JP2013162577A - Electrostrictive element driving device, exposure device, and lens driving device - Google Patents
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Description
本発明は、ピエゾ素子等の電歪素子を駆動する電歪素子駆動装置、露光装置およびレンズ駆動装置に関する。 The present invention relates to an electrostrictive element driving apparatus, an exposure apparatus, and a lens driving apparatus for driving an electrostrictive element such as a piezo element.
電歪素子は、電圧を加えると変位を生じる素子であり、この電歪素子の代表的なものとしてピエゾ素子(圧電素子)がある。このピエゾ素子は、積層することで変位量を大きくすることができ、また低騒音かつ低消費電力であるため、将来有望なアクチュエータとして期待されている。 An electrostrictive element is an element that generates displacement when a voltage is applied. A typical example of the electrostrictive element is a piezoelectric element (piezoelectric element). This piezo element is expected to be a promising actuator in the future because it can increase the amount of displacement by being laminated, and has low noise and low power consumption.
ところで、このピエゾ素子は、印加電圧と変位の関係は比例関係ではなくヒステリシス特性を示す。このため、ピエゾ素子を用いたアクチュエータは、たとえ同じ電圧をかけた状態であっても同じ位置にあるとは限らず、目標位置に対して位置のバラツキが発生することになる。 By the way, in this piezo element, the relationship between the applied voltage and the displacement shows not a proportional relationship but a hysteresis characteristic. For this reason, an actuator using a piezo element is not always in the same position even when the same voltage is applied, and the position varies with respect to the target position.
このため、ピエゾ素子のヒステリシスの影響を低減させる駆動方法として、各種の方法が提案されている。その方法の一つに、ピエゾ素子に直列にコンデンサを接続する方法が提案されている(非特許文献1を参照)。 For this reason, various methods have been proposed as a driving method for reducing the influence of hysteresis of the piezoelectric element. As one of the methods, a method of connecting a capacitor in series with a piezo element has been proposed (see Non-Patent Document 1).
図9は、ピエゾ素子の駆動回路の例を示す図であり、図10(A)は、一般的なピエゾ素子駆動回路を示し、図10(B)は、上述の非特許文献1に記載されたピエゾ素子駆動回路を示している。図10(A)に示す一般的なピエゾ素子駆動回路は、ピエゾ素子Pzに単に電圧を印加して駆動する回路であり、可変電圧源Eから抵抗Rを介してピエゾ素子Pzに電圧を印加して駆動する。この図9(A)に示す駆動方法では、例えば、図3(A)に示すように、印加電圧の変化に対して大幅なヒステリシス特性が発生する。図10(B)に示す非特許文献1に記載のピエゾ素子駆動回路は、可変電圧源Eから抵抗Rを介してピエゾ素子Pzを駆動する場合に、ピエゾ素子Pzに直列にコンデンサC1を挿入することにより、ピエゾ素子のヒステリシスの影響を低減させている。 FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a drive circuit for a piezo element, FIG. 10A illustrates a general piezo element drive circuit, and FIG. 10B is described in Non-Patent Document 1 described above. 2 shows a piezoelectric element driving circuit. The general piezo element drive circuit shown in FIG. 10A is a circuit that is driven by simply applying a voltage to the piezo element Pz. A voltage is applied from the variable voltage source E to the piezo element Pz through the resistor R. Drive. In the driving method shown in FIG. 9A, for example, as shown in FIG. 3A, a significant hysteresis characteristic is generated with respect to a change in applied voltage. The piezoelectric element driving circuit described in Non-Patent Document 1 shown in FIG. 10B inserts a capacitor C1 in series with the piezoelectric element Pz when the piezoelectric element Pz is driven from the variable voltage source E via the resistor R. This reduces the influence of the hysteresis of the piezo element.
また、特許文献1には、関連するピエゾ駆動回路が開示されている。この特許文献1に記載のピエゾ駆動回路は、個々のピエゾ振動子の特性のばらつきに対する調整を容易に行うことを目的としている。このピエゾ駆動電源部では、複数個の抵抗を並列に接続した抵抗モジュールにピエゾ振動子の駆動のためのオンオフ制御信号を入力し、選択信号によってアナログスイッチ回路において抵抗モジュールの複数個の抵抗の中から一つの抵抗を選択し、その選択した抵抗を通過した信号を演算増幅回路において基準電圧と比較してそれらの差に比例した電圧をドライバ回路を介してピエゾ振動子に印加し、ドライバ回路の出力をコンデンサを介して演算増幅回路にフィードバックする。 Patent Document 1 discloses a related piezo drive circuit. The piezo drive circuit described in Patent Document 1 is intended to easily adjust for variations in characteristics of individual piezo vibrators. In this piezo drive power supply unit, an on / off control signal for driving a piezo vibrator is input to a resistor module in which a plurality of resistors are connected in parallel, and an analog switch circuit uses the selection signal to select one of the resistors in the resistor module. One resistor is selected, and the signal passing through the selected resistor is compared with the reference voltage in the operational amplifier circuit, and a voltage proportional to the difference is applied to the piezo vibrator via the driver circuit. The output is fed back to the operational amplifier circuit through a capacitor.
また、特許文献2には、関連するピエゾ素子を用いた駆動機構が開示されている。この特許文献2に記載の移動機構は、露光装置の投影光学系の光学素子を保持するパラレルリンクを駆動することを目的としている。
上記非特許文献1に記載の方法は、ピエゾに直列にコンデンサを直列する方法であり、単純にピエゾ素子Pzに直列にコンデンサを接続するだけでもヒステリシスを低減させる実験的な効果が得られている。
しかしながら、その一方で、ピエゾ素子に印加される電圧は、ピエゾ素子Pzに直列に接続されたコンデンサとの分圧になるため、ピエゾ素子の静電容量の変化(ヒシテリシスに起因する静電容量に変化)に応じて、ピエゾ素子PzおよびコンデンサC1に印加される電圧も変化することになる。このため、ピエゾ素子の静電容量の変化によるピエゾ素子PzおよびコンデンサC1に印加される電圧の変化により、その分、ヒステリスの低減効果が変動することになる。
The method described in Non-Patent Document 1 is a method of connecting a capacitor in series with a piezo, and an experimental effect of reducing hysteresis can be obtained simply by connecting a capacitor in series with the piezo element Pz. .
However, on the other hand, the voltage applied to the piezo element is divided by the capacitor connected in series with the piezo element Pz, so that the change in the capacitance of the piezo element (the capacitance caused by hysteresis) In accordance with (change), the voltage applied to the piezo element Pz and the capacitor C1 also changes. For this reason, the effect of reducing the hysteresis is fluctuated by the change in the voltage applied to the piezo element Pz and the capacitor C1 due to the change in the capacitance of the piezo element.
本発明は、斯かる実情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、電歪素子のヒステリシス特性を低減させて電歪素子を制御することができる、電歪素子駆動装置、露光装置およびレンズ駆動装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an electrostrictive element driving apparatus, an exposure apparatus, and an electrostrictive element that can control the electrostrictive element by reducing the hysteresis characteristics of the electrostrictive element. The object is to provide a lens driving device.
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の電歪素子駆動装置は、電歪素子に印加する直流電圧を出力するとともにその電圧の大きさを可変に制御できる電歪素子駆動電源部と、前記電歪素子駆動電源部により充電される電歪素子の充電電荷量を検出する充電電荷量検出部と、外部入力される指令信号と、前記充電電荷量検出部により検出された前記電歪素子の充電電荷量の検出信号とを用いて、前記電歪素子の充電電荷量が前記指令信号に応じた値に設定されるように前記電歪素子駆動電源部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記外部入力される指令信号に応じた電荷量で前記電歪素子を充電させることにより、当該電歪素子の変位量を制御することを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and the electrostrictive element driving device of the present invention outputs an DC voltage applied to the electrostrictive element and can variably control the magnitude of the voltage. Detected by an element drive power supply unit, a charge charge amount detection unit for detecting the charge amount of the electrostrictive element charged by the electrostrictive element drive power supply unit, an externally input command signal, and the charge charge amount detection unit And controlling the electrostrictive element driving power supply unit so that the charge amount of the electrostrictive element is set to a value corresponding to the command signal using the detected charge charge amount of the electrostrictive element. A control unit, wherein the control unit controls the amount of displacement of the electrostrictive element by charging the electrostrictive element with an amount of charge corresponding to the externally input command signal. .
また、この発明は、上記の電歪素子駆動装置を備え、この電歪素子駆動装置を用いて電歪素子を駆動することにより、光学系のレンズ位置あるいはステージ位置を移動させることを特徴とする露光装置である。 In addition, the present invention includes the above-described electrostrictive element driving device, and the electrostrictive element is driven by using the electrostrictive element driving device to move the lens position or the stage position of the optical system. It is an exposure apparatus.
また、この発明は、上記野電歪素子駆動装置を備え、この電歪素子駆動装置を用いて電歪素子を駆動することにより、光学系のレンズ位置を移動させることを特徴とするレンズ駆動装置である。 According to another aspect of the present invention, there is provided a lens driving device comprising the field electrostrictive element driving device, wherein the electrostrictive element is driven using the electrostrictive element driving device to move the lens position of the optical system. It is.
本発明の電歪素子駆動装置は、電歪素子のヒステリシス特性を低減させて電歪素子を制御することができる。 The electrostrictive element driving device of the present invention can control the electrostrictive element by reducing the hysteresis characteristic of the electrostrictive element.
本発明の電歪素子駆動装置では、電歪素子に直流電圧を印加して変位させる際に、電歪素子の充電電荷量を検出し、外部から入力される指令信号に応じて電歪素子の充電電荷量を制御する。
これにより、本発明の電歪素子駆動装置は、電歪素子のヒステリシス特性により静電容量が変化する場合においても、この電歪素子の充電電荷量を制御することができ、電歪素子のヒステリシス特性を低減することができる。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
In the electrostrictive element driving device of the present invention, when a DC voltage is applied to the electrostrictive element and displaced, the charge amount of the electrostrictive element is detected, and the electrostrictive element is detected according to a command signal input from the outside. Control the amount of charge.
As a result, the electrostrictive element driving device of the present invention can control the amount of charge of the electrostrictive element even when the capacitance changes due to the hysteresis characteristic of the electrostrictive element. Characteristics can be reduced.
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[第1実施形態]
(第1実施形態のピエゾ素子駆動装置の概略構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係わるピエゾ素子駆動装置の構成を示すブロック図である。
図1に示すピエゾ素子駆動装置1は、ホスト側(外部)から指令入力Vin(電圧信号)が入力され、この指令入力Vinに応じてピエゾ素子(Pz)2の変位量を制御するように構成されている。このピエゾ素子駆動装置1は、ピエゾ素子(Pz)2に直流電圧を印加して変位させる際に、ピエゾ素子(Pz)2の充電電荷量を検出し、この検出した充電電荷量と指令入力Vin(より正確には指令入力Vinから生成される指令信号Vref)とを比較し、ピエゾ素子(Pz)2の充電電荷量が指令入力Vinに応じた値に設定されるように制御する。これにより、ピエゾ素子(Pz)2の充電電荷量が、指令入力Vinに比例するように制御され、ピエゾ素子(Pz)2のヒステリシス特性が低減される。なお、以下の説明では、ピエゾ素子(Pz)2を単に「ピエゾ素子Pz」と呼ぶ。
[First Embodiment]
(Schematic configuration of the piezoelectric element driving apparatus of the first embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a piezo element driving apparatus according to the first embodiment of the present invention.
A piezo element driving apparatus 1 shown in FIG. 1 is configured to receive a command input Vin (voltage signal) from the host side (external) and to control the displacement amount of the piezo element (Pz) 2 in accordance with the command input Vin. Has been. The piezo element driving device 1 detects the charge amount of the piezo element (Pz) 2 when a DC voltage is applied to the piezo element (Pz) 2 and displaced, and the detected charge amount and the command input Vin are detected. (More precisely, the command signal Vref generated from the command input Vin is compared, and control is performed so that the charge amount of the piezo element (Pz) 2 is set to a value corresponding to the command input Vin. Thereby, the charge amount of the piezo element (Pz) 2 is controlled to be proportional to the command input Vin, and the hysteresis characteristic of the piezo element (Pz) 2 is reduced. In the following description, the piezo element (Pz) 2 is simply referred to as “piezo element Pz”.
このピエゾ素子駆動装置1においては、容量性の素子であるピエゾ素子PzにコンデンサC1が直列に接続されている。ピエゾ素子駆動装置1は、このコンデンサC1に充電される充電電圧(充電電荷量)を指令入力Vinにより制御することにより、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を制御する。すなわち、コンデンサC1に充電される電荷量は、ピエゾ素子Pzに充電される電荷量と同じであり、ピエゾ素子駆動装置1は、指令入力Vinに応じてコンデンサC1の充電電圧(充電電荷量)を制御することにより、間接的にピエゾ素子Pzの充電電荷量を制御して変位量を制御する。 In the piezo element driving apparatus 1, a capacitor C1 is connected in series to a piezo element Pz that is a capacitive element. The piezo element driving device 1 controls the charge charge amount of the piezo element Pz by controlling the charge voltage (charge charge amount) charged to the capacitor C1 by the command input Vin. That is, the amount of charge charged in the capacitor C1 is the same as the amount of charge charged in the piezo element Pz, and the piezo element driving device 1 sets the charge voltage (charge amount) of the capacitor C1 according to the command input Vin. By controlling, the amount of displacement of the piezo element Pz is indirectly controlled by controlling the amount of displacement.
このピエゾ素子駆動装置1は、制御部3と、ピエゾ駆動電源部20と、ピエゾ素子Pzと、コンデンサC1と、を有して構成されている。制御部3は、指令入力Vinのバッファ回路である指令信号生成回路10と、レギュレータ回路11と、電荷量フィードバック回路31と、を有している。また、ピエゾ素子駆動装置1は、コンデンサC1の両端に接続される電圧検出回路4を有している。この電圧検出回路4は、抵抗R1と抵抗R2との抵抗分圧回路で構成され、この抵抗分圧回路の分圧抵抗R2に発生する電圧を検出することにより、コンデンサC1の充電電圧が検出される。
The piezo element driving apparatus 1 includes a
指令信号生成回路10は、ピエゾ素子Pzの変位量を指示する指令入力Vinを入力とし、この指令入力Vinをオペアンプ(演算増幅器)によりバッファされた指令信号Vrefとして出力する。
レギュレータ回路11は、オペアンプを用いたPI(比例・積分)回路で構成され、指令信号生成回路10から出力される指令信号Vrefと、電荷量フィードバック回路31から出力される電荷量フィードバック信号Qfbkとを入力信号とする。レギュレータ回路11は、指令信号Vrefを抵抗R11を介してノードN11に入力し、電荷量フィードバック信号Qfbkを抵抗R12を介してノードN11に入力し、これらの信号Vref及びQfbkをノードN11において付き合わせことにより誤差信号を生成する。そして、レギュレータ回路11は、指令信号Vrefと電荷量フィードバック信号Qfbkとの誤差信号に対して比例動作と積分動作を行い、その比例動作と積分動作の結果の信号をピエゾ駆動電源部20に対して電圧指令信号Vdとして出力する。
The command
The
ピエゾ駆動電源部20は、ピエゾ素子PzとコンデンサC1の直列回路に印加する直流電圧(ノードAとノードB間の電圧)V1を出力する回路である。このピエゾ駆動電源部20は、PWM(Pulse Width Modulation)制御部20Aと、Nチャネル型のパワーMOSFETであるトランジスタTr1,Tr2,Tr3,Tr4で構成されるブリッジ回路と、平滑回路21と、を有している。
PWM制御部20Aは、レギュレータ回路11から出力される電圧指令信号Vdの大きさと極性に応じたPWM信号を生成するとともに、このPWM信号によりトランジスタTr1〜Tr4をオン/オフ制御するためのゲート信号を生成する。トランジスタTr1〜Tr4で構成されるブリッジ回路において、上アーム側のトランジスタTr1とTr2のドレイン端子は、電源+HV(例えば、DC+150V)に接続される。また、トランジスタTr1のソース端子は下アーム側のトランジスタTr3のドレイン端子に接続され、トランジスタTr3のソース端子は回路グランドGに接続される。トランジスタTr2のソース端子は下アーム側のトランジスタTr4のドレイン端子に接続され、トランジスタTr4のソース端子は回路グランドGに接続される。
The piezo drive
The
そして、トランジスタTr1とトランジスタTr3の接続点(ノードN21)と、トランジスタTr2とトランジスタTr4の接続点(ノードN22)と、の間に発生する電圧が、平滑回路21を介して、コンデンサC1とピエゾ素子Pzの直列回路の両端(ノードAとノードB)に電圧V1として印加される。なお、ピエゾ駆動電源部20から出力される電圧V1は、その電圧値が電圧指令信号Vdにより制御されるとともに、その出力電圧V1の極性も制御されるものである。すなわち、ピエゾ駆動電源部20は、ピエゾ素子Pzに印加する電圧値とその極性を変更できるように構成されている。
A voltage generated between a connection point (node N21) between the transistor Tr1 and the transistor Tr3 and a connection point (node N22) between the transistor Tr2 and the transistor Tr4 is connected to the capacitor C1 and the piezoelectric element via the smoothing
平滑回路21は、LC平滑回路で構成される。ピエゾ駆動電源部20のノードN21から出力される電圧(PWM波形の電圧)は、リアクトルL1とコンデンサC21とでなるLCフィルタにより高調波成分が阻止される。このリアクトルL1とコンデンサC21の接続点がコンデンサC1の一端(ノードA)に接続される。また、ピエゾ駆動電源部20のノードN22から出力される電圧(PWM波形の電圧)は、リアクトルL2とコンデンサC22とでなるLCフィルタにより高調波成分が阻止される。このリアクトルL2とコンデンサC22の接続点が、ピエゾ素子Pzの一端(ノードB)に接続される。
The smoothing
また、コンデンサC1の両端には、抵抗R1とR2の直列回路でなる電圧検出回路(抵抗分圧回路)4が並列に接続される。この抵抗R1とR2の分圧抵抗R2に発生する電圧が、コンデンサC1の電圧検出信号(コンデンサC1の充電電荷量の検出信号)Vqとして、電荷量フィードバック回路31に入力される。電荷量フィードバック回路31は、電圧検出信号Vqを基に電荷量フィードバック信号Qfbkを生成する。この電荷量フィードバック信号Qfbkは、レギュレータ回路11にコンデンサC1の充電電荷量(ピエゾ素子Pzの充電電荷量と同じ)のフィードバック信号として入力される。
A voltage detection circuit (resistance voltage dividing circuit) 4 formed of a series circuit of resistors R1 and R2 is connected in parallel to both ends of the capacitor C1. A voltage generated in the voltage dividing resistor R2 of the resistors R1 and R2 is input to the charge
上記構成のピエゾ素子駆動装置1は、ピエゾ素子Pzに直流電圧を印加して変位させる際に、ピエゾ素子Pzに直列に接続されたコンデンサC1の充電電圧(充電電荷量)を検出し、この充電電荷量の検出信号を基に電荷量フィードバック信号Qfbkを生成してレギュレータ回路11に入力する。そして、レギュレータ回路11は、加算点(ノード11)において指令信号Vrefと電荷量フィードバック信号Qfbkとの差分をとり、この指令信号Vrefと電荷量フィードバック信号Qfbkとが一致するように、コンデンサC1の充電電圧(充電電荷量)を制御する。この場合に、コンデンサC1の充電電荷量とピエゾ素子Pzの充電電荷量とは同じになるため、コンデンサC1の充電電荷量を制御することにより、間接的にピエゾ素子Pzの充電電荷量を制御することができる。
The piezo element driving apparatus 1 configured as described above detects the charging voltage (charged charge amount) of the capacitor C1 connected in series to the piezo element Pz when applying a DC voltage to the piezo element Pz and displacing it. A charge amount feedback signal Qfbk is generated based on the charge amount detection signal and input to the
このように、本実施形態のピエゾ素子駆動装置1では、指令入力Vinに応じてピエゾ素子Pzに必要な電圧が印加される。例えば、ピエゾ素子PzとコンデンサC1の直列回路(ノードAとノードBとの間)に電圧V1が印加された場合に、容量C0のピエゾ素子Pzに印加される電圧Vpzは、直列に接続されたコンデンサC1との分圧になるため、ピエゾ素子Pzに印加される電圧Vpzは、 As described above, in the piezo element driving apparatus 1 according to the present embodiment, a necessary voltage is applied to the piezo element Pz according to the command input Vin. For example, when the voltage V1 is applied to the series circuit (between the node A and the node B) of the piezo element Pz and the capacitor C1, the voltage Vpz applied to the piezo element Pz having the capacitance C0 is connected in series. Since the voltage is divided with the capacitor C1, the voltage Vpz applied to the piezo element Pz is
Vpz=(C1/(C0+C1))×V1、
となる。
Vpz = (C1 / (C0 + C1)) × V1,
It becomes.
また、コンデンサC1に印加される電圧Vc1は、
Vc1=(C0/(C0+C1))×V1、
となる。
The voltage Vc1 applied to the capacitor C1 is
Vc1 = (C0 / (C0 + C1)) × V1,
It becomes.
そして、電圧検出回路4の分圧抵抗R2で検出される電圧検出信号Vqは、コンデンサC1の端子電圧をVc1とすると、
Vq=(R2/(R1+R2))×Vc1、
となる。
Then, the voltage detection signal Vq detected by the voltage dividing resistor R2 of the voltage detection circuit 4 has the terminal voltage of the capacitor C1 as Vc1,
Vq = (R2 / (R1 + R2)) × Vc1,
It becomes.
そして、ピエゾ素子駆動装置1は、この分圧抵抗R2で検出されたコンデンサC1の電圧検出信号Vqを基に電荷量フィードバック信号Qfbkを生成し、制御部3によりコンデンサC1の電圧Vc1を制御することにより、ピエゾ素子Pzの電荷量を制御する。
これにより、ピエゾ素子駆動装置1は、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を指令入力Vinに応じて制御することができる。このため、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性により静電容量が変化した場合においても、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を所望の値になるように制御することにより、ヒステリシス特性を低減することができる。
Then, the piezo element driving device 1 generates the charge amount feedback signal Qfbk based on the voltage detection signal Vq of the capacitor C1 detected by the voltage dividing resistor R2, and controls the voltage Vc1 of the capacitor C1 by the
Thereby, the piezo element driving apparatus 1 can control the charge amount of the piezo element Pz according to the command input Vin. Therefore, even when the capacitance changes due to the hysteresis characteristic of the piezo element Pz, the hysteresis characteristic can be reduced by controlling the charge amount of the piezo element Pz to be a desired value.
(第1実施形態のピエゾ素子駆動装置の具体的な回路構成)
また、図2は、第1実施形態のピエゾ素子駆動装置1の具体的な回路構成を示す図であり、図1に示すピエゾ素子駆動装置1の指令信号生成回路10と、レギュレータ回路11と、電荷量フィードバック回路31、をより具体的な回路で示した図である。なお、ピエゾ素子駆動装置1の回路内に示す極性(+または−)の符号は、ピエゾ駆動電源部20からピエゾ素子Pzに流れる電流Isが、図示する方向(ノードB側からノードA側)に流れる場合の各部の信号の極性を示している。
(Specific circuit configuration of the piezoelectric element driving apparatus of the first embodiment)
FIG. 2 is a diagram showing a specific circuit configuration of the piezoelectric element driving apparatus 1 according to the first embodiment. The command
図2に示すピエゾ素子駆動装置1において、指令信号生成回路10は、オペアンプ(演算増幅器)IC1と、オペアンプIC1の−側入力端子に一端が接続され他端に指令入力Vinが印加される抵抗R3と、オペアンプIC1の−入力端子と出力端子との間に接続される抵抗R4と、で構成される。また、オペアンプIC1の+側入力端子は回路グランドGに接続される。この指令信号生成回路10には、ピエゾ素子Pzの変位量を指示する電圧信号が、指令入力Vinとして抵抗R3を介して入力される。指令信号生成回路10は反転増幅回路であり、この指令信号生成回路10は、抵抗R3を介して入力される指令入力Vinを反転増幅(信号の極性を反転して増幅)し、指令信号Vrefとして出力する。なお、図2に示す例では、指令信号Vrefが−極性の信号となる。
In the piezo element driving apparatus 1 shown in FIG. 2, the command
また、レギュレータ回路11は、オペアンプ(演算増幅器)IC2と、オペアンプIC2の−側入力端子に一端が接続され他端に指令信号Vrefが印加される抵抗R11と、オペアンプIC2の−側入力端子に一端が接続され他端がコンデンサC11の一端に接続される抵抗R14と、抵抗R14の他端に一端が接続され他端がオペアンプIC2の出力端子に接続されるコンデンサC11と、オペアンプIC2の−側入力端子に一端が接続され他端に電荷量フィードバック信号Qfbkが印加される抵抗R12と、で構成される。なお、オペアンプIC2の+側入力端子は、回路グラウンドGに接続される。
このレギュレータ回路11は、PI(比例・積分)回路を構成する。このレギュレータ回路11は、指令信号Vref(−極性の信号)と、電荷量フィードバック信号Qfbk(+極性の信号)とをノードN11において加算し、その誤差信号を求め、この誤差信号に対して比例動作と積分動作を行い、この比例動作と積分動作により電圧指令信号Vdを生成して出力する。
The
The
ピエゾ駆動電源部20は、PWM制御部20Aと、トランジスタTr1〜Tr4で構成されるブリッジ回路と、平滑回路21と、を有している。なお、ピエゾ駆動電源部20の構成については、図1において既に説明したので、重複する説明は省略する。
The piezo drive
また、ピエゾ素子Pzに直列に接続されたコンデンサC1の両端には、抵抗R1と抵抗R2とでなる抵抗分圧回路が電圧検出回路4として接続される。この電圧検出回路4において、抵抗R1の一端がコンデンサC1の一端(ノードA)に接続され、抵抗R1の他端が抵抗R2の一端に接続され、抵抗R2の他端がコンデンサC1の他端(コンデンサC1とピエゾ素子Pzの接続点)に接続される。そして、分圧抵抗R2の両端に発生する電圧が電圧検出信号Vqとして電荷量フィードバック回路31に入力される。
In addition, a resistance voltage dividing circuit including a resistor R1 and a resistor R2 is connected as a voltage detection circuit 4 to both ends of a capacitor C1 connected in series with the piezo element Pz. In this voltage detection circuit 4, one end of the resistor R1 is connected to one end (node A) of the capacitor C1, the other end of the resistor R1 is connected to one end of the resistor R2, and the other end of the resistor R2 is the other end of the capacitor C1 ( Connection point between the capacitor C1 and the piezo element Pz). The voltage generated at both ends of the voltage dividing resistor R2 is input to the charge
電荷量フィードバック回路31は、差動増幅回路32と反転増幅回路33とで構成される。
差動増幅回路32は、二つの入力電圧の電位差だけを増幅する回路であり、具体的には、コンデンサC1に並列に接続された電圧検出回路4内の分圧抵抗R2の両端に発生する電圧(電圧検出信号)Vqを増幅して出力する。この差動増幅回路32においては、抵抗R31の一端がオペアンプIC3の−側入力端子に接続され、抵抗R31の他端が抵抗R2の一端(抵抗R2とコンデンサC1の接続点)に接続される。また、抵抗R32の一端がオペアンプIC3の+側入力端子に接続され、抵抗R32の他端が抵抗R2の他端(抵抗R1と抵抗R2の接続点)に接続される。また、オペアンプIC3の+側入力端子に抵抗R33の一端が接続されるとともに、抵抗R33の他端が回路グランドGに接続される。また、オペアンプIC3の−側入力端子と出力端子の間に抵抗R34が接続される。
The charge
The
また、反転増幅回路33は、差動増幅回路32から出力される信号Vq’を反転増幅して、電荷量フィードバック信号Qfbkを生成する回路である。この反転増幅回路33において、オペアンプIC4の−側入力端子と出力端子との間に抵抗R36が接続され、オペアンプIC4の−側入力端子に抵抗R35の一端が接続され、抵抗R35の他端は、オペアンプIC3の出力端子に接続される。
The inverting
上記構成の電荷量フィードバック回路31は、分圧抵抗R2の両端に発生する電圧検出信号Vqを差動増幅回路32により検出し、この差動増幅回路32により検出された信号Vq’を反転増幅回路33により反転増幅して、電荷量フィードバック信号Qfbkとして出力する。この電荷量フィードバック信号Qfbkは、レギュレータ回路11の加算点(ノードN11)に抵抗R12を介して入力される。
The charge
ここで、コンデンサC1の両端に発生する電圧をVc1とすると、電圧検出回路4の分圧抵抗R2の出力電圧(電圧検出信号)Vqは、 Here, when the voltage generated across the capacitor C1 is Vc1, the output voltage (voltage detection signal) Vq of the voltage dividing resistor R2 of the voltage detection circuit 4 is:
Vq=(R2/(R1+R2))×Vc1、
となる。
Vq = (R2 / (R1 + R2)) × Vc1,
It becomes.
そして、分圧抵抗R2により検出される電圧検出信号Vqは、電荷量フィードバック回路31内の差動増幅回路32により増幅されて、出力電圧Vq’として出力される。この差動増幅回路32の出力電圧Vq’は、抵抗R31の抵抗値と抵抗R32の抵抗値が等しく、また、抵抗R33の抵抗値と抵抗R34の抵抗値が等しい場合に、
The voltage detection signal Vq detected by the voltage dividing resistor R2 is amplified by the
Vq’=−(R34/R31)×Vq、
となる。なお、図2に示す例では、差動増幅回路32の出力電圧Vq’が、−極性の信号となる。
Vq ′ = − (R34 / R31) × Vq,
It becomes. In the example shown in FIG. 2, the output voltage Vq ′ of the
この差動増幅回路32の出力電圧Vq’は、反転増幅回路33に入力され、反転増幅回路33は、差動増幅回路32の出力電圧Vq’を反転増幅し、電荷量フィードバック信号Qfbkを生成する。
この電荷量フィードバック信号Qfbkは、
Qfbk=+(R36/R35)×(R34/R31)×Vq、
となる。なお、図2に示す例では、この電荷量フィードバック信号Qfbkが、+極性の信号となる。
The output voltage Vq ′ of the
This charge amount feedback signal Qfbk is
Qfbk = + (R36 / R35) × (R34 / R31) × Vq,
It becomes. In the example shown in FIG. 2, the charge amount feedback signal Qfbk is a + polarity signal.
以上説明したように、ピエゾ素子駆動装置1は、電圧検出回路4内の分圧抵抗R2で検出されたコンデンサC1の電圧検出信号Vqを基に電荷量フィードバック信号Qfbkを生成し、制御部3によりコンデンサC1の電圧Vc1を制御することにより、ピエゾ素子Pzの電荷量を制御する。これにより、ピエゾ素子駆動装置1は、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を指令入力Vinに応じて制御することができる。このため、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性により静電容量が変化する場合においても、ピエゾ素子Pzの充電電荷量が、入力指令Vinに応じた値になるように制御することができるので、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性を低減することができる。
As described above, the piezo element driving device 1 generates the charge amount feedback signal Qfbk based on the voltage detection signal Vq of the capacitor C1 detected by the voltage dividing resistor R2 in the voltage detection circuit 4, and the
図3は、本実施形態のピエゾ素子駆動装置1におけるヒステリシス特性の低減効果を示す図である。図3(A)は、一般的な駆動方法の場合、すなわちピエゾ素子Pzに単に電圧を印加する場合(図9(A)を参照)のヒステリシス特性を示し、図3(B)は、本実施形態のピエゾ素子駆動装置1を用いた場合のヒステリシス特性を示している。
図3(A)に示す一般的な駆動方法の場合は、ピエゾ素子Pzの印加電圧(横軸)の変化に対して、変位量(縦軸)が大幅なヒステリシス特性を示しており、ヒステリシス幅が最大で15%程、生じている。
これに対して、図3(B)に示す本実施形態のピエゾ素子駆動装置1の場合は、ピエゾ素子Pzの指令入力Vin(横軸)の変化に対して、変位量(縦軸)のヒステリシス特性が大幅に低減されており、ヒステリシス幅が最大で6%程である。このように、本実施形態のピエゾ素子駆動装置1を用いることにより、ピエゾ素子Pzを駆動する際のヒステリシス特性を大幅に低減することができる。
FIG. 3 is a diagram showing the effect of reducing the hysteresis characteristics in the piezo element driving apparatus 1 of the present embodiment. FIG. 3A shows the hysteresis characteristics in the case of a general driving method, that is, when a voltage is simply applied to the piezo element Pz (see FIG. 9A), and FIG. The hysteresis characteristic at the time of using the piezoelectric element drive device 1 of the form is shown.
In the case of the general driving method shown in FIG. 3A, the amount of displacement (vertical axis) shows a significant hysteresis characteristic with respect to the change in applied voltage (horizontal axis) of the piezo element Pz, and the hysteresis width Occurs up to about 15%.
On the other hand, in the case of the piezo element driving apparatus 1 of this embodiment shown in FIG. 3B, the hysteresis of the displacement (vertical axis) with respect to the change in the command input Vin (horizontal axis) of the piezo element Pz. The characteristics are greatly reduced, and the hysteresis width is about 6% at the maximum. As described above, by using the piezo element driving apparatus 1 of the present embodiment, it is possible to greatly reduce the hysteresis characteristics when driving the piezo element Pz.
[第2実施形態]
図4は、本発明の第2実施形態に係わるピエゾ素子駆動装置路の構成を示すブロック図である。
この第2実施形態のピエゾ素子駆動装置1Aは、電荷量フィードバック回路31に加えて、ピエゾ素子Pzに流れる電流を検出する電流フィードバック回路41を新たに設けて構成されている。このように、電流フィードバックループと電荷量フィードバックープを併用することにより、ピエゾ素子Pzに流れる電流が安定に制御され、その結果、ピエゾ素子Pzを駆動する際の応答性を高める(例えば、オーバーシュートを抑制する)ことができる。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a piezo element driving device path according to the second embodiment of the present invention.
In addition to the charge
この図4に示すピエゾ素子駆動装置1Aは、図1に示すピエゾ素子駆動装置1と比較して、新たに、電流検出抵抗Rsと電流フィードバック回路41とを追加した点が構成上で異なる。他の構成は、図1に示すピエゾ素子駆動装置1と同様である。このため、同一の構成部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
The piezo element driving apparatus 1A shown in FIG. 4 is different from the piezo element driving apparatus 1 shown in FIG. 1 in that a current detection resistor Rs and a
この図4に示すピエゾ素子駆動装置1Aは、図1に示すピエゾ素子駆動装置1と同様に、ホスト側(外部)からピエゾ素子Pzの変位量に応じた指令入力Vinが入力され、ピエゾ素子Pzが、指令入力Vin(より正確には指令入力Vinから生成される指令信号Vref)に応じて長さが変化するように構成されている。 In the piezo element driving apparatus 1A shown in FIG. 4, as in the piezo element driving apparatus 1 shown in FIG. 1, a command input Vin corresponding to the displacement amount of the piezo element Pz is input from the host side (external), and the piezo element Pz. However, the length is changed in accordance with the command input Vin (more precisely, the command signal Vref generated from the command input Vin).
このピエゾ素子駆動装置1Aにおいて、電流検出抵抗Rsは、ピエゾ素子Pz(およびコンデンサC1)に流れる電流Isを検出するための抵抗である。この電流検出抵抗Rsの両端に発生する電圧(電流検出信号)Visは、電流フィードバック回路41に入力される。電流フィードバック回路41は、電流検出信号Visを基に電流フィードバック信号Ifbkを生成する。この電流フィードバック信号Ifbkはレギュレータ回路11に入力され、レギュレータ回路11内の抵抗R13を介して加算点(ノードN11)に入力される。
In the piezo element driving apparatus 1A, the current detection resistor Rs is a resistor for detecting the current Is flowing through the piezo element Pz (and the capacitor C1). A voltage (current detection signal) Vis generated at both ends of the current detection resistor Rs is input to the
上記構成のピエゾ素子駆動装置1は、電流フィードバック回路41と電荷量フィードバック回路31の2つのフィードバックループを有している。このうち、電流フィードバック回路41は、指令信号Vrefに応じてピエゾ素子Pzに流れる電流を直接に制御する電流ループであり、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isを制御対象とするため高速に応答するループである。一方、電荷量フィードバック回路31は、ピエゾ素子Pzに流れる電流によりコンデンサC1に充電される電荷量(電流Isの時間積分量)を制御するフィードバックループであり、電流フィードバックループよりも応答が遅れ、電流フィードバックループのアウターループ(電流フィードバックループよりも応答が遅い意味でのアウターループ)として作用するループである。
The piezo element driving apparatus 1 having the above configuration has two feedback loops of a
すなわち、ピエゾ素子駆動装置1は、指令入力Vin(より正確には指令信号Vref)の変化に応じて、最初に電流フィードバックループが作用してピエゾ素子Pzに流れる電流が制御され、それに遅れて、ピエゾ素子Pz(より正確にはコンデンサC1)に蓄積される電荷量が制御されるものである。このように、電流フィードバックループと電荷量フィードバックープを併用することにより、ピエゾ素子Pzに流れる電流を安定に制御することができ、ピエゾ素子Pzに過大な電流が流れることや、ピエゾ素子Pzに流れる電流が大きく変動(例えば、過大なオーバーシュートが発生)することを抑制することができる。その結果として、ピエゾ素子Pzの電荷量の制御が、高速かつ安定に行われることになる。 That is, in the piezo element driving apparatus 1, in response to a change in the command input Vin (more precisely, the command signal Vref), a current feedback loop first acts to control the current flowing through the piezo element Pz, and after that, The amount of charge stored in the piezo element Pz (more precisely, the capacitor C1) is controlled. As described above, by using the current feedback loop and the charge amount feedback loop in combination, the current flowing through the piezo element Pz can be stably controlled, and an excessive current flows through the piezo element Pz or the piezo element Pz. It is possible to suppress large fluctuations in the flowing current (for example, occurrence of excessive overshoot). As a result, the charge amount of the piezo element Pz is controlled at high speed and stably.
また、図5は、第2実施形態のピエゾ素子駆動装置1Aの回路構成を示す図であり、図4に示すピエゾ素子駆動装置1内の指令信号生成回路10と、レギュレータ回路11と、電荷量フィードバック回路31と、電流フィードバック回路41のより具体的な回路構成を示す図である。なお、ピエゾ素子駆動装置1Aの回路内に示す極性(+または−)の符号は、ピエゾ駆動電源部20からピエゾ素子Pzに流れる電流Isが、図示する方向(ノードB側からノードA側)に向かって流れる場合の各部の信号の極性を示している。
以下、図2に示す第1実施形態のピエゾ素子駆動装置1と、構成上で異なる部分についてのみ説明し、重複する説明は省略する。
FIG. 5 is a diagram showing a circuit configuration of the piezoelectric element driving apparatus 1A of the second embodiment. The command
Hereinafter, only the parts different in configuration from the piezo element driving apparatus 1 of the first embodiment shown in FIG. 2 will be described, and redundant description will be omitted.
図5に示すピエゾ素子駆動装置1において、レギュレータ回路11は、PI(比例・積分)回路を構成する。このレギュレータ回路11は、指令信号Vref(−極性の信号)に対して、電流フィードバック信号Ifbk(+極性の信号)と電荷量フィードバック信号Qfbk(+極性の信号)とを加算し、その誤差信号を求め、この誤差信号に対して比例動作と積分動作を行い、この比例動作と積分動作により電圧指令信号Vdを生成して出力する。
In the piezo element driving apparatus 1 shown in FIG. 5, the
また、電流フィードバック回路41は、差動増幅回路42と反転増幅回路43とで構成される。
差動増幅回路42は、二つの入力電圧の電位差だけを増幅する回路であり、具体的には、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isを検出する抵抗Rsの両端に発生する電圧(電流検出信号)Visを増幅して出力する。この差動増幅回路32においては、抵抗R41の一端がオペアンプIC5の−側入力端子に接続され、抵抗R41の他端が抵抗Rsの一端(ピエゾ駆動電源部20と抵抗Rsの接続点)に接続される。また、抵抗R42の一端がオペアンプIC5の+側入力端子に接続され、抵抗R42の他端がピエゾ素子Pzの一端(抵抗Rsとピエゾ素子Pzの接続点)に接続される。また、オペアンプIC5の+側入力端子に抵抗R43の一端が接続されるとともに、抵抗R43の他端が回路グランドGに接続される。また、オペアンプIC5の−側入力端子と出力端子の間に抵抗R34が接続される。
The
The
また、反転増幅回路43は、差動増幅回路42から出力される信号を反転増幅して、電流フィードバック信号Ifbkを生成する回路である。この反転増幅回路43において、オペアンプIC6の−側入力端子と出力端子との間に抵抗R46が接続され、オペアンプIC6の−側入力端子に抵抗R45の一端が接続され、抵抗R45の他端は、オペアンプIC5の出力端子に接続される。また、オペアンプIC6の+側入力端子は、回路グランドGに接続される。
The inverting
上記構成の電流フィードバック回路41は、電流検出抵抗Rsの両端に発生する電圧(電流検出信号)Visを差動増幅回路42により検出し、この差動増幅回路42により検出された信号を極性反転して、電流フィードバック信号Ifbkとして出力する。この電流フィードバック信号Ifbkは、レギュレータ回路11の加算点(ノードN11)に抵抗R13を介して入力される。
The
ここで、電流検出抵抗Rsの両端の両端に発生する電圧(電流検出信号)Visは、ピエゾ素子Pzに流れる電流をIsとすると、
Vis=Rs×Is、
となる。
Here, the voltage (current detection signal) Vis generated at both ends of the current detection resistor Rs is represented by Is as the current flowing through the piezo element Pz.
Vis = Rs × Is,
It becomes.
そして、電流検出抵抗Rsにより検出される電圧(電流検出信号)Visは、電流フィードバック回路41内の差動増幅回路42により増幅されて、出力電圧Vis’として出力される。この差動増幅回路42の出力電圧Vis’は、抵抗R41の抵抗値と抵抗R42の抵抗値が等しく、また、抵抗R43の抵抗値と抵抗R44の抵抗値が等しい場合に、
Vis’=−(R44/R41)×Vis、
となる。なお、図5に示す例では、差動増幅回路42の出力電圧Vis’が、−極性の信号となる。
The voltage (current detection signal) Vis detected by the current detection resistor Rs is amplified by the
Vis ′ = − (R44 / R41) × Vis,
It becomes. In the example shown in FIG. 5, the output voltage Vis ′ of the
この差動増幅回路42の出力電圧Vis’は、反転増幅回路43に入力され、反転増幅回路43は、差動増幅回路42の出力電圧Vis’を反転増幅し、電流フィードバック信号Ifbkを生成する。
この電流フィードバック信号Ifbkは、
Ifbk=+(R46/R45)×(R44/R41)×Vis、
となる。なお、図5に示す例では、電流フィードバック信号Ifbkが、+極性の信号となる。
The output voltage Vis ′ of the
This current feedback signal Ifbk is
Ifbk = + (R46 / R45) × (R44 / R41) × Vis,
It becomes. In the example shown in FIG. 5, the current feedback signal Ifbk is a + polarity signal.
また、図6は、図5に示すピエゾ素子駆動装置1Aにおける各部の波形の例を示す図である。図6に示す波形は、横方向に時間tの経過を示し、縦方向に、指令入力Vinと、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isと、コンデンサC1の充電電圧Vc1と、電荷量フィードバック信号Qfbkの波形を並べて示したものである。なお、図(C)に示すように、コンデンサC1の充電電圧Vc1として、負極性の電圧が印加されるものとしている。すなわち、ノードA側が+電位となり、ノードB側が−電位になるように充電される。 FIG. 6 is a diagram showing an example of the waveform of each part in the piezoelectric element driving apparatus 1A shown in FIG. The waveform shown in FIG. 6 indicates the passage of time t in the horizontal direction, and the waveform of the command input Vin, the current Is flowing through the piezo element Pz, the charging voltage Vc1 of the capacitor C1, and the charge amount feedback signal Qfbk in the vertical direction. Are shown side by side. Note that, as shown in FIG. 3C, a negative voltage is applied as the charging voltage Vc1 of the capacitor C1. That is, charging is performed so that the node A side has a positive potential and the node B side has a negative potential.
そして、図6(A)に示すように、外部から入力される指令入力Vinが、時刻t0においてステップ状に立ち上がる。これにより、図6(B)に示すように、時刻t0以降、ピエゾ駆動電源部20からピエゾ素子PzおよびコンデンサC1に電流Isが流れる。そして、図6(C)に示すように、時刻t0以降、コンデンサC1の充電電圧Vc1が、滑らかに立ち上がる(より正確には−側に滑らかに降下する)。なお、コンデンサC1の充電電圧Vc1の波形は、結果として、コンデンサC1の充電電荷量の波形を示すものであり、また、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を示す波形でもある。
Then, as shown in FIG. 6A, the command input Vin input from the outside rises in a step shape at time t0. Thereby, as shown in FIG. 6B, after time t0, the current Is flows from the piezo drive
そして、図6(D)に示すように、時刻t0以降、電荷量フィードバック信号Qfbkが、コンデンサC1の充電電圧Vc1の立ち上がりに応じて滑らかに立ち上がる。その後、時刻t1において、指令入力Vinに対して、コンデンサC1の充電電圧Vc1が目標値に到達すると、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isがほぼ0(ゼロ)となり、コンデンサC1への充電動作、すなわちピエゾ素子Pzへの電荷の充電動作(変位動作)が完了する。 Then, as shown in FIG. 6D, after time t0, the charge amount feedback signal Qfbk rises smoothly in response to the rise of the charging voltage Vc1 of the capacitor C1. After that, when the charging voltage Vc1 of the capacitor C1 reaches the target value with respect to the command input Vin at time t1, the current Is flowing through the piezo element Pz becomes almost 0 (zero), and the charging operation to the capacitor C1, that is, piezo is performed. The charge charging operation (displacement operation) to the element Pz is completed.
このように、第2実施形態のピエゾ素子駆動装置1Aは、電荷量フィードバック回路31と電荷量フィードバック回路31を併用することにより、指令入力Vinがステップ状に立ち上がる場合においても、コンデンサC1の電圧Vcの波形にオーバーシュートやアンダーシュートを発生させることなく滑らかに立ち上げることができる。従って、ピエゾ素子Pzへの電荷の充電が滑らかに行われることになる。
As described above, the piezoelectric element driving apparatus 1A according to the second embodiment uses the charge
[第3実施形態]
図7は、本発明の第3実施形態に係わるピエゾ素子駆動装置路の構成を示すブロック図である。
[Third Embodiment]
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a piezo element driving device path according to the third embodiment of the present invention.
この図7に示すピエゾ素子駆動装置1Bは、図4に示すピエゾ素子駆動装置1Aと比較して、図4に示すピエゾ素子駆動装置1A内のコンデンサC1(ピエゾ素子Pzに直列に接続されるコンデンサC1)と電圧検出回路4とを省略し、また、電荷量フィードバック回路31の代わりに、電荷量演算回路51を設けた点が構成上で異なる。
The piezo element driving apparatus 1B shown in FIG. 7 is different from the piezo element driving apparatus 1A shown in FIG. 4 in the capacitor C1 (the capacitor connected in series with the piezo element Pz) in the piezo element driving apparatus 1A shown in FIG. C1) and the voltage detection circuit 4 are omitted, and a charge
この電荷量演算回路51は、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isの検出信号を時間積分することにより、仮想的にコンデンサC1があるとして、この仮想コンデンサC1の充電電荷量を算出するとともに、この算出された充電電荷量を基に、電荷量フィードバック信号Qfbkを生成するものである。他の回路部分の構成と動作は、図4に示すピエゾ素子駆動装置1Aと同様である。
This charge
上述したように、第1本実施形態のピエゾ素子駆動装置1および第2本実施形態のピエゾ素子駆動装置1Aでは、コンデンサC1がピエゾ素子Pzに直列に接続されている。そして、ピエゾ素子PzとコンデンサC1の直列回路(ノードAとノードBとの間)に電圧V1が印加された場合に、容量C0のピエゾ素子Pzに印加される電圧Vpzは、直列に接続されたコンデンサC1との分圧になるため、
Vpz=(C1/(C0+C1))×V1、
となる。
As described above, in the piezo element driving apparatus 1 of the first embodiment and the piezo element driving apparatus 1A of the second embodiment, the capacitor C1 is connected in series with the piezo element Pz. When the voltage V1 is applied to the series circuit of the piezo element Pz and the capacitor C1 (between the node A and the node B), the voltage Vpz applied to the piezo element Pz having the capacitance C0 is connected in series. Because it becomes the partial pressure with the capacitor C1,
Vpz = (C1 / (C0 + C1)) × V1,
It becomes.
従って、ピエゾ素子Pzをフルストローク駆動するために必要なフルストローク電圧がVmaxであるとすると、ピエゾ駆動電源部20から出力することが必要な電圧V1は、
V1=(1+C0/C1)×Vmax、
となる。
Therefore, assuming that the full stroke voltage required for driving the piezo element Pz to full stroke is Vmax, the voltage V1 that needs to be output from the piezo drive
V1 = (1 + C0 / C1) × Vmax,
It becomes.
仮に、ピエゾ素子Pzの静電容量C0と同じ静電容量のコンデンサC1を、ピエゾ素子Pzに直列に接続したとしても、ピエゾ駆動電源部20から出力することが必要な電圧V1は、フルストローク電圧Vmaxの2倍の電圧が必要となる。このピエゾ駆動電源部20から出力することが必要な電圧V1を低く抑えるためには、十分大きな静電容量のコンデンサC1を準備する必要がある。ピエゾ素子Pzの静電容量が数十μFと大きく、かつ100Vを超える使用電圧が必要な用途においては、高耐電圧かつ大容量のコンデンサC1として、電解コンデンサか、もしくはフィルムコンデンサが選定対象となるが、液漏れやコンデンサの寿命を考慮するとフィルムコンデンサを使用することが必要になる。しかしながら、フィルムコンデンサは同じ静電容量の他の種類のコンデンサと比較してその体積が大きく、フィルムコンデンサを使用する場合は、このフィルムコンデンサが基板に占める面積が大きくなり、または、ピエゾ駆動電源部に占める体積が大きくなり、ピエゾ素子駆動装置の小型化を阻む大きな要因となる。
Even if a capacitor C1 having the same capacitance as the capacitance C0 of the piezo element Pz is connected in series to the piezo element Pz, the voltage V1 required to be output from the piezo drive
ところで、第1および第2実施形態のピエゾ素子駆動装置は、ピエゾ素子Pzの電荷量と同じ電荷量が充電されるコンデンサC1の充電電圧を、このコンデンサC1に並列に接続された抵抗R1とR2の分圧抵抗R2により検出して電圧検出信号Vqを発生させ、この電圧検出信号Vqを基に電荷量フィードバック回路31により電荷量フィードバック信号Qfbkを生成している。
By the way, in the piezoelectric element driving devices of the first and second embodiments, the charging voltage of the capacitor C1 charged with the same amount of charge as that of the piezoelectric element Pz is applied to resistors R1 and R2 connected in parallel to the capacitor C1. The voltage detection signal Vq is generated by detection by the voltage dividing resistor R2, and the charge amount feedback signal Qfbk is generated by the charge
ここで、ピエゾ素子PzおよびコンデンサC1に流れる電流をIsとすると、コンデンサC1に充電される電荷Qc1と、ピエゾ素子Pzに充電される電荷Qpzとは、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isを時間積分することにより算出することができる。すなわち、コンデンサC1に充電される電荷Qc1と、ピエゾ素子Pzに充電される電荷Qpzは、
Qc1=Qpz=∫Isdt、
により算出することができる。
Here, assuming that the current flowing through the piezo element Pz and the capacitor C1 is Is, the charge Qc1 charged in the capacitor C1 and the charge Qpz charged in the piezo element Pz are time-integrated with the current Is flowing in the piezo element Pz. This can be calculated. That is, the charge Qc1 charged in the capacitor C1 and the charge Qpz charged in the piezo element Pz are:
Qc1 = Qpz = ∫Isdt,
Can be calculated.
すなわち、コンデンサC1に充電される電荷Qc1と、ピエゾ素子Pzに充電される電荷Qpzとは、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isを時間積分することにより算出することができる。このため、ピエゾ素子Pzに充電される電荷量は、ピエゾ素子Pzに直列接続したコンデンサC1を使用せずに、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isを時間積分して合成すれば良いことになる。このために、第3の実施形態のピエゾ素子駆動装置1Bでは、コンデンサC1に代えて、電荷量演算回路51を設けており、この電荷量演算回路51により、ピエゾ素子Pzに充電される電荷量を演算することにより、電荷量フィードバック信号Qfbkを生成している。
That is, the charge Qc1 charged in the capacitor C1 and the charge Qpz charged in the piezo element Pz can be calculated by time-integrating the current Is flowing through the piezo element Pz. For this reason, the amount of charge charged in the piezo element Pz may be synthesized by integrating the current Is flowing in the piezo element Pz over time without using the capacitor C1 connected in series to the piezo element Pz. For this reason, in the piezo element driving apparatus 1B of the third embodiment, instead of the capacitor C1, a charge
このように、ピエゾ素子駆動装置1Bでは、ピエゾ素子PzにコンデンサC1を接続するのではなく、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isを時間積分することによりピエゾ素子Pzに蓄積される電荷量を算出する。これにより、ピエゾ素子Pzに直列にコンデンサC1を接続してその電圧を分圧して検出する場合と同様にしてピエゾ素子Pzに蓄積される電荷量を検出することができる。
これにより、ピエゾ素子駆動装置1Bでは、大容量のフィルムコンデンサC1が不要になるとともに、ピエゾ駆動電源部20の出力電圧V1がピエゾ素子Pzにそのまま印加されることになり、ピエゾ駆動電源部20の出力電圧を低減することができる。このため、ピエゾ素子駆動装置1Bにおいて、コストの低減を図ることができるとともに、小型化を図ることができる。
As described above, in the piezo element driving apparatus 1B, the amount of electric charge accumulated in the piezo element Pz is calculated by integrating the current Is flowing in the piezo element Pz with time instead of connecting the capacitor C1 to the piezo element Pz. As a result, the amount of charge accumulated in the piezo element Pz can be detected in the same manner as when the capacitor C1 is connected in series to the piezo element Pz and the voltage is divided and detected.
Thereby, in the piezo element driving apparatus 1B, the large-capacity film capacitor C1 is not required, and the output voltage V1 of the piezo driving
また、図8は、第3実施形態のピエゾ素子駆動装置1Bの回路構成を示す図であり、図7に示すピエゾ素子駆動装置1B内の電荷量演算回路51のより具体的な回路構成を示す図である。なお、ピエゾ素子駆動装置1Bの回路内に示す極性(+または−)の符号は、ピエゾ駆動電源部20からピエゾ素子Pzに流れる電流Isが、図示する方向(ノードB側からノードA側)に向かって流れる場合の各部の信号の極性を示している。
以下、図8に示すピエゾ素子駆動装置1Bにおいて、図5に示す第2実施形態のピエゾ素子駆動装置1Aと、構成上で異なる部分についてのみ説明し、重複する説明は省略する。
FIG. 8 is a diagram showing a circuit configuration of the piezo element driving apparatus 1B of the third embodiment, and shows a more specific circuit configuration of the charge
Hereinafter, in the piezo element driving apparatus 1B shown in FIG. 8, only the parts different in configuration from the piezo element driving apparatus 1A of the second embodiment shown in FIG. 5 will be described, and overlapping description will be omitted.
図8に示すピエゾ素子駆動装置1Bにおいて、レギュレータ回路11は、PI(比例・積分)回路を構成する。このレギュレータ回路11は、指令信号Vref(−極性の信号)に対して、電流フィードバック信号Ifbk(+極性の信号)と、電荷量演算回路51から出力される電荷量フィードバック信号Qfbk(+極性の信号)とを加算し、その誤差信号を求め、この誤差信号に対して比例動作と積分動作を行い、この比例動作と積分動作により電圧指令信号Vdを生成する。
In the piezo element driving apparatus 1B shown in FIG. 8, the
また、電荷量演算回路51は、積分回路52と、差動増幅回路53と、反転増幅回路54と、で構成される。
積分回路52は、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isの検出信号を時間積分する回路であり、具体的には、電流フィードバック回路41内の差動増幅回路42の出力信号Vis’をコンデンサにより積分する回路である。
この積分回路52においては、抵抗R51の一端がオペアンプIC11の−側入力端子に接続され、抵抗R51の他端が、電流フィードバック回路41内のオペアンプIC5の出力端子に接続される。また、オペアンプIC11の+側入力端子が回路グランドGに接続される。オペアンプIC11の出力端子は、コンデンサC51の一端に接続される。このコンデンサC51の他端は抵抗R52の一端に接続されるとともに、オペアンプIC11の−側入力端子に接続される。抵抗R52の他端は回路グランドGに接続される。この積分回路52においては、入力信号Vis’により抵抗R51流れる電流Ib(=Vis’/R51)をコンデンサC51により積分して、コンデンサC51の両端に電圧Vc51を発生させる。
このコンデンサC51の両端の電圧のそれぞれは、オペアンプ11Aおよび11Bで構成されるボルテージフォロア回路(インピーダンス変換回路)に入力される。オペアンプIC11Aの+側入力端子は、コンデンサC51の一端およびオペアンプIC11の出力端子に接続され、−側入力端子は当該オペアンプIC11Aの出力端子に接続される。オペアンプIC11Bの+側入力端子は、コンデンサC51の他端および抵抗R52の一端に接続され、−側入力端子は当該オペアンプIC11Bの出力端子に接続される。
これにより、オペアンプIC11Aの出力端子と、オペアンプIC11Bの出力端子との間に、コンデンサC51の両端に発生する電圧Vc51がそのまま出力される。
The charge
The integrating
In this integrating
Each of the voltages at both ends of the capacitor C51 is input to a voltage follower circuit (impedance conversion circuit) composed of the operational amplifiers 11A and 11B. The + side input terminal of the operational amplifier IC11A is connected to one end of the capacitor C51 and the output terminal of the operational amplifier IC11, and the − side input terminal is connected to the output terminal of the operational amplifier IC11A. The + side input terminal of the operational amplifier IC11B is connected to the other end of the capacitor C51 and one end of the resistor R52, and the − side input terminal is connected to the output terminal of the operational amplifier IC11B.
As a result, the voltage Vc51 generated at both ends of the capacitor C51 is output as it is between the output terminal of the operational amplifier IC11A and the output terminal of the operational amplifier IC11B.
差動増幅回路53は、二つの入力電圧の電位差だけを増幅する回路であり、具体的には、コンデンサC51の両端に発生する電圧Vc51を増幅して出力する。この差動増幅回路53においては、オペアンプIC12の−側入力端子に抵抗R53の一端が接続され、抵抗R53の他端がオペアンプIC11Aの出力端子に接続される。また、オペアンプIC12の+側入力端子に抵抗R54の一端が接続され、抵抗R54の他端がオペアンプIC11Bの出力端子に接続される。また、オペアンプIC12の+側入力端子に抵抗R55の一端が接続されるとともに、抵抗R55の他端が回路グランドGに接続される。また、オペアンプIC12の−側入力端子と出力端子の間に抵抗R56が接続される。
The
また、反転増幅回路54は、差動増幅回路53から出力される信号を反転増幅して、電荷量フィードバック信号Qfbkを生成する回路である。この反転増幅回路54において、オペアンプIC13の−側入力端子と出力端子との間に抵抗R58が接続され、オペアンプIC13の−側入力端子に抵抗R57の一端が接続され、抵抗R57の他端は、オペアンプIC12の出力端子に接続される。また、オペアンプIC13の+側入力端子は回路グランドGに接続される。
The inverting
上記構成の電荷量演算回路51は、電流フィードバック回路41内の差動増幅回路42の出力信号Vis’をコンデンサC51により積分し、このコンデンサC51に発生する電圧Vc51を基に、電荷量フィードバック信号Qfbkを生成する。
The charge
そして、積分回路52のコンデンサC51に発生する電圧Vc51は、
Vc51=∫Ibdt、
となる。ここで、Ibは、Ib=Vis’/R51、である。
そして、積分回路52で生成されるコンデンサC51の電圧Vc51は、オペアンプIC11Aおよび11Bを介して差動増幅回路53に入力され、コンデンサC51の電圧Vc51は、差動増幅回路53により増幅されて、出力電圧Vq’として出力される。この差動増幅回路32の出力電圧Vq’は、抵抗R53の抵抗値と抵抗R54の抵抗値が等しく、また、抵抗R56の抵抗値と抵抗R55の抵抗値が等しい場合に、
The voltage Vc51 generated in the capacitor C51 of the integrating
Vc51 = ∫Ibdt,
It becomes. Here, Ib is Ib = Vis ′ / R51.
The voltage Vc51 of the capacitor C51 generated by the integrating
Vq’=−(R56/R53)×Vc51、
となる。なお、図8に示す例では、差動増幅回路53の出力電圧Vq’が、−極性の信号となる。
Vq ′ = − (R56 / R53) × Vc51,
It becomes. In the example shown in FIG. 8, the output voltage Vq ′ of the
この差動増幅回路53の出力電圧Vq’は、反転増幅回路54に入力され、反転増幅回路54は、差動増幅回路53の出力電圧Vq’を反転増幅し、電荷量フィードバック信号Qfbkを生成する。
この電荷量フィードバック信号Qfbkは、
Qfbk=+(R58/R57)×(R56/R53)×Vc51、
となる。なお、図8に示す例では、この電荷量フィードバック信号Qfbkが、+極性の信号となる
The output voltage Vq ′ of the
This charge amount feedback signal Qfbk is
Qfbk = + (R58 / R57) × (R56 / R53) × Vc51,
It becomes. In the example shown in FIG. 8, the charge amount feedback signal Qfbk is a + polarity signal.
このように、電荷量演算回路51は、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isの検出信号Vis’を時間積分することにより、仮想的にコンデンサC1があるとして、この仮想したコンデンサC1の充電電荷量(積分回路52で生成される電圧Vc51)を算出するとともに、この算出された充電電荷量(電圧Vc51)を基に、電荷量フィードバック信号Qfbkを生成することができる。
これにより、第1および第2の実施形態に用いていたコンデンサC1を省略することができ、ピエゾ素子駆動装置1Bのコストの低減を図ることができるとともに、小型化を図ることができる。
なお、図8のブロック図において、電荷量演算回路51がCPU等を用いて充電電荷量を高速演算できるように構成してもよい。この場合、例えば、電流フィードバック回路41の出力信号Vis’をA/D変換器でアナログ・デジタル変換し、CPUで演算(積分)処理して電荷量フィードバック信号Qfbkを求め、ノードN11に入力させることができる。これによりコンデンサC51を省略することが可能である。
As described above, the charge
Thereby, the capacitor C1 used in the first and second embodiments can be omitted, the cost of the piezo element driving device 1B can be reduced, and the size can be reduced.
In the block diagram of FIG. 8, the charge
以上、本発明の実施形態について説明したが、本実施形態のピエゾ素子駆動装置1、1Aおよび1Bは、露光装置(例えば、特許文献2を参照)や撮像装置のレンズ駆動装置において、アクチュエータとしてピエゾ素子Pzを用いる場合に好適に使用することができる。なお、このレンズ駆動装置は、例えば、撮像装置のオートフォーカス用のレンズの駆動装置や、手振れ補正用のレンズの駆動装置のことである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the piezo element driving devices 1, 1A and 1B of the present embodiment are piezos as actuators in an exposure device (see, for example, Patent Document 2) and a lens driving device of an imaging device. It can be suitably used when the element Pz is used. This lens driving device is, for example, a lens driving device for autofocusing of an imaging device or a lens driving device for camera shake correction.
また、レンズの駆動装置において、レンズ位置をエンコーダ等により検出してレンズ位置を制御する場合に、本実施形態のピエゾ素子駆動装置を用いることにより、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性を低減することにより指令入力に対する位置偏差を少なくすることができ、レンズ位置を所望の位置に移動させる際の応答性を改善することができる。 In addition, when the lens position is controlled by detecting the lens position with an encoder or the like in the lens driving device, the command is provided by reducing the hysteresis characteristic of the piezo element Pz by using the piezo element driving device of this embodiment. The positional deviation with respect to the input can be reduced, and the responsiveness when moving the lens position to a desired position can be improved.
ここで、具体的な例として露光装置の例を挙げると、この露光装置は図9に示すような構成の装置である。この図9に示す露光装置101は、光源装置102から供給された露光光ELを用い、所定の回路パターンが形成されたレチクルRを照明し、該照明によって形成される回路パターンの像をレジストなどの感光性材料が塗布されたウエハWの露光面Waに投影するための装置である。こうした露光装置101は、光源装置102からの露光光ELでレチクルRを照明する照明光学系103と、レチクルRを保持するレチクルステージ104と、該レチクルRを介した露光光ELでウエハWの露光面Wa(感光性材料が塗布されたウエハ表面)を照射する投影光学系105と、ウエハWを保持するウエハステージ107とを備えている。
Here, as an example of the exposure apparatus, this exposure apparatus is an apparatus having a configuration as shown in FIG. The
このような構成の露光装置101において、投影光学系105のレンズ106の位置(例えば、Z軸方向の位置)を制御する場合に、ピエゾ素子114をアクチュエータとして用いることができる。そして、本実施形態のピエゾ素子駆動装置1、1Aまたは1Bでピエゾ素子114を駆動することにより、ピエゾ素子114におけるヒステリシス特性を軽減して、レンズの位置を高い精度で制御することが可能になる。
In the
この図9に示す露光装置101では、位置検センサ111がレンズ106の位置を検出する、位置制御部112は、位置検センサ111により検出されるレンズ106の位置検出信号を基に、レンズ106の位置を目標位置に移動させるように、ピエゾ素子駆動装置113を介してピエゾ素子114を駆動する。この場合に、ピエゾ素子駆動装置113として本実施形態のピエゾ素子駆動装置1等を用いることにより、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性が軽減され印加電圧に対する位置偏差が少なくなり、制御系の応答性が改善される。また、レンズ106の位置を位置検センサ111で検出することなく、レンズ106の位置を目標位置に移動させる場合においても、本実施形態のピエゾ素子駆動装置1等を用いることにより、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性が軽減され、レンズ106を高い精度で目標位置に移動させることができる。
In the
なお、露光装置101ではレンズ106の傾きを制御することもあり、この場合においても、本実施形態のピエゾ素子駆動装置1等を用いてピエゾ素子Pzを駆動することにより、レンズ106の傾きを高い精度で制御することができる。
The
また、レチクルRを保持するレチクルステージ104についても、ピエゾ素子115をアクチュエータとして用いて、その位置を制御することができる。このレチクルステージ104を駆動する場合に、ピエゾ素子115を本実施形態のピエゾ素子駆動装置1等により駆動することにより、ピエゾ素子115のヒステリシス特性を軽減し、レチクルRの位置(例えば、X,Y,Z軸方向の位置)を高い精度で目標位置に移動させることが可能になる。また、ウエハステージ107を移動させるアクチュエータにピエゾ素子Pzを使用する場合においても同様である。
このように、露光装置101のレンズ106の駆動や、レチクルステージ104やウエハステージ107などのステージの駆動にピエゾ素子Pzを用いる場合に、このピエゾ素子Pzを本実施形態のピエゾ素子駆動装置1、1Aまたは1Bを用いて駆動することにより、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性が軽減され、レンズやステージを高い精度で目標位置に移動させることができる。
Further, the position of the
As described above, when the piezo element Pz is used to drive the
なおここで、本発明と上記実施形態の対応について補足して説明しておく。上記実施形態において、本発明における電歪素子駆動装置は、ピエゾ素子駆動装置1、ピエゾ素子駆動装置1A、またはピエゾ素子駆動装置1Bが対応し、本発明における電歪素子は、ピエゾ素子Pzが相当する、また、本発明における電歪素子駆動電源部は、ピエゾ駆動電源部20が対応し、本発明における制御部は、制御部3が対応する。また、本発明における充電電荷量検出部は、電圧検出回路4が対応し、この電圧検出回路4は、コンデンサC1の充電電圧を検出することによりピエゾ素子Pzの充電電荷量を間接的に検出する。また、本発明における電圧制御回路は、レギュレータ回路11が対応する。
また、本発明における電流検出回路は、電流検出抵抗Rsが対応する。また、本発明における指令信号は、外部入力される指令入力Vin(より正確には、指令入力Vinの電圧信号を極性反転させてバッファした指令信号Vref)が対応する。また、本発明における電荷量フィードバック信号は、電荷量フィードバック信号Qfbkが対応し、本発明における電流フィードバック信号は、電流フィードバック信号Ifbkが対応する。
Here, the correspondence between the present invention and the above embodiment will be described supplementarily. In the above embodiment, the electrostrictive element driving device according to the present invention corresponds to the piezo element driving device 1, the piezo element driving device 1A, or the piezo element driving device 1B, and the electrostrictive element according to the present invention corresponds to the piezo element Pz. In addition, the electrostrictive element drive power supply unit in the present invention corresponds to the piezo drive
The current detection circuit in the present invention corresponds to the current detection resistor Rs. The command signal in the present invention corresponds to a command input Vin (more precisely, a command signal Vref buffered by inverting the voltage of the command input Vin). The charge amount feedback signal in the present invention corresponds to the charge amount feedback signal Qfbk, and the current feedback signal in the present invention corresponds to the current feedback signal Ifbk.
(1)そして、上記実施形態において、ピエゾ素子駆動装置1は、ピエゾ素子Pzに印加する直流電圧を出力するとともにその出力電圧の大きさを可変に制御できるピエゾ駆動電源部20と、ピエゾ駆動電源部20により充電されるピエゾ素子Pzの充電電荷量を検出する電圧検出回路4と、外部入力される指令入力Vinと、電圧検出回路4により検出されたピエゾ素子Pzの充電電荷量の検出信号Vqとを用いて、ピエゾ素子Pzの充電電荷量が指令入力Vinに応じた値に設定されるようにピエゾ駆動電源部20を制御する制御部3と、を備え、制御部3は、外部入力される指令入力Vinに応じた電荷量でピエゾ素子Pzを充電させることにより、当該ピエゾ素子Pzの変位量を制御する。
このような構成のピエゾ素子駆動装置1では、ホスト側(外部)から入力された指令入力Vinに応じてピエゾ素子Pzの変位量を制御する。このピエゾ素子駆動装置1は、ピエゾ素子Pzに直流電圧を印加して変位させる際に、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を検出し、この充電電荷量の検出信号(電荷量フィードバック信号Qfbk))と指令入力Vinとを比較し、ピエゾ素子Pzの充電電荷量が指令入力Vinに応じた値に設定されるように制御する。
これにより、ピエゾ素子駆動装置1は、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性によりこのピエゾ素子Pzの静電容量が変化する場合においても、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を制御することができ、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性を低減することができる。
(1) In the above-described embodiment, the piezo element driving device 1 outputs a DC voltage applied to the piezo element Pz, and variably controls the magnitude of the output voltage, and the piezo driving power source. A voltage detection circuit 4 for detecting the charge amount of the piezo element Pz charged by the
In the piezo element driving apparatus 1 having such a configuration, the displacement amount of the piezo element Pz is controlled in accordance with the command input Vin input from the host side (external). The piezo element driving device 1 detects the charge amount of the piezo element Pz when applying a DC voltage to the piezo element Pz and displaces it, and this charge amount detection signal (charge amount feedback signal Qfbk)) The command input Vin is compared, and control is performed so that the charge amount of the piezo element Pz is set to a value corresponding to the command input Vin.
Thereby, the piezo element driving device 1 can control the charge amount of the piezo element Pz even when the capacitance of the piezo element Pz changes due to the hysteresis characteristic of the piezo element Pz. Hysteresis characteristics can be reduced.
(2)また、上記実施形態において、ピエゾ素子駆動装置1は、ピエゾ素子Pzには該ピエゾ素子Pzと直列にコンデンサC1が接続され、ピエゾ駆動電源部20は、コンデンサC1を介してピエゾ素子Pzを充電し、電圧検出回路4は、コンデンサC1の充電電圧を検出することによりピエゾ素子Pz充電電荷量を検出し、制御部3は、外部入力される指令入力Vinに応じた電圧でコンデンサC1を充電させることにより、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を制御する。
このような構成のピエゾ素子駆動装置1では、ピエゾ素子Pzには直列にコンデンサC1が接続される。ピエゾ駆動電源部20は、コンデンサC1を介してピエゾ素子Pzを充電し、電圧検出回路4は、コンデンサC1の充電電圧を検出することによりピエゾ素子Pzの充電電荷量を間接的に検出する。すなわち、コンデンサC1の充電電荷量は、コンデンサC1の充電電圧により決定され、また、このコンデンサC1の充電電荷量とピエゾ素子Pzの充電電荷量とは同じであるため、コンデンサC1の充電電圧を検出することによりピエゾ素子Pzの充電電荷量を検出することができる。制御部3は、外部入力される指令入力Vinに応じた電圧でコンデンサを充電させることにより、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を制御する。
これにより、ピエゾ素子駆動装置1は、ピエゾ素子Pzに直列に接続されたコンデンサC1の充電電圧を制御することにより、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を所望の値になるように制御することができる。このため、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性によりこのピエゾ素子Pzの静電容量が変化する場合においても、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を所望の値になるように制御できる。このため、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性を低減することができる。
(2) In the above embodiment, in the piezo element driving device 1, the piezo element Pz is connected to the capacitor C1 in series with the piezo element Pz, and the piezo drive
In the piezoelectric element driving apparatus 1 having such a configuration, the capacitor C1 is connected in series to the piezoelectric element Pz. The piezo drive
Thereby, the piezo element driving apparatus 1 can control the charge voltage of the capacitor C1 connected in series to the piezo element Pz to control the charge amount of the piezo element Pz to a desired value. . Therefore, even when the capacitance of the piezo element Pz changes due to the hysteresis characteristic of the piezo element Pz, the charge amount of the piezo element Pz can be controlled to a desired value. For this reason, the hysteresis characteristic of the piezo element Pz can be reduced.
(3)また、上記実施形態において、ピエゾ素子駆動装置1は、コンデンサC1の充電電圧を検出する電圧検出回路4と、電圧検出回路4により検出されるコンデンサC1の充電電圧の検出信号Vqを用いて、ピエゾ素子Pzの充電電荷量のフィードバック信号Qfbkを生成する電荷量フィードバック回路31と、指令入力Vinと電荷量フィードバック信号Qfbkとを用いて、指令入力Vinと電荷量フィードバック信号Qfbkとが所定の状態となるようにピエゾ駆動電源部20の出力電圧を制御するレギュレータ回路11と、を備える。
このような構成のピエゾ素子駆動装置1では、コンデンサC1の充電電圧を検出し、この検出信号Vqを基に電荷量フィードバック信号Qfbkを生成する。そして、レギュレータ回路11は、指令入力Vinと電荷量フィードバック信号Qfbkとを比較し、指令入力Vinと電荷量フィードバック信号Qfbkとが一致するようにピエゾ駆動電源部20の出力電圧V1を制御する。
これにより、ピエゾ素子駆動装置1は、外部入力される指令入力Vinと、ピエゾ素子Pzの充電電荷量のフィードバック信号Qfbkとが一致するように、ピエゾ駆動電源部20を制御することができる。このため、ピエゾ素子駆動装置1は、指令入力Vinに応じて、ピエゾ素子Pzの充電電荷量を制御することができる。
(3) In the above embodiment, the piezoelectric element driving apparatus 1 uses the voltage detection circuit 4 that detects the charging voltage of the capacitor C1 and the detection signal Vq of the charging voltage of the capacitor C1 that is detected by the voltage detection circuit 4. The command input Vin and the charge amount feedback signal Qfbk are set to a predetermined value using the charge
In the piezo element driving apparatus 1 having such a configuration, the charging voltage of the capacitor C1 is detected, and the charge amount feedback signal Qfbk is generated based on the detection signal Vq. Then, the
Thereby, the piezo element driving apparatus 1 can control the piezo drive
(4)また、上記実施形態において、ピエゾ素子駆動装置1Aは、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isを検出する電流検出抵抗Rsと、電流検出抵抗Rsにより検出される電流検出信号Visを用いて電流フィードバック信号Ifbkを生成する電流フィードバック回路41と、をさらに備え、レギュレータ回路11は、電荷量フィードバック信号Qfbkおよび電流フィードバック信号Ifbkの2つの信号をフィードバック信号とし、この2つのフィードバック信号と指令入力Vinとの差分を用いてピエゾ駆動電源部20の出力電圧を制御する。
このような構成のピエゾ素子駆動装置1Aでは、ピエゾ素子Pzの充電電荷量のフィードバック回路31に加えて、さらに、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isのフィードバック回路41を設ける。
これにより、ピエゾ素子駆動装置1Aは、ピエゾ素子Pzに流れる電流を制御することができ、ピエゾ素子Pzへ電荷を充電する際の応答性を高めることができる。
(4) In the above embodiment, the piezo element driving apparatus 1A uses the current detection resistor Rs for detecting the current Is flowing through the piezo element Pz and the current detection signal Vis detected by the current detection resistor Rs for current feedback. And a
In the piezoelectric element driving apparatus 1A having such a configuration, in addition to the
Thereby, the piezo element driving apparatus 1A can control the current flowing through the piezo element Pz, and can improve the responsiveness when charging the piezo element Pz.
(5)また、上記実施形態において、電圧検出回路4は、コンデンサC1に並列に接続される抵抗分圧回路(抵抗R1と抵抗R2)を有し、電荷量フィードバック回路31は、抵抗分圧回路内に含まれる1の抵抗R2の両端の電圧を検出する差動増幅回路32を備え、電流検出回路は、ピエゾ素子Pzとピエゾ駆動電源部20との間に挿入された電流検出抵抗Rsを用いて構成され、電流フィードバック回路41は、電流検出抵抗Rsの両端の電圧Visを検出する差動増幅回路42を備え、レギュレータ回路11は、比例積分回路で構成される。
このような構成のピエゾ素子駆動装置1または1Aでは、コンデンサC1の充電電圧を分圧抵抗R2と差動増幅回路32とを用いて容易に検出することができる。また、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isを、電流検出抵抗Rsと差動増幅回路42とを用いて容易に検出することができる。また、レギュレータ回路11を、PI(比例・積分)回路で構成することにより、ピエゾ素子Pzの充電電荷量(より正確にはコンデンサC1の充電電圧)を、指令入力Vinに対して定常偏差を生じることなく正確に制御することができる。また、比例要素(抵抗R14)の定数および積分要素(コンデンサC11)の定数は、回路系およびアクチュエータ機構系の伝達関数に応じて所望の値に設定することができ、ピエゾ素子Pzを安定して駆動することができる。
(5) In the above embodiment, the voltage detection circuit 4 has a resistance voltage dividing circuit (resistor R1 and resistor R2) connected in parallel to the capacitor C1, and the charge
In the piezoelectric element driving device 1 or 1A having such a configuration, the charging voltage of the capacitor C1 can be easily detected using the voltage dividing resistor R2 and the
(6)また、上記実施形態において、ピエゾ素子駆動装置1Bは、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isを検出する電流検出抵抗Rsと、電流検出抵抗Rsにより検出される電流検出信号を用いて電流フィードバック信号Ifbkを生成する電流フィードバック回路41と、電流検出抵抗Rsにより検出された電流検出信号を時間積分することによりピエゾ素子Pzの充電電荷量を算出し、この算出された充電電荷量を基にピエゾ素子Pzの電荷量のフィードバック信号Qfbkを生成する電荷量演算回路51と、電荷量演算回路51により生成された電荷量フィードバック信号Qfbkおよび電流フィードバック信号Ifbkの2つの信号をフィードバック信号とし、この2つのフィードバック信号と指令入力Vinとの差分を用いてピエゾ駆動電源部20の出力電圧を制御するレギュレータ回路11と、を備える。
このような構成のピエゾ素子駆動装置1Bは、ピエゾ素子PzにコンデンサC1を接続するのではなく、ピエゾ素子Pzに流れる電流Isを時間積分することによりピエゾ素子Pzに蓄積される電荷量を算出する。これにより、ピエゾ素子駆動装置1Bでは、ピエゾ素子Pzに直列にコンデンサC1を接続してその電圧を分圧して検出する場合と同様にして、ピエゾ素子Pzに蓄積される電荷量を検出することができる。
このため、ピエゾ素子駆動装置1Bでは、大容量のフィルムコンデンサC1が不要になるとともに、ピエゾ駆動電源部20の出力電圧V1がピエゾ素子Pzそのまま印加されるので、ピエゾ駆動電源部20の出力電圧を低減することができる。このため、ピエゾ素子駆動装置1Bにおいて、コストの低減を図ることができるとともに、装置の小型化を図ることができる。
(6) In the above embodiment, the piezo element driving device 1B uses the current detection resistor Rs for detecting the current Is flowing in the piezo element Pz and the current feedback signal using the current detection signal detected by the current detection resistor Rs. The
The piezo element driving apparatus 1B having such a configuration calculates the amount of charge accumulated in the piezo element Pz by integrating the current Is flowing through the piezo element Pz with time instead of connecting the capacitor C1 to the piezo element Pz. . Thereby, in the piezo element driving apparatus 1B, the amount of charge accumulated in the piezo element Pz can be detected in the same manner as the case where the capacitor C1 is connected in series to the piezo element Pz and the voltage is divided and detected. it can.
Therefore, in the piezoelectric element driving apparatus 1B, the large-capacity film capacitor C1 is not necessary, and the output voltage V1 of the piezoelectric driving
(7)また、上記実施形態において、電歪素子がピエゾ素子である。
これにより、ピエゾ素子駆動装置1、1Aおよび1Bでは、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性によりこのピエゾ素子Pzの静電容量が変化する場合においても、ピエゾ素子Pzの充電電荷量が所望の値になるように制御でき、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性を低減することができる。
(7) In the above embodiment, the electrostrictive element is a piezo element.
Thereby, in the piezoelectric element driving devices 1, 1A and 1B, even when the capacitance of the piezoelectric element Pz changes due to the hysteresis characteristic of the piezoelectric element Pz, the charge amount of the piezoelectric element Pz becomes a desired value. And the hysteresis characteristic of the piezo element Pz can be reduced.
(8)また、上記実施形態において、露光装置101は、上記のいずれかに記載のピエゾ素子駆動装置1を備え、このピエゾ素子駆動装置1を用いてピエゾ素子Pzを駆動することにより、露光装置内の光学系のレンズ位置あるいはステージ位置を移動させる。
これにより、露光装置101内のレクチルステージ104等のステージ位置や、レンズ106の位置をピエゾ素子Pzで移動させる際に、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性による変位量のバラツキを低減することができる。
(8) In the above-described embodiment, the
Accordingly, when the stage position of the
(9)また、上記実施形態において、レンズ駆動装置は、上記のいずれかに記載のピエゾ素子駆動装置1を備え、このピエゾ素子駆動装置1を用いてピエゾ素子Pzを駆動することにより、光学系のレンズ位置を移動させる。
これにより、カメラのレンズ駆動装置、例えば、オートフォーカス用のレンズの駆動装置や、手振れ補正用のレンズの駆動装置において、本実施形態のピエゾ素子駆動装置1を用いてピエゾ素子Pzを駆動することにより、ピエゾ素子Pzのヒステリシス特性による変位量のバラツキを低減することができる。
(9) In the above-described embodiment, the lens driving device includes the piezo element driving device 1 described above, and the piezo element Pz is driven by using the piezo element driving device 1 to thereby form an optical system. Move the lens position.
Thus, the piezo element Pz is driven using the piezo element driving apparatus 1 of the present embodiment in a camera lens driving apparatus, for example, an autofocus lens driving apparatus or a camera shake correction lens driving apparatus. As a result, variation in displacement due to the hysteresis characteristics of the piezo element Pz can be reduced.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の電歪素子駆動装置は、上述のピエゾ素子駆動装置1、1Aおよび1Bにのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、本発明の電歪素子駆動装置で駆動できる電歪素子は、ピエゾ素子にのみ限定されるものではなく、容量性の素子であり、かつ印加電圧に対して変位量がヒステリシス特性を示す全ての素子が対象となる。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the electrostrictive element driving device of the present invention is not limited to the above-described piezoelectric element driving devices 1, 1A and 1B, and does not depart from the gist of the present invention. Of course, various changes can be made within the range.
For example, the electrostrictive element that can be driven by the electrostrictive element driving device of the present invention is not limited to a piezo element, but is a capacitive element, and all the displacements exhibit hysteresis characteristics with respect to the applied voltage. This element is the target.
1,1A,1B…ピエゾ素子駆動装置、2…ピエゾ素子Pz、3…制御部、4…電圧検出回路、10…指令信号生成回路、11…レギュレータ回路、20…ピエゾ駆動電源部、20A…PWM制御部、21…平滑回路、31…電荷量フィードバック回路、32…差動増幅回路、33…反転増幅回路、41…電流フィードバック回路、42…差動増幅回路、43…反転増幅回路、51…電荷量演算回路、52…積分回路、53…差動増幅回路、54…反転増幅回路、C1…コンデンサ、R1,R2…抵抗、Rs…電流検出抵抗、101…露光装置、104…レチクルステージ、106…レンズ、107…ウエハステージ、113…ピエゾ素子駆動装置、114,115…ピエゾ素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A, 1B ... Piezo element drive device, 2 ... Piezo element Pz, 3 ... Control part, 4 ... Voltage detection circuit, 10 ... Command signal generation circuit, 11 ... Regulator circuit, 20 ... Piezo drive power supply part, 20A ... PWM Control unit, 21 ... smoothing circuit, 31 ... charge amount feedback circuit, 32 ... differential amplifier circuit, 33 ... inverting amplifier circuit, 41 ... current feedback circuit, 42 ... differential amplifier circuit, 43 ... inverting amplifier circuit, 51 ... charge
Claims (9)
前記電歪素子駆動電源部により充電される電歪素子の充電電荷量を検出する充電電荷量検出部と、
外部入力される指令信号と、前記充電電荷量検出部により検出された前記電歪素子の充電電荷量の検出信号とを用いて、前記電歪素子の充電電荷量が前記指令信号に応じた値に設定されるように前記電歪素子駆動電源部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記外部入力される指令信号に応じた電荷量で前記電歪素子を充電させることにより、当該電歪素子の変位量を制御することを特徴とする電歪素子駆動装置。 An electrostrictive element drive power supply unit that can output a DC voltage applied to the electrostrictive element and variably control the magnitude of the voltage;
A charge amount detector for detecting a charge amount of an electrostrictive element charged by the electrostrictive element drive power supply unit;
Using a command signal input externally and a detection signal of the charge amount of the electrostrictive element detected by the charge amount detection unit, the charge amount of the electrostrictive element is a value corresponding to the command signal. A control unit for controlling the electrostrictive element drive power supply unit to be set to,
The electrostrictive element driving apparatus, wherein the control unit controls the amount of displacement of the electrostrictive element by charging the electrostrictive element with an amount of charge corresponding to the command signal input from the outside.
前記電歪素子駆動電源部は、前記コンデンサを介して前記電歪素子を充電し、
前記充電電荷量検出部は、前記コンデンサの充電電圧を検出することにより前記電歪素子の充電電荷量を検出し、
前記制御部は、前記外部入力される指令信号に応じた電圧で前記コンデンサを充電させることにより、前記電歪素子の充電電荷量を制御することを特徴とする請求項1に記載の電歪素子駆動装置。 A capacitor is connected to the electrostrictive element in series with the electrostrictive element,
The electrostrictive element drive power supply unit charges the electrostrictive element via the capacitor,
The charge amount detector detects a charge amount of the electrostrictive element by detecting a charge voltage of the capacitor,
2. The electrostrictive element according to claim 1, wherein the control unit controls a charge amount of the electrostrictive element by charging the capacitor with a voltage corresponding to the command signal input from the outside. Drive device.
前記電圧検出回路により検出される前記コンデンサの充電電圧の電圧検出信号を用いて、前記電歪素子の充電電荷量のフィードバック信号を生成する電荷量フィードバック回路と、
前記指令信号と前記電荷量フィードバック信号とを用いて、前記指令信号と前記電荷量フィードバック信号とが所定の状態となるように前記電歪素子駆動電源部の出力電圧を制御する電圧制御回路と、
を備えることを特徴とする請求項2に記載の電歪素子駆動装置。 A voltage detection circuit for detecting a charging voltage of the capacitor;
A charge amount feedback circuit that generates a feedback signal of the charge amount of charge of the electrostrictive element using a voltage detection signal of the charge voltage of the capacitor detected by the voltage detection circuit;
Using the command signal and the charge amount feedback signal, a voltage control circuit that controls an output voltage of the electrostrictive element drive power supply unit so that the command signal and the charge amount feedback signal are in a predetermined state;
The electrostrictive element driving device according to claim 2, comprising:
前記電流検出回路により検出される電流検出信号を用いて電流フィードバック信号を生成する電流フィードバック回路と、をさらに備え、
前記電圧制御回路は、前記電荷量フィードバック信号および前記電流フィードバック信号の2つの信号をフィードバック信号とし、この2つのフィードバック信号と前記指令信号との差分を用いて前記電歪素子駆動電源部の出力電圧を制御することを特徴とする請求項3に記載の電歪素子駆動装置。 A current detection circuit for detecting a current flowing through the electrostrictive element;
A current feedback circuit that generates a current feedback signal using a current detection signal detected by the current detection circuit; and
The voltage control circuit uses two signals of the charge amount feedback signal and the current feedback signal as feedback signals, and uses the difference between the two feedback signals and the command signal to output voltage of the electrostrictive element driving power supply unit. The electrostrictive element driving device according to claim 3, wherein the electrostrictive element driving device is controlled.
前記電荷量フィードバック回路は、前記抵抗分圧回路内に含まれる1の抵抗の両端の電圧を検出する差動増幅回路を備え、
前記電流検出回路は、前記電歪素子と前記電歪素子駆動電源回路との間に挿入された電流検出抵抗を用いて構成され、
前記電流フィードバック回路は、前記電流検出抵抗の両端の電圧を検出する差動増幅回路を備え、
前記電圧制御回路は、比例積分回路で構成されることを特徴とする請求項4に記載の電歪素子駆動装置。 The voltage detection circuit has a resistance voltage dividing circuit connected in parallel to the capacitor,
The charge amount feedback circuit includes a differential amplifier circuit that detects a voltage across one resistor included in the resistor voltage divider circuit;
The current detection circuit is configured using a current detection resistor inserted between the electrostrictive element and the electrostrictive element driving power supply circuit,
The current feedback circuit includes a differential amplifier circuit that detects a voltage across the current detection resistor,
The electrostrictive element driving device according to claim 4, wherein the voltage control circuit includes a proportional integration circuit.
前記電流検出回路により検出される電流検出信号を用いて電流フィードバック信号を生成する電流フィードバック回路と、
前記電流検出回路により検出された電流検出信号を時間積分することにより前記電歪素子の充電電荷量を算出し、この算出された充電電荷量を基に前記電歪素子の電荷量のフィードバック信号を生成する電荷量演算回路と、
前記電荷量演算回路により生成された電荷量フィードバック信号および前記電流フィードバック信号の2つの信号をフィードバック信号とし、この2つのフィードバック信号と前記指令信号との差分を用いて前記電歪素子駆動電源部の出力電圧を制御する電圧制御回路と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の電歪素子駆動装置。 A current detection circuit for detecting a current flowing through the electrostrictive element;
A current feedback circuit that generates a current feedback signal using a current detection signal detected by the current detection circuit;
The charge detection amount of the electrostrictive element is calculated by time integration of the current detection signal detected by the current detection circuit, and a feedback signal of the charge amount of the electrostrictive element is calculated based on the calculated charge amount. A charge amount calculation circuit to be generated;
Two signals of the charge amount feedback signal and the current feedback signal generated by the charge amount calculation circuit are used as feedback signals, and the difference between the two feedback signals and the command signal is used for the electrostrictive element drive power supply unit. A voltage control circuit for controlling the output voltage;
The electrostrictive element driving device according to claim 1, comprising:
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