JPH09149663A - インパクト移動装置の駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率よくインパクト量を発生することがで
き、しかも、小形化が可能なインパクト移動装置の駆動
回路を提供する。 【解決手段】 圧電素子に非対称波形の駆動信号を印加
して駆動力を得るインパクト移動装置の駆動回路におい
て、直流の入力電圧Ｖ１を２重積分して、非対称波形の
増加側の波形を成形する第１の２重積分回路１，２と、
直流の入力電圧Ｖ２を２重積分して、非対称波形の減少
側の波形を成形する第２の２重積分回路３，４と、第１
又は第２の２重積分回路１，２又は３，４の出力を交互
に切り換える切換回路（Ｃｍｐ１，Ｃｍｐ２，ＤＬ，Ｓ
Ｗ）とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子等の電気
機械変換素子を用いて物体を移動させるインパクト型移
動装置の駆動回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】特開昭６３−２９９７８５号や特開平４
−２０７９８２号等の公報には、例えば、圧電素子等の
電気機械変換素子を用い、その急速変形によって生じる
衝撃力により微小移動を行うインパクト型移動装置が提
案されている。図５は、インパクト型移動装置の一例を
模式的に示す正面図である。この種のインパクト型移動
装置１０は、直方体状の相対運動部材１１に電気機械変
換素子としての圧電素子１２の一端が取り付けられ、こ
の圧電素子１２の他端に慣性体１３が取り付けられてい
る。

【０００３】このインパクト型移動装置１０は、静摩擦
係数μの固定体１４上に載置される。このときに、固定
体１４の表面１４ａには、相対運動部材１１のみが接触
し、圧電素子１２及び慣性体１３はともに接触しない。
そして、駆動電圧装置１５は、圧電素子１２に接続され
ており、図５に示すように、非対称波形の駆動電圧を圧
電素子１２に連続的に印加する。

【０００４】すなわち、図６において、時間ｔ₀ から時
間ｔ₁ にかけて電圧増加率の大きな駆動電圧を印加する
と、圧電素子１２は、その電圧値に応じて急激に伸び
る。圧電素子１２が急激に伸びると、衝撃力が相対運動
部材１１と慣性体１３とに作用し、相対運動部材１１と
固定体１４とは動摩擦状態となり、相対運動部材１１と
慣性体１３とが固定体１４の静止摩擦力に抗して逆方向
へ、すなわち、相対運動部材１１は、図面上左方向へ移
動する。そして、時間ｔ₁ において、圧電素子１２は、
伸びきって変位を生じなくなるために、相対運動部材１
１は、移動を停止する。

【０００５】時間ｔ₁ から時間ｔ₂ にかけて電圧減少率
の小さな駆動電圧が印加され、圧電素子１２は、その電
圧値に応じて緩やかに縮む。これにより、相対運動部材
１１と固定体１４とは、静摩擦状態となり、慣性体１３
のみが一定の加速度でゆっくり引き戻される。時間ｔ₂
では、前述した加速度で引き戻されてきた慣性体１３を
急激に止める。これにより、慣性体１３が相対運動部材
１１に衝突した状態となり、相対運動部材１１は、図面
上左方向へさらに移動する。そして、相対運動部材１１
は、固定体１４の動摩擦力により静止し、初期状態に復
帰する。以後、図６に示した非対称波形の駆動信号は、
所定の周期によって印加され、相対運動部材１１が微小
移動する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
のインパクト型移動装置は、任意波形発生回路などを駆
動回路として使用すると、装置全体が大型化するという
問題があった。また、インパクト型移動装置は、図６に
示すように、三角波形の電圧を用いた場合に、三角波形
の底点部分と頂点部分のみが、インパクト移動に寄与し
ているに過ぎないので、効率よくインパクト量を発生さ
せることができなかった。

【０００７】本発明は、効率よくインパクト量を発生す
ることができ、しかも、小形化が可能なインパクト移動
装置の駆動回路を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、電気機械変換素子に非対称波形
の駆動信号を印加して駆動力を得るインパクト移動装置
の駆動回路において、直流の入力電圧を２重積分して、
前記非対称波形の増加側の波形を成形する第１の２重積
分回路と、直流の入力電圧を２重積分して、前記非対称
波形の減少側の波形を成形する第２の２重積分回路と、
前記第１又は第２の２重積分回路の出力を交互に切り換
える切換回路とを備えたことを特徴としている。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１に記載のイン
パクト移動装置の駆動回路において、前記切換回路は、
前記第１及び第２の２重積分回路の入力電圧及び／又は
基準電圧を切り換え、前記第１及び第２の２重積分回路
を兼用することを特徴としている。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載のインパクト移動装置の駆動回路において、前記
第１又は第２の２重積分回路のうちで、前記切換回路に
よって選択されていない側の２重積分回路の容量成分を
放電するリセット回路を備えたことを特徴としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、図面等を参照して、本発明の実
施の形態について、さらに詳しくに説明する。図１は、
本発明によるインパクト駆動装置の第１実施形態を示す
回路図、図２は、第１実施形態にかかるインパクト駆動
装置の動作を説明する線図である。積分回路１は、ペア
ンプＯＰ１，コンデンサＣ１及び抵抗ｒ１から構成され
ており、直流の入力電圧Ｖ１を積分して、電圧Ｖ１’を
出力する。積分回路２は、ペアンプＯＰ２，コンデンサ
Ｃ２及び抵抗ｒ２から構成されており、積分回路１の出
力電圧Ｖ１’を積分して、電圧Ｖ１”を出力する。

【００１２】積分回路３は、ペアンプＯＰ３，コンデン
サＣ３及び抵抗ｒ３から構成されており、直流の入力電
圧Ｖ２を積分して、電圧Ｖ２’を出力する。積分回路４
は、ペアンプＯＰ４，コンデンサＣ４及び抵抗ｒ４から
構成されており、積分回路３の出力電圧Ｖ２’を積分し
て、電圧Ｖ２”を出力する。

【００１３】コンパレータＣｍｐ１は、積分回路２の出
力が＋入力端子に接続され、基準電圧Ｖｂが−入力端子
に接続され、その出力は、インバータＩｎ１を介して、
Ｄラッチ回路ＤＬのｐｒ端子に接続されている。コンパ
レータＣｍｐ２は、積分回路４の出力が−入力端子に接
続され、基準電圧Ｖａが＋入力端子に接続され、その出
力は、インバータＩｎ２を介して、Ｄラッチ回路ＤＬの
ｃｌｒ端子に接続されている。

【００１４】Ｄラッチ回路ＤＬは、ｐｒ端子又はｃｌｒ
端子に入力された信号を、次に、ｐｒ端子又はｃｌｒ端
子に信号が入力されるまで保持して、Ｑ端子から出力す
る回路である。Ｄラッチ回路ＤＬの出力は、分岐して、
スイッチング回路ＳＷのＳ端子に接続され、他方は、さ
らに２つに分岐して、一方は、積分回路１，２のコンデ
ンサＣ１，Ｃ２に並列に設けられたトランジスタＴｒ
１，Ｔｒ２のスイッチング端子に接続され、他方は、イ
ンバータＩｎ３を介して、積分回路３，４のコンデンサ
Ｃ３，Ｃ４に並列に設けられたトランジスタＴｒ３，Ｔ
ｒ４のスイッチング端子に接続されている。

【００１５】スイッチング回路ＳＷは、積分回路２の出
力がＬ端子に接続され、積分回路４の出力がＨ端子に接
続され、Ｓ端子にローレベルの信号が入力された場合に
は、Ｌ端子の信号を出力端子に接続し、Ｓ端子にハイレ
ベルの信号が入力された場合には、Ｈ端子の信号を出力
端子に接続する回路である。

【００１６】積分回路１の出力は、次式（１）によって
表される。 Ｖ１’＝−１／（Ｃ１・ｒ１）∫（Ｖ１−Ｖａ）ｄｔ＋Ｖａ …（１） また、積分回路２の出力は、次式（２）によって表され
る。 Ｖ１”＝−１／（Ｃ２・ｒ２）∫（Ｖ１’−Ｖａ）ｄｔ＋Ｖａ ＝１／（Ｃ１・ｒ１・Ｃ２・ｒ２）∬（Ｖ１−Ｖａ）ｄｔ² ＋Ｖａ …（２） 同様にして、積分回路４の出力は、次式（３）によって
表される。 Ｖ２”＝１／（Ｃ３・ｒ３・Ｃ４・ｒ４）∬（Ｖ２−Ｖｂ）ｄｔ² ＋Ｖｂ …（３）

【００１７】ここで、Ｖａ＜Ｖ１，Ｖ２＜Ｖｂとする
と、Ｖ１”及びＶ２”は、次式（４），（５）のように
なる。 Ｖ１”＝ｋ１ｔ² ＋Ｖａ …（４） Ｖ２”＝−ｋ２ｔ² ＋Ｖｂ …（５） ただし、ｋ１＝（Ｖ１−Ｖａ）／（Ｃ１・Ｃ２・ｒ１・
ｒ２），ｋ２＝（Ｖ２−Ｖｂ）／（Ｃ３・Ｃ４・ｒ３・
ｒ４）である。

【００１８】一方、圧電素子の変位量ｘと、印加電圧Ｖ
との間には、次式（６）の関係が成立する。 ｘ∝Ｖ …（６） ここで、式（４），（５）を考えると、ｋ１及びｋ２
は、変位量ｘの２次微分係数に比例するので、インパク
ト量（加速度）に比例することになる。

【００１９】そこで、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４、ｒ１，
ｒ２，ｒ３，ｒ４及びＶ１，Ｖ２，Ｖａ，Ｖｂの関係を
適当に選ぶことにより、適度のインパクト量を与えるこ
とができる。そして、Ｖ１”，Ｖ２”は、式（４），
（５）からわかるように、２次関数であるので、波形の
どの部分であっても２次微分係数を有しており、効率よ
くインパクト量を生じさせることができる。

【００２０】ここで、説明を簡単にするために、Ｃ１・
Ｃ２・ｒ１・ｒ２＝１，Ｃ３・Ｃ４・ｒ３・ｒ４＝１，
Ｖ１−Ｖａ＝α，Ｖ２−Ｖｂ＝βとすると、式（２），
（３）は、次のようになる。 Ｖ１”＝αｔ² ＋Ｖａ …（７） Ｖ２”＝−βｔ² ＋Ｖｂ …（８） また、α≫β，Ｖａ＜Ｖｂ，α＞０，β＞０とすると、
出力電圧Ｖｏｕｔの波形は、図２に示すようになる。

【００２１】次に、図２を参照しながら、本実施形態の
動作を説明する。ｔ＝ｔ０において、トランジスタＴｒ
１，Ｔｒ２がオフとなると、積分回路２の出力電圧Ｖ
１”は、式（７）により、ｔ０からｔ１において、電圧
Ｖａから電圧Ｖｂに達するまで、等加速度的に増加す
る。

【００２２】電圧Ｖ１”が電圧Ｖｂに達すると、コンパ
レータＣｍｐ１の出力がハイレベルとなり、Ｄラッチ回
路ＤＬの出力をハイレベルにする。スイッチング回路Ｓ
Ｗは、Ｓ端子の入力がハイレベルになると、Ｈ側に切り
換わるので、出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧Ｖ２”となる。
また、Ｄラッチ回路ＤＬの出力がハイレベルになると、
トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２がオンとなるので、コンデ
ンサＣ１，Ｃ２の電荷が放電されてリセットし、積分回
路２の出力Ｖ１”は、基準電圧Ｖａと等しくなる（図２
（Ａ）参照）。

【００２３】一方、Ｄラッチ回路ＤＬの出力がハイレベ
ルになったときに、トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４がオフ
となるので、出力Ｖ２”は、式（８）により、ｔ１から
ｔ０において、基準電圧ＶｂからＶａまで、等加速度的
に減少する。出力Ｖ２”が基準電圧Ｖａに達したとき
に、コンパレータＣｍｐ２の出力は、ハイレベルになる
ので、Ｄラッチ回路ＤＬの出力がローレベルになる。ス
イッチング回路ＳＷは、Ｓ端子の入力がローレベルにな
ると、Ｌ側に切り換わるので、出力Ｖｏｕｔは、電圧Ｖ
１”となる。また、Ｄラッチ回路ＤＬの出力がローレベ
ルになると、その信号は、インバータＩｎ３で反転され
て、ハイレベルとなり、トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４を
オンにするので、コンデンサＣ３，Ｃ４が放電されてリ
セットし、出力電圧Ｖ２”は、基準電圧Ｖｂと等しくな
る（図２（Ｂ）参照）。したがって、スイッチング回路
ＳＷの出力Ｖｏｕｔは、図２（Ｃ）のように、時間ｔ０
からｔ１までは、積分回路２の電圧Ｖ１”が出力され、
時間ｔ１からｔ２までは、積分回路４の電圧Ｖ２”が出
力され、以後、この波形が交互に繰り返される。

【００２４】（第２実施形態）図３は、本発明によるイ
ンパクト駆動装置の第２実施形態を示す回路図、図４
は、第２実施形態にかかるインパクト駆動装置の動作を
説明する線図である。第２の実施形態は、積分回路１，
２のオペアンプＯＰ１，ＯＰ２の入力電圧Ｖ１，Ｖ２
と、基準電圧Ｖａ，Ｖｂを切り換えるスイッチＳＷ１，
ＳＷ２と、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を切り換えるスイッ
チング回路Ｓ１と、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をリセ
ットするスイッチング回路Ｓ２を設け、積分回路３，４
及び２個のコンパレータＣｍｐ１，Ｃｍｐ２とＤラッチ
回路ＤＬを用いてスイッチング回路ＳＷを省略したもの
である。図４のｔ０の時点において、スイッチング回路
Ｓ１がハイレベルとなると、スイッチＳＷ１がＶ１側、
スイッチＳＷ２がＶａ側となる。この直前に、スイッチ
ング回路Ｓ２がハイレベルとなり、コンデンサＣ１，Ｃ
２をリセットする。したがって、第１実施形態の積分回
路１，２と同等となるので、出力Ｖｏｕｔは、Ｖ１”と
なり、ＶａからＶｂまで等加速度的に増加する（図４
（Ａ）のｔ０〜ｔ１参照）。

【００２５】ｔ１の時点において、スイッチング回路Ｓ
１がローレベルとなると、スイッチＳＷ１がＶ２側、ス
イッチＳＷ２がＶｂ側となる。この直前に、スイッチン
グ回路Ｓ２がハイレベルとなり、コンデンサＣ１，Ｃ２
をリセットする。したがって、第１実施形態の積分回路
３，４と同等となるので、出力Ｖｏｕｔは、Ｖ２”とな
り、ＶｂからＶａまで等加速度的に減少する（図４
（Ａ）のｔ１〜ｔ２参照）。

【００２６】第２実施形態によれば、積分回路を２つ減
らすことができるので、より簡単な回路構成にすること
ができる。

【００２７】（変形形態）以上説明した実施形態に限定
されるとなく、種々の変形や変更が可能であって、それ
らも本発明の均等の範囲内である。例えば、電気機械変
換素子は、圧電素子に限らず、電歪素子や磁歪素子であ
ってもよい。インパクト型移動装置は、図５のようなも
のに限らず、梁状の相対運動部材に、圧電素子を用いて
長手方向に衝撃力を与えて、その相対運動部材上に載置
された移動体を移動させるものであってもよい。第１実
施形態では、切換回路は、２個のコンパレータとＤラッ
チ回路を用いてスイッチング回路を制御する例で説明し
たが、他の方法であってもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、効率よくインパクト量を生じさせることができ、
しかも、コンパクトな駆動回路を得ることができる。ま
た、２重積分回路の容量成分や抵抗、基準電圧、入力電
圧を変えるなどして、極めて簡単にインパクト量を変え
ることができるので、動摩擦と静摩擦との境界に応じ
て、インパクト量を調節することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインパクト駆動装置の第１実施形
態を示す回路図である。

【図２】第１実施形態にかかるインパクト駆動装置の動
作を説明する線図である。

【図３】本発明によるインパクト駆動装置の第２実施形
態を示す回路図である。

【図４】第２実施形態にかかるインパクト駆動装置の動
作を説明する線図である。

【図５】インパクト型移動装置の一例を模式的に示す正
面図である。

【図６】従来例に係るインパクト型移動装置の駆動電圧
を示す波形図である。

【符号の説明】

１〜４ 積分回路 ｒ１〜ｒ４ 抵抗 ＯＰ１〜ＯＰ４ オペアンプ Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ Ｔｒ１〜Ｔｒ４ トランジスタ Ｃｍｐ１，Ｃｍｐ２ コンパレータ ＤＬ Ｄラッチ回路 ＳＷ スイッチング回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気機械変換素子に非対称波形の駆動信
   号を印加して駆動力を得るインパクト移動装置の駆動回
   路において、 直流の入力電圧を２重積分して、前記非対称波形の増加
   側の波形を成形する第１の２重積分回路と、 直流の入力電圧を２重積分して、前記非対称波形の減少
   側の波形を成形する第２の２重積分回路と、 前記第１又は第２の２重積分回路の出力を交互に切り換
   える切換回路とを備えたことを特徴とするインパクト移
   動装置の駆動回路。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のインパクト移動装置の
   駆動回路において、 前記切換回路は、前記第１及び第２の２重積分回路の入
   力電圧及び／又は基準電圧を切り換え、 前記第１及び第２の２重積分回路を兼用することを特徴
   とするインパクト移動装置の駆動回路。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載のインパク
   ト移動装置の駆動回路において、 前記第１又は第２の２重積分回路のうちで、前記切換回
   路によって選択されていない側の２重積分回路の容量成
   分を放電するリセット回路を備えたことを特徴とするイ
   ンパクト移動装置の駆動回路。