JP2016004377A - 線形運動デバイス制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】線形運動デバイスを目標位置へ移動させる条件にかかわらず、線形運動デバイスのクローズドループの安定性を確保でき、操作対象の収束時間が短い線形運動デバイス制御回路を提供する。【解決手段】ＰＩＤ制御回路５１は、磁気センサの出力信号ＶＰＲＯＣ及び目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを入力とし、線形運動デバイスの操作量信号ＭＶを生成する。判定回路５２は、目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを判定閾値に基づいて判定する。ＰＩＤパラメータ選択回路５３は、判定回路の判定結果に基づいて、ＰＩＤパラメータ記憶部５４の複数のＰＩＤパラメータ５４−１，５４−２，・・・５４−ｎのいずれかを選択する。ＰＩＤパラメータ選択回路５３により選択されたＰＩＤパラメータに基づいてＰＩＤ制御を行う。【選択図】図４

Description

本発明は、線形運動デバイス制御回路に関し、より詳細には、線形運動デバイスを目標位置へ移動させる条件（目標値の微分量の大小）にかかわらず、線形運動デバイスのクローズドループの安定性を確保でき、操作対象の収束時間が短い線形運動デバイス制御回路に関する。特に、カメラモジュールのオートフォーカス機能に適用できるものである。

一般のデジタルカメラ及び携帯電話機、インターネットとの親和性が高く、パソコンの機能をベースとして作られた多機能携帯電話であるスマートフォン（ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅ）などに搭載されているカメラモジュールの多くには、オートフォーカス（ＡＦ）機能が搭載されている。このようなコンパクトなカメラに搭載されるオートフォーカス機能には、コントラスト検出方式が採用されることが多い。このコントラスト検出方式は、実際にレンズを移動させて、撮像画像内の被写体のコントラストが最大化されるレンズ位置を検出し、その位置にレンズを移動させる方式である。

このようなコントラスト検出方式は、被写体に赤外線や超音波を照射して、その反射波から被写体までの距離を測定するアクティブ方式と比較し、低コストで実現することができる。ただし、被写体のコントラストが最大化されるレンズ位置を探索するまでに時間がかかるという問題がある。そこで、ユーザがシャッターボタンを半押しした後、被写体にフォーカスを合わせるまでの処理が、短時間（例えば、１秒以内）に完了することが望まれている。

ところで、一般のデジタルカメラ及び携帯電話機などに搭載されているカメラモジュールの画素数は年々増加しており、これらコンパクトなカメラでも高精細な画像が撮影可能になってきている。高精細な画像では、ピントずれが目立ちやすくなるので、より高精度なオートフォーカス制御が求められている。
また、一般に、入力信号と、この入力信号に応じた変位とが一次関数で表されるデバイスは、線形運動デバイスと言われている。この種の線形運動デバイスには、例えば、カメラのオートフォーカスレンズなどがある。例えば、特許文献４では、オートフォーカスと手ブレ補正にクローズドループ制御を行う位置検出装置が開示されている。

図１は、従来の線形運動デバイスの制御装置を説明するための構成図である。図中符号１は磁気センサ、２はＡ／Ｄ変換回路、３はＰＩＤ制御回路、４はデバイス位置指令信号発生回路、５はＤ／Ａ変換回路、６は出力ドライバ、７は駆動コイル、８は移動体を示している。
磁気センサ１は、移動体８に取り付けられている磁石（図示せず）が発生する磁場を検出し、検出された磁場の値に対応する検出位置信号値Ｖｉｐを出力するものである。この磁気センサ１はホール素子であることが望ましい。

また、Ａ／Ｄ変換回路２は、磁気センサ１からの検出位置信号を増幅してＡ／Ｄ変換するもので、Ａ／Ｄ変換された検出位置信号値Ｖｉｐを得るものである。また、デバイス位置指令信号発生回路４は、移動体８を移動すべき目標位置を指示する目標位置信号値ＶＴＡＲＧ及びキャリブレーション実行信号を出力するもので、ＰＩＤ制御回路３に接続されている。

また、ＰＩＤ制御回路３は、移動体８の現在位置と目標補正位置信号値とにより指示される移動体８の目標位置とから、この移動体８を目標位置に移動させるための制御信号ＭＶを出力するものである。このＰＩＤ制御回路３からの出力信号ＭＶは、Ｄ／Ａ変換回路５によりＤ／Ａ変換され、出力ドライバ６により駆動コイル７に駆動電流が供給される。上述したような従来の線形運動デバイスの制御装置については、例えば、特許文献１に開示されている。

図２は、図１における従来の線形運動デバイスの制御装置の具体的な構成図である。図２においては、カメラモジュール３０のレンズ（移動体）３３の位置調整を行う制御装置２０に適用した場合について説明する。この制御装置（位置制御回路）２０は、例えば、ＩＣ回路として構成されている。なお、カメラモジュール３０は、線形運動デバイス３１と、レンズ３３を移動させる駆動コイル２９とで構成されている。したがって、駆動コイル２９に電流を流すことにより、磁石３２が移動され、その磁石３２に固定されているレンズ３３の位置調整が可能となる。

つまり、図２に示した線形運動デバイス３１の制御装置２０は、レンズ（移動体）３３に取り付けられた磁石３２を有する線形運動デバイス３１と、この線形運動デバイス３１の磁石３２の近傍に配置された駆動コイル２９とを備え、この駆動コイル２９にコイル電流が流れることによって発生する力により磁石３２を移動させるように構成されている。
図２に示した線形運動デバイス３１の制御装置２０は、駆動コイル２９の漏れ磁場により、磁気センサ２１がその漏れ磁場の影響を受けて検出誤差が生じるのを防止する対策を設けたものである。キャリブレーション演算回路２４は、検出磁場を取得する直前において駆動コイル２９への通電を停止する時間を有し、Ａ／Ｄ変換回路２３によりＡ／Ｄ変換された検出位置信号値Ｖｉｐに基づいて、線形運動デバイス３１のホーム位置に対応する第１の位置信号値ＮＥＧＣＡＬと、線形運動デバイス３１のフル位置に対応する第２の位置信号値ＰＯＳＣＡＬとから検出位置演算信号値ＶＰＲＯＣを得る。

漏れ磁場補正回路３４は、デバイス位置指令信号発生回路２６およびキャリブレーション演算回路２４に接続され、駆動コイル２９の漏れ磁場による磁気センサ２１の検出誤差を補正するものである。
図２において、ＰＩＤ制御回路２５は、キャリブレーション演算回路２４と漏れ磁場補正回路３４に接続され、キャリブレーション演算回路２４からの検出位置演算信号値ＶＰＲＯＣと漏れ磁場補正回路３４からの目標補正位置信号値ＶＴＡＲＧ’とを入力し、レンズ（移動体）３３の現在位置と目標補正位置信号値ＶＴＡＲＧ’とにより指示されるレンズ３３の目標位置とから、このレンズ３３を目標位置に移動させるための制御信号を出力するものである。

ＰＩＤ制御とは、フィードバック制御の一種で、入力値の制御を出力値と目標値との偏差とその積分及び微分の３つの要素によって行う方法のことである。基本的なフィードバック制御として比例制御（Ｐ制御）がある。これは入力値を出力値と目標値の偏差の一次関数として制御するものである。ＰＩＤ制御では、この偏差に比例して入力値を変化させる動作を比例動作あるいはＰ動作（ＰはＰＲＯＰＯＲＴＩＯＮＡＬの略）という。つまり、偏差のある状態が長い時間続けばそれだけ入力値の変化を大きくして目標値に近づけようとする役目を果たす。この偏差の積分に比例して入力値を変化させる動作を積分動作あるいはＩ動作（ＩはＩＮＴＥＧＲＡＬの略）という。このように比例動作と積分動作を組み合わせた制御方法をＰＩ制御という。この偏差の微分に比例して入力値を変化させる動作を微分動作あるいはＤ動作（ＤはＤＥＲＩＶＡＴＩＶＥ又はＤＩＦＦＥＲＥＮＴＩＡＬの略）という。このような比例動作と積分動作と微分動作を組み合わせた制御方法をＰＩＤ制御という。

図３（ａ）乃至（ｃ）は、従来からの種々のＰＩＤ制御回路を示すブロック図で、図３（ａ）は、古典型のＰＩＤ制御回路、図３（ｂ）は、微分先行型のＰＩＤ制御回路、図３（ｃ）は、比例微分先行型のＰＩＤ制御回路のブロック図である。図中符号４１は微分演算部（不完全微分）、４２は比例演算部、４３は積分演算部、４４はゲイン増幅部、４５は第１の偏差演算部、４６は制御出力演算部を示している。なお、これらのＰＩＤ制御回路については、例えば、特許文献２及び特許文献３に開示されている。

国際公開第２０１３／１７１９９８号 特開２００４−２２７４３２号公報 特開平１０−２０１２７３号公報 特開２０１４−５６０３１号公報

しかしながら、従来の構成では、目標値の微分量（初期値と最終値の差）などの線形運動デバイスを移動させる条件によって、線形運動デバイスのクローズドループの安定性が取れない場合がある。
特に、目標値の微分量が小さい場合は安定性がとれたとしても、微分量が大きい場合に安定性が取れないことがある。そして、安定性が取れない場合、操作対象の収束時間が長いという問題がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、線形運動デバイスを目標位置へ移動させる条件にかかわらず、線形運動デバイスのクローズドループの安定性を確保でき、操作対象の収束時間が短い線形運動デバイス制御回路を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、磁石（３２）を備えた線形運動デバイス（３１）の位置を磁気センサ（２１）により検出して、前記線形運動デバイス（３１）を目標値に基づいて目標位置に駆動する線形運動デバイス制御回路において、前記線形運動デバイスの目標位置指令信号を生成する目標位置指令信号生成回路（２６）と、前記磁気センサ（２１）の出力信号（ＶＰＲＯＣ）及び前記目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）を入力とし、前記線形運動デバイス（３１）の前記操作量信号（ＭＶ）を生成するＰＩＤ制御回路（５１）と、を備え、前記目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）に応じて、ＰＩＤパラメータ（５４−１，５４−２，・・・５４−ｎ）を切り替えてＰＩＤ制御するように前記ＰＩＤ制御回路（５１）が構成されていることを特徴とする。（実施形態１；図２，図４）

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）を判定閾値に基づいて判定する判定回路（５２）と、前記判定回路（５２）の判定結果に基づいて、ＰＩＤパラメータ記憶部（５４）の複数のＰＩＤパラメータ（５４−１，５４−２，・・・５４−ｎ）のいずれかを選択するＰＩＤパラメータ選択回路（５３）と、をさらに備え、前記ＰＩＤパラメータ選択回路（５３）により選択された前記ＰＩＤパラメータに基づいて前記ＰＩＤ制御回路（５１）のＰＩＤ制御を行うことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記ＰＩＤ制御回路（５１）は、前記磁気センサ（２１）の出力信号（ＶＰＲＯＣ）と前記目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）との第１の差演算部（１４５）による第１の差（Ｅ）に比例した比例値を出力する比例動作を行う比例演算部（１４２）と、前記第１の差（Ｅ）の時間積分に比例した積分値を出力する積分動作を行う積分演算部（１４３）と、前記出力信号の時間微分に比例した微分値を出力する微分動作を行う微分演算部（１４１）と、を備え、前記目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）に応じて、前記ＰＩＤ制御回路（５１）のＰＩＤパラメータの一部である前記比例演算部（１４２）と前記微分演算部（１４１）と前記積分演算部（１４３）の少なくとも１つの係数が切り替わることを特徴とする。（実施例１；図５）

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）を判定閾値に基づいて判定する判定回路（６２）と、前記判定回路（６２）の判定結果に基づいて、ＰＩＤパラメータ制御信号を生成するＰＩＤパラメータ制御信号生成回路（６３）と、を備え、前記ＰＩＤパラメータ制御信号に基づいたＰＩＤパラメータでＰＩＤ制御回路（６１）のＰＩＤ制御を行うことを特徴とする。（実施形態２；図２，図８）

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記ＰＩＤ制御回路（６１）は、前記磁気センサ（２１）の出力信号（ＶＰＲＯＣ）と前記目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）との第１の差演算部（１４５）による第１の差（Ｅ）に比例した比例値を出力する比例動作を行う比例演算部（１４２）と、前記第１の差（Ｅ）の時間積分に比例した積分値を出力する積分動作を行う積分演算部（１４３）と、前記出力信号（ＶＰＲＯＣ）の時間微分に比例した微分値を出力する微分動作を行う微分演算部（１４１）と、を備え、前記目標位置指令信号（ＶＴＡＲＧ）に応じて、前記ＰＩＤ制御回路（６１）のＰＩＤパラメータの一部である前記比例演算部（１４２）と前記微分演算部（１４１）と前記積分演算部（１４３）の少なくとも１つの係数が切り替わることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、前記ＰＩＤパラメータは、前記ＰＩＤ制御回路（５１，６１）のフィルタ特性を決定するパラメータであることを特徴とする。（実施形態１，２）
また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発明において、前記ＰＩＤ制御回路（５１）は、さらに、前記操作量信号（ＭＶ）をフィードバックする帰還部（１４８）と、前記比例演算部（１４２）と前記微分演算部（１４１）と前記積分演算部（１４３）の出力信号を加減算した信号を増幅して前記操作量信号（ＭＶ）を出力する増幅部（１４４）と、を備えていることを特徴とする。（実施例２；図６）

また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記ＰＩＤパラメータは、前記前記比例演算部の係数、前記微分演算部の係数、前記積分演算部の係数、前記帰還部の係数、前記増幅部の係数の少なくとも１つ以上を有することを特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発明において、前記ＰＩＤ制御回路は、ローパスフィルタ回路（１５１）と目標値フィルタ回路（１５２）を有し、前記ローパスフィルタ回路（１５１）を経由した前記位置信号と、前記目標値フィルタ回路（１５２）を経由した前記目標位置指令信号に対して、ＰＩＤ制御を行うことを特徴とする。（実施例３；図７）

また、請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の発明において、前記目標位置指令信号の変化量に応じて、前記ＰＩＤパラメータが切り替わることを特徴とする。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の発明において、前記目標位置指令信号の変化方向に応じて、前記ＰＩＤパラメータが切り替わることを特徴とする。
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の発明において、前記目標位置指令信号の過去の値に応じて、前記ＰＩＤパラメータが切り替わることを特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の発明において、前記目標位置指令信号の現在の値に応じて、前記ＰＩＤパラメータが切り替わることを特徴とする。
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の発明において、前記目標位置指令信号が入力された際に、前記ＰＩＤパラメータが切り替えられることを特徴とする。
また、請求項１５に記載の発明は、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の発明において、前記線形運動デバイスが、オートフォーカスレンズであることを特徴とする。

本発明によれば、線形運動デバイスを目標位置へ移動させる条件にかかわらず、線形運動デバイスのクローズドループの安定性を確保でき、操作対象の収束時間が短い線形運動デバイス制御回路を実現することができる。

従来の線形運動デバイスの制御装置を説明するための構成図である。 図１における従来の線形運動デバイスの制御装置の具体的な構成図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、従来からの種々のＰＩＤ制御回路を示すブロック図である。 本発明に係る線形運動デバイス制御回路の実施形態１を説明するためのブロック図である。 本発明に係る線形運動デバイス制御回路におけるＰＩＤ制御回路の実施例１を説明するための回路構成図である。 本発明に係る線形運動デバイス制御回路におけるＰＩＤ制御回路の実施例２を説明するための回路構成図である。 本発明に係る線形運動デバイス制御回路におけるＰＩＤ制御回路の実施例３を説明するための回路構成図である。 本発明に係る線形運動デバイス制御回路の実施形態２を説明するためのブロック図である。

＜実施形態１＞
図４は、本発明に係る線形運動デバイス制御回路の実施形態１を説明するためのブロック図である。図中符号５０は線形運動デバイス制御回路、５１はＰＩＤ制御回路、５２は判定回路、５３はＰＩＤパラメータ選択回路、５４はＰＩＤパラメータ記憶部、５４−１は第１のＰＩＤパラメータ、５４−２は第２のＰＩＤパラメータ、５４−ｎは第ｎのＰＩＤパラメータを示している。

なお、ＰＩＤ制御回路５１は、図２におけるＰＩＤ制御回路２５に相当し、入力信号Ｖｉｐ（ＶＰＲＯＣ）及び目標値ＶＴＡＲＧもそれぞれ図２に記載の信号に対応している。
本実施形態１の線形運動デバイス制御回路は、磁石３２を備えた線形運動デバイス３１の位置を磁気センサ２１により検出して、線形運動デバイス３１を操作量信号に基づいて目標位置に駆動する線形運動デバイス制御回路である。

ＰＩＤ制御回路５１は、磁気センサ２１の出力信号ＶＰＲＯＣ及び目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを入力とし、線形運動デバイス３１の操作量信号ＭＶを生成する。ＰＩＤ制御回路５１は、制御対象の入力信号ＶＰＲＯＣと目標値ＶＴＡＲＧとの差Ｅに基づいて制御出力（操作量信号）ＭＶを演算することで、入力信号ＶＰＲＯＣを目標値ＶＴＡＲＧに近づけ目標値に近い値に保持することを可能にしている。

また、判定回路５２は、目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを判定閾値に基づいて判定する。
また、ＰＩＤパラメータ選択回路５３は、判定回路５２の判定結果に基づいて、ＰＩＤパラメータ記憶部５４の複数のＰＩＤパラメータ５４−１，５４−２，・・・５４−ｎのいずれかを選択する。
実施形態１では、判定結果に基づいてＰＩＤパラメータ選択回路５３によりＰＩＤパラメータが選択され、選択されたＰＩＤパラメータに基づいてＰＩＤ制御回路５１のＰＩＤ制御が行われる。
このような構成により、線形運動デバイスを目標位置へ移動させる条件にかかわらず、線形運動デバイスのクローズドループの安定性を確保でき、操作対象の収束時間が短い線形運動デバイス制御回路を実現することができる。

ここで、ＰＩＤパラメータとは、ＰＩＤ制御回路のフィルタ特性を決定するパラメータである。具体的には、前記前記比例演算部の係数、前記微分演算部の係数、前記積分演算部の係数、前記帰還部の係数、前記増幅部の係数の少なくとも１つ以上を含む。また、微分演算部や積分演算部における演算にかかる処理時間などの係数も含んでよい。さらに、ＰＩＤ制御回路内部にＬＰＦや目標値フィルタ回路を有する場合、それらのフィルタ特性を決定するパラメータも含んでよい。

次に、具体的な判定条件について説明する。
１）ストローク量による判定条件
線形運動デバイスのストローク量に対応して、目標位置指令信号ＶＴＡＲＧの変化量（微分量）に応じて、ＰＩＤパラメータが切り替わるように構成されている。具体的には、下記の表１に示すように、現在の目標値をＳＶ（ｎ）、過去の目標値をＳＶ（ｎ−１）とし、両者の差分を判定閾値に基づいて判定する。

ストローク量が小さい短ストロークに対しては、例えば、静止摩擦の影響が表れやすい操作対象の場合、ストロークが短いためその静止摩擦の影響が大きくあらわれ、動きにくい。この為、操作量ＭＶの最大値が大きくなるようにＰＩＤ制御回路の低周波数帯域のゲインを大きくし（例えば、積分演算部の積分時間を短く、またはゲイン増幅部のゲインを大きく、もしくはその両方となるようなＰＩＤパラメータ）、安定性を確保するようにＰＩＤ制御回路の高周波数帯域の位相を進める（例えば、微分演算部の微分時間を長くするようなＰＩＤパラメータ）ようにＰＩＤパラメータに切り替える。

一方、ストローク量が大きい長ストロークに対しては、例えば、静止摩擦の影響が表れやすい操作対象の場合、短ストロークに比べ、静止摩擦の影響が小さく、動きやすくなる。この為、操作量ＭＶの最大値が小さくなるようにＰＩＤ制御回路の低周波数帯域のゲインを小さくし（例えば、積分演算部の積分時間を長く、またはゲイン増幅部のゲインを小さく、もしくはその両方となるようなＰＩＤパラメータ）、短ストロークよりさらに安定性を確保するようにＰＩＤ制御回路の高周波数帯域の位相を進める（例えば、微分演算部の微分時間を長くするようなＰＩＤパラメータ）ようにＰＩＤパラメータに切り替える。
また、このＰＩＤパラメータの選定は、ストローク幅により粘性など、異なるパラメータの影響が主因となる場合や、複合因になるような場合、摩擦等の非線形性が顕著になる場合など様々なケースにおいて、それぞれに合うＰＩＤパラメータにするべきであることは言うまでもない。

２）ストローク方向による判定条件
目標位置指令信号ＶＴＡＲＧの変化方向（符号）に応じて、ＰＩＤパラメータが切り替わるように構成されている。具体的には、下記の表１に示すように、現在の目標値をＳＶ（ｎ）、過去の目標値をＳＶ（ｎ−１）とし、両者の差分の正負に基づいて判定する。
正方向にストロークする場合と負方向にストロークする場合では、例えば、カメラモジュール内に使用されているヨーク構造による磁石への吸引力などの機械構造が大きく影響しており、正ストローク方向には動きやすいが、負ストローク方向には動きにくい構造や、その逆の構造等が存在し、それに対応してＰＩＤパラメータが選択されるように構成する。
また、それ以外の機械的な影響、例えば重力による影響等により、カメラモジュール内の移動体の動きやすさがストローク方向で変わる場合がある。このような場合は、重力方向を検知するセンサ信号並びに、それに準ずる信号も判定条件に入れてもよい。

３）現在位置による判定条件
現在位置に対応する目標位置指令信号ＶＴＡＲＧの過去の目標値に応じて、ＰＩＤパラメータが切り替わるように構成されている。具体的には、下記の表１に示すように、過去の目標値をＳＶ（ｎ−１）が現在位置に対応しているとして、過去の目標値を判定閾値に基づいて判定する。
例えば、理想的にはレンズの位置により、コイルから磁石にかかる力は同じであるが、カメラモジュールの小型化などにより、コイル及び磁石が小型化され、レンズの場所により、磁石へ印加されるコイルからの力はカメラモジュールの構造上のある分布を持つ。また、一般的に、カメラモジュールはヨークを含んであり、それが磁石を吸引しひきつける効果を持つ。そのため、操作対象の現在位置によって、力の強い部分、弱い部分に分かれ、ゲイン特性が異なる等、移動体そのものの動きやすさが、カメラモジュール機構上、場所で異なる。また、カメラモジュールによっては駆動部近傍にある粘性体やガイド等の摩擦・粘性特性で、移動体の動きやすさが場所で変わる。この為、これらの特徴に合わせて、おもに周波数特性を合わせたＰＩＤパラメータが選択されるように構成する。

４）目標位置による判定条件
目標位置に対応する目標位置指令信号ＶＴＡＲＧの目標値に応じて、ＰＩＤパラメータが切り替わるように構成されている。具体的には、下記の表１に示すように、目標値をＳＶ（ｎ）が目標位置に対応しているとして、目標値を判定閾値に基づいて判定する。
例えば、理想的にはレンズの位置により、コイルから磁石にかかる力は同じであるが、カメラモジュールの小型化などにより、コイル及び磁石が小型化され、レンズの場所により、磁石へ印加されるコイルからの力はカメラモジュールの構造上のある分布を持つ。また、一般的に、カメラモジュールはヨークを含んであり、それが磁石を吸引しひきつける効果を持つ。そのため、操作対象の現在位置によって、力の強い部分、弱い部分に分かれ、ゲイン特性が異なる等、移動体そのものの動きやすさが、カメラモジュール機構上、場所で異なる。また、カメラモジュールによっては駆動部近傍にある粘性体やガイド等の摩擦・粘性特性で、移動体の動きやすさが場所で変わる。この為、これらの特徴に合わせて、おもに周波数特性を合わせたＰＩＤパラメータが選択されるように構成する。
なお、表１において、現在の目標値をＳＶ（ｎ）、過去の目標値をＳＶ（ｎ−１）とし、第１のＰＩＤパラメータをＰＩＤ１とし、第２のＰＩＤパラメータをＰＩＤ２とする。

ＰＩＤパラメータとしては、上記判定条件に基づいて、比例演算における比例ゲイン、積分演算における積分時間、微分演算における微分時間などが異なるパラメータが少なくとも２以上用意される。
判定条件としては、上述のもの以外であってもよく、３つ以上の判定を行うものであってもよい。また、外部信号やそれに準ずる信号を判定条件に加えてもよい。

また、ＰＩＤパラメータは、目標位置指令信号として新たな目標位置に線形運動デバイスを駆動する信号が入力された際に切り替えられ、切り替えられたＰＩＤパラメータでＰＩＤ制御を行う。次、また新たな目標位置に線形運動デバイスを駆動する信号が入力された際に、ＰＩＤパラメータが切り替えられる。
なお、差は、偏差又は誤差も含む。

図５は、本発明に係る線形運動デバイス制御回路におけるＰＩＤ制御回路の実施例１を説明するための回路構成図で、図４に示した実施形態１におけるＰＩＤ制御回路５１の具体的な回路構成図である。図中符号１４１は微分演算部（不完全微分）、１４２は比例演算部、１４３は積分演算部、１４４はゲイン増幅部、１４５は第１の差演算部、１４６は制御出力演算部を示している。

本実施例１に係る線形運動デバイス制御回路は、磁石３２を備えた線形運動デバイス３１の位置を磁気センサ２１により検出して、線形運動デバイス３１を目標値に基づいて目標位置に駆動する線形運動デバイス制御回路である。
目標位置指令信号生成回路２６は、線形運動デバイス３１の目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを生成する。また、ＰＩＤ制御回路５１は、磁気センサ２１の出力信号ＶＰＲＯＣ及び目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを入力とし、線形運動デバイス３１の操作量信号ＭＶを生成する。

また、ＰＩＤ制御回路５１は、磁気センサ２１の出力信号ＶＰＲＯＣと目標位置指令信号ＶＴＡＲＧとの第１の差演算部１４５による第１の差Ｅに比例した比例値を出力する比例動作を行う比例演算部１４２と、第１の差Ｅの時間積分に比例した積分値を出力する積分動作を行う積分演算部１４３と、出力信号ＶＰＲＯＣの時間微分に比例した微分値を出力する微分動作を行う微分演算部１４１とを備えている。

つまり、本実施例１のＰＩＤ制御回路５１は、磁気センサ２１の出力信号ＶＰＲＯＣと目標位置指令信号ＶＴＡＲＧとの第１の差演算部１４５による第１の差Ｅに比例した比例値を出力する比例動作を行う比例演算部１４２と、第１の差Ｅの時間積分に比例した積分値を出力する積分動作を行う積分演算部１４３と、出力信号ＶＰＲＯＣの時間微分に比例した微分値を出力する微分動作を行う微分演算部１４１と、入力信号ＶＰＲＯＣを微分（Ｄ）演算し第１の差Ｅを比例（Ｐ）演算と積分（Ｉ）演算してそれぞれを加算してゲイン増幅して操作量ＭＶを出力するゲイン増幅部１４４とを備えている。

ＰＩＤ制御は、比例演算部１４２による差Ｅに比例した比例値を出力する比例動作（Ｐ動作）と、積分演算部１４３による差Ｅの時間積分に比例した積分値を出力する積分動作（Ｉ動作）と、微分演算部１４１による入力信号ＶＰＲＯＣの時間微分に比例した微分値を出力する微分動作（Ｄ動作）との３つの動作を組み合わせて制御を行っている。
また、ＰＩＤ制御回路は、ＰＩＤパラメータ選択回路からのＰＩＤパラメータによって、適正なパラメータに設定される。このような構成により、目標位置指令信号ＶＴＡＲＧに応じて、比例演算部１４２と微分演算部１４１と積分演算部１４３のパラメータが切り替わる。それによって、動特性の異なる様々な機器の制御が可能となる。

差演算部１４５は、目標値ＶＴＡＲＧと磁気センサ（図２における符号２１に相当）からの入力信号ＶＰＲＯＣとの差Ｅを演算するためのものである。
比例演算部１４２は、差演算部１４５から出力された差Ｅに比例した比例値ＫＰを出力するためのものであり、従来のＰＩＤ制御におけるＰ動作に該当する。
積分演算部１４３は、差演算部１４５から出力された差Ｅの時間積分に比例した積分値ＫＩを出力するためのものであり、従来のＰＩＤ制御におけるＩ動作に該当する。

微分演算部１４１は、磁気センサからの入力信号ＶＰＲＯＣの時間微分に比例した微分値ＫＤを出力するためのものであり、従来のＰＩＤ制御におけるＤ動作に該当する。
制御出力演算部１４６は、比例演算部１４２と積分演算部１４３と微分演算部１４１とからの出力に基づいて、ゲイン増幅器１４４を介して制御出力値（操作量）ＭＶを演算するためのものである。具体的には、制御出力演算部１４６は、比例演算部１４２と積分演算部１４３と微分演算部１４１とから出力された比例値ＫＰと、積分値ＫＩと、微分値ＫＤとの総和を演算して制御対象へ出力する。
帰還部４８では操作量信号ＭＶに対し、最も単純には、スケーリング係数を乗算した構成を採用するが、操作量信号ＭＶを適切なフィルタや、変調、演算する構成であってもよい。

本実施例は、１つのＰＩＤ制御構成での実施例を表しているが、それ以外のＰＩＤ構成であってもよく、その構成が変化するものであってもよい。
なお、操作量信号を、積分演算部へフィードバックする形態に加えて、比例演算部、微分演算部、及び両方へフィードバックする形態であってもよい。また、操作量信号のフィードバックは、帰還部の出力信号のフィードバック、帰還部の出力と絶対値演算部の乗算結果のフィードバック、及び、それらに準じる信号をフィードバックする形態であってもよい。

図６は、本発明に係る線形運動デバイス制御回路におけるＰＩＤ制御回路の実施例２を説明するための回路構成図で、図４に示した実施形態１におけるＰＩＤ制御回路５１の他の具体的な回路構成図である。図中符号１４７は帰還演算部、１４８は帰還部を示している。なお、図５と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例２のＰＩＤ制御回路５１は、さらに、操作量信号ＭＶを積分演算部１４３の入力へ帰還する帰還部１４８と、比例演算部１４２と微分演算部１４１と積分演算部１４３の出力信号を加減算した信号を増幅して操作量信号ＭＶを出力する増幅部１４４とを備えている。

つまり、本実施例２のＰＩＤ制御回路５１は、磁気センサ２１の出力信号ＶＰＲＯＣと目標位置指令信号ＶＴＡＲＧとの第１の差演算部１４５による第１の差Ｅに比例した比例値を出力する比例動作を行う比例演算部１４２と、第１の差Ｅの時間積分に比例した積分値を出力する積分動作を行う積分演算部１４３と、出力信号ＶＰＲＯＣの時間微分に比例した微分値を出力する微分動作を行う微分演算部１４１と、入力信号ＶＰＲＯＣを微分（Ｄ）演算し第１の差Ｅを比例（Ｐ）演算と積分（Ｉ）演算してそれぞれを加算してゲイン増幅して操作量ＭＶを出力するゲイン増幅部１４４と、操作量信号ＭＶを積分演算部１４３の入力側にフィードバックする帰還部１４８とを備えている。

また、ＰＩＤ制御回路は、ＰＩＤパラメータ選択回路からのＰＩＤパラメータによって、適正なパラメータに設定される。このような構成により、目標位置指令信号ＶＴＡＲＧに応じて、比例演算部１４２と微分演算部１４１と積分演算部１４３のパラメータが切り替わる。それによって、動特性の異なる様々な機器の制御が可能となる。
また、積分演算部１４２は、第１の差Ｅと帰還部１４８の出力信号との帰還演算部１４７による第２の差Ｆを積分する。また、移動体３３は、オートフォーカスレンズの線形運動デバイスであることを可能としている。
つまり、積分演算部１４３の前段に帰還演算部１４７を設け、ゲイン増幅器１４４からの制御出力値（操作量）ＭＶを、帰還部１４８を介して積分演算部１４３の入力へフィードバックする構成により、目標値変化時の過渡的区間においてＰＩＤ制御回路の制御性が向上される。それによって、安定性が向上し、さらに、応答性も向上する。

図７は、本発明に係る線形運動デバイス制御回路におけるＰＩＤ制御回路の実施例３を説明するための回路構成図で、図４に示した実施形態１におけるＰＩＤ制御回路５１の他の具体的な回路構成図である。図中符号１４７は帰還演算部、１４８は帰還部、１５１はローパスフィルタ（ＬＰＦ；１次）回路、１５２は目標値フィルタ回路を示している。なお、図６と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
本実施例３のＰＩＤ制御回路５１は、さらに、入力信号が入力されるＬＰＦ回路１５１と、目標値指令信号が入力される目標値フィルタ回路１５２とを備えている。

つまり、本実施例３のＰＩＤ制御回路５１は、磁気センサ２１の出力信号ＶＰＲＯＣが入力されるＬＰＦ回路１５１と、目標位置指令信号ＶＴＡＲＧが入力される目標値フィルタ回路１５２と、ＬＰＦ回路１５１の出力と目標値フィルタ回路１５２の出力との第１の差演算部１４５による第１の差Ｅに比例した比例値を出力する比例動作を行う比例演算部１４２と、第１の差Ｅの時間積分に比例した積分値を出力する積分動作を行う積分演算部１４３と、ＬＰＦ回路１５１の出力信号の時間微分に比例した微分値を出力する微分動作を行う微分演算部１４１と、ＬＰＦ回路１５１の出力信号を微分（Ｄ）演算し第１の差Ｅを比例（Ｐ）演算と積分（Ｉ）演算してそれぞれを加算してゲイン増幅して操作量信号ＭＶを出力するゲイン増幅部１４４と、操作量信号ＭＶを積分演算部１４３の入力側にフィードバックする帰還部１４８とを備える。

また、ＰＩＤ制御回路は、ＰＩＤパラメータ選択回路からのＰＩＤパラメータによって、適正なパラメータに設定される。ＰＩＤパラメータとしては、ＬＰＦ回路及び目標値フィルタ回路のパラメータも含む。
なお、目標値フィルタ回路１５２としては、主に位相進み遅れ補償要素を持ったフィルタ回路である。目標値フィルタ回路１５２のパラメータには、位相遅れ要素の時定数τ１がＰＩＤ制御回路５１の積分演算部４３における積分時間に比例した時定数となるような第１のパラメータと、位相進み要素の時定数τ２が位相遅れ要素の時定数τ１に比例した時定数となるような第２のパラメータと、が設定される。しかしながら、目標値ＶＴＡＲＧの生成波形を任意に調整できるフィルタ、演算などの構成であれば、どのような形態であってもよい。

このような構成により、目標位置指令信号ＶＴＡＲＧに応じて、ＰＩＤパラメータが切り替わる。それによって、動特性の異なる様々な機器の制御が可能となる。
また、積分演算部１４２は、第１の差Ｅと帰還部１４８の出力信号との帰還演算部１４７による第２の差Ｆを積分する。
実施例３では、ＬＰＦ回路と目標値フィルタ回路とを備える構成とし、フィルタの時定数も含めて適切なＰＩＤパラメータを切り替えてＰＩＤ制御を行うことができる。

＜実施形態２＞
図８は、本発明に係る線形運動デバイス制御回路の実施形態２を説明するためのブロック図である。図中符号６０は線形運動デバイス制御回路、６１はＰＩＤ制御回路、６２は判定回路、６３はＰＩＤパラメータ制御信号生成回路を示している。
本実施形態２の線形運動デバイス制御回路は、磁石３２を備えた線形運動デバイス３１の位置を磁気センサ２１により検出して、線形運動デバイス３１を目標値に基づいて目標位置に駆動する線形運動デバイス制御回路である。

ＰＩＤ制御回路６１は、磁気センサ２１の出力信号ＶＰＲＯＣ及び目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを入力とし、線形運動デバイス３１の操作量信号ＭＶを生成する。また、判定回路６２は、目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを判定閾値に基づいて判定する。また、ＰＩＤパラメータ制御信号生成回路６３は、判定回路６２の判定結果に基づいて、ＰＩＤパラメータ制御信号を発生する。

このような構成により、ＰＩＤパラメータ制御信号生成回路６３によりＰＩＤパラメータ制御信号に基づいてＰＩＤ制御回路６１のＰＩＤ制御を行う。
また、図８におけるＰＩＤ制御回路６１においても上述した図５乃至図７のＰＩＤ制御回路を適用することができることは言うまでもない。
目標位置指令信号生成回路２６は、線形運動デバイス３１の目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを生成する。また、ＰＩＤ制御回路６１は、磁気センサ２１の出力信号ＶＰＲＯＣ及び目標位置指令信号ＶＴＡＲＧを入力とし、線形運動デバイス３１の操作量信号ＭＶを生成する。

また、ＰＩＤ制御回路６１は、磁気センサ２１の出力信号ＶＰＲＯＣと目標位置指令信号ＶＴＡＲＧとの第１の差演算部１４５による第１の差Ｅに比例した比例値を出力する比例動作を行う比例演算部１４２と、第１の差Ｅの時間積分に比例した積分値を出力する積分動作を行う積分演算部１４３と、出力信号ＶＰＲＯＣの時間微分に比例した微分値を出力する微分動作を行う微分演算部１４１とを備え、目標位置指令信号ＶＴＡＲＧに応じて、比例演算部１４２と微分演算部１４１と積分演算部１４３の係数が切り替わるように構成されている。

また、ＰＩＤ制御回路６１は、さらに、操作量信号ＭＶを積分演算部１４３の入力へ帰還する帰還部１４８と、比例演算部１４２と微分演算部１４１と積分演算部１４３の出力信号を加減算した信号を増幅して操作量信号ＭＶを出力するゲイン増幅部１４４とを備えている。
また、目標位置指令信号ＶＴＡＲＧの変化量（微分量）に応じて、係数が切り替わるように構成されている。また、目標位置指令信号ＶＴＡＲＧの変化方向（符号）に応じて、係数が切り替わるように構成されている。

図４に示した実施形態１においては、ＰＩＤパラメータ記憶部５４を設けていたが、ＰＩＤパラメータを保持する構成でなくても、判定回路の判定結果からＰＩＤパラメータを調整（制御）できる構成（判定回路の判定信号からＰＩＤ制御回路の一部（又は全部）を調整するような構成）であっても良い。
本実施形態２の線形運動デバイス制御回路６０は、制御対象の入力信号ＶＰＲＯＣと目標値ＶＴＡＲＧを入力して操作量ＭＶを出力するＰＩＤ制御回路６１と、目標値ＶＴＡＲＧを判定閾値に基づいて判定する判定回路６２と、この判定回路６２の判定結果に基づいて、ＰＩＤパラメータ制御信号を発生するＰＩＤパラメータ制御信号生成回路６３とを備え、このＰＩＤパラメータ制御信号生成回路６３によりＰＩＤパラメータを調整（制御）できるように構成されている。

１ 磁気センサ
２ Ａ／Ｄ変換回路
３ ＰＩＤ制御回路
４ デバイス位置（目標位置）指令信号発生回路
５ Ｄ／Ａ変換回路
６ 出力ドライバ
７ 駆動コイル
８ 移動体
１３ ＰＩＤ制御装置
２０ 制御装置（位置制御回路）
２１ 磁気センサ
２２ 増幅器
２３ Ａ／Ｄ変換回路
２４ キャリブレーション演算回路
２５ ＰＩＤ制御回路
２６ 目標位置指令信号発生回路
２８ａ，２８ｂ 第１及び第２の出力ドライバ
２９ 駆動コイル
３０ カメラモジュール
３１ 線形運動デバイス
３２ 磁石
３３ レンズ（移動体）
３４ 漏れ磁場補正回路
４１，１４１ 微分演算部（不完全微分）
４２，１４２ 比例演算部
４３，１４３ 積分演算部
４４，１４４ ゲイン増幅部
４５，１４５ 第１の差演算部
４６，１４６ 制御出力演算部
５０，６０ 線形運動デバイス制御回路
５１，６１ ＰＩＤ制御回路
５２，６２ 判定回路
５３ ＰＩＤパラメータ選択回路
５４ ＰＩＤパラメータ記憶部
５４−１ 第１のＰＩＤパラメータ
５４−２ 第２のＰＩＤパラメータ
５４−ｎ 第ｎのＰＩＤパラメータ
６３ ＰＩＤパラメータ制御信号生成回路
１４７ 帰還演算部
１４８ 帰還部
１５１ ＬＰＦ回路（１次）
１５２ 目標値フィルタ回路

Claims (15)

1. 磁石を備えた線形運動デバイスの位置を磁気センサにより検出して、前記線形運動デバイスを操作量信号に基づいて目標位置に駆動する線形運動デバイス制御回路において、
   前記線形運動デバイスの目標位置指令信号を生成する目標位置指令信号生成回路と、
   前記磁気センサの出力信号及び前記目標位置指令信号を入力とし、前記線形運動デバイスの前記操作量信号を生成するＰＩＤ制御回路と、を備え、
   前記目標位置指令信号に応じて、ＰＩＤパラメータを切り替えてＰＩＤ制御するように前記ＰＩＤ制御回路が構成されている線形運動デバイス制御回路。
2. 前記目標位置指令信号を判定閾値に基づいて判定する判定回路と、
   前記判定回路の判定結果に基づいて、ＰＩＤパラメータ記憶部の複数のＰＩＤパラメータのいずれかを選択するＰＩＤパラメータ選択回路と、をさらに備え、
   前記ＰＩＤパラメータ選択回路により選択された前記ＰＩＤパラメータに基づいて前記ＰＩＤ制御回路のＰＩＤ制御を行う請求項１に記載の線形運動デバイス制御回路。
3. 前記ＰＩＤ制御回路は、前記磁気センサの出力信号と前記目標位置指令信号との第１の差演算部による第１の差に比例した比例値を出力する比例動作を行う比例演算部と、前記第１の差の時間積分に比例した積分値を出力する積分動作を行う積分演算部と、前記出力信号の時間微分に比例した微分値を出力する微分動作を行う微分演算部と、を備え、
   前記目標位置指令信号に応じて、前記ＰＩＤ制御回路のＰＩＤパラメータの一部である前記比例演算部と前記微分演算部と前記積分演算部の少なくとも１つの係数が切り替わる請求項１又は２に記載の線形運動デバイス制御回路。
4. 前記目標位置指令信号を判定閾値に基づいて判定する判定回路と、
   前記判定回路の判定結果に基づいて、ＰＩＤパラメータ制御信号を生成するＰＩＤパラメータ制御信号生成回路と、を備え、
   前記ＰＩＤパラメータ制御信号に基づいたＰＩＤパラメータでＰＩＤ制御回路のＰＩＤ制御を行う請求項１に記載の線形運動デバイス制御回路。
5. 前記ＰＩＤ制御回路は、前記磁気センサの出力信号と前記目標位置指令信号との第１の差演算部による第１の差に比例した比例値を出力する比例動作を行う比例演算部と、前記第１の差の時間積分に比例した積分値を出力する積分動作を行う積分演算部と、前記出力信号の時間微分に比例した微分値を出力する微分動作を行う微分演算部と、を備え、
   前記目標位置指令信号に応じて、前記ＰＩＤ制御回路のＰＩＤパラメータの一部である前記比例演算部と前記微分演算部と前記積分演算部の少なくとも１つの係数が切り替わる請求項４に記載の線形運動デバイス制御回路。
6. 前記ＰＩＤパラメータは、前記ＰＩＤ制御回路のフィルタ特性を決定するパラメータである請求項１〜５のいずれか一項に記載の線形運動デバイス制御回路。
7. 前記ＰＩＤ制御回路は、さらに、前記操作量信号をフィードバックする帰還部と、前記比例演算部と前記微分演算部と前記積分演算部の出力信号を加減算した信号を増幅して前記操作量信号を出力する増幅部と、を備えている請求項１〜６のいずれか一項に記載の線形運動デバイス制御回路。
8. 前記ＰＩＤパラメータは、前記前記比例演算部の係数、前記微分演算部の係数、前記積分演算部の係数、前記帰還部の係数、前記増幅部の係数の少なくとも１つ以上を有する請求項７に記載の線形運動デバイス制御回路。
9. 前記ＰＩＤ制御回路は、ローパスフィルタ回路と目標値フィルタ回路を有し、前記ローパスフィルタ回路を経由した前記位置信号と、前記目標値フィルタ回路を経由した前記目標位置指令信号に対して、ＰＩＤ制御を行う請求項１〜８のいずれか一項に記載の線形運動デバイス制御回路。
10. 前記目標位置指令信号の変化量に応じて、前記ＰＩＤパラメータが切り替わる請求項１〜９のいずれか一項に記載の線形運動デバイス制御回路。
11. 前記目標位置指令信号の変化方向に応じて、前記ＰＩＤパラメータが切り替わる請求項１〜１０のいずれか一項に記載の線形運動デバイス制御回路。
12. 前記目標位置指令信号の過去の値に応じて、前記ＰＩＤパラメータが切り替わる請求項１〜１１のいずれか一項に記載の線形運動デバイス制御回路。
13. 前記目標位置指令信号の現在の値に応じて、前記ＰＩＤパラメータが切り替わる請求項１〜１２のいずれか一項に記載の線形運動デバイス制御回路。
14. 前記目標位置指令信号が入力された際に、前記ＰＩＤパラメータが切り替えられる請求項１〜１３のいずれか一項に記載の線形運動デバイス制御回路。
15. 前記線形運動デバイスが、オートフォーカスレンズである請求項１〜１４のいずれか一項に記載の線形運動デバイス制御回路。

Images