JP2010063363A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電アクチュエータを小型化できるようにする。
【解決手段】圧電体と、該圧電体の伸縮動作に基づいて軸方向変位する駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合されて移動可能にされた被駆動部材とを備えて構成される圧電アクチュエータにおいて、前記圧電体の共振周波数に対して、約１周期分の駆動時間（ａ−ｃ）と、約半周期分の駆動時間（ｃ−ｄ）との内、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と同方向である場合には、前記約１周期分の駆動時間を前記第２の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第１の駆動手段にそれぞれ設定し、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と逆方向である場合には、前記約１周期分の駆動時間を前記第１の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第２の駆動手段にそれぞれ設定し、第１の駆動手段と第２の駆動手段とを交互に駆動して圧電体を充電させる。
【選択図】図８

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。

従来、被駆動部材を棒状の駆動部材に摩擦結合させて取り付けると共に、この駆動部材の一方端に圧電素子を固着してなるインパクト形の圧電アクチュエータが知られている。例えば、特開平７−２９８６５６号公報（特許文献１）には、カメラの撮影レンズのアクチュエータとしてインパクト形の圧電アクチュエータを適用したものが示されている。図２０は、同公報に示されるインパクト形の圧電アクチュエータの概略構成を示す図である。

図２０において、インパクト形の圧電アクチュエータ１００は、棒状の駆動部材１０１と、被駆動部材１０２と、積層型圧電素子１０３と、駆動回路１０４とを備えている。被駆動部材１０２は、撮影レンズ等の駆動対象物が固着されるもので、駆動部材１０１に所定の摩擦力で係合され、この摩擦力以上の力が作用すると、駆動部材１０１上を軸方向に沿って移動可能となっている。また、積層型圧電素子１０３は、駆動部材１０１の一方端に分極方向を駆動部材１０１の軸方向と一致させて固着され、一方端に形成された電極１０３ａが駆動回路１０４に接続され、他方端に形成された電極１０３ｂが接地されている。

駆動回路１０４は、被駆動部材１０２を駆動部材１０１の先端側（開放端側）に移動（以下、この移動方向を正方向という。）させる正方向駆動回路１０５と、被駆動部材１０２を駆動部材１０１の基端側（圧電素子側）に移動（以下、この移動方向を逆方向という。）させる逆方向駆動回路１０６と、両駆動回路１０５，１０６の駆動を制御する制御回路１０７とで構成されている。

このように構成された圧電アクチュエータ１００は、駆動部材１０１を軸方向に沿って異なる速度で移動させた際の駆動部材１０１と被駆動部材１０２との間に発生する摩擦力の相違を利用して被駆動部材１０２を駆動部材１０１に対して相対的に移動させるようにしたものである。すなわち、被駆動部材１０２と駆動部材１０１との間の摩擦力は、駆動部材１０１が高速で移動するときは小さくなり、低速で移動するときは大きくなる。このため、駆動部材１０１の正方向移動時は低速で行い、逆方向移動時は高速で行うことにより被駆動部材１０２を駆動部材１０１に対して正方向に移動させ(正方向駆動）、駆動部材１０１の正方向移動時は高速で行い、逆方向移動時は低速で行うことにより被駆動部材１０２を駆動部材１０１に対して逆方向に移動させるようにしたものである(逆方向駆動）。

従って、正方向駆動回路１０５は低速充電回路１０５ａと高速放電回路１０５ｂとから構成され、逆方向駆動回路１０６は高速充電回路１０６ａと低速放電回路１０６ｂとから構成されている。低速充電回路１０５ａ及び高速充電回路１０６ａは、圧電素子１０３に分極方向と同方向の電源電圧Ｖｐを印加し（圧電素子１０３を分極方向に充電して）、圧電素子１０３を分極方向（駆動部材１０１の軸方向）に伸長させる回路である。

この低速充電回路１０５ａは、図２１に示すように、ｐｎｐ形トランジスタＴｒ１の固定バイアス回路にツェナーダイオードＺＤを並列接続してなる定電流充電回路により構成されている。同図において、抵抗ｒ１，ｒ２はトランジスタＴｒ１のバイアス抵抗であり、ツェナーダイオードＺＤはベースのバイアス抵抗ｒ２に並列に接続されている。すなわち、ツェナーダイオードＺＤによってトランジスタＴｒ１のベース電圧を一定値に保持することで抵抗ｒ１の電圧降下を所定の値に安定化し、これによりコレクタ電流が所定値に抑制されるようになっている。この結果、充電電流が制限されて充電速度が抑制され、駆動部材１０１の正方向移動時の速度が抑制される。

また、低速充電回路１０５ａは、図２２に示すように、図２１における抵抗ｒ２とツェナーダイオードＺＤとの並列回路をｎｐｎ形トランジスタＴｒ２に置き換えて構成したものでもよい。同図において、トランジスタＴｒ２のベースとコレクタとはそれぞれトランジスタＴｒ１のエミッタとベースとに接続され、トランジスタＴｒ２のエミッタは電源Ｖｐに接続されている。すなわち、トランジスタＴｒ２によってトランジスタＴｒ１のベース電圧を一定値に保持することで抵抗ｒ１の電圧降下を所定の値に安定化し、これによりコレクタ電流が所定値に抑制される。

また、高速放電回路１０５ｂ及び低速放電回路１０６ｂは、圧電素子１０３に分極方向と逆方向の電位を与えて（図では電極１０３ａを接地して）、充電電荷を放電させることで伸長した圧電素子１０３を縮小させる回路である。

この低速放電回路１０６ｂは、図２３に示すように、ｎｐｎ形トランジスタＴｒ３のベースとアース間にツェナーダイオードＺＤを接続してなる定電流放電回路により構成されている。同図において、抵抗ｒ４は放電電流を制限する抵抗であり、ツェナーダイオードＺＤによってトランジスタＴｒ３のベース電位を所定の値に保持することで抵抗ｒ４の電圧降下を所定の値に安定化し、これにより抵抗ｒ４を流れるエミッタ電流（放電電流）が所定の値に抑制されるようになっている。この結果、放電電流が制限されて放電速度が抑制され、駆動部材１０１の逆方向移動時の速度が抑制される。

制御回路１０７は、正方向駆動回路１０５及び逆方向駆動回路１０６の駆動を制御するもので、正方向駆動において、低速充電回路１０５ａと高速放電回路１０５ｂとを交互に駆動する一方、逆方向駆動において、高速充電回路１０６ａと低速放電回路１０６ｂとを交互に駆動するものである。

正方向駆動において、低速充電回路１０５ａと高速放電回路１０５ｂとを交互に駆動すると、圧電素子１０３が低速伸長と高速縮小とを交互に繰り返し、これにより駆動部材１０１が正方向の低速移動と逆方向の高速移動とを繰り返す。一方、逆方向駆動において、高速充電回路１０６ａと低速放電回路１０６ｂとを交互に駆動すると、圧電素子１０３が高速伸長と低速縮小とを交互に繰り返し、これにより駆動部材１０１が正方向の高速移動と逆方向の低速移動とを繰り返す。従って、正方向駆動においては被駆動部材１０２が駆動部材１０１に対して相対的に正方向に移動し、逆方向駆動においては被駆動部材１０２が駆動部材１０１に対して相対的に逆方向に移動する。

特開平７−２９８６５６号公報

ところで、カメラの撮影レンズや双眼鏡のレンズ等の携帯機器における光学系の駆動源としてインパクト形の圧電アクチュエータを適用する場合、その携帯機器の軽量化、小型化等を考慮すると、駆動回路はできる限り簡単かつ小型であることが望ましい。しかし、上記従来の圧電アクチュエータ１００では、定電流回路によって充電電流若しくは放電電流を制限するようにしているので、不可避的に回路素子数が多くなり、駆動回路１０４の小型化が困難になる。

また、上記従来の圧電アクチュエータ１００では、被駆動部材１０２の移動速度を調節するには定電流回路を構成する回路素子の定数を変更することが考えられるが、こうした場合には定数の異なる複数の回路素子と切替回路とが必要となることから駆動回路１０４の小型化がさらに困難になる。

一方、圧電アクチュエータにおける被駆動部材の移動速度を変更する手段として、複数の圧電素子を切り替えて用いるようにしたり、駆動パルスを間引くようにしたりすることが提案されている（特開平９−２８５１５６号公報、特開平８−４３８７２号公報）が、圧電素子を切り替えて用いるものでは回路構成が複雑になって駆動回路の小型化に制約を受け、駆動パルスを間引くものでは移動速度にむらが生じるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型化が可能な圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様にかかる圧電アクチュエータは、圧電体と、該圧電体の伸縮動作に基づいて軸方向変位する駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合されて移動可能にされた被駆動部材と、前記圧電体に分極方向と同方向の電圧を印加して充電する第１の駆動手段と、前記圧電体に分極方向と逆方向の電圧を印加して充電する第２の駆動手段と、前記圧電体の共振周波数に対して、約１周期分の駆動時間と、約半周期分の駆動時間との内、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と同方向である場合には、前記約１周期分の駆動時間を前記第２の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第１の駆動手段にそれぞれ設定し、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と逆方向である場合には、前記約１周期分の駆動時間を前記第１の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第２の駆動手段にそれぞれ設定する設定変更手段と、前記第１の駆動手段と第２の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えたことを特徴としている。

また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の駆動手段は、前記圧電体の分極方向と逆方向に蓄積された電荷を放電すると共に、前記圧電体を分極方向と同方向に充電する第１の充放電回路からなり、前記第２の駆動手段は、前記圧電体の分極方向と同方向に蓄積された電荷を放電すると共に、前記圧電体を分極方向と逆方向に充電する第２の充放電回路からなることを特徴としている。

この構成によれば、圧電体は、第１の駆動手段により分極方向と逆方向に蓄積された電荷が放電された後に分極方向と同方向に充電され、第２の駆動手段により分極方向と同方向に蓄積された電荷が放電された後に分極方向と逆方向に充電される。このため、圧電体には見かけ上、印加電圧の２倍の電圧が駆動電圧として供給されることになる結果、単位電圧当たりの圧電体の伸縮量が増大し、圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。

また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の充放電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段と、一方端が前記圧電体の他方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段とを備え、前記第２の充放電回路は、一方端が前記電源に接続され、他方端が前記圧電体の他方端に接続されてなる第３のスイッチ手段と、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第４のスイッチ手段とを備えたことを特徴としている。

この構成によれば、第１の充放電回路及び第２の充放電回路はそれぞれ２つのスイッチ手段で構成され、第１の充放電回路及び第２の充放電回路が交互に駆動されることで被駆動部材は駆動部材に対して相対的に移動される。これにより、駆動回路が少ない回路素子で構成される結果、圧電アクチュエータの小型化が促進される。

また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の駆動手段は、前記圧電体を分極方向と同方向に充電する充電回路からなり、前記第２の駆動手段は、前記圧電体に蓄積された電荷を放電する放電回路からなることを特徴としている。

この構成によれば、圧電体は、第１の駆動手段により分極方向と同方向に充電され、第２の駆動手段により分極方向と同方向に蓄積された電荷が放電される。このため、充電時にだけ電力が消費されることになる結果、電力消費が効果的に抑制される。

また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記充電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段を備え、前記放電回路は、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段を備えたことを特徴としている。

この構成によれば、充電回路及び放電回路はそれぞれ１つのスイッチ手段で構成され、充電回路及び放電回路が交互に駆動されることで被駆動部材は駆動部材に対して相対的に移動される。これにより、駆動回路が少ない回路素子で構成される結果、圧電アクチュエータの小型化が促進される。

また、これら上述の圧電アクチュエータにおいて、前記設定変更手段は、駆動周期が一定となるように前記第１の駆動時間及び第２の駆動時間を変更するものであることを特徴としている。

この構成によれば、第１の駆動時間が変更されたときは駆動周期が一定となるように第２の駆動時間も変更される。これにより、被駆動部材の移動速度が円滑に調節される。

また、これら上述の圧電アクチュエータにおいて、前記設定変更手段は、前記第１の駆動時間又は第２の駆動時間を変更することにより駆動周期を変更するものであることを特徴としている。

この構成によれば、第１の駆動時間又は第２の駆動時間が変更されることにより駆動周期が変更される。これにより、被駆動部材の移動速度が円滑に調節される。

本発明にかかる圧電アクチュエータでは、小型化することができる。

本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータの構成を概略的に示すブロック図である。 図１に示す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。 図１に示す圧電アクチュエータの被駆動部材の構成例を示す断面図である。 図１に示す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。 図４に示す駆動回路における駆動パルス発生回路の構成例を示すブロック図である。 図５に示す駆動パルス発生回路の動作を説明するための波形図である。 図５に示す駆動回路における駆動パルスと、各スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材に印加される充放電電圧の波形とを示す図である。 充放電速度が略同一で、充放電時間のデューティ比のみが異なる駆動電圧を圧電部材に印加したときの圧電部材及び被駆動部材の変異の過渡応答を示す図である。 充放電速度が略同一で、充電時間が放電時間よりも長いデューティ比を有する駆動電圧を圧電部材に印加したときの被駆動部材の移動状態を説明するための図である。 圧電部材に対する充電時間と駆動周期との関係を示す図である。 圧電部材に対する充電時間と被駆動部材の移動速度との関係を示す図である。 図１に示す圧電アクチュエータの動作を説明するためのフローチャートである。 図１に示す圧電アクチュエータの動作を説明するためのフローチャートである。 図４に示す駆動回路の変形例を示す図である。 図１４に示す駆動回路における駆動パルスと、各スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材に印加される充放電電圧の波形とを示す図である。 図４に示す駆動回路の他の構成例を示す図である。 図１６に示す駆動回路における各スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材に印加される充放電電圧の波形とを示す図である。 図１６に示す駆動回路の変形例を示す図である。 図１８に示す駆動回路における各スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材に印加される充放電電圧の波形とを示す図である。 従来のインパクト型の圧電アクチュエータの概略構成を示す図である。 図２０に示す圧電アクチュエータの駆動回路の低速充電回路に適用される第１の回路例である。 図２０に示す圧電アクチュエータの駆動回路の低速充電回路に適用される第２の回路例である。 図２０に示す圧電アクチュエータの駆動回路の低速放電回路に適用される回路例である。

図１は、本発明の一実施形態に係るインパクト型の圧電アクチュエータの構成を概略的に示すブロック図である。この図において、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被駆動部材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。

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、支持部材２４、圧電部材２６、駆動部材２８及び被駆動部材３０から構成されている。支持部材２４は、圧電部材２６及び駆動部材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収容空間２４４及び第２収容空間２４５を有している。この第１収容空間２４４には、圧電部材２６がその積層方向を支持部材２４の軸方向と一致させて収容されている。また、第２収容空間２４５には、駆動部材２８と被駆動部材３０の一部とが収容されている。

圧電部材２６は、所要の厚さを有する複数枚の板状の圧電素子を各圧電素子間に図略の薄膜の電極を挾み込んで接着してなる積層型の圧電体で構成されている。この複数枚の圧電素子は隣接する圧電素子の分極方向が互いに逆向きとなるように積層されている。このように圧電素子を積層するのは、各電極には隣接する電極間で互いに正負の極性が逆になるように駆動電圧が並列に印加されることから、各圧電素子が同一の方向に伸縮して圧電部材全体として大きい伸縮量が得られるようにするためである。

この圧電部材２６は、積層方向である長手方向の一方端面が第１収容空間２４４の仕切壁２４３とは反対側の端面に固定されている。支持部材２４の一方端部２４２（支持部材２４の先端部）及び仕切壁２４３には中心位置に丸孔が穿設されると共に、この両丸孔を貫通して断面丸形状の棒状の駆動部材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。なお、駆動部材２８の断面は丸形状に限定されるものではなく、楕円形状、矩形形状等の任意の形状にすることができる。

駆動部材２８の第１収容空間２４４内に突出した端部は圧電部材２６の他方端面に固着され、駆動部材２８の第２収容空間２４５の外部に突出した端部は板ばね３２により所要のばね圧で圧電部材２６側に付勢されている。この板ばね３２による駆動部材２８への付勢は、圧電部材２６の伸縮動作に基づく駆動部材２８の軸方向変位を安定化させるためである。

図３は、被駆動部材３０の構成例を示す断面図である。この図において、被駆動部材３０は、両側に耳部３０２を有する基部３０１と、両耳部３０２の間に嵌合される挾み込み部材３０３とを備えている。基部３０１の両耳部３０２の付け根部分には駆動部材２８よりも僅かに径の大きい丸孔３０４が穿設されている。被駆動部材３０は、丸孔３０４に駆動部材２８を遊嵌状態で貫通させ、その駆動部材２８を基部３０１と挾み込み部材３０３とで挾み込むことにより駆動部材２８の軸方向に沿って移動可能に取り付けられている。挾み込み部材３０３の上部には両耳部３０２の上面より突出する突起３０３ａが形成される一方、両耳部３０２の上面に突起部３０３ａに圧接されるように板ばね３０５が固設されており、これにより挾み込み部材３０３が所要のばね圧で駆動部材２８側に付勢されるようになっている。

この板ばね３０５によるばね圧は、圧電部材２６の伸縮動作に基づく駆動部材２８の軸方向における往復動において、駆動部材２８と基部３０１及び挾み込み部材３０３との間に生じる往動時の摩擦力と復動時の摩擦力とに差を生じさせ、被駆動部材３０を駆動部材２８の軸方向に沿って移動可能にするためのものである。すなわち、板ばね３０５のばね圧により、駆動部材２８が高速で移動（伸長又は縮小）するときは、駆動部材２８に対して被駆動部材３０が相対的に移動し得る程度に駆動部材２８と被駆動部材３０との間に低い摩擦力が発生し、駆動部材２８が低速で移動（伸張又は縮小）するときは、駆動部材２８と共に被駆動部材３０が移動し得るように駆動部材２８と被駆動部材３０との間に高い摩擦力が発生するようになっている。

なお、本実施形態では、挾み込み部材３０３を駆動部材２８に圧接させるための付勢手段として板ばね３０５を用いているが、付勢力が生じるものであればこれに限定されるものではなく、例えばコイルばねやゴム等の他の弾性部材を用いることもできる。また、被駆動部材３０には駆動対象物であるレンズＬが取り付けられている。

図４は、駆動回路１４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ＰＳから駆動電圧＋Ｖｐ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Ｑ２からなる第２スイッチ回路１４２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Ｑ４からなる第４スイッチ回路１４４の直列回路が接続され、各スイッチ回路１４１乃至１４４に駆動制御信号を供給する制御信号供給手段としての駆動パルス発生回路１４５が接続されて構成されている。

第１スイッチ回路１４１を構成するスイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ回路１４２を構成するスイッチ素子Ｑ２はＰチャンネルＦＥＴであり、第３スイッチ回路１４３を構成するスイッチ素子Ｑ３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チャンネルＦＥＴである。

なお、第１スイッチ回路１４１及び第３スイッチ回路１４３の接続点ｃと、第２スイッチ回路１４２及び第４スイッチ回路１４４の接続点ｄとの間に圧電部材２６が接続（接続点ｃが圧電部材２６の矢印Ｐで示す分極方向を基準にして＋側の電極２６１に接続され、接続点ｄが圧電部材２６の−側の電極２６２に接続される。）されてブリッジ回路１４６が構成され、第２スイッチ回路１４２及び第４スイッチ回路１４４の各ＦＥＴのゲートには駆動パルス発生回路１４５がそのまま接続され、第１スイッチ回路１４１及び第３スイッチ回路１４３の各ＦＥＴのゲートには駆動パルス発生回路１４５が反転回路１４７を介して接続されている。

この駆動回路１４において、接続点ａ，ｂ間に接続される駆動電圧の極性及び接続点ｃ，ｄ間に接続される圧電部材２６の分極方向は任意に設定することができるが、例えば図４に示すように、接続点ａを駆動電圧の正極とし、圧電部材２６が矢印Ｐの方向に分極され、その＋分極側が接続点ｃに接続（−分極側が接続点ｄに接続）されているとすると、第１スイッチ回路１４１及び第４スイッチ回路１４４は圧電部材２６に対し分極方向と同方向（分極を強める方向）に駆動電圧＋Ｖｐを印加して端子間電圧Ｖｓが＋Ｖｐ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２スイッチ回路１４２及び第３スイッチ回路１４３は圧電部材２６に対し分極方向と逆方向に駆動電圧＋Ｖｐを印加して第１の駆動回路による充電電荷を放電し、かつ、端子間電圧Ｖｓが−Ｖｐとなるまで充電する第２の駆動回路（第２の駆動手段）を構成することになる。圧電部材２６が第２の駆動回路により−Ｖｐに充電されると、第１の駆動回路はその充電電荷を放電し、その後に＋Ｖｐに充電する。

なお、圧電部材２６を図４とは逆方向に接続すると、第２スイッチ回路１４２及び第３スイッチ回路１４３が圧電部材２６を分極方向と同方向に充電する第１の駆動回路となり、第１スイッチ回路１４１及び第４スイッチ回路１４４が圧電部材２６を分極方向と逆方向に充電する第２の駆動回路となる。

このように駆動回路１４と圧電部材２６とでブリッジ回路１４６を構成した場合、圧電部材２６には−Ｖｐ〜＋Ｖｐの電圧が印加されるので、等価的に圧電部材２６の駆動電圧が２Ｖｐ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を得ることができるという利点がある。

図５は、駆動パルス発生回路１４５の構成例を示すブロック図である。この図において、駆動パルス発生回路１４５は、１２５ｎｓのクロックパルスを出力する水晶発振子等の発振素子１５０と、発振素子１５０から出力されるパルス信号をカウントアップすると共に、そのカウント値を出力するカウンタ１５１と、駆動パルスの周期を設定するための第１メモリ１５２と、圧電部材２６に対する充電時間を設定するための第２メモリ１５３と、これら第１メモリ１５２及び第２メモリ１５３に所定の数値（時間）をセットすることにより駆動パルスのＯＮ／ＯＦＦタイミングを制御するパルス幅制御部１５４とを備えている。なお、カウンタ１５１は、後述する第１比較器１５５からリセット信号が入力されたとき、そのカウント値をゼロにリセットする。

また、駆動パルス発生回路１４５は、更に、第１メモリ１５２のセット値（Ｔ_M）とカウンタ１５１から出力されるカウント値（Ｔ_C）とを比較すると共に、カウント値（Ｔ_C）がセット値（Ｔ_M）に達したとき（Ｔ_C≧Ｔ_M）にリセット信号をカウンタ１５１に出力する第１比較器１５５と、第２メモリ１５３のセット値（Ｔ_N）とカウンタ１５１から出力されたカウント値（Ｔ_C）とを比較すると共に、カウント値（Ｔ_C）がセット値（Ｔ_N）よりも小さいとき（Ｔ_C＜Ｔ_N）にハイ信号“Ｈ”を出力する一方、カウント値（Ｔ_C）がセット値（Ｔ_N）に達したとき（Ｔ_C≧Ｔ_N）にロー信号“Ｌ”を出力する第２比較器１５６と、制御部２２からの出力制御信号に基づいて動作するものであって、駆動パルス出力時に第２比較器１５６からの出力を駆動パルスとして出力し、駆動パルス出力停止時は駆動パルスをハイ状態に固定する出力制御回路１５７とを備えている。

このように構成された駆動パルス発生回路１４５は、図６に示すように、カウンタ１５１のカウント値（Ｔ_C）が第２メモリ１５３のセット値（Ｔ_N）に達すると、出力制御回路１５６から出力されていたハイ信号がロー信号に切り替わり、さらに時間が経過してカウンタ１５１のカウント値（Ｔ_C）が第１メモリ１５２のセット値（Ｔ_M）に達すると、出力制御回路１５６から出力されていたロー信号がハイ信号に切り替わる。このとき、同時に第１比較器１５５からリセット信号がカウンタ１５１に出力され、これによりカウンタ１５１のカウント値（Ｔ_C）がゼロにリセットされる。このようにして上記の動作が繰り返し実行されることにより駆動パルス発生回路１４５から所定の周期で駆動パルスが連続的に出力されることになる。ここで、駆動パルスの周期を設定するための第１メモリ１５２と圧電部材２６に対する充電時間を設定するための第２メモリ１５３及びパルス幅制御部１５４は、第１の駆動回路及び第２の駆動回路の駆動時間の周期を設定するか、又は駆動周期が一定になるように充電時間を設定するための設定変更手段１５９を構成する。

なお、図６に示すハイ信号の出力期間ｔ１に第１スイッチ回路１４１と第４スイッチ回路１４４とからなる第１の駆動回路が駆動され、図６に示すロー信号の出力期間ｔ２に第２スイッチ回路１４２と第３スイッチ回路１４３とからなる第２の駆動回路が駆動されることになる。ここで、第１メモリ１５２のセット値は一定にしておき、第２メモリ１５３のセット値を変更することによって駆動周期を一定にした状態で第１の駆動回路のオン期間（駆動時間）ｔ１と第２の駆動回路のオン期間（駆動時間）ｔ２とを調節（デューティ比を調節）することができる。また、第１メモリ１５２のセット値を変更することによって第１の駆動回路のオン期間ｔ１と第２の駆動回路のオン期間ｔ２からなる駆動周期を調節することができる。

図１に戻り、部材センサ１６は、被駆動部材３０の移動可能範囲内に配設されており、ＭＲＥ（Magneto Resistive Effect）素子やＰＳＤ（Position Sensitive Device）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。

制御部２２は、演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理プログラム及びデータが記憶されたＲＯＭ（Read-Only Memory）及びデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）から構成されており、部材センサ１６等から入力される信号に基づいて駆動パルス発生回路１４５から所定のデューティ比のパルス信号を出力させ、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及び第４スイッチ回路１４４からなる第１の駆動回路と、第２スイッチ回路１４２及び第３スイッチ回路１４３からなる第２の駆動回路とを交互に駆動する駆動制御手段を構成する。なお、制御部２２には、被駆動部材３０の移動を指示する移動指示スイッチ３４と、被駆動部材３０の移動速度を検出するためのタイマー３６とが接続されている。

上記のように構成された圧電アクチュエータ１０は、従来のように充放電回路に電流を制限するためのトランジスタ、ツェナーダイオード、抵抗等の複数の回路素子からなる定電流回路を設けていないので、駆動回路１４は可能な限り簡単な回路構成とすることができる。これにより駆動回路１４の簡素化及び小型化が図られ、圧電アクチュエータ１０の小型化も可能となる。また、従来のように充放電回路に定電流回路を設けていないので、圧電部材２６に対して分極方向と同方向の駆動電圧が印加されたときの充電速度と圧電部材２６に対して分極方向と逆方向の駆動電圧が印加されたときの放電速度とが略同一（すなわち、圧電部材２６に対する充放電速度が略同一）となるようになっている。

図７は、図４に示す駆動回路１４の駆動パルス発生回路１４５から出力される駆動パルスと、各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材２６に印加される駆動電圧の波形とを示す図である。この図に示すように、圧電アクチュエータ１０の駆動時には、駆動パルス発生回路１４５から出力された駆動パルスがそのままの状態で駆動制御信号としてスイッチ素子Ｑ２，Ｑ４に入力される一方、駆動パルス発生回路１４５から出力された駆動パルスが反転回路１４７を介することにより反転された状態で駆動制御信号としてスイッチ素子Ｑ１，Ｑ３に入力される。これによってスイッチ素子Ｑ１，Ｑ４及びスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３が交互にオンになり、そのオン期間に圧電部材２６に対して駆動電圧Ｖｐが印加されることになる。

そして、被駆動部材３０を支持部材２４の先端側に移動させる場合（以下、この方向の駆動を「正方向駆動」という。）では、第１の駆動回路のオン期間ｔ１と第２の駆動回路のオン期間ｔ２との比Ｄ（Ｄ＝ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）、以下、デューティ比Ｄという。）が、０．５以下の比較的小さい値に設定されるようになっている。また、被駆動部材３０を支持部材２４の基端側に移動させる場合（以下、この方向の駆動を「逆方向駆動」という。）では、第１の駆動回路のオン期間ｔ１と第２の駆動回路のオン期間ｔ２とのデューティ比Ｄが、０．５以上の比較的大きい値に設定されるようになっている。すなわち、本発明では、圧電部材２６に対する充放電速度を略同一にし、充放電時間のデューティ比Ｄを異ならせることにより圧電アクチュエータ１０の駆動方向（正方向駆動又は逆方向駆動）を制御するようにしている。なお、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２はＰチャンネルＦＥＴであるので、駆動制御信号がローレベルのときにオンになり、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４はＮチャンネルＦＥＴであるので、駆動制御信号がハイレベルのときにオンになる。

このように、圧電部材２６に対する充放電速度を略同一にし、充放電時間のデューティ比Ｄのみで圧電アクチュエータ１０の駆動方向を制御しているのは、分極方向と同方向への充電時間と分極方向と逆方向への充電時間とに比較的大きい差を設けることによって一定の条件下で被駆動部材３０が駆動部材２８に対して相対移動することになるという実験結果に基づくものである。

図８は、圧電部材２６に対する充放電速度が略同一で、圧電部材２６に対する充放電時間のデューティ比Ｄのみが異なる駆動電圧を印加したときの圧電部材の変位の過渡応答を示す図である。この図に基づき、充放電時間のデューティ比Ｄを変更することにより被駆動部材３０が駆動部材２８に対し正方向と逆方向とに移動することになる理由を説明する。

この図８の下段に示す波形は、圧電部材２６に分極方向と同方向の駆動電圧が印加されるときの充電時間が、分極方向と逆方向の駆動電圧が印加されるときの放電時間よりも長い所定のデューティ比を有する駆動電圧の1周期分を示し、上段に示す波形は、その駆動電圧が印加されたときの圧電部材２６及び駆動部材２８の過渡的な伸縮動作を示す図である。なお、この図８に示す圧電部材２６及び駆動部材２８の伸縮動作の過渡波形は、説明の便宜上、共振周波数の基本波の波形で表している。

いま、圧電部材２６に分極方向と同方向の駆動電圧＋Ｖｐを印加して充電すると圧電部材２６は伸長し、その圧電部材２６に分極方向と逆方向の駆動電圧−Ｖｐを印加して蓄積された電荷を放電すると共に逆方向に充電すると、圧電部材２６は縮小する。しかし、圧電部材２６及び駆動部材２８には弾性があるため、例えば伸長動作を過渡的にみると、圧電部材２６は、圧電部材２６自体、駆動部材２８、被駆動部材３０等により決定される所定の共振周波数で振動しながら所定の長さに伸長する。すなわち、図８に示すように、例えばａ点で圧電部材２６に駆動電圧＋Ｖｐが印加されると、圧電部材２６は高速で大きく伸長した後、ｂ点で縮小に転じ、その後は振動的に伸長と縮小とを繰り返してｃ点近傍の伸長量に落ち着いていく（図８のc点から仮想線で示す波形を参照）。このような過渡的な変位動作の事情は縮小動作についても同様で、＋Ｖｐが印加された後に−Ｖｐが印加されると、高速で大きく縮小した後、ある変位量で伸長に転じ、その後は振動的に縮小と伸長とを繰り返して所定の縮小量に落ち着いていく（図８のｄ点から仮想線で示す波形を参照）。

すなわち、圧電部材２６に対して、図８に示すような波形の駆動電圧が繰り返し印加された場合、−Ｖｐで充電された状態からａ点で圧電部材２６に電圧＋Ｖｐが印加されて充電が行われると、圧電部材２６は高速でｂ点まで伸長するが、その後は伸長速度よりも遅い速度でｃ点まで縮小する（図８でａ−ｂ間の傾斜よりもｂ−ｃ間の傾斜が緩やかになる）。これは略同一の時間で伸長と縮小とが行われるとすると、圧電部材２６や駆動部材２８等の粘性により縮小量が伸長量より小さくなるためである。

次に、縮小動作がほぼ終了するｃ点のタイミング（このタイミングは分極方向と同方向へ充電した際の圧電部材２６の共振周波数の約１周期分のタイミングに相当する。）で圧電部材２６に−Ｖｐが印加されて放電が行われると共に−Ｖｐで充電されると、圧電部材２６はその変位位置から更にｄ点まで縮小動作を行なう。このとき、圧電部材２６の伸長量は定常的に放電を行なったときの縮小量に近いので、その縮小速度はａ−ｂ間の伸長速度よりも低速となる。すなわち、ｃ−ｄ間の傾斜はａ−ｂ間の傾斜よりも緩やかになる。

そして、その縮小動作がほぼ終了するタイミング（このタイミングは分極方向と逆方向に充電した際の圧電部材２６の共振周波数の約１／２周期分のタイミングに相当する。）ｄ点で再び、圧電部材２６に電圧＋Ｖｐが印加されて充電が行われると、圧電部材２６は再度、高速で伸長動作を行ない、以下、図９に示すように駆動電圧の波形に応じて上述の圧電部材２６の伸縮動作が繰り返される。

上述の圧電部材２６の伸縮動作において、伸長動作は高速で行われ、縮小動作はそれよりも低速で行われるので、圧電部材の伸縮動作によって駆動部材２８が往復動を繰り返すと、高速の往動時では駆動部材２８と被駆動部材３０との間の摩擦力は低く、低速の復動時では駆動部材２８と被駆動部材３０との間の摩擦力は高くなることから被駆動部材３０は復動時にのみ駆動部材２８と共に移動することとなる。従って、図９に示すように、被駆動部材３０は駆動部材２８の往復動に応じて停止と移動とを繰り返し、全体として逆方向駆動を行なうことになる。

図９は、充電時間が放電時間より長い所定のデューティ比Ｄを有する駆動電圧を圧電部材２６に印加した場合の例であるが、圧電部材２６に充電時間が放電時間より短い所定のデューティ比Ｄを有する駆動電圧を印加した場合は、上述の充放電速度の関係が逆になり、圧電部材２６は−Ｖｐの充電時に高速で縮小し、＋Ｖｐの充電時に低速で伸長を行なうことになるから、被駆動部材３０は駆動部材２８の往復動に応じて移動と停止とを繰り返し、全体として正方向駆動を行なうことになる。

従って、図４において、駆動パルス発生回路１４５からデューティ比Ｄが０．５よりも大きい所定の値を有する駆動パルスが出力されるときは、圧電部材２６が高速伸長と低速縮小とを交互に繰り返すので、被駆動部材３０は支持部材２４の基端側に移動する（逆方向駆動）。また、駆動パルス発生回路１４５からデューティ比Ｄが０．５よりも小さい所定の値を有する駆動制御信号が出力されるときは、圧電部材２６が低速伸長と高速縮小とを交互に繰り返すので、被駆動部材３０は支持部材２４の先端側に移動する（正方向駆動）。

被駆動部材３０を安定して所望の方向に移動させるには、上述のように充電時間（図８のａ−ｃの時間を参照）は分極方向と同方向へ充電した際の圧電部材２６の共振周波数の約１周期分の期間に、また、放電時間（図８のｃ−ｄの時間を参照）は分極方向と逆方向に充電した際の圧電部材２６の共振周波数の約１／２周期分の期間に設定するのが好ましいが、実際には圧電部材２６の支持部材２４への取付構造や駆動部材２８等の要因により、圧電部材２６及び駆動部材２８の変位波形が図８に示すような波形とならず、他の周波数成分が重畳された歪んだ波形となる。従って、適切な圧電部材２６に対する駆動電圧は、圧電アクチュエータ毎に調整して設定されることになる。

なお、駆動パルスの充放電時間のデューティ比Ｄが圧電部材２６の共振周波数に正確に関係していない場合であっても被駆動部材３０をデューティ比Ｄに応じて正方向若しくは逆方向に移動させることは可能である。

また、圧電部材２６、駆動部材２８及び被駆動部材３０間の取付構造や条件によっては、図７に示したものと逆の方向に駆動させることも可能である。すなわち、駆動パルスのデューティ比Ｄを０．５よりも小さい値にすることで被駆動部材３０を逆方向に移動させ、デューティ比Ｄを０．５よりも大きい値にすることで被駆動部材３０を正方向に移動させることも可能である。

図１０は、圧電部材２６に対する充電時間ｔ１（図６に示す第１の駆動回路の駆動時間ｔ１）と放電時間ｔ２（図６に示す第２の駆動回路の駆動時間ｔ２）からなる駆動周期ｔｐを１３μｓ〜１６μｓの範囲内で１２５ｎｓずつ変化させると共に、充電時間ｔ１を９．５μｓ〜（ｔP−１．５μｓ）の範囲内で１２５ｎｓずつ変化させたときの被駆動部材３０の駆動部材２８に対する移動速度（基端部側への移動速度）を測定し、等高線図として表わしたものである。

この等高線図から明らかなように、被駆動部材３０の基端部側への移動速度は、駆動周期１４．５μｓ、充電時間１０．２５μｓ近辺において最速となり、所定の範囲内ではその点を中心に駆動周期ｔP又は充電時間ｔ１が変化するに従って低下する。そして、その移動速度は、駆動周期ｔPを１４．５μｓに設定し、充電時間を１０．２５μｓから増加させる場合が最もなだらかに変化する。この図１０の等高線図は、被駆動部材３０を駆動部材２８の基端部側へ移動させた場合のものであるが、逆方向（駆動部材２８の先端部側）へ移動させた場合もほとんど同様の測定結果を得ることができた。但し、被駆動部材３０の先端部側への移動速度は、駆動周期１４．５μｓ、充電時間３．２５μｓ近辺において最速となり、所定の範囲内ではその点を中心に駆動周期ｔｐ（＝ｔ１＋ｔ２）又は充電時間ｔ１が変化するに従って低下する。そして、その移動速度は、駆動周期ｔｐを１４．５μｓに設定し、充電時間を３．２５μｓから減少させる場合が最もなだらかに変化する。

また、この被駆動部材３０の基端部側への移動速度は、図１１に示すように、駆動周期ｔｐを１４．５μｓに設定した場合、充電時間ｔ１が１０．２５μｓ付近で頂点となり、充電時間ｔ１が長くなるに従ってなだらかに減少する。従って、本実施形態では、駆動周期ｔｐを１４．５μｓに設定し、充電時間ｔ１を１１μｓ〜１２μｓの範囲内で変化させることにより被駆動部材３０の速度制御を行うようにしている。また、被駆動部材３０を駆動部材２８の先端部側へ移動させる場合は、駆動周期ｔｐを１４．５μｓに設定し、充電時間ｔ１を２．５μｓ〜３．５μｓの範囲内で変化させることにより被駆動部材３０の速度制御を行うようにしている。なお、これらの数値は、本実施形態における実験結果に基づくものであり、圧電アクチュエータ１０の構成に応じて適宜変更されるものであることはいうまでもない。

図１２及び図１３は、被駆動部材３０の速度制御を行う制御部２２の動作を説明するためのフローチャートである。まず、圧電アクチュエータ１０の図略の電源スイッチがオンされると、初期状態に設定された後に移動指示スイッチ３４がオンされたか否かが判別される（ステップ＃１）。この判定が肯定されると、先端センサ２０がオンされたか否かが判別され（ステップ＃３）、この判定が肯定されると駆動パルスの周期（駆動周期）を設定する第１メモリ１５２に「１１６」（１１６×０．１２５μｓ＝１４．５μｓ）がセットされる（ステップ＃５）。なお、ステップ＃１で判定が否定されたときは、移動指示スイッチ３４がオンされるまで待機する。

次いで、充電時間を設定する第２メモリ１５３に「９２」（９２×０．１２５μｓ＝１１．５μｓ）がセットされ（ステップ＃７）、その後に駆動パルス発生回路１４５から駆動パルスの出力が開始される（ステップ＃９）。そして、タイマー３６が始動されると共に、被駆動部材３０の移動に対応して時間がカウントされ（ステップ＃１１）、引き続いて基端センサ１８がオンされたか否かが判別される（ステップ＃１３）。ステップ＃１３で判定が否定されると時間が例えば１０ｍｓを経過したか否かが判別され（ステップ＃１５）、判定が肯定されると基端側への移動距離が例えば２４μｍを超えたか否かが判別される（ステップ＃１７）。

なお、ステップ＃１３で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され（ステップ＃１９）、ステップ＃１に戻り以降の動作が繰り返し実行される。また、ステップ＃１５で判定が否定されると、ステップ＃１３に戻って以降の動作が繰り返し実行される。ステップ＃１５における時間の判別はタイマー３６からの出力値に基づいて行われ、ステップ＃１７における移動距離の判別は部材センサ１６からの出力値に基づいて行われる。すなわち、一定時間（例えば、１０ｍｓ）が経過するまでは、駆動周期１４．５μｓ、充電時間１１．５μｓの条件で被駆動部材３０が移動され、一定時間（例えば、１０ｍｓ）が経過するまでに基端位置に達するとそれ以上の移動は不能となるため、駆動パルスの出力が停止されることになる。

ステップ＃１７で判定が否定されると基端側への移動距離が例えば２２μｍに満たないか否かが判別され（ステップ＃２１）、この判定が否定されるとステップ＃１１に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が一定時間（例えば、１０ｍｓ）を経過しても所定範囲内（例えば、２２μｍ〜２４μｍ）にあるうちは駆動周期１４．５μｓ、充電時間１１．５μｓの条件で被駆動部材３０が移動されることになる。

ステップ＃１７で判定が肯定されると第２メモリ１５３に「１」が加算され（０．１２５μｓだけ増加）（ステップ＃２３）、その後に第２メモリ１５３のセット値が「９６」を超えるか否かが判別される（ステップ＃２５）。ステップ＃２５で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され（ステップ＃２７）、その後に図略の表示装置に異常警告が表示され（ステップ＃２９）、動作が終了する。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が所定値（例えば、２４μｍ）を超えると、充電時間が１１．５μｓから順次増加されて移動速度が順次減速され、充電時間が１２μｓに達しても基端センサ１８位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。

また、ステップ＃２１で判定が肯定されると、第２メモリ１５３から「１」が減算され（０．１２５μｓだけ減少）（ステップ＃３１）、その後に第２メモリ１５３のセット値が「８８」に満たないか否かが判別される（ステップ＃３３）。ステップ＃３３で判定が肯定されるとステップ＃２７に移行され、ステップ＃３３で判定が否定されるとステップ＃１１に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が一定時間（例えば、１０ｍｓ）を経過しても所定値（例えば、２２μｍ）に達していないときは、充電時間が１１．５μｓから順次減少されて移動速度が順次加速され、充電時間が１１μｓに達しても基端センサ１８位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。

一方、ステップ＃３で判定が否定されると、基端センサ１８がオンされたか否かが判別され（ステップ＃３５）、この判定が肯定されると第１メモリ１５２に「１１６」（１１６×０．１２５μｓ＝１４．５μｓ）がセットされる（ステップ＃３７）。なお、ステップ＃３５で判定が否定されると、再度ステップ＃３に戻って以降の動作が繰り返し実行される。

次いで、第２メモリ１５３に「２４」（２４×０．１２５μｓ＝３．０μｓ）がセットされ（ステップ＃３９）、その後に駆動パルス発生回路１４５から駆動パルスの出力が開始される（ステップ＃４１）。すなわち、上述のステップ＃３３までは被駆動部材３０が駆動部材２８の先端側から基端側に向けて移動する動作であるのに対し、ステップ＃３７以降は被駆動部材３０が駆動部材２８の基端側から先端側に向けて移動する動作である。

次いで、タイマー３６が始動されると共に、被駆動部材３０の移動に対応して時間がカウントされ（ステップ＃４３）、引き続いて先端センサ２０がオンされたか否かが判別される（ステップ＃４５）。ステップ＃４５で判定が否定されると時間が例えば１０ｍｓを経過したか否かが判別され（ステップ＃４７）、判定が肯定されると先端側への移動距離が例えば２４μｍを超えたか否かが判別される（ステップ＃４９）。

なお、ステップ＃４５で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され（ステップ＃５１）、ステップ＃１に戻り以降の動作が繰り返し実行される。また、ステップ＃４７で判定が否定されると、ステップ＃４５に戻って以降の動作が繰り返し実行される。ステップ＃４７における時間の判別はタイマー３６からの出力値に基づいて行われ、ステップ＃４９における移動距離の判別は部材センサ１６からの出力値に基づいて行われる。すなわち、一定時間（例えば、１０ｍｓ）が経過するまでは、駆動周期１４．５μｓ、充電時間３．０μｓの条件で被駆動部材３０が移動され、一定時間（例えば、１０ｍｓ）が経過するまでに先端位置に達するとそれ以上の移動は不能となるため、駆動パルスの出力が停止されることになる。

ステップ＃４９で判定が否定されると先端側への移動距離が例えば２２μｍに満たないか否かが判別され（ステップ＃５３）、この判定が否定されるとステップ＃４３に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が一定時間（例えば、１０ｍｓ）を経過しても所定範囲内（例えば、２２μｍ〜２４μｍ）にあるうちは駆動周期１４．５μｓ、充電時間３．０μｓの条件で被駆動部材３０が移動されることになる。

ステップ＃４９で判定が肯定されると第２メモリ１５３から「１」が減算され（０．１２５μｓだけ減少）（ステップ＃５５）、その後に第２メモリ１５３のセット値が「２０」未満か否かが判別される（ステップ＃５７）。ステップ＃５７で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され（ステップ＃５９）、その後に図略の表示装置に異常警告が表示され（ステップ＃６１）、動作が終了する。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が所定値（例えば、２４μｍ）を超えると、充電時間が３．０μｓから順次減少されて移動速度が順次減速され、充電時間が２．５μｓに達しても先端センサ２０位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。

また、ステップ＃５３で判定が肯定されると、第２メモリ１５３に「１」が加算され（０．１２５μｓだけ増加）（ステップ＃６３）、その後に第２メモリ１５３のセット値が「２８」を超えたか否かが判別される（ステップ＃６５）。ステップ＃６５で判定が肯定されるとステップ＃５９に移行され、ステップ＃６５で判定が否定されるとステップ＃４３に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が一定時間（例えば、１０ｍｓ）を経過しても所定値（例えば、２２μｍ）に達していないときは、充電時間が３．０μｓから順次増加されて移動速度が順次加速され、充電時間が３．５μｓに達しても先端センサ２０位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。

図１４は、駆動回路１４の変形例を示す図である。この図１４に示すものは、図４に示すものとはブリッジ回路１４６における接続点ｂとアースとの間に抵抗Ｒを接続するようにした点で相違している。なお、接続点ｂとアースとの間に抵抗Ｒが接続されることから、図１５に示すように、圧電部材２６が＋Ｖｐ及び−Ｖｐに充電されるまでの波形が緩やかなものになるが、基本的な動作は図４に示すものと同一である。

また、図示は省略するが、図１４に示す変形例に代え、第１の駆動回路を構成するスイッチ素子Ｑ１及びスイッチ素子Ｑ４のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続すると共に、第２の駆動回路を構成するスイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ３のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続するようにした回路構成とすることも可能である。この場合でも、図１５に示すものと同様に、圧電部材２６が＋Ｖｐ及び−Ｖｐに充電されるまでの波形が緩やかなものになるが、基本的な動作は図４に示すものと同一である。

さらに、第１の駆動回路を構成するスイッチ素子Ｑ１及びスイッチ素子Ｑ４のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続するか、あるいは、第２の駆動回路を構成するスイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ３のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続するようにした回路構成とすることも可能である。この場合、スイッチ素子Ｑ１及びスイッチ素子Ｑ４のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続したものでは、圧電部材２６が＋Ｖｐに充電されるまでの波形が緩やかなものになり、スイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ３のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続したものでは、圧電部材２６が−Ｖｐに充電されるまでの波形が緩やかなものになるが、いずれの場合でも基本的な動作は図４に示すものと同一である。

図１６は、駆動回路１４の他の構成例を示す図である。この図１６に示す駆動回路１４′は、図４に示すものが第１の駆動回路を充放電回路を構成する２つのスイッチ回路（第１スイッチ回路１４１及び第４スイッチ回路１４４）で構成し、第２の駆動回路を充放電回路を構成する他の２つのスイッチ回路（第２スイッチ回路１４２及び第３スイッチ回路１４３）で構成したものであるのに対し、第１の駆動回路を充電回路を構成する１つのスイッチ回路（第１スイッチ回路１４１′）で構成し、第２の駆動回路を放電回路を構成する１つのスイッチ回路（第２スイッチ回路１４２′）で構成したものである点で相違している。なお、第１，第２スイッチ回路１４１′，１４２′は、図４に示すものと同一の構成になる駆動パルス発生回路１４５から駆動パルスが供給されて駆動が制御され、圧電部材２６には駆動電源ＰＳから駆動電圧Ｖｐが印加されるようになっている。

すなわち、充電回路を構成する第１スイッチ回路１４１′は、圧電部材２６の矢印Ｐで示す分極方向を基準にして＋側の電極２６１に駆動電圧Ｖｐを印加し、圧電部材２６を分極方向と同方向に充電するもので、駆動電源ＰＳと電極２６１との間に接続されたＰチャンネルＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチ素子Ｑ５で構成されている。また、放電回路を構成する第２スイッチ回路１４２′は、圧電部材２６の電極２６１を接地して（すなわち、圧電部材２６の端子間電圧に対して逆方向の電位を与えて）圧電部材２６に蓄積されている電荷を放電するもので、電極２６１とアースとの間に接続されたＮチャンネルＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチ素子Ｑ６で構成されている。

図１７は、図１６に示す駆動回路１４′の各スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材に印加される充電電圧の波形とを示す図である。この図に示すように、駆動パルス発生回路１４５から駆動パルスが供給されてスイッチ素子Ｑ５がオンになったときにはスイッチ素子Ｑ６はオフとなり、圧電部材２６は分極方向と同方向の電圧Ｖｐで充電され、スイッチ素子Ｑ６がオンになったときにはスイッチ素子Ｑ５はオフとなり、圧電部材２６の充電電荷が放電されることになる。

図４に示す駆動回路１４を駆動回路１４′のように構成した場合でも、充電時間ｔ１と放電時間ｔ２とのデューティ比Ｄが０．５よりも小さいときには正方向駆動となり、そのデューティ比Ｄが０．５よりも大きいときには逆方向駆動となり、図４に示すものと同様に動作することが確認された。

図１８は、図１６に示す駆動回路１４′の変形例を示す図である。この図１８に示すものは、図１６に示すものとはスイッチ素子Ｑ５と駆動電源ＰＳとの間及びスイッチ素子Ｑ６とアースとの間にそれぞれ抵抗Ｒを接続するようにした点で相違している。なお、上記のように抵抗Ｒが接続されることから、図１９に示すように、圧電部材２６がＶｐに充電されるまでの波形及び充電電荷がゼロレベルに放電されるまでの波形が緩やかなものになるが、基本的な動作は図１６に示すものと同一である。

また、スイッチ素子Ｑ５と駆動電源ＰＳとの間、あるいは、スイッチ素子Ｑ６とアースとの間のいずれか一方に抵抗Ｒを接続するようにすることも可能である。この場合、スイッチ素子Ｑ５と駆動電源ＰＳとの間に抵抗Ｒを接続したものでは、圧電部材２６がＶｐに充電されるまでの波形が緩やかなものになり、スイッチ素子Ｑ６とアースとの間に抵抗Ｒを接続したものでは、圧電部材２６が放電されるまでの波形が緩やかなものになるが、いずれの場合でも基本的な動作は図１６に示すものと同一である。

本実施形態に係る圧電アクチュエータ１０は、上記のように、圧電部材に分極方向と同方向の電圧を印加して充放電する第１の駆動回路と、圧電部材に分極方向と逆方向の電圧を印加して第１の駆動回路による充放電速度と略同一の速度で充放電する第２の駆動回路と、駆動部材の駆動時間であって第１の駆動手段による第１の駆動時間及び第２の駆動手段による第２の駆動時間の少なくとも一方を設定変更する設定変更手段と、第１の駆動手段と第２の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えているので、従来のような定電流回路が不要になることから小型化が可能となり、駆動回路は連続した駆動パルスで駆動されることから駆動部材の移動速度を円滑に調節することができるようになる。また、小型化できることから圧電アクチュエータ１０の低廉化を促進することもできる。

なお、圧電アクチュエータは、上記実施形態のものに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、駆動部１２の構成は図２及び図３に示すもの以外の構成とすることも可能であり、駆動回路１４、１４′を構成しているスイッチ素子として、接合型ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＧＴＯ（Gate Turn-off Thyristor）等のＭＯＳ型ＦＥＴ以外の電子スイッチ素子を用いることもできる。また、被駆動部材３０の移動速度の調節は、上記実施形態では駆動周期が一定になるようにして充電時間を変更することで行うようにしているが、充電時間又は放電時間を変更して駆動周期を変更することで行うようにしてもよい。

以上説明したように、一態様によれば、圧電体に分極方向と同方向の電圧を印加して充放電する第１の駆動手段と、圧電体に分極方向と逆方向の電圧を印加して圧電体に対し第１の駆動手段による充放電速度と略同一の速度で充放電する第２の駆動手段と、駆動部材の駆動時間であって第１の駆動手段による第１の駆動時間及び第２の駆動手段による第２の駆動時間の少なくとも一方を設定変更する設定変更手段と、第１の駆動手段と第２の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えているので、小型化が可能で被駆動部材の移動速度を円滑に調節することができる圧電アクチュエータを実現することができる。

また、他の一態様によれば、第１の駆動手段は、圧電体の分極方向と逆方向に蓄積された電荷を放電すると共に、圧電体を分極方向と同方向に充電する第１の充放電回路からなり、第２の駆動手段は、圧電体の分極方向と同方向に蓄積された電荷を放電すると共に、圧電体を分極方向と逆方向に充電する第２の充放電回路からなっているので、圧電体には見かけ上、印加電圧の２倍の電圧が駆動電圧として供給され、単位電圧当たりの圧電体の伸縮量が増大して圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。

また、他の一態様によれば、第１の充放電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段と、一方端が圧電体の他方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段とを備え、第２の充放電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が圧電体の他方端に接続されてなる第３のスイッチ手段と、一方端が圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第４のスイッチ手段とを備えているので、駆動回路が少ない回路素子で構成され、圧電アクチュエータの小型化が促進される。

また、他の一態様によれば、第１の駆動手段は圧電体を分極方向と同方向に充電する充電回路からなり、第２の駆動手段は圧電体に蓄積された電荷を放電する放電回路からなっているので、充電時にだけ電力が消費されることになり、電力消費を効果的に抑制することができる。

また、他の一態様によれば、充電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段を備え、放電回路は、一方端が圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段を備えているので、駆動回路が少ない回路素子で構成され、圧電アクチュエータの小型化が促進される。

また、他の一態様によれば、設定変更手段は、駆動周期が一定となるように第１の駆動時間及び第２の駆動時間を変更するものであるので、被駆動部材の移動速度を円滑に調整することができる。

また、他の一態様によれば、設定変更手段は、第１の駆動時間又は第２の駆動時間を変更することにより駆動周期を変更するものであるので、被駆動部材の移動速度を円滑に調整することができる。

１０ 圧電アクチュエータ
１２ 駆動部
１４ 駆動回路
１６ 部材センサ
１８ 基端センサ
２０ 先端センサ
２２ 制御部（駆動制御手段）
２４ 支持部材
２６ 圧電部材（圧電体）
２８ 駆動部材
３０ 被駆動部材
１５９ 設定変更手段
１４１ 第１スイッチ回路（第１の駆動手段）
１４２ 第２スイッチ回路（第２の駆動手段）
１４３ 第３スイッチ回路（第２の駆動手段）
１４４ 第４スイッチ回路（第１の駆動手段）
Ｑ１，Ｑ５ スイッチ素子（第１のスイッチ手段）
Ｑ２ スイッチ素子（第３のスイッチ手段）
Ｑ３ スイッチ素子（第４のスイッチ手段）
Ｑ４，Ｑ６ スイッチ素子（第２のスイッチ手段）
ＰＳ 駆動電源

Claims (6)

1. 圧電体と、
   該圧電体の伸縮動作に基づいて軸方向変位する駆動部材と、
   前記駆動部材に所定の摩擦力で係合されて移動可能にされた被駆動部材と、
   前記圧電体に分極方向と同方向の電圧を印加して充電する第１の駆動手段と、
   前記圧電体に分極方向と逆方向の電圧を印加して充電する第２の駆動手段と、
   前記圧電体の共振周波数に対して、約１周期分の駆動時間と、約半周期分の駆動時間との内、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と同方向である場合には、前記約１周期分の駆動時間を前記第２の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第１の駆動手段にそれぞれ設定し、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と逆方向である場合には、前記約１周期分の駆動時間を前記第１の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第２の駆動手段にそれぞれ設定する設定変更手段と、
   前記第１の駆動手段と第２の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えたこと
   を特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記第１の駆動手段は、前記圧電体の分極方向と逆方向に蓄積された電荷を放電すると共に、前記圧電体を分極方向と同方向に充電する第１の充放電回路からなり、
   前記第２の駆動手段は、前記圧電体の分極方向と同方向に蓄積された電荷を放電すると共に、前記圧電体を分極方向と逆方向に充電する第２の充放電回路からなること
   を特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記第１の充放電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段と、一方端が前記圧電体の他方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段とを備え、
   前記第２の充放電回路は、一方端が前記電源に接続され、他方端が前記圧電体の他方端に接続されてなる第３のスイッチ手段と、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第４のスイッチ手段とを備えたこと
   を特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記第１の駆動手段は、前記圧電体を分極方向と同方向に充電する充電回路からなり、
   前記第２の駆動手段は、前記圧電体に蓄積された電荷を放電する放電回路からなること
   を特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記充電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段を備え、
   前記放電回路は、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段を備えたこと
   を特徴とする請求項４記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記設定変更手段は、駆動周期が一定となるように前記第１の駆動時間及び第２の駆動時間を変更するものであること
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

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