JP2020028145A - モータ駆動装置およびその制御方法、撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】確実かつ迅速にフィードバック駆動からオープンループ駆動へ移行させて正確に目標位置でロータを停止させる制御が可能なモータ駆動装置を提供すること。【解決手段】モータ駆動装置は、フィードバック（ＦＢ）駆動回路３０３およびオープンループ（ＯＬ）駆動回路３０４を備える。ＦＢ駆動回路３０３はロータの位置検出信号に応じてモータコイルの通電を切り替えることでモータ１０１のＦＢ駆動を行う。ＯＬ駆動回路３０４は所定の時間間隔に従ってモータコイルの通電を切り替えることでモータ１０１のＯＬ駆動を行う。制御部３０２はロータを目標位置で停止させる際、ＦＢ駆動により減速駆動を行い、ロータが予め決められたスピードＶOに到達した時点での目標位置までの残パルス数Ｎを算出してＯＬ駆動に切り替え、減速率ＶO／Ｎで減速させて目標位置でロータを停止させる制御を行う。【選択図】 図２

Description

本発明は、モータの減速停止時の駆動制御に関するものである。

従来のブラシレスモータの駆動制御方法では、モータの起動に際して、先ず決められた駆動周波数による同期運転が行われる。その後、ロータの回転位相を検出する検出センサの検出信号に基づいてフィードバック（以下、ＦＢとも記す）制御で駆動が行われ、必要に応じて加速、定速、減速等の駆動制御が行われる。ロータを停止させる際には、ＦＢ制御による駆動（以下、ＦＢ駆動ともいう）においてロータを減速させる制御が行われる。その後、同期運転モードによるオープンループ駆動（以下、ＯＬ駆動ともいう）が行われてから目標位置でロータを停止させる駆動制御が行われる。

特許文献１には、位置センサの出力から算出されるロータの回転周波数と回転角加速度に基づいてロータの加速駆動、定速駆動、減速駆動を行った後、ＦＢ駆動からＯＬ駆動へ切り替える方法が開示されている。

特開２０１１−９７７２０号公報

特許文献１に開示された従来技術では、ＦＢ駆動からＯＬ駆動に切り替える際に、算出された回転周波数および回転角加速度がＦＢ駆動の際の初期回転周波数および初期回転角加速度にそれぞれ近づくように制御が行われる。ＦＢ駆動からＯＬ駆動への移行前のＦＢ制御が複雑化すると、切り替え時点でＯＬ駆動への移行に支障を来たし、脱調が発生する可能性がある。

本発明の目的は、確実かつ迅速にフィードバック駆動からオープンループ駆動へ移行させて正確に目標位置でロータを停止させる制御が可能なモータ駆動装置を提供することである。

本発明の実施形態の装置は、ロータの回転位置を検出する位置検出手段の出力を取得してコイルの通電を切り替えてフィードバック駆動を行う第１の駆動手段と、前記位置検出手段の出力を用いることなく前記コイルの通電を切り替えることでオープンループ駆動を行う第２の駆動手段と、前記第１の駆動手段または前記第２の駆動手段を選択してモータの駆動制御を行う制御手段と、を備える。前記制御手段は前記ロータを目標位置にて停止させる制御を行う際、前記第１の駆動手段により前記ロータを減速させる制御を行い、前記ロータが予め決められたスピードに到達した時点で前記第２の駆動手段によるオープンループ駆動に切り替えて、前記時点での前記ロータの回転位置から前記目標位置までの回転角度量と前記スピードから算出される減速率で減速制御を行う。

本発明によれば、確実かつ迅速にフィードバック駆動からオープンループ駆動へ移行させて正確に目標位置でロータを停止させる制御が可能なモータ駆動装置を提供することができる。

本発明の実施形態に用いられるモータの分解斜視図である。 本実施形態のモータ駆動回路の構成図である。 ヨークと位置センサとロータの位相関係を示す軸方向の断面図である。 ロータの回転位置とモータトルクおよび位置センサの出力との関係を示す図である。 進角回路の構成例を示す回路図である。 ＦＢ駆動の動作を示す軸方向の断面図である。 進角信号が所定の進角αを有する場合のロータの回転位置とモータトルクおよび各信号の出力との関係を示す図である。 モータ停止時のスピードと位置との関係を示す図である。 減速率の違いよるレンズ停止時の挙動を表す図である。

以下に、本発明の実施形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態は高精度な停止制御が可能なブラシレスモータの実用化に好適である。

図１を参照して、本実施形態のブラシレスモータの主要な機構部分について説明する。図１はモータ１０１の分解斜視図である。モータ１０１はロータ２０２を備え、ロータ２０２はマグネット２０２ａとシャフト部２０２ｂを有する。

マグネット２０２ａは、外周が多極着磁された円筒形状の永久磁石であり、角度位置に対し、径方向の磁力の強さが正弦波状に変化する着磁パターンを有する。ロータ２０２のシャフト部２０２ｂは、第１の軸受部４０３と第２の軸受部４０４によって軸支される。

ボビン４０１，４０２は非導電性部材であり、コイル２０３と２０４がそれぞれ巻回されている。第１のボビン４０１には第１のコイル２０３が巻かれ、第２のボビン４０２には第２のコイル２０４が巻かれる。

第１のヨーク２０５と第２のヨーク２０６は電磁鋼板等で形成された部材である。リング部材４０５はボビン４０１，４０２をそれぞれ位置決めするための部材である。フレキシブルプリント基板４０６は、第１のコイル２０３と第２のコイル２０４に通電を行う基板である。フレキシブルプリント基板４０６には位置検出素子が実装される。後述するように、本実施形態ではロータ２０２の周方向に２つの位置センサ２０７，２０８（図２）が配置される。

各部品の関係について説明する。ロータ２０２は長軸側の部分、つまり、シャフト部２０２ｂの一端部寄りの部分が軸受部４０３に軸支され、他端部側（短軸側）の部分が軸受部４０４により軸支される。軸受部４０３，４０４は、ボビン４０１，４０２に設けられた穴部４０１ａ，４０２ａにそれぞれ挿通される。穴部４０１ａ，４０２ａはボビン４０１，４０２にてコイル２０３，２０４の線材がそれぞれ巻き付けられる部分の内径部に形成されている。軸受部４０３，４０４の外径部はヨーク２０５，２０６にそれぞれ形成された穴部２０５ａ、２０６ａに対して圧入により固定される。

ヨーク２０５，２０６は複数の歯部２０５ａ，２０６ｂをそれぞれ備える。ボビン４０１，４０２には複数の歯部２０５ａ，２０６ｂにそれぞれ対応する穴部４０１ａ，４０２ｂが形成されていて、穴部４０１ａ，４０２ｂに歯部２０５ａ，２０６ｂが挿通される。

モータ１０１の組み立て工程では、コイル２０３を有するボビン４０１とヨーク２０５と軸受部４０３が一体化され、コイル２０４を有するボビン４０２とヨーク２０６と軸受部４０４が一体化される。そしてボビン４０１，４０２に形成されたフランジ部の内径部４０１ｃ，４０２ｃが、リング部材４０５の外径部４０５ａにそれぞれ嵌合される。このとき、ヨーク２０５，２０６の歯部２０５ａ，２０６ｂは、その先端付近の部分がロータ２０２のマグネット２０２ａの円筒面に対向するように配置される。

フレキシブルプリント基板４０６には、複数の穴部４０６ａ，４０６ｂ，４０６ｃ，４０６ｄが形成されている。ボビン４０１，４０２にはコイル端子の絡げ部４０１ｄ，４０２ｄが複数設けられている。複数の絡げ部４０１ｄ，４０２ｄは複数の穴部４０６ａ，４０６ｂにそれぞれ挿通される。またヨーク２０５，２０６に設けられた突起部２０５ｃ，２０６ｃが穴部４０６ｃ，４０６ｄにそれぞれ挿通される。

図２は本実施形態に係るモータ駆動装置およびモータ１０１と、モータ１０１を駆動源とする機構部の概要を示す図である。モータ１０１において、そのロータ２０２の周方向に沿って第１の位置センサ２０７と第２の位置センサ２０８が配置されている。位置センサ信号処理回路３０１は、位置センサ２０７，２０８の各出力信号を取得し、各位置センサの出力からロータ２０２の回転周波数および回転角加速度を算出する。

制御部３０２は、フィードバック駆動回路（以下、ＦＢ駆動回路と表記する）３０３またはオープンループ駆動回路（以下、ＯＬ駆動回路と表記する）３０４を選択してモータ１０１の駆動制御を行う。駆動制御には、ロータ２０２の加速駆動、定速駆動、減速駆動、停止駆動の制御が含まれる。ＦＢ駆動回路３０３は制御部３０２からの制御指令および位置センサ信号処理回路３０１の出力に基づいてモータ１０１の駆動信号を生成する。ＦＢ制御によるモータ駆動をＦＢ駆動と呼ぶ。またＯＬ駆動回路３０４は制御部３０２からの制御指令にしたがってモータ１０１の駆動信号を生成する。この場合、位置センサ信号処理回路３０１の出力を使用せずにＯＬ駆動が行われる。ＦＢ駆動回路３０３とＯＬ駆動回路３０４は制御部３０２からの制御指令にしたがってモータ１０１の駆動信号を生成する。モータドライバ３０５は、ＦＢ駆動回路３０３またはＯＬ駆動回路３０４からの駆動信号に基づいてモータ１０１を駆動する。

まず、制御部３０２によって選択されるＯＬ駆動について説明する。ＯＬ駆動回路３０４およびモータドライバ３０５は、モータ１０１に対するＯＬ駆動を行う。同期運転であるところのＯＬ駆動は、通常のステッピングモータのＯＬ制御による駆動と同様であり、所定の時間間隔にしたがってモータのコイルの通電状態を切り替える駆動である。ロータ２０２の速度制御にてＯＬ駆動回路３０４とモータドライバ３０５は入力された駆動パルス間隔（駆動周波数に対応するパルス間隔）と回転方向にしたがって、第１のコイル２０３と第２のコイル２０４の通電を順次に切り替える。またロータ２０２の回転位置制御にてＯＬ駆動回路３０４とモータドライバ３０５は、入力された駆動パルス数にしたがってロータ２０２を所望の角度だけ回転させることが可能である。

ＯＬ駆動では、所定の時間間隔（駆動パルス間隔）にしたがってコイルの通電状態を切り替えるので、位置検出素子の検出結果の影響を受けずにコイルの通電切り替えのタイミングを制御することができる。ただし、駆動速度が大きい（駆動パルス間隔が短い）と、コイルの通電切り替えに対してロータが応答できなくなり、脱調を引き起こす可能性が高まる。このため、駆動パルス間隔を加減する必要があり、高速での駆動が制限される。

次に、制御部３０２によって選択されるＦＢ駆動について説明する。ＦＢ駆動回路３０３およびモータドライバ３０５は、モータ１０１に対するＦＢ駆動を行う。ＦＢ駆動は、位置検出素子の出力に応じてモータ１０１のコイルの通電状態を切り替える駆動である。すなわち、ＦＢ駆動回路３０３とモータドライバ３０５は、入力された駆動パルス数と回転方向、位置検出素子の出力する検出信号に基づいて生成される進角信号にしたがって、第１のコイル２０３と第２のコイル２０４の通電を順次切り替える。これにより、ロータ２０２を所望の角度だけ回転させる位置制御が可能である。また、第１のコイル２０３と第２のコイル２０４の電流または電圧を制御することによって、ロータ２０２を所望のトルクで回転させる電流／電圧制御が可能である。さらには位置検出素子の出力する検出信号と前記進角信号との間の位相差（進角）を制御することによって、モータ１０１のトルク−回転数特性を変化させる進角制御が可能である。なお、進角制御については後述する。

ＦＢ駆動では、位置検出素子の出力に応じてコイルの通電状態を切り替える際に、通電の切り替えがロータ２０２の回転位置に合わせて行われるので、ロータ２０２の応答遅れによる脱調の発生を抑えて高速な駆動が可能になる。モータ１０１の動力を使用する可動光学部材の一例であるレンズ（フォーカスレンズ２５４）の駆動機構部については後で詳述する。

図３を参照して、モータ１０１におけるヨークと位置センサの位相関係について説明する。図３は、モータ１０１においてヨーク２０５，２０６と、位置センサ２０７，２０８と、ロータ２０２との位相関係を示す軸方向の断面図である。図中では時計回り方向を正の方向と定義する。第１のヨーク２０５の磁極歯２０５ａ〜ｄと、第２のヨーク２０６の磁極歯２０６ａ〜ｄはマグネット２０２ａの周囲に配置されている。本実施形態では、マグネット２０２ａの極数は８極であり、着磁角Ｐは４５°である。また、第１のヨーク２０５を基準とした場合、第２のヨーク２０６の位相Ｐ／２は−２２．５°、第１の位置センサ２０７の位相β１は＋２２．５°、第２の位置センサ２０８の位相β２は−４５°である。

以下、電気角を用いてモータ１０１の動作を説明する。電気角とは、マグネットの磁力の１周期を３６０°として表した角度である。ロータ２０２の極数をＭと表記し、実際の角度をθ_０と表記し、電気角をθと表記するとき、θは下記式で表すことができる。
θ＝θ_０×Ｍ／２ （式１）

第１のヨーク２０５と第２のヨーク２０６との位相差、第１の位置センサ２０７と第２の位置センサ２０８との位相差、第１のヨーク２０５と第１の位置センサ２０７との位相差は全て、電気角で９０°である。なお、図３に示すように、第１のヨーク２０５の磁極歯の中心とマグネット２０２ａのＮ極中心とが対向している状態を、ロータの初期状態とし、このときの電気角を０°と定義する。

図４を参照して、モータ１０１におけるロータ位置（回転角度）とモータトルクとの関係、ロータ位置と各信号の出力との関係について説明する。図４（Ａ）は、ロータ２０２の回転角度とモータトルクとの関係を示すグラフである。横軸は電気角を示し、縦軸はモータトルクを示す。モータトルクについては、ロータ２０２を図３の時計回り方向に回転させるトルクを正トルクとする。モータトルク曲線Ｔはトルク曲線Ａ＋Ｂ＋、Ａ＋Ｂ−、Ａ−Ｂ−、Ａ−Ｂ＋を部分的に繋いだ曲線である。θａ、θｂ、θｃ、θｄはそれぞれ電気角１３５°、１８０°、２２５°、２７０°を示している。

モータドライバ３０５によって第１のコイル２０３に正方向の電流を流すと、第１のヨーク２０５がＮ極に磁化し、ヨーク２０５とマグネット２０２ａの磁極との間に電磁気力が発生する。またモータドライバ３０５によって第２のコイル２０４に正方向の電流を流すと、第２のヨーク２０６がＮ極に磁化し、ヨーク２０６とマグネット２０２ａの磁極との間に電磁気力が発生する。２つの電磁気力を合成すると、トルク曲線Ａ＋Ｂ＋で示すように、ロータ２０２の回転にともなって略正弦波状のトルクが得られる。トルク曲線Ａ＋Ｂ−、Ａ−Ｂ−、Ａ−Ｂ＋はそれぞれ、他の通電状態におけるトルクの変化を表しており、互いの位相が異なる略正弦波状のトルクが得られる。また、第１のヨーク２０５は第２のヨーク２０６に対して電気角で９０°の位相差で配置されるので、トルク曲線Ａ＋Ｂ＋、Ａ＋Ｂ−、Ａ−Ｂ−、Ａ−Ｂ＋に示す４つのトルクは、互いに電気角で９０°の位相差を有する。

図４（Ｂ）はロータ２０２の回転角度と各信号の出力との関係を示すグラフである。横軸は電気角を示し、縦軸は各信号の大きさを示す。各信号とは２つの位置センサ２０７，２０８の出力信号と、該信号のコンパレート処理によって得られる２つの２値化信号である。θａ、θｂ、θｃ、θｄはそれぞれ電気角１３５°、１８０°、２２５°、２７０°を示している。位置センサ信号Ａは第１の位置センサ２０７が出力する略正弦波状の信号である。マグネット２０２ａは、その径方向における磁力の強さが電気角に対して略正弦波状になるように着磁されている。そのため、第１の位置センサ２０７は位置センサ信号Ａに示す略正弦波状の信号を出力する。なお、本実施形態では、第１の位置センサ２０７は、マグネット２０２ａのＮ極と対向するときに正値を出力する。

図４（Ｂ）に示す位置センサ信号Ｂは第２の位置センサ２０８が出力する略余弦波状の信号である。第２の位置センサ２０８は、第１の位置センサ２０７に対して電気角で９０°の位相をもって配置される。そのため、第２の位置センサ２０８は位置センサ信号Ｂに示す略余弦波状の信号を出力する。なお、本実施形態では、第２の位置センサ２０８は、第１の位置センサ２０７に対して極性が反転されているので、マグネット２０２ａのＳ極と対向するときに正値を出力する。

２値化信号Ａは位置センサ信号Ａに対応し、２値化信号Ｂは位置センサ信号Ｂに対応している。２値化信号Ａ，Ｂの生成については後述する。

次に、ＦＢ駆動における進角演算と回路構成を説明する。ＦＢ駆動回路３０３の一部である進角回路は、位置センサ信号Ａ，Ｂを取得して進角信号の演算を行う。つまり、位置センサ信号処理回路３０１は第１の位置センサ２０７と第２の位置センサ２０８からそれぞれ取得した信号を処理し、処理後の信号をＦＢ駆動回路３０３に出力する。ＦＢ駆動回路３０３内の進角回路は、位置センサ信号処理回路３０１から取得した信号に基づいて所定の演算を行い、制御部３０２によって設定される任意の進角を有する第１の進角信号と第２の進角信号を出力する。以下、進角信号の演算方法を説明する。

第１の位置センサ２０７の出力をＨＥ１と表記し、第２の位置センサ２０８の出力をＨＥ２と表記する。ＨＥ１とＨＥ２は電気角θを用いて下記式のように表される。
ＨＥ１＝ｓｉｎθ，ＨＥ２＝ｃｏｓθ （式２）

（式２）中の電気角θに対する進角をαと表記し、信号ＨＥ１を進角αだけ進めた第１の進角信号をＰＳ１と表記する。また信号ＨＥ２を進角αだけ進めた第２の進角信号をＰＳ２と表記する。第１の進角信号ＰＳ１と第２の進角信号ＰＳ２は、ＨＥ１，ＨＥ２，αを用いて、下記式によって演算される。
ＰＳ１＝ｓｉｎ（θ＋α）＝ＨＥ１×ｃｏｓα＋ＨＥ２×ｓｉｎα （式３−１）
ＰＳ２＝ｃｏｓ（θ＋α）＝ＨＥ２×ｃｏｓα−ＨＥ１×ｓｉｎα （式３−２）

（式３−１）および（式３−２）は正弦関数や余弦関数の加法公式と、（式２）から明らかであり、これらの演算式に基づいて進角回路を構成することができる。図５を参照して具体例を説明する。

図５は進角回路３０６の構成例を示す回路図である。本実施形態では、オペアンプ（以下、ＯＰと略記する）であるＯＰ１からＯＰ６と、コンパレータＣＭＰ１，ＣＭＰ２を含むアナログ回路による構成例を説明する。ＯＰ１，ＯＰ２は、位置センサ２０７，２０８の出力を、それぞれ所定の増幅率Ａで増幅した信号を出力する反転増幅回路を形成する。ＯＰ１は−Ａｓｉｎθの信号を出力し、ＯＰ２は−Ａｃｏｓθの信号を出力する。ＯＰ３，ＯＰ４は増幅率がマイナス１の反転増幅回路であり、ＯＰ１，ＯＰ２の出力をそれぞれ反転させた信号を生成する。つまり、ＯＰ３は＋Ａｓｉｎθの信号を出力し、ＯＰ４は＋Ａｃｏｓθの信号を出力する。

ＯＰ５は、ＯＰ３およびＯＰ４の各出力に対して、可変抵抗の抵抗値Ｒ１，Ｒ２と固定抵抗の抵抗値Ｒから決定される係数をそれぞれ乗算した信号を加算することにより、第１の進角信号ＰＳ１を生成する。またＯＰ６は、ＯＰ４およびＯＰ１の各出力に対して、可変抵抗の抵抗値Ｒ１，Ｒ２と固定抵抗の抵抗値Ｒから決定される係数をそれぞれ乗算した信号を加算することにより、第２の進角信号ＰＳ２を生成する。第１の進角信号ＰＳ１、第２の進角信号ＰＳ２は下記式のように表される。
ＰＳ１＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｓｉｎθ＋Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｃｏｓθ （式４−１）
ＰＳ２＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｃｏｓθ−Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｓｉｎθ （式４−２）

抵抗値Ｒ１，Ｒ２の可変抵抗はＯＰ５，ＯＰ６の反転入力端子にそれぞれ接続された互いに並列な抵抗である。抵抗値Ｒの固定抵抗はＯＰ５，ＯＰ６の反転入力端子と出力端子に接続された帰還抵抗である。抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒを下記式のように選ぶことで、電気角θを任意の進角αで進めた進角信号を生成することができる。
Ｒ／Ｒ１＝ｃｏｓα，Ｒ／Ｒ２＝ｓｉｎα （式５）

ＣＭＰ１はＯＰ５が出力する第１の進角信号ＰＳ１に対するコンパレート処理を実行し、図４（Ｂ）に示す２値化信号Ａを出力する。２値化信号Ａは位置センサ信号Ａに対応する矩形波状信号である。またＣＭＰ２はＯＰ６が出力する第２の進角信号ＰＳ２に対してコンパレート処理を実行し、図４（Ｂ）に示す２値化信号Ｂを出力する。２値化信号Ｂは位置センサ信号Ｂに対応する矩形波状信号である。

進角信号の生成方法に関して、アナログ回路を用いた方法を例示したが、この方法のみに限定されない。上記の演算を行うデジタル回路を用いて進角信号を生成してもよく、また、高分解能のエンコーダを用いて通電を切り替えるパルス間隔を調整して複数の進角信号を生成してもよい。

ここで、ＦＢ駆動における通電切り替えについて説明する。まず、進角回路３０６から出力される進角信号が有する進角がゼロの場合についてＦＢ駆動の動作を説明する。図４（Ｂ）において、進角がゼロである場合の進角信号Ａ，Ｂは位置センサ信号Ａ，Ｂとそれぞれ一致している。つまり、進角信号Ａ，Ｂは、位置センサ信号Ａと位置センサ信号Ｂに対して前述の進角演算を行って進角を与えた信号であるが、図４（Ｂ）では進角がゼロの場合を示している。第１の位置センサ２０７の出力である位置センサ信号Ａと進角信号Ａとが一致し、第２の位置センサ２０８の出力である位置センサ信号Ｂと進角信号Ｂとが一致している。図４（Ｂ）に示す２値化信号Ａ，Ｂは、進角信号Ａ，Ｂに対してコンパレータＣＭＰ１，ＣＭＰ２を用いてそれぞれ２値化処理が行われた信号である。

ＦＢ駆動にてモータドライバ３０５は、２値化信号Ａに基づいて第１のコイル２０３の通電を切り替え、２値化信号Ｂに基づいて第２のコイル２０４の通電を切り替える。すなわちモータドライバ３０５によって、２値化信号Ａが正値を示すときに第１のコイル２０３に正方向の電流が流れ、２値化信号Ａが負値を示すときに第１のコイル２０３に負方向の電流が流れる。またモータドライバ３０５によって、２値化信号Ｂが正値を示すときに第２のコイル２０４に正方向の通電が流れ、２値化信号Ｂが負値を示すときに第２のコイル２０４に負方向の通電が流れる。

図６は、ＦＢ駆動の動作を示す軸方向の断面図である。図６（Ａ）はロータ２０２が電気角で１３５°回転した状態を示している。このとき、図４（Ｂ）にθａで示す電気角にて２値化信号Ａの値は正値であり、２値化信号Ｂの値は負値である。従って、第１のコイル２０３には正方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＮ極に磁化する。また第２のコイル２０４には負方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（Ａ）のトルク曲線Ａ＋Ｂ−に対応する時計回り方向のトルクの作用によって、ロータ２０２はθ方向（正転方向）の回転力を受けて回転する。

図６（Ｂ）はロータ２０２が電気角で１８０°回転した状態を示している。このとき第１の位置センサ２０７はマグネット２０２ａのＮ極とＳ極の境界に位置している。図４（Ｂ）にθｂで示す電気角１８０°を境に２値化信号Ａは正値から負値に切り換わり、第１のコイル２０３の通電方向が正方向から負方向へ切り換わる。この電気角は、トルク曲線Ａ＋Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ−との交点での電気角と一致する。

図６（ＢＢ）はロータが電気角で１８０°回転し、第１のコイル２０３の通電方向が切り換わった状態を示している。第１のコイル２０３には負方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２のコイル２０４には負方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（Ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回り方向のトルクの作用によって、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。

図６（Ｃ）はロータ２０２が電気角で２２５°回転した状態を示している。図４（Ｂ）にθｃで示す電気角にて２値化信号Ａは負値を示し、２値化信号Ｂは負値を示している。従って、第１のコイル２０３には負方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化し、第２のコイル２０４には負方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＳ極に磁化する。このとき、図４（Ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ−に対応する時計回り方向のトルクの作用によって、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。

図６（Ｄ）はロータ２０２が電気角で２７０°回転した状態を示している。第２の位置センサ２０８はマグネット２０２ａのＮ極とＳ極の境界に位置する。図４（Ｂ）にθｄで示す電気角２７０°を境に２値化信号Ｂは負値から正値に切り換わり、第２のコイル２０４の通電方向が負方向から正方向へ切り換わる。この電気角は、トルク曲線Ａ−Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ＋との交点での電気角と一致する。

図６（ＤＤ）はロータが電気角で２７０°回転し、第２のコイル２０４の通電方向が切り換わった状態を示している。第２のコイル２０４には正方向の電流が流れて第２のヨーク２０６はＮ極に磁化し、第１のコイル２０３には負方向の電流が流れて第１のヨーク２０５はＳ極に磁化する。このとき、図４（Ａ）のトルク曲線Ａ−Ｂ＋に対応する時計回り方向のトルクの作用によって、ロータ２０２はθ方向の回転力を受けて回転する。
以上の動作を繰り返すことで、ロータ２０２を連続的に回転させることが可能となる。なお、２値化信号Ａまたは２値化信号Ｂの正負を反転させれば、逆回転の駆動が可能である。

次にＦＢ駆動の進角制御について、進角回路３０６から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合の動作を説明する。図７は、進角信号が所定の進角αを有する場合のロータ２０２の回転角度と、モータトルクおよび各信号の出力との関係を示すグラフである。図７（Ａ）はロータの回転角度（ロータ位置）とモータトルクとの関係を表すモータトルク曲線Ｔを示す図であり、図４（Ａ）と同じであるので説明を割愛する。

図７（Ｂ）は、ロータ２０２の回転角度と各信号の出力との関係を示すグラフであり、横軸は電気角を示し、縦軸は各信号の出力を示す。各信号は位置センサ信号Ａ，Ｂと進角信号Ａ，Ｂと２値化信号Ａ，Ｂである。位置センサ信号Ａに対して進角信号Ａが所定の進角αだけ進んでおり、位置センサ信号Ｂに対して進角信号Ｂが所定の進角αだけ進んでいる。また、進角信号Ａ，Ｂに基づいて生成された２値化信号Ａ，Ｂも同様に、それぞれ位置センサ信号Ａ，Ｂに対して進角αだけ進んでいる。ＦＢ駆動では、２値化信号Ａに基づいて第１のコイル２０３の通電が切り替えられ、２値化信号Ｂに基づいて第２のコイル２０４の通電が切り替えられる。このため、各コイルの通電切り替えのタイミングは、進角がゼロであるときに比べて進角αだけ早くなる。

図８および図９を参照して、本実施形態における目標位置への減速停止制御について説明する。ＯＬ駆動とＦＢ駆動を組み合わせた制御によって、通常のステッピングモータと同等の精度で目標位置に停止可能であるとともに、通常のステッピングモータに比べて、より高速に目標位置への到達が可能となる。ＦＢ駆動からロータの回転を減速させたのちに低速でのＯＬ駆動へ移行する際、ＯＬ駆動前のＦＢ駆動の制御が複雑であると信頼性の低下を招く可能性がある。そこで本実施形態では、減速に際してＦＢ駆動からＯＬ駆動へ移行する際、確実に目標位置でロータを停止させるために、モータの動作点がＯＬ駆動可能領域に入った時点での目標位置までの残りの駆動パルス数を検出して停止制御を行う。これにより、高速且つ正確であって、停止時の振動を抑制することが可能な、よりシンプルな制御を実現できる。

図８は、モータ１０１の停止時のスピードと位置との関係を表す図である。横軸はロータ２０２の回転位置を表し、縦軸はロータ２０２のスピードを表す。図８では減速開始位置８０３から減速を開始して、目標停止位置ＴＰ（８０１）でロータ２０２を停止させる制御を示している。

グラフ線８０２に示すように、ロータ２０２は定常スピードＶで回転しており、減速開始位置８０３から目標停止位置ＴＰ（８０１）に向けて減速が開始される。減速開始位置８０３においてはＦＢ駆動の進角を小さくして減速が開始する。その後、実線のグラフ曲線８０４で示すように目標停止位置ＴＰ（８０１）に向かって徐々にスピードが低下していく。

横線８０５で示すＶ_OはＯＬ駆動可能なスピードを表し、横線８０５とグラフ曲線８０４との交点に対応する位置をＣＰ（８０６）と表記する。縦軸にてスピードＶ_OからＶまでの範囲がクローズ駆動（ＦＢ駆動）の区間に相当し、スピードＶ_O以下の範囲がオープン駆動（ＯＬ駆動）の区間に相当する。

制御部３０２は、ロータ２０２のスピードがＯＬ駆動可能なスピードＶ_Oに到達したときの位置ＣＰ（８０６）と目標停止位置ＴＰ（８０１）との差（Ｎ（８０７）と記す）を検出する。次に制御部３０２は位置ＣＰ（８０６）から、ＯＬ駆動により減速停止制御を行う。ＯＬ駆動による減速率（ＢＲと記す）は下記式により決定される。
ＢＲ＝Ｖ_O／Ｎ ・・・（式６）
（式６）中のＮは、位置ＣＰ（８０６）から目標停止位置ＴＰ（８０１）までの、残りのパルス数（ステッピングモータの駆動パルス数）を表す。グラフ線８０４の場合、ＮはＮ（８０７）に対応する駆動パルス数である。ロータ２０２のスピードがＯＬ駆動可能なスピードＶ_Oに到達した時点から一定の減速率ＢＲでロータ２０２のスピードを下げる減速制御が行われる。Ｎ（８０７）は位置ＣＰ（８０６）から目標停止位置ＴＰ（８０１）までの距離（回転角度量）に相当する。位置ＣＰ（８０６）から目標停止位置ＴＰ（８０１）に向かって減速率を一定とする制御により、脱調がなく安定して目標停止位置ＴＰ（８０１）でロータ２０２を停止させる制御が可能となる。

図８にて点線のグラフ曲線８０４ａと１点鎖線のグラフ曲線８０４ｂは、モータの個体差や環境条件の影響によって、グラフ曲線８０４とは異なる特性である場合を示す。グラフ曲線８０４ａは、摩擦負荷増大や姿勢変化等により、グラフ曲線８０４に比べて早くスピードが低下する場合を示し、グラフ曲線８０４ｂはグラフ曲線８０４に比べて遅くスピードが低下する場合を示している。グラフ曲線８０４ａと、スピードＶ_Oを表す横線８０５との交点に対応する位置をＣＰａ（８０６ａ）と表記する。またグラフ曲線８０４ｂと、スピードＶ_Oを表す横線８０５との交点に対応する位置をＣＰｂ（８０６ｂ）と表記する。

グラフ曲線８０４ａの場合、制御部３０２はロータ２０２のスピードがＯＬ駆動可能なスピードＶ_Oとなったときの現在位置であるＣＰａ（８０６ａ）と、目標停止位置ＴＰ（８０１）との差（Ｎａ（８０７ａ）と記す）を検出する。制御部３０２は（式６）を用いて、Ｖ_OをＮａ（８０７ａ）に対応する駆動パルス数で除算して減速率ＢＲを算出する。これにより、位置ＣＰａ（８０６ａ）から目標停止位置ＴＰ（８０１）に向かって一定の減速率で減速制御を行うことが可能である。

グラフ曲線８０４ｂの場合、制御部３０２はロータ２０２のスピードがＯＬ駆動可能なスピードＶ_Oとなったときの現在位置であるＣＰｂ（８０６ｂ）と、目標停止位置ＴＰ（８０１）との差（Ｎｂ（８０７ｂ）と記す）を検出する。制御部３０２は（式６）を用いて、Ｖ_OをＮｂ（８０７ｂ）に対応する駆動パルス数で除算して減速率ＢＲを算出する。これにより、位置ＣＰｂ（８０６ｂ）から目標停止位置ＴＰ（８０１）に向かって一定の減速率で減速制御を行うことが可能である。

以上のように、個体差や環境変化等により減速曲線のばらつきが発生する場合でも、簡単な制御により、正確に目標停止位置ＴＰ（８０１）でロータを停止させることができる。

図２、図８、図９を参照して、撮像装置への適用例におけるモータ駆動制御について説明する。図２では一例として、ブラシレスモータを搭載するデジタルカメラのフォーカスレンズユニット２５０を示す。図２はフォーカスレンズユニット２５０の要部断面を模式的に示す。筐体２５１，２５２にはガイドバー２５３が固定されている。フォーカスレンズ２５４はレンズホルダ２５５に保持されており、レンズホルダ２５５はガイドバー２５３に案内されて移動可能である。レンズホルダ２５５にモータ１０１が接続されることで、モータ１０１の動力によって、フォーカスレンズ２５４およびレンズホルダ２５５がガイドバー２５３に沿って光軸方向に進退する。

フォーカスレンズ２５４を減速させて目標位置で停止させる際に、図８で説明したように、モータ１０１の個体差や環境条件等によりばらつきが発生し、基準となるグラフ曲線８０４に対して、グラフ曲線８０４ａや８０４ｂに示すずれが発生する可能性がある。本実施形態では、このようなずれに依らずに、目標停止位置にてロータを正確に停止させることが可能である。ただし、実際のＯＬ駆動による減速時の減速率の違いにより、以下の現象がフォーカスレンズ２５４に発生する可能性がある。図９を参照して具体的に説明する。図９の横軸は時間軸であり、縦軸はフォーカスレンズ２５４の位置を表す。

図９（Ａ）を参照して、減速時のグラフ曲線が図８のグラフ曲線８０４と８０４ａで示される範囲内である場合を説明する。この場合、ＦＢ駆動からＯＬ駆動に移行して減速停止制御が行われるときの減速率ＢＲは（式６）により、Ｖ_O／Ｎａ〜Ｖ_O／Ｎの範囲内である。この減速率で減速停止制御が行われた場合、グラフ曲線９０１に示すようにフォーカスレンズ２５４は目標停止位置ＴＰ（９０２）に向けて移動して、ＴＰ（９０２）に漸近して停止する。ＴＰ１（９０２ａ）とＴＰ２（９０２ｂ）は目標停止位置ＴＰ（９０２）の許容範囲を表している。位置ＴＰ１（９０２ａ）は下限位置であり、位置ＴＰ２（９０２ｂ）は上限位置である。時刻Ｔ_０（９０３）はフォーカスレンズ２５４が位置ＴＰ１（９０２ａ）に到達する時刻である。

一般的に目標停止位置ＴＰ（９０２）が「ＴＰ１（９０２ａ）＜ＴＰ（９０２）＜ＴＰ２（９０２ｂ）」を満たす範囲でフォーカスレンズ２５４が停止すれば、精度上の問題は発生しない。つまり、ＴＰ１（９０２ａ）およびＴＰ２（９０２ｂ）は、目標停止位置ＴＰ（９０２）に対する許容幅を表している。例えば、フォーカスレンズ２５４の位置ずれが発生した場合を想定する。この位置ずれの影響により、撮影された画像の観察時に誤差が発生したとしても、人間の目で判別できない大きさの誤差であれば許容され得る。これは、いわゆる許容錯乱径よりも小さいピントずれ量となるフォーカスレンズ２５４の許容位置ずれ量として算出することが可能である。ＴＰ１（９０２ａ）およびＴＰ２（９０２ｂ）によって決定される許容幅は、フォーカスレンズ２５４の許容位置ずれ量に基づいてあらかじめ決定される。

図９（Ａ）に示すように、減速率ＢＲをＶ_O／Ｎａ〜Ｖ_O／Ｎの範囲内で制御する場合には、フォーカスレンズ２５４を振動なく停止させることができる。そのための条件を予め実験等により求めておくことで、図９（Ａ）に示す時刻Ｔ_０（９０３）以降、次の動作への移行が遅滞なく可能である。次の動作とは、たとえば撮影装置のレリーズ動作（露光動作）等である。

次に図９（Ｂ）を参照して、減速時のグラフ曲線が図８のグラフ曲線８０４と８０４ｂで示される範囲内である場合を説明する。この場合、ＦＢ駆動からＯＬ駆動に移行して減速停止制御が行われるときの減速率ＢＲは（式６）により、Ｖ_O／Ｎ〜Ｖ_O／Ｎｂの範囲内である。グラフ曲線９０４で示すようにフォーカスレンズ２５４は、目標停止位置ＴＰ（９０２）に向けて移動するが、減速率ＢＲが大きすぎる（減速方向の加速度が大きい）ので目標停止位置ＴＰ（９０２）に対してオーバーシュートが発生する。そして減衰振動に伴う位置の変化が起きたあとで、フォーカスレンズ２５４が目標停止位置にて停止する。このため、上述の許容幅によって決まる目標停止位置の許容範囲、つまり「ＴＰ１（９０２ａ）＜ＴＰ（９０２）＜ＴＰ２（９０２ｂ）」を満たす範囲にフォーカスレンズ２５４の位置が収まるまでに時間がかかる。図９（Ｂ）では時刻Ｔ_０（９０３）から時間Ｔ_２（９０５）の遅延が発生し、時刻Ｔ_１（９０６）から次の動作が可能となる。このことは減速率ＢＲがＶ_O／Ｎ〜Ｖ_O／Ｎｂの範囲内で減速が行われた場合、時刻Ｔ_０（９０３）からさらに時間Ｔ_２（９０５）の経過を待って時刻Ｔ_１（９０６）で次の動作に移行させる必要があることを意味する。この時の必要な待機時間については実験等により、予め停止精度が保証される時間を確定することで、次の動作にまでの待機時間を設定することが可能である。すなわち、減速率ＢＲがＶ_O／Ｎ〜Ｖ_O／Ｎｂの範囲内で減速が行われる場合、制御部３０２は減速率ＢＲの値に対応する待機時間を設定して次の動作への移行が円滑に行われるようにタイミングの制御を行う。減速率または目標停止位置までの残りの駆動パルス数に対応する待機時間のデータを参照テーブル等の形態でメモリに予め保持することで、適切な待機時間を設定可能である。

本実施形態のモータ駆動装置が実装される駆動機構部にも依るが、待機時間は減速率または目標停止位置までの残りの駆動パルス数に応じて変更される。例えば、減速率が閾値より大きい場合に制御部３０２は次の動作までの待機時間を設定し、減速率が閾値以下である場合には待機時間をゼロに設定する。減速率が閾値より大きい場合、制御部３０２は減速率が大きいほど待機時間を長く設定する。または、２つの減速率ＢＲ１，ＢＲ２が、「ＢＲ１＜ＢＲ２」の関係を満たすとき、減速率がＢＲ１である場合に第１の待機時間ＷＴ１が設定され、減速率がＢＲ２である場合に第２の待機時間ＷＴ２が設定されるものとする。この場合、第１の待機時間ＷＴ１に比べて長い第２の待機時間ＷＴ２が設定される。一方、目標停止位置までの残りの駆動パルス数に応じて待機時間を変更する場合、例えば、残りの駆動パルス数が閾値以下である場合、制御部３０２は残りの駆動パルス数が少ないほど待機時間を長く設定する。または、２つの残りの駆動パルス数Ｎ１，Ｎ２が、「Ｎ１＜Ｎ２」の関係を満たすとき、残りの駆動パルス数がＮ１である場合に第３の待機時間ＷＴ３が設定され、残りのパルス数がＮ２である場合に第４の待機時間ＷＴ４が設定されるものとする。この場合、第４の待機時間ＷＴ４に比べて長い第３の待機時間ＷＴ３が設定される。残りの駆動パルス数Ｎ２が閾値以上の場合、第４の待機時間ＷＴ４はゼロであってもよい。

本実施形態では、ブラシレスモータの減速停止時にＦＢ駆動からＯＬ駆動へ移行する際、ＯＬ駆動が可能なスピードに到達したときの目標停止位置までの残パルス数から決まる減速率にしたがって減速制御が行われる。よって、ＦＢ駆動からＯＬ駆動への移行を確実かつ迅速に行えるとともに、正確に目標位置でロータを停止させることが可能となる。さらに減速率の値または目標停止位置までの残パルス数に応じて、次の動作に移るタイミングを変更する制御により、正確かつ高速性を考慮したモータ駆動制御を実現できる。モータの個体差や環境条件等により目標位置に対する減速時の速度と位置との関係にばらつきが発生する場合でも、複雑な制御を行うことなく、正確にロータを目標位置で停止させることが可能である。

前記実施形態においては、特定のモータ構造やフォーカスレンズの駆動機構部を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜に変更が可能である。

３０２ 制御部
３０３ フィードバック駆動回路
３０４ オープンループ駆動回路

Claims (12)

1. ロータの回転位置を検出する位置検出手段の出力を取得してコイルの通電を切り替えてフィードバック駆動を行う第１の駆動手段と、
   前記位置検出手段の出力を用いることなく前記コイルの通電を切り替えることでオープンループ駆動を行う第２の駆動手段と、
   前記第１の駆動手段または前記第２の駆動手段を選択してモータの駆動制御を行う制御手段と、を備え、
   前記制御手段は前記ロータを目標位置にて停止させる制御を行う際、前記第１の駆動手段により前記ロータを減速させる制御を行い、前記ロータが予め決められたスピードに到達した時点で前記第２の駆動手段によるオープンループ駆動に切り替えて、前記時点での前記ロータの回転位置から前記目標位置までの回転角度量と前記スピードから算出される減速率で減速制御を行う
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記第２の駆動手段は、前記モータの駆動周波数に対応するパルス間隔の駆動パルスを生成して前記ロータの回転角度を変更するオープンループ駆動を行い、
   前記制御手段は、前記ロータが予め決められた前記スピードに到達した時点での前記ロータの回転位置から前記目標位置に到達するまでの残りの駆動パルス数で前記スピードを除算することにより、一定の前記減速率を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記制御手段は、前記ロータの回転位置が前記目標位置に到達した時点から次の動作に移行するまでの待機時間を、前記残りの駆動パルス数または前記減速率により変更する
   ことを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記制御手段は、前記減速率が閾値より大きい場合に設定される前記待機時間よりも前記減速率が閾値以下である場合に設定される前記待機時間の方が短くなるように、前記待機時間を変更する
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動装置。
5. 前記制御手段は、前記減速率が閾値以下である場合、前記待機時間をゼロに設定する
   ことを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動装置。
6. 前記制御手段は、前記減速率が前記閾値より大きい場合、前記減速率が第１の値であるときに第１の待機時間を設定し、前記減速率が前記第１の値よりも大きい第２の値であるときに前記第１の待機時間よりも長い第２の待機時間を設定する
   ことを特徴とする請求項５に記載のモータ駆動装置。
7. 前記制御手段は、前記残りの駆動パルス数が閾値より大きい場合に設定される前記待機時間よりも前記残りの駆動パルス数が閾値以下である場合に設定される前記待機時間の方が長くなるように、前記待機時間を変更する
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動装置。
8. 前記制御手段は、前記残りの駆動パルス数が閾値より大きい場合、前記待機時間をゼロに設定する
   ことを特徴とする請求項７に記載のモータ駆動装置。
9. 前記制御手段は、前記残りの駆動パルス数が前記閾値以下の場合、前記残りの駆動パルス数が第１の値であるときに第１の待機時間を設定し、前記残りの駆動パルス数が前記第１の値よりも大きい第２の値であるときに前記第１の待機時間よりも短い第２の待機時間を設定する
   ことを特徴とする請求項８に記載のモータ駆動装置。
10. 前記第１の駆動手段は、前記位置検出手段が出力する検出信号から、該検出信号に対して位相差を有する進角信号を生成する回路を備え、
    前記制御手段は前記第１の駆動手段によって前記ロータを減速させる際、前記検出信号と前記進角信号との間の位相差を制御する
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載のモータ駆動装置と、
    前記モータ駆動装置によって駆動されるブラシレスモータと、
    前記ブラシレスモータによって可動光学部材を駆動させる駆動機構部と、を備える
    ことを特徴とする撮像装置。
12. モータ駆動装置にて実行される制御方法であって、
    ロータを目標位置にて停止させる制御を行う際に制御手段が、
    前記ロータの回転位置を検出する位置検出手段の出力を取得して第１の駆動手段によりコイルの通電を切り替えてフィードバック駆動を行うことで前記ロータを減速させる制御を行う工程と、
    前記ロータが予め決められたスピードに到達した時点で、前記位置検出手段の出力を用いることなく第２の駆動手段により前記コイルの通電を切り替えるオープンループ駆動に切り替えて、前記時点での前記ロータの回転位置から前記目標位置までの回転角度量と前記スピードから算出される減速率で前記目標位置まで減速制御を行う工程と、を有する
    ことを特徴とするモータ駆動装置の制御方法。
    
    

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