JP2014087152A - 慣性駆動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で移動体の位置検出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、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複数のコイルと、前記複数の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、前記移動子と前記複数のコイルとの位置関係に基づく各コイル近傍の磁束変化を反映する前記複数の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、を有することを特徴とする。
【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。
このため、小型の慣性駆動アクチュエータにおいて移動子の位置検出を行うことは困難である。

上記課題を解決するために、本発明の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複数のコイルと、複数の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、移動子と複数のコイルとの位置関係に基づく各コイル近傍の磁束変化を反映する複数の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、を有することを特徴とする。

本発明によれば、サイズを大きくすることなく、小型であり、移動子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（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。 （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（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。 （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（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。 （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（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。 （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（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、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）、（ｂ）は、移動体の位置と磁束変化との関係を示す図である。 （ａ）は移動体の可動領域を説明する図、（ｂ）は磁束変化を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、コイルの配置のバリエーションを示す図である。

以下に、本発明にかかる慣性駆動アクチュエータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例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、複数、例えば２つのコイル１０２ａ、１０２ｂと、圧電素子１０３（変位手段）と、検出手段１０４と、判定手段１０５を有する。
圧電素子１０３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。
２つのコイル１０２ａ、１０２ｂ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、複数のコイルの少なくとも一つの面に対向する面を有している。
移動体１０１は、コイル１０２ａ、１０２ｂ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。
検出手段１０４は、移動体と複数のコイル１０２ａ、１０２ｂとの位置関係に基づく各コイル１０２ａ、１０２ｂ近傍の磁束変化を反映する複数のコイル１０２ａ、１０２ｂ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。

この構成により、以下の効果を奏する。
・コイル１０２ａ、１０２ｂ内部、移動体１０１を介す磁気経路を通る磁束を主磁束とする場合、各コイル１０２ａ、１０２ｂと移動体１０１の位置関係により各コイル１０２ａ、１０２ｂ近傍の主磁束量が変化する。
・各コイル１０２ａ、１０２ｂ近傍の主磁束量が変化することにより各コイル１０２ａ、１０２ｂの電気信号（インピーダンス）が変化する。
・各コイル１０２ａ、１０２ｂの電気信号を演算することにより移動体１０１の位置が検出可能となる。

さらに、第１実施形態の慣性駆動アクチュエータ１００の構成を詳細に説明する。
図１（ａ）は第１実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ１００を上面から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す図である。

上述したように、慣性駆動アクチュエータ１００は、コイル１０２ａ、１０２ｂと、圧電素子１０３と、移動体１０１と、検出手段１０４と、判定手段１０５と、を有する。移動体１０１は、磁性体で構成されている。磁性体は、コイル１０２ａ、１０２ｂ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。
以下すべての実施形態において、移動体１０１は全て磁性体で構成されているとして説明する。従って、移動体１０１内で磁性部と非磁性部との両方を有する構成の場合は、移動体１０１の部位を、移動体１０１の磁性部として考えれば良い。

また、コイルは２つ１０２ａ、１０２ｂを配置している。それぞれのコイル１０２ａ、１０２ｂは、移動体１０１の駆動方向と同方向に直列に配列している。

これにより、以下の効果を奏する。
・移動体１０１の位置によって各コイル１０２ａ、１０２ｂの電気信号が個別の変化をする。
・移動体１０１の駆動方向に配列することで、移動体１０１の駆動方向に垂直な方向へのサイズの増大を抑制するため慣性駆動アクチュエータのサイズが小さくなる。

コイル１０２ａ、１０２ｂは検出手段１０４に接続されている。検出手段１０４は、コイル１０２ａ、１０２ｂの電気的な出力信号を検出する。判定手段１０５は、検出手段１０４からの出力に基づいて移動体１０１の位置を判定する。

移動体１０１の位置と、コイル１０２ａ、１０２ｂの電気的な信号の関係については図６と図７を用いて後述する。

移動体１０１の位置により、コイル１０２ａ、１０２ｂが発生する磁束のうち、移動体１０１を通る量が変化する。ここでは、移動体１０１の駆動と位置検出に影響を与えることから、移動体１０１を通る磁束を主磁束とする。移動体１０１を通る磁束量が高ければ、すなわち磁束量が大きければ、逆起電力の影響でコイル１０２ａ、１０２ｂの抵抗、およびインダクタンスは増加する。

よって、コイル１０２ａ、１０２ｂのインピーダンスを検出することにより移動体１０１の位置を推測することが出来る。

換言すると、検出手段１０４は、コイル１０２ａ、１０２ｂのインピーダンスを検出する。判定手段１０５は、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位置を判定する。
さらに、直前の検出手段１０４から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。
また、判定手段１０５により判定した移動体１０１の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。

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）を検出することで移動体の位置検出ができる。
・インピーダンスの虚部（インダクタンス）を検出することで移動体の位置検出ができる。
・インピーダンスの大きさを検出することで移動体の位置検出ができる。
・インダクタンスは、温度依存性が小さい。このため、温度変化の観点でインダクタンス検出が有効である。

（第２実施形態）
次に、図２を用いて第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。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、図１の構成においてコイル１０２ａ、１０２ｂの内側に磁性体のコア２０１ａ、２０１ｂ（第２のヨーク）を追加した構成が異なっている。コア２０１ａ、２０１ｂが存在することによりコイル１０２ａ、１０２ｂが発生する磁束量が多くなる。

これにより、以下の効果を奏する。
・コイルのコアがあ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。
・コイルの変形を抑制できる

移動体１０１の位置を反映するコイル１０２ａ、１０２ｂの出力信号が大きくなる。このため、移動体１０１の位置の検出感度が向上する。移動体１０１の位置とコイル１０２ａ、１０２ｂの電気的な信号の関係については図６と図７において後述する。

図２において、コア２０１ａ、２０１ｂは、それぞれコイル１０２ａ、１０２ｂの内側のみに存在し、コイル１０２ａ、１０２ｂの外側（紙面左右、および前後側）からはみ出す（コイルの外側）位置に配置していない。
なお、コア２０１ａ、２０１ｂを、それぞれコイル１０２ａ、１０２ｂの外側まで配置し移動体１０１下側近傍まで延長して配置しても良い。例えばコアの形状をＴの字型にする構成である。それにより移動体１０１を介したコイル１０２ａ、１０２ｂの磁束が閉じる効率が向上する。

（第３実施形態）
次に、図３を用いて第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。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態は、上記第２実施形態の構成において、さらにコア２０１ａ、２０１ｂの下側、もしくはコイル１０２ａ、１０２ｂの下側に磁石３０１を追加した構成である。

磁石３０１が存在することにより常時磁束が発生する。このため、コイル１０２ａ、１０２ｂが磁場を発生していない状態でも、コイル１０２ａ、１０２ｂ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１０２ａ、１０２ｂ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ため、移動体１０１位置の検出感度が向上する移動体１０１位置とコイル１０２ａ、１０２ｂの電気的な信号の関係については図６と図７で説明する。

（第４実施形態）
次に、図４を用いて第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。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態は、上記第３実施形態の構成において、磁石３０１の下側に磁性体であるヨーク４０１（第３のヨーク）を追加した構成である。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１０２ａ、１０２ｂ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。

これにより、以下の効果を奏する。
・移動体を常時保持できる。
・移動体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。

（第５実施形態）
次に、図５を用いて第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。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態は、上記第４実施形態の構成において、移動体１０１とコイル１０２ａ、１０２ｂの間に振動平板５０１を追加した構成である。

ここでは、圧電素子１０３によって微小する振動する部位は、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。このため、圧電素子１０３による消費電力の低下、発熱の抑制が期待できる。また、コイル１０２ａ、１０２ｂと圧電素子１０３が接触していない。このためコイル１０２ａ、１０２ｂも保護できる。

このように、本構成では以下の効果を奏する。
・振動部が小さくなる。
・圧電素子（変位手段を圧電素子とした場合：磁歪素子もありうる）を小さくできるため発熱を抑制することができる。

（磁束の性質の説明）
次に、図４（ｃ）に示す図を用いて移動子を通る磁束を説明する。コイル１０２ａ、１０２ｂが発生する磁束の方向と、磁石３０２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２０１ａ、２０１ｂを通過し移動体１０１を通り、移動体１０１下部にて、第３のヨーク４０１に伝わり磁石３０１へと伝わる。

これにより、以下の効果を奏する。
・主磁束の漏れを抑制できる。
・検出感度が上がる。
・第２のヨーク、コイル、もしくは磁石を保護できる。

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ほとんど寄与せず、さらに位置検出を反映するコイル１０２ａ、１０２ｂ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。

次に、移動体１０１の位置による磁束変化について説明する。側面図を用いて、移動体１０１の異なる位置での磁束の変化イメージを図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で説明する。

説明を簡単にするため、２つのコイル１０２ａ、１０２ｂをそれぞれコイルＡ、コイルＢと呼ぶ。
移動体１０１は点線で示し、コイルＡ、Ｂにおいて駆動にも関わる各コイル内部と移動体１０１を通る磁束（主磁束）を太い点線で示している。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順で、移動体１０１はコイルＡの左端から、中央、コイルＢの右端部に移動している状態を示している。

また、コイルＡ、Ｂは同サイズであり、移動体１０１に対して直列に配置した構成である。また、移動体１０１の長さはコイルＡ、コイルＢの長さと同じとした。
さらに、説明を簡単にするために図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で示す太い点線の本数が移動体１０１を通る磁束量の総和を反映している。以下の順に、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）と順を追って説明する。

図６（ａ）は、移動体１０１がコイルＡ左端の位置に位置する状態である。コイルＡ内を通る主磁束量が最も多く、コイルＢ内を通る主磁束が最も少なくなっている。実際は少量ではあるが空気を介して移動体１０１からコイルＢ内を通る主磁束が存在する。しかし、ここでは説明のためコイルＢ内を通る主磁束はゼロと描画した。

図６（ｂ）は、移動体１０１がコイルＡとコイルＢの中央に位置する状態である。コイルＡとコイルＢの内部を通る主磁束量が同等量となっている。移動体１０１の位置がコイルＡとコイルＢともに主磁束量がほぼ最大の主磁束量の半分となっている。

図６（ｃ）は、移動体１０１がコイルＢの右端の位置にある状態である。コイルＢ内を通る主磁束量が最も多く、コイルＡ内を通る主磁束が最も少なくなっている。

上記の説明より、移動体１０１を通る磁束量について図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で比べた場合、コイル内部を通る主磁束量は、コイルＡについては（ｃ）、（ｂ）、（ａ）の順で大きくなり、コイルＢについては（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順で大きくなる関係となる。

図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で説明した移動体１０１位置と移動体１０１を通る磁束量（主磁束量）の関係を示したものが図７（ａ）である。コイルＡを実線、コイルＢを点線で示す。

コイルＡ、Ｂ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、その変化による逆起電力が生じコイルＡ、Ｂ自身に影響を与える。コイルＡ、Ｂ近傍の移動体１０１を通る磁束量の変化が、コイルＡ、Ｂ自身に影響をあたえる逆起電力の変化を引き起こす。

よって移動体１０１を通る磁束である主磁束量が多ければ、移動体１０１を通る磁束が小さいときと比べて、コイルＡ、Ｂの抵抗、インダクタンスが大きくなる。よって、コイルＡ、Ｂの抵抗、インダクタンスについても図７（ａ）の移動体１０１を通る主磁束量変化と同等な傾向となる。

図７（ａ）の結果より、コイルＡとコイルＢの主磁束量の差分（コイルＢ−コイルＡ）をプロットしたのが図７（ｂ）である。差分については太実線で示している。
コイルを２個にすることで、各コイルＡ、Ｂの電気信号の比較が容易であり、また部品数を少なくする効果がある。

これにより、以下の効果を奏する。
・コイルを２個にすることで各コイルの電気信号を比較しやすい。
・直列配置の場合、組立てが簡単になる。

図７（ａ）で示すようにコイルＡとコイルＢの主磁束量の差分は、各コイルの結果に比べて２倍の感度で移動体１０１の位置に対して線形の関係になる。
主磁束量を反映する２個のコイルからの信号（例えばインピーダンス）の差分は、各コイルの電気的なノイズをキャンセルする効果がある。

すなわち、以下の効果を奏する。
・２個のコイルの差分であることで各コイルにはいるノイズをキャンセルすることができる。
・差分検出によって移動子の位置と２個のコイルの差分信号は線形関係となる。

さらに図７のようなコイルＡとコイルＢを同サイズにすること、すなわちコイルは少なくとも同じコイルを一対含むことによって各コイルの電気的ノイズはほとんど同等になる可能性が高い。このため、ノイズをキャンセルする効果が向上する。

すなわち、これにより、以下の効果を奏する。
・同サイズのコイルにすることで、差分検出時のノイズキャンセル効果が向上する。
・サイズが等しいことで部品の種類点数を減らすことが出来る。

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

図８（ａ）、（ｂ）は、磁束曲線が線形部分と、さらに極値を有する部分とからなる場合を説明するための図である。

コイルの長さＬａ＜Ｌｂで、移動体１０１の長さＬｍがＬｂよりも小さい場合、移動体１０１がコイルＢ上にきたときにコイルＢに流れる主磁束量がコイルＢの途中で極値をもつ。これによって、コイルＡとコイルＢの差分で位置検出をする場合、移動体１０１の位置と電気信号が１対１対応しないため、位置検出のアルゴリズムが複雑になる。したがって、移動体１０１のサイズＬｍはＬｂ以上の方が望ましい。
ここで、「コイルの長さ」とは、「各コイルにおける移動体が駆動する領域の長さ」を意味する。

このような場合でも、磁束の曲線は、線形部分を有している。このため、極値部分を避けて、線形部分を有効に利用するように移動体１０１を駆動できる。

次に、変形例について図９（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
図９（ａ）は、コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを３つ直列に配置した構成である。コイルを多くすることで差分検出のアルゴリズムが複雑になるが、移動体１０１の位置に関するコイルからの電気信号が増えるため、位置検出の精度が向上する。当然ながら、コイルの数は３つ以上でも同様の効果が期待できる。

図９（ｂ）は、コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄを並列に２列並べ、それぞれ直列に２個ずつ配置した構成である。コイルを多くすることで差分検出のアルゴリズムが複雑になるが、移動体１０１の位置に関するコイルからの電気信号が増えるため、位置検出の精度が向上する。
また、コイルを並列にすることで、駆動時の移動体１０１の磁気吸着が一列の場合と比べて移動体１０１の吸着面が１つではなく２つ存在するため、移動体１０１が傾くことを抑制する効果を持つ。

以上のように、本発明は慣性駆動アクチュエータにおいて、小型で移動体の位置検出を行うのに有用である。

１００ 慣性駆動アクチュエータ
１０１ 移動体
１０２ａ、１０２ｂ コイル
１０３ 圧電素子
１０４ 検出手段
１０５ 判定手段
２０１ａ、２０１ｂ コア

Claims (9)

1. 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複数のコイルと、
   前記複数の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、
   前記移動子と前記複数のコイルとの位置関係に基づく各コイル近傍の磁束変化を反映する前記複数の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、を有することを特徴とする慣性駆動アクチュエータ。
2. 前記コイルは少なくとも２つの前記移動子の駆動する方向に直列に配置してい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。
3. 前記判定手段による前記移動子の位置の判定が、前記２個のコイルからの電気信号の差分を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の慣性駆動アクチュエータ。
4. 前記複数のコイルは少なくとも同じコイルを一対含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
5. 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１〜４のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
6. 前記複数の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１〜５のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
7. 前記複数の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１〜６のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
8. 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のヨークと、を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
9. 前記移動子と前記複数の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１〜８のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
   
   

Images