JPWO2008096554A1 - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧電素子およびスイッチング素子の発熱を低減した摩擦駆動方式の駆動装置を提供する。この摩擦駆動方式の駆動装置は、電圧が印加されると伸縮する圧電素子と、圧電素子に一端が固定された振動部材と、振動部材に摩擦係合する摩擦係合部材と、電源に接続され、圧電素子に電源の電圧を所定の駆動周期で印加する駆動回路と、を有する駆動装置であって、駆動回路は、圧電素子の電極を電源に接続する充電スイッチング素子と、圧電素子の電極を接地する放電スイッチング素子と、電源と圧電素子との間、および、圧電素子と接地点との間の電路のいずれかに配設された保護抵抗とを備えるものとし、保護抵抗の抵抗値を、スイッチング素子のオン抵抗より大きく、スイッチング素子の駆動周期の１／２を圧電素子の容量で除した値よりも小さくする。

Description

本発明は圧電素子を用いた摩擦駆動方式の駆動装置に関する。

圧電素子によって、軸状の振動部材を軸方向に非対称に往復変位させ、振動部材に摩擦係合する摩擦係合部材を振動部材に対して相対的にすべり変位させる（摩擦係合部材が移動する場合と、振動部材が移動する場合とがある）摩擦駆動方式の駆動装置が公知である。

このような摩擦駆動方式の駆動装置では、圧電素子に周期的に変動する電圧を印加する駆動回路が必要とされる。中でも、半導体スイッチング素子によって、圧電素子の電極に電圧を印加または接地することで、圧電素子に矩形波電圧を印加する駆動回路が利用される。

例えば、特許文献１には、圧電素子の一極を常時接地しておき、他極を電源に接続するスイッチング素子と、接地するスイッチング素子とを備えるハーフブリッジからなる駆動回路が開示されている。また、特許文献２には、圧電素子の両電極を交互に電源に接続し、他極を接地することで、圧電素子に印加される極性を反転させるフルブリッジ回路が開示されている。

圧電素子は、電気的にはキャパシタに例えられるが、厳密には、充電および放電する際に熱を生じる抵抗成分を有している。よって、従来の摩擦駆動方式の駆動装置を連続して使用すると、圧電素子の温度が上昇し、圧電素子と振動部材または圧電素子を固定する錘などとの間の接着力を弱めて破損を招いたり、圧電素子がキュリー温度に達して伸縮機能が損なわれることによって機能を喪失する場合があるという問題があった。また、充放電の電流によってスイッチング素子が過熱する場合もあった。
特開２００１−２６８９５１号公報 特開２００１−２１１６６９号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、圧電素子およびスイッチング素子の発熱を低減した摩擦駆動方式の駆動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による駆動装置は、電圧が印加されると伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定され、前記圧電素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復変位によって、前記振動部材に対してすべり変位する摩擦係合部材と、電源に接続され、前記圧電素子に前記電源の電圧を所定の駆動周期で印加する駆動回路とを有し、前記駆動回路は、前記圧電素子の電極を前記電源に接続する充電スイッチング素子と、前記圧電素子の前記電極を接地する放電スイッチング素子と、前記電源と前記圧電素子との間の電路、および、前記圧電素子と接地点との間の電路の少なくともいずれかに配設された保護抵抗とを備え、前記保護抵抗の抵抗値は、前記スイッチング素子のオン抵抗より大きく、前記スイッチング素子の駆動周期の１／２を前記圧電素子の容量で除した値よりも小さいものとする。

この構成によれば、圧電素子を充電する電路や、圧電素子を放電する電路に保護抵抗を配設したことで、駆動装置の駆動力が失われない範囲で充放電の電流値を低下させ、圧電素子に蓄積したエネルギーを保護抵抗で消費することで、圧電素子の内部抵抗における発熱やスイッチング素子の発熱を低減することができる。

また、本発明の駆動装置において、前記駆動回路は、前記圧電素子の任意の電極を選択して前記電源の電圧を印加できるフルブリッジ回路であってもよく、さらに、前記保護抵抗を、前記充電スイッチング素子と前記圧電素子との間、および、前記放電スイッチング素子と前記圧電素子との間の少なくともいずれかに配設することで、前記圧電素子の両極を短絡した場合にも、充放電電流のエネルギーを前記保護抵抗で消費して、前記圧電素子の発熱を低減できる。

本発明によれば、圧電素子に蓄積されたエネルギーを保護抵抗で消費して、圧電素子やスイッチング素子の発熱を低減することができる。

本発明の第１実施形態の駆動装置の回路図。 図１の駆動装置における保護抵抗と駆動速度との関係を示すグラフ。 本発明の第２実施形態の駆動装置の回路図。

符号の説明

１ 駆動装置
２ 電源
３ 制御回路
４ 駆動回路
５ 圧電素子
５ａ，５ｂ 電極
６ 振動部材
７ 摩擦係合部材
８ トランジスタ（充電スイッチング素子）
９ トランジスタ（放電スイッチング素子）
１０ トランジスタ（充電スイッチング素子）
１１ トランジスタ（放電スイッチング素子）
１２ 保護抵抗

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に、本発明の第１実施形態の駆動装置１の構成を示す。駆動装置１は、電圧Ｖｐ（Ｖ）の直流電源２および制御回路３が接続された駆動回路４と、駆動回路の出力が電極５ａ，５ｂに印加される圧電素子５と、圧電素子５に一端が固定された軸状の振動部材６と、振動部材６に摩擦力によって係合する摩擦係合部材７とを有する。

圧電素子５は、電極５ａ，５ｂ間に印加される電圧に応じて、振動部材６の軸方向に伸縮するようになっている。圧電素子５が伸縮すると、振動部材６は軸方向に往復移動する。摩擦係合部材７は、振動部材６が緩慢に移動する場合には、振動部材６に摩擦係合したままともに移動するが、振動部材６が急峻に移動すると、その慣性力によってその場に留ろうとして、振動部材６の上ですべり移動する。

駆動回路４は、制御回路３の制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によってオン／オフさせられる４つのトランジスタ８，９，１０，１１と、保護抵抗１２とを備える。トランジスタ８は、オンすることで電源２の電圧を保護抵抗１２を介して圧電素子５の電極５ａに印加するｐチャネル型ＦＥＴからなる充電スイッチング素子であり、トランジスタ９は、オンすることで電極５ａを保護抵抗１２を介して接地するｎチャネル型ＦＥＴからなる放電スイッチング素子である。また、トランジスタ１０は、オンすることで電源２の電圧を電極５ｂに印加するｐチャネル型ＦＥＴからなる充電スイッチング素子であり、トランジスタ１１は、オンすることで電極５ｂを接地するｎチャネル型ＦＥＴからなる放電スイッチング素子である。

制御回路３は、トランジスタ８，９，１０，１１をそれぞれ駆動する周期的な矩形波状の制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を出力するが、制御信号Ｓ１と制御信号Ｓ２が同じ波形であり、制御信号Ｓ３と制御信号Ｓ４とは、制御信号Ｓ１，Ｓ２の反転出力である。これにより、制御回路３は、トランジスタ８とトランジスタ１１とが同時にオンし、トランジスタ９とトランジスタ１０とがトランジスタ８，１１がオフのときにオンするように駆動回路を制御する。つまり、駆動回路４は、圧電素子５の電極５ａ，５ｂのいずれか一方に電源２の電圧Ｖｐ（Ｖ）を印加しながら他方を接地し、電圧Ｖｐ（Ｖ）を印加する電極５ａ，５ｂを交互に切り替えるフルブリッジ回路である。

制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の駆動周期をＴ（秒）とすると、例えば、トランジスタ８，１１は、０．７Ｔ（秒）のオンと０．３Ｔ（秒）のオフとを繰り返し、トランジスタ９，１０は、０．７Ｔ（秒）のオフと０．３Ｔ（秒）のオンとを繰り返す。これによって、圧電素子５の電極５ａ−５ｂ間には、＋Ｖｐ（Ｖ）が０．７Ｔ（秒）、−Ｖｐ（Ｖ）が０．３Ｔ（秒）、繰り返し印加される。この場合、圧電素子５および振動部材６の機械的な遅れによって、振動部材６は圧電素子５に押し出される方向と圧電素子５に引き戻される方向との移動速度に違いが生じ、摩擦係合部材７を振動部材６に対して一方向にだけすべり移動させて駆動する。

トランジスタ８，１１がオンする時間の比（デューティ比）は、摩擦係合部材７を移動させる速度に応じて変更されるようになっており、制御信号Ｓ１，Ｓ２と、制御信号Ｓ３，Ｓ４との出力時間比を入れ替えることによって、摩擦係合部材７がすべり移動する方向を逆転させることができる。

図２に、デューティ比を変えずに、保護抵抗１２の抵抗値Ｒ（Ω）を変化させたとき、抵抗値Ｒの変化が摩擦係合部材７の駆動速度に与える影響を測定した結果を示す。図示するように、保護抵抗１２の抵抗値Ｒが小さいときは、摩擦係合部材７の駆動速度に殆ど影響しないが、抵抗値Ｒが大きくなると、摩擦係合部材７の駆動速度が大きく減少し、抵抗値Ｒが駆動周期Ｔの１／２を圧電素子５の容量Ｃ（Ｆ）で除した値より大きいと摩擦係合部材７を駆動できなくなることが確認された。

これは、摩擦係合部材７が振動部材に対してすべり移動するのに利用可能な時間、つまり、駆動周期Ｔ（秒）の２分の１（例えば、駆動周波数１４０ｋＨｚで３．５７μ秒）より圧電素子５の容量Ｃ（例えば７０ｎＦ）と保護抵抗ＲとからなるＲＣ回路の時定数ＲＣが大きくなることで、圧電素子５に十分なエネルギーを供給できなくなることによるものとして説明される。厳密には、この時定数には、圧電素子５の内部抵抗ｒｃ（例えば０．５Ω）ｐチャネル型ＦＥＴからなるトランジスタ８，１０のオン抵抗ｒ１（例えば０．７Ω）およびｎチャネル型ＦＥＴからなるトランジスタ９，１１のオン抵抗ｒ２（例えば０．３Ω）も関与する。しかしながら、通常、このような駆動の限界点では、容量保護抵抗１２の抵抗値Ｒ（例えば約５０Ω）が圧電素子５の内部抵抗ｒｃやトランジスタ８，９，１０，１１のオン抵抗ｒ１，ｒ２に比して十分に大きいので、現実的には、保護抵抗１２の抵抗値Ｒのみを考慮すればよい。

圧電素子５は、電極５ａまたは５ｂに電源２から電荷が供給され反対側の電極５ｂまたは５ａには、接地点から逆極性の電荷が供給される。このとき、電極５ａ，５ｂに充電される電荷の流れ（電流）は、保護抵抗１２、トランジスタ８または１０のオン抵抗ｒ１およびトランジスタ１１または９のオン抵抗ｒ２および圧電素子５の内部抵抗ｒｃにおいてジュール損を生じ、熱を発生させる。

コンデンサと抵抗とを直列に接続したＲＣ回路において、圧電素子５には、１／２ＣＶｐ^２（Ｊ）のエネルギーが蓄積され、圧電素子５を充電するための充電電流は、抵抗Ｒ，ｒ１，ｒ２，ｒｃにおいて、蓄積するエネルギーに等しい１／２ＣＶｐ^２（Ｊ）の熱を発生させる。また、同様に、圧電素子５に蓄積されたエネルギーは、放電の際、抵抗Ｒ，ｒ１，ｒ２，ｒｃにおいて消費されて熱を生じる。つまり、抵抗Ｒ，ｒ１，ｒ２，ｒｃは、トランジスタ８，９，１０，１１のオン／オフを切り替えるたびに、ＣＶｐ^２（Ｊ）のエネルギーをその抵抗の比に比例して分担し、それぞれ熱に変換する。

このため、圧電素子５およびトランジスタ８，９，１０，１１における発熱を低減するためには、保護抵抗１２の抵抗値Ｒを大きくすればよい。特に、トランジスタ８，９，１０，１１における発熱を半分以下に抑えるには、保護抵抗１２の抵抗値Ｒを、トランジスタ８，９，１０，１１のうちで同時に有効になるトランジスタ８，１１または９，１０の抵抗値の和（ｒ１＋ｒ２）より大きくすればよい。

本実施形態の駆動装置１において、制御回路３は、トランジスタ８，１１とトランジスタ９，１０とを切り替える際、２つの充電スイッチング素子であるトランジスタ８，１０を同時にオフ状態にし、２つの放電スイッチング素子であるトランジスタ９，１１を同時にオン状態にすることで、圧電素子５の両電極５ａ，５ｂを短絡させるショートフェーズを設けるようにしてもよい。

これによって、一方の電極に蓄積されている電荷の一部（最大で半分）を、保護抵抗１２およびトランジスタ９，１１を介して他方の電極に移動させることで、電源２の電力消費を低減することができる。また、このショートフェーズにおいても、充放電に伴う電流のジュール損の多くを保護抵抗１２で発生させることができ、トランジスタ９，１１の発熱を低減できる。

本実施形態では、保護抵抗１２を、トランジスタ８，９と電極５ａとの間の電路に設けているが、トランジスタ１０，１１と電極５ｂとの間の電路（図中の点Ａ）に設けても効果は同じである。また、ショートフェーズを設けない場合は、電源２とトランジスタ８，１０との間の電路（図中の点Ｂ）や、トランジスタ９，１１と接地点との間の電路（図中の点Ｃ）に保護抵抗１２を配設してもよい。また、これらの電路に保護抵抗１２を複数に分割して配設してもよい。

さらに、図３に、本発明の第２実施形態の駆動装置１の構成を示す。本実施形態の説明において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、説明を省略する。本実施形態の駆動回路４は、充電スイッチング素子である１つのトランジスタ８と、放電スイッチング素子である１つのトランジスタ９とを備え、圧電素子５の電極５ａが電源２または接地点に接続され、電極５ｂが常に接地されているハーフブリッジ回路である。

本実施形態では、小さな入力電流でトランジスタ８をスイッチングできるように、バイポーラトランジスタ１３と複数の抵抗１４，１５，１６，１７，１８を備えているが、制御信号Ｓ１によってトランジスタ８がオン／オフし、制御信号Ｓ２によってトランジスタ９がオン／オフすることに変わりはない。

本実施形態においても、保護抵抗１２により、その抵抗の比に応じて圧電素子５の充放電に伴う発熱を分担することで、圧電素子５やトランジスタ８，９の過熱を防止することができる。

本実施形態においても、保護抵抗１２を、トランジスタ８，９と電極５ａとの間の電路（点Ｄ）や、電極５ｂと接地点との間の電路（点Ｅ）に設けてもよい。

本実施形態において、圧電素子５をレンズユニットの筐体に固定し、摩擦係合部材７にレンズを保持すれば、素子固定式のレンズ移動機構になる。また、圧電素子５を移動ステージに固定し、摩擦係合部材７を筐体に固定すれば、振動部材６および圧電素子５が摩擦係合部材７に対して移動（摩擦係合部材７が相対的に振動部材６に対してすべり変位）して移動ステージを駆動する、自走式のステージ移動機構となる。

Claims (5)

1. 電圧が印加されると伸縮する圧電素子と、
   前記圧電素子に一端が固定され、前記圧電素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、
   前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復変位によって、前記振動部材に対してすべり変位する摩擦係合部材と、
   電源に接続され、前記圧電素子に前記電源の電圧を所定の駆動周期で印加する駆動回路とを有し、
   前記駆動回路は、前記圧電素子の電極を前記電源に接続する充電スイッチング素子と、
   前記圧電素子の前記電極を接地する放電スイッチング素子と、
   前記電源と前記圧電素子との間の電路、および、前記圧電素子と接地点との間の電路の少なくともいずれかに配設された保護抵抗と、を備え、
   前記保護抵抗の抵抗値は、前記スイッチング素子のオン抵抗より大きく、前記スイッチング素子の駆動周期の１／２を前記圧電素子の容量で除した値よりも小さいことを特徴とする駆動装置。
2. 前記保護抵抗は、前記電源と前記圧電素子との間の電路、および、前記圧電素子と前記接地点との間の電路の複数の位置にそれぞれ配設されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の駆動装置。
3. 前記駆動回路は、前記圧電素子の任意の電極を選択して前記電源電圧を印加できるフルブリッジ回路であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の駆動装置。
4. 前記保護抵抗は、前記充電スイッチング素子と前記圧電素子との間、および、前記放電スイッチング素子と前記圧電素子との間の少なくともいずれかに配設されていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の駆動装置。
5. 前記駆動回路は、前記圧電素子の前記電極を前記電源に接続する２つの充電スイッチング素子と、
   前記圧電素子の前記電極を接地する２つの放電スイッチング素子と、を備え、
   前記駆動回路は、前記圧電素子の充電動作と放電動作を切替える際、
   所定の期間、前記２つの充電スイッチング素子を同時に非導通とし、前記２つの放電スイッチング素子を同時に導通させることを特徴とする請求の範囲第1項乃至第４項のいずれか１項に記載の駆動装置。