JP2013243793A

JP2013243793A - 慣性駆動アクチュエータ

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Publication number: JP2013243793A
Application number: JP2012113748A
Authority: JP
Inventors: Masaya Takahashi; 雅矢高橋
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: WO2013172146A1; US20150061463A1; CN104137411A; JP5836193B2; CN104137411B; US9634550B2

Abstract

【課題】慣性駆動アクチュエータのサイズを大きくすることなく、移動体の位置検出が可能な慣性駆動アクチュエータを提供すること。
【解決手段】第１の方向と、第１の方向とは逆の第２の方向に微小変位を発生する変位手段と、変位手段と異なる方向に磁束を発生するコイルと、コイルの少なくとも一つの面に対向する面を有し、コイルが発生する磁束を所定の位置に集中させる第１のヨークを有する移動子と、移動子とコイルとの位置関係に基づくコイル近傍の磁束変化を反映するコイルの電気信号を検出する検出手段と、検出手段の出力に基づき、移動子の位置を判定する判定手段と、を有し、コイルから発生する磁束を制御することによって、移動子に対して働く摩擦力を制御して、移動子を駆動し、コイルは、磁束の発生と磁束の検出とを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、慣性駆動アクチュエータに関するものである。

駆動軸に結合された電気機械変換素子に鋸歯状波駆動パルスを供給して駆動軸を軸方向に変位させ、この駆動軸に摩擦結合させた移動部材を軸方向に移動させるアクチュエータが知られている。以下、このようなアクチュエータを「慣性駆動アクチュエータ」という。このような慣性駆動アクチュエータは、例えば、特許文献１に提案されている。

従来の慣性駆動アクチュエータは、圧電素子の一端が固定部材に固定され、他端は振動基板の一端に固定されている。振動基板上には圧電素子の振動方向に移動可能な移動体が配置されている。ここで、固定基板または振動基板は、磁性材料（例えば鉄、磁性を持つステンレス）からなっており、吸着部もまた磁性材料である。コイルに電流を印加すると磁界が発生する。発生した磁界は吸着部にも磁界を生じる。吸着部に発生した磁界によって、磁性材料である振動基板または固定部材に対し磁気吸着力が発生し、移動体と振動基板とが密着し、その間に摩擦力が発生する。

特開２００９−１７７９７４号公報

従来の磁気吸着力により摩擦力の制御を行う慣性駆動アクチュエータにおいて、移動体の位置を検出するためには、変位センサを設置する必要がある。変位センサとしては、光学センサ、容量センサ、光学センサ、磁気センサ、渦電流センサなどを用いることができる。いずれの変位センサを使用しても、センサを含めた慣性駆動アクチュエータ全体のサイズは大きくなってしまうという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、慣性駆動アクチュエータのサイズを大きくすることなく、移動体の位置検出が可能な慣性駆動アクチュエータを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る慣性駆動アクチュエータは、第１の方向と、第１の方向とは逆の第２の方向に微小変位を発生する変位手段と、変位手段と異なる方向に磁束を発生するコイルと、コイルの少なくとも一つの面に対向する面を有し、コイルが発生する磁束を所定の位置に集中させる第１のヨークを有する移動子と、移動子とコイルとの位置関係に基づくコイル近傍の磁束変化を反映するコイルの電気信号を検出する検出手段と、検出手段の出力に基づき、移動子の位置を判定する判定手段と、を有し、コイルから発生する磁束を制御することによって、移動子に対して働く摩擦力を制御して、移動子を駆動し、コイルは、磁束の発生と磁束の検出とを行うことを特徴とする。

本発明によれば、サイズを大きくすることなく、移動体の位置検出が可能な慣性駆動アクチュエータを提供することができるという効果を奏する。

（ａ）は第１実施形態に係る慣性駆動アクチュエータを上面から見た図、（ｂ）は側面から見た図、（ｃ）は断面構成を示す図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、移動体の位置検出の原理を説明する図である。移動体の位置変化と磁束変化との関係を説明する図である。（ａ）は第２実施形態に係る慣性駆動アクチュエータを上面から見た図、（ｂ）は側面から見た図、（ｃ）は断面構成を示す図である。（ａ）は第３実施形態に係る慣性駆動アクチュエータを上面から見た図、（ｂ）は側面から見た図、（ｃ）は断面構成を示す図である。（ａ）は第４実施形態に係る慣性駆動アクチュエータを上面から見た図、（ｂ）は側面から見た図、（ｃ）は断面構成を示す図である。（ａ）は第５実施形態に係る慣性駆動アクチュエータを上面から見た図、（ｂ）は側面から見た図、（ｃ）は断面構成を示す図である。

以下に、本発明に係る慣性駆動アクチュエータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に基づいて、第１実施形態に係る慣性駆動アクチュエータについて説明する。

慣性駆動アクチュエータ１００は、移動体１０１と、コイル１０２と、圧電素子１０３と、検出手段１０４と、判定手段１０５を有する。
圧電素子１０３（変位手段）は、第１の方向と、第１の方向とは逆の第２の方向に微小変位を発生する。
コイル１０２は、圧電素子１０３と異なる方向に磁束を発生する。
移動体１０１（移動子）は、コイル１０２の少なくとも一つの面に対向する面を有し、コイル１０２が発生する磁束を所定の位置に集中させる第１のヨークを構成する。
検出手段１０４は、移動体１０１とコイル１０２との位置関係に基づくコイル近傍の磁束変化を反映するコイル１０２の電気信号を検出する。
判定手段１０５は、検出手段１０４の出力に基づき、移動体１０１の位置を判定する。位置判定の詳細に関しては後述する。
そして、コイル１０２から発生する磁束を制御することによって、移動体１０１とコイル１０２の間に働く摩擦力を制御して、移動体１０１を駆動する。
コイル１０２は、磁束の発生と磁束の検出とを行う。

これにより、以下の効果を奏する。
・コイル１０２と移動体１０１との位置関係によりコイル１０２近傍の磁束量が変化する。
・コイル１０２近傍の磁束量が変化することによりコイル１０２の電気信号（インピーダンス）が変化する。
・コイル１０２の電気信号により移動体の位置が検出可能となる。

次に、本実施形態において、移動体１０１の位置を検出する構成をさらに詳細に説明する。
まず、本実施形態の構成においては、コイル１０２と移動体１０１との相対的な位置関係に応じてコイル１０２近傍の磁束量が変化する。また、コイル１０２近傍の磁束量が変化することによりコイル１０２の電気信号（インピーダンス）が変化する。

次に、移動体１０１の位置による磁束変化について説明する。
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、移動体１０１の異なる位置での磁束の変化を示す図である。図中において、移動体１０１は、点線で示し、移動体１０１に流れるコイル１０２の内側を通る磁束は太い点線で示している。

図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に、移動体１０１はコイル１０２に対して左端から中央に向かって移動している状態を示している。中央より右側への移動に関しては、左側から中央へ向かう移動のときと対称的な関係となるため、重複する説明は省略する。

説明を簡単にするために、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、点線で示す矢印の数量が、移動体１０１を透過する磁束量の総和を反映している。

図中の距離Δｄは、説明を簡単にするため、移動体１０１から距離Δｄ離れた位置でも移動体１０１に磁束が流れることが可能な距離を示す。以下に、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に説明する。

図２（ａ）は、移動体１０１が、コイル１０２の左端の位置に存在する状態である。移動体１０１の右側から距離Δｄまではコイル１０２の内側を通る磁束が移動体１０１に流れる。距離（間隔）Δｄの右端よりも右側の領域については、漏れ磁束となるため、磁束は移動体１０１を通らない。

コアまたはコイル１０２の内側よりも左側の領域は、磁束が発生する部位ではない。このため、図２（ａ）において、移動体１０１がコイル１０２の内側を覆っている部分と、右側の距離Δｄ分の領域と、が移動体１０１を通る磁束量となる。

図２（ｂ）は、移動体１０１がコイル１０２の左端の位置よりも右側に移動した状態である。移動体１０１の右側から距離Δｄの位置までは、図２（ａ）と同様に、コイル１０２の内側を通る磁束が移動体１０１に流れる。

また、移動体１０１の右側から距離Δｄの位置よりも右側の領域については、漏れ磁束となる。このため、磁束は移動体１０１を通らない。この右側の領域と同様に、移動体１０１の左側の領域についても距離Δｄの位置まではコイル１０２の内側を通る磁束が移動体１０１に流れる。また、コアまたはコイル１０２の内側が距離Δｄの範囲内にあるため、左側の距離Δｄの一部までの磁束が移動体に流れる。

したがって、移動体１０１の左側からコイル１０２の内側端部までと、移動体１０１の部分、そして移動体１０１の右側から距離Δｄ分の領域が、図２（ｂ）において、移動体１０１を通る磁束量となる。

図２（ｃ）は、移動体１０１がコイル１０２の中央に位置する状態である。移動体１０１の右側、および左側から距離Δｄの領域までは、コイル１０１の内側を通る磁束が移動体１０１に流れる。

したがって、移動体１０１の左側から距離Δｄ分と、移動体１０１の部分、そして移動体１０１の右側から距離Δｄ分とが、移動体１０１を通る磁束量となる。

上記の説明より、移動体を通る磁束量について、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の３状態を比べた場合、移動体１０１を通る磁束量が大きい状態は、図２（ｃ）、（ｂ）、（ａ）で示す順となる。したがって、本実施形態において、移動体１０１がコイル１０２の中央に位置する状態が、移動体１０１を通る磁束量が最も多い。そして、コイル１０２の端部に移動体１０１が移動するにつれて移動体１０１を通る磁束量が減少する。

なお、図２において、磁石１０６、ヨーク１０７を設けているが、本説明に必須の構成要素ではない。

次に、図３に基づいて、移動体１０１の位置と磁束変化の関係について説明する。
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において説明した移動体１０１がコイル１０２の中央に位置するに状態に応じて、移動体１０１を通る磁束が増加する傾向にある。図３は、移動体１０１の位置と移動体１０１を通る磁束量との関係を示している。

図３において、横軸Ｐは、移動体１０１の位置を示している。コイル１０２に対して、移動体１０１の中央の位置Ｃ、右端の位置Ｒ、左端の位置Ｌをそれぞれ示す。縦軸ＦＬは、磁束量を示している。

コイル１０２に交流を流した場合、移動体１０１を通る磁束量も交流にともなって変化する。このため、磁束量の変化による逆起電力が生じコイル１０２自身に影響を与える。

コイル１０２近傍の移動体１０１を通る磁束量の変化が、コイル１０１自身に影響を与える逆起電力の変化を引き起こす。よって、移動体１０１を通る磁束が多ければ、移動体１０１を通る磁束が小さいときと比べて、コイル１０２の抵抗、インダクタンスが大きくなる。

したがって、コイル１０２の抵抗、インダクタンスについても、図３に示す移動体１０１を通る磁束量変化と同等な傾向となる。図３に示すように、移動体１０１の位置に依存性があるため、本実施形態では、移動体１０１の位置の検出が可能な構成である。

実際は、移動体１０１を通る磁束量以外の磁束もコイル１０２のインピーダンスに影響を与えている。結果として、移動体１０１を通る磁束量以外の磁束も、移動体１０１を通る磁束量に反映される。このため、移動体１０１の位置によるコイル１０２の電気信号の変化について、移動体１０１を通る磁束量で説明している。

図１に戻って、説明を続ける。本実施形態の慣性駆動アクチュエータ１００は、コイル１０２、圧電素子１０３、移動体１０１、検出手段１０４、判定手段１０５を有する。移動体１０１は、磁性体である。移動体１０１は、コイル１０２が発生する磁束を閉じるヨーク（第１のヨーク）の役割を有する。磁束の閉じ方は、例えば、図６（ｃ）において、矢印を用いて示している。

そして、コイル１０２を検出手段１０４に接続し、コイル１０２の電気的な出力信号を検出する。検出手段１０４からの出力より移動体１０１の位置を判定手段１０５により判定する。移動体１０１の位置と、コイル１０２の電気的な信号との関係については、上述したとおりである。

移動体１０１の位置により、コイル１０２が発生する磁束が移動体１０１を通る量が変化する。移動体１０１を通る磁束量が多い時、逆起電力の影響でコイル１０２の抵抗、およびインダクタンスは増加する。よって、コイル１０２のインピーダンスを検出することにより移動体１０１の位置を検出することが出来る。

検出手段１０４は、コイル１０２のインピーダンスを検出する検出回路である。インピーダンス値を反映する検出手段１０４からの出力信号より、判定手段１０５で位置を判定する。さらに、検出手段１０４からの直前の出力信号と比較することで、判定手段１０５は位置だけでなく移動体１０１が動いている方向も判定することが可能となる。

これにより、以下の効果を奏する。
・インピーダンスの実部（抵抗）を検出することで位置検出できる。
・インピーダンスの虚部（インダクタンス）を検出することで位置検出できる・
・インピーダンスの大きさを検出することで位置検出できる。
・インダクタンスは温度依存性が小さいので、温度影響の観点からインダクタンス検出は効果がある。

また、判定手段１０５により判定した移動体位置情報を、不図示のアクチュエータ駆動回路にフィードバックすることよって位置制御駆動が可能となる。

本実施形態では、慣性駆動アクチュエータの摩擦制御を磁気力の変化によって行う。そして、繰り返し駆動による磨耗劣化を防止することもできる。
また、電磁コイルが移動体１０１の摩擦力を制御するために発生する磁束が、移動体１０１を介して閉じる構成としている。摩擦力を制御する磁束の経路を、駆動磁束経路とすると、移動体１０１の位置によって駆動磁束経路の磁束量が変化する。

よって、移動体１０１と電磁コイルの位置関係に基づき、コイル１０２近傍の磁束の流れが変化する。このため、電磁コイルの電気特性を検出することで、移動体１０１の位置検出が可能となる。電磁コイルが駆動と位置検出を兼ねることによって、別途、変位センサを追加した構成に比較してアクチュエータサイズの増加が無く、かつ位置検出が可能な慣性駆動アクチュエータを提供できる。

（第２実施形態）
次に、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に基づいて、第２実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ２００について説明する。

上述の第１実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態では、第１実施形態の慣性駆動アクチュエータ１００の構成において、コイル１０２の内側に磁性体のコア２０１（第２のヨーク）をさらに追加した構成である。
つまり、コイル１０２の内側に少なくとも一部が挿入された第２のヨークを配置している。

これにより、以下の効果を奏する。
・コイル１０２のコア２０１が存在することにより位置による磁束変化が増加する。
・検出感度が上がる。
・コイル１０２の変形を抑制できる。

さらに、具体的に説明する。コア２０１が存在することにより、コイル１０２が発生する磁束量が多くなる。これにより、移動体１０１の位置を反映するコイル１０２の出力信号が大きくなる。この結果、移動体１０１の位置の検出感度が向上する。

図４において、コア２０１は、コイル１０２の内側にのみ設けられている。これに限られず、コア２０１を、コイル１０２の外側（紙面において左右方向、および前後側方向）にはみ出すように配置しても良い。例えば、コア２０１を、コイル１０２の外側まで配置して、移動体１０１の下側近傍まで延長して配置しても良い。これにより、移動体１０１を介したコイル１０２の磁束が閉じる効率が向上する。

（第３実施形態）
次に、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に基づいて、第３実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ３００について説明する。

上述の各実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態は、コア２０１の下側、もしくはコイル１０２の下側に、磁石３０１を追加した構成である。
ここで、コイル１０２が発生する磁束の方向と同方向に磁束が発生するように磁石３０１を配置している。

これにより、以下の効果を奏する。
・移動体１０１を常時保持できる。
・移動体１０１の位置による磁束変化が磁石の磁束分増加する。
・検出感度が上がる。

上述の効果をさらに具体的に説明する。磁石３０１を設けることにより、常時磁束が発生する。このため、コイル１０２が磁場を発生していない状態でも、コイル１０２が発生する磁束と同様に移動体１０１を介して磁束が閉じる磁気経路が存在する。

これにより、移動体１０１は、常時コイルの方向に力が働くため、移動体１０１が保持される。また、磁石３０１の磁束の分、移動体１０１を介す磁束量が多くなる。このため、移動体１０１の位置の検出感度が向上する。

（第４実施形態）
次に、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に基づいて、第４実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ４００について説明する。

上述の各実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態は、磁石３０１の下側に磁性体である第３のヨーク４０１を追加した構成である。
つまり、移動体１０１がコイル１０２と対向した向きと反対側に第３のヨーク４０１を有している。

これにより、以下の効果を奏する。
・主磁束（駆動、及び検出に関わる磁束）の量が増加する。
・検出感度が増加する。
・磁石の磁束を誘導できる。

上述の効果をさらに具体的に説明する。第３のヨーク４０１が存在することにより、移動体１０１を介したコイル１０２および磁石３０１から発生する磁束の磁気経路を通る磁束量が増加する。よって、移動体１０１の位置の検出感度が向上する。

図６（ｃ）において、コイル１０２が発生する磁束の方向と、磁石３０１が発生する磁束の方向は平行な関係にしている。磁束は、コア２０１を通過し移動体１０１を通り、移動体１０１の下部にて第３のヨーク４０１に伝わり、磁石３０１へと伝わる。移動体１０１を通る磁束は閉じている。移動体１０１を通過しない漏れ磁束については駆動に寄与せず、さらに位置検出を反映するコイル１０２の電気信号にも寄与しない。従って、漏れ磁束を少なくし移動体１０１を通る磁束量を多くすることが駆動、および位置検出に有効である。

（第５実施形態）
次に、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に基づいて、第５実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ５００について説明する。

上述の各実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態は、移動体１０１とコイル１０２の間に、振動平板５０１を追加した構成である。
つまり、本実施形態では、移動体１０１とコイル１０２の間に振動平板５０１を有し、振動平板５０１は圧電素子１０３（変位手段）の変位にともなって変位する。

これにより、以下の効果を奏する。
・振動部が小さくなる。
・圧電素子１０３の小型化による発熱を抑制できる。
・コイル１０２を保護できる。

上述の効果をさらに具体的に説明する。圧電素子１０３によって微小する振動する部位が振動平板５０１のみとなる。これにより、さらに小型の圧電素子１０３を使用することが可能となる。この結果、圧電素子１０３による消費電力を低下させ、発熱を抑制できる。また、コイル１０２と圧電素子１０３が接触していない。このため、コイル１０２を保護する効果も奏する。

以上のように、本発明は、慣性駆動アクチュエータのサイズを大きくすることなく、移動体の位置検出が可能な慣性駆動アクチュエータに有用である。

１０１移動体
１０２コイル
１０３圧電素子
１０４検出手段
１０５判定手段
１０６磁石
１０７ヨーク
２０１コア
３０１磁石
４０１ヨーク
５０１振動平板

Claims

第１の方向と、前記第１の方向とは逆の第２の方向に微小変位を発生する変位手段と、
前記変位手段と異なる方向に磁束を発生するコイルと、
前記コイルの少なくとも一つの面に対向する面を有し、前記コイルが発生する磁束を所定の位置に集中させる第１のヨークを有する移動子と、
前記移動子と前記コイルとの位置関係に基づくコイル近傍の磁束変化を反映する前記コイルの電気信号を検出する検出手段と、
前記検出手段の出力に基づき、前記移動子の位置を判定する判定手段と、を有し、
前記コイルから発生する磁束を制御することによって、前記移動子に対して働く摩擦力を制御して、前記移動子を駆動し、
前記コイルは、磁束の発生と磁束の検出とを行うことを特徴とする慣性駆動アクチュエータ。
前記検出手段は、インピーダンス検出回路であることを特徴とする請求項１に記載の慣性駆動アクチュエータ。
前記コイルの内側に少なくとも一部が挿入された第２のヨークを配置していることを特徴とする請求項１または２に記載の慣性駆動アクチュエータ。
前記コイルが発生する磁束の方向と同方向に磁束が発生するように磁石を配置していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
前記移動子が前記コイルと対向した向きと反対側に第３のヨークを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
前記移動子と前記コイルの間に振動平板を有し、
前記振動平板は前記変位手段の変位にともなって変位することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の慣性駆動アクチュエータ。