(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号が入力されることにより駆動するステッピングモーターを制御する装置であって、
所定の制御信号を生成する制御信号生成部と、
前記制御信号が入力される毎に、所定のステップ角だけ回転させる前記駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を備え、
前記制御信号生成部は、前記ステッピングモーターが停止した状態から起動するための１番目の前記制御信号と２番目の前記制御信号との時間間隔を、前記ステッピングモーターの固有振動周期の三分の一にしているステッピングモーター制御装置。
【請求項２】
前記制御信号生成部は、２番目の前記制御信号と３番目の前記制御信号との時間間隔を、前記固有振動周期の六分の一にしている請求項１に記載のステッピングモーター制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステッピングモーターの起動時の制御に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
ステッピングモーターを応用した技術として、例えば、特許文献１は、原稿を一枚ずつ給紙する給紙手段と、給紙された原稿を複写機の露光位置に搬送する搬送手段と、搬送手段に駆動力を伝達する駆動伝達手段と、駆動伝達手段に駆動力を与えるステッピングモーターと、該ステッピングモーターから搬送手段に至るまでのバックラッシに相当するパルス数とステッピングモーターの位相合わせに必要なパルス数だけ原稿搬送前にステッピングモーターを駆動させる制御手段と、を備えた自動原稿給送装置を開示している。
【０００３】
特許文献２は、少なくとも２つの位置を切り換える位置切換用駆動装置であって、ステッピングモーターと、該ステッピングモーターによって駆動される駆動軸と、該駆動軸に係止されて一体に回動する回動部材と、回動自在に配設されて前記回動部材と係合する戻し部材と、前記戻し部材を付勢する付勢バネと、を有し、前記回動部材が前記戻し部材に係合するまでの時間を前記ステッピングモーターの立ち上げ時の加速時間より長く設定している位置切換用駆動装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２３７７８９号公報（請求項１）
【特許文献２】特開平１１−８５２８３号公報（請求項１，２，４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ステッピングモーターは、ローターの回転角度をステップ状に切り換えてローターを回転させる。この際に、ローターは、安定点を中心に減衰振動し（言い換えれば、ステッピングモーターの出力トルクが変動し）、これがステッピングモーターの低速運転時の振動の主な原因となる。
【０００６】
ステッピングモーターの起動時、ステッピングモーターは、低速運転されるので、上記減衰振動が原因となるステッピングモーターの振動対策が求められる。
【０００７】
本発明は、ステッピングモーターの起動時の振動を抑制できるステッピングモーター制御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】
【０００８】
本発明に係るステッピングモーター制御装置は、駆動信号が入力されることにより駆動するステッピングモーターを制御する装置であって、所定の制御信号を生成する制御信号生成部と、前記制御信号が入力される毎に、所定のステップ角だけ回転させる前記駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を備え、前記制御信号生成部は、前記ステッピングモーターが停止した状態から起動するための１番目の前記制御信号と２番目の前記制御信号との時間間隔を、前記ステッピングモーターの固有振動周期の三分の一にしている。
【０００９】
本発明に係るステッピングモーター制御装置において、１番目の制御信号と２番目の制御信号との時間間隔を、ステッピングモーターの固有振動周期の三分の一にしている。これにより、後で説明するように、ステッピングモーターの起動時の振動を抑制できる。
【００１０】
上記構成において、前記制御信号生成部は、２番目の前記制御信号と３番目の前記制御信号との時間間隔を、前記固有振動周期の六分の一にしている。
【００１１】
この構成によれば、２番目の制御信号と３番目の制御信号との時間間隔を、ステッピングモーターの固有振動周期の六分の一にしている。これにより、後で説明するように、ステッピングモーターの起動時の振動をさらに抑制できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ステッピングモーターの起動時の振動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に適用されるステッピングモーターの一例の構成を示す模式図である。
【図２】本実施形態に係るステッピングモーター制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】駆動電流生成部に１番目の制御信号が入力する前のステッピングモーターの状態を示す模式図である。
【図４】駆動電流生成部に１番目の制御信号が入力したときのステッピングモーターの状態を示す模式図である。
【図５】駆動電流生成部に２番目の制御信号が入力したときのステッピングモーターの状態を示す模式図である。
【図６】本実施形態に係るステッピングモーター制御装置において、ステッピングモーターの起動が開始したときに、制御信号生成部で生成される制御信号のタイムチャートを示す図である。
【図７】本実施形態に係るステッピングモーター制御装置によって制御されたステッピングモーターにおいて、起動時に発生するローターの減衰振動を示すグラフである。
【図８】比較例１によって制御されたステッピングモーターにおいて、起動時に発生するローターの減衰振動を示すグラフである。
【図９】比較例２によって制御されたステッピングモーターにおいて、起動時に発生するローターの減衰振動を示すグラフである。
【図１０】比較例３によって制御されたステッピングモーターにおいて、起動時に発生するローターの減衰振動を示すグラフである。
【図１１】変形例１において、ステッピングモーターの起動が開始したときに、制御信号生成部で生成される制御信号のタイムチャートを示す図である。
【図１２】変形例２において、ステッピングモーターの起動が開始したときに、制御信号生成部で生成される制御信号のタイムチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態に適用されるステッピングモーター１の一例の構成を示す模式図である。ローター２は、Ｎ極とＳ極とを有する永久磁石である。ステーター３は、Ａ相磁極４と、Ａ相磁極４の位置からローター２が９０度回転した位置にあるＢ相磁極５と、Ｂ相磁極５の位置からローター２が９０度回転した位置にある／Ａ相磁極６と、／Ａ相磁極６の位置からローター２が９０度回転した位置にある／Ｂ相磁極７と、を備える。
【００１５】
図２は、本実施形態に係るステッピングモーター制御装置１０の構成を示すブロック図である。ステッピングモーター制御装置１０は、制御信号生成部１１及び駆動電流生成部１２を備える。
【００１６】
制御信号生成部１１は、所定のパルスレートを有するパルス状の制御信号を生成する。パルスレートは、制御信号の周波数と言い換えることができる。
【００１７】
駆動電流生成部１２は、駆動信号生成部の具体例であり、制御信号生成部１１で生成された制御信号を基にして、Ａ相コイル４ａ、Ｂ相コイル５ａ、／Ａ相コイル６ａ、及び、／Ｂ相コイル７ａに流れる駆動電流を生成する。
【００１８】
Ａ相コイル４ａを流れる駆動電流によって、Ａ相磁極４が励磁される。Ｂ相コイル５ａを流れる駆動電流によって、Ｂ相磁極５が励磁される。／Ａ相コイル６ａを流れる駆動電流によって、／Ａ相磁極６が励磁される。／Ｂ相コイル７ａを流れる駆動電流によって、／Ｂ相磁極７が励磁される。
【００１９】
Ａ相コイル４ａと、／Ａ相コイル６ａとは、Ａ相コイル４ａに流れる駆動電流と、／Ａ相コイル６ａに流れる駆動電流とが逆向きになるように接続されている。Ａ相と、／Ａ相とを一つの相とする。
【００２０】
Ｂ相コイル５ａと、／Ｂ相コイル７ａとは、Ｂ相コイル５ａに流れる駆動電流と、／Ｂ相コイル７ａに流れる駆動電流とが逆向きになるように接続されている。Ｂ相と、／Ｂ相とを一つの相とする。
【００２１】
駆動電流生成部１２は、駆動電流生成部１２が２相励磁モードに設定されたとき、制御信号が入力される毎に、所定のステップ角だけ回転させる駆動電流を生成する。なお、「ステップ角だけ回転させる」とは、ステッピングモーター１のローター２をステップ角だけ回転させることを意味している。
【００２２】
１−２相励磁方式のステップ角は、２相励磁方式のステップ角の二分の一であり、Ｗ１−２相励磁方式のステップ角は、２相励磁方式のステップ角の四分の一である。
【００２３】
ステッピングモーター１の動作を、２相励磁方式を例にして、図２〜図５を用いて説明する。
【００２４】
図３は、駆動電流生成部１２に１番目（最初）の制御信号が入力する前のステッピングモーター１の状態を示す模式図である。ステッピングモーター１のローター２は、回転が停止した状態である。図２及び図３を参照して、Ａ相磁極４がＳ極になり、Ｂ相磁極５がＳ極になり、／Ａ相磁極６がＮ極になり、／Ｂ相磁極７がＮ極になるように、駆動電流生成部１２で生成された駆動電流が、Ａ相コイル４ａ、Ｂ相コイル５ａ、／Ａ相コイル６ａ、及び、／Ｂ相コイル７ａに流れている。
【００２５】
図４は、駆動電流生成部１２に１番目の制御信号が入力したときのステッピングモーター１の状態を示す模式図である。図２及び図４を参照して、制御信号生成部１１で生成された１番目の制御信号が、駆動電流生成部１２に入力したとする。これにより、Ａ相磁極４がＮ極になり、Ｂ相磁極５がＳ極になり、／Ａ相磁極６がＳ極になり、／Ｂ相磁極７がＮ極になるように、駆動電流生成部１２で生成された駆動電流がＡ相コイル４ａ、Ｂ相コイル５ａ、／Ａ相コイル６ａ、及び、／Ｂ相コイル７ａに流れる。従って、ローター２は、図３に示す位置からステップ角９０度だけ回転する。
【００２６】
図５は、駆動電流生成部１２に２番目の制御信号が入力したときのステッピングモーター１の状態を示す模式図である。図２及び図５を参照して、制御信号生成部１１で生成された２番目の制御信号が、駆動電流生成部１２に入力したとする。これにより、Ａ相磁極４がＮ極になり、Ｂ相磁極５がＮ極になり、／Ａ相磁極６がＳ極になり、／Ｂ相磁極７がＳ極になるように、駆動電流生成部１２で生成された駆動電流がＡ相コイル４ａ、Ｂ相コイル５ａ、／Ａ相コイル６ａ、及び、／Ｂ相コイル７ａに流れる。従って、ローター２は、図４に示す位置からステップ角９０度だけ回転する。
【００２７】
このように、制御信号生成部１１で生成された制御信号が駆動電流生成部１２に入力する毎に、ステッピングモーター１の位相が切り替えられ、ローター２が、１ステップ角ずつ回転する。制御信号は、ローター２を現在の回転角度から次の回転角度（すなわち、１ステップ角回転後の回転角度）に回転する命令を示す信号である。
【００２８】
以上の通り、２相励磁方式は、２相励磁を繰り返してステッピングモーター１を駆動する方式であり、フルステップ駆動とも称される。２相のうち、一方の相は、Ａ相及び／Ａ相であり、他方の相は、Ｂ相及び／Ｂ相である。
【００２９】
図６は、本実施形態に係るステッピングモーター制御装置１０において、ステッピングモーター１の起動が開始したときに、制御信号生成部１１で生成される制御信号のタイムチャートを示す図である。制御信号生成部１１は、ステッピングモーター１が停止した状態から起動するための１番目の制御信号と２番目の制御信号との時間間隔Ｔ１を、ステッピングモーター１の固有振動周期の三分の一にし、２番目の制御信号と３番目の制御信号との時間間隔Ｔ２を、固有振動周期の六分の一にしている。
【００３０】
ステッピングモーター１の固有振動周期は、ローター２の慣性モーメント及びステッピングモーター１の最大トルクから導出され、以下の式で示される。
【００３１】
Ｔ０＝（ｎ・ＴＨ／ＪＴ）０．５／４π
ここで、Ｔ０は、固有振動周期であり、ＪＴは、ローター２の慣性モーメントであり、ＴＨは、最大トルクであり、ｎは、フルステップ駆動のときの一回転当たりのステップ数である。
【００３２】
本実施形態に係るステッピングモーター制御装置１０を用いたステッピングモーター１の制御を、比較例と比較して説明する。図７は、本実施形態に係るステッピングモーター制御装置１０によって制御されたステッピングモーター１において、起動時に発生するローター２の減衰振動を示すグラフである。図８は、比較例１によって制御されたステッピングモーター１において、起動時に発生するローター２の減衰振動を示すグラフである。図９は、比較例２によって制御されたステッピングモーター１において、起動時に発生するローター２の減衰振動を示すグラフである。図１０は、比較例３によって制御されたステッピングモーター１において、起動時に発生するローター２の減衰振動を示すグラフである。
【００３３】
図７〜図１０において、横軸は、起動が開始したときから経過した時間を示す。単位は、秒である。縦軸は、ローター２の回転角度を示す。単位は、度である。本実施形態、及び、比較例１〜３の制御において、ステップ角が７．５度であり、ローター２の回転角度の初期値が７．５度とする。初期値が７．５度とは、ローター２の回転角度が７．５度の状態で起動が開始することを意味する。
【００３４】
Ｌ１で示すステップ状に変化する線は、ローター２の回転角度の変化を示している。Ｌ２で示す線は、ローター２の動きを示している。Ｌ１とＬ２との交点が安定点となる。ローター２は、安定点を中心にして減衰振動していることが分かる。
【００３５】
本実施形態から説明する。図７を参照して、ステッピングモーター１の起動が開始してから０．０２秒が経過したとき、駆動電流生成部１２に１番目の制御信号が入力する。これにより、ローター２が、回転角度７．５度から回転角度１５度に回転する動作をしている最中に、ローター２が最初に回転角度１５度を超えて回転角度１８．７５度に到達したとき（時間ｔ１）、２番目の制御信号が駆動電流生成部１２に入力されるようにする。１８．７５度は、１番目の制御信号による回転角度１５度と２番目の制御信号による回転角度２２．５度との中間の回転角度である。
【００３６】
このようなタイミングで２番目の制御信号が駆動電流生成部１２に入力されるようにしたとき、１番目から２番目の制御信号が駆動電流生成部１２に入力されるまでの期間（時間間隔Ｔ１）において、ローター２の振動をほぼなくすことができる。
【００３７】
時間ｔ１で駆動電流生成部１２に２番目の制御信号が入力する。これにより、ローター２が、回転角度１５度から回転角度２２．５度に回転する動作をしている最中に、ローター２が最初に回転角度２２．５度を超えて回転角度２６．２５度に到達したとき（時間ｔ２）、３番目の制御信号が駆動電流生成部１２に入力されるようにする。２６．２５度は、２番目の制御信号による回転角度２２．５度と３番目の制御信号による回転角度３０度との中間の回転角度である。
【００３８】
このようなタイミングで３番目の制御信号が駆動電流生成部１２に入力されるようにしたとき、２番目から３番目の制御信号が駆動電流生成部１２に入力されるまでの期間（時間間隔Ｔ２）において、ローター２の振動をほぼなくすことができる。
【００３９】
これらは、１番目の制御信号と２番目の制御信号との時間間隔Ｔ１を、固有振動周期Ｔ０の三分の一にし、２番目の制御信号と３番目の制御信号との時間間隔Ｔ２を、固有振動周期Ｔ０の六分の一にしたとき、実現できることが分かった。
【００４０】
詳しく説明すると、１番目の制御信号は、０．０２秒のタイミングで駆動電流生成部１２に入力する。これにより、ローター２の回転角度は、１ステップ角進み、７．５度から１５度に切り替わる。２番目の制御信号は、ｔ１秒のタイミングで駆動電流生成部１２に入力する。これにより、ローター２の回転角度は、１ステップ角進み、１５度から２２．５度に切り替わる。０．０２秒とｔ１秒との時間間隔Ｔ１が、固有振動周期Ｔ０の三分の一となる。３番目の制御信号は、ｔ２秒のタイミングで駆動電流生成部１２に入力する。これにより、ローター２の回転角度は、１ステップ角進み、２２．５度から３０度に切り替わる。ｔ１秒とｔ２秒との時間間隔が、固有振動周期Ｔ０の六分の一である。
【００４１】
これ以降の時間間隔（３番目の制御信号と４番目の制御信号との時間間隔、４番目の制御信号と５番目の制御信号との時間間隔、・・・）を固有振動周期Ｔ０の何分の一にすればよいかは、数学的に算出することができる。しかし、外乱の影響等による誤差が蓄積される結果、算出された時間間隔と実際に必要な時間間隔とが一致しない。このため、１番目の制御信号と２番目の制御信号との時間間隔Ｔ１を、固有振動周期Ｔ０の三分の一にし、２番目の制御信号と３番目の制御信号との時間間隔Ｔ２を、固有振動周期Ｔ０の六分の一にし、これ以降の時間間隔について、固有振動周期Ｔ０との関係を考慮しない。
【００４２】
時間間隔Ｔ１が、固有振動周期Ｔ０の三分の一であるとは、時間間隔Ｔ１が、固有振動周期Ｔ０の三分の一と完全に一致する場合でもよいし、起動時の振動を抑制する効果が得られる範囲で、ほぼ一致する場合でもよい。同様に、時間間隔Ｔ２が、固有振動周期Ｔ０の六分の一であるとは、時間間隔Ｔ２が、固有振動周期Ｔ０の六分の一と完全に一致する場合でもよいし、起動時の振動を抑制する効果が得られる範囲で、ほぼ一致する場合でもよい。なお、時間間隔Ｔ２を、固有振動周期Ｔ０の六分の一にするのは必須でなく、時間間隔Ｔ１を、固有振動周期Ｔ０の三分の一にすれば、起動時の振動を抑制する効果を得られる。
【００４３】
次に、比較例１を説明する。図８を参照して、比較例１において、１番目の制御信号と２番目の制御信号との時間間隔Ｔ３を、固有振動周期Ｔ０よりも長くしている。１番目の制御信号は、０．０２秒のタイミングで駆動電流生成部１２に入力する。これにより、ローター２の回転角度は、１ステップ角進み、７．５度から１５度に切り替わる。２番目の制御信号は、ｔ３秒（＝０．０７秒）のタイミングで駆動電流生成部１２に入力する。これにより、ローター２の回転角度は、１ステップ角進み、１５度から２２．５度に切り替わる。
【００４４】
時間間隔Ｔ３において、ローター２が減衰振動していることが分かる。減衰振動の最初の振動の周期が、固有振動周期Ｔ０と一致する。
【００４５】
比較例２を説明する。図９を参照して、比較例２において、１番目の制御信号と２番目の制御信号との時間間隔Ｔ４を、固有振動周期Ｔ０と同じにしている。１番目の制御信号は、０．０２秒のタイミングで駆動電流生成部１２に入力する。これにより、ローター２の回転角度は、１ステップ角進み、７．５度から１５度に切り替わる。２番目の制御信号は、ｔ４秒のタイミングで駆動電流生成部１２に入力する。これにより、ローター２の回転角度は、１ステップ角進み、１５度から２２．５度に切り替わる。
【００４６】
ｔ４秒でのローター２の回転角度（約１１度）と次の回転角度２２．５度との差Ｄ１が大きいので、ローター２に大きな減衰振動が生じていることが分かる。
【００４７】
比較例３を説明する。図１０を参照して、比較例３において、１番目の制御信号と２番目の制御信号との時間間隔Ｔ５を、固有振動周期Ｔ０の二分の一にしている。１番目の制御信号は、０．０２秒のタイミングで駆動電流生成部１２に入力する。これにより、ローター２の回転角度は、１ステップ角進み、７．５度から１５度に切り替わる。２番目の制御信号は、ｔ５秒のタイミングで駆動電流生成部１２に入力する。これにより、ローター２の回転角度は、１ステップ角進み、１５度から２２．５度に切り替わる。
【００４８】
ｔ５秒でのローター２の回転角度（約２１度）と次の回転角度２２．５度との差Ｄ２が極めて小さく、その反動により、その後、ローター２に大きな減衰振動が生じている事が分かる。
【００４９】
以上より、本実施形態によれば、比較例１〜３と比べて、ステッピングモーター１の起動時の振動を抑制することができる。
【００５０】
画像形成装置の原稿読取部に備えられるキャリッジ（キャリッジには、露光ランプ等が搭載されている）を移動する機構には、ステッピングモーター１が用いられる。キャリッジが振動すると、原稿を読み取る精度が低下する。従って、キャリッジを移動させるステッピングモーター１を制御する装置として、本実施形態に係るステッピングモーター制御装置１０は好適である。
【００５１】
本実施形態の変形例を説明する。図２に示すステッピングモーター制御装置１０は、ステッピングモーター１に対して、スローアップ、定速運転、及び、スローダウンの一連の制御をする。変形例は、この制御を想定している。スローアップとは、制御信号の周波数を徐々に高くすることにより、ローター２の回転速度を徐々に大きくして回転速度を目標値に到達させる制御である。定速運転とは、ローター２の回転速度を目標値に維持する制御である。スローダウンとは、制御信号の周波数を徐々に低くすることにより、ローター２の回転速度を徐々に小さくしてローター２の回転を停止させる制御である。
【００５２】
図１１は、変形例１において、ステッピングモーター１の起動が開始したときに、制御信号生成部１１で生成される制御信号のタイムチャートを示す図である。制御信号生成部１１は、１番目の制御信号と２番目の制御信号との時間間隔Ｔ１を、固有振動周期Ｔ０の三分の一にし、２番目の制御信号と３番目の制御信号との時間間隔Ｔ２を、固有振動周期Ｔ０の六分の一にしている。そして、制御信号生成部１１は、時間間隔Ｔ１より長い周期Ｔ６で、３番目より後の制御信号を生成してステッピングモーター１のスローアップを開始する。
【００５３】
図１２は、変形例２において、ステッピングモーター１の起動が開始したときに、制御信号生成部１１で生成される制御信号のタイムチャートを示す図である。制御信号生成部１１は、１番目の制御信号と２番目の制御信号との時間間隔Ｔ１を、固有振動周期Ｔ０の三分の一にしている。そして、制御信号生成部１１は、時間間隔Ｔ１より長い周期Ｔ６で、２番目より後の制御信号を生成してステッピングモーター１のスローアップを開始する。
【００５４】
時間間隔Ｔ１は、固有振動周期Ｔ０の三分の一なので、スローアップ開始時の制御信号の周期としては短い。従って、時間間隔Ｔ１より短い周期の制御信号でスローアップを開始すると、ステッピングモーター１が脱調するおそれがある。変形例１及び変形例２によれば、ステッピングモーター１の起動時の振動の抑制と脱調の防止とを図ることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１  ステッピングモーター
２  ローター
３  ステーター
４  Ａ相磁極
５  Ｂ相磁極
６  ／Ａ相磁極
７  ／Ｂ相磁極
１０  ステッピングモーター制御装置
１１  制御信号生成部
１２  駆動電流生成部（駆動信号生成部の具体例）
【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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