JP4067840B2

JP4067840B2 - Electromagnetic actuator drive device

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Publication number: JP4067840B2
Application number: JP2002037266A
Authority: JP
Inventors: 真博西尾
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: JP2003241133A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁駆動式アクチュエーターの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可動部と、固定部と、これらを連結している連結部と、固定部と可動部の一方に固定された磁界発生部材と、固定部と可動部の他方に固定された駆動コイルとを有している電磁駆動式アクチュエーターが知られている。この種の電磁駆動式アクチュエーターは、例えば、駆動コイルにパルス状の電流を供給することによって駆動され、駆動コイルと磁界発生部材の間に作用する力を利用して、可動部が固定部に対して共振状態で揺動される。
【０００３】
電磁駆動式アクチュエーターには、より正確な制御のために、可動部の振れ角や振れ角速度を検出するための揺動検出センサーを有しているものもあるが、大きい振れ角を得るためや小型化のために、このような揺動検出センサーを持たないものもある。
【０００４】
揺動検出センサーを持たない電磁駆動式アクチュエーターの駆動装置の中には、駆動コイルの両端の電圧に基づいて可動部の振れ角や振れ角速度を検出し得るものもある。このような駆動装置の一従来例が、「振動ミラー形走査装置用駆動回路」と題する特開平１０−２０７９７３号公報に開示されている。
【０００５】
この駆動装置は、振動ミラー駆動コイル(ＶＭコイル)にパルス状の駆動信号を印加することにより、アクチュエーターを共振駆動させている。また、この駆動装置は、電圧サンプラにより振動ミラー駆動コイルの両端の電圧を検出し、その検出電圧がゼロになるタイミングでパルス状の駆動信号を立ち上げている。また、パルス幅は、電圧サンプラの検出電圧のピーク値を目標電圧と比較して決定している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電磁駆動式アクチュエーターの効率の良い駆動のためには、パルス状駆動電流の立ち上がりを角速度のピークに合わせるとよい。しかし、前述の従来例の駆動装置は、電圧サンプラの検出電圧がゼロになるタイミングでパルス状の駆動信号を立ち上げている。すなわち、パルス状駆動電流の立ち上がりを、振動ミラーの角速度がゼロになるタイミングに合わせている。このため、従来例の駆動装置は、効率の良い駆動を行なえない。
【０００７】
従来例の駆動装置は、検出電圧のピーク値を振幅情報にしている。検出電圧のピーク値は、ノイズ等の外乱の影響を受け易いため、振幅情報の妥当性に疑問がある。
【０００８】
従来例の駆動装置は、駆動電流のパルス幅を変えることにより、振れ角振幅を調整している。このため、検出電圧に重畳される駆動信号を除去する際の信号の歪みがパルス幅に依存して増減する。従って、従来例の駆動装置は、正確な振幅検出を行ない難い。また、駆動電流のパルス幅を変えることで振れ角振幅を調整するため、パルス幅はアクチューエターの揺動周期の四分の一未満でなければならない。つまり、振幅調整範囲に制約がある。
【０００９】
本発明は、これらの点に着目してなされたものであり、その主な目的は、駆動効率の良い電磁駆動式アクチュエーターの駆動装置を提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、振れ角振幅を広い範囲で精度良く調整し得る電磁駆動式アクチュエーターの駆動装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、可動部と、固定部と、可動部と固定部を連結している連結部と、固定部と可動部の一方に固定された磁界発生部材と、固定部と可動部の他方に固定された駆動コイルとを有している電磁駆動式アクチュエーターを駆動するための駆動装置であって、駆動コイルに可動部の共振周波数と同じ周波数の所定の期間だけ電流を印加するためのコイル駆動装置と、駆動コイルの両端の電圧を検出するための電圧検出装置と、電流印加開始の直前から電流印加開始時までの特定の時期にホールドを開始し、電圧検出装置の検出電圧を少なくとも電流印加のあいだホールドし続けるためのサンプル・ホールド装置と、サンプル・ホールド装置の出力にから可動部の共振周波数付近の成分のみを選択的に透過させ、この成分の位相を変化させ、二値化し、この二値化した信号の位相であって、コイル駆動装置から電流を印加する所定期間内に可動部の振れ角速度のピークが含まれるように、電流の印加を開始する特定の位相を検出するためのピーク検出装置とを備えており、コイル駆動装置は、ピーク検出装置で検出される特定の位相の検出タイミングに合わせて電流の印加を開始する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１５】
本実施形態の駆動装置によって駆動される電磁駆動式アクチュエーターを図１に示す。図１に示されるように、電磁駆動式アクチュエーターはマイクロマシン技術を用いて製作された電磁型光スキャナーである。
【００１６】
図１に示されるように、光スキャナー１００は、一次元に揺動し得る可動部を有する揺動体１１０と、磁界を発生させるための磁気回路１５０と、これらを保持するベースプレート１６０とを備えている。
【００１７】
揺動体１１０は、可動部１１２と、可動部１１２を支持するための支持部１１４、１１６と、可動部１１２と支持部１１４、１１６を連結している連結部である一対のトーションバー１１８、１２０とを有している。一対のトーションバー１１８、１２０は、支持部１１４、１１６に対して可動部１１２を、トーションバー１１８、１２０を通る一本の軸の周りに揺動可能に支持している。
【００１８】
可動部１１２は平板状であり、実質的に平行なおもて面（図１に見える面）とうら面（図１に見えない面）とを有している。可動部１１２は、例えば、そのおもて面に形成されたミラーを有している。あるいは、可動部１１２のおもて面それ自体が反射面として機能してもよい。
【００１９】
可動部１１２はそのうら面に形成された駆動コイル１３２を有している。駆動コイル１３２は可動部１１２の周縁部を周回している。駆動コイル１３２の両端は、トーションバー１１８を通る配線を介して、支持部１１４に設けられた一対の電極パッド１３８、１４０にそれぞれ接続されている。
【００２０】
磁気回路１５０は、磁界発生部材である一対の永久磁石１５２、１５４と、これらを保持するヨーク１５６とを備えている。
【００２１】
揺動体１１０は、支持部１１４、１１６がベースプレート１６０に固定されることで、ベースプレート１６０に取り付けられている。また磁気回路１５０は、ヨーク１５６がベースプレート１６０に固定されることで、ベースプレート１６０に取り付けられている。この構造体において、可動部１１２とトーションバー１１８、１２０と永久磁石１５２、１５４を除いた部分が固定部を構成している。
【００２２】
可動部１１２のおもて面のミラー（あるいは反射面として機能するおもて面）に光ビームが照射され、そこで反射された光ビームは可動部１１２の揺動に従って一次元的に走査される。
【００２３】
電極パッド１３８、１４０にはフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）１４２を経由して交流電流の駆動信号が印加される。これに応じて駆動コイル１３２には電流が流れる。駆動コイル１３２を流れる電流は、磁界成分との相互作用により、その大きさに依存して、ローレンツ力を受ける。
【００２４】
駆動コイル１３２の揺動軸に平行な一対の対辺部分は、そこを流れる電流が受けるローレンツ力により、可動部１１２の面（おもて面あるいはうら面）にほぼ垂直な方向の力を受ける。また、それら一対の対辺部分を流れる電流は互いに逆向きであるため、可動部１１２は揺動軸の周りの偶力を受ける。このため、可動部１１２は駆動コイル１３２を流れる電流の大きさに応じて揺動軸の周りに回転する。
【００２５】
電極パッド１３８、１４０に印加される駆動信号が交流電流であるため、駆動コイル１３２に流れる電流は交流電流である。電流の方向が交互に切り替わるため、可動部１１２が受ける偶力の方向は交互に切り替わり、これに応じて可動部１１２の回転方向も交互に切り替わる。従って、可動部１１２は揺動軸の周りに一定の角度範囲で双方向に繰り返し回転する（すなわち揺動する）。その結果、可動部１１２で反射された光ビームが一次元的に走査される。
【００２６】
可動部１１２は、トーションバー１１８、１２０の構造や材質により決まる固有の共振周波数を有しており、この共振周波数に駆動信号の周波数が一致するとき、最大の振れ角で振動する。
【００２７】
光スキャナー１００を正弦波で駆動した際の駆動周波数−振れ角の周波数特性を図２に示す。光スキャナー１００の挙動を駆動信号の周波数に従って三つの領域Ａ、Ｂ、Ｃに分けて説明する。
【００２８】
領域Ａは、共振周波数ｆrに対して十分低い周波数帯域であり、この領域では、可動部１１２の振れ角は周波数に依存せず、駆動信号と振れ角の位相差もない。すなわち、光スキャナー１００の挙動は基本的に駆動信号に追従する。
【００２９】
領域Ｂは、共振周波数ｆr付近の周波数帯域であり、この領域では、振れ角の増加と位相の遅れが発生し、光スキャナー１００の挙動は必ずしも駆動信号には追従しない。振れ角は、周波数、減衰率に影響される。
【００３０】
領域Ｃは、共振周波数ｆrに対して十分高い周波数帯域であり、この領域では、基本的にトーションバー１１８、１２０の影響は無視できる。すなわち、駆動力が一定であれば、可動部１１２の角加速度が一定になるように応答する。
【００３１】
以上をまとめると、低周波領域では、可動部１１２の振れ角は駆動信号の周波数に関係なく一定であり、共振周波数では振れ角のゲインが非常に高く、高周波領域では、可動部１１２の振れ角は周波数の上昇に応じて（角加速度が一定になるように応答するため）急速に小さくなる。
【００３２】
領域Ｂの共振周波数においては、振れ角の位相は駆動信号に対して９０度遅れる。駆動信号の周波数が共振周波数に対して増減すると、駆動信号と振れ角の位相関係が９０度を中心に増減し、振れ角は共振時に対して減少する。
【００３３】
これに基づいて駆動信号と振れ角速度の関係を考えると、振れ角速度は振れ角の微分値であるため、図３に示されるように、振れ角速度は振れ角より位相が９０度進む。従って、駆動信号と振れ角速度は、共振周波数において同位相になる。駆動周波数に対する振れ角速度の周波数特性を図４に示す。
【００３４】
以上は駆動信号が正弦波の場合について述べたが、矩形パルス状の駆動信号の場合も同様の考え方を適用できる。すなわち、例えば図５（ａ）に示される矩形パルス状の駆動信号は、図５（ｂ）に示される正弦波を基本周波数として、この基本周波数成分の正弦波と、３倍、５倍、７倍・・・の周波数成分を有する正弦波の重ね合わせで表される。言い換えれば、矩形パルス状の駆動信号は、フーリエ級数展開により、基本周波数成分の奇数倍の正弦波の重ね合わせで表される。
【００３５】
この信号に対する光スキャナーの応答は、基本周波数が光スキャナーの共振周波数に一致している場合にはこの周波数に対する応答が大きく、３倍、５倍、７倍・・・の周波数成分つまり他の奇数倍の周波数成分に対する応答は図２の領域Ｃに属するため、共振周波数の応答振れ角に対しては無視できる。
【００３６】
このため、振れ角と振れ角速度はそれぞれ図５（ｃ）と図５（ｄ）に示されるように共に正弦波になる。振れ角と振れ角速度は位相が９０度異なっており、振れ角速度のピークは駆動電流信号のパルスに同期している。
【００３７】
このように、共振周波数で駆動される場合、駆動波形が矩形パルス状であっても、光スキャナーの応答はほぼ正弦波的な応答になる。
【００３８】
また、図６（ａ）に示される両極性を有するパルス状駆動信号に対しても同様であり、その基本周波数の正弦波は図６（ｂ）に示されるものになり、振れ角と振れ角速度はそれぞれ図６（ｃ）と図６（ｄ）に示されるようになる。
【００３９】
光スキャナー１００を駆動するための本実施形態の駆動装置の構成を図７に示す。図７に示されるように、駆動装置２００は、駆動コイル１３２に駆動電流を印加するためのコイル駆動装置２１０と、駆動コイル１３２の両端の電圧を検出するための電圧検出装置２２０と、電圧検出装置２２０の検出電圧をホールドするためのサンプル・ホールド装置２３０と、可動部１１２の振れ角速度の略ピークを検出するためのピーク検出装置２４０とを備えている。
【００４０】
コイル駆動装置２１０は、駆動コイル１３２に所定の期間の間だけ、一定の電流を印加する。つまり、コイル駆動装置２１０は、駆動コイル１３２にパルス状の電流を供給する。もちろん、所定の期間すなわちパルス幅は、１／（２ｆｒ）［秒］（ｆｒ：駆動周波数［Ｈｚ］）よりも短い。コイル駆動装置２１０は、好ましくは、光スキャナー１００の共振周波数ｆｒに等しい周波数を有するパルス状の電流を供給する。
【００４１】
サンプル・ホールド装置２３０は、電流印加開始の直前から電流印加開始時までの特定の時期にホールドを開始し、少なくとも電流印加のあいだホールドし続ける。サンプル・ホールド装置２３０は、好ましくは、電流印加終了に遅れてホールドを解除する。つまり、サンプル・ホールド装置２３０は、電流印加終了後、所定の時間が経過した後にホールドを解除する。
【００４２】
ホールド期間が電流印加期間よりも長く設定されるのは次の理由からである。電圧検出装置２２０等で用いられる回路の帯域は有限であるため、通常、電圧検出装置２２０の出力に現れる駆動信号のパルス幅は駆動電流のパルス幅よりも広くなる。電圧検出装置２２０の出力に現れる駆動信号を完全に除去するために、ホールド期間は電流印加期間すなわち駆動信号のパルス幅よりも長く設定されるとよい。
【００４３】
ピーク検出装置２４０は、サンプル・ホールド装置２３０の出力に基づいて、可動部１１２の振れ角速度のピーク近くの特定の位相を検出する。より詳しくは、ピーク検出装置２４０は、光スキャナー１００の揺動の周期Ｔ［秒］（これは光スキャナー１００の共振周波数ｆｒの逆数に等しい）と、コイル駆動装置の出力のパルス幅ｄ［秒］、０≦ｋ≦１を満たす実数ｋを用いて、次の（１）式で表される位相を検出する。
【００４４】
９０−ｋ・ｄ・３６０/Ｔ［度］・・・（１）
ピーク検出装置２４０は、特定の位相の検出を示すピーク検出信号をコイル駆動装置２１０に出力する。コイル駆動装置２１０は、入力されるピーク検出信号に従って駆動コイル１３２に電流を印加する。より詳しくは、コイル駆動装置２１０は、ピーク検出装置２４０で検出される特定の位相の検出タイミングで立ち上がるパルス状の電流を駆動コイル１３２に供給する。
【００４５】
駆動コイル１３２に供給される駆動電流は、（１）式でｋ＝１の場合に位相が最も早く、振れ角速度のピークでパルスが下がり、（１）式でｋ＝０の場合に位相が最も遅く、振れ角速度のピークでパルスが立ち上がる。つまり、駆動電流は、そのパルスが振れ角速度のピークに重なる。
【００４６】
ピーク検出装置２４０は、具体的には、例えば図８に示されるように、サンプル・ホールド装置２３０の出力信号のうち光スキャナー１００の共振周波数付近の成分のみを選択的に透過させるバンドパスフィルター回路２４２と、バンドパスフィルター回路２４２の出力信号の位相を変化させる位相変化装置２４４と、位相変化装置２４４の出力信号を特定レベルと比較する比較装置２４６とを備えている。
【００４７】
再び図７に戻り、駆動装置２００は、さらに、サンプル・ホールド装置２３０の出力信号に基づいて可動部１１２の振れ角振幅を検出する振幅検出装置２５０と、可動部１１２の振れ角振幅の誤差（すなわち目標値からのずれ）を検出する振幅誤差検出装置２６０とを備えている。
【００４８】
振幅誤差検出装置２６０は、これに入力される振幅検出装置２５０の出力信号と目標振幅信号とを比較して、可動部１１２の実際の振れ角振幅を目標値に一致させるために駆動コイル１３２に供給すべき電流を示す電流制御信号をコイル駆動装置２１０に出力する。
【００４９】
コイル駆動装置２１０は、振幅誤差検出装置２６０から入力される電流制御信号に基づいて、駆動コイル１３２に供給するパルス状の電流の振幅を変化させる。コイル駆動装置２１０は、好ましくは、電流の印加時間すなわちパルス幅を変えずに、電流の振幅のみを変化させる。
【００５０】
振幅検出装置２５０は、例えば、サンプル・ホールド装置２３０の出力信号の交流波形の一周期分の面積に対応する信号を出力する。あるいは、振幅検出装置２５０は、サンプル・ホールド装置２３０の出力信号の交流波形の半周期分の面積に対応する信号を出力する。
【００５１】
このため、振幅検出装置２５０は、例えば図９に示されるように、サンプル・ホールド装置２３０の出力の絶対値信号を求めるための整流回路２５２と、整流回路２５２の出力を平滑化して絶対値信号の平均値に相当する信号を出力するためのローパスフィルター２５４とを備えている。
【００５２】
ローパスフィルター２５４のカットオフ周波数は、好ましくは、その出力にリプルが生じないように、光スキャナー１００の共振周波数よりも十分に低い値が選ばれる。
【００５３】
整流回路２５２は、サンプル・ホールド装置２３０の出力信号の一周期分の面積に対応する信号の出力に対しては全波整流回路で構成され、サンプル・ホールド装置２３０の出力信号の半周期分の面積に対応する信号の出力に対しては半波整流回路で構成される。
【００５４】
第一の駆動例
第一の駆動例は、ピーク検出装置２４０が、サンプル・ホールド装置２３０の出力に基づいて、可動部１１２の振れ角速度のピーク、言い換えれば、可動部１１２の振れ角速度の波形の９０度の位相を検出し、コイル駆動装置２１０が、そのタイミングにパルス状の駆動電流の立ち上がりを合わせて、駆動コイル１３２に電流を印加する駆動である。これは、前述の（１）式において、ｋ＝０の場合に相当している。
【００５５】
以下、このような駆動における駆動装置の動作について説明する。
【００５６】
続く説明では、ピーク検出装置２４０が、直前の駆動コイル１３２へのパルス状の電流印加によって引き起こされた可動部１１２の揺動の振れ角速度のピークを正しく検出したものとして進める。
【００５７】
ピーク検出装置２４０は、振れ角速度のピークの検出を知らせるピーク検出信号を出力する。具体的には、ピーク検出装置２４０の出力つまりピーク検出信号は、後述するように、図１０（ｄ）に示されるように、振れ角速度のピークに同期して立ち上がる矩形パルス波形である。
【００５８】
コイル駆動装置２１０は、ピーク検出信号の立ち上がりに応じて、駆動コイル１３２に対して一定電流の印加を開始する。その後、コイル駆動装置２１０は、所定の時間が経過した後に、駆動コイル１３２への一定電流の印加を停止する。その結果、コイル駆動装置２１０は、図１０（ａ）に示されるように、光スキャナー１００の共振周波数に等しい周波数を有し、振れ角速度のピークに一致するタイミングで立ち上がる矩形パルス波形の電流を駆動コイル１３２に供給する。
【００５９】
駆動コイル１３２への電流印加に応じて、前述したように、駆動コイル１３２と磁気回路１５０との間に生じるローレンツ力により、光スキャナー１００の可動部１１２が揺動する。可動部１１２の揺動により駆動コイル１３２には逆起電力が生じる。この逆起電力は可動部１１２の振れ角速度に比例している。
【００６０】
電圧検出装置２２０は、光スキャナー１００の駆動コイル１３２の両端の電圧を検出する。光スキャナー１００が共振周波数で駆動されている場合、先に図５を参照しながら説明したように、振れ角速度の波形の位相は駆動電流の基本周波数成分の波形の位相と一致している。従って、電圧検出装置２２０の出力は、図１０（ｂ）に示されるように、振れ角速度の正弦波形に駆動電流のパルス波形が重畳された波形になる。
【００６１】
サンプル・ホールド装置２３０は、ピーク検出信号の立ち上がりに応じて、電圧検出装置２２０の出力をホールドする。その後、サンプル・ホールド装置２３０は、電流印加終了に遅れてホールドを解除する。その結果、サンプル・ホールド装置２３０は、図１０（ｃ）に示されるように、電圧検出装置２２０の出力信号から駆動電流に起因するパルス状波形が除去された信号を出力する。サンプル・ホールド装置２３０の出力波形は、基本周波数が振れ角の周波数と一致し、絶対値の平均値が振れ角の振幅に比例している。
【００６２】
ピーク検出装置２４０は、可動部１１２の振れ角速度のピークすなわち９０度の位相を検出する。前述したように、ピーク検出装置２４０は、図８に示されるように、バンドパスフィルター回路２４２と位相変化装置２４４と比較装置２４６とを備えている。
【００６３】
可動部１１２の振れ角速度の９０度の位相を検出するため、例えば、位相変化装置２４４は、それ自体からの出力信号の位相が電圧検出装置２２０の出力信号の位相に対して−９０度になるように、バンドパスフィルター回路２４２の出力信号の位相を変化させる。言い換えれば、光スキャナー１００の共振周波数において、電圧検出装置２２０とサンプル・ホールド装置２３０とバンドパスフィルター回路２４２と位相変化装置２４４による位相変化の合計は−９０度に等しい。
【００６４】
さらに、比較装置２４６は、位相変化装置２４４の出力を０電位と比較し、その比較結果を示す二値信号を出力する。その結果、ピーク検出装置２４０の出力は、図１０（ｄ）に示されるように、振れ角速度のピークに同期して立ち上がる矩形パルス波形となる。
【００６５】
コイル駆動装置２１０は、図１０（ａ）に示されるように、このピーク検出信号の立ち上がりに同期して立ち上がる矩形パルス波形の電流を駆動コイル１３２に供給する。
【００６６】
本実施形態の駆動装置２００は、第一の駆動例においては、振れ角速度のピークに同期して立ち上がるパルス状波形の駆動電流信号を駆動コイル１３２に供給しているので、光スキャナー１００を効率良く駆動することができる。
【００６７】
前述したように、振幅検出装置２５０は、整流回路２５２とローパスフィルター２５４とを備えており、例えば、図１１に示されるように、サンプル・ホールド装置２３０の出力信号の交流波形の一周期分の面積に対応する信号を出力する。ここにおいて、交流波形の一周期分の面積とは、振幅の中心軸と、０度から３６０度までの位相の波形とで囲まれる面積である。
【００６８】
交流波形の一周期分の面積は、交流波形の一周期分の絶対値信号の平均値を表している。図１１において、斜線部の面積は振れ角速度の振幅に比例しており、振れ角速度の振幅は振れ角の振幅に比例している。従って、振幅検出装置２５０から出力される絶対値信号の平均値は、可動部１１２の振れ角の振幅に比例している。
【００６９】
振幅誤差検出装置２６０は、振幅検出装置２５０の出力信号と目標振幅信号とを比較して、可動部１１２の振れ角振幅を目標値に一致させるために駆動コイル１３２に印加すべき一定電流の電流値すなわちパルス状の電流波形の振幅を求め、それを示す電流制御信号をコイル駆動装置２１０に出力する。
【００７０】
コイル駆動装置２１０は、電流制御信号に従って、駆動コイル１３２に印加する一定電流の電流値すなわちパルス状の電流波形の振幅のみを変更する。つまり、コイル駆動装置２１０は、電流の印加時間すなわちパルス幅を一定に維持したまま、一定電流の電流値すなわちパルス状の電流波形の振幅を変更する。これにより、可動部１１２の振れ角振幅が調整される。
【００７１】
図１１は、振幅の異なる二種類のパルス状の駆動電流波形に対するサンプル・ホールド装置２３０の出力信号の交流波形の一周期分を示している。図１１から分かるように、波形つまり斜線部の形状は、パルス状の電流波形の振幅の変更に対して、横方向に関しては変化はなく、縦方向に関してのみ変化している。つまり、斜線部は、パルス状の電流波形の振幅の変更により、縦方向のみが独立に拡大縮小される。従って、一周期分の面積すなわち斜線部の面積は、パルス状の電流波形の振幅に比例している。
【００７２】
このように、本実施形態の駆動装置２００は、駆動電流信号の振幅を変更することによって、可動部１１２の振れ角振幅を調整しているので、振幅調整範囲に実質的に制限がない。
【００７３】
以上は、図１０（ａ）に示される片方の極性のみを有する波形のパルス状電流による駆動について説明したが、図１２（ａ）に示される両方の極性を有する波形のパルス状電流によっても同様に駆動することができる。
【００７４】
この場合、図１２（ａ）に示される両極性の矩形パルス波形の電流の駆動コイル１３２への供給に対して、電圧検出装置２２０は、図１２（ｂ）に示される、振れ角速度の正弦波形に駆動電流のパルス波形が重畳された波形を出力し、サンプル・ホールド装置２３０は、図１２（ｃ）に示される電圧検出装置２２０の出力信号から駆動電流に起因するパルス状波形が除去された波形を出力し、ピーク検出装置２４０は、図１２（ｄ）に示される振れ角速度のピークに同期して立ち上がる矩形パルス波形を出力する。
【００７５】
コイル駆動装置２１０は、ピーク検出装置２４０の出力波形の立ち上がりに同期して駆動波形の正側のパルスを出力し、例えば、ピーク検出装置２４０の出力波形の位相を１８０度変えた信号波形の立ち上がりに同期して駆動波形の負側のパルスを出力する。あるいは、ピーク検出装置２４０が更に振れ角速度の極小（ボトム）を検出し、その出力波形の立ち上がりに同期してコイル駆動装置２１０が駆動波形の負側のパルスを出力してもよい。
【００７６】
また、コイル駆動装置からコイルへ印加される電流の波形は、矩形パルス波形ではなく、正弦波形などを駆動パルス幅で切り取った波形としてもよい。この場合、駆動信号に含まれる、共振周波数以外の成分を低減することができる。
【００７７】
上述した説明においては、ピーク検出装置の位相変化装置の位相変化量は−９０度としているが、位相変化装置の位相変化量を９０度とする構成においても、振れ角速度の９０−ｄ・１８０／Ｔ度の位相に同期して駆動を行なうことができる。この場合、駆動パルスは比較装置の出力の立ち下がりに同期して出力する。
【００７８】
第二の駆動例
第二の駆動例は、駆動電流のパルスの中央が可動部１１２の振れ角速度のピークに一致する駆動である。より詳しくは、ピーク検出装置２４０が、サンプル・ホールド装置２３０の出力に基づいて、可動部１１２の振れ角速度の波形の９０−ｄ・１８０/Ｔ度の位相を検出し、コイル駆動装置２１０が、そのタイミングで立ち上がるパルス状の駆動電流を駆動コイル１３２に供給する駆動である。これは、前述の（１）式において、ｋ＝１/２の場合に相当している。
【００７９】
以下、このような駆動における駆動装置の動作について説明する。
【００８０】
コイル駆動装置２１０は、図１３（ｄ）に示されるピーク検出信号の立ち上がりに応じて、駆動コイル１３２に対して一定電流の印加を開始する。その後、コイル駆動装置２１０は、所定の時間が経過した後に、駆動コイル１３２への一定電流の印加を停止する。その結果、コイル駆動装置２１０は、図１３（ａ）に示されるように、光スキャナー１００の共振周波数に等しい周波数を有し、振れ角速度のピークの前に立ち上がる矩形パルス波形の電流を駆動コイル１３２に供給する。駆動コイル１３２へのパルス状の電流供給は、光スキャナー１００の可動部１１２を揺動させる。可動部１１２の揺動は、振れ角速度に依存した逆起電力を駆動コイル１３２に生じさせる。
【００８１】
電圧検出装置２２０は、光スキャナー１００の駆動コイル１３２の両端の電圧を検出する。電圧検出装置２２０の出力は、図１３（ｂ）に示されるように、振れ角速度の正弦波形に駆動電流のパルス波形が重畳された波形になる。電圧検出装置２２０の出力は、より詳しくは、図１４に示されるように、周期Ｔの振れ角速度の正弦波形に、Ｔ/４−ｄ/２で立ち上がる時間幅ｄのパルスが重畳された波形である。パルスの中央は可動部１１２の振れ角速度のピークに一致している。パルスの立ち上がりは、位相で表せば、９０−ｄ・１８０/Ｔ度である。
【００８２】
サンプル・ホールド装置２３０は、ピーク検出信号の立ち上がりに応じて、電圧検出装置２２０の出力をホールドする。その後、サンプル・ホールド装置２３０は、電流印加終了に遅れてホールドを解除する。その結果、サンプル・ホールド装置２３０の出力は、図１３（ｃ）に示されるように、電圧検出装置２２０の出力信号から駆動電流に起因するパルス状波形が除去された波形になる。
【００８３】
ピーク検出装置２４０は、可動部１１２の振れ角速度の９０−ｄ・１８０/Ｔ度の位相を検出する。このため、位相変化装置２４４は、それ自体からの出力信号の位相が電圧検出装置２２０の出力信号の位相に対して−（９０−ｄ・１８０/Ｔ）度になるように、バンドパスフィルター回路２４２の出力信号の位相を変化させる。さらに、比較装置２４６は、位相変化装置２４４の出力を０電位と比較し、その比較結果を示す二値信号を出力する。その結果、ピーク検出装置２４０の出力は、図１３（ｄ）に示されるように、振れ角速度の９０−ｄ・１８０/Ｔ度の位相に同期して立ち上がる矩形パルス波形になる。
【００８４】
コイル駆動装置２１０は、図１３（ａ）に示されるように、このピーク検出信号の立ち上がりに同期して立ち上がる矩形パルス波形の電流を駆動コイル１３２に供給する。
【００８５】
本実施形態の駆動装置２００は、第二の駆動例においては、振れ角速度のピークに時間幅の中央が一致しているパルス波形の駆動電流信号を駆動コイル１３２に供給しているので、光スキャナー１００を更に効率良く駆動することができる。
【００８６】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００８７】
例えば、コイル駆動装置からコイルへ印加される電流の波形は、矩形パルス波形ではなく、正弦波などを駆動パルス幅で切り取った波形としてもよい。この場合、駆動信号に含まれる、共振周波数以外の成分を低減することができる。
【００８８】
上述した説明においては、ピーク検出装置の位相変化装置の位相変化量は−（９０−ｄ・１８０/Ｔ）度としているが、位相変化装置の位相変化量を（９０＋ｄ・１８０/Ｔ）度とする構成においても、振れ角速度の９０−ｄ・１８０/Ｔ度の位相に同期して駆動を行なうことができる。この場合、駆動パルスは比較装置の出力の立ち下がりに同期して出力する。
【００８９】
また、上述した説明においては、振幅検出装置２５０は、可動部１１２の振れ角振幅を、サンプル・ホールド装置２３０の出力に基づいて求めているが、ピーク検出装置２４０内のバンドパスフィルター回路２４２の出力に基づいて求めてもよい。
【００９０】
また、ピーク検出装置２４０は、可動部１１２の振れ角速度の９０度の位相を検出するために、位相変化装置２４４において、その出力信号の位相が電圧検出装置２２０の出力信号の位相に対して−（９０−ｋ・ｄ・３６０/Ｔ）度になるように、バンドパスフィルター回路２４２の出力信号の位相を変化させるとともに、比較装置２４６において、位相変化装置２４４の出力を０電位と比較しているが、変化させる位相量や比較する電位は、これらの値に限定されるものではなく、適宜変更されてもよい。
【００９１】
【発明の効果】
本発明によれば、駆動効率の良い電磁駆動式アクチュエーターの駆動装置が提供される。また、振れ角振幅を広い範囲で精度良く調整し得る電磁駆動式アクチュエーターの駆動装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の駆動装置によって駆動される電磁駆動式アクチュエーターを示している。
【図２】図１の電磁駆動式アクチュエーターすなわち光スキャナーを正弦波で駆動した際の駆動周波数−振れ角の周波数特性を示している。
【図３】図１の光スキャナーを正弦波で駆動した際の振れ角と振れ角速度を示している。
【図４】図１の光スキャナーを正弦波で駆動した際の駆動周波数に対する振れ角速度の周波数特性を示している。
【図５】図１の光スキャナーを片極性の矩形波で駆動した際における駆動電流信号とその基本周波数成分の正弦波と振れ角と振れ角速度を示している。
【図６】図１の光スキャナーを両極性の矩形波で駆動した際における駆動電流信号とその基本周波数成分の正弦波と振れ角と振れ角速度を示している。
【図７】図１の光スキャナーを駆動するための本発明の駆動装置の実施形態の構成を示している。
【図８】図７に示されるピーク検出装置の構成を示している。
【図９】図７に示される振幅検出装置の構成を示している。
【図１０】図１の光スキャナーを第一の駆動例（振れ角速度波形の９０度の位相検出）に従って片極性の矩形波で駆動した際における図７の駆動装置のコイル駆動装置の出力（駆動波形）と電圧検出装置の出力とサンプル・ホールド装置の出力とピーク検出装置の出力とを示している。
【図１１】振幅の異なる二種類のパルス状の駆動電流波形に対するサンプル・ホールド装置の出力信号の交流波形の一周期分を示している。
【図１２】図１の光スキャナーを第一の駆動例に従って両極性の矩形波で駆動した際における図７の駆動装置のコイル駆動装置の出力（駆動波形）と電圧検出装置の出力とサンプル・ホールド装置の出力とピーク検出装置の出力とを示している。
【図１３】図１の光スキャナーを第二の駆動例（振れ角速度波形の９０−ｄ・１８０/Ｔ度の位相検出）に従って片極性の矩形波で駆動した際における図７の駆動装置のコイル駆動装置の出力（駆動波形）と電圧検出装置の出力とサンプル・ホールド装置の出力とピーク検出装置の出力とを示している。
【図１４】図１３に示される電圧検出装置の出力を拡大して示している。
【符号の説明】
２００駆動装置
２１０コイル駆動装置
２２０電圧検出装置
２３０サンプル・ホールド装置
２４０ピーク検出装置
２４２バンドパスフィルター回路
２４４位相変化装置
２４６比較装置
２５０振幅検出装置
２５２整流回路
２５４ローパスフィルター
２６０振幅誤差検出装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a drive device for an electromagnetically driven actuator.
[0002]
[Prior art]
A movable portion, a fixed portion, a connecting portion connecting them, a magnetic field generating member fixed to one of the fixed portion and the movable portion, and a drive coil fixed to the other of the fixed portion and the movable portion. An electromagnetically driven actuator is known. This type of electromagnetically driven actuator is driven, for example, by supplying a pulsed current to the drive coil, and the movable part is applied to the fixed part by utilizing the force acting between the drive coil and the magnetic field generating member. And oscillates in a resonance state.
[0003]
Some electromagnetically driven actuators have a swing detection sensor to detect the swing angle and swing angular velocity of the movable part for more accurate control. Some of them do not have such a fluctuation detection sensor.
[0004]
Some drive devices for electromagnetically driven actuators that do not have a swing detection sensor can detect the swing angle and swing angular velocity of the movable part based on the voltage across the drive coil. One conventional example of such a driving device is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-209773 entitled “Vibrating Mirror Type Scanning Device Driving Circuit”.
[0005]
In this drive device, an actuator is resonantly driven by applying a pulsed drive signal to a vibrating mirror drive coil (VM coil). Further, this driving device detects the voltage at both ends of the oscillating mirror driving coil by a voltage sampler, and raises a pulsed driving signal at a timing when the detected voltage becomes zero. The pulse width is determined by comparing the peak value of the detection voltage of the voltage sampler with the target voltage.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In order to drive the electromagnetically driven actuator efficiently, the rising of the pulsed drive current should be matched to the peak of the angular velocity. However, the above-described conventional driving device raises the pulsed driving signal at the timing when the detected voltage of the voltage sampler becomes zero. That is, the rise of the pulsed drive current is matched with the timing at which the angular velocity of the vibrating mirror becomes zero. For this reason, the conventional driving device cannot perform efficient driving.
[0007]
The drive device of the conventional example uses the peak value of the detected voltage as amplitude information. Since the peak value of the detection voltage is easily affected by disturbances such as noise, the validity of the amplitude information is questionable.
[0008]
The drive device of the conventional example adjusts the swing angle amplitude by changing the pulse width of the drive current. For this reason, the distortion of the signal when removing the drive signal superimposed on the detection voltage increases or decreases depending on the pulse width. Therefore, it is difficult for the conventional driving apparatus to accurately detect the amplitude. Further, in order to adjust the swing angle amplitude by changing the pulse width of the drive current, the pulse width must be less than a quarter of the swing period of the actuator. That is, the amplitude adjustment range is limited.
[0009]
The present invention has been made paying attention to these points, and its main object is to provide a drive device for an electromagnetically driven actuator with high drive efficiency.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a drive device for an electromagnetically driven actuator capable of accurately adjusting a swing angle amplitude in a wide range.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a movable portion, a fixed portion, a connecting portion that connects the movable portion and the fixed portion, a magnetic field generating member fixed to one of the fixed portion and the movable portion, and the other of the fixed portion and the movable portion. A drive device for driving an electromagnetically driven actuator having a fixed drive coil, The same frequency as the resonance frequency of the moving part A coil driving device for applying a current only for a predetermined period, a voltage detecting device for detecting a voltage at both ends of the driving coil, and a specific time from immediately before the start of current application to the start of current application Start holding, Holds the detection voltage of the voltage detector at least during current application Keep doing Sample-and-hold device and the output of the sample-and-hold device To selectively transmit only the component in the vicinity of the resonance frequency of the movable part, change the phase of this component, binarize, and the phase of the binarized signal, and apply a current from the coil driving device. Within the period Peak swing angular velocity of moving parts Start applying current to include A peak detection device for detecting a specific phase, and the coil driving device starts applying a current in accordance with the detection timing of the specific phase detected by the peak detection device.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
FIG. 1 shows an electromagnetically driven actuator that is driven by the drive device of this embodiment. As shown in FIG. 1, the electromagnetically driven actuator is an electromagnetic optical scanner manufactured using micromachine technology.
[0016]
As shown in FIG. 1, the optical scanner 100 includes an oscillating body 110 having a movable part that can oscillate in one dimension, a magnetic circuit 150 for generating a magnetic field, and a base plate 160 that holds these. Yes.
[0017]
The oscillating body 110 includes a movable portion 112, support portions 114 and 116 for supporting the movable portion 112, and a pair of torsion bars 118 and 120 that are connecting portions connecting the movable portion 112 and the support portions 114 and 116. And have. The pair of torsion bars 118 and 120 support the movable part 112 with respect to the support parts 114 and 116 so as to be swingable around a single axis passing through the torsion bars 118 and 120.
[0018]
The movable portion 112 has a flat plate shape, and has a substantially parallel front surface (surface visible in FIG. 1) and back surface (surface not visible in FIG. 1). The movable part 112 has, for example, a mirror formed on its front surface. Alternatively, the front surface of the movable portion 112 may function as a reflecting surface.
[0019]
The movable part 112 has a drive coil 132 formed on its back surface. The drive coil 132 goes around the periphery of the movable part 112. Both ends of the drive coil 132 are connected to a pair of electrode pads 138 and 140 provided on the support portion 114 via wires passing through the torsion bar 118, respectively.
[0020]
The magnetic circuit 150 includes a pair of permanent magnets 152 and 154 that are magnetic field generating members, and a yoke 156 that holds them.
[0021]
The oscillating body 110 is attached to the base plate 160 by fixing the support portions 114 and 116 to the base plate 160. The magnetic circuit 150 is attached to the base plate 160 by fixing the yoke 156 to the base plate 160. In this structure, a portion excluding the movable portion 112, the torsion bars 118 and 120, and the permanent magnets 152 and 154 constitutes a fixed portion.
[0022]
A light beam is applied to a mirror on the front surface of the movable portion 112 (or a front surface that functions as a reflecting surface), and the reflected light beam is scanned one-dimensionally according to the swing of the movable portion 112. .
[0023]
An alternating current drive signal is applied to the electrode pads 138 and 140 via a flexible printed circuit board (FPC) 142. In response to this, a current flows through the drive coil 132. The current flowing through the drive coil 132 receives a Lorentz force depending on its magnitude due to the interaction with the magnetic field component.
[0024]
A pair of opposite side portions parallel to the swing axis of the drive coil 132 receive a force in a direction substantially perpendicular to the surface (front surface or back surface) of the movable portion 112 due to the Lorentz force received by the current flowing therethrough. Further, since the currents flowing through the pair of opposite sides are opposite to each other, the movable portion 112 receives a couple of forces around the swing axis. For this reason, the movable part 112 rotates around the swing axis according to the magnitude of the current flowing through the drive coil 132.
[0025]
Since the drive signal applied to the electrode pads 138 and 140 is an alternating current, the current flowing through the drive coil 132 is an alternating current. Since the direction of the current is alternately switched, the direction of the couple received by the movable portion 112 is alternately switched, and the rotation direction of the movable portion 112 is also alternately switched accordingly. Therefore, the movable portion 112 repeatedly rotates (that is, swings) around the swing axis in both directions within a certain angle range. As a result, the light beam reflected by the movable portion 112 is scanned one-dimensionally.
[0026]
The movable portion 112 has a specific resonance frequency determined by the structure and material of the torsion bars 118 and 120, and vibrates at the maximum deflection angle when the frequency of the drive signal matches this resonance frequency.
[0027]
FIG. 2 shows the frequency characteristics of the driving frequency and the deflection angle when the optical scanner 100 is driven with a sine wave. The behavior of the optical scanner 100 will be described in three regions A, B, and C according to the frequency of the drive signal.
[0028]
Region A is a frequency band sufficiently lower than the resonance frequency fr. In this region, the swing angle of the movable portion 112 does not depend on the frequency, and there is no phase difference between the drive signal and the swing angle. That is, the behavior of the optical scanner 100 basically follows the drive signal.
[0029]
A region B is a frequency band near the resonance frequency fr. In this region, an increase in deflection angle and a phase delay occur, and the behavior of the optical scanner 100 does not necessarily follow the drive signal. The deflection angle is affected by the frequency and the attenuation rate.
[0030]
The region C is a frequency band sufficiently high with respect to the resonance frequency fr, and basically the influence of the torsion bars 118 and 120 can be ignored in this region. That is, if the driving force is constant, the response is made so that the angular acceleration of the movable portion 112 is constant.
[0031]
In summary, the swing angle of the movable portion 112 is constant regardless of the frequency of the drive signal in the low frequency region, the gain of the swing angle is very high at the resonance frequency, and the swing angle of the movable portion 112 is high in the high frequency region. Decreases rapidly with increasing frequency (since it responds to constant angular acceleration).
[0032]
At the resonance frequency of the region B, the phase of the deflection angle is delayed by 90 degrees with respect to the drive signal. When the frequency of the drive signal increases or decreases with respect to the resonance frequency, the phase relationship between the drive signal and the swing angle increases or decreases around 90 degrees, and the swing angle decreases with respect to the resonance time.
[0033]
Considering the relationship between the drive signal and the shake angular velocity based on this, the shake angular velocity is a differential value of the shake angle, and as shown in FIG. 3, the phase of the shake angular velocity is 90 degrees ahead of the shake angle. Therefore, the drive signal and the shake angular velocity have the same phase at the resonance frequency. FIG. 4 shows the frequency characteristics of the shake angular velocity with respect to the drive frequency.
[0034]
Although the case where the drive signal is a sine wave has been described above, the same concept can be applied to a case of a rectangular pulse-like drive signal. That is, for example, the rectangular pulse-shaped drive signal shown in FIG. 5A has the sine wave shown in FIG. It is represented by a superposition of sine waves having frequency components of double. In other words, the rectangular pulsed drive signal is represented by superposition of an odd multiple of the fundamental frequency component by Fourier series expansion.
[0035]
The response of the optical scanner to this signal is large when the fundamental frequency matches the resonance frequency of the optical scanner. The frequency component is large, 3 times, 5 times, 7 times, etc., that is, other odd numbers. Since the response to the double frequency component belongs to the region C in FIG. 2, it can be ignored for the response deflection angle of the resonance frequency.
[0036]
For this reason, the deflection angle and the deflection angular velocity are both sine waves as shown in FIGS. 5C and 5D, respectively. The deflection angle and the deflection angular velocity are 90 degrees out of phase, and the peak of the deflection angular velocity is synchronized with the pulse of the drive current signal.
[0037]
As described above, when driven at the resonance frequency, the response of the optical scanner becomes a substantially sinusoidal response even if the drive waveform is a rectangular pulse.
[0038]
The same applies to the pulse-shaped drive signal having both polarities shown in FIG. 6A, and the sine wave of the fundamental frequency is as shown in FIG. 6B. Are as shown in FIG. 6C and FIG. 6D, respectively.
[0039]
FIG. 7 shows the configuration of the driving apparatus of this embodiment for driving the optical scanner 100. As shown in FIG. 7, the driving device 200 includes a coil driving device 210 for applying a driving current to the driving coil 132, a voltage detecting device 220 for detecting the voltage at both ends of the driving coil 132, and voltage detection. A sample and hold device 230 for holding the detection voltage of the device 220 and a peak detection device 240 for detecting a substantial peak of the swing angular velocity of the movable portion 112 are provided.
[0040]
The coil drive device 210 applies a constant current to the drive coil 132 only for a predetermined period. That is, the coil driving device 210 supplies a pulsed current to the driving coil 132. Of course, the predetermined period, that is, the pulse width is shorter than 1 / (2fr) [second] (fr: drive frequency [Hz]). The coil driving device 210 preferably supplies a pulsed current having a frequency equal to the resonance frequency fr of the optical scanner 100.
[0041]
The sample and hold device 230 starts holding at a specific time from immediately before the start of current application to the start of current application, and continues to hold at least during the current application. The sample and hold device 230 preferably releases the hold after the end of current application. That is, the sample and hold device 230 releases the hold after a predetermined time has elapsed after the current application is completed.
[0042]
The hold period is set longer than the current application period for the following reason. Since the bandwidth of the circuit used in the voltage detection device 220 or the like is limited, the pulse width of the drive signal that appears at the output of the voltage detection device 220 is usually wider than the pulse width of the drive current. In order to completely remove the drive signal appearing at the output of the voltage detector 220, the hold period may be set longer than the current application period, that is, the pulse width of the drive signal.
[0043]
The peak detection device 240 detects a specific phase near the peak of the swing angular velocity of the movable unit 112 based on the output of the sample and hold device 230. More specifically, the peak detection device 240 includes the oscillation period T [seconds] of the optical scanner 100 (which is equal to the reciprocal of the resonance frequency fr of the optical scanner 100) and the pulse width d [seconds] of the output of the coil driving device. ], A phase represented by the following equation (1) is detected using a real number k satisfying 0 ≦ k ≦ 1.
[0044]
90-k · d · 360 / T [degree] (1)
The peak detection device 240 outputs a peak detection signal indicating the detection of a specific phase to the coil driving device 210. The coil drive device 210 applies a current to the drive coil 132 in accordance with the input peak detection signal. More specifically, the coil drive device 210 supplies the drive coil 132 with a pulsed current that rises at the detection timing of a specific phase detected by the peak detection device 240.
[0045]
The drive current supplied to the drive coil 132 has the earliest phase when k = 1 in equation (1), the pulse drops at the peak of the angular velocity, and the phase when k = 0 in equation (1). Slow, the pulse rises at the peak angular velocity. In other words, the drive current overlaps the peak of the swing angular velocity of the pulse.
[0046]
Specifically, for example, as shown in FIG. 8, the peak detection device 240 is a band-pass filter circuit that selectively transmits only components near the resonance frequency of the optical scanner 100 in the output signal of the sample and hold device 230. 24, a phase change device 244 that changes the phase of the output signal of the bandpass filter circuit 242, and a comparison device 246 that compares the output signal of the phase change device 244 with a specific level.
[0047]
Returning to FIG. 7 again, the driving device 200 further includes an amplitude detection device 250 that detects the swing angle amplitude of the movable portion 112 based on the output signal of the sample and hold device 230, and an error in the swing angle amplitude of the movable portion 112 ( That is, an amplitude error detection device 260 that detects a deviation from the target value is provided.
[0048]
The amplitude error detection device 260 compares the output signal of the amplitude detection device 250 input thereto and the target amplitude signal, and causes the drive coil 132 to match the actual deflection angle amplitude of the movable portion 112 with the target value. A current control signal indicating the current to be supplied is output to the coil driving device 210.
[0049]
The coil drive device 210 changes the amplitude of the pulsed current supplied to the drive coil 132 based on the current control signal input from the amplitude error detection device 260. The coil driving device 210 preferably changes only the amplitude of the current without changing the current application time, that is, the pulse width.
[0050]
For example, the amplitude detector 250 outputs a signal corresponding to the area of one cycle of the AC waveform of the output signal of the sample and hold device 230. Alternatively, the amplitude detection device 250 outputs a signal corresponding to an area corresponding to a half cycle of the AC waveform of the output signal of the sample and hold device 230.
[0051]
Therefore, for example, as shown in FIG. 9, the amplitude detection device 250 smoothes the absolute value signal of the output of the sample and hold device 230 and the output of the rectification circuit 252 by smoothing the absolute value signal. And a low-pass filter 254 for outputting a signal corresponding to the average value.
[0052]
The cut-off frequency of the low-pass filter 254 is preferably selected to be sufficiently lower than the resonance frequency of the optical scanner 100 so that no ripple occurs in the output.
[0053]
The rectifier circuit 252 is composed of a full-wave rectifier circuit for the output of a signal corresponding to the area of one cycle of the output signal of the sample and hold device 230, and is equivalent to a half cycle of the output signal of the sample and hold device 230. For the output of the signal corresponding to the area, it is constituted by a half-wave rectifier circuit.
[0054]
First drive example
In the first driving example, the peak detection device 240 determines the peak of the angular velocity of the movable portion 112 based on the output of the sample and hold device 230, in other words, the phase of 90 degrees of the waveform of the angular velocity of the movable portion 112. The detection is performed, and the coil drive device 210 applies the current to the drive coil 132 in accordance with the rise of the pulsed drive current at the timing. This corresponds to the case of k = 0 in the above-described equation (1).
[0055]
Hereinafter, the operation of the driving device in such driving will be described.
[0056]
In the following description, it is assumed that the peak detection device 240 has correctly detected the peak of the swing angular velocity of the swing of the movable part 112 caused by the pulse-like current application to the drive coil 132 immediately before.
[0057]
The peak detection device 240 outputs a peak detection signal that informs detection of a peak of the shake angular velocity. Specifically, the output of the peak detector 240, that is, the peak detection signal, as will be described later, is a rectangular pulse waveform that rises in synchronization with the peak of the deflection angular velocity, as shown in FIG.
[0058]
The coil driving device 210 starts applying a constant current to the driving coil 132 in response to the rising edge of the peak detection signal. Thereafter, the coil driving device 210 stops applying a constant current to the driving coil 132 after a predetermined time has elapsed. As a result, as shown in FIG. 10A, the coil driving device 210 drives a current having a rectangular pulse waveform that has a frequency equal to the resonance frequency of the optical scanner 100 and rises at a timing that coincides with the peak of the angular velocity. The coil 132 is supplied.
[0059]
As described above, the movable portion 112 of the optical scanner 100 swings due to the Lorentz force generated between the drive coil 132 and the magnetic circuit 150 in response to the current application to the drive coil 132. Back electromotive force is generated in the drive coil 132 due to the swinging of the movable portion 112. This counter electromotive force is proportional to the deflection angular velocity of the movable portion 112.
[0060]
The voltage detection device 220 detects the voltage across the drive coil 132 of the optical scanner 100. When the optical scanner 100 is driven at the resonance frequency, as described above with reference to FIG. 5, the phase of the waveform of the deflection angular velocity matches the phase of the waveform of the fundamental frequency component of the drive current. Therefore, as shown in FIG. 10B, the output of the voltage detection device 220 is a waveform in which the pulse waveform of the drive current is superimposed on the sine waveform of the angular velocity.
[0061]
The sample and hold device 230 holds the output of the voltage detection device 220 in response to the rising edge of the peak detection signal. Thereafter, the sample and hold device 230 releases the hold after the end of the current application. As a result, as shown in FIG. 10C, the sample and hold device 230 outputs a signal obtained by removing the pulse-like waveform caused by the drive current from the output signal of the voltage detection device 220. In the output waveform of the sample and hold device 230, the fundamental frequency matches the frequency of the deflection angle, and the average absolute value is proportional to the amplitude of the deflection angle.
[0062]
The peak detector 240 detects the peak of the swing angular velocity of the movable part 112, that is, the phase of 90 degrees. As described above, the peak detection device 240 includes the band-pass filter circuit 242, the phase change device 244, and the comparison device 246, as shown in FIG.
[0063]
In order to detect the phase of 90 degrees of the swing angular velocity of the movable part 112, for example, the phase change device 244 has the phase of the output signal from itself being −90 ° with respect to the phase of the output signal of the voltage detection device 220 As described above, the phase of the output signal of the bandpass filter circuit 242 is changed. In other words, at the resonance frequency of the optical scanner 100, the total phase change by the voltage detection device 220, the sample and hold device 230, the bandpass filter circuit 242, and the phase change device 244 is equal to -90 degrees.
[0064]
Further, the comparison device 246 compares the output of the phase change device 244 with 0 potential and outputs a binary signal indicating the comparison result. As a result, as shown in FIG. 10D, the output of the peak detector 240 becomes a rectangular pulse waveform that rises in synchronization with the peak of the deflection angular velocity.
[0065]
As shown in FIG. 10A, the coil driving device 210 supplies a current of a rectangular pulse waveform that rises in synchronization with the rising of the peak detection signal to the driving coil 132.
[0066]
In the first driving example, the driving device 200 according to the present embodiment supplies the driving coil 132 with a driving current signal having a pulse waveform that rises in synchronization with the peak of the angular velocity of vibration, so that the optical scanner 100 can be efficiently operated. Can be driven.
[0067]
As described above, the amplitude detection device 250 includes the rectifier circuit 252 and the low-pass filter 254. For example, as illustrated in FIG. 11, the amplitude detection device 250 corresponds to one cycle of the AC waveform of the output signal of the sample and hold device 230. A signal corresponding to the area is output. Here, the area of one cycle of the AC waveform is an area surrounded by the central axis of the amplitude and the waveform of the phase from 0 degrees to 360 degrees.
[0068]
The area for one cycle of the AC waveform represents the average value of the absolute value signals for one cycle of the AC waveform. In FIG. 11, the area of the hatched portion is proportional to the amplitude of the shake angular velocity, and the amplitude of the shake angular velocity is proportional to the amplitude of the shake angle. Therefore, the average value of the absolute value signal output from the amplitude detector 250 is proportional to the amplitude of the swing angle of the movable portion 112.
[0069]
The amplitude error detection device 260 compares the output signal of the amplitude detection device 250 with the target amplitude signal, and a constant current to be applied to the drive coil 132 in order to make the deflection angle amplitude of the movable portion 112 coincide with the target value. The value, that is, the amplitude of the pulsed current waveform is obtained, and a current control signal indicating the value is output to the coil driving device 210.
[0070]
The coil driving device 210 changes only the current value of a constant current applied to the driving coil 132, that is, the amplitude of the pulsed current waveform, according to the current control signal. That is, the coil driving device 210 changes the current value of the constant current, that is, the amplitude of the pulsed current waveform, while keeping the current application time, that is, the pulse width constant. Thereby, the swing angle amplitude of the movable part 112 is adjusted.
[0071]
FIG. 11 shows one cycle of the AC waveform of the output signal of the sample and hold device 230 for two types of pulsed drive current waveforms having different amplitudes. As can be seen from FIG. 11, the waveform, that is, the shape of the shaded portion, does not change in the horizontal direction and changes only in the vertical direction when the amplitude of the pulsed current waveform is changed. That is, the hatched portion is independently enlarged or reduced only in the vertical direction by changing the amplitude of the pulse-like current waveform. Therefore, the area for one period, that is, the area of the shaded area is proportional to the amplitude of the pulsed current waveform.
[0072]
Thus, since the drive device 200 of this embodiment adjusts the swing angle amplitude of the movable part 112 by changing the amplitude of the drive current signal, the amplitude adjustment range is not substantially limited.
[0073]
In the above description, the driving by the pulsed current having the waveform having only one polarity shown in FIG. 10A has been described. However, the same applies to the pulsed current having the waveform having both polarities shown in FIG. Can be driven.
[0074]
In this case, with respect to the supply of the current having the rectangular pulse waveform of the bipolar polarity shown in FIG. 12A to the drive coil 132, the voltage detection device 220 uses the sine waveform of the deflection angular velocity shown in FIG. Is output with the pulse waveform of the drive current superimposed thereon, and the sample and hold device 230 removes the pulse-like waveform caused by the drive current from the output signal of the voltage detection device 220 shown in FIG. The waveform is output, and the peak detector 240 outputs a rectangular pulse waveform that rises in synchronization with the peak of the deflection angular velocity shown in FIG.
[0075]
The coil drive device 210 outputs a pulse on the positive side of the drive waveform in synchronization with the rise of the output waveform of the peak detection device 240. For example, the rise of the signal waveform obtained by changing the phase of the output waveform of the peak detection device 240 by 180 degrees. Synchronously with this, a negative pulse of the drive waveform is output. Alternatively, the peak detection device 240 may further detect the minimum (bottom) of the angular velocity, and the coil driving device 210 may output a negative pulse of the driving waveform in synchronization with the rise of the output waveform.
[0076]
Further, the waveform of the current applied from the coil driving device to the coil may be a waveform obtained by cutting a sine waveform or the like with a driving pulse width instead of a rectangular pulse waveform. In this case, components other than the resonance frequency included in the drive signal can be reduced.
[0077]
In the above description, the phase change amount of the phase change device of the peak detection device is set to −90 degrees. However, even in the configuration in which the phase change amount of the phase change device is set to 90 degrees, the deflection angular velocity of 90−d · 180 / Driving can be performed in synchronization with the phase of T degrees. In this case, the drive pulse is output in synchronization with the fall of the output of the comparison device.
[0078]
Second drive example
The second driving example is a driving in which the center of the pulse of the driving current coincides with the peak of the swing angular velocity of the movable portion 112. More specifically, the peak detection device 240 detects the 90-d · 180 / T phase of the waveform of the swing angular velocity of the movable portion 112 based on the output of the sample and hold device 230, and the coil driving device 210 In this drive, a pulsed drive current that rises at that timing is supplied to the drive coil 132. This corresponds to the case of k = 1/2 in the above-described equation (1).
[0079]
Hereinafter, the operation of the driving device in such driving will be described.
[0080]
The coil driving device 210 starts applying a constant current to the driving coil 132 in response to the rising edge of the peak detection signal shown in FIG. Thereafter, the coil driving device 210 stops applying a constant current to the driving coil 132 after a predetermined time has elapsed. As a result, as shown in FIG. 13A, the coil driving device 210 generates a rectangular pulse waveform current that has a frequency equal to the resonance frequency of the optical scanner 100 and rises before the peak of the deflection angular velocity. To supply. The supply of pulsed current to the drive coil 132 causes the movable part 112 of the optical scanner 100 to swing. The swing of the movable portion 112 causes the drive coil 132 to generate a counter electromotive force depending on the swing angular velocity.
[0081]
The voltage detection device 220 detects the voltage across the drive coil 132 of the optical scanner 100. As shown in FIG. 13B, the output of the voltage detection device 220 has a waveform in which the pulse waveform of the drive current is superimposed on the sine waveform of the deflection angular velocity. More specifically, as shown in FIG. 14, the output of the voltage detection device 220 is a waveform in which a pulse having a time width d rising at T / 4−d / 2 is superimposed on a sine waveform of a swing angular velocity with a period T. is there. The center of the pulse coincides with the peak of the swing angular velocity of the movable portion 112. The rise of the pulse is 90-d · 180 / T degrees in terms of phase.
[0082]
The sample and hold device 230 holds the output of the voltage detection device 220 in response to the rising edge of the peak detection signal. Thereafter, the sample and hold device 230 releases the hold after the end of the current application. As a result, as shown in FIG. 13C, the output of the sample and hold device 230 becomes a waveform obtained by removing the pulse-like waveform caused by the drive current from the output signal of the voltage detection device 220.
[0083]
The peak detector 240 detects a phase of 90-d · 180 / T degrees of the swing angular velocity of the movable part 112. For this reason, the phase change device 244 has a band-pass filter circuit so that the phase of the output signal from itself is − (90−d · 180 / T) degrees with respect to the phase of the output signal of the voltage detection device 220. The phase of the output signal 242 is changed. Further, the comparison device 246 compares the output of the phase change device 244 with 0 potential and outputs a binary signal indicating the comparison result. As a result, as shown in FIG. 13D, the output of the peak detector 240 becomes a rectangular pulse waveform that rises in synchronization with the phase of the swing angular velocity of 90-d · 180 / T degrees.
[0084]
As shown in FIG. 13A, the coil driving device 210 supplies a current of a rectangular pulse waveform that rises in synchronization with the rising of the peak detection signal to the driving coil 132.
[0085]
In the second driving example, the driving device 200 according to the present embodiment supplies the driving coil 132 with a driving current signal having a pulse waveform in which the center of the time width coincides with the peak of the deflection angular velocity. 100 can be driven more efficiently.
[0086]
Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. May be.
[0087]
For example, the waveform of the current applied from the coil drive device to the coil may be a waveform obtained by cutting a sine wave or the like with the drive pulse width instead of the rectangular pulse waveform. In this case, components other than the resonance frequency included in the drive signal can be reduced.
[0088]
In the above description, the phase change amount of the phase change device of the peak detection device is − (90−d · 180 / T) degrees, but the phase change amount of the phase change device is (90 + d · 180 / T) degrees. Even in this configuration, driving can be performed in synchronization with the phase of the angular velocity of 90-d · 180 / T degrees. In this case, the drive pulse is output in synchronization with the fall of the output of the comparison device.
[0089]
In the above description, the amplitude detection device 250 obtains the swing angle amplitude of the movable unit 112 based on the output of the sample and hold device 230. However, the amplitude detection device 250 of the bandpass filter circuit 242 in the peak detection device 240 has You may obtain | require based on an output.
[0090]
Further, the peak detection device 240 detects the phase of the swing angular velocity of the movable portion 112 at 90 degrees, so that in the phase change device 244, the phase of the output signal is − with respect to the phase of the output signal of the voltage detection device 220 The phase of the output signal of the bandpass filter circuit 242 is changed so as to be (90−k · d · 360 / T) degrees, and the comparator 246 compares the output of the phase change device 244 with 0 potential. However, the phase amount to be changed and the potential to be compared are not limited to these values, and may be changed as appropriate.
[0091]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the drive device of an electromagnetic drive type actuator with sufficient drive efficiency is provided. In addition, a drive device for an electromagnetically driven actuator capable of accurately adjusting the deflection angle amplitude in a wide range is provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an electromagnetically driven actuator that is driven by a drive device of the present embodiment.
FIG. 2 shows a frequency characteristic of a driving frequency and a deflection angle when the electromagnetically driven actuator of FIG. 1, that is, the optical scanner is driven with a sine wave.
3 shows a deflection angle and a deflection angular velocity when the optical scanner of FIG. 1 is driven by a sine wave. FIG.
4 shows frequency characteristics of a shake angular velocity with respect to a driving frequency when the optical scanner of FIG. 1 is driven by a sine wave. FIG.
5 shows a drive current signal, a sine wave of a fundamental frequency component, a shake angle, and a shake angular velocity when the optical scanner of FIG. 1 is driven by a unipolar rectangular wave.
6 shows a drive current signal, a sine wave of a fundamental frequency component, a shake angle, and a shake angular velocity when the optical scanner of FIG. 1 is driven by a bipolar rectangular wave.
7 shows a configuration of an embodiment of a driving device of the present invention for driving the optical scanner of FIG. 1. FIG.
8 shows the configuration of the peak detection apparatus shown in FIG.
FIG. 9 shows a configuration of the amplitude detection apparatus shown in FIG. 7;
10 shows the output (driving) of the coil driving device of the driving device of FIG. 7 when the optical scanner of FIG. 1 is driven by a unipolar rectangular wave according to the first driving example (phase detection of 90 degrees of the shake angular velocity waveform). Waveform), the output of the voltage detector, the output of the sample and hold device, and the output of the peak detector.
FIG. 11 shows one cycle of the AC waveform of the output signal of the sample and hold device for two types of pulsed drive current waveforms with different amplitudes.
12 shows the output (driving waveform) of the coil driving device, the output of the voltage detection device, the output of the voltage detector when the optical scanner of FIG. 1 is driven by a bipolar rectangular wave according to the first driving example, It shows the output of the hold device and the output of the peak detector.
13 shows a coil of the driving device shown in FIG. 7 when the optical scanner shown in FIG. 1 is driven with a unipolar rectangular wave in accordance with a second driving example (phase detection of 90-d · 180 / T degrees of the shake angular velocity waveform). The output (drive waveform) of the drive device, the output of the voltage detection device, the output of the sample and hold device, and the output of the peak detection device are shown.
14 shows an enlarged output of the voltage detection device shown in FIG.
[Explanation of symbols]
200 Drive unit
210 Coil driving device
220 Voltage detection device
230 Sample and hold device
240 Peak detector
242 Bandpass filter circuit
244 Phase change device
246 Comparison device
250 Amplitude detector
252 Rectifier circuit
254 Low-pass filter
260 Amplitude error detection device

Claims

A movable portion, a fixed portion, a connecting portion connecting the movable portion and the fixed portion, a magnetic field generating member fixed to one of the fixed portion and the movable portion, and a drive fixed to the other of the fixed portion and the movable portion A driving device for driving an electromagnetically driven actuator having a coil, and supplying a pulsed current having the same frequency as the resonance frequency of the movable part to the driving coil, A driving device that swings the movable part in a resonance state with respect to the fixed part using a force acting between
A coil driving device for applying a current to the driving coil for a predetermined period;
A voltage detection device for detecting the voltage across the drive coil;
A sample-and-hold device that starts holding at a specific time from immediately before the start of current application to the start of current application, and continues to hold the detection voltage of the voltage detection device at least during the current application;
Only the component near the resonance frequency of the movable part is selectively transmitted from the output of the sample-and-hold device, the phase of this component is changed, binarized, and the phase of this binarized signal, which is a coil driving device A peak detection device for detecting a specific phase for starting the application of current so that the peak of the swing angular velocity of the movable part is included within a predetermined period of applying the current from
The coil drive device is a drive device for an electromagnetically driven actuator that starts applying current in accordance with the detection timing of a specific phase detected by the peak detection device.

2. The drive device for an electromagnetically driven actuator according to claim 1, wherein the coil drive device applies a constant current to the drive coil for a predetermined period.

2. The peak detection device according to claim 1, wherein the peak angular velocity of the movable portion is 90−k · d · 360 / T degrees (where T is a period [second] corresponding to the reciprocal of the resonance frequency of the actuator, and d is a coil drive). A drive device for an electromagnetically driven actuator that detects a phase of a pulse width [second] of an output of the device, k being a real number satisfying 0 ≦ k ≦ 1.

4. The drive device for an electromagnetically driven actuator according to claim 3, wherein the peak detection device detects a phase of 90 degrees of the swing angular velocity of the movable part.

4. The drive device for an electromagnetically driven actuator according to claim 3, wherein the peak detection device detects a phase of 90-d · 180 / T degrees of the swing angular velocity of the movable part.

The peak detection device of the deflection angular velocity according to claim 1, wherein the output signal of the sample and hold device selectively transmits only a component near the resonance frequency of the actuator, and the output signal of the bandpass filter circuit. A drive device for an electromagnetically driven actuator, comprising: a phase change device that changes a phase; and a comparison device that compares an output signal of the phase change device with a specific level.

7. The phase change device according to claim 6, wherein the phase of the output signal from the bandpass filter circuit is such that the phase of the output signal from itself is +90 degrees or −90 degrees with respect to the phase of the output signal of the voltage detection device. The drive device of the electromagnetic drive actuator that changes

6. The phase change device according to claim 6, wherein the phase of the output signal from itself is +90 (T + 2d) / T degrees or −90 (T−2d) / T degrees (here, The phase of the output signal of the band-pass filter circuit is changed so that T is a period [second] corresponding to the reciprocal of the resonance frequency of the actuator, and d is a pulse width [second] of the output of the coil drive device). A drive device for an electromagnetically driven actuator.

2. The drive device for an electromagnetically driven actuator according to claim 1, wherein the sample and hold device releases the hold after the end of current application of the coil drive device.

2. The amplitude detection device for detecting a swing angle amplitude of the movable portion based on an output signal of the sample and hold device, and an amplitude error detection device for detecting an error of the swing angle amplitude of the movable portion with respect to a target value. A drive device for an electromagnetically driven actuator, the coil drive device changing the amplitude of a pulsed current supplied to the drive coil based on an output signal of the amplitude error detection device.

11. The drive device for an electromagnetic drive actuator according to claim 10, wherein the coil drive device changes only the amplitude of the current without changing the current application time.

11. The drive device for an electromagnetically driven actuator according to claim 10, wherein the amplitude detection device outputs a signal corresponding to the area of one cycle of the AC waveform of the output signal of the sample and hold device.

13. The drive device for an electromagnetic drive actuator according to claim 12, wherein the amplitude detection device includes a full-wave rectifier circuit and a low-pass filter.

11. The drive device for an electromagnetically driven actuator according to claim 10, wherein the amplitude detection device outputs a signal corresponding to an area corresponding to a half cycle of the AC waveform of the output signal of the sample and hold device.

15. The drive device for an electromagnetically driven actuator according to claim 14, wherein the amplitude detection device includes a half-wave rectifier circuit and a low-pass filter.

7. An amplitude detection device for detecting a swing angle amplitude of a movable portion based on an output signal of a sample and hold device or an output signal of a bandpass filter circuit, and detecting an error with respect to a target value of the swing angle amplitude of the movable portion. And an amplitude error detection device that changes the amplitude of the pulsed current supplied to the drive coil based on the output signal of the amplitude error detection device.

17. The electromagnetic drive actuator drive device according to claim 16, wherein the coil drive device changes only the current amplitude without changing the current application time.

17. The drive device for an electromagnetically driven actuator according to claim 16, wherein the amplitude detection device outputs a signal corresponding to an area of one cycle of an AC waveform of the output signal of the sample and hold device or the output signal of the bandpass filter circuit.

19. The drive device for an electromagnetic drive actuator according to claim 18, wherein the amplitude detection device includes a full-wave rectifier circuit and a low-pass filter.

17. The drive device for an electromagnetically driven actuator according to claim 16, wherein the amplitude detection device outputs a signal corresponding to an area corresponding to a half cycle of the AC waveform of the output signal of the sample and hold device or the output signal of the bandpass filter circuit.

21. The drive device for an electromagnetically driven actuator according to claim 20, wherein the amplitude detection device includes a half-wave rectifier circuit and a low-pass filter.