JP5731951B2 - 線形運動デバイスの制御装置、線形運動デバイスの制御方法 - Google Patents

線形運動デバイスの制御装置、線形運動デバイスの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、線形運動デバイスの制御装置及び線形運動デバイスの制御方法に関する。
入力信号と、この入力信号に応じた変位とが一次関数で表されるデバイスは、線形運動デバイスとも呼ばれている。線形運動デバイスには、例えば、カメラのオートフォーカスレンズ等がある。
図4は、線形運動デバイス112を制御する従来の制御装置を示した図である。図4に示した制御装置は、磁場センサ113と、差動増幅器114と、非反転出力バッファ115と、反転出力バッファ116と、第1の出力ドライバ117と、第2の出力ドライバ118とを備えている。図中に符号112を付して示したのは、制御装置によってフィードバック制御される線形運動デバイス112である。線形運動デバイス112は、コイル111と磁石110とを備えている。
磁場センサ113は、検出した磁場に基づいて信号を生成し、出力信号SAとして出力する。磁場センサ出力信号SAとデバイス位置指令信号SBは、差動増幅器114の正転入力端子と反転入力端子とにそれぞれ入力される。磁場センサ出力信号SAとデバイス位置指令信号SBとが入力された差動増幅器114からは、出力ドライバ117、118の操作量(偏差と増幅度の積)を表す操作量信号SCが出力される。
操作量信号SCの大きさによって線形運動デバイス112のコイル111を流れる電流方向及び電流量が変化する。コイル111を流れる電流により、磁石110を含む線形運動デバイス112の位置が変化する(移動する)。このとき、磁場センサ113の出力信号SAは、磁石110の移動に伴って変化する。制御装置は、出力信号SAの変化によって線形運動デバイス112の位置を検出し、この位置が外部から入力されるデバイス位置指令信号SBによって指示される位置に一致するようにフィードバック制御を行っている。
ここで、図4に示した線形運動デバイス112では、磁石110の着磁のばらつきが生じ得る。また、制御装置では、磁場センサ113の搭載位置のずれにばらつきが生じ得る。このようなばらつきにより、線形運動デバイス112の位置と、磁場センサ113によって検出される磁場が設計時に想定された関係と相違する。
図5は、図4に示した磁場センサ113によって検出される磁場(以下、検出磁場とも記す)と、線形運動デバイス112の位置との関係を示した図である。図5では、図中左側の縦軸には磁場センサ113によって検出された磁場が示され、図中右側の縦軸には磁場センサ113の出力信号SAの値が示されている。また、図5の横軸は、線形運動デバイス112の位置である。
図5中の実線aは、検出磁場と線形運動デバイス112の位置とのずれがない(設計値のとおり)場合の特性を比較のため示している。一点鎖線bは、検出磁場と線形運動デバイス112の位置とのずれがある場合の特性を示している。
図5に示したように、磁石110に着磁のばらつき、または磁場センサ113の位置にずれがある場合、検出磁場が線形運動デバイス112の正しい位置を示さない。このため、制御装置が、線形運動デバイス112を適正に位置制御することができなくなる場合がある。
つまり、実線aで表された設計値通りの場合だと線形運動デバイス112が端点XBOTから他方の端点XTOPまで移動する場合、磁場センサ出力SAはVMLaからVMHaまで変化する(図5中にこの範囲をSA(a)として示す)。このとき、磁場センサ出力SAと同じ電圧範囲であるVMLaからVMHaまでのデバイス位置指令信号SBが制御装置に入力される。そして、中間の電位VMM(=(VMHa−VMLa)/2+VMLa)のデバイス位置指令信号SBが入力されると、線形運動デバイス112は中間の位置XMIDを得る。
一方、磁石110に着磁のばらつき、または磁場センサ113の位置にずれがある場合、磁場センサ出力SAは、実線aとは異なる傾きで、例えばVMLbからVMHbまで変化する(図5中に実線aとは異なる傾きを持った一点鎖線bを示し、この変化の範囲をSA(b)として示す)。このとき、電位VMM(=(VMHa−VMLa)/2+VMLa)のデバイス位置指令信号SBが制御装置に入力されると、線形運動デバイス112は位置XPOSに位置することになり、制御装置は線形運動デバイス112を正しく位置制御できなくなるという問題がある。
上記の問題を解消するための従来技術に、磁場センサ出力SAまたはデバイス位置指令信号SBを補正することにより、磁場センサ出力SAとデバイス位置指令信号SBとを同期化をするものがある。このような従来技術は、例えば、特許文献1に記載されている。
特開2009−247105号公報
しかしながら、上記の磁場センサ出力SAまたはデバイス位置指令信号SBを同期化する方法には、以下のような問題がある。
すなわち、磁場センサ出力SAまたはデバイス位置指令信号SBの同期化には、線形運動デバイス112を、その移動範囲の一方の端点XBOTから他方の端点XTOPまで移動させる必要がある。線形運動デバイス112を端点に移動させる場合には、コイル111に強制的に大電流を流し、線形運動デバイス112を端点XBOT及びXTOPに移動させて固定する。
図6(a)、(b)は、線形デバイス12を端点に固定した場合のコイル111に流れるコイル電流を説明するための図である。図6(a)、(b)のいずれにおいても、縦軸はコイル電流を示し、横軸は時間を示している。従来技術では、図6(a)、(b)中に一点鎖線で示すコイル電流を流すと、線形運動デバイス112を端点XBOT及びXTOPに移動させ、固定することができる。このとき、磁場センサ出力SAと線形運動デバイス112の位置関係が図5中の実線aで示されれば、図6(a)中の実線で示すように、線形運動デバイス112がXBOTに固定されているときの磁場センサ出力SAはVMLaとなり、線形運動デバイス112がXTOPに固定されているときの磁場センサ出力SAはVMHaとなることが期待される。
ところが、線形運動デバイス112を端点に移動させるためにコイル111に流したコイル電流によって発生した磁場は、磁場センサ113が本来検出すべき磁石112の磁場に干渉する場合がある。特に、携帯電話のカメラモジュール等に用いられる線形運動デバイスは、小型化への要求が強く、図7に示すように、磁場センサ110がコイル111の近傍に配置される場合が多い。このため、携帯電話等において、検出磁場に対するコイル電流によって発生した磁場の干渉は特に問題となる。
検出磁場が、コイル111が発生する磁場に干渉されると、図6(b)実線で示したように、線形運動デバイス112がXBOTに固定されているときの磁場センサ出力SAはVMLa’となり、線形運動デバイス112がXTOPに固定されているときの磁場センサ出力SAはVMHa’となる。
なお、図6(b)において、コイル電流の方向が−ICoilからICoilに切り替わった瞬間、実線で表した磁場センサ出力SAが下に凸のスパイク状となるのは、干渉するコイル磁場の極性が反転するからである。
図8は、図6(b)に示したように、コイル111が発生する磁場(以下、コイル磁場とも記す)が検出磁場に干渉した状態で、同期化を行った場合の磁場センサ出力SA、デバイス位置指令信号SBを説明するための図である。図8の図中左側の縦軸は磁場センサ13の検出磁場を示し、図中右側の縦軸は、磁場センサ出力SA、デバイス位置指令信号SBを示している。横軸は、時間を示している。検出磁場がコイル磁場の干渉を受けると、図8に示すように、デバイス位置指令信号SBがとり得る範囲はVMLa’からVMHa’となる。
このように、検出磁場にコイル磁場が干渉すると、本来線形運動デバイスの可動範囲が端点XBOTから他方の端点XTOPまであるにも関わらず、デバイス位置指令信号SBが磁場センサ出力SAの出力範囲(VMHa−VMLa)よりも狭い範囲(VMHa’−VMLa’)となる。このため、従来技術では、線形運動デバイス112を、XBOT’からXTOP’の範囲でしか位置制御することができなくなる。
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、検出磁場がコイル磁場の干渉を受ける場合にも、位置制御可能な範囲が変化しない線形運動デバイスの制御装置、制御方法を提供することを目的とする。
上記した課題を解決するため、本発明の一態様の線形運動デバイスの制御装置は、磁石(例えば図1に示した磁石10)とコイル(例えば図1に示したコイル11)とを備え、該コイルにコイル電流が流れることによって発生する力によって移動する線形運動デバイス(例えば図1に示した線形運動デバイス12)の制御装置であって、前記磁石が発生する磁場を検出し、検出された磁場の値に対応する検出位置信号(例えば図1に示した出力信号SD)を出力する磁場センサ(例えば図1に示した磁場センサ13)と、前記線形運動デバイスを移動すべき目標位置を指示する目標指示信号(例えば図1に示した目標位置信号SH)に基づいて、位置指令信号(例えば図1に示したデバイス位置指令信号SE)を、補正値により補正された出力範囲で出力するデバイス位置指令回路(例えば図1に示したデバイス位置指令信号生成回路19)と、前記検出位置信号と、前記位置指令信号とを入力し、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号(例えば図1に示した操作量信号SF)を出力する差動増幅器(例えば図1に示した差動増幅器14)と、前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動する出力ドライバ(例えば図1に示した出力ドライバ17、18)と、を含み、前記デバイス位置指令回路は、前記位置指令信号を、前記コイルを流れるコイル電流によって発生する磁場に対応する補正値によって補正して出力することを特徴とする。
本発明の一態様の線形運動デバイスの制御装置は、前記デバイス位置指令回路が、前記補正値を記憶する記憶装置(例えば図2に示した記憶装置20、23)を含む補正回路(例えば図2に示した記憶装置20〜23、加算器26、減算器27、セレクタ24、25、D/A変換器28、29)を含み、当該補正回路によって前記位置指令信号を補正することが望ましい。
本発明の一態様の線形運動デバイスの制御装置は、前記デバイス位置指令回路が、前記検出位置信号と同期化した上限値及び下限値を前記補正値により補正した出力範囲で、前記目標指示信号に基づいて前記位置指令信号を出力することが望ましい。
本発明の一態様の線形運動デバイスの制御装置は、前記デバイス位置指令回路が、前記検出位置信号と同期化した前記上限値に前記補正値を加算し、前記検出位置信号と同期化した前記下限値に前記補正値を減算した出力範囲で、前記目標指示信号に基づいて前記位置指令信号を出力することが望ましい。
本発明の一態様の線形運動デバイスの制御装置は、前記検出位置信号と同期化した前記上限値及び前記下限値が、前記線形運動デバイスを端点及び他方の端点で固定した状態における前記検出位置信号の値であることが望ましい。
本発明の一態様の線形運動デバイスの制御方法は、磁石とコイルとを備え、該コイルにコイル電流が流れることによって発生する力によって移動する線形運動デバイスの前記磁石が発生する磁場を検出し、検出された磁場の値に対応する検出位置信号を出力する磁場センサと、位置指令信号を出力するデバイス位置指令回路と、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号を出力する差動増幅器と、前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動する出力ドライバと、を含む線形運動デバイスの制御装置において実行される線形運動デバイスの制御方法であって、前記デバイス位置指令回路が、前記線形運動デバイスを移動すべき目標位置を指示する目標指示信号に基づいて、位置指令信号を、前記コイルを流れるコイル電流によって発生する磁場に対応する補正値により補正された出力範囲で出力するステップと、前記差動増幅器が、前記検出位置信号と、前記位置指令信号とを入力し、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号を出力するステップと、前記出力ドライバが、前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動するステップと、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、磁場センサによって検出される検出磁場が、コイルが発生する磁場に干渉された場合においても、本来の線形運動デバイスの可動範囲まで位置制御が行える(位置制御が可能な範囲が変化しない)線形運動デバイスの制御装置、線形運動デバイスの制御方法を提供することができる。
本発明の一実施形態の線形運動デバイス制御回路の構成図である。 図1に示したデバイス位置指令信号生成回路を説明するための図である。 本発明の実施形態の制御装置の動作の概要を説明するための図である。 線形運動デバイスを制御する従来の制御装置を示した図である。 図4に示した磁場センサによって検出される磁場と、線形運動デバイスの位置との関係を示した図である。 線形デバイスを端点に固定した場合のコイルに流れるコイル電流を説明するための図である。 磁場センサとコイルとの配置を例示した図である。 コイル磁場が検出磁場に干渉した状態で、同期化を行った場合の磁場センサ出力、デバイス位置指令信号を説明するための図である。
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
(1) 回路構成
図1は、本実施形態の線形運動デバイスの制御装置(以下、単に制御装置とも記す)の構成を説明するための図である。
本実施形態の制御回路は、磁場を検出し、検出磁場に応じた出力信号SDを出力する磁場センサ13と、出力信号SDを反転入力端子に入力し、デバイス位置指令信号SEを非反転入力端子に入力し、この差分を操作量信号SF(偏差と増幅度の積)として出力する差動増幅器14と、操作量信号SFを反転させずに非反転操作量信号として出力する非反転出力バッファ15と、操作量信号SFを反転させ、反転操作量信号として出力する反転出力バッファ16と、非反転操作量信号を出力する出力ドライバ17と、反転操作量信号を出力する出力ドライバ18を含んでいる。
また、本実施形態の制御装置は、外部から入力される目標位置信号SH(例えば、0〜255の整数)に対して出力信号SDと同期がとれたデバイス位置指令信号SEを生成するデバイス位置指令信号生成回路19を含んでいる。目標位置信号SHは、線形運動デバイス12を移動すべき目標位置を示す信号である。なお、図1中に示した破線は、本実施形態の制御装置が、線形運動デバイスの同期化処理を実行する場合にのみ流れる信号を示している。
さらに、図1中に符号12を付して示したのは、上記した制御装置によってフィードバック制御される線形運動デバイス12である。線形運動デバイス12は、コイル11と磁石10とを備えている。
図1に示した構成では、操作量信号SFの大きさによって線形運動デバイス12のコイル11を流れる電流方向及び電流量が変化する。コイル11を流れる電流により、磁石10を含む線形運動デバイス12の位置が変化する(移動する)。このとき、磁場センサ13の出力信号SDは、磁石10の移動に伴って変化する。本実施形態の制御装置は、出力信号SDの変化によって線形運動デバイス12の位置を検出し、この位置が、デバイス位置指令信号生成部19から入力されるデバイス位置指令信号SEによって指示される位置に一致するようにフィードバック制御を行っている。
図2は、図1に示したデバイス位置指令信号生成回路19を説明するための図である。デバイス位置指令信号生成回路19は、記憶装置20、21、22、23と、セレクタ24、25と、加算器26と、減算器27と、例えば、正側の基準電位を正電源電圧(VDD)、負側の基準電位をグランド電位(GND)とするD/A変換器28、29と、正側の基準電位をD/A変換器28の出力電位、負側の基準をD/A変換器29の出力電位とするD/A変換器30と、を備えている。記憶装置21、23には、予め干渉するコイルが発生する磁場強度相当の値が補正値として記憶されている。
加算器26は、記憶装置21に記憶されている値と、記憶装置21に記憶されている値とを加算する。セレクタ24は、加算器26によって加算された値、または記憶装置20に記憶されている値のいずれか一方を選択し、出力信号SJを出力する。また、減算器27は、記憶装置22に記憶されている値と記憶装置23に記憶されている値とを減算する。セレクタ25は、減算器27によって減算された値、または記憶装置22に記憶されている値のいずれか一方を選択し、出力信号SKを出力する。出力信号SJ、SKは、セレクト信号SPによって設定される。
また、セレクタ24によって出力された出力信号SJは、D/A変換器28に入力されてD/A変換される。セレクタ25によって出力された出力信号SKは、D/A変換器29に入力されてD/A変換される。D/A変換後の出力信号SN、SMは、D/A変換器30に入力される。D/A変換器30は、D/A変換器29から出力された値SMを下限値、D/A変換器28から出力された値SNを上限値とし、目標位置信号SHの値に基づいてその間の値をリニアに変化するアナログ信号を出力する。
(2) 動作
図3は、本実施形態の制御装置の動作の概要を説明するための図である。図3の図中左側の縦軸は、図2に示した出力信号SJ、SKを示す。また、右側の縦軸は、出力信号SD、図4に示した従来のデバイス位置指令信号SB、図1に示した本実施形態のデバイス位置指令信号SEを示している。図中、上側の横軸は、図1に示した目標位置信号SHであり、図中、下側の横軸は線形運動デバイス12の位置を示している。
本実施形態では、出力信号SDとデバイス位置指令信号SEとの同期化を行う場合、セレクト信号SPにより、図2に示したセレクタ24が、記憶装置20に記憶されている値を選択し、出力信号SJを出力するように設定される。また、本実施形態では、セレクト信号SPにより、セレクタ25が、記憶装置22に記憶されている値を選択し、出力信号SKを出力するように設定される。
以上のように設定すると、線形運動デバイス12を端点XBOTに固定した状態で出力される出力信号SDの値が、記憶装置22に記憶される。このとき、出力信号SDの値は、図3に示したVMLa’の値に相当する。記憶装置22には、VMLa’の値に応じたディジタル値(例えば「65」)が記憶される。セレクタ回路25は、出力信号SDの値をD/A変換器29に出力する。
続いて、他方の端点XTOPに固定した状態で出力される出力信号SDの値が、記憶装置20に記憶される。このとき、出力信号SDの値は、図3に示したVMHa’の値に相当する。記憶装置20には、VMHa’の値に応じたディジタル値(例えば「190」)が記憶される。セレクタ回路24は、出力信号SDの値をD/A変換器28に出力する。以上の処理により、出力信号SDとデバイス位置指令信号SEとの同期化が完了する。
同期化が完了すると、セレクト信号SPにより、加算器26が出力する加算値をセレクタ24が選択してセレクト信号SJとし、減算器27が出力する減算値をセレクタ25が選択して出力信号SKとなるように設定される。
本実施形態では、図2に示した記憶装置21、23に、それぞれ、例えば「10」が補正値として記憶されているものとする。このため、加算回路26が出力する値は「200」となり、このときにD/A変換器28によって出力される出力信号SNがVMHaとなる。また、減算器27の出力は「55」となり、D/A変換器29の出力SMがVMLaとなる。このため、検出磁場に干渉するコイル磁場の影響を補正し、デバイス位置指令信号SEの出力範囲を、従来のデバイス位置指令信号SBと同様に、VMHaからVMLaとすることができる。
つまり、従来技術では、検出磁場にコイル磁場が干渉する場合、目標位置信号SHの値が「0」から「255」まで変化しても、線形デバイス12はXBOT’からXTOP’の範囲でしか位置制御できなかった。一方、本実施形態によれば、コイル磁場が発生する磁場強度相当の値によって検出磁場を補正することができる。このため、検出磁場がコイル磁場の干渉を受けたとしても、線形運動デバイスXBOTから他方の端点XTOPの範囲で位置制御を行うことができる。
本発明は、線形運動デバイス全般に適用することが可能である。また、特に、コイルと磁場センサが近接して設けられる、小型の機器に内蔵される線形運動デバイスに有効である。
10、110 磁石
11、111 コイル
12、112 線形運動デバイス
13、113 磁場センサ
14、114 差動増幅器
15、115 正転出力バッファ
16、116 反転出力バッファ
17、18、117、118 出力ドライバ
19 デバイス位置指令信号生成回路
20、21、22、23 記憶装置
24、25 セレクタ
26 加算器
27 減算器
28、29、30 D/A変換器

Claims (6)

  1. 磁石とコイルとを備え、該コイルにコイル電流が流れることによって発生する力によって移動する線形運動デバイスの制御装置であって、
    前記磁石が発生する磁場を検出し、検出された磁場の値に対応する検出位置信号を出力する磁場センサと、
    前記線形運動デバイスを移動すべき目標位置を指示する目標指示信号に基づいて、位置指令信号を、補正値により補正された出力範囲で出力するデバイス位置指令回路と、
    前記検出位置信号と、前記位置指令信号とを入力し、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号を出力する差動増幅器と、
    前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動する出力ドライバと、を含み、
    前記補正値は、前記コイルを流れるコイル電流によって発生する磁場に対応する値であることを特徴とする線形運動デバイスの制御装置。
  2. 前記デバイス位置指令回路は、前記補正値を記憶する記憶装置を含む補正回路を含み、
    当該補正回路によって前記位置指令信号を補正することを特徴とする請求項1に記載の線形運動デバイスの制御装置。
  3. 前記デバイス位置指令回路は、前記検出位置信号と同期化した上限値及び下限値を前記補正値により補正した出力範囲で、前記目標指示信号に基づいて前記位置指令信号を出力する請求項1又は2に記載の線形運動デバイスの制御装置。
  4. 前記デバイス位置指令回路は、前記検出位置信号と同期化した前記上限値に前記補正値を加算し、前記検出位置信号と同期化した前記下限値に前記補正値を減算した出力範囲で、前記目標指示信号に基づいて前記位置指令信号を出力する請求項3に記載の線形運動デバイスの制御装置。
  5. 前記検出位置信号と同期化した前記上限値及び前記下限値は、前記線形運動デバイスを一方の端点及び他方の端点で固定した状態における前記検出位置信号の値である請求項3又は4に記載の線形運動デバイスの制御装置。
  6. 磁石とコイルとを備え、該コイルにコイル電流が流れることによって発生する力によって移動する線形運動デバイスの前記磁石が発生する磁場を検出し、検出された磁場の値に対応する検出位置信号を出力する磁場センサと、位置指令信号を出力するデバイス位置指令回路と、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号を出力する差動増幅器と、前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動する出力ドライバと、を含む線形運動デバイスの制御装置において実行される線形運動デバイスの制御方法であって、
    前記デバイス位置指令回路が、前記線形運動デバイスを移動すべき目標位置を指示する目標指示信号に基づいて、位置指令信号を、前記コイルを流れるコイル電流によって発生する磁場に対応する補正値により補正された出力範囲で出力するステップと、
    前記差動増幅器が、前記検出位置信号と、前記位置指令信号とを入力し、前記検出位置信号と前記位置指令信号との偏差を示す操作量信号を出力するステップと、
    前記出力ドライバが、前記操作量信号に応じて前記線形運動デバイスを駆動するステップと、
    を含むことを特徴とする線形運動デバイスの制御方法。
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