JP2013099139A - 線形運動デバイスの制御装置、線形運動デバイスの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検出磁場がコイル磁場の干渉を受ける場合にも、制御可能な範囲が変化しない線形運動デバイスの制御装置を提供する。
【解決手段】線形運動デバイス１２の磁石１０が発生する磁場から出力信号ＳDを出力する磁場センサ１３、線形運動デバイス１２を移動すべき目標位置を指示する目標位置信号ＳHに基づくデバイス位置指令信号ＳEを補正して出力するデバイス位置指令信号生成回路１９、出力信号ＳD、デバイス位置指令信号ＳEの偏差を示す操作量信号ＳFを出力する差動増幅器１４、操作量信号ＳFに応じて線形運動デバイス１２を駆動する出力ドライバ１７、１８によって制御装置を構成する。デバイス位置指令信号生成回路１９は、デバイス位置指令信号ＳEをコイル電流によって発生する磁場に対応する補正値によって補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、線形運動デバイスの制御装置及び線形運動デバイスの制御方法に関する。

入力信号と、この入力信号に応じた変位とが一次関数で表されるデバイスは、線形運動デバイスとも呼ばれている。線形運動デバイスには、例えば、カメラのオートフォーカスレンズ等がある。
図４は、線形運動デバイス１１２を制御する従来の制御装置を示した図である。図４に示した制御装置は、磁場センサ１１３と、差動増幅器１１４と、非反転出力バッファ１１５と、反転出力バッファ１１６と、第１の出力ドライバ１１７と、第２の出力ドライバ１１８とを備えている。図中に符号１１２を付して示したのは、制御装置によってフィードバック制御される線形運動デバイス１１２である。線形運動デバイス１１２は、コイル１１１と磁石１１０とを備えている。

磁場センサ１１３は、検出した磁場に基づいて信号を生成し、出力信号ＳAとして出力する。磁場センサ出力信号ＳAとデバイス位置指令信号ＳBは、差動増幅器１１４の正転入力端子と反転入力端子とにそれぞれ入力される。磁場センサ出力信号ＳAとデバイス位置指令信号ＳBとが入力された差動増幅器１１４からは、出力ドライバ１１７、１１８の操作量（偏差と増幅度の積）を表す操作量信号ＳCが出力される。

操作量信号ＳCの大きさによって線形運動デバイス１１２のコイル１１１を流れる電流方向及び電流量が変化する。コイル１１１を流れる電流により、磁石１１０を含む線形運動デバイス１１２の位置が変化する（移動する）。このとき、磁場センサ１１３の出力信号ＳAは、磁石１１０の移動に伴って変化する。制御装置は、出力信号ＳAの変化によって線形運動デバイス１１２の位置を検出し、この位置が外部から入力されるデバイス位置指令信号ＳBによって指示される位置に一致するようにフィードバック制御を行っている。

ここで、図４に示した線形運動デバイス１１２では、磁石１１０の着磁のばらつきが生じ得る。また、制御装置では、磁場センサ１１３の搭載位置のずれにばらつきが生じ得る。このようなばらつきにより、線形運動デバイス１１２の位置と、磁場センサ１１３によって検出される磁場が設計時に想定された関係と相違する。
図５は、図４に示した磁場センサ１１３によって検出される磁場（以下、検出磁場とも記す）と、線形運動デバイス１１２の位置との関係を示した図である。図５では、図中左側の縦軸には磁場センサ１１３によって検出された磁場が示され、図中右側の縦軸には磁場センサ１１３の出力信号ＳAの値が示されている。また、図５の横軸は、線形運動デバイス１１２の位置である。

図５中の実線ａは、検出磁場と線形運動デバイス１１２の位置とのずれがない（設計値のとおり）場合の特性を比較のため示している。一点鎖線ｂは、検出磁場と線形運動デバイス１１２の位置とのずれがある場合の特性を示している。
図５に示したように、磁石１１０に着磁のばらつき、または磁場センサ１１３の位置にずれがある場合、検出磁場が線形運動デバイス１１２の正しい位置を示さない。このため、制御装置が、線形運動デバイス１１２を適正に位置制御することができなくなる場合がある。

つまり、実線ａで表された設計値通りの場合だと線形運動デバイス１１２が端点ＸＢＯＴから他方の端点ＸＴＯＰまで移動する場合、磁場センサ出力ＳAはＶＭＬａからＶＭＨａまで変化する（図５中にこの範囲をＳA（ａ）として示す）。このとき、磁場センサ出力ＳAと同じ電圧範囲であるＶＭＬａからＶＭＨａまでのデバイス位置指令信号ＳBが制御装置に入力される。そして、中間の電位ＶＭＭ（＝（ＶＭＨａ−ＶＭＬａ）／２＋ＶＭＬａ）のデバイス位置指令信号ＳBが入力されると、線形運動デバイス１１２は中間の位置ＸＭＩＤを得る。

一方、磁石１１０に着磁のばらつき、または磁場センサ１１３の位置にずれがある場合、磁場センサ出力ＳAは、実線ａとは異なる傾きで、例えばＶＭＬｂからＶＭＨｂまで変化する（図５中に実線ａとは異なる傾きを持った一点鎖線ｂを示し、この変化の範囲をＳA（ｂ）として示す）。このとき、電位ＶＭＭ（＝（ＶＭＨａ−ＶＭＬａ）／２＋ＶＭＬａ）のデバイス位置指令信号ＳBが制御装置に入力されると、線形運動デバイス１１２は位置ＸＰＯＳに位置することになり、制御装置は線形運動デバイス１１２を正しく位置制御できなくなるという問題がある。

上記の問題を解消するための従来技術に、磁場センサ出力ＳAまたはデバイス位置指令信号ＳBを補正することにより、磁場センサ出力ＳAとデバイス位置指令信号ＳBとを同期化をするものがある。このような従来技術は、例えば、特許文献１に記載されている。

特開２００９−２４７１０５号公報

しかしながら、上記の磁場センサ出力ＳAまたはデバイス位置指令信号ＳBを同期化する方法には、以下のような問題がある。
すなわち、磁場センサ出力ＳAまたはデバイス位置指令信号ＳBの同期化には、線形運動デバイス１１２を、その移動範囲の一方の端点ＸＢＯＴから他方の端点ＸＴＯＰまで移動させる必要がある。線形運動デバイス１１２を端点に移動させる場合には、コイル１１１に強制的に大電流を流し、線形運動デバイス１１２を端点ＸＢＯＴ及びＸＴＯＰに移動させて固定する。

図６（ａ）、（ｂ）は、線形デバイス１２を端点に固定した場合のコイル１１１に流れるコイル電流を説明するための図である。図６（ａ）、（ｂ）のいずれにおいても、縦軸はコイル電流を示し、横軸は時間を示している。従来技術では、図６（ａ）、（ｂ）中に一点鎖線で示すコイル電流を流すと、線形運動デバイス１１２を端点ＸＢＯＴ及びＸＴＯＰに移動させ、固定することができる。このとき、磁場センサ出力ＳAと線形運動デバイス１１２の位置関係が図５中の実線ａで示されれば、図６（ａ）中の実線で示すように、線形運動デバイス１１２がＸＢＯＴに固定されているときの磁場センサ出力ＳAはＶＭＬａとなり、線形運動デバイス１１２がＸＴＯＰに固定されているときの磁場センサ出力ＳAはＶＭＨａとなることが期待される。

ところが、線形運動デバイス１１２を端点に移動させるためにコイル１１１に流したコイル電流によって発生した磁場は、磁場センサ１１３が本来検出すべき磁石１１２の磁場に干渉する場合がある。特に、携帯電話のカメラモジュール等に用いられる線形運動デバイスは、小型化への要求が強く、図７に示すように、磁場センサ１１０がコイル１１１の近傍に配置される場合が多い。このため、携帯電話等において、検出磁場に対するコイル電流によって発生した磁場の干渉は特に問題となる。

検出磁場が、コイル１１１が発生する磁場に干渉されると、図６（ｂ）実線で示したように、線形運動デバイス１１２がＸＢＯＴに固定されているときの磁場センサ出力ＳAはＶＭＬａ’となり、線形運動デバイス１１２がＸＴＯＰに固定されているときの磁場センサ出力ＳAはＶＭＨａ’となる。
なお、図６（ｂ）において、コイル電流の方向が−ＩＣｏｉｌからＩＣｏｉｌに切り替わった瞬間、実線で表した磁場センサ出力ＳAが下に凸のスパイク状となるのは、干渉するコイル磁場の極性が反転するからである。

図８は、図６（ｂ）に示したように、コイル１１１が発生する磁場（以下、コイル磁場とも記す）が検出磁場に干渉した状態で、同期化を行った場合の磁場センサ出力ＳA、デバイス位置指令信号ＳBを説明するための図である。図８の図中左側の縦軸は磁場センサ１３の検出磁場を示し、図中右側の縦軸は、磁場センサ出力ＳA、デバイス位置指令信号ＳBを示している。横軸は、時間を示している。検出磁場がコイル磁場の干渉を受けると、図８に示すように、デバイス位置指令信号ＳBがとり得る範囲はＶＭＬａ’からＶＭＨａ’となる。

このように、検出磁場にコイル磁場が干渉すると、本来線形運動デバイスの可動範囲が端点ＸＢＯＴから他方の端点ＸＴＯＰまであるにも関わらず、デバイス位置指令信号ＳBが磁場センサ出力ＳAの出力範囲（ＶＭＨａ−ＶＭＬａ）よりも狭い範囲（ＶＭＨａ’−ＶＭＬａ’）となる。このため、従来技術では、線形運動デバイス１１２を、ＸＢＯＴ’からＸＴＯＰ’の範囲でしか位置制御することができなくなる。

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、検出磁場がコイル磁場の干渉を受ける場合にも、位置制御可能な範囲が変化しない線形運動デバイスの制御装置、制御方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するため、本発明の一態様の線形運動デバイスの制御装置は、磁石（例えば図１に示した磁石１０）とコイル（例えば図１に示したコイル１１）とを備え、該コイルにコイル電流が流れることによって発生する力によって移動する線形運動デバイス（例えば図１に示した線形運動デバイス１２）の制御装置であって、前記磁石が発生する磁場を検出し、検出された磁場の値に対応する検出位置信号（例えば図１に示した出力信号ＳD）を出力する磁場センサ（例えば図１に示した磁場センサ１３）と、前記線形運動デバイスを移動すべき目標位置を指示する目標指示信号（例えば図１に示した目標位置信号ＳH）に基づく位置指令信号（例えば図１に示したデバイス位置指令信号ＳE）を、補正値によって補正して出力するデバイス位置指令回路（例えば図１に示したデバイス位置指令信号生成回路１９）と、前記検出位置信号と、前記位置指令信号とを入力し、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号（例えば図１に示した操作量信号ＳF）を出力する差動増幅器（例えば図１に示した差動増幅器１４）と、前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動する出力ドライバ（例えば図１に示した出力ドライバ１７、１８）と、を含み、前記デバイス位置指令回路は、前記位置指令信号を、前記コイルを流れるコイル電流によって発生する磁場に対応する補正値によって補正して出力することを特徴とする。

本発明の一態様の線形運動デバイスの制御装置は、前記デバイス位置指令回路が、前記補正値を記憶する記憶装置（例えば図２に示した記憶装置２０、２３）を含む補正回路（例えば図２に示した記憶装置２０〜２３、加算器２６、減算器２７、セレクタ２４、２５、Ｄ／Ａ変換器２８、２９）を含み、当該補正回路によって前記位置指令信号を補正することが望ましい。

本発明の一態様の線形運動デバイスの制御方法は、磁石とコイルとを備え、該コイルにコイル電流が流れることによって発生する力によって移動する線形運動デバイスの前記磁石が発生する磁場を検出し、検出された磁場の値に対応する検出位置信号を出力する磁場センサと、前記磁場センサから出力される位置指令信号を出力するデバイス位置指令回路と、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号を出力する差動増幅器と、前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動する出力ドライバと、を含む線形運動デバイスの制御装置において実行される線形運動デバイスの制御方法であって、前記デバイス位置指令回路が、前記線形運動デバイスを移動すべき目標位置を指示する目標指示信号に基づく位置指令信号を、前記コイルを流れるコイル電流によって発生する磁場に対応する補正値によって補正して出力するステップと、前記差動増幅器が、前記検出位置信号と、前記位置指令信号とを入力し、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号を出力するステップと、前記出力ドライバが、前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、磁場センサによって検出される検出磁場が、コイルが発生する磁場に干渉された場合においても、本来の線形運動デバイスの可動範囲まで位置制御が行える（位置制御が可能な範囲が変化しない）線形運動デバイスの制御装置、線形運動デバイスの制御方法を提供することができる。

本発明の一実施形態の線形運動デバイス制御回路の構成図である。 図１に示したデバイス位置指令信号生成回路を説明するための図である。 本発明の実施形態の制御装置の動作の概要を説明するための図である。 線形運動デバイスを制御する従来の制御装置を示した図である。 図４に示した磁場センサによって検出される磁場と、線形運動デバイスの位置との関係を示した図である。 線形デバイスを端点に固定した場合のコイルに流れるコイル電流を説明するための図である。 磁場センサとコイルとの配置を例示した図である。 コイル磁場が検出磁場に干渉した状態で、同期化を行った場合の磁場センサ出力、デバイス位置指令信号を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
（１） 回路構成
図１は、本実施形態の線形運動デバイスの制御装置（以下、単に制御装置とも記す）の構成を説明するための図である。
本実施形態の制御回路は、磁場を検出し、検出磁場に応じた出力信号ＳDを出力する磁場センサ１３と、出力信号ＳDを反転入力端子に入力し、デバイス位置指令信号ＳEを非反転入力端子に入力し、この差分を操作量信号ＳF（偏差と増幅度の積）として出力する差動増幅器１４と、操作量信号ＳFを反転させずに非反転操作量信号として出力する非反転出力バッファ１５と、操作量信号ＳFを反転させ、反転操作量信号として出力する反転出力バッファ１６と、非反転操作量信号を出力する出力ドライバ１７と、反転操作量信号を出力する出力ドライバ１８を含んでいる。

また、本実施形態の制御装置は、外部から入力される目標位置信号ＳH（例えば、０〜２５５の整数）に対して出力信号ＳDと同期がとれたデバイス位置指令信号ＳEを生成するデバイス位置指令信号生成回路１９を含んでいる。目標位置信号ＳHは、線形運動デバイス１２を移動すべき目標位置を示す信号である。なお、図１中に示した破線は、本実施形態の制御装置が、線形運動デバイスの同期化処理を実行する場合にのみ流れる信号を示している。
さらに、図１中に符号１２を付して示したのは、上記した制御装置によってフィードバック制御される線形運動デバイス１２である。線形運動デバイス１２は、コイル１１と磁石１０とを備えている。

図１に示した構成では、操作量信号ＳFの大きさによって線形運動デバイス１２のコイル１１を流れる電流方向及び電流量が変化する。コイル１１を流れる電流により、磁石１０を含む線形運動デバイス１２の位置が変化する（移動する）。このとき、磁場センサ１３の出力信号ＳDは、磁石１０の移動に伴って変化する。本実施形態の制御装置は、出力信号ＳDの変化によって線形運動デバイス１２の位置を検出し、この位置が、デバイス位置指令信号生成部１９から入力されるデバイス位置指令信号ＳEによって指示される位置に一致するようにフィードバック制御を行っている。

図２は、図１に示したデバイス位置指令信号生成回路１９を説明するための図である。デバイス位置指令信号生成回路１９は、記憶装置２０、２１、２２、２３と、セレクタ２４、２５と、加算器２６と、減算器２７と、例えば、正側の基準電位を正電源電圧（ＶＤＤ）、負側の基準電位をグランド電位（ＧＮＤ）とするＤ／Ａ変換器２８、２９と、正側の基準電位をＤ／Ａ変換器２８の出力電位、負側の基準をＤ／Ａ変換器２９の出力電位とするＤ／Ａ変換器３０と、を備えている。記憶装置２１、２３には、予め干渉するコイルが発生する磁場強度相当の値が補正値として記憶されている。

加算器２６は、記憶装置２１に記憶されている値と、記憶装置２１に記憶されている値とを加算する。セレクタ２４は、加算器２６によって加算された値、または記憶装置２０に記憶されている値のいずれか一方を選択し、出力信号ＳJを出力する。また、減算器２７は、記憶装置２２に記憶されている値と記憶装置２３に記憶されている値とを減算する。セレクタ２５は、減算器２７によって減算された値、または記憶装置２２に記憶されている値のいずれか一方を選択し、出力信号ＳKを出力する。出力信号ＳJ、ＳKは、セレクト信号ＳPによって設定される。

また、セレクタ２４によって出力された出力信号ＳJは、Ｄ／Ａ変換器２８に入力されてＤ／Ａ変換される。セレクタ２５によって出力された出力信号ＳKは、Ｄ／Ａ変換器２９に入力されてＤ／Ａ変換される。Ｄ／Ａ変換後の出力信号ＳN、ＳMは、Ｄ／Ａ変換器３０に入力される。Ｄ／Ａ変換器３０は、Ｄ／Ａ変換器２９から出力された値ＳMを下限値、Ｄ／Ａ変換器２８から出力された値ＳNを上限値とし、目標位置信号ＳHの値に基づいてその間の値をリニアに変化するアナログ信号を出力する。

（２） 動作
図３は、本実施形態の制御装置の動作の概要を説明するための図である。図３の図中左側の縦軸は、図２に示した出力信号ＳJ、ＳKを示す。また、右側の縦軸は、出力信号ＳD、図４に示した従来のデバイス位置指令信号ＳB、図１に示した本実施形態のデバイス位置指令信号ＳEを示している。図中、上側の横軸は、図１に示した目標位置信号ＳHであり、図中、下側の横軸は線形運動デバイス１２の位置を示している。

本実施形態では、出力信号ＳDとデバイス位置指令信号ＳEとの同期化を行う場合、セレクト信号ＳPにより、図２に示したセレクタ２４が、記憶装置２０に記憶されている値を選択し、出力信号ＳJを出力するように設定される。また、本実施形態では、セレクト信号ＳPにより、セレクタ２５が、記憶装置２２に記憶されている値を選択し、出力信号ＳKを出力するように設定される。

以上のように設定すると、線形運動デバイス１２を端点ＸＢＯＴに固定した状態で出力される出力信号ＳDの値が、記憶装置２２に記憶される。このとき、出力信号ＳDの値は、図３に示したＶＭＬａ’の値に相当する。記憶装置２２には、ＶＭＬａ’の値に応じたディジタル値（例えば「６５」）が記憶される。セレクタ回路２５は、出力信号ＳDの値をＤ／Ａ変換器２９に出力する。

続いて、他方の端点ＸＴＯＰに固定した状態で出力される出力信号ＳDの値が、記憶装置２０に記憶される。このとき、出力信号ＳDの値は、図３に示したＶＭＨａ’の値に相当する。記憶装置２０には、ＶＭＨａ’の値に応じたディジタル値（例えば「１９０」）が記憶される。セレクタ回路２４は、出力信号ＳDの値をＤ／Ａ変換器２８に出力する。以上の処理により、出力信号ＳDとデバイス位置指令信号ＳEとの同期化が完了する。

同期化が完了すると、セレクト信号ＳPにより、加算器２６が出力する加算値をセレクタ２４が選択してセレクト信号ＳJとし、減算器２７が出力する減算値をセレクタ２５が選択して出力信号ＳKとなるように設定される。
本実施形態では、図２に示した記憶装置２１、２３に、それぞれ、例えば「１０」が補正値として記憶されているものとする。このため、加算回路２６が出力する値は「２００」となり、このときにＤ／Ａ変換器２８によって出力される出力信号ＳNがＶＭＨａとなる。また、減算器２７の出力は「５５」となり、Ｄ／Ａ変換器２９の出力ＳMがＶＭＬａとなる。このため、検出磁場に干渉するコイル磁場の影響を補正し、デバイス位置指令信号ＳEの出力範囲を、従来のデバイス位置指令信号ＳBと同様に、ＶＭＨａからＶＭＬａとすることができる。

つまり、従来技術では、検出磁場にコイル磁場が干渉する場合、目標位置信号ＳHの値が「０」から「２５５」まで変化しても、線形デバイス１２はＸＢＯＴ’からＸＴＯＰ’の範囲でしか位置制御できなかった。一方、本実施形態によれば、コイル磁場が発生する磁場強度相当の値によって検出磁場を補正することができる。このため、検出磁場がコイル磁場の干渉を受けたとしても、線形運動デバイスＸＢＯＴから他方の端点ＸＴＯＰの範囲で位置制御を行うことができる。

本発明は、線形運動デバイス全般に適用することが可能である。また、特に、コイルと磁場センサが近接して設けられる、小型の機器に内蔵される線形運動デバイスに有効である。

１０、１１０ 磁石
１１、１１１ コイル
１２、１１２ 線形運動デバイス
１３、１１３ 磁場センサ
１４、１１４ 差動増幅器
１５、１１５ 正転出力バッファ
１６、１１６ 反転出力バッファ
１７、１８、１１７、１１８ 出力ドライバ
１９ デバイス位置指令信号生成回路
２０、２１、２２、２３ 記憶装置
２４、２５ セレクタ
２６ 加算器
２７ 減算器
２８、２９、３０ Ｄ／Ａ変換器

Claims (3)

1. 磁石とコイルとを備え、該コイルにコイル電流が流れることによって発生する力によって移動する線形運動デバイスの制御装置であって、
   前記磁石が発生する磁場を検出し、検出された磁場の値に対応する検出位置信号を出力する磁場センサと、
   前記線形運動デバイスを移動すべき目標位置を指示する目標指示信号に基づく位置指令信号を、補正値によって補正して出力するデバイス位置指令回路と、
   前記検出位置信号と、前記位置指令信号とを入力し、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号を出力する差動増幅器と、
   前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動する出力ドライバと、を含み、
   前記補正値は、前記コイルを流れるコイル電流によって発生する磁場に対応する値であることを特徴とする線形運動デバイスの制御装置。
2. 前記デバイス位置指令回路は、前記補正値を記憶する記憶装置を含む補正回路を含み、当該補正回路によって前記位置指令信号を補正することを特徴とする請求項１に記載の線形運動デバイスの制御装置。
3. 磁石とコイルとを備え、該コイルにコイル電流が流れることによって発生する力によって移動する線形運動デバイスの前記磁石が発生する磁場を検出し、検出された磁場の値に対応する検出位置信号を出力する磁場センサと、前記磁場センサから出力される位置指令信号を出力するデバイス位置指令回路と、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号を出力する差動増幅器と、前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動する出力ドライバと、を含む線形運動デバイスの制御装置において実行される線形運動デバイスの制御方法であって、
   前記デバイス位置指令回路が、前記線形運動デバイスを移動すべき目標位置を指示する目標指示信号に基づく位置指令信号を、前記コイルを流れるコイル電流によって発生する磁場に対応する補正値によって補正して出力するステップと、
   前記差動増幅器が、前記検出位置信号と、前記位置指令信号とを入力し、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号を出力するステップと、
   前記出力ドライバが、前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動するステップと、
   を含むことを特徴とする線形運動デバイスの制御方法。

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