JP2004015898A - ステッピングモータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】バイポーラ駆動のステッピングモータに用いられるハーフブリッジ回路や駆動ラインの数を減らす。
【解決手段】モータの異なる相のコイルの一端を連結したコモン端子に、同一のハーフブリッジ回路を接続し、異なる相のコイルの他端には各々別のハーフブリッジ回路を接続する。コモン端子が１ステップよりも十分に短い周期でプッシュ状態、プル状態を交互に繰り返すよう制御を行い、コモン端子ではないコイルの他端が１ステップ毎にプッシュ状態、プル状態を切換えるよう制御を行う。
【選択図】 図１
【解決手段】モータの異なる相のコイルの一端を連結したコモン端子に、同一のハーフブリッジ回路を接続し、異なる相のコイルの他端には各々別のハーフブリッジ回路を接続する。コモン端子が１ステップよりも十分に短い周期でプッシュ状態、プル状態を交互に繰り返すよう制御を行い、コモン端子ではないコイルの他端が１ステップ毎にプッシュ状態、プル状態を切換えるよう制御を行う。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はバイポーラ駆動によるステッピングモータ及びその駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバイポーラ駆動による２相ステッピングモータの駆動装置のブロック図を、図９に示す。１１０は２相ステッピングモータであり、内部にはＡ相コイルＬａ１０１、Ｂ相コイルＬｂ１０２、及び磁化されたロータ１０３とを有している。１２０Ａ＋，１２０Ａ−，１２０Ｂ＋及び１２０Ｂ−はハーフブリッジ回路であり、Ａ相コイルＬａ１０１用に一対、Ｂ相コイルＬｂ１０２用に一対と、計４個設けられている。１３０は制御回路であり、ハーフブリッジ回路１２０Ａ＋，１２０Ａ−，１２０Ｂ＋及び１２０Ｂ−の各々の駆動信号を制御している。
【０００３】
ハーフブリッジ１２０Ａ＋，１２０Ａ−，１２０Ｂ＋及び１２０Ｂ−は、プッシュプル回路であって、制御回路１３０からの制御信号によって、電流を流し出す状態（プッシュ状態）と電流を引き込む状態（プル状態）とに切換わり、この４つのハーフブリッジ回路１２０Ａ＋，１２０Ａ−，１２０Ｂ＋及び１２０Ｂ−のプッシュ状態、プル状態を順に切換えることで、Ａ相およびＢ相の極を切換え、ロータ１０３を段階的に回転させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例による場合、ハーフブリッジ回路は全部で４個必要となり、コイルに接続する駆動ライン線も４本必要となる。装置によっては、バイポーラ駆動による２相ステッピングモータを多数使用するものもあり、単純にハーフブリッジ回路や駆動ライン線を増加させることは装置の形状設計等に影響を与え、コストの点でも問題となっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願請求項１に記載の発明は、端子に電流を供給するプッシュ状態と端子から電流を吸い込むプル状態とを制御可能なプッシュプル回路を複数有し、該プッシュプル回路をコイルに接続してバイポーラ駆動によって動作するステッピングモータ駆動装置において、前記プッシュプル回路の少なくとも１つが異なる相のコイルの一端を接続したコモン端子に接続されていることを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について説明する。
【０００７】
図１は本発明第１の実施の形態にかかるステッピングモータの駆動装置のブロック図であり、１０は２相ステッピングモータであり、内部には互いの一端が接続されたＡ相コイルＬａ１とＢ相コイルＬｂ２、及び磁化されたロータ３とを有している。なお、この図は簡略化したものであり、ロータ３の磁極数は当然に２つに限定されるものではない。２０Ａ，２０Ｓ及び２０Ｂはハーフブリッジ回路であり、２０ＡはＡ相コイルＬａ１の端子Ａに接続され、２０ＢはＢ相コイルＬｂ２の端子Ｂに接続され、そして、２０ＳはＡ相コイルＬａ１とＢ相コイルＬｂ２とを接続したコモン端子Ｓに接続される。このようにハーフブリッジ回路は計３個設けられている。３０は制御回路であり、ハーフブリッジ回路２０Ａ，２０Ｓ及び２０Ｂの各々の駆動信号を制御している。
【０００８】
ハーフブリッジ回路２０Ａは、プッシュプル回路であって、入力端子ｉｎ１及びｉｎ２に入力された信号に応じて、電流をｏｕｔから供給する（ソース）状態（以下、プッシュ状態という）、電流を吸い込む（シンク）状態（以下、プル状態という）、及びｏｕｔがフローティングになり電流が流れないオープン状態の３つの状態を選択できる。制御回路３０は端子ＶｐａとＶｎａによる信号を制御することでハーフブリッジ回路２０Ａの状態を選択し、ステッピングモータ１０の駆動を制御する。同様にして、ハーフブリッジ回路２０Ｂは制御回路３０の端子ＶｐｂとＶｎｂからの信号によって制御され、ハーフブリッジ回路２０Ｓは制御回路３０の端子ＶｐｓとＶｎｓからの信号によって制御される。
【０００９】
次に各コイルに流れる電流について図２、図３を用いて説明する。
【００１０】
図２はハーフブリッジ回路２０Ａ、２０Ｓ及び２０Ｂの回路図で、２０１はＰｃｈＦＥＴ素子、２０２はＮｃｈＦＥＴ素子、２０３はＰｃｈＦＥＴ２０１をドライブするためのＰｃｈドライバ、２０４はＮｃｈＦＥＴ２０２をドライブするためのＮｃｈドライバである。
【００１１】
図３はハーフブリッジ回路２０Ａ、２０Ｓ及び２０Ｂのｏｕｔの状態を示したタイムチャート、及びそのときの各コイルに流れる電流を示した図である。
【００１２】
ここでコモン端子Ｓの状態は、常にプッシュ状態とプル状態の周期が１：１のパルス状になるように制御回路３０でコントロールされており、その周波数は可聴領域より高い数１０ｋＨｚ程度に固定されている。
【００１３】
ここでコイルＬａ１、コイルＬｂ２に流れる電流をそれぞれＩＬａ、ＩＬｂとする。
【００１４】
（状態１）の期間では端子Ａがプッシュ状態に固定される。コモン端子Ｓがプル状態のときは電流ＩＬａが端子ＡからコイルＬａ１を通ってコモン端子Ｓへ流れ込む。コモン端子Ｓがプッシュ状態のときは端子Ａとコモン端子Ｓが共にプッシュ状態となるため、ハーフブリッジ回路２０Ａ及び２０ＳのＰｃｈＦＥＴ２１がオンした状態となり、コイルＬａ１の両端をショートしたループを形成する。よって緩やかな放電電流が流れ、電流をホールドする効果をもたらす。このようにコモン端子Ｓのプル状態で充電が行われ、プッシュ状態で放電が行われる。端子Ａのプッシュの状態がコモン端子Ｓのプッシュ／プルの周期よりも十分に長い期間であれば、コイルＬａ１に流れる電流は図３のように充電と放電を繰り返し、その特性により略平衡した一定の電流が流れることになる。コイルＬｂ２についても同様であり、端子Ｂをプッシュ状態に固定することで、コイルＬｂ２に流れる電流は充電と放電を繰り返し、略平衡した一定の電流が流れることになる。
【００１５】
（状態２）の期間では端子Ａ及びＢは共にオープン状態に固定される。そのため、コイルＬａ１及びＬｂ２には電流が流れない。
【００１６】
（状態３）の期間では端子Ａがプル状態に固定される。コモン端子Ｓがプッシュ状態のときは電流ＩＬａがコモン端子ＳからコイルＬａ１を通って端子Ａへ流れ込む。コモン端子Ｓがプル状態のときは端子Ａとコモン端子Ｓが共にプル状態となるため、ハーフブリッジ回路２０Ａ及び２０ＳのＮｃｈＦＥＴ２０２がオンした状態となり、コイルＬａ１の両端をショートしたループを形成する。よって緩やかな放電電流が流れ、電流をホールドする効果をもたらす。このようにコモン端子Ｓのプッシュ状態で充電が行われ、プル状態で放電が行われる。端子Ａのプルの状態がコモン端子Ｓのプッシュ／プルの周期よりも十分に長い期間であれば、コイルＬａ１に流れる電流は図３のように充電と放電を繰り返し、その特性により略平衡した一定の電流が流れることになる。コイルＬｂ２についても同様であり、端子Ｂをプル状態に固定することで、コイルＬｂ２に流れる電流は充電と放電を繰り返し、略平衡した一定の電流が流れることになる。
【００１７】
このようにコモン端子Ｓを、常にプッシュ状態とプル状態の周期が１：１のパルス状になるように制御して、端子Ａ及びＢをプッシュ状態、プル状態、そしてオープン状態の３つの状態を使い分けることにより、コイルＬａ１及びＬｂ２に流れる電流の向きや量などをそれぞれ独立して制御することが可能となる。
【００１８】
コイルＬａ１の一端とコイルＬｂ２の一端は共通のコモン端子Ｓに接続すればよいので、２相ステッピングモータであればハーフブリッジ回路と駆動ライン線はともに３個で足りる。
【００１９】
図４は２相励磁駆動のための、ハーフブリッジ回路の状態を示す図である。図３と同様にコモン端子Ｓはプッシュ状態とプル状態の周期が１：１になるように制御されている。
【００２０】
（ステップ１）の期間では端子Ａ及びＢを共にプッシュ状態にし、図３で説明したようにコイルＬａ１に端子Ａからコモン端子Ｓに向かって電流を流し、コイルＬｂ２に端子Ｂからコモン端子Ｓに向かって電流を流す。コイルＬａ１に接続されたヨークとＬｂ２に接続されたヨークは共にＳ極に励磁されるため、ロータのＮ極がコイルＬａ１に接続されたヨークとＬｂ２に接続されたヨークの両方に対向する位置になるようロータが回転する。
【００２１】
（ステップ２）の期間では端子Ｂをプル状態に切換えることで、コイルＬｂ２に流れる電流を反転させ、コイルＬｂ２に接続されたヨークをＮ極に励磁する。ロータは時計方向に回転し、ロータのＮ極がコイルＬａ１に接続されたヨークと対向し、Ｓ極がコイルＬｂ２に接続されたヨークと対向する。
【００２２】
（ステップ３）の期間では端子Ａをプル状態に切換えることで、コイルＬａ１に流れる電流を反転させ、コイルＬａ１に接続されたヨークをＮ極に励磁する。ロータは時計方向に回転し、ロータのＳ極がコイルＬａ１に接続されたヨークとＬｂ２に接続されたヨークの両方に対向する。
【００２３】
（ステップ４）の期間では端子Ｂをプッシュ状態に切換えることで、コイルＬｂ２に流れる電流を反転させ、コイルＬｂ２に接続されたヨークをＳ極に励磁する。ロータは時計方向に回転し、ロータのＳ極がコイルＬａ１に接続されたヨークと対向し、Ｎ極がコイルＬｂ２に接続されたヨークと対向する。
【００２４】
そして再度、端子Ａをプッシュ状態に切換えることで、（ステップ１）に戻ったことになる。
【００２５】
このように端子ＡとＢのプッシュ／プル状態を順に交互に切換え、これを繰り返すことで２相励磁駆動が行われる。
【００２６】
図５は１−２相励磁駆動のための、ハーフブリッジ回路の状態を示す図である。１−２相励磁駆動の駆動パターンについては周知であるので説明を省略する。図３、４で説明したのと同様、コモン端子Ｓをプッシュ状態とプル状態の周期が１：１になるよう制御し、端子Ａ、Ｂのプッシュ／プル状態を制御することでコイルＬａ１、Ｌｂ２の各々に接続されたヨークを励磁させてモータを回転させる。コイルＬａ１、Ｌｂ２の各々に接続されたヨークをそれぞれＮ極、Ｓ極へ励磁する方法については図４で説明した通りである。
【００２７】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では２相励磁駆動、１−２相励磁駆動について説明したが、本実施の形態ではマイクロステップ駆動を行うための制御について説明する。
【００２８】
図６はマイクロステップ駆動における、ハーフブリッジ回路の状態とコイルに流れる電流を示す図である。
【００２９】
コイルＬａ１を例にとり説明する。コモン端子Ｓの状態は第１の実施の形態と同様、プッシュ状態とプル状態の周期が１：１のパルス状になるように制御回路３０でコントロールされており、その周波数は可聴領域より高い数１０ｋＨｚ程度の周波数に固定されている。
【００３０】
コモン端子Ｓの１回のプッシュ状態と１回のプル状態とからなる期間を１周期とすると、この１周期の間に、端子Ａもプッシュ状態とプル状態が１回ずつ選択される。この１周期を基準として端子Ａのプッシュ状態とプル状態の割合を変化させて、つまりは、この１周期における端子Ａに流れる電流のデューティー比を変化させることでマイクロステップ駆動を行う。ここでのデューティー比は
プッシュ状態期間／（プッシュ状態期間＋プル状態期間）×１００ ％
で示される。
【００３１】
図６の（状態２）〜（状態５）では、端子Ａがプッシュ状態でコモン端子Ｓがプル状態のときに電流が端子Ａからコモン端子Ｓに流れて充電を行い、端子Ａとコモン端子Ｓが共にプッシュ状態、または共にプル状態のときに放電を行っている。（状態７）〜（状態１０）では、端子Ａがプル状態でコモン端子Ｓがプッシュ状態のときに電流がコモン端子Ｓから端子Ａに流れて充電を行い、端子Ａとコモン端子Ｓが共にプッシュ状態、または共にプル状態のときに放電を行っている。
【００３２】
（状態１）、（状態６）の期間では端子Ａはオープン状態であるためコイルＬａ１に電流は流れない。
【００３３】
（状態５）の期間ではデューティー比を１００％に設定してある。このとき１周期の前半５０％の期間で充電を行い、後半５０％の期間で放電を行っている。このとき端子ＡからコイルＬａ１を通ってコモン端子Ｓに流れる電流量を１００％とする。
【００３４】
（状態１０）の期間ではデューティー比を０％に設定してある。このとき１周期の後半５０％の期間で充電を行い、次の１周期の前半５０％の期間で放電を行っている。このときコモン端子ＳからコイルＬａ１を通って端子Ａに流れる電流量を−１００％とする。
【００３５】
以上の（状態１）、（状態５）、（状態６）及び（状態１０）については、第１の実施の形態で説明したコイル電流制御と違いはない。続いて本実施の形態の特徴を示す（状態２）〜（状態４）、（状態７）〜（状態９）のコイル電流制御について説明する。
【００３６】
（状態２）の期間ではデューティー比を６２．５％に設定してある。このとき１周期の前半１２．５％で充電を行い、後半８７．５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは、（状態５）の充電期間の長さの２５（＝１２．５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は２５％となる。
【００３７】
（状態３）の期間ではデューティー比を７５％に設定してある。このとき１周期の前半２５％で充電を行い、後半７５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは（状態５）の充電期間の長さの５０（＝２５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は５０％となる。
【００３８】
（状態４）の期間ではデューティー比を８７．５％に設定してある。このとき１周期の前半３７．５％で充電を行い、後半６２．５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは（状態５）の充電期間の長さの７５（＝３７．５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は７５％となる。
【００３９】
（状態７）の期間ではデューティー比を３７．５％に設定してある。このとき１周期の後半１２．５％で充電を行い、次の１周期の前半８７．５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは、（状態１０）の充電期間の長さの２５（＝１２．５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は−２５％となる。
【００４０】
（状態８）の期間ではデューティー比を２５％に設定してある。このとき１周期の後半２５％で充電を行い、次の１周期の前半７５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは（状態１０）の充電期間の長さの５０（＝２５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は−５０％となる。
【００４１】
（状態９）の期間ではデューティー比を１２．５％に設定してある。このとき１周期の後半３７．５％で充電を行い、次の１周期の前半６２．５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは（状態１０）の充電期間の長さの７５（＝３７．５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は−７５％となる。
【００４２】
この（状態１）〜（状態１０）におけるコイルＬａ１に流れる電流量ＩＬａは次のように表すことができる。コモン端子Ｓの１周期の長さをＴｓ、端子Ａのプッシュ期間をＴａｐｕｓｈ、（状態５）の期間のように端子Ａが常にプッシュ状態であるときに流れる電流をＩＡ０とすると、
ＩＬａ＝（Ｔａｐｕｓｈ／Ｔｓ−０．５）／０．５×ＩＡ０
となる。
【００４３】
端子Ｂについても同様に、端子Ｂのプッシュ期間をＴｂｐｕｓｈ、（状態１０）の期間のように端子Ｂが常にプッシュ状態であるときに流れる電流をＩＢ０とすると、
ＩＬｂ＝（Ｔｂｐｕｓｈ／Ｔｓ−０．５）／０．５×ＩＢ０
となる。
【００４４】
端子Ａ及び端子Ｂについて、（状態５）、（状態４）、（状態３）、（状態２）、（状態６）、（状態７）、（状態８）、（状態９）、（状態１０）、（状態９）、（状態８）、・・・と順に繰り返し制御を行えば、コイルＬａ１及びコイルＬｂ２に流れる電流量を、１００％、７５％、５０％、２５％、０％、−２５％、−５０％、−７５％、−１００％、−７５％、−５０％、…と段階的に変化させることができる。
【００４５】
ステップ毎にデューティー比を制御し、いわゆる台形波駆動を行うことでマイクロステップ駆動を実現している。
【００４６】
表１は電気角１周で３２分割のマイクロステップ駆動時における端子Ａ及び端子Ｂのデューティー比（もしくは状態）を表したものである。ステップ毎にデューティー比を制御し、各ステップの期間の長さは、コモン端子Ｓの１周期よりも十分に長く設定してある。
【００４７】
この表１をもとに、マイクロステップ駆動を行うときのステップと、コイルＬａ１及びＬｂ２に流れる電流量を表したのが図７である。
【００４８】
なお、本実施の形態では３２分割のマイクロステップ駆動における端子Ａ及び端子Ｂの制御方法について説明したが、デューティー比をもっと細かい幅で変化させることで、よりステップ数の多いマイクロステップ駆動を実現することができる。
【００４９】
上記の第１の実施の形態、第２の実施の形態では単体の２相ステッピングモータを駆動するための装置について説明を行ってきた。図１に示すように、１つの２相ステッピングモータを駆動するために３つのハーフブリッジ回路を用いていたが、複数の２相ステッピングモータを駆動する場合であれば、各々のステッピングモータのコモン端子Ｓに接続するハーフブリッジ回路は共用することができる。
【００５０】
図８に示すブロック図では、１つのハーフブリッジ回路２０Ｓが４つの２相ステッピングモータ１１，１２，１３及び１４のコモン端子Ｓと接続されている。本発明においては、いずれの２相ステッピングモータに対してもコモン端子Ｓはデューティー比５０％で制御すればよいため、各ステッピングモータのコモン端子Ｓに接続するハーフブリッジ回路は共用することができる。各２相ステッピングモータの端子Ａと端子Ｂの状態を、個々のモータで独立して制御すれば、モータ毎に異なる回転駆動を行うことが可能である。
【００５１】
なお、２相ステッピングモータを例にあげて本発明の説明を行ってきたが、本発明は５相ステッピングモータ等にも適用できることは明らかであろう。
【００５２】
【表１】
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バイポーラ駆動によるステッピングモータに異なる相のコイルの一端を接続したコモン端子を設け、このコモン端子に単一のハーフブリッジ回路を接続するため、ハーフブリッジ回路と駆動ラインの数を共に減少させることができる。
【００５４】
さらに、複数のステッピングモータを駆動する場合には、複数のステッピングモータのコモン端子に同一のハーフブリッジ回路を接続することができ、駆動回路の更なる削減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるバイポーラ駆動によるステッピングモータの駆動装置のブロック図
【図２】ハーフブリッジ回路の回路図
【図３】ハーフブリッジ回路の状態とコイルに流れる電流を示す図
【図４】２相励磁駆動させるためのハーフブリッジ回路の状態を示す図
【図５】１−２相励磁駆動させるためのハーフブリッジ回路の状態を示す図
【図６】マイクロステップ駆動におけるハーフブリッジ回路の状態とコイルに流れる電流を示す図
【図７】マイクロステップ駆動におけるステップ毎の電流量を示す図
【図８】本発明にかかるバイポーラ駆動による複数のステッピングモータの駆動装置のブロック図
【図９】従来のバイポーラ駆動によるステッピングモータの駆動装置のブロック図
【符号の説明】
１、２ コイル
３ ロータ
１０，１１，１２，１３，１４ ２相ステッピングモータ
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｓ，２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ ハーフブリッジ回路
３０ 制御回路
２０１ ＰｃｈＦＥＴ
２０２ ＮｃｈＦＥＴ
２０３ Ｐｃｈドライバ
２０４ Ｎｃｈドライバ
【発明の属する技術分野】
本発明はバイポーラ駆動によるステッピングモータ及びその駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバイポーラ駆動による２相ステッピングモータの駆動装置のブロック図を、図９に示す。１１０は２相ステッピングモータであり、内部にはＡ相コイルＬａ１０１、Ｂ相コイルＬｂ１０２、及び磁化されたロータ１０３とを有している。１２０Ａ＋，１２０Ａ−，１２０Ｂ＋及び１２０Ｂ−はハーフブリッジ回路であり、Ａ相コイルＬａ１０１用に一対、Ｂ相コイルＬｂ１０２用に一対と、計４個設けられている。１３０は制御回路であり、ハーフブリッジ回路１２０Ａ＋，１２０Ａ−，１２０Ｂ＋及び１２０Ｂ−の各々の駆動信号を制御している。
【０００３】
ハーフブリッジ１２０Ａ＋，１２０Ａ−，１２０Ｂ＋及び１２０Ｂ−は、プッシュプル回路であって、制御回路１３０からの制御信号によって、電流を流し出す状態（プッシュ状態）と電流を引き込む状態（プル状態）とに切換わり、この４つのハーフブリッジ回路１２０Ａ＋，１２０Ａ−，１２０Ｂ＋及び１２０Ｂ−のプッシュ状態、プル状態を順に切換えることで、Ａ相およびＢ相の極を切換え、ロータ１０３を段階的に回転させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例による場合、ハーフブリッジ回路は全部で４個必要となり、コイルに接続する駆動ライン線も４本必要となる。装置によっては、バイポーラ駆動による２相ステッピングモータを多数使用するものもあり、単純にハーフブリッジ回路や駆動ライン線を増加させることは装置の形状設計等に影響を与え、コストの点でも問題となっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願請求項１に記載の発明は、端子に電流を供給するプッシュ状態と端子から電流を吸い込むプル状態とを制御可能なプッシュプル回路を複数有し、該プッシュプル回路をコイルに接続してバイポーラ駆動によって動作するステッピングモータ駆動装置において、前記プッシュプル回路の少なくとも１つが異なる相のコイルの一端を接続したコモン端子に接続されていることを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について説明する。
【０００７】
図１は本発明第１の実施の形態にかかるステッピングモータの駆動装置のブロック図であり、１０は２相ステッピングモータであり、内部には互いの一端が接続されたＡ相コイルＬａ１とＢ相コイルＬｂ２、及び磁化されたロータ３とを有している。なお、この図は簡略化したものであり、ロータ３の磁極数は当然に２つに限定されるものではない。２０Ａ，２０Ｓ及び２０Ｂはハーフブリッジ回路であり、２０ＡはＡ相コイルＬａ１の端子Ａに接続され、２０ＢはＢ相コイルＬｂ２の端子Ｂに接続され、そして、２０ＳはＡ相コイルＬａ１とＢ相コイルＬｂ２とを接続したコモン端子Ｓに接続される。このようにハーフブリッジ回路は計３個設けられている。３０は制御回路であり、ハーフブリッジ回路２０Ａ，２０Ｓ及び２０Ｂの各々の駆動信号を制御している。
【０００８】
ハーフブリッジ回路２０Ａは、プッシュプル回路であって、入力端子ｉｎ１及びｉｎ２に入力された信号に応じて、電流をｏｕｔから供給する（ソース）状態（以下、プッシュ状態という）、電流を吸い込む（シンク）状態（以下、プル状態という）、及びｏｕｔがフローティングになり電流が流れないオープン状態の３つの状態を選択できる。制御回路３０は端子ＶｐａとＶｎａによる信号を制御することでハーフブリッジ回路２０Ａの状態を選択し、ステッピングモータ１０の駆動を制御する。同様にして、ハーフブリッジ回路２０Ｂは制御回路３０の端子ＶｐｂとＶｎｂからの信号によって制御され、ハーフブリッジ回路２０Ｓは制御回路３０の端子ＶｐｓとＶｎｓからの信号によって制御される。
【０００９】
次に各コイルに流れる電流について図２、図３を用いて説明する。
【００１０】
図２はハーフブリッジ回路２０Ａ、２０Ｓ及び２０Ｂの回路図で、２０１はＰｃｈＦＥＴ素子、２０２はＮｃｈＦＥＴ素子、２０３はＰｃｈＦＥＴ２０１をドライブするためのＰｃｈドライバ、２０４はＮｃｈＦＥＴ２０２をドライブするためのＮｃｈドライバである。
【００１１】
図３はハーフブリッジ回路２０Ａ、２０Ｓ及び２０Ｂのｏｕｔの状態を示したタイムチャート、及びそのときの各コイルに流れる電流を示した図である。
【００１２】
ここでコモン端子Ｓの状態は、常にプッシュ状態とプル状態の周期が１：１のパルス状になるように制御回路３０でコントロールされており、その周波数は可聴領域より高い数１０ｋＨｚ程度に固定されている。
【００１３】
ここでコイルＬａ１、コイルＬｂ２に流れる電流をそれぞれＩＬａ、ＩＬｂとする。
【００１４】
（状態１）の期間では端子Ａがプッシュ状態に固定される。コモン端子Ｓがプル状態のときは電流ＩＬａが端子ＡからコイルＬａ１を通ってコモン端子Ｓへ流れ込む。コモン端子Ｓがプッシュ状態のときは端子Ａとコモン端子Ｓが共にプッシュ状態となるため、ハーフブリッジ回路２０Ａ及び２０ＳのＰｃｈＦＥＴ２１がオンした状態となり、コイルＬａ１の両端をショートしたループを形成する。よって緩やかな放電電流が流れ、電流をホールドする効果をもたらす。このようにコモン端子Ｓのプル状態で充電が行われ、プッシュ状態で放電が行われる。端子Ａのプッシュの状態がコモン端子Ｓのプッシュ／プルの周期よりも十分に長い期間であれば、コイルＬａ１に流れる電流は図３のように充電と放電を繰り返し、その特性により略平衡した一定の電流が流れることになる。コイルＬｂ２についても同様であり、端子Ｂをプッシュ状態に固定することで、コイルＬｂ２に流れる電流は充電と放電を繰り返し、略平衡した一定の電流が流れることになる。
【００１５】
（状態２）の期間では端子Ａ及びＢは共にオープン状態に固定される。そのため、コイルＬａ１及びＬｂ２には電流が流れない。
【００１６】
（状態３）の期間では端子Ａがプル状態に固定される。コモン端子Ｓがプッシュ状態のときは電流ＩＬａがコモン端子ＳからコイルＬａ１を通って端子Ａへ流れ込む。コモン端子Ｓがプル状態のときは端子Ａとコモン端子Ｓが共にプル状態となるため、ハーフブリッジ回路２０Ａ及び２０ＳのＮｃｈＦＥＴ２０２がオンした状態となり、コイルＬａ１の両端をショートしたループを形成する。よって緩やかな放電電流が流れ、電流をホールドする効果をもたらす。このようにコモン端子Ｓのプッシュ状態で充電が行われ、プル状態で放電が行われる。端子Ａのプルの状態がコモン端子Ｓのプッシュ／プルの周期よりも十分に長い期間であれば、コイルＬａ１に流れる電流は図３のように充電と放電を繰り返し、その特性により略平衡した一定の電流が流れることになる。コイルＬｂ２についても同様であり、端子Ｂをプル状態に固定することで、コイルＬｂ２に流れる電流は充電と放電を繰り返し、略平衡した一定の電流が流れることになる。
【００１７】
このようにコモン端子Ｓを、常にプッシュ状態とプル状態の周期が１：１のパルス状になるように制御して、端子Ａ及びＢをプッシュ状態、プル状態、そしてオープン状態の３つの状態を使い分けることにより、コイルＬａ１及びＬｂ２に流れる電流の向きや量などをそれぞれ独立して制御することが可能となる。
【００１８】
コイルＬａ１の一端とコイルＬｂ２の一端は共通のコモン端子Ｓに接続すればよいので、２相ステッピングモータであればハーフブリッジ回路と駆動ライン線はともに３個で足りる。
【００１９】
図４は２相励磁駆動のための、ハーフブリッジ回路の状態を示す図である。図３と同様にコモン端子Ｓはプッシュ状態とプル状態の周期が１：１になるように制御されている。
【００２０】
（ステップ１）の期間では端子Ａ及びＢを共にプッシュ状態にし、図３で説明したようにコイルＬａ１に端子Ａからコモン端子Ｓに向かって電流を流し、コイルＬｂ２に端子Ｂからコモン端子Ｓに向かって電流を流す。コイルＬａ１に接続されたヨークとＬｂ２に接続されたヨークは共にＳ極に励磁されるため、ロータのＮ極がコイルＬａ１に接続されたヨークとＬｂ２に接続されたヨークの両方に対向する位置になるようロータが回転する。
【００２１】
（ステップ２）の期間では端子Ｂをプル状態に切換えることで、コイルＬｂ２に流れる電流を反転させ、コイルＬｂ２に接続されたヨークをＮ極に励磁する。ロータは時計方向に回転し、ロータのＮ極がコイルＬａ１に接続されたヨークと対向し、Ｓ極がコイルＬｂ２に接続されたヨークと対向する。
【００２２】
（ステップ３）の期間では端子Ａをプル状態に切換えることで、コイルＬａ１に流れる電流を反転させ、コイルＬａ１に接続されたヨークをＮ極に励磁する。ロータは時計方向に回転し、ロータのＳ極がコイルＬａ１に接続されたヨークとＬｂ２に接続されたヨークの両方に対向する。
【００２３】
（ステップ４）の期間では端子Ｂをプッシュ状態に切換えることで、コイルＬｂ２に流れる電流を反転させ、コイルＬｂ２に接続されたヨークをＳ極に励磁する。ロータは時計方向に回転し、ロータのＳ極がコイルＬａ１に接続されたヨークと対向し、Ｎ極がコイルＬｂ２に接続されたヨークと対向する。
【００２４】
そして再度、端子Ａをプッシュ状態に切換えることで、（ステップ１）に戻ったことになる。
【００２５】
このように端子ＡとＢのプッシュ／プル状態を順に交互に切換え、これを繰り返すことで２相励磁駆動が行われる。
【００２６】
図５は１−２相励磁駆動のための、ハーフブリッジ回路の状態を示す図である。１−２相励磁駆動の駆動パターンについては周知であるので説明を省略する。図３、４で説明したのと同様、コモン端子Ｓをプッシュ状態とプル状態の周期が１：１になるよう制御し、端子Ａ、Ｂのプッシュ／プル状態を制御することでコイルＬａ１、Ｌｂ２の各々に接続されたヨークを励磁させてモータを回転させる。コイルＬａ１、Ｌｂ２の各々に接続されたヨークをそれぞれＮ極、Ｓ極へ励磁する方法については図４で説明した通りである。
【００２７】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では２相励磁駆動、１−２相励磁駆動について説明したが、本実施の形態ではマイクロステップ駆動を行うための制御について説明する。
【００２８】
図６はマイクロステップ駆動における、ハーフブリッジ回路の状態とコイルに流れる電流を示す図である。
【００２９】
コイルＬａ１を例にとり説明する。コモン端子Ｓの状態は第１の実施の形態と同様、プッシュ状態とプル状態の周期が１：１のパルス状になるように制御回路３０でコントロールされており、その周波数は可聴領域より高い数１０ｋＨｚ程度の周波数に固定されている。
【００３０】
コモン端子Ｓの１回のプッシュ状態と１回のプル状態とからなる期間を１周期とすると、この１周期の間に、端子Ａもプッシュ状態とプル状態が１回ずつ選択される。この１周期を基準として端子Ａのプッシュ状態とプル状態の割合を変化させて、つまりは、この１周期における端子Ａに流れる電流のデューティー比を変化させることでマイクロステップ駆動を行う。ここでのデューティー比は
プッシュ状態期間／（プッシュ状態期間＋プル状態期間）×１００ ％
で示される。
【００３１】
図６の（状態２）〜（状態５）では、端子Ａがプッシュ状態でコモン端子Ｓがプル状態のときに電流が端子Ａからコモン端子Ｓに流れて充電を行い、端子Ａとコモン端子Ｓが共にプッシュ状態、または共にプル状態のときに放電を行っている。（状態７）〜（状態１０）では、端子Ａがプル状態でコモン端子Ｓがプッシュ状態のときに電流がコモン端子Ｓから端子Ａに流れて充電を行い、端子Ａとコモン端子Ｓが共にプッシュ状態、または共にプル状態のときに放電を行っている。
【００３２】
（状態１）、（状態６）の期間では端子Ａはオープン状態であるためコイルＬａ１に電流は流れない。
【００３３】
（状態５）の期間ではデューティー比を１００％に設定してある。このとき１周期の前半５０％の期間で充電を行い、後半５０％の期間で放電を行っている。このとき端子ＡからコイルＬａ１を通ってコモン端子Ｓに流れる電流量を１００％とする。
【００３４】
（状態１０）の期間ではデューティー比を０％に設定してある。このとき１周期の後半５０％の期間で充電を行い、次の１周期の前半５０％の期間で放電を行っている。このときコモン端子ＳからコイルＬａ１を通って端子Ａに流れる電流量を−１００％とする。
【００３５】
以上の（状態１）、（状態５）、（状態６）及び（状態１０）については、第１の実施の形態で説明したコイル電流制御と違いはない。続いて本実施の形態の特徴を示す（状態２）〜（状態４）、（状態７）〜（状態９）のコイル電流制御について説明する。
【００３６】
（状態２）の期間ではデューティー比を６２．５％に設定してある。このとき１周期の前半１２．５％で充電を行い、後半８７．５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは、（状態５）の充電期間の長さの２５（＝１２．５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は２５％となる。
【００３７】
（状態３）の期間ではデューティー比を７５％に設定してある。このとき１周期の前半２５％で充電を行い、後半７５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは（状態５）の充電期間の長さの５０（＝２５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は５０％となる。
【００３８】
（状態４）の期間ではデューティー比を８７．５％に設定してある。このとき１周期の前半３７．５％で充電を行い、後半６２．５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは（状態５）の充電期間の長さの７５（＝３７．５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は７５％となる。
【００３９】
（状態７）の期間ではデューティー比を３７．５％に設定してある。このとき１周期の後半１２．５％で充電を行い、次の１周期の前半８７．５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは、（状態１０）の充電期間の長さの２５（＝１２．５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は−２５％となる。
【００４０】
（状態８）の期間ではデューティー比を２５％に設定してある。このとき１周期の後半２５％で充電を行い、次の１周期の前半７５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは（状態１０）の充電期間の長さの５０（＝２５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は−５０％となる。
【００４１】
（状態９）の期間ではデューティー比を１２．５％に設定してある。このとき１周期の後半３７．５％で充電を行い、次の１周期の前半６２．５％で放電を行っている。ここでの充電期間の長さは（状態１０）の充電期間の長さの７５（＝３７．５／５０）％であるため、この周期を繰り返せば理想的には電流量は−７５％となる。
【００４２】
この（状態１）〜（状態１０）におけるコイルＬａ１に流れる電流量ＩＬａは次のように表すことができる。コモン端子Ｓの１周期の長さをＴｓ、端子Ａのプッシュ期間をＴａｐｕｓｈ、（状態５）の期間のように端子Ａが常にプッシュ状態であるときに流れる電流をＩＡ０とすると、
ＩＬａ＝（Ｔａｐｕｓｈ／Ｔｓ−０．５）／０．５×ＩＡ０
となる。
【００４３】
端子Ｂについても同様に、端子Ｂのプッシュ期間をＴｂｐｕｓｈ、（状態１０）の期間のように端子Ｂが常にプッシュ状態であるときに流れる電流をＩＢ０とすると、
ＩＬｂ＝（Ｔｂｐｕｓｈ／Ｔｓ−０．５）／０．５×ＩＢ０
となる。
【００４４】
端子Ａ及び端子Ｂについて、（状態５）、（状態４）、（状態３）、（状態２）、（状態６）、（状態７）、（状態８）、（状態９）、（状態１０）、（状態９）、（状態８）、・・・と順に繰り返し制御を行えば、コイルＬａ１及びコイルＬｂ２に流れる電流量を、１００％、７５％、５０％、２５％、０％、−２５％、−５０％、−７５％、−１００％、−７５％、−５０％、…と段階的に変化させることができる。
【００４５】
ステップ毎にデューティー比を制御し、いわゆる台形波駆動を行うことでマイクロステップ駆動を実現している。
【００４６】
表１は電気角１周で３２分割のマイクロステップ駆動時における端子Ａ及び端子Ｂのデューティー比（もしくは状態）を表したものである。ステップ毎にデューティー比を制御し、各ステップの期間の長さは、コモン端子Ｓの１周期よりも十分に長く設定してある。
【００４７】
この表１をもとに、マイクロステップ駆動を行うときのステップと、コイルＬａ１及びＬｂ２に流れる電流量を表したのが図７である。
【００４８】
なお、本実施の形態では３２分割のマイクロステップ駆動における端子Ａ及び端子Ｂの制御方法について説明したが、デューティー比をもっと細かい幅で変化させることで、よりステップ数の多いマイクロステップ駆動を実現することができる。
【００４９】
上記の第１の実施の形態、第２の実施の形態では単体の２相ステッピングモータを駆動するための装置について説明を行ってきた。図１に示すように、１つの２相ステッピングモータを駆動するために３つのハーフブリッジ回路を用いていたが、複数の２相ステッピングモータを駆動する場合であれば、各々のステッピングモータのコモン端子Ｓに接続するハーフブリッジ回路は共用することができる。
【００５０】
図８に示すブロック図では、１つのハーフブリッジ回路２０Ｓが４つの２相ステッピングモータ１１，１２，１３及び１４のコモン端子Ｓと接続されている。本発明においては、いずれの２相ステッピングモータに対してもコモン端子Ｓはデューティー比５０％で制御すればよいため、各ステッピングモータのコモン端子Ｓに接続するハーフブリッジ回路は共用することができる。各２相ステッピングモータの端子Ａと端子Ｂの状態を、個々のモータで独立して制御すれば、モータ毎に異なる回転駆動を行うことが可能である。
【００５１】
なお、２相ステッピングモータを例にあげて本発明の説明を行ってきたが、本発明は５相ステッピングモータ等にも適用できることは明らかであろう。
【００５２】
【表１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、バイポーラ駆動によるステッピングモータに異なる相のコイルの一端を接続したコモン端子を設け、このコモン端子に単一のハーフブリッジ回路を接続するため、ハーフブリッジ回路と駆動ラインの数を共に減少させることができる。
【００５４】
さらに、複数のステッピングモータを駆動する場合には、複数のステッピングモータのコモン端子に同一のハーフブリッジ回路を接続することができ、駆動回路の更なる削減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるバイポーラ駆動によるステッピングモータの駆動装置のブロック図
【図２】ハーフブリッジ回路の回路図
【図３】ハーフブリッジ回路の状態とコイルに流れる電流を示す図
【図４】２相励磁駆動させるためのハーフブリッジ回路の状態を示す図
【図５】１−２相励磁駆動させるためのハーフブリッジ回路の状態を示す図
【図６】マイクロステップ駆動におけるハーフブリッジ回路の状態とコイルに流れる電流を示す図
【図７】マイクロステップ駆動におけるステップ毎の電流量を示す図
【図８】本発明にかかるバイポーラ駆動による複数のステッピングモータの駆動装置のブロック図
【図９】従来のバイポーラ駆動によるステッピングモータの駆動装置のブロック図
【符号の説明】
１、２ コイル
３ ロータ
１０，１１，１２，１３，１４ ２相ステッピングモータ
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｓ，２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ ハーフブリッジ回路
３０ 制御回路
２０１ ＰｃｈＦＥＴ
２０２ ＮｃｈＦＥＴ
２０３ Ｐｃｈドライバ
２０４ Ｎｃｈドライバ
Claims (9)
- 端子に電流を供給するプッシュ状態と端子から電流を吸い込むプル状態とを制御可能なプッシュプル回路を複数有し、該プッシュプル回路をコイルに接続してバイポーラ駆動によってステッピングモータを動作させるステッピングモータ駆動装置において、
前記プッシュプル回路の少なくとも１つが異なる相のコイルの一端を接続したコモン端子に接続されていることを特徴とするステッピングモータ駆動装置。 - 前記異なる相のコイルの他端が各々別のプッシュプル回路に接続されてい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駆動装置。
- 前記コモン端子に接続されたプッシュプル回路はプッシュ状態とプル状態とを一定周期で交互に繰り返す制御を行う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駆動装置。
- 前記コモン端子に接続されたプッシュプル回路はプッシュ状態とプル状態とを一定周期で交互に繰り返す制御を行い、前記コモン端子に接続されていないプッシュプル回路はステッピングモータの１ステップ毎にプッシュ状態とプル状態とを切換えることを特徴とする請求項２記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記コモン端子に接続されたプッシュプル回路はプッシュ状態とプル状態とを一定周期で交互に複数回繰り返す制御を行い、前記コモン端子に接続されていないプッシュプル回路はステッピングモータの１ステップ毎にプッシュ状態、プル状態、及び電流が流れないオープン状態とを切換えることを特徴とする請求項２記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記コモン端子に接続されたプッシュプル回路と前記コモン端子に接続されていないプッシュプル回路は、共にプッシュ状態とプル状態とを交互に繰り返す制御を行うものであって、プッシュ状態とプル状態を１回ずつ設定するのに要する期間は同一であるが、プッシュ状態とプル状態とを切換えるタイミングが異なることを特徴とする請求項２記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記コモン端子に接続されていないプッシュプル回路は、ステッピングモータの１ステップ毎にプッシュ状態とプル状態とを切換えるタイミングを異ならせることを特徴とする請求項６記載のステッピングモータの駆動装置。
- 前記コモン端子に接続されていないプッシュプル回路は、特定のステップでは電流が流れないオープン状態に切換え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の駆動装置。
- 前記コモン端子を有するステッピングモータを複数有し、同一のプッシュプル回路が前記複数のステッピングモータのコモン端子に接続されていることを特徴とする請求項１から８にいずれかに記載のステッピングモータの駆動装置。
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