CN101606312A - 驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本实施方式中，如果将压电元件5固定在镜头单元的筐体中，在摩擦系合部件7上支撑镜头，则构成元件固定式镜头移动机构。还有如果将压电元件5固定在移动台上，将摩擦系合部件7固定在筐体中，则构成振动部件6及压电元件5相对摩擦系合部件7移动(摩擦系合部件7相对振动部件6滑行位移)、驱动移动台的自走式台移动机构。

Description

驱动装置
技术领域
本发明涉及采用压电元件的摩擦驱动方式驱动装置。
背景技术
摩擦驱动方式的驱动装置已为周知，其中是通过压电元件，使轴形振动部件在轴方向作非对称往复位移，使摩擦系合在振动部件上的摩擦系合部件相对振动部件滑动位移(摩擦系合部件移动或振动部件移动)。
这种摩擦驱动方式的驱动装置中，需要对压电元件施加周期性变动电压的驱动回路。其中尤其被利用的是由半导体开关元件对压电元件的电极施加电压或接地，从而对压电元件施加矩形电压的驱动回路。
例如，专利文献1中公开了一种半桥式驱动回路，其中备有：保持压电元件的一极接地、另一极连接电源的开关元件；接地的开关元件。另外，专利文献2中公开了一种全桥式回路，其中，压电元件的两极交替连接电源、另一极接地，从而使施加在压电元件上的极性反转。
压电元件可以比喻为电容器，但严密地说具有充放电时产生热量的电阻成分。因此，以往的摩擦驱动方式驱动装置，如果连续使用的话，会导致压电元件温度上升，压电元件与振动部件或固定压电元件的锤等之间的粘结力降低破损，还有压电元件达到居里温度，破坏伸缩功能引起功能丧失，存在问题。还有充放电电流引起开关元件过热的情况。
专利文献1：特开2001-268951号公报
专利文献2：特开2001-211669号公报
发明内容
发明欲解决的课题
鉴于上述问题，本发明的课题是提供一种摩擦驱动方式的驱动装置，其中降低了压电元件及开关元件的发热。
用来解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的驱动装置包括：压电元件，被施加电压而伸缩；振动部件，一端被固定在所述压电元件上，由于所述压电元件伸缩而能够在轴方向往复位移；摩擦系合部件，摩擦系合在所述振动部件上，由于所述振动部件的往复位移而相对所述振动部件滑行位移；驱动回路，与电源连接，以所定的驱动周期在所述压电元件上施加所述电源电压；其中，所述驱动回路备有：充电开关元件，其将所述压电元件的电极连接到所述电源上；放电开关元件，其将所述压电元件的所述电极接地；保护电阻，其被配设在所述电源与所述压电元件间的电路、以及所述压电元件与接地点间的电路的至少任意一个上；其中，所述保护电阻的电阻值大于所述开关元件的接通电阻，小于所述开关元件的驱动周期的1/2与所述压电元件的电容之比。
根据该结构，通过在对压电元件充放电的电路上配设保护电阻，在不失去驱动装置驱动力的范围降低充放电的电流值，由保护电阻消耗压电元件蓄积的能量，由此能够降低压电元件内部电阻上的发热和开关元件的发热。
本发明的驱动装置中，所述驱动回路也可以是能够选择对所述压电元件的任意电极施加所述电源电压的全桥式回路，并通过在所述充电开关元件与所述压电元件之间、以及所述放电开关元件与所述压电元件之间的任意至少一个上配设所述保护电阻，即使所述压电元件的两极短路时，也能够用所述保护电阻消耗充放电电流的能量，降低所述压电元件的发热。
发明的效果
根据本发明，用保护电阻消耗压电元件中蓄积的能量，能够降低压电元件和开关元件的发热。
附图说明
图1：本发明第1实施方式驱动装置的回路图
图2：图1驱动装置中的保护电阻与驱动速度之关系示意曲线。
图3：本发明第2实施方式驱动装置的回路图。
符号说明
0012
1  驱动装置
2  电源
3  控制回路
4  驱动回路
5  压电元件
5a、5b  电极
6  振动部件
7  摩擦系合部件
8  晶体管(充电开关元件)
9  晶体管(放电开关元件)
10  晶体管(充电开关元件)
11  晶体管(放电开关元件)
12  保护电阻
具体实施方式
以下参照附图，对本发明实施方式作说明。
图1表示本发明第1实施方式驱动装置1结构。驱动装置1备有：驱动回路4，其连接直流电源2及控制回路3，其中直流电源2的电压为Vp(V)；压电元件5，其电极5a、5b上被施加驱动回路的输出；轴形振动部件6，其一端被固定在压电元件5上；摩擦系合部件7，通过摩擦力被系合在振动部件6上。
与施加在电极5a、5b间的电压相应，压电元件5在振动部件6的轴方向伸缩。压电元件5的伸缩导致振动部件6在轴方向作往复移动。振动部件6缓慢移动时，摩擦系合部件7被摩擦系合在振动部件6上与其一起移动，但如果振动部件6急剧移动，摩擦系合部件7则由于惯性而企图保持自身原有状态、在振动部件6上滑行移动。
驱动回路4备有4个晶体管8、9、10、11和保护电阻12，其中4个晶体管8、9、10、11受控制回路3的控制信号S1、S2、S3、S4控制而开关。晶体管8是p通道型FET构成的充电开关元件，接通时将电源2电压经保护电阻12施加到压电元件5的电极5a，晶体管9是n通道型FET构成的放电开关元件，接通时将电极5a经保护电阻12接地。另外，晶体管10是p通道型FET构成的充电开关元件，接通时在电极5b上施加电源2电压，晶体管11是n通道型FET构成的放电开关元件，接通时电极5b接地。
控制回路3输出周期性矩形波形控制信号S1、S2、S3、S4，它们分别驱动晶体管8、9、10、11，其中控制信号S1、控制信号S2波形相同，控制信号S3、控制信号S4为控制信号S1、S2的反转输出。由此控制回路3控制驱动回路，使晶体管8、晶体管11同时接通，使晶体管9、晶体管10在晶体管8、11断开时接通。也就是说驱动回路4是下述全桥式回路：在压电元件5任一电极5a、5b上施加电源2电压Vp(V)同时将另一极接地，交替转换电极5a、5b进行电压Vp(V)施加。
如果以控制信号S1、S2、S3、S4的驱动周期为T(秒)，例如晶体管8、11是反复0.7T(秒)接通、0.3T(秒)断开，晶体管9、10是反复0.7T(秒)断开、0.3T(秒)接通。这样的话，压电元件5的电极5a-5b间被反复施加+Vp(V)为0.7T(秒)，-Vp(V)为0.3T(秒)。此时，由于压电元件5及振动部件6的机械性落后，振动部件6在被压电元件5推出方向和被压电元件5拉回方向的移动速度有差异，驱动摩擦系合部件7相对振动部件6仅在一方向滑动。
使晶体管8、11接通的时间比(时比率(duty ratio))相应于使摩擦系合部件7移动的速度而改变，通过替换控制信号S1、S2与控制信号S3、S4的输出时间比，能够反转摩擦系合部件7的滑动方向。
图2中的测定结果，表示时比率不变、保护电阻12电阻值R(Ω)变化时，电阻值R的变化对摩擦系合部件7驱动速度的影响。如图所示，保护电阻12电阻值R小时，几乎不影响摩擦系合部件7的驱动速度，而电阻值R增大的话，摩擦系合部件7的驱动速度则大大减小，电阻值R若大于驱动周期T的1/2与压电元件5的电容C(F)之比，则确认到不能驱动摩擦系合部件7。
这是因为压电元件5的电容C(例如70nF)和保护电阻R构成的RC回路的时间常数RC，大于摩擦系合部件7可用于相对振动部件作滑动的时间、即驱动周期T(秒)的2分之1(例如驱动频率140kHz则为3.57μ秒)，所以不能向压电元件5供给充分的能量而引起的。严密地说，该时间常数也受压电元件5内部电阻rc(例如0.5Ω)p通道型FET构成的晶体管8、10接通电阻r1(例如0.7Ω)及n通道型FET构成的晶体管9、11的接通电阻r2(例如0.3Ω)的影响。但是，通常这种驱动在极限点时电容保护电阻12的电阻值R(例如约为50Ω)与压电元件的内部电阻rc、晶体管8、9、10、11的接通电阻r1、r2相比足够大，所以实际上只要考虑保护电阻12的电阻值R即可。
从电源2向压电元件5的电极5a或5b供给电荷，相反侧的电极5b或5a被从接地点供给逆极性的电荷。此时，对电极5a、5b充电的电流在保护电阻12、晶体管8或10的接通电阻r1以及晶体管11或9的接通电阻r2以及压电元件5的内部电阻rc中产生焦耳热。
在电容器、电阻串联的RC回路中，压电元件5中的蓄积能量为1/2CVp2(J)，用来对压电元件5充电的充电电流在电阻R、r1、r2、rc上产生与蓄能1/2CVp2(J)相等的热。同样，放电时压电元件5中的蓄积能量被电阻R、r1、r2、rc消耗，产生热量。也就是说，每当切换晶体管8、9、10、11接通/断开，电阻R、r1、r2、rc便与其电阻比成比例地分担CVp2(J)能量，分别变换为热量。
因此，为了降低压在电元件5以及晶体管8、9、10、11的发热，只要增大保护电阻12的电阻值R即可。尤其是为了将晶体管8、9、10、11的发热抑制在一半以下，只要使得保护电阻12的电阻值R大于晶体管8、9、10、11中同时有效的晶体管8、11或9、10的电阻值之和(r1+r2)即可。
本实施方式的驱动装置1中，控制回路3也可以在切换晶体管8、11和晶体管9、10时，通过使2个充电开关元件晶体管8、10同时处于断开状态并使2个放电开关元件晶体管9、11同时处于接通状态，设使压电元件5两极5a、5b短路的短路状态。
这样，通过使蓄积在一方电极上的一部分电荷(最大为一半)经保护电阻12及晶体管9、11移动到另一方电极上，由此能够降低电源2的电力消耗。在该短路状态时，也能使伴随充放电电流的大部分焦耳热发生在保护电阻12上，也能够降低晶体管9、11的发热。
本实施方式中是在晶体管8、9和电极5a间的电路上设保护电阻12，但设在晶体管10、11和电极5b间的电路上(图中的点A)效果也相同。另外，不设短路状态时，也可以在电源2和晶体管8、10间的电路(图中的点B)以及晶体管9、11和接地点间的电路(图中的点C)上设保护电阻12。也可以在这些电路上配设多个被分割的保护电阻12。
图3表示本发明第2实施方式驱动装置1结构。本实施方式说明中，对相同于第1实施方式结构的要素标相同符号，并省略说明。本实施方式的驱动回路4是半桥式回路，备有1个充电开关元件晶体管8和1个放电开关元件晶体管9，压电元件5的电极5a连接电源2或接地点，电极5b被保持接地。
本实施方式中，为了能够用小的输入电流来开关晶体管8，备有双极型晶体管13和多个电阻14、15、16、17，18，但同样通过控制信号S1使晶体管8接通/断开，通过控制信号S2使晶体管9接通/断开。
本实施方式中也能够通过由保护电阻12按照其电阻比来分担伴随压电元件5充放电的发热，从而来防止压电元件5和晶体管8、9的过热。
本实施方式中，保护电阻12可以设在晶体管8、9和电极5a间的电路(点D)上，也可以设在电极5b和接地点间的电路(点E)上。
本实施方式中，如果将压电元件5固定在镜头单元的筐体中，在摩擦系合部件7上支撑镜头，则构成元件固定式镜头移动机构。还有如果将压电元件5固定在移动台上，将摩擦系合部件7固定在筐体中，则构成振动部件6及压电元件5相对摩擦系合部件7移动(摩擦系合部件7相对振动部件6滑行位移)、驱动移动台的自走式台移动机构。

Claims (5)

1.一种驱动装置，其特征在于，备有：
压电元件，被施加电压而伸缩；
振动部件，一端被固定在所述压电元件上，由于所述压电元件伸缩而能够在轴方向往复位移；
摩擦系合部件，摩擦系合在所述振动部件上，由于所述振动部件的往复位移而相对所述振动部件滑行位移；
驱动回路，与电源连接，以所定的驱动周期在所述压电元件上施加所述电源电压；
其中，所述驱动回路备有：
充电开关元件，其将所述压电元件的电极连接到所述电源上；
放电开关元件，其将所述压电元件的所述电极接地；
保护电阻，其至少被配设在所述电源和所述压电元件间的电路、以及所述压电元件和接地点间的电路的任意一个上；
所述保护电阻的电阻值大于所述开关元件的接通电阻，小于所述开关元件的驱动周期的1/2与所述压电元件的电容之比。
2.权利要求1中记载的驱动装置，其特征在于，所述保护电阻被分别配设在所述电源和所述压电元件间的电路、以及所述压电元件和所述接地点间的电路的多个位置上。
3.权利要求1或2中记载的驱动装置，其特征在于，所述驱动回路是能够选择所述压电元件的任意电极进行所述电源电压施加的全桥式回路。
4.权利要求3中记载的驱动装置，其特征在于，所述保护电阻至少被配设在所述充电开关元件和所述压电元件间、以及所述放电开关元件和所述压电元件间的任意一个上。
5.权利要求1至4的任意一项中记载的驱动装置，其特征在于，
所述驱动回路备有将所述压电元件的所述电极连接所述电源的2个充电开关元件和将所述压电元件的所述电极接地的2个放电开关元件，
所述驱动回路在转换所述压电元件的充电动作和放电动作时，使所述2个充电开关元件同时非导通、所述2个放电开关元件同时导通所定期间。
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