JPH02241380A - 静電形アクチユエータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光デイスク装置における微小位置決め用小型静
電アクチュエータを精度良く容易に位置決めするのに好
適な制御方式に関する。

〔従来の技術〕

従来の非線形特性を持つアクチュエータの代表的なもの
に油圧サーボ弁がある。電気信号を油圧信号に変換する
サーボ弁は、一般にトルクモータ。

油圧前段増幅部、スプール弁から構成されている。

このスプール弁のスプールとスリーブの間には多かれ少
なかれ非線形の固定摩擦が働き、サーボ弁の不感帯やヒ
ステリシスの原因の一つになっている。そこで入力信号
にデイザと呼ばれる微小変動する余分の信号を加えて、
不感帯やヒステリシスを除去している。

なお、このデイザについては、「サーボ機構とその要素
」　（株式会社オーム社発行）の第３６０頁から第３６
９頁において論じられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、不感帯やヒステリシスなど、部分的に
非線形なものを除去するものであって、静電アクチュエ
ータのように、静電力が印加、電圧の２乗に比例するよ
うな線形の部分が全く無い場合については効果がない。

また、静電アクチュエータを非線形のままで制御した場
合は、目標位置に到達するまでの過程において、出力値
が入力値の２乗に比例するので立上りは線形の場合に比
べて早いが、その反面目標位置間近になってもなかなか
収束しないという問題がある。

本発明は静電アクチュエータの容易な制御方式を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明の制御方式は、静電
力を用いた微小位置決め用小型アクチュエータにおいて
、出力変位量をフィードバックさせる制御方式とし、目
標位置までの変位量から出力変位量を差引いた後、すな
わち閉ループの中に平方根演算器を用いて、アクチュエ
ータに印加する補正電圧と出力変位量の関係を線形にし
、目標位置に早く位置決めできるようにしたものである
。

さらに、ダイオードの特性を利用して平方根演算器を作
成した場合に発生するオフセット電圧を検出し、検出電
圧によって前記平方根演算器の出力に補正を加えたもの
である。

〔作用〕

第８図に電極間に働く静電力の原理図を示す。

２枚のｅｔ極板１５ａ、１５ｂを微小間隔ｄだけ隔てて
対向させ、水平方向に少しずらして配置する。

電極の幅をＷ、長さを０、電極間の誘電率をε、電極間
への印加電圧をＥとすると、下部電極２０ｂに働く垂直
方向の力Ｆ２及び水平方向の力Ｆうは、次式の様に表わ
される。

　　　ｄ （１）、　（２）式のように、Ｆ２及びト°８は印加電
圧２乗に比例する。そのため、上記原理を用いて位置決
めしようとすると静電力と電圧との関係が非線形となり
制御しにくくなる。そこで制御方式にフィードバック制
御を用い閉ループの中に平方根演算器を用いて制御しよ
うとするものである。

第５図に平方根演算器の回路図を示す。対数回路１０．
ｌ／２倍回路１１．指数回路１２の３つから構成されて
いる。対数回路１ｏ及び指数回路１２はＰＮ接合ダイオ
ードの電圧−電流特性を利用しており、その関係を次式
に、グラフを第７図にそれぞれ示す。

同様に、ダイオードを増幅器１２ａのマイナス入力に用
いると、出力電圧ｖ２は入力端子ｖｔの指数関数として
表わすことができ次式のようになる。

ｖｚ＝−ＩｓＲｚｅｘｐ（ｖｚ’ｑ／に’Ｉ’）　　−
（５）又、変数をＸとすると、指数、対数関数の性質よ
り、次式が成り立つ。

（３）式でＩｓはダイオードに大きな逆バイアスを印加
した時に流れる電流値であって逆方向飽和電流と呼ばれ
る。ｑは電子の電荷（１，６２Ｘ　ｌＯ−五Ｇ’）　　
０　ン）　ｋ　ハホ）Ｌ／　’／　７　ン定数（ｘ、３
ｓｏｘ１ｏ−ｚａジュール／ケルビン）Ｔは絶対温度で
ある。

（３）式からもわかる様にダイオードに流れる電流が端
子間電圧の指数関数となっている。そこでこの特性をも
つダイオードを第５図のように帰還回路に用いると出力
電圧Ｖｌは、入力電圧Ｖ、の対数関係として表わすこと
ができ次式のようになる。

Ｔ ｖｉ＝　−−ｕｎ（ｖｔ／Ｒ１ｌ５）　　　　　−（４
）（６）　、　（７）式を用いれば、平方根は次式のよ
うに表わすことができる。

＝　ｅＨＭｎ＋ｔ　　　　　　　　　　　　　　　−（
ｇ）すなわち入力Ｘの対数をとり、−倍したものの指数
をとれば平方根演算器を作ることができる。

第５図における平方根演算器のゲインは、（５）式に（
４）式を１７２倍して代入すれば次式のように表わされ
る。

上式のように対数回路１０のオペアンプ１０ａのマイナ
ス入力に接続される抵抗Ｒ１と、指数回路１２のオペア
ンプ１２ａの帰還抵抗Ｒ２とで決定される。

しかし、ダイオードを用いた平方根回路には、いくつか
の問題点がある。第９図、及び第１０１哨に前記平方根
回路の入出力電圧特性を示す、第９図は、回路のゲイン
が大きい場合で、グラフ１７は計算値、グラフ１６は測
定値を示す、上記の場合は、計算値と測定のゲインが違
っているがゲイン補正をすれば計算値と一致する。これ
に比べ第１０図は回路のゲインが小さい場合で、グラフ
１９は計算値、グラフ１８は測定値を示す、ゲインのほ
うは、大きい場合と同様に相違しているが、さらに大き
な問題点としては、入力電圧がゼロの時に出力電圧がゼ
ロとならずオフセット電圧が残る点である。停止の命令
にもかかわらず物質は、ある方向に移動するのである。

これはアクチュエータの制御としては望ましくない。こ
の問題点の対策としては、オフセット電圧が一定ならば
、オフセット電圧分を逆方向に印加すれば相殺されると
考えられる。

次に、第６図にモノリシックｉ（：１３を用いての平方
根演算器を示す。図ように固定抵抗Ｒ９可変抵抗ｒｌ、
　ｒ２．　ｒ８　、及びダイオードＤを外づけ回路とし
て設けるだけで製作でき、端子Ｘ　ｏ　。

Ｚｏ及びＹｔｎに接続されている可変抵抗ｒｔ、　ｒｆ
ｉ。

ｒ３をｇａすればよい。しかしコストがかかるという問
題がある。このようなモノリシックＩＣの１１例として
は、アナログデバイセズ社製、型名ＡＤ５３３がある。

次に、入力と出力が比例する場合と、出力が入力の２乗
に比例する場合の質点の働きをシミュレーションした結
果を説明する。

第１２図は出力と入力が比例する場合のブロック線図、
第１３図は出力が人力の２乗に比例する場合のブロック
線図を示す。

まず初めに第１２図について説明する。入力変数２３は
、質点の移動目標値２２からフィードバックされる変位
ｉ２８，２９を減じた信号である。

この信号にゲイン定数を乗じることにより質点に働く力
２４が得られ、質点の質＋ｉｔＭで割って加速度２５．
積分器２６を介して速度２７．変位量２８が得られるよ
うになっている。

次に第１３図について説明する。

第１２図と異なる点は、入力変数２３が乗算器３０を介
すことにより２乗され、フィードバックに２８，２９は
入力変数２３の２乗に比例して出力されることである。

この２つの制御系で質点の動きをシミュレーションした
結果を第１１図に示す。第１２図の制御系における変位
ｆｔ２８の時間軸応答図をグラフ２０に示す。フィード
のバックｆｉｔ２８，２９を加えた値が目標値より小い
場合は１人力変数２３゜力２４加速度２５は正となり大
きい場合は負となり、これらの動作を繰返しながら目標
値へ収束する。収束する時間は、ゲイン定数Ｋが大きけ
ればより早くなる。第１１図のグラフ２１は、第１３図
の制御系における変位量２８の時間軸応答図である。前
述した線形な場合に比べ、立上りは早いものの目標値２
２に近づいてもなかなか収束しない、これはフィードバ
ック量２８．２９が入力変数２３の２乗に比例している
ため、ゲイン定数によりも入力変数２３が大きい場合は
、２乗されたフィードバックｉ２８，２９は大きくなる
が、入力変数２３がゲイン定数により小さい場合は、よ
り小さくなってしまうからである。これを改善するには
、入力変数２３の値に対応してゲイン定数にの値を大き
くしたり、小さくしたり制御しなければ早く収束しない
。具体的には、目標値より遠い場合は、ゲイン定数Ｋを
小さく、近い場合は大きくしなければならない。

以上、入力と出力の関係が比例している場合（線形）と
２乗に比例する場合（非線形）について目標値に収束す
るまでの過程を比べたが、線形の場合のほうがより早く
簡単に制御できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図から第４図を用いて説
明する。

第１図は本実施例の基本構成図を示す。静電アクチュエ
ータ１の可動ｆｊｉ極１ａ、ｌｂは、固定電極１ｃ、ｌ
ｄに対してＸの負方向にずらして配設されている。可動
電極Ｌａ、ｌｂは、直接駆動回路３に接続されており固
定電極１ｃ、ｌｄは駆動方向切換えスイッチ２を介して
駆動回路３に接続されている。また、静電アクチュエー
タには可動部の変位を検出する変位センサ４が設けであ
る。

制御系は、駆動回路３．平方根演算器５．減算器６、駆
動方向切換えスイッチ２から構成されている。

次に、本実施例の動作について説明する。まず、初めに
、Ｘの正方向に駆動する場合について説明する。

第３図に第１図の制御系のフローチャートを示す。目標
値Ａが決定されると、駆動回路３により可動電極１ａに
は正の電圧を、１ｂには負の電圧を印加し駆動方向切換
えスイッチ２をａａ’側に倒し、対向する固定型ｔ４１
　ｃには負の電圧を、１ｄには正の電圧を印加する。す
ると、可！！ＩＪ電極ｌａ、ｌｂと固定電極１ｃ、ｌｄ
との間に横方向の力が働き、可動電極１ａ、ｌｂはＸの
正方向に移動する。この変位量を静電アクチュエータ１
に取付けられた変位センサ４により検出し、目標値Ａと
比較する。減算器６により差引かれた値を平方根演算器
５を介すことにより静電アクチュエータ１に印加する電
圧と、フィードバックされた変位量Ｂとの関係を線形に
し駆動回路３に信号を送る。ここで、差引値の符号によ
り動作が異なってくる。差引値が負の場合は目標値Ａに
到達していないことになり差引領分に相当する′電圧を
印加する。正の場合は目標値Ａよりも移動しすぎたこと
になり駆動方向切換スイッチ２をｂｂ’側に倒し、固定
電極１ｃ、ｌｄの極性を変えて電圧を印加しＸの負方向
に移動させる。上記の動作を目標値Ａに収束するまで繰
返す。

Ｘの負方向に駆動する場合は、駆動方向切換えスイッチ
２をｂｂ’側に倒し、上記の動作と同様に行えば良い。

本実施例では、平方根演算器５を減算器６のあとに設け
たが、第２図に示すように駆動回路３のあとに設けても
良い、すなわち、フィードバック制御において平方根演
算器を閉ループ内であれば任意位置設けられる。

以上述べた実施例では、平方根演算器が理論値どうりに
作動した場合であり、作用で説明したようなダイオード
を用いての平方根演算器の場合はオフセット電圧を取り
除かなくてはならない。

第４図は、ダイオードを用いた平方根演算器を静電アク
チュエータの制御に適用した場合の構成図を示す、静電
アクチュエータの可動電極７ａは対向する固定電極８ａ
に対してＸの正方向にずれており、可動電極７ｂは固定
電極８６に対してＸの負方向にずれて配設しである。ま
た駆動回路３及び平方根補正回路９は駆動方向切換スイ
ッチ２を介してそれぞれ可動電極７ａ、７ｂ、固定電極
８ａ、８ｂに接続されている。静電アクチュエータ１を
Ｘの正方向に駆動する場合は、駆動方向切換スイッチ２
をｂ側に倒し駆動回路３よってｏｆ＃電１７ａと固定電
極８８の間に電圧を印加する。

同時に可動電極７ｂと固定電極８ｂの間には平方根補正
回路９によってＸの負方向に補正電圧を印加することに
よりオフセット電圧を取り除くことができる。

Ｘの負方向に駆動する場合も駆動方向切換えスイッチ２
をａ側に倒すことにより行える。

以上のように、平方根演算器の特性でオフセット電圧が
表われるような場合は、駆動方向によってアクチュエー
タの電極を区別して配置すれば良い。

本実施例によれば、低コストな平方根演算器で制御を容
易にできる効果がある。

〔発明の効果〕

本発明の方式で静電アクチュエータを制御すれば、印加
電圧と静電力（変位＃、）の関係を線形にすることがで
き、平方根演算器を設けない場合に比べて短時間で目標
値に収束することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の基本構成図、第２図は、本
発明の他の実施例の基本構成図、第３図は第１図の制御
系のフローチャート図、第４図はダイオードを用いた平
方根演算器を適用した場合の補正方法の説明図、第５図
はダイオードを用いた平方根演算器の回路図、第６図は
モノリシックＩＣを用いた平方根演算器の回路図、第７
図はＰＮ接合ダイオード電圧−電流特性図、第８図は電
極間に作用する静電力の原理図、第９図、第１０図は、
ダイオードを用いた平方根演算器の人出力特性図、第１
１図は質点の動作をシミュレーションした場合の変位社
の時間軸応答図、第１２図、第１３図は第１１図のブロ
ック線形である。 １・・・静電アクチュエータ、２・・・駆動方向切換え
スイッチ、３・・・駆動回路、４・・・変位センサ、５
・・・平方根演算器、６・・・減算器。 第 グ 葉 乙 図 図 〔渭Ｖ〕 力 ／θ 目 へカ電圧Ｗ（り 第 図 第 図 循 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アクチュエータを駆動する手段と、アクチュエータ
   の現在位置と目標位置とのずれ量を検出する検出器を備
   えた、静電アクチュエータにおいて平方根演算器を閉ル
   ープの中に設けたことを特徴とする静電形アクチュエー
   タの制御装置。 ２、前記平方根演算器のオフツト電圧を検出し補正電圧
   を加えることを特徴とする請求項１記載の静電形アクチ
   ュエータの制御装置。 ３、入力を平方根演算器に加え、その出力を静電アクチ
   ュエータに加えたことを特徴とする静電形アクチュエー
   タ駆動装置。