JP4694886B2 - 駆動波発生回路 - Google Patents

Description

２種類の基本波形を組み合わせて得られる駆動波を用いて駆動されるピエゾアクチュエータの駆動波を発生する駆動波発生回路に関する。

従来より、ピエゾ素子の伸び縮みを利用するピエゾアクチュエータが提案され、超小型のアクチュエータとして、期待されている（非特許文献１参照）。このピエゾアクチュエータは、例えば、カメラの撮像素子を駆動して手ぶれ補正を行う機構やレンズを移動するピント合わせなどに採用されている。

このピエゾアクチュエータは、ピエゾ素子（圧電素子）に電圧を印加することで、伸縮させ、駆動軸を往復動させる。そして、駆動軸の一方向の移動速度と、逆方向の移動速度を異ならせること（ゆっくり伸ばし急に引く、またはその反対）で、駆動軸に摩擦接触している移動体を移動させる。このように、駆動力としてピエゾ素子の伸び縮みを利用しており、直線移動が可能でありまたコイル等が不要であり、アクチュエータを小型化することができる。

ここで、駆動軸の移動速度を変更するためには、ピエゾ素子に印加する電圧波形を変更しなければならない。例えば、ゆっくり伸ばし、急に縮めるためには、ピエゾ素子に第１の方向の電圧をゆっくり印加し、急激に反対方向の電圧を印加するというパターンの電圧印加する必要がある。

KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL 1 (2004)，p.23-26

ここで、ピエゾ素子の伸縮量はそれほど大きくできず、また確実な移動制御を行うためには、ピエゾ素子の１回の伸縮による移動体の移動量をかなり小さなものとする必要がある。例えば、１回の移動量は数１０ｎｍ程度に設定される。そこで、移動量制御の際の基本波形の数が非常に大きくなる。例えば、レンズを動かし、ピント合わせをする場合、通常カメラに最も近い焦点合わせ可能なマクロ位置から∞位置まで、レンズの移動量として数１００μｍ以上が求められる。一方、ピント合わせについての情報は、画像情報などから得られ、通常マイクロコンピュータ（マイコン）などにおいて得られる。そこで、ピエゾアクチュエータの駆動波をマイコンで作成することになるが、その場合マイコンは波長の短い駆動波を多数生成してピエゾアクチュエータに供給しなければならず、マイコンへの負担が大きくなるという問題があった。

本発明は、２種類の基本波形を組み合わせて得られる駆動波を用いて駆動されるピエゾアクチュエータの駆動波を発生する駆動波発生回路であって、基本クロックに従って、一定の基本周期を有し、１周期中において特定レベルにある割合であるデューティー比が互いに異なるとともに、特定レベルにあるタイミングが異なる２種類の基本波形を発生する基本波形発生回路と、基本波形の１周期をカウントし、カウント値が所定のユニット数に至った時にユニット検出パルスを出力するユニットカウンタと、入力されてくるドライブパルスを初期値から一方向にカウントするとともに、前記ユニットカウンタからのユニット検出パルスによりカウント値を初期値の方向にカウントするドライブカウンタと、前記基本波形発生回路からの２種類の基本波形を受け入れ、受け入れた２種類の基本波形を２つの出力端のいずれから出力するかを、方向制御信号に応じて切り替える方向セレクタと、方向性セレクタの出力を受け入れ、ドライブカウンタが一方向にカウントしてから前記初期値に至るまで、前記方向性セレクタの出力を許可することで、一対の基本波形からなる駆動波を出力する出力ゲートと、を有し、入力するドライブパルスの数に１ユニットにおける基本周期の数を乗算した数の一対の基本波形からなる駆動波を出力することを特徴とする。

また、前記方向制御信号が変化して方向セレクタが出力を切り替えるときに、前記ドライブカウンタを初期値にリセットすることが好適である。

また、前記方向制御信号が変化して方向セレクタが出力を切り替えるときに、前記ユニットカウンタを初期値にリセットすることが好適である。

このように、本発明によれば、方向制御信号と、ドライブパルスの２つの信号に応じて、所定数の駆動波を発生することができる。特に、基本波形を１まとめにしたユニットに応じて駆動波形を発生することができる。従って、外部から入力するドライブパルスは、ユニットの個数を決定すればよく、比較的低い周波数のドライブパルスを入力すればよい。

また、方向制御信号を変更するときにドライブカウンタをリセットすることができる。従って、ドライブパルスを多めに入力されていた場合においても、その移動指示をリセットして駆動波を切り替えることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係る駆動波発生回路の全体構成を示す図であり、この駆動波発生回路は、１つの半導体集積回路として、構成される。従って、入力端子としては、基本クロックＣＬＫ、方向制御信号Ｍ／Ｉ、ドライブパルスＤＲＩＶＥ、イネーブル信号ＥＮＢの４つ、出力端子としては、ＧＡＴＥ＿Ａ、ＧＡＴＥ＿Ｂ、ＢＵＳＹの３つの端子が用意される。

基本波形発生回路１０は、外部から入力されてくる基本クロックＣＬＫに基づいて２つの基本波形（基本波形１、基本波形２）を出力する。基本波形発生回路１０は、例えば基本クロックを基本波形の１周期分カウントするカウンタを有し、カウンタを構成する複数のフリップフロップの出力の論理演算によって、Ｈレベル、Ｌレベルを発生して、２種類の基本波形１，２を発生するとよい。２つの基本波形１，２のメモリを有し、ここから基本波形１，２を読み出し出力してもよい。

図２に、基本波形１、基本波形２の例を示す。例えば、基本クロックＣＬＫが９．７５ＭＨｚの場合に、基本波形１、２の１周期を１３４クロック（＝１３．７４μｓｅｃ）とし、基本波形１は、２２クロックのＬレベル期間の後、Ｈレベルとなる。一方、基本波形２は、２６クロックのＨレベル期間、４６クロックのＬベル期間の後、Ｈレベルとなる。従って、基本波形１のＬレベルが終了した後、基本波形２がＬレベルになるまで、４クロックの期間がある。

基本波形発生回路１０からは、基本波形の１周期毎に１周期パルスが出力される。例えば、基本クロックをカウントするカウンタの１３４カウントの出力を１周期パルスとすればよい。この１周期パルスは、２００周期カウンタ１２に供給され、２００周期カウンタ１２は、１周期パルス（１ユニット）を２００カウントしたときに、２００周期パルス（ユニット検出パルス）を出力する。

この２００周期パルスは、ドライブカウンタ１４の減算入力端子に入力される。このドライブカウンタ１４は、加算入力端子には、ドライブ信号ＤＲＩＶＥが外部から入力されている。

ドライブカウンタ１４は、初期値「０」以外の時にＨレベルを出力する。例えば、カウンタを構成するフリップフロップのすべての出力をオア演算すればよい。ドライブパルスＤＲＩＶＥは、２００周期パルスに比べ十分大きな周波数とすることが可能であり、ドライブカウンタ１４の出力は、ドライブパルスＤＲＩＶＥをｎ個入力することで、２００周期パルスがｎ個入力するまでの期間Ｈレベルになる。

ドライブカウンタ１４の出力は、アンドゲート１６に入力される。このアンドゲート１６には、初期カウンタ１８からの動作中信号が反転入力されている。従って、初期カウンタ１８が動作中でなければ、アンドゲート１６はドライブカウンタ１４の出力をそのまま出力する。アンドゲート１６の出力は、出力ゲート２０の制御端に入力されている。

ここで、基本波形発生回路１０において発生された基本波形１，２は、方向セレクタ２２に入力される。この方向セレクタ２２の制御端には、外部から入力される方向制御信号Ｍ／Ｉがアンドゲート２４、オアゲート３２を介し供給されている。アンドゲート２４には、初期カウンタ１８の動作中信号が供給されている。従って、初期カウンタ１８が動作中でなければ、方向制御信号Ｍ／Ｉがそのまま方向セレクタ２２の制御端に供給され、初期カウンタ１８が動作中であれば、初期カウンタ１８の出力である方向制御信号Ｍ／Ｉが方向セレクタ２２に供給される。

方向セレクタ２２は、制御端に供給される方向制御信号Ｍ／Ｉに応じて基本波形１と基本波形２を２つの出力端に入れ替えて出力する。この例では、方向制御信号Ｍ／Ｉは、外部のマイコンから供給されるマクロ（Ｍ）方向へのレンズの移動または∞（Ｉ）方向へのレンズの移動を示す信号であり、方向セレクタ２２は方向制御信号Ｍ／ＩがＬレベルの場合に、基本波１，２をそのまま２つの出力端に出力する。これは、レンズを∞（Ｉ）方向に移動させる信号である。一方、方向制御信号Ｍ／ＩがＨレベルの場合に、方向セレクタ２２は、基本波１，２を入れ替えて２つの出力端に出力する。これは、レンズをマクロ（Ｍ）方向に移動させる信号である。そして、この方向セレクタ２２の２つの出力が出力ゲート２０を介し、信号ＧＡＴＥ＿Ａ、信号ＧＡＴＥ＿Ｂとして出力されることで、レンズが∞方向またはマクロ方向に移動される。

すなわち、図３に示すように、方向制御信号Ｍ／ＩがＬレベル（∞方向へ移動）の際には、基本波形１，２がそのままＧＡＴＥ＿Ａ、ＧＡＴＥ＿Ｂとして出力され、方向制御信号Ｍ／ＩがＨレベル（マクロ方向へ移動）の際には、基本波形１がＧＡＴＥ＿Ｂ、基本波形２がＧＡＴＥ＿Ａとして出力される。

さらに、方向制御信号Ｍ／Ｉは、変化検出回路２６にも供給される。この変化検出回路２６は、方向制御信号Ｍ／Ｉの立ち上がりおよび立ち下がりを検出し、変化検出パルスを出力する。そして、この変化検出パルスは、オアゲート２８を介し、２００周期カウンタ１２のリセット端に供給されている。オアゲート２８には、イネーブル信号ＥＮＢも供給されており、イネーブル信号ＥＮＢがＬレベルの場合にもオアゲート２８からＨレベルが出力される。

オアゲート２８の出力は、２００周期カウンタ１２およびドライブカウンタ１４のリセット端に供給されている。従って、イネーブル信号ＥＮＢがＬレベルのとき、および方向制御信号Ｍ／Ｉの状態が切り替わったときに、２００周期カウンタ１２、およびドライブカウンタ１４はリセット状態になる。

なお、イネーブル信号ＥＮＢは、基本波形発生回路１０のリセット端子に反転入力されており、イネーブル信号ＥＮＢがＬレベルの時には、基本波形発生回路１０の出力も禁止される。 ．

また、初期カウンタ１８には、イネーブル信号ＥＮＢも入力されており、この初期カウンタ１８は、イネーブル信号ＥＮＢの立ち上がりから１度だけ２００周期パルスを１７６までカウントする。例えば、１７６カウントしたときに完了パルスを発生し、この完了パルスによって初期カウンタ１８をリセットするとともに、イネーブル信号ＥＮＢの次の立ち上がりまで休止する。これによって、イネーブル信号ＥＮＢの立ち上がり度に一度だけ１７６カウントをする。

そして、この初期カウンタ１８は、カウント値が１７１〜１７４の場合に１７１〜１７４端子からＨレベルを出力し、この出力は、出力ゲートに待機（出力禁止）信号として供給される。また、１７５〜１７６端子からカウント値が１７５〜１７６の場合にＨレベル、その他のカウント値の時にＬレベルとなる方向制御信号Ｍ／Ｉとして出力する。すなわち、初期カウンタ１８からは、カウント値が０〜１７４の場合には∞方向を選択し、カウント値が１７５〜１７６の場合にマクロ方向を選択する方向制御信号Ｍ／Ｉが出力され、この方向制御信号Ｍ／Ｉは、オアゲート３２を介し方向セレクタ２２に供給される。

また、初期カウンタ１８の動作中は、アンドゲート１６，２４によって、ドライブカウンタ１４の出力および方向切り替え信号Ｍ／Ｉの出力が禁止され、初期カウンタ１８の出力によって、方向セレクタ２２および出力ゲート２０が動作する。

従って、イネーブル信号ＥＮＢが立ち上がる初期設定時には、初期カウンタ１８が動作して、方向セレクタ２２および出力ゲート２０を制御して、カウント値１７４までは∞側、カウント値１７５〜１７６の期間はマクロ側へ移動させる方向制御信号Ｍ／Ｉが方向セレクタ２２に供給され、その後は外部から供給される方向制御信号Ｍ／Ｉがそのまま方向セレクタ２２に供給される。

さらに、初期カウンタ１８の動作中信号の反転信号と、ドライブカウンタ１４の出力が供給されるアンドゲート１６の出力と、初期カウンタ１８の動作中信号は、オアゲート３０にも供給されており、このオアゲート３０の出力は、ビジー信号ＢＵＳＹとして外部に出力される。従って、初期カウンタ１８が動作しているときおよびドライブカウンタ１４のカウント値が「０」でないときにおいて、ビジー信号ＢＵＳＹがＨレベルとなる。

次に、このような駆動波発生回路の動作について説明する。

「初期設定動作」
まず、カメラを使用するために、カメラ電源がオンされた場合には、カメラの動作制御用のマイコンが動作を開始し、イネーブル信号ＥＮＢを当初Ｌレベルに設定する。イネーブル信号ＥＮＢがＬレベルであると、基本波形発生回路１０、２００周期カウンタ１２、ドライブカウンタ１４、初期カウンタ１８にリセット信号は供給され、内部のカウンタがリセットされ、この駆動波発生回路は休止状態になる。また、外部（マイコン）から、基本クロックＣＬＫが供給されてくる。なお、方向制御信号Ｍ／Ｉ、ドライブパルスＤＲＩＶＥは、この段階では、不要であるが、ドライブカウンタ１４はリセットしておくことが好ましい。

次に、マイコンはイネーブル信号ＥＮＢをＬレベルからＨレベル変更する。この立ち上がりによって、基本波形発生回路１０、２００周期カウンタ１２、ドライブカウンタ１４、初期カウンタ１８が動作を開始する。ここで、初期カウンタ１８からの、動作中信号がＨレベルに変更されるため、ＢＵＳＹ信号がＨレベルになるとともに、出力ゲート２０へのドライブカウンタ１４からの制御信号の供給が停止される。また、アンドゲート２４によって方向制御信号Ｍ／Ｉの方向セレクタ２２への供給も停止される。そして、２００周期カウンタ１２からの２００周期パルスを初期カウンタ１８がカウントアップしていく。この際、方向セレクタ２２には、方向制御信号Ｍ／Ｉとして∞方向の移動を指示するＬレベルが供給されている。初期カウンタ１８のカウント値が１７１になると、出力ゲート２０に待機信号が供給され、ここからの信号出力が禁止される。そして、初期カウンタ１８のカウント値が１７５，１７６の時には、初期カウンタ１８から方向制御信号Ｍ／Ｉとして、Ｈレベルが出力され、従って方向セレクタ２２においてマクロ方向へ移動させる基本波形１，２の入れ替えが行われ、これが出力ゲート２０から出力される。

そして、１７７個目のカウントによってオーバーフロー信号が出力され、初期カウンタ１８はその動作を停止し、動作中信号はＬレベルになる。これによって、初期設定動作が終了する。

例えば、イネーブル信号ＥＮＢの立ち上がりによってセットされるフリップフロップを設けこのフリップフロップの出力によって初期カウンタ１８の動作を可能にし、オーバーフロー信号によって、フリップフロップをリセットすることで初期カウンタ１８をリセット状態にすることができる。

このように、本実施形態においては、駆動波発生回路を動作状態にするか否かを示すイネーブル信号ＥＮＢを用いて、初期設定動作を行う。従って、初期設定動作をさせるための特別な制御信号を入力する必要がなく、駆動波発生回路における端子の数を少なくすることができる。

ここで、本実施形態において、∞方向に２００周期パルス１７０個分の移動は、レンズがどこにあっても、∞方向の限界点にまで移動され機械的に移動が停止される移動量である。従って、この移動によってレンズは、∞位置を超えた位置に保持される。そして、若干待機した後、２００周期パルス２個分マクロ方向に移動することで、レンズは確実に∞位置に保持される。なお、レンズの初期位置は反対方向のマクロ位置にしてもよく、また待機後の移動量を変更することで、任意の位置にレンズを初期設定することができる。従って、レンズの位置を検出するセンサなどを用いることなく、レンズの初期位置を決定することができる。

「通常動作」
通常動作時には、基本クロックＣＬＫは通常通り供給され、またイネーブル信号ＥＮＢはＨレベルである。この状態で、マイコンは、ピント合わせ情報に基づいて、レンズの移動方向および移動量を決定し、それに応じた方向制御信号Ｍ／ＩおよびドライブパルスＤＲＩＶＥを駆動波発生回路に供給する。マクロ方向への移動であれば、方向制御信号Ｍ／ＩをＨレベル、∞方向への移動であれば方向制御信号Ｍ／ＩはＬレベルに設定される。そして、レンズ移動量に応じた数のドライブパルスＤＲＩＶＥをドライブカウンタ１４に供給する。本実施形態の場合、ピエゾ素子を利用した移動であり、基本波形１，２を２００回でレンズが５μｍ程度移動する。そこで、５０μｍの移動が必要と判断されれば、１０個のドライブパルスを送信しておき、ドライブカウンタ１４にカウント値として１０がセットされる。そして、２００周期カウンタ１２の出力によって、このドライブカウンタ１４の値が０になると、ドライブカウンタ１４からの出力がアンドゲート１６を介し、出力ゲート２０の制御端に供給され、出力ゲート２０からの駆動波の出力が禁止される。

このように、本実施形態では、１つのドライブパルスを、基本波形１，２の２００周期分に対応させた。これによって、マイコンが発生するドライブパルスは、基本波形に比べ十分小さな周波数とでき、マイコンにおける処理負担が小さくなる。さらに、基本波形自体はマイコンで発生する必要がないので、マイコンの処理負担が軽減される。

また、ピント合わせの情報は、例えば受光した画像の輝度情報などから得る。すなわち、ピントが合っている状態において、得られる画像輝度の総和が大きくなる。そこで、一方向のレンズを移動させた状態で、輝度の変化を検出し、その変化状態からピント合わせ情報を得ることができる。この場合、レンズが一旦移動させすぎてから、反対方向に戻って最適位置とすることが好適である場合も多い。

本実施形態では、変化検出回路２６において、方向制御信号Ｍ／Ｉの状態変化を検出したときに、２００周期カウンタ１２およびドライブカウンタ１４が０にリセットされる。従って、マイコンは、例えば１００個のドライブパルスを出力し、レンズを一方向に移動させ、その状態で、ピント位置を検出し、レンズが合焦位置をいきすぎたときに、合焦位置までの戻り移動量を計算し、その数のドライブパルスを出力することでピント合わせを行うことができる。また、レンズの当初移動方向が反対であった場合であっても、方向制御信号Ｍ／Ｉを切り替えることで、すぐに移動方向を反転することができる。

このように方向制御信号Ｍ／Ｉの状態変化によってドライブカウンタ１４をリセットすることで、ピント合わせ動作におけるマイコンの処理シーケンスの自由度が上昇し、適切なピント合わせ動作を達成することができる。

なお、２００周期カウンタ１２はリセットせずに、ドライブカウンタ１４のみリセットしてもよい。

このように、本実施形態によれば、方向制御信号Ｍ／Ｉ、ドライブパルスＤＲＩＶＥの２つの信号の組み合わせによって、効果的に駆動波発生を行うことができる。

図４に、ピエゾ素子の駆動回路の一例を示す。ピエゾ素子４０は電気的には容量と見なせるため、図において容量として記載している。

電源には、２つのｐチャネルトランジスタ４２ａ、４２ｂのソースが接続され、これらトランジスタ４２ａ、４２ｂのドレインには、ｎチャネルトランジスタ４４ａ、４４ｂのドレインがそれぞれ接続されている。そして、トランジスタ４４ａ、４４ｂのソースは、抵抗４６を介しグランドに接続されている。また、トランジスタ４２ａ、４４ａのゲートには信号ＧＡＴＥ＿Ａが、トランジスタ４２ｂ、４４ｂのゲートには信号ＧＡＴＥ＿Ｂが入力される。さらに、トランジスタ４２ａ、４４ａの接続点と、トランジスタ４２ｂ、４４ｂの接続点の間にピエゾ素子４０が接続されている。

トランジスタ４２ａ、４４ａは、インバータを形成しており、ピエゾ素子４０の一端には、ＧＡＴＥ＿Ａが反転して供給され、トランジスタ４２ｂ、４４ｂは、インバータを形成しており、ピエゾ素子４０の他端には、ＧＡＴＥ＿Ｂが反転して供給される。

従って、図２における基本波形１，２がそれぞれＧＡＴＥ＿Ａ、ＧＡＴＥ＿Ｂとして駆動回路に供給された場合、ピエゾ素子４０の一端４０Ａの電圧ＯＵＴ＿Ａと、他端４０Ｂの電圧ＯＵＴ＿Ｂは、図５に示すように変化しようとする。ここで、トランジスタ４２ａ、４２ｂがオンした際にピエゾ素子４０には電源電圧がすぐに印加されるが、トランジスタ４４ａ、４４ｂがオンした際には抵抗４６があるため、ピエゾ素子４０の一端４０Ａの電圧は、他端４０Ｂの電圧を基準として、図５に示すように変化する。これによって、図において破線で示したように、ピエゾ素子４０に対し、一方向に急激に電圧を印加し、反対方向に徐々に電圧を変化させるのこぎり刃状の電圧印加が行える。従って、ピエゾ素子４０はゆっくり伸び、急に縮む（またはこの反対）という動作を行い、この伸縮のスピードを差により、レンズを移動することができる。

駆動波発生回路の全体構成を示す図である。 基本波の波形を示す図である。 駆動波の波形を示す図である。 ピエゾ素子の駆動回路を示す図である。 ピエゾ素子の駆動波形を示す図である。

符号の説明

１０ 基本波形発生回路、１２ ２００周期カウンタ、１４ ドライブカウンタ、１６、２４ アンドゲート、１８ 初期カウンタ、２０ 出力ゲート、２２ 方向セレクタ、２６ 変化検出回路、２８、３０、３２ オアゲート、４０ ピエゾ素子。

Claims (3)

1. ２種類の基本波形を組み合わせて得られる駆動波を用いて駆動されるピエゾアクチュエータの駆動波を発生する駆動波発生回路であって、
   基本クロックに従って、一定の基本周期を有し、１周期中において特定レベルにある割合であるデューティー比が互いに異なるとともに、特定レベルにあるタイミングが異なる２種類の基本波形を発生する基本波形発生回路と、
   基本波形の１周期をカウントし、カウント値が所定のユニット数に至った時にユニット検出パルスを出力するユニットカウンタと、
   入力されてくるドライブパルスを初期値から一方向にカウントするとともに、前記ユニットカウンタからのユニット検出パルスによりカウント値を初期値の方向にカウントするドライブカウンタと、
   前記基本波形発生回路からの２種類の基本波形を受け入れ、受け入れた２種類の基本波形を２つの出力端のいずれから出力するかを、方向制御信号に応じて切り替える方向セレクタと、
   方向性セレクタの出力を受け入れ、ドライブカウンタが一方向にカウントしてから前記初期値に至るまで、前記方向性セレクタの出力を許可することで、一対の基本波形からなる駆動波を出力する出力ゲートと、
   を有し、
   入力するドライブパルスの数に１ユニットにおける基本周期の数を乗算した数の一対の基本波形からなる駆動波を出力することを特徴とする駆動波発生回路。
2. 請求項１に記載の駆動波発生回路において、
   前記方向制御信号が変化して方向セレクタが出力を切り替えるときに、前記ドライブカウンタを初期値にリセットすることを特徴とする駆動波発生回路。
3. 請求項１または２に記載の駆動波発生回路において、
   前記方向制御信号が変化して方向セレクタが出力を切り替えるときに、前記ユニットカウンタを初期値にリセットすることを特徴とする駆動波発生回路。
   

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