特許 7518093 ステッピングモータの駆動回路およびその駆動方法、それを用いた電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-08

(45)【発行日】2024-07-17

(54)【発明の名称】ステッピングモータの駆動回路およびその駆動方法、それを用いた電子機器

(51)【国際特許分類】

   H02P 8/16 20060101AFI20240709BHJP

【ＦＩ】

H02P8/16

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021562686

(86)(22)【出願日】2020-12-02

(86)【国際出願番号】 JP2020044858

(87)【国際公開番号】W WO2021112125

(87)【国際公開日】2021-06-10

【審査請求日】2023-06-08

(31)【優先権主張番号】P 2019220370

(32)【優先日】2019-12-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100133215

【弁理士】

【氏名又は名称】真家 大樹

(72)【発明者】

【氏名】橋本 浩樹

(72)【発明者】

【氏名】土橋 正典

(72)【発明者】

【氏名】岡田 光央

【審査官】保田 亨介

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０６５８０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６２５８００４（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２００７－２６７５５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ８／００－８／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力クロックと同期して、ステッピングモータを２相励磁方式で駆動する駆動回路であって、
前記ステッピングモータのコイル電流の検出値が電流設定値に近づくようにパルス変調されるパルス変調信号を生成する定電流チョッパ回路と、
前記ステッピングモータのコイル電流が所定のしきい値より小さくなるタイミングを始点とする検出窓を生成する検出窓生成回路と、
前記検出窓の閉状態において、前記ステッピングモータのコイルに接続されるフルブリッジ回路の２つの出力のうち一方をハイ出力に割り当てて前記パルス変調信号に応じてスイッチング制御し、他方をロー出力に割り当ててローに固定し、前記検出窓の開状態において、前記フルブリッジ回路をハイインピーダンス状態とするロジック回路と、
前記検出窓の開状態において、前記コイルの逆起電力を検出する逆起電力検出回路と、
前記逆起電力にもとづいて前記電流設定値をフィードバック制御する電流値設定回路と、
を備え、
前記ロジック回路は、電流ゼロクロス検出に先だって、前記入力クロックのポジエッジと同期して、前記フルブリッジ回路の２つの出力それぞれのハイ出力・ロー出力を逆転させて、ハイ出力におけるスイッチング制御を停止してハイに固定し、前記コイル電流を減少させ、
続いて、前記検出窓生成回路は、前記コイル電流が前記しきい値と交差したタイミングを前記検出窓の始点とし、
続いて、前記ロジック回路は、前記検出窓の終点において、前記フルブリッジ回路の前記２つの出力を、前記検出窓の始点の直前の状態に戻して、前記パルス変調信号にもとづく制御を再開することを特徴とする駆動回路。

【請求項2】

前記ステッピングモータの回転数に反比例する周期を検出する回転数検出回路をさらに備え、
前記検出窓は、前記周期の長さに所定の係数を乗じた長さを有することを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。

【請求項3】

前記係数の設定データを外部のプロセッサから受信するインタフェース回路と、
前記インタフェース回路が受信した前記設定データを保持するレジスタと、
をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の駆動回路。

【請求項4】

前記逆起電力検出回路による前記逆起電力の検出が完了すると、前記検出窓を終了することを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。

【請求項5】

前記フルブリッジ回路に設けられた検出抵抗の電圧降下に応じた電流検出信号を、しきい値と比較し、前記電流検出信号が前記しきい値より小さくなると、ゼロ電流検出信号をアサートするゼロ電流検出回路をさらに備え、
前記検出窓生成回路は、前記ゼロ電流検出信号のアサートを、前記検出窓の始点とすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の駆動回路。

【請求項6】

前記コイルの端子電圧をしきい値電圧と比較し、前記コイルの端子電圧が前記しきい値電圧とクロスすると、ゼロ電流検出信号をアサートするゼロ電流検出回路をさらに備え、
前記検出窓生成回路は、前記ゼロ電流検出信号のアサートを、前記検出窓の始点とすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の駆動回路。

【請求項7】

前記定電流チョッパ回路は、
前記コイル電流の検出値を、前記電流設定値にもとづくしきい値と比較するコンパレータと、
所定の周波数で発振するオシレータと、
前記コンパレータの出力に応じてオフレベルに遷移し、前記オシレータの出力に応じてオンレベルに遷移する前記パルス変調信号を出力するフリップフロップと、
を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の駆動回路。

【請求項8】

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７のいずれかに記載の駆動回路。

【請求項9】

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８のいずれかに記載の駆動回路と、
を備えることを特徴とする電子機器。

【請求項10】

入力クロックと同期して、ステッピングモータを２相励磁方式で駆動する駆動方法であって、
前記ステッピングモータのコイル電流の検出値が電流設定値にもとづく目標量に近づくようにパルス変調されるパルス変調信号を生成するステップと、
前記ステッピングモータのコイル電流が所定のしきい値より小さくなるタイミングを始点とする検出窓を生成するステップと、
前記検出窓の閉状態において、前記パルス変調信号に応じて、前記ステッピングモータのコイルに接続されるフルブリッジ回路の２つの出力のうち一方をハイ出力に割り当てて前記パルス変調信号に応じてスイッチング制御し、他方をロー出力に割り当ててローに固定するステップと、
前記検出窓の開状態において、前記フルブリッジ回路をハイインピーダンス状態とするステップと、
前記検出窓の開状態において、前記コイルの逆起電力を検出するステップと、
前記逆起電力にもとづいて前記電流設定値をフィードバック制御するステップと、
を備え、
電流ゼロクロス検出に先立ち、前記入力クロックのポジエッジと同期して、前記フルブリッジ回路の２つの出力それぞれのハイ出力・ロー出力を逆転させ、ハイ出力におけるスイッチング制御を停止してハイに固定し、それにより、前記コイル電流を減少させて、前記コイル電流が前記しきい値と交差するタイミングを待機し、
前記検出窓の終点において、前記フルブリッジ回路の前記２つの出力を、前記検出窓の始点の直前の状態に戻して、前記パルス変調信号にもとづく制御を再開することを特徴とする駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ステッピングモータの駆動技術に関する。

【背景技術】

【0002】

ステッピングモータは、電子機器、産業機械、ロボットにおいて広く採用される。ステッピングモータは、ホストコントローラが生成する入力クロック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位置制御が可能であり、またデジタル信号処理に適するという特性を有する。

【0003】

図１は、従来のステッピングモータとその駆動回路を備えるモータシステムのブロック図である。ホストコントローラ２は、駆動回路４に対して、入力クロックＣＬＫを供給する。ステッピングモータ６は、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２を含む。ステッピングモータ６のロータの位置は、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２それぞれに流れる電流Ｉ_ＯＵＴ１，Ｉ_ＯＵＴ２の組み合わせに応じて定まる。

【0004】

駆動回路４は、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２と接続されるフルブリッジ回路８＿１，８＿２を含む。駆動回路４は、入力クロックＣＬＫと同期して、２個のフルブリッジ回路８＿１，８＿２の状態を変化させ、これにより電流Ｉ_ＯＵＴ１，Ｉ_ＯＵＴ２の組み合わせ（励磁位置）を変化させる。

【0005】

図２は、励磁位置を説明する図である。励磁位置は、ステッピングモータ６の２個のコイルＬ１，Ｌ２に流れるコイル電流（駆動電流）Ｉ_ＯＵＴ１，Ｉ_ＯＵＴ２の組み合わせとして把握される。図２には、８個の励磁位置１～８が示されている。

【0006】

ステッピングモータには、いくつかの励磁方式がある。
１相励磁では、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２に交互に電流が流れ、励磁位置２，４，６，８を遷移する。２相励磁では、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２の両方に電流が流れ、励磁位置１，３，５，７を遷移する。１－２相励磁では、１相励磁と２相励磁の組み合わせであり、励磁位置１～８を遷移する。マイクロステップ駆動では、さらに励磁位置が細かく制御される。

【0007】

図３は、１－２相励磁における駆動回路の動作波形図である。この例では、クロックＣＬＫの１パルスごとに、図２の励磁位置１～８を時計回りに順に遷移していく。ＯＵＴ１Ａ，ＯＵＴ１Ｂは、フルブリッジ回路８＿１の状態を、ＯＵＴ２Ａ，ＯＵＴ２Ｂは、フルブリッジ回路８＿２の状態を示している。具体的には、「Ｈ」は、ハイ電圧を出力する状態を、「Ｌ」は、ロー電圧を出力する状態を、「ＨＺ」は、ハイインピーダンス状態を示す。

【0008】

通常状態において、ステッピングモータのロータは、入力クロック数に比例したステップ角ずつ同期して回転する。ところが、急な負荷変動や速度変化が生ずると同期が失われる。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。

【0009】

モータを一定の高トルクで駆動すれると、脱調のリスクは低下するが、それと引き換えに効率が低下する。モータを低トルクで駆動すれば、効率は改善するが、脱調のリスクが高まる。特許文献５には、脱調を防止しつつ、出力トルク（すなわち電流量）をフィードバックにより最適化することにより、消費電力を低減して効率を改善する技術（本明細書において高効率モードと称する）が提案されている。この高効率モードでは、モータのコイルに発生する逆起電力を検出し、逆起電力にもとづいて負荷角を推定し、推定した負荷角が所定の目標値に近づくように、電流指令値、すなわちトルクをフィードバック制御する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特開平９－１０３０９６号公報

【文献】特開２００４－１２０９５７号公報

【文献】特開２０００－１８４７８９号公報

【文献】特開２００４－１８０３５４号公報

【文献】特許第６２５８００４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

逆起電力を検出するためには、コイルに接続されるブリッジ回路の出力をハイインピーダンスとする必要がある。１相励磁、あるいは１－２相励磁方式では、励磁位置４，８においてコイルＬ１側のフルブリッジ回路８＿１がハイインピーダンスとなり、コイルＬ１の逆起電力が検出でき、励磁位置２，６においてコイルＬ２側のフルブリッジ回路８＿２がハイインピーダンスとなり、コイルＬ２の逆起電力が検出できる。つまり高効率モードの適用は、１－２相励磁、あるいは１相励磁に限定され、２相両方のコイルに常に電流が流れる２相励磁に適用できなかった。

【0012】

本開示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、ステッピングモータを２相励磁方式にて高効率に駆動可能な駆動回路の提供にある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本開示のある態様は、入力クロックと同期して、ステッピングモータを２相励磁方式で駆動する駆動回路に関する。駆動回路は、ステッピングモータのコイル電流の検出値が電流設定値に近づくようにパルス変調されるパルス変調信号を生成する定電流チョッパ回路と、ステッピングモータのコイル電流が所定のしきい値より小さくなるタイミングを始点とする検出窓を生成する検出窓生成回路と、検出窓の開状態において、ステッピングモータのコイルに接続されるフルブリッジ回路をハイインピーダンス状態とするとともに、検出窓の閉状態においてパルス変調信号に応じて、フルブリッジ回路を制御するロジック回路と、検出窓の開状態において、コイルの逆起電力を検出する逆起電力検出回路と、逆起電力にもとづいて電流設定値をフィードバック制御する電流値設定回路と、を備える。

【0014】

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、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。

【発明の効果】

【0015】

本開示のある態様によれば、ステッピングモータを２相励磁方式にて高効率に駆動できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】従来のステッピングモータとその駆動回路を備えるモータシステムのブロック図である。

【図2】励磁位置を説明する図である。

【図3】１－２相励磁における駆動回路の動作波形図である。

【図4】実施形態に係る駆動回路を備えるモータシステムのブロック図である。

【図5】図４の駆動回路による２相励磁駆動の簡略化したタイムチャートである。

【図6】図４の駆動回路による逆起電力の検出を説明する波形図である。

【図7】駆動回路の構成例を示す回路図である。

【図8】変形例に係るゼロ電流検出回路の回路図である。

【図9】図８のゼロ電流検出回路による電流ゼロクロスの検出を説明する図である。

【図10】図１０（ａ）～（ｃ）は、駆動回路を備える電子機器の例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

（実施形態の概要）
本開示のいくつかの例示的な実施形態の概要を説明する。この概要は、後述する詳細な説明の前置きとして、実施形態の基本的な理解を目的として、１つまたは複数の実施形態のいくつかの概念を簡略化して説明するものであり、発明あるいは開示の広さを限定するものではない。またこの概要は、考えられるすべての実施形態の包括的な概要ではなく、実施形態の欠くべからざる構成要素を限定するものではない。便宜上、「一実施形態」は、本明細書に開示するひとつの実施形態（実施例や変形例）または複数の実施形態（実施例や変形例）を指すものとして用いる場合がある。

【0018】

一実施形態に係る駆動回路は、入力クロックと同期して、ステッピングモータを２相励磁方式で駆動する。駆動回路は、ステッピングモータのコイル電流の検出値が電流設定値に近づくようにパルス変調されるパルス変調信号を生成する定電流チョッパ回路と、ステッピングモータのコイル電流が所定のしきい値より小さくなるタイミングを始点とする検出窓を生成する検出窓生成回路と、検出窓の開状態において、ステッピングモータのコイルに接続されるフルブリッジ回路をハイインピーダンス状態とするとともに、検出窓の閉状態においてパルス変調信号に応じて、フルブリッジ回路を制御するロジック回路と、検出窓の開状態において、コイルの逆起電力を検出する逆起電力検出回路と、逆起電力にもとづいて電流設定値をフィードバック制御する電流値設定回路と、を備える。

【0019】

２相励磁方式では、ある励磁位置とある励磁位置の境界の近傍においてコイル電流がゼロクロスする。そこでコイル電流のゼロクロスを検出し、励磁位置と励磁位置の境界に、逆起電力の検出窓を設けることにより、通常の定電流チョッパ制御に与える影響を最小限に抑えつつ、逆起電力を正確に検出でき、高効率モードにおける電流指令値のフィードバック制御に反映できる。

【0020】

一実施形態において、駆動回路は、ステッピングモータの回転数に反比例する周期を検出する回転数検出回路をさらに備えてもよい。検出窓は、周期の長さに所定の係数を乗じた長さを有してもよい。これにより、回転周期に対する検出窓の長さの比率を安定化できる。

【0021】

一実施形態において、駆動回路は、係数の設定値を保持するレジスタをさらに備えてもよい。レジスタの設定値を書き換えることにより、検出窓の長さを制御できる。

【0022】

一実施形態において、検出窓生成回路は、逆起電力検出回路による逆起電力の検出が完了すると、検出窓を終了してもよい。この場合、検出窓の長さを最小限に留めることができ、定電流チョッパ制御に与える影響をさらに抑えることができる。

【0023】

一実施形態において、駆動回路は、フルブリッジ回路に設けられた検出抵抗の電圧降下に応じた電流検出信号を、しきい値と比較し、電流検出信号がしきい値より小さくなると、ゼロ電流検出信号をアサートするゼロ電流検出回路をさらに備えてもよい。検出窓生成回路は、ゼロ電流検出信号のアサートを、検出窓の始点としてもよい。

【0024】

一実施形態において、定電流チョッパ回路は、コイル電流の検出値を、電流設定値にもとづくしきい値と比較するコンパレータと、所定の周波数で発振するオシレータと、コンパレータの出力に応じてオフレベルに遷移し、オシレータの出力に応じてオンレベルに遷移するパルス変調信号を出力するフリップフロップと、を含んでもよい。

【0025】

一実施形態において、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。回路を１つのチップ上に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。

【0026】

（実施形態）
以下、好適な実施形態について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、実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施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。

【0027】

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、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0028】

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、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

【0029】

本明細書において参照する波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

【0030】

図４は、実施形態に係る駆動回路２００を備えるモータシステム１００のブロック図である。駆動回路２００は、ステッピングモータ１０２およびホストコントローラ２とともにモータシステム１００を構成する。ステッピングモータ１０２は、ＰＭ（Permanent Magnet）型、ＶＲ型（Variable Reluctance）型、ＨＢ（Hybrid）型のいずれであってもよい。

【0031】

駆動回路２００の入力ピンＩＮには、ホストコントローラ２から入力クロックＣＬＫが入力される。また駆動回路２００の方向指示ピンＤＩＲには、時計回り（ＣＷ）、反時計回り（ＣＣＷ）を指示する方向指示信号ＤＩＲが入力される。

【0032】

駆動回路２００は、入力クロックＣＬＫが入力されるたびに、方向指示信号ＤＩＲに応じた方向に、ステッピングモータ１０２のロータを所定角、回転させる。

【0033】

駆動回路２００は、フルブリッジ回路２０２＿１，２０２＿２、電流値設定回路２１０、逆起電力検出回路２３０、回転数検出回路２３２、定電流チョッパ回路２５０＿１，２５０＿２、検出窓生成回路２６０、ロジック回路２７０を備え、ひとつの半導体基板上に一体集積化される。

【0034】

本実施形態において、ステッピングモータ１０２は２相モータであり、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２を含む。駆動回路２００は、２相励磁によりステッピングモータ１０２を駆動可能に構成される。

【0035】

第１チャンネルＣＨ１のフルブリッジ回路２０２＿１は、第１コイルＬ１と接続される。第２チャンネルＣＨ２のフルブリッジ回路２０２＿２は、第２コイルＬ２と接続される。

【0036】

フルブリッジ回路２０２＿１、２０２＿２はそれぞれ、４つのトランジスタＭ１～Ｍ４を含むＨブリッジ回路である。フルブリッジ回路２０２＿１のトランジスタＭ１～Ｍ４は、ロジック回路２７０からの制御信号ＣＮＴ１にもとづいてスイッチングされ、それにより、第１コイルＬ１の電圧（第１コイル電圧ともいう）Ｖ_ＯＵＴ１がスイッチングされる。

【0037】

フルブリッジ回路２０２＿２は、フルブリッジ回路２０２＿１と同様に構成され、そのトランジスタＭ１～Ｍ４は、ロジック回路２７０からの制御信号ＣＮＴ２にもとづいてスイッチングされ、それにより、第２コイルＬ２の電圧（第２コイル電圧ともいう）Ｖ_ＯＵＴ２がスイッチングされる。

【0038】

電流値設定回路２１０は、電流設定値Ｉ_ＲＥＦを生成する。ステッピングモータ１０２の始動直後は、電流設定値Ｉ_ＲＥＦはある所定値（フルトルク設定値という）Ｉ_ＦＵＬＬに固定される。所定値Ｉ_ＦＵＬＬは、電流設定値Ｉ_ＲＥＦが取り得る範囲の最大値としてもよく、この場合、ステッピングモータ１０２はフルトルクで駆動される。この状態を高トルクモードと称する。

【0039】

ステッピングモータ１０２が安定的に回転しはじめると、言い換えると脱調のおそれが低下すると、高効率モードに遷移する。電流値設定回路２１０は高効率モードにおいて、電流設定値Ｉ_ＲＥＦを、コイルＬ１，Ｌ２の逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}，Ｖ_{ＢＥＭＦ２}にもとづいてフィードバック制御により調整し、これにより消費電力を削減する。

【0040】

定電流チョッパ回路２５０＿１は、第１コイルＬ１の通電中に、第１コイルＬ１に流れるコイル電流Ｉ_ＯＵＴ１の検出値Ｉ_ＮＦ１が電流設定値Ｉ_ＲＥＦにもとづく目標量に近づくようにパルス変調されるパルス変調信号Ｓ_ＰＷＭ１を生成する。定電流チョッパ回路２５０＿２は、第２コイルＬ２に通電中に、第２コイルＬ２に流れるコイル電流Ｉ_ＯＵＴ２の検出値Ｉ_ＮＦ２が電流設定値Ｉ_ＲＥＦに近づくようにパルス変調されるパルス変調信号Ｓ_ＰＷＭ２を生成する。

【0041】

コイル電流Ｉ_ＯＵＴ１，Ｉ_ＯＵＴ２の検出方法は限定されないが、たとえばフルブリッジ回路２０２＿１，２０２＿２はそれぞれ、電流検出抵抗Ｒ_ＮＦを含み、電流検出抵抗Ｒ_ＮＦの電圧降下を、コイル電流Ｉ_ＯＵＴの検出値とすることができる。なお、電流検出抵抗Ｒ_ＮＦの位置は限定されず、電源側に設けてもよいし、フルブリッジ回路２０２＿＃（以下、＃は、チャンネル番号１，２を表すものとする。）の２つの出力ＯＵＴ＃Ａ，ＯＵＴ＃Ｂの間に、駆動対象のコイルＬ＃と直列に設けてもよい。

【0042】

ロジック回路２７０は、パルス変調信号Ｓ_ＰＷＭ１に応じて、第１コイルＬ１に接続されるフルブリッジ回路２０２＿１の２本のレグの出力のうち一方をスイッチングする。またロジック回路２７０は、パルス変調信号Ｓ_ＰＷＭ２に応じて、第２コイルＬ２に接続されるフルブリッジ回路２０２＿２の２本のレグの出力のうち一方をスイッチングする。

【0043】

ロジック回路２７０は、入力クロックＣＬＫが入力される度に、励磁位置を変化させ、各コイルＬ１，Ｌ２に印加する電圧Ｖ_ＯＵＴ１，Ｖ_ＯＵＴ２を切り替える。励磁位置は、第１コイルＬ１のコイル電流と第２コイルＬ２それぞれのコイル電流の大きさと向きの組み合わせとして把握される。励磁位置は、入力クロックＣＬＫのポジエッジのみに応じて遷移してもよいし、ネガエッジのみに応じて遷移してもよいし、それらの両方に応じて遷移してもよい。

【0044】

検出窓生成回路２６０は、ステッピングモータ１０２のコイル電流Ｉ_ＯＵＴ１の大きさが所定のしきい値より小さくなるタイミングを始点とする検出窓を生成する。たとえば検出窓生成回路２６０は、第１コイルＬ１側の逆起電力の検出期間の間、開状態を示す第１レベル（たとえばハイレベル）となり、それ以外の非検出期間、閉状態を示す第２レベル（たとえばローレベル）となるパルスの検出窓信号ＢＥＭＦ＿ＷＩＮＤ１を生成する。同様にして、検出窓生成回路２６０は、コイル電流Ｉ_ＯＵＴ２の大きさが所定のしきい値より小さくなるタイミングを始点とする検出窓を生成する。検出窓信号ＢＥＭＦ＿ＷＩＮＤ１，ＢＥＭＦ＿ＷＩＮＤ２は、ロジック回路２７０に供給される。

【0045】

ロジック回路２７０は、検出窓信号ＢＥＭＦ＿ＷＩＮＤ＃の開状態において、対応するフルブリッジ回路２０２＿＃の出力をハイインピーダンス状態とする。またロジック回路２７０は、検出窓信号ＢＥＭＦ＿ＷＩＮＤ＃の閉状態においてパルス変調信号Ｓ_ＰＷＭ＃に応じて、フルブリッジ回路２０２＿＃を制御する。

【0046】

逆起電力検出回路２３０は、検出窓信号ＢＥＭＦ＿ＷＩＮＤ＃の開状態において、コイルＬ＃の端子電圧にもとづく逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ＃}を検出する。逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}，Ｖ_{ＢＥＭＦ２}は、高効率モードにおける電流設定値Ｉ_ＲＥＦのフィードバック制御のために、電流値設定回路２１０に供給される。

【0047】

回転数検出回路２３２は、ステッピングモータ１０２の回転数（角速度ω）を取得し、回転数ωを示す検出信号（回転数検出信号）を生成する。たとえば回転数検出回路２３２は、回転数ωの逆数に比例する周期Ｔ（＝２π／ω）を測定し、周期Ｔを検出信号（周期検出信号）として出力してもよい。脱調が生じていない状況では、入力パルスＩＮの周波数（周期）は、ステッピングモータ１０２の回転数（周期）と比例する。したがって回転数検出回路２３２は、入力パルスＩＮ、またはそれにもとづいて生成される内部信号の周期を測定し、周期検出信号としてもよい。

【0048】

本実施形態において周期検出信号Ｔは、検出窓生成回路２６０に供給される。検出窓生成回路２６０は、周期検出信号Ｔにもとづいて、検出窓信号ＢＥＭＦ＿ＷＩＮＤの開状態の長さ（検出期間）の長さを設定する。具体的には検出期間は、周期Ｔの長さに所定の係数（ｋ＜１）を乗じた長さを有する。

【0049】

たとえば係数ｋは、１／３２，１／１６，１／８，１／４（＝１／２^ｎ）などに設定することができる。この場合、周期Ｔを示すデジタル値をビットシフトすることにより、検出期間の長さを取得することができる。

【0050】

以上が駆動回路２００の構成である。続いてその動作を説明する。図５は、図４の駆動回路２００による２相励磁駆動の簡略化したタイムチャートである。ロジック回路２７０は入力クロックＣＬＫと同期して、励磁位置を１，３，５，７の順（またはその逆順）に変化させる。

【0051】

図６は、図４の駆動回路２００による逆起電力の検出を説明する波形図である。ここでは図５における励磁位置１番から３番への遷移に着目し、第１コイルＬ１の逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}の検出を説明する。

【0052】

時刻ｔ_０に励磁位置１に遷移する。励磁位置１の間、定電流チョッパ制御が行われる。具体的には、定電流チョッパ回路２５０＿１は、コイル電流Ｉ_ＯＵＴ１が電流指令値Ｉ_ＲＥＦに近づくようにＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭ１を生成する。フルブリッジ回路２０２＿１の第１レグ（Ｍ１，Ｍ３）の出力ＯＵＴ１Ａは、ＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭ１にもとづいてスイッチングし、第２レグ（Ｍ２，Ｍ４）の出力ＯＵＴ１Ｂはローに固定される。

【0053】

時刻ｔ_１に励磁位置３に遷移すると、ＯＵＴ１Ａがロー、ＯＵＴ２Ａがハイとなり、コイル電流Ｉ_ＯＵＴ１が減少し始める。

【0054】

時刻ｔ_２にコイル電流Ｉ_ＯＵＴ１がゼロ付近のしきい値と交差すると、検出窓生成回路２６０は検出窓信号ＢＥＭＦ＿ＷＩＮＤ１をハイとし、（ｋ×Ｔ）経過後の時刻ｔ_３に、検出窓信号ＢＥＭＦ＿ＷＩＮＤ１をローとする。この例ではｋ＝１／８である。

【0055】

ロジック回路２７０は、検出窓信号ＢＥＭＦ＿ＷＩＮＤ１がハイの間、すなわち検出窓の開状態において、ＯＵＴ１Ａ，ＯＵＴ１Ｂの両方をハイインピーダンスとする。この場合、逆起電力検出回路２３０は、第１コイルＬ１の両端の電圧Ｖ_{ＯＵＴ１Ａ}，Ｖ_{ＯＵＴ１Ｂ}の電位差を、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}として取得する。

【0056】

あるいは検出窓の開状態において、フルブリッジ回路２０２＿１の出力ＯＵＴ１Ｂをハイインピーダンス、別の出力ＯＵＴ１Ａをローとしてもよい。この間に、逆起電力検出回路２３０は、第１コイルＬ１のＯＵＴ１Ｂ側の端子電圧Ｖ_{ＯＵＴ１Ｂ}を、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}として取得してもよい。

【0057】

電流値設定回路２１０は、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}にもとづいて、電流指令値Ｉ_ＲＥＦを更新する。定電流チョッパ回路２５０＿１は、コイル電流Ｉ_ＯＵＴ１が新たな電流指令値Ｉ_ＲＥＦに近づくようにＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭ１を生成する。フルブリッジ回路２０２＿１の第２レグ（Ｍ２，Ｍ４）の出力ＯＵＴ１Ｂは、ＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭ１にもとづいてスイッチングし、第１レグ（Ｍ１，Ｍ３）の出力ＯＵＴ１Ａはローに固定される。

【0058】

以上が駆動回路２００の動作である。
２相励磁方式では、ある励磁位置（１）とある励磁位置（３）の境界の近傍においてコイル電流Ｉ_ＯＵＴ１がゼロクロスする。そこでコイル電流Ｉ_ＯＵＴ１のゼロクロスを検出し、励磁位置（１）と励磁位置（３）の境界に、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}の検出窓を設けることにより、通常の定電流チョッパ制御に与える影響を最小限に抑えつつ、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}を正確に検出でき、高効率モードにおける電流指令値のフィードバック制御に反映できる。

【0059】

図６に示すように、励磁位置１と３の境界の検出窓に加えて、あるいはそれに代えて、励磁位置５と７の境界に検出窓を設けてもよい。検出窓を２箇所に増やすことにより、高効率モードにおける電流指令値Ｉ_ＲＥＦの制御周期を短くでき、応答性を高めることができる。

【0060】

ここでは第１コイルＬ１の逆起電力の検出を説明したが、第２コイルＬ２について同様にして逆起電力を検出することができる。

【0061】

図７は、駆動回路２００の構成例を示す回路図である。図７には、第１コイルＬ１に関連する部分のみが示される。

【0062】

電流値設定回路２１０について説明する。電流値設定回路２１０は、フィードバックコントローラ２２０、フィードフォワードコントローラ２４０、マルチプレクサ２１２を含む。フィードフォワードコントローラ２４０は、始動開始直後の高トルクモードにおいて使用される固定的な電流設定値Ｉｘ（＝Ｉ_ＦＵＬＬ）を出力する。この電流設定値Ｉｘは、脱調を防止するために大きな値に設定される。

【0063】

フィードバックコントローラ２２０は、高効率モードにおいてアクティブとなり、逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦにもとづいてフィードバック制御される電流設定値Ｉｙを出力する。

【0064】

マルチプレクサ２１２は、モード選択信号ＭＯＤＥに応じて、２つの信号Ｉｘ，Ｉｙの一方を選択し、電流設定値Ｉ_ｒｅｆとして出力する。

【0065】

フィードバックコントローラ２２０は、負荷角推定部２２２、減算器２２４、ＰＩ（比例・積分）制御器２２６を含む。

【0066】

フィードバックコントローラ２２０は、推定された負荷角φが所定の目標角φ_ＲＥＦに近づくように、電流設定値Ｉｙを生成する。具体的には減算器２２４は、負荷角φに応じた検出値ｃｏｓφとその目標値ｃｏｓ（φ_ＲＥＦ）の誤差ＥＲＲを生成する。ＰＩ制御器２２６は、誤差ＥＲＲがゼロとなるようにＰＩ制御演算を行い、電流設定値Ｉｙを生成する。フィードバックコントローラ２２０の処理は、誤差増幅器を用いたアナログ回路でも実現可能である。

【0067】

定電流チョッパ回路２５０＿１は、Ｄ／Ａコンバータ２５２、ＰＷＭコンパレータ２５４、オシレータ２５６、フリップフロップ２５８を含む。Ｄ／Ａコンバータ２５２は、電流設定値Ｉ_ＲＥＦをアナログ電圧Ｖ_ＲＥＦに変換する。ＰＷＭコンパレータ２５４は、フィードバック信号Ｉ_ＮＦ１を基準電圧Ｖ_ＲＥＦと比較し、Ｉ_ＮＦ１＞Ｖ_ＲＥＦとなると、オフ信号Ｓ_ＯＦＦをアサート（ハイ）する。オシレータ２５６は、チョッピング周波数を規定する周期的なオン信号Ｓ_ＯＮを生成する。フリップフロップ２５８は、オン信号Ｓ_ＯＮに応じてオンレベル（たとえばハイ）に遷移し、オフ信号Ｓ_ＯＦＦに応じてオフレベル（たとえばロー）に遷移するＰＷＭ信号Ｓ_ＰＷＭ１を出力する。

【0068】

上述したように逆起電力検出回路２３０は、ステッピングモータ１０２のコイルＬ１（Ｌ２）に生ずる逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}（Ｖ_{ＢＥＭＦ２}）を検出する。

【0069】

回転数検出回路２３２は、ステッピングモータ１０２の回転数（角速度ω）を取得し、回転数ωを示す検出信号を生成する。たとえば回転数検出回路２３２は、回転数ωの逆数に比例する周期Ｔ（＝２π／ω）を測定し、周期Ｔを検出信号として出力してもよい。脱調が生じていない状況では、入力パルスＩＮの周波数（周期）は、ステッピングモータ１０２の回転数（周期）と比例する。したがって回転数検出回路２３２は、入力パルスＩＮ、またはそれにもとづいて生成される内部信号の周期を測定し、検出信号としてもよい。

【0070】

負荷角推定部２２２は、逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦおよび回転数ωにもとづいて負荷角φを推定する。負荷角φは、第１コイルＬ１に流れる駆動電流で定まる電流ベクトル（つまり位置指令）と、ロータ（可動子）の位置の差に相当する。逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}は、以下の式（１）で与えられる。
Ｖ_ＢＥＭＦ＝Ｋ_Ｅ・ω・ｃｏｓφ …（１）
Ｋ_Ｅは逆起電力定数、ωは回転数である。したがって、逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦと回転数ωを測定することで、負荷角φと相関を有する検出値を生成することができる。たとえば、ｃｏｓφを検出値としてもよく、この場合、検出値は式（２）で表される。
ｃｏｓφ＝Ｖ_ＢＥＭＦ・ω^－１／Ｋ_Ｅ
＝Ｖ_ＢＥＭＦ・（Ｔ／２π）・Ｋ_Ｅ ^－１ …（２）

【0071】

ゼロ電流検出回路２９０は、コイル電流Ｉ_ＯＵＴ１の絶対値が、所定のしきい値Ｉ_ＺＥＲＯより小さくなると、ゼロ電流検出信号Ｓ_ＺＣをアサート（たとえばハイ）する。その限りでないが、ゼロ電流検出回路２９０は、フルブリッジ回路２０２＿１に設けられた検出抵抗Ｒ_ＮＦの電圧降下に応じた電流検出信号Ｉ_ＮＦ１を、しきい値電圧Ｖ_ＺＥＲＯと比較するコンパレータ２９２を含んでもよい。検出窓生成回路２６０は、ゼロ電流検出信号Ｓ_ＺＣのアサートを、検出窓の始点とする。

【0072】

駆動回路２００は、インタフェース回路２８０およびレジスタ２８２を備える。インタフェース回路２８０は、係数ｋの設定データを、外部のプロセッサ（たとえば図４のホストコントローラ２）から受信する。レジスタ２８２は、インタフェース回路２８０が受信した設定データを保持する。インタフェースの種類は限定されないが、たとえばＩ^２Ｃ（Inter IC）インタフェースやＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）などを用いてもよい。

【0073】

以上、実施形態について説明した。この実施形態は例示であり、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。

【0074】

（変形例１）
図７の駆動回路２００では、ゼロ電流検出回路２９０は、電流検出抵抗Ｒ_Ｆの電圧降下にもとづいてコイル電流Ｉ_ＯＵＴ１のゼロクロスを検出したがその限りでない。たとえばゼロ電流検出回路２９０は、コイルＬ１の端子電圧にもとづいて、コイル電流Ｉ_ＯＵＴ１のゼロクロスを検出してもよい。

【0075】

図８は、変形例に係るゼロ電流検出回路２９０Ａの回路図である。ゼロ電流検出回路２９０は、コイルＬ１の端子電圧Ｖ_{ＯＵＴ１Ａ}をゼロ近傍のしきい値電圧Ｖ_ＺＣと比較するコンパレータ２９４を含む。

【0076】

図９は、図８のゼロ電流検出回路２９０Ａによる電流ゼロクロスの検出を説明する図である。時刻ｔ_０より前の期間、ＯＵＴ１Ａ側がＰＷＭ信号によってチョッパ制御される。ＰＷＭ信号のハイ区間において、端子電圧Ｖ_{ＯＵＴ１Ａ}は、式（３）で表される。
Ｖ_{ＯＵＴ１Ａ}＝Ｖ_ＤＤ－Ｒ_ＯＮ１×Ｉ_ＯＵＴ１ …（３）
となる。Ｒ_ＯＮ１はトランジスタＭ１のオン抵抗である。またＰＷＭ信号のロー区間において、端子電圧Ｖ_{ＯＵＴ１Ａ}は式（４）で表される。
Ｖ_{ＯＵＴ１Ａ}＝－（Ｒ_ＮＦ＋Ｒ_ＯＮ３）×Ｉ_ＯＵＴ１ …（４）
Ｒ_ＯＮ３はトランジスタＭ３のオン抵抗である。

【0077】

時刻ｔ_１にＯＵＴ１Ａがロー、ＯＵＴ１Ｂがハイとなると、コイル電流Ｉ_ＯＵＴ１が減少し始める。このときＯＵＴ１Ａ端子の電圧Ｖ_{ＯＵＴ１Ａ}は式（４）で表される。したがってコイル電流Ｉ_ＯＵＴ１の減少とともに、端子電圧Ｖ_{ＯＵＴ１Ａ}は増大していく。コイル電流Ｉ_ＯＵＴ１がゼロ近傍のしきい値Ｉ_ＺＣまで小さくなると、端子電圧Ｖ_{ＯＵＴ１Ａ}は、電流Ｉ_ＺＣに対応するしきい値Ｖ_ＺＣとクロスし、ゼロ電流検出信号Ｓ_ＺＣがアサートされる。

【0078】

（変形例２）
実施形態では、検出窓の長さを、ステッピングモータ１０２の回転数に追従して変化させたが、その限りでない。たとえば、検出窓生成回路２６０は、逆起電力検出回路２３０による逆起電力Ｖ_ＢＥＭＦの検出が完了すると、検出窓を終了してもよい。この場合、検出窓の長さを最小限に留めることができ、定電流チョッパ制御に与える影響をさらに抑えることができる。

【0079】

（変形例３）
フルブリッジ回路２０２は、駆動回路２００とは別チップであってもよいし、ディスクリート部品であってもよい。

【0080】

（変形例４）
高効率モードにおける電流設定値Ｉｙの生成方法は、実施形態で説明したものに限定されない。たとえば逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}の目標値Ｖ_{ＢＥＭＦ（ＲＥＦ）}を定めておき、逆起電力Ｖ_{ＢＥＭＦ１}が目標値Ｖ_{ＢＥＭＦ（ＲＥＦ）}に近づくように、フィードバックループを構成してもよい。

【0081】

（変形例５）
実施形態ではフィードバックコントローラ２２０をＰＩ制御器で構成したがその限りでなく、ＰＩＤコントローラなどを採用してもよい。

【0082】

最後に、駆動回路２００の用途を説明する。駆動回路２００は、さまざまな電子機器に利用される。図１０（ａ）～（ｃ）は、駆動回路２００を備える電子機器の例を示す斜視図である。

【0083】

図１０（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。駆動回路２００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高効率で、ピックアップ５０４を高精度に位置決めできる。

【0084】

図１０（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１０２は、オートフォーカス用レンズ６０４の位置決めを行う。駆動回路２００はステッピングモータ１０２を駆動するこの構成によれば、脱調を防止しながら高効率で、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駆動回路２００を用いてもよい。あるいは駆動回路２００は、絞り制御に用いてもよい。

【0085】

図１０（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１０２は、ヘッド７０２の位置を制御する。駆動回路２００は、ステッピングモータ１０２を制御する。この構成によれば、脱調を防止しながら高効率で、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、駆動回路２００を用いてもよい。

【0086】

駆動回路２００は、図１０（ａ）～（ｃ）に示すような民生機器のみでなく、産業機器やロボットも好適に用いることができる。

【0087】

実施形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施形態には、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。

【産業上の利用可能性】

【0088】

本発明は、ステッピングモータの駆動技術に関する。

【符号の説明】

【0089】

Ｌ１ 第１コイル
Ｌ２ 第２コイル
２ ホストコントローラ
１００ モータシステム
１０２ ステッピングモータ
２００ 駆動回路
２０２ フルブリッジ回路
ＲＮＦ 検出抵抗
２１０ 電流値設定回路
２１２ マルチプレクサ
２１４ 加算器
２２０ フィードバックコントローラ
２２２ 負荷角推定部
２２４ 減算器
２２６ ＰＩ制御器
２３０ 逆起電力検出回路
２３２ 回転数検出回路
２４０ フィードフォワードコントローラ
２５０ 定電流チョッパ回路
２５２ Ｄ／Ａコンバータ
２５４ ＰＷＭコンパレータ
２５６ オシレータ
２５８ フリップフロップ
２６０ 検出窓生成回路
２７０ ロジック回路
２９０ ゼロ電流検出回路
２９２ コンパレータ
２８０ インタフェース回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】