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WO2012093567A1 - 形状記憶合金アクチュエータ制御装置および光学部品駆動ユニット - Google Patents

形状記憶合金アクチュエータ制御装置および光学部品駆動ユニット Download PDF

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WO2012093567A1
WO2012093567A1 PCT/JP2011/079000 JP2011079000W WO2012093567A1 WO 2012093567 A1 WO2012093567 A1 WO 2012093567A1 JP 2011079000 W JP2011079000 W JP 2011079000W WO 2012093567 A1 WO2012093567 A1 WO 2012093567A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
memory alloy
target position
control device
shape memory
sma
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2011/079000
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
泰啓 本多
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Konica Minolta Opto Inc
Original Assignee
Konica Minolta Opto Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Konica Minolta Opto Inc filed Critical Konica Minolta Opto Inc
Publication of WO2012093567A1 publication Critical patent/WO2012093567A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/04—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification
    • G02B7/08—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification adapted to co-operate with a remote control mechanism
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/0614—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using shape memory elements
    • F03G7/06143—Wires
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/003—Alignment of optical elements
    • G02B7/005—Motorised alignment
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/023—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses permitting adjustment
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/04—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification
    • G02B7/10—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification by relative axial movement of several lenses, e.g. of varifocal objective lens
    • G02B7/102—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification by relative axial movement of several lenses, e.g. of varifocal objective lens controlled by a microcomputer

Definitions

  • the present invention relates to an actuator control device using a shape memory alloy and an optical component drive unit using the same.
  • MCUs micro-camera units
  • AF auto focus
  • Ni-Ti and other shape memory alloys are known as actuators based on deformation due to temperature changes as the driving principle. Therefore, it is considered promising for applications such as the above-mentioned MCU AF.
  • the technique disclosed in Patent Document 1 introduces a response delay correction based on the movement amount of the actuator and the drive control value. ing.
  • the technique disclosed in Patent Document 2 it is proposed to improve the positional accuracy by correcting hysteresis based on a correction value stored in advance.
  • Patent Document 1 is correction of response delay, and the adverse effect of hysteresis on position accuracy cannot be reduced.
  • correction values are stored in advance in the form of a table and the like, and control is performed while sequentially referring to the correction values. This complicates the system and measures the correction values individually, for example, for each product. This also causes an increase in manufacturing costs.
  • An object of the present invention is to provide a shape memory alloy actuator control device that reduces the influence of the dependent hysteresis and realizes accurate position control, and an optical component drive unit using the same.
  • a shape memory alloy actuator control apparatus controls an actuator including a movable mechanism that moves a target object using a shape restoring force due to a temperature change of the shape memory alloy.
  • a servo control unit that performs energization according to a command position of the movable mechanism to the shape memory alloy and performs servo control using a detection value corresponding to a resistance value of the shape memory alloy;
  • a plurality of command positions including the target position and the at least one intermediate position are set by adding at least one intermediate position between the start position and the target position of the movement of the movable mechanism, and the start point
  • the plurality of command positions are sequentially given to the servo control unit in order from the side close to the position, and the movable mechanism is divided into a plurality of stages from the start position to the target position. Characterized in that it comprises a stepwise moving section for moving the manner.
  • the shape memory alloy actuator control device is the shape memory alloy actuator control device according to the first aspect, wherein the gap between the start position and the target position is determined by the at least one intermediate position. Of a plurality of divided sections formed by division, a final divided section having the target position as an end point has the shortest width among the plurality of divided sections.
  • the shape memory alloy actuator control device is the shape memory alloy actuator control device according to the first aspect, wherein the gap between the start position and the target position is determined by the at least one intermediate position.
  • a divided section width variable setting unit that variably sets the width of at least one divided section among a plurality of divided sections formed by division according to the difference between the start point position and the target position; It is characterized by.
  • the shape memory alloy actuator control device is the shape memory alloy actuator control device according to the first or third aspect, wherein the at least one between the start point position and the target position is Of a plurality of divided sections formed by division at intermediate positions, the width of the final divided section having the target position as the end point is set as a fixed value regardless of the distance difference between the start position and the target position. It is characterized by that.
  • the shape memory alloy actuator control device is the shape memory alloy actuator control device according to any one of the first to fourth aspects, and is the first command position of the movement destination from the starting point position.
  • a single stage moving unit that moves the movable mechanism from the start point position to the target position in one stage, and a difference between the start point position and the target position is a predetermined value.
  • a selective activation unit that selectively activates the stepped moving unit when a threshold is exceeded, and selectively activates the single step moving unit when the difference is less than or equal to the threshold. It is characterized by providing.
  • the shape memory alloy actuator control device is the shape memory alloy actuator control device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the stepwise moving unit is moved to one command position. After the movement control of the movable mechanism is performed, a settling period setting unit that starts moving the movable mechanism to the next command position after a predetermined settling period is provided.
  • the optical component driving unit includes an actuator that drives a predetermined optical component using a shape restoring force due to a temperature change of the shape memory alloy, and any one of the first to sixth aspects. And a shape memory alloy actuator control device.
  • the shape memory alloy actuator control device when the movable mechanism is moved from the start position to the target position, the movement history from the start of movement is obtained through a plurality of movement processes. The influence of the dependent hysteresis can be reduced, and accurate position control can be realized.
  • the last divided section is the shortest section among the plurality of divided sections.
  • the influence on the movement accuracy of the movable mechanism to the target position is mainly due to the hysteresis in the final divided section, and the influence of the hysteresis in the previous divided section is relatively small.
  • the width (distance) of the final divided section is shortened and the widths of the other divided sections are made longer, thereby improving the position accuracy at the target position and the total displacement time from the start position to the target position. It is possible to achieve a balance with shortening.
  • the width of at least one divided section other than the final divided section is variably set according to the difference between the starting position of the displacement of the movable mechanism and the target position.
  • the position of the final divided section is set to a fixed value, so that the moving position accuracy to the target position is increased. Can be made homogeneous.
  • the shape memory alloy actuator control device when the difference between the start position of the movable mechanism and the target position is equal to or less than a predetermined threshold value, one-step movement control is performed.
  • the difference between the starting point position and the target position is small, there is not much position error without going through the stepwise movement process, so the control time can be shortened by moving the movable mechanism directly to the target position. Can do.
  • the movement to the next command position is started after a predetermined settling period.
  • the variation in the state before stoppage of movement in the immediately preceding divided section does not affect the moving process in the next divided section, and the movement in each divided section is stabilized.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing a main part of a mechanism of a lens driving unit using the SMA driving device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a side view showing the operation of the lens driving unit of FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of the resistance value of SMA as a characteristic curve.
  • FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of the resistance value of SMA as a characteristic curve.
  • FIG. 5 is a diagram showing the lens displacement dependency of the resistance value of SMA as a characteristic curve.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the driving response of the SMA lens driving unit.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the driving response of the SMA lens driving unit.
  • FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the SMA actuator control device according to this embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the drive response of the SMA lens drive unit according to this embodiment.
  • FIG. 10 is a flowchart for explaining the operation of the SMA actuator control apparatus according to this embodiment.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of section division and movement process in this embodiment.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram regarding the setting of the determination threshold in the present embodiment.
  • FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams schematically showing a main part of a mechanism in a lens driving unit 100 configured using the SMA actuator control device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a plan view (lens opening surface) viewed from the lens side
  • FIG. 2 is a side view viewed from the direction of arrow A in FIG. 2A shows a state before driving
  • FIG. 2B shows a state after driving.
  • the lens driving unit 100 is used in, for example, a small camera system incorporated in a mobile phone, and performs an AF operation using an actuator using SMA (SMA actuator) as a driving source.
  • SMA SMA actuator
  • the lens driving unit 100 mainly includes a lens unit 1 (driven object), a lever member 2 that moves the lens unit 1 in the optical axis AX direction (first axis direction), an SMA actuator 3, A base member 4, a top plate 5, parallel plate springs 6 a and 6 b, a bias spring 7, and the like are provided, and the lens unit 1 and the like are assembled to the base member 4.
  • the top plate 5 and the parallel leaf springs 6a and 6b are omitted in FIG. 1 for convenience.
  • the base member 4 is fixed to a member (for example, a mobile phone frame or a mount substrate) to which the lens driving unit 100 is attached, and is a non-moving member constituting the bottom side of the lens driving unit 100.
  • the base member 4 is formed in a square plate shape in plan view, and is entirely made of a resin material or the like.
  • the lens unit 1 has a cylindrical shape, and includes an imaging lens 10, a lens driving frame 12 that holds the imaging lens 10, and a lens barrel 14 that stores the lens driving frame 12.
  • the imaging lens 10 includes an objective lens, a focus lens, a zoom lens, and the like, and constitutes an imaging optical system for a subject image with respect to an imaging element (not shown).
  • the lens driving frame 12 is a so-called ball frame, and moves in the optical axis AX direction together with the lens barrel 14.
  • a pair of support portions 16 project from the outer peripheral edge portion of the lens drive frame 12 at the distal end on the object side with an angular difference of 180 ° in the circumferential direction.
  • the lens unit 1 is disposed on the base member 4 in a state of being inserted into an opening formed in the top plate 5.
  • the pair of support portions 16 are arranged so as to be positioned in the vicinity of the pair of diagonals of the base member 4 (see FIG. 1).
  • Parallel plate springs 6a and 6b are fixed to the base member 4 and the top plate 5, respectively, and the lens unit 1 is fixed to the parallel plate springs 6a and 6b. Accordingly, the lens unit 1 is supported so as to be displaceable with respect to the base member 4 and the like, and the degree of freedom of displacement is restricted in a direction along the optical axis AX.
  • the top plate 5 may be fixed to the base member 4 via a support column (not shown) or may be a structure integrated with the base member 4.
  • the lever member 2 applies a driving force in the direction of the optical axis AX to the lens unit 1 by engaging with the lens unit 1 via the support portion 16.
  • the lever member 2 is disposed on the side of the lens unit 1, specifically, at one corner other than the corner where the support portion 16 of the lens unit 1 is located, which is the corner of the base member 4. .
  • the lever member 2 is supported so as to be swingable about an axis that is orthogonal to the optical axis AX and extends in the direction in which the pair of support portions 16 are arranged (the vertical direction in FIG. 1).
  • the lever member 2 has an arm portion 21 and an inverted L-shape in a side view having an arm portion 21 and an extending portion 22 extending from the base end portion of the arm portion 21 in the optical axis AX direction.
  • the bent portion serving as the boundary between the arm portion 21 and the extended portion 22 is supported on the base member 4 by being supported by the tip of the support leg 8 erected on the base member 4. ing.
  • the shape of the tip of the support leg 8 (hereinafter referred to as the lever support portion 8a) is a substantially cylindrical shape extending in a direction orthogonal to the optical axis AX direction (a direction orthogonal to the paper surface of FIG. 2A).
  • the lever member 2 is supported so as to be swingable about an axis orthogonal to the optical axis AX direction with the lever support portion 8a as a fulcrum.
  • the arm portion 21 is formed in an arc shape in plan view. Specifically, as shown in FIG. 1, the lens unit 1 is bifurcated from the extended portion 22 to both sides of the lens unit 1 and extends evenly in the vicinity of the outer peripheral surface of the lens unit 1. Is formed so as to surround. The tips (both ends) of the arm portion 21 reach the positions of the support portions 16 of the lens unit 1, respectively. Then, the SMA actuator 3 is bridged over the extended portion 22, and a direction perpendicular to the optical axis AX direction (second axis direction: left-right direction in FIG. 2A) at this bridge position (referred to as the displacement input portion 2a). When the moving force F1 (see FIG. 2B) is input, the lever member 2 swings.
  • the tip of the arm portion 21 (referred to as the displacement output portion 2b) is displaced in the optical axis AX direction, and the displacement output portion 2b engages with each support portion 16 to cause the lens unit 1 to move in the optical axis AX direction.
  • a driving force is applied.
  • the SMA actuator 3 applies a moving force F1 (see FIG. 2B) to the lever member 2, and is composed of, for example, an SMA wire such as a Ni—Ti alloy, and is a linear actuator having a substantially circular cross section. is there.
  • F1 moving force
  • SMA3 SMA3
  • the SMA actuator 3 expands when applied with tension in a state where the elastic modulus is low (martensite phase) at a low temperature. When heat is applied in this extended state, the SMA actuator 3 undergoes phase transformation and has a high elastic modulus (austenite phase: It has the property of moving to the parent phase and returning to its original length from its extended state (recovering its shape).
  • the SMA actuator 3 is energized and heated to perform the above-described phase transformation (details will be described later). That is, since the SMA actuator 3 is a conductor having a finite electric resistance value, Joule heat is generated by energizing the SMA actuator 3 itself, and self-heating based on the Joule heat causes the martensite phase to change to the austenite phase. It is configured to transform. For this reason, the first electrode 30 a and the second electrode 30 b for energization heating are fixed to both ends of the SMA actuator 3. These electrodes 30 a and 30 b are fixed to predetermined electrode fixing portions provided on the base member 4.
  • the SMA actuator 3 is bridged between the electrodes 30a and 30b with a portion engaging with the extending portion 22 of the lever member 2 as a turning point.
  • a movement force F1 (see FIG. 2B) is applied to the lever member 2, and this movement force F1.
  • the lever member 2 swings.
  • the electrodes 30a and 30b are arranged in the vicinity of the support portion 16 of the lens unit 1 in the base member 4, respectively.
  • the lengths of the SMA actuator 3 from the electrodes 30a and 30b to the turn-back point are set to be equal to each other, so that the amount of expansion / contraction of the SMA actuator 3 on both sides of the displacement input portion 2a becomes equal. Rubbing between the lever member 2 and the SMA actuator 3 is prevented.
  • a V-groove 21a (corresponding to the displacement input portion 2a) is formed in the extended portion 22, and the SMA actuator 3 is bridged so as to be fitted into the V-groove 21a, whereby the lever member 2 is On the other hand, the SMA actuator 3 is stably suspended.
  • the lens unit 1 moves against the pressing force of the bias spring 7.
  • the amount of displacement of the lens unit 1 is adjusted by controlling the energizing current to the SMA actuator 3 and adjusting the amount of the moving force F1.
  • the moving force F1 disappears, and the pressing force of the bias spring 7
  • the lens unit 1 returns to the home position along the optical axis AX direction. In this way, the lens unit 1 can be displaced along the optical axis AX direction by turning on and off the SMA actuator 3, and the moving force F1 can be controlled by controlling the current supplied to the SMA actuators 3a and 3b.
  • the amount of displacement of the lens unit 1 can be adjusted by adjusting the amount of force.
  • the lens unit 1 can be favorably moved along the optical axis AX in accordance with the operation of the SMA actuator 3.
  • FIG. 3 to 5 are diagrams showing general properties of physical properties of SMA.
  • FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the temperature and the resistance value of the SMA wire.
  • the resistance value changes in a direction opposite to that of a normal metal while being deformed in the shrinking direction due to the crystal phase transformation of SMA.
  • the resistance value increases with increasing temperature as in the case of ordinary metals, but changes from the low temperature phase (generally martensite phase) to the high temperature phase (generally austenite).
  • the wire contracts so as to have a memorized shape, and the resistance value changes in a rapidly decreasing direction. And if it exceeds Af point which complete
  • the resistance value decreases as the temperature lowers, and when the temperature falls below the Ms point at which transformation from the high temperature phase to the low temperature phase starts, the SMA As the wire expands due to the bias force, the resistance value increases rapidly as the temperature decreases. And when it becomes the temperature below the Mf point which complete
  • the characteristic curve of the SMA wire in the temperature rising process and the temperature decreasing process has hysteresis (see FIG. 3).
  • FIG. 4 is a characteristic diagram showing a temperature-resistance value relationship of SMA used for driving the AF lens in the lens driving unit 100 of the embodiment. Since the maximum extension amount of the lens is up to the macro end and no further area is used, FIG. 4 shows the curve of FIG. 3 as the operation up to the macro end, and shows the range actually used as a product.
  • the resistance value in each process is defined as follows.
  • initial resistance value Rstart refers to the resistance value in a completely radiated state before energization, that is, the resistance value when energization heating is started;
  • maximum resistance value Rmax refers to the maximum resistance value near the start of transformation to the austenite phase in the process of increasing temperature from a low temperature region;
  • displacement start resistance value Rinf refers to the resistance value when the temperature rises and the lens starts moving from the infinite end;
  • the term “macro end resistance value Rmcr” refers to the resistance value when the lens is at the macro end.
  • the shrinkage of the SMA wire starts from the temperature at which the maximum resistance value Rmax is reached, but since there is a slack of the wire and elastic deformation of each part, the lens still does not move in that state, and the stress of the SMA due to the shrinkage increases.
  • the tension at the time of constructing the wire rod is appropriately set so that the imaging lens 10 actually starts to move when the stress due to the bias spring 7 is exceeded. Accordingly, the point where the temperature further rises from the point where the maximum resistance value Rmax is reached becomes the displacement start resistance value Rinf.
  • the imaging lens 10 begins to extend from the infinite end in the macro direction, and as the temperature rises further, the resistance value R decreases as the imaging lens 10 moves in the macro direction and reaches the macro end resistance value Rmcr. On the contrary, in the process of decreasing the temperature, the resistance value R increases as the imaging lens 10 moves in an infinite direction.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the resistance value of SMA used for the lens driving unit 100 of the embodiment and the lens displacement.
  • RT correlation (see Fig. 4): Correlation between "resistance value-temperature” (resistance value decreases with increasing temperature in the temperature range where SMA contracts), TX correlation (not shown): Correlation between “temperature and SMA expansion / contraction amount” (the higher the temperature, the larger the expansion / contraction amount),
  • RX correlation a correlation of “resistance value ⁇ SMA expansion / contraction amount (lens displacement)
  • the amount of energization to SMA 3 by feedback control is determined by comparing the target position with the current position.
  • proportional control which is a simple control method
  • the energization amount is determined so as to be proportional to the difference between the target position and the current position.
  • the resistance value R of the SMA in the temperature lowering process decreases in the region where “macro end resistance value Rmcr ⁇ displacement start resistance value Rinf”, and “displacement start resistance value Rinf ⁇ maximum resistance value Rmax ⁇ initial resistance value”. In the region that changes in the order of “Rstart”, the displacement does not move at the infinite end.
  • the RX correlation characteristic curve has hysteresis in the temperature increasing process and the temperature decreasing process (see FIG. 5). This is due to the fact that the transformation temperature of the SMA 3 has temperature hysteresis, as well as friction between the support portion 16 and the arm portion 21 in FIG. 1 and FIG. include.
  • the preconditions of the SMA actuator control device that occur with the general properties of the physical characteristics of the SMA described above will be described.
  • the SMA actuator control device when constant current driving is performed, it takes a long time for the displacement of the driven object (lens) to settle, and the displacement also changes depending on conditions such as the ambient temperature. It is premised on high-speed step drive by control.
  • the servo control is a method in which the amount of energization is feedback controlled and information is moved to a target displacement while acquiring information on the current displacement.
  • the resistance value of the SMA itself correlates with the deformation amount (expansion / contraction amount) of the SMA.
  • the resistance value of SMA is detected by using this, and the resistance value is used as displacement information of SMA.
  • FIGS. 6 and 7 are diagrams for explaining the characteristics of the drive response when the distance difference between the start point position and the target position is different in the SMA actuator control device.
  • FIG. 6 shows a small distance difference (hereinafter referred to as “small width”).
  • FIG. 7 shows the drive response when the distance difference is large (hereinafter, referred to as “significant step”).
  • FIGS. 6A and 7A are diagrams for explaining the temporal change of lens displacement, and FIGS. 6B and 7B are FIGS. 6A and 7A.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a movement process in a hysteresis curve (see FIG. 5) corresponding to each of FIGS.
  • FIG. 6A is a graph of the time change of the lens displacement in the small step drive.
  • a target position Pn is given when SMA3 is at the starting point position P0 at time t0, the lens starts moving toward the target position Pn, and reaches the target position Pn at time tn and settles.
  • this corresponds to a path moving from the state point S0 to the state point Sn along the path on the heating side of the hysteresis curve.
  • FIG. 7 is a graph when a large step drive is performed by a conventional control device.
  • the lens moves from the starting point position P0 toward the target position Pn, but passes through the target position Pn by one step drive, and a position corresponding to the state point Sn1 at time tn1. It reaches to Pn1. Since the servo control is performed after reaching the position Pn1, the position Pn2 (corresponding to the state point Sn2 (at the time tn2) remains with the displacement error ⁇ D from the target position Pn while returning to the target position Pn. > Pn).
  • the phenomenon in this large step is due to the fact that the acceleration by the servo control increases due to the large movement width and the movement speed becomes high because the movement width is large, as in the case of the small width step. In other words, overshoot is likely to occur.
  • the resistance value Rn1 of the state point Sn1 when passing through the target position Pn and reaching the position Pn1 due to the overshoot of the large step drive shows a resistance value lower than the target resistance value Rn. Therefore, it is driven in the reverse direction (heat dissipation process) by servo control, and is settled at the resistance value Rn2 of the state point Sn2 corresponding to the target resistance value Rn on the hysteresis curve or a resistance value approximate thereto, that is, the position Pn2.
  • the position Pn2 is the target position Pn as described above. Is displaced by a displacement error ⁇ D (see FIG. 7A).
  • the lens unit 1 is moved from the starting position P0 to the target position Pn.
  • the section D from the starting position P0 to the target position Pn is divided into a plurality of sections Da and Db, and a plurality of stages of moving processes are performed. .
  • Embodiment> ⁇ 2. Specific Configuration and Operation of Embodiment> ⁇ 2-1.
  • Outline of SMA actuator controller CT> The SMA actuator control device CT based on the technical idea of the present invention described above controls the actuator using the shape restoring force due to the temperature change of the wire-like SMA 3. Specifically, the control of the energization amount to the SMA 3 is variably set according to the movement step widths of the plurality of sections Da and Db divided up to the target position Pn (that is, the respective distances of the divided sections Da and Db). To do. Based on the set energization amount, the control signal is changed according to the operation command value to the actuator, and energization control to the SMA 3 is performed.
  • FIG. 8A is a block diagram illustrating a configuration of the SMA actuator control device CT according to the embodiment.
  • the SMA actuator control device CT includes the mechanical system illustrated in FIGS. 1 and 2 in the lens driving unit 100. It corresponds to a control system for controlling.
  • the SMA actuator 3 can be energized by the transistor 106 from the power supply line PL side between the power supply line PL for supplying the power supply voltage V and the ground line GL.
  • the SMA actuator 3 corresponds to the SMA actuator 3 of the lens driving unit 100 shown in FIGS.
  • Both ends of the SMA actuator 3 is connected to the resistance value detecting section 102, the resistance value detecting section 102, Ohm's law by, detecting the resistance value R SMA from the voltage V across the known current value I and the SMA actuator 3. Since the current value I becomes a substitute index in the one-to-one relationship with the voltage V across if known resistance value R SMA, to detect the voltage V across, it a physical detecting the resistance value R SMA Or mathematically equivalent. In FIG. 8, the constant current circuit and the detection timing circuit are omitted.
  • Resistance R SMA of the SMA actuator detected by the resistance value detecting section 102 is input to one input terminal of the comparator 103, the other input terminal of the comparator 103, the output from the command value division control section 104
  • a command position (specifically, a target resistance value Rn corresponding to the command position) is input.
  • the command value division control unit 104 is inputted with a target position Pn from a host control unit 101 constituted by a microcomputer or the like.
  • the resistance value R is detected instead of providing a displacement sensor by utilizing the above-described relationship between the SMA resistance value and the lens displacement (see FIG. 5).
  • the comparison between the actual resistance value obtained by this detection and the target resistance value indirectly compares the current lens displacement value with the target lens displacement value.
  • the comparison unit 103 outputs the result of comparing the input values of the actually measured resistance value RSMA and the target resistance value Rn to the energization control calculation unit 105.
  • the SMA actuator 3 is energized by determining the energization control value signal and inputting it to the transistor 106 according to the output result of the energization control calculation unit 105 (difference between the measured resistance value RSMA and the target resistance value Rn). It is heated by Joule heat.
  • the SMA actuator control device CT performs energization according to the command position of the lens unit 1 to the SMA actuator 3 and performs servo control using a detection value corresponding to the resistance value of the SMA actuator 3. .
  • the SMA actuator control device CT has the following functions in order to avoid the overshoot problem described above.
  • the command value division control unit 104 of the SMA actuator controller CT first adds the intermediate position P1 to the section D between the movement start point position P0 (FIG. 11A) of the lens unit 1 and the target position Pn.
  • a plurality of command positions P1, Pn including the target position Pn and the intermediate position P1 are set.
  • the plurality of command positions are sequentially given to the comparison unit 103 in order from the side closer to the start point position P0, and the lens unit 1 is moved in stages from the start point position P0 to the target position Pn.
  • the position P2 indicates a position where the SMA 3 has returned by a distance corresponding to a part of the overshoot during the static period provided between the completion of the first stage movement and the start of the second stage movement. This will be described later.
  • command value division control unit 104 of the SMA actuator control device CT has the following functions in addition to the stepwise movement unit 110.
  • the influence on the movement accuracy of the lens unit 1 to the target position Pn is mainly the influence of the hysteresis in the period immediately before reaching the target position Pn, that is, the final divided section Da, and the divided sections before that. This is a result of considering that the influence of the hysteresis of Da is relatively small. For this reason, by shortening the width (distance) of the final divided section and increasing the width of the other divided sections, the position accuracy at the target position Pn is improved and the total from the start position P0 to the target position Pn is increased. It is possible to achieve both the reduction of the displacement time.
  • the width of the final divided section Db is preferably set as a fixed value regardless of the distance difference (distance of the section D) between the starting point position P0 and the target position Pn. This is because the movement position accuracy to the target position Pn can be made uniform by setting the width of the final divided section to a fixed value regardless of the difference in distance between the start point position Pn and the target position Pn.
  • FIG. 11B shows a case where a plurality of intermediate positions P1, P3 are set in a section D between the starting point position P0 and the target position Pn and the section D is divided into a plurality of divided sections Da, Db, Dc.
  • the final divided section Dc is the shortest section among the divided sections Da, Db, and Dc, and the width of the final divided section Dc is fixed even if the distance of the section D is different. It is preferable to use a value.
  • the positions P2 and P4 of FIG. 11B indicate the positions returned by the same amount as the overshoot during the static period of the step movement boundary of each stage.
  • the command value division control unit 104 in FIG. 8B also includes a division interval width variable setting unit 120.
  • the width of at least one divided section Di other than the final divided section Dn is set to the difference between the start position P0 and the target position Pn ( It is variably set according to the distance of the section D).
  • the simplest example is the case of FIG. 11A in which the section D is divided into two divided sections ⁇ Da, Db ⁇ . Depending on the width of the section D, the divided sections Da other than the final divided section Db The width is variable.
  • the divided section width variable setting unit 120 does not overshoot the target position Pn due to overshoot. Pi and Pn are set. Further, when the number of divisions in the section D is variable, it is preferable that the number of divisions is increased as the width D is increased. However, if the number of divisions is excessive, an increase in the time until the target position Pn is reached cannot be ignored. Therefore, it is preferable to use several types of divisions depending on the section width D. For example, when the width of the section D is smaller than a predetermined threshold, it is divided into two, and when the width of the section D exceeds the threshold, the selection is divided into three. The specific division section width can be selected so that the total time for reaching the target position Pn and the positioning accuracy to the target position Pn are balanced.
  • the width of at least one divided section Di other than the final divided section Dn is variably set according to the difference (the width of the section D) between the starting point position P0 of the displacement of the lens unit 1 and the target position Pn.
  • the command value division control unit 104 in FIG. 8B also includes a single stage moving unit 140.
  • the target position Pn is set as the first command position of the movement destination from the start point position P0, thereby moving the lens unit 1 from the start point position P0 to the target position Pn in one step. Make it. Therefore, the single-stage moving unit 140 can realize movement control similar to the conventional one-stage movement.
  • the single stage moving unit 140 and the staged moving unit 110 can be selectively used according to the situation.
  • the command value division control unit 104 is selectively activated.
  • a conversion unit 130 is provided. Specifically, the selective activation unit 130 selectively activates the stepwise moving unit 110 when the difference (the width of the section D) between the start position P0 and the target position Pn exceeds a predetermined threshold, If the difference is less than or equal to the threshold, the single stage moving unit 140 is selectively activated. Further, the selective activation unit 130 stores the target value given from the upper control unit 101 when the lens unit 1 was moved last time, and uses this as the starting point position P0 that is the current position. The current position (starting point position P0) can also be determined based on the output value from the resistance value detecting unit 102.
  • the lens unit 1 when the difference between the starting point position P0 of the lens unit 1 and the target position Pn is equal to or smaller than a predetermined threshold value, one-step movement control is performed. Further, when the difference between the starting point position P0 and the target position Pn is small, the position error ⁇ D does not occur so much even if the stepwise movement process is not performed. Therefore, the lens unit 1 is moved directly to the target position Pn, and the control is performed. Time can be shortened.
  • the stepwise moving unit 110 moves the lens unit 1 to the next command position after a predetermined settling period (a non-zero finite period).
  • the settling period setting unit 111 is started.
  • the settling period may be a fixed value, or the settling period may be variably set.
  • the starting point position P0 of the displacement control is a position at the time when the displacement control to the previous target position is completed and the displacement control to the new target position Pn is started, and is an initialization position when the power is turned on. Is not limited. Therefore, the relationship between the starting point position P0 and the target position Pn is arbitrary.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the drive response of the SMA lens drive unit 100 according to the present embodiment.
  • the vertical axis, horizontal axis, and symbols used in the graph are the same as in FIGS.
  • FIG. 9 here is an example in which the lens is driven from the starting point position P0 to the target position Pn by two step drives.
  • position is used, such as “target position”, “current position”, and “command position”.
  • SMA 3 corresponding to these positions is used. (Or a voltage across the SMA 3 when a predetermined constant current is passed through the SMA 3).
  • Step ST1 First, in response to an initial operation in which the user turns on the power of the mobile phone or the camera mode, the power supply to the SMA actuator controller CT is turned on, and this operation flow is started.
  • a target position Pn corresponding to the displacement destination position of the imaging lens 10 is calculated by the upper control unit 101, and It is input to the command value division control unit 104 (see FIG. 8). Then, the command value division control unit 104 converts the target position Pn into the target resistance value Rn and holds it (see FIGS. 9A and 9B).
  • Step ST2 On the other hand, information regarding the current resistance value of the SMA 3 detected by the resistance value detection unit 102 is given to the command value division control unit 104, bypassing the comparison unit 103, and the current position Pi of the SMA 3 based on the current resistance value. Is calculated.
  • step ST2 is repeatedly executed by a repetition loop.
  • the current position P at time t0 corresponds to the starting point position P0, so this determination deviation
  • ⁇ P ⁇ corresponds to the distance in section D in FIG.
  • the selective active unit 130 selectively activates the stepped moving unit 110 and enters the divided movement mode.
  • step ST4 In step ST4 corresponding to the divided movement mode, it is determined which of the target position Pn and the current position P is larger. This is equivalent to determining the sign of the difference ⁇ P between the target position Pn and the current position P.
  • the current position P When the current position Pi is smaller than the target position Pn, the current position P is in front of the target position Pn. At that time, a position having a displacement smaller than the target position Pn by a predetermined distance C2, that is, A position Pf2 (FIG. 12) slightly before the target position Pn is set as the movement command value.
  • the current position P When the current position P is larger than the target position Pn, the current position P exists on the side farther than the target position Pn. At that time, the displacement variable is larger by a predetermined distance C2 from the target position Pn.
  • the position, that is, the position Pr2 slightly ahead of the target position Pn is set as the movement command value.
  • the target position Pn is used as the movement command value.
  • the positions Pf2 and Pr2 separated from the target position Pn by the distance C2 are set as intermediate positions, and the intermediate positions are set as the current command positions.
  • the two threshold values C1 and C2 may be the same value or different values. However, in the latter case, C1> C2. This prevents the situation where the intermediate positions Pf2 and Pr2 are set farther than the current position P when viewed from the target position Pn.
  • the ratio of C1: C2 is selected from the range of 1-3: 1.
  • the command position determined in this way is expressed by a resistance value corresponding to the command position, and is output to the comparison unit 103 (FIG. 8A) to perform servo control to move to the command position.
  • the command position and current position in the servo control are expressed by the resistance value of SMA3 (more precisely, the voltage value at both ends of SMA3), but in the following, it will be described as "position” like "command position” and "current position". To do.
  • Step ST5 When the movement control to the command position is completed, the driving is stopped only for the period set in advance in the settling period setting unit 111 included in the stepwise moving unit 110, and the SMA 3 is settled.
  • the settling period set in the settling period setting unit 111 is variable.
  • a resistance value R1 corresponding to the front position P1 (P0 ⁇ P1 ⁇ Pn: FIG. 11A) is given as a proxy index for the command position P1.
  • the movement control toward the first command position P1 is performed by the first step driving, but since the first step driving has a relatively large movement width Da, an overshoot occurs.
  • the position P2 at time t2 when it has returned to incomplete and settled is closer to the starting position P0 than the original command position P1 (P2 ⁇ P1).
  • the resistance value has a relationship of R1 ⁇ R2.
  • Steps ST6 to ST8 When the static period elapses, the target position Pn is set as the next designated position, and the movement of the lens unit 1 is resumed. Also, the settling time is allowed to elapse at the end of the movement.
  • the SMA 3 reaches the target position Pn or its vicinity with high accuracy and stops.
  • the state point on the heat dissipation side path of the hysteresis curve returns to the heating side path again in this process, and at time tn, the state point Sn corresponding to the target position Pn is reached.
  • Servo control is performed to maintain the temperature of the SMA 3 so as to stay at this state point Sn until the next target position is given.
  • step ST6 ⁇ Detour from step ST3 to step ST6:
  • ⁇ P the determination deviation
  • ⁇ P which is the absolute value of the difference between the current position P and the target position Pn does not exceed the threshold value C1
  • steps ST4 to ST5 are bypassed, The process directly enters step ST6. Therefore, at this time, the target position Pn is set as the command position and the movement control is executed immediately without going through the intermediate movement stage where the intermediate position P1 is once set as the command position.
  • step ST6 is performed by the selective enemy activation unit 130 in FIG. 8B selectively activating the single-stage movement command unit 140 so that the target position can be obtained only in a single stage. This corresponds to the control of moving to Pn.
  • the above control sequence is a simple calculation using set values such as threshold values C1 and C2 as constants (fixed or variable constants), so that the control is not complicated and a correction table is provided for each product. There is no need. Therefore, it can be realized even with a relatively small-scale digital logic circuit. In addition, since no special element is required mechanically, accurate position control can be realized while suppressing the complexity and cost increase of the system.
  • the positions P1 to P4 are positions separated from the target position Pn by a distance corresponding to constants C1 to C4, and correspond to the divided widths Da to Dc for each of the three divided sections.
  • the command position is set in order from the side closer to the start point position P0. The same applies when the number of divided sections is 4 or more.
  • the SMA actuator control device of the present invention can be used for various drive units, but is particularly suitable when SMA is used in a drive unit for optical components such as lenses and mirrors.

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Abstract

　形状記憶合金（ＳＭＡ）を利用したＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴは、可動機構の指令位置に応じた通電をＳＭＡに対して行うとともに、当該ＳＭＡの抵抗値に対応した検出値を用いてサーボ制御を行う。そして、可動機構を始点位置Ｐ0から目標位置Ｐnに移動させる際に、少なくとも１つの中間位置Ｐ1，Ｐ3を付加してそれを中間段階での指令位置とすることによって、移動開始からの移動履歴に依存するヒステリシスの影響を低減し、正確な位置制御を実現することができる。

Description

形状記憶合金アクチュエータ制御装置および光学部品駆動ユニット
　本発明は、形状記憶合金を用いたアクチュエータの制御装置および、それを用いた光学部品駆動ユニットに関する。
　携帯電話などに内蔵されるマイクロカメラユニット(ＭＣＵ)は現在数多く生産されているが、近年、高画質化が進むとともに、画質とユーザ利便を求めるために、オートフォーカス（ＡＦ）機能が必須になりつつある。一方、携帯電話の部品としてのＭＣＵには、小型、低価格に対する非常に強い要求がある。
　また、温度変化による変形を駆動原理としたアクチュエータとして、Ni-Ti等の形状記憶合金（Shape Memory Alloy: ＳＭＡ）を線材に加工したものが知られており、小型、大出力で十分な応答速度を実現できることから、上記のＭＣＵのＡＦ用のような用途向けとして有望視されている。
　しかしながら、一般にＳＭＡは、温度上昇過程と温度下降過程とで温度に対する歪み量が異なるヒステリシスをもつため、ＳＭＡのこのようなヒステリシスをもつアクチュエータでは、移動過程の履歴が異なると位置制御精度の低下を引き起こしてしまう問題がある。
　そこで、このようなヒステリシスが制御応答に与える悪影響を改善するために、例えば、特許文献１で開示されている技術では、アクチュエータの移動量と駆動制御値に基づいた、応答遅れの補正を導入している。また、特許文献２で開示されている技術では、予め記憶された補正値を元に、ヒステリシスを補正し位置精度を向上させることが提案されている。
特開２０１０－１３３３５０号公報 特開２００８－２７６０９０号公報
　しかしながら、特許文献１の技術は応答遅れの補正であって、ヒステリシスが位置精度に与える悪影響は低減できない。また、特許文献２の技術では、補正値をテーブルなどの形で予め記憶し、これを逐次参照しながら制御することになり、システムが複雑化するとともに、補正値を、例えば、製品個別に測定して記憶するため製造上のコスト増要因にもなる。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、可動機構を始点位置から目標位置に移動させる際に、システムの複雑化やコストアップを抑制しつつ、移動開始からの移動履歴に依存するヒステリシスの影響を低減し、正確な位置制御を実現する形状記憶合金アクチュエータ制御装置およびそれを用いた光学部品駆動ユニットを提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、第１の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、形状記憶合金の温度変化による形状復元力を利用して対象物の移動を行う可動機構を備えたアクチュエータの制御装置であって、前記可動機構の指令位置に応じた通電を前記形状記憶合金に対して行うとともに、前記形状記憶合金の抵抗値に対応した検出値を用いてサーボ制御を行うサーボ制御部と、前記可動機構の移動の始点位置と目標位置との間に少なくとも１つの中間位置を付加することによって、前記目標位置と前記少なくとも１つの中間位置とを含んだ複数の指令位置を設定し、前記始点位置に近い側から順に前記複数の指令位置を前記サーボ制御部に順次に与えて、前記可動機構を前記始点位置から前記目標位置まで複数段階に分けて段階的に移動させる段階的移動部と、を備えることを特徴とする。
　また、第２の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、第１の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置であって、前記始点位置と前記目標位置との間を前記少なくとも１つの中間位置によって分割して形成される複数の分割区間のうち、前記目標位置を終点とする最終分割区間が、前記複数の分割区間のうちで最も短い幅を持つことを特徴とする。
　また、第３の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、第１の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置であって、前記始点位置と前記目標位置との間を前記少なくとも１つの中間位置によって分割して形成される複数の分割区間のうち、少なくとも１つの分割区間の幅を、前記始点位置と前記目標位置との差に応じて可変に設定する分割区間幅可変設定部、をさらに備えることを特徴とする。
　また、第４の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、第１または第３の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置であって、前記始点位置と前記目標位置との間を前記少なくとも１つの中間位置によって分割して形成される複数の分割区間のうち、前記目標位置を終点とする最終分割区間の幅が、前記始点位置と前記目標位置との距離差に拘わらず、固定値として設定されることを特徴とする。
　また、第５の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、第１ないし第４の何れかの態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置であって、前記始点位置からの移動先の最初の指令位置として前記目標位置を設定することにより、前記始点位置から前記目標位置までの前記可動機構の移動を１段階で行わせる単一段階移動部と、前記始点位置と前記目標位置との差が所定の閾値を超える場合には前記段階的移動部を選択的に能動化し、前記差が前記閾値以下の場合には前記単一段階移動部を選択的に能動化する選択的能動化部と、をさらに備えることを特徴とする。
　また、第６の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置は、第１ないし第５の何れかの態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置であって、前記段階的移動部が、ひとつの指令位置までの前記可動機構の移動制御が行われた後、所定の静定期間を経てから次の指令位置への前記可動機構の移動を開始させる静定期間設定部、を備えることを特徴とする。
　また、第７の態様に係る光学部品駆動ユニットは、形状記憶合金の温度変化による形状復元力を利用して所定の光学部品の駆動を行うアクチュエータと、第１ないし第６の何れかの態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置と、を備えることを特徴とする。
　第１ないし第６の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置によれば、可動機構を始点位置から目標位置に移動させる際に、複数段階の移動過程を経ることで、移動開始からの移動履歴に依存するヒステリシスの影響を低減し、正確な位置制御を実現することができる。
　特に第２の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置によれば、複数の分割区間のうち、最終分割区間が最も短い区間とされる。目標位置への可動機構の移動精度への影響は、最終分割区間でのヒステリシスの影響が主要であり、それよりも前の分割区間のヒステリシスの影響は相対的に小さい。このため、最終分割区間の幅（距離）を短くし、他の分割区間の幅はそれよりも長くすることによって、目標位置における位置精度の向上と、始点位置から目標位置までのトータルの変位時間の短縮との両立を図ることができる。
　特に第３の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置によれば、可動機構の変位の始点位置と目標位置との差に応じて、最終分割区間以外の少なくとも１つの分割区間の幅を可変に設定することで、移動に要する時間と目標位置での位置精度の最適化を図ることが可能となる。
　特に第４の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置によれば、始点位置と目標位置との距離差に拘わらず、最終分割区間の幅を固定値とすることにより、目標位置への移動位置精度を均質にすることができる。
　特に第５の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置によれば、可動機構の始点位置と目標位置との差が所定の閾値以下のときには１段階の移動制御とする。始点位置と目標位置との差が小さいときには、段階的移動過程を経なくても位置誤差はあまり生じないため、目標位置へ直接に可動機構を移動させることによって、制御時間の短縮をも図ることができる。
　特に第６の態様に係る形状記憶合金アクチュエータ制御装置によれば、ひとつの指令位置までの移動制御が行われた後、所定の静定期間を経てから次の指令位置への移動を開始させるため、直前の分割区間での移動停止前の状態のばらつきが次の分割区間での移動過程に波及することがなく、各分割区間での移動が安定化する。
図１は本実施形態に係るＳＭＡ駆動装置を使用したレンズ駆動ユニットの機構要部を概略的に示す平面図である。 図２は図１のレンズ駆動ユニットの動作を示す側面図である。 図３はＳＭＡの抵抗値の温度依存性を特性曲線として示す図である。 図４はＳＭＡの抵抗値の温度依存性を特性曲線として示す図である。 図５はＳＭＡの抵抗値のレンズ変位依存性を特性曲線として示す図である。 図６はＳＭＡレンズ駆動ユニットの駆動応答を説明する図である。 図７はＳＭＡレンズ駆動ユニットの駆動応答を説明する図である。 図８は本実施形態に係るＳＭＡアクチュエータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図９は本実施形態に係るＳＭＡレンズ駆動ユニットの駆動応答を説明する図である。 図１０は本実施形態に係るＳＭＡアクチュエータ制御装置の動作を説明するフローチャートである。 図１１は本実施形態での区間分割と移動過程との説明図である。 図１２は本実施形態での判定閾値の設定に関する説明図である。
　＜１．レンズ駆動ユニットの機構部の概要および構成＞
　図１および図２は、この発明の実施の形態のＳＭＡアクチュエータ制御装置を使用して構成したレンズ駆動ユニット１００のうち、機構要部を概略的に示す図である。このうち、図１は、レンズ側から見た平面図（レンズ開口面）であり、図２は、図１における矢示Ａ方向から見た側面図を示している。なお、図２（ａ）は、駆動前の状態を、図２（ｂ）は、駆動後の状態を表している。
　このレンズ駆動ユニット１００は、例えば、携帯電話に組み込まれる小型カメラシステムなどにおいて使用されるものであり、ＳＭＡを用いたアクチュエータ（ＳＭＡアクチュエータ）を駆動源としてＡＦ動作を行う。
　具体的構成において、このレンズ駆動ユニット１００は、主に、レンズユニット１（被駆動物）、このレンズユニット１を光軸ＡＸ方向（第１軸方向）に移動させるレバー部材２、ＳＭＡアクチュエータ３、ベース部材４、天板５、平行板バネ６ａ，６ｂおよびバイアスバネ７等を備え、ベース部材４に対してレンズユニット１等が組み付けられた構成となっている。天板５および平行板バネ６ａ，６ｂは、便宜上、図１では省略している。
　ベース部材４は、レンズ駆動ユニット１００の取り付け対象となる部材（例えば携帯電話機のフレームやマウント基板等）に固定されるものであり、レンズ駆動ユニット１００の底辺を構成する不動の部材である。このベース部材４は、平面視正方形の板状に形成され、全体が樹脂材料等により構成されている。
　レンズユニット１は円筒形を有し、撮像レンズ１０と、この撮像レンズ１０を保持するレンズ駆動枠１２と、該レンズ駆動枠１２が収納される鏡筒１４とから構成されている。
　撮像レンズ１０は、対物レンズ、フォーカスレンズ、ズームレンズ等を有し、図外の撮像素子に対する被写体像の結像光学系を構成している。レンズ駆動枠１２は、所謂玉枠であって、鏡筒１４と共に光軸ＡＸ方向に移動する。レンズ駆動枠１２の対物側先端の外周縁部には、周方向に１８０°の角度差を有して一対の支持部１６が突設されている。
　レンズユニット１は、天板５に形成される開口部分に挿入された状態でベース部材４上に配置されている。詳しくは、一対の支持部１６がベース部材４の一対の対角の近傍に位置するように配置されている（図１参照）。
　ベース部材４および天板５には、それぞれ平行板バネ６ａ，６ｂが固定されており、これら平行板バネ６ａ，６ｂにレンズユニット１が固定されている。これによってレンズユニット１がベース部材４等に対して変位可能に支持されると共に、その変位自由度が、光軸ＡＸに沿った方向に規制されている。なお、天板５は、ベース部材４に対して図外の支柱等を介して固定しても良いし、ベース部材４と一体となる構造でも良い。
　レバー部材２は、支持部１６を介してレンズユニット１に係合することによってレンズユニット１に光軸ＡＸ方向の駆動力を付与するものである。
　このレバー部材２は、レンズユニット１の側方、具体的には、ベース部材４の角部であってレンズユニット１の支持部１６が位置する角部以外の一の角部に設置されている。このレバー部材２は、光軸ＡＸと直交し、かつ一対の支持部１６の並び方向（図１では上下方向）に延びる軸線回りに揺動可能に支持されている。
　図２（ａ）に示すように、レバー部材２は、アーム部分２１と、このアーム部分２１の基端部分から光軸ＡＸ方向に延びる延設部分２２とを有した側面視逆Ｌ字型の形状を有しており、アーム部分２１と延設部分２２との境となる屈曲部分が、ベース部材４に立設された支持脚８の先端で支持されることによってベース部材４上に支持されている。
　支持脚８の先端（以下、レバー支持部８ａという）の形状は、光軸ＡＸ方向と直交する方向（図２（ａ）の紙面と直交する方向）に延びる略円柱形状とされている。これにより、レバー部材２が、当該レバー支持部８ａを支点として光軸ＡＸ方向と直交する軸線回りに揺動可能に支持されている。
　アーム部分２１は平面視で円弧状に形成されている。詳しくは、図１に示すように、延設部分２２からからレンズユニット１の両側に二股に分かれて当該レンズユニット１の外周面に近接してそれぞれ均等に延び、全体としてレンズユニット１の片側半分を包囲するように形成されている。アーム部分２１の先端（両端）は、それぞれレンズユニット１の各支持部１６の位置に達している。そして、延設部分２２にＳＭＡアクチュエータ３が架け渡され、この架け渡し位置（変位入力部２ａという）に光軸ＡＸ方向と直交する方向（第２軸方向：図２（ａ）の左右方向）の移動力Ｆ１（図２（ｂ）参照）が入力されることにより、レバー部材２が揺動する。この揺動に伴いアーム部分２１の先端（変位出力部２ｂという）が光軸ＡＸ方向に変位し、当該変位出力部２ｂが各支持部１６に係合してレンズユニット１に光軸ＡＸ方向の駆動力が付与されることとなる。
　ＳＭＡアクチュエータ３は、レバー部材２に対して移動力Ｆ１（図２（ｂ）参照）を付与するもので、例えばNi-Ti合金等のＳＭＡワイヤで構成され、断面がほぼ円形の線状アクチュエータである。なお、この明細書では、ＳＭＡアクチュエータ３およびそれを構成するＳＭＡワイヤを単に「ＳＭＡ３」とも略称する。
　このＳＭＡアクチュエータ３は、低温で弾性係数が低い状態（マルテンサイト相）において張力を与えられることで伸長し、この伸長状態において熱が与えられると相変態して弾性係数が高い状態（オーステナイト相：母相）に移行し、伸長状態から元の長さに戻る（形状回復する）という性質を有している。
　当実施形態では、ＳＭＡアクチュエータ３を通電加熱することで、上述の相変態（詳細は後述）を行わせる構成が採用されている。すなわち、ＳＭＡアクチュエータ３は有限の電気抵抗値を有する導体であることから、当該ＳＭＡアクチュエータ３自身に通電することでジュール熱を発生させ、該ジュール熱に基づく自己発熱によりマルテンサイト相からオーステナイト相へ変態させる構成とされている。このため、ＳＭＡアクチュエータ３の両端には、通電加熱用の第１電極３０ａおよび第２電極３０ｂが固着されている。これら電極３０ａ，３０ｂはベース部材４に設けられる所定の電極固定部に固定されている。
　ＳＭＡアクチュエータ３は、図１に示すように、レバー部材２の延設部分２２に係合する部分を折り返し地点として、電極３０ａおよび３０ｂの間に架け渡されている。かかる構成により、ＳＭＡアクチュエータ３が電極３０ａ，３０ｂを介して通電加熱され、作動（収縮）すると、レバー部材２に対して移動力Ｆ１（図２（ｂ）参照）が付与され、この移動力Ｆ１によりレバー部材２が揺動することとなる。
　なお、電極３０ａ，３０ｂは、ベース部材４のうちレンズユニット１の支持部１６の近傍にそれぞれ配置されている。ＳＭＡアクチュエータ３のうち各電極３０ａ，３０ｂから折り返し地点までのそれぞれの長さは等しく設定されており、これによって変位入力部２ａ両側のＳＭＡアクチュエータ３の伸縮量が等しくなってＳＭＡアクチュエータ３作動時のレバー部材２とＳＭＡアクチュエータ３との擦れが防止される。また、延設部分２２にはＶ溝２１ａ（上記変位入力部２ａに相当する）が形成されており、当該Ｖ溝２１ａに嵌り込むようにＳＭＡアクチュエータ３が架け渡されることにより、レバー部材２に対してＳＭＡアクチュエータ３が安定的に懸架されている。
　上記のレンズ移動装置では、通電加熱が行われていないＳＭＡアクチュエータ３の停止（伸長）時には、バイアスバネ７の押圧力によりレンズユニット１がベース部材４側に押圧され、これによってレンズユニット１がホームポジションに保持される（図２（ａ）参照）。一方、ＳＭＡアクチュエータ３が作動（収縮）すると、この作動によりレバー部材２の変位入力部２ａに移動力Ｆ１が付与されてレバー部材２が揺動し、この揺動により変位出力部２ｂが光軸ＡＸ方向に移動することとなる（図２（ｂ）参照）。その結果、レンズユニット１に対物側への駆動力が付与され、レンズユニット１がバイアスバネ７の押圧力に抗して移動する。この際、ＳＭＡアクチュエータ３への通電電流が制御されて移動力Ｆ１の力量が調整されることで、レンズユニット１の変位量が調整されることとなる。
　そして、ＳＭＡアクチュエータ３への通電が停止（若しくは電圧が所定値まで低下）され、ＳＭＡアクチュエータ３が冷却されてマルテンサイト相に復帰すると、前記移動力Ｆ１が消失し、バイアスバネ７の押圧力により、レンズユニット１が光軸ＡＸ方向に沿ってホームポジションに復帰する。このように、ＳＭＡアクチュエータ３への通電ＯＮ－ＯＦＦによって、レンズユニット１を光軸ＡＸ方向に沿って変位させることができ、また、ＳＭＡアクチュエータ３ａ，３ｂへの通電電流を制御して移動力Ｆ１の力量を調整することで、レンズユニット１の変位量を調整できるようになる。
　このように、上記レンズ駆動ユニットによると、ＳＭＡアクチュエータ３の作動に応じ、レンズユニット１を光軸ＡＸ方向に沿って良好に移動させることができる。
　　＜１－１．ＳＭＡの一般的性質＞
　この実施形態におけるＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴ（図８）の詳細を説明する準備として、この実施形態の前提となるＳＭＡの物理特性の一般的性質について説明しておく。
　図３から図５は、ＳＭＡの物理特性の一般的性質を示す図である。これらのうち、図３は、ＳＭＡ線材の温度－抵抗値の関係を示す特性図である。Ni-TiまたはNi-Ti-CuなどのＳＭＡ線材に、適切なバイアス力を与えて記憶形状よりも引っ張り変形を与えた状態で架設しておき、温度変化させたときの一般的な特性曲線を示している。
　温度を上昇させると、ＳＭＡの結晶相変態により、収縮方向に変形するとともに、抵抗値が通常の金属とは逆方向に変化する領域がある。具体的には、変態温度よりも十分に低温の領域では、通常の金属と同様に温度上昇とともに抵抗値が増加する方向に変化するが、低温相（一般にマルテンサイト相）から高温相（一般にオーステナイト相）に変態を開始するＡｓ点を超えると、線材が記憶形状になるように収縮するとともに、抵抗値が急激に減少する方向に変化する。そして、高温相への変態を終了するＡｆ点を超えると、また通常の金属と同様に抵抗値は増加方向に変化する。
　また逆に温度を低下させる過程では、変態温度よりも十分に高温の領域では、温度低下とともに抵抗値が減少し、高温相から低温相への変態を開始するＭｓ点以下の温度となると、ＳＭＡ線材がバイアス力により伸長するとともに、抵抗値が温度低下に伴って急激に増加する。そして、低温相への変態を終了するＭｆ点以下の温度になると、温度低下に伴ってまた抵抗値は減少する。なお、抵抗値は、Ｍｆ点よりも低い温度領域では温度上昇時と同じ軌跡を逆にたどる。
　このように、温度上昇過程と温度低下過程でのＳＭＡ線材の特性曲線はヒステリシスをもっている（図３参照）。
　図４は、実施形態のレンズ駆動ユニット１００においてＡＦレンズ駆動に利用されるＳＭＡの温度－抵抗値の関係を示す特性図である。レンズの最大繰り出し量はマクロ端までであり、それ以上の領域は使用しないので、図４では、図３の曲線をマクロ端までの動作として示しており、実際に製品として使われる範囲を示す。
　ここで、各過程での抵抗値を下記のように定義する。
　・「初期抵抗値Rstart」の用語は、通電前の完全に放熱した状態での抵抗値、すなわち、通電加熱を開始するときの抵抗値を指し；
　・「最大抵抗値Rmax」の用語は、低温領域から温度上昇する過程におけるオーステナイト相への変態が始まる付近での最大となる抵抗値を指し；
　・「変位開始抵抗値Rinf」の用語は、温度が上がりレンズが無限端から動き出すときの抵抗値を指し；
　・「マクロ端抵抗値Rmcr」の用語は、レンズがマクロ端にあるときの抵抗値を指すものとする。
　最大抵抗値Rmaxとなる温度から、ＳＭＡ線材の収縮は開始されるが、線の弛みや各部の弾性変形などがあるので、その状態ではまだレンズは動き出さず、収縮によるＳＭＡの応力が増加し、バイアスバネ７による応力を超えると実際に撮像レンズ１０が動き出すように、線材架設時の張力が適切に設定されている。したがって、最大抵抗値Rmaxとなる点からさらに温度が上がったところが変位開始抵抗値Rinfとなる。撮像レンズ１０が無限端からマクロ方向に繰り出し始め、さらなる温度上昇に伴い、マクロ方向に撮像レンズ１０が移動するに伴い抵抗値Ｒは減少してゆき、マクロ端抵抗値Rmcrに達する。逆に温度低下する過程では、無限方向に撮像レンズ１０が移動するに伴い抵抗値Ｒは増加してゆく。
　続いて、図５は、実施形態のレンズ駆動ユニット１００に用いるＳＭＡの抵抗値－レンズ変位の関係を示す特性図である。この特性図については、
　・ＲＴ相関（図４参照）：「抵抗値－温度」の間の相関（ＳＭＡが収縮する温度範囲で、温度上昇に伴い抵抗値が小さくなる）、
　・ＴＸ相関（図示せず）：「温度－ＳＭＡの伸縮量」の間の相関（温度が高いほど伸縮量が大きい）、
と定義すれば、ＲＴ相関とＴＸ相関とを組み合わせることで、図５のような「抵抗値－ＳＭＡ伸縮量（レンズ変位）（以下、「ＲＸ相関」と称する）」の相関を特定できる。このため、ＳＭＡ３の抵抗値Ｒを測定することによってＳＭＡ３の伸縮量Ｘ（ＳＭＡの伸縮によるレンズ変位Ｘ）を知得するようにしている。
　フィードバック制御によるＳＭＡ３への通電量は、目標位置と現在位置とを比較して決定される。簡易な制御方法である比例制御の場合には、目標位置と現在位置との差に比例するように通電量を決定する。
　再び、図５を参照してＲＸ相関について具体的に説明する。温度上昇過程におけるＳＭＡ３の抵抗値Ｒは、「初期抵抗値Rstart～最大抵抗値Rmax～変位開始抵抗値Rinf」と順に変化する領域では、変位は無限端で動かず、「変位開始抵抗値Rinf～マクロ端抵抗値Rmcr」となる領域では、変位がマクロ端方向に増加する。
　一方、温度低下過程におけるＳＭＡの抵抗値Ｒは、「マクロ端抵抗値Rmcr～変位開始抵抗値Rinf」となる領域では変位が減少し、「変位開始抵抗値Rinf～最大抵抗値Rmax～初期抵抗値Rstart」と順に変化する領域では、変位は無限端で動かない。
　このように、ＲＸ相関特性曲線には、温度上昇過程と温度低下過程のヒステリシスが存在している（図５参照）。この原因には、ＳＭＡ３の変態温度が温度ヒステリシスを持つことに加えて、図１および図２の支持部１６とアーム部分２１間の摩擦や、各部の弾性歪み、ガタなどによる機械的なヒステリシスも含まれている。
　　＜１－２．ＳＭＡアクチュエータ制御装置の前提事情＞
　続いて、上述のＳＭＡの物理特性の一般的性質に伴って生じるＳＭＡアクチュエータ制御装置の前提事情を説明する。なお、ＳＭＡアクチュエータ制御装置では、定電流駆動を行うと、駆動対象物（レンズ）の変位が静定するまでに長時間がかかり、また周囲温度などの条件により変位も変化してしまうため、サーボ制御により高速にステップ駆動することを前提としている。周知のように、サーボ制御とは、現在の変位に関する情報を取得しつつ通電量をフィードバック制御して目標の変位に移動させる方法である。ここでＳＭＡの変形に関する情報取得のためには、変位センサを設けておくという方法もあるが、この発明の実施形態では、ＳＭＡ自身の抵抗値がＳＭＡの変形量（伸縮量）と相関していることを利用して、ＳＭＡの抵抗値を検出し、その抵抗値をＳＭＡの変位情報として用いる。
　図６及び図７は、ＳＭＡアクチュエータ制御装置において、始点位置と目標位置との距離差が異なる場合の駆動応答の特性を説明する図であり、図６は当該距離差が小さい（以下、「小幅ステップ」と称する。）場合の駆動応答性を示し、図７は当該距離差が大きい（以下、「大幅ステップ」と称する。）場合における駆動応答性を示す。なお、図６（ａ）および図７（ａ）は、レンズ変位の時間変化を説明した図であり、図６（ｂ）および図７（ｂ）は、図６（ａ）および図７（ａ）のそれぞれに対応したヒステリシス曲線（図５参照）における移動過程を説明した図である。
　図６（ａ）は、小幅ステップ駆動におけるレンズ変位の時間変化のグラフである。ＳＭＡ３が時刻ｔ0の始点位置Ｐ0にあるときに目標位置Ｐnが与えられ、この目標位置Ｐnに向かってレンズが移動を開始して時刻ｔnに、目標位置Ｐnに至り静定する。これは、図６（ｂ）では、ヒステリシス曲線の加熱側の経路に沿って状態点Ｓ0から状態点Ｓnへの移動する経路に相当する。
　一方、図７は、従来の制御装置で大幅ステップ駆動を行った場合のグラフである。図７（ａ）で示されるように、始点位置Ｐ0から目標位置Ｐnに向かってレンズが移動するが、１回のステップ駆動により目標位置Ｐnを通り過ぎ、時刻ｔn1には状態点Ｓn1に相当する位置Ｐn1にまで至ってしまう。位置Ｐn1に至った後はサーボ制御が行われるため、目標位置Ｐnに向かう方向に戻りつつも、目標位置Ｐnからの変位誤差ΔＤを残したまま時刻ｔn2には状態点Ｓn2に対応する位置Ｐn2（＞Ｐn）で静定することになる。
　この大幅ステップにおける現象は、小幅ステップの場合と同様にヒステリシス曲線の加熱過程の経路を経由するが、移動幅が大きいためサーボ制御による加速が大きくなり、大きな移動速度となることに起因する。すなわち、オーバーシュートが発生しやすい状態になる。
　これを、図７（ｂ）のヒステリシス曲線上の抵抗値の時間変化の観点から説明する。大幅ステップ駆動のオーバーシュートにより目標位置Ｐnを通り過ぎて位置Ｐn1に至ったときの状態点Ｓn1の抵抗値Ｒn1は、目標抵抗値Ｒnよりも低い抵抗値を示すことになる。そのため、サーボ制御により逆向き(放熱過程)で駆動され、ヒステリシス曲線上の目標抵抗値Ｒnもしくはそれに近似する抵抗値に対応する状態点Ｓn2の抵抗値Ｒn2、すなわち、位置Ｐn2で静定する。しかしながら、この状態点Ｓn1はヒステリシス曲線の放熱側の経路上に移るため、検出された抵抗値Ｒn2が目標抵抗値Ｒnと一致するに至ったとしても、先述したように、位置Ｐn2は目標位置Ｐnから変位誤差ΔＤ（図７（ａ）参照）だけずれた位置となる。
　このような変位誤差の原因となる具体的なオーバーシュート量は、移動体の質量、各部の弾性、フィードバックゲイン、摩擦部のすべり挙動など、多くのパラメータが関与している。このため、周波数応答特性（ボード線図）を測定し、位相余裕量を求めることで、ある程度の推定は可能である。しかしながら、正確なオーバーシュート量を予想し、それに応じて単に目標位置をずらせることのみによってオーバーシュート量を正確に打ち消すような制御を従来技術によって行うと、システムの複雑化や大幅なコストアップを招く。
　以上の背景の下、この実施形態のＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴ（図８）では、図１１（ａ）に概念的に示すように、レンズユニット１を始点位置Ｐ0から目標位置Ｐnに移動させる際に、一回で目標位置Ｐnまで移動させるのではなく、始点位置Ｐ0から目標位置Ｐnまでの区間Ｄを複数の区間Ｄa，Ｄbに分割して、複数段階の移動過程を経るように構成されている。これによって、移動開始からの移動履歴に依存するヒステリシスの影響を低減し、正確な位置制御を実現することが、本発明の技術的思想に対応する実施形態の特徴的事項である。
　以下では、実施形態について具体的に説明する。
　＜２．実施形態の具体的構成と動作＞
　　＜２－１．ＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴの概略＞
　以上説明した本発明の技術的思想に基づくＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴは、線材状のＳＭＡ３の温度変化による形状復元力を利用してアクチュエータを制御する。具体的には、ＳＭＡ３への通電量の制御を、目標位置Ｐnまでを分割した複数区間Ｄa，Ｄbのそれぞれの移動ステップ幅（つまり分割区間Ｄa，Ｄbのそれぞれの距離）に応じて可変に設定する。その設定された通電量を基準として、アクチュエータへの作動指令値に応じて制御信号を変化させ、ＳＭＡ３への通電制御を行う。
　図８（ａ）は、実施形態に係るＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴの構成を示すブロック図であり、このＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴは、レンズ駆動ユニット１００のうち、図１および図２に示した機構系を制御するための制御系に相当する。図８（ａ）に示されるように、電源電圧Ｖを供給する電源ラインＰＬと接地ラインＧＬとの間に、電源ラインＰＬ側から、トランジスタ１０６により、ＳＭＡアクチュエータ３に通電できるようになっている。ここで、ＳＭＡアクチュエータ３は、図１～図２に示したレンズ駆動ユニット１００のＳＭＡアクチュエータ３に相当する。
　ＳＭＡアクチュエータ３の両端は抵抗値検出部１０２に接続され、抵抗値検出部１０２が、オームの法則により、既知の電流値ＩとＳＭＡアクチュエータ３の両端電圧Ｖとから抵抗値ＲSMAを検出する。電流値Ｉが既知であれば両端電圧Ｖは抵抗値ＲSMAに対して一対一の関係にある代用指標となるため、両端電圧Ｖを検出することは、抵抗値ＲSMAを検出することと物理的あるいは数学的に等価である。なお、図８では定電流回路や検出タイミング回路は省略している。
　抵抗値検出部１０２により検出されたＳＭＡアクチュエータの抵抗値ＲSMAは、比較部１０３の一つの入力端子に入力され、比較部１０３のもう一つの入力端子には、指令値分割制御部１０４から出力される指令位置（具体的には、指令位置に相当する目標抵抗値Ｒn）が入力される。なお、指令値分割制御部１０４には、マイコンなどから構成される上位制御部１０１から目標位置Ｐnが入力されるようになっている。ここでは、上述したＳＭＡの抵抗値－レンズ変位の関係（図５参照）を利用して、変位センサを設ける代わりに抵抗値Ｒを検出する。この検出によって得た実測抵抗値と目標抵抗値との比較によって、間接的に、レンズ変位現在値とレンズ変位目標値との比較が行われる。すなわち、比較部１０３では、実測抵抗値ＲSMAと目標抵抗値Ｒnとの入力値を比較した結果を通電制御演算部１０５に出力する。そして、通電制御演算部１０５の出力結果（実測抵抗値ＲSMAと目標抵抗値Ｒnとの差）に伴い、通電制御値信号が決定されトランジスタ１０６に入力されることで、ＳＭＡアクチュエータ３に通電されジュール熱により加熱されるようになっている。
　以上のように、ＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴは、レンズユニット１の指令位置に応じた通電をＳＭＡアクチュエータ３に対して行うとともに、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値に対応した検出値を用いてサーボ制御を行う。
　　＜２－２．ＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴの機能構成＞
　ＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴでは、上述したオーバーシュートの問題を回避するため、以下のような機能を備えている。
　すなわち、ＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴの指令値分割制御部１０４ではまず、レンズユニット１の移動の始点位置Ｐ0（図１１（ａ））と目標位置Ｐnとの間の区間Ｄに中間位置Ｐ1を付加することによって、目標位置Ｐnと当該中間位置Ｐ1とを含んだ複数の指令位置Ｐ1，Ｐnを設定する。そして、始点位置Ｐ0に近い側から順に当該複数の指令位置を比較部１０３に順次に与えて、レンズユニット１を始点位置Ｐ0から目標位置Ｐnまで複数段階に分けて段階的に移動させる。これらの機能を達成するのが、指令値分割制御部１０４に含まれる段階的移動部１１０（図８（ｂ）参照）である。なお、位置Ｐ2は第１段階の移動完了と第２段階の移動開始との間に設けられる静定期間に、オーバーシュート分の一部に相当する距離だけＳＭＡ３が戻った位置を示しており、これについては後に説明する。
　ここで、ＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴの指令値分割制御部１０４は、この段階的移動部１１０のほか、さらに以下のような機能を備えている。
　　　＜２－２－１．最後のステップ幅の最小化＞
　始点位置Ｐ0と目標位置Ｐnとの区間Ｄを中間位置Ｐ1によって分割して形成される複数の分割区間Ｄa，Ｄbのうち、目標位置Ｐnを終点とする最終分割区間Ｄbが、当該複数の分割区間Ｄa，Ｄbのうちで最も短い幅を持つ。すなわち、複数の分割区間Ｄa，Ｄbのうち、最終分割区間Ｄbが最も短い区間とされる（図１１（ａ）参照）。
　これは、目標位置Ｐnへのレンズユニット１の移動精度への影響は、目標位置Ｐnに到達する直前の期間すなわち最終分割区間Ｄaでのヒステリシスの影響が主要であり、それよりも前の分割区間Ｄaのヒステリシスの影響は相対的に小さいことを考慮した結果である。このため、最終分割区間の幅（距離）を短くし、他の分割区間の幅はそれよりも長くすることによって、目標位置Ｐnにおける位置精度の向上と、始点位置Ｐ0から目標位置Ｐnまでのトータルの変位時間の短縮との両立を図ることができる。
　このとき、最終分割区間Ｄbの幅は、始点位置Ｐ0と目標位置Ｐnとの距離差（区間Ｄの距離）に拘わらず、固定値として設定されることが好ましい。これは、始点位置Ｐnと目標位置Ｐnとの距離差に拘わらず、最終分割区間の幅を固定値とすることにより、目標位置Ｐnへの移動位置精度を均質にすることができるためである。
　図１１（ｂ）には、始点位置Ｐ0と目標位置Ｐnとの区間Ｄに複数の中間位置Ｐ1，Ｐ3を設定して区間Ｄを複数の分割区間Ｄa，Ｄb，Ｄcに分割した場合を示しているが、この場合においても、同様に、分割区間Ｄa，Ｄb，Ｄcのうち最終分割区間Ｄcが最も短い区間とされるとともに、区間Ｄの距離が異なっても、最終分割区間Ｄcの幅は固定値とすることが好ましい。
　図１１（ａ）の場合と同様に、図１１（ｂ）の位置Ｐ2，Ｐ4は、各段階のステップ移動の境界の静定期間にオーバーシュート分と同程度だけ戻った位置を示している。
　以下においては、包括的な説明を行う部分では、複数の分割区間を集合的に｛Ｄa，…，Ｄn｝と書き、最終分割区間を記号「Ｄn」によって、それ以外の分割区間を記号「Ｄi」によって、それぞれ表現することにする。また、初期位置Ｐ0から目標位置Ｐnへの移動制御における各中間位置を「Ｐi」で代表的に表現する。
　　　＜２－２－２．分割区間幅可変設定部＞
　図８（ｂ）の指令値分割制御部１０４はまた、分割区間幅可変設定部１２０を備える。分割区間幅可変設定部１２０では、複数の分割区間｛Ｄa，…，Ｄn｝のうち、最終分割区間Ｄn以外の少なくとも１つの分割区間Ｄiの幅を、始点位置Ｐ0と目標位置Ｐnとの差（区間Ｄの距離）に応じて可変に設定する。
　最もシンプルな例は、区間Ｄを２個の分割区間｛Ｄa，Ｄb｝に分割する図１１（ａ）の場合であり、区間Ｄの幅に応じて、最終分割区間Ｄb以外の分割区間Ｄaの幅を可変とする。
　また、図１１（ｂ）の例では、最終分割区間Ｄc以外の分割区間｛Ｄi｝＝｛Ｄa，Ｄb｝のうち少なくとも１つの幅を可変とすることにより、トータル区間Ｄの幅の変化に対応してより細かなステップ移動制御が可能となる。
　サーボ制御時のオーバーシュート量は、先述したように周波数応答特性から推定できるので、オーバーシュートで目標位置Ｐnを行き過ぎないように、分割区間幅可変設定部１２０が、各分割段階での位置指令値Ｐi，Ｐnを設定する。また、区間Ｄの分割数を可変にする場合には、幅Ｄが大きいほど分割数を増やすようにすることが好ましい。ただし、分割数が過剰であると目標位置Ｐnに到達するまでの時間の増大が無視できなくなるため、区間幅Ｄに応じて数種類の分割数を使い分ける程度の使い分けが好ましい。たとえば区間Ｄの幅が所定の閾値よりも小さいときには２分割、区間Ｄの幅が当該閾値を超えると３分割、というような選択である。具体的な分割区間幅は、目標位置Ｐnに到達するためのトータル時間と、目標位置Ｐnへの位置決め精度とがバランスするように選択することができる。
　このように、レンズユニット１の変位の始点位置Ｐ0と目標位置Ｐnとの差（区間Ｄの幅）に応じて、最終分割区間Ｄn以外の少なくとも１つの分割区間Ｄiの幅を可変に設定することで、移動に要する時間と目標位置Ｐnでの位置精度の最適化を図ることが可能となる。
　　　＜２－２－３．単一段階移動部と選択的能動化部＞
　図８（ｂ）の指令値分割制御部１０４はまた、単一段階移動部１４０を備える。この単一段階移動部１４０では、始点位置Ｐ0からの移動先の最初の指令位置として目標位置Ｐnを設定することにより、始点位置Ｐ0から目標位置Ｐnまでのレンズユニット１の移動を１段階で行わせる。したがって、この単一段階移動部１４０は、従来の１段階移動と同様の移動制御を実現することができる。
　単一段階移動部１４０と段階的移動部１１０とは状況に応じて選択的に利用されることが可能であり、そのような選択制御の目的で、指令値分割制御部１０４には選択的能動化部１３０が設けられる。具体的には、選択的能動化部１３０は、始点位置Ｐ0と目標位置Ｐnとの差（区間Ｄの幅）が所定の閾値を超える場合には段階的移動部１１０を選択的に能動化し、当該差が当該閾値以下の場合には単一段階移動部１４０を、それぞれ選択的に能動化する。また、選択的能動化部１３０は、前回のレンズユニット１の移動時に上部制御部１０１から与えられた目標値を記憶しており、これを現在位置である始点位置Ｐ0としている。なお、この現在位置（始点位置Ｐ0）は、抵抗値検出部１０２からの出力値に基づいて決めることも可能である。
　すなわち、レンズユニット１の始点位置Ｐ0と目標位置Ｐnとの差が所定の閾値以下のときには１段階の移動制御とする。また、始点位置Ｐ0と目標位置Ｐnとの差が小さいときには、段階的移動過程を経なくても位置誤差ΔＤはあまり生じないため、目標位置Ｐnへ直接にレンズユニット１を移動させることによって、制御時間の短縮を図ることができる。
　　　＜２－２－４．静定期間設定部＞
　段階的移動部１１０は、ひとつの指令位置までのレンズユニット１の移動制御が行われた後、所定の静定期間（ゼロでない有限期間）を経てから次の指令位置へのレンズユニット１の移動を開始させる静定期間設定部１１１を備える。
　すなわち、ひとつの指令位置までの移動制御が行われた後、所定の静定期間を経てから次の指令位置への移動を開始させる。このため、直前の分割区間での移動停止前の状態のばらつきが次の分割区間での移動過程に波及することがなく、各分割区間での移動を安定化させることが目的である。静定期間は固定値であってもよく、静定期間を可変に設定できるようにしておいてもよい。
　　＜２－３．ＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴの制御例＞
　以下では、レンズ駆動ユニット１００が携帯電話に組み込まれている場合を例として、レンズ駆動ユニット１００中のＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴの動作を説明する。以下の各機能は、既述した図８（ａ）および図８（ｂ）の各部の機能に対応するが、これらはマイクロコンピュータに事前にインストールされているプログラムの実行によって実現されてもよく、専用のハードウエア回路で実現されても良い。
　また、変位制御の始点位置Ｐ0は、前回の目標位置への変位制御が完了して新たな目標位置Ｐnへの変位制御を開始する時点での位置であって、電源ＯＮ時による初期化位置とは限らない。従って、始点位置Ｐ0と目標位置Ｐnとの関係は任意である。
　図９は、本実施形態に係るＳＭＡレンズ駆動ユニット１００の駆動応答を説明する図である。グラフの縦軸、横軸および用いる記号などは、図６および図７と同様である。図９に示されるように、ここでは２回のステップ駆動によって始点位置Ｐ0から目標位置Ｐnにレンズを駆動させる例である。
　以下、図１０のフローチャートおよび図９を参照して、各過程における制御およびそれらにおけるＳＭＡ３の状況について説明する。
　なお、以下では、「目標位置」、「現在位置」、「指令位置」のように、「位置」という用語を用いて説明するが、実際の制御回路上においては、それらの位置に対応するＳＭＡ３の抵抗値（ないしはＳＭＡ３に所定の定電流を流したときのＳＭＡ３の両端電圧）で定量的に表現される。
　●ステップＳＴ１：
　まず、ユーザが携帯電話の電源またはカメラモードをＯＮとする初期操作に応答して、ＳＭＡアクチュエータ制御装置ＣＴへの電源供給がＯＮの状態になり、本動作フローが開始される。
　たとえばユーザがズームボタン操作などを行って撮像レンズ１０を変位させる必要が生じた時点で、撮像レンズ１０の変位先位置に相当する目標位置Ｐnが上位制御部１０１で算出され、上位制御部１０１から指令値分割制御部１０４に入力される（図８参照）。そして、指令値分割制御部１０４が、目標位置Ｐnを目標抵抗値Ｒnに変換し保持する（図９（ａ）および図９（ｂ）参照）。
　●ステップＳＴ２：
　一方、抵抗値検出部１０２で検出した現時点でのSMA３の抵抗値に関する情報が、比較部１０３を迂回して指令値分割制御部１０４に与えられ、現在の抵抗値に基づいてＳＭＡ３の現在位置Ｐiが算出される。
　●ステップＳＴ３：
　選択的能動化部１３０は、目標位置Ｐnと現在位置Ｐとの差の絶対値：
　│ΔＰ│＝│Ｐn－Ｐ│
を算出して、これを判定用偏差とする。そして、判定用偏差│ΔＰ│が所定の閾値Ｃ１（ただしＣ１＞０）を超えるかどうかを判断する。
　後述するように、ステップＳＴ２は繰返しループによって繰り返して実行されるが、ステップＳＴ２の最初の実行時においては、時刻ｔ0での現在位置Ｐは始点位置Ｐ0に該当するため、この判定用偏差│ΔＰ│は、図１１の区間Ｄの距離に対応する。
　この判定用偏差│ΔＰ│が閾値Ｃ１を超える場合には、選択的能動部１３０は段階的移動部１１０を選択的に能動化し、分割移動モードに入る。
　●ステップＳＴ４
　分割移動モードに相当するステップＳＴ４では、目標位置Ｐnと現在位置Ｐとのいずれが大きいかを判定する。これは、目標位置Ｐnと現在位置Ｐとの差ΔＰの正負符号を判定することと等価である。
　現在位置Ｐiが目標位置Ｐnよりも小さい場合には、現在位置Ｐは目標位置Ｐnよりも手前にあることになるが、そのときには、目標位置Ｐnから所定の距離Ｃ２だけ小さな変位を持つ位置、すなわち目標位置Ｐnよりも少し手前の位置Ｐf2（図１２）を移動指令値とする。現在位置Ｐが目標位置Ｐnよりも大きい場合には、現在位置Ｐは目標位置Ｐnよりも遠い側に存在することになるが、そのときには、目標位置Ｐnから所定の距離Ｃ２だけ大きな変位変数を持つ位置、すなわち目標位置Ｐnよりも少し先の位置Ｐr2を移動指令値とする。
　したがって、図１２から理解できるように、目標位置Ｐnからの距離が閾値距離Ｃ１よりも大きい領域Ｗf、Ｗrのいずれかに現在位置Ｐiが存在しているときには、目標位置Ｐnをそのまま移動指令値とせず、目標位置Ｐnから距離Ｃ２だけ離れた位置Ｐf2，Ｐr2を中間位置として設定し、その中間位置を当面の指令位置とすることになる。
　２つの閾値Ｃ１，Ｃ２は同じ値でもよく、互いに異なる値でもよい。ただし、後者の場合にはＣ１＞Ｃ２とする。これによって、目標位置Ｐnから見たときに、中間位置Ｐf2，Ｐr2が現在位置Ｐよりも遠くに設定されてしまうという事態を防止する。好ましくは、Ｃ１：Ｃ２の比を、１～３：１の範囲の中から選択する。このようにして決定された指令位置はそれに対応する抵抗値で表現されて、比較部１０３（図８（ａ））に出力され、その指令位置に移動するサーボ制御が行われる。サーボ制御での指令位置および現在位置はＳＭＡ３の抵抗値（さらに正確にはＳＭＡ３の両端電圧値）で表現されるが、以下では「指令位置」や「現在位置」のように「位置」として説明する。
　●ステップＳＴ５：
　指令位置への移動制御が完了すると、段階的移動部１１０に含まれる静定期間設定部１１１にあらかじめ設定されていた期間だけ駆動を停止し、ＳＭＡ３を静定させる。この静定期間設定部１１１に設定される静定期間は可変である。
　ここまでのステップによる具体的動作例を、図９を参照して説明すると以下のようになる。
　すなわち、始点位置Ｐ0と目標位置Ｐnとの差が閾値Ｃ１を超える場合には、ステップＳＳＴ４によって、時刻ｔ0での始点位置Ｐ0を持つ始点Ｓ0から第１段階のステップ駆動として、目標位置Ｐnに至る手前の位置Ｐ1（Ｐ0＜＜Ｐ1＜Ｐn：図１１（ａ））に相当する抵抗値Ｒ1を、指令位置Ｐ1の代理指標として与える。
　この第１段階のステップ駆動によって、最初の指令位置Ｐ1に向かっての移動制御が行われるが、この第１段階のステップ駆動では比較的大きな移動幅Ｄaを持つため、オーバーシュートが発生し、それから不完全に戻って静定した時刻ｔ2での位置Ｐ2は、当初の指令位置Ｐ1よりも始点位置Ｐ0に近い位置となる（Ｐ2＜Ｐ1）。
　図９（ｂ）のヒステリシス曲線上で見ると、指令位置Ｐ1に相当する点Ｓ1をいったん超えた後にヒステリシス曲線の放熱側の経路（枝）に移って静定する。抵抗値ではＲ1＜Ｒ2の関係にある。
　●ステップＳＴ６～ＳＴ８：
　上記静定期間の経過した時点で、目標位置Ｐnが次の指示位置として設定されて、レンズユニット１の移動を再開する。また、その移動の終端で静定時間だけ経過させる。
　このときの移動幅Ｄbは小さいため、オーバーシュートは発生しないか、発生してもわずかである。このため、ＳＭＡ３は目標位置Ｐnまたはその近傍に、高精度で到達して停止する。
　図９（ｂ）上で見ると、ヒステリシス曲線の放熱側の経路にあった状態点は、この過程においては再び加熱側の経路に戻り、時刻ｔnに、目標位置Ｐnに対応する状態点Ｓnに到達する。次の目標位置が与えられるまで、この状態点Ｓnに留まるべく、ＳＭＡ３の温度を維持するサーボ制御が行われる。
　●ステップＳＴ３からステップＳＴ６への迂回：
　一方、ステップＳＴ３において、現在位置Ｐと目標位置Ｐnとの差の絶対値である判定用偏差│ΔＰ│が閾値Ｃ１を超えていないと判断されたときには、ステップＳＴ４～ステップＳＴ５は迂回されて、直接にステップＳＴ６に入る。したがって、このときには、中間位置Ｐ1をいったん指令位置とする中間移動段階を経ることなく、ただちに目標位置Ｐnが指令位置とされて移動制御が実行される。
　これは、始点位置Ｐ0が目標位置Ｐnに近い場合には、目標位置Ｐnを直接に指令位置としてもオーバーシュートは発生しないかあるいは発生してもごく小さなオーバーシュートであって、最終的な位置決め精度にほとんど影響しないという事実に基づく。
　そして、ステップＳＴ３からステップＳＴ６へのこのような迂回は、図８（ｂ）の選択敵能動化部１３０が単一段階移動指令部１４０を選択的に能動化して、単一段階のみで目標位置Ｐnに移動させる制御を行わせることに相当する。
　なお、目標状態点Ｓnに到達した以降は、目標位置Ｐnを維持するために、絶えずサーボ制御により駆動が行われることになる。
　図９で示したように、始点位置Ｐ0から目標位置Ｐnまで複数段階に分けて段階的に移動させることで、ヒステリシスの影響を低減し正確な位置制御を実現することが可能となる。
　以上の制御シーケンスでは、定数（固定あるいは可変の定数）としての閾値Ｃ１、Ｃ２といった設定値を用いた簡単な演算であるので、制御は複雑化せず、個々の製品ごとに補正テーブルを持たせる必要もない。このため、比較的小規模のデジタルロジック回路でも実現可能である。また、機構的に特別な要素の付加も必要としないので、システムの複雑化やコストアップ抑制しつつ、正確な位置制御を実現することができる。
　＜３．変形例＞
　始点位置Ｐ0から目標位置までの分割数が３以上の場合には、図９のステップＳＴ３～ＳＴ５に相当する部分を多段階に組み合わせることによって、複数段階の移動制御が実現できる。
　たとえば３分割の場合には、
　Ｃ１＞（または＝）Ｃ２＞Ｃ３＞（または＝）Ｃ４＞０，
の関係にある定数Ｃ１～Ｃ４を定めておき、定数Ｃ１、Ｃ２を用いたステップＳＴ３～ＳＴ５のルーチンの後に、定数Ｃ３、Ｃ４を定数Ｃ１、Ｃ２の代わりにそれぞれ用いた同様のルーチンを設けることにより、図１１（ｂ）中の点線のような移動制御を実現する。この図１１（ｂ）において、位置Ｐ1～Ｐ4はそれぞれ、目標位置Ｐnから定数Ｃ１～Ｃ４に相当する距離だけ離れた位置であり、３つの分割区間のそれぞれについて、分割幅Ｄa～Ｄcに対応する指令位置が、始点位置Ｐ0に近い側から順に設定される。分割区間数が４以上の場合も同様である。
　この発明のＳＭＡアクチュエータ制御装置は、種々の駆動ユニットに利用できるが、特に、レンズ、ミラーなどの光学部品の駆動ユニットでＳＭＡを用いる場合に特に好適である。
１　レンズユニット
２　レバー部材
２ａ　変位入力部
２ｂ　変位出力部
３　形状記憶合金（ＳＭＡ）アクチュエータ
４　ベース部材
８ａ　レバー支持部
１０　撮像レンズ
１０１　上位制御部
１００　レンズ駆動ユニット
１０２　抵抗値検出部
１０３　比較部
１０４　指令値分割制御部
１０５　通電制御演算部
１０６　トランジスタ
ＣＴ　ＳＭＡアクチュエータ制御装置
Ｐ0　始点位置
Ｐ1，Ｐ3　分割位置
Ｐn　目標位置
Ｒn　目標抵抗値
Ｄa～Ｄc　分割区間

Claims (7)

  1. 　形状記憶合金の温度変化による形状復元力を利用して対象物の移動を行う可動機構を備えたアクチュエータの制御装置であって、
    　前記可動機構の指令位置に応じた通電を前記形状記憶合金に対して行うとともに、前記形状記憶合金の抵抗値に対応した検出値を用いてサーボ制御を行うサーボ制御部と、
    　前記可動機構の移動の始点位置と目標位置との間に少なくとも１つの中間位置を付加することによって、前記目標位置と前記少なくとも１つの中間位置とを含んだ複数の指令位置を設定し、前記始点位置に近い側から順に前記複数の指令位置を前記サーボ制御部に順次に与えて、前記可動機構を前記始点位置から前記目標位置まで複数段階に分けて段階的に移動させる段階的移動部と、
    を備えることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ制御装置。
  2. 　請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータ制御装置であって、
    　前記始点位置と前記目標位置との間を前記少なくとも１つの中間位置によって分割して形成される複数の分割区間のうち、前記目標位置を終点とする最終分割区間が、前記複数の分割区間のうちで最も短い幅を持つことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ制御装置。
  3. 　請求項１に記載の形状記憶合金アクチュエータ制御装置であって、
    　前記始点位置と前記目標位置との間を前記少なくとも１つの中間位置によって分割して形成される複数の分割区間のうち、少なくとも１つの分割区間の幅を、前記始点位置と前記目標位置との差に応じて可変に設定する分割区間幅可変設定部、
    をさらに備えることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ制御装置。
  4. 　請求項１または請求項３に記載の形状記憶合金アクチュエータ制御装置であって、
    　前記始点位置と前記目標位置との間を前記少なくとも１つの中間位置によって分割して形成される複数の分割区間のうち、前記目標位置を終点とする最終分割区間の幅が、前記始点位置と前記目標位置との距離差に拘わらず、固定値として設定されることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ制御装置。
  5. 　請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の形状記憶合金アクチュエータ制御装置であって、
    　前記始点位置からの移動先の最初の指令位置として前記目標位置を設定することにより、前記始点位置から前記目標位置までの前記可動機構の移動を１段階で行わせる単一段階移動部と、
    　前記始点位置と前記目標位置との差が所定の閾値を超える場合には前記段階的移動部を選択的に能動化し、前記差が前記閾値以下の場合には前記単一段階移動部を選択的に能動化する選択的能動化部と、
    をさらに備えることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ制御装置。
  6. 　請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の形状記憶合金アクチュエータ制御装置であって、
    　前記段階的移動部が、
    　ひとつの指令位置までの前記可動機構の移動制御が行われた後、所定の静定期間を経てから次の指令位置への前記可動機構の移動を開始させる静定期間設定部、
    を備えることを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ制御装置。
  7. 　形状記憶合金の温度変化による形状復元力を利用して所定の光学部品の駆動を行うアクチュエータと、
    　請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の形状記憶合金アクチュエータ制御装置と、
    を備えることを特徴とする光学部品駆動ユニット。
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