JP3146447B1 - Driving method and driving device for piezoelectric actuator - Google Patents

Driving method and driving device for piezoelectric actuator

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JP3146447B1
JP3146447B1 JP31477499A JP31477499A JP3146447B1 JP 3146447 B1 JP3146447 B1 JP 3146447B1 JP 31477499 A JP31477499 A JP 31477499A JP 31477499 A JP31477499 A JP 31477499A JP 3146447 B1 JP3146447 B1 JP 3146447B1
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研吾 沖田
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Kawasaki Motors Ltd
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Kawasaki Jukogyo KK
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Abstract

【要約】 【課題】 電源ユニットを小型化することによって、装
置全体を小型化することができる圧電アクチュエータの
駆動方法および駆動装置を提供する。 【解決手段】 印加される電圧の極性変化が許されない
圧電素子100A,100B,100Cを用いてなる圧
電アクチュエータ1において、直流電源から所定周波数
の交流電圧を生成し、ついで前記交流電圧に重畳された
場合に電圧の極性の変化が無くなるような大きさを有す
るバイアス用直流電圧を生成し、前記交流電圧と前記バ
イアス用直流電圧とを重畳して前記圧電素子100A,
100B,100Cを駆動するものである。
Provided is a driving method and a driving device for a piezoelectric actuator, in which a power supply unit is reduced in size, whereby the entire device can be reduced in size. SOLUTION: In a piezoelectric actuator 1 using piezoelectric elements 100A, 100B, 100C in which a change in polarity of an applied voltage is not allowed, an AC voltage of a predetermined frequency is generated from a DC power supply, and is then superimposed on the AC voltage. In this case, a bias DC voltage having a magnitude that eliminates a change in the polarity of the voltage is generated, and the AC voltage and the bias DC voltage are superimposed on each other so that the piezoelectric elements 100A,
100B and 100C are driven.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は圧電アクチュエータ
の駆動方法および駆動装置に関する。さらに詳しくは、
印加される電圧の極性変化が許されない圧電素子を用い
てなる圧電アクチュエータに適する駆動方法および駆動
装置に関する。
The present invention relates to a driving method and a driving device for a piezoelectric actuator. For more information,
The present invention relates to a driving method and a driving device suitable for a piezoelectric actuator using a piezoelectric element that does not allow a change in polarity of an applied voltage.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、ボールジョイントの角度調
節、X・Yステージの位置決め、レンズ・ミラーの精密
な角度調節および位置決め、各種分析機器や小型精密機
械における精密位置決めを行うために、圧電素子を駆動
素子とする圧電アクチュエータが使用されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, piezoelectric elements have been used to adjust the angle of a ball joint, the positioning of an XY stage, the precise angle adjustment and positioning of a lens and a mirror, and the precise positioning of various analytical instruments and small precision machines. A piezoelectric actuator as a driving element is used.

【0003】図20にこのような従来の圧電アクチュエ
ータの概略構成を示す。この圧電アクチュエータ10´
は、印加される電圧に応じて伸縮する圧電素子11´
と、圧電アクチュエータ10´への操作に応じた信号を
出力する操作部12´と、操作部12´からの信号に応
じて生成される正弦波形の電圧を圧電素子11´に印加
して、圧電アクチュエータ10´を駆動する駆動回路1
3´とから構成されている。
FIG. 20 shows a schematic structure of such a conventional piezoelectric actuator. This piezoelectric actuator 10 '
Is a piezoelectric element 11 'that expands and contracts according to the applied voltage.
And an operation unit 12 ′ that outputs a signal corresponding to an operation to the piezoelectric actuator 10 ′, and a sine waveform voltage generated in accordance with a signal from the operation unit 12 ′ is applied to the piezoelectric element 11 ′, and Drive circuit 1 for driving actuator 10 '
3 '.

【0004】操作部12´は圧電アクチュエータ10´
への操作に応じた周波数、振幅、位相の正弦波信号を作
成指令を駆動回路13´に発する。駆動回路13´は、
操作部12´からの作成指令に応じて正弦波発生回路1
4´により正弦波信号を生成し、この正弦波信号をリニ
アアンプ15´により増幅し、圧電素子11´に印加す
る。
[0004] An operation unit 12 'is a piezoelectric actuator 10'.
A command to generate a sine wave signal having a frequency, an amplitude, and a phase corresponding to the operation to the drive circuit 13 'is issued. The drive circuit 13 ′
Sine wave generation circuit 1 in response to a creation command from operation unit 12 '
4 ', a sine wave signal is generated, and the sine wave signal is amplified by the linear amplifier 15' and applied to the piezoelectric element 11 '.

【0005】ところが、この従来の圧電アクチュエータ
10´の駆動方法では、正弦波発生回路14´により生
成された微小な正弦波信号をリニアアンプ15´により
増幅して圧電素子11´に印加する構成であるため、歪
みのない正弦波形の電圧を圧電素子11´に印加するの
が容易ではないという問題がある。
However, the conventional method of driving the piezoelectric actuator 10 'has a configuration in which a minute sine wave signal generated by the sine wave generation circuit 14' is amplified by the linear amplifier 15 'and applied to the piezoelectric element 11'. Therefore, there is a problem that it is not easy to apply a sine waveform voltage without distortion to the piezoelectric element 11 '.

【0006】すなわち、圧電素子11´は早い応答速度
で伸縮させようとするとき、パルス状の電圧印加による
駆動ではパルスの切り替え時に圧電素子に流れる電流が
過大となり、その結果圧電素子に過大な応力が発生し、
場合によっては圧電素子が破壊されることがある。この
ため、圧電素子11´に印加される電圧波形は、周波
数、振幅、位相の正確な歪みの少ない正弦波であること
が要求される。
That is, when the piezoelectric element 11 'is to be expanded and contracted at a high response speed, the current flowing through the piezoelectric element when switching the pulse becomes excessive when driving by applying a pulsed voltage, and as a result, excessive stress is applied to the piezoelectric element. Occurs,
In some cases, the piezoelectric element may be destroyed. For this reason, the voltage waveform applied to the piezoelectric element 11 'is required to be a sine wave with accurate frequency, amplitude, and phase with little distortion.

【0007】また、圧電素子11´は容量性の素子であ
るため、印加された電圧の位相に対して、これに流れる
電流の位相は90°近く進みの位相になり、印加する電
圧および電流の大きさに比して有効電力が小さくなり、
これによって伸縮の度合いも小さくなる。このため、圧
電素子11´を安定にかつ大きく変形させるためには、
正確な波形の正弦波信号を生成する正弦波発生器と、高
出力かつ低歪みの増幅特性を有するリニアアンプ15´
が必要とされる。
Further, since the piezoelectric element 11 'is a capacitive element, the phase of the current flowing therethrough is advanced by about 90 ° with respect to the phase of the applied voltage. The active power is smaller than the size,
This also reduces the degree of expansion and contraction. Therefore, in order to deform the piezoelectric element 11 ′ stably and largely,
A sine wave generator for generating a sine wave signal having an accurate waveform, and a linear amplifier 15 'having high output and low distortion amplification characteristics
Is required.

【0008】ところが一般に、リニアアンプ15´は、
出力電流を大きくするとコレクタ損失が大きくなって発
熱が増加するため、高出力かつ低歪みの増幅特性を得よ
うとすると、リニアアンプ15´を大型化する必要があ
り、したがって駆動回路を含む電源ユニットが大型化す
る。さらには、この構成では正弦波信号を生成するため
の正弦波発生回路が別途必要であるという難点もある。
In general, however, the linear amplifier 15 '
When the output current is increased, the collector loss is increased and the heat generation is increased. Therefore, in order to obtain a high output and low distortion amplification characteristic, the linear amplifier 15 'needs to be increased in size. Becomes larger. Further, this configuration has a disadvantage that a sine wave generation circuit for generating a sine wave signal is separately required.

【0009】このように、従来のアクチュエータでは、
その駆動回路にリニアアンプを用いているため、圧電素
子の寸法およびその機械的な出力に比して電源ユニット
が大型になるという問題がある。
Thus, in the conventional actuator,
Since the linear amplifier is used in the drive circuit, there is a problem that the power supply unit becomes large in comparison with the size of the piezoelectric element and its mechanical output.

【0010】さらには、近年、圧電素子を単体ではなく
複数用いた圧電アクチュエータの研究・開発が盛んにな
ってきているが、このような圧電アクチュエータでは圧
電素子に対応する数の駆動回路を用意する必要があり、
電源ユニットがますます大型化するという問題がある。
Furthermore, in recent years, research and development of a piezoelectric actuator using a plurality of piezoelectric elements instead of a single element have been actively conducted. In such a piezoelectric actuator, a number of drive circuits corresponding to the number of piezoelectric elements are prepared. Need
There is a problem that the power supply unit becomes larger and larger.

【0011】なお、圧電アクチュエータの駆動方式とし
てPWM駆動方式も考えられるが、波形が歪みやすいと
いう問題があり、その歪みを解消しようとすると、駆動
用トランジスタに高性能のものが要求され、駆動装置の
高コスト化を招来するという別の問題を生ずる。
Although a PWM driving method is conceivable as a driving method of the piezoelectric actuator, there is a problem that the waveform is easily distorted, and in order to eliminate the distortion, a driving transistor having a high performance is required. This causes another problem that the cost of the device is increased.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来技
術の課題に鑑みなされたものであって、電源ユニットを
小型化することによって、装置全体を小型化することが
できる圧電アクチュエータの駆動方法および駆動装置を
提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and a method of driving a piezoelectric actuator which can reduce the size of the entire apparatus by reducing the size of a power supply unit. It is an object to provide a driving device.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の圧電アクチュエ
ータの駆動方法は、印加される電圧の極性変化が許され
ない圧電素子を用いてなる圧電アクチュエータの駆動方
法であって、直流電源から所定周波数の交流電圧をPW
M駆動方式によって生成しかつ前記PWM駆動方式によ
って生じる出力素子のスイッチングによる波形歪みを圧
電素子駆動装置回路中にチョ−クコイルを付加すること
によって改善し、ついで前記交流電圧に重畳された場合
に電圧の極性の変化が無くなるような大きさを有するバ
イアス用直流電圧を生成し、前記交流電圧と前記バイア
ス用直流電圧とを重畳して前記圧電素子を駆動すること
を特徴とする。
A method of driving a piezoelectric actuator according to the present invention is a method of driving a piezoelectric actuator using a piezoelectric element in which the polarity of an applied voltage is not allowed to change. AC voltage PW
Generated by the M driving method and by the PWM driving method.
Waveform distortion caused by output element switching
Adding a choke coil in the drive circuit
Improved by, then the generated bias DC voltage having a polarity change is eliminated such magnitude of the voltage when it is superimposed on the AC voltage, wherein by superimposing said AC and DC voltages for the bias It is characterized by driving a piezoelectric element.

【0014】[0014]

【0015】また、本発明の圧電アクチュエータの駆動
方法においては、スイッチング歪みが充分除去されるこ
とと、チョ−クコイルを含めた圧電アクチュエ−タのイ
ンピ−ダンスを誘導性にしてPWM駆動を行う出力素子
の負担を軽減することが望ましい。その場合、例えば前
記チョ−クコイルのインダクタンスが、実質的に下記式
を満足するように設定される。
Further, in the driving method of the piezoelectric actuator of the present invention, the switching distortion is sufficiently removed, and the output for performing the PWM driving by making the impedance of the piezoelectric actuator including the choke coil inductive is provided. It is desirable to reduce the load on the element. In that case, for example, the inductance of the choke coil is set so as to substantially satisfy the following expression.

【0016】Lh=2/(ω2(C0+C1)) ここに、 Lh:チョークコイルのインダクタンス ω:電源角周波数 C0:圧電素子の電気的特性部の等価静電容量 C1:圧電素子の機械的特性部の等価静電容量[0016] L h = 2 / (ω 2 (C0 + C1)) Here, L h: a choke coil inductance omega: power supply angular frequency C0: the equivalent capacitance of the electrical characteristics of the piezoelectric element C1: the piezoelectric element mechanically Capacitance of the characteristic part

【0017】 一方、本発明の圧電アクチュエータの駆
動装置は、印加される電圧の極性変化が許されない圧電
素子を用いてなる圧電アクチュエータの駆動装置であっ
て、直流電源から、所定周波数の交流電圧をPWM駆動
方式によって生成しかつ前記PWM駆動方式によって生
じる出力素子のスイッチングによる波形歪みを圧電素子
駆動装置回路中にチョ−クコイルを配設することによっ
て改善し、ついで前記交流電圧に重畳された場合に電圧
の極性の変化が無くなるような大きさを有するバイアス
用直流電圧を生成し、前記交流電圧と前記バイアス用直
流電圧とを重畳して前記圧電素子を駆動するように回路
構成がなされていることを特徴とする。
On the other hand, a driving device for a piezoelectric actuator according to the present invention is a driving device for a piezoelectric actuator using a piezoelectric element in which the polarity of an applied voltage is not allowed to change, and an AC voltage having a predetermined frequency is supplied from a DC power supply. PWM drive
Raw by generating and the PWM driving method by method
Piezoelectric element eliminates waveform distortion due to switching of output element
By providing a choke coil in the drive circuit,
Improving Te, then the generated bias DC voltage having a polarity change is eliminated such magnitude of the voltage when it is superimposed on the AC voltage, wherein by superimposing said AC and DC voltages for the bias The circuit is configured to drive the piezoelectric element.

【0018】[0018]

【0019】また、本発明の圧電アクチュエ−タの駆動
装置においては、スイッチング歪みが充分除去されるこ
とと、チョ−クコイルを含めた圧電アクチュエ−タのイ
ンピ−ダンスを誘導性にしてPWM駆動を行う出力素子
の負担を軽減することが望ましい。その場合、例えば前
記チョ−クコイルのインダクタンスが、実質的に下記式
を満足するように設定される。
In the driving apparatus for a piezoelectric actuator according to the present invention, the switching distortion is sufficiently removed, and the PWM driving is performed by making the impedance of the piezoelectric actuator including the choke coil inductive. It is desirable to reduce the load on the output element. In that case, for example, the inductance of the choke coil is set so as to substantially satisfy the following expression.

【0020】Lh=2/(ω2(C0+C1)) ここに、 Lh:チョークコイルのインダクタンス ω:電源角周波数 C0:圧電素子の電気的特性部の等価静電容量 C1:圧電素子の機械的特性部の等価静電容量 しかして、前記駆動装置は、圧電アクチュエ−タに搭載
される。
[0020] L h = 2 / (ω 2 (C0 + C1)) Here, L h: a choke coil inductance omega: power supply angular frequency C0: the equivalent capacitance of the electrical characteristics of the piezoelectric element C1: the piezoelectric element mechanically Therefore, the driving device is mounted on a piezoelectric actuator.

【0021】[0021]

【作用】本発明は前記の如く構成されているので、大き
なリニアアンプを用いることなく、所定周波数の直流電
圧を圧電素子に印加できる。そのため、圧電アクチュエ
ータの電源ユニットを小型化できる。それに伴い、圧電
アクチュエータ全体を小型化することができる。
According to the present invention, a DC voltage having a predetermined frequency can be applied to the piezoelectric element without using a large linear amplifier. Therefore, the power supply unit of the piezoelectric actuator can be downsized. Accordingly, the size of the entire piezoelectric actuator can be reduced.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかか
る実施形態のみに限定されるものではない。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.
The present invention will be described based on embodiments, but the present invention is not limited to only such embodiments.

【0023】本発明の原理 図1に本発明の振動子に用いられる圧電素子Pのインピ
ーダンス特性を示す。この圧電素子Pは、図1に示すよ
うに、共振角周波数ωrまではインピーダンスが低下
し、そして共振角周波数ωrを過ぎると逆にインピーダ
ンスが増加し、ついで反共振角周波数ωarに到達する
と、逆にインピーダンスが低下するという特性を有して
いる。なお、この共振角周波数ωrおよび反共振角周波
数ωarは、主として圧電素子Pの機械的な共振特性によ
り決定される。
FIG. 1 shows the impedance characteristics of the piezoelectric element P used in the vibrator of the present invention. The piezoelectric element P, as shown in FIG. 1, to the resonance angular frequency omega r impedance is lowered, and the impedance conversely increases past the resonance angular frequency omega r, then reaches the antiresonance angular frequency omega ar Then, on the contrary, there is a characteristic that the impedance is reduced. Note that the resonance angular frequency ω r and the anti-resonance angular frequency ω ar are determined mainly by the mechanical resonance characteristics of the piezoelectric element P.

【0024】図2にかかるインピーダンス特性を有する
圧電素子Pの等価回路図を示す。図2に示す等価回路
は、電気的特性を表す電気的特性部と、機械的特性を表
す機械的特性部とを並列接続してなるものとされる。電
気的特性部は、具体的にはコンデンサC0と抵抗Rdとを
並列接続してなるものとされ、また機械的特性部は、具
体的にはインダクタンスLとコンデンサC1’と抵抗RM
とを直列接続してなるものとされる。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the piezoelectric element P having the impedance characteristic according to the present invention. The equivalent circuit shown in FIG. 2 is configured by connecting an electrical characteristic unit representing electrical characteristics and a mechanical characteristic unit representing mechanical characteristics in parallel. Electrical Characteristics section is specifically are those formed by parallel connection of the capacitor C 0 and resistor R d, also the mechanical properties section, resistance in particular the inductance L and the capacitor C 1 'R M
Are connected in series.

【0025】しかして、本発明は圧電素子Pを結合させ
てなる振動子により物体の動きを制御するものであるか
ら、制御性を確保するために機械的な共振や反共振が生
ずる周波数帯域では使用することはない。そのため、図
2に示す等価回路は、図3に示す等価回路に簡略化する
ことができる。すなわち、機械的特性部をコンデンサC
1と抵抗RMとの並列接続と簡略化できる。
However, in the present invention, the movement of an object is controlled by a vibrator formed by coupling the piezoelectric elements P. Therefore, in order to ensure controllability, the frequency band where mechanical resonance or anti-resonance occurs is required. Not used. Therefore, the equivalent circuit shown in FIG. 2 can be simplified to the equivalent circuit shown in FIG. That is, the mechanical characteristic portion is changed to the capacitor C
1 and can be connected in parallel and simplification of the resistor R M.

【0026】次に、図4を参照しながら、かかるインピ
ーダンス特性を有する圧電素子Pの駆動原理について説
明する。
Next, the driving principle of the piezoelectric element P having such impedance characteristics will be described with reference to FIG.

【0027】なお、図4に示す回路において、電源電圧
は高周波の交流電圧に直流電圧が重畳されて極性が変化
しないような電圧とされている。また、インダクタンス
は、いわゆるチョークコイルLcとされている。そのた
め、このインダクタンスの大きさは、図5に示すチョー
クコイルLcがない状態の電流が圧電素子Pに供給され
るように設定される必要がある。というのは、そのよう
な電流が流れた場合に、圧電素子に所定の駆動力が得ら
れるからである。ここではその算出過程は省略するが、
チョークコイルLcのインダクタンスLhは下記式を実
質的に満足するように設定されれば、実用上問題はな
い。
In the circuit shown in FIG. 4, the power supply voltage is such that the DC voltage is superimposed on the high-frequency AC voltage so that the polarity does not change. The inductance is a so-called choke coil Lc. Therefore, the magnitude of this inductance needs to be set so that the current without the choke coil Lc shown in FIG. 5 is supplied to the piezoelectric element P. This is because when such a current flows, a predetermined driving force is obtained in the piezoelectric element. Here, the calculation process is omitted,
If the inductance L h of the choke coil Lc is set to substantially satisfy the following equation, practically no problem.

【0028】Lh=2/(ω2(C0+C1)) ここに、ωは電源角周波数、C0は電気的特性部の等価
静電容量、C1は機械的特性部の等価静電容量である。
[0028] L h = 2 / (ω 2 (C0 + C1)) Here, omega is power supply angular frequency, C0 is equivalent capacitance of the electrical characteristic part, C1 is the equivalent capacitance of the mechanical properties section.

【0029】しかして、圧電素子Pの機械的特性部を構
成しているRC部分に高周波電流が供給されると、RC
部分が高周波電流により振動させられて駆動力が発生す
る。
When a high-frequency current is supplied to the RC portion forming the mechanical characteristic portion of the piezoelectric element P,
The portion is vibrated by the high-frequency current to generate a driving force.

【0030】以下、本発明を具体的に説明する。Hereinafter, the present invention will be described specifically.

【0031】実施形態1 本発明の実施形態1に係る圧電アクチュエータを図6〜
図8に示す。図6は本発明の実施形態1に係る圧電アク
チュエータを内蔵するボールジョイントの概略図であ
り、図7はこのボールジョイントの動作原理を説明する
説明図であり、図8は全体ブロック図である。
Embodiment 1 FIGS. 6 to 6 show a piezoelectric actuator according to Embodiment 1 of the present invention.
As shown in FIG. FIG. 6 is a schematic diagram of a ball joint having a built-in piezoelectric actuator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating the operation principle of the ball joint. FIG. 8 is an overall block diagram.

【0032】ボールジョイント50は、ボールジョイン
トの球体510を収納している球体収納部材520内に
所定配列により配設された3個の振動子10の各先端部
101が球体510に当接され、この当接状態を維持す
るためにこの球体510は、同じく球体収納部材520
内に所定配列により配設された複数個のバネ部材530
により、振動子10方向に付勢され、そして前記振動子
10により球体510が任意方向に回転されるように構
成されている。
In the ball joint 50, the tip portions 101 of three vibrators 10 arranged in a predetermined arrangement in a sphere housing member 520 housing the sphere 510 of the ball joint are brought into contact with the sphere 510, In order to maintain this contact state, the sphere 510 is similarly placed in the sphere storage member 520.
A plurality of spring members 530 arranged in a predetermined arrangement therein
Thus, the vibrator 10 is urged in the direction of the vibrator 10 and the vibrator 10 rotates the sphere 510 in an arbitrary direction.

【0033】球体510のサイズはボールジョイント5
0の使用目的に応じて適宜選択される。また、その材質
も同様にボールジョイント50の使用目的に応じて適宜
選択されるが、振動子10より発生する回転力が有効に
伝達される点、振動子10との接触部の磨耗や変形を防
ぐ点を考慮して、セラミックスや硬質メッキを施した金
属を用いるのが好ましい。
The size of the sphere 510 is the ball joint 5
0 is appropriately selected according to the purpose of use. The material of the ball joint 50 is also appropriately selected in accordance with the purpose of use of the ball joint 50. In consideration of prevention, it is preferable to use ceramics or hard-plated metal.

【0034】前記3個の振動子10は、その先端部10
1が同一円周上に配置されさえしなければ、その配置関
係には特に限定はないが、駆動方向による能力を均一に
するために、間隔が均等となる関係位置にて配設される
のが好ましい。本発明においては、振動子10の個数は
3個に限定されるものではなく、制御系の制約がない場
合においては4個以上とされてよい。
The three vibrators 10 have their tip portions 10
As long as the 1s are not arranged on the same circumference, the arrangement relationship is not particularly limited. However, in order to make the performance in the driving direction uniform, they are arranged at a position where the intervals are equal. Is preferred. In the present invention, the number of vibrators 10 is not limited to three, and may be four or more when there is no restriction on the control system.

【0035】この振動子10は、3個の圧電素子100
A,100B,100Cの先端部が結合されて一体化さ
れてなるものとされ、またその結合部が振動子10の先
端部101を形成している。この圧電素子100A,1
00B,100Cは、例えば、PT、PZT、PLZ
T、およびPZTを基にした三成分系圧電材料などの積
層された圧電セラミックスからなる。また、その形状お
よびサイズは、ボールジョイント50の使用目的に応じ
て適宜選択されるが、振動子10として一体化された場
合にその先端部101において有効な回転力が発生され
る点(図2参照)、各方向に均等に運動を生じさせられ
る点などを考慮して、正三角錐の頂点を中心とする3本
の綾の位置に圧電素子が配設されるのが好ましい。圧電
素子の先端部は、前述したように圧電素子100A、1
00B、100Cから発生した振動が、球体510への
有効な駆動力となるよう先端部で一体に結合されてお
り、ボールジョイント50との接触部である先端部10
1の先端は、磨耗や破損を防ぐため平面あるいは球面形
状として接触面積を大きくし、また駆動力を効果的に伝
達するため、例えば表面に金属をコーティングされた形
態で結合されている(図7参照)。
The vibrator 10 includes three piezoelectric elements 100
The tips of A, 100B, and 100C are joined and integrated, and the joined portion forms the tip 101 of the vibrator 10. This piezoelectric element 100A, 1
00B and 100C are, for example, PT, PZT, PLZ
It is composed of laminated piezoelectric ceramics such as a ternary piezoelectric material based on T and PZT. The shape and size are appropriately selected according to the purpose of use of the ball joint 50. However, when the ball joint 50 is integrated with the vibrator 10, an effective rotational force is generated at the distal end portion 101 (see FIG. 2). It is preferable to dispose the piezoelectric elements at the positions of the three twills centered on the apex of the regular triangular pyramid in consideration of the point that movement can be uniformly generated in each direction. As described above, the tip of the piezoelectric element is
Vibrations generated from 00B and 100C are integrally connected at the distal end so as to be an effective driving force to the sphere 510, and the distal end 10 is a contact portion with the ball joint 50.
The tip of 1 is connected in the form of, for example, a metal coating on the surface to increase the contact area as a flat or spherical shape to prevent abrasion and breakage, and to effectively transmit the driving force (FIG. 7). reference).

【0036】このようにして、本発明の実施形態1にか
かる圧電アクチュエータ1は、圧電素子100A、10
0B、100Cに振幅、周波数、位相を調整した電圧波
形の電力を供給することによってこれらを協働させて、
球体510に摩擦力または打撃力を与えてこれを所望の
方向に回転させることができ、これによってボールジョ
イント50の角度が所望方向に変更される。
As described above, the piezoelectric actuator 1 according to the first embodiment of the present invention includes the piezoelectric elements 100A,
By supplying power of voltage waveforms whose amplitude, frequency, and phase are adjusted to 0B and 100C, they are made to cooperate with each other,
A frictional or striking force can be applied to the sphere 510 to rotate it in a desired direction, thereby changing the angle of the ball joint 50 to a desired direction.

【0037】圧電アクチュエータ1は、図8に示すよう
に、3個の振動子10と、各振動子10を駆動する駆動
部110と、各振動子10の操作入力が行われるととも
にこの操作入力に応じて各振動子10を駆動させるよう
駆動部110を制御する制御部120とから構成されて
いる。また、駆動部110と制御部120とで圧電アク
チュエータ1の電源ユニット130が構成されていると
ともに、この電源ユニット130には直流電源140か
ら所定電圧の電力が供給されるように構成されている。
As shown in FIG. 8, the piezoelectric actuator 1 has three vibrators 10, a drive unit 110 for driving each vibrator 10, an operation input for each vibrator 10, and an operation input to the operation input. And a control unit 120 that controls the drive unit 110 to drive each of the transducers 10 accordingly. The drive unit 110 and the control unit 120 constitute a power supply unit 130 of the piezoelectric actuator 1, and the power supply unit 130 is configured to be supplied with power of a predetermined voltage from a DC power supply 140.

【0038】駆動部110は、3個の振動子10の各圧
電素子100A、100B、100Cのそれぞれに対応
した9個の圧電素子駆動回路410を備えている。
The drive section 110 includes nine piezoelectric element drive circuits 410 corresponding to the respective piezoelectric elements 100A, 100B, and 100C of the three transducers 10.

【0039】制御部120は、各振動子10毎に設けら
れる3組の設定器200および制御回路300から構成
される。設定器200は振動子10の操作入力を行うと
ともにこの操作入力に対応した信号を制御回路300に
入力する。制御回路300は設定器200からの信号に
応じて各圧電素子駆動回路410を制御する。
The control unit 120 includes three sets of setting devices 200 and a control circuit 300 provided for each transducer 10. The setting device 200 performs an operation input of the vibrator 10 and inputs a signal corresponding to the operation input to the control circuit 300. The control circuit 300 controls each piezoelectric element drive circuit 410 according to a signal from the setting device 200.

【0040】図9は、設定器200および制御回路30
0の内部構成を示すブロック図である。
FIG. 9 shows a setting device 200 and a control circuit 30.
FIG. 3 is a block diagram showing an internal configuration of the 00 ’.

【0041】設定器200は、操作部として6つのイン
クリメンタルエンコーダ210を備え、各インクリメン
タルエンコーダ210は、その軸を回転させることによ
り、軸の回転角度と回転方向を示す一組のデジタル信号
A、Bを出力する。この一組の信号Aと信号Bは、圧電
素子100A、100B、100Cに印加する電圧波形
の位相または振幅を指示する指令として制御回路300
に送出される。
The setting unit 200 includes six incremental encoders 210 as an operation unit. Each of the incremental encoders 210 rotates a shaft thereof, and a set of digital signals A and B indicating a rotation angle and a rotation direction of the shaft. Is output. The signal A and the signal B are used as a command to indicate the phase or amplitude of the voltage waveform applied to the piezoelectric elements 100A, 100B, and 100C.
Sent to

【0042】制御回路300は、前記信号A、BをUp
パルスX1とDownパルスX2とに変換するUp/D
ownパルス発生部310と、このUpパルスX1とD
ownパルスX2とからノコギリ波信号Dを作成するU
p/Downカウンタ部320と、前記UpパルスX1
とDownパルスX2とから振幅設定値信号Eを作成す
るUp/Downカウンタ部330と、前記ノコギリ波
信号Dと前記振幅設定値信号Eからゲート信号G、Hを
作成するゲート信号作成部340と、これらに基準クロ
ックパルスを送出する発振器350とを主要構成要素と
する。
The control circuit 300 transmits the signals A and B to Up
Up / D for converting into pulse X1 and Down pulse X2
own pulse generator 310 and the Up pulses X1 and D
U that generates a sawtooth signal D from the own pulse X2
p / Down counter section 320 and the Up pulse X1
An Up / Down counter unit 330 for generating an amplitude set value signal E from the pulse signal and the Down pulse X2; a gate signal generating unit 340 for generating gate signals G and H from the sawtooth signal D and the amplitude set value signal E; An oscillator 350 for transmitting a reference clock pulse is used as a main component.

【0043】図10に、Up/Downパルス発生回路
310aの回路図を示し、そのタイムチャートを図11
に示す。
FIG. 10 is a circuit diagram of the Up / Down pulse generation circuit 310a, and its time chart is shown in FIG.
Shown in

【0044】Up/Downパルス発生回路310a
は、4つのD型フリップフロップ回路311、312、
313、314と、2つのAND回路315、316と
を主要構成要素としてなるものとされている。
Up / Down pulse generating circuit 310a
Are four D-type flip-flop circuits 311, 312,
313 and 314 and two AND circuits 315 and 316 are configured as main components.

【0045】以下に、図11を参照しながら信号の流れ
に沿って構成を詳述する。
Hereinafter, the configuration will be described in detail along the signal flow with reference to FIG.

【0046】Up/Downパルス発生回路310aに
入力された前記信号Aは、AND回路315に入力され
る一方、D型フリップフロップ回路311に入力されて
回路311からクロックパルスと同期した信号A1とし
て出力される。この信号A1は、2分割されてその一方
はAND回路316に入力され、他方はD型フリップフ
ロップ回路312に入力されて回路312から信号A1
よりクロックパルス1周期遅延した否定信号A2バーと
してAND回路316に入力される。
The signal A input to the Up / Down pulse generation circuit 310a is input to an AND circuit 315, while being input to a D-type flip-flop circuit 311 and output from the circuit 311 as a signal A1 synchronized with a clock pulse. Is done. This signal A1 is divided into two, one of which is input to an AND circuit 316, the other is input to a D-type flip-flop circuit 312, and the signal A1 is output from the circuit 312.
The signal is input to the AND circuit 316 as the negation signal A2 delayed by one cycle of the clock pulse.

【0047】同様に、信号BはAND回路316に入力
される一方、D型フリップフロップ回路313に入力さ
れて回路313からクロックパルスと同期した信号B1
として出力される。この信号B1は、2分割されてその
一方はAND回路315に入力され、他方はD型フリッ
プフロップ回路314に入力されて信号B1よりクロッ
クパルス1周期遅延した否定信号B2バーとしてAND
回路315に入力される。
Similarly, while the signal B is input to the AND circuit 316, the signal B is input to the D-type flip-flop circuit 313 and is output from the circuit 313 to the signal B1 synchronized with the clock pulse.
Is output as This signal B1 is divided into two, one of which is input to an AND circuit 315, and the other is input to a D-type flip-flop circuit 314, and is ANDed as a NOT signal B2 bar delayed by one clock pulse from the signal B1.
The signal is input to the circuit 315.

【0048】このようにして、Up/Downパルス発
生回路310aは、AND回路315(A・B1・B2
バー=X1)と、AND回路316(B・A1・A2バ
ー=X2)とから、UpパルスX1とDownパルスX
2とを、Up/Downカウンタ320aおよびUp/
Downカウンタ330aに送出する。
As described above, the Up / Down pulse generation circuit 310a outputs the AND circuit 315 (A, B1, B2
Bar = X1) and the AND circuit 316 (B, A1, A2 bar = X2), the Up pulse X1 and the Down pulse X
2 with Up / Down counter 320a and Up / Down counter 320a.
This is sent to the Down counter 330a.

【0049】また、前記設定器200に備えられたイン
クリメンタルエンコーダ210は、その軸を時計方向に
回せばUpパルスX1がオンとなり、反時計方向に回せ
ばDownパルスX2がオンとなるように設定されてい
るため、UpパルスX1とDownパルスX2は同時に
オンとなることはない。
The incremental encoder 210 provided in the setting unit 200 is set such that turning the axis clockwise turns on the Up pulse X1 and turning the axis counterclockwise turns on the Down pulse X2. Therefore, the Up pulse X1 and the Down pulse X2 are not simultaneously turned on.

【0050】次に図12をも参照してUp/Downカ
ウンタ部320のUp/Downカウンタ320aの動
作を説明する。
Next, the operation of the Up / Down counter 320a of the Up / Down counter section 320 will be described with reference to FIG.

【0051】(1)クロックパルスと、UpパルスX1
と、DownパルスX2とが入力される。
(1) Clock pulse and Up pulse X1
And Down pulse X2 are input.

【0052】(2)UpパルスX1とDownパルスX
2がともにオフのときで、カウンタ値がUp/Down
カウンタ320aの取りうる最大値、例えば(2n
1)でないとき、クロックパルスの立ち上がり毎にカウ
ンタ値を1増やす。
(2) Up pulse X1 and Down pulse X
2 is off and the counter value is Up / Down
The maximum value that the counter 320a can take, for example, (2 n
If not 1), the counter value is incremented by 1 at every rising of the clock pulse.

【0053】(3)UpパルスX1とDownパルスX
2がともにオフのときで、カウンタ値がUp/Down
カウンタ320aの取りうる最大値(2n−1)である
とき、クロックパルスの立ち上がりでカウンタ値をゼロ
とする。
(3) Up pulse X1 and Down pulse X
2 is off and the counter value is Up / Down
When the value is the maximum value (2 n -1) that the counter 320a can take, the counter value is set to zero at the rising edge of the clock pulse.

【0054】(4)UpパルスX1がオンのときで、カ
ウンタ値がUp/Downカウンタ320aの取りうる
最大値(2n−1)から1を引いた値(2n−2)である
とき、クロックパルスの立ち上がりでカウンタ値をゼロ
とする。
(4) When the Up pulse X1 is on and the counter value is a value (2 n -2) obtained by subtracting 1 from the maximum value (2 n -1) that the Up / Down counter 320a can take, The counter value is set to zero at the rise of the clock pulse.

【0055】(5)UpパルスX1がオンのときで、カ
ウンタ値がUp/Downカウンタ320aの取りうる
最大値(2n−1)であるとき、クロックパルスの立ち
上がりでカウンタ値を1とする。
(5) When the Up pulse X1 is on and the counter value is the maximum value (2 n -1) that the Up / Down counter 320a can take, the counter value is set to 1 at the rise of the clock pulse.

【0056】(6)UpパルスX1がオンのときで、カ
ウンタ値がUp/Downカウンタ320aの取りうる
最大値(2n−1)でなく、かつ最大値から1を引いた
値(2n−2)でもないときは、クロックパルスの立ち
上がりでカウンタ値を2増やす。
(6) When the Up pulse X1 is on, the counter value is not the maximum value (2 n -1) that the Up / Down counter 320a can take, but a value obtained by subtracting 1 from the maximum value (2 n- If it is not 2), the counter value is increased by 2 at the rise of the clock pulse.

【0057】(7)DownパルスX2がオンのとき
は、カウンタ値にかかわりなくカウンタの値を保持す
る。
(7) When the Down pulse X2 is ON, the value of the counter is held regardless of the counter value.

【0058】このようにして、Up/Downカウンタ
320aに送出されたUpパルスX1とDownパルス
X2は、ノコギリ波信号Dに変換されて、ゲート信号作
成回路340aに送出される。
As described above, the Up pulse X1 and the Down pulse X2 sent to the Up / Down counter 320a are converted into the sawtooth signal D and sent to the gate signal creation circuit 340a.

【0059】他方、Up/Downカウンタ330aに
送出されたUpパルスX1とDownパルスX2とは、
このUp/Downカウンタ330aのカウントビット
数をその桁数とする振幅設定値信号Eに変換されて、ゲ
ート信号作成回路340aに送出される。ここで、カウ
ンタ値がゼロの時、DownパルスX2がオンになって
もカウンタ値が変化しないようにカウンタ回路が構成さ
れ、振幅設定値信号Eの急激な変化を防ぐものとされて
いる。同様に、カウンタ値が最大値の時、UpパルスX
1がオンになってもカウンタ値が変化しないようにカウ
ンタ回路が構成され、振幅設定値信号Eの急激な変化を
防ぐものとされている。
On the other hand, the Up pulse X1 and the Down pulse X2 sent to the Up / Down counter 330a are
It is converted into an amplitude set value signal E having the number of count bits of the Up / Down counter 330a as the number of digits, and sent to the gate signal generation circuit 340a. Here, when the counter value is zero, the counter circuit is configured so that the counter value does not change even if the Down pulse X2 is turned on, and a sudden change in the amplitude set value signal E is prevented. Similarly, when the counter value is the maximum value, the Up pulse X
The counter circuit is configured so that the counter value does not change even when 1 is turned on, and prevents a sudden change in the amplitude set value signal E.

【0060】また、図13にゲート信号作成回路340
aの回路図を示し、そのタイムチャートを図14に示
す。
FIG. 13 shows a gate signal generation circuit 340.
FIG. 14 shows a circuit diagram of FIG.

【0061】ゲート信号作成回路340aは、比較器3
41と、フリップフロップ回路342と、NOR回路3
43、344とを主要構成要素としてなる。
The gate signal generation circuit 340a is provided with the comparator 3
41, a flip-flop circuit 342, and a NOR circuit 3
43 and 344 are main components.

【0062】ゲート信号作成回路340aに送出された
前記ノコギリ波信号Dと前記振幅設定値信号Eとは、そ
の大小を比較器341で比較されて信号Fとされる。こ
の信号Fは、回路342に入力されるとともに、NOR
回路343、344にそれぞれ入力される。フリップフ
ロップ342に入力された信号Fは、信号Qと信号ノッ
トQとして出力される。この信号QはNOR回路343
に入力され、他方の信号ノットQはNOR回路344に
入力される。
The magnitude of the sawtooth wave signal D and the amplitude set value signal E sent to the gate signal creation circuit 340a are compared by a comparator 341 to obtain a signal F. This signal F is input to a circuit 342 and NOR
The signals are input to the circuits 343 and 344, respectively. The signal F input to the flip-flop 342 is output as a signal Q and a signal knot Q. This signal Q is output to the NOR circuit 343
, And the other signal knot Q is input to the NOR circuit 344.

【0063】しかして、ゲート信号作成回路340a
は、NOR回路343と、NOR回路344とから、ゲ
ート信号G(G=(ノット(F+Q)))とゲート信号
H(H=(ノット(F+ノット(Q))))とを駆動部
110に送出する。
Thus, the gate signal generation circuit 340a
Sends a gate signal G (G = (knot (F + Q))) and a gate signal H (H = (knot (F + knot (Q)))) from the NOR circuit 343 and the NOR circuit 344 to the driving unit 110. Send out.

【0064】このようにして処理されるゲート信号Gと
ゲート信号Hの位相は、図14に示すように、前記ノコ
ギリ波信号Dの位相の変化に従って変化する。また、ゲ
ート信号Gとゲート信号Hのパルス幅は、前記振幅設定
値信号Eが大きくなると広がり、逆にゲート信号Gとゲ
ート信号Hのパルス間隔は、前記振幅設定値信号Eが大
きくなると狭くなる。
The phases of the gate signal G and the gate signal H processed in this manner change according to the change in the phase of the sawtooth signal D as shown in FIG. Further, the pulse width of the gate signal G and the gate signal H increases as the amplitude set value signal E increases, and conversely, the pulse interval between the gate signal G and the gate signal H decreases as the amplitude set value signal E increases. .

【0065】このように、制御回路300は、前記設定
器200が送出したボールジョイント50の角度を調整
するための信号A、Bからなる3組の位相指令と振幅指
令に基づく3組のゲート信号G、Hを作成し、各圧電素
子駆動回路410に各々1組づつ送出する。
As described above, the control circuit 300 controls the three sets of gate signals based on the three sets of phase commands and the amplitude commands consisting of the signals A and B for adjusting the angle of the ball joint 50 sent from the setting device 200. G and H are created and sent to each piezoelectric element drive circuit 410 one by one.

【0066】図15に、この圧電素子駆動回路410の
回路図を示す。図16はそのタイムチャートである。
FIG. 15 is a circuit diagram of the piezoelectric element driving circuit 410. FIG. 16 is the time chart.

【0067】圧電素子駆動回路410は、直流電源14
0に接続された一次側回路と、圧電素子100A、10
0B、100Cに接続される出力端子410a、410
bを備える二次側回路と、前記一次側回路と二次側回路
を電磁結合する鉄心411aを有するトランス411と
を主要構成要素とし、直流電圧を直流成分が重畳して極
性が変わることのないような高周波電圧に変換するもの
である。
The piezoelectric element drive circuit 410 includes a DC power supply 14
0 and the piezoelectric elements 100A, 10A
Output terminals 410a, 410 connected to 0B, 100C
b and a transformer 411 having an iron core 411a for electromagnetically coupling the primary circuit and the secondary circuit as main components, and the DC voltage does not overlap with the DC component and the polarity does not change. Such a high-frequency voltage is converted.

【0068】一次側回路は、制御回路300から送出さ
れたゲート信号G、Hを入力信号とするスイッチング素
子412a、412bと、トランス411の一部を構成
する一次側のコイル413と、静電容量値の等しいコン
デンサ414a、414bとからなる。つまり、一次側
回路はいわゆるPWM駆動方式によって、直流電源を交
流電源に変換するものである。
The primary circuit includes switching elements 412 a and 412 b having the gate signals G and H sent from the control circuit 300 as input signals, a primary coil 413 forming a part of the transformer 411, and a capacitance. Capacitors 414a and 414b having the same value. That is, the primary circuit converts a DC power supply into an AC power supply by a so-called PWM drive method.

【0069】二つのスイッチング素子412a、412
bは、直流電源140に直列に接続され、二つのコンデ
ンサ414a、414bは、直流電源140に直列に接
続されている。そして、このスイッチング素子412a
とスイッチング素子412bとの間の接続線にコイル4
13の一端が接続される一方、コンデンサ414aとコ
ンデンサ414bとの間の接続線にコイル413の他端
が接続されている。
Two switching elements 412a, 412
b is connected in series to the DC power supply 140, and the two capacitors 414a and 414b are connected in series to the DC power supply 140. Then, the switching element 412a
The coil 4 is connected to the connection line between the
13, one end of the coil 413 is connected to a connection line between the capacitors 414a and 414b.

【0070】二次側回路は、出力端子410aを有する
交流電圧出力回路と、出力端子410bを有する直流バ
イアス電圧出力回路と、圧電素子100A、100B、
100Cに並列となるように出力端子410a、410
bに接続されたダイオード410cとからなる。
The secondary circuit includes an AC voltage output circuit having an output terminal 410a, a DC bias voltage output circuit having an output terminal 410b, and piezoelectric elements 100A and 100B.
The output terminals 410a, 410a are connected in parallel with 100C.
b, and a diode 410c connected to B.

【0071】交流電圧出力回路は、前記トランス411
の一部を構成する二次側のコイル415と、このコイル
415に直列に一端430を接続したチョ−クコイル4
20と、チョ−クコイル420の他端の出力端子410
aとからなる。
The AC voltage output circuit includes the transformer 411
And a choke coil 4 having one end 430 connected in series to the coil 415.
20 and an output terminal 410 at the other end of the choke coil 420
a.

【0072】直流バイアス電圧出力回路は、トランス4
11の他の一部を構成する二次側のコイル416と、こ
のコイル416の両端につながれたダイオード417
a、417bと、コイル416の中点に接続する出力端
子410bと、この出力端子410bに接続する平滑化
コンデンサ418とから構成される。
The DC bias voltage output circuit includes a transformer 4
11 and a diode 417 connected to both ends of this coil 416.
a, 417b, an output terminal 410b connected to the middle point of the coil 416, and a smoothing capacitor 418 connected to the output terminal 410b.

【0073】ダイオード417a、417bは、ともに
コイル416から出る方向を順方向として、各一端がコ
イル416のそれぞれの端部に接続され、各他端は前記
コイル415とコンデンサ418との接続線に接続され
ている。そして、このコンデンサ418の他方の端子
は、コイル416をコイル416aと416bとに二等
分する中点と出力端子410bとに接続されている。ま
た、二次側回路のコイル415、416a、416bの
巻数は全て等しいものとされている。
Each of the diodes 417a and 417b has one end connected to a corresponding end of the coil 416 and the other end connected to a connection line between the coil 415 and the capacitor 418, with the direction coming out of the coil 416 as a forward direction. Have been. The other terminal of the capacitor 418 is connected to a midpoint that bisects the coil 416 into the coils 416a and 416b and the output terminal 410b. Further, the number of turns of the coils 415, 416a, 416b of the secondary side circuit are all equal.

【0074】次に、この圧電素子駆動回路410の動作
について図15を参照しながら説明する。
Next, the operation of the piezoelectric element driving circuit 410 will be described with reference to FIG.

【0075】制御回路300から送出されたゲート信号
G、Hは、それぞれ前記一次側回路のスイッチング素子
412a、412bに入力され、これをオン・オフす
る。
The gate signals G and H sent from the control circuit 300 are input to the switching elements 412a and 412b of the primary circuit, respectively, to turn them on and off.

【0076】ここで、コンデンサ414aとコンデンサ
414bは同じ容量をもつよう選定されている。したが
って、直流電源140の電圧は、コンデンサ414aと
コンデンサ414bによって2等分されてトランス41
1の一次側のコイル413の一端に接続される。トラン
ス411の一次側のコイル413の他端には、スイッチ
ング素子412aがオンでかつスイッチング素子412
bがオフの時、直流電源140の正側の電圧が印加され
るので、一次側のコイル413の両端の電位差は直流電
源140の電圧の半分となって、実線矢印の向きに電流
が流れる。一方、スイッチング素子412aがオフでか
つスイッチング素子412bがオンの時には、一次側の
コイル413の両端の電位差は直流電源140の電圧の
半分が前記電圧の向きと逆方向に印加されることにな
り、破線矢印の向きに電流が流れる。
Here, the capacitors 414a and 414b are selected to have the same capacitance. Therefore, the voltage of DC power supply 140 is divided into two equal parts by capacitors 414a and 414b,
It is connected to one end of one primary coil 413. At the other end of the coil 413 on the primary side of the transformer 411, the switching element 412a is ON and the switching element 412
When b is off, the positive voltage of the DC power supply 140 is applied, so the potential difference between both ends of the primary coil 413 becomes half of the voltage of the DC power supply 140, and the current flows in the direction of the solid arrow. On the other hand, when the switching element 412a is off and the switching element 412b is on, the potential difference between both ends of the primary coil 413 is such that half of the voltage of the DC power supply 140 is applied in a direction opposite to the direction of the voltage, A current flows in the direction of the dashed arrow.

【0077】このように、スイッチング素子412a、
412bが交互にオン・オフすることによって、コイル
413には直流電源140の半分の電圧が極性を変えて
交互に印加されることになる。
As described above, the switching elements 412a,
By alternately turning on / off 412b, half the voltage of the DC power supply 140 is applied to the coil 413 alternately while changing the polarity.

【0078】交流電圧出力回路のコイル415には、コ
イル413の両端に印加される電圧およびコイル415
とコイル413との巻数比で決まる電圧が誘起される。
すなわち、一次側巻線に実線矢印方向の電流が流れると
き、交流電圧出力回路を構成するコイル415には、実
線矢印の電流が流れるような電圧が誘起される。この電
圧は、チョ−クコイル420を介して一方の出力端子4
10aから出力される。また、一次側巻線に破線矢印方
向の電流が流れるときも同様に、交流電圧出力回路を構
成するコイル415には、破線矢印の電流が流れるよう
な電圧が誘起され、チョ−クコイル420を介して一方
の出力端子410aから出力される。
The voltage applied to both ends of the coil 413 and the voltage of the coil 415 are applied to the coil 415 of the AC voltage output circuit.
A voltage determined by the turns ratio between the coil and the coil 413 is induced.
That is, when a current flows in the primary winding in the direction of the solid line arrow, a voltage is induced in the coil 415 constituting the AC voltage output circuit such that the current of the solid line arrow flows. This voltage is supplied to one output terminal 4 via the choke coil 420.
Output from 10a. Similarly, when a current flows in the primary winding in the direction indicated by the dashed arrow, a voltage such that the current indicated by the dashed arrow flows is induced in the coil 415 constituting the AC voltage output circuit. Is output from one output terminal 410a.

【0079】他方、直流バイアス電圧出力回路には、同
様にコイル416に電圧が誘起されるが、コイル416
の両端に直列につながれたダイオード417a、417
bは順方向が逆転されているので、どちらか片方のダイ
オード417a、417bのみが順方向となり電流が流
れる。すなわち、一次側回路に実線矢印の電流が流れる
ときコイル416に誘起される電流は、順方向のダイオ
ード417aのみを通過して平滑化コンデンサ418を
充電し、コンデンサ418の両端電圧として出力端子4
10bから出力される。そして、一次側回路に破線方向
の電流が流れるときは、逆にダイオード417bを通過
する破線方向の電流が流れ、平滑化コンデンサ418を
充電し、このコンデンサ418の両端電圧として出力端
子410bから出力される。
On the other hand, in the DC bias voltage output circuit, a voltage is induced in the coil 416 in the same manner.
417a, 417 connected in series at both ends of
Since the forward direction of b is reversed, only one of the diodes 417a and 417b becomes forward and current flows. That is, when the current indicated by the solid arrow flows through the primary circuit, the current induced in the coil 416 passes through only the forward diode 417a to charge the smoothing capacitor 418, and as a voltage across the capacitor 418, the output terminal 4
Output from 10b. When a current in the direction indicated by a broken line flows through the primary side circuit, a current flowing in the direction indicated by a broken line flows through the diode 417b to charge the smoothing capacitor 418, and is output from the output terminal 410b as a voltage across the capacitor 418. You.

【0080】したがって、直流バイアス電圧出力回路の
出力端子410bから出力される電圧は、一次側のコイ
ルを流れる電流の変化によらず、常に平滑化コンデンサ
418を一方向に通過して平滑化された直流電圧として
出力される。
Therefore, the voltage output from the output terminal 410b of the DC bias voltage output circuit always passes through the smoothing capacitor 418 in one direction regardless of the change in the current flowing through the primary side coil and is smoothed. It is output as a DC voltage.

【0081】次に、図16を参照しながら、かかる構成
の圧電素子駆動回路410の出力波形について説明す
る。なお、図16には、圧電素子100A、100B、
100Cに印加される出力電圧波形CC4とともに、ゲ
ート信号G、Hの波形に対応させて、回路中のコイル4
13、415、416a、416b、コンデンサ418
の各両端の電圧波形LL1、LL2、LL3、LL4、
CC3を示し、さらに接続点430の出力端子410b
を基準とした電圧の電圧波形LL5をともに示してあ
る。
Next, the output waveform of the piezoelectric element driving circuit 410 having such a configuration will be described with reference to FIG. In FIG. 16, the piezoelectric elements 100A, 100B,
Along with the output voltage waveform CC4 applied to 100C and the waveforms of the gate signals G and H, the coil 4 in the circuit
13, 415, 416a, 416b, capacitor 418
, Voltage waveforms LL1, LL2, LL3, LL4,
CC3, and an output terminal 410b of a connection point 430.
Are shown together with the voltage waveform LL5 of the voltage with reference to.

【0082】ここで、電圧波形のピーク値を記述するた
め、一次側回路のコイル413の巻数をN1と表記し、
二次側回路のコイル415、416a、416bの巻数
は、前述のようにすべて等しいものとされているのでN
2と表記し、そして直流電源140の出力電圧はVと表
記する。
Here, in order to describe the peak value of the voltage waveform, the number of turns of the coil 413 of the primary side circuit is expressed as N1,
Since the number of turns of the coils 415, 416a, and 416b of the secondary circuit are all equal as described above, N
2 and the output voltage of the DC power supply 140 is denoted as V.

【0083】したがって、圧電素子駆動回路410にお
いては、二つのゲート信号G、Hによってスイッチング
素子412a、412bがオン・オフすることにより、
一次側回路のコイル413の両端にピーク電圧V/2の
交流方形波の電圧波形LL1が発生する。これにより、
二次側回路のコイル415、416aの各々の両端に
は、LL1と同位相でピーク電圧N2/N1×V/2の
交流方形波の電圧波形LL2、LL3が誘起される。ま
た、コイル416bの両端には、前記コイル416の中
点を基準点としてLL3と逆位相の、ピーク電圧N2/
N1×V/2の交流方形波の電圧波形LL4が誘起され
る。しかるに、コンデンサ418には、前述のようにダ
イオード417a、417bの働きにより常に同方向の
電流が供給されているため、その両端の電圧波形は直流
一定値N2/N1×V/2の波形CC3となる。
Therefore, in the piezoelectric element drive circuit 410, the switching elements 412a and 412b are turned on and off by the two gate signals G and H,
An AC square wave voltage waveform LL1 having a peak voltage V / 2 is generated at both ends of the coil 413 of the primary circuit. This allows
At both ends of each of the coils 415 and 416a of the secondary side circuit, AC square wave voltage waveforms LL2 and LL3 having a peak voltage N2 / N1 × V / 2 and having the same phase as LL1 are induced. The two ends of the coil 416b are provided with a peak voltage N2 / N which is in phase opposite to LL3 with the middle point of the coil 416 as a reference point.
A voltage waveform LL4 of an AC square wave of N1 × V / 2 is induced. However, since the current in the same direction is always supplied to the capacitor 418 by the action of the diodes 417a and 417b as described above, the voltage waveforms at both ends thereof are the same as the waveform CC3 having a constant DC value N2 / N1 × V / 2. Become.

【0084】接続点430の出力端子410bを基準と
した電圧の電圧波形LL5は、コンデンサ418の両端
の電圧波形CC3とコイル415の両端の電圧波形LL
2を加え合わせたものとなる。
The voltage waveform LL5 of the voltage with reference to the output terminal 410b of the connection point 430 is represented by a voltage waveform CC3 at both ends of the capacitor 418 and a voltage waveform LL at both ends of the coil 415.
2 is added.

【0085】チョ−クコイル420と圧電素子100
A、100B、100Cの持つ静電容量(C0+C1)
は直列に接続されているので、直列共振回路を構成し、
その共振角周波数をωLとすれば ωL=1/(Lh(C0+C1))1/2 となる。前述のようにチョ−クコイル420のインダク
タンスLhを Lh=2/(ω2(C0+C1)) に選んだときには ωL=ω/21/2 となって、電源角周波数ωは前記直列共振回路の共振角
周波数ωLの21/2倍の角周波数となる。前記直列共振回
路に印加される電圧の電圧波形LL5は方形波であって
多くの奇数次高調波、すなわち3次、5次、7次高調波
などを含有するが、共振角周波数ωLと電源角周波数ω
は実用上充分近く、さらに、共振角周波数ωLと電圧波
形LL5の奇数次高調波の角周波数、すなわち3ω、5
ω、7ωとは充分離れているために高調波成分が減衰
し、結果として圧電素子100A、100B、100C
に印加される電圧波形CC4は図16のように歪みの少
ない正弦波状の波形となる。
The choke coil 420 and the piezoelectric element 100
Capacities of A, 100B and 100C (C0 + C1)
Are connected in series, forming a series resonance circuit,
If the resonance angular frequency is ω L , ω L = 1 / (L h (C0 + C1)) 1/2 . As described above, when the inductance L h of the choke coil 420 is selected as L h = 2 / (ω 2 (C0 + C1)), ω L = ω / 2 1/2 and the power supply angular frequency ω is the series resonance. The angular frequency is 21/2 times the resonance angular frequency ω L of the circuit. The series voltage waveform LL5 of the voltage applied to the resonant circuit many odd harmonics a square wave, i.e. 3, fifth, containing like seventh harmonic, but the resonance angular frequency omega L and power Angular frequency ω
Is sufficiently close to practical use, and furthermore, the angular frequency of the resonance angular frequency ω L and the odd-order harmonic of the voltage waveform LL5, that is, 3ω,
ω and 7ω are sufficiently separated from each other, so that harmonic components are attenuated. As a result, the piezoelectric elements 100A, 100B, 100C
Is a sinusoidal waveform with little distortion as shown in FIG.

【0086】また、前記直列共振回路に印加される電圧
の電圧波形LL5と、圧電素子100A、100B、1
00Cに印加される電圧波形がちょうど逆位相となって
いるのは、直列共振回路の性質と、前述のようにチョ−
クコイル420のインダクタンスLhを Lh=2/(ω2(C0+C1)) に選んだことによる。
The voltage waveform LL5 of the voltage applied to the series resonance circuit and the piezoelectric elements 100A, 100B,
The reason why the voltage waveform applied to 00C is just the opposite phase is the nature of the series resonance circuit and the
This is because the inductance L h of the coil 420 is selected to be L h = 2 / (ω 2 (C0 + C1)).

【0087】このことを詳しく説明すると以下のように
なる。
This will be described in detail below.

【0088】すなわち、もし仮にチョ−クコイル420
のインダクタンスLh’を Lh’=1/(ω2(C0+C1)) と選ぶと、前記直列共振回路の共振角周波数は電源角周
波数ωと一致するが、この場合、前記直列共振回路のイ
ンピ−ダンスはゼロとなって前記直列共振回路に過大な
電流が流れてしまう。
That is, if the choke coil 420
Of Selecting 'a L h' inductance L h = 1 / a (ω 2 (C0 + C1) ), the resonance angular frequency of the series resonant circuit is consistent with the power source angular frequency omega, in this case, Inpi of the series resonant circuit -The dance becomes zero and an excessive current flows through the series resonance circuit.

【0089】前記直列共振回路に過大な電流が流れるこ
とを防ぐために、チョ−クコイル420のインダクタン
スLhを Lh=2/(ω2(C0+C1))=2Lh’ と選べば、前記直列共振回路もインピ−ダンスは、Lh
´なる値をもつインダクタンスと圧電素子100A、1
00B、100Cの持つ静電容量(C0+C1)によっ
て構成される直列共振回路に、さらにLh´なる値を持
つインダクタンスを直列に挿入した回路として扱うこと
ができる。このとき、前記直列共振回路のインピ−ダン
スXは X=jωLh´ とゼロでない値をとるため、過大な電流が流れることは
ない。ここに、jは虚数単位を示す。
If the inductance L h of the choke coil 420 is selected as L h = 2 / (ω 2 (C0 + C1)) = 2L h ′ in order to prevent an excessive current from flowing through the series resonance circuit, the series resonance circuit also Inpi - dance, L h
′ And the piezoelectric elements 100A, 1
It can be handled as a circuit in which an inductance having a value of L h ′ is further inserted in series into a series resonance circuit constituted by the capacitance (C0 + C1) of 00B and 100C. At this time, since the impedance X of the series resonance circuit takes a non-zero value of X = jωL h ′, no excessive current flows. Here, j indicates an imaginary unit.

【0090】さらに、この場合前記直列共振回路に流れ
る電流の位相は、前記直列共振回路のインピ−ダンスが
誘導性となるため、電圧波形LL5からみて90°位相
遅れとなる。圧電素子100A、100B、100Cの
持つ静電容量(C0+C1)に印加される電圧は、前記
直列共振回路に流れる電流を時間積分したものであるの
で、圧電素子100A、100B、100Cの持つ静電
容量(C0+C1)に印加される電圧の位相は、電圧波
形LL5からみて180°位相遅れとなるすなわち、前
記直列共振回路に印加される電圧の電圧波形LL5と、
圧電素子100A、100B、100Cに印加される電
圧波形はちょうど逆位相となる。
Further, in this case, the phase of the current flowing through the series resonance circuit has a phase delay of 90 ° when viewed from the voltage waveform LL5 because the impedance of the series resonance circuit is inductive. The voltage applied to the capacitance (C0 + C1) of the piezoelectric elements 100A, 100B, and 100C is obtained by time-integrating the current flowing through the series resonance circuit. The phase of the voltage applied to (C0 + C1) has a 180 ° phase delay when viewed from the voltage waveform LL5, that is, the voltage waveform LL5 of the voltage applied to the series resonance circuit,
The voltage waveforms applied to the piezoelectric elements 100A, 100B, 100C have exactly opposite phases.

【0091】また、前記直列共振回路のインピ−ダンス
Xは X=jωLh´=jωLh/2 となるが、チョ−クコイル420のインダクタンスLh
を Lh=2/(ω2(C0+C1)) と選んだので、 X=j/(ω(C0+C1)) となる。一方圧電素子100A、100B、100Cの
持つ静電容量(C0+C1)のもつインピ−ダンスXC
は XC=1/(jω(C0+C1))=−j/(ω(C0
+C1))=−X であり、前記直列共振回路のインピ−ダンスXと圧電素
子100A、100B、100Cの持つ静電容量(C0
+C1)のもつインピ−ダンスXCは絶対値が等しく符
号が逆となる。
The impedance X of the series resonance circuit is given by X = jωL h ′ = jωL h / 2, where the inductance L h of the choke coil 420
Is selected as L h = 2 / (ω 2 (C 0 + C 1)), so that X = j / (ω (C 0 + C 1)). On the other hand, the impedance X C of the capacitance (C0 + C1) of the piezoelectric elements 100A, 100B, 100C
Is X C = 1 / (jω (C0 + C1)) = − j / (ω (C0
+ C1)) = − X, and the impedance X of the series resonance circuit and the capacitance (C0) of the piezoelectric elements 100A, 100B, 100C
+ C1) of having Inpi - Dance X C is the absolute value is equal opposite sign.

【0092】すなわち、チョ−クコイル420が短絡さ
れている状態での圧電素子100A、100B、100
Cに流れる電流の角周波数ωの成分と、チョ−クコイル
420が存在する場合での圧電素子100A、100
B、100Cに流れる電流の角周波数ωの成分の大きさ
は等しくなる。このことによって圧電素子100A、1
00B、100Cには、所定の駆動力が得られることと
なる。
That is, when the choke coil 420 is short-circuited, the piezoelectric elements 100A, 100B, 100
C, the component of the angular frequency ω of the current, and the piezoelectric elements 100A, 100A when the choke coil 420 is present.
B, the magnitude of the component of the angular frequency ω of the current flowing through 100C becomes equal. This allows the piezoelectric elements 100A, 1
A predetermined driving force is obtained in 00B and 100C.

【0093】なお、電圧波形CC4の角周波数ωは、圧
電素子100A、100B、100Cの共振角周波数お
よび反共振角周波数と異なる低周波数とされ、例えば圧
電素子100A、100B、100Cの共振角周波数ω
rの1/2以下程度にあるのが好ましい。
Note that the angular frequency ω of the voltage waveform CC4 is a low frequency different from the resonance angular frequency and the anti-resonance angular frequency of the piezoelectric elements 100A, 100B, and 100C, for example, the resonance angular frequency ω of the piezoelectric elements 100A, 100B, and 100C.
It is preferably about 1/2 or less of r .

【0094】また、圧電素子100A、100B、10
0Cと直列に挿入されるチョ−クコイル420のインダ
クタンスLhも、前述したように、下記により得られる
値またはそれに近い値とされている。例えば、下記式で
得られる値の前後10%の値とされている。
Further, the piezoelectric elements 100A, 100B, 10
0C series with the inserted Cho - inductance L h of choke coil 420 is also, as described above, there is a value or a value close to be obtained by the following. For example, it is 10% before and after the value obtained by the following equation.

【0095】Lh=2/(ω2(C0+C1)) 以上のようにして、圧電素子駆動回路410の出力端子
410a、410bからは、制御回路300が出力する
方形波のゲート信号G、Hにより制御された、直流正弦
波の電圧波形CC4の出力が得られる。
[0095] In the L h = 2 / (ω 2 (C0 + C1)) above, the output terminal 410a of the piezoelectric element driving circuit 410, from 410b, the gate signal G of the square wave control circuit 300 outputs, by H A controlled output of a DC sine wave voltage waveform CC4 is obtained.

【0096】また、出力端子410a、410bは、圧
電素子100A、100B、100Cと並列なダイオー
ド410cにより接続されているので、圧電素子100
A、100B、100Cには常に一方向の電圧のみが印
加される。したがって、電圧の印加方向に制限のある圧
電素子に対して好適である。
The output terminals 410a and 410b are connected by a diode 410c in parallel with the piezoelectric elements 100A, 100B and 100C.
A, 100B, and 100C are always applied with a voltage in only one direction. Therefore, it is suitable for a piezoelectric element having a restriction in the direction of voltage application.

【0097】すなわち、各圧電素子駆動回路410は制
御回路200の指示に従い、各圧電素子100A、10
0B、100Cに低歪みの直流正弦波形の電力を効率よ
く供給してこれを変位させ、それにより各振動子10を
駆動することができる。
That is, each of the piezoelectric element driving circuits 410 responds to the instruction of the control circuit 200 by the respective piezoelectric elements 100A,
It is possible to efficiently supply low-distortion DC sine waveform power to 0B and 100C and displace the power, thereby driving each vibrator 10.

【0098】このように、この実施形態1の圧電アクチ
ュエータ1によれば、正弦波発生回路や、電力効率が悪
く寸法の大きいリニアアンプを使用することなく、小型
の電源ユニット130で振動子10を駆動することがで
きる。すなわち、圧電素子100A、100B、100
Cに印加すべき正弦波形の電圧CC4と同一周期で所望
の振幅を有する階段状の電圧波形LL2が生成され、つ
いでこの電圧波形が正弦波形状に成形されるので、小型
の電源ユニット130で所望精度の正弦波状電圧を圧電
素子100A、100B、100Cに印加することがで
きる。
As described above, according to the piezoelectric actuator 1 of Embodiment 1, the vibrator 10 can be formed by the small power supply unit 130 without using a sine wave generating circuit or a linear amplifier having poor power efficiency and large dimensions. Can be driven. That is, the piezoelectric elements 100A, 100B, 100
A step-like voltage waveform LL2 having a desired amplitude is generated in the same cycle as the sine waveform voltage CC4 to be applied to C, and this voltage waveform is shaped into a sine wave shape. Accurate sinusoidal voltages can be applied to the piezoelectric elements 100A, 100B, 100C.

【0099】実施形態2 本発明の実施形態2に係る圧電アクチュエータ1の圧電
素子駆動回路の回路図を図17に示し、そのタイムチャ
ートを図18に示す。
Embodiment 2 FIG. 17 is a circuit diagram of a piezoelectric element driving circuit of a piezoelectric actuator 1 according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 18 is a time chart thereof.

【0100】この実施形態2は、実施形態1の圧電アク
チュエータ1の圧電素子駆動回路を改変したものであっ
て、この圧電素子駆動回路710は、実施形態1と同様
の一次側回路と、圧電素子100A、100B、100
Cに接続する出力端子710a、710bを有する二次
側回路と、前記一次側回路と前記二次側回路とを鉄心7
11aにより電磁結合するトランス711とからなる。
The second embodiment is a modification of the piezoelectric element drive circuit of the piezoelectric actuator 1 of the first embodiment. This piezoelectric element drive circuit 710 includes a primary circuit similar to that of the first embodiment and a piezoelectric element drive circuit. 100A, 100B, 100
C, and a secondary circuit having output terminals 710a and 710b connected to C, and the primary circuit and the secondary circuit
11a, and a transformer 711 which is electromagnetically coupled by 11a.

【0101】なお、実施形態2のその余の構成は、実施
形態1と同様であるので同一の符号を付してその詳細な
説明は省略する。
The remaining configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, and thus the same reference numerals are given and the detailed description is omitted.

【0102】圧電素子駆動回路710の二次側回路は、
前記トランス711を構成する二次側のコイル715
と、コイル715に直列に一端が接続されたチョ−クコ
イル720と、チョ−クコイル720の他端に接続する
出力端子710aと、他方の出力端子710bと、この
出力端子710bからコイル715に向う電流方向を順
方向として出力端子710bと前記コイル715との間
に接続されたダイオード716と、このダイオード71
6に並列に接続されたコンデンサ717とからなる。
The secondary circuit of the piezoelectric element drive circuit 710 is as follows:
Secondary coil 715 constituting the transformer 711
A choke coil 720 having one end connected in series to the coil 715; an output terminal 710a connected to the other end of the choke coil 720; and the other output terminal 710b. A diode 716 connected between the output terminal 710b and the coil 715, with the direction being a forward direction;
6 and a capacitor 717 connected in parallel.

【0103】圧電素子駆動回路710の動作は、実施形
態1と同様に、制御回路300から出力されるゲート信
号G、Hにより、トランス711の鉄心711a中の磁
束が反転して、トランス711を構成する二次側回路の
コイル715に以下のような電圧が誘起される。
The operation of the piezoelectric element driving circuit 710 is similar to that of the first embodiment, and the magnetic flux in the iron core 711 a of the transformer 711 is inverted by the gate signals G and H output from the control circuit 300, thereby forming the transformer 711. The following voltages are induced in the coil 715 of the secondary side circuit.

【0104】すなわち、一次側回路に実線矢印の電流が
流れるとき、二次側回路を構成するコイル715に実線
矢印の電流を流すように電圧が誘起され、この電圧はチ
ョ−クコイル720を介して一方の出力端子710aか
ら出力される。このとき、電流はダイオード716の順
方向となりコンデンサ717に流れないため、電圧は主
に圧電素子100A、100B、100Cに印加され
る。
That is, when a current indicated by a solid arrow flows through the primary circuit, a voltage is induced so that a current indicated by a solid arrow flows through the coil 715 constituting the secondary circuit, and this voltage is applied via the choke coil 720. It is output from one output terminal 710a. At this time, since the current flows in the forward direction of the diode 716 and does not flow through the capacitor 717, the voltage is mainly applied to the piezoelectric elements 100A, 100B, and 100C.

【0105】また、一次側回路に破線の電流が流れると
きには、交流電圧出力回路のコイル715に破線で示し
た電流を流すように電圧が誘起されるが、ダイオード7
16が逆方向となるのでコンデンサ717を通って出力
端子710bから出力される。このとき、電流は圧電素
子100A、100B、100Cに並列なダイオード4
10cの順方向となるので、圧電素子100A、100
B、100Cには電圧は印加されず、電圧は主にコンデ
ンサ717に印加され、コンデンサ717が充電され
る。そして、このコンデンサ717に充電された電荷は
徐々に開放されるが、この開放電流は、破線矢印と逆向
きであるので、ダイオード716とダイオード410c
の逆方向となっており、圧電素子100A、100B、
100Cには実線矢印の方向に電流が流れることとな
る。
When a dashed current flows through the primary circuit, a voltage is induced so that a current indicated by a broken line flows through the coil 715 of the AC voltage output circuit.
Since 16 is in the opposite direction, it is output from the output terminal 710b through the capacitor 717. At this time, the current flows through the diode 4 in parallel with the piezoelectric elements 100A, 100B, and 100C.
10c, the piezoelectric elements 100A, 100A
No voltage is applied to B and 100C, the voltage is mainly applied to the capacitor 717, and the capacitor 717 is charged. Then, the electric charge charged in the capacitor 717 is gradually released, but since the release current is in the direction opposite to the dashed arrow, the diode 716 and the diode 410c
And the piezoelectric elements 100A, 100B,
A current flows through 100C in the direction of the solid arrow.

【0106】次に、図18を参照しながら、実施形態2
にかかる圧電素子駆動回路710の出力波形を説明す
る。なお、図18においては、圧電素子100A、10
0B、100Cに印加される電圧波形CC4とともに、
ゲート信号G,Hの波形に対応させて、回路中のコイル
413、715、コンデンサ717の各両端の電圧波形
LL1、LL2、CC3をともに示してある。
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG.
The output waveform of the piezoelectric element drive circuit 710 according to the first embodiment will be described. In FIG. 18, the piezoelectric elements 100A, 10A,
With the voltage waveform CC4 applied to 0B and 100C,
The voltage waveforms LL1, LL2, and CC3 at both ends of the coils 413 and 715 and the capacitor 717 in the circuit are shown in correspondence with the waveforms of the gate signals G and H.

【0107】圧電素子駆動回路710は、前述のような
動作をするものとなされているので、二つのゲート信号
G、Hによってスイッチング素子412a、412bが
オン・オフすることにより、一次側回路のコイル413
の両端にピーク電圧V/2の交流方形波の電圧波形LL
1が発生し、二次側回路のコイル715の両端にピーク
電圧N2/N1×V/2のLL1と同位相の交流方形波
の電圧波形LL2が誘起される。コンデンサ717は、
前述のようにダイオード716の働きにより常に同方向
の電流が供給されており、またその静電容量値が充分に
圧電素子100A、100B、100Cのコンデンサの
等価静電容量値より大きいので、その両端の電圧波形は
直流一定値N2/N1×V/2の波形CC3となる。コ
ンデンサ717の両端の電圧波形CC3は、実施形態1
におけるコンデンサ418の両端の電圧波形と等しいも
のとなる。
Since the piezoelectric element drive circuit 710 operates as described above, the switching elements 412a and 412b are turned on and off by the two gate signals G and H, and the coil of the primary circuit is turned on and off. 413
Waveform LL of an AC square wave having a peak voltage V / 2
1 is generated, and a voltage waveform LL2 of an AC square wave having the same phase as LL1 of the peak voltage N2 / N1 × V / 2 is induced at both ends of the coil 715 of the secondary circuit. The capacitor 717 is
As described above, a current in the same direction is always supplied by the action of the diode 716, and the capacitance value is sufficiently larger than the equivalent capacitance value of the capacitors of the piezoelectric elements 100A, 100B, 100C. Is a waveform CC3 having a constant DC value N2 / N1 × V / 2. The voltage waveform CC3 across the capacitor 717 is the same as that of the first embodiment.
Is equal to the voltage waveform at both ends of the capacitor 418.

【0108】したがって、圧電素子駆動回路710の出
力端子710a、710bからは、実施形態1と同様
に、制御回路300が出力する方形波のゲート信号G、
Hにより制御された、直流正弦波の電圧波形CC4の出
力が得られる。また、出力端子710a、710bは、
実施形態1と同様に、圧電素子100A、100B、1
00Cと並列なダイオード410cにより接続されてい
るので、圧電素子100A、100B、100Cには常
に一方向の電圧のみが印加される。
Therefore, as in the first embodiment, the square wave gate signal G output from the control circuit 300 is output from the output terminals 710a and 710b of the piezoelectric element drive circuit 710.
An output of a DC sine wave voltage waveform CC4 controlled by H is obtained. The output terminals 710a and 710b are
As in the first embodiment, the piezoelectric elements 100A, 100B, 1
Since they are connected by a diode 410c in parallel with 00C, only a voltage in one direction is always applied to the piezoelectric elements 100A, 100B, and 100C.

【0109】なお、コンデンサ717は、その静電容量
値が圧電素子100A、100B、100Cのコンデン
サの等価静電容量値の約10倍程度とされる。これは、
コンデンサ717に電圧が充電されて波形CC3が得ら
れた状態において、圧電素子100A、100B、10
0Cに交流電流が流れたときにこの交流電流がコンデン
サ717を通じて流れても、コンデンサ717の両端の
電圧波形CC3が充分安定するためである。
The capacitance of the capacitor 717 is about 10 times the equivalent capacitance of the capacitors of the piezoelectric elements 100A, 100B and 100C. this is,
In a state where the voltage is charged in the capacitor 717 and the waveform CC3 is obtained, the piezoelectric elements 100A, 100B,
This is because the voltage waveform CC3 across the capacitor 717 is sufficiently stable even when the AC current flows through the capacitor 717 when the AC current flows at 0C.

【0110】このように、この実施形態2によれば実施
形態1よりもさらに簡素化された回路構成からなる電源
ユニット130を有する圧電アクチュエータ1が得られ
る。 実施形態3 本発明の実施形態3に係る圧電アクチュエータ1の圧電
素子駆動回路810の回路図を図16に示す。この実施
形態3は実施形態2を改変したものであって、この実施
形態3における圧電素子駆動回路810は、実施形態2
の二次側回路のコイル715をより誘導成分の大きなコ
イル815に替えるとともに、チョ−クコイル720を
除いた構成とされてなるものである。すなわち、この圧
電素子駆動回路810は、トランス711を形成する二
次側のコイル815の誘導成分を前述の実施形態2より
も大きくして、これにより実施形態2のチョ−クコイル
720を代用するようにしてなるものである。
As described above, according to the second embodiment, the piezoelectric actuator 1 having the power supply unit 130 having a more simplified circuit configuration than the first embodiment can be obtained. Embodiment 3 FIG. 16 shows a circuit diagram of a piezoelectric element drive circuit 810 of the piezoelectric actuator 1 according to Embodiment 3 of the present invention. The third embodiment is a modification of the second embodiment. The piezoelectric element driving circuit 810 according to the third embodiment is different from the second embodiment.
Is replaced with a coil 815 having a larger inductive component, and the choke coil 720 is omitted. That is, in the piezoelectric element drive circuit 810, the induction component of the secondary coil 815 forming the transformer 711 is made larger than that of the second embodiment, thereby replacing the choke coil 720 of the second embodiment. It becomes something.

【0111】この実施形態3のその余の構成は、実施形
態2と同様であるので同一の符号を付してその構成の説
明は省略する。また、この圧電素子駆動回路810の動
作は、実施形態2と同様であるので省略するが、圧電素
子100A、100B、100Cに印加される電圧波形
CC4は、実施形態2と同等のものが得られる。
The remaining structure of the third embodiment is the same as that of the second embodiment, so that the same reference numerals are given and the description of the structure is omitted. The operation of the piezoelectric element driving circuit 810 is the same as that of the second embodiment, and therefore the description is omitted. However, the voltage waveform CC4 applied to the piezoelectric elements 100A, 100B, and 100C is equivalent to that of the second embodiment. .

【0112】このように、この実施形態3によれば、実
施形態2よりもさらに簡素化された回路構成からなる電
源ユニット130を有する圧電アクチュエータ1を得る
ことができる。
As described above, according to the third embodiment, it is possible to obtain the piezoelectric actuator 1 having the power supply unit 130 having a more simplified circuit configuration than the second embodiment.

【0113】以上、本発明を実施形態に基づいて説明し
てきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるも
のではなく、種々改変が可能である。
Although the present invention has been described based on the embodiments, the present invention is not limited to only such embodiments, and various modifications are possible.

【0114】例えば、圧電素子の種類によっては交流で
駆動することができ、そのような圧電素子に対しては、
直流バイアス電圧を重畳するための回路を省いてもよ
く、また圧電素子と並列に接続するダイオードを省いて
もよい。
For example, some types of piezoelectric elements can be driven by alternating current.
A circuit for superimposing a DC bias voltage may be omitted, or a diode connected in parallel with the piezoelectric element may be omitted.

【0115】また、各実施形態においては、ボールジョ
イント50の角度調整の圧電アクチュエータ1を用いて
説明したが、他の用途に使用される圧電アクチュエータ
であってもよく、さらに、圧電アクチュエータ1に使用
される振動子10および圧電素子100A、100B、
100Cの個数は、その電源ユニット130の寸法的制
約の範囲内で、所望の動作に対応した所要の個数として
よい。さらにまた、バネ530のバネ定数やその数量は
使用目的に応じて適宜選定され、振動子10の数量や配
置によっては、バネ530を省略してもよい。
In each embodiment, the piezoelectric actuator 1 for adjusting the angle of the ball joint 50 has been described. However, a piezoelectric actuator used for other purposes may be used. Vibrator 10 and piezoelectric elements 100A, 100B,
The number of 100C may be a required number corresponding to a desired operation within a range of dimensional restrictions of the power supply unit 130. Furthermore, the spring constant and the number of the spring 530 are appropriately selected according to the purpose of use, and the spring 530 may be omitted depending on the number and arrangement of the vibrators 10.

【0116】[0116]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
大型のリニアアンプを用いることなく所望精度の所定周
波数の直流電圧を生成することができるので、圧電アク
チュエータの電源ユニットを小型化することができると
いう優れた効果を奏する。したがって、複数の圧電アク
チュエータを機器内に組み込んで、複雑な動作を行わせ
ることも容易となるという効果も達成できる。
As described in detail above, according to the present invention,
Since a DC voltage having a desired frequency and a desired frequency can be generated without using a large-sized linear amplifier, there is an excellent effect that the power supply unit of the piezoelectric actuator can be reduced in size. Therefore, it is possible to easily achieve complicated operations by incorporating a plurality of piezoelectric actuators in a device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に用いられている圧電素子のインピーダ
ンス特性を模式的に示したグラフである。
FIG. 1 is a graph schematically showing impedance characteristics of a piezoelectric element used in the present invention.

【図2】同圧電素子の等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the piezoelectric element.

【図3】図2に示す等価回路を簡略化した等価回路であ
る。
FIG. 3 is an equivalent circuit obtained by simplifying the equivalent circuit shown in FIG. 2;

【図4】同圧電素子の駆動回路図である。FIG. 4 is a drive circuit diagram of the piezoelectric element.

【図5】チョークコイルを除いた同圧電素子の駆動回路
図である。
FIG. 5 is a drive circuit diagram of the same piezoelectric element excluding a choke coil.

【図6】本発明の圧電アクチュエータを内蔵するボール
ジョイントの概略構成を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a ball joint incorporating a piezoelectric actuator of the present invention.

【図7】このボールジョイントの動作原理を説明する図
である。
FIG. 7 is a diagram illustrating the operation principle of the ball joint.

【図8】本発明の実施形態1に係る圧電アクチュエータ
の概略構成を示すブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a piezoelectric actuator according to Embodiment 1 of the present invention.

【図9】同実施形態の制御部のUp/Downパルス発
生回路制御部の構成を示すブロック図である。
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration of an Up / Down pulse generation circuit control unit of the control unit of the embodiment.

【図10】同実施形態のUp/Downパルス発生回路
の論理回路図である。
FIG. 10 is a logic circuit diagram of the Up / Down pulse generation circuit of the embodiment.

【図11】同実施形態のUp/Downパルス発生回路
のタイムチャート図である。
FIG. 11 is a time chart of the Up / Down pulse generation circuit of the embodiment.

【図12】同実施形態Up/Downパルス発生回路か
らの信号に応じてのこぎり波が生成されるプロセスを説
明するタイムチャート図である。
FIG. 12 is a time chart illustrating a process in which a saw-tooth wave is generated according to a signal from an Up / Down pulse generation circuit in the same embodiment.

【図13】同実施形態の制御部のゲート信号作成回路の
論理回路図である。
FIG. 13 is a logic circuit diagram of a gate signal generation circuit of the control unit according to the embodiment.

【図14】同実施形態のゲート信号作成回路のタイムチ
ャート図である。
FIG. 14 is a time chart of the gate signal creation circuit of the embodiment.

【図15】同実施形態の駆動部の圧電素子駆動回路の回
路図である。
FIG. 15 is a circuit diagram of a piezoelectric element drive circuit of the drive unit of the embodiment.

【図16】同実施形態の圧電素子駆動回路のタイムチャ
ート図である。
FIG. 16 is a time chart of the piezoelectric element drive circuit of the embodiment.

【図17】本発明の実施形態2に係る圧電アクチュエー
タの圧電素子駆動回路の回路図である。
FIG. 17 is a circuit diagram of a piezoelectric element driving circuit of the piezoelectric actuator according to the second embodiment of the present invention.

【図18】同実施形態の圧電素子駆動電源のタイムチャ
ート図である。
FIG. 18 is a time chart of the piezoelectric element driving power supply of the embodiment.

【図19】本発明の実施形態3に係る圧電アクチュエー
タ装置の圧電素子駆動回路の回路図である。
FIG. 19 is a circuit diagram of a piezoelectric element drive circuit of the piezoelectric actuator device according to Embodiment 3 of the present invention.

【図20】従来の圧電アクチュエータ装置の構成を示す
ブロック図である。
FIG. 20 is a block diagram showing a configuration of a conventional piezoelectric actuator device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 圧電アクチュエータ 10 振動子 110 駆動部 120 制御部 130 電源ユニット 100A 圧電素子 100B 圧電素子 100C 圧電素子 410 圧電素子駆動回路 710 圧電素子駆動回路 810 圧電素子駆動回路 Reference Signs List 1 piezoelectric actuator 10 vibrator 110 drive unit 120 control unit 130 power supply unit 100A piezoelectric element 100B piezoelectric element 100C piezoelectric element 410 piezoelectric element drive circuit 710 piezoelectric element drive circuit 810 piezoelectric element drive circuit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−10818(JP,A) 特開 平1−151982(JP,A) 特開 平6−123373(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 2/00 H01L 41/09 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-61-10818 (JP, A) JP-A-1-151982 (JP, A) JP-A-6-123373 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 7 , DB name) H02N 2/00 H01L 41/09

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 印加される電圧の極性変化が許されない
圧電素子を用いてなる圧電アクチュエータの駆動方法で
あって、 直流電源から所定周波数の交流電圧をPWM駆動方式に
よって生成しかつ前記PWM駆動方式によって生じる出
力素子のスイッチングによる波形歪みを圧電素子駆動装
置回路中にチョ−クコイルを付加することによって改善
、ついで前記交流電圧に重畳された場合に電圧の極性
の変化が無くなるような大きさを有するバイアス用直流
電圧を生成し、前記交流電圧と前記バイアス用直流電圧
とを重畳して前記圧電素子を駆動することを特徴とする
圧電アクチュエ−タの駆動方法。
1. A method of driving a piezoelectric actuator using a piezoelectric element that does not allow a change in polarity of an applied voltage, wherein an AC voltage having a predetermined frequency is supplied from a DC power supply to a PWM driving method.
Therefore, the output generated by the PWM driving method is generated.
Waveform distortion due to switching of force element
Improved by adding a choke coil in the circuit
And, then the case where it is superimposed on the AC voltage to generate a bias DC voltage having a polarity change is eliminated such magnitude of voltage to the piezoelectric element by superimposing the said bias DC voltage and the AC voltage A method for driving a piezoelectric actuator.
【請求項2】 前記チョ−クコイルのインダクタンス
が、実質的に下記式を満足するように設定されているこ
とを特徴とする請求項記載の圧電アクチュエータの駆
動方法。 Lh=2/(ω2(C0+C1)) ここに、 Lh:チョークコイルのインダクタンス ω:電源角周波数 C0:圧電素子の電気的特性部の等価静電容量 C1:圧電素子の機械的特性部の等価静電容量
Wherein said Cho - inductance of choke coil is substantially drive method for a piezoelectric actuator according to claim 1, characterized in that it is set so as to satisfy the following equation. L h = 2 / (ω 2 (C0 + C1)) Here, L h: a choke coil inductance omega: power supply angular frequency C0: the equivalent capacitance of the electrical characteristics of the piezoelectric element C1: mechanical properties of the piezoelectric element Equivalent capacitance of
【請求項3】 印加される電圧の極性変化が許されない
圧電素子を用いてなる圧電アクチュエータの駆動装置で
あって、 直流電源から、所定周波数の交流電圧をPWM駆動方式
によって生成しかつ前記PWM駆動方式によって生じる
出力素子のスイッチングによる波形歪みを圧電素子駆動
装置回路中にチョ−クコイルを配設することによって改
善し、ついで前記交流電圧に重畳された場合に電圧の極
性の変化が無くなるような大きさを有するバイアス用直
流電圧を生成し、前記交流電圧と前記バイアス用直流電
圧とを重畳して前記圧電素子を駆動するように回路構成
がなされていることを特徴とする圧電アクチュエ−タの
駆動装置。
3. A driving apparatus for a piezoelectric actuator using a piezoelectric element that does not allow a change in polarity of an applied voltage, wherein a DC driving method is used to supply an AC voltage having a predetermined frequency from a DC power supply.
Caused by generating and the PWM drive system by
Drives piezoelectric element for waveform distortion due to switching of output element
By installing a choke coil in the device circuit,
Good, then it generates a bias DC voltage having a polarity change is eliminated such magnitude of the voltage when it is superimposed on the AC voltage, wherein by superimposing said AC and DC voltages for the bias piezoelectric A driving device for a piezoelectric actuator, wherein a circuit is configured to drive an element.
【請求項4】 前記チョ−クコイルのインダクタンス
が、実質的に下記式を満足するように設定されているこ
とを特徴とする請求項記載の圧電アクチュエータの駆
動装置。 Lh=2/(ω2(C0+C1)) ここに、 Lh:チョークコイルのインダクタンス ω:電源角周波数 C0:圧電素子の電気的特性部の等価静電容量 C1:圧電素子の機械的特性部の等価静電容量
4. The driving device for a piezoelectric actuator according to claim 3, wherein the inductance of the choke coil is set so as to substantially satisfy the following expression. L h = 2 / (ω 2 (C0 + C1)) Here, L h: a choke coil inductance omega: power supply angular frequency C0: the equivalent capacitance of the electrical characteristics of the piezoelectric element C1: mechanical properties of the piezoelectric element Equivalent capacitance of
【請求項5】 請求項3または4記載の駆動装置を備え
てなることを特徴とする圧電アクチュエ−タ。
5. A piezoelectric actuator comprising the driving device according to claim 3 or 4 .
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