JP2011514133A - 集積化位置センサを有する小型モータドライバｉｃにおける自己較正アルゴリズム - Google Patents

Abstract

モータを制御するための運動制御デバイスが提供される。運動制御デバイスは、スケーリングすなわち、較正値に基づく入力範囲に対して入力を調整し、そのスケーリングされた入力を、モータを駆動するための駆動信号を発生するために用いるように動作可能である。運動制御デバイスは、較正値を生成するために自己較正を実行する。自己較正は、モータに対するホーム位置と全行程位置の値を測定する。

Description

本発明は、一般にモータ制御のための較正技術に関する。

小型モータを駆動するときに、機械的公差およびヒステリシス効果、ならびに磁気回路ばらつきは、モータ行程始点（すなわちホーム）位置におけるオフセット、および行程範囲の減少を引き起こし得る。これらのホーム位置オフセットおよび行程範囲制限はモータごとに変わる。したがってこのようなモータの正確な線形運動制御は、何らかのタイプの較正なしには達成が難しくなり得る。

一部の位置決め用途では、駆動信号（すなわち、位置）要求を発行するマイクロコントローラまたはプロセッサはまた、較正ルーチンを行う。較正ルーチンは、オフセットおよび行程範囲差を補償するために、位置センサを含むいくつかの異なる構成要素からの出力信号データを用いることができる。マイクロコントローラは較正データを記憶し、その後に位置要求値を計算するために使用しなければならない。このタイプの較正は、処理時間およびメモリ空間の割り当てを必要とする。

広範には、一態様において、本発明は、モータを制御するためのデバイスを対象とする。デバイスは、ドライバとセンサとを含む。デバイスはさらに、モータのための較正情報を生成するようにドライバおよびセンサを制御するために、ドライバおよびセンサに結合された第１の回路と、較正情報に基づく入力範囲に対して入力を調整するために第１の回路に結合された第２の回路とを含む。調整された入力は、モータを駆動するための駆動信号を発生するために使用可能である。

本発明の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。較正情報は、ドライバがモータに電流を供給しないときに、センサによって出力される行程始点位置の値に相当する第１の較正値と、ドライバがモータに最大位置変化を生じることができる電流を供給するときに、センサによって出力される行程終点位置の値に相当する第２の較正値とを含むことができる。第２の回路は、入力として入力要求を受け取るための入力インターフェースを含むことができ、第１の回路は、第１および第２の較正値を入力インターフェースに供給する較正制御ブロックを含むことができる。入力要求はデジタル値とすることができ、入力インターフェースは、第１の基準として第１の較正値を受け取るための第１の基準端子と、第２の基準として第２の較正値を受け取るための第２の基準端子とを有するデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を含むことができ、第１および第２の基準は入力範囲を定義する。ドライバはボイスコイルドライバとすることができ、センサは磁場センサとすることができる。

もう１つの態様では本発明は、コントローラと、コントローラおよびボイスコイルモータ（ＶＣＭ）に結合された運動制御デバイスとを含むシステムを対象とする。運動制御デバイスは、ボイスコイルドライバと、磁場センサとを含む。運動制御デバイスはさらに、ＶＣＭのための較正情報を生成するようにボイスコイルドライバおよび磁場センサを制御するために、ボイスコイルドライバおよび磁場センサに結合された第１の回路と、較正情報に基づく入力範囲に対して入力を調整するために、第１の回路に結合された第２の回路とを含む。調整された入力は、ＶＣＭを駆動するための駆動信号を発生するために使用可能である。

本発明の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。コントローラは、カメラのレンズの焦点を合わせるために運動制御デバイスを用いるように構成することができる。ボイスコイルドライバ、磁場センサ、第１の回路、および第２の回路は、半導体集積回路として集積化することができる。半導体集積回路およびコントローラは、カメラレンズ焦点合わせモジュール上に位置することができる。

本発明の特定の実装形態は、以下の利点の１つまたは複数をもたらすことができる。運動制御デバイスは、個々のモータ間に見られる行程始点および行程終点位置の大幅なばらつきにも関わらず、それが制御する任意のモータ（たとえばＶＣＭ）に位置に対して正確な線形運動制御を達成することができる。向上された精度の他にユーザまたは用途に対する他の利点は、再現性および改善された速度、たとえばカメラレンズ焦点合わせモジュールにおける短縮された焦点合わせ時間を含む。さらに、外部マイクロコントローラによって実行される較正ルーチンは、もはや必要ない。

本発明の上記の特徴、および本発明自体については、図面の以下の詳細な説明から、より完全に理解されよう。

磁場センサ、コイルドライバ、および自己較正サポートを有するインターフェースを含む、運動制御デバイスを使用した例示の制御システムのブロック図である。 入力要求対出力応答（位置）の理想的および測定された伝達関数を示すグラフである。 入力インターフェースおよび較正制御ブロックを含む、（図１の）インターフェースの部分ブロック、部分概略図である。 図１の運動制御デバイスによって行われる例示の自己較正を示す流れ図である。 デジタル入力要求に対する図３の入力インターフェースの部分ブロック、部分概略図である。 アナログ入力要求に対する図３の入力インターフェースの部分ブロック、部分概略図である。 アナログ入力要求に対する図３の入力インターフェースの部分ブロック、部分概略図である。 （図１の）インターフェースの代替実施形態の部分ブロック、部分概略図である。 （図１の）インターフェースの代替実施形態の部分ブロック、部分概略図である。 図７Ａは、フルまたは「Ｈブリッジ」コイルドライバとして実装された図１のコイルドライバの部分ブロック、部分概略図である。図７Ｂは、ローサイドコイルドライバとして実装された図１のコイルドライバの部分ブロック、部分概略図である。 図１に示されるものなどの運動制御デバイスを使用することができる、例示のカメラレンズ焦点合わせシステムのブロック図である。

図１は、位置決め用途に閉ループ運動制御をもたらす例示の制御システム１０を示す。制御システム１０は、運動制御デバイス（または「デバイス」）１４に接続されたコントローラ１２を含む。制御システム１０はまた、運動デバイス１６を含み、これは磁石１８およびコイル２０を有する組立体を含む。磁石／コイル組立体は、所与の用途のために移動されるべきデバイスまたは構造体に接続する。本明細書で述べる一実施形態では、磁石１８はコイル２０に対して移動可能であり、制御システム１０はコイル２０を用いて磁石１８の動きを制御する。運動デバイス１６は任意のタイプの線形運動デバイス、たとえばボイスコイルモータ（ＶＣＭ）などのリニアモータとすることができる。位置決め用途は、運動デバイスによって発生される変位を使用する任意の用途とすることができる。

運動制御デバイス１４は、磁場センサ２２として示される位置センサ、コイルドライバ２４、および較正サポートを有するインターフェース２６を含む。磁場センサ２２は、任意の磁界検出デバイス、たとえばホール効果センサ（ホールセンサ）またはある種の磁気抵抗（ＭＲ）センサでよい。ＭＲセンサは、非限定的に、ピニングされていないサンドイッチ、反強磁性多重層およびスピンバルブ構造を含むＧＭＲ、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）、磁気トンネル接合（ＭＴＪ、これはスピン依存トンネリングまたは「ＳＤＴ」としても知られる）、およびトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を含む任意のタイプのＭＲ素子を用いて作ることができる。デバイス１４は、コントローラ１２から受け取った電気的入力３０に関係付けられた電流信号２８を、コイル２０に供給する。デバイス１４は、磁界強度３２を検出するために磁場センサ２２を用いる。その検出に基づいて磁場センサは、センサ出力信号３４をインターフェース２６に供給する。

引き続き図１を参照すると、インターフェース２６は、コイルドライバ２４をコントローラ１２にインターフェースするように、かつコイルドライバ２４を磁場センサ２２に結合するように働く。これは磁場センサ２２の出力のセンサ出力３４を入力電圧信号として受け取り、コイルドライバ２４に出力電圧信号３６を供給し、コイルドライバ２４はこれをコイル２０に印加されるべき駆動電流（すなわち駆動信号）２８に変換する。センサからドライバへの接続は、デバイス１４が内部的に、すなわち位置フィードバック情報を供給するためのコントローラ１２（および／またはユーザ）による介入、または他の構成要素の必要なしに、センサフィードバックに基づいて位置を補正することを可能にする。さらに、以下で詳細に説明するように、インターフェース２６は、運動制御デバイス１４がそれ自体を較正することを可能にするために較正サポートを含む。この「自己較正」は、制御システムユーザまたは用途が非線形制御ループから線形位置決めを得ることを可能にする。

１つの例示的実施形態では、線形運動制御デバイス１４は、半導体集積回路（ＩＣ）として実装される。すなわち磁場センサは、単一の半導体基板上にコイルドライバ２４およびインターフェース２６の回路と共に集積化される。したがってデバイス１４は、モジュール設計に用いるためのＩＣとして製造および販売することができる。

図１は、制御システム１０の機能的分割のみを示すためのものであることが理解されよう。ＩＣとして構成される場合は、運動制御デバイス１４は、運動デバイス自体の磁石／コイル組立体内に取り付けられまたは埋め込まれる。このような磁石／コイル組立体で、磁石が静止コイルに対して移動する一例は、Ｄａｖｉｄらの名前で２００７年１０月１日に出願され、主題の出願の譲受人であるＡｌｌｅｇｒｏ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．に譲渡された「Ｈａｌｌ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｂａｓｅｄ Ｌｉｎｅａｒ Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ホール効果ベースのリニアモータコントローラ）」という名称の同時係属の米国特許出願第１１／８６５，１１８号において述べられている。その例では、ＩＣは駆動コイル２０に接続され、駆動コイル２０はバイアス機構に取り付けられ（すなわち結合され）、可動磁石は所望の運動経路に沿った動きを可能にする機械的懸架システムによってデバイス／コイル構造体の上に懸架される。磁石／コイル組立体はその代わりに、静止磁石と可動コイルとを使用する、または位置の変化と共に磁界強度の変化を生じることができる他の何らかの機構で置き換えることもできる。

図２は、制御信号すなわち要求入力と位置出力の関係を表すグラフ４０を示す。第１のプロット４２（実線で示される）は、０ＶからＶＤＤなどの全ダイナミック入力レンジにわたって線形な関係（すなわち位置出力は入力に直接比例し、それにより出力対入力のプロットは直線を描く）の場合の理想的な伝達関数曲線を示す。図示の例では、要求入力は８ビットデジタル入力として示され、０の値はホーム（すなわち行程始点）位置に対応し、２５５の値は全行程（すなわち行程終点）位置に対応し、したがって全ダイナミック入力レンジは０から２５５までとなる。第２のプロット４４（点線で示される）は、要求入力に対して位置出力が測定された、運動デバイスの実際の伝達関数を示す。行程始点位置に関連するオフセットと、行程終点位置に関連する減少された行程範囲とが存在する。オフセットに対応する入力値は参照番号４６で示され（かつ「Ａ」のラベルが付けられ）、行程終点位置に対応する入力値は参照番号４８で示される（かつ「Ｂ」のラベルが付けられる）。その結果、実際の曲線の場合の出力の入力に対する関係は、０から２５５までの全ダイナミックレンジにわたって線形ではなく、ＡとＢでの入力値の間（および両端を含む）となる。異なる運動デバイスは、異なる大きさのオフセットおよび行程範囲を有し得るので、入力範囲の端点ＡとＢはそれらに関連したいくらかの変動性を有する。

オフセットおよび行程範囲の制限の実際的な影響を理解するために、カメラ焦点システムの場合の例を考える。一般の焦点アルゴリズムは、最適な焦点位置を決定するための試みにおいて、一連の離散的位置を通じてカメラレンズを移動する。「理想的」なＶＣＭ、すなわち要求信号の全ダイナミックレンジをサポートするＶＣＭは、所望の数の焦点ステップのすべてを通じて信頼度良くカメラレンズを移動して、精密な焦点合わせ能力を達成することになる。しかし、いくらかのオフセットおよび制限された行程範囲を有する通常のＶＣＭは、より少ない数の焦点ステップを通じてカメラレンズを移動し、したがって粗い焦点合わせ能力しか達成しないことになる。

したがって運動制御デバイス１４は、理想的な出力応答と、実際の（測定された）出力応答の差を補償する。運動制御デバイス１４は、運動デバイス１６の行程の端点（「較正値」）を測定し入力範囲を変化させる、より具体的にはホーム位置および全行程位置に対応する入力範囲の端点を、要求ユーザまたは用途によって（コントローラを通じて）指定される全ダイナミック入力レンジのものから、較正時に測定された端点へ変化させる自己較正を実行する。デバイス１４は、位置センサ、ドライバ、および較正サポートを含むので、その全行程範囲を通して運動デバイスの動きをもたらし、運動デバイスの行程始点および行程終点位置を捕捉し、その情報を用いてその特定の運動デバイス固有のオフセットおよび行程範囲ばらつきを補償することができる。自己較正されると、その後に運動制御デバイスは、「スケーリング」すなわち入力範囲に対して入力（したがって制御システムの応答）を調整するように動作する。このスケーリングまたは調整は、運動デバイスが、それが予測可能な性能および直線性をもたらす範囲の一部だけにわたって使用されるので、結果として改善された制御ループの応答（および速度）を生じる。

要求入力は、運動デバイスの位置を選択するように、（コントローラを通じて）ユーザによって入れられる入力である。要求入力は、アナログ信号、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号、またはインターフェース・プロトコル、たとえばＩ^２Ｃなどのシリアル・インターフェース・プロトコルを通じて供給されるデジタル値とすることが可能である。

自己較正は、いくつかの異なるやり方で開始することができる。たとえば、パワーオンサイクルのたびに自動的に発生することができる。別法としてまたは追加として、較正要求は、要求入力３０自体または何らかの他の（１つまたは複数の）制御ライン（たとえば、専用較正制御入力）を通じてコントローラ１２によって運動制御デバイス１４に提出される、較正コマンドとして発生することができる。そのタイミングは、イベント駆動型、ユーザ定義型、またはその両方とすることができる。

図３を参照すると、インターフェース２６は、比較器として動作する高利得差動増幅器である増幅器５０と、入力インターフェース５２とを含む。入力インターフェース５２は、コントローラ１２（図１に示される）から入力３０を受け取る。増幅器５０は、入力として入力信号５４と磁場センサ出力信号３４とを受け取る。これは信号３４および５４に基づいて出力信号３６を発生し、その出力信号３６はコイルドライバ２４に供給される。図３にはまた、コイルドライバ２４を外部電源電圧（「ＶＤＤ」）に接続するために用いられる電源電圧ライン５８と、コイルドライバ２４を接地（「ＧＮＤ」）に接続するための接地ライン６０が示される。他のサブ回路も、図示のように電源および接地に接続される。

図１および図３を参照すると、インターフェース２６はコイル２０を通して電流を駆動する。コイル２０の電流は、運動デバイス１６の位置が結果として、入力５４と一致するなど入力５４に関して所定の関係を有する磁場センサ出力電圧（出力３４）を生じるまで変化する。デバイス１４がそれ自体すでに較正されているものとすると、入力５４は、入力３０の調整されたバージョンとなり、ここでは調整された入力と呼ぶことができる。

前述のようにインターフェース２６は、自己較正のためのサポートを含む。較正制御は、較正制御ブロック６２によってもたらされる。較正制御ブロック６２は、較正制御ブロック入力６６にて較正値（すなわち、ホーム位置および全行程位置に対して測定されたセンサ出力３４）を受け取る較正値捕捉ブロック６４を含む。これらの較正値、または較正値から由来するまたは計算される値は、ライン６８ａおよび６８ｂを通じて入力インターフェース５２に供給される。一実施形態では較正値捕捉ブロック６４は、一方は全行程位置の値を捕捉するため、他方はホーム位置の値を捕捉するための、２つの別々のサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路を用いて実装することができる。

較正制御ブロック６２は、出力７０として示される入力インターフェース５２からの出力信号を受け取り、デバイス１４が通常（非較正）動作モードで動作しているときは、その信号を入力５４として増幅器５０に供給する。較正が要求されたときは、較正制御ブロック６２は増幅器入力５４として供給される信号を内部的に発生する。したがって自己較正時は、ホームおよび全行程較正値を取得できるように駆動信号を発生させるのは、較正制御ブロック６２である。他の場合通常動作時には、駆動信号は、ユーザによって供給される入力３０に基づく。

他の較正および出力制御に関係する目的の相互接続は、（１つまたは複数の）ライン７２によって全体的に示される。これらはたとえば、入力３０が較正要求コマンドを入力インターフェース５２に伝達するように用いられている場合は、受け取った較正要求に関する（入力インターフェース５２からの）通信を含むことになる。

図４を参照すると、１つの例示的実施形態では、自己較正８０は次のように動作する。図示のようにたとえばパワーオンにて自己較正が開始されると（ブロック８２）、較正制御ブロック６２は、０ｍＡの電流がコイルに印加されたときに（ブロック８４）センサによって出力値を発生させ、その出力値をホーム位置の値、すなわち第１の較正値「−Ｒｅｆ」として記憶させる（ブロック８６）。すなわち、ホーム位置への運動デバイスの動きをもたらすように０ｍＡのコイル電流がコイルドライバ２４に供給され、運動デバイスがホーム位置にあるときにセンサ出力電圧が捕捉される。次いで較正制御ブロックは、運動デバイスの最大変位（すなわち全行程）をもたらすようにコイルに電流が供給されるようにし、全行程位置に対するセンサ出力が発生されるようにする（ブロック８８）。次いでセンサ出力値は、全行程位置の値、すなわち第２の較正値「＋Ｒｅｆ」として記憶される（ブロック９０）。言い換えれば較正制御ブロック６２は、コイルドライバ２４に供給されるコイル電流を最大化して、運動デバイスをその最大（すなわち全行程）位置へ移動させ、その位置でのセンサ出力電圧を捕捉する。較正制御ブロック６２は（ブロック９２で）、もう１度較正を行うときであるかどうかを判定し、そうである場合はブロック８４で自己較正が再度開始する。図示の実施例では自己較正は、パワーオン時に、および（入力要求を通じた）較正コマンド、または他の制御信号によって指定される別の時点で発生する。

「記憶」とは、較正値が捕捉され、図５Ａ〜５Ｃ（入力パス回路を示す）および図６Ａ〜６Ｂ（センサ出力パス回路を示す）を参照して説明するように、補償の目的のために、入力パスまたは代替としてセンサ出力パス内の回路に供給されることを意味する。一実施形態では図３に戻ると、較正値が「記憶」されるときは、それらは較正値捕捉ブロック６４の回路によって捕捉され、その後にライン６８ａおよび６８ｂ上で入力インターフェース５２に供給される。

図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、入力インターフェース５２の代替実施形態を示す。最初に図５Ａを参照すると、入力インターフェース５２は、入力３０としてデジタル入力を受け取るように実装される。図示の実施例では入力３０は、シリアル・インターフェース１００（たとえば、Ｉ^２Ｃインターフェース）によって受け取られ、これはライン１０２上にデジタル符号を供給する。ライン１０２は、シリアル・インターフェース１００をデジタル−アナログ変換器（「ＤＡＣ」）１０４に結合する。ＤＡＣ１０４は、デジタル入力を表すアナログ出力を発生する。ＤＡＣ１０４は端子１０６ａおよび１０６ｂを有し、これらはそれぞれＤＡＣのハイ基準入力＋Ｒｅｆおよびロー基準入力−Ｒｅｆに対応する。端子１０６ａでのハイ基準入力は入力ビットがすべて１のときの最大出力を定義し、端子１０６ｂでのロー基準入力は入力ビットがすべて０のときの最小出力を定義する。これらのＤＡＣ端子は、較正値ライン６８ａおよび６８ｂに結合され、それらのライン上に捕捉された較正値を受け取る。センサ出力３４がホーム位置の測定値であるときは（自己較正時）、それは端子１０６ｂに供給される。センサ出力３４が全行程位置の測定値であるときは（自己較正時）、それは端子１０６ａに供給される。したがって＋Ｒｅｆ用のＤＡＣ端子１０６ａは、全行程（行程終点）位置に対する較正値に設定され、−Ｒｅｆ用のＤＡＣ端子１０６ｂは、ホーム（行程始点）位置に対する較正値に設定される。

較正の後に、入力３０にて非較正入力要求が受け取られると、ＤＡＣ１０４は出力として、較正に基づく基準によって定義されるＤＡＣ入力範囲に従って「スケーリングされた」入力インターフェース出力７０を生成する。ｎビットＤＡＣのアナログ出力は、｛（デジタル入力）（＋Ｒｅｆ−−Ｒｅｆ）｝／（２^ｎ−１）である。たとえば＋Ｒｅｆ＝５．０Ｖ、−Ｒｅｆ＝０Ｖ、および１０００００００（１２８_１０）の入力値の場合は、出力は２．５Ｖとなる。較正値が＋Ｒｅｆ＝３．０Ｖおよび−Ｒｅｆ＝１Ｖとなるように更新されたときは（同じ入力値に対して）、出力は１．０Ｖとなる。したがって入力は入力範囲電圧（すなわち＋Ｒｅｆ−−Ｒｅｆ）によって適切にスケーリングされ、これは出力応答を線形化するように働く。すなわちそれによって、異なるモータ位置に線形的に対応する駆動信号２８（図１の）の変化を生じる。２進重み付け、またはＲ−２Ｒ梯子回路網など、任意のＤＡＣアーキテクチャを用いることができる。

結果としての出力応答の線形化は、ユーザ／コントローラに対して透過的である。たとえば要求入力３０が、０ＶからＶＤＤまでの入力範囲でアナログ信号を受け入れるものとする。差動増幅器５０は、入力５４（すなわち調整された入力）と、センサ出力３４の差を判定し、コイルドライバ２４にコイルドライバ信号３６を送る。コイルドライバは、運動デバイスを要求された位置に駆動する。運動デバイスの変位はセンサ２２によって測定され、センサ２２は測定出力３４を差動増幅器５０に供給し、それにより差動増幅器５０への入力値が一致するまでコイルを通る電流が調整されるようになる。

次に図５Ｂに示される入力インターフェース５２の例示のアナログ実装を参照すると、入力インターフェース５２は、入力３０としてアナログ入力、すなわち積分器１１０によってＰＷＭからアナログに変換されたＰＷＭ入力を受け取る。アナログ入力は、ＧＮＤからＶＤＤまでを基準とする。入力インターフェース５２は、積分器１１０の出力に結合された第１の入力１１４、第２の入力１１６、および出力７０を有する差動増幅器１１２を含む。差動増幅器１１２は、出力７０と入力１１４の間に、利得を調整するための可変抵抗素子（またはポテンショメータ、またはＲ−２Ｒ梯子形ＤＡＣ）１２０を含むフィードバックループ１１８を有する。利得の値は、素子１２０の値を調整することによって設定される。利得値は、較正値の間の差となるように決定される。入力１１６は、オフセットと等しくなるように基準電圧を調整するための可変抵抗素子（またはポテンショメータ、またはＲ−２Ｒ梯子形ＤＡＣ）１２２を含む。オフセットは、素子１２２の値を変化することによって増加または減少させることができる。利得およびオフセット調整回路を有する増幅器１１２は、参照番号１２４によって示される。この実装形態では、素子１２０、１２２に結合された較正値ライン６８ａ、６８ｂは、入力電圧をＧＮＤからＶＤＤまでを基準とするのを、ホーム位置および全行程位置での磁気センサ２２の出力３４を基準とするようにスケーリングするために用いられる。すなわち利得およびオフセットは、制御信号が較正値と一致するように調整される。

オフセットは利得調整によってわずかに影響を受けるので、最初に全行程にて利得を調整し、次いでホーム位置にてオフセットを調整するのが望ましい場合がある。たとえばホーム位置オフセットがゼロでない場合は、利得を変化させるとホーム位置オフセットの値も変化させることになり、ある大きさの誤差を生じる。

他の入力インターフェースの実装形態も可能である。図５Ｃに示されるように、アナログ入力またはＰＷＭからアナログに変換されたアナログ入力に対して、入力インターフェース５２は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１３０と、それに続くＤＡＣ１３２とを含むことができる。ＡＤＣ１３０は、較正値によって定義されるＡＤＣ入力範囲内に入力をスケーリングし、ＤＡＣ１３２は、ＡＤＣ１３０のデジタル出力１３４をもとのアナログ領域に変換する。較正値６８ａ、６８ｂは、それぞれＡＤＣ基準１３６ａ（＋Ｒｅｆ）、および１３６ｂ（−Ｒｅｆ）として用いるためにＡＤＣ１３０に供給される。基準１３６ａ、１３６ｂは、ＡＤＣ１３０が変換することができる値の最大入力範囲（ボルトを単位とする）を定義する。基準入力１３６ａはすべてのＡＤＣ出力ビットが１であるときの最大入力を定義し、基準入力１３６ｂはすべてのＡＤＣ出力ビットが０であるときの最小入力を定義する。ｎビットＡＤＣの場合は、入力範囲は２^ｎ個の値（たとえば、８ビットＡＤＣの場合は２５６個の値）すなわち電圧ステップに分割される。電圧ステップの大きさは、入力範囲を電圧ステップの数で割ることによって与えられる。したがって８ビットデバイスが５Ｖの＋Ｒｅｆと０Ｖの−Ｒｅｆによって定義される入力範囲を有する場合は、電圧ステップの大きさは５Ｖ／２５６すなわち１９．５ｍＶとなる。基準を２Ｖの＋Ｒｅｆと１Ｖの−Ｒｅｆに変化させると、ステップの大きさは１Ｖ／２５６すなわち３．９ｍＶとなる。変換後にＡＤＣから読み出される値は、（Ｖｉｎ／Ｖｒｅｆ）×（２^ｎ−１）であり、ただしＶｉｎは入力電圧、Ｖｒｅｆは（＋Ｒｅｆ−−Ｒｅｆ）に等しい。したがってＶｉｎは、１／Ｖｒｅｆによってスケーリングされるということができる。任意のタイプのＡＤＣアーキテクチャ、たとえばフラッシュ、逐次近似、シグマデルタを用いることができる。

較正時には出力１３４として示されるＡＤＣ１３０の出力は、運動デバイスのホーム位置（−Ｒｅｆ値１３６ｂ）に対応する最初のカウントから、運動デバイスの全行程位置（＋Ｒｅｆ値１３６ａ）に対応する最後のカウントまで掃引する。たとえば８ビットシステムであると仮定すると、最初のカウントは「００００００００」となり、最後のカウントは「１１１１１１１１」となる。したがってＡＤＣ１３０は、単一の運動デバイスの固有の行程範囲に対してデジタル的に補償される。次いでＤＡＣ１３２は、接地からＶＤＤまでの全ダイナミックレンジを用いて、デジタルＡＤＣ出力１３４をアナログ信号、出力７０に戻すために用いられる。＋Ｒｅｆ１３８ａおよび−Ｒｅｆ１３８ｂとして示されるＤＡＣ基準は、したがってそれぞれＶＤＤおよび接地に接続される。

図６Ａ、６Ｂは、インターフェース２６の代替実施形態を示す。これらの代替実施形態では、較正調整は、センサ２２の出力３４と差動増幅器５０の間のセンサ出力パス（図３、５Ａ、５Ｂ、および５Ｃで示されたような入力パスではなく）内で生じる。これらの実施形態では、入力３０は較正制御ブロック６２に供給され、較正制御ブロック６２は差動増幅器５０に、通常動作時には入力３０を入力５４として供給し、自己較正時には内部的に発生した信号を入力５４として供給する。

図６Ａを参照すると、センサ２２と差動増幅器５０の間には、利得およびオフセット調整回路１４０を有する増幅器として示されるセンサ出力パス（またはセンサ出力インターフェース）回路１４０が結合される。利得およびオフセット調整回路１４０を有する増幅器は、図５Ｂに示される利得およびオフセット調整回路１２４を有する増幅器と同様である。これはその入力としてセンサ出力３４を受け取り、スケーリングされたセンサ出力値１４２を（その出力として）増幅器５０に供給するという点で回路１２４と異なる。内部構成要素および構成は、図５Ｂに示されるものと同じである。

図６Ｂを参照すると、インターフェース２６は、背中合わせのＡＤＣ１５０およびＤＡＣ１５２として示されるセンサ出力パス（またはセンサ出力インターフェース）回路を含む。ＡＤＣ１５０は、その入力としてアナログセンサ出力３４を受け取る。較正時にはその出力３４は、較正制御ブロック６２に供給される。出力３４がホーム位置の測定値であるときは、それは捕捉され、ＡＤＣ基準１３６ｂ（−Ｒｅｆ）として用いるために較正値ライン６８ｂを通じてＡＤＣ１５０に供給される。出力３４が全行程位置の測定値であるときは、それは捕捉され、ＡＤＣ基準１３６ａ（＋Ｒｅｆ）として用いるために較正値ライン６８ａを通じてＡＤＣ１５０に供給される。較正された後は、ＡＤＣ１５０は、アナログ入力値（たとえばアナログ電圧）としてセンサ出力３４を受け入れ、それをスケーリングされたデジタル値１５４に変換する。基準１３６ａ、１３６ｂは、ＡＤＣが変換することができる値の最大入力範囲（ボルトを単位とする）を定義する。ＡＤＣ１５０用の基準は、したがってセンサ出力３４によって定義される行程範囲と一致するように調整される。ＤＡＣ１５２は、デジタルＡＤＣ出力１５４を、接地からＶＤＤまでの全ダイナミックレンジを有するアナログ信号のＤＡＣ出力１５６に戻すために用いられる。

図６Ａ、６Ｂに示される実施形態では、入力３０は、ＧＮＤからＶＤＤまでを基準とするアナログ信号であると仮定される。代わりに入力３０は、ＰＷＭ信号として（図５Ｂ〜５Ｃに示されるようにＰＷＭ信号をアナログ信号に変換するための積分器を用いて）、またはデジタル入力として（図５Ａに示されるような）供給することもできる。デジタル入力が用いられる場合は、デジタル入力はＤＡＣによってアナログ入力に変換される必要がある。別法として、および図６Ｂを参照すると、センサ出力パス内のＤＡＣ１５２をなくすこともでき、差動増幅器５０はデジタル比較器に置き換えられる。

図５Ａ、５Ｃ、または６Ａの＋Ｒｅｆおよび−Ｒｅｆの設定、または代替として図５Ｂおよび６Ｂの利得およびオフセットの設定は、次の較正（再較正）が行われて較正制御ブロック６２の制御下で新しい較正値が取得されるまで維持される。

上記の特徴によって得られるものは、特定の運動デバイスの固有のスタートおよびストップ位置に対して補償する閉ループシステムである。それ自体は、その運動デバイスの固有の行程範囲に関心をもつ必要はない。別のユーザ／用途およびコントローラは、同じ運動制御デバイスを、異なる行程範囲を有する別の運動デバイスを制御するために用いることができる。したがって運動制御デバイス１４は、制御の観点から当て推量を取り除き、ユーザが非常に小型で予測できないアクチュエータモータを用いて設計することを可能にする。自己較正の特徴を用いることにより、したがって運動制御デバイス１４のユーザは、理想的ではない出力応答を有するシステムから、改善された精度を引き出すことができる。

磁石の磁気回路および磁場センサは、運動デバイスのホーム位置または全行程位置のいずれかにおいてセンサ出力３４が飽和する状態を結果として生じ得ることが留意されるべきである。較正するためには運動制御デバイス１４は、センサ回路の磁気的線形動作領域内になければならない。これは、磁気的信号を変化させる、すなわち磁場センサ回路の利得およびオフセットを調整することによって達成される。図５Ｂおよび６Ａに示されるものと同様な利得およびオフセット調整回路を、利得およびオフセットを調整するためにセンサ増幅器内に用いることができ、したがって線形動作を可能にする。運動デバイスをホーム位置から作動させる前に、センサ出力３４が、センサの内部増幅器の飽和領域内ではない知られた電圧を超えるように強制するためにオフセット調整を用いることができる。オフセットが調整された後に、行程始点位置の値の捕捉を生じることができる。コイル電流をフル値に作動させ、モータを行程終点位置に駆動するときは、センサ出力３４が、センサの内部増幅器の飽和領域内ではない一定の電圧未満となるように利得を調整するために、利得調整を用いることができる。行程終点位置の値は、利得調整が生じた後に取得することができる。他の技術、特に磁気回路設計技術を用いることもできる。

上述のように再較正は、ある経過時間後に、またはトリガ（パワーオン、較正コマンド、または信号など）に応答して開始することができる。再較正は、較正誤差および変動、たとえば、ホーム位置での磁気信号に影響を及ぼし、デバイスを較正された状態から逸脱させ得る温度および／または機械的動きによる時間的な変化が生じ得るので、必要となり得る。他の技術も有用となり得る。たとえば入力要求範囲のｘ％（ただしｘはゼロより大きい値）から１００％までに対しての行程を目標とすることにより、行程始点を「バッファする」ことが望ましい場合がある。８ビットデジタル入力の場合を再び考察する。８ビットデジタル入力の場合は、８ビットコマンドのたとえば１０％から１００％までを目標とした行程は、結果として符号２５から２５５までに対する行程となる。０〜１０％の入力符号は、較正後であるが再較正が生じ得るより前に経験されるホーム位置での較正誤差および変動の両方に対するバッファとして働くことになる。時間と共に大きな変化が生じる場合、または（バッファリングが用いられた場合に起こり得るような）最高入力符号または値が全行程に足りないために全行程に到達できない場合は、用途に対する行程を最適化するために再較正が必要となり得る。

図７Ａは、一部だけ例として挙げると振動モータ、シャッタトリガ、偏光フィルタ、スピーカ制御などの小型リニアモータのリニアモータ駆動および制御に特に適したコイルドライバ２４の例示的実施形態を示す。この実施形態ではコイルドライバ２４は、Ｈブリッジ回路１６０を含んで実装される。また増幅器１６２と、検出抵抗器１６４とが含まれる。増幅器１６２は、その非反転入力に、（図３の）差動増幅器５０によって発生される出力信号３６を受け取る。入力信号１６６として示される反転入力は、Ｈブリッジ１６０に結合され、検出抵抗器１６４を通じて接地に接続する。このタイプのコイルドライブは、Ｈブリッジまたはフルブリッジドライバと呼ばれ、双方向性の電流の流れをもたらし、それによりリニアモータが順方向および逆方向に移動することを可能にする。（図１の）駆動電流出力２８は、ここでは外部コイル（図１のコイル２０）に一端に接続する第１の出力２８ａと、外部コイルの他端に接続する第２の出力１２８ｂとを含んで示される。図示の実施形態では、Ｈブリッジ回路１６０は、４つの固体スイッチ（図ではＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のラベルが付された）を用いて構成される。Ｓ１とＳ４が閉じられた（かつＳ２とＳ３が開かれた）ときは、電流はコイル２０を通って一方の方向に流れる。Ｓ１とＳ４を開き、Ｓ２とＳ３を閉じることにより、電流はコイル２０を通って逆方向に流される。

図７Ｂは、ＶＣＭなどのモータを駆動するのに用いることができる、コイルドライバ２４の例示的実施形態を示す。この実施形態ではコイルドライバ２４は、ローサイドのボイスコイルドライバとして実装される。コイルドライバ２４は、出力ドライバとして、（構成要素１６２および１６４に加えて）ＭＯＳＦＥＴ１７０を含む。このタイプのコイルドライバは、一方向のみの電流の流れを生じる。出力２８ｂとして示されるコイルドライバ電流出力は、外部コイル（図１のコイル２０）のローサイドに接続する。外部コイルのハイサイドは、電池などの外部電源に接続されることになる。

デバイス１４（図１）は、上述のようなインターフェース２６の較正サポートおよび他の特徴を用いて、ボイスコイルモータを用いる用途などの他の様々な用途に用いることができる。一実施例は、図８に示されるような、カメラフォンとしても知られるカメラ付き携帯電話に用いることができるカメラレンズ焦点合わせモジュール（または「モジュール」）１８０である。ボイスコイルモータは、モジュール１８０のレンズ駆動デバイスの用途、および他の精密機器用途などの、限られた運動で高頻度作動用途におけるアクチュエータとして有用である。

モジュール１８０は、レンズ焦点合わせプロセス１８４を実行し、モジュールの他のブロックに制御信号を供給するコントローラ１８２を含む。コントローラ１８２は、カメラフォンの全体的動作と、したがって電話機とカメラ機能の切り換えを制御することができ、またはコントローラ１８２は、カメラ動作モード専用（電話機モードの処理用に別のコントローラを用いて）とすることができる。コントローラ１８２はデバイス１４に接続され、デバイス１４はＶＣＭ１８６を駆動する。図１に関連して先に示したように、デバイス１４は、単一基板上にコイルドライバおよび磁場センサと共に集積化された半導体集積回路として構成することができる。コイルドライバは、単方向性駆動用に図７Ｂに示したコイルドライバ２４のように実装することができる。

ＶＣＭ１８６は、レンズ焦点を調整するために、光学組立体１９０のレンズ１８８の線形な動きを制御する。デバイス１４のコイルドライバ２４は、ＶＣＭ１８６を制御する。モジュール１８０はまた、画像センサ１９２、信号プロセッサ（ＳＰ）１９４、およびフレームメモリ１９６を含む。次にこのモジュールの動作について述べる。

コントローラ１８２がカメラ機能に切り換わっている、すなわちカメラモードにあると仮定すると、画像センサ１９２は活動化され、コントローラ１８２は制御ライン１９８を通じて制御信号（タイミング信号）を画像センサ１９２に送って画像捕捉プロセスを開始する。レンズ１８８によって画像センサ１９２上に投射された画像は走査され、ＳＰ１９４に加えられる。コントローラ１８２は、信号プロセッサ１９４を活動化して自動焦点処理を開始する。ＳＰ１９４は、サンプリング、増幅、および画像センサ１９２からの画像信号出力のＡ／Ｄ変換を実行し、デジタル画像データを出力する。フレームメモリ１９６は、ＳＰ１９４から順次出力されるデジタル画像データを一時的に記憶する。ＳＰ１９４は、フレームメモリ１９６に記憶された画像データに従って画像のコントラスト値を決定する。画像センサ１９２によって画像が捕捉され、その画像がフレームメモリ１９６に記憶されるたびに、ＳＰ１９４は画像データを読み出し、コントラスト値を計算する。

コントローラ１８２は、制御信号３０を線形運動制御デバイス１４に出力して、焦点調整を開始する。デバイス１４のドライバ部は、コントローラからの入力信号３０と、磁場センサ２２からのフィードバック信号３４とに従って駆動信号２８を発生する。ＶＣＭ１８６によるレンズ位置調整の結果、画像鮮明度に変化を生じる。ＳＰ１９４は、画像センサ１９２によって順次捕捉される画像データのコントラスト値を決定し、レンズ移動の前と後に捕捉された画像の値を比較する。ＳＰ１９４は、ピーク値となるコントラスト値が検出されたときに、最良の鮮明度を有する画像が得られたことを検出し、検出信号をコントローラ１８２に送る。コントローラ１８２は、適当な制御信号を（デバイス１４に）送り、ピークコントラスト値が得られた位置、すなわち最良の鮮明度を達成するための正確な位置にレンズ１８８を移動して焦点調整を完了する。ＳＰ１９４は、コントラスト値を決定するように述べたが最適な焦点位置の指標となる他のパラメータを、ＳＰ１９４によって計算することができる。

製造公差、およびレンズ方向（重力による引力、および加速度などの印加される負荷の方向に対する）により、コイルに印加される電流に応答した一貫性のあるレンズの動きができなくなる。デバイス１４によって使用される自己較正は、制御システムが特定のレンズ焦点モジュールに対して正確に較正されることを可能にする。自己較正は、組立体の製造ばらつきに無関係な精密な焦点合わせのために、線形運動制御を個々のレンズ焦点モジュールに較正し、カメラ焦点モジュールにおけるアクチュエータ伝達関数の非線形性を線形化する。

自己較正はまた、焦点合わせ時間を最小化し、焦点精度を向上し、それにより最終的に用途におけるモータの制御を高速化する。たとえばＡＦモジュールの場合は、センサは位置およびモータの行程範囲のばらつきに対して補償しているので、マイクロコントローラは、モータがそれを超えては移動しない範囲内でモータのステップ動作を試みるための時間を無駄にする必要がなくなる。マイクロコントローラには、移動のコマンドが与えられるとすぐにモータが動くことが分かることになる。この時間の節約により、写真を撮るための全体的な時間が短縮され、明らかな利点となる。

本明細書に記載のすべての参考文献は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明の好ましい実施形態について述べてきたが、ここで当業者には、それらの概念を具体化した他の実施形態を用いることができることが明らかであろう。たとえば運動制御デバイス１４および運動デバイス１６は、センサ２２用に、光学または容量センサなどの他のタイプのセンサを用いて実装することもできる。したがってこれらの実施形態は開示された実施形態に限定されるべきでなく、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲によってのみ限定されるべきであると考える。

Claims (21)

1. モータを制御するためのデバイスであって、
   ドライバおよびセンサと、
   前記モータのための較正情報を生成するように前記ドライバおよびセンサを制御するために、前記ドライバおよびセンサに結合された第１の回路と、
   前記較正情報に基づく入力範囲に対して入力を調整するために、前記第１の回路に結合された第２の回路と
   を備え、前記調整された入力は、前記モータを駆動するための駆動信号を発生するために使用可能なデバイス。
2. 前記較正情報は、前記ドライバが前記モータに電流を供給しないときに、前記センサによって出力される行程始点位置の値に相当する第１の較正値と、前記ドライバが前記モータに最大位置変化を生じることができる電流を供給するときに、前記センサによって出力される行程終点位置の値に相当する第２の較正値とを含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第２の回路は、前記入力として入力要求を受け取るための入力インターフェースを備え、前記第１の回路は、前記第１および第２の較正値を前記入力インターフェースに供給する較正制御ブロックを備える、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記入力要求はデジタル値を含み、前記入力インターフェースは、第１の基準として前記第１の較正値を受け取るための第１の基準端子と、第２の基準として前記第２の較正値を受け取るための第２の基準端子とを有するデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を備え、前記第１および第２の基準は前記入力範囲を定義する、請求項３に記載のデバイス。
5. 前記入力要求はアナログ信号を含み、前記入力インターフェースは、前記第１および第２の較正値に基づいて利得値を設定するように調整可能な利得回路と、オフセット値を前記第１の較正値に等しく設定するように調整可能なオフセット回路とを有する演算増幅器を備え、前記利得およびオフセット値は前記入力範囲を定義する、請求項３に記載のデバイス。
6. 前記入力要求はパルス幅変調信号を含み、前記入力インターフェースは前記パルス幅変調信号をアナログ信号に変換するための積分器をさらに備える、請求項３に記載のデバイス。
7. 前記第２の回路は、前記入力として前記センサからの出力を受け取るための回路を備え、前記第１の回路は、前記第１および第２の較正値を前記回路に供給する較正制御ブロックを備える、請求項２に記載のデバイス。
8. 前記回路が、前記第１および第２の較正値に基づいて利得値を設定するように調整可能な利得回路と、オフセット値を前記第１の較正値に等しく設定するように調整可能なオフセット回路とを有する演算増幅器を備え、前記利得およびオフセット値は前記入力範囲を定義する、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記回路が、第１の基準として前記第１の較正値を受け取るための第１の基準端子と、第２の基準として前記第２の較正値を受け取るための第２の基準端子とを有するアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を備え、前記第１および第２の基準は前記入力範囲を定義する、請求項７に記載のデバイス。
10. 前記ドライバはボイスコイルドライバを含み、前記センサは磁場センサを含む、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記較正情報は、前記第１の回路がパワーオンサイクルを検出したときに生成される、請求項１に記載のデバイス。
12. コントローラと、
    前記コントローラ、およびボイスコイルモータ（ＶＣＭ）に結合された運動制御デバイスと、を備えるシステムであって、
    前記運動制御デバイスは、
    ボイスコイルドライバおよび磁場センサと、
    前記ＶＣＭに対する較正情報を生成するように前記ボイスコイルドライバおよび磁場センサを制御するために、前記ボイスコイルドライバおよび前記磁場センサに結合された第１の回路と、
    前記較正情報に基づく入力範囲に対して入力を調整するために、前記第１の回路に結合された第２の回路と、を備え、前記調整された入力は、前記ＶＣＭを駆動するための駆動信号を発生するために使用可能である、
    システム。
13. 前記較正情報は、前記ボイスコイルドライバが前記ＶＣＭに電流を供給しないときに、前記磁場センサによって出力される行程始点位置の値に相当する第１の較正値と、前記ボイスコイルドライバが前記ＶＣＭに最大位置変化を生じることができる電流を供給するときに、前記磁場センサによって出力される行程終点位置の値に相当する第２の較正値とを含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第２の回路は、前記入力として入力要求を受け取るための入力インターフェースを備え、前記第１の回路は、前記第１および第２の較正値を前記入力インターフェースに供給する較正制御ブロックを備える、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記入力要求はデジタル値を含み、前記入力インターフェースは、第１の基準として前記第１の較正値を受け取るための第１の基準端子と、第２の基準として前記第２の較正値を受け取るための第２の基準端子とを有するデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を備え、前記第１および第２の基準は前記入力範囲を定義する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記入力要求はアナログ信号を含み、前記入力インターフェースは、前記第１および第２の較正値に基づいて利得値を設定するように調整可能な利得回路と、オフセット値を前記第１の較正値に等しく設定するように調整可能なオフセット回路とを有する演算増幅器を備え、前記利得およびオフセット値は前記入力範囲を定義する、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記コントローラは、カメラのレンズの焦点を合わせるために前記運動制御デバイスを用いるように構成される、請求項１２に記載のシステム。
18. 前記ボイスコイルドライバ、前記磁場センサ、前記第１の回路、および前記第２の回路は、半導体集積回路として集積化されている、請求項１２に記載のシステム。
19. 前記半導体集積回路と、前記コントローラとが、カメラレンズ焦点合わせモジュール上に位置する、請求項１８に記載のシステム。
20. モータを制御する方法であって、
    前記モータのための較正情報を生成するようにドライバおよびセンサを制御するステップと、
    前記較正情報に基づく入力範囲に対して入力を調整するステップと、
    前記モータを駆動するための駆動信号を発生するために、前記調整された入力を用いるステップと、
    を含む方法。
21. 前記較正情報は、第１の較正値および第２の較正値を含み、
    制御するステップは、
    前記第１の較正値として、前記ドライバが前記モータに電流を供給しないときに生成される行程始点位置の値を測定するように前記センサを制御するステップと、
    前記第２の較正値として、前記ドライバが前記モータに最大位置変化を生じることができる電流を供給するときに生成される行程終点位置の値を測定するように前記センサを制御するステップと
    を含む、請求項２０に記載の方法。

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