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JP6270530B2 - ステッピングモータの制御方法、プログラム、絞り制御装置および光学機器 - Google Patents

ステッピングモータの制御方法、プログラム、絞り制御装置および光学機器 Download PDF

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Description

本発明は、ステッピングモータの制御方法、プログラム、絞り制御装置および光学機器に関する。
撮影装置の絞り羽根をステッピングモータで駆動する場合、ステッピングモータの脱調を防ぐため、絞り羽根を駆動するために必要な負荷トルクよりもある程度高い脱調余裕を含んだトルクを発生させられるようにステッピングモータの駆動電力を設定する。一般に、絞り羽根の重なり合う面積が大きいと(すなわち絞り値(F値)が大きい場合には)、摩擦力が大きく、絞り羽根を駆動するために必要な負荷トルクは高くなる。絞り羽根の重なり合う面積が小さいと(すなわち絞り値(F値)が小さい場合には)、摩擦力が小さく、絞り羽根を駆動するために必要な負荷トルクは低くなる。
特許文献1は、無駄な電力の消費を抑えつつ羽根位置精度を確保するために、検出された絞り位置に応じてステッピングモータに通電する時間と通電しない時間の比を変化させるステッピングモータの制御装置を提案している。
特開平2-155497号公報
特許文献1は、絞り羽根の駆動を終了した後の保持電力については最適化しているが、絞り羽根を駆動する駆動電力の設定については考慮していない。駆動電力を絞り値に拘らず一定値とすると、絞り羽根を駆動するために必要な負荷トルクが低い場合に過剰に高いトルクで駆動することになり、駆動騒音が増大し、消費電力も増加してしまう。
本発明は、ステッピングモータの駆動に伴う騒音と消費電力を抑えて絞り羽根を駆動することが可能なステッピングモータの制御方法、プログラム、絞り制御装置および光学機器を提供することを例示的な目的とする。
本発明の制御方法は、絞り羽根を駆動することにより前記絞り羽根によって形成される開口を変化させるステッピングモータの制御方法であって、前記開口の大きさが第1の値のときの前記ステッピングモータの駆動電力よりも、前記開口の大きさが前記第1の値よりも小さい第2の値のときの前記駆動電力の方が高くなるように前記駆動電力を設定する電力設定ステップと、前記ステッピングモータの駆動速度と、前記電力設定ステップによって設定された前記駆動電力に基づいて前記ステッピングモータの駆動波形を生成する駆動波形生成ステップと、を有することを特徴とする。
本発明によれば、ステッピングモータの駆動に伴う騒音と消費電力を抑えて絞り羽根を駆動することが可能なステッピングモータの制御方法、プログラム、絞り制御装置および光学機器を提供することができる。
本実施形態によるカメラシステムのブロック図である。(実施例1、2) 図1に示すレンズCPUによって行われる絞り羽根の駆動制御を説明するためのブロック図である。(実施例1) 図2に示すステッピングモータの駆動波形と絞り値の関係を示す図である。(実施例1) 図2に示す絞り羽根の負荷トルクとステッピングモータの出力トルクの関係を示す図である。(実施例1) 図2に示すレンズCPUによって行われるステッピングモータの制御方法を示すフローチャートである。(実施例1) 図1に示すレンズCPUによって行われる絞り羽根の駆動制御を説明するためのブロック図である。(実施例2)
図1は、後述する実施例1,2に共通する、本実施形態のカメラシステム1(光学機器)の電気ブロック図である。カメラシステム1は、交換レンズ(光学機器)2と、カメラ本体3から構成される。交換レンズ2は、カメラ本体(撮像装置)3に着脱可能に構成されている。カメラシステム1は、一眼レフカメラとして構成されているが、ミラーレスカメラなどにも適用することができる。なお、本発明の光学機器は、レンズ一体型のカメラ(撮像装置)、双眼鏡、顕微鏡、望遠鏡などに適用することができる。
交換レンズ2とカメラ本体3は、不図示のマウントを介して機械的に接続されると共に、マウントに設けられたコネクタを介して電気的に接続される。コネクタには通信ユニット27、34が設けられて交換レンズ2とカメラ本体3が通信することができると共に、交換レンズ2はカメラ本体3から電力を供給される。
交換レンズ2は、レンズCPU20、撮影光学系、フォーカスレンズ駆動回路22、絞り開放位置検出センサ24、ステッピングモータ25、絞り駆動回路26、通信ユニット27が設けられている。
レンズCPU20は、交換レンズ2内のすべての制御を司るレンズ制御手段であり、マイクロコンピュータなどから構成される。レンズCPU20は、RAM、ROM、EEPROMなどの記憶手段(メモリ)を内蔵し、後述するステッピングモータ25の駆動を制御する制御方法を実行する。
撮影光学系は、被写体の光学像を形成し、フォーカスレンズ21、絞り、その他のレンズ(ズームレンズ、固定レンズ、手振れ補正レンズなど)を有する。フォーカスレンズ21は光軸方向に移動されて焦点調節を行う。フォーカスレンズ駆動回路22は、レンズCPU20からの命令に従ってフォーカスレンズ21を光軸に沿って駆動させる。
絞りは、絞り羽根23の開口径を変更することによって絞り値(F値)を変更し、光量を調整する。絞り開放位置検出センサ24は、フォトインタラプタ等のセンサ(検出手段)から構成され、絞り羽根23が開放位置か否かを検出し、検出結果をレンズCPU20に送信する。ステッピングモータ25は、絞り羽根23を駆動する駆動手段であり、本実施形態ではA相とB相の2相であるが、相数は限定されない。絞り駆動回路26は、レンズCPU20からの命令に従ってステッピングモータ25を回転させることで絞り羽根23を駆動する。通信ユニット27は、カメラCPU30と通信を行うための複数の通信端子を有し、焦点検出情報や測光情報、ID情報等を送受信する。
カメラ本体3内には、カメラCPU30、制御系電源31、駆動系電源32、通信ユニット33、レンズ装着検出部34、焦点検出ユニット35が設けられている。
カメラCPU30は、カメラ本体3のすべての制御を司るカメラ制御手段であり、マイクロコンピュータなどから構成される。カメラCPU30は、RAM,ROM,EEPROM等の記憶手段(メモリ)を内蔵している。なお、カメラCPU30が、レンズCPU20の代わりにステッピングモータ25の制御方法を実行してもよい。
制御系電源31は、焦点検出ユニット35や不図示の測光部等の電力消費量が比較的少なく安定した出力電圧を必要とする制御系回路に電力を供給する。駆動系電源32は、制御系電源31の電圧、電力を検出し、交換レンズ2や不図示のシャッタ制御部等の電力消費量が比較的多い駆動系回路に電力を供給する。通信ユニット33は、レンズCPU20と通信を行うための複数の通信端子を有し、焦点検出情報や測光情報、ID情報等を送受信する。レンズ装着検出部34は、交換レンズ2が装着されたことを検出する。
焦点検出ユニット35は、交換レンズ2からの光束を用いて被写体までのデフォーカス量を検出する、位相差検出型の焦点検出ユニットである。位相差検出型の焦点検出では、一対の被写体像の像信号の位相差を検出することによって焦点検出をする。
図2は、実施例1による、レンズCPU20によって行われるステッピングモータ25の制御方法を説明するためのブロック図である。CPU20には、駆動速度設定部200、駆動電力設定部201、駆動波形生成部202、駆動量カウント部203、絞り値算出部204、ROM205、RAM206が設けられている。
駆動速度設定部200は、絞り調節に必要な速度指令に対して、ステッピングモータ25の駆動速度を決定する。駆動電力設定部201は、絞り値算出部204から出力される現在絞り値に応じて駆動電力を決定する。駆動電力の決定方法については後述する。駆動速度設定部200で決定された駆動速度、およびに駆動電力設定部201で決定された駆動電力に従って、駆動波形生成部202が駆動信号パターンを生成し、絞り駆動回路26に出力される。駆動波形生成部202では、2相駆動や1−2相駆動、マイクロステップ駆動といった駆動方式に合わせて、モータの各相への励磁パターンを生成する。生成された駆動信号は絞り駆動回路26で必要な電流・電圧に変換され、ステッピングモータ25に供給される。
駆動量カウント部203は、駆動波形生成部202の励磁パターン変化毎にカウンタをインクリメントまたはデクリメントすることで、絞り羽根23の駆動量をカウントする。これにより、ステッピングモータ25のステータに対するロータの回転位置の情報を取得することができる。
絞り値算出部204は、駆動量カウント部203がカウントしたカウント値と、絞り開放位置検出センサ24の出力値に基づいて、現在の絞り値を表す情報を出力する。具体的には、絞り開放位置検出センサ24によって絞りが開放位置であることが検出された時点を基準とし、駆動量カウント部203でカウントしているカウント値で現在の絞り値の情報を出力する。
ROM205は、上述した動作プログラムやその他の制御プログラム、および固定データ等を保存し、RAM206は、上述した動作プログラムやその他の制御プログラムで利用する演算結果や保持したいデータを一時保存する。
図3は、ステッピングモータ25の駆動電圧(電流)波形と、絞り開放位置検出センサ24の出力信号、および絞り値算出部204のカウント値に対応する現在の絞り値の関係を示す図である。
同図では、2相のステッピングモータを想定し、A相・B相に略正弦波の駆動信号を印加する(マイクロステップ駆動)とともに、ステッピングモータ25の停止位置は電気角360度に8点ある。駆動前の停止位置は開放位置(ここではF2.8とする)であり、絞り値はステッピングモータ25の停止位置ごとに1/8段ずつ変化する。
駆動量カウント部203によるステッピングモータ25の駆動量のパルスカウントは、図示した停止位置毎に行われ、パルスカウントが1変化するごとに絞り値算出部204で管理している現在の絞り値は1/8段変化する。絞り開放位置検出センサ24の出力は、絞り羽根23が開放位置にあるときハイ、絞りこみ位置にあるときにはローとなる。絞り値算出部204では、絞り羽根位置検出センサ24の出力がハイのときの絞り値を開放(F2.8)とし、現在の絞り値を表す情報を出力する。例えば、絞り羽根位置検出センサ24の出力がハイの状態から8パルス駆動した場合にはF4.0、16パルス駆動した場合にはF5.6となる。
図4は、絞り羽根23を駆動するために必要な負荷トルクの絞り値による変動と、駆動電力設定部201で設定した駆動電力によって発生するステッピングモータ25の出力トルクの関係を示す図である。この負荷トルクは、絞り値が開放側であるほど低く、逆に小絞り側であるほど高いため、駆動電力設定部201は絞り値に応じて駆動電力を設定する。
実施例1は、絞り羽根23の現在のF値が第1の値のときのステッピングモータ25の駆動電力よりも、現在のF値が第1の値よりも高い第2の値のときの駆動電力の方が高くなるように、駆動電力を設定している。図4では、現在のF値に対して駆動電力を階段状に変化させており、ある範囲内のF値に対しては同じ駆動電力を設定している。しかしながら、負荷トルクに脱調余裕を加えたトルクに近づけて駆動騒音と消費電力をより効果的に低減させるために、現在のF値に対して駆動電力を連続的に変化させてもよい。
表1は、実施例1による、現在のF値と駆動電力設定部201で設定すべき駆動電力の関係を示すデータテーブルである。このデータテーブルをROM205に予め記憶し、駆動時に参照して設定する。これにより、過剰なトルクで駆動することによって発生する駆動騒音を抑え、また消費電力を低減することができる。なお、現在のF値と駆動電力の関係は、テーブル形式に限定されず、数式やグラフなど他の方法で表現されてもよい。
表1に示すデータテーブルは、機種ごとに共通な設計値データでもよいし、個体ごとに個別測定した実測データでもよい。表1に示すデータテーブルは、最小絞り(ここではF22)での駆動電力を100%としたときの相対値を記憶しているが、駆動電力設定部201で設定する設定値(例えば、電圧値や電流値など)を記憶してもよい。
駆動電力は、ステッピングモータ25を連続駆動する場合の駆動電力であってもよいし、間欠駆動する場合の駆動電力であってもよい。
前者の場合には、表1において、現在のF値(第2の値)がF16よりも大きくF22以下である場合が5Vであれば、現在のF値(第1の値)がF2.8よりも大きくF4.0以下である場合には3Vとなる。
後者の場合には、表1において、駆動電力は、ステッピングモータ25の通電時間と非通電時間からなる1周期に対するステッピングモータ25の通電時間の割合に、対応する電力値をかけた値となる。例えば、各区間に対応する電力値は5Vであり、現在のF値がF16よりも大きくF22以下である場合は非通電時間がなく、現在のF値がF2.8よりも大きくF4.0以下である場合には1周期をPとすると通電時間が0.6P、非通電時間が0.4Pとなる。
実施例1では、駆動量カウント部203を介してステッピングモータ25のロータのステータに対する回転位置の情報を取得し、絞り値算出部204を介して回転位置の情報から現在のF値を取得する。そして、表1を使用して取得された現在のF値の情報に基づいて駆動電力を設定する。しかしながら、現在のF値を駆動電力と関連付ける必要は必ずしもなく、駆動量カウント部203を介してステッピングモータ25のロータのステータに対する回転位置の情報を駆動電力と関連付けてもよい。回転位置の情報は、例えば、F2.8の位置から8パルスでもよいし、別個に設けたA相とB相の値でもよい。
図5は、図2に示すレンズCPU20の動作であるステッピングモータの制御方法を説明するためのフローチャートである。図5に示す制御方法は、コンピュータに各ステップの機能を実行させるためのプログラムとして具現化が可能であり、「S」はステップ(工程)を表し、「Y」は「Yes(はい)」、「N」は「No(いいえ)」を表す。
S501では、レンズCPU20は、絞り調整動作を行うための駆動開始の指示があったか否かを判定する。具体的にはユーザーによるマニュアル絞り操作や、AEの動作開始が駆動開始の指示となる。駆動開始指示がない場合には、駆動開始指示があるまで待機する。
駆動開始の指示があった場合には、S502で、駆動速度設定部200が、必要な駆動速度を設定する。駆動速度はカメラCPU30から指定された速度や、レンズCPU20内で決定した速度である。ステッピングモータ25の駆動速度は、励磁パターンの切り替えを行う間隔を長くすると遅く、短くすると早くなる。その単位は一般的にpps(パルス/秒)を用いる。
駆動電力設定部201は、S503では、絞り値算出部204でカウントしている現在のF値を取得し、S504では、S503で取得した現在のF値に応じて、表1に示すデータテーブルに記憶された電力を駆動電力設定部201で設定する。本実施例では最小絞り(F22)時に設定すべき電力を100%として、その相対値を表1に示すデータテーブルに記憶している。例えば、最小絞り(F22)のときの駆動電圧が5Vの場合で、現在のF値がF2.8以上F4.0以下のときは3.0V、F4.0よりも大きくF5.6以下のときは3.25Vなどと表1の割合に応じて設定される。最小絞り(F22)の駆動電圧はROM205に記憶されてもよいし、カメラ本体3から供給される電圧値をそのまま用いてもよい。
S505では、駆動波形生成部202が、S502で設定した駆動速度およびS504で設定した駆動電力に従ってA相、B相の励磁パターンの切り替えを繰り返すことで略正弦波のマイクロステップ駆動波形、もしくは1−2相駆動波形を生成する。駆動波形をカメラの撮影モードに従って切り換えてもよい。例えば、静止画撮影モードの場合は、一般的に高速駆動が可能な1−2相駆動波形を生成し、動画撮影モードの場合には、一般的に駆動騒音が静かなマイクロステップ駆動波形を生成してもよい。
S506では、駆動量カウント部203が、停止位置の励磁パターン毎に駆動量カウンタをインクリメントまたはデクリメントする。S507では、S506でカウントしたカウント値に基づいて、絞り値算出部204が現在の絞り値を計算する。
最後に、レンズCPU20は、S508で指定した駆動量だけ駆動したかを判定する。駆動が完了していれば処理を終了し、駆動が完了していない場合には、S503に戻り、駆動波形を生成し続ける。
以上説明したように、本実施例によれば、現在の絞り値を確認し、絞り値ごとに予め定められた駆動電力設定とすることで、絞り羽根を駆動するために必要な負荷トルクに対して過剰に高いトルクで駆動することを防止する。これにより、駆動騒音の増大および省電力の増加を可能な限り低減することができる。
図6は、実施例2による、レンズCPU20によって行われる絞り羽根23の駆動制御を説明するためのブロック図である。図6において、図2と同様の参照符号は同様の部材を示している。実施例1では、駆動電力設定部201は、絞り値算出部204から出力される現在の絞り値の情報に基づいて駆動電力を決定する。これに対して、実施例2では、駆動電力設定部201は、絞り値算出部204から出力される現在絞り値および駆動電力設定部201から出力される駆動速度の情報に基づいて駆動電力を決定する。
表2は、実施例2による、現在の絞り値と駆動速度と駆動電力設定部201で設定すべき駆動電力の関係を示すデータテーブルである。一般的にステッピングモータは高速で回転しているときほど出力トルクは低下する。このため、表2では、現在の絞り値に加えてステッピングモータの駆動速度をもとに駆動電力設定部201で適切に駆動電力を設定している。このデータテーブルをROM205に予め記憶し、駆動時に参照して設定することにより、過剰なトルクで駆動することによって発生する駆動騒音を抑え、また消費電力を低減することができる。
表2に示すデータテーブルは、機種ごとに共通な設計値データでもよいし、個体ごとに個別測定した実測データでもよい。表2に示すデータテーブルは、最高速(ここでは3000pps)かつ最小絞り(ここではF22)での駆動電力を100%としたときの相対値を記憶しているが、駆動電力設定部201で設定する設定値(例えば、電圧値や電流値など)を記憶してもよい。
実施例2は、ステッピングモータ25の駆動速度が第3の値のときの駆動電力よりも、駆動速度が第3の値よりも高い第4の値のときの駆動電力の方が高くなるように、駆動電力を設定している。例えば、現在のF値がF2.8以上F4.0以下であり、ステッピングモータ25の駆動速度が400pps(第3の値)のときの駆動電力(54%に対応)よりも、700pps(第4の値)のときの駆動電力(57%に対応)の方が高い。
表2では、ステッピングモータ25の駆動速度に対して駆動電力を階段状に変化させており、ある範囲内の駆動速度に対しては同じ駆動電力を設定している。しかしながら、負荷トルクに脱調余裕を加えたトルクに近づけて駆動騒音と消費電力をより効果的に低減させるために、現在の駆動速度に対して駆動電力を連続的に変化させてもよい。
実施例2の、レンズCPU20の動作であるステッピングモータの制御方法については、図5のS504の「現在の絞り値に応じた駆動電力を設定」を「現在の絞り値と駆動速度に応じた駆動電力に設定」に読み替えればよい。その場合、S504では、S503で確認した現在絞り値とS502で設定した駆動速度に応じて、表2に示すデータテーブルに記憶された電力を駆動電力設定部201で設定する。
本実施例では最高速(3000pps)かつ最小絞り(F22)時に設定すべき電力を100%として、その相対値を表2に示すデータテーブルに記憶している。例えば、最高速(3000pps)かつ最小絞り(F22)のときの駆動電圧が5Vで、駆動速度が200pps、現在のF値がF2.8以上F4.0以下であれば2.7V、F4.0よりも大きくF5.6以下であれば2.95V等と設定される。最高速(3000pps)かつ最小絞り(F22)のときの駆動電圧についてはROM205に記憶されてもよいし、カメラ本体3から供給される電圧値をそのまま用いてもよい。
以上説明したように、本実施例によれば現在の絞り値を確認し、絞り値および駆動速度ごとに予め定められた駆動電力設定とすることで、絞り羽根を駆動するために必要な負荷トルクに対して過剰に高いトルクで駆動することを防止する。これにより、駆動騒音の増大および省電力の増加を可能な限り低減することができる。
以上、本実施例について説明したが、本発明は本実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
絞り装置は、ステッピングモータを使用した絞りを有する光学機器の分野に適用することができる。
2…交換レンズ(光学機器)、20…レンズCPU(制御手段)、23…絞り羽根、25…ステッピングモータ、201…駆動電力設定部

Claims (11)

  1. 絞り羽根を駆動することにより前記絞り羽根によって形成される開口を変化させるステッピングモータの制御方法であって、
    前記開口の大きさが第1の値のときの前記ステッピングモータの駆動電力よりも、前記開口の大きさが前記第1の値よりも小さい第2の値のときの前記駆動電力の方が高くなるように前記駆動電力を設定する電力設定ステップと、
    前記ステッピングモータの駆動速度と、前記電力設定ステップによって設定された前記駆動電力に基づいて前記ステッピングモータの駆動波形を生成する駆動波形生成ステップと、
    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。
  2. 前記電力定ステップにおいて、前記開口の大きさに対して前記駆動電力を連続的に変化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方法。
  3. 前記駆動電力は、前記ステッピングモータを連続駆動する場合の駆動電力であることを特徴とする請求項1または2に記載のステッピングモータの制御方法。
  4. 前記駆動電力は、前記ステッピングモータを間欠駆動する場合の、前記ステッピングモータの通電時間と非通電時間からなる1周期に対する前記ステッピングモータの通電時間の割合に、対応する電力値をかけた値であることを特徴とする請求項1または2に記載のステッピングモータの制御方法。
  5. 前記ステッピングモータはロータとステータを含み、前記ロータの前記ステータに対する回転位置の情報を取得するステップを更に有し、
    前記電力定ステップにおいて、前記回転位置の情報に基づいて前記駆動電力を設定することを特徴とする請求項1乃至4のうちのいずれか1項に記載のステッピングモータの制御方法。
  6. 前記ステッピングモータはロータとステータを含み、前記ロータの前記ステータに対する回転位置の情報を取得するステップと、
    前記回転位置の情報から前記開口の大きさ示す情報を取得するステップと、
    を更に有し、
    前記電力定ステップにおいて前記回転位置の情報から取得された前記開口の大きさを示す情報に基づいて前記駆動電力を設定することを特徴とする請求項1乃至4のうちのいずれか1項に記載のステッピングモータの制御方法。
  7. 前記電力定ステップにおいて、前記ステッピングモータの駆動速度が第1の速度のときの前記駆動電力よりも、前記駆動速度が前記第1の速度よりも速い2の速度のときの前記駆動電力の方が高くなるように前記駆動電力を設定することを特徴とする請求項1乃至6のうちいずれか1項に記載のステッピングモータの制御方法。
  8. 前記電力定ステップにおいて、前記駆動速度に対して前記駆動電力を連続的に変化させ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方法。
  9. コンピュータに請求項1乃至8のうちのいずれか1項に記載のステッピングモータの制御方法を実行させるためのプログラム。
  10. ステッピングモータにより絞り羽根を駆動することで前記絞り羽根によって形成される開口を変化させる絞り制御装置であって
    前記開口の大きさが第1の値のときの前記ステッピングモータの駆動電力よりも、前記開口の大きさが前記第1の値よりも小さい第2の値のときの前記駆動電力の方が高くなるように前記駆動電力を設定し、前記ステッピングモータの駆動速度と前記駆動電力に基づいて前記ステッピングモータの駆動波形を生成することを特徴とする絞り制御装置。
  11. 請求項10に記載の絞り制御装置と、ステッピングモータを有することを特徴とする光学機器。
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