无刷dc马达和摄像设备的制作方法

专利名称：无刷dc马达和摄像设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无刷DC马达(brushless DC motor)和摄像 设备。
背景技术：
传统上已知将线圏用于定子并将磁体用于转子的无刷DC 马达应用于照相机镜头的驱动设备。参见日本特公平06-67259。 无刷D C马达通过传感器检测转子的位置，并通过维持命令信号 和转子的位置之间的同步有利地防止失步。
特别地，无刷DC马达的速度依赖于负荷。对于镜头驱动设 备，由于不稳定消除偏压弹簧和视角控制凸轮槽的倾斜的变化， 负荷根据驱动设备的位置和移动方向而变动。因此，使用无刷 DC马达的驱动设备在驱动镜头时改变其速度，并且导致用户感 到不舒服。

发明内容
本发明提供一种能够利用相对简单的结构即使在负荷变动 时也可减少乂人动构件的速度变动的无刷DC马达。
根据本发明的一个方面， 一种无刷DC马达，用于驱动从动 构件，所述无刷DC马达包括转子，其具有磁体；定子，其具 有用于向所述磁体提供旋转力的线圈；位置检测器，用于根据 所述转子的旋转位置，输出周期性的第一信号；信号生成器， 用于通过将超前角与从所述位置检测器输出的所述第一信号的 相位相加，生成第二信号；励磁切换器，用于根据所述第二信 号，选择对所述线圈的励磁；以及相位改变部，用于根据所述从动构件的位置和移动方向至少之一，改变所述超前角。
根据本发明的另一方面， 一种无刷DC马达，用于驱动从动 构件，所述无刷DC马达包括转子，其具有磁体；定子，其具 有用于向所述磁体提供旋转力的线圈；位置检测器，用于根据 所述转子的旋转位置，输出周期性的第一信号；信号生成器， 用于通过将超前角与从所述位置检测器输出的所述第一信号的 相位相加，生成第二信号；励磁切换器，用于根据所述第二信 号，选择对所述线圈的励磁；以及相位改变部，用于根据用于 驱动所述从动构件的负荷，改变所述超前角。
根据本发明的又一方面， 一种摄像设备，包括作为从动 构件的镜头；以及如上所述的无刷DC马达，用于驱动所述从动 构件。
根据下面参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特 征将变得明显。


图l是根据第一实施例的被配置为直线驱动镜头的驱动设 备的立体图。
图2是根据第 一 实施例的数字照相机(摄像设备)的框图。 图3示出用以解释驱动原理的扭矩图和传感器信号。 图4是用于解释电流的前沿的延迟的图。 图5是用于解释存储在图2中示出的数据存储表中的针对多
个超前角中各个超前角的负荷与目标速度之间的关系的图。 图6是在图2中示出的信号生成器的电路图。 图7是用于解释从动构件的位置和移动方向与负荷之间的
关系的图。
图8是输入至在图2中示出的数据存储表的数据的一个例子。
图9是根据第二实施例的驱动设备的部分立体图。
具体实施例方式
现在参考附图，将给出对根据本发明的无刷DC马达的说明。
第一实施例
图l是根据第一实施例的驱动设备50的立体图。该驱动设备 50包括无刷DC马达1、导杆4和5以及弹簧6，并驱动作为从动构 件的镜头2和镜头保持件3。
将无刷DC马达1固定至基板(未示出)上。马达l的输出轴是 外螺紋型。后面将说明马达l的详细结构。
将镜头2固定在镜头保持件3上。镜头保持件3具有套筒部 31、旋转防止部32、内螺紋部33和弹簧钩部34。套筒部31具有 中空的矩形平行六面体形状，并平行于光轴OA延伸。导杆4插 入至套筒部31的空心中，并且套筒部31沿导杆4滑动。套筒部31 在纵向上比镜头保持件3的厚度长。结果，镜头保持件3沿光轴 方向移动，并且防止其相对于光轴OA倾斜。4t转防止部32具有 中空的矩形平行六面体形状，并且平行于光轴延伸。导杆5插入 至旋转防止部3 2的空心中，并且该旋转防止部3 2沿导杆5滑动。 该旋转防止部32在纵向上与镜头保持件3的厚度一样长。套筒部 31和^t转防止部32相对于光轴OA对称布置。》走转防止部32防止 镜头保持件3以导杆4为中心旋转。内螺紋部3 3与为马达1设置的 外螺紋接合。由此，马达每旋转一次，镜头保持件3能够笔直移 动螺紋的一个螺距。
与镜头2的光轴方向平行地布置导杆4和5，并通过方法(未 示出)将导杆4和5固定在基板上，并且导杆4和5支撑镜头保持件3使得镜头保持件3能够笔直地移动。弹簧6是拉伸弹簧，其一端 与镜头保持件3的弹簧钩部34接合，且另 一 端与基板(未示出) 接合。
上述结构能够将无刷DC马达1的旋转运动转换成镜头2和 镜头保持件3的前进运动，并且使得镜头2能够沿光轴方向相对 于基板移动。可以通过沿光轴方向移动镜头2来控制镜头2的焦 点和视角。另外，通过总是由弹簧6沿一个方向推动镜头保持件 3,能够消除由螺紋的不稳定导致的误差，并能够稳定地确定镜 头2在光轴方向上的位置。
图2是数字照相机(摄像设备)100的框图。无刷DC马达1驱 动作为从动构件的镜头2和镜头保持件3。无刷DC马达1包括转 子21、定子22、第一位置检测器15、第二位置检测器16、信号 生成器8、励磁切换器7和相位改变部。无刷DC马达1可以是转 子21位于定子22外部的外转子型，或者是转子21位于定子22内 部的内转子型。相位数可以是2个、3个或其它数量。
转子21具有》兹体12。定子22向》兹体12提供旋转力，并且具 有第 一 磁极2 2 a和第二磁极2 2 b以及向磁体12提供旋转力的第一 线圈13和第二线圈14。磁体12旋转地支撑在磁极部22a和22b上。 将磁体12沿圆周方向分割成n个部分，并且交替地磁化为S极和 N极。设置磁化，使得沿半径方向的磁通量密度的强度相对于 旋转方向变为近似正弦波形状。在图2中示意性示出第 一磁极 22a和第二》兹极22b,并且二者与磁体12的》兹化面相对。第一磁 极22a和第二磁极22b以预定的相位差布置，并且能够在通过第 一线圈13和第二线圈14交替励磁时向磁体12^是供旋转力。第一 线圏13固定在定子22上，并且在通电时可以励磁第 一磁极22a。 第二线圏14固定在定子22上，并且在通电时可以励i兹第二磁极 22b。第一位置检测器15和第二位置检测器16是如霍尔元件或 MR装置等被配置为读取磁场的传感器，并用作被配置为根据转 子21的旋转位置来输出周期性的传感器信号(第一信号)K的位 置传感器。在本实施例中，第一位置检测器15和第二位置检测 器16输出根据磁场强度的电压，位于磁体12的磁化面附近，并 且测量相对,兹体12的》兹极。当设置磁化使得》兹体的》兹通量分布 相对于旋转角度成正弦波形状时，每当转子21旋转3 6 0/ n 。时， 从第一位置检测器15获得正弦波输出。另外，通过使第二位置 检测器16相对第一位置检测器15偏移90/n。，从第二位置检测器 16获得余弦波输出。
如在图2中所示，本实施例中的马达驱动电^各包括励一磁切换 器7、信号生成器8、 CPU9、计数器10和数据存储表(存储器)11。
励磁切换器7可以使电流沿预定方向在第 一 线圈13和第二 线圏14各自中流动，并且根据来自信号生成器8的超前角(lead angle)信号(第二信号)J来切换对线圏13的励磁和对线圈14的励 磁。换言之，电流切换时刻是接收到超前角信号的时刻。
信号生成器8可以根据从第 一 位置检测器15和第二位置检 测器16输出的传感器信号K,生成将相位前移由C P U 9所指示的 超前角的量的超前角信号(第二信号)J。后面将给出对超前角信 号的更具体的生成方法的说明。该超前角信号J确定对励磁切换 器7的通电切换时刻。
CPU 9响应于与命令速度、移动步长和移动方向有关的外 部指令来指示驱动和停止无刷DC马达1。另外，CPU 9向信号 生成器8发送超前角命令。通过参考数据存储表11和来自计数器 IO的位置信号的值确定该超前角的命令值。后面将说明该超前 角命令的更具体的确定方法。
计数器10对从第一位置检测器15和第二位置检测器16所获得的传感器信号K进行计数，并输出用作从动构件的镜头2和镜 头保持件3的相对移动距离。
本实施例通过初始位置检测器(未示出)4全测从动构件是否 位于初始位置，并在投入电源时将从动构件驱动至初始位置。 计数器10对从该时间开始的传感器信号K进行计数，以识另'j从 动构件的相对初始位置的移动量。换言之，计数器10的输出变 为从动构件的位置信号。
数据存储表ll存储确定超前角a的数据。更具体地，数据存 储表1 l存储在图7中示出的从动构件的位置和移动方向中的至 少 一 个与用于驱动从动构件的负荷之间的关系，以及在图5中示 出的负荷、用于驱动从动构件的目标速度和多个超前角之间的 关系。本实施例相互组合CPU 9、计数器10和数据存储表11, 并构成相位改变部。该相位改变部根据,人动构件的位置和移动 方向中的至少一个改变超前角。可选地，相位改变部根据用于 驱动从动构件的负荷改变超前角。
现在参考图3,将给出对用于本实施例的马达的驱动原理的 说明。图3(a)是当恒定电流在马达1的各个相位中流动时的扭矩 分布。由于正负电流可以在两个线圈13和14各自中流动，因此 获得在图3(a)中示出的四种类型的扭矩分布。在图3(a)中，A+B+ 表示当在第 一 线圈13中流过正电流且在第二线圈14中流过正电 流时的扭矩。A-B+表示当在第一线圈13中流过逆电流且在第二 线圈14中流过正电流时的扭矩。A-B-表示当在第 一线圈13中流 过逆电流且在第二线圏14中流过逆电流时的扭矩。A+B-表示当 在第 一 线圏13中流过正电流且在第二线圈14中流过逆电流时的 扭矩。
在图3(a)中，为区域I提供A+B+的通电，为区域11提供八-8+ 的通电，为区域III提供A-B-的通电，并为区域IV提供A+B-的通电。当根据转子21的位置在适当的时刻切换通电时，无刷DC 马达l绘出由T所示的扭矩曲线，并提供各个角的最大扭矩。
为了获得这种扭矩，第一位置检测器15和第二位置检测器 16布置在适当的位置处，并被配置为输出如在图3(b)中所示的 传感器信号K。当切换来自第一位置检测器15的传感器信号的 正负时，切换对第一线圏13的通电方向；当切换来自第二位置 检测器16的传感器信号的正负时，切换对第二线圏14的通电方 向。由此，可以获得由图3(a)中的T所示的扭矩。
励i兹电流受线圈13和14的电感影响，并且如在图4中所示， 其前沿相对于励磁电压延迟。当马达l的旋转数小时，对励磁电 流的影响小并且可以获得由T表示的扭矩。然而，随着转子21 旋转地越快，励磁电流前沿的延迟变得明显。在高速旋转时， 相位在励》兹电流到达恒定值之前切换，4吏扭矩降低。
如下方法是该问题的一个解决方案。随着转子21的旋转速 度变得越快，对线圈13或14的励磁的切换角度前移，并且在图 3(a)中的T所示的时刻之前，对线圏13或14通电。由此，消除了 电流的前沿的延迟，并且即使在高速旋转时扭矩也变得稳定。 在下文，将使通电前移的该角度称为"超前角"。可以通过将超 前角与相位相加来调整马达1的特性。图5示出针对不同的超前
角的负荷扭矩与旋转数之间的关系。
通过使用该数据，即使在对马达l的负荷变动时，也可通过 与负荷一致地改变超前角来减少马达l的旋转数的变动。例如， 通过对于0 0.6gcm的负荷扭矩将超前角设置为20。、对于 0.6 0.9gcm的负荷扭矩将超前角设置为40。、对于0.9 1.3gcm的 负荷扭矩将超前角设置为60。以及对于1.3gcm或更高的负荷扭 矩将超前角设置为80。，可以将旋转数维持在约4，000PPS。图5 作为M示出此时马达l的特性。现在将给出对超前角信号的生成方法的说明。如上所述，
图3(b)示出从第 一位置检测器15和第二位置检测器16输出的波 形。如上所述，从第一位置检测器15获得具有近似正弦波形状 的第一位置信号。另外，第二位置检测器16相对第一位置检测 器15偏移了电角度为90。的相位，并由此提供具有余弦波形状的 第二位置信号。可以基于这两个信号产生任意的超前角信号。 在产生相对于第 一位置检测器15前移a。的超前角信号(在图中 为30。)时，假定第一超前角信号是由如下等式给出的信号 等式l
第 一位置信号[sin0] x cosa +第二位置信号[cos9] x sina 另外，假定第二超前角信号是由如下等式给出的信号 等式2
第二位置信号[cos9] x cosa _第 一位置信号[sine] x sina 结果，第一超前角信号变为sin(e+a)且第二超前角信号变为 cos(e+a),并且可以为来自第一位置检测器15的传感器信号和 来自第二位置检测器16的传感器信号提供a。的超前角。
信号生成器8生成第一超前角信号和第二超前角信号。可以 通过在图6中示出的电路来实现信号生成器8。最初，将来自第 一位置检测器15和第二位置检测器16的各个传感器信号放大A 倍。还准备放大后的信号的反转信号。假定以从图6中示出的顶 部起的顺序将在左侧的四个放大器依次称为第 一反转放大器 8a、第二反转放大器8b、第三反转放大器8c和第四反转放大器 8d。第一反转放大器8a连接至第一位置检测器15,将第一位置 检测器15的输出(sine)放大-A倍，并输出-Asine。第二反转放大 器8b连接至第一反转放大器8a的输出，将第一反转放大器8a的 输出放大-l倍，并输出Asine。第三反转放大器8c连接至第二位 置检测器16,将第二位置检测器16的输出(cose)放大-A倍，并输出-Acose。第四反转放大器8d连接至第三反转放大器8c的输 出，将第三反转放大器8c的输出放大-l倍，并输出Acos0。
器依次称为第五反转放大器8e和第六反转放大器8f。第五反转 放大器8e将放大了 R/R1倍的第二反转放大器8b的输出与放大 了 R/R2倍的第四反转放大器8d的输出相加，并生成由等式3所 定义的第一超前角信号。第六反转放大器8f将放大了 R/R1倍的 第四反转放大器8d的输出与放大了 R/R2倍的第 一反转放大器 8a的输出相加，并生成由等式4所定义的第二超前角信号。由此， 可以获得如下的等式 等式3
第一超前角信号
=jAsin" ^丄cos0 =Asin(e+a)
等式4
第二超前角信号
=y^c。s51 —jAsin6> =Acos(0+a)
通过为可变阻抗Rl和R2选择满足R/Rhcosa且R/R2二sina 的值，可以生成cosa倍和sina倍的》文大率，并且可以产生前移 了任意的超前角a的信号。通过改变可变阻抗R1和R2的值使得a
的值能够在五种类型或0。、 20。.....和80。之间变化，本实施
例获取如在图5中所示的五种类型的马达特性。
超前角信号的上述生成方法仅是示例性的，并且本发明不
限于该实施例。例如，通过使用每当转子旋转360/n。时输出数 十个脉冲信号的高分辨率编码器并通过调整通电切换脉冲间 隔，已知的方法可用于获得与超前角信号的上述生成方法类似 的效果。
接着，如下是对本实施例的直线驱动设备中的速度维持方法的说明。在图1中示出的驱动设备50由弹簧6在一侧推动。驱 动设备50接收弹簧6的回复力，并使得负荷根据从动构件的位置 和移动方向而》o图7所示变动。
本实施例可以使用来自计数器10的输出检测从动构件的位 置，并且可以通过将命令位置与当前位置相比较检测从动构件 的移动方向。因此，可以通过参考图7的负荷数据来确定当前负 荷。 一旦确定了负荷和目标速度，则可以通过参考在图5中示出 的各个超前角的T-N图来确定用于输出目标速度的超前角。换 言之，CPU 9用作选择器，该选择器针对与从动构件的位置和 移动方向中的至少一个相对应的负荷，选择多个超前角中最接 近目标速度的超前角。尽管本实施例存储如图5所示的关系和如 图7所示的关系两者，但可以存储例如从动构件的位置和移动方 向中的至少一个与目标速度之间的关系。
在例子中，假定目标速度是4，000PPS。在这种情况下，可 以选择超前角从而获得在图5中示出的M的特性。根据图7，当 从动构件的位置为4 8mm并且移动方向是正方向时，施加至马 达的负荷变为1.3-1.5gcm，并由此将超前角设置为80。。当从动 构件的位置为0 4mm并且移动方向是正方向时，施加至马达的 负荷变为1.1 1.3gcm，并由此将超前角i殳置为60。。当乂人动构件 的位置为0 6mm并且移动方向是负方向时，施加至马达的负荷 变为0.9 0.6gcm,并由此将超前角设置为40。。当从动构件的位 置为6 8mm并且移动方向是负方向时，施加至马达的负荷变为 0.6 0.5gcm,并由此将超前角设置为20。。
如后面所述，数据存储表11存储从动构件的位置和移动方 向与超前角之间的关联。图8示出了一个例子。CPU9基于从动 构件的当前位置和移动方向通过参考数据存储表ll读取用于实 现目标速度的超前角。CPU 9将所读取的超前角发送至信号生成器8。可以通过根据该超前角信号驱动马达，使该马达以目标 速度移动。
由于本实施例根据从动构件的位置和移动方向改变超前
角，因此即^f吏在对马达l的负荷变动时，本实施例也可以减少从
动构件的速度变动。结果，用户在操纵照相机100期间不太可能
感到不舒服。例如，当将超前角固定至60。时，在负荷变为最小
时(其中，从动构件的位置是8.0mm,移动方向是负方向，并且
负荷是0.5gcm)，马达的旋转数变为5，500PPS。当负荷变为最大
时，马达的旋转数变为3，000PPS(其中，从动构件的位置是
8.0mm,移动方向是正方向，并且负荷是1.5gcm)。因此，速度
变动根据位置和移动方向而变为双倍。另一方面，本实施例根 据从动构件的位置和移动方向改变超前角，并且可以将马达的
特性维持为在图5中示出的M。由此，马达的最小旋转数是 3,700PPS，并且马达的最大旋转数是4，400PPS,并且可以减少 速度变动。尽管本实施例以20。的间隔改变超前角，但在数据存 储表存储更多的数据并且超前角以更细微的间距改变时，可以 进一步减少马达的速度变动。
另外，由于从计数器10读取从动构件的位置并基于该值参 考表ll的简单方法可以减少速度变动并简化处理，因此电路变 得简单并且减少了对电路的负荷。
第二实施例
现在参考图9,将给出对根据第二实施例的驱动设备50A的 说明。第二实施例与第 一 实施例的不同之处在于直线驱动设备 的机构，并且与第 一 实施例的类似之处在于马达l的结构和驱动 电路。驱动设备50A包括马达1、旋转凸轮筒41、固定筒42和从 动构件43。旋转凸轮筒41具有圆柱形状，并且可旋转地支撑在 固定筒42上。为了说明，图9仅示出筒的一部分。旋转凸轮筒41包括凸轮槽41a，并且从动构件43的销部43a 与凸轮槽41a接合，并且齿轮部41b与附接至马达l的小齿轮la 接合。将马达1的旋转传递至旋转凸轮筒41。将固定筒42固定在 基板(未示出)上。与旋转凸轮筒41类似，图9仅示出圓柱形的一 部分。固定筒4 2具有平行于从动构件的光轴O A延伸的线形槽 42a。由于从动构件43的销部43a与该线形槽42a接合，因此可以 平行于光轴OA直线地驱动该乂人动构件43,并且可以抑制从动构 件43的旋转运动。
在马达1旋转时，该结构可以沿直线方向驱动/人动构件4 3 。 施加至马达的负荷几乎不根据移动方向改变，但其根据此时凸 轮槽的倾斜或从动构件的位置改变。因此，本实施例通过从动 构件43的位置确定超前角，并且可以获得与第一实施例类似的 效果。
第三实施例
可以〗又通过/人动构件的移动方向确定超前角。例如，在/人 动构件不受弹簧6推动时与重力方向平行地驱动该从动构件的 情况下，施加至马达的负荷不受位置的影响而仅依赖于移动方 向。当移动方向与重力方向一致时，负荷小；当移动方向与重 力方向相反时，负荷变大。在这种情况下，本实施例通过仅4全 测移动方向并通过确定超前角可以获得与第 一 实施例的效果类 似的效果。
第四实施例
尽管上述实施例通过使用计数器检测从动构件的位置，但 可以通过为从动构件设置线性编码器直接#r测从动构件的位置。
另外，尽管上述实施例使用霍尔元件作为位置检测器来检 测转子21中的磁体12的磁通量，但位置检测器的结构不受限制，并且可以使用为转子设置脉沖板并通过光遮断器来检测信号的 光学编码器。
尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解， 本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符 合最宽的解释，以包含所有这类修改以及等同结构和功能。
权利要求
1. 一种无刷DC马达，用于驱动从动构件，所述无刷DC马达包括转子，其具有磁体；定子，其具有用于向所述磁体提供旋转力的线圈；位置检测器，用于根据所述转子的旋转位置，输出周期性的第一信号；信号生成器，用于通过将超前角与从所述位置检测器输出的所述第一信号的相位相加，生成第二信号；励磁切换器，用于根据所述第二信号，选择对所述线圈的励磁；以及相位改变部，用于根据所述从动构件的位置和移动方向至少之一，改变所述超前角。
2. 根据权利要求1所述的无刷DC马达，其特征在于，所述 位置检测器包括用于生成具有正弦波形状的第 一信号的第 一位 置检测器以及用于生成具有余弦波形状的第 一 信号的第二位置 检测器，以及其中，所述信号生成器包括第一反转放大器，其连接至所述第一位置检测器，并用于 将所述第 一位置检测器的输出放大-A倍；第二反转放大器，其连接至所述第一反转放大器的输出， 并用于将所述第一反转放大器的输出放大-l倍；第三反转放大器，其连接至所述第二位置检测器，并用于 将所述第二位置检测器的输出放大-A倍；第四反转放大器，其连接至所述第三反转放大器的输出， 并用于将所述第三反转放大器的输出放大-l倍；第五反转放大器，用于将放大了cosa倍的所述第二反转放 大器的输出与放大了 sina倍的所述第四反转放大器的输出相加；以及第六反转放大器，用于将放大了sina倍的所述第一反转放 大器的输出与放大了 cosa倍的所述第四反转放大器的输出相 加，a是所述超前角。
3. 根据权利要求1所述的无刷DC马达，其特征在于，所述 相位改变部包4舌存储器，用于存储所述从动构件的位置和移动方向至少之 一与用于驱动所述从动构件的负荷之间的关系，以及所述负荷、 用于驱动所述从动构件的目标速度与多个超前角之间的关系； 以及选择器，用于针对与所述至少之一相对应的所述负荷，选 择所述多个超前角中最接近所述目标速度的超前角。
4. 一种无刷DC马达，用于驱动乂人动构件，所述无刷DC马达包括转子，其具有磁体；定子，其具有用于向所述磁体提供旋转力的线圈； 位置检测器，用于根据所述转子的旋转位置，输出周期性 的第一信号；信号生成器，用于通过将超前角与从所述位置检测器输出 的所述第一信号的相位相加，生成第二信号；励磁切换器，用于根据所述第二信号，选择对所述线圈的 励磁；以及相位改变部，用于# 据用于驱动所述^Mv动构件的负荷，改 变所述超前角。
5. —种摄像设备，包括 作为从动构件的镜头；以及根据权利要求1至4中任一项所述的无刷DC马达，用于驱动所述,人动构件。
全文摘要
本发明涉及一种无刷DC马达和摄像设备。该无刷DC马达用于驱动从动构件，并包括转子，其具有磁体；定子，其具有用于向所述磁体提供旋转力的线圈；位置检测器，用于根据所述转子的旋转位置，输出周期性的第一信号；信号生成器，用于通过将超前角与从所述位置检测器输出的所述第一信号的相位相加，生成第二信号；励磁切换器，用于根据所述第二信号，选择对所述线圈的励磁；以及相位改变部，用于根据所述从动构件的位置和移动方向至少之一，改变所述超前角。
文档编号G02B7/04GK101505084SQ20091000559
公开日2009年8月12日 申请日期2009年2月6日 优先权日2008年2月8日
发明者安田悠, 木矢村公介, 青岛力 申请人:佳能株式会社