JP3944629B2 - 駆動回路 - Google Patents
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Description
【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、容量性負荷に交流電圧を印加して駆動する駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、圧電素子を用いた駆動装置が提供されている。このような駆動装置は、例えば図8のような駆動回路70で駆動される。図において、72は制御回路、122は容量性負荷である圧電素子、F1,F3は駆動用Pチャンネル型FET(電界効果トランジスタ)、F2,F4は駆動用Nチャンネル型FETである。
【0003】
図9は、動作シーケンスを表すタイミングチャートである。図9(a)〜(d)は、制御回路72により制御される各FET(F1〜F4)のゲート電圧を示す。図9(e)は、圧電素子122に印加される電圧を示している。Pチャンネル型FET(F1,F3)は、符号91,93で示すようにゲート電圧がLoの場合に導通状態となり、ゲート電圧がHiの場合に遮断状態となる。Nチャンネル型FET(F2,F4)は、ゲート電圧がLoの場合に遮断状態となり、符号92,94で示すようにゲート電圧がHiの場合に導通状態となる。例えば図9における期間T1の場合、F1,F2がHi、F3,F4がLoなので、F2,F3のみが導通状態になり、圧電素子122には、符号80で示すように+E(V)の電圧が印加される。逆に期間T2の場合、F1,F4のみが導通状態になるので、圧電素子122には、符号84で示すように−E(V)の電圧が印加される。以上のように、図9のタイミングチャートから、圧電素子2の両端には電源電圧Eの2倍の交流電圧が印加されることになる(例えば、特開2000−350482号公報参照)。
【0004】
図10は、例えば特開2001−211669号公報に開示された駆動装置の動作シーケンスを表すタイミングチャートである。同公報に開示された駆動装置の回路図は、図8と同様である。特開200O−350482号公報との違いは、期間T1,T2の間に期間S1,S2を設け、圧電素子122に充電された電荷を一旦放電してから逆充電することである。図10における期間T1と期間T2は、図9で示した期間T1と期間T2と同じ動作パターンである。期間S1,S2においては、F1〜F4がHiなので、F2とF4のみが導通状態となって、圧電素子122の両端が短絡されることになる。したがって、期間T1,T2において圧電素子122に充電された電荷は、期間S1,S2において符号82,86で示すように一旦放電され、次の期間T2,T1において逆方向に充電される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電素子122は電荷を蓄積する容量性負荷である。そのため、従来のように構成されている駆動装置では、駆動するために圧電素子122の印加電圧を切り替える時に、大きな突入電流が流れ、消費電力が高くなるという問題があった。
【0006】
すなわち,前者の特開2000―350482号公報の場合は、図9(e)において符号88,89で示すように、圧電素子122の両端電圧を+E(V)から−E(V)に、又は−E(V)から+E(V)に急峻に切り替えるため、突入電流Iは、
I=2E/r (1)
(rは、FETのオン抵抗や電源の出力抵抗、線路抵抗などの総合抵抗値)となる。
【0007】
また、後者の特開2001−211669号公報の場合は、圧電素子122の電荷を一旦放電してから逆方向に充電するため、図10(e)において符号81,83,85,87で示すように、突入電流Iは、
I=E/r (2)
(rは、FETのオン抵抗や電源の出力抵抗、線路抵抗などの総合抵抗値)となり、半減しているものの、突入電流の抑制効果は十分ではない。
【0008】
本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、容量性負荷に電圧を印加して駆動する際の突入電流が小さくなる駆動装置を提供することを目的とする。
【0009】
【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。
【0010】
駆動装置は、容量性負荷と、前記容量性負荷に電源電圧を印加する第1の駆動回路と、前記容量性負荷に前記電源電圧を、前記第1の駆動回路と逆方向に印加する第2の駆動回路と、前記第1及び第2の駆動回路を交互に動作させる制御回路とを備えたタイプのものである。駆動装置は、前記容量性負荷の両端に誘導性素子が接続される放電回路を備える。前記制御回路は、前記第1及び第2の駆動回路を間隔を設けて動作させ、該間隔中において前記放電回路を動作させる。
【0011】
上記構成において、圧電素子などの容量性負荷には、第1及び第2の駆動回路により、電源の2倍の電圧が印加される。第1及び第2の駆動回路の一方の動作が終了した後、第1及び第2の駆動回路の他方が動作するまでに間隔があり、この間隔中に放電回路が動作する。放電回路が動作すると、容量性負荷と誘導性素子とは閉回路を構成し、共振状態となる。共振により容量性負荷の電圧が反転した後に、第1及び第2の駆動回路の他方を動作させると、容量性負荷に電源電圧を印加して駆動する際の突入電流を小さくすることができる。
【0012】
なお、容量性負荷は、そのインピーダンスZを実部R(抵抗)と虚部X(リアクタンス)に分けて、
Z=R+jX (3)
と書いたときに、Xが負である。
【0013】
また、誘導性素子は、そのインピーダンスZを実部R(抵抗)と虚部X(リアクタンス)に分けて、
Z=R+jX (4)
と書いたときに、Xが正である。
【0014】
好ましくは、前記第1の駆動回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記容量性負荷の一方端に接続されてなる第1のスイッチ手段と、一方端が前記容量性負荷の他方端に接続され、他方端が接地されてなる第2のスイッチ手段とで構成される。前記第2の駆動回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記容量性負荷の前記他方端に接続されてなる第3のスイッチ手段と、一方端が前記容量性負荷の前記一方端に接続され、他方端が接地されてなる第4のスイッチ手段とで構成される。前記放電回路は、前記第2及び第4のスイッチ手段と前記誘導性素子とで、又は前記第1及び第3のスイッチ手段と前記誘導性素子とで、構成される。
【0015】
上記構成において、制御回路は、スイッチ手段の導通状態と遮断状態を切り替える。第1及び第2のスイッチ手段を導通状態とすることにより、第1の駆動回路を動作させることができる。また、第3及び第4のスイッチ手段を導通状態とすることにより、第2の駆動回路を動作させることができる。また、第2及び第4のスイッチ手段を導通状態とすることにより、容量性負荷と誘導性素子とで閉回路を構成し、放電回路として動作させることができる。あるいは、第1及び第3のスイッチ手段を導通状態とすることにより、容量性負荷と誘導性素子とで閉回路を構成し、放電回路として動作させることができる。スイッチ手段には、例えばFETやトランジスタなどのスイッチ素子を用いることができる。
【0016】
上記構成によれば、放電回路を動作させるためのスイッチ手段を、駆動回路とは別に設ける必要がないので、駆動装置の構成を簡単にすることができる。
【0017】
好ましくは、前記容量性負荷の静電容量をC、前記誘導性素子のインダクタンスをLとした場合、前記放電回路が動作する期間の長さTsは、
Ts=π(LC)1/2 (5)
で表される値、もしくはその近傍値に設定される。
【0018】
上記構成によれば、放電回路が動作し、容量性負荷の電圧が反転した後の最初のピーク又はその近傍で、容量性負荷に電圧を印加することができる。これにより、容量性負荷に電圧を印加する際に不足する電圧をできるだけ小さくして、駆動装置を効率良く駆動することができる。
【0019】
好ましくは、前記容量性負荷が圧電素子である。
【0020】
駆動装置は、前記圧電素子の伸縮方向の一方端にその一方端が固着された駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合された係合部材とを含む。前記制御回路は、前記圧電素子が向きにより異なる速度で伸縮するように、前記第1及び第2の駆動回路と前記放電回路とを動作させ、前記駆動部材又は前記係合部材を相対移動させる。
【0021】
上記構成によれば、圧電素子の伸縮方向の他方端又は駆動部材の他方端が固定されている場合、係合部材を駆動部材に沿って相対移動させることができる。係合部材が固定されている場合、駆動部材は係合部材に沿って相対移動せることができる。
【0022】
上記構成によれば、高精度の駆動を容易に、かつ効率良く行うことができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態に係る駆動装置について、図1〜図7に基づいて説明する。
【0024】
駆動装置は、例えば図1に示すように、圧電素子を用いて種々のタイプのものを構成することができる。
【0025】
図1(a)は素子固定タイプのものを示す。圧電素子の伸縮方向の一方の端面に固定部材が固着結合され、他方の端面に駆動部材が固着結合され、駆動部材に移動体が摩擦力で係合するようになっている。
【0026】
図1(b)は自走式タイプのものを示す。圧電素子の伸縮方向の一方の端面に移動体が固着結合され、他方の端面に駆動部材が固着結合され、駆動部材が固定部材に摩擦力で係合するようになっている。移動体は、固定部材に沿って移動自在である。
【0027】
図1(c)は駆動部材固定タイプのものを示す。駆動部材の一方の端面が固定部材に固着結合され、他方の端面に圧電素子が固着結合され、駆動部材に移動体が摩擦力で係合するようになっている。
【0028】
図1(d)は駆動部材移動タイプのものを示す。駆動部材の一方の端面に圧電素子が固着結合され、駆動部材は固定部材に摩擦力で係合するようになっている。
【0029】
いずれのタイプの駆動装置も、例えば図1(e)に示した鋸歯状や、矩形などの適宜な電圧波形を圧電素子に印加して、圧電素子を伸びと縮みで異なる速度で伸縮させることにより、駆動を行う。
【0030】
すなわち、素子固定タイプの場合、例えば図1(a)に示したように、圧電素子をゆっくり伸ばし、移動体を駆動部材とともに一体的に移動させる。次に、圧電素子を急に縮め、駆動部材を急激に初期位置に戻す。このとき、駆動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、駆動部材だけが初期位置に戻る。その結果、移動体は、駆動部材に沿って初期位置から移動する。このサイクルを繰り返し、移動体(係合部材に相当する)を駆動部材に沿って移動させる。
【0031】
自走式タイプの場合、例えば図1(b)に示すように、圧電素子をゆっくり伸ばすと、駆動部材と固定部材との間には大きな摩擦力があるため、移動体側が移動する。次に、圧電素子を急に縮める。このとき、移動体の方が駆動部材より十分に質量が大きいと、固定部材と駆動部材との間で滑りが生じ、駆動部材が移動体側へ移動する。その結果、移動ユニット、すなわち駆動部材と圧電素子と移動体とが、固定部材に沿って初期位置から移動する。このサイクルを繰り返し、駆動部材を含む移動ユニットを、固定部材(係合部材に相当する)に沿って移動させる。
【0032】
図1(c)に示した駆動部材固定タイプの場合、圧電素子を伸縮し、駆動部材に向きにより速度が異なる縦振動を生じさせ、移動体(係合部材に相当する)を駆動部材に沿って所望方向に移動させる。
【0033】
図1(d)に示した駆動部材移動タイプの場合、圧電素子を伸縮し、駆動部材に向きにより速度が異なる縦振動を生じさせ、駆動部材を固定部材(係合部材に相当する)に沿って所望方向に移動させる。
【0034】
図2は、素子固定タイプの駆動装置20の具体的な構成を示す分解斜視図及び組立斜視図である。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に例えば鋸歯状や矩形など適宜な電圧波形を印加し、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。
【0035】
駆動回路30は、図3の回路図に示したように構成される。
【0036】
すなわち、駆動回路30は、6個のスイッチ素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6と、誘導性素子(例えば、コイル)G1,G2と、制御回路32とを含み、容量性負荷である圧電素子22の両端に電圧を印加する。
【0037】
スイッチ素子Q1〜Q6は、MOS型FETであり、各ゲートは制御回路32に接続され、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、スイッチ素子Q2,Q4,Q5,Q6はNチャンネルFETである。
【0038】
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aを介して、電源電圧Eに接続されている。スイッチ素子Q1のドレインは、接続点dを介して、スイッチ素子Q2のドレインと、圧電素子22の一方端とに接続されている。スイッチ素子Q3のドレインは、接続点cを介して、スイッチ素子Q4のドレインと、圧電素子22の他方端とに接続されている。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bを介して、接地されている。
【0039】
スイッチ素子Q5のドレインは、接続点f介して、圧電素子22の一方端に接続されている。スイッチ素子Q6のドレインは、接続点eを介して、圧電素子22の他方端に接続されている。スイッチ素子Q5のソースは、誘導性素子G1の一方端に接続され、スイッチ素子Q6のソースは、誘導性素子G2の一方端に接続されている。誘導性素子G1の他方端と、誘導性素子G2の他方端とは、接地されている接続点gを介して接続されている。
【0040】
次に、制御回路32の動作について、図4のタイミングチャートを参照しながら説明する。図4(a)〜(f)はスイッチ素子Q1〜Q6のゲート電圧を示し、図4(g)は圧電素子22の両端電圧を示す。
【0041】
PチャンネルFETであるスイッチ素子Q1,Q3は、符号11,13で示すLo信号によりオン、すなわち導通状態になり、NチャンネルFETであるスイッチ素子Q2,Q4,Q5,Q6は、符号12,14,15,16で示すHi信号によりオンになる。
【0042】
制御回路32は、第1駆動期間T1、第1放電期間S1、第2駆動期間T2、第2放電期間S2からなるサイクルを繰り返す。
【0043】
第1駆動期間T1において、スイッチ素子Q5,Q6はLoすなわちオフ、すなわち遮断状態であり、圧電素子22と誘導性素子G1,G2との間は開放されている。スイッチ素子Q1,Q2はHi、スイッチ素子Q3,Q4はLoとなり、スイッチ素子Q2,Q3がオン、スイッチ素子Q1,Q4がオフとなる。これにより、圧電素子22の一方端は、スイッチ素子Q2を介して接地され、他方端はスイッチ素子Q3を介して電源電圧Eに接続される。したがって、圧電素子22の両端電圧V(図3において矢印の方向を正とする)は、図4(g)において符号40で示すように+Eとなり、圧電素子22の両端には電荷が蓄積される。つまり、スイッチ素子Q2、Q3により、第1の駆動回路が構成される。
【0044】
第1放電期間S1において、スイッチ素子Q1,Q3はHi、スイッチ素子Q2,Q4はLoとなり、スイッチ素子Q1,Q2,Q3,Q4は、全てオフとなり、圧電素子22に電圧は印加されなくなる。同時に、スイッチ素子Q5,Q6はHiすなわちオンとなり、図3において点線で示したように、圧電素子22と誘導性素子G1,G2とが接続された閉回路、すなわち放電回路が形成される。第1放電期間S1が始まると、圧電素子22の他方端に蓄積された電荷は、スイッチ素子Q6、誘導性素子G2、誘導性素子G1、スイッチ素子G1を経て、逆極に移動し、図4(g)において符号41で示すように、圧電素子22の両端電圧は+Eから低下する。このとき、誘導性素子G1,G2の誘導成分と圧電素子22の容量成分とによる共振により、圧電素子22の両端電圧は逆転する。そして、符号42で示した共振の負側のピーク又はその近傍に達すると、第1放電期間S1が終了する。負側のピークは、スイッチ素子Q5,Q6のオン抵抗や線路抵抗などにより、−Eには達しない。
【0045】
詳しくは、圧電素子22の容量をC、誘導性素子G1,G2の合計インダクタンスをLとし、スイッチ素子Q5,Q6のオン抵抗などの抵抗を無視すると、第1放電期間S1における圧電素子22の両端電圧Ecの挙動は、以下の式で表すことができる。
【数1】
【0046】
すなわち、時刻t=0において、Ec=+Eであったものが、時刻t=π√(LC)=π(LC)1/2においては、Ec=−Eとなり、正方向に充電されていた電荷が逆転し、負方向に電荷が充電される。実際には、スイッチ素子Q5,Q6のオン抵抗などによってEcは−Eまで到達せず、0から−Eの範囲内の値となる。そして、第1放電期間S1が終了し、後述する第2駆動期間T2に移行した瞬間に、その不足電荷のみが電源電圧から供給される。第1放電期間S1の時間は、π√(LC)、もしくはその近傍値とする。これにより、圧電素子22の両端電圧が負側のピークに達したタイミングで第2駆動期間T2に移行し、電源電圧から供給が必要な不足電荷をできるだけ小さくし、効率良く駆動することができる。
【0047】
第2駆動期間T2において、スイッチ素子Q5,Q6はLo、すなわちオフとなり、圧電素子22と誘導性素子G1,G2との間は開放されている。スイッチ素子Q1,Q2はLo、スイッチ素子Q3,Q4はHiとなり、スイッチ素子Q1,Q4がオン、スイッチ素子Q2,Q3がオフとなる。これにより、圧電素子22の一方端はスイッチ素子Q1を介して電源電圧Eに接続され、他方端はスイッチ素子Q4を介して接地される。したがって、圧電素子22の両端電圧Vは、図3の矢印とは逆向きとなり、圧電素子22には電圧−Eが印加される。これにより、第2駆動期間T2開始直後には、図4(g)において符号43で示すように、圧電素子22の電圧は−Eまで急激に変化し、その後、符号44で示すように−Eとなる。つまり、スイッチ素子Q1、Q4により、第2の駆動回路が構成される。
【0048】
第2放電期間S2において、スイッチ素子Q1,Q3はHi、スイッチ素子Q2,Q4はLoとなり、スイッチ素子Q1,Q2,Q3,Q4は、全てオフとなり、圧電素子22に電圧は印加されないようになる。同時に、スイッチ素子Q5,Q6はHi、すなわちオンとなり、図3において点線で示したように、圧電素子22と誘導性素子G1,G2とが接続された閉回路、すなわち放電回路が再び形成される。第2放電期間S2が始まると、圧電素子22に蓄積された電荷は逆極に移動し、図4(g)において符号45で示すように、圧電素子22の電圧は−Eから上昇する。そして、符号46で示した共振の正側のピーク又はその近傍に達すると、第2放電期間S2が終了する。第2放電期間S2の時間は、第1放電期間S1と同様に、π√(LC)、もしくはその近傍値である。
【0049】
再び、第1駆動期間T1になると、前述したように、スイッチ素子Q5,Q6はLoすなわちオフとなり、圧電素子22と誘導性素子G1,G2との間は開放され、圧電素子22の両端には、電圧+Eが印加される。これにより、第1駆動期間T1開始直後には、図4(g)において符号47で示すように、圧電素子22の電圧は+Eまで急激に変化し、その後、符号40で示すように+Eとなる。
【0050】
以下、同様の動作を繰り返す。
【0051】
以上のように駆動すると、圧電素子22に電圧を印加する場合、図4(f)において符号43,47で示したように不足する電圧を印加するだけでよく、このときの突入電流は小さくなる。これにより、効率的に駆動することができる。
【0052】
例えば、図3の駆動回路30において、圧電素子22のキャパシタンスが0.1μF、誘導性素子G1,G2のそれぞれのインダクタンスが1μH、駆動周波数が50kHzの場合、図8〜図10の従来例と比べ、消費電力は約1/3になる。
【0053】
なお、2つの誘導性素子G1,G2を用いると、駆動装置を2方向に同じように駆動でき、制御が容易になるが、いずれか一方のみを用いることも可能である。
【0054】
次に、本発明の第2実施形態に係る駆動装置について、図5及び図6を参照しながら説明する。
【0055】
第2実施形態の駆動装置は、第1実施形態の駆動装置と略同様に構成されるが、図3におけるスイッチ素子Q5,Q6を無くし、スイッチ素子Q2,Q4と兼用している点が異なる。以下では、同様の構成部分には同じ符号を用い、相違点を中心に説明する。
【0056】
図5は、第2実施形態の駆動装置の駆動回路30aを示す。駆動回路30aは、放電回路用のスイッチ素子を省略し、4個のスイッチ素子Q1,Q2,Q3,Q4と、誘導性素子G1,G2と、制御回路32aとを含む。スイッチ素子Q1〜Q4は、第1実施形態と略同様に、第1及び第2の駆動回路を構成する。第1実施形態と異なり、スイッチ素子Q2のソースと接続点bとの間に、誘導性素子G1が直列に接続されている。また、スイッチ素子Q4のソースと接続点bとの間に、誘導性素子G2が直列に接続されている。
【0057】
次に、制御回路32aの動作について、図6のタイミングチャートを参照しながら説明する。図6(a)〜(d)はスイッチ素子Q1〜Q4のゲート電圧を示し、図6(e)は圧電素子22の両端電圧を示す。
【0058】
PチャンネルFETであるスイッチ素子Q1,Q3は、符号11,13で示すようにLoのときオンになり、NチャンネルFETであるスイッチ素子Q2,Q4は、符号12,14で示すようにHiのときオンになる。
【0059】
制御回路32aは、第1駆動期間T1、第1放電期間S1、第2駆動期間T2、第2放電期間S2からなるサイクルを繰り返す。
【0060】
第1駆動期間T1において、スイッチ素子Q1,Q2はHi、スイッチ素子Q3,Q4はLoとなり、スイッチ素子Q2,Q3がオン、スイッチ素子Q1,Q4がオフとなる。これにより、圧電素子22の一方端は、スイッチ素子Q2、誘導性素子G1を介して接地され、他方端はスイッチ素子Q3を介して電源電圧Eに接続され、圧電素子22の両端には電荷が蓄積され、圧電素子22の両端電圧は、最終的には、図6(e)において符号50で示すように+Eとなる。
【0061】
第1放電期間S1において、スイッチ素子Q1〜Q4は全てHiとなり、スイッチ素子Q1,Q3はオフ、スイッチ素子Q2,Q4はオンとなる。これにより、図5において点線で示したように、圧電素子22と誘導性素子G1,G2が接続されて閉回路を形成する。この閉回路は、容量成分と誘導成分とを含む共振回路であるので、図6(e)において符号51で示すように、圧電素子22の電圧は+Eから低下する。そして、符号52で示した共振の負側のピーク又はその近傍に達すると、第1放電期間S1が終了する。つまり、第1放電期間S1の長さは、共振周期の略半分である。負側のピークは、スイッチ素子Q2,Q4のオン抵抗などにより、−Eには達しない。
【0062】
第2駆動期間T2において、スイッチ素子Q1,Q2はLo、スイッチ素子Q3,Q4はHiとなり、スイッチ素子Q1,Q4がオン、スイッチ素子Q2,Q3がオフとなる。これにより、圧電素子22の一方端はスイッチ端子Q1を介して電源電圧Eに接続され、他方端はスイッチ素子Q4、誘導性素子G2を介して接地される。第2駆動期間T2開始直後には、誘導性素子G2の影響により、図6(e)において符号53で示すように、圧電素子22の電圧が−Eまで徐々に変化し、符号54で示すように−Eとなる。
【0063】
第2放電期間S2において、スイッチ素子Q1〜Q4は全てHiとなり、スイッチ素子Q1,Q3はオフ、スイッチ素子Q2,Q4はオンとなる。これにより、図5において点線で示したように、圧電素子22と誘導性素子G1,G2とが接続されて閉回路を、再び形成する。この閉回路は、容量成分と誘導成分とを含む共振回路であるので、符号55で示すように、圧電素子22の電圧は−Eから上昇する。そして、符号56で示した共振の正側のピーク又はその近傍に達すると、第2放電期間S2が終了する。つまり、第2放電期間S2の長さは、共振周期の略半分である。正側のピークは、スイッチ素子Q2,Q4のオン抵抗などにより、+Eには達しない。
【0064】
再び、第1駆動期間T1になると、スイッチ素子Q1,Q2はHi、スイッチ素子Q3,Q4はLoとなり、スイッチ素子Q2,Q3がオン、スイッチ素子Q1,Q4がオフとなる。これにより、圧電素子22の一方端は、スイッチ素子Q2、誘導性素子G1を介して接地され、他方端はスイッチ素子Q3を介して電源電圧Eに接続される。第1駆動期間T1開始直後には、誘導性素子G2の影響により、符号57で示すように、圧電素子22の電圧が+Eまで緩やかに変化し、その後、符号50で示すように+Eとなる。
【0065】
以下、同様の動作を繰り返す。
【0066】
第2実施形態では、駆動期間T1,T2から放電期間S1,S2に切り替わった瞬間に、図6(e)において符号53,57で示すように圧電素子22の両端電圧が緩やかな傾斜を持ち、駆動周波数が高いとき、又はデューティ比が小さいときに、圧電素子22は電源電圧Eまで直ちに充電されないものの、第1実施形態と同様の効果を少ない個数のスイッチ素子で達成できる。
【0067】
なお、2つの誘導性素子G1,G2を用いると、駆動装置を2方向に同じように駆動でき、制御が容易であるが、いずれか一方のみを用いることも可能である。
【0068】
また、誘導性素子G1,G2を接続点aとスイッチ素子Q1,Q3のソースとの間に直列に接続し、第1及び第2の放電期間S1,S2においてスイッチ素子Q1,Q3をオンにして、圧電素子22と誘導性素子G1,G2とが接続された閉回路を形成するようにしてもよい。
【0069】
次に、本発明の第3実施形態の駆動装置について、図7を参照しながら説明する。
【0070】
第3実施形態の駆動装置の駆動回路30bは、図7に示すように、第2実施形態の駆動装置と略同様に構成されるが、放電回路の構成が異なる。以下では、同様の構成部分には同じ符号を用い、相違点を中心に説明する。
【0071】
すなわち、4個のスイッチ素子Q1〜Q4を用いて、第1及び第2実施形態と略同様に、第1及び第2の駆動回路が構成される。第1及び第2実施形態と異なり、放電回路は、圧電素子の他方端と接続点cとの間に直列に接続された一つの誘導性素子Gのみを含む。
【0072】
制御回路32bは、第2実施形態と同様に動作し、タイミングチャートは図6と同様である。
【0073】
すなわち、第1駆動期間T1において、スイッチ素子Q2,Q3がオン、スイッチ素子Q1,Q4がオフとなる。これにより、圧電素子22の一方端は、スイッチ素子Q2を介して接地され、他方端は誘導性素子G及びスイッチ素子Q3を介して電源電圧Eに接続され、圧電素子22の両端には電荷が蓄積され、圧電素子22の両端電圧は、最終的には、+Eとなる。
【0074】
第1放電期間S1において、スイッチ素子Q1,Q3はオフ、スイッチ素子Q2,Q4はオンとなり、圧電素子22と誘導性素子Gとが接続された閉回路が形成され、圧電素子22の電圧は+Eから低下する。そして、共振の負側のピーク又はその近傍に達すると、第1放電期間S1が終了する。つまり、第1放電期間S1の長さは、共振周期の略半分である。負側のピークは、スイッチ素子Q2,Q4のオン抵抗などにより、−Eには達しない。
【0075】
第2駆動期間T2において、スイッチ素子Q1,Q4がオン、スイッチ素子Q2,Q3がオフとなる。これにより、圧電素子22の一方端はスイッチ端子Q1を介して電源電圧Eに接続され、他方端は誘導性素子G、スイッチ素子Q4を介して接地される。第2駆動期間T2開始直後には、誘導性素子Gの影響により、圧電素子22の電圧が−Eまで徐々に変化し、その後、−Eとなる。
【0076】
第2放電期間S2において、スイッチ素子Q1,Q3はオフ、スイッチ素子Q2,Q4はオンとなる。これにより、図7において点線で示したように、圧電素子22と誘導性素子Gとが接続された閉回路が形成され、圧電素子22の電圧は−Eから上昇する。そして、共振の負側のピーク又はその近傍に達すると、第2放電期間S2が終了する。つまり、第2放電期間S2の長さは、共振周期の略半分である。負側のピークは、スイッチ素子Q2,Q4のオン抵抗などにより、+Eには達しない。
【0077】
再び、第1駆動期間T1になると、スイッチ素子Q2,Q3がオン、スイッチ素子Q1,Q4がオフとなる。これにより、圧電素子22の一方端は、スイッチ素子Q2を介して接地され、他方端は誘導性素子G1及びスイッチ素子Q3を介して電源電圧Eに接続される。第1駆動期間T1開始直後には、誘導性素子Gの影響により、圧電素子22の電圧が+Eまで緩やかに変化し、その後、+Eとなる。
【0078】
以下、同様の動作を繰り返す。
【0079】
第3実施形態では、第2実施形態と同様に、圧電素子22と誘導性素子Gとが直列回路を形成してしまうため、駆動周波数が高いとき、又はデューティ比が小さいときに、圧電素子22は電源電圧Eまで直ちに充電されないものの、部品点数を削減できる。
【0080】
なお、誘導性素子Gは、圧電素子22の一方端と接続点dとの間に直列に接続してもよい。
【0081】
なお、本発明は上記各実施形態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。
【0082】
例えば、スイッチ素子としてFETを用いているが、バイポーラトランジスタ、接合型FETなど他のスイッチ素子を用いてもよい。
【0083】
また、圧電素子のねじり歪を利用して駆動する駆動装置にも、本発明を適用することができる。容量性負荷は圧電素子に限るものではなく、静電アクチュエータのような他の容量性負荷を用いる駆動装置にも、本発明を提供することができる。
【0084】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、誘導性素子の誘導成分と容量性負荷による容量成分とによる共振を利用して、容量性負荷に蓄積された電荷をほぼ反転して、次の駆動に用いることができるので、電源電圧に満たない電荷分のみを電源から供給すればよい。したがって、突入電流が少なく、消費電力が低い駆動を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 圧電素子を用いた駆動装置の説明図である。
【図2】 素子固定タイプの駆動装置の分解斜視図及び組立斜視図である。
【図3】 本発明の第1実施形態の駆動装置の駆動回路の回路図である。
【図4】 図3の駆動回路のタイミングチャートである。
【図5】 本発明の第2実施形態の駆動装置の駆動回路の回路図である。
【図6】 図5の駆動回路のタイミングチャートである。
【図7】 本発明の第3実施形態の駆動装置の駆動回路の回路図である。
【図8】 従来例の駆動装置の駆動回路の回路図である。
【図9】 図8の駆動回路の従来例のタイミングチャートである。
【図10】 図9とは別の従来例のタイミングチャートである。
【符号の説明】
20 駆動装置
22 圧電素子(容量性負荷)
24 固定部材
26 駆動軸(駆動部材)
28 駆動ユニット(係合部材)
30,30a,30b 駆動回路
32,32a,32b 制御回路
G,G1,G2 誘導性素子
Q1〜Q6 スイッチ素子(スイッチ手段)
Claims (5)
- 容量性負荷と、
前記容量性負荷に電源電圧を印加する第1の駆動回路と、
前記容量性負荷に前記電源電圧を、前記第1の駆動回路と逆方向に印加する第2の駆動回路と、
前記第1及び第2の駆動回路を交互に動作させる制御回路とを備えた駆動装置において、
前記容量性負荷の両端に誘導性素子が接続される放電回路を備え、
前記制御回路は、前記第1及び第2の駆動回路を間隔を設けて動作させ、該間隔中において前記放電回路を動作させることを特徴とする駆動装置。 - 前記第1の駆動回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記容量性負荷の一方端に接続されてなる第1のスイッチ手段と、一方端が前記容量性負荷の他方端に接続され、他方端が接地されてなる第2のスイッチ手段とで構成され、
前記第2の駆動回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記容量性負荷の前記他方端に接続されてなる第3のスイッチ手段と、一方端が前記容量性負荷の前記一方端に接続され、他方端が接地されてなる第4のスイッチ手段とで構成され、
前記放電回路は、前記第2及び第4のスイッチ手段と前記誘導性素子とで、又は前記第1及び第3のスイッチ手段と前記誘導性素子とで、構成されることを特徴とする、請求項1記載の駆動装置。 - 前記容量性負荷の静電容量をC、前記誘導性素子のインダクタンスをLとした場合、前記放電回路が動作する期間の長さTsは、
Ts=π(LC)1/2
で表される値、もしくはその近傍値に設定されることを特徴とする、請求項1又は2記載の駆動装置。 - 前記容量性負荷が圧電素子であることを特徴とする、請求項1、2又は3記載の駆動装置。
- 前記容量性負荷が圧電素子であり、前記圧電素子の伸縮方向の一方端にその一方端が固着された駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合された係合部材とを含み、
前記制御回路は、前記圧電素子が向きにより異なる速度で伸縮するように、前記第1及び第2の駆動回路と前記放電回路とを動作させ、前記駆動部材又は前記係合部材を相対移動させることを特徴とする、請求項1、2又は3記載の駆動装置。
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