JP6100561B2 - モータ駆動回路、およびその駆動方法、それを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、ステッピングモータの駆動技術に関する。

デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ディスク装置、プリンタ、コピー機などの電子機器において、レンズやピックアップ、ヘッド等の可動部品の位置調節、紙送り用ローラの駆動などにステッピングモータが多く用いられている。ステッピングモータは、外部から印加されたステップパルス信号に同期して回転する同期モータであり、起動、停止、位置決めに優れた制御性を持っている。さらにステッピングモータは、オープンループでの制御が可能であり、またデジタル信号処理に適するという特性を有する。

特開平９−１０３０９６号公報 特開２００４−１２０９５７号公報 特開２０００−１８４７８９号公報 特開２００４−１８０３５４号公報

通常状態において、ステッピングモータのロータは、ステップパルス信号と同期して回転する。ところが、過負荷や急な速度変化が生ずると、ステップパルス信号とロータの回転との同期が失われる。これを脱調という。ひとたび脱調すると、その後、ステッピングモータを正常に駆動するために特別な処理が必要となるため、脱調を防止することが望まれる。

この問題を解決するために、多くの場合、想定される最大の負荷にマージンを設けた過大な出力トルクが得られるように、モータ駆動回路を設計することになるが、電力損失が大きくなる。またロータの位置を検出するためにセンサを用いたり、Ａ／Ｄコンバータなどの大規模のデジタル演算回路を用いたベクトル制御では、部品点数の増加に伴うコスト増大と、ロジック面積増大という問題がある。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、脱調の予兆を検出可能なステッピングモータの駆動回路の提供にある。

本発明のある態様は、ステッピングモータの駆動回路に関する。モータ駆動回路は、ステップパルス信号と同期して、ステッピングモータのコイルに接続されるブリッジ回路を制御し、ステッピングモータのコイルに供給される電力を制御するロジック回路と、コイルの両端間に生ずる逆起電力を検出する逆起電力検出部と、コイルのハイインピーダンス区間において、ハイインピーダンス区間に遷移してから、ハイインピーダンス区間の長さに所定係数を乗じた時間の経過後である検出区間における逆起電力が所定のしきい値電圧より低いときに、ステッピングモータの脱調の予兆を示す検出信号をアサートする脱調予測部と、を備える。

この態様によれば、ハイインピーダンス区間中の検出区間における逆起電力を、しきい値と比較することにより、脱調余裕が小さい状態を検出でき、脱調の予兆を検出できる。
「検出区間」は、ある瞬時的な時刻であってもよいし、ある時刻からある時刻までの時間区間であってもよい。

ロジック回路は、検出信号がアサートされると、ステッピングモータのコイルに流れる電流を増大させてもよい。
これにより、脱調する前に、ステッピングモータのトルクを高めることができ、脱調を未然に防止できる。

ある態様のモータ駆動回路は、ステッピングモータのコイルに流れる電流を所定の上限値より低く制限するカレントリミット回路をさらに備えてもよい。カレントリミット回路は、検出信号がアサートされると、上限値を上昇させてもよい。
この態様によれば、カレントリミット回路によってモータのトルク制御を行う駆動回路において、脱調を防止できる。

カレントリミット回路は、コイルに流れる電流を示す電流検出値を上限値と比較し、電流が上限値を超えるとアサートされる比較信号を生成するコンパレータを含んでもよい。ロジック回路は、比較信号がアサートされると第１レベルに遷移し、その後所定のオフ時間経過後に第２レベルに遷移するパルス変調信号を生成し、当該パルス変調信号にもとづいてブリッジ回路をスイッチング駆動してもよい。

ステッピングモータのコイルに流れる電流が目標値と一致するようにデューティ比が調節されるパルス変調信号を生成するパルス変調器をさらに備えてもよい。パルス変調器は、検出信号がアサートされると、目標値を上昇させてもよい。

検出信号がアサートされると、ブリッジ回路に供給される電源電圧を上昇させてもよい。
これにより、脱調する前に、ステッピングモータのトルクを高めることができ、脱調を未然に防止できる。

検出信号がアサートされると、ステップパルス信号の周波数を低下させてもよい。
これにより、脱調する前に、ステッピングモータのトルクを高めることができ、脱調を未然に防止できる。

検出信号がアサートされると、ステッピングモータのトルクが増大するように、ステッピングモータに供給する電力を制御してもよい。
これにより、脱調する前に、ステッピングモータのトルクを高めることができ、脱調を未然に防止できる。

検出区間は、ハイインピーダンス区間の略中央であってもよい。

ステッピングモータの回転数に応じて、しきい値電圧を変化させてもよい。ステッピングモータの回転数に比例するように、しきい値電圧を変化させてもよい。
コイルに生ずる逆起電力は、モータの回転数に比例する。そこで、回転数に応じてしきい値電圧を変化させることにより、回転数ごとに、適切なトルクを設定できる。

モータ駆動回路は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。
「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。駆動回路を１つのＩＣとして集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。

本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は、ステッピングモータと、ステッピングモータを駆動する上述のいずれかのモータ駆動回路と、を備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、脱調が起こる前にその予兆を検出できる。

実施の形態に係るモータ駆動回路の構成を示す回路図である。 モータ駆動回路の動作シーケンスを示す波形図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、図１のモータ駆動回路の動作を示す波形図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、カレントリミット回路の動作を示す波形図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、モータ駆動回路を備える電子機器の例を示す斜視図である。 検出区間の生成方法の一例を示す波形図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係るモータ駆動回路２の構成を示す回路図である。モータ駆動回路２はステッピングモータ１を駆動する。ステッピングモータ１は、ＰＭ（Permanent Magnet）型、ＶＲ型（Variable Reluctance）型、ＨＢ（Hybrid）型であるとを問わない。

モータ駆動回路２は、ブリッジ回路１０＿１、１０＿２、ロジック回路２０、逆起電力検出部３０、脱調予測部４０、カレントリミット回路５０を備える。モータ駆動回路２は、ひとつの半導体基板上に一体集積化される。

ステッピングモータ１は、２チャンネルのコイルＬ１、Ｌ２を含む。
第１チャンネルＣＨ１のブリッジ回路１０＿１は、ステッピングモータ１の第１コイルＬ１と接続される。第２チャンネルＣＨ２のブリッジ回路１０＿２は、ステッピングモータ１の第２コイルＬ２と接続される。

ブリッジ回路１０＿１、１０＿２はそれぞれ、プリドライバ１２、Ｈブリッジ回路１４、検出抵抗Ｒｓを含む。Ｈブリッジ回路１４は、４つのトランジスタＭ１〜Ｍ４を含む。Ｈブリッジ回路１４と接地ラインの間には、第１コイルＬ１に流れるコイル電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}を検出するための検出抵抗Ｒｓが設けられる。ブリッジ回路１０＿１のプリドライバ１２は、ロジック回路２０からの駆動信号Ｓ２＿１にもとづいて、対応するＨブリッジ回路１４の各トランジスタＭ１〜Ｍ４を駆動し、第１コイルＬ１の両端間の電圧（第１コイル電圧ともいう）Ｖ_Ｌ１をスイッチングする。
同様に、ブリッジ回路１０＿２は、ブリッジ回路１０＿１と同様に構成され、そのプリドライバ（１２）は、ロジック回路２０からの駆動信号Ｓ２＿２にもとづいて、対応するＨブリッジ回路（１４）を駆動し、第２コイルＬ２の両端間の電圧（第２コイル電圧ともいう）Ｖ_Ｌ２をスイッチングする。

ロジック回路２０は、ステッピングモータ１の回転速度（同期速度）を指示するステップパルス信号Ｓ１を受ける。ロジック回路２０は、ステップパルス信号Ｓ１と同期して、ブリッジ回路１０＿１、１０＿２を制御し、ステッピングモータ１の第１コイルＬ１、第２コイルＬ２それぞれに供給される電流（電力）を制御する。

具体的には、ロジック回路２０は、ステップパルス信号Ｓ１の所定のエッジごとに、コイル電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}の位相（電気角）が１−２相換算において４５度変化するように、駆動信号Ｓ２＿１を生成する。本明細書において、単位時間あたりに含まれる所定のエッジの個数をパルスレートといい、単位をｐｐｓ（Pulse Per Sec.）と表記する。コイル電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}の波形を変化させる所定のエッジは、ポジティブエッジ、ネガティブエッジのいずれか、あるいはそれら両方であってもよい。

一例として、ロジック回路２０は、第１駆動区間、第１ハイインピーダンス区間、第２駆動区間、第２ハイインピーダンス区間を繰り返す駆動信号Ｓ２＿１を生成する。
（１）第１駆動区間（電気角０〜１３５度）
第１コイルＬ１に第１方向にコイル電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}を流す。
（２）第１ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ１（電気角１３５〜１８０度）
第１コイルＬ１の両端をハイインピーダンスとする。
（３）第２駆動区間（電気角１８０〜３１５度）
第１コイルＬ１に第２方向にコイル電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}を流す。
（４）第２ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ２（電気角３１５〜３６０度）
第１コイルＬ１の両端をハイインピーダンスとする。

第２チャンネルＣＨ２においては、第２コイルＬ２に流れる電流Ｉ_{ＣＯＩＬ２}が、電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}に対して９０度進んだ、もしくは遅れた位相で制御される。ロジック回路２０は、第３駆動区間、第３ハイインピーダンス区間、第４駆動区間、第４ハイインピーダンス区間を順に繰り返す駆動信号Ｓ２＿２を生成する。
（１）第３駆動区間（電気角２７０〜４５度）
第２コイルＬ２に第１方向にコイル電流Ｉ_{ＣＯＩＬ２}を流す。
（２）第３ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ３（電気角４５〜９０度）
第２コイルＬ２の両端をハイインピーダンスとする。
（３）第４駆動区間（電気角９０〜２２５度）
第２コイルＬ２に第２方向にコイル電流Ｉ_{ＣＯＩＬ２}を流す。
（４）第４ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ４（電気角２２５〜２７０度）
第２コイルＬ２の両端をハイインピーダンスとする。

ロジック回路２０は、オシレータ２２、タイミング発生器２４、パルス変調器２６を備える。オシレータ２２は、所定の周波数のクロック信号ＣＫを生成する。タイミング発生器２４は、クロック信号ＣＫと同期して、ステップパルス信号Ｓ１に応じた制御信号Ｓ５を生成する。パルス変調器２６は、タイミング発生器２４からの制御信号Ｓ５にもとづいて、パルス変調された駆動信号Ｓ２＿１、Ｓ２＿２を生成する。

図２は、モータ駆動回路２の動作シーケンスを示す波形図である。図２には、上から順に、コイルＬ１の電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}、コイルＬ２の電流Ｉ_{ＣＯＩＬ２}、コイルＬ１の一端の電圧Ｖｐ_１、他端の電圧Ｖｎ_１、およびステッピングモータ１のロータの位置が示される。電流の位相とロータの位置の相対的な関係は、負荷の状態やパルスレートに応じて変化する。図２は、コイル電流に対するロータの遅延がゼロの場合を示している。負荷やパルスレートに応じて、ロータの遅れが大きくなり、遅れが９０度を超えると脱調の可能性が高いと言える。

逆起電力検出部３０は、第１コイルＬ１の第１、第２ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ１、Ｈｉ−ｚ２において、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１＿１}、Ｖ_{ＢＥＭＦ１＿２}を検出する。
また逆起電力検出部３０は、第２コイルＬ１の第３、第４ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ３、Ｈｉ−ｚ４において、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ２＿１}、Ｖ_{ＢＥＭＦ２＿２}を検出する。

本実施の形態では、単一の逆起電力検出部３０が、２チャンネルで共有される。チャンネルセレクタ３１は、ステッピングモータ１の回転と同期しており、第１、第２ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ１、Ｈｉ−ｚ２において、第１コイルＬ１側を選択し、第３、第４ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ３、Ｈｉ−ｚ４において、第２コイルＬ２側を選択する。

逆起電力検出部３０は、第１、第２ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ１、Ｈｉ−ｚ２において、第１コイルＬ１に生ずる逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}＝Ｖｐ_１−Ｖｎ_１を、第３、第４ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ３、Ｈｉ−ｚ４において、第２コイルＬ２に生ずる逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ２}＝Ｖｐ_２−Ｖｎ_２を検出する。

たとえば逆起電力検出部３０は、ローパスフィルタ３２、極性切りかえスイッチ３４、差動アンプ３６、を備える。ローパスフィルタ３２は、チャンネルセレクタ３１からの電圧のペアＶｐ、Ｖｎそれぞれを分圧し、ノイズ成分を除去する。

極性切りかえスイッチ３４は、検出した逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦが同じ極性を有するように（本実施の形態では、Ｖ_ＢＥＭＦ＞０となるように）、ローパスフィルタ３２を通過した電圧Ｖｐ、Ｖｎを入れ替える。極性切りかえスイッチ３４の機能は、チャンネルセレクタ３１に組み込んでもよい。

差動アンプ３６は、極性切りかえスイッチ３４から出力される電圧Ｖｐ_１／２、Ｖｎ_１／２の差分を増幅し、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１／２}を生成する。

脱調予測部４０は、第１ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ１、第２ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ２それぞれに含まれる検出区間ｔ１、ｔ２における、第１コイルＬ１の逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１＿１}、Ｖ_{ＢＥＭＦ１＿２}にもとづいて、脱調を予測する。同様に、脱調予測部４０は、第３ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ３、第４ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ４それぞれに含まれる検出区間ｔ３、ｔ４における、第２コイルＬ２の逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ２＿１}、Ｖ_{ＢＥＭＦ２＿２}にもとづいて、脱調を予測する。

具体的には、脱調予測部４０は、ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ１において、ハイインピーダンス区間Ｈｉ−Ｚ１に遷移してから所定時間τの経過後の検出区間ｔ１における逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１＿１}が所定のしきい値電圧Ｖ_ＴＨより低いときに、ステッピングモータ１の脱調の予兆を示す検出信号Ｓ３をアサートする。所定時間τは、ハイインピーダンス区間の長さに所定係数を乗じた時間である。所定係数は、たとえば１／２であってもよい。この場合、検出区間は、ハイインピーダンス区間の略中央に配置される。この場合、４５度電気角に対応する周期を有するステップパルス信号を２逓倍することにより、検出区間を生成できる。

同様に脱調予測部４０は、ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ２の検出区間ｔ２における逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１＿２}がしきい値Ｖ_ＴＨより低いときに、検出信号Ｓ３をアサートする。

また、脱調予測部４０は、ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ３において、ハイインピーダンス区間Ｈｉ−Ｚ３に遷移してから所定時間τの経過後の検出区間ｔ３における逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ２＿１}がしきい値電圧Ｖ_ＴＨより低いときに、検出信号Ｓ３をアサートする。同様に脱調予測部４０は、ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ４の検出区間ｔ４における逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ２＿２}がしきい値Ｖ_ＴＨより低いときに、検出信号Ｓ３をアサートする。

脱調予測部４０は、判定部４２、コンパレータ４４、Ｄ／Ａコンバータ４６を含む。Ｄ／Ａコンバータ４６は、デジタルの指令値Ｄ_ＴＨを受け、アナログのしきい値電圧_ＶＴＨに変換する。コンパレータ４４は、逆起電力検出部３０からの逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１／２}を、しきい値電圧Ｖ_ＴＨと比較する。判定部４２は、所定時間τ２を測定し、検出区間ｔ１〜ｔ４を生成する。そして判定部４２は、各検出区間ｔ１〜ｔ４において、コンパレータ４４の出力が、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１／２}がしきい値電圧Ｖ_ＴＨより低いことを示すとき、検出信号Ｓ３をアサート（たとえばハイレベル）する。

ハイインピーダンス区間に遷移した直後は、コイルＬ１、Ｌ２の両端間電圧Ｖ_Ｌ１、Ｖ_Ｌ２にノイズが乗るため、正確な逆起電力を検出できない。そこで、検出区間ｔ１〜ｔ４は、ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚに遷移した直後を避けて設定することが望ましい。具体的には、検出区間は、ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚに遷移した後、ある時間が経過した後に設定するとよい。本実施の形態では、検出区間ｔ１〜ｔ４はそれぞれ、ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ１〜Ｈｉ−ｚ４の略中央に設定される。

脱調予測部４０により生成された検出信号Ｓ３は、モータ駆動回路２自身がステッピングモータ１の脱調を防止するためのシーケンスのトリガとして利用することができる。あるいは、検出信号Ｓ３を外部のプロセッサ（不図示）に出力することにより、脱調の予兆を外部に通知してもよい。

続いて、脱調を回避するための構成を説明する。モータ駆動回路２は、検出信号Ｓ３がアサートされると、脱調を防止するために、ステッピングモータ１のトルクが増大するように、ステッピングモータ１に供給する電流（電力）を制御する。

具体的には、ロジック回路２０は、検出信号Ｓ３がアサートされると、ステッピングモータ１のコイルＬ１、Ｌ２に流れる電流Ｉ_ＣＯＩＬを増加させる。

図１のモータ駆動回路２には、カレントリミット回路５０が設けられる。カレントリミット回路５０は、ステッピングモータ１のコイルＬ１、Ｌ２に流れる電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}、Ｉ_{ＣＯＩＬ２}を所定の上限値（リファレンスピーク電流ともいう）Ｉ_ＬＩＭを超えないように制限する。カレントリミット回路５０は、検出信号Ｓ３がアサートされると、リファレンスピーク電流Ｉ_ＬＩＭを上昇させる。カレントリミット回路５０には、外部からリファレンスピーク電流の最大値Ｉ_{ＬＩＭ＿ＭＡＸ}が設定可能となっており、カレントリミット回路５０は、リファレンスピーク電流Ｉ_ＬＩＭを、その最大値Ｉ_{ＬＩＭ＿ＭＡＸ}を超えない範囲で変化させる。

カレントリミット回路５０は、電流設定部５２、Ｄ／Ａコンバータ５４、コンパレータ５６を含む。

電流設定部５２には、上限値Ｉ_ＬＩＭの通常時の値Ｉ_{ＬＩＭ＿ＮＯＲＭ}を指定する設定値Ｄ_ＩＮＩＴと、その最大値Ｉ_{ＬＩＭ＿ＭＡＸ}を指定する最大値Ｄ_ＭＡＸが与えられている。電流設定部５２は、通常時は、設定値Ｄ_ＩＮＩＴと等しい上限値Ｄ_ＬＩＭを出力する。Ｄ／Ａコンバータ５４は、電流設定部５２からの上限値Ｄ_ＬＩＭを電圧Ｖ_ＬＩＭに変換する。検出抵抗Ｒｓには、第１コイルＬ１に流れる電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}に比例した電圧降下が発生する。コンパレータ５６は、検出抵抗Ｒｓに生ずる検出電圧Ｖｓを、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬの上限値Ｉ_ＬＩＭに対応した電圧Ｖ_ＬＩＭと比較し、Ｖｓ＞Ｖ_ＬＩＭのときアサートされる比較信号Ｓ４を生成する。

ロジック回路２０は、比較信号Ｓ４がアサートされると第１レベルに遷移し、その後、所定のオフ時間Ｔ_ＯＦＦ経過後に第２レベルに遷移するパルス変調信号Ｓｐを生成する。第１レベルは、Ｈブリッジ回路１４が導通する状態に対応し、第２レベルはＨブリッジ回路１４が非導通となる状態に対応する。ロジック回路２０は、このパルス変調信号Ｓｐにもとづいて、駆動信号Ｓ２＿１、Ｓ２＿２を生成する。この構成によって、コイルＬ１に流れる電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}が、上限値Ｄ_ＬＩＭに応じた上限電流Ｉ_ＬＩＭ以下に制限される。

電流設定部５２は、検出信号Ｓ３がアサートされると、上限値Ｄ_ＬＩＭを上昇させる。電流設定部５２は、検出信号Ｓ３がアサートされるたびに、上限値Ｄ_ＬＩＭを所定幅上昇させてもよい。

あるいは、電流設定部５２は、検出信号Ｓ３がアサートされると、上限値Ｄ_ＬＩＭをその最大値Ｄ_ＭＡＸに増大させ、その後、所定時間が経過するたびに、上限値Ｄ_ＬＩＭを通常の設定値Ｄ_ＩＮＩＴに向かって段階的に低下させてもよい。

以上がモータ駆動回路２の構成である。続いてその動作を説明する。
図３（ａ）、（ｂ）は、図１のモータ駆動回路２の動作を示す波形図である。
図３（ａ）は、上から順に、コイル電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}、第１コイル電圧Ｖ_Ｌ１＝Ｖｐ_１−Ｖｎ_１、コイル電流Ｉ_{ＣＯＩＬ２}、第２コイル電圧Ｖ_Ｌ２＝Ｖｐ_２−Ｖｎ_２、を示す。検出区間ｔ１〜ｔ４それぞれにおいて、逆起電力ＶＢＥＭＦ_{１＿１、１＿２、２＿１、２＿２}が検出される。

図３（ｂ）は、第１ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ１における第１コイル電圧Ｖ_Ｌ１の波形を示す。ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ１に遷移した直後の回生区間の間は、第１コイル電圧Ｖ_Ｌ１は、Ｖ_ＤＤ＋Ｖ_Ｆに跳ね上がる。Ｖ_Ｆは、スイッチングトランジスタＭ１、Ｍ２のボディダイオードの順方向電圧である。その後、第１コイル電圧Ｖ_Ｌ１、すなわち第１コイルＬ１の逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}は時間とともに増大していく。ここで、ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ１において観測される逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}は、脱調余裕が大きいほど、大きな電圧レベルをとり、脱調余裕が小さいほど、小さな電圧レベルをとる。つまり、ハイインピーダンス区間内の所定の検出区間ｔ１における逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１＿１}と、所定のしきい値電圧Ｖ_ＴＨの電位差ΔＶ＝Ｖ_{ＢＥＭＦ１＿１}−Ｖ_ＴＨは、脱調余裕の大きさを示すことになる。図１のモータ駆動回路２は、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１＿１}をしきい値電圧Ｖ_ＴＨと比較することにより、脱調の予兆を検出することができる。

また、逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦがしきい値電圧Ｖ_ＴＨを下回ったことを契機として、ステッピングモータ１のトルクを高めることにより、脱調を未然に防止することができる。このモータ駆動回路２によれば、ステッピングモータ１のトルクが不足して脱調余裕が小さくなると、自動的にトルクが増大する。これにより、トルクに過大なマージンを設ける必要がなくなるため、通常運転時における消費電流（消費電力）を低減できる。

具体的には、実施の形態に係るモータ駆動回路２では、カレントリミット回路５０の電流の上限値Ｉ_ＬＩＭを高めることにより、トルクを増大させることができる。

図４（ａ）、（ｂ）は、カレントリミット回路５０の動作を示す波形図である。図４（ｂ）に示すように、コイルＬ１に流れる電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}が上限値Ｉ_ＬＩＭを超えないように駆動信号Ｓ２＿１、Ｓ２＿２が変調され、Ｈブリッジ回路１４がスイッチングする。

図４（ａ）に示すように、検出信号Ｓ３がアサートされると、電流の上限値Ｉ_ＬＩＭが最大値Ｉ_{ＬＩＭ＿ＭＡＸ}に増大する。その結果、駆動信号Ｓ２＿１（Ｓ２＿２）のハイレベルの区間、つまりコイルＬ１（Ｌ２）の通電時間が長くなり、コイル電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}（Ｉ_{ＣＯＩＬ２}）の平均値が増大してトルクが増大する。これにより、脱調を予防することができる。

最後に、モータ駆動回路２の用途を説明する。モータ駆動回路２は、さまざまな電子機器に利用される。図５（ａ）〜（ｃ）は、モータ駆動回路２を備える電子機器の例を示す斜視図である。

図５（ａ）の電子機器は、光ディスク装置５００である。光ディスク装置５００は、光ディスク５０２と、ピックアップ５０４、を備える。ピックアップ５０４は、光ディスク５０２にデータを書き込み、読み出すために設けられる。ピックアップ５０４は、光ディスク５０２の記録面上を、光ディスクの半径方向に可動となっている（トラッキング）。また、ピックアップ５０４と光ディスクの距離も可変となっている（フォーカシング）。ピックアップ５０４は、図示しないステッピングモータにより位置決めされる。モータ駆動回路２は、ステッピングモータを制御する。この構成によれば、脱調を防止しながらピックアップ５０４を高精度に位置決めできる。

図５（ｂ）の電子機器は、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、携帯電話端末など、撮像機能付きデバイス６００である。デバイス６００は、撮像素子６０２、オートフォーカス用レンズ６０４を備える。ステッピングモータ２０１は、オートフォーカス用レンズ６０４の位置決めを行う。モータ駆動回路２はステッピングモータ２０１を駆動するこの構成によれば、脱調を防止しながら、オートフォーカス用レンズ６０４を高精度に位置決めできる。オートフォーカス用レンズの他、手ぶれ補正用のレンズの駆動にモータ駆動回路２を用いてもよい。

図５（ｃ）の電子機器は、プリンタ７００である。プリンタ７００は、ヘッド７０２、ガイドレール７０４を備える。ヘッド７０２は、ガイドレール７０４に沿って位置決め可能に支持されている。ステッピングモータ２０１は、ヘッド７０２の位置を制御する。モータ駆動回路２は、ステッピングモータ２０１を制御する。この構成によれば、脱調を防止しながら、ヘッド７０２を高精度に位置決めできる。ヘッド駆動用のほか、用紙送り機構用のモータの駆動に、モータ駆動回路２を用いてもよい。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
実施の形態では、カレントリミット回路５０によりコイル電流の上限値（ピーク値）を制御する場合を説明したが、本発明はそれには限定されず、カレントリミット回路５０に代えて、一般的なパルス変調器２６を設けてもよい。パルス変調器２６は、ステッピングモータ１のコイルＬ１、Ｌ２に流れる電流Ｉ_{ＣＯＩＬ１}、Ｉ_{ＣＯＩＬ２}の平均値が目標値と一致するようにデューティ比が調節されるパルス変調信号を生成する。ロジック回路２０は、パルス変調信号にもとづいてブリッジ回路１０を制御する。

このとき、パルス変調器２６は、検出信号Ｓ３がアサートされると、目標値を上昇させてもよい。これにより、トルクを一時的に増大させ、脱調を防止できる。

（変形例２）
モータ駆動回路２は、検出信号Ｓ３がアサートされると、ブリッジ回路１０に供給される電源電圧Ｖ_ＤＤを上昇させてもよい。これによりトルクを一時的に増大させ、脱調を防止できる。

（変形例３）
モータ駆動回路２は、検出信号Ｓ３がアサートされると、ステップパルス信号Ｓ１の周波数、すなわちパルスレートを低下させてもよい。ステップパルス信号Ｓ１が外部のプロセッサから与えられる場合、検出信号Ｓ３をプロセッサに出力し、プロセッサが、検出信号Ｓ３のアサートを契機としてパルスレートを低下させてもよい。パルスレートを低下させることにより、一時的に回転数を落とし、トルクを高めることで脱調を防止できる。

（変形例４）
実施の形態では、ブリッジ回路１０の出力段がフルブリッジ回路（ＢＴＬ形式：Bridged Transless）で構成される場合を説明したが、本発明はそれには限定されず、その出力段はハーフブリッジ回路で構成されてもよい。

（変形例５）
実施の形態では、しきい値電圧Ｖ_ＴＨを一定とする場合を説明したが、しきい値電圧Ｖ_ＴＨをステッピングモータ１の回転数に応じて変化させてもよい。より具体的には、ステッピングモータ１の回転数に比例するように、しきい値電圧Ｖ_ＴＨを変化させてもよい。

ステッピングモータ１のコイルに生ずる逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦは、モータの回転数に比例する。そこで、回転数に応じてしきい値電圧Ｖ_ＴＨを変化させることにより、回転数ごとに、適切なトルクを設定できる。

（変形例６）
実施の形態では、コイルＬ１、Ｌ２それぞれの逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}、Ｖ_{ＢＥＭＦ２}を監視し、脱調を予測する場合を説明したが、本発明はそれには限定されず、それらの一方のみを検出してもよい。この場合、チャンネルセレクタ３１が不要となる。

（変形例７）
実施の形態では、第１ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ１、第２ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ２それぞれにおける逆起電力にもとづいて、脱調の予兆を検出したが、それらの一方のみを検出してもよい。同様に、第３ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ３、第４ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚ４のいずれか一方の逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦのみによって脱調の予兆を検出してもよい。

（変形例８）
実施の形態では、ハイインピーダンス区間の中央に検出区間を配置する場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。
所定の係数は、１／２〜３／４程度としてもよい。
あるいは、所定の係数は、１を超えない範囲でなるべく大きな値としてもよい。この場合には、検出区間は、ハイインピーダンス区間の終了直前となる。

（変形例９）
逆起電力の検出区間は、以下のように生成してもよい。
１． クロック信号を用いて、ステップパルス信号Ｓ１の周期Ｔｐを測定する。そして、所定の整数をＮとするとき、ハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚに遷移した後、時間Ｔｐ／Ｎが経過した時刻を、検出区間としてもよい。

２． 図６は、検出区間の生成方法の一例を示す波形図である。ステップパルス信号Ｓ１を、遅延時間τ遅延させたレプリカＳ１’を生成する。遅延時間τは、一定としてもよいが、ステップパルス信号Ｓ１の周期に比例するよう制御することが望ましい。そして、ステップ信号のレプリカＳ１’と同期して、駆動区間とハイインピーダンス区間を切りかえる。逆起電力を検出すべきハイインピーダンス区間Ｈｉ−ｚにおいて、オリジナルのステップパルス信号Ｓ１のエッジ（ここではポジティブエッジ）から、ステップ信号のレプリカＳ１’の対応するエッジ（ポジティブエッジ）までの区間を、検出区間ｔ１（ｔ２）としてもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

１…ステッピングモータ、Ｌ１…第１コイル、Ｌ２…第２コイル、２…モータ駆動回路、１０…ブリッジ回路、１２…プリドライバ、１４…Ｈブリッジ回路、Ｒｓ…検出抵抗、２０…ロジック回路、２２…オシレータ、２４…タイミング発生器、２６…パルス変調器、３０…逆起電力検出部、３１…チャンネルセレクタ、３２…ローパスフィルタ、３４…極性切りかえスイッチ、３６…差動アンプ、４０…脱調予測部、４２…判定部、４４…コンパレータ、４６…Ｄ／Ａコンバータ、５０…カレントリミット回路、５２…電流設定部、５４…Ｄ／Ａコンバータ、５６…コンパレータ、Ｓ１…ステップパルス信号、Ｓ２…駆動信号、Ｓ３…検出信号、Ｓ４…比較信号。

Claims (14)

1. ステッピングモータの駆動回路であって、
   ステップパルス信号と同期して、前記ステッピングモータのコイルに接続されるブリッジ回路を制御し、前記ステッピングモータのコイルに供給される電力を制御するロジック回路と、
   前記コイルの両端間に生ずる逆起電力を検出する逆起電力検出部と、
   前記コイルのハイインピーダンス区間において、前記ハイインピーダンス区間に遷移してから前記ハイインピーダンス区間の長さに所定係数を乗じた時間の経過後以降に検出区間を設定し、当該検出区間における逆起電力が所定のしきい値電圧より低いときに、前記ステッピングモータの脱調の予兆を示す検出信号をアサートする脱調予測部と、
   を備え、
   前記ステッピングモータの回転数に応じて、前記しきい値電圧を変化させることを特徴とするモータ駆動回路。
2. 前記ロジック回路は、前記検出信号がアサートされると、前記ステッピングモータのコイルに流れる電流を増加させることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
3. 前記ステッピングモータのコイルに流れる電流を所定の上限値より低く制限するカレントリミット回路をさらに備え、
   前記カレントリミット回路は、前記検出信号がアサートされると、前記上限値を上昇させることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動回路。
4. 前記カレントリミット回路は、前記コイルに流れる電流を示す電流検出値を前記上限値と比較し、前記電流が前記上限値を超えるとアサートされる比較信号を生成するコンパレータを含み、
   前記ロジック回路は、前記比較信号がアサートされると第１レベルに遷移し、その後所定のオフ時間経過後に第２レベルに遷移するパルス変調信号を生成し、当該パルス変調信号にもとづいて前記ブリッジ回路をスイッチング駆動することを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動回路。
5. 前記ステッピングモータのコイルに流れる電流が目標値と一致するようにデューティ比が調節されるパルス変調信号を生成するパルス変調器をさらに備え、
   前記パルス変調器は、前記検出信号がアサートされると、前記目標値を上昇させることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動回路。
6. 前記検出信号がアサートされると、前記ブリッジ回路に供給される電源電圧を上昇させることを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動回路。
7. 前記検出信号がアサートされると、前記ステップパルス信号の周波数を低下させることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
8. 前記検出信号がアサートされると、前記ステッピングモータのトルクが増大するように、前記ステッピングモータに供給する電力を制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
9. 前記検出区間は、前記ハイインピーダンス区間の略中央であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のモータ駆動回路。
10. 前記ステッピングモータの回転数に比例するように、前記しきい値電圧を変化させることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動回路。
11. ひとつの半導体基板に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のモータ駆動回路。
12. ステッピングモータと、
    前記ステッピングモータを駆動する請求項１から１１のいずれかに記載のモータ駆動回路と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
13. ステッピングモータの駆動方法であって、
    ステップパルス信号と同期して、前記ステッピングモータのコイルに接続されるブリッジ回路を制御し、前記ステッピングモータのコイルに供給される電力を制御するステップと、
    前記コイルのハイインピーダンス区間において前記コイルの両端間に生ずる逆起電力を監視し、前記インピーダンス区間に入ってから所定時間の経過後の検出区間における逆起電力がしきい値電圧より低いときに、前記ステッピングモータの脱調の予兆を示す検出信号をアサートするステップと、
    前記ステッピングモータの回転数に応じて、前記しきい値電圧を変化させるステップと、
    を備えることを特徴とする駆動方法。
14. 前記検出信号がアサートされると、前記ステッピングモータのトルクが増大するように、前記ステッピングモータに供給する電力を制御するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の駆動方法。

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