JP2010104107A - 静電型アクチュエータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化に対応しながら効率よく静電型アクチュエータを駆動することが可能な静電型アクチュエータ制御装置を得る。
【解決手段】静電型アクチュエータ２００は、バイアス電圧の値が上昇するに従って、共振周波数が上昇する特性を有する。バイアス電圧は、ピークツーピーク電圧を増減することにより増減される。そのため、ピークツーピーク電圧を増減することにより、静電型アクチュエータ２００の共振周波数を制御できる。言い換えると、交流電圧の振動中心値を増減することにより、静電型アクチュエータ２００の共振周波数を制御できる。つまり、ピークツーピーク電圧を増減すると、従来技術における直流バイアス値を増減させたのと同様の効果を得ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、交流電圧を印加することにより揺動される静電型アクチュエータに用いられる静電型アクチュエータ制御装置に関する。

静電型アクチュエータは、可動部と固定部とを備え、可動部と固定部とが各々有する電極の間に静電力を生じさせて、可動部を固定部に対して揺動させる。この静電力は、静電型アクチュエータ制御装置がいずれかの電極に交流電圧を印加することにより生じる。静電型アクチュエータを効率よく駆動するため、交流電圧の周波数は静電型アクチュエータの共振周波数と略一致するように設定される。

一方、静電型アクチュエータの共振周波数は、周囲の状況（温度等）により変動するため、駆動環境に応じて交流電圧の周波数又は共振周波数を変化させなければ、静電型アクチュエータを効率よく駆動することができない。そこで、交流電圧に直流バイアス電圧を重畳し、直流バイアス電圧値を適宜調整することにより、周囲の状況に応じて静電型アクチュエータの共振周波数を変化させる静電型アクチュエータ制御装置が知られている。
特開２００６−３２０９６３号公報

しかし、直流バイアス電圧は、静電型アクチュエータの共振周波数を変化させるためにのみ用いられ、静電型アクチュエータを揺動するエネルギーとして用いられない。すなわち、直流バイアス電圧を用いて共振周波数を変化させると、静電型アクチュエータの駆動効率が低下する。

本発明は、温度変化に対応しながら効率よく静電型アクチュエータを駆動することが可能な静電型アクチュエータ制御装置を得ることを目的とする。

本願発明による静電型アクチュエータ制御装置は、交流電圧を印加して静電型アクチュエータを所定の振れ角度で揺動させる静電型アクチュエータ制御装置であって、静電型アクチュエータに印加する交流電圧波の特性を決定する演算手段と、演算手段が決定した特性を有し、直流成分を実質的に含まない交流電圧波を生成して静電型アクチュエータに印加する電源手段とを備え、電源手段が生成した交流電圧波を印加することにより、静電型アクチュエータの振動特性を制御することを特徴とする。

演算手段は、交流電圧波の振動中心値を決定し、振動中心値に応じた交流電圧波を印加することにより、静電型アクチュエータの共振周波数を制御することが好ましい。

静電型アクチュエータは、印加される交流電圧波のピークツーピーク値に応じて振れ角度が変化し、算出手段は、静電型アクチュエータの振れ角度が所定の振れ角度となるように交流電圧波のピークツーピーク値を決定することが好ましい。

静電型アクチュエータ制御装置は、静電型アクチュエータの温度を測定する温度測定手段をさらに備え、演算手段は、温度測定手段が測定した温度を用いて、特性を決定することが好ましい。

演算手段は、温度測定手段が測定した温度を用いて、交流電圧波の振動中心値を決定することが好ましい。

演算手段は、温度測定手段が測定した温度を用いて、交流電圧波の振動周波数を決定することが好ましい。

静電型アクチュエータは、印加される交流電圧波のピークツーピーク値に応じて振れ角度が変化し、算出手段は、温度測定手段が測定した温度を用いて、交流電圧波のピークツーピーク値を決定することが好ましい。

演算手段は、静電型アクチュエータの共振周波数よりも高くなるように交流電圧波の周波数を決定することが好ましい。

以上のように本発明によれば、温度変化に対応しながら効率よく静電型アクチュエータを駆動することが可能な静電型アクチュエータ制御装置を得る。

以下、本発明による静電型アクチュエータ制御装置１００の一実施形態について図を用いて説明する。まず、図１及び２を用いて静電型アクチュエータ２００について説明する。

静電型アクチュエータ２００は、周囲の部材に固定される固定部２１０と、固定部２１０に対して揺動する可動部２２０と、固定部２１０と可動部２２０とを接続する支持部２３０とを有する。

可動部２２０は、円盤形状を有するミラー部２２１と、ミラー部２２１の径方向に延びる腕部２２２と、腕部２２２の延伸方向に対して直角に腕部２２２から延びる可動部側電極２２３とを有する。ミラー部２２１の重心を通り、かつミラー部２２１の直径と平行な直線を支持軸Ｌとする。

ミラー部２２１は、片方の円形面が鏡面２２４を成す。鏡面２２４に入射した光は鏡面２２４により反射される。可動部２２０が固定部２１０に対して揺動すると、固定部２１０に対する鏡面２２４の傾斜角度が変化する。これにより、鏡面２２４に入射した光の反射方向が変えられる。光を所定の方向へ安定的に反射させるため、可動部２２０の揺動角度、すなわち振れ角度は一定の許容範囲内に収まっていなければならない。

腕部２２２は、ミラー部２２１の径方向に延びる平板状の直方体から成り、２つ設けられる。２つの腕部２２２は、支持軸Ｌ上に設けられ、ミラー部２２１の中心軸に対して互いに点対称となる。腕部２２２の厚さ、すなわちミラー部２２１の軸と平行な方向における長さはミラー部２２１の厚さよりも薄い。腕部２２２の正面はミラー部２２１の鏡面２２４と連続し、裏面はミラー部２２１の鏡面２２４の裏面２２５と連続する。腕部２２２の正面と裏面は、腕部２２２が延びる方向に延びる２つの側面と、腕部２２２の先端となる先端面とにより接続される。

可動部側電極２２３は、腕部２２２の側面から直角に延びる複数の棒状の直方体から成る。複数の棒は、腕部２２２が延びる方向に等間隔で並べられて、腕部２２２の２つの側面から固定部２１０に向けて突出する。可動部側電極２２３の先端は、固定部２１０と接触しない。２つの側面のうち一方から突出する可動部側電極２２３は、鏡面２２４側に近接する位置に設けられ、他方から突出する可動部側電極２２３は、鏡面２２４の裏面２２５側に近接する位置に設けられる。

固定部２１０は、可動部２２０を取り囲むように設けられる。

支持部２３０は、棒状の直方体から成り、支持軸Ｌ上に２つ設けられる。２つの支持部２３０が固定部２１０から突出し、腕部２２２の先端面と接続される。支持部２３０は、捻れ方向に弾性を有する。

固定部２１０における腕部２２２の側面に対向する位置から固定部側電極２１１が突出する。固定部側電極２１１は、可動部側電極２２３と平行に延びる複数の棒状の直方体から成る。複数の棒は、腕部２２２が延びる方向に等間隔で並べられ、可動部側電極２２３に挟まれるように、可動部側電極２２３の間にまで突出する。固定部側電極２１１は、可動部２２０と接触しない。鏡面２２４側に近接する可動部側電極２２３の間に設けられる固定部側電極２１１は、鏡面２２４の裏面２２５側に近接する位置に設けられ、鏡面２２４の裏面２２５側に近接する可動部側電極２２３の間に設けられる固定部側電極２１１は、鏡面２２４側に近接する位置に設けられる。可動部側電極２２３と固定部側電極２１１の突出長さは同じである。

支持軸Ｌ方向から可動部側電極２２３と固定部側電極２１１とを見ると、可動部側電極２２３の一部と固定部側電極２１１の一部とが互いに重畳する。別言すると、支持軸Ｌ方向に垂直な投影面において、可動部側電極２２３の一部と固定部側電極２１１の一部とが互いに重畳している。

可動部側電極２２３には、腕部２２２及び支持部２３０を介して可動部電極用回路（図示しない）が接続される。可動部電極用回路は接地され、可動部側電極２２３の電位をグランドレベルに保持する。

固定部２１０には固定部側電極２１１に電荷を与えるための固定部側電極２１１用回路（図示しない）が形成される。固定部側電極２１１用回路には後述する駆動電源１３０（図３参照）が接続され、固定部側電極２１１と可動部側電極２２３との間に電位差を与える。

次に、静電型アクチュエータ２００の動作について説明する。

固定部側電極２１１用回路を介して、後述する駆動電源１３０が固定部側電極２１１に電位を与えると、可動部側電極２２３と固定部側電極２１１との間に電位差が生じる。このとき、可動部側電極２２３と固定部側電極２１１との間には、静電力により互いに引き合う引力、すなわち静電引力が生じる。

すると、この静電引力により支持部２３０が捻れて、可動部側電極２２３が固定部側電極２１１と重なりあう方向に移動する。これにより可動部２２０が支持部２３０周りに揺動、つまり回転する。可動部２２０が回転すると、鏡面２２４の角度が変化し、鏡面２２４による反射光の射出方向が変化する。

上述したように、支持部２３０の軸に対し垂直な投影面上では、可動部側電極２２３と固定部側電極２１１とが常時重なった状態になっている。すなわち、支持部２３０の軸と平行な方向において、可動部側電極２２３と固定部側電極２１１とが対向している。この構成によれば、より小さい電位差を両電極間に与えるだけで、可動部２２０を起動することが出来るとともに、与える電位差に対する可動部２２０の回転量の特性をほぼ線形にすることができる。

次に、図３を用いて静電型アクチュエータ制御装置１００について説明する。

静電型アクチュエータ制御装置１００は、熱伝対から成る温度センサ１１０と、静電型アクチュエータ２００に供給する交流電圧の波形を算出するＤＳＰ１２０と、電力を静電型アクチュエータ２００に供給する駆動電源１３０とから主に構成される。

温度センサ１１０は、静電型アクチュエータ２００の近傍に設けられ、静電型アクチュエータ２００の温度を電圧値として測定する。測定した電圧値をＤＳＰ１２０に送信する。

ＤＳＰ１２０は、演算器１２１と波形発生器１２２とから構成される。演算器１２１は静電型アクチュエータ２００から受信した電圧値を介して静電型アクチュエータ２００の温度を取得する。そして、後述するアルゴリズムを用いて、静電型アクチュエータ２００に印加する交流電圧の値を算出する。波形発生器１２２は、演算器１２１が決定した電圧の値に従って交流電圧波形を生成し、駆動電源１３０に送信する。

駆動電源１３０は、受信した交流電圧波形に従って交流電圧を生成し、静電型アクチュエータ２００に生成した交流電圧を印加する。

次に、静電型アクチュエータ制御装置１００による制御の原理について、図４から８を用いて説明する。

図４における電圧振動Ａおよび電圧振動Ｂは、駆動電源１３０が静電型アクチュエータ２００に印加する電圧の変化を例示したグラフである。交流電圧の最大電圧と最小電圧との差をピークツーピーク電圧と呼び、交流電圧の振動中心における電圧と０Ｖとの差をバイアス電圧と呼ぶ。電圧振動Ａは正弦波であって、ピークツーピーク電圧が２．０Ｖでありバイアス電圧は１．０Ｖである。電圧振動Ｂもまた正弦波であって、ピークツーピーク電圧が３．０Ｖであり、バイアス電圧は１．５Ｖである。

図５は、実験により得られた、静電型アクチュエータ２００に印加される電圧と静電型アクチュエータ２００の共振周波数との関係を示したグラフである。電圧は、正弦波におけるピークツーピークの値で示される。静電型アクチュエータ２００は、バイアス電圧の値が上昇するに従って、共振周波数がほぼ線形に上昇する特性を有する。バイアス電圧は、ピークツーピーク電圧を増減することにより増減される。そのため、ピークツーピーク電圧を増減することにより、静電型アクチュエータ２００の共振周波数を制御できる。言い換えると、交流電圧波の振動中心値を増減することにより、静電型アクチュエータ２００の共振周波数を制御できる。つまり、ピークツーピーク電圧を増減すると、従来技術における直流バイアス値を増減させたのと同様の効果を得ることができる。

図６は、静電型アクチュエータ２００が所定の温度であるとき、交流電圧のピークツーピーク電圧毎に、可動部２２０の振動周波数と振れ角度のゲインＧｄとの関係を示したグラフである。これらの関係は、実験により得られる。可動部２２０の振れ角ゲインＧｄは以下の式により求められる。
Ｇｄ＝２０・ｌｏｇ_１０（θ／Ｖ）
ここで、θはディグリーで表される可動部２２０の振れ角度、Ｖは印加される交流電圧のピークツーピークの値である。

各電圧曲線において、頂点が共振周波数を示す。ピークツーピーク電圧が１０Ｖｐ−ｐであるとき、静電型アクチュエータ２００の共振周波数は約４０９５Ｈｚであり、４０Ｖｐ−ｐであるとき、静電型アクチュエータ２００の共振周波数は約４１０６Ｈｚである。

例えば駆動周波数が４１１０Ｈｚであるとき、ピークツーピーク電圧が１０Ｖｐ−ｐでは振れ角ゲインＧｄは４．７ｄＢ、２０Ｖｐ−ｐでは振れ角ゲインＧｄは１３．０ｄＢ、３０Ｖｐ−ｐでは振れ角ゲインＧｄは１４．６ｄＢ、４０Ｖｐ−ｐでは振れ角ゲインＧｄは１６．０ｄＢである。すなわち、ピークツーピーク電圧を変化させることにより、静電型アクチュエータ２００の振れ角度を変化させることができる。

さらに、いずれのピークツーピーク電圧でも、共振周波数よりもわずかに高い振動周波数帯における振れ角ゲインＧｄの変動が、共振周波数よりも低い振動周波数帯における変動よりも緩やかである。光を所定の方向へ安定的に反射させるため、安定した振れ角度で可動部２２０を駆動する必要がある。安定した振れ角度で可動部２２０を駆動するには、ピークツーピーク電圧が多少変化しても振れ角度が一定の許容範囲内に収まっている必要がある。また、ピークツーピーク電圧の変化に対して振れ角度が鋭敏に変化すると、振れ角度を精密に制御しにくくなる。そこで、振れ角ゲインＧｄの変動が緩やかである共振周波数よりも若干高い周波数帯で静電型アクチュエータ２００を駆動する。これにより、安定かつ精密に可動部２２０の振れ角度を制御できる。なお、可動部２２０の振動周波数と振れ角度のゲインＧｄとの関係は静電型アクチュエータ２００の温度により変化するため、この関係を示すグラフが温度ごとに作られる。

図７は、図６に示される４１１０Ｈｚと４１２０Ｈｚの駆動周波数における、ピークツーピーク電圧と可動部２２０の振れ角度のゲインＧａとの関係を示したグラフである。このグラフにおける可動部２２０の振れ角ゲインＧａは以下の式により求められる。
Ｇａ＝θ／Ｖ
ここで、θはディグリーで表される可動部２２０の振れ角度、Ｖは印加される交流電圧のピークツーピークの値である。

いずれの駆動周波数においても、ピークツーピーク電圧が２０Ｖｐ−ｐから４０Ｖｐ−ｐまでの範囲において、振れ角ゲインと印加電圧との関係を示すグラフが線形となる。安定した振れ角度で可動部２２０を駆動し、かつ振れ角度を精密に制御するため、ピークツーピーク電圧に対して振れ角度が線形に変化することが好ましい。そこで、２０Ｖから４０Ｖまでのピークツーピーク電圧を静電型アクチュエータ２００に印加し、可動部２２０を駆動する。これにより、容易に可動部２２０の振れ角度を制御できる。図６のグラフと同様に、ピークツーピーク電圧と可動部２２０の振れ角度のゲインＧａとの関係を示すグラフが温度ごとに作られる。

図８は、図６に示される４１１０Ｈｚと４１２０Ｈｚの駆動周波数における、ピークツーピーク電圧と可動部２２０の振れ角度との関係を示したグラフである。図７のグラフから算出される。

いずれの駆動周波数においても、ピークツーピーク電圧が２０Ｖから４０Ｖまでの範囲において、振れ角ゲインと印加電圧との関係を示すグラフが二次関数により近似される。ここで決定される二次関数を用いて、所望の振れ角度で可動部２２０を駆動するときのピークツーピーク電圧を決定する。図６のグラフと同様に、ピークツーピーク電圧と可動部２２０の振れ角度との関係を示すグラフが温度ごとに作られる。

図９は、実験により得られた、静電型アクチュエータ２００の温度毎に、静電型アクチュエータ２００の駆動周波数と可動部２２０の振れ角度のゲインＧｄとの関係を示したグラフである。

各グラフにおいて、頂点が共振周波数を示す。温度がａ℃であるとき、静電型アクチュエータ２００の共振周波数はｆａＨｚであり、温度がｂ℃であるとき、静電型アクチュエータ２００の共振周波数はｆｂＨｚである。また、温度がｃ℃であるとき、静電型アクチュエータ２００の共振周波数はｆｃＨｚである。温度ａ、ｂ、ｃはａ＜ｂ＜ｃの関係、共振周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃは、ｆａ＞ｆｂ＞ｆｃの関係を有する。つまり、静電型アクチュエータ２００の温度が上昇すると、共振周波数が低くなる。この特性をあらかじめ測定し、ＤＳＰ１２０が記憶する。温度、共振周波数、及び振れ角ゲインの関係を用いて、最適な印加電圧を算出する。

次に、静電型アクチュエータ制御装置１００による制御手法について説明する。

ユーザにより、可動部２２０の振れ角度及び駆動周波数があらかじめ設定される。次に、演算器１２１は、温度センサ１１０から可動部２２０の温度を入手する。

前述の通り、図８のグラフは温度ごとに作られる。そこで、演算器１２１は、温度ごとに作成された図８のグラフから、可動部２２０の温度に対応するグラフを選択する。次に、そのグラフにおいて、ユーザにより設定された可動部２２０の駆動周波数を示す曲線を選択する。さらに、その曲線において、ユーザにより設定された可動部２２０の振れ角度に対応するピークツーピーク電圧を決定する。すなわち、演算器１２１は、可動部２２０の温度と、設定されている可動部２２０の振れ角度及び振動周波数とから印加電圧のピークツーピーク電圧を決定する。そして、算出されたピークツーピーク電圧と駆動周波数とを波形発生器１２２に送信する。

波形発生器１２２は、受信したピークツーピーク電圧と駆動周波数とを用いて、静電型アクチュエータ２００に印加する交流電圧波を生成する。そして、交流電圧波を駆動電源１３０に送信する。

駆動電源１３０は、受信した交流電圧波形を用いて交流電圧を生成し、静電型アクチュエータ２００に印加する。

静電型アクチュエータ２００はこの電圧に従って駆動され、要求された振れ角度及び駆動周波数で可動部２２０を振動させる。

以上の動作中においても、静電型アクチュエータ２００の温度を演算器１２１が温度センサ１１０から受信している。演算器１２１が静電型アクチュエータ２００の温度変化を検知すると、現在の温度に応じた印加電圧を算出して波形発生器１２２に送信する。波形発生器１２２及び駆動電源１３０は前述と同様に機能して、現在の温度に応じた電圧を静電型アクチュエータ２００に送信する。すなわち、静電型アクチュエータ制御装置１００は、静電型アクチュエータ２００の温度を用いて、フィードバック制御を行う。

本実施形態によれば、直流バイアス成分を用いずに静電型アクチュエータ２００を制御するため、効率よく静電型アクチュエータ２００を駆動することができる。また、静電型アクチュエータ２００の温度を用いて電圧波の制御を行うことにより、可動部２２０の駆動周波数及び振れ角度を正確に制御することができる。

なお、温度センサ１１０により得られた静電型アクチュエータ２００の温度を用いて印加電圧を決定する構成について説明したが、静電型アクチュエータ２００の温度を用いずに印加電圧を決定してもよい。静電型アクチュエータ２００の温度を考慮しなくても、振動中心値に応じた交流電圧波を印加することにより、静電型アクチュエータ２００の共振周波数を制御することが可能である。

また、１軸の静電型アクチュエータ２００について説明したが、固定部２１０の周囲に更に固定部２１０、電極及び支持部２３０等を設けることにより、静電型アクチュエータ２００を２軸としても良い。

正面から見た静電型アクチュエータを簡略に示した図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における静電型アクチュエータの端面図である。 静電型アクチュエータ制御装置のブロック図である。 静電型アクチュエータに印加する交流電圧を示したグラフである。 ピークツーピーク電圧と静電型アクチュエータの共振周波数との関係を示したグラフである。 静電型アクチュエータの振動周波数と振れ角ゲイン（ｄＢ）との関係を示したグラフである。 ピークツーピーク電圧と振れ角ゲイン（θ／Ｖ）との関係を示したグラフである。 ピークツーピーク電圧と振れ角度（θ）との関係を示したグラフである。 温度毎に静電型アクチュエータの駆動周波数と振れ角ゲイン（ｄＢ）との関係を示したグラフである。

符号の説明

１００ 静電型アクチュエータ制御装置
１１０ 温度センサ
１２０ ＤＳＰ
１２１ 演算器
１２２ 波形発生器
１３０ 駆動電源
２００ 静電型アクチュエータ

Claims (8)

1. 交流電圧を印加して静電型アクチュエータを所定の振れ角度で揺動させる静電型アクチュエータ制御装置であって、
   前記静電型アクチュエータに印加する交流電圧波の特性を決定する演算手段と、
   前記演算手段が決定した前記特性を有し、直流成分を実質的に含まない交流電圧波を生成して前記静電型アクチュエータに印加する電源手段とを備え、
   前記電源手段が生成した交流電圧波を印加することにより、前記静電型アクチュエータの振動特性を制御する静電型アクチュエータ制御装置。
2. 前記演算手段は、前記交流電圧波の振動中心値を決定し、
   前記振動中心値に応じた交流電圧波を印加することにより、前記静電型アクチュエータの共振周波数を制御する請求項１に記載の静電型アクチュエータ制御装置。
3. 前記静電型アクチュエータは、印加される交流電圧波のピークツーピーク値に応じて振れ角度が変化し、
   前記算出手段は、前記静電型アクチュエータの振れ角度が所定の振れ角度となるように前記交流電圧波のピークツーピーク値を決定する請求項１に記載の静電型アクチュエータ制御装置。
4. 前記静電型アクチュエータ制御装置は、前記静電型アクチュエータの温度を測定する温度測定手段をさらに備え、
   前記演算手段は、前記温度測定手段が測定した温度を用いて、前記特性を決定する請求項１に記載の静電型アクチュエータ制御装置。
5. 前記演算手段は、前記温度測定手段が測定した温度を用いて、前記交流電圧波の振動中心値を決定する請求項４に記載の静電型アクチュエータ制御装置。
6. 前記演算手段は、前記温度測定手段が測定した温度を用いて、前記交流電圧波の振動周波数を決定する請求項４に記載の静電型アクチュエータ制御装置。
7. 前記静電型アクチュエータは、印加される交流電圧波のピークツーピーク値に応じて振れ角度が変化し、
   前記算出手段は、前記温度測定手段が測定した温度を用いて、前記交流電圧波のピークツーピーク値を決定する請求項１に記載の静電型アクチュエータ制御装置。
8. 前記演算手段は、前記静電型アクチュエータの共振周波数よりも高くなるように前記交流電圧波の周波数を決定する請求項１に記載の静電型アクチュエータ制御装置。

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