JP2007221974A - ステッピングモータ駆動装置および方法ならびにそれらを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ステッピングモータのモータ音を低減し、静粛性を高める。
【解決手段】ステッピングモータ駆動装置１００において、駆動信号生成部３０は、ステッピングモータ１１０のＡ相およびＢ相のコイルにそれぞれ供給すべき第１駆動信号ＳＤ１および第２駆動信号ＳＤ２を生成する。第１スイッチング回路１０は、ステッピングモータのＡ相のコイルに接続された複数のスイッチを含み、駆動信号生成部３０により生成された第１駆動信号ＳＤ１を受けて、Ａ相コイルＬ１の通電状態を制御する。第２スイッチング回路２０は、ステッピングモータのＢ相コイルＬ２に接続された複数のスイッチを含み、駆動信号生成部３０により生成された第２駆動信号ＳＤ２を受けて、Ｂ相コイルＬ２の通電状態を制御する。駆動信号生成部３０は、第１駆動信号ＳＤ１および第２駆動信号ＳＤ２の位相差を調節可能に構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステッピングモータの駆動技術に関する。

近年のデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、あるいはディスク装置、プリンタなどの電子機器において、レンズやピックアップ、ヘッド等の可動部品の位置調節にステッピングモータが多く用いられている。ステッピングモータは、外部から印加されたパルス信号に同期して回転する同期モータであり、起動、停止、位置決めに優れた制御性を持っている。さらにステッピングモータは、オープンループでの制御が可能であり、またデジタル信号処理に適するという特性を有する。

ステッピングモータを駆動するための方式としてユニポーラ駆動とバイポーラ駆動の２つの方式がある。特許文献１〜３にはユニポーラ駆動方式によるステッピングモータの駆動技術が開示される。
特開平９−１０３０９６号公報 特開２００４−１２０９５７号公報 特開２０００−１８４７８９号公報

ステッピングモータは、上述のように、デジタルスチルカメラやディスク装置、プリンタなどの電子機器に用いられるため、位置の精度や効率の改善を主眼として開発が進められていた経緯がある。こうした高い位置精度が要求されるアプリケーションでは、ステッピングモータのとなり合う相の駆動電流の比率を徐々に変化させるマイクロステップ方式が採用される。マイクロステップ方式とは、ステッピングモータの駆動速度に応じた傾きを有する正弦波状あるいは台形波状の信号を生成し、これらの信号にもとづき、ステッピングモータにパルス信号を供給する方式である。

このように、従来のステッピングモータの駆動方法では、ステッピングモータの位置精度の改善や、駆動効率に着眼していたため、静粛性、すなわちモータから発せられるノイズ（以下、モータ音ともいう）の観点では改善の余地があった。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の駆動方式に比べて、静粛性を高めることが可能なステッピングモータの駆動装置の提供にある。

本発明のある態様は、２相のステッピングモータの駆動装置である。この駆動装置は、ステッピングモータのＡ相およびＢ相のコイルの通電状態を制御するための第１駆動信号および第２駆動信号を生成する駆動信号生成部と、ステッピングモータのＡ相のコイルに接続された複数のスイッチを含み、駆動信号生成部により生成された第１駆動信号を受けて、Ａ相のコイルの通電状態を制御する第１スイッチング回路と、ステッピングモータのＢ相のコイルに接続された複数のスイッチを含み、駆動信号生成部により生成された第２駆動信号を受けて、Ｂ相のコイルの通電状態を制御する第２スイッチング回路と、を備える。駆動信号生成部は、第１駆動信号および第２駆動信号の位相差を調節可能に構成される。

この態様によると、第１駆動信号と、第２駆動信号の位相差を、駆動対象となるステッピングモータの特性などに応じて調節することにより、モータ音を低減し、静粛性を向上することができる。

駆動信号生成部は、第１、第２駆動信号の位相差を、所定値に対して所定の範囲内で調節可能であってもよい。所定値を９０°に設定し、この値を中心に位相をシフトさせることにより、モータ音を好適に低減することができる。

駆動信号生成部は、第１、第２駆動信号の位相差に対応したデータを保持するレジスタを含んでもよい。

駆動信号生成部は、互いに位相がシフトされた正弦波状の第１、第２信号を生成する正弦波信号生成部と、第１、第２信号の位相差を調節する位相調節部と、正弦波信号生成部から出力される第１、第２信号をパルス幅変調し、第１駆動信号および第２駆動信号として第１、第２スイッチング回路へと出力するパルス幅変調信号生成部と、を含んでもよい。

正弦波信号生成部は、第１信号を生成する第１正弦波信号生成部と、第１正弦波信号生成部により生成される第１信号に対して、位相が時間軸方向に所定量シフトされた第２信号を出力する第２正弦波信号生成部と、を含んでもよい。また、第１、第２正弦波信号生成部は、第１、第２信号をシリアルのデジタル信号の形式で生成し、位相調節部は、第２信号のデジタルデータを、第１信号のデジタルデータに対して所定のクロック数に対応した時間、シフトすることにより、位相差を調節してもよい。
さらに、正弦波状の信号の一周期をＮ（Ｎは自然数）分割し、第２信号を第１信号に対して、Ｍ／Ｎ周期（Ｍは、Ｍ＜Ｎを満たす）だけシフトしてもよい。さらに、Ｍを、Ｍ＝Ｎ／４＋Ｘ（Ｘは整数）に設定してもよい。

駆動信号生成部は、正弦波状の第１信号を生成する正弦波信号生成部と、正弦波信号生成部から出力される第１信号を時間軸方向に所定量シフトし、第２信号として出力する位相調節部と、正弦波信号生成部および位相調節部からそれぞれ出力される第１信号および第２信号をパルス幅変調し、第１駆動信号および第２駆動信号として第１、第２スイッチング回路へと出力するパルス幅変調信号生成部と、を含んでもよい。

駆動信号生成部は、正弦波状の信号をパルス幅変調して得られるパルス幅変調信号を第１駆動信号として生成する第１駆動信号生成部と、第１駆動信号生成部により生成された第１駆動信号を、時間軸方向に所定量シフトした第２駆動信号を生成する第２駆動信号生成部と、を含んでもよい。

上述の駆動装置は、ひとつの半導体基板上に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。駆動装置を１つのＬＳＩとして集積化することにより、回路面積を削減することができる。

本発明の別の態様は、電子機器である。この電子機器は、ステッピングモータと、ステッピングモータを駆動する上述のステッピングモータ駆動装置と、を備える。

この態様によると、ステッピングモータの各相コイルに流れる電流の位相を調節することにより、モータ音を低減することができ、静粛性が要求される電子機器の商品価値を高めることができる。

本発明のさらに別の態様は、ステッピングモータの駆動方法である。この方法は、２相のステッピングモータのＡ相のコイルに供給すべき第１駆動信号を生成するステップと、ステッピングモータのＢ相のコイルに供給すべき第２駆動信号を、第１駆動信号に対して９０度を基準として所定の範囲で位相シフトして生成するステップと、を含む。
この方法によれば、位相シフト量を最適化することにより、モータ音を低減することができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係るステッピングモータ駆動装置によれば、静粛性を高めることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るステッピングモータ駆動装置１００の構成を示す回路図である。このステッピングモータ駆動装置１００は、ステッピングモータ１１０とともに、デジタルカメラやプリンタなどの電子機器に搭載される。駆動対象のステッピングモータ１１０は、Ａ相コイルＬ１とＢ相コイルＬ２を含む２相ステッピングモータであり、レンズやプリンタヘッドの位置決めに用いられる。ステッピングモータ駆動装置１００は、駆動対象となるステッピングモータ１１０と接続されており、Ａ相コイルＬ１、Ｂ相コイルＬ２にパルス状の駆動信号ＳＤ１、ＳＤ２を供給することにより、回転制御を行う。

本実施の形態に係るステッピングモータ駆動装置１００は、バイポーラ方式によってステッピングモータ１１０を駆動する。ステッピングモータ駆動装置１００は、第１スイッチング回路１０、第２スイッチング回路２０、駆動信号生成部３０がひとつの半導体基板上に一体集積化された機能ＩＣとして構成される。

第１スイッチング回路１０は、ステッピングモータ１１０のＡ相コイルＬ１に接続された４つのスイッチを含む。この第１スイッチング回路１０は、駆動信号生成部３０により生成された第１駆動信号ＳＤ１（ＳＤ１ａ〜ＳＤ１ｄ）を受け、Ａ相コイルＬ１の導通状態を制御する。同様に、第２スイッチング回路２０は、ステッピングモータ１１０のＢ相コイルＬ２に接続された４つのスイッチを含む。この第２スイッチング回路２０は、駆動信号生成部３０により生成された第２駆動信号ＳＤ２（ＳＤ２ａ〜ＳＤ２ｄ）を受け、Ｂ相コイルＬ２の導通状態を制御する。

第１スイッチング回路１０、第２スイッチング回路２０の構成は同一であり、それぞれ、いわゆるＨブリッジ回路を構成するように配置された第１ハイサイドトランジスタＭＨ１、第２ハイサイドトランジスタＭＨ２、第１ローサイドトランジスタＭＬ１、第２ローサイドトランジスタＭＬ２を含む。各トランジスタのドレインソース間には、図示しないフライホイールダイオードが設けられる。

本実施の形態において、ハイサイドトランジスタはＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、ローサイドトランジスタはＮチャンネルＭＯＳＦＥＴで構成されるが、本発明はこれに限定されるものではなく、ハイサイドトランジスタをＮチャンネルＭＯＳＦＥＴで構成してもよく、また、バイポーラトランジスタで構成してもよい。

駆動信号生成部３０は、Ａ相コイルＬ１、Ｂ相コイルＬ２に流れるコイル電流ＩＬ１、ＩＬ２が、それぞれ位相が略９０度シフトした正弦波に近づくように、第１駆動信号ＳＤ１、第２駆動信号ＳＤ２を生成する。

本実施の形態に係る駆動信号生成部３０は、第１駆動信号ＳＤ１および第２駆動信号ＳＤ２の位相差を調節可能に構成される。従来においては、第１駆動信号ＳＤ１と、第２駆動信号ＳＤ２は、その位相差が９０度に設定されていたのに対して、本実施の形態に係るステッピングモータ駆動装置１００では、この位相差を、９０度から所定量α度（αは実数）だけずらすことにより、静音化を実現するものである。

図２は、駆動信号生成部３０の構成を示す回路図である。駆動信号生成部３０は、正弦波信号生成部３２、位相調節部３４、パルス幅変調信号生成部４０、インターフェース部５０を含む。

正弦波信号生成部３２は、互いに位相がシフトされた正弦波状の第１信号Ｓ１、第２信号Ｓ２を生成する。正弦波状とは、広く正弦波を模した形状を有する信号を意味しており、正弦波の他、正弦波の山と谷がクランプされた信号や、台形波状の周期信号も含む。

インターフェース部５０は、外部の制御回路６０から第１信号Ｓ１と第２信号Ｓ２の位相差に関するデータ（以下、位相差データＤαという）を受ける。制御回路６０は、レジスタなどであってもよいし、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などであってもよい。この位相差データＤαは、インターフェース部５０から位相調節部３４へと出力される。位相調節部３４は、位相差データＤαに基づいて第１信号Ｓ１、第２信号Ｓ２の位相差を調節する。位相調節部３４は、第１信号Ｓ１、第２信号Ｓ２の位相差を、所定値９０°に対して所定の範囲（たとえば±α°）内で調節する。

パルス幅変調信号生成部４０は、パルス幅変調部３６、駆動部３８を含む。パルス幅変調部３６は、正弦波信号生成部３２および位相調節部３４からそれぞれ出力される第１信号Ｓ１および第２信号Ｓ２をパルス幅変調する。駆動部３８は、パルス幅変調部３６から出力されるパルス幅変調された信号Ｓ１ｐｗｍ、Ｓ２ｐｗｍにもとづき、第１駆動信号ＳＤ１および第２駆動信号ＳＤ２を生成し、第１スイッチング回路１０、第２スイッチング回路２０へと出力する。パルス幅変調信号生成部４０については、一般的なステッピングモータの駆動装置と同様であるため説明を省略する。

図３は、駆動信号生成部３０の具体的な構成例を示す回路図である。図３の駆動信号生成部３０ａにおいて、正弦波信号生成部３２は、第１正弦波信号生成部３２ａと、第２正弦波信号生成部３２ｂを含む。第１正弦波信号生成部３２ａは、第１信号Ｓ１を生成する。第２正弦波信号生成部３２ｂは、第１正弦波信号生成部３２ａにより生成される第１信号Ｓ１に対して、位相が時間軸方向に所定量シフトされた第２信号Ｓ２を出力する。

第１正弦波信号生成部３２ａ、第２正弦波信号生成部３２ｂには外部からクロック信号ＣＫが入力される。第１正弦波信号生成部３２ａ、第２正弦波信号生成部３２ｂは、クロック信号ＣＫをカウントすることにより、シリアルのデジタル信号の形式で正弦波状の第１信号Ｓ１、第２信号Ｓ２を生成する。

位相調節部３４は、第２信号Ｓ２のデジタルデータを、第１信号Ｓ１のデジタルデータに対して所定のクロック数に対応した時間、シフトすることにより、位相差を調節する。たとえば、第２正弦波信号生成部３２ｂは、クロック信号ＣＫのカウントを、第１正弦波信号生成部３２ａよりも、所定のクロック数だけ遅れて開始することにより、所定のクロック数に応じた時間だけシフトした正弦波状の信号を生成することができる。

位相シフトは、以下のように行ってもよい。まず、正弦波状の信号の一周期をＮ（Ｎは自然数）分割する。次いで、第２信号Ｓ２を第１信号Ｓ１に対して、Ｍ／Ｎ周期（Ｍは、Ｍ＜Ｎを満たす）だけシフトさせる。Ｍを、Ｍ＝Ｎ／４＋Ｘ（Ｘは、整数）を満たすように設定する。

たとえば、正弦波の生成に、１０ビットのカウンタを利用する場合には、１周期を１０２４分割（Ｍ＝１０２４）し、３６０°／１０２４刻みで位相を調節してもよい。この場合、Ｎ＝２５６（＝Ｍ／４）クロックずらしてカウントする場合、９０°シフトした正弦波状の信号が生成され、さらにＸクロック分シフトすることにより、位相差が９０°を基準として所定量シフトされた２つの正弦波状の信号が生成される。Ｘクロックに対応した位相のシフト量αは、少なくとも０〜１０°、より好ましくは０〜１５°の範囲で調節できることが望ましい。

駆動信号生成部３０の構成は図３に限定されるものではない。図４は、駆動信号生成部の別の構成例を示す回路図である。図４の駆動信号生成部３０ｂは、正弦波信号生成部３２、位相調節部３４、パルス幅変調信号生成部４０、レジスタ４２を含む。

正弦波信号生成部３２は、正弦波状の第１信号Ｓ１をシリアルデジタルデータとして生成する。位相調節部３４は、正弦波信号生成部３２から出力される第１信号Ｓ１を時間軸方向に所定量シフトし、第２信号Ｓ２として出力する。位相調節部３４はたとえば遅延回路などを用いて構成することができる。レジスタ４２には、第１駆動信号ＳＤ１、第２駆動信号ＳＤ２の位相差αに対応したデータを保持する。位相調節部３４によるシフト量は、レジスタ４２に保持されたデータＤαに基づいて設定される。

また、駆動信号生成部は、正弦波状の信号に対応付けてパルス幅変調された第１パルス信号を生成する第１駆動信号生成部と、第１パルス信号を、時間軸方向に所定量シフトした第２パルス信号を出力する第２駆動信号生成部と、を含んで構成されてもよい。すなわち、ＲＯＭなどを利用することによりパルス幅変調されたパルス信号を直接生成し、このパルス信号を時間的にシフトすることにより２つの駆動信号を生成してもよい。

以上のように構成されたステッピングモータ駆動装置１００の動作について説明する。図５は、本実施の形態に係るステッピングモータ駆動装置１００の動作波形図である。図５は、Ａ相コイルＬ１およびＢ相コイルＬ２に流れるコイル電流ＩＬ１、ＩＬ２を示している。本実施の形態に係るステッピングモータ駆動装置１００は、Ｂ相のコイル電流ＩＬ２を、Ａ相のコイル電流ＩＬ１に対して、（９０＋α）°シフトするように、第１駆動信号ＳＤ１、第２駆動信号ＳＤ２を生成する。いくつかのステッピングモータについて実験を行った結果、α＝５〜１５°の範囲の場合に、位相調節を行わない場合、すなわちα＝０°の場合に比べて、静音化が確認された。

本実施の形態に係るステッピングモータ駆動装置１００によれば、Ａ相コイルＬ１とＢ相コイルＬ２に流れるコイル電流の位相を、９０°から積極的にずらすことにより、ステッピングモータ１１０から発生するモータ音を低減し、静粛性を高めることができる。なお、位相のシフト量αは、駆動対象のステッピングモータ１１０の種類や特性に応じて、モータ音が十分に小さくなるように実験的に求めればよい。

さらに、本実施の形態に係るステッピングモータ駆動装置１００は、位相調節部３４を設けることによりコイル電流ＩＬ１とＩＬ２の位相差をデジタル信号処理によって微調節することができるため、容量や抵抗などのチップ部品などを利用する場合に比べて、簡易に、設計変更を行うことができる。

実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態に係るステッピングモータ駆動装置の構成を示す回路図である。 駆動信号生成部の構成を示す回路図である。 駆動信号生成部の具体的な構成例を示す回路図である。 駆動信号生成部の別の構成例を示す回路図である。 実施の形態に係るステッピングモータ駆動装置の動作波形図である。

符号の説明

１０ 第１スイッチング回路、 ２０ 第２スイッチング回路、 ３０ 駆動信号生成部、 ３２ 正弦波信号生成部、 ３２ａ 第１正弦波信号生成部、 ３２ｂ 第２正弦波信号生成部、 ３４ 位相調節部、 ３６ パルス幅変調部、 ３８ 駆動部、 ４０ パルス幅変調信号生成部、 ４２ レジスタ、 １００ ステッピングモータ駆動装置、 １１０ ステッピングモータ、 Ｌ１ Ａ相コイル、 Ｌ２ Ｂ相コイル、 ＳＤ１ 第１駆動信号、 ＳＤ２ 第２駆動信号。

Claims (11)

1. ステッピングモータのＡ相およびＢ相のコイルの通電状態を制御するための第１駆動信号および第２駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
   前記ステッピングモータのＡ相のコイルに接続された複数のスイッチを含み、前記駆動信号生成部により生成された前記第１駆動信号を受けて、前記Ａ相のコイルの通電状態を制御する第１スイッチング回路と、
   前記ステッピングモータのＢ相のコイルに接続された複数のスイッチを含み、前記駆動信号生成部により生成された前記第２駆動信号を受けて、前記Ｂ相のコイルの通電状態を制御する第２スイッチング回路と、
   を備え、
   前記駆動信号生成部は、前記第１駆動信号および前記第２駆動信号の位相差を調節可能に構成されることを特徴とするステッピングモータ駆動装置。
2. 前記駆動信号生成部は、前記第１、第２駆動信号の位相差を、所定値に対して所定の範囲内で調節可能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。
3. 前記駆動信号生成部は、前記第１、第２駆動信号の位相差に対応したデータを保持するレジスタを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のステッピングモータ駆動装置。
4. 前記駆動信号生成部は、
   互いに位相がシフトされた正弦波状の第１、第２信号を生成する正弦波信号生成部と、
   前記第１、第２信号の位相差を調節する位相調節部と、
   前記正弦波信号生成部から出力される前記第１、第２信号をパルス幅変調し、前記第１駆動信号および前記第２駆動信号として前記第１、第２スイッチング回路へと出力するパルス幅変調信号生成部と、
   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。
5. 前記正弦波信号生成部は、
   前記第１信号を生成する第１正弦波信号生成部と、
   前記第１正弦波信号生成部により生成される前記第１信号に対して、位相が時間軸方向に所定量シフトされた前記第２信号を出力する第２正弦波信号生成部と、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載のステッピングモータ駆動装置。
6. 前記第１、第２正弦波信号生成部は、前記第１、第２信号をシリアルのデジタル信号の形式で生成し、
   前記位相調節部は、前記第２信号のデジタルデータを、前記第１信号のデジタルデータに対して所定のクロック数に対応した時間、シフトすることにより、位相差を調節することを特徴とする請求項５に記載のステッピングモータ駆動装置。
7. 前記駆動信号生成部は、
   正弦波状の第１信号を生成する正弦波信号生成部と、
   前記正弦波信号生成部から出力される前記第１信号を時間軸方向に所定量シフトし、第２信号として出力する位相調節部と、
   前記正弦波信号生成部および前記位相調節部からそれぞれ出力される前記第１信号および前記第２信号をパルス幅変調し、前記第１駆動信号および前記第２駆動信号として前記第１、第２スイッチング回路へと出力するパルス幅変調信号生成部と、
   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。
8. 前記駆動信号生成部は、
   正弦波状の信号に対応付けてパルス幅変調された第１パルス信号を生成する第１駆動信号生成部と、
   前記第１駆動信号生成部により生成された第１パルスを、時間軸方向に所定量シフトした第２パルス信号を生成する第２駆動信号生成部と、
   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。
9. ひとつの半導体基板上に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のステッピングモータ駆動装置。
10. ステッピングモータと、
    前記ステッピングモータを駆動する請求項１から８のいずれかに記載のステッピングモータ駆動装置と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
11. ２相のステッピングモータのＡ相のコイルに供給すべき第１駆動信号を生成するステップと、
    前記ステッピングモータのＢ相のコイルに供給すべき第２駆動信号を、前記第１駆動信号に対して９０度を基準として所定の範囲で位相シフトして生成するステップと、
    を含むことを特徴とするステッピングモータの駆動方法。

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