JP5422789B2 - Mems微小構造体駆動制御方法と制御装置 - Google Patents

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この発明は電磁気力、圧電力、静電力等で駆動するMEMS微小構造体において固有の機械共振特性を持つ構造体の駆動時の運動から機械共振による応答を除去する制御方法と制御装置に関するものである。
MEMS微小構造体駆動において駆動信号から構造体の機械共振周波数領域の応答特性をフィルタリング技術により減衰させ構造体の共振を抑制している。
ベッセルフィルタは周波数に対して位相回転が比例関係を保つように設計されておりオーバーシュートやリンギング等波形の変形はできるだけ抑えることができる。
しかし、駆動信号がアンプやフィルタなどの電子回路を通過する際に必ず時間遅れまたは位相回転を生じるため駆動信号波形が鈍り、さらにノイズ成分が増加する。

特願2008−17668、提出日2008年7月7日、提出者 歸山敏之、発明の名称「電磁気駆動型MEMS微小構造体駆動制御方法と制御装置」
MEMS(Micro Electro Mechanical System)、又はMOEMS(Micro Opto−Electro Mechanical System)応用装置はMEMS、又はMOEMS素子の電気機械光学効果をその機能の基とし構成される。
MEMS、又はMOEMS素子の機能単位の大きさは数ミクロンから数ミリの範囲にわたる。電磁気力、圧電力、静電力等で駆動する微小な構造体はその質量、形状、構造に起因する固有の機械共振特性を有する。
微小な構造体の機械共振特性を利用すれば少ないエネルギーで大きな機械振動運動が可能であり、機械共振現象を積極的に利用する応用では好都合である。
しかし機械共振現象を回避しなければならない応用では僅かのエネルギーで機械共振現象が誘起され応用上の不具合を生じる。
微小構造体に機械共振が誘起されるとその構造体の運動は駆動信号により制御されるべき運動から外れその位置を正確に定めることができなくなる。
固有の機械共振特性をもつ微小構造体の駆動波を構成する周波数スペクトルをその微小構造体の機械共振スペクトルの逆特性で重み付け処理し、該駆動波で微小構造体を駆動する。
且つ、微小構造体の実動作から実動作信号を検出し、実動作信号から機械共振信号成分を同定・抽出し、前述の該駆動波信号へ帰還し新たな駆動波とし微小構造体を駆動することにより残留する機械共振にリアルタイムに制動をかけ微小構造体に対し駆動特性を制御する。
固有の機械共振特性をもつ微小構造体の駆動波を構成する周波数スペクトルをその微小構造体の機械共振スペクトルの逆特性で重み付ける処理において該構造体の駆動波を構成する各周波数スペクトル成分の振幅・位相は各々独立に設定する。
駆動信号がアンプやフィルタなどの電子回路を通過する際に生じる時間遅れまたは位相回転の結果生じる駆動信号波形の鈍り、ノイズ成分の増加の問題を回避できる。
該駆動信号により微小構造体を駆動した時、無視できない共振運動が微小構造体の実動作に残存する場合に、時々刻々変化する微小構造体の実動作信号から残留共振応答による成分を同定・抽出し該成分を駆動信号に負帰還し得られる新たな駆動信号により微小構造体を駆動しリアルタイムに残留共振応答に制動をかけ該応答を常に最小化できる。
本発明は微小構造体を駆動制御する方法と装置に関し電磁気力、圧電気力、静電気力などの駆動力を与える手段に特定されることなく普遍的に適用が可能なものでありその効果が得られるものである。
図1に電磁気力により駆動力を得る電磁気駆動型MEMS微小構造体例に本発明を説明する。板状の微小構造体1の周囲に電流を流すコイル2を形成し、該構造体を薄く軟らかいヒンジ4a,4bにより支持柱3a,3bの間に吊り、コイルの支持軸に対し直角の方向から平行磁界5を印加する。
該微小構造体1のコイル2に電流6を流すとフレミングの左手の法則から電流と磁界の両者に対して垂直の方向に力7a,7bが作用し該構造体1はこの力による回転力とヒンジの捩れによる復元力8a,8bが釣り合う角度9に傾斜する。
図2に該微小構造体1のコイル2に電流6を流し該微小構造体1を駆動する波形の実施例として繰り返し周波数f(周期f分の1秒)ののこぎり波10aと該のこぎり波10aをフーリエ級数展開して得られる周波数特性スペクトル10bを示す。
のこぎり波10aをフーリエ級数展開して得られる周波数特性スペクトル10bは振幅A1、周波数fのサイン波、振幅A2、周波数2fのサイン波、・・・振幅An、周波数nfのサイン波、・・・と基本周波数fのサイン波から始まり離散的サイン波成分が周波数間隔fで高周波数側に分布し構成される。
図3に該のこぎり波10aをフーリエ級数展開して得られる周波数特性スペクトル10bと同じ離散的サイン波スペクトルでサンプリング表示される機械共振周波数特性11aをもつ該微小構造体1をのこぎり波10aで駆動した結果の周波数特性スペクトル12aと、機械共振による過度の振動が時間軸上の応答特性12bに現れる例を示す。
このような機械共振による過度の振動を打ち消す駆動方法を以下に説明する。
図4に、微小面構造体1の駆動動作を繰り返し周波数fののこぎり波10aを実施例とし、のこぎり波10aをフーリエ級数展開して得られる周波数特性スペクトル10bと同じ離散的サイン波スペクトルでサンプリングした該構造体1の機械共振周波数特性11aの逆特性13で該のこぎり波の周波数特性スペクトル10bに重み付け処理を施した周波数特性14bの時間軸上での波形14aで該構造体1を駆動することによりその機械共振特性を打ち消し該構造体1に対し共振による過度の振動応答のない時間軸上での駆動動作特性10eとその周波数軸上での駆動動作特性10fを得る第一の本発明内容を示す。
微小構造体1への繰り返し駆動を直線成分で構成されるのこぎり波を例にとり説明しているが曲線成分も含む任意の繰り返し駆動波形について本発明内容は適応される。
微小構造体の機械共振周波数特性11aの中に1次機械共振周波数スペクトル11bと2次機械共振周波数スペクトル11cが存在する例を示したが、該共振周波数スペクトル帯域幅は通常狭くこの帯域に含まれる離散的サイン波成分は数個の程度である。
微小構造体固有の共振周波数特性を駆動波の周波数間隔で飛び飛びに存在する数個のサイン波でサンプリングする際にサンプリング誤差が入り込む。
一方、微小構造体製造時の不均一性により微小構造体の共振特性にばらつきを生じる、温度、湿度等の動作環境条件により該共振特性は影響を受ける、また構造体の材料特性の経時変化によっても該共振特性が変動する等は典型的共振特性からのずれを引き起こす要因となる。
よって固有の機械共振特性をもつ微小構造体の駆動波を構成する周波数スペクトルをその微小構造体の機械共振スペクトルの逆特性で一義的に重み付け処理した駆動波で過度の共振を打ち消す駆動を行った後にも、微小構造体の実動作の中に残留共振成分が存在することとなる。
この残留共振成分を減衰させるため微小構造体の実動作から得られる信号から該残留共振成分を同定・抽出し該残留共振成分を駆動信号に負帰還しこの残留共振をリアルタイムに制動する方法は効果的であり該方法を以下に説明する。
図1の微小構造体実施例では駆動電流6を流した長方形コイルを平等磁界中に置くとフレミング左手の法則によりコイルと磁界の間に作用する力により長方形コイルは回転運動し、同時にコイルと鎖交する磁束が変化することによりフレミング右手の法則によりコイル導体には磁束変化を妨げるよう逆起電力10c、10dを発生する。
微小構造体の実動作からこの逆起電力10c、10dを検出し実動作信号とすることができる。また、圧電力、静電力等の駆動手段で駆動される微小構造体に対してもその実動作から応力変化、容量変化、光偏向角変化等から実動作信号を得る手段は存在するがそれらの詳細を述べることは本発明の範囲ではない。
図5に時々刻々変化する微小構造体の実動作信号と源駆動波信号から残留共振応答による成分を同定・抽出し該成分を駆動信号に負帰還し得られる新たな駆動信号により微小構造体を駆動しリアルタイムに残留共振応答に制動をかける第二の本発明内容を示す。
システムのタイミングは同期信号15を基とし、源駆動波またはその情報生成器16から源駆動波またはその情報17を機械共振周波数特性の逆特性重み付け駆動波生成器18に供給し該駆動波生成器18は機械共振周波数特性の逆特性重み付け駆動波19を生成する。
機械共振周波数特性の逆特性重み付け駆動波19は減算器20で後述の残留共振成分27の負帰還を合成し微小構造体駆動信号28を生成し、該駆動信号は電力増幅器21で電流電力を増幅し微小構造体22を駆動する。
微小構造体22の実動作をプローブ23で検知し実動作信号検出器24で実動作信号を検出し、該検出器24は実動作信号25を生成し、該信号25を残留共振成分抽出器26に送る。
残留共振成分抽出器26は源駆動波またはその情報17と実動作信号25から残留共振成分を同定・抽出し残留共振信号27を生成し、該信号27を減算器20に送り機械共振周波数特性の逆特性重み付け駆動波19に負帰還合成し微小構造体駆動信号28を生成する。
図6に実動作信号から残留共振成分を同定・抽出する方法を示す。
残留共振信号を含む実動作信号25を残留共振成分抽出器26に送り、第一時間微分器29で時間微分処理を施し信号30を出力し、さらに該信号30は第二時間微分器31で二回目の時間微分処理を施し信号32を出力する。
サイン波を二回時間微分すると元のサイン波にその角周波数の二乗に負号をつけた結果33となるので、残留共振成分は残留共振信号を含む実動作信号25を二回時間微分し同定することができる。
周波数fの源駆動波を緩やかな曲線成分を持って構成する場合や駆動波と微小構造体の実動作との間や微小構造体の実動作と実動作信号25との間に非線形性が存在する場合には、実動作信号25の二回時間微分結果はゼロにはならずこれ等残留共振成分以外からの寄与も二回時間微分結果に含まれてくる。
しかし、これ等残留共振成分以外の成分周波数は一般的には残留共振周波数の数分の一以下であり、二回時間微分の後では残留共振成分以外からの成分寄与は残留共振成分による寄与の数十分の一レベルに減少する。
微分処理により増幅される不要高周波雑音は位相補償等の回路技術により高周波利得を下げその影響を低減する。
よって実動作信号25を二回時間微分する処理により残留共振成分は効果的に同定・抽出することができる。
二回時間微分後の信号32を出力制御器34に送りその振幅、位相を調整し、高周波雑音を除去し、出力ゲートタイミングを制御し残留共振信号27を出力する。
一連の処理に於いて各処理ブロックの駆動波17、19、25、27、28、30、32上の時間進行タイミング(位相)は同期信号15を基準としずれが生じないようシステムを構築する。
図7に微小構造体の共振を制御し駆動する手段の具体的実施例1を示す。
繰り返し周波数fの源駆動波に対し微小構造体の機械共振周波数スペクトル帯域に含まれる離散的サイン波成分に対し機械共振周波数特性の逆特性で重み付けを行ない新たな駆動信号を生成する。
同期信号発生器35から同期信号15を参照し駆動波生成器36から微小構造体を駆動する繰り返し周波数f、振幅A、位相Pの駆動波10aを出力する。
微小構造体を駆動する繰り返し周波数f、振幅A、位相Pの駆動波10aの周波数スペクトルは一義的に定まり、また微小構造体の機械共振周波数スペクトルは微小構造体固有のものであるから、機械共振周波数特性の逆特性で重み付け処理した周波数特性14bを実現するための機械共振打ち消し離散的サイン波の周波数、振幅、位相データは事前に計算しメモリ37に書き込む。
例えば機械共振打ち消し離散的サイン波を3波とした場合、それらの周波数、振幅、位相データをメモリ37からサイン波生成器コントローラ38に読み込み、該コントローラ38は機械共振打ち消しサイン波生成器39、41、43を各々周波数(N−1)f・振幅AN−1・位相P、周波数Nf・振幅AN・位相P、周波数(N+1)f・振幅AN+1・位相P(N:整数)に設定し、該生成器39、41、43から周波数、振幅、位相の制御されたサイン波40、42、44を出力する。
該サイン波40、42、44は加算器47で加算し機械共振打ち消し補正信号48を生成し該補正信号48を減算器49に入力し駆動波信号10aから引き算され新たな駆動信号14aを生成する。
該駆動信号14aを電力増幅器21で増幅し微小構造体22を駆動する。
図8に微小構造体の共振を制御し駆動する手段の具体的実施例2を示す。
繰り返し周波数fの源駆動波に対し微小構造体の機械共振周波数特性の逆特性で重み付け処理した周波数特性の周波数fの駆動波をm個のサイン波から合成し新たな駆動信号を生成する。
微小構造体の駆動波14aを実現するm個の離散的サイン波の周波数、振幅、位相データを事前に計算しメモリ37に書き込み、サイン波生成器コントローラ38でサイン波生成器50、52、54、・・・60、・・・70の周波数、振幅、位相を設定する。
同期信号発生器35から同期信号15をm個のサイン波生成器50、52、54、・・・60、・・・70に送り、各サイン波生成器は駆動波周波数スペクトル14bを構成する周波数、振幅、位相の制御された離散的サイン波成分51、53、55、・・・61、・・・71を生成し、該離散的サイン波成分51、53、55、・・・61、・・・71を加算演算器72に送りすべて加算し周波数fの駆動波14aを生成する。
周波数fの駆動波14aを電力増幅器21で増幅し微小構造体22を駆動する。
図9に微小構造体の共振を制御し駆動する手段の具体的実施例3を示す。
繰り返し周波数fの源駆動波の周波数特性に対し微小構造体の機械共振周波数特性の逆特性で重み付け処理し得た周波数特性を構成するすべてのサイン波スペクトルの振幅を位相、または時間軸上で加算合成した結果を時系列に並ぶデジタルデータとしてメモリに蓄積し、該デジタルデータを逐次メモリーから読み出しデジタルからアナログに変換し微小構造体駆動波を直接生成する。
事前に微小構造体の機械共振周波数特性の逆特性13で重み付け処理した周波数特性14bの周波数fの駆動波14aの時間軸上の逐次変化をアナログ量からデジタル量にAD変換しメモリ37に書き込む。
同期信号発生器35から同期信号15をコントローラ73に送り、コントローラ73はメモリ37とDA変換器74をコントロールし、メモリ37から読み出したデータをDA変換器74に送りDA変換し周波数fの駆動波14aを出力する。
周波数fの駆動波14aを電力増幅器21で増幅し微小構造体22を駆動する。
図10に微小構造体の共振を制御しかつ時々刻々変化する残留共振をリアルタイムに制動し微小構造体を駆動する手段の具体的実施例4を示す。
繰り返し周波数fの源駆動波に対し微小構造体の機械共振周波数スペクトル帯域に含まれる離散的サイン波成分に対し機械共振周波数特性の逆特性で重み付け処理し、該重み付けた駆動信号に減算器20で構造体の実動作信号から抽出した残留共振信号を負帰還し微小構造体22を駆動する。
図11に微小構造体の共振を制御しかつリアルタイムに共振を制動し微小構造体を駆動する手段の具体的実施例5を示す。
繰り返し周波数fの源駆動波に対し微小構造体の機械共振周波数特性の逆特性で重み付け処理した周波数fの駆動波をm個のサイン波から合成し、重み付けた駆動信号に構造体の実動作信号から抽出した残留共振信号を減算器20で負帰還し微小構造体22を駆動する。
図12に微小構造体の共振を制御しかつリアルタイムに共振を制動し微小構造体を駆動する手段の具体的実施例6を示す。
繰り返し周波数fの源駆動波の周波数特性に対し微小構造体の機械共振周波数特性の逆特性で重み付け処理し得た周波数特性を構成するすべてのサイン波スペクトルの振幅を位相または時間軸上で加算合成した結果を時系列に並ぶデジタルデータとしてメモリに蓄積し、該デジタルデータを逐次メモリーから読み出しデジタルからアナログに変換し、該駆動信号に構造体の実動作信号から抽出した残留共振信号を減算器20で負帰還し微小構造体22を駆動する。
MEMS微小構造体に光を反射するミラー特性を与えて構成し、微小構造体から共振振動を取り除く本発明の駆動制御方法を適用する装置は、プロジェクションディスプレイ機器、画像センサ機器、通信機器を始めとした光応用機器に利用される。
MEMS電磁気駆動型微小構造体の実施例 微小構造体の駆動波とその周波数特性スペクトルの例 微小構造体共振特性の駆動特性への影響 微小構造体の共振特性を制御し該構造体を駆動する発明1 微小構造体の残留共振成分を抽出し共振にリアルタイムに制動をかける発明2 微小構造体の実動作信号から残留共振成分を同定・抽出する方法 微小構造体の機械共振を制御し駆動する手段の具体的実施例1 微小構造体の機械共振を制御し駆動する手段の具体的実施例2 微小構造体の機械共振を制御し駆動する手段の具体的実施例3 微小構造体の機械共振を制御しかつリアルタイムに共振を制動し駆動する手段の具体的実施例4 微小構造体の機械共振を制御しかつリアルタイムに共振を制動し駆動する手段の具体的実施例5 微小構造体の機械共振を制御しかつリアルタイムに共振を制動し駆動する手段の具体的実施例6
1 板状の微小構造体
2 板状の微小構造体の周囲に形成されたコイル
3a 微小構造体を吊る支持柱
3b 微小構造体を吊る支持柱
4a 微小構造体を吊るヒンジ
4b 微小構造体を吊るヒンジ
5 微小構造体に印加する平行磁界
6 コイルに流す駆動電流
7a 電流と磁界に対し垂直の方向に働く力
7b 電流と磁界に対し垂直の方向に働く力
8a ヒンジの捩れによる復元力
8b ヒンジの捩れによる復元力
9 微小構造体と平行磁界のなす角度
10a 繰り返し周波数fののこぎり波
10b 繰り返し周波数fののこぎり波の周波数特性スペクトル
10c コイル導体に磁束変化を妨げるよう発生する逆起電力
10d コイル導体には磁束変化を妨げるよう発生する逆起電力
10e 時間軸上での駆動動作特性
10f 周波数軸上での駆動動作特性
11a 微小構造体の機械共振周波数特性
11b 微小構造体の一次機械共振周波数スペクトル
11c 微小構造体の二次機械共振周波数スペクトル
12a 機械共振特性を有する微小構造体をのこぎり波で駆動した場合の周波数特性スペクトル
12b 機械共振による過度の振動が現れる時間軸上の応答特性
13 微小構造体の機械共振周波数特性の逆特性
14a 微小構造体の機械共振特性の逆特性で重み付け処理したのこぎり波の時間軸の特性
14b 微小構造体の機械共振特性の逆特性で重み付け処理したのこぎり波の周波数特性
15 同期信号
16 源駆動波またはその情報生成器
17 源駆動波またはその情報
18 機械共振周波数特性の逆特性重み付け駆動波生成器
19 機械共振周波数特性の逆特性重み付け駆動波
20 減算器
21 電力増幅器
22 微小構造体
23 プローブ
24 実動作信号検出器
25 実動作信号
26 残留共振成分抽出器
27 残留共振成分
28 微小構造体駆動信号
29 第一時間微分器
30 一回時間微分処理を施した信号
31 第二時間微分器
32 二回時間微分処理を施した信号
33 サイン波の二回時間微分結果
34 出力制御器
35 同期信号発生器
36 駆動波生成器
37 メモリ
38 サイン波生成器コントローラ
39 サイン波生成器
40 周波数、振幅、位相の制御されたサイン波
41 サイン波生成器
42 周波数、振幅、位相の制御されたサイン波
43 サイン波生成器
44 周波数、振幅、位相の制御されたサイン波
47 加算器
48 機械共振打ち消し補正信号
49 減算器
50 サイン波生成器
51 周波数、振幅、位相の制御された離散的サイン波成分
52 サイン波生成器
53 周波数、振幅、位相の制御された離散的サイン波成分
54 サイン波生成器
55 周波数、振幅、位相の制御された離散的サイン波成分
60 サイン波生成器
61 周波数、振幅、位相の制御された離散的サイン波成分
70 サイン波生成器
71 周波数、振幅、位相の制御された離散的サイン波成分
72 加算演算器
73 コントローラ
74 DA変換器

Claims (6)

  1. 源駆動波を構成する離散的サイン波周波数成分によりサンプリングしたMEMS微小構造体の機械共振を打消す複数の離散的サイン波成分を前記源駆動波に時間領域において減算合成し生成した駆動信号に、前記MEMS微小構造体の実動作から検出した前記MEMS微小構造体の実動作信号を二回時間微分して得られる成分をリアルタイムに負帰還して得られる駆動波により前記MEMS微小構造体を駆動し、前記MEMS微小構造体の実動作を前記源駆動波の波形に駆動制御することを特徴とするMEMS微小構造体の駆動制御方法
  2. 源駆動波をMEMS微小構造体の機械共振周波数特性の逆特性で重み付け処理した駆動波を構成するすべての離散的サイン波周波数成分を時間領域において加算合成し生成した駆動信号に、前記MEMS微小構造体の実動作から検出した前記MEMS微小構造体の実動作信号を二回時間微分して得られる成分をリアルタイムに負帰還して得られる駆動波によって前記MEMS微小構造体を駆動し、前記MEMS微小構造体の実動作を前記源駆動波の波形に駆動制御することを特徴とするMEMS微小構造体の駆動制御方法
  3. 源駆動波をMEMS微小構造体の機械共振周波数特性の逆特性で重み付け処理した駆動波を構成するすべての離散的サイン波周波数成分を時間領域において加算合成し得られるデジタルデータを蓄積したメモリから該デジタルデータを時系列に読み出しデジタルからアナログに変換し生成した駆動信号に、前記MEMS微小構造体の実動作から検出した前記MEMS微小構造体の実動作信号を二回時間微分して得られる成分をリアルタイムに負帰還して得られる駆動波によって前記MEMS微小構造体を駆動し、前記MEMS微小構造体の実動作を前記源駆動波の波形に駆動制御することを特徴とするMEMS微小構造体の駆動制御方法
  4. 源駆動波を構成する離散的サイン波周波数成分によりサンプリングしたMEMS微小構造体の機械共振を打消す複数の離散的サイン波成分を前記源駆動波に時間領域において減算合成し駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、前記駆動信号生成回路から生成される前記駆動信号に前記MEMS微小構造体の実動作から検出した前記MEMS微小構造体の実動作信号を二回時間微分して得られる成分をリアルタイムに負帰還して得られる駆動波によって前記MEMS微小構造体を駆動する負帰還回路を有することを特徴とするMEMS微小構造体の駆動制御装置
  5. 源駆動波をMEMS微小構造体の機械共振周波数特性の逆特性で重み付け処理した駆動波を構成するすべての離散的サイン波周波数成分を時間領域において加算合成し駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、前記駆動信号生成回路から生成される前記駆動信号に前記MEMS微小構造体の実動作から検出した前記MEMS微小構造体の実動作信号を二回時間微分して得られる成分をリアルタイムに負帰還して得られる駆動波によって前記MEMS微小構造体を駆動する負帰還回路を有することを特徴とするMEMS微小構造体の駆動制御装置
  6. 源駆動波をMEMS微小構造体の機械共振周波数特性の逆特性で重み付け処理した駆動波を構成するすべての離散的サイン波周波数成分を時間領域において加算合成したデジタルデータを蓄積したメモリから該デジタルデータを時系列に読み出しデジタルからアナログに変換し駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、前記駆動信号生成回路が生成した前記駆動信号に前記MEMS微小構造体の実動作から検出した前記MEMS微小構造体の実動作信号を二回時間微分して得られる成分をリアルタイムに負帰還して得られる駆動波によって前記MEMS微小構造体を駆動する駆動波を生成する負帰還回路を有することを特徴とするMEMS微小構造体の駆動制御装置
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