JP2011259675A

JP2011259675A - モータ駆動回路

Info

Publication number: JP2011259675A
Application number: JP2010134343A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Shimazaki; 努島崎; Akira Suzuki; 亮鈴木; Tsuyoshi Arai; 剛史新井
Original assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Current assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2011-12-22
Also published as: EP2395654A2; KR20110135829A; US8860338B2; US20110304285A1; TW201223118A; KR101257200B1

Abstract

【課題】アクチュエータの共振周波数によらず、振動が収束するまでの収束時間を短縮する。
【解決手段】アクチュエータを駆動するボイスコイルモータに供給される駆動電流の目標値を示すデジタル信号である目標電流信号のうち、前記アクチュエータの共振周波数を含む周波数帯域を減衰させるデジタルフィルタと、前記デジタルフィルタの出力信号をアナログ信号に変換して電流制御信号として出力するデジタル・アナログ変換器と、前記電流制御信号に応じて前記ボイスコイルモータに前記駆動電流を供給する駆動回路と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動回路に関する。

ハードディスクドライブの磁気ヘッドの位置決めを行うアクチュエータを駆動するリニアモータとして、永久磁石の磁界中のコイルに電流を流すことによって推力を発生させるボイスコイルモータが一般に知られている。また、近年、携帯電話機やノート型パーソナルコンピュータなどの携帯端末にカメラモジュールが搭載され、モジュールの小型化のため、ボイスコイルモータを用いてオートフォーカス制御や光学ズーム制御などを行うものもある。

例えば、特許文献１では、可動部の固有振動周期の略自然数倍の期間にボイスコイルモータの駆動電流を一定の勾配で変化させることによって、可動部の振動を少なくすることができるアクチュエータ駆動装置が開示されている。

このようにして、ボイスコイルモータに一定の傾きで変化するランプ波形の駆動電流を供給することによって、アクチュエータの可動部の位置を速やかに安定させることが出来る。

特開２００８−１７８２０６号公報

しかしながら、アクチュエータの構成によって可動部の固有振動周期は異なり、特許文献１のアクチュエータ駆動装置では、固有振動数（共振周波数）が低いほど、駆動電流を傾斜させる期間を長くする必要がある。
そのため、アクチュエータの振動が収束し、可動部の位置が安定するまでの収束時間が長くなり、用いられるモジュールに要求される応答速度を満たすことができない場合もある。

前述した課題を解決する主たる本発明は、アクチュエータを駆動するボイスコイルモータに供給される駆動電流の目標値を示すデジタル信号である目標電流信号のうち、前記アクチュエータの共振周波数を含む周波数帯域を減衰させるデジタルフィルタと、前記デジタルフィルタの出力信号をアナログ信号に変換して電流制御信号として出力するデジタル・アナログ変換器と、前記電流制御信号に応じて前記ボイスコイルモータに前記駆動電流を供給する駆動回路と、を有することを特徴とするモータ駆動回路である。

本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、アクチュエータの共振周波数によらず、振動が収束するまでの収束時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態におけるモータ駆動回路の構成を示す回路ブロック図である。測定モードにおける電流制御信号ＣＮｉおよび電圧Ｖｖｃｍの関係の一例を示す模式図である。制御モードにおいてデジタルフィルタ１３に用いられるノッチフィルタの例を示す模式図である。図３に示した各ノッチフィルタを用いた場合における電圧Ｖｖｃｍの一例を示す模式図である。デジタルフィルタ１３に用いられるノッチフィルタの他の例を示す模式図である。制御モードにおいてデジタルフィルタ１３に用いられるローパスフィルタの例を示す模式図である。図６に示した各ローパスフィルタを用いた場合における電圧Ｖｖｃｍの一例を示す模式図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＝＝＝モータ駆動回路の構成＝＝＝
以下、図１を参照して、本発明の一実施形態におけるモータ駆動回路の構成について説明する。

図１に示されているモータ駆動回路１は、マイクロコンピュータ５の制御に従って、アクチュエータを駆動するボイスコイルモータ３に駆動電流Ｉｖｃｍを供給する回路であり、端子２１ないし２３を備えた集積回路として構成されている。また、モータ駆動回路１は、制御回路１１、選択回路１２、デジタルフィルタ１３、ＤＡＣ（Digital-Analog Converter：デジタル・アナログ変換器）１４、駆動回路１５、および抵抗１６を含んで構成されている。なお、抵抗１６は、端子２３に外部接続されていてもよい。好ましくは、モータ駆動回路１は、一つの半導体基板上に集積化して形成される。

制御回路１１には、端子２１を介して、マイクロコンピュータ５から制御情報ＣＯＮが入力されている。また、制御回路１１からは、目標電流信号ＴＧｉ、モード選択信号ＳＬｍ、フィルタ選択情報ＳＬｆ、および周波数設定情報ＳＴｆが出力されている。

選択回路１２は、１入力２出力のマルチプレクサとして構成されており、選択制御入力には、モード選択信号ＳＬｍが入力されている。また、データ入力には、目標電流信号ＴＧｉが入力されている。そして、当該目標電流信号ＴＧｉは、ＳＬｍ＝０および１に対応する出力から、それぞれＤＡＣ１４およびデジタルフィルタ１３に入力されている。

デジタルフィルタ１３には、目標電流信号ＴＧｉのほか、フィルタ選択情報ＳＬｆおよび周波数設定情報ＳＴｆが入力されている。また、デジタルフィルタ１３からは、（フィルタリングされた）目標電流信号ＴＧｆが出力されている。そして、ＤＡＣ１４には、目標電流信号ＴＧｉおよびＴＧｆが入力され、ＤＡＣ１４からは、電流制御信号ＣＮｉが出力されている。

駆動回路１５は、例えばオペアンプ（演算増幅器）１５１およびＮＭＯＳ（N-channel Metal-Oxide Semiconductor：Ｎチャネル金属酸化膜半導体）トランジスタ１５２を含んで構成されている。また、オペアンプ１５１の非反転入力には、電流制御信号ＣＮｉが入力され、反転入力は、ＮＭＯＳトランジスタ１５２のソースに接続されている。さらに、ＮＭＯＳトランジスタ１５２のドレインは、端子２２に接続され、ソースは、抵抗１６を介して端子２３に接続され、ゲートには、オペアンプ１５１の出力信号が入力されている。そして、端子２２には、一端が電源電位ＶＣＣに接続されたボイスコイルモータ３が接続され、端子２３は、グランド電位に接続されている。

＝＝＝モータ駆動回路の動作＝＝＝
次に、本実施形態におけるモータ駆動回路の動作について説明する。

制御回路１１は、マイクロコンピュータ５から入力される制御情報ＩＮＦｃｎに基づいて、目標電流信号ＴＧｉ、モード選択信号ＳＬｍ、フィルタ選択情報ＳＬｆ、および周波数設定情報ＳＴｆを出力する。

ここで、目標電流信号ＴＧｉは、ボイスコイルモータ３に供給される駆動電流Ｉｖｃｍの目標値を示すデジタル信号である。また、モード選択信号ＳＬｍは、後述する測定モード（第１のモード）または制御モード（第２のモード）を選択する信号である。なお、モード選択信号ＳＬｍは、ＳＬｍ＝０の場合に測定モードを示し、ＳＬｍ＝１の場合に制御モードを示すこととする。

さらに、フィルタ選択情報ＳＬｆおよび周波数設定情報ＳＴｆは、デジタルフィルタ１３の特性を設定するための情報である。具体的には、フィルタ選択情報ＳＬｆは、デジタルフィルタ１３に含まれる複数のフィルタから１つを選択するための情報である。一方、周波数設定情報ＳＴｆは、デジタルフィルタ１３が減衰させる周波数帯域を設定するための情報である。

選択回路１２は、制御回路１１から入力された目標電流信号ＴＧｉを、ＳＬｍ＝０（測定モード）の場合には、ＤＡＣ１４に供給し、ＳＬｍ＝１（制御モード）の場合には、デジタルフィルタ１３に供給する。また、デジタルフィルタ１３は、目標電流信号ＴＧｉのうち、周波数設定情報ＳＴｆによって設定された周波数帯域を減衰させ、（フィルタリングされた）目標電流信号ＴＧｆを出力する。

ＤＡＣ１４は、目標電流信号ＴＧｉ（ＳＬｍ＝０の場合）またはＴＧｆ（ＳＬｍ＝１の場合）をアナログ信号に変換して、電流制御信号ＣＮｉを生成する。また、オペアンプ１５１は、電流制御信号ＣＮｉの電圧と、ＮＭＯＳトランジスタ１５２および抵抗１６の接続点の電圧Ｖｖｃｍとを比較し、さらに、ＮＭＯＳトランジスタ１５２のゲート電圧は、当該比較結果に応じて変化する。

ここで、抵抗１６の抵抗値をＲとすると、駆動電流Ｉｖｃｍは、電圧Ｖｖｃｍ＝Ｉｖｃｍ×Ｒとして検出される。したがって、駆動回路１５は、電圧Ｖｖｃｍを電流制御信号ＣＮｉの電圧と等しくなるように制御し、駆動電流Ｉｖｃｍの電流値は、電流制御信号ＣＮｉによって示される電流値となるように制御される。

このようにして、モータ駆動回路１は、測定モードにおいては目標電流信号ＴＧｉを、制御モードにおいては目標電流信号ＴＧｆを、それぞれアナログ信号に変換して電流制御信号ＣＮｉを生成する。そして、当該電流制御信号ＣＮｉに応じてボイスコイルモータ３に駆動電流Ｉｖｃｍを供給する。

＝＝＝モータ駆動回路およびアクチュエータの動作の具体例＝＝＝
ここで、測定モードおよび制御モードにおけるモータ駆動回路およびアクチュエータの動作の具体例について説明する。

まず、図２を参照して、測定モードにおける動作について説明する。なお、測定モードは、ボイスコイルモータ３が駆動するアクチュエータの共振周波数ｆｃを測定するためのモードである。

測定モードにおいて、制御回路１１は、制御情報ＩＮＦｃｎに基づいて、目標電流信号ＴＧｉとしてステップ信号を出力する。また、当該目標電流信号ＴＧｉは、選択回路１２を介してＤＡＣ１４に供給され、アナログ信号に変換される。したがって、図２において短破線で示すように、電流制御信号ＣＮｉの電圧は、ステップ状に変化する。

この場合、駆動回路１５は、電圧Ｖｖｃｍを電流制御信号ＣＮｉのステップ電圧と等しくなるように制御するが、アクチュエータの可動部の慣性力とばねの復元力とによって、図２において実線で示すように、電圧Ｖｖｃｍは振動し、次第に収束する。また、アクチュエータも同様に振動し、可動部の変位ｘは、目標電流信号ＴＧｉに対応する目標位置に次第に収束する。そして、変位ｘを測定し、当該測定データをスペクトル解析することによって、共振周波数ｆｃを求めることができる。なお、駆動電流Ｉｖｃｍまたは電圧Ｖｖｃｍを測定し、当該測定データから共振周波数ｆｃを求めてもよい。

次に、図３ないし図７を適宜参照して、制御モードにおける動作について説明する。なお、制御モードは、マイクロコンピュータ５の制御に従ってアクチュエータを駆動するためのモードである。

制御モードにおいて、制御回路１１は、制御情報ＩＮＦｃｎに基づいて、アクチュエータの可動部の目標位置に応じてステップ状に変化する目標電流信号ＴＧｉを出力する。なお、以下においては、測定モードにおける動作との比較のため、目標電流信号ＴＧｉとして、測定モードと同一のステップ信号を出力した場合について説明する。

また、当該目標電流信号ＴＧｉは、選択回路１２およびデジタルフィルタ１３を介して、目標電流信号ＴＧｆとしてＤＡＣ１４に供給され、アナログ信号に変換される。したがって、制御モードにおいては、駆動回路１５は、デジタルフィルタ１３によってフィルタリングされた電流制御信号ＣＮｉに応じて、ボイスコイルモータ３に駆動電流Ｉｖｃｍを供給することとなる。

ここで、デジタルフィルタ１３としては、ノッチフィルタ、ローパスフィルタなどが用いられる。本実施形態では、一例として、デジタルフィルタ１３は、それぞれ特性が異なるノッチフィルタおよびローパスフィルタを含むものとし、フィルタ選択情報ＳＬｆに応じて１つを選択するものとする。さらに、デジタルフィルタ１３は、測定モードにおいて予め測定された共振周波数ｆｃに応じた周波数設定情報ＳＴｆに基づいて、減衰させる周波数帯域を設定する。

図３は、デジタルフィルタ１３に含まれる２つのノッチフィルタＮＦ１（短破線）およびＮＦ２（実線）の周波数特性の一例を示している。なお、ノッチフィルタＮＦ１およびＮＦ２は、いずれも共振周波数ｆｃを中心とする周波数帯域を減衰させ、互いにノッチ幅およびノッチ深さが異なっている。

図４は、ノッチフィルタＮＦ１（短破線）およびＮＦ２（実線）を用いた場合における電圧Ｖｖｃｍの一例を示している。また、図４においては、比較のため、測定モードにおける電圧Ｖｖｃｍ（図２の実線）を一点鎖線で示している。したがって、目標電流信号ＴＧｉをノッチフィルタＮＦ１またはＮＦ２によってフィルタリングすることによって、アクチュエータの振動が抑制され、振動が収束するまでの収束時間が短縮されている。

ところで、図２に示したようなステップ応答における振動には、共振周波数ｆｃ以外に、その奇数倍の周波数成分も含まれている。したがって、例えば図５に示すように、共振周波数ｆｃのほか、３ｆｃおよび５ｆｃを中心とする周波数帯域を減衰させるノッチフィルタを用いて、アクチュエータの振動をさらに抑制することによって、収束時間をさらに短縮することもできる。

図６は、デジタルフィルタ１３に含まれる２つのローパスフィルタＬＰＦ１（短破線）およびＬＰＦ２（実線）の周波数特性の一例を示している。なお、ローパスフィルタＬＰＦ１およびＬＰＦ２は、いずれも共振周波数ｆｃを遮断周波数とし、ＬＰＦ２は、ＬＰＦ１を２段縦続接続したものである。

図７は、測定モードにおける電圧Ｖｖｃｍ（一点鎖線）、ならびにローパスフィルタＬＰＦ１（短破線）およびＬＰＦ２（実線）を用いた場合における電圧Ｖｖｃｍの一例を示している。したがって、目標電流信号ＴＧｉをローパスフィルタＬＰＦ１またはＬＰＦ２によってフィルタリングすることによって、アクチュエータの振動が抑制され、振動が収束するまでの収束時間が短縮されている。

なお、ノッチフィルタを用いることによって、ローパスフィルタよりを用いた場合より収束時間が短縮されている。一方、ノッチフィルタは、２次フィルタとなっているのに対して、ローパスフィルタは、１次フィルタとして構成することも可能である。

前述したように、モータ駆動回路１において、デジタルフィルタ１３を用いて、目標電流信号ＴＧｉのうちアクチュエータの共振周波数ｆｃを含む周波数帯域を減衰させ、フィルタリングされた電流制御信号ＣＮｉに応じて、ボイスコイルモータ３に駆動電流Ｉｖｃｍを供給することによって、アクチュエータの共振周波数によらず、振動が収束するまでの収束時間を短縮することができる。

また、測定モードにおいて、目標電流信号ＴＧｉとしてステップ信号をＤＡＣ１４に供給して、当該ステップ応答における振動の共振周波数ｆｃを予め測定しておくことによって、制御モードにおいて、当該測定された共振周波数ｆｃに応じて、デジタルフィルタ１３が減衰させる周波数帯域を設定することができる。

また、デジタルフィルタ１３として、ノッチフィルタまたはローパスフィルタを用いることによって、目標電流信号ＴＧｉのうちアクチュエータの共振周波数ｆｃを含む周波数帯域を減衰させることができる。

また、デジタルフィルタ１３がノッチフィルタまたはローパスフィルタを複数含むことによって、アクチュエータごとに最適な特性のフィルタを選択して用いることができる。

また、デジタルフィルタ１３として、ノッチフィルタを用いる場合に、共振周波数ｆｃのほか、その奇数倍の周波数成分を減衰させることによって、収束時間をさらに短縮することができる。

なお、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

上記実施形態では、駆動回路１５は、ＮＭＯＳトランジスタ１５２によって駆動電流Ｉｖｃｍを制御しているが、これに限定されるものではない。モータ駆動回路１の駆動回路は、ＰＭＯＳ（P-channel MOS：Ｐチャネル金属酸化膜半導体）トランジスタを用い、図１に示した駆動回路１５に対して、電源電位ＶＣＣおよびグランド電位の極性を反転させた構成とすることもできる。

また、上記実施形態では、測定モードによってボイスコイルモータ３が駆動するアクチュエータの共振周波数Ｆｃを測定していたが、本発明はこれに限定されず、測定モードを有さなくてもよい。

１モータ駆動回路
３ボイスコイルモータ
５マイクロコンピュータ
１１制御回路
１２選択回路
１３デジタルフィルタ
１４ＤＡＣ（デジタル・アナログ変換器）
１５駆動回路
１６抵抗
２１〜２３端子
１５１オペアンプ（演算増幅器）
１５２ＮＭＯＳ（Ｎチャネル金属酸化膜半導体）トランジスタ

Claims

アクチュエータを駆動するボイスコイルモータに供給される駆動電流の目標値を示すデジタル信号である目標電流信号のうち、前記アクチュエータの共振周波数を含む周波数帯域を減衰させるデジタルフィルタと、
前記デジタルフィルタの出力信号をアナログ信号に変換して電流制御信号として出力するデジタル・アナログ変換器と、
前記電流制御信号に応じて前記ボイスコイルモータに前記駆動電流を供給する駆動回路と、
を有することを特徴とするモータ駆動回路。
モード選択信号に応じて、前記目標電流信号としてステップ信号が入力され、当該ステップ信号を前記デジタル・アナログ変換器に供給する第１のモード、または入力された前記目標電流信号を前記デジタルフィルタに供給する第２のモードを選択する選択回路をさらに有し、
前記デジタル・アナログ変換器は、前記第１のモードにおいては、前記ステップ信号をアナログ信号に変換して前記電流制御信号として出力し、
前記デジタルフィルタは、前記第２のモードにおいては、前記第１のモードにおいて予め測定された前記共振周波数に応じて前記減衰させる周波数帯域が設定されることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
前記デジタルフィルタは、前記共振周波数を中心とする周波数帯域を減衰させるノッチフィルタまたは前記共振周波数以上の周波数帯域を減衰させるローパスフィルタであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ駆動回路。
入力される制御情報に基づいて、前記目標電流信号および前記モード選択信号を前記選択回路に供給する制御回路をさらに有し、
前記デジタルフィルタは、前記共振周波数を中心とする周波数帯域を減衰させるノッチフィルタまたは前記共振周波数以上の周波数帯域を減衰させるローパスフィルタを含み、
前記制御回路は、前記制御情報に基づいて、前記デジタルフィルタに含まれる複数のフィルタから１つを選択するためのフィルタ選択情報、および前記減衰させる周波数帯域を設定するための周波数設定情報を前記デジタルフィルタに供給することを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動回路。
前記ノッチフィルタは、前記共振周波数の奇数倍の周波数を中心とする周波数帯域をさらに減衰させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のモータ駆動回路。
少なくとも前記デジタルフィルタ、前記デジタル・アナログ変換器および前記駆動回路は、一つの半導体基板上に集積化して形成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項５の何れかに記載のモータ駆動回路。