JP2010279199A - 圧電アクチュエータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子から生じる音を低減することができる圧電アクチュエータ制御装置を提供する。
【解決手段】第１の圧電素子としてのバイモルフ型圧電素子１１０および第２の圧電素子としての積層型圧電素子１２０を備える圧電アクチュエータ１００に制御電流を供給する圧電アクチュエータ制御装置２００は以下を備える。複数の通知信号を周期的に順次出力するカウンタ２２１と、カウンタ２２１からの通知信号に基づき第２の昇圧回路２３２で緩やかに増減する第２の電圧Ｖ２を形成する第２の昇圧回路２３２とを備える。そして、この緩やかに増減する第２の電圧Ｖ２により増幅されたＰＷＭ信号が、積層型圧電素子１２０に印加される。
【選択図】図１

Description

この発明は、圧電アクチュエータ制御装置に関し、特に、複数の圧電素子を有する複合型の圧電アクチュエータに制御電流を供給する圧電アクチュエータ制御装置に関するものである。

小型の回転駆動型アクチュエータとして、近年、バイモフル型圧電素子を用いた圧電アクチュエータが開発され、その実用化が進められている。この圧電アクチュエータは、バイモルフ型圧電素子を用いて形成された板状の駆動体を有し、このバイモルフ型圧電素子から形成される駆動体の一端には、略円柱形状の回転軸が取り付けられている。この回転軸は固定板の一部に設けられている軸受部に回転自在に支持されているとともに、回転軸の一方の端面は、ばね部材により軸受部に押圧され、この回転軸一方の端面と軸受部との間には摩擦接触による回転抵抗力が付与されている。

予め定められた周波数の鋸歯形状の電圧がバイモルフ型圧電素子に印加される。そして、この電圧によりバイモルフ型圧電素子は、緩慢な屈曲変位と急峻な屈曲変位を周期的に繰り返す屈曲振動をするとともに、この急峻な屈曲変位により駆動体には、周期的に一の回転方向に大きく作用する慣性力が生じる。この大きく作用するときの慣性力は、上記の回転抵抗力より大きくなるように設定されており、この大きく作用する慣性力により、駆動体が取り付けられている回転軸と軸受部との間には、一の回転方向と異なる他の回転方向に滑りが生じ、この滑りにより駆動体は回転する。

上記に示すように、この圧電アクチュエータの駆動体は、摩擦接触する回転軸と軸受部との間の滑りにより回転するため、回転軸と軸受部との摩擦接触の状態が変化すると、駆動体の回転力や回転速度も変化してしまう。例えば、この圧電アクチュエータが動作する環境の湿度が高くなった場合等には、摩擦接触の状態が変化し、駆動体の回転力や回転速度が変化してしまう。

そこで、駆動体として用いられるバイモルフ型圧電素子の他に、軸受部に積層型圧電素子を別途取り付け、駆動体が急峻に屈曲変位するときに積層型圧電素子を振動させる複合型の圧電アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この複合型の圧電アクチュエータは、積層型圧電素子の振動により軸受部を振動させることで、回転軸と軸受部との間の回転抵抗力を制御することができ、駆動体が急峻に屈曲変位し駆動体が回転するときに、軸受部を振動させるとこで回転抵抗力を減少させ、駆動体の回転を円滑に行わせることができる。従って、例えば、この複合型の圧電アクチュエータが動作する環境の湿度が高くなり、摩擦接触の状態が変化した場合にも、駆動体の回転を円滑に行わせることができる。

特開２００８−２５９３８４号公報

上記の複合型の圧電アクチュエータが、例えば、人の近くに配置された場合等には、バイモルフ型圧電素子および積層型圧電素子の振動により生ずる音の低減が求められる場合
もある。

そこで、この発明は、バイモルフ型圧電素子に供給される電流および積層型圧電素子に印加される電圧を制御し、バイモルフ型圧電素子および積層型圧電素子に生ずる音を低減することができる圧電アクチュエータ制御装置を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の圧電アクチュエータ制御装置は、第１および第２の圧電素子を備える圧電アクチュエータに電圧を印加し、制御電流を供給する圧電アクチュエータ制御装置において、複数の通知信号を周期的に順次出力するカウンタと、前記カウンタから予め定められた通知信号が供給されると、前記通知信号に基づきＨブリッジ制御信号を出力するＨブリッジ回路制御部と、ＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号生成部と、前記ＰＷＭ信号生成部から前記ＰＷＭ信号が供給され、前記カウンタから予め定められた第１の通知信号が供給されると前記ＰＷＭ信号の出力を開始し、前記カウンタから前記第１の通知信号の後に供給される予め定められた第２の通知信号が供給されると前記ＰＷＭ信号の出力を停止するハーフブリッジ回路制御部と、電源からの電源電圧の電圧値を第１の電圧値まで昇圧し、昇圧された第１の電圧を出力する第１の昇圧回路と、前記カウンタから前記第１の通知信号が供給されると、電源からの電源電圧の電圧を第２の電圧値まで徐々に昇圧する動作を開始し、前記第１の通知信号と前記第２の通知信号との間に前記カウンタから出力される予め定められた第３の通知信号が供給されると昇圧する動作を停止するとともに前記第２の電圧値まで昇圧された電圧を減少させ、この繰り返し増減する第２の電圧を出力する第２の昇圧回路２３２と、４つのスイッチ素子を備え、かつ、前記第１の圧電素子が接続され、前記第１の昇圧回路により前記第１の電圧が印加されるとともに、前記Ｈブリッジ回路制御部から前記スイッチ素子のオンオフを制御する前記Ｈブリッジ制御信号が供給され、前記スイッチ素子のオンオフにより第１の方向または前記第１の方向と逆の第２の方向に流れる第１の制御電流を前記第１の圧電素子に供給するＨブリッジ回路と、２つのスイッチ素子を備え、かつ、前記第２の圧電素子が接続され、前記第２の昇圧回路により前記第２の電圧が印加されるとともに、前記ハーフブリッジ回路制御部から前記スイッチ素子のオンオフを制御する前記ＰＷＭ信号が供給され、前記スイッチ素子のオンオフにより第２の制御電流を前記第２の圧電素子に供給するハーフブリッジ回路と、を備え、前記第１および第２の方向に流れ出す前記第１の制御電流の電流値は、両方向において略同じ値となるように設定されており、前記第１の方向に前記第１の制御電流が供給されているときに、前記第２の制御電流は、前記第２の圧電素子に供給されることを特徴とする。

第１および第２の圧電素子に供給される電流および印加される電圧を制御し、第１の圧電素子としてのバイモルフ型圧電素子および第２の圧電素子としての積層型圧電素子に生ずる音を低減することができる。

本発明の実施形態における圧電アクチュエータ装置のブロック図である。 本発明の実施形態における圧電アクチュエータ制御装置からバイモルフ型圧電素子に印加される電圧等を示すタイミングチャートである。 本発明の実施形態における圧電アクチュエータ制御装置から積層型圧電素子に印加される電圧等を示すタイミングチャートである。

次に、この発明の実施形態を図１に基づき説明する。図１は、圧電アクチュエータ装置１を示すブロック図であり、圧電アクチュエータ装置１は、圧電アクチュエータ１００と
、圧電アクチュエータ１００に制御電流を供給する圧電アクチュエータ制御装置２００とを備えている。

圧電アクチュエータ１００は、第１の圧電素子としてバイモルフ型圧電素子１１０を用いて形成された板状の駆動体を有し、このバイモルフ型圧電素子１１０から形成される駆動体の一端には、略円柱形状の回転軸（図示せず）が取り付けられている。この回転軸は固定板（図示せず）の一部に設けられている軸受部（図示せず）に回転自在に支持されているとともに、回転軸の一方の端面は、ばね部材（図示せず）により軸受部に押圧され、この回転軸一方の端面と軸受部との間には摩擦接触による回転抵抗力が付与されている。

さらに、圧電アクチュエータ１００は、軸受部に第２の圧電素子としての積層型圧電素子１２０が別途取り付けられており、積層型圧電素子１２０の振動により、軸受部を振動させることで、回転軸と軸受部との間の回転抵抗力を制御することができる。

圧電アクチュエータ制御装置２００は、駆動指令部２１０、制御回路部としてのマイコン２２０、昇圧回路部２３０、およびスイッチ回路部２４０を備えている。駆動指令部２１０は、制御回路部２２０に処理の開始および停止を指令し、この駆動指令部２１０の指令により、圧電アクチュエータ制御装置２００の処理の開始および停止がなされる。

制御回路部としてのマイコン２２０は、第１から第３の通知信号を含む複数の通知信号（Ｓ１からＳ７）を出力するカウンタ２２１、ＰＷＭ信号生成部２２２、Ｈブリッジ回路制御部２２３、およびハーフブリッジ回路制御部２２４とを備える。なお、カウンタ２２１は、インクリメント動作を行う所謂アップカウンタであり、カウンタ２２１から出力される通知信号（Ｓ１からＳ７）については後述する。

Ｈブリッジ回路制御部２２３は、カウンタから予め定められた複数の通知信号（Ｓ１、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ７）が供給されると、これらの通知信号（Ｓ１、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ７）に基づきＨブリッジ制御信号をＨブリッジ回路に供給する。ＰＷＭ信号生成部２２２は、予め定められた周波数のＰＷＭ信号を連続して出力する。

ハーフブリッジ回路制御部２２４は、ＰＷＭ信号生成部２２２から連続して出力されるＰＷＭ信号が供給され、カウンタ２２１から予め定められた通知信号Ｓ５（第１の通知信号）が供給されるとＰＷＭ信号の出力を開始し、カウンタ２２１から通知信号Ｓ５（第１の通知信号）の後に供給される予め定められた通知信号Ｓ２（第２の通知信号）が供給されるとＰＷＭ信号の出力を停止する。

次に、昇圧回路部２３０について説明する。昇圧回路部２３０は、第１および第２の昇圧回路２３１、２３２を備えている。

第１の昇圧回路２３１は、電源から印加される電源電圧の電圧値を第１の電圧値Ｖ１ｐまで昇圧し、昇圧された第１の電圧Ｖ１を出力する。

第２の昇圧回路２３２は、出力コンデンサ（図示せず）を有し、この出力コンデンサへの充電および充電の停止を繰り返し、出力コンデンサに充電され、繰り返し増減する第２の電圧Ｖ２と出力する。第２の昇圧回路２３２は、カウンタ２２１から通知信号Ｓ５（第１の通知信号）が供給されると、この出力コンデンサへの充電を開始し、電源から印加される電源電圧により出力コンデンサに蓄積される電荷による充電電圧は、第２の電圧値Ｖ２Ｐまで徐々に昇圧される。次に、通知信号Ｓ５（第１の通知信号）と通知信号Ｓ２（第２の通知信号）との間にカウンタ２２１から出力される予め定められた通知信号Ｓ６（第
３の通知信号）が供給されると、第２の昇圧回路２３２は、出力コンデンサへの充電を停止し、第２の電圧値Ｖ２まで昇圧された出力コンデンサの充電電圧は徐々に減少される。このようにして、第２の昇圧回路２３２は繰り返し増減する第２の電圧Ｖ２と出力する。

Ｈブリッジ回路２４１は、４つのスイッチ素子を備え、かつ、第１の圧電素子としてのバイモフルフ型圧電素子１１０が接続され、第１の昇圧回路２３１により第１の電圧Ｖ１が印加されるとともに、Ｈブリッジ回路制御部２２３からこれらのスイッチ素子のオンオフを制御するＨブリッジ制御信号が供給される。また、Ｈブリッジ回路２４１には、接地Ｇとの間に定電流回路が接続されており、Ｈブリッジ回路２４１、これらのスイッチ素子のオンオフにより第１の方向Ｄ１または第１の方向Ｄ１と逆の第２の方向Ｄ２に流れる第１の制御電流Ｉ１をバイモフルフ型圧電素子１１０に供給する。

バイモフルフ型圧電素子１１０に供給される第１および第２の方向（Ｄ１、Ｄ２）の第１の制御電流Ｉ１は、ともに定電流回路を流れるため、第１および第２の方向（Ｄ１、Ｄ２）に流れ出す第１の制御電流Ｉ１の電流値は、両方向において略同じ値となる。

ハーフブリッジ回路２４２は、２つのスイッチ素子を備え、かつ、第２の圧電素子としての積層型圧電素子１２０が接続され、第２の昇圧回路２３２により第２の電圧Ｖ２が印加される。そして、ハーフブリッジ回路制御部２２４からこれらのスイッチ素子のオンオフを制御するＰＷＭ信号が供給され、これらのスイッチ素子のオンオフにより第２の制御電流Ｉ２を第２の圧電素子としての積層型圧電素子１２０に供給する。

次に本実施の形態の圧電アクチュエータ制御装置２００での信号の処理等について図２および図３に基づき説明する。

図２および図３に示すように、カウンタ２２１は、カウント値ゼロ（０）からカウント値Ｃｍａｘまでを周期ΔＴごと周期にカウントし、カウント値ＣがＣ１からＣ７になったときに、それぞれ通知信号（Ｓ１からＳ７）を通知する。

本実施の形態では、カウンタ２２１は、時刻ｔ０においてカウント値ゼロ（０）からカウントを開始しており、時刻ｔ１（ｔ９）においてカウント値ＣがＣ１となり、カウンタ２２１からは通知信号Ｓ１が出力される。同様に、時刻ｔ２（ｔ１０）においてカウント値ＣがＣ２となり通知信号Ｓ２が、時刻ｔ３（ｔ１１）においてカウント値ＣがＣ３となり通知信号Ｓ３が、時刻ｔ４（ｔ１２）においてカウント値ＣがＣ４となり通知信号Ｓ４が、時刻ｔ５（ｔ１３）においてカウント値ＣがＣ５となり通知信号Ｓ５が、時刻ｔ６（ｔ１４）においてカウント値ＣがＣ６となり通知信号Ｓ６が、時刻ｔ７（ｔ１５）においてカウント値ＣがＣ７となり通知信号Ｓ７が、カウンタ２２１からそれぞれ出力される。

次に、図２に基づき、Ｈブリッジ回路２４１の動作およびバイモルフ型圧電素子１１０に充電される充電電圧Ｖ３について説明する。

カウンタ２２１から通知信号（Ｓ１、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ７）がＨブリッジ回路制御部２２３に供給され、この通知信号（Ｓ１、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ７）に基づきＨブリッジ制御信号がＨブリッジ回路制御部２２３からＨブリッジ回路に供給される。

Ｈブリッジ回路２４１は、ハイサイドスイッチ素子ＳＨ１とローサイドスイッチ素子ＳＬ１とを有する第１のハーフブリッジ（図示せず）、およびハイサイドスイッチ素子ＳＨ２とローサイドスイッチ素子ＳＬ２とを有する第２のハーフブリッジ（図示せず）を備えている。

Ｈブリッジ回路制御部２２３から通知信号Ｓ１に基づくＨブリッジ制御信号がＨブリッジ回路２４１に供給されると、ハイサイドスイッチ素子ＳＨ１とローサイドスイッチ素子ＳＬ２がオン状態となる。ハイサイドスイッチ素子ＳＨ１とローサイドスイッチ素子ＳＬ２がオン状態となると、バイモルフ型圧電素子１１０には、第１の方向Ｄ１に第１の制御電流Ｉ１の供給が開始され、バイモルフ型圧電素子１１０の充電電圧Ｖ３は電圧値（−Ｖ１Ｐ）まで徐々に緩やかに低下する。そして、回路制御部２２３から通知信号Ｓ３に基づくＨブリッジ制御信号がＨブリッジ回路２４１に供給されると、ハイサイドスイッチ素子ＳＨ１とローサイドスイッチ素子ＳＬ２がオフ状態となる。

Ｈブリッジ回路制御部２２３から通知信号Ｓ４に基づくＨブリッジ制御信号がＨブリッジ回路２４１に供給されると、ハイサイドスイッチ素子ＳＨ２とローサイドスイッチ素子ＳＬ１がオン状態となる。ハイサイドスイッチ素子ＳＨ２とローサイドスイッチ素子ＳＬ１がオン状態となると、バイモルフ型圧電素子１１０には、第２の方向Ｄ２に第１の制御電流Ｉ１の供給が開始され、バイモルフ型圧電素子１１０の充電電圧Ｖ３は電圧値（Ｖ１Ｐ）まで徐々に緩やかに増加する。そして、回路制御部２２３から通知信号Ｓ７に基づくＨブリッジ制御信号がＨブリッジ回路２４１に供給されると、ハイサイドスイッチ素子ＳＨ２とローサイドスイッチ素子ＳＬ１がオフ状態となる。

上記のように、本実施の形態の圧電アクチュエータ制御装置２００は、バイモルフ型圧電素子１１０に充電される充電電圧Ｖ３の電圧値が緩やかに変化するように設定されている。そのため、バイモルフ型圧電素子１１０の屈曲変位も緩やかとなり、バイモルフ型圧電素子１１０から発生する振動音は低減される。

次に、図３に基づき、ハーフブリッジ回路制御部２２４の動作、第２の昇圧回路２３２により昇圧される第２の電圧Ｖ２、および積層型圧電素子１２０に充電される充電電圧Ｖ４について説明する。

カウンタ２２１から通知信号Ｓ５（第１の通知信号）がハーフブリッジ回路制御部２２４に供給されると、ハーフブリッジ回路制御部２２４からはＰＷＭ信号の出力が開始される。そして、その後、カウンタ２２１から通知信号Ｓ２（第２の通知信号）がハーフブリッジ回路制御部２２４に供給されると、ハーフブリッジ回路制御部２２４からのＰＷＭ信号の出力は停止される。なお、このＰＷＭ信号は、ハーフブリッジ回路２４２に供給される。

カウンタ２２１から通知信号Ｓ５（第１の通知信号）が第２の昇圧回路２３２に供給されると第２の昇圧回路２３２は、電源から印加される電源電圧を第２の電圧値Ｖ２Ｐの電圧まで徐々に昇圧することを開始する。そして、その後、通知信号Ｓ５（第１の通知信号）と通知信号Ｓ２（第２の通知信号）との間にカウンタ２２１から出力される通知信号Ｓ６（第３の通知信号）が供給されると、昇圧する動作を停止し、第２の電圧値Ｖ２Ｐまで昇圧された電圧は徐々に減少される。その結果、第２の昇圧回路２３２は、緩やかに増減を繰り返す第２の電圧Ｖ２を出力する。

ハーフブリッジ回路２４２には、第２の昇圧回路２４２により第２の電圧Ｖ２が印加されているとともに積層型圧電素子１２０が接続されている。そのため、ハーフリッジ回路制御部２２４から供給されるＰＷＭ信号が第２の電圧Ｖ２により増幅され、増幅されたＰＷＭ信号が積層型圧電素子１２０に印加され、第２の制御電流Ｉ２が積層型圧電素子１２０に供給される。また、通知信号Ｓ６により昇圧する動作が停止した後は、第２の昇圧回路２３２の出力コンデンサに蓄積された電荷が、ハーフブリッジ回路２４２のスイッチングにより積層型圧電素子１２０へ移動することにより、第２の電圧の電圧値は徐々に低下する。その結果、図３に示すように、緩やかに増減を繰り返す充電電圧Ｖ４が積層型圧電
素子１２０に充電される。

上記のように、積層型圧電素子１２０には、緩やかに増減を繰り返す充電電圧Ｖ４による充放電がなされるため、積層型圧電素子１２０の伸縮の開始および伸縮の停止が緩やかに行われ、積層型圧電素子１２０から発生する振動音は低減される。

さらに、少なくとも第１の方向Ｄ１に第１の制御電流Ｉ１が供給されているときに、第２の制御電流Ｉ２が、積層型圧電素子１２０に供給されるよう設定されている。その結果、バイモルフ型圧電素子１１０が一の方向に屈曲変位しているときに、積層型圧電素子１２０の振動により軸受部を振動させ、回転軸と軸受部との間の回転抵抗力を低下させ、バイモルフ型圧電素子１１０から形成される駆動体を所定の方向に回転されることができる。

本実施の圧電アクチュエータ１００は、一の方向および他の方向に揺動動作するものであって良く、その場合、一の方向に動作するときは、第１の方向Ｄ１に第１の制御電流Ｉ１が供給されているときに、第２の制御電流Ｉ２が、積層型圧電素子１２０に供給され、他の方向に動作するときは、第２の方向Ｄ２に第１の制御電流Ｉ１が供給されているときに、第２の制御電流Ｉ２が、積層型圧電素子１２０に供給される設定とされる。

本実施の形態の圧電アクチュエータ制御装置２００は、バイモルフ型圧電素子に供給される電流および積層型圧電素子および印加される電圧を制御し、上述のようにバイモルフ型圧電素子１１０から発生する音を低減することができるとともに、積層型圧電素子１２０から発生する音は低減することができる。

１ 圧電アクチュエータ装置
１００ 圧電アクチュエータ
１１０ バイモルフ型圧電素子（第１の圧電素子）
１２０ 積層型圧電素子（第２の圧電素子）
２００ 圧電アクチュエータ制御装置
２１０ 駆動指令部
２２０ 制御回路部（マイコン）
２２１ カウンタ
２２２ ＰＷＭ信号生成部
２２３ Ｈブリッジ回路制御部
２２４ ハーフブリッジ回路制御部
２３０ 昇圧回路部
２３１ 第１の昇圧回路
２３２ 第２の昇圧回路
２４０ スイッチ回路部
２４１ Ｈブリッジ回路
２４２ ハーフブリッジ回路

Claims (1)

1. 第１および第２の圧電素子を備える圧電アクチュエータに制御電流を供給する圧電アクチュエータ制御装置において、
   複数の通知信号を周期的に順次出力するカウンタと、
   前記カウンタから予め定められた通知信号が供給されると、前記通知信号に基づきＨブリッジ制御信号を出力するＨブリッジ回路制御部と、
   ＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号生成部と、
   前記ＰＷＭ信号生成部から前記ＰＷＭ信号が供給され、前記カウンタから予め定められた第１の通知信号が供給されると前記ＰＷＭ信号の出力を開始し、前記カウンタから前記第１の通知信号の後に供給される予め定められた第２の通知信号が供給されると前記ＰＷＭ信号の出力を停止するハーフブリッジ回路制御部と、
   電源からの電源電圧の電圧値を第１の電圧値まで昇圧し、昇圧された第１の電圧を出力する第１の昇圧回路と、
   前記カウンタから前記第１の通知信号が供給されると、電源からの電源電圧の電圧値を第２の電圧値の電圧まで徐々に昇圧する動作を開始し、前記第１の通知信号と前記第２の通知信号との間に前記カウンタから出力される予め定められた第３の通知信号が供給されると昇圧する動作を停止するとともに前記第２の電圧値まで昇圧された電圧を減少させ、この繰り返し増減する第２の電圧を出力する第２の昇圧回路２３２と、
   ４つのスイッチ素子を備え、かつ、前記第１の圧電素子が接続され、前記第１の昇圧回路により前記第１の電圧が印加されるとともに、前記Ｈブリッジ回路制御部から前記スイッチ素子のオンオフを制御する前記Ｈブリッジ制御信号が供給され、前記スイッチ素子のオンオフにより第１の方向または前記第１の方向と逆の第２の方向に流れる第１の制御電流を前記第１の圧電素子に供給するＨブリッジ回路と、
   ２つのスイッチ素子を備え、かつ、前記第２の圧電素子が接続され、前記第２の昇圧回路により前記第２の電圧が印加されるとともに、前記ハーフブリッジ回路制御部から前記スイッチ素子のオンオフを制御する前記ＰＷＭ信号が供給され、前記スイッチ素子のオンオフにより第２の制御電流を前記第２の圧電素子に供給するハーフブリッジ回路と、を備え、
   前記第１および第２の方向に流れ出す前記第１の制御電流の電流値は、両方向において略同じ値となるように設定されており、
   少なくとも前記第１の方向に前記第１の制御電流が供給されているときに、前記第２の制御電流は、前記第２の圧電素子に供給されることを特徴とする圧電アクチュエータ制御装置。

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