JP6118291B2 - 位置制御装置及び位置制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置制御装置及び位置制御方法に関し、より詳細には、操作対象が過渡状態から定常状態に遷移するまでにオーバーシュートを抑制し、高い応答性及び安定性を可能とする位置制御装置及び位置制御方法に関する。

一般のデジタルカメラ及び携帯電話機、インターネットとの親和性が高く、パソコンの機能をベースとして作られた多機能携帯電話であるスマートフォン（ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅ）などに搭載されているカメラモジュールの多くには、オートフォーカス（ＡＦ）機能が搭載されている。このようなコンパクトなカメラに搭載されるオートフォーカス機能には、コントラスト検出方式が採用されることが多い。このコントラスト検出方式は、実際にレンズを移動させて、撮像画像内の被写体のコントラストが最大化されるレンズ位置を検出し、その位置にレンズを移動させる方式である。

このようなコントラスト検出方式は、被写体に赤外線や超音波を照射して、その反射波から被写体までの距離を測定するアクティブ方式と比較し、低コストで実現することができる。ただし、被写体のコントラストが最大化されるレンズ位置を探索するまでに時間がかかるという問題がある。ユーザがシャッターボタンを半押しした後、被写体にフォーカスを合わせるまでの処理が、短時間（例えば、１秒以内）に完了することが望まれている。

ところで、一般のデジタルカメラ及び携帯電話機などに搭載されているカメラモジュールの画素数は年々増加しており、これらコンパクトなカメラでも高精細な画像が撮影可能になってきている。高精細な画像では、ピントずれが目立ちやすくなるのでより高精度なオートフォーカス制御が求められている。
また、一般に、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言われている。この種の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などがある。

図１は、従来の線形運動デバイスの制御装置を説明するための構成図である。図中符号１は磁気センサ、２はＡ／Ｄ変換回路、３はＰＩＤ制御回路、４はデバイス位置指令信号発生回路、５はＤ／Ａ変換回路、６は出力ドライバ、７は駆動コイル、８は移動体を示している。
磁気センサ１は、移動体８に取り付けられている磁石（図示せず）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値Ｖｉｐを出力するものである。この磁気センサ１はホール素子であることが望ましい。

また、Ａ／Ｄ変換回路２は、磁気センサ１からの検出位置信号を増幅してＡ／Ｄ変換するもので、Ａ／Ｄ変換された検出位置信号値Ｖｉｐを得るものである。また、デバイス位置指令信号発生回路４は、移動体８を移動すべき目標位置を指示する目標位置信号値及びキャリブレーション実行信号を出力するもので、ＰＩＤ制御回路３に接続されている。
また、ＰＩＤ制御回路３は、移動体８の現在位置と目標補正位置信号値とにより指示される移動体８の目標位置とから、この移動体８を目標位置に移動させるための制御信号を出力するものである。このＰＩＤ制御回路３からの出力信号は、Ｄ／Ａ変換回路５によりＤ／Ａ変換され、出力ドライバ６により駆動コイル７に駆動電流が供給される。
上述したような従来の線形運動デバイスの制御装置については、例えば、特許文献１に開示されている。

図２は、図１における従来の線形運動デバイスの制御装置の具体的な構成図である。図２においては、カメラモジュール３０のレンズ（移動体）３３の位置調整を行う制御装置２０に適用した場合について説明する。この制御装置（位置制御回路）２０は、例えば、ＩＣ回路として構成されている。なお、カメラモジュール３０は、線形運動デバイス３１と、レンズ３３を移動させる駆動コイル２９とで構成されている。したがって、駆動コイル２９に電流を流すことにより、磁石３２が移動され、その磁石３２に固定されているレンズ３３の位置調整が可能となる。

つまり、図２に示した線形運動デバイス３１の制御装置２０は、レンズ（移動体）３３に取り付けられた磁石３２を有する線形運動デバイス３１と、この線形運動デバイス３１の磁石３２の近傍に配置された駆動コイル２９とを備え、この駆動コイル２９にコイル電流が流れることによって発生する力により磁石３２を移動させるように構成されている。
図２に示した線形運動デバイス３１の制御装置２０は、駆動コイル２９の漏れ磁場により、磁気センサ２１がその漏れ磁場の影響を受けて検出誤差が生じるのを防止する対策を設けたものである。キャリブレーション演算回路２４は、検出磁場を取得する直前において駆動コイル２９への通電を停止する時間を有し、Ａ／Ｄ変換回路２３によりＡ／Ｄ変換された検出位置信号値Ｖｉｐに基づいて、線形運動デバイス３１のホーム位置に対応する第１の位置信号値ＮＥＧＣＡＬと、線形運動デバイス３１のフル位置に対応する第２の位置信号値ＰＯＳＣＡＬとから検出位置演算信号値ＶＰＲＯＣを得る。

漏れ磁場補正回路３４は、デバイス位置指令信号発生回路２６およびキャリブレーション演算回路２４に接続され、駆動コイル２９の漏れ磁場による磁気センサ２１の検出誤差を補正するものである。
図２において、ＰＩＤ制御回路２５は、キャリブレーション演算回路２４と漏れ磁場補正回路３４に接続され、キャリブレーション演算回路２４からの検出位置演算信号値ＶＰＲＯＣと漏れ磁場補正回路３４からの目標補正位置信号値ＶＴＡＲＧ’とを入力し、レンズ（移動体）３３の現在位置と目標補正位置信号値ＶＴＡＲＧ’とにより指示されるレンズ３３の目標位置とから、このレンズ３３を目標位置に移動させるための制御信号を出力するものである。

ＰＩＤ制御とは、フィードバック制御の一種で、入力値の制御を出力値と目標値との偏差とその積分及び微分の３つの要素によって行う方法のことである。基本的なフィードバック制御として比例制御（Ｐ制御）がある。これは入力値を出力値と目標値の偏差の一次関数として制御するものである。ＰＩＤ制御では、この偏差に比例して入力値を変化させる動作を比例動作あるいはＰ動作（ＰはＰＲＯＰＯＲＴＩＯＮＡＬの略）という。つまり、偏差のある状態が長い時間続けばそれだけ入力値の変化を大きくして目標値に近づけようとする役目を果たす。この偏差の積分に比例して入力値を変化させる動作を積分動作あるいはＩ動作（ＩはＩＮＴＥＧＲＡＬの略）という。このように比例動作と積分動作を組み合わせた制御方法をＰＩ制御という。この偏差の微分に比例して入力値を変化させる動作を微分動作あるいはＤ動作（ＤはＤＥＲＩＶＡＴＩＶＥ又はＤＩＦＦＥＲＥＮＴＩＡＬの略）という。このような比例動作と積分動作と微分動作を組み合わせた制御方法をＰＩＤ制御という。

図３（ａ）乃至（ｃ）は、従来からの種々のＰＩＤ制御回路を示すブロック図で、図３（ａ）は、古典型のＰＩＤ制御回路、図３（ｂ）は、微分先行型のＰＩＤ制御回路、図３（ｃ）は、比例微分先行型のＰＩＤ制御回路のブロック図である。図中符号４１は微分演算部（不完全微分）、４２は比例演算部、４３は積分演算部、４４はゲイン増幅部、４５は第１の偏差演算部、４６は制御出力演算部を示している。なお、これらのＰＩＤ制御回路については、例えば、特許文献２及び特許文献３に開示されている。

国際公開第２０１３／１７１９９８号 特開２００４−２２７４３２号公報 特開平６−１６８００３号公報

しかしながら、従来のＰＩＤ制御回路を用いた位置制御装置では、操作対象の目標値が大幅に変化したときに、操作量が急激に増大する。そのため、操作対象（例えば、レンズの位置）が過渡状態から定常状態に遷移するまでにオーバーシュートが生じて、過渡状態から定常状態に遷移するまでに時間がかかるという問題があった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小さい回路面積で操作対象が過渡状態から定常状態に遷移するまでに起こるオーバーシュートを抑制し、高い応答性及び安定性を可能とする位置制御装置及び位置制御方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、磁石（３２）を備えた移動体（３３）の位置を磁気センサ（２１）により検出して、前記移動体（３３）を操作量に基づいて目標位置に駆動する位置制御装置において、前記移動体（３３）の目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）を生成する目標位置指令信号生成回路（２６）と、前記磁気センサ（２１）で検出した前記移動体の位置信号（ＶＰＲＯＣ）及び前記目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）を入力とし、前記移動体（３３）の操作量信号（ＭＶ）を生成するＰＩＤ制御回路（２５）と、を備え、前記ＰＩＤ制御回路（２５）は、比例動作を行う比例演算部（４２）と、積分動作を行う積分演算部（４３）と、微分動作を行う微分演算部（４１）と、前記操作量信号（ＭＶ）を前記積分演算部（４３）へフィードバックする帰還部（４８）と、を有し、前記ＰＩＤ制御回路（２５）は、前記目標位置指令信号と前記位置信号との第１の差（Ｅ）と、前記帰還部の出力信号と、の差分である第２の差（Ｆ）を前記積分演算部（４３）が積分するように構成され、さらに、前記ＰＩＤ制御回路は、前記第１の差に応じて前記帰還部の帰還量を調整することを特徴とする。（実施例１；図２，図５）

また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ＰＩＤ制御回路（２５）は、前記第１の差（Ｅ）の絶対値を演算する絶対値演算部（５０）を有し、前記絶対値に応じて前記帰還部（４８）の前記帰還量を調整することを特徴とする。（実施例２；図７）
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ＰＩＤ制御回路（２５）は、前記絶対値と、前記帰還部（４８）の出力信号とを乗算器（４９）の乗算により前記帰還量を調整することを特徴とする。（実施例２；図７）

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記ＰＩＤ制御回路（２５）は、ローパスフィルタ回路（５１）と目標値フィルタ回路（５２）を有し、前記ローパスフィルタ回路を経由した前記位置信号と、前記目標値フィルタ回路を経由した前記目標位置指令信号に対して、ＰＩＤ制御を行うことを特徴とする。（実施例６；図１２）
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記絶対値演算部は、前記目標値フィルタ回路を経由する前の前記目標位置指令信号と、ローパスフィルタ回路を経由した前記位置信号との差の絶対値を演算することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、前記ＰＩＤ制御回路（２５）は、前記比例演算部（４２）、前記積分演算部（４３）、前記微分動作を行う微分演算部（４１）からの出力信号を加算又は減算した信号をゲイン増幅して操作量信号として出力するゲイン増幅部をさらに有することを特徴とする。（実施例１；図２，図５）
また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発明において、前記比例演算部は、前記第１の差（Ｅ）の比例動作を行う、か、前記位置信号の比例動作を行い、前記微分演算部は、前記第１の差（Ｅ）の微分動作を行う、か、前記位置信号の微分動作を行うことを特徴とする。
また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の発明において、前記移動体が、オートフォーカスレンズの線形運動デバイスであることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、磁石（３２）を備えた移動体（３３）の位置を磁気センサ（２１）により検出して、前記移動体（３３）を操作量に基づいて目標位置に駆動する位置制御方法において、前記移動体（３３）の目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）を生成する目標位置指令信号生成ステップと、前記磁気センサ（２１）で検出した前記移動体の位置信号（ＶＰＲＯＣ）及び前記目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）に基づいて操作量信号（ＭＶ）を生成してＰＩＤ制御するＰＩＤ制御ステップと、を備え、前記ＰＩＤ制御ステップが、前記位置信号を微分するステップと、前記位置信号（ＶＰＲＯＣ）と前記目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）との第１の差を演算するステップと、前記第１の差（Ｅ）に比例した比例値を演算するステップと、前記操作量信号から帰還信号を生成するステップと、前記第１の差（Ｅ）から前記帰還信号を減算して第２の差を演算するステップと、前記第２の差を積分するステップと、を有し、さらに、前記ＰＩＤ制御ステップが、前記第１の差の絶対値を演算するステップと、前記絶対値と前記帰還信号とを乗算するステップと、を有し、前記第２の差を積分するステップは、前記絶対値と前記帰還信号とを乗算した信号を積分するステップであることを特徴とする。

本発明によれば、小さい回路面積で操作対象が過渡状態から定常状態に遷移するまでに起こるオーバーシュートを抑制し、高い応答性及び安定性を可能とする位置制御装置及び位置制御方法を実現することができる。

従来の線形運動デバイスの制御装置を説明するための構成図である。 図１における従来の線形運動デバイスの制御装置の具体的な構成図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、従来からの種々のＰＩＤ制御回路を示すブロック図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、図３におけるＰＩＤ制御回路の更なる改良点を説明するための図である。 本発明に係る位置制御装置の実施例１を説明するための回路構成図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、図５に示した実施例１における効果を説明するための図である。 本発明に係る位置制御装置の実施例２を説明するための回路構成図である。 本発明に係る位置制御装置の実施例３を説明するための回路構成図である。 本発明に係る位置制御装置の実施例４を説明するための回路構成図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、図７乃至図９に示した実施例２乃至４における効果を説明するための図である。 本発明に係る位置制御装置の実施例５を説明するための回路構成図である。 本発明に係る位置制御装置の実施例６を説明するための回路構成図である。 （ａ），（ｂ）は、図１２に示した実施例６における特徴的な構成を説明するための図である。 本発明に係る位置制御装置の実施例７を説明するための回路構成図である。

まず、図３（ｂ）に基づいて本発明の前提となるＰＩＤ制御回路について説明する。 図３（ｂ）に示したＰＩＤ制御回路２５は、図２におけるＰＩＤ制御回路２５に相当し、入力信号Ｖｉｐ（ＶＰＲＯＣ）及び目標値ＶＴＡＲＧもそれぞれ図２に記載の信号に対応している。
ＰＩＤ制御は、制御対象の入力信号ＶＰＲＯＣと目標値ＶＴＡＲＧとの偏差（差）Ｅに基づいて制御出力（操作量）ＭＶを演算することで、入力信号ＶＰＲＯＣを目標値ＶＴＡＲＧに近づけ目標値に近い値に保持することを可能にしている。

また、ＰＩＤ制御は、比例演算部４２による偏差Ｅに比例した比例値を出力する比例動作（Ｐ動作）と、積分演算部４３による偏差Ｅの時間積分に比例した積分値を出力する積分動作（Ｉ動作）と、微分演算部４１による入力信号ＶＰＲＯＣの時間微分に比例した微分値を出力する微分動作（Ｄ動作）との３つの動作を組み合わせて制御を行っている。これらの動作は、それぞれパラメータを有しており、適正なパラメータを選定することで動特性の異なる様々な機器の制御が可能となる。

偏差演算部４５は、目標値ＶＴＡＲＧと磁気センサ（図２における符号２１に相当）からの入力信号ＶＰＲＯＣとの偏差Ｅを演算するためのものである。
比例演算部４２は、偏差演算部４５から出力された偏差Ｅに比例した比例値ＫＰを出力するためのものであり、従来のＰＩＤ制御におけるＰ動作に該当する。
積分演算部４３は、偏差演算部４５から出力された偏差Ｅの時間積分に比例した積分値ＫＩを出力するためのものであり、従来のＰＩＤ制御におけるＩ動作に該当する。

微分演算部４１は、磁気センサからの入力信号ＶＰＲＯＣの時間微分に比例した微分値ＫＤを出力するためのものであり、従来のＰＩＤ制御におけるＤ動作に該当する。
制御出力演算部４６は、比例演算部４２と積分演算部４３と微分演算部４１とからの出力に基づいて、ゲイン増幅器４４を介して制御出力値（操作量）ＭＶを演算するためのものである。具体的には、制御出力演算部４６は、比例演算部４２と積分演算部４３と微分演算部４１とから出力された比例値ＫＰと、積分値ＫＩと、微分値ＫＤとの総和を演算（加算又は減算）して制御対象へ出力する。

図４（ａ）乃至（ｃ）は、図３におけるＰＩＤ制御回路の更なる改良点を説明するための図で、図４（ａ）は目標値、図４（ｂ）は操作量、図４（ｃ）は操作対象（レンズ位置）をそれぞれ示している。
図４（ａ）に示すように、目標値が大幅に変化したときに、図４（ｂ）に示すように、操作量が急激に増大する。それによって、図４（ｃ）に示すように、操作対象（レンズ位置）が過渡状態から定常状態に遷移するまでにオーバーシュートが生じて安定性が悪くなる。また、過渡状態から定常状態に遷移するまでに時間がかかり、応答性が悪いという問題がある。
以下、このような問題を解決するための各実施例について説明する。

図５は、本発明に係る位置制御装置の実施例１を説明するための回路構成図である。図中符号４７は帰還演算部、４８は帰還部を示している。なお、図３（ｂ）と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例１の位置制御装置は、図１又は図２に示すように、磁石３２（図２）を備えた移動体３３の位置を磁気センサ２１により検出して、移動体３３を目標値に基づいて目標位置に駆動する位置制御装置である。

本実施例１の位置制御装置は、例えば、移動体の位置を検出する磁気センサからの出力信号をＡＤ変換するＡ／Ｄ変換回路、Ａ／Ｄ変換回路の出力とデバイス位置指令信号生成回路の出力に基づいてＰＩＤ制御するＰＩＤ制御回路、目標位置指令信号を生成する目標位置指令信号発生回路（デバイス位置指令信号生成回路）、ＰＩＤ制御回路の出力をＤＡ変換して出力ドライバへ出力するＤ／Ａ変換回路を有する。また、出力ドライバは、ＰＩＤ制御回路の操作量信号に応じて駆動コイルを駆動し、移動体の位置を駆動する。

磁気センサは、移動体に取り付けられている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値Ｖｉｐを出力するものである。この磁気センサとしてはホール素子であることが望ましい。
Ａ／Ｄ変換回路は、磁気センサからの検出位置信号を増幅してＡ／Ｄ変換するもので、Ａ／Ｄ変換された検出位置信号値Ｖｉｐを得るものである。

目標位置指令信号発生回路は、移動体を移動すべき目標位置を指示する目標位置信号値及びキャリブレーション実行信号をＰＩＤ制御回路に出力する。
目標位置指令信号生成回路（デバイス位置指令信号生成回路）２６は、移動体３３の目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを生成する。ＰＩＤ制御回路２５は、磁気センサ２１の出力信号（ＰＩＤ制御回路２５の入力信号）ＶＰＲＯＣ及び目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを入力とし、移動体３３の操作量信号ＭＶを生成する。

また、ＰＩＤ制御回路２５は、磁気センサ２１の出力信号ＶＰＲＯＣと目標位置指令信号ＶＴＡＲＧとの第１の偏差演算部４５による第１の偏差（差）Ｅに比例した比例値を出力する比例動作を行う比例演算部４２と、第１の偏差Ｅの時間積分に比例した積分値を出力する積分動作を行う積分演算部４３と、出力信号ＶＰＲＯＣの時間微分に比例した微分値を出力する微分動作を行う微分演算部４１と、操作量信号ＭＶを積分演算部４３の入力側にフィードバックする帰還部４８とを備えている。

また、帰還部４８では操作量信号ＭＶに対し、最も単純には、スケーリング係数を乗算した構成を採用するが、操作量信号ＭＶを適切なフィルタや、変調、演算する構成であってもよい。
また、積分演算部４３は、第１の偏差Ｅと帰還部４８の出力信号との帰還演算部４７による第２の偏差（差）Ｆを積分する。また、移動体３３は、オートフォーカスレンズの線形運動デバイスであることを可能としている。
つまり、積分演算部４３の前段に帰還演算部４７を設け、ゲイン増幅器４４からの制御出力値（操作量）ＭＶを、帰還部４８を介して積分演算部４３の入力へフィードバックする構成により、目標値変化時の過渡的区間においてＰＩＤ制御回路の制御性が向上される。それによって、安定性が向上し、さらに、応答性も向上する。

図６（ａ）乃至（ｃ）は、図５に示した実施例１における効果を説明するための図で、図６（ａ）は目標値、図６（ｂ）は操作量、図６（ｃ）は操作対象（レンズ位置）をそれぞれ示している。図６（ｃ）から明らかなように、図４（ｃ）と比べて、操作対象（レンズ位置）が過渡状態から定常状態に遷移するまでにオーバーシュートが改善され、過渡状態から定常状態に遷移するまでに時間が短縮され、過渡状態において応答性が改善されている。また、ＰＩＤ制御回路内部の構成であるため、回路の小型化が可能となる。

なお、操作量信号を、積分演算部へフィードバックする形態に加えて、比例演算部、微分演算部、及び両方へフィードバックする形態であってもよい。また、操作量信号のフィードバックは、帰還部の出力信号のフィードバック、帰還部の出力と絶対値演算部の乗算結果のフィードバック、及び、それらに準じる信号をフィードバックする形態であってもよい。

図７は、本発明に係る位置制御装置の実施例２を説明するための回路構成図である。図中符号４９は乗算部、５０は絶対値演算部を示している。なお、図５と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。上述した図３（ｂ）に示した微分先行型のＰＩＤ制御回路に本発明を適用した例を示している。
本実施例２の位置制御装置におけるＰＩＤ制御回路２５は、第１の偏差Ｅに応じて帰還部４８の帰還量が調整されるように構成されている。また、ＰＩＤ制御回路２５は、第１の偏差Ｅの絶対値を演算する絶対値演算部５０を備え、第１の偏差Ｅの絶対値に応じて帰還部４８の帰還量が調整されるように構成されている。また、ＰＩＤ制御回路２５は、第１の偏差Ｅの絶対値と、帰還部４８の出力信号とを乗算器４９の乗算により帰還量が調整されるように構成されている。
つまり、乗算部４９を帰還演算部４７と帰還部４８との間に設け、絶対値演算部５０を、偏差演算部４５の出力側と乗算部４９との間に設けることにより、目標値からのずれ量とフィードバック量を演算し、目標値誤差がなくなるように構成したものである。

操作量ＭＶのフィードバックにより目標値変化時の過渡状態においてＰＩＤ制御回路の制御性が向上されるが、定常状態において操作対象を安定させるために操作量ＭＶ＿Ｂｉａｓが必要となる。このＭＶ＿Ｂｉａｓがあると、積分演算入力にオフセットが残り目標値ずれが生じてしまう。しかし、本実施例２では、定常状態では目標値ＶＴＡＲＧと入力信号ＶＰＲＯＣとの偏差Ｅはほぼ０となるため、操作量信号ＭＶのフィードバック量は０となる。したがって、操作量ＭＶのフィードバックにより目標値変化時の過渡的区間においてＰＩＤ制御回路の制御性が向上でき、かつ目標値ずれが生じない。
本実施例２は、偏差Ｅの絶対値と帰還部４８の出力を乗算する形態であるが、偏差Ｅの絶対値ではなく、ある時間で正側から０に収束する信号であり、且つ、制御性を高めるような信号を帰還部４８の出力に乗算する形態など、定常状態でＰＩＤ制御回路内部の操作量信号のフィードバック量を０にできる構成であればよい。

図８は、本発明に係る位置制御装置の実施例３を説明するための回路構成図である。なお、図７と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。上述した図３（ａ）に示した古典型のＰＩＤ制御回路に本発明を適用した例を示している。
つまり、微分演算部４１は、入力信号ＶＰＲＯＣを直接演算するのではなく、Ａ点からの偏差Ｅを演算するものである。

図９は、本発明に係る位置制御装置の実施例４を説明するための回路構成図である。なお、図７と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。上述した図３（ｃ）に示した比例微分先行型のＰＩＤ制御回路に本発明を適用した例を示している。
つまり、比例演算部４２は、Ａ点からの偏差Ｅを演算するのではなく、入力信号ＶＰＲＯＣを直接演算するものである。

図１０（ａ）乃至（ｃ）は、図７乃至図９に示した実施例２乃至４における効果を説明するための図で、図１０（ａ）は目標値、図１０（ｂ）は操作量、図１０（ｃ）は操作対象（レンズ位置）をそれぞれ示している。
ここで、偏差Ｅを用いて帰還部４８の出力に乗算する形態の場合、絶対値演算部５０が必要となる。以下で、絶対値演算部５０がなく、偏差Ｅが同じ符号のまま乗算器４９に入力される形態を想定する。
レンズ移動方向が正方向の場合、偏差Ｅは正値であり、操作量信号ＭＶも正値となる。そのため、乗算器４９の出力信号は正値となり、偏差Ｅ（正値）に対して乗算器４９の出力（正値）の差を演算した偏差Ｆが積分演算部４３に入力されることで、操作量のピーク値を小さくすることができる。

一方、レンズ移動方向が負方向の場合、偏差Ｅは負値であり、操作量信号ＭＶも負値となる。そのため、乗算器４９の出力信号は正値となり、偏差Ｅ（負値）に対して乗算器４９の出力（正値）の差を演算した偏差Ｆが積分演算部４３に入力されると、逆に、操作量のピーク値が大きくなってしまう。
そのため、レンズ移動方向の正負に関わらず操作量のピーク値を小さくし、目標値ずれを抑制する効果を得るためには、絶対値演算部５０が必要となる。レンズ移動方向が負方向の場合、偏差Ｅは負値であり、操作量信号ＭＶも負値となる。しかし、絶対値演算部５０があるため、乗算器４９の出力信号は負値となり、偏差Ｅ（負値）に対して乗算器４９の出力（負値）の差を演算した偏差Ｆが積分演算部４３に入力されることで、操作量のピーク値を小さくすることができる。

図１１は、本発明に係る位置制御装置の実施例５を説明するための回路構成図である。なお、図７と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例５の位置制御装置は、上述した実施例２の位置制御装置の変更例で、実施例２においては、比例演算部４２は、第１の偏差演算部４５の偏差Ｅを入力としているが、本実施例５においては、入力信号ＶＰＲＯＣを直接入力としている。つまり、比例演算部４２は、第１の偏差Ｅに比例した比例値を出力する比例動作を行う代わりに、磁気センサ２１の出力信号ＶＰＲＯＣに比例した比例値を出力する比例動作を行うように構成されている。このような接続関係においても、実施例２と同様な効果を奏する。

図１２は、本発明に係る位置制御装置の実施例６を説明するための回路構成図である。図中符号５１はローパスフィルタ（ＬＰＦ；１次）回路、５２は目標値フィルタ回路、５３は第２の偏差演算部を示している。なお、図７と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例６の位置制御装置は、上述した実施例２の位置制御装置の更なる変更例で、微分演算部４１の前段にＬＰＦ回路５１を設けているとともに、第１の偏差演算部４５の前段に目標値フィルタ回路５２を設け、絶対値演算部５０は、第２の偏差演算部５３を介して目標値ＶＴＡＲＧとＬＰＦ回路５１の出力信号との第３の偏差（差）Ｇを入力としている。
つまり、本実施例６の位置制御装置におけるＰＩＤ制御回路２５は、微分演算部４１の前段にＬＰＦ回路５１を設けるとともに、第１の偏差演算部４５の前段に目標値フィルタ回路５２を設け、絶対値演算部５０の前段に第２の偏差演算部５３を設けている。

目標値フィルタ回路５２があることで、ＰＩＤ制御回路の構成を比例微分先行型のＰＩＤ制御から微分先行型のＰＩＤ制御に段階的に切り替えることができる。なお、目標値フィルタ回路５２としては、主に位相進み遅れ補償要素を持ったフィルタ回路である。目標値フィルタ回路５２のパラメータには、位相遅れ要素の時定数τ１がＰＩＤ制御回路２５の積分演算部４３における積分時間に比例した時定数となるような第１のパラメータと、位相進み要素の時定数τ２が位相遅れ要素の時定数τ１に比例した時定数となるような第２のパラメータと、が設定される。しかしながら、目標値ＶＴＡＲＧの生成波形を任意に調整できるフィルタ、演算などの構成であれば、どのような形態であってもよい。

図１３（ａ），（ｂ）は、図１２に示した実施例６における特徴的な構成を説明するための図で、図１３（ａ）は目標値フィルタの入力信号、図１３（ｂ）は目標値フィルタの出力信号を示している。
図７に示した実施例２においては、第１の偏差演算部４５と帰還演算部４７の中間点Ａから絶対値演算部５０に偏差Ｅを入力しているが、本実施例６においては、目標値フィルタ回路５２の入力前の信号と、ＬＰＦ回路５１の出力信号との差分を第２の偏差演算部５３を介して第３の偏差Ｇを入力している。

目標値フィルタ回路５２の入力信号および出力信号は、設定パラメータにより、図１３（ａ），（ｂ）に示したような波形となっている。目標値フィルタ回路５２の出力信号ではなく、目標値フィルタ回路５２の入力前の信号とＬＰＦ回路５１の出力信号の差分をとることで、目標値フィルタ回路５２の設定パラメータによって操作量ＭＶのフィードバック演算に使用する偏差が変動せず、また、目標値が変更された直後に大きな偏差となる。これにより、目標値ずれを精度良く抑制することができる。なお、本実施例内で記載した手法とは異なるＰＩＤ制御回路の構成でもよい。

図１４は、本発明に係る位置制御装置の実施例７を説明するための回路構成図である。なお、図１２と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例７の位置制御装置は、上述した実施例６の位置制御装置の変更例で、実施例６においては、乗算部４９を帰還演算部４７と帰還部４８との間に設けていたが、これを取り除き、絶対値演算部５０の出力信号を直接的に帰還部４８に入力したものである。

つまり、絶対値演算部５０の出力を乗算器４９に入力する代わりに帰還部４８に入力するようにしたもので、ＦＢ（フィードバック）量を直接調整するような構成としたものである。但し、以下の事が満足することが必要になる。
１）操作量ＭＶをフィードバックすること、２）過渡状態ではフィードバック量が出力され、定常状態ではフィードバック量がゼロもしくはほぼゼロとなること、３）帰還演算部４７に入力される信号は、操作量ＭＶの符号に対して逆の符号であること、である。

以上、本発明かかる位置制御装置としては、移動体が線形に運動するように構成された線形運動デバイスの制御装置、移動体が平面内で運動するように構成された手触れ補正用制御装置などが挙げられる。特に、スマホカメラレンズのオートフォーカス制御が好適な例である。
特に、オートフォーカス制御において、レンズ位置を目標位置へ大幅に駆動後、レンズを安定させる場合においては、本実施例２の構成等が好適である。これによれば、レンズを大幅に動かす操作性に加えて、レンズを安定に保持する安定性も向上する。

以下に、本発明の位置制御方法について説明する。
本発明の位置制御方法は、磁石３２を備えた移動体３３の位置を磁気センサ２１により検出して、移動体３３を操作量に基づいて目標位置に駆動する位置制御方法である。
移動体３３の目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを生成する目標位置指令信号生成ステップと、磁気センサ２１で検出した移動体の位置信号ＶＰＲＯＣ及び目標位置指令信号ＶＴＡＲＧに基づいて操作量信号ＭＶを生成してＰＩＤ制御するＰＩＤ制御ステップと、を備えている。

また、移動体３３の操作量信号ＭＶを生成するＰＩＤ制御ステップは、位置信号を微分するステップと、位置信号ＶＰＲＯＣと目標位置指令信号ＶＴＡＲＧとの第１の差を演算するステップと、第１の差Ｅに比例した比例値を演算するステップと、操作量信号から帰還信号を生成するステップと、第１の差Ｅから帰還信号を減算して第２の差を演算するステップと、第２の差を積分するステップと、を有している。

また、移動体３３の操作量信号ＭＶを生成するＰＩＤ制御ステップは、第１の差Ｅの絶対値を演算するステップと、帰還部４８の操作量ＭＶに対し、最も単純にはスケーリング係数を乗算した構成、または、操作量ＭＶを適切なフィルタや変調、演算する構成により、絶対値と帰還信号とを乗算する、または、上述した１），２），３）とを満たすステップとを有し、第２の差を積分するステップは、絶対値と帰還信号とを乗算した信号を積分するステップである。
このようにして、操作対象が過渡状態から定常状態に遷移するまでに起こるオーバーシュートを抑制し、高い応答性及び安定性を可能とする位置制御方法を実現することができる。また、この構成は非常に簡便であり、小さな回路面積で実現ができる。

１ 磁気センサ
２ Ａ／Ｄ変換回路
３ ＰＩＤ制御回路
４ デバイス位置（目標位置）指令信号発生回路
５ Ｄ／Ａ変換回路
６ 出力ドライバ
７ 駆動コイル
８ 移動体
１３ ＰＩＤ制御装置
２０ 制御装置（位置制御回路）
２１ 磁気センサ
２２ 増幅器
２３ Ａ／Ｄ変換回路
２４ キャリブレーション演算回路
２５ ＰＩＤ制御回路
２６ 目標位置指令信号発生回路
２８ａ，２８ｂ 出力ドライバ
２９ 駆動コイル
３０ カメラモジュール
３１ 線形運動デバイス
３２ 磁石
３３ レンズ（移動体）
３４ 漏れ磁場補正回路
４１ 微分演算部
４２ 比例演算部
４３ 積分演算部
４４ ゲイン増幅部
４５ 第１の偏差演算部
４６ 制御出力演算部
４７ 帰還演算部
４８ 帰還部
４９ 乗算部
５０ 絶対値演算部
５１ ＬＰＦ回路
５２ 目標値フィルタ回路
５３ 第２の偏差演算部

Claims (9)

1. 磁石を備えた移動体の位置を磁気センサにより検出して、前記移動体を操作量に基づいて目標位置に駆動する位置制御装置において、
   前記移動体の目標位置指令信号を生成する目標位置指令信号生成回路と、
   前記磁気センサで検出した前記移動体の位置信号及び前記目標位置指令信号を入力とし、前記移動体の操作量信号を生成するＰＩＤ制御回路と、を備え、
   前記ＰＩＤ制御回路は、比例動作を行う比例演算部と、積分動作を行う積分演算部と、微分動作を行う微分演算部と、前記操作量信号をフィードバックする帰還部と、を有し、
   前記ＰＩＤ制御回路は、前記目標位置指令信号と前記位置信号との第１の差と、前記帰還部の出力信号と、の差分である第２の差を前記積分演算部が積分するように構成され、
   さらに、前記ＰＩＤ制御回路は、前記第１の差に応じて前記帰還部の帰還量を調整する位置制御装置。
2. 前記ＰＩＤ制御回路は、前記第１の差の絶対値を演算する絶対値演算部を有し、前記絶対値に応じて前記帰還部の前記帰還量を調整する請求項１に記載の位置制御装置。
3. 前記ＰＩＤ制御回路は、前記絶対値と、前記帰還部の出力信号とを乗算器の乗算により前記帰還量を調整する請求項２に記載の位置制御装置。
4. 前記ＰＩＤ制御回路は、ローパスフィルタ回路と目標値フィルタ回路を有し、前記ローパスフィルタ回路を経由した前記位置信号と、前記目標値フィルタ回路を経由した前記目標位置指令信号に対して、ＰＩＤ制御を行う請求項１〜３のいずれか一項に記載の位置制御装置。
5. 前記絶対値演算部は、前記目標値フィルタ回路を経由する前の前記目標位置指令信号と、ローパスフィルタ回路を経由した前記位置信号との差の絶対値を演算する請求項４に記載の位置制御装置。
6. 前記ＰＩＤ制御回路は、前記比例演算部、前記積分演算部、前記微分演算部からの出力信号を加算又は減算した信号をゲイン増幅して操作量信号として出力するゲイン増幅部をさらに有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の位置制御装置。
7. 前記比例演算部は、前記第１の差の比例動作を行う、か、前記位置信号の比例動作を行い、
   前記微分演算部は、前記第１の差の微分動作を行う、か、前記位置信号の微分動作を行う請求項１〜６のいずれか一項に記載の位置制御装置。
8. 前記移動体が、オートフォーカスレンズの線形運動デバイスである請求項１〜７のいずれか一項に記載の位置制御装置。
9. 磁石を備えた移動体の位置を磁気センサにより検出して、前記移動体を操作量に基づいて目標位置に駆動する位置制御方法において、
   前記移動体の目標位置指令信号を生成する目標位置指令信号生成ステップと、
   前記磁気センサで検出した前記移動体の位置信号及び前記目標位置指令信号に基づいて操作量信号を生成してＰＩＤ制御するＰＩＤ制御ステップと、を備え、
   前記ＰＩＤ制御ステップが、
   前記位置信号を微分するステップと、
   前記位置信号と前記目標位置指令信号との第１の差を演算するステップと、
   前記第１の差に比例した比例値を演算するステップと、
   前記操作量信号から帰還信号を生成するステップと、
   前記第１の差から前記帰還信号を減算して第２の差を演算するステップと、
   前記第２の差を積分するステップと、を有し、
   さらに、前記ＰＩＤ制御ステップが、前記第１の差の絶対値を演算するステップと、前記絶対値と前記帰還信号とを乗算するステップと、を有し、
   前記第２の差を積分するステップは、前記絶対値と前記帰還信号とを乗算した信号を積分するステップである位置制御方法。

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