JP4470258B2 - Drive device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置に関し、特にはXY移動ステージ、カメラの撮影レンズ、オーバヘッドプロジェクタの投影レンズ、双眼鏡のレンズ等の駆動に適した駆動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、撮影レンズ等が取りつけられた係合部材を棒状の駆動部材に所定の摩擦力を有するように結合させると共に、その駆動部材の一方端に圧電素子を固着して構成されたインパクト型圧電アクチュエータからなる駆動装置が知られている。例えば、図14は、カメラの撮影レンズ位置を調節するための駆動装置の概略構成を示す図である。
【0003】
この図における駆動装置100は、電気機械変換素子である圧電素子101と、圧電素子101により駆動される棒状の駆動部材102と、駆動部材102に所定の摩擦力で結合された係合部材103と、圧電素子101に駆動電圧を印加する駆動回路104とを備えている。
【0004】
圧電素子101は、駆動回路104から印加される駆動電圧に応じて伸縮するものであり、その伸縮方向における一方端が支持部材105に固着されると共に、その他方端が駆動部材102の軸方向における一方端に固着されたものである。係合部材103は、所定箇所に駆動対象物である撮影レンズLが固着され、駆動部材102上を軸方向に沿って移動可能とされている。
【0005】
駆動回路104は、例えば図15に示すように、緩速充電回路及び急速放電回路からなる第1の駆動回路109と、急速充電回路及び緩速放電回路からなる第2の駆動回路110とから構成され、デジタル回路で生成した0〜5Vの矩形波信号により各駆動回路109,110を駆動制御するようにしたものである。
【0006】
すなわち、第1の駆動回路109は、電源電圧Vpに対して2つのスイッチ111,112と定電流源113とを定電流源113が中間位置にくるようにして直列接続することにより構成され、第2の駆動回路110は、電源電圧Vpに対して2つのスイッチ114,115と定電流源116とを定電流源116が中間位置にくるようにして直列接続することにより構成されたものであり、スイッチ112と定電流源113間及びスイッチ114と定電流源116間の出力が圧電素子101に印加されるようにしたものである。
【0007】
この図15に示す駆動回路104では、第1の駆動回路109のスイッチ111を閉じることにより緩速充電回路が形成され、その後にスイッチ111を開いてスイッチ112を閉じることにより急速放電回路が形成される。このスイッチ操作が矩形波信号により繰り返し実行されることにより、緩慢な立ち上がり部と急峻な立ち下がり部とを有する図16(a)に示すような波形(繰出波形)の駆動電圧が圧電素子101に繰り返し印加され、圧電素子101の伸縮により係合部材103は繰出方向(圧電素子101から離反する方向)である矢印a方向に移動する。
【0008】
すなわち、駆動電圧の緩慢な立ち上がり部では圧電素子101が緩やかに伸長することになるため、係合部材103は駆動部材102と共に繰出方向に移動する一方、急峻な立ち下がり部では圧電素子101が急激に縮小することになるため、駆動部材102が戻り方向に移動しても係合部材103は駆動部材102上をスリップして略同位置に留まることになる。このため、図16(a)に示すような波形の駆動電圧が圧電素子101に繰り返し印加されると、係合部材103は矢印a方向に間欠的に移動する。
【0009】
また、第2の駆動回路110のスイッチ114を閉じることにより急速充電回路が形成され、その後にスイッチ114を開いてスイッチ115を閉じることにより緩速放電回路が形成される。このスイッチ操作が矩形波信号により繰り返し実行されることにより、急峻な立ち上がり部と緩慢な立ち下がり部とを有する図16(b)に示すような波形(戻し波形)の駆動電圧が圧電素子101に繰り返し印加され、圧電素子101の伸縮により係合部材103は戻り方向(圧電素子101に接近する方向)である矢印aとは反対方向に移動する。
【0010】
すなわち、駆動電圧の急峻な立ち上がり部では圧電素子101が急激に伸長することになるため、駆動部材102が繰出方向に移動しても係合部材103は駆動部材102上をスリップして略同位置に留まることになる一方、緩慢な立ち下がり部では圧電素子101が緩やかに縮小することになるため、係合部材103は駆動部材102と共に戻り方向に移動することになる。このため、図16(b)に示すような波形の駆動電圧が圧電素子101に繰り返し印加されると、係合部材103は矢印aとは反対方向に間欠的に移動する。これにより、レンズLが繰出方向と戻り方向とに移動可能となる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、カメラの撮影レンズ等の光学系の駆動源としてインパクト形圧電アクチュエータからなる駆動装置を適用する場合、その駆動装置はできる限り構成が簡素化され、かつ小型化されていることが望ましい。しかしながら、上記従来の駆動装置100では、定電流源113,116の回路構成が複雑になることから駆動回路104が複雑化すると共に、小型化にも制約を受けるという問題があった。
【0012】
しかも、電池電圧で圧電素子101を駆動する場合、圧電素子101に供給される駆動電圧が低いことから圧電素子101の伸縮量が小さくなって係合部材103の移動速度が低下することになり、係合部材103の移動距離が比較的長い場合は、圧電素子101の駆動時間が長くなって電池の消耗が増大するという問題もあった。
【0013】
このような問題を解決する手段として、圧電素子101の一方側及び他方側から電源電圧Vpを交互に印加することで充放電を繰り返し、圧電素子101の駆動電圧を見掛け上電源電圧Vpの2倍にすることが考えられる。しかし、この構成では、充電期間だけではなく放電期間にも電源電圧Vpが圧電素子103に印加されるので、従来のものに比べて消費電力が増大して電池の消耗が更に大きくなるという別の問題が生じる。
【0014】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、駆動回路の複雑化等を招くことなく、消費電力を可及的に抑制して電池電源で有効に駆動することができる駆動装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の発明は、駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、電気機械変換素子により駆動される駆動部材と、該駆動部材に所定の摩擦力で係合された係合部材と、前記電気機械変換素子を矩形波からなる駆動電圧により駆動する駆動回路と、該駆動回路の動作を制御する駆動制御手段とから構成され、前記電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで前記駆動部材と前記係合部材とを相対移動させる駆動装置において、前記駆動回路は、前記電気機械変換素子にその一方側から駆動電圧を印加して第1の極性の電荷を充電する第1の駆動回路と、前記電気機械変換素子にその他方側から駆動電圧を印加して前記第1の極性とは逆極性の電荷を充電する第2の駆動回路と、各駆動回路により前記電気機械変換素子に充電された電荷を接地により放電する放電回路とを備え、前記駆動制御手段は、前記第1の駆動回路と第2の駆動回路とを交互に駆動させると共に、前記第1の駆動回路の駆動期間と第2の駆動回路の駆動期間との間に前記放電回路を駆動するようにしたことを特徴としている。
【0016】
この構成によれば、第1の駆動回路により電気機械変換素子に充電された第1の極性の電荷は、第2の駆動回路により電気機械変換素子に逆方向に充電される前に放電回路により接地されて放電される。また、第2の駆動回路により電気機械変換素子に逆方向に充電された第1の極性とは逆極性の電荷は、第1の駆動回路により電気機械変換素子に充電される前に放電回路により接地されて放電される。このため、駆動回路の複雑化等を招くことなく、消費電力を可及的に抑制して電池電源で有効に駆動することができる駆動装置が実現される。
【0017】
また、請求項2の発明は、請求項1に係るものにおいて、前記第1の駆動回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記電気機械変換素子の一方端に接続されてなる第1のスイッチ手段と、一方端が前記電気機械変換素子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と共に、前記第2の駆動回路は、一方端が前記電源に接続され、他方端が前記電気機械変換素子の他方端に接続されてなる第3のスイッチ手段と、一方端が前記電気機械変換素子の一方端に接続され、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のスイッチ手段と第4のスイッチ手段とで構成されていることを特徴としている。
【0018】
この構成によれば、第1のスイッチ手段と第2のスイッチ手段とで構成される第1の駆動回路により電気機械変換素子に充電された電荷は、第2の駆動回路により電気機械変換素子に逆方向に充電される前に第2のスイッチ手段と第4のスイッチ手段とで構成される放電回路により放電される。また、第3のスイッチ手段と第4のスイッチ手段とで構成される第2の駆動回路により電気機械変換素子に逆方向に充電された電荷は、第1のスイッチ手段と第2のスイッチ手段とで構成される第1の駆動回路により電気機械変換素子が充電される前に第2のスイッチ手段と第4のスイッチ手段とで構成される放電回路により放電される。このため、駆動回路の複雑化等を招くことなく、消費電力を可及的に抑制して電池電源で有効に駆動することができる駆動装置が実現される。
【0019】
また、請求項3の発明は、請求項1又は2に係るものにおいて、前記放電回路の駆動期間は、前記電気機械変換素子への充電時間又は放電時間と、前記スイッチ手段のうちの1のスイッチ手段の切替時間とを加算した値又はその近傍値に設定されるものであることを特徴としている。
【0020】
この構成によれば、放電時間が効率的に設定される。このため、駆動回路の複雑化等を招くことなく、消費電力を可及的に抑制して電池電源で有効に駆動することができる駆動装置が実現される。
【0021】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の一実施形態に係るインパクト型圧電アクチュエータからなる駆動装置の基本構成を概略的に示すブロック図である。この図において、駆動装置10は、駆動部12と、駆動部12を駆動する駆動回路14と、駆動部12に取り付けられている係合部材の位置を検出する部材センサ16と、駆動部12の基端に配設された基端センサ18と、駆動部12の先端に配設された先端センサ20と、全体の動作を制御する制御部22とを備えている。
【0022】
図2は、駆動部12の構成例を示す斜視図である。この図において、駆動部12は、素子固定式構造のものであり、支持部材24、圧電素子26、駆動部材28及び係合部材30から構成されている。
【0023】
支持部材24は、圧電素子26及び駆動部材28を保持するものであり、円柱体の軸方向両端部241,242及び略中央の仕切壁243を残して内部を刳り貫くことにより形成された第1の収容空間244及び第2の収容空間245を有している。この第1の収容空間244には、圧電素子26がその分極方向である伸縮方向を支持部材24の軸方向と一致させて収容されている。また、第2の収容空間245には、駆動部材28と係合部材30の一部とが収容されている。
【0024】
圧電素子26は、例えば、所要の厚みを有する複数枚の圧電基板を各圧電基板間に図略の電極を介して積層することにより構成したものであり、その伸縮方向(積層方向)である長手方向の一方端面が第1の収容空間244の一方端部241側端面に固着されている。支持部材24の他方端部242及び仕切壁243には中心位置に丸孔が穿設されると共に、この両丸孔を貫通して断面丸形状の棒状の駆動部材28が第2収容空間245に軸方向に沿って移動可能に収容されている。
【0025】
駆動部材28の第1の収容空間244内に突出した端部は圧電素子26の他方端面に固着され、駆動部材28の第2の収容空間245の外部に突出した端部は板ばね32により所要のばね圧で圧電素子26側に付勢されている。この板ばね32による駆動部材28への付勢は、圧電素子26の伸縮動作に基づく駆動部材28の軸方向変位を安定化させるためである。
【0026】
係合部材30は、駆動部材28の軸方向の両側に取付部301を有する基部302と、両取付部301の間に装着される挟み込み部材303とを備えており、基部302が駆動部材28に遊嵌されると共に、挟み込み部材303が板ばね304により押圧されることにより駆動部材28に接触することで係合部材30が所定の摩擦力で駆動部材28に結合され、係合部材30に対してその摩擦力よりも大きな駆動力が作用したときに駆動部材28の軸方向に沿って移動可能とされている。なお、係合部材30には駆動対象物であるレンズL(図1)が取り付けられている。
【0027】
図3は、駆動回路14の構成例を示す図である。この図において、駆動回路14は、図略の駆動電源から駆動電圧+Vpが供給される接続点aと、接地される接続点bとの間に、MOS型FETであるスイッチ素子Q1からなる第1スイッチ回路141及びMOS型FETであるスイッチ素子Q2からなる第2スイッチ回路142の直列回路が接続されると共に、MOS型FETであるスイッチ素子Q3からなる第3スイッチ回路143及びMOS型FETであるスイッチ素子Q4からなる第4スイッチ回路144の直列回路が接続され、各スイッチ回路141乃至144に駆動制御信号Sc1,Sc2,Sc3,Sc4を供給する制御信号供給手段としての制御回路145が接続されて構成されている。
【0028】
第1スイッチ回路141を構成するスイッチ素子Q1及び第3スイッチ回路143を構成するスイッチ素子Q3はPチャネルFETであり、第2スイッチ回路142を構成するスイッチ素子Q2及び第4スイッチ回路144を構成するスイッチ素子Q4はNチャネルFETである。PチャネルFETであるスイッチ素子Q1,Q3は駆動制御信号がローレベルのときにオンになり、NチャネルFETであるスイッチ素子Q2,Q4は駆動制御信号がハイレベルのときにオンになる。なお、第1スイッチ回路141及び第2スイッチ回路142の接続点cと、第3スイッチ回路143及び第4スイッチ回路144の接続点dとの間に圧電素子26が接続されてブリッジ回路146が構成されている。
【0029】
このように構成された駆動回路14において、第1スイッチ回路141及び第4スイッチ回路144は圧電素子26に対し、その一方側から駆動電圧+Vpを印加して端子間電圧Vsが+Vpとなるまで充電する第1の駆動回路(第1の駆動手段)を構成し、第2スイッチ回路142及び第3スイッチ回路143は圧電素子26に対し、その他方側から(すなわち、逆方向から)駆動電圧+Vpを印加して端子間電圧Vsが−Vpとなるまで充電する第2の駆動回路(第2の駆動手段)を構成することになる。
【0030】
このように駆動回路14と圧電素子26とでブリッジ回路146を構成した場合、圧電素子26には−Vp〜+Vpの電圧が印加されるので、圧電素子26の駆動電圧が等価的に2Vpとなる結果、駆動電源は低電圧であっても変位量の大きい駆動装置10を得ることができるという利点がある。
【0031】
図1に戻り、部材センサ16は、係合部材30の移動可能範囲内に配設されており、MRE(Magneto Resistive Effect)素子やPSD(Position Sensitive Device)素子等のセンサにより構成されている。また、基端センサ18及び先端センサ20は、フォトインタラプタ等のセンサにより構成されている。これにより、係合部材30の位置が部材センサ16により検出されることで係合部材30の所定位置への移動制御が可能となる一方、係合部材30の位置が基端センサ18及び先端センサ20で検出されることで係合部材30のそれ以上の移動が禁止される。
【0032】
制御部22は、演算処理を行うCPU(Central Processing Unit)、処理プログラム及びデータが記憶されたROM(Read-Only Memory)及びデータを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)から構成されており、部材センサ16等から入力される信号に基づいて制御回路145から所定のデューティ比の駆動パルスを出力させ、この駆動パルスにより第1の駆動回路及び第2の駆動回路を交互に駆動する。すなわち、制御部22は、第1スイッチ回路141及び第4スイッチ回路144からなる第1の駆動回路と、第2スイッチ回路142及び第3スイッチ回路143からなる第2の駆動回路とを交互に駆動する一方、後述する第2スイッチ回路142及び第4スイッチ回路144からなる放電回路を駆動する駆動制御手段を構成する。
【0033】
次に、本発明の駆動装置10に適用される駆動回路14の駆動動作の説明を行うに先立ち、図4乃至図7を参照して駆動回路14の原理的な動作説明を行う。すなわち、図4は、駆動回路14の原理的な動作を説明するための駆動電圧のパルス波形を示す図であり、同図(a)は駆動電圧の駆動周波数fdが支持部材24及び駆動部材28が固着された状態での圧電素子26の共振周波数frの0.7倍(fd=0.7×fr)となるように設定され、デューティ比D(D=B/A)が0.3になるように設定されたもの、同図(b)は駆動電圧の駆動周波数fdが支持部材24及び駆動部材28が固着された状態での圧電素子26の共振周波数frの0.7倍(fd=0.7×fr)となるように設定され、デューティ比D(D=B/A)が0.7になるように設定されたものである。
【0034】
このように、図4(a)に示す矩形波からなる駆動電圧が圧電素子26に印加された場合は係合部材30が駆動部材28に沿って繰出方向(圧電素子26から離反する方向)である矢印a方向に移動し、図4(b)に示す矩形波からなる駆動電圧が圧電素子26に印加された場合は係合部材30が駆動部材28に沿って戻り方向(圧電素子26に接近する方向)である矢印aとは逆方向に移動することになる。駆動電圧をこのように設定したのは、支持部材24及び駆動部材28が固着されている状態での圧電素子26の共振周波数frに対する駆動電圧の周波数fdの比(fd/fr)と係合部材30の移動速度との関係を確認した結果、図5に示すような関係にあることが明らかとなったことによる。
【0035】
すなわち、従来では、鋸歯形状の波形を有する駆動電圧が印加された場合に圧電素子26が駆動するものと考えられていたため、その駆動回路が不可避的に複雑となり、低コスト化と小型化とに制約を受けるという問題があったが、本発明に係る駆動装置10の駆動回路14では、上記のように駆動電圧が生成の容易な矩形波からなるものでよいことから低コスト化と小型化とが促進されるという利点がある。
【0036】
この図5に示す特性図は、矩形波からなる駆動電圧のデューティ比が0.3の場合(係合部材30が繰出方向に移動する場合)のものであるが、そのデューティ比が0.7の場合(係合部材30が戻り方向に移動する場合)は勿論のこと、そのデューティ比が0.05〜0.95の範囲内にある場合には略同様の関係を有することが確認されている。
【0037】
この図5に示す特性図からも明らかなように、fd/frの値が0.3乃至1.5の範囲内にある場合には係合部材30が実質的に移動可能となり、fd/frの値が0.3に満たない場合及び1.5を超える場合には係合部材30が移動不能となる。従って、圧電素子26の共振周波数frに対する駆動電圧の周波数fdは、図4に示すものだけではなく必要に応じて0.3<fd<1.5の範囲内で適宜設定することができる。
【0038】
また、矩形波からなる駆動電圧のデューティ比と係合部材30の移動方向(繰出方向及び戻り方向)との関係を確認した結果、図6に示すような関係を有していることが明らかとなっている。すなわち、デューティ比Dが0.05乃至0.45の範囲内(0.05<D<0.45)にあるときには、係合部材30は繰出方向に移動し、デューティ比Dが0.55乃至0.95の範囲内(0.55<D<0.95)にあるときには、係合部材30は戻り方向に移動する。従って、デューティ比Dは、図4に示すものだけではなく必要に応じて0.05<D<0.45又は0.55<D<0.95の範囲内で適宜設定することができる。
【0039】
なお、支持部材24及び駆動部材28が固着された状態での圧電素子26の共振周波数frは、次の数1により求めたものである。
【0040】
【数1】
【0041】
この数1におけるfroは圧電素子26の両電極間におけるフリー共振周波数(圧電素子26自体の電極間方向における共振周波数)、mpは圧電素子26の質量、mfは駆動部材28の質量をそれぞれ表わしている。なお、支持部材24の質量は、共振系における圧電素子26の共振周波数frに関係するが、支持部材24の質量は圧電素子26及び駆動部材28の各質量を加算したものに比べて十分大きな値を有しており、共振周波数frに与える影響は小さいので演算パラメータとして考慮する必要はない。また、係合部材30は、圧電素子26の共振時には駆動部材28に対して滑りを生じて実質的に共振系の要素として考慮する必要はないので、上記数1の演算パラメータとしては含まれていない。
【0042】
図7は、圧電素子26に印加される駆動回路14からの駆動電圧のパルス波形と、圧電素子26の伸縮による変位との対応関係を示す図で、同図(a)は図4(a)に示す駆動電圧が印加された場合であり、同図(b)は図4(b)に示す駆動電圧が印加された場合をそれぞれ示している。なお、圧電素子26の伸縮による変位は、レーザードップラー振動計により測定したものである。
【0043】
このように、圧電素子26に図4(a)に示す駆動電圧が印加された場合は圧電素子26の変位波形が緩慢な立ち上がり部と急峻な立ち下がり部とを有する鋸歯形状となり、圧電素子26に図4(b)に示す駆動電圧が印加された場合は圧電素子26の変位波形が急峻な立ち上がり部と緩慢な立ち下がり部とを有する鋸歯形状となっていることが確認された。
【0044】
すなわち、圧電素子26の変位が図7(a)に示すような緩慢な立ち上がり部を有する波形を呈するとき(すなわち、圧電素子26が緩やかに伸長するとき)は、係合部材30が駆動部材28と共に繰出方向に移動し、圧電素子26の変位が図7(a)に示すような急峻な立下り部を有する波形を呈するとき(すなわち、圧電素子26が急激に縮小するとき)は、駆動部材28が戻り方向に移動しても係合部材30は駆動部材28上をスリップして略同位置に留まることになる。このため、図7(a)に示す駆動電圧が圧電素子26に繰り返し印加されることで、係合部材30は繰出方向に間欠的に移動することになる。
【0045】
また、圧電素子26の変位が図7(b)に示すような急峻な立ち上がり部を有する波形を呈するとき(すなわち、圧電素子26が急激に伸長するとき)は、駆動部材28が繰出方向に移動しても係合部材30は駆動部材28上をスリップして略同位置に留まることになり、圧電素子26の変位が図7(b)に示すような緩慢な立下り部を有する波形を呈するとき(すなわち、圧電素子26が緩やかに縮小するとき)は、係合部材30が駆動部材28と共に戻り方向に移動することになる。このため、図7(b)に示す駆動電圧が圧電素子26に繰り返し印加されることで、係合部材30は戻り方向に間欠的に移動することになる。
【0046】
このように、例えば、図4(a),(b)に示す駆動電圧が圧電素子26に印加された場合、圧電素子26の変位波形が鋸歯形状となるのは次のような理由による。すなわち、矩形波は基本波である正弦波と複数次の高調波とからなるものであるが、駆動電圧の駆動周波数fdが圧電素子26の共振周波数frに対して0.3倍よりも大きく1.5倍よりも小さいとき(0.3×fr<fd<1.5×fr)、共振系における圧電素子26の共振周波数の影響を受けて矩形波を形成している高調波成分のうち3次以上の高次の高調波のゲインが大きく減衰し、圧電素子26に印加される駆動電圧が実質的に基本波と2次高調波とからなる波形(すなわち、略鋸歯形状の波形)を有するものとなるからである。
【0047】
また、駆動電圧のデューティ比のある値を境にして係合部材30の移動方向が繰出方向と戻り方向間で反転するのは、そのデューティ比に対応して基本波に対する2次高調波の位相がずれ、基本波と2次高調波とからなる鋸歯波形における立ち上がり部と立ち下がり部の各傾斜が変化することになるからである。すなわち、デューティ比Dが0.05<D<0.45の範囲内にあるときには、2次高調波の位相のずれが大きくなって緩慢な立ち上がり部と急峻な立ち下がり部を有する鋸歯波形となることから係合部材30は繰出方向に移動し、デューティ比Dが0.55<D<0.95の範囲内にあるときには、2次高調波の位相のずれが小さくなって急峻な立ち上がり部と緩慢な立ち下がり部を有する鋸歯波形となることから係合部材30は繰出方向に移動する。
【0048】
図8は、本発明に係る駆動装置10に適用される駆動回路14の動作説明を行うための図で、図3に示す駆動回路14を制御する制御回路145から出力されて各スイッチ素子Q1〜Q4に印加される駆動パルスと、圧電素子26に印加される駆動電圧の波形とを示す図である。この図8に示す駆動電圧は、上述したように矩形波からなるものであり、その駆動周波数fdが支持部材24及び駆動部材28の固着された状態での圧電素子26の共振周波数frに対し、0.7倍に設定されると共に、繰出方向における波形についてはデューティ比Dが0.3に設定され、戻り方向の波形についてはデューティ比Dが0.7に設定されたものである。この駆動電圧が圧電素子26に印加されることで係合部材30は繰出方向と戻り方向とに移動することになる。
【0049】
この図8に示すように、駆動装置10の駆動時には、制御回路145からハイレベルの駆動制御信号Sc1,Sc2がスイッチ素子Q1,Q2に入力されるときには、ローレベルの駆動制御信号Sc3,Sc4がスイッチ素子Q3,Q4に入力され、ローレベルの駆動制御信号Sc1,Sc2がスイッチ素子Q1,Q2に入力されるときには、ハイレベルの駆動制御信号Sc3,Sc4がスイッチ素子Q3,Q4に入力される。
【0050】
これらの駆動制御信号のうち、駆動制御信号Sc3,Sc4は、駆動制御信号Sc1,Sc2がハイからローに切り替わるときにはそれよりも僅かに速いタイミングでローからハイに切り替わり、駆動制御信号Sc1,Sc2がローからハイに切り替わるときにはそれよりも僅かに遅いタイミングでハイからローに切り替わるように設定されている。
【0051】
制御回路145から上記のような駆動制御信号が繰り返し出力されることにより、スイッチ素子Q1,Q4及びスイッチ素子Q2,Q3が所定の周期で交互にオン、オフを繰り返すことになる。すなわち、スイッチ素子Q1,Q4がオンのときには圧電素子26は+Vpに充電され、スイッチ素子Q2,Q3がオンのときには圧電素子26は−Vpに充電されることになる結果、圧電素子26には見掛け上電源電圧Vpの2倍(2Vp)の電圧が印加されたことになり、係合部材30の移動速度を速くすることができて駆動装置10を効果的に動作させることができる。なお、駆動電圧のデューティ比Dが0.3に設定された駆動パルスでは係合部材30は繰出方向に移動し、駆動電圧のデューティ比Dが0.7に設定された駆動パルスでは係合部材30は戻り方向に移動する。
【0052】
しかも、上記のように駆動制御信号Sc3,Sc4は、駆動制御信号Sc1,Sc2がハイからローに切り替わるときにはそれよりも僅かに速いタイミングでローからハイに切り替わり、駆動制御信号Sc1,Sc2がローからハイに切り替わるときにはそれよりも僅かに遅いタイミングでハイからローに切り替わるように設定されているので、スイッチ素子Q1,Q4の駆動期間である圧電素子26に対する充電期間と、スイッチ素子Q2,Q3の駆動期間である圧電素子26に対する充電期間との間に、スイッチ素子Q2,Q4の駆動により圧電素子26に充電されている電荷を放電させる放電期間が形成され、これにより消費電力が大幅に削減されることになる。従って、スイッチ素子Q2,Q4は、それらが同時に駆動されるときには圧電素子26に充電されている電荷を放電させる放電回路を構成することになる。
【0053】
すなわち、スイッチ素子Q2,Q3が共にオンになって圧電素子26に逆方向から駆動電圧Vpが印加されて充電が行われたあと(Vs=−VP)、スイッチ素子Q1,Q4が共にオンになる前にスイッチ素子Q2,Q4が共にオンになる期間が形成される。このとき、圧電素子26に充電されていた−VPの電荷がスイッチ素子Q2,Q4を介して放電されることになる。そして、スイッチ素子Q1,Q4が共にオンになって圧電素子26に駆動電圧Vpが印加されて充電が行われたあと(Vs=+VP)、スイッチ素子Q2,Q3が共にオンになる前にスイッチ素子Q2,Q4が共にオンになる期間が形成される。このとき、圧電素子26に充電されていた+VPの電荷がスイッチ素子Q2,Q4を介して放電されることになる。
【0054】
このように、スイッチ素子Q1,Q4の駆動期間とスイッチ素子Q2,Q3の駆動期間との間に、スイッチ素子Q2,Q4の駆動による放電期間が形成されることから、圧電素子26を+Vpに充電するときも−Vpに充電するときにも充電に必要な電荷を供給するだけでよいことから不要な電力消費を削減することができる。これに対し、このようなスイッチ素子Q2,Q4の駆動による放電期間を形成しないときには、圧電素子26の放電時にも圧電素子26に駆動電圧Vpが印加されることから不要な電力を消費することになる。
【0055】
図9は、この状態を説明するための図であり、スイッチ素子Q2,Q3が共にオンになる期間(このとき、スイッチ素子Q1,Q4は共にオフ)を第1期間、この第1期間の後に形成されるスイッチ素子Q2,Q4が共にオンになる期間(このとき、スイッチ素子Q1,Q3は共にオフ)を第2期間、この第2期間の後に形成されるスイッチ素子Q1,Q4が共にオンになる期間(このとき、スイッチ素子Q2,Q3は共にオフ)を第3期間、この第3期間の後に形成されるスイッチ素子Q2,Q4が共にオンになる期間(このとき、スイッチ素子Q1,Q3は共にオフ)を第4期間とする。
【0056】
なお、これら第1期間乃至第4期間に制御回路145から出力される駆動制御信号Sc1乃至Sc4と圧電素子26の充電電圧との対応関係を表1に示している。ここで、「H」はハイ信号を示し、「L」はロー信号を示している。
【0057】
【表1】
【0058】
この第1期間では、圧電素子26に−qの電荷が充電され(このとき、Vs=−Vp)、第2期間では、第1期間で圧電素子26に充電された−qの電荷が放電される。また、第3期間では、圧電素子26に+qの電荷が充電され(このとき、Vs=+Vp)、第4期間では、第3期間で圧電素子26に充電された+qの電荷が放電される。なお、圧電素子26には、その分極方向に駆動電圧Vpが印加されるようになっている。
【0059】
符号C1で示す円内は、第2期間における圧電素子26に印加される電圧の波形を拡大して示しており、期間aはスイッチ素子Q4にハイ信号が印加されてから実際にスイッチが切り替わるまでの切替時間、期間bはスイッチ素子Q4が切り替わってから圧電素子26に充電されている電荷が放電されるまでの放電時間をそれぞれ示している。従って、第2期間はこれらの期間a及び期間bを加算した値あるいはそれに近似した値に設定される。
【0060】
また、符号C2で示す円内は、第4期間における圧電素子26に印加される電圧の波形を拡大して示しており、期間cはスイッチ素子Q4にロー信号が印加されてから実際にスイッチが切り替わるまでの切替時間、期間dはスイッチ素子Q2が切り替わってから圧電素子26に充電されている電荷が放電されるまでの放電時間をそれぞれ示している。従って、第4期間はこれらの期間c及び期間dを加算した値あるいはそれに近似した値に設定される。
【0061】
実験結果によれば、図10(a)に示すように、上記のようにスイッチ素子Q2,Q3の駆動期間(充電期間)である第1期間とスイッチ素子Q1,Q4の駆動期間(充電期間)である第3期間との間、及びスイッチ素子Q1,Q4の駆動期間(充電期間)である第3期間とスイッチ素子Q2,Q3の駆動期間(充電期間)である第1期間との間に、スイッチ素子Q2,Q4の駆動期間(放電期間)である第2期間及び第4期間をそれぞれ設けた構成とした場合の消費電力は77mWであったのに対し、第2期間及び第4期間を設けなかった構成とした場合の消費電力は143mWであった(46%の向上)。また、圧電素子26に印加される駆動電圧に段差ができる関係で係合部材30の移動速度が若干低下する懸念があったが、図10(b)に示すように、本発明に係るものでは係合部材30の移動速度は9.3mm/secであったのに対し、従来例のものでは9.9mm/secであり、約6%低下するのみで格別大きな変化はなかった。
【0062】
図11は、駆動回路14の別の構成例を示す図である。この図において、駆動回路14’は、図略の駆動電源から駆動電圧+Vpが供給される接続点aと、接地される接続点bとの間に、MOS型FETであるスイッチ素子Q1からなる第1スイッチ回路151及びMOS型FETであるスイッチ素子Q2からなる第2スイッチ回路152の直列回路が接続されると共に、MOS型FETであるスイッチ素子Q3からなる第3スイッチ回路153及びMOS型FETであるスイッチ素子Q4からなる第4スイッチ回路154の直列回路が接続されて構成されている。
【0063】
また、第2スイッチ回路152に抵抗素子R1及びMOS型FETであるスイッチ素子Q5の直列回路からなる第5スイッチ回路155が並列接続されると共に、第4スイッチ回路154に抵抗素子R2及びMOS型FETであるスイッチ素子Q6の直列回路からなる第6スイッチ回路156が並列接続され、各スイッチ回路151乃至156に駆動制御信号Sc1,Sc2,Sc3,Sc4,Sc5,Sc6を供給する制御信号供給手段としての制御回路157が接続されて構成されている。なお、この制御回路157は、駆動回路14の場合と同様に制御部22により制御されて各スイッチ回路を制御する。
【0064】
第1スイッチ回路151を構成するスイッチ素子Q1及び第3スイッチ回路153を構成するスイッチ素子Q3はPチャネルFETであり、第2スイッチ回路152を構成するスイッチ素子Q2、第4スイッチ回路154を構成するスイッチ素子Q4、第5スイッチ回路155を構成するスイッチ素子Q5、及び第6スイッチ回路156を構成するスイッチ素子Q6はNチャネルFETである。なお、第1スイッチ回路151及び第2スイッチ回路152の接続点cと、第3スイッチ回路153及び第4スイッチ回路154の接続点dとの間に圧電素子26が接続されてブリッジ回路158が構成されている。
【0065】
このように構成された駆動回路14’において、係合部材30を繰出方向に移動させる場合には、第1スイッチ回路151及び第6スイッチ回路156は圧電素子26に対し、その一方側から駆動電圧+Vpを印加して端子間電圧Vsが+Vpとなるまで充電する第1の駆動回路(第1の駆動手段)を構成し、第2スイッチ回路152及び第3スイッチ回路153は圧電素子26に対し、その他方側から(すなわち、逆方向から)駆動電圧+Vpを印加して端子間電圧Vsが−Vpとなるまで充電する第2の駆動回路(第2の駆動手段)を構成することになる。
【0066】
また、係合部材30を戻り方向に移動させる場合には、第1スイッチ回路151及び第4スイッチ回路154は圧電素子26に対し、その一方側から駆動電圧+Vpを印加して端子間電圧Vsが+Vpとなるまで充電する第1の駆動回路(第1の駆動手段)を構成し、第3スイッチ回路153及び第5スイッチ回路155は圧電素子26に対し、その他方側から(すなわち、逆方向から)駆動電圧+Vpを印加して端子間電圧Vsが−Vpとなるまで充電する第2の駆動回路(第2の駆動手段)を構成することになる。
【0067】
このように駆動回路14’と圧電素子26とでブリッジ回路158を構成した場合、駆動回路14の場合と同様に圧電素子26には−Vp〜+Vpの電圧が印加されるので、圧電素子26の駆動電圧が等価的に2Vpとなる結果、駆動電源は低電圧であっても変位量の大きい駆動装置10を得ることができるという利点がある。
【0068】
図12は、駆動回路14’の動作説明を行うための図で、図11に示す駆動回路14’を制御する制御回路157から出力されて各スイッチ素子Q1〜Q6に印加される駆動パルスと、圧電素子26に印加される駆動電圧の波形とを示す図である。なお、先の駆動回路14では、圧電素子26に矩形波からなる駆動電圧を印加することで係合部材30を移動するようにしたものであるが、この駆動回路14’では、圧電素子26に鋸歯形状の駆動電圧を印加することで係合部材30を移動するようにしたものである。すなわち、緩慢な立ち上がり部と急峻な立ち下がり部とを有する鋸歯形状の駆動電圧を印加することにより係合部材30を繰出方向に移動するようにし、急峻な立ち上がり部と緩慢な立ち下がり部とを有する鋸歯形状の駆動電圧を印加することにより係合部材30を戻り方向に移動するようにしている。
【0069】
この図12に示すように、駆動装置10の駆動時であって係合部材30を繰出方向に移動させる場合では、制御回路157からハイレベルの駆動制御信号Sc1,Sc2がスイッチ素子Q1,Q2に入力されるとき、ローレベルの駆動制御信号Sc3,Sc4,Sc5,Sc6がスイッチ素子Q3,Q4,Q5,Q6に入力され、ローレベルの駆動制御信号Sc1,Sc2,Sc4,Sc5がスイッチ素子Q1,Q2,Q4,Q5に入力されるとき、ハイレベルの駆動制御信号Sc3,Sc6がスイッチ素子Q3,Q6に入力される。
【0070】
これらの駆動制御信号のうち、駆動制御信号Sc6は、駆動制御信号Sc3がローからハイに切り替わるときに同じタイミングでローからハイに切り替わり、駆動制御信号Sc2は、駆動制御信号Sc3がローからハイに切り替わるときにそれよりも僅かに遅いタイミングでハイからローに切り替わるように設定されている。また、駆動制御信号Sc6は、駆動制御信号Sc3がハイからローに切り替わるときに同じタイミングでハイからローに切り替わり、駆動制御信号Sc2は、駆動制御信号Sc3がハイからローに切り替わるときにそれよりも僅かに速いタイミングでローからハイに切り替わるように設定されている。
【0071】
制御回路157から上記のような駆動制御信号が繰り返し出力されることにより、スイッチ素子Q1,Q6及びスイッチ素子Q2,Q3が所定の周期で交互にオン、オフを繰り返すことになる。すなわち、スイッチ素子Q1,Q6がオンのときには圧電素子26は+Vpに充電され、スイッチ素子Q2,Q3がオンのときには圧電素子26は−Vpに充電されることになる結果、圧電素子26には見掛け上電源電圧Vpの2倍(2Vp)の電圧が印加されたことになり、係合部材30の移動速度を速くすることができて駆動装置10を効果的に動作させることができる。なお、スイッチ素子Q1,Q6がオンのときには圧電素子26は緩やかに充電され、スイッチ素子Q2,Q3がオンのときには圧電素子26は急速に充電されることになる結果、係合部材30は繰出方向に移動する。
【0072】
しかも、上記のように駆動制御信号Sc6は駆動制御信号Sc3がローからハイに切り替わるときに同じタイミングでローからハイに切り替わり、駆動制御信号Sc2は駆動制御信号Sc3がローからハイに切り替わるときにそれよりも僅かに遅いタイミングでハイからローに切り替わるように設定される一方、駆動制御信号Sc6は駆動制御信号Sc3がハイからローに切り替わるときに同じタイミングでハイからローに切り替わり、駆動制御信号Sc2は駆動制御信号Sc3がハイからローに切り替わるときにそれよりも僅かに速いタイミングでローからハイに切り替わるように設定されているので、スイッチ素子Q1,Q6の駆動期間である圧電素子26に対する充電期間と、スイッチ素子Q2,Q3の駆動期間である圧電素子26に対する充電期間との間に、スイッチ素子Q2,Q6の駆動により圧電素子26に充電されている電荷を放電させる放電期間が形成され、これにより消費電力が大幅に削減されることになる。従って、スイッチ素子Q2,Q6(すなわち、第2スイッチ回路152及び第6スイッチ回路156)は、それらが同時に駆動されるときには圧電素子26に充電されている電荷を放電させる放電回路を構成することになる。
【0073】
すなわち、スイッチ素子Q2,Q3が共にオンになって圧電素子26に逆方向から駆動電圧Vpが印加されて充電が行われたあと(Vs=−VP)、スイッチ素子Q1,Q6が共にオンになる前にスイッチ素子Q2,Q6が共にオンになる期間が形成される。このとき、圧電素子26に充電されていた−VPの電荷がスイッチ素子Q2,Q6を介して放電されることになる。そして、スイッチ素子Q1,Q6が共にオンになって圧電素子26に駆動電圧Vpが印加されて充電が行われたあと(Vs=+VP)、スイッチ素子Q2,Q3が共にオンになる前にスイッチ素子Q2,Q6が共にオンになる期間が形成される。このとき、圧電素子26に充電されていた+VPの電荷がスイッチ素子Q2,Q6を介して放電されることになる。
【0074】
このように、スイッチ素子Q1,Q6の駆動期間とスイッチ素子Q2,Q3の駆動期間との間に、スイッチ素子Q2,Q6の駆動による放電期間が形成されることから、圧電素子26を+Vpに充電するときも−Vpに充電するときにも充電に必要な電荷を供給するだけでよいことから不要な電力消費を削減することができる。これに対し、このようなスイッチ素子Q2,Q6の駆動による放電期間を形成しないときには、圧電素子26の放電時にも圧電素子26に駆動電圧Vpが印加されることから不要な電力を消費することになる。
【0075】
また、図12に示すように、駆動装置10の駆動時であって係合部材30を戻り方向に移動させる場合では、制御回路157からローレベルの駆動制御信号Sc1,Sc2,Sc5,Sc6がスイッチ素子Q1,Q2,Q5,Q6に入力されるとき、ハイレベルの駆動制御信号Sc3,Sc4がスイッチ素子Q3,Q4に入力され、ハイレベルの駆動制御信号Sc1,Sc5がスイッチ素子Q1,Q5に入力されるとき、ローレベルの駆動制御信号Sc2,Sc3,Sc4,Sc6がスイッチ素子Q2,Q3,Q4,Q6に入力される。
【0076】
これらの駆動制御信号のうち、駆動制御信号Sc1は、駆動制御信号Sc5がローからハイに切り替わるときに同じタイミングでローからハイに切り替わり、駆動制御信号Sc3は、駆動制御信号Sc5がローからハイに切り替わるときにそれよりも僅かに速いタイミングでハイからローに切り替わるように設定されている。また、駆動制御信号Sc1は、駆動制御信号Sc4がローからハイに切り替わるときにそれよりも僅かに速いタイミングでハイからローに切り替わり、駆動制御信号Sc3は、駆動制御信号Sc4がローからハイに切り替わるときに同じタイミングでローからハイに切り替わるように設定されている。
【0077】
制御回路157から上記のような駆動制御信号が繰り返し出力されることにより、スイッチ素子Q1,Q4及びスイッチ素子Q3,Q5が所定の周期で交互にオン、オフを繰り返すことになる。すなわち、スイッチ素子Q1,Q4がオンのときには圧電素子26は+Vpに充電され、スイッチ素子Q3,Q5がオンのときには圧電素子26は−Vpに充電されることになる結果、圧電素子26には見掛け上電源電圧Vpの2倍(2Vp)の電圧が印加されたことになり、係合部材30の移動速度を速くすることができて駆動装置を効果的に動作させることができる。なお、スイッチ素子Q1,Q4がオンのときには圧電素子26は急速に充電され、スイッチ素子Q3,Q5がオンのときには圧電素子26は緩やかに充電されることになる結果、係合部材30は戻り方向に移動する。
【0078】
しかも、上記のように駆動制御信号Sc1は駆動制御信号Sc5がローからハイに切り替わるときに同じタイミングでローからハイに切り替わり、駆動制御信号Sc3は、駆動制御信号Sc5がローからハイに切り替わるときにそれよりも僅かに速いタイミングでハイからローに切り替わるように設定される一方、駆動制御信号Sc1は駆動制御信号Sc4がローからハイに切り替わるときにそれよりも僅かに速いタイミングでハイからローに切り替わり、駆動制御信号Sc3は、駆動制御信号Sc4がローからハイに切り替わるときに同じタイミングでローからハイに切り替わるように設定されているので、スイッチ素子Q1,Q4の駆動期間である圧電素子26に対する充電期間と、スイッチ素子Q3,Q5の駆動期間である圧電素子26に対する充電期間との間に、スイッチ素子Q1,Q3の駆動により圧電素子26に充電されている電荷を放電させる放電期間が形成され、これにより消費電力が大幅に削減されることになる。従って、スイッチ素子Q1,Q3(すなわち、第1スイッチ回路152及び第3スイッチ回路153)は、それらが同時に駆動されるときには圧電素子26に充電されている電荷を放電させる放電回路を構成することになる。
【0079】
すなわち、スイッチ素子Q1,Q4が共にオンになって圧電素子26に駆動電圧Vpが印加されて充電が行われたあと(Vs=+VP)、スイッチ素子Q3,Q5が共にオンになる前にスイッチ素子Q1,Q3が共にオンになる期間が形成される。このとき、圧電素子26に充電されていた+VPの電荷がスイッチ素子Q1,Q3を介して放電されることになる。そして、スイッチ素子Q3,Q5が共にオンになって圧電素子26に駆動電圧Vpが印加されて充電が行われたあと(Vs=−VP)、スイッチ素子Q1,Q4が共にオンになる前にスイッチ素子Q1,Q3が共にオンになる期間が形成される。このとき、圧電素子26に充電されていた−VPの電荷がスイッチ素子Q1,Q3を介して放電されることになる。
【0080】
このように、スイッチ素子Q1,Q4の駆動期間とスイッチ素子Q3,Q5の駆動期間との間に、スイッチ素子Q1,Q3の駆動による放電期間が形成されることから、圧電素子26を+Vpに充電するときも−Vpに充電するときにも充電に必要な電荷を供給するだけでよいことから不要な電力消費を削減することができる。これに対し、このようなスイッチ素子Q1,Q3の駆動による放電期間を形成しないときには、圧電素子26の放電時にも圧電素子26に駆動電圧Vpが印加されることから不要な電力を消費することになる。
【0081】
なお、駆動部12は、図2に示すような素子固定式構造のものではなく、例えば、図13に示すような自走式構造のものであっても上記の駆動回路14,14’により駆動することができる。図13(a)は自走式構造の駆動部12の分解斜視図であり、図13(b)はその駆動部12の正面図である。
【0082】
すなわち、この図13に示す駆動部12’は、位置固定される係合部材(ベース部材)40と移動部材42とから構成されている。係合部材40は、基板44と、基板44の略中央位置に所定の間隔をおいて対向配置され、板ばね等の弾性部材46,48により取り付けられた一対の狭持部材50,52と、基板44の左右両端部に取り付けられた一対のガイド部材54,56とを備えている。各ガイド部材54,56の外側面には、回転自在の複数のボール部材58,60が取り付けられている。
【0083】
移動部材42は、駆動体63と、この駆動体63に一体に取り付けられた移動体65とから構成されている。駆動体63は、支持部材67、圧電素子69及び駆動部材71から構成されている。支持部材67は、圧電素子69及び駆動部材71を保持するものであり、直方体の軸方向両端部671,672及び略中央の仕切壁673を残して刳り貫くことにより形成された第1の収容空間674及び第2の収容空間675を有している。この第1の収容空間674には、圧電素子69がその伸縮方向を支持部材67の軸方向と一致させて収容されている。また、第2の収容空間675には、駆動部材71が軸方向に移動可能に収容されている。
【0084】
圧電素子69は、図2に示す圧電素子26と同様に構成されたものであり、その伸縮方向(積層方向)である長手方向の一方端面が第1の収容空間674の一方端部671側端面に固着されている。駆動部材71は、支持部材67の左右両側に膨出する膨出部711が中央部に一体形成され、この膨出部711が第2の収容空間675に位置すると共に、仕切壁673に形成された貫通孔を介して第1の収容空間674内に突出した端部は圧電素子69の他方端面に固着され、支持部材67の他方端部672に形成された貫通孔を介して第2の収容空間675の外部に突出した端部は自由端とされている。
【0085】
移動体65は、平板部651と、平板部651の左右両側に下方に伸びる側壁部652,653が形成されると共に、各側壁部652,653の内側に摺動部材654,655が形成されたもので、移動部材42における支持部材67の上面にねじ部材656により固定されている。
【0086】
このように構成された移動部材42は、駆動部材71の膨出部711が係合部材40の一対の挟持部材50,52間に移動可能に挟持されることで係合部材40に組み付けられることになる。すなわち、係合部材40が図2の係合部材30に対応するものであり、この係合部材40が駆動部材71に対して所定の摩擦力で結合され、駆動部12’が構成されることになる。
【0087】
この駆動部12’では、駆動回路14,14’から例えば図4(a)に示す波形を有する駆動電圧が印加されて圧電素子69が緩やかに伸長すると、駆動部材71が静止した状態で支持部材67が係合部材40の一方側に移動し、その後に圧電素子69が急激に縮小すると、支持部材67が静止した状態で駆動部材71が狭持部材50,52による摩擦力に打ち勝って係合部材40の一方側に移動する。この繰り返し動作により支持部材67が移動体65と共に、係合部材40の一方側に間欠的に移動することになる。
【0088】
また、駆動回路14,14’から例えば図4(b)に示す波形を有する駆動電圧が印加されて圧電素子69が急激に伸長すると、支持部材67が静止した状態で駆動部材71が狭持部材50,52による摩擦力に打ち勝って係合部材40の他方側に移動し、その後に圧電素子69が緩やかに縮小すると駆動部材71が静止した状態で支持部材67が係合部材40の他方側に移動する。この繰り返し動作により支持部材67が移動体65と共に、係合部材40の他方側に間欠的に移動することになる。
【0089】
以上のように、本発明の実施形態に係る駆動装置10は、駆動回路14,14’が、圧電素子26にその一方側から駆動電圧を印加して充電する第1の駆動回路と、圧電素子26にその他方側から駆動電圧を印加して充電する第2の駆動回路と、各駆動回路により圧電素子26に充電された電荷を放電する放電回路とを備え、駆動制御手段は第1の駆動回路と第2の駆動回路とを交互に駆動させると共に、第1の駆動回路の駆動期間と第2の駆動回路の駆動期間との間に放電回路を駆動するようにしているので、圧電素子26を+Vpに充電するときも−Vpに充電するときにも充電に必要な電荷を供給するだけでよいことから駆動回路の複雑化等を招くことなく、消費電力を可及的に抑制して電池電源で有効に駆動することができるようになる。
【0090】
なお、本発明は、上記実施形態のものに限定されるものではなく、種々の変形態様を採用することができる。例えば、図3に示す駆動回路14の場合では、スイッチ素子Q2,Q4と大地との間に所定の抵抗値を有する抵抗素子を接続するようにしたり、図11に示す駆動回路14’の場合では、第5スイッチ回路155及び第6スイッチ回路156を除去する一方、スイッチ素子Q2,Q4と大地との間に所定の抵抗値を有する抵抗素子を接続するようにしたりすることができる。
【0091】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1の発明によれば、駆動回路は、電気機械変換素子にその一方側から駆動電圧を印加して第1の極性の電荷を充電する第1の駆動回路と、電気機械変換素子にその他方側から駆動電圧を印加して第1の極性とは逆極性の電荷を充電する第2の駆動回路と、各駆動回路により電気機械変換素子に充電された電荷を接地により放電する放電回路とを備え、駆動制御手段は、第1の駆動回路と第2の駆動回路とを交互に駆動させると共に、第1の駆動回路の駆動期間と第2の駆動回路の駆動期間との間に放電回路を駆動するようにしているので、駆動回路の複雑化等を招くことなく消費電力を可及的に抑制して電池電源で有効に駆動することができるようになる。
【0092】
また、請求項2の発明によれば、第1の駆動回路は、一方端が電源に接続され、他方端が電気機械変換素子の一方端に接続されてなる第1のスイッチ手段と、一方端が電気機械変換素子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と共に、第2の駆動回路は、一方端が電源に接続され、他方端が電気機械変換素子の他方端に接続されてなる第3のスイッチ手段と、一方端が電気機械変換素子の一方端に接続され、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、放電回路は、第2のスイッチ手段と第4のスイッチ手段とで構成されているので、簡単な回路構成で駆動回路を構成することができる。
【0093】
また、請求項3の発明によれば、放電回路の駆動期間は、電気機械変換素子への充電時間又は放電時間と、スイッチ手段のうちの1のスイッチ手段の切替時間とを加算した値又はその近傍値に設定されるものであるので、駆動回路の複雑化等を招くことなく消費電力を効果的に削減することができるようになる
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態に係る駆動装置の構成を概略的に示す図である。
【図2】 図1に示す駆動装置の駆動部の構成例を示す斜視図である。
【図3】 図1に示す駆動装置の駆動回路の構成例を示す図である。
【図4】 図3に示す駆動回路により圧電素子に印加される駆動パルスの波形を示す図で、(a)はデューティ比が0.3になるように設定されたもの、(b)はデューティ比が0.7になるように設定されたものである。
【図5】 図1に示す駆動装置におけるfd/frと係合部材の移動速度との関係を示す図である。
【図6】 図1に示す駆動装置における駆動電圧のデューティ比と係合部材の移動速度との関係を示す図である。
【図7】 図1に示す駆動装置における圧電素子に印加される駆動電圧と、圧電素子の伸縮による変位波形との関係を示す図で、(a)は駆動電圧のデューティ比が0.3になるように設定された場合のもの、(b)は駆動電圧のデューティ比が0.7になるように設定された場合のものである。
【図8】 図3に示す駆動回路を制御する制御回路から出力されて各スイッチ素子に印加される駆動パルスと、圧電素子に印加される駆動電圧の波形とを示す図である。
【図9】 図3に示す駆動回路の各スイッチ素子の動作を説明するための図である。
【図10】 図3に示す駆動回路の効果を説明するための図であり、(a)は消費電力、(b)は係合部材の移動速度を示すグラフである。
【図11】 図1に示す駆動装置の駆動回路の別の構成例を示すブロック図である。
【図12】 図11に示す駆動回路を制御する制御回路から出力されて各スイッチ素子に印加される駆動パルスと、圧電素子に印加される駆動電圧の波形とを示す図である
【図13】 図1に示す駆動部の別の構成例を示す図で、(a)はその分解斜視図、(b)はその正面図である。
【図14】 従来例の駆動装置の構成を概略的に示す図である。
【図15】 図14に示す駆動装置の駆動回路の構成例を示すブロック図である。
【図16】 図14に示す駆動回路の出力波形を示す図で、(a)は繰出波形、(b)は戻り波形である。
【符号の説明】
10 圧電アクチュエータ(駆動装置)
12,12’ 駆動部
14,14’ 駆動回路
22 制御部(駆動制御手段)
24,67 支持部材
26,69 圧電素子(電気機械変換素子)
28,71 駆動部材
30,40 係合部材
141,151 第1スイッチ回路
142,152 第2スイッチ回路
143,153 第3スイッチ回路
144,154 第4スイッチ回路
155 第5スイッチ回路
156 第6スイッチ回路
Q1 スイッチ素子
Q2 スイッチ素子
Q3 スイッチ素子
Q4 スイッチ素子
Q5 スイッチ素子
Q6 スイッチ素子
R1,R2 抵抗素子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a driving device, and more particularly to a driving device suitable for driving an XY moving stage, a camera photographing lens, a projection lens of an overhead projector, a binocular lens, and the like.
[0002]
[Prior art]
  2. Description of the Related Art Conventionally, an impact type piezoelectric actuator constructed by coupling an engaging member to which a photographing lens or the like is attached to a rod-like driving member so as to have a predetermined frictional force, and fixing a piezoelectric element to one end of the driving member. A driving device is known. For example, FIG. 14 is a diagram illustrating a schematic configuration of a driving device for adjusting the position of the photographing lens of the camera.
[0003]
  The driving device 100 in this figure includes a piezoelectric element 101 that is an electromechanical conversion element, a rod-shaped driving member 102 that is driven by the piezoelectric element 101, and an engagement member 103 that is coupled to the driving member 102 with a predetermined frictional force. And a drive circuit 104 for applying a drive voltage to the piezoelectric element 101.
[0004]
  The piezoelectric element 101 expands and contracts according to the drive voltage applied from the drive circuit 104, and one end in the expansion / contraction direction is fixed to the support member 105, and the other end is in the axial direction of the drive member 102. One is fixed to one end. The engaging member 103 has a photographing lens L, which is a driving object, fixed to a predetermined location, and is movable along the axial direction on the driving member 102.
[0005]
  For example, as shown in FIG. 15, the drive circuit 104 includes a first drive circuit 109 composed of a slow charge circuit and a rapid discharge circuit, and a second drive circuit 110 composed of a quick charge circuit and a slow discharge circuit. The drive circuits 109 and 110 are driven and controlled by a rectangular wave signal of 0 to 5 V generated by a digital circuit.
[0006]
  That is, the first drive circuit 109 is configured by connecting in series the two switches 111 and 112 and the constant current source 113 with respect to the power supply voltage Vp so that the constant current source 113 is at an intermediate position. The second drive circuit 110 is configured by connecting two switches 114 and 115 and a constant current source 116 in series with respect to the power supply voltage Vp so that the constant current source 116 is at an intermediate position. The outputs between the switch 112 and the constant current source 113 and between the switch 114 and the constant current source 116 are applied to the piezoelectric element 101.
[0007]
  In the drive circuit 104 shown in FIG. 15, a slow charge circuit is formed by closing the switch 111 of the first drive circuit 109, and then a rapid discharge circuit is formed by opening the switch 111 and closing the switch 112. The By repeatedly performing this switch operation with a rectangular wave signal, a drive voltage having a waveform (progress waveform) having a slow rising portion and a steep falling portion as shown in FIG. Repetitively applied, the engagement member 103 moves in the direction of arrow a which is the feeding direction (the direction away from the piezoelectric element 101) due to the expansion and contraction of the piezoelectric element 101.
[0008]
  That is, since the piezoelectric element 101 is gently extended at the rising portion where the driving voltage is slow, the engaging member 103 moves in the feeding direction together with the driving member 102, while the piezoelectric element 101 is suddenly moved at the sharp falling portion. Therefore, even if the driving member 102 moves in the return direction, the engaging member 103 slips on the driving member 102 and stays at substantially the same position. For this reason, when a driving voltage having a waveform as shown in FIG. 16A is repeatedly applied to the piezoelectric element 101, the engaging member 103 moves intermittently in the direction of the arrow a.
[0009]
  Further, the quick charge circuit is formed by closing the switch 114 of the second drive circuit 110, and then the slow discharge circuit is formed by opening the switch 114 and then closing the switch 115. By repeatedly executing this switch operation with a rectangular wave signal, a driving voltage having a waveform (return waveform) as shown in FIG. 16B having a steep rising portion and a slow falling portion is applied to the piezoelectric element 101. Repeatedly applied, the engagement member 103 moves in the direction opposite to the arrow a which is the return direction (direction approaching the piezoelectric element 101) due to expansion and contraction of the piezoelectric element 101.
[0010]
  That is, since the piezoelectric element 101 expands suddenly at the steep rising portion of the driving voltage, the engaging member 103 slips on the driving member 102 even when the driving member 102 moves in the feeding direction, and is approximately at the same position. On the other hand, since the piezoelectric element 101 is gradually reduced at the slow falling portion, the engaging member 103 moves together with the driving member 102 in the return direction. For this reason, when a driving voltage having a waveform as shown in FIG. 16B is repeatedly applied to the piezoelectric element 101, the engaging member 103 moves intermittently in the direction opposite to the arrow a. Thereby, the lens L can be moved in the feeding direction and the returning direction.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
  By the way, when applying a driving device composed of an impact type piezoelectric actuator as a driving source of an optical system such as a photographing lens of a camera, it is desirable that the configuration of the driving device be simplified and miniaturized as much as possible. However, the conventional driving device 100 has a problem in that the circuit configuration of the constant current sources 113 and 116 is complicated, so that the driving circuit 104 is complicated and the size is limited.
[0012]
  Moreover, when the piezoelectric element 101 is driven by the battery voltage, since the driving voltage supplied to the piezoelectric element 101 is low, the expansion / contraction amount of the piezoelectric element 101 is reduced, and the moving speed of the engagement member 103 is decreased. When the moving distance of the engaging member 103 is relatively long, there is a problem that the driving time of the piezoelectric element 101 becomes long and battery consumption increases.
[0013]
  As a means for solving such a problem, charging and discharging are repeated by alternately applying the power supply voltage Vp from one side and the other side of the piezoelectric element 101, and the driving voltage of the piezoelectric element 101 is apparently twice the power supply voltage Vp. Can be considered. However, in this configuration, since the power supply voltage Vp is applied to the piezoelectric element 103 not only during the charging period but also during the discharging period, the power consumption is increased and the battery consumption is further increased compared to the conventional one. Problems arise.
[0014]
  The present invention has been made in view of such circumstances, and can be driven effectively by a battery power source while suppressing power consumption as much as possible without causing complication of the drive circuit. The purpose is to provide.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is an electromechanical transducer that expands and contracts when a drive voltage is applied;TheElectromechanical transducerDriven byA drive member, an engagement member engaged with the drive member with a predetermined frictional force, and the electromechanical conversion element.By driving voltage consisting of square waveA drive circuit for driving, and drive control means for controlling the operation of the drive circuit, and extending and contracting the electromechanical transducer at different speeds.Drive memberAnd the engagement member relative to each other, the drive circuit applies a drive voltage to the electromechanical conversion element from one side thereof.Charge of the first polarityA first drive circuit to be charged, and a drive voltage applied to the electromechanical transducer from the other sideCharge opposite in polarity to the first polarityThe second drive circuit to be charged and each drive circuitSaidThe electric charge charged in the electromechanical transducerBy groundingA discharge circuit that discharges, and the drive control unit alternately drives the first drive circuit and the second drive circuit, and drives the drive period of the first drive circuit and the second drive circuit. The discharge circuit is driven during the driving period.
[0016]
  According to this configuration, the first drive circuitElectromechanical conversionThe device was chargedOf the first polarityThe charge is generated by the second drive circuitElectromechanical conversionBefore the device is charged in the reverse direction,GroundedDischarged. In addition, the second drive circuitElectromechanical conversionThe device was charged in the opposite directionOpposite to the first polarityThe charge is generated by the first drive circuitElectromechanical conversionBefore the device is charged by the discharge circuitGroundedDischarged. For this reason, a drive device that can be effectively driven by a battery power supply while suppressing power consumption as much as possible without causing complication of the drive circuit is realized.
[0017]
  According to a second aspect of the invention, there is provided the first drive circuit according to the first aspect, wherein one end of the first drive circuit is connected to a power source and the other end is connected to one end of the electromechanical transducer. 1 switch means and second switch means having one end connected to the other end of the electromechanical transducer and the other end grounded, and the second drive circuit has one end Is connected to the power supply, the other end is connected to the other end of the electromechanical transducer, and the other end is connected to one end of the electromechanical transducer and the other end is grounded. And the discharge circuit is composed of the second switch means and the fourth switch means.
[0018]
  According to this configuration, the first drive circuit configured by the first switch means and the second switch means is used.Electromechanical conversionThe charge charged in the element is generated by the second drive circuit.Electromechanical conversionBefore the element is charged in the reverse direction, it is discharged by a discharge circuit composed of the second switch means and the fourth switch means. In addition, the second drive circuit composed of the third switch means and the fourth switch meansElectromechanical conversionThe charge charged in the reverse direction to the element is caused by the first drive circuit composed of the first switch means and the second switch means.Electromechanical conversionBefore the element is charged, it is discharged by a discharge circuit constituted by the second switch means and the fourth switch means. For this reason, a drive device that can be effectively driven by a battery power supply while suppressing power consumption as much as possible without causing complication of the drive circuit is realized.
[0019]
  Further, the invention of claim 3 is the invention of claim 1.Or 2Related toThe driving period of the discharge circuit is set to a value obtained by adding the charging time or discharging time to the electromechanical conversion element and the switching time of one of the switch means, or a value close thereto.It is characterized by that.
[0020]
  According to this configuration,The discharge time is set efficiently. For this reason, power consumption is suppressed as much as possible without causing complication of the drive circuit.A drive device that can be effectively driven by a battery power supply is realized.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  FIG. 1 is a block diagram schematically showing a basic configuration of a drive device including an impact type piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention. In this figure, the drive device 10 includes a drive unit 12, a drive circuit 14 that drives the drive unit 12, a member sensor 16 that detects the position of an engagement member attached to the drive unit 12, and the drive unit 12. A proximal sensor 18 disposed at the proximal end, a distal sensor 20 disposed at the distal end of the drive unit 12, and a control unit 22 for controlling the overall operation are provided.
[0022]
  FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration example of the drive unit 12. In this figure, the drive unit 12 has an element-fixed structure, and includes a support member 24, a piezoelectric element 26, a drive member 28, and an engagement member 30.
[0023]
  The support member 24 holds the piezoelectric element 26 and the drive member 28, and is formed by scoring the inside leaving the axial both ends 241 and 242 and the substantially central partition wall 243. Storage space 244 and second storage space 245. In the first accommodation space 244, the piezoelectric element 26 is accommodated so that the expansion / contraction direction, which is the polarization direction, coincides with the axial direction of the support member 24. Further, the drive member 28 and a part of the engagement member 30 are accommodated in the second accommodation space 245.
[0024]
  The piezoelectric element 26 is formed by, for example, laminating a plurality of piezoelectric substrates having a required thickness between each piezoelectric substrate via an unillustrated electrode, and a longitudinal direction that is an expansion / contraction direction (lamination direction). One end surface in the direction is fixed to the one end portion 241 side end surface of the first accommodation space 244. The other end 242 of the support member 24 and the partition wall 243 are provided with a round hole at the center position, and a rod-shaped drive member 28 having a round cross section passes through the round holes in the second housing space 245. It is accommodated so as to be movable along the axial direction.
[0025]
  The end of the driving member 28 protruding into the first housing space 244 is fixed to the other end surface of the piezoelectric element 26, and the end of the driving member 28 protruding outside the second housing space 245 is required by the leaf spring 32. Is biased toward the piezoelectric element 26 by the spring pressure. The urging of the drive member 28 by the leaf spring 32 is to stabilize the axial displacement of the drive member 28 based on the expansion / contraction operation of the piezoelectric element 26.
[0026]
  The engaging member 30 includes a base portion 302 having mounting portions 301 on both sides in the axial direction of the drive member 28, and a sandwiching member 303 mounted between the mounting portions 301. The base portion 302 is attached to the driving member 28. The engagement member 30 is coupled to the drive member 28 with a predetermined frictional force when the sandwiching member 303 is pressed by the leaf spring 304 and is brought into contact with the drive member 28 while being loosely fitted. When a driving force larger than the frictional force is applied, the driving member 28 can move along the axial direction. Note that a lens L (FIG. 1) that is a driving object is attached to the engaging member 30.
[0027]
  FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the drive circuit 14. In this figure, the drive circuit 14 includes a first switch element Q1 which is a MOS FET between a connection point a to which a drive voltage + Vp is supplied from a drive power supply (not shown) and a connection point b to be grounded. A series circuit of a switch circuit 141 and a second switch circuit 142 composed of a switch element Q2 which is a MOS type FET is connected, and a third switch circuit 143 composed of a switch element Q3 which is a MOS type FET and a switch which is a MOS type FET. A series circuit of a fourth switch circuit 144 composed of an element Q4 is connected, and a control circuit 145 is connected as a control signal supply means for supplying drive control signals Sc1, Sc2, Sc3, Sc4 to the switch circuits 141 to 144. Has been.
[0028]
  The switch element Q1 constituting the first switch circuit 141 and the switch element Q3 constituting the third switch circuit 143 are P-channel FETs, and constitute the switch element Q2 and the fourth switch circuit 144 constituting the second switch circuit 142. The switch element Q4 is an N-channel FET. The switch elements Q1 and Q3 that are P-channel FETs are turned on when the drive control signal is at a low level, and the switch elements Q2 and Q4 that are N-channel FETs are turned on when the drive control signal is at a high level. The bridge circuit 146 is configured by connecting the piezoelectric element 26 between the connection point c of the first switch circuit 141 and the second switch circuit 142 and the connection point d of the third switch circuit 143 and the fourth switch circuit 144. Has been.
[0029]
  In the drive circuit 14 configured as above, the first switch circuit 141 and the fourth switch circuit 144 are charged until the drive voltage + Vp is applied to the piezoelectric element 26 from one side until the inter-terminal voltage Vs becomes + Vp. The second switch circuit 142 and the third switch circuit 143 apply the drive voltage + Vp to the piezoelectric element 26 from the other side (that is, from the reverse direction). A second drive circuit (second drive means) is configured to be applied and charged until the inter-terminal voltage Vs becomes −Vp.
[0030]
  When the bridge circuit 146 is configured by the drive circuit 14 and the piezoelectric element 26 as described above, a voltage of −Vp to + Vp is applied to the piezoelectric element 26, so that the drive voltage of the piezoelectric element 26 is equivalently 2 Vp. As a result, there is an advantage that the driving device 10 having a large amount of displacement can be obtained even when the driving power source is at a low voltage.
[0031]
  Returning to FIG. 1, the member sensor 16 is disposed within a movable range of the engaging member 30, and includes a sensor such as an MRE (Magneto Resistive Effect) element or a PSD (Position Sensitive Device) element. The proximal sensor 18 and the distal sensor 20 are configured by sensors such as a photo interrupter. Thus, the position of the engaging member 30 is detected by the member sensor 16 so that the movement of the engaging member 30 to a predetermined position can be controlled. On the other hand, the position of the engaging member 30 is determined by the proximal sensor 18 and the distal sensor. By detecting at 20, the further movement of the engaging member 30 is prohibited.
[0032]
  The control unit 22 includes a CPU (Central Processing Unit) that performs arithmetic processing, a ROM (Read-Only Memory) that stores processing programs and data, and a RAM (Random Access Memory) that temporarily stores data. Based on a signal input from the member sensor 16 or the like, a drive pulse having a predetermined duty ratio is output from the control circuit 145, and the first drive circuit and the second drive circuit are alternately driven by the drive pulse. That is, the control unit 22 alternately drives the first drive circuit composed of the first switch circuit 141 and the fourth switch circuit 144 and the second drive circuit composed of the second switch circuit 142 and the third switch circuit 143. On the other hand, drive control means for driving a discharge circuit composed of a second switch circuit 142 and a fourth switch circuit 144 described later is configured.
[0033]
  Next, prior to the description of the drive operation of the drive circuit 14 applied to the drive device 10 of the present invention, the principle operation of the drive circuit 14 will be described with reference to FIGS. That is, FIG. 4 is a diagram showing a pulse waveform of the drive voltage for explaining the principle operation of the drive circuit 14. FIG. 4A shows the drive frequency fd of the drive voltage with the support member 24 and the drive member 28. Is set to be 0.7 times the resonant frequency fr of the piezoelectric element 26 in a state where is fixed (fd = 0.7 × fr), and the duty ratio D (D = B / A) is set to 0.3. In FIG. 5B, the drive frequency fd of the drive voltage is 0.7 times the resonance frequency fr of the piezoelectric element 26 with the support member 24 and the drive member 28 fixed (fd = 0.7 × fr), and the duty ratio D (D = B / A) is set to 0.7.
[0034]
  As described above, when the driving voltage composed of the rectangular wave shown in FIG. 4A is applied to the piezoelectric element 26, the engaging member 30 extends along the driving member 28 in the feeding direction (direction away from the piezoelectric element 26). When the drive voltage consisting of a rectangular wave shown in FIG. 4B is applied to the piezoelectric element 26, the engagement member 30 moves along the drive member 28 in the return direction (approaching the piezoelectric element 26). The direction of the arrow a is the opposite direction. The drive voltage is set in this way because the ratio (fd / fr) of the frequency fd of the drive voltage to the resonance frequency fr of the piezoelectric element 26 in a state where the support member 24 and the drive member 28 are fixed and the engagement member. As a result of confirming the relationship with the moving speed of 30, it became clear that the relationship shown in FIG. 5 was obtained.
[0035]
  That is, in the past, it was considered that the piezoelectric element 26 is driven when a drive voltage having a sawtooth waveform is applied, so that the drive circuit is inevitably complicated, resulting in cost reduction and size reduction. Although there was a problem of being restricted, in the drive circuit 14 of the drive device 10 according to the present invention, as described above, the drive voltage may be formed of a rectangular wave that can be easily generated. Has the advantage of being promoted.
[0036]
  The characteristic diagram shown in FIG. 5 is for the case where the duty ratio of the drive voltage composed of a rectangular wave is 0.3 (when the engagement member 30 moves in the feeding direction), and the duty ratio is 0.7. In this case (when the engagement member 30 moves in the return direction), it is confirmed that when the duty ratio is in the range of 0.05 to 0.95, the relationship is substantially the same. Yes.
[0037]
  As is apparent from the characteristic diagram shown in FIG. 5, when the value of fd / fr is in the range of 0.3 to 1.5, the engaging member 30 is substantially movable, and fd / fr When the value of is less than 0.3 and exceeds 1.5, the engaging member 30 becomes immovable. Therefore, the frequency fd of the drive voltage with respect to the resonance frequency fr of the piezoelectric element 26 can be set as appropriate within the range of 0.3 <fd <1.5 as required, as well as that shown in FIG.
[0038]
  Further, as a result of confirming the relationship between the duty ratio of the drive voltage composed of a rectangular wave and the moving direction (feeding direction and returning direction) of the engaging member 30, it is clear that the relationship shown in FIG. It has become. That is, when the duty ratio D is in the range of 0.05 to 0.45 (0.05 <D <0.45), the engagement member 30 moves in the feeding direction, and the duty ratio D is 0.55 to When it is within the range of 0.95 (0.55 <D <0.95), the engagement member 30 moves in the return direction. Therefore, the duty ratio D can be appropriately set within the range of 0.05 <D <0.45 or 0.55 <D <0.95 as required, as well as that shown in FIG.
[0039]
  The resonance frequency fr of the piezoelectric element 26 in a state where the support member 24 and the drive member 28 are fixed is obtained by the following equation (1).
[0040]
[Expression 1]
[0041]
  In Equation 1, fro represents the free resonance frequency between the electrodes of the piezoelectric element 26 (resonance frequency in the direction between the electrodes of the piezoelectric element 26 itself), mp represents the mass of the piezoelectric element 26, and mf represents the mass of the driving member 28. Yes. The mass of the support member 24 is related to the resonance frequency fr of the piezoelectric element 26 in the resonance system, but the mass of the support member 24 is sufficiently larger than the sum of the masses of the piezoelectric element 26 and the drive member 28. Therefore, the influence on the resonance frequency fr is small, so there is no need to consider it as a calculation parameter. Further, the engaging member 30 does not have to be considered as a substantially resonant element because it slips with respect to the driving member 28 at the time of resonance of the piezoelectric element 26, and is therefore included as the calculation parameter of the above equation (1). Absent.
[0042]
  FIG. 7 is a diagram showing a correspondence relationship between the pulse waveform of the driving voltage applied from the driving circuit 14 applied to the piezoelectric element 26 and the displacement due to the expansion and contraction of the piezoelectric element 26. FIG. (B) shows the case where the drive voltage shown in FIG. 4 (b) is applied. The displacement due to expansion and contraction of the piezoelectric element 26 is measured by a laser Doppler vibrometer.
[0043]
  As described above, when the driving voltage shown in FIG. 4A is applied to the piezoelectric element 26, the displacement waveform of the piezoelectric element 26 has a sawtooth shape having a slow rising portion and a steep falling portion. When the drive voltage shown in FIG. 4B is applied, it was confirmed that the displacement waveform of the piezoelectric element 26 has a sawtooth shape having a steep rising portion and a slow falling portion.
[0044]
  That is, when the displacement of the piezoelectric element 26 exhibits a waveform having a slow rising portion as shown in FIG. 7A (that is, when the piezoelectric element 26 is gently extended), the engaging member 30 is driven by the drive member 28. When the displacement of the piezoelectric element 26 exhibits a waveform having a steep falling portion as shown in FIG. 7A (that is, when the piezoelectric element 26 rapidly shrinks), the drive member Even if 28 moves in the return direction, the engaging member 30 slips on the driving member 28 and stays at substantially the same position. For this reason, when the driving voltage shown in FIG. 7A is repeatedly applied to the piezoelectric element 26, the engaging member 30 moves intermittently in the feeding direction.
[0045]
  Further, when the displacement of the piezoelectric element 26 exhibits a waveform having a steep rising portion as shown in FIG. 7B (that is, when the piezoelectric element 26 expands rapidly), the driving member 28 moves in the feeding direction. Even so, the engaging member 30 slips on the driving member 28 and stays at substantially the same position, and the displacement of the piezoelectric element 26 exhibits a waveform having a slow falling portion as shown in FIG. At that time (that is, when the piezoelectric element 26 is gradually reduced), the engagement member 30 moves in the return direction together with the drive member 28. For this reason, when the driving voltage shown in FIG. 7B is repeatedly applied to the piezoelectric element 26, the engaging member 30 moves intermittently in the return direction.
[0046]
  Thus, for example, when the drive voltage shown in FIGS. 4A and 4B is applied to the piezoelectric element 26, the displacement waveform of the piezoelectric element 26 has a sawtooth shape for the following reason. That is, the rectangular wave is composed of a sine wave that is a fundamental wave and a plurality of higher harmonics, but the drive frequency fd of the drive voltage is larger than 0.3 times the resonance frequency fr of the piezoelectric element 26. When less than 5 times (0.3 × fr <fd <1.5 × fr), 3 of the harmonic components forming a rectangular wave under the influence of the resonance frequency of the piezoelectric element 26 in the resonance system The gain of higher-order harmonics higher than the second order is greatly attenuated, and the drive voltage applied to the piezoelectric element 26 has a waveform (that is, a substantially sawtooth waveform) substantially consisting of a fundamental wave and a second-order harmonic. Because it becomes a thing.
[0047]
  In addition, the movement direction of the engagement member 30 is reversed between the feeding direction and the return direction at a certain value of the duty ratio of the drive voltage. The phase of the second harmonic relative to the fundamental wave corresponds to the duty ratio. This is because the slopes of the rising part and the falling part in the sawtooth waveform composed of the fundamental wave and the second harmonic change. That is, when the duty ratio D is in the range of 0.05 <D <0.45, the phase shift of the second harmonic becomes large, resulting in a sawtooth waveform having a slow rising portion and a steep falling portion. Therefore, the engaging member 30 moves in the feeding direction, and when the duty ratio D is in the range of 0.55 <D <0.95, the phase shift of the second harmonic becomes small and the steep rising portion The engagement member 30 moves in the feeding direction because it has a sawtooth waveform having a slow falling portion.
[0048]
  FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the drive circuit 14 applied to the drive apparatus 10 according to the present invention, and is output from the control circuit 145 that controls the drive circuit 14 shown in FIG. It is a figure which shows the drive pulse applied to Q4, and the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric element 26. FIG. The drive voltage shown in FIG. 8 is a rectangular wave as described above, and the drive frequency fd is relative to the resonance frequency fr of the piezoelectric element 26 in a state where the support member 24 and the drive member 28 are fixed. The duty ratio D is set to 0.3 for the waveform in the feeding direction, and the duty ratio D is set to 0.7 for the waveform in the return direction. By applying this drive voltage to the piezoelectric element 26, the engagement member 30 moves in the feeding direction and the return direction.
[0049]
  As shown in FIG. 8, when the driving device 10 is driven, when the high-level drive control signals Sc1 and Sc2 are input from the control circuit 145 to the switch elements Q1 and Q2, the low-level drive control signals Sc3 and Sc4 are When the low level drive control signals Sc1 and Sc2 are input to the switch elements Q3 and Q4 and the low level drive control signals Sc1 and Sc2 are input to the switch elements Q1 and Q2, the high level drive control signals Sc3 and Sc4 are input to the switch elements Q3 and Q4.
[0050]
  Among these drive control signals, the drive control signals Sc3 and Sc4 are switched from low to high at a slightly faster timing when the drive control signals Sc1 and Sc2 are switched from high to low, and the drive control signals Sc1 and Sc2 are When switching from low to high, it is set to switch from high to low at a slightly later timing.
[0051]
  By repeatedly outputting the drive control signal as described above from the control circuit 145, the switch elements Q1 and Q4 and the switch elements Q2 and Q3 are alternately turned on and off in a predetermined cycle. That is, when the switch elements Q1 and Q4 are on, the piezoelectric element 26 is charged to + Vp. When the switch elements Q2 and Q3 are on, the piezoelectric element 26 is charged to -Vp. A voltage twice as high as the upper power supply voltage Vp (2 Vp) is applied, so that the moving speed of the engaging member 30 can be increased and the driving device 10 can be operated effectively. It should be noted that the engagement member 30 moves in the feeding direction when the drive voltage duty ratio D is set to 0.3, and the engagement member when the drive voltage duty ratio D is set to 0.7. 30 moves in the return direction.
[0052]
  Moreover, as described above, the drive control signals Sc3 and Sc4 are switched from low to high at a slightly faster timing when the drive control signals Sc1 and Sc2 are switched from high to low, and the drive control signals Sc1 and Sc2 are switched from low to high. Since it is set to switch from high to low at a slightly later timing when switching to high, the charging period for the piezoelectric element 26, which is the driving period of the switching elements Q1, Q4, and driving of the switching elements Q2, Q3 Between the charging period for the piezoelectric element 26, which is a period, a discharge period is formed in which the electric charge charged in the piezoelectric element 26 is discharged by driving the switch elements Q2 and Q4, thereby greatly reducing power consumption. It will be. Therefore, the switch elements Q2 and Q4 constitute a discharge circuit that discharges the electric charge charged in the piezoelectric element 26 when they are driven simultaneously.
[0053]
  That is, after both the switch elements Q2 and Q3 are turned on and the piezoelectric element 26 is charged by applying the drive voltage Vp from the opposite direction (Vs = −VP), both the switch elements Q1 and Q4 are turned on. A period in which both switch elements Q2 and Q4 are turned on is formed before. At this time, the charge of −VP charged in the piezoelectric element 26 is discharged through the switch elements Q2 and Q4. Then, after both the switch elements Q1 and Q4 are turned on and the piezoelectric element 26 is charged by applying the drive voltage Vp (Vs = + VP), before the switch elements Q2 and Q3 are both turned on, the switch elements A period in which both Q2 and Q4 are turned on is formed. At this time, the charge of + VP charged in the piezoelectric element 26 is discharged through the switch elements Q2 and Q4.
[0054]
  As described above, since the discharge period is generated by driving the switch elements Q2 and Q4 between the drive period of the switch elements Q1 and Q4 and the drive period of the switch elements Q2 and Q3, the piezoelectric element 26 is charged to + Vp. Since it is only necessary to supply the charge necessary for charging both when charging and when charging to -Vp, unnecessary power consumption can be reduced. On the other hand, when the discharge period by driving the switching elements Q2 and Q4 is not formed, unnecessary power is consumed because the driving voltage Vp is applied to the piezoelectric element 26 even when the piezoelectric element 26 is discharged. Become.
[0055]
  FIG. 9 is a diagram for explaining this state. A period during which both switch elements Q2 and Q3 are turned on (at this time, both switch elements Q1 and Q4 are turned off) is a first period, after this first period. A period in which both of the formed switch elements Q2 and Q4 are turned on (at this time, both of the switch elements Q1 and Q3 are turned off) is a second period, and both of the switch elements Q1 and Q4 formed after the second period are turned on. The period during which the switch elements Q2 and Q3 are both off is the third period, and the period when both of the switch elements Q2 and Q4 formed after the third period are on (at this time, the switch elements Q1 and Q3 are Both are off) as the fourth period.
[0056]
  Table 1 shows the correspondence between the drive control signals Sc1 to Sc4 output from the control circuit 145 during the first period to the fourth period and the charging voltage of the piezoelectric element 26. Here, “H” indicates a high signal and “L” indicates a low signal.
[0057]
[Table 1]
[0058]
  In this first period, the piezoelectric element 26 is charged with −q charge (at this time, Vs = −Vp), and in the second period, the −q charge charged in the piezoelectric element 26 in the first period is discharged. The Further, in the third period, + q charge is charged in the piezoelectric element 26 (at this time, Vs = + Vp), and in the fourth period, + q charge charged in the piezoelectric element 26 in the third period is discharged. A drive voltage Vp is applied to the piezoelectric element 26 in the polarization direction.
[0059]
  The circle indicated by the symbol C1 shows an enlarged waveform of the voltage applied to the piezoelectric element 26 in the second period. In the period a, the high signal is applied to the switch element Q4 until the switch is actually switched. The switching time, period b, indicates the discharge time from when the switch element Q4 is switched to when the electric charge charged in the piezoelectric element 26 is discharged. Therefore, the second period is set to a value obtained by adding these periods a and b or a value approximate thereto.
[0060]
  Further, the circle indicated by the symbol C2 shows an enlarged waveform of the voltage applied to the piezoelectric element 26 in the fourth period. In the period c, the switch is actually turned on after the low signal is applied to the switch element Q4. The switching time until switching and the period d indicate the discharging time from when the switch element Q2 is switched to when the electric charge charged in the piezoelectric element 26 is discharged. Therefore, the fourth period is set to a value obtained by adding these periods c and d or a value approximate thereto.
[0061]
  According to the experimental results, as shown in FIG. 10A, as described above, the first period that is the driving period (charging period) of the switching elements Q2 and Q3 and the driving period (charging period) of the switching elements Q1 and Q4. And a third period that is a driving period (charging period) of the switch elements Q1 and Q4 and a first period that is a driving period (charging period) of the switch elements Q2 and Q3. The power consumption in the case where the second period and the fourth period, which are drive periods (discharge periods) of the switch elements Q2 and Q4, are respectively provided is 77 mW, whereas the second period and the fourth period are provided. The power consumption when the configuration was not present was 143 mW (improvement of 46%). In addition, there is a concern that the moving speed of the engaging member 30 is slightly reduced due to a step in the driving voltage applied to the piezoelectric element 26. However, as shown in FIG. The moving speed of the engaging member 30 was 9.3 mm / sec, whereas that of the conventional example was 9.9 mm / sec, which was only about 6% lower and did not change significantly.
[0062]
  FIG. 11 is a diagram illustrating another configuration example of the drive circuit 14. In this figure, the drive circuit 14 'has a switch element Q1 made of a MOS type FET between a connection point a to which a drive voltage + Vp is supplied from a drive power supply (not shown) and a connection point b to be grounded. A series circuit of a first switch circuit 151 and a second switch circuit 152 composed of a switch element Q2 that is a MOS type FET is connected, and a third switch circuit 153 composed of a switch element Q3 that is a MOS type FET and a MOS type FET. A series circuit of a fourth switch circuit 154 composed of the switch element Q4 is connected.
[0063]
  A fifth switch circuit 155 comprising a series circuit of a resistor element R1 and a switch element Q5 that is a MOS FET is connected in parallel to the second switch circuit 152, and the resistor element R2 and the MOS FET are connected to the fourth switch circuit 154. As a control signal supply means for supplying a drive control signal Sc1, Sc2, Sc3, Sc4, Sc5, Sc6 to each switch circuit 151 to 156, a sixth switch circuit 156 comprising a series circuit of switch elements Q6 is connected in parallel. A control circuit 157 is connected. The control circuit 157 controls each switch circuit under the control of the control unit 22 as in the case of the drive circuit 14.
[0064]
  The switch element Q1 constituting the first switch circuit 151 and the switch element Q3 constituting the third switch circuit 153 are P-channel FETs, and constitute the switch element Q2 constituting the second switch circuit 152 and the fourth switch circuit 154. The switch element Q4, the switch element Q5 constituting the fifth switch circuit 155, and the switch element Q6 constituting the sixth switch circuit 156 are N-channel FETs. The bridge circuit 158 is configured by connecting the piezoelectric element 26 between the connection point c of the first switch circuit 151 and the second switch circuit 152 and the connection point d of the third switch circuit 153 and the fourth switch circuit 154. Has been.
[0065]
  In the drive circuit 14 ′ configured as described above, when the engaging member 30 is moved in the feeding direction, the first switch circuit 151 and the sixth switch circuit 156 are driven with respect to the piezoelectric element 26 from one side. A first drive circuit (first drive means) that charges by applying + Vp until the inter-terminal voltage Vs becomes + Vp is configured, and the second switch circuit 152 and the third switch circuit 153 are connected to the piezoelectric element 26. A second drive circuit (second drive means) is configured to apply the drive voltage + Vp from the other side (that is, from the reverse direction) and charge until the inter-terminal voltage Vs becomes −Vp.
[0066]
  Further, when the engagement member 30 is moved in the return direction, the first switch circuit 151 and the fourth switch circuit 154 apply the drive voltage + Vp to the piezoelectric element 26 from one side so that the inter-terminal voltage Vs is A first drive circuit (first drive means) that charges until + Vp is formed, and the third switch circuit 153 and the fifth switch circuit 155 are from the other side (that is, from the opposite direction) with respect to the piezoelectric element 26. ) A second drive circuit (second drive means) is configured to be charged until the drive voltage + Vp is applied and the inter-terminal voltage Vs becomes −Vp.
[0067]
  When the bridge circuit 158 is configured by the drive circuit 14 ′ and the piezoelectric element 26 as described above, the voltage of −Vp to + Vp is applied to the piezoelectric element 26 as in the case of the drive circuit 14. As a result of the drive voltage being equivalently 2 Vp, there is an advantage that the drive device 10 having a large displacement can be obtained even if the drive power supply is a low voltage.
[0068]
  FIG. 12 is a diagram for explaining the operation of the drive circuit 14 ′. The drive pulses output from the control circuit 157 for controlling the drive circuit 14 ′ shown in FIG. 11 and applied to the switch elements Q1 to Q6; FIG. 4 is a diagram illustrating a waveform of a drive voltage applied to a piezoelectric element 26. In the previous drive circuit 14, the engagement member 30 is moved by applying a drive voltage composed of a rectangular wave to the piezoelectric element 26. In this drive circuit 14 ′, the piezoelectric element 26 is applied to the piezoelectric element 26. The engagement member 30 is moved by applying a sawtooth drive voltage. That is, by applying a sawtooth drive voltage having a slow rising portion and a steep falling portion, the engagement member 30 is moved in the feeding direction, and a steep rising portion and a slow falling portion are provided. The engagement member 30 is moved in the return direction by applying a sawtooth drive voltage.
[0069]
  As shown in FIG. 12, when the driving device 10 is driven and the engaging member 30 is moved in the feeding direction, high level drive control signals Sc1 and Sc2 are sent from the control circuit 157 to the switch elements Q1 and Q2. When input, low level drive control signals Sc3, Sc4, Sc5, Sc6 are input to the switch elements Q3, Q4, Q5, Q6, and low level drive control signals Sc1, Sc2, Sc4, Sc5 are input to the switch elements Q1, When input to Q2, Q4 and Q5, high-level drive control signals Sc3 and Sc6 are input to switch elements Q3 and Q6.
[0070]
  Of these drive control signals, the drive control signal Sc6 switches from low to high at the same timing when the drive control signal Sc3 switches from low to high, and the drive control signal Sc2 switches from low to high. When switching, it is set to switch from high to low at a slightly later timing. The drive control signal Sc6 is switched from high to low at the same timing when the drive control signal Sc3 is switched from high to low, and the drive control signal Sc2 is more than that when the drive control signal Sc3 is switched from high to low. It is set to switch from low to high at slightly faster timing.
[0071]
  By repeatedly outputting the drive control signal as described above from the control circuit 157, the switch elements Q1 and Q6 and the switch elements Q2 and Q3 are alternately turned on and off in a predetermined cycle. That is, when the switch elements Q1 and Q6 are on, the piezoelectric element 26 is charged to + Vp. When the switch elements Q2 and Q3 are on, the piezoelectric element 26 is charged to -Vp. A voltage twice as high as the upper power supply voltage Vp (2 Vp) is applied, so that the moving speed of the engaging member 30 can be increased and the driving device 10 can be operated effectively. The piezoelectric element 26 is slowly charged when the switch elements Q1 and Q6 are on, and the piezoelectric element 26 is rapidly charged when the switch elements Q2 and Q3 are on. Move to.
[0072]
  In addition, as described above, the drive control signal Sc6 switches from low to high at the same timing when the drive control signal Sc3 switches from low to high, and the drive control signal Sc2 changes when the drive control signal Sc3 switches from low to high. The drive control signal Sc6 is set to switch from high to low at the same timing when the drive control signal Sc3 switches from high to low, while the drive control signal Sc2 is set to switch from high to low at a slightly later timing. Since the drive control signal Sc3 is set to switch from low to high at a slightly faster timing when switching from high to low, the charging period for the piezoelectric element 26, which is the drive period of the switch elements Q1 and Q6, In the piezoelectric element 26 which is the drive period of the switch elements Q2 and Q3, Between the charging periods are formed discharge period for discharging the charges accumulated in the piezoelectric element 26 by the driving of the switching element Q2, Q6 is power consumption will be significantly reduced thereby. Accordingly, the switch elements Q2 and Q6 (that is, the second switch circuit 152 and the sixth switch circuit 156) constitute a discharge circuit that discharges the charge charged in the piezoelectric element 26 when they are driven simultaneously. Become.
[0073]
  That is, after both the switch elements Q2 and Q3 are turned on and the piezoelectric element 26 is charged by applying the drive voltage Vp from the opposite direction (Vs = −VP), both the switch elements Q1 and Q6 are turned on. A period in which both switch elements Q2 and Q6 are turned on is formed before. At this time, the charge of −VP charged in the piezoelectric element 26 is discharged through the switch elements Q2 and Q6. Then, after both the switch elements Q1 and Q6 are turned on and the piezoelectric element 26 is charged by applying the drive voltage Vp (Vs = + VP), the switch elements Q2 and Q3 are turned on before both the switch elements Q2 and Q3 are turned on. A period in which both Q2 and Q6 are turned on is formed. At this time, the charge of + VP charged in the piezoelectric element 26 is discharged through the switch elements Q2 and Q6.
[0074]
  As described above, since the discharge period is generated by driving the switch elements Q2 and Q6 between the drive period of the switch elements Q1 and Q6 and the drive period of the switch elements Q2 and Q3, the piezoelectric element 26 is charged to + Vp. Since it is only necessary to supply the charge necessary for charging both when charging and when charging to -Vp, unnecessary power consumption can be reduced. On the other hand, when the discharge period is not formed by driving the switch elements Q2 and Q6, unnecessary power is consumed because the drive voltage Vp is applied to the piezoelectric element 26 even when the piezoelectric element 26 is discharged. Become.
[0075]
  As shown in FIG. 12, when the driving device 10 is driven and the engagement member 30 is moved in the return direction, the low-level drive control signals Sc1, Sc2, Sc5, and Sc6 are switched from the control circuit 157. When input to the elements Q1, Q2, Q5, Q6, the high level drive control signals Sc3, Sc4 are input to the switch elements Q3, Q4, and the high level drive control signals Sc1, Sc5 are input to the switch elements Q1, Q5. When this is done, low level drive control signals Sc2, Sc3, Sc4, Sc6 are input to the switch elements Q2, Q3, Q4, Q6.
[0076]
  Of these drive control signals, the drive control signal Sc1 is switched from low to high at the same timing when the drive control signal Sc5 is switched from low to high, and the drive control signal Sc3 is switched from low to high. It is set to switch from high to low at a slightly faster timing when switching. The drive control signal Sc1 is switched from high to low at a slightly faster timing when the drive control signal Sc4 is switched from low to high, and the drive control signal Sc3 is switched from low to high. Sometimes it is set to switch from low to high at the same time.
[0077]
  By repeatedly outputting the drive control signal as described above from the control circuit 157, the switch elements Q1 and Q4 and the switch elements Q3 and Q5 are alternately turned on and off in a predetermined cycle. That is, when the switch elements Q1 and Q4 are on, the piezoelectric element 26 is charged to + Vp. When the switch elements Q3 and Q5 are on, the piezoelectric element 26 is charged to -Vp. A voltage twice as high as the upper power supply voltage Vp (2 Vp) is applied, and the moving speed of the engaging member 30 can be increased, so that the driving device can be operated effectively. Note that when the switch elements Q1 and Q4 are on, the piezoelectric element 26 is rapidly charged, and when the switch elements Q3 and Q5 are on, the piezoelectric element 26 is slowly charged. Move to.
[0078]
  Moreover, as described above, the drive control signal Sc1 switches from low to high at the same timing when the drive control signal Sc5 switches from low to high, and the drive control signal Sc3 corresponds to when the drive control signal Sc5 switches from low to high. While the drive control signal Sc1 is set to switch from high to low at slightly faster timing, the drive control signal Sc1 switches from high to low at a slightly faster timing when the drive control signal Sc4 switches from low to high. The drive control signal Sc3 is set to switch from low to high at the same timing when the drive control signal Sc4 switches from low to high, so that the piezoelectric element 26 that is the drive period of the switch elements Q1 and Q4 is charged. Period and the piezoelectric element 2 which is the driving period of the switch elements Q3 and Q5 Between the charging period for formed discharge period for discharging the charges accumulated in the piezoelectric element 26 by the driving of the switching elements Q1, Q3 is, power consumption will be significantly reduced thereby. Accordingly, the switch elements Q1 and Q3 (that is, the first switch circuit 152 and the third switch circuit 153) constitute a discharge circuit that discharges the charge charged in the piezoelectric element 26 when they are driven simultaneously. Become.
[0079]
  That is, after both the switch elements Q1 and Q4 are turned on and the piezoelectric element 26 is charged by applying the drive voltage Vp (Vs = + VP), before the switch elements Q3 and Q5 are both turned on, the switch elements Q3 and Q4 are turned on. A period in which both Q1 and Q3 are turned on is formed. At this time, the charge of + VP charged in the piezoelectric element 26 is discharged through the switch elements Q1 and Q3. Then, after both the switch elements Q3 and Q5 are turned on and the piezoelectric element 26 is applied with the drive voltage Vp and charged (Vs = −VP), the switch elements Q1 and Q4 are switched on before the switch elements Q1 and Q4 are both turned on. A period in which the elements Q1 and Q3 are both turned on is formed. At this time, the charge of −VP charged in the piezoelectric element 26 is discharged through the switch elements Q1 and Q3.
[0080]
  As described above, since the discharge period is generated by driving the switch elements Q1 and Q3 between the drive period of the switch elements Q1 and Q4 and the drive period of the switch elements Q3 and Q5, the piezoelectric element 26 is charged to + Vp. Since it is only necessary to supply the charge necessary for charging both when charging and when charging to -Vp, unnecessary power consumption can be reduced. On the other hand, when the discharge period is not formed by driving the switch elements Q1 and Q3, unnecessary power is consumed because the drive voltage Vp is applied to the piezoelectric element 26 even when the piezoelectric element 26 is discharged. Become.
[0081]
  Note that the drive unit 12 is not of the element fixed structure as shown in FIG. 2, but is driven by the drive circuits 14 and 14 ′, for example, of a self-running structure as shown in FIG. can do. FIG. 13A is an exploded perspective view of the drive unit 12 having a self-propelled structure, and FIG. 13B is a front view of the drive unit 12.
[0082]
  That is, the drive unit 12 ′ shown in FIG. 13 includes an engaging member (base member) 40 and a moving member 42 that are fixed in position. The engaging member 40 is disposed to face the substrate 44 at a substantially central position with a predetermined interval, and a pair of holding members 50 and 52 attached by elastic members 46 and 48 such as leaf springs, A pair of guide members 54 and 56 attached to both left and right ends of the substrate 44 are provided. A plurality of freely rotatable ball members 58 and 60 are attached to the outer surfaces of the guide members 54 and 56.
[0083]
  The moving member 42 includes a driving body 63 and a moving body 65 attached to the driving body 63 integrally. The drive body 63 includes a support member 67, a piezoelectric element 69, and a drive member 71. The support member 67 holds the piezoelectric element 69 and the drive member 71, and is a first accommodation space formed by scoring the rectangular parallelepiped axial ends 671, 672 and a substantially central partition wall 673. 674 and a second accommodation space 675. In the first accommodation space 674, the piezoelectric element 69 is accommodated such that the expansion / contraction direction thereof coincides with the axial direction of the support member 67. Further, the drive member 71 is accommodated in the second accommodation space 675 so as to be movable in the axial direction.
[0084]
  The piezoelectric element 69 is configured in the same manner as the piezoelectric element 26 shown in FIG. 2, and one end face in the longitudinal direction that is the expansion / contraction direction (stacking direction) is the end face on the one end portion 671 side of the first accommodation space 674. It is fixed to. In the drive member 71, a bulging portion 711 that bulges on both the left and right sides of the support member 67 is integrally formed at the center, and this bulging portion 711 is located in the second accommodation space 675 and is formed in the partition wall 673. The end projecting into the first accommodation space 674 through the through hole is fixed to the other end surface of the piezoelectric element 69, and the second accommodation through the through hole formed in the other end 672 of the support member 67. An end protruding outside the space 675 is a free end.
[0085]
  The moving body 65 has a flat plate portion 651 and side wall portions 652 and 653 extending downward on the left and right sides of the flat plate portion 651 and sliding members 654 and 655 formed inside the side wall portions 652 and 653. Therefore, the moving member 42 is fixed to the upper surface of the support member 67 by a screw member 656.
[0086]
  The moving member 42 configured in this manner is assembled to the engaging member 40 by the bulging portion 711 of the driving member 71 being movably held between the pair of holding members 50 and 52 of the engaging member 40. become. That is, the engagement member 40 corresponds to the engagement member 30 of FIG. 2, and this engagement member 40 is coupled to the drive member 71 with a predetermined frictional force, so that the drive unit 12 ′ is configured. become.
[0087]
  In the drive unit 12 ′, when a drive voltage having a waveform shown in FIG. 4A, for example, is applied from the drive circuits 14 and 14 ′ and the piezoelectric element 69 is gently expanded, the support member 71 is in a state where the drive member 71 is stationary. When 67 moves to one side of the engagement member 40 and then the piezoelectric element 69 rapidly shrinks, the drive member 71 overcomes the frictional force generated by the holding members 50 and 52 while the support member 67 is stationary. Move to one side of member 40. By this repetitive operation, the support member 67 moves intermittently to one side of the engagement member 40 together with the moving body 65.
[0088]
  Further, when a driving voltage having a waveform shown in FIG. 4B, for example, is applied from the driving circuits 14 and 14 ′ and the piezoelectric element 69 is rapidly expanded, the driving member 71 is held in a state where the supporting member 67 is stationary. When the piezoelectric element 69 is gradually reduced after overcoming the frictional force of 50 and 52 and then moved to the other side of the engaging member 40, the support member 67 is moved to the other side of the engaging member 40 with the drive member 71 stationary. Moving. The support member 67 moves intermittently to the other side of the engaging member 40 together with the moving body 65 by this repeated operation.
[0089]
  As described above, in the driving apparatus 10 according to the embodiment of the present invention, the driving circuits 14 and 14 ′ apply the driving voltage to the piezoelectric element 26 from one side and charge the piezoelectric element 26, and the piezoelectric element. 26, a second driving circuit for charging by applying a driving voltage from the other side, and a discharging circuit for discharging the electric charge charged to the piezoelectric element 26 by each driving circuit, and the driving control means includes a first driving circuit. Since the circuit and the second drive circuit are driven alternately, and the discharge circuit is driven between the drive period of the first drive circuit and the drive period of the second drive circuit, the piezoelectric element 26 Since it is only necessary to supply the charge required for charging both when charging the battery to + Vp and without charging the battery, the power consumption is suppressed as much as possible without complicating the drive circuit. To be able to drive effectively with power supply That.
[0090]
  In addition, this invention is not limited to the thing of the said embodiment, A various deformation | transformation aspect is employable. For example, in the case of the drive circuit 14 shown in FIG. 3, a resistance element having a predetermined resistance value is connected between the switch elements Q2 and Q4 and the ground, or in the case of the drive circuit 14 ′ shown in FIG. The fifth switch circuit 155 and the sixth switch circuit 156 can be removed, and a resistance element having a predetermined resistance value can be connected between the switch elements Q2 and Q4 and the ground.
[0091]
【The invention's effect】
  As described above, according to the first aspect of the present invention, the drive circuit applies the drive voltage to the electromechanical transducer from one side thereof.Charge of the first polarityApply the drive voltage from the other side to the first drive circuit to be charged and the electromechanical transducerCharge opposite to the first polarityA second driving circuit to be charged, and an electric charge charged to the electromechanical conversion element by each driving circuit.By groundingA discharge circuit that discharges, and the drive control unit alternately drives the first drive circuit and the second drive circuit, and drives the drive period of the first drive circuit and the drive period of the second drive circuit. Since the discharge circuit is driven during this period, power consumption can be suppressed as much as possible without causing complication of the drive circuit, and the battery power source can be effectively driven.
[0092]
  According to a second aspect of the present invention, the first drive circuit includes a first switch means having one end connected to the power source and the other end connected to one end of the electromechanical transducer, and one end Is connected to the other end of the electromechanical conversion element and the other end is grounded, and the second drive circuit has one end connected to a power source and the other end electrically connected. A third switch means connected to the other end of the mechanical conversion element; and a fourth switch means having one end connected to one end of the electromechanical conversion element and the other end grounded. Since the circuit is composed of the second switch means and the fourth switch means, the drive circuit can be configured with a simple circuit configuration.
[0093]
  According to the invention of claim 3,Since the drive period of the discharge circuit is set to a value obtained by adding the charge time or discharge time to the electromechanical conversion element and the switching time of one of the switch means, or a value in the vicinity thereof, Effectively reduce power consumption without complicating the drive circuitcan doBecome.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a driving apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example of a drive unit of the drive device shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a drive circuit of the drive device shown in FIG. 1;
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing waveforms of drive pulses applied to the piezoelectric element by the drive circuit shown in FIG. 3, wherein FIG. 4A shows the duty ratio set to be 0.3, and FIG. The ratio is set to be 0.7.
5 is a diagram showing the relationship between fd / fr and the moving speed of the engaging member in the driving apparatus shown in FIG.
6 is a diagram showing a relationship between a duty ratio of a driving voltage and a moving speed of an engaging member in the driving apparatus shown in FIG.
7 is a diagram showing a relationship between a driving voltage applied to a piezoelectric element in the driving apparatus shown in FIG. 1 and a displacement waveform due to expansion and contraction of the piezoelectric element. FIG. 7A shows a duty ratio of the driving voltage of 0.3. (B) shows the case where the duty ratio of the drive voltage is set to be 0.7.
FIG. 8 is a diagram showing a drive pulse output from a control circuit that controls the drive circuit shown in FIG. 3 and applied to each switch element, and a waveform of a drive voltage applied to a piezoelectric element.
9 is a diagram for explaining the operation of each switch element of the drive circuit shown in FIG. 3; FIG.
10A and 10B are diagrams for explaining the effect of the drive circuit shown in FIG. 3, in which FIG. 10A is a graph showing the power consumption, and FIG. 10B is a graph showing the moving speed of the engaging member.
FIG. 11 is a block diagram showing another configuration example of the drive circuit of the drive device shown in FIG. 1;
12 is a diagram showing a drive pulse output from a control circuit for controlling the drive circuit shown in FIG. 11 and applied to each switch element, and a waveform of a drive voltage applied to a piezoelectric element..
13A and 13B are diagrams showing another configuration example of the drive unit shown in FIG. 1, wherein FIG. 13A is an exploded perspective view thereof, and FIG. 13B is a front view thereof.
FIG. 14 is a diagram schematically showing a configuration of a conventional driving device.
15 is a block diagram showing a configuration example of a drive circuit of the drive device shown in FIG. 14;
FIGS. 16A and 16B are diagrams showing output waveforms of the drive circuit shown in FIG. 14, in which FIG. 16A shows a feeding waveform and FIG. 16B shows a return waveform;
[Explanation of symbols]
10 Piezoelectric actuator (drive device)
12, 12 'drive unit
14, 14 'drive circuit
22 Control unit (drive control means)
24, 67 support member
26, 69 Piezoelectric element (electromechanical transducer)
28, 71 Drive member
30, 40 engagement member
141, 151 First switch circuit
142, 152 Second switch circuit
143, 153 Third switch circuit
144, 154 Fourth switch circuit
155 Fifth switch circuit
156 Sixth switch circuit
Q1 switch element
Q2 switch element
Q3 switch element
Q4 switch element
Q5 switch element
Q6 switch element
R1, R2 resistance elements

Claims (3)

駆動電圧が印加されることにより伸縮する電気機械変換素子と、電気機械変換素子により駆動される駆動部材と、該駆動部材に所定の摩擦力で係合された係合部材と、前記電気機械変換素子を矩形波からなる駆動電圧により駆動する駆動回路と、該駆動回路の動作を制御する駆動制御手段とから構成され、前記電気機械変換素子を異なる速度で伸縮させることで前記駆動部材と前記係合部材とを相対移動させる駆動装置において、
前記駆動回路は、前記電気機械変換素子にその一方側から駆動電圧を印加して第1の極性の電荷を充電する第1の駆動回路と、前記電気機械変換素子にその他方側から駆動電圧を印加して前記第1の極性とは逆極性の電荷を充電する第2の駆動回路と、各駆動回路により前記電気機械変換素子に充電された電荷を接地により放電する放電回路とを備え、前記駆動制御手段は、前記第1の駆動回路と第2の駆動回路とを交互に駆動させると共に、前記第1の駆動回路の駆動期間と第2の駆動回路の駆動期間との間に前記放電回路を駆動するようにしたことを特徴とする駆動装置。
An electromechanical conversion element that expands and contracts by the driving voltage is applied, a driving member driven by the electromechanical transducer, and the engaging member is engaged to the drive member with a predetermined frictional force, the electromechanical wherein a drive circuit for driving the driving voltage comprising a conversion element from the rectangular wave is composed of a drive control means for controlling the operation of the drive circuit, and the driving member by expanding and contracting the electromechanical transducer with different speeds In the drive device that relatively moves the engagement member,
The drive circuit applies a drive voltage from one side to the electromechanical conversion element to charge the first polarity charge, and applies a drive voltage from the other side to the electromechanical conversion element. a second driving circuit and applied to the first polarity to charge the opposite polarity of the charge, and a discharge circuit for discharging the ground charges charged in the electro-mechanical conversion element by the drive circuit, wherein The drive control means alternately drives the first drive circuit and the second drive circuit, and the discharge circuit between the drive period of the first drive circuit and the drive period of the second drive circuit. A driving apparatus characterized by driving the motor.
前記第1の駆動回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記電気機械変換素子の一方端に接続されてなる第1のスイッチ手段と、一方端が前記電気機械変換素子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と共に、前記第2の駆動回路は、一方端が前記電源に接続され、他方端が前記電気機械変換素子の他方端に接続されてなる第3のスイッチ手段と、一方端が前記電気機械変換素子の一方端に接続され、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のスイッチ手段と第4のスイッチ手段とで構成されていることを特徴とする請求項1記載の駆動装置。  The first drive circuit includes a first switch means having one end connected to a power source and the other end connected to one end of the electromechanical transducer, and one end connected to the other end of the electromechanical transducer. And the other end of the electromechanical conversion element is connected to the power source, and the other end of the electromechanical transducer is connected to the power source. A third switch means connected to one end, and a fourth switch means having one end connected to one end of the electromechanical transducer and the other end grounded. 2. A driving apparatus according to claim 1, wherein said driving device comprises said second switch means and fourth switch means. 前記放電回路の駆動期間は、前記電気機械変換素子への充電時間又は放電時間と、前記スイッチ手段のうちの1のスイッチ手段の切替時間とを加算した値又はその近傍値に設定されるもの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。 The driving period of the discharge circuit is set to a value obtained by adding a charging time or discharging time to the electromechanical conversion element and a switching time of one of the switch means, or a value in the vicinity thereof. drive apparatus according to claim 1 or 2, wherein the certain.
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