(57)【要約】  【課題】従来の電子回路を流用してステッピングモータの分解能を細分化すると同時に、回転駆動時及びホールド時に発生する耳障りな可聴音を減少させる。  【解決手段】ステッピングモータの基本ステップの歩進数を計数する基本ステップカウンタと、基本ステップ角をｍ分割した回数分割ステップの歩進数を計数する回数分割ステップカウンタとを有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第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）と第２励磁組（Ｆ３−Ｆ４）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、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を決定する励磁回数割合出力手段１２ｄと、所定の励磁回数割合を維持しつつ第１励磁組が第２励磁組に対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させた励磁波形を、励磁周期Ｔ毎に順次出力する励磁波形出力手段１２ｅとを備えた。  【選択図】図１
2008182816.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の基本ステップの位置に位置決めするための、励磁コイルの１の励磁の組合せと、他の基本ステップの位置に位置決めするための他の励磁の組合せとの、少なくとも２つの励磁の組合せを出力する励磁相組合せ出力手段と、
前記微細ステップの歩進数に応じて、前記２つの励磁の組合せの励磁回数を、相互に漸増及び漸減することにより、前記２つの励磁の組合せの励磁回数割合を決定して出力する励磁回数割合出力手段と、
励磁周期Ｔ毎に、前記１の励磁の組合せ又は他の励磁の組合せを構成する励磁の出力を切り換えるための励磁切替指令を出力する励磁周期出力手段と、
前記決定した励磁回数割合を維持しつつ、前記１の励磁の組合せが、他の励磁の組合せに対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次出力する励磁の組合せの配列によって、前記１の励磁の組合せ又は他の励磁の組合せを構成する励磁波形を、前記励磁周期Ｔ毎に出力する励磁波形出力手段と、
を備えた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】
前記励磁波形出力手段は、前記２つの励磁の組合せの配列として、励磁列Ｋ（所定の励磁回数からなる励磁の列）×段数Ｒ（励磁列Ｋの段数）に分けた配列を用いるとともに、前記段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、１の励磁の組合せに対する他の励磁の組合せの出力順が、段ｒ−１の出力順と異なるように常に分散する配列であ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】
前記励磁波形出力手段は、前記２つの励磁の組合せの配列として、励磁列Ｋ（所定の励磁回数から成る励磁の列）×段数Ｒ（励磁列Ｋの段数）に分けた配列を用いるとともに、前記段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、１の励磁の組合せに対する他の励磁の組合せの出力順を、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの前方から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの後方から前方に移動させる前方移動パターンとを、交互に出力することにより分散させた配列であ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】
前記励磁波形出力手段は、前記２つの励磁の組合せの配列として、励磁列Ｋ（所定の励磁回数から成る励磁の列）×段数Ｒ（励磁列Ｋの段数）に分けた配列を用いるとともに、前記段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、１の励磁の組合せに対する他の励磁の組合せの出力順を、第１段目（ｒ＝１）では励磁列Ｋの略中央の順番から出力し、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの中央から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの中央から前方に移動させる前方移動パターンとを、交互に出力することにより分散させるパターンを含む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】
前記励磁波形出力手段は、１の励磁の組合せに対する他の励磁の組合せの出力順を、乱数計算処理に基づいて決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６】
Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αを微小ステップにｎ分割し、更に、前記微小ステップを微細ステップに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微小ステップの歩進数を計数して出力するｎ分割カウンタと、前記ｎ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の基本ステップの位置に位置決めするための、励磁コイルの１の励磁の組合せと、他の基本ステップの位置に位置決めするための他の励磁の組合せとの、少なくとも２つの励磁の組合せを出力する励磁相組合せ出力手段と、
Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子を、前記微小ステップの歩進数に対応した１の微小ステップの位置に位置決めするために、前記２つの励磁の組合せの励磁の時間を相互に漸増及び漸減することにより生成した１の時間の組合せと、他の微小ステップの位置に位置決めするための他の時間の組合せとの、少なくとも２つの時間の組合せを出力する時間組合せ出力手段と、
前記微細ステップの歩進数に応じて、前記２つの励磁の組合せと１の時間とを組み合わせた１の励磁時間の組合せと、前記２つの励磁の組合せと他の時間の組合せとを組み合わせた他の励磁時間の組合せとの励磁回数を、相互に漸増及び漸減することにより、前記２つの励磁時間の組合せの励磁回数割合を決定して出力する励磁回数割合出力手段と、
励磁周期Ｔ毎に、前記１の励磁時間の組合せ又は他の励磁時間の組合せを構成する励磁の出力を切り換えるための励磁切替指令を出力する励磁周期出力手段と、
前記決定した励磁回数割合を維持しつつ、前記１の励磁時間の組合せが、他の励磁時間の組合せに対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次出力する励磁時間の組合せの配列を用いて、前記１の励磁時間の組合せ又は他の励磁時間の組合せを構成する励磁波形を、前記励磁周期Ｔ毎に出力する励磁波形出力手段と、
を備えたことを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
【請求項７】
前記請求項１〜６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てＮ相ステッピングモータを駆動してなることを特徴とする精密測定機器。
【請求項８】
前記請求項１〜６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てＮ相ステッピングモータを駆動してなることを特徴とする精密加工機器。
【請求項９】
前記請求項１〜６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マイクロステップ駆動方法。
【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Ｎ相ステッピングモータの励磁コイルを励磁するに際し、１の励磁の組合せと他の励磁の組合せとの励磁割合を変更して、Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αを細分割するステッピングモータ駆動する装置と、同装置を搭載する精密測定機器及び精密加工機器と、そのマイクロステップ駆動方法に関する。
【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所定の励磁相を励磁することにより、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ために、Ｎ相ステッピングモータの機械的構造から決定される基本ステップ角α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】
従来のマイクロステップ駆動方法の一例として、例えば特許第３７２５３１６号公報（特許文献１）には、５相ステッピングモータに形成されている５相の励磁相の中から、モータ回転子を１の基本ステップの位置に位置決めするための１の励磁の組合せ（以降、第１励磁組と記載する。）と、次の基本ステップの位置に位置決めするための他の励磁の組合せ（以降、第２励磁組と記載する。）とを選択し、その第１励磁組又は第２励磁組を組合せた４つの励磁パターンの一部をマイクロステップ角の順序に従って変化させるとともに、励磁回数の割合を変更することにより、基本ステップ角αを細分割するマイクロステップ駆動方法が示されている。
【０００５】
特許文献１の実施例２に記載された５相ステッピングモータの駆動方法では、５相の励磁相のうち、例えば励磁相Ｂ及び励磁相Ｃの２相を同時に励磁する励磁組（ＢＣ）を生成するとともに、励磁相Ａ及び励磁相Ｄの２相を同時に励磁する励磁組（ＡＤ）を生成する。そして、４種類の励磁組（ＢＣ）、（ＡＤ）、（ＢＣ）、（ＡＤ）を用いた励磁シーケンスを生成し、これを繰り返し出力することにより、合成ベクトル《ＡＢＣＤ》を構成して、アドレス＝０の基本ステップの位置決めを実現している。
【０００６】
アドレス＝０からアドレス＝１にマイクロステップの歩進をさせる場合には、前記４種類の励磁組（ＢＣ）、（ＡＤ）、（ＢＣ）、（ＡＤ）の最後の励磁組（ＡＤ）を励磁組（ＣＤ）に置き換えた４種類の励磁組（ＢＣ）、（ＡＤ）、（ＢＣ）、（ＣＤ）を用いた励磁シーケンスを生成し、これを繰り返し出力することにより、合成ベクトル《ＡＢＣＤ》＋９．７°を得て、アドレス＝１の位置に位置決めしている。
【０００７】
また、アドレス＝１からアドレス＝２に歩進させる場合には、４種類の励磁組（ＢＣ）、（ＡＤ）、（ＢＣ）、（ＣＤ）のうち３つ目の励磁組（ＢＣ）を励磁組（ＣＤ）に置き換えるとともに、最後に励磁組（ＢＥ）を配置した４種類の励磁組（ＢＣ）、（ＡＤ）、（ＣＤ）、（ＢＥ）を用いた励磁シーケンスを生成し、これを繰り返し出力することにより、合成ベクトル《ＡＢＣＤＥ》を得て、アドレス＝２のハーフステップの位置に位置決めしている。
【０００８】
また、アドレス＝２からアドレス＝３にマイクロステップの歩進をさせる場合には、２つ目の励磁組（ＡＤ）を除いて、最後に励磁組（ＣＤ）を配置した４種類の励磁組（ＢＣ）、（ＣＤ）、（ＢＥ）、（ＣＤ）を用いた励磁シーケンスを生成し、これを繰り返し出力することにより、合成ベクトル《ＢＣＤＥ》−９．７°を得て、アドレス＝３の位置に位置決めしている。
【０００９】
また、アドレス＝３からアドレス＝４に歩進をさせる場合には、最初の励磁組（ＢＣ）を取り除いて、最後に励磁組（ＢＥ）を配置した４種類の励磁組（ＣＤ）、（ＢＥ）、（ＣＤ）、（ＢＥ）を用いた励磁シーケンスを生成し、これを繰り返し出力することにより、合成ベクトル《ＢＣＤＥ》を得て、アドレス＝４の基本ステップの位置に位置決めしている。
【００１０】
このように、アドレス＝０からアドレス＝３にわたる４回のマイクロステップの励磁処理を用いることによって、合成ベクトル《ＡＢＣＤ》〜《ＡＢＣＥ》の１０段階の基本ステップをそれぞれ４分割したマイクロステップの歩進を実現させている。なお、このように、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数の割合を変化させることによってステップ角を細分割する手法を、以降、回数分割と呼ぶことにする。
【００１１】
また、従来のマイクロステップ駆動方法の他の実施態様として、例えば特開２００４−２６６９７４号公報（特許文献２）には、３相ステッピングモータに形成されている３相の励磁コイルの励磁相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の励磁極性を組み合わせて多相励磁を行うことにより、ステッピングモータの基本ステップ角αを細分割するマイクロステップ駆動方法が示されている。
【００１２】
例えば、特許文献２の図６には、第１励磁組（ｖＵｗ）と第２励磁組（ｗＶｕ）との出力比率をステップ毎に漸減及び漸増させることによって、基本ステップ間を１０分割したマイクロステップ駆動方法が示されている。また、同特許文献２の図９には、第１励磁組（ｖＵｗ）の励磁時間をステップ毎に漸増又は漸減するとともに、第２励磁組（ｗＶｕ）の励磁時間をステップ毎に漸減又は漸増して、ステップ毎に励磁時間が異なる励磁波形（ｖＵｗ、ＵｗＶ、ｗＶｕ）を生成し、複数の励磁コイルを順次励磁することにより、基本ステップ間を１００分割したマイクロステップ駆動方法が示されている。なお、このように、第１励磁組と第２励磁組との励磁時間の割合を変化させることによってステップ角を細分割する手法を、以降、時間分割と呼ぶことにする。
【特許文献１】特許第３７２５３１６号公報
【特許文献２】特開２００４−２６６９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
近年では、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の技術分野において、キャリッジの精密な位置決めや低振動の超低速駆動が求められている。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、超高速分光技術、超高速光制御技術、若しくは光パルスタイミング同期技術等の光制御技術や、単一光子検出技術、超高速光計測技術、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を挙げることができる。
【００１４】
上記の各技術分野において、制御の容易性や制御装置の小型化、及び低価格化の要求により、キャリッジの駆動源としてステッピングモータが多用されており、ステッピングモータにも超低速駆動や高分解能駆動の性能が強く要求されている。また、研究室や生産現場等で作業する作業者の近傍で使用される各種装置に、高分解能のステッピングモータが組み込まれるケースも増加している。
【００１５】
上記特許文献１の実施例２に記載されたマイクロステップ駆動方法を用いて、ステッピングモータの分解能を向上させるためには、基本ステップ角αを分割するための励磁組の組合せ数（特許文献１の実施例２では４組の励磁組を使用している。）を増やす必要がある。
【００１６】
特許文献１の図１に記載された制御回路のスイッチング手段（Ｔｒ１）、（Ｔｒ３）、（Ｔｒ５）、（Ｔｒ７）、（Ｔｒ９）のドレイン及び（Ｔｒ２）、（Ｔｒ４）、（Ｔｒ６）、（Ｔｒ８）、（Ｔｒ１０）のソースには、電源の電圧が直接印加されている。したがって、特許文献１の前記制御回路では、センシング抵抗（Ｒ１）が検出した信号を用いて、モータ回転子が低速の場合と高速の場合とでスイッチングの時間を変更する定電流回路を構成している（特許文献１の図３参照）。
【００１７】
このように、スイッチングの時間を変更することによってステッピングモータを定電流駆動する場合には、定電流コントロールを行うために、励磁コイルを励磁する周期として所定時間の励磁周期Ｔが必要となる。仮に、励磁周期Ｔ＝２０μｓと仮定した場合、特許文献１の図３に記載されているシーケンスでは４種類の励磁組を用いているので、１シーケンスの励磁に必要な時間は、４回励磁×２０μｓ＝８０μｓとなる。
【００１８】
特許文献１の図３に示されるように、アドレス０及びアドレス４では、《ＡＢＣＤ》又は《ＢＣＤＥ》の励磁が所定の励磁周期Ｔで繰り返し出力されているので、励磁周期Ｔ＝２０μｓとした場合には、モータ回転子は、１／Ｔ＝５０ｋＨｚの振動を発していることになる。しかし、この５０ｋＨｚの音は、人間の可聴音領域とされている２０Ｈｚ〜１５ｋＨｚの範囲から大きく外れているために、人の耳には聞こえず、騒音とはならない。
【００１９】
ところが、アドレス１〜３では、第１励磁組《ＡＢＣＤ》に対して第２励磁組《ＢＣＤＥ》が、４回励磁×２０μｓ＝８０μｓの間隔で出現しているために、モータ回転子は、１／（４回励磁×Ｔ）＝１２．５ｋＨｚの振動を発していることになる。この１２．５ｋＨｚの音は、人間の可聴音領域とされている２０Ｈｚ〜１５ｋＨｚの範囲内に入っているために、人によっては高音の騒音がステッピングモータから聞こえることになる。
【００２０】
特許文献１の図３に記載されたマイクロステップ駆動方法では、基本ステップ角αを４分割しているが、更に超低速駆動や高分解能駆動を実現するために、更に１０倍分解能を高めて、基本ステップ角αを４０分割した場合について考察する。
【００２１】
基本ステップ角αを４０分割すると、アドレス１〜３９では、第１励磁組《ＡＢＣＤ》に対して第２励磁組《ＢＣＤＥ》が、４０回励磁×２０μｓ＝８００μｓの間隔で出現するために、モータ回転子は、１／（４０回励磁×Ｔ）＝１．２５ｋＨｚの振動を発することになる。この１．２５ｋＨｚの音は、人間の可聴音領域の２０Ｈｚ〜１５ｋＨｚの範囲内に入っているとともに、人間の耳にとって高感度の周波数帯であるために、耳障りな高音の騒音がステッピングモータから聞こえることになる。したがって、たとえ高分解能のマイクロステップが実現できたとしても、ステッピングモータから発せられる騒音が大きすぎて、作業者が近傍に居る環境では使用することができないものとなってしまう。
【００２２】
一方、上記特許文献２に記載されたステッピングモータのマイクロステップ駆動方法では、ステッピングモータの分解能を向上させるために、第１組励磁時間及び第２組励磁時間を漸減又は漸増させる際の、機械的制約を受ける最小の単位励磁時間ｔを可能な限り短く設定して、基本ステップ角αの分割数を増やすという手段を用いている。因みに、特許文献２の図９に示されている実施例では、単位励磁時間ｔ＝０．５μｓ、励磁周期Ｔ＝１００μｓに設定して、第１励磁組（ｖＵｗ）を励磁する第１組励磁時間を５０μｓ〜０μｓまで０．５μｓ毎に１００ステップで漸減させるとともに、第２励磁組（ｗＶｕ）を励磁する第２組励磁時間を０μｓ〜５０μｓまで０．５μｓ毎に１００ステップで漸増させている。
【００２３】
そして、第３励磁組（ＵｗＶ）の出力時間の割合を１００ステップの全てにおいて５０％として、各励磁相の極性切り替え時に発生するトルクリップルを減少させつつ、円滑なマイクロステップ駆動を行っている。この、特許文献２に記載の時間分割によるマイクロステップ駆動方法を用いて、更に分解能を細かくした場合の問題点について考察する。
【００２４】
特許文献２に記載された時間分割のマイクロステップ駆動方法を用いて、更に分解能を高めようとすれば、ステッピングモータの励磁コイルに電力を供給するための最小の励磁時間を、０．５μｓよりも更に短くしていく必要がある。しかし、スイッチング素子の応答時間は素子の性能で予め決まっているために、スイッチング素子に対して最小の励磁時間以下のスイッチング動作を指示しても、励磁電流の切換え時間に追随しなくなり、短い時間の励磁制御ができなくなってしまう。そこで、スイッチング素子が応答可能な所定の時間以上のスイッチング時間を、予め確保しておく必要がある。
【００２５】
このような状況において、更に細かいマイクロステップを実現するために、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数の割合を変更することにより、更に細かいマイクロステップを実現することができる。例えば、特許文献２の図９に記載されているマイクロステップ駆動方法に加えて、更に回数分割を行う場合が考えられる。
【００２６】
特許文献２の図９に示すように、励磁組（ｖＵｗ）＝５０％、（ＵｗＶ）＝５０％、（ｗＶｕ）＝０％を組み合わせた励磁（第１励磁組）と、励磁組（ｖＵｗ）＝４９％、（ＵｗＶ）＝５０％、（ｗＶｕ）＝１％を組み合わせた励磁（第２励磁組）との励磁回数の割合を、例えば０：１０から１０：０まで変更することによって、更に１０分割したマイクロステップを実現することができる。
【００２７】
ところが、このように回数分割を付加すると、ステッピングモータから耳障りな騒音を発するために、使用が制限される場合がある。例えば、励磁周期Ｔを１００μｓとすると、励磁回数の割合が１：９から９：１の間で、励磁相（ｖＵｗ）に対して励磁相（ｗＶｕ）が、１０回励磁×１００μｓ＝１０００μｓの間隔で出現することになるために、モータ回転子は１ｋＨｚの振動を発することになる。したがって、耳障りな高音の騒音が、ステッピングモータから発せられることになる。そのため、この場合にも、高分解能のマイクロステップが実現できたとしても、ステッピングモータが発する騒音のために、作業者が近傍に居る環境では、使用することができないものとなってしまう。
【００２８】
上述のように、ステッピングモータの励磁コイルを励磁するに際し、時系列的に異なる励磁組を組み合わせて励磁することにより、比較的容易に分解能を細かくすることができるが、分解能を細かくするにつれて励磁周期が長くなり、ステッピングモータから耳障りな可聴音の騒音が発生するという不具合が生ずる。
【００２９】
このステッピングモータから発生する騒音は、ステッピングモータが歩進動作を行っている場合にも、また、回転を停止しているホールド時にも発生する。したがって、特に高分解能な位置決めを必要としている精密測定機器や精密加工機器の技術分野においては、低騒音で動作する高分解能のステッピングモータ駆動装置の出現が強く要望されている。
【００３０】
本発明は、こうした従来の課題を解決するためになされたものであり、耳障りな騒音の発生を低減し、ステッピングモータの分解能を飛躍的に向上させた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、マイクロステップ駆動方法、精密測定機器、及び精密加工機器を提供することを目的としている。
【００３１】
更に本発明は、特別な電子回路の新たな追加を必要とせずに、従来の電子回路構成を利用することができ、単に論理回路の一部を変更するだけで、耳障りな騒音が少なく高分解能な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、マイクロステップ駆動方法、精密測定機器、及び精密加工機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
すなわち、本発明の基本的な第１の構成は、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細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、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、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基本ステップの歩進数に対応した１の基本ステップの位置に位置決めするための励磁コイルの第１励磁組（１の励磁の組合せ）と次の基本ステップの位置に位置決めするための第２励磁組（他の励磁の組合せ）との少なくとも２つの励磁組（励磁の組合せ）を出力する励磁相組合せ出力手段と、微細ステップの歩進数に応じて２つの励磁組（励磁の組合せ）の励磁回数を相互に漸増及び漸減することにより２つの励磁組（励磁の組合せ）の励磁回数割合を決定して出力する励磁回数割合出力手段と、励磁周期Ｔ毎に第１励磁組（１の励磁の組合せ）又は第２励磁組（他の励磁の組合せ）を構成する励磁の出力を切り換えるための励磁切替指令を出力する励磁周期出力手段と、前記決定した励磁回数割合を維持しつつ第１励磁組（１の励磁の組合せ）が第２励磁組（他の励磁の組合せ）に対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次出力する励磁組（励磁の組合せ）の配列を用いて、第１励磁組（１の励磁の組合せ）又は第２励磁組（他の励磁の組合せ）を構成する励磁波形を、励磁周期Ｔ毎に出力する励磁波形出力手段とを備えたことを特徴としている。
【００３３】
好ましい態様によれば、前記励磁波形出力手段が、第１励磁組及び第２励磁組の配列として、励磁列Ｋ（所定の励磁回数から成る励磁の列）×段数Ｒ（励磁列Ｋの段数）に分けた配列を用いるとともに、前記段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番が、段ｒ−１の出力順番と異なるように常に分散させた配列を用いることが望ましい。
【００３４】
また、他の好ましい態様によれば、前記励磁波形出力手段が、第１励磁組及び第２励磁組の配列として、励磁列Ｋ（所定の励磁回数から成る励磁の列）×段数Ｒ（励磁列Ｋの段数）に分けた配列を用いるとともに、前記段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番を、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの前方から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの後方から前方に移動させる前方移動パターンとを、交互に出力することにより分散させることが望ましい。
【００３５】
更に、他の好ましい態様によれば、前記励磁波形出力手段が、第１励磁組及び第２励磁組の配列として、励磁列Ｋ（所定の励磁回数から成る励磁の列）×段数Ｒ（励磁列Ｋの段数）に分けた配列を用いるとともに、前記段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番を、第１段目（ｒ＝１）では励磁列Ｋの略中央の順番から出力し、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの中央から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの中央から前方に移動させる前方移動パターンとを、交互に出力することにより分散させるパターンを含むことが望ましい。
【００３６】
また、他の好ましい態様によれば、前記励磁波形出力手段が、第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番を、乱数計算処理に基づいて決定することが望ましい。
【００３７】
また、本発明の第２の基本的な構成は、Ｎ相ステッピングモータの基本ステップ角αを微小ステップにｎ分割し、更に、微小ステップを微細ステップに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、ｍ分割カウンタの上位の桁に位置し微小ステップの歩進数を計数して出力するｎ分割カウンタと、ｎ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基本ステップの歩進数に対応した１の基本ステップの位置に位置決めするための励磁コイルの第１励磁組（１の励磁の組合せ）と次の基本ステップの位置に位置決めするための第２励磁組（次の励磁の組合せ）との少なくとも２つの励磁組（励磁の組合せ）を出力する励磁相組合せ出力手段と、Ｎ相ステッピングモータのモータ回転子を微小ステップの歩進数に対応した１の微小ステップの位置に位置決めするために２つの励磁組（励磁の組合せ）の励磁の時間を相互に漸増及び漸減することにより生成した１の時間の組合せと他の微小ステップの位置に位置決めするための他の時間の組合せとの少なくとも２つの時間の組合せを出力する時間組合せ出力手段と、微細ステップの歩進数に応じて２つの励磁組（励磁の組合せ）と１の時間とを組み合わせた１の励磁時間の組合せと、２つの励磁組（励磁の組合せ）と他の時間の組合せとを組み合わせた他の励磁時間の組合せとの励磁回数を相互に漸増及び漸減することにより２つの励磁時間の組合せの励磁回数割合を決定して出力する励磁回数割合出力手段と、励磁周期Ｔ毎に１の励磁時間の組合せ又は他の励磁時間の組合せを構成する励磁の出力を切り換えるための励磁切替指令を出力する励磁周期出力手段と、前記決定した励磁回数割合を維持しつつ１の励磁時間の組合せが他の励磁時間の組合せに対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次出力する励磁時間の組合せの配列を用いて、１の励磁時間の組合せ又は他の励磁時間の組合せを構成する励磁波形を、励磁周期Ｔ毎に出力する励磁波形出力手段とを備えたことを主要な構成としている。
【発明の効果】
【００３８】
第１及び第２の基本構成を備えた本発明によれば、特別な電子回路の追加を必要とせずに、従来の電子回路と論理回路を利用しつつ、Ｎ相ステッピングモータのステップ角を更に細分化した位置決めと超低速の駆動を実現でき、しかも回転駆動時やホールド時における耳障りな騒音の発生を低減させることができる。
【００３９】
また、ステッピングモータを定電流駆動するにあたり、励磁コイルの励磁時間を調節するチョッパ方式の定電流コントロール回路を用い、その定電流制御に用いる励磁周期と同期して、複数種類の励磁相が単調な周期で定常的に出現しないように分散させた配列を用いて励磁を行うことによって、簡単且つコンパクトな構成で、騒音の発生が少ないマイクロステップを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
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。
【実施例１】
【００４１】
図１は、励磁時間を調節することにより、５相ステッピングモータ１に対する定電流のコントロールを実現する、チョッパ型の定電流コントロール回路１４を備えた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。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。
【００４２】
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ＣＷＰ（Ｃｌｏｃｋ  Ｗｉｓｅ  Ｐｕｌｓｅ）やＣＣＷＰ（Ｃｏｕｎｔｅｒ  Ｃｌｏｃｋ  Ｗｉｓｅ  Ｐｕｌｓｅ）等の回動指令パルスを入力し、５相ステッピングモータ１の各励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁するための励磁波形を生成する励磁波形決定手段１２と、励磁波形決定手段１２が生成した励磁波形に基づいて各励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁させるための励磁指令を出力するパワー素子駆動回路１３とを備えている。
【００４３】
また、ステッピングモータ駆動装置１０は、励磁波形に基づいて各励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁させるための励磁電流を制御するパワー素子ＴＲ１〜ＴＲ１０と、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と、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と、励磁コイル１ａ〜１ｅのインピーダンスに応じて励磁コイル１ａ〜１ｅの励磁の時間ＴＰを調節する定電流コントロール回路１４とを備えている。
【００４４】
ここで、上述の回動指令パルスＣＷＰは、５相ステッピングモータ１を所定の位置まで正転（モータ回転子の出力軸側から見て時計回りの回転）させるための指令パルスであり、ＣＣＷＰは所定の位置まで逆転（反時計回りの回転）させるための指令パルスである。
【００４５】
図１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、その入力した回動指令パルスを用いて基本ステップの歩進数、及び微細ステップ（例えば基本ステップ角αを回数分割によりｍ分割した微細ステップ角毎の歩進位置を表す。以降、回数分割ステップと記載する。）の歩進数を計数して出力する電気角位置管理手段１２ａと、電気角位置管理手段１２ａが計数した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の基本ステップの位置に位置決めするための第１励磁組と、他の基本ステップの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、励磁周期Ｔ毎に第１励磁組又は第２励磁組を構成する励磁を切り換えるための励磁切替指令を出力する励磁周期出力手段１２ｃとを備えている。
【００４６】
また、励磁波形決定手段１２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、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励磁回数割合出力手段１２ｄと、前記決定した励磁回数割合を維持しつつ、第１励磁組が第２励磁組に対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次出力する励磁組の配列を用いて、第１励磁組又は第２励磁組の励磁波形を励磁周期Ｔ毎に出力する励磁波形出力手段１２ｅとを備えている。なお、励磁相組合せ出力手段１２ｂと、励磁回数割合出力手段１２ｄと、励磁波形出力手段１２ｅ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。
【００４７】
次に、５相ステッピングモータ１の基本ステップ角αを１０分割する実施例について、図２及び図３を用いて説明する。
図２の（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し、（ｂ）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との関係を定義する。
【００４８】
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。
【００４９】
次に、図３に、モータ回転子を所定の基本ステップの位置に位置決めする励磁相の組み合わせ例を示す。
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、多相励磁を行う際の励磁相の組合わせを励磁組と呼ぶ。例えば、励磁相Ａ及び励磁相Ｂの２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、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励磁する場合を、励磁組（ＡＢ−ＣＤ）と表記することにする。
【００５０】
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励磁することによって、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の基本ステップで停止させる際には、励磁組（ＢＣ−ＡＤ）の励磁電流を生成して５相ステッピングモータ１に出力する。
【００５１】
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の基本ステップで停止させる際には、励磁組（ＣＤ−ＢＥ）の励磁電流を生成して出力する。このように、ステップ＝０からステップ＝９までの励磁を切り換えることによって、各基本ステップにおける位置決めを行うことができる。
【００５２】
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回切り換えることにより、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°、すなわぢ丁度１回転することになる。
【００５３】
次に、図４に、モータ回転子を所定の基本ステップの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４に示す実施例では、モータ回転子をステップ＝０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からステップ＝９までの励磁を切り換えることによって、各基本ステップにおける位置決めを行うことができる。
【００５４】
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、必ず正極（＋）又は負極（−）のいずれか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励磁することによって、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。
【００５５】
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。
図５に示す実施例では、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。
【００５６】
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出力手段１２ｄに出力する。なお、回数分割ステップカウンタの下位に、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。
【００５７】
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の位置（ステップ＝０〜９）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。
【００５８】
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の基本ステップの位置に位置決めするための第１励磁組と、他の基本ステップの位置に位置決めするための第２励磁組との、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。
【００５９】
なお、図５に示す励磁相組合せ出力手段１２ｂは、５相ステッピングモータ１を４相励磁する場合の励磁相の組合せを示しており、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。
【００６０】
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）を出力する。また、第２励磁組として励磁組（ＢＥ−ＣＤ）を出力する。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励磁組を出力する。
【００６１】
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。
【００６２】
励磁回数割合出力手段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、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機能を備えている。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回出力しているので、励磁回数は２回×ｍ分割＝２０回（０Ｐ〜１９Ｐ）となっている。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
励磁周期出力手段１２ｃは、励磁回数割合出力手段１２ｄが決定した励磁相０Ｐ〜１９Ｐを、励磁周期Ｔ毎に切り換えて出力するためのカウンタである。この励磁周期Ｔは、定電流制御を行う際のＰＷＭのタイミングと同期させるために、定電流コントロール回路１４にも出力している。
【００６７】
なお、励磁回数割合出力手段１２ｄが出力する励磁相０Ｐ〜１９Ｐを、励磁周期Ｔ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である。しかし、回数分割ステップの歩進数が、「１」〜「９」の間では、第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）に対して、第２励磁組（Ｆ３−Ｆ４）が、励磁周期Ｔ×分割数ｍ×励磁回数２毎に出現することになる。例えば、励磁周期Ｔ＝２０μｓ、分割数ｍ＝１０とした場合には、Ｔ×ｍ×２＝４００μｓとなり、２．５ｋＨｚの騒音を発することになる。
【００６８】
そこで本発明では、第１励磁組と第２励磁組との励磁回数割合を維持しつつ、第１励磁組が第２励磁組に対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次励磁するように構成する。例えば、第１励磁組及び第２励磁組の配列として、励磁列Ｋ（所定の励磁回数から成る励磁の列）×段数Ｒ（励磁列Ｋの段数）に分けた配列を用いるとともに、前記段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番が、段ｒ−１の出力順番と異なるように、第１励磁組と第２励磁組とを常に分散させた配列について、図６を用いて説明する。
【００６９】
図６は、回数分割ステップの歩進数を「１」とした場合において、励磁周期Ｔと励磁組の出力順序との関係を、０Ｐ〜１９Ｐを用いて一般的に表した励磁波形出力手段の配列表である。
図６に示す実施例では、励磁相０Ｐ〜１９Ｐを各段ｒにおいて単調に繰り返して出力するのではなく、励磁周期＝０〜１９の間（段ｒ＝０）では０Ｐ〜１９Ｐまでを順次出力し、励磁周期＝２０〜３９の間（段ｒ＝１）では、２Ｐ〜１９Ｐ及び０Ｐ、１Ｐを順次出力し、励磁周期＝４０〜５９の間（段ｒ＝２）では、１８Ｐ、１９Ｐ、及び、０Ｐ〜１７Ｐまでを連続して出力するというように、励磁周期＝０〜３５９までを、段数Ｒ＝１８段で構成している。なお、図６に示す実施例では、励磁周期Ｔ＝２０μｓ、励磁列Ｋ＝２０回励磁としている。
【００７０】
図６に示すように、第１励磁組及び第２励磁組の配列として、励磁列Ｋ（所定の励磁回数から成る励磁の列）×段数Ｒ（励磁列Ｋの段数）に分けた配列を用いるとともに、前記段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番を、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの前方から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの後方から前方に移動させる前方移動パターンとを、交互に出力することにより、第１励磁組に対する第２励磁組の出現を分散させることができる。
【００７１】
例えば、段ｒ＝０段と段ｒ＝１段との間では、励磁組（０Ｐ−１Ｐ）の励磁間隔は３８回×２０μｓ＝７６０μｓとなり、周波数に換算すると１．３１ｋＨｚとなる。また、段ｒ＝１段と段ｒ＝２段との間では、励磁組（０Ｐ−１Ｐ）の励磁間隔は４回×２０μｓ＝８０μｓとなり、周波数に換算すると１２．５ｋＨｚとなる。以下同様に、第１励磁組に対する第２励磁組の出現間隔が分散した状態となるので、定常音の発生を防止することができる。したがって、騒音が少なく分解能が高いステッピングモータ駆動装置を提供することができる。
【００７２】
図６に示した励磁波形出力手段１２ｅ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。また、励磁相組合せ出力手段１２ｂと励磁回数割合出力手段１２ｄとを併せて一体のメモリで構成してもよい。
【００７３】
図７に、回数分割ステップの歩進数を「１」とした場合における、励磁周期Ｔと励磁組の出力順序との関係を示す配列表を示す。
図７は、図６に示した０Ｐ及び１Ｐに、励磁組（ＢＥ−ＣＤ）を代入し、２Ｐ〜１９Ｐに励磁組（ＡＤ−ＢＣ）を代入して、励磁周期Ｔと励磁組の出力順序との関係を表した図表である。図７に示すように、段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、第１励磁組（ＡＤ−ＢＣ）に対する第２励磁組（ＢＥ−ＣＤ）の出力順番を、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの前方から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの後方から前方に移動させる前方移動パターンとを、交互に出力することにより、所定の励磁回数割合（９：１）を維持しつつ、第１励磁組が第２励磁組に対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて出力することが可能となる。
【００７４】
次に、定電流駆動コントロール回路１４の動作と、励磁波形出力手段１２ｅが出力する励磁波形について図８を用いて説明する。
図８は、励磁周期Ｔと、励磁組の出力順序と、励磁出力との関係を時系列的に表したタイミングチャートであり、定電流駆動コントロール回路１４の動作と、励磁波形出力手段１２ｅが出力する励磁出力について説明するチャートである。
【００７５】
図７に示したように、回数分割ステップの歩進数が「１」の場合には、励磁周期＝０から順に励磁周期Ｔ毎に励磁組（ＢＥ）、（ＣＤ）、（ＡＤ）、（ＢＣ）、（ＡＤ）、（ＢＣ）…を出力する。５相ステッピングモータ１の励磁コイル１ａ〜１ｅのインピーダンスは、モータ回転子の回転速度に応じて上昇するので、常に一定の励磁時間で励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁していると、高回転時のトルクが減少してしまう。したがって、励磁波形出力手段１２ｅは、モータ回転子が停止している場合（ホールド時）や低速で回転している場合には、励磁コイル１ａ〜１ｅの励磁時間を短くし、モータ回転子が高速で回転している場合は励磁時間を長くして、励磁コイル１ａ〜１ｅに印加する電流を一定に制御する必要がある。
【００７６】
図８に示すように、励磁波形出力手段１２ｅは、励磁周期Ｔを入力する毎に、所定の励磁組（ＢＥ）、（ＣＤ）、（ＡＤ）、（ＢＣ）、（ＡＤ）、ＢＣ）…を出力しなければならない。このときに、励磁周期Ｔの情報は、定電流コントロール回路１４にも伝達され、同期した鋸状の三角波を生成する。そして、一定の励磁電流を得るために、基準電流値と電流検出抵抗１５（図１参照。）の両端に発生している検出電流との誤差信号を生成し、前記三角波のレベルと比較する。そして、誤差信号≧三角波の関係が成立する間のみ、ゲートを開いて励磁コイルを励磁する。
【００７７】
このように構成すると、図１に示した電流検出抵抗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、励磁出力の時間が長くなる。すると、励磁コイル１ａ〜１ｅに流れる電流は、励磁コイル１ａ〜１ｅのインダクタンスによって平滑されて、結果的に励磁コイル１ａ〜１ｅに流れる電流を増加させた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、励磁出力の時間が短くなり、結果的に励磁コイル１ａ〜１ｅに流れる電流を減少させた制御を行うことができる。
【００７８】
このように、定電流コントロール回路をチョッパ回路を用いて実現することにより、定電流コントロールと回数分割によるマイクロステップの励磁出力の両方を、特別な電子回路の新たな追加を必要とせずに、簡単な回路構成で同時に行うことができる。また、励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁しない状態においても、励磁コイル１ａ〜１ｅの端子をハイインピーダンス状態にならないように、常に正極又は負極のいずれかに接続しておく。こうすることにより、励磁出力を切り換え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、振動の低減と騒音の低減を図ることができる。
【００７９】
このようにＰＷＭ定電流コントロールと励磁組の切り替えとを同期して行うチョッパ方式を用いることによって、特別な電子回路の新たな追加を必要とせずに、従来の電子回路構成を利用した小型のステッピングモータ駆動装置を用いて、騒音が少なく高分解能なマイクロステップを実現することができ、ステッピングモータ駆動装置の小型化要求にも応えることができる。
【００８０】
次に、マイクロステップの高分解能化と騒音の発生との関係について説明する。
図５の励磁回数割合出力手段１２ｄに示されるように、マイクロステップの高分解能化を図るために回数分割数を多くすると、所定の励磁割合を合成するための励磁回数（０Ｐ〜１９Ｐ）を増加させなければならない。その結果、励磁回数の合成周期が伸びていくために、特にモータ停止時（ホールド時）に耳障りな可聴音の騒音を発生するといった不具合を生ずる。ステッピングモータが比較的大きいものである場合には、励磁コイル１ａ〜１ｅのインダクタンスやロータイナーシャが大きいために、励磁電流のリツプルによる振幅が小さくなり、可聴音も小さくさほど気にならないが、近年増加傾向の小型で励磁コイル１ａ〜１ｅのインダクタンスが小さいステッピングモータでは、ステッピングモータが発する可聴音が耳障りとなるために、問題視されつつある。
【００８１】
一方、モータ回転子が振動することにより音を発した場合であっても、音の周波数や定常性によって、人が聞き取った際に感じる音量や、人に与える不快感は異なったものとなる。
【００８２】
例えば、人が感じる音の大きさ（ラウドネス）は、人間が感じる主観的な音の大小であるとともに、可聴音周波数範囲にわたって一様ではない。つまり、同じ音圧レベルの音が耳に入った場合であっても、その音の周波数や定常性によって大きさの感覚が異なる。例えば、音の大きさの感じ方に影響する第１の現象として、定常的な音の場合には、２ＫＨｚから４ＫＨｚが感度が良く、低音で感度が悪くなるという耳の周波数特性の影響が存在する。
【００８３】
また、第２の現象として、ある周波数の音が聞こえているときに、もう一つの周波数の音を聞くと、一方の音にもう一方がかき消されて聞こえなくなるというスペクトラルマスキングの現象が発生する。
【００８４】
また、第３の現象として、ある音が鳴りやんだ直後に別の音を短く鳴らした場合、後の音が前の音にかき消されて聞こえなくなるというテンポラルマスキングの現象が発生する。
【００８５】
そこで、本発明では、励磁周期Ｔとして可聴音外となる短い時間を設定するとともに、回数分割を行った際の励磁回数割合を維持しつつ、第１励磁組が第２励磁組に対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次出力する励磁組の配列を用いて、第１励磁組又は第２励磁組の励磁波形を励磁周期Ｔ毎に出力することにした。これにより、発生する音の周波数を常に変動させて、テンポラルマスキングの効果を用い、不快な可聴音が耳に残らないようにしている。
【実施例２】
【００８６】
次に、励磁波形出力手段１２ｅが出力する励磁波形の他の実施例について説明する。
図９〜図１２は、励磁波形出力手段１２ｅが、回数分割ステップの歩進数に応じた励磁回数割合を各段ｒにおいて維持しつつ、出力する第１励磁組及び第２励磁組の配列として、励磁列Ｋ＝８０回励磁×段数Ｒ＝７８に分けた配列表を示している。更に、この配列表では、段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番を、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの前方から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの後方から前方に移動させる前方移動パターンとを交互に出力することにより、分散させた配列の実施例を示している。
【００８７】
図９〜図１２では、励磁回数Ｋ＝８０回励磁の実施例を示しているので、列方向を圧縮して表現するために、第１励磁組又は第２励磁組を構成している２つの励磁組を出力する順序（例えば「０」及び「１」、「２」及び「３」…）を一つの列で表している。
【００８８】
図９〜図１２では、空白の欄が第１励磁組の励磁波形を出力するタイミングを示しており、「０」を記入した欄が第２励磁組の励磁波形を出力するタイミングを示している。また、図９は、回数分割ステップの歩進数を「１」とした場合の励磁組の出力順序を示し、図１０は、回数分割ステップの歩進数を「２」とした場合の励磁組の出力順序を示し、図１１は、回数分割ステップの歩進数を「３」とした場合の励磁組の出力順序を示し、図１２は、回数分割ステップの歩進数を「９」とした場合の励磁組の出力順序を示している。
【００８９】
図９〜図１２に示すように、第１励磁組が第２励磁組に対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次出力する励磁組の配列を用いて、第１励磁組又は第２励磁組を構成する励磁波形を、励磁周期Ｔ毎に出力することによって、可聴音領域における定常音の発生を防止して、耳障りな騒音を減少させることができる。
【実施例３】
【００９０】
図１３は、励磁波形出力手段１２ｅが、回数分割ステップの歩進数に応じた励磁回数割合を維持しつつ、第１励磁組及び第２励磁組の配列として、励磁列Ｋ＝４０回励磁×段数Ｒ＝３６に分けた配列を用いるとともに、段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番を、第１段目（ｒ＝１）では励磁列Ｋの略中央の順番から出力し、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの中央から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの中央から前方に移動させる前方移動パターンとを、交互に出力することにより分散させるパターンを含む実施例を示す図表である。
【００９１】
図１３は、回数分割ステップの歩進数が「１」、励磁回数Ｋ＝４０回励磁の場合の励磁組の出力順序を示す実施例であり、空白の欄が第１励磁組の励磁波形を出力するタイミングを示し、「０Ｐ」及び「１Ｐ」を記入した欄が第２励磁組の励磁波形を出力するタイミングを示している。
【００９２】
図１３に示すように、段数Ｒ中の一つの段ｒにおける第２励磁組の出力順番（０Ｐ−１Ｐ）を、第１段目（段ｒ＝１）では励磁列Ｋの略中央の順番から出力し、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの中央から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの中央から前方に移動させる前方移動パターンとを、交互に出力することにより、可聴音領域における定常音の発生を防止して、耳障りな騒音を減少させることができる。図１３に示す実施例では、励磁周期Ｔ＝１３μｓとし、励磁回数Ｋ＝４０回励磁、励磁の段数Ｒ＝３６段としているために、全励磁周期（Ｔ×Ｋ×Ｒ）＝１８．７ｍｓとなり、周波数で表すと５３．４Ｈｚとなる。この５３．４Ｈｚの音は、人間の可聴音領域とされている２０Ｈｚ〜１５ｋＨｚの範囲内ではあるが、ラウドネス曲線では感度の低い低音領域であるために、騒音として聞こえにくくなっている。なお、図１３に示す実施例では、励磁の段数Ｒ＝３６段としているが、更に励磁の段数Ｒを増やすことによって、全励磁周期を延ばすことができる。
【実施例４】
【００９３】
図１４は、励磁波形出力手段１２ｅが、回数分割ステップの歩進数に応じた励磁回数割合を維持しつつ、第１励磁組及び第２励磁組の配列として、励磁列Ｋ＝４０回励磁×段数Ｒ＝３０に分けた配列を用いるとともに、段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番を乱数計算処理に基づいて決定することにより、分散させた実施例を示す配列表の図表である。
【００９４】
図１４は、回数分割ステップの歩進数が「１」、励磁回数Ｋ＝４０回励磁の場合の励磁組の出力順序を示す実施例であり、空白の欄が第１励磁組の励磁波形を出力するタイミングを示し、「０Ｐ」及び「１Ｐ」を記入した欄が第２励磁組の励磁波形を出力するタイミングを示している。
【００９５】
図１４に示すように、段ｒにおける第２励磁組の出力順番（０Ｐ−１Ｐ）を乱数計算処理に基づいて決定することにより、定常音の発生を防止して耳障りな騒音を減少させることができる。
【００９６】
なお、図１４に示す実施例では、励磁周期Ｔ＝１３μｓとし、励磁回数Ｋ＝４０回励磁、励磁の段数Ｒ＝３０段としているために、全励磁周期（Ｔ×Ｋ×Ｒ）＝１５．６ｍｓとなり、周波数で表すと６４．１Ｈｚとなっている。この周波数に起因する騒音を調査するために、励磁の段数Ｒを１段〜１２０段まで変化させて、全励磁周期と騒音の発生状況との関係について調査した結果を図１５に示す。
【００９７】
図１５は、第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番を乱数計算処理に基づいて分散させた際に、励磁の段数Ｒと、人が感じる騒音の内容との関係を観測した結果を示す図表である。なお、乱数のパターンとして、パターン１及びパターン２の、２種類の乱数パターンの出力順序を用いて観測したが、乱数のパターンの違いによる騒音の相違は、励磁段数が５段程度の騒音の大きな場合において、音質の違いとして現れたのみであった。また、励磁の段数Ｒ＝１段とした場合のデータは、同一の励磁パターンを毎段繰り返して出力しているために、乱数の効果は無く、比較のために記載したデータである。
【００９８】
図１５に示すように、励磁の段数Ｒを増加させるに伴って、耳障りな高音の騒音が減少し、励磁の段数Ｒ≧１０段の場合に騒音を減少させる効果がはっきりする。更に、励磁の段数Ｒ≧２０段の場合に、特に騒音を減少させる顕著な効果が現れる。
【００９９】
また、図１５に示すように、励磁の段数ＲをＲ≧１００とすることにより、全励磁周期が可聴音領域下限の２０Ｈｚ以下になるように５０ｍｓ以上に設定した場合であっても、騒音として聞こえる低音を減少させる効果は乏しいことが判明した。したがって、励磁の段数Ｒは、Ｒ≧２０段程であれば高音の騒音を減少させて、耳障りな騒音を減少させる効果が確認できた。
【０１００】
一方、励磁の段数Ｒを、２０段から徐々に減少させてゆくと、全励磁周期が１００Ｈｚを超えるように１０ｍｓ以下に設定したあたりから、段数Ｒの減少に伴って、耳障りな高音成分の騒音が顕著に増大する。すなわち、励磁の段数Ｒを１０段以上にすることにより、乱数により生成した励磁の配列を用いた騒音減少の効果が現れる。更に好ましくは、励磁の段数Ｒを２０段以上にすることによって、高音の騒音を顕著に減少させることができる。
【実施例５】
【０１０１】
次に、定電流コントロール回路の他の実施例について、図１６及び図１７を用いて説明する。
図１６は、励磁電圧を調節することにより５相ステッピングモータ１に対する定電流のコントロールを実現する、駆動電圧変換型の定電流コントロール回路３４を備えたステッピングモータ駆動装置３０の内部構成を示すブロック図である。図１６は、本発明に係るステッピングモータ駆動装置３０にペンダゴン結線方式の５相ステッピングモータ１を接続した状態を示している。また、図１７は、電気角位置管理手段３２ａ、励磁相組合せ出力手段３２ｂ、励磁周期出力手段３２ｃ、及び励磁回数割合出力手段３２ｄの機能を示す図である。
【０１０２】
なお、図１６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、２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。
【０１０３】
図１６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３０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ＣＷＰ（Ｃｌｏｃｋ  Ｗｉｓｅ  Ｐｕｌｓｅ）やＣＣＷＰ（Ｃｏｕｎｔｅｒ  Ｃｌｏｃｋ  Ｗｉｓｅ  Ｐｕｌｓｅ）等の回動指令パルスを入力し、５相ステッピングモータ１の各励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁するための励磁波形を生成する励磁波形決定手段３２と、励磁波形決定手段３２が生成した励磁波形に基づいて５相ステッピングモータ１の各励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁させるための励磁指令を出力するパワー素子駆動回路３３と、励磁波形に基づいて５相ステッピングモータ１の各励磁コイル１ａ〜１ｅを励磁させるための励磁電流を制御するパワー素子ＴＲ１〜ＴＲ１０と、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と、励磁コイル１ａ〜１ｅのインピーダンスに応じて供給する電流を制御するモータ電流制御回路３６とを備えている。
【０１０４】
ここで、上述の回動指令パルスＣＷＰは、５相ステッピングモータ１を所定の位置まで正転させるための指令パルスであり、ＣＣＷＰは所定の位置まで逆転させるための指令パルスである。また、励磁波形決定手段３２は、５相ステッピングモータ１の駆動制御に必要な第１励磁組と第２励磁組の励磁波形を、パワー素子駆動回路３３に対して出力している。
【０１０５】
（モータ電流制御回路３６）
モータ電流制御回路３６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３５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。
【０１０６】
また、モータ電流制御回路３６は、電流検出抵抗３５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３４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。
【０１０７】
定電流コントロール回路３４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、図８に示したように、鋸状の三角波のレベルと比較する。そして、誤差信号≧三角波の関係が成立する間のみ、トランジスタＴＲ１１をオンにして励磁コイル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、パワー素子ＴＲ１〜ＴＲ１０を介して励磁コイル１ａ〜１ｅに供給される。
【０１０８】
このようにモータ電流制御回路３６を構成することによって、電流検出抵抗３５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のオン時間が長くなる。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３５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のオン時間が短くなり、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。
【０１０９】
このように、モータ電流制御回路３６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３２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。
【０１１０】
（励磁波形決定手段３２）
図１６及び図１７に示すように、励磁波形決定手段３２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、その入力した回動指令パルスを用いて基本ステップの歩進数、微小ステップ（例えば、基本ステップ角αを時間分割によりｎ分割した微小ステップ角毎の歩進位置を表す。以降、時間分割ステップと記載する。）の歩進数、及び回数分割ステップの歩進数を計数して出力する電気角位置管理手段３２ａと、電気角位置管理手段３２ａが計数した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の基本ステップの位置に位置決めするための第１励磁組と、他の基本ステップの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３２ｂとを備えている。
【０１１１】
また、励磁波形決定手段３２は、５相ステッピングモータ１のモータ回転子を、時間分割ステップの歩進数に対応した１の時間分割ステップの位置に位置決めするために、第１励磁組及び第２励磁組の励磁の時間を相互に漸増及び漸減することにより生成した１の時間の組合せ（以降、第１時間組と記載する。図１７に示すＴＰ１及びＴＰ２が第１時間組に該当する。）と、他の時間分割ステップの位置に位置決めするための、第１励磁組及び第２励磁組を励磁する他の時間の組合せ（以降、第２時間組と記載する。図１７に示すＴＰ３及びＴＰ４が第２時間組に該当する。）との、少なくとも２つの時間の組合せを出力する時間組合せ出力手段３２ｆを備えている。
【０１１２】
また、励磁波形決定手段３２は、第１励磁組及び第２励磁組と第１時間組とを組み合わせた１の励磁時間の組合せ（以降、第１励磁時間組と記載する。）と、第１励磁組及び第２励磁組と第２時間組とを組み合わせた他の励磁時間の組合せ（以降、第２励磁時間組と記載する。）とを生成する励磁回数割合出力手段３２ｄを備えている。励磁回数割合出力手段３２ｄは、更に、回数分割ステップの歩進数に応じて、第１励磁時間組と第２励磁時間組との励磁回数を、相互に漸増及び漸減することにより、第１励磁時間組と第２励磁時間組との励磁回数割合を決定して出力する機能を備えている。このように、励磁回数割合出力手段３２ｄが、第１励磁時間組と第２励磁時間組との励磁回数割合を変更することによって、時間分割ステップ間を、更に回数分割を用いて細分割することができる。
【０１１３】
また、励磁波形決定手段３２は、励磁周期Ｔ毎に第１励磁時間組及び第２励磁時間組を構成する励磁の出力を切り換えるための励磁切替指令を出力する励磁周期出力手段３２ｃと、励磁回数割合出力手段３２ｄが決定した励磁回数割合を維持しつつ、第１励磁時間組が第２励磁時間組に対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次出力する励磁時間組の配列を用いて、第１励磁時間組又は第２励磁時間組の励磁波形を、励磁周期Ｔ毎に出力する励磁波形出力手段３２ｅとを備えている。なお、励磁相組合せ出力手段３２ｂと、励磁回数割合出力手段３２ｄと、励磁波形出力手段３２ｅと、時間組合せ出力手段３２ｆとを統合し、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。
【０１１４】
次に、図１６に示した励磁波形決定手段３２を構成する各ブロックの処理について、図１７を用いて説明する。
図１７に示す実施例では、電気角位置管理手段３２ａは、下位の桁から順に、５相ステッピングモータ１の回動指令パルスが入力されると回数分割ステップの歩進数を計数して出力する回数分割ステップカウンタと、当該回数分割ステップカウンタの上位の桁に位置し時間分割ステップの歩進数を計数して出力するｎ分割カウンタ（以降、時間分割ステップカウンタと記載する。）と、当該時間分割ステップ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備えている。
【０１１５】
図１７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出力手段３２ｄに出力する。
【０１１６】
時間分割ステップカウンタは、回動指令パルスＣＷＰを入力することにより、回数分割ステップカウンタの値が例えば「３９」から「０」に切り替わる際に、時間分割ステップの歩進数をカウントアップして、その値を時間組合せ出力手段３２ｆに出力するように構成する。また、回動指令パルスＣＣＷＰを入力することにより、回数分割ステップカウンタの値が例えば「３９」から「０」に切り替わる際に、時間分割ステップの歩進数をカウントダウンして、その値を時間組合せ出力手段３２ｆに出力する。
【０１１７】
基本ステップカウンタは、時間分割ステップカウンタの値が「９９」から「０」に切り替わる際に一つカウントアップして、その値を励磁相組合せ出力手段３２ｂに出力するように構成する。また時間分割ステップカウンタの値が、「０」から「９９」に切り替わる際に一つカウントダウンして、その値を励磁相組合せ出力手段３２ｂに出力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の位置（ステップ＝０〜９）を表し、モータ回転子を所定の基本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。
【０１１８】
励磁相組合せ出力手段３２ｂ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の基本ステップの位置に位置決めするための第１励磁組と、モータ回転子を他の基本ステップの位置に位置決めするための第２励磁組との、励磁相の組合せを出力する。励磁相組合せ出力手段３２ｂの機能は、図５に示した励磁相組合せ出力手段１２ｂの機能と同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【０１１９】
励磁周期出力手段３２ｃは、励磁回数割合出力手段３２ｄが決定した第１励磁時間組及び第２励磁時間組を構成する励磁相０Ｐ〜１５９Ｐを、励磁周期Ｔ毎に切り換えて出力するためのカウンタである。
【０１２０】
時間組合せ出力手段３２ｆは、時間分割ステップの歩進数に応じて、第１励磁組及び第２励磁組の励磁の時間を相互に漸増及び漸減することにより、ＴＰ１及びＴＰ２から構成される第１時間組を生成して出力する。この第１時間組を用いて第１励磁組及び第２励磁組を励磁することによって、モータ回転子を１の時間分割ステップの位置に位置決めすることができる。
【０１２１】
更に、時間組合せ出力手段３２ｆは、モータ回転子を他の時間分割ステップの位置に位置決めするための、ＴＰ３及びＴＰ４から構成される第２時間組を生成して出力する。この１の時間分割ステップに位置決めするための第１時間組と、他の時間分割ステップに位置決めするための第２時間組との、２つの時間組を用いることによって、時間分割ステップ間を更にｍ分割する回数分割を行うことができる。
【０１２２】
この時間分割ステップの歩進数と、第１時間組及び第２時間組との関係について、図１８を用いて説明する。
図１８は、時間分割の分割数を１００分割に設定した場合の、時間分割ステップの歩進数と、励磁の時間ＴＰ１〜ＴＰ４との関係を表した図表である。図１８に示すように、時間分割による分割数をｎ＝１００分割に設定している場合には、時間組合せ出力手段３２ｆは、１の時間分割ステップの位置に位置決めするための第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）の励磁の時間ＴＰ１を２０μｓ〜０．２μｓまで０．２μｓ毎に漸減するとともに、第２励磁組（Ｆ３−Ｆ４）の励磁の時間ＴＰ２を０μｓ〜１９．８μｓまで０．２μｓ毎に漸増して出力する機能を備えている。
【０１２３】
また、これと同時に、時間組合せ出力手段３２ｆは、他の時間分割ステップの位置に位置決めするための第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）の励磁の時間ＴＰ３を１９．８μｓ〜０μｓまで０．２μｓ毎に漸減するとともに、第２励磁組（Ｆ３−Ｆ４）の励磁の時間ＴＰ４を０．２μｓ〜２０μｓまで０．２μｓ毎に漸増して出力する機能を備えている。図１８に示した時間組合せ出力手段３２ｆ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。
【０１２４】
また、図１７に示すように、励磁回数割合出力手段３２ｄは、先ず、第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）及び第２励磁組（Ｆ３−Ｆ４）と第１時間組（ＴＰ１−ＴＰ２）とを組み合わせた第１励磁時間組（Ｆ１−ＴＰ１，Ｆ２−ＴＰ１，Ｆ３−ＴＰ２，Ｆ４−ＴＰ２）とを生成する。同様に、第１励磁組（Ｆ１−Ｆ２）及び第２励磁組（Ｆ３−Ｆ４）と第２時間組（ＴＰ３−ＴＰ４）とを組み合わせた第２励磁時間組（Ｆ１−ＴＰ３，Ｆ２−ＴＰ３，Ｆ３−ＴＰ４，Ｆ４−ＴＰ４）とを生成する。
【０１２５】
更に、励磁回数割合出力手段３２ｄは、回数分割ステップの歩進数に応じて、第１励磁時間組（Ｆ１−ＴＰ１，Ｆ２−ＴＰ１，Ｆ３−ＴＰ２，Ｆ４−ＴＰ２）と、第２励磁時間組（Ｆ１−ＴＰ３，Ｆ２−ＴＰ３，Ｆ３−ＴＰ４，Ｆ４−ＴＰ４）との励磁回数割合を生成して出力する。
【０１２６】
例えば、回数分割ステップの歩進数が０の場合には、モータ回転子は１の時間分割ステップの位置に位置決めするので、第１励磁時間組による励磁を１００％、第２励磁時間組による励磁を０％とする。この場合には、励磁回数割合出力手段３２ｄは、第１励磁時間組のみの繰り返しを出力する。具体的には、回数分割ステップの歩進数が０の場合には、励磁回数割合出力手段３２ｄは、励磁組０Ｐ＝Ｆ１−ＴＰ１，１Ｐ＝Ｆ２−ＴＰ１，２Ｐ＝Ｆ３−ＴＰ２，３Ｐ＝Ｆ４−ＴＰ２、４Ｐ＝Ｆ１−ＴＰ１，５Ｐ＝Ｆ２−ＴＰ１，６Ｐ＝Ｆ３−ＴＰ２，７Ｐ＝Ｆ４−ＴＰ２…を繰り返し励磁組１５９Ｐまで出力する。ここで以降の説明を簡略化するために、４つの励磁組０Ｐ〜３Ｐを励磁時間組０Ｑと表し、励磁組４Ｐ〜７Ｐを励磁時間組１Ｑと表し、以降同様に、励磁組１５６Ｐ〜１５９Ｐまでを励磁時間組３９Ｑまで用いて表すことにする。
【０１２７】
回数分割ステップの歩進数が１の場合には、第１励磁時間組と第２励磁時間組との励磁回数割合を３９：１に設定する必要がある。したがって、励磁回数割合出力手段３２ｄは、励磁時間組０Ｑとして第２励磁時間組（０Ｐ＝Ｆ１−ＴＰ３，１Ｐ＝Ｆ２−ＴＰ３，２Ｐ＝Ｆ３−ＴＰ４，３Ｐ＝Ｆ４−ＴＰ４）を代入して出力し、以降励磁時間組１Ｑ〜３０Ｑとしてそれぞれに第１励磁時間組（Ｆ１−ＴＰ１，Ｆ２−ＴＰ１，Ｆ３−ＴＰ２，Ｆ４−ＴＰ２）を代入して出力する。
【０１２８】
これにより、第１励磁時間組と第２励磁時間組との励磁回数割合を３９：１に設定して、時間分割ステップの歩進数「０」と「１」との間を４０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。
【０１２９】
回数分割ステップの歩進数が２の場合には、第１励磁時間組と第２励磁時間組との励磁回数割合を３８：２に設定して出力する。以降同様に、回数分割ステップの歩進数に応じて、第１励磁時間組と第２励磁時間組との励磁回数を、相互に漸増及び漸減することにより、第１励磁時間組と第２励磁時間組の励磁回数割合を決定して出力する。図１７に示した励磁回数割合出力手段３２ｄ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。また、励磁相組合せ出力手段３２ｂと、時間組合せ出力手段３２ｆと、励磁回数割合出力手段３２ｄとを一体のメモリで構成してもよい。
【０１３０】
次に、図１６に示した励磁波形出力手段３２ｅの機能について、図１９を用いて説明する。
図１９は、回数分割ステップの歩進数を「１」とした場合において、励磁周期Ｔと励磁時間組の出力順序との関係を、励磁回数Ｋを用いて一般的に表した励磁波形出力手段３２ｅの配列表である。
【０１３１】
図１９では、励磁回数Ｋ＝４（励磁組の数）×４０回（励磁時間組の数）＝１６０回励磁を行う実施例を示しているので、列方向を圧縮して表現するために、第１励磁時間組又は第２励磁時間組を構成している４つの励磁時間組を出力する順序（例えば０Ｐ〜３Ｐ…１５６Ｐ〜１５９Ｐ）を１／４の数量の列（０Ｑ…３９Ｑ）として表している。
【０１３２】
図１９では、空白の欄が第１励磁時間組の励磁波形を出力するタイミングを示しており、「０」を記入した欄が第２励磁時間組の励磁波形を出力するタイミングを示している。また、図１９は、回数分割ステップの歩進数を「１」とした場合の励磁組の出力順序を示しているので、各段ｒにおける第１励磁時間組と第２励磁時間組との励磁回数割合は３９：１で一定となっている。
【０１３３】
図１９に示すように、励磁波形出力手段３２ｅは、回数分割ステップの歩進数に応じた励磁回数割合（３９：１）を各段ｒにおいて維持しつつ、出力する第１励磁時間組及び第２励磁時間組の配列として、励磁列Ｋ＝１６０回励磁×段数Ｒ＝７８に分けた配列表を示している。更に、この配列表では、段数Ｒ中の一つの段ｒにおける、第１励磁時間組に対する第２励磁時間組の出力順番を、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの前方から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの後方から前方に移動させる前方移動パターンとを交互に出力することにより、分散させた配列の実施例を示している。
【０１３４】
図１９に示すように、第１励磁時間組が第２励磁時間組に対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次出力する励磁組の配列を用いて、第１励磁時間組又は第２励磁時間組を構成する励磁波形を、励磁周期Ｔ毎に出力することによって、可聴音領域における定常音の発生を防止して、耳障りな騒音を減少させることができる。
【０１３５】
図１９に示した励磁波形出力手段３２ｅ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。また、励磁相組合せ出力手段３２ｂと励磁回数割合出力手段３２ｄと、時間組合せ出力手段３２ｆとを一体のメモリで構成してもよい。
【０１３６】
本発明では、第１励磁時間組と第２励磁時間組との励磁回数割合を維持しつつ、第１励磁時間組が第２励磁時間組に対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次励磁するように構成しており、例えば、図１０〜図１４に示した配列表と同様の配列表を用いて、励磁波形を出力することができる。
【０１３７】
次に、時間分割ステップの歩進数と第１励磁時間組の励磁の時間ＴＰ１及びＴＰ２、第２励磁時間組の励磁の時間ＴＰ３及びＴＰ４との関係について、図２０を用いて説明する。
【０１３８】
図２０は、回数分割ステップの歩進数が「１」、励磁の段数ｒ＝１の場合における、時間分割ステップの歩進数と励磁組Ｆ１〜Ｆ４の励磁波形との関係を示すタイミングチャートである。
【０１３９】
図２０では、時間分割ステップが「０」、「１」、「９９」の場合における励磁波形を表している。時間分割の歩進数が「０」の場合には、図１８より第１励磁時間組の励磁の時間は、ＴＰ１＝２０μｓ、ＴＰ２＝０μｓ、第２励磁時間組の励磁の時間は、ＴＰ３＝１９．８μｓ、ＴＰ４＝０．２μｓである。したがって、回数分割ステップの歩進数が「１」で励磁の段数ｒ＝１の場合には、図１９より第１励磁時間組（１Ｑ〜３９Ｑ）を励磁の時間ＴＰ１＝２０μｓ及びＴＰ２＝０μｓで励磁し、第２励磁時間組（０Ｑ）を励磁の時間ＴＰ３＝１９．８μｓ及びＴＰ４＝０．２μｓで励磁することになる。
【０１４０】
また、時間分割ステップの歩進数が「１」の場合には、図１８より第１励磁時間組（１Ｑ〜３９Ｑ）を励磁の時間ＴＰ１＝１９．８μｓ及びＴＰ２＝０．２μｓで励磁し、第２励磁時間組（０Ｑ）を励磁の時間ＴＰ３＝１９．６μｓ及び０．４μｓで励磁する。また、時間分割ステップの歩進数が「９９」の場合には、図１８より第１励磁時間組（１Ｑ〜３９Ｑ）を励磁の時間ＴＰ１＝０．２μｓ及びＴＰ２＝１９．８μｓで励磁し、第２励磁時間組（０Ｑ）を励磁の時間ＴＰ３＝０μｓ及びＴＰ４＝２０μｓで励磁することになる。
【０１４１】
以上のようにして、時間分割と回数分割とを併存させて、基本ステップ角αをｎ×ｍ＝１００×４０＝４０００分割することが可能となる。更に本発明では、第１励磁時間組が第２励磁時間組に対して単調な周期で定常的に出現しないように分散させて順次出力しているので、回数分割にるマイクロステップを行った場合であっても、耳障りな騒音を減少させることができる。なお、本発明についても、図１３及び図１４に示した配列表を用いて、励磁コイル１ａ〜１ｅの励磁を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
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駆動方法は、精密な位置決め又は低振動の低速駆動に加え、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。
【０１４３】
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、超高速分光技術、超高速光制御技術、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、超高速光計測技術、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。
【０１４４】
また、上記の実施例では、本発明のマイクロステップ駆動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】
【０１４５】
【図１】チョッパ方式により５相ステッピングモータを定電流制御する、本発明の代表的な実施例を示すステッピングモータ駆動装置のブロック図である。
【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図である。（ｂ）は、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の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の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に示した電気角位置管理手段１２ａ、励磁相組合せ出力手段１２ｂ、励磁周期出力手段１２ｃ、及び励磁回数割合出力手段１２ｄの機能を示す図である。
【図６】励磁周期Ｔと励磁組の出力順序との関係を、０Ｐ〜１９Ｐを用いて一般的に表した本発明の励磁波形出力手段の配列例を示す図表である。
【図７】回数分割ステップの歩進数が「１」の場合における励磁周期Ｔと励磁組の出力順序との関係を示す配列例を示す図表である。
【図８】本発明における定電流駆動コントロール回路１４の動作と、励磁波形出力手段１２ｅが出力する励磁出力について説明するタイミングチャートである。
【図９】第１励磁組に対する第２励磁組の出力順を、順次励磁列Ｋの前方から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの後方から前方に移動させる前方移動パターンとを、交互に出力する実施例を示す配列表の図表である（回数分割ステップの歩進数を「１」とした場合）。
【図１０】図９に示した励磁組の出力順序で、回数分割ステップの歩進数を「２」とした場合の実施例を示す配列表の図表である。
【図１１】図９に示した励磁組の出力順序で、回数分割ステップの歩進数を「３」とした場合の実施例を示す配列表の図表である。
【図１２】図９に示した励磁組の出力順序で、回数分割ステップの歩進数を「９」とした場合の実施例を示す配列表の図表である。
【図１３】第１励磁組に対する第２励磁組の出力順を、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの中央から後方に移動させる後方移動パターンと、段ｒが増加するにつれて順次励磁列Ｋの中央から前方に移動させる前方移動パターンとを、交互に出力する実施例を示す配列表の図表である。
【図１４】第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番を、乱数計算処理に基づいて決定し、分散させて出力する実施例を示す配列表の図表である。
【図１５】第１励磁組に対する第２励磁組の出力順番を、乱数計算処理に基づいて分散させた際に、励磁の段数Ｒと人が感じる騒音の内容との関係を観測した結果を示す図表である。
【図１６】励磁電圧を調節することにより、５相ステッピングモータを定電流制御する、本発明の他の実施例を示すステッピングモータ駆動装置のブロック図である。
【図１７】図１６に示した電気角位置管理手段、励磁相組合せ出力手段、励磁周期出力手段、及び励磁回数割合出力手段の機能を示す説明図である。
【図１８】時間分割の分割数を１００分割に設定した場合の、時間分割ステップの歩進数と励磁の時間ＴＰ１〜ＴＰ４との関係を表した図表である。
【図１９】回数分割ステップの歩進数を「１」とした場合において、励磁周期Ｔと励磁時間組の出力順序との関係を、励磁回数Ｋを用いて一般的に表した配列表である。
【図２０】回数分割ステップの歩進数が「１」、励磁の段数ｒ＝１の場合における、時間分割ステップの歩進数と励磁組Ｆ１〜Ｆ４の励磁波形との関係を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【０１４６】
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
１３  パワー素子駆動回路
１４、３４  定電流コントロール回路
１５  電流検出抵抗
１２ａ、３２ａ  電気角位置管理手段
１２ｂ、３２ｂ  励磁相組合せ出力手段
１２ｃ、３２ｃ  励磁周期出力手段
１２ｄ、３２ｄ  励磁回数割合出力手段
１２ｅ、３２ｅ  励磁波形出力手段
３２ｆ  時間組合せ出力手段
３０  ステッピングモータ駆動装置
３２  励磁波形決定手段
３３  パワー素子駆動回路
３５  電流検出抵抗
３６  モータ電流制御回路
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  パワー素子
ＴＲ１１  トランジスタ
ＶＡ〜ＶＥ、Ｖａ〜Ｖｅ  トルクベクトル
【図１】
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【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】
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【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】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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