JP2022529652A - Ｍｅｍｓベースの光偏向デバイスおよび方法 - Google Patents

Abstract

アクチュエータユニットは、各々がステータとロータを備え、前記ステータとロータの間の電位に応じてペイロードの位置を定義するように構成されている１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータを備える。前記ペイロードの位置を選択的に変化させるために、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータに電気制御信号を提供するように構成された１つ以上の増幅器を備える電気回路と、を備える。前記電気回路は、交番キャリア信号を提供し、前記キャリア信号を監視して、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータのステータに対するロータの位置を示す前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータのインピーダンスに関するデータを生成するように構成された検知回路を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、高速で動作するＭＥＭＳベースのシステムの制御に関し、特にＭＥＭＳベースの光偏向システムに関するものである。

ファストステアリングミラー（ＦＳＭ）は、光スイッチ、レーザ系投影システム、ビームの位置決め、トラッキングなど、さまざまな光学用途に使用されている。一般的にＦＳＭユニットは、ねじれ屈曲部に取り付けられたミラーをベースにしており、ミラーの向きを変えたり、光の偏向方向を選択したりできるように構成されている。向きを選択的に変動させるねじれ屈曲部の作動は、マクロスケールのＦＳＭでは電磁式、またはマイクロスケールユニットのマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）では静電式が一般的である。

ＦＳＭユニットの動作は、閉ループまたは開ループでよく、ミラーの位置／向きの制御には、時に非線形計算が必要になることがある。これは、ミラーの慣性で相殺される、ねじりばねの役割を果たすことが多いねじれ屈曲部と、ミラーに作用する作動トルクによるものである。その結果、弱く減衰した極と特定の共振周波数を持つ２次システムダイナミクスが発生する。

ＦＳＭの共振ダイナミクスは、スキャン用途に利用されることもある。このような構成では、ＦＳＭは、エネルギーを低減してスキャンを行う場合と等しいスキャンおよび共振周波数を提供するように構成してもよい。しかし、両スキャン用途、具体的には、位置決めやトラッキング用途では、共振周波数がＦＳＭの制御や動作に帯域制限をかけてしまう。

当技術分野では、スキャンの位置に対する高い制御性を提供しながら高速スキャン動作を可能にする技術およびそれに対応するシステムが必要とされている。本発明は、作動デバイスとそれに対応するペイロード（ミラー素子など）の位置や向きを正確かつ直接的に測定することで、作動デバイスの共振周波数を超える高速でのスキャンを可能にするシステムを提供するものである。

より具体的には、本技術は、１つ以上のアクチュエータを備え、ペイロードを搬送するように構成されたアクチュエータユニットを備えるシステムを提供するものである。アクチュエータユニットは、電気回路から供給される電気信号に応じて、ペイロードの位置または向きを決めるために動作する。言い換えれば、電気回路は、ペイロードの位置または向きを選択的に変化させるために、アクチュエータに電気制御信号を提供するように構成されている。本技術によれば、電気回路はさらに、アクチュエータの位置を直接監視できるキャリア信号を提供するように構成されている。そのために、電気回路は、キャリア信号を提供し、キャリア信号をアクチュエータに送信し、前記キャリア信号を監視して、１つ以上のアクチュエータの相対的な位置を示す検知データを生成するように適合された検知回路を備える。アクチュエータの位置を直接監視することで、システムが、選択した時間枠でのペイロードの位置や向きを正確に把握し、直接的な閉ループ制御方式で動作させることができ、動作速度の向上を実現している。キャリア信号は、一般的に、最大制御帯域幅の周波数よりも高い周波数を持つＣＷ（定波）高周波信号（正弦波や矩形波信号など）である。より具体的には、キャリア信号は、制御信号の更新周波数よりも高い、すなわち最大帯域幅対応周波数よりも高い一定の周波数（定波）を持つ交互の正弦波信号で形成されていてもよい。このようなキャリア信号は、例えば、１００ｋＨｚから数ＭＨｚの範囲の周波数を持ち、一方で、制御信号はＤＣ（直流）から１０ＫＨｚまでの帯域幅を持つことができる。

一般的に、本発明の技術は、各々がステータとロータを有する１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータを利用することができ、ステータに対するロータの相対的な位置は、それらの間の静電ポテンシャルによって決定される。さらに、いくつかの構成では、本技術は、ロータとステータに関連付けられた電極間の重複面積が、相対的な位置の変化に応じて線形に変化するような、櫛形構造を有するＭＥＭＳアクチュエータを利用する。これらの重複面積の変化により、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータのインピーダンスを測定し、ステータに対するロータの位置に関する指標を示すことができる。

一般的に、本技術によれば、アクチュエータユニットは、１つ以上の自由度でペイロードの位置または向きを制御するように構成されていてもよい。いくつかの例では、アクチュエータユニットは、１つまたは２つの軸に沿ってペイロードの角度の向きを制御するように構成されている。異なる自由度を切り離して独立して制御するように構成することも可能であり、例えば、ｘ軸およびｙ軸に沿った角度の向きなどが考えられるが、本技術は単一の自由度に関して、すなわち１次元制御を提供すると、本明細書に記載されている。本明細書に記載されているように、２つ以上のアクチュエータユニットを様々に組み合わせて使用して、２つ以上の自由度を制御することができることは、（機械構造物および設計の）当業者にとっては周知の技術であろう。なお、さらに、自由度間の結合を提供する中間的な組み合わせも、様々な構成で使用することができる。

電気回路には、通常、アクチュエータに電気信号を供給するように構成された１つ以上のアンプユニットが含まれている。静電制御されたＭＥＭＳアクチュエータの例では、電気制御信号の電圧変動により、１つ以上のアクチュエータの位置または向きが決定される。また、電気回路は、制御信号のデータを１つ以上のアクチュエータに選択的に提供するように構成されたドライバユニットを利用してもよい。ドライバユニットは、一般的に、電気回路の１つ以上の増幅器を制御して、選択された電圧プロファイルを提供し、それに提供されるデータに従って、アクチュエータの位置を決定することによって、所望のペイロード位置を決定する。制御信号の更新周波数は、アクチュエータユニットおよびアクチュエータユニットの動作に関連付けられたシステムの動作速度を規定する。本技術によれば、キャリア信号は、制御帯域幅の周波数よりも大きい周波数である。例えば、上述したように、キャリア信号は、１００ｋＨｚから数ＭＨｚの範囲の周波数を有する正弦波または矩形波の信号であってもよく、制御信号を用いてアクチュエータユニットおよびその負荷を作動させるための周波数帯域幅は、実質的にＤＣ（すなわち、実質的な期間、制御信号の更新がない）から数ｋＨｚの範囲であってもよい。なお、本技術により、アクチュエータユニットとペイロードで定義される機械システムの共振周波数よりも高い制御帯域幅の周波数を使用することができるので、アクチュエータシステムの動作帯域幅を向上させることができる。一般的に、機械的な共振周波数以上の動作では、フィードバックセンサに低ノイズが求められる。このように、本技術では、ペイロードの位置を直接測定することで、閉ループ動作での効果的なフィードバックを可能にしている。

このように、本技術のいくつかの実施形態によるフィードバックループベースの制御により、一般的に、システムの共振周波数よりも大きい制御帯域幅周波数の使用ができ、それにより、制御信号の変動に対するシステムの挙動の予測ができる、改善された制御が可能になる。

この目的のために、本技術は、任意の選択された時間におけるペイロードの位置または向きの正確な測定を提供する。これは、キャリア信号を使用して、アクチュエータのインピーダンス（すなわち、ロータとステータの間）を測定することによって行われる。ペイロードの位置に関するデータにより、ペイロードの制御を改善でき、その結果、ドライバユニットは、アクチュエータユニット（すなわち、機械的な振動システムとしてのアクチュエータ（複数可）およびペイロード）の共振周波数を超える速度で制御信号の更新ができる。

一般的に、本技術は、ロータとステータの間に相対的な重複があり、静電制御を利用するあらゆるアクチュエータ、好ましくは櫛形ＭＥＭＳアクチュエータに実装することができ、追加の接続を必要としない。より具体的には、制御信号とキャリア信号は、共通の電気接続を介して、同様の方向（キャリア信号が、共通の接続、すなわち電源／電圧接続を介して制御信号上に乗る）、または逆方向（キャリア信号が、接地接続で入力され、入力された電源／電圧接続からフィルタリングして読み出される）で、アクチュエータに送られてもよい。具体的には、ステータポートとロータポートを持つアクチュエータユニットの場合、これらの電気ポートを制御信号の電源／電圧およびグランドポートとして使用してもよい。一方、キャリア信号は、電源／電圧や接地接続を介して提供される追加の交番信号を提供してもよい。

高速スキャンミラーなどの高速スキャンシステムや他のスキャンシステムは、通常、スキャン特性を選択し、ペイロード（ミラーなど）の位置を他のシステムに伝達して選択したタスクを実行するように構成された、関連付けられた制御ユニットとともに使用される。このため、制御ユニットは、一般的に少なくとも１つのプロセッサとメモリユーティリティを含むコンピュータシステムであってもよいし、そのコンピュータシステムを含んでいてもよい。本技術では、検知回路が提供するペイロードの現在の位置を示す検知データを利用してスキャン特性を判定し、所望のペイロードパスを提供する信号プロファイルをより正確に推定する。このため、制御ユニットは、例えばメモリユーティリティに予め記憶された、アクチュエータの位置モデルに関するデータを含んでもよい。このようなデータには、制御信号の所与のプロファイルに基づいて、１つ以上のアクチュエータの推定位置を提供するモデルを含んでもよい。少なくとも１つのプロセッサは、電気回路からの検知データを含む入力データに応答し、制御信号プロファイルを最適化するために検知データを使用するように構成されている。より具体的には、処理することは、受信した検知データに基づいてペイロードの現在の位置を決定することと、ペイロードを次の所望の位置に導くための制御信号プロファイルを決定するために予め記憶されたモデルを使用することと、選択された制御プロファイルを提供するためにドライバユニットにコマンドを生成することと、必要に応じて制御信号プロファイルを更新するために経路に沿ってペイロードの軌跡を監視することと、を含んでもよい。制御ユニットは、選択された制御信号プロファイルを生成するために、１つ以上の最適化および予測技術（例えば、カルマンフィルタ）を利用してもよい。また、制御ユニットは、異なる制御信号プロファイルに対するアクチュエータの応答の変動に従って、予め記憶されたモデルを定期的に更新してもよい。

いくつかの構成によれば、本明細書に記載されたシステムおよび技術は、光偏向システムの制御に使用することができる。より具体的にいくつかの構成では、上述のように、ペイロードは、１つ以上の選択された波長範囲の光を反射するように構成された光反射ミラーであってもよく、光反射ミラーの向きは、照明または光収集の所望のパターンを提供するように選択される。例えば、本明細書に記載されているシステムは、スキャン型レーザ投影システムの光コンポーネントを導くためのラスタとして使用してもよい。

したがって、１つの広範な態様によれば、本発明は、各々がステータとロータを備え、前記ステータとロータの間の電位に応じてペイロードの位置を定義するように構成されている１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータを含むＭＥＭＳベースのアクチュエータユニットと、前記ペイロードの位置を選択的に変化させるために、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータに電気制御信号を提供するように構成された１つ以上の増幅器を備える電気回路と、を含み、前記電気回路は、交番キャリア信号を供給し、前記キャリア信号を監視して、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータのステータに対するロータの位置を示す、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータのインピーダンスに関するデータを生成するように構成された検知回路を備えるシステムを提供する。

電気回路は、少なくとも１つの制御信号を前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータに提供して、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの位置を選択的に変化させように構成された少なくとも１つのドライバユニットをさらに備えてもよい。

交番キャリア信号は、制御信号の最大帯域幅の周波数よりも高い周波数を選択して交番させてもよい。ドライバユニットは、前記制御信号の電圧を数ＫＨｚまでの速度で変化させるように構成されていてもよい。

いくつかの実施形態によれば、ドライバユニットは、選択されたペイロードを搬送する際に、前記ＭＥＭＳベースのアクチュエータユニットの共振周波数を超える速度で前記制御信号の電圧を変化させるように構成されている。

いくつかの実施形態によると、交番キャリア信号は、１０ＫＨｚ～１００ＭＨｚの範囲、または好ましくは１００ＫＨｚ～１００ＭＨｚの範囲の周波数で交番する。交番キャリア信号は、正弦波信号や矩形の交番パルス列であってもよい。いくつかの実施形態では、交番キャリア信号は、一般的なパルス構成のパルス列の形態であってもよい。

いくつかの実施形態によれば、電気回路は、少なくとも１つの電圧接続および少なくとも１つの接地接続によって前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータに接続されてもよく、前記電気回路は、前記少なくとも１つの電圧接続を通じて制御信号を提供し、前記少なくとも１つの接地接続を通じて前記交番キャリア信号を提供するように構成される。

いくつかの実施形態によれば、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータのインピーダンスは、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータのロータおよびステータの相対的な位置によって決定されてもよい。

いくつかの実施形態によれば、１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータは、ステータとロータの間の相対的な位置関係の変化に伴ってステータとロータの間の重複面積を変化させるように配置された櫛形構成を有するステータとロータで構成されている。

いくつかの実施形態によれば、システムは、少なくとも１つのプロセッサユニットとメモリユーティリティを備える制御ユニットをさらに備え、前記メモリユーティリティには、所与の電圧プロファイルに応答する前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの推定応答を示すアクチュエータ応答モデルがプリロードされており、前記少なくとも１つのプロセッサユニットが、前記電気回路から前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータのインピーダンスを示す入力データを受信し、１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの所望の位置を提供するための制御信号のデータを生成するために、前記アクチュエータ応答モデルに従って前記入力データを処理するように構成されている制御ユニットをさらに含んでいてもよい。

制御ユニットは、例えばそのメモリユーティリティに予め記憶された操作命令であって、少なくとも１つのプロセッサユニットが実装すると、前記少なくとも１つのプロセッサユニットに、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータに搭載されたときにペイロードの位置を予測するための１つ以上の技術を利用させるコードを含む操作命令を含んでもよい。

いくつかの実施形態によれば、キャリア信号は、前記ＭＥＭＳベースのアクチュエータユニットおよび対応するペイロードの第１の共振周波数を超える更新周波数で、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの制御位置を提供してもよい。

いくつかの実施形態によれば、システムは、光偏向システムとして構成され、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータが、光偏向面で形成された共通のペイロードに接続され、１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの位置の変動により、前記光偏向面の向きがシフトし、それによってそこに衝突する光を選択された所望の位置に導くようになっている。

他の１つの広範な態様によれば、本発明は、光偏向面を有し、印加される電圧に応じて光偏向面の向きを変化させるとともに、第１の電気接続部を介して第１の特性周波数範囲を有する制御信号を、そして、第２の電気接続部を介して第２の特性周波数範囲を有するキャリア信号を、前記少なくとも１つの櫛形ＭＥＭＳアクチュエータに供給するように構成された電気回路と、前記キャリア信号に影響を与える第２特性周波数に対する少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータのインピーダンスを示す検知データを決定することによって、少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータの向きを監視するように構成された少なくとも１つの櫛形ＭＥＭＳアクチュエータを備え、前記第２特性周波数範囲は、前記第１特性周波数範囲よりも高い、光偏向システムを提供する。

いくつかの実施形態によれば、光偏向システムは、前記光偏向面に接続され、第１および第２の制御電圧信号にそれぞれ応じて前記光偏向面の向きを変化させるように構成された、少なくとも第１および第２の櫛形ＭＥＭＳアクチュエータを備えていてもよい。

いくつかの実施形態によれば、光偏向システムは、少なくとも１つの処理ユーティリティおよびメモリユーティリティを含む制御ユニットをさらに備え、前記メモリユーティリティは、前記少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータに提供される制御電圧プロファイルに応じた１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの推定応答に関する予め記憶されたモデルデータを担持し、前記処理ユーティリティは、少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータの向きを決定するために検知データおよび前記予め記憶されたモデルデータを利用するように構成される。

少なくとも１つの処理ユーティリティは、光偏向面の向きを周期的に決定するために、前記予め記憶されたモデルデータに従って、前記検知データのカルマンフィルタリングを利用してもよい。

いくつかの実施形態によれば、少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータは、ステータコームとロータコームを備え、ステータコームに対するロータコームの向きを変化させるときに、前記ロータコームとステータコームの有効重複面積を変化させるように構成されていてもよい。

いくつかの実施形態によれば、電気回路は、少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータの第１の電気接続部を介して前記制御電圧を提供するとともに、第２の電気接続部を介してキャリア信号を提供するように構成されたドライバユニットを備えていてもよい。システムドライバユニットは、ＤＣから数十ｋＨｚの範囲の速度で制御電圧を変化させるように構成されていてもよい。

いくつかの実施形態によれば、ドライバユニットは、前記光偏向面を搬送する際に、前記少なくとも１つの櫛型ＭＥＭＳアクチュエータの第１の共振周波数を超える速度で制御電圧を変化させるように構成されている。

いくつかの実施形態によれば、キャリア信号は、１０ＫＨｚ～１００ＭＨｚの範囲、好ましくは１００ＫＨｚ～１００ＭＨｚの範囲の周波数の交番信号である。交番キャリア信号は、正弦波信号や矩形の交番パルス列であってもよい。いくつかの実施形態では、交番キャリア信号は、一般的なパルス構成のパルス列の形態であってもよい。

さらに別の広い態様によれば、本発明は、ＭＥＭＳベースのアクチュエータユニットの動作を制御する方法を提供する。方法は、入力制御信号に応じたアクチュエータユニットの動作を示す予め記憶されたモデルを提供することと、交番キャリア信号を生成し、前記キャリア信号をアクチュエータユニットに提供することと、アクチュエータユニットから検知データを収集し、アクチュエータユニットの１つ以上のアクチュエータのインピーダンスを決定することと、前記予め記憶されたモデルとの閉ループフィードバックにおいて、アクチュエータユニットの１つ以上のアクチュエータのインピーダンスに関するデータを使用し、所望の所与の制御信号に対するアクチュエータユニットの予期される応答を決定することと、前記閉ループフィードバックに従って、さらなる制御信号プロファイルを決定することと、さらなる制御信号をアクチュエータユニットに提供することと、を含む。

いくつかの実施形態によれば、この方法は、選択された動作速度でステップを繰り返すよう定義している。

さらに別の広い態様によれば、本発明は、コンピュータプロセッサによって操作されると、プロセッサにＭＥＭＳベースのアクチュエータユニットの動作を制御するための方法を実行させる命令を担持するコンピュータコードを含むコンピュータ可読媒体（例えば、非一時的なコンピュータ可読媒体）を提供する。前記方法は、入力制御信号に応じたアクチュエータユニットの動作を示す予め記憶されたモデルを提供することと、交番キャリア信号を生成し、前記キャリア信号をアクチュエータユニットに提供することと、アクチュエータユニットから検知データを収集し、アクチュエータユニットの１つ以上のアクチュエータのインピーダンスを決定することと、アクチュエータユニットの１つ以上のアクチュエータのインピーダンスに関するデータを、前記予め記憶されたモデルとの閉ループフィードバックで使用し、所望の所与の制御信号に対するアクチュエータユニットの予期される応答を決定することと、前記閉ループフィードバックに従って、さらなる制御信号プロファイルを決定することと、さらなるステップ制御信号をアクチュエータユニットに提供することと、を含む。

本明細書に開示されている主題をよりよく理解し、それが実際にどのように実施され得るかを例示するために、単なる非限定的な例として、添付の図面を参照して、実施形態を説明する。

本発明のいくつかの実施形態による、ペイロードの位置または向きを制御するシステムを模式的に示す図である。 本発明のいくつかの実施形態によるＭＥＭＳアクチュエータユニットの構成を例示した図である。 図１に例示したＭＥＭＳアクチュエータユニットに対する光学機械的な周波数応答を、外部計測と数学モデルを比較して示したボード線図である。 本発明のいくつかの実施形態によるキャリア信号を用いた測定と数学モデルを比較したＭＥＭＳアクチュエータユニットのボード線図である。 ５Ａは、バイアス電圧がＭＥＭＳアクチュエータユニットの共振周波数およびばね剛性に及ぼす影響を例示する図である。５Ｂは、バイアス電圧がＭＥＭＳアクチュエータユニットの共振周波数およびばね剛性に及ぼす影響を例示する図である。 本発明のいくつかの実施形態による、アクチュエータユニットの制御手法を例示するフローチャートである。 本発明のいくつかの実施形態による、例えばコンピュータシステムによって形成される制御ユニットを例示する図である。 本発明のいくつかの実施形態による、推定技術を用いた開ループの周波数応答を示すボード線図である。 本発明のいくつかの実施形態による推定技術と比例速度制御を用いた閉制御ループの周波数応答を示すボード線図である。 １０Ａは、開ループ制御におけるアクチュエータのステップ応答の例を示している。１０Ｂは、閉ループ制御におけるアクチュエータのステップ応答の例を示している。 ２次元アクチュエータユニットの電気的等価回路とそれに対応する検知回路の例示的な構成を模式的に示したものである。 １２Ａは、外部の光学センサを用いて得られた制御電圧入力の関数として、アクチュエータユニットとそのペイロードがＸ軸およびＹ軸の周りを機械的に移動する際に測定した角度位置（Θ_Ｍｅｃｈ）を示す図である。１２Ｂは、Ｘ軸およびＹ軸まわりの機械的な移動によるアクチュエータユニットとそのペイロードのインピーダンスの変化に関連する検知回路の出力信号（Ｖ_ｃａｐ）の測定値を、キャリア信号を用いて得られた制御電圧入力の関数として示した図である。

以上のように、本発明は、１つ以上の作動デバイスの位置と向きに関するデータを、高い速度と精度で提供する新規の技術を提供する。作動ユニットは、一般的に、各々がステータとロータで形成され、それらの間の相対的な位置を変化させることができる１つ以上のアクチュエータで形成されている。アクチュエータは、対応するペイロードに接続されており、１つ以上のビームを使ってアクチュエータに取り付けられている。いくつかの例では、アクチュエータユニットとそのペイロードは、作動デバイスとそれに応じたスキャンプロセスに対する高いリアルタイム制御を維持しながら、高速スキャン動作を行わせる（または、ペイロードの位置が入力関数に基づいて決定されるように、選択的にスキャンする）ように構成されている。

本発明のいくつかの実施形態に従って構成されたシステム１００を模式的に示す図１を参照する。システム１００は、ペイロード１２０の位置／向きを担いで制御する第１のアクチュエータ１１２ａおよび第２のアクチュエータ１１２ｂ（一般的に１つ以上のアクチュエータ）で構成されたアクチュエータユニット１１０と、電気信号を用いてアクチュエータユニット１１０の動作を制御するように構成された電気回路１３０とを含む。また、システム１００は、通常、コンピュータシステムとして構成され、例えば、定義された用途を有するより大きなシステムを形成する１つ以上の要素に関連して、アクチュエータユニット１１０の動作方式を決定するように構成された制御ユニット５００を含むか、またはこれと関連付けられていてもよい。

図１に示すいくつかの具体例では、第１および第２のアクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂは、向きを示す矢印１２２で示される回転軸に関するペイロード１２０（例えば、ミラー）の向きを変化させるように構成されている。上述したように、この構成は、１つの軸に沿って傾動するように図示されている。なお、本技術は、２次元的な傾きを提供するために用いてもよいし、選択された自由度に従って配置された追加のアクチュエータを用いて一般的な数の自由度を制御するために用いてもよい。さらに、傾動の例では、第１のアクチュエータユニットに対して垂直な位置に別のアクチュエータユニット１１０を追加することで、２次元の傾動構成を形成することができる。さらに、またはその代わりに、アクチュエータユニットは、傾動動作間の一定の結合を維持しながら、２つの軸に対して傾動する３つ以上のアクチュエータを含んでもよい。

アクチュエータユニット１１０は、例えば、ＭＥＭＳアクチュエータユニットであってもよく、すなわち、静電作動により動作可能な第１および第２のアクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂなどの１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータを含む。しかし、本技術の原理は、この特定の例に限定されるものではなく、任意のタイプのアクチュエータユニットを用いて実装することができることを理解すべきである。本明細書で例示するように、アクチュエータユニット１１０は、コネクタビーム１１８ａおよび１１８ｂを用いて取り付けられたペイロード１２０の位置または向きを一括して変化させるように構成された、第１のＭＥＭアクチュエータ１１２ａおよび第２のＭＥＭＳアクチュエータ１１２ｂを含む。本明細書で例示するアクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂの各々は、ペイロード１２０の位置を規定するように構成された、例えば電極１１４ａ～１１４ｄによって形成されるステータと、例えば電極１１６ａおよび１１６ｂによって形成されるロータとを含む。より具体的には、アクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂは、ステータ電極１１４ａ～１１４ｄとロータ電極１１６ａおよび１１６ｂとの間の電位の変動に従って、ロータ電極１１６ａおよび１１６ｂの向きを変化させるように構成されている。図１に示すように、アクチュエータ１１２ａは、ロータ電極１１６ａとステータ電極１１４ａ～１１４ｂに関連付けられている。アクチュエータ１１２ｂは、ロータ電極１１６ｂとステータ電極１１４ｃ～１１４ｄに関連付けられている。

いくつかの好ましい実施形態では、第１のアクチュエータ１１２ａおよび第２のアクチュエータ１１２ｂは、櫛状のＭＥＭＳアクチュエータとして構成されており、ステータおよびロータがインタディジタル電極として構成され、相対的な向きの変動により、電極間の重複面積が変化し、それにより、交番電流に対するＭＥＭＳアクチュエータのインピーダンスに影響を与えるようになっている。このように、ＭＥＭＳアクチュエータ１１２ａまたは１１２ｂのインピーダンスを決定することで、ロータ電極とステータ電極の相対的な向きを決定することができる。

電気回路１３０は、第１のアクチュエータ１１２ａおよび第２のアクチュエータ１１２ｂに電圧を供給するように構成されており、電圧を制御して、ペイロード１２０の位置を選択的に変化させるための制御電圧信号を供給する。これに関連して、電気回路１３０は、１つ以上の増幅器１３２と、１つ以上の増幅器１３２の出力電圧を制御するように構成されたドライバユニット１３６とを含んでもよい。本発明のいくつかの実施形態によれば、電気回路１３０は、交番キャリア信号をアクチュエータユニット１１０に提供するように構成された検知回路１３５も含んでもよい。キャリア信号は、電圧接続を介して電圧信号の上に交番信号として提供されてもよいし、接地接続Ｇｒを介して反対のルートで提供されてもよい。検知回路は、さらに、１つ以上のアクチュエータを通過した後のキャリア信号の出力振幅（および可能な位相遅延）を測定し、１つ以上のアクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂのインピーダンスを示すデータを決定するように構成される。

制御ユニット５００は、電気回路１３０（すなわち、検知回路１３５およびドライバユニット１３６）に接続可能であり、ペイロード１２０の選択された１つ以上の所望の位置／向きに関するデータを送信し、その現在の位置／向きに関するデータを受信するように構成されている。制御ユニット５００は、通常、１つ以上のプロセッサで構成された処理ユーティリティ６００と、メモリ５５０とを含むコンピュータシステムとして構成されてもよく、ここでは具体的には図示していない入力／出力通信モジュールを含んでもよい。本技術のいくつかの実施形態によれば、メモリ５５０は、それに提供される制御信号の電圧プロファイルに応じたアクチュエータの推定位置を示すモデルデータを含む、予め記憶されたデータを有する１つ以上のセクタを含んでもよい。さらに、処理ユーティリティ６００は、所望の経路を決定するための１つ以上の処理アクティビティを動作させて、ペイロードをスキャンし、対応するデータをドライバユニット１３６に提供してもよい。

このため、処理ユーティリティ６００は、１つ以上のフィードバックループ構成を利用して検知回路１３５からの入力データを利用して、ペイロード１２０の位置に対する制御を最適化してもよい。より具体的には、処理ユーティリティ６００は、１つ以上のアクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂのインピーダンスに関するデータを検知回路から受信し、このデータを使用して、ペイロード１２０の現在の位置／向きに関するデータを決定するように構成される。さらに、処理ユーティリティ６００は、制御信号の電圧プロファイルに応じたアクチュエータの推定位置の予め記憶されたモデルに従って、ペイロード１２０の現在の位置に関するデータを利用してもよい。したがって、処理ユーティリティ６００は、ペイロードを所望の位置（関心のある位置）に導くための制御信号プロファイルを最適化するために、１つ以上の予測モデルを利用することができる。

本技術のいくつかの構成では、上述したように、アクチュエータユニット１１０は、２つ以上の櫛形ＭＥＭＳアクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂを含んでもよい。そのために、いくつかの実施形態によるアクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂへの電気接続を例示する図２を参照する。図示するように、アクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂの各々は、ロータ電極１１６ａおよび１１６ｂをそれぞれ含み、ステータ電極１１４ａ～１１４ｄを含む。この例では、電気信号Ｖは、ロータ１１６ａが電位Ｖ_Ｂ－Ｖを備え、ロータ１１６ｂが電位Ｖ_Ｂ＋Ｖを備えるように、選択されたバイアス電位Ｖ_Ｂにわたってロータ電極１１６ａおよび１１６ｂに差動的に提供される。制御信号は、制御信号Ｖによって提供され、ペイロードの向きを選択的に変化させるために使用される。制御信号は、数十ＫＨｚまでの更新周波数で更新される。一般的に、２つのアクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂのステータ電極セットまたはロータ電極セットの少なくとも一方は、共通して接地電位に接続されていてもよい。このような構成では、検知回路を接続して、共通の接地を介してステータまたはロータの電極にキャリア信号を提供し、電圧接続を介してキャリア信号の変動の読み出しを（例えば、フィルタリングおよび復調によって）収集してもよい。なお、キャリア信号は、制御信号の更新周波数よりもはるかに高い周波数（例えば１００ＫＨｚ～１００ＭＨｚの範囲）を持ち、比較的低い振幅を持つ交番信号（例えば正弦波や矩形波シングル）である。したがって、キャリア信号は、アクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂの向きを変化させることはない。しかし、キャリア信号の振幅は、アクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂの向きが変わったときのインピーダンスに影響され、それによって、インピーダンスの監視に使用される検知信号を生成し、アクチュエータの相対的な位置の指標を示す。より具体的には、検知信号の振幅は、アクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂのインピーダンス変化の影響を受ける。検知の振幅の変化は、アクチュエータの相対的な位置の変動に比例する。

検知回路１３５は、さらに電圧接続部に接続され、検知信号の出力振幅を監視する。例えば、検知回路は、高域通過フィルタ、差動増幅器、復調器、および低域通過フィルタのカスケード配列を利用して、検知信号をフィルタリングし、アクチュエータを通過した後にその振幅を監視することができる。検知信号の振幅変動させることにより、それぞれのアクチュエータのインピーダンスの指標を示す。なお、ここでは具体的に図示しないが、コンデンサ、ならびに高域通過フィルタ、低域通過フィルタなどの様々な電子素子は、電気および電子回路の技術を有する当業者には一般的に知られている。また、本技術は、制御電圧に加えて検知信号を供給する場合にも使用できる。すなわち、制御電圧信号と同じ電気接続を介してアクチュエータに供給される。しかし、一般的に、共通のペイロードに接続された２つ以上のアクチュエータを使用する場合、共通の接地接続を介してキャリア信号を提供することで、単一のキャリア信号発生器を使用して、異なるアクチュエータのインピーダンスを独立して監視することができる。

アクチュエータ、具体的には、典型的なＭＥＭＳアクチュエータの機構は、多くの場合、誘引静電力Ｖを伴う減衰した強制的なばねモデルで記述されており、よって、

の形で操作可能なモデルを提供している。
式中、ｍは直線運動のための質量、ｃは減衰係数、ｋはばね定数、ｘ_ｆはばねが静止している位置を表す。このモデルは、適切な定電圧Ｖで設定できるｘ＝ｘ_０の静止点をサポートしている。アクチュエータの構成によっては、入力電圧Ｖに対する式１の非線形性の結果、このような静止位置が不安定になることがある。この制限を克服するために、本技術では、ロータが面内運動に制限されている櫛形アクチュエータを使用することが好ましい。よって、ロータとステータの電極間の距離は維持されるが、重複面積はロータの動きに応じて変化し、その結果、

の形で有効静電気力が発生する。式中、Ｗはロータの一定幅、ｄはそれらの間の距離である。

図１および図２に例示されているように、２つ以上のアクチュエータを使用することで、電圧Ｖに対する非線形依存性をさらに除去することができる。アクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂは、それぞれ電圧Ｖ^＋＝Ｖ_Ｂ＋Ｖおよび電位Ｖ^－＝Ｖ_Ｂ－Ｖを受信するように構成されており、式中、Ｖは制御信号であり、時間とともに変化する。この電圧入力方式を用いると、アクチュエータに加わる総合的な力は制御信号に対して線形となり、

の形で力が加えられる。したがって、図２に関して前述したように、２つ（またはそれ以上）のアクチュエータの電気接続で、共通の接地接続と、個別のＶ＋およびＶ^－接続を提供できる（あるいは、キャリア信号をバイアス電圧Ｖ_Ｂの上に提供してもよい）。このような電気的構成により、アクチュエータユニットの位置／向きを変化させるための低周波制御信号Ｖと、アクチュエータユニットの位置を検出するための高周波キャリア信号との間を切り離すことができる。高周波検知信号は、関連する周波数帯の出力を復調することで測定され、検知信号に対するアクチュエータの応答を測定し、そのインピーダンスの指標を示す。

いくつかの構成では、本明細書に記載された技術およびシステムは、光学システムのスキャンミラーとして使用することができる。例えば、光学システムは、スキャンミラー（ペイロード）１２０の向きによって、レーザ光が導かれる画素またはラインを決定する、スキャン型レーザ投影システムであってもよい。これらの実施形態では、ペイロードは、ミラー素子であってもよく、アクチュエータユニット１１０によって決定されるミラーの向きは、スキャンの行と列、またはその両方を決定してもよい。

上に示したように、本技術では、１つ以上のアクチュエータの位置／向きを直接かつリアルタイムで決定することにより、ペイロード（ミラーなど）の位置を高度に制御することができる。アクチュエータの現在の位置に関するデータを、電圧プロファイルに関する推定位置付与データの予め記憶されたモデルと組み合わせて使用することにより、本技術のシステムは、１つ以上の予測技術を利用して、アクチュエータ速度を変化させる必要性に関連するオーバーシュートの影響を最小限に抑えながら、ペイロードを高速で所望の位置に導くための、選択された電圧プロファイルを最適化することができる。そのためには、選択された周波数範囲内の、アクチュエータユニットの周波数応答を示す正確なデータが必要となる場合がある。この周波数応答データを用いることで、制御信号の変動に応じてアクチュエータの動作を推定することができる。上に示したように、様々なアクチュエータシステムを操作して、ペイロードを備えたアクチュエータユニットの共振周波数に近い周波数で制御信号を更新させることがしばしばある。これは、高周波数では、おそらく周波数応答が予測しにくく、エネルギー的にも効率が悪いためである。本技術により、制御信号の周波数帯域幅を拡大して動作させることができ、アクチュエータユニットやペイロードの機械的共振周波数よりも大きな周波数で制御信号を変化させることができる。このため、本技術では、閉ループ制御を利用して、アクチュエータを時間的に所望の位置に導くための、選択された制御信号プロファイルを決定することができる。本技術によるシステムに適切な閉ループ制御方式を提供するために、本発明者らは、上述のようなシステムの動作とその制御を示すモデルを構築した。このモデルを使用することで、検知信号によるアクチュエータの位置の監視に加えて、システムの周波数応答を適切に測定することができ、システムの共振周波数以上の周波数での動作が可能になる。

図３は、上記で例示したアクチュエータユニット１１０の光学機械的な周波数応答を示すボード線図である。図３は、「測定値」と書かれた外部の光学センサ（例えば４象限センサ）で測定したシステムの周波数応答と、ばね‐質量‐ダンパモデルと適合パラメータ（モデル）に従ったアクチュエータユニットの予想モデルを表示している。一般的に、機械的なアクチュエータシステムの共振周波数Ｒｓに近い更新周波数で、このようなアクチュエータユニットを動作させることが好ましい。これにより、より少ない入力エネルギーでユニットの所望の動作が可能となる、高い動作効率を実現している。図４は、追加のボード線図を示しており、検知信号が、ＭＥＭＳアクチュエータ（例えば、図１および図２の１１２ａおよび１１２ｂ）のインピーダンスを示す、上述したような測定データを提供する。図４に示すように、検知信号は、約１０００Ｈｚの周波数まで、アクチュエータとペイロードの応答を正確に測定する。測定値の振幅応答は、周波数が高くなると比較的フラットになり、測定値の位相はモデルに対して低くなる。一般的に、位置決めやトラッキングなどの様々な用途では、共振周波数によって動作周波数帯域幅が制限されがちである。これは、共振周波数以上の周波数では、ペイロード（ミラーなど）の位置の制御に限界があるためである。このような周波数では、ペイロードの軌道がノイズになる可能性がある。

図３および図４の周波数応答を示すアクチュエータユニット１１０の予想モデルは、一般的に知られているばね‐質量‐ダンパモデルの変動で、周波数応答方程式を満たすようにパラメータを適合させたものである。

式２は、ｓをラプラス変数とした周波数応答Ｐ（ｓ）の伝達関数として機能する。本発明者らが、所与の例示的なシステムの測定された周波数応答に適合すると判断したパラメータは、ばね剛性ｇ＝１、固有振動数ω_ｎ＝３６５・２πｒａｄ／秒、減衰比ζ＝０．０３、減衰係数ｃ、サンプリング周波数Ｆ_ｓ＝１６０００Ｈｚ、サンプル時間単位の遅延ｎ＝２で、特性時間τを提供する、というものであった。

アクチュエータユニットに供給されるオフセット（バイアス）電圧Ｖ_Ｂは、その性能や特性に影響を与える。図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、アクチュエータユニット１１０に供給されるオフセット電圧（Ｖ_Ｂ）の変化による共振周波数（図５Ａ）およびばねの剛性（図５Ｂ）の変動が示されている。一般的に、オフセット電圧は、アクチュエータの静止位置、すなわち制御信号Ｖがゼロのときの位置を決定する。より具体的には、オフセット電圧は、対応するステータ（１４ａ～１４ｄ）に対するロータ（１６ａおよび１６ｂ）の静止の向きを決定する。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、システムの共振周波数ω_ｎと剛性ｇは、バイアス／オフセット電圧Ｖ_Ｂに依存する。これにより、周波数伝達関数にバイアス電圧の変動ｂを示すパラメータが追加され、応答関数は次のようになる。

本技術では、検知信号の振幅に関するデータによって提供されたデータと組み合わされた、こうして決定されたモデルに基づいて、アクチュエータユニットの応答の予測を利用して、制御信号の所与の変動に応じたアクチュエータユニットの動作の予測を改善する。したがって、本発明では、１つ以上の予測処理技術を利用して、以下に詳述するように、アクチュエータユニットの応答とそのバイアス電圧への依存性の推定が可能になる。

検知回路１３５が提供する検知データを使用して、アクチュエータ（例えば１１２ａおよび１１２ｂ）の相対的な位置を決定する。本発明のいくつかの実施形態によれば、制御ユニット５００が使用する予測技術は、アクチュエータの状態に関するこのデータを利用して、アクチュエータユニット１１０をペイロード１２０の所望の位置に向けるための、選択された制御信号プロファイルを決定する。検知データは、サンプリング間隔ｎとサンプリング周波数Ｆ_ｓで示される測定の時間枠を提供する選択されたサンプリング速度で処理してもよい。受信した検知データは、通常、予め記憶されたモデルと組み合わせて使用して、ペイロード１２０の所望の位置にアクチュエータユニット１１０を導く制御信号プロファイルを決定して生成してもよい。制御信号は、選択された更新周波数で更新されるが、これは、応答伝達関数Ｐ（ｓ）の離散的な表現によってより詳しく説明することができ、その角度位置を制御する提供された制御信号インパルスに対するアクチュエータユニット１１０の応答を表す離散的な伝達関数Ｐ（ｚ）を提供する。

および

導き出されたフィッティングパラメータβ_２，β_３，β_４，α_１、α_２、γ_１を使用して、式４を簡略化する。モデルの物理的パラメータω_ｎ、ｇ、およびζは連続モデルと同様に維持され、サンプリング時間はＴ_ｓ＝１／Ｆ_ｓ＝１／１６０００秒を提供するサンプリング周波数によって定義される。このモデルにより、双線形変換を使用して、選択された制御信号と、対応する更新周波数に応じてペイロード１２０の速度（または角速度）を決定することができる。

アクチュエータユニットの動作速度は、連続的な伝達関数にバイリニア変換を用いて決定される速度パルス伝達関数によって記述することができる。

導き出されたフィッティングパラメータ

α_１、α_２は、式５と同様に定義される。

パルス応答関数および速度応答関数を用いて、本技術による予測モデルは、アクチュエータユニット１１０の状態空間表現に基づくものでもよい。状態空間表現は、角度の向きや角速度などの１つ以上の定義されたパラメータ（または、アクチュエータユニットの特定の設計に従った他のパラメータのセット）に関するアクチュエータユニットの状態を示す。例示的な状態空間表現は、離散時間インデックスｋに基づく低次モデルを用いて提供されることもある。

式中、ｘ_ｋは時間ｋにおける状態のベクトル，ｙ_ｋは時間ステップｋにおいて検知回路から提供されるアクチュエータの測定位置，ｖ_ｋは測定位置に基づいて決定されるアクチュエータユニットの速度，ｕ_ｋは時間ステップｋにおいて提供される制御信号、Ａ、ＣおよびＣ_ｖは状態空間パラメータ変動行列、ｗ_ｋおよびｖ_ｋはそれぞれプロセスノイズおよび位置測定ノイズである。一般的に、プロセスノイズはモデルの不確実性および／または外乱を表し、測定ノイズはセンサの電気的ノイズである。なお、速度データｖ_ｋは直接測定せずに決定する場合もあるため、対応するノイズは省略している。

式７で示されるモデルを使用して、所与の時間ステップにおける制御信号に応じてアクチュエータの状態を推定することができる。これにより、選択された制御信号の変動（または変化のない連続した制御信号）の場合のアクチュエータユニットの状態を判断することができる。したがって、本技術は、予測モデルに基づくゲイン演算子を示すデータの決定を利用することにより、制御ユニット５００が次の時間ステップの制御信号プロファイルを選択して、アクチュエータユニットの所望の動作を得ることができる。図６は、カルマンフィルタリング技術に基づく例示的な予測モデルの基本的な実装形態を示している。図示されているように、この技術は、制御信号に関するデータ（例えば読み出しによる）を受信して、共振周波数およびばね定数６０１０を決定することと、例えば式７に示されるように状態空間行列６０２０を決定することと、モデルステップ６０４０に基づいて制御信号を更新するために状態空間行列を使用することとを含む。また、この技術は、ゲイン行列演算子６０３０の決定と、検知データ６０５０の受信を含む。ゲイン演算子と検知データは、制御信号予測６０６０を補正し、アクチュエータユニット６０７０の推定位置と速度を決定するために使用する。補正された制御信号の予測データは、通常、予測モデルの基礎として次のタイムステップで使用するためにメモリに記憶される。

本技術のいくつかの実施形態によれば、制御ユニット５００は、異なる制御電圧振幅に対する選択された数のカルマンマトリックスＫを含む、そのメモリユニット５５０に予め記憶されたデータを含む。これらの行列は、現在の制御信号の振幅に従ってゲイン行列を決定するために使用することができる。プロセッサは、制御信号の振幅に従って、対応するカルマン行列Ｋのデータを取得するように動作し、それによって、制御信号の変動に対する状態空間行列や予測を処理して決定するための計算を簡素化する。

本技術のいくつかの実施形態による、制御ユニット５００で使用される処理ユーティリティ６００の選択された要素を例示する図７を参照する。上に示したように、処理ユーティリティ６００は、通常、ローカルまたはリモート（例えば、ネットワーク通信を使用して）で動作する１つ以上のプロセッサで形成され、選択された機能性を提供する１つ以上のソフトウェアおよび／またはハードウェアモジュールを含む。図７に例示されるように、処理ユーティリティ６００は、制御信号の変動（周波数または時間ステップの長さ）および大きさを含む制御信号プロファイル、ｕ_ｋに関するデータを受信し、アクチュエータユニット１１０の推定周波数応答関数を決定するように構成された周波数応答推定モジュール６１０を含んでもよい。また、周波数応答推定モジュール６１０は、メモリ５５０の選択されたセクタに記憶された、制御信号プロファイルに関する受信データの場合の予め計算された応答関数を含むデータを取り出すように動作してもよい。制御信号生成部６２０は、現在の時間ステップに対する所望の制御信号ｕ_ｋを決定するように動作する。所望の制御信号ｕ_ｋは、アクチュエータユニット１１０の動作のために、周波数応答機能モジュール６１０に送信、ならびに電気回路のドライバ１３６に直接送信されてもよい。また、予測最適化モジュール６３０は、制御信号ｕ_ｋ上のデータ、ならびに検知回路１３５から提供される検知データｙ_ｋを利用して、予測ゲイン演算子（例えば、ゲイン行列Ｋ）を決定してもよく、この予測ゲイン演算子は、周波数応答モジュールによって使用されて、応答関数を更新し、次の時間ステップで制御信号をどのように更新するかについて、制御信号生成器６２０に指標を示す。

なお、アクチュエータユニットの高率かつ高精度な動作を可能にするためには、プロセスノイズデータｗ_ｋと位置ノイズデータｖ_ｋを考慮することが好ましいとされている。より具体的には、本技術は、決定された（または予め提供された所定の）共分散ノイズ行列を利用し、そのようなノイズデータを予測処理に含めることができる。例えば、式７では、状態空間モデルにノイズデータが考慮されていることがわかる。図８は、数学モデル（モデル）、光学的監視（光学）、検知信号（検知）、および検知信号を含む予測処理（予測）に基づくアクチュエータユニットの動作に関するボード線図を示している。この図からわかるように、ノイズの影響は低周波よりも高周波数の方が大きく、システムの動作に影響を与える。したがって、本発明者らは、本明細書に記載されているような予測モデルの使用、すなわち、システムの動作をノイズ除去することで、更新周波数を上げても正確な動作が可能になることを発見した。ノイズ除去は、システムの応答の推定を向上させるために、測定ノイズの高域通過フィルタリングやプロセスノイズの低域通過フィルタリングなど、いくつかの手法でモデル化することができる。より具体的には、高域通過フィルタは、高周波検知信号を、ここでは測定ノイズとして定義される低周波制御信号から分離するために使用する。低域通過フィルタは、復調された検知信号から発生するプロセスノイズをフィルタリングするために使用する。

さらに、図８からわかるように、本明細書に記載されているような予測処理を使用することで、高周波数におけるアクチュエータユニットの予測応答の精度が大幅に向上する。具体的には、この予測処理により、システムの共振周波数よりも高い周波数における周波数応答の推定値が改善される。これにより、このような高い更新周波数でもアクチュエータユニット１１０の予測可能な動作が可能となり、スキャンや動作速度の向上が期待できる。これにより、システムは、閉ループ制御の帯域幅を広げて動作させることができる。

制御信号の変動に対するアクチュエータユニット１１０の応答の予測は、参照制御信号と比較して明確にわかる。これに関連して、参照制御信号は、白紙の状態のアクチュエータユニットに提供されるであろう制御信号、すなわち応答関数がフラットな線であるという仮定の下での制御信号を記述する。図９は、参照信号の変動に応じて制御信号の変動を決定するために、推定処理と比例速度制御を用いた、本明細書に記載されているアクチュエータユニットの閉ループ周波数応答を示すボード線図である。このように、推定処理を行うことで、応答における共振周波数のフラット化（一般的に応答振幅の増加を予測することで）、ならびに、高周波数での応答ノイズの低減が可能となる。追加の時間応答測定値は、図１０Ａおよび図１０Ｂに示されており、制御ループが開いた状態および閉じた状態で、ステップ参照信号に対するアクチュエータユニット１１０のステップ応答を比較するものである。図１０Ａは、閉ループ制御を行わない場合（すなわち、参照信号が制御信号となる場合）のアクチュエータユニットの動作を示しており、図１０Ｂは、参照信号とフィードバック信号を変換し、最適な制御信号を決定するための推定処理によって閉ループ制御が可能となった場合のアクチュエータの応答を示している。図のように、選択された時間（ｔ＝０．５秒）に、参照信号Ｒｆがステップ変動で０．１Ｖまで増加する。本技術の推定処理は、上述したように、検知信号から得られるフィードバックデータを利用して、制御信号の変動を最適化することにより、オーバーシュートの影響を補正する。その結果、アクチュエータユニットの位置ｙは、０．００５秒以内に所望の位置に落ち着く。図１０Ａの例では、参照信号Ｒｆの変動が直接アクチュエータユニットに伝わり、応答ｙが振動する結果となる。

本発明のいくつかの実施形態による、２次元アクチュエータユニット１１０とそれに対応する検知回路１３５の例示的な構成のための簡略回路図を示す図１１を参照する。制御信号に応じてペイロードを２つの回転軸（Ｘ、Ｙ）で回転させるように構成されたアクチュエータを有するＭＥＭＳアクチュエータユニットの電気的等価性を示す図である。アクチュエータの静電容量は、この図ではＣ_ｘ＋、Ｃ_ｘ－、Ｃ_ｙ＋、Ｃ_ｙ－で示されており、簡易的に、ステータ－ロータ間の静電容量、すなわち、図１および図２を参照して上述したようなアクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂの電極１１４ａ～１１４ｄおよび１１６ａ～１１６ｂ（図１に示す）間の静電容量として表されている。２つのアクチュエータ１１２ａと１１２ｂは、各々、選択された軸に関するペイロードの向きを制御するために一緒に配置されており、それによって位置に関する制御を可能にしている。アクチュエータは、上述のように差動入力制御電圧Ｖ_Ｂ－ＶまたはＶ^－とＶ_Ｂ＋ＶまたはＶ^＋によって制御される。軸Ｘのアクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂにそれぞれ供給される入力制御電圧Ｖｘ＋およびＶｘ－と、軸Ｙのアクチュエータ１１２ａおよび１１２ｂにそれぞれ供給される入力制御電圧Ｖｙ－およびＶｙ＋である。また、検知回路１３５は、接地接続に平行な入力検知接続と、当該アクチュエータのインピーダンスを示す電気信号を収集するための出力検知端子Ｘ－、Ｘ＋、Ｙ－、Ｙ＋を有するアクチュエータユニット１１０にも接続されている。上述したように、各アクチュエータのインピーダンスは、アクチュエータの向きの変動に関連付けられている。検知回路１３５は、接地接続Ｇを介してアクチュエータユニット１１０に接続され、選択された周波数（例えば、矩形波または正弦波）の交番キャリア信号をアクチュエータユニット１１０に提供するように構成された検知信号発生器Ｇと、電気信号から検知振幅を抽出するように構成された検知測定回路とを含む。本明細書では、各回転軸Ｘ、Ｙに対応した個別の検知回路を含む検知測定回路を例示している。検知回路は、低電圧・高周波の検知信号を高電圧・低周波制御信号から分離するために使用する高域通過フィルタ（ＨＰＦｘおよびＨＰＦｙ）と同一軸上にあるアクチュエータのインピーダンスデータ、すなわち静電容量の差を増幅するために使用される高周波差動増幅器（ＨＦＡｘおよびＨＦＡｙ）と、信号を復調し、そのインピーダンス差の包絡線を決定するために使用されるバランス同期復調器（ＤＭｘおよびＤＭｙ）と、復調関連ノイズを除去するためのローパスフィルタ（ＬＰＦｘおよびＬＰＸｙ）と選択された電圧範囲で信号を供給する差動低周波増幅器（ＬＦＡｘおよびＬＦＡｙ）と、によって形成されてもよい。したがって、検知回路は、アクチュエータの機械的な動きに一致する出力信号を提供し、対応する作動ペア（この例では、１１２ａと１１２ｂまたはＣｘ＋とＣｘ－など）の現在の位置を示す。出力された検知信号は、さらに処理ユニットに導かれ、上述のようにアクチュエータの応答の予測を最適化することで、フィードバックループを形成する。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、選択された制御電圧の差動入力に応じて、アクチュエータユニットとそのペイロードの位置を測定した実験結果を示している。図１２Ａは、外部の光学センサを用いた測定値、図１２Ｂは、キャリア信号を用いて上述したようなアクチュエータユニットのインピーダンスの変動によって得られた測定値である。２つの測定方法を比較すると、外部の光学センサと検知回路の測定値には緊密な相関関係があり、ペイロードの位置制御に提供される検知回路の出力データの信憑性が証明された。

したがって、本技術は、集積された電気回路によって動作するアクチュエータユニットを含み、高周波検知回路を使用してアクチュエータの位置の直接的な測定ができる、作動システムの新しい構成を提供する。アクチュエータの位置を直接測定することで、閉ループ制御方式によるアクチュエータユニットの動作や、アクチュエータユニットの応答推定の改善が可能となり、動作帯域の制限を効果的に除去することができる。

１００ システム
１１０ アクチュエータユニット
１１２ａ 第１のアクチュエータ
１１２ｂ 第２のアクチュエータ
１１４ａ～１１４ｄ ステータ電極
１１６ａおよび１１６ｂ ロータ電極
１１８ａおよび１１８ｂ コネクタビーム
１２０ ペイロード
１３０ 電気回路
１３２ 増幅器
１３５ 検知回路
１３６ ドライバユニット
５００ 制御ユニット
５５０ メモリ
６００ 処理ユーティリティ

Claims (29)

1. 各々がステータとロータを備え、前記ステータとロータの間の電位に応じてペイロードの位置を定義するように構成されている１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータを含むＭＥＭＳベースのアクチュエータユニットと、前記ペイロードの位置を選択的に変化させるために、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータに電気制御信号を提供するように構成された１つ以上の増幅器を備える電気回路と、を備え、前記電気回路は、交番キャリア信号を供給し、前記キャリア信号を監視して、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータのステータに対するロータの位置を示す、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータのインピーダンスに関するデータを生成するように構成された検知回路を備える、システム。
2. 前記電気回路は、少なくとも１つの制御信号を前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータに提供して、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの位置を選択的に変化させように構成されたドライバユニットをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記交番キャリア信号は、前記制御信号の最大帯域幅の周波数よりも高い周波数を選択して交番させる、請求項２に記載のシステム。
4. 前記ドライバユニットは、前記制御信号の電圧を数ＫＨｚまでの速度で変化させるように構成される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ドライバユニットは、選択されたペイロードを搬送する際に、前記ＭＥＭＳベースのアクチュエータユニットの共振周波数を超える速度で前記制御信号の電圧を変化させるように構成される、請求項２～４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記交番キャリア信号は、１００ＫＨｚ～１００ＭＨｚの範囲の周波数を有する交番信号である、請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記交番キャリア信号は、正弦波信号である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記交番キャリア信号は、矩形交番パルス列である、請求項６に記載のシステム。
9. 前記電気回路は、少なくとも１つの電圧接続および少なくとも１つの接地接続によって前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータに接続されてもよく、前記電気回路は、前記少なくとも１つの電圧接続を通じて制御信号を提供し、前記少なくとも１つの接地接続を通じて前記交番キャリア信号を提供するように構成される、請求項１～８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの前記インピーダンスは、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの前記ロータおよびステータの相対的な位置によって決定される、請求項１～９のいずれか１項に記載のシステム。
11. 前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータは、ステータとロータの間の相対的な位置関係の変化に伴って前記ステータとロータの間の重複面積を変化させるように配置された櫛形構成を有する前記ステータとロータで構成されている、請求項１～１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 少なくとも１つのプロセッサユニットとメモリユーティリティを含む制御ユニットをさらに備え、前記メモリユーティリティには、所与の電圧プロファイルに応答する前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの推定応答を示すアクチュエータ応答モデルがプリロードされており、前記少なくとも１つのプロセッサユニットが、前記電気回路から前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータのインピーダンスを示す入力データを受信し、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの所望の位置を提供するための制御信号のデータを生成するために、前記アクチュエータ応答モデルに従って前記入力データを処理するように構成されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載のシステム。
13. 前記制御ユニットは、前記少なくとも１つのプロセッサユニットによって実装されたときに、前記少なくとも１つのプロセッサユニットに、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータに搭載されたペイロードの位置を予測するための１つ以上の技術を利用させるコードを含む前記メモリユーティリティに予め記憶された操作命令を含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記キャリア信号は、前記ＭＥＭＳベースのアクチュエータユニットおよび対応するペイロードの第１の共振周波数を超える更新周波数で、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの制御位置を提供する、請求項１～１３のいずれか１項に記載のシステム。
15. 前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータは、光偏向面で形成された共通のペイロードに接続されており、前記１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの位置が変動すると、前記光偏向面の向きが変化して、そこに入射する光を選択された所望の位置に導く、光偏向システムとして構成された請求項１～１４のいずれか１項に記載のシステム。
16. 光偏向面を搬送し、印加される電圧に応じて前記光偏向面の向きを変化させるとともに、第１の電気接続部を介して第１の特性周波数範囲を有する制御信号を、そして、第２の電気接続部を介して第２の特性周波数範囲を有するキャリア信号を、前記少なくとも１つの櫛形ＭＥＭＳアクチュエータに供給するように構成された電気回路と、前記キャリア信号に影響を与える前記第２の特性周波数に対する前記少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータのインピーダンスを示す検知データを決定することによって、前記少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータの向きを監視するように構成された少なくとも１つの櫛形ＭＥＭＳアクチュエータを備え、前記第２の特性周波数範囲は、前記第１の特性周波数範囲よりも高い、光偏向システム。
17. 前記光偏向面に接続され、第１および第２の制御電圧信号にそれぞれ応じて前記光偏向面の向きを変化させるように構成された、少なくとも第１および第２の櫛形ＭＥＭＳアクチュエータを備える、請求項１６に記載の光偏向システム。
18. 少なくとも１つの処理ユーティリティとメモリユーティリティを含む制御ユニットをさらに備え、前記メモリユーティリティは、前記少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータに提供される制御電圧プロファイルに応じた１つ以上のＭＥＭＳアクチュエータの推定応答に関する予め記憶されたモデルデータを担持し、前記処理ユーティリティは、前記少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータの向きを決定するために検知データと前記予め記憶されたモデルデータを利用するように構成されている、請求項１６から１７のいずれか１項に記載の光偏向システム。
19. 前記少なくとも１つの処理ユーティリティは、前記光偏向面の向きを周期的に決定するために、前記予め記憶されたモデルデータに従って、前記検知データのカルマンフィルタリングを利用する、請求項１８に記載の光偏向システム。
20. 前記少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータは、ステータコームとロータコームを備え、前記ステータコームに対する前記ロータコームの向きを変化させるときに、前記ロータコームとステータコームの有効重複面積を変化させるように構成されている、請求項１６～１９のいずれか１項に記載のシステム。
21. 前記電気回路は、前記少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータの前記第１の電気接続部を介して前記制御電圧を提供するとともに、前記第２の電気接続部を介してキャリア信号を提供するように構成されたドライバユニットを備える、請求項１６～２０のいずれか１項に記載のシステム。
22. 前記ドライバユニットは、ＤＣから数十ｋＨｚの範囲の速度で制御電圧を変化させるように構成されている、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記ドライバユニットは、前記光偏向面を搬送する際に、前記少なくとも１つの櫛型ＭＥＭＳアクチュエータの第１の共振周波数を超える速度で制御電圧を変化させるように構成されている、請求項２１に記載のシステム。
24. 前記キャリア信号は、１００ＫＨｚ～１００ＭＨｚの前記範囲の周波数を有する交番信号である、請求項１６～２３のいずれか１項に記載のシステム。
25. 前記キャリア信号は、正弦波信号である、請求項２４に記載のシステム。
26. 前記キャリア信号は、矩形交番パルス列である、請求項２４に記載のシステム。
27. ＭＥＭＳベースのアクチュエータユニットの動作を制御する方法であって、入力制御信号に応じた前記アクチュエータユニットの動作を示す予め記憶されたモデルを提供することと、交番キャリア信号を生成し、前記キャリア信号を前記アクチュエータユニットに提供することと、前記アクチュエータユニットから検知データを収集し、前記アクチュエータユニットの１つ以上のアクチュエータのインピーダンスを決定することと、前記アクチュエータユニットの１つ以上のアクチュエータのインピーダンスに関するデータを、前記予め記憶されたモデルとの閉ループフィードバックで使用することと、所望の所与の制御信号に対する前記アクチュエータユニットの予想される応答を決定することと、前記閉ループフィードバックに従って、さらなる制御信号プロファイルを決定することと、さらなる制御信号を前記アクチュエータユニットに提供することと、を含む、方法。
28. 前記方法が、選択された動作速度でステップを繰り返すことを定義している、請求項２７に記載の方法。
29. コンピュータプロセッサによって操作されると、前記プロセッサにＭＥＭＳベースのアクチュエータユニットの動作を制御するための方法を実行させる命令を担持するコンピュータコードを含む、非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記方法は、入力制御信号に応じた前記アクチュエータユニットの動作を示す予め記憶されたモデルを提供することと、交番キャリア信号を生成し、前記キャリア信号を前記アクチュエータユニットに提供することと、前記アクチュエータユニットから検知データを収集し、前記アクチュエータユニットの１つ以上のアクチュエータのインピーダンスを決定することと、前記アクチュエータユニットの１つ以上のアクチュエータのインピーダンスに関するデータを、前記予め記憶されたモデルとの閉ループフィードバックで使用し、所望の所与の制御信号に対する前記アクチュエータユニットの予期される応答を決定することと、前記閉ループフィードバックに従って、さらなる制御信号プロファイルを決定することと、さらなるステップ制御信号をアクチュエータユニットに提供することと、を含む。
    
    

Images