JP2015023675A - アクチュエータの制御装置およびアクチュエータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータの駆動を高精度に制御すること
【解決手段】ステッピングモータ１０４の回転軸１０９に取り付けられ、回転位置に対応するパターン列が形成されたエンコーダマグネット１０８と、パターン列を検出するホールＩＣ１０５ａと、を備えたロータリーエンコーダの回転位置ごとに設定された補正情報を記憶するメモリ１２３と、ステッピングモータの基準位置を検出するフォトセンサ１０６と、ホールＩＣの出力を、基準位置と補正情報を用いて補正し、補正後の情報に基づいてステッピングモータの駆動制御を行うレンズＣＰＵ１０１と、を有し、補正情報は、基準位置を検出する際に取得され、レンズＣＰＵは補正情報を取得することが可能なストローク分だけステッピングモータを介してエンコーダマグネットを回転させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータの制御装置およびアクチュエータの制御方法に関する。

アクチュエータには数多くの種類があるが、制御位置、速度または加速度などを制御する場合はエンコーダを利用したクローズドループ方式で制御する方法が一般的である。特許文献１は、回転速度むらをリアルタイムに補正することができるステッピングモータのフィードバック制御装置を開示している。具体的には、フィードバック制御装置は、ステッピングモータの回転速度を監視する手段（ロータリエンコーダ）、回転速度を目標値に近づくように制御信号を発生させる手段、制御信号により回転速度をリアルタイムに変化させる手段を有する。

特開平１１−８９２９３号公報

しかしながら、エンコーダに起因した新たな問題、例えば、位置検出素子の取付け誤差、エンコーダと位置検出素子との距離のずれ、ロータリ型であれば、エンコーダピッチの不均一性やエンコーダの偏芯などが発生する。このような誤差やずれはクローズドループ制御においてフィードバック情報の外乱となり、精度が低下する原因となる。特に、ロータリ型でのエンコーダピッチの不均一性や偏芯は、エンコーダ１周期毎に周期性をもった誤差となる。

本発明は、アクチュエータの駆動を高精度に制御することが可能な制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

本発明の制御装置は、アクチュエータの回転軸に取り付けられ、回転位置に対応するパターン列が形成された回転体と、前記回転体のパターン列を検出するパターン列検出手段と、を備えたロータリーエンコーダに関して、前記回転体の回転位置ごとに設定された補正情報を記憶する記憶手段と、前記アクチュエータの基準位置を検出する基準位置検出手段と、前記パターン列検出手段の出力を、前記基準位置検出手段によって検出された前記基準位置と前記記憶手段に記憶されている前記補正情報を用いて補正する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記基準位置検出手段が前記基準位置を検出する際に前記補正情報を取得し、前記補正情報を取得することが可能なストローク分だけ前記アクチュエータを介して前記回転体を回転させることを特徴とする。

本発明によれば、アクチュエータの駆動を高精度に制御することが可能な制御装置および制御方法を提供することができる。

本実施形態のカメラシステムのブロック図である。 図１に適用可能なフォーカスモータユニットの斜視図である。 図１に示すステッピングモータの基準位置を検出する検出系の構成を示す概略図である。 図１に示すステッピングモータの基準位置の検出方法を説明するための概略図である。 図１に示すステッピングモータの駆動システムのブロック図である。 図５に示す正弦波発生部とエンコーダ出力信号の関係，及びこの関係から得られる正弦波テーブルの値と算出される補正情報を説明する図である。 図５に示すメモリに保持される補正情報の算出を説明するための図である。 図５に示す正弦波発生部が格納する正弦波テーブルの図である。 無限方向から基準位置を検出する場合のフローチャートである。 至近方向から基準位置を検出する場合のフローチャートである。 理想的に１０極が等間隔に着磁されているセンサマグネットとホールＩＣの概略平面図とそのセンサマグネットが定速回転するときのホールＩＣの出力信号波形を示す図である。 本実施形態の磁極間隔を有するセンサマグネットとホールＩＣの概略平面図とそのセンサマグネットが定速回転するときのホールＩＣの出力信号波形を示す図である。

図１は、本実施形態のカメラシステム（光学機器）のブロック図である。カメラシステムは、交換レンズ（レンズ装置、光学機器）１００と、交換レンズが装着されたカメラ本体２００と、から構成される。カメラ本体２００はレンズ交換式の撮像装置（光学機器）であり、一眼レフカメラでもよいし、ミラーレスカメラでもよい。また、本発明の光学機器は、デジタルカメラなどのレンズ一体型の撮像装置、電子顕微鏡などでもよい。

カメラ本体２００に交換レンズ１００が装着されると、交換レンズ１００内のレンズＣＰＵ１０１とカメラ本体２００内のカメラＣＰＵ２０１とが互いに通信自在に接続される。これによって、レンズＣＰＵ１０１はカメラＣＰＵ２０１の制御に従って動作する。

交換レンズ１００は、レンズＣＰＵ１０１、フォーカスレンズ１０２、モータドライバ１０３、ステッピングモータ１０４、エンコ―ダ１０５、フォトセンサ１０６を有し、カメラ本体２００に装着可能である。レンズＣＰＵ１０１とエンコーダ１０５はステッピングモータ１０４の制御装置を構成する。

フォーカスレンズ（光学素子、被駆動部材）１０２は、不図示の被写体からの光束を集光するための撮影光学系に含まれる焦点調節のためのレンズである。フォーカスレンズ１０２は図１に示す矢印の方向（光軸方向）に駆動することで撮影光学系の焦点位置を調整する。なお、図１では、簡単のためフォーカスレンズ１０１は一つのレンズから構成されているが、複数のレンズからなるレンズユニットによって構成されていてもよい。

ステッピングモータ１０４は、モータドライバ１０３から１ステップ毎に入力されるパルス電流に従って所定のステップ角度毎に回転駆動するアクチュエータの一例であって、フォーカスレンズ１０２を駆動させる可動部に取り付けられる。アクチュエータは、ステッピングモータに限定されず、また、プリンタ、スキャナ、コピー機などの他の装置に適用されてもよい。ステッピングモータ１０４を駆動することでフォーカスレンズ１０２を光軸方向に沿って駆動させることができる。本実施例のステッピングモータ１０４では２相１０極のモータとする。

フォトセンサ１０６は、ステッピングモータ１０４の駆動により可動する遮光板により、ステッピングモータ１０４の駆動制御を行うための基準位置を検出するフォトインタラプタとして構成される。

エンコーダ１０５は、ステッピングモータ１０４の回転状態を検知し、ホールＩＣ（パターン列検出手段）と後述するエンコーダマグネット（回転体）を含む。但し、エンコ―ダの構成は、これに限定されず、フォトインタラプタとロータの回転に伴って可動するスリット回転板という構成で実施してもよい。

モータドライバ１０３はレンズＣＰＵ１０１からの駆動命令を受け、フォーカスレンズ１０２を駆動するためにパルス電流（励磁電流）をステッピングモータ１０４にステップ単位で印加する。

レンズＣＰＵ（レンズ制御手段）１０１は、カメラＣＰＵ２０１から目標位置、駆動速度などのフォーカスレンズ駆動命令を受け、モータドライバ１０３に出力し、ステッピングモータ１０４を駆動し、マイクロコンピュータから構成される。また、レンズＣＰＵ１０１は、エンコーダ１０５の出力信号からステッピングモータ１０４のフィードバック情報を得て、ステッピングモータ１０４が駆動命令に従うように適切なクローズドループ制御を行う。

カメラ本体２００は、カメラＣＰＵ２０１、シャッタ２０２、撮像素子２０３、表示部２０４、電源２０５を有する。

撮像素子２０３は、光電変換素子が配列された受光面を有し、撮影光学系によって受光面上に結像した不図示の被写体の光学像を光電変換し、さらにデジタル信号に変換してカメラＣＰＵ２０１に出力する。

シャッタ２０２は、撮像素子２０３の受光面に対して配置され、カメラＣＰＵ２０１の命令に従って撮像素子２０３の受光面を露出状態もしくは遮光状態とする。撮像素子２０３の受光面の露出時間を制御することで、撮像素子２０３における露出量を制御することが可能である。

表示部２０４は、例えば、カメラ本体２００の背面に設けられ、カメラＣＰＵ２０１の制御に従って、撮像素子２０３を介して得られる画像データなどに基づく各種の画像を表示する。

電源２０５は、カメラ本体２００のカメラＣＰＵ２０１や、交換レンズ１００が装着された際はレンズＣＰＵ１０１などに電源電力を供給する。

カメラＣＰＵ（カメラ制御手段）２０１は、カメラ本体２００側の各種動作の制御を行い、マイクロコンピュータから構成される。また、カメラＣＰＵ２０１は、撮像素子２０３から得られたデジタル信号に対する画像処理を含む各種処理も担う。オートフォーカス（ＡＦ）時などでフォーカスレンズ１０２を駆動する必要がある場合に、カメラＣＰＵ２０１はフォーカスレンズ１０２の目標位置、駆動速度を含む駆動命令をレンズＣＰＵ１０１に出力する。

図２は、本実施形態のフォーカスモータユニットの斜視図である。フォーカスモータユニットは、ステッピングモータ１０４、ホールＩＣ１０５ａ、フォトセンサ１０６、エンコーダマグネット１０８、回転軸１０９、遮光板１１０で構成される。ホールＩＣ１０５ａとエンコーダマグネット１０８はロータリーエンコーダを構成する。

エンコーダマグネット１０８は回転軸１０９に取り付けられ、回転位置に対応するパターン列が形成されている回転体である。回転体の形状は円板など限定されない。本実施形態では、パターン列は磁気パターン列であり、ステッピングモータ１０４の磁極数と同数の１０極で着磁されている。

ホールＩＣ１０５ａは磁気パターン列を磁気的に検出する。即ち、本実施形態では、機械的に設計された位置にホールＩＣ１０５ａが取り付けられ、ステッピングモータ１０４のロータ回転に伴って回転軸１０９が回転し、回転軸１０９の軸上のエンコーダマグネット１０８も回転する。ホールＩＣ１０５ａに近接するエンコーダマグネット１０８の回転によってホールＩＣ１０５ａが受ける磁束密度が変化し、ホールＩＣ１０５ａの出力信号が変化する。なお、ホールＩＣ１０５ａは一つのＩＣから２種類の交番検知信号を出力する。

但し、パターン列は複数の光透過スリットから構成され、パターン列検出手段は発光素子と受光素子から構成されてその光路が遮断されるかどうかによってパターン列を光学的に検出してもよい。

図３は、ステッピングモータ１０４の基準位置を検出する検出する検出系の構成を示す概略図である。ステッピングモータ１０４が回転するとフォーカスレンズ１０２が移動し、フォーカスレンズ１０２に固定された遮光板１１０も、フォーカスレンズ１０２と共に図３中矢印の方向に移動する。遮光板１１０は発光素子と受光素子から構成されるフォトセンサ１０６の光路を横切って（つまり光路に挿入および退避が可能なように）移動することが可能なように構成されている。フォトセンサ１０６は遮光時、非遮光時で出力信号が変化し、その変化点をステッピングモータ１０４の駆動制御の基準位置に設定する。

図４は、ステッピングモータ１０４の基準位置の検出方法を説明するための図である。

図４（ａ）は無限側にフォーカスレンズ１０２が位置している状態を示し、図４（ｂ）は至近側にフォーカスレンズ１０２が位置している状態を示している。フォーカスレンズ１０２が至近側にいるか、無限側にいるかは、基準位置の検出動作の開始時に、フォトセンサ１０６の出力がハイベルであるか、ローレベルであるかで判別することができる。

図４（ａ）の開始位置から、フォトセンサ１０６の出力変化点まで至近方向にフォーカスレンズ１０２をステッピングモータ１０４の駆動制御の最高速度で駆動させる。フォトセンサ１０６の出力が変化したら、基準位置の検出精度を高めるために、最高速度よりも遅い低速駆動で無限方向へ反転駆動を行う。再度、フォトセンサ１０６の出力が変化した点を基準位置として取得し、最高速度で無限方向の開始位置まで復帰動作を行う。

以上の動作を図４（ｂ）の至近側から行った場合、基準位置の誤差が生じてしまう。そこで、図４（ｂ）では、必ず片方向から基準位置を検出する。図４（ｂ）での開始位置から、フォーカスレンズ１０２の位置を取得するため、フォトセンサ１０６の出力変化点まで無限方向にフォーカスレンズ１０２をステッピングモータ１０４の駆動制御の最高速度で駆動させる。フォトセンサ１０６の出力が変化したら、今度は至近方向にフォトセンサ１０６の出力が変化するまで最高速度で駆動させる。そして、基準位置の検出精度を高めるために、最高速度よりも遅い低速駆動で無限方向へ反転駆動を行う。再度フォトセンサ１０６の出力が変化した点を基準位置として取得し、最高速度で至近方向の開始位置まで復帰動作を行う。

これにより、フォーカスレンズ１０２が最初に無限側に位置しても（図４（ａ））至近側に位置しても（図４（ｂ））至近側から無限側への移動において基準位置が検出されるので検出誤差を低減することができる。

図５は、フォーカスレンズ１０２を駆動する電気回路を含む駆動システムのブロック図である。ステッピングモータ１０４以外の構成要素はステッピングモータ１０４の駆動を制御する制御装置として機能することができる。基準位置検出部１１１、エンコーダ出力補正部（補正手段）１１２、駆動速度更新部１１３、正弦波発生部１１４はレンズＣＰＵ１０２の一部であってもよい。また、ステッピングモータ１０４の制御方法も本実施形態の一側面を構成する。

ステッピングモータ１０４が回転することでエンコーダ１０５が受ける磁界が変化し、エンコーダ１０５の出力信号波形が変化する。エンコーダ１０５の出力信号はエンコーダ出力補正部１１２に入力される。以下、エンコーダ１０５の出力信号を「エンコーダ出力信号」と称する。エンコーダ出力信号はパルス信号であり、以降の処理はトグルタイミング、つまりエンコーダマグネット１０８の磁極が切り替わったタイミングで実施される。

基準位置検出部１１１は、フォトセンサ１０６の信号出力の変化でステッピングモータ１０４の基準位置を検出し、基準位置通達信号を出力する。フォトセンサ１０６、遮光板１１０、基準位置検出部１１１が基準位置検出手段として把握されてもよい。基準位置の検出動作において、エンコーダ出力補正部１１２はエンコーダ１０５からエンコーダ出力信号を、基準位置検出部１１１からは基準位置通達信号を取得する。

エンコーダ出力補正部１１２は、まず、フォトセンサ１０６の出力から駆動方向を判別し、取得した基準位置通達信号ないし直前の基準位置通達信号から相対的にエンコーダマグネット１０８の磁極位置を算出する。この処理で、現在のエンコーダ出力信号に対応するエンコーダマグネット１０８の磁極位置が決定する。また、エンコーダ出力補正部１１２は、現在のエンコーダ出力信号に対して、エンコーダマグネット１０８の磁極に含まれる誤差を補正するためにメモリ１２３から対応する補正情報を読み出し、マイクロステップ駆動波形の正弦波テーブルの値を補正する。なお、「磁極に含まれる誤差」とは、２相１０極のステッピングモータ１０４が１極３６度で着磁されていることを理想的な着磁とし、３６度からのずれ量を指す。各着磁部は均一に着磁されていることが好ましいが、実際には着磁する過程で着磁に用いられるヨークの位置のずれ等により、製造誤差が発生する。これにより、エンコーダマグネット１０８における各着磁部が均一に着磁されず、着磁部の配列にずれが生じる。さらに、複数のエンコーダマグネット間での着磁状態にばらつきが生じる。

基準位置の検出動作において、補正情報が取得できない場合は、レンズＣＰＵ１０１は、正転方向と逆転方向のそれぞれにおいて、補正情報の算出が可能なストローク分、少なくともステッピングモータ１０４のロータ１回転のストローク分以上動かす。この時、オープンループ制御で開始されるが、補正情報を取得した後はクローズドループ制御を行ってもよい。「補正情報の算出が可能なストローク分」とは、外乱や測定不良などのためにロータ１回転のストローク分回転しても補正情報が得られなかった場合にはさらに回転して測定を継続することを含む。

メモリ１２３は、ロータリーエンコーダに関して、エンコーダマグネット１０８に含まれる誤差を補正する補正情報を保持する記憶手段である。「補正情報」は、エンコーダマグネット１０８における磁気パターン列の配列誤差による、エンコーダマグネット１０８の回転位置とエンコーダ１０５の出力の変化との関係の誤差の補正を行うための情報である。補正情報はエンコーダマグネット１０８の回転位置ごとに設定される。

図６は、正弦波発生部１１４とエンコーダ出力信号の関係、及びこの関係から得られる正弦波テーブルの値と算出される補正情報を説明する図である。基準位置の検出動作において、ステッピングモータ１０４をオープンループ制御で定速駆動させ、図６に示すように、エンコーダ出力信号がトグルしたタイミングでの正弦波テーブルの値を取得する。

図６の一番上は、ステッピングモータ１０４に印加するマイクロステップ駆動波形を表している。二段目はエンコーダ出力信号、三段目はエンコーダ出力信号のトグルタイミングによって得られる正弦波パターンの値、四段目は正弦波パターンの値から算出される補正情報のデータ列を表している。マイクロステップ駆動波形の横軸は時間、縦軸はＰＷＭ（パルス幅変調）出力のデューティ比である。エンコーダ出力信号の横軸は時間、縦軸はホールＩＣ１０５ａの出力である。

正弦波テーブルは１周期５１２で表現される。エンコーダ１０５の同相隣接する２つの磁極でのパルス間隔での正弦波テーブルは理想的には２５６の幅を持ち、異相同極の２つの磁極でのパルス間隔での正弦波テーブルは理想的には１２８の幅を持つ。この理想的な幅とのずれがエンコーダに含まれる誤差であり、メモリ１２３はこの誤差を補正する補正情報を記憶する。

図７は、補正情報の算出を説明するための図である。横軸は時間である。図７は定速駆動時のステッピングモータ１０４に印加するマイクロステップ駆動波形とエンコーダ出力信号波形である。波形は上から正弦波発生部１１４より出力されるマイクロステップ駆動波形、エンコーダ１０５より出力されるＡ相のエンコーダ出力信号波形、Ｂ相の出力信号波形を表わす。

エンコーダ１０５の同相隣接する２つの磁極でのパルス間隔は、Ａ相エンコーダ出力信号波形の時点Ｘと時点Ｙで表わされる。時点Ｘに対応する正弦波テーブルの値は１２０、時点Ｙに対応する正弦波テーブルの値は３７０であり、テーブル幅は３７０−１２０＝２５０である。理想的なテーブル幅は２５６であるので、不足分の６が着磁のずれ量に相当する。

異相同極の２つの磁極でのパルス間隔についても時点Ｘと時点Ｚ間のテーブル幅と理想的なテーブル幅１２８との差分が着磁のずれ量に相当する。各磁極で正弦波テーブルの値の過不足分をメモリ１２３に保持しておき、対応する磁極のエンコーダ出力信号が得られるたびにメモリ１２３が保有するテーブル値を補うことでエンコーダマグネット１０８の磁極に含まれる誤差を低減する。メモリ１２３が保有する補正情報のデータ列の取得は、リセット動作時に実施される。補正情報は駆動方向別に磁極毎に所有するので、データ数は２０個となる。

駆動速度更新部１１３はエンコーダ１０５より得られるステッピングモータ１０４の実駆動速度とカメラＣＰＵ２０６より命令された駆動速度との偏差から、ステッピングモータ１０４の駆動速度を調整する。エンコーダ出力補正部１０９から得られた出力とその直前に得られた同出力の時間差からステッピングモータ１０４の実駆動速度を算出する。実駆動速度とカメラＣＰＵ２０１より命令された駆動速度との差分をとり、実駆動速度が速ければステッピングモータ１０４を減速させ、実駆動速度が遅ければステッピングモータ１０４を加速するように出力する。なお、加減速の程度は偏差量、及び目標位置までの距離に依存する。

正弦波発生部１１４は正弦波１周期に対して５１２分解能のテーブル値を備え、このテーブル値に対応するＰＷＭ値をＰＷＭ発生部１１５へ出力する。正弦波発生部１１４は５１２個のテーブル各々にＰＷＭのデューティ比が格納されている。

図８は、正弦波発生部１１４が格納する正弦波テーブルの図である。横軸はテーブル番号であり、縦軸はＰＭＷ出力のデューティ比である。正弦波の０度位相にテーブル０、正弦波９０度位相にテーブル１２８が相当する。テーブル０には５０％の値が、テーブル１２８には１００％の値が格納されており、各々のテーブルには位相に応じてＰＷＭ出力のデューティ比率の値が格納されている。

ＰＷＭ発生部１１５は、正弦波発生部１１４より与えられたＰＷＭ値をＰＷＭ信号に変換し、モータドライバ１０３へ出力する。このように、駆動速度更新部１１３〜ＰＷＭ発生部１１５は、補正後の情報に基づいてステッピングモータ１０４の駆動制御を行う。

モータドライバ１０３は、ＰＷＭ信号を増幅してステッピングモータ１０４へ出力する。Ａ相用コイル１１６、Ｂ相用コイル１１７はモータドライバから発せられるＰＷＭ信号を受けて、後段のステータＡ＋１１８、ステータＡ−１１９、ステータＢ＋１２０、ステータＢ−１２１に対して異なる位相の４種の正弦波電圧を発生させる。

ロータマグネット１２２は、自由に回転できる構造となっており、その周囲に物理角１８度毎にステータが設置される。ステータＡ＋１１８、ステータＢ＋１２０はコイルに印加された電圧が正弦波形の正領域にあるときにＮ極磁力を発生し、反対にステータＡ−１１９、ステータＢ−１２１はコイルに印加された電圧が正弦波形の正領域にあるときにＳ極磁力を発生する。ロータマグネット１２２を回転させるために、Ａ相とＢ相間の出力は９０度の位相差を持っており、正転時はＢ相が９０度進んだ波形が出力され、逆転時はＡ相が９０度進んだ波形が出力される。

以上がフォーカスレンズ１０２を駆動する駆動システムの構成であり、ロータリーエンコーダであるホールＩＣ１０５ａ、エンコーダマグネット１０８を用いてクローズドループ制御を実現している。次に、エンコーダに含まれる誤差補正に必要となるエンコーダの基準位置の検出手段について説明する。

メモリ１２３が保持する補正情報は、２相で２０の数値データである。ステッピングモータ１０４の駆動方向から一方の相のエンコーダの磁極位置と１相分の補正情報の関係が定まれば、他方の関係も定まる。エンコーダの磁極位置と補正情報の関係を一意に定めるための一手段として、補正情報のデータ列と駆動中に得られた正弦波テーブルの値のデータ列とのマッチング手段が挙げられる。マッチングによって、ホールＩＣ１０５ａの出力と補正情報のそれぞれのデータ列の類似性が最も高くなる。後述するリセット動作でメモリ１２３に保存する補正情報を取得するため、補正情報はエンコーダマグネット１０８個々によって異なる。そのため、エンコーダマグネット１０８の着磁に特徴があれば、補正情報も特徴的なデータ列となるためマッチング手段での位置関係の決定は信頼性の高いものとなる。反対に、着磁に特徴のないエンコーダマグネット１０８である場合、位置関係を保証することは難しい。そこで着磁に故意に特徴を持たせることによって、マッチング処理を行いやすいエンコーダマグネット１０８を得る。

図１１（ａ）は、理想的に１０極が等間隔に着磁されているエンコーダマグネット１０８とホールＩＣ１０５ａの概略平面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示すエンコーダマグネット１０８が図中の矢印の方向（時計回り）に定速回転するときのホールＩＣ１０５ａの出力信号波形である。ホールＩＣ１０５ａはＳ極Ｎ極の磁場が交互に印加される場合に対してＯＮ／ＯＦＦの動作を行う。具体的にはエンコーダマグネット１０８のＳ極がホールＩＣ１０５ａに近づき、磁束密度が一定値を超えるとホールＩＣ１０５ａの出力信号はハイからローへ変化する。反対にエンコーダマグネット１０８のＮ極がホールＩＣ１０５ａに近づき、磁束密度が一定値まで低下するとホールＩＣ１０５ａの出力信号はローからハイへ変化する。

図１１（ａ）に示すように、エンコーダマグネット１０８の磁極間隔が理想的に均一で定速駆動であれば、ホールＩＣ１０５ａの出力信号は、図１１（ｂ）に示すように、等間隔なパルス出力となる。しかし、エンコーダマグネット１０８の磁極間隔は製造過程上で少なからず誤差が生じるため、図１１（ｂ）のような等間隔な波形は得られない。

誤差を含んだままフィードバックしてしまうとステッピングモータ１０４の駆動速度が変動していると誤認識してしまうことから、定速駆動でも定常状態に落ち着かず、高感度な駆動制御を行うことができない。

本実施形態は、このようなエンコーダに含まれる周期的な誤差をソフトウェア的に低減する。速度制御で扱う値はホールＩＣ１０５ａの出力信号波形がトグルした瞬間のマイクロステップ駆動の正弦波テーブルの値である。そのため、ホールＩＣ１０５ａの出力信号のトグルするタイミングに対応するマイクロステップ駆動の正弦波テーブルの値から誤差量を算出し、補正情報としてメモリ１２３に記憶する。前述した通り理想的な磁極間隔は同相隣接極ならば電気角１８０度、異相間同極ならば電気角９０度の位相差であるため、この関係とホールＩＣ１０５ａの実際の出力信号波形から誤差量を算出できる。

以上から、エンコーダマグネット１０８の磁極に含まれる誤差を測定し、補正情報を取得することができるが、補正情報と対応するエンコーダマグネット１０８の磁極を常に監視する必要がある。

監視手段の一例として、センサの任意の位置へのマーカ設置が考えられる。マーカを設置し、検知することで基準となる位置を把握できるが、新規部材としてマーカが増えたことによって、コスト増加、取付け誤差要素の増加などの理由から好適とはいえない。また前述したように、マーカレスでのマッチング手段でもエンコーダマグネット１０８が特徴的な着磁状態でない限り、基準位置の信頼性を確保できない。そこで、本実施形態は、エンコーダマグネット１０８の任意の磁極間隔を調節することによって、新規部材を要さずに基準位置を設けている。

図１２（ａ）は、本実施形態のエンコーダマグネット１０８とホールＩＣ１０５ａの概略平面図である。エンコーダマグネット１０８の１０極の各磁極は（１）〜（１０）で表わされている。エンコーダマグネット１０８では、Ｎ極とＳ極が交互に着磁されている。本実施形態は、磁極（２）、（３）の磁極間隔を不均一（中心角度を不均一）にし、磁極（１）、（４）〜（１０）の磁極間隔を等間隔（中心角度は１極３６度）にしている。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示すエンコーダマグネット１０８が図中の矢印の方向（時計回り）に定速回転するときのホールＩＣ１０５ａの出力信号波形である。

つまり、本実施形態のエンコーダマグネット１０８の位置検出用のパターン列は周期的なパターン（４）、（６）、（８）、（１０）と、非周期的なパターン（２）と、を含む。非周期的なパターンに対するホールＩＣ１０５ａの出力は、周期的なパターンに対するホールＩＣ１０５ａの出力のパルス幅、周期、振幅およびデューティ比の少なくとも一つが異なる。本実施例では、パターン列は磁気強度または磁気間隔を異ならせて形成されるが、パターン列が光透過スリットから構成される場合には光透過スリットの透過光量または透過間隔を異ならせて形成されてもよい。

図１２（ｂ）に示す（１）〜（１０）はホールＩＣ１０５ａの出力信号波形に対応するエンコーダマグネット１０８の磁極位置を表わす。磁極間隔が狭く設計された磁極（２）のホールＩＣ１０５ａの出力信号波形のトグル間隔は他の磁極と比べると狭くなっており、反対に磁極間隔が広く設計された磁極（３）のホールＩＣ１０５ａの出力信号波形のトグル間隔は他の磁極と比べると広くなっている。

磁極（２）、（３）のトグル間隔は他の磁極と比べて特徴的であるから閾値を設けることで簡単に判別することができる。本実施形態ではトグル間隔が狭くなる磁極（２）を基準位置とする。これは急な速度変動によって他の磁極と判別できなくなる問題を防ぐためである。トグル間隔の広い磁極（３）を基準位置とすると、急減速した場合の磁極（１）、（２）、（４）〜（１０）と混在してしまうおそれが生じる。

不規則なパターンとして設ける磁極間隔の条件としては、製造上で生じる磁極間隔の誤差よりもずれ量が大きい、運用する最高速度で出力される均一着磁間隔のトグル間隔と比較してトグル間隔が狭隘となるなどが挙げられる。

本実施形態は、磁極間隔が不規則な１つの磁極から基準位置検出を行ったが、磁気強度の強弱を変更したり、複数の磁極パターンから基準位置を判定したりしてもよい。

次に、基準位置を検出する際にエンコーダ出力信号の補正用データを取得する処理について図９および図１０を用いて説明する。図９は無限方向から基準位置を検出する場合のフローチャートを示し、図１０は、至近方向から基準位置を検出する場合のフローチャートを示し、「Ｓ」はステップを表している。レンズＣＰＵ１０１やカメラＣＰＵ２０１はマイクロコンピュータとして構成されるが、これらの取得方法（制御方法）はコンピュータに各ステップの機能を実行させるためのプログラムとして具現化が可能である。ここでは、主としてレンズＣＰＵ１０１が図９および図１０に示す動作を行う。

まず、図９を用いて、フォーカスレンズ１０２を無限方向から基準位置を検出する際に補正用データを取得する処理を説明する。

まず、Ｓ１０１でカメラＣＰＵ２０１からリセット命令が発行されると交換レンズ１００で基準位置の検出動作が開始される。カメラＣＰＵ２０１のリセット命令は各種アクチュエータの撮影準備動作を行うための命令である。

Ｓ１０２では、カメラＣＰＵ２０１より発行されたリセット命令をレンズＣＰＵ１０１で受け取り、レンズＣＰＵ１０１から交換レンズ１００内のフォーカスレンズ１０２の基準位置の検出動作が開始される。

Ｓ１０３では、レンズＣＰＵ１０１は、フォトセンサ１０６の出力がハイレベルであるか、ローレベルであるかでフォーカスレンズ１０２が無限側に位置しているか、至近側に位置しているか判別する。至近側に位置していると判断された場合、Ｓ１０４へ移行する。無限側に位置されていた場合については図１０で後述する。

Ｓ１０４では、レンズＣＰＵ１０１は、フォーカスレンズ１０２を駆動させるためステッピングモータ１０４をあらかじめ定められた任意の回転速度で至近方向に駆動させる。ここでの回転速度はステッピングモータ１０４で設定される最高速度でオープンループ制御駆動を行うこととする。

Ｓ１０５では、レンズＣＰＵ１０１は、フォーカスレンズ１０２が至近側に駆動中、フォトセンサ１０６の出力信号のトグルタイミングを判定し、出力信号の変化なしの場合はＳ１０４の至近方向への駆動を継続させる。出力信号の変化があった場合、Ｓ１０６へ移行する。

Ｓ１０６では、レンズＣＰＵ１０１は、今度はフォーカスレンズ１０２を無限方向へ任意の回転速度で駆動させる。ここでの回転速度は基準位置の検出精度を高めるために、ステッピングモータ１０４で設定される最高速度よりも遅い低速駆動でオープンループ制御駆動を行う。

Ｓ１０７では、レンズＣＰＵ１０１は、フォーカスレンズ１０２が無限側に駆動中、フォトセンサ１０６の出力信号のトグルタイミングを判定する。出力信号の変化なしの場合はＳ１０６の無限方向への駆動を継続させる。出力信号の変化があった場合はＳ１０８へ移行し、検出された基準位置の磁極を記憶する。これ以降の処理では基準位置からの相対的な磁極位置を常に監視することで現在の磁極位置を把握する。

また、基準位置の検出が完了したため、回転速度はステッピングモータ１０４で設定される最高速度でオープンループ制御駆動を行う。

Ｓ１０９では、レンズＣＰＵ１０１は、エンコーダ１０５に起因する出力信号誤差の補正用データを取得するため、無限方向側の１０極分のデータをメモリ１２３に格納できたかどうかを判断する。具体的には、レンズＣＰＵ１０１は、ロータ１周期分のデータが取得できるストローク分だけフォーカスレンズ１０２の無限方向への駆動を行う。データの取得が完了したらＳ１１０に移行し、Ｓ１１０では補正値を記憶する。

Ｓ１１１では、レンズＣＰＵ１０１は、フォーカスレンズ１０２を至近方向に駆動させる。Ｓ１１２では、レンズＣＰＵ１０１は、エンコーダ１０５に起因する出力信号誤差の補正用データを取得するため、至近方向側の１０極分のデータをメモリ１２３に格納できたかどうかを判断する。具体的には、レンズＣＰＵ１０１は、ロータ１周期分のデータが取得できるストローク分だけ、フォーカスレンズ１０２の至近方向への駆動を行う。

Ｓ１１３では、レンズＣＰＵ１０１は、補正値を記憶する。Ｓ１１４では、レンズＣＰＵ１０１は、撮影開始位置までフォーカスレンズ１０２を駆動させる。ここでの回転制御はオープンループ制御駆動に限定されるものではなく、取得した補正値を反映したクローズドループ制御を行ってもよい。

一方、駆動方向は無限側であった場合（Ｓ１０３のＮＯ）、図１０に示すフローに移行する。

Ｓ１１５では、レンズＣＰＵ１０１は、フォーカスレンズ１０２を駆動させるためステッピングモータ１０４をあらかじめ定められた任意の回転速度で無限方向に駆動させ、ステップ１１６へ移行する。ここでの回転速度はステッピングモータ１０４で設定される最高速度でオープンループ制御駆動を行う。

Ｓ１１６では、レンズＣＰＵ１０１は、フォーカスレンズ１０２が無限側に駆動中、フォトセンサ１０６の出力信号のトグルタイミングを判定し、出力信号の変化なしの場合はＳ１１５の無限方向への駆動を継続させる。出力信号の変化があった場合、Ｓ１１７へ移行し、今度はフォーカスレンズ１０２を至近方向へ駆動させる。

Ｓ１１７では、レンズＣＰＵ１０１は、フォーカスレンズ１０２を至近方向に駆動させる。Ｓ１１８では、レンズＣＰＵ１０１は、フォーカスレンズ１０２が至近側に駆動中、フォトセンサ１０６の出力信号のトグルタイミングを判定し、出力信号の変化なしの場合はＳ１１７の至近方向への駆動を継続させる。出力信号の変化があった場合、Ｓ１１９へ移行する。

Ｓ１１９では、レンズＣＰＵ１０１は、フォーカスレンズ１０２を再度、無限方向へ駆動させる。ここでの回転速度は基準位置の検出精度を高めるために、ステッピングモータ１０４で設定される最高速度よりも遅い低速駆動でオープンループ制御駆動を行う。

Ｓ１２０では、レンズＣＰＵ１０１は、フォーカスレンズ１０２が無限側に駆動中、フォトセンサ１０６の出力信号のトグルタイミングを判定し、出力信号の変化なしの場合はＳ１１９の無限方向への駆動を継続させる。出力信号の変化があった場合、Ｓ１２１へ移行する。Ｓ１２１では、レンズＣＰＵ１０１は、検出された基準位置の磁極を記憶する。これ以降の処理では基準位置からの相対的な磁極位置を常に監視することで現在の磁極位置を把握する。また、基準位置の検出が完了したため、回転速度はステッピングモータ１０４で設定される最高速度でオープンループ制御駆動を行う。

Ｓ１２２では、レンズＣＰＵ１０１は、エンコーダ１０５に起因する出力信号誤差の補正用データを取得するため、無限方向側の１０極分のデータをメモリ１２３に格納できたかどうかを判断する。具体的には、レンズＣＰＵ１０１は、ロータ１周期分のデータが取得できるストローク分だけフォーカスレンズ１０２の無限方向への駆動を行う。

Ｓ１２３では、レンズＣＰＵ１０１は、補正値を記憶する。Ｓ１２４では、レンズＣＰＵ１０１は、フォーカスレンズ１０２を至近方向に駆動させる。Ｓ１２５では、レンズＣＰＵ１０１は、エンコーダ１０５に起因する出力信号誤差の補正用データを取得するため、至近方向側の１０極分のデータをメモリ１２３に格納できたかどうかを判断する。具体的には、レンズＣＰＵ１０１は、ロータ１周期分のデータが取得できるストローク分だけ、フォーカスレンズ１０２の至近方向への駆動を行う。

Ｓ１２６では、レンズＣＰＵ１０１は、補正値を記憶する。Ｓ１２７では、レンズＣＰＵ１０１は、撮影開始位置までフォーカスレンズ１０２を駆動させる。ここでの回転制御はオープンループ制御駆動に限定されるものではなく、取得した補正値を反映したクローズドループ制御を行ってもよい。

補正値は、駆動方向別に磁極毎に所有するのでデータ数は２０個となる。また、エンコーダ出力信号にはノイズが含まれるため、基準位置の検出を複数回行うことで、補正用データを各磁極複数回取得し、平均化処理を施すことでノイズによる影響を低減してもよい。また、外れ値などの懸念から複数回取得した補正用データの中央値をエンコーダ出力補正部１１２で利用する補正値として利用してもよい。

本実施形態では、基準位置を検出する際に補正情報が取得されているが、これは、基準位置の検出を開始してから終了するまでの間に補正情報の取得が開始されれば足りる趣旨であり、この期間内で補正情報の取得終了までを要求するものではない。これにより、補正情報の取得と基準位置の検出を別々に行うよりも時間が短縮される。工場調整時でも取得は可能であるが、磁気検出方式であるエンコーダ１０５は温度に影響されやすいため、カメラを使用する直前の準備動作であるリセット動作時に補正情報取得を行った。リセット動作時は、交換レンズの取り付け時、電源投入時、誤動作により前記基準位置がずれた際の復帰時などを含む。リセット動作時に毎回補正値を取得するので補正精度が向上し、フィードバック制御の精度も向上する。

本発明は、デジタルカメラやデジタルビデオ等に使用されるステッピングモータ、ボイスコイルモータ、ブラシレスモータ、インダクションモータなどのアクチュエータの制御装置に適用可能である。

１０１…レンズＣＰＵ、１０４…ステッピングモータ（アクチュエータ）、１０６…フォトセンサ（基準位置検出手段）、１０５ａ…ホールＩＣ（パターン列検出手段）、１０８…センサマグネット（回転体）、１０９…回転軸、１１０…遮光板（基準位置検出手段）、１１１…基準位置検出部（基準位置検出手段）、１２３…メモリ（記憶手段）

Claims (15)

1. アクチュエータの回転軸に取り付けられ、回転位置に対応するパターン列が形成された回転体と、前記回転体のパターン列を検出するパターン列検出手段と、を備えたロータリーエンコーダに関して、前記回転体の回転位置ごとに設定された補正情報を記憶する記憶手段と、
   前記アクチュエータの基準位置を検出する基準位置検出手段と、
   前記パターン列検出手段の出力を、前記基準位置検出手段によって検出された前記基準位置と前記記憶手段に記憶されている前記補正情報を用いて補正する制御手段と、
   を有し、
   前記制御手段は、前記基準位置検出手段が前記基準位置を検出する際に前記補正情報を取得し、前記補正情報を取得することが可能なストローク分だけ前記アクチュエータを介して前記回転体を回転させることを特徴とする制御装置。
2. 前記制御手段は、正転方向と逆転方向のそれぞれにおいて、前記補正情報を取得することが可能なストローク分だけ前記アクチュエータを介して前記回転体を回転させることを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 前記補正情報は、前記制御装置の電源投入時に取得されることを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
4. 前記補正情報は、前記回転体における前記パターン列の配列誤差による、前記回転体の回転位置と前記パターン列検出手段の出力の変化との関係の誤差の補正を行うための情報を含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載する制御装置。
5. 前記基準位置検出手段は、前記アクチュエータの回転に伴って移動する遮光板と、フォトインタラプタと、を有し、前記遮光板は、前記フォトインタラプタの光路に挿入及び退避することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の制御装置。
6. 前記制御手段は、前記パターン列検出手段の出力と前記補正情報のそれぞれのデータ列の類似性が最も高くなるマッチングを行うことによって前記パターン列検出手段の出力と前記補正情報を対応させることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の制御装置。
7. 前記回転体のパターン列は、周期的なパターンと、非周期的なパターンと、を含み、
   前記制御手段は、前記非周期的なパターンに対応する回転位置を基準として前記パターン列検出手段の出力と前記補正情報を対応させることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の制御装置。
8. 前記非周期的なパターンに対する前記パターン列検出手段の出力は、前記周期的なパターンに対する前記パターン列検出手段の出力に対して、パルス幅、周期、振幅およびデューティ比の少なくとも一つが異なることを特徴とする請求項７に記載の制御装置。
9. 前記パターン列は磁気パターン列であり、前記パターン列検出手段は前記パターン列を磁気的に検出し、前記非周期的なパターンは、磁気強度または磁極間隔を異ならせて形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の制御装置。
10. 前記パターン列は複数の光透過スリットから構成され、前記パターン列検出手段は前記パターン列を光学的に検出し、前記非周期的なパターンは、光透過スリットの透過光量または透過間隔を異ならせて形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の制御装置。
11. 前記ロータリーエンコーダを更に有することを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の制御装置。
12. 被駆動部材を駆動するアクチュエータと、
    前記アクチュエータの駆動を制御する、請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載の制御装置と、
    を有することを特徴とする装置。
13. 前記アクチュエータはステッピングモータであることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 光学素子を駆動するアクチュエータと、
    前記アクチュエータの駆動を制御する、請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載の制御装置と、を有し、撮像装置に装着可能なレンズ装置であって、
    前記制御手段は、前記レンズ装置が前記撮像装置に装着される際に、前記補正情報を取得することを特徴とするレンズ装置。
15. アクチュエータの制御方法であって、
    前記アクチュエータの回転軸に取り付けられ、回転位置に対応するパターン列が形成された回転体と、前記回転体のパターン列を検出するパターン列検出手段と、を備えたロータリーエンコーダに関して、前記回転体の回転位置ごとに設定された補正情報を記憶するステップと、
    前記アクチュエータの基準位置を検出するステップと、
    前記パターン列検出手段の出力を、検出された前記基準位置と記憶されている前記補正情報を用いて補正するステップと、
    を有し、
    前記基準位置を検出する際に前記補正情報を取得し、前記補正情報を取得することが可能なストローク分だけ前記アクチュエータを介して前記回転体を回転させることを特徴とするアクチュエータの制御方法。