JP2012080745A - ピエゾアクチュエータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振周波数から外れた周期でアクチュエータが駆動される期間をより短くすることが可能なピエゾアクチュエータの駆動技術を提供すること。
【解決手段】ピエゾアクチュエータ駆動装置１は、ピエゾアクチュエータ2を動作させるための第１信号を出力する駆動信号出力部10,13と、第１信号よりも相対的に振幅の小さい第２信号を、第１信号の前段又は後段の少なくとも一方に付加する信号付加部11,12と、第２信号の周波数とピエゾアクチュエータの共振周波数との差異に応じたレベルの第３信号を駆動信号出力部へフィードバックする共振周波数検出部14と、を備える。駆動信号出力部は、第３信号のレベルに対応して第１信号の周波数の設定値を増減させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、周波数制御型のピエゾアクチュエータ（ピエゾ素子）の駆動技術に関する。

周波数制御型のピエゾアクチュエータの駆動技術に関する先行例としては、例えば特開２００７−４９８９０号公報（特許文献１）に開示される技術が知られている。この特許文献１に開示される周波数制御型のピエゾアクチュエータ駆動回路は、一定振幅の駆動電圧パルスで駆動されるピエゾアクチュエータと、これを駆動させるピエゾドライバと、ピエゾドライバでピエゾアクチュエータを駆動させる際に消費される電流を測定し、測定された電流のうち最大値を持つ電流に対応する周波数を検出し、検出された周波数に対応する周波数制御信号を発生させる周波数制御部と、周波数制御部の周波数制御信号によってピエゾアクチュエータの周波数を固定し、ピエゾドライバに固定された周波数を発生する周波数シンセサイザを備える。かかる構成により、共振周波数ごとに電流消費量を測定して共振周波数を自動的に制御できる。

特許文献１に開示される先行例においては、温度や製造バラツキ（ピエゾ特性、温度特性など）によるピエゾアクチュエータの共振周波数ずれを解消するために、駆動信号の周波数を変動させ、電流消費量が最大となるポイントを検出している。しかし、この構成では共振周波数のずれが生じてからそれに追随して共振周波数が調整されるという動作になるため、共振周波数から外れた周波数でアクチュエータが駆動される期間が比較的に長くなるという不都合がある。

特開２００７−４９８９０号公報

本発明に係る具体的態様は、共振周波数から外れた周期でアクチュエータが駆動される期間をより短くすることが可能なピエゾアクチュエータの駆動技術を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る一態様のピエゾアクチュエータ駆動装置は、（ａ）ピエゾアクチュエータを動作させるための第１信号を出力する駆動信号出力部と、（ｂ）前記第１信号よりも相対的に振幅の小さい第２信号を、前記第１信号の前段又は後段の少なくとも一方に付加する信号付加部と、（ｃ）前記第２信号の周波数と前記ピエゾアクチュエータの共振周波数との差異に応じたレベルの第３信号を前記駆動信号出力部へフィードバックする共振周波数検出部と、を含み、（ｄ）前記駆動信号出力部は、前記第３信号のレベルに対応して前記第１信号の周波数の設定値を増減させる、ピエゾアクチュエータの駆動装置である。

上記のピエゾアクチュエータ駆動装置においては、共振周波数またはそれに近い周波数を有する第２信号を第１信号の前段または後段に付加することにより、仮にピエゾアクチュエータに共振周波数ずれが発生した場合にはその時点での共振周波数と検出用信号の周波数とのずれに応じたレベルの信号を共振周波数検出部から共振周波数発生部にフィードバックできる。そして、共振周波数発生部は、フィードバックされた信号のレベルに対応して、自己が出力する信号の周波数の設定値を増減する、すなわち、ピエゾアクチュエータの共振周波数を速やかに変更することができる。したがって、共振周波数から外れた周期でアクチュエータが駆動される期間をより短くすることが可能となる。

上記のピエゾアクチュエータ駆動装置においては、例えば、（ｅ）前記駆動信号出力部は、ピエゾアクチュエータの共振周波数に対応した周波数を有する信号を出力する共振周波数発振器と、前記共振周波数発振器から出力される信号を増幅する増幅器を有し、（ｆ）前記信号付加部は、前記第２信号を発生する信号発生器と、前記信号発生器から出力される前記第２信号を、前記共振周波数発振器から出力される信号の前段又は後段の少なくとも一方に合成する信号合成器を有する、ように構成することができる。

また、上記のピエゾアクチュエータ駆動装置においては、例えば、（ｇ）前記駆動信号出力部は、ピエゾアクチュエータの共振周波数に対応した周波数を有する信号を出力する共振周波数発振器と、前記共振周波数発振器から出力される信号を増幅する増幅器を有し、（ｈ）前記信号付加部は、前記第２信号を発生する信号発生器と、前記信号発生器から出力される前記第２信号を、前記増幅器から出力される信号の前段又は後段の少なくとも一方に合成する信号合成器を有する、ように構成することもできる。

また、上記のピエゾアクチュエータ駆動装置においては、例えば、（ｉ）前記駆動信号出力部は、複数の周波数に対応する複数の信号データを格納するメモリと、前記メモリに格納された前記複数の信号データのうち１つの信号データを選択的に読み出すデータ読み出し手段と、前記データ読み出し手段によって読み出された前記１つの信号データをアナログ信号に変換する第１デジタルアナログ変換器を有し、（ｊ）前記信号付加部は、前記データ読み出し手段によって読み出された前記１つの信号データを所定ビット数だけシフトさせる除算処理を行う除算器と、前記除算器による前記除算処理を実行するか否かを制御するタイミング制御手段と、前記除算器による前記除算処理がなされた後の前記１つの信号データをアナログ信号に変換する第２デジタルアナログ変換器を有する、ように構成することもできる。この場合には、前記第１デジタルアナログ変換器と前記第２デジタルアナログ変換器とが兼用されるようにするように構成されることも好ましい。

ピエゾアクチュエータ駆動装置の構成を示すブロック図である。 ピエゾドライバによって生成される信号の一例を示す図である。 ピエゾアクチュエータ駆動装置の他の構成例を示すブロック図である。 ピエゾアクチュエータ駆動装置の他の構成例を示すブロック図である。 ピエゾアクチュエータ駆動装置の他の構成例を示すブロック図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施形態のピエゾアクチュエータ駆動装置の構成を示すブロック図である。図１に示すピエゾアクチュエータ駆動装置１は、ピエゾアクチュエータ２と接続して用いられるものであり、共振周波数発振器１０、検出用信号発生器１１、信号合成器１２、ピエゾドライバ（増幅器）１３、共振周波数検出部１４を含んで構成されている。

共振周波数発振器１０は、ピエゾアクチュエータの共振周波数に対応した周波数を有する信号を出力する。

検出用信号発生器１１は、共振周波数もしくはそれに近い周波数を有する信号を出力する。この信号は、ピエゾアクチュエータの共振周波数を検出するために用いられるものであり、以後これを「検出用信号」と称する。

信号合成器１２は、共振周波数発振器１０から出力される信号と検出用信号発生器１１から出力される検出用信号とを合成する。

ピエゾドライバ１３は、信号合成器１２によって生成された合成信号を増幅することによってピエゾアクチュエータ２を動作させるための駆動信号を生成する。この信号は共振周波数検出部１４を介してピエゾアクチュエータ２へ供給される。

ピエゾドライバ１３によって生成される信号の一例を図２に示す。図２（ａ）に示す例では、駆動信号の前（すなわち時間的に早い時期）に検出用信号が付加されている。また、図２（ｂ）に示す例では、駆動信号の後（すなわち時間的に遅い時期）に検出用信号が付加されている。駆動信号は、ピエゾアクチュエータ２を動作させるに必要な大きさ（例えば数Ｖ〜１０Ｖ程度）の電圧信号である。これに対して検出用信号は、駆動信号よりも相対的に小さい（例えば１Ｖ以下程度）電圧信号である。図示を省略するが、検出用信号は、駆動信号の前後にそれぞれ付加されてもよい。なお、駆動信号が本発明における「第１信号」に相当し、「検出用信号」が本発明における第２信号に相当する。

共振周波数検出部１４は、検出用信号の周波数とピエゾアクチュエータ２の共振周波数との差異に応じたレベルを有する信号を共振周波数発振器１０へフィードバックする。この共振周波数検出部１４から出力される信号が本発明における「第３信号」に相当する。

なお、本実施形態における共振周波数発振器１０とピエゾドライバ１３が本発明における「駆動信号出力部」に相当し、検出用信号発生器１１と信号合成器１２が本発明における「信号付加部」に相当する。

次に、本実施形態のピエゾアクチュエータ駆動装置１の動作について説明する。

共振周波数またはそれに近い周波数を有する検出用信号が駆動信号の前段または後段に付加されているので、仮にピエゾアクチュエータ２に共振周波数ずれが発生した場合にはその時点での共振周波数と検出用信号の周波数とのずれに応じたレベルの信号を共振周波数検出部１４から共振周波数発生器１０にフィードバックできる。そして、共振周波数発生器１０は、フィードバックされた信号のレベルに対応して、自己が出力する信号の周波数の設定値を増減する。これにより、ピエゾアクチュエータ２の共振周波数を事前に管理し、ピエゾアクチュエータ２を最適な共振周波数で駆動することができる。

図３は、他の実施形態のピエゾアクチュエータ駆動装置の構成を示すブロック図である。図３に示すピエゾアクチュエータ駆動装置１ａは、図１に示したピエゾアクチュエータ駆動装置１と基本的には同様の構成を備えており、一部が異なっている。具体的には、図３に示すピエゾアクチュエータ駆動装置１ａは、共振周波数発振器１０から出力される信号がピエゾドライバ１３に入力され、ピエゾドライバ１３によって増幅される。信号合成器１２は、ピエゾドライバ１３から出力される信号と、検出用信号発生器１１から出力される検出用信号とを合成する。

このようなピエゾアクチュエータ駆動装置１ａによっても、ピエゾアクチュエータ２の共振周波数を事前に管理することにより、ピエゾアクチュエータ２を常に最適な共振周波数で駆動することができる。

図４は、他の実施形態のピエゾアクチュエータ駆動装置の構成を示すブロック図である。この図４に示すピエゾアクチュエータ駆動装置１ｂは、ピエゾドライバ１３、共振周波数検出部１４およびマイコン（マイクロコンピュータ）１５を備えている。このピエゾアクチュエータ駆動装置１ｂは、上記した図１に示した実施形態のピエゾアクチュエータ駆動装置１における共振周波数発振器１０、検出用信号発生器１１および信号合成器１２の各機能をマイコン１５によって実現している。

マイコン１５は、自身の内蔵するデジタルアナログ変換機能を用いて、共振周波数発振器１０から出力される信号と検出用信号発生器１１から出力される検出用信号とを合成した信号に相当するアナログ信号を出力する。マイコン１５とピエゾドライバ１３の間にはコンデンサ１６が接続されている。このコンデンサ１６により取り出された交流成分がピエゾドライバ（増幅器）１３によって増幅され、ピエゾアクチュエータ２が駆動される。

共振周波数検出部１４は、検出用信号の周波数とピエゾアクチュエータ２の共振周波数の差異に応じた信号をマイコン１５にフィードバックする。このフィードバックされた信号に基づいて、マイコン１５内で共振周波数となる周波数に出力データが書き換えられ、信号出力が継続される。

このようなピエゾアクチュエータ駆動装置１ｂによっても、ピエゾアクチュエータ２の共振周波数を事前に管理することにより、ピエゾアクチュエータ２を常に最適な共振周波数で駆動することができる。また、マイコンを利用することにより構成の簡素化を図ることができる。

図５は、他の実施形態のピエゾアクチュエータ駆動装置の構成を示すブロック図である。この図５に示すピエゾアクチュエータ駆動装置１ｃは、メモリカウンタ（アドレスカウンタ）２０、メモリ２１、ラインカウンタ２２、ページポインタ２３、除算器（バレルシフタ）２４、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）２５、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２６、増幅器（ドライバ）２７、共振周波数検出器２８、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２９、共振ずれ判定器３０、発振器（ＯＳＣ）３１、分周器３２を含んで構成されている。

メモリカウンタ２０は、メモリ２１のアドレスと、ラインカウンタ２２のカウントタイミングを制御する。

メモリ２１は、複数の周波数に対応する複数の信号データを周波数ごとにページに振り分けて格納する。周波数の切り替えはページポインタ２３によって制御され、信号データの出力はメモリカウンタ２０によって制御される。すなわち、メモリカウンタ２０とページポイント２３により、複数の信号データのうち１つの信号データが選択的にメモリ２１から読み出される。ここでいう信号データとは、例えば周波数ごとのサイン波１周期分のデータである。

ラインカウンタ２２は、ページポインタ２３、除算器２４、共振ずれ判定器３０の各々の動作タイミングを制御する。上記のメモリカウンタ２０とこのラインカウンタ２２の同期合わせ（トリガ）には垂直同期信号が使用される。

ページポインタ２３は、メモリカウンタ２０とメモリ２１の動作タイミングを制御する。

除算器２４は、メモリ２１から読み出され、出力される信号データを除算することにより、信号データを所定ビット数だけシフトさせる（すなわちスケールダウンする）。このスケールダウンされた信号データを用いて検出用信号が生成される。なお、スケールダウンされない場合には、その信号データを用いて駆動信号が生成される。スケールダウンを行うか否かの切り替えはラインカウンタ２２によって制御される。

デジタルアナログ変換器２５は、メモリ２１から出力される信号データをアナログ信号（電圧信号）に変換される。信号データが除算器２４によってスケールダウンされていた場合には、デジタルアナログ変換器２５から出力されるアナログ信号が検出用信号となる。また、信号データが除算器２４によってスケールダウンされていなかった場合には、デジタルアナログ変換器２５から出力されるアナログ信号が駆動信号となる。

バンドパスフィルタ２６は、デジタルアナログ変換器２５から出力されるアナログ信号に含まれている不要なノイズを除去する。

増幅器２７は、デジタルアナログ変換器２５からバンドパスフィルタ２６を介して入力されるアナログ信号をピエゾアクチュエータ２の駆動に必要な電力に増幅する。

共振周波数検出器２８は、検出用信号、駆動信号のそれぞれの周波数とピエゾアクチュエータ２の共振周波数とのずれを検出する。共振周波数検出器２８から出力されるアナログ信号はアナログデジタル変換器２９によってデジタル信号に変換され、共振ずれ判定器３０に入力される。

共振ずれ判定器３０は、アナログデジタル変換器２９から出力されるデジタル信号を用いて、検出用信号等の周波数とピエゾアクチュエータ２の共振周波数のずれの量に応じた周波数の増減方向、増減量を判定し、ラインカウンタ２２からのタイミングでメモリ２０の周波数データを切り替えるページポインタ２３へフィードバックする。

発振器３１、分周器３２からなる回路は、各ブロックへ動作クロックを供給する。

なお、図５に示すピエゾアクチュエータ駆動装置１ｃにおいては、メモリカウンタ２０、メモリ２１、ラインカウンタ２２、ページポインタ２３、除算器２４、デジタルアナログ変換器２５、バンドパスフィルタ２６が本発明における「駆動信号出力部」および「信号付加部」のそれぞれとして機能し、共振周波数検出器２８、アナログデジタル変換器２９、共振ずれ判定器３０が本発明における「共振周波数検出部」として機能する。また、メモリカウンタ２０とページポインタ２３が本発明における「データ読み出し手段」として機能し、ラインカウンタ２２が本発明における「除算器制御手段」として機能する。さらに、デジタルアナログ変換器２５が本発明における「第１デジタルアナログ変換器」および「前記第２デジタルアナログ変換」として機能する。

このようなピエゾアクチュエータ駆動装置１ｃによっても、ピエゾアクチュエータ２の共振周波数を事前に管理することにより、ピエゾアクチュエータ２を常に最適な共振周波数で駆動することができる。また、マイコンを利用した実施形態と比較すると、動作速度がより速くなる利点がある。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。例えば、上記した各実施形態のピエゾアクチュエータ駆動装置においては、現在の駆動信号の周波数と少しずらした周波数の検出用信号を１回出力し、駆動信号ごとに徐々に検出用信号の周波数を変化させていき、ピエゾアクチュエータ２の共振周波数を検出してもよい。また、現在の駆動信号の周波数と少しずらした周波数の検出用信号を複数回出力し、駆動信号を数周期繰り返すごとにピエゾアクチュエータ２の共振周波数を検出してもよい。すなわち、メインである駆動信号の前段ないし後段に検出用信号を設けるということであるので、検出用信号の数や設けるタイミングは使用するシステムの用途等に応じて柔軟に対応することができる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ…ピエゾアクチュエータ駆動装置 ２…ピエゾアクチュエータ １０…共振周波数発振器 １１…検出用信号発生器 １２…信号合成器 １３…ピエゾドライバ １４…共振周波数検出部 １５…マイコン １６…コンデンサ ２０…メモリカウンタ（アドレスカウンタ） ２１…メモリ ２２…ラインカウンタ ２３…ページポインタ ２４…除算器（バレルシフタ） ２５…デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ） ２６…バンドパスフィルタ（ＢＰＦ） ２７…増幅器（ドライバ） ２７…共振周波数検出器 ２９…アナログデジタル変換器（ＡＤＣ） ３０…共振ずれ判定器 ３１…発振器（ＯＳＣ） ３２…分周器

Claims (5)

1. ピエゾアクチュエータと接続して用いられる駆動装置であって、
   前記ピエゾアクチュエータを動作させるための第１信号を出力する駆動信号出力部と、
   前記第１信号よりも相対的に振幅の小さい第２信号を、前記第１信号の前段又は後段の少なくとも一方に付加する信号付加部と、
   前記第２信号の周波数と前記ピエゾアクチュエータの共振周波数との差異に応じたレベルの第３信号を前記駆動信号出力部へフィードバックする共振周波数検出部と、
   を含み、
   前記駆動信号出力部は、前記第３信号のレベルに対応して前記第１信号の周波数の設定値を増減させる、ピエゾアクチュエータの駆動装置。
2. 前記駆動信号出力部は、
   ピエゾアクチュエータの共振周波数に対応した周波数を有する信号を出力する共振周波数発振器と、
   前記共振周波数発振器から出力される信号を増幅する増幅器を有し、
   前記信号付加部は、
   前記第２信号を発生する信号発生器と、
   前記信号発生器から出力される前記第２信号を、前記共振周波数発振器から出力される信号の前段又は後段の少なくとも一方に合成する信号合成器を有する、
   請求項１に記載のピエゾアクチュエータ駆動装置。
3. 前記駆動信号出力部は、
   ピエゾアクチュエータの共振周波数に対応した周波数を有する信号を出力する共振周波数発振器と、
   前記共振周波数発振器から出力される信号を増幅する増幅器を有し、
   前記信号付加部は、
   前記第２信号を発生する信号発生器と、
   前記信号発生器から出力される前記第２信号を、前記増幅器から出力される信号の前段又は後段の少なくとも一方に合成する信号合成器を有する、
   請求項１に記載のピエゾアクチュエータ駆動装置。
4. 前記駆動信号出力部は、
   複数の周波数に対応する複数の信号データを格納するメモリと、
   前記メモリに格納された前記複数の信号データのうち１つの信号データを選択的に読み出すデータ読み出し手段と、
   前記データ読み出し手段によって読み出された前記１つの信号データをアナログ信号に変換する第１デジタルアナログ変換器を有し、
   前記信号付加部は、
   前記データ読み出し手段によって読み出された前記１つの信号データを所定ビット数だけシフトさせる除算処理を行う除算器と、
   前記除算器による前記除算処理を実行するか否かを制御する除算器制御手段と、
   前記除算器による前記除算処理がなされた後の前記１つの信号データをアナログ信号に変換する第２デジタルアナログ変換器を有する、
   請求項１に記載のピエゾアクチュエータ駆動装置。
5. 前記第１デジタルアナログ変換器が前記第２デジタルアナログ変換器として兼用される、請求項４に記載のピエゾアクチュエータ駆動装置。

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