JP2005237144A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電アクチュエータに関し、特にはXY移動ステージ、カメラの撮影レンズ、オーバヘッドプロジェクタの投影レンズ、双眼鏡のレンズ等の駆動に適した圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator, and more particularly to a piezoelectric actuator suitable for driving an XY moving stage, a camera photographing lens, a projection lens of an overhead projector, a binocular lens, and the like.
従来、撮影レンズ等が取りつけられた係合部材を棒状の駆動部材に所定の摩擦力で摩擦係合させると共に、その駆動部材の一方端に圧電素子を固着して構成されたインパクト型圧電アクチュエータが知られている。例えば、図10は、カメラの撮影レンズ位置を調節するための圧電アクチュエータの概略構成を示す図であり、図11は圧電アクチュエータの駆動部材の変位を示す図である。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been an impact type piezoelectric actuator configured such that an engaging member to which a photographic lens or the like is attached is frictionally engaged with a rod-like driving member with a predetermined frictional force, and a piezoelectric element is fixed to one end of the driving member. Are known. For example, FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration of a piezoelectric actuator for adjusting the photographing lens position of the camera, and FIG. 11 is a diagram showing displacement of a driving member of the piezoelectric actuator.
図10に示す圧電アクチュエータ100は、圧電素子101と、圧電素子101により駆動される棒状の駆動部材102と、駆動部材102に所定の摩擦力で摩擦係合された係合部材103と、圧電素子101に駆動電圧を印加する駆動回路104とを備えている。
A
圧電素子101は、駆動回路104によって印加される駆動電圧に応じて伸縮するものであり、その伸縮方向における一方端が駆動部材102の軸方向における一方端に固着されている。係合部材103は、所定箇所に駆動対象物である撮影レンズLが固着され、駆動部材102上を軸方向に沿って移動可能とされている。
The
この圧電アクチュエータに用いられる駆動回路は、例えば、特開2000−350482号公報(特許文献1)に開示されている。特許文献1に開示されている駆動回路は、図12に示すように、H型ブリッジ回路で構成され、駆動用Pチャンネル型FET(電界効果トランジスタ)71、73、駆動用Nチャンネル型FET72、74を備えている。各FETは制御回路104aにその制御端子が接続されており、制御回路104aからの制御信号を受けて各FET71〜74の導通状態及び遮断状態の切り替えを行う。
A drive circuit used for this piezoelectric actuator is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-350482 (Patent Document 1). As shown in FIG. 12, the drive circuit disclosed in Patent Document 1 is configured by an H-type bridge circuit, and includes drive P-channel FETs (field effect transistors) 71 and 73, drive N-
図13は図12の圧電アクチュエータの動作シーケンスを表すタイミングチャートであり、各FETのゲート対地電池と圧電素子101に印加される電圧を示している。Pチャンネル型FET(71、73)はゲート電圧が0(v)の場合に導通状態となり、ゲート電圧がE(v)の場合に遮断状態となる。Nチャンネル型FET(72、74)はゲート電圧が0(v)の場合に遮断状態となり、ゲート電圧がE(v)の場合に導通状態となる。例えば図13における期間Aの場合、FET73のゲート対地電圧がE(v)、FET71のゲート対地電圧が0(v)、FET74のゲート対地電圧が0(v)、FET72のゲート対地電圧がE(v)なので、FET71とFET72のみが導通状態になり、圧電素子101には+E(v)の電圧が印加される。逆に期間Bの場合、FET73と74のみが導通状態になるので、電圧素子101には−E(v)の電圧が印加される。以上のように、図13のタイミングチャートから圧電素子101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。
FIG. 13 is a timing chart showing the operation sequence of the piezoelectric actuator of FIG. 12, and shows the voltage applied to the gate-to-ground battery and the
また、圧電アクチュエータの駆動回路の他の例としては、特開2001−211669号公報(特許文献2)に開示されているものがある。この駆動回路は、特許文献1に開示されている駆動回路と同じ図12に示す回路構成を有している。図14は、特許文献2に記された圧電アクチュエータの動作シーケンスを表すタイミングチャートである。特許文献1に記載の駆動回路との違いは、圧電素子101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14における期間Aと期間Bは図13で示した期間Aと期間Bと同じ動作パターンである。期間Cにおいては、FET71とFET73のゲート対地電圧がE(v)、FET72とFET74のゲート対地電圧がE(v)なので、FET72とFET74のみが導通状態となって、圧電素子2の両端電圧が短絡されることになる。従って、期間Aにおいて圧電素子101に充電された電荷は期間Cにおいて一旦放電され、期間Bにおいては期間Aの充電方向とは逆の方向に充電される。
Another example of a drive circuit for a piezoelectric actuator is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-21669 (Patent Document 2). This drive circuit has the same circuit configuration shown in FIG. 12 as the drive circuit disclosed in Patent Document 1. FIG. 14 is a timing chart showing an operation sequence of the piezoelectric actuator described in Patent Document 2. The difference from the drive circuit described in Patent Document 1 is that the electric charge charged in the
図13、14に示すように圧電素子に電圧が印加されると、そのデューティ比に応じて駆動部材に図11に示すような鋸歯状形状の変位が表れる。図11(a)を例にとって説明すると、図11(a)のAの初期状態では、ある図10(a)の状態から、(b)に示すように、緩やかな速度で駆動部材102と駆動部材102に摩擦係合された係合部材103が変位する。次に図11(a)のCでは、図10(c)に示すように、急峻な速度で駆動部材102の変位が元に戻るため、係合部材103と駆動部材102との摩擦係合部分に滑りが生じ、係合部材103は少しだけ戻る。これらの動作を繰り返すことによって係合部材103は駆動部材102上を圧電素子101から離れる方向に移動する。なお、図11(b)に示すような、駆動部材102が急峻な伸びと緩やかな縮みをもって変位すると、係合部材103は、圧電素子102に近づく方向に移動する。
しかし、上記の駆動回路は、上記のような構成を有するため、圧電素子101への印加電圧切り替え時に、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。すなわち、特開2000−350482号公報(特許文献1)の場合は、圧電素子101の両端電圧を+E(V)から−E(V)に急激に切り替えるため、突入電力IはI=2E/r (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。
However, since the above drive circuit has the above-described configuration, there is a problem in that a large inrush current flows and power consumption increases when switching the voltage applied to the
また、特開2001−211669号公報(特許文献2)の場合は圧電素子101の電荷を一旦放電してから逆方向に充電するため、突入電流IはI=E/r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ない。さらに図10に示した圧電アクチュエータなど、摩擦を介して駆動力を発生するアクチュエータは長期間、特に高湿環境下に放置すると摩擦接触部が固着する現象が発生し、係合部材103が駆動部材102上を移動しないという問題が生じることがあり、この状態から脱出させるためには駆動部材をより大きく駆動させる必要があり、このために例えば高い電圧を印加できるようにする必要がある。
In the case of Japanese Patent Laid-Open No. 2001-21669 (Patent Document 2), since the electric charge of the
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、突入電流を少なくして、消費電力を低く抑えるとともに、固着状態から容易に脱出させることができるように、高い電圧を印加可能な圧電アクチュエータを提供することである。 Therefore, the technical problem to be solved by the present invention is to provide a piezoelectric actuator capable of applying a high voltage so that inrush current can be reduced, power consumption can be kept low, and the fixed state can be easily escaped. Is to provide.
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の圧電アクチュエータを提供する。 In order to solve the above technical problem, the present invention provides a piezoelectric actuator having the following configuration.
本発明の第1態様は、駆動電圧が印加されることにより伸縮する圧電素子と、該圧電素子の伸縮方向における一方端に固着された駆動部材と、該駆動部材に摩擦係合された係合部材と、前記圧電素子を駆動する駆動回路と、該駆動回路の動作を制御する駆動制御手段とから構成され、前記圧電素子を伸びと縮みが異なる速度となるように伸縮させることで前記駆動部材と前記係合部材とを相対移動させる圧電アクチュエータにおいて、
前記駆動回路は、前記圧電素子に電極の一方側から駆動電圧を印加して充電する第1の駆動回路と、前記圧電素子に電極の他方側から駆動電圧を印加して充電する第2の駆動回路と、各駆動回路により圧電素子に充電された電荷を放電する放電回路と、前記各駆動回路及び前記放電回路の一部を構成し前記圧電素子と直列に接続された誘導性素子とを備え、
前記駆動制御手段は、前記第1の駆動回路と第2の駆動回路とをそれぞれ交互に駆動させると共に、前記第1の駆動回路と第2の駆動回路の駆動期間の間に前記放電回路をその駆動時間を変更可能に制御して駆動可能とし、前記各駆動回路同士間の駆動切り替え時及び前記各駆動回路から放電回路への駆動切り替え時において前記圧電素子の容量成分と前記誘導性素子の誘導成分により誘起される電気的な振動を前記圧電素子に印加することを特徴とする圧電アクチュエータである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element that expands and contracts when a driving voltage is applied, a driving member that is fixed to one end of the piezoelectric element in the extending and contracting direction, and an engagement that is frictionally engaged with the driving member. The drive member is composed of a member, a drive circuit for driving the piezoelectric element, and a drive control means for controlling the operation of the drive circuit, and the piezoelectric element is expanded and contracted so as to have different speeds of expansion and contraction. And a piezoelectric actuator for relatively moving the engaging member,
The drive circuit includes a first drive circuit that charges the piezoelectric element by applying a drive voltage from one side of the electrode, and a second drive that charges the piezoelectric element by applying a drive voltage from the other side of the electrode. A circuit, a discharge circuit that discharges the electric charge charged in the piezoelectric element by each drive circuit, and an inductive element that forms a part of each drive circuit and the discharge circuit and is connected in series with the piezoelectric element. ,
The drive control means alternately drives the first drive circuit and the second drive circuit, and sets the discharge circuit during the drive period of the first drive circuit and the second drive circuit. The drive time can be controlled to be changeable to enable driving, and the capacitive component of the piezoelectric element and the induction of the inductive element at the time of drive switching between the drive circuits and at the time of drive switching from the drive circuit to the discharge circuit. The piezoelectric actuator is characterized in that an electrical vibration induced by a component is applied to the piezoelectric element.
上記構成において、第1及び第2の駆動回路は圧電素子に互いに逆方向から駆動電圧を印加するものであり、駆動制御手段の制御により交互に駆動する。このとき、第1の駆動回路及び第2の駆動回路の切り替え時においては、この第1の駆動回路及び第2の駆動回路の切り替え時に誘導性素子及び圧電素子により、電気的な振動が発生する。したがって、切り替え直後には、切り替え後に駆動する駆動回路により印加される駆動電圧と圧電素子の容量成分と誘導性素子の誘導成分により発生した電気的な振動が圧電素子に印加されるため、圧電素子により大きい電圧が印加されることとなる。 In the above configuration, the first and second drive circuits apply drive voltages to the piezoelectric elements from opposite directions, and are driven alternately under the control of the drive control means. At this time, when the first drive circuit and the second drive circuit are switched, an electric vibration is generated by the inductive element and the piezoelectric element when the first drive circuit and the second drive circuit are switched. . Therefore, immediately after the switching, since the drive voltage applied by the driving circuit that is driven after the switching, the capacitance component of the piezoelectric element, and the electrical vibration generated by the inductive component of the inductive element are applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element A larger voltage will be applied to.
また、駆動制御手段は第1の駆動回路と第2の駆動回路の駆動期間の間に放電回路をその駆動時間を変更可能に制御して駆動することができ、第1の駆動回路の駆動の後に放電回路が駆動する場合は、第1の駆動回路により圧電素子に充電された電荷が第2の駆動回路により圧電素子に逆方向に充電される前に放電回路により放電される。また、第2の駆動回路の駆動の後に放電回路が駆動する場合は、第2の駆動回路により圧電素子に逆方向に充電された電荷が第1の駆動回路により圧電素子に逆方向に充電される前に放電回路により放電される。この放電回路における放電時においても、誘導性素子及び圧電素子により誘導性電位が発生する。但し、逆方向に充電される電荷は、第1の駆動回路と第2の駆動回路の抵抗によって正方向に充電されていた電荷までは到達せず、それよりも低い範囲の値となる。よって、電源からは、放電回路から第1又は第2の駆動回路に移行した瞬間にその不足電荷のみを供給すればよい。従って、一旦充電された電荷の一部を逆方向の充電に使用すると共に突入電流を抑制でき、少ない消費電力で圧電素子に正負の交流電圧を印加することが可能になる。 Further, the drive control means can drive the discharge circuit so that the drive time can be changed during the drive period of the first drive circuit and the second drive circuit. When the discharge circuit is driven later, the electric charge charged in the piezoelectric element by the first drive circuit is discharged by the discharge circuit before the piezoelectric element is charged in the reverse direction by the second drive circuit. In addition, when the discharge circuit is driven after driving the second drive circuit, the charge charged in the reverse direction to the piezoelectric element by the second drive circuit is charged in the reverse direction to the piezoelectric element by the first drive circuit. Before being discharged by the discharge circuit. An inductive potential is generated by the inductive element and the piezoelectric element even during discharge in the discharge circuit. However, the charge charged in the reverse direction does not reach the charge charged in the positive direction by the resistances of the first drive circuit and the second drive circuit, and has a value in a lower range. Therefore, it is sufficient to supply only the insufficient charge from the power source at the moment when the discharge circuit shifts to the first or second drive circuit. Therefore, a part of the charge once charged can be used for charging in the reverse direction and the inrush current can be suppressed, and a positive and negative AC voltage can be applied to the piezoelectric element with low power consumption.
本発明の第2態様は、駆動電圧が印加されることにより伸縮する圧電素子と、該圧電素子の伸縮方向における一方端に固着された駆動部材と、該駆動部材に摩擦係合された係合部材と、前記圧電素子を駆動する駆動回路と、該駆動回路の動作を制御する駆動制御手段とから構成され、前記圧電素子を伸びと縮みが異なる速度となるように伸縮させることで前記駆動部材と前記係合部材とを相対移動させる圧電アクチュエータにおいて、
前記駆動回路は、前記圧電素子に電極の一方側から駆動電圧を印加して充電する第1の駆動回路と、前記圧電素子に電極の他方側から駆動電圧を印加して充電する第2の駆動回路と、各駆動回路により圧電素子に充電された電荷を放電する放電回路と、前記第1の駆動回路及び前記放電回路の一部を構成し前記圧電素子と直列に接続された第1の誘導性素子と、前記第2の駆動回路及び前記放電回路の一部を構成し前記圧電素子と直列に接続された第2の誘導性素子と、を備え、
前記駆動制御手段は、前記第1の駆動回路と第2の駆動回路とをそれぞれ交互に駆動させると共に、前記第1の駆動回路と第2の駆動回路の駆動期間の間に前記放電回路をその駆動時間を変更可能に制御して駆動可能とし、前記各駆動回路同士間の駆動切り替え時及び前記各駆動回路から放電回路への駆動切り替え時において前記圧電素子の容量成分と前記各誘導性素子の誘導成分により誘起される電気的な振動を前記圧電素子に印加することを特徴とする圧電アクチュエータである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric element that expands and contracts when a driving voltage is applied, a driving member that is fixed to one end of the piezoelectric element in the extending and contracting direction, and an engagement that is frictionally engaged with the driving member. The drive member is composed of a member, a drive circuit for driving the piezoelectric element, and a drive control means for controlling the operation of the drive circuit, and the piezoelectric element is expanded and contracted so as to have different speeds of expansion and contraction. And a piezoelectric actuator for relatively moving the engaging member,
The drive circuit includes a first drive circuit that charges the piezoelectric element by applying a drive voltage from one side of the electrode, and a second drive that charges the piezoelectric element by applying a drive voltage from the other side of the electrode. A circuit, a discharge circuit for discharging the electric charge charged in the piezoelectric element by each drive circuit, and a first induction that forms part of the first drive circuit and the discharge circuit and is connected in series with the piezoelectric element And a second inductive element constituting a part of the second drive circuit and the discharge circuit and connected in series with the piezoelectric element,
The drive control means alternately drives the first drive circuit and the second drive circuit, and sets the discharge circuit during the drive period of the first drive circuit and the second drive circuit. The drive time is controlled to be changeable to enable driving, and the capacitance component of the piezoelectric element and the inductive element of each of the inductive elements at the time of driving switching between the driving circuits and at the time of switching driving from the driving circuit to the discharging circuit. The piezoelectric actuator is characterized in that an electrical vibration induced by an inductive component is applied to the piezoelectric element.
上記構成において、誘導性素子を2箇所に分け、例えばそのインダクタンスをそれぞれ半分して設けた場合であっても、第1の態様と比較して合計の容量値を同じであるため、消費電力削減効果は同じにすることができ、一方、第1及び第2の誘導素子と圧電素子の容量成分による振動周波数が高くなり、駆動部材の発生加速度を高くすることができる。よって、後述するように駆動部材と係合部材が固着した場合などにおいて、固着状態から脱出しやすくすることができる。 In the above configuration, even if the inductive element is divided into two places and the inductance is halved, for example, the total capacitance value is the same as that in the first embodiment, so that power consumption is reduced. The effect can be the same, while the vibration frequency due to the capacitive components of the first and second induction elements and the piezoelectric element is increased, and the generated acceleration of the drive member can be increased. Therefore, when the drive member and the engaging member are fixed as described later, it is possible to easily escape from the fixed state.
本発明の第3態様は、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圧電素子の一方端に接続された第1スイッチ手段と、一方端が前記圧電素子の他方端に接続され他方端が接地された第2スイッチ手段とで構成され、
前記第2の駆動回路は、一方端が前記電源に接続され他方端が前記圧電素子の他方端に接続された第3スイッチ手段と、一方端が前記圧電素子の一方端に接続され他方端が接地された第4スイッチ手段とで構成され、
前記放電回路は、前記第2スイッチ手段と第4スイッチ手段とで構成され、
前記第1スイッチ手段から第4スイッチ手段は、その制御端子が前記駆動制御手段に接続され、
前記駆動制御手段は、前記第1の駆動回路を駆動させるときは前記第1及び第2スイッチ手段を導通状態とすると共に前記第3及び第4スイッチ手段を切断状態とし、前記第2の駆動回路を駆動させるときは前記第1及び第2スイッチ手段を切断状態とすると共に前記第3及び第4スイッチ手段を導通状態とし、前記放電回路を駆動させるときは前記第2及び第4スイッチ手段を導通状態とすると共に前記第1及び第3スイッチ手段を切断状態とすることを特徴とする第1態様又は第2態様の圧電アクチュエータである。
According to a third aspect of the present invention, the first drive circuit includes a first switch means having one end connected to a power source and the other end connected to one end of the piezoelectric element, and one end connected to the other end of the piezoelectric element. A second switch means connected to one end and grounded at the other end;
The second drive circuit includes a third switch means having one end connected to the power source and the other end connected to the other end of the piezoelectric element, and one end connected to one end of the piezoelectric element and the other end connected to the other end of the piezoelectric element. Comprising a grounded fourth switch means;
The discharge circuit is composed of the second switch means and the fourth switch means,
The control terminals of the first switch means to the fourth switch means are connected to the drive control means,
The drive control means sets the first and second switch means in a conductive state and the third and fourth switch means in a disconnected state when driving the first drive circuit, and the second drive circuit. When driving the first and second switch means, the third and fourth switch means are turned on, and when driving the discharge circuit, the second and fourth switch means are turned on. The piezoelectric actuator according to the first aspect or the second aspect is characterized in that the first and third switch means are in a disconnected state while being in a state.
本発明の第4態様の圧電アクチュエータは、前記駆動制御手段が、前記圧電アクチュエータが停止状態から駆動状態に起動するとき、最初の所定の駆動回数における前記放電回路の駆動時間をその後に続く通常時の前記放電回路の駆動時間よりも短くすることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator according to the fourth aspect of the present invention, when the drive control unit starts from the stop state to the drive state, the drive time of the discharge circuit in the first predetermined number of drive times continues thereafter The driving time of the discharge circuit is shorter.
また、本発明の第5態様の圧電アクチュエータは、前記駆動制御手段は、前記係合部材が動作不能となった場合、前記放電回路の駆動時間を、通常時の駆動時間よりも短くすることを特徴とする。 In the piezoelectric actuator according to the fifth aspect of the present invention, when the engagement member becomes inoperable, the drive control unit makes the drive time of the discharge circuit shorter than the normal drive time. Features.
本発明の第6態様の圧電アクチュエータは、前記圧電素子の静電容量をC、前記誘導性素子のインダクタンスをLとした場合、通常駆動時間の前記放電回路の駆動時間を、π(L・C)1/2とすることを特徴とする。 In the piezoelectric actuator according to the sixth aspect of the present invention, when the capacitance of the piezoelectric element is C and the inductance of the inductive element is L, the driving time of the discharge circuit in the normal driving time is π (L · C ) Characteristic of 1/2 .
本発明にかかる圧電アクチュエータによれば、第1及び第2の駆動回路の駆動の間に設けられる放電回路の駆動時間を制御可能とすることで、圧電アクチュエータに駆動の態様を変更することができる。駆動時間を短くすることにより、誘導性素子の作用により圧電素子に印加される駆動電圧を高くすることができる。例えば、圧電アクチュエータが前記圧電素子に伸びと縮みの速度が異なる急峻な伸縮変位を発生させることで前記駆動部材と前記係合部材とを相対移動させるインパクト駆動型である場合は、圧電アクチュエータの長期間放置時などに発生する固着現象から容易に脱出させることができる。一方、駆動時間を長くすることにより消費電力を抑えることができ、圧電素子の静電容量をC、前記誘導性素子のインダクタンスをLとした場合、放電回路の駆動時間を、π(L・C)1/2とすることにより、消費電力を最小にすることができる。 According to the piezoelectric actuator according to the present invention, it is possible to change the driving mode of the piezoelectric actuator by making it possible to control the driving time of the discharge circuit provided between the driving of the first and second driving circuits. . By shortening the driving time, the driving voltage applied to the piezoelectric element can be increased by the action of the inductive element. For example, when the piezoelectric actuator is an impact drive type in which the drive member and the engagement member are moved relative to each other by generating a steep expansion / contraction displacement with different speeds of expansion and contraction in the piezoelectric element, the length of the piezoelectric actuator It is possible to easily escape from the sticking phenomenon that occurs when left for a period of time. On the other hand, power consumption can be suppressed by lengthening the driving time. When the capacitance of the piezoelectric element is C and the inductance of the inductive element is L, the driving time of the discharge circuit is π (L · C ) Power consumption can be minimized by setting it to 1/2 .
以下、本発明の各実施形態に係る圧電アクチュエータについて、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の実施形態に係るインパクト型圧電アクチュエータの基本構成を示す概略図である。図1において、圧電アクチュエータ10は、駆動部12と、駆動部12を駆動する駆動回路14と、駆動部12に取り付けられている係合部材であるスライダの位置を検出する部材センサ16と、駆動部12の基端に配設された基端センサ18と、駆動部12の先端に配設された先端センサ20と、全体の動作を制御する制御部22とを備えている。
Hereinafter, a piezoelectric actuator according to each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of an impact type piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a
図2は、駆動部12の構成例を示す斜視図である。この図において、駆動部12は、素子固定式構造のものであり、支持部材24、圧電素子26、棒状の駆動軸28及びスライダ30から構成されている。
FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration example of the
支持部材24は、圧電素子26及び駆動軸28を保持するものであり、円柱体の軸方向両端部241,242及び略中央の仕切壁243を残して内部を刳り貫くことにより形成された第1の収容空間244及び第2の収容空間245を有している。この第1の収容空間244には、圧電素子26がその分極方向である伸縮方向を支持部材24の軸方向と一致させて収容されている。また、第2の収容空間245には、駆動軸28とスライダ30の一部とが収容されている。
The
圧電素子26は、例えば、所要の厚みを有する複数枚の圧電基板を各圧電基板間に図示しない電極を介して積層することにより構成したものであり、電極に駆動電圧を印加することにより、圧電素子は変形する。その伸縮方向(積層方向)である長手方向の一方端面が第1の収容空間244の一方端部241側端面に固着されている。これらの支持部材24の他方端部242及び仕切壁243には中心位置に貫通孔が設けられ、これらの貫通孔を貫通して断面丸形状の棒状の駆動軸28が第2収容空間245に軸方向に沿って移動可能に収容されている。
The
駆動軸28の第1の収容空間244内に突出した端部は圧電素子26の他方端面に固着され、駆動軸28の第2の収容空間245の外部に突出した端部は板ばね32により所定のばね圧で圧電素子26側に付勢されている。この板ばね32による駆動軸28への付勢は、圧電素子26の伸縮動作に基づく駆動軸28の軸方向変位を安定化させるためである。
An end portion of the
スライダ30は、駆動軸28の軸方向の両側に取付部301を有する基部302と、両取付部301の間に装着される挟み込み部材303とを備えており、基部302が駆動軸28に遊嵌されると共に、挟み込み部材303が板ばね304により押圧されることにより駆動軸28に接触することでスライダ30が所定の摩擦力で駆動軸28に結合され、スライダ30に対してその摩擦力よりも大きな駆動力が作用したときに駆動軸28の軸方向に沿って移動可能とされている。なお、スライダ30には駆動対象物であるレンズL(図1参照)が取り付けられている。
The
部材センサ16は、スライダ30の移動可能範囲内に配設されており、MR(Magneto Resistive Effect)素子やPSD(Position Sensitive Device)素子等のセンサにより構成されている。また、基端センサ18及び先端センサ20は、フォトインタラプタ等のセンサにより構成されている。これにより、スライダ30の位置が部材センサ16により検出されることでスライダ30の所定位置への移動制御が可能となる一方、スライダ30の位置が基端センサ18及び先端センサ20で検出されることでスライダ30がそれ以上移動することが禁止される。
The member sensor 16 is disposed within a movable range of the
図3は、駆動回路14の構成例を示す図である。図3に示すように、駆動回路14は、駆動電源から駆動電圧+Eが供給される接続点aと、接地される接続点bとの間に、MOS型FETであるスイッチ素子Q1からなる第1スイッチ回路141及びMOS型FETであるスイッチ素子Q4からなる第4スイッチ回路144の直列回路が接続されると共に、MOS型FETであるスイッチ素子Q3からなる第3スイッチ回路143及びMOS型FETであるスイッチ素子Q2からなる第2スイッチ回路142の直列回路が接続され、各スイッチ回路141〜144に駆動制御信号Sc1,Sc2,Sc3,Sc4を供給する制御信号供給手段としての制御回路145が接続されて構成されている。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the
第1スイッチ回路141を構成するスイッチ素子Q1及び第3スイッチ回路143を構成するスイッチ素子Q3はPチャネルFETであり、第2スイッチ回路142を構成するスイッチ素子Q2及び第4スイッチ回路144を構成するスイッチ素子Q4はNチャネルFETである。PチャネルFETであるスイッチ素子Q1,Q3は駆動制御信号がローレベルのときにオンになり、NチャネルFETであるスイッチ素子Q2,Q4は駆動制御信号がハイレベルのときにオンになる。なお、第1スイッチ回路141及び第4スイッチ回路144の接続点cと、第3スイッチ回路143及び第2スイッチ回路142の接続点dとの間に圧電素子26が接続されてブリッジ回路147が構成されている。当該ブリッジ回路には、接続点cと接続点dとの間に、圧電素子26と直列に誘導性素子146が設けられている。
The switch element Q1 constituting the
このように構成された駆動回路14において、第1スイッチ回路141及び第2スイッチ回路142は圧電素子26に対し、その一方側から駆動電圧+Eを印加して端子間電圧Vsが+Eとなるまで充電する第1の駆動回路を構成し、第4スイッチ回路144及び第3スイッチ回路143は圧電素子26に対し、その他方側から(すなわち、逆方向から)駆動電圧+Eを印加して端子間電圧Vsが−Eとなるまで充電する第2の駆動回路を構成する。
In the
このように駆動回路14と圧電素子26とでブリッジ回路147を構成した場合、圧電素子26の両電極間には−E〜+Eの電圧が印加されるので、圧電素子26の駆動電圧振幅が2Eとなる結果、駆動電源は低電圧であっても変位量の大きい圧電アクチュエータ10を得ることができる。
When the
圧電アクチュエータの制御部22(図1参照)は、演算処理を行うCPU、処理プログラム及びデータが記憶されたROM及びデータを一時的に記憶するRAM等を備え、部材センサ16等から入力される信号に基づいて制御回路145から所定のデューティ比の駆動パルスを出力させ、この駆動パルスにより第1の駆動回路及び第2の駆動回路を交互に駆動する。すなわち、制御部22及び制御回路145は、第1スイッチ回路141、第2スイッチ回路142及び誘導性素子146からなる第1の駆動回路と、第4スイッチ回路144、第3スイッチ回路143及び誘導性素子146からなる第2の駆動回路とを交互に駆動する一方、後述する第2スイッチ回路142、第4スイッチ回路144及び誘導性素子146からなる放電回路を駆動する駆動制御手段を構成する。誘導性素子146は、第1の駆動回路、第2の駆動回路及び放電回路のすべての回路についてその一部を構成する。
The piezoelectric actuator control unit 22 (see FIG. 1) includes a CPU that performs arithmetic processing, a ROM that stores processing programs and data, a RAM that temporarily stores data, and the like, and signals that are input from the member sensor 16 and the like. The
次に、駆動回路14の動作原理について説明する。図4は、駆動回路14の駆動電圧のパルス波形を示す図であり、(a)はデューティ比D(D=N/M)が0.3になるように設定されたもの、(b)はデューティ比D(D=N/M)が0.7になるように設定されたものである。後述するように、図4(a)に示す矩形波からなる駆動電圧が圧電素子26に印加された場合はスライダ30が駆動軸28に沿って繰出方向(圧電素子26から離反する方向)に移動し、図4(b)に示す矩形波からなる駆動電圧が圧電素子26に印加された場合はスライダ30が駆動軸28に沿って戻り方向に移動する。
Next, the operation principle of the
なお、矩形波からなる駆動電圧のデューティ比とスライダ30の移動方向との関係を確認した結果、図5に示すような関係を有している。すなわち、デューティ比Dが0.05〜0.45の範囲内(0.05<D<0.45)にあるときには、スライダ30は繰出方向に移動し、デューティ比Dが0.55〜0.95の範囲内(0.55<D<0.95)にあるときには、スライダ30は戻り方向に移動する。従って、デューティ比Dは、必要に応じて0.05<D<0.45又は0.55<D<0.95の範囲内で適宜設定することができる。
In addition, as a result of confirming the relationship between the duty ratio of the drive voltage composed of a rectangular wave and the moving direction of the
図6は、圧電素子に印加される駆動回路からの駆動電圧のパルス波形と、圧電素子の伸縮による変位との対応関係を示す図で、(a)は図4(a)に示す駆動電圧が印加された場合であり、(b)は図4(b)に示す駆動電圧が印加された場合をそれぞれ示している。このように、圧電素子26に図4(a)に示すデューティ比0.3の駆動電圧が印加された場合は圧電素子26の変位波形が緩慢な立ち上がり部と急峻な立ち下がり部とを有する鋸歯形状となり、圧電素子26に図4(b)に示すデューティ比0.7の駆動電圧が印加された場合は圧電素子26の変位波形が急峻な立ち上がり部と緩慢な立ち下がり部とを有する鋸歯形状となる。
FIG. 6 is a diagram showing the correspondence between the pulse waveform of the drive voltage applied from the drive circuit applied to the piezoelectric element and the displacement due to the expansion and contraction of the piezoelectric element. FIG. FIG. 4B shows a case where the drive voltage shown in FIG. 4B is applied. As described above, when a drive voltage having a duty ratio of 0.3 shown in FIG. 4A is applied to the
圧電素子26の変位が図6(a)に示すような緩やかな立ち上がり部を有し、緩やかに伸長するときは、スライダ30が駆動軸28と共に繰出方向に移動する。一方、圧電素子26の変位が図6(a)に示すような急峻な立下り部を有し、圧電素子26が急激に縮小するときは、駆動軸28が戻り方向に移動してもスライダ30は駆動軸28との摩擦力に打ち勝って略同じ位置に留まり移動しない。このため、図6(a)に示す駆動電圧が圧電素子26に繰り返し印加されることで、スライダ30は繰出方向に間欠的に移動することになる。
When the displacement of the
また、逆に圧電素子26の変位が図6(b)に示すような急峻な立ち上がりと緩やかな立下り部を有するときは、図6(b)に示す駆動電圧が圧電素子26に繰り返し印加されることで、スライダ30は戻り方向に間欠的に移動する。
Conversely, when the displacement of the
図7及び図8は、本実施形態に係る圧電アクチュエータ10に適用される駆動回路14の動作説明を行うための図で、図3に示す駆動回路14を制御する制御回路145から出力されて各スイッチ素子Q1〜Q4に印加される駆動パルスと、圧電素子26に印加される駆動電圧の波形とを示している。上述したように圧電素子26に印加される駆動電圧は、矩形波からなるものであり、繰出方向における波形についてはデューティ比Dが0.3に設定され、戻り方向の波形についてはデューティ比Dが0.7に設定される。
7 and 8 are diagrams for explaining the operation of the
次に本発明の圧電アクチュエータ10に適用される駆動回路14の駆動動作について説明する。図7は、本発明の実施形態である圧電アクチュエータの通常時の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。スイッチ素子Q1,Q2が共にオンになる期間(このとき、スイッチ素子Q3,Q4は共にオフ)を期間A、この期間Aの後に形成されるスイッチ素子Q2,Q4が共にオンになる期間(このとき、スイッチ素子Q1,Q3は共にオフ)を期間C、この期間Cの後に形成されるスイッチ素子Q3,Q4が共にオンになる期間(このとき、スイッチ素子Q1,Q2は共にオフ)を期間B、この期間Bの後に形成されるスイッチ素子Q2,Q4が共にオンになる期間(このとき、スイッチ素子Q1,Q3は共にオフ)を期間Dとする。
Next, the drive operation of the
図7に示すように、期間Aでは、制御回路145からハイレベルの駆動制御信号Sc2,Sc3がスイッチ素子Q2,Q3に入力され、ローレベルの駆動制御信号Sc1,Sc4がスイッチ素子Q1,Q4に入力される。また、期間Bでは、ローレベルの駆動制御信号Sc3,Sc4がスイッチ素子Q3,Q4に入力され、ハイレベルの駆動制御信号Sc1,Sc4がスイッチ素子Q1,Q4に入力される。制御回路145から上記のような駆動制御信号が繰り返し出力されることにより、スイッチ素子Q1,Q2及びスイッチ素子Q4,Q3が所定の周期で交互にオン、オフを繰り返すことになる。すなわち、スイッチ素子Q1,Q2がオンのとき(期間A)には圧電素子26は+Eに充電され、スイッチ素子Q4,Q3がオンのとき(期間B)には圧電素子26は−Eに充電される。
As shown in FIG. 7, in the period A, high level drive control signals Sc2 and Sc3 are input from the
制御回路145は、スイッチ素子Q1,Q2の駆動期間である圧電素子26に対する充電期間(期間A)と、スイッチ素子Q4,Q3の駆動期間である圧電素子26に対する充電期間(期間B)との間には、スイッチ素子Q2,Q4の駆動により圧電素子26に充電されている電荷を放電させる放電期間(期間C、期間D)が形成されるように制御信号を発信することができる。スイッチ素子Q2,Q4が同時にオンとなっているときは、圧電素子26の両極を短絡させるような回路構成となり、圧電素子26に充電されている電荷を放電させる放電回路を構成する。
The
具体的には、スイッチ素子Q1,Q2が共にオンになって圧電素子26に駆動電圧Vpが印加されて充電が行われた後(期間A)、スイッチ素子Q3,Q4が共にオンになる(期間B)前にスイッチ素子Q2,Q4が共にオンになる期間(期間C)が形成される。このとき、圧電素子26に充電されていた+Eの電荷がスイッチ素子Q2,Q4を介して放電される。
Specifically, after both of the switch elements Q1 and Q2 are turned on and the drive voltage Vp is applied to the
また、スイッチ素子Q4,Q3が共にオンになって圧電素子26に逆方向から駆動電圧Eが印加されて充電が行われた後(期間B)、スイッチ素子Q1,Q2が共にオンになる(期間A)前にスイッチ素子Q2,Q4が共にオンになる期間(期間D)が形成される。このとき、圧電素子26に充電されていた−Eの電荷がスイッチ素子Q2,Q4を介して放電される。
Further, after both the switch elements Q4 and Q3 are turned on and the
期間C、期間Dでは、誘導性素子146の誘導成分と圧電素子26の容量成分による電気的振動が発生し、圧電素子26の両端電圧は逆転する。圧電素子26の容量をC、誘導性素子146のインダクタンスをLとし、スイッチ素子Q2,Q4の抵抗を無視すると、期間C、期間Dにおける圧電素子の両端電圧Ecの挙動は以下の式で表すことができる。
In the period C and the period D, electrical vibration is generated by the inductive component of the
すなわち、期間Aの直後、時刻t=0においてEc=Eだったものが、時刻t=π(LC)1/2においてはEc=−Eとなり、例えば、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。実際にはそれぞれのスイッチ素子Q2,Q4のオン抵抗によってEcは−Eまで到達せず、0から−Ecの範囲の値となり、期間B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。したがって、一旦充電された電荷の一部は逆方向の充電に使用されるため、少ない消費電力で圧電素子26に正負の交流電圧を印加することが可能になる。なお、期間C、期間Dの時間は上記式(1)より、π(LC)1/2、もしくはその近傍値であることが好ましい。
That is, immediately after the period A, Ec = E at time t = 0 becomes Ec = −E at time t = π (LC) 1/2 , for example, the charge charged in the positive direction is reversed. The charge is charged in the negative direction. Actually, Ec does not reach -E due to the on-resistances of the respective switch elements Q2 and Q4, but becomes a value in the range of 0 to -Ec, and only the insufficient charge is supplied from the power supply voltage at the moment of shifting to the period B. The Therefore, since a part of the charged electric charge is used for charging in the reverse direction, it is possible to apply positive and negative AC voltages to the
誘導性素子146のインダクタンスLの値は適正な値を選択する必要がある。L値が大きすぎると、圧電素子26に印加される電圧の波形が緩やかとなり、期間Aの間に電源電圧Eまで達せず、圧電アクチュエータの所定の性能を出すことができない。一方、L値が小さすぎると、上述の電荷反転による消費電力低減効果が少なくなる。例えば圧電素子26の容量が100nF、駆動周波数が100kHz、(期間A+C(D)):(期間B+C(D))=1:2の駆動条件の場合、期間A+Cは約3.3μsecとなる。期間Cを期間Aの半分とすれば期間Aの間に十分に圧電素子2の両端電圧は電源電圧Eに達するため、期間Cを1.1μsecとする。t=π(LC)1/2の条件式より、L値は約1.2μHとする。
It is necessary to select an appropriate value for the inductance L of the
このように、スイッチ素子Q1,Q2の駆動期間とスイッチ素子Q3,Q4の駆動期間との間に、スイッチ素子Q2,Q4の駆動による放電期間が形成されることから、圧電素子26を+Eに充電するときも−Eに充電するときにも充電に必要な電荷を供給するだけでよいことから不要な電力消費を削減することができる。
As described above, a discharge period is formed by driving the switch elements Q2 and Q4 between the drive period of the switch elements Q1 and Q2 and the drive period of the switch elements Q3 and Q4, so that the
これに対し、このようなスイッチ素子Q2,Q4の駆動による放電期間を形成しないときには、例えば、圧電アクチュエータのスライダを固着状態から脱出させる固着回避動作シーケンスとすることができる。図8は、本発明の第1実施形態である圧電アクチュエータの別の動作シーケンスを示すタイミングチャートである。 On the other hand, when the discharge period by driving the switch elements Q2 and Q4 is not formed, for example, a sticking avoidance operation sequence in which the slider of the piezoelectric actuator is released from the sticking state can be used. FIG. 8 is a timing chart showing another operation sequence of the piezoelectric actuator according to the first embodiment of the present invention.
図8に示すタイミングチャートでは、図7で説明したタイミングチャートに比べて期間C及び期間D(両端短絡時間)が存在しない。そのため、期間Aから期間Bもしくは期間Bから期間Aへの切替時における圧電素子26への印加電圧は図示したように振動的となる。このとき、圧電素子26への印加電圧は電源電圧Eを越えるため、圧電素子26の挙動は通常駆動時に比べて大きくなり、スライダ30が固着状態から容易に脱出しやすくなる。この動作シーケンスは、駆動回路への電源Eが供給されて最初に駆動する場合や、固着のために移動体が移動しない場合に好適に使用することができる。通常動作と本動作との切替えは制御回路22で行う。図8の動作では期間C及び期間Dがゼロであり、これらの期間をまったく持たない場合について説明したが、期間C及びDの時間がゼロよりも大きく、π(LC)1/2よりも小さい場合でも、圧電素子に印加される電圧を高くすることができ、固着回避の効果が認められる。期間C及びDの時間がゼロに近づけば近くほど、圧電素子に印加される電圧の振動振幅は大きくなるので固着回避効果は高くなる。一方、その反面消費電力が大きくなる。
In the timing chart shown in FIG. 8, the period C and the period D (both ends short-circuit time) do not exist as compared with the timing chart described in FIG. Therefore, the voltage applied to the
図9は、駆動回路の別の構成例を示す図である。この図において、駆動回路14’は、駆動電源から駆動電圧+Eが供給される接続点aと、接地される接続点bとの間に、MOS型FETであるスイッチ素子Q1からなる第1スイッチ回路141a及びMOS型FETであるスイッチ素子Q4からなる第4スイッチ回路144aの直列回路が接続されると共に、MOS型FETであるスイッチ素子Q3からなる第3スイッチ回路143a及びMOS型FETであるスイッチ素子Q2からなる第2スイッチ回路142aの直列回路が接続されて構成されている。
FIG. 9 is a diagram illustrating another configuration example of the drive circuit. In this figure, a drive circuit 14 'is a first switch circuit comprising a switch element Q1 which is a MOS FET between a connection point a to which a drive voltage + E is supplied from a drive power supply and a connection point b to be grounded. A series circuit of a
各スイッチ回路141aから144aに駆動制御信号Sc1,Sc2,Sc3,Sc4を供給する制御信号供給手段としての制御回路145aが接続されて構成されている。なお、この制御回路145aは、駆動回路14の場合と同様に制御部22により制御されて各スイッチ回路を制御する。また、第4スイッチ回路144aと接続点bとの間に第2の誘導性素子146bが接続されると共に、第2スイッチ回路142aと接続点bとの間に第1の誘導性素子146aが接続されている。
A
第1スイッチ回路141aを構成するスイッチ素子Q1及び第3スイッチ回路143aを構成するスイッチ素子Q3はPチャネルFETであり、第2スイッチ回路142aを構成するスイッチ素子Q2、第4スイッチ回路144aを構成するスイッチ素子Q4はNチャネルFETである。なお、第1スイッチ回路141a及び第2スイッチ回路142aの接続点cと、第3スイッチ回路143a及び第4スイッチ回路144aの接続点dとの間に圧電素子26が接続されてブリッジ回路147aが構成されている。
The switch element Q1 constituting the
このように構成された駆動回路14’において、スライダ30を移動させる場合には、第1スイッチ回路141a及び第2スイッチ回路142aは圧電素子26に対し、その一方側から駆動電圧+Eを印加して端子間電圧Vsが+Eとなるまで充電する第1の駆動回路(第1の駆動手段)を構成し、第3スイッチ回路143a及び第4スイッチ回路144aは圧電素子26に対し、その他方側から(すなわち、逆方向から)駆動電圧+Eを印加して端子間電圧Vsが−Eとなるまで充電する第2の駆動回路(第2の駆動手段)を構成する。
In the
このように駆動回路14’と圧電素子26とでブリッジ回路147aを構成した場合、駆動回路14の場合と同様に圧電素子26には−E〜+Eの電圧が印加されるので、圧電素子26の駆動電圧が等価的に2Eとなる結果、駆動電源は低電圧であっても変位量の大きい圧電アクチュエータ10を得ることができる。
When the
圧電アクチュエータの制御部22(図1参照)は、上述した制御部と同様の構成を有し、部材センサ16等から入力される信号に基づいて制御回路145から所定のデューティ比の駆動パルスを出力させ、この駆動パルスにより第1の駆動回路及び第2の駆動回路を交互に駆動する。すなわち、制御部22は、第1スイッチ回路141、第2スイッチ回路142及び第1の誘導性素子146aからなる第1の駆動回路と、第4スイッチ回路144a、第3スイッチ回路143a及び第2の誘導性素子146bからなる第2の駆動回路とを交互に駆動する一方、後述する第2スイッチ回路142a、第4スイッチ回路144a及び第1及び第2の誘導性素子146a,146bからなる放電回路を駆動する駆動制御手段を構成する。すなわち、第1及び第2の誘導性素子146a,146bは、第1の駆動回路と放電回路、第2の駆動回路及び放電回路にそれぞれ含まれ後述するように機能する。
The control unit 22 (see FIG. 1) of the piezoelectric actuator has the same configuration as the control unit described above, and outputs a drive pulse with a predetermined duty ratio from the
この駆動回路14’は、図7及び図8に示された動作シーケンスにより作動する。上述の駆動回路と同様に、期間Aでは、制御回路145からハイレベルの駆動制御信号Sc2,Sc3がスイッチ素子Q2,Q3に入力され、ローレベルの駆動制御信号Sc1,Sc4がスイッチ素子Q1,Q4に入力される。また、期間Bでは、ローレベルの駆動制御信号Sc3,Sc4がスイッチ素子Q3,Q4に入力され、ハイレベルの駆動制御信号Sc1,Sc4がスイッチ素子Q1,Q4に入力される。制御回路145aから上記のような駆動制御信号が繰り返し出力されることにより、スイッチ素子Q1,Q2及びスイッチ素子Q4,Q3が所定の周期で交互にオン、オフを繰り返すことになる。すなわち、スイッチ素子Q1,Q2がオンのとき(期間A)には圧電素子26は+Eに充電され、スイッチ素子Q4,Q3がオンのとき(期間B)には圧電素子26は−Eに充電される。
The drive circuit 14 'operates according to the operation sequence shown in FIGS. Similar to the drive circuit described above, in period A, high level drive control signals Sc2 and Sc3 are input from the
制御回路145は、スイッチ素子Q1,Q2の駆動期間である圧電素子26に対する充電期間(期間A)と、スイッチ素子Q4,Q3の駆動期間である圧電素子26に対する充電期間(期間B)との間には、スイッチ素子Q2,Q4の駆動により圧電素子26に充電されている電荷を放電させる放電期間(期間C、期間D)が形成されるように制御信号を発信する。したがって、スイッチ素子Q2,Q4は、それらが同時に駆動されるときには圧電素子26に充電されている電荷を放電させる放電回路を構成する。
The
すなわち、スイッチ素子Q1,Q2が共にオンになって圧電素子26に駆動電圧Eが印加されて充電が行われた後(期間A)、スイッチ素子Q3,Q4が共にオンになる(期間B)前にスイッチ素子Q2,Q4が共にオンになる期間(期間C)が形成される。このとき、圧電素子26に充電されていた+Eの電荷がスイッチ素子Q2,Q4を介して放電される。
That is, after both the switch elements Q1 and Q2 are turned on and the drive voltage E is applied to the
また、スイッチ素子Q4,Q3が共にオンになって圧電素子26に逆方向から駆動電圧Eが印加されて充電が行われた後(期間B)、スイッチ素子Q1,Q2が共にオンになる(期間A)前にスイッチ素子Q2,Q4が共にオンになる期間(期間D)が形成される。このとき、圧電素子26に充電されていた−Eの電荷がスイッチ素子Q2,Q4を介して放電される。
Further, after both the switch elements Q4 and Q3 are turned on and the
期間Cでは、2つの誘導性素子146a,146bの誘導成分と圧電素子26の容量成分による振動により、期間Dでは、2つの誘導性素子146a,146bの誘導成分と圧電素子26の容量成分による振動により、圧電素子26の両端電圧は逆転する。また、このとき、期間C及び期間Dの電荷反転の場合のみ第1及び第2の誘導素子146a,146bの両方を経由することとなるため、期間C及び期間Dを長くすることができ、電荷反転による消費電力削減効果が第1の実施例よりも大きくなる。
In period C, vibration is caused by the inductive components of the two
また逆に第1及び第2の誘導性素子146a,146bのそれぞれのインダクタンス値を、上述の駆動回路においてで示した誘導性素子146のインダクタンス値の半分の値に設定すると、消費電力削減効果は図3に示した駆動回路と同じで、第1の誘導性素子146aまたは第2の誘導性素子146bと圧電素子26の容量成分による振動周波数が高くなり、駆動軸28の発生加速度が高くなるため、固着脱出しやすくなる。
Conversely, if the inductance values of the first and second
なお、図9にはNチャンネル型FETのソースに誘導性素子146a,146bを直列接続したが、ドレイン側に接続されていてもよい。さらにPチャンネル型FETのソース側、ドレイン側のどちらへ誘導性素子146a,146bを接続してもよく、これらの場合であっても同様の効果を奏する。
In FIG. 9,
以上説明したように、上記実施形態にかかる圧電アクチュエータによれば、第1及び第2の駆動回路の駆動時に圧電素子に充電された電荷を放電回路により放電する場合に、充電されていた電荷が逆転し、逆方向への充電が行われ消費電力を小さくすることができる。また、これらの各回路に共通して設けられた誘導性素子により、回路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を解消することができる。 As described above, according to the piezoelectric actuator according to the above-described embodiment, when the electric charge charged in the piezoelectric element when the first and second drive circuits are driven is discharged by the discharge circuit, the charged electric charge is The battery is reversed and charged in the reverse direction, so that the power consumption can be reduced. Further, the inductive element provided in common for each of these circuits can solve the problem that a large inrush current flows through the circuit and power consumption increases.
さらに、放電回路が駆動する時間を制御することにより、スライダの駆動推進力を高くすることができ、例えば、固着状態からの脱出を容易にすることができる。 Furthermore, by controlling the time for which the discharge circuit is driven, the driving driving force of the slider can be increased, and for example, escape from the fixed state can be facilitated.
なお、本発明は上記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。例えば、上記実施形態では圧電アクチュエータは係合部材であるスライダが移動し、圧電素子が固定式に構成されているがこの構成のアクチュエータのほかに、係合部材が固定され圧電素子が支持部材と共に移動可能に構成されているものであってもよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement in another various aspect. For example, in the above-described embodiment, the slider, which is the engaging member, moves in the piezoelectric actuator, and the piezoelectric element is configured to be fixed. It may be configured to be movable.
10 圧電アクチュエータ
12 駆動部
14、14’ 駆動回路
22 制御部
24 支持部材
26 圧電素子
28 駆動軸(駆動部材)
30 スライダ(係合部材)
141,141a 第1スイッチ回路
142,142a 第2スイッチ回路
143,143a 第3スイッチ回路
144,144a 第4スイッチ回路
146,146a,146b 誘導性素子
Q1〜Q4 スイッチ素子
DESCRIPTION OF
30 Slider (engagement member)
141, 141a
Claims (6)
前記駆動回路は、前記圧電素子に電極の一方側から駆動電圧を印加して充電する第1の駆動回路と、前記圧電素子に電極の他方側から駆動電圧を印加して充電する第2の駆動回路と、各駆動回路により圧電素子に充電された電荷を放電する放電回路と、前記各駆動回路及び前記放電回路の一部を構成し前記圧電素子と直列に接続された誘導性素子とを備え、
前記駆動制御手段は、前記第1の駆動回路と第2の駆動回路とをそれぞれ交互に駆動させると共に、前記第1の駆動回路と第2の駆動回路の駆動期間の間に前記放電回路をその駆動時間を変更可能に制御して駆動可能とし、前記各駆動回路同士間の駆動切り替え時及び前記各駆動回路から放電回路への駆動切り替え時において前記圧電素子の容量成分と前記誘導性素子の誘導成分により誘起される電気的な振動を前記圧電素子に印加することを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric element that expands and contracts when a driving voltage is applied thereto, a driving member fixed to one end of the piezoelectric element in the extending and contracting direction, an engaging member frictionally engaged with the driving member, and driving the piezoelectric element And a drive control means for controlling the operation of the drive circuit. The piezoelectric element is expanded and contracted so as to have different speeds of expansion and contraction, whereby the drive member and the engagement member are relatively moved. In the moving piezoelectric actuator,
The drive circuit includes a first drive circuit that charges the piezoelectric element by applying a drive voltage from one side of the electrode, and a second drive that charges the piezoelectric element by applying a drive voltage from the other side of the electrode. A circuit, a discharge circuit that discharges the electric charge charged in the piezoelectric element by each drive circuit, and an inductive element that forms a part of each drive circuit and the discharge circuit and is connected in series with the piezoelectric element. ,
The drive control means alternately drives the first drive circuit and the second drive circuit, and sets the discharge circuit during the drive period of the first drive circuit and the second drive circuit. The drive time can be controlled to be changeable to enable driving, and the capacitive component of the piezoelectric element and the induction of the inductive element at the time of drive switching between the drive circuits and at the time of drive switching from the drive circuit to the discharge circuit. A piezoelectric actuator characterized by applying an electrical vibration induced by a component to the piezoelectric element.
前記駆動回路は、前記圧電素子に電極の一方側から駆動電圧を印加して充電する第1の駆動回路と、前記圧電素子に電極の他方側から駆動電圧を印加して充電する第2の駆動回路と、各駆動回路により圧電素子に充電された電荷を放電する放電回路と、前記第1の駆動回路及び前記放電回路の一部を構成し前記圧電素子と直列に接続された第1の誘導性素子と、前記第2の駆動回路及び前記放電回路の一部を構成し前記圧電素子と直列に接続された第2の誘導性素子と、を備え、
前記駆動制御手段は、前記第1の駆動回路と第2の駆動回路とをそれぞれ交互に駆動させると共に、前記第1の駆動回路と第2の駆動回路の駆動期間の間に前記放電回路をその駆動時間を変更可能に制御して駆動可能とし、前記各駆動回路同士間の駆動切り替え時及び前記各駆動回路から放電回路への駆動切り替え時において前記圧電素子の容量成分と前記各誘導性素子の誘導成分により誘起される電気的な振動を前記圧電素子に印加することを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric element that expands and contracts when a driving voltage is applied thereto, a driving member fixed to one end of the piezoelectric element in the extending and contracting direction, an engaging member frictionally engaged with the driving member, and driving the piezoelectric element And a drive control means for controlling the operation of the drive circuit. The piezoelectric element is expanded and contracted so as to have different speeds of expansion and contraction, whereby the drive member and the engagement member are relatively moved. In the moving piezoelectric actuator,
The drive circuit includes a first drive circuit that charges the piezoelectric element by applying a drive voltage from one side of the electrode, and a second drive that charges the piezoelectric element by applying a drive voltage from the other side of the electrode. A circuit, a discharge circuit for discharging the electric charge charged in the piezoelectric element by each drive circuit, and a first induction that forms part of the first drive circuit and the discharge circuit and is connected in series with the piezoelectric element And a second inductive element constituting a part of the second drive circuit and the discharge circuit and connected in series with the piezoelectric element,
The drive control means alternately drives the first drive circuit and the second drive circuit, and sets the discharge circuit during the drive period of the first drive circuit and the second drive circuit. The drive time is controlled to be changeable to enable driving, and the capacitance component of the piezoelectric element and the inductive element of each of the inductive elements at the time of driving switching between the driving circuits and at the time of driving switching from the driving circuits to the discharging circuit A piezoelectric actuator characterized in that an electrical vibration induced by an inductive component is applied to the piezoelectric element.
前記第2の駆動回路は、一方端が前記電源に接続され他方端が前記圧電素子の他方端に接続された第3スイッチ手段と、一方端が前記圧電素子の一方端に接続され他方端が接地された第4スイッチ手段とを含み、
前記放電回路は、前記第2スイッチ手段と第4スイッチ手段とを含み、
前記第1スイッチ手段から第4スイッチ手段は、その制御端子が前記駆動制御手段に接続され、
前記駆動制御手段は、前記第1の駆動回路を駆動させるときは前記第1及び第2スイッチ手段を導通状態とすると共に前記第3及び第4スイッチ手段を切断状態とし、前記第2の駆動回路を駆動させるときは前記第1及び第2スイッチ手段を切断状態とすると共に前記第3及び第4スイッチ手段を導通状態とし、前記放電回路を駆動させるときは前記第2及び第4スイッチ手段を導通状態とすると共に前記第1及び第3スイッチ手段を切断状態とすることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電アクチュエータ。 The first drive circuit includes a first switch means having one end connected to a power source and the other end connected to one end of the piezoelectric element, and one end connected to the other end of the piezoelectric element and the other end grounded. Second switch means,
The second drive circuit includes a third switch means having one end connected to the power source and the other end connected to the other end of the piezoelectric element, and one end connected to one end of the piezoelectric element and the other end connected to the other end of the piezoelectric element. Grounded fourth switch means,
The discharge circuit includes the second switch means and the fourth switch means,
The control terminals of the first switch means to the fourth switch means are connected to the drive control means,
The drive control means sets the first and second switch means in a conductive state and the third and fourth switch means in a disconnected state when driving the first drive circuit, and the second drive circuit. When driving the first and second switch means, the third and fourth switch means are turned on, and when driving the discharge circuit, the second and fourth switch means are turned on. 3. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the first and third switch means are in a disconnected state at the same time.
When the drive control means has C as the capacitance of the piezoelectric element and L as the inductance of the inductive element, the drive time of the discharge circuit in the normal time is π (L · C) 1/2 . The piezoelectric actuator according to claim 4 or 5, characterized in that:
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- 2004-02-20 JP JP2004044535A patent/JP2005237144A/en active Pending
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