JP2015023682A - ステッピングモータの制御装置および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードバック制御において過補正を防止することが可能なステッピングモータの制御装置および光学機器を提供すること【解決手段】ステッピングモータの制御装置は、エンコーダ１０７と、レンズＩＣ１１１を有する。レンズＩＣは、エンコーダが生成する信号の時間的変化からステッピングモータ１０６ａの角速度を算出し、進角と角速度の関係を表す情報を記憶し、目標角速度とステッピングモータの角速度との角速度偏差、記憶された情報、および制御ゲインに基づいて進角を設定し、オープンループ制御とフィードバック制御によってステッピングモータを制御する。レンズＩＣは、フィードバック制御においてエンコーダの出力が変化すると（Ｓ１１５）、ステッピングモータの角速度に応じて制御ゲインを設定する（Ｓ１１７）。【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダを備えたステッピングモータの制御装置および光学機器に関する。

ステッピングモータは、オープンループ制御であるため、高負荷時や高速回転時に脱調するおそれがある。そこで、特許文献１は、ステッピングモータにエンコーダを搭載し、移動量によりオープンループ制御とフィードバック制御（クローズドループ制御）を切り替える方法を提案している。

フィードバック制御の性能評価要素の一つに制御周期がある。制御周期ごとに制御量を取得し、目標値との偏差量を求め、偏差量と制御ゲインの積から新たな操作量を設定する。制御ゲインが一定の場合、制御周期が長過ぎると応答遅れが発生し、短過ぎるとオーバーシュートが発生し易くなる。特許文献２は、目標角速度と実際の角速度の角速度偏差が第１の判定値よりも大きければ第１周期でフィードバック制御を行い、第１の判定値よりも大きい第２の判定値よりも大きければ第１周期よりも短い周期でフィードバック制御を行う方法を提案している。

特開平１０−１５０７９８号公報 特開平１０−５４２８３号公報

エンコーダのデジタル出力が変化するたびに角速度偏差に応じて特許文献２のように制御周期を設定する制御系においては、ステッピングモータが高速になるほどフィードバック制御ゲインが上がって過補正になってしまう。

本発明は、フィードバック制御において過補正を防止することが可能なステッピングモータの制御装置および光学機器を提供することを例示的な目的とする。

本発明のステッピングモータの制御装置は、励磁電流の供給に基づいて回転磁界を生じる励磁コイルを有するステータと、前記ステータが発生する回転磁界を受けることで回転するマグネットロータと、を有するステッピングモータの制御装置であって、前記ステッピングモータの回転に応じた信号を生成するエンコーダと、前記エンコーダが生成する前記信号の時間的変化から前記ステッピングモータの角速度を算出する角速度算出手段と、前記励磁電流と、前記エンコーダが生成する前記信号から得られる前記ステッピングモータの回転位置を表す回転位置信号との位相差である進角と、前記角速度の関係を表す情報を記憶する記憶手段と、オープンループ制御及びフィードバック制御によって前記ステッピングモータを制御し、前記エンコーダの出力に基づいて進角を設定する制御手段と、
を有し、前記制御手段は、目標角速度と前記角速度算出手段が算出した前記ステッピングモータの前記角速度との角速度偏差、前記記憶手段に記憶された前記情報、および制御ゲインに基づいて、前記進角を設定し、前記制御手段は、前記フィードバック制御において前記エンコーダの出力が変化すると、前記ステッピングモータの角速度に応じて前記制御ゲインを設定することを特徴とする。

本発明によれば、フィードバック制御において過補正を防止することが可能なステッピングモータの制御装置および光学機器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。（実施例１、２） 図１に示すフォーカス駆動部の斜視図である。（実施例１、２） 図２に示すステッピングモータのステータとマグネットロータとの関係を示す図である。（実施例１、２） 図２に示すステッピングモータの進角と角速度の関係を示す図である。（実施例１、２） 本発明のステッピングモータの制御方法を説明するためのフローチャートである。（実施例１） 図１に示すフォーカスレンズの駆動制御における、エンコーダの出力、進角、制御ゲイン、及びステッピングモータの角速度の時間変化を示す図である。（実施例１） 本発明のステッピングモータの制御方法を説明するためのフローチャートである。（実施例２） 図１に示すフォーカスレンズの駆動制御における、エンコーダの出力、進角、制御ゲイン、及びステッピングモータの角速度の時間変化を示す図である。（実施例２）

図１は、本実施形態のカメラシステム（光学機器）１００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）と、交換レンズが装着されたカメラ本体と、から構成される。カメラ本体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。

交換レンズは被写体の光学像を形成する撮影光学系を有する。撮影光学系は、固定レンズ１０１、ズームレンズ１０２、絞り羽根１０３、シフトレンズ１０４、フォーカスレンズ１０５を含む。図１では、各レンズは、便宜上一つのレンズとして示されているが、実際には一または複数のレンズ群として構成されている。また、アフォーカルレンズなどその他のレンズを含んでもよい。

ズームレンズ１０２（変倍レンズ）は、ズーム駆動部１１０によって光軸方向に移動されて焦点距離を変更する。絞り羽根１０３は、絞り駆動部１０９によって駆動され、カメラ本体の撮像素子１１２に入射する光量を調節する。シフトレンズ（補正レンズ）１０４は、シフト駆動部１０８によって光軸に直交する方向に移動され、像ぶれを補正する。なお、「直交する方向」は光軸に直交する成分があれば足り、光軸に斜めに移動されてもよい。フォーカスレンズ１０５は、フォーカス駆動部１０６によって光軸方向に移動され、焦点調節を行う。

交換レンズには、シフト駆動部１０８、絞り駆動部１０９、ズーム駆動部１１０を制御するレンズＩＣ（レンズ制御手段）１１１が設けられる。レンズＩＣ１１１は、カメラ本体のカメラＩＣ（カメラ制御手段）と通信する。レンズＩＣ１１１は、後述するように、エンコーダ１０７の出力に基づいてフォーカス駆動部１０６の駆動も制御する。

カメラ本体は、撮像素子１１２、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１１３、撮像処理回路１１４、モニタ１１５、記憶装置１１６、ＡＦ処理回路１１７、カメラＩＣ１１８を有する。

撮像素子１１２は、撮影光学系が形成した被写体の光学像を光電変換し、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどによって構成される。ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１１３は、撮像素子１１２の出力をサンプリングしてゲインを調整する。ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１１３は、前段に相間二重サンプリングによって撮像素子１１２の出力信号からアンプ雑音とリセット雑音を除去するＣＤＳ回路、後段に出力に応じてゲインを自動調整するＡＧＣ回路を備える。

撮像処理回路１１４は、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１１３からの出力信号に対して、カメラＩＣ１１８からの指令に従って各種の画像処理を施し画像を生成する信号処理手段である。モニタ１１５は、撮像処理回路１１４の出力から得られる画像を不図示のエンコーダ回路を介して出力表示する表示部であり、それ以外にも撮影前のプレビュー画像や、撮影モードに関する各種の設定情報、焦点検出時の合焦状態の情報などを表示する。

記憶装置１１６はカメラＩＣ１１８からの指令に基づいて撮像処理回路１１４の出力から得られる画像を指定の形式に圧縮後、着脱可能な半導体メモリなどの記憶媒体に保存する。ＡＦ処理回路１１７は、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路１１３からの全画素出力信号のうちに焦点検出に用いられる画素のみの信号を通し、高周波成分や輝度差成分などを抽出したＡＦ評価値を生成する。ＡＦ評価信号を基にカメラＩＣ１１８は合焦位置を判定し、レンズＩＣ１１１に各駆動部材に対しての駆動命令を発行する。フォーカス駆動部１０６、シフト駆動部１０８、絞り駆動部１０９、ズーム駆動部１１０はレンズＩＣ１１１からの駆動命令に従い、それぞれの駆動部材であるフォーカスレンズ１０５、シフトレンズ１０４、絞り羽根１０３、ズームレンズ１０２を駆動する。

図２は、フォーカス駆動部１０６及びエンコーダ１０７から構成されるフォーカスモータユニットの外観斜視図である。フォーカスモータユニットは、ステッピングモータ１０６ａ、回転軸１０６ｂ、エンコーダマグネット１０６ｃ、モータドライバ１０６ｄ、エンコーダホルダ１０６ｅ、ラック１０６ｆ、ホールＩＣ１０７から構成される。エンコーダマグネット１０６ｃとホールＩＣ１０７は、ステッピングモータの回転に応じた信号を生成するエンコーダを構成する。

ステッピングモータ１０６ａは、励磁電流の供給に基づいて回転磁界を生じる不図示の励磁コイルを含む９０度間隔に配置された２相のステータと、外周を１０極均一に着磁されたマグネットロータと、を有する。マグネットロータと回転軸１０６ｂとは物理的に接続されている。

回転軸１０６ｂは、フォーカスレンズ１０５と接続されたラック１０６ｆと係合している。ステッピングモータ１０６ａの回転トルクは回転軸１０６ｂとラック１０６ｆを介してフォーカスレンズ１０５の直線駆動に変換される。

エンコーダマグネット１０６ｃは、回転軸１０６ｂに取り付けられている。エンコーダマグネット１０６ｃは、ステッピングモータ１０６ａのマグネットロータ同様に、外周を１０極で着磁されており、円筒形上の永久磁石で構成される。

モータドライバ１０６ｄは、レンズＩＣ１１１の駆動命令を受けて所定周波数の励磁波形を生成し、ステッピングモータ１０６ａの励磁コイルに印加する。また、レンズＩＣ１１１の命令によって所定のタイミングで励磁する相を切替えることでステッピングモータ１０６ａを回転駆動させる。

エンコーダホルダ１０６ｅは、回転軸１０６ｂの先端部と接触し、回転を支持する軸受の役割を担う。また、エンコーダマグネット１０６ｃの直下にエンコーダ部が配置されるよう、エンコーダホルダ１０６ｅ上の機械的に設計された位置にホールＩＣ１０７が取り付けられる。

ホールＩＣ１０７は、エンコーダマグネット１０６ｃの回転によって生じる磁界の変化をホールＩＣ１０７内のサンプリング間隔で検出し、出力信号を発生する。本実施例で使用するホールＩＣ１０７は単一の素子から２種類の交番検知信号が得られる。受ける磁界が閾値を超えたタイミングで出力値が変化し、出力信号は２値のデジタル信号である。なお、本実施例では磁気検出素子を用いて回転位置を検出したが、エンコーダマグネット１０６ｃの代わりにスリットを有する回転板、ホールＩＣ１０７の代わりにフォトインタラプタを用いた光検出素子による回転位置の検出でもよい。

ステッピングモータ１０６ａは、マイクロステップ駆動でほぼ正弦波で励磁され、目標角速度に応じて励磁波形の周波数を変化させる。本実施例において、ステッピングモータ１０６ａは、駆動開始からの所定区間（所定の駆動速度以下）ではオープンループ制御で制御され、所定区間以降（所定の駆動速度よりも大きな速度）ではフィードバック制御で制御される。オープンループ制御では駆動角速度に応じて所定の時間間隔で励磁相を切替え、フィードバック制御ではホールＩＣ１０７の出力信号に応じて励磁相を切替える。

ホールＩＣ１０７の出力信号と励磁相の切替えタイミングとの関係を以下に説明する。図３は、ステッピングモータ１０６ａのステータの励磁変化と、ステータの励磁によって回転するマグネットロータが任意の観測点に及ぼす磁界の変化の関係を示す。縦軸は磁束、横軸はマグネットロータの位相を表わす。

ステータはマイクロステップ駆動で励磁されるため、横軸０〜３６０度の間に１周期となる正弦波波形を描く。マグネットロータはステータの励磁変化に追従して回転するため位相上ではステータの励磁波形に対して遅れて変化する。また高速で駆動するほど追従遅れは大きくなることからステータの励磁波形とマグネットロータの磁界波形との位相差は大きくなる。このことから、ステータの励磁変化に対するマグネットロータの追従遅れの位相差を調整することで、ステッピングモータ１０６ａの回転角速度を制御することができる。

マグネットロータの磁界に対してステータの励磁位相の進み角を「進角」と呼ぶ。進角は、励磁電流とエンコーダ１０７が生成する信号から得られるステッピングモータの回転位置を表す回転位置信号との位相差でもある。本実施形態のフィードバック制御とは進角を調整することでステッピングモータ１０６ａを所望の角速度で駆動制御することを意味する。

ステータに対してマグネットロータは遅れて追従するため、駆動状態であれば０度よりも大きい進角が保証される。詳しくは後述するが、進角が９０度まではトルクは上昇するが、９０度を超えるとトルクは低下し、負荷トルクよりも小さくなると脱調する。そのため、進角は０度よりも大きく９０度以下の範囲で制限される。

従って、マグネットロータと同様の磁界変化を示すエンコーダマグネット１０６ｃの磁界変化をホールＩＣ１０７ａで検出し、角速度偏差があればホールＩＣ１０７ａの出力信号を基に励磁波形の切替えタイミングを遅速させる。なお、角速度偏差はカメラＩＣ１１８から与えられる目標となる角速度と、ホールＩＣ１０７の出力信号から観測されるエンコーダマグネット１０６ｃの回転周期である現在の角速度との差分値である。

図３における進角はψ度であり、目標となる角速度に達していなければ、角速度偏差から進角増減量であるΔψ度を算出して現在の進角ψ度に加算する。進角ψの状態から角速度を上げたい場合は同図に示すΔψ方向に大きくすればよい。進角を調整することでマグネットロータは正弦波の点線のように位相が遅れ、進角調整前よりも大きなトルクを得ることができる。

レンズＩＣ１１１は、角速度算出手段、進角設定手段、制御手段として機能すると共に記憶手段を備える。但し、別個のハードウェアモジュールによって、角速度算出手段、進角設定手段、制御手段を別々に構成してもよい。

角速度算出手段は、エンコーダ１０７が生成する信号の時間的変化からステッピングモータ１０６ａの角速度を算出する。記憶手段は、ステッピングモータ１０６ａが取り得る進角と角速度の関係を表す情報を記憶する。記憶手段に記憶する情報は、グラフ、表、数式など形式を問わない。例えば、特性曲線Ｃｕｒｖｅ００の全領域の式でもよいし、線形区間の直線の式でもよい。進角設定手段は、目標角速度と角速度算出手段が算出したステッピングモータ１０６ａの実際の角速度との角速度偏差、記憶手段に記憶された情報、および制御ゲインに基づいて進角を設定する。制御手段は、エンコーダ１０７が生成する信号を用いないオープンループ制御によってステッピングモータ１０６ａを制御すると共にエンコーダ１０７が生成する信号を用いたフィードバック制御によってステッピングモータ１０６ａを制御する。

図４は、ステッピングモータ１０６ａの進角と角速度との関係を表わす特性曲線（以下、単に「特性曲線」と称する）Ｃｕｒｖｅ００を示す図であり、横軸は進角ψ、縦軸は角速度ωである。

進角ψ＝９０度で最大トルクが得られ、この時に角速度が最大になる。進角ψが０〜９０度の範囲で、ステッピングモータ１０６ａにかかる負荷トルクを一定とすると進角と角速度はほぼ比例の関係にある。進角ψが９０度を超えると逆回転方向のトルクが発生して回転方向のトルクが徐々に低下し、発生トルクが負荷トルクよりも小さくなると脱調する。図４において、脱調直前の進角はψ_ｏｕｔで表わされている。

特性曲線Ｃｕｒｖｅ００は負荷トルクが一定で、ステッピングモータ１０６ａへの印加電圧が一定の場合の進角ψと角速度ωとの関係を表わしている。特性曲線Ｃｕｒｖｅ００において、ステッピングモータ１０６ａが動き出す進角ψ_０から９０度未満のψ_ｍａｘまでの領域を本実施例は使用する。進角がψ_０からψ_ｍａｘの区間は進角と角速度の線形性が維持できる範囲（以下、この区間を「線形区間」と呼ぶ場合がある）であり、進角と角速度との関係は傾きｄω／ｄψで表現することができる。ψ_ｍａｘは線形区間の進角の最大値である。

進角が所定値ψ_０まで大きくなるとステッピングモータ１０６ａは駆動を始め、進角ψの増加に伴って、ほぼ一定の傾きｄω_０／ｄψで角速度ωも増加する。進角ψ_ｍａｘ以降は曲線の傾きは緩やかになる。

本実施例では、駆動開始時はオープンループ制御で駆動し、所定量駆動後にフィードバック制御へと移行する。レンズＩＣは、制御を切替える角速度を１０００ｐｐｓとし、そのときの進角を基準進角として取得する。

負荷トルクと印加電圧が一定であれば特性曲線Ｃｕｒｖｅ００は一意に定まるが、機械的に同一構成であっても製造の誤差があり、また同一の個体であっても駆動環境が異なれば負荷トルクも変動する。それらの誤差や変動は、特性曲線Ｃｕｒｖｅ００の傾きにはほぼ影響しないが、切片値が異なってくる。

このように、特性曲線Ｃｕｒｖｅ００には製造誤差、温度、経年変化などに起因したばらつきがあるが、線形区間の傾きｄω_０／ｄψと長さ（ψ_０からψ_ｍａｘの距離）は、ばらつきに対してロバスト性がある。

そこで、駆動毎に基準進角を求めることで、現在の駆動環境下での特性曲線Ｃｕｒｖｅ００を一意に決定する。本実施例でのオープンループ制御では駆動開始直後に５００ｐｐｓで所定量駆動し、その後１０００ｐｐｓで所定量駆動した後にフィードバック制御へと移行する。１０００ｐｐｓで所定量駆動後に基準進角を取得する理由としては、間欠駆動が観測されやすい低速領域ではなく、またステッピングモータ１０６ａが１０００ｐｐｓの駆動命令に対して十分追従できており、駆動系が安定している状態であると考えられるためである。

図５は、実施例１のレンズＩＣ１１１によるフォーカスレンズ１０５の駆動制御方法を示すフローチャートである。「Ｓ」はステップを表し、レンズＩＣ１１１やカメラＩＣ１１８は、マイクロコンピュータとして具現化されるが、図５及び後述する図７のフローチャートはコンピュータに各ステップの機能を実現させるためのプログラムとして具現化が可能である。

まず、レンズＩＣ１１１は、カメラＩＣ１１８から、目標駆動速度、目標位置、パワーレートを含むフォーカスレンズ１０５の駆動命令を取得する（Ｓ１０１）。なお、カメラＩＣ１１８は、駆動命令を生成するのに位相差ＡＦ方式とコントラストＡＦ方式のどちらの焦点検出方法を使用してもよい。位相差ＡＦ方式は、一対の被写体像の像信号の位相差を検出することによって焦点検出を行う方式である。コントラストＡＦ方式は、撮影光学系によって形成される焦点位置と撮像素子の相対位置を変化させるスキャンを行いながら撮像素子が形成した被写体像のコントラストのピーク位置を検出することによって焦点検出を行う方式である。またカメラ本体からマニュアルフォーカスが許可されていれば、不図示のマニュアルリングが撮影者によって操作された場合にレンズＩＣ１１１は操作量を取得し、操作量に応じてフォーカスレンズ１０５の駆動命令を発行する。

次に、レンズＩＣ１１１は、フォーカスレンズ１０５の現在位置が減速開始位置か否かを判定する（Ｓ１０２）。そうであればＳ１０３へ、そうでなければＳ１０４へ移行する。オープンループ制御における必要な減速量は後述する規定の駆動量で予め定められており、減速開始位置は目標位置からの相対位置で求めることができる。

Ｓ１０３では、レンズＩＣ１１１は、目標駆動速度を変更する。設定される新たな目標駆動速度は停止位置精度が確保できる駆動速度であり、本実施例においては５００ｐｐｓである。本処理が終了するとＳ１０６へ移行する。

Ｓ１０４では、レンズＩＣ１１１は、駆動速度が未定義であるか、またはオープンループ制御で設定された規定の駆動量を駆動済みであるかを判定し、そうであればＳ１０５へ移行し、そうでなければＳ１０８へ移行する。本実施例におけるオープンループ制御での駆動は、５００、１０００ｐｐｓなどの複数の駆動速度が設定されており、時間的に階段状に加減速を行う（マイクロステップ駆動）。各駆動速度には加速・減速それぞれに規定の駆動量が設定されており、規定の駆動量を駆動後に次の駆動速度へ移行する。

Ｓ１０４において、駆動速度が未定義の場合とは、例えば、停止状態からの駆動の場合が該当する。規定の駆動量を駆動済みとは、現在の駆動速度に対応する規定の駆動量を駆動済みであるかを意味する。本実施例は規定の駆動量と比較を行う駆動カウンタを設けており、Ｓ１０８の処理毎にインクリメントされ、同値以上となった場合が規定量駆動済みと判定され、Ｓ１０７で駆動カウンタはクリアされる。

Ｓ１０５では、レンズＩＣ１１１は、現在の駆動速度が１０００ｐｐｓであり、かつ、目標駆動速度が１０００ｐｐｓであるかを判定する。そうであればＳ１１１へ、そうでなければＳ１０６へ移行する。１０００ｐｐｓは本実施例におけるオープンループ制御の最高駆動速度であり、オープンループ制御からフィードバック制御へ切り替わる駆動速度である。本処理は基準進角を取得できる状態であるかの判定を意味する。

Ｓ１０６では、レンズＩＣ１１１は、オープンループ制御における駆動速度を設定する。本処理では、カメラＩＣ１１８から与えられた目標駆動速度に向かう駆動速度に加速ないし減速する駆動速度を設定する。なお、目標駆動速度が１０００ｐｐｓ未満の場合はフィードバック制御には移行せず、駆動開始から停止までオープンループ制御で駆動する。

次に、レンズＩＣ１１１は、Ｓ１０６で設定した駆動速度に対応する規定の駆動量を設定する（Ｓ１０７）。規定の駆動量は、加速ないし減速を判定して駆動速度毎に定められた値を設定する。目標駆動速度に達した場合は設定される駆動量は駆動ストロークよりも大きな値となる。また、前述したように、規定の駆動量との比較変数である駆動カウンタをゼロにクリアする。

次に、レンズＩＣ１１１は、Ｓ１０６で設定された駆動速度を基にステッピングモータ１０６ａを駆動する励磁信号を生成する（Ｓ１０８）。励磁信号はモータドライバ１０６ｂに供給され、これによりステッピングモータ１０６ａを駆動する。本処理において、規定の駆動量と比較する駆動カウンタをステッピングモータ１０６ａの回転角に応じてインクリメントする。回転角の変位量は励磁方式によって異なる。

次に、レンズＩＣ１１１は、フォーカスレンズ１０５が、カメラＩＣ１１８が発行した目標位置に到達したかを判定する（Ｓ１０９）。フォーカスレンズ１０５の現在位置は電源投入時などに行われるリセット動作で検出される基準位置に基づいて算出される。目標位置に到達していれば停止処理を実施し（Ｓ１１０）、到達していなければＳ１０２へ戻る。Ｓ１１３では、レンズＩＣ１１１は、目標位置で通電を所定時間保持した後に、ステッピングモータ１０６ａの通電を切り、設定した駆動速度や駆動カウンタなどの各種変数のクリアを行う。Ｓ１１３が終了すると、フォーカスレンズ１０５の駆動処理が終了となる。

Ｓ１１１では、レンズＩＣ１１１は、駆動速度１０００ｐｐｓの進角をフィードバック制御の基準進角ψ_ｂａｓｅとして設定する。Ｓ１１１に移行した時点では、駆動速度１０００ｐｐｓ（非低速）で所定時間を超えて定速回転している状態であるため（Ｓ１０４、Ｓ１０５）、ホールＩＣ１０７ａの出力信号から算出する進角も信頼性が高く、図４の関係は保証される。本実施例は、オープンループ制御とフィードバック制御の切り替わりタイミングでの駆動速度に対応する進角を基準進角に設定している。但し、ステッピングモータ１０６ａが所定時間を超えて定速状態を持続していれば、基準進角の設定はオープンループ制御からフィードバック制御へと切替えるタイミングに限定されない。

次に、レンズＩＣ１１１は、オープンループ制御（ＯＰ）からフィードバック制御（ＦＢ）へと切り替え（Ｓ１１２）、Ｓ１１３へと移行する。

Ｓ１０１からＳ１１２まではオープンループ制御に係り、Ｓ１１３からＳ１２２までは進角を用いたフィードバック制御に関する。

まず、レンズＩＣ１１１は、フォーカスレンズ１０５の現在位置が減速開始位置かを判定し（Ｓ１１３）、そうであればＳ１１４へ、そうでなければＳ１１５へ移行する。フィードバック制御における減速開始位置はオープンループ制御同様、目標位置からの相対位置で求めることができる。Ｓ１０２との差異は、減速に要する駆動量が予め定まっておらず、ホールＩＣ１０７ａの出力信号から算出される角速度によって求められる。

Ｓ１１４では、レンズＩＣ１１１は、目標駆動速度を変更する。設定される新たな目標駆動速度は停止位置精度が確保できる駆動速度であり、本実施例においてはＳ１０３同様に５００ｐｐｓが設定される。

次に、レンズＩＣ１１１は、ホールＩＣ１０７ａの出力信号が変化したか否かを判定し（Ｓ１１５）、そうであればＳ１１６へ、そうでなければＳ１２１へ移行する。

Ｓ１１６では、レンズＩＣ１１１は、ホールＩＣ１０７ａの前回の出力信号変化時からの時間変化から、ステッピングモータ１０６ａの現在の角速度を算出する。検出系に外乱や温度などで特性変化する場合は、本ステップの前段に外乱補償や温度補正を加えることが好ましい。このことはＳ１１１の基準進角取得時も同様のことがいえる。

次に、レンズＩＣ１１１は、Ｓ１１６で算出した角速度情報に基づいて偏差量に対する制御ゲインＳを算出する（Ｓ１１７）。制御ゲインＳは１以下の値をとり、また算出した角速度によって値が変化する。基準進角を取得した角速度ω１＝１０００ｐｐｓでの制御ゲインＳを１とし、角速度が１０００ｐｐｓ以下（所定の角速度以下）の場合の制御ゲインＳは１である。レンズＩＣ１１１は、制御ゲインＳを角速度をωとおくと、次式に基づいて設定する。

Ｓ＝ω１／ω＝１０００／ω …（１）
本実施例は角速度に対して反比例するように制御ゲインＳを設定したが、本発明はこれに限定されるものではない。

次に、レンズＩＣ１１１は、角速度偏差Δωを算出する（Ｓ１１８）。角速度偏差Δωは、Ｓ１０１ないしＳ１１４で与えられた目標駆動速度と、Ｓ１１６で算出した角速度との差分値で求めることができる。角速度偏差がゼロであればフィードバック制御による調整量はゼロであり、ゼロよりも大きければ加速、ゼロよりも小さければ減速方向の調整量が以降のステップで設定される。

次に、レンズＩＣ１１１は、Ｓ１１８で求めた角速度偏差Δω、Ｓ１１７で求めた制御ゲインＳ、線形区間の角速度に対する進角の傾きｄω／ｄψの逆数の積から進角変位量Δψを算出する（Ｓ１１９）。角速度偏差Δωが大きければ進角変位量Δψの値はより大きくなる。

本実施例は、特性曲線の線形区間を使用しているので傾きｄω／ｄψを使用している。上述したように、ばらつきによって図４に示す特性曲線が平行移動しても傾きｄω／ｄψは維持される。これは、フィードバック制御における進角の上限値を線形区間の進角の最大値に設定していることになる。線形区間を使用することによって進角を算出する際の計算負荷が小さくなる。

但し、本発明は図４に示す特性曲線の線形区間を外れた進角の範囲（０度よりも大きく９０度よりも小さい進角）を使用することを妨げるものではない。後者の場合、角速度偏差Δωに対応する進角はステッピングモータの進角と角速度の実際の関係を表す特性曲線から求められる。つまり、特性曲線においてψ_ｍａｘから９０度の間の進角に対応する角速度を表す数式が使用されてもよい。この場合、記憶手段に記憶されている、ステッピングモータが取り得る進角と角速度の関係のうち所定の角速度と基準進角を通る特性曲線が、実際の進角と角速度の関係として特定される。

次に、レンズＩＣ１１１は、Ｓ１１９で求めた進角変位量Δψと前回の進角ψ_ｎ-１の和によってフィードバック制御に用いる進角ψ_ｎを設定する（Ｓ１２０）。即ち、次式が成立する。

ψ_ｎ＝ψ_ｎ-１＋Δψ＝ψ_ｎ-１＋Δω・（ｄω／ｄψ）^-１・Ｓ …（２）
算出した角速度が目標駆動速度に対して未達の場合はψ_ｎ＞ψ_ｎ-１の関係となり、超過している場合はψ_ｎ＜ψ_ｎ-１の関係となる。初めてＳ１２０を行う場合は前回の進角ψ_ｎ-１は基準進角を用いる。

次に、レンズＩＣ１１１は、Ｓ１０８と同様に、ステッピングモータ１０６ａを駆動する（即ち、励磁電流を供給するための）励磁信号を生成する（Ｓ１２１）。励磁信号はＳ１２０で設定された進角ψ_nを基に生成されるため、ステータとマグネットロータとの位相関係を考慮した信号となる。

次に、レンズＩＣ１１１は、Ｓ１０９と同様に、フォーカスレンズ１０５の現在位置が目標位置に到達したかを判定する（Ｓ１２２）。そうであればＳ１１０へ、そうでなければＳ１１３へ移行する。

図６は、フォーカスレンズ１０５の駆動制御における、ホールＩＣ１０７ａの出力（センサ出力）、進角、制御ゲイン、及びステッピングモータ１０６ａの角速度の時間変化を示す図である。縦軸は上からホールＩＣ１０７ａの出力信号値、進角、制御ゲイン、ステッピングモータ１０６ａに励磁される角速度であり、横軸は共通して時間である。図６（ａ）は制御ゲインを固定した場合の挙動、図６（ｂ）は本実施例に示すように制御ゲインを可変にした場合の挙動を示す。

駆動命令は共通であり、概略を以下の通りである。まず、オープンループ制御で駆動を開始し、５００ｐｐｓで規定の駆動量を駆動する。その後、オープンループ制御で１０００ｐｐｓまで加速し、同様に規定の駆動量を駆動する。１０００ｐｐｓで規定の駆動量を駆動した後の時間がｔ_ＦＢであり、このタイミングで基準進角ψ_１０００を取得し、フィードバック制御へ移行する。フィードバック制御移行後は進角に基づいて目標駆動速度まで加速し、目標駆動速度に達すると定速で駆動する。その後、所定のタイミングで減速を開始し、目標位置に到達すると停止する。

ステッピングモータ１０６ａの角速度が上がるにつれてセンサ出力の周期は短くなる。本実施例において、センサ出力のエッジタイミングでＳ１２０の進角の設定を行っているため、時間軸上で観測すると進角の更新周期、つまりフィードバック制御の制御周期が一定でない。また、デジタル出力のエンコーダは、ノイズの影響によって同一の角速度であっても出力が多少変化する場合がある。この出力のゆらぎは中低速域に比べると高速域ではセンサエッジ周期に対してゆらぎの時間量が相対的に大きくなることから操作量への影響が大きくなる。

従って、図６（ａ）に示すように制御ゲインを固定すると、高速の定速区間では制御周期の短さも相まって進角が振動し、結果的に角速度も振動する。これに対して、図６（ｂ）のように制御ゲインを角速度に応じて変化させると、高速域でセンサ出力が揺らいでも制御ゲインが小さく設定されているため進角が大きく変化せず、高速の定速区間における角速度も図６（ａ）のように振動しない。

本実施例は、このように、角速度に応じて制御ゲインを変更することによって、高速になるほど単位時間における進角の設定回数が増加する過補正を防止している。これにより、時間スケールにおいての制御ゲイン、つまり操作量の増減量が角速度に依らず均一にすることができる。

本実施例では、制御ゲインを固定し、制御周期を変化させている。エンコーダ１０７の出力がデジタル信号で、かつ、フィードバック制御において偏差量を基に操作量を相対的に増減させる制御を行った場合、センサ出力変化時間よりも短い間隔で制御周期を設定すると問題が生じる。前回の制御周期で操作量を変更したにも関わらず、エンコーダ１０７の出力の分解能の観点から偏差量が変化していないように観測されるため、前回の制御周期と同様の偏差量に対して２倍の制御ゲインで操作量を設定してしまう。つまり、エンコーダ１０７の出力の分解能を考慮せずに制御周期を決定すると、意図せずフィードバック制御の制御ゲインが上がったように制御系が振舞う。そこで、本実施例ではエンコーダ１０７の出力の変化タイミングをトリガとしてフィードバック制御の操作量の更新を行う。

具体的には、操作量更新した後から時間計測し、所定時間経過後の最初のセンサ出力変化タイミングをトリガとして操作量更新を実施する。つまり、所定時間内におけるセンサ出力変化タイミングでは操作量更新は行わず、トリガタイミングを間引くことを意味する。本実施例のレンズＩＣ１１１は、時間を計測するタイマ（計時手段）を更に有する。

図７は、実施例２のレンズＩＣ１１１によるフォーカスレンズ１０５の駆動制御方法を示すフローチャートであり、図５とはフィードバック制御において相違する。より具体的には、図７はＳ１１５とＳ１１６の間にＳ２０１を有し、Ｓ１１７がなく、Ｓ１２０とＳ１２１の間にＳ２０２を有する点で図５と相違する。

Ｓ２０１では、レンズＩＣ１１１は、タイマを介して所定時間が経過したかどうかを判定する。本実施例では所定時間を１０ｍｓｅｃに設定しているが、この時間に限定されない。また請求項７に記載するようにステップＳ１１１で基準進角を取得した際の制御周期を所定時間として設定してもよい。所定時間が経過していればＳ１１６へ移行し、偏差量である角速度偏差の算出、操作量である進角の設定を行う。所定時間が経過していなければＳ１２１へ移行して操作量を更新はせずに励磁信号を生成する。Ｓ２０１は、エンコーダ１０７の信号が変化する（Ｓ１１５）タイミングで実行される。

Ｓ２０２では、レンズＩＣ１１１は、Ｓ２０１で使用されるタイマをクリアする。タイマはステッピングモータ１０６ａが駆動中は常に動作しており、本ステップでのクリア直後も零から再度カウント動作を始める。なお、フィードバック制御系の演算時間がばらつくような場合はＳ２０１直後でＳ２０２を実施してもよい。その際は、フィードバック制御系で要する演算時間よりも長い時間が設定される必要がある。

図８は、フォーカスレンズ１０５の駆動制御における、ホールＩＣ１０７ａの出力（センサ出力）、進角、制御ゲイン、及びステッピングモータ１０６ａの角速度の時間変化を示す図である。縦軸は上からホールＩＣ１０７ａの出力信号値、進角、制御ゲイン、ステッピングモータ１０６ａに励磁される角速度であり、横軸は共通して時間である。

駆動命令は、実施例１と同様である。即ち、オープンループ制御で駆動を開始し、５００ｐｐｓで規定の駆動量を駆動する。その後、オープンループ制御で１０００ｐｐｓまで加速し、同様に規定の駆動量を駆動する。１０００ｐｐｓで規定の駆動量を駆動した後の時間がｔ_ＦＢであり、このタイミングで基準進角ψ_１０００を取得し、フィードバック制御へ移行する。フィードバック制御移行後は進角に基づいて目標駆動速度まで加速し、目標駆動速度に達すると定速で駆動する。その後、所定のタイミングで減速を開始し、目標位置に到達すると停止する。

本実施例において、制御ゲインは１．０のまま一定である。エンコーダ１０７の出力に示す矢印は１０ｍｓｅｃを表わしており、１０ｍｓｅｃ後の最初のエンコーダ１０７の出力の変化タイミングで進角が更新される。エンコーダ１０７の出力が変化するたび処理する図６（ａ）と比較すると、図８のフィードバック制御移行直後（時間ｔ_ＦＢ直後）と高速域との制御周期に大きな差異はない。

本実施例は、このように、所定時間が経過した後にエンコーダ１０７の出力が変化したタイミングで進角を更新することによって、高速になるほど単位時間における進角の設定回数が増加する過補正を防止している。また、本実施例は、エンコーダ１０７の出力のチャタリングによる誤認識を防ぐことができ、また、制御系の演算完了前に次の進角更新トリガが発生しない。

本実施例は、所定時間経過後の最初のエンコーダ１０７の出力変化タイミングを操作量更新トリガとしているが、角速度に応じてセンサ出力変化タイミングの間引き数を設定してもよい。また、所定時間を計測している間にエンコーダ１０７の出力が変化すれば所定時間経過後に操作量更新を実施し、所定時間内にエンコーダ１０７の出力が変化しなければ変化するまで操作量更新を実施しないようにしてもよい。

本発明の光学機器は、交換レンズ、レンズ一体型カメラ、交換レンズとそれが装着されるカメラ本体からなるカメラシステムに適用することができる。

１００…カメラシステム（光学機器）、１０６ａ…ステッピングモータ、１０６ｃ…エンコーダマグネット（エンコーダ）、１０７ａ…ホールＩＣ（エンコーダ）、１１１…レンズＩＣ（レンズ制御手段）

Claims (14)

1. 励磁電流の供給に基づいて回転磁界を生じる励磁コイルを有するステータと、前記ステータが発生する回転磁界を受けることで回転するマグネットロータと、を有するステッピングモータの制御装置であって、
   前記ステッピングモータの回転に応じた信号を生成するエンコーダと、
   前記エンコーダが生成する前記信号の時間的変化から前記ステッピングモータの角速度を算出する角速度算出手段と、
   前記励磁電流と、前記エンコーダが生成する前記信号から得られる前記ステッピングモータの回転位置を表す回転位置信号との位相差である進角と、前記角速度の関係を表す情報を記憶する記憶手段と、
   オープンループ制御及びフィードバック制御によって前記ステッピングモータを制御し、前記エンコーダの出力に基づいて進角を設定する制御手段と、
   を有し、
   前記制御手段は、目標角速度と前記角速度算出手段が算出した前記ステッピングモータの前記角速度との角速度偏差、前記記憶手段に記憶された前記情報、および制御ゲインに基づいて、前記進角を設定し、
   前記制御手段は、前記フィードバック制御において前記エンコーダの出力が変化すると、前記ステッピングモータの角速度に応じて前記制御ゲインを設定することを特徴とするステッピングモータの制御装置。
2. 前記制御手段は、前記オープンループ制御において前記角速度算出手段が算出した所定の角速度における前記進角を基準進角として取得し、前記フィードバック制御において、前記基準進角と前記記憶手段に記憶された情報に基づいて前記進角を設定す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の制御装置。
3. 前記所定の角速度は、オープンループ制御からフィードバック制御に切り替えられるときの、前記ステッピングモータの角速度であることを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータの制御装置。
4. 前記所定の角速度は、オープンループ制御において、前記ステッピングモータが所定の時間、一定の速度で回転しているときの、前記ステッピングモータの角速度であることを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータの制御装置。
5. 前記制御手段は、前記角速度算出手段が算出した前記ステッピングモータの角速度をω、前記所定の角速度をω１、前記制御ゲインをＳとすると、
   前記角速度が前記所定の角速度より大きいときは、
   Ｓ＝ω１／ω
   なる式に基づいて、前記制御ゲインを変化させ、
   前記角速度が前記所定の角速度以下であるときは、前記制御ゲインを１に設定することを特徴とする請求項２に記載のステッピングモータの制御装置。
6. 前記制御手段は、前記進角をψ_ｎ、前記角速度偏差をΔω、前記進角に対する前記角速度の傾きをｄω／ｄψ、前記制御ゲインをＳ、前記設定された進角をψ_ｎ-１とすると、次式によって新たな進角ψ_ｎを設定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のステッピングモータの制御装置。
   ψ_ｎ＝ψ_ｎ-１＋Δω・（ｄω／ｄψ）^-１・Ｓ
7. 励磁電流の供給に基づいて回転磁界を生じる励磁コイルを有するステータと、前記ステータの発生する回転磁界を受けることで回転するマグネットロータと、を有するステッピングモータの制御装置であって、
   前記ステッピングモータの回転に応じた信号を生成するエンコーダと、
   前記エンコーダが生成する前記信号の時間的変化から前記ステッピングモータの角速度を算出する角速度算出手段と、
   前記励磁電流と、前記エンコーダが生成する前記信号から得られる前記ステッピングモータの回転位置を表す回転位置信号との位相差である進角と、前記角速度の関係を表す情報を記憶する記憶手段と、
   オープンループ制御及びフィードバック制御によって前記ステッピングモータを制御し、前記エンコーダの出力に基づいて進角を設定する制御手段と、
   を有し、
   前記制御手段は、前記フィードバック制御において、前記励磁電流を供給するための、前回の励磁信号の生成から所定の時間が経過した後に前記エンコーダの出力が変化すると、進角を設定し、該設定された進角に基づいて前記励磁信号を生成することを特徴とするステッピングモータの制御装置。
8. 前記制御手段は、前記オープンループ制御において前記角速度算出手段が算出した所定の角速度における前記進角を基準進角として取得し、前記フィードバック制御において、前記基準進角と前記記憶手段に記憶された情報に基づいて前記進角を設定することを特徴とする請求項７に記載のステッピングモータの制御装置。
9. 前記所定の角速度は、オープンループ制御からフィードバック制御に切り替えられるときの、前記ステッピングモータの角速度であることを特徴とする請求項８に記載のステッピングモータの制御装置。
10. 前記所定の角速度は、オープンループ制御において、前記ステッピングモータが所定の時間、一定の速度で回転しているときの、前記ステッピングモータの角速度であることを特徴とする請求項８に記載のステッピングモータの制御装置。
11. 前記所定の時間は、前記基準進角を取得した時の進角の更新周期であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載のステッピングモータの制御装置。
12. 請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載のステッピングモータの制御装置を有することを特徴とする光学機器。
13. 励磁電流の供給に基づいて回転磁界を生じる励磁コイルを有するステータと、前記ステータが発生する回転磁界を受けることで回転するマグネットロータと、を有するステッピングモータをオープンループ制御およびフィードバック制御によって制御する制御方法であって、
    前記ステッピングモータの回転に応じた信号を生成するエンコーダが生成する前記信号の時間的変化から前記ステッピングモータの角速度を算出するステップと、
    前記励磁電流と、前記エンコーダが生成する前記信号から得られる前記ステッピングモータの回転位置を表す回転位置信号との位相差である進角と、前記角速度の関係を表す情報を記憶するステップと、
    前記エンコーダの出力に基づいて進角を設定するステップと、
    を有し、
    前記設定するステップは、目標角速度と前記ステッピングモータの前記角速度との角速度偏差、前記情報、および制御ゲインに基づいて、前記進角を設定し、
    前記フィードバック制御において前記エンコーダの出力が変化すると、前記ステッピングモータの角速度に応じて前記制御ゲインを設定することを特徴とするステッピングモータの制御方法。
14. 励磁電流の供給に基づいて回転磁界を生じる励磁コイルを有するステータと、前記ステータの発生する回転磁界を受けることで回転するマグネットロータと、を有するステッピングモータをオープンループ制御およびフィードバック制御によって制御する制御方法であって、
    前記ステッピングモータの回転に応じた信号を生成するエンコーダが生成する前記信号の時間的変化から前記ステッピングモータの角速度を算出するステップと、
    前記励磁電流と、前記エンコーダが生成する前記信号から得られる前記ステッピングモータの回転位置を表す回転位置信号との位相差である進角と、前記角速度の関係を表す情報を記憶するステップと、
    前記エンコーダの出力に基づいて進角を設定するステップと、
    を有し、
    前記設定するステップは、前記フィードバック制御において、前記励磁電流を供給するための、前回の励磁信号の生成から所定の時間が経過した後に前記エンコーダの出力が変化すると、進角を設定し、該設定された進角に基づいて前記励磁信号を生成することを特徴とするステッピングモータの制御方法。