JP5428269B2 - 高分子アクチュエータ制御装置その方法、および電子機器 - Google Patents
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Description
本発明は、高分子アクチュエータの変位を制御する高分子アクチュエータ制御装置その方法、およびそれを有する電子機器に関するものである。
高分子アクチュエータは、高分子材料あるいは高分子材料の複合体により生成される。高分子アクチュエータは、その動力源のエネルギーを材料自身の変形エネルギーに変換して変形するアクチュエータである。主な動力源は、電気エネルギーである。
このような高分子アクチュエータは、種々の電子機器に適用することが可能である。特許文献１には、高分子アクチュエータを適用した光学装置が提案されている。
図１は、高分子アクチュエータの機能原理を説明するための図である
高分子アクチュエータ１は、一端部が固定され、他端部側が自由端となっている。
高分子アクチュエータ１は、高分子部としての含水したイオン交換膜２、およびイオン交換膜２の長手方向の両側部に配置された電極３，４を有する。
高分子アクチュエータ１は、高分子部としての含水したイオン交換膜２、およびイオン交換膜２の長手方向の両側部に配置された電極３，４を有する。
図１に示すように、電圧をかけると屈曲する高分子アクチュエータ１を使おうとする場合、両電極３，４に電圧あるいは電流を印加して屈曲させる。
特開２００６-２９３００８号公報
ところが、高分子アクチュエータ１への印加電圧値あるいは電流値と変位の関係は複雑である。
高分子アクチュエータ１は、定電圧を印加しても時間とともに変位が変わり、電圧印加を停止するとその変位は基本的には変位が保持されるが若干の戻りがある。
また、高分子アクチュエータ１は、時間経過とともに徐々にこの変位も変わったり、両極端子を短絡しても変位がすぐにゼロになるわけではない。
高分子アクチュエータ１は、定電圧を印加しても時間とともに変位が変わり、電圧印加を停止するとその変位は基本的には変位が保持されるが若干の戻りがある。
また、高分子アクチュエータ１は、時間経過とともに徐々にこの変位も変わったり、両極端子を短絡しても変位がすぐにゼロになるわけではない。
図２は、一般的な高分子アクチュエータ制御装置の構成例を示す図である。
図２の高分子アクチュエータ制御装置１０は、電極３，４への電圧印加を制御するアクチュエータ駆動回路５、および高分子アクチュエータ１の自由端側に取り付けられた可動部６を有する。
図２の高分子アクチュエータ制御装置１０は、電極３，４への電圧印加を制御するアクチュエータ駆動回路５、および高分子アクチュエータ１の自由端側に取り付けられた可動部６を有する。
しかし、この高分子アクチュエータ制御装置１０は、以下の不利益がある。
今現在高分子アクチュエータ１がどの程度曲がっているのか、あるいはまっすぐなのかを知る方法がない。
ある一定以上むりに変位させたりすると高分子アクチュエータ１に悪影響を与えるおそれがあるが、現在の曲がり具合を知る方法がないため安全な範囲なのかそうでないのか分からない。
また、変位を望む位置で保持する方法がない。
今現在高分子アクチュエータ１がどの程度曲がっているのか、あるいはまっすぐなのかを知る方法がない。
ある一定以上むりに変位させたりすると高分子アクチュエータ１に悪影響を与えるおそれがあるが、現在の曲がり具合を知る方法がないため安全な範囲なのかそうでないのか分からない。
また、変位を望む位置で保持する方法がない。
正確に変位を制御しようとすると図３のように可動部６に磁石７を配置し近傍にホール素子からなる位置センサ８を設け、その出力から現在の高分子アクチュエータ１の状態を知り、その状態をみながら印加電圧、電流を制御して位置の制御を行うという技術もある。
しかし、この場合の問題は位置センサとしての磁石、ホール素子などの分のコストが上昇する。
磁石あるいはホール素子を可動部に装着する必要があるため、重くなり高分子アクチュエータで駆動させるのに不利になる。
磁石、ホール素子の分、サイズが大きくなり小型アクチュエータとして不利になる。
磁石を用いることにより周りに対して磁界の影響を考慮する必要がでてくる。
磁石あるいはホール素子を可動部に装着する必要があるため、重くなり高分子アクチュエータで駆動させるのに不利になる。
磁石、ホール素子の分、サイズが大きくなり小型アクチュエータとして不利になる。
磁石を用いることにより周りに対して磁界の影響を考慮する必要がでてくる。
本発明は、位置センサ等を用いることなく、現在のアクチュエータの状態を知ることが可能で、変位を一定に保持することが可能な高分子アクチュエータ制御装置その方法、および電子機器を提供することにある。
本発明の第１の観点の高分子アクチュエータ制御装置は、高分子部に電気エネルギーを印加するための第１電極および第２電極を有し、印加される電気エネルギーに応じて変位する高分子アクチュエータと、上記高分子アクチュエータの上記第１電極と上記第２電極の端子間に発生する電位差を読み取る電位差読み取り部と、上記高分子アクチュエータを駆動する駆動時に、上記高分子アクチュエータの上記第１電極および上記第２電極に電気エネルギーを印加して当該高分子アクチュエータを駆動する高分子アクチュエータドライバ回路と、を有し、上記高分子アクチュエータドライバ回路および上記電位差読み取り部は、クローズドループを形成し、上記電位差読み取り部は、上記高分子アクチュエータドライバ回路により上記高分子アクチュエータの上記第１電極および上記第２電極に電気エネルギーが印加されない非駆動時における、上記高分子アクチュエータの上記第１電極と上記第２電極の端子間の電位差を読み取り、上記高分子アクチュエータドライバ回路は、上記電位差読み取り部で読み取られた電位値を、目標電位値に保持するように駆動時に上記高分子アクチュエータに印加する上記電気エネルギーを変化させる。
本発明の第２の観点の高分子アクチュエータ制御方法は、高分子アクチュエータを駆動する駆動時に、上記高分子アクチュエータの高分子部に電気エネルギーを印加するための第１電極および第２電極に電気エネルギーを印加するステップと、上記高分子アクチュエータドライバ回路により上記高分子アクチュエータの上記第１電極および上記第２電極に電気エネルギーが印加されない非駆動時における、上記高分子アクチュエータの上記第１電極と上記第２電極の端子間の電位差を読み取るステップと、上記読み取られた電位値を、目標電位値に保持するように駆動時に上記高分子アクチュエータに印加する上記電気エネルギーを変化させるステップとを有する。
本発明の第３の観点の電子機器は、移動制御対象部と、上記移動制御対象部の移動を高分子アクチュエータの変位で駆動制御する高分子アクチュエータ制御装置と、を有し、上記高分子アクチュエータ制御装置は、高分子部に電気エネルギーを印加するための第１電極および第２電極を有し、印加される電気エネルギーに応じて変位する高分子アクチュエータと、上記高分子アクチュエータの上記第１電極と上記第２電極の端子間に発生する電位差を読み取る電位差読み取り部と、上記高分子アクチュエータを駆動する駆動時に、上記高分子アクチュエータの上記第１電極および上記第２電極に電気エネルギーを印加して当該高分子アクチュエータを駆動する高分子アクチュエータドライバ回路と、を有し、上記高分子アクチュエータドライバ回路および上記電位差読み取り部は、クローズドループを形成し、上記電位差読み取り部は、上記高分子アクチュエータドライバ回路により上記高分子アクチュエータの上記第１電極および上記第２電極に電気エネルギーが印加されない非駆動時における、上記高分子アクチュエータの上記第１電極と上記第２電極の端子間の電位差を読み取り、上記高分子アクチュエータドライバ回路は、上記電位差読み取り部で読み取られた電位値を、目標電位値に保持するように駆動時に上記高分子アクチュエータに印加する上記電気エネルギーを変化させる。
本発明によれば、高分子アクチュエータドライバ回路により、高分子アクチュエータの高分子部に電気エネルギーを印加するための第１電極および第２電極に電気エネルギーが印加される。
そして、電位差読み取り部で高分子アクチュエータの第１電極と第２電極の端子間に発生する電位差が読み取られ、高分子アクチュエータドライバ回路に供給される。
高分子アクチュエータドライバ回路では、読み取られた電位値が、目標電位値に保持するように電気エネルギーを変化させる。
そして、電位差読み取り部で高分子アクチュエータの第１電極と第２電極の端子間に発生する電位差が読み取られ、高分子アクチュエータドライバ回路に供給される。
高分子アクチュエータドライバ回路では、読み取られた電位値が、目標電位値に保持するように電気エネルギーを変化させる。
本発明によれば、位置センサ等を用いることなく、現在のアクチュエータの状態を知ることが可能で、変位を一定に保持することが可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面に関連付けて説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施形態（高分子アクチュエータ制御装置を用いたカメラの構成例）
２．第２の実施形態（高分子アクチュエータ制御装置を用いたカメラの他の構成例）
なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施形態（高分子アクチュエータ制御装置を用いたカメラの構成例）
２．第２の実施形態（高分子アクチュエータ制御装置を用いたカメラの他の構成例）
＜第１の実施形態＞
図４は、本発明の第１の実施形態に係る高分子アクチュエータ制御装置を採用した撮像装置の構成例を示す図である。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る高分子アクチュエータ制御装置を採用した撮像装置の構成例を示す図である。
本実施形態においては、高分子アクチュエータを携帯電話向けなどの電子機器としての小型カメラモジュール用のＡＦ（Auto focus)用のレンズ駆動装置として使用した例について述べる。
本第１の実施形態に係る電子機器のおける移動制御対象部はＡＦレンズである。
本第１の実施形態に係る電子機器のおける移動制御対象部はＡＦレンズである。
［撮像装置の構成］
本撮像装置１００は、高分子アクチュエータ１１０、オートフォーカス（ＡＦ）機能を有するレンズ系１２０、撮像素子１３０、および画像信号処理部（ＩＳＰ：Image Signal Processor)１４０を有する。
さらに、撮像装置１００は、エラーアンプ１５０、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１６０、高分子アクチュエータドライバ回路１７０、および制御部としてのＣＰＵ１８０を有している。
本撮像装置１００は、高分子アクチュエータ１１０、オートフォーカス（ＡＦ）機能を有するレンズ系１２０、撮像素子１３０、および画像信号処理部（ＩＳＰ：Image Signal Processor)１４０を有する。
さらに、撮像装置１００は、エラーアンプ１５０、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１６０、高分子アクチュエータドライバ回路１７０、および制御部としてのＣＰＵ１８０を有している。
そして、エラーアンプ１５０、ＡＤＣ１６０、高分子アクチュエータドライバ回路１７０、およびＣＰＵ１８０により本実施形態に係る高分子アクチュエータ制御装置２００が形成される。
また、エラーアンプ１５０およびＡＤＣ１６０により電位差読み取り部が形成される。
また、エラーアンプ１５０、ＡＤＣ１６０、および高分子アクチュエータドライバ回路１７０によりクローズドループ（Closed loop）が形成される。
また、エラーアンプ１５０およびＡＤＣ１６０により電位差読み取り部が形成される。
また、エラーアンプ１５０、ＡＤＣ１６０、および高分子アクチュエータドライバ回路１７０によりクローズドループ（Closed loop）が形成される。
高分子アクチュエータ１１０は、一端部１１１が固定され、他端部１１２側が自由端となっており、この自由端１１２がレンズ系１２０の図示しないＡＦレンズの移動部に取り付けられる。
高分子アクチュエータ１１０は、高分子部としての含水したイオン交換膜１１３、並びにイオン交換膜１１３の長手方向の両側部に配置された第１電極１１４および第２電極１１５を有する。
高分子アクチュエータ１１０は、第１電極１１４および第２電極１１５に対して高分子アクチュエータドライバ回路１７０により電圧が印加される。
高分子アクチュエータ１１０は、高分子部としての含水したイオン交換膜１１３、並びにイオン交換膜１１３の長手方向の両側部に配置された第１電極１１４および第２電極１１５を有する。
高分子アクチュエータ１１０は、第１電極１１４および第２電極１１５に対して高分子アクチュエータドライバ回路１７０により電圧が印加される。
なお、本実施形態において、高分子としてはフッ素系のイオン交換樹脂を用いることが可能である。イオン交換樹脂としては、デュポン社のNafion、旭硝子社のFlemionが代表的なものとして知られている。
また、第１電極１１４および第２電極１１５には金または白金などが使用される。
また、第１電極１１４および第２電極１１５には金または白金などが使用される。
レンズ系１２０は、被写体像を撮像素子１３０の撮像面に結像させる。
レンズ系１２０は、ＡＦレンズを含み、ＣＰＵ１８０の制御に従った高分子アクチュエータドライバ回路１７０の印加電圧に応じて変位する高分子アクチュエータ１１０によりフォーカスが制御される。
レンズ系１２０は、ＡＦレンズを含み、ＣＰＵ１８０の制御に従った高分子アクチュエータドライバ回路１７０の印加電圧に応じて変位する高分子アクチュエータ１１０によりフォーカスが制御される。
撮像素子１３０は、ＡＦ光学系１２０を介した被写体像が、撮像面に結像され、結像した光量に応じた電気信号を生成し、画像信号処理部１４０に出力する。
撮像素子１３０は、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤにより形成される。
撮像素子１３０は、ＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤにより形成される。
画像信号処理部（ＩＳＰ）１４０は、撮像素子１３０から供給される画像データを、デモザイクや自動露出（Auto Exposure）や自動ホワイトバランス（Auto White balance）などの処理をコントロールする。
画像信号処理部１４０は、ＡＦ検波部１４１を有している。
ＡＦ検波部１４１は、画像データの輝度情報から画像のコントラスト値を計算し、その結果を信号Ｓ１４０ＴとしてＣＰＵ１８０に出力する。
ＣＰＵ１８０は、後で詳述するように、このコントラスト値を指標としてこの値が大きくなるように高分子アクチュエータ１１０を通してＡＦレンズを制御してピントを合わせようとする。
画像信号処理部１４０は、ＡＦ検波部１４１を有している。
ＡＦ検波部１４１は、画像データの輝度情報から画像のコントラスト値を計算し、その結果を信号Ｓ１４０ＴとしてＣＰＵ１８０に出力する。
ＣＰＵ１８０は、後で詳述するように、このコントラスト値を指標としてこの値が大きくなるように高分子アクチュエータ１１０を通してＡＦレンズを制御してピントを合わせようとする。
エラーアンプ１５０は、高分子アクチュエータ１１０の両端子間、すなわち第１電極１１４と第２電極１１５間に発生する電位差を読み取り、その差分信号Ｓ１５０をＡＤＣ１６０に出力する。
ＡＤＣ１６０は、エラーアンプ１５０による差分信号Ｓ１５０をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号を高分子アクチュエータドライバ回路１７０に出力する。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＡＤＣ１６０によりデジタル値で与えられる電位値、すなわち高分子アクチュエータ１１０の両端子間の電位差を、目標電位値に保つように電圧値を変化させて高分子アクチュエータ１１０に印加する。
なお、ここでは、高分子アクチュエータ１１０には電圧を変化するように説明しているが、電流値あるいは電力値を変化することに構成することも可能である。
なお、ここでは、高分子アクチュエータ１１０には電圧を変化するように説明しているが、電流値あるいは電力値を変化することに構成することも可能である。
この電圧値あるいは電流値あるいは電力値を変化させる制御を行うために、本実施形態では、高分子アクチュエータドライバ回路１７０、エラーアンプ１５０、およびＡＤＣ１６０によるクローズドループ（Closed loop）が形成されている。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、このループの外部であるＣＰＵ１８０から与えるパラメータ値を目標電位値に換算し、これをコマンドに応じて変化させることにより高分子アクチュエータの変位を変えるように印加する電圧を生成する。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、このループの外部であるＣＰＵ１８０から与えるパラメータ値を目標電位値に換算し、これをコマンドに応じて変化させることにより高分子アクチュエータの変位を変えるように印加する電圧を生成する。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０の制御の下、高分子アクチュエータ１１０を使用しないときには、その両端子間電圧をゼロにして高分子アクチュエータ１１０にダメージをあたえないように駆動する。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０の制御の下、与えるパラメータ値を目標電位値に換算後の目標電圧値が動作保証範囲外にならないよう範囲内の値に制限して高分子アクチュエータ１１０へダメージを与えないように駆動する。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０の制御の下、与えるパラメータ値を目標電位値に換算後の目標電圧値が動作保証範囲外にならないよう範囲内の値に制限して高分子アクチュエータ１１０へダメージを与えないように駆動する。
図５は、本実施形態に係る高分子アクチュエータドライバ回路１７０の構成例を示す図である。
図５の高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、設定値レジスタ１７１、目標電圧値レジスタ１７２、ＰＬＬ回路１７３、トランジスタスイッチ１７４〜１７７、アンド回路１７８，１７９、インバータＩＮＶ１７０、および抵抗Ｒ１７０を有する。
設定値レジスタ１７１には、ＣＰＵ１８０により与えられるパラメータが設定される。
目標電圧値レジスタ１７２には、設定値レジスタ１７１に設定されるパラメータ値を目標電位値に換算後の目標電圧値が設定される。
目標電圧値レジスタ１７２には、設定値レジスタ１７１に設定されるパラメータ値を目標電位値に換算後の目標電圧値が設定される。
ＰＬＬ回路１７３は、ＡＤＣ１６０による高分子アクチュエータ１１０の端子間電位差と目標電圧値に応じた発振周波数でかつ所定のデューティ（Ｄｕｔｙ）をもつようにＰＷＭ変調されたパルス信号Ｓ１７３を生成する。
ＰＬＬ回路１７３で生成されたパルス信号Ｓ１７３は、アンド回路１７８の一方の入力およびインバータＩＮＶ１７０を介してアンド回路１７９の一方の入力に供給される。
また、ＰＬＬ回路１７３は、ＣＰＵ１８０の制御の下、たとえばハイレベルでアクティブのイネーブル信号（Enable）ＥＮＢを生成する。イネーブル信号ＥＮＢは、アンド回路１７８の他方の入力およびアンド回路１７９の他方の入力に供給される。
ＰＬＬ回路１７３で生成されたパルス信号Ｓ１７３は、アンド回路１７８の一方の入力およびインバータＩＮＶ１７０を介してアンド回路１７９の一方の入力に供給される。
また、ＰＬＬ回路１７３は、ＣＰＵ１８０の制御の下、たとえばハイレベルでアクティブのイネーブル信号（Enable）ＥＮＢを生成する。イネーブル信号ＥＮＢは、アンド回路１７８の他方の入力およびアンド回路１７９の他方の入力に供給される。
トランジスタスイッチ１７４〜１７７は、たとえば絶縁ゲート型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）により形成される。
トランジスタスイッチ１７４と１７５が電源電圧、たとえば５Ｖの供給ラインと抵抗Ｒ１７０の一端との間に直列に接続されている。
同様に、トランジスタスイッチ１７６と１７７が電源電圧、たとえば５Ｖの供給ラインと抵抗Ｒ１７０の一端との間に直列に接続されている。
そして、抵抗Ｒ１７０の他端が接地電位源ＧＮＤに接続されている。
トランジスタスイッチ１７４と１７５が電源電圧、たとえば５Ｖの供給ラインと抵抗Ｒ１７０の一端との間に直列に接続されている。
同様に、トランジスタスイッチ１７６と１７７が電源電圧、たとえば５Ｖの供給ラインと抵抗Ｒ１７０の一端との間に直列に接続されている。
そして、抵抗Ｒ１７０の他端が接地電位源ＧＮＤに接続されている。
トランジスタスイッチ１７４と１７５の接続点によりノードＮＤ１７１が形成され、このノードＮＤ１７１が＋端子として高分子アクチュエータ１１０の第１電極１１４に接続される。
トランジスタスイッチ１７６と１７７の接続点によりノードＮＤ１７２が形成され、このノードＮＤ１７２が−端子として高分子アクチュエータ１１０の第２電極１１５に接続される。
また、この＋端子はエラーアンプ１５０の非反転入力端子（＋）に接続され、−端子はエラーアンプ１５０の反転入力端子（−）に接続される。
トランジスタスイッチ１７６と１７７の接続点によりノードＮＤ１７２が形成され、このノードＮＤ１７２が−端子として高分子アクチュエータ１１０の第２電極１１５に接続される。
また、この＋端子はエラーアンプ１５０の非反転入力端子（＋）に接続され、−端子はエラーアンプ１５０の反転入力端子（−）に接続される。
トランジスタスイッチ１７４および１７７のゲートがアンド回路１７９の出力に接続され、トランジスタスイッチ１７５および１７６のゲートがアンド回路１７８の出力に接続されている。
このような構成を有する高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、次のような機能を有する。
図４の高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、高分子アクチュエータ１１０をドライブするために一定の周波数(たとえば１ｋＨｚ)で発振する矩形波でトランジスタスイッチを交互に切り替えて高分子アクチュエータ１１０に正方向、逆方向の電流を流す。
そして、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、矩形波のデューティを変えることにより高分子アクチュエータ１１０の変位を制御する。
図４の高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、高分子アクチュエータ１１０をドライブするために一定の周波数(たとえば１ｋＨｚ)で発振する矩形波でトランジスタスイッチを交互に切り替えて高分子アクチュエータ１１０に正方向、逆方向の電流を流す。
そして、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、矩形波のデューティを変えることにより高分子アクチュエータ１１０の変位を制御する。
このように、デューティを変えた信号を高分子アクチュエータ１１０に流すことにより、高分子アクチュエータ１１０は正逆のデューティの差の分だけ片方向へ電荷がたまり変位が変わる。
この高分子アクチュエータドライバ回路１７０の駆動は、イネーブル信号ＥＮＢがハイレベル（Ｈ）の間有効となり、ローレベル（Ｌ）の間はトランジスタスイッチ１７４〜１７７が4つともＯＦＦとなり高分子アクチュエータ１１０の両端子は開放となる。
イネーブル信号ＥＮＢはある間隔をおいてＨ、Ｌを繰り返し、Ｌの間は高分子アクチュエータ１１０の端子間電圧をＡＤＣ１６０を通して測定する。Ｈの間は電流をデューティに従ってトランジスタスイッチ１７４〜１７７をＯＮ，ＯＦＦさせ、所望の駆動電圧を高分子アクチュエータ１１０に印加する。
この高分子アクチュエータドライバ回路１７０の駆動は、イネーブル信号ＥＮＢがハイレベル（Ｈ）の間有効となり、ローレベル（Ｌ）の間はトランジスタスイッチ１７４〜１７７が4つともＯＦＦとなり高分子アクチュエータ１１０の両端子は開放となる。
イネーブル信号ＥＮＢはある間隔をおいてＨ、Ｌを繰り返し、Ｌの間は高分子アクチュエータ１１０の端子間電圧をＡＤＣ１６０を通して測定する。Ｈの間は電流をデューティに従ってトランジスタスイッチ１７４〜１７７をＯＮ，ＯＦＦさせ、所望の駆動電圧を高分子アクチュエータ１１０に印加する。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、以上の駆動制御をＣＰＵ１８０の制御コマンドＣＭＤに従って行う。
図６は、ＣＰＵが高分子アクチュエータドライバ回路へ与える制御コマンド例を示す図である。
Go‐to‐Inf-Position命令の無限遠位置とは、被写体が無限遠にあるときのレンズの位置である。
このＡＦレンズは高分子アクチュエータ１１０を十分マイナス方向へ曲げてメカニカル的なストッパにあてた位置が無限遠になるように調整してある。
したがって、この命令が発行されたら高分子アクチュエータドライバ回路１７０は目標電圧を最低値にセットする。
このＡＦレンズは高分子アクチュエータ１１０を十分マイナス方向へ曲げてメカニカル的なストッパにあてた位置が無限遠になるように調整してある。
したがって、この命令が発行されたら高分子アクチュエータドライバ回路１７０は目標電圧を最低値にセットする。
この実施形態では、目標電圧値の範囲を−３Ｖから３Ｖまで変化させると高分子アクチュエータ１１０がＡＦレンズを無限遠からマクロの位置まで十分カバーして移動するように設計されている。
ＣＰＵ１８０は、この移動範囲を「０」から「１０２３」までのステップ数に対応させて管理する。
実際には、この−３Ｖから３Ｖまでの６Ｖの範囲が１０２４ステップであることから、１ステップ５．９ｍＶに相当する。
ＣＰＵ１８０は、この移動範囲を「０」から「１０２３」までのステップ数に対応させて管理する。
実際には、この−３Ｖから３Ｖまでの６Ｖの範囲が１０２４ステップであることから、１ステップ５．９ｍＶに相当する。
ＣＰＵ１８０は、ステップ数を用いて高分子アクチュエータドライバ回路１７０に命令ＣＭＤを送ると、高分子アクチュエータドライバ回路１７０中ではステップ数を目標電圧値に換算する。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ドライブしていないイネーブル信号ＥＮＢがＬの間に測定した両端子間電圧の値がＡＤＣ１６０から供給される。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、目標電圧値との差の大きさに応じてＰＷＭのデューティを変化させこの差をゼロとするように、イネーブル信号ＥＮＢをＨにしてドライブする。
本実施形態においては、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、これを繰り返して常に目標電圧値との差をゼロに保つように前述したクローズドループ（Closed Loop）制御を行う。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ドライブしていないイネーブル信号ＥＮＢがＬの間に測定した両端子間電圧の値がＡＤＣ１６０から供給される。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、目標電圧値との差の大きさに応じてＰＷＭのデューティを変化させこの差をゼロとするように、イネーブル信号ＥＮＢをＨにしてドライブする。
本実施形態においては、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、これを繰り返して常に目標電圧値との差をゼロに保つように前述したクローズドループ（Closed Loop）制御を行う。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０でGo-to‐Inf-Positionコマンドが発行されたら目標電圧値を−３Ｖとし、そうなるようにクローズドループ制御を行う。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０でGo-to-Macroコマンドが発行された場合は、このコマンドＣＭＤで送られてくるステップ数を５．９ｍＶ/stepの換算をしてから目標電圧値に加算する。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０でGo‐to-Infコマンドが発行された場合は、このコマンドＣＭＤで送られてくるステップ数を５．９ｍＶ/stepの換算をして目標電圧値から減算する。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０でGo‐to-Home-Position コマンドが発行されたら目標電圧値を０とする。
ＣＰＵ１８０は、このようなコマンドＣＭＤを使ってＡＦレンズを操作する。
目標電圧値と高分子アクチュエータ１１０の変位は必ずしも正確に比例するわけではないがある誤差はあるにせよ相関はあるため、変位の指標としてこの電圧値を使用することができる。
目標電圧値と高分子アクチュエータ１１０の変位は必ずしも正確に比例するわけではないがある誤差はあるにせよ相関はあるため、変位の指標としてこの電圧値を使用することができる。
図７に、比較例として、クローズドループ制御を行っていない高分子アクチュエータ制御装置２００Ａを有する撮像装置３００の構成例を示す。
図７の撮像装置３００では、ＣＰＵ１８０Ａから高分子アクチュエータドライバ回路１７０ＡにＡＦレンズを移動させる命令が発行されると、その移動量あるいは移動位置によってそれを一定電圧あるいは一定電流をある一定時間印加する動作にして実行する。
この場合、どの程度の電圧、電流をどの程度の時間印加すればどの程度曲がるかという関係が明確になっている必要があるが、高分子アクチュエータ１１０においてはその関係が複雑でモデル化できておらず制御の精度は著しくおとることになる。
換言すると、図７の撮像装置３００では、単に高分子アクチュエータを動かすために印加する電圧値あるいは電流値とその印加時間を変えて印加するだけで、その結果変位がどれくらいになったかを知る術がない。
あるいはこの印加する電圧値あるいは電流値および印加時間を指標にしようとしても同じ電圧値、電流値でも印加している時間によって変位が徐々に変わったり、印加を止めてもやはり変位が時間とともに変わったりして指標として役に立たない。
この場合、どの程度の電圧、電流をどの程度の時間印加すればどの程度曲がるかという関係が明確になっている必要があるが、高分子アクチュエータ１１０においてはその関係が複雑でモデル化できておらず制御の精度は著しくおとることになる。
換言すると、図７の撮像装置３００では、単に高分子アクチュエータを動かすために印加する電圧値あるいは電流値とその印加時間を変えて印加するだけで、その結果変位がどれくらいになったかを知る術がない。
あるいはこの印加する電圧値あるいは電流値および印加時間を指標にしようとしても同じ電圧値、電流値でも印加している時間によって変位が徐々に変わったり、印加を止めてもやはり変位が時間とともに変わったりして指標として役に立たない。
これに対して、本実施形態の撮像装置１００においては、高分子アクチュエータ１１０の発生する電位を変位の指標にし、それを一定値に保持するように電圧、電流を調整して常時制御することにより、この指標の変位との相関を高めている。
目標電圧を変えることにより変位を変えるこの制御方法は変位との相関があるため成り立つ。
目標電圧を変えることにより変位を変えるこの制御方法は変位との相関があるため成り立つ。
以上の制御方法をつかってＡＦを行う例を説明する。
図８は、本実施形態に係る撮像装置におけるＡＦ制御動作を説明するためのフローチャートである。
図８は、本実施形態に係る撮像装置におけるＡＦ制御動作を説明するためのフローチャートである。
［ステップＳＴ１］
ステップＳＴ１においてＣＰＵ１８０が、まずGo‐to-Inf-Positionコマンドを発行する。
ステップＳＴ１においてＣＰＵ１８０が、まずGo‐to-Inf-Positionコマンドを発行する。
［ステップＳＴ２］
ステップＳＴ２において、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０でGo-to‐Inf-Positionコマンドが発行されると目標電圧値を−３Ｖとし、そうなるようにクローズドループ制御を行いＡＦレンズを無限遠（Inf）位置に移動させる。
ステップＳＴ２において、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０でGo-to‐Inf-Positionコマンドが発行されると目標電圧値を−３Ｖとし、そうなるようにクローズドループ制御を行いＡＦレンズを無限遠（Inf）位置に移動させる。
［ステップＳＴ３］
ステップＳＴ３において、ＣＰＵ１８０が、Go‐to-Macroコマンドを発行する。
ステップＳＴ３において、ＣＰＵ１８０が、Go‐to-Macroコマンドを発行する。
［ステップＳＴ４］
ステップＳＴ４において、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０でGo-to-Macroコマンドが発行されると、コマンドＣＭＤで送られてくるステップ数を５．９ｍＶ/stepの換算をしてから目標電圧値に加算する。
これにより、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＡＦレンズを＋側にステップ数ずつ移動させる。
ステップＳＴ４において、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０でGo-to-Macroコマンドが発行されると、コマンドＣＭＤで送られてくるステップ数を５．９ｍＶ/stepの換算をしてから目標電圧値に加算する。
これにより、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＡＦレンズを＋側にステップ数ずつ移動させる。
［ステップＳＴ５］
ステップＳＴ５において、レンズ系１２０を通して撮像素子１３０に結像され、電気信号に変換された画像データが画像信号処理部１４０入力される。
画像信号処理部１４０では、ＡＦ検波部１４１においてコントラスト値が計算され、ＣＰＵ１８０はこのコントラスト値を読み取る。
ステップＳＴ５において、レンズ系１２０を通して撮像素子１３０に結像され、電気信号に変換された画像データが画像信号処理部１４０入力される。
画像信号処理部１４０では、ＡＦ検波部１４１においてコントラスト値が計算され、ＣＰＵ１８０はこのコントラスト値を読み取る。
［ステップＳＴ６］
ステップＳＴ６において、ＣＰＵ１８０は、コントラスト値が減少し始めたか否かを判別する。
ステップＳＴ６において、コントラスト値が減少し始めたら次のステップＳＴ７の処理に移行する。
ステップＳＴ６において、ＣＰＵ１８０は、コントラスト値が減少し始めたか否かを判別する。
ステップＳＴ６において、コントラスト値が減少し始めたら次のステップＳＴ７の処理に移行する。
［ステップＳＴ７］
ステップＳＴ７において、コントラスト値が減少し始めたら、合焦点を通り過ぎたと判断してＣＰＵ１８０は、Go-to-Infコマンドを発行する。
ステップＳＴ７において、コントラスト値が減少し始めたら、合焦点を通り過ぎたと判断してＣＰＵ１８０は、Go-to-Infコマンドを発行する。
［ステップＳＴ８］
ステップＳＴ８において、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０でGo‐to-Infコマンドが発行された場合は、このコマンドＣＭＤで送られてくるステップ数を５．９ｍＶ/stepの換算をして目標電圧値から減算する。
これにより、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＡＦレンズを−側にステップ数ずつ移動させ、数ステップ戻る。
ステップＳＴ８において、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＣＰＵ１８０でGo‐to-Infコマンドが発行された場合は、このコマンドＣＭＤで送られてくるステップ数を５．９ｍＶ/stepの換算をして目標電圧値から減算する。
これにより、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、ＡＦレンズを−側にステップ数ずつ移動させ、数ステップ戻る。
［ステップＳＴ９］
ステップＳＴ９において、レンズ系１２０を通して撮像素子１３０に結像され、電気信号に変換された画像データが画像信号処理部１４０入力される。
画像信号処理部１４０では、ＡＦ検波部１４１においてコントラスト値が計算され、ＣＰＵ１８０はこのコントラスト値を読み取る。
ステップＳＴ９において、レンズ系１２０を通して撮像素子１３０に結像され、電気信号に変換された画像データが画像信号処理部１４０入力される。
画像信号処理部１４０では、ＡＦ検波部１４１においてコントラスト値が計算され、ＣＰＵ１８０はこのコントラスト値を読み取る。
［ステップＳＴ１０］
ステップＳＴ１０において、コントラスト値が増加するが合焦点をこえれば減少し始める。そこで、ＣＰＵ１８０は、コントラスト値が減少し始めたか否かを判別する。
ステップＳＴ１０において、コントラスト値が増加するが合焦点をこえれば減少し始める。そこで、ＣＰＵ１８０は、コントラスト値が減少し始めたか否かを判別する。
減少し始めたらまた移動方向を変えて同様のことを繰り返す。
すなわち、ステップＳＴ３〜ステップＳＴ１０の処理と同様の処理を繰り返すことにより被写体が移動して距離がかわっても追随して焦点をあわせることができる。
あるいは、ある時点で移動することを停止すればＡＦレンズの位置を固定させることも可能である。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０はこの間、常に設定された目標値になるように制御し続ける。
すなわち、ステップＳＴ３〜ステップＳＴ１０の処理と同様の処理を繰り返すことにより被写体が移動して距離がかわっても追随して焦点をあわせることができる。
あるいは、ある時点で移動することを停止すればＡＦレンズの位置を固定させることも可能である。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０はこの間、常に設定された目標値になるように制御し続ける。
このような方法で被写体をおってＡＦレンズを前後に移動させていくと何も制限しなければ高分子アクチュエータ１１０に必要以上に電圧、電流がかかり破壊させたり、曲がらないのに無理に曲げることによりダメージをあたえるおそれがある。
しかし、本実施形態においては、高分子アクチュエータドライバ回路１７０内で、ステップ数を電圧値に換算して目標電圧値を求めるときに±３Ｖを超えないように制限をかけるためそのようなことはなくなる。
±３Ｖというような制限値が仮に経年変化などにより変化した場合はそれに従って制御範囲を変化させることもできる。
しかし、本実施形態においては、高分子アクチュエータドライバ回路１７０内で、ステップ数を電圧値に換算して目標電圧値を求めるときに±３Ｖを超えないように制限をかけるためそのようなことはなくなる。
±３Ｖというような制限値が仮に経年変化などにより変化した場合はそれに従って制御範囲を変化させることもできる。
また、ＡＦ動作を終了するときにGo‐to‐Home‐Positionコマンドにより高分子アクチュエータ１１０の電圧を０Ｖにしてから終了すれば、高分子アクチュエータ１１０に負荷をかけない状態で終了させることができる。
このような処理をしないと高分子アクチュエータ１１０が曲がったままで終了することになり形状の変形の原因になったりする。
既存の方法では、両端子を短絡する方法だが、これでは端子電圧を短時間に０にすることはできないので、本方式のように電圧値をモニターしながらそれが０Ｖになるように電流を印加する必要がある。
このような処理をしないと高分子アクチュエータ１１０が曲がったままで終了することになり形状の変形の原因になったりする。
既存の方法では、両端子を短絡する方法だが、これでは端子電圧を短時間に０にすることはできないので、本方式のように電圧値をモニターしながらそれが０Ｖになるように電流を印加する必要がある。
ＡＦレンズの制御アルゴリズムはこれ以外にも、たとえば無限遠（Inf）位置からマクロ（Macro）まで全範囲をある間隔でコントラスト値をしらべその最大値のところの目標電圧値を覚えておき、最後にそこへ一気に移動させる方法もある。
ただし高分子アクチュエータでは電圧値と変位の相関はあるものの精度や再現性が高くはないため、これだけでは合焦点に行く保証はないため、移動後にその近辺でもう一度コントラスト値のピークを探す処理が必要である。
ただし高分子アクチュエータでは電圧値と変位の相関はあるものの精度や再現性が高くはないため、これだけでは合焦点に行く保証はないため、移動後にその近辺でもう一度コントラスト値のピークを探す処理が必要である。
その他、ＡＦのアルゴリズムはいろいろな方法があるが、いずれの方法であっても本発明は同様に効果がある。
＜第２の実施形態＞
図９は、本発明の第２の実施形態に係る高分子アクチュエータ制御装置を採用した撮像装置の構成例を示す図である。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る高分子アクチュエータ制御装置を採用した撮像装置の構成例を示す図である。
本第２の実施形態の撮像装置１００Ａにおいては、無限遠とマクロ撮影の２焦点のカメラの切り替えに高分子アクチュエータ１１０を適用する例を示している。
本第２の実施形態の移動制御対象部は無限遠とマクロ撮影の２焦点のカメラの切り替え部である。
この場合は、ＡＦの場合と異なりコントラスト値を見る必要はなく、ＣＰＵ１８０Ａは単にマクロ位置、無限遠（∞）位置にレンズを切り替えるコマンドを高分子アクチュエータドライバ回路１７０に命令を発行すればよい。
この命令が高分子アクチュエータドライバ回路１７０内で目標電圧値に換算され、その値になるように高分子アクチュエータ１１０をドライブする。
本第２の実施形態の移動制御対象部は無限遠とマクロ撮影の２焦点のカメラの切り替え部である。
この場合は、ＡＦの場合と異なりコントラスト値を見る必要はなく、ＣＰＵ１８０Ａは単にマクロ位置、無限遠（∞）位置にレンズを切り替えるコマンドを高分子アクチュエータドライバ回路１７０に命令を発行すればよい。
この命令が高分子アクチュエータドライバ回路１７０内で目標電圧値に換算され、その値になるように高分子アクチュエータ１１０をドライブする。
ドライブ方法もＰＷＭに限る必要はなく、単に定電圧を印加する方法でその電圧値と印加時間をかえることにより制御する方法、あるいは定電流値を印加する方法でその電流値と印加時間をかえることによる制御する方法なども適用することが可能である。
本発明はＡＦレンズの制御に限らず高分子アクチュエータをつかったすべての制御に使用できるものである。
以上説明したように、本実施形態によれば、高分子アクチュエータ制御装置２００は、高分子アクチュエータ１１０の第１電極１１４と第２電極１１５の端子間に発生する電位差を読み取る電位差読み取り部としてのエラーアンプ１５０およびＡＤＣ１６０を有する。
高分子アクチュエータ制御装置２００は、高分子アクチュエータ１１０の第１電極１１４および第２電極１１５に電圧を印加して高分子アクチュエータ１１０を駆動する高分子アクチュエータドライバ回路１７０を有する。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０および電位差読み取り部としてのエラーアンプ１５０およびＡＤＣ１６０は、クローズドループを形成する。
そして、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、読み取られた電位値を、目標電位値に保持するように印加する電圧を変化させる。
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
高分子アクチュエータ制御装置２００は、高分子アクチュエータ１１０の第１電極１１４および第２電極１１５に電圧を印加して高分子アクチュエータ１１０を駆動する高分子アクチュエータドライバ回路１７０を有する。
高分子アクチュエータドライバ回路１７０および電位差読み取り部としてのエラーアンプ１５０およびＡＤＣ１６０は、クローズドループを形成する。
そして、高分子アクチュエータドライバ回路１７０は、読み取られた電位値を、目標電位値に保持するように印加する電圧を変化させる。
したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
高分子アクチュエータの変位を把握し、既存の装置より信頼性高く制御することができる。
高分子アクチュエータの可動範囲を制限することができ、アクチュエータの破壊、悪影響をふせぐことができる。
アクチュエータに異常な電圧、電流がかからないように制限することができる。
アクチュエータの変位をより安定して保持することができる。
アクチュエータを短時間で負荷のかからない状態にすることができる。
位置センサがなくても制御が可能である。
そのためローコスト、軽量化、小型化が可能となる。
印加電圧、電流と変位の関係を厳密に明らかになってなくても制御することができる。
高分子アクチュエータの可動範囲を制限することができ、アクチュエータの破壊、悪影響をふせぐことができる。
アクチュエータに異常な電圧、電流がかからないように制限することができる。
アクチュエータの変位をより安定して保持することができる。
アクチュエータを短時間で負荷のかからない状態にすることができる。
位置センサがなくても制御が可能である。
そのためローコスト、軽量化、小型化が可能となる。
印加電圧、電流と変位の関係を厳密に明らかになってなくても制御することができる。
１００，１００Ａ・・・撮像装置、１１０・・・高分子アクチュエータ、１２０，１２０Ａ・・・レンズ系、１３０・・・撮像素子、１４０，１４０Ａ・・・画像信号処理部（ＩＳＰ）、１５０・・・エラーアンプ、１６０・・・アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）、１７０・・・高分子アクチュエータドライバ回路、１８０・・・ＣＰＵ、２００・・・高分子アクチュエータ制御装置。
Claims (6)
- 高分子部に電気エネルギーを印加するための第１電極および第２電極を有し、印加される電気エネルギーに応じて変位する高分子アクチュエータと、
上記高分子アクチュエータの上記第１電極と上記第２電極の端子間に発生する電位差を読み取る電位差読み取り部と、
上記高分子アクチュエータを駆動する駆動時に、上記高分子アクチュエータの上記第１電極および上記第２電極に電気エネルギーを印加して当該高分子アクチュエータを駆動する高分子アクチュエータドライバ回路と、を有し、
上記高分子アクチュエータドライバ回路および上記電位差読み取り部は、クローズドループを形成し、
上記電位差読み取り部は、
上記高分子アクチュエータドライバ回路により上記高分子アクチュエータの上記第１電極および上記第２電極に電気エネルギーが印加されない非駆動時における、上記高分子アクチュエータの上記第１電極と上記第２電極の端子間の電位差を読み取り、
上記高分子アクチュエータドライバ回路は、
上記電位差読み取り部で読み取られた電位値を、目標電位値に保持するように駆動時に上記高分子アクチュエータに印加する上記電気エネルギーを変化させる
高分子アクチュエータ制御装置。 - 上記高分子アクチュエータドライバ回路に、上記クローズドループ外から目標電位を示すパラメータおよび上記高分子アクチュエータをドライブ制御するコマンドを供給する制御部を有し、
上記高分子アクチュエータドライバ回路は、
上記制御部から与えるパラメータ値を目標電位値に換算し、上記コマンドに応じて当該目標電位差を変化させることにより高分子アクチュエータの変位を変えるように印加する上記電気エネルギーを生成する
請求項１記載の高分子アクチュエータ制御装置。 - 上記高分子アクチュエータドライバ回路は、
上記パラメータ値を目標電位値に換算した後の目標電位値が動作保証範囲外にならないよう範囲内の値に制限する機能を有する
請求項２記載の高分子アクチュエータ制御装置。 - 上記高分子アクチュエータドライバ回路は、
上記高分子アクチュエータを使用しないときには、その両端子間の電位差がゼロとなるように駆動する
請求項１から３のいずれか一に記載の高分子アクチュエータ制御装置。 - 高分子アクチュエータを駆動する駆動時に、上記高分子アクチュエータの高分子部に電気エネルギーを印加するための第１電極および第２電極に電気エネルギーを印加するステップと、
上記高分子アクチュエータドライバ回路により上記高分子アクチュエータの上記第１電極および上記第２電極に電気エネルギーが印加されない非駆動時における、上記高分子アクチュエータの上記第１電極と上記第２電極の端子間の電位差を読み取るステップと、
上記読み取られた電位値を、目標電位値に保持するように駆動時に上記高分子アクチュエータに印加する上記電気エネルギーを変化させるステップと
を有する高分子アクチュエータ制御方法。 - 移動制御対象部と、
上記移動制御対象部の移動を高分子アクチュエータの変位で駆動制御する高分子アクチュエータ制御装置と、を有し、
上記高分子アクチュエータ制御装置は、
高分子部に電気エネルギーを印加するための第１電極および第２電極を有し、印加される電気エネルギーに応じて変位する高分子アクチュエータと、
上記高分子アクチュエータの上記第１電極と上記第２電極の端子間に発生する電位差を読み取る電位差読み取り部と、
上記高分子アクチュエータを駆動する駆動時に、上記高分子アクチュエータの上記第１電極および上記第２電極に電気エネルギーを印加して当該高分子アクチュエータを駆動する高分子アクチュエータドライバ回路と、を有し、
上記高分子アクチュエータドライバ回路および上記電位差読み取り部は、クローズドループを形成し、
上記電位差読み取り部は、
上記高分子アクチュエータドライバ回路により上記高分子アクチュエータの上記第１電極および上記第２電極に電気エネルギーが印加されない非駆動時における、上記高分子アクチュエータの上記第１電極と上記第２電極の端子間の電位差を読み取り、
上記高分子アクチュエータドライバ回路は、
上記電位差読み取り部で読み取られた電位値を、目標電位値に保持するように駆動時に上記高分子アクチュエータに印加する上記電気エネルギーを変化させる
電子機器。
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