JP2005237145A - Drive circuit for piezoelectric element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a drive circuit for a piezoelectric element, which can enlarge the amplitude of the piezoelectric element and can raise the travel speed of an engaging member in case that it is used for an actuator. <P>SOLUTION: The piezoelectric element 26 is equipped with a first drive circuit comprising a first switching circuit 141 and a second switching circuit 142 for applying drive voltage HV from its positive direction to the polarizing direction of itself, and a second drive circuit comprising the third switching circuit 143 and the fourth switching circuit 144 for applying a drive voltage V from its negative direction to the polarizing direction of the element to the piezoelectric element 26. The absolute value of the drive voltage HV, supplied to the first drive circuit, is made larger than the absolute value of the drive voltage V supplied to the second drive circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、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、固定磁気ディスク装置のヘッド送り等の駆動に適した圧電アクチュエータ等に用いられる圧電素子を駆動させるための駆動回路に関する。   The present invention drives a piezoelectric element particularly used for driving an XY moving stage, a camera photographing lens, a projection lens of an overhead projector, a binocular lens, a head feeding of a fixed magnetic disk device, and the like. This relates to a driving circuit.

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12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13は圧電アクチュエータの駆動部材の変位の例を示す図である。   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. 12 is a diagram showing a schematic configuration of a piezoelectric actuator for adjusting the photographing lens position of the camera, and FIG. 13 is a diagram showing an example of displacement of a driving member of the piezoelectric actuator.

図12の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。   12 includes a piezoelectric element 101, a rod-like drive member 102 driven by the piezoelectric element 101, an engagement member 103 frictionally engaged with the drive member 102 with a predetermined frictional force, and the piezoelectric element 101. And a drive circuit 104 for applying a drive voltage.

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 piezoelectric element 101 expands and contracts according to the drive voltage applied by the drive circuit 104, and one end in the expansion / contraction direction is fixed to one end in the axial direction of the drive member 102. The engaging member 103 has a photographing lens L, which is a driving object, fixed to a predetermined location, and is movable along the axial direction on the driving member 102.

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14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. 14, the drive circuit disclosed in Patent Document 1 includes an H-type bridge circuit, and includes drive P-channel FETs (field effect transistors) 71 and 73, drive N-channel FETs 72 and 74. It has. Each FET has its control terminal connected to the control circuit 104a, and switches the conduction state and the interruption state of each FET 71 to 74 in response to a control signal from the control circuit 104a.

図15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15における期間Aの場合、FET73のゲート対地電圧が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Vなので、FET71とFET72のみが導通状態になり、圧電素子101には+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−Vの電圧が印加される。以上のように、図15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Vの2倍の交流電圧が印加されることになる。
特開2000−350482号公報
FIG. 15 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 piezoelectric element 101 of each FET. The P-channel FETs (71, 73) are turned on when the gate voltage is 0 (v), and are turned off when the gate voltage is E (v). The N-channel FETs (72, 74) are cut off when the gate voltage is 0 (v), and are turned on when the gate voltage is E (v). For example, in the period A in FIG. 15, the gate to ground voltage of the FET 73 is V, the gate to ground voltage of the FET 71 is 0 (v), the gate to ground voltage of the FET 74 is 0 (v), and the gate to ground voltage of the FET 72 is V. Only the FET 72 becomes conductive, and a voltage of + V is applied to the piezoelectric element 101. On the other hand, in the period B, only the FETs 73 and 74 are in a conductive state, and thus a voltage of −V is applied to the voltage element 101. As described above, from the timing chart of FIG. 15, an AC voltage twice the power supply voltage V is applied to both ends of the piezoelectric element 101.
JP 2000-350482 A

しかし、従来の圧電アクチュエータは、駆動部材102の変位が小さく係合部材103の移動速度を大きくすることができないという問題があった。ここで、係合部材102の移動速度は、圧電素子の駆動周波数及び変形量にほぼ比例する関係を有する。また、圧電素子の変形量は駆動電圧を高くすることにより大きくすることができるため、係合部材の移動速度を高くするためには、駆動周波数もしくは駆動電圧を高くすることにより実現することができそうである。   However, the conventional piezoelectric actuator has a problem that the displacement of the driving member 102 is small and the moving speed of the engaging member 103 cannot be increased. Here, the moving speed of the engaging member 102 is substantially proportional to the driving frequency and deformation amount of the piezoelectric element. Further, since the amount of deformation of the piezoelectric element can be increased by increasing the driving voltage, increasing the moving speed of the engaging member can be realized by increasing the driving frequency or driving voltage. That's right.

しかし、駆動周波数を高くすることについては、圧電素子101と駆動部材102からなる弾性体としての機械共振特性から駆動周波数には上限が存在し、あまり高くすることはできない。一方、電圧を高くすることについては、例えば、図14の駆動回路では圧電素子101の両電極に電源電圧Vが正方向と負方向に印加されるため、分極方向に対し負方向に大きな電圧を印加すると分極が解除されアクチュエータとして機能しなくなるという問題が発生する。   However, with regard to increasing the drive frequency, there is an upper limit on the drive frequency because of the mechanical resonance characteristics of the elastic body composed of the piezoelectric element 101 and the drive member 102, and the drive frequency cannot be increased too much. On the other hand, for increasing the voltage, for example, in the drive circuit of FIG. 14, the power supply voltage V is applied to both electrodes of the piezoelectric element 101 in the positive direction and the negative direction. When applied, there is a problem that the polarization is released and the actuator does not function.

図16は圧電素子101の電界誘起歪み特性を示す図である。圧電素子101をアクチュエータとして使用する場合、歪みA点までの高電界を印加し図示するようなヒステリシス特性を持たせる。(以下、これを分極という。)分極後は図中のL1に示すように、電界を印加しない状態でも歪み履歴が残る歪み特性を有し、分極電界Emよりも小さい交番電界(±V)を印加することによって、図16のa点からb点のような印加電界と歪みがほぼ直線相関がある歪みが発生し、印加電圧に応じた変位が得られる。一方、負に印加される電界−Vが抗電界−Exを越えると図示のヒステリシス特性は変化し、分極が解除された状態となってしまう。この分極解除を防止するために、印加する分極方向の負電圧には限界があり、印加電圧が負の抗電界を越えないように駆動電圧を設定する必要があった。このため、駆動回路に印加される駆動電圧の幅は分極方向に対して負の駆動電圧の大きさによる制限を受け、得られる圧電素子の歪みは図16のLで示す範囲に限られていた。   FIG. 16 is a diagram showing the electric field induced strain characteristics of the piezoelectric element 101. When the piezoelectric element 101 is used as an actuator, a high electric field up to the strain A point is applied to give a hysteresis characteristic as shown. (Hereinafter, this is referred to as polarization.) As shown by L1 in the figure after polarization, an alternating electric field (± V) having a strain characteristic in which a strain history remains even when no electric field is applied, and is smaller than the polarization electric field Em. By applying, a distortion having a substantially linear correlation between the applied electric field and the distortion, such as point a to point b in FIG. 16, is generated, and a displacement corresponding to the applied voltage is obtained. On the other hand, when the negatively applied electric field −V exceeds the coercive electric field −Ex, the illustrated hysteresis characteristic changes and the polarization is released. In order to prevent this depolarization, there is a limit to the negative voltage in the polarization direction to be applied, and it is necessary to set the drive voltage so that the applied voltage does not exceed the negative coercive field. For this reason, the width of the drive voltage applied to the drive circuit is limited by the magnitude of the negative drive voltage with respect to the polarization direction, and the distortion of the obtained piezoelectric element is limited to the range indicated by L in FIG. .

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、圧電素子の振動幅を大きくすることができ、アクチュエータに用いた場合に係合部材の移動速度を速くすることができる圧電素子の駆動回路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 driving circuit for a piezoelectric element that can increase the vibration width of the piezoelectric element and increase the moving speed of the engaging member when used in an actuator. Is to provide.

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の圧電素子の駆動回路を提供する。   In order to solve the above technical problem, the present invention provides a drive circuit for a piezoelectric element having the following configuration.

本発明の第1態様によれば、駆動電圧が印加されることにより伸縮する圧電素子を駆動する駆動回路であって、
前記圧電素子に前記圧電素子の分極方向に正の方向から駆動電圧を印加する第1の駆動回路と、前記圧電素子に前記圧電素子の分極方向に負の方向から駆動電圧を印加する第2の駆動回路と、前記第1の駆動回路に供給する駆動電圧の絶対値が前記第2の駆動回路に供給する駆動電圧の絶対値よりも大きくなるように前記第1の駆動回路及び第2の駆動回路に駆動電圧を供給する電圧供給手段とを備えることを特徴とする、圧電素子の駆動回路を提供する。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a drive circuit for driving a piezoelectric element that expands and contracts when a drive voltage is applied,
A first driving circuit for applying a driving voltage to the piezoelectric element from a positive direction in the polarization direction of the piezoelectric element; and a second driving circuit for applying a driving voltage to the piezoelectric element from a negative direction in the polarization direction of the piezoelectric element. The first drive circuit and the second drive so that the absolute value of the drive voltage supplied to the drive circuit and the first drive circuit is larger than the absolute value of the drive voltage supplied to the second drive circuit. There is provided a drive circuit for a piezoelectric element, comprising voltage supply means for supplying a drive voltage to the circuit.

上記構成において、分極方向とは、圧電素子を利用する前に電界を印加しない状態でも歪み履歴が残る歪み特性を有するように分極電界を印加する方向である。圧電素子に駆動電圧を印加する2つの駆動回路のうち第1の駆動回路により分極方向の駆動電圧が印加され、第2の駆動回路により分極方向に負の方向から駆動電圧が印加される。第1の駆動回路により印加される駆動電圧は、第2の駆動回路により印加される駆動電圧より大きくなるように電圧供給手段は両駆動回路に駆動電圧を供給する。したがって、第1の駆動回路により分極方向の駆動電圧が印加された場合、圧電素子は大きく変形し、全体として圧電素子の変形量が増大する。   In the above configuration, the polarization direction is a direction in which a polarization electric field is applied so as to have a strain characteristic in which a strain history remains even when no electric field is applied before the piezoelectric element is used. Of the two drive circuits that apply the drive voltage to the piezoelectric element, the drive voltage in the polarization direction is applied by the first drive circuit, and the drive voltage is applied from the negative direction in the polarization direction by the second drive circuit. The voltage supply means supplies the drive voltage to both drive circuits so that the drive voltage applied by the first drive circuit is greater than the drive voltage applied by the second drive circuit. Therefore, when a drive voltage in the polarization direction is applied by the first drive circuit, the piezoelectric element is greatly deformed, and the deformation amount of the piezoelectric element as a whole increases.

本発明の第2態様によれば、前記第1の駆動回路は、一方端が電源供給手段の第1の電極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電源供給手段の第2の電極に接続された第2スイッチ手段とを含み、
前記第2の駆動回路は、一方端が前記電源供給手段の前記第1の電極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電源供給手段の第2の電極に接続された第4スイッチ手段とを含むことを特徴とする、第1態様の圧電素子の駆動回路を提供する。
According to a second aspect of the present invention, the first drive circuit includes first switch means having one end connected to the first electrode of the power supply means and the other end connected to one end of the piezoelectric element. A second switch means having one end connected to the other end of the piezoelectric element and the other end connected to the second electrode of the power supply means;
The second drive circuit includes third switch means having one end connected to the first electrode of the power supply means and the other end connected to the other end of the piezoelectric element, and one end connected to the piezoelectric element. A piezoelectric element drive circuit according to a first aspect is provided, comprising: a fourth switch means connected to one end and the other end connected to a second electrode of the power supply means.

本発明の第3態様によれば、前記第1の駆動回路は、一方端が電源供給手段の第1の電極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5スイッチ手段を含み、
前記第2の駆動回路は、一方端が前記電源供給手段の前記第2の電極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6スイッチ手段とを含み、
前記圧電素子の他方端は、前記電源供給手段の第1の電極の電位と第2の電極の電位の間の電位を持つ第3の電極に接続されていることを特徴とする、第1態様の圧電素子の駆動回路を提供する。
According to a third aspect of the present invention, the first drive circuit includes fifth switch means having one end connected to the first electrode of the power supply means and the other end connected to one end of the piezoelectric element. Including
The second drive circuit includes sixth switch means having one end connected to the second electrode of the power supply means and the other end connected to one end of the piezoelectric element;
The first aspect is characterized in that the other end of the piezoelectric element is connected to a third electrode having a potential between the potential of the first electrode and the potential of the second electrode of the power supply means. A driving circuit for the piezoelectric element is provided.

本発明の第4態様によれば、前記第2の駆動回路により印加される駆動電圧の絶対値は、前記圧電素子の電解誘起歪み特性によって決定される抗電界に圧電素子の変位方向厚さを乗じた値よりも小さく、前記第1の駆動回路により印加される駆動電圧の絶対値は、前記抗電界よりも大きいことを特徴とする、第1から第3態様の圧電素子の駆動回路を提供する。上記構成によれば、分極方向に負の方向の駆動電圧が印加されたとしても、圧電素子の分極が解除されることがなく、圧電素子を破壊することがない。また、分極方向駆動電圧は、抗電界よりも大きいため、圧電素子の変形量を大幅に大きくすることができる。   According to the fourth aspect of the present invention, the absolute value of the drive voltage applied by the second drive circuit is obtained by setting the displacement direction thickness of the piezoelectric element to the coercive electric field determined by the electrolytically induced strain characteristic of the piezoelectric element. Provided is a piezoelectric element drive circuit according to any one of the first to third aspects, wherein the absolute value of the drive voltage applied by the first drive circuit is smaller than the multiplied value and greater than the coercive electric field. To do. According to the above configuration, even when a driving voltage having a negative polarization direction is applied, the polarization of the piezoelectric element is not released and the piezoelectric element is not destroyed. Further, since the polarization direction drive voltage is larger than the coercive electric field, the deformation amount of the piezoelectric element can be greatly increased.

本発明の第5態様によれば、前記圧電素子が、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を備えて前記駆動部材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使用される圧電素子であることを特徴とする第1から第4態様の圧電素子の駆動回路を提供する。   According to a fifth aspect of the present invention, the piezoelectric element includes the driving member fixed to one end in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element, and the engaging member frictionally engaged with the driving member. The first to fourth aspects are piezoelectric elements used in a piezoelectric actuator that moves the drive member and the engagement member relative to each other by expanding and contracting the members so that the expansion and contraction have different speeds. A drive circuit for the piezoelectric element is provided.

本発明の圧電素子の駆動回路によれば、圧電素子を必要に応じて様々な態様で容易に設計変更することができる。例えば、分極方向に正の方向にのみ高い駆動電圧を印加するように構成されているため、圧電素子の変形量を大きくすることができる。また、一般に、分極方向に負の方向の駆動電圧を小さくしたとして何らかの事情により分極方向に負の方向に高電圧が印加されることによって分極解消による圧電素子が破壊する危険性を小さくすることができるが、この場合でも、正の方向に印加される駆動電圧をその分大きくすることによって、変形量が小さくなることがない。   According to the drive circuit for a piezoelectric element of the present invention, the design of the piezoelectric element can be easily changed in various ways as required. For example, since the high drive voltage is applied only in the positive direction with respect to the polarization direction, the deformation amount of the piezoelectric element can be increased. In general, if the drive voltage in the negative direction is reduced in the polarization direction, a high voltage is applied in the negative direction in the polarization direction for some reason. Even in this case, the amount of deformation is not reduced by increasing the drive voltage applied in the positive direction accordingly.

また、駆動回路を、第1スイッチ手段及び第2スイッチ手段とを含む第1の駆動回路と第3スイッチ手段及び第4スイッチ手段とを含む第2の駆動回路から構成されたH型ブリッジ回路や、第5スイッチ手段を含む第1の駆動回路と第6スイッチ手段を含む第2の駆動回路から構成されたハーフブリッジ回路とすることによって、圧電素子に印加される電圧が、第1駆動回路の高い駆動電圧と第2駆動回路からの低い駆動電圧のみが印加されることとなるため、駆動電圧と変形量との間の関係が正比例ではなくても当該圧電素子をアクチュエータ等に用いることができる。   Further, the driving circuit includes an H-type bridge circuit including a first driving circuit including a first switching unit and a second switching unit, and a second driving circuit including a third switching unit and a fourth switching unit. By forming a half bridge circuit composed of a first drive circuit including the fifth switch means and a second drive circuit including the sixth switch means, the voltage applied to the piezoelectric element is Since only a high drive voltage and a low drive voltage from the second drive circuit are applied, the piezoelectric element can be used for an actuator or the like even if the relationship between the drive voltage and the deformation amount is not directly proportional. .

また、負方向の駆動電圧を抗電界を超えないようにし、正方向の駆動電圧を抗電界をこえるようにすることによって、圧電素子の分極が解除されて圧電素子が破壊されることを防止することができる一方、圧電素子の変形量を大きくすることができる。したがって、この圧電素子を例えば、圧電アクチュエータに用いた場合においては、係合部材の移動速度を速くすることができる。   Also, by preventing the driving voltage in the negative direction from exceeding the coercive electric field and making the driving voltage in the positive direction exceed the coercive electric field, the polarization of the piezoelectric element is released and the piezoelectric element is prevented from being destroyed. On the other hand, the deformation amount of the piezoelectric element can be increased. Therefore, when this piezoelectric element is used for a piezoelectric actuator, for example, the moving speed of the engaging member can be increased.

以下、本発明の圧電素子の駆動回路を用いた一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。   Hereinafter, a piezoelectric actuator according to an embodiment using a drive circuit for a piezoelectric element of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。   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 piezoelectric actuator 10 includes a drive unit 12, a drive circuit 14 that drives the drive unit 12, a member sensor 16 that detects the position of a slider that is an engagement member attached to the drive unit 12, and a drive The proximal end sensor 18 disposed at the proximal end of the unit 12, the distal end sensor 20 disposed at the distal end of the drive unit 12, and a control unit 22 that controls the entire operation.

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 drive unit 12. In this figure, the drive unit 12 has an element-fixed structure, and includes a support member 24, a piezoelectric element 26, a rod-like drive shaft 28 and a slider 30.

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 support member 24 holds the piezoelectric element 26 and the drive shaft 28, and is formed by scoring the inside leaving the axial end portions 241 and 242 and the substantially central partition wall 243. Storage space 244 and second storage space 245. In the first accommodation space 244, the piezoelectric element 26 is accommodated so that the expansion / contraction direction, which is the polarization direction, coincides with the axial direction of the support member 24. In addition, the drive shaft 28 and a part of the slider 30 are accommodated in the second accommodation space 245.

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、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。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 piezoelectric element 26 is configured by, for example, laminating a plurality of piezoelectric substrates having a required thickness via electrodes (not shown) between the piezoelectric substrates, and a longitudinal direction that is an expansion / contraction direction (lamination direction). One end face of the first housing space 244 is fixed to one end face 241 side end face. The other end 242 of the support member 24 and the partition wall 243 are provided with through holes at the center positions, and the rod-shaped drive shaft 28 having a round cross section passes through these through holes in the second housing space 245 in the axial direction. It is housed so that it can move along.

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 drive shaft 28 protruding into the first accommodation space 244 is fixed to the other end surface of the piezoelectric element 26, and an end portion of the drive shaft 28 protruding outside the second accommodation space 245 is predetermined by the leaf spring 32. Is biased toward the piezoelectric element 26 by the spring pressure. The biasing to the drive shaft 28 by the leaf spring 32 is to stabilize the axial displacement of the drive shaft 28 based on the expansion / contraction operation of the piezoelectric element 26.

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 slider 30 includes a base portion 302 having mounting portions 301 on both sides in the axial direction of the drive shaft 28, and a sandwiching member 303 mounted between the mounting portions 301. The base portion 302 is loosely fitted to the drive shaft 28. At the same time, when the sandwiching member 303 is pressed by the leaf spring 304, the slider 30 is coupled to the drive shaft 28 with a predetermined frictional force, and the slider 30 is more than the frictional force. It is possible to move along the axial direction of the drive shaft 28 when a large drive force is applied. The slider 30 is attached with a lens L (see FIG. 1) which is a driving object.

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 slider 30 and is configured by a sensor such as an MR (Magneto Resistive Effect) element or a PSD (Position Sensitive Device) element. The proximal sensor 18 and the distal sensor 20 are configured by sensors such as a photo interrupter. As a result, the position of the slider 30 is detected by the member sensor 16 so that the movement of the slider 30 to a predetermined position can be controlled, while the position of the slider 30 is detected by the proximal sensor 18 and the distal sensor 20. Thus, the slider 30 is prohibited from moving further.

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、駆動電圧HVが供給される接続点a1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、駆動電圧Vが供給される接続点a2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 drive circuit 14. As shown in FIG. 3, the drive circuit 14 includes a first switch circuit 141 including a switch element Q1 that is a MOS FET between a connection point a1 to which the drive voltage HV is supplied and a connection point b to be grounded. And a series circuit of a fourth switch circuit 144 composed of a switch element Q4 which is a MOS type FET is connected, and a MOS type is connected between a connection point a2 to which a drive voltage V is supplied and a connection point b to be grounded. A series circuit of a third switch circuit 143 formed of a switch element Q3 that is an FET and a second switch circuit 142 formed of a switch element Q2 that is a MOS type FET is connected, and drive control signals Sc1, Sc2, and the like are connected to the switch circuits 141 to 144, respectively. A control circuit 145 is connected as a control signal supply means for supplying Sc3 and Sc4.

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146が構成されている。   The switch element Q1 constituting the first switch circuit 141 and the switch element Q3 constituting the third switch circuit 143 are P-channel FETs, and constitute the switch element Q2 and the fourth switch circuit 144 constituting the second switch circuit 142. The switch element Q4 is an N-channel FET. The switch elements Q1 and Q3 that are P-channel FETs are turned on when the drive control signal is at a low level, and the switch elements Q2 and Q4 that are N-channel FETs are turned on when the drive control signal is at a high level. The bridge circuit 146 is configured by connecting the piezoelectric element 26 between the connection point c of the first switch circuit 141 and the fourth switch circuit 144 and the connection point d of the third switch circuit 143 and the second switch circuit 142. Has been.

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、その分極方向に正の方向から駆動電圧HVを印加して端子間電圧Vsが+HV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、分極方向に対して負の方向から)駆動電圧HVよりも低い駆動電圧Vを印加して端子間電圧Vsが−Vとなるまで充電する第2の駆動回路を構成する。   In the drive circuit 14 configured as described above, the first switch circuit 141 and the second switch circuit 142 apply the drive voltage HV to the piezoelectric element 26 from the positive direction in the polarization direction, and the inter-terminal voltage Vs becomes + HV. The fourth switch circuit 144 and the third switch circuit 143 are driven from the other side with respect to the piezoelectric element 26 (that is, from the negative direction with respect to the polarization direction). A second drive circuit is configured to apply a drive voltage V lower than the voltage HV and charge the voltage until the inter-terminal voltage Vs becomes −V.

図4は、図3の駆動回路に電圧が異なる駆動電圧を供給する電圧供給回路の構成例を示す図である。図4は電圧供給のために複数の電池を直列に接続した直流バッテリを用いた例である。バッテリ50は複数の電池が直列に接続して構成され、その正極側端子xと負極側端子zとの間に端子yが設けられている。xy間の電圧HVはyz間の電圧Vよりも高くなるように構成されている。正極側端子xは駆動回路14のa1点に、負極側端子zは駆動回路14のb点に、中間端子yは駆動回路14のa2点にそれぞれ接続される。このように駆動回路14と圧電素子26とでブリッジ回路146を構成した場合、圧電素子26には−V〜+HVの電圧が印加される。   FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a voltage supply circuit that supplies drive voltages having different voltages to the drive circuit of FIG. FIG. 4 shows an example using a DC battery in which a plurality of batteries are connected in series for voltage supply. The battery 50 is configured by connecting a plurality of batteries in series, and a terminal y is provided between the positive terminal x and the negative terminal z. The voltage HV between xy is configured to be higher than the voltage V between yz. The positive terminal x is connected to point a1 of the drive circuit 14, the negative terminal z is connected to point b of the drive circuit 14, and the intermediate terminal y is connected to point a2 of the drive circuit 14. When the bridge circuit 146 is configured by the drive circuit 14 and the piezoelectric element 26 as described above, a voltage of −V to + HV is applied to the piezoelectric element 26.

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。   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 control circuit 145 outputs a drive pulse having a predetermined duty ratio based on the above, and the first drive circuit and the second drive circuit are alternately driven by this drive pulse.

次に、駆動回路14の動作原理について説明する。図5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=B/A)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=B/A)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5(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5(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 drive circuit 14 will be described. FIG. 5 is a diagram showing a pulse waveform of the drive voltage of the drive circuit 14, where (a) is set so that the duty ratio D (D = B / A) is 0.3, and (b) is The duty ratio D (D = B / A) is set to be 0.7. As will be described later, when a drive voltage composed of a rectangular wave shown in FIG. 5A is applied to the piezoelectric element 26, the slider 30 moves along the drive shaft 28 in the feeding direction (direction away from the piezoelectric element 26). When a drive voltage composed of a rectangular wave shown in FIG. 5B is applied to the piezoelectric element 26, the slider 30 moves along the drive shaft 28 in the return direction.

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6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 slider 30, the relationship shown in FIG. 6 is obtained. That is, when the duty ratio D is in the range of 0.05 to 0.45 (0.05 <D <0.45), the slider 30 moves in the feeding direction, and the duty ratio D is 0.55 to 0.00. When it is within the range of 95 (0.55 <D <0.95), the slider 30 moves in the return direction. Therefore, the duty ratio D can be appropriately set within a range of 0.05 <D <0.45 or 0.55 <D <0.95 as necessary.

図7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5(a)に示す駆動電圧が印加された場合であり、(b)は図5(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5(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5(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. 7 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 expansion and contraction of the piezoelectric element. FIG. 7 (a) shows the correspondence between the drive voltage shown in FIG. FIG. 5B shows a case where the drive voltage shown in FIG. 5B is applied. As described above, when a drive voltage having a duty ratio of 0.3 shown in FIG. 5A is applied to the piezoelectric element 26, the sawtooth having a rising portion where the displacement waveform of the piezoelectric element 26 is slow and a sharp falling portion. When the drive voltage having a duty ratio of 0.7 shown in FIG. 5B is applied to the piezoelectric element 26, the sawtooth shape having a sharp rising portion and a slow falling portion of the displacement waveform of the piezoelectric element 26. It becomes.

圧電素子26の変位が図7(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7(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7(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 piezoelectric element 26 has a gradual rising portion as shown in FIG. 7A and is gently extended, the slider 30 moves in the feeding direction together with the drive shaft 28. On the other hand, when the displacement of the piezoelectric element 26 has a steep falling portion as shown in FIG. 7A and the piezoelectric element 26 is rapidly reduced, the slider 30 is moved even if the drive shaft 28 moves in the return direction. Overcomes the frictional force with the drive shaft 28, stays at substantially the same position and does not move. For this reason, when the driving voltage shown in FIG. 7A is repeatedly applied to the piezoelectric element 26, the slider 30 moves intermittently in the feeding direction.

また、逆に圧電素子26の変位が図7(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7(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 piezoelectric element 26 has a steep rise and a gentle fall as shown in FIG. 7B, the drive voltage shown in FIG. 7B is repeatedly applied to the piezoelectric element 26. As a result, the slider 30 moves intermittently in the return direction.

図8は、本発明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、図4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。   FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the drive circuit 14 applied to the piezoelectric actuator 10 according to the present invention. Each switch is output from the control circuit 145 for controlling the drive circuit 14 shown in FIGS. The drive pulse applied to the elements Q1 to Q4 and the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric element 26 are shown. As described above, the drive voltage applied to the piezoelectric element 26 is a rectangular wave, and the duty ratio D is set to 0.3 for the waveform in the feeding direction, and the duty ratio D is set for the waveform in the return direction. Set to 0.7.

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8は、本発明の実施形態である圧電アクチュエータ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)を期間と、この期間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)とを備える。   Next, the drive operation of the drive circuit 14 applied to the piezoelectric actuator 10 of the present invention will be described. FIG. 8 is a timing chart showing an operation sequence of the piezoelectric actuator according to the embodiment of the present invention. A period during which both switch elements Q1, Q2 are turned on (at this time, both switch elements Q3, Q4 are off) and a period during which both switch elements Q2, Q4 formed after this period are turned on (at this time, The switch elements Q1 and Q3 are both off).

図8に示すように、スイッチ素子Q1,Q2が共にオンになる期間では、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、スイッチ素子Q2,Q4が共にオンになる期間では、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がオンのときには圧電素子26は+HV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−Vに充電される。   As shown in FIG. 8, during the period when both of the switch elements Q1 and Q2 are turned on, the high-level drive control signals Sc2 and Sc3 are input from the control circuit 145 to the switch elements Q2 and Q3, and the low-level drive control signal Sc1. , Sc4 are input to the switch elements Q1, Q4. Further, during the period when both the switch elements Q2 and Q4 are turned on, the low level drive control signals Sc3 and Sc4 are input to the switch elements Q3 and Q4, and the high level drive control signals Sc1 and Sc4 are input to the switch elements Q1 and Q4. Entered. By repeatedly outputting the drive control signal as described above from the control circuit 145, the switch elements Q1 and Q2 and the switch elements Q4 and Q3 are alternately turned on and off in a predetermined cycle. That is, when the switch elements Q1 and Q2 are on, the piezoelectric element 26 is charged to + HV, and when the switch elements Q4 and Q3 are on (period B), the piezoelectric element 26 is charged to -V.

このように圧電素子26の分極方向により大きい駆動電圧が印加されるため、圧電素子26の変形量が増大し、その結果駆動軸28の振動幅が大きくなる。駆動軸28の振動幅が増大することにより、一回の振動によってスライダの移動量も大きくなり、スライダの移動速度を速くすることができる。   Since a larger driving voltage is applied in the polarization direction of the piezoelectric element 26 in this way, the deformation amount of the piezoelectric element 26 increases, and as a result, the vibration width of the driving shaft 28 increases. By increasing the vibration width of the drive shaft 28, the amount of movement of the slider is increased by a single vibration, and the moving speed of the slider can be increased.

図9は、本実施形態にかかる圧電素子の駆動回路の動作原理を説明するための圧電素子の電界誘起歪み特性を示す図である。上述のように、圧電素子をアクチュエータとして使用する場合、歪みA点まで高電界を印加して分極させ、ヒステリシス特性を持たせる。この状態で、−V〜HVまでの間で駆動電圧を印可した場合、圧電素子の歪みは、印加電界と相関があるため、図16のa点からc点の範囲で歪みMが発生し、駆動電圧を−Vから+Vまでの範囲で印可した場合のa点からb点の範囲で発生する歪みLよりも大きくなる。なお、このとき、分極方向の駆動電圧HVは、分極側の抗電界Exよりも大きくしても分極解除による圧電素子の破壊を引き起こすことがない。これに対して、分極方向に対して負の方向の駆動電圧も大きくすることによって圧電素子の変位量を大きくすることができる一方、あまりに大きくすると分極解除に対する信頼性が低下することとなる。すなわち、分極方向に対して負の方向の駆動電圧は、圧電素子の分極を解除しないように圧電素子の抗電界−Exに圧電材料の変位方向厚さを乗じた値を越えないようにする必要がある。なお、駆動電圧HVは、駆動電圧Vに対して絶対値で概ね2〜3倍程度の範囲とすることが好ましい。   FIG. 9 is a diagram showing electric field induced strain characteristics of the piezoelectric element for explaining the operating principle of the drive circuit for the piezoelectric element according to the present embodiment. As described above, when a piezoelectric element is used as an actuator, a high electric field is applied to the strain A point for polarization to provide hysteresis characteristics. In this state, when a driving voltage is applied between −V and HV, the distortion of the piezoelectric element correlates with the applied electric field, so that distortion M occurs in the range from point a to point c in FIG. When the driving voltage is applied in the range from -V to + V, the distortion L is larger than the distortion L generated in the range from the point a to the point b. At this time, even if the driving voltage HV in the polarization direction is larger than the coercive electric field Ex on the polarization side, the piezoelectric element is not destroyed due to depolarization. On the other hand, the displacement amount of the piezoelectric element can be increased by increasing the driving voltage in the negative direction with respect to the polarization direction. On the other hand, if the drive voltage is excessively increased, the reliability for depolarization is lowered. That is, the drive voltage in the negative direction with respect to the polarization direction must not exceed a value obtained by multiplying the coercive electric field -Ex of the piezoelectric element by the displacement direction thickness of the piezoelectric material so as not to release the polarization of the piezoelectric element. There is. The drive voltage HV is preferably in the range of about 2-3 times in absolute value with respect to the drive voltage V.

図10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+HVが供給される接続点a1と圧電素子の分極方向側電極と接続される接続点bとの間にMOS型FETであるスイッチ素子Q5からなる第5スイッチ回路147及び圧電素子が直列に接続されると共に、駆動電源から駆動電圧−Vが供給される接続点a2と圧電素子の分極方向側電極と接続される接続点bとの間にMOS型FETであるスイッチ素子Q6からなる第6スイッチ回路148が接続されて構成されている。   FIG. 10 is a diagram illustrating another configuration example of the drive circuit. In this figure, the drive circuit 14 'includes a switch element Q5 which is a MOS FET between a connection point a1 to which a drive voltage + HV is supplied from a drive power supply and a connection point b connected to the polarization direction side electrode of the piezoelectric element. The fifth switch circuit 147 and the piezoelectric element are connected in series, and between the connection point a2 to which the drive voltage −V is supplied from the drive power supply and the connection point b connected to the polarization direction side electrode of the piezoelectric element. A sixth switch circuit 148 made up of a switch element Q6, which is a MOS type FET, is connected.

各スイッチ回路147,148に駆動制御信号Sc5,Sc6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。第5スイッチ回路147を構成するスイッチ素子Q5はPチャネルFETであり、第6スイッチ回路148を構成するスイッチ素子Q6はNチャネルFETである。   A control circuit 145a serving as a control signal supply means for supplying drive control signals Sc5 and Sc6 to the switch circuits 147 and 148 is connected. The control circuit 145a controls each switch circuit under the control of the control unit 22 as in the case of the driving circuit 14. The switch element Q5 constituting the fifth switch circuit 147 is a P-channel FET, and the switch element Q6 constituting the sixth switch circuit 148 is an N-channel FET.

このように構成された駆動回路14’において、第5スイッチ回路147は圧電素子26に対し、その分極方向に正の方向から駆動電圧HVを印加して端子間電圧Vsが+HVとなるまで充電する第1の駆動回路を構成し、第6スイッチ回路148は圧電素子26に対し、その他方側から(すなわち、分極方向に対して負の方向から)駆動電圧HVよりも低い駆動電圧Vを印加して端子間電圧Vsが−Vとなるまで充電する第2の駆動回路を構成する。圧電素子は、分極方向側端子をb点に接続し、他端を接地する。   In the drive circuit 14 ′ configured as described above, the fifth switch circuit 147 charges the piezoelectric element 26 by applying the drive voltage HV from the positive direction to the polarization direction until the inter-terminal voltage Vs becomes + HV. The sixth switch circuit 148 forms a first drive circuit, and applies a drive voltage V lower than the drive voltage HV to the piezoelectric element 26 from the other side (that is, from a negative direction with respect to the polarization direction). Thus, a second drive circuit that charges until the inter-terminal voltage Vs becomes −V is configured. The piezoelectric element has a polarization direction side terminal connected to point b and the other end grounded.

図11は、図10の駆動回路に電圧が異なる駆動電圧を供給する電圧供給回路の構成例を示す図である。図11は電圧供給のために複数の電池を直列に接続した直流バッテリを用いた例である。バッテリ50は複数の電池が直列に接続して構成され、その正極側端子xと負極側端子zとの間に端子yが設けられている。xy間の電圧HVはyz間の電圧Vよりも高くなるように構成されている。正極側端子xは駆動回路14のa1点に、負極側端子zは駆動回路14のb点にそれぞれ接続される。中間端子yは、圧電素子の他端に接続され、接地される。   FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a voltage supply circuit that supplies drive voltages having different voltages to the drive circuit of FIG. FIG. 11 shows an example using a DC battery in which a plurality of batteries are connected in series for voltage supply. The battery 50 is configured by connecting a plurality of batteries in series, and a terminal y is provided between the positive terminal x and the negative terminal z. The voltage HV between xy is configured to be higher than the voltage V between yz. The positive terminal x is connected to point a1 of the drive circuit 14, and the negative terminal z is connected to point b of the drive circuit 14. The intermediate terminal y is connected to the other end of the piezoelectric element and grounded.

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145a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。このように駆動回路14を構成した場合、圧電素子26には−V〜+HVの電圧が印加され、分極方向に高い駆動電圧が印加されることによって、圧電素子の変位量を大きくすることができ、スライダの移動速度を速くすることができる。   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 control circuit 145a outputs a drive pulse with a predetermined duty ratio based on the above, and the first drive circuit and the second drive circuit are alternately driven by this drive pulse. When the drive circuit 14 is configured in this way, a voltage of −V to + HV is applied to the piezoelectric element 26, and a high drive voltage is applied in the polarization direction, whereby the amount of displacement of the piezoelectric element can be increased. The moving speed of the slider can be increased.

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の駆動回路に印加される駆動電圧の大きさを異ならせ、その範囲を圧電素子の分極方向についてのみ大きく、圧電素子に印加される駆動電圧の幅を大きくすることにより、圧電素子の変位量を大きくすることができる。また、負方向の抗電界を超えた駆動電圧が圧電素子に印加され圧電素子の分極が解除されて圧電素子が破壊されることがない。したがって、係合部材であるスライダの移動速度を速くすることができる。   As described above, according to the piezoelectric actuator according to the above-described embodiment, the magnitudes of the drive voltages applied to the first and second drive circuits are varied, and the range is large only for the polarization direction of the piezoelectric element, By increasing the width of the drive voltage applied to the piezoelectric element, the amount of displacement of the piezoelectric element can be increased. Further, a driving voltage exceeding the coercive electric field in the negative direction is applied to the piezoelectric element, so that the piezoelectric element is not depolarized and the piezoelectric element is not destroyed. Therefore, the moving speed of the slider that is the engaging member can be increased.

例えば、上記実施形態にかかるアクチュエータを3.5インチの固定磁気ディスク装置のヘッド送り機構に応用した場合、これらのディスク装置には12Vと5Vの電源が供給されているため、HVを12V、Vを5Vとすることによって、ヘッドの送り速度を高くできる。   For example, when the actuator according to the above embodiment is applied to a head feed mechanism of a 3.5-inch fixed magnetic disk device, 12 V and 5 V are supplied to these disk devices, so that HV is 12 V, V By setting 5 to 5V, the head feed speed can be increased.

また、負方向に印加される駆動電圧が−5Vとなる場合駆動電圧の限界値(抗電界)を−10V程度となるように圧電素子を設計する。この場合、印加する負電圧が限界値に近い程、圧電素子1両端電圧は大きくなり、速度向上が期待できるが、一方で、分極解除に対する信頼性が低下するというバランスの関係がある。上記実施形態においては、分極方向に対して負の方向に印加される電圧を小さくしたまま、正方向のみの駆動電圧を大きくすることによって、移動速度を速くすることができる一方で、分極解除による圧電素子の破壊の可能性を低くすることができる。   In addition, when the drive voltage applied in the negative direction is -5V, the piezoelectric element is designed so that the limit value (coercive electric field) of the drive voltage is about -10V. In this case, as the negative voltage to be applied is closer to the limit value, the voltage across the piezoelectric element 1 increases, and an improvement in speed can be expected, but on the other hand, there is a balanced relationship that the reliability for depolarization decreases. In the above-described embodiment, while the voltage applied in the negative direction with respect to the polarization direction is kept small, the moving speed can be increased by increasing the drive voltage only in the positive direction. The possibility of destruction of the piezoelectric element can be reduced.

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、圧電素子を圧電アクチュエータに用いた場合について説明したが他の装置に用いることもできる。   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 case where the piezoelectric element is used for the piezoelectric actuator has been described. However, the piezoelectric element can be used for other devices.

また、圧電素子を圧電アクチュエータに用いた場合、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。   Further, when the piezoelectric element is used for the piezoelectric actuator, in the above-described embodiment, the slider as the engaging member moves and the piezoelectric element is configured to be fixed. The member may be fixed and the piezoelectric element may be configured to be movable together with the support member.

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。It is the schematic which shows the basic composition of the impact type piezoelectric actuator which concerns on embodiment of this invention. 図1の圧電アクチュエータの駆動部の構成例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structural example of the drive part of the piezoelectric actuator of FIG. 図1の圧電アクチュエータの駆動回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the drive circuit of the piezoelectric actuator of FIG. 図3の駆動回路に電圧が異なる駆動電圧を供給する電圧供給回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the voltage supply circuit which supplies the drive voltage from which a voltage differs to the drive circuit of FIG. 図1の圧電アクチュエータの駆動回路の駆動電圧のパルス波形を示す図である。It is a figure which shows the pulse waveform of the drive voltage of the drive circuit of the piezoelectric actuator of FIG. 矩形波からなる駆動電圧のデューティ比とスライダの移動方向との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the duty ratio of the drive voltage which consists of rectangular waves, and the moving direction of a slider. 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あり、(a)は図5(a)に示す駆動電圧が印加された場合であり、(b)は図5(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。It is a figure which shows the correspondence of the pulse waveform of the drive voltage from the drive circuit applied to a piezoelectric element, and the displacement by expansion / contraction of a piezoelectric element, (a) is the drive voltage shown to Fig.5 (a) was applied. FIG. 5B shows a case where the drive voltage shown in FIG. 5B is applied. 図1の圧電アクチュエータの動作シーケンスを示すタイミングチャートである。2 is a timing chart showing an operation sequence of the piezoelectric actuator of FIG. 1. 本実施形態にかかる圧電素子の駆動回路の動作原理を説明するための圧電素子の電界誘起歪み特性を示す図である。It is a figure which shows the electric field induced distortion characteristic of the piezoelectric element for demonstrating the operation principle of the drive circuit of the piezoelectric element concerning this embodiment. 図1の圧電アクチュエータの駆動回路の別の構成例を示す図である。It is a figure which shows another structural example of the drive circuit of the piezoelectric actuator of FIG. 図10の駆動回路に電圧が異なる駆動電圧を供給する電圧供給回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the voltage supply circuit which supplies the drive voltage from which a voltage differs to the drive circuit of FIG. カメラの撮影レンズ位置を調節するための圧電素子を用いた圧電アクチュエータの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the piezoelectric actuator using the piezoelectric element for adjusting the taking lens position of a camera. 図12の圧電アクチュエータの駆動部材の変位を示す図である。It is a figure which shows the displacement of the drive member of the piezoelectric actuator of FIG. 図12の圧電アクチュエータの駆動回路を示す図である。It is a figure which shows the drive circuit of the piezoelectric actuator of FIG. 図12の圧電アクチュエータの別の動作シーケンスを表すタイミングチャートである。13 is a timing chart showing another operation sequence of the piezoelectric actuator of FIG. 圧電素子の電界誘起歪み特性を示す図である。It is a figure which shows the electric field induced distortion characteristic of a piezoelectric element.

符号の説明Explanation of symbols

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 第1スイッチ回路
142 第2スイッチ回路
143 第3スイッチ回路
144 第4スイッチ回路
147 第5スイッチ回路
148 第6スイッチ回路
Q1〜Q6 スイッチ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoelectric actuator 12 Drive part 14, 14 'Drive circuit 22 Control part 24 Support member 26 Piezoelectric element 28 Drive shaft (drive member)
30 Slider (engagement member)
141 1st switch circuit 142 2nd switch circuit 143 3rd switch circuit 144 4th switch circuit 147 5th switch circuit 148 6th switch circuit Q1-Q6 switch element

Claims (5)

駆動電圧が印加されることにより伸縮する圧電素子を駆動する駆動回路であって、
前記圧電素子に前記圧電素子の分極方向に正の方向から駆動電圧を印加する第1の駆動回路と、前記圧電素子に前記圧電素子の分極方向に負の方向から駆動電圧を印加する第2の駆動回路と、前記第1の駆動回路に供給する駆動電圧の絶対値が前記第2の駆動回路に供給する駆動電圧の絶対値よりも大きくなるように前記第1の駆動回路及び第2の駆動回路に駆動電圧を供給する電圧供給手段とを備えることを特徴とする、圧電素子の駆動回路。
A drive circuit for driving a piezoelectric element that expands and contracts when a drive voltage is applied,
A first drive circuit for applying a drive voltage to the piezoelectric element from a positive direction in the polarization direction of the piezoelectric element; and a second drive circuit for applying a drive voltage to the piezoelectric element from a negative direction in the polarization direction of the piezoelectric element. The first drive circuit and the second drive so that the absolute value of the drive voltage supplied to the drive circuit and the first drive circuit is larger than the absolute value of the drive voltage supplied to the second drive circuit. A drive circuit for a piezoelectric element, comprising voltage supply means for supplying a drive voltage to the circuit.
前記第1の駆動回路は、一方端が電源供給手段の第1の電極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電源供給手段の第2の電極に接続された第2スイッチ手段とを含み、
前記第2の駆動回路は、一方端が前記電源供給手段の前記第1の電極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電源供給手段の第2の電極に接続された第4スイッチ手段とを含むことを特徴とする、請求項1に記載の圧電素子の駆動回路。
The first drive circuit includes first switch means having one end connected to the first electrode of the power supply means 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 a second switch means connected to the second electrode of the power supply means at the other end,
The second drive circuit includes third switch means having one end connected to the first electrode of the power supply means and the other end connected to the other end of the piezoelectric element, and one end connected to the piezoelectric element. The piezoelectric element drive circuit according to claim 1, further comprising fourth switch means connected to one end and having the other end connected to the second electrode of the power supply means.
前記第1の駆動回路は、一方端が電源供給手段の第1の電極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5スイッチ手段を含み、
前記第2の駆動回路は、一方端が前記電源供給手段の前記第2の電極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6スイッチ手段とを含み、
前記圧電素子の他方端は、前記電源供給手段の第1の電極の電位と第2の電極の電位の間の電位を持つ第3の電極に接続されていることを特徴とする、請求項1に記載の圧電素子の駆動回路。
The first drive circuit includes fifth switch means having one end connected to the first electrode of the power supply means and the other end connected to one end of the piezoelectric element;
The second drive circuit includes sixth switch means having one end connected to the second electrode of the power supply means and the other end connected to one end of the piezoelectric element;
The other end of the piezoelectric element is connected to a third electrode having a potential between the potential of the first electrode and the potential of the second electrode of the power supply means. A drive circuit for the piezoelectric element according to 1.
前記第2の駆動回路により印加される駆動電圧の絶対値は、前記圧電素子の電解誘起歪み特性によって決定される抗電界に圧電素子の変位方向厚さを乗じた値よりも小さく、前記第1の駆動回路により印加される駆動電圧の絶対値は、前記抗電界よりも大きいことを特徴とする、請求項1から3のいずれか1つに記載の圧電素子の駆動回路。   The absolute value of the drive voltage applied by the second drive circuit is smaller than a value obtained by multiplying the coercive electric field determined by the electrolytically induced strain characteristic of the piezoelectric element by the displacement direction thickness of the piezoelectric element, 4. The piezoelectric element drive circuit according to claim 1, wherein an absolute value of a drive voltage applied by the drive circuit is larger than the coercive electric field. 5. 前記圧電素子が、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を備えて前記駆動部材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使用される圧電素子であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の圧電素子の駆動回路。
The piezoelectric element includes a drive member fixed to one end in the expansion / contraction direction of the piezoelectric element and an engagement member frictionally engaged with the drive member, and the drive member has different speeds of expansion and contraction. The piezoelectric element according to any one of claims 1 to 4, wherein the piezoelectric element is used in a piezoelectric actuator that relatively moves the drive member and the engagement member by extending and contracting. Driving circuit.
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