JP2021087304A - アクチュエーター駆動装置、及びアクチュエーター駆動装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】応答性と外乱抑制性との両立が可能なアクチュエーター駆動装置及びアクチュエーター駆動装置の制御方法を提供する。【解決手段】第一態様に係るアクチュエーター駆動装置は、第一部材と、前記第一部材にギャップを介して対向する第二部材と、前記ギャップの寸法を検出するギャップセンサーと、第一電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第一アクチュエーターと、第二電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第二アクチュエーターと、を備え、前記第一電圧信号は、所定時間の経過後に一定のバイアス電圧となり、かつ、前記所定時間の経過前に、前記バイアス電圧よりも大きいオーバーシュート信号が含まれる電圧信号であり、前記第二電圧信号は、前記ギャップセンサーにより検出される検出値が目標値に近づくようにフィードバック制御される電圧信号である。【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエーター駆動装置、及びアクチュエーター駆動装置の制御方法に関する。

従来、一対の部材間の距離を変化させるアクチュエーターと、一対の部材間の距離が目標値になるようにアクチュエーターを制御する制御部と、を備えたアクチュエーター駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
例えば、特許文献１に記載のアクチュエーター駆動装置は、互いに対向する一対の基板を有し、各基板の互いに対向する面にそれぞれ反射膜が設けられた可変干渉装置である。また、この可変干渉装置は、各基板の互いに対向する面に静電容量を検出するための電極を備え、静電容量検出回路により静電容量が検出可能に構成されている。さらに、可変干渉装置は、一対の基板の一方を、他方に向かって進退させるアクチュエーターを備えている。このような可変干渉装置では、アクチュエーターを制御する制御回路は、静電容量検出回路によって検出された静電容量に基づいて、アクチュエーターに印加する電圧をフィードバック制御する。これにより、一対の反射膜の間の寸法が目標値となるように制御することができる。

特開平１−９４３１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のようなアクチュエーター駆動装置では、応答性と外乱抑制性とがトレードオフの関係にあり、応答性を向上させると、外乱抑制性が低下し、外乱抑制性を向上させると応答性が低下する。
つまり、アクチュエーター装置では、アクチュエーターに電圧を印加すると、アクチュエーターによって変位する部材が振動する。この際、静電容量検出回路で検出された静電容量に基づいて、アクチュエーターに印加する電圧をフィードバック制御することで、上記振動を抑制し、部材間の距離を目標値にすることができる。
ここで、部材間の距離をより迅速に目標値に合わせる場合、制御回路の設定を、応答性を重視した設定とする。これにより、フィードバック制御時のアクチュエーターに印加する電圧が大きくなるよう制御される。一方、アクチュエーター装置に外乱振動が加わった場合、制御回路は、アクチュエーターをフィードバック制御して振動を収束するように機能する。しかしながら、上記のように応答性を重視した設計としている場合、僅かな外乱振動に対するフィードバック制御に対して、過剰な制御電圧が印加されることがあり、振動収束までに時間がかかり、外乱抑制性が低下する。
逆に、制御回路の設定を、外乱抑制性を重視した設定とすると、応答性が低下し、部材間の距離が目標値になるまでの時間が長くなる。

第一態様に係るアクチュエーター駆動装置は、第一部材と、前記第一部材にギャップを介して対向する第二部材と、前記ギャップの寸法を検出するギャップセンサーと、第一電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第一アクチュエーターと、第二電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第二アクチュエーターと、を備え、前記第一電圧信号は、所定時間の経過後に一定のバイアス電圧となり、かつ、前記所定時間の経過前に、前記バイアス電圧よりも大きいオーバーシュート信号が含まれる電圧信号であり、前記第二電圧信号は、前記ギャップセンサーにより検出される検出値が目標値に近づくようにフィードバック制御される電圧信号である。

第二態様に係るアクチュエーター駆動装置の制御方法は、第一部材と、前記第一部材にギャップを介して対向する第二部材と、前記ギャップの寸法を検出するギャップセンサーと、第一電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第一アクチュエーターと、第二電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第二アクチュエーターと、を備えるアクチュエーター駆動装置の制御方法であって、前記第一アクチュエーターに、前記第一電圧信号を印加する第一電圧印加工程と、前記第二アクチュエーターに、前記第二電圧信号を印加する第二電圧印加工程と、を実施し、前記第一電圧印加工程で印加される前記第一電圧信号は、所定時間の経過後に一定のバイアス電圧となり、かつ、前記所定時間の経過前に、前記バイアス電圧よりも大きいオーバーシュート信号が含まれる電圧信号であり、前記第二電圧印加工程で印加される前記第二電圧信号は、前記ギャップセンサーにより検出される検出値が目標値に近づくようにフィードバック制御される電圧信号である。

本発明に係る一実施形態の分光装置の概略構成を示す模式図。 本実施形態において、バイアス駆動回路から第一アクチュエーターに印加される第一電圧信号の信号波形の一例を示す図。 本実施形態の分光装置の制御方法を示すフローチャート。 本実施形態で、第一アクチュエーターに印加される第一電圧信号の一例と、比較例のバイアス電圧信号の一例とを示す図。 本実施形態及び比較例におけるミラーギャップの変化の一例を示す図。 変形例１に係る第一電圧信号の一例を示す図。

以下、一実施形態に係る分光装置について説明する。
図１は、本実施形態の分光装置１００の概略構成を示す模式図である。
［分光装置１００の全体構成］
分光装置１００は、アクチュエーター駆動装置の一例であり、入射光から所望の目標波長の光を分光して出力する装置である。この分光装置１００は、図１に示すように、干渉フィルター１１０と、バイアス駆動回路１２０と、ギャップ検出部１３０と、制御器１４０と、マイコン１５０と、を含んで構成されている。
以下、各構成について詳細に説明する。

［干渉フィルター１１０の構成］
干渉フィルター１１０は、図１に示すように、透光性の第一基板１１１および第二基板１１２を備えている。第一基板１１１は、第一部材に相当し、第二基板１１２は、第二部材に相当する。これらの第一基板１１１及び第二基板１１２は、例えばシロキサンを主成分とするプラズマ重合膜等の接合膜により接合されて、一体的に構成されている。
なお、以降の説明にあたり、第一基板１１１から第二基板１１２に向かう方向をＺ方向とする。Ｚ方向は、干渉フィルター１１０の光入射面、及び光出射面に直交する方向である。

第一基板１１１の第二基板１１２に対向する面には、エッチング等により形成された凹部が設けられ、当該凹部によって、第一基板１１１と第二基板１１２とがギャップを介して対向する。
具体的には、第一基板１１１に設けられる凹部は、第一凹部１１１Ａと、第一凹部１１１Ａの周りを囲って設けられる第二凹部１１１Ｂとを含む。
なお、図１に示す例では、第一凹部１１１Ａの第二基板１１２に対向する面が、第二凹部１１１Ｂの第二基板１１２に対向する面よりも、第二基板１１２に近接して位置するが、これに限定されない。
例えば、第一凹部１１１Ａの第二基板１１２に対向する面が、第二凹部１１１Ｂの第二基板１１２に対向する面よりも、第二基板１１２から離隔していてもよい。或いは、第一凹部１１１Ａの第二基板１１２に対向する面が、第二凹部１１１Ｂの第二基板１１２に対向する面と同一平面であってもよい。さらに、本実施形態では、第一基板１１１の凹部により、第一基板１１１と第二基板１１２との間にギャップが形成される例を示すが、例えば、第一基板１１１と第二基板１１２との間にスペーサが設けられ、スペーサの厚みによってギャップが形成される構成としてもよい。
なお、本実施形態での第一基板１１１及び第二基板１１２の間のギャップには、後述する第一反射膜１１４と第二反射膜１１５との間のミラーギャップＧ_ｍ、第一電極１１６Ａと第二電極１１６Ｂとの間の第一アクチュエーターギャップＧ_Ａ１、及び、第三電極１１７Ａと第四電極１１７Ｂとの間の第二アクチュエーターギャップＧ_Ａ２が含まれる。

第一基板１１１は、第一凹部１１１Ａの第二基板１１２に対向する面に第一反射膜１１４を備える。この第一反射膜１１４は、金属膜や金属合金膜により構成されていてもよく、誘電体多層膜により構成されていてもよい。
第一反射膜１１４の表面には、例えば、ＩＴＯ等の透明電極により構成された第一容量電極１１３Ａが設けられている。

また、第一基板１１１は、第二凹部１１１Ｂの第二基板１１２に対向する面に、第一電極１１６Ａが設けられている。この第一電極１１６Ａは、第一反射膜１１４を囲って配置され、第一容量電極１１３Ａとは絶縁されている。そして、第一電極１１６Ａは、第二基板１１２に設けられた第二電極１１６Ｂに、第一アクチュエーターギャップＧ_Ａ１を介して対向する。第一電極１１６Ａ及び第二電極１１６Ｂは、電圧が印加されることで、静電引力により、第一反射膜１１４と第二反射膜１１５との間のミラーギャップＧ_ｍの寸法を変化させる静電アクチュエーター（第一アクチュエーター１１６）を構成する。

さらに、第一基板１１１は、第二凹部１１１Ｂの第二基板１１２に対向する面に、第一容量電極１１３Ａ及び第一電極１１６Ａとは絶縁された第三電極１１７Ａが設けられている。この第三電極１１７Ａは、第一電極１１６Ａを囲って配置されており、第二基板１１２に設けられた第四電極１１７Ｂに、第二アクチュエーターギャップＧ_Ａ２を介して対向する。第三電極１１７Ａ及び第四電極１１７Ｂは、電圧が印加されることで、静電引力により第一反射膜１１４と第二反射膜１１５との間のミラーギャップＧ_ｍの寸法を変化させる静電アクチュエーター（第二アクチュエーター１１７）を構成する。

第二基板１１２の第一基板１１１とは反対側の面には、円環状の凹溝が設けられており、これにより、第二基板１１２は、円環状の凹溝の内側である可動部１１２Ａと、凹溝の底面であるダイアフラム部１１２Ｂと含んで構成されている。
可動部１１２Ａの第一基板１１１に対向する面には、第二反射膜１１５が設けられている。この第二反射膜１１５は、第一基板１１１に設けられた第一反射膜１１４にミラーギャップＧ_ｍを介して対向する。第二反射膜１１５は、第一反射膜１１４と同様の素材により構成され、例えば、金属膜や金属合金膜、誘電体多層膜により構成されている。また、第二反射膜１１５の第一反射膜１１４に対向する面には、第二容量電極１１３Ｂが設けられている。

また、第二基板１１２の可動部１１２Ａ及びダイアフラム部１１２Ｂの少なくともいずれかには、第一電極１１６Ａに対向し、第二容量電極１１３Ｂとは絶縁された第二電極１１６Ｂが設けられている。この第二電極１１６Ｂは、第一電極１１６Ａとともに第一アクチュエーター１１６を構成する。
さらに、第二基板１１２の可動部１１２Ａ及びダイアフラム部１１２Ｂの少なくともいずれかには、第三電極１１７Ａに対向し、第二電極１１６Ｂとは絶縁された第四電極１１７Ｂが設けられている。この第四電極１１７Ｂは、第三電極１１７Ａとともに第二アクチュエーター１１７を構成する。

以上のような干渉フィルター１１０では、波長可変型のファブリーペローエタロン素子として機能し、第一アクチュエーター１１６及び第二アクチュエーター１１７に電圧が印加されることで、電極間に静電引力が作用して可動部１１２Ａが第一基板１１１側に変位する。これにより、ミラーギャップＧ_ｍの寸法を変更することが可能となる。
ここで、本実施形態では、バイアス駆動回路１２０からのバイアス電圧が第一アクチュエーター１１６に印加されることで、ミラーギャップＧ_ｍの寸法が目標値の近傍となるように、可動部１１２Ａが大きく変位する。また、制御器１４０からの制御電圧が第二アクチュエーター１１７に印加されることで、ミラーギャップＧ_ｍの寸法が目標値と一致するように、可動部１１２Ａがフィードバック制御される。
これにより、第一反射膜１１４及び第二反射膜１１５のミラーギャップＧ_ｍが、目標波長に対応した目標値となり、干渉フィルター１１０から目標波長の光が出力される。

［バイアス駆動回路１２０の構成］
図２は、本実施形態において、バイアス駆動回路１２０から第一アクチュエーター１１６に印加される第一電圧信号の信号波形の一例を示す図である。
バイアス駆動回路１２０は、マイコン１５０の制御に基づいて、第一アクチュエーター１１６に第一電圧信号を印加する。この第一電圧信号は、図２に示すように、第一電圧信号の印加開始タイミングから、所定時間（安定化時間ｔａ）の経過前までの電圧遷移期間Ｔ_１で、バイアス電圧Ｖ_ｂを超えるオーバーシュート信号を含む電圧信号である。安定化時間ｔａの経過後の電圧維持期間Ｔ_２では、第一電圧信号は、一定のバイアス電圧Ｖ_ｂに維持される。

ここで、本実施形態では、第一アクチュエーター１１６は、ミラーギャップＧ_ｍが目標波長に応じた目標値未満となるように、可動部１１２Ａを大きく変位させ、残りの微小な調整を第二アクチュエーター１１７で行う。したがって、第一アクチュエーター１１６に印加されるバイアス電圧Ｖ_ｂは、第二アクチュエーター１１７を用いず、第一アクチュエーター１１６のみで、ミラーギャップＧ_ｍを目標波長に応じた寸法とする場合に、第一アクチュエーター１１６に印加する電圧（以降、最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}と称す）よりも小さい電圧となる。
ここで、最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}は、次式（１）により示す値となる。

式（１）において、Ｓは、第一電極１１６Ａと第二電極１１６Ｂとが対向し合う面積、つまり、Ｚ方向から見た際に、第一電極１１６Ａと第二電極１１６Ｂとが重なり合う面積である。Ｋ_１は、第二基板１１２のダイアフラム部１１２Ｂのばね係数であり、Ｅは、第一電極１１６Ａ及び第二電極１１６Ｂの間の誘電率である。Ｇ_０は、第一アクチュエーター１１６及び第二アクチュエーター１１７に電圧を印加していない場合の第一アクチュエーターギャップＧ_Ａ１の初期寸法である。Ｇ_ｔは、第一アクチュエーターギャップＧ_Ａ１の目標寸法であり、干渉フィルター１１０から透過させる光の目標波長によって定まる寸法となる。面積Ｓ、誘電率Ｅ、ばね係数Ｋ_１、及び第一アクチュエーターギャップＧ_Ａ１の初期寸法Ｇ_０は、既知の値である。一方、目標波長に対応した第一アクチュエーターギャップＧ_Ａ１の寸法Ｇ_ｔは、設定する目標波長によって変化する。

最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}とバイアス電圧Ｖ_ｂとの差は、制御器１４０の性能に基づいて設定される。つまり、バイアス駆動回路１２０は、最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}と、制御器１４０により第二アクチュエーター１１７に印加される制御電圧の電圧範囲とに基づいたバイアス電圧Ｖ_ｂを設定して第一アクチュエーター１１６に印加する。例えば、制御器１４０により出力可能な最大電圧をＶ_{ｃ＿ｍａｘ}とした場合に、バイアス駆動回路１２０は、Ｖ_ｂ＝Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}−（Ｖ_{ｃ＿ｍａｘ}／２）とした、バイアス電圧Ｖ_ｂを第一アクチュエーター１１６に印加する。

なお、バイアス電圧Ｖ_ｂの設定に関し、バイアス駆動回路１２０は、マイコン１５０から入力されるバイアス指令信号に基づいてバイアス電圧Ｖ_ｂを設定する。例えば、バイアス指令信号に、目標波長に対応した第一アクチュエーターギャップＧ_Ａ１の寸法Ｇ_ｔが含まれていれば、バイアス駆動回路１２０は、当該目標指令信号に基づいて、最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}を算出し、さらに、バイアス電圧Ｖ_ｂを設定することができる。
また、マイコン１５０から入力されるバイアス指令信号に、最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}が含まれていてもよく、この場合、バイアス駆動回路１２０は、最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}に基づいてバイアス電圧Ｖ_ｂを設定すればよい。或いは、マイコン１５０から入力されるバイアス指令信号に、目標波長に対応したバイアス電圧Ｖ_ｂが含まれていてもよく、この場合、バイアス駆動回路１２０は、目標指令信号に含まれるバイアス電圧Ｖ_ｂを用いればよい。

バイアス駆動回路１２０から出力される第一電圧信号の電圧遷移期間Ｔ_１での信号波形は、図２に示すように、オーバーシュート信号を含む信号波形となる。このオーバーシューｔ-信号は、電圧ピークが、バイアス電圧Ｖ_ｂ及び最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}よりも大きい電圧信号である。第一電圧信号に含まれるオーバーシュート信号の個数は特に限定されず、１個であってもよく、図２に示すように複数であってもよい。
また、電圧遷移期間Ｔ_１での第一電圧信号の信号波形は、第二基板１１２の固有周期に基づいて設定され、ダイアフラム部１１２Ｂのばね性による可動部１１２Ａの固有振動を相殺する波形となる。具体的には、干渉フィルター１１０の伝達関数をＧとした場合に、１／Ｇの伝達関数となる第一電圧信号を第一アクチュエーター１１６に印加する。これにより、第一アクチュエーターギャップＧ_Ａ１が目標とする寸法Ｇ_ｔとなるように迅速に可動部１１２Ａの振動を収束させることができる。

［ギャップ検出部１３０の構成］
ギャップ検出部１３０は、第一容量電極１１３Ａ及び第二容量電極１１３Ｂに電気接続されており、第一容量電極１１３Ａ及び第二容量電極１１３Ｂとともに、ギャップセンサーを構成する。このギャップ検出部１３０は、第一容量電極１１３Ａ及び第二容量電極１１３Ｂの静電容量を検出する容量検出回路である。第一容量電極１１３Ａ及び第二容量電極１１３Ｂの静電容量は、ミラーギャップＧ_ｍの寸法に対して反比例するので、第一容量電極１１３Ａ及び第二容量電極１１３Ｂの静電容量と、ミラーギャップＧ_ｍの寸法とは１対１で対応する。よって、静電容量を検出することは、第一反射膜１１４及び第二反射膜１１５の間のミラーギャップＧ_ｍの寸法を検出することを意味する。また、第一反射膜１１４、第二反射膜１１５、第一電極１１６Ａ、第二電極１１６Ｂ、第三電極１１７Ａ、及び第四電極１１７Ｂの厚み、第一凹部１１１Ａや第二凹部１１１Ｂの溝深さ、ダイアフラム部１１２Ｂの寸法やばね係数は、既知である。したがって、ミラーギャップＧ_ｍの寸法を検出することで、第一アクチュエーターギャップＧ_Ａ１や第二アクチュエーターギャップＧ_Ａ２の寸法も算出可能である。

［制御器１４０の構成］
制御器１４０は、ギャップ検出部１３０及びマイコン１５０に接続されている。そして、制御器１４０は、第二アクチュエーター１１７に第二電圧信号を印加して、ミラーギャップＧ_ｍが、目標波長に対応する寸法となるように、フィードバック制御する。つまり、制御器１４０は、第二電圧信号として、マイコン１５０から入力される目標波長を示す目標指令信号と、ギャップ検出部１３０から入力される検出信号との差分信号に基づいた制御電圧を第二アクチュエーター１１７に印加する。これにより、干渉フィルター１１０を透過する光の分光波長が、目標指令信号で示される目標波長となるように、ミラーギャップＧ_ｍの寸法が調整される。
なお、制御器１４０は、第二電圧信号をアナログ信号として出力するアナログ式制御器であってもよく、第二電圧信号をデジタル信号として出力するデジタル式制御器であってもよい。デジタル式制御器を用いる場合は、制御器１４０がマイコン１５０に統合されてもよい。

［マイコン１５０の構成］
マイコン１５０は、演算回路や記憶回路により構成され、分光装置１００の全体の動作を制御する。マイコン１５０は、分光装置１００と外部機器とを接続するインターフェイス（図示略）に接続され、外部機器からの信号を受信することも可能である。外部機器からの信号としては、例えば分光装置１００により分光させる光の目標波長を指定する信号等が例示できる。なお、分光装置１００が、ユーザーによる入力操作を受け付ける操作部を有する構成としてもよく、この場合、操作部からの操作信号がマイコン１５０に入力されるように構成する。
このマイコン１５０は、演算回路が記憶回路に記憶されたプログラムを読み込み実行することで、目標波長に応じたバイアス指令信号をバイアス駆動回路１２０に出力し、目標指令信号を制御器１４０に出力する。

［分光装置１００における動作］
次に、分光装置１００の制御方法について説明する。
図３は、本実施形態の分光装置１００の制御方法を示すフローチャートである。
分光装置１００で分光処理を実施する場合、まず、マイコン１５０は、目標波長を設定する（ステップＳ１）。例えば、マイコン１５０は、外部機器から取得した目標波長を設定してもよく、操作部から入力された目標波長を設定してもよい。また、所定波長間隔の各波長の分光波長を設定する場合では、マイコン１５０は、予め設定された目標波長を設定して後述するステップＳ２からステップＳ４の処理を実施し、その後、再びステップＳ１に戻って、目標波長を設定して分光処理を繰り返す。これにより、所定間隔毎の各波長の光を順次出力することが可能となる。

次に、マイコン１５０は、目標波長に応じたバイアス指令信号を、バイアス駆動回路１２０に出力し、目標波長に応じた目標指令信号を制御器１４０に出力する（ステップＳ２）。
これにより、バイアス駆動回路１２０は、目標指令信号を受信すると、目標波長に応じた第一電圧信号を第一アクチュエーター１１６に印加する（ステップＳ３：第一電圧印加工程）。
つまり、バイアス駆動回路１２０は、印加開始タイミングから、安定化時間ｔ_ａまでの電圧遷移期間Ｔ_１において、可動部１１２Ａの固有振動を相殺し、かつ、バイアス電圧Ｖ_ｂよりも大きいオーバーシュート信号を含む第一電圧信号を第一アクチュエーター１１６に印加する。
また、安定化時間ｔ_ａの経過後、バイアス駆動回路１２０は、電圧維持期間Ｔ_２において、一定のバイアス電圧Ｖ_ｂが維持された第一電圧信号を第一アクチュエーター１１６に印加する。
また、ステップＳ３と同時に、制御器１４０は、ギャップ検出部１３０から入力される検出信号と目標指令信号とに基づいて、第二アクチュエーター１１７に第二電圧信号を印加してフィードバック制御する（ステップＳ４：第二電圧印加工程）。

図４は、本実施形態で、第一アクチュエーター１１６に印加される第一電圧信号の一例と、比較例のバイアス電圧信号の一例とを示す図である。図４において、実線は、本実施形態の第一電圧信号、破線は、比較例１のバイアス電圧信号を示している。
図５は、ミラーギャップＧ_ｍの変化の一例を示す図である。実線は、本実施形態の第一電圧信号を第一アクチュエーター１１６に印加した場合の例であり、破線は、比較例１のバイアス電圧信号を第一アクチュエーター１１６に印加した場合の例である。

比較例のバイアス電圧信号の信号波形は、一時遅れ曲線であり、この場合、可動部１１２Ａの振動を抑えつつ、可動部１１２Ａを変位させることができる。しかしながら、可動部１１２Ａの振動を小さくできるものの、完全に振動を抑制することはできない。外乱抑制性に最適化された制御器１４０から第二電圧信号を第二アクチュエーター１１７に印加することで、可動部１１２Ａの振動を抑制することはできるが、ミラーギャップＧ_ｍを目標値に設定するまでの時間が長くなる。ここで、応答性を向上させるために、バイアス電圧信号の時定数を小さくすることが考えられる。しかし、この場合、可動部１１２Ａの振動が大きくなり、その振動が収束するまでの時間が長くなるので、十分に応答性を高められない。
また、応答性に最適化された制御器１４０を用いて、第二アクチュエーター１１７に印加する第二電圧信号により振動を収束させて、応答性を高めることも考えられる。しかしながら、この場合、外乱抑制性が低下する。つまり、応答性を高めるためには、ミラーギャップＧ_ｍが所望の目標値となるように、制御器１４０は、第二アクチュエーター１１７に大きい静電引力を作用させて、振動をより早く収束させる必要がある。しかしながら、応答性が向上するように制御器１４０を最適化すると、外乱振動によって可動部１１２Ａが僅かに振動した場合でも、第二アクチュエーター１１７に大きい静電引力が作用されることになる。この場合、外乱振動の収束が遅くなったり、外乱振動が収束せず発散したりすることもありうる。このため、比較例に示すバイアス電圧信号を第一アクチュエーター１１６に印加する場合では、応答性と外乱抑制性とを両立することが困難となる。

これに対して、本実施形態では、比較例のバイアス電圧信号を第一アクチュエーター１１６に印加する場合に比べて、ミラーギャップＧ_ｍが迅速に目標値Ｇ_ｍｔに収束する。これは、第一電圧信号にオーバーシュート信号が含まれることで、応答性が向上し、かつ、可動部１１２Ａが振動しても、可動部１１２Ａの固有振動を相殺する周期の電圧信号が印加されるためである。
また、第一アクチュエーター１１６への第一電圧信号の印加によって、ミラーギャップＧ_ｍを目標値Ｇ_ｍｔに設定する際の応答性を向上させることができるので、第二アクチュエーター１１７に第二電圧信号を印加する制御器１４０は、外乱抑制性に最適化することができる。このため、本実施形態では、干渉フィルター１１０を駆動させる際の応答性と外乱抑制性とを両立させることができる。

［本実施形態の作用効果］
本実施形態の分光装置１００は、干渉フィルター１１０と、バイアス駆動回路１２０と、ギャップ検出部１３０と、制御器１４０とを備える。干渉フィルター１１０は、第一基板１１１と、第一基板１１１にギャップを介して対向する第二基板１１２とを備える。第一基板１１１は、第一容量電極１１３Ａが表面に設けられる第一反射膜１１４を備え、第二基板１１２は、第二容量電極１１３Ｂが表面に設けられる第二反射膜１１５を備え、第一容量電極１１３Ａと第二容量電極１１３ＢとがミラーギャップＧ_ｍを介して対向する。そして、ギャップ検出部１３０は、第一容量電極１１３Ａと第二容量電極１１３Ｂとの静電容量に応じたミラーギャップＧ_ｍの寸法を検出する。
また、干渉フィルター１１０は、第一アクチュエーター１１６と、第二アクチュエーター１１７とを備える。第一アクチュエーター１１６は、バイアス駆動回路１２０に接続されて第一電圧信号が入力される。第二アクチュエーター１１７は、制御器１４０に接続されて第二電圧信号が入力される。
バイアス駆動回路１２０は、第一電圧信号として、印加開始タイミングから安定化時間ｔａが経過する前までの電圧遷移期間Ｔ_１において、バイアス電圧Ｖ_ｂよりも大きいオーバーシュート信号が含まれ、安定化時間ｔａが経過した後の電圧維持期間Ｔ_２において、一定のバイアス電圧Ｖ_ｂを維持する電圧信号を出力する。また、制御器１４０は、第二電圧信号として、ギャップ検出部１３０により検出される検出値が、目標波長に対応した目標値に近づくようにフィードバック制御される電圧信号を出力する。

このような構成では、電圧遷移期間Ｔ_１で、第一アクチュエーター１１６にオーバーシュート信号を含む第一電圧信号が印加されることで、ミラーギャップＧ_ｍを迅速に目標波長に対応した寸法にすることができ、分光装置１００の応答性の向上を図ることができる。また、バイアス駆動回路１２０から出力される第一電圧信号により応答性の向上を図ることができるので、第二アクチュエーター１１７に第二電圧信号を印加する制御器１４０は、外乱抑制性に最適化した設計とすることができる。これにより、分光装置１００の応答性と外乱抑制性を両立させることができる。

本実施形態の分光装置１００では、第一アクチュエーター１１６は、第一基板１１１に設けられる第一電極１１６Ａと、第二基板１１２に設けられ、第一電極１１６Ａに対して第一アクチュエーターギャップＧ_Ａ１を介して対向する第二電極１１６Ｂとを備える静電アクチュエーターである。また、第二アクチュエーター１１７は、第一基板１１１に設けられる第三電極１１７Ａと、第二基板１１２に設けられ、第三電極１１７Ａに対して第二アクチュエーターギャップＧ_Ａ２を介して対向する第四電極１１７Ｂとを備える静電アクチュエーターである。そして、これらの第一アクチュエーター１１６及び第二アクチュエーター１１７は、第二基板１１２のダイアフラム部１１２Ｂを撓ませることで、第二基板１１２の可動部１１２Ａを第一基板１１１側に変位させる。
このような構成では、第一基板１１１及び第二基板１１２の互いに対向する面に、電極を形成するだけの簡素な構成でアクチュエーターを構成することができ、干渉フィルター１１０の構成の簡略化を図れる。また、静電アクチュエーターでは、電極間のギャップの寸法に対して静電引力が反比例するため、第一基板１１１と第二基板１１２との間の寸法が小さくなるほど、制御が困難となる。これに対して、本実施形態では、第一アクチュエーター１１６にバイアス電圧を含む第一電圧信号を印加し、第二アクチュエーター１１７に制御電圧を含む第二電圧信号を印加することで、高精度に、第一基板１１１と第二基板１１２との間の寸法を制御することができる。

本実施形態の分光装置１００では、バイアス駆動回路１２０は、式（１）で示す最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}よりも小さいバイアス電圧Ｖ_ｂを第一アクチュエーター１１６に印加する。
式（１）で示される最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}は、干渉フィルター１１０から目標波長の光を出力させる場合に、第一アクチュエーター１１６のみによってミラーギャップＧ_ｍを目標波長に応じた寸法に設定する電圧である。したがって、バイアス電圧Ｖ_ｂをＶ_ｂ＜Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}とすることで、第一アクチュエーター１１６は、ミラーギャップＧ_ｍが目標波長に応じた目標値近くとなるように、可動部１１２Ａを大きく変位させることができ、第二アクチュエーター１１７により、ミラーギャップＧ_ｍの微調整を行うことができ、ミラーギャップＧ_ｍを高精度に目標波長に応じた目標値Ｇ_ｍｔに設定することができる。

本実施形態では、第一電圧信号は、電圧遷移期間Ｔ_１に出力するオーバーシュート信号を含み、かつ、可動部１１２Ａの固有振動を相殺する信号波形を有する。
これにより、オーバーシュート信号が第一アクチュエーター１１６に印加されることで、可動部１１２Ａが振動した場合でも、その振動を抑制するように第一アクチュエーター１１６での静電引力が制御される。これにより、分光装置１００の応答性をより向上させることができ、干渉フィルター１１０から迅速に所望の目標波長の光を透過させることができる。

［変形例］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

［変形例１］
上記実施形態では、第一電圧信号として、図２に示すようなアナログ信号を例示したが、これに限定されない。
図６は、変形例１に係る第一電圧信号の信号波形の一例を示す図である。バイアス駆動回路１２０は、第一電圧信号として、図６に示すようなデジタル信号（矩形波）を出力してもよい。この場合でも、上記実施形態と同様、分光装置１００の応答性と外乱抑制性とを両立させることが可能となる。

［変形例２］
上記実施形態では、第一アクチュエーター１１６及び第二アクチュエーター１１７として静電アクチュエーターを例示したが、これに限定されない。例えば、第一アクチュエーター１１６及び第二アクチュエーター１１７は、圧電体に対して電圧を印加することで、圧電体を変位させて、第一部材である第一基板１１１と、第二部材である第二基板１１２とのギャップを変化させる構成としてもよい。その他、モーターの駆動力を用いて、ギャップを変化させる構成としてもよく、空気圧等の流体圧力を利用してギャップを変化させる構成などとしてもよい。

［変形例３］
上記実施形態では、バイアス駆動回路１２０が、第一アクチュエーター１１６に第一電圧信号を印加すると同時に、制御器１４０によるギャップ検出部１３０の検出値に基づいたフィードバック制御を実施する例を示したが、これに限定されない。例えば、制御器１４０は、安定化時間ｔａの経過後、電圧維持期間Ｔ_２において、第二アクチュエーター１１７に第二電圧信号を印加してもよい。

［変形例４］
上記実施形態では、アクチュエーター駆動装置として、分光装置１００を例示したが、これに限定されない。
アクチュエーター駆動装置としては、ギャップを介して対向配置される第一部材及び第二部材を有し、第一アクチュエーター及び第二アクチュエーターにより、ギャップの寸法を変更するいかなる装置に対しても適用することができる。
このようなアクチュエーター駆動装置としては、例えば、ミラーデバイス等のＭＥＭＳ素子や、ハードディスクドライブ等が例示できる。
本発明をミラーデバイスに適用する場合、ミラーデバイスは、第一部材である基板と、第二部材であるミラー部とが、ギャップを介して対向配置される構成とする、また、ミラーデバイスに、基板とミラー部とのギャップを検出するギャップセンサー、基板とミラー部とのギャップを変化させる第一アクチュエーター及び第二アクチュエーターを設ける。そして、基板とミラー部とのギャップ寸法を所望の目標値に設定する際に、第一アクチュエーターに、電圧遷移期間Ｔ_１において、オーバーシュート電圧を含み、電圧維持期間Ｔ_２において、一定のバイアス電圧となる第一電圧信号を印加する。また、第二アクチュエーターに、ギャップセンサーによる検出値と目標値との差分に基づいた第二電圧信号を印加して、フィードバック制御を行う。これにより、ミラーデバイスにおける応答性と外乱抑制性との両立を図ることができる。
また、本発明をハードディスクドライブに適用する場合では、ハードディスクドライブが、第一部材である磁気ディスクと、第二部材である磁気ヘッドと、磁気ディスク及び磁器ヘッドの間の寸法を変化させる第一アクチュエーター及び第二アクチュエーターと、磁気ディスク及び磁気ヘッドのギャップを検出するギャップセンサーとを備える構成とする。そして、第一アクチュエーターに第一電圧信号を印加し、第二アクチュエーターにギャップセンサーの検出値に基づいたフィードバック制御電圧である第二電圧信号を印加する。これにより、ハードディスクドライブにおける応答性と外乱抑制性との両立を図ることができる。

［本発明のまとめ］
第一態様に係るアクチュエーター駆動装置は、第一部材と、前記第一部材にギャップを介して対向する第二部材と、前記ギャップの寸法を検出するギャップセンサーと、第一電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第一アクチュエーターと、第二電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第二アクチュエーターと、を備え、前記第一電圧信号は、所定時間の経過後に一定のバイアス電圧となり、かつ、前記所定時間の経過前に、前記バイアス電圧よりも大きいオーバーシュート信号が含まれる電圧信号であり、前記第二電圧信号は、前記ギャップセンサーにより検出される検出値が目標値に近づくようにフィードバック制御される電圧信号であることを特徴とする。

このように、第一アクチュエーターにオーバーシュート信号を含む第一電圧信号が印加されることで、第一部材と第二部材とのギャップの寸法を迅速に目標値に近づけることができ、応答性を向上させることができる。また、第一アクチュエーターへの第一電圧信号の印加により応答性を向上させることができるので、第二アクチュエーターに印加される第二電圧信号を、外乱抑制性に最適化した電圧信号とすることができる。これにより、アクチュエーター駆動装置の応答性と外乱抑制性を両立させることができる。

本態様のアクチュエーター駆動装置において、前記第一アクチュエーターは、前記第一部材に設けられる第一電極と、前記第二部材に設けられて前記第一電極に対向する第二電極と、を備える静電アクチュエーターであり、前記第二アクチュエーターは、前記第一部材に設けられる第三電極と、前記第二部材に設けられて前記第三電極に対向する第四電極と、を備える静電アクチュエーターであり、前記第一アクチュエーター及び前記第二アクチュエーターは、前記第二部材を前記第一部材に向かって撓ませることで前記ギャップの寸法を変化させることが好ましい。

この様に、第一アクチュエーター及び第二アクチュエーターを静電アクチュエーターにより構成することで、アクチュエーター駆動装置の構成の簡略化を図れる。

本態様のアクチュエーター駆動装置において、前記第二部材のバネ係数をＫ_１とし、前記ギャップの誘電率をＥとし、前記第一アクチュエーターの前記第一電極と前記第二電極との間の寸法の目標値をＧ_ｔとし、前記第一アクチュエーター及び前記第二アクチュエーターが非駆動の時の前記第一電極と前記第二電極との間の寸法をＧ_０とし、前記第一部材から前記第二部材に向かう方向から見た際に前記第一電極と前記第二電極とが重なり合う領域の面積をＳとした場合に、前記バイアス電圧は、下記式（１）で示す最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}よりも小さいことが好ましい。

式（１）で示される最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}は、第一アクチュエーターのみによって、第一部材及び第二部材のギャップを所望の目標値に設定する場合の電圧である。これにより、第一電圧信号のバイアス電圧Ｖ_ｂをＶ_ｂ＜Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}とすることで、第一アクチュエーターは、第一部材及び第二部材のギャップを目標値の近くとなるように、粗動制御することができる。また、第二アクチュエーターは、ギャップセンサーの検出値に基づいて、ギャップの微調整を行うことができる。これにより、第一部材と第二部材との間のギャップを精度よく所望の目標値に設定することができる。

本態様のアクチュエーター駆動装置において、前記所定時間の経過前に出力される前記第一電圧信号は、前記第二部材の固有周期に応じて設定された、前記第二部材の固有振動を相殺する信号波形を有することが好ましい。

これにより、第一アクチュエーターによって第二部材を変位させて、第二部材に固有振動が発生した場合でも、第一電圧信号が印加される第一アクチュエーターは、第二部材の固有振動を打ち消すように応力を発生させることができ、第二部材の振動を迅速に収束させることができる。

本態様のアクチュエーター駆動装置において、前記第一部材は、前記第二部材に対向する面に第一反射膜を備え、前記第二部材は、前記第一部材に対向する面に、前記第一反射膜に対向する第二反射膜を備えることが好ましい。
本態様では、アクチュエーター駆動装置を、ファブリーペローエタロン素子（干渉フィルター）として機能させることができる。このようなファブリーペローエタロン素子では、入射光から目標波長の光を透過又は反射させるために、第一反射膜及び第二反射膜の間のギャップを高精度に制御する必要があり、外乱振動よりギャップの変動も抑える必要がある。これに対して、本態様では、ファブリーペローエタロン素子の反射膜間のギャップを高い応答性で精度よく制御することができ、かつ、外乱抑制性も高めることができる。

第二態様に係るアクチュエーター駆動装置の制御方法は、第一部材と、前記第一部材にギャップを介して対向する第二部材と、前記ギャップの寸法を検出するギャップセンサーと、第一電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第一アクチュエーターと、第二電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第二アクチュエーターと、を備えるアクチュエーター駆動装置の制御方法であって、前記第一アクチュエーターに、前記第一電圧信号を印加する第一電圧印加工程と、前記第二アクチュエーターに、前記第二電圧信号を印加する第二電圧印加工程と、を実施し、前記第一電圧印加工程で印加される前記第一電圧信号は、所定時間の経過後に一定のバイアス電圧となり、かつ、前記所定時間の経過前に、前記バイアス電圧よりも大きいオーバーシュート信号が含まれる電圧信号であり、前記第二電圧印加工程で印加される前記第二電圧信号は、前記ギャップセンサーにより検出される検出値が目標値に近づくようにフィードバック制御される電圧信号である。
これにより、第一態様と同様、第一アクチュエーターにオーバーシュート信号を含む第一電圧信号が印加されることで、第一部材と第二部材とのギャップの寸法を迅速に目標値に近づけることができ、応答性を向上させることができる。また、第一アクチュエーターへの第一電圧信号の印加により応答性を向上させることができるので、第二アクチュエーターに印加される第二電圧信号を、外乱抑制性に最適化した電圧信号とすることができる。これにより、アクチュエーター駆動装置の応答性と外乱抑制性を両立させることができる。

１００…分光装置（アクチュエーター駆動装置）、１１０…干渉フィルター、１１１…第一基板、１１１Ａ…第一凹部、１１１Ｂ…第二凹部、１１２…第二基板、１１２Ａ…可動部、１１２Ｂ…ダイアフラム部、１１３Ａ…第一容量電極、１１３Ｂ…第二容量電極、１１４…第一反射膜、１１５…第二反射膜、１１６…第一アクチュエーター、１１６Ａ…第一電極、１１６Ｂ…第二電極、１１７…第二アクチュエーター、１１７Ａ…第三電極、１１７Ｂ…第四電極、１２０…バイアス駆動回路、１３０…ギャップ検出部、１４０…制御器、１５０…マイコン、Ｇ_Ａ１…第一アクチュエーターギャップ、Ｇ_Ａ２…第二アクチュエーターギャップ、Ｇ_ｍ…ミラーギャップ。

Claims (6)

1. 第一部材と、
   前記第一部材にギャップを介して対向する第二部材と、
   前記ギャップの寸法を検出するギャップセンサーと、
   第一電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第一アクチュエーターと、
   第二電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第二アクチュエーターと、を備え、
   前記第一電圧信号は、所定時間の経過後に一定のバイアス電圧となり、かつ、前記所定時間の経過前に、前記バイアス電圧よりも大きいオーバーシュート信号が含まれる電圧信号であり、
   前記第二電圧信号は、前記ギャップセンサーにより検出される検出値が目標値に近づくようにフィードバック制御される電圧信号である
   ことを特徴とするアクチュエーター駆動装置。
2. 請求項１に記載のアクチュエーター駆動装置において、
   前記第一アクチュエーターは、前記第一部材に設けられる第一電極と、前記第二部材に設けられて前記第一電極に対向する第二電極と、を備える静電アクチュエーターであり、
   前記第二アクチュエーターは、前記第一部材に設けられる第三電極と、前記第二部材に設けられて前記第三電極に対向する第四電極と、を備える静電アクチュエーターであり、
   前記第一アクチュエーター及び前記第二アクチュエーターは、前記第二部材を前記第一部材に向かって撓ませることで前記ギャップの寸法を変化させる
   ことを特徴とするアクチュエーター駆動装置。
3. 請求項２に記載のアクチュエーター駆動装置において、
   前記第二部材のバネ係数をＫ_１とし、前記ギャップの誘電率をＥとし、前記第一アクチュエーターの前記第一電極と前記第二電極との間の寸法の目標値をＧ_ｔとし、前記第一アクチュエーター及び前記第二アクチュエーターが非駆動の時の前記第一電極と前記第二電極との間の寸法をＧ_０とし、前記第一部材から前記第二部材に向かう方向から見た際に前記第一電極と前記第二電極とが重なり合う領域の面積をＳとした場合に、前記バイアス電圧は、下記式（１）で示す最大バイアス電圧Ｖ_{ｂ＿ｍａｘ}よりも小さい
   

   

   ことを特徴とするアクチュエーター駆動装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載のアクチュエーター駆動装置において、
   前記所定時間の経過前に出力される前記第一電圧信号は、前記第二部材の固有周期に応じて設定された、前記第二部材の固有振動を相殺する信号波形を有する
   ことを特徴とするアクチュエーター駆動装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアクチュエーター駆動装置において、
   前記第一部材は、前記第二部材に対向する面に第一反射膜を備え、
   前記第二部材は、前記第一部材に対向する面に、前記第一反射膜に対向する第二反射膜を備える
   ことを特徴とするアクチュエーター駆動装置。
6. 第一部材と、前記第一部材にギャップを介して対向する第二部材と、前記ギャップの寸法を検出するギャップセンサーと、第一電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第一アクチュエーターと、第二電圧信号が入力されることで、前記ギャップの寸法を変化させる第二アクチュエーターと、を備えるアクチュエーター駆動装置の制御方法であって、
   前記第一アクチュエーターに、前記第一電圧信号を印加する第一電圧印加工程と、
   前記第二アクチュエーターに、前記第二電圧信号を印加する第二電圧印加工程と、を実施し、
   前記第一電圧印加工程で印加される前記第一電圧信号は、所定時間の経過後に一定のバイアス電圧となり、かつ、前記所定時間の経過前に、前記バイアス電圧よりも大きいオーバーシュート信号が含まれる電圧信号であり、
   前記第二電圧印加工程で印加される前記第二電圧信号は、前記ギャップセンサーにより検出される検出値が目標値に近づくようにフィードバック制御される電圧信号である
   ことを特徴とするアクチュエーター駆動装置の制御方法。

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