JP5725766B2 - 駆動装置および光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動装置に関し、特にロータの位置を検出するセンサを有するモータの駆動を制御するモータ駆動装置に関する。

ステッピングモータの駆動を制御する方式として、低速駆動時はオープンループ制御を行い、高速駆動時はフィードバック制御を行うことで幅広い速度での駆動を良好に行うことが可能な方式が提案されている。

図１３には、オープンループ制御とフィードバック制御とを組み合わせた従来の制御方式を示す。図１３において、横軸はステップ数もしくは時間を、縦軸はモータの回転速度もしくは該モータによって駆動される被駆動部材の駆動速度を示す。ｔｐ_１＋ｔｐ_２の期間は加速期間であり、ｔｐ_３は一定速Ｖｃｍが維持される期間であり、ｔｐ_４＋ｔｐ_５の期間は減速期間である。また、ｔｐ_１はオープンループ制御による加速期間、ｔｐ_２はフィードバック制御による加速期間、ｔｐ_４はフィードバック制御による減速期間、ｔｐ_５はオープンループ制御による減速期間である。さらに、Ｐｃ_１はオープンループ制御からフィードバック制御への切り替え点であり、Ｐｃ_２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点である。

加速時には、オープンループ制御により所定速度Ｖｃ_１まで加速した時点でフィードバック制御に切り替えられる。また、減速時には、フィードバック制御により所定速度Ｖｃ_２まで減速した時点でオープンループ制御に切り替えられる。所定速度Ｖｃ_１およびＶｃ_２はいずれも、オープンループ制御下でステッピングモータに脱調が生じない速度以下に設定された速度である。

また、特許文献１には、複数の加減速パターンをメモリに記憶させておき、ステッピングモータを駆動するステップ数（回転量）に応じて、使用する加減速パターンをメモリから読み出す制御方式が開示されている。

特開昭６０−２８８００号公報

しかしながら、図１３に示した制御方式や特許文献１にて開示された制御方式では、オープンループ制御による加速期間ｔｐ_１にて用いられる加速パターンは、そのときにモータに加わる負荷にかかわらず１つに決められる。このため、加速パターンの速度上昇率（図１３のグラフの傾き）は、想定される最も大きい負荷が加わった状態でも脱調が生じることなくモータを駆動できるように低く設定される。つまり、負荷が低い場合には加速パターンの速度上昇率を高くすることができるにもかかわらず、常に低い速度上昇率が設定される。

また、図１３に示すオープンループ制御からフィードバック制御への切り替え点Ｐｃ_１が１つに決められるため、加速パターンの速度上昇率が低いと、切り替え点Ｐｃ_１の駆動速度Ｖｃ_１まで到達するのに時間を要する。これにより、フィードバック制御によるモータの高速駆動タイミングが遅延する。

本発明は、オープンループ制御での加速パターンやオープンループ制御からフィードバック制御への切り替え速度を負荷の大きさに応じて適切に設定できるようにしたモータ駆動装置およびこれを用いた光学機器を提供する。

本発明の一側面としての駆動装置は、外周面が磁化された円筒形状の磁石を有するロータと、前記円筒形状の磁石の前記外周面に対向する第１の磁極部を有する第１のヨークと、前記円筒形状の磁石の前記外周面に対向する第２の磁極部を有する第２のヨークと、前記第１の磁極部を磁化する第１のコイルと、前記第２の磁極部を磁化する第２のコイルと、を備え、被駆動部材を駆動するモータと、前記ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、所定の時間間隔で前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの通電状態を切り替えるオープンループ駆動手段と、前記位置検出手段の出力に基づいて、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの通電状態を切り替えるフィードバック駆動手段と、所定の駆動速度で前記オープンループ駆動手段と前記フィードバック制御手段とを切り替える制御手段と、を有し、前記オープンループ駆動手段は、所定の加速パターンで前記モータを加速させ、前記制御手段は、前記モータに加わる負荷の大きさに応じて前記所定の加速パターンを変更し、かつ前記モータに加わる負荷の大きさに応じて前記所定の駆動速度を変更することを特徴とする。

本発明の他の側面としての光学機器は、外周面が磁化された円筒形状の磁石を有するロータと、前記円筒形状の磁石の前記外周面に対向する第１の磁極部を有する第１のヨークと、前記円筒形状の磁石の前記外周面に対向する第２の磁極部を有する第２のヨークと、前記第１の磁極部を磁化する第１のコイルと、前記第２の磁極部を磁化する第２のコイルと、を備え、レンズを駆動するモータと、前記ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、所定の時間間隔で前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの通電状態を切り替えるオープンループ駆動手段と、前記位置検出手段の出力に基づいて、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの通電状態を切り替えるフィードバック駆動手段と、所定の駆動速度で前記オープンループ駆動手段と前記フィードバック制御手段とを切り替える制御手段と、を有し、前記オープンループ駆動手段は、所定の加速パターンで前記モータを加速させ、前記制御手段は、前記モータに加わる負荷の大きさに応じて前記所定の加速パターンを変更し、かつ前記モータに加わる負荷の大きさに応じて前記所定の駆動速度を変更することを特徴とする。

本発明によれば、負荷の大きさに適した速度上昇率でのモータの加速駆動を行うことができるとともに、オープンループ制御からフィードバック制御への切り替えタイミングの不必要な遅延を回避することができる。

本発明の実施例１であるモータ駆動装置に用いられるモータの分解斜視図。 実施例１のモータ駆動装置に搭載される駆動回路の構成を示すブロック図。 実施例１におけ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視断面図。 実施例１におけるロータ位置とモータトルクとの関係およびロータ位置と各信号値との関係を示す図。 上記駆動回路に含まれる進角回路の構成を示す回路図。 上記駆動回路によるモータのＦＢ駆動を示す軸方向視断面図。 上記進角回路から出力される進角信号が所定の進角αを有する場合のロータの回転角度とモータトルクおよび各信号値との関係を示す図。 実施例１における進角を変えたときのトルクと回転数との関係を示す図。 実施例１における負荷に応じた速度線図。 実施例１におけるフレキシブルプリント基板を取り付けた後のモータの外観図。 実施例１におけるフレキシブルプリント基板を取り付けた後のモータの断面図。 本発明の実施例２である撮像装置の側面図。 従来のオープンループ制御とフィードバック制御とを組み合わせた制御方式の例を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１であるモータ駆動装置１に用いられるステッピングモータとしてのモータ１０１を分解して示している。モータ１０１は、マグネット２０２ａおよびシャフト部２０２ｂを有するロータ２０２と、シャフト部２０２ｂを回転可能に支持する第１の軸受け４０３および第２の軸受け４０４とを有する。マグネット２０２ａは、その外周が多極着磁された円筒形状の永久磁石であり、その周方向位置（回転方向位置）に応じて径方向で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。

また、モータ１０１は、非導電部材で形成されたボビン４０１と、該ボビン４０１に巻かれた第１のコイル２０３と、非導電部材で形成されたボビン４０２と、該ボビン４０２に巻かれた第２のコイル２０４とを有する。また、モータ１０１は、電磁鋼板等により形成された第１のヨーク２０５および第２のヨーク２０６と、ボビン４０１，４０２を位置決めするためのリング部材４０５とを有する。さらに、モータ１０１は、第１のコイル２０３および第２のコイル２０４に通電を行うためのフレキシブルプリント基板４０６を有する。フレキシブルプリント基板４０６におけるロータ２０２周りの２箇所には、図２に示す第１および第２の位置センサ２０７，２０８をパッケージ内に含む位置検出素子４０７が実装される（図１１参照）。

ロータ２０２は、その長軸側の部分が第１の軸受け４０３により、短軸側の部分が第２の軸受け４０４により支持されている。これら第１および第２の軸受け４０３，４０４はそれぞれ、ボビン４０１，４０２に設けられた穴部４０１ａ，４０２ａ（第１および第２のコイル２０３，２０４の内径部）に挿通される。さらに、第１および第２の軸受け４０３，４０４の外径部がそれぞれ、第１および第２のヨーク２０５，２０６の穴部２０５ａ，２０６ａに圧入されて固定される。このとき、第１および第２のヨーク２０５，２０６の歯部２０５ｂ，２０６ｂがそれぞれ、ボビン４０１，４０２に設けられた穴部４０１ｂ，４０２ｂに挿通される。

以上により、第１のコイル２０３を含むボビン４０１と第１のヨーク２０５と第１の軸受け４０３とが一体となり、第２のコイル２０４を含むボビン４０２と第２のヨーク２０６と第２の軸受け４０４とが一体となる。

ボビン４０１，４０２の内径部４０１ｃ，４０２ｃは、リング部材４０５の外径部４０５ａに嵌合する。このとき、第１および第２のヨーク２０５，２０６の歯部２０５ｂ，２０６ｂの先端付近が、ロータ２０２のマグネット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に形成された穴部４０６ａ，４０６ｂには、ボビン４０１，４０２に設けられた端子部４０１ｄ，４０２ｄがそれぞれ挿通される。端子部４０１ｄ，４０２ｄにはそれぞれ、第１および第２のコイル２０３，２０４の巻き線の端部が巻き付けられる。

また、穴部４０６ｃ，４０６ｄにはそれぞれ、第１および第２のヨーク２０５，２０６に設けられた突起部２０５ｃ，２０６ｃがそれぞれ挿通される。

図１０には、組み立て状態のモータ１０１およびフレキシブルプリント基板４０６を示す。フレキシブルプリント基板４０６の穴部４０６ａ〜４０６ｄに挿通された端子部４０１ｄ，４０２ｄおよび突起部２０５ｃ，２０６ｃは、フレキシブルプリント基板４０６に半田付けされる。これにより、フレキシブルプリント基板４０６と端子部４０１ｄ，４０２ｄに巻かれた第１および第２のコイル２０３，２０４の巻き線の端部とが電気的に接続される。また、フレキシブルプリント基板４０６が、第１および第２のヨーク２０５，２０６の突起部２０５ｃ，２０６ｃに固定される。

前述した位置検出素子４０７は、フレキシブルプリント基板４０６に形成された折り曲げ部４０６ｅに実装される。そして、位置検出素子４０７は、図１１に示すように、該位置検出素子４０７のセンサ面がロータ２０２のマグネット面に対向するようにリング部材４０５に設けられた収納部４０５ｂ内に配置される。このとき、位置検出素子４０７のパッケージ面４０７ａは、収納部４０５ｂの端面４０５ｂ−１に当接する。

フレキシブルプリント基板４０６のうち端子部４０１ｄ，４０２ｄの間の基板面（半田付け面とは反対側の面）４０６ｆと折り曲げ部４０６ｅのうち位置検出素子４０７の実装面とは反対側の基板面４０６ｇとの間には、弾性部材４０８が配置されている。つまり、位置検出素子４０７と基板面４０６ｆと基板面４０６ｇと弾性部材４０８とが、端子部４０１ｄ，４０２ｄの間において積層される。図１１中の矢印方向に加圧して弾性部材４０８を圧縮した状態で端子部４０１ｄ，４０２ｄをフレキシブルプリント基板４０６に半田付けする。これにより、弾性部材４０８の復元力が位置検出素子４０７のパッケージ面４０７ａをリング部材４０５の収納部４０５ｂの端面に圧接させる。このため、位置検出素子４０７はリング部材４０５の収納部４０５ｂに対して位置決めされるとともに、半田付け後の位置検出素子４０７の位置ずれが防止される。

収納部４０５ｂに対する位置決めと位置ずれ防止とがなされることにより、ロータ２０２の各回転位置に対する位置センサ２０７，２０８の出力の変動を抑えることができ、ロータ２０２の回転位置を正確に検出することができる。

図２には、モータ駆動装置１の構成を示している。モータ駆動装置１は、前述したモータ１０１と、該モータ１０１に含まれる２つの位置センサ２０７，２０８の出力を処理する位置センサ信号処理回路３０１と、フィードバック制御およびオープンループ制御のうちいずれかを選択する制御部３０２とを有する。

また、モータ駆動装置１は、フィードバック制御によるモータ１０１の駆動を行うフィードバック駆動回路３０３と、オープンループ制御によるモータ１０１の駆動を行うオープンループ駆動回路３０４とを有する。フィードバック駆動回路３０３およびオープンループ駆動回路３０４はそれぞれ、フィードバック制御およびオープンループ制御のためのモータ駆動信号を生成してモータドライバ３０５に出力する。モータドライバ３０５は、入力されたモータ駆動信号に応じてモータ１０１の第１および第２のコイル２０３，２０４への通電を行う。

制御部３０２、フィードバック駆動回路３０３、オープンループ駆動回路３０４およびモータドライバ３０５により制御手段が構成される。

次に、オープンループ制御によるモータ１０１の駆動（以下、ＯＰ駆動という）について説明する。

オープンループ駆動回路３０４は、モータドライバ３０５を介してモータ１０１のＯＰ駆動を行う。ＯＰ駆動は、所定の時間間隔にて第１および第２のコイル２０３，２０４の通電状態を切り替える駆動方法である。具体的には、オープンループ駆動回路３０４は、制御部３０２から指令された駆動パルス間隔（駆動周波数）と回転方向に応じて第１および第２のコイル２０３，２０４の通電状態を順次切り替える。これにより、ロータ２０２を、指令駆動周波数に応じた速度で指令回転方向に回転させる。これをＯＰ速度制御ともいう。また、オープンループ駆動回路３０４は、制御部３０２から指令された駆動パルス数に応じた角度だけロータ２０２を回転させるよう第１および第２のコイル２０３，２０４の通電状態を切り替える。これを、ＯＰ位置制御ともいう。

このように所定の時間間隔（駆動パルス間隔）にて第１および第２のコイル２０３，２０４の通電状態を切り替えるＯＰ駆動では、位置検出素子４０７の検出結果の影響を受けずにコイル通電状態の切り替えタイミングを制御することができる。しかし、モータ１０１の駆動速度を速く（駆動パルス間隔を短く）すると、コイル通電状態の切り替えに対してロータ２０２が応答できなくなり、脱調を起こす可能性が高まる。このため、駆動パルス間隔の短さに制限を設ける必要があり、この結果、モータ１０１の高速駆動が制限される。

次に、フィードバック制御によるモータ１０１の駆動（以下、ＦＢ駆動という）について説明する。

フィードバック駆動回路３０３は、モータドライバ３０５を介してモータ１０１のＦＢ駆動を行う。ＦＢ駆動は、位置検出素子４０７の出力に応じて第１および第２のコイル２０３，２０４の通電状態を切り替える駆動方法である。具体的には、フィードバック駆動回路３０３は、制御部３０２から指令された駆動パルス数と回転方向および位置検出素子４０７から出力された検出信号から生成される進角信号に応じて、第１および第２のコイル２０３，２０４の通電状態を順次切り替える。これにより、ロータ２０２を、指令駆動パルス数に対応する角度だけ指令回転方向に回転させることができる。これをＦＢ位置制御ともいう。

また、第１および第２のコイル２０３，２０４に供給する電流値または電圧値を制御することで、ロータ２０２を該電流値または電圧値に応じたトルクで回転させることが可能である。これをＦＢ電流/電圧制御ともいう。さらに、位置検出素子４０７からの検出信号と上述した進角信号との位相差（進角）を制御することで、モータ１０１のトルク−回転数特性を変化させることができる。これをＦＢ進角制御ともいう。進角制御については後述する。

このように位置検出素子４０７の出力に応じて第１および第２のコイル２０３，２０４の通電状態を切り替えるＦＢ駆動では、通電状態の切り替えがロータ２０２の回転位置に合わせて行われる。このため、ロータ２０２の応答遅れによる脱調の発生を低減でき、モータ１０１の高速駆動が可能である。

次に、図３を用いてモータ１０１における第１および第２のヨーク２０５，２０６と位置センサ２０７，２０８の位相関係について説明する。図中での時計回り方向を正の方向とする。２０５Ａ〜２０５Ｄは、図１に２０５ｂで示した第１のヨーク２０５の磁極歯であり、２０６Ａ〜２０６Ｄは第２のヨーク２０６の磁極歯である。本実施例では、マグネットの極数は８極であり、着磁角Ｐは４５°である。また、第１のヨーク２０５を基準とすると、第２のヨーク２０６の位相Ｐ／２は−２２．５°であり、第１の位置センサ２０７の位相β１は＋２２．５°であり、第２のセンサ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、ロータ２０２のマグネット２０２ａが発生する磁力の１周期を３６０°として表したものであり、マグネット２０２ａの極数をＭとし、実際の角度をθ_０とすると、電気角θは以下の式で表せる。
θ＝θ_０×Ｍ／２ （式１−１）
第１のヨーク２０５と第２のヨーク２０６の位相差、第１の位置センサ２０７と第２の位置センサ２０８の位相差および第１のヨーク２０５と第１の位置センサ２０７の位相差は全て電気角で９０°である。なお、図３には、第１のヨーク２０５の磁極歯２０５Ａ〜２０５Ｄの中心とマグネット２０２ａのＮ極の中心とが径方向にて対向している。この状態をロータ２０２の初期状態とし、電気角を０°とする。

ここで、モータ１０１におけるロータ２０２の回転位置とモータトルクとの関係、およびロータ２０２の回転位置と各信号値との関係について、図４を用いて説明する。図４（Ａ）には、ロータの回転位置（角度）とモータトルクとの関係を示している。横軸は電気角を、縦軸はモータトルクを示す。モータトルクは、ロータ２０２を時計回り方向に回転させるトルクを正とする。

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、マグネット２０２ａの磁極との間に電磁気力が発生する。また、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、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、ロータ２０２の回転に伴って、トルク曲線Ａ＋Ｂ＋で示す正弦波状のトルクが得られる。他の通電状態においても、同様に、トルク曲線Ａ＋Ｂ−，Ａ−Ｂ−，Ａ−Ｂ＋で示す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°の位相をもって配置されるため、４つのトルクは互いに電気角で９０°の位相差を持っている。

図４（Ｂ）には、ロータ２０２の回転位置と各信号値との関係を示している。横軸は電気角を、縦軸は各信号の出力を示す。マグネット２０２ａの径方向の磁力の強さは、電気角に対しておおよそ正弦波状になる。このため、第１の位置センサ２０７からは、正弦波状の位置センサ信号Ａが得られる。なお、本実施例では、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の信号値を出力する。

また、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ているため、第２の位置センサ２０８からは余弦波状の位置センサ信号Ｂが得られる。なお、本実施例では、第２の位置センサ２０８は、第１の位置センサ２０７に対して極性を反転してあるため、マグネット２０２ａのＳ極と対向するときに正の信号値を出力する。

次に、フィードバック駆動回路３０３の一部である進角回路について説明する。進角回路は、位置センサ信号処理回路３０１にて処理された第１の位置センサ２０７の出力と第２の位置センサ２０８の出力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について説明する。

電気角をθとすると、第１の位置センサ２０７の出力ＨＥ１と、第２の位置センサ２０８の出力ＨＥ２は次のように表される。
ＨＥ１＝ｓｉｎθ
ＨＥ２＝ｃｏｓθ （式２−１）
また、進角αだけ進めた第１の進角信号をＰＳ１とし、進角αだけ進めた第２の進角信号をＰＳ２とすると、ＰＳ１，ＰＳ２はそれぞれ、ＨＥ１，ＨＥ２，αを用いて、以下の演算式により算出される。本実施例では、これらの演算式に基づいて進角回路を構成している。
ＰＳ１＝ｓｉｎ（θ＋α）＝ＨＥ１×ｃｏｓα＋ＨＥ２×ｓｉｎα （式３−１）
ＰＳ２＝ｃｏｓ（θ＋α）＝ＨＥ２×ｃｏｓα−ＨＥ１×ｓｉｎα （式３−２）
図５には、進角回路のアナログ回路による構成例を示している。進角回路では、まず第１および第２の位置センサ２０７，２０８の出力を所定の増幅率Ａだけ増幅した信号と、それらを反転させた信号とを生成する（Ａｓｉｎθ，Ａｃｏｓθ，−Ａｓｉｎθ，−Ａｃｏｓθ）。次に、これらの信号に適切な抵抗値Ｒ１，Ｒ２を乗じた上で互いに加算することにより、進角信号を生成する。第１の進角信号ＰＳ１および第２の進角信号ＰＳ２は次のように表される。
ＰＳ１＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｓｉｎθ＋Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｃｏｓθ （式４−１）
ＰＳ２＝Ａ×（Ｒ／Ｒ１）×ｃｏｓθ−Ａ×（Ｒ／Ｒ２）ｓｉｎθ （式４−２）
可変抵抗Ｒ，Ｒ１，Ｒ２を次のように選ぶことで、任意の進角αだけ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５−１）
さらに、第１の進角信号ＰＳ１と第２の進角信号ＰＳ２に対してコンパレータを用いて２値化した２値化信号を出力する。

以上説明した進角信号の生成方法は例に過ぎず、これ以外の方法、例えば上記演算をデジタル回路により行う方法で進角信号を生成してもよいし、高分解能のエンコーダを用いて通電状態を切り替えるパルス間隔を調整することで進角信号を生成してもよい。

次に、ＦＢ駆動における通電状態の切り替えについて説明する。まず、進角回路から出力される進角信号が有する進角が０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、進角信号Ａと進角信号Ｂは、第１の位置センサ２０７の出力である位置センサ信号Ａと第２の位置センサ２０８の出力である位置センサ信号Ｂに対して前述した演算を行って進角を与えた信号に相当する。ここでは、進角が０の場合を示しているため、位置センサ信号Ａと進角信号Ａは互いに一致し、位置センサ信号Ｂと進角信号Ｂは互いに一致している。２値化信号Ａと２値化信号Ｂは、進角信号Ａと進角信号Ｂに対してコンパレータを用いて２値化を行った信号である。

ＦＢ駆動では、２値化信号Ａに基づいて第１のコイル２０３の通電状態を切り替え、２値化信号Ｂに基づいて第２のコイル２０４の通電状態を切り替える。すなわち、２値化信号Ａが正の値を示すときは第１のコイル２０３に正方向の電流を流し、負の値を示すときは第１のコイル２０３に負方向（逆方向）の電流を流す。また、２値化信号Ｂが正の値を示すときは第２のコイル２０４に正方向の通電を流し、負の値を示すときは第２のコイル２０４に負方向の通電を流す。

図６には、ＦＢ駆動でのモータ１０１の状態を示している。図６（ａ）はロータ２０２が初期状態から電気角１３５°だけ回転した状態を示している。この状態において、各進角信号は、図４（Ｂ）中の（ａ）で示す値を有し、２値化信号Ａは正の値を、２値化信号Ｂは負の値をそれぞれ有する。したがって、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）中の（ａ）で示すように、トルク曲線Ａ＋Ｂ−で表される正のトルクがロータ２０２に作用し、ロータ２０２は図６における時計回り方向に回転する。

図６（ｂ）はロータ２０２が初期状態から電気角１８０°だけ回転した状態を示している。この状態において、第１の位置センサ２０７はマグネット２０２ａのＮ極とＳ極の境界に位置する。このため、図４（Ｂ）の（ｂ）に示すように、電気角１８０°を境として２値化信号Ａは正の値から負の値に切り換わり、第１のコイル２０３の通電方向が正方向から負方向へと切り換わる。この電気角は、トルク曲線Ａ＋Ｂ−とトルク曲線Ａ−Ｂ−との交点の電気角と一致する。

図６（ｂ′）は図６（ｂ）と同じロータ２０２の回転位置において第１のコイル２０３の通電方向が切り換わった後の状態を示している。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にも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）中の（ｂ）で示すように、トルク曲線Ａ−Ｂ−で表される正のトルクがロータ２０２に作用し、ロータ２０２は図６における時計回り方向に回転する。

図６（ｃ）はロータ２０２が初期状態から電気角２２５°だけ回転した状態を示している。各進角信号は、図４（Ｂ）の（ｃ）に示した値を有し、２値化信号Ａは負の値を、２値化信号Ｂも負の値を有する。したがって、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にも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）中の（ｃ）で示すように、トルク曲線Ａ−Ｂ−で表される正のトルクがロータ２０２に作用し、ロータ２０２は図６における時計回り方向に回転する。

図６（ｄ）はロータ２０２が初期状態から電気角２７０°だけ回転した状態を示している。この状態において、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。このため、電気角２７０°を境として２値化信号Ｂは負の値から正の値に切り換わり、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＋との交点の電気角と一致する。

図６（ｄ′）は図６（ｄ）と同じロータ２０２の回転位置において第２のコイル２０４の通電方向が切り換わった後の状態を示している。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）中の（ｄ）で示すように、トルク曲線Ａ−Ｂ＋で表される正のトルクがロータ２０２に作用し、ロータ２０２は図６における時計回り方向に回転する。

以上の動作を繰り返すことで、ロータ２０２を連続的に同じ方向に回転させることが可能となる。また、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、ロータ２０２を逆方向に回転させることができる。

次に、進角回路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ＦＢ駆動の動作を説明する。図７（Ａ）は、進角信号が所定の進角αを有する場合のロータ２０２の回転位置とモータトルクとの関係を示し、図７（Ｂ）は同場合のロータ２０２の回転位置と各信号値との関係を示している。

図７（Ｂ）において、横軸は電気角を、縦軸は各信号値を示す。この図において、位置センサ信号Ａに対して進角信号Ａが進角αだけ進んでいる。同様に、位置センサ信号Ｂに対して進角信号Ｂが進角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の通電状態を切り替え、２値化信号Ｂに基づいて第２のコイル２０４の通電状態を切り替えるため、各コイルの通電状態の切り替えタイミングは、進角が０の場合に比べて進角αだけ早いことになる。

図８には、進角を変えたときのモータ１０１のトルクと回転数との関係を示している。横軸はモータ１０１のトルクを、縦軸はモータ１０１の回転数を示している。このグラフから、モータ１０１は、進角に応じてトルクと回転数との関係が変化する特性を有することが分かる。この特性を用いて、ＦＢ駆動では、駆動条件によって進角を変える進角制御を行う。一定の負荷条件下でＦＢ駆動を行う場合、進角を制御することで、駆動速度を制御することも可能である。

次に、負荷の大きさに応じたモータ１０１の駆動開始（起動）から目標位置までの制御について説明する。ＯＰ駆動とＦＢ駆動とを組み合わせてモータ１０１の駆動を制御することによって、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させることができ、しかも通常のステッピングモータよりも高速に目標位置に到達させることができる。さらに、モータ１０１に加わる負荷の大きさに応じてＯＰ駆動時の加速パターン（所定加速パターン）とＯＰ駆動からＦＢ駆動への切り替え速度（所定速度）を変更することによって、モータ１０１を負荷に応じた速度で良好に駆動できる。以下、その詳細について説明する。

図９には、モータ１０１に加わる負荷に応じたモータ１０１の駆動速度の制御例を示している。図９（ａ）は、負荷が小さいときの駆動速度の制御例を、図９（ｂ）は負荷が大きいときの駆動速度の制御例を示している。これらの図において、横軸は駆動時間を、縦軸はモータ１０１（またはモータ１０１により駆動される不図示の被駆動部材）の駆動速度を示す。ｔ_１＋ｔ_２の期間は加速期間であり、ｔ_３は一定速Ｖｃｍが維持される期間である。また、ｔ_４＋ｔ_５の期間は減速期間である。さらに、ｔ_１はＯＰ駆動の加速期間であり、ｔ_２はＦＢ駆動の加速期間である。ｔ_４はＦＢ駆動の減速期間であり、ｔ_５はＯＰ駆動の減速期間である。

Ｐ_１は、ＯＰ駆動からＦＢ駆動への切り替え点であり、Ｐ_２はＦＢ駆動からＯＰ駆動への切り替え点である。制御部３０２は、加速時においては、ＯＰ駆動によってモータ１０１の駆動速度が第１の所定速度Ｖ_１に達することに応じてＦＢ駆動に切り替える。また、制御部３０２は、減速時においては、ＦＢ駆動によってモータ１０１の駆動速度が第２の所定速度Ｖ_２まで低下したことに応じてＯＰ駆動に切り替える。第１および第２の所定速度Ｖ_１，Ｖ_２はいずれも、ＯＰ駆動で脱調しない速度以下の駆動速度であり、本実施例ではＶ_１＜Ｖ_２である。

図９（ｂ）において、ｔ_１′＋ｔ_２′の期間は加速期間であり、ｔ_３′は一定速Ｖｃｍ′が維持される期間である。ｔ_４′＋ｔ_５′の期間は減速期間である。また、ｔ_１′はＯＰ駆動の加速期間であり、ｔ_２′はＦＢ駆動の加速期間である。ｔ_４′はＦＢ駆動の減速期間であり、ｔ_５′はＯＰ駆動の減速期間である。Ｐ_１′はＯＰ駆動からＦＢ駆動への切り替え点であり、Ｐ_２′はＦＢ駆動からＯＰ駆動への切り替え点である。制御部３０２は、加速時においては、ＯＰ駆動によってモータ１０１の駆動速度が第１の所定速度Ｖ_１′に達することに応じてＦＢ駆動に切り替える。また、制御部３０２は、減速時においては、ＦＢ駆動によってモータ１０１の駆動速度が第２の所定速度Ｖ_２′まで低下したことに応じてＯＰ駆動に切り替える。第１および第２の所定速度Ｖ_１′，Ｖ_２′はいずれも、ＯＰ駆動で脱調しない速度以下の駆動速度であり、本実施例ではＶ_１′＜Ｖ_２′である。

図９（ａ）と図９（ｂ）を比較すると、ＯＰ駆動による加速期間の一部であるｔ_１とｔ_１′にて違いがある。負荷が大きいとき（図９（ｂ））は、負荷が小さいとき（図９（ａ））と比べて、駆動時間に対する駆動速度の上昇率（図９（ａ），（ｂ）のグラフの傾き：以下、速度上昇率という）が小さく、緩やかに加速する加速パターンが用いられている。すなわち、ｔ_１＜ｔ_１′である。

これは、大きな駆動トルクで低速で緩やかに加速駆動を行えば、負荷が大きいとき脱調を生じることなく安定的にモータ１０１を加速することができるためである。

一方、負荷が小さいとき（図９（ａ））は、負荷が大きいとき（図９（ｂ））と比べて、速度上昇率が大きく、急速に加速する加速パターンが用いられている。これは、負荷が小さいために、必要なモータトルクも小さく、急加速を行ってもモータ１０１の正常な駆動が可能だからである。これにより、脱調が生じない範囲でできるだけ早くＦＢ駆動に切り替えることが可能となり、その結果、加速時間を短縮して目標位置に到達するまでに要する時間を少なくすることができる。

次に、図９（ａ）と図９（ｂ）を比較すると、ＯＰ駆動からＦＢ駆動への切り替え点Ｐ_１，Ｐ_１′で違いがある。負荷が大きいとき（図９（ｂ））の切り替え点Ｐ_１′での切り替え速度Ｖ_１′は、負荷が小さいとき（図９（ａ））の切り替え点Ｐ_１での切り替え速度Ｖ_１よりも低い（Ｖ_１′＜Ｖ_１）。これは、負荷が大きい場合の方が脱調限界の速度が低いためである。これにより、脱調が生じることなくＦＢ駆動への安定的な切り替えが可能となる。

このように、本実施例では、負荷の大きさに応じてＯＰ駆動時の加速パターンおよびＯＰ駆動からＦＢ駆動への切り替え速度を変更することで、負荷の状況に応じたモータ駆動を行うことができる。

負荷の大きさに応じて加速パターンおよび切り替え速度を変更する場合に必要となる基準となる加速パターンおよび切り替え速度については、種々の設定方法が考えられる。例えば、モータ１０１を常温時に想定される負荷範囲（所定値：以下、基準負荷範囲という）で駆動するときの加速パターンと切り替え速度を基準とする。

そして、基準負荷範囲より大きい負荷が生じる場合は、使用する加速パターンを基準加速パターンよりも速度上昇率が低い加速パターンに変更するとともに、使用する切り替え速度を基準切り替え速度より低い切り替え速度に変更する。言い換えれば、負荷の大きさが基準負荷範囲より大きい場合は、該負荷が該基準負荷範囲より小さい場合に比べて、使用する加速パターンにおけるモータ１０１の速度上昇率を低くするとともに、使用する切り替え速度を低くする。

また、基準負荷範囲より小さい負荷しか生じない場合は、使用する加速パターンを基準加速パターンよりも速度上昇率が高い加速パターンに変更するとともに、使用する切り替え速度を基準切り替え速度より高い切り替え速度に変更する。言い換えれば、負荷の大きさが基準負荷範囲より小さい場合は、該負荷が該基準負荷範囲より大きい場合に比べて、使用する加速パターンにおけるモータ１０１の速度上昇率を高くするとともに、使用する切り替え速度を高くする。

また、常温よりも高い温度や低い温度で想定される負荷範囲を基準負荷範囲とし、該基準負荷範囲で駆動するときの基準加速パターンと基準切り替え速度を定めてもよい。

さらに、ある駆動回数を基準として、その駆動回数を越えた場合は、使用する加速パターンを基準加速パターンよりも速度上昇率が低い加速パターンに変更するとともに、使用する切り替え速度を基準切り替え速度より低い切り替え速度に変更するようにしてもよい。

使用する加速パターンの設定（変更）方法としては、以下のようなものがある。１つは、制御部３０２内に設けられた不図示のメモリに速度上昇率と切り替え速度が異なる複数の加速パターンを記憶しておき、制御部３０２が、負荷の大きさに応じてメモリから１つの加速パターンと切り替え速度を選択する方法である。また、制御部３０２が、負荷の大きさに応じて随時、加速パターンおよび切り替え速度を演算して設定する方法もある。

ここで、負荷が大きいときと小さいときとは、例えば以下のような場合が考えられる。まず、負荷の大きさが予め分かっている場合と予め分かっていない場合がある。

負荷の大きさが予め分かっている場合としては、モータ１０１により駆動される被駆動部材の駆動領域において、設計的に負荷の大小が分かっている場合が考えられる。例えば、カメラにおけるレンズ鏡筒（被駆動部材）の繰り出しや繰り込み時に該レンズ鏡筒を駆動するカムにおいて、レンズ鏡筒の駆動負荷が大きいカム領域と小さいカム領域とがある。また、被駆動部材を備えた装置の姿勢によって、被駆動部材を駆動する際の該被駆動部材の自重の影響により負荷の大きさが変化する。また、温度によって被駆動部材の摺動部分に発生する摩擦や潤滑油等の粘度の変化による負荷の変化も考えられる。さらに、モータの回転力を減速機を介して被駆動部材に伝達する機構において、モータの回転方向（駆動方向）が反転した際にバックラッシがあるときとないときとで負荷が変化する（バックラッシがない方が負荷が大きい）。

このように、負荷の大きさが、モータまたは被駆動部材の駆動領域、装置の姿勢、温度および駆動方向に応じて変化する場合は、これらのパラメータに応じて加速パターンおよび切り替え速度を変更すればよい。また、負荷の大きさが、モータまたは被駆動部材の駆動量の累積値に応じて変化する場合には、該駆動量の累積値に応じて加速パターンおよび切り替え速度を変更すればよい。

一方、負荷の大きさが予め分かっていない場合としては、例えば、被駆動部材に外乱が加わる場合がある。この場合は、一時的に負荷が増大する。また、駆動回数や経年変化によるモータおよび被駆動部材の摺動部分の摩擦の変化がある。この場合は、使用する環境や駆動条件によって摺動部の状態が異なり、永続的に初期状態よりも負荷が大きくなることが考えられる。

外乱等、想定外の負荷が生じた場合や装置の初期状態から負荷が増加した場合は、負荷を検出し、該検出された負荷に応じて加速パターンや切り替え速度を変更すればよい。負荷の検出は、例えば、ＯＰ駆動によるモータ１０１の起動時の電圧印加タイミングと位置検出素子４０７または被駆動部材の移動量を検出する素子からの出力との関係を監視することで行える。例えば、ＯＰ駆動による起動時における印加電圧の立ち上がりタイミングから、位置検出素子４０７や被駆動部材の移動量を検出する素子によってロータ２０２や被駆動部材が所定量駆動されたことが検出されるまでの遅れ時間から、負荷の大きさを推測できる。つまり、負荷が大きい場合は遅れ時間が長くなり、負荷が小さい場合は遅れ時間が短くなる。

そして、遅れ時間が所定時間内であれば負荷が小さいと判定し、ＯＰ駆動時の加速パターンとして速度変化率が大きい加速パターンを使用するとともに、負荷が大きい場合よりも高い切り替え速度でＦＢ駆動への切り替えを行う。一方、遅れ時間が所定時間より長い場合は負荷が大きいと判定し、ＯＰ駆動時の加速パターンとして速度変化率が小さい加速パターンを使用するとともに、負荷が小さい場合よりも低い切り替え速度でＦＢ駆動への切り替えを行う。

以上説明したように、本実施例では、モータ１０１に作用する負荷の大きさに応じてＯＰ駆動時の加速パターンを変更し、かつＯＰ駆動からＦＢ駆動への切り替え速度を変更する。これにより、負荷が大きいときのモータ１０１の安定的な加速駆動と、負荷が小さいときのモータ１０１のより高速での加速駆動の双方を実現することができる。

ただし、本発明においては、負荷の大きさと加速パターンにおける速度上昇率およびＯＰ駆動からＦＢ駆動への切り替え速度との関係は、上記関係に限られず、モータ駆動装置を適用する光学機器等の装置に応じて自由に選択することができる。

図１２には、実施例１で説明したモータ駆動装置を備えた光学機器としての撮像装置（デジタルカメラ）を示す。

図１２（ａ）は、ズームレンズ鏡筒３２が撮像装置の本体３１に対して格納される格納位置にある状態を示している。図１２（ｂ）は、ズームレンズ鏡筒３２が格納位置から本体３１に対して突出した撮影スタンバイ位置（本実施例では、ワイド端位置とする）にある状態を示している。さらに、図１２（ｃ）は、ズームレンズ鏡筒３２が本体３１に対してワイド端位置よりもさらに突出したテレ端位置にある状態を示す。３４はＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子であり、３３は本体３１の背面に設けられた液晶モニタ等の表示部である。

ズームレンズ鏡筒３２は、撮像装置の電源遮断状態から電源が投入されることに応じて、実施例１で説明したモータ１０１に相当するモータ１からの駆動力によって、格納位置からワイド端位置にスタンバイ駆動される。そして、本体３１に設けられた不図示のズームスイッチが操作されることに応じて、ズームレンズ鏡筒３２はワイド端位置とテレ端位置との間の撮影可能位置に伸縮駆動される。また、撮像装置の電源投入状態から電源が遮断されることに応じて、ズームレンズ鏡筒３２は、モータ１からの駆動力によって撮影可能位置から格納位置に駆動される。

ズームレンズ鏡筒３２内では、モータ１の駆動力によって不図示のカム筒が回転駆動され、該カム筒に形成されたカムによってズームレンズ鏡筒３２の伸縮駆動とズームレンズ鏡筒３２内での不図示のレンズの移動が行われる。このようなカム機構によって、ズームレンズ鏡筒３２は、格納位置とワイド端位置とテレ端位置との間で伸縮駆動（ズーム駆動）される。

上記カム機構において、格納位置とワイド端位置付近との間の領域ではカム筒の回転方向に対するカムの傾斜角が小さい。この領域ではズームレンズ鏡筒３２の伸縮量が小さいため、モータ１の負荷も小さい領域である。これに対して、ワイド端とテレ端との間の領域では、カム筒の回転方向に対するカムの傾斜角が大きく、ズームレンズ鏡筒３２の伸縮量が大きいため、モータ１の負荷も大きい領域である。

このようなカム機構が採用されている場合においては、格納位置とワイド端位置との間では基準加速パターンよりも速度上昇率が高い加速パターンを使用し、かつ基準切り替え速度よりも高い切り替え速度を設定するとよい。また、ワイド端位置とテレ端位置との間では、基準加速パターンよりも速度上昇率が低い加速パターンを使用し、かつ基準切り替え速度よりも低い切り替え速度を設定するとよい。

このように、モータ１に加わる負荷の大きさに応じてＯＰ駆動における加速パターンとＦＢ駆動への切り替え速度を変更することで、電源投入後のスタンバイ駆動を高速に行わせることができるとともに、ズーム駆動をスムーズに行わせることができる。

なお、本実施例では、撮像装置におけるレンズ鏡筒の駆動にモータを用いる場合について説明したが、本発明のモータ駆動装置は、撮像装置におけるレンズ鏡筒以外の被駆動部材の駆動や、撮像装置以外の光学機器における被駆動部材の駆動にも用いることができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

幅広い負荷範囲で安定的にモータを駆動可能なモータ駆動装置およびこれを備えた光学機器を提供できる。

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

Claims (11)

1. 外周面が磁化された円筒形状の磁石を有するロータと、前記円筒形状の磁石の前記外周面に対向する第１の磁極部を有する第１のヨークと、前記円筒形状の磁石の前記外周面に対向する第２の磁極部を有する第２のヨークと、前記第１の磁極部を磁化する第１のコイルと、前記第２の磁極部を磁化する第２のコイルと、を備え、被駆動部材を駆動するモータと、
   前記ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、
   所定の時間間隔で前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの通電状態を切り替えるオープンループ駆動手段と、
   前記位置検出手段の出力に基づいて、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの通電状態を切り替えるフィードバック駆動手段と、
   所定の駆動速度で前記オープンループ駆動手段と前記フィードバック駆動手段とを切り替える制御手段と、を有し、
   前記オープンループ駆動手段は、所定の加速パターンで前記モータを加速させ、
   前記制御手段は、前記モータに加わる負荷の大きさに応じて前記所定の加速パターンを変更し、かつ前記モータに加わる負荷の大きさに応じて前記所定の駆動速度を変更することを特徴とする駆動装置。
2. 前記モータに加わる負荷の大きさが基準負荷範囲より大きい場合は、前記所定の駆動速度を基準駆動速度より小さくし、
   前記モータに加わる負荷の大きさが基準負荷範囲より小さい場合は、前記所定の駆動速度を基準駆動速度より大きくすることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記モータに加わる負荷の大きさが基準負荷範囲より大きい場合は、前記所定の加速パターンの速度上昇率を基準加速パターンの速度上昇率より小さくし、
   前記モータに加わる負荷の大きさが基準負荷範囲より小さい場合は、前記所定の加速パターンの速度上昇率を基準加速パターンの速度上昇率より大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
4. 前記モータに加わる負荷の大きさは、前記モータまたは前記被駆動部材の駆動領域に応じて変化することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の駆動装置。
5. 前記モータに加わる負荷の大きさは、前記駆動装置の姿勢に応じて変化することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の駆動装置。
6. 前記モータに加わる負荷の大きさは、前記モータの駆動方向に応じて変化することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の駆動装置。
7. 前記モータに加わる負荷の大きさは、前記オープンループ駆動手段が前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの通電状態を切り替えるタイミングから前記位置検出手段が前記ロータの回転を検出するタイミングまでの遅延時間に基づいて推測することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の駆動装置。
8. 外周面が磁化された円筒形状の磁石を有するロータと、前記円筒形状の磁石の前記外周面に対向する第１の磁極部を有する第１のヨークと、前記円筒形状の磁石の前記外周面に対向する第２の磁極部を有する第２のヨークと、前記第１の磁極部を磁化する第１のコイルと、前記第２の磁極部を磁化する第２のコイルと、を備え、レンズを駆動するモータと、
   前記ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、
   所定の時間間隔で前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの通電状態を切り替えるオープンループ駆動手段と、
   前記位置検出手段の出力に基づいて、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルの通電状態を切り替えるフィードバック駆動手段と、
   所定の駆動速度で前記オープンループ駆動手段と前記フィードバック駆動手段とを切り替える制御手段と、を有し、
   前記オープンループ駆動手段は、所定の加速パターンで前記モータを加速させ、
   前記制御手段は、前記モータに加わる負荷の大きさに応じて前記所定の加速パターンを変更し、かつ前記モータに加わる負荷の大きさに応じて前記所定の駆動速度を変更することを特徴とする光学機器。
9. 前記モータに加わる負荷の大きさが基準負荷範囲より大きい場合は、前記所定の駆動速度を基準駆動速度より小さくし、
   前記モータに加わる負荷の大きさが基準負荷範囲より小さい場合は、前記所定の駆動速度を基準駆動速度より大きくすることを特徴とする請求項８に記載の光学機器。
10. 前記モータに加わる負荷の大きさが基準負荷範囲より大きい場合は、前記所定の加速パターンの速度上昇率を基準加速パターンの速度上昇率より小さくし、
    前記モータに加わる負荷の大きさが基準負荷範囲より小さい場合は、前記所定の加速パターンの速度上昇率を基準加速パターンの速度上昇率より大きくすることを特徴とする請求項８または９に記載の光学機器。
11. 前記モータに加わる負荷の大きさは、前記レンズの駆動領域に応じて変化することを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の光学機器。