JP2015023703A - ステッピングモータの制御装置、光学機器、ステッピングモータの制御方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 消費電力を抑制しつつ、ステッピングモータを高速かつ滑らかに駆動させることができるステッピングモータの駆動制御装置を提供する。【解決手段】 ステッピングモータの制御装置は、ステッピングモータの回転位置を検出する位置検出センサと、ステッピングモータを駆動させる電圧制御部と、ステッピングモータのコイルに印加される励磁電流と、前記ステッピングモータの回転位置の位相差である進角を制御する進角制御部と、ステッピングモータの駆動速度を制御する速度制御部を有する。速度制御部は、電圧制御部における電圧の制御と、進角制御部における進角の制御を組み合わせることにより、駆動速度を制御する。【選択図】 図７

Description

本発明は、ステッピングモータの制御装置、光学機器、ステッピングモータの制御方法、及びプログラムに関し、特に、ロータの位置を検出する位置センサを有するステッピングモータの制御装置に関するものである。

ステッピングモータは、コイルへの通電切り替えによって所定の角度毎に回転可能であるため、位置センサを用いることなく容易に位置制御が可能である、という特徴を有している。そのため、決められた時間間隔に従ってコイルへの通電状態を切り替える、オープンループ制御による駆動モードが一般的に用いられている。しかし、モータを高速で駆動させるときや、モータに大きな負荷が掛かるときには、コイルへの通電切り替えに対してロータが応答できなくなり、脱調を起こしやすいという問題がある。

そこで、加速や減速をするときは、ロータの位置を検出する位置センサの出力に応じてコイルへの通電状態を切り替える、フィードバック制御を行うことによって、高速駆動が可能な駆動モードに切り替えることができるステッピングモータが知られている。また、オープンループ制御とフィードバック制御を組み合わせることにより、低速時はオープンループ制御で駆動し、高速時はフィードバック制御で駆動するステッピングモータも知られている。これにより、低速領域及び高速領域において精度よく駆動を制御することができる。

また、モータが発生させるトルクとモータの回転速度の関係をＴ−Ｎ特性という。Ｔ−Ｎ特性はモータに印加される電圧、つまりコイルの端子間電圧により変化し、電圧が高くなると生じるトルクが大きくなり、モータを高速回転させることができる。

特許文献１には、回転角を検出するためのエンコーダを搭載したステッピングモータの駆動制御装置が記載されている。駆動制御装置の記憶装置に、モータへの印加電圧とモータの回転速度との対応データを予め格納しておくことにより、モータの目標回転速度を実現するために印加すべき電圧の値を容易に知ることができる。この制御装置を用いることで、モータの負荷変動を低減させ、モータの加減速に関する制御を精度よく行うことができる。

また、特許文献２には、モータを精度よく、かつ高速に回転させるために、フィードバック制御を行う際には、矩形波状の駆動波形の電流をモータに印加する駆動制御方法が記載されている。

特開昭６２−２８５６９５号公報 特開平１０−１５０７９８号公報

撮像装置等の光学機器にステッピングモータを搭載する場合、光学機器の操作性や機能性を向上させるためには、光学機器を構成する部材を高速に移動させ、また、部材の移動に関する速度変動を抑制する必要がある。

特許文献１及び２に記載の駆動制御装置は、モータを精度よく、また高速に回転させることを目的としているが、モータの駆動速度の変動に関しては考慮していない。

本発明は、速度変動を抑制しながら、ステッピングモータを高速に駆動させることができるステッピングモータの制御装置を提供することを目的とする。

本発明のステッピングモータの制御装置は、ステッピングモータと、ステッピングモータの回転位置を検出する位置検出センサと、ステッピングモータに電圧を印加することにより、ステッピングモータを駆動させる電圧制御部と、ステッピングモータのコイルに印加される励磁電流と、ステッピングモータの回転位置の位相差である進角を制御する進角制御部と、ステッピングモータの駆動速度を制御する速度制御部と、を有する。速度制御部は、電圧制御部により電圧を一定に保持して、進角制御部により進角を増加させる第１の加速制御と、電圧制御部により電圧を増加させ、進角制御部により進角を減少または一定に保持する第２の加速制御により、駆動速度を制御することを特徴とする。

本発明の他の側面のステッピングモータの制御装置は、ステッピングモータと、ステッピングモータの回転位置を検出する位置検出センサと、ステッピングモータに電圧を印加することにより、ステッピングモータを駆動させる電圧制御部と、ステッピングモータのコイルに印加される励磁電流と、ステッピングモータの回転位置の位相差である進角を制御する進角制御部と、ステッピングモータの駆動速度を制御する速度制御部と、を有する。速度制御部は、電圧制御部により電圧を一定に保持して、進角制御部により進角を減少させる第１の減速制御と、電圧制御部により電圧を減少させ、進角制御部により進角を増加または一定に保持する第２の減速制御により、駆動速度を制御することを特徴とする。

本発明によれば、速度変動を抑制しながら、ステッピングモータを高速に駆動させることができるステッピングモータの制御装置を提供することができる。

実施例１に係る撮像装置の構成を示すブロック図 オートフォーカス動作を示すフローチャート 進角制御を示す概念図 進角制御を用いた場合のステッピングモータの回転速度の時間変化を示す図 ステッピングモータの回転速度と消費電流の関係を示す図 進角と回転速度の関係を示す図 実施例１の制御装置における、モータの加速時の各パラメータの時間変化を示す図 実施例１の制御装置における、モータの加速時の速度制御方法を示すフローチャート 実施例１の制御装置において、モータの速度変動を抑制して加速をする際の各パラメータの時間変化を示す図 実施例１の制御装置における、モータの減速時の速度制御方法を示すフローチャート 実施例２の制御装置における、進角制御モードと電圧制御モードを組み合わせた速度制御を示すフローチャート 実施例２の制御装置における、加速期間の各パラメータの時間変化を示す図 実施例２の制御装置における、減速期間の各パラメータの時間変化を示す図 実施例３の制御装置における、進角と回転速度の関係を示す特性図 実施例３の制御装置における、進角制御モードと電圧制御モードを組み合わせた速度制御を示すフローチャート ステッピングモータの構成を示す図

以下に、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、エンコーダを有するステッピングモータを備えるレンズ装置と、このレンズ装置が着脱可能なカメラ装置のブロック図を示す。

１００は、フォーカスレンズ群である。フォーカスレンズ群１００は、図１に示す矢印の方向（撮影光学系の光軸方向）に移動することにより、焦点調節を行う。撮影光学系を透過した光束は、不図示の撮像素子によって光電変換され、電気信号として出力される。フォーカスレンズ群１００は、カム環やガイドバー等から構成されるレンズ保持部１２２によって保持される。レンズ保持部１２２は光軸方向に移動可能に構成される。

１０９はカメラ装置との通信やステッピングモータの駆動制御、及びセンサから入力される信号の処理を行うレンズ制御マイコンである。１０３は、ギアやリードスクリュー等の駆動伝達ユニットであり、１０４は、ステッピングモータ（以降、モータ１０４と記載する）である。モータ１０４の回転軸が回転することで、駆動伝達ユニット１０３を介して、レンズ保持部１２２とフォーカスレンズ群１００を一体に駆動することができる。

モータ１０４を駆動するための制御信号は、レンズ制御マイコン１０９で生成される。レンズ制御マイコン１０９は、モータ１０４の駆動方式に合わせてモータ１０４の各相に対する励磁パターンを生成する。ここで、駆動方式としては、矩形波状の駆動信号を用いた２相駆動や１−２相駆動、及び正弦波状の駆動信号を用いたマイクロステップ駆動等が挙げられる。

レンズ制御マイコン１０９には、モータ１０４の目標回転速度を指定する速度指示部が含まれる。また、レンズ制御マイコン１０９には、モータ１０４のコイルに印加される励磁電流と、モータ１０４の回転位置の位相差である進角を制御する進角制御部と、モータ１０４に印加する電圧を制御する電圧制御部が含まれる。さらに、進角制御部による進角の制御と、電圧制御部による駆動電圧の制御を組み合わせることで、モータ１０４の回転速度（駆動速度）を制御する速度制御部を含んでいる。

生成された制御信号は、モータドライバ１０７でモータ１０４の駆動に必要な電流、電圧に変換され、モータ１０４に供給される。モータドライバ１０７において必要とされる電力は、カメラ装置に装備されたバッテリー２１２から供給される。電力の供給は、求められる電圧に変換するための電力変換回路２１３を介して行われる。ここで、バッテリー２１２の電圧はバッテリー２１２の残容量によって変化してしまう。したがって、昇圧型や降圧型のＤＣＤＣコンバータ（電力変換回路）を用いることで電圧を一定の値に保っている。また、カメラ装置からレンズ装置に電力を供給するため、カメラ装置の電源接点２１５とレンズ装置の電源接点１２４が設けられている。なお、１１０はモータドライバ１０７へ供給する電圧値を検出するための電圧検出回路である。検出した電圧に対してＡＤ変換が行われ、検出した電圧に関する情報はデジタル信号に変換されてレンズ制御マイコン１０９に入力される。

次にエンコーダ（位置検出センサ）について説明する。モータ１０４の回転軸には、パルス板１０５が装着されている。エンコーダを構成する要素としてフォトインタラプタ１０１が存在する。パルス板１０５の遮光部がフォトインタラプタ１０１を通過することで、フォトインタラプタ１０１の出力がＨｉｇｈレベルやＬｏｗレベルに変化し、回転角を検出することができる。また、フォトインタラプタ１０１の出力周期を検出することにより、回転速度を測定することも可能である。なお、複数のフォトインタラプタを用いることで、回転角の検出精度を向上させることができ、さらに回転方向を検出することもできる。本実施例ではエンコーダとして、フォトインタラプタを用いる構成としたが、ホール素子やマグネットを用いてもよい。１０８は、信号処理回路であり、フォトインタラプタ１０１の出力を増幅、レベル変換する。これにより、フォトインタラプタ１０１の出力が、レンズ制御マイコン１０９で検出可能な信号レベルに変換される。

１０２は、フォーカスレンズ群１００の基準位置を検出するためのフォトインタラプタである。フォトインタラプタ１０２の出力は信号処理回路１０６に入力され、レンズ制御マイコン１０９で検出可能な信号レベル（例えば、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗレベル）に変換される。フォトインタラプタ１０２の出力がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化する時点、もしくはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化する時点におけるフォーカスレンズ群１００の位置を基準位置として用いる。これにより、フォーカスレンズ群１００の絶対位置を検出することができる。

１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃは通信ラインにおけるレンズ装置側の接点部であり、それぞれクロック信号ライン、カメラ装置からレンズ装置へのデータライン、レンズ装置からカメラ装置へのデータラインの接点部である。本実施例では３線式のシリアル通信を用いているが、調歩同期通信やＬＶＤＳ（低電圧作動信号）等の通信方式を用いてもよい。レンズ制御マイコン１０９は、通信ライン１２３ｂを介して、カメラ装置からの駆動命令やカメラ識別情報、ステータス、撮影条件等を受信する。また、レンズ制御マイコン１０９は、通信ライン１２３ｃを介して、レンズ識別情報やステータス、フォーカス・絞り・ズームの位置等の情報をカメラ装置に送信する。

レンズ装置にはズーム操作部１１９、マニュアルフォーカス（ＭＦ）操作部１２０、オートフォーカス（ＡＦ）／マニュアルフォーカス（ＭＦ）スイッチ１２１が設けられている。ズーム操作部１１９により変倍操作を行う。フォーカシングの際に前玉レンズが移動しないインナーフォーカス型のズームレンズの場合、変倍操作に伴って生じる焦点変化を補正するため、フォーカスレンズ群を移動させる必要がある。この際に必要な制御をトラッキング制御といい、フォーカスレンズ群と変倍レンズ群との関係は、トラッキング曲線によって定められる。ＭＦ操作部１２０は、フォーカスボタンやフォーカスリング等によって構成され、ＭＦ操作部１２０をユーザが操作することによって、フォーカスレンズ群１００の位置を調整をすることができる。

次にカメラ装置について説明する。２００は、撮影動作や、記録装置への映像の記録等の制御を行うためのカメラ制御マイコンである。カメラ制御マイコン２００は、接点部を介し、レンズ装置に対して駆動命令や撮影条件等の情報を送信し、レンズ装置からレンズ装置の状態等の情報を受信する。２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃは、それぞれカメラ装置側におけるクロック信号ライン、カメラ装置からレンズ装置へのデータライン、レンズ装置からカメラ装置へのデータラインの接点部である。

２０９は、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等を用いた表示装置である。表示装置２０９は、撮影条件の表示や撮影映像の表示を行う。２１０は、撮影した静止画像や動画像を記憶するための記録装置である。２１１は、位相差方式のオートフォーカスにおいて、被写体までの距離を測定することで自動的に焦点調節（オートフォーカス）を行うためのＡＦセンサである。ＡＦは、ＡＦセンサ２１１を用いた位相差方式に限らず、撮像素子２０８から得られる画像のコントラスト情報を用いたコントラスト方式によっても実行することができる。

なお、カメラ装置及びレンズ装置の通信ラインと電源ラインは、不図示のマウント部を介して接続されている。カメラ装置とレンズ装置の間で行われる通信は、通信タイミングごとに行ってもよいし、固定の周期で行ってもよい。固定の周期としては、撮像素子２０８から出力される信号の周期を定める垂直同期信号の周期等が挙げられる。

ここで、ステッピングモータ１０４の構成について、図１６を用いて簡単に説明する。３０１はマグネットからなるロータ部であり、３０２、３０３はそれぞれＡ相及びＢ相の励磁コイルである。励磁コイルはステータとして機能し、励磁コイルの内部には鉄芯が配置される。励磁コイルに対して流す電流、つまりコイルの端子間に印加する電圧を変化させることで、発生する磁界が変化し、ロータが回転する。３０４はモータドライバであり、図１のモータドライバ１０７に該当する。

図２は、図１のカメラ装置とレンズ装置を組み合わせた撮像装置におけるフォーカス駆動動作を示した図である。ここではＡＦセンサを用いた位相差方式のオートフォーカスの動作に関するフローチャートを示す。図２において、「Ｓ」は「ステップ」の略であり、図２に示すフローチャートは、コンピュータに各ステップの機能を実現させるための制御プログラムとして具現化が可能である。

まず、カメラ装置の制御について説明する。カメラ装置における各ステップは、特に断らない限りカメラ制御マイコン２００によって実行される。

Ｓ１０１では、ＡＦセンサ２１１により被写体像を検出し、被写体までの距離を相関演算により測定する。Ｓ１０２では、検出された距離情報を撮像面におけるデフォーカス量に変換する。Ｓ１０３では、Ｓ１０２で求めたデフォーカス量から、撮像面における移動量とフォーカスレンズ群１００の移動量の関係を示す情報を用いて、フォーカスレンズ群１００の移動量を算出する。

Ｓ１０４では、Ｓ１０３で算出した移動量だけフォーカスレンズ群１００を駆動させるため、レンズ装置に対してフォーカス駆動命令を送信する。このとき、フォーカスレンズ群１００の移動速度に関する命令も送信する。移動速度は、フォーカスレンズ群１００の移動量の大きさや、絞り速度やシャッター速度などの撮影条件により異なる。フォーカス駆動命令を送信した後は、Ｓ１０５のレンズ装置との通信において、レンズ装置側のステータスを確認する。つまり、フォーカスレンズ群１００が駆動しているか否かを示すステータス情報を、レンズ装置から受信する。ステータス情報を受信した後、Ｓ１０６ではフォーカスレンズ群１００が駆動しているか停止しているかを判別する。駆動している場合には、Ｓ１０５におけるレンズステータスの受信とＳ１０６の駆動中であるかの確認を繰り返す。駆動が停止した場合には、合焦状態であると判断し、処理を終了する。

次に、レンズ装置の制御について説明する。レンズ装置における各ステップは、特に断らない限りレンズ制御マイコン１０９によって実行される。

まず、Ｓ２０１において、カメラ装置からのフォーカス駆動命令を受信する。このとき、カメラ装置が指定するフォーカスレンズ群１００の移動量と移動速度も受信する。Ｓ２０２では、フォーカスレンズ群１００の駆動を開始する。つまり、モータ１０４に対する駆動電圧の印加を開始し、フォーカスレンズ群１００が駆動中であることを示すフラグをセットする。Ｓ２０２では、フォーカスレンズ群１００の移動量及び移動速度を、モータ１０４の回転量（回転角）及び回転速度に変換している。

Ｓ２０３では、レンズ装置のステータスをカメラ装置に送信する。ここではフォーカスレンズ群１００が駆動しているか否かを示す情報を送信する。Ｓ２０４では、フォーカスレンズ群１００が、Ｓ２０１で受信した移動量だけ移動したか否かを判定する。移動が完了していない場合には、Ｓ２０３において、レンズ装置のステータスを再びカメラ装置に送信し、Ｓ２０４における判定を繰り返す。Ｓ２０４にて移動が完了したと判断した場合には、Ｓ２０５でフォーカスレンズ群１００の駆動、つまりモータ１０４の回転を停止する。さらに、Ｓ２０６にてフォーカスレンズ群１００が駆動中であることを示すフラグをクリアし、Ｓ２０７にてフォーカスレンズ群１００の駆動を停止させるため、レンズ装置のステータスをカメラ装置に送信する。

次に、エンコーダを備えたステッピングモータ１０４の駆動制御方法について、図３を用いて説明する。図３は、モータ１０４のコイルに印加される励磁電流の波形を表している。本発明においては、モータ１０４の回転位置を検出するエンコーダの出力に対して進角制御を行うことにより、フィードバック駆動を行っている。つまり、モータ１０４の回転位置を検出するエンコーダの出力を進相させた、励磁波形によってモータ１０４のコイルに印加する電流を制御している。ここで、モータ１０４のコイルに印加される励磁電流と、モータ１０４の回転位置の位相差を進角と記載する。

モータ１０４をオープンループ制御する場合、十分にトルクマージンのある速度で駆動を行う。一方、フィードバック制御の場合、エンコーダで検出したモータ１０４の回転角あるいは回転速度に応じて、適切な励磁電圧を印加することでモータ１０４を制御する。

一般に、進角とモータ１０４の回転速度の間には、進角を大きくすれば回転速度が大きくなる関係があるため、進角を調節することにより、モータ１０４の回転速度をフィードバック制御することができる。

図３（ａ）に示すように、エンコーダの出力に関して、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗの切り換えエッジを基準として、所定の励磁相のゼロクロス点と同位相の場合を進角が０°とする。モータ１０４の回転速度を上げる場合、図３（ｂ）に示すように進角を大きくする。センサ出力のエッジごとに進角を大きくする操作を繰り返すことで、目標とする回転速度まで徐々に速度を上げることができる。

一方、モータ１０４の回転速度を下げる場合、センサ出力のエッジごとに進角を小さくする操作を繰り返すことで、目標とする回転速度まで徐々に減速することができる。また、モータ１０４の回転速度を一定とする場合は、進角の制御を繰り返し行い、回転速度を収束させる。なお、図３において、センサの出力エッジと励磁波形のゼロクロス点は一致しているが、実際にはエンコーダの出力の位相とモータ１０４の励磁位相のずれを補正する必要がある。

次に、進角制御によりモータ１０４を駆動した例を図４に示す。駆動開始からモータ１０４の回転が安定するまでの期間は、オープンループ制御による駆動を行っている。また、モータ１０４の回転を高精度に停止させるため、モータ１０４を停止させる際に、オープンループ制御による駆動を行う。ここで、モータ１０４の回転を安定させるために、オープンループ制御による駆動を行っているが、目標速度への到達時間を優先する場合等には、進角制御のみによる駆動を行ってもよい。モータ１０４の加速期間では、目標速度Ｓｔに到達するように進角制御による駆動を行う。減速期間では、目標速度Ｓｔからオープンループ制御に切り替える速度まで、進角制御により駆動をし、回転速度を減速させる。

図５は、モータ１０４のコイルに流れる消費電流Ｉとモータ１０４の回転速度の関係を示している。コイルの端子間に印加する印加電圧をＶＭとし、コイルの抵抗成分をＲ、誘導成分をＬとしている。印加電圧ＶＭを一定にしてモータ１０４を回転させると、逆起電力Ｅが発生する。逆起電力Ｅは、モータ１０４の回転速度に比例して増加するため、モータ１０４の消費電流は、図５の左図のように、モータ１０４の回転速度が速くなるにつれて減少する。つまり、モータ１０４の回転速度が速くなるにつれて、モータ１０４のトルクが減少する。

ここで図５の左図における上限値とは、モータ１０４に与えることができる電力の最大値を意味している。バッテリーの定格電流に関する制限や、モータ１０４に過剰な負荷を与えることを回避するための制限をもとに、電力の上限値が定められる。

図６は、モータ１０４の回転速度と進角の関係（以下、進角特性と記載する）を示している。進角を大きくすることでモータ１０４の回転速度が速くなり、また、印加電圧ＶＭを変更することで、進角特性が変化する。図６において、印加電圧Ｐと印加電圧Ｑの関係はＱ＞Ｐとなっており、印加電圧が高いほどモータ１０４のトルクが大きくなるため、モータ１０４の回転速度が速くなる。なお、進角特性にはモータ１０４の回転速度に関する極大値が存在し、進角を大きくしてもモータ１０４の回転速度が速くならない速度領域が存在する。

逆起電力Ｅを考慮し、消費電力の上限値を超えない範囲で印加電圧ＶＭを大きくすることにより、コイルに流れる電流を大きくすることで、モータ１０４のトルクが減少することを防止することも考えられる。しかし、図６中の矢印で示すように、印加電圧を大きくすることによっても、モータ１０４の回転速度が変化してしまうため、印加電圧を頻繁に変化させると、不自然な速度変動が発生する。

不自然な速度変動が生じる例を、図７を用いて説明する。図７は、モータ１０４を加速する際の、モータ１０４に印加する印加電圧、駆動波形（電圧）、消費電力（電流）、進角、回転速度、それぞれの時間変化を示している。印加電圧は、駆動波形の実効値相当の値であり、時刻Ｔｃは、モータ１０４に印加する印加電圧を変化させるタイミングを示している。

モータ１０４に印加する印加電圧を変化させるための最も簡単な方法は、モータドライバ１０７に入力する電圧を増加させることである。他の方法として、モータドライバ１０７に入力する電圧を一定として、電圧のＯＮ・ＯＦＦの切り換え比（デューティー比）を変化させることで、印加電圧を変化させることができる。

ここで、時刻Ｔｃで印加電圧を増加させたとする。このとき、図７に示すように駆動波形の振幅が大きくなる。なお、駆動波形はマイクロステップ制御における駆動波形を想定している。消費電力に着目すると、モータ１０４の回転速度が上がるにつれて、逆起電力の影響により消費電力は減少するが、Ｔｃのタイミングで消費電力が急激に増加する。ただし、消費電力の上限値を超えないように制御する必要がある。このときに、進角を断続的に増加させると、モータ１０４の回転速度は、図７の下段に示すように急激に変化してしまう。

実施例１として、印加電圧の変化に伴い、進角を変化させることでモータ１０４の回転速度の変動を抑制する制御方法を、図８、図９、図１０を用いて説明する。

図８は、モータ１０４の加速制御を行う際の、モータ１０４の制御方法を示すフローチャートである。図８において、「Ｓ」は「ステップ」の略であり、図８に示すフローチャートは、コンピュータに各ステップの機能を実現させるための制御プログラムとして具現化が可能である。各ステップは、特に断らない限りレンズ制御マイコン１０９によって実行される。

進角制御における加速期間で、Ｓ３０１において、進角を大きくすることでモータ１０４の回転を加速させる。次に、Ｓ３０２において、エンコーダの出力をもとに、モータ１０４の回転速度を検出する。そして、Ｓ３０３において、検出したモータ１０４の回転速度と目標速度を比較し、目標速度に到達したか否かを判定する。目標速度に到達していた場合には、モータ１０４の加速制御を終了する。一方、目標速度に到達していない場合には、Ｓ３０４において、消費電力が閾値以下であるか否かを判定する。ここで、閾値に達しているか否かは、Ｓ３０５における印加電圧の変更を行っても消費電力の上限値を超えないか否か、によって判断される。印加電圧の変更が可能な場合はＳ３０５に進み、そうでない場合はＳ３０１に戻る。

Ｓ３０４の判定に用いられる、消費電力に関する情報は、実際に電圧値や電流値を測定してもよい。しかし、簡素な回路構成を実現するために、モータ１０４の回転速度と消費電力が略比例していることを用いて、検出したモータ１０４の回転速度から消費電力を推定してもよい。また、消費電力ではなく、モータ１０４の回転速度の検出結果をもとに、印加電圧の変更が可能か否かを判定してもよい。モータ１０４の回転速度に基づいて消費電力を検知する場合は、レンズ制御マイコン１０９に記憶部を設け、モータ１０４の回転速度と消費電力の対応関係を示すデータを記憶部に格納しておく。

Ｓ３０４で、モータ１０４への印加電圧を変更できると判断された場合には、Ｓ３０５において、モータ１０４に印加する印加電圧を変更する。モータ１０４の回転を加速する場合には、印加電圧を大きくする。印加電圧を変更する方法としては、前述したように、モータドライバ１０７に対する入力電圧を大きくする方法や、モータ１０４に入力する印加電圧のデューティー比を変更する方法がある。Ｓ３０６では、印加電圧の変更により生じるモータ１０４の回転速度の変化を打ち消すように、進角をオフセットする。図８のフローチャートでは、説明を分かりやすくするためにＳ３０５とＳ３０６の処理を別のブロックとして表記した。しかし、実際には、Ｓ３０６における処理は、Ｓ３０５とほぼ同時に行う必要がある。

図８のフローチャートにおける、各パラメータの時間変化を図９に示す。時刻Ｔｃで印加電圧を増加させたとする。このとき、図９に示すように駆動波形の振幅が大きくなる。消費電力は、モータ１０４の回転速度が上がるにつれて、逆起電力の影響により減少し、Ｔｃのタイミングで上限値を超えない範囲で増加する。このとき、進角を減少させることで、モータ１０４の回転速度を滑らかに変化させることができ、モータ１０４を加速する際の急激な速度変動を抑制することができる。

図１０は、モータ１０４の減速制御を行う際の、モータ１０４の制御方法を示すフローチャートである。図１０において、「Ｓ」は「ステップ」の略であり、図１０に示すフローチャートは、コンピュータに各ステップの機能を実現させるための制御プログラムとして具現化が可能である。各ステップは、特に断らない限りレンズ制御マイコン１０９によって実行される。

進角制御における減速期間で、Ｓ４０１において、進角を小さくすることでモータ１０４の回転を減速させる。次に、Ｓ４０２において、エンコーダの出力をもとに、モータ１０４の回転速度を検出する。そして、Ｓ４０３において、検出したモータ１０４の回転速度が、オープンループ制御に切り替える速度（停止速度）に到達したか否かを判定する。ここで、停止速度とは、フィードバック制御からオープンループ制御への切り替えを実施するときのモータ１０４の回転速度であり、あらかじめ定められた速度である。

停止速度に到達した場合は、モータ１０４の減速制御を終了する。一方、停止速度に到達していない場合には、Ｓ４０４において、消費電力が所定の閾値以上であるかを判定する。モータ１０４の回転を減速させる場合、回転速度が遅くなるにつれて逆起電力が小さくなる。そのため、回転速度が遅くなっても印加電圧を保持すると、減速期間中に消費電力の上限値を超えてしまうおそれがある。そこで、Ｓ４０４の判定を行うことで、消費電力が上限値を超える前に、印加電圧を小さくするようにしている。

Ｓ４０４で、モータ１０４への印加電圧を変更する必要があると判断された場合には、Ｓ４０５において、モータ１０４に印加する印加電圧を変更する。モータ１０４の回転を減速する場合には、印加電圧を低下させる。Ｓ４０６では、印加電圧の変更により生じるモータ１０４の回転速度の変化を打ち消すように、進角をオフセットする。図８における、Ｓ３０５とＳ３０６の関係と同様に、Ｓ４０６の処理は、Ｓ４０５とほぼ同時に行う必要がある。

以上説明したように、エンコーダを備えたステッピングモータを進角制御により駆動する際、モータに印加する電圧と進角を適切に制御することにより、電力を効率的に利用し、モータを高速に回転することができる。さらに、加速中や減速中のモータの速度変動の発生を抑制し、モータの回転速度を滑らかに変化させることができる。

本実施例では、カメラ装置にバッテリー２１２と電力変換回路２１３が備えられているが、レンズ装置に電力変換回路２１３が備えられていてもよい。

実施例１では、特定のタイミングで印加電圧を変化させ、印加電圧の変化に伴い、進角を変化させることで、モータ１０４の回転速度の変動を抑制している。本実施例では、進角を一定にし、印加電圧を変化させる制御（電圧制御モード）と、印加電圧を一定にし、進角を変化させる制御（進角制御モード）を切り替え、モータ１０４の回転速度の変動を抑制する方法を示す。 図１１は、本実施例における、モータ１０４の加速及び減速する動作フローを示している。図１１において、「Ｓ」は「ステップ」の略であり、図１１に示すフローチャートは、コンピュータに各ステップの機能を実現させるための制御プログラムとして具現化が可能である。各ステップは、特に断らない限りレンズ制御マイコン１０９によって実行される。

まず、Ｓ５０１において、制御モードが、電圧制御モードであるか、進角制御モードであるか、を判別する。進角制御モードである場合は、Ｓ５０２において印加電圧を固定する。そして、Ｓ５０３において進角を増減させることで、モータ１０４の加減速を制御することができる。

一方、電圧制御モードである場合は、Ｓ５０４において進角を固定する。そして、Ｓ５０５において印加電圧を増減させることで、モータ１０４の加減速を制御することができる。なお、図１１のフローチャートにおいて、ＳＴＡＲＴから処理が開始されるとき、制御モードは進角制御モードに設定される。Ｓ５０６では、エンコーダの出力に基づいてモータ１０４の回転速度が検出される。Ｓ５０７では、モータ１０４が加速中であるか、減速中であるかの判定を行う。

加速中である場合にはＳ５０８に移行し、Ｓ５０８において目標速度に到達したか否かの判定を行う。この判定にはＳ５０６で検出した回転速度を用いる。目標速度に到達した場合は、処理を終了する。

一方、目標速度に到達していない場合には、Ｓ５１０にて消費電力が上限値以上であるか否かの判定を行う。上限値以上である場合には電圧制御モードによる制御を行うことができないため、Ｓ５１４にて制御モードを進角制御モードに設定する。上限値未満の場合には、Ｓ５１２において消費電力が下限値以下であるか否かの判定を行う。下限値以下でない場合には、Ｓ５１６において、現在の制御モードを維持し、Ｓ５０１から再び処理を開始する。消費電力が下限値以下の場合には、Ｓ５１５により、次回の制御モードを電圧制御モードに設定する。

Ｓ５０７にて減速中であると判定された場合には、Ｓ５０９において停止速度に到達したか否かの判定を行う。この判定にはＳ５０６で検出した回転速度を用いる。停止速度に到達した場合は、処理を終了する。

一方、停止速度に到達していない場合には、Ｓ５１１にて消費電力が上限値以上であるか否かの判定を行う。上限値以上である場合には、進角制御モードによる減速を行うことができないため、Ｓ５１８にて制御モードを電圧制御モードに設定する。上限値未満の場合には、Ｓ５１３において消費電力が下限値以下であるか否かの判定を行う。下限値以下でない場合には、Ｓ５１６において、現在の制御モードを維持し、Ｓ５０１から再び処理を開始する。消費電力が下限値以下の場合には、Ｓ５１７により、次回の制御モードを進角制御モードに設定する。

ここで、消費電力の判別においては、実際に電圧や電流を測定してもよい。しかし、簡素な回路構成を実現するために、モータ１０４の回転速度と消費電力が略比例していることを用いて、検出したモータ１０４の回転速度から消費電力を推定してもよい。また、消費電力ではなく、モータ１０４の回転速度の検出結果をもとに、消費電力を推定してもよい。なお、消費電力の上限値及び下限値は、制御モードの切り替えタイミングを判断するために設けられた値である。消費電力の上限値や下限値を超えた場合でも、ただちにモータ１０４の回転制御が破たんするものではない。

本実施例における加速中の各パラメータの変化を図１２に示す。Ｔｃ１、Ｔｃ２、Ｔｃ３…が制御モードの切り替えタイミングである。図１２では、まず進角制御モードにより進角を変化させることで、モータ１０４の回転速度を上げる。回転速度を上げると、逆起電力が発生し、印加電圧を上げることができるようになる。あらかじめ定められた消費電力の下限値に到達すると、電圧制御モードへの切り替えが行われ、印加電圧を変更させることで、モータ１０４の回転速度が変化する。印加電圧の上昇によりモータ１０４の回転速度を上げると、消費電力があらかじめ定められた上限値に到達する。このとき、進角制御モードへの切り替えが行われる。このような制御モードの切り替えを順次行うことで、モータ１０４の速度制御を滑らかに行うことができる。

ここで、消費電力の下限値は、制御モードの切り替え間隔に基づいて定められる。切り替えの間隔が短い場合は、消費電力の上限値と下限値の差を小さくすることができ、消費電力を上限値近くの値に保つことができる。一方、切り替え間隔が長い場合は、消費電力の上限値と下限値の差を大きくし、進角と印加電圧の変更により生じる加速度を、制御可能な範囲の値にすることが好ましい。減速中の場合には、進角を大きく変化させると消費電力の上限値を超えてしまうおそれが生じる。図１３は、本実施例における減速中の各パラメータの変化を示す。

本実施例においては、進角を一定にし、印加電圧を変化させる電圧制御モードと、印加電圧を一定にし、進角を変化させる進角制御モードを切り替えながら速度制御を行う方法を示した。ここで、進角を一定に保持する制御には、消費電力が上限値及び下限値を超えない範囲で進角が変化する場合も含むものとする。さらに、電圧を一定に保持する制御には、消費電力が上限値及び下限値を超えない範囲で電圧が変化する場合も含むものとする。

次に、進角をもとに進角制御モードと電圧制御モードを切り替えることにより、モータ１０４の回転速度の変動を抑制する方法について説明する。

図１４は、進角とモータ１０４の回転速度の関係と、印加電圧の値とモータ１０４の回転速度の関係を示している。モータ１０４の回転速度は、進角が９０°のときに最も速くなる。ここで、進角が９０°に近くなると、進角の変化に対して、モータ１０４の速度変化は一定とならない。一方で、進角を一定としたとき、印加電圧の値とモータ１０４の回転速度は比例関係にある。そこで、進角が所定値Ａｔよりも小さい場合は進角制御モードでモータ１０４の駆動を行い、進角が所定値以上となり、印加電圧を変更することができる場合には、電圧制御モードでモータ１０４の速度制御を行う。

図１４に示した動作についてのフローチャートを図１５に示す。図１５において、「Ｓ」は「ステップ」の略であり、図１５に示すフローチャートは、コンピュータに各ステップの機能を実現させるための制御プログラムとして具現化が可能である。各ステップは、特に断らない限りレンズ制御マイコン１０９によって実行される。

まず、Ｓ６０１で、エンコーダの出力に基づいてモータ１０４の回転速度が検出される。このとき、モータ１０４の回転速度を検出する際の進角も同時に検出することができる。Ｓ６０２では、進角の値を検出し、モータ１０４の速度制御を実行するために、Ａｔ以上の進角を設定する必要がある場合は、Ｓ６０３に移行する。Ａｔより小さな進角の設定が求められる場合は、Ｓ６０５に移行する。Ｓ６０５では、進角を変化させることにより速度制御を行う。

Ｓ６０３では、印加電圧を変化させることができるか否かを判定する。図８で説明したように、消費電力に関する情報は、実際に電圧や電流を測定してもよい。しかし、簡素な回路構成を実現するために、モータ１０４の回転速度と消費電力が略比例していることを用いて、検出したモータ１０４の回転速度から消費電力を推定してもよい。また、消費電力ではなく、モータ１０４の回転速度の検出結果をもとに、印加電圧の変更が可能か否かを判定してもよい。

印加電圧を変化させることができない場合は、Ｓ６０５に移行する。ここで、進角を変化させてもモータ１０４の加速を実行できない可能性もあるため、進角がＡｐ以上とならないように制御する必要がある。印加電圧を変化させることができる場合は、Ｓ６０４に移行する。Ｓ６０４では、進角をＡｔに固定し、モータ１０４への印加電圧を変化させることで速度制御を行う。図１４において、印加電圧Ｐから印加電圧Ｑに向けて、電圧を連続的に変化させることで、モータ１０４の速度制御を行う。このとき、進角制御モードにおける加速度と、電圧制御モードにおける加速度がほぼ同じ値となるように制御を行う。これにより、加速度が一定となり、滑らかな速度制御を実現することができる。

上記各実施例においては、本発明を適用可能な光学機器として、レンズ装置と、レンズ装置が着脱可能なカメラ装置を組み合わせた構成について説明をした。ただし、本発明は、レンズ一体型のカメラ装置やビデオカメラ、電子顕微鏡等にも同様に適用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１００ フォーカスレンズ群
１０１、１０２ フォトインタラプタ
１０３ 駆動伝達ユニット
１０４ ステッピングモータ
１０５ パルス板
１０６、１０８ 信号処理回路
１０７ モータドライバ
１０９ レンズ制御マイコン
１１０ 電圧検出回路
１１９ ズーム操作部
１２０ ＭＦ操作部
１２１ ＡＦ／ＭＦスイッチ
１２２ レンズ保持部
１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ レンズ側の通信ライン接点
１２４ レンズ装置側の電源接点
２００ カメラ制御マイコン
２０８ 撮像素子
２０９ 表示装置
２１０ 記憶装置
２１１ ＡＦセンサ
２１２ バッテリー
２１３ 電力変換回路
２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ カメラ装置側の通信ライン接点
２１５ カメラ装置側の電源接点

Claims (17)

1. ステッピングモータと、
   前記ステッピングモータの回転位置を検出する位置検出センサと、
   前記ステッピングモータに電圧を印加することにより、前記ステッピングモータを駆動させる電圧制御部と、
   前記ステッピングモータのコイルに印加される励磁電流と、前記ステッピングモータの回転位置の位相差である進角を制御する進角制御部と、
   前記ステッピングモータの駆動速度を制御する速度制御部と、を有する前記ステッピングモータの制御装置であって、
   前記速度制御部は、前記電圧制御部により電圧を一定に保持して、前記進角制御部により進角を増加させる第１の加速制御と、前記電圧制御部により電圧を増加させ、前記進角制御部により進角を減少または一定に保持する第２の加速制御により、前記駆動速度を制御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. 前記速度制御部は、前記進角が所定値よりも小さいときは、前記第１の加速制御により前記駆動速度を上昇させ、前記進角が所定値以上のときは、前記第２の加速制御により前記駆動速度を上昇させ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. 前記速度制御部は、前記第２の加速制御において、前記電圧を連続的に増加させ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. ステッピングモータと、
   前記ステッピングモータの回転位置を検出する位置検出センサと、
   前記ステッピングモータに電圧を印加することにより、前記ステッピングモータを駆動させる電圧制御部と、
   前記ステッピングモータのコイルに印加される励磁電流と、前記ステッピングモータの回転位置の位相差である進角を制御する進角制御部と、
   前記ステッピングモータの駆動速度を制御する速度制御部と、を有する前記ステッピングモータの制御装置であって、
   前記速度制御部は、前記電圧制御部により電圧を一定に保持して、前記進角制御部により進角を減少させる第１の減速制御と、前記電圧制御部により電圧を減少させ、前記進角制御部により進角を増加または一定に保持する第２の減速制御により、前記駆動速度を制御することを特徴とするステッピングモータの制御装置。
5. 前記速度制御部は、前記進角が所定値よりも小さいときは、前記第１の加速制御により前記駆動速度を低下させ、前記進角が所定値以上のときは、前記第２の減速制御により前記駆動速度を低下させる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の制御装置。
6. 前記速度制御部は、前記第２の減速制御において、前記電圧を連続的に減少させ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の制御装置。
7. 前記速度制御部は、前記ステッピングモータの消費電力が所定の上限値を超えないように、前記駆動速度を制御することを特徴とする請求項１乃至６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。
8. 前記駆動速度と前記消費電力の関係を示すデータを記憶する記憶部をさらに有し、前記消費電力は、前記データと前記駆動速度に基づいて検知され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. 前記消費電力は、前記ステッピングモータの駆動速度と前記電圧の値を用いて求められ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。
10. 前記電圧制御部は、前記電圧のデューティー比を変更することで前記電圧を変化させることを特徴とする請求項１乃至９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。
11. 請求項１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を含むことを特徴とする光学機器。
12. ステッピングモータに印加する電圧及び、前記ステッピングモータのコイルに印加される励磁電流と前記ステッピングモータの回転位置との位相差である進角を制御することで、前記ステッピングモータの駆動速度を制御するステッピングモータの制御方法であって、
    前記電圧を一定に保持し、前記進角を増加させる第１の加速ステップと、前記電圧を増加させ、前記進角を減少または一定に保持する第２の加速ステップを有することを特徴とするステッピングモータの制御方法。
13. ステッピングモータに印加する電圧及び、前記ステッピングモータのコイルに印加される励磁電流と前記ステッピングモータの回転位置との位相差である進角を制御することで、前記ステッピングモータの駆動速度を制御するステッピングモータの制御方法であって、
    前記電圧を一定に保持し、前記進角を減少させる第１の減速ステップと、前記電圧を減少させ、前記進角を減少または一定に保持する第２の減速ステップを有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. 前記ステッピングモータの消費電力が所定の上限値を超えないように、前記駆動速度を制御することを特徴とする請求項１２または１３に記載のステッピングモータの制御方法。
15. ステッピングモータに印加する電圧及び、前記ステッピングモータのコイルに印加される励磁電流と前記ステッピングモータの回転位置との位相差である進角を制御することで、コンピュータにステッピングモータの制御を行わせるステッピングモータのプログラムであって、
    前記電圧を一定に保持し、前記進角を増加させる第１の加速ステップと、前記電圧を増加させ、前記進角を減少または一定に保持する第２の加速ステップを有することを特徴とするステッピングモータの制御プログラム。
16. ステッピングモータに印加する電圧及び、前記ステッピングモータのコイルに印加される励磁電流と前記ステッピングモータの回転位置との位相差である進角を制御することで、コンピュータにステッピングモータの制御を行わせるステッピングモータのプログラムであって、
    前記電圧を一定に保持し、前記進角を減少させる第１の減速ステップと、前記電圧を減少させ、前記進角を減少または一定に保持する第２の減速ステップを有することを特徴とするステッピングモータの制御プログラム。
17. 前記ステッピングモータの消費電力が所定の上限値を超えないように、前記駆動速度を制御することを特徴とする請求項１５または１６に記載のステッピングモータの制御プログラム。

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