JP2005237145A

JP2005237145A - 圧電素子の駆動回路

Info

Publication number: JP2005237145A
Application number: JP2004044536A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Hoshino; 隆之干野
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】圧電素子の振動幅を大きくすることができ、アクチュエータに用いた場合に係合部材の移動速度を速くすることができる圧電素子の駆動回路を提供する。
【解決手段】圧電素子２６に前記圧電素子の分極方向に正の方向から駆動電圧ＨＶを印加する第１スイッチ回路１４１と第２スイッチ回路１４２とを含む第１の駆動回路と、前記圧電素子２６に前記圧電素子の分極方向に負の方向から駆動電圧Ｖを印加する第３スイッチ回路１４３と第４スイッチ回路１４４とを含む第２の駆動回路とを備え、前記第１の駆動回路に供給する駆動電圧ＨＶの絶対値が前記第２の駆動回路に供給する駆動電圧Ｖの絶対値よりも大きくする。
【選択図】図３

Description

本発明は、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、固定磁気ディスク装置のヘッド送り等の駆動に適した圧電アクチュエータ等に用いられる圧電素子を駆動させるための駆動回路に関する。

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で摩擦係合させると共に、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が知られている。例えば、図１２は、カメラの撮影レンズ位置を調節するための圧電アクチュエータの概略構成を示す図であり、図１３は圧電アクチュエータの駆動部材の変位の例を示す図である。

図１２の圧電アクチュエータ１００は、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に所定の摩擦力で摩擦係合された係合部材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。

圧電素子１０１は、駆動回路１０４によって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駆動部材１０２の軸方向における一方端に固着されている。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。

この圧電アクチュエータに用いられる駆動回路は、例えば、特開２０００−３５０４８２号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に開示されている駆動回路は、図１４に示すように、Ｈ型ブリッジ回路で構成され、駆動用Ｐチャンネル型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）７１、７３、駆動用Ｎチャンネル型ＦＥＴ７２、７４を備えている。各ＦＥＴは制御回路１０４ａにその制御端子が接続されており、制御回路１０４ａからの制御信号を受けて各ＦＥＴ７１〜７４の導通状態及び遮断状態の切り替えを行う。

図１５は図１２の圧電アクチュエータの動作シーケンスを表すタイミングチャートであり、各ＦＥＴのゲート対地電池と圧電素子１０１に印加される電圧を示している。Ｐチャンネル型ＦＥＴ（７１、７３）はゲート電圧が０（ｖ）の場合に導通状態となり、ゲート電圧がＥ（ｖ）の場合に遮断状態となる。Ｎチャンネル型ＦＥＴ（７２、７４）はゲート電圧が０（ｖ）の場合に遮断状態となり、ゲート電圧がＥ(ｖ)の場合に導通状態となる。例えば図１５における期間Ａの場合、ＦＥＴ７３のゲート対地電圧がＶ、ＦＥＴ７１のゲート対地電圧が０（ｖ）、ＦＥＴ７４のゲート対地電圧が０（ｖ）、ＦＥＴ７２のゲート対地電圧がＶなので、ＦＥＴ７１とＦＥＴ７２のみが導通状態になり、圧電素子１０１には＋Ｖの電圧が印加される。逆に期間Ｂの場合、ＦＥＴ７３と７４のみが導通状態になるので、電圧素子１０１には−Ｖの電圧が印加される。以上のように、図１５のタイミングチャートから圧電素子１０１の両端には電源電圧Ｖの２倍の交流電圧が印加されることになる。
特開２０００−３５０４８２号公報

しかし、従来の圧電アクチュエータは、駆動部材１０２の変位が小さく係合部材１０３の移動速度を大きくすることができないという問題があった。ここで、係合部材１０２の移動速度は、圧電素子の駆動周波数及び変形量にほぼ比例する関係を有する。また、圧電素子の変形量は駆動電圧を高くすることにより大きくすることができるため、係合部材の移動速度を高くするためには、駆動周波数もしくは駆動電圧を高くすることにより実現することができそうである。

しかし、駆動周波数を高くすることについては、圧電素子１０１と駆動部材１０２からなる弾性体としての機械共振特性から駆動周波数には上限が存在し、あまり高くすることはできない。一方、電圧を高くすることについては、例えば、図１４の駆動回路では圧電素子１０１の両電極に電源電圧Ｖが正方向と負方向に印加されるため、分極方向に対し負方向に大きな電圧を印加すると分極が解除されアクチュエータとして機能しなくなるという問題が発生する。

図１６は圧電素子１０１の電界誘起歪み特性を示す図である。圧電素子１０１をアクチュエータとして使用する場合、歪みＡ点までの高電界を印加し図示するようなヒステリシス特性を持たせる。（以下、これを分極という。）分極後は図中のＬ１に示すように、電界を印加しない状態でも歪み履歴が残る歪み特性を有し、分極電界Ｅｍよりも小さい交番電界（±Ｖ）を印加することによって、図１６のａ点からｂ点のような印加電界と歪みがほぼ直線相関がある歪みが発生し、印加電圧に応じた変位が得られる。一方、負に印加される電界−Ｖが抗電界−Ｅｘを越えると図示のヒステリシス特性は変化し、分極が解除された状態となってしまう。この分極解除を防止するために、印加する分極方向の負電圧には限界があり、印加電圧が負の抗電界を越えないように駆動電圧を設定する必要があった。このため、駆動回路に印加される駆動電圧の幅は分極方向に対して負の駆動電圧の大きさによる制限を受け、得られる圧電素子の歪みは図１６のＬで示す範囲に限られていた。

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、圧電素子の振動幅を大きくすることができ、アクチュエータに用いた場合に係合部材の移動速度を速くすることができる圧電素子の駆動回路を提供することである。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の圧電素子の駆動回路を提供する。

本発明の第１態様によれば、駆動電圧が印加されることにより伸縮する圧電素子を駆動する駆動回路であって、
前記圧電素子に前記圧電素子の分極方向に正の方向から駆動電圧を印加する第１の駆動回路と、前記圧電素子に前記圧電素子の分極方向に負の方向から駆動電圧を印加する第２の駆動回路と、前記第１の駆動回路に供給する駆動電圧の絶対値が前記第２の駆動回路に供給する駆動電圧の絶対値よりも大きくなるように前記第１の駆動回路及び第２の駆動回路に駆動電圧を供給する電圧供給手段とを備えることを特徴とする、圧電素子の駆動回路を提供する。

上記構成において、分極方向とは、圧電素子を利用する前に電界を印加しない状態でも歪み履歴が残る歪み特性を有するように分極電界を印加する方向である。圧電素子に駆動電圧を印加する２つの駆動回路のうち第１の駆動回路により分極方向の駆動電圧が印加され、第２の駆動回路により分極方向に負の方向から駆動電圧が印加される。第１の駆動回路により印加される駆動電圧は、第２の駆動回路により印加される駆動電圧より大きくなるように電圧供給手段は両駆動回路に駆動電圧を供給する。したがって、第１の駆動回路により分極方向の駆動電圧が印加された場合、圧電素子は大きく変形し、全体として圧電素子の変形量が増大する。

本発明の第２態様によれば、前記第１の駆動回路は、一方端が電源供給手段の第１の電極に接続され他方端が前記圧電素子の一方端に接続された第１スイッチ手段と、一方端が前記圧電素子の他方端に接続され他方端が電源供給手段の第２の電極に接続された第２スイッチ手段とを含み、
前記第２の駆動回路は、一方端が前記電源供給手段の前記第１の電極に接続され他方端が前記圧電素子の他方端に接続された第３スイッチ手段と、一方端が前記圧電素子の一方端に接続され他方端が電源供給手段の第２の電極に接続された第４スイッチ手段とを含むことを特徴とする、第１態様の圧電素子の駆動回路を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記第１の駆動回路は、一方端が電源供給手段の第１の電極に接続され他方端が前記圧電素子の一方端に接続された第５スイッチ手段を含み、
前記第２の駆動回路は、一方端が前記電源供給手段の前記第２の電極に接続され他方端が前記圧電素子の一方端に接続された第６スイッチ手段とを含み、
前記圧電素子の他方端は、前記電源供給手段の第１の電極の電位と第２の電極の電位の間の電位を持つ第３の電極に接続されていることを特徴とする、第１態様の圧電素子の駆動回路を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記第２の駆動回路により印加される駆動電圧の絶対値は、前記圧電素子の電解誘起歪み特性によって決定される抗電界に圧電素子の変位方向厚さを乗じた値よりも小さく、前記第１の駆動回路により印加される駆動電圧の絶対値は、前記抗電界よりも大きいことを特徴とする、第１から第３態様の圧電素子の駆動回路を提供する。上記構成によれば、分極方向に負の方向の駆動電圧が印加されたとしても、圧電素子の分極が解除されることがなく、圧電素子を破壊することがない。また、分極方向駆動電圧は、抗電界よりも大きいため、圧電素子の変形量を大幅に大きくすることができる。

本発明の第５態様によれば、前記圧電素子が、該圧電素子の伸縮方向における一方端に固着された駆動部材と、該駆動部材に摩擦係合された係合部材とを備えて前記駆動部材を伸びと縮みが異なる速度となるように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圧電アクチュエータにおいて使用される圧電素子であることを特徴とする第１から第４態様の圧電素子の駆動回路を提供する。

本発明の圧電素子の駆動回路によれば、圧電素子を必要に応じて様々な態様で容易に設計変更することができる。例えば、分極方向に正の方向にのみ高い駆動電圧を印加するように構成されているため、圧電素子の変形量を大きくすることができる。また、一般に、分極方向に負の方向の駆動電圧を小さくしたとして何らかの事情により分極方向に負の方向に高電圧が印加されることによって分極解消による圧電素子が破壊する危険性を小さくすることができるが、この場合でも、正の方向に印加される駆動電圧をその分大きくすることによって、変形量が小さくなることがない。

また、駆動回路を、第１スイッチ手段及び第２スイッチ手段とを含む第１の駆動回路と第３スイッチ手段及び第４スイッチ手段とを含む第２の駆動回路から構成されたＨ型ブリッジ回路や、第５スイッチ手段を含む第１の駆動回路と第６スイッチ手段を含む第２の駆動回路から構成されたハーフブリッジ回路とすることによって、圧電素子に印加される電圧が、第１駆動回路の高い駆動電圧と第２駆動回路からの低い駆動電圧のみが印加されることとなるため、駆動電圧と変形量との間の関係が正比例ではなくても当該圧電素子をアクチュエータ等に用いることができる。

また、負方向の駆動電圧を抗電界を超えないようにし、正方向の駆動電圧を抗電界をこえるようにすることによって、圧電素子の分極が解除されて圧電素子が破壊されることを防止することができる一方、圧電素子の変形量を大きくすることができる。したがって、この圧電素子を例えば、圧電アクチュエータに用いた場合においては、係合部材の移動速度を速くすることができる。

以下、本発明の圧電素子の駆動回路を用いた一実施形態に係る圧電アクチュエータについて、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るインパクト型圧電アクチュエータの基本構成を示す概略図である。図１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係合部材であるスライダ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。

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、棒状の駆動軸２８及びスライダ３０から構成されている。

支持部材２４は、圧電素子２６及び駆動軸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、駆動軸２８とスライダ３０の一部とが収容されている。

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示しない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には中心位置に貫通孔が設けられ、これらの貫通孔を貫通して断面丸形状の棒状の駆動軸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。

駆動軸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、駆動軸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により所定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による駆動軸２８への付勢は、圧電素子２６の伸縮動作に基づく駆動軸２８の軸方向変位を安定化させるためである。

スライダ３０は、駆動軸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が駆動軸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軸２８に接触することでスライダ３０が所定の摩擦力で駆動軸２８に結合され、スライダ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軸２８の軸方向に沿って移動可能とされている。なお、スライダ３０には駆動対象物であるレンズＬ（図１参照）が取り付けられている。

部材センサ１６は、スライダ３０の移動可能範囲内に配設されており、ＭＲ（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、スライダ３０の位置が部材センサ１６により検出されることでスライダ３０の所定位置への移動制御が可能となる一方、スライダ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スライダ３０がそれ以上移動することが禁止される。

図３は、駆動回路１４の構成例を示す図である。図３に示すように、駆動回路１４は、駆動電圧ＨＶが供給される接続点ａ１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Ｑ４からなる第４スイッチ回路１４４の直列回路が接続されると共に、駆動電圧Ｖが供給される接続点ａ２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Ｑ２からなる第２スイッチ回路１４２の直列回路が接続され、各スイッチ回路１４１〜１４４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。

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４スイッチ回路１４４の接続点ｃと、第３スイッチ回路１４３及び第２スイッチ回路１４２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。

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２スイッチ回路１４２は圧電素子２６に対し、その分極方向に正の方向から駆動電圧ＨＶを印加して端子間電圧Ｖｓが＋ＨＶとなるまで充電する第１の駆動回路を構成し、第４スイッチ回路１４４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、分極方向に対して負の方向から）駆動電圧ＨＶよりも低い駆動電圧Ｖを印加して端子間電圧Ｖｓが−Ｖとなるまで充電する第２の駆動回路を構成する。

図４は、図３の駆動回路に電圧が異なる駆動電圧を供給する電圧供給回路の構成例を示す図である。図４は電圧供給のために複数の電池を直列に接続した直流バッテリを用いた例である。バッテリ５０は複数の電池が直列に接続して構成され、その正極側端子ｘと負極側端子ｚとの間に端子ｙが設けられている。ｘｙ間の電圧ＨＶはｙｚ間の電圧Ｖよりも高くなるように構成されている。正極側端子ｘは駆動回路１４のａ１点に、負極側端子ｚは駆動回路１４のｂ点に、中間端子ｙは駆動回路１４のａ２点にそれぞれ接続される。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−Ｖ〜＋ＨＶの電圧が印加される。

圧電アクチュエータの制御部２２（図１参照）は、演算処理を行うＣＰＵ、処理プログラム及びデータが記憶されたＲＯＭ及びデータを一時的に記憶するＲＡＭ等を備え、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。

次に、駆動回路１４の動作原理について説明する。図５は、駆動回路１４の駆動電圧のパルス波形を示す図であり、（ａ）はデューティ比Ｄ（Ｄ＝Ｂ／Ａ）が０．３になるように設定されたもの、（ｂ）はデューティ比Ｄ（Ｄ＝Ｂ／Ａ）が０．７になるように設定されたものである。後述するように、図５（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スライダ３０が駆動軸２８に沿って繰出方向（圧電素子２６から離反する方向）に移動し、図５（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スライダ３０が駆動軸２８に沿って戻り方向に移動する。

なお、矩形波からなる駆動電圧のデューティ比とスライダ３０の移動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。すなわち、デューティ比Ｄが０．０５〜０．４５の範囲内（０．０５＜Ｄ＜０．４５）にあるときには、スライダ３０は繰出方向に移動し、デューティ比Ｄが０．５５〜０．９５の範囲内（０．５５＜Ｄ＜０．９５）にあるときには、スライダ３０は戻り方向に移動する。従って、デューティ比Ｄは、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。

図７は、圧電素子に印加される駆動回路からの駆動電圧のパルス波形と、圧電素子の伸縮による変位との対応関係を示す図で、（ａ）は図５（ａ）に示す駆動電圧が印加された場合であり、（ｂ）は図５（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。このように、圧電素子２６に図５（ａ）に示すデューティ比０．３の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５（ｂ）に示すデューティ比０．７の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る。

圧電素子２６の変位が図７（ａ）に示すような緩やかな立ち上がり部を有し、緩やかに伸長するときは、スライダ３０が駆動軸２８と共に繰出方向に移動する。一方、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し、圧電素子２６が急激に縮小するときは、駆動軸２８が戻り方向に移動してもスライダ３０は駆動軸２８との摩擦力に打ち勝って略同じ位置に留まり移動しない。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、スライダ３０は繰出方向に間欠的に移動することになる。

また、逆に圧電素子２６の変位が図７（ｂ）に示すような急峻な立ち上がりと緩やかな立下り部を有するときは、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、スライダ３０は戻り方向に間欠的に移動する。

図８は、本発明に係る圧電アクチュエータ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、図４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している。上述したように圧電素子２６に印加される駆動電圧は、矩形波からなるものであり、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に設定される。

次に本発明の圧電アクチュエータ１０に適用される駆動回路１４の駆動動作について説明する。図８は、本発明の実施形態である圧電アクチュエータの動作シーケンスを示すタイミングチャートである。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２が共にオンになる期間（このとき、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４は共にオフ）を期間と、この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）とを備える。

図８に示すように、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２が共にオンになる期間では、制御回路１４５からハイレベルの駆動制御信号Ｓｃ２，Ｓｃ３がスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３に入力され、ローレベルの駆動制御信号Ｓｃ１，Ｓｃ４がスイッチ素子Ｑ１，Ｑ４に入力される。また、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４が共にオンになる期間では、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、ハイレベルの駆動制御信号Ｓｃ１，Ｓｃ４がスイッチ素子Ｑ１，Ｑ４に入力される。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，Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ４，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，Ｑ２がオンのときには圧電素子２６は＋ＨＶに充電され、スイッチ素子Ｑ４，Ｑ３がオンのとき（期間Ｂ）には圧電素子２６は−Ｖに充電される。

このように圧電素子２６の分極方向により大きい駆動電圧が印加されるため、圧電素子２６の変形量が増大し、その結果駆動軸２８の振動幅が大きくなる。駆動軸２８の振動幅が増大することにより、一回の振動によってスライダの移動量も大きくなり、スライダの移動速度を速くすることができる。

図９は、本実施形態にかかる圧電素子の駆動回路の動作原理を説明するための圧電素子の電界誘起歪み特性を示す図である。上述のように、圧電素子をアクチュエータとして使用する場合、歪みＡ点まで高電界を印加して分極させ、ヒステリシス特性を持たせる。この状態で、−Ｖ〜ＨＶまでの間で駆動電圧を印可した場合、圧電素子の歪みは、印加電界と相関があるため、図１６のａ点からｃ点の範囲で歪みＭが発生し、駆動電圧を−Ｖから＋Ｖまでの範囲で印可した場合のａ点からｂ点の範囲で発生する歪みＬよりも大きくなる。なお、このとき、分極方向の駆動電圧ＨＶは、分極側の抗電界Ｅｘよりも大きくしても分極解除による圧電素子の破壊を引き起こすことがない。これに対して、分極方向に対して負の方向の駆動電圧も大きくすることによって圧電素子の変位量を大きくすることができる一方、あまりに大きくすると分極解除に対する信頼性が低下することとなる。すなわち、分極方向に対して負の方向の駆動電圧は、圧電素子の分極を解除しないように圧電素子の抗電界−Ｅｘに圧電材料の変位方向厚さを乗じた値を越えないようにする必要がある。なお、駆動電圧ＨＶは、駆動電圧Ｖに対して絶対値で概ね２〜３倍程度の範囲とすることが好ましい。

図１０は、駆動回路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、駆動電源から駆動電圧＋ＨＶが供給される接続点ａ１と圧電素子の分極方向側電極と接続される接続点ｂとの間にＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｑ５からなる第５スイッチ回路１４７及び圧電素子が直列に接続されると共に、駆動電源から駆動電圧−Ｖが供給される接続点ａ２と圧電素子の分極方向側電極と接続される接続点ｂとの間にＭＯＳ型ＦＥＴであるスイッチ素子Ｑ６からなる第６スイッチ回路１４８が接続されて構成されている。

各スイッチ回路１４７，１４８に駆動制御信号Ｓｃ５，Ｓｃ６を供給する制御信号供給手段としての制御回路１４５ａが接続されて構成されている。なお、この制御回路１４５ａ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。第５スイッチ回路１４７を構成するスイッチ素子Ｑ５はＰチャネルＦＥＴであり、第６スイッチ回路１４８を構成するスイッチ素子Ｑ６はＮチャネルＦＥＴである。

このように構成された駆動回路１４’において、第５スイッチ回路１４７は圧電素子２６に対し、その分極方向に正の方向から駆動電圧ＨＶを印加して端子間電圧Ｖｓが＋ＨＶとなるまで充電する第１の駆動回路を構成し、第６スイッチ回路１４８は圧電素子２６に対し、その他方側から（すなわち、分極方向に対して負の方向から）駆動電圧ＨＶよりも低い駆動電圧Ｖを印加して端子間電圧Ｖｓが−Ｖとなるまで充電する第２の駆動回路を構成する。圧電素子は、分極方向側端子をｂ点に接続し、他端を接地する。

図１１は、図１０の駆動回路に電圧が異なる駆動電圧を供給する電圧供給回路の構成例を示す図である。図１１は電圧供給のために複数の電池を直列に接続した直流バッテリを用いた例である。バッテリ５０は複数の電池が直列に接続して構成され、その正極側端子ｘと負極側端子ｚとの間に端子ｙが設けられている。ｘｙ間の電圧ＨＶはｙｚ間の電圧Ｖよりも高くなるように構成されている。正極側端子ｘは駆動回路１４のａ１点に、負極側端子ｚは駆動回路１４のｂ点にそれぞれ接続される。中間端子ｙは、圧電素子の他端に接続され、接地される。

圧電アクチュエータの制御部２２（図１参照）は、演算処理を行うＣＰＵ、処理プログラム及びデータが記憶されたＲＯＭ及びデータを一時的に記憶するＲＡＭ等を備え、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１４５ａ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。このように駆動回路１４を構成した場合、圧電素子２６には−Ｖ〜＋ＨＶの電圧が印加され、分極方向に高い駆動電圧が印加されることによって、圧電素子の変位量を大きくすることができ、スライダの移動速度を速くすることができる。

以上説明したように、上記実施形態にかかる圧電アクチュエータによれば、第１及び第２の駆動回路に印加される駆動電圧の大きさを異ならせ、その範囲を圧電素子の分極方向についてのみ大きく、圧電素子に印加される駆動電圧の幅を大きくすることにより、圧電素子の変位量を大きくすることができる。また、負方向の抗電界を超えた駆動電圧が圧電素子に印加され圧電素子の分極が解除されて圧電素子が破壊されることがない。したがって、係合部材であるスライダの移動速度を速くすることができる。

例えば、上記実施形態にかかるアクチュエータを３．５インチの固定磁気ディスク装置のヘッド送り機構に応用した場合、これらのディスク装置には１２Ｖと５Ｖの電源が供給されているため、ＨＶを１２Ｖ、Ｖを５Ｖとすることによって、ヘッドの送り速度を高くできる。

また、負方向に印加される駆動電圧が−５Ｖとなる場合駆動電圧の限界値（抗電界）を−１０Ｖ程度となるように圧電素子を設計する。この場合、印加する負電圧が限界値に近い程、圧電素子１両端電圧は大きくなり、速度向上が期待できるが、一方で、分極解除に対する信頼性が低下するというバランスの関係がある。上記実施形態においては、分極方向に対して負の方向に印加される電圧を小さくしたまま、正方向のみの駆動電圧を大きくすることによって、移動速度を速くすることができる一方で、分極解除による圧電素子の破壊の可能性を低くすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。例えば、上記実施形態では、圧電素子を圧電アクチュエータに用いた場合について説明したが他の装置に用いることもできる。

また、圧電素子を圧電アクチュエータに用いた場合、上記実施形態では圧電アクチュエータは係合部材であるスライダが移動し、圧電素子が固定式に構成されているがこの構成のアクチュエータのほかに、係合部材が固定され圧電素子が支持部材と共に移動可能に構成されているものであってもよい。

本発明の実施形態に係るインパクト型圧電アクチュエータの基本構成を示す概略図である。図１の圧電アクチュエータの駆動部の構成例を示す斜視図である。図１の圧電アクチュエータの駆動回路の構成例を示す図である。図３の駆動回路に電圧が異なる駆動電圧を供給する電圧供給回路の構成例を示す図である。図１の圧電アクチュエータの駆動回路の駆動電圧のパルス波形を示す図である。矩形波からなる駆動電圧のデューティ比とスライダの移動方向との関係を示すグラフである。圧電素子に印加される駆動回路からの駆動電圧のパルス波形と、圧電素子の伸縮による変位との対応関係を示す図であり、（ａ）は図５（ａ）に示す駆動電圧が印加された場合であり、（ｂ）は図５（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。図１の圧電アクチュエータの動作シーケンスを示すタイミングチャートである。本実施形態にかかる圧電素子の駆動回路の動作原理を説明するための圧電素子の電界誘起歪み特性を示す図である。図１の圧電アクチュエータの駆動回路の別の構成例を示す図である。図１０の駆動回路に電圧が異なる駆動電圧を供給する電圧供給回路の構成例を示す図である。カメラの撮影レンズ位置を調節するための圧電素子を用いた圧電アクチュエータの概略構成を示す図である。図１２の圧電アクチュエータの駆動部材の変位を示す図である。図１２の圧電アクチュエータの駆動回路を示す図である。図１２の圧電アクチュエータの別の動作シーケンスを表すタイミングチャートである。圧電素子の電界誘起歪み特性を示す図である。

符号の説明

１０圧電アクチュエータ
１２駆動部
１４、１４’ 駆動回路
２２制御部
２４支持部材
２６圧電素子
２８駆動軸（駆動部材）
３０スライダ（係合部材）
１４１第１スイッチ回路
１４２第２スイッチ回路
１４３第３スイッチ回路
１４４第４スイッチ回路
１４７第５スイッチ回路
１４８第６スイッチ回路
Ｑ１〜Ｑ６スイッチ素子

Claims

駆動電圧が印加されることにより伸縮する圧電素子を駆動する駆動回路であって、
前記圧電素子に前記圧電素子の分極方向に正の方向から駆動電圧を印加する第１の駆動回路と、前記圧電素子に前記圧電素子の分極方向に負の方向から駆動電圧を印加する第２の駆動回路と、前記第１の駆動回路に供給する駆動電圧の絶対値が前記第２の駆動回路に供給する駆動電圧の絶対値よりも大きくなるように前記第１の駆動回路及び第２の駆動回路に駆動電圧を供給する電圧供給手段とを備えることを特徴とする、圧電素子の駆動回路。
前記第１の駆動回路は、一方端が電源供給手段の第１の電極に接続され他方端が前記圧電素子の一方端に接続された第１スイッチ手段と、一方端が前記圧電素子の他方端に接続され他方端が電源供給手段の第２の電極に接続された第２スイッチ手段とを含み、
前記第２の駆動回路は、一方端が前記電源供給手段の前記第１の電極に接続され他方端が前記圧電素子の他方端に接続された第３スイッチ手段と、一方端が前記圧電素子の一方端に接続され他方端が電源供給手段の第２の電極に接続された第４スイッチ手段とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の圧電素子の駆動回路。
前記第１の駆動回路は、一方端が電源供給手段の第１の電極に接続され他方端が前記圧電素子の一方端に接続された第５スイッチ手段を含み、
前記第２の駆動回路は、一方端が前記電源供給手段の前記第２の電極に接続され他方端が前記圧電素子の一方端に接続された第６スイッチ手段とを含み、
前記圧電素子の他方端は、前記電源供給手段の第１の電極の電位と第２の電極の電位の間の電位を持つ第３の電極に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電素子の駆動回路。
前記第２の駆動回路により印加される駆動電圧の絶対値は、前記圧電素子の電解誘起歪み特性によって決定される抗電界に圧電素子の変位方向厚さを乗じた値よりも小さく、前記第１の駆動回路により印加される駆動電圧の絶対値は、前記抗電界よりも大きいことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の圧電素子の駆動回路。
前記圧電素子が、該圧電素子の伸縮方向における一方端に固着された駆動部材と、該駆動部材に摩擦係合された係合部材とを備えて前記駆動部材を伸びと縮みが異なる速度となるように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圧電アクチュエータにおいて使用される圧電素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の圧電素子の駆動回路。