JP4715342B2 - 電磁駆動力を利用したアクチュエータの制御 - Google Patents

Description

この発明は、電磁駆動力を利用したアクチュエータの制御技術に関する。

アクチュエータとしては、バネ力と電磁駆動力とを併用したものがしばしば用いられている（例えば特許文献１，２）。

特開２００２−９０７０５号公報 特開２００４−２６４８１９号公報

しかし、バネ力は位置によって決まってしまうので、同じ位置で強弱を制御することができない。このため、移動速度を調整できない点などの使用勝手の悪さがあるという問題があった。また、バネ力は温度によってもかなり変わるので、環境温度によって動作が変わってしまう。

そこで、バネ力などの機械的な駆動力を用いず、電磁駆動力のみを用いたアクチュエータが用いられる場合も多い。しかし、電磁駆動力のみを用いたアクチュエータの中には、制御量の偏差（例えば目標位置と実測位置との差）と操作量（例えば電流値）との関係が非線形であるものが存在する。良く用いられるＰＩＤ制御は、制御量と操作量の線形性を前提としているので、このようなアクチュエータをＰＩＤ制御によって制御することは不可能である。また、非線形制御にはアナログ量を用いた微妙なアナログ制御が行われている場合が多いが、アナログ回路では回路規模が大掛かりになるという課題を生じていた。

従来は、このように制御量と操作量とが非線形な関係にあるアクチュエータを制御する技術は十分に工夫されていないのが実情であった。

本発明は、制御量と操作量とが非線形な関係にあるアクチュエータに関して、制御量の目標値を達成するための制御技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のアクチュエータは、電磁駆動力を利用したアクチュエータであって、
磁石と電磁コイルとを有し、前記磁石と電磁コイルとの間の相対的な位置制御が可能な電磁アクチュエータ機構と、
前記電磁アクチュエータ機構を制御するための制御装置と、
を有し、
前記制御装置は、
前記電磁アクチュエータ機構の位置に関連する制御量の偏差が負値の場合に基準電流値を正値に決定し、前記偏差がゼロの場合に前記基準電流値をゼロに決定し、前記偏差が正値の場合に前記基準電流値を負値に決定する基準電流値決定部と、
前記電磁コイルを駆動する駆動部と、
を有し、
前記制御装置は、更に、
前記偏差の正負の符号が入れ替わるまでの同一符号の偏差の連続発生数をカウントするカウンタと、
前記同一符号の偏差の連続発生数に応じて第１の補正係数を発生する第１補正係数発生部と、
前記基準電流値と前記第１の補正係数とを乗じて累算する累算部と、
を有し、
前記第１の補正係数は前記同一符号の偏差の連続発生数が値Ｍ１の際の係数Ｐ１とそれより大きい値Ｍ２の際の係数Ｐ２を比較すると係数Ｐ１＞係数Ｐ２であり、
前記駆動部は、前記累算部で得られた累算値に相当する電流値に基づいて前記電磁コイルを駆動することを特徴とするアクチュエータ。

このアクチュエータによれば、制御量の偏差が負値、ゼロ、正値の場合に基準電流値が正値、ゼロ、負値にそれぞれ決定され、この基準電流値に基づいて電磁コイルが駆動されるので、制御量と操作量（コイル電流）とが非線形な関係にあっても、良好な制御特性を得ることができる。また、偏差の符号が変化したときに徐々に電流値を増大させることができるので、偏差がゼロ近傍にあるときに過度に変化を起こすことを防止できる。

前記基準電流値決定部は、前記偏差が負値、ゼロ、正値のいずれであるかに応じて予め設定された正電流値、ゼロ、負電流値のいずれかに前記基準電流値を決定し、
前記駆動部は、前記基準電流値で前記電磁コイルを駆動するようにしてもよい。

この構成によれば、３つの電流値のいずれかで電磁コイルが駆動されるので、単純な制御を実現することができる。

前記制御装置は、さらに、
正負の符号が同一の偏差が所定の周期で連続して発生する場合に、前記同一符号の偏差の連続発生数をカウントするカウンタと、
前記同一符号の偏差の連続発生数が増大するほど小さくなる第１の補正係数を発生する第１補正係数発生部と、
前記基準電流と前記第１の補正係数とを乗じて累算する累算部と、
を備え、
前記駆動部は、前記累算部で得られた累算値に相当する電流値に基づいて前記電磁コイルを駆動するようにしてもよい。

この構成によれば、偏差の符号が変化したときに徐々に電流値を増大させることができるので、偏差がゼロ近傍にあるときに過度に変化を起こすことを防止できる。

前記制御装置は、さらに、
前記同一符号の偏差の連続発生数が増大するほど大きくなる第２の補正係数を発生する第２補正係数発生部と、
前記累算値に前記第２の補正係数を乗算する乗算部と、
を備え、
前記駆動部は、前記乗算部で得られた乗算値に相当する電流値で前記電磁コイルを駆動するようにしてもよい。

偏差の符号が変化したときの電流値の増大率をさらに低減できるので、偏差がゼロ近傍にあるときの過度の変化をさらに効率よく防止できる。

前記アクチュエータ機構は、前記磁石と前記電磁コイルとのうちの所定の一方を含む可動部に接しているとともに前記可動部に対して摩擦力を与えるための摩擦力印加部材を有し、
前記可動部は前記摩擦力印加部材上を摺動するようにしてもよい。

摩擦力印加部材を用いるようにすれば、電流を流さない状態でアクチュエータの位置をある程度維持することができる。

また、前記アクチュエータ機構は、前記磁石と前記電磁コイルとのうちの所定の一方を含む可動部に接しているとともに前記可動部に対して前記可動部の移動方向と垂直な方向の振動を緩和するための振動緩和部材を有し、
前記可動部は前記振動緩和部材上を摺動するようにしてもよい。

この構成では、駆動方向と垂直な方向の振動や、それによる騒音を緩和することができる。

また、前記制御装置は、前記電磁コイルの電流値を決定するためのデジタル回路を含むものとしてもよい。

この構成によれば、制御装置のＩＣ化が容易であり、また、部品変動による動作バラツキを少なくすることができる。

本発明による他のアクチュエータは、
電磁駆動力を利用したアクチュエータであって、
磁石と電磁コイルとを有し、前記磁石と電磁コイルとの間の相対的な位置制御が可能な電磁アクチュエータ機構と、
前記電磁アクチュエータ機構を制御するための制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記電磁アクチュエータ機構の位置に関連する制御量の偏差に応じて基準電流値を決定する基準電流値決定部と、
前記基準電流値に基づいて前記電磁コイルを駆動する駆動部と、
を備え、
前記基準電流値決定部は、前記偏差の符号に応じて、前記基準電流値を所定の正値と負値のいずれかに決定する。

このアクチュエータにおいても、制御量の偏差の正負の符号に応じて、基準電流値が所定の正値又は負値に決定され、この基準電流値に基づいて電磁コイルが駆動されるので、制御量と操作量（コイル電流）とが非線形な関係にあっても、良好な制御特性を得ることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、アクチュエータ、アクチュエータのための制御装置、アクチュエータの制御方法等の態様で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A．第１実施例：
B．第２実施例：
C．第３実施例：
D．アクチュエータ機構の他の実施例：
E．適用例：
F．変形例

A．第１実施例：
図１（Ａ）は、第１実施例のアクチュエータ機構１００の構成を示す側面図である。このアクチュエータ機構１００は、電磁コイル部１１０と、磁石部２１０と、摺動部材２２０とを有している。電磁コイル部１１０は、図示しない支持部材に固定されており、その支持部材上に磁石部２１０の位置を検出するための位置センサ１２０が設けられている。この位置センサ１２０としては、ホール素子などの磁気センサを用いることができる。磁石部２１０は、互いに逆の着磁方向を有する２つの磁石を含んでいる。

電磁コイル部１１０に電流を流すことによって、図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように、磁石部２１０を移動させることができる。例えば、磁石部２１０を右端位置（図１（Ａ））から左方向に移動させるときには、図１（Ｂ），１（Ｃ）に示すように電磁コイル部１１０の励磁方向が上向きになるようにコイルに電流が流される。また、磁石部２１０を右方向に移動させるときには、逆に、電磁コイル部１１０の励磁方向が下向き（図１（Ａ））になるようにコイルに電流が流される。磁石部２１０は、摺動部材２２０に接した状態で移動する。摺動部材２２０を利用する利点は後述する。なお、磁石部２１０の代わりに電磁コイル部１１０が移動するようにしてもよい。この場合には、電磁コイル部１１０に接する摺動部材を設けることが好ましい。

図２（Ａ）は、アクチュエータ機構１００の平面図の一例を示している。この例では、電磁コイル部１１０のコイルの縦幅（図中の上下方向の寸法）が、磁石部２１０の磁石の縦幅とほぼ一致している。但し、磁石の寸法を、コイルよりも小さくすることが可能であり、逆にコイルよりも大きくすることも可能である。図２（Ｂ）は、アクチュエータ機構１００の平面図の他の例を示している。この例では、図２（Ａ）の例よりもコイルの縦幅が大きく設定されている。図２（Ａ）の例では、全体の寸法をやや小さくできるという利点がある。一方、図２（Ｂ）の例では、コイルに対して移動方向以外の方向に掛かる無用な力が小さくなるという利点がある。すなわち、コイルの中で、磁石の外にあるコイル部分１１１ａ，１１１ｂには移動方向の力が掛かず、移動方向と垂直な方向に力が掛かる。従って、これらのコイル部分１１１ａ，１１１ｂを磁石部２１０の直下をはずれた位置に配置すれば、これらのコイル部分１１１ａ，１１１ｂにおける磁束密度が小さくなるので、このような無駄な力を小さくすることができる。

図３（Ａ）〜３（Ｃ）は、磁石部２１０の磁束分布と電磁力の発生の様子を示す説明図である。図３（Ａ）において、磁石部２１０の移動方向はＸ方向であり、磁化方向はＺ方向である。また、Ｘ方向に駆動力を発生させるための電流の方向はＹ方向である。図３（Ｂ）は、磁石部２１０表面近傍で測定したＺ方向の磁束密度Ｂｚを示している。これから理解できるように、磁石部２１０の２つの磁石の中心においてＺ方向の磁束密度Ｂｚが最も大きくなる。Ｘ方向の駆動力は、Ｙ方向の電流ＩｙとＺ方向の磁束密度Ｂｚのベクトル積で決まるので、各磁石の中心付近をコイルが横切るときにＸ方向に大きな駆動力が発生する。図３（Ｃ）は、磁石部２１０表面近傍で測定したＸ方向の磁束密度Ｂｘを示している。Ｘ方向の磁束密度Ｂｘは、２つの磁石の境界近傍で最も大きくなる。このＸ方向の磁束密度ＢｘがＹ方向の電流Ｉｙと作用すると、Ｚ方向の力が発生する。このようなＺ方向の力は、磁石部２１０や電磁コイル部１１０にＺ方向の振動を発生させて、騒音を発生させる原因となりうる。

図１（Ａ）に示した摺動部材２２０は、このような振動や騒音を緩和するための振動緩衝部材としての機能を有している。このような振動緩衝部材としては、例えばゲル状の部材や可撓性の部材（ゴム等）を用いることが可能である。摺動部材２２０は、さらに、磁石部２１０との間に摩擦力を発生させる摩擦力印加部材としての機能も有している。磁石部２１０との間に摩擦力を発生させるようにすれば、電磁コイル部１１０への電流がゼロになったときにも、ある程度の小さな外力に対抗して、磁石部２１０と電磁コイル部１１０との相対位置を保持することが可能である。なお、摺動部材２２０は、振動緩衝部材としての機能と、摩擦力印加部材としての機能とのうちの一方のみを有していてもよい。

図４は、第１実施例のアクチュエータにおける位置制御時の電流変化の様子を示している。第１実施例では、アクチュエータ機構１００が左方向に移動する場合には、正の一定の電流値Ｉｐが電磁コイル部１１０に印加される。一方、アクチュエータ機構１００が右方向に移動する場合には、負の一定の電流値Ｉｎが電磁コイル部１１０に印加される。このように、第１実施例のアクチュエータでは、制御量（アクチュエータ機構の位置）と操作量（電磁コイル部１１０の電流値）とが非線形な関係に設定されている。従って、以下に説明するように、ＰＩＤ制御とは異なる原理で位置制御が行われる。なお、位置と電流値とが非線形な関係に設定されている理由は、両者を線形な関係に設定すると、位置偏差が小さいときに、位置偏差をゼロに十分近づけることができない可能性があるからである。この可能性は、アクチュエータの可動部において、摩擦力印加部材としての摺動部材２２０（図１（Ａ））を用いている場合に特に問題となる傾向にある。

図５は、第１実施例のアクチュエータ機構のための制御装置４００のブロック図である。この制御装置４００は、ユーザによって指定された位置指令値Ａ０と、位置センサ１２０からの位置信号Ａ３とに基づいて、電磁コイル部１１０に流す電流値Ａ７を調整することによって位置制御を実現している。なお、各部の設定値がユーザによって設定されると、ＣＰＵ４１０を介して各部にその設定値が登録される。ユーザが設定値を入力するための操作部は図示が省略されている。

図６は、制御装置４００の動作を示すタイミングチャートである。制御装置４００内の各部は、ＰＬＬ回路４９０によって生成された第１のクロック信号Ａ１と、制御信号発生部４８０によって生成された第２のクロック信号Ａ２とに同期して処理を実行する。例えば、図６に示すように、第２のクロック信号Ａ２の１パルスが発生するたびに指令値Ａ０と位置信号Ａ３との偏差Ａ４が算出され、この偏差Ａ４に基づいて電流値が決定される。なお、図６の例では、第２のクロック信号Ａ２は、第１のクロック信号Ａ１の１／１２８の割合でパルスが発生する信号である。

図５に示すように、位置センサ１２０からの位置信号Ａ３は、Ａ−Ｄ変換器４２０によってデジタル信号に変換されて位置比較部４４０（減算器）に入力される。また、ユーザによって入力された位置指令値Ａ０は、ＣＰＵ４１０によって位置指令記憶部４３０に格納され、位置指令記憶部４３０から位置比較部４４０に供給される。位置比較部４４０は、位置信号Ａ３と位置指令値Ａ０との偏差Ａ４（＝Ａ３−Ａ０）を算出して、電流値決定部４５０に供給する。図６の例では、偏差Ａ４は、最初はマイナスの値を取り、目標位置に達するとゼロになるが、その後もゼロ付近で若干振動している。これは、若干の外力（例えば重力など）が働いているためである。なお、一定値の指令値の代わりに、ＣＰＵ４１０から一定の周波数を有する正弦波に沿った指令値を供給することによって、等速運動を行うアクチュエータとして使用することも可能である。

図７は、電流値決定部４５０の内部構成を示すブロック図である。電流値決定部４５０は、３値判定部４５２と、３つの基準電流値レジスタ４５４〜４５６とを有している。３値判定部４５２は、偏差Ａ４が負値、ゼロ、正値のいずれであるかを判定する。偏差Ａ４が負値のときには、第１の基準電流値レジスタ４５４から所定の正の基準電流値ＣＶref ＝＋１２７が出力される。また、偏差Ａ４がゼロのときには第２の基準電流値レジスタ４５５からゼロ電流値ＣＶref ＝０が出力され、偏差Ａ４が正値のときには第３の基準電流値レジスタ４５５から所定の負の基準電流値ＣＶref ＝−１２８が出力される。この説明から理解できるように、「電流値が正」とは、位置偏差を負値からゼロに近づけるときの駆動力を発生させるための電流の方向を意味しており、また、「電流値が負」とは、位置偏差を正値からゼロに近づけるときの駆動力を発生させるための電流の方向を意味している。なお、正の基準電流値と負の基準電流値の絶対値を同じ値に設定してもよく、また、互いに異なる値に設定してもよい。

３値判定部４５２は、さらに、偏差Ａ４が負値、ゼロ、正値のいずれであるかを示す３つの偏差符号信号ＵＰ，ＥＱＵ，ＤＯＷＮを出力する。図６に示すように、第１の偏差符号信号ＵＰは、偏差Ａ４が負値の時にＨレベルとなり、ゼロまたは正値のときにＬレベルとなる。第２の偏差符号信号ＥＱＵは、偏差Ａ４がゼロの時にのみＨレベルとなり、負値または正値のときにＬレベルとなる。第３の偏差符号信号ＤＯＷＮは、偏差Ａ４が正値の時にＨレベルとなり、ゼロまたは負値のときにＬレベルとなる。電流値決定部４５０で生成された信号Ａ５（基準電流値ＣＶref 及び偏差符号信号ＵＰ，ＥＱＵ，ＤＯＷＮ）は、駆動信号生成部４６０（図５）に供給される。

図８は、駆動信号生成部４６０の内部構成を示すブロック図である。駆動信号生成部４６０は、正負判定部４６１と、絶対値取得部４６２と、カウンタ４６３と、極性選択部４６４と、比較部４６５とを有している。正負判定部４６１は基準電流値ＣＶref の符号（正、ゼロ、負）を判定し、絶対値取得部４６２は基準電流値ＣＶref の絶対値を取得して比較部４６５に供給する。カウンタ４６３は、第１のクロックＡ１のパルス数をカウントして比較部４６５に供給する。なお、カウンタ４６３のカウント値は第２のクロックＡ２のパルスに応じて０にリセットされる。従って、カウンタ４６３は、０〜１２７までのカウント値を繰り返し発生している。

極性選択部４６４は、正負判定部４６１と比較部４６５からの信号に応じて、２組の駆動信号（ＰＨ，ＰＬ），（ＮＨ，ＮＬ）を生成する。これらの２組の駆動信号（ＰＨ，ＰＬ），（ＮＨ，ＮＬ）は、駆動回路部４７０内にあるＨブリッジ回路の４つのトランジスタのゲートに供給される信号である。第１組の駆動信号（ＰＨ，ＰＬ）は、基準電流値ＣＶref が正のときに、カウンタ４６３のカウント値が基準電流値ＣＶref の絶対値に等しいパルスカウント値に達するまでの間だけＨレベルに保たれ、他の期間はＬレベルに設定される。一方、第２組の（ＮＨ，ＮＬ）は、基準電流値ＣＶref が負のときに、カウンタ４６３によるカウント値が、基準電流値ＣＶref の絶対値に等しいパルスカウント値に達するまでの間だけＨレベルに保たれ、他の期間はＬレベルに設定される。基準電流値ＣＶref がゼロのときには、２組の駆動信号（ＰＨ，ＰＬ），（ＮＨ，ＮＬ）はＬレベルに維持される。こうして得られた２組の信号（ＰＨ，ＰＬ），（ＮＨ，ＮＬ）を含む駆動信号Ａ６は、駆動回路部４７０に供給される。

なお、図６からも理解できるように、第１実施例においては、第１組の駆動信号（ＰＨ，ＰＬ）は、電流値決定部４５０で生成される第１の偏差符号信号ＵＰと同じ波形を有している。また、第２組の駆動信号（ＮＨ，ＮＬ）は、第３の偏差符号信号ＤＯＷＮと同じ波形を有している。従って、第１実施例では駆動信号生成部４６０を省略することも可能である。

図９は、駆動回路部４７０の内部構成を示している。駆動回路部４７０は、レベルシフタ回路４７２と、Ｈブリッジ回路４７４とを有している。レベルシフタ回路４７２は、２組の駆動信号（ＰＨ，ＰＬ），（ＮＨ，ＮＬ）の電圧レベルを、Ｈブリッジ回路４７４のトランジスタのゲート電圧に適した電圧レベルに上昇させる機能を有する。こうして電圧レベルが調整された２組の駆動信号（ＰＨ，ＰＬ），（ＮＨ，ＮＬ）は、Ｈブリッジ回路４７４の４つのトランジスタのゲートに印加され、これに応じて電磁コイル部１１０に電流Ａ７が流れる。このコイル電流Ａ７は、図４，図６に示すように、正の基準電流値Ｉｐと、ゼロと、負の基準電流値Ｉｎのいずれかの値を取る。正の基準電流値Ｉｐと、負の基準電流値Ｉｎは、電流値決定部４５０（図７）で決定された基準電流値ＣＶref に相当する値である。なお、図６では、コイル電流Ａ７がゼロの期間には、ハイインピーダンス状態であることを示す文字「ＨｉＺ」が記されている。

このように、第１実施例では、位置の目標値（指令値）と実測値との偏差Ａ４が負値、ゼロ、正値のいずれであるかに応じて、基準電流値ＣＶref を所定の正値、ゼロ、負値のいずれかに設定し、この基準電流値ＣＶref に相当するコイル電流Ａ７を電磁コイル部１１０に流すようにしている。従って、図４に示すように制御量（位置）と操作量（電流）とが非線形な関係にあるにも拘わらず、アクチュエータを所望の位置に位置決めすることが可能である。

また、電磁コイル部１１０の電流値は、デジタル回路によって決定されているので、アナログ回路を用いる場合に比べてＩＣ化が容易である。制御装置をＩＣ化すれば、部品コストを低減することができ、また、部品変動による動作バラツキや温度変動に起因する動作バラツキを少なくできるという利点がある。

B．第２実施例：
図１０は、第２実施例における電流値決定部４５０ａの内部構成を示すブロック図である。また、図１１は、第２実施例における制御装置の動作を示すタイミングチャートである。第２実施例は、電流値決定部の構成が第１実施例と異なるだけであり、他の構成は第１実施例と同じである。

この電流値決定部４５０ａは、偏差限界値記憶部６００と、３値判定部６０２と、電流値テーブル６０４と、カウンタ６０６と、係数発生部６０８と、乗算器６１０と、積分器（累算器）６１２とを有している。３値判定部６０２は、図７に示した３値判定部４５２と同様に３つの偏差符号信号ＵＰ，ＥＱＵ，ＤＯＷＮを出力し、また、偏差Ａ４を電流値テーブル６０４に供給する。なお、この３値判定部６０２は、入力された偏差Ａ４が偏差限界値記憶部６００に予め記憶されている上限値と下限値を越えている場合には、上限値又は下限値に偏差Ａ４をクリッピングする機能も有している。この理由は、偏差Ａ４の範囲を電流値テーブル６０４の入力レンジに合わせるためである。電流値テーブル６０４は、３値判定部６０２から出力された偏差Ａ４に応じて基準電流値Ａ４−３を出力するテーブルである。

図１２は、電流値テーブル６０４の内容を示すグラフである。横軸は偏差Ａ４であり、縦軸は基準電流値Ａ４−３である。基準電流値Ａ４−３は、第１実施例の電流値決定部４５０（図７）で使用されていた基準電流値ＣＶref に対応するものである。但し、第２実施例では、基準電流値Ａ４−３は一定値では無く、偏差Ａ４に応じて曲線状に変化する。但し、偏差Ａ４がゼロに近いゼロ近傍範囲ＺＰＲでは、基準電流値Ａ４−３がゼロに維持されている。このゼロ近傍範囲ＺＰＲは、位置決め精度の許容誤差に相当する範囲に設定されている。電流値テーブル６０４から出力された基準電流値Ａ４−３は、乗算器６１０に供給される。

カウンタ６０６は、３つの偏差符号信号ＵＰ，ＥＱＵ，ＤＯＷＮに応じて、偏差Ａ４が同一の符号（正又は負）に維持されている期間においてクロック信号Ａ２のパルス数をカウントアップして、カウント値Ａ４−１を出力する。このカウント値Ａ４−１は、同一の符号を有する偏差Ａ４が連続して発生する場合の連続発生数であり、偏差Ａ４がゼロになるか、または偏差Ａ４の符号が切り替わると０にリセットされる（図１１参照）。このカウント値Ａ４−１を、「同一符号連続発生数」とも呼ぶ。カウント値Ａ４−１は、係数発生部６０８に供給される。

係数発生部６０８は、同一符号連続発生数Ａ４−１が増大するほど小さくなる係数Ａ４−２を出力する。具体的には、図１１に示すように、係数Ａ４−２は、１から始まって１／２を順次乗じた値（１，０．５，０．２５，０．１２５…）となる。また、同一符号連続発生数Ａ４−１がゼロになると、係数Ａ４−２は１に初期化される。但し、係数Ａ４−２の減少の仕方は、他の態様に設定することも可能である。この係数Ａ４−２は、乗算器６１０において基準電流値Ａ４−３と乗算され、乗算結果が積分器６１２で累算される。なお、積分器６１２には、上限値（＝＋１２７）と下限値（＝−１２８）が予め設定されており、累算結果ＣＶｍはこれらの限界値の範囲内にクリッピングされている。累算器６１２の出力ＣＶｍは、電磁コイルに供給される電流値に相当する値である。この電流値ＣＶｍと、３つの偏差符号信号ＵＰ，ＥＱＵ，ＤＯＷＮが電流値決定部４５０ａから出力されて駆動信号生成部４６０（図５）に与えられる。

駆動信号生成部４６０の動作は、第１実施例と同じである。但し、図６と図１１を比較すれば理解できるうように、駆動信号生成部４６０に入力される信号Ａ５のうち、第１実施例の電流値ＣＶref は３つの基準電流値（＋１２７，０，−１２８）のいずれかであったのに対して、第２実施例の電流値ＣＶｍはより細かく変化している。このため、駆動信号生成部４６０で生成される２組の駆動信号（ＰＨ，ＰＬ），（ＮＨ，ＮＬ）も図６のものと異なっている。すなわち、第１組の駆動信号（ＰＨ，ＰＬ）は、電流値ＣＶｍが正のときに、カウンタ４６３（図８）によるカウント値が、電流値ＣＶｍの絶対値に等しい値に達するまでの間だけＨレベルに保たれ、他の期間はＬレベルに設定される。一方、第２組の（ＮＨ，ＮＬ）は、電流値ＣＶｍが負のときに、カウンタ４６３によるカウント値が、電流値ＣＶｍの絶対値に等しい値に達するまでの間だけＨレベルに保たれ、他の期間はＬレベルに設定される。この結果、２組の駆動信号（ＰＨ，ＰＬ），（ＮＨ，ＮＬ）は、電流値ＣＶｍに相当する期間だけＨレベルとなるような信号となる。また、電磁コイルに供給される電流Ａ７も、２組の駆動信号（ＰＨ，ＰＬ），（ＮＨ，ＮＬ）の波形に応じた期間にのみ一定電流値Ｉｐ又はＩｎとなる。従って、電磁コイル流れる電流Ａ７の実効的な値（すなわち実効的な電力量）は、電流値ＣＶｍに相当していることが理解できる。

このように、第２実施例では、同一符号の偏差Ａ４が連続して発生する場合に次第に減少する係数Ａ４−２を生成し、この係数Ａ４−２と、偏差Ａ４に応じて決まる基準電流値Ａ４−３とを乗じて累算し、その累算結果ＣＶｍに相当する電流で電磁コイルを駆動している。この結果、偏差Ａ４がゼロに近い位置で偏差Ａ４の符号が変化したときに、電流値Ｃｍの絶対値を徐々に増大させるようにして、過度の位置変化を起こさないようにすることができる。具体例では、図１１において、偏差Ａ４の符号がゼロからプラスに変化したときに、電流値ＣＶｍが−４０，−６５と徐々に変化している。一方、図６に示した第１実施例では、これらのタイミングにおける電流値ＣＶref は−１２７，−１２７であり、第２実施例よりも電流値の絶対値が大きい。従って、第２実施例では、偏差Ａ４がゼロに近い位置において、過度な位置変化を起こす可能性が第１実施例よりも小さく、位置制御の精度が良いという利点がある。

C．第３実施例：
図１３は、第３実施例における制御装置４００ａの構成を示すブロック図である。また、図１４は、第３実施例の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。第３実施例の制御装置４００ａは、第１実施例の制御装置４００（図５）の構成から、電流値決定部４５０を第２実施例の電流値決定部４５０ａ（図１０）に置き換え、また、電流値決定部４５０ａと駆動信号生成部４６０との間に極性緩和部６２０を追加した構成を有している。換言すれば、第３実施例の制御装置４００ａは、第２実施例の制御装置に極性緩和部６２０を追加した構成を有している。

図１５は、極性緩和部６２０の内部構成を示すブロック図である。極性緩和部６２０は、アップダウン連続判定部６２２と、カウンタ６２４と、緩和係数テーブル６２６とを有している。アップダウン連続判定部６２２は、電流値決定部４５０ａのカウンタ６０６（図１０）と同様に、３つの偏差符号信号ＵＰ，ＥＱＵ，ＤＯＷＮに応じて、同一符号（正又は負）の連続発生数Ｍｔをカウントアップする。従って、この連続発生数Ｍｔは、電流値決定部４５０ａのカウンタ６０６で生成される同一符号連続発生数Ａ４−３と同じ値を取る。緩和係数テーブル６２６は、この連続発生数Ｍｔに応じた緩和係数Ａ５Ｓｉｎを出力する。この緩和係数Ａ５Ｓｉｎは、例えば以下の式で与えられる。
Ａ４Ｓｉｎ＝ｓｉｎ（Ｍｔ／ｋ）
ここで、ｋは定数であり、図１４の例ではｋ＝６に設定されている。

なお、緩和係数Ａ５Ｓｉｎとしては、同一符号連続発生数Ｍｔが増大するほど大きくなるような任意の係数を採用することができる。但し、緩和係数Ａ５Ｓｉｎの値は、０〜１の範囲の値を取ることが好ましい。

乗算器６２８は、この緩和係数Ａ５Ｓｉｎと電流値ＣＶｍとを乗算し、その乗算結果Ａ５Ｓを最終的な電流値として駆動信号生成部４６０に供給する。図１４から理解できるように、この電流値Ａ５Ｓは、偏差Ａ４の符号が同一に維持されている期間において、次第に増大する値を取る。電磁コイルは、この電流値Ａ５Ｓに相当する電流で駆動される。

このように、第３実施例では、偏差Ａ４の符号が同一に維持されている期間において、コイル電流が次第に増大するようにコイル電流値が決定される。従って、第２実施例の効果に加えて、偏差Ａ４の符号が正から負へ、又は、負から正へ切り替わるときに、コイル電流が徐々に増大するように制御を行うことができるという効果がある。すなわち、偏差Ａ４の符号が切り替わるときに、過度な位置変化を起こす可能性をさらに低減することができる。

D．アクチュエータ機構の他の実施例：
図１６（Ａ）〜１６（Ｄ）は、アクチュエータ機構の他の実施例を示す説明図である。このアクチュエータ機構では、磁石部２１０ａが支持材２３０に固定されており、電磁コイル部１１０ａが左右に移動する。図１６（Ｄ）は、図１６（Ｃ）を側面から見た図である。電磁コイル部１１０ａには、電磁コイル部１１０ａの位置を検出するための位置センサ１２０が設けられている。また、電磁コイル部１１０ａに接する位置に摺動部材２２０が設けられている。このようなアクチュエータ機構を用いた場合も、前述した第１〜第３実施例の制御装置を用いて位置決めを行うことが可能である。

図１７（Ａ）〜１７（Ｃ）は、アクチュエータ機構のさらに他の実施例を示す説明図である。このアクチュエータ機構では、磁石部２１０ｂが支持材２３０に固定されており、電磁コイル部１１０ｂが上下に移動する。電磁コイル部１１０ｂには、電磁コイル部１１０ｂの位置を検出するための位置センサ１２０が設けられている。なお、電磁コイル部１１０ａに接する位置に摺動部材を設けるようにしてもよい。このアクチュエータ機構は、電磁コイル部１１０ｂと磁石部２１０ｂの反発力を利用している点が他の実施例と異なっている。このようなアクチュエータ機構を用いた場合も、前述した第１〜第３実施例の制御装置と同様な制御装置を用いて位置決めを行うことが可能である。但し、図１７（Ａ）〜１７（Ｃ）のアクチュエータ機構では、電磁コイル部１１０ｂが下降するときには重力を利用することができる。従って、下降する際には、電磁コイル１１０ｂにわずかな電流を流すことによって下降速度を調整することができ、あるいは、全く電流を流さないで重力のみによって下降させることも可能である。

図１８（Ａ）〜１８（Ｄ）は、アクチュエータ機構の他の実施例を示す説明図である。このアクチュエータ機構の磁石部２１０ｃは、同じ磁化方向（左右方向）の２つの棒状磁石２１１，２１２が、長手方向に沿って隣接して配置されたものである。また、電磁コイル部１１０ｂは、２つの電磁コイル１１１，１１２を有している。電磁コイル部１１０ｃの位置は、中心位置センサ１２０とエンコーダ１３０によって検出される。図１８（Ａ）〜１８（Ｄ）は、電磁コイル部１１０ｃが中心位置から右側に移動する様子を示している。この場合には、図１８（Ｂ）に示すように第２の電磁コイル１１２のみに電流が流され、これに応じて電磁コイル部１１０ｃが右側に移動し始める。その後、図１８（Ｃ）に示すように第１の電磁コイル１１１が右側の棒状磁石２１２の範囲に入ると、第１の電磁コイル１１１にも電流が流されて、２つの電磁コイル１１１，１１２から駆動力が発生する。このようなアクチュエータ機構を用いた場合も、前述した第１〜第３実施例の制御装置を用いて位置決めを行うことが可能である。

図１８（Ｅ）は、磁石部の他の構成例を示している。この磁石部２１０ｄは、２つの長い棒状磁石２１１、２１２の代わりに、多数の小さな棒状磁石２２４を支持部材２３０上に並べたものである。このような磁石部２１０ｄを用いても、図１８（Ａ）〜１８（Ｄ）と同様な動作を有するアクチュエータ機構を実現することが可能である。

E．適用例：
図１９は、本発明の実施例によるアクチュエータの第１の適用例としての羽根部材駆動機構を示す説明図である。この羽根部材駆動機構５１０は、中心軸５１２回りに回動可能な羽根部材５１４と、この羽根部材５１４を移動させるアクチュエータ機構１００とを備えている。アクチュエータ機構１００の磁石部２１０は、羽根部材５１４の一端に固定されており、電磁コイル部１１０は図示しない支持部材に固定されている。なお、このアクチュエータ機構１００は、図１に示したものとほぼ同じ構造を有している。但し、電磁コイル部１１０と磁石部２１０は、中心軸５１２を中心とする円周に沿って配置されている。アクチュエータ機構１００を動作させると、羽根部材５１４が中心軸５１２を中心として回動する。前述したように、アクチュエータ機構１００は位置制御が可能なので、羽根部材５１４を所望の位置に位置決めすることが可能である。なお、この適用例では、「位置」とは羽根部材５１４の角度を意味している。このような羽根部材５１４を多数用いることによって、光学装置の絞り機構を構成することが可能である。

図２０は、本発明の実施例によるアクチュエータの第２の適用例としてのレバー駆動機構を示す説明図である。このレバー駆動機構５２０は、中心軸５２２回りに回動可能なレバー５２４と、このレバー５２４を移動させるアクチュエータ機構１００とを備えている。アクチュエータ機構１００の磁石部２１０とレバー５２４の向かい合う箇所には、互いに噛み合うギア５２６，５２８が固定されている。一方のギア５２６は平歯車であり、他方のギア５２８は半円形の歯車である。電磁コイル部１１０は図示しない支持部材に固定されている。磁石部２１０の直線運動は、ギア５２６，５２８によって回転運動に変換される。アクチュエータ機構１００を動作させると、レバー５２４が中心軸５２２を中心として回動する。この結果、レバー５２４を所望の位置に位置決めすることが可能である。

図２１は、本発明の実施例によるアクチュエータの第３の適用例としての突起部材駆動機構を示す説明図である。この突起部材駆動機構５３０は、中心軸５３２回りに回動可能な突起部材５３４と、この突起部材５３４を移動させる２つのアクチュエータ機構１００とを備えている。各アクチュエータ機構１００の磁石部２１０の一端には、リンク保持部材５３８が固定されており、電磁コイル部１１０は図示しない支持部材に固定されている。２つのリンク保持部材５３８は、同一平面上に配置された２つの直線状リンク５３６（Ｘ１軸及びＸ２軸）によって突起部材５３４にそれぞれ連結されている。２つのアクチュエータ機構１００を動作させると、突起部材５３４が中心軸５３２を中心として回動する。この結果、突起部材５３４の先端にある突起５３４ａを、所望の角度に位置決めすることが可能である。

図２２は、本発明の実施例によるアクチュエータの第４の適用例としての３次元駆動機構を示す説明図である。この３次元駆動機構５４０は、駆動対象部材５４２を３次元的に移動させる３つのアクチュエータ機構１００を備えている。各アクチュエータ機構１００の磁石部２１０の一端には、リンク保持部材５４８が固定されており、電磁コイル部１１０は図示しない支持部材に固定されている。３つのリンク保持部材５４８は、直線状リンク５４６によって駆動対象部材５４２にそれぞれ連結されている。３つのアクチュエータ機構１００の磁石部２１０及びリンク保持部材５４８は、互いに直交する３つの軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に沿って移動する。この結果、３つのアクチュエータ機構１００を動作させると、駆動対象部材５４２を３次元的に位置決めすることが可能である。

図２３は、本発明の実施例によるアクチュエータの第５の適用例としての環状アクチュエータを示す説明図である。この環状アクチュエータ５５０は、中空円筒状のケース５５２と、ケース５５２内に収納されて回動軸５５４回りに回動するロータ５５６とを備えている。ロータ５５６の回動軸５５４は、ケース５５２の軸受け５５６によって保持されている。ロータ５５６には磁石部２１０が配置されており、ケース５５２の内側には、磁石部２１０に対向して電磁コイル部１１０が配置されている。

図２３（Ｂ），（Ｃ）は、コイルと磁石の配置をそれぞれ示している。この例では、電磁コイル部１１０は、中心を挟んで２つ配置されている。磁石は９０度おきに４つ配置されている。この環状アクチュエータ５５０では、ロータ５５６が４５度の範囲で回動することが可能である。なお、この環状アクチュエータ５５０は、本発明によるアクチュエータ機構を２つ備えているので、高いトルクを発生させることができる。従って、高いトルクを必要とする駆動装置として適用可能である。

図２４は、本発明の実施例によるアクチュエータの第６の適用例としての電磁サスペンションを示す説明図である。この電磁サスペンション５６０は、磁石部２１０が固定されたサスペンション本体５６２と、磁石部２１０に対向する位置において支持部材５６４に固定された電磁コイル部１１０と、下端リミッタ５６６とを備えている。電磁コイル部１１０には、位置センサ１２０が設けられている。このアクチュエータは、図１７に示したアクチュエータ機構を利用したものである。すなわち、電磁コイル部１１０と磁石部２１０の反発力と吸引力を利用することによって、サスペンションの力と位置を調整し、上向きと下向きの振動応力を吸収することが可能である。

F．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

F１．変形例１：
上述した各種の実施例では、位置を制御量としていたが、位置以外の種々のものを制御として利用することができる。例えば、光量（例えば照明光学系の開口絞りを調節するアクチュエータの場合）や、流量や流速（流量調整弁用のアクチュエータの場合）などを制御量としてもよい。これらの制御量も、アクチュエータの位置に応じて変わるので、アクチュエータの位置に関連しているものと考えることができる。また、一般に、制御量を直接的又は間接的に測定するためのセンサを設けることが好ましい。

F２．変形例２：
上記実施例では、制御量（位置）の偏差が負値、ゼロ、正値のいずれであるかに応じて、基準電流値を正値、ゼロ、負値の３つの値のうちのいずれかに設定していたが、この代わりに、制御量の偏差の符号に応じて基準電流値を所定の正値又は負値のいずれかに設定してもよい。この場合には、制御量の偏差がゼロのときに、基準電流値は正値と負値のうちの予め選択された一方に設定される。

F３．変形例３：
上記実施例で使用した各種のアクチュエータ機構の構成や制御装置の構成は例示であり、これら以外の種々の構成を採用することが可能である。

第１実施例のアクチュエータ機構の構成を示す側面図である。 アクチュエータ機構の平面図である。 磁石部の磁束分布と電磁力の発生の様子を示す説明図である。 第１実施例のアクチュエータにおける位置制御時の電流変化の様子を示す説明図である。 第１実施例のアクチュエータ用の制御装置のブロック図である。 第１実施例の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。 電流値決定部の内部構成を示すブロック図である。 駆動信号生成部の内部構成を示すブロック図である。 駆動回路部の内部構成を示す説明図である。 第２実施例における電流値決定部の内部構成を示すブロック図である。 第２実施例の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。 電流値テーブルの内容を示すグラフである。 第３実施例における制御装置の構成を示すブロック図である。 第３実施例の制御装置の動作を示すタイミングチャートである。 極性緩和部の内部構成を示すブロック図である。 アクチュエータ機構の他の実施例を示す説明図である。 アクチュエータ機構のさらに他の実施例を示す説明図である。 アクチュエータ機構の他の実施例を示す説明図である。 本発明の実施例によるアクチュエータの第１の適用例を示す説明図である。 本発明の実施例によるアクチュエータの第２の適用例を示す説明図である。 本発明の実施例によるアクチュエータの第３の適用例を示す説明図である。 本発明の実施例によるアクチュエータの第４の適用例を示す説明図である。 本発明の実施例によるアクチュエータの第５の適用例を示す説明図である。 本発明の実施例によるアクチュエータの第６の適用例を示す説明図である。

符号の説明

１００…アクチュエータ機構
１１０…電磁コイル部
１１１，１１２…電磁コイル
１２０…位置センサ
１３０…エンコーダ
２１０…磁石部
２１１，２１２…棒状磁石
２２０…摺動部材
２２４…棒状磁石
２３０…支持部材
４００…制御装置
４１０…ＣＰＵ
４２０…Ａ−Ｄ変換器
４３０…位置指令記憶部
４４０…位置比較部
４５０…電流値決定部
４５２…３値判定部
４５４〜４５６…レジスタ
４６０…駆動信号生成部
４６１…正負判定部
４６２…絶対値取得部
４６３…カウンタ
４６４…極性選択部
４６５…比較部
４７０…駆動回路部
４７２…レベルシフタ回路
４７４…Ｈブリッジ回路
４８０…制御信号発生部
４９０…ＰＬＬ回路
５１０…羽根部材駆動機構
５１２…中心軸
５１４…羽根部材
５２０…レバー駆動機構
５２２…中心軸
５２４…レバー
５２６，５２８…ギア
５３０…突起部材駆動機構
５３２…中心軸
５３４…突起部材
５３６…直線状リンク
５３８…リンク保持部材
５４２…駆動対象部材
５４６…直線状リンク
５４８…リンク保持部材
５５０…環状アクチュエータ
５５２…ケース
５５４…回動軸
５５６…ロータ
５６０…電磁サスペンション
５６２…サスペンション本体
５６４…支持部材
５６６…下端リミッタ
６００…偏差限界値記憶部
６０２…３値判定部
６０４…電流値テーブル
６０６…カウンタ
６０８…係数発生部
６１０…乗算器
６１２…積分器（累算器）
６２０…極性緩和部
６２２…アップダウン連続判定部
６２４…カウンタ
６２６…緩和係数テーブル
６２８…乗算器

Claims (5)

1. 電磁駆動力を利用したアクチュエータであって、
   磁石と電磁コイルとを有し、前記磁石と電磁コイルとの間の相対的な位置制御が可能な電磁アクチュエータ機構と、
   前記電磁アクチュエータ機構を制御する制御装置と、
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記電磁アクチュエータ機構の位置に関連する制御量の偏差が負値の場合に基準電流値を正値に決定し、前記偏差がゼロの場合に前記基準電流値をゼロに決定し、前記偏差が正値の場合に前記基準電流値を負値に決定する基準電流値決定部と、
   前記電磁コイルを駆動する駆動部と、
   を有し、
   前記制御装置は、更に、
   前記偏差の正負の符号が入れ替わるまでの同一符号の偏差の連続発生数をカウントするカウンタと、
   前記同一符号の偏差の連続発生数に応じて第１の補正係数を発生する第１補正係数発生部と、
   前記基準電流値と前記第１の補正係数とを乗じて累算する累算部と、
   を有し、
   前記第１の補正係数は前記同一符号の偏差の連続発生数が値Ｍ１の際の係数Ｐ１とそれより大きい値Ｍ２の際の係数Ｐ２を比較すると係数Ｐ１＞係数Ｐ２であり、
   前記駆動部は、前記累算部で得られた累算値に相当する電流値に基づいて前記電磁コイルを駆動することを特徴とするアクチュエータ。
2. 請求項１記載のアクチュエータであって、
   前記制御装置は、
   前記同一符号の偏差の連続発生数に応じて第２の補正係数を発生する第２補正係数発生部と、
   前記累算値に前記第２の補正係数を乗算する乗算部と、
   を有し、
   前記第２の補正係数は前記同一符号の偏差の連続発生数が値Ｎ１の際の係数Ｑ１とそれより大きい値Ｎ２の際の係数Ｑ２を比較すると係数Ｑ２＞係数Ｑ１であり、
   前記駆動部は、前記乗算部で得られた乗算値に相当する電流値で前記電磁コイルを駆動することを特徴とするアクチュエータ。
3. 請求項１又は２に記載のアクチュエータであって、
   前記アクチュエータ機構は、前記磁石と前記電磁コイルとのうちの所定の一方を含む可動部に接しているとともに前記可動部に対して摩擦力を与える摩擦力印加部材を有し、
   前記可動部は前記摩擦力印加部材上を摺動することを特徴とするアクチュエータ。
4. 請求項１又は２に記載のアクチュエータであって、
   前記アクチュエータ機構は、前記磁石と前記電磁コイルとのうちの所定の一方を含む可動部に接しているとともに前記可動部に対して前記可動部の移動方向と垂直な方向の振動を緩和する振動緩和部材を有し、
   前記可動部は前記振動緩和部材上を摺動することを特徴とするアクチュエータ。
5. 請求項１又は２に記載のアクチュエータであって、
   前記制御装置は、前記電磁コイルの電流値を決定するデジタル回路を含むことを特徴とするアクチュエータ。

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