JP2003153560A

JP2003153560A - 駆動回路

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Publication number: JP2003153560A
Application number: JP2001341812A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Hoshino; 隆之干野
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2003-05-23
Anticipated expiration: 2021-11-07
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Abstract

(57)【要約】【課題】容量性負荷に電圧を印加して駆動する際の突
入電流が小さくなる駆動装置を提供する。【解決手段】容量性負荷２２と、容量性負荷２２に電
源電圧Ｅを印加する第１の駆動回路Ｑ１，Ｑ４と、容量
性負荷２２に電源電圧Ｅを、第１の駆動回路Ｑ１，Ｑ４
と逆方向に印加する第２の駆動回路Ｑ２，Ｑ３と、第１
及び第２の駆動回路Ｑ１，Ｑ４；Ｑ２，Ｑ３を交互に動
作させる制御回路３２とを備える。容量性負荷２２の両
端に誘導性素子Ｇ１，Ｇ２が接続される放電回路Ｑ５，
Ｇ１，Ｇ２，Ｑ６を備える。制御回路３２は、第１及び
第２の駆動回路Ｑ１，Ｑ４；Ｑ２，Ｑ３を間隔を設けて
動作させ、間隔中において放電回路Ｑ５，Ｇ１，Ｇ２，
Ｑ６を動作させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、駆動装置に関し、
詳しくは、容量性負荷に交流電圧を印加して駆動する駆
動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電素子を用いた駆動装置が提供
されている。このような駆動装置は、例えば図８のよう
な駆動回路７０で駆動される。図において、７２は制御
回路、１２２は容量性負荷である圧電素子、Ｆ１，Ｆ３
は駆動用Ｐチャンネル型ＦＥＴ（電界効果トランジス
タ）、Ｆ２，Ｆ４は駆動用Ｎチャンネル型ＦＥＴであ
る。

【０００３】図９は、動作シーケンスを表すタイミング
チャートである。図９（ａ）〜（ｄ）は、制御回路７２
により制御される各ＦＥＴ（Ｆ１〜Ｆ４）のゲート電圧
を示す。図９（ｅ）は、圧電素子１２２に印加される電
圧を示している。Ｐチャンネル型ＦＥＴ（Ｆ１，Ｆ３）
は、符号９１，９３で示すようにゲート電圧がＬｏの場
合に導通状態となり、ゲート電圧がＨｉの場合に遮断状
態となる。Ｎチャンネル型ＦＥＴ（Ｆ２，Ｆ４）は、ゲ
ート電圧がＬｏの場合に遮断状態となり、符号９２，９
４で示すようにゲート電圧がＨｉの場合に導通状態とな
る。例えば図９における期間Ｔ１の場合、Ｆ１，Ｆ２が
Ｈｉ、Ｆ３，Ｆ４がＬｏなので、Ｆ２，Ｆ３のみが導通
状態になり、圧電素子１２２には、符号８０で示すよう
に＋Ｅ（Ｖ）の電圧が印加される。逆に期間Ｔ２の場
合、Ｆ１，Ｆ４のみが導通状態になるので、圧電素子１
２２には、符号８４で示すように−Ｅ（Ｖ）の電圧が印
加される。以上のように、図９のタイミングチャートか
ら、圧電素子２の両端には電源電圧Ｅの２倍の交流電圧
が印加されることになる（例えば、特開２０００−３５
０４８２号公報参照）。

【０００４】図１０は、例えば特開２００１−２１１６
６９号公報に開示された駆動装置の動作シーケンスを表
すタイミングチャートである。同公報に開示された駆動
装置の回路図は、図８と同様である。特開２００O−３
５０４８２号公報との違いは、期間Ｔ１，Ｔ２の間に期
間Ｓ１，Ｓ２を設け、圧電素子１２２に充電された電荷
を一旦放電してから逆充電することである。図１０にお
ける期間Ｔ１と期間Ｔ２は、図９で示した期間Ｔ１と期
間Ｔ２と同じ動作パターンである。期間Ｓ１，Ｓ２にお
いては、Ｆ１〜Ｆ４がＨｉなので、Ｆ２とＦ４のみが導
通状態となって、圧電素子１２２の両端が短絡されるこ
とになる。したがって、期間Ｔ１，Ｔ２において圧電素
子１２２に充電された電荷は、期間Ｓ１，Ｓ２において
符号８２，８６で示すように一旦放電され、次の期間Ｔ
２，Ｔ１において逆方向に充電される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電素子１
２２は電荷を蓄積する容量性負荷である。そのため、従
来のように構成されている駆動装置では、駆動するため
に圧電素子１２２の印加電圧を切り替える時に、大きな
突入電流が流れ、消費電力が高くなるという問題があっ
た。

【０００６】すなわち，前者の特開２０００―３５０４
８２号公報の場合は、図９（ｅ）において符号８８，８
９で示すように、圧電素子１２２の両端電圧を＋Ｅ
（Ｖ）から−Ｅ（Ｖ）に、又は−Ｅ（Ｖ）から＋Ｅ
（Ｖ）に急峻に切り替えるため、突入電流Ｉは、Ｉ＝２Ｅ／ｒ（１）（ｒは、ＦＥＴのオン抵抗や電源の出力抵抗、線路抵抗
などの総合抵抗値）となる。

【０００７】また、後者の特開２００１−２１１６６９
号公報の場合は、圧電素子１２２の電荷を一旦放電して
から逆方向に充電するため、図１０（ｅ）において符号
８１，８３，８５，８７で示すように、突入電流Ｉは、Ｉ＝Ｅ／ｒ（２）（ｒは、ＦＥＴのオン抵抗や電源の出力抵抗、線路抵抗
などの総合抵抗値）となり、半減しているものの、突入
電流の抑制効果は十分ではない。

【０００８】本発明は、このような従来の構成が有して
いた問題を解決しようとするものであり、容量性負荷に
電圧を印加して駆動する際の突入電流が小さくなる駆動
装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記技術的課
題を解決するために、以下の構成の駆動装置を提供す
る。

【００１０】駆動装置は、容量性負荷と、前記容量性負
荷に電源電圧を印加する第１の駆動回路と、前記容量性
負荷に前記電源電圧を、前記第１の駆動回路と逆方向に
印加する第２の駆動回路と、前記第１及び第２の駆動回
路を交互に動作させる制御回路とを備えたタイプのもの
である。駆動装置は、前記容量性負荷の両端に誘導性素
子が接続される放電回路を備える。前記制御回路は、前
記第１及び第２の駆動回路を間隔を設けて動作させ、該
間隔中において前記放電回路を動作させる。

【００１１】上記構成において、圧電素子などの容量性
負荷には、第１及び第２の駆動回路により、電源の２倍
の電圧が印加される。第１及び第２の駆動回路の一方の
動作が終了した後、第１及び第２の駆動回路の他方が動
作するまでに間隔があり、この間隔中に放電回路が動作
する。放電回路が動作すると、容量性負荷と誘導性素子
とは閉回路を構成し、共振状態となる。共振により容量
性負荷の電圧が反転した後に、第１及び第２の駆動回路
の他方を動作させると、容量性負荷に電源電圧を印加し
て駆動する際の突入電流を小さくすることができる。

【００１２】なお、容量性負荷は、そのインピーダンス
Ｚを実部Ｒ（抵抗）と虚部Ｘ（リアクタンス）に分け
て、Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ（３）と書いたときに、Ｘが負である。

【００１３】また、誘導性素子は、そのインピーダンス
Ｚを実部Ｒ（抵抗）と虚部Ｘ（リアクタンス）に分け
て、Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ（４）と書いたときに、Ｘが正である。

【００１４】好ましくは、前記第１の駆動回路は、一方
端が電源に接続され、他方端が前記容量性負荷の一方端
に接続されてなる第１のスイッチ手段と、一方端が前記
容量性負荷の他方端に接続され、他方端が接地されてな
る第２のスイッチ手段とで構成される。前記第２の駆動
回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記容量性
負荷の前記他方端に接続されてなる第３のスイッチ手段
と、一方端が前記容量性負荷の前記一方端に接続され、
他方端が接地されてなる第４のスイッチ手段とで構成さ
れる。前記放電回路は、前記第２及び第４のスイッチ手
段と前記誘導性素子とで、又は前記第１及び第３のスイ
ッチ手段と前記誘導性素子とで、構成される。

【００１５】上記構成において、制御回路は、スイッチ
手段の導通状態と遮断状態を切り替える。第１及び第２
のスイッチ手段を導通状態とすることにより、第１の駆
動回路を動作させることができる。また、第３及び第４
のスイッチ手段を導通状態とすることにより、第２の駆
動回路を動作させることができる。また、第２及び第４
のスイッチ手段を導通状態とすることにより、容量性負
荷と誘導性素子とで閉回路を構成し、放電回路として動
作させることができる。あるいは、第１及び第３のスイ
ッチ手段を導通状態とすることにより、容量性負荷と誘
導性素子とで閉回路を構成し、放電回路として動作させ
ることができる。スイッチ手段には、例えばＦＥＴやト
ランジスタなどのスイッチ素子を用いることができる。

【００１６】上記構成によれば、放電回路を動作させる
ためのスイッチ手段を、駆動回路とは別に設ける必要が
ないので、駆動装置の構成を簡単にすることができる。

【００１７】好ましくは、前記容量性負荷の静電容量を
Ｃ、前記誘導性素子のインダクタンスをＬとした場合、
前記放電回路が動作する期間の長さＴｓは、Ｔｓ＝π（ＬＣ）^１／２（５）で表される値、もしくはその近傍値に設定される。

【００１８】上記構成によれば、放電回路が動作し、容
量性負荷の電圧が反転した後の最初のピーク又はその近
傍で、容量性負荷に電圧を印加することができる。これ
により、容量性負荷に電圧を印加する際に不足する電圧
をできるだけ小さくして、駆動装置を効率良く駆動する
ことができる。

【００１９】好ましくは、前記容量性負荷が圧電素子で
ある。

【００２０】駆動装置は、前記圧電素子の伸縮方向の一
方端にその一方端が固着された駆動部材と、前記駆動部
材に所定の摩擦力で係合された係合部材とを含む。前記
制御回路は、前記圧電素子が向きにより異なる速度で伸
縮するように、前記第１及び第２の駆動回路と前記放電
回路とを動作させ、前記駆動部材又は前記係合部材を相
対移動させる。

【００２１】上記構成によれば、圧電素子の伸縮方向の
他方端又は駆動部材の他方端が固定されている場合、係
合部材を駆動部材に沿って相対移動させることができ
る。係合部材が固定されている場合、駆動部材は係合部
材に沿って相対移動せることができる。

【００２２】上記構成によれば、高精度の駆動を容易
に、かつ効率良く行うことができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施形態に係る
駆動装置について、図１〜図７に基づいて説明する。

【００２４】駆動装置は、例えば図１に示すように、圧
電素子を用いて種々のタイプのものを構成することがで
きる。

【００２５】図１（ａ）は素子固定タイプのものを示
す。圧電素子の伸縮方向の一方の端面に固定部材が固着
結合され、他方の端面に駆動部材が固着結合され、駆動
部材に移動体が摩擦力で係合するようになっている。

【００２６】図１（ｂ）は自走式タイプのものを示す。
圧電素子の伸縮方向の一方の端面に移動体が固着結合さ
れ、他方の端面に駆動部材が固着結合され、駆動部材が
固定部材に摩擦力で係合するようになっている。移動体
は、固定部材に沿って移動自在である。

【００２７】図１（ｃ）は駆動部材固定タイプのものを
示す。駆動部材の一方の端面が固定部材に固着結合さ
れ、他方の端面に圧電素子が固着結合され、駆動部材に
移動体が摩擦力で係合するようになっている。

【００２８】図１（ｄ）は駆動部材移動タイプのものを
示す。駆動部材の一方の端面に圧電素子が固着結合さ
れ、駆動部材は固定部材に摩擦力で係合するようになっ
ている。

【００２９】いずれのタイプの駆動装置も、例えば図１
（ｅ）に示した鋸歯状や、矩形などの適宜な電圧波形を
圧電素子に印加して、圧電素子を伸びと縮みで異なる速
度で伸縮させることにより、駆動を行う。

【００３０】すなわち、素子固定タイプの場合、例えば
図１（ａ）に示したように、圧電素子をゆっくり伸ば
し、移動体を駆動部材とともに一体的に移動させる。次
に、圧電素子を急に縮め、駆動部材を急激に初期位置に
戻す。このとき、駆動部材と移動体との間に滑りが生
じ、移動体は実質的に移動せず、駆動部材だけが初期位
置に戻る。その結果、移動体は、駆動部材に沿って初期
位置から移動する。このサイクルを繰り返し、移動体
（係合部材に相当する）を駆動部材に沿って移動させ
る。

【００３１】自走式タイプの場合、例えば図１（ｂ）に
示すように、圧電素子をゆっくり伸ばすと、駆動部材と
固定部材との間には大きな摩擦力があるため、移動体側
が移動する。次に、圧電素子を急に縮める。このとき、
移動体の方が駆動部材より十分に質量が大きいと、固定
部材と駆動部材との間で滑りが生じ、駆動部材が移動体
側へ移動する。その結果、移動ユニット、すなわち駆動
部材と圧電素子と移動体とが、固定部材に沿って初期位
置から移動する。このサイクルを繰り返し、駆動部材を
含む移動ユニットを、固定部材（係合部材に相当する）
に沿って移動させる。

【００３２】図１（ｃ）に示した駆動部材固定タイプの
場合、圧電素子を伸縮し、駆動部材に向きにより速度が
異なる縦振動を生じさせ、移動体（係合部材に相当す
る）を駆動部材に沿って所望方向に移動させる。

【００３３】図１（ｄ）に示した駆動部材移動タイプの
場合、圧電素子を伸縮し、駆動部材に向きにより速度が
異なる縦振動を生じさせ、駆動部材を固定部材（係合部
材に相当する）に沿って所望方向に移動させる。

【００３４】図２は、素子固定タイプの駆動装置２０の
具体的な構成を示す分解斜視図及び組立斜視図である。
駆動装置２０は、不図示の機器の固定部材（例えば、Ｘ
Ｙ駆動テーブルのベース）に取り付ける固定部材２４
と、例えば積層形の圧電素子２２と、固定部材２４に摺
動可能に支持される駆動軸２６と、不図示の被駆動部材
（例えば、ＸＹ駆動テーブルのステージ）に結合される
駆動ユニット２８とを備える。圧電素子２２は、その伸
縮方向の一方の端面が固定部材２４に固着結合され、そ
の伸縮方向の他方の端面には駆動軸２６の一方の軸端面
が固着結合されている。駆動軸２６には、スライダー２
８ｃ、摩擦部材２８ｂ、板ばね２８ａからなる駆動ユニ
ット２８が、摩擦力で係合するようになっている。この
駆動装置２０は、駆動回路３０により、圧電素子２２に
例えば鋸歯状や矩形など適宜な電圧波形を印加し、駆動
軸２６を軸方向に往復振動させ、駆動ユニット２８を駆
動軸２６に沿って所定方向に動かすことができる。

【００３５】駆動回路３０は、図３の回路図に示したよ
うに構成される。

【００３６】すなわち、駆動回路３０は、６個のスイッ
チ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６と、誘導性
素子（例えば、コイル）Ｇ１，Ｇ２と、制御回路３２と
を含み、容量性負荷である圧電素子２２の両端に電圧を
印加する。

【００３７】スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６は、ＭＯＳ型ＦＥ
Ｔであり、各ゲートは制御回路３２に接続され、Ｈｉ又
はＬｏの信号が入力される。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３は
ＰチャンネルＦＥＴであり、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４，
Ｑ５，Ｑ６はＮチャンネルＦＥＴである。

【００３８】スイッチ素子Ｑ１のソースとスイッチ素子
Ｑ３のソースとは、それぞれ、接続点ａを介して、電源
電圧Ｅに接続されている。スイッチ素子Ｑ１のドレイン
は、接続点ｄを介して、スイッチ素子Ｑ２のドレイン
と、圧電素子２２の一方端とに接続されている。スイッ
チ素子Ｑ３のドレインは、接続点ｃを介して、スイッチ
素子Ｑ４のドレインと、圧電素子２２の他方端とに接続
されている。スイッチ素子Ｑ２のソースとスイッチ素子
Ｑ４のソースとは、それぞれ、接続点ｂを介して、接地
されている。

【００３９】スイッチ素子Ｑ５のドレインは、接続点ｆ
介して、圧電素子２２の一方端に接続されている。スイ
ッチ素子Ｑ６のドレインは、接続点ｅを介して、圧電素
子２２の他方端に接続されている。スイッチ素子Ｑ５の
ソースは、誘導性素子Ｇ１の一方端に接続され、スイッ
チ素子Ｑ６のソースは、誘導性素子Ｇ２の一方端に接続
されている。誘導性素子Ｇ１の他方端と、誘導性素子Ｇ
２の他方端とは、接地されている接続点ｇを介して接続
されている。

【００４０】次に、制御回路３２の動作について、図４
のタイミングチャートを参照しながら説明する。図４
（ａ）〜（ｆ）はスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ６のゲート電圧
を示し、図４（ｇ）は圧電素子２２の両端電圧を示す。

【００４１】ＰチャンネルＦＥＴであるスイッチ素子Ｑ
１，Ｑ３は、符号１１，１３で示すＬｏ信号によりオ
ン、すなわち導通状態になり、ＮチャンネルＦＥＴであ
るスイッチ素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６は、符号１２，
１４，１５，１６で示すＨｉ信号によりオンになる。

【００４２】制御回路３２は、第１駆動期間Ｔ１、第１
放電期間Ｓ１、第２駆動期間Ｔ２、第２放電期間Ｓ２か
らなるサイクルを繰り返す。

【００４３】第１駆動期間Ｔ１において、スイッチ素子
Ｑ５，Ｑ６はＬｏすなわちオフ、すなわち遮断状態であ
り、圧電素子２２と誘導性素子Ｇ１，Ｇ２との間は開放
されている。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２はＨｉ、スイッチ
素子Ｑ３，Ｑ４はＬｏとなり、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３
がオン、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオフとなる。これに
より、圧電素子２２の一方端は、スイッチ素子Ｑ２を介
して接地され、他方端はスイッチ素子Ｑ３を介して電源
電圧Ｅに接続される。したがって、圧電素子２２の両端
電圧Ｖ（図３において矢印の方向を正とする）は、図４
（ｇ）において符号４０で示すように＋Ｅとなり、圧電
素子２２の両端には電荷が蓄積される。つまり、スイッ
チ素子Ｑ２、Ｑ３により、第１の駆動回路が構成され
る。

【００４４】第１放電期間Ｓ１において、スイッチ素子
Ｑ１，Ｑ３はＨｉ、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４はＬｏとな
り、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、全てオフ
となり、圧電素子２２に電圧は印加されなくなる。同時
に、スイッチ素子Ｑ５，Ｑ６はＨｉすなわちオンとな
り、図３において点線で示したように、圧電素子２２と
誘導性素子Ｇ１，Ｇ２とが接続された閉回路、すなわち
放電回路が形成される。第１放電期間Ｓ１が始まると、
圧電素子２２の他方端に蓄積された電荷は、スイッチ素
子Ｑ６、誘導性素子Ｇ２、誘導性素子Ｇ１、スイッチ素
子Ｇ１を経て、逆極に移動し、図４（ｇ）において符号
４１で示すように、圧電素子２２の両端電圧は＋Ｅから
低下する。このとき、誘導性素子Ｇ１，Ｇ２の誘導成分
と圧電素子２２の容量成分とによる共振により、圧電素
子２２の両端電圧は逆転する。そして、符号４２で示し
た共振の負側のピーク又はその近傍に達すると、第１放
電期間Ｓ１が終了する。負側のピークは、スイッチ素子
Ｑ５，Ｑ６のオン抵抗や線路抵抗などにより、−Ｅには
達しない。

【００４５】詳しくは、圧電素子２２の容量をＣ、誘導
性素子Ｇ１，Ｇ２の合計インダクタンスをＬとし、スイ
ッチ素子Ｑ５，Ｑ６のオン抵抗などの抵抗を無視する
と、第１放電期間Ｓ１における圧電素子２２の両端電圧
Ｅｃの挙動は、以下の式で表すことができる。

【数１】

【００４６】すなわち、時刻ｔ＝０において、Ｅｃ＝＋
Ｅであったものが、時刻ｔ＝π√（ＬＣ）＝π（ＬＣ）
^１／２においては、Ｅｃ＝−Ｅとなり、正方向に充電さ
れていた電荷が逆転し、負方向に電荷が充電される。実
際には、スイッチ素子Ｑ５，Ｑ６のオン抵抗などによっ
てＥｃは−Ｅまで到達せず、０から−Ｅの範囲内の値と
なる。そして、第１放電期間Ｓ１が終了し、後述する第
２駆動期間Ｔ２に移行した瞬間に、その不足電荷のみが
電源電圧から供給される。第１放電期間Ｓ１の時間は、
π√（ＬＣ）、もしくはその近傍値とする。これによ
り、圧電素子２２の両端電圧が負側のピークに達したタ
イミングで第２駆動期間Ｔ２に移行し、電源電圧から供
給が必要な不足電荷をできるだけ小さくし、効率良く駆
動することができる。

【００４７】第２駆動期間Ｔ２において、スイッチ素子
Ｑ５，Ｑ６はＬｏ、すなわちオフとなり、圧電素子２２
と誘導性素子Ｇ１，Ｇ２との間は開放されている。スイ
ッチ素子Ｑ１，Ｑ２はＬｏ、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４は
Ｈｉとなり、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオン、スイッチ
素子Ｑ２，Ｑ３がオフとなる。これにより、圧電素子２
２の一方端はスイッチ素子Ｑ１を介して電源電圧Ｅに接
続され、他方端はスイッチ素子Ｑ４を介して接地され
る。したがって、圧電素子２２の両端電圧Ｖは、図３の
矢印とは逆向きとなり、圧電素子２２には電圧−Ｅが印
加される。これにより、第２駆動期間Ｔ２開始直後に
は、図４（ｇ）において符号４３で示すように、圧電素
子２２の電圧は−Ｅまで急激に変化し、その後、符号４
４で示すように−Ｅとなる。つまり、スイッチ素子Ｑ
１、Ｑ４により、第２の駆動回路が構成される。

【００４８】第２放電期間Ｓ２において、スイッチ素子
Ｑ１，Ｑ３はＨｉ、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４はＬｏとな
り、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４は、全てオフ
となり、圧電素子２２に電圧は印加されないようにな
る。同時に、スイッチ素子Ｑ５，Ｑ６はＨｉ、すなわち
オンとなり、図３において点線で示したように、圧電素
子２２と誘導性素子Ｇ１，Ｇ２とが接続された閉回路、
すなわち放電回路が再び形成される。第２放電期間Ｓ２
が始まると、圧電素子２２に蓄積された電荷は逆極に移
動し、図４（ｇ）において符号４５で示すように、圧電
素子２２の電圧は−Ｅから上昇する。そして、符号４６
で示した共振の正側のピーク又はその近傍に達すると、
第２放電期間Ｓ２が終了する。第２放電期間Ｓ２の時間
は、第１放電期間Ｓ１と同様に、π√（ＬＣ）、もしく
はその近傍値である。

【００４９】再び、第１駆動期間Ｔ１になると、前述し
たように、スイッチ素子Ｑ５，Ｑ６はＬｏすなわちオフ
となり、圧電素子２２と誘導性素子Ｇ１，Ｇ２との間は
開放され、圧電素子２２の両端には、電圧＋Ｅが印加さ
れる。これにより、第１駆動期間Ｔ１開始直後には、図
４（ｇ）において符号４７で示すように、圧電素子２２
の電圧は＋Ｅまで急激に変化し、その後、符号４０で示
すように＋Ｅとなる。

【００５０】以下、同様の動作を繰り返す。

【００５１】以上のように駆動すると、圧電素子２２に
電圧を印加する場合、図４（ｆ）において符号４３，４
７で示したように不足する電圧を印加するだけでよく、
このときの突入電流は小さくなる。これにより、効率的
に駆動することができる。

【００５２】例えば、図３の駆動回路３０において、圧
電素子２２のキャパシタンスが０．１μＦ、誘導性素子
Ｇ１，Ｇ２のそれぞれのインダクタンスが１μＨ、駆動
周波数が５０ｋＨｚの場合、図８〜図１０の従来例と比
べ、消費電力は約１／３になる。

【００５３】なお、２つの誘導性素子Ｇ１，Ｇ２を用い
ると、駆動装置を２方向に同じように駆動でき、制御が
容易になるが、いずれか一方のみを用いることも可能で
ある。

【００５４】次に、本発明の第２実施形態に係る駆動装
置について、図５及び図６を参照しながら説明する。

【００５５】第２実施形態の駆動装置は、第１実施形態
の駆動装置と略同様に構成されるが、図３におけるスイ
ッチ素子Ｑ５，Ｑ６を無くし、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４
と兼用している点が異なる。以下では、同様の構成部分
には同じ符号を用い、相違点を中心に説明する。

【００５６】図５は、第２実施形態の駆動装置の駆動回
路３０ａを示す。駆動回路３０ａは、放電回路用のスイ
ッチ素子を省略し、４個のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ
３，Ｑ４と、誘導性素子Ｇ１，Ｇ２と、制御回路３２ａ
とを含む。スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４は、第１実施形態と
略同様に、第１及び第２の駆動回路を構成する。第１実
施形態と異なり、スイッチ素子Ｑ２のソースと接続点ｂ
との間に、誘導性素子Ｇ１が直列に接続されている。ま
た、スイッチ素子Ｑ４のソースと接続点ｂとの間に、誘
導性素子Ｇ２が直列に接続されている。

【００５７】次に、制御回路３２ａの動作について、図
６のタイミングチャートを参照しながら説明する。図６
（ａ）〜（ｄ）はスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のゲート電圧
を示し、図６（ｅ）は圧電素子２２の両端電圧を示す。

【００５８】ＰチャンネルＦＥＴであるスイッチ素子Ｑ
１，Ｑ３は、符号１１，１３で示すようにＬｏのときオ
ンになり、ＮチャンネルＦＥＴであるスイッチ素子Ｑ
２，Ｑ４は、符号１２，１４で示すようにＨｉのときオ
ンになる。

【００５９】制御回路３２ａは、第１駆動期間Ｔ１、第
１放電期間Ｓ１、第２駆動期間Ｔ２、第２放電期間Ｓ２
からなるサイクルを繰り返す。

【００６０】第１駆動期間Ｔ１において、スイッチ素子
Ｑ１，Ｑ２はＨｉ、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４はＬｏとな
り、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオン、スイッチ素子Ｑ
１，Ｑ４がオフとなる。これにより、圧電素子２２の一
方端は、スイッチ素子Ｑ２、誘導性素子Ｇ１を介して接
地され、他方端はスイッチ素子Ｑ３を介して電源電圧Ｅ
に接続され、圧電素子２２の両端には電荷が蓄積され、
圧電素子２２の両端電圧は、最終的には、図６（ｅ）に
おいて符号５０で示すように＋Ｅとなる。

【００６１】第１放電期間Ｓ１において、スイッチ素子
Ｑ１〜Ｑ４は全てＨｉとなり、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３
はオフ、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４はオンとなる。これに
より、図５において点線で示したように、圧電素子２２
と誘導性素子Ｇ１，Ｇ２が接続されて閉回路を形成す
る。この閉回路は、容量成分と誘導成分とを含む共振回
路であるので、図６（ｅ）において符号５１で示すよう
に、圧電素子２２の電圧は＋Ｅから低下する。そして、
符号５２で示した共振の負側のピーク又はその近傍に達
すると、第１放電期間Ｓ１が終了する。つまり、第１放
電期間Ｓ１の長さは、共振周期の略半分である。負側の
ピークは、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４のオン抵抗などによ
り、−Ｅには達しない。

【００６２】第２駆動期間Ｔ２において、スイッチ素子
Ｑ１，Ｑ２はＬｏ、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４はＨｉとな
り、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオン、スイッチ素子Ｑ
２，Ｑ３がオフとなる。これにより、圧電素子２２の一
方端はスイッチ端子Ｑ１を介して電源電圧Ｅに接続さ
れ、他方端はスイッチ素子Ｑ４、誘導性素子Ｇ２を介し
て接地される。第２駆動期間Ｔ２開始直後には、誘導性
素子Ｇ２の影響により、図６（ｅ）において符号５３で
示すように、圧電素子２２の電圧が−Ｅまで徐々に変化
し、符号５４で示すように−Ｅとなる。

【００６３】第２放電期間Ｓ２において、スイッチ素子
Ｑ１〜Ｑ４は全てＨｉとなり、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３
はオフ、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４はオンとなる。これに
より、図５において点線で示したように、圧電素子２２
と誘導性素子Ｇ１，Ｇ２とが接続されて閉回路を、再び
形成する。この閉回路は、容量成分と誘導成分とを含む
共振回路であるので、符号５５で示すように、圧電素子
２２の電圧は−Ｅから上昇する。そして、符号５６で示
した共振の正側のピーク又はその近傍に達すると、第２
放電期間Ｓ２が終了する。つまり、第２放電期間Ｓ２の
長さは、共振周期の略半分である。正側のピークは、ス
イッチ素子Ｑ２，Ｑ４のオン抵抗などにより、＋Ｅには
達しない。

【００６４】再び、第１駆動期間Ｔ１になると、スイッ
チ素子Ｑ１，Ｑ２はＨｉ、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４はＬ
ｏとなり、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオン、スイッチ素
子Ｑ１，Ｑ４がオフとなる。これにより、圧電素子２２
の一方端は、スイッチ素子Ｑ２、誘導性素子Ｇ１を介し
て接地され、他方端はスイッチ素子Ｑ３を介して電源電
圧Ｅに接続される。第１駆動期間Ｔ１開始直後には、誘
導性素子Ｇ２の影響により、符号５７で示すように、圧
電素子２２の電圧が＋Ｅまで緩やかに変化し、その後、
符号５０で示すように＋Ｅとなる。

【００６５】以下、同様の動作を繰り返す。

【００６６】第２実施形態では、駆動期間Ｔ１，Ｔ２か
ら放電期間Ｓ１，Ｓ２に切り替わった瞬間に、図６
（ｅ）において符号５３，５７で示すように圧電素子２
２の両端電圧が緩やかな傾斜を持ち、駆動周波数が高い
とき、又はデューティ比が小さいときに、圧電素子２２
は電源電圧Ｅまで直ちに充電されないものの、第１実施
形態と同様の効果を少ない個数のスイッチ素子で達成で
きる。

【００６７】なお、２つの誘導性素子Ｇ１，Ｇ２を用い
ると、駆動装置を２方向に同じように駆動でき、制御が
容易であるが、いずれか一方のみを用いることも可能で
ある。

【００６８】また、誘導性素子Ｇ１，Ｇ２を接続点ａと
スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３のソースとの間に直列に接続
し、第１及び第２の放電期間Ｓ１，Ｓ２においてスイッ
チ素子Ｑ１，Ｑ３をオンにして、圧電素子２２と誘導性
素子Ｇ１，Ｇ２とが接続された閉回路を形成するように
してもよい。

【００６９】次に、本発明の第３実施形態の駆動装置に
ついて、図７を参照しながら説明する。

【００７０】第３実施形態の駆動装置の駆動回路３０ｂ
は、図７に示すように、第２実施形態の駆動装置と略同
様に構成されるが、放電回路の構成が異なる。以下で
は、同様の構成部分には同じ符号を用い、相違点を中心
に説明する。

【００７１】すなわち、４個のスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４
を用いて、第１及び第２実施形態と略同様に、第１及び
第２の駆動回路が構成される。第１及び第２実施形態と
異なり、放電回路は、圧電素子の他方端と接続点ｃとの
間に直列に接続された一つの誘導性素子Ｇのみを含む。

【００７２】制御回路３２ｂは、第２実施形態と同様に
動作し、タイミングチャートは図６と同様である。

【００７３】すなわち、第１駆動期間Ｔ１において、ス
イッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオン、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４
がオフとなる。これにより、圧電素子２２の一方端は、
スイッチ素子Ｑ２を介して接地され、他方端は誘導性素
子Ｇ及びスイッチ素子Ｑ３を介して電源電圧Ｅに接続さ
れ、圧電素子２２の両端には電荷が蓄積され、圧電素子
２２の両端電圧は、最終的には、＋Ｅとなる。

【００７４】第１放電期間Ｓ１において、スイッチ素子
Ｑ１，Ｑ３はオフ、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４はオンとな
り、圧電素子２２と誘導性素子Ｇとが接続された閉回路
が形成され、圧電素子２２の電圧は＋Ｅから低下する。
そして、共振の負側のピーク又はその近傍に達すると、
第１放電期間Ｓ１が終了する。つまり、第１放電期間Ｓ
１の長さは、共振周期の略半分である。負側のピーク
は、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４のオン抵抗などにより、−
Ｅには達しない。

【００７５】第２駆動期間Ｔ２において、スイッチ素子
Ｑ１，Ｑ４がオン、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオフとな
る。これにより、圧電素子２２の一方端はスイッチ端子
Ｑ１を介して電源電圧Ｅに接続され、他方端は誘導性素
子Ｇ、スイッチ素子Ｑ４を介して接地される。第２駆動
期間Ｔ２開始直後には、誘導性素子Ｇの影響により、圧
電素子２２の電圧が−Ｅまで徐々に変化し、その後、−
Ｅとなる。

【００７６】第２放電期間Ｓ２において、スイッチ素子
Ｑ１，Ｑ３はオフ、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４はオンとな
る。これにより、図７において点線で示したように、圧
電素子２２と誘導性素子Ｇとが接続された閉回路が形成
され、圧電素子２２の電圧は−Ｅから上昇する。そし
て、共振の負側のピーク又はその近傍に達すると、第２
放電期間Ｓ２が終了する。つまり、第２放電期間Ｓ２の
長さは、共振周期の略半分である。負側のピークは、ス
イッチ素子Ｑ２，Ｑ４のオン抵抗などにより、＋Ｅには
達しない。

【００７７】再び、第１駆動期間Ｔ１になると、スイッ
チ素子Ｑ２，Ｑ３がオン、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオ
フとなる。これにより、圧電素子２２の一方端は、スイ
ッチ素子Ｑ２を介して接地され、他方端は誘導性素子Ｇ
１及びスイッチ素子Ｑ３を介して電源電圧Ｅに接続され
る。第１駆動期間Ｔ１開始直後には、誘導性素子Ｇの影
響により、圧電素子２２の電圧が＋Ｅまで緩やかに変化
し、その後、＋Ｅとなる。

【００７８】以下、同様の動作を繰り返す。

【００７９】第３実施形態では、第２実施形態と同様
に、圧電素子２２と誘導性素子Ｇとが直列回路を形成し
てしまうため、駆動周波数が高いとき、又はデューティ
比が小さいときに、圧電素子２２は電源電圧Ｅまで直ち
に充電されないものの、部品点数を削減できる。

【００８０】なお、誘導性素子Ｇは、圧電素子２２の一
方端と接続点ｄとの間に直列に接続してもよい。

【００８１】なお、本発明は上記各実施形態に限定され
るものではなく、その他種々の態様で実施可能である。

【００８２】例えば、スイッチ素子としてＦＥＴを用い
ているが、バイポーラトランジスタ、接合型ＦＥＴなど
他のスイッチ素子を用いてもよい。

【００８３】また、圧電素子のねじり歪を利用して駆動
する駆動装置にも、本発明を適用することができる。容
量性負荷は圧電素子に限るものではなく、静電アクチュ
エータのような他の容量性負荷を用いる駆動装置にも、
本発明を提供することができる。

【００８４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、誘導性
素子の誘導成分と容量性負荷による容量成分とによる共
振を利用して、容量性負荷に蓄積された電荷をほぼ反転
して、次の駆動に用いることができるので、電源電圧に
満たない電荷分のみを電源から供給すればよい。したが
って、突入電流が少なく、消費電力が低い駆動を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電素子を用いた駆動装置の説明図である。

【図２】素子固定タイプの駆動装置の分解斜視図及び
組立斜視図である。

【図３】本発明の第１実施形態の駆動装置の駆動回路
の回路図である。

【図４】図３の駆動回路のタイミングチャートであ
る。

【図５】本発明の第２実施形態の駆動装置の駆動回路
の回路図である。

【図６】図５の駆動回路のタイミングチャートであ
る。

【図７】本発明の第３実施形態の駆動装置の駆動回路
の回路図である。

【図８】従来例の駆動装置の駆動回路の回路図であ
る。

【図９】図８の駆動回路の従来例のタイミングチャー
トである。

【図１０】図９とは別の従来例のタイミングチャート
である。

【符号の説明】

２０駆動装置２２圧電素子（容量性負荷）２４固定部材２６駆動軸（駆動部材）２８駆動ユニット（係合部材）３０，３０ａ，３０ｂ駆動回路３２，３２ａ，３２ｂ制御回路Ｇ，Ｇ１，Ｇ２誘導性素子Ｑ１〜Ｑ６スイッチ素子（スイッチ手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】容量性負荷と、前記容量性負荷に電源電圧を印加する第１の駆動回路
と、前記容量性負荷に前記電源電圧を、前記第１の駆動回路
と逆方向に印加する第２の駆動回路と、前記第１及び第２の駆動回路を交互に動作させる制御回
路とを備えた駆動装置において、前記容量性負荷の両端に誘導性素子が接続される放電回
路を備え、前記制御回路は、前記第１及び第２の駆動回路を間隔を
設けて動作させ、該間隔中において前記放電回路を動作
させることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】前記第１の駆動回路は、一方端が電源に
接続され、他方端が前記容量性負荷の一方端に接続され
てなる第１のスイッチ手段と、一方端が前記容量性負荷
の他方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のス
イッチ手段とで構成され、前記第２の駆動回路は、一方端が電源に接続され、他方
端が前記容量性負荷の前記他方端に接続されてなる第３
のスイッチ手段と、一方端が前記容量性負荷の前記一方
端に接続され、他方端が接地されてなる第４のスイッチ
手段とで構成され、前記放電回路は、前記第２及び第４のスイッチ手段と前
記誘導性素子とで、又は前記第１及び第３のスイッチ手
段と前記誘導性素子とで、構成されることを特徴とす
る、請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】前記容量性負荷の静電容量をＣ、前記誘
導性素子のインダクタンスをＬとした場合、前記放電回
路が動作する期間の長さＴｓは、Ｔｓ＝π（ＬＣ）^１／２で表される値、もしくはその近傍値に設定されることを
特徴とする、請求項１又は２記載の駆動装置。
【請求項４】前記容量性負荷が圧電素子であることを
特徴とする、請求項１、２又は３記載の駆動装置。
【請求項５】前記容量性負荷が圧電素子であり、前記
圧電素子の伸縮方向の一方端にその一方端が固着された
駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合された
係合部材とを含み、前記制御回路は、前記圧電素子が向きにより異なる速度
で伸縮するように、前記第１及び第２の駆動回路と前記
放電回路とを動作させ、前記駆動部材又は前記係合部材
を相対移動させることを特徴とする、請求項１、２又は
３記載の駆動装置。