JPH08266093A

JPH08266093A - ステッピングモータシステム

Info

Publication number: JPH08266093A
Application number: JP9168995A
Authority: JP
Inventors: Akihito Nakayama; 明仁中山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-03-24
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 1996-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単且つ小型の構成により、高精度・高速で
且つ低コストでステッピングモータの駆動制御が行なわ
れるようにした、ステッピングモータシステムを提供す
ること。【構成】ステッピングモータ１１と、ステッピングモ
ータの回転を検出するエンコーダ１４，１５と、上記エ
ンコーダからの出力信号に基づいて、ステッピングモー
タの角度情報，電気位相角情報を検出する検出回路３
１，３２，３３，３４，３５と、該検出回路からの検出
信号に基づいて、電気位相角の関数である電流波形パタ
ーンを生成して、この電流波形パターンと所望のトルク
指令値に対応する駆動電流値を演算する制御回路３７
と、この駆動電流値によりステッピングモータを駆動す
る駆動回路３９とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばビデオカメラ用
レンズ鏡筒のズームレンズ送り装置として使用される直
線送り装置等のステッピングモータシステムに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、このようなステッピングモータシ
ステムは、駆動源としてステッピングモータが使用され
ている。そして、ステッピングモータは、オープン制御
されることにより、所定の停止位置に持ち来されるよう
に構成されている。

【０００３】さらに、ステッピングモータの外部にエン
コーダが設けられていて、このエンコーダによってステ
ッピングモータの回転角度が検出されることにより、ス
テッピングモータの回転が高精度で制御されるようにし
た、ステッピングモータシステムもある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなステッピングモータシステムにおいては、以下のよ
うな問題がある。

【０００５】即ち、ステッピングモータの駆動制御がオ
ープンループであるために、停止位置精度が悪く、ヒス
テリシス特性があると共に、回転数が比較的低い等の問
題があった。

【０００６】また、ステッピングモータの外部にエンコ
ーダが設けられている場合であっても、ステッピングモ
ータの駆動制御自体は、オープン制御であることから、
上述した位置精度，ヒステリシス及び低回転数という問
題は解決され得ないという問題があった。このため、ピ
ックアップ，プリンタ，スキャナー等の駆動源として、
ステッピングモータが使用されている場合には、位置精
度が悪く、駆動速度が遅い等の問題があった。

【０００７】また、回転駆動源であるスピンドルモータ
として、ステッピングモータが使用されている場合に
は、回転数が上がらず、また加減側速時間が長くなって
しまう等の問題があった。

【０００８】さらに、レンズシステムの送り機構の駆動
源としてステッピングモータが使用されている場合に
は、フォーカスの合焦時間が長くなってしまうと共に、
ズームレンズの場合には、ズーム速度が遅い等の問題が
あった。

【０００９】本発明は、以上の点に鑑み、簡単且つ小型
の構成により、高精度・高速で且つ低コストでステッピ
ングモータの駆動制御が行なわれるようにした、ステッ
ピングモータシステムを提供することを目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、ステッピングモータと、ステッピングモータの回
転を検出するエンコーダと、上記エンコーダからの出力
信号に基づいて、ステッピングモータの角度情報，電気
位相角情報を検出する検出回路と、この検出回路からの
検出信号に基づいて、電気位相角の関数である電流波形
パターンを生成して、この電流波形パターンと所望のト
ルク指令値に対応する駆動電流値を演算する制御回路
と、この駆動電流値によりステッピングモータを駆動す
る駆動回路とを備えている、ステッピングモータシステ
ムにより、達成される。

【００１１】

【作用】上記構成によれば、ステッピングモータの回転
軸に取り付けられたエンコーダが、回転軸の回転に対応
する信号を出力することにより、検出回路が、この信号
に基づいて、ステッピングモータの角度情報及び電気位
相角情報を検出する。そして、制御回路は、検出回路か
らの検出信号に基づいて、電気位相角の関数である電流
波形パターンを生成して、駆動電流値を演算し、この駆
動電流値により駆動回路によりステッピングモータを駆
動する。

【００１２】これにより、ステッピングモータは、電気
位相角に基づいて駆動制御されることになるので、回転
角度位置の分解能が向上すると共に、回転速度が著しく
高められ得る。従って、例えば直線送り装置のナット部
材や，光学レンズシステムのズーミングレンズ，フォー
カシングレンズ等のレンズ送り装置等の被移動物体が、
高精度で且つ高速に移動されることになる。

【００１３】

【実施例】以下、この発明の好適な実施例を図１乃至図
１４を参照しながら、詳細に説明する。尚、以下に述べ
る実施例は、本発明の好適な具体例であるから、技術的
に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲
は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載
がない限り、これらの態様に限られるものではない。

【００１４】図１は、本発明によるステッピングモータ
システムを組み込んだ直線送り装置の一実施例を示して
いる。即ち、図１において、直線送り装置１０は、ステ
ッピングモータ１１と、このステッピングモータ１１の
回転軸１１ａに一体的に備えられたリードスクリュー１
２と、このリードスクリュー１２に螺合されたナット部
材１３と、上記ステッピングモータ１１の回転軸１１ａ
に取り付けられ且つ周方向に交互にＮ極，Ｓ極が着磁さ
れたマグネット１４と、このマグネット１４に対向して
固定配置された角度検出用の磁気抵抗効果型センサ１５
と、リードスクリュー１２の、ステッピングモータ１１
に対して反対側の端部近傍に、ナット部材１３が図１に
てリードスクリュー１２の左端部に到達したか否かを検
出する端点センサ１６とを有している。本実施例では、
端点センサ１６の出力は、ナット部材１３がこの端点セ
ンサ１６に接触することにより立ち下がるようになって
いる。

【００１５】上記ステッピングモータ１１は、公知の構
成であり、図２に示すように、２相ＰＭタイプのステッ
ピングモータとして構成されている。図２において、ス
テッピングモータ１１は、一端（図示の場合、上端）が
開放したケース２１と、このケース２１内の周囲に配設
された中空の極歯アッセンブリ２２と、この極歯アッセ
ンブリ２２の中空部内で回動し得るように、支持され且
つ環状に配設されたマグネットから成るロータ２３とを
含んでいる。

【００１６】上記ケース２１は、ほぼ円筒状に形成され
ており、その開放端がカバー２４により閉鎖されるよう
になっている。

【００１７】この極歯アッセンブリ２２は、四枚の極歯
ヨーク２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを含んでおり、
中側の極歯ヨーク２２ｂ，２２ｃは、軸方向に関して互
いに背中合わせになるように、接触している。また、そ
れぞれ対となる極歯ヨーク２２ａと２２ｂ、２２ｃと２
２ｄの間には、インサート成形等のモールド樹脂成形に
より、コイルボビン２５，２６が構成されている。そし
て、これらコイルボビン２５，２６には、コイル巻線が
巻回されることにより、コイル２７，２８が構成されて
いる。ここで、上記各コイル２７，２８は、コイル巻線
端末２７ａ，２７ｂ，２８ａ，２８ｂが、リード線とし
て引き出されて、外部接続用のコネクタ２９に接続され
ている。この場合、コイル２７と極歯ヨーク２２ａ，２
２ｂにより、第一のステータが構成され、またコイル２
８と極歯ヨーク２２ｃ，２２ｄにより、第二のステータ
が構成されることになり、この第一のステータと第二の
ステータとは、互いに９０度だけ電気角がずれるように
配設されている。

【００１８】上記ロータ２３は、その上下に突出した回
転軸２３ａが、それぞれケース２１の下面に設けられた
軸受２１ａとカバー２４に設けられた軸受２４ａによっ
て回転可能に支持されていると共に、この回転軸２３の
周りに、Ｎ極及びＳ極が交互に等角度間隔で配設される
ように、多極着磁されている。これにより、コネクタ２
９から各コイル２７，２８に対して、交番電流が流され
ることにより、ロータ２３が同期回転することになる。
従って、ステッピングモータ１１は、オープンループ駆
動されることになる。

【００１９】上記リードスクリュー１２は、図示の場
合、回転軸１１ａに直接にネジを形成することによっ
て、構成されているが、例えば回転軸１１ａに圧入，螺
着等によって取り付けられていてもよい。

【００２０】上記ナット部材１３は、このリードスクリ
ュー１２に螺合していることから、このリードスクリュ
ー１２の回転によって、矢印で示す方向に直線移動され
るようになっていると共に、図示しない移動対象物に連
結されている。これにより、このナット部材１３の矢印
方向への直線移動に伴って、上記移動対象物が矢印方向
に移動されるようになっている。ここで、上記移動対象
物は、例えばビデオカメラ用レンズ鏡筒のズームレンズ
支持枠やフォーカス用レンズ支持枠、あるいは光学ピッ
クアップ支持部材である。

【００２１】上記マグネット１４は、図２に示すよう
に、ステッピングモータ１１の回転軸１１ａに対して同
軸上に取り付けられたマグネットであって、例えば射出
成形により、一体成形されている。図示の場合、マグネ
ット１４は、円板状であるが、円筒状または円柱状のマ
グネットであってもよい。円周方向に沿って多極着磁で
きるものであれば、他の態様でも利用が可能である。

【００２２】さらに、上記マグネット１４は、図３に示
すように、周方向に沿って、交互にＮ極，Ｓ極に着磁さ
れている。

【００２３】上記磁気抵抗効果型センサ１５は、マグネ
ット１４の半径方向外側にて、このマグネット１４の外
周面に対向するように固定配置されている。ここで、こ
の磁気抵抗効果型センサ１５は、磁気抵抗素子、即ち磁
気抵抗効果型薄膜磁気ヘッド素子（ＭＲ素子ともいう）
から成り、ＮｉＦｅ，ＣｏＮｉ等の強磁性体の薄膜に、
磁界を加えると、その抵抗値が変化することを利用し
て、磁界の変化を計測するものであり、例えばＶＴＲの
キャプスタンモータの角速度検出等のために一般に使用
されている。かくして、磁気抵抗効果型センサ１５の出
力に基づいて、マグネット１４の回転角度、回転方向、
回転数及び電気位相角が検出され得る。

【００２４】上記磁気抵抗効果型センサ１５の動作原理
を、以下に説明する。磁気抵抗効果型センサ１５は、図
４の上部に示すように、磁極幅λでＮ極，Ｓ極が交互に
並ぶマグネットに対向して、幅λ／２のパターンを形成
することにより構成されている。このパターンの両端に
それぞれ定電圧ＶｃｃとアースＧＮＤが接続され、この
パターンの中点電位Ｖｓが出力として取り出される（図
４の下部参照）。

【００２５】上記マグネット１４が矢印方向に移動した
とき、このマグネット１４に対する相対位置に基づい
て、磁気抵抗効果型センサ１５からは、中点電位Ｖｓと
して、図４の下部のグラフに示すように、Ｖｃｃ／２を
中心とし、１磁極幅λに対して１周期のサイン波または
擬似サイン波が得られるようになっている。

【００２６】従って、磁気抵抗効果型センサ１５が、互
いにλ／４だけずれた位置に二つのパターンを有する場
合には、磁気抵抗効果型センサ１５の各パターンの出力
ＳＡ，ＳＢは、図５の上段に示すように、振幅Ａを有す
るＶｃｃ／２を中心とするサイン波及びコサイン波にな
り、それぞれ

【００２７】

【数１】

【数２】で表わされる。

【００２８】この場合、磁気抵抗効果型センサ１５は、
実際には、図６に示すように構成されている。図６にお
いて、磁気抵抗効果型センサ１５は、Ｖｃｃ側パターン
とＧＮＤ側パターンが、１磁極幅λに対して、夫々λ／
２だけ離れていると共に、隣合う二つのパターンが、互
いにλ／４だけ離れている。このパターンにより、磁気
抵抗効果型センサ１５は、図７に示す等価回路を有する
ことになる。各抵抗のうち、Ｒ１とＲ２，Ｒ３とＲ４，
Ｒ５とＲ６は、それぞれ同じ抵抗値を有している。

【００２９】この抵抗のうち、抵抗Ｒ１とＲ２，Ｒ３と
Ｒ４は、図４のマグネット１４の位置により作用する磁
界の強さが変化すると抵抗値が変化する。従って、出力
端子Ａ及びＢの出力ＳＡ，ＳＢは、マグネットの位置に
基づいて、図５の上段のグラフに示すように、それぞれ
Ｖｃｃ／２を中心とするＡ・ｓｉｎθ，Ａ・ｃｏｓθと
なる。

【００３０】これに対して、抵抗Ｒ５，Ｒ６は、磁界の
影響を受けない位置に配設されているので、マグネット
１４の位置に関係なく、出力端子Ｓ０は、常にＶｃｃ／
２の一定電圧を出力することになる。

【００３１】図８は、図１の直線送り装置の電気的構成
を示している。図８において、直線送り装置１０は、磁
気抵抗効果型センサ１５の出力端子Ａ，Ｓ０がそれぞれ
反転入力，非反転入力に接続された第一のコンパレータ
３１と、磁気抵抗効果型センサ１５の出力端子Ｂ，Ｓ０
がそれぞれ反転入力，非反転入力に接続された第二のコ
ンパレータ３２と、各コンパレータ３１，３２の出力が
入力される位相弁別回路３３と、端点センサ１６からの
出力信号が入力される立ち下がり検出回路３４と、位相
弁別回路３３からの信号と立ち下がり検出回路３４から
の信号とが入力されるアップダウンカウンタから成る角
度カウンタ３５と、位相弁別回路３３からの信号が入力
されるアップダウンカウンタから成る電気位相角カウン
タ３６、中央演算ユニット（ＣＰＵ）３７，Ｄ／Ａコン
バータ３８，ドライバ３９とを有している。

【００３２】これにより、上記角度カウンタ３５及び電
気位相角カウンタ３６からの信号が、ＣＰＵ３７に入力
され、このＣＰＵ３７によりＤ／Ａコンバータ３８を介
してドライバ３９が制御されるようになっている。

【００３３】ここで、上記磁気抵抗効果型センサ１５
は、回転軸１１ａの回転方向及び回転速度により決まる
上記ナット部材１３の移動方向及び移動速度を、マグネ
ット１４の回転方向及び回転速度により検出する。

【００３４】上記コンパレータ３１，３２は、それぞれ
ＭＲセンサ１５の出力端子Ａ，Ｂの信号ＳＡ，ＳＢと出
力端子Ｓ０のＶｃｃ／２とを比較して、図５の中段及び
下段に示すデジタル信号ＰＡ，ＰＢを出力する。

【００３５】上記位相弁別回路３３は、コンパレータ３
１，３２からのデジタル信号ＰＡ，ＰＢに基づいて、回
転軸１１ａの回転方向及び信号のエッジを検出し、一方
向である場合には、アップパルスを、また他方向である
場合には、ダウンパルスを、アップダウンカウンタであ
る角度カウンタ３５及び電気位相角カウンタ３６に出力
する。この場合、アップパルスは、例えばデジタル信号
ＰＡまたはＰＢに同期している。

【００３６】上記角度カウンタ３５は、位相弁別回路３
３からのアップパルスまたはダウンパルスをカウントす
ることにより、ステッピングモータ１１の回転軸１１ａ
の回転角度を検出すると共に、ナット部材１３がリード
スクリュー１２の端点に達したとき、端点センサ１６か
ら出力される検出信号の立下りのタイミングで、立下り
検出回路３４から出力される信号によって、カウンタ値
がクリアされることにより、絶対位置化され得るように
なっている。

【００３７】また、上記電気位相角カウンタ３６は、位
相弁別回路３３からのアップパルスまたはダウンパルス
をカウントすることにより、ステッピングモータ１１の
回転軸１１ａの電気位相角を検出すると共に、電気位相
角の１周期に対応するカウンタとして構成されている。
従って、電気位相角カウンタ３６は、同一電気位相角に
おいては、同一カウンタ値を出力するようになってい
る。

【００３８】上記ＣＰＵ３７は、角度カウンタ３５及び
電気位相角カウンタ３６から出力されるカウンタ値に基
づいて、回転軸１１ａの角度情報及び電気位相角情報を
算出する。そして、ＣＰＵ３７は、この角度情報及び電
気位相角情報により、ドライブ指令値を計算し、このド
ライブ値をＤ／Ａコンバータ３８に出力する。Ｄ／Ａコ
ンバータ３８は、このドライブ値をアナログ信号に変換
して、ドライバ３９に出力する。これにより、ドライバ
３９は、アナログ化されたドライブ値、即ち駆動電流に
より、ステッピングモータ１１を駆動制御する。よりア
ナログ化を介して、ドライバ３９を制御する。

【００３９】ところで、ステッピングモータ１１の二相
の各コイル２７，２８に一定電流Ｉが流れるとき、各コ
イル２７，２８に発生するトルクＴ１，Ｔ２は、Ｋをモ
ータによる定数とし、ＴをＩ×Ｋとすれば、上記スティ
フネス特性によって、理想的には

【数３】

【数４】で表わされる。ここで、θは電気位相角を示すことか
ら、トルクＴ１，Ｔ２は、電気位相角θの関数となる。
従って、二つのトルクＴ１，Ｔ２の合成トルクＴ３は、

【数５】となる。

【００４０】従って、上記式５によれば、各コイル２
７，２８に対して、それぞれの電気位相角に応じて、電
流Ｉ×ｓｉｎθ，Ｉ×ｃｏｓθを流すと、ステッピング
モータ１１に発生するトルクは、（電流値×定数）とい
う、直流モータと同じトルク式により得られることにな
り、ブラシレス直流モータと等価に取り扱うことが可能
になる。また、各コイル２７，２８に流す電流の方向を
反転させることにより、逆方向の一定トルクが発生する
ことになる。

【００４１】これにより、各コイル２７，２８に発生す
るトルクＴ１，Ｔ２は、図９に示すように、流れる電流
Ｉに対して、スティフネス特性を有することになる。従
って、上記合成トルクＴ３は、図１０に示すように、電
流値Ｉと線形の関係になるので、ブラシレス直流モータ
と同じ特性を有することになる。かくして、本直線送り
機構１０におけるステッピングモータ１１は、ブラシレ
ス直流モータと同様に駆動制御され得ることになる。

【００４２】これに対して、三相のＰＭステッピングモ
ータの場合には、上述した二相ＰＭステッピングモータ
と同様に、各コイルに、電流値Ｉ，電気位相角の正弦を
掛けた電流を流したとき、その合成トルクＴ４は、

【数６】となるので、三相ＰＭステッピングモータの場合も、同
様にトルクは、（電流値×定数）で与えられることにな
る。かくして、ステッピングモータは、ブラシレス直流
モータと同様に駆動制御することが可能となる。

【００４３】同様にして、四相以上の多相ＰＭステッピ
ングモータの場合にも、各コイルに、電流値Ｉ，電気位
相角の正弦を掛けた電流を流すことによって、所謂フラ
ットトルクが得られることになり、ブラシレスモータと
同様に駆動制御され得ることになる。

【００４４】さらに、ＰＭステッピングモータ以外のス
テッピングモータの場合も、同様の理論が成立し得るの
で、同様に、各コイルに、電流値Ｉ，電気位相角の正弦
を掛けた電流を流すことによって、所謂フラットトルク
が得られることになり、ブラシレスモータと同様に駆動
制御され得ることになる。

【００４５】ところで、以上の説明は、理想的なステッ
ピングモータに関するものであるが、実際のステッピン
グモータでは、一定電流Ｉに対するトルク特性（スティ
フネス特性）は、完全なサイン波から歪んでしまうこと
があるが、この場合は、この歪んだサイン波に対応する
擬似サイン波を使用することによって、所望のフラット
トルクが得られることになる。

【００４６】また、ステッピングモータ１１の電流−ト
ルク特性に基づいて、一定トルクに近似する関数を求め
て、サイン波の代わりにこの関数を使用することによっ
て、所望のフラットトルクが得られることになる。

【００４７】さらに、サイン波，擬似サイン波以外に
も、トルク指令の方向と同じ方向のトルクを発生させる
ような電流波形にすることにより、トルクリップルが多
少大きくなるものの、ステッピングモータは、実質的に
ブラシレス直流モータと同様の駆動制御が行なわれ得る
ことになる。

【００４８】このような構成の直線送り機構１０によれ
ば、システム立ち上げ時には、先づ電気位相角の検出、
即ち初期化が行なわれる。初期化シーケンスは、図１１
のフローチャートに示すようにして行なわれる。

【００４９】図１１のシーケンスにおいては、所謂一相
励磁または二相励磁というステッピングモータ駆動方式
により、ステッピングモータ１１の各コイルに駆動電流
が流される。即ち、ステップＳＴ１にて、先づ電気位相
角θが−９０度となるように、各コイルに通電が行なわ
れる。そしてステップＳＴ２にて、待ちループにより所
定時間経過後、ステップＳＴ３にて、電気位相角θが０
度となるように、各コイルに通電が行なわれる。

【００５０】これは、ＣＰＵ３７が、電気位相角カウン
タ３６を、所定の電気位相角に対応するカウンタ値にプ
リセットすることにより、ステッピングモータ１１の各
コイルへの通電パターンが決まり、この通電パターンに
よって一意に決まる電気位相角にロータが回転・停止す
ることにより行なわれる。例えば、電流Ｉを流すと、Ｉ
×Ｋ×ｓｉｎθのトルクが発生するコイルに対して、逆
方向の電流Ｉを流すことにより、電気位相角θが０度に
なるまで、ステッピングモータ１１が回転し、この電気
位相角、即ちトルク的中立点で、ステッピングモータ１
１が停止する。

【００５１】ここで、電気位相角θが−９０度と０度に
なるように、二回通電が行なわれるのは、以下の理由に
よるものである。即ち、図９のスティフネス特性におい
て、ある通電パターンによってステッピングモータ１１
が駆動制御される場合、トルクが０となる時点が二ヶ所
ある。このうち、一方の０点は、僅かでも角度がずれる
と、１８０度位相がずれた角度に移動してしまう不安定
点であることから、初期化の際に、この０点にステッピ
ングモータ１１が停止してしまった場合、システムの初
期化が誤動作してしまう可能性がある。これを防止する
ために、初期化の際に、通電パターンを、例えば電気位
相角θが−９０度と０度のように、二つ以上変化させた
後に初期化が行なわれる。これにより、トルク０となる
不安定点は、ステッピングモータ１１が僅かでも回転す
ると、安定点に同期化されるので、ステッピングモータ
１１がトルク０となる不安定点に停止したとしても、こ
の不安定点から脱出して、正常な安定点に同期化され得
ることになる。この場合、上記電気位相角カウンタ３６
の初期化のための通電の際、通電パターンが、常にステ
ッピングモータ１１を同一方向に回転させた後、初期化
が行なわれるようにすれば、ステッピングモータ１１等
を含むシステム全体のバックラッシュ等による影響が低
減され得ることになり、電気位相角初期化の精度が向上
し、ステッピングモータ１１の性能が改善され得ること
になる。

【００５２】次に、ステップＳＴ４にて、角度カウンタ
３５のカウンタ値が、変数ＡＮＧ（ｎ）に代入される。
そして、ステップＳＴ５にて、変数ＡＮＧ（ｎ−１）＝
ＡＮＧ（ｎ）として、ステップＳＴ６にて、再び角度カ
ウンタ３５のカウンタ値が、変数ＡＮＧ（ｎ）に代入さ
れる。ここで、ステップＳＴ７にて、待ちループによる
所定時間経過後に、上記ＡＮＧ（ｎ）とＡＮＧ（ｎ−
１）が比較される。そして、ＡＮＧ（ｎ）とＡＮＧ（ｎ
−１）が等しくない場合には、ステッピングモータ１１
が回転していると判断され、再びステップＳＴ５に戻
る。これにより、例えばステッピングモータ１１が回転
・停止する際の摩擦等の影響による遅延時間の間は、電
気位相角カウンタ３６のクリアまたはリセットが行なわ
れ得ないようになっている。

【００５３】これに対して、ステップＳＴ７にて、ＡＮ
Ｇ（ｎ）とＡＮＧ（ｎ−１）が等しい場合には、ステッ
ピングモータ１１が完全に停止していると判断され、電
気位相角カウンタ３６がクリアされる。即ち、ＣＰＵ３
７が、電気位相角カウンタ３６をクリアすることによ
り、電気位相角カウンタ３６は、電気位相角θが０度の
とき、カウンタ値０に初期化されることになる。具体的
には、電気位相角１λ当たり、１８０パルスを発生する
エンコーダ付きのステッピングモータでは、１パルスが
電気位相角２度に対応するので、カウンタ値４５で電気
位相角９０度、カウンタ値９０で電気位相角１８０度、
１λ先の電気位相角３６０度では、カウンタ値が０に戻
るようになっている。

【００５４】かくして、電気位相角の初期化が高精度で
行なわれ得ることになる。この場合、確実に且つ迅速に
電気位相角カウンタ３６の初期化が行なわれ得ると共
に、個々のシステムのバラツキや使用環境の変化等によ
るバラツキ等に対応して、初期化が行なわれ得ることに
なるので、より正確な初期化が可能になる。

【００５５】尚、上記の場合、ステッピングモータ１１
の停止は、角度カウンタ３５のカウンタ値の変化を監視
することにより、角度カウンタ３５のカウンタ値の変化
がなくなったことにより、確認され得るが、これに限ら
ず、例えばステッピングモータ１１を含む直線送り機構
１０により決まる所定時間後に、電気位相角カウンタ３
６がクリアされるようにしてもよい。この場合、角度カ
ウンタ３５のカウンタ値の監視が不要になるので、構成
が簡単になり、コストが低減され得る。

【００５６】以上のシーケンスによって、電気位相角カ
ウンタ３６の初期化が行なわれた後、電気位相角カウン
タ３６のカウンタ値に基づいて、ＣＰＵ３７は、現在の
電気位相角θを得ることができる。また、ＣＰＵ３７
は、ステッピングモータ１１の各コイル２７，２８５へ
の通電パターンをデータメモリ上に記憶しており、得ら
れた電気位相角θに対応する通電パターンを任意のタイ
ミングで読み出すようになっている。

【００５７】従って、ＣＰＵ３７は、図１２に示すよう
に、外側の位置ループにて、電気位相角カウンタ３６か
らのカウンタ値より求めた現在位置と、移動対象物の所
望の移動位置（目標値）とを比較して、その差分に位置
比例ゲインｋｐを掛けて、比例制御を行なう。また、こ
のＣＰＵ３７は、内側の速度ループにて、カウンタ値の
微分情報から速度を求め、その速度情報と位置ループの
結果を比較して、その差分に対して、比例−積分制御す
ることにより、トルク指令値を計算する。

【００５８】かくして、ＣＰＵ３７は、このトルク指令
値と電気位相角カウンタ３６からのカウンタ値から得ら
れた電気位相角θに対応する、データメモリ上にマッピ
ングされた通電パターンを乗算することにより、一方の
コイルに流す電流値を求める。続いて、上記電気位相角
θより９０度進んだ電気位相角に対応する通電パターン
をデータメモリ上から読み出して、この値とトルク指令
値を乗算することにより、他方のコイルに流す電流値を
求める。かくして、ＣＰＵ３７は、上記二つの電流値
を、Ｄ／Ａコンバータ３８によりアナログ信号に変換し
て、ドライバ３９に出力する。これにより、このドライ
バ３９は、このアナログ信号をバッファし、ステッピン
グモータ１１の各コイル２７，２８に電流を供給して、
角度制御を行なう。

【００５９】そして、図示の場合には、ｋｐ：位置比例
ゲイン，ｋ１：速度積分ゲイン，ｋ２：速度比例ゲイ
ン，ｓ：ラプラス演算子，ｋｔ：モータトルク定数，
Ｊ：モータイナーシャ，Ｄ：粘性項として、

【数７】の演算が行なわれる。これにより、ドライバ３９により
駆動制御されるステッピングモータ１１においては、ｓ
ｉｎθ，ｃｏｓθに関する二相分解後に、

【数８】となる。かくして、

【数９】により、移動後のカウンタ値が得られることになる。

【００６０】尚、立下り検出回路３４は、端点センサ１
６の出力立下りを検出したとき、信号を出力する。この
出力により、角度カウンタ３５のカウンタ値はクリアさ
れて、絶対位置化されるようになっている。

【００６１】本実施例による直線送り装置１０は、以上
のように構成されており、ステッピングモータ１１は、
ＣＰＵ３７からＤ／Ａコンバータ３８を介してドライバ
３９により駆動制御されることにより、回転される。こ
れにより、回転軸１１ａが回転され、この回転軸１１ａ
のリードスクリュー１２に螺合するナット部材１３がこ
の回転軸１１ａの軸方向に沿って移動される。

【００６２】図１３は、上記直線送り装置１０における
ステッピングモータ１１の回転数とトルクの関係を示す
グラフである。この場合、ステッピングモータ１１は、
直径φ１０ｍｍ，一相当たりの巻線抵抗５０Ω，３８
Ω，２９Ωの１０極ＰＭタイプステッピングモータであ
って、駆動電圧は５Ｖである。このグラフによれば、ス
テッピングモータ１１を通常のステッピングモータとし
て動作させた場合のの最高回転数は、４８０ｐｐｓ（１
４４０ｒｐｍ）であるが、上述したシーケンスによって
駆動制御されることにより、例えば巻線抵抗５０Ω，モ
ータ負荷３．６ｇ・ｃｍの場合、最高回転数７５００ｒ
ｐｍが実現され得る。また、無負荷の状態では、ステッ
ピングモータ１１は、１４０００ｒｐｍの回転数が実現
可能である。さらに、巻線抵抗値が小さくなると、直流
モータの場合と同様に、回転数−トルク特性が、右側に
即ちトルクが大きくなるようにシフトすることになる。

【００６３】図１４は、本実施例による直線送り装置を
ビデオカメラ用レンズ鏡筒のズームレンズ送り機構とし
て組み込んだビデオカメラ用レンズ鏡筒を示している。
即ち、図１４において、ビデオカメラ用レンズ鏡筒４０
は、順次にそれぞれレンズを支持する対物レンズ枠４
１，第二レンズ枠４２，絞り枠４３，第三レンズ枠４４
及び第四レンズ枠４５と、これらレンズ枠及び絞り枠が
取り付けられるフレーム４６とから構成されている。

【００６４】上記対物レンズ枠４１は、第二レンズ枠４
２，絞り枠４３，第三レンズ枠４４及び第四レンズ枠４
５と共に一体的にレンズ群を構成している。第四レンズ
枠４５はムービングコイル４５ａを具え、その周りに固
定配置されたマグネット４５ｂ内に嵌挿されている。こ
のムービングコイル４５ａが通電されると、このムービ
ングコイル４５ａとマグネット４５ｂが所謂リニアモー
タとして作用して、全体に光軸方向に移動されるように
なっている。

【００６５】また、第二レンズ枠４２は、図１に示され
る直線送り装置と同様に磁気抵抗効果型センサ付き直線
送り装置４７により、対物レンズ枠４１に対して、光軸
方向に沿って移動可能に支持されている。この場合、磁
気抵抗効果型センサ４７ａは、フレーム４６に固定保持
されていると共に、この直線送り装置４７のナット部材
４７ｂが、第二レンズ枠４２に連結されている。これに
より、この直線送り装置４７の駆動源であるステッピン
グモータ４７ｃに通電することで、第二レンズ枠４２が
対物レンズ４１，第三レンズ枠４４，第四レンズ枠４５
に対して、相対的に移動されるようになっている。

【００６６】このように構成されたビデオカメラ用レン
ズ鏡筒４０によれば、ムービングコイル４５ａに適宜に
通電することにより、対物レンズ枠４１，第二レンズ枠
４２，第三レンズ枠４４，第四レンズ枠４５が一体的に
光軸方向に移動され、フォーカシングが行われる。ま
た、直線送り装置４７のステッピングモータ４７ｃに適
宜に通電することにより、第二レンズ枠４２が、対物レ
ンズ枠４１，第三レンズ枠４４，第四レンズ枠４５に対
して相対的に光軸方向に移動され、ズーミングが行われ
る。

【００６７】ここで、ステッピングモータ４７ｃの直径
をφ１０ｍｍとし、磁気抵抗効果型センサ用マグネット
の直径をφ８ｍｍ，着磁ピッチλを２００μｍ，リード
スクリューのピッチを０．５ｍｍとすると、一回転で１
５０λのサイン波である磁気抵抗効果型センサ出力が得
られる。従って、１λ当たり４パルスのパルス信号が発
生することになるので、１パルス当たりの位置分解能
は、

【数１０】により、１μｍとなる。これに対して、例えば従来の磁
気抵抗効果型センサを備えていない、ステッピングモー
タを使用した送り装置の場合には、極数１０の場合、１
回転当たり２０ステップであるから、１パルス当たりの
位置分解能は２５μｍとなる。かくして、本発明による
直線送り機構４７を使用することによって、従来のステ
ッピングモータに比較して、２５倍の分解能が実現され
る。従って、より高精度の送りが可能となる。

【００６８】また、ステッピングモータ１１の負荷を
３．６ｇ・ｃｍ，巻線抵抗を２９Ωとすると、図１３の
特性グラフより、モータの最高回転数は１２０００ｒｐ
ｍとなる。従って、この最高回転数から、直線送り装置
４７の最大送り速度を計算すると、

【数１１】となり、従来のステッピングモータの場合の最大送り速
度４８０ｐｐｓ＝２４ｒｐｓ＝１２ｍｍ／ｓｅｃに比較
して、約８倍以上の高速化が実現され得る。

【００６９】かくして、直線送り装置４７を使用するこ
とにより、ズーミングの際の第二レンズ枠４２の移動に
関する分解能及び送り速度が、一桁程度改善されること
になり、ズーミング性能が改善される。

【００７０】尚、図１４の場合、ビデオカメラのフォー
カシングのためのレンズ移動は、リニアモータが使用さ
れているが、このリニアモータが、直線送り装置４７と
同様に電気位相角情報に基づいて駆動制御されることに
より、リニアモータ自体の高速応答性に加えて、高い位
置分解能と高精度が得られることになり、より一層フォ
ーカシング性能が改善され得ることになる。

【００７１】また、上記実施例においては、本発明によ
るステッピングモータシステムを直線送り装置１０及び
ビデオカメラ用レンズ鏡筒４０に適用した場合について
説明したが、これに限らず、軸送り機構により光学ディ
スクの半径方向に移動される光学ピックアップを有する
光学ピックアップシステムにおいて、光学ピックアップ
の軸送り機構として、本発明によるステッピングモータ
システムを適用することも可能である。この場合には、
光学ピックアップの光学ディスクに対する所望位置への
アクセスが、高速且つ高精度で行なわれ、アクセス時間
が大幅に短縮されると共に、コストが低減され、而も小
型化が可能である。

【００７２】さらに、本発明によるステッピングモータ
システムは、プリンタにおけるプリンタヘッドの送り機
構に適用することも可能である。この場合、プリンタヘ
ッドの移動が、高速度且つ高精度で行われることにな
り、印字速度及び印字精度が向上されることになる。

【００７３】さらにまた、本発明によるステッピングモ
ータシステムは、スキャナーにおける走査ヘッドの送り
機構に適用することも可能である。この場合、走査ヘッ
ドの移動が、高速度且つ高精度で行われることになり、
スキャン速度及びスキャン精度が向上されることにな
る。

【００７４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ス
テッピングモータに取り付けられたエンコーダからの出
力に基づいて、ステッピングモータの回転の方向及び速
度そして角度情報及び電気位相角情報が、高精度で検出
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した直線送り装置の一実施例を示
す側面図である。

【図２】図１の直線送り装置におけるステッピングモー
タの構成を示す分解斜視図である。

【図３】図１の直線送り装置におけるマグネットと磁気
抵抗効果型センサとの関係を示す部分拡大斜視図であ
る。

【図４】マグネットの各磁極と磁気抵抗効果型センサの
出力の関係を示す概略図である。

【図５】図１の直線送り装置における磁気抵抗効果型セ
ンサの各出力を示すグラフである。

【図６】図１の直線送り装置における磁気抵抗効果型セ
ンサのパターン構成を示す拡大平面図である。

【図７】図６の磁気抵抗効果型センサの等価回路図であ
る。

【図８】図１の直線送り装置の電気的構成を示すブロッ
ク図である。

【図９】検出回路からの検出信号に基づいて生成される
電流波形パターンを示す図である。

【図１０】ステッピングモータのコイルの電流値と、ト
ルクとの関係を示すグラフである。

【図１１】実施例のステッピングモータシステムの初期
化シーケンスを示すフローチャートである。

【図１２】図８のカウンタによるカウンタ値に基づく制
御を示すブロック図である。

【図１３】図１の直線送り装置による回転数とトルクと
の関係を示すグラフである。

【図１４】本発明の実施例による直線送り装置を組み込
んだビデオカメラ用レンズ鏡筒のズームレンズ送り機構
の一実施例を示す分解斜視図である。

【符号の説明】

１０直線送り装置１１ステッピングモータ１１ａ回転軸１２リードスクリュー１３ナット部材１４マグネット１５磁気抵抗効果型センサ１６端点センサ２１ケース２２極歯アッセンブリ２３ロータ２４カバー２５，２６コイルボビン２７，２８コイル２９コネクタ３１，３２コンパレータ３３位相弁別回路３４立下り検出回路３５角度カウンタ３６電気位相角カウンタ３７ＣＰＵ３８Ｄ／Ａコンバータ３９ドライバ４０ビデオカメラ用レンズ鏡筒４１，４２，４４，４５レンズ枠４３絞り枠４６フレーム４７直線送り装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ステッピングモータと、ステッピングモータの回転を検出するエンコーダと、上記エンコーダからの出力信号に基づいて、ステッピン
グモータの角度情報，電気位相角情報を検出する検出回
路と、この検出回路からの検出信号に基づいて、電気位相角の
関数である電流波形パターンを生成して、この電流波形
パターンと所望のトルク指令値に対応する駆動電流値を
演算する制御回路と、この駆動電流値によりステッピングモータを駆動する駆
動回路とを備えていることを特徴とするステッピングモ
ータシステム。
【請求項２】前記電流波形パターンが、トルク指令値
に対して、トルク指令値と同じ方向のトルクを発生させ
るパターンであることを特徴とする請求項１に記載のス
テッピングモータシステム。
【請求項３】前記電流波形パターンが、一定のトルク
指令値に対して、一定のトルクに等しいまたは近似する
関数であることを特徴とする請求項１に記載のステッピ
ングモータシステム。
【請求項４】前記電流波形パターンが、サイン関数ま
たは擬似サイン波を与える関数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システム。
【請求項５】前記エンコーダが、円筒状または円柱状
であって、円周方向に多極着磁されたマグネットと、こ
のマグネットの周縁に対向して配設された磁気抵抗効果
型センサであることを特徴とする請求項１に記載のステ
ッピングモータシステム。
【請求項６】前記マグネットが、射出成形により、一
体成形されていることを特徴とする請求項５に記載のス
テッピングモータシステム。
【請求項７】前記マグネットが、ステッピングモータ
の回転軸と同一軸上に結合されてい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システム。
【請求項８】前記ステッピングモータの回転軸に駆動
用のリードスクリューが形成されていることを特徴とす
る請求項７に記載のステッピングモータシステム。
【請求項９】前記磁気抵抗効果型センサが、マグネッ
トのＮ極またはＳ極の１磁極幅にて、１周期の擬似サイ
ン波及び擬似コサイン波から成る出力と中点電位を発生
するパターン構造を有してい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システム。
【請求項１０】前記磁気抵抗効果型センサの出力と中
点電位とを比較するコンパレータとを備えており、前記
検出回路が、このコンパレータの出力パルスのエッジを
カウントして、ステッピングモータの回転の方向・角度
及び電気位相角を検出することを特徴とする請求項９に
記載のステッピングモータシステム。
【請求項１１】電源投入時に、前記制御回路が、所定
の通電パターンでステッピングモータを駆動制御して、
この通電パターンに対応する電気位相角で電気位相角検
出回路の電気位相角情報を初期化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システム。
【請求項１２】所定時間の間、ステッピングモータが
駆動された後、電気位相角の初期化が行なわれることを
特徴とする請求項１１に記載のステッピングモータシス
テム。
【請求項１３】ステッピングモータの回転角度の変化
が停止した後に、電気位相角の初期化が行なわれること
を特徴とする請求項１１に記載のステッピングモータシ
ステム。
【請求項１４】ステッピングモータが少なくとも二つ
以上の通電パターンで駆動制御された後、電気位相角の
初期化が行なわれることを特徴とする請求項１２に記載
のステッピングモータシステム。
【請求項１５】ステッピングモータの駆動が、常に同
一方向に回転するように通電パターンが選定されている
ことを特徴とする請求項１２に記載のステッピングモー
タシステム。
【請求項１６】前記電流波形パターンが、メモリまた
はハードウェアレジスタにマップデータとして関数化し
て記憶されていて、制御回路が、電気位相角情報に対応
して、マップデータを参照し、電流波形パターンを読み
出すことを特徴とする、請求項１に記載のステッピング
モータシステム。
【請求項１７】前記制御回路が、上記マップデータか
ら読み出された電流波形パターンとトルク指令値との乗
算により、電流指令値を計算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システム。
【請求項１８】前記検出回路が、コンパレータからの
出力信号により、アップダウンパルスを発生する位相弁
別回路と、このアップダウンパルスをカウントして角度
情報及び電気位相角情報としてのカウンタ値を出力する
角度カウンタ及び電気位相角カウンタとから構成されて
いることを特徴とする請求項１に記載のステッピングモ
ータシステム。
【請求項１９】前記制御回路が、上記検出回路による
角度情報と位置指令値に基づいて、閉ループによりステ
ッピングモータの回転角度制御を行なうことを特徴とす
る請求項１に記載のステッピングモータシステム。
【請求項２０】ステッピングモータと、ステッピングモータの回転軸に一体的に備えられたリー
ドスクリューと、このリードスクリューに螺合されたナット部材と、ステッピングモータの回転を検出するエンコーダと、上記エンコーダからの出力信号に基づいて、ステッピン
グモータの角度情報，電気位相角情報を検出する検出回
路と、この検出回路からの検出信号に基づいて、電気位相角の
関数である電流波形パターンを生成して、この電流波形
パターンと所望のトルク指令値に対応する駆動電流値を
演算する制御回路と、この駆動電流値によりステッピングモータを駆動する駆
動回路を備えていることを特徴とする直線送り装置。
【請求項２１】複数のレンズ群と、少なくとも一つのレンズ群を光軸方向に移動させるレン
ズ送り機構とを備えている光学レンズシステムにおい
て、レンズ送り機構が、ステッピングモータと、ステッピングモータの回転軸に一体的に備えられたリー
ドスクリューと、このリードスクリューに螺合された移動すべきレンズ群
を支持するナット部材と、ステッピングモータの回転を検出するエンコーダと、上記エンコーダからの出力信号に基づいて、ステッピン
グモータの角度情報，電気位相角情報を検出する検出回
路と、この検出回路からの検出信号に基づいて、電気位相角の
関数である電流波形パターンを生成して、この電流波形
パターンと所望のトルク指令値に対応する駆動電流値を
演算する制御回路と、この駆動電流値によりステッピングモータを駆動する駆
動回路とから構成されていることを特徴とする光学レン
ズシステム。
【請求項２２】移動すべき前記レンズ群が、ズームレ
ンズまたはフォーカシングレンズであることを特徴とす
る請求項２１に記載の光学レンズシステム。
【請求項２３】移動すべき前記レンズ群が、ズームレ
ンズであって、フォーカシングレンズがリニアモータに
よって移動されることを特徴とする請求項２１に記載の
光学レンズシステム。