JP3646154B2 - 駆動装置 - Google Patents
駆動装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3646154B2 JP3646154B2 JP2002240864A JP2002240864A JP3646154B2 JP 3646154 B2 JP3646154 B2 JP 3646154B2 JP 2002240864 A JP2002240864 A JP 2002240864A JP 2002240864 A JP2002240864 A JP 2002240864A JP 3646154 B2 JP3646154 B2 JP 3646154B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- value
- drive
- voltage
- driving
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 230000008602 contraction Effects 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 5
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
- H02N2/065—Large signal circuits, e.g. final stages
- H02N2/067—Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
- H02N2/025—Inertial sliding motors
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置に関し、詳しくは、圧電素子などの電気機械変換素子を用いた駆動装置に関し、例えばカメラにおけるレンズ駆動や精密ステージの駆動などに好適な駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電機機械変換素子を用いた種々のタイプの駆動装置が提案されている。
【０００３】
例えば図１（ａ）〜（ｃ）に模式的に示した素子固定タイプの駆動装置では、電機機械変換素子である圧電素子の伸縮方向一端が固定部材に固定され、他端に駆動摩擦部材が固定されている。駆動摩擦部材は、圧電素子の伸縮に伴なって、操出方向と戻り方向とに移動するようになっている。駆動摩擦部材には、移動体が摩擦力によって係合する。
【０００４】
圧電素子に電圧を印加して、圧電素子を伸長時と収縮時の速度を異ならせて伸縮させることにより、移動体を駆動する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１（ｄ）に示した操出波形の電圧を印加したときのＡ、Ｂ、Ｃにおける状態を、それぞれ示す。
【０００５】
図１（ｄ）の区間Ａ−Ｂにおいて電圧波形が緩やかに上昇するとき、圧電素子は相対的にゆっくり伸び、図１（ａ）の状態から図１（ｂ）の状態へと変化する。このとき、移動体は、駆動摩擦部材に対して滑ることなく、あるいはほとんど滑ることなく、実質的には駆動摩擦部材とともに一体的に移動する。
【０００６】
次に、区間Ｂ−Ｃにおいて電圧波形が急に下降するとき、圧電素子は相対的に急に縮み、駆動摩擦部材は急に初期位置に戻る。このとき、駆動摩擦部材と移動体との間に滑りが生じ、移動体は実質的に移動せず、駆動摩擦部材だけが初期位置に戻る。その結果、移動体は、図１（ｃ）に示すように、図１（ａ）の初期位置に対して操出方向に移動する。
【０００７】
このサイクルの繰り返しにより、移動体は駆動摩擦部材に沿って移動する。
【０００８】
なお、急な上昇と緩やかな下降とで構成された戻り波形の電圧を圧電素子に印加すれば、移動体は戻り方向に移動する。
【０００９】
圧電素子に鋸波形の電圧を印加する方法としては、次の２つの方法があった。
【００１０】
図２は、第１の方法を示す。図２（ａ）に示すように、波形発生器Ｗのデジタルアナログ変換器により、例えば８ビット、０−５Ｖの鋸波形を生成し、それをパワーアンプＭに入力し、例えば０−１０Ｖに増幅した駆動用の鋸波形を圧電素子Ｘに印加する。波形生成器Ｗを調整することにより、図２（ｂ）に示す繰出し波形や、図２（ｃ）に示す戻り波形の鋸波形を生成することができる。
【００１１】
図３及び図４は、第２の方法を示す。図３に示すように、電源電圧Ｖを圧電素子Ｘに印加するために、定電流回路Ａ，Ｄとスイッチ回路Ｂ，Ｃとを備えた回路を用い、定電流回路Ａ，Ｄとスイッチ回路Ｂ，Ｃと交互に働かせることで、繰出し波形と戻り波形を生成する。
【００１２】
詳しくは、例えば図４（ａ）に示したデジタル回路を構成し、図４（ｂ）に示したように、端子ａ，ｂ，ｃ，ｄに制御信号を入力することにより、繰出し波形と戻り波形を生成する。
【００１３】
すなわち、端子ａにＨｉ信号を入力し、定電流回路Ａを介して圧電素子Ｘに印加する電圧を徐々に上昇させた後、端子ｂにＨｉ信号を入力し、スイッチ回路Ｂを介して圧電素子Ｘを接地し、圧電素子Ｘに印加する電圧を急に下げ、符号１０，１２で示す繰出し波形を生成する。
【００１４】
あるいは、端子ｃにＨｉ信号を入力し、スイッチ回路Ｃを介して電源電圧Ｖを圧電素子Ｘに印加した後、端子ｄにＨｉ信号を入力し、定電流回路Ｄを介して接地することにより、符号１４，１６で示す戻り波形を生成する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
第１の方法では波形発生器ＷとパワーアンプＭが必要であり、第２の方法では定電流回路Ａ，Ｄやスイッチ回路Ｂ，Ｃが必要であり、回路が複雑になり、コストがかかっていた。また、安定した低速駆動が困難であった。
【００１６】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、簡単な回路構成で安定した低速駆動が可能な駆動装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の駆動装置を提供する。
【００１８】
駆動装置は、電気機械変換素子と、駆動摩擦部材と、係合部材と、駆動回路とを備える。前記電気機械変換素子は、電圧が印加されると伸縮する。前記駆動摩擦部材は、前記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固定される。前記係合部材は、前記駆動摩擦部材に摩擦力で係合する。前記駆動回路は、前記電気機械変換素子に電圧を印加し、該電圧が、最大値又は最小値のいずれか一方の第１の値、最大値と最小値との中間の第２の値、最大値又は最小値のいずれか他方の第３の値の順のサイクルを繰り返すようにする。前記駆動回路により、前記係合部材が前記駆動摩擦部材に沿って相対的に移動する。
【００１９】
一般に、圧電素子、電歪素子、磁歪素子、静電アクチュエータなどの電気機械変化素子は、電圧、電流、電界、磁界、静電気などの電気的エネルギーを、伸縮、曲げ、ねじれ、歪みなど機械的エネルギーに変換する。
【００２０】
上記構成において、電気機械変換素子に印加する電圧が、第１の値から第２の値を経て第３の値に変化するとき、電圧の変化が相対的に小さく、電気機械変換素子は相対的に緩やかに伸長又は収縮し、駆動摩擦部材と係合部材との間で実質的には滑りが生じず、両者が一体的に移動する。一方、第３の値から第１の値に最大振幅で変化するとき、電圧の変化が相対的に大きく、電気機械変換素子は相対的に急激に収縮又は伸長し、駆動摩擦部材と係合部材との間で相対的な滑りが生じる。このサイクルの繰り返しにより、所望の一方向に駆動することができる。
【００２１】
上記構成によれば、第２の値（中間値）の電圧を印加する時間を変えても、電圧が第３値から第１値に最大振幅で変化するときの滑り量はほとんど同じであり、滑りが生じる頻度（サイクルの周期）が変わるだけである。したがって、第２値を印加する時間を長くすることにより、安定した低速駆動が可能である。また、電気機械変換素子に印加する電圧を上記のように切り替える回路は、簡単な構成で実現することができる。
【００２２】
なお、第２の値は、サイクル毎に多少の値の変動があっても駆動特性に与える影響は少ないので、必ずしも一定値であることは要しない。また、電気機械変換素子に印加する電圧が第３の値から第１の値に変化する時間は、駆動摩擦部材と係合部材との間で相対的な滑りが生じる程度の短時間であればよく、この条件を満たす限り、変化の途中で０ボルト状態をわずかの時間保持してもよい。
【００２３】
好ましくは、前記電気機械変換素子と前記駆動摩擦部材とからなる系の共振周期をＴ、前記駆動回路が前記電気機械変換素子に印加する電圧のサイクルの周期をＴｄ、前記駆動回路が前記第１の値の電圧を印加する時間をｔａ、前記駆動回路が前記第３の値の電圧を印加する時間をｔｂ、ｎ１は０を含む正の整数、ｎ２は０を含む正の整数とすると、
（ｎ１＋１）Ｔ−０.３Ｔ≦ｔａ≦（ｎ１＋１）Ｔ＋０.３Ｔ ・・・（１）
０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ−０.３Ｔ≦ｔｂ≦０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ＋０.３Ｔ ・・・（２）
ｔａ＋ｔｂ＜Ｔｄ ・・・（３）
を満たす。
【００２４】
上記構成のように、電気機械変換素子に第１の値の電圧を印加する時間と第３の値の電圧を印加する時間が、電気機械変換素子と駆動摩擦部材とからなる系の共振周期と一定の関係にあるときには、効率よく駆動することができる。
【００２５】
好ましくは、前記第１の値と前記第３の値とは、絶対値が等しく、符号が異なる。前記第２の値は０ボルトである。
【００２６】
上記構成によれば、駆動回路の部品の種類を減らし、構成をより簡単にすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態として第１〜第３実施例を図５〜図１５に基づいて説明する。
【００２８】
まず、第１実施例について、図５〜図１３を参照しながら説明する。
【００２９】
図５は、本実施例の駆動装置２０の構成を示す（ａ）分解斜視図及び（ｂ）組立斜視図である。
【００３０】
駆動装置２０は、不図示の機器の固定部材（例えば、ＸＹ駆動テーブルのベース）に取り付ける固定部材２４と、例えば積層形の圧電素子２２と、固定部材２４に摺動可能に支持される駆動軸２６と、不図示の被駆動部材（例えば、ＸＹ駆動テーブルのステージ）に結合される駆動ユニット２８とを備える。圧電素子２２は、その伸縮方向の一方の端面が固定部材２４に固着結合され、その伸縮方向の他方の端面には駆動軸２６の一方の軸端面が固着結合されている。駆動軸２６には、スライダー２８ｃ、摩擦部材２８ｂ、板ばね２８ａからなる駆動ユニット２８が、摩擦力で係合するようになっている。この駆動装置２０は、駆動回路３０により、圧電素子２２に適宜波形の電圧を印加し、駆動軸２６を軸方向に往復振動させ、駆動ユニット２８を駆動軸２６に沿って所定方向に動かすことができる。
【００３１】
つまり、圧電素子２２は電機機械変換素子として機能し、駆動軸２６は駆動摩擦部材として機能し、駆動ユニット２８は移動体又は係合部材として機能する。
【００３２】
図５は、本実施例の駆動装置２０の電気回路図である。
【００３３】
駆動回路３０は、制御回路３２と、４個のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４とを含み、圧電素子２２の端子間に電圧を印加する。
【００３４】
スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４は、ＭＯＳ型ＦＥＴであり、各ゲートは、制御回路３２の端子Ｓｃ１〜Ｓｃ４にそれぞれ接続され、Ｈｉ又はＬｏの信号が入力される。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３はＰチャンネルＦＥＴであり、ソースとドレイン間は、ゲートにＬｏ信号が入力されるとオン（導通状態）になり、Ｈｉ信号が入力されるとオフ（遮断状態）になる。スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４はＮチャンネルＦＥＴであり、ソースとドレイン間は、ゲートにＨｉ信号が入力されるとオン（導通状態）になり、Ｌｏ信号が入力されるとオフ（遮断状態）になる。
【００３５】
スイッチ素子Ｑ１のソースとスイッチ素子Ｑ３のソースとは、それぞれ、接続点３４を介して、電源電圧Ｖｐに接続されている。スイッチ素子Ｑ１のドレインは、接続点３５を介して、スイッチ素子Ｑ２のドレインに接続されている。スイッチ素子Ｑ３のドレインは、接続点３６を介して、スイッチ素子Ｑ４のドレインに接続されている。スイッチ素子Ｑ２のソースとスイッチ素子Ｑ４のソースとは、それぞれ、接続点３７を介して、接地されている。圧電素子２２の各端子は、それぞれ接続点３５，３６に接続される。
【００３６】
次に、制御回路３２の動作について、図７を参照しながら説明する。図７（ａ）は制御回路３２の端子Ｓｃ１，Ｓｃ２の電圧（すなわち、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のゲート電圧）を示す。図７（ｂ）は制御回路３２の端子Ｓｃ３，Ｓｃ４の電圧（すなわち、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４のゲート電圧）を示す。図７（ｃ）は、圧電素子２２の端子間に印加される駆動電圧Ｖloadを示す。駆動電圧Ｖloadは、図６において矢印３８で示した方向を正とする。
【００３７】
図７に示すように、駆動回路３０が、第１〜第３期間からなる周期Ｔｄのサイクルを繰り返すことにより、駆動ユニット２８を操出方向又は戻り方向に駆動することができる。
【００３８】
図７（ａ）〜（ｃ）は、操出方向に駆動する場合を示す。
【００３９】
長さｔｂ１の第１期間では、図７（ａ）において符号４０で示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２はＬｏとなり、図７（ｂ）に示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４は引き続きＨｉであり、図６の回路において、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオン、すなわち導通状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオフ、すなわち遮断状態となる。これにより、接続点３６がスイッチ素子Ｑ４を介して接地され、接続点３５はスイッチ素子Ｑ１を介して電源電圧Ｖｐに接続される。したがって、圧電素子２２の両端間の駆動電圧Ｖloadは、図７（ｃ）において符号４４で示すように＋Ｖｐとなる。
【００４０】
長さｔａ１の第２期間では、図７（ａ）に示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２はＨｉとなり、図７（ｂ）において符号４２で示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４はＬｏとなり、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオフ、すなわち遮断状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオン、すなわち導通状態となる。これにより、接続点３５がスイッチ素子Ｑ２を介して接地され、接続点３６はスイッチ素子Ｑ３を介して電源電圧Ｖｐに接続される。したがって、駆動電圧Ｖloadは、図７（ｃ）において符号４６で示すように−Ｖｐとなる。
【００４１】
長さ（Ｔｄ−ｔａ１−ｔｂ１）の第３期間では、図７（ａ）に示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２は引き続きＨｉであり、図７（ｂ）に示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４はＨｉとなり、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３がオフ、すなわち遮断状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４がオン、すなわち導通状態となる。これにより、接続点３５がスイッチ素子Ｑ２，Ｑ４を介して接続点３６に接続され、圧電素子２２の端子間が短絡する。したがって、駆動電圧Ｖloadは、図７（ｃ）において符号４８で示すように０ボルトとなる。
【００４２】
駆動ユニット２８は、駆動電圧Ｖloadの１サイクル中の２回の相対的に小さい立ち上がり４６ｘ，４８ｘで、駆動軸２６とともに操出方向に送られる。駆動電圧Ｖloadの相対的に大きい立ち下がり４４ｘで、駆動軸２６は急激に戻り方向に変位し、このとき駆動ユニット２８はほぼその場にとどまる。これを繰り返すことで、駆動ユニット２８を駆動軸２６に沿って操出方向に駆動することができる。
【００４３】
なお、駆動電圧Ｖloadは、符号４６で示す−Ｖｐが第１の値、符号４８で示す０ボルトが第２の値、符号４４で示す＋Ｖｐが第３の値である。
【００４４】
図７（ｄ）〜（ｆ）は、戻り方向に駆動する場合を示す。
【００４５】
長さｔｂ２の第１期間では、図７（ａ）に示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２はＨｉのままであり、図７（ｂ）において符号４３で示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４はＬｏとなり、図６の回路において、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオフ、すなわち遮断状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオン、すなわち導通状態となる。これにより、接続点３５がスイッチ素子Ｑ２を介して接地され、接続点３６はスイッチ素子Ｑ３を介して電源電圧Ｖｐに接続される。したがって、駆動電圧Ｖloadは、図７（ｆ）において符号４５で示すように−Ｖｐとなる。
【００４６】
長さｔａ２の第２期間では、図７（ｄ）において符号４１で示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２はＬｏとなり、図７（ｂ）に示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４はＨｉとなり、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオン、すなわち導通状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオフ、すなわち遮断状態となる。これにより、接続点３６がスイッチ素子Ｑ４を介して接地され、接続点３５はスイッチ素子Ｑ１を介して電源電圧Ｖｐに接続される。したがって、圧電素子２２の端子間の駆動電圧Ｖloadは、図７（ｆ）において符号４７で示すように＋Ｖｐとなる。
【００４７】
長さ（Ｔｄ−ｔａ２−ｔｂ２）の第３期間では、図７（ａ）に示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２はＨｉとなり、図７（ｂ）に示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４は引き続きＨｉであり、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３がオフ、すなわち遮断状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４がオン、すなわち導通状態となる。これにより、接続点３５がスイッチ素子Ｑ２，Ｑ４を介して接続点３６に接続され、圧電素子２２の端子間が短絡する。したがって、駆動電圧Ｖloadは、図７（ｆ）において符号４９で示すように０ボルトとなる。
【００４８】
駆動ユニット２８は、駆動電圧Ｖloadの１サイクル中の２回の相対的に小さい立ち下がり４７ｘ，４９ｘで、駆動軸２６とともに戻り方向に送られる。駆動電圧Ｖloadの相対的に大きい立ち上がり４５ｘで、駆動軸２６は急激に操出方向に変位し、このとき駆動ユニット２８はほぼその場にとどまる。これを繰り返すことで、駆動ユニット２８を駆動軸２６に沿って戻り方向に駆動することができる。
【００４９】
なお、駆動電圧Ｖloadは、符号４７で示す＋Ｖｐが第１の値、符号４９で示す０ボルトが第２の値、符号４５で示す−Ｖｐが第３の値である。
【００５０】
図８〜図１０は、圧電素子２２と駆動軸２６とからなる系の共振周波数１／Ｔが２３０ｋＨｚの駆動装置２０について、電源電圧Ｖｐを３Ｖ、駆動周波数１／Ｔｄを３０ｋＨｚ、ｔａ１を１.０Ｔ（４.３５μｓｅｃ）、ｔｂ１を１.５Ｔ（６.５２μｓｅｃ）で操出方向に駆動したときの、駆動電圧Ｖloadの値（ボルト）、駆動軸２６の軸方向変位（ｎｍ）、駆動ユニット２８の軸方向変位（ｎｍ）をそれぞれ示す。横軸は時間（μ秒）である。
【００５１】
この条件の場合、駆動ユニット２８は駆動電圧Ｖloadの波形の１周期で約３０ｎｍ動き、平均速度は約１ｍｍ／ｓｅｃである。
【００５２】
図１１は、ｔａ１を１.０Ｔ（４.３５μｓｅｃ）、ｔｂ１を１.５Ｔ（６.５２μｓｅｃ）とし、駆動周波数１／Ｔｄを変化させたときの駆動ユニット２８の速度を示す。駆動周波数１／Ｔｄを変化させても、駆動電圧Ｖloadの波形の１周期での移動量は変わらないため、駆動ユニット２８の平均速度は駆動周波数１／Ｔｄと略リニアな関係になる。
【００５３】
図１２及び図１３は、駆動周波数１／Ｔｄを３０ｋＨｚで、ｔａ１とｔｂ１を変更したときの駆動ユニット２８の速度を示す。
【００５４】
図１２は、ｔａ１／Ｔ＝０.５、０.７、１.０、１.３、１.５について、ｔｂ１／Ｔと駆動ユニット２８の速度との関係を示す。図１３は、ｔａ１／Ｔ＝１.５、１.７、２.０、２.３、２.５について、ｔｂ１／Ｔと駆動ユニット２８の速度との関係を示す。
【００５５】
図１２及び図１３から、ｔａ１とｔｂ１が系の共振周波数１／Ｔと一定の関係にあるとき、効率よく駆動することができることが分かる。これは、系の共振をうまく利用することによる、あるいは、系の共振の悪影響を避けことによるものと考えられる。
【００５６】
具体的には、ｎ１、ｎ２が０を含む正の整数とすると、
（ｎ１＋１）Ｔ−０.３Ｔ≦ｔａ１≦（ｎ１＋１）Ｔ＋０.３Ｔ ・・・（４）
０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ−０.３Ｔ≦ｔｂ１≦０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ＋０.３Ｔ ・・・（５）
ｔａ１＋ｔｂ１＜Ｔｄ ・・・（６）
の条件を満たす場合、効率よく駆動できる。
【００５７】
特に、
ｔａ１＝（ｎ１＋１）Ｔ （ｎ１＝０，１） ・・・（７）
ｔｂ１＝０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ （ｎ２＝０，１，２） ・・・（８）
で最もよく動く。
【００５８】
なお、図８〜図１３は、操出方向に駆動する場合を示したが、戻り方向に駆動する場合も同様の特性を有する。
【００５９】
次に、第２実施例について、図１４を参照しながら説明する。
【００６０】
第２実施例は、第１実施例と同じ駆動回路３０を用いるが、圧電素子２２に印加する駆動電圧の波形が第１実施例とは異なる。以下では、第１実施例との相違点を中心に説明し、第１実施例と同じ部分には同じ符号を用いる。
【００６１】
操出方向の駆動の場合には、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、端子Ｓｃ１，Ｓｃ２がＬｏとなる第１期間（符号５０で示す）と、端子Ｓｃ３，Ｓｃ４がＬｏとなる第２期間（符号５２で示す）との間に、わずかな時間ｔを設ける。これにより、駆動電圧Ｖloadは、符号５４で示す＋Ｖｐから、符号５６で示す−Ｖｐまで変化する途中に、極めて短時間ではあるが、符号５８で示すように０ボルトとなり、圧電素子２２の端子間を短絡する。
【００６２】
戻り方向の駆動の場合には、図１４（ｄ）〜（ｆ）に示すように、端子Ｓｃ３，Ｓｃ４がＬｏとなる第１期間（符号５３で示す）と、端子Ｓｃ１，Ｓｃ２がＬｏとなる第２期間（符号５１で示す）との間に、わずかな時間ｔを設ける。これにより、駆動電圧Ｖloadは、符号５７で示す−Ｖｐから、符号５５で示す＋Ｖｐまで変化する途中に、極めて短時間ではあるが、符号５９で示すように０ボルトとなり、圧電素子２２の端子間を短絡する。
【００６３】
圧電素子２２に印加する電圧を−Ｖｐから＋Ｖｐに、又は＋Ｖｐから−Ｖｐに直ちに切り替えるのではなく、圧電素子２２の端子間を短絡するためのわずかな時間ｔを設けることにより、電源電圧Ｖｐから圧電素子２２に電圧を印加するときの電圧差が半分になる。これにより、消費電力を小さくすることができる。時間ｔが、圧電素子２２と駆動軸２６とからなる系の共振周期Ｔより十分に小さければ、駆動軸２６の変位にほとんど影響を与えることはなく、駆動特性への実質的な影響はない。
【００６４】
第２実施例によれば、消費電力を第１実施例に対して約２／３にすることができる。
【００６５】
次に、第３実施例について、図１５を参照しながら説明する。
【００６６】
第１及び第２実施例のような方法で駆動した場合、駆動速度の向上に限界がある。
【００６７】
そこで、第３実施例では、第１実施例と同じ駆動回路３０を用いて、低速駆動時には、第１実施例と同様に駆動する一方、高速駆動時には、矩形波形の電圧を圧電素子２２に印加して駆動する。
【００６８】
すなわち、低速駆動時には、例えば操出方向の駆動の場合、図１５に示すように、第１実施例の図７（ａ）〜（ｃ）と同様に駆動する。
【００６９】
高速駆動時には、端子Ｓｃ１，Ｓｃ２がＬｏとなる第１期間（符号６０で示す）と、端子Ｓｃ３，Ｓｃ４がＬｏとなる第２期間（符号６２で示す）とを交互に繰り返す。これにより、駆動電圧Ｖloadは、＋Ｖｐ（符号６４で示す）と−Ｖｐ（符号６６で示す）を交互に繰り返す矩形波形となる。
【００７０】
圧電素子２２に矩形波形の電圧を印加して駆動すると、高速で駆動することが可能である。矩形波形の周波数やデューティ比を小さくすれば、一応、低速駆動が可能である。しかし、低速駆動時には、駆動力が小さくなり、安定した駆動が困難となる。一方、第１又は第２実施例と同様の方法では、安定した低速駆動を行うことができる。低速と高速で駆動方法を切り替えることで、駆動速度の制御可能範囲を広くすることができる。
【００７１】
例えば、第１実施例で用いた駆動装置２０において、低速駆動時に第１実施例の駆動条件で駆動すると、駆動ユニット２８の速度は、約１ｍｍ／ｓｅｃである（図１１参照）。高速駆動時に、例えば、駆動周波数が１５０ｋＨｚ、デューティー比が０.３の矩形波形の駆動電圧Ｖloadを圧電素子２２に印加したとき、駆動ユニット２８の速度は、約１２ｍｍ／ｓｅｃである。
【００７２】
第３実施例によれば、同じ回路を用いて、安定した低速駆動時と高速駆動時との両方を実現できる。
【００７３】
以上説明したように、簡単な回路構成で安定した低速駆動が可能である。
【００７４】
なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【００７５】
例えば、圧電素子２２に印加する電圧波形を形成する回路は、上記実施例に限るものではない。上記実施例では、例えば、−３、０、＋３、−３、０、＋３、−３、０、＋３、…ボルトの電圧を印加することができるが、回路によっては、例えば−３、０.５、＋３、−３、−０.５、＋３、−３、０.３、＋３、…ボルトのように中間値（第２の値）がばらつくことがある。そのような場合でも、例えば±０.５ボルト程度であれば、機能的に問題なく駆動することができる。
【００７６】
また、本発明は、電気機械変換素子を固定する素子固定タイプの駆動装置に限らず、係合部材を固定するタイプのものや、駆動摩擦部材を固定するタイプのもの、自走式のものなど、電気機械変換素子を用いた種々のタイプの駆動装置に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 駆動装置の説明図である。
【図２】 従来例の第１の方法の説明図である。
【図３】 従来例の第２の方法の説明図である。
【図４】 従来例の第２の方法の説明図である。
【図５】 本発明の第１実施例の駆動装置を示す（ａ）分解斜視図及び（ｂ）組立斜視図である。
【図６】 図５の駆動装置の回路図である。
【図７】 図６の回路におけるタイミングチャート及び電圧の波形図である。
【図８】 圧電素子に印加する電圧の波形図である。
【図９】 駆動軸の変位図である。
【図１０】 駆動ユニットの変位図である。
【図１１】 駆動周波数と駆動ユニットの速度との関係を示すグラフである。
【図１２】 電圧印加時間と駆動ユニットの速度との関係を示すグラフである。
【図１３】 電圧印加時間と駆動ユニットの速度との関係を示すグラフである。
【図１４】 本発明の第２実施例を示すタイミングチャート及び電圧の波形図である。
【図１５】 本発明の第３実施例を示す電圧の波形図である。
【符号の説明】
２０ 駆動装置
２２ 圧電素子（電気機械変換素子）
２６ 駆動軸（駆動摩擦部材）
２８ 駆動ユニット（係合部材）
３０ 駆動回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置に関し、詳しくは、圧電素子などの電気機械変換素子を用いた駆動装置に関し、例えばカメラにおけるレンズ駆動や精密ステージの駆動などに好適な駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電機機械変換素子を用いた種々のタイプの駆動装置が提案されている。
【０００３】
例えば図１（ａ）〜（ｃ）に模式的に示した素子固定タイプの駆動装置では、電機機械変換素子である圧電素子の伸縮方向一端が固定部材に固定され、他端に駆動摩擦部材が固定されている。駆動摩擦部材は、圧電素子の伸縮に伴なって、操出方向と戻り方向とに移動するようになっている。駆動摩擦部材には、移動体が摩擦力によって係合する。
【０００４】
圧電素子に電圧を印加して、圧電素子を伸長時と収縮時の速度を異ならせて伸縮させることにより、移動体を駆動する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１（ｄ）に示した操出波形の電圧を印加したときのＡ、Ｂ、Ｃにおける状態を、それぞれ示す。
【０００５】
図１（ｄ）の区間Ａ−Ｂにおいて電圧波形が緩やかに上昇するとき、圧電素子は相対的にゆっくり伸び、図１（ａ）の状態から図１（ｂ）の状態へと変化する。このとき、移動体は、駆動摩擦部材に対して滑ることなく、あるいはほとんど滑ることなく、実質的には駆動摩擦部材とともに一体的に移動する。
【０００６】
次に、区間Ｂ−Ｃにおいて電圧波形が急に下降するとき、圧電素子は相対的に急に縮み、駆動摩擦部材は急に初期位置に戻る。このとき、駆動摩擦部材と移動体との間に滑りが生じ、移動体は実質的に移動せず、駆動摩擦部材だけが初期位置に戻る。その結果、移動体は、図１（ｃ）に示すように、図１（ａ）の初期位置に対して操出方向に移動する。
【０００７】
このサイクルの繰り返しにより、移動体は駆動摩擦部材に沿って移動する。
【０００８】
なお、急な上昇と緩やかな下降とで構成された戻り波形の電圧を圧電素子に印加すれば、移動体は戻り方向に移動する。
【０００９】
圧電素子に鋸波形の電圧を印加する方法としては、次の２つの方法があった。
【００１０】
図２は、第１の方法を示す。図２（ａ）に示すように、波形発生器Ｗのデジタルアナログ変換器により、例えば８ビット、０−５Ｖの鋸波形を生成し、それをパワーアンプＭに入力し、例えば０−１０Ｖに増幅した駆動用の鋸波形を圧電素子Ｘに印加する。波形生成器Ｗを調整することにより、図２（ｂ）に示す繰出し波形や、図２（ｃ）に示す戻り波形の鋸波形を生成することができる。
【００１１】
図３及び図４は、第２の方法を示す。図３に示すように、電源電圧Ｖを圧電素子Ｘに印加するために、定電流回路Ａ，Ｄとスイッチ回路Ｂ，Ｃとを備えた回路を用い、定電流回路Ａ，Ｄとスイッチ回路Ｂ，Ｃと交互に働かせることで、繰出し波形と戻り波形を生成する。
【００１２】
詳しくは、例えば図４（ａ）に示したデジタル回路を構成し、図４（ｂ）に示したように、端子ａ，ｂ，ｃ，ｄに制御信号を入力することにより、繰出し波形と戻り波形を生成する。
【００１３】
すなわち、端子ａにＨｉ信号を入力し、定電流回路Ａを介して圧電素子Ｘに印加する電圧を徐々に上昇させた後、端子ｂにＨｉ信号を入力し、スイッチ回路Ｂを介して圧電素子Ｘを接地し、圧電素子Ｘに印加する電圧を急に下げ、符号１０，１２で示す繰出し波形を生成する。
【００１４】
あるいは、端子ｃにＨｉ信号を入力し、スイッチ回路Ｃを介して電源電圧Ｖを圧電素子Ｘに印加した後、端子ｄにＨｉ信号を入力し、定電流回路Ｄを介して接地することにより、符号１４，１６で示す戻り波形を生成する。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
第１の方法では波形発生器ＷとパワーアンプＭが必要であり、第２の方法では定電流回路Ａ，Ｄやスイッチ回路Ｂ，Ｃが必要であり、回路が複雑になり、コストがかかっていた。また、安定した低速駆動が困難であった。
【００１６】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、簡単な回路構成で安定した低速駆動が可能な駆動装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の駆動装置を提供する。
【００１８】
駆動装置は、電気機械変換素子と、駆動摩擦部材と、係合部材と、駆動回路とを備える。前記電気機械変換素子は、電圧が印加されると伸縮する。前記駆動摩擦部材は、前記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固定される。前記係合部材は、前記駆動摩擦部材に摩擦力で係合する。前記駆動回路は、前記電気機械変換素子に電圧を印加し、該電圧が、最大値又は最小値のいずれか一方の第１の値、最大値と最小値との中間の第２の値、最大値又は最小値のいずれか他方の第３の値の順のサイクルを繰り返すようにする。前記駆動回路により、前記係合部材が前記駆動摩擦部材に沿って相対的に移動する。
【００１９】
一般に、圧電素子、電歪素子、磁歪素子、静電アクチュエータなどの電気機械変化素子は、電圧、電流、電界、磁界、静電気などの電気的エネルギーを、伸縮、曲げ、ねじれ、歪みなど機械的エネルギーに変換する。
【００２０】
上記構成において、電気機械変換素子に印加する電圧が、第１の値から第２の値を経て第３の値に変化するとき、電圧の変化が相対的に小さく、電気機械変換素子は相対的に緩やかに伸長又は収縮し、駆動摩擦部材と係合部材との間で実質的には滑りが生じず、両者が一体的に移動する。一方、第３の値から第１の値に最大振幅で変化するとき、電圧の変化が相対的に大きく、電気機械変換素子は相対的に急激に収縮又は伸長し、駆動摩擦部材と係合部材との間で相対的な滑りが生じる。このサイクルの繰り返しにより、所望の一方向に駆動することができる。
【００２１】
上記構成によれば、第２の値（中間値）の電圧を印加する時間を変えても、電圧が第３値から第１値に最大振幅で変化するときの滑り量はほとんど同じであり、滑りが生じる頻度（サイクルの周期）が変わるだけである。したがって、第２値を印加する時間を長くすることにより、安定した低速駆動が可能である。また、電気機械変換素子に印加する電圧を上記のように切り替える回路は、簡単な構成で実現することができる。
【００２２】
なお、第２の値は、サイクル毎に多少の値の変動があっても駆動特性に与える影響は少ないので、必ずしも一定値であることは要しない。また、電気機械変換素子に印加する電圧が第３の値から第１の値に変化する時間は、駆動摩擦部材と係合部材との間で相対的な滑りが生じる程度の短時間であればよく、この条件を満たす限り、変化の途中で０ボルト状態をわずかの時間保持してもよい。
【００２３】
好ましくは、前記電気機械変換素子と前記駆動摩擦部材とからなる系の共振周期をＴ、前記駆動回路が前記電気機械変換素子に印加する電圧のサイクルの周期をＴｄ、前記駆動回路が前記第１の値の電圧を印加する時間をｔａ、前記駆動回路が前記第３の値の電圧を印加する時間をｔｂ、ｎ１は０を含む正の整数、ｎ２は０を含む正の整数とすると、
（ｎ１＋１）Ｔ−０.３Ｔ≦ｔａ≦（ｎ１＋１）Ｔ＋０.３Ｔ ・・・（１）
０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ−０.３Ｔ≦ｔｂ≦０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ＋０.３Ｔ ・・・（２）
ｔａ＋ｔｂ＜Ｔｄ ・・・（３）
を満たす。
【００２４】
上記構成のように、電気機械変換素子に第１の値の電圧を印加する時間と第３の値の電圧を印加する時間が、電気機械変換素子と駆動摩擦部材とからなる系の共振周期と一定の関係にあるときには、効率よく駆動することができる。
【００２５】
好ましくは、前記第１の値と前記第３の値とは、絶対値が等しく、符号が異なる。前記第２の値は０ボルトである。
【００２６】
上記構成によれば、駆動回路の部品の種類を減らし、構成をより簡単にすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態として第１〜第３実施例を図５〜図１５に基づいて説明する。
【００２８】
まず、第１実施例について、図５〜図１３を参照しながら説明する。
【００２９】
図５は、本実施例の駆動装置２０の構成を示す（ａ）分解斜視図及び（ｂ）組立斜視図である。
【００３０】
駆動装置２０は、不図示の機器の固定部材（例えば、ＸＹ駆動テーブルのベース）に取り付ける固定部材２４と、例えば積層形の圧電素子２２と、固定部材２４に摺動可能に支持される駆動軸２６と、不図示の被駆動部材（例えば、ＸＹ駆動テーブルのステージ）に結合される駆動ユニット２８とを備える。圧電素子２２は、その伸縮方向の一方の端面が固定部材２４に固着結合され、その伸縮方向の他方の端面には駆動軸２６の一方の軸端面が固着結合されている。駆動軸２６には、スライダー２８ｃ、摩擦部材２８ｂ、板ばね２８ａからなる駆動ユニット２８が、摩擦力で係合するようになっている。この駆動装置２０は、駆動回路３０により、圧電素子２２に適宜波形の電圧を印加し、駆動軸２６を軸方向に往復振動させ、駆動ユニット２８を駆動軸２６に沿って所定方向に動かすことができる。
【００３１】
つまり、圧電素子２２は電機機械変換素子として機能し、駆動軸２６は駆動摩擦部材として機能し、駆動ユニット２８は移動体又は係合部材として機能する。
【００３２】
図５は、本実施例の駆動装置２０の電気回路図である。
【００３３】
駆動回路３０は、制御回路３２と、４個のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４とを含み、圧電素子２２の端子間に電圧を印加する。
【００３４】
スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４は、ＭＯＳ型ＦＥＴであり、各ゲートは、制御回路３２の端子Ｓｃ１〜Ｓｃ４にそれぞれ接続され、Ｈｉ又はＬｏの信号が入力される。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３はＰチャンネルＦＥＴであり、ソースとドレイン間は、ゲートにＬｏ信号が入力されるとオン（導通状態）になり、Ｈｉ信号が入力されるとオフ（遮断状態）になる。スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４はＮチャンネルＦＥＴであり、ソースとドレイン間は、ゲートにＨｉ信号が入力されるとオン（導通状態）になり、Ｌｏ信号が入力されるとオフ（遮断状態）になる。
【００３５】
スイッチ素子Ｑ１のソースとスイッチ素子Ｑ３のソースとは、それぞれ、接続点３４を介して、電源電圧Ｖｐに接続されている。スイッチ素子Ｑ１のドレインは、接続点３５を介して、スイッチ素子Ｑ２のドレインに接続されている。スイッチ素子Ｑ３のドレインは、接続点３６を介して、スイッチ素子Ｑ４のドレインに接続されている。スイッチ素子Ｑ２のソースとスイッチ素子Ｑ４のソースとは、それぞれ、接続点３７を介して、接地されている。圧電素子２２の各端子は、それぞれ接続点３５，３６に接続される。
【００３６】
次に、制御回路３２の動作について、図７を参照しながら説明する。図７（ａ）は制御回路３２の端子Ｓｃ１，Ｓｃ２の電圧（すなわち、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２のゲート電圧）を示す。図７（ｂ）は制御回路３２の端子Ｓｃ３，Ｓｃ４の電圧（すなわち、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４のゲート電圧）を示す。図７（ｃ）は、圧電素子２２の端子間に印加される駆動電圧Ｖloadを示す。駆動電圧Ｖloadは、図６において矢印３８で示した方向を正とする。
【００３７】
図７に示すように、駆動回路３０が、第１〜第３期間からなる周期Ｔｄのサイクルを繰り返すことにより、駆動ユニット２８を操出方向又は戻り方向に駆動することができる。
【００３８】
図７（ａ）〜（ｃ）は、操出方向に駆動する場合を示す。
【００３９】
長さｔｂ１の第１期間では、図７（ａ）において符号４０で示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２はＬｏとなり、図７（ｂ）に示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４は引き続きＨｉであり、図６の回路において、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオン、すなわち導通状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオフ、すなわち遮断状態となる。これにより、接続点３６がスイッチ素子Ｑ４を介して接地され、接続点３５はスイッチ素子Ｑ１を介して電源電圧Ｖｐに接続される。したがって、圧電素子２２の両端間の駆動電圧Ｖloadは、図７（ｃ）において符号４４で示すように＋Ｖｐとなる。
【００４０】
長さｔａ１の第２期間では、図７（ａ）に示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２はＨｉとなり、図７（ｂ）において符号４２で示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４はＬｏとなり、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオフ、すなわち遮断状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオン、すなわち導通状態となる。これにより、接続点３５がスイッチ素子Ｑ２を介して接地され、接続点３６はスイッチ素子Ｑ３を介して電源電圧Ｖｐに接続される。したがって、駆動電圧Ｖloadは、図７（ｃ）において符号４６で示すように−Ｖｐとなる。
【００４１】
長さ（Ｔｄ−ｔａ１−ｔｂ１）の第３期間では、図７（ａ）に示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２は引き続きＨｉであり、図７（ｂ）に示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４はＨｉとなり、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３がオフ、すなわち遮断状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４がオン、すなわち導通状態となる。これにより、接続点３５がスイッチ素子Ｑ２，Ｑ４を介して接続点３６に接続され、圧電素子２２の端子間が短絡する。したがって、駆動電圧Ｖloadは、図７（ｃ）において符号４８で示すように０ボルトとなる。
【００４２】
駆動ユニット２８は、駆動電圧Ｖloadの１サイクル中の２回の相対的に小さい立ち上がり４６ｘ，４８ｘで、駆動軸２６とともに操出方向に送られる。駆動電圧Ｖloadの相対的に大きい立ち下がり４４ｘで、駆動軸２６は急激に戻り方向に変位し、このとき駆動ユニット２８はほぼその場にとどまる。これを繰り返すことで、駆動ユニット２８を駆動軸２６に沿って操出方向に駆動することができる。
【００４３】
なお、駆動電圧Ｖloadは、符号４６で示す−Ｖｐが第１の値、符号４８で示す０ボルトが第２の値、符号４４で示す＋Ｖｐが第３の値である。
【００４４】
図７（ｄ）〜（ｆ）は、戻り方向に駆動する場合を示す。
【００４５】
長さｔｂ２の第１期間では、図７（ａ）に示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２はＨｉのままであり、図７（ｂ）において符号４３で示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４はＬｏとなり、図６の回路において、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオフ、すなわち遮断状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオン、すなわち導通状態となる。これにより、接続点３５がスイッチ素子Ｑ２を介して接地され、接続点３６はスイッチ素子Ｑ３を介して電源電圧Ｖｐに接続される。したがって、駆動電圧Ｖloadは、図７（ｆ）において符号４５で示すように−Ｖｐとなる。
【００４６】
長さｔａ２の第２期間では、図７（ｄ）において符号４１で示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２はＬｏとなり、図７（ｂ）に示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４はＨｉとなり、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４がオン、すなわち導通状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３がオフ、すなわち遮断状態となる。これにより、接続点３６がスイッチ素子Ｑ４を介して接地され、接続点３５はスイッチ素子Ｑ１を介して電源電圧Ｖｐに接続される。したがって、圧電素子２２の端子間の駆動電圧Ｖloadは、図７（ｆ）において符号４７で示すように＋Ｖｐとなる。
【００４７】
長さ（Ｔｄ−ｔａ２−ｔｂ２）の第３期間では、図７（ａ）に示すように端子Ｓｃ１，Ｓｃ２はＨｉとなり、図７（ｂ）に示すように端子Ｓｃ３，Ｓｃ４は引き続きＨｉであり、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３がオフ、すなわち遮断状態、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４がオン、すなわち導通状態となる。これにより、接続点３５がスイッチ素子Ｑ２，Ｑ４を介して接続点３６に接続され、圧電素子２２の端子間が短絡する。したがって、駆動電圧Ｖloadは、図７（ｆ）において符号４９で示すように０ボルトとなる。
【００４８】
駆動ユニット２８は、駆動電圧Ｖloadの１サイクル中の２回の相対的に小さい立ち下がり４７ｘ，４９ｘで、駆動軸２６とともに戻り方向に送られる。駆動電圧Ｖloadの相対的に大きい立ち上がり４５ｘで、駆動軸２６は急激に操出方向に変位し、このとき駆動ユニット２８はほぼその場にとどまる。これを繰り返すことで、駆動ユニット２８を駆動軸２６に沿って戻り方向に駆動することができる。
【００４９】
なお、駆動電圧Ｖloadは、符号４７で示す＋Ｖｐが第１の値、符号４９で示す０ボルトが第２の値、符号４５で示す−Ｖｐが第３の値である。
【００５０】
図８〜図１０は、圧電素子２２と駆動軸２６とからなる系の共振周波数１／Ｔが２３０ｋＨｚの駆動装置２０について、電源電圧Ｖｐを３Ｖ、駆動周波数１／Ｔｄを３０ｋＨｚ、ｔａ１を１.０Ｔ（４.３５μｓｅｃ）、ｔｂ１を１.５Ｔ（６.５２μｓｅｃ）で操出方向に駆動したときの、駆動電圧Ｖloadの値（ボルト）、駆動軸２６の軸方向変位（ｎｍ）、駆動ユニット２８の軸方向変位（ｎｍ）をそれぞれ示す。横軸は時間（μ秒）である。
【００５１】
この条件の場合、駆動ユニット２８は駆動電圧Ｖloadの波形の１周期で約３０ｎｍ動き、平均速度は約１ｍｍ／ｓｅｃである。
【００５２】
図１１は、ｔａ１を１.０Ｔ（４.３５μｓｅｃ）、ｔｂ１を１.５Ｔ（６.５２μｓｅｃ）とし、駆動周波数１／Ｔｄを変化させたときの駆動ユニット２８の速度を示す。駆動周波数１／Ｔｄを変化させても、駆動電圧Ｖloadの波形の１周期での移動量は変わらないため、駆動ユニット２８の平均速度は駆動周波数１／Ｔｄと略リニアな関係になる。
【００５３】
図１２及び図１３は、駆動周波数１／Ｔｄを３０ｋＨｚで、ｔａ１とｔｂ１を変更したときの駆動ユニット２８の速度を示す。
【００５４】
図１２は、ｔａ１／Ｔ＝０.５、０.７、１.０、１.３、１.５について、ｔｂ１／Ｔと駆動ユニット２８の速度との関係を示す。図１３は、ｔａ１／Ｔ＝１.５、１.７、２.０、２.３、２.５について、ｔｂ１／Ｔと駆動ユニット２８の速度との関係を示す。
【００５５】
図１２及び図１３から、ｔａ１とｔｂ１が系の共振周波数１／Ｔと一定の関係にあるとき、効率よく駆動することができることが分かる。これは、系の共振をうまく利用することによる、あるいは、系の共振の悪影響を避けことによるものと考えられる。
【００５６】
具体的には、ｎ１、ｎ２が０を含む正の整数とすると、
（ｎ１＋１）Ｔ−０.３Ｔ≦ｔａ１≦（ｎ１＋１）Ｔ＋０.３Ｔ ・・・（４）
０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ−０.３Ｔ≦ｔｂ１≦０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ＋０.３Ｔ ・・・（５）
ｔａ１＋ｔｂ１＜Ｔｄ ・・・（６）
の条件を満たす場合、効率よく駆動できる。
【００５７】
特に、
ｔａ１＝（ｎ１＋１）Ｔ （ｎ１＝０，１） ・・・（７）
ｔｂ１＝０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ （ｎ２＝０，１，２） ・・・（８）
で最もよく動く。
【００５８】
なお、図８〜図１３は、操出方向に駆動する場合を示したが、戻り方向に駆動する場合も同様の特性を有する。
【００５９】
次に、第２実施例について、図１４を参照しながら説明する。
【００６０】
第２実施例は、第１実施例と同じ駆動回路３０を用いるが、圧電素子２２に印加する駆動電圧の波形が第１実施例とは異なる。以下では、第１実施例との相違点を中心に説明し、第１実施例と同じ部分には同じ符号を用いる。
【００６１】
操出方向の駆動の場合には、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、端子Ｓｃ１，Ｓｃ２がＬｏとなる第１期間（符号５０で示す）と、端子Ｓｃ３，Ｓｃ４がＬｏとなる第２期間（符号５２で示す）との間に、わずかな時間ｔを設ける。これにより、駆動電圧Ｖloadは、符号５４で示す＋Ｖｐから、符号５６で示す−Ｖｐまで変化する途中に、極めて短時間ではあるが、符号５８で示すように０ボルトとなり、圧電素子２２の端子間を短絡する。
【００６２】
戻り方向の駆動の場合には、図１４（ｄ）〜（ｆ）に示すように、端子Ｓｃ３，Ｓｃ４がＬｏとなる第１期間（符号５３で示す）と、端子Ｓｃ１，Ｓｃ２がＬｏとなる第２期間（符号５１で示す）との間に、わずかな時間ｔを設ける。これにより、駆動電圧Ｖloadは、符号５７で示す−Ｖｐから、符号５５で示す＋Ｖｐまで変化する途中に、極めて短時間ではあるが、符号５９で示すように０ボルトとなり、圧電素子２２の端子間を短絡する。
【００６３】
圧電素子２２に印加する電圧を−Ｖｐから＋Ｖｐに、又は＋Ｖｐから−Ｖｐに直ちに切り替えるのではなく、圧電素子２２の端子間を短絡するためのわずかな時間ｔを設けることにより、電源電圧Ｖｐから圧電素子２２に電圧を印加するときの電圧差が半分になる。これにより、消費電力を小さくすることができる。時間ｔが、圧電素子２２と駆動軸２６とからなる系の共振周期Ｔより十分に小さければ、駆動軸２６の変位にほとんど影響を与えることはなく、駆動特性への実質的な影響はない。
【００６４】
第２実施例によれば、消費電力を第１実施例に対して約２／３にすることができる。
【００６５】
次に、第３実施例について、図１５を参照しながら説明する。
【００６６】
第１及び第２実施例のような方法で駆動した場合、駆動速度の向上に限界がある。
【００６７】
そこで、第３実施例では、第１実施例と同じ駆動回路３０を用いて、低速駆動時には、第１実施例と同様に駆動する一方、高速駆動時には、矩形波形の電圧を圧電素子２２に印加して駆動する。
【００６８】
すなわち、低速駆動時には、例えば操出方向の駆動の場合、図１５に示すように、第１実施例の図７（ａ）〜（ｃ）と同様に駆動する。
【００６９】
高速駆動時には、端子Ｓｃ１，Ｓｃ２がＬｏとなる第１期間（符号６０で示す）と、端子Ｓｃ３，Ｓｃ４がＬｏとなる第２期間（符号６２で示す）とを交互に繰り返す。これにより、駆動電圧Ｖloadは、＋Ｖｐ（符号６４で示す）と−Ｖｐ（符号６６で示す）を交互に繰り返す矩形波形となる。
【００７０】
圧電素子２２に矩形波形の電圧を印加して駆動すると、高速で駆動することが可能である。矩形波形の周波数やデューティ比を小さくすれば、一応、低速駆動が可能である。しかし、低速駆動時には、駆動力が小さくなり、安定した駆動が困難となる。一方、第１又は第２実施例と同様の方法では、安定した低速駆動を行うことができる。低速と高速で駆動方法を切り替えることで、駆動速度の制御可能範囲を広くすることができる。
【００７１】
例えば、第１実施例で用いた駆動装置２０において、低速駆動時に第１実施例の駆動条件で駆動すると、駆動ユニット２８の速度は、約１ｍｍ／ｓｅｃである（図１１参照）。高速駆動時に、例えば、駆動周波数が１５０ｋＨｚ、デューティー比が０.３の矩形波形の駆動電圧Ｖloadを圧電素子２２に印加したとき、駆動ユニット２８の速度は、約１２ｍｍ／ｓｅｃである。
【００７２】
第３実施例によれば、同じ回路を用いて、安定した低速駆動時と高速駆動時との両方を実現できる。
【００７３】
以上説明したように、簡単な回路構成で安定した低速駆動が可能である。
【００７４】
なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【００７５】
例えば、圧電素子２２に印加する電圧波形を形成する回路は、上記実施例に限るものではない。上記実施例では、例えば、−３、０、＋３、−３、０、＋３、−３、０、＋３、…ボルトの電圧を印加することができるが、回路によっては、例えば−３、０.５、＋３、−３、−０.５、＋３、−３、０.３、＋３、…ボルトのように中間値（第２の値）がばらつくことがある。そのような場合でも、例えば±０.５ボルト程度であれば、機能的に問題なく駆動することができる。
【００７６】
また、本発明は、電気機械変換素子を固定する素子固定タイプの駆動装置に限らず、係合部材を固定するタイプのものや、駆動摩擦部材を固定するタイプのもの、自走式のものなど、電気機械変換素子を用いた種々のタイプの駆動装置に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 駆動装置の説明図である。
【図２】 従来例の第１の方法の説明図である。
【図３】 従来例の第２の方法の説明図である。
【図４】 従来例の第２の方法の説明図である。
【図５】 本発明の第１実施例の駆動装置を示す（ａ）分解斜視図及び（ｂ）組立斜視図である。
【図６】 図５の駆動装置の回路図である。
【図７】 図６の回路におけるタイミングチャート及び電圧の波形図である。
【図８】 圧電素子に印加する電圧の波形図である。
【図９】 駆動軸の変位図である。
【図１０】 駆動ユニットの変位図である。
【図１１】 駆動周波数と駆動ユニットの速度との関係を示すグラフである。
【図１２】 電圧印加時間と駆動ユニットの速度との関係を示すグラフである。
【図１３】 電圧印加時間と駆動ユニットの速度との関係を示すグラフである。
【図１４】 本発明の第２実施例を示すタイミングチャート及び電圧の波形図である。
【図１５】 本発明の第３実施例を示す電圧の波形図である。
【符号の説明】
２０ 駆動装置
２２ 圧電素子（電気機械変換素子）
２６ 駆動軸（駆動摩擦部材）
２８ 駆動ユニット（係合部材）
３０ 駆動回路
Claims (3)
- 電圧が印加されると伸縮する電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固定された駆動摩擦部材と、
前記駆動摩擦部材に摩擦力で係合する係合部材と、
前記電気機械変換素子に電圧を印加する駆動回路であって、該電圧が、最大値又は最小値のいずれか一方の第１の値、最大値と最小値との中間の第２の値、最大値又は最小値のいずれか他方の第３の値の順のサイクルを繰り返すようにする駆動回路とを備え、
前記駆動回路により、前記係合部材が前記駆動摩擦部材に沿って相対的に移動することを特徴とする、駆動装置。 - 前記電気機械変換素子と前記駆動摩擦部材とからなる系の共振周期をＴ、前記駆動回路が前記電気機械変換素子に印加する電圧のサイクルの周期をＴｄ、前記駆動回路が前記第１の値の電圧を印加する時間をｔａ、前記駆動回路が前記第３の値の電圧を印加する時間をｔｂ、ｎ１は０を含む正の整数、ｎ２は０を含む正の整数とすると、
（ｎ１＋１）Ｔ−０.３Ｔ≦ｔａ≦（ｎ１＋１）Ｔ＋０.３Ｔ
０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ−０.３Ｔ≦ｔｂ≦０.９５（ｎ２＋０.５）Ｔ＋０.３Ｔ
ｔａ＋ｔｂ＜Ｔｄ
を満たすことを特徴とする、請求項１記載の駆動装置。 - 前記第１の値と前記第３の値とは、絶対値が等しく、符号が異なり、前記第２の値は０ボルトであることを特徴とする、請求項１又は２記載の駆動装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002240864A JP3646154B2 (ja) | 2002-08-21 | 2002-08-21 | 駆動装置 |
| US10/298,931 US6803699B2 (en) | 2002-08-21 | 2002-11-19 | Drive mechanism employing electromechanical transducer and drive method therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002240864A JP3646154B2 (ja) | 2002-08-21 | 2002-08-21 | 駆動装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004080964A JP2004080964A (ja) | 2004-03-11 |
| JP3646154B2 true JP3646154B2 (ja) | 2005-05-11 |
Family
ID=31884530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002240864A Expired - Lifetime JP3646154B2 (ja) | 2002-08-21 | 2002-08-21 | 駆動装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6803699B2 (ja) |
| JP (1) | JP3646154B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1976035A2 (en) | 2007-03-29 | 2008-10-01 | Fujinon Corporation | Driving apparatus, lens driving apparatus and image pickup apparatus |
| EP1981161A2 (en) | 2007-03-28 | 2008-10-15 | Fujinon Corporation | Driving apparatus, lens driving apparatus and image pickup apparatus |
| US7956515B2 (en) | 2008-08-27 | 2011-06-07 | Mitsumi Electric Co., Ltd. | Method of driving a driving apparatus capable of smoothly moving a moving member |
Families Citing this family (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7538473B2 (en) * | 2004-02-03 | 2009-05-26 | S.C. Johnson & Son, Inc. | Drive circuits and methods for ultrasonic piezoelectric actuators |
| US7723899B2 (en) | 2004-02-03 | 2010-05-25 | S.C. Johnson & Son, Inc. | Active material and light emitting device |
| JP3906850B2 (ja) * | 2004-04-28 | 2007-04-18 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 駆動装置 |
| JP4664004B2 (ja) * | 2004-05-10 | 2011-04-06 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 駆動装置および情報記録装置 |
| JP2006075713A (ja) * | 2004-09-09 | 2006-03-23 | Konica Minolta Opto Inc | 駆動装置 |
| JP4062293B2 (ja) * | 2004-09-16 | 2008-03-19 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 駆動装置 |
| JP2006262685A (ja) * | 2005-02-18 | 2006-09-28 | Konica Minolta Opto Inc | 駆動装置および駆動方法 |
| JP4694886B2 (ja) * | 2005-05-12 | 2011-06-08 | 三洋電機株式会社 | 駆動波発生回路 |
| JP4720347B2 (ja) * | 2005-08-04 | 2011-07-13 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 駆動装置および駆動システム |
| US7608979B2 (en) | 2005-08-04 | 2009-10-27 | Konica Minolta Holdings, Inc. | Driving device and driving system |
| JP4687314B2 (ja) * | 2005-08-04 | 2011-05-25 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 駆動装置および駆動システム |
| JP4931182B2 (ja) * | 2005-09-30 | 2012-05-16 | 富士フイルム株式会社 | 駆動装置 |
| JP2007121679A (ja) | 2005-10-28 | 2007-05-17 | Konica Minolta Opto Inc | 光学部材駆動装置 |
| US20100230608A1 (en) * | 2006-03-02 | 2010-09-16 | Nanofactory Instruments Ab | Safe motion |
| JP5093098B2 (ja) | 2006-03-08 | 2012-12-05 | コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 | 駆動装置 |
| JP2008035586A (ja) * | 2006-07-26 | 2008-02-14 | Sanyo Electric Co Ltd | 駆動波発生回路 |
| JP2008035585A (ja) * | 2006-07-26 | 2008-02-14 | Sanyo Electric Co Ltd | 駆動波発生回路 |
| JP2008035587A (ja) * | 2006-07-26 | 2008-02-14 | Sanyo Electric Co Ltd | 駆動波発生回路 |
| DE102006052175B4 (de) * | 2006-11-02 | 2013-03-07 | SmarAct Holding GmbH | Trägheitsantriebsvorrichtung |
| JP5151163B2 (ja) | 2007-01-30 | 2013-02-27 | コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 | 駆動装置、および駆動システム |
| JP5315619B2 (ja) * | 2007-02-27 | 2013-10-16 | コニカミノルタ株式会社 | 駆動装置 |
| JP2009136050A (ja) * | 2007-11-29 | 2009-06-18 | Nidec Copal Corp | 駆動装置 |
| JP5185640B2 (ja) * | 2008-01-25 | 2013-04-17 | オリンパス株式会社 | 慣性駆動アクチュエータ |
| JP5338146B2 (ja) * | 2008-06-04 | 2013-11-13 | コニカミノルタ株式会社 | 駆動装置 |
| US8304960B2 (en) * | 2009-10-29 | 2012-11-06 | New Scale Technologies | Methods for reducing power consumption of at least partially resonant actuator systems and systems thereof |
| WO2017137044A1 (de) * | 2016-02-11 | 2017-08-17 | Physik Instrumente (Pi) Gmbh & Co. Kg | Verfahren und vorrichtung zur ansteuerung eines elektromechanischen elements |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5969464A (en) * | 1989-04-18 | 1999-10-19 | Minolta Co., Ltd. | Drive device using electromechanical transducer and an apparatus employing the drive device |
| US5786654A (en) * | 1995-06-08 | 1998-07-28 | Minolta Co., Ltd. | Movable stage utilizing electromechanical transducer |
| US6051909A (en) * | 1996-12-27 | 2000-04-18 | Minolta Co., Ltd. | Drive device using electromechanical transducer |
| US6140750A (en) * | 1997-04-14 | 2000-10-31 | Minolta Co., Ltd. | Actuator using electromechanical transducer and apparatus employing the actuator |
| JP2000014176A (ja) * | 1998-06-17 | 2000-01-14 | Minolta Co Ltd | 駆動装置 |
| JP4470258B2 (ja) | 2000-01-20 | 2010-06-02 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 駆動装置 |
| JP2001268951A (ja) * | 2000-03-23 | 2001-09-28 | Minolta Co Ltd | 駆動装置 |
-
2002
- 2002-08-21 JP JP2002240864A patent/JP3646154B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 2002-11-19 US US10/298,931 patent/US6803699B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1981161A2 (en) | 2007-03-28 | 2008-10-15 | Fujinon Corporation | Driving apparatus, lens driving apparatus and image pickup apparatus |
| US7960898B2 (en) | 2007-03-28 | 2011-06-14 | Fujinon Corporation | Driving apparatus, lens driving apparatus and image pickup apparatus |
| EP1976035A2 (en) | 2007-03-29 | 2008-10-01 | Fujinon Corporation | Driving apparatus, lens driving apparatus and image pickup apparatus |
| US7956515B2 (en) | 2008-08-27 | 2011-06-07 | Mitsumi Electric Co., Ltd. | Method of driving a driving apparatus capable of smoothly moving a moving member |
| CN101662235B (zh) * | 2008-08-27 | 2012-07-04 | 三美电机株式会社 | 驱动装置的驱动方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20040036382A1 (en) | 2004-02-26 |
| US6803699B2 (en) | 2004-10-12 |
| JP2004080964A (ja) | 2004-03-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3646154B2 (ja) | 駆動装置 | |
| JP3595808B2 (ja) | 電圧発生回路及び該回路を備えた駆動装置 | |
| JP3171187B2 (ja) | 圧電アクチュエータ | |
| US7271522B2 (en) | Driving device and driving method | |
| KR20060061243A (ko) | 구동장치 및 구동방법 | |
| US7750534B2 (en) | Drive device and drive system | |
| JP4561164B2 (ja) | 駆動装置および駆動方法 | |
| JP3944629B2 (ja) | 駆動回路 | |
| US7608979B2 (en) | Driving device and driving system | |
| US20060049716A1 (en) | Drive unit | |
| US7671512B2 (en) | Impact drive actuator | |
| JP4687314B2 (ja) | 駆動装置および駆動システム | |
| JP4720347B2 (ja) | 駆動装置および駆動システム | |
| JP2003015014A (ja) | レンズ駆動装置 | |
| JP4114447B2 (ja) | 駆動回路 | |
| JP2002238271A (ja) | 駆動回路 | |
| JP3933460B2 (ja) | 駆動装置 | |
| KR102558860B1 (ko) | 선형 구동기 | |
| JP3493541B2 (ja) | 電気機械変換素子を使用したアクチエ−タ | |
| JPH10290588A (ja) | 電気機械変換素子を使用したアクチエ−タ | |
| JPH04185287A (ja) | 移動機構 | |
| JPH06148497A (ja) | 圧電アクチュエータ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20041207 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20041221 |
|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20041224 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050111 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3646154 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080218 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090218 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090218 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100218 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110218 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110218 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120218 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120218 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130218 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140218 Year of fee payment: 9 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |