JP2015002663A - アクチュエータ駆動装置およびその制御方法、撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータを駆動する際、電流変化量に起因する磁界ノイズを低減すること。
【解決手段】アクチュエータ駆動装置３は、出力端子ＡおよびＢに接続されたアクチュエータ１を駆動する。アクチュエータ駆動装置３の制御部は、ＰＷＭ遅れ時間設定部４と、第１デューティ比設定部５Ａ及び第２デューティ比設定部５Ｂを備える。ＰＷＭ遅れ時間設定部４は、出力端子ＡおよびＢへの駆動電圧に係るパルス幅変調制御の遅れ時間を設定し、設定情報を第１デューティ比設定部５Ａ，第２デューティ比設定部５Ｂに出力する。第１デューティ比設定部５Ａは第１ＰＷＭ出力部６Ａの第１デューティ比を設定し、第２デューティ比設定部５Ｂは第２ＰＷＭ出力部６Ｂの第２デューティ比を設定する。制御部は、ＰＷＭ制御による正逆通電を行う際、通電量に応じてショート期間を設け、ＰＷＭ波形の電流ピークにおける電流変化分を減少させる制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置等に適用するアクチュエータ駆動装置とその制御方法に関する。

従来からアクチュエータ駆動装置として、その線形性の高いデューティ比−電流特性からＰＷＭ（パルス幅変調）制御による正逆通電法が用いられてきた。しかし、近年、撮像素子としてＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサが多く用いられるようになり、ＰＷＭ制御による電流変化に起因した磁界ノイズが撮像素子の電荷情報に影響を与える現象が発生し得る。ＰＷＭ制御による正逆通電法を採用した場合にノイズが発生しやすい原因として、本制御法では一定期間内でオンパルスの幅を調整し、正方向の通電及び逆方向の通電を繰り返すことが挙げられる。駆動電流の変化が大きいので、それに応じて磁束変化が大きくなる。特に、ＰＷＭ駆動での立ち上がり時と立ち下がり時に磁束変化が最大となり、この結果、電磁誘導による起動電圧が大きくなる。

この問題に対して特許文献１に記載の撮像装置は、被写体像を電荷情報に光電変換する撮像素子と手振れ補正用の補正レンズを駆動するアクチュエータと、撮像素子から電荷情報を読み出すタイミングでアクチュエータの駆動周波数を変更する制御部とを備える。現在の撮影モードが、駆動デバイスによって磁界ノイズが発生するモードである場合、磁気ノイズの発生しない周波数である、他のモードに設定される。これにより、アクチュエータの駆動に応じた磁界の変化によるノイズが電荷情報に影響を与えることを抑止できる。

また、特許文献２では、撮影時の被写体条件に応じてアナログ信号とデジタル信号のどちらかを出力するように切り替え可能なアクチュエータドライバを開示する。撮像装置は、撮像素子と、撮像素子上に被写体を形成する少なくとも１つのレンズと、制御信号に基づいて少なくとも１つのレンズを駆動するアクチュエータを備える。制御信号を出力するドライバは、撮影時の被写体条件に応じて、アナログ信号を出力するかデジタル信号を出力するかを切り替える。撮影画像の明るさを条件とした場合、撮影時の明るさが所定レベル以上であれば、ドライバは出力をデジタル信号、即ちＰＷＭ信号とする。この時、ノイズが混入したとしてもその影響が小さいため、撮影された画像への影響は小さい。アナログ信号の使用時よりもアクチュエータ駆動時の省電力化が可能となる。また、撮影時の明るさが所定レベル未満の場合、ドライバは出力をアナログ信号に切り替える。アナログ駆動の場合、コイル駆動時の電力効率が低く消費電力は増加するが、駆動コイルから撮像素子への磁界ノイズの影響を抑えることが可能となる。

特開２０１２−２８８４１号公報 特開２０１１−２２１５１９号公報

しかしながら、一般的に手振れ補正レンズを駆動するアクチュエータでは、その駆動周波数が高いとスイッチングロスに繋がり、低いと電流リップルが大きくなってしまうため、適切な周波数帯域が存在する。従って、特許文献１のように、撮影モードに応じて駆動周波数を変更する方法ではモータの特性が一定にならない。モータ特性を安定させるためには、手振れ補正レンズの駆動周波数を一定する必要があるので、この方法では不都合が生じてしまう。
また、特許文献２では、連続的に変化するアナログ信号を使用することで電流変化を抑え、磁気ノイズの影響を低減している。しかし、デジタル信号、即ちＰＷＭ信号を使用した場合の解決法を提供するものでなく、消費電力が大きいため根本的な解決には至っていない。
本発明の目的は、アクチュエータを駆動する際、電流変化量に起因する磁界ノイズを低減することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る装置は、アクチュエータの駆動コイルに通電する第１出力端子及び第２出力端子と、前記第１の出力端子及び第２の出力端子にそれぞれ駆動電圧を印加する出力部と、前記出力部の出力する駆動電圧を制御する制御部を備える。前記制御部は、第１通電期間にて前記駆動コイルに第１方向の電流を流し、第２通電期間にて前記駆動コイルに前記第１方向とは逆方向の第２方向の電流を流し、前記第１通電期間と第２通電期間との間のショート期間にて前記第１出力端子と第２出力端子との間に電位差を発生させない制御を行う。

本発明によれば、アクチュエータを駆動する際、電流変化量に起因する磁界ノイズを低減することができる。

本発明の実施形態に係る装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るＰＷＭ信号及び電流波形を例示する図である。 本発明の実施形態に係る各端子電圧およびデューティ比、通電量の関係を例示する図である。 従来の技術におけるＰＷＭ信号及び電流波形を例示する図である。

以下、本発明の実施形態について、パルス幅変調制御による正逆通電法でアクチュエータの駆動制御を実行する例を説明する。なお、本実施形態に係るアクチュエータ駆動装置は、光学素子やレンズ鏡筒を構成する光学部材を備える撮像装置に適用可能である。この場合の光学素子は手振れ補正レンズやフォーカスレンズ、ズームレンズ等であり、光学部材はカム筒等の可動部材である。本発明の適用上、駆動機構部に係る構成の如何は問わないのでそれらの説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係るアクチュエータ駆動装置の構成例を示すブロック図である。アクチュエータ１は駆動コイル２を有しており、アクチュエータ１のコイル端子はそれぞれ、アクチュエータ駆動装置３の出力端子ＡおよびＢに接続されている。図１では、第１出力端子Ａを「端子Ａ」と記し、第２出力端子Ｂを「端子Ｂ」と記す。
アクチュエータ駆動装置３は、設定されたデューティ比に応じてショート時間を設定し、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を出力する。アクチュエータ駆動装置３は、ＰＷＭ遅れ時間設定部４と、デューティ比設定部５Ａおよび５Ｂと、ＰＷＭ出力部６Ａおよび６Ｂを備える。ＰＷＭ遅れ時間設定部４、第１デューティ比設定部５Ａおよび第２デューティ比設定部５Ｂは、各出力部の出力する駆動電圧を制御する制御部を構成する。

ＰＷＭ遅れ時間設定部４はパルス幅変調制御の遅れ時間を設定し、設定情報を第１デューティ比設定部５Ａおよび第２デューティ比設定部５Ｂに出力する。第１デューティ比設定部５Ａは、第１ＰＷＭ出力部６Ａを介して第１出力端子Ａに印加する第１駆動電圧のデューティ比（第１デューティ比をＤｕｔｙ（Ａ）と記す）を設定する。また、第２デューティ比設定部５Ｂは、第２ＰＷＭ出力部６Ｂを介して第２出力端子Ｂに印加する第２駆動電圧のデューティ比（第２デューティ比をＤｕｔｙ（Ｂ）と記す）を設定する。

次に、本実施形態における動作を説明する。アクチュエータ駆動装置３において、図２に示す端子電圧をそれぞれ出力する場合を想定する。図２にＡ，Ｂで示す波形は端子Ａ，Ｂでの端子電圧をそれぞれ示す。その下には駆動コイル２の駆動電流波形を例示する。
例えば、Ｄｕｔｙ（Ａ）およびＤｕｔｙ（Ｂ）を５０％として設定する。この場合、１：１の比率で周期的にＨｉｇｈ（以下、Ｈと略記する）とＬｏｗ（以下、Ｌと略記する）のレベルで端子電圧が変化する。ＰＷＭ遅れ時間設定部４は、端子Ａでの立ち上がりのタイミングと、端子Ｂでの立ち下がりのタイミングを４分の１周期（Ｔ／４）だけずらすように遅れ時間を設定する。この際の通電量ｉは、端子Ａ及び端子Ｂの各出力の位相関係によって決定することができる。

図２には端子電圧同士のレベル位相について、以下の４つの状態を示す。
（１）端子Ａの電圧がＨであって、端子Ｂの電圧がＬである場合（第１通電期間）。
端子Ａと端子Ｂとの間に電位差が発生し、電流は端子Ａから端子Ｂへ向かう第１方向（正方向）に流れる。
（２）端子Ａの電圧がＬであって、端子Ｂの電圧がＬである場合（第１ショート期間）。
両端子の電位は等しく電位差は発生しないため、端子間がショートされた状態である。
（３）端子Ｂの電圧がＨであって、端子Ａの電圧がＬである場合（第２通電期間）。
電流は端子Ｂから端子Ａへ向かう第２方向（逆方向）に流れる。
（４）端子Ａおよび端子Ｂの電圧がともにＨである場合（第２ショート期間）。
両端子の電位は等しく電位差は発生しないため、端子間がショートされた状態である。
上記４つの状態は、端子Ｂのデューティ比、および端子Ａと端子Ｂとの間のスイッチングのタイミング遅れ量を任意に設定することによってそれぞれ変化する。制御部は、駆動コイル２に流す電流量に相当する通電量ｉに応じて第１ショート期間及び第２ショート期間を決定する。

アクチュエータ駆動装置３は、（１）の第１通電期間の長さと（２）の第１ショート期間の長さが等しくなるように制御し、（３）の第２通電期間の長さと（４）の第２ショート期間の長さが等しくなるように制御する。そのために、第１デューティ比Ｄｕｔｙ（Ａ）および第２デューティ比Ｄｕｔｙ（Ｂ）に対して、以下の関係が成り立つように設定が行われる（デューティ比を百分率（％）で表す）。
［数式１］
Ｄｕｔｙ（Ａ）＝１００−Ｄｕｔｙ（Ｂ）
つまり、第１デューティ比と第２デューティ比との和が１００％となる値に設定される。

次に、ＰＷＭ遅れ時間設定部４によるタイミング設定について説明する。ＰＷＭ遅れ時間設定部４は、端子Ａでの第１駆動電圧の立ち上がりに対して、端子Ｂでの第２駆動電圧の立ち下がりタイミングの遅れ時間（ｔｌと記す）を下式のように設定する。
［数式２］
・０％≦Ｄｕｔｙ（Ｂ）≦５０％である場合
ｔｌ＝（（Ｄｕｔｙ（Ｂ）／２）×Ｔ
・５０％＜Ｄｕｔｙ（Ｂ）≦１００％である場合
ｔｌ＝（（−（Ｄｕｔｙ（Ｂ）／２）＋５０）×Ｔ
なお、Ｔは周期を表す。
［数式１］および［数式２］に示す関係が成立する時、通電量ｉは第１デューティ比と第２デューティ比との差に比例する下式で表される。
［数式３］
ｉ＝（Ｄｕｔｙ（Ａ）−Ｄｕｔｙ（Ｂ））×Ｉｍ
ただし、電流は端子Ａから端子Ｂに流れる向きを正とする。Ｉｍは、端子間が１周期中にそれぞれＨ、Ｌに固定された場合に流れる最大の電流量を示す。

本実施形態におけるＰＷＭ波形の１周期中の通電状態は、表１のようになる。

表１中、（Ｈ，Ｈ）は前記（４）の状態、（Ｈ，Ｌ）は前記（１）の状態、（Ｌ，Ｌ）は前記（２）の状態、（Ｌ，Ｈ）は前記（３）の状態をそれぞれ表している。ＣＷはアクチュエータの第１方向に相当する回転方向であり、ＣＣＷはその逆方向に相当する回転方向である。

図３は、端子ＡおよびＢの各端子電圧およびデューティ比、通電量の関係を例示した図である。横軸は１周期内での時間を示す。図３に示す斜線部は通電量に相当し、下向きの矢印が正値を表し、上向きの矢印が負値を表す。制御部は、下向き矢印に示す第１方向の電流量と上向き矢印で示す第２方向の電流量の差分に相当する通電量（図３では正値、ゼロ、負値をもつ）により、ショート期間を決定する。図２は、第１デューティ比および第２デューティ比がともに５０％の場合に相当し、１周期中の通電量を０とした場合を示す。

次に、駆動電流の時間的変化について説明する。ここで図３は、第ｎ周期目（ｎは自然数の変数とする）から次の第ｎ＋１周期目の波形を表しているものとする。ＰＷＭ信号の周期をＴとし、各デューティ比を５０％とする。端子Ｂの電圧の立ち下がりのタイミングは、端子Ａの電圧の立ち上がりのタイミングよりも、Ｔ／４だけ遅れているものとする。この場合の端子Ａ及び端子Ｂの状態を、
（端子Ａ，端子Ｂ）＝（Ｈ，Ｌ），（Ｌ，Ｌ），（Ｌ，Ｈ），（Ｈ，Ｈ）
の４つに区分する。これらは前記（１）ないし（４）の状態にそれぞれ対応する。

まず、第１通電期間（Ｈ，Ｌ）において、端子Ｂの駆動電圧の立下り時点を時刻ｎＴとする。つまり、第１通電期間は、時刻ｎＴを起点として、これから（ｎ＋１／４）Ｔが経過するまでの期間であり、電流ｉ（ｔ）を時刻ｔの関数として表す式は、以下の通りである。

（式１．１）にて、Ｅは駆動電圧、Ｒはアクチュエータ１の抵抗値、Ｌはアクチュエータ１のインダクタンスをそれぞれ示している。ＥＸＰ（）は指数関数を表す。

（式１．１）より、電流ｉ（ｔ）は指数関数的に増加し、時刻ｔが（ｎ＋１／４）Ｔとなる時に最大値（ｉ_ｍａｘと記す）を示す。この時の最大値ｉ_ｍａｘは下記の通りである。

第１ショート期間（Ｌ，Ｌ）においては、端子Ａの駆動電圧がＨからＬに変化して、端子Ａと端子Ｂとの間がショート状態となる。従って、第１ショート期間における電流ｉ（ｔ）は、下式で表される。

（式１．２）より、電流ｉ（ｔ）は指数関数的に減少する。その減少率の大きさは（式１．１）の増加率の大きさよりも小さい。

第２通電期間（Ｌ，Ｈ）においては、端子Ｂの駆動電圧がＬからＨに変化することにより、アクチュエータ１に電圧が印加される。従って、第２通電期間における電流ｉ（ｔ）は、下式で表される。

（式１．３）より、電流ｉ（ｔ）は指数関数的に減少する。その減少率の大きさは（式１．２）の減少率の大きさよりも大きく、時刻ｔが（ｎ＋３／４）Ｔとなる時に最小値（ｉ_ｍｉｎと記す）を示す。この時の最小値ｉ_ｍｉｎは下式の通りである。

第２ショート期間（Ｈ，Ｈ）においては、端子Ａの駆動電圧がＬからＨに変化し、端子Ａと端子Ｂとの間がショート状態となる。第２ショート期間における電流ｉ（ｔ）は下式で表される。

（式１．４）より、電流ｉ（ｔ）は指数関数的に増加する。その増加率の大きさは（式１．３）の減少率の大きさより小さい。
アクチュエータ１の駆動電流は前記（１）ないし（４）に説明した４状態を繰り返すため、その波形は略台形状（図２参照）に平滑化されて変化していく。従って、磁界変化は緩やかになり、磁界ノイズが低減される。

図４は、従来のＰＷＭ波形及び電流波形を例示した図である。１周期中の通電量はゼロであり、デューティ比が５０％である場合を示す。端子Ａの電圧がＨであって端子Ｂの電圧がＬである第１期間にて、アクチュエータは正方向に駆動される。これとは逆に端子Ｂの電圧がＨであって端子Ａの電圧がＬである第２期間にて、アクチュエータは逆方向に駆動される。端子Ａの電圧の立ち上がり時点、および端子Ｂの電圧の立ち下がり時点を時刻ｎＴとする。
第１期間、つまり時刻ｎＴから（ｎ＋１／２）Ｔまでの期間では、電流を表す数式は前記式（１．１）と同じである。電流値は時刻（ｎ＋１／２）Ｔにおいて最大値(ｉ^* _MAXと記す)を示す。最大値ｉ^* _MAXは下記の通りである。

第２期間、つまり、時刻（ｎ＋１／２）Ｔから（ｎ＋１）Ｔまでの期間では、電流を表す数式は前記の式（１．３）と同じである。電流値は時刻（ｎ＋１）Ｔの時に最小値(ｉ^* _MINと記す)を示す。最小値ｉ^* _MINは下記の通りである。

電流波形は上記２つの通電パターンを繰り返すので、鋸歯状となる。
最大値ｉ_ｍａｘとｉ^* _MAXとの比較、および最小値ｉ_ｍｉｎとｉ^* _MINとの比較から分かるように、本実施形態における最大値と最小値の差の絶対値は、従来の制御に比較して小さくなっている。

本実施形態では、上記の制御により、アクチュエータ１の駆動コイル２に流れる電流波形が略台形状波形に平滑化されるので、従来のＰＷＭ制御による正逆通電時に比べて各ピーク点における電流量の変化が小さくなる。したがって、ＰＷＭ制御による正逆通電法でアクチュエータを駆動する際、電流変化量に起因する磁界ノイズを低減できる。

１ アクチュエータ
２ 駆動コイル
３ アクチュエータ駆動装置
４ ＰＷＭ遅れ時間設定部
５Ａ，５Ｂ デューティ比設定部
６Ａ，６Ｂ ＰＷＭ出力部

Claims (11)

1. アクチュエータの駆動コイルに通電する第１出力端子及び第２出力端子と、
   前記第１の出力端子及び第２の出力端子にそれぞれ駆動電圧を印加する出力部と、
   前記出力部の出力する駆動電圧を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、第１通電期間にて前記駆動コイルに第１方向の電流を流し、第２通電期間にて前記駆動コイルに前記第１方向とは逆方向の第２方向の電流を流し、前記第１通電期間と第２通電期間との間のショート期間にて前記第１出力端子と第２出力端子との間に電位差を発生させない制御を行うことを特徴とするアクチュエータ駆動装置。
2. 前記出力部は、
   パルス幅変調による第１駆動電圧を前記第１出力端子に印加する第１出力部と、
   パルス幅変調による第２駆動電圧を前記第２出力端子に印加する第２出力部を備え、
   前記制御部は、
   前記第１出力部の第１デューティ比を設定する第１デューティ比設定部と、
   前記第２出力部の第２デューティ比を設定する第２デューティ比設定部を備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ駆動装置。
3. 前記制御部は、
   前記第１駆動電圧と第２駆動電圧に係るパルス幅変調制御の遅れ時間を設定し、設定情報を前記第１デューティ比設定部および第２デューティ比設定部に出力する遅れ時間設定部を備えることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ駆動装置。
4. 前記遅れ時間設定部は、前記第１駆動電圧の立ち上がりに対して、前記第２駆動電圧の立ち下がりのタイミングの遅れ時間を設定することを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ駆動装置。
5. 前記制御部は、前記駆動コイルに流す電流量により前記ショート期間を決定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアクチュエータ駆動装置。
6. 前記制御部は、前記第１方向の電流量と前記第２方向の電流量との差分により前記ショート期間を決定することを特徴とする請求項５に記載のアクチュエータ駆動装置。
7. 前記制御部は、前記第１デューティ比および第２デューティ比並びに遅れ時間を設定することにより、前記第１通電期間と、前記第１通電期間と第２通電期間との間の第１ショート期間と、前記第２通電期間と、前記第２通電期間と第１通電期間との間の第２ショート期間における前記駆動コイルの通電量を制御することを特徴とする請求項３または４に記載のアクチュエータ駆動装置。
8. 前記第１デューティ比設定部および第２デューティ比設定部は、前記第１デューティ比と第２デューティ比との和が１００％となる値に設定することを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータ駆動装置。
9. 前記制御部により制御される前記駆動コイルの通電量は、前記第１デューティ比と第２デューティ比との差に比例することを特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ駆動装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のアクチュエータ駆動装置と、
    前記アクチュエータにより駆動される光学素子または光学部材を備えることを特徴とする撮像装置。
11. アクチュエータの駆動コイルに通電する第１出力端子及び第２出力端子と、
    前記第１の出力端子及び第２の出力端子にそれぞれ駆動電圧を印加する出力部と、
    前記出力部の出力する駆動電圧を制御する制御部を備えるアクチュエータ駆動装置にて実行される制御方法であって、
    前記制御部により、
    第１通電期間にて前記駆動コイルに第１方向の電流を流す制御ステップと、
    第２通電期間にて前記駆動コイルに前記第１方向とは逆方向の第２方向の電流を流す制御ステップと、
    前記第１通電期間と第２通電期間との間のショート期間にて前記第１出力端子と第２出力端子との間に電位差を発生させない制御ステップを有することを特徴とするアクチュエータ駆動装置の制御方法。
    
    

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