JP2015039258A - 駆動回路及び駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静電型アクチュエータの駆動に際して、簡易な構成で、消費電力を抑制する。【解決手段】静電型アクチュエータ（ＳＡ）２００の駆動回路１００は、電源１１０と、スイッチドキャパシタ１２０と、を備え、前記スイッチドキャパシタ１２０を介して供給された通過電流により前記静電型アチュエータ（ＳＡ）２００に蓄積された電荷を、前記スイッチドキャパシタ１２０に再充電するように構成されている。これにより、高電圧印加状態で静電型アクチュエータ（ＳＡ）２００に蓄積された電荷が有効に利用され、静電型アクチュエータ（ＳＡ）２００の駆動時において、スイッチドキャパシタ１２０の充電の際に電源から供給される電荷量を抑制することが可能となった。【選択図】 図２

Description

本発明は、駆動回路及び駆動方法に係り、特に、静電型アクチュエータを駆動する駆動回路及び駆動方法に関する。

従来から、低電力で外部に力を取り出すことができ、電磁妨害の問題が発生しない静電型アクチュエータが注目されている。図９（Ａ）に示されるように、こうした静電型アクチュエータ（ＳＡ）２００は、端子ａと導通している平板電極ＥＰａと、端子ｂと導通している平板電極ＥＰｂとの間に誘電体ＤＬが挟まれて構成されている。ここで、誘電体ＤＬの材質としては、セラミック系のものや高分子系のものがある。かかるＳＡ２００の等価回路は、図９（Ｂ）に示されるように、抵抗Ｒ_mとキャパシタＣ_mとが直列接続されたものとして表すことができる。

このＳＡ２００の平板電極ＥＰａと平板電極ＥＰｂとの間に電圧を印加すると、印加電圧に対応した量だけ、誘電体ＤＬが伸張する。このため、例えば、端子ａと端子ｂとの間に交流電圧を印加することにより、図９（Ａ）において点線矢印で示される平板電極ＥＰａ，ＥＰｂと平行な方向に、振動力を取り出すことができる。

ところで、一般にＳＡ２００が発生する力を実用的なものとするためには、誘電体ＤＬの厚みをある程度のものとすることを要するので、平板電極ＥＰａと平板電極ＥＰｂとの間、すなわち、端子ａと端子ｂとの間には、通常の乾電池等の出力電圧よりも相等程度高い電圧を印加することが必要となる。このため、図１０に示されるように、単純に交流電源３００により、ＳＡ２００を駆動して実用的な振動力を取り出そうとする場合には、高電圧の交流電源３００を利用することが必要となる。こうした高電圧の交流電源を備えることは、小型機器にとっては困難さを伴うことがあるため、小型機器においては、静電型アクチュエータを利用することができない場合も生じ得る。

そこで、電源として低電圧出力の直流電源を利用しつつ、静電型アクチュエータを駆動して実用的な振動力を取り出すことができる技術（特許文献１参照：以下、「従来例」という）が提案されている。この従来例の技術では、複数のキャパシタと複数のスイッチとを備える昇圧回路を採用する。この昇圧回路では、まず、複数のスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して複数のキャパシタを並列接続として、低電圧出力の直流電源を用いた複数のキャパシタへの充電を行う状態とするとともに、静電型アクチュエータへの印加電圧を低電圧に設定する。引き続き、複数のスイッチのＯＮ／ＯＦＦを制御して複数のキャパシタが直列接続され、直列接続の両端間の電圧を静電型アクチュエータに印加する状態とする。

なお、従来例の技術では、上述した２つの状態を交互に切り換えつつ、当該２つの状態を繰り返し発生させるようになっている。

特開２０１０−２２０４４２号公報

上述した従来例の技術では、高電圧印加状態で静電型アクチュエータに蓄積された電荷は、低電圧印加状態となった瞬間に廃棄され、複数のキャパシタへの充電時に当該複数のキャパシタに充電される電荷は、全て、直流電源から供給される。このため、従来例の技術では、効率的に直流電源から供給される電力を利用しているとはいい難かった。

ところで、多くの小型機器では小型の乾電池等を直流電源として採用するので、静電型アクチュエータの駆動のための消費電力を極力抑制することが望ましい。このため、省電力化を更に可能としつつ、静電型アクチュエータを駆動することができる技術が待望されている。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、静電型アクチュエータの駆動に際して、簡易な構成で、消費電力を抑制することができる駆動回路及び駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の駆動回路は、静電型アクチュエータの駆動回路であって、電源と、スイッチドキャパシタと、を備え、前記スイッチドキャパシタを介して供給された通過電流により前記静電型アチュエータに蓄積された電荷を、前記スイッチドキャパシタに再充電する、ことを特徴とする駆動回路である。

本発明の駆動方法は、電源とスイッチドキャパシタを備えた静電型アクチュエータの駆動方法であって、前記スイッチドキャパシタを介して供給された通過電流により前記静電型アチュエータに蓄積された電荷を、前記スイッチドキャパシタに再充電する、
ことを特徴とする駆動方法である。

本発明によれば、スイッチドキャパシタを介して供給された通過電流により静電型アチュエータに蓄積された電荷を、スイッチドキャパシタに再充電させる。このため、高電圧印加状態で静電型アクチュエータに蓄積された電荷が有効に利用され、静電型アクチュエータの駆動時において、スイッチドキャパシタの充電の際に電源から供給される電荷量を抑制することができる。

したがって、本発明によれば、静電型アクチュエータの駆動に際して、スイッチドキャパシタという簡易な構成の回路を採用しつつ、消費電力を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る駆動回路の概略的な構成を説明するためのブロック図である。 図１のスイッチドキャパシタの構成を説明するための図である。 図２のスイッチ制御部のスイッチ制御により実現される回路例を説明するための図である。 図２のスイッチ制御部のスイッチ制御のシーケンスと、当該シーケンスの実行に伴う電圧Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃の変化を説明するための図である。 充電モード設定時におけるスイッチ制御を説明するための図である。 放電モード設定時におけるスイッチ制御を説明するための図である。 再充電モード設定時におけるスイッチ制御を説明するための図である。 図４の場合とは異なるタイミングでスイッチ制御のシーケンスが実行される場合の電圧Ｖ₃の変化例を説明するための図である。 静電型アクチュエータの構成を説明するための図である。 静電型アクチュエータから振動力を取り出すための構成の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜図７を参照して説明する。なお、以下の説明及び図においては、上述した図９及び図１０の場合を含めて、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明において「接続」との用語は、電気的な導通接続を意味するものとする。また、接地レベルを基準とする電位を、単位「電圧」とも記す。

［構成］
図１には、一実施形態に係る駆動回路１００の概略的な構成が示されている。この図１に示されるように、駆動回路１００は、電源１１０と、スイッチドキャパシタ１２０とを備え、上述したＳＡ２００と接続されている。ここで、ＳＡ２００の端子ｂは接地レベル（電位０）に接続されている。

なお、ＳＡ２００の等価回路におけるキャパシタＣ_mの静電容量を「ＣＭ」と記し、抵抗Ｒ_mの抵抗値を「ＲＭ」と記すものとする。

上記の電源１１０は、出力電圧が「Ｖ_E」の直流電源となっている。電源１１０の＋端子及び−端子は、スイッチドキャパシタ１２０と接続されている。

上記のスイッチドキャパシタ１２０は、電源１１０から供給される電力を利用して、接地レベルとの間の電圧値が「０」付近の低電圧と、「Ｎ・Ｖ_E」（Ｎ：３以上の自然数）の高電圧との間で周期的に変化する印加電圧を生成する。こうして生成された印加電圧は、ＳＡ２００に印加される。

かかる機能を有するスイッチドキャパシタ１２０は、図２に示されるように、キャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1と、スイッチＳ１，Ｓ２とを備えている。また、スイッチドキャパシタ１２０は、スイッチＳ３_k,1，Ｓ３_k,2（ｋ＝１〜（Ｎ−２）），Ｓ３_N-1と、スイッチＳ４_j（ｊ＝１〜（Ｎ−１））とを備えている。さらに、スイッチドキャパシタ１２０は、スイッチ制御部ＳＷＣを備えている。

なお、以下の説明においては、スイッチＳ３_k,1，Ｓ３_k,2（ｋ＝１〜（Ｎ−２）），Ｓ３_N-1を総称する場合には、「スイッチＳ３」と記すものとする。また、スイッチＳ４_j（ｊ＝１〜（Ｎ−１））を総称する場合には、「スイッチＳ４」と記すものとする。また、図示されている接続線路の抵抗値は、充分小さいものとする。

本実施形態では、キャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1のそれぞれは、一方側電極及び他方側電極の２電極を有するとともに、同一の静電容量Ｃ（＝（Ｎ−１）・ＣＭ）を有している。また、スイッチＳ１〜Ｓ４のそれぞれは、一方側端子及び他方側端子の２端子を有しており、スイッチ制御部ＳＷＣが生成したスイッチ制御信号ＳＣ１〜ＳＣ４に従って、ＯＮ／ＯＦＦする。ここで、スイッチ制御部ＳＷＣから送られたスイッチ制御信号によりＯＮが指定されたスイッチは、当該スイッチの一方側端子と他方側端子とを接続状態（電気的な導通状態）とするとともに、当該スイッチ制御信号によりＯＦＦが指定されたスイッチは、一方側端子と他方側端子とを非接続状態（電気的な絶縁状態）とする。

なお、キャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1のそれぞれとしては、両電極間の直流抵抗値が十分高い素子が選択される。また、スイッチＳ１〜Ｓ４のそれぞれとしては、「ＯＮ」時の両端子間の抵抗値が抵抗Ｒ_mの抵抗値ＲＭよりも十分低いとともに、「ＯＦＦ」時の両端子間の抵抗値が抵抗Ｒ_mの抵抗値ＲＭよりも十分高い素子が選択されている。

上記のスイッチＳ１の一方側端子は、電源１１０の＋端子と接続されている。また、スイッチＳ１の他方側端子は、キャパシタＣ₁の他方側電極と接続されている。

なお、キャパシタＣ₁の一方側電極と接地レベルとの間の電圧を、「電圧Ｖ₁」と呼ぶものとする。

上記のスイッチＳ２の一方側端子は、キャパシタＣ_N-1の他方側電極と接続されている。また、スイッチＳ２の他方側端子は、ＳＡ２００のａ端子と接続されている。

なお、スイッチＳ２の一方側端子と接地レベルとの間の電圧を、「電圧Ｖ₂」、スイッチＳ２の他方側端子と接地レベルとの間の電圧を、「電圧Ｖ_３」と呼ぶものとする。

上記のスイッチＳ３_k,1の一方側端子は、キャパシタＣ_kの一方側電極と接続されている。また、スイッチＳ３_k,1の他方側端子は、キャパシタＣ_k+1の一方側電極と接続されている。

上記のスイッチＳ３_k,2の一方側端子は、キャパシタＣ_kの他方側電極と接続されている。また、スイッチＳ３_k,2の他方側端子は、キャパシタＣ_k+1の他方側電極と接続されている。

上記のキャパシタＳ３_N-1の一方側端子は、キャパシタＣ_N-1の一方側電極と接続されている。また、キャパシタＳ３_N-1の他方側端子は、接地レベルと接続されている。

なお、電源１１０の−端子も、スイッチドキャパシタ１２０内で、接地レベルと接続されている。

上記のスイッチＳ４₁を除くスイッチＳ４_jの一方側端子は、キャパシタＣ_j-1の他方側電極と接続されている。また、上記のスイッチＳ４₁を除くスイッチＳ４_jの他方側端子は、キャパシタＣ_jの一方側電極と接続されている。

上記のスイッチＳ４₁の一方側端子は、電源１１０の＋端子と接続されている。また、スイッチＳ４₁の他方側端子は、キャパシタＣ₁の一方側電極と接続されている。

上記のスイッチ制御部ＳＷＣは、スイッチ制御信号ＳＣ１〜ＳＣ４を生成する。そして、スイッチ制御部ＳＷＣは、生成されたスイッチ制御信号ＳＣ１をスイッチＳ１へ送るととともに、生成されたスイッチ制御信号ＳＣ２をスイッチＳ２へ送る。また、スイッチ制御部ＳＷＣは、生成されたスイッチ制御信号ＳＣ３をスイッチＳ３の全てへ送るととともに、生成されたスイッチ制御信号ＳＣ４をスイッチＳ４の全てへ送る。

なお、スイッチ制御部ＳＷＣは、不図示の指令入力部からスイッチ制御シーケンスの開始指令を受けると、スイッチ制御シーケンスを開始する。そして、スイッチ制御シーケンスの終了指令を受けると、スイッチ制御シーケンスを終了する。かかるスイッチ制御シーケンスにおいてスイッチ制御部ＳＷＣが生成するスイッチ制御信号ＳＣ１〜ＳＣ４により、スイッチＳ１〜Ｓ４のそれぞれのＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、図３（Ａ）〜（Ｃ）の動作モードの接続設定をすることができるようになっている。

図３（Ａ）には、充電モードの接続設定が示されている。この充電モードでは、キャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1が並列接続されて、合成キャパシタＣＳ₁が形成される。そして、合成キャパシタＣＳ₁の一方の端子が接地レベルに接続されるとともに、他方の端子が電源１１０の＋端子に接続される。かかる充電モードの接続設定がなされると、合成キャパシタＣＳ₁の他方の端子には、その電位が「Ｖ_E」となるまで、電源１１０から電流Ｉ₁が流れ込む。かかる充電モードの接続設定は、スイッチＳ１をＯＮ、スイッチＳ２をＯＦＦ、スイッチＳ３の全てをＯＮ、及び、スイッチＳ４の全てをＯＦＦとすることにより行われる。

なお、合成キャパシタＣＳ₁の静電容量ＣＳ１は、次の（１）式の通りとなる。
ＣＳ１＝（Ｎ−１）・Ｃ＝（Ｎ−１）²・ＣＭ …（１）

図３（Ｂ）には、放電モードの接続設定が示されている。この放電モードでは、キャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1が直列接続されて、合成キャパシタＣＳ₂が形成される。そして、合成キャパシタＣＳ₂の一方の端子が電源１１０の＋端子に接続されるとともに、他方の端子がＳＡ２００のａ端子に接続される。かかる放電モードの接続設定がなされると、合成キャパシタＣＳ₂の他方の端子の電位（すなわち、電圧Ｖ₂）と、ＳＡ２００の等価回路におけるキャパシタＣ_mの抵抗Ｒ_mとの接続側電極の電位とが同一となるまで、電流Ｉ₂が流れる。かかる充電モードの接続設定は、スイッチＳ１をＯＦＦ、スイッチＳ２をＯＮ、スイッチＳ３の全てをＯＦＦ、及び、スイッチＳ４の全てをＯＮとすることにより行われる。

なお、合成キャパシタＣＳ₂の静電容量ＣＳ２は、次の（２）式の通りとなる。
ＣＳ２＝Ｃ／（Ｎ−１）＝ＣＭ …（２）

図３（Ｃ）には、再充電モードの接続設定が示されている。この再充電モードでは、キャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1が並列接続されて、合成キャパシタＣＳ₁が形成される。そして、合成キャパシタＣＳ₁の一方の端子が接地レベルに接続されるとともに、他方の端子がＳＡ２００のａ端子に接続される。かかる再充電モードの接続設定がなされると、合成キャパシタＣＳ₁の他方の端子の電位（すなわち、電圧Ｖ₂）と、ＳＡ２００の等価回路におけるキャパシタＣ_mの抵抗Ｒ_mとの接続側電極の電位（すなわち、電圧Ｖ₃）とが同一となるまで、電流Ｉ₃が流れる。かかる充電モードの接続設定は、スイッチＳ１をＯＦＦ、スイッチＳ２をＯＮ、スイッチＳ３の全てをＯＮ、及び、スイッチＳ４の全てをＯＦＦとすることにより行われる。

［動作］
次に、上記のように構成された駆動回路１００の動作について、スイッチ制御部ＳＷＣによるスイッチＳ１〜Ｓ４のＯＮ／ＯＦＦ制御のシーケンスによるＳＡ２００の駆動に主に着目して説明する。

なお、当初においては、スイッチ制御部ＳＷＣは、スイッチ制御信号Ｓ１〜Ｓ４において「ＯＦＦ」を指定しており、スイッチＳ１〜Ｓ４の全てがＯＦＦとなっているものとする。また、ＳＡ２００のキャパシタＣ_mには電荷は殆ど蓄積されておらず、電圧Ｖ₃は「Ｖ_E」以下であるものとする。

図４に示される時刻ｔ₁₁において、上述した指令入力部からスイッチ制御シーケンスの開始指令を受けると、スイッチ制御部ＳＷＣが、スイッチ制御のシーケンスを開始する。かかるスイッチ制御のシーケンスに際して、スイッチ制御部ＳＷＣは、まず、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ３を生成し、スイッチＳ３の全てへ送る。この結果、スイッチＳ３の全て「ＯＮ」となり、図５（Ａ）に示される接続設定の状態となる。なお、図４に示されるように、この時点で上述した電圧Ｖ₁は「０」となる。

引き続き、スイッチ制御部ＳＷＣは、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ１を生成し、スイッチＳ１へ送る。この結果、スイッチＳ３の全てに加えてスイッチＳ１が「ＯＮ」となり、図５（Ｂ）に示される接続設定の状態、すなわち、上述した図３（Ａ）の充電モードの状態となる。

こうして充電モードの状態となると、合成キャパシタＣＳ₁の他方の端子には、電源１１０から電流Ｉ₁が流れ込む。この結果、合成キャパシタＣＳ₁を構成するキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1の全てに電荷が迅速に蓄積されて、図４に示されるように、瞬時に、合成キャパシタＣＳ₁の他方側端子の電位が「Ｖ_E」となる。

次いで、時刻ｔ₁₂となると、スイッチ制御部ＳＷＣは、まず、「ＯＦＦ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ１，ＳＣ３を生成し、スイッチＳ１及びスイッチＳ３の全てへ送る。この結果、キャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1に電荷が蓄積された状態で、スイッチＳ１〜Ｓ４の全てが一旦「ＯＦＦ」となる。

引き続き、スイッチ制御部ＳＷＣは、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ４を生成し、スイッチＳ４の全てへ送る。この結果、スイッチＳ４の全てが「ＯＮ」となり、図６（Ａ）に示される接続設定の状態となる。この結果、電圧Ｖ₁が瞬時に電圧Ｖ_Eとなるとともに、電圧Ｖ₃が瞬時に電圧Ｎ・Ｖ_Eとなる。

次に、スイッチ制御部ＳＷＣは、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ２を生成し、スイッチＳ２へ送る。スイッチＳ４の全てに加えてスイッチＳ２が「ＯＮ」となり、図６（Ｂ）に示される接続設定の状態、すなわち、上述した図３（Ｂ）の放電モードの状態となる。

こうして放電モードの状態となると、合成キャパシタＣＳ₂の他方の端子からＳＡ２００のａ端子へ向けて流れる電流Ｉ₂（ｔ）が発生する。この結果、合成キャパシタＣＳ₂からＳＡ２００のキャパシタＣ_mへの電荷移動が発生する。

上記の電流Ｉ₂（ｔ）は、本実施形態では、次の（３）式により表される。
Ｉ₂（ｔ）＝（Ｎ・Ｖ_E／ＲＭ）・ｅｘｐ［−２（ｔ−ｔ₁₂）／（ＣＭ・ＲＭ）］…（３）

この（３）式は、次の（４）式から得られる（５）式の微分方程式を解くことにより、導出される。

ＲＭ・（ｄＩ₂（ｔ）／ｄｔ）＋２・Ｉ₂（ｔ）／ＣＭ＝０ …（５）
なお、（３）式の導出には、上述した（２）式の関係が利用されている。

上述の（２）式からわかるように、電流Ｉ₂（ｔ）は、時定数（ＣＭ・ＲＭ／２）で減少していくので、電圧Ｖ₂（＝Ｖ₃）は、電圧（Ｎ・Ｖ_E）から時定数（ＣＭ・ＲＭ／２）で減少していく。こうした電圧Ｖ₂，Ｖ₃の変化の様子が、図４における時刻ｔ₁₂から時刻ｔ₁₃までの電圧Ｖ₂，Ｖ₃の変化として示されている。

こうして電圧Ｖ₂（＝Ｖ₃）が下降するとともに、ＳＡ２００内のキャパシタＣ_mと抵抗Ｒ_mとの接続点の電圧が上昇して、双方がほぼ電圧（Ｎ・Ｖ_E／２）となると、電流Ｉ₂は殆ど「０」となる。この結果、電圧Ｖ₂，Ｖ₃は殆ど変化しなくなる。

電圧Ｖ₂，Ｖ₃がほぼ電圧（Ｎ・Ｖ_E／２）となった後の時刻ｔ₁₃となると、スイッチ制御部ＳＷＣは、まず、「ＯＦＦ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ２，ＳＣ４を生成し、スイッチＳ２及びスイッチＳ４の全てへ送る。この結果、キャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1に電荷が蓄積された状態で、スイッチＳ１〜Ｓ４の全てが一旦「ＯＦＦ」となる。

引き続き、スイッチ制御部ＳＷＣは、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ３を生成し、スイッチＳ３の全てへ送る。この結果、スイッチＳ３の全て「ＯＮ」となり、図７（Ａ）に示される接続設定の状態となる。この結果、電圧Ｖ₁は瞬時に「０」となるとともに、電圧Ｖ₂は、「Ｖ_Ｅ／Ｎ−１」付近の低電圧となる。

次に、スイッチ制御部ＳＷＣは、「ＯＮ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ２を生成し、スイッチＳ２へ送る。スイッチＳ３の全てに加えてスイッチＳ２が「ＯＮ」となり、図７（Ｂ）に示される接続設定の状態、すなわち、上述した図３（Ｃ）の再充電モードの状態となる。

こうして再充電モードの状態となると、ＳＡ２００のａ端子から合成キャパシタＣＳ₁の他方の端子へ向けて流れる電流Ｉ₃（ｔ）が発生する。この結果、ＳＡ２００のキャパシタＣ_mから合成キャパシタＣＳ₁への電荷移動が発生する。

上記の電流Ｉ₃（ｔ）は、本実施形態では、次の（６）式により表される。
Ｉ₃（ｔ）≒Ａ・ｅｘｐ［−（ｔ−ｔ₁₃）／（ＣＴ・ＲＭ）］…（６）

ここで、静電容量ＣＴは、合成キャパシタＣＳ₁（静電容量：（Ｎ−１）²・ＣＭ）と、ＳＡ２００のキャパシタＣ_m（静電容量：ＣＭ）とを直列接続した合成キャパシタの静電容量であり、Ａは初期値であり、本実施形態では、次の（７）式の通りとなる。
ＣＴ＝ＣＳ１・ＣＭ／（ＣＳ１＋ＣＭ）
＝（Ｎ−１）²・ＣＭ／（１＋（Ｎ−１）²） …（７）
ここで、Ｎ≧３なので、電流Ｉ₃（ｔ）の時定数（ＣＴ・ＲＭ）は、上述した電流Ｉ₂（ｔ）の時定数（ＣＭ・ＲＭ／２）よりも大きく、かつ、その２倍（＝ＣＭ・ＲＭ）未満の値となる。

なお、（６）式は、再充電モードの場合における上述した（４）式に対応した式から得られる微分方程式を解くことにより、導出される。

上述の（６）式からわかるように、電流Ｉ₃（ｔ）は、時定数（ＣＴ・ＲＭ）で減少していくので、電圧Ｖ₂（＝Ｖ₃）は、「０」付近から時定数（ＣＴ・ＲＭ）で増加していく。この様子が、図４における時刻ｔ₁₃から時刻ｔ₁₄まで再充電モード期間の電圧Ｖ₂，Ｖ₃の変化として示されている。

こうして、電圧Ｖ₂（＝Ｖ₃）が上昇するとともに、ＳＡ２００内のキャパシタＣ_mと抵抗Ｒ_mとの接続点の電圧が上昇して、双方がほぼ同一電圧（＜Ｖ_E）となると、電流Ｉ₃は殆ど「０」となる。この結果、電圧Ｖ₂，Ｖ₃は殆ど変化しなくなる。

電圧Ｖ₂，Ｖ₃が殆ど変化しなくなった後の時刻ｔ₁₄となると、スイッチ制御部ＳＷＣは、「ＯＦＦ」を指定したスイッチ制御信号ＳＣ２，ＳＣ３を生成し、スイッチＳ２及びスイッチＳ３の全てへ送る。この結果、キャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1に電荷が蓄積された状態で、スイッチＳ１〜Ｓ４の全てが「ＯＦＦ」となる。

以上の時刻ｔ₁₁〜ｔ₁₄のスイッチ制御シーケンスを１サイクルのスイッチ制御シーケンスとして、１サイクルのスイッチ制御シーケンスの終了直後から、スイッチ制御部ＳＷＣは、新たなサイクルのスイッチ制御シーケンスを開始する。この結果、ＳＡ２００に周期的に変化する高電圧の交流電圧が印加されるので、ＳＡ２００が振動する。

なお、上述した放電モードにおけるＳＡ２００への印加電圧Ｖ₃の下降の時定数（＝ＣＭ・ＲＭ／２）、及び、再充電モードにおけるＳＡ２００への印加電圧Ｖ₃の上昇の時定数（＜ＣＭ・ＲＭ）が、ＳＡを振動させる周期（振動周期：すなわち、スイッチ制御シーケンスの１サイクル長）よりも圧倒的に短い場合には、充電モードの期間長をこれらの時定数よりも短くすることにより、図８に示されるように、殆どの期間を、ＳＡ２００への印加電圧が「Ｎ・Ｖ_E／２」付近の高電圧の期間、及び、ＳＡ２００への印加電圧が「Ｖ_E以下の一定電圧」の低圧の期間のいずれかとすることができる。例えば、静電容量ＣＭ＝１０００［ｐＦ］程度、抵抗値ＲＭ＝１０［Ω］程度のＳＡ２００を採用し、例えば、振動周期が数十［μｓ］のアラーム振動等の発生に用いる場合には、上述した時定数の双方が当該振動周期よりも、圧倒的に短くなる。こうした場合には、放電モードの期間長と再充電モードの期間長とを同一とすることにより、ＳＡ２００への印加電圧が「Ｎ・Ｖ_E／２」の高電圧の期間長と、ＳＡ２００への印加電圧が「Ｖ_E以下の一定電圧」の低圧の期間長との比、すなわちＤｕｔｙ比を実質的に１：１とすることができる。

以上説明したように、本実施形態では、スイッチドキャパシタ１２０を介して供給された通過電流により静電型アチュエータ（ＳＡ）２００に蓄積された電荷を、スイッチドキャパシタ１２０に再充電させる。このため、高電圧印加状態でＳＡ２００に蓄積された電荷が有効に利用され、ＳＡ２００の駆動時において、スイッチドキャパシタ１２０の充電の際の電源から供給される電荷量を抑制することができる。

したがって、本実施形態の駆動回路１００によれば、ＳＡ２００の駆動に際して、スイッチドキャパシタ１２０という、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）にも適した簡易な構成の回路を採用しつつ、消費電力を抑制することができる。

また、本実施形態の駆動回路１００では、スイッチドキャパシタ１２０が、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1と、電源１１０から当該複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1への充電を行う際に制御されるスイッチＳ１と、当該複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1に充電されている電荷のＳＡ２００への流し込みに際して制御されるＳ２とを備え、スイッチＳ１，Ｓ２のＯＮ／ＯＦＦをスイッチ制御部ＳＷＣが制御する。このため、電源１１０から複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1への充電を行う充電モード状態、及び、電源１００からの充電を行わずに、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_Nに充電されている電荷のＳＡ２００への流し込みを行う放電モード状態に加えて、電源１１０からの充電を行わずに、ＳＡ２００に蓄積された電荷を、スイッチドキャパシタ１２０の複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1のそれぞれに再充電させる再充電モード状態を作り出すことができる。

また、本実施形態の駆動回路１００では、スイッチドキャパシタ１２０が、スイッチＳ１，Ｓ２に加えて、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1を並列接続する際に制御されるスイッチＳ３と、スイッチＳ４とを備え、スイッチＳ１，Ｓ２のＯＮ／ＯＦＦをスイッチ制御部ＳＷＣが制御する。このため、充電モード状態、放電モード状態及び再充電モード状態のそれぞれにおける合成キャパシタを、並列接続された合成キャパシタＣＳ₁とするか、又は、直列接続された合成キャパシタＣＳ₂とするかを制御することができる。

また、本実施形態の駆動回路１００では、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1が並列接続されている状態で、電源１１０から当該複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1への充電を行う。このため、低電圧出力の電源１１０から複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1への充電を行うことができるので、電源１１０として、小型電池等を採用することができる。

また、本実施形態の駆動回路１００では、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1が直列接続されている状態で、当該複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1に充電されている電荷のＳＡ２００への流し込みを行う。このため、低電圧出力の電源１００から複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1への充電を行った後、充電された複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1を直列接続に変更することで高電圧を発生させて、ＳＡ２００への電荷の流し込みを行うようにすることができる。

また、本実施形態の駆動回路１００では、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1が並列接続されている状態で、当該複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1のそれぞれへのＳＡ２００に蓄積されている電荷の再充電を行う。このため、高電圧の印加によりＳＡ２００に蓄積されている電荷を、効率良く、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1のそれぞれへ再充電できる。

また、本実施形態の駆動回路１００では、まず、充電モードにおいて、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1が並列接続されている状態で、電源１１０から複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1への充電を行う。引き続き、放電モードにおいて、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1が直列接続されている状態で、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1に充電されている電荷のＳＡ２００への流し込みを行う。そして、再充電モードにおいて、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1が並列接続されている状態で、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1へのＳＡ２００に蓄積されている電荷の再充電を行う。このため、ＳＡ２００の駆動に際して、スイッチドキャパシタ１２０という簡易な構成の回路を採用しつつ、消費電力を抑制することができる。

また、本実施形態の駆動回路１００では、充電モード、放電モード及び再充電モードの順次実行を１サイクルとして、当該１サイクルの動作を繰り返す。したがって、消費電力を抑制しつつ、ＳＡ２００の振動させることができる。

［実施形態の変形］
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

例えば、上記の実施形態では、放電モードにおいて、複数のキャパシタＣ₁〜Ｃ_N-1が直列接続された合成キャパシタＣＳ₂の一方の端子が電源１１０の＋端子に接続されるようにしたが、接地レベルに接続されるようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、合成キャパシタＣＳ₂の静電容量ＣＳ２が、ＳＡ２００の等価回路におけるキャパシタＣ_mの静電容量ＣＭと一致するようにしたが、互いに異なる静電容量としてもよい。

また、上述した図８では、ＳＡ２００への印加電圧が「Ｎ・Ｖ_E／２」の高電圧の期間長と、ＳＡ２００への印加電圧が「Ｖ_E以下の一定電圧」の低圧の期間長との比が実質的に１：１とする場合を例示したが、当該比を１：１とは異なるようにしてもよい。

以下に、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲に記載した発明を付記する。
付記に記載した請求項の項番は、この出願の願書に最初に添付した特許請求の範囲の通りである。

［付記］
＜請求項１＞
静電型アクチュエータの駆動回路であって、
電源と、
スイッチドキャパシタと、を備え、
前記スイッチドキャパシタを介して供給された通過電流により前記静電型アチュエータに蓄積された電荷を、前記スイッチドキャパシタに再充電する、
ことを特徴とする駆動回路。
＜請求項２＞
前記スイッチドキャパシタは、
複数のキャパシタと、
前記電源から前記複数のキャパシタへの充電を行う際に制御される第１のスイッチと、
前記複数のキャパシタに充電されている電荷の前記静電型アクチュエータへの流し込みに際して制御される第２のスイッチと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
＜請求項３＞
前記スイッチドキャパシタは、
前記複数のキャパシタを並列接続する際に制御される第３のスイッチと、
前記複数のキャパシタを直列接続する際に制御される第４のスイッチと、
を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の駆動回路。
＜請求項４＞
前記スイッチドキャパシタは、
前記複数のキャパシタが並列接続されている状態で、前記電源から前記複数のキャパシタへの充電を行う第１の制御手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の駆動回路。
＜請求項５＞
前記第１の制御手段は、前記第２のスイッチがＯＦＦ、前記第３のスイッチがＯＮ、及び、前記第４のスイッチがＯＦＦの状態で、前記第１のスイッチをＯＮに制御することを特徴とする請求項４に記載の駆動回路。
＜請求項６＞
前記スイッチドキャパシタは、
前記複数のキャパシタが直列接続されている状態で、前記複数のキャパシタに充電されている電荷の前記静電型アクチュエータへの流し込みを行う第２の制御手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の駆動回路。
＜請求項７＞
前記第２の制御手段は、前記第１のスイッチがＯＦＦ、前記第３のスイッチがＯＦＦ、及び、前記第４のスイッチがＯＮの状態で、前記第２のスイッチをＯＮに制御することを特徴とする請求項６に記載の駆動回路。
＜請求項８＞
前記スイッチドキャパシタは、
前記複数のキャパシタが並列接続されている状態で、前記複数のキャパシタへの前記静電型アクチュエータに蓄積されている電荷の再充電を行う第３の制御手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の駆動回路。
＜請求項９＞
前記第３の制御手段は、前記第１のスイッチがＯＦＦ、前記第３のスイッチがＯＮ、及び、前記第４のスイッチがＯＦＦの状態で、前記第２のスイッチをＯＮに制御することを特徴とする請求項８に記載の駆動回路。
＜請求項１０＞
電源とスイッチドキャパシタを備えた静電型アクチュエータの駆動方法であって、
前記スイッチドキャパシタを介して供給された通過電流により前記静電型アチュエータに蓄積された電荷を、前記スイッチドキャパシタに再充電する、
ことを特徴とする駆動方法。
＜請求項１１＞
前記スイッチドキャパシタが、複数のキャパシタと、前記電源から前記複数のキャパシタへの充電を行う際に制御される第１のスイッチと、前記複数のキャパシタに充電されている電荷の静電型アクチュエータへの流し込みに際して制御される第２のスイッチと、前記複数のキャパシタを並列接続する際に制御される第３のスイッチと、前記複数のキャパシタを直列接続する際に制御される第４のスイッチと、を備え、前記スイッチドキャパシタを介して供給された通過電流により前記静電型アチュエータに蓄積された電荷を、前記スイッチドキャパシタに再充電させる駆動回路において使用される静電型アクチュエータの駆動方法であって、
前記複数のキャパシタが並列接続されている状態で、前記電源から前記複数のキャパシタへの充電を行う第１のステップと、
前記複数のキャパシタが直列接続されている状態で、前記複数のキャパシタに充電されている電荷の前記静電型アクチュエータへの流し込みを行う第２のステップと、
前記複数のキャパシタが並列接続されている状態で、前記複数のキャパシタへの前記静電型アクチュエータに蓄積されている電荷の再充電を行う第３のステップと、
を備えることを特徴とする請求項１０に記載の駆動方法。
＜請求項１２＞
前記第１のステップ、前記第２のステップ及び前記第３のステップの順次実行を１サイクルとして、前記１サイクルを繰り返することにより、前記静電型アクチュエータの振動を発生させる、ことを特徴とする請求項１１に記載の駆動方法。

１００ … 駆動回路
１１０ … 電源
１２０ … スイッチドキャパシタ
２００ … 静電型アクチュエータ
３００ … 交流電源
ＤＬ … 誘電体
ＥＰａ，ＥＰｂ … 平板電極
Ｃ₁〜Ｃ_N-1 … キャパシタ
Ｓ１ … スイッチ（第１のスイッチ）
Ｓ２ … スイッチ（第２のスイッチ）
Ｓ３ … スイッチ（第３のスイッチ）
Ｓ４ … スイッチ（第４のスイッチ）
ＳＷＣ … スイッチ制御部

Claims (12)

1. 静電型アクチュエータの駆動回路であって、
   電源と、
   スイッチドキャパシタと、を備え、
   前記スイッチドキャパシタを介して供給された通過電流により前記静電型アチュエータに蓄積された電荷を、前記スイッチドキャパシタに再充電する、
   ことを特徴とする駆動回路。
2. 前記スイッチドキャパシタは、
   複数のキャパシタと、
   前記電源から前記複数のキャパシタへの充電を行う際に制御される第１のスイッチと、
   前記複数のキャパシタに充電されている電荷の前記静電型アクチュエータへの流し込みに際して制御される第２のスイッチと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記スイッチドキャパシタは、
   前記複数のキャパシタを並列接続する際に制御される第３のスイッチと、
   前記複数のキャパシタを直列接続する際に制御される第４のスイッチと、
   を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の駆動回路。
4. 前記スイッチドキャパシタは、
   前記複数のキャパシタが並列接続されている状態で、前記電源から前記複数のキャパシタへの充電を行う第１の制御手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の駆動回路。
5. 前記第１の制御手段は、前記第２のスイッチがＯＦＦ、前記第３のスイッチがＯＮ、及び、前記第４のスイッチがＯＦＦの状態で、前記第１のスイッチをＯＮに制御することを特徴とする請求項４に記載の駆動回路。
6. 前記スイッチドキャパシタは、
   前記複数のキャパシタが直列接続されている状態で、前記複数のキャパシタに充電されている電荷の前記静電型アクチュエータへの流し込みを行う第２の制御手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の駆動回路。
7. 前記第２の制御手段は、前記第１のスイッチがＯＦＦ、前記第３のスイッチがＯＦＦ、及び、前記第４のスイッチがＯＮの状態で、前記第２のスイッチをＯＮに制御することを特徴とする請求項６に記載の駆動回路。
8. 前記スイッチドキャパシタは、
   前記複数のキャパシタが並列接続されている状態で、前記複数のキャパシタへの前記静電型アクチュエータに蓄積されている電荷の再充電を行う第３の制御手段を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の駆動回路。
9. 前記第３の制御手段は、前記第１のスイッチがＯＦＦ、前記第３のスイッチがＯＮ、及び、前記第４のスイッチがＯＦＦの状態で、前記第２のスイッチをＯＮに制御することを特徴とする請求項８に記載の駆動回路。
10. 電源とスイッチドキャパシタを備えた静電型アクチュエータの駆動方法であって、
    前記スイッチドキャパシタを介して供給された通過電流により前記静電型アチュエータに蓄積された電荷を、前記スイッチドキャパシタに再充電する、
    ことを特徴とする駆動方法。
11. 前記スイッチドキャパシタが、複数のキャパシタと、前記電源から前記複数のキャパシタへの充電を行う際に制御される第１のスイッチと、前記複数のキャパシタに充電されている電荷の静電型アクチュエータへの流し込みに際して制御される第２のスイッチと、前記複数のキャパシタを並列接続する際に制御される第３のスイッチと、前記複数のキャパシタを直列接続する際に制御される第４のスイッチと、を備え、前記スイッチドキャパシタを介して供給された通過電流により前記静電型アチュエータに蓄積された電荷を、前記スイッチドキャパシタに再充電させる駆動回路において使用される静電型アクチュエータの駆動方法であって、
    前記複数のキャパシタが並列接続されている状態で、前記電源から前記複数のキャパシタへの充電を行う第１のステップと、
    前記複数のキャパシタが直列接続されている状態で、前記複数のキャパシタに充電されている電荷の前記静電型アクチュエータへの流し込みを行う第２のステップと、
    前記複数のキャパシタが並列接続されている状態で、前記複数のキャパシタへの前記静電型アクチュエータに蓄積されている電荷の再充電を行う第３のステップと、
    を備えることを特徴とする請求項１０に記載の駆動方法。
12. 前記第１のステップ、前記第２のステップ及び前記第３のステップの順次実行を１サイクルとして、前記１サイクルを繰り返することにより、前記静電型アクチュエータの振動を発生させる、ことを特徴とする請求項１１に記載の駆動方法。

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