JP4492756B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Description
本発明は、圧電アクチュエータに関し、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圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator, and more particularly to a piezoelectric actuator suitable for driving an XY moving stage, a camera photographing lens, a projection lens of an overhead projector, a binocular lens, and the like.
従来、被駆動部材を棒状の駆動部材に摩擦結合させて取り付けると共に、この駆動部材の一方端に圧電素子を固着してなるインパクト形の圧電アクチュエータが知られている。例えば、特開平7−298656号公報(特許文献1)には、カメラの撮影レンズのアクチュエータとしてインパクト形の圧電アクチュエータを適用したものが示されている。図20は、同公報に示されるインパクト形の圧電アクチュエータの概略構成を示す図である。 2. Description of the Related Art Conventionally, an impact type piezoelectric actuator is known in which a driven member is attached to a rod-like driving member by frictional coupling and a piezoelectric element is fixed to one end of the driving member. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-298656 (Patent Document 1) shows an application of an impact-type piezoelectric actuator as an actuator for a photographing lens of a camera. FIG. 20 is a diagram showing a schematic configuration of an impact-type piezoelectric actuator disclosed in the publication.
図20において、インパクト形の圧電アクチュエータ100は、棒状の駆動部材101と、被駆動部材102と、積層型圧電素子103と、駆動回路104とを備えている。被駆動部材102は、撮影レンズ等の駆動対象物が固着されるもので、駆動部材101に所定の摩擦力で係合され、この摩擦力以上の力が作用すると、駆動部材101上を軸方向に沿って移動可能となっている。また、積層型圧電素子103は、駆動部材101の一方端に分極方向を駆動部材101の軸方向と一致させて固着され、一方端に形成された電極103aが駆動回路104に接続され、他方端に形成された電極103bが接地されている。
In FIG. 20, the impact-type piezoelectric actuator 100 includes a rod-shaped
駆動回路104は、被駆動部材102を駆動部材101の先端側(開放端側)に移動(以下、この移動方向を正方向という。)させる正方向駆動回路105と、被駆動部材102を駆動部材101の基端側(圧電素子側)に移動(以下、この移動方向を逆方向という。)させる逆方向駆動回路106と、両駆動回路105,106の駆動を制御する制御回路107とで構成されている。
The
このように構成された圧電アクチュエータ100は、駆動部材101を軸方向に沿って異なる速度で移動させた際の駆動部材101と被駆動部材102との間に発生する摩擦力の相違を利用して被駆動部材102を駆動部材101に対して相対的に移動させるようにしたものである。すなわち、被駆動部材102と駆動部材101との間の摩擦力は、駆動部材101が高速で移動するときは小さくなり、低速で移動するときは大きくなる。このため、駆動部材101の正方向移動時は低速で行い、逆方向移動時は高速で行うことにより被駆動部材102を駆動部材101に対して正方向に移動させ(正方向駆動)、駆動部材101の正方向移動時は高速で行い、逆方向移動時は低速で行うことにより被駆動部材102を駆動部材101に対して逆方向に移動させるようにしたものである(逆方向駆動)。
The piezoelectric actuator 100 configured as described above utilizes a difference in frictional force generated between the driving
従って、正方向駆動回路105は低速充電回路105aと高速放電回路105bとから構成され、逆方向駆動回路106は高速充電回路106aと低速放電回路106bとから構成されている。低速充電回路105a及び高速充電回路106aは、圧電素子103に分極方向と同方向の電源電圧Vpを印加し(圧電素子103を分極方向に充電して)、圧電素子103を分極方向(駆動部材101の軸方向)に伸長させる回路である。
Accordingly, the forward direction driving circuit 105 is composed of a low
この低速充電回路105aは、図21に示すように、pnp形トランジスタTr1の固定バイアス回路にツェナーダイオードZDを並列接続してなる定電流充電回路により構成されている。同図において、抵抗r1,r2はトランジスタTr1のバイアス抵抗であり、ツェナーダイオードZDはベースのバイアス抵抗r2に並列に接続されている。すなわち、ツェナーダイオードZDによってトランジスタTr1のベース電圧を一定値に保持することで抵抗r1の電圧降下を所定の値に安定化し、これによりコレクタ電流が所定値に抑制されるようになっている。この結果、充電電流が制限されて充電速度が抑制され、駆動部材101の正方向移動時の速度が抑制される。
As shown in FIG. 21, the low-
また、低速充電回路105aは、図22に示すように、図21における抵抗r2とツェナーダイオードZDとの並列回路をnpn形トランジスタTr2に置き換えて構成したものでもよい。同図において、トランジスタTr2のベースとコレクタとはそれぞれトランジスタTr1のエミッタとベースとに接続され、トランジスタTr2のエミッタは電源Vpに接続されている。すなわち、トランジスタTr2によってトランジスタTr1のベース電圧を一定値に保持することで抵抗r1の電圧降下を所定の値に安定化し、これによりコレクタ電流が所定値に抑制される。
Further, as shown in FIG. 22, the low-
また、高速放電回路105b及び低速放電回路106bは、圧電素子103に分極方向と逆方向の電位を与えて(図では電極103aを接地して)、充電電荷を放電させることで伸長した圧電素子103を縮小させる回路である。
Further, the high-
この低速放電回路106bは、図23に示すように、npn形トランジスタTr3のベースとアース間にツェナーダイオードZDを接続してなる定電流放電回路により構成されている。同図において、抵抗r4は放電電流を制限する抵抗であり、ツェナーダイオードZDによってトランジスタTr3のベース電位を所定の値に保持することで抵抗r4の電圧降下を所定の値に安定化し、これにより抵抗r4を流れるエミッタ電流(放電電流)が所定の値に抑制されるようになっている。この結果、放電電流が制限されて放電速度が抑制され、駆動部材101の逆方向移動時の速度が抑制される。
As shown in FIG. 23, the low-
制御回路107は、正方向駆動回路105及び逆方向駆動回路106の駆動を制御するもので、正方向駆動において、低速充電回路105aと高速放電回路105bとを交互に駆動する一方、逆方向駆動において、高速充電回路106aと低速放電回路106bとを交互に駆動するものである。
The
正方向駆動において、低速充電回路105aと高速放電回路105bとを交互に駆動すると、圧電素子103が低速伸長と高速縮小とを交互に繰り返し、これにより駆動部材101が正方向の低速移動と逆方向の高速移動とを繰り返す。一方、逆方向駆動において、高速充電回路106aと低速放電回路106bとを交互に駆動すると、圧電素子103が高速伸長と低速縮小とを交互に繰り返し、これにより駆動部材101が正方向の高速移動と逆方向の低速移動とを繰り返す。従って、正方向駆動においては被駆動部材102が駆動部材101に対して相対的に正方向に移動し、逆方向駆動においては被駆動部材102が駆動部材101に対して相対的に逆方向に移動する。
When the low-
ところで、カメラの撮影レンズや双眼鏡のレンズ等の携帯機器における光学系の駆動源としてインパクト形の圧電アクチュエータを適用する場合、その携帯機器の軽量化、小型化等を考慮すると、駆動回路はできる限り簡単かつ小型であることが望ましい。しかし、上記従来の圧電アクチュエータ100では、定電流回路によって充電電流若しくは放電電流を制限するようにしているので、不可避的に回路素子数が多くなり、駆動回路104の小型化が困難になる。
By the way, when an impact-type piezoelectric actuator is applied as a drive source of an optical system in a portable device such as a camera photographing lens or a binocular lens, the drive circuit is as much as possible in consideration of the weight reduction and miniaturization of the portable device. It is desirable to be simple and small. However, in the conventional piezoelectric actuator 100, the charging current or the discharging current is limited by a constant current circuit, so that the number of circuit elements is inevitably increased, and it is difficult to reduce the size of the
また、上記従来の圧電アクチュエータ100では、被駆動部材102の移動速度を調節するには定電流回路を構成する回路素子の定数を変更することが考えられるが、こうした場合には定数の異なる複数の回路素子と切替回路とが必要となることから駆動回路104の小型化がさらに困難になる。
In the conventional piezoelectric actuator 100, it is conceivable to change the constants of the circuit elements constituting the constant current circuit in order to adjust the moving speed of the driven
一方、圧電アクチュエータにおける被駆動部材の移動速度を変更する手段として、複数の圧電素子を切り替えて用いるようにしたり、駆動パルスを間引くようにしたりすることが提案されている(特開平9−285156号公報、特開平8−43872号公報)が、圧電素子を切り替えて用いるものでは回路構成が複雑になって駆動回路の小型化に制約を受け、駆動パルスを間引くものでは移動速度にむらが生じるという問題がある。 On the other hand, as means for changing the moving speed of the driven member in the piezoelectric actuator, it has been proposed to use a plurality of piezoelectric elements by switching them or to thin out driving pulses (Japanese Patent Laid-Open No. 9-285156). According to Japanese Patent Laid-Open No. 8-43872), the circuit configuration is complicated when the piezoelectric element is switched and the driving circuit is reduced in size, and the driving speed is uneven when the driving pulse is thinned out. There's a problem.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型化が可能な圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a piezoelectric actuator that can be miniaturized.
上記目的を達成するため、本発明の一態様にかかる圧電アクチュエータは、圧電体と、該圧電体の伸縮動作に基づいて軸方向変位する駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合されて移動可能にされた被駆動部材と、前記圧電体に分極方向と同方向の電圧を印加して充電する第1の駆動手段と、前記圧電体に分極方向と逆方向の電圧を印加して充電する第2の駆動手段と、前記圧電体の共振周波数に対して、約1周期分の駆動時間と、約半周期分の駆動時間との内、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と同方向である場合には、前記約1周期分の駆動時間を前記第2の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第1の駆動手段にそれぞれ設定し、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と逆方向である場合には、前記約1周期分の駆動時間を前記第1の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第2の駆動手段にそれぞれ設定する設定変更手段と、前記第1の駆動手段と第2の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えたことを特徴としている。 In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator according to one aspect of the present invention includes a piezoelectric body, a driving member that is displaced in the axial direction based on an expansion / contraction operation of the piezoelectric body, and a predetermined frictional force that engages the driving member. A driven member that is movable, first driving means that charges the piezoelectric body by applying a voltage in the same direction as the polarization direction, and a voltage that is opposite to the polarization direction is applied to the piezoelectric body. The driving direction of the driven member is the polarization among the driving time for about one cycle and the driving time for about half cycle with respect to the resonance frequency of the piezoelectric body. If the direction is the same as the direction, the driving time for about one cycle is set in the second driving means, and the driving time for about half a period is set in the first driving means, and the driven When the moving direction of the member is opposite to the polarization direction, Setting change means for setting a driving time for a period to the first driving means and a driving time for about a half cycle to the second driving means, the first driving means and the second driving means, respectively. And a drive control means for alternately driving each other.
また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記第1の駆動手段は、前記圧電体の分極方向と逆方向に蓄積された電荷を放電すると共に、前記圧電体を分極方向と同方向に充電する第1の充放電回路からなり、前記第2の駆動手段は、前記圧電体の分極方向と同方向に蓄積された電荷を放電すると共に、前記圧電体を分極方向と逆方向に充電する第2の充放電回路からなることを特徴としている。 Further, in the above-described piezoelectric actuator, the first driving means discharges the electric charge accumulated in the direction opposite to the polarization direction of the piezoelectric body, and charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction. A second charge / discharge circuit configured to discharge the electric charge accumulated in the same direction as the polarization direction of the piezoelectric body and charge the piezoelectric body in a direction opposite to the polarization direction; It consists of a circuit.
この構成によれば、圧電体は、第1の駆動手段により分極方向と逆方向に蓄積された電荷が放電された後に分極方向と同方向に充電され、第2の駆動手段により分極方向と同方向に蓄積された電荷が放電された後に分極方向と逆方向に充電される。このため、圧電体には見かけ上、印加電圧の2倍の電圧が駆動電圧として供給されることになる結果、単位電圧当たりの圧電体の伸縮量が増大し、圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。 According to this configuration, the piezoelectric body is charged in the same direction as the polarization direction after the charge accumulated in the direction opposite to the polarization direction is discharged by the first drive means, and the same as the polarization direction by the second drive means. After the charge accumulated in the direction is discharged, it is charged in the direction opposite to the polarization direction. For this reason, a voltage twice as large as the applied voltage is apparently supplied to the piezoelectric body as a drive voltage. As a result, the expansion / contraction amount of the piezoelectric body per unit voltage is increased, and the drive efficiency of the piezoelectric actuator is improved. .
また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記第1の充放電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記圧電体の一方端に接続されてなる第1のスイッチ手段と、一方端が前記圧電体の他方端に接続され、他方端が接地されてなる第2のスイッチ手段とを備え、前記第2の充放電回路は、一方端が前記電源に接続され、他方端が前記圧電体の他方端に接続されてなる第3のスイッチ手段と、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第4のスイッチ手段とを備えたことを特徴としている。 In the piezoelectric actuator described above, the first charging / discharging circuit includes a first switch means having one end connected to a power source and the other end connected to one end of the piezoelectric body, and one end connected to the first end. Second switch means connected to the other end of the piezoelectric body and grounded at the other end. The second charge / discharge circuit has one end connected to the power source and the other end connected to the piezoelectric body. It is characterized by comprising third switch means connected to the other end and fourth switch means having one end connected to one end of the piezoelectric body and the other end grounded.
この構成によれば、第1の充放電回路及び第2の充放電回路はそれぞれ2つのスイッチ手段で構成され、第1の充放電回路及び第2の充放電回路が交互に駆動されることで被駆動部材は駆動部材に対して相対的に移動される。これにより、駆動回路が少ない回路素子で構成される結果、圧電アクチュエータの小型化が促進される。 According to this configuration, the first charging / discharging circuit and the second charging / discharging circuit are each configured by two switch means, and the first charging / discharging circuit and the second charging / discharging circuit are alternately driven. The driven member is moved relative to the driving member. As a result, the piezoelectric actuator is reduced in size as a result of being constituted by circuit elements with few drive circuits.
また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記第1の駆動手段は、前記圧電体を分極方向と同方向に充電する充電回路からなり、前記第2の駆動手段は、前記圧電体に蓄積された電荷を放電する放電回路からなることを特徴としている。 In the piezoelectric actuator described above, the first driving unit includes a charging circuit that charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction, and the second driving unit stores the charge accumulated in the piezoelectric body. It is characterized by comprising a discharge circuit for discharging.
この構成によれば、圧電体は、第1の駆動手段により分極方向と同方向に充電され、第2の駆動手段により分極方向と同方向に蓄積された電荷が放電される。このため、充電時にだけ電力が消費されることになる結果、電力消費が効果的に抑制される。 According to this configuration, the piezoelectric body is charged in the same direction as the polarization direction by the first driving means, and the charge accumulated in the same direction as the polarization direction is discharged by the second driving means. For this reason, as a result of consuming electric power only during charging, electric power consumption is effectively suppressed.
また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記充電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記圧電体の一方端に接続されてなる第1のスイッチ手段を備え、前記放電回路は、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第2のスイッチ手段を備えたことを特徴としている。 In the above-described piezoelectric actuator, the charging circuit includes first switch means having one end connected to a power source and the other end connected to one end of the piezoelectric body, and the discharging circuit includes one end Is provided with second switch means connected to one end of the piezoelectric body and grounded at the other end.
この構成によれば、充電回路及び放電回路はそれぞれ1つのスイッチ手段で構成され、充電回路及び放電回路が交互に駆動されることで被駆動部材は駆動部材に対して相対的に移動される。これにより、駆動回路が少ない回路素子で構成される結果、圧電アクチュエータの小型化が促進される。 According to this configuration, the charging circuit and the discharging circuit are each configured by one switch means, and the driven member is moved relative to the driving member by alternately driving the charging circuit and the discharging circuit. As a result, the piezoelectric actuator is reduced in size as a result of being constituted by circuit elements with few drive circuits.
また、これら上述の圧電アクチュエータにおいて、前記設定変更手段は、駆動周期が一定となるように前記第1の駆動時間及び第2の駆動時間を変更するものであることを特徴としている。 In the above-described piezoelectric actuators, the setting changing unit changes the first driving time and the second driving time so that the driving cycle becomes constant.
この構成によれば、第1の駆動時間が変更されたときは駆動周期が一定となるように第2の駆動時間も変更される。これにより、被駆動部材の移動速度が円滑に調節される。 According to this configuration, when the first drive time is changed, the second drive time is also changed so that the drive cycle becomes constant. Thereby, the moving speed of the driven member is adjusted smoothly.
また、これら上述の圧電アクチュエータにおいて、前記設定変更手段は、前記第1の駆動時間又は第2の駆動時間を変更することにより駆動周期を変更するものであることを特徴としている。 In the above-described piezoelectric actuators, the setting change unit changes the drive cycle by changing the first drive time or the second drive time.
この構成によれば、第1の駆動時間又は第2の駆動時間が変更されることにより駆動周期が変更される。これにより、被駆動部材の移動速度が円滑に調節される。 According to this configuration, the driving cycle is changed by changing the first driving time or the second driving time. Thereby, the moving speed of the driven member is adjusted smoothly.
本発明にかかる圧電アクチュエータでは、小型化することができる。 The piezoelectric actuator according to the present invention can be miniaturized.
図1は、本発明の一実施形態に係るインパクト型の圧電アクチュエータの構成を概略的に示すブロック図である。この図において、圧電アクチュエータ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被駆動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。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of an impact-type piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention. In this figure, the
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、支持部材24、圧電部材26、駆動部材28及び被駆動部材30から構成されている。支持部材24は、圧電部材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収容空間244及び第2収容空間245を有している。この第1収容空間244には、圧電部材26がその積層方向を支持部材24の軸方向と一致させて収容されている。また、第2収容空間245には、駆動部材28と被駆動部材30の一部とが収容されている。
FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration example of the
圧電部材26は、所要の厚さを有する複数枚の板状の圧電素子を各圧電素子間に図略の薄膜の電極を挾み込んで接着してなる積層型の圧電体で構成されている。この複数枚の圧電素子は隣接する圧電素子の分極方向が互いに逆向きとなるように積層されている。このように圧電素子を積層するのは、各電極には隣接する電極間で互いに正負の極性が逆になるように駆動電圧が並列に印加されることから、各圧電素子が同一の方向に伸縮して圧電部材全体として大きい伸縮量が得られるようにするためである。
The
この圧電部材26は、積層方向である長手方向の一方端面が第1収容空間244の仕切壁243とは反対側の端面に固定されている。支持部材24の一方端部242(支持部材24の先端部)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。なお、駆動部材28の断面は丸形状に限定されるものではなく、楕円形状、矩形形状等の任意の形状にすることができる。
In the
駆動部材28の第1収容空間244内に突出した端部は圧電部材26の他方端面に固着され、駆動部材28の第2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部材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、圧電部材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。
An end portion of the driving
図3は、被駆動部材30の構成例を示す断面図である。この図において、被駆動部材30は、両側に耳部302を有する基部301と、両耳部302の間に嵌合される挾み込み部材303とを備えている。基部301の両耳部302の付け根部分には駆動部材28よりも僅かに径の大きい丸孔304が穿設されている。被駆動部材30は、丸孔304に駆動部材28を遊嵌状態で貫通させ、その駆動部材28を基部301と挾み込み部材303とで挾み込むことにより駆動部材28の軸方向に沿って移動可能に取り付けられている。挾み込み部材303の上部には両耳部302の上面より突出する突起303aが形成される一方、両耳部302の上面に突起部303aに圧接されるように板ばね305が固設されており、これにより挾み込み部材303が所要のばね圧で駆動部材28側に付勢されるようになっている。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the driven
この板ばね305によるばね圧は、圧電部材26の伸縮動作に基づく駆動部材28の軸方向における往復動において、駆動部材28と基部301及び挾み込み部材303との間に生じる往動時の摩擦力と復動時の摩擦力とに差を生じさせ、被駆動部材30を駆動部材28の軸方向に沿って移動可能にするためのものである。すなわち、板ばね305のばね圧により、駆動部材28が高速で移動(伸長又は縮小)するときは、駆動部材28に対して被駆動部材30が相対的に移動し得る程度に駆動部材28と被駆動部材30との間に低い摩擦力が発生し、駆動部材28が低速で移動(伸張又は縮小)するときは、駆動部材28と共に被駆動部材30が移動し得るように駆動部材28と被駆動部材30との間に高い摩擦力が発生するようになっている。
The spring pressure by the
なお、本実施形態では、挾み込み部材303を駆動部材28に圧接させるための付勢手段として板ばね305を用いているが、付勢力が生じるものであればこれに限定されるものではなく、例えばコイルばねやゴム等の他の弾性部材を用いることもできる。また、被駆動部材30には駆動対象物であるレンズLが取り付けられている。
In the present embodiment, the
図4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、駆動電源PS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に駆動制御信号を供給する制御信号供給手段としての駆動パルス発生回路145が接続されて構成されている。
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the
第1スイッチ回路141を構成するスイッチ素子Q1及び第2スイッチ回路142を構成するスイッチ素子Q2はPチャンネルFETであり、第3スイッチ回路143を構成するスイッチ素子Q3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チャンネルFETである。
The switch element Q1 constituting the
なお、第1スイッチ回路141及び第3スイッチ回路143の接続点cと、第2スイッチ回路142及び第4スイッチ回路144の接続点dとの間に圧電部材26が接続(接続点cが圧電部材26の矢印Pで示す分極方向を基準にして+側の電極261に接続され、接続点dが圧電部材26の−側の電極262に接続される。)されてブリッジ回路146が構成され、第2スイッチ回路142及び第4スイッチ回路144の各FETのゲートには駆動パルス発生回路145がそのまま接続され、第1スイッチ回路141及び第3スイッチ回路143の各FETのゲートには駆動パルス発生回路145が反転回路147を介して接続されている。
The
この駆動回路14において、接続点a,b間に接続される駆動電圧の極性及び接続点c,d間に接続される圧電部材26の分極方向は任意に設定することができるが、例えば図4に示すように、接続点aを駆動電圧の正極とし、圧電部材26が矢印Pの方向に分極され、その+分極側が接続点cに接続(−分極側が接続点dに接続)されているとすると、第1スイッチ回路141及び第4スイッチ回路144は圧電部材26に対し分極方向と同方向(分極を強める方向)に駆動電圧+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は圧電部材26に対し分極方向と逆方向に駆動電圧+Vpを印加して第1の駆動回路による充電電荷を放電し、かつ、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。圧電部材26が第2の駆動回路により−Vpに充電されると、第1の駆動回路はその充電電荷を放電し、その後に+Vpに充電する。
In this
なお、圧電部材26を図4とは逆方向に接続すると、第2スイッチ回路142及び第3スイッチ回路143が圧電部材26を分極方向と同方向に充電する第1の駆動回路となり、第1スイッチ回路141及び第4スイッチ回路144が圧電部材26を分極方向と逆方向に充電する第2の駆動回路となる。
When the
このように駆動回路14と圧電部材26とでブリッジ回路146を構成した場合、圧電部材26には−Vp〜+Vpの電圧が印加されるので、等価的に圧電部材26の駆動電圧が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圧電アクチュエータを得ることができるという利点がある。
When the
図5は、駆動パルス発生回路145の構成例を示すブロック図である。この図において、駆動パルス発生回路145は、125nsのクロックパルスを出力する水晶発振子等の発振素子150と、発振素子150から出力されるパルス信号をカウントアップすると共に、そのカウント値を出力するカウンタ151と、駆動パルスの周期を設定するための第1メモリ152と、圧電部材26に対する充電時間を設定するための第2メモリ153と、これら第1メモリ152及び第2メモリ153に所定の数値(時間)をセットすることにより駆動パルスのON/OFFタイミングを制御するパルス幅制御部154とを備えている。なお、カウンタ151は、後述する第1比較器155からリセット信号が入力されたとき、そのカウント値をゼロにリセットする。
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of the drive
また、駆動パルス発生回路145は、更に、第1メモリ152のセット値(TM)とカウンタ151から出力されるカウント値(TC)とを比較すると共に、カウント値(TC)がセット値(TM)に達したとき(TC≧TM)にリセット信号をカウンタ151に出力する第1比較器155と、第2メモリ153のセット値(TN)とカウンタ151から出力されたカウント値(TC)とを比較すると共に、カウント値(TC)がセット値(TN)よりも小さいとき(TC<TN)にハイ信号“H”を出力する一方、カウント値(TC)がセット値(TN)に達したとき(TC≧TN)にロー信号“L”を出力する第2比較器156と、制御部22からの出力制御信号に基づいて動作するものであって、駆動パルス出力時に第2比較器156からの出力を駆動パルスとして出力し、駆動パルス出力停止時は駆動パルスをハイ状態に固定する出力制御回路157とを備えている。
The drive
このように構成された駆動パルス発生回路145は、図6に示すように、カウンタ151のカウント値(TC)が第2メモリ153のセット値(TN)に達すると、出力制御回路156から出力されていたハイ信号がロー信号に切り替わり、さらに時間が経過してカウンタ151のカウント値(TC)が第1メモリ152のセット値(TM)に達すると、出力制御回路156から出力されていたロー信号がハイ信号に切り替わる。このとき、同時に第1比較器155からリセット信号がカウンタ151に出力され、これによりカウンタ151のカウント値(TC)がゼロにリセットされる。このようにして上記の動作が繰り返し実行されることにより駆動パルス発生回路145から所定の周期で駆動パルスが連続的に出力されることになる。ここで、駆動パルスの周期を設定するための第1メモリ152と圧電部材26に対する充電時間を設定するための第2メモリ153及びパルス幅制御部154は、第1の駆動回路及び第2の駆動回路の駆動時間の周期を設定するか、又は駆動周期が一定になるように充電時間を設定するための設定変更手段159を構成する。
As shown in FIG. 6, when the count value (T C ) of the
なお、図6に示すハイ信号の出力期間t1に第1スイッチ回路141と第4スイッチ回路144とからなる第1の駆動回路が駆動され、図6に示すロー信号の出力期間t2に第2スイッチ回路142と第3スイッチ回路143とからなる第2の駆動回路が駆動されることになる。ここで、第1メモリ152のセット値は一定にしておき、第2メモリ153のセット値を変更することによって駆動周期を一定にした状態で第1の駆動回路のオン期間(駆動時間)t1と第2の駆動回路のオン期間(駆動時間)t2とを調節(デューティ比を調節)することができる。また、第1メモリ152のセット値を変更することによって第1の駆動回路のオン期間t1と第2の駆動回路のオン期間t2からなる駆動周期を調節することができる。
Note that the first drive circuit including the
図1に戻り、部材センサ16は、被駆動部材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)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。
Returning to FIG. 1, the
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駆動パルス発生回路145から所定のデューティ比のパルス信号を出力させ、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駆動制御手段を構成する。なお、制御部22には、被駆動部材30の移動を指示する移動指示スイッチ34と、被駆動部材30の移動速度を検出するためのタイマー36とが接続されている。
The
上記のように構成された圧電アクチュエータ10は、従来のように充放電回路に電流を制限するためのトランジスタ、ツェナーダイオード、抵抗等の複数の回路素子からなる定電流回路を設けていないので、駆動回路14は可能な限り簡単な回路構成とすることができる。これにより駆動回路14の簡素化及び小型化が図られ、圧電アクチュエータ10の小型化も可能となる。また、従来のように充放電回路に定電流回路を設けていないので、圧電部材26に対して分極方向と同方向の駆動電圧が印加されたときの充電速度と圧電部材26に対して分極方向と逆方向の駆動電圧が印加されたときの放電速度とが略同一(すなわち、圧電部材26に対する充放電速度が略同一)となるようになっている。
The
図7は、図4に示す駆動回路14の駆動パルス発生回路145から出力される駆動パルスと、各スイッチ素子Q1〜Q4のON/OFF状態と、圧電部材26に印加される駆動電圧の波形とを示す図である。この図に示すように、圧電アクチュエータ10の駆動時には、駆動パルス発生回路145から出力された駆動パルスがそのままの状態で駆動制御信号としてスイッチ素子Q2,Q4に入力される一方、駆動パルス発生回路145から出力された駆動パルスが反転回路147を介することにより反転された状態で駆動制御信号としてスイッチ素子Q1,Q3に入力される。これによってスイッチ素子Q1,Q4及びスイッチ素子Q2,Q3が交互にオンになり、そのオン期間に圧電部材26に対して駆動電圧Vpが印加されることになる。
7 shows the drive pulse output from the drive
そして、被駆動部材30を支持部材24の先端側に移動させる場合(以下、この方向の駆動を「正方向駆動」という。)では、第1の駆動回路のオン期間t1と第2の駆動回路のオン期間t2との比D(D=t1/(t1+t2)、以下、デューティ比Dという。)が、0.5以下の比較的小さい値に設定されるようになっている。また、被駆動部材30を支持部材24の基端側に移動させる場合(以下、この方向の駆動を「逆方向駆動」という。)では、第1の駆動回路のオン期間t1と第2の駆動回路のオン期間t2とのデューティ比Dが、0.5以上の比較的大きい値に設定されるようになっている。すなわち、本発明では、圧電部材26に対する充放電速度を略同一にし、充放電時間のデューティ比Dを異ならせることにより圧電アクチュエータ10の駆動方向(正方向駆動又は逆方向駆動)を制御するようにしている。なお、スイッチ素子Q1,Q2はPチャンネルFETであるので、駆動制御信号がローレベルのときにオンになり、スイッチ素子Q3,Q4はNチャンネルFETであるので、駆動制御信号がハイレベルのときにオンになる。
When the driven
このように、圧電部材26に対する充放電速度を略同一にし、充放電時間のデューティ比Dのみで圧電アクチュエータ10の駆動方向を制御しているのは、分極方向と同方向への充電時間と分極方向と逆方向への充電時間とに比較的大きい差を設けることによって一定の条件下で被駆動部材30が駆動部材28に対して相対移動することになるという実験結果に基づくものである。
As described above, the charge / discharge speed for the
図8は、圧電部材26に対する充放電速度が略同一で、圧電部材26に対する充放電時間のデューティ比Dのみが異なる駆動電圧を印加したときの圧電部材の変位の過渡応答を示す図である。この図に基づき、充放電時間のデューティ比Dを変更することにより被駆動部材30が駆動部材28に対し正方向と逆方向とに移動することになる理由を説明する。
FIG. 8 is a diagram showing a transient response of the displacement of the piezoelectric member when a drive voltage is applied in which the charge / discharge speed with respect to the
この図8の下段に示す波形は、圧電部材26に分極方向と同方向の駆動電圧が印加されるときの充電時間が、分極方向と逆方向の駆動電圧が印加されるときの放電時間よりも長い所定のデューティ比を有する駆動電圧の1周期分を示し、上段に示す波形は、その駆動電圧が印加されたときの圧電部材26及び駆動部材28の過渡的な伸縮動作を示す図である。なお、この図8に示す圧電部材26及び駆動部材28の伸縮動作の過渡波形は、説明の便宜上、共振周波数の基本波の波形で表している。
The waveform shown in the lower part of FIG. 8 indicates that the charging time when the driving voltage in the same direction as the polarization direction is applied to the
いま、圧電部材26に分極方向と同方向の駆動電圧+Vpを印加して充電すると圧電部材26は伸長し、その圧電部材26に分極方向と逆方向の駆動電圧−Vpを印加して蓄積された電荷を放電すると共に逆方向に充電すると、圧電部材26は縮小する。しかし、圧電部材26及び駆動部材28には弾性があるため、例えば伸長動作を過渡的にみると、圧電部材26は、圧電部材26自体、駆動部材28、被駆動部材30等により決定される所定の共振周波数で振動しながら所定の長さに伸長する。すなわち、図8に示すように、例えばa点で圧電部材26に駆動電圧+Vpが印加されると、圧電部材26は高速で大きく伸長した後、b点で縮小に転じ、その後は振動的に伸長と縮小とを繰り返してc点近傍の伸長量に落ち着いていく(図8のc点から仮想線で示す波形を参照)。このような過渡的な変位動作の事情は縮小動作についても同様で、+Vpが印加された後に−Vpが印加されると、高速で大きく縮小した後、ある変位量で伸長に転じ、その後は振動的に縮小と伸長とを繰り返して所定の縮小量に落ち着いていく(図8のd点から仮想線で示す波形を参照)。
Now, when the
すなわち、圧電部材26に対して、図8に示すような波形の駆動電圧が繰り返し印加された場合、−Vpで充電された状態からa点で圧電部材26に電圧+Vpが印加されて充電が行われると、圧電部材26は高速でb点まで伸長するが、その後は伸長速度よりも遅い速度でc点まで縮小する(図8でa−b間の傾斜よりもb−c間の傾斜が緩やかになる)。これは略同一の時間で伸長と縮小とが行われるとすると、圧電部材26や駆動部材28等の粘性により縮小量が伸長量より小さくなるためである。
That is, when a drive voltage having a waveform as shown in FIG. 8 is repeatedly applied to the
次に、縮小動作がほぼ終了するc点のタイミング(このタイミングは分極方向と同方向へ充電した際の圧電部材26の共振周波数の約1周期分のタイミングに相当する。)で圧電部材26に−Vpが印加されて放電が行われると共に−Vpで充電されると、圧電部材26はその変位位置から更にd点まで縮小動作を行なう。このとき、圧電部材26の伸長量は定常的に放電を行なったときの縮小量に近いので、その縮小速度はa−b間の伸長速度よりも低速となる。すなわち、c−d間の傾斜はa−b間の傾斜よりも緩やかになる。
Next, at the timing of point c at which the reduction operation is almost completed (this timing corresponds to the timing of about one cycle of the resonance frequency of the
そして、その縮小動作がほぼ終了するタイミング(このタイミングは分極方向と逆方向に充電した際の圧電部材26の共振周波数の約1/2周期分のタイミングに相当する。)d点で再び、圧電部材26に電圧+Vpが印加されて充電が行われると、圧電部材26は再度、高速で伸長動作を行ない、以下、図9に示すように駆動電圧の波形に応じて上述の圧電部材26の伸縮動作が繰り返される。
Then, the timing at which the reduction operation is almost completed (this timing corresponds to a timing corresponding to about 1/2 cycle of the resonance frequency of the
上述の圧電部材26の伸縮動作において、伸長動作は高速で行われ、縮小動作はそれよりも低速で行われるので、圧電部材の伸縮動作によって駆動部材28が往復動を繰り返すと、高速の往動時では駆動部材28と被駆動部材30との間の摩擦力は低く、低速の復動時では駆動部材28と被駆動部材30との間の摩擦力は高くなることから被駆動部材30は復動時にのみ駆動部材28と共に移動することとなる。従って、図9に示すように、被駆動部材30は駆動部材28の往復動に応じて停止と移動とを繰り返し、全体として逆方向駆動を行なうことになる。
In the expansion / contraction operation of the
図9は、充電時間が放電時間より長い所定のデューティ比Dを有する駆動電圧を圧電部材26に印加した場合の例であるが、圧電部材26に充電時間が放電時間より短い所定のデューティ比Dを有する駆動電圧を印加した場合は、上述の充放電速度の関係が逆になり、圧電部材26は−Vpの充電時に高速で縮小し、+Vpの充電時に低速で伸長を行なうことになるから、被駆動部材30は駆動部材28の往復動に応じて移動と停止とを繰り返し、全体として正方向駆動を行なうことになる。
FIG. 9 shows an example in which a drive voltage having a predetermined duty ratio D having a charging time longer than the discharging time is applied to the
従って、図4において、駆動パルス発生回路145からデューティ比Dが0.5よりも大きい所定の値を有する駆動パルスが出力されるときは、圧電部材26が高速伸長と低速縮小とを交互に繰り返すので、被駆動部材30は支持部材24の基端側に移動する(逆方向駆動)。また、駆動パルス発生回路145からデューティ比Dが0.5よりも小さい所定の値を有する駆動制御信号が出力されるときは、圧電部材26が低速伸長と高速縮小とを交互に繰り返すので、被駆動部材30は支持部材24の先端側に移動する(正方向駆動)。
Therefore, in FIG. 4, when a drive pulse having a predetermined value with a duty ratio D greater than 0.5 is output from the drive
被駆動部材30を安定して所望の方向に移動させるには、上述のように充電時間(図8のa−cの時間を参照)は分極方向と同方向へ充電した際の圧電部材26の共振周波数の約1周期分の期間に、また、放電時間(図8のc−dの時間を参照)は分極方向と逆方向に充電した際の圧電部材26の共振周波数の約1/2周期分の期間に設定するのが好ましいが、実際には圧電部材26の支持部材24への取付構造や駆動部材28等の要因により、圧電部材26及び駆動部材28の変位波形が図8に示すような波形とならず、他の周波数成分が重畳された歪んだ波形となる。従って、適切な圧電部材26に対する駆動電圧は、圧電アクチュエータ毎に調整して設定されることになる。
In order to stably move the driven
なお、駆動パルスの充放電時間のデューティ比Dが圧電部材26の共振周波数に正確に関係していない場合であっても被駆動部材30をデューティ比Dに応じて正方向若しくは逆方向に移動させることは可能である。
Even if the duty ratio D of the charge / discharge time of the drive pulse is not accurately related to the resonance frequency of the
また、圧電部材26、駆動部材28及び被駆動部材30間の取付構造や条件によっては、図7に示したものと逆の方向に駆動させることも可能である。すなわち、駆動パルスのデューティ比Dを0.5よりも小さい値にすることで被駆動部材30を逆方向に移動させ、デューティ比Dを0.5よりも大きい値にすることで被駆動部材30を正方向に移動させることも可能である。
Further, depending on the mounting structure and conditions between the
図10は、圧電部材26に対する充電時間t1(図6に示す第1の駆動回路の駆動時間t1)と放電時間t2(図6に示す第2の駆動回路の駆動時間t2)からなる駆動周期tpを13μs〜16μsの範囲内で125nsずつ変化させると共に、充電時間t1を9.5μs〜(tP−1.5μs)の範囲内で125nsずつ変化させたときの被駆動部材30の駆動部材28に対する移動速度(基端部側への移動速度)を測定し、等高線図として表わしたものである。
FIG. 10 shows a driving cycle tp composed of a charging time t1 (driving time t1 of the first driving circuit shown in FIG. 6) and a discharging time t2 (driving time t2 of the second driving circuit shown in FIG. 6) for the
この等高線図から明らかなように、被駆動部材30の基端部側への移動速度は、駆動周期14.5μs、充電時間10.25μs近辺において最速となり、所定の範囲内ではその点を中心に駆動周期tP又は充電時間t1が変化するに従って低下する。そして、その移動速度は、駆動周期tPを14.5μsに設定し、充電時間を10.25μsから増加させる場合が最もなだらかに変化する。この図10の等高線図は、被駆動部材30を駆動部材28の基端部側へ移動させた場合のものであるが、逆方向(駆動部材28の先端部側)へ移動させた場合もほとんど同様の測定結果を得ることができた。但し、被駆動部材30の先端部側への移動速度は、駆動周期14.5μs、充電時間3.25μs近辺において最速となり、所定の範囲内ではその点を中心に駆動周期tp(=t1+t2)又は充電時間t1が変化するに従って低下する。そして、その移動速度は、駆動周期tpを14.5μsに設定し、充電時間を3.25μsから減少させる場合が最もなだらかに変化する。
As is apparent from this contour map, the moving speed of the driven
また、この被駆動部材30の基端部側への移動速度は、図11に示すように、駆動周期tpを14.5μsに設定した場合、充電時間t1が10.25μs付近で頂点となり、充電時間t1が長くなるに従ってなだらかに減少する。従って、本実施形態では、駆動周期tpを14.5μsに設定し、充電時間t1を11μs〜12μsの範囲内で変化させることにより被駆動部材30の速度制御を行うようにしている。また、被駆動部材30を駆動部材28の先端部側へ移動させる場合は、駆動周期tpを14.5μsに設定し、充電時間t1を2.5μs〜3.5μsの範囲内で変化させることにより被駆動部材30の速度制御を行うようにしている。なお、これらの数値は、本実施形態における実験結果に基づくものであり、圧電アクチュエータ10の構成に応じて適宜変更されるものであることはいうまでもない。
Further, as shown in FIG. 11, when the driving cycle tp is set to 14.5 μs, the moving speed of the driven
図12及び図13は、被駆動部材30の速度制御を行う制御部22の動作を説明するためのフローチャートである。まず、圧電アクチュエータ10の図略の電源スイッチがオンされると、初期状態に設定された後に移動指示スイッチ34がオンされたか否かが判別される(ステップ#1)。この判定が肯定されると、先端センサ20がオンされたか否かが判別され(ステップ#3)、この判定が肯定されると駆動パルスの周期(駆動周期)を設定する第1メモリ152に「116」(116×0.125μs=14.5μs)がセットされる(ステップ#5)。なお、ステップ#1で判定が否定されたときは、移動指示スイッチ34がオンされるまで待機する。
12 and 13 are flowcharts for explaining the operation of the
次いで、充電時間を設定する第2メモリ153に「92」(92×0.125μs=11.5μs)がセットされ(ステップ#7)、その後に駆動パルス発生回路145から駆動パルスの出力が開始される(ステップ#9)。そして、タイマー36が始動されると共に、被駆動部材30の移動に対応して時間がカウントされ(ステップ#11)、引き続いて基端センサ18がオンされたか否かが判別される(ステップ#13)。ステップ#13で判定が否定されると時間が例えば10msを経過したか否かが判別され(ステップ#15)、判定が肯定されると基端側への移動距離が例えば24μmを超えたか否かが判別される(ステップ#17)。
Next, “92” (92 × 0.125 μs = 11.5 μs) is set in the
なお、ステップ#13で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され(ステップ#19)、ステップ#1に戻り以降の動作が繰り返し実行される。また、ステップ#15で判定が否定されると、ステップ#13に戻って以降の動作が繰り返し実行される。ステップ#15における時間の判別はタイマー36からの出力値に基づいて行われ、ステップ#17における移動距離の判別は部材センサ16からの出力値に基づいて行われる。すなわち、一定時間(例えば、10ms)が経過するまでは、駆動周期14.5μs、充電時間11.5μsの条件で被駆動部材30が移動され、一定時間(例えば、10ms)が経過するまでに基端位置に達するとそれ以上の移動は不能となるため、駆動パルスの出力が停止されることになる。
If the determination in
ステップ#17で判定が否定されると基端側への移動距離が例えば22μmに満たないか否かが判別され(ステップ#21)、この判定が否定されるとステップ#11に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材30の移動距離が一定時間(例えば、10ms)を経過しても所定範囲内(例えば、22μm〜24μm)にあるうちは駆動周期14.5μs、充電時間11.5μsの条件で被駆動部材30が移動されることになる。
If the determination in
ステップ#17で判定が肯定されると第2メモリ153に「1」が加算され(0.125μsだけ増加)(ステップ#23)、その後に第2メモリ153のセット値が「96」を超えるか否かが判別される(ステップ#25)。ステップ#25で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され(ステップ#27)、その後に図略の表示装置に異常警告が表示され(ステップ#29)、動作が終了する。すなわち、被駆動部材30の移動距離が所定値(例えば、24μm)を超えると、充電時間が11.5μsから順次増加されて移動速度が順次減速され、充電時間が12μsに達しても基端センサ18位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。
If the determination in
また、ステップ#21で判定が肯定されると、第2メモリ153から「1」が減算され(0.125μsだけ減少)(ステップ#31)、その後に第2メモリ153のセット値が「88」に満たないか否かが判別される(ステップ#33)。ステップ#33で判定が肯定されるとステップ#27に移行され、ステップ#33で判定が否定されるとステップ#11に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材30の移動距離が一定時間(例えば、10ms)を経過しても所定値(例えば、22μm)に達していないときは、充電時間が11.5μsから順次減少されて移動速度が順次加速され、充電時間が11μsに達しても基端センサ18位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。
If the determination in
一方、ステップ#3で判定が否定されると、基端センサ18がオンされたか否かが判別され(ステップ#35)、この判定が肯定されると第1メモリ152に「116」(116×0.125μs=14.5μs)がセットされる(ステップ#37)。なお、ステップ#35で判定が否定されると、再度ステップ#3に戻って以降の動作が繰り返し実行される。
On the other hand, if the determination in
次いで、第2メモリ153に「24」(24×0.125μs=3.0μs)がセットされ(ステップ#39)、その後に駆動パルス発生回路145から駆動パルスの出力が開始される(ステップ#41)。すなわち、上述のステップ#33までは被駆動部材30が駆動部材28の先端側から基端側に向けて移動する動作であるのに対し、ステップ#37以降は被駆動部材30が駆動部材28の基端側から先端側に向けて移動する動作である。
Next, “24” (24 × 0.125 μs = 3.0 μs) is set in the second memory 153 (step # 39), and then drive pulse output is started from the drive pulse generation circuit 145 (step # 41). ). That is, until the above-described
次いで、タイマー36が始動されると共に、被駆動部材30の移動に対応して時間がカウントされ(ステップ#43)、引き続いて先端センサ20がオンされたか否かが判別される(ステップ#45)。ステップ#45で判定が否定されると時間が例えば10msを経過したか否かが判別され(ステップ#47)、判定が肯定されると先端側への移動距離が例えば24μmを超えたか否かが判別される(ステップ#49)。
Next, the
なお、ステップ#45で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され(ステップ#51)、ステップ#1に戻り以降の動作が繰り返し実行される。また、ステップ#47で判定が否定されると、ステップ#45に戻って以降の動作が繰り返し実行される。ステップ#47における時間の判別はタイマー36からの出力値に基づいて行われ、ステップ#49における移動距離の判別は部材センサ16からの出力値に基づいて行われる。すなわち、一定時間(例えば、10ms)が経過するまでは、駆動周期14.5μs、充電時間3.0μsの条件で被駆動部材30が移動され、一定時間(例えば、10ms)が経過するまでに先端位置に達するとそれ以上の移動は不能となるため、駆動パルスの出力が停止されることになる。
If the determination in
ステップ#49で判定が否定されると先端側への移動距離が例えば22μmに満たないか否かが判別され(ステップ#53)、この判定が否定されるとステップ#43に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材30の移動距離が一定時間(例えば、10ms)を経過しても所定範囲内(例えば、22μm〜24μm)にあるうちは駆動周期14.5μs、充電時間3.0μsの条件で被駆動部材30が移動されることになる。
If the determination is negative in
ステップ#49で判定が肯定されると第2メモリ153から「1」が減算され(0.125μsだけ減少)(ステップ#55)、その後に第2メモリ153のセット値が「20」未満か否かが判別される(ステップ#57)。ステップ#57で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され(ステップ#59)、その後に図略の表示装置に異常警告が表示され(ステップ#61)、動作が終了する。すなわち、被駆動部材30の移動距離が所定値(例えば、24μm)を超えると、充電時間が3.0μsから順次減少されて移動速度が順次減速され、充電時間が2.5μsに達しても先端センサ20位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。
If the determination in
また、ステップ#53で判定が肯定されると、第2メモリ153に「1」が加算され(0.125μsだけ増加)(ステップ#63)、その後に第2メモリ153のセット値が「28」を超えたか否かが判別される(ステップ#65)。ステップ#65で判定が肯定されるとステップ#59に移行され、ステップ#65で判定が否定されるとステップ#43に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材30の移動距離が一定時間(例えば、10ms)を経過しても所定値(例えば、22μm)に達していないときは、充電時間が3.0μsから順次増加されて移動速度が順次加速され、充電時間が3.5μsに達しても先端センサ20位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。
If the determination in
図14は、駆動回路14の変形例を示す図である。この図14に示すものは、図4に示すものとはブリッジ回路146における接続点bとアースとの間に抵抗Rを接続するようにした点で相違している。なお、接続点bとアースとの間に抵抗Rが接続されることから、図15に示すように、圧電部材26が+Vp及び−Vpに充電されるまでの波形が緩やかなものになるが、基本的な動作は図4に示すものと同一である。
FIG. 14 is a diagram illustrating a modification of the
また、図示は省略するが、図14に示す変形例に代え、第1の駆動回路を構成するスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q4のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Rを接続すると共に、第2の駆動回路を構成するスイッチ素子Q2及びスイッチ素子Q3のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Rを接続するようにした回路構成とすることも可能である。この場合でも、図15に示すものと同様に、圧電部材26が+Vp及び−Vpに充電されるまでの波形が緩やかなものになるが、基本的な動作は図4に示すものと同一である。
Although not shown, instead of the modification shown in FIG. 14, a resistor R is connected in series to one or both of the switch element Q1 and the switch element Q4 constituting the first drive circuit, and the second It is also possible to adopt a circuit configuration in which a resistor R is connected in series to one or both of the switch element Q2 and the switch element Q3 constituting the drive circuit. Even in this case, the waveform until the
さらに、第1の駆動回路を構成するスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q4のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Rを接続するか、あるいは、第2の駆動回路を構成するスイッチ素子Q2及びスイッチ素子Q3のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Rを接続するようにした回路構成とすることも可能である。この場合、スイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q4のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Rを接続したものでは、圧電部材26が+Vpに充電されるまでの波形が緩やかなものになり、スイッチ素子Q2及びスイッチ素子Q3のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Rを接続したものでは、圧電部材26が−Vpに充電されるまでの波形が緩やかなものになるが、いずれの場合でも基本的な動作は図4に示すものと同一である。
Further, a resistor R is connected in series to one or both of the switch element Q1 and the switch element Q4 constituting the first drive circuit, or the switch element Q2 and the switch element Q3 constituting the second drive circuit. It is also possible to adopt a circuit configuration in which a resistor R is connected in series to either or both of the above. In this case, in the case where the resistor R is connected in series to one or both of the switch element Q1 and the switch element Q4, the waveform until the
図16は、駆動回路14の他の構成例を示す図である。この図16に示す駆動回路14′は、図4に示すものが第1の駆動回路を充放電回路を構成する2つのスイッチ回路(第1スイッチ回路141及び第4スイッチ回路144)で構成し、第2の駆動回路を充放電回路を構成する他の2つのスイッチ回路(第2スイッチ回路142及び第3スイッチ回路143)で構成したものであるのに対し、第1の駆動回路を充電回路を構成する1つのスイッチ回路(第1スイッチ回路141′)で構成し、第2の駆動回路を放電回路を構成する1つのスイッチ回路(第2スイッチ回路142′)で構成したものである点で相違している。なお、第1,第2スイッチ回路141′,142′は、図4に示すものと同一の構成になる駆動パルス発生回路145から駆動パルスが供給されて駆動が制御され、圧電部材26には駆動電源PSから駆動電圧Vpが印加されるようになっている。
FIG. 16 is a diagram illustrating another configuration example of the
すなわち、充電回路を構成する第1スイッチ回路141′は、圧電部材26の矢印Pで示す分極方向を基準にして+側の電極261に駆動電圧Vpを印加し、圧電部材26を分極方向と同方向に充電するもので、駆動電源PSと電極261との間に接続されたPチャンネルMOS型FETからなるスイッチ素子Q5で構成されている。また、放電回路を構成する第2スイッチ回路142′は、圧電部材26の電極261を接地して(すなわち、圧電部材26の端子間電圧に対して逆方向の電位を与えて)圧電部材26に蓄積されている電荷を放電するもので、電極261とアースとの間に接続されたNチャンネルMOS型FETからなるスイッチ素子Q6で構成されている。
That is, the
図17は、図16に示す駆動回路14′の各スイッチ素子のON/OFF状態と、圧電部材に印加される充電電圧の波形とを示す図である。この図に示すように、駆動パルス発生回路145から駆動パルスが供給されてスイッチ素子Q5がオンになったときにはスイッチ素子Q6はオフとなり、圧電部材26は分極方向と同方向の電圧Vpで充電され、スイッチ素子Q6がオンになったときにはスイッチ素子Q5はオフとなり、圧電部材26の充電電荷が放電されることになる。
FIG. 17 is a diagram showing the ON / OFF state of each switch element of the
図4に示す駆動回路14を駆動回路14′のように構成した場合でも、充電時間t1と放電時間t2とのデューティ比Dが0.5よりも小さいときには正方向駆動となり、そのデューティ比Dが0.5よりも大きいときには逆方向駆動となり、図4に示すものと同様に動作することが確認された。
Even when the
図18は、図16に示す駆動回路14′の変形例を示す図である。この図18に示すものは、図16に示すものとはスイッチ素子Q5と駆動電源PSとの間及びスイッチ素子Q6とアースとの間にそれぞれ抵抗Rを接続するようにした点で相違している。なお、上記のように抵抗Rが接続されることから、図19に示すように、圧電部材26がVpに充電されるまでの波形及び充電電荷がゼロレベルに放電されるまでの波形が緩やかなものになるが、基本的な動作は図16に示すものと同一である。
FIG. 18 is a diagram showing a modification of the
また、スイッチ素子Q5と駆動電源PSとの間、あるいは、スイッチ素子Q6とアースとの間のいずれか一方に抵抗Rを接続するようにすることも可能である。この場合、スイッチ素子Q5と駆動電源PSとの間に抵抗Rを接続したものでは、圧電部材26がVpに充電されるまでの波形が緩やかなものになり、スイッチ素子Q6とアースとの間に抵抗Rを接続したものでは、圧電部材26が放電されるまでの波形が緩やかなものになるが、いずれの場合でも基本的な動作は図16に示すものと同一である。
It is also possible to connect the resistor R between the switch element Q5 and the drive power source PS or between the switch element Q6 and the ground. In this case, in the case where the resistor R is connected between the switch element Q5 and the drive power source PS, the waveform until the
本実施形態に係る圧電アクチュエータ10は、上記のように、圧電部材に分極方向と同方向の電圧を印加して充放電する第1の駆動回路と、圧電部材に分極方向と逆方向の電圧を印加して第1の駆動回路による充放電速度と略同一の速度で充放電する第2の駆動回路と、駆動部材の駆動時間であって第1の駆動手段による第1の駆動時間及び第2の駆動手段による第2の駆動時間の少なくとも一方を設定変更する設定変更手段と、第1の駆動手段と第2の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えているので、従来のような定電流回路が不要になることから小型化が可能となり、駆動回路は連続した駆動パルスで駆動されることから駆動部材の移動速度を円滑に調節することができるようになる。また、小型化できることから圧電アクチュエータ10の低廉化を促進することもできる。
The
なお、圧電アクチュエータは、上記実施形態のものに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、駆動部12の構成は図2及び図3に示すもの以外の構成とすることも可能であり、駆動回路14、14′を構成しているスイッチ素子として、接合型FET、バイポーラトランジスタ、GTO(Gate Turn-off Thyristor)等のMOS型FET以外の電子スイッチ素子を用いることもできる。また、被駆動部材30の移動速度の調節は、上記実施形態では駆動周期が一定になるようにして充電時間を変更することで行うようにしているが、充電時間又は放電時間を変更して駆動周期を変更することで行うようにしてもよい。
The piezoelectric actuator is not limited to the one in the above embodiment, and various modifications can be made. For example, the
以上説明したように、一態様によれば、圧電体に分極方向と同方向の電圧を印加して充放電する第1の駆動手段と、圧電体に分極方向と逆方向の電圧を印加して圧電体に対し第1の駆動手段による充放電速度と略同一の速度で充放電する第2の駆動手段と、駆動部材の駆動時間であって第1の駆動手段による第1の駆動時間及び第2の駆動手段による第2の駆動時間の少なくとも一方を設定変更する設定変更手段と、第1の駆動手段と第2の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えているので、小型化が可能で被駆動部材の移動速度を円滑に調節することができる圧電アクチュエータを実現することができる。 As described above, according to one aspect, the first driving unit that charges and discharges the piezoelectric body by applying a voltage in the same direction as the polarization direction, and the voltage that is opposite to the polarization direction is applied to the piezoelectric body. A second driving unit that charges and discharges the piezoelectric body at a rate substantially the same as a charging / discharging rate by the first driving unit; a driving time of the driving member, the first driving time by the first driving unit; Since there is provided a setting change means for changing the setting of at least one of the second drive times by the two drive means and a drive control means for alternately driving the first drive means and the second drive means, it is compact. It is possible to realize a piezoelectric actuator that can be adjusted and the moving speed of the driven member can be adjusted smoothly.
また、他の一態様によれば、第1の駆動手段は、圧電体の分極方向と逆方向に蓄積された電荷を放電すると共に、圧電体を分極方向と同方向に充電する第1の充放電回路からなり、第2の駆動手段は、圧電体の分極方向と同方向に蓄積された電荷を放電すると共に、圧電体を分極方向と逆方向に充電する第2の充放電回路からなっているので、圧電体には見かけ上、印加電圧の2倍の電圧が駆動電圧として供給され、単位電圧当たりの圧電体の伸縮量が増大して圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。 According to another aspect, the first driving means discharges the charge accumulated in the direction opposite to the polarization direction of the piezoelectric body, and charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction. The second drive means comprises a second charge / discharge circuit that discharges charges accumulated in the same direction as the polarization direction of the piezoelectric body and charges the piezoelectric body in a direction opposite to the polarization direction. Therefore, a voltage twice as large as the applied voltage is apparently supplied to the piezoelectric body as a driving voltage, and the expansion / contraction amount of the piezoelectric body per unit voltage is increased, thereby improving the driving efficiency of the piezoelectric actuator.
また、他の一態様によれば、第1の充放電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が圧電体の一方端に接続されてなる第1のスイッチ手段と、一方端が圧電体の他方端に接続され、他方端が接地されてなる第2のスイッチ手段とを備え、第2の充放電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が圧電体の他方端に接続されてなる第3のスイッチ手段と、一方端が圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第4のスイッチ手段とを備えているので、駆動回路が少ない回路素子で構成され、圧電アクチュエータの小型化が促進される。 According to another aspect, the first charging / discharging circuit includes a first switch unit in which one end is connected to a power source and the other end is connected to one end of the piezoelectric body, and one end is piezoelectric. A second switch means connected to the other end of the body and having the other end grounded. The second charge / discharge circuit has one end connected to the power source and the other end connected to the other end of the piezoelectric body. Since the third switch means and the fourth switch means having one end connected to one end of the piezoelectric body and the other end grounded, the drive circuit is configured with few circuit elements. Therefore, miniaturization of the piezoelectric actuator is promoted.
また、他の一態様によれば、第1の駆動手段は圧電体を分極方向と同方向に充電する充電回路からなり、第2の駆動手段は圧電体に蓄積された電荷を放電する放電回路からなっているので、充電時にだけ電力が消費されることになり、電力消費を効果的に抑制することができる。 According to another aspect, the first driving means includes a charging circuit that charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction, and the second driving means discharges the charge accumulated in the piezoelectric body. Therefore, power is consumed only during charging, and power consumption can be effectively suppressed.
また、他の一態様によれば、充電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が圧電体の一方端に接続されてなる第1のスイッチ手段を備え、放電回路は、一方端が圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第2のスイッチ手段を備えているので、駆動回路が少ない回路素子で構成され、圧電アクチュエータの小型化が促進される。 According to another aspect, the charging circuit includes first switch means having one end connected to the power source and the other end connected to one end of the piezoelectric body, and the discharging circuit includes one end. Since the second switch means is connected to one end of the piezoelectric body and the other end is grounded, it is composed of circuit elements with a small number of drive circuits, and miniaturization of the piezoelectric actuator is promoted.
また、他の一態様によれば、設定変更手段は、駆動周期が一定となるように第1の駆動時間及び第2の駆動時間を変更するものであるので、被駆動部材の移動速度を円滑に調整することができる。 According to another aspect, the setting changing unit changes the first driving time and the second driving time so that the driving cycle becomes constant, and thus the moving speed of the driven member is smooth. Can be adjusted.
また、他の一態様によれば、設定変更手段は、第1の駆動時間又は第2の駆動時間を変更することにより駆動周期を変更するものであるので、被駆動部材の移動速度を円滑に調整することができる。 According to another aspect, the setting change means changes the drive cycle by changing the first drive time or the second drive time, so that the moving speed of the driven member can be made smooth. Can be adjusted.
10 圧電アクチュエータ
12 駆動部
14 駆動回路
16 部材センサ
18 基端センサ
20 先端センサ
22 制御部(駆動制御手段)
24 支持部材
26 圧電部材(圧電体)
28 駆動部材
30 被駆動部材
159 設定変更手段
141 第1スイッチ回路(第1の駆動手段)
142 第2スイッチ回路(第2の駆動手段)
143 第3スイッチ回路(第2の駆動手段)
144 第4スイッチ回路(第1の駆動手段)
Q1,Q5 スイッチ素子(第1のスイッチ手段)
Q2 スイッチ素子(第3のスイッチ手段)
Q3 スイッチ素子(第4のスイッチ手段)
Q4,Q6 スイッチ素子(第2のスイッチ手段)
PS 駆動電源
DESCRIPTION OF
24
28
142 Second switch circuit (second driving means)
143 Third switch circuit (second driving means)
144 Fourth switch circuit (first driving means)
Q1, Q5 switch element (first switch means)
Q2 switch element (third switch means)
Q3 switch element (fourth switch means)
Q4, Q6 switch element (second switch means)
PS drive power supply
Claims (6)
該圧電体の伸縮動作に基づいて軸方向変位する駆動部材と、
前記駆動部材に所定の摩擦力で係合されて移動可能にされた被駆動部材と、
前記圧電体に分極方向と同方向の電圧を印加して充電する第1の駆動手段と、
前記圧電体に分極方向と逆方向の電圧を印加して充電する第2の駆動手段と、
前記圧電体の共振周波数に対して、約1周期分の駆動時間と、約半周期分の駆動時間との内、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と同方向である場合には、前記約1周期分の駆動時間を前記第2の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第1の駆動手段にそれぞれ設定し、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と逆方向である場合には、前記約1周期分の駆動時間を前記第1の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第2の駆動手段にそれぞれ設定する設定変更手段と、
前記第1の駆動手段と第2の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えたこと
を特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric body;
A drive member that is displaced in the axial direction based on the expansion and contraction of the piezoelectric body;
A driven member engaged with the driving member with a predetermined frictional force and movable;
First driving means for charging the piezoelectric body by applying a voltage in the same direction as the polarization direction;
Second driving means for charging the piezoelectric body by applying a voltage in a direction opposite to the polarization direction;
When the moving direction of the driven member is the same direction as the polarization direction among the driving time for about one cycle and the driving time for about a half cycle with respect to the resonance frequency of the piezoelectric body, The driving time for about one cycle is set for the second driving means, the driving time for about half a period is set for the first driving means, and the moving direction of the driven member is opposite to the polarization direction. If the direction is a direction, setting change means for setting the driving time for about one cycle in the first driving means, and setting the driving time for about half a cycle in the second driving means,
A piezoelectric actuator comprising: drive control means for alternately driving the first drive means and the second drive means.
前記第2の駆動手段は、前記圧電体の分極方向と同方向に蓄積された電荷を放電すると共に、前記圧電体を分極方向と逆方向に充電する第2の充放電回路からなること
を特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ。 The first driving means comprises a first charging / discharging circuit that discharges charges accumulated in a direction opposite to the polarization direction of the piezoelectric body and charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction,
The second driving means includes a second charging / discharging circuit that discharges charges accumulated in the same direction as the polarization direction of the piezoelectric body and charges the piezoelectric body in a direction opposite to the polarization direction. The piezoelectric actuator according to claim 1.
前記第2の充放電回路は、一方端が前記電源に接続され、他方端が前記圧電体の他方端に接続されてなる第3のスイッチ手段と、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第4のスイッチ手段とを備えたこと
を特徴とする請求項2記載の圧電アクチュエータ。 The first charging / discharging circuit includes a first switch means having one end connected to a power source and the other end connected to one end of the piezoelectric body, and one end connected to the other end of the piezoelectric body. Second switch means having the other end grounded,
The second charging / discharging circuit includes a third switch means having one end connected to the power source and the other end connected to the other end of the piezoelectric body, and one end connected to one end of the piezoelectric body. The piezoelectric actuator according to claim 2, further comprising a fourth switch means having the other end grounded.
前記第2の駆動手段は、前記圧電体に蓄積された電荷を放電する放電回路からなること
を特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ。 The first driving means comprises a charging circuit that charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction,
The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the second driving unit includes a discharge circuit that discharges electric charges accumulated in the piezoelectric body.
前記放電回路は、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第2のスイッチ手段を備えたこと
を特徴とする請求項4記載の圧電アクチュエータ。 The charging circuit includes first switch means having one end connected to a power source and the other end connected to one end of the piezoelectric body,
The piezoelectric actuator according to claim 4, wherein the discharge circuit includes second switch means having one end connected to one end of the piezoelectric body and the other end grounded.
を特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。 The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 5, wherein the setting change unit changes the first drive time and the second drive time so that a drive cycle becomes constant. .
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2009
- 2009-12-18 JP JP2009288236A patent/JP4492756B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US10291154B2 (en) | 2013-11-27 | 2019-05-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Driving device |
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