JP2001178193A - ステッピングモータ制御装置とそれを用いたレンズ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステッピングモータの動作を高速化し、精度
の高い位置決めをすると共に、振動・騒音や消費電力を
小さくすること。 【解決手段】 ステッピングモータ１０１にセンサ１０
２を取り付け、常時ステッピングモータ１０１の現在位
置を検出する。位置指令発生回路１０５から閉ループで
のモータの位置指令信号を発生させる。この信号との誤
差Ｅが零となるようにフィードバック制御することによ
り、ステッピングモータの位置を制御する。こうすれば
脱調の心配もなくステッピングモータの性能を最大限引
き出すことができ、高速、高信頼性のステッピングモー
タ制御装置を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばビデオカメ
ラ用のレンズ鏡筒のズームレンズやフォーカスレンズの
駆動源として使用されるステッピングモータの制御装置
に関し、特に高速、高精度で、滑らかで静かな駆動を実
現すると共に、大幅な低電力化を達成するステッピング
モータ制御装置、及びそれを用いたレンズ装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビデオカメラのレンズ駆動や、デ
ィスク装置やプリンタなどの駆動源として、より高速で
且つ低電力で高精度の位置制御装置が要求されている。
従来、上述したこれらの機器の駆動源としてステッピン
グモータが広く使用されており、これを開ループで使用
することが一般的であった。ステッピングモータは、自
身に位置決め能力を持ったモータで、必要回転角度分の
パルスをモータに供給すればその角度分だけ回転し、位
置管理も供給パルスをカウントするだけの簡単な制御回
路で実現できるモータであることがその理由である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ステッ
ピングモータを開ループで駆動する場合には、高速で回
転させたり急な負荷が加わるような場合には位置管理が
できなくなる脱調という現象が発生するため、高速化に
は限界があった。又ステッピングモータ固有の負荷トル
クであるディテントトルク等のモータに加わる負荷トル
クの影響をうけやすいため、停止精度に限界があった。
更には同様の負荷トルクの影響や共振の影響で発生する
振動・騒音の問題に加え、消費電力に関しても課題を残
すなど、高速・高精度で且つ静かな位置制御装置を実現
する上で数々の困難な問題があるのは周知のとおりであ
る。

【０００４】本発明は、以上の点に鑑み、ステッピング
モータにセンサを取り付けた簡単且つ小型の構成によ
り、高速、高精度で且つ静かで滑らかにステッピングモ
ータの位置制御が行なわれるようにした、ステッピング
モータ制御装置及びそれを用いたレンズ装置を提供する
ことを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願の請求項１の発明
は、ステッピングモータと、ステッピングモータの回転
角度を検出する回転角度検出回路と、ステッピングモー
タを位置制御するための位置指令を発生する位置指令発
生回路と、前記位置指令発生回路の出力信号と前記回転
角度検出回路の出力信号とを比較し、偏差信号を出力す
る比較回路と、前記比較回路の出力偏差信号が零となる
ようにステッピングモータを駆動制御する補償制御回路
と、ステッピングモータの負荷トルクのうち回転角度に
同期した負荷トルクを記憶し、補正する負荷トルク補正
回路と、前記回転角度検出回路の出力する回転角度検出
信号からステッピングモータの発生するトルク量が常時
最大となるような電気位相角度のアドレス情報を算出す
るアドレス生成回路と、前記アドレス生成回路の出力信
号に応じて、一定の関数に従い、ステッピングモータの
駆動電流の信号を出力するアドレス関数変換回路と、前
記補償制御回路の出力と前記アドレス関数変換回路の出
力を乗算する乗算回路と、前記乗算回路の出力に応じて
ステッピングモータを駆動する駆動回路と、を具備する
ことを特徴とするものである。

【０００６】上記構成により、ステッピングモータの回
転角度を検出する回転角度検出回路がステッピングモー
タの回転角度データ及びモータに供給する電流の位相に
相当する電気位相角度データを検出する。そしてその電
気位相角度データを基にステッピングモータの発生トル
クが最大となる電気位相角度に相当する電流波形パター
ンを生成し、その電流波形パターンと、回転角度検出回
路の出力データよりステッピングモータを木目細かに位
置制御するための各種補償制御を施した結果を組み合わ
せ、ステッピングモータを駆動する。更に、ステッピン
グモータ特有の回転角度に同期した負荷トルクをあらか
じめ構成したテーブルから制御時に読み込み補正を行
う。

【０００７】これにより、ステッピングモータはエンコ
ーダの分解能に相当する角度で木目細かな高精度の位置
決め制御が可能になる。又ステッピングモータの発生ト
ルクが常時最大となる電気位相角度の電流波形パターン
を選択し、必要に応じて電流波形の大きさを抑制するこ
とで、高速応答及び低電力駆動をも可能にする。又トル
ク変動の影響もキャンセルできるため、静かで振動の少
ない滑らかな制御をも可能にする。

【０００８】従って本発明は、高速且つ高精度に位置決
めができ、且つ低電力、低騒音の駆動制御が可能なステ
ッピングモータ制御装置を提供できるものである。

【０００９】請求項第２記載の発明は、請求項１記載の
ステッピングモータ制御装置の構成に加えて、前記回転
角度検出回路の出力を微分処理し、回転速度を算出する
速度検出回路と、前記速度検出回路の出力より、前記ア
ドレス生成回路へアドレスデータの補正量を出力するア
ドレスデータ補正回路と、前記乗算回路の出力のうちあ
る一定の周波数以上の領域成分を遮断するＬＰＦ回路と
を設けたものである。

【００１０】上記構成により、ステッピングモータの回
転角度を検出する回転角度検出回路がステッピングモー
タの回転角度データ及びモータに供給する電流の位相に
相当する電気位相角度データを検出する。そしてその電
気位相角度データを基にステッピングモータの発生トル
クが最大となる電気位相角度に相当する電流波形パター
ンを生成し、その電流波形パターンと、回転角度検出回
路の出力データよりステッピングモータを木目細かに位
置制御するための各種補償制御を施した結果とを組み合
わせ、ステッピングモータの発生トルクの低下を引き起
こさず駆動電流の不要な高域成分の除去を行ってからス
テッピングモータを駆動する。更に、ステッピングモー
タ特有の回転角度に同期した負荷トルクをあらかじめ構
成したテーブルから制御時に読み込み補正を行う。

【００１１】これにより、ステッピングモータは回転角
度検出回路の分解能に相当する角度で木目細かな高精度
の位置決め制御が可能になる。又ステッピングモータの
最大トルクを常時発生する電気位相角度のデータを用
い、必要に応じてデータの大きさを制御することで、高
速応答及び低電力駆動をも可能にする。又負荷外乱の影
響も抑制できると共に、駆動電流の高域成分を除去する
ＬＰＦの効果により、騒音、振動の影響を、ＬＰＦによ
り遅れた電気位相角度を精度よく検出し、補正すること
でトルク劣化を引き起こすことなしに、効果的に抑制で
きる。

【００１２】本願の請求項３の発明は、請求項１又は２
のステッピングモータ制御装置において、前記回転角度
検出回路は、前記ステッピングモータの回転運動に応じ
て互いに位相の異なる複数相の信号を出力するセンサ
と、前記複数相の信号を内挿して前記ステッピングモー
タの現在角度を算出するエンコーダ回路と、を具備する
ことを特徴とするものである。

【００１３】本願の請求項４の発明は、請求項３のステ
ッピングモータ制御装置において、前記センサは、磁気
抵抗素子と、前記ステッピングモータのスクリュー軸中
心線上に配設された円筒形状の磁気ドラムとを含んで構
成され、前記磁気ドラムは円周外面に多極着磁され、前
記磁気抵抗素子は前記磁気ドラムの外周面に正対して配
設されることを特徴とするものである。

【００１４】本願の請求項５の発明は、請求項３のステ
ッピングモータ制御装置において、前記センサは、磁気
抵抗素子と、前記ステッピングモータのスクリュー軸中
心線上に配設された円筒形状の磁気ドラムとを含んで構
成され、前記磁気ドラムは円筒形状の外周面近くの平面
部に前記ステッピングモータのスクリュー軸を中心とし
て放射線状に多層着磁され、前記磁気抵抗素子は磁気ド
ラムの着磁された平面部に正対して配設されることを特
徴とするものである。

【００１５】本願の請求項６の発明は、請求項３のステ
ッピングモータ制御装置において、前記センサは、磁気
抵抗素子と、前記磁気検出抵抗素子に正対して配設され
た円筒形状で円周方向に多極着磁された磁気ドラムとを
含んで構成され、前記磁気ドラムの中心は前記ステッピ
ングモータのスクリュー軸中心線上に配設されることを
特徴とするものである。

【００１６】本願の請求項７の発明は、請求項６又は７
のステッピングモータ制御装置において、前記磁気抵抗
素子は、前記磁気ドラムの外周上に着磁されたＳ極、Ｎ
極のマグネットの幅に相当する間隔で１波長に相当する
正弦波、余弦波を出力するものであり、前記エンコーダ
回路は、前記正弦波、余弦波を１回以上の加減算処理で
作成された（４×Ｎ）相の各信号のピーク電圧とボトム
電圧の中間電圧と各信号をコンパレートするコンパレー
タ回路と、該コンパレータの立ち上がり、立ち下がりの
変化点において他相のコンパレート結果に元づきアップ
ダウンカウントすることでステッピングモータの回転角
度を算出するアップダウンカウンタと、を有することを
特徴とするものである。

【００１７】本願の請求項８の発明は、請求項１〜３の
いずれか１項のステッピングモータ制御装置において、
前記補償制御回路は、前記位置指令発生回路の出力と、
前記エンコーダ回路の出力に対し定常的な偏差を発生し
ないように積分系の補償フィルタを構成していることを
特徴とするものである。

【００１８】本願の請求項９の発明は、請求項１〜３の
いずれか１項のステッピングモータ制御装置において、
前記アドレス関数変換回路は、一定の関数に従ったデー
タをテーブル化したメモリ回路を含んで構成され、前記
メモリ回路は前記アドレス生成回路の出力に応じて前記
メモリ回路から前記一定の関数に従ったデータを読み出
し互いに位相の異なる複数相の信号を生成することを特
徴とするものである。

【００１９】本願の請求項１０の発明は、請求項９のス
テッピングモータ制御装置において、前記アドレス関数
変換回路は、複数相の略正弦波関数を出力するものであ
り、前記メモリ回路は、前記正弦波の１／４周期分のデ
ータが格納されていることを特徴とするものである。

【００２０】本願の請求項１１の発明は、請求項１のス
テッピングモータ制御装置において、前記負荷トルク補
正回路は、あらかじめ補正データをテーブル化したメモ
リ回路を含めて構成され、補正時に前記メモリ回路のテ
ーブルデータを読み込んで補正を行うことを特徴とする
ものである。

【００２１】本願の請求項１２の発明は、請求項１１の
ステッピングモータ制御装置において、前記負荷トルク
補正回路は、前記メモリ回路のテーブルデータを読み込
んだ補正データの周期、位相、大きさを可変可能な回路
構成になっていることを特徴とするものである。

【００２２】本願の請求項１３の発明は、請求項２のス
テッピングモータ駆動装置において、前記アドレス補正
回路は、あらかじめ回転速度に応じた位相の補正量をテ
ーブル化したメモリ回路を含んで構成され、補正時に前
記メモリ回路のテーブルより補正データを読み込み補正
を行うことを特徴とするものである。

【００２３】本願の請求項１４の発明は、請求項１〜１
３のいずれか１項記載のステッピングモータ制御装置を
ズームレンズの駆動源として用いることを特徴とするも
のでる。

【００２４】これにより、ズーミングの際のズームレン
ズの移動に対して高速、高精度な位置決めを可能にする
と共に低電力で、且つ静かな移動をも可能にするためズ
ーミング性能を大幅に改善できる。

【００２５】本願の請求項１５の発明は、請求項１〜１
３のいずれか１項記載のステッピングモータ制御装置を
フォーカスレンズの駆動源として用いることを特徴とす
るものである。

【００２６】これにより、オートフォーカス制御の際の
フォーカスレンズの移動に対して高速、高精度な位置決
めを可能にすると共に低電力で、且つ静かな移動をも可
能にするためオートフォーカス制御性能が大幅に改善で
きる。

【００２７】本願の請求項１６の発明は、請求項１〜１
３のいずれか１項記載のステッピングモータ制御装置を
絞りの駆動源として用いることを特徴とするものであ
る。

【００２８】これにより、絞り開閉の制御を行う際の絞
り羽の移動に対して高速、高精度な位置決めを可能にす
ると共に低電力で、且つ静かな移動をも可能にするため
絞り開閉の制御性能が大幅に改善できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて、図面を用いて説明する。 （実施の形態１）第１図は本発明の実施の形態１に係る
ステッピングモータ制御装置の全体構成を示すブロック
図である。第１図において、ステッピングモータ１０１
は、本実施の形態では２相のロータリー式のＰＭ型ステ
ッピングモータを用いている。センサ１０２は磁気抵抗
素子（ＭＲ）１０２ａと、磁気ドラム１０２ｂで構成さ
れている。磁気ドラム１０２ｂはステッピングモータ１
０１の回転中心軸に取り付けられ、磁気抵抗素子１０２
ａは、磁気ドラム１０２ｂの外周上に配設されている。
センサ１０２はステッピングモータ１０１が回転軸を中
心とした回転に応じて互いに９０°位相の異なる２相の
正弦波状の信号ＭＲａ、ＭＲｂを出力する。エンコーダ
回路１０３はセンサ１０２の２相の出力信号を受けてそ
れらを波形成形、内挿処理などの信号処理を施し、ステ
ッピングモータ１０１の回転角度に比例したエンコーダ
データを生成する。エンコーダ補正回路１０４はステッ
ピングモータ１０１が基準位置にある場合に、例えば、
ステッピングモータ１０１の２相のコイルにある固定の
決まった電流を付加した場合に、エンコーダ回路１０３
の生成データが零となるような補正データＺ０を演算
し、エンコーダ回路１０３に供給する。エンコーダ回路
１０３はエンコーダ補正回路１０４のデータを元に、エ
ンコーダ回路１０３の出力データＸ０を補正し、現在位
置データＸを出力する。

【００３０】又位置指令発生回路１０５は閉ループ位置
指令回路１０５ａと開ループ位置指令回路１０５ｂから
成り立っている。閉ループ位置指令回路１０５ａは位置
指令データＲ１を発生することによってステッピングモ
ータ１０１の位置、即ちステッピングモータ１０１によ
って駆動される負荷（即ち対象物）に対する位置の指令
を与える。比較回路１０６は閉ループ位置指令発生回路
１０５ａの位置指令データＲ１とエンコーダ回路１０３
の出力値である現在位置データＸとを比較することによ
って、位置指令データＲ１に対する現在位置データＸの
偏差に応じた偏差データＥを出力する。１０７は補償制
御回路で、偏差データＥから、偏差データＥを零にする
ようにステッピングモータ１０１が発生すべきトルク量
を演算する。開ループ位置指令回路１０５ｂはエンコー
ダ補正回路１０４の補正データが確定する以前の初期状
態において、ステッピングモータ１０１を駆動して対象
物である負荷を基準位置まで開ループ制御で移動させる
ための位置指令データＲ２を算出するものである。アド
レス生成回路１０８は、エンコーダ回路１０３からの現
在位置データＸと開ループ位置位置指令発生回路１０５
ｂからの位置指令データＲ２の一方を選択し、いずれか
の選択されたデータを対応付けされたアドレスに割り付
ける。アドレス関数変換回路１０９はアドレス生成回路
１０８で割り当てられたアドレスに応じて、正弦波、余
弦波の関数式で変換し、開ループで駆動する場合にはス
テッピングモータ１０１の２相のコイルに供給する電流
指令に相当するデータＳａ，Ｓｂを出力する。負荷トル
ク補正回路１１０はディテントトルクなど、ステッピン
グモータ１０１の回転角度位置に同期した周期性のある
負荷トルクの大きさ、波長、位相等のデータを記憶した
テーブルを含んで構成され、開ループ、閉ループの夫々
の制御方法に応じた負荷トルク補正データＤ１、Ｄ２を
出力する。加減算回路１１１は閉ループ位置制御の場合
に負荷トルク補正データＤ２を加減算して負荷トルクを
抑制する補正を行う。乗算回路１１２はアドレス関数変
換回路１０９で変換された２相のデータＳａ，Ｓｂに加
減算回路１１１の出力、即ち負荷トルク補正データＤ２
で補正されたステッピングモータ１０１の必要なトルク
量を乗算し、ステッピングモータ１０１の２相のコイル
に供給する電流指令に相当するデータＶａ１，Ｖｂ１を
出力する。１１３は駆動回路で、開ループで制御する場
合の入力信号（Ｓａ，Ｓｂ）と、閉ループで制御する場
合の入力信号（Ｖａ１，Ｖｂ１）を選択し、駆動電流ｉ
ａ，ｉｂをステッピングモータ１０１に供給する。

【００３１】次に、図１を構成する個々の要素を詳細に
説明する。図２は公知である２相ＰＭ型ステッピングモ
ータの構造を示す展開図である。図２において、ステッ
ピングモータ１０１は、ロータ２０１とその外側に固定
された２つのステータ２０２，２０３に大別される。ロ
ータ２０１はステッピングモータの回転中心を通る回転
シャフト２０１ａと一体化されたマグネット２０１ｂで
構成され、マグネット２０１ｂは回転角度で１／２・Δ
θ_P ［ｄｅｇ］毎にＳ極、Ｎ極が交互に着磁された合計
２ｎ極の永久磁石で構成されている。２相のステータ２
０２、２０３はロータ２０１の外周を２相のポール２０
２ａ，２０３ａと呼ばれる歯形の板金が夫々２相のコイ
ル２０２ｂ，２０３ｂを包み込むように構成される。ポ
ールの歯形は回転角度でΔθ_P ［ｄｅｇ］毎に同一形状
が繰り返し形成される。又２相のステータ２０２，２０
３は、夫々ポールの歯の同一形状を１周期とした場合に
９０°ほど、回転角度で１／４・Δθ_P ［ｄｅｇ］ほど
位相をずらして構成される。

【００３２】２相のコイル２０２ｂ，コイル２０３ｂに
電流を供給すると、２相のポール２０２ａ，２０２ｂ夫
々の部分に磁極が発生し、ロータ２０１と２相夫々のス
テータ２０２、２０３の磁極が引き合い、２相のコイル
夫々の回転方向の磁気力がつり合う角度でステッピング
モータ１０１は停止する。図３はステッピングモータ１
０１の１つの相のコイルに一様の電流を付加したとき
に、発生トルクと回転角度との関係を示すスティフネス
特性を示す図である。図３において、ステッピングモー
タ１０１はある決まった角度で回転方向のトルクが０に
なる安定点３０１と呼ばれる位置で停止し、この位置か
らロータ２０１を無理矢理回転させると、ロータ２０１
は元の位置に戻ろうとするトルクが発生する。更に回転
させると、第３図の回転角度で±１／２Δθ_P ［ｄｅ
ｇ］ほど回転させた位置で安定点の方向に対し、ステッ
ピングモータ１０１はホールディングトルク（ＴＨ）と
呼ばれる正負の最大トルクを発生する。この角度から更
にロータを回転させるとステッピングモータ１０１の発
生するトルクは減少し、±Δθ_P の回転位置で０にな
る。この回転角度の近傍は、回転方向に対して同方向の
トルクが発生するトルク特性を持ち、位置決めに対し不
安定であることからこの位置は不安定点３０２と呼ばれ
ている。

【００３３】トルク特性はローターの永久磁石の作る磁
束の変化を正弦波と仮定すると、磁束の変化に比例して
正弦波特性を示すため、ステッピングモータ１０１の２
相のコイル２０２ｂ，２０３ｂに一定電流Ｉを供給した
とき、各コイル２０２ｂ，２０３ｂに発生するトルクＴ
_a ，Ｔ_b は、Ｋをモータのトルク定数、θ［ｄｅｇ］を
回転角度とすれば、式（１），式（２）のように、ｓｉ
ｎ，ｃｏｓの一次関数で表される。尚、理想的にはトル
ク特性は正弦波特性を示すが、実際はステッピングモー
タ１０１に加わる様々な負荷要因のために、擬似正弦波
状のトルク特性となる。 Ｔ_a ＝−Ｋ・Ｉ・ｓｉｎ［２π・θ／Δθ_P ］・・・（１） Ｔ_b ＝−Ｋ・Ｉ・ｓｉｎ［２π・（θ−1/4 Δθ_P ）／Δθ_P ）］ ＝Ｋ・Ｉ・ｃｏｓ［２π・θ／Δθ_P ］ ・・・（２） ここで、コイル２０２ｂ，２０３ｂに流す電流Ｉを夫々 Ｉ_a ＝Ｉ₀ ・ｃｏｓ（θ_e ） ・・・（３） Ｉ_b ＝Ｉ₀ ・ｓｉｎ（θ_e ） ・・・（４） とする。ここで、θ_e は電気位相角度（ｒａｄ）を表
す。このときステッピングモータ１０１のトルクＴ_a+b
は、トルクＴ_a ，Ｔ_b を合成することで得られ、 Ｔ_a+b ＝−Ｋ・Ｉ₀ ・ｓｉｎ［２π（θ／Δθ_P −θ_e ／２π）］ ・・・（５） で表される。

【００３４】式（５）から、両相コイル２０２ｂ，２０
３ｂに発生するトルクの合成トルクも、θが回転角度θ
_e ・Δθ_P ／２πの位置（θ_e が固定であるとしたと
き）を安定点として、正弦波状のトルク特性を示すこと
がわかる。又、式（５）において実際は、供給する電流
の電気位相角度θ_e の変化に伴い、トルクが発生し、式
（５）のトルクＴ_a+b が0 になるまで、ステッピングモ
ータ１０１は回転し、回転角度θが変化する。このよう
に一般的な開ループ制御は供給する電流の電気位相角度
θ_e をステッピングモータ１０１の回転方向に対応する
ように推移させ、回転角度θとの関係を示す式（５）に
おける発生トルクに応じて位置決め制御が行われる。

【００３５】次に、式（５）において、供給する電流の
電気位相角度θ_e を、 θ_e ＝（θ／Δθ_P ＋１／４）×２π ・・・（６） に選択すれば、式（５）のステッピングモータ１０１の
発生トルクＴ_a+b は、 Ｔ_a+b ＝Ｋ・Ｉ₀ ・・・（７） となる。又、同様に式（６）の符号を反転させた電気位
相角度θ_e を選択すると、式（５）のステッピングモー
タ１０１の発生トルクＴ_a+b は Ｔ_a+b ＝−Ｋ・Ｉ₀ ・・・（８） となり、ステッピングモータ１０１の発生トルクＴ_a+b
は供給電流Ｉ₀ の１次関数で表わすことができ、ステッ
ピングモータ１０１を直流モータとして使用することが
できるようになる。このことは、即ち第３図のスティフ
ネス特性において、ステッピングモータ１０１の発生ト
ルクが最大となるトルク（ホールディングトルク）を常
時確保できることに他ならない。

【００３６】図４（ａ）は、本実施の形態のセンサ１０
２の構成の一例を示し、図４（ｂ）はセンサ１０２の出
力を示すものである。図４において、センサ１０２は、
磁気抵抗素子４０１と磁気ドラム４０２で構成され、磁
気ドラム４０２の外周上にはλ_mg（mm）の間隔毎にＳ
極、Ｎ極のマグネットが着磁配置されており、磁気抵抗
素子４０１は着磁された磁気ドラムの外周面に対向する
ように固定配置されている。磁気抵抗素子４０１は磁界
を加えるとその抵抗値が変化する特性を位置検出に応用
したセンサであり、一般的に使用されている２つの磁気
抵抗素子の抵抗体で構成される磁気抵抗素子の場合、抵
抗体を直列に接続し、両端に電圧を印加し、抵抗体の変
化を２個の抵抗体の中点電位変化を検出して、この出力
信号を用いて位置検出を行っている。磁気抵抗素子４０
１は２つの抵抗体４０１ａ，４０１ｂを、磁気ドラムの
着磁ピッチλ_mgに対して、１／２λ_mgほど間隔をおいて
平行に配置して結線し、又互いに１／４λ_mgだけ位相を
ずらした同一抵抗パターンとしている。夫々の抵抗パタ
ーンに電圧Ｖccを印加し、且つ磁気ドラムが外周面上を
λ_mgほどの距離に相当する角度だけ回転すれば、図４
（ｂ）に示すように１／２πほど位相のずれた擬似正弦
波が、１／２Ｖｃｃの電位を中心にして１波長分ほど出
力される。即ち、磁気ドラムがλ_mg分に相当する距離ほ
ど回転した場合に、２つの抵抗体は擬似正弦波状の強度
の磁界を受け、その結果抵抗体も同様に擬似正弦波状に
抵抗値が変化するため、結果的に出力電圧も擬似正弦波
状になる。着磁された磁気ドラム４０２の外周は曲面で
あり、且つ磁気抵抗素子４０１と磁気ドラム４０２には
接触を回避するために少なからずギャップが必要とな
る。従って磁気抵抗素子４０１における２つの抵抗体４
０１ａ，４０１ｂの配置間隔を磁気ドラム４０２の着磁
間距離λ_mgより多少広めに配置する必要がある。逆に言
えば、磁気ドラム４０２のマグネット間隔を磁気抵抗素
子の抵抗体間の距離に合せて小さくしてもよい。又、磁
気ドラム４０２の外周のマグネット間隔が一定である場
合、磁気ドラム４０２の外径の大きさにより、磁気ドラ
ム４０２の単位回転角度あたりの磁気抵抗素子４０１の
出力信号である擬似正弦波の波数が変化する。従って単
位回転角度あたりの必要な波数は、即ちセンサとして必
要な分解能に応じて、磁気ドラム径の大きさ、マグネッ
ト間隔、磁気抵抗素子４０１の２つの抵抗体の間隔を設
定する。

【００３７】図５は、磁気抵抗素子５０１と磁気ドラム
５０２の別の配置構成として、磁気抵抗素子５０１が磁
気ドラム５０２の外周面に隣接した側面部に配設された
場合の構成図を示す。第５図の磁気抵抗素子の構成にお
いても、第４図の構成と同様に磁気ドラムの外周面に隣
接した側面に着磁されたＳ極、Ｎ極のマグネットの間隔
λ_mgに対して、２つの抵抗体５０１ａ，５０１ｂの間隔
が１／２λ_mg離れた磁気抵抗素子を用い、同様に互いに
１／４λ_mgだけ位相をずらした同一抵抗パターンを構成
する。こうすれば各磁気抵抗素子より１／２πほど位相
のずれた２相の擬似正弦波が得られる。尚、図４では同
一抵抗パターンを隣り合う配置としているが、図５では
同一抵抗パターンを交差させる配置で、１／４λ_mgの位
相差を確保している。

【００３８】尚、図５において磁気ドラム５０２の側面
に着磁する場合は、磁気ドラム５０２の中心軸に対し放
射線上に伸びる角度で着磁されるため、磁気ドラム５０
２の径が十分大きければ問題ないが、径が小さい場合に
は磁界の向きと磁気抵抗素子の向きに傾きが生じ、結果
出力信号の振幅が小さくなったり、出力波形も歪むなど
の影響がでる場合がある。従って２つの抵抗体５０１
ａ，５０１ｂに多少の角度をつけて構成し、出力精度を
確保するようにしても良い。

【００３９】次に、センサ１０２の出力信号に基づき、
位置検出データに変換するエンコーダ回路１０３につい
て図６，図７を用いて説明する。図６において、センサ
１０２の出力信号である擬似正弦波出力信号ＭＲａ、余
弦波出力信号ＭＲｂの２相の信号を夫々、第１の加算回
路６０１、減算回路６０２にて加算、減算処理を行う。
こうして夫々ＭＲａ，ＭＲｂの信号から１／８波長だけ
位相の異なるＭＲｃ、ＭＲｄを生成し、図７に示すよう
に夫々１／８波長の位相差のある４相の擬似正弦波ＭＲ
ａ〜ＭＲｄを確保する。必要に応じてＭＲａ、ＭＲｂ、
ＭＲｃ、ＭＲｄの４相波形から８相波形へと波形整形を
繰り返し、各波形間の位相差をより少なくした（４×
Ｎ）相の擬似正弦波形を生成してもよい。

【００４０】次いでコンパレータ回路６０３にて、磁気
抵抗素子の２相の出力信号、及び波形生成された２相の
信号をコンパレートして図７に示すような４ビットのデ
ジタルデータ（ＣＭＰａ，ＣＭＰｃ，ＣＭＰｂ，ＣＭＰ
ｄ）を生成する。擬似正弦波形１周期あたり、コンパレ
ート回路６０３の４ビットのデジタルデータ（ＣＭＰ
ａ，ＣＭＰｃ，ＣＭＰｂ，ＣＭＰｄ）は８通りのパター
ンとなるために、内挿データ変換回路６０４にて、正弦
波の位相の方向、即ちステッピングモータ１０１の回転
方向に合せて位置データが増減をするよう３ビットのデ
ジタルデータに変換する。例えば、４ビット出力データ
（ＣＭＰａ，ＣＭＰｃ，ＣＭＰｂ，ＣＭＰｄ）が（１，
０，０，０）の場合に、３ビットの変換データを（０，
０，０）とし、４ビット出力データ（ＣＭＰａ，ＣＭＰ
ｃ，ＣＭＰｂ，ＣＭＰｄ）が（１，１，０，０）、
（１，１，１，０）と推移していく場合に、３ビットの
変換データを（０，０，１）、（０，１，０）、（０，
１，１）と推移させていくように変換すればよい。又、
複数の擬似正弦波の領域の位置検出を行うために、ＵＰ
／ＤＯＷＮカウンタ６０５を用いる。ＵＰ／ＤＯＷＭカ
ウンタ６０５は、内挿データ変換回路６０４の３ビット
出力信号が、オーバーフロー、アンダーフローする場合
に、変換前の４ビットのデジタルデータの変化を見てカ
ウンタの操作を行う。即ち先ほどの例で考えると、４ビ
ット出力データ（ＣＭＰａ，ＣＭＰｃ，ＣＭＰｂ，ＣＭ
Ｐｄ）が（０，０，０，０）から（１，０，０，０）と
変化した場合に、ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ６０５をイン
クリメントさせて、同様に４ビット出力データ（ＣＭＰ
ａ，ＣＭＰｃ，ＣＭＰｂ，ＣＭＰｄ）が（１，０，０，
０）から（０，０，０，０）に変化した場合に、デクリ
メントさせる。又、擬似正弦波形の信号状態如何では
（例えば信号にノイズが混入した場合）、位相差の少な
い波形同士（例えばＭＲａ相と、ＭＲｃ相）では、コン
パレート結果の変化が逆転する場合が想定され、このよ
うな場合には位置の誤検出を引き起こす。従って、ＵＰ
／ＤＯＷＭカウンタ１０５の動作においては、図７にお
けるＣＭＰｂがＬレベルである場合にＣＭＰａの変化点
で判断するように、位相差のある波形のコンパレート信
号をＵＰ／ＤＯＷＮカウンタの変化の判断条件に使用す
れば、誤動作は大幅に軽減される。以上のような構成で
エンコーダ回路１０３は動作するが、エンコーダの分解
能を上げる場合には、波形精度が確保できる限り前述し
た加算、減算処理を施し、擬似正弦波の相数を増やせば
よい。

【００４１】図８は、エンコーダ補正回路１０４の構成
を示すブロック図である。エンコーダ補正回路１０４は
エンコーダデータメモリ回路７０１と補正量演算回路７
０２により構成される。エンコーダデータメモリ回路７
０１は、開ループ位置指令回路１０５ｂの出力Ｚの信号
のラッチタイミングで、エンコーダ回路１０３のＵＰ／
ＤＯＷＮカウンタ６０５の出力信号Ｘ０を記憶する。こ
のラッチ信号Ｚは、１回以上出力され、その都度エンコ
ーダデータメモリ回路７０１は出力信号Ｘ０を記憶す
る。但し、記憶されたデータは、上書きされることな
く、過去の記憶データは保持される。補正量演算回路７
０２は、エンコーダデータメモリ回路７０１で記憶され
た１以上のデータを元にオフセットデータＺ０を算出す
る。このデータＺ０は、エンコーダ回路１０３の出力信
号Ｘがステッピングモータ１０１が基準位置にある場合
に零になるよう補正するオフセットデータであり、エン
コーダ回路１０３へ出力する。エンコーダ回路１０３で
は、補正量演算回路７０２の出力Ｚ０をＵＰ／ＤＯＷＮ
カウンタ６０５の出力信号Ｘ１に加算して、エンコーダ
データＸを生成する。

【００４２】図９は、本実施の形態の比較回路１０６と
補償制御回路１０７の構成を示すブロック図である。比
較回路１０６は減算器であり、閉ループ位置指令発生回
路１０５ａの出力する位置指令データＲ１からエンコー
ダ回路１０３の出力する位置データＸを減算し、偏差デ
ータＥを得る。補償制御回路１０７は偏差データＥに比
例した制御量を演算する比例要素演算回路８０１と、偏
差データの微分値に比例した制御量を演算する微分要素
演算回路８０２と、偏差データＥの積分値に比例した制
御量を演算する積分要素演算回路８０３と、これらの出
力を加算する加算器８０４から構成される。この図９に
示された構成は古典制御理論におけるＰＩＤ制御回路と
同一であるため、ここでは詳細な説明は省略する。

【００４３】図１０は、本実施の形態のアドレス生成回
路１０８、及びアドレス関数変換回路１０９の構成を示
すブロック図である。アドレス生成回路１０８におい
て、位置指令データアドレス生成回路９０１は、開ルー
プ位置指令発生回路１０５ｂの出力信号Ｒ２を元にアド
レスＡＤ１を生成する。エンコーダデータアドレス生成
回路９０２も同様に、エンコーダ回路１０３の出力信号
Ｘを元にアドレスＡＤ２を生成する。

【００４４】スイッチ９０３はアドレス関数変換回路１
０９への入力を切り替える。エンコーダ補正回路１０４
における補正データＺ０が確定するまでの初期状態に於
いて、ステッピングモータ１０１を基準位置まで回転移
動させるときには、スイッチ９０３は、位置指令データ
アドレス生成回路９０１の出力信号ＡＤ１を選択し、ア
ドレス関数変換回路１０９へ入力する。エンコーダ補正
回路１０４における補正データＺ０が確定した場合に
は、エンコーダデータアドレス生成回路９０２の出力を
アドレス関数変換回路１０９へ入力する。しかし、引き
続き開ループでステッピングモータ１０１を駆動する場
合には、初期動作と同様に位置指令データアドレス生成
回路９０１の出力信号ＡＤ１を選択する。

【００４５】アドレス関数変換回路１０９において、負
荷トルク補正回路１１０の出力信号Ｄ１をもとに、アド
レス生成回路１０８の出力するアドレスデータＡＤのア
ドレスをアドレスデータ補正回路９０４により補正す
る。アドレスデータ補正回路９０４によるアドレスの補
正は、アドレスデータＡＤにアドレス値の補正量である
負荷トルク補正回路１１０の出力信号Ｄ１を加算するこ
とで行われる。補正正弦波値をテーブル化したＲＯＭで
ある正弦波余弦波テーブル９０６では、入力されたアド
レスデータＡＤによって指示された関数データを出力す
る。アドレスデータと関数データの関係は正弦波関数に
なっている。正弦波関数は周期関数であり、１周期を超
えるデータをテーブル化する必要はない。あるビット数
で表現できるアドレスデータの範囲をちょうどこれらの
関数の１周期に一致させ、それ以上のビットを切り捨て
れば、正弦波余弦波テーブル９０３へのアドレスデータ
はこの範囲に収まり１周期分のテーブルで良い。更に
は、正弦波データと同様に余弦波データを読み込む場合
には定まったビット長のアドレスデータの上位２ビット
を１／４周期分ほどシフトすれば余弦波データを読み込
むためのアドレスデータを算出でき、これを時分割で処
理できれば正弦波テーブルで余弦波のデータを読み込む
ことができる。又、更には、正弦波は周期性を持つと共
に対象性を持つ関数である。従って、前出のテーブルを
読み込むための定まったビット長のアドレスデータの上
位２ビットを更に切り捨て、アドレスデータの補数演算
と読み込んだ正弦波データの符号変換の２つの演算を施
すことによりテーブルは正弦波の１／４波長のみのテー
ブルで実現できる。関数テーブル読み込みアドレスデー
タ発生回路９０５では、アドレスデータＡＤの値より、
１／４波長のみの正弦波値をテーブル化した正弦波余弦
波テーブル９０６の値を変換するための正弦波データの
アドレスＡＤａ、及び余弦波データのアドレスＡＤｂを
生成し、時分割で正弦波余弦波テーブル９０６から読み
込んだ正弦波データＲＴ_a 、余弦波データＲＴ _b を必要
に応じて符号変換する。更には必要に応じてアドレスデ
ータの補数演算して、正弦波余弦波テーブル９０６より
データを読む処理で、全位相を表現した正弦波信号Ｓ
ａ、余弦波信号Ｓｂを出力する。尚、アドレス生成回路
１０８の位置指令データアドレス生成回路９０１及びエ
ンコーダデータアドレス生成回路９０２におけるアドレ
スＡＤ１、及びＡＤ２は、１／４波長分のテーブルデー
タを用いて、補数演算、符号変換の施して１周期分の正
弦波、余弦波を生成するのに必要なビット長のアドレス
を示している。

【００４６】図１１は、本実施の形態の負荷トルク補正
回路１１０の構成を示すブロック図である。負荷トルク
補正回路１１０の動作を説明する前に、本実施の形態の
負荷トルク補正回路１１０の対象となる、ステッピング
モータ１０１に加わる負荷について説明する。ステッピ
ングモータ１０１に加わる負荷トルクには、ステッピン
グモータ１０１を構成する要素であるローター２０１、
ステーター２０２，２０３間に発生する磁気飽和などの
磁気的要因や加工、組立て精度の機械的要因等によりデ
ィテント力、軸ロスなど様々な負荷が発生する。こらら
の負荷の中で、ディテントトルクと呼ばれる磁気的要因
の負荷トルクは、回転角度に依存した周期性を持つ負荷
トルクで擬似正弦波形状の特性を示す。このディテント
トルクはステッピングモータが回転している状態では振
動や騒音などの問題を引き起こす可能性の高い負荷トル
クである。図１２に本実施の形態に使用している２相タ
イプＰＭ型のステッピングモータ１０１におけるディテ
ントトルクの特性と、ステッピングモータ１０１の理想
的なスティフネス特性１１０２と、ディテントトルク特
性１１０１を加味した場合のスティフネス特性１１０３
を示す。２相タイプのディテントトルク特性は一般的に
第４高調波の特性を示す。

【００４７】図１１において、開ループ補正データテー
ブル１００５は開ループ位置指令発生回路１０５ｂの出
力信号Ｒ２を元に負荷トルクを補正するためのあらかじ
めＲＯＭ化されている補正テーブルである。開ループ負
荷補正データテーブル１００６はアドレス生成回路１０
８の出力信号ＡＤ１を元に負荷トルクを補正するための
あらかじめＲＯＭ化されている補正テーブルである。開
ループ負荷補正アドレス生成回路１００１は、エンコー
ダ補正回路１０４の補正データが確定する以前の初期状
態や、開ループでステッピングモータ１０１を駆動する
場合において、関数データを指示するアドレスＡＤｏを
発生する。閉ループ負荷補正アドレス生成回路１００２
は、閉ループ制御を行う場合に関数データを指示するア
ドレスＡＤｃを発生する。開ループ負荷補正データテー
ブル１００５、閉ループ負荷補正データテーブル１００
６は、夫々入力されたアドレスデータＡＤｏ，ＡＤｃに
よって指示された関数データを出力する。アドレスデー
タと関数データの関係は正弦波関数になっているので、
アドレス関数変換回路１０９の構成と同様に、開ループ
負荷補正データテーブル１００５、閉ループ負荷補正デ
ータテーブル１００６は１／４波長の正弦波テーブルの
みＲＯＭ化してもよい。この場合には開ループ負荷補正
データ制御回路１００３、閉ループ負荷補正データ制御
回路１００４においても、アドレスデータの上位２ビッ
トを１／４周期分シフトして時分割でテーブル値を読み
込む処理、必要に応じて指示するアドレスデータの補数
演算処理、読み込んだ正弦波データの符号変換処理の３
つの処理を施すことにより、夫々開ループ位置指令デー
タＲ２、エンコーダデータＸに対応した負荷補正データ
Ｄ１，Ｄ２を出力する。

【００４８】閉ループ制御の場合の負荷トルクの補正と
開ループ制御の場合の負荷トルクの補正は補正経路が異
なり、閉ループ制御の場合は、補償制御回路１０７の出
力との加減算処理で補正するため、開ループ負荷補正デ
ータテーブル１００５のデータは補正するトルクそのも
ののデータが格納される。開ループ制御を行う場合は、
アドレス関数変換回路のアドレスそのものを制御して補
正するため、開ループ負荷補正データテーブル１００５
のデータは正規のアドレスからのシフト量を格納してい
る。

【００４９】又、負荷トルクの位相や大きさは、ステッ
ピングモータの素性の違い等で変化する場合があるた
め、負荷トルク補正回路１１０において開ループ負荷補
正アドレス補正回路１００７、閉ループ負荷補正アドレ
ス補正回路１００８、開ループ負荷補正データゲイン補
正回路１００９、閉ループ負荷補正データゲイン補正回
路１０１０を構成し、補正するデータの位相補正、ゲイ
ン補正を必要に応じて行う。又、テーブル化するデータ
や、位相、ゲインの調整はあらかじめ、事前にその大き
さ等を測定したデータを使用するか、回転動作応じて発
生する振動・騒音の変化、改善度合いから最適値を追込
む等の方法で設定する。

【００５０】以上のように構成された本実施の形態のス
テッピングモータ制御装置の動作を説明する。本実施の
形態のステッピングモータ制御装置では、エンコーダか
らの情報に基づきステッピングモータが最大トルクを発
生するための電流位相角度のアドレスを算出するための
初期化動作（制御は開ループ）と、閉ループ位置指令発
生回路１０５ａで発せられる位置指令に基づきステッピ
ングモータを回転制御する定常動作（制御は閉ループ）
を基本としている。しかしながら定常動作において、初
期化動作後引き続き開ループし制御を行っても構わな
い。初期化動作は、電源投入時や、何らかの障害でエン
コーダの回転角度情報が変化した場合に行われる。そこ
で、初期化動作から、最終的な位置決め制御に至るまで
の過程を順を追って説明する。

【００５１】電源投入時には、ステッピングモータの回
転角度が不定であると考えられるので、エンコーダの出
力は意味を持たない。このため、電源投入時は、開ルー
プ制御により、ステッピングモータを駆動し、基準位置
に負荷を駆動させる。基準位置においてエンコーダ出力
を記憶し、その後は、エンコーダの出力値と、基準位置
におけるデータとを比較することで、ステッピングモー
タ即ち負荷の位置を検出するようにする。

【００５２】これを行うために、図１０に示すアドレス
生成回路１０８のスイッチ９０３によって開ループ位置
指令発生回路１０５ｂからの入力信号から作成されたア
ドレス（ＡＤ１）をアドレス関数変換回路１０９に入力
する。アドレス関数変換回路１０９はアドレスデータに
基づいて、正弦波余弦波テーブル９０６から生成される
式（９）, 式（１０）に示す電流指令データを出力す
る。 Ｓａ＝ｃｏｓθ_e ・・・（９） Ｓｂ＝ｓｉｎθ_e ・・・（１０） ここで、θ_e は電気位相角度で、式（３）、式（４）で
示す記号と同義である。

【００５３】基準位置をθ_e が零の時に静止する位置と
し、開ループ位置指令発生回路１０５ｂが基準位置に対
応するデータを出力すれば、ステッピングモータ１０１
はその基準位置付近に停止する。このときに、ステッピ
ングモータ１０１が基準位置に停止しているときのエン
コーダの値Ｘ１を零から差引いたデータをエンコーダ補
正回路１０４の補正出力値Ｚ０とすれば, エンコーダ回
路１０３の出力Ｘには基準位置において零となるエンコ
ーダデータＸが得られる。

【００５４】しかしながら摩擦負荷、前出のディテント
トルク、軸偏心などによる軸負荷などの負荷トルクがあ
れば、意図する基準位置にステッピングモータは停止し
ない。そこで摩擦などの方向性を持つ負荷に対して、そ
の影響をキャンセルさせる動作について説明する。まず
電気位相角度θ_e を零の状態でエンコーダ値を読み込
み、ステッピングモータが停止状態にあることを確認し
た状態でステッピングモータが応答する大きさ、例え
ば、電気位相角度θ_e を１／４πほど負の方向にシフト
し、ステッピングモータが動き出したことエンコーダの
値の変化から確認した後に、θ_e を零に設定する。ステ
ッピングモータが停止した事を確認した後、その時のエ
ンコーダ値を記憶する。同様に正の方向に１／４πほど
正の方向にシフトし、再度θ_e を零に設定し、ステッピ
ングモータが停止した事を確認してエンコーダ値を記憶
する。以上、２通りの動作後の記憶されたエンコーダ値
を加算平均すれば、方向による負荷による停止位置のず
れによるエンコーダ値のずれが抑制され、より精度の高
い基準位置とエンコーダ値との絶対位置合わせが可能に
なる。この振動動作を繰り返せば、より精度の高い位置
合わせが期待できる。この振動動作による位置合わせ
は、方向性のある負荷の影響を抑制し、位置合わせ精度
を高めると共に、ステッピングモータの発生トルクが零
となる位置のうち不安定点で間違って停止してしまうこ
とを阻止し、安定点へ同期化させる効果もある。又、軸
負荷の影響等に対しては、基準位置がた又ま負荷トルク
の大きい位置である可能性もあるため、θ_e をステッピ
ングモータ１回転中の零でない他の複数の位相を基準と
して、同様の振動動作を行い、そのエンコーダ値を用い
ることでその影響が緩和され、精度の高い基準位置とエ
ンコーダ値との絶対位置合わせが可能になる。又、負荷
トルク補正回路１１０では、回転角度に応じた負荷トル
クを補正するため回転角度と負荷トルクの位置合わせも
必要になるが、基準となる電気位相角度θ_e が零となる
状態での負荷トルクとの位相関係はあらかじめ設定され
うるものであるため、上記の回転角度即ちエンコーダ値
の位置合わせが完了すればその値を元に補正トルクの位
相合わせを行えばよい。

【００５５】基準位置とエンコーダ値の位置合わせが終
了すれば、閉ループでの制御が可能になるが、そのまま
開ループ位置指令発生回路１０５ｂの指令に基づき、開
ループで制御を行っても構わない。閉ループ位置指令発
生回路１０５ａによる制御を行う場合は、制御モード指
令閉ループでの制御モードとするため、アドレス生成回
路１０８の入力をエンコーダ回路１０３の出力からの信
号経路に切り替え、駆動回路１１３も同様に閉ループ駆
動経路であるＶａ１，Ｖｂ１の入力を選択する。アドレ
ス生成回路１０８，アドレス関数変換回路１０９は、エ
ンコーダ回路１０３の出力値より、常時ステッピングモ
ータ１０１の発生トルクを最大となるトルク（ホールデ
ィングトルク）を常時確保するよう、電流位相角度θ_e
を式（６）に従って選択し、式（９）式（１０）に相当
する電流データを出力する。又エンコーダ回路１０３の
出力と閉ループ位置指令発生回路１０５ａの出力との偏
差を元に、この偏差が０になるよう補償制御回路１０７
にてＰＩＤ制御を施し、モータ駆動に必要なトルクを演
算する。この補償制御回路１０７の出力に、負荷トルク
補正回路１１０で算出された回転角度に応じた補正トル
クを加減算し、負荷トルクの影響を取り除く。

【００５６】初期動作に引き続き開ループ制御を行う場
合は、アドレス生成回路１０８の入力を開ループ位置指
令発生回路１０５ｂからの信号経路に切り替えると共
に、駆動回路１１３の入力もアドレス関数変換回路１０
９からの信号Ｓａ，Ｓｂを選択する。尚、負荷トルク補
正回路１１０からの負荷トルクの補正方法であるが、開
ループ負荷補正データテーブル１００５を読み込むアド
レス位置をシフトしてその影響を補正する。図１３にそ
のイメージ図を示す。開ループ位置指令発生回路１０５
ｂがステッピングモータの回転が等速になるよう一様に
変化するデータを出力した場合、アドレス生成回路で生
成するアドレスも一様に推移し、その結果正弦波、余弦
波の電流をステッピングモータに供給するが、負荷トル
クの影響で、ステッピングモータの安定点は等速に推移
せず、その結果周期性を持つ振動的な速度変動が発生す
る。図１３（ｃ）は無負荷時の電流特性を示している。
そこで、開ループ位置指令発生回路が一様に変化する指
令データを出力する場合に、図１３（ｂ）に示すように
安定点が等速に推移するよう、指令に対応するアドレス
を補正する。結果的には図１３（ｃ）の点線で示すよう
な歪んだ電流波形としてステッピングモータに供給され
る。

【００５７】（実施の形態２）図１４は、本発明の実施
の形態２に係るステッピングモータ制御装置のブロック
図である。第１図に示した実施の形態１の構成と対応す
る部分には同一の符号を付す。この実施の形態２におい
て、第１図に示した実施の形態１の場合の構成と異なる
のは、負荷トルク補正回路１１０，加減算回路１１１を
除き、速度検出回路１１４と、ＬＰＦ回路１１５，アド
レスデータ補正回路１１６，ＬＰＦ回路１１６を設けた
ことである。その他の構成は実施の形態１の場合と同様
であるからここでは詳しい説明は省略する。

【００５８】図１４において、新たに加えた構成要素の
うち、速度検出回路１１４は、エンコーダ回路１０３の
出力信号を微分処理し、ステッピングモータ１０１の回
転速度を演算する。ＬＰＦ回路１１６は乗算回路の出力
のうち一定周波数以上の成分を遮断するフィルタであっ
て、一次ないし２次以上のＬＰＦで、カットオフ周波数
は、補償制御回路１０７の特性に影響しない程度に、且
つ不必要な駆動電流成分を遮断するためにできるだけ低
めに設定されている。

【００５９】アドレス補正回路１１５は、ＬＰＦ回路１
１６により遅れる電気位相角度を補正する回路で、位相
遅れ量に相当するアドレスの補正量を出力するものであ
る。

【００６０】図１５に、ＬＰＦ回路１１６によって遅れ
る位相量とステッピングモータ１０１の回転速度との関
係図を示し、動作原理を説明する。ステッピングモータ
１０１が閉ループにて制御される場合、アドレス関数変
換回路１０９より、エンコーダ回路１０３の出力信号に
応じて、ステッピングモータが常時最大のトルクを発生
する電気位相角度の正弦波、余弦波の信号を出力する。
そして、補償制御回路１０７の必要なトルク量を示す出
力値との乗算結果をステッピングモータ１０１へ供給
し、この駆動電流で回転させる。しかし正弦波、余弦波
の出力信号がリアルタイムに供給されて初めてステッピ
ングモータ１０１は最大トルクを発生する。従って、時
間的な遅れがあって所望の電流が供給されるまでにステ
ッピングモータ１０１が回転していれば、その位相のず
れ、即ちエンコーダ回路１０３の出力のずれに相当する
電気位相角度分ほどずれ、その結果ステッピングモータ
１０１の発生トルクの低下を招くことになる。時間遅れ
量が同じであれば当然回転速度が大きいほど、この影響
は大きくなる。アドレス関数変換回路１０９より正弦
波、余弦波を読み込み、ステッピングモータ１０１を駆
動するまでの信号系途中にＬＰＦ回路１１６を挿入する
ことは、読み込んだ正弦波、余弦波の夫々の信号の位相
遅れを発生させ結果的には上述した時間遅れのある場合
と等価となるため、ステッピングモータ１０１の発生ト
ルクの低下を引き起こす。ステッピングモータ１０１の
回転速度が大きければ、アドレス関数変換回路１０９よ
り読み出す正弦波、余弦波の周波数も大きくなるため影
響は大きくなる。

【００６１】そこで、速度検出回路１１４で算出したス
テッピングモータ１０１の回転速度に比例関係にあるア
ドレス関数変換回路１０９より読み出す正弦波、余弦波
の周波数において、ＬＰＦ回路１１６の位相遅れ量を算
出し、その位相遅れに相当する位相角度分だけ電気位相
角度を進める補正を行う。図１５（ａ）〜（ｃ）を参照
すれば、ステッピングモータ１０１の回転速度がＶ１
［ｐｐｓ］であった場合の読み出す正弦波、余弦波の周
波数ｆ１［Ｈｚ］においてＬＰＦ回路１１５のＬＰＦの
位相の遅れ量であるΔθ１［°］ほど電気位相角度を進
める。Ｖ１［ｐｐｓ］の速度より大きいＶ２［ｐｐｓ］
の速度の場合には、読み出す周波数ｆ２［Ｈｚ］におけ
る位相遅れ量Δθ２［°］ほど電気位相角度を進める。
しかしながら、ＬＰＦの影響による位相の遅れ量を逐一
計算することは回路規模の増大を招くため、あらかじめ
ＬＰＦの特性を踏まえ、図１５（ｄ）に示すようにステ
ッピングモータ１０１の回転速度に対応する電気位相角
度の進み量をテーブル化しＲＯＭに貯えておく。そして
ステッピングモータの回転制御時にＲＯＭより読み出し
て補正を行う。

【００６２】以上の構成により、ＬＰＦ挿入により発生
するトルク減少の影響を抑制しながら効果的にステッピ
ングモータ駆動時の振動、騒音を押さえることが可能に
なる。

【００６３】尚上述した各実施の形態では、回転角度検
出回路としてセンサ１０２及びエンコーダ回路１０３を
用いているが、ステッピングモータ１０１の軸に直接ア
ブソリュート型ロータリーエンコーダを接続してもよ
く、インクリメンタル型ロータリーエンコーダとカウン
タを組合せて構成してもよい。

【００６４】（実施の形態３）図１６は、本発明の実施
の形態３に係るレンズ装置の一例を示す構成図であり、
実施の形態１、又は実施の形態２によるステッピングモ
ータ制御装置をビデオカメラ用レンズ鏡筒のズームレン
ズ駆動のための駆動源として組み込んだレンズ装置を示
している。即ち図１６において、１５０１は、ビデオカ
メラ用レンズ鏡筒であり、レンズ鏡筒１５０１は、光軸
方向に移動可能なズームレンズ群１５０２、フォーカス
レンズ群１５０３、第１の固定レンズ群１５０４、第２
の固定レンズ群１５０５の４つのレンズ群が構成され、
ズームレンズ群１５０３と、第２の固定レンズ群１５０
５との間に、絞り１５０６が配設されている。ズームレ
ンズ群１５０２には、図１に示されるステッピングモー
タ制御装置におけるセンサ１０２が取り付けられたステ
ッピングモータ１０１が、直線送り支持機構１５０７を
介し、ズームレンズ群１５０２を光軸方向に移動可能に
支持されている。

【００６５】このように構成されたレンズ装置を使用す
ることにより、ズーミングの際のズームレンズ群の移動
に対して高速、高精度な位置決めを可能にすると共に低
電力で、且つ静かな移動をも可能にするため、ズーミン
グ性能が大幅に改善される。

【００６６】（実施の形態４）図１７は、本発明の実施
の形態４に係るレンズ装置の一例を示す構成図であり、
実施の形態１、又は実施の形態２によるステッピングモ
ータ制御装置をビデオカメラ用レンズ鏡筒のフォーカス
レンズ駆動のための駆動源として組み込んだレンズ装置
を示している。即ち図１７において、１６０１は、ビデ
オカメラ用レンズ鏡筒であり、レンズ鏡筒１６０１は、
光軸方向に移動可能なズームレンズ群１６０２、フォー
カスレンズ群１６０３、第１の固定レンズ群１６０４、
第２の固定レンズ群１６０５の４つのレンズ群が構成さ
れ、ズームレンズ群１６０３と、第２の固定レンズ群１
６０５との間に、絞り１６０６が配設されている。フォ
ーカスレンズ群１６０３には、図１に示されるステッピ
ングモータ制御装置におけるセンサ１０２が取り付けら
れたステッピングモータ１０１が、直線送り支持機構１
６０７を介し、フォーカスレンズ群１６０３を光軸方向
に移動可能に支持されている。

【００６７】このように構成されたレンズ装置を使用す
ることにより、オートフォーカス制御の際のフォーカス
レンズ群の移動に対して高速、高精度な位置決めを可能
にすると共に低電力で、且つ静かな移動をも可能にする
ため、オートフォーカス制御性能が大幅に改善される。

【００６８】（実施の形態５）図１８は、本発明の実施
の形態５に係るレンズ装置の一実施例を示す構成図であ
り、実施の形態１、又は実施の形態２によるステッピン
グモータ制御装置をビデオカメラ用レンズ鏡筒の絞り駆
動のための駆動源として組み込んだレンズ装置を示して
いる。即ち図１８において、１７０１は、ビデオカメラ
用レンズ鏡筒であり、レンズ鏡筒１７０１は、光軸方向
に移動可能なズームレンズ群１７０２、フォーカスレン
ズ群１７０３、第１の固定レンズ群１７０４、第２の固
定レンズ群１７０５の４つのレンズ群が構成され、ズー
ムレンズ群１７０２と、第２の固定レンズ群１７０５と
の間に、絞り１７０６が配設されている。絞り１７０６
には、図１に示されるステッピングモータ制御装置にお
けるセンサ１０２が取り付けられたステッピングモータ
１０１が、ステッピングモータ１０１の回転に伴い、絞
りを開閉するような変換支持機構１７０７を介して接続
されている。

【００６９】このように構成されたレンズ装置を使用す
ることにより、絞り開閉の制御を行う際の絞り羽の移動
に対して高速、高精度な位置決めを可能にすると共に低
電力で、且つ静かな移動をも可能にするため絞り開閉の
制御性能が大幅に改善される。

【００７０】

【発明の効果】以上述べたように本発明のステッピング
モータ駆動装置は、ステッピングモータにセンサを取り
付け、常時ステッピングモータの現在位置を検出してお
り、その現在位置をフィードバックすることにより閉ル
ープ制御系を構成し、ステッピングモータの位置を制御
する。従って脱調の心配もなくステッピングモータの性
能を最大限引き出すことができ、高速、高信頼性のステ
ッピングモータ制御装置を実現できるものである。

【００７１】又更には負荷トルク補正回路の構成により
ステッピングモータに加わる負荷トルクを効果的に抑制
し、振動、騒音の少ないステッピングモータ制御装置を
実現できる。

【００７２】更に請求項８によるステッピングモータ制
御装置によれば、補償制御回路の有する積分補償の作用
によって指令位置と現在位置との間に発生する定常偏差
を零にすることができるために、位置決め精度の高いス
テッピングモータ制御装置を実現することができる。

【００７３】従って本発明のステッピングモータ制御装
置をビデオカメラのズームレンズや、同じくフォーカス
レンズの駆動源として使用するならば、高速、高精度、
低電力で静かなレンズ駆動を容易に実現することができ
る。又、本発明のステッピングモータ制御装置をビデオ
カメラの絞り制御の駆動源として用いれば、高速、高精
度の絞り制御が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１におけるステッピングモ
ータ制御装置のブロック図である。

【図２】本発明の実施の形態１のステッピングモータ制
御装置におけるステッピングモータの構成を示す展開図
である。

【図３】一般的なステッピングモータのトルク特性図と
回転角度特性であるスティフネス特性図である。

【図４】本発明の実施の形態１の磁気抵抗素子センサと
マグネットの各磁極の位置関係と出力の関係を示す外略
図である。

【図５】本発明の実施の形態１の磁気抵抗素子センサと
マグネットの各磁極の位置関係を示す外略図である。

【図６】本発明の実施の形態１のエンコーダ回路のブロ
ック構成を示す図である。

【図７】本発明の実施の形態１のエンコーダ回路の動作
を示すタイムチャートである。

【図８】本発明の実施の形態１のエンコーダ補正回路の
ブロック構成を示す図である。

【図９】本発明の実施の形態１の比較回路と補償制御回
路のブロック構成を示す図である。

【図１０】本発明の実施の形態１のアドレス制御回路と
アドレス関数変換回路のブロック構成を示す図である。

【図１１】本発明の実施の形態１の負荷トルク補正回路
のブロック構成を示す図である。

【図１２】一般的なステッピングモータの負荷トルクの
一つであるディテントトルクとディテントトルクのある
場合のスティフネス特性を示す図である。

【図１３】本発明の実施の形態１の開ループ制御時の負
荷トルク補正の補正動作を示すイメージ図である。

【図１４】本発明の実施の形態２におけるステッピング
モータ制御装置のブロック構成図である。

【図１５】本発明の実施の形態２におけるアドレスデー
タ補正回路の特性図である。

【図１６】本発明の実施の形態１もしくは実施の形態２
のステッピングモータ制御装置をビデオカメラ用レンズ
鏡筒のズームレンズ駆動源として用いたレンズ装置の構
成図である。

【図１７】本発明の実施の形態１もしくは実施の形態２
のステッピングモータ制御装置をビデオカメラ用レンズ
鏡筒のフォーカスレンズ駆動源として用いたレンズ装置
の構成図である。

【図１８】本発明の実施の形態１もしくは実施の形態２
のステッピングモータ制御装置をビデオカメラ用レンズ
鏡筒の絞り駆動源として用いたレンズ装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

１０１ ステッピングモータ １０２ センサ １０２ａ 磁気抵抗素子 １０２ｂ 磁気ドラム １０３ エンコーダ回路 １０４ エンコーダ補正回路 １０５ 位置指令発生回路 １０５ａ 閉ループ位置指令発生回路 １０５ｂ 開ループ位置指令発生回路 １０６ 比較回路 １０７ 補償制御回路 １０８ アドレス生成回路 １０９ アドレス関数変換回路 １１０ 負荷トルク補正回路 １１１ 加減算回路 １１２ 乗算回路 １１３ 駆動回路 １１４ 速度検出回路 １１５ アドレス補正回路 １１６ ＬＰＦ回路 ２０１ ロータ ２０１ａ 回転シャフト ２０１ｂ マグネット ２０２ ステータ ２０２ａ ポール ２０２ｂ コイル ２０３ ステータ ２０３ａ ポール ２０３ｂ コイル ４０１ 磁気抵抗素子 ４０１ａ 抵抗体 ４０２ 磁気ドラム ５０１ 磁気抵抗素子 ５０２ 磁気ドラム ６０１ 第１の加算回路 ６０２ 減算回路 ６０３ コンパレート回路 ６０４ 内挿データ変換回路 ６０５ ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ ６０６ 第２の加算回路 ７０１ エンコーダデータメモリ回路 ７０２ 補正量演算回路 ８０１ 比例要素演算回路 ８０２ 微分要素演算回路 ８０３ 積分要素演算回路 ８０４ 加算器 ９０１ 位置指令データアドレス生成回路 ９０２ エンコーダデータアドレス生成回路 ９０３ スイッチ ９０４ アドレスデータ補正回路 ９０５ 関数テーブル読み込みアドレスデータ発生回路 ９０６ 正弦波余弦波テーブル １００１ 開ループ負荷補正アドレス生成回路 １００２ 閉ループ須加補正アドレス生成回路 １００３ 開ループ負荷補正データ制御回路 １００４ 閉ループ負荷補正データ制御回路 １００５ 開ループ負荷補正データテーブル １００６ 閉ループ負荷補正データテーブル １００７ 開ループ負荷補正アドレス補正回路 １００８ 閉ループ負荷補正アドレス補正回路 １００９ 開ループ負荷補正データゲイン補正回路 １０１０ 閉ループ負荷補正データゲイン補正回路 １５０１、１６０１、１７０１ レンズ鏡筒 １５０２、１６０２、１７０２ ズームレンズ群 １５０３、１６０３、１７０３ フォーカスレンズ群 １５０４、１６０４、１７０４ 第１の固定レンズ群 １５０５、１６０５、１７０５ 第２の固定レンズ群 １５０６、１６０６、１７０６ 絞り １５０７、１６０７ 直線送り支持機構 １７０７ 変換支持機構

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H044 BE03 DA01 DB03 DC06 5H580 AA04 BB01 BB02 BB09 CA02 CA12 FA04 FA13 FB03 GG03 HH09

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステッピングモータと、 ステッピングモータの回転角度を検出する回転角度検出
   回路と、 ステッピングモータを位置制御するための位置指令を発
   生する位置指令発生回路と、 前記位置指令発生回路の出力信号と前記回転角度検出回
   路の出力信号とを比較し、偏差信号を出力する比較回路
   と、 前記比較回路の出力偏差信号が零となるようにステッピ
   ングモータを駆動制御する補償制御回路と、 ステッピングモータの負荷トルクのうち回転角度に同期
   した負荷トルクを記憶し、補正する負荷トルク補正回路
   と、 前記回転角度検出回路の出力する回転角度検出信号から
   ステッピングモータの発生するトルク量が常時最大とな
   るような電気位相角度のアドレス情報を算出するアドレ
   ス生成回路と、 前記アドレス生成回路の出力信号に応じて、一定の関数
   に従い、ステッピングモータの駆動電流の信号を出力す
   るアドレス関数変換回路と、 前記補償制御回路の出力と前記アドレス関数変換回路の
   出力を乗算する乗算回路と、 前記乗算回路の出力に応じてステッピングモータを駆動
   する駆動回路と、を具備することを特徴とするステッピ
   ングモータ制御装置。装置。
2. 【請求項２】 前記回転角度検出回路の出力を微分処理
   し回転速度を算出する速度検出回路と、 前記速度検出回路の出力より、前記アドレス生成回路へ
   電気位相角度のアドレス情報の補正を行うアドレス補正
   回路と、 前記乗算回路の出力のうちある一定の周波数以上の領域
   成分を遮断するＬＰＦ回路とを更に具備し、 前記アドレス補正回路は、前記速度検出回路の速度情報
   と前記ＬＰＦ回路の特性に応じた補正量を出力して、前
   記ＬＰＦ回路の特性による位相の遅れを補正することを
   特徴とする請求項１記載のステッピングモータ制御装
   置。
3. 【請求項３】 前記回転角度検出回路は、 前記ステッピングモータの回転運動に応じて互いに位相
   の異なる複数相の信号を出力するセンサと、 前記複数相の信号を内挿して前記ステッピングモータの
   現在角度を算出するエンコーダ回路と、を具備すること
   を特徴とする請求項１又は２記載のステッピングモータ
   制御装置。
4. 【請求項４】 前記センサは、 磁気抵抗素子と、前記ステッピングモータのスクリュー
   軸中心線上に配設された円筒形状の磁気ドラムとを含ん
   で構成され、 前記磁気ドラムは円周外面に多極着磁され、前記磁気抵
   抗素子は前記磁気ドラムの外周面に正対して配設される
   ことを特徴とする請求項３記載のステッピングモータ制
   御装置。
5. 【請求項５】 前記センサは、 磁気抵抗素子と、前記ステッピングモータのスクリュー
   軸中心線上に配設された円筒形状の磁気ドラムとを含ん
   で構成され、 前記磁気ドラムは円筒形状の外周面近くの平面部に前記
   ステッピングモータのスクリュー軸を中心として放射線
   状に多層着磁され、前記磁気抵抗素子は磁気ドラムの着
   磁された平面部に正対して配設されることを特徴とする
   請求項３記載のステッピングモータ制御装置。
6. 【請求項６】 前記センサは、 磁気抵抗素子と、前記磁気検出抵抗素子に正対して配設
   された円筒形状で円周方向に多極着磁された磁気ドラム
   とを含んで構成され、 前記磁気ドラムの中心は前記ステッピングモータのスク
   リュー軸中心線上に配設されることを特徴とする請求項
   ３記載のステッピングモータ制御装置。
7. 【請求項７】 前記磁気抵抗素子は、前記磁気ドラムの
   外周上に着磁されたＳ極、Ｎ極のマグネットの幅に相当
   する間隔で１波長に相当する正弦波、余弦波を出力する
   ものであり、 前記エンコーダ回路は、 前記正弦波、余弦波を１回以上の加減算処理で作成され
   た（４×Ｎ）相の各信号のピーク電圧とボトム電圧の中
   間電圧と各信号をコンパレートするコンパレータ回路
   と、 該コンパレータの立ち上がり、立ち下がりの変化点にお
   いて他相のコンパレート結果に元づきアップダウンカウ
   ントすることでステッピングモータの回転角度を算出す
   るアップダウンカウンタと、を有することを特徴とする
   請求項６又は７記載のステッピングモータ制御装置。
8. 【請求項８】 前記補償制御回路は、前記位置指令発生
   回路の出力と、前記エンコーダ回路の出力に対し定常的
   な偏差を発生しないように積分系の補償フィルタを構成
   していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項
   記載のステッピングモータ制御装置。
9. 【請求項９】 前記アドレス関数変換回路は、一定の関
   数に従ったデータをテーブル化したメモリ回路を含んで
   構成され、前記メモリ回路は前記アドレス生成回路の出
   力に応じて前記メモリ回路から前記一定の関数に従った
   データを読み出し互いに位相の異なる複数相の信号を生
   成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記
   載のステッピングモータ制御装置。
10. 【請求項１０】 前記アドレス関数変換回路は、複数相
    の略正弦波関数を出力するものであり、 前記メモリ回路は、前記正弦波の１／４周期分のデータ
    が格納されていることを特徴とする請求項９記載のステ
    ッピングモータ制御装置。
11. 【請求項１１】 前記負荷トルク補正回路は、あらかじ
    め補正データをテーブル化したメモリ回路を含めて構成
    され、補正時に前記メモリ回路のテーブルデータを読み
    込んで補正を行うことを特徴とする請求項１記載のステ
    ッピングモータ制御装置。
12. 【請求項１２】 前記負荷トルク補正回路は、前記メモ
    リ回路のテーブルデータを読み込んだ補正データの周
    期、位相、大きさを可変可能な回路構成になっているこ
    とを特徴とする請求項１１記載のステッピングモータ制
    御装置。
13. 【請求項１３】 前記アドレス補正回路は、あらかじめ
    回転速度に応じた位相の補正量をテーブル化したメモリ
    回路を含んで構成され、補正時に前記メモリ回路のテー
    ブルより補正データを読み込み補正を行うことを特徴と
    する請求項２記載のステッピングモータ駆動装置。
14. 【請求項１４】 請求項１〜１３のいずれか１項記載の
    ステッピングモータ制御装置をズームレンズの駆動源と
    して用いることを特徴とするレンズ装置。
15. 【請求項１５】 請求項１〜１３のいずれか１項記載の
    ステッピングモータ制御装置をフォーカスレンズの駆動
    源として用いることを特徴とするレンズ装置。
16. 【請求項１６】 請求項１〜１３のいずれか１項記載の
    ステッピングモータ制御装置を絞りの駆動源として用い
    ることを特徴とするレンズ装置。