CN1822486B - 驱动装置和驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明的驱动装置具有在施加电压于其时伸长和收缩的机电换能器，可滑动支持活动体并与支承构件所连接的所述机电换能器一起位移的支承构件，和将电压施加至所述机电换能器的驱动电路，其中由驱动电路施加至所述机电换能器的电压以阶跃的方式从第一电压增加或下降至最后电压，且其中至少三个值依次循环，当所述机电换能器在施加电压于其时伸长和收缩时，所述活动体通过产生伸长速度和收缩速度之间的差相对于支承构件移动，且施加第一电压的时间段是可变的。

Description

驱动装置和驱动方法

相关申请

本发明基于日本专利申请号：2005-41540和2006-6395，其内容通过引用包含在此。

技术领域

本发明涉及驱动装置，特别是涉及其中利用了诸如压电元件(例如，所谓的“压电元件(piezo elements)”)之类的机电换能器的驱动装置和驱动方法。本发明的驱动器适合例如作为用于照相机、DVD装置、MD装置、内窥镜等中的光学元件的驱动系统和用于精密级的驱动系统。

作为利用诸如长度随着施加电压而变化(伸长和收缩)的压电元件之类的机电换能器的驱动装置，已知图1A的分解图和图1B的组装图(见JP11-98865A)中所示的一种驱动装置。

其中活动体10可以相对基座1移动的驱动装置可以用作例如照相机的透镜驱动装置。即，活动体10至透镜框的连接使其可以用活动体10移动透镜。

压电元件4由大量叠加的压电板组成。压电元件4与延伸的方向相对应的一端4a被固定至基座1，而另一端4b被固定于杆(支承构件)5的第一端5a。杆5由与基座1整体地形成的支持部分2和3可滑动地支持。

杆5由主体11和盖12夹着，夹的方向上的偏压通过压力弹簧(偏压元件)施加至主体11和盖12，从而活动体10通过摩擦力与杆5的外围接合。即，活动体10由杆5支持，从而能通过克服摩擦力的力作用对着杆5滑行。

一个未示出的电压控制电路与压电元件4连接。当将具有锯齿波形的指定驱动电压施加至压电元件4时，压电元件4以通常具有相同形状的锯齿位移振动。相应地，杆5在其长度的方向上以锯齿位移振动。图2的图示出压电元件4的振动位移并示出杆5的振动位移。

具体地，在第一波形100的时段A中的缓和上升的斜线部分101中，压电元件4伸长相对较慢且杆5在图1B的箭头I的方向上缓慢移动。而在时段B中，在下降斜线部分102中所示的的波形部分中，压电元件4快速收缩至初始长度且杆5在箭头II的方向上快速移动。

此后重复相同的移动，从而杆5通过方向I上的缓慢移动和方向II上的快速移动而振动。因此，在画出这种具有图2中所示的慢部分和快部分的锯齿振动波形的同时，杆5振动。

在驱动装置中，调节活动体10的压力弹簧13的弹簧力(即，活动体10相对于杆5的摩擦力)，如图3所示，使得活动体10在杆5缓慢移动时通过相对于杆5的摩擦力利用杆5而移动，并使得活动体10在杆5快速移动时通过克服相对于杆5的摩擦力的惯性力而保持不动。结果，在杆5振动时，活动体10在相对于基座1的方向I上移动。

为了在图1B中箭头II的方向上移动活动体10，图2中所示的压电元件4和杆5的振动波形必须相反。即，该波形必须具有急剧上降的上升部分和缓和斜线的下降部分。活动体10的移动原理与上述相同。

如上所述，需要将具有锯齿波形的驱动电压施加至压电元件。作为产生这种驱动电压的方法，已知一种将在下面描述的方法。

《使用波形发生器和放大器的方法(见图4)》

8位和0-5V的锯齿波形由波形发生器通过D/A转换产生并用功率放大器放大至0-10V(见图4A)。从而取得用于驱动的0-10V的锯齿波形。

图4B示出活动体10在图3中的方向I上推进时驱动电压的波形，而图4C示出在反方向上驱动时驱动电压的波形。

《使用恒流电路和开关电路的方法(见图5)》

在图5A中所示的数字电路中，部分A和D构成恒流电路而部分B和C构成开关电路。对于数字电路，将图5B中所示的信号施加至端(a)-(d)。从而，通过恒流电路A、D和开关电路B、C的轮流操作得到用于驱动的0-10V的锯齿波形。

参照图4和图5所述的两种方法都在JP 09-191676A中得以揭示。

如上所述，传统上，取得锯齿驱动电压波形需要使用波形发生器和放大器、使用恒流电路和开关装置等。这种需求导致复杂的结构和成本的增加。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种其中利用机电换能器并具有能用简单的电路结构产生具有锯齿波形的驱动电压的驱动电路的驱动装置。

本发明的另一目的在于提供一种其中利用机电换能器并具有用于产生能在活动体启动和停止时减少噪声的驱动电压的驱动电路的驱动装置。

为了实现所述目的，本发明的驱动装置具有：

在施加电压于其时伸长和收缩的机电换能器，

可滑动支持活动体并与支承构件所连接的机电换能器一起位移的支承构件，和

将电压施加至机电换能器的驱动电路，其中

由驱动电路施加至机电换能器的电压以阶跃的方式从第一电压增加或下降至最后电压，且其中至少三个值依次循环，当机电换能器在施加电压于其时伸长和收缩时，活动体通过产生伸长速度和收缩速度之间的差相对于支承构件移动，且施加第一电压的时间段是可变的。

本发明的驱动方法是在驱动装置中驱动活动体的方法，所述驱动装置具有：

在施加电压于其时伸长和收缩的机电换能器，

以一端固定于机电换能器的延伸和收缩方向上的一端的并可滑动地支持活动体的杆的形式的支承构件，和

使活动体偏向支持元件的偏置元件，和

包括具有四个开关元件并将电压施加至机电换能器的H电桥电路和控制开关元件的控制电路的驱动电路，

所述驱动方法包括以下步骤：

将以阶跃的方式从第一电压增加或下降至最后电压的电压由驱动电路施加至机电换能器，且其中至少三个值依次循环，

当机电换能器在施加电压于其时伸长和收缩时，重复活动体通过对支承构件的摩擦力与支承构件一起移动的状态和活动体通过产生伸长速度和收缩速度之间的差克服对支承构件的摩擦力的力作用沿支承构件滑动的状态，且

在活动体启动和/或停止时第一电压的时间段予以平滑地变化。

在本发明的驱动装置和驱动方法中，驱动电路将以阶跃的方式增加或下降且其中至少三个值依次循环的电压施加至机电换能器。从而实现容易控制、简化的电路结构和成本降低。

另外，可以通过改变施加第一电压的时间段逐渐实现其在活动体启动时速度增加和在停止时速度下降，从而可以减少活动体启动和停止噪声。

附图说明

下面将参考附图进一步说明本发明，其中在几幅图中相同的标识指相同的部分，且其中：

图1A和1B为示出传统的驱动装置的分解图和组装图；

图2为用于图解图1的驱动装置中的驱动原理的图；

图3为用于图解图1的驱动装置中的驱动原理的图；

图4A-4C为用于图解传统的锯齿驱动电压产生方法的图；

图5A和5B为用于图解传统的锯齿驱动电压产生方法的图；

图6为示出本发明的驱动电路的一个例子的电路图；

图7为示出用于图6的控制电路的控制信号和施加于压电元件的电压的图；

图8为示出从图6的驱动电路施加至压电元件的驱动电压的波形的一个例子的图；

图9为示出由图8的驱动电压的应用而引起的杆的位移的图；

图10为示出在驱动电压的应用时间以各种方式变化的条件下推力中的变化的图；

图11为示出值ta/T和活动体的速度之间的关系的图；

图12A和12B为示出在活动时启动和停止时活动体的速度的变化的图；

图13为修改的驱动电路的电路图；和

图14为示出图13的控制电路的控制信号和施加于压电元件的电压的图。

具体实施方式

《电路结构(图6、图7)》

图6示出用于将电压施加至本发明的一个实施例的驱动装置中的压电元件的驱动电路和结构。在该实施例的驱动装置中，机械部分的结构与图1A中所示的传统的例子相同，但驱动电路和结构不同于传统的结构。

在图中所示的实施例中，即，用图6的驱动电路驱动图1A的压电元件。

在图6中，H电桥电路由四个开关Q1-Q4、两个电容器C1、C2和压电元件组成。开关Q1、A2由P沟道型MOSFET组成，而开关Q3、Q4由N沟道型MOSFET组成。

在开关Q1中，源极与端Vp连接，且栅极与控制电路的端Sc1连接。

在开关Q2中，源极与端Vp连接，且栅极与控制电路的端Sc2连接。

在开关Q3中，漏极与开关Q1的漏极端连接且源极接地。开关Q3的栅极与控制电路的端Sc3连接。

在开关Q4中，漏极与开关Q2的漏极端连接且源极接地。开关Q4的栅极与控制电路的端Sc4连接。

压电元件的一端连接在开关Q1和Q3的漏极之间，而另一端连接在开关Q2和Q4的漏极之间。

如图中所示，电容器C1、C2分别与开关Q3、A4并联连接。电容器C1、C2均具有和压电元件一样大的电容。

当开关Q1-Q4的栅压由如图7的部分(a-1)中所示的来自控制电路的信号控制时，在图6的驱动电路中，加载在压电元件上的四个驱动电压(第一电压Ea、第二电压Eb、第三电压Ec、最后电压Ed)具有如图7的部分(b-1)中所示的阶梯状的波形。如图所示，标号ta-td表示电压施加时间，且时间ta至td定义一个周期。在控制电路中，可以通过改变将信号输出至端Sc1、Sc2、Sc3、Sc4的定时来分别改变电压值Ea、Eb、Ec、Ed的施加时间ta、tb、tc、td。

在时间段ta中，开关Q2、Q3导通而Q1、Q4截止。在时间段td中，开关Q1、Q4导通而Q2、Q3截止。相应地，在时间段ta和时间段td中加载在压电元件上的电压具有相等的绝对值但却相反的符号。当例如将3V的电压施加至端Vp时，施加至压电元件的-3V的驱动电压Ea导致+3V的驱动电压Ed。

在时间段tb中，开关Q1、Q2截止而Q3、Q4导通。结果，压电元件的两端被短路和接地，从而驱动电压Eb变为0。

在时间段tc中，表达式Ec＝0.5Ed＝+1.5V成立，因为只有开关Q1导通，并且因为压电元件和两个电容器C1、C2的电容相等。

随着周期ta-td的重复，如图7的部分(b-1)中所示，将其中四个电压值Ea、Eb、Ec、Ed依次循环的阶梯状驱动电压循环地施加至压电元件。在此情况下，第一电压Ea具有驱动电压中的最小值。

图7的部分(a-2)和7(b-2)示出在与上述相反的方向上驱动活动体10时的栅压和相对应的驱动电压。在此情况下，第一电压Ea具有驱动电压中的最大值。

《驱动波形(图8、图9)》

图8为示出在设成ta＝1.0T且tb＝tc＝td＝0.5T的条件下，驱动电压与图7的部分(a-1)中的施加时间的图。

这里，符号T表示图1中所示的机械部分(机电换能器和杆)的物理系统的谐振周期。在例如将机械部分的谐振频率1/T设定在150kHz的条件下，表达式T＝1/150000＝6.66μsec成立。即，表达式ta＝1.0T＝6.66μsec和tb＝tc＝td＝0.5T＝3.33μsec成立。

图9示出由施加图8的驱动电压所引起的杆的位移。取得通常与图8的阶梯状波形相对应的杆的锯齿振动位移。

在本实施例中，如从上述明显示出，在各时间段施加恒定值的单一电压，且作为该恒压值中仅有的后续变化的结果而取得具有锯齿波形的杆振动位移。

在本发明中，电路的特定结构、其中使用的开关元件等不限于图6中所示的那些，因为只有在获取图8中所示那样的阶梯状波动的波形作为压电元件的驱动电压时它才是必须的。

虽然将其中四个电压值依次循环的阶梯状波动的波形用于图中所示的例子中，也可以使用五个或更多个电压值。使用将在下面说明的四个或三个电压值仍是较佳的，因为可以用简单的电路结构获取合适的杆振动位移。

《通过实验测量推力》

通过一组变化的应用时间实验来测量由驱动电路的驱动引起的推力。用负载传感器从图1中的活动体10的驱动力的测量获取测量数据。

图10的图示出在只有ta变化而tb、tc、tc保持在恒定值的条件下的数据。这里，T＝6.66μsec成立。

在图10中，在tb/T＝tc/T＝td/T＝0.3，tb/T＝tc/T＝td/T＝0.5，和tb/T＝tc/T＝td/T＝0.7三个条件下，通过改变ta所进行的测量。从图中发现如下。

当ta/T在1.0、2.0和3.0附近时出现峰值，且其中，当ta/T为1.0时推力最大。因此想到，活动体10在ta/T＝1.0时被驱动时具有最大滑动速度。另一方面，当ta/T为0.5和1.5时，推力变为0或接近于0。因此想到，活动体10即使被移动，当ta/T＝0.5或1.5时被驱动时，也不移动或具有小的滑动速度。

在关于图10的实验中，在与图7的部分(a-1)和(b-1)相对应的驱动方向(图3中箭头I的方向)上移动活动体10。标号ta表示施加了作为四个电压值(Ea、Eb、Ec、Ed，以升序)中最低的电压的第一电压Ea的时间段。

另一方面，当活动体10在与上述相反的方向上移动时，锯齿的杆振动波形只需左右反转。相应地，在以降序设置四个电压值Ea、Eb、Ec、Ed并将施加第一电压Ea的时间段设置为“ta”的条件下，预计为类似的结果。

在图11中，示意地画出上述ta/T值和活动体10的滑动速度之间的关系。如图中所示，活动体10在ta/T＝1.0的条件下具有最大滑动速度，而在ta/T＝0.5或1.5的条件下具有最小滑动速度。

图1中所示的驱动装置的问题在于在整个从活动体10启动到停止的时间段以最大滑动速度驱动大大地增加了启动和停止时的速度变化，从而制造噪声。因此，在本实施例的驱动装置中，当活动体10启动时，如图12A中所示，速度从0逐渐增至最高速度，而当活动体10停止时，如图12B中所示，速度从最高速度逐渐减小至0。因此，驱动电路在活动体10启动时，平滑地将ta/T从0.5变到1.0或从1.5变到1.0而在活动体10停止时，平滑地将ta/T从1.0变到0.5或从1.0变到1.5。ta/T中的这种变化可以通过改变输出至驱动电路的控制电路的端Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的信号的定时而引起第一电压Ea的施加时间ta逐渐改变来实现，因为机械部分的系统的谐振频率T是恒定的。

在本实施例的驱动电路中，从而能通过作为最大或最小电压的第一电压Ea的施加时间ta的变化逐渐改变活动体10在启动和停止时的滑动速度。结果，可以减少活动体10启动和停止时的噪声。

应注意也可以通过施加第一电压Ea以外的驱动电压(例如，第二电压Eb)的时间的变化来改变活动体10的速度。然而，改变第一电压Ea的施加时间时活动体10的速度变化比改变其它驱动电压时大。虽然也可以通过驱动电压值的变化来改变活动体10的速度，在此情况下引起驱动电路的结构复杂。因此，其中改变施加时间的方法比改变活动体10的速度的方法有利。

《修改》

对于实施例，描述了将在四个电压值中依次循环的驱动电压从驱动电路施加至压电元件的驱动装置。然而，可以将本发明应用于将在三个电压值中依次循环的驱动电压从图13中所示的驱动电路施加至压电元件的驱动装置。在图13中所示的驱动电路中，省略了两个电容器C1、C2，且电路的结构与图6中所示的实施例的驱动电路相比被进一步简化。

当如图14的部分(a-1)中所示由来自控制电路的信号控制开关Q1-Q4的栅压时，在图13的驱动电路中，加载在压电元件上的驱动电压(第一电压Ea、第二电压Eb、最后电压Ed)具有如图14的部分(b-1)中所示的阶梯状波形。如从图中所示，标号ta、tb、td表示电压的施加时间，而时间ta、tb、td定义一个周期。在控制电路中，可以通过改变将信号输出至端Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的定时分别改变电压值Ea、Eb、Ed的施加时间ta、tb、td。

在时间段ta中，开关Q2、Q3导通而开关Q1、Q4截止。在时间段td中，开关Q1、Q4导通而开关Q2、Q3截止。相应地，在时间段ta和时间段td中加载在压电元件上的电压具有相等的绝对值但却相反的符号。当例如将3V的电压施加至端Vp时，施加至压电元件的-3V的驱动电压Ea导致+3V的驱动电压Ed。

在时间段tb中，开关Q1、Q2截止而Q3、Q4导通。结果，压电元件的两端被短路和接地，从而驱动电压Eb变为0。

随着周期ta、tb、td的周期的重复，如图14的部分(b-1)中所示，将其中三个电压值Ea、Eb、Ed依次循环的阶梯状驱动电压循环地施加至压电元件。在此情况下，第一电压Ea具有驱动电压中的最小值。

图14的部分(a-2)和14(b-2)示出在与上述相反的方向上驱动活动体10时的栅压和相对应的驱动电压。在此情况下，第一电压Ea具有驱动电压中的最大值。

在图13的驱动电路中，当活动体10启动时，值ta/T平滑地从0.5变到1.0或从1.5变到1.0而在活动体10停止时，值ta/T平滑地从1.0变到0.5或从1.0变到1.5。ta/T中的这种变化可以通过改变输出至驱动电路的控制电路的端Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的信号的定时而引起电压值Ea的施加时间ta逐渐改变来实现，因为机械部分的系统的谐振频率T是恒定的。

在图13的驱动电路中，从而能通过作为最大或最小电压的第一电压Ea的施加时间ta的变化来改变和减小活动体10在启动和停止时的滑动速度。结果，可以减少活动体10启动和停止时的噪声。

应注意活动体10的速度变化可以通过在0.5和1.0之间或1.5和1.0之间的整个时间段改变值ta/T而变得更大，然而，在允许活动体10的小速度变化的情况下可以在0.5和1.0之间或1.5和1.0之间的部分时间段改变值ta/T。例如，可以在0.6和0.9或1.4和1.1之间的时间段改变值ta/T。

活动体10在杆5的缓慢移动导致活动体10和杆5一起移动时可以相对于杆5最有效地移动，然而，杆5的快速移动导致通过其滑动将活动体10停留在杆5上。然而，本发明不限于这种条件。即，当活动体10的滑动长度在杆5缓慢移动时和在其快速移动时相互不同时，即使杆5的缓慢移动导致活动体10相对于杆5轻微滑动且杆5的快速移动导致活动体10不停留，活动体10也能相对于杆5移动。

虽然参照附图通过例子全面说明了本发明，应注意各种改变和修改对于本领域的技术人员将在显而易见的。因此，除非这些改变和修改偏离本发明的范围，否则它们应被解释为包括在其中。

Claims (15)

1.一种驱动装置，包括：

在对其施加电压时伸长和收缩的机电换能器，

可滑动支持活动体并与所述机电换能器一起位移的支承构件，所述支承构件连接于所述机电换能器，和

将电压施加至所述机电换能器的驱动电路，其中

由驱动电路施加至所述机电换能器的电压以阶跃的方式从第一电压增大或下至最后电压，且其中至少三个值依次循环，当所述机电换能器在对其施加电压时伸长和收缩时，通过产生伸长速度和收缩速度之间的差使所述活动体相对于支承构件移动，且施加第一电压的时间段是可变的。

2.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述驱动电路平滑地改变施加第一电压的时间段，从而在活动体启动的时侯逐渐增加活动体的速度。

3.如权利要求2所述的驱动装置，其特征在于，当启动所述活动体时，ta/T在0.5和1.0之间增加或在1.5和1.0之间减小，这里，T表示由机电换能器和支承构件所组成的系统的谐振周期且ta表示施加第一电压的时间段。

4.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述驱动电路平滑地改变施加第一电压的时间段，从而在所述活动体停止的时侯逐渐减小活动体的速度。

5.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，当停止所述活动体时，ta/T在1.0和0.5之间减小或在1.0和1.5之间增加，这里，T表示由机电换能器和支承构件所组成的系统的谐振周期且ta表示施加第一电压的时间段。

6.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，由驱动电路施加至机电换能器的电压在三个值之间依次循环。

7.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，由驱动电路施加至机电换能器的电压在四个值之间依次循环。

8.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述驱动电路包括具有四个开关元件的H电桥电路和输出用于导通或截止各开关元件的信号的控制电路，且所述驱动电路通过控制在所述控制电路将所述信号输出至所述各开关元件时的定时来改变施加第一电压的时间段。

9.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述支承构件在机电换能器的伸长和收缩方向上被固定于一端。

10.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，当机电换能器在对其施加电压而伸长和收缩时，所述活动体通过产生伸长速度和收缩速度之间的差使沿支承构件的滑动长度在机电换能器伸长时及其收缩时之间不同，且活动体由此相对于支承构件移动。

11.如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，当机电换能器在施加电压于其时伸长和收缩时，所述活动体重复活动体通过对支承构件的摩擦力与支承构件一起移动的状态和活动体通过产生伸长速度和收缩速度之间的差来克服对支承构件的摩擦力的力的作用沿支承构件滑动的状态，且所述活动体因此而相对于所述支承构件移动。

12.一种驱动装置，包括：

在施加电压于其时伸长和收缩的机电换能器，

具有杆的形式、其一端在机电换能器的延伸和收缩方向上被固定于其一端、并可滑动地支持活动体的支承构件，

使活动体偏向支承构件的偏置元件，和

驱动电路，它包括具有四个开关元件并将电压施加至机电换能器的H电桥电路和控制开关元件以将以阶跃的方式从第一电压增大或下降至最后电压且其中至少三个值依次循环的电压从H电桥电路施加至机电换能器的控制电路，其中，

当机电换能器在施加电压于其时伸长和收缩时，在重复活动体通过对支承构件的摩擦力与支承构件一起移动的状态和活动体通过产生伸长速度和收缩速度之间的差来克服对支承构件的摩擦力的力的作用沿支承构件滑动的状态时，活动体相对于支承构件移动，且

在活动体启动和/或停止时平滑地改变施加所述第一电压的时间段。

13.如权利要求12所述的驱动装置，其特征在于，所述驱动电路平滑地改变施加所述第一电压的时间段，从而在活动体启动的时侯逐渐增大活动体的速度。

14.如权利要求12所述的驱动装置，其特征在于，所述驱动电路平滑地改变施加所述第一电压的时间段，从而在活动体停止的时侯逐渐减小活动体的速度。

15.一种驱动装置中驱动活动体的驱动方法，所述驱动装置具有：

在对其施加电压时伸长和收缩的机电换能器，

具有杆的形式、其一端在机电换能器的延伸和收缩方向上固定于其一端、并可滑动地支持活动体的支承构件，

使活动体偏向支承构件的偏置元件，和

驱动电路，包括具有四个开关元件并将电压施加至机电换能器的H电桥电路和控制开关元件的控制电路，

所述驱动方法包括以下步骤：

由驱动电路将以阶跃的方式从第一电压增大或下降至最后电压且其中至少三个值依次循环的电压施加至机电换能器，

当机电换能器在施加电压于其时伸长和收缩时，重复活动体通过对支承构件的摩擦力与支承构件一起移动的状态和活动体通过产生伸长速度和收缩速度之间的差依靠克服对支承构件的摩擦力的力的作用沿支承构件滑动的状态，且

在活动体启动和/或停止的时侯平滑地变化第一电压的时间段。

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