CN101286712B - 驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供在不降低驱动力矩的情况下能减小摩擦卡合构件的位移量的摩擦驱动方式的驱动装置。在利用压电元件(5)的伸缩使振动构件(6)在轴方向上往复位移、且使与振动构件(6)摩擦卡合的摩擦卡合构件(7)相对于振动构件(6)发生滑动位移的驱动装置(1)中，向压电元件(2)施加电压的驱动电路(4)采用如下结构，其具有：包含将压电元件(5)的电极(5a、5b)与电源(2)连接的充电开关元件(Q1、Q3)和将压电元件(5)的电极(5a、5b)接地的放电开关元件(Q2、Q4)的桥式电路(8)、以及在电源(2)与压电元件(5)之间和压电元件(5)与地线之间的至少任一电路中插入限制电阻(R2)的开关电路(9)；在将限制电阻(R2)插入电路的状态下，通过向压电元件(5)施加电压以使其发生伸缩，从而使摩擦卡合构件(7)缓慢位移。

Description

驱动装置

技术区域

本发明涉及使用压电元件的摩擦驱动方式的驱动装置。

背景技术

利用压电元件使轴状的振动构件在轴方向上非对称地往复位移，使与振动构件摩擦卡合的摩擦卡合构件相对于振动构件滑动位移(有摩擦卡合构件移动的情况和振动构件移动的情况)的摩擦驱动方式的驱动装置是众所周知的。

在这样的摩擦驱动方式的驱动装置中，对压电元件施加周期性变化的电压的驱动电路是必要的。其中也利用一种驱动电路，该驱动电路是通过利用半导体开关元件向压电元件的电极上施加电压或将其接地以向压电元件上施加方波电压的驱动电路。

例如在专利文献1中，公开了通过将压电元件的两个电极交替地连接于电源上、而将另一电极接地，从而使施加于压电元件上的极性反转的全桥式电路。

在这样利用方波电压驱动的摩擦驱动方式的驱动装置中，由于方波电压的每一个脉冲的摩擦卡合构件的滑动位移量是一定的，因此不能够得到比其小的位移量。

通过改变方波电压的占空系数，能够减小每一个脉冲的摩擦卡合构件的滑动位移量。但是，如果改变方波电压的占空系数以减小摩擦卡合构件的滑动位移量，则存在当摩擦卡合构件与振动构件摩擦卡合而移动时的移动速度变大，且驱动转矩变小的问题。

又，在摩擦驱动方式的驱动装置中，如果使摩擦卡合构件在狭窄的范围内持续位移，则存在因摩耗等原因而引起驱动特性发生变化的问题。

专利文献1：特开2001-211669号公报

专利文献2：特开2001-298656号公报

发明内容

鉴于上述存在问题，本发明的课题在于提供不减小驱动力矩而能够减小摩擦卡合构件的位移量的摩擦驱动方式的驱动装置。

为了解决上述上述问题，本发明的驱动装置具备：如果在电极之间施加电压则发生伸缩的压电元件；一端固定于上述压电元件且能够借助于上述压电元件的伸缩在轴方向上往复位移的振动构件；与上述振动构件摩擦卡合，利用上述振动构件的往复位移而相对于上述振动构件进行滑动位移的摩擦卡合构件；以及连接于电源且以规定的驱动周期向上述压电元件施加上述电源的电压的驱动电路，上述驱动电路具备：包含将上述压电元件的上述电极连接于上述电源的充电开关元件和将上述压电元件的上述电极接地的放电开关元件的桥式电路；以及在上述电源与上述压电元件之间和上述压电元件与上述地线之间的至少任一电路中插入限制电阻的开关电路，在将上述限制电阻插入电路的状态下，通过向上述压电元件施加电压使其伸缩，从而使上述摩擦卡合构件缓慢地位移。

如果采用这种结构，则通过插入限制电阻来限制对压电元件充电或从压电元件放电的电流，能够慢慢地对压电元件充电和使压电元件放电。借助于此，能够使压电元件慢慢地伸长或伸缩，并且使摩擦卡合构件慢慢地位移。

又，在本发明的驱动装置中，上述开关电路也可以具备将上述限制电阻旁路的旁路电路、包含上述限制电阻的限制电路、断开上述旁路电路的旁路开关、以及断开上述限制电路的限制开关。

如果采用这种结构，因为若使旁路开关闭合，则能够高速地驱动摩擦卡合构件，若断开旁路开关且闭合限制开关，则能够低速地驱动摩擦卡合构件，因此能够选择摩擦卡合构件的位移速度。

又，本发明的驱动装置在插入上述限制电阻的状态下，在上述压电元件充放电完成之前，能够将上述压电元件从上述电源及上述地线中的至少任一方断开。

如果采用这种结构，插入限制电阻以使摩擦卡合构件慢慢地位移，通过在压电元件充电的中途将压电元件断开，能够把压电元件保持为中间充电状态且固定于任意长度。借助于此，能够使摩擦卡合构件停止于任意位移量。

又，本发明的驱动装置，最好还具有监视上述压电元件的上述电极间的电压的监视器电路，上述电极间的电压为与上述摩擦卡合构件的所希望的位移量对应的值时，将上述压电元件从上述电源处断开。

如果采用这种结构，则能够利用电极之间的电压来监视压电元件的尺寸位移，并且能够正确地控制摩擦卡合构件的停止位置。

又，在本发明的驱动装置中，可以只在将上述压电元件的上述电极的任意一方连接于上述电源时插入上述限制电阻，在将相同的电极接地时不插入上述限制电阻。

如果采用这种结构，则能够利用限制电阻只使压电元件在伸长或缩短中的任一方向上的尺寸位移缓慢地进行。通过这样，即使在使摩擦卡合构件缓慢地位移时给予负载，摩擦卡合构件也很难滑动，驱动转矩较大。

如果采用本发明，则通过插入限制电阻，能够使压电元件缓慢地伸长或缩短，且能够使摩擦卡合构件缓慢地位移。能够实现高转矩的驱动装置和定位精度高的驱动装置。

附图说明

图1是本发明第1实施形态的驱动装置的电路图。

图2是图1的驱动装置的通常驱动的时序图。

图3是图1的驱动装置的微调驱动的时序图。

图4是图1的驱动装置的高转矩低速驱动的时序图。

图5是本发明第2实施形态的驱动装置的电路图。

图6是图5的驱动装置的微调驱动的时序图。

图7是本发明第3实施形态的驱动装置的电路图。

图8是本发明第4实施形态的驱动装置的电路图。

图9是表示本发明的驱动装置的第1应用例的概略图。

图10是表示本发明的驱动装置的第2应用例的概略图。

标号说明

1       驱动装置

2       电源

3       控制装置

4       驱动电路

5       压电元件

5a、5b  电极

6       振动构件

7       摩擦卡合构件

8       桥式电路

9       开关电路

Q1、Q3  充电开关元件

Q2、Q4  放电开关元件

R2      限制电阻

T1      旁路开关

T2      插入开关

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施形态进行说明。

图1表示本发明第1实施形态的驱动装置1的结构。驱动装置1具备连接电压Vp(V)的直流电源2及控制装置3的驱动电路4；将驱动电路4的输出施加于电极5a、5b的压电元件5；一端固定于压电元件5的轴状的振动构件；以及利用摩擦力与振动构件6卡合的摩擦卡合构件7。

压电元件5能够相应于施加在电极5a、5b之间的电压而在振动构件6的轴方向上进行伸缩。若压电元件5伸缩，则振动构件6在轴方向上往复移动。虽然摩擦卡合构件7在振动构件6缓慢地移动的情况下保持与振动构件6摩擦卡合的状态不变而与振动构件6一起移动，但是如果振动构件6急剧地移动，则因其惯性力的作用在该情况下想要停止而会在振动构件6上发生滑移。

驱动电路4由包含利用控制装置3的控制信号S1、S2、S3、S4使其导通/截止的4个晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的桥式电路8；以及包含利用控制装置3的控制信号S5、S6使其导通/截止的2个晶体管T1、T2和基础电阻R1及限制电阻R2的开关电路9构成。

晶体管Q1是由通过导通来将电源2的电源Vp(V)施加于压电元件5的电极5a的p沟道型FET所构成的充电开关元件，晶体管Q2是由通过导通来将电极5a接地的n沟道型FET所构成的放电开关元件。又，晶体管Q3是由通过导通来将电源2的电压Vp(V)施加于电极5b的p沟道型FET所构成的充电开关元件，晶体管Q4是由通过导通来将电极5b接地的n沟道型FET所构成的放电开关元件。

控制装置3输出分别驱动晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的周期性(例如频率为140kHz)方波状的控制信号S1、S2、S3、S4，且控制信号S1与控制信号S2具有相同波形(例如占空比为0.7)，控制信号S3与控制信号S4大致是反转控制信号S1、S2后得到的输出。借助于此，控制装置3对驱动电路进行控制，从而使得晶体管Q1和晶体管Q4大致同时导通，且晶体管Q2与晶体管Q3在晶体管Q1、Q4截止时导通。即，桥式电路8是向压电元件5的电极5a、5b中的任意一方施加电源2的电压Vp(V)且同时将另一方接地，并且交替地切换所施加电压Vp(V)的电极5a、5b的桥式电路。

在开关电路9中，晶体管T1是能够通过导通使限制电阻R2旁路以使电源2与桥式电路8连接的旁路开关。另一方面，晶体管T2通过在截止旁路开关T1时导通，并利用限制电阻R2将电源2连接于桥式电路8，换而言之，作为插入电源2与桥式电路8之间的电路中的限制电阻R2的限制开关来起作用。基础电阻R1包含电源2的内阻等，且不一定是作为独立的元件而安装的。

在本实施形态中，在控制信号S1、S2与控制信号S3、S4中形成很小的重叠。借助于此，在切换施加电源2的电压Vp(V)的电极5a、5b时，能够使两个电极5a、5b在一瞬间短路，通过使充电于电极5a、5b中的一方的电荷的一部分向另一方进行充电，以此节省消耗功率。

压电元件5在电路上可以视为等同于电容器，在本实施形态中，是例如电容量为100(nF)。又，基础电阻R1的电阻值为例如3.3Ω，限制电阻R2的电阻值为例如10kΩ。

如图2所示，驱动装置1在使摩擦卡合构件7发生滑动位移时将控制信号S5设置为LO以使旁路开关T1导通，而且将控制信号S6设置为HI以使限制开关T2截止，在这种状态下，利用方波状控制信号S1、S2、S3、S4驱动晶体管Q1、Q2、Q3、Q4。通过这样，虽然驱动电路4通过基础电阻R1将压电元件5的电极5a、5b中的任意一方连接于电源2且同时将另一方接地，但是由于基础电阻R1上的电压下降，施加于压电元件5上的电压如图所示，形成为在上升沿处具有延迟的波形。

该压电元件5的电极5a、5b之间的电压作为由压电元件5与基础电阻R1所构成的RC电路的电压变化来求出。表示该电压变化的上升沿延迟程度的时间常数为330毫微秒。与此相对，晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的动作频率为140kHz(驱动周期约7.1微妙)，施加于压电元件5上的电压延迟并非是使实际波形发生大畸变后的波形。

而且，压电元件5由于弹性等的缘故，相对于施加电压所产生的尺寸位移(伸缩)存在延迟。该延迟因施加电压的频率而不同，在本实施形态中，压电元件5如图2所示，表示出缓慢地伸长，急剧地收缩的锯齿状的尺寸位移。

该压电元件5的尺寸位移表示振动构件6在轴方向上的位移，在振动构件6被缓慢地推出时，摩擦卡合构件7与振动构件一起移动(位移)，在振动构件6被急剧地拉回时，摩擦卡合构件7由于本身的惯性力想要在该处停留而会在振动构件6上滑移。通过如此反复进行，驱动装置1使摩擦配管构件7移动，从而使得绝对位置远离压电元件5。

如果使控制信号S1、S2、S3、S4反向动作，也就是如果将施加在压电元件上的电压的占空比设置为0.7，则压电元件5的尺寸位移的波形反向，且能够朝着反方向、即向着压电元件5驱动摩擦卡合构件7。

又，驱动装置1使压电元件5缓慢地伸缩以使摩擦卡合构件7不相对于振动构件6滑动位移，从而对摩擦卡合构件7的位置进行微调。

摩擦卡合构件7的位置的微调如图3所示，将控制信号S5设置为HI以使旁路开关T1截止，并将控制信号S1、S2设置为LO、将控制信号S3、S4设置为HI，且只在必要的时间T将控制信号S6设置为LO。即，将压电元件5的电极5b接地，通过开关电路9能够将电极5连接于电源2，通过使插入开关T2导通，能够在电极5与电源2之间的电路中插入限制电阻R2以使回路闭合。

这时，用压电元件5与限制电阻R2所形成的RC回路的时间常数为1毫秒，施加于压电元件5上的电压如图所示缓慢地上升。由于电压变化是缓慢的，所以压电元件5的尺寸位移的延迟大致可以忽略不计，且摩擦卡合构件7与施加于压电元件5上的电压波形一致地进行位移。

在这里，在所施加的电压上升时，即在从电源2向压电元件5充电完成之前，如果将控制信号S6设置回HI以使插入开关T2截止时，由于压电元件5在该瞬间从电源2断开，因此保持已经充电好的电荷，且维持与该电荷相应的尺寸。借助于此，驱动装置1保持使插入开关2断开的瞬间的摩擦卡合构件7的位置。

由于摩擦卡合构件7的位置位移可以表示作为与压电元件5和插入电阻R2相关的时间函数，因此如果想要使摩擦卡合构件7移动的距离确定，则可以求出将控制信号S6设置为LO为止的时间T。实际上，可以在控制装置3中预先存储表示摩擦卡合构件7的移动距离与将控制信号S6设置为LO的时间T之间的对应关系的参照表。

又，本实施形态的驱动装置1中，如图4所示，通过使控制信号S1、S2、S3、S4同步、且使控制信号S5与控制信号S6相互逆向动作，这样可以用高转矩来低速驱动摩擦卡合构件。

即，在使压电元件5伸长时和使其收缩时的任意一种情况下，插入限制电阻R2以使压电元件5缓慢地发生尺寸位移，在另一情况下，通过将限制电阻R2旁路以使压电元件5急剧地发生尺寸位移。借助于此，可以使在摩擦卡合构件7与振动构件6一起移动时的摩擦卡合构件上所施加的加速度减小，而与该减小部分可以驱动大的负载。

插入限制电阻R2以对压电元件5进行充电的时间，应该设置得不比用压电元件5与限制电阻R2所形成的RC回路的时间常数短。例如在本实施形态中，RC回路的时间常数为1毫秒，与此相对，控制开关T2导通的时间设置为约2.5(sec)，其结果是作为总体的驱动频率约为400Hz。

图5表示本发明第2实施形态的驱动装置1。在以下说明中，对与先前说明的构成要素相同的构成要素标有相同的标号并省略其说明。本实施形态的驱动装置1与第1实施形态相比省略了开关电路9的插入开关T2。

所以，虽然本实施形态的开关电路9可以选择只通过基础电阻R1连接电源2和桥式电路8，或者除了基础电阻R1之外，插入限制电阻R2以连接电源2与桥式电路8，但是电源2与桥式电路8之间的电路不能断开。

因此，在本实施形态中，在使摩擦卡合构件7缓慢地移动以正确地进行定位时，如图6所示，使控制信号S1与控制信号S2独立地变化。即，断开旁路开关T1断开以插入限制电阻R2，使晶体管Q3截止，使晶体管Q4导通，将压电元件5的电极5b接地，而且在使晶体管Q2截止的状态下，只使晶体管Q1变化。这时，晶体管Q1只导通与摩擦卡合构件7的移动量相应的时间T。即使是这样，也能与第1实施形态一样，仅用时间T从电源2通过限制电阻R2向压电元件5提供电流，并且能够将摩擦卡合构件7定位于所希望的位置。

而且，图7表示本发明第3实施形态的驱动装置1。本实施形态中，开关电路9设置于桥式电路8与压电元件5之间的电路上。在本实施形态中，在使摩擦卡合构件7缓慢移动以正确地进行定位的情况下，在将控制信号S1、S2设置为HI时，借助于限制电阻R2来限制从电源2通过晶体管Q1向压电元件5的电极5a充电的电流，在将控制信号S1、S2设置为LO时，能够借助于限制电阻R2来限制从电极5a通过晶体管Q2向接地线放电的电流。

又，开关电路9也可以设置于图7中将压电元件5的电极5a、5b接地的电路(A点)上。又，即使在使摩擦卡合构件7缓慢移动以正确地进行定位时，也可以借助于使用控制信号S1、S2以及控制信号S3、S4的桥式电路来使压电元件5发生尺寸位移。在这种情况下，在对压电元件5的电极5b充电和将其接地用的电路(B点)上设置开关电路9。

而且，图8表示本发明第4实施形态的驱动装置1。本实施形态的驱动装置1还具有监视压电元件5的电极5a、5b之间的电压的监视器电路10。

在插入有控制电阻R2的微调驱动中，由于施加于压电元件5的电压变化是缓慢的，因此可以利用施加于压电元件5的电压来测定压电元件5的尺寸位移。因此，监视器电路10检测出施加于压电元件5的电压并将其输入控制装置3中，借助于此，控制装置3在确认对应于应该使摩擦卡合构件7停止的位置的压电元件5的尺寸位移的瞬间，将压电元件5从电源2断开，从而使摩擦卡合构件7正确地停止于所希望的位置。

在上述实施形态中，虽然桥式电路8是能够在压电元件5的电极5a-5b之间交替地施加Vp(V)和-Vp(V)的全桥式电路，但是也可以是交替地施加0(V)与Vp(V)的半桥式电路。

工业上的实用性

根据本发明的驱动装置1，例如图9所示，可以作为扫描型隧道显微镜的驱动装置来使用。在扫描型隧道显微镜中，必须使检测出隧道电流的探针11相对于被检测体12接近到隧道电流流动的纳米级的距离。虽然设定被检测体12时的被检测体12与探针11的距离为数十毫米。但是，首先一边利用未图示的传感器监视探针11与被检测体12之间的距离，一边借助于未插入限制电阻R2的驱动装置1的通常的驱动使探针11相对于被检测体12接近到100微米左右。接着，仅在使压电元件5伸长时插入限制电阻R2，以高转矩对摩擦卡合构件7进行低速驱动直到能够用探针11检测出隧道电流为止。最后，在用探针11检测出的隧道电流为最大值时，将压电元件5从电源2断开以使摩擦卡合构件7停止。这样，能够利用本发明的驱动装置1来实现高速驱动、低速驱动、以及正确定位驱动。

又，本发明的驱动装置1如例如图10所示，也适用于如同对比度检测方式的自动对焦装置那样，通常进行使透镜13振动以确认成像的对比度变化，并将透镜13定位于对比度最大的位置的称为高频振动动作的驱动的情况。在这种自动对焦装置中，在不插入限制电阻R2的情况下高速地进行粗略的对焦，插入限制电阻R2以不使摩擦卡合构件7相对于振动构件6滑动位移，从而进行高频振动动作。借助于此，可以实现高速对焦和精密对焦两者。又，在高频振动动作中由于摩擦卡合构件7不相对于振动构件6滑动位移，因此不必担心摩擦卡合构件7和振动构件6的局部摩擦消耗不断出现而造成驱动装置1寿命缩短的情况发生。

又，在上述实施形态中，虽然对固定压电元件5以移动摩擦卡合构件7的绝对位置的驱动装置1进行说明，但是本发明也可以应用于自动移动式的驱动装置。例如在上述实施形态的驱动装置1中，如果将压电元件5固定于移动载物台上、并将摩擦卡合构件7固定于框体，则形成振动构件6和压电元件5相对于摩擦卡合构件7移动(摩擦卡合构件7相对地对振动构件6滑动位移)，从而对移动载物台进行驱动的自动移动式的载物台移动机构。

Claims (5)

1.一种驱动装置，其特征在于，

具备：

如果在电极之间施加电压，则发生伸缩的压电元件；

一端固定于所述压电元件，且能够借助于所述压电元件的伸缩在轴方向上往复位移的振动构件；

与所述振动构件摩擦卡合，并利用所述振动构件的往复位移而相对于所述振动构件进行滑动位移的摩擦卡合构件；以及

连接于电源，且以规定的驱动周期向所述压电元件施加所述电源的电压的驱动电路，

所述驱动电路具备：

包含将所述压电元件的所述电极与所述电源连接的充电开关元件和将所述压电元件的所述电极接地的放电开关元件的桥式电路；以及

向所述电源与所述桥式电路之间及所述桥式电路与所述地线之间的至少任一电路中插入限制电阻的开关电路，

在将所述限制电阻插入电路的状态下，通过向所述压电元件施加电压以使其发生伸缩，从而使所述摩擦卡合构件缓慢地位移。

2.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，

所述开关电路具备：将所述限制电阻旁路的旁路电路、包含所述限制电阻的限制电路、断开所述旁路电路的旁路开关、以及断开所述限制电路的限制开关。

3.如权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于，

在插入所述限制电阻的状态下，在所述压电元件的充放电完成之前，能够将所述压电元件从所述电源和所述地线中的至少任一方处断开。

4.如权利要求3所述的驱动装置，其特征在于，

还具有监视所述压电元件的所述电极间的电压的监视器电路，当所述电极间的电压变为与所述摩擦卡合构件的所希望的位移量对应的值时，将所述压电元件从所述电源处断开。

5.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，

只在将所述压电元件的所述电极的任意一个与所述电源连接时插入所述限制电阻，且在将相同的电极接地时不插入所述限制电阻。

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