(57)【要約】【課題】、量産上の工程が煩雑になることなく、また、生産効率が低下することなく、フィードバック制御における速度制御や位置制御の精度や信頼性を向上させることができるモータ駆動装置を提供すること。【解決手段】ロータと、ロータの回転位置に基づく信号を出力する信号生成手段と、ロータの回転位置を検出可能な位置検出手段と、を備えたモータと、モータを駆動可能であり、モータをマイクロステップ駆動させている間に、位置検出手段によって検出された結果に基づいて、モータの部品の取り付けずれ量を算出可能な制御手段と、を有する。【選択図】図４
2015204695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、前記ロータの回転位置に基づく信号を出力する信号生成手段と、前記ロータの回転位置を検出可能な位置検出手段と、を備えたモータと、
前記モータを駆動可能であり、前記モータをマイクロステップ駆動させている間に、前記位置検出手段によって検出された結果に基づいて、前記モータの部品の取り付けずれ量を算出可能な制御手段と、を有することを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
前記モータの出力軸に固定された第１のギアと、
前記第１のギアと噛み合う第２のギアと、を有し、
前記制御手段は、前記モータを第１の方向へ第１の角度だけ駆動させた後、前記第１の方向とは反対方向の第２の方向へ前記第１の角度以下の第２の角度だけマイクロステップ駆動させ、前記モータを前記第２の方向へマイクロステップ駆動させている間に、前記モータの部品の取り付けずれ量を算出可能であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１の角度は、前記第１のギアと前記第２のギアとのバックラッシュが解消されて前記第２のギアが駆動されるまでの角度であることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。
【請求項４】
前記ロータは、マグネットを有し、
前記モータの部品の取り付けずれ量は、前記マグネットと前記信号生成手段との相対的な角度ずれ量と、前記位置検出手段の取り付けずれ量の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
【請求項５】
部品の取り付け位置のずれがないモータをマイクロステップ駆動させている間に、前記位置検出手段の出力が切り換わる第１のタイミングを記憶する記憶部を更に有し、
前記制御手段は、前記第１のタイミングと、前記モータをマイクロステップ駆動させている間に、前記位置検出手段の出力が切り換わる第２のタイミングとの時間差と、前記モータの速度に基づいて、前記モータの部品の取り付けずれ量を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
【請求項６】
ロータと、前記ロータの回転位置に基づく信号を出力する信号生成手段と、前記ロータの回転位置を検出可能な位置検出手段と、を備えたモータをマイクロステップ駆動させる駆動ステップと、
前記駆動ステップを実行している間に、前記位置検出手段の出力が切り換わるタイミングを測定する測定ステップと、
前記測定ステップにおいて測定された結果に基づいて、前記モータの部品の取り付けずれ量を算出する算出ステップと、を有することを特徴とするモータの駆動方法。
【請求項７】
前記駆動ステップは、前記モータを第１の方向へ第１の角度だけ駆動させる第１の駆動ステップと、前記モータを前記第１の方向とは反対方向の第２の方向へ前記第１の角度以下の第２の角度だけマイクロステップ駆動させる第２の駆動ステップと、を有することを特徴とする請求項６に記載のモータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動装置およびモータの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フィードバック制御を行うステッピングモータは、フィードバック制御を行わない通常のモータに比べて、低速域から高速域までの広い速度領域で使用でき、同時に高出力トルクを達成することができる（例えば、特許文献１参照）。特許文献２のステッピングモータは、通常のステップ駆動とともに、コイルへの通電を切り換えてヨークの励磁を切り換えるタイミングを、所望の速度や負荷に応じた適正なタイミングで行うことによって、フィードバック通電切り換え駆動を可能とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０１４６５５号
【特許文献２】特許第３１３３２７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
部品の取り付け位置のずれが全く存在しないモータを生産することは、製品を量産する上で極めて困難である。全製品に対して、光学センサ等を用いてずれのない位置に調整して取り付けることも理論上可能であるが、量産する上では現実的ではない。そのため、モータには、部品の取り付け位置のずれが存在することが前提となる。
【０００５】
モータを装置に組み込む前に、モータの部品の取り付け位置のずれに対する補正値をあらかじめモータが組み込まれる装置に記憶させることで、取り付け位置のずれを吸収することは可能である。具体的には、モータごとの数値を添付してモータを出荷し、装置に組み込む際にその数値を装置に入力する。しかしながら、生産工程が煩雑になり、生産効率が低下してしまう。
【０００６】
このような課題を鑑みて、本発明は、量産上の工程が煩雑になることなく、また、生産効率が低下することなく、フィードバック制御における速度制御や位置制御の精度や信頼性を向上させることができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つのカテゴリーとしてのモータ駆動装置は、ロータと、前記ロータの回転位置に基づく信号を出力する信号生成手段と、前記ロータの回転位置を検出可能な位置検出手段と、を備えたモータと、前記モータを駆動可能であり、前記モータをマイクロステップ駆動させている間に、前記位置検出手段によって検出された結果に基づいて、前記モータの部品の取り付けずれ量を算出可能な制御手段と、を有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の他のカテゴリーとしてのモータの駆動方法は、ロータと、前記ロータの回転位置に基づく信号を出力する信号生成手段と、前記ロータの回転位置を検出可能な位置検出手段と、を備えたモータをマイクロステップ駆動させる駆動ステップと、前記駆動ステップを実行している間に、前記位置検出手段の出力が切り換わるタイミングを測定する測定ステップと、前記測定ステップにおいて測定された結果に基づいて、前記モータの部品の取り付けずれ量を算出する算出ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、量産上の工程が煩雑になることなく、また、生産効率が低下することなく、フィードバック制御における速度制御や位置制御の精度や信頼性を向上させることができるモータ駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るモータ駆動装置のブロック図である。
【図２】モータの平面図および側面図である。
【図３】モータの部品の取り付けずれ量を特定する方法の説明図である。
【図４】モータの部品の取り付けずれ量を特定する方法のフローチャートである。
【図５】ギア列の概略図である。
【図６】モータをマイクロステップ駆動させた場合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置のブロック図である。モータ駆動装置は、モータ１００と、モータ１００を制御するモータ制御回路１１０と、を有する。
【００１３】
モータ１００は、ステッピングモータであり、例えば、撮像装置のズームレンズを駆動するモータに適用可能である。モータ１００は、円盤にスリットが形成されたパルス板（信号生成手段）１０１、パルス板１０１が同軸的に固定されたロータ１０３、Ａ相コイル１０４ａ、Ｂ相コイル１０４ｂ、Ａセンサ１０５ａおよびＢセンサ１０５ｂを有する。ロータ１０３には、円筒形のマグネット１０２が固定されている。マグネット１０２の磁極の角度間隔とパルス板１０１のスリットのエッジの角度間隔は一致している。本実施形態では、マグネットの極数は８極で４５°間隔、パルス板１０１のスリットのエッジも８か所で４５°間隔に形成されている。ただし、マグネット１０２とパルス板１０１は別部品であるので、磁極とスリットのエッジの相対的な角度は量産ばらつきのためにモータごとにずれが生じる。位置検出手段であるＡセンサ１０５ａおよびＢセンサ１０５ｂは、パルス板１０１を検出することにより、マグネット１０２の回転位置を検出可能である。これによって、通常のステップ駆動とともに、フィードバック通電切り換え駆動が可能となる。フィードバック通電切り換え駆動では、Ａセンサ１０５ａの出力に基づいてＡ相コイル１０４ａへの通電を切り換え、Ｂセンサ１０５ｂの出力に基づいてＢ相コイル１０４ｂへの通電を切り換える。すなわち、フィードバック通電切り換え駆動では、速度や負荷に応じた適正なタイミングで、Ａ相コイル１０４ａに励磁されるＡ相ヨークと、Ｂ相コイル１０４ｂに励磁されるＢ相ヨークの励磁を切り換えることができる。なお、本実施形態では、信号生成手段として円盤にスリットが形成されたパルス板１０１を用いているが、磁化された円盤を使用してもよい。また、位置検出手段として光センサを用いているが、ホールセンサを使用してもよい。また、マグネットを直接ホールセンサで検出する構成が可能であれば、マグネットが信号生成手段の機能を兼ねてもよい。
【００１４】
モータ制御回路１１０は、検出部１０６、計時部１０７、通電制御部（制御手段）１０８および記憶部１０９を有する。検出部１０６は、Ａセンサ１０５ａおよびＢセンサ１０５ｂから出力されるアナログ電圧信号をそれぞれＨとＬに２値化して、矩形波を出力する。計時部１０７は、検出部１０６から出力される矩形波がＨ／Ｌ反転してからＨ／Ｌ反転するまでの時間を計時して出力する。計時部１０７は、互いに独立して計時し、出力することができるＡカウンタおよびＢカウンタを有する。Ａカウンタは、Ａセンサ１０５ａの出力に基づく矩形波がＨ／Ｌ反転してからＨ／Ｌ反転するまでの時間を計時して出力する。Ｂカウンタは、Ｂセンサ１０５ｂの出力に基づく矩形波がＨ／Ｌ反転してからＨ／Ｌ反転するまでの時間を計時して出力する。通電制御部１０８は、計時部１０７で計時されるＡセンサ１０５ａおよびＢセンサ１０５ｂのＨ／Ｌ反転からの経過時間に基づいて、Ａ相およびＢ相コイル１０４ａ，１０４ｂの通電切り換えタイミングの制御を行うことで、モータ１００を駆動可能とする。通電制御部１０８は、Ａセンサ１０５ａおよびＢセンサ１０５ｂの取り付けずれ量等のモータ１００の部品の取り付けずれ量を算出可能な算出部１０８ａを有する。記憶部１０９は、算出されたモータ１００の部品の取り付けずれ量を記憶する。
【００１５】
図２は、モータ１００の平面図および側面図である。図中において、コイルに通電する配線部材は省略されている。また、側面図において、Ａセンサ１０５ａは省略されている。Ａセンサ１０５ａおよびＢセンサ１０５ｂは、パルス板１０１を検出するように配置され、パルス板１０１を検出することによりマグネット１０２の回転を検出する。Ａセンサ１０５ａおよびＢセンサ１０５ｂの取り付け位置は量産によるばらつきをもつので、Ａセンサ１０５ａおよびＢセンサ１０５ｂは設計中心の位置に対してずれ量をもって取り付けられている。また、パルス板１０１とマグネット１０２との相対的な角度は量産によるばらつきをもつので、パルス板１０１とマグネット１０２は設計中心の位置に対してずれ量をもって取り付けられている。したがって、パルス板１０１とマグネット１０２との相対的な角度のずれ量とＡセンサ１０５ａおよびＢセンサ１０５ｂの取り付けずれ量が重畳して、モータ１００の部品の取り付けずれ量となる。
【００１６】
次に、図３を用いて、モータ１００の部品の取り付けずれ量を特定する方法について説明する。本実施形態では、モータ１００を装置に組み込んだ後で、取り付けずれ量をモータ１００ごとに実測する。具体的には、モータ１００を装置に組み込んだ後、一定の速度でマイクロステップ駆動させ、各ヨークの励磁電流のゼロクロスから各センサのＨ／Ｌ切り換わりまでの時間を測定して、あらかじめ記憶している設計上の位置での時間との差からずれ量を算出する。なお、図３（ａ），（ｂ）ともに、パルス板１０１とマグネット１０２との相対的な角度のずれはないことを前提として説明をする。
【００１７】
図３（ａ）のモータ１００では称呼寸法通りの位置に各センサが取り付けられているが、図３（ｂ）のモータ１００では称呼寸法からずれ量θａ、θｂだけずれて各センサが取り付けられている。図３（ａ）に示す理想的な寸法のモータ１００を量産することは現実的ではないが、設計段階で少量のみ製作することは十分可能である。図３（ａ）のモータ１００を一定の速度でマイクロステップ駆動をさせ、各ヨークの励磁電流のゼロクロスから各センサのＨ／Ｌ切り換わりまでの時間をＴｒｍ（ｍ＝ａまたはｂ）とする。時間Ｔｒｍを標準の値として設計段階で収集しておき、量産時に全ての装置に対して標準の値としてあらかじめ記憶させておく。時間Ｔｒｍは、時間Ｔｒｍ１〜Ｔｒｍｎを平均して算出することが望ましい。モータ１００の着磁周期に起因する速度変動を平均化するために、ｎはマグネット１０２の極数の１／２の整数倍、つまりモータ１００の１回転における電気角での周期の数の整数倍に設定することが望ましい。
【００１８】
図３（ｂ）のモータ１００を一定の速度でマイクロステップ駆動をさせ、各ヨークの励磁電流のゼロクロスから各センサのＨ／Ｌ切り換わりまでの時間Ｔｓｍ１〜Ｔｓｍｎ（ｍ＝ａまたはｂ）を実測し、それらを平均した時間をＴｓｍとする。時間Ｔｒｍを算出する場合と同様に、ｎはマグネット１０２の極数の１／２の整数倍、つまりモータ１００の１回転における電気角での周期の数の整数倍に設定することが望ましい。ただし、モータ１００が一定の速度で回転していることが保証されていれば、各センサの１回のＨ／Ｌ切り換わりのみを検出し、時間Ｔｓｍ１をそのまま時間Ｔｓｍとしてもよい。また、モータ１００が一定の速度で回転していることが保証されていれば、マグネット１０２の極数の１／２より小さい回数の各センサのＨ／Ｌ切り換わりを検出し、その平均値をＴｓｍとしてもよい。時間Ｔｓｍが算出できれば、マイクロステップ駆動させている一定の角速度（回転角速度）をω［°／ｓｅｃ］とすると、各センサのずれ量θｍはθｍ＝（Ｔｒｍ−Ｔｓｍ）×ωの式で算出可能となる。
【００１９】
以上、説明した通り、本実施形態では、モータ１００を装置に組み込んだ後、各センサのずれ量の特定を行い、装置に反映させることができる。なお、図３（ａ），（ｂ）ともに、パルス板１０１とマグネット１０２との相対的な角度のずれはないことを前提として説明した。しかしながら、パルス板１０１とマグネット１０２との相対的な角度のずれと各センサの取り付け位置のずれが重畳していても、上述した方法で重畳したずれ量の和を特定することができる。
【００２０】
図４は、モータ１００の部品の取り付けずれ量を特定する方法のフローチャートであり、モータ制御回路１１０にて実行される。図５は、モータ１００にて駆動されるギア列の概略図である。図５において、ピニオンギア１は、モータ１００の出力軸に固定されている。伝達ギア２は、ピニオンギア１と噛み合い、モータ１００の駆動力を伝達する。ドリブンギア３は、伝達ギア２と噛み合い、モータ１００の駆動力を伝達する。ドリブンギア３にはカム溝３ａが形成され、レバー等の駆動対象と連結されたカムピン４が係合している。図５では、モータ本体とレバー等の駆動対象は概念図で示されており、各ギアは一般の製図法に基づき歯先円を実線で、ピッチ円を一点鎖線で、歯底円を細線で描かれ、回転中心軸等は省略されている。なお、図５では、伝達ギア２を１つで構成しているが、実際の伝達ギア列では、多数の伝達ギアを使用して、モータ１００の駆動力を減速してもよい。
【００２１】
Ｓｔｅｐ１では、Ａ相コイル１０４ａおよび／またはＢ相コイル１０４ｂに一定時間通電を行っている。この通電はいわゆる初期保持通電と呼ばれる一般的な動作であって、停止状態で任意の方向に停止しているマグネット１０２を所定の方向に位置決めするための動作である。
【００２２】
Ｓｔｅｐ２では、モータ１００をＣＷ方向（第１の方向）へ所定の角度Ｎ１だけ駆動させる。ここで、伝達ギア列にはいわゆるバックラッシュ（図５のδ１，δ２）と呼ばれる隙間が設けられていることが一般的である。バックラッシュが設けられていない場合、実際に回転駆動を伝達するにあたって、伝達効率が低下するからである。バックラッシュ量は、例えばモジュール１．５以下のプラスチックギアの場合はモジュールの６〜１０％程度とされているが、ギアの材料や装置の負荷や必要な回転精度等から適切な値に設定される。したがって、モータ１００が回転を始めてもドリブンギア３はすぐに回転を開始しない。モータ１００の回転が開始した後、ピニオンギア１と伝達ギア２の間のバックラッシュδ１が詰まった後に伝達ギア２が回転を開始する。伝達ギア２の回転が開始した後、伝達ギア２とドリブンギア３のバックラッシュδ２が詰まった後にドリブンギア３が回転を開始する。したがって、伝達ギア列のバックラッシュが解消されて全てのギアが駆動伝達を行うまでの間、モータ１００はギアの自重による軽負荷で回転することができる。以下、このバックラッシュによって生じるモータ１００が軽負荷で回転可能な領域を「バックラッシュ軽負荷領域」と呼ぶ。Ｓｔｅｐ２でモータ１００をＣＷ方向に角度Ｎ１だけ駆動しているので、Ｓｔｅｐ２の実行後の状態では、ピニオンギア１からドリブンギア３までの間には、ＣＷ方向と反対方向のＣＣＷ方向にバックラッシュ軽負荷領域が存在する。なお、Ｓｔｅｐ２での駆動方法は、ステップ駆動であってもよいし、マイクロステップ駆動であってもよい。
【００２３】
Ｓｔｅｐ３では、モータ１００をＣＣＷ方向（第２の方向）へ所定の第２の角度だけマイクロステップ駆動させる。角度Ｎ２は角度Ｎ１以下、つまり第１の角度以下のステップ数に設定される。前述の通り、少なくともＣＣＷ方向への回転開始当初はバックラッシュ軽負荷領域であるので、その間、モータ１００はギアの自重による軽負荷で回転することができる。また、角度Ｎ１は大きいほど、バックラッシュ軽負荷領域が逆方向に確保されることとなる。ただし、伝達ギア列全体のもつバックラッシュ量が上限である。逆に、角度Ｎ２が大きすぎると、バックラッシュ軽負荷領域が終了してしまい、それ以外の領域に至ってしまうこととなる。
【００２４】
Ｓｔｅｐ４では、Ｓｔｅｐ３の動作中に、ヨークの励磁電流のゼロクロスから各センサの切り換わりタイミングまでの時間間隔Ｔｓａ，Ｔｓｂを測定している。すなわち、モータ１００がＣＣＷ方向へ角度Ｎ２だけマイクロステップ駆動されている間に、時間間隔Ｔｓａ，Ｔｓｂを測定している。このとき、前述したように、実測値を平均して時間間隔Ｔｓａ，Ｔｓｂを求めることが望ましい。
【００２５】
Ｓｔｅｐ５では、Ｓｔｅｐ４で測定した時間間隔Ｔｓａ、Ｔｓｂと、あらかじめ記憶された時間間隔の標準の値Ｔｒａ、Ｔｒｂとの時間差と、モータ１００の角速度に基づいて、モータ１００の部品の取り付けずれ量を算出する。
【００２６】
本実施形態では、モータ１００の部品の取り付けずれ量を算出する際に、モータ１００の角速度を使用している。通常のステップ駆動の場合、矩形波で離散的に電圧を変化させることによりマグネットを回転させるので、コギングによるモータの速度変動が大きくなってしまう。その場合、使用するモータの角速度によりずれ量が変動してしまうため、ずれ量の特定精度が悪化してしまう。モータを高速に回転すれば、イナーシャの効果によりコギングの影響を最小限に抑制できるため、モータの角速度が一定になり、ずれ量の特性精度を悪化させることはない。ただし、モータを装置に組み込む前ならば、無負荷で十分な時間をかけて高速で回転することができるが、モータを装置に組み込んだ後は、常に、ずれ量の特定に適した一定の角速度で駆動できるとは限らない。例えば、端部を有するカムによりモータが回転できる角度が限定されている場合は、角速度が一定になるまで十分な回転角度が確保できず、コギングの影響を最小限に抑制できる程度の高速まで加速できない。
【００２７】
これに対して、本実施形態では、図３に示すように、連続的に電流値を変化させることによりマグネットを回転させるマイクロステップ駆動を行っている間に、モータ１００の部品の取り付けずれ量を算出している。図６は、モータ１００を角速度１０ＰＰＳの低速でマイクロステップ駆動させた場合の説明図である。この測定は起動直後の電気角３６０°相当の時間で行われている。図６（ａ）において、横軸は時間、２つの正弦波はＡ相コイルとＢ相コイルの励磁電流を示しており、矩形波はパルス板１０１の出力パルスを示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）のパルス間隔から時間と回転角の関係を導いたグラフである。図６（ｂ）において、横軸が時間、縦軸が回転角を示している。図６（ｂ）のグラフは、ほぼ直線のグラフになっていることから一定の速度で回転していることが分かる。すなわち、マイクロステップ駆動することによって、低速であっても、電気角３６０°内（図３Ａ）での速度変動が少なく、一定の速度で回転していることが分かる。ただし、起動直後は振動等の影響で速度が不安定な時間帯があるので（図６（ａ）の破線枠部）、その時間帯は除外する必要がある。以上のデータから、マイクロステップ駆動することにより、限られた角度で低速回転させても、ずれ量を精度よく特定できることが裏付けられる。そのため、低速回転であっても、電気角の周期（図３Ａ）内での速度変動が少なく、精度よくずれ量を特定することができる。
【００２８】
速度の一定性がどの程度確保できるかは、モータや駆動回路によって異なる。逆にずれ量の特定精度がどの程度必要であるかは装置によって異なる。したがって、モータ、駆動回路および装置の条件によっては、電気角３６０°に発生する１回のセンサ信号だけで、ずれ量を特定してもよい。また、モータ、駆動回路および装置の条件によっては、モータを１回転させることなく、マグネットの極数の１／２より少ない回数の各センサ信号だけで、ずれ量を特定してもよい。さらに、モータ、駆動回路および装置の条件によっては、バックラッシュ軽負荷領域でなくともずれ量を特定できる場合は、図５のＳｔｅｐ２を省略してもよい。
【００２９】
以上、説明した通り、本実施形態のモータ１００の駆動方法では、一定の速度で回転することが保証されたマイクロステップ駆動により所定の時間間隔の測定（Ｓｔｅｐ４）を行う。また、Ｓｔｅｐ４では、モータ１００は、一定の低い負荷で回転することが保証されたバックラッシュ軽負荷領域を駆動している。そのため、本実施形態では、限られた角度で低速回転させても、モータ１００の部品の取り付けずれ量を精度良く特定することができる。結果として、精度のよいずれ量の特定結果を適用してフィードバック制御を行うことができるので、フィードバック制御における速度制御や位置制御の精度や信頼性を向上させることができる。
【００３０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１０１      パルス板（信号生成手段）
１０５ａ    Ａセンサ（位置検出手段）
１０５ｂ    Ｂセンサ（位置検出手段）
１０８      通電制御部（制御手段）
【図１】
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【図２】
2015204695.tif 000004
【図３】
2015204695.tif 000005
【図４】
2015204695.tif 000006
【図５】
2015204695.tif 000007
【図６】
2015204695.tif 000008