WO2014064982A1 - 慣性駆動アクチュエータ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an inertial drive actuator.
- a piezoelectric element In a conventional inertial drive actuator, one end of a piezoelectric element is fixed to a fixing member, and the other end is fixed to one end of a vibration substrate.
- a movable body that can move in the vibration direction of the piezoelectric element is disposed on the vibration substrate.
- the fixed substrate or the vibration substrate is made of a magnetic material (for example, iron or stainless steel having magnetism), and the attracting portion is also a magnetic material.
- a current is applied to the coil, a magnetic field is generated.
- the generated magnetic field also generates a magnetic field in the attracting part.
- a magnetic attraction force is generated on the vibration substrate or the fixed member, which is a magnetic material, by the magnetic field generated at the attracting portion, the moving body and the vibration substrate are brought into close contact with each other, and a friction force is generated therebetween.
- the inertial drive actuator that controls the frictional force by the conventional magnetic attraction force
- a displacement sensor in order to detect the position of the moving body.
- an optical sensor an optical sensor, a capacitance sensor, an optical sensor, a magnetic sensor, an eddy current sensor, or the like can be used.
- Whichever displacement sensor is used there is a problem that the size of the entire inertial drive actuator including the sensor becomes large. For this reason, it is difficult to detect the position of the moving element in a small inertial drive actuator.
- an inertial drive actuator includes a displacement means that generates a minute displacement in a first direction, a second direction opposite to the first direction, and a direction different from the displacement means.
- a mover having a plurality of coils for generating magnetic flux, a first yoke having a surface facing at least one surface of the plurality of coils, and concentrating the magnetic flux generated by the coils at a predetermined position;
- Detection means for detecting electrical signals of a plurality of coils reflecting magnetic flux changes in the vicinity of each coil based on the positional relationship with the plurality of coils, and determination means for determining the position of the mover based on the output of the detection means. It is characterized by having.
- an inertial drive actuator that is small in size and capable of detecting the position of the mover without increasing the size.
- (A) is a view of the inertial drive actuator according to the first embodiment as viewed from above, (b) is a cross-sectional view taken along the line AA in (a), and (c) is a cross-sectional view taken along the line BB in (a). is there.
- (A) is a view of the inertial drive actuator according to the second embodiment as viewed from above, (b) is a sectional view taken along line AA in (a), and (c) is a view showing a section taken along line BB in (a). is there.
- (A) is a view of the inertial drive actuator according to the third embodiment as viewed from above, (b) is a cross-sectional view taken along line AA in (a), and (c) is a view showing a cross-section taken along line BB in (a). is there.
- (A) is a view of the inertial drive actuator according to the fourth embodiment as viewed from above, (b) is a cross-sectional view taken along line AA in (a), and (c) is a view showing a cross-sectional view taken along line BB in (a). is there.
- (A) is a view of the inertial drive actuator according to the fifth embodiment as viewed from above, (b) is a cross-sectional view taken along line AA in (a), and (c) is a view showing a cross-section taken along line BB in (a). is there.
- (A), (b), (c) is a figure explaining the relationship between the position change of a moving body, and magnetic flux change.
- (A), (b) is a figure which shows the relationship between the position of a moving body, and magnetic flux change.
- (A) is a figure explaining the movable region of a moving body, (b) is a figure which shows magnetic flux change.
- (B) is a figure which shows the variation of arrangement
- the inertial drive actuator 100 includes a moving body 101, a plurality of, for example, two coils 102a and 102b, a piezoelectric element 103 (displacement means), a detection means 104, and a determination means 105.
- the piezoelectric element 103 generates a minute displacement in a first direction and a second direction opposite to the first direction.
- the two coils 102 a and 102 b generate magnetic flux in a direction different from that of the piezoelectric element 103.
- the moving body 101 (moving element) has a surface facing at least one surface of the plurality of coils.
- the moving body 101 has a first yoke that concentrates the magnetic flux generated by the coils 102a and 102b at a predetermined position.
- the detection unit 104 detects electrical signals of the plurality of coils 102a and 102b that reflect changes in magnetic flux in the vicinity of the coils 102a and 102b based on the positional relationship between the moving body and the plurality of coils 102a and 102b.
- the determination unit 105 determines the position of the moving body 101 based on the output of the detection unit 104.
- This configuration has the following effects.
- the amount of main magnetic flux in the vicinity of the coils 102a and 102b depends on the positional relationship between the coils 102a and 102b and the moving body 101.
- Change. The electric signal (impedance) of each coil 102a, 102b changes when the amount of main magnetic flux near each coil 102a, 102b changes.
- the position of the moving body 101 can be detected by calculating the electric signal of each coil 102a, 102b.
- FIG. 1A is a top view of the inertial drive actuator 100 according to the first embodiment
- FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1A
- FIG. 1C is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. FIG.
- the inertial drive actuator 100 includes the coils 102a and 102b, the piezoelectric element 103, the moving body 101, the detection unit 104, and the determination unit 105.
- the moving body 101 is made of a magnetic material.
- the magnetic body serves as a yoke (first yoke) that closes the magnetic flux generated by the coils 102a and 102b.
- the description will be made assuming that the moving body 101 is made of a magnetic material. Therefore, when the moving body 101 has both a magnetic part and a non-magnetic part, the part of the moving body 101 may be considered as the magnetic part of the moving body 101.
- two coils 102a and 102b are arranged.
- the coils 102 a and 102 b are arranged in series in the same direction as the driving direction of the moving body 101.
- the electric signal of each coil 102a, 102b changes with the position of the moving body 101 separately.
- the size of the inertial drive actuator is reduced in order to suppress an increase in size in a direction perpendicular to the driving direction of the moving body 101.
- the coils 102a and 102b are connected to the detection means 104.
- the detecting means 104 detects electrical output signals from the coils 102a and 102b.
- the determination unit 105 determines the position of the moving body 101 based on the output from the detection unit 104.
- the amount of the magnetic flux generated by the coils 102a and 102b passing through the moving body 101 changes.
- the magnetic flux passing through the moving body 101 is set as the main magnetic flux. If the amount of magnetic flux passing through the moving body 101 is high, that is, if the amount of magnetic flux is large, the resistance and inductance of the coils 102a and 102b increase due to the influence of the counter electromotive force.
- the position of the moving body 101 can be estimated by detecting the impedance of the coils 102a and 102b.
- the detection means 104 detects the impedance of the coils 102a and 102b.
- the determination unit 105 determines the position from the output signal from the detection unit 104 that reflects the impedance value. Furthermore, by comparing with the output signal from the immediately preceding detection means 104, the determination means 105 can determine not only the position but also the direction in which the moving body 101 is moving. Further, the position control drive is possible by feeding back the position information of the moving body 101 determined by the determination means 105 to an actuator drive circuit (not shown).
- the position of the moving body can be detected by detecting the real part (resistance) of the impedance.
- the position of the moving body can be detected by detecting the imaginary part (inductance) of the impedance.
- -The position of the moving object can be detected by detecting the size of the impedance.
- ⁇ Inductance has low temperature dependence. For this reason, inductance detection is effective from the viewpoint of temperature change.
- the configuration in which magnetic cores 201a and 201b (second yoke) are added inside the coils 102a and 102b in the configuration of FIG. 1 is different.
- the presence of the cores 201a and 201b increases the amount of magnetic flux generated by the coils 102a and 102b.
- the output signals of the coils 102a and 102b reflecting the position of the moving body 101 are increased. For this reason, the detection sensitivity of the position of the moving body 101 is improved.
- the relationship between the position of the moving body 101 and the electrical signals of the coils 102a and 102b will be described later with reference to FIGS.
- the cores 201a and 201b exist only inside the coils 102a and 102b, respectively, and are not arranged at positions (outside the coil) that protrude from the outside (left and right and front and back sides) of the coils 102a and 102b.
- the cores 201a and 201b may be arranged to the outside of the coils 102a and 102b and extended to the vicinity of the lower side of the moving body 101, respectively.
- the core has a T-shape. Thereby, the efficiency of closing the magnetic flux of the coils 102a and 102b via the moving body 101 is improved.
- This embodiment is a configuration in which a magnet 301 is further added to the lower side of the cores 201a and 201b or the lower side of the coils 102a and 102b in the configuration of the second embodiment.
- Magnetic flux is always generated by the presence of the magnet 301. For this reason, even when the coils 102a and 102b do not generate a magnetic field, there exists a magnetic path in which the magnetic flux is closed via the moving body 101 in the same manner as the magnetic flux generated by the coils 102a and 102b.
- the moving body 101 since the moving body 101 always acts in the direction of the coils 102a and 102b, the moving body 101 is held.
- the amount of magnetic flux through the moving body 101 increases by the amount of magnetic flux of the magnet 301, the relationship between the position of the moving body 101 and the electrical signals of the coils 102a and 102b that improve the detection sensitivity of the position of the moving body 101 is as follows. This will be described with reference to FIGS.
- This embodiment is a configuration in which a yoke 401 (third yoke) that is a magnetic body is added to the lower side of the magnet 301 in the configuration of the third embodiment.
- the presence of the yoke 401 increases the amount of magnetic flux passing through the magnetic path of the magnetic flux generated from the coils 102 a and 102 b and the magnet 301 via the moving body 101.
- a movable body can be held at all times.
- ⁇ Magnetic flux change due to the position of the moving body increases by the magnetic flux of the magnet.
- ⁇ Detection sensitivity increases.
- This embodiment is a configuration in which a vibrating plate 501 is added between the moving body 101 and the coils 102a and 102b in the configuration of the fourth embodiment.
- the vibrating plate 501 is the only portion that vibrates minutely by the piezoelectric element 103. As a result, it is possible to use a smaller piezoelectric element 103. For this reason, reduction of power consumption and suppression of heat generation by the piezoelectric element 103 can be expected. Further, the coils 102a and 102b and the piezoelectric element 103 are not in contact. Therefore, the coils 102a and 102b can be protected.
- this configuration has the following effects. ⁇ The vibration part becomes small. Since the piezoelectric element (when the displacement means is a piezoelectric element: a magnetostrictive element is also possible) can be reduced, heat generation can be suppressed.
- the magnetic flux passing through the moving element will be described with reference to the diagram shown in FIG.
- the direction of the magnetic flux generated by the coils 102a and 102b and the direction of the magnetic flux generated by the magnet 302 are in a parallel relationship.
- the magnetic flux passes through the cores 201 a and 201 b, passes through the moving body 101, and is transmitted to the third yoke 401 and to the magnet 301 at the lower part of the moving body 101.
- the magnetic flux passing through the moving body 101 is closed.
- the leakage magnetic flux that does not pass through the moving body 101 hardly contributes to driving, and further does not contribute to the electrical signals of the coils 102a and 102b reflecting the position detection. Therefore, reducing the leakage magnetic flux and increasing the amount of magnetic flux passing through the moving body 101 is effective for driving and position detection.
- the two coils 102a and 102b are referred to as a coil A and a coil B, respectively.
- the moving body 101 is indicated by a dotted line, and the magnetic flux (main magnetic flux) passing through each coil and the moving body 101 in the coils A and B is indicated by a thick dotted line. 6A, 6B, and 6C, the moving body 101 is moving from the left end of the coil A to the center and the right end portion of the coil B.
- the coils A and B have the same size and are arranged in series with the moving body 101.
- the length of the moving body 101 is the same as the length of the coil A and the coil B. Further, for the sake of simplicity, the number of thick dotted lines shown in FIGS. 6A, 6 ⁇ / b> B, and 6 ⁇ / b> C reflects the total amount of magnetic flux passing through the moving body 101. Description will be made in the following order, with reference to FIGS. 6A, 6B, and 6C.
- FIG. 6A shows a state in which the moving body 101 is located at the position of the left end of the coil A.
- the main magnetic flux passing through the coil A is the largest, and the main magnetic flux passing through the coil B is the smallest.
- the main magnetic flux passing through the coil B is drawn as zero.
- FIG. 6B shows a state in which the moving body 101 is located at the center of the coil A and the coil B.
- the amount of main magnetic flux passing through the inside of coil A and coil B is the same amount.
- both the coil A and the coil B have the main magnetic flux amount approximately half of the maximum main magnetic flux amount.
- FIG. 6C shows a state in which the moving body 101 is at the right end position of the coil B.
- the main magnetic flux passing through the coil B is the largest, and the main magnetic flux passing through the coil A is the smallest.
- FIG. 7A shows the relationship between the moving body 101 position POS described in FIGS. 6A, 6B, and 6C and the magnetic flux amount (main magnetic flux amount) MG passing through the moving body 101.
- the magnetic flux amount CLA of the coil A is indicated by a solid line
- the magnetic flux amount CLB of the coil B is indicated by a dotted line.
- the resistance and inductance of the coils A and B are increased as compared with the case where the magnetic flux passing through the moving body 101 is small. Therefore, the resistance and inductance of the coils A and B tend to be equivalent to the change in the main magnetic flux amount passing through the moving body 101 in FIG.
- FIG. 7B is a plot of the difference DIFF (CLB ⁇ CLA) of the main magnetic flux amount between the coil A (CLA) and the coil B (CLB) based on the result of FIG. Differences are indicated by bold solid lines.
- the difference between the main magnetic flux amounts of the coil A and the coil B has a linear relationship with the position of the moving body 101 with twice the sensitivity as compared with the result of each coil.
- a difference between signals (for example, impedance) from two coils reflecting the amount of main magnetic flux has an effect of canceling electrical noise of each coil.
- the coils A and B as shown in FIG. 7 are same size, that is, the coils include at least a pair of the same coils, there is a high possibility that the electrical noise of each coil becomes almost equal. For this reason, the effect of canceling noise is improved.
- the magnetic flux other than the magnetic flux passing through the moving body 101 also affects the impedance of the coil, but the impedance tendency of the coil is reflected in the amount of magnetic flux passing through the moving body 101. For this reason, the change in the electrical signal of the coil depending on the position of the moving body 101 is described with the amount of main magnetic flux passing through the moving body 101.
- FIGS. 8A and 8B are diagrams for explaining the case where the magnetic flux curve is composed of a linear portion and a portion having an extreme value.
- the size Lm of the moving body 101 is desirably larger than Lb.
- the length of the coil means “the length of the region driven by the moving body in each coil”.
- the magnetic flux curve has a linear portion. For this reason, the mobile body 101 can be driven so as to effectively use the linear portion while avoiding the extreme value portion.
- FIG. 9A shows a configuration in which three coils 102a, 102b, and 102c are arranged in series. Increasing the number of coils complicates the difference detection algorithm. However, since the number of electrical signals from the coil related to the position of the moving body 101 increases, the accuracy of position detection is improved. Of course, the same effect can be expected even when the number of coils is three or more.
- FIG. 9B shows a configuration in which two rows of coils 102a, 102b, 102c, and 102d are arranged in parallel, and two coils are arranged in series. Increasing the number of coils complicates the difference detection algorithm. However, since the number of electrical signals from the coil related to the position of the moving body 101 increases, the accuracy of position detection is improved. Further, by arranging the coils in parallel, there are two attracting surfaces of the moving body 101 instead of one as compared with the case where the magnetic attraction of the moving body 101 at the time of driving is one line. Has the effect of suppressing.
- the present invention is useful for detecting the position of a movable body in a small size in an inertial drive actuator.
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Abstract
第1の方向と、第1の方向とは逆の第2の方向に微小変位を発生する変位手段(103)と、変位手段(103)と異なる方向に磁束を発生する複数のコイル(102a、102b)と、複数のコイル(102a、102b)の少なくとも一つの面に対向する面を有し、コイルが発生する磁束を所定の位置に集中させる第1のヨークを有する移動子(101)と、移動子(101)と複数のコイル(102a、102b)との位置関係に基づく各コイル近傍の磁束変化を反映する複数のコイル(102a、102b)の電気信号を検出する検出手段(104)と、検出手段(104)の出力に基づき、移動子(101)の位置を判定する判定手段(105)と、を有することを特徴とする。
Description
本発明は、慣性駆動アクチュエータに関するものである。
駆動軸に結合された電気機械変換素子に鋸歯状波駆動パルスを供給して駆動軸を軸方向に変位させ、この駆動軸に摩擦結合させた移動部材を軸方向に移動させるアクチュエータが知られている。以下、このようなアクチュエータを「慣性駆動アクチュエータ」という。このような慣性駆動アクチュエータは、例えば、特許文献1に提案されている。
従来の慣性駆動アクチュエータは、圧電素子の一端が固定部材に固定され、他端は振動基板の一端に固定されている。振動基板上には圧電素子の振動方向に移動可能な移動体が配置されている。ここで、固定基板または振動基板は、磁性材料(例えば鉄、磁性を持つステンレス)からなっており、吸着部もまた磁性材料である。コイルに電流を印加すると磁界が発生する。発生した磁界は吸着部にも磁界を生じる。吸着部に発生した磁界によって、磁性材料である振動基板または固定部材に対し磁気吸着力が発生し、移動体と振動基板とが密着し、その間に摩擦力が発生する。
従来の磁気吸着力により摩擦力の制御を行う慣性駆動アクチュエータにおいて、移動体の位置を検出するためには、変位センサを設置する必要がある。変位センサとしては、光学センサ、容量センサ、光学センサ、磁気センサ、渦電流センサなどを用いることができる。いずれの変位センサを使用しても、センサを含めた慣性駆動アクチュエータ全体のサイズは大きくなってしまうという問題がある。
このため、小型の慣性駆動アクチュエータにおいて移動子の位置検出を行うことは困難である。
このため、小型の慣性駆動アクチュエータにおいて移動子の位置検出を行うことは困難である。
上記課題を解決するために、本発明の慣性駆動アクチュエータは、第1の方向と、第1の方向とは逆の第2の方向に微小変位を発生する変位手段と、変位手段と異なる方向に磁束を発生する複数のコイルと、複数のコイルの少なくとも一つの面に対向する面を有し、コイルが発生する磁束を所定の位置に集中させる第1のヨークを有する移動子と、移動子と複数のコイルとの位置関係に基づく各コイル近傍の磁束変化を反映する複数のコイルの電気信号を検出する検出手段と、検出手段の出力に基づき、移動子の位置を判定する判定手段と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、サイズを大きくすることなく、小型であり、移動子の位置検出が可能な慣性駆動アクチュエータを提供することができるという効果を奏する。
以下に、本発明にかかる慣性駆動アクチュエータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
(第1実施形態)
図1(a)、(b)、(c)に基づいて、第1実施形態に係る慣性駆動アクチュエータについて説明する。
図1(a)、(b)、(c)に基づいて、第1実施形態に係る慣性駆動アクチュエータについて説明する。
慣性駆動アクチュエータ100は、移動体101と、複数、例えば2つのコイル102a、102bと、圧電素子103(変位手段)と、検出手段104と、判定手段105を有する。
圧電素子103は、第1の方向と、第1の方向とは逆の第2の方向に微小変位を発生する。
2つのコイル102a、102bは、圧電素子103と異なる方向に磁束を発生する。
移動体101(移動子)は、複数のコイルの少なくとも一つの面に対向する面を有している。
移動体101は、コイル102a、102bが発生する磁束を所定の位置に集中させる第1のヨークを有する。
検出手段104は、移動体と複数のコイル102a、102bとの位置関係に基づく各コイル102a、102b近傍の磁束変化を反映する複数のコイル102a、102bの電気信号を検出する。
判定手段105は、検出手段104の出力に基づき、移動体101の位置を判定する。
圧電素子103は、第1の方向と、第1の方向とは逆の第2の方向に微小変位を発生する。
2つのコイル102a、102bは、圧電素子103と異なる方向に磁束を発生する。
移動体101(移動子)は、複数のコイルの少なくとも一つの面に対向する面を有している。
移動体101は、コイル102a、102bが発生する磁束を所定の位置に集中させる第1のヨークを有する。
検出手段104は、移動体と複数のコイル102a、102bとの位置関係に基づく各コイル102a、102b近傍の磁束変化を反映する複数のコイル102a、102bの電気信号を検出する。
判定手段105は、検出手段104の出力に基づき、移動体101の位置を判定する。
この構成により、以下の効果を奏する。
・コイル102a、102b内部、移動体101を介す磁気経路を通る磁束を主磁束とする場合、各コイル102a、102bと移動体(101の位置関係により各コイル102a、102b近傍の主磁束量が変化する。
・各コイル102a、102b近傍の主磁束量が変化することにより各コイル102a、102bの電気信号(インピーダンス)が変化する。
・各コイル102a、102bの電気信号を演算することにより移動体101の位置が検出可能となる。
・コイル102a、102b内部、移動体101を介す磁気経路を通る磁束を主磁束とする場合、各コイル102a、102bと移動体(101の位置関係により各コイル102a、102b近傍の主磁束量が変化する。
・各コイル102a、102b近傍の主磁束量が変化することにより各コイル102a、102bの電気信号(インピーダンス)が変化する。
・各コイル102a、102bの電気信号を演算することにより移動体101の位置が検出可能となる。
さらに、第1実施形態の慣性駆動アクチュエータ100の構成を詳細に説明する。
図1(a)は第1実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ100を上面から見た図、(b)は(a)のA-A断面図、(c)は(a)のB-B断面を示す図である。
図1(a)は第1実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ100を上面から見た図、(b)は(a)のA-A断面図、(c)は(a)のB-B断面を示す図である。
上述したように、慣性駆動アクチュエータ100は、コイル102a、102bと、圧電素子103と、移動体101と、検出手段104と、判定手段105と、を有する。移動体101は、磁性体で構成されている。磁性体は、コイル102a、102bが発生する磁束を閉じるヨーク(第1のヨーク)の役割を有する。
以下すべての実施形態において、移動体101は全て磁性体で構成されているとして説明する。従って、移動体101内で磁性部と非磁性部との両方を有する構成の場合は、移動体101の部位を、移動体101の磁性部として考えれば良い。
以下すべての実施形態において、移動体101は全て磁性体で構成されているとして説明する。従って、移動体101内で磁性部と非磁性部との両方を有する構成の場合は、移動体101の部位を、移動体101の磁性部として考えれば良い。
また、コイルは2つ102a、102bを配置している。それぞれのコイル102a、102bは、移動体101の駆動方向と同方向に直列に配列している。
これにより、以下の効果を奏する。
・移動体101の位置によって各コイル102a、102bの電気信号が個別の変化をする。
・移動体101の駆動方向に配列することで、移動体101の駆動方向に垂直な方向へのサイズの増大を抑制するため慣性駆動アクチュエータのサイズが小さくなる。
・移動体101の位置によって各コイル102a、102bの電気信号が個別の変化をする。
・移動体101の駆動方向に配列することで、移動体101の駆動方向に垂直な方向へのサイズの増大を抑制するため慣性駆動アクチュエータのサイズが小さくなる。
コイル102a、102bは検出手段104に接続されている。検出手段104は、コイル102a、102bの電気的な出力信号を検出する。判定手段105は、検出手段104からの出力に基づいて移動体101の位置を判定する。
移動体101の位置と、コイル102a、102bの電気的な信号の関係については図6と図7を用いて後述する。
移動体101の位置により、コイル102a、102bが発生する磁束のうち、移動体101を通る量が変化する。ここでは、移動体101の駆動と位置検出に影響を与えることから、移動体101を通る磁束を主磁束とする。移動体101を通る磁束量が高ければ、すなわち磁束量が大きければ、逆起電力の影響でコイル102a、102bの抵抗、およびインダクタンスは増加する。
よって、コイル102a、102bのインピーダンスを検出することにより移動体101の位置を推測することが出来る。
換言すると、検出手段104は、コイル102a、102bのインピーダンスを検出する。判定手段105は、インピーダンス値を反映する検出手段104からの出力信号より位置を判定する。
さらに、直前の検出手段104からの出力信号と比較することで判定手段105は位置だけでなく移動体101が動いている方向も判定することが可能となる。
また、判定手段105により判定した移動体101の位置情報を不図示のアクチュエータ駆動回路にフィードバックすることよって位置制御駆動が可能となる。
さらに、直前の検出手段104からの出力信号と比較することで判定手段105は位置だけでなく移動体101が動いている方向も判定することが可能となる。
また、判定手段105により判定した移動体101の位置情報を不図示のアクチュエータ駆動回路にフィードバックすることよって位置制御駆動が可能となる。
これにより、以下の効果を奏する。
・インピーダンスの実部(抵抗)を検出することで移動体の位置検出ができる。
・インピーダンスの虚部(インダクタンス)を検出することで移動体の位置検出ができる。
・インピーダンスの大きさを検出することで移動体の位置検出ができる。
・インダクタンスは、温度依存性が小さい。このため、温度変化の観点でインダクタンス検出が有効である。
・インピーダンスの実部(抵抗)を検出することで移動体の位置検出ができる。
・インピーダンスの虚部(インダクタンス)を検出することで移動体の位置検出ができる。
・インピーダンスの大きさを検出することで移動体の位置検出ができる。
・インダクタンスは、温度依存性が小さい。このため、温度変化の観点でインダクタンス検出が有効である。
(第2実施形態)
次に、図2を用いて第2実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ200について説明する。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図2を用いて第2実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ200について説明する。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態においては、図1の構成においてコイル102a、102bの内側に磁性体のコア201a、201b(第2のヨーク)を追加した構成が異なっている。コア201a、201bが存在することによりコイル102a、102bが発生する磁束量が多くなる。
これにより、以下の効果を奏する。
・コイルのコアがあることにより位置による磁束変化が増加する。
・検出感度が上がる。
・コイルの変形を抑制できる
・コイルのコアがあることにより位置による磁束変化が増加する。
・検出感度が上がる。
・コイルの変形を抑制できる
移動体101の位置を反映するコイル102a、102bの出力信号が大きくなる。このため、移動体101の位置の検出感度が向上する。移動体101の位置とコイル102a、102bの電気的な信号の関係については図6と図7において後述する。
図2において、コア201a、201bは、それぞれコイル102a、102bの内側のみに存在し、コイル102a、102bの外側(紙面左右、および前後側)からはみ出す(コイルの外側)位置に配置していない。
なお、コア201a、201bを、それぞれコイル102a、102bの外側まで配置し移動体101下側近傍まで延長して配置しても良い。例えばコアの形状をTの字型にする構成である。それにより移動体101を介したコイル102a、102bの磁束が閉じる効率が向上する。
なお、コア201a、201bを、それぞれコイル102a、102bの外側まで配置し移動体101下側近傍まで延長して配置しても良い。例えばコアの形状をTの字型にする構成である。それにより移動体101を介したコイル102a、102bの磁束が閉じる効率が向上する。
(第3実施形態)
次に、図3を用いて第3実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ300について説明する。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図3を用いて第3実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ300について説明する。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態は、上記第2実施形態の構成において、さらにコア201a、201bの下側、もしくはコイル102a、102bの下側に磁石301を追加した構成である。
磁石301が存在することにより常時磁束が発生する。このため、コイル102a、102bが磁場を発生していない状態でも、コイル102a、102bが発生する磁束と同様に移動体101を介して磁束が閉じる磁気経路が存在する。
これにより移動体101は常時コイル102a、102bの方向に力が働くため、移動体101が保持される。また、磁石301の磁束の分、移動体101を介す磁束量が多くなるため、移動体101位置の検出感度が向上する移動体101位置とコイル102a、102bの電気的な信号の関係については図6と図7で説明する。
(第4実施形態)
次に、図4を用いて第4実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ400について説明する。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図4を用いて第4実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ400について説明する。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態は、上記第3実施形態の構成において、磁石301の下側に磁性体であるヨーク401(第3のヨーク)を追加した構成である。ヨーク401が存在することにより、移動体101を介したコイル102a、102bおよび磁石301から発生する磁束の磁気経路を通る磁束量が増加する。
これにより、以下の効果を奏する。
・移動体を常時保持できる。
・移動体の位置による磁束変化が磁石の磁束分増加する。
・検出感度が上がる。
・移動体を常時保持できる。
・移動体の位置による磁束変化が磁石の磁束分増加する。
・検出感度が上がる。
(第5実施形態)
次に、図5を用いて第5実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ500について説明する。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
次に、図5を用いて第5実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ500について説明する。上記実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態は、上記第4実施形態の構成において、移動体101とコイル102a、102bの間に振動平板501を追加した構成である。
ここでは、圧電素子103によって微小する振動する部位は、振動平板501のみとなる。これにより、さらに小型の圧電素子103を使用することが可能となる。このため、圧電素子103による消費電力の低下、発熱の抑制が期待できる。また、コイル102a、102bと圧電素子103が接触していない。このためコイル102a、102bも保護できる。
このように、本構成では以下の効果を奏する。
・振動部が小さくなる。
・圧電素子(変位手段を圧電素子とした場合:磁歪素子もありうる)を小さくできるため発熱を抑制することができる。
・振動部が小さくなる。
・圧電素子(変位手段を圧電素子とした場合:磁歪素子もありうる)を小さくできるため発熱を抑制することができる。
(磁束の性質の説明)
次に、図4(c)に示す図を用いて移動子を通る磁束を説明する。コイル102a、102bが発生する磁束の方向と、磁石302が発生する磁束の方向は平行な関係にしている。磁束はコア201a、201bを通過し移動体101を通り、移動体101下部にて、第3のヨーク401に伝わり磁石301へと伝わる。
次に、図4(c)に示す図を用いて移動子を通る磁束を説明する。コイル102a、102bが発生する磁束の方向と、磁石302が発生する磁束の方向は平行な関係にしている。磁束はコア201a、201bを通過し移動体101を通り、移動体101下部にて、第3のヨーク401に伝わり磁石301へと伝わる。
これにより、以下の効果を奏する。
・主磁束の漏れを抑制できる。
・検出感度が上がる。
・第2のヨーク、コイル、もしくは磁石を保護できる。
・主磁束の漏れを抑制できる。
・検出感度が上がる。
・第2のヨーク、コイル、もしくは磁石を保護できる。
移動体101を通る磁束は閉じている。移動体101を通過しない漏れ磁束については駆動にほとんど寄与せず、さらに位置検出を反映するコイル102a、102bの電気信号にも寄与しない。従って、漏れ磁束を少なくし移動体101を通る磁束量を多くすることが駆動、および位置検出に有効である。
次に、移動体101の位置による磁束変化について説明する。側面図を用いて、移動体101の異なる位置での磁束の変化イメージを図6(a)、(b)、(c)で説明する。
説明を簡単にするため、2つのコイル102a、102bをそれぞれコイルA、コイルBと呼ぶ。
移動体101は点線で示し、コイルA、Bにおいて駆動にも関わる各コイル内部と移動体101を通る磁束(主磁束)を太い点線で示している。図6(a)、(b)、(c)の順で、移動体101はコイルAの左端から、中央、コイルBの右端部に移動している状態を示している。
移動体101は点線で示し、コイルA、Bにおいて駆動にも関わる各コイル内部と移動体101を通る磁束(主磁束)を太い点線で示している。図6(a)、(b)、(c)の順で、移動体101はコイルAの左端から、中央、コイルBの右端部に移動している状態を示している。
また、コイルA、Bは同サイズであり、移動体101に対して直列に配置した構成である。また、移動体101の長さはコイルA、コイルBの長さと同じとした。
さらに、説明を簡単にするために図6(a)、(b)、(c)で示す太い点線の本数が移動体101を通る磁束量の総和を反映している。以下の順に、図6(a)、(b)、(c)と順を追って説明する。
さらに、説明を簡単にするために図6(a)、(b)、(c)で示す太い点線の本数が移動体101を通る磁束量の総和を反映している。以下の順に、図6(a)、(b)、(c)と順を追って説明する。
図6(a)は、移動体101がコイルA左端の位置に位置する状態である。コイルA内を通る主磁束量が最も多く、コイルB内を通る主磁束が最も少なくなっている。実際は少量ではあるが空気を介して移動体101からコイルB内を通る主磁束が存在する。しかし、ここでは説明のためコイルB内を通る主磁束はゼロと描画した。
図6(b)は、移動体101がコイルAとコイルBの中央に位置する状態である。コイルAとコイルBの内部を通る主磁束量が同等量となっている。移動体101の位置がコイルAとコイルBともに主磁束量がほぼ最大の主磁束量の半分となっている。
図6(c)は、移動体101がコイルBの右端の位置にある状態である。コイルB内を通る主磁束量が最も多く、コイルA内を通る主磁束が最も少なくなっている。
上記の説明より、移動体101を通る磁束量について図6(a)、(b)、(c)で比べた場合、コイル内部を通る主磁束量は、コイルAについては(c)、(b)、(a)の順で大きくなり、コイルBについては(a)、(b)、(c)の順で大きくなる関係となる。
図6(a)、(b)、(c)で説明した移動体101位置POSと移動体101を通る磁束量(主磁束量)MGの関係を示したものが図7(a)である。コイルAの磁束量CLAを実線、コイルBの磁束量CLBを点線で示す。
コイルA、Bに交流を流した場合、移動体101を通る磁束量MGも交流にともなって変化する。このため、その変化による逆起電力が生じコイルCLA、CLB自身に影響を与える。コイルCLA、CLB近傍の移動体101を通る磁束量MGの変化が、コイルCLA、CLB自身に影響をあたえる逆起電力の変化を引き起こす。
よって移動体101を通る磁束である主磁束量が多ければ、移動体101を通る磁束が小さいときと比べて、コイルA、Bの抵抗、インダクタンスが大きくなる。よって、コイルA、Bの抵抗、インダクタンスについても図7(a)の移動体101を通る主磁束量変化と同等な傾向となる。
図7(a)の結果より、コイルA(CLA)とコイルB(CLB)の主磁束量の差分DIFF(CLB-CLA)をプロットしたのが図7(b)である。差分については太実線で示している。
コイルを2個にすることで、各コイルA、Bの電気信号の比較が容易であり、また部品数を少なくする効果がある。
コイルを2個にすることで、各コイルA、Bの電気信号の比較が容易であり、また部品数を少なくする効果がある。
これにより、以下の効果を奏する。
・コイルを2個にすることで各コイルの電気信号を比較しやすい。
・直列配置の場合、組立てが簡単になる。
・コイルを2個にすることで各コイルの電気信号を比較しやすい。
・直列配置の場合、組立てが簡単になる。
図7(a)で示すようにコイルAとコイルBの主磁束量の差分は、各コイルの結果に比べて2倍の感度で移動体101の位置に対して線形の関係になる。
主磁束量を反映する2個のコイルからの信号(例えばインピーダンス)の差分は、各コイルの電気的なノイズをキャンセルする効果がある。
主磁束量を反映する2個のコイルからの信号(例えばインピーダンス)の差分は、各コイルの電気的なノイズをキャンセルする効果がある。
すなわち、以下の効果を奏する。
・2個のコイルの差分であることで各コイルにはいるノイズをキャンセルすることができる。
・差分検出によって移動子の位置と2個のコイルの差分信号は線形関係となる。
・2個のコイルの差分であることで各コイルにはいるノイズをキャンセルすることができる。
・差分検出によって移動子の位置と2個のコイルの差分信号は線形関係となる。
さらに図7のようなコイルAとコイルBを同サイズにすること、すなわちコイルは少なくとも同じコイルを一対含むことによって各コイルの電気的ノイズはほとんど同等になる可能性が高い。このため、ノイズをキャンセルする効果が向上する。
すなわち、これにより、以下の効果を奏する。
・同サイズのコイルにすることで、差分検出時のノイズキャンセル効果が向上する。
・サイズが等しいことで部品の種類点数を減らすことが出来る。
・同サイズのコイルにすることで、差分検出時のノイズキャンセル効果が向上する。
・サイズが等しいことで部品の種類点数を減らすことが出来る。
なお、実際は移動体101を通る磁束量以外の磁束もコイルのインピーダンスに影響を与えているが、コイルのインピーダンス傾向は移動体101を通る磁束量に反映される。このため、移動体101位置によるコイルの電気信号の変化について移動体101を通る主磁束量で説明している。
図8(a)、(b)は、磁束曲線が線形部分と、さらに極値を有する部分とからなる場合を説明するための図である。
コイルの長さLa<Lbで、移動体101の長さLmがLbよりも小さい場合、移動体101がコイルCLB上にきたときにコイルCLBに流れる主磁束量がコイルCLBの途中で極値をもつ。これによって、コイルCLAとコイルCLBの差分CLB-CLAで位置検出をする場合、移動体101の位置と電気信号が1対1対応しないため、位置検出のアルゴリズムが複雑になる。したがって、移動体101のサイズLmはLb以上の方が望ましい。
ここで、「コイルの長さ」とは、「各コイルにおける移動体が駆動する領域の長さ」を意味する。
ここで、「コイルの長さ」とは、「各コイルにおける移動体が駆動する領域の長さ」を意味する。
このような場合でも、磁束の曲線は、線形部分を有している。このため、極値部分を避けて、線形部分を有効に利用するように移動体101を駆動できる。
次に、変形例について図9(a)、(b)を用いて説明する。
図9(a)は、コイル102a、102b、102cを3つ直列に配置した構成である。コイルを多くすることで差分検出のアルゴリズムが複雑になるが、移動体101の位置に関するコイルからの電気信号が増えるため、位置検出の精度が向上する。当然ながら、コイルの数は3つ以上でも同様の効果が期待できる。
図9(a)は、コイル102a、102b、102cを3つ直列に配置した構成である。コイルを多くすることで差分検出のアルゴリズムが複雑になるが、移動体101の位置に関するコイルからの電気信号が増えるため、位置検出の精度が向上する。当然ながら、コイルの数は3つ以上でも同様の効果が期待できる。
図9(b)は、コイル102a、102b、102c、102dを並列に2列並べ、それぞれ直列に2個ずつ配置した構成である。コイルを多くすることで差分検出のアルゴリズムが複雑になるが、移動体101の位置に関するコイルからの電気信号が増えるため、位置検出の精度が向上する。
また、コイルを並列にすることで、駆動時の移動体101の磁気吸着が一列の場合と比べて移動体101の吸着面が1つではなく2つ存在するため、移動体101が傾くことを抑制する効果を持つ。
また、コイルを並列にすることで、駆動時の移動体101の磁気吸着が一列の場合と比べて移動体101の吸着面が1つではなく2つ存在するため、移動体101が傾くことを抑制する効果を持つ。
以上のように、本発明は慣性駆動アクチュエータにおいて、小型で移動体の位置検出を行うのに有用である。
100 慣性駆動アクチュエータ
101 移動体
102a、102b コイル
103 圧電素子
104 検出手段
105 判定手段
201a、201b コア
101 移動体
102a、102b コイル
103 圧電素子
104 検出手段
105 判定手段
201a、201b コア
Claims (9)
- 第1の方向と、前記第1の方向とは逆の第2の方向に微小変位を発生する変位手段と、
前記変位手段と異なる方向に磁束を発生する複数のコイルと、
前記複数のコイルの少なくとも一つの面に対向する面を有し、
前記コイルが発生する磁束を所定の位置に集中させる第1のヨークを有する移動子と、
前記移動子と前記複数のコイルとの位置関係に基づく各コイル近傍の磁束変化を反映する前記複数のコイルの電気信号を検出する検出手段と、
前記検出手段の出力に基づき、前記移動子の位置を判定する判定手段と、を有することを特徴とする慣性駆動アクチュエータ。 - 前記コイルは少なくとも2つの前記移動子の駆動する方向に直列に配置していることを特徴とする請求項1に記載の慣性駆動アクチュエータ。
- 前記判定手段による前記移動子の位置の判定が、前記2個のコイルからの電気信号の差分を用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の慣性駆動アクチュエータ。
- 前記複数のコイルは少なくとも同じコイルを一対含むことを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
- 前記検出手段は、インピーダンス検出回路であることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
- 前記複数のコイルの内側に少なくとも一部が挿入された第2のヨークを配置していることを特徴とする請求項1~5のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
- 前記複数のコイルが発生する磁束の方向と同方向に磁束が発生するように磁石を配置していることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
- 前記移動子が前記コイルと対向した向きと反対側に第3のヨークと、を有することを特徴とする請求項1~7のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
- 前記移動子と前記複数のコイルの間に振動平板を有し、
前記振動平板は前記変位手段の変位にともなって変位することを特徴とする請求項1~8のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
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