JP4044771B2 - 圧電アクチュエータの駆動装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置、光学アライメント装置、精密位置決め装置等において対象物を移動させるための圧電アクチュエータを駆動させる駆動装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
圧電アクチュエータを駆動させるための従来の駆動装置において、ステップ状の急峻な電圧波形を圧電アクチュエータに印加された際に圧電アクチュエータに過渡電流が流れて、駆動電圧を制御している電圧制御回路内のFET、トランジスタ等の回路素子が破損する惧れがある問題点があった。
特開平10−262325号公報には、これらの問題点を解決する為の方法が記載されている。図3に示されるように、通常時に、電圧制御回路1は、高電圧用電源5及び制御用電源28により駆動する高電圧電源回路2からの受給電圧と入力信号により、ステップ状あるいはパルス状等の電圧波形を形成する。その電圧波形はスイッチング素子18、ピーク電流検出回路19及び交流実効値電流検出回路20を介して圧電アクチュエータ3に印加される。ここで、圧電アクチュエータ3に流れる電流のピーク値が、あらかじめ設定されている設定電流値を越えているか否かをピーク電流検出回路19で検出し、制御回路25は、電流が設定電流値以下の時には、スイッチング素子18の状態を維持して、入力信号に応じた電圧波形が圧電アクチュエータ3に印加される。一方、電流のピーク値が設定電流値を越えた場合は、制御回路25は異常であることを認識してスイッチング素子18を10μsec以下の短時間で遮断状態にする。このことにより、圧電アクチュエータ3へ流れる電流を遮断している。
【0003】
他に、特開平10−262325号公報は電源装置のスイッチをOFFしたときに高電圧用電源5と制御用電源28のうち電圧が低い方、すなわち制御用電源28から先に電圧が低下するので、制御用電源28の出力が0になった後にも、まだ高電圧用電源5に電荷が残留している時間が存在している。この時に、過電流が圧電アクチュエータ3に流れ込む惧れがあるため、制御用電源28の出力電圧が電圧検出回路29で検出され、この検出値が絶縁接合素子30を介して制御回路25に入力される。制御回路25は電圧検出回路29で検出された出力電圧が予め設定されている設定値を越えたか否かを判定し、設定値以下の場合に制御回路25は制御信号を送出して、スイッチング素子18を10μsec以下の短時間で遮断状態にすることにより、電源スイッチのOFF時に圧電アクチュエータ3に過電流が流れることを防止している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
圧電アクチュエータ駆動装置の内部回路のFET、トランジスタ等の一部の回路素子が破損している場合、入力信号が0Vの時でも電圧制御回路1にて電圧波形が生成されて、高電圧出力が圧電アクチュエータ3に印加される惧れがある。その結果、圧電アクチュエータ3に過電流が流れて、結果的に圧電アクチュエータ3の特性劣化する原因となりうる。その対策として、圧電アクチュエータ3に印加される前段に並列に抵抗を挿入する方法が考えられるが、消費電力が大きくなることと、放熱対策を施す必要がある為、この方法はあまり好ましくない。
【0005】
本発明は、このような課題を解決し、入力信号が0Vの時に、圧電アクチュエータの入力部に高電圧出力が印加されることを無くして、圧電アクチュエータの破損及び劣化を防止することができる圧電アクチュエータの駆動装置を提案することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータの駆動装置は以下の構成を特徴とする。
【0007】
即ち、入力信号に基づいた電圧波形を圧電アクチュエータに印加して駆動させる圧電アクチュエータの駆動装置であって、制御用電源の電圧のON/OFF信号及び電圧値を検出する基準電源電圧検出回路と、圧電アクチュエータに入力される電圧波形の電圧を検出するドライバ電圧検出回路と、入力信号の電圧とドライバ電圧検出回路の出力電圧の分圧値を比較する駆動電圧比較回路と、ドライバ電圧検出回路から圧電アクチュエータへの信号出力を制御する制御回路と、ドライバ電圧検出回路と圧電アクチュエータとの間に配設され且つこれらの間を接続/遮断するスイッチング素子を備えたことを特徴とする。
【0008】
好適な実施形態において、前記制御回路は、前記駆動電圧比較回路にて前記ドライバ電圧検出回路の出力電圧の分圧値である[1/(X+α)・ドライバ電圧検出回路の出力電圧]が、前記入力信号の電圧よりも大きい場合:
[入力信号電圧<(1/(X+α))・ドライバ電圧検出回路の出力電圧]
X:出力電圧として設定した倍率、
α:負荷抵抗により規定された倍率
には、前記スイッチング素子を遮断させることを特徴とする。
【0009】
好適な実施形態において、前記制御回路は、前記基準電源電圧検出回路で検出した前記制御用電源の出力電圧がOFFの場合には、前記スイッチング素子を遮断させることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータの駆動装置。
【0010】
好適な実施形態において、前記基準電源電圧検出回路において、前記制御用電源の出力電圧のON/OFF信号を検出し、その信号を前記制御回路に送出する素子としてフォトカプラを用いたことを特徴とする。
【0011】
以上の構成により、入力信号が0Vの時に、圧電アクチュエータの入力部に高電圧出力が印加されることを無くして、圧電アクチュエータの破損及び劣化を防止することができる圧電アクチュエータの駆動装置が作製可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図1にこの発明の実施の形態に係わる圧電アクチュエータの駆動装置のブロック図、図2に図1の中の保護回路を示すブロック図を示す。高電圧用電源5に異常電流検出回路12を介して高電圧電源回路2が接続され、高電圧電源回路2にDC平均電流検出回路14を介して電圧制御回路1が接続されている。高電圧電源回路2には、制御用電源4も接続されている。さらに、電圧制御回路1に保護回路6、ドライバ電圧検出回路7及びスイッチング素子11を介して圧電アクチュエータ3が接続されている。また、入力信号に電圧制御回路1及び保護回路6を介してドライバ電圧検出回路7が順次直列に接続されているラインと並列に、入力信号とドライバ電圧検出回路7の間に駆動電圧比較回路8が接続されている。さらに、駆動電圧比較回路8には、制御回路10が接続されている。又、制御用電源4に基準電源電圧検出回路9及び制御回路10を介してスイッチング素子11が接続されている。スイッチング素子11は例えばMOS型FETから構成されており、このスイッチング素子11に圧電アクチュエータ3が接続されている。
【0013】
図2に基づいて保護回路6を説明する。保護回路6は、電圧制御回路1とドライバ電圧検出回路7との間に順次直列に接続されたスイッチング素子18、ピーク電流検出回路19及び交流実効値電流検出回路20を有している。スイッチング素子18は例えばMOS型FETから構成されており、このスイッチング素子18に絶縁ゲート電圧発生回路21を介して保護回路用制御回路25が接続されている。又、スイッチング素子18、ピーク電流検出回路19及び交流実効値電流検出回路20がそれぞれフォトカプラ等から構成される絶縁結合素子22、23及び24を介して保護回路用制御回路25に接続されている。さらに、保護回路用制御回路25には、解除スイッチ26及び警告回路27がそれぞれ接続されている。
【0014】
異常電流検出回路12及び16がそれぞれフォトカプラ等から構成される絶縁結合素子13及び17を介して保護回路用制御回路25に接続され、DC平均電流検出回路14がフォトカプラ等から構成される絶縁結合素子15を介して保護回路用制御回路25に接続されている。
【0015】
次に、実施の形態に係わる圧電アクチュエータの駆動装置の動作を説明する。電圧制御回路1は、高電圧用電源5及び制御用電源4により駆動する高電圧電源回路2から電圧供給を受け、外部から電圧の制御を指示するための入力信号S1に基づいてステップ状或いはパルス状等の電圧波形を形成する。なお、通常時は、保護回路用制御回路25の指示により絶縁ゲート電圧発生回路21からスイッチング素子18にゲート電圧が印加されてスイッチング素子18は接続状態になっており、電圧制御回路1で形成された電圧波形は保護回路6の中のスイッチング素子18、ピーク電流検出回路19及び交流実効値検出回路20を介してドライバ電圧検出回路7に印加され、さらに制御回路10から
スイッチング素子11のゲートに電圧が印加されて(制御回路10からスイッチング素子11に制御信号S2が印加されて)スイッチング素子11は接続状態になっており、ドライバ電圧検出回路7に印加された信号はスイッチング素子11を介して圧電アクチュエータ3に印加される。これにより圧電アクチュエータ3が駆動される。
【0016】
圧電アクチュエータ3に流れる電流のピーク値は、常時、保護回路6の中のピーク電流検出回路19で検出され、検出値が絶縁接合素子23を介して保護回路用制御回路25に入力されている。保護回路用制御回路25はピーク電流検出回路19で検出された電流のピーク値(絶対値)が予め設定されている設定値を越えたか否かを判定し、ピーク電流検出回路19で検出された電流のピーク値が設定値以下の時には、絶縁ゲート電圧発生回路21から印加されるゲート電圧によってスイッチング素子18の接続状態が維持され、入力信号S1に応じた電圧波形が交流実効値電流検出回路20、ドライバ電圧検出回路7及びスイッチング素子11を介して圧電アクチュエータ3に印加される。
【0017】
一方、負荷である圧電アクチュエータ3のショート等により、圧電アクチュエータ3に流れる電流のピーク値が設定値を越えると、保護回路用制御回路25は異常であることを認識し、絶縁接合素子22を介して制御信号S3をスイッチング素子18に送出する。スイッチング素子18は、制御信号S3によって制御されて10μsec以下の短時間で遮断状態になり、これによって圧電アクチュエータ3へ流れる電流が遮断される。この時、保護回路用制御回路25は、使用者に異常の発生及び圧電アクチュエータ3の駆動停止を知らせるために警告信号S4を警告回路27に送出し、LEDの点灯とアラーム音の発生を行う。
【0018】
又、圧電アクチュエータ3を正弦波等の交流で駆動する場合には、圧電アクチュエータ3へ流れる電流の実効値が交流実効値電流検出回路20で検出され、検出値が絶縁結合素子24を介して保護回路用制御回路25に入力される。保護回路用制御回路25は交流実効値電流検出回路20で検出された実効値電流が予め設定されている設定値を越えたか否かを判定し、設定値以下のときには、絶縁ゲート電圧発生回路21から印加されるゲート電圧によってスイッチング素子18の接続状態を維持し、設定値を越える場合には、保護回路用制御回路25は絶縁結合素子22を介して制御信号S3をスイッチング素子18に送出し、スイッチング素子18を10μsec以下の短時間で遮断状態とすると共に、使用者に異常の発生及び圧電アクチュエータ3の駆動停止を知らせるために、警告信号S4を警告回路27に送出し、LEDの点灯とアラーム音の発生を行う。
【0019】
同様に、圧電アクチュエータ3を直流で駆動する場合には、高電圧電源回路2からDC平均電流検出回路14を介して電圧制御回路1へ流れる電流のDC平均値がDC平均電流検出回路14で検出され、検出値が絶縁結合素子15を介して保護回路用制御回路25に入力される。保護回路用制御回路25はDC平均電流検出回路14で検出されたDC平均電流が予め設定されている設定値を越えたか否かを判定し、設定値以下のときには、絶縁ゲート電圧発生回路21から印加されるゲート電圧によってスイッチング素子18の接続状態を維持し、設定値を越える場合には、保護回路用制御回路25は絶縁結合素子22を介して制御信号S3をスイッチング素子18に送出し、スイッチング素子18を10μsec以下の短時間で遮断状態とすると共に、使用者に異常の発生及び圧電アクチュエータ3の駆動停止を知らせるために、警告信号S4を警告回路27に送出し、LEDの点灯とアラーム音の発生を行う。
【0020】
又、高電圧用電源5及び制御用電源4はそれぞれ別個のトランス、あるいは共通のトランスを用いて構成されるが、これらのトランスが異常状態になると、高電圧電源回路2あるいは保護回路6に異常電流が流れる惧れが生じる。そこで、高電圧用電源5から高電圧電源回路2に流れる電流及び制御用電源4から保護回路6に流れる電流がそれぞれ異常電流検出回路12及び16により検出され、これらの検出値が絶縁結合素子13及び17を介して保護回路用制御回路25に入力される。保護回路用制御回路25は入力された検出値が予め設定されている設定値を越えたか否かを判定し、設定値以下のときには、絶縁ゲート電圧発生回路21から印加されるゲート電圧によってスイッチング素子18の接続状態を維持し、設定値を越える場合には、保護回路用制御回路25は絶縁結合素子22を介して制御信号S3をスイッチング素子18に送出し、スイッチング素子18を10μsec以下の短時間で遮断状態とすると共に、使用者に異常の発生及び圧電アクチュエータ3の駆動停止を知らせるために、警告信号S4を警告回路27に送出し、LEDの点灯とアラーム音の発生を行う。これにより、トランスの異常時に、電源各部内に溜まっていたエネルギーにより圧電アクチュエータ3に異常電流が流れることが防止される。
【0021】
さらに、この駆動回路の制御用電源4と高電圧用電源5の電源スイッチをOFFした時には、高電圧用電源5と制御用電源4のうち電圧の低い方、すなわち制御用電源4から先に電圧が低下する。従って、制御用電源4の出力電圧が0となって制御不能となった後でも、まだ高電圧用電源5に電荷が残留している時間が存在する。この時に負荷である圧電アクチュエータ3が接続されていて、且つ外部からの電圧の制御を指示する入力信号S1が電圧制御回路1に入力されている場合、電圧制御回路1に残留電荷による電圧が供給されることで電圧波形が生成されて高電圧出力が圧電アクチュエータ3に印加される。その為、圧電アクチュエータ3に過電流が流れる惧れがある。そこで、制御用電源4の出力電圧が基準電源電圧検出回路9で検出され、この検出値が制御回路10に入力される。制御回路10は基準電源電圧検出回路9で検出された出力電圧が予め設定されている設定値を下回っているか否かを判定し、設定値よりも 大きい値の場合、制御回路10は制御信号S2をスイッチング素子11に送出し、スイッチング素子11のゲートに電圧が印加されて、スイッチング素子11は接続状態になっており、電圧制御回路1で生成された高電圧出力は保護回路6、ドライバ電圧検出回路7及びスイッチング素子11を介して圧電アクチュエータ3に印加される。
一方、設定値以下になると、制御回路10は制御信号S2をスイッチング素子11に送出しない為、スイッチング素子11のゲートに電圧が印加されない。その結果、スイッチング素子11は10μsec以下の短時間で遮断状態になると共に、使用者に異常の発生及び圧電アクチュエータ3の駆動停止を知らせるために、制御回路10は警告信号S5を警告回路27に送出し、LEDの点灯とアラーム音の発生を行う。これにより、電源スイッチのOFF時に圧電アクチュエータ3への高電圧印加を防止する。
【0022】
上記の基準電源電圧検出回路9において、駆動装置の電源スイッチを有する制御用電源4の出力電圧のON/OFF信号を検出し、その信号を制御回路10に送出する素子としてフォトカプラを用いるのが好ましい。又、制御回路10からスイッチング素子11に制御信号S2を送出する素子としてフォトカプラを用いるのが好ましい。その結果、10μsec以下の短時間でスイッチング素子11を遮断状態にすることが可能になる。
【0023】
又、電圧制御回路1の内部回路のFET、トランジスタ等の一部の素子が破損している時、外部からの電圧の制御を指示するための入力信号S1が電圧制御回路1に入力されていない場合(入力信号S1=0V)であっても、高電圧用電源5及び制御用電源4により駆動する高電圧電源回路2から電圧供給を受け、電圧制御回路1は電圧波形を生成して、保護回路6に印加される場合がある。ここで、圧電アクチュエータ3に流れる電流のピーク値が予め設定されている設定値を越えているならば保護回路6の内部回路であるピーク電流検出回路19にて電流のピーク値を検出し、検出値が絶縁結合素子23を介して保護回路用制御回路25に入力され、保護回路用制御回路25が設定値を越えているので、絶縁結合素子22を介して制御信号S3をスイッチング素子18に送出して、スイッチング素子18は10μsec以下の短時間で遮断状態になる。しかし、保護回路6の内部回路であるピーク電流検出回路19、絶縁結合素子22、23、保護回路用制御回路25、スイッチング素子18、絶縁ゲート電圧発生回路21等の回路の一部の素子が破損していた場合、保護回路6は圧電アクチュエータ3に異常電流が流れるのを防止することができない。又、保護回路6の内部回路の何れかの素子が破損していた場合だけではなく、異常電流検出回路12、16、高電圧電源回路2、DC平均電流検出回路14、絶縁結合素子13、15、17等の何れかの回路の素子が破損していた場合においても、同様に圧電アクチュエータ3に異常電流が流れるのを防止することができない。そこで、保護回路6の後段のドライバ電圧検出回路7で保護回路6からの出力電圧を検出する。そして、入力信号S1とドライバ電圧検出回路7で検出された2信号が駆動電圧比較回路8に入力される。駆動電圧比較回路8ではドライバ電圧検出回路7の出力電圧を1/(X+α)に分圧し、この分圧値と入力信号S1の電圧値の大きさを比較し、その結果は制御回路10に出力される。ここで、Xは出力電圧として設定した倍率、αは負荷抵抗により規定された倍率とする。そして、入力信号S1の電圧値がドライバ電圧検出回路7の出力電圧の分圧値よりも大きい場合、つまり[入力電圧>(1/(X+α))・ドライバ電圧検出回路の出力電圧]の場合では、駆動電圧比較回路8の出力信号に基づいて、制御回路10は制御信号S2をスイッチング素子11に送出し、スイッチング素子11のゲートに電圧が印加されて、スイッチング素子11は接続状態になっており、電圧制御回路1で生成された電圧波形は保護回路6、ドライバ電圧検出回路7及びスイッチング素子11を介して圧電アクチュエータ3に印加される。一方、入力信号の電圧値がドライバ電圧検出回路7の出力電圧の分圧値よりも小さい場合、つまり入力電圧<[(1/(X+α))・ドライバ電圧検出回路の出力電圧]の場合では、駆動電圧比較回路8の出力信号に基づいて、制御回路10は制御信号S2をスイッチング素子11に送出しない為、スイッチング素子11のゲートに電圧が印加されない。その結果、スイッチング素子11は10μsec以下の短時間で遮断状態になると共に、使用者に異常の発生及び圧電アクチュエータ3の駆動停止を知らせるために、制御回路10は警告信号S5を警告回路27に送出し、LEDの点灯とアラーム音の発生を行う。これにより、保護回路6の内部回路が破損していた場合において、圧電アクチュエータ3への高電圧印加を防止する。
【0024】
上記の入力信号S1とドライバ電圧検出回路7で検出された2信号を駆動電圧比較回路8にてドライバ電圧検出回路7の出力電圧を1/(X+α)に分圧し、この分圧値と入力信号の電圧値の大きさを比較し、その結果に基づいて制御回路10が制御信号S2をスイッチング素子11に送出する方法について、実施例を以下に記載する。
例:X=20倍、α=2の場合
ここで、Xは出力電圧として設定した倍率、αは負荷抵抗により規定された倍率とする。
・ 入力電圧:5V・・・▲1▼
・ 出力電圧:20×5=100V
・ 比較される分圧された出力電圧:(1/(X+α))・出力電圧
=1/(20+2)×100=4.55V・・・▲2▼
従って通常時は▲1▼>▲2▼となり、スイッチング素子11が接続状態になり、圧電アクチュエータ3に高電圧出力が印加される。但し、▲2▼が5V以上の値(出力電圧で5×(20+2)=110V)になると、▲1▼<▲2▼になる為、スイッチング素子11が遮断状態になり、圧電アクチュエータ3への高電圧出力の印加が防止される。
【0025】
又、上記の駆動電圧比較回路8において、入力信号S1とドライバ電圧検出回路7の2信号の出力電圧を比較し、その出力信号を制御回路10に送出する素子としてフォトカプラを用いるのが好ましい。その結果、10μsec以下の短時間でスイッチング素子11を遮断状態にすることが可能になる。
【0026】
遮断状態になったスイッチング素子11、18は、保護回路用制御回路25及び制御回路10に接続されている解除スイッチ26を操作することによって解除することができる。解除スイッチ26の操作により、絶縁ゲート電圧発生回路21からスイッチング素子18へのゲート電圧の印加が回復すると同時に、スイッチング素子11が接続状態になり、再び入力信号S1に応じた圧電アクチュエータ3の駆動が可能となる。
【0027】
尚、長期間にわたって使用された圧電アクチュエータ3が劣化してくると、圧電アクチュエータ3に流れる電流波形にピーク電流が次第に多く発生する。そこで、保護回路用制御回路25は、ピーク電流検出回路19で検出される電流のピーク値が設定値を越えてもすぐにはスイッチング素子18を遮断状態とせずに、電流のピーク値が設定値を越える頻度を計数し、その頻度が所定値を越えた場合に圧電アクチュエータ3の劣化を警告回路27によって外部へ通報するように構成することもできる。
【0028】
【発明の効果】
以上の通り、本発明により圧電アクチュエータ駆動装置の内部回路の一部が壊れている為、入力信号が0Vの時に高電圧出力が圧電アクチュエータに印加される課題が解決できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態に係わる圧電アクチュエータの駆動回路を示すブロック図である。
【図2】この発明の実施の形態に係わる保護回路を示すブロック図である。
【図3】従来の駆動回路を示すブロック図である。
【符号の説明】
1:電圧制御回路
2:高電圧電源回路
3:圧電アクチュエータ
4:制御用電源
5:高電圧用電源
6:保護回路
7:ドライバ電圧検出回路
8:駆動電圧比較回路
9:基準電源電圧検出回路
10:制御回路
11:スイッチング素子
12:異常電流検出回路
13:絶縁結合素子
14:DC平均電流検出回路
15:絶縁結合素子
16:異常電流検出回路
17:絶縁結合素子
18:スイッチング素子
19:ピーク電流検出回路
20:交流実効値電流検出回路
21:絶縁ゲート電圧発生回路
22:絶縁結合素子
23:絶縁結合素子
24:絶縁結合素子
25:保護回路用制御回路
26:解除スイッチ
27:警告回路
28:制御用電源
29:電圧検出回路
30:絶縁結合素子
31:保護回路用電源
32:異常電流検出回路
33:絶縁結合素子
Claims (4)
- 入力信号に基づいた電圧波形を圧電アクチュエータに印加して駆動させる圧電アクチュエータの駆動装置であって、制御用電源の電圧のON/OFF信号及び電圧値を検出する基準電源電圧検出回路と、圧電アクチュエータに入力される電圧波形の電圧を検出するドライバ電圧検出回路と、入力信号の電圧とドライバ電圧検出回路の出力電圧の分圧値を比較する駆動電圧比較回路と、ドライバ電圧検出回路から圧電アクチュエータへの信号出力を制御する制御回路と、ドライバ電圧検出回路と圧電アクチュエータとの間に配設され且つこれらの間を接続/遮断するスイッチング素子を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
- 前記制御回路は、前記駆動電圧比較回路にて前記ドライバ電圧検出回路の出力電圧の分圧値である[1/(X+α)・ドライバ電圧検出回路の出力電圧]が、前記入力信号の電圧よりも大きい場合:
[入力信号電圧<(1/(X+α))・ドライバ電圧検出回路の出力電圧]
X:出力電圧として設定した倍率、
α:負荷抵抗により規定された倍率
には、前記スイッチング素子を遮断させることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータの駆動装置。 - 前記制御回路は、前記基準電源電圧検出回路で検出した前記制御用電源の出力電圧がOFFの場合には、前記スイッチング素子を遮断させることを特徴とする請求項1に記載の圧電アクチュエータの駆動装置。
- 前記基準電源電圧検出回路において、前記制御用電源の出力電圧のON/OFF信号を検出し、その信号を前記制御回路に送出する素子としてフォトカプラを用いたことを特徴とする請求項3に記載の圧電アクチュエータの駆動装置。
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