(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロステップ駆動による超低回転域から高回転域に至るまでの回転の滑らかさを確保するとともに、励磁コイルに対する励磁を切り替えるためのハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子の双方が、一時期同時に導通状態となることに起因する消費電力の増大や、発熱、放射ノイズを低減させることが可能なステッピングモータ駆動装置を提供する。【解決手段】ステッピングモータの励磁コイルの全ての端子を電源の正極又は負極のいずれかに接続した２相励磁を合成することで４相励磁を実現している。更に、励磁コイルに供給する電力の制御を行うハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子の制御指令に、双方の駆動素子を一時的に遮断状態にするためのデッドタイムを挿入するように構成した。このデッドタイムの長さは、励磁コイルに印加する電圧値又はモータ回転子の回転数に応じて決定される。【選択図】図５
2010104174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αを微細ステップにｍ分割するマイクロステップを実現するステッピングモータ駆動装置にあって、
Ｎ相ステッピングモータの回動指令パルスが入力されると、前記微細ステップの歩進数を計数して出力するｍ分割カウンタと、前記ｍ分割カウンタの上位の桁に位置し基本ステップの歩進数を計数して出力する基本ステップカウンタとを有する電気角位置管理手段と、
Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子を、前記基本ステップの歩進数に対応した１の基本ステップ位置に位置決めするために、Ｎ相の励磁コイルのうちの所定の組合せを励磁する１の励磁組と、他の基本ステップ位置に位置決めするための他の励磁組との励磁組合せを出力する励磁相組合せ出力手段と、
前記ｍ分割カウンタの値及び前記基本ステップカウンタの値とに応じて、前記２つの励磁組合せの励磁回数又は励磁時間をそれぞれ漸増及び漸減することにより、前記２つの励磁組合せの励磁割合を決定する励磁割合決定手段と、
所定の単位励磁周期Ｔが計数される毎に、前記励磁組を構成する単位励磁相に対する励磁を切り換えるための単位励磁切替指令を出力する単位励磁周期出力手段と、
前記単位励磁周期Ｔの整数倍で構成される組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に、前記励磁割合に応じた前記２つの励磁組合せによる励磁を切り換えるための組合せ励磁切替指令を出力する、組合せ励磁周期出力手段と、
前記組合せ励磁切替指令が出力される毎に、新たな前記励磁割合を記憶する励磁割合記憶手段と、
前記Ｎ相の励磁コイル端子毎に設けられ、前記励磁コイルと駆動電源の正極との導通又は遮断を制御するハイサイド駆動素子、及び、前記励磁コイルと駆動電源の負極との導通又は遮断を制御するローサイド駆動素子と、
前記励磁割合記憶手段に記憶されている前記励磁割合を用い、前記２つの励磁組合せを構成する単位励磁相に対する励磁を前記単位励磁切替指令が出力される毎に切り替えるために、前記ハイサイド駆動素子を駆動するためのハイサイド指令データ、及び、ローサイド駆動素子を駆動するためのローサイド指令データとを生成する駆動素子指令生成手段と、
励磁コイルに印加する電圧値又はモータ回転子の回転数に応じて定められるデッドタイムを生成するデッドタイム生成手段と、
前記単位励磁切替指令が出力される毎に、前記ハイサイド指令データ及びローサイド指令データに応じたハイサイド指令及びローサイド指令を出力するとともに、前記単位励磁切替指令が出力された際に、前記ハイサイド指令及びローサイド指令が同時に切り替わることとなる場合には、当該切替時における前記ハイサイド指令又はローサイド指令のいずれかに対して、前記デッドタイムを挿入した新たなハイサイド指令又はローサイド指令を生成して、前記ハイサイド駆動素子及び前記ローサイド駆動素子の双方を遮断したハイインピーダンス状態を挿入するデッドタイム挿入手段と、
を備え、
前記ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子は、前記ハイサイド指令及びローサイド指令に基づいて前記Ｎ相の励磁コイルを励磁することを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
【請求項２】
前記励磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記検出した電流が所定の範囲に定まるように前記励磁コイルに印加する前記駆動電源の電圧値を制御する電流制御手段と、
を備え、
前記デッドタイム生成手段は、当該定電流制御後の電圧値が高い場合には、前記デッドタイムを長く設定することを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ駆動装置。
【請求項３】
前記励磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記検出した電流が所定の範囲に定まるように前記励磁コイルに印加する前記駆動電源の電圧値を制御する電流制御手段と、
を備え、
前記デッドタイム生成手段は、前記定電流制御後の電圧値が第１の閾値を上回った場合には、第１のデッドタイムを加算し、
前記定電流制御後の電圧値が前記第１の閾値を上回った後、前記第１の閾値よりも低い第２の閾値を下回った場合には、前記第１のデッドタイムを減算することを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ駆動装置。
【請求項４】
前記励磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記検出した電流が所定の範囲に定まるように前記励磁コイルに印加する前記駆動電源の電圧値を制御する電流制御手段と、
を備え、
前記デッドタイム生成手段は、前記定電流制御後の電圧値が第１の閾値を上回った場合には、第１の増加レートで第１のデッドタイムを漸増させてゆき、
前記定電流制御後の電圧値が前記第１の閾値を上回った後、前記第１の閾値よりも低い第２の閾値を下回った場合には、前記第１のデッドタイムを第１の減少レートで漸減させてゆくことを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ駆動装置。
【請求項５】
前記励磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記検出した電流が所定の範囲に定まるように前記励磁コイルに印加する前記駆動電源の電圧値を制御する電流制御手段と、
を備え、
前記デッドタイム生成手段は、前記電圧値が第１の閾値を上回ったことを判断すると、デッドタイムを単位励磁周期Ｔに相当する時間まで所定の増加レートで漸増させてゆき、
前記電圧値が第１の閾値を上回った後に、前記電圧値が第２の閾値を下回ったことを判断すると、デッドタイムを単位励磁周期Ｔに相当する時間から所定の減少レートで漸減させてゆくことを特徴とする請求項１に記載のステッピングモータ駆動装置。
【請求項６】
前記励磁割合記憶手段は、前記組合せ励磁切替指令が出力される毎、又は前記基本ステップカウンタの値が更新される毎に、新たな前記励磁割合を記憶することを特徴とする請求項１〜５に記載のステッピングモータ駆動装置。
【請求項７】
前記組合せ励磁周期出力手段は、前記単位励磁周期Ｔの整数倍で構成される組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に、前記励磁割合に応じた前記２つの励磁組合せによる励磁を切り換えるための組合せ励磁切替指令を出力し、更に前記基本ステップカウンタの値が更新される毎に前記組合せ励磁切替指令を出力するとともに、新たに前記組合せ励磁周期ＴＣの計数を開始することを特徴とする請求項１〜５に記載のステッピングモータ駆動装置。
【請求項８】
前記請求項１〜７のいずれかに記載のステッピングモータ駆動装置を用いたＮ相ステッピングモータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スター結線、環状結線等の複数の励磁コイルを有するステッピングモータを駆動するための駆動装置であって、回動指令パルスに応じて励磁コイルに対する励磁を変更するステッピングモータ用駆動装置と、その駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子を駆動する場合には、外部からステッピングモータの駆動装置に回動指令パルスを入力し、駆動装置がその入力した回動指令パルスを計数し、その計数値に応じてＮ相ステッピングモータの励磁コイルに対する励磁を切り替えることにより、回動指令パルスの総数に比例した角度だけモータ回転子を回転させる制御を行っている。
【０００３】
この、Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子の位置決め分解能を細かくする際には、Ｎ相ステッピングモータの機械的構造から決定される機械角を半分に分割するハーフステップ駆動や、更に細かい角度に分割して位置決めするマイクロステップ駆動が行われている。
【０００４】
例えば、特許第３２２３２１６号公報（以下、特許文献１と呼ぶ。）に記載されているステッピングモータの駆動方式では、低回転域においては４相励磁時のＰＷＭ（パルス幅変調：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）のデューティを変化させることで各相の励磁電流を段階的に調節して、マイクロステップ駆動（特許文献１では、微小角駆動と記載されている。）を行っている。そして、回動指令パルスの周波数がＰＷＭ周波数よりも短くなる高回転域においては、ＰＷＭを用いない４相励磁によるフルステップ駆動の制御に切り替えている。
【０００５】
ところが、特許文献１にも記載されているように、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動との境界部分において、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えると、励磁パターンが急激に変化することに起因する振動（モータ回転子の回転数が変動すること。）が発生する。
【０００６】
この境界部分の回転数で発生する振動が、ステッピングモータの制御対象であるキャリッジの固有振動数と共振すると、その振幅が増大し、ワークの搬送等に支承をきたしたり、騒音が発生するなどの原因となる。そこで、特許文献１では、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動の切り替えを、回転数に応じて徐々に行うようにしている。これにより、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動との境界部分において、より滑らかな回転を得ることができるとしている。
【０００７】
ここで、特許文献１に記載されている発明と、後段にて説明する本願発明との相違点を明確にするために、特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式について、図を引用して概略説明することにする。
【０００８】
先ず、特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式を実現するための駆動回路について図２７を用いて説明する。特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式は、５相ステッピングモータ用の駆動方式である。特許文献１には、当該５相ステッピングモータ用の駆動回路が記載されていないので、特許第２８２１６９６号公報（以下、特許文献２と呼ぶ。）の第２図を図２７として引用して説明することにする。
【０００９】
先ず、特許文献１に記載されている５相ステッピングモータの駆動方式のうち、高回転域において用いられている４相励磁によるフルステップ駆動時の励磁パターンについて説明する。
【００１０】
図２７に示す駆動回路を用いて４相励磁によるフルステップ駆動を行う場合には、例えば以下のように励磁コイルの各端子に電圧を印加して励磁を行っている。先ず、端子Ａと接続されているハイサイド（特許文献１では上アームと記載されている。）駆動素子Ｑ１のＦＥＴをオンにし、ローサイド（特許文献１では下アームと記載されている。）駆動素子Ｑ２のＦＥＴをオフにする。このようにして端子Ａに＋Ｖ（Ｖ）の正極の電圧を印加する。同時に、ローサイド駆動素子Ｑ６をオンにし、ハイサイド駆動素子Ｑ５をオフにして端子Ｃに０（Ｖ）の負極に接続する。同様に、ローサイド駆動素子Ｑ８をオンにし、ハイサイド駆動素子Ｑ７をオフにして端子Ｃを０（Ｖ）の負極に接続する。
【００１１】
このように、３つの端子を電源に接続することで、端子ＡからＡφ、Ｂφを経由して端子Ｃに電流を流すとともに、端子ＡからＥφ、Ｄφを経由して端子Ｃに電流が流れて、Ａφ、Ｂφ、Ｅφ、Ｄφの４相が励磁される。この励磁状態をステップ０＊Ｎの基本ステップ位置と呼ぶことにする。
【００１２】
図２８に、ステップ０＊Ｎ〜９＊Ｎ間における各端子に対するフルステップ駆動時の駆動パターンを示す。図２８は、特許文献１の図３に示される図である。図２８に示すように、いずれのステップ角においても３つの端子に正極又は負極の電圧を印加しているので、常時４相励磁を行っていることになる。
【００１３】
図２８に示すように、各励磁コイルに対する励磁を切り替えることで、ステッピングモータの電気角３６０°（歯数５０Ｔの５相ハイブリッドステッピングモータの場合、電気角３６０°＝機械角７．２°に相当する。）をステップ０＊Ｎ〜９＊Ｎまで１０分割することができる。
【００１４】
なお、例えばフルステップ駆動時においてステップ０＊Ｎの励磁を行っている際には、端子Ｂ及び端子Ｅに対しては電圧を印加しておらず、常に電圧が制御されていないハイインピーダンス状態となっている。すなわち、図２７に示すハイサイド駆動素子Ｑ３及びローサイド駆動素子Ｑ４、並びにハイサイド駆動素子Ｑ９及びローサイド駆動素子Ｑ１０は、全てオフとなっている。
【００１５】
次に、特許文献１に記載されている５相ステッピングモータの駆動方式のうち、低回転域において用いられる４相励磁によるマイクロステップ駆動時の励磁パターンについて説明する。
【００１６】
例えば、ステップ０＊Ｎとステップ１＊Ｎの間のＥ０の区間においてマイクロステップ駆動を行う場合には、図２９に示すように、端子Ｂを介して印加する電圧を電気角に応じて増加させるとともに、端子Ｃを介して印加していた電圧を電気角に応じて減少させる。電流の増減は、ＰＷＭのデューティを変更することによって行っている。なお、この図２９は、特許文献１の図２に示される図である。
【００１７】
マイクロステップ駆動時においてステップ０＊Ｎの励磁を行う場合には、フルステップ駆動時においては常にハイインピーダンス状態としていた端子Ｂ及び端子Ｅに対して、＋Ｖ（Ｖ）及び０（Ｖ）の電圧を交互に５０％のデューティで印加することで実現している。したがって、この状態では、図２７に示すハイサイド駆動素子Ｑ３及びローサイド駆動素子Ｑ４、並びにハイサイド駆動素子Ｑ９及びローサイド駆動素子Ｑ１０のＦＥＴは、オン−オフを常時繰り返している状態となっている。このように、特許文献１においては、同一のステップ０＊Ｎにおける励磁であるにも関わらず、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動とで、全く異なる励磁を行っている。したがって、特許文献１に記載されている励磁切替方法では、マイクロステップ駆動の励磁とフルステップ駆動の励磁とを明確に切り替える必要がある。
【００１８】
この、ＰＷＭを用いた４相励磁によるマイクロステップ駆動時の励磁方法について、図３０及び図３１を用いて説明する。図３０は、マイクロステップ駆動時のステップ０＊Ｎ〜９＊Ｎの間において、端子Ａに印加する電圧（デューティ）について説明する図であり、特許文献１の図８に示される図である。なお、図３１は、特許文献１の図６に示される図に対して捕捉を行ったものである。
【００１９】
図３０に示されるように、区間Ｅ０及び区間Ｅ９の範囲では、端子Ａに対してハイサイドの駆動素子Ｑ１が１００％のオンデューティで＋Ｖ（Ｖ）を印加している。したがって、ローサイドの駆動素子Ｑ２は０％のオンデューティとなる（なお、フルステップ駆動時には、区図２８に示したように、間Ｅ０〜区間Ｅ９の全ての区間において１００％又は０％のオンデューティの何れかとなっている。）。
【００２０】
他方、区間Ｅ４及び区間Ｅ５の範囲では、端子Ａに対してハイサイドの駆動素子Ｑ１が０％のオンデューティとなり、ローサイドの駆動素子Ｑ２が１００％のオンデューティで０（Ｖ）の電圧を印加する。
【００２１】
また、区間Ｅ２及び区間Ｅ７の範囲では、端子Ａに対して、ハイサイドの駆動素子Ｑ１及びローサイドの駆動素子Ｑ２の双方が、５０％のオンデューティで＋Ｖ（Ｖ）を印加している。
【００２２】
また、区間Ｅ１、Ｅ３、Ｅ６及び区間Ｅ８の範囲では、端子Ａに対して、ハイサイドの駆動素子Ｑ１及びローサイドの駆動素子Ｑ２のデューティを細かく変更して電気角を変更し、マイクロステップを実現している。
【００２３】
次に、図３１を用いて４相励磁によるマイクロステップ駆動時のＰＷＭ波形について説明する。図３１に示すように、区間Ｅ０及び区間Ｅ９の範囲では、端子Ａに対してハイサイドの駆動素子Ｑ１が１００％のオンデューティで＋Ｖ（Ｖ）の電圧を印加している。したがって、ローサイドの駆動素子Ｑ２は０％のオンデューティとなる。
【００２４】
区間Ｅ４及び区間Ｅ５の範囲では、端子Ａに対してハイサイドの駆動素子Ｑ１が０％のオンデューティとなり、ローサイドの駆動素子Ｑ２が１００％のオンデューティで０（Ｖ）の電圧を印加している。
【００２５】
区間Ｅ２及び区間Ｅ７の範囲では、端子Ａに対してハイサイドの駆動素子Ｑ１及びローサイドの駆動素子Ｑ２が、５０％のオンデューティで＋Ｖ（Ｖ）を印加している。
【００２６】
区間Ｅ１及び区間Ｅ８の範囲では、駆動素子Ｑ１のオンデューティが５０％を越えており、駆動素子Ｑ２のオンデューティが５０％未満である。区間Ｅ３及び区間Ｅ６の範囲では、駆動素子Ｑ１のオンデューティが５０％未満であり、駆動素子Ｑ２のオンデューティが５０％を越えている。
【００２７】
このステッピングモータの駆動方式を用い、あるモータ回転子の回転数を境にして、急にマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えると、励磁パターンが急激に変化することに起因する振動（モータ回転子の回転数が変動すること。）が発生することになる。
【００２８】
そこで特許文献１では、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動との切り替えを、回転数を用いた２つの閾値の間（境界部分と呼ぶ。）において、この２つの閾値の間における回転数に応じて徐々に行うようにした。特許文献１では、図３２に示すように、マイクロステップ駆動パターンとフルステップ駆動パターンとの境界部分に、モータ回転子の回転数に応じて励磁パターンを徐々に遷移させる遷移速度帯ＴＳ１〜ＴＳ４を設けている。なお、図３２は、特許文献１の図５に捕捉を加えた図である。
【００２９】
次に、図３３を用いて、遷移速度帯ＴＳ１〜ＴＳ４におけるＰＷＭ波形を説明する。図３３は、特許文献１の図７に捕捉を加えたものである。特許文献１では、遷移速度帯において、図３３に示すＭ１及びＭ２のパルス幅ＭＷをモータ回転子の回転数に応じて長くすることにより、マイクロステップ駆動用のＰＷＭ波形から、フルステップ駆動用の１００％オンデューティ波形に遷移させている。
【００３０】
特許文献１に記載されている発明では、この遷移速度帯において、図３３に示すＭ１及びＭ２のパルス幅をモータ回転子の回転数に応じて徐々に変化させている。これにより、回転数の変化に不連続なポイントがなくなるので、低回転域から高回転域まで滑らかな回転が得られるとしている。
【００３１】
また、特許文献３（特開２００６−３４０５１０号）には、特許文献１に記載されている駆動方式を用いた際に、前記遷移速度帯において切り替え途中の励磁状態が継続することにより発生するモータ回転子の振動を低減することを目的とした発明が開示されている。
【００３２】
特許文献１では、上述の図３２に示したように、遷移速度帯ＴＳ１〜ＴＳ４において、モータ回転子の回転数に応じてＭ１及びＭ２のパルス幅を長くすることにより、マイクロステップ用のＰＷＭ波形からフルステップ駆動用の１００％オンデューティの励磁波形に遷移させている。このように、モータ回転子の回転数のみに基づいて励磁状態を変化させる場合に、指令回転数として前記遷移速度帯の回転数を指令すると、切り替え途中の励磁状態がそのまま継続されることになり、このため、モータ回転子が振動するなどの不安定で好ましくない駆動状態が続いてしまうことがあった。
【００３３】
そこで特許文献３に記載されているステッピングモータの制御方法では、特許文献１に記載されている駆動方式の問題点に鑑み、駆動形態の切り替え途中の励磁状態が継続されることを回避して、より安定かつ円滑にステッピングモータを駆動することを目的として掲げている。
【００３４】
特許文献３に記載されているステッピングモータの制御方法では、回転数に依存した遷移速度帯ＴＳ１〜ＴＳ４を廃止し、モータ回転子の回転数がＦ１（ｒｐｍ）を超えた場合に、所定の時間ＴＷ内においてＭのパルス幅を徐々に長してゆき、マイクロステップ用のＰＷＭ波形からフルステップ駆動用の１００％オンデューティの励磁波形に遷移させている。
【００３５】
また、モータ回転子の回転数がＦ２（ｒｐｍ）を下回った際（Ｆ１＞Ｆ２）には、所定の時間ＴＷ内においてＭのパルス幅を徐々に短くしてゆき、フルステップ駆動用の１００％オンデューティの励磁波形から、マイクロステップ用のＰＷＭ波形に遷移させている。更に、急激に回転数が減少した際には、時間ＴＷの経過を待たずに、Ｍのパルス幅を０に設定する機能も付加してある。
【００３６】
特許文献３に記載されている発明によれば、駆動形態を切り替える途中の励磁状態を、所定の時間ＴＷ内において必ず終了するようにしたことにより、切り替え途中の励磁状態が継続されることを回避して、より安定かつ円滑にステッピングモータを駆動することができるとしている。
【００３７】
また、特許文献４（特開２００８−６１４３９号公報）には、マイクロステップ駆動の分解能を向上させて、低振動の超低速回転を可能にするステッピングモータの駆動方法が開示されている。この特許文献４に記載されているステッピングモータの駆動方法は、マイクロステップ駆動を更に低速域へ発展させる技術である。これに対し本願発明は、この特許文献４に記載されているマイクロステップ駆動の特徴である低振動性を、より高速回転域まで発展させることを可能にするものである。
【特許文献１】特許第３２２３２１６号公報
【特許文献２】特許第２８２１６９６号公報
【特許文献３】特開２００６−３４０５１０号公報
【特許文献４】特開２００８−６１４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３８】
先ず、特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式における問題点について考察する。
【００３９】
特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式における第１の問題点として、マイクロステップ駆動時において高い回転数を指令した場合に、モータ回転子に振動が発生する問題を挙げることができる。
【００４０】
例えば、特許文献１の段落番号［０００４］にも記載されているように、特許文献１の駆動方式では、出力素子のスイッチング（微小角駆動を行わせる場合の駆動素子のオン・オフのスイッチング）と外部の発振器から入力されるパルス信号による励磁シーケンスの切り替わりにより干渉が生じて、モータ回転子が振動してしまうことになる。これは、特許文献１に記載されている駆動方式では、マイクロステップ駆動中にモータ回転子の回転数が上昇するにつれて、励磁切替の間隔が短くなってくるからでり、回動指令パルスの間隔がＰＷＭのオン・オフデューティの切替周期に近づくと、ＰＷＭ励磁が完了せずに途中で終わってしまって、不完全なＰＷＭ励磁を行い続けることになるからである。そして、この不完全なＰＷＭ励磁によるオン・オフのデューティがもたらす影響が大きくなってくる。
【００４１】
例えば、図３４に示すように、回動指令パルスが所定の間隔で入力され、当該回動指令パルスのタイミングに同期して、マイクロステップ駆動時において電気角を計数するアドレスカウンタが更新されるものとする。一方、ＰＷＭの周期ＴＰは、回動指令パルスの間隔よりも若干短いものとし、５０％のデューティで励磁コイルを励磁していたとする。
【００４２】
すると、図３４に示すように、５０％のデューティで励磁しているはずのものが、回動指令パルスが入力される毎にＰＷＭの励磁周期をリセットしているために、実際には６７％デューティになってしまう。実際に励磁するデューティがこれだけ異なってしまうと、各相巻線に流れる励磁電流のコントロールが不完全になって各期間に流れる励磁電流に変動を生じ、その結果、モータ回転子に振動が発生することになる。この影響を少なくするためには、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替える回転数を下げて、回動指令パルスの間隔がＰＷＭ周期ＴＰよりもかなり長くなるような、低い回転数で切り替える必要が生ずる。
【００４３】
しかし、低い回転数においてマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えると、その低回転時においては特にモータ回転子の速度変動が目立つために、よりモータ回転子の回転数の変動が少なくなるような工夫が必要となる。
【００４４】
通常、ＰＷＭ周波数は、通常可聴音を外した１５ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度に設定される。例えばＰＷＭ周波数を２０ｋＨｚに設定し、一般に多用されている歯数５０Ｔの５相ハイブリッドステッピングモータに対して機械角を１００分割したマイクロステップ駆動を行った場合には、角度指令の回動指令パルスがＰＷＭ周波数の２０ｋＨｚを越えるのが２４０ｒｐｍ（＝４ｒｐｓ）となる。
【００４５】
ステッピングモータの駆動に関しては、年を追う毎に高分解能化及び低振動化に対する要望が高まっている。例えば、従来は６ｒｐｍ〜６０ｒｐｍ（０．１ｒｐｓ〜１ｒｐｓ）程度の回転数でモータ回転子が安定して回転することが求められていたが、近年ではステッピングモータの機械角を１／２０００まで分割した高分解能の駆動を行いながら、６ｒｐｓ（０．１ｒｐｍ）以下の超低回転における回転の滑らかさが要求されている。
【００４６】
そこで、上記の例で機械角を２０００分割すると、角度指令の回動指令パルスがＰＷＭ周波数の２０ｋＨｚを越えるのが１２ｒｐｍ（＝０．２ｒｐｓ）となってしまう。そうすると、回動指令パルスがＰＷＭ周波数に近づく１２ｒｐｍの手前で、モータ回転子に発生する振動が大きくなってしまうことになる。
【００４７】
特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式における第２の問題点として、ハイサイド駆動素子のオンとローサイド駆動素子のオフとを同時に指令したことに起因する問題を挙げることができる。一般に、ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子が行うオン−オフ動作の過渡期には、一時期双方の駆動素子が同時にオンとなる状態が存在する。この、双方が同時にオンになっているときには、電源の正極と負極とが直接接続された状態（ショートサーキット状態）となり、スパイク的な貫通電流が流れることになる。
【００４８】
図３５に、ハイサイド駆動素子のオンとローサイド駆動素子のオフとを同時に行った際における駆動素子のゲート電圧変化の過渡状態を示す。なお、図３５の横軸は時間であり、駆動素子として多用されているＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いた実施形態を表している。
【００４９】
例えば、図３５の上段に示すように、ハイサイド駆動素子入力端子用のデジタル出力をローからハイにすると同時に、ローサイド素子入力端子用のデジタル出力をハイからローに落としたとする。この場合であっても、ハイサイド駆動素子のソース電位に対するゲートの充電時における電位変化、及び、ローサイド駆動素子のゲートの放電時の電位変化は、ミラー効果等により図３５の下段に示すような過渡特性を有する。
【００５０】
図３５に示すように、ハイサイド駆動素子入力端子をローからハイにすると同時に、ローサイド素子入力端子をハイからローに落とす指令を与えた場合には、ハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とが同時にオンとなって短絡電流が流れる短絡時間（重なり部分）が生ずる。
【００５１】
このように、ハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とが一時的に同時に導通状態となって生ずる短絡電流は、ステッピングモータ駆動装置において無駄に電力を消費する元となるとともに、発熱を増大させる元となっている。ステッピングモータ駆動装置における発熱は、駆動素子を含めた当該機器の信頼性を低下させるとともに、経年劣化を加速させるものとなる。また、モータ電流制御手段における定電流制御を妨害する要因ともなる。
【００５２】
更に、この駆動素子における短絡電流は、短時間のうちに急激に流れて止まるため、大きな放射ノイズを発する。この放射ノイズは、自己のステッピングモータ駆動装置内に配置されている他の回路にて誤作動を誘発させたり、他の機器に伝播して他の機器において誤作動を誘発するといった、電磁波妨害の原因ともなる。
【００５３】
ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子は、駆動対象のステッピングモータの巻線仕様（インダクタンスや直流抵抗の違いを含む。）やトルクに応じて定格電流の規格が異なる駆動素子を選択することになる。すると、ハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とが同時にオンとなって短絡電流が流れる短絡時間も、選択した駆動素子によって異なる値となるので、従来は、対応するステッピングモータの種類や定格電流、巻線仕様等に応じて駆動素子回りの回路構成や回路定数を設計する必要があった。
【００５４】
なお、ハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とが同時に導通状態となることによる短絡電流を無くすためには、ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子の双方を一時的に遮断する期間（デッドタイム）を十分長く設定することが効果的である。
【００５５】
このように、デッドタイムを十分長く設定することは、短絡電流を低減するための有効手段ではあるが、デッドタイム中はハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子の双方が遮断状態にあるために、出力端子は駆動電源の正極にも負極にも接続されない状態（ハイインピーダンス状態）になっている。マイクロステップ駆動時などの低回転域においてステッピングモータの励磁コイルの端子がハイインピーダンス状態になると、モータ回転子の回転が安定せずに振動が著しく増大したり、停止精度が著しく悪化するなどの不具合を生ずることになる。
【００５６】
したがって、マイクロステップ駆動時における性能を重視する際には、デッドタイムの設定は０にすることが好ましいが、短絡電流を減少させて駆動素子の保護等を行うためにはデッドタイムを十分長く設定することが好ましいという、相反する設定が要求されることになる。
【００５７】
従来は、短絡電流による不具合を減少するために、ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子回りの回路において極力短絡電流が少なくなるように、また、ステッピングモータの励磁コイルの端子にハイインピーダンス状態が発生しないようにするために、多大な工数をかけて回路構成と回路定数を選択していた。したがって、従来のステッピングモータ駆動装置は、短絡電流による発熱の増大や、放射ノイズの発生といった課題をある程度残した製品となっていた。
【００５８】
なお、図３５示した駆動素子のゲート電圧に起因する短絡電流の他にも、駆動素子がオフからオンに切り換わる際のスピードの特性（遅れ）と、オンからオフに切り換わる際のスピードの特性（遅れ）に起因して短絡時間が増加するスルーレートの問題もある。このスルーレートに起因する短絡時間は、駆動素子のソース−ドレイン間の電圧に比例して増大するので、励磁コイルの駆動電圧に応じて変化する性質を有するものとなる。
【００５９】
これとは別に、駆動素子におけるオン、オフ動作による端子電圧の変化が素子のゲートを誘導し、オフ状態にある駆動素子が一時的にオンに遷移して、ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子の双方が同時にオン状態になるといった、誘導に起因する短絡電流も存在する。
【００６０】
例えば、特許文献１に記載されているＰＷＭを用いたステッピングモータのマイクロステップ駆動方式では、図３１に示したように、区間Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ６、Ｅ７及びＥ８において、ハイサイド駆動素子のオンとローサイド駆動素子のオフとが同時に指令されることが繰り返し行われる。例えば、区間Ｅ１における励磁では、ＰＷＭ周期ＴＰ毎に、時刻ＴＭにおいて駆動素子Ｑ１のオンと駆動素子Ｑ２のオフとが同時に指令され、時刻ＴＥ１にて駆動素子Ｑ１のオフと駆動素子Ｑ２のオンとが同時に指令される。駆動素子Ｑ１及び駆動素子Ｑ２が行うオン−オフ動作の過渡期には、一時期双方の駆動素子が同時にオンとなる状態が発生し、ここでスパイク的な貫通電流が流れることになる。
【００６１】
この駆動素子Ｑ１及び駆動素子Ｑ２の双方の駆動素子が同時に切り替わる状態は、区間Ｅ２では時刻ＴＭ及び時刻ＴＥ２、区間Ｅ３では時刻ＴＭ及び時刻ＴＥ３、区間Ｅ６では時刻ＴＭ及び時刻ＴＥ６、区間Ｅ７では時刻ＴＭ及び時刻ＴＥ７、区間Ｅ８では時刻ＴＭ及び時刻ＴＥ８においてそれぞれ発生することになる。
【００６２】
他方、図３３に示した場合には、Ｍ１及びＭ２のパルス幅を用いて励磁の切り替えタイミングをずらしていることにより、駆動素子Ｑ１及び駆動素子Ｑ２の双方の駆動素子が同時に切り替わる状態は、区間Ｅ１では時刻ＴＥ１及び時刻ＴＭ２、区間Ｅ２では時刻ＴＥ２、区間Ｅ３では時刻ＴＥ３、区間Ｅ６では時刻ＴＭ１及び時刻ＴＥ６、区間Ｅ７では時刻ＴＥ７、区間Ｅ８では時刻ＴＥ８においてそれぞれ発生していることになる。したがって、図３１に示した場合よりも、駆動素子Ｑ１及び駆動素子Ｑ２の双方の駆動素子が同時に切り替わる回数は減少するが、依然存在していることになる。
【００６３】
特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式における第３の問題点として、低い回転数でマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えた際にモータ回転子に振動が発生する問題を挙げることができる。
【００６４】
上述のように、近年では、ステッピングモータを用いた精密位置決め及び高回転駆動や、定速駆動を行う要求が増えている。特許文献１に記載されているように、比較的低回転で４相励磁によるフルステップ駆動に切り替えてしまうと、フルステップ駆動時において常に２つ以上の励磁コイルの端子がハイインピーダンス状態となることに起因して、モータ回転子の定回転性が損なわれるという問題が生ずる。
【００６５】
上述のように、マイクロステップ駆動の分解能を向上させると、比較的定回転域において４相励磁によるフルステップ駆動に切り替える必要が生ずる。すると、その低回転域においてフルステップ駆動に切り替えた際に、モータ回転子に振動が発生してしまうという不具合を生じる。
【００６６】
このように制御されたステッピングモータを用いてキャリッジ等を駆動する場合には、安定した駆動が必要とされる低回転域においてキャリッジに振動が発生するなどの不具合を生じる。
【００６７】
特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式における第４の問題点として、遷移速度帯において加減速を行う際に発生するモータ回転子の振動の問題を挙げることができる。
【００６８】
例えば、図３２に示した遷移速度帯ＴＳ１においては、モータ回転子の回転数が、完全なマイクロステップ駆動パターンで駆動する速度域に近いにもかかわらず、区間Ｅ１から区間Ｅ２に切り換わるステップ２＊Ｎの前後で、急激に階段状に駆動素子Ｑ１のオンデューティが低下する波形となる。ところが、その後の区間Ｅ３では徐々にオンデューティが変化してゆくというように、モータ回転子の回転数が少し変化しただけで、急激に回転変動が増大するという問題点を含んでいる。
【００６９】
したがって、遷移速度帯において緩やかな加減速を指令した場合に、滑らかな回転が得られず、振動が発生することとなる。このようなステッピングモータの駆動方式を用いる場合には、液体の搬送や軽量部品の搬送を目的とした精密な駆動の用途には適さないという不具合を生じることになる。更に、上述の第１の問題点で挙げた、回動指令パルスがＰＷＭのオン・オフデューティの切替周波数に近づいた際に大きくなるモータ回転子の振動との影響が合わさって、より大きな振動を発する可能性がある。
【００７０】
これに対し、特許文献３に記載されているステッピングモータの制御方法では、遷移速度帯において一定の回転数を指令した場合であっても、駆動形態を切り替える途中の励磁状態は所定の時間ＴＷ内において必ず終了するので、切り替え途中の励磁状態が継続されることは回避されることになる。しかし、４相励磁とＰＷＭのデューティを変更する制御とを組み合わせてマイクロステップを行う限り、回動指令パルスがＰＷＭのオン・オフデューティの切替周波数に近づいた際に発生する振動の影響や、この振動を避けるためにマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えるタイミングを低い回転数で実行しなければならない問題は残ることになる。
【００７１】
また、ハイサイド駆動素子のオンとローサイド駆動素子のオフとを同時に指令したことに起因する消費電力の増大や、発熱、放射ノイズの問題等も、依然として存在している。
【００７２】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ステッピングモータ用駆動装置において、電気角の分解能が１／１００以下となるような微小角における停止精度（スタティック特性）を確保し、超低回転域から高回転域に至るまでの回転の滑らかさ（ダイナミック特性）を確保することを目的としている。
【００７３】
また、本発明は、ステッピングモータのコイル端子に正極の電圧を印加するためのハイサイド駆動素子、及び負極の電圧を印加するためのローサイド駆動素子の双方が同時に導通状態となる期間を短縮させて、短絡電流を減少させ、これに起因する消費電力の増大や、発熱、放射ノイズを低減させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００７４】
上記課題を解決するために、本発明は、Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αを微細ステップにｍ分割するマイクロステップを実現するステッピングモータ駆動装置にあって、Ｎ相ステッピングモータの回動指令パルスが入力されると、前記微細ステップの歩進数を計数して出力するｍ分割カウンタと、前記ｍ分割カウンタの上位の桁に位置し基本ステップの歩進数を計数して出力する基本ステップカウンタとを有する電気角位置管理手段と、Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子を、前記基本ステップの歩進数に対応した１の基本ステップ位置に位置決めするために、Ｎ相の励磁コイルのうちの所定の組合せを励磁する１の励磁組と他の基本ステップ位置に位置決めするための他の励磁組との励磁組合せを出力する励磁相組合せ出力手段と、前記ｍ分割カウンタの値及び前記基本ステップカウンタの値とに応じて、前記２つの励磁組合せの励磁回数又は励磁時間をそれぞれ漸増及び漸減することにより、前記２つの励磁組合せの励磁割合を決定する励磁割合決定手段と、所定の単位励磁周期Ｔが計数される毎に、前記励磁組を構成する単位励磁相に対する励磁を切り換えるための単位励磁切替指令を出力する単位励磁周期出力手段と、前記単位励磁周期Ｔの整数倍で構成される組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に、前記励磁割合に応じた前記２つの励磁組合せによる励磁を切り換えるための組合せ励磁切替指令を出力する、組合せ励磁周期出力手段と、前記組合せ励磁切替指令が出力される毎に、新たな前記励磁割合を記憶する励磁割合記憶手段と、前記Ｎ相の励磁コイル端子毎に設けられ、前記励磁コイルと駆動電源の正極との導通又は遮断を制御するハイサイド駆動素子、及び、前記励磁コイルと駆動電源の負極との導通又は遮断を制御するローサイド駆動素子と、前記励磁割合記憶手段に記憶されている前記励磁割合を用い、前記２つの励磁組合せを構成する単位励磁相に対する励磁を前記単位励磁切替指令が出力される毎に切り替えるために、前記ハイサイド駆動素子を駆動するためのハイサイド指令データ、及び、ローサイド駆動素子を駆動するためのローサイド指令データとを生成する駆動素子指令生成手段と、励磁コイルに印加する電圧値又はモータ回転子の回転数に応じて定められるデッドタイムを生成するデッドタイム生成手段と、前記単位励磁切替指令が出力される毎に、前記ハイサイド指令データ及びローサイド指令データに応じたハイサイド指令及びローサイド指令を出力するとともに、前記単位励磁切替指令が出力された際に、前記ハイサイド指令及びローサイド指令が同時に切り替わることとなる場合には、当該切替時における前記ハイサイド指令又はローサイド指令のいずれかに対して、前記デッドタイムを挿入した新たなハイサイド指令又はローサイド指令を生成して、前記ハイサイド駆動素子及び前記ローサイド駆動素子の双方を遮断したハイインピーダンス状態を挿入するデッドタイム挿入手段と、を備え、前記ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子は、前記ハイサイド指令及びローサイド指令に基づいて前記Ｎ相の励磁コイルを励磁することを特徴とする。
【００７５】
本発明に係るステッピングモータ駆動装置では、ステッピングモータの励磁コイルの全ての端子を電源の正極又は負極のいずれかに接続した２相励磁を、時間的にずらして複数組み合わせることで４相励磁を実現し、基本ステップの１／２００を越えるような分解能におけるマイクロステップ駆動時の停止精度と回転の滑らかさを確保しつつ、マイクロステップ駆動の高分解能化を実現している。この駆動方法によれば、マイクロステップ駆動時と、フルステップ駆動時の双方において、基本角ステップにおける励磁を統一することができる。
【００７６】
これに加えて本発明では、ステッピングモータの励磁コイルと駆動電源の正極との導通又は遮断を制御するハイサイド駆動素子、及び、前記励磁コイルと駆動電源の負極との導通又は遮断を制御するローサイド駆動素子とを用いて励磁を切り替える際に、ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子の双方が同時に切り替わることとなる場合には、当該切替時における前記ハイサイド指令又はローサイド指令のいずれかに対して、励磁コイルに印加する電圧値又はモータ回転子の回転数に応じて定められるデッドタイムを挿入した新たなハイサイド指令又はローサイド指令を生成して、前記ハイサイド駆動素子及び前記ローサイド駆動素子の双方を遮断したハイインピーダンス状態を挿入するように構成した。
【００７７】
ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子の双方を遮断したハイインピーダンス状態を挿入することにより、ハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とが同時にオンとなる短絡時間を減少させることができる。したがって、短絡電流に起因する無駄な電力消費を減少させることができ、無駄な発熱も減少させることができる。この発熱を減少させることにより、駆動素子を含めた機器の信頼性を向上させることができ、機器の経年劣化を減少させることができる。更に、短絡電流を減少させることによって、この短絡電流に起因して発生する大きな放射ノイズを低減し、電磁妨害を減少させることができる。
【００７８】
更に本発明は、前記励磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記検出した電流が所定の範囲に定まるように前記励磁コイルに印加する前記駆動電源の電圧値を制御する電流制御手段とを備え、前記デッドタイム生成手段は、当該定電流制御後の電圧値が高い場合には、前記デッドタイムを長く設定することを特徴とする。
【００７９】
モータ回転子の回転数が低い状態では、励磁コイルのインピーダンスも低いので、励磁コイルに印加する駆動電源の電圧値も低くて良い。この場合には、ハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とが同時にオンとなる短絡時間が存在していても、短絡電流は大きな値とはならない。したがって、デッドタイムを短くしても大きな問題は発生せず、逆にデッドタイムを短くした２相励磁を組み合わせることで、マイクロステップ駆動時の停止精度と回転の滑らかさを確保することが可能となる。
【００８０】
他方、モータ回転子の回転数が上昇した場合には、励磁コイルのインピーダンスが上昇したことによる励磁コイルに印加する駆動電源の電圧値が上昇する。すると、ハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とが同時にオンとなった際の短絡電流は大きな値となってしまうために、デッドタイムを長く設定して短絡電流に起因する無駄な電力消費や、無駄な発熱を減少させ、放射ノイズを減少させる。なお、モータ回転子の回転数が高い場合には、モータ回転子の回転の滑らかさの重要性は低下するので、デッドタイムを長く設けることにより２相励磁の割合が減少しても、問題とはならない。
【００８１】
更に本発明は、前記励磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記検出した電流が所定の範囲に定まるように前記励磁コイルに印加する前記駆動電源の電圧値を制御する電流制御手段とを備え、前記デッドタイム生成手段は、前記定電流制御後の電圧値が第１の閾値を上回った場合には、第１のデッドタイムを加算し、前記定電流制御後の電圧値が前記第１の閾値を上回った後、前記第１の閾値よりも低い第２の閾値を下回った場合には、前記第１のデッドタイムを減算することを特徴とする。
【００８２】
本発明によれば、駆動電源の電圧値の上昇に応じて段階的にデッドタイムを長く設定し、駆動電源の電圧値の下降に応じてデッドタイムを短く設定することができる。また、デッドタイムを長くする際の駆動電源の閾値と、デッドタイムを短くする際の駆動電源の閾値との間に差を設けたので、駆動電源の電圧が当該閾値付近で変動した場合であっても、デッドタイムが頻繁に変動してモータ回転子の回転数に変動が多発する不具合を防止することができる。
【００８３】
更に本発明は、前記励磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記検出した電流が所定の範囲に定まるように前記励磁コイルに印加する前記駆動電源の電圧値を制御する電流制御手段とを備え、前記デッドタイム生成手段は、前記定電流制御後の電圧値が第１の閾値を上回った場合には、第１の増加レートで第１のデッドタイムを漸増させてゆき、前記定電流制御後の電圧値が前記第１の閾値を上回った後、前記第１の閾値よりも低い第２の閾値を下回った場合には、前記第１のデッドタイムを第１の減少レートで漸減させてゆくことを特徴とする。
【００８４】
本発明によれば、駆動電源の電圧値の上昇に応じて段階的にデッドタイムを長く設定し、駆動電源の電圧値の下降に応じてデッドタイムを短く設定することができる。また、デッドタイムを第１の増加レートで徐々に増加させてゆき、第１の減少レートで徐々に減少させてゆくことで、急激に励磁コイルの励磁状態が変化することによるモータ回転子の回転数の変動を防止することができる。
【００８５】
更に本発明は、前記励磁コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記検出した電流が所定の範囲に定まるように前記励磁コイルに印加する前記駆動電源の電圧値を制御する電流制御手段とを備え、前記デッドタイム生成手段は、前記電圧値が第１の閾値を上回ったことを判断すると、デッドタイムを単位励磁周期Ｔに相当する時間まで所定の増加レートで漸増させてゆき、前記電圧値が第１の閾値を上回った後に、前記電圧値が第２の閾値を下回ったことを判断すると、デッドタイムを単位励磁周期Ｔに相当する時間から所定の減少レートで漸減させてゆくことを特徴とする。
【００８６】
本発明によれば、２相励磁を時間的にずらして複数組み合わせることで４相励磁を実現したマイクロステップ駆動を行うが、駆動電源の電圧値が第１の閾値を越えると単位励磁周期Ｔに相当する時間までデッドタイムを漸増させて、所定の遷移時間内にマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えることができる。また、電圧値が第１の閾値を上回った後に、前記電圧値が第２の閾値を下回ったことを判断すると、単位励磁周期Ｔに相当する時間からデッドタイムを漸減させて、所定の遷移時間内にフルステップ駆動からマイクロステップ駆動に切り替えることができる。
【００８７】
このように、デッドタイムの増減を徐々に行うとともに、所定の遷移時間内にデッドタイムの増減が終了するように構成したので、急激に励磁コイルの励磁状態が変化することによるモータ回転子の回転数の変動を防止することができるとともに、デッドタイムが混在した励磁を短時間にて終了させることができる。
【００８８】
更に本発明は、前記励磁割合記憶手段は、前記組合せ励磁切替指令が出力される毎、又は前記基本ステップカウンタの値が更新される毎に、新たな前記励磁割合を記憶することを特徴とする。
【００８９】
本発明によれば、回動指令パルスの入力に伴う励磁の更新を、組合せ励磁周期ＴＣ毎に出力される組合せ励磁切替指令に基づいて行うことにより、マイクロステップ駆動時における励磁サイクルを確保することができ、不完全な励磁が発生することを防止することができる。このように、回動指令パルスの入力に伴う励磁の更新を、組合せ励磁周期ＴＣ毎に行うことで、モータ回転子の回転数を上げる回動指令が入力されたことにより、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣよりも短くなった場合であっても、モータ回転子の回転が安定することになる。
【００９０】
更に、基本ステップカウンタの値が更新される毎に励磁の更新を行うことによって、モータ回転子の回転数を更に上げる回動指令により、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合においても、ステップの間引きを拡大しながら２相励磁の合成による４相励磁を継続することでモータ回転子の等速回転性を確保して、回転を安定させることができる。また、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切り替えをシームレスに行うことができるとともに、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切り替えを、広い回転域から選択することができる。
【００９１】
更に本発明は、前記組合せ励磁周期出力手段は、前記単位励磁周期Ｔの整数倍で構成される組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に、前記励磁割合に応じた前記２つの励磁組合せによる励磁を切り換えるための組合せ励磁切替指令を出力し、更に前記基本ステップカウンタの値が更新される毎に前記組合せ励磁切替指令を出力するとともに、新たに前記組合せ励磁周期ＴＣの計数を開始することを特徴とする。
【００９２】
本発明によれば、回動指令パルスの入力に伴う励磁の更新を、組合せ励磁周期ＴＣ毎に出力される組合せ励磁切替指令に基づいて行うことにより、マイクロステップ駆動時における励磁サイクルを確保することができ、不完全な励磁が発生することを防止することができる、回動指令パルスの入力に伴う励磁の更新を、組合せ励磁周期ＴＣ毎に行うことで、モータ回転子の回転数を上げる回動指令が入力されたことにより、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣよりも短くなった場合であっても、モータ回転子の回転が安定することになる。
【００９３】
更に、本発明では、基本ステップカウンタの値が更新される毎に組合せ励磁切替指令を出力するとともに、新たに組合せ励磁周期ＴＣの計数を開始するように構成したので、基本ステップカウンタの値が更新される毎に励磁の更新を行うことができる。これによって、モータ回転子の回転数を更に上げる回動指令により、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合においても、ステップの間引きを拡大しながら２相励磁の合成による４相励磁を継続することでモータ回転子の等速回転性を確保して、回転を安定させることができる。また、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切り替えをシームレスに行うことができるとともに、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動への切り替えを、広い回転域から選択することができる。
【発明の効果】
【００９４】
本発明によれば、ステッピングモータのコイル端子に正極の電圧を印加するためのハイサイド駆動素子、及び負極の電圧を印加するためのローサイド駆動素子の双方が同時に導通状態となる期間を短縮させることで駆動素子の短絡電流を減少させ、これに起因する消費電力の増大や、発熱、放射ノイズを低減させることができる。
【００９５】
また、本発明によれば、ステッピングモータ用駆動装置において、２相励磁の合成による４相励磁を用いたマイクロステップ駆動を行う回転数帯を拡大することにより、電気角の分解能が１／１００以下となるような微小角における停止精度（スタティック特性）を確保し、超低回転域から高回転域に至るまでの回転の滑らかさ（ダイナミック特性）を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９６】
以下、本発明の好適な実施の形態を、添付図面に示す実施例に基づいて具体的に説明する。
【００９７】
図１は、５相ステッピングモータ１の各励磁コイルに対し、回動指令パルスが入力される毎に励磁態様を切り替えることが可能な、ステッピングモータ駆動装置１０の内部構成を示すブロック図である。
【００９８】
なお、図１は、本発明に係るステッピングモータ駆動装置１０をペンダゴン結線方式の５相ステッピングモータ１に接続した状態を示している。同図に示す実施形態では、ペンダゴン結線方式の５相ステッピングモータ１を接続してマイクロステップの駆動制御を行う実施形態を示しているが、本発明はペンタゴン結線方式のステッピングモータ、又は、５相のステッピングモータに限定するものではなく、スター結線方式のステッピングモータ、又は、３相のステッピングモータにも応用することが可能である。また、直動型のステッピングモータにも応用することができる。
【００９９】
図１に示すように、本発明に係るステッピングモータ駆動装置１０は、上位のコンピュータ等の外部機器から５相ステッピングモータ１の回動指令パルスＣＷＰ（Ｃｌｏｃｋ  Ｗｉｓｅ  Ｐｕｌｓｅ）、又は、回動指令パルスＣＣＷＰ（Ｃｏｕｎｔｅｒ  Ｃｌｏｃｋ  Ｗｉｓｅ  Ｐｕｌｓｅ）を入力し、５相ステッピングモータ１の各励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁するためのハイサイド指令及びローサイド指令を、各駆動素子ＴＲ１〜ＴＲ１０に出力する励磁波形決定手段１２を備えている。なお、駆動素子ＴＲ１〜ＴＲ１０として、ＭＯＳ−ＦＥＴやパワートランジスタ、その他のパワー素子を用いることができる。
【０１００】
また、ステッピングモータ駆動装置１０は、励磁コイル１ａ〜１ｅのインピーダンスに応じて、供給する駆動電源の電流を制御するモータ電流制御手段１６と、各相の励磁コイル１ａ〜１ｅとモータ電流制御手段１６の正極との導通又は遮断を制御するハイサイド駆動素子ＴＲ１、ＴＲ３、ＴＲ５、ＴＲ７、及びＴＲ９と、各相の励磁コイル１ａ〜１ｅと駆動電源の負極との導通又は遮断を制御するローサイド駆動素子ＴＲ２、ＴＲ４、ＴＲ６、ＴＲ８、及びＴＲ１０とを備えている。また、ステッピングモータ駆動装置１０は、励磁コイル１ａ〜１ｅが発した起電力をバイパスするダイオードＤ１〜Ｄ１０を備えている。
【０１０１】
上述の回動指令パルスＣＷＰは、５相ステッピングモータ１のモータ回転子を所定の回動位置まで時計回りに正転させるための指令パルスであり、ＣＣＷＰは所定の回動位置まで反時計回りに逆転させるための指令パルスである。
【０１０２】
図１に示す励磁波形決定手段１２は、単位時間内に入力した回動指令パルスの数量を計数することで、指令されたモータ回転子の指令回転数を検出する指令回転数検出手段１２ｖと、入力した回動指令パルスを用いて微細ステップ及び基本ステップの歩進数を計数する電気角位置管理手段１２ａと、基本ステップの歩進数に応じて５相ステッピングモータ１のモータ回転子を１の基本ステップ位置に位置決めするための第１励磁組、及び他の基本ステップ位置に位置決めするための第２励磁組との組合せを出力する励磁相組合せ出力手段１２ｂと、回数分割ステップカウンタの値及び基本ステップカウンタの値に応じて２つの励磁組合せの励磁回数割合又は励磁時間割合等を決定する励磁回数割合決定手段１２ｄ（励磁割合決定手段の一形態）とを備えている。
【０１０３】
また、励磁波形決定手段１２は、所定の単位励磁周期Ｔが計数される毎に単位励磁切替指令を出力する単位励磁周期出力手段１２ｈと、所定の組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に組合せ励磁切替指令を出力する組合せ励磁周期出力手段１２ｃとを備えている。
【０１０４】
また、励磁波形決定手段１２は、組合せ励磁切替指令が出力される毎、又は基本ステップカウンタの値が更新される毎に新たな励磁回数割合又は励磁時間割合等を記憶する励磁回数割合記憶手段１２ｉ（励磁割合記憶手段の一形態）と、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶されている励磁回数割合又は励磁時間割合等を用いてハイサイド駆動素子を駆動するためのハイサイド指令データ、及び、ローサイド駆動素子を駆動するためのローサイド指令データとを生成する駆動素子指令生成手段１２ｊと、ハイサイド指令データ及びローサイド指令データを用いて、ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子を駆動するためのハイサイド指令及びローサイド指令を、単位励磁切替指令を入力する毎に切り替えて出力するデッドタイム挿入手段１２ｋとを備えている。
【０１０５】
また、励磁波形決定手段１２は、励磁コイルに印加する電圧値又はモータ回転子の回転数に応じて定められるデッドタイムを生成するデッドタイム生成手段１２ｌと、励磁コイルに印加する電圧値が第１の閾値を上回っていることを検出する第１閾値判断手段と、励磁コイルに印加する電圧値が第２の閾値を下回っていることを検出する第２閾値判断手段とを備えている。
【０１０６】
なお、励磁相組合せ出力手段１２ｂと、励磁回数割合決定手段１２ｄと、励磁回数割合記憶手段１２ｉと、駆動素子指令生成手段１２ｊとの機能を統合し、これらを一つの素子で構成することも可能であるが、本実施例では各機能の説明を容易にするために、各機能毎に構成を分けて記載している。
【０１０７】
モータ電流制御手段１６は、５相ステッピングモータ１の励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁する電力を供給する電源ＰＳと、電源ＰＳの電圧を平滑化するコンデンサＣ１と、定電流駆動を行うために、励磁コイル１ａ〜１ｅに流れている電流を検出する電流検出抵抗１５（電流検出手段）と、短時間に電圧の供給及び遮断を繰り返すＰＷＭ駆動を行うことによって励磁コイル１ａ〜１ｅに供給する電圧を調節するトランジスタＴＲ１１とを備えている。
【０１０８】
また、モータ電流制御手段１６は、電流検出抵抗１５の両端に発生した電圧に応じてトランジスタＴＲ１１をオン、オフ制御することによって、励磁コイル１ａ〜１ｅのインピーダンス変化に依存せずに所定の電流を供給する制御を行う定電流コントロール回路１４と、励磁コイル１ａ〜１ｅが発する起電力をバイパスするダイオードＤ１１と、ＰＷＭにより生じた間欠的な電圧を入力して平滑化したモータ駆動電圧を生成するチョークコイルＬ１及びコンデンサＣ２とを備えている。
【０１０９】
定電流コントロール回路１４は、励磁コイル１ａ〜１ｅに供給する電流を検出し、その検出電流と基準電流との差を誤差信号として生成してトランジスタＴＲ１１のオン−オフ制御を行う。これにより、励磁コイル１ａ〜１ｅに供給する電圧を調節して、ステッピングモータの励磁コイルに対する総電流が所定の電流に定まるように制御することができる。トランジスタＴＲ１１のオン、オフにより脈流となった電圧は、チョークコイルＬ１及びコンデンサＣ２により平滑化されて、駆動素子ＴＲ１〜ＴＲ１０を介して励磁コイル１ａ〜１ｅに供給される。
【０１１０】
例えば、電流検出抵抗１５を流れる電流が減少した場合には、誤差信号のレベルが上昇するので、トランジスタＴＲ１１のオン時間を長くする。すると、トランジスタＴＲ１１を通過した電圧は、チョークコイルＬ１及びコンデンサＣ２により平滑化されて高い電圧となって励磁コイル１ａ〜１ｅに印加されるので、励磁電圧を増加させる制御を行うことができる。また、電流検出抵抗１５を流れる電流が増加した場合には、誤差信号のレベルが下降するので、トランジスタＴＲ１１のオン時間を短くする。このようにして、励磁コイル１ａ〜１ｅに印加する電圧を減少させる制御を行うことができる。
【０１１１】
このように、モータ電流制御手段１６を用いて５相ステッピングモータ１の励磁電圧を適宜調節することによって、励磁波形決定手段１２が出力する第１励磁組又は第２励磁組の励磁周期Ｔとは無関係に励磁電流を安定化させ、５相ステッピングモータ１を定電流駆動することができる。なお、モータ電流制御手段１６には、モータ駆動電圧を測定してその結果を出力する電圧検出手段が設けられている。なお、図１に示す実施形態に代えて、電圧検出手段は、励磁コイルに印加する電圧値を測定するように構成してもよい。なお、電圧検出手段が出力する電圧値として、アナログの電圧値を用いてもよいし、Ａ／Ｄ変換器を用いてデジタルの電圧データに変換した電圧値を用いることもできる。
【０１１２】
次に、５相ステッピングモータ１の機械角を基本ステップ毎に１０分割する際の励磁について、図２〜図４を用いて説明する。
【０１１３】
先ず、図２（ａ）に示すように、ペンタゴン結線方式を採用した５相ステッピングモータ１の励磁コイル１ａ〜１ｅと、励磁相ＡＢＣＤＥａｂｃｄｅの励磁電流の方向とを定義する。そして、図２（ｂ）に示すように、５相ステッピングモータ１の励磁相ＡＢＣＤＥａｂｃｄｅと、トルクベクトルＶＡ〜Ｖｅとの関係とを定義する。
【０１１４】
図２（ａ）に示すように、励磁コイル１ａに流す電流の方向に応じて、励磁相Ａ及び励磁相ａを定義する。以下同様にして、励磁コイル１ｂ〜１ｅに流す電流の方向に応じて、それぞれ励磁相ＢｂＣｃＤｄＥｅを定義する。そして、各励磁相を励磁した際のトルクベクトルＶＡ〜ＶＥ及びトルクベクトルＶａ〜Ｖｅの向きを、図２（ｂ）に示すように定義する。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、励磁コイル１ａに流す電流は、励磁Ａと励磁ａとでは逆方向であり、トルクベクトルもＶＡとＶａとで逆方向になる。
【０１１５】
次に、図３に、モータ回転子を所定の基本ステップ位置に位置決めする励磁相の組み合わせ例を示す。
【０１１６】
なお、表現を簡略化するために、５相の励磁コイル１ａ〜１ｅのうちの複数の励磁コイルに対して同時に励磁電流を流すことにより、多相励磁によるトルクベクトルの合成を行う際における単位励磁相の組合せを励磁組と呼ぶ。例えば、励磁相Ａ及び励磁相Ｂの２相の単位励磁相を同時に励磁した状態を２相励磁と呼び、これを励磁組（ＡＢ）と表記する。更に、擬似的な４相励磁を実現するために、励磁組（ＡＢ）及び励磁組（ＣＤ）を時間をずらして時系列的に合成して励磁する場合を、励磁組（ＡＢ−ＣＤ）と表記することにする。
【０１１７】
図３に示す実施例では、５相ステッピングモータ１のモータ回転子をステップ＝０＊Ｎの基本ステップで停止させる際に、励磁相ＡＢＣＤの４相を励磁する。ところが、単一の電源を用いてこの４相を同時に励磁することはできないので、励磁組（ＢＣ）及び励磁組（ＡＤ）を時間をずらして時系列的に交互に励磁して、４相励磁を実現する。すなわち、モータ回転子をステップ＝０＊Ｎの基本ステップで停止させる際には、５相ステッピングモータ１に対して励磁組（ＢＣ−ＡＤ）の励磁を行う。
【０１１８】
また、図３に示すように、５相ステッピングモータ１のモータ回転子を、ステップ＝１＊Ｎの基本ステップで停止させる際には、５相ステッピングモータ１に対して励磁組（ＣＤ−ＢＥ）の励磁を行う。このように、ステップ＝０＊Ｎからステップ＝９＊Ｎまでの励磁を切り替えることによって、各基本ステップにおける位置決めを行うことができる。
【０１１９】
例えば、５相ステッピングモータの基本ステップ角αが０．７２°の場合には、励磁相をＡＢＣＤ→ＢＣＤＥ→ＣＤＥａ→ＤＥａｂ→Ｅａｂｃ→ａｂｃｄ→ｂｃｄｅ→ｃｄｅＡ→ｄｅＡＢ→ｅＡＢＣの順序で１０回切り替えることにより、モータ回転子を７．２°回転させることができる。更に、この１０ステップ（０〜９）の歩進を５０回繰り返すと、モータ回転子が３６０°、すなわち丁度１回転することになる。
【０１２０】
次に、図４に、モータ回転子を所定の基本ステップ位置に位置決めする励磁相の組み合わせの他の実施例を示す。
【０１２１】
図４に示す実施例では、モータ回転子をステップ＝０＊Ｎの基本ステップで停止させる際に、励磁組（ＡＢ−ＣＤ）を励磁する。また、モータ回転子をステップ＝１＊Ｎの基本ステップで停止させる際には、励磁組（ＢＣ−ＤＥ）を励磁する。このように、ステップ＝０＊Ｎからステップ＝９＊Ｎまでの励磁を切り替えることによって、各基本ステップにおける位置決めを行うことができる。
【０１２２】
なお、図３及び図４に示す実施例では、励磁コイル１ａ〜１ｅの両端が、必ずモータ電流制御手段１６の正極（＋）又は負極（−）のいずれかの制御された電位に接続されるように励磁している。このように、常に励磁コイル１ａ〜１ｅの端子が開放しないように２相励磁を行うことによって、前ステップから次ステップに切り替えて歩進を行った際の電流のオーバーシュートを減少させ、ダンピング特性を向上させることが可能となり、モータ回転子に発生する振動の低減と騒音の低減とを図ることができる。
【０１２３】
次に、図１に示した励磁波形決定手段１２を構成する各ブロックの処理について、図５を用いて説明する。
【０１２４】
図５に示す励磁波形決定手段１２は、５相ステッピングモータ１の回動指令パルスを入力し、単位時間内に入力した回動指令パルスの数量を計数して、指令されたモータ回転子の指令回転数を検出する指令回転数検出手段１２ｖを備えている。
【０１２５】
また、励磁波形決定手段１２の電気角位置管理手段１２ａは、上位の桁から順に、５相ステッピングモータ１の回動指令パルスをｍ回入力する毎に基本ステップの歩進数を計数して出力する基本ステップカウンタと、回動指令パルスを入力する毎に基本ステップ角αをｍ分割した回数分割ステップの歩進数を計数して出力するｍ分割カウンタ（以降、回数分割ステップカウンタと記載する。）とを備えている。
【０１２６】
図５に示す回数分割ステップカウンタは、回動指令パルスＣＷＰを入力する毎に回数分割ステップの歩進数をカウントアップし、回動指令パルスＣＣＷＰを入力する毎に回数分割ステップの歩進数をカウントダウンして、その値を励磁回数割合決定手段１２ｄに出力する。なお、回数分割ステップカウンタの下位に、当該回数分割ステップを更に細分割するためのカウンタを別途設けることも可能である。
【０１２７】
基本ステップカウンタは、回数分割ステップカウンタの上位の桁に該当し、回数分割ステップカウンタの値が「９」から「０」に切り替わる際に一つカウントアップするように構成する。また回数分割ステップカウンタの値が、「０」から「９」に切り替わる際に一つカウントダウンするように構成する。基本ステップカウンタが計数する基本ステップの歩進数は、図３及び図４に示した基本ステップ位置（ステップ＝０＊Ｎ〜９＊Ｎ）を表し、モータ回転子を所定のステップの位置に位置決めする励磁相の組み合わせを決定するためのカウンタである。
【０１２８】
励磁相組合せ出力手段１２ｂは、基本ステップカウンタから基本ステップの歩進数を入力すると、５相ステッピングモータ１のモータ回転子を１の基本ステップ位置に位置決めするための第１励磁組、及び、他の基本ステップ位置に位置決めするための第２励磁組の、励磁相の組合せを出力する。５相のステッピングモータを駆動する場合には、第１励磁組及び第２励磁組の組合せの数量は、図３及び図４に示したように、５相ステッピングモータ１の相数Ｎの２倍の１０種類存在する。
【０１２９】
図５に示す励磁相組合せ出力手段１２ｂの内部には、５相ステッピングモータ１を励磁する際の励磁相の組合せが記憶されている。第１励磁組の４相を励磁する際には、２相の励磁組Ｆ１及び２相の励磁組Ｆ２を２回に分けて励磁するための励磁組（Ｆ１−Ｆ２）を出力する。また、第２励磁組の４相を励磁する際には、２相の励磁組Ｆ３及び２相の励磁組Ｆ４を２回に分けて励磁するための励磁組（Ｆ３−Ｆ４）を出力する。
【０１３０】
例えば、図３に示した励磁を行う場合であって、基本ステップカウンタが基本ステップの歩進数として「０」を出力している場合（ステップ＝０＊Ｎの場合）には、基本ステップの歩進数が「０」と「１」との間をｍ分割したマイクロステップを実現すべく、第１励磁組として励磁組（ＡＤ−ＢＣ）を出力し、第２励磁組として励磁組（ＢＥ−ＣＤ）を出力する。
【０１３１】
基本ステップカウンタが基本ステップの歩進数として「１」を出力している場合（ステップ＝１＊Ｎの場合）には、基本ステップの歩進数が「１」と「２」との間をｍ分割したマイクロステップを実現するべく、第１励磁組として励磁組（ＢＥ−ＣＤ）を出力し、第２励磁組として励磁組（Ｃａ−ＤＥ）を出力する。以降同様に、基本ステップの歩進数に応じて第１励磁組と第２励磁組とを出力する。
【０１３２】
励磁相組合せ出力手段１２ｂの機能を実現する素子として、ＲＯＭなどのメモリを用いることができる。その場合には、電気角位置管理手段１２ａは、メモリのアドレスカウンタとして機能するように構成する。
【０１３３】
励磁回数割合決定手段１２ｄは、回数分割ステップの歩進数に応じて、第１励磁組を励磁する回数又は時間等を漸増又は漸減するとともに、第２励磁組を励磁する回数又は時間等を漸減又は漸増することにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合又は励磁時間等を決定して出力する機能を備えている。
【０１３４】
例えば、回数分割ステップの分割数をｍ＝１０に設定している場合には、第１励磁組を励磁する回数を１０回〜１回まで漸減するとともに、第２励磁組を励磁する回数を０回〜９回まで漸増することにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を１０：０〜１：９まで変更して出力する機能を備えている。なお、図５に示す実施例では、４相励磁を実現するために２相励磁を２回出力して合成しているので、励磁回数は２回×ｍ分割＝２０回（０Ｐ〜１９Ｐ）となっている。
【０１３５】
図５に示す実施例によれば、回数分割ステップカウンタが回数分割ステップの歩進数として「０」を出力している場合には、第１励磁組のＦ１、Ｆ２の繰り返しを励磁相０Ｐ〜１９Ｐに代入して出力する。これにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を１０：０に設定して、基本ステップの歩進数「０」の位置にモータ回転子を位置決めすることができる。
【０１３６】
回数分割ステップカウンタが回数分割ステップの歩進数として「１」を出力している場合には、第２励磁組のＦ３、Ｆ４を励磁相０Ｐ、１Ｐに代入して出力し、第１励磁組のＦ１、Ｆ２の繰り返しを２Ｐ〜１９Ｐに代入して出力する。これにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を９：１に設定して、基本ステップの歩進数「０」と「１」との間を１０分割した位置にモータ回転子を位置決めすることができる。
【０１３７】
以下同様に、回数分割ステップの歩進数に応じて第１励磁組を励磁する回数を漸増又は漸減するとともに、第２励磁組を励磁する回数を漸減又は漸増することにより励磁相０Ｐ〜１９Ｐを定め、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を決定して出力する。
【０１３８】
なお、図５の励磁回数割合決定手段１２ｄに示した実施形態では、励磁回数割合の遷移を判り易く説明する都合上、励磁組Ｆ１（ＡＤ）及び励磁組Ｆ２（ＢＣ）並びに励磁組Ｆ３（ＢＥ）及び励磁組Ｆ４（ＣＤ）を交互に時間をずらして時系列的に交互に励磁して、４相励磁を実現する実施形態を示したが、図６に示すようにそれぞれの励磁組を纏めて連続して励磁することもできる。この図６に示すように、それぞれの励磁組を纏めて励磁することによって、励磁の切替回数を減少させて、励磁の切替時に発生する熱損失やノイズの発生等を減少させることができる。
【０１３９】
励磁回数割合記憶手段１２ｉは、組合せ励磁切替指令が出力される毎、又は基本ステップカウンタの値が更新される毎に、励磁回数割合決定手段１２ｄが出力する第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合又は励磁時間割合等を記憶する。
【０１４０】
単位励磁周期出力手段１２ｈは、所定の単位励磁周期Ｔが計数される毎に、励磁組を構成する単位励磁相に対する励磁を切り替えるための単位励磁切替指令を出力する。
【０１４１】
組合せ励磁周期出力手段１２ｃは、単位励磁周期Ｔの整数倍で構成される組合せ励磁周期ＴＣが計数される毎に、励磁回数割合又は励磁時間割合等に応じた２つの励磁組合せによる励磁（例えば励磁相０Ｐ〜１９Ｐ。）を切り替えるための組合せ励磁切替指令を出力する。例えば組合せ励磁周期ＴＣとして５０μｓ、単位励磁周期Ｔとして２．５μｓの値を用いることができる。
【０１４２】
励磁回数割合決定手段１２ｄが出力する励磁相０Ｐ〜１９Ｐを、組合せ励磁周期ＴＣ毎に繰り返して出力することにより、基本ステップ角αをｍ分割したマイクロステップを実現することが可能となる。
【０１４３】
例えば、図５の励磁回数割合決定手段１２ｄに示すように、回数分割ステップの歩進数が０の場合には、第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）のみが組合せ励磁周期ＴＣ毎に繰り返し励磁され、モータ回転子は基本ステップ＝０＊Ｎの位置に位置決めされる。この状態において回動指令パルスＣＷＰが１パルス入力されると、回数分割ステップカウンタの値が１増加して、回数分割ステップの歩進数が１となる。すると、組合せ励磁周期ＴＣ内において第２励磁組（Ｆ３−Ｆ４）が１回励磁され、第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）が９回励磁される。この割合での励磁が組合せ励磁周期ＴＣ毎に繰り返されることにより、モータ回転子は（基本ステップ＝０＊Ｎ）＋（回数分割ステップ＝１）の位置に位置決めされる。
【０１４４】
このようにして、回数分割ステップの歩進数に応じて第１励磁組を励磁する回数を漸減するとともに、第２励磁組を励磁する回数を漸増することにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を１０：０〜１：９まで変更して、回数分割ステップの歩進数に応じた位置決めを行うことができる。
【０１４５】
上記に示した実施形態では、１つの基本ステップの歩進数に対して、励磁回数割合を変更する回数分割により１０分割したマイクロステップを実現する実施形態を示したが、本発明は１０分割に限定するものではなく、２０分割、４０分割、その他の分割数を用いることもできる。また、回数分割に加えて、第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）を励磁する時間を漸減するとともに、第２励磁組（Ｆ３−Ｆ４）を励磁する時間を漸増することにより、第１励磁組と第２励磁組との励磁時間割合を変更する、時間分割によるマイクロステップを用いることもできる。
【０１４６】
駆動素子指令生成手段１２ｊは、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶されている励磁回数割合又は励磁時間割合等を用い、ハイサイド駆動素子を駆動するためのハイサイド指令データ、及び、ローサイド駆動素子を駆動するためのローサイド指令データとを生成して出力する。
【０１４７】
図７に、駆動素子指令生成手段１２ｊが生成するハイサイド指令データ、及びローサイド指令データの構成例を示す。図７に示すハイサイド指令データ及びローサイド指令データは、図５に示す基本ステップの歩進数が０で、回数分割ステップの歩進数が１の場合（図３に示した２相励磁の組合せ１の場合であって、ステップ０＊Ｎ＋（１／１０）＊１の場合）における０Ｐ、１Ｐ、２Ｐ、３Ｐ…のデータである。
【０１４８】
ハイサイド駆動素子ＴＲ１、ＴＲ３、ＴＲ５、ＴＲ７、又はＴＲ９に対するハイサイド指令データが１の場合には、これらの駆動素子がオンになり、各出力端子を介して＋Ｖ（Ｖ）の正極の電圧を出力することができる。ローサイド駆動素子ＴＲ２、ＴＲ４、ＴＲ６、ＴＲ８、又はＴＲ１０に対するローサイド指令データが１の場合には、これらの駆動素子がオンになり、各出力端子を０（Ｖ）の負極に接続することができる。また、図７には示されていないが、ハイサイド指令データ及びローサイド指令データの双方が０の場合には、その出力端子は＋Ｖ（Ｖ）にも０（Ｖ）にも接続されないハイインピーダンス状態となる。
【０１４９】
第１閾値判断手段１２ｍは、励磁コイルに印加する駆動電源の電圧値を、モータ電流制御手段１６の電圧検出手段から取得して、予め定められている第１閾値との比較を行う。もし、第１閾値よりも駆動電源の電圧値が高くなった場合には、その旨を表す第１回転数情報を記憶するとともにデッドタイム生成手段１２ｌにも第１回転数情報を出力する。デッドタイム生成手段１２ｌは、当該第１回転数情報を取得すると、デッドタイム挿入手段１２ｋに出力していた第２のデッドタイムに代えて、第１のデッドタイムを生成して出力する。
【０１５０】
例えば、単位励磁周期Ｔとして２．５μｓを設定しており、モータ電流制御手段１６が励磁コイルに印加するための電圧として３〜２３（Ｖ）を出力することが可能であって、駆動電源の電圧値が第１閾値として設定した１０（Ｖ）を超えた場合には、デッドタイム生成手段１２ｌは第１のデッドタイムとして５０ｎｓを出力する。なお、第２のデッドタイムの値として、０μｓを用いても良いし、１０ｎｓ等の初期値を用いることもできる。なお、デッドタイム生成手段１２ｌは、アナログ値のデッドタイムを出力する構成を用いることもできるし、デッドタイムカウンタを内蔵してデッドタイムを数値として出力する構成を用いることもできる。
【０１５１】
第２閾値判断手段１２ｎは、励磁コイルに印加する駆動電源の電圧値を取得して、予め定められている第２閾値との比較を行う。この第２閾値の値は、前記第１閾値よりも低い値に設定することで、電圧値に応じてデッドタイムを設定する際にヒステリシスを設けるためのものである。もし、第２閾値よりも駆動電源の電圧値が低くなった場合には、その旨を表す第２回転数情報を第１閾値判断手段１２ｍに出力する。第１閾値判断手段１２ｍは、当該第２回転数情報を取得すると、記憶していた第１回転数情報をリセットするとともに、第２回転数情報をデッドタイム生成手段１２ｌに出力する。
【０１５２】
例えば、駆動電源の電圧値が第２閾値として設定した９（Ｖ）を下回った場合には、その旨を表す第２回転数情報を第１閾値判断手段１２ｍに出力する。第２回転数情報を取得した第１閾値判断手段１２ｍは、記憶していた第１回転数情報をリセットするとともに、デッドタイム生成手段１２ｌに第２回転数情報を出力する。
【０１５３】
デッドタイム生成手段１２ｌが第２回転数情報を取得すると、デッドタイム挿入手段１２ｋに出力していた第１のデッドタイム（例えば５０ｎｓ）に代えて、第２のデッドタイム（例えば０ｎｓ）を生成して出力する。Ｎ相ステッピングモータ１の励磁コイルに印加する電圧が高い場合には、一般にハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とが同時にオンとなる時間も長くなるので、励磁コイルに印加する電圧値に応じてデッドタイムを長く設定すると良い。
【０１５４】
デッドタイム挿入手段１２ｋは、単位励磁周期出力手段１２ｈから単位励磁切替指令が出力される毎に、ハイサイド指令データ及びローサイド指令データに応じたハイサイド指令及びローサイド指令を出力する。
【０１５５】
駆動素子ＴＲ１〜ＴＲ１０は、デッドタイム挿入手段１２ｋから取得したハイサイド指令及びローサイド指令に応じて５相ステッピングモータ１の各励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁する。
【０１５６】
上記にて説明したデッドタイム挿入手段１２ｋが出力するハイサイド指令及びローサイド指令の一例を、図８のタイミングチャートに示す。
【０１５７】
図８に示すハイサイド指令及びローサイド指令は、図７に示したハイサイド指令データ及びローサイド指令データを用いて、単位励磁切替指令が出力される毎に、ハイサイド指令及びローサイド指令を切り替えて出力する状態を示した図であり、デッドタイムを挿入しない場合の指令である。
【０１５８】
図８に示す例では、時刻ＴＦ０において、ＯＵＴ３のハイサイド駆動素子ＴＲ５とローサイド駆動素子ＴＲ６とが同時に切り替わることになる。この場合には、図３５に示したようなゲートオンの重なり部分が生じるとともに、駆動素子のスルーレートに起因する短絡電流が増大するという問題が発生する。なお、同様に、時刻ＴＦ１においてハイサイド駆動素子ＴＲ１及びＴＲ５と、ローサイド駆動素子ＴＲ２及びＴＲ６とが同時に切り替わる。また、時刻ＴＦ２においてハイサイド駆動素子ＴＲ７とローサイド駆動素子ＴＲ８とが同時に切り替わる。また、時刻ＴＦ３及びＴＦ４においては、ハイサイド駆動素子ＴＲ１及びＴＲ７と、ローサイド駆動素子ＴＲ２及びＴＲ８とが同時に切り替わる。
【０１５９】
駆動電源の電圧が低い場合には、このハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とが同時に切り替わることにより発生する短絡電流はあまり問題とはならないが、駆動電源の電圧が上昇した場合（例えば、５相ステッピングモータ１のモータ回転子の回転数が上昇した場合など。）における短絡電流は、消費電力を増大させたり、発熱により機器の信頼性が低下したり、放射ノイズを発するなどの不具合を生ずることになる。
【０１６０】
そこで、本発明では、ハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とが同時に切り替わることとなる際に、一時期双方の駆動素子を遮断したハイインピーダンス状態を挿入することにした。これにより、図３５に示したようなゲートオンの重なり部分に起因する短絡電流を減少させるとともに、駆動素子のスルーレートに起因する短絡電流を減少させることができる。そして、消費電力の増大を防止し、発熱を防止して機器の信頼性が低下する不具合を防止し、発生する放射ノイズを減少させることができる。
【０１６１】
なお、デッドタイムを挿入することにより、ハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子の双方を遮断したハイインピーダンス状態を挿入すると、マイクロステップ駆動時の停止精度が悪化したり、５相ステッピングモータ１のモータ回転子の回転数が低い場合の回転が不安定になって振動が発生する。したがってモータ回転子の回転数が低く、駆動電源の電圧が低い場合には、停止精度を向上させたり、モータ回転子の回転を安定させるために、デッドタイムは短い方が好ましい。
【０１６２】
図９に、デッドタイム挿入手段１２ｋによりデッドタイムＤＴが挿入されたハイサイド指令及びローサイド指令のタイミングチャートの一例を示す。図９は、図３に示した２相励磁の組合せ１の場合であって、基本ステップの歩進数＝０、回数分割ステップの歩進数＝１の場合においてデッドタイムＤＴを挿入したハイサイド指令及びローサイド指令を表した図である。
【０１６３】
図９に示すように、時刻ＴＦ０において単位励磁切替指令が出力された際に、ハイサイド駆動素子ＴＲ５とローサイド駆動素子ＴＲ６が同時に切り替わることとなる場合には、ハイサイド駆動素子ＴＲ５に対するハイサイド指令にオンディレイのデッドタイムＤＴを挿入する。このデッドタイムＤＴを挿入したことにより、この間出力端子ＯＵＴ３がハイインピーダンス状態となるので、デッドタイムＤＴの間において実際に励磁される励磁組は３相のＢＣＥとなる。
【０１６４】
励磁組（ＢＣＥ）のトルクベクトルは図２（ｂ）を参照して算出すると２２．４°となる。この励磁組（ＢＣＥ）のトルクベクトルは、時刻ＴＦ０の直前の励磁組（ＢＣ）におけるトルクベクトル３６°と、時刻ＴＦ１までの励磁組（ＢＥ）におけるトルクベクトル０°との間に位置するトルクベクトルとなる。このように、デッドタイムＤＴを挿入することによって得られるトルクベクトルは間に位置するトルクベクトルとなるので、デッドタイムＤＴを挿入することによってモータ回転子の回転数に変動が現れるといった不具合は生じない。
【０１６５】
次の時刻ＴＦ１においては、ローサイド駆動素子ＴＲ２及びＴＲ６に対してオンディレイのデッドタイムＤＴを挿入することで、励磁組（ＢＣＤＥ）の４相励磁を行う。励磁組（ＢＣＤＥ）のトルクベクトルは０°であり、時刻ＴＦ１までの励磁組（ＢＥ）におけるトルクベクトル０°、及び時刻ＴＦ２までの励磁組（ＣＤ）におけるトルクベクトル０°と等しい値となる。したがって、デッドタイムＤＴを挿入することによってモータ回転子の回転数に変動が現れるといった不具合は生じない。
【０１６６】
次の時刻ＴＦ２においては、ローサイド駆動素子ＴＲ８に対してオンディレイのデッドタイムＤＴを挿入することで、励磁組（ＡＣＤ）の３相励磁を行う。励磁組（ＡＣＤ）のトルクベクトルは１３．６°であり、時刻ＴＦ２までの励磁組（ＣＤ）におけるトルクベクトル０°と、時刻ＴＦ３までの励磁組（ＡＤ）におけるトルクベクトル３６°との間に位置するものである。したがって、デッドタイムＤＴを挿入することによってモータ回転子の回転数に変動が現れるといった不具合は生じない。
【０１６７】
次の時刻ＴＦ３においては、ハイサイド駆動素子ＴＲ１及びＴＲ７に対してオンディレイのデッドタイムＤＴを挿入することで、励磁組（ＡＢＣＤ）の４相励磁を行う。励磁組（ＡＢＣＤ）のトルクベクトルは３６°であり、時刻ＴＦ３までの励磁組（ＡＤ）におけるトルクベクトル３６°と、時刻ＴＦ４までの励磁組（ＢＣ）におけるトルクベクトル３６°と等しいものである。したがって、デッドタイムＤＴを挿入することによってモータ回転子の回転数に変動が現れるといった不具合は生じない。
【０１６８】
以降同様にして、ハイサイド指令及びローサイド指令が同時に切り替わることとなる場合には、当該切替時におけるハイサイド指令又はローサイド指令のいずれかに対して、出力端子をハイインピーダンス状態にするためのデッドタイムを挿入した新たなハイサイド指令又はローサイド指令を生成してゆく。
【０１６９】
本発明では、駆動電源の電圧値が上昇するのに従って、デッドタイムを長くするようにしている。したがって、モータ回転子の回転数が上昇するにつれてデッドタイムが長くなることになる。なお、一般にステッピングモータ駆動装置では、モータ回転子の回転数が上昇した場合には、何れかのタイミングでマイクロステップ駆動から基本角ステップ毎に励磁を行うフルステップ駆動に切り替える処理を行っている。
【０１７０】
図９に示す実施形態では、ハイサイド指令又はローサイド指令が０から１に変化する部分にオンディレイのデッドタイムＤＴを挿入した実施形態を示している。この他にも、単位励磁周期Ｔの経過を待たずにハイサイド指令又はローサイド指令を１から０に変化させることで、ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子の双方を遮断するためのデッドタイムＤＴを挿入することもできる。
【０１７１】
次に、図９に示す状態から、モータ回転子の回転数の上昇に伴ってデッドタイムＤＴを徐々に延長してゆく場合について考察する。図９に示す状態からデッドタイムＤＴを延長してゆき、デッドタイムＤＴ＝Ｔまで延長することも可能である。その場合には、トルクベクトルは２２．４°、０°、１３．６°、３６°、３６°…となり、デッドタイムＤＴ＝０の本来のトルクベクトル０°、０°、３６°、３６°…とは若干異なることになる。もし、このトルクベクトルの違いによる問題が顕著化するような場合には、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えることで問題の発生を回避することができる。
【０１７２】
図１０に、図３に示した２相励磁の組合せ１の場合であって、基本ステップの歩進数＝０のフルステップ駆動を行い、デッドタイムＤＴ＝Ｔ／２を挿入したハイサイド指令及びローサイド指令のタイミングチャートの一例を示す。
【０１７３】
図１０に示すように、励磁相（ＡＤ−ＢＣ）の励磁を行っているところにデッドタイムＤＴを挿入して励磁相（ＡＢＣＤ）の４相励磁を行っても、トルクベクトルに変化は発生しない。したがって、基本ステップにおいては、更にデッドタイムＤＴを長く設定してゆき、デッドタイムＤＴ＝Ｔとしても、何ら問題は発生しないこととなる。
【０１７４】
すなわち、モータ回転子の回転数の上昇に伴ってハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とに流れる短絡電流を減少させるためにデッドタイムＤＴを増加させてゆくとともに、フルステップ駆動に切り替えることによって、自然に４相励磁のフルステップ駆動に移行させることができる。
【０１７５】
なお、フルステップ駆動を行う場合には、回数分割ステップ等に関する励磁の組合せが不用となるので、基本ステップの更新周期が２×Ｔに至るまで、低振動で静穏運転が可能な２相励磁（ステッピングモータの励磁コイルの全ての端子を電源の正極又は負極のいずれかに接続した励磁。）によるフルステップ駆動を行うことができる。また、４相励磁によるフルステップ駆動に切り替えた場合には、基本ステップの更新周期が更に短くなった場合であっても、通常の高速回転を行うことができる。
【０１７６】
上述の図９及び図１０では、図３に示した２相励磁の組合せ１を用いた場合であって、基本ステップの歩進数＝０の場合における励磁組（ＡＤ−ＢＣ）及び励磁組（ＢＥ−ＣＤ）について説明した。この、２相励磁の組合せ１を用いた場合であって、ステップ０＊Ｎ〜ステップ９＊Ｎの各基本ステップの歩進数における励磁組を図１１に示す。図１１に示すように、ハイサイド指令又はローサイド指令にデッドタイムＤＴを挿入することによって、２相励磁の間に３相励磁、又は４相励磁が形成されることになる。
【０１７７】
次に、図３に示した２相励磁の組合せ２について説明を行う。図９及び図１０では、図３に示した２相励磁の組合せ１について説明したが、同様に２相励磁組合せ２の場合においても、デッドタイムＤＴを挿入した励磁を行うことができる。図１２は、２相励磁の組合せ２の場合であって、基本ステップの歩進数＝０、回数分割ステップの歩進数＝１の場合においてデッドタイムＤＴを挿入したハイサイド指令及びローサイド指令を表した図である。
【０１７８】
図１２に示すように、時刻ＴＦ０において単位励磁切替指令が出力された際に、ハイサイド駆動素子ＴＲ１とローサイド駆動素子ＴＲ２が同時に切り替わることとなる場合には、ハイサイド駆動素子ＴＲ１に対するハイサイド指令にオンディレイのデッドタイムＤＴを挿入する。このデッドタイムＤＴを挿入したことにより、出力端子ＯＵＴ１がハイインピーダンス状態となるので、実際に励磁される励磁組は３相のＢＣＥとなる。
【０１７９】
励磁組（ＢＣＥ）のトルクベクトルは図２（ｂ）を参照して算出すると２２．４°となる。この励磁組（ＢＣＥ）のトルクベクトルは、時刻ＴＦ０の直前の励磁組（ＣＤ）におけるトルクベクトル０°と、時刻ＴＦ１までの励磁組（ＢＣ）におけるトルクベクトル３６°との間にあるトルクベクトルなので、デッドタイムＤＴを挿入したことによりモータ回転子の回転数に変動が現れるといった不具合は生じない。
【０１８０】
次の時刻ＴＦ１においては、ローサイド駆動素子ＴＲ２及びハイサイド駆動素子ＴＲ５に対してオンディレイのデッドタイムＤＴを挿入することで、励磁組（ＢＣＤＥ）の４相励磁を行う。励磁組（ＢＣＤＥ）のトルクベクトルは０°であり、時刻ＴＦ１までの励磁組（ＢＣ）におけるトルクベクトル３６°、及び時刻ＴＦ２までの励磁組（ＤＥ）におけるトルクベクトル−３６°との中間のトルクベクトルとなる。したがって、デッドタイムＤＴを挿入することによってモータ回転子の回転数に変動が現れるといった不具合は生じない。
【０１８１】
次の時刻ＴＦ２においては、ハイサイド駆動素子ＴＲ１、ローサイド駆動素子ＴＲ６及びＴＲ８に対してオンディレイのデッドタイムＤＴを挿入することで、励磁組（ＡＢＣＤＥ）の５相励磁を行う。励磁組（ＡＢＣＤＥ）のトルクベクトルは１８°であり、時刻ＴＦ２までの励磁組（ＤＥ）におけるトルクベクトル−３６°と、時刻ＴＦ３までの励磁組（ＡＢ）におけるトルクベクトル７２°との丁度中間に位置するものである。したがって、デッドタイムＤＴを挿入することによってモータ回転子の回転数に変動が現れるといった不具合は生じない。
【０１８２】
次の時刻ＴＦ３においては、ローサイド駆動素子ＴＲ２及びハイサイド駆動素子ＴＲ７に対してオンディレイのデッドタイムＤＴを挿入することで、励磁組（ＡＢＣＤ）の４相励磁を行う。励磁組（ＡＢＣＤ）のトルクベクトルは３６°であり、時刻ＴＦ３までの励磁組（ＡＢ）におけるトルクベクトル７２°と、時刻ＴＦ４までの励磁組（ＣＤ）におけるトルクベクトル０°との丁度中間に位置するものである。したがって、デッドタイムＤＴを挿入することによってモータ回転子の回転数に変動が現れるといった不具合は生じない。
【０１８３】
以降同様にして、ハイサイド指令及びローサイド指令が同時に切り替わることとなる場合には、当該切替時におけるハイサイド指令又はローサイド指令のいずれかに対して、出力端子をハイインピーダンス状態にするためのデッドタイムを挿入した新たなハイサイド指令又はローサイド指令を生成してゆく。
【０１８４】
前述の場合と同様に、図１２に示す状態からデッドタイムＤＴを延長してゆき、デッドタイムＤＴ＝Ｔまで延長することも可能である。その場合には、トルクベクトルは２２．４°、０°、１８°、３６°、３６°…となり、デッドタイムＤＴ＝０の本来のトルクベクトル３６°、−３６°、７２°、０°…とは若干異なることになる。もし、このトルクベクトルの違いによる問題が顕著化する場合には、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えることで問題の発生を回避することができる。
【０１８５】
図１３に、２相励磁の組合せ２の場合であって、基本ステップの歩進数＝０のフルステップ駆動を行い、デッドタイムＤＴ＝Ｔ／２を挿入したハイサイド指令及びローサイド指令のタイミングチャートの一例を示す。
【０１８６】
図１３に示すように、励磁相（ＡＢ−ＣＤ）の励磁を行っているところにデッドタイムＤＴを挿入して励磁相（ＡＢＣＤ）の４相励磁を行っても、合成後のトルクベクトルに変化は発生しない。したがって、基本ステップにおいては、更にデッドタイムＤＴを長く設定してゆき、デッドタイムＤＴ＝Ｔとしても、何ら問題は発生しないこととなる。すなわち、モータ回転子の回転数の上昇に伴ってハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とに流れる短絡電流を減少させるためにデッドタイムＤＴを増加させてゆくとともに、フルステップ駆動に切り替えることによって、自然に４相励磁のフルステップ駆動に移行させることができる。
【０１８７】
上述の図１２及び図１３では、図４に示した２相励磁の組合せ２を用いた場合であって、基本ステップの歩進数＝０の場合における励磁組（ＡＢ−ＣＤ）及び励磁組（ＢＣ−ＤＥ）について説明した。この、２相励磁の組合せ２を用いた場合であって、ステップ０＊Ｎ〜ステップ９＊Ｎの各基本ステップの歩進数における励磁組を図１４に示す。図１４に示すように、ハイサイド指令又はローサイド指令にデッドタイムＤＴを挿入することによって、２相励磁の間に３相励磁、４相励磁、又は５相励磁が形成されることになる。
【０１８８】
なお、フルステップ駆動を行う場合には、回数分割ステップ等に関する励磁の組合せが不用となるので、基本ステップの更新周期が２×Ｔに至るまで、低振動で静穏運転が可能な２相励磁（ステッピングモータの励磁コイルの全ての端子を電源の正極又は負極のいずれかに接続した励磁。）によるフルステップ駆動を行うことができる。また、４相励磁によるフルステップ駆動に切り替えた場合には、基本ステップの更新周期が更に短くなった場合であっても、通常の高速回転を行うことができる。
【０１８９】
〔複数のデッドタイムを設定する実施形態〕
上記に説明した実施形態では、駆動電源の電圧値が第１の閾値を上回った場合には、デッドタイム挿入手段１２ｋがハイサイド指令又はローサイド指令のいずれかに第１のデッドタイムを加算し、駆動電源の電圧値が第１の閾値を上回った後、第１の閾値よりも低い第２の閾値を下回った場合には、前記第１のデッドタイムを減算する実施形態の説明を行ったが、駆動電源の電圧値に応じて、更に多くの種類のデッドタイムを設定することができる。
【０１９０】
例えば、図１５に示すように、駆動電源の電圧値に応じて複数のデッドタイムＤＴを設定することができる。図１５に示す実施形態では、駆動電源の電圧値が１０（Ｖ）未満の場合にはデッドタイムＤＴ＝０ｎｓとし、駆動電源の電圧値が１０（Ｖ）以上に上昇した場合にはデッドタイムＤＴ＝５０ｎｓを設定する。その後、駆動電源の電圧値が９（Ｖ）未満に降下した場合には、デッドタイムＤＴ＝０ｎｓを設定する。
【０１９１】
更に、駆動電源の電圧値が１２（Ｖ）以上に上昇した場合にはデッドタイムＤＴ＝１００ｎｓを設定し、駆動電源の電圧値が１４（Ｖ）以上に上昇した場合にはデッドタイムＤＴ＝５００ｎｓを設定し、駆動電源の電圧値が１６（Ｖ）以上に上昇した場合にはデッドタイムＤＴ＝１０００ｎｓを設定し、駆動電源の電圧値が２０（Ｖ）以上に上昇した場合にはデッドタイムＤＴ＝２５００ｎｓ（＝２．５μｓ＝Ｔ）を設定する。
【０１９２】
その後、駆動電源の電圧値が１７（Ｖ）未満に下降した場合には、デッドタイムＤＴ＝１０００ｎｓを設定し、駆動電源の電圧値が１３（Ｖ）未満に下降した場合には、デッドタイムＤＴ＝５００ｎｓを設定し、駆動電源の電圧値が１２（Ｖ）未満に下降した場合には、デッドタイムＤＴ＝１００ｎｓを設定し、駆動電源の電圧値が１０（Ｖ）未満に下降した場合には、デッドタイムＤＴ＝５０ｎｓを設定する。
【０１９３】
図１５に示すように、駆動電源の電圧値に応じて複数のデッドタイムＤＴを設定することによって、駆動素子のスルーレートに起因する短絡電流の増大を防止することができる。そして、モータ回転子の回転数が低い場合にはデッドタイムＤＴを短くして２相励磁に近づけることでモータ回転子の回転を安定させることができる。また、モータ回転子が停止している場合には停止精度の良好な２相励磁を行うことができる。
【０１９４】
〔連続してデッドタイムを変更する実施形態〕
また、図１５に示すように、駆動電源の電圧値に応じて段階的にデッドタイムＤＴを増加させる代わりに、図１６に示すように、駆動電源の電圧値に応じてデッドタイムＤＴを連続的に増加させるように構成することもできる。この場合には、図５に示した第１閾値判断手段１２ｍ及び第２閾値判断手段１２ｎを用いずに、モータ電流制御手段１６から出力される駆動電源の電圧値を直接デッドタイム生成手段１２ｌが取得して、当該駆動電源の電圧値に応じたデッドタイムＤＴをデッドタイム挿入手段１２ｋに出力することで実現することができる。
【０１９５】
〔モータ回転子の回転数に応じてデッドタイムを設定する実施形態〕
なお、上記の実施形態では、ハイサイド駆動素子とローサイド駆動素子とが同時に切り替わる際に生ずるゲートオンの重なり部分に起因する短絡電流や、駆動素子のスルーレートに起因する短絡電流が増大する不具合を減少させるために、駆動電源の電圧値に応じてデッドタイムＤＴを設定する実施形態について説明した。このように、駆動電源の電圧値に応じてデッドタイムＤＴを設定することによって、異なる巻線仕様の複数種類のステッピングモータに対して同一のステッピングモータ駆動装置で対応することが可能となるため、ステッピングモータ駆動装置の汎用性を向上させることができる。
【０１９６】
なお、特定のステッピングモータ専用のステッピングモータ駆動装置とするのであれば、駆動電源の電圧値に応じてデッドタイムＤＴを設定する代わりに、例えば指令回転数検出手段１２ｖが出力する指令回転数、又はステッピングモータの回転数に応じてデッドタイムＤＴを設定するように構成することができる。
【０１９７】
例えば、図１７に示すように、ステッピングモータの種類に応じて、モータ回転子の回転数と駆動電源の電圧値との関係は異なるものとなる。図１７は、ステッピングモータＡ、ステッピングモータＢ、及びステッピングモータＣの各ステッピングモータにおける、モータ回転子の回転数（ｒｐｍ）と、駆動電源の電圧値（Ｖ）との関係を表した図である。図１７に示すように、駆動電源の電圧値に応じてデッドタイムＤＴを設定することによって、複数種類の巻線仕様を有するステッピングモータに対応することが可能となり、ステッピングモータ駆動装置の汎用性を向上させることができる。
【０１９８】
図１７に示すように、インダクタンスの小さいステッピングモータＣの場合には、インダクタンスの大きいステッピングモータＡに比べて、所定の回転数における駆動電源の電圧値は低い値となるため、短絡電流も少ない。したがって、本発明に係るステッピングモータ駆動装置を用いてインダクタンスの小さいステッピングモータＣを駆動する場合には、デッドタイムＤＴ＝０とする回転数領域を広くすることができる。したがって、インダクタンスの小さいステッピングモータＣを駆動する場合には、より高い回転数まで、滑らかな回転を得ることができる。更に、デッドタイムＤＴを含んだ２相励磁をより高回転まで行うことができるので、低振動で静穏運転が可能な回転数帯を拡大することができる。
【０１９９】
〔デッドタイムの設定によりマイクロステップ駆動とフルステップ駆動とを切り替える実施形態〕
図１８に、モータ回転子の回転数に応じてデッドタイムＤＴを設定することにより、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動とを切り替える実施形態を示す。図１８に示す実施形態では、モータ回転子が加速中であって、モータ回転子の回転数が１４００ｒｐｍ未満の場合にはデッドタイムＤＴ＝０ｎｓとし、モータ回転子の回転数が１４００ｒｐｍ以上に上昇した場合にはデッドタイムＤＴ＝Ｔ＝２５００ｎｓを設定する。そして、一旦１４００ｒｐｍ以上に上昇した回転数が１０００ｒｐｍ未満に下降した場合には、２５００ｎｓであったデッドタイムＤＴを０ｎｓに設定する。
【０２００】
このデッドタイムＤＴ＝２５００ｎｓは、単位励磁周期Ｔ＝２．５μｓと同じ値としてある。したがって、デッドタイムＤＴが２５００ｎｓに設定された場合には、４相励磁によるフルステップ駆動に切り替わったことになる（図１０又は図１３参照。）。
【０２０１】
なお、デッドタイムＤＴを０ｎｓから２５００ｎｓに変化させる際には、デッドタイム生成手段１２ｌが、単位励磁周期Ｔに相当する時間まで所定の増加レート（例えば１００ｎｓ／Ｔ）でデッドタイムを漸増させてゆくと良い。このようにデッドタイムを徐々に変化させてゆくことで、急激に励磁コイルの励磁状態が変化することを防止して、モータ回転子の回転数の変動を防止することができる。なお、１００ｎｓ／Ｔの増加レートでデッドタイムを漸増させた場合には、２５サイクル×組合せ励磁周期ＴＣ＝１２５０μｓの間にマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替わることになる。
【０２０２】
また、同様に、デッドタイムＤＴを２５００ｎｓから０ｎｓに変化させる際にも、デッドタイム生成手段１２ｌが、単位励磁周期Ｔに相当する時間まで所定の増加レート（例えば２００ｎｓ／Ｔ）でデッドタイムを漸減させてゆくと良い。なお、２００ｎｓ／Ｔの減少レートでデッドタイムを漸減させた場合には、１３サイクル×組合せ励磁周期ＴＣ＝６５０μｓの間にフルステップ駆動からマイクロステップ駆動に切り替わることになる。
【０２０３】
〔所定のデッドタイムレートを用いてデッドタイムを変更してゆく実施形態〕
ハイサイド指令又はローサイド指令に挿入するデッドタイムＤＴを、ある回転数を境にして変更する場合には、上述のように所定のデッドタイムレートでデッドタイムＤＴを増加させたり、減少させたりすることができる。
【０２０４】
例えば図１９に示すように、駆動電源の電圧値が１６（Ｖ）未満の場合にはデッドタイムレートとして５０（ｎｓ／Ｔ）の増加レートを設定する。そして、モータ回転子が加速中であって、駆動電源の電圧値が１６（Ｖ）以上に上昇した場合にはデッドタイムレートとして１００（ｎｓ／Ｔ）の増加レートに設定する。
【０２０５】
また、一旦駆動電源の電圧値が１６（Ｖ）以上に上昇した後に、モータ回転子が減速する際には、デッドタイムレートとして２００ｎｓ／Ｔの減少レートを設定する。更にモータ回転子が減速して、駆動電源の電圧値が１３（Ｖ）未満まで下降した場合には、２００（ｎｓ／Ｔ）に設定されていたデッドタイムレートを１００（ｎｓ／Ｔ）の減少レートに設定する。
【０２０６】
次に、前述の図１５に示したデッドタイムＤＴの設定と、図１９示すデッドタイムレートの設定とを組み合わせて用いた場合について考察する。駆動電源の電圧値が１３．９（Ｖ）から１４．１（Ｖ）に上昇した場合には、最初の単位励磁周期Ｔにおいて、それまで挿入していたハイサイド指令又はローサイド指令に対して、デッドタイムＤＴ＝１００ｎｓに５０ｎｓを加算したデッドタイムＤＴ＝１５０ｎｓを挿入し、次の単位励磁周期Ｔにおいては更にデッドタイムを５０ｎｓ増加させたデッドタイムＤＴ＝２００ｎｓを挿入する。そして、単位励磁周期Ｔ毎にデッドタイムＤＴの値を５０ｎｓずつ増加させてゆき、８回目の単位励磁周期Ｔ以降においては、デッドタイムＤＴの最大値５００ｎｓを挿入する。
【０２０７】
更にモータ回転子の回転数が上昇し、駆動電源の電圧値が１５．９（Ｖ）から１６．１（Ｖ）に上昇した場合には、それまで挿入していたデッドタイムＤＴ＝５００ｎｓに対して１００ｎｓ増加させたデッドタイムＤＴ＝６００ｎｓをハイサイド指令又はローサイド指令に挿入し、次の単位励磁周期Ｔにおいては更に１００ｎｓ増加させたデッドタイムＤＴ＝７００ｎｓを挿入する。このように、単位励磁周期Ｔ毎に１００ｎｓずつ順次デッドタイムＤＴを増加させてゆき、５回目以降の単位励磁周期Ｔにおいては、デッドタイムＤＴの最大値１０００ｎｓを挿入する。
【０２０８】
また、一旦１６（Ｖ）以上且つ２０（Ｖ）未満に上昇した駆動電源の電圧値が、１２．９（Ｖ）まで下降した場合には、最初の単位励磁周期Ｔにおいて、それまで挿入していたハイサイド指令又はローサイド指令に対して、デッドタイムＤＴ＝１０００ｎｓから２００ｎｓを減算したデッドタイムＤＴ＝８００ｎｓを挿入し、次の単位励磁周期Ｔにおいては更に２００ｎｓ増加させたデッドタイムＤＴ＝６００ｎｓを挿入する。そして、３回目以降の単位励磁周期Ｔにおいては、デッドタイムＤＴとして５００ｎｓを挿入する。
【０２０９】
なお、デッドタイムの増加レート及び減少レートは、上述のようにそれぞれ異なる値を設定することもできるし、同一の値に設定することもできる。また、駆動電源の電圧値に応じてデッドタイムの増加レート又は減少レートを変更させる他、モータ回転子の回転数に応じて変更することもできる。また、モータ回転子の加速度又は減速度に応じてデッドタイムの増加レート又は減少レートを変更することもできる。また、デッドタイムの増加レート又は減少レートを定める他、デッドタイムを変更する変更時間を、駆動電源の電圧値、モータ回転子の回転数、モータ回転子の加速度又は減速度に応じて定め、その変更時間に基づいてデッドタイムレートを設定することもできる。これらのデッドタイムの値や、デッドタイムレートの値、各種閾値、その他の設定事項については、ステッピングモータの種類や巻線仕様に応じて変更する必要が生ずる場合があるので、ステッピングモータ駆動装置の機能設定において変更することが可能なように構成しておくことが好ましい。
【０２１０】
また、駆動電源の電圧値と、モータ回転子の回転数によるデッドタイムＤＴの増減を併用するようにしてもよい。例えばこの場合には、デッドタイムＤＴを増加させる設定を、デッドタイムＤＴを減少させる設定よりも優先するとよい。
【０２１１】
例えば、モータ回転子の回転数により決定されるおけるデッドタイムＤＴの設定が０ｎｓであった場合でも、励磁コイルの駆動電源の電圧値により決定されるデッドタイムＤＴの設定が２５００μｓとなる場合には、長い方のデッドタイムＤＴ＝２５００ｎｓを挿入した励磁を行うとよい。
【０２１２】
逆に、励磁コイルの駆動電源の電圧値により決定されるデッドタイムＤＴの設定が１０００μｓであった場合でも、モータ回転子の回転数により決定されるデッドタイムＤＴが２５００μｓとなる場合には、やはり長い方のデッドタイムＤＴ＝２５００μｓデッドタイムを挿入した励磁を行うとよい。
【０２１３】
〔所定の遷移時間内にマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替える実施形態〕
上記では、デッドタイムレートを定めることにより、デッドタイムＤＴを漸増又は漸減してゆく実施形態について説明した。これに代えて、予めデッドタイムＤＴを漸増又は漸減させる際の遷移時間を予め定めておき、その遷移時間内にデッドタイムＤＴの漸増又は漸減が終了するように構成することもできる。
【０２１４】
例えば、図１８に示した条件で、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動とを切り替える場合であって、加速時の遷移時間として２５００μｓを設定した場合には、増加レートは、増加レート＝単位励磁周期Ｔ／（加速時の遷移時間／組合せ励磁周期ＴＣ）＝２．５μｓ／（２５００μｓ／５０μｓ）＝２．５μｓ／５０＝５０ｎｓ／Ｔと算出される。すなわち、５０ｎｓ／Ｔの増加レートでデッドタイムＤＴを漸増させてゆくことで、２５００μｓの遷移時間内にデッドタイムＤＴ＝０の２相励磁によるマイクロステップ駆動から、デッドタイムＤＴ＝Ｔの４相励磁によるフルステップ駆動に切り替えることができる。
【０２１５】
また、減速時の遷移時間として１２５０μｓを設定した場合には、減少レートは、減少レート＝単位励磁周期Ｔ／（減速時の遷移時間／組合せ励磁周期ＴＣ）＝２．５μｓ／（１２５０μｓ／５０μｓ）＝２．５μｓ／２５＝１００ｎｓ／Ｔと算出される。すなわち、１００ｎｓ／Ｔの減少レートでデッドタイムＤＴを漸減させてゆくことで、１２５０μｓの遷移時間内にデッドタイムＤＴ＝Ｔの４相励磁によるフルステップ駆動から、デッドタイムＤＴ＝０の２相励磁によるマイクロステップ駆動に切り替えることができる。
【０２１６】
このように、所定の遷移時間内においてマイクロステップ駆動とフルステップ駆動とを徐々に切り替えてゆくことによって、急激に励磁コイルの励磁状態が変化することによるモータ回転子の回転数の変動を防止することができるとともに、マイクロステップ駆動による励磁と、デッドタイムＤＴが混在した励磁を短時間にて終了させることができる。したがって、滑らかにマイクロステップ駆動とフルステップ駆動との切り替えを終了させることができる。
【０２１７】
また、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動とを切り替える場合に限らず、駆動電源の電圧値やモータ回転子の回転数に応じてデッドタイムＤＴを変更する際においても、遷移時間を定めてデッドタイムＤＴを漸増又は漸減を行うように構成することもできる。この遷移時間は、上述のように、加速時と減速時とで異なる値を設定することもできるし、同一の値とすることもできる。また、駆動電源の電圧値やモータ回転子の回転数や、これらの変化率に応じて異なる遷移時間を設定することもできる。
【０２１８】
〔基本ステップ同期更新１を併用する実施形態〕
次に、５相ステッピングモータ１のモータ回転子が回転している状態における、励磁切替タイミングについて図２０及び図２１を用いて説明する。ここで、所定の組合せ励磁周期ＴＣ毎に励磁を切り替える励磁切替方法を励磁周期同期更新と呼ぶ。これに加えて、以下に説明するように、基本ステップカウンタの更新に伴って組合せ励磁周期ＴＣの途中から励磁を更新する励磁切替方法を基本ステップ同期更新１と称することにする。なお、図２０及び図２１に示す実施例は、図５に示したように、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０とした場合を示している。
【０２１９】
また、図２０及び図２１には、回動指令パルスＣＷＰが入力された場合の回数分割ステップカウンタの値（２桁の数値で表記してある。）の変化と、当該回数分割ステップカウンタの上位の桁に該当する基本ステップカウンタの値（２桁の数値で表記してある。）の変化と、組合せ励磁周期ＴＣ毎に出力される組合せ励磁切替指令と、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶されたステップ位置（４桁の数値で表記してある。）とを、横軸を時間に取って表してある。なお、励磁回数割合記憶手段１２ｉが記憶するのは、第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合であるが、ここでは説明の都合上、回数分割ステップカウンタの値と、基本ステップカウンタの値とを表記している。
【０２２０】
これらの各図のうち、図２０は、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合におけるステップ位置の変化を表している。また、図２１は、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣよりも短くなった場合におけるステップ位置の変化を表している。
【０２２１】
最初に、図２０を用いて、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図２０に示す状態は、モータ回転子が約３０ｒｐｓ（１８００ｒｐｍ）で回転している状態である。
【０２２２】
図２０に示すように、回動指令パルスＣＷＰが入力されると、その立ち上がりで回数分割ステップカウンタの値が更新される（例えば、Ｌ０８からＬ０９に更新される。）。このように、回動指令パルスＣＷＰが入力される毎に、回数分割ステップカウンタの値が更新されてゆき、回数分割ステップカウンタの値がＬ０９からＬ００に切り替わる際には、基本ステップカウンタの値が更新される（例えば、Ｈ００からＨ０１に更新される。）。
【０２２３】
なお、図２０に示す組合せ励磁切替指令は、回動指令パルスとは無関係なタイミングで生成されるものである。この組合せ励磁切替指令は、組合せ励磁周期出力手段１２ｃにより組合せ励磁周期ＴＣ毎に生成される。
【０２２４】
図２０に示す励磁周期同期更新による励磁切替方法においては、この組合せ励磁切替指令に基づいてのみ、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶する第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合（ステップ位置に相当する。）とを更新する。これに対し、基本ステップ同期更新１の励磁切替方法では、前記組合せ励磁切替指令に加えて、基本ステップカウンタの更新に伴って、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶する第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合とを更新するようにしている。
【０２２５】
図２０に示すように、励磁周期同期更新による励磁切替方法では、所定の組合せ励磁周期ＴＣ毎に生成される組合せ励磁周期ＴＣ毎に、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶するステップ位置の更新を行っているため、５乃至６のマイクロステップ位置が間引かれることになる。
【０２２６】
例えば、励磁周期同期更新の励磁切替方法のみを用いた場合において、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えると、ステップ位置０１００の励磁更新周期が２×ＴＣとなり、ステップ位置０２００の励磁更新周期がＴＣとなって等速回転性が若干悪化し、モータ回転子に振動が発生することになる。
【０２２７】
他方、基本ステップ同期更新１の励磁切替方法を用いてマイクロステップ駆動を行う場合には、基本ステップカウンタが更新される付近において励磁の更新頻度が増して、回数分割ステップの補完が行われる。これにより、駆動がいくぶん安定することとなる。また、基本ステップの更新周期と組合せ励磁周期ＴＣとは干渉しないので、可聴音は発生しない。したがって、基本ステップカウンタの更新に同期してステップ位置を更新しても、悪影響は生じないことになる。
【０２２８】
更に、この図２０に示す回動指令パルス間隔において、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えた場合には、ステップ位置０１００の励磁更新周期、ステップ位置０２００の励磁更新周期、ステップ０３００の励磁更新周期等が共にＴＲとなるので、基本ステップ同期更新１の励磁切替方法を用いることにより、フルステップ駆動時における等速回転性が維持されることになる。
【０２２９】
図２０に示す実施例では、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶するステップ位置として回数分割ステップを含めており、間引きを加えたマイクロステップ駆動を行っている状態を示している。実験結果によれば、加速時においては５ｒｐｓ（３００ｒｐｍ）でマイクロステップ駆動の励磁からフルステップ駆動の励磁に切り替え、減速時においては４．６ｒｐｓ（２７６ｒｐｍ）でフルステップ駆動の励磁からマイクロステップ駆動の励磁に切り替えるように構成しても、実用上問題となる振動は発生しなかった。したがって、図２０に示す回転数よりもはるかに低い回転数において、既にフルステップ駆動に切り替えることが可能となる。
【０２３０】
次に、図２１を用いて、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図２１に示す状態は、モータ回転子が約６０ｒｐｓ（３６００ｒｐｍ）で回転している状態である。なお、図２０にて説明した事項と同一の事項については、その説明を省略するものとする。
【０２３１】
図２１に示す実施形態では、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短いために、基本角ステップを含めた多くのマイクロステップ位置が間引かれる。なお、この図２１に示す回動指令パルス間隔においては、もはやマイクロステップ駆動を行う意味は無いので、フルステップ駆動に切り替えて駆動することが好ましい。
【０２３２】
励磁周期同期更新による励磁切替方法を用いてフルステップ駆動を行った場合には、各励磁更新周期ＴＣにおけるステップ位置が、０１００、０２００、０４００、０６００…となるために等間隔にならず、モータ回転子の等速回転性が若干悪化し、モータ回転子に振動が発生することになる。
【０２３３】
他方、基本ステップ同期更新１の励磁切替方法によるマイクロステップ駆動を用いた場合には、基本ステップカウンタが更新される付近において励磁の更新頻度が増して、回数分割ステップの補完が行われる。これにより、駆動がいくぶん安定することとなり、基本ステップカウンタの更新に同期してステップ位置を更新しても、悪影響は生じない。
【０２３４】
また、基本ステップ同期更新１の励磁切替方法を用いてフルステップ駆動を行う場合には、各励磁更新周期ＴＲにおけるステップ位置は基本ステップの歩進数となるので、フルステップ駆動時における等速回転性と静穏性が確保されることになる。
【０２３５】
したがって、励磁周期同期更新による励磁切替方法に加えて、基本ステップ同期更新１による励磁切替方法を用いることにより、モータ回転子の回転数が高い場合における振動を低減することができる。更に、マイクロステップ駆動を行う速度域で２相励磁を合成した４相励磁を用い、ステッピングモータの全てのコイル端子を正極又は負極の何れかに接続しておく状態を設けることで、停止時の停止精度を向上させるとともに、超低回転域から低回転域における回転の滑らかさを確保することができる。また、モータ回転子の回転数が上昇するにつれて自然に組合せ励磁周期ＴＣ毎の歩進数を増加させてゆくことができる。このように、モータ回転子の振動を増加させることなく、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替える回転数を、広い回転域から選択することができる。
【０２３６】
なお、フルステップ駆動を行う場合には、回数分割ステップに関する励磁の組合せが不用となるので、励磁更新周期ＴＲが２×Ｔに至るまで、低振動で静穏運転が可能な２相励磁によるフルステップ駆動を行うことができる。また、４相励磁によるフルステップ駆動に切り替えた場合には、励磁更新周期ＴＲが更に短くなった場合であっても、通常の高速回転を行うことができる。
【０２３７】
次に、基本ステップ同期更新１による励磁切替方法を実現する際において、上記の組合せ励磁周期ＴＣの途中で励磁を切り替える方法について、図２２及び図２３を用いて説明する。
【０２３８】
図２２及び図２３は、マイクロステップ駆動を実現するために、回数分割ステップ毎の励磁回数割合と、単位励磁周期Ｔ及び組合せ励磁周期ＴＣとの関係を表した図である。このうち、図２２は、組合せ励磁周期ＴＣにおいて、所定の励磁回数割合に応じた励磁が完結している状態を表した図である。図２２に示す励磁割合は、先の図６に示した励磁回数割合決定手段１２ｄが、それぞれの回数分割ステップの歩進数に応じて決定する励磁割合を表している。
【０２３９】
他方、図２３は、組合せ励磁周期ＴＣ内において基本ステップカウンタの値がＨ００からＨ０１に切り替わったことにより、組合せ励磁周期ＴＣの途中からＨ０１に相当する電気角位置（ステップ１＊Ｎ）の励磁組合せに切り替えている状態を表した図である。
【０２４０】
図２３に示すように、時刻ｔｃ１においては、基本ステップカウンタの値がＨ００であり、回数分割ステップカウンタの値がＬ０８であるので、その時刻ｔｃ１における電気角位置＝ステップ０＊Ｎ＋（Ｎ／１０）＊８に対応した励磁割合を、励磁回数割合記憶手段１２ｉが励磁回数割合決定手段１２ｄから取得して記憶する。そして、この励磁割合で励磁の出力を行う。
【０２４１】
時刻ｔｃ１の後に、回動指令パルスＣＷＰを入力して回数分割ステップカウンタの値がＬ０８からＬ０９に遷移し、更に、時刻ｔｃ２において回動指令パルスＣＷＰを入力すると、回数分割ステップカウンタの値がＬ０９からＬ００に遷移し、基本ステップカウンタの値がＨ００からＨ０１に遷移する。すると、励磁回数割合記憶手段１２ｉは、時刻ｔｃ２における電気角位置（ステップ１＊Ｎ）に対応した励磁割合を、新たに励磁回数割合決定手段１２ｄから取得して記憶する。そして、図２３に示すように、時刻ｔｃ２から時刻ｔｃ３まで、新たに記憶した励磁の出力を行う。
【０２４２】
こうすることによって、励磁周期同期更新による励磁切替方法に加えて、基本ステップ同期更新１による励磁切替方法を実現することができる。
【０２４３】
〔基本ステップ同期更新２を併用する実施形態〕
次に、５相ステッピングモータ１のモータ回転子が回転している状態における、励磁切替タイミングの他の実施形態について説明する。上述の基本ステップ同期更新１を併用する実施形態では、励磁周期同期更新による励磁切替方法に加えて、基本ステップカウンタの更新に伴って組合せ励磁周期ＴＣの途中から励磁を更新する励磁切替方法を用いていた。これに対して、下記に示す実施形態では、基本ステップカウンタの値が更新される毎に、組合せ励磁周期出力手段１２ｃが組合せ励磁切替指令を出力するとともに、新たに組合せ励磁周期ＴＣの計数を開始するように構成してある。したがって励磁回数割合記憶手段１２ｉは、組合せ励磁周期出力手段１２ｃが出力する組合せ励磁切替指令に基づいて励磁を切り替えることで、基本ステップに同期して励磁を更新することができる。この励磁切替タイミングを用いた励磁切替方法を、基本ステップ同期更新２と称することにする。
【０２４４】
なお、この基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替方法に加えて、基本ステップカウンタの値が更新される毎に、単位励磁周期出力手段１２ｈが単位励磁切替指令を出力するとともに、新たに単位励磁周期Ｔの計数を開始するように構成することもできる。
【０２４５】
この基本ステップ同期更新２を併用する場合の励磁切替タイミングについて、図２４及び図２５を用いて説明する。図２４及び図２５に示す実施例は、図５に示した実施例と同様に、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０とした場合を示している。なお、図２０及び図２１に示した事項と同一の事項については同一の名称を付して、その説明を省略する。
【０２４６】
図２４及び図２５には、回動指令パルスＣＷＰが入力された場合の回数分割ステップカウンタの値（２桁の数値で表記してある。）の変化と、当該回数分割ステップカウンタの上位の桁に該当する基本ステップカウンタの値（２桁の数値で表記してある。）の変化と、組合せ励磁周期ＴＣ毎に出力される組合せ励磁切替指令と、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶されたステップ位置（４桁の数値で表記してある。）とを、横軸を時間に取って表してある。なお、励磁回数割合記憶手段１２ｉが記憶するのは、第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合であるが、ここでは説明の都合上、回数分割ステップカウンタの値と、基本ステップカウンタの値とを表記している。
【０２４７】
これらの各図のうち、図２４は、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合におけるステップ位置の変化を表している。また、図２５は、基本ステップカウンタの更新間隔が、組合せ励磁周期ＴＣよりも短くなった場合におけるステップ位置の変化を表している。
【０２４８】
最初に、図２４を用いて、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図２４に示す状態は、モータ回転子が約３０ｒｐｓ（１８００ｒｐｍ）で回転している状態である。なお、図１３にて説明した事項と同一の事項については、その説明を省略するものとする。
【０２４９】
図２４に示すように、回動指令パルスＣＷＰが入力されると、その立ち上がりで回数分割ステップカウンタの値が更新される（例えば、Ｌ０８からＬ０９に更新される。）。このように、回動指令パルスＣＷＰが入力される毎に、回数分割ステップカウンタの値が更新され、回数分割ステップカウンタの値がＬ０９からＬ００に切り替わる際に、基本ステップカウンタの値が更新される（例えば、Ｈ００からＨ０１に更新される。）。
【０２５０】
なお、励磁周期同期更新による励磁切替方法では、組合せ励磁切替指令を、回動指令パルスとは無関係に組合せ励磁周期出力手段１２ｃにより組合せ励磁周期ＴＣ毎に生成しているが、基本ステップ同期更新２による組合せ励磁切替指令は、この組合せ励磁周期ＴＣ毎に生成する条件に加えて、基本ステップカウンタの値が更新される毎に出力するように構成してある。更に、基本ステップカウンタの値が更新される毎に、新たに組合せ励磁周期ＴＣの計数が開始される。
【０２５１】
したがって、基本ステップ同期更新２の励磁切替方法では、組合せ励磁周期ＴＣ毎に出力される組合せ励磁切替指令に加えて、基本ステップカウンタの更新に同期して組合せ励磁切替指令を出力して、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶する第１励磁組及び第２励磁組とその励磁回数割合とを更新する。
【０２５２】
例えば、図２４に示す実施形態では、回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣよりもかなり短いために、５乃至６のマイクロステップ位置が間引かれることになる。励磁周期同期更新の励磁切替方法のみを用いた場合において、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えた場合には、ステップ位置０１００の励磁更新周期が２×ＴＣとなり、ステップ位置０２００の励磁更新周期がＴＣとなって等速回転性が若干悪化し、モータ回転子に振動が発生することになる。
【０２５３】
他方、基本ステップ同期更新２の励磁切替方法を用いてマイクロステップ駆動を行う場合には、基本ステップカウンタが更新される付近において励磁の更新頻度が増して、回数分割ステップの補完が行われる。これにより、駆動がいくぶん安定することとなる。したがって、基本ステップカウンタの更新に同期してステップ位置を更新しても、悪影響は生じないことになる。
【０２５４】
更に、この図２４に示す回動指令パルス間隔において、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替えた場合には、ステップ位置０１００の励磁更新周期、ステップ位置０２００の励磁更新周期、ステップ０３００の励磁更新周期等が共にＴＲとなるので、基本ステップ同期更新２の励磁切替方法を用いることにより、フルステップ駆動時における等速回転性が維持されることになる。
【０２５５】
図２４に示す実施例では、励磁回数割合記憶手段１２ｉに記憶するステップ位置として回数分割ステップを含めており、間引きを加えたマイクロステップ駆動を行っている状態を示している。実験結果によれば、加速時においては５ｒｐｓ（３００ｒｐｍ）でマイクロステップ駆動の励磁からフルステップ駆動の励磁に切り替え、減速時においては４．６ｒｐｓ（２７６ｒｐｍ）でフルステップ駆動の励磁からマイクロステップ駆動の励磁に切り替えるように構成しても、実用上問題となる振動は発生しなかった。したがって、図２４に示す回転数よりもはるかに低い回転数において、既にフルステップ駆動に切り替えることが可能となる。
【０２５６】
次に、図２５を用いて、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する。例えば機械角７．２°の５相ステッピングモータ１を用い、基本ステップ数＝１０、回数分割数ｍ＝１０、組合せ励磁周期ＴＣ＝５０μｓに定めた場合には、図２５に示す状態は、モータ回転子が約６０ｒｐｓ（３６００ｒｐｍ）で回転している状態である。なお、図１３にて説明した事項と同一の事項については、その説明を省略するものとする。
【０２５７】
図２５に示す実施形態では、基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短いために、基本角ステップを含めた多くのマイクロステップ位置が間引かれる。なお、この図２５に示す回動指令パルス間隔においては、もはやマイクロステップ駆動を行う意味は無いので、フルステップ駆動に切り替えて駆動することが好ましい。
【０２５８】
励磁周期同期更新による励磁切替方法を用いてフルステップ駆動を行った場合には、各励磁更新周期ＴＣにおけるステップ位置が、０１００、０２００、０４００、０６００…となるため等間隔にならず、モータ回転子の等速回転性が若干悪化し、モータ回転子に振動が発生することになる。
【０２５９】
他方、基本ステップ同期更新２の励磁切替方法によるフルステップ駆動を用いた場合には、基本ステップカウンタが更新される毎に毎回励磁を切り替えるので、各励磁更新周期ＴＲにおけるステップ位置は、基本ステップの歩進数となって、フルステップ駆動時における等速回転性が確保されることになる。
【０２６０】
したがって、基本ステップカウンタの値が更新される毎に組合せ励磁切替指令を出力するとともに、新たに組合せ励磁周期ＴＣの計数を開始することとなる基本ステップ同期更新２の励磁切替方法を用いることにより、モータ回転子の回転数が高い場合における振動を低減することができる。更に、マイクロステップ駆動を行う速度域で２相励磁を合成した４相励磁を用い、ステッピングモータの全てのコイル端子を正極又は負極の何れかに接続しておく状態を設けることで、停止時の停止精度を向上させるとともに、超低回転域から低回転域における回転の滑らかさを確保することができる。また、モータ回転子の回転数が上昇するにつれて自然に歩進数を増加させてゆくことができる。このように、モータ回転子の振動を増加させることなく、マイクロステップ駆動からフルステップ駆動に切り替える回転数を、より広い回転域から選択することができる。
【０２６１】
なお、フルステップ駆動を行う場合には、回数分割ステップに関する励磁の組合せが不用となるので、励磁更新周期ＴＲが２×Ｔに至るまで、低振動で静穏運転が可能な２相励磁によるフルステップ駆動を行うことができる。また、４相励磁によるフルステップ駆動に切り替えた場合には、励磁更新周期ＴＲが更に短くなった場合であっても、通常の高速回転を行うことができる。
【０２６２】
次に、本発明に係るステッピングモータ駆動装置の特徴について図２６を用いて説明する。図２６（ａ）は、特許文献１又は３を用いた場合に振動低減効果が得られる回転数の範囲を模式的に表した図である。図２６（ｂ）は、本発明に係るステッピングモータ駆動装置を用いた場合に振動低減効果が得られる回転数の範囲を模式的に表した図である。
【０２６３】
図２６（ａ）に示すように、背景技術として挙げた特許文献１又は３を用いた場合の振動低減効果は、マイクロステップ駆動とフルステップ駆動との境界部分において発生する振動のみを低減することを目的とするものである。したがって、できるだけ高い回転数までモータ回転子の回転を滑らかにしたり、駆動素子の短絡電流を減少させたり、マイクロステップの分解能を向上させたり、より多くの種類のステッピングモータの巻線仕様に対応したステッピングモータ駆動装置を提供するといった対応は困難である。
【０２６４】
これに対し、本発明に係るステッピングモータ駆動装置では、デッドタイムなしのマイクロステップ駆動領域では、励磁コイル端子がハイインピーダンス状態にならないようにした２相励磁の組み合わせにより、停止精度の向上とモータ回転子の回転を安定させた滑らかな駆動を可能にしている。
【０２６５】
また、デッドタイムを含んだマイクロステップ駆動領域では、モータ回転子の回転数の上昇に伴って上昇した駆動電源の電圧値により、ハイサイド駆動素子及びローサイド駆動素子が同時に導通状態となる短絡電流を減少させるために、ハイサイド指令又はローサイド指令にデッドタイムを挿入する。これにより、できる限り２相励磁の組合せによる励磁を継続することでモータ回転子の回転を安定させつつ、短絡電流を減少させることができる。
【０２６６】
例えばこの２相励磁は、モータ電流制御手段１６が実行する定電流コントロールの電圧飽和直前まで続けることができる。特に、インダクタンスが低い励磁コイルを有するステッピングモータに対しては、より高回転まで回転安定性の優れた２相励磁を用いることができる。
【０２６７】
また、デッドタイムを含んだ２相励磁のフルステップ駆動を行うことにより、基本ステップの更新周期が２×Ｔ（Ｔ＝単位励磁周期）に至る回転数まで２相励磁によるフルステップ駆動を行って、モータ回転子を滑らかに回転させることができる。なお、駆動電源の電圧値が飽和したことにより励磁コイルの定電流制御が効かなくなる領域では、マイクロステップ駆動のためのスイッチングを、デッドタイムＤＴを挿入することによってマスクすることができる。これにより、定電流制御が効かなくなる領域においてスイッチングがもたらす駆動電源の電圧値のリップルを低減して、モータ回転子の振動を減少させることができる。
【０２６８】
なお、更にモータ回転子の回転数が上昇した場合には、デッドタイムＤＴを単位励磁周期Ｔまで拡大した４相励磁によるフルステップ駆動に切り替えて、更に高回転まで対応することが可能となる。なお、モータ電流制御手段１６が制御する定電流コントロールの電圧が飽和電圧値達した場合には、当該４相励磁によるフルステップ駆動に切り替えることができる。
【０２６９】
本発明に係るステッピングモータ駆動装置及びマイクロステップ方法は、精密な位置決め又は低振動の低回転域駆動に加え、静粛性が要求される用途に好適である。例えば、光計測装置、光電子デバイス作製装置、有機ＥＬ作製装置、デバイスプロセス装置、若しくは有機半導体素子作製装置等に適用することができる。
【０２７０】
なお、前記光計測装置の用途として、並列光演算技術、レーザ安定化技術、超高回転域分光技術、超高回転域光制御技術、若しくは光パルスタイミング同期技術等の光制御の技術分野や、単一光子検出技術、超高回転域光計測技術、ホログラム計測技術、各種表面分光技術、電界発光計測技術、移動度計測技術、又は干渉計測技術等の技術分野を挙げることができる。
【０２７１】
また、上記の実施例では、本発明のマイクロステップ方法を回転型のステッピングモータの駆動に用いた実施例を示したが、直動型のステッピングモータに応用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２７２】
【図１】５相ステッピングモータの各励磁コイルを励磁する際に、一時期ハイインピーダンス状態を挿入することが可能な、ステッピングモータ駆動装置の内部構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は、ペンタゴン結線方式を採用した５相ステッピングモータの励磁コイル１ａ〜１ｅと、励磁相ＡＢＣＤＥａｂｃｄｅの励磁電流の方向とを定義する図である。（ｂ）は、５相ステッピングモータの励磁相ＡＢＣＤＥａｂｃｄｅと、トルクベクトルＶＡ〜Ｖｅとの関係を定義する図である。
【図３】モータ回転子を所定の基本ステップ位置に位置決めする励磁相の組み合わせ例を示す図である。
【図４】モータ回転子を所定の基本ステップ位置に位置決めする励磁相の組み合わせの他の実施例を示す図である。
【図５】図１に示した励磁波形決定手段における各機能を説明する図である。
【図６】励磁回数割合決定手段において、各励磁相の励磁組を纏めて出力する他の励磁形態を示す図である。
【図７】駆動素子指令生成手段が生成するハイサイド指令データ及びローサイド指令データの構成例を示す図である。
【図８】デッドタイム挿入手段が出力するハイサイド指令及びローサイド指令のタイミングを表した図である。
【図９】デッドタイム挿入手段によりデッドタイムＤＴが挿入されたハイサイド指令及びローサイド指令のタイミングを表した図である。
【図１０】２相励磁の組合せ１を用いデッドタイムＤＴ＝Ｔ／２を挿入したハイサイド指令及びローサイド指令のタイミングを表した図である。
【図１１】２相励磁の組合せ１を用いてステップ０＊Ｎ〜ステップ９＊Ｎの各基本ステップの歩進を行う際の励磁組を表す図表である。
【図１２】２相励磁の組合せ２を用いデッドタイムＤＴを挿入したハイサイド指令及びローサイド指令のタイミングを表した図である。
【図１３】２相励磁の組合せ２を用いデッドタイムＤＴ＝Ｔ／２を挿入したハイサイド指令及びローサイド指令のタイミングを表した図である。
【図１４】２相励磁の組合せ２を用いてステップ０＊Ｎ〜ステップ９＊Ｎの各基本ステップの歩進を行う際の励磁組を表す図表である。
【図１５】駆動電源の電圧値に応じて複数のデッドタイムＤＴを設定する場合を示す図である。
【図１６】駆動電源の電圧値に応じて連続的にデッドタイムＤＴを増加させる場合を示す図である。
【図１７】複数種類のステッピングモータにおけるモータ回転子の回転数と駆動電源の電圧値との関係を表した図である。
【図１８】モータ回転子の回転数に応じてデッドタイムＤＴを設定する実施形態を表す図表である。
【図１９】駆動電源の電圧値に応じてデッドタイムレートを設定する実施形態を表す図表である。
【図２０】回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。
【図２１】基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合における基本ステップ同期更新１を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。
【図２２】図６に示した励磁回数割合決定手段が決定する、回数分割ステップの歩進数に応じた励磁回数割合の遷移を表した図であり、組合せ励磁周期ＴＣにおいて、所定の励磁回数割合に応じた励磁が完結している状態を表した図である。
【図２３】基本ステップカウンタの値が更新されたことに伴って、組合せ励磁周期ＴＣ内において励磁組合せを切り替えた状態を表す図である。
【図２４】回動指令パルス間隔が組合せ励磁周期ＴＣの約１／７．５の場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。
【図２５】基本ステップカウンタの更新間隔が組合せ励磁周期ＴＣの間隔よりも短くなった場合における基本ステップ同期更新２を用いた励磁切替タイミングについて説明する図である。
【図２６】（ａ）は、特許文献１又は３を用いた場合に振動低減効果が得られる回転数の範囲を模式的に表した図であり、（ｂ）は、本発明に係るステッピングモータ駆動装置を用いた場合に振動低減効果が得られる回転数の範囲を模式的に表した図である。
【図２７】特許文献１に記載されているステッピングモータの駆動方式を実現するための駆動回路について説明する図である。
【図２８】特許文献１の図３に示されているフルステップ駆動時の駆動パターンを説明する図である。
【図２９】特許文献１の図２に示されているマイクロステップ駆動時の駆動パターンを説明する図である。
【図３０】特許文献１の図８に示されているマイクロステップ駆動時において端子Ａに印加する電圧（デューティ）について説明する図である。
【図３１】特許文献１の図６に示されているマイクロステップ駆動時におけるＰＷＭパターンを説明する図である。
【図３２】特許文献１の図５に示されているマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に移行する際のＰＷＭパターンの遷移を説明する図である。
【図３３】特許文献１の図７に示されているマイクロステップ駆動からフルステップ駆動に移行する際に、Ｍ１及びＭ２を用いたＰＷＭパターンの遷移を説明する図である。
【図３４】従来のマイクロステップ駆動時において、回動指令パルスに同期して電気角を更新する場合の、回動指令パルスとＰＷＭ波形との関係を表した図である。
【図３５】ハイサイド駆動素子のオンとローサイド駆動素子のオフとを同時に行った際における駆動素子のゲート電圧変化の過渡状態を示す。
【符号の説明】
【０２７３】
１  ５相ステッピングモータ
１ａ〜１ｅ  励磁コイル
１０  ステッピングモータ駆動装置
１２  励磁波形決定手段
１２ａ  電気角位置管理手段
１２ｂ  励磁相組合せ出力手段
１２ｃ  組合せ励磁周期出力手段
１２ｄ  励磁回数割合決定手段（励磁割合決定手段）
１２ｈ  単一励磁周期出力手段
１２ｉ  励磁回数割合記憶手段（励磁割合記憶手段）
１２ｊ  駆動素子指令性性手段
１２ｋ  デッドタイム挿入手段
１２ｌ  デッドタイム生成手段
１２ｍ  第１閾値判断手段
１２ｎ  第２閾値判断手段
１２ｖ  指令回転数検出手段
１４  定電流コントロール回路
１５  電流検出抵抗
１６  モータ電流制御手段
Ｃ１、Ｃ２  コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ１１  ダイオード
Ｌ１  チョークコイル
ＰＳ  電源
ＴＲ１〜ＴＲ１０  駆動素子
ＴＲ１１  トランジスタ
ＶＡ〜ＶＥ、Ｖａ〜Ｖｅ  トルクベクトル
【図１】
2010104174.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010104174.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2010104174.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2010104174.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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