JP2020120496A

JP2020120496A - アクチュエータ駆動装置

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Publication number: JP2020120496A
Application number: JP2019009662A
Authority: JP
Inventors: 行天　敬明; Takaaki Gyoten; 敬明行天
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2039-01-23
Also published as: US20200235685A1; JP7126128B2; US10873283B2

Abstract

【課題】駆動電流に比例した変位量が得られるアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動装置において変位量を正確に制御し、その可動域を広くする。【解決手段】アクチュエータ駆動装置は、反転関係を有する変調駆動信号に従って駆動され、直流電圧をスイッチングしてアクチュエータの駆動電圧を発生してアクチュエータに出力する第１及び第２のハーフブリッジ回路と、第１及び第２のスイッチング素子の直列回路と、第３及び第４のスイッチング素子の直列回路とに流れる電流に対応する電流検出信号を発生する電流検出抵抗と、電流検出抵抗からの電流検出信号をホールドして出力信号を生成するホールド回路と、出力信号を目標振幅信号と比較し比較結果信号を生成する比較器と、比較結果信号と駆動信号とを乗算し乗算結果を示し乗算結果信号を発生乗算器と、乗算結果信号に従ってＰＷＭ変調して変調駆動信号を発生するＰＷＭ変調器とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、印加された駆動電流に比例した変位量が得られるアクチュエータを駆動するアクティブ装置に関する。

特許文献１は、印加された駆動電流に比例した変位量が得られるアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動装置を開示する。このアクチュエータ駆動装置は、コントローラのデジタル電圧出力をＤ／Ａ変換した電圧を増幅してアクチュエータを駆動し、またアクチュエータに流れる電流を抵抗で検出し、Ａ／Ｄ変換してコントローラが電流値を検出し、その電流が目標値となるようデジタル電圧出力を調整する、アクチュエータを電圧駆動とすることでダンピングを行うとともに、電流検出をして制御する事で、アクチュエータに流れる電流を制御することで、印加された駆動電流に比例した変位量が得られるアクチュエータの変位量を制御することができる。

特開２０１４−１４７２２１号公報

本開示は、印加された駆動電流に比例した変位量が得られるアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動装置において、従来技術に比較して変位量を正確に制御し、かつ、その可動域を広くすることができるアクチュエータ駆動装置を提供する。

本開示の一態様に係るアクチュエータ駆動装置は、
互いに反転関係を有する一対の変調駆動信号に従って駆動され、電源からの直流電圧をスイッチングしてアクチュエータの駆動電圧を発生して前記アクチュエータに出力する第１及び第２のハーフブリッジ回路を備えたアクチュエータ駆動装置であって、
前記第１のハーフブリッジ回路は互いに直列に接続され、互いに反転関係を有する一対の変調駆動信号でオン／オフ制御される第１及び第２のスイッチング素子を含み、
前記第２のハーフブリッジ回路は互いに直列に接続され、互いに反転関係を有する一対の変調駆動信号の反転信号でオン／オフ制御される第３及び第４のスイッチング素子を含み、
前記第１及び第２のスイッチング素子の直列回路の一端、及び、前記第３及び第４のスイッチング素子の直列回路の一端はともに電源の正極に接続され、
前記第１及び第２のスイッチング素子の直列回路の他端、及び、前記第３及び第４のスイッチング素子の直列回路の他端はともに接続され、
前記アクチュエータ駆動装置は、
前記第１及び第２のスイッチング素子の直列回路の他端と、前記第３及び第４のスイッチング素子の直列回路の他端との接続点と、前記電源の負極との間に接続され、検出した電流に対応する電流検出信号を発生して出力する電流検出抵抗と、
所定のホールド信号に従って、所定のホールド期間において、前記電流検出抵抗からの電流検出信号をホールドし、上記ホールド後の出力信号を生成して出力するホールド回路と、
上記ホールド後の出力信号を、所定の目標振幅信号と比較し、比較結果を示す比較結果信号を生成して出力する比較器と、
前記比較結果信号と、所定の駆動信号とを乗算し、乗算結果を示し乗算結果信号を発生して出力する乗算器と、
所定のクロック信号を、前記乗算結果信号に従ってＰＷＭ変調して変調駆動信号を発生して前記第１の及び第２のハーフブリッジ回路に出力するＰＷＭ変調器と
を備える。

本開示におけるアクチュエータ駆動装置によれば、印加された駆動電流に比例した変位量が得られるアクチュエータを定電圧駆動することで、アクチュエータをダンピングし、電流を検出して電流量を正確に制御することで、変位量を正確に制御するとともに、駆動する電圧を正負逆転可能として可動域を広くし、また高い電力効率を有するアクチュエータ駆動装置を提供できる。

実施の形態１におけるアクチュエータ駆動装置の構成例を示す図図１のアクチュエータ駆動装置の動作を示す各部信号波形のタイミングチャート

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

（実施の形態１）
以下、図１〜図２を参照して、実施の形態１を説明する。

［１−１．構成］
図１は、実施の形態１にかかるアクチュエータ駆動装置の構成を示す図である。

図１において、アクチュエータ駆動装置は、直流電源１からの直流電圧に基づいて、例えばボイスコイルモータであるアクチュエータ２を駆動する。ここで、アクチュエータ駆動装置は、２個のハーフブリッジ回路１０，２０と、ＰＷＭ変調器３０と、インバータ３１と、電流検出抵抗３２と、平均値検出回路３３と、ホールド回路３４と、比較器３５と、乗算器３６と、クロック信号発生器５０，６０と、信号発生回路５１とを備えて構成される。

ハーフブリッジ回路１０は、互いに直列に接続された、例えば２個のＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタであるＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ２と、インバータ１１とを備えて構成される。直流電源１の正極は、ＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン及びソース、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレイン及びソースを介して電流検出抵抗３２の一端に接続される。ＰＷＭ変調器３０からの変調駆動信号は、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートに印加されるとともに、インバータ１１を介してＭＯＳトランジスタＱ２のゲートに印加される。

ハーフブリッジ回路２０は、互いに直列に接続された、例えば２個のＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタであるＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４と、インバータ２１とを備えて構成される。直流電源１の正極は、ＭＯＳトランジスタＱ３のドレイン及びソース、ＭＯＳトランジスタＱ４のドレイン及びソースを介して電流検出抵抗３２の一端に接続される。ＰＷＭ変調器３０からの変調駆動信号は、インバータ３１を介してＭＯＳトランジスタＱ３のゲートに印加されるとともに、インバータ３１，２１を介してＭＯＳトランジスタＱ４のゲートに印加される。なお、電流検出抵抗３２の他端は直流電源１の陰極に接続される。

ここで、ＰＷＭ変調器３０からの変調駆動信号と、それをインバータ３１で反転してなる反転信号とは、互いに反転関係を有する一対の変調駆動信号を構成する。また、上記変調駆動信号と、それをインバータ１１を介して反転してなる反転信号とは、互いに反転関係を有する一対の変調駆動信号を構成する。さらに、上記変調駆動信号の反転信号と、それをインバータ２１を介して反転してなるその反転信号とは、互いに反転関係を有する一対の変調駆動信号を構成する。

ハーフブリッジ回路１０のＭＯＳトランジスタＱ１のソースとＭＯＳトランジスタＱ２のドレインとの接続点Ｐ１は、アクチュエータ２の第１の端子に接続される。また、ハーフブリッジ回路２０のＭＯＳトランジスタＱ３のソースとＭＯＳトランジスタＱ４のドレインとの接続点Ｐ２は、アクチュエータ２の第２の端子に接続される。

以上のように構成されたハーフブリッジ回路１０においては、ＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ２が互いに反転関係で、ＰＷＭ変調器３０からの変調駆動信号に従ってオン／オフ制御されてスイッチングされ、スイッチング後の出力信号が接続点Ｐ１からのアクチュエータ２に出力される。また、ハーフブリッジ回路２０においては、ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４が互いに反転関係で、ＰＷＭ変調器３０からの変調駆動信号の反転信号に従ってオン／オフ制御されてスイッチングされ、スイッチング後の出力信号が接続点Ｐ２からのアクチュエータ２に出力される。

信号発生回路５１は、クロック信号発生器５０からのクロック信号に同期して、例えば所定周期Ｔ１の矩形パルス信号であるホールド信号を発生してホールド回路３４に出力する。また、信号発生回路５１は、クロック信号発生器５０からのクロック信号に同期して、例えば所定周期Ｔ２（＜Ｔ１）の矩形パルス信号である駆動信号を発生して乗算器３６に出力する。

平均値検出回路３３は、電流検出抵抗３２の出力電圧を入力とし、その時間平均値（所定期間毎の）を検出して、平均値信号をホールド回路３４に出力する。ホールド回路３４は、信号発生回路５１からのホールド信号に従って、当該ホールド信号が示す期間において、平均値検出回路３３からの平均値信号をホールドし、ホールド後の出力信号を比較器３５に出力する。比較器３５は、ホールド回路３４からの出力信号を、外部制御回路から入力された目標振幅信号と比較し、比較結果である制御値を示す比較結果信号を乗算器３６に出力する。乗算器３６は、比較器３５からの比較結果信号と、信号発生回路５１からの駆動信号とを乗算し、乗算結果を示す乗算結果信号をＰＷＭ変調器３０に出力する。ＰＷＭ変調器３０は、乗算器３６からの乗算結果信号に従って、クロック信号発生器６０からのクロック信号をＰＷＭ変調することでＰＷＭ駆動信号を発生してハーフブリッジ回路１０，２０に出力する。ここで、ＰＷＭ変調器３０は、上記乗算結果信号に従って、ＰＷＭ駆動信号のオン／オフ時間の比率を調整してＰＷＭ駆動信号を発生して出力する。

［１−２．動作］
以上のように構成されたアクチュエータ駆動装置の動作を以下説明する。

図２は図１のアクチュエータ駆動装置の動作を示す各部信号波形のタイミングチャートである。

電流検出抵抗３２の抵抗値は、電流検出のために、ＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ２の直列回路のオン時抵抗値、並びに、ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４の直列回路のオン時抵抗値に比較して、非常に小さい値に設定される。従って、ハーフブリッジ回路１０，２０のＭＯＳトランジスタＱ１のドレインとＭＯＳトランジスタＱ２のソースとの間、並びに、ＭＯＳトランジスタＱ３のドレインとＭＯＳトランジスタＱ４のソースとの間には、直流電源１の直流電圧がほぼそのまま印加される。このような接続状態で、アクチュエータ２に印加される電圧は、２つのハーフブリッジ回路１０，２０の出力電圧（接続点Ｐ１，Ｐ２間）の電位差になる。

２つのハーフブリッジ１０，２０において、一方のハーフブリッジ回路１０へはＰＷＭ変調器３０の変調駆動信号がそのまま入力され、他方のハーフブリッジ回路２０へは、インバータ３１を介して変調駆動信号の反転信号が入力される。このため、ＰＷＭ変調器３０の変調駆動信号（出力電圧）のオン／オフ比率が５０：５０のときは、各ハーフブリッジ回路１０，２０の上下のＭＯＳトランジスタ（Ｑ１とＱ２；Ｑ３とＱ４）は同じ時間で同じタイミングでオン／オフするため、２つのハーフブリッジ回路１０，２０の出力電圧は常に等しくなり、アクチュエータ２への印加電圧はゼロになる。

ＰＷＭ変調器３０変調駆動信号（出力電圧）のオン／オフ比率が４０：６０のとき、２つのハーフブリッジ回路１０，２０の入力信号はそれぞれ４０：６０と６０：４０になる、２つのハーフブリッジ回路１０，２０の上下のＭＯＳトランジスタ（Ｑ１とＱ２；Ｑ３とＱ４）が同時にオンもしくはオフとなっている状態では、２つのハーフブリッジ回路１０，２０の変調駆動信号（出力電圧）は同じになるため、アクチュエータ２に印加される電圧はゼロになる。そして、オン／オフ比率が４０：６０のとき、オンの比率が高い側の上部のＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ３がオンで下部のＭＯＳトランジスタＱ２，Ｑ４がオフで、オン比率の低い側のＭＯＳトランジスタＱ１，Ｑ３がオフで下部のＭＯＳトランジスタＱ２，Ｑ４がオンの状態となる時間がオン比率の差である６０−４０＝２０％の時間だけ発生し、その時間において、アクチュエータ２に対して、直流電源１から直流電圧が、オン比率の高い側が正の極性で、低い側が負の極性で印加される。このため、電源の２０％の振幅の電圧がアクチュエータ２に印加されるのと同等になる。

ＰＷＭ変調器３０の出力の、オン／オフの比率が６０：４０の時は、アクチュエータ２に印加される電圧の極性が逆で印加される等価的な電圧は同等になる。

２つのハーフブリッジ回路１０，２０の上下のＭＯＳトランジスタ（Ｑ１とＱ２；Ｑ３とＱ４）は、同時オンによる貫通電流を防止するための短い時間を除いて、必ずどちらかがオンとなるように駆動され、また直流電源１の出力インピーダンスは一般に十分低いため、アクチュエータ２の両端子は、常に当該低い抵抗値で等価的にショート状態されたのと等価になる。このため、アクチュエータ２は常に電気的に制動がかかった状態となり、アクチュエータ２の制御位置のリンギングが抑止される。

なお、信号発生回路５１は、クロック信号発生器５０からのクロック信号に同期して、ホールド信号と、駆動信号とを発生して出力する。ここで、駆動信号は乗算器３６に入力され、乗算結果信号の振幅は、比較器３５からの比較結果信号に従って、図２の乗算器３６の出力信号に示すように、出力振幅５０％を中心に調整されて当該乗算結果信号が出力される。

この乗算器３６からの乗算結果信号を、ＰＷＭ変調器３０がＰＷＭ駆動信号のオン／オフ比率に変換して、図２のＰＷＭ変調器３０の出力信号に示すような信号波形で出力する。ＰＷＭ変調器３０からの変調駆動信号は、上述のように２つのハーフブリッジ回路１０，２０に入力され、アクチュエータ２をそのオン／オフ比に応じて正負に駆動する。

ここで、電流検出抵抗３２に流れる電流は、２つのハーフブリッジ回路１０，２０の下側のＭＯＳトランジスタＱ２，Ｑ４に流れる電流の和となり、アクチュエータ２に流れる電流の方向とは無関係に、２つのハーフブリッジ回路１０，２０の下側のＭＯＳトランジスタＱ２，Ｑ４のソース側を正とした方向の電圧が発生する。平均値検出回路３３は、図２に示すように、この発生電圧を時間平均した平均値信号を発生する。図２から明らかなように、信号発生回路５１からの駆動信号の値が変化した直後は、アクチュエータ２に印加される電圧の方向が変化するため、アクチュエータ２のインダクタンス成分の影響により、電流が不安定の期間が発生する。図２には負方向の変化を図示しているが、正方向の変化も発生する。

ホールド回路３４は、信号発生回路５１からのホールド信号に従って、平均値検出回路３３の平均値信号をホールドして出力する。ホールド信号のホールド期間は、図２ではハイレベルで示しており、この期間は、信号発生回路５１からの駆動信号の値が変化したタイミングから十分時間が経過したタイミングであるため、アクチュエータ２に流れる電流を正確に測定することが可能である。そして、比較器３５は、ホールド回路３４からの出力信号を、入力された目標振幅信号と比較して、制御値を示す比較結果信号を生成する。このような構成により、目標振幅とアクチュエータ２の駆動電流を正確に一致させることができる。

［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、目標振幅とアクチュエータ２の駆動電流を正確に一致させることが可能となり、アクチュエータ２が、駆動電流によってその変位量が正確に定まるものを用いた場合、目標振幅と正確にアクチュエータ２の変位量を一致させることが可能となる。また、アクチュエータ２の両端が、常に低い抵抗値で等価的にショート状態されたのと等価に駆動され、アクチュエータ２は常に電気的に制動がかかった状態なることで、アクチュエータ２の位置が変化した時のリンギングが抑止され、正確な位置に短時間で到達することが可能となる。

（変形例）
以上の実施の形態１では、ハーフブリッジ回路１０，２０を構成するために、ＭＯＳトランジスタＱ１〜Ｑ４を用いている。本開示はこれに限らず、制御端子に入力される駆動信号に従って、素子の両端子をオン／オフするスイッチング素子を用いてもよい。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施の形態１で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

実施の形態１では、電流検出抵抗３２の矩形パルス形状の電流検出出力電圧を平均値検出回路３３により平均化し、平坦な電流レベルとして検出した。本開示はこれに限らず、アクチュエータ２のインダクタンスが十分大きく、電流検出抵抗３２に流れる電流が平均化され、平坦な電流波形の場合は、平均値検出回路３３を省略することが可能である。この場合、平均値検出回路３３を設けた場合と同様に、アクチュエータ２に流れる電流を正確に測定することが可能となる。

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、印加された駆動電流に比例した変位量が得られるアクチュエータを駆動する装置に適用可能である。具体的には、プロジェクタの映像を変位させる光学部品を駆動するアクチュエータ駆動装置などに、本開示は適用可能である。

１直流電源
２アクチュエータ
１０，２０ハーフブリッジ回路
１１，２１，３１インバータ
３０ＰＷＭ変調器
３２電流検出抵抗
３３平均値検出回路
３４ホールド回路
３５比較器
３６乗算器
５０，６０クロック信号発生器
５１信号発生回路
Ｐ１，Ｐ２接続点
Ｑ１〜Ｑ４ＭＯＳトランジスタ

Claims

互いに反転関係を有する一対の変調駆動信号に従って駆動され、電源からの直流電圧をスイッチングしてアクチュエータの駆動電圧を発生して前記アクチュエータに出力する第１及び第２のハーフブリッジ回路を備えたアクチュエータ駆動装置であって、
前記第１のハーフブリッジ回路は互いに直列に接続され、互いに反転関係を有する一対の変調駆動信号でオン／オフ制御される第１及び第２のスイッチング素子を含み、
前記第２のハーフブリッジ回路は互いに直列に接続され、互いに反転関係を有する一対の変調駆動信号の反転信号でオン／オフ制御される第３及び第４のスイッチング素子を含み、
前記第１及び第２のスイッチング素子の直列回路の一端、及び、前記第３及び第４のスイッチング素子の直列回路の一端はともに電源の正極に接続され、
前記第１及び第２のスイッチング素子の直列回路の他端、及び、前記第３及び第４のスイッチング素子の直列回路の他端はともに接続され、
前記アクチュエータ駆動装置は、
前記第１及び第２のスイッチング素子の直列回路の他端と、前記第３及び第４のスイッチング素子の直列回路の他端との接続点と、前記電源の負極との間に接続され、検出した電流に対応する電流検出信号を発生して出力する電流検出抵抗と、
所定のホールド信号に従って、所定のホールド期間において、前記電流検出抵抗からの電流検出信号をホールドし、上記ホールド後の出力信号を生成して出力するホールド回路と、
上記ホールド後の出力信号を、所定の目標振幅信号と比較し、比較結果を示す比較結果信号を生成して出力する比較器と、
前記比較結果信号と、所定の駆動信号とを乗算し、乗算結果を示し乗算結果信号を発生して出力する乗算器と、
所定のクロック信号を、前記乗算結果信号に従ってＰＷＭ変調して変調駆動信号を発生して前記第１の及び第２のハーフブリッジ回路に出力するＰＷＭ変調器と
を備えるアクチュエータ駆動装置。
前記電流検出抵抗の一端と、ホールド回路との間に挿入され、前記電流検出信号を、所定の時間期間毎に、時間平均し、時間平均値信号を発生して前記ホールド回路に出力する平均値検出回路を
さらに備える請求項１に記載のアクチュエータ駆動装置。
前記第１〜第４のスイッチング素子はそれぞれ、ＭＯＳトランジスタである
請求項１又は２に記載のアクチュエータ駆動装置。