて、さらに循環往路55は加熱部53に接続� �れている。

 そして、加熱部53には、同じく耐熱塩ビ(� ��化ビニル)やステンレス等からなる循環復路 56が接続されていて、その循環復路56は、浴� �50の側面であって流出口54の上方に取り付け� ��れた流入口57に接続されている。

 このように、実施例1または実施例2のDCモ ータを給水装置等に使用されるポンプに組み 込むことにより、ポンプの使い勝手を大いに 高めることができる。