【第9話】スーパーエンジニアへの近道！？ユーザーの目線を学ぶ日々
2024.10.04
前回までのあらすじ
前回、はじめてスギケン先生とともにユーザーとの打ち合わせに同席することになった一ノ瀬。やる気に満ち溢れていたが、打ち合わせでは全く会話についていけず意気消沈する。何が自分に足りないのか気づいた一ノ瀬は打ち合わせの話をあらためて解説してもらうこととなる。
登場人物紹介
一ノ瀬（主人公） 新人エンジニア。中学生の頃からエンジニアを目指し続けて、遂にロームに入社。寝食を忘れてモータードライバーの勉強をするほどの情熱家。現在、一ノ瀬にしかドラとター子が見えていない。
二宮 一ノ瀬の同期の女の子。成績優秀でいつも1番。強気な性格だが努力家で、一ノ瀬にも一目置いている。スギケンの隠れ大ファンという一面もある。
スギケン ロームに所属するスーパーエンジニア。普段は優しいが、時に熱血。エンジニアの仕事に誇りと情熱を持っている。昔はスギケンにもドラとター子が見えていたが、今は見えない。
ドラ モータードライバーの妖精で、モーターに関わる人、詳しい人が大好き。 ター子に片思いしており、鈍感なター子にいつも振り回されている。
ター子 モーターの妖精で、ドラとは幼馴染。モーターに詳しく、その知識はドラを凌ぐほど。しっかり者のお姉さんでありながら、恋愛となると鈍感で、ドラの想いに気づいていない。
スギケン先生 プロフィール
ロームのモータLSI事業部で、アソシエイトフェロー（スペシャリスト職）として働いており、モータードライバーICの開発における各種技術アドバイスや、モーター特性を向上させるための新規駆動アルゴリズムの開発、社内外のモーター勉強会講師、モーター技術講演会なども開催しています。
ブラシレスモーターに求められる性能（静音性、信頼性）
前回の第8話ではブラシレスモーターに求められる基本性能として効率、静音性、信頼性の３つの性能の概要を説明し、そのあとに、その中でまず効率について詳しく説明しました。ここでは他の２つの性能である静音性と信頼性について説明していきます。
第9話目次
モーターの騒音と要因
まず、騒音とはどういうものでしょう。
一般に、モーターを使って動くものには静音性が求められます。ただ、それが気になる音か、ほかの音に紛れているか、などによって騒音として扱うかどうかの判断基準は変わってきます。
たとえば扇風機などが出す風の音は“出るもの”としてあまり気にされませんし、掃除機の吸引の音はゴミをしっかり吸っている音と思われたりすることもあります。また、工場で動く機械や装置に過度な静音性が求められることもあまりありません。しかし、冷蔵庫やエアコンなどの振動音や、先述した扇風機でも風以外の音は騒音と認識されたりします。
これらのことから音というのは環境や用途によって判断基準が変わるもので、ある用途では問題にならなかった音が異なる用途では問題となることもあると言えます。モータードライバーは様々な用途で使われるモーターを回します。したがって、モータードライバー開発者は、ある1つの用途の判断基準での騒音知識だけでなく、様々な騒音に対する知識を持っておく必要があります。
ここでは、モーターを回す際に問題とされることがある音についていくつか例を挙げて説明します。
モーターが出しているとされる音には大きく２種類あります。１つはモーターが加振源となって出る音、もう１つはモーターそのものから出る音です。
モーターが加振源となって出る音は、モーターが電気製品に組み込まれた時にその電気製品から出る音です。よって、電気製品との“相性“によって騒音の度合いが変化し易く、評価が難しい音と言えます。そのような音としては、振動音、衝撃音、共振音があります。
モーターそのものが出す音は、モーターを単体で動かした時にも聞こえる音です。そのような音には電磁音、軸受け音があります。
これらの騒音の分類例と要因を下図に示します。騒音発生の要因としてここではトルク脈動、トルク変動、コイル振動、擦り音を挙げています。
さらにそれらを発生させるものとしてそれぞれの要因をいくつか記載しています。様々な要因がありますが、このうちモータードライバーが関係しないのはコギング要因のみと言えます。もちろん、ほかの要因もモータードライバーだけが原因となるわけではありませんが、あるモータードライバーから仕様が異なるほかのモータードライバーに変えると音が変化することがあるため、モータードライバーは騒音の要因に関わる重要部品と位置付けられています。
したがって、モータードライバーの設計には騒音と要因の知識が必要となってきます。次に、これらについて順に説明していきます。ただ、上図においてモーターが加振源となって出る音を振動音／衝撃音／共振音に分けているのは、これらの騒音の音色や聞いた時の感覚が異なるからです。実際には全ての騒音がこれらの音に明確に分類できるとは限りません。あまり分類にとらわれ過ぎずに要因の部分を理解するようにしてください。
＜振動音と衝撃音＞
振動音はモーターのトルク脈動が電気製品本体に振動として伝わって起こる騒音で、カタカタやブーンといった音がします。衝撃音はトルクの急変動で電気製品本体を叩くような音のイメージです。これらの音は、モーターが発生させるトルク脈動やトルク変動（下図）の中でそれらが比較的大きい場合に発生します。
＜共振音＞
共振音は、モーターと電気製品、負荷体（ファンなど）との共振周波数で発生する音です。たとえばモーターがファンを回している場合、共振周波数とトルク脈動の周波数が一致した時のみファーンやフォーンといった音が発生することがあります。モーターのトルク脈動の周波数がモーターの回転数に依存していると、特定の回転数でのみ発生する騒音となります。この共振音は比較的小さいトルク脈動でも発生する傾向にあります。
今まで問題となっていなかったが、使用する回転数を変えた、負荷体を軽量化（重さを変えた）した、負荷体につながるシャフトの仕様を変えた、などの変更をすると共振周波数とトルク脈動の周波数が一致するようになり共振音が発生することがあるため注意が必要です。
＜トルク脈動＞
騒音の要因となるトルク脈動は、第7話で説明したとおり巻線磁界の大きさの脈動や、巻線磁界と永久磁石磁界の相対角度の脈動で発生します（第7話 ブラシレスモーター：トルク脈動、ブラシレスモーター：正弦波通電（正弦波駆動））。それ以外に、コギングトルクと呼ばれるトルク脈動もあります。コギングトルクは、モーターのステータコア（鉄心）と永久磁石の磁束の収まり度合いの変化で発生します。ここでの収まり度合いとは、永久磁石Ｎ極から出た磁束が空気の層を通ってステータコアに入り、ステータコア内を通ってＳ極に戻るまでの磁束の通りやすさ（パーミアンス）を指標とし、磁束が通りやすいロータの位置を収まりがよい位置とします。収まりがよい位置からロータ位置が移動して磁束の通りやすさが変化（悪化）すると、収まりのよい位置に戻ろうとするトルクが発生します。このトルクがコギングトルクです。通常、下図のような2極3スロットのブラシレスモーターでは、1回転の中に6つの収まりがよい位置があります。したがって、コギングトルクは1回転で6回の脈動を持ちます。また、ブラシレスモーターが4極6スロットなら1回転での脈動は12回となります。このようにコギングトルクの脈動数は極数とスロット数で変化します。
このコギングトルクはモータードライバーの仕様が影響するトルク脈動ではありませんが、騒音の要因のひとつとして覚えておいてください。
＜電磁音＞
ここでは、モーターのコイルが磁力によって振動して出る音を電磁音と呼んでいます。電磁音は、巻線を流れる電流が急激に変化すると発生します。この急変化はＰＷＭ制御による巻線端子への印加電圧の変化でも発生します。そのため、ＰＷＭ周波数と一致する音が出ている場合はそれをＰＷＭ音やスイッチング音などと呼ぶこともあります。また、コイルの振動がモーターの構造体を叩くようなイメージで音となることもあります。この場合、音がＰＷＭ周波数と一致するとは限りません。
＜軸受け音＞
軸受け音は、軸受け部分の部品の擦れなどで発生する音です。軸受け部分への機械的な圧力による変形やキズ、潤滑剤の減少などで音が大きくなります。モーター制御とは無関係に思われるかもしれませんが、実は巻線への電圧印加が影響して軸受け部品が帯電、それがスパークを誘発しての軸受けの表面を損傷、その結果騒音が大きくなるといった事例があります。電食と呼ばれるこの現象は、モーター制御が関係すると言われています。
このように、騒音とその要因にはモーター駆動制御が大きく関わっています。トルク脈動や電磁音などモータードライバーの仕様が大きく関係する騒音もあれば、一見無関係のような騒音のその一因となっていることもあります。モータードライバーを開発設計する際にはこれらの現象についても理解しておくようにしましょう。
騒音の測定
ここまでモーターが関連して出る騒音について述べてきました。次に、その測定方法の基礎を説明します。
騒音測定は、外部からの音を遮蔽できる専用の部屋で行います。その部屋の種類は大きく2つあり、目的によって使い分けます。1つは無響室と呼ばれる部屋で、音を遮断する機能のみでなく、測定物が発する音の測定室内での反響を抑える機能（吸音性）も持っています。もう1つは防音室と呼ばれる部屋で、音の遮断機能はありますが反響については無響室ほどの吸音性能を持っていません。
次に測定方法についてです。測定室内では、まず測定対象をどのような状態にして騒音測定するかを決めます。状態の例としては、モーター単体、電気製品に組み込まれた状態、さらにエアコン室内機のように実際に家の壁に取り付けられた状態が予測できるものであれば、その状態を模して測定することもあります。
収音（集音）するマイクの位置も重要です。音には指向性があるため、騒音を検出し易い位置にマイクを設置することも必要です。また、実際に使われる際の周りにいる人の位置を考慮してマイクを置くこともあります。したがって、より正確に騒音を確認する場合はマイク位置を1ヵ所とせず、測定対象に様々な方向からマイクを向けて測定することもあります。
電源や測定器は測定室の外に置くのが一般的です。それらの機器が発する音が測定の邪魔にならないようにするためです。測定室内のマイクと室外の測定器をつなげて測定し、騒音をデータ化して解析します。
測定結果の元信号は、図のような電圧信号です。縦軸が音の大きさ、横軸は時間の経過を表しています。この信号を見れば音の大きさの大まかな比較や、その音が出たタイミングの確認ができます。
測定した音にどのような周波数成分が含まれているかを確認するには、オクターブ分析やＦＦＴ分析を用います。騒音（異常音）の要因特定にはこの周波数分析が大いに役立ちます。
オクターブ分析は周波数帯ごとの音の大きさを表す棒グラフで、発生した騒音のおおよその周波数帯を読み取ることができます。ＦＦＴ分析では周波数ごとの細かい騒音値が折れ線グラフで表されます。特定の周波数の騒音確認などに役立ちます。また、それぞれの解析では、全体の騒音値としてオーバーオール（ＯＡ）値を測定できます。
測定では、聴感補正（周波数補正、周波数の重み付け）をすることがあります。これは実際の音圧レベルの測定値と耳で聴く音の大きさに感覚のずれがあるためで、耳の周波数感度に合わせて大きさを補正します。補正特性には、その補正の度合いによってA特性、C特性があります。騒音測定時には、A特性、C特性、Z特性（補正なし、FLAT特性）の中から選択して測定します。
騒音測定およびその検証作業では、オクターブ分析やＦＦＴ分析の各騒音値やＯＡ値の確認、場合によっては補正特性を変えての測定も行い騒音を判断します。
＜騒音検証の例＞
たとえば、性能の違うモータードライバーを用意してそれのみを差し替えてモーターの騒音を比較すれば、それぞれのモータードライバーの特徴を知ることができます。具体的には、120度矩形波駆動と正弦波駆動のモータードライバーを比較すると、トルク脈動で発生する周波数の音に違いが出ますし、PWM周波数が違えば、その周波数の違いも音データとして確認できます。それらの音が全体の騒音レベルに影響を与えているかを確認したい場合にはOA値を比較します。
ここまで測定方法について説明してきましたが、実際の騒音確認では聴感も重要です。ここでの聴感とは、自分の耳で音を聞いた時に感覚、感想です。機器による測定の前にまずは聴感で音を確認します。モーターの回転数を徐々に上げ下げして全回転数範囲での音を確認、対象物の周りを移動しながら指向性の確認などをします。また、課題となる騒音の要因を取り除いて、騒音が改善されたかどうかの判断には、データだけでなく聴感での改善確認も行います。
ここまでのポイント
・モータードライバーはほとんどの音の要因に関わってくる重要部品との位置付けにある。
・騒音は外部からの音を遮断できる専用の部屋（無響室、防音室）で測定する。
・音測定の元信号や周波数分析の結果を用いて、騒音の可否判断や要因の解析をする。
・騒音確認はデータ測定だけでなく聴感も重要である。
モーター回路の信頼性
モーターの性能として求められることに信頼性があります。ここでの信頼性とは、簡単に壊れないということ、安全であるということ、性能が保証されていることを意味しています。
モーターは機械的な動作をする機器であり、かつ電気機器でもあるので、機械的な観点と電気的な観点の両方の信頼性が求められます。そこで、それぞれの観点でみた信頼性の主な項目（下図）について順に説明していきます。
＜モーター機構＞
モーターの機構部分としての信頼性は、たとえば効率や静音性の経年劣化を含む特性の保証や、機械的な強度（これも劣化を含みます）、樹脂溶解や可燃性などの熱耐量、本来電気が通るところではない箇所での絶縁破壊耐量などがあります。これらは、モーターメーカーがシミュレーションや確認試験を行い、それらによって得たデータを元に保証しています。
＜モーター回路＞
モーター回路の信頼性には、電気的耐量、熱耐量、ノイズ関連、応力耐量などがあり、モータードライバーはこれらの信頼性に深く関わっています。
◆電気的耐量
電気的耐量としては、まず印加できる電圧（耐電圧）、流せる電流（耐電流）があり、LSIでは絶対最大定格値としてこれらの値を決めています。
静電気は、モーターとして外部から静電気を受けた時の破壊耐性です。その耐性の強さを測定する静電気試験にはモーター回路全体に静電気を与えるものとLSI単体（モータードライバーICの各端子）に与えるものがあります。
雷サージは、落雷などで高い電圧がモーターに印加されてしまうことを想定した耐性特性です。
ラッチアップは、半導体が構造上持っている寄生サイリスターが誤オンする異常で、ICの端子に電圧または電流を印加し、誤動作を起こすまでの耐量を測ります。
電気的耐量の範疇として、コネクタ配線の抜き差し（挿抜）でも回路破壊や危険動作がないことを求められることもあり、これも大きな意味ではサージ耐性となります。
◆熱耐量
熱耐量は、巻線や電子部品が耐えられる温度のことです。この温度は、周囲の温度だけでなく自己発熱も考慮します。モーター回路のパワートランジスタ部やモーターの巻線には大電流が流れるため発熱量が大きくなることがあります。温度上昇が過大となる場合は、電流を抑えるために過電流保護機能を搭載して信頼性を確保することもあります。
◆電磁ノイズ
電磁ノイズは、外部から受けるノイズに対する耐性（誤動作をしないことなど）と自己が出すノイズ量の両方の特性を求められます。それぞれのノイズには空中を伝搬するものと、配線（ケーブル）に伝わるものがあります。
◆応力
応力は機械的な強度です。電気回路においてもLSIのパッケージの強度や、プリント基板と電子部品をつなぐ半田部分がクラックを起こさないことも求められます。
これらの信頼性項目のうち、電気的耐量や電磁ノイズの項目が含まれるEMC（電磁両立性）について次に説明します。
EMC（電磁両立性）
EMC（電磁両立性）とは、電子機器や装置が他の機器に影響を与える電磁ノイズを出さないことと、反対に他の製品などの電磁ノイズを受けても正常に動作し続けることの両方の特性のことです。
モータードライバーは、PWM制御をすると巻線端子の電圧を頻繁にスイッチングする機器となるため電気的ノイズの発生源となります。また、モータードライバーの制御対象であるモーターは回転体であり、異常動作が物理的な危険を及ぼす可能性があるものです。そのため、ノイズを受けた際の挙動も注視されます。したがって、モータードライバーにとってEMCは十分に考慮しなければならない重要な特性と言えます。
電磁ノイズを出す特性をEMI（電磁妨害）、もしくはエミッションといいます。測定は外部からの電波を遮断する電波暗室と呼ばれる部屋で行います。試験内容はJISなどで規格化されており、対応した規格を満足する必要があります。
EMIには空間に伝わる放射エミッションと、ケーブルなどを伝わる伝導エミッションがあり、前者は30MHz~1000MHz付近、後者は150kHz~30MHzのノイズを測定するのが一般的です。
電磁ノイズを受ける特性をEMS（電磁感受性）、もしくはイミュニティといいます。ここでは電磁ノイズと表現していますが、前述の静電気や雷サージもイミュニティに含まれます。
放射および伝導イミュニティ試験と言われる試験ではアンテナでの電波放射やケーブルへのノイズパルス印加で機器の誤動作状況などを確認します。
EMSの1つである電子部品の静電気試験には主に３つの試験があります（下図）。HBMは人体からの静電気印加を想定した試験、MMは装置からの静電気印加を想定した試験、CDMは部品自体の蓄積電荷の受放電を想定した試験です。
HBMは150pF前後の容量に帯電させ1.5kΩの放電抵抗を介して印加します。MMは200pF前後の容量に帯電させ無抵抗（もしくはインダクター有り）で印加します。CDMは電極板と電子部品で絶縁板を挟んで仮想のコンデンサーを作り、その状態で電子部品に電圧をかけて仮想コンデンサーに充電、その後、電子部品の端子を基準電位の導体と接続させて受放電させます。
このように、容量や放電抵抗を変えることでそれぞれの状況を再現して試験を行います。
※容量や抵抗値は対応する規格によって変わることがあるので一つの例です。
この記事のポイント
・モーターは機械的な回転体であり、かつ電気機器でもあるので両方の観点の信頼性が求められる。
・モータードライバーはモーターの機械的動作を制御する電子部品であるため、上記の両方の観点での設計が求められる。
・電磁ノイズは受ける方と出す方の両方の信頼性が求められる（EMC）。
モーター関連技術資料
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- 【第8話】初打ち合わせ！リアルな場での教訓
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- 【第11話】学びと成長！モーターを回すだけではない仕事
- 【第12話】次のステージへ！スーパーエンジニアへの扉が開く時
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