本發(fā)明涉及用于振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置、振動(dòng)型致動(dòng)器的控制方法、驅(qū)動(dòng)裝置、圖像拾取裝置和自動(dòng)鏡臺(tái)。

背景技術(shù)：

振動(dòng)型馬達(dá)將被描述為振動(dòng)型致動(dòng)器的示例。振動(dòng)型馬達(dá)是非電磁驅(qū)動(dòng)型的馬達(dá)，其構(gòu)造成通過將交流電壓施加至機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件而在聯(lián)接到彈性構(gòu)件的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件例如壓電元件中生成高頻振動(dòng)并且以連續(xù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的形式提取機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件的振動(dòng)能量。

當(dāng)通過使用振動(dòng)型馬達(dá)使作為驅(qū)動(dòng)目標(biāo)的從動(dòng)構(gòu)件在短時(shí)間內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置時(shí)，如果將振動(dòng)型馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)控制成使得從動(dòng)構(gòu)件在短時(shí)間內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，則與加速或者減速時(shí)發(fā)生的跟隨延遲相關(guān)聯(lián)的位置偏差可能會(huì)惡化。

為了解決該問題，已經(jīng)提出以下的控制方法。

日本專利No.4585346公開了通過組合前饋控制和反饋控制來控制振動(dòng)型馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)頻率的方法。具體地，使用通過將速度前饋值加到比例-積分-微分(PID)控制器前段并且通過以表格數(shù)據(jù)的形式逐次更新速度前饋值所獲得的結(jié)果作為控制量來控制驅(qū)動(dòng)頻率。日本專利特開No.2004-129458公開了通過使用控制量來實(shí)施前饋控制的方法，通過振動(dòng)型馬達(dá)的逆模型確定所述控制量。

然而，常規(guī)技術(shù)中的振動(dòng)型馬達(dá)所用的控制裝置遵循的是應(yīng)用于電磁馬達(dá)的典型前饋控制的構(gòu)造，其中僅用振動(dòng)型馬達(dá)替換了電磁馬達(dá)。示例包括：使用將加速度前饋值加到PID控制器后段所獲得的結(jié)果作為馬達(dá)控制量的構(gòu)造；以及將速度前饋值加到PID控制器前段的構(gòu)造。這些前饋控制方法對(duì)于利用電流控制轉(zhuǎn)矩的電磁馬達(dá)是有效的。

另一方面，本發(fā)明涉及的振動(dòng)型致動(dòng)器的一方面通過用于驅(qū)動(dòng)的交流電壓的頻率或者相位差來控制致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)。因此，本發(fā)明的一方面能夠提供用于振動(dòng)型致動(dòng)器例如前述致動(dòng)器的前饋控制方法，并且所述前饋控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)加速或減速的高速跟隨。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種用于振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置。所述控制裝置包括控制單元，所述控制單元構(gòu)造成通過對(duì)反饋量和速度前饋量求和來生成信號(hào)，所述信號(hào)包含用于控制振動(dòng)器的信息，其中，以振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置以及關(guān)于該相對(duì)位置的指令值之間的差值為基礎(chǔ)通過積分處理和微分處理中的至少一種獲得所述反饋量，根據(jù)該指令值隨著時(shí)間的變化而獲得所述速度前饋量。通過驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器來改變振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置。

本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種用于振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置。所述控制裝置包括控制單元，所述控制單元構(gòu)造成通過對(duì)反饋量和速度前饋量求和來生成信號(hào)，所述信號(hào)包含用于控制在振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)單元中生成的橢圓運(yùn)動(dòng)的橢圓比和振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向中的至少一種的信息，所述反饋量以振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置以及關(guān)于該相對(duì)位置的指令值之間的差值為基礎(chǔ)，根據(jù)該指令值隨著時(shí)間的變化而獲得所述速度前饋量。能夠通過驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器來改變振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置。

本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種振動(dòng)型致動(dòng)器的控制方法，其中，振動(dòng)器被驅(qū)動(dòng)成改變振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置。所述方法包括以下步驟：獲得反饋量，其中，以振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置以及關(guān)于該相對(duì)位置的指令值之間的差值為基礎(chǔ)，通過積分處理和微分處理中的至少一種獲得所述反饋量；根據(jù)該指令值隨著時(shí)間的變化而獲得速度前饋量；并且通過對(duì)反饋量和速度前饋量求和來生成信號(hào)，所述信號(hào)包含用于控制振動(dòng)器的信息。

另外，本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種振動(dòng)型致動(dòng)器的控制方法，其中，振動(dòng)器被驅(qū)動(dòng)成改變振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置。所述方法包括以下步驟：獲得反饋量，其中，以振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置以及關(guān)于該相對(duì)位置的指令值之間的差值為基礎(chǔ)獲得所述反饋量；根據(jù)該指令值隨著時(shí)間的變化而獲得速度前饋量；并且通過對(duì)反饋量和速度前饋量求和來生成信號(hào)，所述信號(hào)包含用于控制在振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)單元中生成的橢圓運(yùn)動(dòng)的橢圓比和振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向中的至少一種的信息。

此外，本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種用于振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置。所述控制裝置包括控制單元，所述控制單元構(gòu)造成通過對(duì)反饋量和速度前饋量求和來生成信號(hào)，所述信號(hào)包含用于控制在振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)單元中生成的橢圓運(yùn)動(dòng)的橢圓比和振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向中的至少一種的信息，所述反饋量以振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置以及關(guān)于該相對(duì)位置的指令值之間的差值為基礎(chǔ)，根據(jù)該指令值隨著時(shí)間的變化而獲得所述速度前饋量。能夠通過驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器來改變振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置。

參照附圖，根據(jù)以下對(duì)示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的其它特征將變得顯而易見。

附圖說明

圖1圖解了根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的用于振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置的示例。

圖2A至圖2D是用于描述線性驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)型致動(dòng)器的示例的驅(qū)動(dòng)原理的示意圖。

圖3是用于描述鏡筒的透鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示例的示意圖。

圖4圖解了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的控制量計(jì)算單元的構(gòu)造示例。

圖5A和圖5B是用于描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的相位差和頻率確定單元的輸出示例的示意圖。

圖6A和6B圖解了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)單元的構(gòu)造示例。

圖7A是根據(jù)第一比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的示意性方塊圖，圖7B是根據(jù)本示例性實(shí)施例和第一比較例的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖(Bode diagram)。

圖8A是根據(jù)第二比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的示意性方塊圖，圖8B是根據(jù)本示例性實(shí)施例和第二比較例的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。

圖9A是根據(jù)第三比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的示意性方塊圖，圖9B是根據(jù)本示例性實(shí)施例和第三比較例的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。

圖10是根據(jù)第一示例性實(shí)施例在前饋增益變化的情況下的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。

圖11是在PID計(jì)算單元中加入了二階微分器以及未加入二階微分器的情況下所獲得的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。

圖12A和圖12B圖解了透鏡相對(duì)于在通過使用根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的控制裝置示例來驅(qū)動(dòng)聚焦透鏡時(shí)獲得的指令位置的跟隨精度的測(cè)量結(jié)果。

圖13圖解了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置的一個(gè)示例，其中，僅雙相驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差受到前饋控制。

圖14圖解了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置的另一個(gè)示例，其中，分別針對(duì)相位差和頻率調(diào)節(jié)前饋量。

圖15A和圖15B圖解了在用置于從動(dòng)構(gòu)件上的負(fù)荷驅(qū)動(dòng)根據(jù)第二示例性實(shí)施例的控制裝置時(shí)獲得的相對(duì)于指令位置的跟隨精度的測(cè)量結(jié)果。

圖16A是圖解了用作根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的控制裝置的一個(gè)應(yīng)用示例的圖像拾取裝置的外觀的平面圖，圖16B是圖解了圖像拾取裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖17圖解了用作根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的控制裝置的另一個(gè)應(yīng)用示例的顯微鏡的外觀。

具體實(shí)施方式

第一示例性實(shí)施例

將參照附圖描述能夠應(yīng)用于本發(fā)明的振動(dòng)型致動(dòng)器的示例。根據(jù)本示例性實(shí)施例的振動(dòng)型致動(dòng)器20包括振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件。

圖2A至圖2D是用于描述用作振動(dòng)型致動(dòng)器示例的線性驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)型致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)原理的示意圖。圖2A中示出的振動(dòng)型馬達(dá)包括振動(dòng)器113和從動(dòng)構(gòu)件114。振動(dòng)器113包括彈性構(gòu)件203和結(jié)合到彈性構(gòu)件203的、作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件的壓電元件204。從動(dòng)構(gòu)件114由振動(dòng)器113驅(qū)動(dòng)。交流電壓被施加到壓電元件204。由此，生成例如圖2C和2D中示出的兩種振動(dòng)模型，并且與突起部分202加壓接觸的從動(dòng)構(gòu)件114沿著由箭頭表示的方向運(yùn)動(dòng)。

圖2B圖解了壓電元件204的電極圖形，例如沿著長(zhǎng)度方向兩等分的電極區(qū)域形成于振動(dòng)器113的壓電元件204中。電極區(qū)域的極化方向是相同的(+)方向。交流電壓(VB)施加到壓電元件204的兩個(gè)電極區(qū)域中的位于圖2B右側(cè)的一個(gè)，交流電壓(VA)施加到位于左側(cè)的另一個(gè)電極區(qū)域。

當(dāng)交流電壓VB和VA的頻率接近于第一振動(dòng)模式的共振頻率并且同相時(shí)，整個(gè)壓電元件204(兩個(gè)電極區(qū)域)都在同一時(shí)刻延伸且在另一時(shí)刻收縮。結(jié)果，在振動(dòng)器113中生成如圖2C所示的第一振動(dòng)模式的振動(dòng)。由此，在突起部分202中生成沿著上突方向(Z方向)的位移。

另一方面，當(dāng)交流電壓VB和VA的頻率接近于第二振動(dòng)模式的共振頻率并且相對(duì)于彼此異相180度時(shí)，在同一時(shí)刻壓電元件204右側(cè)的電極區(qū)域收縮且左側(cè)的電極區(qū)域延伸。這種關(guān)系在另一時(shí)刻逆轉(zhuǎn)。結(jié)果，在振動(dòng)器113中生成如圖2D所示的第二振動(dòng)模式的振動(dòng)。由此在突起部分202中生成沿著驅(qū)動(dòng)方向(給送方向，X方向)的位移。

因此，通過將頻率接近于第一振動(dòng)模式和第二振動(dòng)模式的共振頻率的交流電壓施加到壓電元件204的電極，能夠生成將第一振動(dòng)模式和第二振動(dòng)模式進(jìn)行合成的振動(dòng)。

以這種方式，因?yàn)楹铣闪藘煞N振動(dòng)模式，所以突起部分202沿著圖2D示出的垂直于Y方向(該Y方向垂直于X方向和Z方向)的區(qū)段進(jìn)行橢圓運(yùn)動(dòng)。該橢圓運(yùn)動(dòng)致使從動(dòng)構(gòu)件114沿著由圖2A中的箭頭表示的方向被驅(qū)動(dòng)。從動(dòng)構(gòu)件114相對(duì)于振動(dòng)器113的運(yùn)動(dòng)所遵循的方向或者換言之由振動(dòng)器113驅(qū)動(dòng)從動(dòng)構(gòu)件114所遵循的方向(在該示例中為X方向)被稱作驅(qū)動(dòng)方向。

能夠通過改變輸入到兩等分的兩個(gè)電極的交流電壓的相位差來改變第一振動(dòng)模式和第二振動(dòng)模式的發(fā)生比。在該振動(dòng)型馬達(dá)中，能夠通過改變第一振動(dòng)模式和第二振動(dòng)模式的發(fā)生比來改變從動(dòng)構(gòu)件的速度。

盡管已經(jīng)在先前的描述中描述了振動(dòng)器113靜止且從動(dòng)構(gòu)件114運(yùn)動(dòng)的情況作為示例，但是本發(fā)明并不局限于此模式。只要在從動(dòng)構(gòu)件114和振動(dòng)器113相互接觸處的從動(dòng)構(gòu)件114的部分和振動(dòng)器113的部分的位置能夠相對(duì)于彼此改變就足夠了。例如，從動(dòng)構(gòu)件114可以是固定的，且振動(dòng)器113是可動(dòng)的?？蛇x地，從動(dòng)構(gòu)件114和振動(dòng)器114兩者都可以是可動(dòng)的。換言之，在本發(fā)明中，術(shù)語“驅(qū)動(dòng)”指的是改變從動(dòng)構(gòu)件和振動(dòng)器的相對(duì)位置，并且從動(dòng)構(gòu)件位置(例如，相對(duì)于作為參照的容置從動(dòng)構(gòu)件和振動(dòng)器的殼體的位置的從動(dòng)構(gòu)件位置)的改變不是必需的。

振動(dòng)型致動(dòng)器例如被用于照相機(jī)的自動(dòng)聚焦驅(qū)動(dòng)。自動(dòng)聚焦驅(qū)動(dòng)要求高精度的定位控制，并且例如使用傳感器實(shí)施位置反饋控制。能夠通過調(diào)節(jié)施加到壓電元件的交流電壓的頻率、兩相信號(hào)的相位差、脈沖持續(xù)時(shí)間等來控制振動(dòng)型致動(dòng)器的速度。例如，振動(dòng)的振幅隨著驅(qū)動(dòng)頻率越來越接近于壓電元件的共振頻率而增大，并且用作驅(qū)動(dòng)目標(biāo)的透鏡能夠以高速被驅(qū)動(dòng)。

將描述自動(dòng)聚焦驅(qū)動(dòng)中的定位控制。由振動(dòng)型致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的聚焦透鏡由控制裝置控制成使得聚焦透鏡從開始位置加速到預(yù)定速度，以恒定速度被驅(qū)動(dòng)，隨著聚焦透鏡靠近目標(biāo)位置而減速，并隨后停止。通常，理想的是聚焦速度高，并且因此振動(dòng)型致動(dòng)器被控制成使得聚焦透鏡在短時(shí)間內(nèi)以高速運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。在此情況下，與加速或者減速時(shí)發(fā)生的跟隨延遲相關(guān)聯(lián)的位置偏差可能會(huì)惡化。然而，通過使用根據(jù)示例性實(shí)施例的用于振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置，能夠抑制與加速或者減速時(shí)發(fā)生的跟隨延遲相關(guān)聯(lián)的位置偏差的惡化。

圖3是用于描述根據(jù)本示例性實(shí)施例的鏡筒的透鏡驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。由振動(dòng)型致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的透鏡保持器所用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括振動(dòng)器、透鏡保持器以及第一引導(dǎo)桿和第二引導(dǎo)桿，所述第一引導(dǎo)桿和第二引導(dǎo)桿構(gòu)造成能夠滑動(dòng)地保持透鏡保持器并且布置成相互平行。在本示例性實(shí)施例中，將描述這樣的情況，在所述情況下，第二引導(dǎo)桿用作從動(dòng)構(gòu)件，第二引導(dǎo)桿被固定，且振動(dòng)器和透鏡保持器成一體地運(yùn)動(dòng)。

通過在將驅(qū)動(dòng)電壓施加到機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件時(shí)生成的振動(dòng)器的突起部分的橢圓運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)器在振動(dòng)器以及與彈性構(gòu)件的突起部分相接觸的第二引導(dǎo)桿之間生成相對(duì)運(yùn)動(dòng)作用力。由此，成一體地固定到振動(dòng)器的透鏡保持器能夠沿著第一引導(dǎo)桿和第二引導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)。

具體地，用于從動(dòng)構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)300包括作為主要透鏡保持構(gòu)件的透鏡保持器302、透鏡306、柔性印刷電路與之相聯(lián)接的振動(dòng)器113、加壓磁體305、兩根引導(dǎo)桿303和304、以及基體構(gòu)件(未示出)。在以下的描述中，振動(dòng)器113用作上述振動(dòng)器的示例。

第一引導(dǎo)桿303和第二引導(dǎo)桿304中的每一個(gè)的兩個(gè)端部由基體構(gòu)件(未示出)保持并且固定到基體構(gòu)件，以使得第一引導(dǎo)桿303和第二引導(dǎo)桿304布置成相互平行。透鏡保持器302包括圓筒形保持器部分302a、保持并固定振動(dòng)器113和加壓磁體305的保持部分302b、以及第一引導(dǎo)部分302c，第一引導(dǎo)桿303裝配到第一引導(dǎo)部分302c中以便用作引導(dǎo)件。

構(gòu)成加壓?jiǎn)卧募訅捍朋w305包括永磁體和兩個(gè)磁軛，所述兩個(gè)磁軛布置在永磁體的相應(yīng)端部處。在加壓磁體305和第二引導(dǎo)桿304之間形成磁路，并且在加壓磁體305和第二引導(dǎo)桿304之間生成吸引力。加壓磁體305和第二引導(dǎo)桿304布置成在它們之間設(shè)有間隙，并且第二引導(dǎo)桿304布置成與振動(dòng)器113接觸。

上述的吸引力在第二引導(dǎo)桿304和振動(dòng)器113之間生成加壓作用力。彈性構(gòu)件的兩個(gè)突起部分與第二引導(dǎo)桿304形成加壓接觸，以便形成第二引導(dǎo)部分。第二引導(dǎo)部分利用磁性吸引力形成引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，這可能導(dǎo)致振動(dòng)器113和第二引導(dǎo)桿304由于外力等被相互拉開的情況。為了應(yīng)對(duì)這樣的情況，采取以下措施。

具體地，設(shè)置在透鏡保持器302上的脫落防止部分302d抵接第二引導(dǎo)桿304，并且由此重新將透鏡保持器302置于理想位置。當(dāng)將期望的交流電壓信號(hào)施加到振動(dòng)器113時(shí)，在振動(dòng)器113和第二引導(dǎo)桿304之間生成驅(qū)動(dòng)力，并且由該驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)透鏡保持器。

圖1根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例圖解的驅(qū)動(dòng)裝置包括振動(dòng)型致動(dòng)器和用于振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置。驅(qū)動(dòng)裝置30包括振動(dòng)型致動(dòng)器20和用于振動(dòng)型致動(dòng)器20的控制裝置10。振動(dòng)型致動(dòng)器20包括振動(dòng)器113和從動(dòng)構(gòu)件114，并且控制裝置10包括控制單元121和驅(qū)動(dòng)單元122。

控制單元121包括指令值生成單元101、控制量生成單元117和控制參數(shù)生成單元118并且構(gòu)造成能夠通過在加法器120中對(duì)反饋量和速度前饋量求和來生成信號(hào)，所述信號(hào)包括用于控制振動(dòng)器113的信息。以關(guān)于振動(dòng)器113和從動(dòng)構(gòu)件114的相對(duì)位置的指令值和所述相對(duì)位置之間的差值為基礎(chǔ)而獲得反饋量。速度前饋量是與根據(jù)所述指令值隨著時(shí)間的變化而獲得的速度相對(duì)應(yīng)的量。

控制量生成單元117包括反饋計(jì)算單元102和速度前饋計(jì)算單元103?？刂茀?shù)生成單元118包括例如相位差轉(zhuǎn)換單元107、頻率轉(zhuǎn)換單元108以及相位差和頻率確定單元109。

將更加詳細(xì)地描述控制單元121。指令值生成單元101在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)生成用于振動(dòng)器113和從動(dòng)構(gòu)件114的相對(duì)位置(116)的指令值。減法器119計(jì)算指令值以及由位置檢測(cè)單元115檢測(cè)到的振動(dòng)器113和從動(dòng)構(gòu)件114的相對(duì)位置(116)之間的差值，并且將該差值用作位置偏差。位置偏差被輸入到反饋計(jì)算單元102，并且輸出反饋量。反饋計(jì)算單元102例如可以由PID算術(shù)運(yùn)算器構(gòu)成，但這并不是限制性的示例。例如，也能夠通過H無窮控制或類似方式來獲得反饋量。

指令值被輸入到速度前饋計(jì)算單元103，并且輸出速度前饋量。速度前饋計(jì)算單元103包括速度計(jì)算單元104和乘法器105。速度計(jì)算單元104求取指令值的時(shí)間微分，以便將指令值轉(zhuǎn)換成速度。乘法器105將速度乘以速度前饋增益(Gv)。在本示例性實(shí)施例中，振動(dòng)型致動(dòng)器的控制量(106)是通過將速度前饋量加至反饋量而獲得的值。

在此，關(guān)于振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置的指令值是關(guān)于在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)從指令值生成單元輸出的相對(duì)位置的值，并且指令值生成單元例如在每次進(jìn)行位置控制采樣時(shí)輸出一個(gè)指令值?，F(xiàn)在，將參照?qǐng)D1中示出的用作示例的情形來描述位置控制采樣。位置控制采樣指的是從獲取第一偏差和速度前饋量開始，將交流信號(hào)輸入到振動(dòng)器，檢測(cè)振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置或相對(duì)速度，直至恰好在下一次獲取第一偏差和速度前饋量開始之前的時(shí)間點(diǎn)為止的周期。

更具體地，位置控制采樣例如指的是圖1中的下述周期。根據(jù)指令值和檢測(cè)信號(hào)獲取第一偏差，并且根據(jù)第一偏差獲得反饋量。另外，根據(jù)指令值獲得速度前饋量。對(duì)反饋量和速度前饋量求和以獲得控制量。根據(jù)所獲得的控制量獲得控制參數(shù)，將對(duì)應(yīng)于控制參數(shù)的交流信號(hào)通過升壓電路施加到振動(dòng)器，以便驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器，并且檢測(cè)振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)速度或者相對(duì)位置以作為檢測(cè)信號(hào)。

從獲取第一偏差和速度前饋量開始直至在下一次獲取第一偏差和速度前饋量之前的時(shí)間點(diǎn)為止的上述周期被稱作位置控制采樣。

不必基于由位置檢測(cè)單元檢測(cè)到的相對(duì)位置獲得關(guān)于相對(duì)位置的指令值。可選地，可以檢測(cè)相對(duì)速度，并且可以根據(jù)檢測(cè)到的相對(duì)速度獲得指令值。

關(guān)于振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置的目標(biāo)位置是振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件最終到達(dá)的相對(duì)位置并且是在每次位置控制采樣時(shí)不會(huì)更新的值。

參照?qǐng)D1，控制量(106)被輸入到控制參數(shù)生成單元118，控制參數(shù)生成單元118的輸出被輸入到交流信號(hào)生成單元111。控制參數(shù)生成單元118能夠例如由相位差轉(zhuǎn)換單元107、頻率轉(zhuǎn)換單元108以及相位差和頻率確定單元109構(gòu)成。在控制參數(shù)生成單元118中，相位差轉(zhuǎn)換單元107和頻率轉(zhuǎn)換單元108將控制量(106)分別轉(zhuǎn)換為相位差和頻率以用作用于驅(qū)動(dòng)振動(dòng)型致動(dòng)器的交流電壓信號(hào)的控制參數(shù)。控制參數(shù)生成單元118中的相位差和頻率確定單元109基于將在下文描述的控制量輸出相位差和頻率，并且振動(dòng)型致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)方向得到控制。

交流信號(hào)生成單元111基于在控制參數(shù)生成單元118的輸出中所包括的相位差和頻率方面的信息以及來自電壓調(diào)節(jié)單元110的脈沖持續(xù)時(shí)間信息而生成雙相交流信號(hào)。由升壓電路112將交流信號(hào)升壓至期望的驅(qū)動(dòng)電壓，所述升壓電路112由線圈、變壓器等構(gòu)成。升壓的交流信號(hào)被施加到振動(dòng)器113的壓電元件，并且驅(qū)動(dòng)從動(dòng)構(gòu)件114。位置檢測(cè)單元輸出振動(dòng)器113和從動(dòng)構(gòu)件114的相對(duì)位置。

位置檢測(cè)單元例如包括位置傳感器或速度傳感器以及相對(duì)位置輸出單元，所述相對(duì)位置輸出單元構(gòu)造成基于來自位置傳感器或速度傳感器的輸出獲得用于控制的相對(duì)位置并且輸出所獲得的相對(duì)位置。位置傳感器(或速度傳感器)被安裝到振動(dòng)器113或從動(dòng)構(gòu)件114并且檢測(cè)振動(dòng)器113和從動(dòng)構(gòu)件114的相對(duì)位置(或者相對(duì)速度)。

相對(duì)位置被反饋到反饋計(jì)算單元102并且同時(shí)被前饋到速度前饋計(jì)算單元103，并且由此振動(dòng)型致動(dòng)器被控制成在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都跟隨指令值。盡管利用由作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換元件的壓電元件驅(qū)動(dòng)且被分成兩相的雙相驅(qū)動(dòng)控制裝置的示例描述了本示例性實(shí)施例，但是本發(fā)明并不局限于雙相驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)型致動(dòng)器，而是也能夠應(yīng)用于雙相或者更多相的振動(dòng)型致動(dòng)器。

接下來，將詳細(xì)描述每一個(gè)單元。圖4圖解了根據(jù)本示例性實(shí)施例的速度前饋計(jì)算單元和反饋計(jì)算單元的構(gòu)造。將首先描述速度前饋計(jì)算單元103。速度計(jì)算單元104由微分器401和低通濾波器402構(gòu)成。輸入到速度計(jì)算單元104的指令值被轉(zhuǎn)換成速度，并且由濾波器去除噪聲。此后，乘法器105將速度計(jì)算單元104的輸出乘以速度前饋增益Gv并且輸出作為速度前饋量的結(jié)果。

將在下文描述反饋計(jì)算單元102。根據(jù)本示例性實(shí)施例的反饋計(jì)算單元102包括低通濾波器403、加速度計(jì)算單元411和PID計(jì)算單元412。低通濾波器403用于去除在檢測(cè)到的相對(duì)位置中所包括的噪聲。低通濾波器403可以設(shè)置在PID計(jì)算單元412的后段。

PID計(jì)算單元412包括比例項(xiàng)(P)、執(zhí)行積分處理的積分項(xiàng)(I)和執(zhí)行微分處理的微分項(xiàng)(D)。在比例項(xiàng)(P)中，乘法器404將低通過濾器403的輸出乘以比例增益Gp。在積分項(xiàng)(I)中，低通濾波器403的輸出被輸入到積分器405，并且乘法器406將積分器405的輸出乘以積分增益Gi。在微分項(xiàng)(D)中，低通濾波器403的輸出被輸入到微分器407，并且乘法器408將微分器407的輸出乘以微分增益Gd。

在積分項(xiàng)(I)中，積分器405和乘法器406的處理順序可以反轉(zhuǎn)；在微分項(xiàng)(D)中，微分器407和乘法器408的處理順序可以反轉(zhuǎn)。PID計(jì)算單元412對(duì)比例項(xiàng)、積分項(xiàng)以及微分項(xiàng)的輸出求和并輸出結(jié)果，并且PID計(jì)算單元412被用于補(bǔ)償控制目標(biāo)的相位延遲或增益并且構(gòu)成穩(wěn)定的高精度控制系統(tǒng)。

在本示例性實(shí)施例中，加速度計(jì)算單元411設(shè)置成用于進(jìn)一步穩(wěn)定控制系統(tǒng)。加速度計(jì)算單元411包括第二微分項(xiàng)(D2)并且包括二階微分器409和乘法器410，所述乘法器410將二階微分器409的輸出乘以第二微分增益Gd2。第二微分項(xiàng)(D2)中的二階微分器409和乘法器410的處理順序也可以反轉(zhuǎn)。二階微分器的輸出值是對(duì)應(yīng)于加速度的值，并且能夠由此改善在高頻范圍中的響應(yīng)性。

盡管在本示例性實(shí)施例中使用了典型的PID算術(shù)運(yùn)算器，但這并非限制性的示例，可以改為使用省略了積分項(xiàng)和微分項(xiàng)之一的算術(shù)運(yùn)算器或者使用H無窮控制的魯棒控制器等。另外，低通濾波器并非限制性的示例，并且可以使用不同類型的濾波器或者不必使用濾波器。另外，二階微分器不是關(guān)鍵部件。

圖5A和圖5B是用于描述根據(jù)本示例性實(shí)施例的相位差和頻率確定單元的輸出的示意圖。圖5A示出了基于控制量而輸出的相位差和頻率。橫軸表示控制量(106)，左側(cè)的縱軸表示相位差，右側(cè)的縱軸表示頻率。以這種方式，控制參數(shù)生成單元中的相位差和頻率確定單元控制相位差和頻率，以使得相位差在控制量的絕對(duì)值較小的區(qū)域(相位差控制區(qū)域)中變化。另外，相位差和頻率確定單元控制頻率和相位差，以使得頻率在控制量的絕對(duì)值較大的區(qū)域(頻率控制區(qū)域)中變化。換言之，相位差和頻率確定單元構(gòu)造成根據(jù)控制量在基于相位差的驅(qū)動(dòng)和基于頻率的控制之間切換。

具體地，在相位差控制區(qū)域中，頻率被固定在頻率上限值，相位差則在相位差上限值和相位差下限值之間(例如，在+110度和-110度之間)變化。由此，對(duì)驅(qū)動(dòng)方向的翻轉(zhuǎn)、暫停和低速區(qū)域中的速度進(jìn)行控制。在頻率控制區(qū)域中，相位差被固定在相位差下限值或相位差上限值，頻率則在頻率上限值和頻率下限值之間(例如，在92kHz和89kHz之間)變化。由此，控制高速區(qū)域中的速度。

圖5B圖解了基于控制量的振動(dòng)型致動(dòng)器的速度。橫軸表示控制量(106)，縱軸表示速度。如上所述，通過在-50mm/s至+50mm/s的低速區(qū)域中的相位差控制以及通過在排除低速區(qū)域的高速區(qū)域中的頻率控制來控制振動(dòng)型致動(dòng)器。在相位差控制中，如圖5B所示，當(dāng)控制相位差時(shí)，驅(qū)動(dòng)單元的橢圓運(yùn)動(dòng)的橢圓比改變，并且當(dāng)相位差的符號(hào)反轉(zhuǎn)時(shí)，橢圓運(yùn)動(dòng)的方向改變。另外，當(dāng)橢圓運(yùn)動(dòng)呈橢圓比為0的豎向長(zhǎng)形時(shí)，速度為0。

同時(shí)，在頻率控制中，當(dāng)控制頻率時(shí)，在橢圓運(yùn)動(dòng)的橢圓比保持恒定的同時(shí)橢圓振幅改變。通過上述控制，在控制參數(shù)生成單元118中設(shè)定相位差和頻率以使得速度相對(duì)于控制量盡可能成線性。

圖6A和6B圖解了驅(qū)動(dòng)單元122的構(gòu)造示例。在本示例性實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)單元122包括交流信號(hào)生成單元111和升壓電路112。圖6A圖解了從交流信號(hào)生成單元111輸出的雙相交流脈沖信號(hào)。交流信號(hào)生成單元111包括例如脈沖信號(hào)生成單元604和轉(zhuǎn)換電路605。圖6B圖解了交流信號(hào)生成單元111和升壓電路112，所述升壓電路112將交流電源信號(hào)施加到壓電元件。

在具體的示例中，將描述交流信號(hào)生成單元中的生成要施加到A相壓電元件的交流電壓的部分。相同的構(gòu)造能夠用于生成要施加到B相壓電元件的交流電壓的部分。脈沖信號(hào)生成單元604生成第一A相脈沖信號(hào)和第一A相反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)，所述第一A相脈沖信號(hào)和第一A相反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)包含分別與由相位差和頻率確定單元輸出的相位差信息和頻率信息相對(duì)應(yīng)的相位差信息和頻率信息。第一A相脈沖信號(hào)和第一A相反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)作為輸入脈沖信號(hào)被輸入到轉(zhuǎn)換電路605。轉(zhuǎn)換電路605在收到輸入脈沖信號(hào)時(shí)使從電源601供應(yīng)的直流電壓接受轉(zhuǎn)換操作并且生成矩形波交流電壓信號(hào)。

升壓電路112例如由線圈602和變壓器603構(gòu)成。升壓電路112接收所輸入的矩形波交流電壓信號(hào)并且將升壓到預(yù)定驅(qū)動(dòng)電壓的正弦波交流電壓信號(hào)施加到A相壓電元件。以類似的方式，將升壓到預(yù)定驅(qū)動(dòng)電壓的正弦波交流電壓信號(hào)施加到B相壓電元件。

控制單元121例如由數(shù)字裝置譬如中央處理單元(CPU)或者可編程邏輯裝置(PLD)(包括專用集成電路(ASIC))和譬如A/D轉(zhuǎn)換器這樣的元件構(gòu)成。另外，驅(qū)動(dòng)單元122中的交流信號(hào)生成單元111包括例如CPU、函數(shù)發(fā)生器和轉(zhuǎn)換電路，并且升壓電路例如由線圈和變壓器構(gòu)成。應(yīng)當(dāng)注意的是，控制單元和驅(qū)動(dòng)單元不必均由單個(gè)元件或者單個(gè)電路構(gòu)成。控制單元和驅(qū)動(dòng)單元可以均包括多個(gè)元件或者多個(gè)電路。另外，每一種處理都可以由任意的元件或電路執(zhí)行。

圖7A是根據(jù)第一比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的示意性方塊圖，圖7B是涉及根據(jù)本示例性實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置和根據(jù)第一比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。第一比較例是采用了僅使用PID計(jì)算單元701進(jìn)行反饋控制的構(gòu)造。圖7A是根據(jù)第一比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的示意性控制方塊圖并且以簡(jiǎn)化的方塊圖形式圖解了用于驅(qū)動(dòng)振動(dòng)型致動(dòng)器702的系統(tǒng)，其中，將PID計(jì)算單元701的輸出用作相位差控制量。在該示例中，通過使用控制模型來推導(dǎo)傳遞函數(shù)，并且因此省略了對(duì)結(jié)果影響很小的交流信號(hào)生成單元和升壓電路。通過使用振動(dòng)型致動(dòng)器702的相位差和速度的傳遞函數(shù)模型，經(jīng)計(jì)算獲得從位置檢測(cè)單元703輸出的相對(duì)位置。

圖7B是從指令值到相對(duì)位置的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖，并且在增益和相位的頻率特性方面對(duì)根據(jù)本示例性實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置和根據(jù)第一比較例的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行比較。在此，PID計(jì)算單元701的控制增益設(shè)定如下：Gp＝0.16，Gi＝0.007且Gd＝0.53。根據(jù)本示例性實(shí)施例的PID計(jì)算單元412的控制增益設(shè)定成相同的值，并且反饋增益Gv設(shè)定為0.5。在頻率為250Hz的條件下(此時(shí)開環(huán)特性的增益為0dB)，相位特性的比較結(jié)果顯示，與第一比較實(shí)施例相比，本示例性實(shí)施例中的相位裕度提高了22度。換言之，比較結(jié)果顯示，在本示例性實(shí)施例中，通過前饋控制改善了相位延遲并且改善了對(duì)指令值的響應(yīng)性。應(yīng)當(dāng)注意的是，在兩種情況下，要在針對(duì)相位延遲超過180度所處的頻率都能確保足夠的增益裕度時(shí)進(jìn)行比較。在此，就相位特性而言，隨著取值越來越接近0度，相位延遲越來越小且響應(yīng)性越來越好，而在取值超過180度時(shí)控制變得無法實(shí)施。在圖7B中，曲線圖在-180度附近向正側(cè)突變，這僅僅是將曲線圖顯示為反轉(zhuǎn)180度并且表示無法實(shí)施控制。也已發(fā)現(xiàn)的是，即使在PID計(jì)算單元的控制增益改變?yōu)槠渌禃r(shí)，也能夠以類似的方式獲得本示例性實(shí)施例的有利效果。

圖8A是根據(jù)第二比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的示意性方塊圖，圖8B是關(guān)于根據(jù)本示例性實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置和根據(jù)第二比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。

圖8A是根據(jù)第二比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的示意性控制方塊圖。第二比較例是使用PID計(jì)算單元801和速度前饋計(jì)算單元(802，803)進(jìn)行控制，但是在構(gòu)造方面與本示例性實(shí)施例有所不同。換言之，由速度計(jì)算單元802算出并經(jīng)乘法器803乘以速度前饋增益Gv所得到的量被加到PID計(jì)算單元801的前段。另外，以比例增益Kp相乘的乘法器804設(shè)置在PID計(jì)算單元801的前段，且Kp設(shè)定為1。然而，不必提供Kp。PID計(jì)算單元801的控制增益被設(shè)定為與參照?qǐng)D7A和圖7B描述的取值相同的取值。

圖8B是從指令值到相對(duì)位置的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖，并且在增益和相位的頻率特性方面對(duì)根據(jù)本示例性實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置和根據(jù)第二比較例的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行比較。第二比較例中的速度前饋增益Gv被調(diào)節(jié)成使得控制系統(tǒng)不會(huì)振蕩且增益升高到最大，因此速度前饋增益Gv被設(shè)定為2.5。相比之下，在本示例性實(shí)施例中，速度前饋增益(Gv)為0.5。比較結(jié)果顯示，與根據(jù)第二比較例的驅(qū)動(dòng)裝置相比，根據(jù)本示例性實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置在250Hz頻率的條件下的相位裕度提高了11度并且改善了對(duì)于指令值的響應(yīng)性。要注意的是，在兩種情況下，相位延遲超過180度所處的頻率的增益裕度被調(diào)節(jié)為相等的值。

圖9A是根據(jù)第三比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的示意性方塊圖，圖9B是關(guān)于根據(jù)本示例性實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置和根據(jù)第三比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。

圖9A是根據(jù)第三比較例的驅(qū)動(dòng)裝置的示意性控制方塊圖。第三比較例是使用PID計(jì)算單元901和加速度前饋計(jì)算單元(902，903)進(jìn)行控制。根據(jù)第三比較例的驅(qū)動(dòng)裝置與根據(jù)本示例性實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置的區(qū)別在于對(duì)加速度進(jìn)行前饋而不是對(duì)速度進(jìn)行前饋。由加速度計(jì)算單元902算出并經(jīng)乘法器903乘以加速度前饋增益Ga所得到的量被加到PID計(jì)算單元901的后段，并且將結(jié)果用作對(duì)相位差的控制量。PID計(jì)算單元901的控制增益被設(shè)定為與參照?qǐng)D7A和圖7B描述的取值相同的取值。

圖9B是從指令值到相對(duì)位置的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖，并且在增益和相位的頻率特性方面對(duì)根據(jù)本示例性實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置和根據(jù)第三比較例的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行比較。第三比較例中的加速度前饋增益Ga被調(diào)節(jié)成使得控制系統(tǒng)不會(huì)振動(dòng)且增益升高到最大，因此加速度前饋增益Ga被設(shè)定為2.0。相比之下，在本示例性實(shí)施例中，加速度前饋增益為0.5。與根據(jù)第三比較例的驅(qū)動(dòng)裝置相比，根據(jù)本示例性實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)裝置在250Hz頻率的條件下的相位裕度提高了20度，并且能夠改善對(duì)指令值的響應(yīng)性。要注意的是，在兩種情況下，相位延遲超過180度所處的頻率的增益裕度被調(diào)節(jié)為相等的值。

圖10是在第一示例性實(shí)施例中的改變前饋增益的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。從0.1到1.0地調(diào)節(jié)前饋增益(Gv)，并且獲得增益的最優(yōu)值，在取最優(yōu)值時(shí)，控制系統(tǒng)不會(huì)振動(dòng)且增益能夠升高到最大。在此，在相位延遲超過180度所處的頻率下，理想的是將增益設(shè)定為小于-3dB以使得控制系統(tǒng)不會(huì)振蕩。正如能夠從圖10所見，為了在相位延遲超過180度所處的600Hz的頻率下將增益設(shè)定為小于-3dB，優(yōu)選的是Gv不大于0.7，更優(yōu)選的是Gv不大于0.5。同時(shí)，PID計(jì)算單元412的微分增益Gd為0.53，并且因此通過將前饋增益設(shè)定為等于或者小于微分增益的值，即使在相位延遲超過180度所處的頻率下也能夠防止控制系統(tǒng)振動(dòng)。即使PID計(jì)算單元412的微分增益被設(shè)定為不同的增益，也足以用類似的方式保持關(guān)系式Gv≤Gd成立，并且該關(guān)系式能夠在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。其原因如下所述。PID中的微分項(xiàng)是對(duì)應(yīng)于速度的量，并且應(yīng)當(dāng)考慮用速度前饋增益進(jìn)行良好平衡的關(guān)系式提供最優(yōu)效果。

圖11是在PID計(jì)算單元中加入了二階微分器和未加入二階微分器的情況下所獲得的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。比較設(shè)有二階微分器和未設(shè)置二階微分器的情況，并且研究其效果。圖11顯示當(dāng)沒有二階微分器時(shí)，在相位延遲超過180度所處的頻率下增益裕度提高了1dB且高頻范圍中的穩(wěn)定性提高。第二微分增益Gd2被設(shè)定為1.0，并且該值為最優(yōu)值。圖11還顯示了即使在PID計(jì)算單元的控制增益改變時(shí)，約為微分增益Gd的兩倍的取值也是優(yōu)選的。原理上，當(dāng)加入第三微分和第四微分時(shí)，會(huì)改善在更高頻側(cè)的結(jié)果。然而，實(shí)際上，因?yàn)橹貜?fù)進(jìn)行微分，所以噪聲被放大，并且需要降低濾波器的截止頻率，這會(huì)導(dǎo)致控制能力下降。因此，在本示例性實(shí)施例中最多采用二階微分。根據(jù)所需的性能可以適當(dāng)?shù)卮_定要實(shí)施的微分的次數(shù)。

圖12A和12B圖解了在通過使用根據(jù)本示例性實(shí)施例的控制裝置來驅(qū)動(dòng)聚焦透鏡時(shí)獲得的透鏡相對(duì)于指令位置的跟隨精度的測(cè)量結(jié)果。橫軸表示時(shí)間，右側(cè)的縱軸表示指令值的變化和聚焦透鏡的相對(duì)位置，左側(cè)的縱軸表示指令值和相對(duì)位置之間的位置偏差。位置偏差是表示在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)于指令值的跟隨精度的指標(biāo)。在此，在透鏡的質(zhì)量為8g、從開始位置到目標(biāo)位置的驅(qū)動(dòng)行程為12mm、加速時(shí)間和減速時(shí)間均為16ms、并且最大速度為200mm/s的條件下實(shí)施驅(qū)動(dòng)操作和停止操作。另外，在控制時(shí)的驅(qū)動(dòng)開始頻率為91kHz、相位差最大為±120度、并且驅(qū)動(dòng)電壓為120Vpp的條件下實(shí)施控制。PID計(jì)算單元的控制增益被設(shè)定如下：Gp＝0.032，Gi＝0.0007，Gd＝0.5且Gd2＝1.0。另外，速度前饋增益Gv被設(shè)定為0.45。

圖12A圖解了反饋控制的結(jié)果(第一比較例的構(gòu)造)，其中僅僅用了常規(guī)的PID計(jì)算單元。圖12A顯示在開始和停止時(shí)在加速區(qū)域和減速區(qū)域中出現(xiàn)不小于100μm的位置偏差并且跟隨性能不充分。另外，在最大速度區(qū)域(中間區(qū)域)中也出現(xiàn)了大約50μm的位置偏差，并且跟隨延遲較大。

圖12B圖解了在采用根據(jù)本示例性實(shí)施例的控制時(shí)所獲得的結(jié)果。圖12B表明，與使用常規(guī)控制裝置的情況相比，在使用根據(jù)本示例性實(shí)施例的控制裝置時(shí)能夠在全部的區(qū)域中實(shí)現(xiàn)不大于10μm的跟隨精度。

第二示例性實(shí)施例

接下來，將描述用于振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置的其它示例性實(shí)施例。在第一構(gòu)造示例中，僅相位差受到前饋控制。在第二構(gòu)造示例中，分別地調(diào)節(jié)用于相位差的前饋量和用于頻率的前饋量。兩個(gè)示例的構(gòu)造均基于第一示例性實(shí)施例的構(gòu)造，并且兩個(gè)示例都是第一示例性實(shí)施例的變型。因此，將省略與第一示例性實(shí)施例相類似的構(gòu)造、功能和效果的描述。在下文中將詳細(xì)描述兩個(gè)構(gòu)造示例。

圖13圖解了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的振動(dòng)型致動(dòng)器所用的控制裝置，并且該控制裝置僅對(duì)雙相驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差實(shí)施前饋控制。如圖13所示，相位差控制量(1306)是通過對(duì)來自反饋計(jì)算單元102的計(jì)算量和來自前饋計(jì)算單元103的計(jì)算量求和而獲得的值。同時(shí)，來自反饋計(jì)算單元102的計(jì)算量被直接用作頻率控制量(1308)。因此，僅由前饋計(jì)算單元103和反饋計(jì)算單元102控制橢圓運(yùn)動(dòng)的橢圓比和驅(qū)動(dòng)方向，并且橢圓振幅僅受到反饋計(jì)算單元102的頻率控制。

圖14圖解了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的振動(dòng)型致動(dòng)器所用的控制裝置的第二示例，并且該控制裝置針對(duì)相位差和頻率分別地調(diào)節(jié)前饋量。控制量計(jì)算單元1417包括反饋計(jì)算單元1407和速度前饋計(jì)算單元1408。反饋計(jì)算單元1407包括：用于控制相位差的第一反饋計(jì)算單元1402和用于控制頻率的第二反饋計(jì)算單元1403，并且第一反饋計(jì)算單元1402和第二反饋計(jì)算單元1403設(shè)置成相互獨(dú)立。第一反饋計(jì)算單元和第二反饋計(jì)算單元的控制增益可以是相同的，或者也可以基于相位差的傳遞函數(shù)和頻率的傳遞函數(shù)之間的差異而分別地進(jìn)行調(diào)節(jié)。

同時(shí)，前饋計(jì)算單元1408包括：乘法器1405，所述乘法器1405構(gòu)造成將速度計(jì)算單元1404的輸出乘以用于控制相位差的增益Gv1；和乘法器1406，所述乘法器1406構(gòu)造成將速度計(jì)算單元1404的輸出乘以用于控制頻率的增益Gv2。因此，通過分別地調(diào)節(jié)Gv1和Gv2，橢圓比的前饋量和橢圓振幅的前饋量就都能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖15A和圖15B圖解了在34gf的負(fù)荷置于從動(dòng)構(gòu)件上時(shí)通過使用根據(jù)第二示例性實(shí)施例的控制裝置獲得的相對(duì)于指令位置的跟隨精度的測(cè)量結(jié)果。橫軸表示時(shí)間，右側(cè)的縱軸表示速度指令值，左側(cè)的縱軸表示從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置相對(duì)于指令位置的位置偏差。位置偏差是表示在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)于指令值的跟隨精度的指標(biāo)。在此，在加速時(shí)間為16ms且最大速度為216mm/s的條件下實(shí)施驅(qū)動(dòng)操作和停止操作。圖15A和15B放大地示出了加速時(shí)間為16ms的區(qū)域和已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最大速度的區(qū)域。在控制時(shí)的驅(qū)動(dòng)開始頻率為97kHz、相位差最大為±110度、并且驅(qū)動(dòng)電壓為120Vpp的條件下實(shí)施控制。

圖15A圖解了在僅由PID計(jì)算單元實(shí)施前饋控制、僅相位差受到前饋控制、以及僅頻率受到前饋控制的情況下相對(duì)于指令位置的跟隨精度的測(cè)量結(jié)果。在此，PID計(jì)算單元的控制增益被設(shè)定如下：Gp＝0.64，Gi＝0.003，且Gd＝0.53。另外，速度前饋增益Gv設(shè)定為0.5。當(dāng)僅相位差受到前饋控制時(shí)，在加速區(qū)域中的跟隨精度從一開始就得到改善。同時(shí)，當(dāng)僅頻率受到前饋控制時(shí)，在已經(jīng)達(dá)到最大速度之后的跟隨精度得到改善。其原因在于通過相位差來控制低速區(qū)域以及通過頻率來控制高速區(qū)域。

圖15B圖解了在僅由PID計(jì)算單元實(shí)施反饋控制的情況以及相位差和頻率分別地受到前饋控制的情況之間的比較。在此，PID計(jì)算單元的控制增益被設(shè)定成與參照?qǐng)D15A所描述的取值相同的取值。用于控制相位差的速度前饋增益Gv1被設(shè)定為0.5，并且用于控制頻率的速度前饋增益Gv2被設(shè)定為0.005。當(dāng)相位差和頻率分別地受到前饋控制時(shí)，在整個(gè)區(qū)域中的跟隨精度都得到改善。

正如已經(jīng)描述的那樣，根據(jù)本示例性實(shí)施例，能夠?qū)崿F(xiàn)一種用于振動(dòng)型致動(dòng)器的前饋控制方法，以使得即便在短時(shí)間內(nèi)實(shí)施加速或者減速時(shí)振動(dòng)型致動(dòng)器也能夠高速跟隨。

第三示例性實(shí)施例

在第一示例性實(shí)施例和第二示例性實(shí)施例中，已經(jīng)利用將控制裝置用于驅(qū)動(dòng)圖像拾取裝置中的自動(dòng)聚焦透鏡的示例描述了用于振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置，但是本發(fā)明的應(yīng)用示例并不局限于此。例如，如在圖16A和圖16B中所示，控制裝置還能夠用于驅(qū)動(dòng)透鏡或者圖像拾取元件，以用于照相機(jī)抖動(dòng)補(bǔ)償。圖16A是圖解了圖像拾取裝置60的外觀的平面圖(俯視圖)。圖16B是圖解了圖像拾取裝置60的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖像拾取裝置60通常由主體61和鏡筒62構(gòu)成，所述鏡筒62能夠附接到主體61或者從主體61拆卸。主體61設(shè)置有：圖像拾取元件63，例如電荷耦合器件(CCD)傳感器或者互補(bǔ)性的金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器，其將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為圖像信號(hào)，已經(jīng)穿過鏡筒62的光成像為所述光學(xué)圖像；以及照相機(jī)微型控制計(jì)算機(jī)64，其控制圖像拾取裝置60的整體操作。例如聚焦透鏡和變焦透鏡這樣的多個(gè)透鏡L被布置在鏡筒62中的預(yù)定位置處。另外，圖像模糊校正裝置50被嵌入在鏡筒62中。圖像模糊校正裝置50包括盤形構(gòu)件56和設(shè)置在盤形構(gòu)件56上的振動(dòng)器113，并且圖像模糊校正透鏡65布置在形成于盤形構(gòu)件56的中心處的孔部分中。圖像模糊校正裝置50布置成使得圖像模糊校正透鏡65能夠沿著正交于鏡筒62的光軸的平面運(yùn)動(dòng)。在此情況下，通過利用根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的控制裝置10來驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器113，振動(dòng)器113或者盤形構(gòu)件56就相對(duì)于固定到鏡筒的從動(dòng)構(gòu)件114運(yùn)動(dòng)并且驅(qū)動(dòng)校正透鏡。

另外，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的控制裝置還能夠用于驅(qū)動(dòng)透鏡保持器，以用于使變焦透鏡運(yùn)動(dòng)。因此，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的控制裝置除了圖像拾取裝置之外也能夠安裝到替換透鏡，以用于驅(qū)動(dòng)透鏡。

另外，在第一示例性實(shí)施例和第二示例性實(shí)施例中描述的用于振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置還能夠用于驅(qū)動(dòng)自動(dòng)鏡臺(tái)。例如，如圖17所示，控制裝置能夠用于驅(qū)動(dòng)顯微鏡的自動(dòng)鏡臺(tái)。

圖17中示出的顯微鏡包括：圖像拾取單元70，其包括圖像拾取元件和光學(xué)系統(tǒng)；以及自動(dòng)鏡臺(tái)71，其包括鏡臺(tái)72，所述鏡臺(tái)72設(shè)置在基板上并且通過振動(dòng)型致動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。待觀察的物體被放置在鏡臺(tái)72上，并且由圖像拾取單元70拍攝放大的圖像。當(dāng)觀察范圍擴(kuò)大時(shí)，通過使用根據(jù)第一示例性實(shí)施例或者第二示例性實(shí)施例的控制裝置10驅(qū)動(dòng)振動(dòng)型致動(dòng)器而使鏡臺(tái)72運(yùn)動(dòng)。由此，待觀察的物體沿著圖17中示出的X方向或者Y方向運(yùn)動(dòng)，并且拍攝多張圖像。由計(jì)算機(jī)(未示出)組合所拍攝的圖像，并且能夠獲得寬觀察范圍的高清晰度單張圖像。

本發(fā)明的一方面提供了一種振動(dòng)型致動(dòng)器的控制方法，其中，振動(dòng)器被驅(qū)動(dòng)成改變振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置。所述方法包括以下步驟：獲得反饋量，其中，以振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置以及關(guān)于所述相對(duì)位置的指令值之間的差值為基礎(chǔ)獲得所述反饋量；根據(jù)所述指令值隨著時(shí)間的變化而獲得速度前饋量；并且通過對(duì)反饋量和速度前饋量求和來生成信號(hào)，所述信號(hào)包含用于控制在振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)單元中生成的橢圓運(yùn)動(dòng)的橢圓比和振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向中的至少一種的信息。

本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了用于振動(dòng)型致動(dòng)器的控制裝置。所述控制裝置包括控制單元，所述控制單元構(gòu)造成通過對(duì)反饋量和速度前饋量求和來生成信號(hào)，所述信號(hào)包含用于控制在振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)單元中生成的橢圓運(yùn)動(dòng)的橢圓比和振動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向中的至少一種的信息，所述反饋量以振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置以及關(guān)于所述相對(duì)位置的指令值之間的差值為基礎(chǔ)，根據(jù)所述指令值隨著時(shí)間的變化而獲得所述速度前饋量。能夠通過驅(qū)動(dòng)振動(dòng)器來改變振動(dòng)器和從動(dòng)構(gòu)件的相對(duì)位置。

盡管已經(jīng)參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不局限于所公開的示例性實(shí)施例。所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍應(yīng)予以最寬泛的解釋，以便涵蓋所有的這些變型以及等效結(jié)構(gòu)和功能。