(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加される電圧の変動に応じて振動を生じ、該振動によって可動部材をすべり変位させる振動型アクチュエータと、
回路のスイッチングにより電圧変動する駆動電圧を前記振動型アクチュエータに印加する駆動回路と、
前記可動部材の変位に伴って変化する変位値を出力する変位出力手段と、
前記変位値をサンプリングし、サンプリングした前記変位値に基づいて前記可動部材の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段と、
前記位置信号に基づいて、前記可動部材を設定した位置に移動させるように、前記駆動回路のスイッチングを制御し、前記変位値のサンプリングを前記駆動回路のスイッチングと異なるタイミングで行わせるように、前記位置検出手段を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置は、所定の駆動周期Ｔ毎に、デューティ比Ｄを用いて、時間０および時間Ｄ・Ｔにおいて前記駆動電圧の電位を往復遷移させるように、前記駆動回路にスイッチングをさせるデューティ制御を行い、
前記位置検出手段に（１−Ｄ）・Ｔのタイミングで前記サンプリングをさせることを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
前記振動型アクチュエータは、駆動電圧に応じて伸縮する圧電素子を有することを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
【請求項３】
前記振動型アクチュエータは、前記圧電素子の一端に固定された駆動部材を有し、前記駆動部材に前記可動部材が摩擦係合することを特徴とする請求項２に記載の位置決め装置。
【請求項４】
前記変位出力手段は、前記可動部材に付設した着磁された磁界発生部材と、前記磁界発生部材の形成した磁界の強度を検出する磁界検出手段とを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置決め装置、特に振動型アクチュエータを用いた位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、圧電素子の振動により可動部材を変位させる振動型アクチュエータの可動部材に着磁した部材を設け、ホール素子などで可動部材の形成する磁界の変化を検出して、可動部材の位置を算出し、可動部材を設定位置に配置するように圧電素子に駆動電圧を印加する駆動回路を制御する位置決め装置が記載されている。
【０００３】
特許文献２には、振動型アクチュエータに、デューティ比０．３または０．７の矩形波を印加することで、可動部材を引き戻し方向または繰り出し方向に移動させられることが記載されている。特許文献２に記載されているように、スイッチング素子でスイッチングして矩形波電圧を生成すると、スイッチング時に大きな突入電流が流れ、電磁ノイズが発生する。
【０００４】
特許文献１の位置決め装置において、駆動回路が電磁ノイズを発生すると、ホール素子などで検出する磁界強度に電磁ノイズが重畳され、位置検出に誤差が生じてしまう。振動型アクチュエータでは、圧電素子のような容量性負荷を有する駆動源を使用しているため、ＤＣモータやステッピングモータのような誘導性負荷を有する駆動源を使用するものに比べて、スイッチングによる突入電流が大きくなり、電磁ノイズによる位置決め誤差が大きくなるという問題があった。
【０００５】
特許文献３には、位置変位出力信号の差分が大きいときにノイズであると判断し、検出位置を補正してモータを駆動する発明が記載されているが、微小なノイズを検出することは困難であり、正確な位置決めを保証することはできない。
【０００６】
また、特許文献４には、ノイズ除去のためにフィルタ処理や平均化処理を行い、アクチュエータの制御を行う発明が記載されている。しかしながら、駆動回路のスイッチング周波数と、位置検出のサンプリング周波数が近い場合には、サンプリングした位置変位出力信号に連続してノイズが乗るため、ノイズ成分を効果的に除去できない。
【特許文献１】特開２００６−２９２３９６号公報
【特許文献２】特開２００１−２１１６６９号公報
【特許文献３】特開２００５−２３０９３９号公報
【特許文献４】特開２００３−１３１６９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記問題点に鑑みて、本発明は、駆動回路のスイッチングノイズの影響を受けない、位置決め精度の高い位置決め装置を提供すること課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明による位置決め装置は、印加される電圧の変動に応じて振動を生じ、該振動によって可動部材をすべり変位させる振動型アクチュエータと、回路のスイッチングにより電圧変動する駆動電圧を前記振動型アクチュエータに印加する駆動回路と、前記可動部材の変位に伴って変化する変位値を出力する変位出力手段と、前記変位値をサンプリングし、サンプリングした前記変位値に基づいて前記可動部材の位置を示す位置信号を出力する位置検出手段と、前記位置信号に基づいて、前記可動部材を設定した位置に移動させるように、前記駆動回路のスイッチングを制御し、前記変位値のサンプリングを前記駆動回路のスイッチングと異なるタイミングで行わせるように、前記位置検出手段を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、所定の駆動周期Ｔ毎に、デューティ比Ｄを用いて、時間０および時間Ｄ・Ｔにおいて前記駆動電圧の電位を往復遷移させるように、前記駆動回路にスイッチングをさせるデューティ制御を行い、前記位置検出手段に（１−Ｄ）・Ｔのタイミングで前記サンプリングをさせるものとする。
【０００９】
この構成によれば、駆動回路のスイッチングによる電磁ノイズがないときに変位値のサンプリングを行うので、位置信号に可動部材の位置との誤差がなく、可動部材を正確に位置決めできる。
【００１３】
また、この構成によれば、サンプリングのタイミングが駆動回路のデューティ比によって決定されるので、制御が容易である。一般に、振動型アクチュエータの駆動は、駆動方向に応じて、デューティ比Ｄを約０．３または約０．７にする。このため、（１−Ｄ）・Ｔのタイミングから次のスイッチングまでは、約０．３Ｔまたは約０．４Ｔの余裕があり、サンプリングをするための時間を簡単に確保できる。
【００１４】
また、本発明の位置決め装置において、前記振動型アクチュエータは、駆動電圧に応じて伸縮する圧電素子を有してもよく、前記圧電素子の一端に固定された駆動部材を有し、前記駆動部材に前記可動部材が摩擦係合してもよい。
【００１５】
この構成によれば、圧電アクチュエータを用いて精度の高い位置決めができる。
【００１６】
また、本発明の位置決め装置において、前記変位出力手段は、前記可動部材に付設した着磁された磁界発生部材と、前記磁界発生部材の形成した磁界の強度を検出する磁界検出手段とを含んでもよい。
【００１７】
この構成によれば、電磁ノイズの影響を受けやすい磁気による位置の検出が高精度にできる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の位置決め装置は、駆動回路のスイッチングと異なるタイミングで可動部材の位置を検出するので、スイッチングによる電磁ノイズの影響を受けずに正確な位置を検出して、精度の高い位置決めができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の１つの実施形態である位置決め装置１の構成を示す概略図である。位置決め装置１は、圧電アクチュエータ（振動型アクチュエータ）２と変位出力器（変位出力手段）３とからなり、圧電アクチュエータ２の駆動回路４と、変位出力器３の変位出力信号（変位値）を処理する位置検出回路５と、位置指令信号によって指示された位置に対応する位置検出回路（位置検出手段）５の出力が得られるように駆動回路４を制御する制御装置６とを有している。
【００２０】
圧電アクチュエータ２は、ベース部材７に固定され、駆動回路４の駆動電圧によって矢印で示したｘ方向に伸縮する圧電素子８と、圧電素子８に固定され、圧電素子８の伸縮によってｘ方向に進退する駆動部材９と、駆動部材９に摩擦係合し、駆動部材９上を滑り移動可能な可動部材１０とからなる。
【００２１】
変位出力器３は、可動部材１０に付設された磁界発生部材１１と、磁界発生部材１１に対向するようにベース部材７に固定された磁界検出手段１２とからなる。
【００２２】
さらに、図２に変位出力器３の構成を詳しく示す。磁界発生部材１１は、磁界検出手段１２に対向する面がＮ極に着磁されたＮ極部１３と、磁界検出手段１２に対向する面がＳ極に着磁されたＳ極部１４と、Ｎ極部１３とＳ極部１４の間に設けられ、Ｎ極にもＳ極にも着磁されていない不着磁部１５とからなっている。Ｎ極部１３、不着磁部１５およびＳ極部１４は、可動部材１０の可動方向であるｘ方向に並んでいる。また、磁界検出手段１２は、ｘ方向に並んだ２つのホール素子１６ａ，１６ｂで構成されている。
【００２３】
図３に、位置決め装置１の回路構成を示す。駆動回路４は、制御装置６が出力する制御信号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４によって駆動されるスイッチング素子である４つのトランジスタ１７，１８，１９，２０を有する。トランジスタ１７は、ｐチャネル型ＦＥＴからなり、オンすることで圧電素子８の電極８ａを電源Ｅ（Ｖ）に接続し、トランジスタ１８は、ｐチャネル型ＦＥＴからなり、オンすることで圧電素子８の電極８ｂを電源Ｅ（Ｖ）に接続する。トランジスタ１９は、ｎチャネル型ＦＥＴからなり、オンすることで電極８ａを接地し、トランジスタ２０は、ｎチャネル型ＦＥＴからなり、オンすることで電極８ｂを接地する。駆動回路４は、トランジスタ１７とトランジスタ２０とがオンすることで、圧電素子８に＋Ｅ（Ｖ）の駆動電圧を印加し、トランジスタ１８とトランジスタ１９とがオンすることで、圧電素子８に−Ｅ（Ｖ）の駆動電圧を印加するフルブリッジ回路である。
【００２４】
位置検出回路５は、ホール素子１６ａ，１６ｂそれぞれの変位出力信号を増幅するアンプ２１ａ，２１ｂと、増幅された変位出力信号をディジタルに変換するＡＤ変換器２２ａ，２２ｂを備える演算装置２３とを有する。演算装置２３は、制御装置６のトリガ信号ＴＳが入力されると、ＡＤ変換器２２ａ，２２ｂによって変位出力信号をディジタル値に変換して読み込むサンプリングを開始する。
【００２５】
演算装置２３は、ディジタル変換してサンプリングしたアンプ２１ａの出力（増幅したホール素子１６ａの変位出力信号）Ａとアンプ２１ｂの出力（増幅したホール素子１６ｂの変位出力信号）Ｂとから、Ａ＞０の場合、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）＋２、Ｂ＜０の場合、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）−２、Ａ≦０且つＢ≧０の場合、（Ｂ＋Ａ）／（Ｂ−Ａ）の演算を行い、演算結果を制御装置６に可動部材１０の位置を示す位置信号ＰＳとして入力する。
【００２６】
制御装置６は、可動部材１０を位置決めすべき位置を示す位置指令信号ＳＳが入力され、位置信号ＰＳと位置指令信号ＳＳとの偏差から、駆動回路４が圧電素子８に印加すべき駆動電圧の波形を決定し、駆動回路４のトランジスタ１７，１８，１９，２０のスイッチングを制御する。
【００２７】
図４に、可動部材１０を圧電素子８から遠ざけるように移動させる場合、つまり、位置信号ＰＳが示す可動部材１０の位置が位置指令信号ＳＳが示す位置より圧電素子８に近い場合の、制御装置６による駆動回路４および位置検出回路５の制御および圧電アクチュエータ２の動作のタイミングチャートを示し、図５に、可動部材１０を圧電素子８に近づけるように移動させる場合、つまり、位置信号ＰＳが示す可動部材１０の位置が位置指令信号ＳＳが示す位置より圧電素子８から遠い場合の、制御装置６による駆動回路４および位置検出回路５の制御および圧電アクチュエータ２の動作のタイミングチャートを示す。
【００２８】
制御装置６の制御信号Ｃ１，Ｃ３がＨＩ、Ｃ２，Ｃ４がＬＯであれば、トランジスタ１７とトランジスタ２０がオフ、トランジスタ１８とトランジスタ１９がオンし、圧電素子８には−Ｅ（Ｖ）の電圧が印加されている。ここで、制御信号Ｃ２，Ｃ４をＨＩにすると、トランジスタ１８がオフし、トランジスタ２０がオンする。これにより、圧電素子８の両電極８ａ，８ｂが共に接地され、圧電素子８の電圧が０（Ｖ）になる。続いて、制御信号Ｃ１，Ｃ３をＬＯにすると、トランジスタ１７がオンし、トランジスタ１９がオフする。これにより、圧電素子８には＋Ｅ（Ｖ）の電圧が印加される。同様に、圧電素子８に−Ｅ（Ｖ）を印加する際にも、一度、両電極８ａ，８ｂを接地してから駆動電圧を印加する。
【００２９】
本実施形態では、このように、一旦、電極８ａ，８ｂを共に接地してから、圧電素子８に印加する駆動電圧の極性を反転するが、これは、電極８ａ，８ｂを共に接地することで、充電されている電荷をグランドに放電し、逆極性に電源を接続した際に、電源が供給すべき電荷量を半減させることができ、電源の電力を節約するものである。図では、圧電素子８を取り外して駆動回路４の出力端を開放したときに観測される出力電圧が、段階的に増減する様子を分かりやすく示しているが、圧電アクチュエータ２の駆動においては、この駆動電圧は＋Ｅ（Ｖ）と−Ｅ（Ｖ）との間を一瞬に遷移する矩形波駆動と同視される。実際に、制御信号Ｃ１，Ｃ３とＣ２，Ｃ４とを互いの反転信号としてもよく、圧電素子８の一端を常時接地し、他端に電源を接続、切断するハーフブリッジからなる駆動回路によって矩形波状の駆動電圧を印加してもよい。
【００３０】
制御装置６は、時間Ｔを１周期として、圧電アクチュエータ２に印加する駆動電圧を周期的に繰り返し変化させるような制御信号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を、駆動回路４に入力する。図４に示すように、駆動回路４は、可動部材１０を圧電素子８から遠ざけるように駆動（繰り出し）する場合、圧電素子８に０．３Ｔだけ＋Ｅ（Ｖ）を印加し、０．７Ｔだけ−Ｅ（Ｖ）を印加する（デューティ比Ｄ＝０．３）。また、図５に示すように、駆動回路４は、可動部材１０を圧電素子８に近づけるように駆動（引き戻し）する場合、圧電素子８に０．７Ｔだけ＋Ｅ（Ｖ）を印加し、０．３Ｔだけ−Ｅ（Ｖ）を印加する（デューティ比Ｄ＝０．７）。
【００３１】
トランジスタ１７，１８，１９，２０のスイッチングにより、圧電素子８には充電電流（または放電電流）が流れる。圧電素子８は容量性負荷であるため、図示するように、トランジスタ１７，１８，１９，２０がオンした瞬間に大きな突入電流が流れ、電荷が飽和すると電流が流れなくなる。また、充電電流による電圧降下により、実際に圧電素子８に印加される電圧の波形は、矩形波をやや崩したものとなる。
【００３２】
さらに、圧電素子８の寸法変位は、自身の弾性などにより、駆動電圧の変化からさらに遅があり、その周波数特性によって、図示するように、鋸波状の周期変化をする。圧電素子８が緩慢に寸法変位（伸縮）するときは、駆動部材９が緩慢に移動し、可動部材１０は、駆動部材９に摩擦係合したまま共に移動する。圧電素子８が急峻に寸法変位するときは、駆動部材９が急峻に移動し、可動部材１０は、自身の慣性によってその場に留まるように駆動部材９に対してすべり変位する。
【００３３】
このような圧電アクチュエータ２の駆動に際し、トランジスタ１７，１８，１９，２０のスイッチング時に流れる充電電流は、それに比例して電磁ノイズを発生させる。この電磁ノイズは、変位出力器３の磁界発生部材１１が形成する磁界に重畳され、ホール素子１６ａ，１６ｂの変位出力にノイズ成分を重畳させる。裏返すと、駆動回路４のトランジスタ１７，１８，１９，２０をスイッチングしないタイミングでは、ホール素子１６ａ，１６ｂの変位出力信号にノイズ成分が乗っていないことを示す。そこで、制御装置６は、制御信号Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の状態遷移しないタイミングで、位置検出回路５にトリガ信号ＴＳを入力することで、ノイズの乗っていないホール素子１６ａ，１６ｂの変位出力信号をＡＤ変換器によってディジタル信号に変換してサンプリングする。
【００３４】
以上のように、位置決め装置１は、制御装置６がノイズのないタイミングを選んで、位置検出回路５に変位出力器３の出力をサンプリングさせることで、圧電アクチュエータ２の可動部材１０の位置を正確に検出できる。これによって、位置決め装置１は、可動部材１０を、位置指令信号ＳＳで指定された位置に正確に位置決めできる。
【００３５】
図６は、位置決め装置１の実際的形状を示す。この位置決め装置１は、可動部材１０が光学素子であるレンズ２４を保持する玉枠になっており、ベース部材７に固定した駆動部材９と平行な吊り軸２５に沿って移動可能である。磁界発生部材１１は、可動部材１０の吊り軸２５に係合する部分に取り付けられている。ベース部材７には、固定部材７’を介して圧電素子８と、磁界発生部材１１に対向するように磁界検出手段１２とが固定されている。
【００３６】
このように構成された位置決め装置１は、小型で軽量であるが、可動部材１０に保持されたレンズ２４の吊り軸２５方向の位置を変位出力器３で正確に検出し、圧電アクチュエータ２によってレンズ２４を求められる位置に位置決めできる。
【００３７】
図７および図８に、本発明の位置決め装置１の、図４および図５の駆動タイミングの代案を示す。本案では、制御装置６は、駆動周期Ｔの中央、サイクル開始から０．５Ｔのタイミングで、トリガ信号ＴＳを位置検出回路５に入力している。このため、直前の駆動回路４のスイッチング動作から、ホール素子１６ａ，１６ｂの変位出力信号のサンプリングを開始するまでに、繰り出し駆動（デューティ比Ｄ＝０．３）の場合は０．２Ｔ、引き戻し駆動（デューティ比Ｄ＝０．７）の場合は０．５Ｔの時間が経過しており、充電電流が残っていない。また、ホール素子１６ａ，１６ｂの変位出力信号のサンプリングを開始してから、駆動回路４の次のスイッチング動作までは、繰り出し駆動（デューティ比Ｄ＝０．３）の場合は０．５Ｔ、引き戻し駆動（デューティ比Ｄ＝０．７）の場合は０．２Ｔの時間があり、充電電流が流れる前にサンプリングを完了することができる。
【００３８】
位置検出回路５のＡＤ変換器２１ａ，２１ｂは、１〜２μｓｅｃ程度連続した入力を必要とすることが多い。駆動回路４の駆動周期Ｔが、例えば、１０μｓｅｃ（駆動周波数１００ｋＨｚ）である場合、ホール素子１６ａ，１６ｂの変位出力信号のサンプリングを開始してから、駆動回路４の次のスイッチング動作までは、２μｓｅｃ以上の余裕があることが好ましくは、３μｓｅｃ以上とすることがより好ましい。サンプリングの開始タイミングを駆動周期Ｔの中央のタイミングとすれば、繰り出し駆動および引き戻し駆動のいずれにおいても、サンプリングのために２μｓｅｃの余裕がありノイズの影響を避けることができる。
【００３９】
図９および図１０に、本発明の位置決め装置１の、図４および図５の駆動タイミングのさらなる代案を示す。本案では、制御装置６は、駆動回路４のスイッチングのデューティ比Ｄが０．３のときはサイクル開始から０．７Ｔのタイミングで位置検出回路５にサンプリングを開始させ、駆動回路４のスイッチングのデューティ比Ｄが０．７のときはサイクル開始から０．３Ｔのタイミングで位置検出回路５にトリガ信号ＴＳを入力する。つまり、制御装置６は、駆動周期Ｔのデューティ比Ｄの補数の割合が経過したタイミング（１−Ｄ）・Ｔにおいて、位置検出回路にサンプリングを開始させる。
【００４０】
これにより、一般的なデューティ比０．３／０．７において、駆動回路４のスイッチングから少なくとも０．３Ｔ経過してからサンプリングを開始し、サンプリングを開始してから次のスイッチングまで少なくとも０．３Ｔの余裕がある。駆動周期Ｔが１０μｓｅｃである場合、ＡＤ変換に３μｓｅｃの時間を割くことができる。このように、デューティ比Ｄによってサンプリングの開始タイミングを決定すれば、ＡＤ変換器２２ａ，２２ｂのサンプリング速度が遅くても、ノイズのないタイミングで可動部材１１の位置を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態の位置決め装置の概略構成図。
【図２】図１の位置決め装置の変位出力器の構成図。
【図３】図１の位置決め装置の回路図。
【図４】図１の位置決め装置の繰り出し動作時の制御動作のタイミングチャート。
【図５】図１の位置決め装置の引き戻し動作時の制御動作のタイミングチャート。
【図６】図１の位置決め装置の具体的適用例を示す図。
【図７】図４の代案のタイミングチャート。
【図８】図５の代案のタイミングチャート。
【図９】図４のさらなる代案のタイミングチャート。
【図１０】図５のさらなる代案のタイミングチャート。
【符号の説明】
【００４２】
１…位置決め装置
２…圧電アクチュエータ（振動型アクチュエータ）
３…変位出力器（変位出力手段）
４…駆動回路
５…位置検出回路
６…制御装置
８…圧電素子
９…駆動部材
１０…可動部材
１１…磁界発生部材
１２…磁界検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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