JP2004254412A - 電気機械変換素子の駆動回路及び駆動方法並びに駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、省電力化可能な電気機械変換素子（圧電素子）の駆動回路及び駆動方法並びに電気機械変換素子を用いた駆動装置に関する。
【解決手段】本発明の駆動回路は、駆動電圧が印加されることにより伸縮する圧電素子１０ａに駆動電圧を印加する第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２から成る駆動電圧印加部と、圧電素子１０ａに接続された場合に並列に接続されるコンデンサ１００と圧電素子１０ａとの間で電荷を充放電させる第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２からなる充放電部と、圧電素子１０ａに印加される駆動電圧の極性を反転する間に、圧電素子１０ａに充電されている電荷をコンデンサ１００に充電した後に、コンデンサ１００に充電した電荷を圧電素子１０ａに極性を反転して再充電するように、駆動電圧印加部及び充放電部を制御する制御回路６０ａとを備える。
【選択図】 図３
【解決手段】本発明の駆動回路は、駆動電圧が印加されることにより伸縮する圧電素子１０ａに駆動電圧を印加する第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２から成る駆動電圧印加部と、圧電素子１０ａに接続された場合に並列に接続されるコンデンサ１００と圧電素子１０ａとの間で電荷を充放電させる第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２からなる充放電部と、圧電素子１０ａに印加される駆動電圧の極性を反転する間に、圧電素子１０ａに充電されている電荷をコンデンサ１００に充電した後に、コンデンサ１００に充電した電荷を圧電素子１０ａに極性を反転して再充電するように、駆動電圧印加部及び充放電部を制御する制御回路６０ａとを備える。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機械変換素子の駆動回路に関し、特に、省電力化を図ることができる電気機械変換素子の駆動回路及び駆動方法並びに電気機械変換素子を用いた駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、光学機器に内蔵されるレンズ等は、圧電アクチュエータを備える駆動装置によって駆動されている。圧電アクチュエータは、電気機械変換素子（圧電素子）によってトルクを生じさせており、この圧電素子を駆動する駆動回路が知られている。圧電アクチュエータとしては、例えば、トラス型圧電アクチュエータやインパクト型圧電アクチュエータ等がある。
【０００３】
図１３は、従来の圧電素子の駆動回路の構成及び駆動中における駆動回路の状態を示す図である。図１３（Ａ）は、圧電素子の駆動回路の構成を示す図であると共に駆動回路の初期状態を示す図であり、図１３（Ｂ）は、駆動電圧の半周期後における駆動回路の状態を示す図であり、図１３（Ｃ）は、駆動電圧の１周期後における駆動回路の状態を示す図であり、図１３（Ｄ）は、駆動電圧の１周期半後における駆動回路の状態を示す図であり、図１３（Ｅ）は、駆動電圧の２周期後における駆動回路の状態を示す図である。
【０００４】
図１３（Ａ）において、駆動回路５００は、４個のスイッチ回路５１１、５１２、５２１、５２２からなるＨブリッジ回路と、各スイッチ回路５１１、５１２、５２１、５２２のスイッチング動作を制御する制御回路（不図示）とで構成され、圧電素子に交流電圧を印加する。即ち、駆動回路５００は、電圧値Ｖｃｃの電源と接地ＧＮＤとの間に、直列接続されたスイッチ回路５１１及びスイッチ回路５２１と、直列接続されたスイッチ回路５１２及びスイッチ回路５２２とが並列に接続されてなり、圧電素子５１０がスイッチ回路５１１とスイッチ回路５２１との接続点ａと、スイッチ回路５１２とスイッチ回路５２２との接続点ｂとの間に接続される。
【０００５】
スイッチ回路５１１及びスイッチ回路５１２は、例えば、ＰチャネルパワーＭＯＳ−ＦＥＴから構成され、スイッチ回路５２１及びスイッチ回路５２２は、例えば、ＮチャネルパワーＭＯＳ−ＦＥＴから構成される。
【０００６】
次に、従来の駆動回路５００で圧電アクチュエータ１１０を駆動する動作について説明する。なお、トラス型圧電アクチュエータの場合には、図１３（Ａ）に示す駆動回路５００が１組（即ち、２個）必要であるが、一方の圧電素子（駆動側圧電素子）を駆動している間は、他方の圧電素子（従動側圧電素子）の端子間は、短絡（ショート）されているので、１個の駆動回路５００の動作を説明することで、１個の圧電素子を備えて構成されるインパクト型圧電アクチュエータにおける駆動回路の動作を説明したことになるだけでなく、２個の圧電素子を備えて構成されるトラス型圧電アクチュエータにおける駆動回路の動作も説明したことになる。
【０００７】
図１３（Ａ）において、初期状態では、圧電素子５１０に電荷は、充電（蓄積）されておらず、駆動回路５００の各スイッチ回路５１１、５１２、５２１、５２２は、オフ（ＯＦＦ）状態（開状態）にある。または、図示しないがスイッチ回路５１１及びスイッチ回路５１２がオン（ＯＮ）状態（閉状態）にあり、スイッチ回路５２１及びスイッチ回路５２２がオフ状態にあって圧電素子１１０の端子間が短絡状態にある場合でもよい。あるいは、図示しないがスイッチ回路５１１及びスイッチ回路５１２がオフ状態にあり、スイッチ回路５２１及びスイッチ回路５２２がオン状態にあって圧電素子１１０の端子間が短絡状態にある場合でもよい。
【０００８】
この初期状態から圧電素子５１０の駆動は、図１３（Ｂ）に示すように、まず、スイッチ回路５１１及びスイッチ回路５２２がオン状態となると共に、スイッチ回路５１２及びスイッチ回路５２１がオフ状態となって、圧電素子１１０に電源から電流が流れる。そして、駆動電圧の半周期後には、圧電素子１１０に電荷Ｑが充電され、圧電素子１１０の接続点ａ側が＋Ｑとなり、接続点ｂ側が−Ｑとなる。
【０００９】
次の半周期において、図１３（Ｃ）に示すように、スイッチ回路５１１及びスイッチ回路５２２がオフ状態となると共に、スイッチ回路５１２及びスイッチ回路５２１がオン状態となって、圧電素子５１０には図１３（Ｂ）と反対の電界がかかり、圧電素子５１０に電源から電流が流れる。そして、駆動電圧の１周期後には、圧電素子５１０に図１３（Ｂ）とは逆向きに電荷Ｑが充電され、圧電素子５１０の接続点ａ側が−Ｑとなり、接続点ｂ側が＋Ｑとなる。したがって、電源からは＋２Ｑの電荷が供給される。
【００１０】
次の半周期において、図１３（Ｄ）に示すように、スイッチ回路５１１及びスイッチ回路５２２がオン状態となると共に、スイッチ回路５１２及びスイッチ回路５２１がオフ状態となって、圧電素子５１０には図１３（Ｃ）と反対の電界がかかり、圧電素子５１０に電源から電流が流れる。即ち、図１３（Ｂ）と同様の状態になる。そして、駆動電圧の１周期半後には、圧電素子５１０に図１３（Ｃ）とは逆向きに電荷Ｑが充電され、圧電素子１１０の接続点ａ側が＋Ｑとなり、接続点ｂ側が−Ｑとなる。したがって、電源からは＋２Ｑの電荷が供給される。
【００１１】
次の半周期において、図１３（Ｅ）に示すように、スイッチ回路５１１及びスイッチ回路５２２がオフ状態となると共に、スイッチ回路５１２及びスイッチ回路５２１がオン状態となって、圧電素子５１０には図１３（Ｄ）と反対の電界がかかり、圧電素子５１０に電源から電流が流れる。即ち、図１３（Ｃ）と同様の状態になる。そして、駆動電圧の２周期後には、圧電素子５１０に図１３（Ｄ）とは逆向きに電荷Ｑが充電され、圧電素子５１０の接続点ａ側が＋Ｑとなり、接続点ｂ側が−Ｑとなる。したがって、電源からは＋２Ｑの電荷が供給される。
【００１２】
以後、各スイッチ回路５１１、５１２、５２１、５２２は、図１３（Ｄ）の状態と図１３（Ｅ）の状態とを交互に繰り返し、圧電素子５１０には交流の電圧が印加されることとなって伸縮を繰り返す。そして、上述のように半周期ごとに（各スイッチ回路の５１１、５１２、５２１、５２２のオン・オフの切替時に）電源から＋２Ｑ電荷が供給される。
【００１３】
なお、圧電素子を駆動する駆動回路は、例えば、特許文献１又は特許文献２に示されている。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−２１１６６９号公報
【特許文献２】
特開２００１−０５４２９１号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電アクチュエータは、小型、軽量、静粛、滑らかな駆動、正確な位置制御、及び、大きさに比して大トルク等の特長から様々な電気・電子機器、特に、ＸＹ移動ステージ、カメラの撮影レンズ、プロジェクタの投影レンズ等の駆動に適用可能であるが、これら電気・電子機器に対して省電力化が要請されている結果、圧電アクチュエータの省電力化も要請されている。特に、カメラ付携帯電話やカメラ等の電池を電源とする機器に圧電アクチュエータを用いる場合には、省電力化の要請が強い。
【００１６】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、従来より省電力化を測ることができる電気機械変換素子の駆動回路及び駆動方法を提供することを目的とする。そして、本発明は、このような電気機械変換素子を用いた駆動装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る電気機械変換素子の駆動回路は、駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子に前記駆動電圧を印加する駆動電圧印加部と、前記電気機械変換素子に接続された場合に並列に接続されるコンデンサと前記電気機械変換素子との間で電荷を充放電させる充放電部と、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子に充電されている電荷を前記コンデンサに充電した後に、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電するように、前記駆動電圧印加部及び前記充放電部を制御する制御部とを備える。そして、本発明に係る、駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子を駆動する電気機械変換素子の駆動方法は、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子と並列に接続されるコンデンサに前記電気機械変換素子から電荷を充電する第１ステップと、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電する第２ステップとを備える。
【００１８】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路及び駆動方法は、駆動電圧の極性を反転させる間に、電気機械変換素子に充電（蓄積）されている電荷を一旦コンデンサに充電させ、この電荷を電気機械変換素子に極性を反転して再充電するので、電気機械変換素子に充電されている電荷を有効に活用することができ、このように有効に活用しない従来の駆動回路に較べて省電力化を図ることができる。
【００１９】
そして、コンデンサに充電した電荷をより有効に活用する観点から、上述の電気機械変換素子の駆動回路において、前記制御部が、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子に充電されている電荷を前記コンデンサに充電した後に、前記電気機械変換素子に残存している電荷を放電してから、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電するように、前記駆動電圧印加回路及び前記充放電回路を制御するように構成することが好ましい。このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、コンデンサに充電した電荷をより有効に活用することができるので、さらに省電力化を図ることができる。
【００２０】
また、本発明に係る、ベース部材と、前記ベース部材に支持され駆動電圧が印加されることにより伸縮する第１電気機械変換素子と、前記ベース部材に支持され変位可能な第２電気機械変換素子と、前記第１電気機械変換素子と前記第２電気機械変換素子のそれぞれに結合された変位合成部材と、前記変位合成部材が楕円運動を行うように少なくとも前記第１電気機械変換素子を駆動する駆動回路とを備える駆動装置は、前記駆動回路が上述の構成の駆動回路である。さらに、本発明に係る、駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における一方端に固定された支持部材と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における他方端に固定された駆動部材と、前記駆動部材に摩擦力を有して係合された係合部材と、前記電気機械変換素子を駆動する駆動回路とを備え、前記電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで前記支持部材と前記係合部材とを相対移動させる駆動装置は、前記駆動回路が上述の構成の駆動回路である。
【００２１】
このような電気機械変換素子を用いた駆動装置は、この電気機械変換素子を駆動する駆動回路に上述の駆動回路を用いるので、省電力化を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。まず、第１の実施形態の構成について説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は、第１の実施形態におけるトラス型圧電アクチュエータの駆動装置の構成を示す図である。図１において、駆動装置１は、トラス型圧電アクチュエータ３０、駆動回路５０ａ及び制御回路６０ａを備えて構成される。トラス型圧電アクチュエータ３０は、第１圧電素子（第１電気機械変換素子）１０ａ、第２圧電素子（第２電気機械変換素子）１０ａ’、チップ部材（変位合成部）２０、ベース部材（固定部）２１及びロータ（移動部）２２を備えて構成される。
【００２４】
図１に示すように、駆動装置１のトラス型圧電アクチュエータは、２つの第１圧電素子１０ａ及び第２圧電素子１０ａ’を略直角に交差させて配置し、それらの交差側端部にチップ部材２０を接着剤により接合している。一方、第１圧電素子１０ａ及び第２圧電素子１０ａ’の他端部をベース部材２１に接着剤により接合している。
【００２５】
チップ部材２０の材料は、安定して高い摩擦係数が得られ、かつ耐摩耗性に優れたタングステン等が好ましい。ベース部材２１の材料は、製造が容易で、かつ強度に優れたステンレス鋼等が好ましい。また、接着剤は、接着力及び強度に優れたエポキシ系樹脂等が好ましい。
【００２６】
なお、第１圧電素子１０ａと第２圧電素子１０ａ’とは、実質的に同一の構成であるので、第２圧電素子１０ａ’の各構成要素は、第１圧電素子１０ａの符号にそれぞれ（’）をつけて区別する。
【００２７】
第１圧電素子１０ａの電極１２、１３及び第２圧電素子１０ａ’の電極１２’，１３’はそれぞれ駆動回路５０ａに接続されている。駆動回路５０ａの構成及び動作については後述する。制御回路６０ａは、駆動回路５０ａに接続されており、駆動回路５０ａを含む駆動装置１の全体を制御する回路である。制御回路６０ａは、例えば、マイクロコンピュータ等であり、制御プログラムやデータ等を格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、及び、制御プログラムの実行やデータの処理を行う中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等を備えて構成される。
【００２８】
ここで、本実施形態において電気機械変換素子として用いる積層型の圧電素子について説明する。
【００２９】
図２は、積層型圧電素子の構造を示す図である。図２において、圧電素子１０ａは、ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック薄板１１と電極１２、１３を交互に積層したものであり、各セラミック薄板１１と電極１２、１３とは接着剤等により固定されている。１つおきに配置された各電極群１２、１３は、それぞれ信号線１４，１５を介して駆動電源１６に接続されている。信号線１４と信号線１５との間に所定の電圧を印加すると、電極１２と電極１３とに挟まれた各セラミック薄板１１には、その積層方向に電界が発生し、その電界は、１つおきに同じ方向である。従って、各セラミック薄板１１は、１つおきに分極の方向が同じになる（隣り合う２つのセラミック薄板１１の分極方向は逆となる）ように積層されている。なお、圧電素子１０ａの両端部には、保護層１７が設けられている。
【００３０】
駆動電源１６により直流の駆動電圧を各電極１２と電極１３との間にそれぞれ印加すると、全てのセラミック薄板１１が同方向に伸び又は縮み、圧電素子１０ａ全体として伸長又は収縮する。電界が小さく、かつ変位の履歴が無視できる領域では、各電極１２と電極１３との間にそれぞれ発生する電界と圧電素子１０ａの変位は、ほぼ直線的な関係と見なすことができる。
【００３１】
ここで、駆動電源１６により交流の駆動電圧（交流信号）を各電極１２と電極１３との間にそれぞれ印加すると、その電界に応じて各セラミック薄板１１は、同方向に伸縮を繰り返し、圧電素子１０ａ全体として伸縮を繰り返す。圧電素子１０ａには、その構造や電気的特性により決定される固有の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波数が圧電素子１０ａの共振周波数と一致すると、インピーダンスが低下し、圧電素子１０ａの変位が増大する。圧電素子１０ａは、その外形寸法に対して変位が小さいため、低い電圧で駆動するためには、この共振現象を利用することが望ましい。
【００３２】
本実施形態では、第１圧電素子１０ａと第２圧電素子１０ａ’のいずれか一方、例えば第１圧電素子１０ａのみを駆動し、その振動をベース部材２１を介して第２圧電素子１０ａ’に伝達し、第２圧電素子１０ａ’を所定の位相差を持って共振させる。即ち、第１圧電素子１０ａは、駆動側となり、第２圧電素子１０ａ’は、従動側となる。そうすると、第１圧電素子１０ａと第２圧電素子１０ａ’の交点に設けられたチップ部材２０は、楕円（円を含む）を描くように駆動される。なお、このトラス型圧電アクチュエータにおいて、互いに直交する独立した２つの運動を合成すると、その交点は、楕円振動の式（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓの式）に従った軌跡を描く。
【００３３】
このチップ部材２０を、例えば所定の軸の周りに回転可能なロータ２２の円筒外面に押しつけると、チップ部材２０の楕円運動（円運動を含む）をロータ２２の回転運動に変換することができる。なお、チップ部材２０を、例えば所定の軸の周りに回転可能なロータの円筒内面に押しつけてもよい。あるいは、チップ部材２０を、例えば棒状部材（図示せず）の平面部に押しつけることにより、チップ部材２０の楕円運動を棒状部材の直線運動に変換することも可能である。
【００３４】
次に、第１実施形態の駆動装置１におけるトラス型圧電アクチュエータの駆動回路５０ａについて説明する。ここで、トラス型圧電アクチュエータは、上述のように第１圧電素子１０ａ及び第２圧電素子１０ａ’の２個の圧電素子から構成されているので、各圧電素子１０ａ、１０ａ’を駆動する回路が必要であるが、各回路は、同一の構成であり、一方の圧電素子（駆動側圧電素子）を駆動している間は、他方の圧電素子（従動側圧電素子）の端子間が短絡（ショート）されるので、１個の圧電素子を駆動する回路の構成及び動作を説明することで、トラス型圧電アクチュエータにおける駆動回路５０ａの構成及び動作の説明に代える。
【００３５】
図３は、第１の実施形態におけるトラス型圧電アクチュエータの駆動回路の一部分を示す回路図である。図３に示す回路は、１個の圧電素子を駆動するための部分駆動回路５１ａであり、実際には、第１の実施形態ではトラス型圧電アクチュエータであるから、図３に示す部分駆動回路５１ａが２個必要である。
【００３６】
図３において、部分駆動回路５１ａは、電圧値Ｖｃｃの電源と接地ＧＮＤとの間に、直列に接続された第１スイッチング素子１１１及び第３スイッチング素子１２１と、直列に接続された第２スイッチング素子１１２及び第４スイッチング素子１２２とが並列に接続され、そして、第１スイッチング素子１１１と第３スイッチング素子１２１との接続点ａと、第２スイッチング素子１１２と第４スイッチング素子１２２との接続点ｂとの間に、直列に接続された第５スイッチング素子１３１及び第７スイッチング素子１４１と、直列に接続された第６スイッチング素子１３２及び第８スイッチング素子１４２とが並列に接続され、さらに、第５スイッチング素子１３１と第７スイッチング素子１４１との接続点ｃと、第６スイッチング素子１３２と第８スイッチング素子１４２との接続点ｄとの間にコンデンサ１００が接続されてなり、第１圧電素子１０ａ（又は第２圧電素子１０ａ’）は、接続点ａと接続点ｂとの間に接続され、駆動電圧が印加される。
【００３７】
なお、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２が駆動電圧印加部に相当し、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２が充放電部に相当する。
【００３８】
第１、第２、第５及び第７スイッチング素子１１１、１１２、１３１、１４１は、例えば、ＰチャネルパワーＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で構成され、第３、第４、第６及び第８スイッチング素子１２１、１２２、１３２、１４２は、例えば、ＮチャネルパワーＭＯＳ−ＦＥＴで構成される。
【００３９】
そして、第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２のスイッチング制御（オン・オフ制御）は、制御プログラムに基づき制御部６０ａによって次のように行われる。
【００４０】
図４は、部分駆動回路の動作を説明するための図（その１）である。図５は、部分駆動回路の動作を説明するための図（その２）である。図６は、部分駆動回路の動作を説明するための図（その３）である。図７は、部分駆動回路の動作を説明するための図（その４）である。図４（Ａ）は、部分駆動回路の初期状態を示し、図４（Ｂ）は、部分駆動回路における１回目のスイッチング動作後の状態を示し、図４（Ｃ）は、部分駆動回路における２回目のスイッチング動作後の状態を示す。図５（Ａ）は、部分駆動回路における３回目のスイッチング動作後の状態を示し、図５（Ｂ）は、部分駆動回路における４回目のスイッチング動作後の状態を示す。図６（Ａ）は、部分駆動回路における５回目のスイッチング動作後の状態を示し、図６（Ｂ）は、部分駆動回路における６回目のスイッチング動作後の状態を示し、図６（Ｃ）は、部分駆動回路における７回目のスイッチング動作後の状態を示す。そして、図７（Ａ）は、部分駆動回路における８回目のスイッチング動作後の状態を示し、図７（Ｂ）は、部分駆動回路における９回目のスイッチング動作後の状態を示す。
【００４１】
なお、図４乃至図７は、部分駆動回路５１ａの動作を明瞭に示すために、第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２は、オン・オフが明瞭に分かるように記号化されている。
【００４２】
また、部分駆動回路５１ａにおける動作の説明を簡単にするために、本実施形態では、コンデンサ１００の静電容量は、第１圧電素子１０ａ（又は第２圧電素子１０ａ’）の静電容量と同一としているが、任意の静電容量でよい。そして、後述するように、高い省電力効果を得るためには、コンデンサ１００の静電容量は、第１圧電素子１０ａ（又は第２圧電素子１０ａ’）の静電容量よりも大きいほどよい．。
【００４３】
図４乃至図７において、図４（Ａ）に示す初期状態では、第１圧電素子１０ａ（又は第２圧電素子１０ａ’）には電荷が充電（蓄積）されておらず、部分駆動回路５１ａの第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２は、オフ（ＯＦＦ）状態（開状態）にある。さらに、コンデンサ１００にも電荷が充電されておらず、部分駆動回路５１ａの第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２は、オフ状態にある。
【００４４】
なお、第１圧電素子１０ａについて、図示しないが第１スイッチング素子１１１及び第２スイッチング素子１１２がオン（ＯＮ）状態（閉状態）にあり、第３スイッチング素子１２１及び第４スイッチング素子１２２がオフ状態にあって第１圧電素子１０ａの端子間が短絡状態にある場合でもよい。あるいは、図示しないが第１スイッチング素子１１１及び第２スイッチング素子１１２がオフ状態にあり、第３スイッチング素子１２１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態にあって第１圧電素子１０ａの端子間が短絡状態にある場合でもよい。同様に、コンデンサ１００について、図示しないが第５スイッチング素子１３１及び第６スイッチング素子１３２がオン状態にあり、第７スイッチング素子１４１及び第８スイッチング素子１４２がオフ状態にあってコンデンサ１００の端子間が短絡状態にある場合でもよい。あるいは、図示しないが第５スイッチング素子１３１及び第６スイッチング素子１３２がオフ状態にあり、第７スイッチング素子１４１及び第８スイッチング素子１４２がオン状態にあってコンデンサ１００の端子間が短絡状態にある場合でもよい。
【００４５】
この初期状態から１回目のスイッチング動作では、部分駆動回路５１ａは、図４（Ｂ）に示すように、まず、第１スイッチング素子１１１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態になると共に、第２スイッチング素子１１２及び第３スイッチング素子１２１がオフ状態になって、第１圧電素子１０ａに電源から電流が流れる。第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２は、それぞれオフ状態である。そして、１回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、第１圧電素子１０ａに電荷Ｑが充電され、第１圧電素子１０ａの接続点ａ側が＋Ｑとなり、接続点ｂ側が−Ｑとなる。したがって、この場合では電源から電荷Ｑが供給される。ここで、第１圧電素子１０ａは、駆動電圧を印加されることによって伸長又は収縮する。
【００４６】
２回目のスイッチング動作では、図４（Ｃ）に示すように、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２がオフ状態になると共に、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２がオン状態になり、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１がオフ状態になって、コンデンサ１００に第１圧電素子１０ａから電流が流れる。なお、コンデンサ１００が第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２のスイッチング動作によって第１圧電素子１０ａに接続されると、本実施形態では、コンデンサ１００と第１圧電素子１０ａとは、並列に接続される。後述のスイッチング動作においても同様である。そして、２回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００の静電容量と第１圧電素子１０ａの静電容量とが同一であるからコンデンサ１００に電荷Ｑ／２が充電され、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の電荷は、共にＱ／２となる。そして、コンデンサ１００の接続点ｃ側が接続点ａ側と接続されているので＋Ｑ／２となり、接続点ｄ側が接続点ｂ側と接続されているので−Ｑ／２となる。
【００４７】
３回目のスイッチング動作では、図５（Ａ）に示すように、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態になると共に、第３スイッチング素子１２１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態になり、第１スイッチング素子１１１及び第２スイッチング素子１１２がオフ状態になって、コンデンサ１００に電荷Ｑ／２が閉じ込められると共に、第１圧電素子１０ａから電流がグランドに流れて第１圧電素子１０ａの電荷Ｑ／２が放電される。そして、３回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００では電荷Ｑ／２が維持され、第１圧電素子１０ａの電荷は、０となる。
【００４８】
ここで、第１圧電素子１０ａの電荷を放電するのは、放電せずに次の図５（Ｂ）に示す４回目のスイッチング動作を行うと、コンデンサ１００から第１圧電素子１０ａに電荷が供給されたとしても、相殺されて、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の静電容量が等しい場合には第１圧電素子１０ａの電荷が０となってしまい、コンデンサ１００に蓄積した電荷が有効に使用されないためである。なお、コンデンサ１００の静電容量が第１圧電素子１０ａの静電容量より大きい場合には、２回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後において、第１圧電素子１０ａに残る電荷よりコンデンサ１００に充電される電荷の方が多くなるので、３回目のスイッチング動作を省略することが可能である。コンデンサ１００の静電容量が第１圧電素子１０ａの静電容量より大きければ大きいほど、第１圧電素子１０ａに残る電荷よりコンデンサ１００に充電される電荷の方が多く省電力効果を大きくすることができるが、静電容量の大きいコンデンサは、一般に大型なので、小型化の観点から３回目のスイッチング動作を行うことが好ましい。後述の７回目のスイッチング動作も同様である。
【００４９】
この図４（Ａ）の状態から図５（Ａ）の状態までが第１圧電素子を駆動する駆動電圧における周期の半周期である。
【００５０】
４回目のスイッチング動作では、図５（Ｂ）に示すように、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２がオフ状態になると共に、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１がオン状態になり、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２がオフ状態になって、第１圧電素子１０ａにコンデンサ１００から電流が流れる。そして、４回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００の静電容量と第１圧電素子１０ａの静電容量とが同一であるから第１圧電素子１０ａに電荷Ｑ／４が充電され、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の電荷は、共にＱ／４となる。そして、第１圧電素子１０ａの接続点ａ側に接続点ｄ側が接続されるので−Ｑ／４となり、接続点ｂ側に接続点ｃ側が接続されるので＋Ｑ／４となる。
【００５１】
ここで、圧電アクチュエータは、上述したように駆動電圧の極性を交互に反転させることによって圧電素子を伸縮させてチップ部材２０に楕円運動を生じさせ、ロータ２２を駆動するものである。そのため、図４（Ａ）から図５（Ａ）までの半周期に続く次の半周期では、極性を反転させた電圧を第１圧電素子１０ａに印加する必要がある。即ち、図５（Ｂ）に示す第１圧電素子１０ａの接続点ａ側が＋Ｑで接続点ｂ側が−Ｑの状態から接続点ａ側が−Ｑで接続点ｂ側が＋Ｑの状態にする必要がある。４回目のスイッチング動作は、電源から第１圧電素子１０ａに電荷が供給される前に、コンデンサ１００の電荷を使用して予備的に第１圧電素子１０ａに電荷を与えるものである（プレ充電、再充電）。このため、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２は、第１圧電素子１０ａに印加される電圧の極性が前の半周期と逆極性となるようにスイッチング動作する必要がある。そのため、４回目のスイッチング動作では、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２は、上述のように動作することになる。
【００５２】
そして、５回目のスイッチング動作では、部分駆動回路５１ａは、図６（Ａ）に示すように、コンデンサ１００の電荷Ｑ／４を閉じ込めるべく、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態になると共に、図４（Ｂ）に示す状態とは逆極性の電圧を第１圧電素子１０ａに印加すべく、第１スイッチング素子１１１及び第４スイッチング素子１２２がオフ状態になり、第２スイッチング素子１１２及び第３スイッチング素子１２１がオン状態となって、第１圧電素子１０ａに電源から電流が流れる。そして、５回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００では電荷Ｑ／４が維持されると共に、第１圧電素子１０ａに電荷Ｑが充電され、第１圧電素子１０ａの接続点ａ側が−Ｑとなり、接続点ｂ側が＋Ｑとなる。したがって、この場合では電源から電荷３Ｑ／４が供給される。ここで、印加電圧の極性が図４（Ｂ）に示す場合に第１圧電素子１０ａが伸長している場合には、印加電圧の極性が反転したこの図６（Ａ）に示す場合では第１圧電素子１０ａは、収縮することになる。もちろん、図４（Ｂ）に示す場合に第１圧電素子１０ａが収縮している場合には、この図６（Ａ）に示す場合では第１圧電素子１０ａは、伸長収することになる。
【００５３】
６回目のスイッチング動作では、図６（Ｂ）に示すように、第１圧電素子１０ａの電荷の一部をコンデンサ１００に充電すべく、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２がオフ状態になると共に、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２がオフ状態になり、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１がオン状態になって、コンデンサ１００に第１圧電素子１０ａから電流が流れる。そして、６回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００の静電容量と第１圧電素子１０ａの静電容量とが同一であるのでコンデンサ１００に電荷５Ｑ／８が充電され、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の電荷は、共に５Ｑ／８となる。そして、コンデンサ１００の接続点ｄ側が接続点ａ側と接続されているので−５Ｑ／８となり、接続点ｃ側が接続点ｂ側と接続されているので＋５Ｑ／８となる。
【００５４】
なお、６回目のスイッチング動作において、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２をオフ状態にすると共に、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２をオン状態とし、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１をオフ状態とすることも考えられる。この場合では、コンデンサ１００の接続点ｃ側が接続点ａ側と接続され、接続点ｄ側が接続点ｂ側と接続されているので、コンデンサ１００に蓄積されている電荷の極性と第１圧電素子１０ａに蓄積されている電荷の極性とが逆極性で接続されることになる。このため、或る所定時間の経過後におけるコンデンサ１００の電荷は、３Ｑ／８となり、上述の場合に較べてコンデンサ１００に充電される電荷が少なくなる。従って、このようなスイッチング動作を行っても省電力化が見込めるものの、省電力効果を高める観点から、図６（Ｂ）に示すスイッチング動作が好ましい。
【００５５】
７回目のスイッチング動作では、図６（Ｃ）に示すように、コンデンサ１００の電荷を閉じ込めるべく、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態になると共に、第１圧電素子１０ａの電荷を放電すべく、第３スイッチング素子１２１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態になり、第１スイッチング素子１１１及び第２スイッチング素子１１２がオフ状態になって、コンデンサ１００に電荷５Ｑ／８が閉じ込められると共に、第１圧電素子１０ａから電流がグランドに流れて第１圧電素子１０ａの電荷５Ｑ／８が放電される。そして、７回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００では電荷５Ｑ／８が維持され、第１圧電素子１０ａの電荷は、０となる。ここで、第１圧電素子１０ａの電荷を放電するのは、放電せずに次の図８（Ａ）に示す８回目のスイッチング動作を行うと、コンデンサ１００から第１圧電素子１０ａに電荷が供給されたとしても、相殺されて、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の静電容量が等しい場合には第１圧電素子１０ａの電荷は、０となり、コンデンサ１００に蓄積した電荷が有効に使用されないためである。
【００５６】
この図５（Ｂ）の状態から図６（Ｃ）の状態までが第１圧電素子を駆動する駆動電圧における周期の次の半周期である。そして、図４（Ａ）の状態から図６（Ｃ）の状態までが駆動電圧における初期状態からの１周期である。
【００５７】
８回目のスイッチング動作では、図７（Ａ）に示すように、プレ充電すべく、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２がオフ状態になると共に、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１がオフ状態になり、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２がオン状態になって、第１圧電素子１０ａにコンデンサ１００から電流が流れる。そして、８回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００の静電容量と第１圧電素子１０ａの静電容量とが同一であるから第１圧電素子１０ａに電荷５Ｑ／１６が充電され、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の電荷は、共に５Ｑ／１６となる。第１圧電素子１０ａの接続点ａ側に接続点ｃ側が接続されるので＋５Ｑ／１６となり、接続点ｂ側に接続点ｄ側が接続されるので−５Ｑ／１６となる。
【００５８】
９回目のスイッチング動作では、部分駆動回路５１ａは、図７（Ｂ）に示すように、コンデンサ１００の電荷５Ｑ／１６を閉じ込めるべく、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態になると共に、図６（Ａ）に示す状態とは逆極性の電圧（即ち、図４（Ｂ）に示す状態と同一極性の電圧）を第１圧電素子１０ａに印加すべく、第１スイッチング素子１１１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態になり、第２スイッチング素子１１２及び第３スイッチング素子１２１がオフ状態になって、第１圧電素子１０ａに電源から電流が流れる。そして、９回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００では電荷５Ｑ／１６が維持されると共に、第１圧電素子１０ａに電荷Ｑが充電され、第１圧電素子１０ａの接続点ａ側が＋Ｑとなり、接続点ｂ側が−Ｑとなる。したがって、この場合では電源から電荷１１Ｑ／１６が供給される。
【００５９】
こうして、コンデンサ１００に蓄積されている電荷量は、異なるものの図４（Ｂ）のスイッチング状態に戻る。以後、第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２は、図４（Ｃ）の状態→図５（Ａ）の状態→図５（Ｂ）の状態→図６（Ａ）の状態→図６（Ｂ）の状態→図６（Ｃ）の状態→図７（Ａ）の状態→図７（Ｂ）の状態→図４（Ｃ）の状態→図５（Ａ）の状態→図５（Ｂ）の状態→図６（Ａ）の状態→図６（Ｂ）の状態→図６（Ｃ）の状態→図７（Ａ）の状態→図７（Ｂ）の状態のようにスイッチング動作を繰り返す。部分駆動回路５１ａは、第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２がこのようにスイッチング動作することによって、第１圧電素子１０ａを伸縮すると共にコンデンサ１００の電荷を充放電する。そして、コンデンサ１００は、充放電を繰り返していくと、やがて、電荷が一定値に収束する。
【００６０】
なお、各或る所定時間は、第１圧電素子１０ａの静電容量とその時に蓄積されている電荷、コンデンサ１００の静電容量とその時に蓄積されている電荷、及び、第１圧電素子１０ａとコンデンサ１００と第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２とから構成される回路中に生じる抵抗値等によって決まる時定数である。
【００６１】
ここで、コンデンサ１００の電荷が一定値に収束した後において、コンデンサ１００に最終的に残る電荷、即ち、図５（Ｂ）や図７（Ａ）に示すようにコンデンサ１００が第１圧電素子１０ａをプレ充電した後にコンデンサ１００に残存している電荷について次に説明する。
【００６２】
図８は、コンデンサの電荷が一定値に収束した場合における部分駆動回路の動作及びコンデンサの電荷の変化を説明するための図（その１）である。図９は、コンデンサの電荷が一定値に収束した場合における部分駆動回路の動作及びコンデンサの電荷の変化を説明するための図（その２）である。図８（Ａ）は、コンデンサの電荷が一定値に収束した場合における、駆動電圧の周期における図６（Ｂ）に示すスイッチング状態に相当する状態を示し、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す状態から１回目のスイッチング動作後の状態を示し、図９（Ａ）は、図８（Ａ）に示す状態から２回目のスイッチング動作後の状態を示し、図９（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す状態から３回目のスイッチング動作後の状態を示す。
【００６３】
図８（Ａ）において、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２は、オフ状態であると共に、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１は、オン状態であり、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２は、オフ状態である。このスイッチング動作では、第１圧電素子１０ａからコンデンサ１００に電流が流れて充電される。
【００６４】
この図８（Ａ）に示す状態から１回目のスイッチング動作では、部分駆動回路５１ａは、図８（Ｂ）に示すように、コンデンサ１００の電荷を閉じ込めるべく、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態とされると共に、第１圧電素子１０ａの電荷を放電すべく、第３スイッチング素子１２１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態とされ、第１スイッチング素子１１１及び第２スイッチング素子１１２がオフ状態とされる。このスイッチング動作では、コンデンサ１００の電荷が閉じ込められると共に、第１圧電素子１０ａから電流がグランドに流れて第１圧電素子１０ａの電荷が放電され、０になる。
【００６５】
図８（Ａ）に示す状態から２回目のスイッチング動作では、図９（Ａ）に示すように、プレ充電すべく、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２がオフ状態とされると共に、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１がオフ状態とされ、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２がオン状態とされる。このスイッチング動作では、第１圧電素子１０ａにコンデンサ１００から電流が流れ、プレ充電される。
【００６６】
図８（Ａ）に示す状態から３回目のスイッチング動作では、図９（Ｂ）に示すように、コンデンサ１００の電荷を閉じ込めるべく、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態とされると共に、逆極性の電圧を第１圧電素子１０ａに印加すべく、第１スイッチング素子１１１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態とされると共に、第２スイッチング素子１１２及び第３スイッチング素子１２１がオフ状態とされる。このスイッチング動作によって、第１圧電素子１０ａに電源から電流が流れ、伸長又は収縮される。
【００６７】
この図８（Ａ）の状態が図９（Ｂ）の状態になった場合において、コンデンサ１００に蓄積されている電荷の一般解を求める。
【００６８】
ここで、Ｃ１を圧電素子（本実施形態では第１圧電素子１０ａ）の静電容量、Ｃ２を圧電素子に並列に接続されたコンデンサ（本実施形態ではコンデンサ１００）の静電容量、Ｑを電源によって圧電素子が充電された場合における圧電素子に蓄積される電荷、及び、ａｎをコンデンサが圧電素子に電荷を供給した後にコンデンサに残存する電荷とすると、圧電素子とコンデンサとが並列接続され、上述の図８及び図９の説明から分かるように式１が成立する。
【００６９】
【数１】
【００７０】
この等比数列を初期値ａ１＝０の条件の下に解くと式２に収束することが分かる。
【００７１】
【数２】
【００７２】
なお、圧電アクチュエータの駆動周波数ｆは、一般に８０ｋＨｚから１４０ｋＨｚ程度であるから、瞬時に収束することになる。
【００７３】
また、本実施形態では、Ｃ１＝Ｃ２であるから図９（Ａ）の場合におけるコンデンサ１００に蓄積されている電荷は、図９（Ａ）に示すように１／３Ｑとなる。
【００７４】
一方、図８（Ａ）の場合における、圧電素子によってコンデンサが充電された場合におけるコンデンサの電荷ＱＣＡは、式３より式４となる。
【００７５】
【数３】
【００７６】
【数４】
【００７７】
本実施形態では、Ｃ１＝Ｃ２であるなるから図８（Ａ）の場合におけるコンデンサ１００に蓄積されている電荷は、図８（Ａ）に示すように、２／３Ｑとなる。
【００７８】
また、図８（Ａ）の場合における、圧電素子によってコンデンサが充電された場合における圧電素子の電荷ＱＰＡは、式５より式６となる。
【００７９】
【数５】
【００８０】
【数６】
【００８１】
本実施形態では、Ｃ１＝Ｃ２であるから図８（Ａ）の場合における第１圧電素子１０ａに蓄積されている電荷は、図８（Ａ）に示すように、２／３Ｑとなる。
【００８２】
そして、図９（Ａ）の場合における、コンデンサによって圧電素子が充電された場合における圧電素子の電荷ＱＰＣは、式７より式８となる。
【００８３】
【数７】
【００８４】
【数８】
【００８５】
本実施形態では、Ｃ１＝Ｃ２であるから図９（Ａ）の場合における第１圧電素子１０ａに蓄積されている電荷は、図９（Ａ）に示すように、１／３Ｑとなる。
【００８６】
式８から分かるように、コンデンサの静電容量が大きければ大きいほど、電荷ＱＰＣ、即ち、プレ充電される電荷が多くなる。このため、図９（Ｂ）で電源から圧電素子に供給される電荷が少なくて済むから、省電力化の効果が高くなる。計算の上では、例えば、Ｃ２＝Ｃ１の場合では、駆動電圧の半周期に電源から第１圧電素子に供給する電荷は、２Ｑ／３であるから、従来の２Ｑに較べて１／３の電荷供給で済み約６６．７％の省電力化が可能となる。また例えば、Ｃ２＝１０Ｃ１の場合では、駆動電圧の半周期に電源から第１圧電素子に供給する電荷は、１１Ｑ／２１であるから、従来の２Ｑに較べて１１／４２の供給電荷で済み約７３．８％の省電力化が可能となる。さらに例えば、Ｃ２＝１００Ｃ１の場合では、駆動電圧の半周期に電源から第１圧電素子に供給する電荷は、１０１Ｑ／２０１であるから、従来の２Ｑに較べて１０１／４０２の供給電荷で済み約７４．９％の省電力化が可能となる。コンデンサの静電容量Ｃ２を無限大と考えると、駆動電圧の半周期に電源から第１圧電素子に供給する電荷は、Ｑ／２であるから、従来の２Ｑに較べて１／４の供給電荷で済み７５％の省電力化が可能となる。従って、Ｃ２／Ｃ１≧１００とすれば、実質的に理論限界の省電力化が可能となる。
【００８７】
そして、上記の解析に基づき、第１圧電素子１０ａを駆動する駆動電圧の１周期における第１圧電素子１０ａの端子間電圧の時間的変化を図１０に示す。図１０の横軸は、時間ｔであり、縦軸は電圧Ｖである。
【００８８】
図１０において、第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２は、周期の始めから時間ｔ１までは、電源から電荷を供給することによって第１圧電素子１０ａを伸長（又は収縮）するステップであって、図４（Ｂ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電源の電圧＋Ｖｃｃが印加される。
【００８９】
時間ｔ１からｔ２までは、第１圧電素子１０ａの電荷でコンデンサ１００を充電するステップであって、図４（Ｃ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧Ｖｃｃ／（１＋α）が印加される。
【００９０】
時間ｔ２からｔ３までは、コンデンサ１００の電荷を維持しつつ第１圧電素子１０ａの電荷を放電するステップであって、図５（Ａ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａの電圧は０となる。
【００９１】
時間ｔ３からｔ４までは、コンデンサ１００の電荷で第１圧電素子１０ａをプレ充電するステップであって、図５（Ｂ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧αＶｃｃ／（１＋α）が印加される。
【００９２】
時間ｔ４からｔ５までは、電源から逆極性で電荷を供給することによって第１圧電素子１０ａを収縮（又は伸長）するステップであって、図６（Ａ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧−Ｖｃｃが印加される。
【００９３】
時間ｔ５からｔ６までは、第１圧電素子１０ａの電荷でコンデンサ１００を充電するステップであって、図６（Ｂ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧Ｖｃｃ／（１＋α）が印加される。
【００９４】
時間ｔ６からｔ７までは、コンデンサ１００の電荷を維持しつつ第１圧電素子１０ａの電荷を放電するステップであって、図６（Ｃ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａの電圧は０となる。
【００９５】
時間ｔ７からｔ８までは、コンデンサ１００の電荷で第１圧電素子１０ａをプレ充電するステップであって、図７（Ａ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧αＶｃｃ／（１＋α）が印加される。
【００９６】
時間ｔ８から次の周期の始めまでは、電源から逆極性で電荷を供給することによって第１圧電素子１０ａを伸長（又は収縮）するステップであって、図７（Ｂ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧＋Ｖｃｃが印加される。即ち、図４（Ｂ）に示すスイッチング動作の状態に戻る。
【００９７】
このように駆動電圧は、階段状となり、擬似的な正弦波駆動を行うことができ、スイッチング時にＨブリッジ回路を構成する第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２に流れるいわゆる突入電流を小さくすることができる。このため、比較的安価なスイッチング素子を用いることができ、圧電アクチュエータを用いた駆動装置の低コスト化を図ることができる。同様の理由により、小型のスイッチング素子を用いることができるので、圧電アクチュエータを用いた駆動装置の小型化を図ることもできる。
【００９８】
次に、別の実施形態について説明する。
（第２の実施形態）
第１の実施形態は、トラス型圧電アクチュエータを駆動する駆動回路及びこの駆動回路を用いたトラス型圧電アクチュエータの駆動装置について説明したが、第２の実施形態は、インパクト型圧電アクチュエータを駆動する駆動回路及びこの駆動回路を用いたインパクト型圧電アクチュエータについて説明する。
【００９９】
図１１は、第２の実施形態におけるインパクト型圧電アクチュエータの構成を示す斜視図である。
【０１００】
図１１において、インパクト型圧電アクチュエータ４０は、圧電素子（電気機械変換素子）１０ｂ、支持部材４１、駆動部材４２及び移動部材４３を備えて構成される。
【０１０１】
支持部材４１は、圧電素子１０ｂと駆動部材４２とを保持する部品であり、円柱体の軸方向両端部４１１、４１２と略中央に位置する仕切壁４１３とを残して内部を刳り貫くことにより形成された第１収容空間４１４及び第２収容空間４１５を有している。この第１収容空間４１４には、圧電素子１０ｂがその分極方向である伸縮方向を支持部材４１の軸方向と一致させた状態で収容されている。第２収容空間４１５には、移動部材４３の一部と駆動部材４２とが収容されている。
【０１０２】
圧電素子１０ｂは、図２に示す圧電素子１０ａと同一の構成であり、説明を省略する。圧電素子１０ｂは、その伸縮方向である長手方向の一方端面が第１収容空間４１４の一方端面（端部４１１側端面）に固着されている。支持部材４１の他方端部４１２及び仕切壁４１３には、中心位置に駆動部材４２の断面形状に合わせた形状の孔が穿設されると共に、この両孔を貫通して棒状の駆動部材４２が第２収容空間４１５に軸方向に沿って移動可能に収容されている。圧電素子１０ｂの他方端面は、駆動部材４２の第１収容空間４１４内に突出した端部が固着される。
【０１０３】
第２収容空間４１５の外部に突出した駆動部材４２の端部は、板ばね４７により所定のばね圧で圧電素子１０ｂ側に付勢されている。この板ばね４７の付勢は、圧電素子１０ｂの伸縮動作に基づく駆動部材４２の軸方向変位を安定化させるためである。
【０１０４】
駆動部材４２は、圧電素子１０ｂの伸縮を移動部材４３の移動に変換すると共に、移動部材４３を支えるガイドである。駆動部材４２の断面形状は、円形、楕円及び矩形などの形状を適用することができるが、移動部材４３を安定的に支えスムーズに移動させることができるようにする観点から本実施の形態では、円形である。
【０１０５】
移動部材４３は、駆動部材４２の軸方向の両側に取付部４３１を有する基部４３２と、両取付部４３１の間に着装される挟込み部材４３３とを備える。基部４３２は、駆動部材４２に遊嵌される。挟込み部材４３３は、両取付部４３１に取り付けられた板ばね４３４によって駆動部材４２の方向に押圧され、駆動部材４２に接触する。この接触によって、移動部材４３は、所定の摩擦力で駆動部材４２と結合される。また、駆動対象物は、この移動部材４３の取付部４３１を用いて取り付けられる。
【０１０６】
このようなインパクト型圧電アクチュエータ４０は、図３に示す部分駆動回路５１ａと同様の構成である駆動回路を、図４乃至図７を用いて説明したように制御回路によってスイッチング動作を制御することで、高い省電力化を実現することができる。なお、インパクト型圧電アクチュエータ４０は、上述の構成の説明から分かるように圧電素子１０ｂは、１個であるから図３に示す部分駆動回路５１ａは、そのまま第２の実施形態におけるインパクト型圧電アクチュエータ４０の駆動回路となる。
【０１０７】
そして、インパクト型圧電アクチュエータ４０と、このような駆動回路及び制御回路とを備えて構成することで、高い省電力化を実現した、インパクト型圧電アクチュエータの駆動装置を得ることができる。
【０１０８】
最後に、インパクト型圧電アクチュエータの動作原理について簡単に説明する。図１２は、インパクト型圧電アクチュエータの動作原理を説明するための図である。図１２（Ａ）は、移動部材４３を正方向に移動させる場合において、駆動回路５０ｂから圧電素子１０ｂに出力される駆動電圧の電圧波形を示す図であり、図１２（Ｂ）は、これに対応する圧電素子１０ｂの伸縮による変位を示す図である。また、図１２（Ｃ）は、移動部材４３を逆方向に移動させる場合において、駆動回路５０ｂから圧電素子１０ｂに出力される駆動電圧の電圧波形を示す図であり、図１２（Ｄ）は、これに対応する圧電素子１０ｂの伸縮による変位を示す図である。ここで、正方向とは、移動部材４３が圧電素子１０ｂから駆動部材４２の先端部（板ばね４７によって付勢される端部）に向う方向であり、逆方向とは、移動部材４３が駆動部材４２のこの先端部から圧電素子１０ｂに向う方向である。
【０１０９】
図１２（Ａ）に示すようなデューティ比Ｄ３：７の矩形波状の駆動電圧が圧電素子１０ｂに印加された場合には、圧電素子１０ｂの変位は、図１２（Ｂ）に示すように緩慢な立ち上がり部Ｔａと急峻な立下り部Ｔｂとを有する鋸歯形状となることが確認されている。また、図１２（Ｃ）に示すようなデューティ比Ｄ７：３の矩形波状の駆動電圧が圧電素子１０ｂに印加された場合には、圧電素子１０ｂの変位は、図１２（Ｄ）に示すように急峻な立ち上がり部Ｔｃと緩慢な立下り部Ｔｄとを有する鋸歯形状となることが確認されている。
【０１１０】
圧電素子１０ｂの変位が図１２（Ｂ）に示すような緩慢な立ち上がり部Ｔａでは、圧電素子１０ｂが緩やかに伸長し、移動部材４３が駆動部材４２と共に正方向に移動する。そして、圧電素子１０ｂの変位が図１２（Ｂ）に示すような急峻な立ち下がり部Ｔｂでは、圧電素子１０ｂが急激に縮小し、駆動部材４２が逆方向に移動しても移動部材４３は、駆動部材４２上をスリップして略同位置に留まることになる。その結果、移動部材４３は、正方向に移動したことになる。したがって、図１２（Ａ）に示す矩形波の駆動電圧が圧電素子１０ｂに繰り返し印加されることで、移動部材４３は、正方向に間欠的に移動することになる。逆方向の移動原理も同様である。なお、デューティー比Ｄは、矩形波のハイレベルの時間をＴ１、ローレベルの時間をＴ２とすると、Ｔ１：Ｔ２である。
【０１１１】
ここで、本発明では、矩形波の立下り及び立上りの部分で、コンデンサ１００の充電、圧電素子１０ｂの放電及び圧電素子１０ｂのプレ充電を行うので、実際には、図１０に示すように階段状の立下り及び立上りとなる。
【０１１２】
以上、本明細書に開示された主な発明を以下にまとめる。
（付記１） 駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子に前記駆動電圧を印加する駆動電圧印加部と、前記電気機械変換素子に接続された場合に並列に接続されるコンデンサと前記電気機械変換素子との間で電荷を充放電させる充放電部と、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子に充電されている電荷を前記コンデンサに充電した後に、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電するように、前記駆動電圧印加部及び前記充放電部を制御する制御部とを備えることを特徴とする電気機械変換素子の駆動回路。
【０１１３】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、駆動電圧の極性を反転させる間に、電気機械変換素子に充電（蓄積）されている電荷を一旦コンデンサに充電させ、この電荷を電気機械変換素子に極性を反転して再充電するので、電気機械変換素子に充電されている電荷を有効に活用することができ、このように有効に活用しない従来の駆動回路に較べて省電力化を図ることができる。
【０１１４】
（付記２） 前記制御部は、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子に充電されている電荷を前記コンデンサに充電した後に、前記電気機械変換素子に残存している電荷を放電してから、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電するように、前記駆動電圧印加回路及び前記充放電回路を制御することを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換素子の駆動回路。
【０１１５】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、コンデンサで電気機械変換素子を再充電する前に、電気機械変換素子の電荷を放電するので、コンデンサに充電した電荷をさらに有効に活用することができ、その結果、より省電力化を測ることができ、より小型のコンデンサを用いることができる。
【０１１６】
（付記３） 前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量以上であることを特徴とする付記１又は付記２に記載の電気機械変換素子の駆動回路。
【０１１７】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、コンデンサの静電容量が電気機械変換素子の静電容量以上であるので、コンデンサに充電される電荷の方が電気機械変換素子に残る残存電荷よりも多くすることができるので、より省電力化を図ることができる。
【０１１８】
（付記４） 前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量の１０倍以上であることを特徴とする付記１乃至付記３の何れかの付記に記載の電気機械変換素子の駆動回路。
【０１１９】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、コンデンサの静電容量が電気機械変換素子の静電容量の１０倍以上であるので、計算上、従来に較べて約７３．８％の省電力化を図ることができ、理論限界に近い省電力化となる。
【０１２０】
（付記５） 前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量の１００倍以上であることを特徴とする付記１乃至付記４の何れかの付記に記載の電気機械変換素子の駆動回路。
【０１２１】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、コンデンサの静電容量が電気機械変換素子の静電容量の１０倍以上であるので、計算上、従来に較べて約７４．９％の省電力化を図ることができ、実質的に理論限界の省電力化となる。
【０１２２】
（付記６）駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子を駆動する電気機械変換素子の駆動方法において、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子と並列に接続されるコンデンサに前記電気機械変換素子から電荷を充電する第１ステップと、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電する第２ステップとを備えることを特徴とする電気機械変換素子の駆動方法。このような電気機械変換素子の駆動方法は、付記１に記載の電気機械変換素子の駆動回路と同様の作用効果を有する。
【０１２３】
（付記７）前記第１ステップと前記第２ステップとの間に、前記電気機械変換素子に残存する電荷を放電するステップを行うことを特徴とする付記６に記載の電気機械変換素子の駆動方法。このような電気機械変換素子の駆動方法は、付記２に記載の電気機械変換素子の駆動回路と同様の作用効果を有する。
【０１２４】
（付記８）前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量以上であることを特徴とする付記６又は付記７に記載の電気機械変換素子の駆動方法。このような電気機械変換素子の駆動方法は、付記３に記載の電気機械変換素子の駆動回路と同様の作用効果を有する。
【０１２５】
（付記９）前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量の１０倍以上であることを特徴とする付記６乃至付記８の何れかの付記に記載の電気機械変換素子の駆動方法。このような電気機械変換素子の駆動方法は、付記４に記載の電気機械変換素子の駆動回路と同様の作用効果を有する。
【０１２６】
（付記１０）前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量の１００倍以上であることを特徴とする付記６乃至付記９の何れかの付記に記載の電気機械変換素子の駆動方法。このような電気機械変換素子の駆動方法は、付記１に記載の電気機械変換素子の駆動回路と同様の作用効果を有する。
【０１２７】
（付記１１）ベース部材と、前記ベース部材に支持され駆動電圧が印加されることにより伸縮する第１電気機械変換素子と、前記ベース部材に支持され変位可能な第２電気機械変換素子と、前記第１電気機械変換素子と前記第２電気機械変換素子のそれぞれに結合された変位合成部材と、前記変位合成部材が楕円運動を行うように少なくとも前記第１電気機械変換素子を駆動する駆動回路とを備える駆動装置において、前記駆動回路は、付記１乃至付記５の何れかの付記に記載の駆動回路であることを特徴とする駆動装置。
【０１２８】
（付記１２）駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における一方端に固定された支持部材と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における他方端に固定された駆動部材と、前記駆動部材に摩擦力を有して係合された係合部材と、前記電気機械変換素子を駆動する駆動回路とを備え、前記電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで前記支持部材と前記係合部材とを相対移動させる駆動装置において、前記駆動回路は、付記１乃至付記５の何れかの付記に記載の駆動回路であることを特徴とする駆動装置。
【０１２９】
このような電気機械変換素子を用いた駆動装置は、電気機械変換素子の駆動回路に付記１乃至付記５の何れかの付記に記載の駆動回路を用いるので、省電力化を図ることができる。
【０１３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る電気機械変換素子の駆動回路及び駆動方法並びに駆動装置は、駆動電圧の極性を反転させる間に、電気機械変換素子に充電されている電荷を一旦コンデンサに充電させ、この電荷を電気機械変換素子に極性を反転して再充電するので、電気機械変換素子に充電されている電荷を有効に活用することができ、このように有効に活用しない従来の駆動回路に較べて省電力化を図ることができる。
【０１３１】
そして、駆動電圧の極性を反転する間に、電気機械変換素子に充電されている電荷を一旦コンデンサに充電させ、この電荷を電気機械変換素子に極性を反転して再充電するので、擬似的な正弦波駆動となり、駆動回路に用いるスイッチング素子に流れる突入電流が小さくなる。そのため、比較的安価なスイッチング素子を駆動回路に用いることができ、駆動回路及び駆動装置のコストダウンを図ることができる。さらに、このように突入電流が小さくなるので、小型のスイッチング素子を駆動回路に用いることができ、駆動回路及び駆動装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１の実施形態におけるトラス型圧電アクチュエータの駆動装置の構成を示す図である。
【図２】積層型圧電素子の構造を示す図である。
【図３】第１の実施形態におけるトラス型圧電アクチュエータの駆動回路の一部分を示す回路図である。
【図４】部分駆動回路の動作を説明するための図（その１）である。
【図５】部分駆動回路の動作を説明するための図（その２）である。
【図６】部分駆動回路の動作を説明するための図（その３）である。
【図７】部分駆動回路の動作を説明するための図（その４）である。
【図８】コンデンサの電荷が一定値に収束した場合における部分駆動回路の動作及びコンデンサの電荷の変化を説明するための図（その１）である。
【図９】コンデンサの電荷が一定値に収束した場合における部分駆動回路の動作及びコンデンサの電荷の変化を説明するための図（その２）である。
【図１０】駆動電圧の１周期における第１圧電素子の端子間電圧の時間的変化を示す図である。
【図１１】第２の実施形態におけるインパクト型圧電アクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図１２】インパクト型圧電アクチュエータの動作原理を説明するための図である。
【図１３】従来の圧電素子の駆動回路の構成及び駆動中における駆動回路の状態を示す図である。
【符号の説明】
１０ａ 第１圧電素子（第１電気機械変換素子）
１０ａ’ 第２圧電素子（第２電気機械変換素子）
１０ｂ 圧電素子（電気機械変換素子）
５０ａ 駆動回路
６０ａ 制御回路
１００ コンデンサ
１１１ 第１スイッチング素子
１１２ 第２スイッチング素子
１２１ 第３スイッチング素子
１２２ 第４スイッチング素子
１３１ 第５スイッチング素子
１３２ 第６スイッチング素子
１４１ 第７スイッチング素子
１４２ 第８スイッチング素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機械変換素子の駆動回路に関し、特に、省電力化を図ることができる電気機械変換素子の駆動回路及び駆動方法並びに電気機械変換素子を用いた駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、光学機器に内蔵されるレンズ等は、圧電アクチュエータを備える駆動装置によって駆動されている。圧電アクチュエータは、電気機械変換素子（圧電素子）によってトルクを生じさせており、この圧電素子を駆動する駆動回路が知られている。圧電アクチュエータとしては、例えば、トラス型圧電アクチュエータやインパクト型圧電アクチュエータ等がある。
【０００３】
図１３は、従来の圧電素子の駆動回路の構成及び駆動中における駆動回路の状態を示す図である。図１３（Ａ）は、圧電素子の駆動回路の構成を示す図であると共に駆動回路の初期状態を示す図であり、図１３（Ｂ）は、駆動電圧の半周期後における駆動回路の状態を示す図であり、図１３（Ｃ）は、駆動電圧の１周期後における駆動回路の状態を示す図であり、図１３（Ｄ）は、駆動電圧の１周期半後における駆動回路の状態を示す図であり、図１３（Ｅ）は、駆動電圧の２周期後における駆動回路の状態を示す図である。
【０００４】
図１３（Ａ）において、駆動回路５００は、４個のスイッチ回路５１１、５１２、５２１、５２２からなるＨブリッジ回路と、各スイッチ回路５１１、５１２、５２１、５２２のスイッチング動作を制御する制御回路（不図示）とで構成され、圧電素子に交流電圧を印加する。即ち、駆動回路５００は、電圧値Ｖｃｃの電源と接地ＧＮＤとの間に、直列接続されたスイッチ回路５１１及びスイッチ回路５２１と、直列接続されたスイッチ回路５１２及びスイッチ回路５２２とが並列に接続されてなり、圧電素子５１０がスイッチ回路５１１とスイッチ回路５２１との接続点ａと、スイッチ回路５１２とスイッチ回路５２２との接続点ｂとの間に接続される。
【０００５】
スイッチ回路５１１及びスイッチ回路５１２は、例えば、ＰチャネルパワーＭＯＳ−ＦＥＴから構成され、スイッチ回路５２１及びスイッチ回路５２２は、例えば、ＮチャネルパワーＭＯＳ−ＦＥＴから構成される。
【０００６】
次に、従来の駆動回路５００で圧電アクチュエータ１１０を駆動する動作について説明する。なお、トラス型圧電アクチュエータの場合には、図１３（Ａ）に示す駆動回路５００が１組（即ち、２個）必要であるが、一方の圧電素子（駆動側圧電素子）を駆動している間は、他方の圧電素子（従動側圧電素子）の端子間は、短絡（ショート）されているので、１個の駆動回路５００の動作を説明することで、１個の圧電素子を備えて構成されるインパクト型圧電アクチュエータにおける駆動回路の動作を説明したことになるだけでなく、２個の圧電素子を備えて構成されるトラス型圧電アクチュエータにおける駆動回路の動作も説明したことになる。
【０００７】
図１３（Ａ）において、初期状態では、圧電素子５１０に電荷は、充電（蓄積）されておらず、駆動回路５００の各スイッチ回路５１１、５１２、５２１、５２２は、オフ（ＯＦＦ）状態（開状態）にある。または、図示しないがスイッチ回路５１１及びスイッチ回路５１２がオン（ＯＮ）状態（閉状態）にあり、スイッチ回路５２１及びスイッチ回路５２２がオフ状態にあって圧電素子１１０の端子間が短絡状態にある場合でもよい。あるいは、図示しないがスイッチ回路５１１及びスイッチ回路５１２がオフ状態にあり、スイッチ回路５２１及びスイッチ回路５２２がオン状態にあって圧電素子１１０の端子間が短絡状態にある場合でもよい。
【０００８】
この初期状態から圧電素子５１０の駆動は、図１３（Ｂ）に示すように、まず、スイッチ回路５１１及びスイッチ回路５２２がオン状態となると共に、スイッチ回路５１２及びスイッチ回路５２１がオフ状態となって、圧電素子１１０に電源から電流が流れる。そして、駆動電圧の半周期後には、圧電素子１１０に電荷Ｑが充電され、圧電素子１１０の接続点ａ側が＋Ｑとなり、接続点ｂ側が−Ｑとなる。
【０００９】
次の半周期において、図１３（Ｃ）に示すように、スイッチ回路５１１及びスイッチ回路５２２がオフ状態となると共に、スイッチ回路５１２及びスイッチ回路５２１がオン状態となって、圧電素子５１０には図１３（Ｂ）と反対の電界がかかり、圧電素子５１０に電源から電流が流れる。そして、駆動電圧の１周期後には、圧電素子５１０に図１３（Ｂ）とは逆向きに電荷Ｑが充電され、圧電素子５１０の接続点ａ側が−Ｑとなり、接続点ｂ側が＋Ｑとなる。したがって、電源からは＋２Ｑの電荷が供給される。
【００１０】
次の半周期において、図１３（Ｄ）に示すように、スイッチ回路５１１及びスイッチ回路５２２がオン状態となると共に、スイッチ回路５１２及びスイッチ回路５２１がオフ状態となって、圧電素子５１０には図１３（Ｃ）と反対の電界がかかり、圧電素子５１０に電源から電流が流れる。即ち、図１３（Ｂ）と同様の状態になる。そして、駆動電圧の１周期半後には、圧電素子５１０に図１３（Ｃ）とは逆向きに電荷Ｑが充電され、圧電素子１１０の接続点ａ側が＋Ｑとなり、接続点ｂ側が−Ｑとなる。したがって、電源からは＋２Ｑの電荷が供給される。
【００１１】
次の半周期において、図１３（Ｅ）に示すように、スイッチ回路５１１及びスイッチ回路５２２がオフ状態となると共に、スイッチ回路５１２及びスイッチ回路５２１がオン状態となって、圧電素子５１０には図１３（Ｄ）と反対の電界がかかり、圧電素子５１０に電源から電流が流れる。即ち、図１３（Ｃ）と同様の状態になる。そして、駆動電圧の２周期後には、圧電素子５１０に図１３（Ｄ）とは逆向きに電荷Ｑが充電され、圧電素子５１０の接続点ａ側が＋Ｑとなり、接続点ｂ側が−Ｑとなる。したがって、電源からは＋２Ｑの電荷が供給される。
【００１２】
以後、各スイッチ回路５１１、５１２、５２１、５２２は、図１３（Ｄ）の状態と図１３（Ｅ）の状態とを交互に繰り返し、圧電素子５１０には交流の電圧が印加されることとなって伸縮を繰り返す。そして、上述のように半周期ごとに（各スイッチ回路の５１１、５１２、５２１、５２２のオン・オフの切替時に）電源から＋２Ｑ電荷が供給される。
【００１３】
なお、圧電素子を駆動する駆動回路は、例えば、特許文献１又は特許文献２に示されている。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−２１１６６９号公報
【特許文献２】
特開２００１−０５４２９１号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電アクチュエータは、小型、軽量、静粛、滑らかな駆動、正確な位置制御、及び、大きさに比して大トルク等の特長から様々な電気・電子機器、特に、ＸＹ移動ステージ、カメラの撮影レンズ、プロジェクタの投影レンズ等の駆動に適用可能であるが、これら電気・電子機器に対して省電力化が要請されている結果、圧電アクチュエータの省電力化も要請されている。特に、カメラ付携帯電話やカメラ等の電池を電源とする機器に圧電アクチュエータを用いる場合には、省電力化の要請が強い。
【００１６】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、従来より省電力化を測ることができる電気機械変換素子の駆動回路及び駆動方法を提供することを目的とする。そして、本発明は、このような電気機械変換素子を用いた駆動装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る電気機械変換素子の駆動回路は、駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子に前記駆動電圧を印加する駆動電圧印加部と、前記電気機械変換素子に接続された場合に並列に接続されるコンデンサと前記電気機械変換素子との間で電荷を充放電させる充放電部と、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子に充電されている電荷を前記コンデンサに充電した後に、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電するように、前記駆動電圧印加部及び前記充放電部を制御する制御部とを備える。そして、本発明に係る、駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子を駆動する電気機械変換素子の駆動方法は、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子と並列に接続されるコンデンサに前記電気機械変換素子から電荷を充電する第１ステップと、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電する第２ステップとを備える。
【００１８】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路及び駆動方法は、駆動電圧の極性を反転させる間に、電気機械変換素子に充電（蓄積）されている電荷を一旦コンデンサに充電させ、この電荷を電気機械変換素子に極性を反転して再充電するので、電気機械変換素子に充電されている電荷を有効に活用することができ、このように有効に活用しない従来の駆動回路に較べて省電力化を図ることができる。
【００１９】
そして、コンデンサに充電した電荷をより有効に活用する観点から、上述の電気機械変換素子の駆動回路において、前記制御部が、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子に充電されている電荷を前記コンデンサに充電した後に、前記電気機械変換素子に残存している電荷を放電してから、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電するように、前記駆動電圧印加回路及び前記充放電回路を制御するように構成することが好ましい。このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、コンデンサに充電した電荷をより有効に活用することができるので、さらに省電力化を図ることができる。
【００２０】
また、本発明に係る、ベース部材と、前記ベース部材に支持され駆動電圧が印加されることにより伸縮する第１電気機械変換素子と、前記ベース部材に支持され変位可能な第２電気機械変換素子と、前記第１電気機械変換素子と前記第２電気機械変換素子のそれぞれに結合された変位合成部材と、前記変位合成部材が楕円運動を行うように少なくとも前記第１電気機械変換素子を駆動する駆動回路とを備える駆動装置は、前記駆動回路が上述の構成の駆動回路である。さらに、本発明に係る、駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における一方端に固定された支持部材と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における他方端に固定された駆動部材と、前記駆動部材に摩擦力を有して係合された係合部材と、前記電気機械変換素子を駆動する駆動回路とを備え、前記電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで前記支持部材と前記係合部材とを相対移動させる駆動装置は、前記駆動回路が上述の構成の駆動回路である。
【００２１】
このような電気機械変換素子を用いた駆動装置は、この電気機械変換素子を駆動する駆動回路に上述の駆動回路を用いるので、省電力化を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。まず、第１の実施形態の構成について説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は、第１の実施形態におけるトラス型圧電アクチュエータの駆動装置の構成を示す図である。図１において、駆動装置１は、トラス型圧電アクチュエータ３０、駆動回路５０ａ及び制御回路６０ａを備えて構成される。トラス型圧電アクチュエータ３０は、第１圧電素子（第１電気機械変換素子）１０ａ、第２圧電素子（第２電気機械変換素子）１０ａ’、チップ部材（変位合成部）２０、ベース部材（固定部）２１及びロータ（移動部）２２を備えて構成される。
【００２４】
図１に示すように、駆動装置１のトラス型圧電アクチュエータは、２つの第１圧電素子１０ａ及び第２圧電素子１０ａ’を略直角に交差させて配置し、それらの交差側端部にチップ部材２０を接着剤により接合している。一方、第１圧電素子１０ａ及び第２圧電素子１０ａ’の他端部をベース部材２１に接着剤により接合している。
【００２５】
チップ部材２０の材料は、安定して高い摩擦係数が得られ、かつ耐摩耗性に優れたタングステン等が好ましい。ベース部材２１の材料は、製造が容易で、かつ強度に優れたステンレス鋼等が好ましい。また、接着剤は、接着力及び強度に優れたエポキシ系樹脂等が好ましい。
【００２６】
なお、第１圧電素子１０ａと第２圧電素子１０ａ’とは、実質的に同一の構成であるので、第２圧電素子１０ａ’の各構成要素は、第１圧電素子１０ａの符号にそれぞれ（’）をつけて区別する。
【００２７】
第１圧電素子１０ａの電極１２、１３及び第２圧電素子１０ａ’の電極１２’，１３’はそれぞれ駆動回路５０ａに接続されている。駆動回路５０ａの構成及び動作については後述する。制御回路６０ａは、駆動回路５０ａに接続されており、駆動回路５０ａを含む駆動装置１の全体を制御する回路である。制御回路６０ａは、例えば、マイクロコンピュータ等であり、制御プログラムやデータ等を格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、及び、制御プログラムの実行やデータの処理を行う中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等を備えて構成される。
【００２８】
ここで、本実施形態において電気機械変換素子として用いる積層型の圧電素子について説明する。
【００２９】
図２は、積層型圧電素子の構造を示す図である。図２において、圧電素子１０ａは、ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック薄板１１と電極１２、１３を交互に積層したものであり、各セラミック薄板１１と電極１２、１３とは接着剤等により固定されている。１つおきに配置された各電極群１２、１３は、それぞれ信号線１４，１５を介して駆動電源１６に接続されている。信号線１４と信号線１５との間に所定の電圧を印加すると、電極１２と電極１３とに挟まれた各セラミック薄板１１には、その積層方向に電界が発生し、その電界は、１つおきに同じ方向である。従って、各セラミック薄板１１は、１つおきに分極の方向が同じになる（隣り合う２つのセラミック薄板１１の分極方向は逆となる）ように積層されている。なお、圧電素子１０ａの両端部には、保護層１７が設けられている。
【００３０】
駆動電源１６により直流の駆動電圧を各電極１２と電極１３との間にそれぞれ印加すると、全てのセラミック薄板１１が同方向に伸び又は縮み、圧電素子１０ａ全体として伸長又は収縮する。電界が小さく、かつ変位の履歴が無視できる領域では、各電極１２と電極１３との間にそれぞれ発生する電界と圧電素子１０ａの変位は、ほぼ直線的な関係と見なすことができる。
【００３１】
ここで、駆動電源１６により交流の駆動電圧（交流信号）を各電極１２と電極１３との間にそれぞれ印加すると、その電界に応じて各セラミック薄板１１は、同方向に伸縮を繰り返し、圧電素子１０ａ全体として伸縮を繰り返す。圧電素子１０ａには、その構造や電気的特性により決定される固有の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波数が圧電素子１０ａの共振周波数と一致すると、インピーダンスが低下し、圧電素子１０ａの変位が増大する。圧電素子１０ａは、その外形寸法に対して変位が小さいため、低い電圧で駆動するためには、この共振現象を利用することが望ましい。
【００３２】
本実施形態では、第１圧電素子１０ａと第２圧電素子１０ａ’のいずれか一方、例えば第１圧電素子１０ａのみを駆動し、その振動をベース部材２１を介して第２圧電素子１０ａ’に伝達し、第２圧電素子１０ａ’を所定の位相差を持って共振させる。即ち、第１圧電素子１０ａは、駆動側となり、第２圧電素子１０ａ’は、従動側となる。そうすると、第１圧電素子１０ａと第２圧電素子１０ａ’の交点に設けられたチップ部材２０は、楕円（円を含む）を描くように駆動される。なお、このトラス型圧電アクチュエータにおいて、互いに直交する独立した２つの運動を合成すると、その交点は、楕円振動の式（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓの式）に従った軌跡を描く。
【００３３】
このチップ部材２０を、例えば所定の軸の周りに回転可能なロータ２２の円筒外面に押しつけると、チップ部材２０の楕円運動（円運動を含む）をロータ２２の回転運動に変換することができる。なお、チップ部材２０を、例えば所定の軸の周りに回転可能なロータの円筒内面に押しつけてもよい。あるいは、チップ部材２０を、例えば棒状部材（図示せず）の平面部に押しつけることにより、チップ部材２０の楕円運動を棒状部材の直線運動に変換することも可能である。
【００３４】
次に、第１実施形態の駆動装置１におけるトラス型圧電アクチュエータの駆動回路５０ａについて説明する。ここで、トラス型圧電アクチュエータは、上述のように第１圧電素子１０ａ及び第２圧電素子１０ａ’の２個の圧電素子から構成されているので、各圧電素子１０ａ、１０ａ’を駆動する回路が必要であるが、各回路は、同一の構成であり、一方の圧電素子（駆動側圧電素子）を駆動している間は、他方の圧電素子（従動側圧電素子）の端子間が短絡（ショート）されるので、１個の圧電素子を駆動する回路の構成及び動作を説明することで、トラス型圧電アクチュエータにおける駆動回路５０ａの構成及び動作の説明に代える。
【００３５】
図３は、第１の実施形態におけるトラス型圧電アクチュエータの駆動回路の一部分を示す回路図である。図３に示す回路は、１個の圧電素子を駆動するための部分駆動回路５１ａであり、実際には、第１の実施形態ではトラス型圧電アクチュエータであるから、図３に示す部分駆動回路５１ａが２個必要である。
【００３６】
図３において、部分駆動回路５１ａは、電圧値Ｖｃｃの電源と接地ＧＮＤとの間に、直列に接続された第１スイッチング素子１１１及び第３スイッチング素子１２１と、直列に接続された第２スイッチング素子１１２及び第４スイッチング素子１２２とが並列に接続され、そして、第１スイッチング素子１１１と第３スイッチング素子１２１との接続点ａと、第２スイッチング素子１１２と第４スイッチング素子１２２との接続点ｂとの間に、直列に接続された第５スイッチング素子１３１及び第７スイッチング素子１４１と、直列に接続された第６スイッチング素子１３２及び第８スイッチング素子１４２とが並列に接続され、さらに、第５スイッチング素子１３１と第７スイッチング素子１４１との接続点ｃと、第６スイッチング素子１３２と第８スイッチング素子１４２との接続点ｄとの間にコンデンサ１００が接続されてなり、第１圧電素子１０ａ（又は第２圧電素子１０ａ’）は、接続点ａと接続点ｂとの間に接続され、駆動電圧が印加される。
【００３７】
なお、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２が駆動電圧印加部に相当し、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２が充放電部に相当する。
【００３８】
第１、第２、第５及び第７スイッチング素子１１１、１１２、１３１、１４１は、例えば、ＰチャネルパワーＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で構成され、第３、第４、第６及び第８スイッチング素子１２１、１２２、１３２、１４２は、例えば、ＮチャネルパワーＭＯＳ−ＦＥＴで構成される。
【００３９】
そして、第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２のスイッチング制御（オン・オフ制御）は、制御プログラムに基づき制御部６０ａによって次のように行われる。
【００４０】
図４は、部分駆動回路の動作を説明するための図（その１）である。図５は、部分駆動回路の動作を説明するための図（その２）である。図６は、部分駆動回路の動作を説明するための図（その３）である。図７は、部分駆動回路の動作を説明するための図（その４）である。図４（Ａ）は、部分駆動回路の初期状態を示し、図４（Ｂ）は、部分駆動回路における１回目のスイッチング動作後の状態を示し、図４（Ｃ）は、部分駆動回路における２回目のスイッチング動作後の状態を示す。図５（Ａ）は、部分駆動回路における３回目のスイッチング動作後の状態を示し、図５（Ｂ）は、部分駆動回路における４回目のスイッチング動作後の状態を示す。図６（Ａ）は、部分駆動回路における５回目のスイッチング動作後の状態を示し、図６（Ｂ）は、部分駆動回路における６回目のスイッチング動作後の状態を示し、図６（Ｃ）は、部分駆動回路における７回目のスイッチング動作後の状態を示す。そして、図７（Ａ）は、部分駆動回路における８回目のスイッチング動作後の状態を示し、図７（Ｂ）は、部分駆動回路における９回目のスイッチング動作後の状態を示す。
【００４１】
なお、図４乃至図７は、部分駆動回路５１ａの動作を明瞭に示すために、第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２は、オン・オフが明瞭に分かるように記号化されている。
【００４２】
また、部分駆動回路５１ａにおける動作の説明を簡単にするために、本実施形態では、コンデンサ１００の静電容量は、第１圧電素子１０ａ（又は第２圧電素子１０ａ’）の静電容量と同一としているが、任意の静電容量でよい。そして、後述するように、高い省電力効果を得るためには、コンデンサ１００の静電容量は、第１圧電素子１０ａ（又は第２圧電素子１０ａ’）の静電容量よりも大きいほどよい．。
【００４３】
図４乃至図７において、図４（Ａ）に示す初期状態では、第１圧電素子１０ａ（又は第２圧電素子１０ａ’）には電荷が充電（蓄積）されておらず、部分駆動回路５１ａの第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２は、オフ（ＯＦＦ）状態（開状態）にある。さらに、コンデンサ１００にも電荷が充電されておらず、部分駆動回路５１ａの第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２は、オフ状態にある。
【００４４】
なお、第１圧電素子１０ａについて、図示しないが第１スイッチング素子１１１及び第２スイッチング素子１１２がオン（ＯＮ）状態（閉状態）にあり、第３スイッチング素子１２１及び第４スイッチング素子１２２がオフ状態にあって第１圧電素子１０ａの端子間が短絡状態にある場合でもよい。あるいは、図示しないが第１スイッチング素子１１１及び第２スイッチング素子１１２がオフ状態にあり、第３スイッチング素子１２１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態にあって第１圧電素子１０ａの端子間が短絡状態にある場合でもよい。同様に、コンデンサ１００について、図示しないが第５スイッチング素子１３１及び第６スイッチング素子１３２がオン状態にあり、第７スイッチング素子１４１及び第８スイッチング素子１４２がオフ状態にあってコンデンサ１００の端子間が短絡状態にある場合でもよい。あるいは、図示しないが第５スイッチング素子１３１及び第６スイッチング素子１３２がオフ状態にあり、第７スイッチング素子１４１及び第８スイッチング素子１４２がオン状態にあってコンデンサ１００の端子間が短絡状態にある場合でもよい。
【００４５】
この初期状態から１回目のスイッチング動作では、部分駆動回路５１ａは、図４（Ｂ）に示すように、まず、第１スイッチング素子１１１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態になると共に、第２スイッチング素子１１２及び第３スイッチング素子１２１がオフ状態になって、第１圧電素子１０ａに電源から電流が流れる。第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２は、それぞれオフ状態である。そして、１回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、第１圧電素子１０ａに電荷Ｑが充電され、第１圧電素子１０ａの接続点ａ側が＋Ｑとなり、接続点ｂ側が−Ｑとなる。したがって、この場合では電源から電荷Ｑが供給される。ここで、第１圧電素子１０ａは、駆動電圧を印加されることによって伸長又は収縮する。
【００４６】
２回目のスイッチング動作では、図４（Ｃ）に示すように、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２がオフ状態になると共に、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２がオン状態になり、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１がオフ状態になって、コンデンサ１００に第１圧電素子１０ａから電流が流れる。なお、コンデンサ１００が第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２のスイッチング動作によって第１圧電素子１０ａに接続されると、本実施形態では、コンデンサ１００と第１圧電素子１０ａとは、並列に接続される。後述のスイッチング動作においても同様である。そして、２回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００の静電容量と第１圧電素子１０ａの静電容量とが同一であるからコンデンサ１００に電荷Ｑ／２が充電され、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の電荷は、共にＱ／２となる。そして、コンデンサ１００の接続点ｃ側が接続点ａ側と接続されているので＋Ｑ／２となり、接続点ｄ側が接続点ｂ側と接続されているので−Ｑ／２となる。
【００４７】
３回目のスイッチング動作では、図５（Ａ）に示すように、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態になると共に、第３スイッチング素子１２１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態になり、第１スイッチング素子１１１及び第２スイッチング素子１１２がオフ状態になって、コンデンサ１００に電荷Ｑ／２が閉じ込められると共に、第１圧電素子１０ａから電流がグランドに流れて第１圧電素子１０ａの電荷Ｑ／２が放電される。そして、３回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００では電荷Ｑ／２が維持され、第１圧電素子１０ａの電荷は、０となる。
【００４８】
ここで、第１圧電素子１０ａの電荷を放電するのは、放電せずに次の図５（Ｂ）に示す４回目のスイッチング動作を行うと、コンデンサ１００から第１圧電素子１０ａに電荷が供給されたとしても、相殺されて、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の静電容量が等しい場合には第１圧電素子１０ａの電荷が０となってしまい、コンデンサ１００に蓄積した電荷が有効に使用されないためである。なお、コンデンサ１００の静電容量が第１圧電素子１０ａの静電容量より大きい場合には、２回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後において、第１圧電素子１０ａに残る電荷よりコンデンサ１００に充電される電荷の方が多くなるので、３回目のスイッチング動作を省略することが可能である。コンデンサ１００の静電容量が第１圧電素子１０ａの静電容量より大きければ大きいほど、第１圧電素子１０ａに残る電荷よりコンデンサ１００に充電される電荷の方が多く省電力効果を大きくすることができるが、静電容量の大きいコンデンサは、一般に大型なので、小型化の観点から３回目のスイッチング動作を行うことが好ましい。後述の７回目のスイッチング動作も同様である。
【００４９】
この図４（Ａ）の状態から図５（Ａ）の状態までが第１圧電素子を駆動する駆動電圧における周期の半周期である。
【００５０】
４回目のスイッチング動作では、図５（Ｂ）に示すように、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２がオフ状態になると共に、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１がオン状態になり、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２がオフ状態になって、第１圧電素子１０ａにコンデンサ１００から電流が流れる。そして、４回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００の静電容量と第１圧電素子１０ａの静電容量とが同一であるから第１圧電素子１０ａに電荷Ｑ／４が充電され、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の電荷は、共にＱ／４となる。そして、第１圧電素子１０ａの接続点ａ側に接続点ｄ側が接続されるので−Ｑ／４となり、接続点ｂ側に接続点ｃ側が接続されるので＋Ｑ／４となる。
【００５１】
ここで、圧電アクチュエータは、上述したように駆動電圧の極性を交互に反転させることによって圧電素子を伸縮させてチップ部材２０に楕円運動を生じさせ、ロータ２２を駆動するものである。そのため、図４（Ａ）から図５（Ａ）までの半周期に続く次の半周期では、極性を反転させた電圧を第１圧電素子１０ａに印加する必要がある。即ち、図５（Ｂ）に示す第１圧電素子１０ａの接続点ａ側が＋Ｑで接続点ｂ側が−Ｑの状態から接続点ａ側が−Ｑで接続点ｂ側が＋Ｑの状態にする必要がある。４回目のスイッチング動作は、電源から第１圧電素子１０ａに電荷が供給される前に、コンデンサ１００の電荷を使用して予備的に第１圧電素子１０ａに電荷を与えるものである（プレ充電、再充電）。このため、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２は、第１圧電素子１０ａに印加される電圧の極性が前の半周期と逆極性となるようにスイッチング動作する必要がある。そのため、４回目のスイッチング動作では、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２は、上述のように動作することになる。
【００５２】
そして、５回目のスイッチング動作では、部分駆動回路５１ａは、図６（Ａ）に示すように、コンデンサ１００の電荷Ｑ／４を閉じ込めるべく、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態になると共に、図４（Ｂ）に示す状態とは逆極性の電圧を第１圧電素子１０ａに印加すべく、第１スイッチング素子１１１及び第４スイッチング素子１２２がオフ状態になり、第２スイッチング素子１１２及び第３スイッチング素子１２１がオン状態となって、第１圧電素子１０ａに電源から電流が流れる。そして、５回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００では電荷Ｑ／４が維持されると共に、第１圧電素子１０ａに電荷Ｑが充電され、第１圧電素子１０ａの接続点ａ側が−Ｑとなり、接続点ｂ側が＋Ｑとなる。したがって、この場合では電源から電荷３Ｑ／４が供給される。ここで、印加電圧の極性が図４（Ｂ）に示す場合に第１圧電素子１０ａが伸長している場合には、印加電圧の極性が反転したこの図６（Ａ）に示す場合では第１圧電素子１０ａは、収縮することになる。もちろん、図４（Ｂ）に示す場合に第１圧電素子１０ａが収縮している場合には、この図６（Ａ）に示す場合では第１圧電素子１０ａは、伸長収することになる。
【００５３】
６回目のスイッチング動作では、図６（Ｂ）に示すように、第１圧電素子１０ａの電荷の一部をコンデンサ１００に充電すべく、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２がオフ状態になると共に、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２がオフ状態になり、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１がオン状態になって、コンデンサ１００に第１圧電素子１０ａから電流が流れる。そして、６回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００の静電容量と第１圧電素子１０ａの静電容量とが同一であるのでコンデンサ１００に電荷５Ｑ／８が充電され、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の電荷は、共に５Ｑ／８となる。そして、コンデンサ１００の接続点ｄ側が接続点ａ側と接続されているので−５Ｑ／８となり、接続点ｃ側が接続点ｂ側と接続されているので＋５Ｑ／８となる。
【００５４】
なお、６回目のスイッチング動作において、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２をオフ状態にすると共に、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２をオン状態とし、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１をオフ状態とすることも考えられる。この場合では、コンデンサ１００の接続点ｃ側が接続点ａ側と接続され、接続点ｄ側が接続点ｂ側と接続されているので、コンデンサ１００に蓄積されている電荷の極性と第１圧電素子１０ａに蓄積されている電荷の極性とが逆極性で接続されることになる。このため、或る所定時間の経過後におけるコンデンサ１００の電荷は、３Ｑ／８となり、上述の場合に較べてコンデンサ１００に充電される電荷が少なくなる。従って、このようなスイッチング動作を行っても省電力化が見込めるものの、省電力効果を高める観点から、図６（Ｂ）に示すスイッチング動作が好ましい。
【００５５】
７回目のスイッチング動作では、図６（Ｃ）に示すように、コンデンサ１００の電荷を閉じ込めるべく、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態になると共に、第１圧電素子１０ａの電荷を放電すべく、第３スイッチング素子１２１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態になり、第１スイッチング素子１１１及び第２スイッチング素子１１２がオフ状態になって、コンデンサ１００に電荷５Ｑ／８が閉じ込められると共に、第１圧電素子１０ａから電流がグランドに流れて第１圧電素子１０ａの電荷５Ｑ／８が放電される。そして、７回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００では電荷５Ｑ／８が維持され、第１圧電素子１０ａの電荷は、０となる。ここで、第１圧電素子１０ａの電荷を放電するのは、放電せずに次の図８（Ａ）に示す８回目のスイッチング動作を行うと、コンデンサ１００から第１圧電素子１０ａに電荷が供給されたとしても、相殺されて、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の静電容量が等しい場合には第１圧電素子１０ａの電荷は、０となり、コンデンサ１００に蓄積した電荷が有効に使用されないためである。
【００５６】
この図５（Ｂ）の状態から図６（Ｃ）の状態までが第１圧電素子を駆動する駆動電圧における周期の次の半周期である。そして、図４（Ａ）の状態から図６（Ｃ）の状態までが駆動電圧における初期状態からの１周期である。
【００５７】
８回目のスイッチング動作では、図７（Ａ）に示すように、プレ充電すべく、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２がオフ状態になると共に、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１がオフ状態になり、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２がオン状態になって、第１圧電素子１０ａにコンデンサ１００から電流が流れる。そして、８回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００の静電容量と第１圧電素子１０ａの静電容量とが同一であるから第１圧電素子１０ａに電荷５Ｑ／１６が充電され、第１圧電素子１０ａ及びコンデンサ１００の電荷は、共に５Ｑ／１６となる。第１圧電素子１０ａの接続点ａ側に接続点ｃ側が接続されるので＋５Ｑ／１６となり、接続点ｂ側に接続点ｄ側が接続されるので−５Ｑ／１６となる。
【００５８】
９回目のスイッチング動作では、部分駆動回路５１ａは、図７（Ｂ）に示すように、コンデンサ１００の電荷５Ｑ／１６を閉じ込めるべく、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態になると共に、図６（Ａ）に示す状態とは逆極性の電圧（即ち、図４（Ｂ）に示す状態と同一極性の電圧）を第１圧電素子１０ａに印加すべく、第１スイッチング素子１１１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態になり、第２スイッチング素子１１２及び第３スイッチング素子１２１がオフ状態になって、第１圧電素子１０ａに電源から電流が流れる。そして、９回目のスイッチング動作終了後から或る所定時間の経過後には、コンデンサ１００では電荷５Ｑ／１６が維持されると共に、第１圧電素子１０ａに電荷Ｑが充電され、第１圧電素子１０ａの接続点ａ側が＋Ｑとなり、接続点ｂ側が−Ｑとなる。したがって、この場合では電源から電荷１１Ｑ／１６が供給される。
【００５９】
こうして、コンデンサ１００に蓄積されている電荷量は、異なるものの図４（Ｂ）のスイッチング状態に戻る。以後、第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２は、図４（Ｃ）の状態→図５（Ａ）の状態→図５（Ｂ）の状態→図６（Ａ）の状態→図６（Ｂ）の状態→図６（Ｃ）の状態→図７（Ａ）の状態→図７（Ｂ）の状態→図４（Ｃ）の状態→図５（Ａ）の状態→図５（Ｂ）の状態→図６（Ａ）の状態→図６（Ｂ）の状態→図６（Ｃ）の状態→図７（Ａ）の状態→図７（Ｂ）の状態のようにスイッチング動作を繰り返す。部分駆動回路５１ａは、第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２がこのようにスイッチング動作することによって、第１圧電素子１０ａを伸縮すると共にコンデンサ１００の電荷を充放電する。そして、コンデンサ１００は、充放電を繰り返していくと、やがて、電荷が一定値に収束する。
【００６０】
なお、各或る所定時間は、第１圧電素子１０ａの静電容量とその時に蓄積されている電荷、コンデンサ１００の静電容量とその時に蓄積されている電荷、及び、第１圧電素子１０ａとコンデンサ１００と第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２とから構成される回路中に生じる抵抗値等によって決まる時定数である。
【００６１】
ここで、コンデンサ１００の電荷が一定値に収束した後において、コンデンサ１００に最終的に残る電荷、即ち、図５（Ｂ）や図７（Ａ）に示すようにコンデンサ１００が第１圧電素子１０ａをプレ充電した後にコンデンサ１００に残存している電荷について次に説明する。
【００６２】
図８は、コンデンサの電荷が一定値に収束した場合における部分駆動回路の動作及びコンデンサの電荷の変化を説明するための図（その１）である。図９は、コンデンサの電荷が一定値に収束した場合における部分駆動回路の動作及びコンデンサの電荷の変化を説明するための図（その２）である。図８（Ａ）は、コンデンサの電荷が一定値に収束した場合における、駆動電圧の周期における図６（Ｂ）に示すスイッチング状態に相当する状態を示し、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す状態から１回目のスイッチング動作後の状態を示し、図９（Ａ）は、図８（Ａ）に示す状態から２回目のスイッチング動作後の状態を示し、図９（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す状態から３回目のスイッチング動作後の状態を示す。
【００６３】
図８（Ａ）において、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２は、オフ状態であると共に、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１は、オン状態であり、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２は、オフ状態である。このスイッチング動作では、第１圧電素子１０ａからコンデンサ１００に電流が流れて充電される。
【００６４】
この図８（Ａ）に示す状態から１回目のスイッチング動作では、部分駆動回路５１ａは、図８（Ｂ）に示すように、コンデンサ１００の電荷を閉じ込めるべく、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態とされると共に、第１圧電素子１０ａの電荷を放電すべく、第３スイッチング素子１２１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態とされ、第１スイッチング素子１１１及び第２スイッチング素子１１２がオフ状態とされる。このスイッチング動作では、コンデンサ１００の電荷が閉じ込められると共に、第１圧電素子１０ａから電流がグランドに流れて第１圧電素子１０ａの電荷が放電され、０になる。
【００６５】
図８（Ａ）に示す状態から２回目のスイッチング動作では、図９（Ａ）に示すように、プレ充電すべく、第１乃至第４スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２がオフ状態とされると共に、第６スイッチング素子１３２及び第７スイッチング素子１４１がオフ状態とされ、第５スイッチング素子１３１及び第８スイッチング素子１４２がオン状態とされる。このスイッチング動作では、第１圧電素子１０ａにコンデンサ１００から電流が流れ、プレ充電される。
【００６６】
図８（Ａ）に示す状態から３回目のスイッチング動作では、図９（Ｂ）に示すように、コンデンサ１００の電荷を閉じ込めるべく、第５乃至第８スイッチング素子１３１、１３２、１４１、１４２がオフ状態とされると共に、逆極性の電圧を第１圧電素子１０ａに印加すべく、第１スイッチング素子１１１及び第４スイッチング素子１２２がオン状態とされると共に、第２スイッチング素子１１２及び第３スイッチング素子１２１がオフ状態とされる。このスイッチング動作によって、第１圧電素子１０ａに電源から電流が流れ、伸長又は収縮される。
【００６７】
この図８（Ａ）の状態が図９（Ｂ）の状態になった場合において、コンデンサ１００に蓄積されている電荷の一般解を求める。
【００６８】
ここで、Ｃ１を圧電素子（本実施形態では第１圧電素子１０ａ）の静電容量、Ｃ２を圧電素子に並列に接続されたコンデンサ（本実施形態ではコンデンサ１００）の静電容量、Ｑを電源によって圧電素子が充電された場合における圧電素子に蓄積される電荷、及び、ａｎをコンデンサが圧電素子に電荷を供給した後にコンデンサに残存する電荷とすると、圧電素子とコンデンサとが並列接続され、上述の図８及び図９の説明から分かるように式１が成立する。
【００６９】
【数１】
この等比数列を初期値ａ１＝０の条件の下に解くと式２に収束することが分かる。
【００７１】
【数２】
なお、圧電アクチュエータの駆動周波数ｆは、一般に８０ｋＨｚから１４０ｋＨｚ程度であるから、瞬時に収束することになる。
【００７３】
また、本実施形態では、Ｃ１＝Ｃ２であるから図９（Ａ）の場合におけるコンデンサ１００に蓄積されている電荷は、図９（Ａ）に示すように１／３Ｑとなる。
【００７４】
一方、図８（Ａ）の場合における、圧電素子によってコンデンサが充電された場合におけるコンデンサの電荷ＱＣＡは、式３より式４となる。
【００７５】
【数３】
【数４】
本実施形態では、Ｃ１＝Ｃ２であるなるから図８（Ａ）の場合におけるコンデンサ１００に蓄積されている電荷は、図８（Ａ）に示すように、２／３Ｑとなる。
【００７８】
また、図８（Ａ）の場合における、圧電素子によってコンデンサが充電された場合における圧電素子の電荷ＱＰＡは、式５より式６となる。
【００７９】
【数５】
【数６】
本実施形態では、Ｃ１＝Ｃ２であるから図８（Ａ）の場合における第１圧電素子１０ａに蓄積されている電荷は、図８（Ａ）に示すように、２／３Ｑとなる。
【００８２】
そして、図９（Ａ）の場合における、コンデンサによって圧電素子が充電された場合における圧電素子の電荷ＱＰＣは、式７より式８となる。
【００８３】
【数７】
【数８】
本実施形態では、Ｃ１＝Ｃ２であるから図９（Ａ）の場合における第１圧電素子１０ａに蓄積されている電荷は、図９（Ａ）に示すように、１／３Ｑとなる。
【００８６】
式８から分かるように、コンデンサの静電容量が大きければ大きいほど、電荷ＱＰＣ、即ち、プレ充電される電荷が多くなる。このため、図９（Ｂ）で電源から圧電素子に供給される電荷が少なくて済むから、省電力化の効果が高くなる。計算の上では、例えば、Ｃ２＝Ｃ１の場合では、駆動電圧の半周期に電源から第１圧電素子に供給する電荷は、２Ｑ／３であるから、従来の２Ｑに較べて１／３の電荷供給で済み約６６．７％の省電力化が可能となる。また例えば、Ｃ２＝１０Ｃ１の場合では、駆動電圧の半周期に電源から第１圧電素子に供給する電荷は、１１Ｑ／２１であるから、従来の２Ｑに較べて１１／４２の供給電荷で済み約７３．８％の省電力化が可能となる。さらに例えば、Ｃ２＝１００Ｃ１の場合では、駆動電圧の半周期に電源から第１圧電素子に供給する電荷は、１０１Ｑ／２０１であるから、従来の２Ｑに較べて１０１／４０２の供給電荷で済み約７４．９％の省電力化が可能となる。コンデンサの静電容量Ｃ２を無限大と考えると、駆動電圧の半周期に電源から第１圧電素子に供給する電荷は、Ｑ／２であるから、従来の２Ｑに較べて１／４の供給電荷で済み７５％の省電力化が可能となる。従って、Ｃ２／Ｃ１≧１００とすれば、実質的に理論限界の省電力化が可能となる。
【００８７】
そして、上記の解析に基づき、第１圧電素子１０ａを駆動する駆動電圧の１周期における第１圧電素子１０ａの端子間電圧の時間的変化を図１０に示す。図１０の横軸は、時間ｔであり、縦軸は電圧Ｖである。
【００８８】
図１０において、第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２は、周期の始めから時間ｔ１までは、電源から電荷を供給することによって第１圧電素子１０ａを伸長（又は収縮）するステップであって、図４（Ｂ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電源の電圧＋Ｖｃｃが印加される。
【００８９】
時間ｔ１からｔ２までは、第１圧電素子１０ａの電荷でコンデンサ１００を充電するステップであって、図４（Ｃ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧Ｖｃｃ／（１＋α）が印加される。
【００９０】
時間ｔ２からｔ３までは、コンデンサ１００の電荷を維持しつつ第１圧電素子１０ａの電荷を放電するステップであって、図５（Ａ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａの電圧は０となる。
【００９１】
時間ｔ３からｔ４までは、コンデンサ１００の電荷で第１圧電素子１０ａをプレ充電するステップであって、図５（Ｂ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧αＶｃｃ／（１＋α）が印加される。
【００９２】
時間ｔ４からｔ５までは、電源から逆極性で電荷を供給することによって第１圧電素子１０ａを収縮（又は伸長）するステップであって、図６（Ａ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧−Ｖｃｃが印加される。
【００９３】
時間ｔ５からｔ６までは、第１圧電素子１０ａの電荷でコンデンサ１００を充電するステップであって、図６（Ｂ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧Ｖｃｃ／（１＋α）が印加される。
【００９４】
時間ｔ６からｔ７までは、コンデンサ１００の電荷を維持しつつ第１圧電素子１０ａの電荷を放電するステップであって、図６（Ｃ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａの電圧は０となる。
【００９５】
時間ｔ７からｔ８までは、コンデンサ１００の電荷で第１圧電素子１０ａをプレ充電するステップであって、図７（Ａ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧αＶｃｃ／（１＋α）が印加される。
【００９６】
時間ｔ８から次の周期の始めまでは、電源から逆極性で電荷を供給することによって第１圧電素子１０ａを伸長（又は収縮）するステップであって、図７（Ｂ）に示すスイッチング動作の状態にあり、第１圧電素子１０ａには電圧＋Ｖｃｃが印加される。即ち、図４（Ｂ）に示すスイッチング動作の状態に戻る。
【００９７】
このように駆動電圧は、階段状となり、擬似的な正弦波駆動を行うことができ、スイッチング時にＨブリッジ回路を構成する第１乃至第８スイッチング素子１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２に流れるいわゆる突入電流を小さくすることができる。このため、比較的安価なスイッチング素子を用いることができ、圧電アクチュエータを用いた駆動装置の低コスト化を図ることができる。同様の理由により、小型のスイッチング素子を用いることができるので、圧電アクチュエータを用いた駆動装置の小型化を図ることもできる。
【００９８】
次に、別の実施形態について説明する。
（第２の実施形態）
第１の実施形態は、トラス型圧電アクチュエータを駆動する駆動回路及びこの駆動回路を用いたトラス型圧電アクチュエータの駆動装置について説明したが、第２の実施形態は、インパクト型圧電アクチュエータを駆動する駆動回路及びこの駆動回路を用いたインパクト型圧電アクチュエータについて説明する。
【００９９】
図１１は、第２の実施形態におけるインパクト型圧電アクチュエータの構成を示す斜視図である。
【０１００】
図１１において、インパクト型圧電アクチュエータ４０は、圧電素子（電気機械変換素子）１０ｂ、支持部材４１、駆動部材４２及び移動部材４３を備えて構成される。
【０１０１】
支持部材４１は、圧電素子１０ｂと駆動部材４２とを保持する部品であり、円柱体の軸方向両端部４１１、４１２と略中央に位置する仕切壁４１３とを残して内部を刳り貫くことにより形成された第１収容空間４１４及び第２収容空間４１５を有している。この第１収容空間４１４には、圧電素子１０ｂがその分極方向である伸縮方向を支持部材４１の軸方向と一致させた状態で収容されている。第２収容空間４１５には、移動部材４３の一部と駆動部材４２とが収容されている。
【０１０２】
圧電素子１０ｂは、図２に示す圧電素子１０ａと同一の構成であり、説明を省略する。圧電素子１０ｂは、その伸縮方向である長手方向の一方端面が第１収容空間４１４の一方端面（端部４１１側端面）に固着されている。支持部材４１の他方端部４１２及び仕切壁４１３には、中心位置に駆動部材４２の断面形状に合わせた形状の孔が穿設されると共に、この両孔を貫通して棒状の駆動部材４２が第２収容空間４１５に軸方向に沿って移動可能に収容されている。圧電素子１０ｂの他方端面は、駆動部材４２の第１収容空間４１４内に突出した端部が固着される。
【０１０３】
第２収容空間４１５の外部に突出した駆動部材４２の端部は、板ばね４７により所定のばね圧で圧電素子１０ｂ側に付勢されている。この板ばね４７の付勢は、圧電素子１０ｂの伸縮動作に基づく駆動部材４２の軸方向変位を安定化させるためである。
【０１０４】
駆動部材４２は、圧電素子１０ｂの伸縮を移動部材４３の移動に変換すると共に、移動部材４３を支えるガイドである。駆動部材４２の断面形状は、円形、楕円及び矩形などの形状を適用することができるが、移動部材４３を安定的に支えスムーズに移動させることができるようにする観点から本実施の形態では、円形である。
【０１０５】
移動部材４３は、駆動部材４２の軸方向の両側に取付部４３１を有する基部４３２と、両取付部４３１の間に着装される挟込み部材４３３とを備える。基部４３２は、駆動部材４２に遊嵌される。挟込み部材４３３は、両取付部４３１に取り付けられた板ばね４３４によって駆動部材４２の方向に押圧され、駆動部材４２に接触する。この接触によって、移動部材４３は、所定の摩擦力で駆動部材４２と結合される。また、駆動対象物は、この移動部材４３の取付部４３１を用いて取り付けられる。
【０１０６】
このようなインパクト型圧電アクチュエータ４０は、図３に示す部分駆動回路５１ａと同様の構成である駆動回路を、図４乃至図７を用いて説明したように制御回路によってスイッチング動作を制御することで、高い省電力化を実現することができる。なお、インパクト型圧電アクチュエータ４０は、上述の構成の説明から分かるように圧電素子１０ｂは、１個であるから図３に示す部分駆動回路５１ａは、そのまま第２の実施形態におけるインパクト型圧電アクチュエータ４０の駆動回路となる。
【０１０７】
そして、インパクト型圧電アクチュエータ４０と、このような駆動回路及び制御回路とを備えて構成することで、高い省電力化を実現した、インパクト型圧電アクチュエータの駆動装置を得ることができる。
【０１０８】
最後に、インパクト型圧電アクチュエータの動作原理について簡単に説明する。図１２は、インパクト型圧電アクチュエータの動作原理を説明するための図である。図１２（Ａ）は、移動部材４３を正方向に移動させる場合において、駆動回路５０ｂから圧電素子１０ｂに出力される駆動電圧の電圧波形を示す図であり、図１２（Ｂ）は、これに対応する圧電素子１０ｂの伸縮による変位を示す図である。また、図１２（Ｃ）は、移動部材４３を逆方向に移動させる場合において、駆動回路５０ｂから圧電素子１０ｂに出力される駆動電圧の電圧波形を示す図であり、図１２（Ｄ）は、これに対応する圧電素子１０ｂの伸縮による変位を示す図である。ここで、正方向とは、移動部材４３が圧電素子１０ｂから駆動部材４２の先端部（板ばね４７によって付勢される端部）に向う方向であり、逆方向とは、移動部材４３が駆動部材４２のこの先端部から圧電素子１０ｂに向う方向である。
【０１０９】
図１２（Ａ）に示すようなデューティ比Ｄ３：７の矩形波状の駆動電圧が圧電素子１０ｂに印加された場合には、圧電素子１０ｂの変位は、図１２（Ｂ）に示すように緩慢な立ち上がり部Ｔａと急峻な立下り部Ｔｂとを有する鋸歯形状となることが確認されている。また、図１２（Ｃ）に示すようなデューティ比Ｄ７：３の矩形波状の駆動電圧が圧電素子１０ｂに印加された場合には、圧電素子１０ｂの変位は、図１２（Ｄ）に示すように急峻な立ち上がり部Ｔｃと緩慢な立下り部Ｔｄとを有する鋸歯形状となることが確認されている。
【０１１０】
圧電素子１０ｂの変位が図１２（Ｂ）に示すような緩慢な立ち上がり部Ｔａでは、圧電素子１０ｂが緩やかに伸長し、移動部材４３が駆動部材４２と共に正方向に移動する。そして、圧電素子１０ｂの変位が図１２（Ｂ）に示すような急峻な立ち下がり部Ｔｂでは、圧電素子１０ｂが急激に縮小し、駆動部材４２が逆方向に移動しても移動部材４３は、駆動部材４２上をスリップして略同位置に留まることになる。その結果、移動部材４３は、正方向に移動したことになる。したがって、図１２（Ａ）に示す矩形波の駆動電圧が圧電素子１０ｂに繰り返し印加されることで、移動部材４３は、正方向に間欠的に移動することになる。逆方向の移動原理も同様である。なお、デューティー比Ｄは、矩形波のハイレベルの時間をＴ１、ローレベルの時間をＴ２とすると、Ｔ１：Ｔ２である。
【０１１１】
ここで、本発明では、矩形波の立下り及び立上りの部分で、コンデンサ１００の充電、圧電素子１０ｂの放電及び圧電素子１０ｂのプレ充電を行うので、実際には、図１０に示すように階段状の立下り及び立上りとなる。
【０１１２】
以上、本明細書に開示された主な発明を以下にまとめる。
（付記１） 駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子に前記駆動電圧を印加する駆動電圧印加部と、前記電気機械変換素子に接続された場合に並列に接続されるコンデンサと前記電気機械変換素子との間で電荷を充放電させる充放電部と、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子に充電されている電荷を前記コンデンサに充電した後に、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電するように、前記駆動電圧印加部及び前記充放電部を制御する制御部とを備えることを特徴とする電気機械変換素子の駆動回路。
【０１１３】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、駆動電圧の極性を反転させる間に、電気機械変換素子に充電（蓄積）されている電荷を一旦コンデンサに充電させ、この電荷を電気機械変換素子に極性を反転して再充電するので、電気機械変換素子に充電されている電荷を有効に活用することができ、このように有効に活用しない従来の駆動回路に較べて省電力化を図ることができる。
【０１１４】
（付記２） 前記制御部は、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子に充電されている電荷を前記コンデンサに充電した後に、前記電気機械変換素子に残存している電荷を放電してから、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電するように、前記駆動電圧印加回路及び前記充放電回路を制御することを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換素子の駆動回路。
【０１１５】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、コンデンサで電気機械変換素子を再充電する前に、電気機械変換素子の電荷を放電するので、コンデンサに充電した電荷をさらに有効に活用することができ、その結果、より省電力化を測ることができ、より小型のコンデンサを用いることができる。
【０１１６】
（付記３） 前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量以上であることを特徴とする付記１又は付記２に記載の電気機械変換素子の駆動回路。
【０１１７】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、コンデンサの静電容量が電気機械変換素子の静電容量以上であるので、コンデンサに充電される電荷の方が電気機械変換素子に残る残存電荷よりも多くすることができるので、より省電力化を図ることができる。
【０１１８】
（付記４） 前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量の１０倍以上であることを特徴とする付記１乃至付記３の何れかの付記に記載の電気機械変換素子の駆動回路。
【０１１９】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、コンデンサの静電容量が電気機械変換素子の静電容量の１０倍以上であるので、計算上、従来に較べて約７３．８％の省電力化を図ることができ、理論限界に近い省電力化となる。
【０１２０】
（付記５） 前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量の１００倍以上であることを特徴とする付記１乃至付記４の何れかの付記に記載の電気機械変換素子の駆動回路。
【０１２１】
このような構成の電気機械変換素子の駆動回路は、コンデンサの静電容量が電気機械変換素子の静電容量の１０倍以上であるので、計算上、従来に較べて約７４．９％の省電力化を図ることができ、実質的に理論限界の省電力化となる。
【０１２２】
（付記６）駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子を駆動する電気機械変換素子の駆動方法において、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子と並列に接続されるコンデンサに前記電気機械変換素子から電荷を充電する第１ステップと、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電する第２ステップとを備えることを特徴とする電気機械変換素子の駆動方法。このような電気機械変換素子の駆動方法は、付記１に記載の電気機械変換素子の駆動回路と同様の作用効果を有する。
【０１２３】
（付記７）前記第１ステップと前記第２ステップとの間に、前記電気機械変換素子に残存する電荷を放電するステップを行うことを特徴とする付記６に記載の電気機械変換素子の駆動方法。このような電気機械変換素子の駆動方法は、付記２に記載の電気機械変換素子の駆動回路と同様の作用効果を有する。
【０１２４】
（付記８）前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量以上であることを特徴とする付記６又は付記７に記載の電気機械変換素子の駆動方法。このような電気機械変換素子の駆動方法は、付記３に記載の電気機械変換素子の駆動回路と同様の作用効果を有する。
【０１２５】
（付記９）前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量の１０倍以上であることを特徴とする付記６乃至付記８の何れかの付記に記載の電気機械変換素子の駆動方法。このような電気機械変換素子の駆動方法は、付記４に記載の電気機械変換素子の駆動回路と同様の作用効果を有する。
【０１２６】
（付記１０）前記コンデンサの静電容量は、前記電気機械変換素子の静電容量の１００倍以上であることを特徴とする付記６乃至付記９の何れかの付記に記載の電気機械変換素子の駆動方法。このような電気機械変換素子の駆動方法は、付記１に記載の電気機械変換素子の駆動回路と同様の作用効果を有する。
【０１２７】
（付記１１）ベース部材と、前記ベース部材に支持され駆動電圧が印加されることにより伸縮する第１電気機械変換素子と、前記ベース部材に支持され変位可能な第２電気機械変換素子と、前記第１電気機械変換素子と前記第２電気機械変換素子のそれぞれに結合された変位合成部材と、前記変位合成部材が楕円運動を行うように少なくとも前記第１電気機械変換素子を駆動する駆動回路とを備える駆動装置において、前記駆動回路は、付記１乃至付記５の何れかの付記に記載の駆動回路であることを特徴とする駆動装置。
【０１２８】
（付記１２）駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における一方端に固定された支持部材と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における他方端に固定された駆動部材と、前記駆動部材に摩擦力を有して係合された係合部材と、前記電気機械変換素子を駆動する駆動回路とを備え、前記電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで前記支持部材と前記係合部材とを相対移動させる駆動装置において、前記駆動回路は、付記１乃至付記５の何れかの付記に記載の駆動回路であることを特徴とする駆動装置。
【０１２９】
このような電気機械変換素子を用いた駆動装置は、電気機械変換素子の駆動回路に付記１乃至付記５の何れかの付記に記載の駆動回路を用いるので、省電力化を図ることができる。
【０１３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る電気機械変換素子の駆動回路及び駆動方法並びに駆動装置は、駆動電圧の極性を反転させる間に、電気機械変換素子に充電されている電荷を一旦コンデンサに充電させ、この電荷を電気機械変換素子に極性を反転して再充電するので、電気機械変換素子に充電されている電荷を有効に活用することができ、このように有効に活用しない従来の駆動回路に較べて省電力化を図ることができる。
【０１３１】
そして、駆動電圧の極性を反転する間に、電気機械変換素子に充電されている電荷を一旦コンデンサに充電させ、この電荷を電気機械変換素子に極性を反転して再充電するので、擬似的な正弦波駆動となり、駆動回路に用いるスイッチング素子に流れる突入電流が小さくなる。そのため、比較的安価なスイッチング素子を駆動回路に用いることができ、駆動回路及び駆動装置のコストダウンを図ることができる。さらに、このように突入電流が小さくなるので、小型のスイッチング素子を駆動回路に用いることができ、駆動回路及び駆動装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１の実施形態におけるトラス型圧電アクチュエータの駆動装置の構成を示す図である。
【図２】積層型圧電素子の構造を示す図である。
【図３】第１の実施形態におけるトラス型圧電アクチュエータの駆動回路の一部分を示す回路図である。
【図４】部分駆動回路の動作を説明するための図（その１）である。
【図５】部分駆動回路の動作を説明するための図（その２）である。
【図６】部分駆動回路の動作を説明するための図（その３）である。
【図７】部分駆動回路の動作を説明するための図（その４）である。
【図８】コンデンサの電荷が一定値に収束した場合における部分駆動回路の動作及びコンデンサの電荷の変化を説明するための図（その１）である。
【図９】コンデンサの電荷が一定値に収束した場合における部分駆動回路の動作及びコンデンサの電荷の変化を説明するための図（その２）である。
【図１０】駆動電圧の１周期における第１圧電素子の端子間電圧の時間的変化を示す図である。
【図１１】第２の実施形態におけるインパクト型圧電アクチュエータの構成を示す斜視図である。
【図１２】インパクト型圧電アクチュエータの動作原理を説明するための図である。
【図１３】従来の圧電素子の駆動回路の構成及び駆動中における駆動回路の状態を示す図である。
【符号の説明】
１０ａ 第１圧電素子（第１電気機械変換素子）
１０ａ’ 第２圧電素子（第２電気機械変換素子）
１０ｂ 圧電素子（電気機械変換素子）
５０ａ 駆動回路
６０ａ 制御回路
１００ コンデンサ
１１１ 第１スイッチング素子
１１２ 第２スイッチング素子
１２１ 第３スイッチング素子
１２２ 第４スイッチング素子
１３１ 第５スイッチング素子
１３２ 第６スイッチング素子
１４１ 第７スイッチング素子
１４２ 第８スイッチング素子
Claims (5)
- 駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子に前記駆動電圧を印加する駆動電圧印加部と、
前記電気機械変換素子に接続された場合に並列に接続されるコンデンサと前記電気機械変換素子との間で電荷を充放電させる充放電部と、
前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子に充電されている電荷を前記コンデンサに充電した後に、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電するように、前記駆動電圧印加部及び前記充放電部を制御する制御部とを備えること
を特徴とする電気機械変換素子の駆動回路。 - 前記制御部は、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、前記電気機械変換素子に充電されている電荷を前記コンデンサに充電した後に、前記電気機械変換素子に残存している電荷を放電してから、前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電するように、前記駆動電圧印加回路及び前記充放電回路を制御すること
を特徴とする請求項１に記載の電気機械変換素子の駆動回路。 - 駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子を駆動する電気機械変換素子の駆動方法において、
前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の極性を反転する間に、
前記電気機械変換素子と並列に接続されるコンデンサに前記電気機械変換素子から電荷を充電する第１ステップと、
前記コンデンサに充電した電荷を前記電気機械変換素子に極性を反転して再充電する第２ステップとを備えること
を特徴とする電気機械変換素子の駆動方法。 - ベース部材と、前記ベース部材に支持され駆動電圧が印加されることにより伸縮する第１電気機械変換素子と、前記ベース部材に支持され変位可能な第２電気機械変換素子と、前記第１電気機械変換素子と前記第２電気機械変換素子のそれぞれに結合された変位合成部材と、前記変位合成部材が楕円運動を行うように少なくとも前記第１電気機械変換素子を駆動する駆動回路とを備える駆動装置において、
前記駆動回路は、請求項１又は請求項２に記載の駆動回路であること
を特徴とする駆動装置。 - 駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における一方端に固定された支持部材と、前記電気機械変換素子の伸縮方向における他方端に固定された駆動部材と、前記駆動部材に摩擦力を有して係合された係合部材と、前記電気機械変換素子を駆動する駆動回路とを備え、前記電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで前記支持部材と前記係合部材とを相対移動させる駆動装置において、
前記駆動回路は、請求項１又は請求項２に記載の駆動回路であること
を特徴とする駆動装置。
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| JP2003041661A JP2004254412A (ja) | 2003-02-19 | 2003-02-19 | 電気機械変換素子の駆動回路及び駆動方法並びに駆動装置 |
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2003
- 2003-02-19 JP JP2003041661A patent/JP2004254412A/ja not_active Withdrawn
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