JP2010268547A

JP2010268547A - 容量性素子の駆動装置

Info

Publication number: JP2010268547A
Application number: JP2009116070A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Suzuki; 智明鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】容量性素子に印加される信号の電圧を安定させることができる容量性素子の駆動装置を提供する。
【解決手段】交流信号を生成する信号発生回路２と、前記信号発生回路にて生成された交流信号を増幅して容量性素子６に印加する増幅回路４，５と、前記容量性素子に印加された交流信号の一部を前記増幅回路へ帰還入力する帰還回路７，８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、容量性素子の駆動装置に関するものである。

圧電素子などの容量性素子に位相の異なる周波電圧を印加して進行性振動波を形成する駆動装置において、圧電素子の共振周波数以上のインダクタンスを有するコイルを設けた共振利用型駆動回路が知られている（特許文献１）。

特開平６−２４５５５３号公報

しかしながら、上記従来の駆動回路は共振現象を利用しているため、駆動周波数の変化や圧電素子の製造上の個体差により圧電素子に印加される信号の電圧が安定しないという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、容量性素子に印加される信号の電圧を安定させることができる容量性素子の駆動装置を提供することである。

本発明は、以下の解決手段によって上記課題を解決する。なお、発明の実施形態を示す図面に対応する符号を付して説明するが、この符号は発明の理解を容易にするためだけのものであって発明を限定する趣旨ではない。

本発明に係る容量性素子の駆動装置は、交流信号を生成する信号発生回路（２）と、前記信号発生回路にて生成された前記交流信号を増幅して容量性素子（６）に印加する増幅回路（４，５）と、前記容量性素子に印加された交流信号の一部を前記増幅回路へ帰還入力する帰還回路（７，８）と、を備えたことを特徴とする。

上記発明に係る容量性素子の駆動装置において、前記増幅回路（４，５）はオペアンプ（Ｕ１）を含み、該オペアンプのオープンループゲインは、前記増幅回路による入出力電圧の増幅比より大きいように構成することができる。

また、上記発明に係る容量性素子の駆動装置において、前記増幅回路（４，５）は、前記容量性素子の容量成分と共振する誘導性素子（Ｌ１）を含むように構成することができる。

また、上記発明に係る容量性素子の駆動装置において、前記帰還回路（７，８）は、前記容量性素子に印加された交流信号の交流成分を抽出するカップリングコンデンサ（Ｃ２）を含むように構成することができる。

また、上記発明に係る容量性素子の駆動装置において、前記帰還回路（７，８）は、時定数を調整する時定数調整回路（Ｒ２，Ｃ４）を含むように構成することができる。

また、上記発明に係る容量性素子の駆動装置において、前記容量性素子（６）は圧電素子で構成することができる。

また、上記発明に係る容量性素子の駆動装置において、前記誘電性素子（Ｌ１）はインダクタで構成することができる。

また、上記発明に係る容量性素子の駆動装置において、前記信号発生回路にて生成された交流信号の位相を調整し、第１の位相の交流信号と前記第１の位相と異なる第２の位相の交流信号を生成する移相回路（３）を有し、前記増幅回路は、前記第１の位相の交流信号と前記第２の位相の交流信号とをそれぞれ増幅して前記容量性素子に印加するように構成することができる。

上記発明によれば、容量性素子に印加される信号の電圧を安定させることができる。

発明の一実施の形態を適用した容量性素子の駆動装置を示すブロック図である。図１の増幅回路、圧電素子および帰還回路の具体的態様を示す電気回路図である。図１の増幅回路、圧電素子および帰還回路の他の具体的態様を示す電気回路図である。比較例に係る容量性素子の駆動装置を示す電気回路図である。図４に示す駆動装置による出力波形を示すグラフである。図２に示す駆動装置による出力波形を示すグラフである。

以下、上記発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１及び図２を参照して、本実施形態に係る容量性素子の駆動装置として超音波モータに用いられる圧電素子の駆動装置を例に挙げて説明する。ただし、本実施形態は圧電素子以外の容量性素子にも適用することができる。

本例の駆動装置は、図１に示すように、超音波モータの駆動源となる容量性素子としての圧電素子６と、圧電素子６に対する駆動信号を生成する駆動信号発生回路２と、駆動信号発生回路２で生成された駆動信号の位相を調整する移相回路３と、移相回路３にて調整された駆動信号を増幅して圧電素子６に印加する一対の増幅回路４，５と、圧電素子６に印加した駆動信号の一部を増幅回路４，５へそれぞれフィードバックする一対の帰還回路７，８と、駆動信号発生回路２、移相回路３及び増幅回路４，５に電力を供給する電源回路１と、を備える。

圧電素子６は、２相駆動タイプの圧電素子であって、詳細な図示は省略するが、位置的に１／４波長ずらせた二組の駆動電極を有し、これら二組の駆動電極のそれぞれに９０度位相が異なる２つの交流電圧が印加される。これにより曲げ振動の進行波が超音波モータの振動体に励振され、摩擦駆動により超音波モータの移動体が駆動する。

駆動信号発生回路２は、電源回路１からの電源の供給を受けて圧電素子６を駆動するための交流信号を発生させる信号生成回路である。電源回路１が乾電池などの直流電源回路である場合は、駆動交流信号を生成するためのインバータ回路が含まれる。

移相回路３は、電源回路１からの電源の供給を受け、駆動信号発生回路２にて生成された駆動交流信号を第１の位相と第２の位相とに二分割し、一方の交流信号をそのまま一方の増幅回路４へ出力する一方で、他方の交流信号を所定の位相である９０度だけ移相して他方の増幅回路５へ出力する。

増幅回路４，５は、電源回路１からの電源の供給を受けて入力された駆動交流信号を超音波モータの駆動に充分なレベルまでそれぞれ電力増幅し、これを圧電素子６のそれぞれの駆動電極に出力する。このようにして、圧電素子６の駆動電極のそれぞれに９０度位相が異なる２つの交流電圧が印加され、超音波モータの振動体に励振されることになる。

特に本例の駆動装置には、圧電素子６に印加した駆動交流信号を増幅回路４，５へそれぞれフィードバックする一対の帰還回路７，８が設けられている。この帰還回路７，８によりフィードバックされた駆動交流信号は増幅回路４，５に入力され、この増幅回路４，５にて予め設定された入力電圧との比率に基づき一定の出力電圧になるように制御される。

図２は、図１の増幅回路４，５、圧電素子６および帰還回路７，８の具体的態様を示す電気回路図であり、図１の一方の増幅回路４、圧電素子６および帰還回路７のみを示す電気回路図である。なお、図１の他方の増幅回路５及び帰還回路８も同様の構成とされている。

図２に示すように、増幅回路４は、オペアンプＵ１と、トランジスタＱ１および圧電素子６の容量成分と共振する誘導性素子であるインダクタＬ１を含み、移相回路３からの駆動交流信号はオペアンプＵ１の反転入力端子（−）に入力される。オペアンプＵ１の非反転入力端子（＋）には、当該オペアンプＵ１の電源回路１の供給電圧ＶＣＣ１の範囲内の所定電圧、たとえばＶＣＣ２＝ＶＣＣ１／２の電圧が設定されている。また、オペアンプＵ１のオープンループゲインが、反転入力端子への入力電圧と圧電素子６に印加される電圧との入出力電圧の増幅比より大きくなるように、抵抗Ｒ１，Ｒ１１の値が設定されている。

そして、反転入力端子に入力された駆動交流信号は、オペアンプＵ１、トランジスタＱ１およびインダクタＬ１を介して増幅され、圧電素子６の電極へ出力される。

一方、帰還回路７は、圧電素子６へ印加される電圧を分圧する分圧回路Ｒ５，Ｒ６と、分圧された駆動交流信号のバイアス値を変換するカップリングコンデンサＣ２と、オペアンプＵ２と、抵抗Ｒ２とを含む。カップリングコンデンサＣ２は駆動交流信号から交流成分を抽出し、直流成分を調整したうえでオペアンプＵ２の反転入力端子（−）に出力する。オペアンプＵ２の非反転入力端子（＋）には基準電圧ＶＣＣ２が設定され、これとの比率に基づいた出力電圧がオペアンプＵ２の出力端子から出力され、これがオペアンプＵ１の反転入力端子（−）に入力されるように構成されている。

以上の構成により、オペアンプＵ１の反転入力端子（−）に入力された駆動交流信号は、当該オペアンプＵ１、トランジスタＱ１およびインダクタＬ１によって増幅された状態で圧電素子６に印加される。このとき、この印加された駆動交流信号をオペアンプＵ２および抵抗Ｒ２を介してオペアンプＵ１へフィードバックするので、駆動電圧が安定することになる。

図４は、図２に示す本実施形態の駆動装置から帰還回路７を省いた比較例に係る電気回路図であり、図５は、図４に示す比較例の駆動装置のオペアンプＵ１の反転入力端子（−）にＡの駆動交流信号を入力したときの圧電素子６に印加される駆動交流信号の波形を示すグラフである。

本実施形態に係る帰還回路７を含まない駆動装置では、駆動交流信号の波形Ａが一定であるにも拘らず、印加される駆動交流信号の波形Ｂが安定するのにある程度の時間が必要となる。

これに対し、図６は、図１および図２に示す駆動装置においてオペアンプＵ１の反転入力端子にＣの駆動交流信号を入力したときの、圧電素子６に印加される駆動交流信号の波形と、オペアンプＵ２の出力端子における出力波形Ｅとを示すグラフである。

本例によれば、比較例の波形Ａと同じ波形Ｃの駆動交流信号を与えると、印加される駆動交流信号の波形Ｄからフィードバックされる信号の波形Ｅが安定になるように制御されるため、圧電素子６に印加される駆動交流信号Ｄは短時間で安定した駆動波形となる。

図３は、図１の増幅回路、圧電素子および帰還回路の他の具体的態様を示す電気回路図であり、図１の一方の増幅回路４、圧電素子６および帰還回路７のみを示す電気回路図である。なお、図１の他方の増幅回路５及び帰還回路８も同様の構成とされている。図２に示す具体的態様に対して、帰還回路７の抵抗Ｒ２に並列にコンデンサＣ４を接続した点が相違し、その他の構成は同じである。

抵抗Ｒ２とコンデンサＣ４との並列回路（微分回路）の抵抗値と静電容量を調整することによって、当該帰還回路７の時定数τ＝ＲＣ（Ｒは抵抗Ｒ２の抵抗値、ＣはコンデンサＣ４の静電容量）を調整することができ、これにより帰還回路７を流れる信号に含まれるノイズを除去することができる。

１…電源回路
２…駆動信号発生回路
３…移相回路
４，５…増幅回路
Ｕ１…オペアンプ
Ｑ１…トランジスタ
Ｌ１…インダクタ
６…圧電素子
７，８…帰還回路
Ｃ２…カップリングコンデンサ
Ｒ２…抵抗
Ｃ４…コンデンサ

Claims

交流信号を生成する信号発生回路と、
前記信号発生回路にて生成された前記交流信号を増幅して容量性素子に印加する増幅回路と、
前記容量性素子に印加された交流信号の一部を前記増幅回路へ帰還入力する帰還回路と、を備えたことを特徴とする容量性素子の駆動装置。
請求項１に記載の容量性素子の駆動装置において、
前記増幅回路はオペアンプを含み、該オペアンプのオープンループゲインは、前記増幅回路による入出力電圧の増幅比より大きいことを特徴とする容量性素子の駆動装置。
請求項１または２に記載の容量性素子の駆動装置において、
前記増幅回路は、前記容量性素子の容量成分と共振する誘導性素子を含むことを特徴とする容量性素子の駆動装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の容量性素子の駆動装置において、
前記帰還回路は、前記容量性素子に印加された交流信号の交流成分を抽出するカップリングコンデンサを含むことを特徴とする容量性素子の駆動装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の容量性素子の駆動装置において、
前記帰還回路は、時定数を調整する時定数調整回路を含むことを特徴とする容量性素子の駆動装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の容量性素子の駆動装置において、
前記容量性素子は圧電素子であることを特徴とする容量性素子の駆動装置。
請求項３〜６のいずれか一項に記載の容量性素子の駆動装置において、
前記誘電性素子はインダクタであることを特徴とする容量性素子の駆動装置。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の容量性素子の駆動装置において、
前記信号発生回路にて生成された交流信号の位相を調整し、第１の位相の交流信号と前記第１の位相と異なる第２の位相の交流信号を生成する移相回路を有し、
前記増幅回路は、前記第１の位相の交流信号と前記第２の位相の交流信号とをそれぞれ増幅して前記容量性素子に印加することを特徴とする容量性素子の駆動装置。