压电致动器控制电路和防振控制电路

摘要

本发明提供一种压电致动器控制电路，在伺服控制压电致动器的控制电路中，在每个伺服控制周期可以有效地进行将移动对象向目标位置移动。脉冲产生电路26在伺服控制周期内，产生多个驱动脉冲。在寄存器28中存储基于一次驱动脉冲的移动量的假定值，并且采用该假定值，在每次产生驱动脉冲时推测直到透镜8的目标位置的所需的移动量，从而可以最佳地接近目标位置。构成为通过采用占空比不同的两种驱动脉冲，可以切换粗动和微动，并且通过在所需移动量大的状态下为粗动，另一方面，在所需移动量小的状态下为微动，可以使透镜8快速地移动。此外，在所需移动量的推测值不到基于微动的移动量的情况下，停止驱动脉冲的输出。

说明书

技术领域

本发明涉及控制采用压电元件的冲击驱动型致动器的动作的控制电路，和采用该控制电路而对摄像装置的手抖进行校正的防振控制电路。

背景技术

目前，提出了利用压电元件的电致伸缩效果的压电致动器，作为超小型的致动器受到期待(参考非特许文献1)。该压电致动器例如用于照相机的手抖校正和自动对焦等。

冲击驱动型压电致动器与移动对象保持摩擦，并具有由压电元件伸缩的驱动轴。驱动电路产生驱动轴伸张和收缩时的速度不同，即产生慢伸快拉或者与之相反的电压信号而施加到压电元件。驱动轴快速移动时，移动对象由于惯性而相对于驱动轴滑动，基本上保留在其位置上。另一方面，如果驱动轴缓慢地移动，则移动对象由于静止摩擦力而与驱动轴一起移位。通过这种伸缩动作，可以使移动对象相对于驱动轴沿特定的方向移位。

该移位理论上可以通过将上升时刻和下降时刻不同的锯形波电压信号施加到压电元件上而实现。但是，已知地，作为从驱动电路输出的驱动信号的波形，不必总是锯形波，是方形波信号也能够通过调节频率和占空比得到上述移位。移动对象的移动速度有赖于驱动信号的频率和占空比，例如可以通过使占空比相反而改变移动方向。

非特许文献1KONICA MINOLTA TECHNOLOGYREPORTVOL.1(2004)，p.23-26

在采用致动器的伺服控制中，通过每当驱动致动器而进行对象的移位时获得最新的位置，可以高精度地跟踪目标位置。但是，响应于驱动脉冲而驱动的压电致动器的一次移位量一般是微小的，当所需移位量大时，产生在一周期的伺服控制动作中没有充分地接近目标位置的问题。

在这一点上，如果缩短伺服控制周期，则可以提高跟踪速度。但是，存在伺服控制周期缩短有限制的情况。特别是，在手抖校正系统中，需要至少二维地控制透镜和摄像元件的位置，并且分别采用多个检测透镜等的位置、摇动的位置传感器、角速度传感器。另一方面，为了使控制电路小型化，而进行分时地共用取入各传感器的输出的A/D变换器。在这种情况下，可能会由于分时动作，而导致限制了伺服控制周期的缩短。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种压电致动器控制电路，即使在限制伺服控制周期的缩短受到限制的情况下，也可以通过压电致动器使移动对象最佳地接近目标位置。

根据本发明的压电致动器控制电路，基于在每个规定的伺服控制周期得到的对象的移位量，控制由采用压电元件的压电致动器导致的对象的移位，具有产生使所述对象以规定步长移位的驱动脉冲而向所述压电致动器输出的驱动脉冲产生部，和在所述伺服控制周期内多次连续地产生所述驱动脉冲的控制部。

根据本发明，在没有观测移动对象的实际位置等伺服控制周期内，可以多次产生驱动脉冲，实现比与压电元件的电致伸缩量对应的小步长更大的移位。

附图说明

图1是本发明实施方式的采用了压电致动器的手抖校正系统的简要方块结构图。

图2是说明脉冲产生电路的简要的功能方块图。

图3是示出由脉冲产生电路产生驱动脉冲的处理的简要流程图。

图4是示意地示出驱动脉冲的信号波形的定时图。

图5是说明采用了压电致动器的伺服控制的一个例子的示意定时图。

图6是说明采用了压电致动器的伺服控制的另一个例子的示意定时图。

符号说明

2传感器部，4电路部，6驱动部，8透镜，10霍尔元件，12陀螺传感器，14压电元件，16系统总线，18微机，20 ADC，22霍尔均衡器，24陀螺均衡器，26脉冲产生电路，28寄存器，32加法器，34伺服电路

具体实施方式

下面，基于附图说明本发明的实施的方式(下面称为实施方式)。本实施方式相对于照相机实施本发明，在该照相机中，压电致动器用于手抖校正机构。

图1是在本照相机中的采用压电致动器的手抖校正系统的简要方块结构图。本手抖校正系统包含传感器部2、电路部4和驱动部6而构成，电路部4是进行手抖校正控制的防振控制电路。在手抖校正系统中具有几种方式，例如本系统可以构成为控制在摄像元件(未图示)的受光面形成光学图像的透镜8的位置的方式。

传感器部2由霍尔元件10和陀螺传感器12构成。霍尔元件10是用于检测透镜8的位置而设置的传感器，基于固定在透镜8上的磁铁的磁场，产生与透镜8的距离对应的电压信号V_P，并输出到电路部4。为了检测在与光轴垂直的平面(x-y平面)内的透镜8的二维位置(P_X，P_Y)，霍尔元件10分别与x方向和y方向对应而设置，作为信号V_P，能够得到沿x方向的信号V_PX和沿y方向的信号V_PY。

陀螺传感器12是用于检测照相机的振动而设置的传感器，将与照相机的角速度ω对应的电信号V_ω输出到电路部4。设置两个陀螺传感器12，分别检测x轴转动的角速度成分ω_X和y轴转动的角速度成分ω_Y，作为信号V_ω，输出与ω_X对应的信号V_ωX和与ω_Y对应的信号V_ωY。

驱动部6是上述冲击驱动型压电致动器，采用压电元件14构成。压电元件14通过施加电路部4产生的驱动脉冲信号而伸缩使驱动轴进退，并且使与驱动轴保持摩擦的透镜8在沿驱动轴的方向上移位。为了实现x-y平面内的二维移位，设置一对包含压电元件14和驱动轴的致动器，从而可以分别在x方向和y方向上移位。

电路部4通过系统总线16等连接到微机18上。电路部4包含A/D转换器(ADC：Analog-to-Digital Converter)20，霍尔均衡器22，陀螺均衡器24，脉冲产生电路26，和寄存器28而构成。电路部4由逻辑电路构成，例如构成为ASIC(Application Specific Integrated Circuit)。

在ADC20上分别输入霍尔元件10、陀螺传感器12的输出信号。ADC20将两个霍尔元件10输出的电压信号V_PX、V_PY以及两个陀螺传感器12输出的电压信号V_ωX和V_ωY分时变换为数字数据D_PX、D_PY、D_ωX和D_ωY。各信号的A/D变换在每个伺服控制周期内周期性地进行。

基于霍尔元件10的输出而产生的位置数据D_PX、D_PY输入到霍尔均衡器22中。另一方面，基于陀螺传感器12的输出而产生的角速度数据D_ωX和D_ωY输入到陀螺均衡器24中。

陀螺均衡器24对在每个伺服控制周期的在规定的采样期间输入的角速度D_ωX和D_ωY进行积分处理，产生分别与x轴、y轴转动的照相机的摇动角度θ_X、θ_Y对应的数据D_θX和D_θY。陀螺均衡器24基于这些数据D_θX和D_θY，产生并输出分别与x方向、y方向的手抖量对应的振动量数据D_SX和D_SY。

霍尔均衡器22具有加法器32和伺服电路34。加法器32分别在x、y各方向上，将从ADC20输入的位置数据D_PX、D_PY和来自陀螺均衡器24的振动量数据D_SX、D_SY相加。伺服电路34根据加法器32的输出数据D_AX、D_AY，计算出作为透镜8需要的移位量的伺服数据D_SVX、D_SVY。

脉冲产生电路26基于从霍尔均衡器22输出的伺服数据D_SVX、D_SVY，产生驱动压电元件14的脉冲。产生的驱动脉冲信号被放大到足够驱动压电元件14的电压，并施加到压电元件14。脉冲产生电路26产生脉冲以沿D_SVX、D_SVY的绝对值减小的方向驱动驱动部6。由此，搭载本系统的照相机在摄像期间，根据手抖移动透镜8，并且校正该手抖的摄像元件上的被拍摄图像的移位，从而可以得到高品质的图像信号。

图2是说明脉冲产生电路26的简要的功能方块图。寄存器28保持在脉冲产生电路26的处理中使用的各种用户设定参数。寄存器28的写入动作和读取动作可以由微机18通过系统总线16进行，并且用户通过执行微机18中规定的程序，可以对寄存器28进行期望的操作。

在此，脉冲产生电路26可以产生占空比不同的两种驱动脉冲PL1、PL2。例如，作为决定一周期的驱动脉冲PL1、PL2的参数，在寄存器28中分别设定PL1、PL2的脉冲周期τ_PL和PL1、PL2的占空值ρ_PL1、ρ_PL2。τ_PL例如可以通过提供到脉冲产生电路26中的高速的基准时钟CLK的周期数定义。此外，ρ_PL1、ρ_PL2例如可以通过在使透镜8沿x、y轴的正方向移位的情况下的PL1、PL2的H(High)电平期间包含时钟CLK的周期数定义。基于这些设定，脉冲产生电路26例如在由PL1使在正方向上移位的情况下，产生占空比(ρ_PL1/τ_PL)的脉冲，在使在负方向上移位的情况下，产生H电平和L(Low)电平的时间宽度与在正方向上移位时反转的脉冲。PL2也是同样地决定正反各个占空。

PL1、PL2的产生根据伺服数据的大小而切换。寄存器28预先存储速度切换电平γ，作为伺服数据的大小判断阈值。

在PL1、PL2的每个周期，透镜8在一步一步地移位。该移位步长构成透镜8的位置控制的分辨率。该步长可以通过事先测定等求得假定值，该假定值作为PL1、PL2的分辨率χ_PL1、χ_PL2，预先存储在寄存器28中。在此，可以使PL1比PL2更高速地移动透镜8地设定占空值ρ_PL1、ρ_PL2，与该速度差对应地构成χ_PL1＞χ_PL2。

此外，在寄存器28中，也可以预先设定在伺服控制周期内产生的驱动脉冲数的上限值β。

这样，在寄存器28中预先存储各种参数。这些参数可以构成为能够作为x轴用和y轴用而分别设定。脉冲产生电路26使用这些各种参数而动作。

在脉冲产生电路26中，输入与伺服控制周期同步产生的伺服数据闭锁使能信号S_LE。当信号S_LE上升时，脉冲产生电路26进行闭锁伺服电路34输出的伺服数据的动作(F50)。并且，由于电路部4分时进行x方向的伺服控制和y方向的伺服控制，所以相互错开时刻分别产生x方向上的信号S_LEX和y方向上的信号S_LEY，作为信号S_LE。并且，例如，电路部4关于x方向提取霍尔元件10、陀螺传感器12的输出，产生伺服数据D_SVX并且输出S_LEX。另一方面，电路部4关于y方向提取霍尔元件10、陀螺传感器12的输出，产生伺服数据D_SVY并且输出S_LEY。

脉冲产生电路26在检测出S_LEX和S_LEY下降的边缘时(F52)，根据对压电元件14的驱动脉冲的产生动作F54而开始F66。

脉冲产生电路26将伺服数据D_SVX、D_SVY的绝对值与规定的速度切换电平γ进行比较，并根据该比较结果决定是否产生PL1、PL2中的一个，选择移动速度(F54)。选择的脉冲的种类设定为速度标记F_SP。

脉冲产生电路26根据由驱动脉冲导致的透镜8的移位，更新伺服数据D_SVX、D_SVY，控制驱动脉冲的产生以使该伺服数据D_SVX、D_SVY接近0。具体地，脉冲产生电路26采用与由处理F54选择的驱动脉冲对应的分辨率(χ_PL1或χ_PL2)，将伺服数据更新为驱动脉冲产生后的值(F56，F58)。另外，在当前的伺服数据的分辨率不足的情况下，可以构成为不产生驱动脉冲(F56，F58)。

脉冲产生电路26计数在伺服控制周期内的驱动脉冲的产生数量，在产生数量n_PL超过上限值β的情况下，停止驱动脉冲的输出(F60)。

脉冲宽度计数器在一周期的驱动脉冲的开始产生时联动，开始基准时钟CLK的计数(F62)。基于该计数值n_CLK进行产生驱动脉冲等的定时控制。

通过闭锁的伺服数据的代码，检测应该移动透镜8的方向的正负。并且，根据该代码和存储在寄存器28中的脉冲周期τ_PL和占空值(ρ_PL1、ρ_PL2)，由基准时钟CLK的周期数求得H、L电平的长度或H、L电平的切换定时(F64)，作为一周期的驱动脉冲的占空状态的控制信息。脉冲产生电路26基于由PL1、PL2中的速度标记F_SP指定的情况下的占空状态的控制信息和基准时钟CLK的计数值n_CLK，产生并输出驱动脉冲(F66)。

并且，在n_CLK达到τ_PL稍前，开始驱动脉冲的产生准备(F68)，使得可以在当前输出中的驱动脉冲周期结束(n_CLK＝τ_PL)时连续地开始接下来的驱动脉冲的周期。

由ASIC构成的脉冲产生电路26的动作基本上预先作入，另一方面，用户通过调整存储在寄存器28中的各种参数，可以实现与各目的对应的致动器的动作。根据该结构，与采用压电致动器的控制用固件而由微机控制致动器的动作的现有情况相比较，可以降低微机的负载而简单地利用压电致动器。

图3是示出由脉冲产生电路26产生驱动脉冲的处理的简要流程图。与伺服数据闭锁使能信号S_LE同步地，闭锁伺服数据D_SV(D_SVX，D_SVY)(S80，图2的F50)。当脉冲产生电路26检测出S_LE的下降时(S82，图2的F52)，将D_SV的代码位的值D_SIGN和D_SV的绝对值D_ABS存储在寄存器中(S84)。此外，将输出完成的驱动脉冲数的计数值n_PL、脉冲宽度计数器的计数值n_CLK和脉冲输出标记F_POUT复位为0(S84)。

脉冲产生电路26在将伺服数据的绝对值D_ABS与速度切换电平γ进行比较时D_ABS＞γ的情况下，选择实现比PL2大的移位(粗动)的PL1，另一方面，在D_ABS≤γ的情况下，选择实现比PL1小的移位(微动)的PL2。具体地，与该选择对应地设定速度标记F_SP，在D_ABS＞γ的情况下，设定F_SP＝1，在D_ABS≤γ的情况下，设定F_SP＝0(S86，图2的F54)。

在F_SP＝1的情况下，将D_ABS与分辨率χ_PL1进行比较(S88，图2的F56)。如果D_ABS≥χ_PL1，由于通过产生PL1可以使D_ABS更接近0，即存在将透镜8接近目标位置的余地，所以脉冲产生电路26以产生PL1为前提，求得其产生后的D_ABS。具体地，以从当前的D_ABS减去χ_PL1后的值更新D_ABS(S90)。另一方面，在D_ABS＜χ_PL1的情况下，由于通过产生PL1，透镜8的移位超过目标位置，所以停止当前的伺服控制期间内的驱动脉冲的输出动作(S92)。顺便，为了避免在透镜8到达目标位置之前在基于PL1的粗动控制中停止驱动脉冲的输出，优选地在γ≥χ_PL1-1的范围内设定γ。由此，基本上在粗动控制中停止之前，转移到基于PL2的微动控制，可以进一步地使透镜8移动直到接近目标位置的位置。

在F_SP＝0的情况下，通过将D_ABS与分辨率χ_PL2进行比较(S94，图2的F58)，判断是否应该产生PL2而使透镜8移动。如果D_ABS≥χ_PL2，以产生PL2为前提，求得产生后的D_ABS。具体地，以从当前的D_ABS减去χ_PL2后的值更新D_ABS(S96)。另一方面，在D_ABS＜χ_PL2的情况下，停止当前的伺服控制期间内的驱动脉冲的输出动作(S98)。

在D_ABS≥χ_PL1或D_ABS≥χ_PL2的情况下(S88，S94)，如上所述地，关于D_ABS，存在产生PL1或PL2的余地。在这种情况下，进一步地，判断关于在伺服控制周期内的驱动脉冲数，是否存在产生PL1或PL2的余地(S100，图2的F60)。具体地，如果当前时刻的输出完成脉冲的计数值n_PL达到上限值β即n_PL≥β，则停止当前的伺服控制期间的新的驱动脉冲的输出动作(S102)。

另一方面，如果n_PL＜β，则转移到输出PL1或PL2的处理。当开始脉冲输出处理时，将输出完成脉冲的计数值n_PL增加1并更新，将脉冲宽度计数器的计数值n_CLK复位为0(S104)。此外，将脉冲输出标记F_POUT设定为1(S104)。之后，启动脉冲宽度计数器(S106)。此外，与脉冲输出标记F_POUT设定为1联动，从而启动脉冲输出处理(S108)。脉冲产生电路26构成为可以从直到产生上述驱动脉冲为止的准备处理S86开始与S102并列地执行这些脉冲宽度计数器的动作和脉冲输出处理，并且当脉冲宽度计数器的n_CLK成为计数结束之前的值(τ_PL-ε)时，继续产生当前的驱动脉冲的同时，从接下来的驱动脉冲的准备处理S86，开始S102(S110，图2的F68)。ε根据从准备处理S86到S102所需要的时间而设定，例如设定为2左右。并且，脉冲宽度计数器如上所述地计数基准时钟CLK。

在脉冲输出处理中，根据代码位值D_SIGN、速度标记F_SP、占空值ρ_PL1、ρ_PL2、脉冲周期τ_PL，产生驱动脉冲的占空状态的控制信息(图2的F64)。基于决定该占空的控制信息和n_CLK，脉冲产生电路26进行输出电压的H电平和L电平的相互切换，产生并输出驱动脉冲。

图4是示意地示出驱动脉冲的信号波形的定时图。在图4中，横向是时间轴，纵向并列地表示伺服数据闭锁使能信号S_LEX、S_LEY，x方向的对压电致动器的驱动脉冲PL_XA、PL_XB，y方向的对压电致动器的驱动脉冲PL_YA、PL_YB。在此，PL_XA和PL_XB是分别施加到x方向致动器的压电元件14的双极性的脉冲，产生互补的波形。同样地，PL_YA和PL_YB是分别施加到y方向致动器的压电元件14的双极性的脉冲。例如，关于x方向，伺服控制周期T_SV是S_LEX的上升定时的间隔，驱动脉冲PL_XA、PL_XB可以在S_LEX的下降定时间隔T_DV时产生。在该T_DV时产生的驱动脉冲数的上限值由β指定。β在基准时钟CLK的一周期的长度为T_CLK时，被设定为满足β≤T_DV/(T_CLK·τ_PL)。在图4中，示出β＝10的例子。

图5是说明采用压电致动器的伺服控制的一个例子的示意定时图。在图5中，横向是时间轴，纵向并列地表示伺服数据闭锁使能信号S_LEY，驱动脉冲PL_YA、PL_YB，和伺服数据D_SVY的绝对值D_ABS。该例子是在S_LEY下降时闭锁的D_SVY的绝对值超过速度切换电平γ的大值的情况。当每次产生驱动脉冲时，D_ABS减少规定步长，并慢慢接近与透镜8的目标位置对应的0。在驱动开始时，D_ABS比γ大，在处理S86中选择产生驱动脉冲PL1。由此，透镜8以较大的步长移位。该步长基本上相当于在寄存器28中设定的作为分辨率χ_PL1的假定值，D_ABS被更新为仅减去χ_PL1后的值。在D_ABS比γ大的期间反复产生驱动脉冲PL1。

当D_ABS在γ以下时，在处理S86中选择产生驱动脉冲PL2，透镜8以比PL1小的步长移位(时刻t₁)。基于PL2的步长基本上相当于在寄存器28中设定的作为分辨率χ_PL2的假定值，D_ABS被更新为仅减去χ_PL2后的值。

这样，脉冲产生电路26可以切换由PL1使透镜8以大的步长移位的粗动动作和由PL2使透镜8以小的步长移位的微动动作。由此，即使在D_ABS大的情况下，也可以通过粗动动作，以在与伺服控制周期对应的期间T_DV内的有限驱动脉冲数量，将透镜8快速地接近目标位置。另一方面，如果通过微动动作，则接近目标位置时速度下降的另一面，可以实现最佳的位置精度。

具体地，如上所述，在D_ABS逐渐向0接近的过程中，通过切换为在D_ABS大的范围内进行粗动，在D_ABS小的范围内进行微动，可以同时减小向目标位置的到达速度的缩短和到达位置的精度的确保。

图6是说明采用压电致动器的伺服控制的另一个例子的示意定时图。在图6中与图5相同地，横向是时间轴，纵向并列地表示伺服数据闭锁使能信号S_LEY，驱动脉冲PL_YA、PL_YB，和伺服数据D_SVY的绝对值D_ABS。在该例子中，由于在S_LEY下降时闭锁的D_SVY的绝对值比较小，所以在驱动脉冲数到达上限值β之前，停止脉冲输出。例如，由于初始的D_ABS在γ以下，所以脉冲产生电路26开始产生进行微动的驱动脉冲PL2。当每次产生PL2时，D_ABS减少分辨率χ_PL2。脉冲产生电路26在检测到D_ABS未满χ_PL2时(图3的处理S94)，由于即使再产生驱动脉冲，透镜8也会通过目标位置，所以停止驱动脉冲输出(S98)，将推测为直到目标位置接近良好的当前位置，维持到下一个伺服控制周期的开始。

代替透镜8，本发明也可以用于由压电致动器使摄像元件移位的手抖校正系统中。此外，虽然上述实施方式涉及手抖校正系统，但是本发明通常可以适用于在自动对焦等其他伺服控制系统中使用的驱动压电致动器的电路。

此外，虽然在此可以采用占空比不同的两种驱动脉冲PL1、PL2而切换粗动和微动这两段速度，但是也可以构成为在寄存器28中存储更多的占空状态的定义信息而能够进行多段的速度切换。