JP2009284635A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電アクチュエータの圧電素子の伸縮を最適化できる駆動装置を提供する。
【解決手段】伸縮に応じて電荷が誘導される検出電極１１を備える圧電素子２と、圧電素子２に一端が固定された駆動軸と、駆動軸に摩擦係合する移動部材と、圧電素子２に周期的な駆動電圧を印加可能な駆動回路６と、検出電極１１の誘導電荷Ｑの変化の基本周波数成分と第２次高調波成分とを求める検出回路７と、誘導電荷Ｑの基本周波数成分および第２次高調波成分に応じて駆動回路６を制御し、駆動電圧の波形を変化させる制御装置８とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、駆動装置、特に、圧電アクチュエータを用いた駆動装置に関する。

例えば、特許文献１には、圧電素子と、圧電素子に固定された駆動軸と、駆動軸に摩擦係合する移動体とを有し、圧電素子に周期的な駆動電圧を印加して、圧電素子を鋸歯状に伸縮させることで、駆動軸を非対称に振動させ、移動体を駆動軸に対してすべり変位させる圧電アクチュエータが記載されている。駆動電圧の波形を制御することは可能であるが、圧電素子の伸縮は、駆動電圧には完全に一致せず、圧電アクチュエータの駆動効率を最適化することは容易ではなかった。

特許文献２には、圧電素子の電極に対向する検出電極を設け、検出電極に蓄積される誘導電荷を検出することで、圧電素子の伸縮状態を正確に把握する発明が記載されている。圧電素子を動作速度の遅い機器に使用する場合は、検出した誘導電荷の値をフィードバックすることで、圧電素子の伸縮を最適化することが可能である。しかしながら、圧電アクチュエータのように高周波領域で圧電素子を伸縮させる場合には、通常のフィードバック制御では制御が間に合わず、圧電素子の伸縮波形を制御することができない。
特開平１１−１０３５８３号公報 特開平１０−２０９５１６号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、圧電アクチュエータの圧電素子の伸縮を最適化できる駆動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による駆動装置は、伸縮に応じて電荷が誘導される検出電極を備える圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定された駆動軸と、前記駆動軸に摩擦係合する移動部材と、前記圧電素子に周期的な駆動電圧を印加可能な駆動回路と、前記検出電極の誘導電荷の変化の基本周波数成分と第２次高調波成分とを求める検出回路と、前記誘導電荷の基本周波数成分および第２次高調波成分に応じて前記駆動回路を制御し、前記駆動電圧の波形を変化させる制御装置とを有するものとする。

この構成によれば、検出電極の誘導電荷の基本周波数成分と第２次高調波成分とが、実際の圧電素子の振動波形に最も寄与する伸縮量の基本周波数成分と第２次高調波成分とに比例するので、誘導電荷の基本周波数成分と第２次高調波成分とに基づいて駆動電圧の波形を変更することで、圧電素子の振動波形を理想的な近づけることができる。

また、本発明の駆動装置において、前記検出回路は、前記誘導電荷を示す変量をフーリエ解析してもよい。

この構成によれば、マイコンによるディジタル処理が可能である。

また、本発明の駆動装置において、また、本発明の駆動装置において、前記検出回路は、前記駆動電圧の基本周波数と同じ周波数成分を抽出する基本波フィルタと、前記駆動電圧の基本周波数の２倍の２次高調波成分を抽出する高調波フィルタとを有してもよい。

圧電アクチュエータを駆動する際、圧電素子の伸縮波形の基本周波数は、駆動電圧の基本周波数と一致するの。このため、基本波フィルタおよび高調波フィルタによって、圧電素子の伸縮波形の基本周波数およびその倍の周波数の成分の大きさを検出可能である。

また、本発明の駆動装置において、前記検出回路は、前記検出電極に流れ込む電流を電圧信号に変換する変換器を有することを特徴とする駆動装置。

この構成によれば、検出電極に流れ込む充電／放電電流の値は、検出電極の誘導電荷を時間微分したものになる。よって、この電流値を電圧信号に変換することで、基本波成分および２次高調波成分を検出することが容易になる。

また、本発明の駆動装置において、前記制御装置は、前記誘導電荷の基本周波数成分の振幅が第２次高調波成分の振幅の４倍になるように、前記駆動電圧の基本周波成分および第２次高調波成分の少なくともいずれかの振幅を調整してもよい。

基本波と２次高調波のみで形成される波形は、基本波成分の振幅が２次高調波成分の４倍になるとき、伸長速度と収縮速度との差が最も大きくなり、圧電アクチュエータの駆動効率を極大化できる。

また、本発明の駆動装置において、前記制御装置は、前記誘導電荷の基本周波数成分と第２次高調波成分との位相差が０°または１８０°になるように、前記駆動電圧の基本周波成分および第２次高調波成分の少なくともいずれかの位相を調整してもよい。

基本波と２次高調波のみで形成される波形は、基本波成分と２次高調波成分との位相差が０°および１８０°のとき、伸長速度と収縮速度との差が正および負の最大となる。このため、基本波成分と２次高調波成分との位相差に応じて駆動電圧を調整することで、圧電アクチュエータの駆動効率を極大化できる。

また、本発明の駆動装置において、前記駆動電圧は、前記誘導電荷の基本周波数と同じ周波数のデューティ比０．５の矩形波と、前記誘導電荷の基本周波数の２倍の周波数のデューティ比０．５の矩形波からなってもよい。

理想的なデューティ比０．５の矩形波は、２次高調波成分を含まず、３次以上の高調波成分も基本波に比べて十分小さいので、独立して制御可能な基本周波数の矩形波とその倍の周波数の矩形波とを重畳することによって、駆動電圧の基本波成分および２次高調波成分の振幅や位相を容易に調整できる。また、矩形波は、簡単で安価な回路によって供給できる。

また、本発明の駆動装置において、前記駆動電圧は、前記誘導電荷の基本周波数と同じ周波数の矩形波であって、前記制御装置は、前記駆動電圧のデューティ比を変化させてもよい。

矩形波のデューティを変更すると、高調波成分はデューティ比０．５のときに最大になり、０．５から離れるほど小さくなる。つまり、デューティ比の変更によっても、駆動電圧の基本波成分と２次高調波成分との比を変化させることができ、圧電アクチュエータの駆動効率を極大化することができる。

また、本発明の駆動装置において、前記検出電極は、前記圧電素子の前記駆動軸と反対側の端部に固定された錘であってもよい。

この構成によれば、圧電アクチュエータの構成要素である錘を検出電極としても利用するので、装置を簡素化でき、駆動装置のコスト上昇を抑制できる。

本発明によれば、圧電素子に設けた検出電極の誘導電荷の基本周波数成分と２次高調波成分とに基づいて、圧電素子の駆動電圧の波形を調整するので、圧電素子の伸縮波形を理想的な鋸歯状の波形に近づけて、駆動効率を最適化できる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態の駆動装置１の構成を示す。駆動装置１は、圧電素子２、一端が圧電素子２に固定された駆動軸３、および、駆動軸２に摩擦係合する移動体４からなる圧電アクチュエータ５と、圧電素子２に周期的な駆動電圧を印加する駆動回路６と、圧電アクチュエータ５の伸縮状態を検出する検出回路７と、検出回路７の出力に基づいて、駆動回路６を制御する制御装置８とを有する。

圧電素子２は、例えばＰＺＴのような圧電材料からなる複数の圧電層９を、例えば銀パラジウム合金からなる２組の対向電極１０ａ，１０ｂを交互に挟み込んで積層してなり、一端に、圧電層９を介して対向電極１０ｂに対向するように、例えば銀パラジウム合金からなる検出電極１１が設けられている。駆動回路６の１対の出力端には、それぞれ対向電極１０ａ，１０ｂのいずれかが並列に接続されている。駆動回路６が駆動電圧を出力すると、対向電極１０ａ，１０ｂ間に電界が形成され、この電界に応じて圧電層９が伸縮する。圧電層９に印加される電界強度は、対向電極１０ａ，１０ｂに充電される電荷量に比例する。そして、検出電極１１には、隣接する対向電極１０ｂの電荷量に比例した電荷が誘導される。つまり、検出電極１１の誘導電荷量は圧電素子２の伸縮量に比例する。

検出回路７は、圧電素子２の検出電極１１の誘導電荷量を検出し、その誘導電荷量の変化の波形の基本周波数成分と、２次高調波成分（基本周波数の倍の周波数成分）との振幅を検出し、制御装置８に入力する。

駆動回路６は、制御回路８から入力される制御信号に基づいて、圧電素子２に印加する駆動電圧の波形を、その周波数成分毎に振幅および位相を調整できるようになっている。制御装置８は、検出回路７の出力に応じて、駆動回路６に対し、駆動電圧の前記誘導電荷の２次高調波成分と同じ周波数の成分の振幅と、前記基本周波数成分に対する位相とをそれぞれ指定する制御信号を変化させる。詳しくは、制御装置８は、駆動電圧の基本周波数成分が２次高調波成分の４倍になるように、且つ、駆動電圧の基本周波数成分と２次高調波成分との位相差が、駆動方向に応じて０°または１８０°になるように、駆動回路６に入力する制御信号を変化させる。

図２に、駆動回路６、検出回路７の構成を詳しく示す。駆動回路６は、それぞれ正弦波発生器からなる基本波発生器１２および高調波発生器１３を有し、基本波発生器１２の出力と高調波発生器１３の出力とを重畳して、圧電素子２の対向電極１０ｂに印加するようになっている。基本波発生器１２は、電圧Ｖ１＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋θ１）を発生し、高調波発生器１３は、電圧Ｖ２＝Ｂｓｉｎ（２ωｔ＋θ２）を発生する。基本波発生器１２および高調波発生器１３は、それぞれ、出力電圧の振幅Ａ，Ｂおよび位相θ１，θ２を任意に設定可能である。なお、ωは、圧電アクチュエータ５の最適な駆動周波数をｆｄとすると、ω＝１／２πｆで表される角速度であり、一定である。

検出回路７は、検出電極１１の充電電流Ｉを電圧信号に変換するオペアンプからなる電流−電圧変換器１４と、電流−電圧変換器１４の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１５と、このディジタル信号をフーリエ解析するＤＳＰ（Digital Signal Processor）１６からなる。ＤＳＰ１６は、充電電流Ｉの基本波成分および高調波成分の振幅および位相をディジタル信号で出力する。

本実施形態では、圧電素子２には、基本波発生器１２が出力する周波数２πωの電圧成分と、高調波発生器１３が出力する周波数４πωの電圧成分としか印加されないので、検出される充電電流Ｉの基本周波数は、２πωであり、３次以上の高調波は検出されない。

また、検出回路７は、検出電極１１の充電電流Ｉを検出しているが、充電電流Ｉは、検出電極１１の誘導電荷Ｑを時間微分した値になる。このため、ＤＳＰ１６が出力する充電電流Ｉの基本波成分と２次高調波成分との比は、誘導電荷Ｑの基本波成分と２次高調波成分との比の２分の１になる。

図３に、誘導電荷Ｑの基本波成分と２次高調波成分との位相差がない場合の振幅比による波形の違いを例示する。誘導電荷Ｑは、基本波成分の振幅が２次高調波成分の振幅の４倍になるとき、最も理想的な鋸歯状の波形となるが、基本波成分の２次高調波成分に対する振幅比が４より大きくなっても、４より小さくなっても、立ち上がりと立ち下がりの傾きの差が小さくなる。

図４に、このような、基本周波数成分と２次高調波成分との比による圧電アクチュエータ５の移動体４の移動速度の変化を示す。このグラフでは、検出回路７が検出する検出電極１１の充電電流Ｉの基本周波数成分と２次高調波成分との比に対する移動体３の移動速度を示しているが、検出電極１１の誘導電荷Ｑの基本周波数成分と２次高調波成分との比は図示する成分比の２倍である。図４に示すように、移動体４の移動速度、つまり、圧電アクチュエータ５の駆動速度は、検出電極１１の誘導電荷Ｑの基本周波数成分の振幅が２次高調波成分の振幅の４倍になるとき最大になる。

よって、制御装置８は、ＤＳＰ１６から入力される検出電極１１の充電電流Ｉの基本周波数成分と２次高調波成分との比が２になるように、つまり、検出電極１１の誘導電荷Ｑの変化の基本波成分の振幅と２次高調波成分の振幅との比が４になるように、高調波発生器１３の出力電圧の振幅Ｂの設定値にフィードバックをかける。

また、図５に、誘導電荷Ｑの基本波成分と２次高調波成分との振幅比が４である場合の位相差による波形の違いを例示する。誘導電荷Ｑは、基本波成分と２次高調波成分との位相差が０であるとき、最も理想的な鋸歯状の波形となるが、位相差がプラスになってもマイナスになっても立ち上がりと立ち下がりの傾きの差が小さくなる。

図６に、このような、基本周波数成分と２次高調波成分との位相差による圧電アクチュエータ５の移動体４の移動速度の変化を示す。図示するように、移動体４の移動速度、つまり、圧電アクチュエータ５の駆動速度は、検出電極１１の誘導電荷Ｑの基本周波数成分と２次高調波成分との位相差が０°のときに最大になる。

なお、位相差が±９０°以上になると、図５における立ち上がりの傾きと立ち下がりの傾きとの大小が入れ替わり、位相差が１８０°になると、位相差０°の波形を左右反転した形状になる。つまり、圧電アクチュエータ５の駆動速度は、位相差１８０°において逆方向の最大値を示す。

よって、制御装置８は、ＤＳＰ１６から入力される基本波成分と２次高調波成分との位相差が駆動方向に応じて、０°または１８０°のいずれかになるように、高調波発生器１３の出力電圧の位相θ２の設定値にフィードバックをかける。

以上のように、本実施形態の駆動装置１は、高調発生器３の出力する電圧、ひいては、基本波発生器１２の出力と重畳された、圧電素子２に印加される駆動電圧の波形を変化させることで、移動体４の移動速度を最大化する。

続いて、図７に、本発明の第２実施形態の駆動装置の回路構成を示す。本実施形態以降の説明においては、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。本実施形態の駆動回路６は、周波数ｆ１＝２πωでデューティ比０．５の矩形波を出力する公知のブリッジ回路である基本波ブリッジ回路１７と、周波数ｆ１の倍の周波数ｆ２＝４πωでデューティ比０．５の矩形波を出力する公知のブリッジ回路からなる高調波ブリッジ回路１８とからなる。

本実施形態の制御装置８は、基本波ブリッジ回路１７および高調波ブリッジ回路１８のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御信号を出力する。そして、ＤＳＰ１６から入力される基本波成分と２次高調波成分との位相差が駆動方向に応じて、０°または１８０°のいずれかになるように、基本波ブリッジ回路１７を駆動する制御信号と、高調波ブリッジ回路１８を駆動する制御信号との位相を変化させる。

なお、理想的な矩形波は、２次高調波成分を含まないので、本実施形態のように、基本周波数ｆ１の矩形波と、基本周波数の倍の周波数ｆ２の矩形波とを重畳して印加することで、圧電素子２に印加される駆動電圧の基本波成分と２次高調波成分との位相を独立して調整できる。なお、３次以上の高調波成分も、誘導電荷Ｑの波形に寄与するが、その構成比が小さいため、基本波成分と２次高調波成分とだけを指標として駆動電圧波形を調整すればよい。

本実施形態では、誘導電荷Ｑの基本波成分と２次高調波成分との振幅比を調整することはできないが、誘導電荷Ｑの基本波成分と２次高調波成分との位相差を調整することで、ある程度駆動効率を改善できる。特に、圧電素子２の弾性などによる振動特性の遅れにバラツキがある場合は、この位相差の調整による駆動効率の改善が有効である。また、基本波ブリッジ回路１７および高調波ブリッジ回路１８の電源電圧を調整可能とすれば、誘導電荷Ｑの基本波成分と２次高調波成分との振幅比を調整することも可能になる。

さらに、図８に、本発明の第３実施形態の駆動装置の回路構成を示す。本実施形態の駆動回路６は、１つの公知のブリッジ回路１９のみからなる。

また、本実施形態の検出回路７は、駆動電圧の基本周波数ｆ１＝２πωの近傍の周波数帯域のみを通過させる基本波バンドパスフィルタ２０と、基本周波数ｆ１の倍の周波数ｆ２＝４πωの近傍の周波数帯域のみを通過させる高調波バンドパスフィルタ２１とが並列に接続され、それぞれに、電流−電圧変換器１４の出力が入力されるようになっている。さらに、検出回路７は、基本波バンドパスフィルタ２０を通過した電圧の実行値をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１５ａと、高調波バンドパスフィルタ２１を通過した電圧の実行値をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１５ｂとを有する。つまり、本実施形態の検出回路７は、誘導電荷Ｑの基本波成分に比例するディジタル値と、誘導電荷Ｑの２次高調波成分に比例するディジタル値とを制御装置８に入力する。

本実施形態では、制御装置８は、ブリッジ回路１９のスイッチング素子をオン／オフする周波数ｆ１＝２πωの制御信号のデューティ比を、誘導電荷Ｑの基本波成分の振幅と２次高調波成分の振幅との比が４に近付くように、つまり、充電電流Ｉの基本周波数成分と２次高調波成分との比が２になるように調整する。

理想的な矩形波の高調波成分は、デューティ比０．５のときに最大になり、デューティ比が０．５から離れるほど小さくなる。このため、本実施形態のように、駆動電圧のデューティ比を変化させることでも、駆動電圧の基本波成分と２次高調波成分との比を変化させて、アクチュエータ５の駆動効率を改善できる。

さらに、図９に、本発明の第４実施形態の駆動装置の構成を示す。本実施形態のアクチュエータ５は、圧電素子２の、駆動軸３と反対側の端部に例えばタングステン合金からなる導電性の錘２２が固定されている。この錘２２は、対向電極１０ｂに圧電層９を介して対向するように配設されており、検出電極を兼ねている。

錘２２は、圧電アクチュエータ５の重心を錘２２側に位置させ、これによって、圧電素子２の伸縮の中心点を錘２２に近づけることで、駆動軸３を安定して振動させるために用いられ、このような錘２２の使用は公知である。よって、導電性の錘２２を検出電極としても用いることで、検出電極を設けた特殊な圧電素子を用意する必要がなく、コストが削減できる。

なお、以上の実施形態では、圧電素子２が１つの検出電極を有する例のみを説明したが、対向電極１０ａ，１０ｂにそれぞれ圧電層９を介して対向する検出電極の誘導電荷量の差分、または、２つの検出電極の間に流れる電流を検出してもよい。

本発明の第１実施形態の駆動装置の構成図。 図１の駆動装置の回路図。 図１の駆動装置の誘導電荷の基本波成分と２次高調波成分との振幅比による波形の違いを示す図。 図１の駆動装置の誘導電荷の基本波成分と２次高調波成分との振幅比による駆動速度の変化を示す図。 図１の駆動装置の誘導電荷の基本波成分と２次高調波成分との位相差による波形の違いを示す図。 図１の駆動装置の誘導電荷の基本波成分と２次高調波成分との位相差による駆動速度の変化を示す図。 本発明の第２実施形態の駆動装置の回路図。 本発明の第３実施形態の駆動装置の回路図。 本発明の第３実施形態の駆動装置の概略図。

符号の説明

１…駆動装置
２…圧電素子
３…駆動軸
４…移動体
５…圧電アクチュエータ
６…駆動回路
７…検出回路
８…制御装置
９…圧電層
１０ａ，１０ｂ…対向電極
１１…検出電極
１２…基本波発生器
１３…高調波発生器
１４…電流−電圧変換器
１５…Ａ／Ｄコンバータ
１６…ＤＳＰ
１７…基本波ブリッジ回路
１８…高調波ブリッジ回路
１９…ブリッジ回路
２０…基本波バンドパスフィルタ
２１…高調波バンドパスフィルタ
２２…錘（兼検出電極）

Claims (9)

1. 伸縮に応じて電荷が誘導される検出電極を備える圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定された駆動軸と、前記駆動軸に摩擦係合する移動部材と、前記圧電素子に周期的な駆動電圧を印加可能な駆動回路と、前記検出電極の誘導電荷の変化の基本周波数成分と第２次高調波成分とを求める検出回路と、前記誘導電荷の変化の基本周波数成分および第２次高調波成分に応じて前記駆動回路を制御し、前記駆動電圧の波形を変化させる制御装置とを有することを特徴とする駆動装置。
2. 前記検出回路は、前記誘導電荷を示す変量をフーリエ解析することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記検出回路は、前記駆動電圧の基本周波数と同じ周波数成分を抽出する基本波フィルタと、前記駆動電圧の基本周波数の２倍の２次高調波成分を抽出する高調波フィルタとを有することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
4. 前記検出回路は、前記検出電極に流れ込む電流を電圧信号に変換する変換器を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の駆動装置。
5. 前記制御装置は、前記誘導電荷の基本周波数成分の振幅が第２次高調波成分の振幅の４倍になるように、前記駆動電圧の基本周波成分および第２次高調波成分の少なくともいずれかの振幅を調整することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置。
6. 前記制御装置は、前記誘導電荷の基本周波数成分と第２次高調波成分との位相差が０°または１８０°になるように、前記駆動電圧の基本周波成分および第２次高調波成分の少なくともいずれかの位相を調整することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の駆動装置。
7. 前記駆動電圧は、前記誘導電荷の基本周波数と同じ周波数のデューティ比０．５の矩形波と、前記誘導電荷の基本周波数の２倍の周波数のデューティ比０．５の矩形波とからなることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の駆動装置。
8. 前記駆動電圧は、前記誘導電荷の基本周波数と同じ周波数の矩形波であって、
   前記制御装置は、前記駆動電圧のデューティ比を変化させることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の駆動装置。
9. 前記検出電極は、前記圧電素子の前記駆動軸と反対側の端部に固定された錘であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の駆動装置。

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