JP6253312B2 - 制御装置、制御装置を備えるアクチュエータ、画像振れ補正装置、交換用レンズ、撮像装置、及び自動ステージ - Google Patents

Description

本発明は、制御装置、該制御装置を備えるアクチュエータ、画像振れ補正装置、交換用レンズ、撮像装置、及び自動ステージに関する。
具体的には、複数のモータの駆動力を合成することにより、移動体を多方向に駆動することが可能な制御装置、該制御装置を備えるアクチュエータ、画像振れ補正装置、交換用レンズ、撮像装置、及び自動ステージに関する。

従来において、多方向駆動が可能なアクチュエータ（以下、これを多自由度駆動装置と記す。）として、リニアアクチュエータを用いてＸＹθの駆動を実現するようにした装置が提案されている（特許文献１）。
図１０（ａ）は従来の多自由度駆動装置の構成を示す図である。
１はこの多自由度駆動装置のベースとなるベース板、２、３、４は移動体５を駆動させる振動子である。６はＸ方向位置を検出する位置センサであり、７、８はＹ方向位置を検出する位置センサである。
図１０（ｂ）は同装置を側面から見た図である。
振動子２（不図示）、３、４は１点突起を持つ振動部材（３、４の上部）と圧電素子（斜線部）を接着などで一体化し、不図示の取り付け部材を介してベース板１に取り付けられている。
６’、７’、８’は位置センサの上面に設けられたスケール部である。例えば、センサ６だと、スケール部６’がＸ方向に移動することで移動量に応じた位置信号がセンサ６から出力されるというものである。
センサ７はスケール部７’が、センサ８はスケール部８’がＹ方向に移動することで移動量に応じた位置信号を出力する。
このような構成により、振動子２、３、４の駆動力をベクトル合成した方向に移動体を動かす。

特許文献１では、図１０で示した振動型の多自由度駆動装置の制御系が提案されており、個々の振動型モータのバラツキを補正する制御方法が提案されている。前記制御系の制御部は、複数の振動型モータに対して、個別にＰＩＤ制御を行う構成である。すなわち、ＸＹθの位置指令値をモータ移動量に各々変換した後、個別にＰＩＤ補償器を設けて位置制御を行うのが従来の構成である。

図１１は、従来の多自由度駆動装置の制御系を示す図である。
ここでは、図１０で示した振動型の多自由度振動型駆動装置を用いた場合を説明する。不図示のコントローラより位置指令Ｘ、Ｙ、θが与えられ、モータ座標変換部１１０１に入力される。
モータ座標変換部１１０１は、３つの振動型モータ（３つの振動子）Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３に対応して、Ｍ１座標変換部、Ｍ２座標変換部、Ｍ３座標変換部から成る。
これは、位置指令ＸＹθを各振動型モータの配された座標位置上の値に変換するものであり、位置指令ＸＹθの方向と各モータの駆動力を発生するベクトルとの角度によって決まる。
尚、θ方向の変換は移動体中心からの各モータの相対位置を考慮する必要がある。
例えば、Ｍ１座標変換部は、位置指令ＸＹθが与えられた時、θ方向を無視すれば、Ｘ方向指令値が振動型モータＭ１座標上の位置指令値となり、Ｙ方向成分はゼロとなる。
同様に、振動型モータＭ２、Ｍ３においてもＸＹθ方向の指令値が駆動ベクトルとの角度
の関係によって配分される。
一方で、ＸＹθ座標変換部３０８で得られた検出位置Ｘ、Ｙ、θは前記モータ座標変換部１１０１に入力されて、各モータ座標位置上の値に変換される。
そして、３つのモータ座標位置に変換された位置指令及び検出位置は、偏差算出部１１０２に入力されて差分が演算される。これが、各振動型モータの位置偏差となる。

次に、３つの振動型モータの位置偏差はＰＩＤ補償器１１０３に入力される。ＰＩＤ補償器１１０３は３つのＰＩＤ補償器から成り、各々の振動型モータを制御するために設けられている。
ここで、３つの振動型モータの駆動力が一致していれば、基本的には同じ制御ゲインが設定される。
そして、ＰＩＤ補償器１１０３から出力された各振動型モータの制御信号は、駆動パラメータとなる周波数、位相差、パルス幅等の情報を含み、パルス発生器３０４に入力される。

パルス発生器３０４から出力されたパルス信号は駆動回路３０５に入力され、位相が９０°異なる２相の交番電圧が出力される。
駆動回路３０５から出力された交番電圧は振動型モータ２、３、４（以下、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３）の圧電素子に印加され、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の駆動力をベクトル合成した方向に移動体５は動作する。
移動体５の動作を位置センサ６、７、８によって検出し、位置検出部３０７で各センサ位置での位置情報をＸ１、Ｙ１、Ｙ２として演算処理する。位置情報Ｘ１、Ｙ１、Ｙ２はＸＹθ座標変換部３０８に入力され、Ｘ、Ｙ、θの位置情報として座標変換処理される。
このように、位置指令Ｘ、Ｙ、θに近づくように、各モータで個別にＰＩＤ補償器によってフィードバック制御される。

特開２００９−２２５５０３号公報

しかしながら、上記従来例のものにおいては、つぎのような課題を有している。
すなわち、多自由度駆動装置をＸＹ平面上に平置きにした場合と縦置きにした場合とでは、ＸＹθの各駆動方向（各移動方向）における伝達特性が異なる。しかし、従来例の制御系では、前記伝達特性の違いが考慮されておらず、制御性能において必ずしも満足の得られるものではなかった。
例えば、Ｙ方向は重力の影響を受けることから、これをカメラの防振機構に用いた際、移動体５の中心にレンズが配置され、レンズをＸＹ方向に駆動する場合、Ｙ方向に駆動力を発生する振動型モータ（振動子）Ｍ２、Ｍ３がレンズ質量分の重力の影響を受けることになる。
そのため、Ｙ方向は伝達特性のゲインと位相遅れがＸ方向に比べて悪化する。
更に、この傾向は、防振を行う周波数、すなわち加速度が大きいほど顕著になる。
この結果、各振動型モータ（各振動子）への制御量のバランスがＹ方向の影響によって崩れて制御系が不安定になり、位置偏差と応答性が低下するという課題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑み、複数のモータの駆動力をベクトル合成して多方向への駆動を可能とした制御装置を構成するに当たり、
該合成駆動力の伝達特性の、少なくとも２つの交差する方向間での違いを考慮した協調制御によって、位置偏差と応答性における制御性の向上を図ることが可能となる制御装置
の提供を目的とする。
また、本発明は、上記制御装置を備えるアクチュエータ、画像振れ補正装置、交換用レンズ、撮像装置、または自動ステージの提供を目的とする。

本発明の制御装置は、位置指令と移動体の位置データとの差分に基づいて、第１の方向に関する第１の偏差信号と前記第１の方向と異なる第２の方向に関する第２の偏差信号とを出力する偏差算出部と、前記第１の偏差信号に基づいて前記第１の方向に関する第１の制御信号を出力し、前記第２の偏差信号に基づいて前記第２の方向に関する第２の制御信号を出力する補償部と、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号に基づいて、第１のモータの制御量と第２のモータの制御量とを演算する制御量演算部と、を有し、前記補償部は、前記第１のモータの駆動力と前記第２のモータの駆動力とを合成した駆動力の伝達特性の、前記第１の方向と前記第２の方向との間での違いに基づいて、前記第１の偏差信号及び前記第２の偏差信号の制御ゲインを調整して、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号を出力することを特徴とする。
また、本発明の別の制御装置は、位置指令と移動体の位置データとの差分に基づいて、第１の方向に関する第１の偏差信号と前記第１の方向と異なる第２の方向に関する第２の偏差信号とを出力する偏差算出部と、前記第１の偏差信号に基づいて前記第１の方向に関する第１の制御信号を出力し、前記第２の偏差信号に基づいて前記第２の方向に関する第２の制御信号を出力する補償部と、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号に基づいて、第１のモータの制御量と第２のモータの制御量とを演算する制御量演算部と、を有し、前記第１のモータは、前記第１の方向及び前記第２の方向と異なる第１の駆動方向へ駆動力を発生し、前記制御量演算部は、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号を用いて、前記第１のモータの前記制御量を演算することを特徴とする。
さらに、本発明は、アクチュエータ、画像振れ補正装置、交換用レンズ、撮像装置、または自動ステージが、上記した本発明の制御装置を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、複数のモータの駆動力をベクトル合成して多方向への駆動を可能とした制御装置を構成するに当たり、
該複数のモータの合成駆動力の伝達特性の、第１の方向と、該第１の方向と交差する第２の方向との間での違いを考慮した協調制御によって、位置偏差と応答性における制御性の向上を図ることが可能な制御装置を実現することができる。
また、本発明の上記制御装置を備えていることにより、移動体を多方向に駆動することが可能なアクチュエータ、画像振れ補正装置、交換レンズ、撮像装置、または自動ステージを実現することができる。

多自由度駆動装置の構成例について説明する図である。 リニア型振動型駆動装置の駆動原理を説明する図である。 多自由度駆動装置の制御系について説明する図である。 ＰＩＤ補償器の制御系について説明する図である。 制御量演算部を構成する多入力多出力行列演算部を説明する図である。 多入力多出力行列演算部の行列演算式を説明する図である。 多自由度駆動装置のＸ、Ｙ、θ方向の動作を説明する図である。 位置センサ信号をＸ、Ｙ、θに座標変換する式について説明する図である。 制御系を実機に適用した場合の効果について説明する図である。 多自由度駆動装置の構成について説明する図である。 多自由度駆動装置の制御系について説明する図である。 かわし機構を用いて負荷を低減させる構成例について説明する図である。 モータの一例について説明する断面図である。 多自由度駆動装置の構成について説明する図である。 モータ制御装置の適用例について説明する図である。 モータ制御装置の適用例について説明する図である。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態における移動体を多方向に駆動することが可能なアクチュエータ(多自由度駆動装置)の例として、振動型の多自由度駆動装置を用いた例について説明する。
以下では、本発明の実施形態として、本発明の制御装置を備える多自由度駆動装置を、光学機器であるカメラの防振機構（画像振れ補正装置）に適用した構成例を説明する。尚、本実施形態ではカメラに搭載した構成例について説明するが、これに限定されるも
のではない。これ以外にも、ステージにおける制御装置等への適用が可能である。
本実施形態の振動型多自由度駆動装置は、交番電圧の印加によって振動が励起される複数の振動子を備える。
そして、複数の振動子に接触する移動体を摩擦力による駆動力によって駆動するに当たり、複数の振動子の駆動力をベクトル合成し、前記移動体を多方向へ駆動可能に構成されている。
具体的には、図１に示すように、複数のリニア型振動型モータを用いてＸＹθ方向（第１、第２、第３の方向）への移動体の駆動を実現するリニア型振動型駆動装置として構成されている。
カメラの防振機構では、２軸のジャイロセンサを用い、１平面内における２つの直行座標であるＸＹ座標のＸＹ方向の振れ量を検知し、それを補正するような位置指令信号ＸＹが生成される。
つまり、前記位置指令信号に基づいて多自由度駆動装置を制御することで移動体であるレンズが動作し、カメラの防振を行う。

図１（ａ）は本実施形態の振動型多自由度駆動装置の構成を示す図である。
１０１は振動型多自由度駆動装置のベースとなるベース板、１０３、１０４、１０５、１０６は移動体１０２を駆動させる振動型モータ（振動子）である。
ここで、移動体１０２はカメラの防振機構に適用する場合はレンズ部分にあたる。
１０７はＸ方向位置を検出する位置センサであり、１０８、１０９はＹ方向位置を検出する位置センサである。
図１（ｂ）は同装置の側面図である。
振動型モータ１０３、１０４、１０５、１０６は２点突起を持つ振動部材と圧電素子（不図示）を接着などで一体化し、取り付け部材を介してベース板１０１に取り付けられている。
また、位置センサ１０７、１０８、１０９の上面にはスケール部１０７’、１０８’、１０９’が設けられている。
例えば、センサ１０７だと、スケール部１０７’がＸ方向（第１の方向）に移動することで移動量に応じた位置信号がセンサ１０７から出力されるというものである。センサ１０８はスケール部１０８’が、センサ１０９はスケール部１０９’がＹ方向（第２の方向）に移動することで移動量に応じた位置信号を出力する。
これらにより、振動型モータ１０３、１０４、１０５、１０６の駆動力をベクトル合成した方向に移動体を動かすように構成されている。なお、本実施の形態では、振動型モータ１０３、１０４、１０５、１０６の駆動力発生軸は、すべてＸ方向（第１の方向）及びＹ方向（第２の方向）と交差する場合について説明するが、本発明はこれに限定されない。振動型モータ１０３、１０４、１０５、１０６の少なくとも１つの振動型モータの駆動力発生軸が、Ｘ方向及びＹ方向の少なくとも一方に平行でもよい。
なお、振動型モータ１０３、１０４、１０５、１０６の少なくとも１つの振動型モータの駆動力発生軸が、Ｘ方向及びＹ方向に交差する方向である場合には、本発明の制御装置により、振動型モータ１０３、１０４、１０５、１０６の合成駆動力の伝達特性を、より正確に協調制御できる。よって、位置偏差と応答性における制御性の向上を更に図ることができる。

図２は、本実施形態におけるリニア型振動型モータの駆動原理を説明する図である。図２（ａ）において、弾性体２０３に接着された圧電素子２０４に交番電圧を印加することにより、図２（ｃ）、（ｄ）に示すような２つの振動モードを発生させ、突起部２０２に加圧接触する移動体２０１を矢印方向に移動させる。
図２（ｂ）は圧電素子２０４の電極パターンを示す図であり、例えば振動型モータ１０３の圧電素子２０４には、長手方向で２等分された電極領域が形成されている。
また、各電極領域における分極方向は、同一方向（＋）となっている。
圧電素子２０４の２つの電極領域のうち図２（ｂ）の右側に位置する電極領域には交番電圧（Ｖ１）が印加され、左側に位置する電極領域には交番電圧（Ｖ２）が印加される。
Ｖ１およびＶ２をＡモードの共振周波数付近の周波数で、かつ同位相の交番電圧とすると、圧電素子２０４の全体（２つの電極領域）がある瞬間には伸び、また別の瞬間には縮むことになる。
この結果、振動型モータ１０３には図２（ｃ）に示すＡモードの振動が発生することになる。
また、Ｖ１およびＶ２をＢモードの共振周波数付近の周波数で、かつ位相が１８０°ずれた交番電圧とすると、ある瞬間には、圧電素子２０４の右側の電極領域が縮むとともに、左側の電極領域が伸びる。
また、別の瞬間には逆の関係となる。この結果、振動型モータ１０３には図２（ｄ）に示すＢモードの振動が発生することになる。
このように、２つの振動モードを合成することにより、移動体２０１が図２（ａ）の矢印方向に駆動される。
また、ＡモードとＢモードの発生比は、２等分された電極へ入力する交番電圧の位相差を変えることにより、変更可能とされている。
この振動型モータでは発生比を変えることにより移動体の速度を変更させることが可能となる。

図３は、本発明の実施形態における多自由度駆動装置の制御系について説明する図である。
制御系は、少なくとも振動型モータ、移動体、位置センサ、及び制御装置から構成され、ここでは、例えば、振動型モータ１０３乃至１０６、移動体１０２、位置センサ１０７乃至１０９、及び制御装置から構成される。制御装置は、制御部、パルス発生器、駆動回路、位置検出部、及び座標変換部を備え、ここでは、例えば、制御部、パルス発生器３０４、駆動回路３０５、位置検出部３０７、及びＸＹθ座標変換部３０８を備える。更に、制御部は、偏差算出部、補償器（補償部）、及び制御量演算部を備え、ここでは、例えばＸＹθ偏差算出部３０１、ＰＩＤ補償器３０２、及び制御量演算部３０３を備える。
多自由度駆動装置の制御系において、不図示のコントローラより位置指令Ｘ、Ｙ、θが与えられ、ＸＹθ偏差算出部３０１に入力される。
これと、ＸＹθ座標変換部３０８で得られた検出位置Ｘ、Ｙ、θとの差分が演算されて、Ｘ、Ｙ、θの偏差信号が出力される。
偏差信号は制御手段を構成するＰＩＤ補償器３０２に入力され、Ｘ、Ｙ、θそれぞれの制御信号が出力される。
ここで、ＰＩＤ補償器３０２とは比例（Ｐ）・積分（Ｉ）・微分（Ｄ）の各機能を有する補償器の出力を加算したものであり、制御対象の位相遅れやゲインを補償して、安定且つ高精度な制御系を構築するために用いられる。ＰＩＤ補償器は、コントローラがフィードバック制御を行う一定の制御周期を有しており、この制御周期に基づいて、時間比例演算、時間微分演算、時間積分演算が行われる。補償部は、前記位置指令に対する前記移動体の位置データの、位相遅れ、またはゲインを補償する演算部である。補償器としては、例えば、Ｈ無限大補償器、繰返し補償器などがあるが、いずれも時間的な概念に基づく演算を組み合わせて行うよう構成されている。補償器は、いわゆるフィルタとも考えられ、時間的な概念に基づいた作用、すなわち周波数に応じて入力信号を増幅、あるいは減衰する作用が得られる。本発明の補償器は、上記補償器に限定されず、上記効果を得る事ができる補償器であればよい。
本実施形態では、後述するようにこのＰＩＤ補償器３０２は、各振動型モータの駆動力を合成した駆動力の伝達特性の、Ｘ、Ｙ、θ方向間での違いに応じて、Ｘ、Ｙ、θ方向の制
御ゲインを調整可能に構成される。そして、ＰＩＤ補償器３０２から出力された制御ゲインが調整された制御信号が、制御量演算部３０３に入力される。
この制御量演算部３０３では、後述する制御量演算部を構成する多入力多出力行列演算部において、Ｘ、Ｙ、θの各制御量が行列演算により変換されて、４つの振動型モータそれぞれの制御量として出力される。
その際、本実施形態では、制御ゲインが調整された制御信号と、各振動型モータの駆動力発生軸と前記移動体の駆動方向軸（Ｘ、Ｙ、θ方向）との相対角度で決まる係数と、を演算し、各振動型モータの駆動パラメータを算出するように構成されている。
本実施形態では、このように、Ｘ、Ｙ、θ方向における制御ゲインが調整された制御信号を出力するＰＩＤ補償器３０２と、各振動型モータの駆動パラメータを演算する制御量演算部とが、位置指令に対してフィードバック制御する制御系の経路中に配置される。
これにより、各振動型モータの各制御パラメータはＸＹθ方向の伝達特性の違いを考慮してゲインを最適化することができ、従来に対して制御余裕が大きく、高精度な協調制御を行うことが可能となる。

以上のように算出された各振動型モータ（各振動子）の駆動パラメータは周波数、位相差、パルス幅情報であり、これらの各振動型モータの駆動パラメータに関する信号が制御量演算部３０３から出力され、パルス発生器３０４に入力される。
パルス発生器３０４は、入力された制御信号に応じて駆動周波数が変化するパルス信号を発生させるものであり、デジタル分周回路やＶＣＯ（電圧制御発振器）などが用いられる。
また、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により、制御信号に応じてパルス幅が変化するパルス信号を発生させても良い。
パルス発生器３０４から出力されたパルス信号は駆動回路３０５に入力され、位相が９０°異なる２相の交番電圧が出力される。
駆動回路３０５は、電源３０６から供給されたＤＣ電圧を入力パルス信号のタイミングでスイッチング動作させ、所望の電圧に昇圧するトランスを用いた昇圧回路やＬＣ共振を利用した昇圧回路等が用いられる。
駆動回路３０５から出力された交番電圧は振動型モータ１０３、１０４、１０５、１０６（以下、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）の圧電素子に印加され、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の駆動力をベクトル合成した方向に移動体１０２は動作する。
移動体１０２の相対位置を位置センサ１０７、１０８、１０９によって検出し、位置検出部３０７で各センサ位置での位置情報をＸ１、Ｙ１、Ｙ２として演算処理する。
位置情報Ｘ１、Ｙ１、Ｙ２はＸＹθ座標変換部に入力され、Ｘ、Ｙ、θの位置情報として座標変換処理される。このように、位置指令Ｘ、Ｙ、θに近づくように本装置はフィードバック制御される。

図４は、本実施形態におけるＰＩＤ補償器３０２の制御系について説明する図である。Ｘ、Ｙ、θの偏差信号にはそれぞれゲインが設けられ、ＰＩＤ補償器で演算されて出力される。
ゲインＸ４０１、ゲインＹ４０２、ゲインθ４０３は、各方向の制御ゲインの比率を調整する事ができる。
これによって、複数振動子の協調制御を行う上で、ＸＹθの各制御量を自由にコントロールすることができ、制御的な設計の自由度を増すことができる。
また、ＰＩＤ補償器Ｘ４０４、ＰＩＤ補償器Ｙ４０５、ＰＩＤ補償器θ４０６は、複数の振動子を各方向に個別に駆動した場合の伝達特性に基づいて最適化された制御ゲインが設定されており、複数振動子を協調制御する事ができる。

図５は、制御量演算部３０３を構成する多入力多出力行列演算部５０１の構成を説明する図である。
Ｘ、Ｙ、θの各制御量は、多入力多出力行列演算部５０１で検出位置Ｘ、Ｙ、及びθに応じて行列演算され、４つの振動型モータそれぞれの制御量に変換される。
前記制御量に基づいて、振動型モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の駆動パラメータである周波数、位相差、パルス幅が結果として調整されることになる。
また、図６は、多入力多出力行列演算部５０１の行列演算式を説明する図である。
振動型モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の制御量は図６（ａ）で示される。
係数ＣＯＳ（４５ｄｅｇ）は各振動型モータの駆動軸がＸＹ軸に対して４５°の傾きを持って配置されているためである。
そして、第１項は制御量ΔＸ成分、第２項は制御量ΔＹ成分、第３項は制御量Δθ成分である。前記制御量ΔＸはＸ方向の伝達特性が反映された制御量、ΔＹはＹ方向の伝達特性が反映された制御量、Δθはθ方向の伝達特性が反映された制御量である。従って、縦置きした際は、ＸＹ方向の伝達特性の違いが制御量ΔXとΔYの違いとして考慮され、各振動型モータの制御量が演算される。
ここで、第１項と第２項のベクトルがＸ、Ｙ成分で符号が異なるのは、同位相の駆動信号を印加した場合に振動型モータの駆動方向がすべて左回転方向になるよう設定されているからである。
図６（ｂ）は制御量θ成分を演算する回転行列Ｒθである。回転行列Ｒθは、図６（ｃ）に示すＸＹ座標の中心点から各振動型モータまでのＸ座標、Ｙ座標軸の距離ｄ３を用いて、中心点を基準に（中心点を回転中心として）、制御量Δθの回転量を演算する。
また、移動体がＸとＹ方向に移動すると各振動型モータに対する相対的な中心座標がずれるので、検出位置ｘとｙをオフセット成分として考慮する。

図７は、本実施形態の多自由度駆動装置のＸ、Ｙ、θ方向の動作を説明する図である。この装置は４つの振動型モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の駆動力をベクトル合成して、所望の方向へ移動体を駆動する。
ここでは、特徴的な動作パターンをピックアップして説明する。
図７（ａ）は、右斜め下方向に駆動する場合である。この場合は、Ｍ１とＭ３に同方向の駆動力を発生させる。
ここで、Ｍ２とＭ４は右斜め下方向の駆動に負荷を生じない状態が望ましい。この方法としては、Ｍ２とＭ４に定在波を励起させて上下方向のみの駆動とすることで、負荷を低減するか、かわし機構によって負荷を低減する方法がある。
図１２は、かわし機構を用いて負荷を低減させる構成例を示すものである。
図１２（ａ）はスライド機構での構成例である。ベース板に固定されたバー１２０を介して、振動型モータは矢印方向にスライドすることにより負荷を逃がすことができる。
図１２（ｂ）はかわし機構での構成例である。ベース板に固定された板ばね１２１は矢印方向に剛性が低く、かわし方向に変形する事で、振動型モータは負荷を逃がすことができる。
図７（ｂ）は、右斜め上方向に駆動する場合であり、Ｍ２とＭ４に同方向の駆動力を発生させる。
図７（ｃ）はＸ方向に駆動する場合で、Ｍ１とＭ３の合成ベクトルと、Ｍ２とＭ４の合成ベクトルが同じ大きさであれば、図のようにＸ方向に合成ベクトルが生じる。同様に、図７（ｄ）はＹ方向の駆動を示す。
また、図７（ｅ）は左回転方向に駆動する場合で、すべて同じ方向に駆動力を発生すれば良い。
上記動作をカメラの防振機構に適用することにより、不図示のカメラに内蔵されたジャイロセンサからの指令信号に基づいて、防振動作を行うことができる。

図８は、位置センサ信号をＸ、Ｙ、θに座標変換する式について説明する図である。
図８（ｂ）に示すように移動体１０２の位置は、３つの位置センサで検出される。中心点から位置センサまでの距離をｄ１とする。
各センサ位置での位置情報はＸ１、Ｙ１、Ｙ２として演算処理される。位置情報Ｘ１、Ｙ１、Ｙ２は図８（ａ）に示される式によってＸ、Ｙ、θの位置情報として座標変換される。座標変換の考え方は、Ｘ方向はＸ１と回転角、Ｙ方向はＹ１とＹ２の平均値、θ方向はＹ１とＹ２の差分を用いて演算する。

図９は、本実施形態における制御系を実機に適用した場合の効果について説明する図である。
位置指令Ｘと位置指令Ｙのストロークは±１ｍｍの同位相とし、１〜２０ＨｚのＳＩＮ波形の往復動作を行った。横軸は周波数、縦軸は位置偏差率である。
ここで、位置偏差率は、位置偏差のＳＩＮ波形振幅に対する比、と定義した。つまり、位置偏差率が小さいほど、位置追従性が高いことを意味する。
本測定結果は、同装置で従来方式と本発明の制御方式で比較したものである。尚、同装置の配置方向は縦置きとし、Ｙ方向に移動体質量分の重力がかかる条件で測定した。つまり、Ｘ方向とＹ方向の伝達特性は異なっており、より本発明の効果を発揮できるものとした。
ここで、本発明の一態様の方式は、多自由度駆動装置のＸ及びＹ方向駆動時の伝達特性を個別に測定し、各方向の伝達特性に基づいてＰＩＤ補償器の制御ゲインを最適化している。また、θ方向の制御ゲインを小さくし、ＸＹ方向の制御余裕度を上げている。このように、本発明の方式は制御系の安定化を図る上で、設計自由度が高い事も特徴である。
図９に示すように、概して、本発明の方式は位置偏差率が小さい結果となった。また、周波数が高いほどその効果が得られている。

以上のように、本実施例の構成によれば、複数方向の指令に対して多入力多出力行列演算を施すことで、複数振動子の各制御パラメータにおいて、ＸＹθ方向の伝達特性の違いを考慮してゲインを最適化することができる。
従って、従来のものより制御余裕が大きく、より高いゲインで制御可能であり、高精度且つ応答性の高い駆動を行うことが可能となる。
より具体的には、複数方向の伝達特性の違いを考慮して各方向で最適な制御ゲインを設定して複数振動子を協調制御する事が可能となり、位置偏差と応答性の向上を図ることが可能となる。
尚、本発明は、上記実施例で説明した構成に限定されるものではなく、少なくとも２つのモータを用いた多方向の駆動であれば用いることができる。例えば、複数振動子を用いた多方向の駆動であれば、本発明を広く適用することができる。
例えば、従来例で示した３個の振動子を用いたＸＹθ方向駆動を行う構成や、２個の振動子を用いたＸＹ方向駆動を行う構成、等に適用することができる。
また、本実施の形態では、Ｘ、Ｙ、θ方向の伝達特性の違いを考慮した例について説明しているが、本発明はこれに限定されない。第１の方向及び第２の方向の２方向のみに移動体を駆動する場合にも用いることができ、第１の方向と第２の方向は、交差していればよく、直交する場合に限らない。
本実施の形態の制御装置により、各振動型モータの駆動力を合成した駆動力の伝達特性の、Ｘ、Ｙ、θ方向での違いを考慮した協調制御によって、位置偏差と応答性における制御性の向上を図ることができ、移動体を多方向に駆動することが可能となる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、モータとして振動型モータを用いた例について説明したが、本発明はこれに限定されず、他のモータを用いることもできる。
本実施の形態では、実施の形態１と駆動手段だけが異なる構成例について、図１３を用いて説明する。実施の形態１では、多自由度駆動装置として、モータに振動型モータを用いた振動型の多自由度駆動装置を用いた場合を説明した。振動型モータは、振動子に備えられた電気−機械エネルギー変換素子への駆動信号の印加により、節線が略直交する第一
と第二の２つの曲げモードによる楕円運動が該振動子に励起され、該振動子との接触部に摩擦による駆動力が発生するように構成されている。
本実施の形態では、振動型モータの代わりに、駆動コイルと永久磁石とによって構成され、該永久磁石の発生する磁束を利用して電気エネルギーを機械エネルギーに変換する、いわゆるボイスコイルモータを駆動手段として用いた例を説明する。

図１３はボイスコイルモータの断面図である。図の状態では固定部７５に設けられた駆動コイル２６の中心が永久磁石３３の中心線上にある。永久磁石３３の磁力は図１３の矢印によって示すような磁力線を発生する。よって、駆動コイル２６に図中右から左へ磁界を発生するように電流を流すと可動部７６を下方に移動させるような力が発生する。逆に電流を流すと可動部７６を上方に移動させるような力が発生する。３５はバックヨーク、２７は吸着用ヨークである。バックヨーク３５及び吸着用ヨーク２７は、各長辺、短辺が各々重なり合うように配置されている。

図１４（ａ）はボイスコイルモータを用いた多自由度駆動装置の構成を示す図である。ベース板１０１と移動体１６１の間に４つのボイスコイルモータ１６０１、１６０２、１６０３、１６０４が設けられている。各ボイスコイルモータは実施の形態１と同様に配置され、各モータの駆動力をベクトル合成した方向に移動体を動かすように構成されている。
図１４（ｂ）は同装置の側面図である。各ボイスコイルモータの駆動コイル２６はベース板１０１に取り付けられ、永久磁石３３は移動体１６１に取り付けられている。また、移動体１６１はスチールボール１６０５によって支持されている。スチールボール１６０５がベース板１０１と移動体１６１の間で滑らかに転がることで、移動体１６１は光軸と垂直な平面内で並進及び回転運動する。

本実施の形態の多自由度駆動装置においても、実施の形態１の図３と同様の制御系を適用して駆動することができる。本実施の形態では、ボイスコイルモータを駆動手段として用いるので、制御量演算部３０３が出力する駆動パラメータをパルス幅とすれば良い。実施の形態１では、各振動型モータの駆動パラメータは周波数、位相差、パルス幅情報であった。本実施の形態のボイスコイルモータの駆動力は駆動用コイルに流す電流によって制御されるので、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により、制御信号に応じてパルス幅を変化させる。このように、ボイスコイルモータを駆動手段とする多自由度駆動装置にも本発明の制御装置を適用する事ができる。
尚、本発明は、本実施の形態で説明した構成に限定されるものではなく、複数のボイスコイルモータを用いた多方向の駆動であれば、本発明を広く適用することができる。
例えば、従来例で示した３個のボイスコイルモータを用いたＸＹθ方向駆動を行う構成や、２個のボイスコイルモータを用いたＸＹ方向駆動を行う構成、等に適用することができる。
また、本実施の形態では、Ｘ、Ｙ、θ方向の伝達特性の違いを考慮した例について説明しているが、本発明はこれに限定されない。第１の方向及び第２の方向の２方向のみに移動体を駆動する場合にも用いることができ、第１の方向と第２の方向は、交差していればよく、直交する場合に限らない。
本実施の形態の制御装置により、各振動型モータの駆動力を合成した駆動力の伝達特性の、Ｘ、Ｙ、θ方向の間での違いを考慮した協調制御によって、位置偏差と応答性における制御性の向上を図ることができ、移動体を多方向に駆動することが可能となる。

（実施の形態３）
本発明のモータ制御装置を、カメラなどの撮像装置（光学機器）に適用した例について説明する。ここでは、撮像装置のレンズ鏡筒に、レンズを駆動しオートフォーカスする為の振動型モータを組み込んだ例を図１５を用いて説明する。
図１５は、補正レンズにより画像振れを補正する撮像装置としてのカメラの断面図である。そして、図１５のカメラは、動画及び静止画の撮影機能を有する。６１はレンズ鏡筒で、６２はカメラボディである。また、６８はレンズ鏡筒６１に内蔵された補正光学装置である。本実施形態の補正光学装置６８は、補正レンズ３１と、補正レンズ３１を保持した移動板（可動部材）３２とを備え、回転リング６５とスライド板４１に各々設けられた駆動装置４２により移動板３２は補正光学装置の光軸４０に垂直な面内を並進移動する。

また、図１５には示していないが、レンズ鏡筒６１には、補正レンズ３１以外の光学系、レンズ鏡筒６１の振れを検出する加速度センサ、移動板３２の２次元の移動を検出するエンコーダが設けられる。さらに、駆動装置に電気エネルギーを供給する電源、加速度センサの信号とエンコーダの信号を処理して電源を操作する制御部が設けられる。
カメラボディ６２内には撮像素子６７がある。被写体からの光が、レンズ鏡筒６１内の補正レンズ３１を含む光学系を透過し、カメラボディ６２内の撮像素子６７に入射する。加速度センサの信号に基づき、補正光学装置６８により補正レンズ３１を移動させることで、画像の振れを補正することが可能に構成されている。

本実施形態では、振動型モータによりレンズを移動させて画像の振れを補正する補正光学装置を備えた撮像装置の例を説明したが、本発明の適用例はこれに限定されない。例えば、振動型モータ等のモータで撮像素子を移動させて画像の振れを補正する補正光学装置を備えた撮像装置にも適用することができる。

また、図１５では、本発明の振動型駆動装置を撮像装置に用いた例を示したが、応用例はこれに限定されず、顕微鏡等の各種ステージの駆動にも用いることができる。例えば、顕微鏡のステージの駆動に用いた例を図１６を用いて説明する。

図１６は、本発明の、モータ制御装置を適用した顕微鏡の斜視図である。図１６の顕微鏡は、撮像素子と光学系を内蔵する撮像部３０と、基台上に設けられ、振動型駆動装置により移動されるステージ３２を有する自動ステージ３１と、を有する。被観察物をステージ３２上に置いて、拡大画像を撮像部３０で撮影する。観察範囲が広範囲に有る場合には、振動型駆動装置で、ステージ３２を移動させることで被観察物を図中のＸ方向やＹ方向に移動させて、多数の撮影画像を取得する。不図示のコンピュータにて、撮影画像を結合し、観察範囲が広範囲で、かつ、高精細な１枚の画像を取得できる。

本実施形態では、図１５及び１６において、モータとして振動型モータを用いる例について説明したが、ボイスコイルモータ等、他のモータを用いた場合にも適用することができる。

１０１：ベース板
１０２：移動体
１０３：振動型モータ（Ｍ１）
１０４：振動型モータ（Ｍ２）
１０５：振動型モータ（Ｍ３）
１０６：振動型モータ（Ｍ４）
１０７：位置センサ（Ｘ１）
１０８：位置センサ（Ｙ１）
１０９：位置センサ（Ｙ２）
２０１：移動体
２０２：突起部
２０３：弾性体
２０４：圧電素子

Claims (17)

1. 位置指令と移動体の位置データとの差分に基づいて、第１の方向に関する第１の偏差信号と前記第１の方向と異なる第２の方向に関する第２の偏差信号とを出力する偏差算出部と、
   前記第１の偏差信号に基づいて前記第１の方向に関する第１の制御信号を出力し、前記第２の偏差信号に基づいて前記第２の方向に関する第２の制御信号を出力する補償部と、
   前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号に基づいて、第１のモータの制御量と第２のモータの制御量とを演算する制御量演算部と、を有し、
   前記補償部は、前記第１のモータの駆動力と前記第２のモータの駆動力とを合成した駆動力の伝達特性の、前記第１の方向と前記第２の方向との間での違いに基づいて、前記第１の偏差信号及び前記第２の偏差信号の制御ゲインを調整して、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号を出力する
   ことを特徴とする制御装置。
2. 前記制御量演算部は、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号と、前記第１のモータの駆動方向及び前記第２のモータの駆動方向のそれぞれと前記第１の方向又は前記第２の方向との相対角度で決まる係数と、を用いて、前記第１のモータの駆動量及び前記第２のモータの駆動量のそれぞれを演算する
   ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 位置指令と移動体の位置データとの差分に基づいて、第１の方向に関する第１の偏差信号と前記第１の方向と異なる第２の方向に関する第２の偏差信号とを出力する偏差算出部と、
   前記第１の偏差信号に基づいて前記第１の方向に関する第１の制御信号を出力し、前記第２の偏差信号に基づいて前記第２の方向に関する第２の制御信号を出力する補償部と、
   前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号に基づいて、第１のモータの制御量と第２のモータの制御量とを演算する制御量演算部と、を有し、
   前記第１のモータは、前記第１の方向及び前記第２の方向と異なる第１の駆動方向へ駆動力を発生し、
   前記制御量演算部は、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号を用いて、前記第１のモータの前記制御量を演算する
   ことを特徴とする制御装置。
4. 前記第２のモータは、前記第１の方向、前記第２の方向、及び前記第１の駆動方向と異なる第２の駆動方向へ駆動力を発生し、
   前記制御量演算部は、前記第１の制御信号及び前記第２の制御信号を用いて、前記第２のモータの前記制御量を演算する
   ことを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. 前記第１の方向及び前記第２の方向は、１平面内における２つの直交座標であるＸＹ座標のＸ方向、Ｙ方向、及び前記ＸＹ座標の中心点を回転中心とするθ方向のいずれか２方向である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 前記補償部は、前記第１の方向に関する前記第１の制御信号と前記第２の方向に関する前記第２の制御信号とを異なる制御ゲインを用いて取得する
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の制御装置。
7. 前記第１の方向は、１平面内における２つの直交座標であるＸＹ座標のＸ方向又はＹ方向であり、
   前記第２の方向は、前記ＸＹ座標の中心点を回転中心とするθ方向である
   ことを特徴とする請求項６に記載の制御装置。
8. 前記第２の方向の前記制御ゲインは前記第１方向の前記制御ゲインよりも小さい
   ことを特徴とする請求項７に記載の制御装置。
9. 前記偏差算出部は、前記差分に基づいて、前記第１の方向及び前記第２の方向と異なる第３の方向に関する第３の偏差信号を出力し、
   前記補償部は、前記第３の偏差信号に基づいて、前記第３の方向に関する第３の制御信号を出力し、
   前記制御量演算部は、前記第３の制御信号に基づいて、前記第１のモータの制御量と前記第２のモータの制御量とを演算する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置。
10. 前記第１の方向は、１平面内における２つの直交座標であるＸＹ座標のＸ方向であり、
    前記第２の方向は、前記ＸＹ座標のＹ方向であり、
    前記第３の方向は、前記ＸＹ座標の中心点を回転中心とするθ方向である
    請求項９に記載の制御装置。
11. 前記第１のモータ及び前記第２のモータは、振動型モータ又はボイスコイルモータである
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の制御装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の制御装置と、
    前記第１および第２のモータと、
    前記移動体と、
    前記移動体の位置を検出する位置センサと、を有する
    ことを特徴とするアクチュエータ。
13. 請求項１２に記載のアクチュエータと、レンズと、を有し、
    前記アクチュエータの前記移動体を移動させることにより前記レンズを動かす
    ことを特徴とする画像振れ補正装置。
14. レンズと、前記移動体を駆動することで前記レンズを保持するレンズ保持部材を駆動する請求項１２項に記載のアクチュエータと、を有する
    ことを特徴とする交換用レンズ。
15. 撮像素子と、レンズと、前記移動体を駆動することで前記レンズを保持するレンズ保持部材を前記移動体として駆動する請求項１２に記載のアクチュエータと、を有する
    ことを特徴とする撮像装置。
16. レンズと、撮像素子と、前記移動体を駆動することで前記撮像素子を前記移動体として駆動する請求項１２に記載のアクチュエータと、を有する
    ことを特徴とする撮像装置。
17. ステージと、前記移動体を駆動することで前記ステージを駆動する請求項１２に記載のアクチュエータと、を有する
    ことを特徴とする自動ステージ。