トップ :: G 物理学 :: G05 制御;調整




【発明の名称】 形状記憶合金を含むアクチュエータを用いた制御装置
【発明者】 【氏名】原 吉宏

【氏名】谷井 純一

【氏名】和田 滋

【氏名】小坂 明
【要約】 【課題】形状記憶合金を含むアクチュエータを用いて被駆動部材の位置を制御する制御装置を提供する。

【解決手段】第１方向と第２方向とにおける被駆動部材の位置をアクチュエータで制御する制御装置。この制御装置は、被駆動部材を移動させるべき目標位置を決定する目標位置決定手段と、被駆動部材の現在位置を検出する現在位置検出手段と、上記目標位置と現在位置との差に対して２回微分を含む演算を行なうことで、位相を早めた制御出力を求める制御出力演算手段と、を備える。アクチュエータは、所定寸法に形状記憶された形状記憶合金と、当該形状記憶合金に対して外力を負荷して寸法を変化させる付勢手段と、で構成される。アクチュエータを、所定寸法に形状記憶された２つの形状記憶合金で構成することも可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 第１方向と第２方向とにおける被駆動部材の位置をアクチュエータで制御する制御装置であって、被駆動部材を移動させるべき目標位置を決定する目標位置決定手段と、被駆動部材の現在位置を検出する現在位置検出手段と、上記目標位置と現在位置との差に対して２回微分を含む演算を行なうことで、位相を早めた制御出力を求める制御出力演算手段と、を備えたことを特徴とする、制御装置。
【請求項２】 第１方向と第２方向とにおける被駆動部材の位置をアクチュエータで制御する制御装置であって、被駆動部材を移動させるべき目標値を決定する目標値決定手段と、被駆動部材の現在値を検出する現在値検出手段と、上記目標値と現在値との差に対して２次以上の進み補償を行うことで、最適な制御出力を求める制御出力演算手段と、を備えたことを特徴とする、制御装置。
【請求項３】 上記アクチュエータは、所定寸法に形状記憶された形状記憶合金と、当該形状記憶合金に対して外力を負荷して寸法を変化させる付勢手段と、で構成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の制御装置。
【請求項４】 上記付勢手段がスプリングで構成されていることを特徴とする、請求項３記載の制御装置。
【請求項５】 上記アクチュエータは、所定寸法に形状記憶された２つの形状記憶合金で構成されていることを特徴とする、請求項１または２記載の制御装置。
【請求項６】 上記制御出力演算手段はＰＤＤ制御を行なうことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の制御装置。
【請求項７】 上記被駆動部材は、光学機器の手振補正光学系であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、形状記憶合金を含むアクチュエータを用いた制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、例えばレンズシャッタカメラの手振補正機構においても利用できる小型の位置制御機構の必要性が高まっている。かかる要請に応えるアクチュエータとして、形状記憶合金およびバネを利用したアクチュエータが考えられる。これまで、形状記憶合金を利用したアクチュエータの制御方法としては、これを単にスイッチとして利用するためのオン・オフ制御が開示されているにすぎない。また、「システムと制御 第29巻 第５号：栗林 １９８５年」には、形状記憶合金を用いた制御要素の数学モデルおよびＰＩＤ制御が紹介されているが、その具体的手法については触れられていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明が解決すべき技術的課題は、形状記憶合金を含むアクチュエータを用いて被駆動部材の位置を制御する制御装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段・作用・効果】本発明は、上記課題を有効に解決するために創案されたものであって、以下の特徴を備えた制御装置を提供するものである。
【０００５】本発明の制御装置においては、第１方向と第２方向とにおける被駆動部材の位置をアクチュエータで制御する。本発明の制御装置は、さらに「被駆動部材を移動させるべき目標位置を決定する目標位置決定手段」と「被駆動部材の現在位置を検出する現在位置検出手段」と「上記目標位置と現在位置との差に対して２回微分を含む演算を行なうことで、位相を早めた制御出力を求める制御出力演算手段」とを備えたことを特徴としている。２回微分を含む演算(すなわち、２次以上の進み補償)を行うことで、180°分の位相補償を行うことができ、応答性の高い制御を達成できる。勿論、３回以上の微分を行ってもよい。
【０００６】上記アクチュエータは、「所定寸法に形状記憶された形状記憶合金」と「形状記憶合金に対して外力を負荷して寸法を変化させる付勢手段」とで構成してもよいし、形状記憶合金を２つ用いて構成してもよい。前者の場合、付勢手段としては、バイアスバネ等のスプリングを採用することが好ましい。
【０００７】なお、制御出力演算手段により算出された出力値(電圧値等)がアクチュエータ用ドライバへと出力され、これに基いて、当該ドライバが実際にアクチュエータを駆動する。
【０００８】２回微分を含む演算の一例として、ＰＤＤ制御(比例＋微分＋微分)を挙げることができる。これは、物理的に見ると、上記目標位置と現在位置との「位置差」、「速度差」、「加速度差」を考慮した制御演算である。本発明において、被駆動部材が具体的にどのようなものであるかは特に限定されるものではないが、例えば、カメラ等の光学機器における手振補正光学系を挙げることができる。
【０００９】また、本発明によって、第１方向と第２方向とにおける被駆動部材の位置をアクチュエータで制御する制御装置であって、「被駆動部材を移動させるべき目標値を決定する目標値決定手段」と「被駆動部材の現在値を検出する現在値検出手段」と「上記目標値と現在値との差に対して２次以上の進み補償を行うことで、最適な制御出力を求める制御出力演算手段」とを備えた制御装置が提供される。この制御装置においては、被駆動部材は、目標位置と現在位置との位置差、速度差または加速度差に基いて制御される。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。
【００１１】本発明では、Ｘ方向(水平方向)およびＹ方向(垂直方向)について、それぞれジャイロ(角速度センサ)を利用して手振れに起因する振れ量を検出する。そして、鏡胴内に配置した補正光学系を、手振れを打ち消す方向に駆動させる。補正光学系は、後述するように、形状記憶合金(ＳＭＡ)およびバイアスバネを利用したアクチュエータで駆動される。なお、一般的に手振れでは、最高で約10Hz程度の正弦波振動がカメラに発生するが、本発明はそのような手振れを補正するものである。
【００１２】図１は、本発明による手振補正システムの全体構成を示している。カメラ本体ａ１内には、Ｘ方向用ジャイロａ２およびＹ方向用ジャイロａ３が配置されており、Ｘ方向およびＹ方向の手振れによる角速度が独立して検出される。振れ検出回路ａ４は、各ジャイロからの角速度信号に含まれる信号ノイズをカットするフィルタ回路、および角速度信号を角度信号に変換するための積分回路等で構成される。振れ量検出部ａ５は、振れ検出回路ａ４からの角度信号を所定時間間隔で取り込んで、カメラの振れ量を係数変換部ａ８に向けて出力する。Ｘ方向の振れ量は"detx"として、Ｙ方向の振れ量は"dety"として、それぞれ出力される。
【００１３】シーケンスコントロール部ａ７は、撮影および手振補正に関するシーケンスを制御する。レリーズボタンａ６が半押し状態とされると、測光および測距等の撮影準備を開始する。レリーズボタンａ６が全押し状態となると、撮影状態に移行し、以下のシーケンスで手振補正を行なう。■ジャイロからの信号を振れ量検出部ａ５に取り込んで、振れ量"detx"および"dety"を検出する。■振れ量検出部ａ５で得られた振れ量"detx"および"dety"を、係数変換部ａ８において、補正光学系の実際の移動量"px"および"py"に変換する。■目標位置算出部ａ９において、前記移動量"px"および"py"だけ補正光学系を移動させるための駆動信号量"drvx"および"drvy"を算出する。なお、係数変換部ａ８は、補正光学系の固体バラツキや温度に依存して変化する光学性能を考慮した最適な係数を、撮影準備に移行した際に算出する。
【００１４】目標位置補正部ａ10は、温度センサａ12からの信号に基いて、目標位置を補正するための補正信号を目標位置算出部ａ９へと出力する。これは主として、温度が高くなることで性能が変化するＳＭＡアクチュエータのオフセット量を考慮した補正を行なうものである。図示の実施形態では、目標位置算出部ａ９が目標位置決定手段を構成する。駆動制御補正部ａ11は、ＳＭＡアクチュエータ、駆動機構の固体バラツキ、温度による駆動性能の変化によらず、各個体および各温度で最適な駆動性能が発揮できるよう最適ゲインを設定し、駆動状態を最適化する。以上の処理は、マイコンを利用したデジタル処理にて行なう。
【００１５】撮影光学系ａ21には補正光学系ａ22が組み込まれている。補正光学系ａ22は、Ｘ方向用アクチュエータａ24およびＹ方向用アクチュエータａ26によって、Ｘ方向およびＹ方向に独立して駆動される。補正光学系ａ22のＸ方向位置およびＹ方向位置は、それぞれ位置検出センサａ25およびａ26によって検出される。これらのメカ構成を以下に説明する。
【００１６】図２は、補正光学系の駆動機構を説明する平面図である。カメラ本体に対して不動の基台ｄ19に対して、Ｘ方向にスライド可能な移動台ｄ９が配置されている。移動台ｄ９に対して、補正光学系ｄ１がＹ方向にスライド可能とされている。したがって、補正光学系ｄ１は、基台ｄ19に対して、Ｘ方向およびＹ方向のいずれにもスライド可能である。
【００１７】移動台ｄ９に対する補正光学系ｄ１のスライド機構は次の通りである。移動台ｄ９の上面には、Ｙ方向に延びる２本の案内ロッドｄ３およびｄ６が固定されており、その間に補正光学系ｄ１が配置される。補正光学系ｄ１の保持枠ｄ２には各案内ロッドにスライド可能に係合するスライドガイドが固定されており、したがって、補正光学系ｄ１は、両案内ロッドに案内されてＹ方向にスライド可能となっている。一方のスライドガイドｄ４から突出する端子ｄ５には、ＳＭＡｄ７およびバイアスバネｄ８が、互いに端子ｄ５を引張り合うように配置されている。
【００１８】最初は、「バイアスバネｄ８による引張力」が「ＳＭＡｄ７による引張力」よりも大きいので、補正光学系ｄ１は、図２中下側に位置している。その状態からＳＭＡｄ７への通電量を大きくしていくと、徐々にＳＭＡｄ７がその記憶長さに向かって縮むので、補正光学系ｄ１は上方側へと移動する。したがって、ＳＭＡｄ７への通電量を制御することで、補正光学系ｄ１のＹ方向の位置を制御することができる。なお、基台ｄ19に対する移動台ｄ９のＸ方向の位置制御は、これと同じ原理に基いて行なわれる。このように、形状記憶合金とバイアスバネによりアクチュエータが構成され、かかるアクチュエータがＸ方向用とＹ方向用に独立して２つ設けられている。
【００１９】上記の例では、ＳＭＡとバイアスバネとの引張り合いによって補正光学系ｄ１の位置を制御しているが、代わりの構成として、２つのＳＭＡを使用して両者の引張り合いによって補正光学系ｄ１の位置を制御することも可能である。すなわち、補正光学系ｄ１を駆動するアクチュエータは、ＳＭＡとバイアスバネとで構成されても、２つのＳＭＡで構成されてもよい。
【００２０】なお、図３には、印加電流に対するＳＭＡの伸縮を表すヒステリシスループを示した。ＳＭＡは、記憶温度よりも低い状態では柔らかく変形し易いので、バイアスバネに引っ張られて伸びる。そして、加熱されて記憶温度になると、記憶された形状(寸法)に戻る。ＳＭＡに印加する電流のオン・オフにより温度を上下させると、ＳＭＡを伸縮させることができる。
【００２１】図４は、上記補正光学系の現在位置を検出するための位置検出原理を説明する説明図である。補正光学系ｄ１の保持枠ｄ２(図２参照)にＬＥＤｅ１が固定されている。すなわち、ＬＥＤｅ１は補正光学系ｄ１とともに移動する。ＬＥＤｅ１内の発光チップｅ２からの光は、スリットｅ３を通過して、ＰＳＤ(position sensitive device)ｅ４の受光部ｅ５に到達する。ＰＳＤｅ４は、カメラ本体に対して不動とされているので、補正光学系ｄ１が移動すると、受光部ｅ５上での光の重心位置も移動する。この結果、ＰＳＤｅ４からの出力電流Ｉ１とＩ２との比が変化するので、この比を測定することにより、補正光学系ｄ１の位置を検出することができる。
【００２２】スリットｅ３は、発光ＬＥＤ側が広く、受光ＰＳＤ側が狭くなるように構成されており、これによりエネルギーロスを抑えながら指向性を鋭くしている。また、スリットｅ３は検出する移動方向(矢印ｅ７)と直交する方向に延在して設けられているので、図４の例では、補正光学系ｄ１の矢印ｅ７方向の移動に敏感に反応し、それと直交する方向への移動によっては影響を受けない。このような位置検出機構を補正光学系ｄ１のＸ方向位置およびＹ方向位置の検出のために、それぞれ独立して２つ設ける。このように、図示の実施形態では、発光ＬＥＤおよび受光ＰＳＤが現在位置検出手段を構成している。
【００２３】次に、図１中の駆動制御部ａ23について、図５および図６を参照しながら詳細に説明する。図５には、駆動制御部ａ23の構成概要を示している。この部分は、大きく分けると、データ受信部(ｂ１〜ｂ４)、ＤＡコンバータ部ｂ５、Ｘ方向サーボ制御部(ｂ６、ｂ８)、Ｙ方向サーボ制御部(ｂ７、ｂ９)、およびアクチュエータドライバ部ｂ10から構成される。
【００２４】ｂ１およびｂ２は、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれについて、目標位置算出部ａ９からの目標位置信号を受信して記憶する目標位置データ受信部である。ｂ３およびｂ４は、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれについて、駆動補正部ａ11からの信号を受信して記憶するゲインデータ受信部である。ここに記憶されたゲインデータに基いてサーボ回路のゲイン設定が行なわれる。以下に、本発明におけるサーボ制御を説明する。
【００２５】不図示のＸ/Ｙ方向選択回路によってＸ方向を選択すると、Ｘ方向の目標位置データが目標位置算出部ａ９からデータ受信部ｂ１に記憶される。このデータは、ＤＡコンバータｂ５でＤ/Ａ変換される。このとき、サンプルホールド回路ｂ６はサンプリング状態となり、ｂ５からの出力が目標位置電圧として、Ｘ方向サーボ制御回路ｂ８へと出力される。一方、サンプルホールド回路ｂ７はホールド状態となっている。
【００２６】次のタイミングでは、Ｙ方向の目標位置を設定するために、上記Ｘ/Ｙ方向選択回路によってＹ方向を選択し、上記と同様にして、ｂ５からの出力を目標位置電圧として、Ｙ方向サーボ制御回路ｂ９へと出力する。以下同様にして、Ｘ方向およびＹ方向の目標データの出力を交互に繰り返す。
【００２７】Ｘ方向サーボ制御回路ｂ８およびＹ方向サーボ制御回路ｂ９は同様の構成を有するので、Ｘ方向サーボ制御回路ｂ８についてのみ説明する。図５に示したように、Ｘ方向サーボ制御回路ｂ８は、サーボ制御部と位置検出部とで構成される。サーボ制御部は、制御出力演算手段を構成するものであって、図６の破線内に詳しく示している。以下、これについて説明する。
【００２８】前述したように、サンプルホールド回路ｂ６から目標値相当の電圧Ｖｔが入力される。一方、Ｘ方向における現在位置相当の電圧は、次のようにして位置検出部で生成される。ＬＥＤｅ１からの光を受けたＰＳＤｅ４から出力される電流Ｉ１およびＩ２は、Ｉ/Ｖ変換回路(電流/電圧変換回路)ｃ23、ｃ24でそれぞれ電圧に変換される。変換された電圧値は、減算回路ｃ25では減算され、加算回路ｃ26では加算される。加算回路ｃ26で得られた電圧値は電流制御部ｃ27に送られる。ここでは、電圧値の和を一定に保つ制御が行なわれる。電圧値の和が一定に保たれていると、減算回路ｃ25からの出力をモニターして補正光学系ｄ1の位置を検出することができる。減算回路ｃ25からの出力はローパスフィルタｃ28を通すことで高周波ノイズがカットされ、補正光学系ｄ1のＸ方向の現在位置に相当する電圧Ｖｎが出力される。
【００２９】加算回路ｃ３では、上記目標位置相当電圧Ｖｔと現在位置相当電圧Ｖｎとの減算を行なう。現在位置相当電圧Ｖｎは、負の値となるので、加算回路で加算することで減算を行なうことができる。比例ゲイン回路ｃ４は、目標位置と現在位置との差のゲインを設定する。微分回路ｃ５およびｃ６は、90°の位相進み補償を行なうもので、２回微分を行なうと180°の位相進み補償を行うことができる。ｃ4〜ｃ６のすべての回路を利用すると、制御理論でいうＰＤＤ制御を行なうことができる。これらの回路の組み合わせにより、Ｘ方向ゲイン部ｂ３でのゲインデータ設定値に対応した各種ゲインを得ることができる。すなわち、駆動メカ部の固体バラツキがあっても、それを吸収することができる。また、これらの回路により、温度変化による影響も補正することができる。
【００３０】サーボオフセット回路ｃ８は、サーボ回路のオフセット電圧を調整することで、固体バラツキや温度の影響を除去し駆動状態を最適化する。回路ｃ７は、最終的な電圧ゲイン変換と、高周波ノイズの除去を行なう。基準電圧部ｃ９は、アクチュエータドライバｂ10に向けて基準電圧を出力する。アクチュエータドライバｂ10は、入力電圧に比例した電圧をＳＭＡｄ17に印加する。ただし本発明では、後述するように、Ｖin−Ｖrefの値が負になる場合には、ＳＭＡに対する電圧の印加は行なわれない。
【００３１】アクチュエータドライバｂ10内のドライバＩＣの接続状態を図７に、その出力特性を図８に、それぞれ示した。Ｖin端子ｆ２は、図６中の回路ｃ７からの入力を受ける。Ｖref端子ｆ３は、図６中の基準電圧部ｃ９からの入力を受ける。「Ｖin端子ｆ２からの入力値」と「Ｖref端子ｆ３からの入力値」とを比較し、Ｖin−Ｖrefが正の場合には、ＶＭ＋端子ｆ４からＳＭＡｄ17に対して駆動電圧を印加され、この結果、ＳＭＡｄ17がバイアスバネｄ18を引き伸ばす方向に縮む。一方、ＶＭ−端子ｆ５は外部には接続されていないので、Ｖin−Ｖrefが負の場合には、ＳＭＡｄ17には電圧は印加されない。この場合には、バイアスバネｄ18のバネ力によってＳＭＡｄ17が引き伸ばされる。以上のように、アクチュエータドライバＩＣの出力は、Ｖin−Ｖrefが正の場合にはこれに比例したものとなり、Ｖin−Ｖrefが負の場合にはゼロとなる。これをグラフに示したのが図８である。
【００３２】これと同等の効果を得るための別の手法として、■回路ｃ７からの信号値がＶrefよりも高い場合には、その電圧値をそのままアクチュエータドライバｂ10へと出力するが、逆の場合には、アクチュエータドライバｂ10へ向けた出力自体を停止するような回路構成としたり、■Ｖin−Ｖrefが負である場合にはＧＮＤでリミットするように、アクチュエータドライバｂ10内のドライバＩＣ内の回路を構成してもよい。いずれの場合にも、本発明では、アクチュエータドライバｂ10への最終出力に対して、上述のような制限を行なう。
【００３３】以上のように、本発明では、ＳＭＡの一端にのみリニア電圧出力ドライバＩＣの端子を接続して、Ｖin−Ｖrefが正の場合にだけ電圧を印加しているので、ドライバＩＣの回路構成を簡単化することができる。これに対して、アクチュエータとしては大型になってしまうが、従来から使用されているモータを使用した場合について説明する。ＶＭ＋端子ｆ４およびＶＭ−端子ｆ５の両方を当該モータに接続して補正光学系ｄ１を駆動しようとする場合の、ドライバＩＣとモータの接続関係を図９および図10に示す。図９および図10は、そのような場合における、ドライバＩＣの接続状態および出力特性を示したものである。図９においては、本発明とは異なり、ＶＭ−端子ｆ５がアクチュエータであるモータｆ６に接続されていることが分かる。また、図10から、Ｖin−Ｖrefが負の場合にも、ＶＭ−端子ｆ５からの出力があることが分かる。当該モータをＳＭＡに置き換えて図９に示す接続をした場合には、バネが縮む方向に駆動したい場合でもＳＭＡが縮む方向に駆動が行われ、正しい駆動を行うことができない。このような例と対比することで、本発明が明瞭に理解できる。なお、本発明においては、図９および図10の場合に使用される汎用ドライバＩＣであっても、単にＶＭ−端子ｆ５への接続を行なわないことによって、同ＩＣを使用することが可能となる。また、図８の出力特性を有する正出力リニアドライバ回路を作成して使用してもよい。
【００３４】本発明における形状記憶合金とバイアスバネとを利用するアクチュエータにおいては、形状記憶合金へ電圧を印加すると、「電流」→「発熱」→「引張力」→「加速度」→「速度」→「位置」という原理に従って、被駆動部材の位置を制御する。ここで、「電流」→「発熱」、「加速度」→「速度」、「速度」→「位置」の３つの過程において、それぞれ90°分の位相遅れがあるので、トータルでは３次(270°)の位相遅れが生じることとなる。図６に示したサーボ回路を使用してＰＤＤ(比例＋微分＋微分)制御を行なった場合の効果を、ボード線図を参照して説明する。
【００３５】形状記憶合金およびバイアスバネを利用してアクチュエータモデルを実際に作成し、このモデルの周波数応答を実測した結果を図11に示した。実測結果を見ると、70Hzよりも高周波になると、約270°の位相遅れが生じ、この結果、サーボ制御を行なった場合、一次(90°分)の位相進み補償(微分)だけでは共振するであろうことが予測できる。この共振を抑えるために微分制御を利用することが必要となるが、一般に１回の微分では90°分の位相を進ませることしかできないので、図11の場合、位相遅れを180°よりも十分に小さくするためには、１回の微分では不十分であって２回微分を行なう必要あると予測できる。この予測が正しいことを図12および図13で検証する。
【００３６】図12(ａ)は、図11に係るアクチュエータモデルに対してＰＤ(比例＋微分)制御を行なった場合のオープン特性(フィードバックしない場合の特性)を示す。図12(ａ)では位相余裕もゲイン余裕もないことが分かる。これに対してフィードバック制御を行なうと、図12(ｂ)に示されるように、１KHzよりもやや低い周波数において共振が生じている。つまり、90°分の位相補償だけでは、良好な制御特性が得られないことが分かる。
【００３７】これに対して図13(ａ)は、ＰＤＤ制御(比例＋微分＋微分)を行なった場合のオープン特性を示す。図12(ａ)の場合とは異なり、位相余裕およびゲイン余裕が得られている。図13(ｂ)は、これに対してフィードバック制御を行なった場合の周波数応答を示しているが、図12(ｂ)に見られるような共振は発生していない。
【出願人】 【識別番号】０００００６０７９
【氏名又は名称】ミノルタ株式会社
【出願日】 平成１２年３月２３日（２０００．３．２３）
【代理人】 【識別番号】１０００６２１４４
【弁理士】
【氏名又は名称】青山 葆 （外１名）
【公開番号】 特開２００１−２６５４４０（Ｐ２００１−２６５４４０Ａ）
【公開日】 平成１３年９月２８日（２００１．９．２８）
【出願番号】 特願２０００−８２０００（Ｐ２０００−８２０００）