JP2005237145A - 圧電素子の駆動回路 - Google Patents
圧電素子の駆動回路 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005237145A JP2005237145A JP2004044536A JP2004044536A JP2005237145A JP 2005237145 A JP2005237145 A JP 2005237145A JP 2004044536 A JP2004044536 A JP 2004044536A JP 2004044536 A JP2004044536 A JP 2004044536A JP 2005237145 A JP2005237145 A JP 2005237145A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric element
- drive
- drive circuit
- voltage
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Lens Barrels (AREA)
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
【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。
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。
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。
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。
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
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 (5)
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004044536A JP2005237145A (ja) | 2004-02-20 | 2004-02-20 | 圧電素子の駆動回路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004044536A JP2005237145A (ja) | 2004-02-20 | 2004-02-20 | 圧電素子の駆動回路 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005237145A true JP2005237145A (ja) | 2005-09-02 |
Family
ID=35019539
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004044536A Pending JP2005237145A (ja) | 2004-02-20 | 2004-02-20 | 圧電素子の駆動回路 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005237145A (ja) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007109979A (ja) * | 2005-10-14 | 2007-04-26 | Konica Minolta Opto Inc | 半導体光源モジュール |
JP2007109978A (ja) * | 2005-10-14 | 2007-04-26 | Konica Minolta Opto Inc | 半導体光源モジュール |
JP2009033837A (ja) * | 2007-07-26 | 2009-02-12 | Mitsumi Electric Co Ltd | 圧電アクチュエータの駆動方法 |
JP2010206877A (ja) * | 2009-02-27 | 2010-09-16 | Hitachi Maxell Ltd | 駆動装置、カメラモジュール、レンズ部品、及び駆動装置の制御方法 |
JP2011036049A (ja) * | 2009-08-03 | 2011-02-17 | Saitama Univ | 超音波発生装置及び超音波発生方法 |
JP2011120403A (ja) * | 2009-12-04 | 2011-06-16 | Fujifilm Corp | 駆動装置及び光学装置 |
JP2012238669A (ja) * | 2011-05-10 | 2012-12-06 | Advantest Corp | スイッチ装置および試験装置 |
-
2004
- 2004-02-20 JP JP2004044536A patent/JP2005237145A/ja active Pending
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007109979A (ja) * | 2005-10-14 | 2007-04-26 | Konica Minolta Opto Inc | 半導体光源モジュール |
JP2007109978A (ja) * | 2005-10-14 | 2007-04-26 | Konica Minolta Opto Inc | 半導体光源モジュール |
JP2009033837A (ja) * | 2007-07-26 | 2009-02-12 | Mitsumi Electric Co Ltd | 圧電アクチュエータの駆動方法 |
JP2010206877A (ja) * | 2009-02-27 | 2010-09-16 | Hitachi Maxell Ltd | 駆動装置、カメラモジュール、レンズ部品、及び駆動装置の制御方法 |
JP2011036049A (ja) * | 2009-08-03 | 2011-02-17 | Saitama Univ | 超音波発生装置及び超音波発生方法 |
JP2011120403A (ja) * | 2009-12-04 | 2011-06-16 | Fujifilm Corp | 駆動装置及び光学装置 |
JP2012238669A (ja) * | 2011-05-10 | 2012-12-06 | Advantest Corp | スイッチ装置および試験装置 |
US8841918B2 (en) | 2011-05-10 | 2014-09-23 | Advantest Corporation | Switching apparatus and test apparatus |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4470258B2 (ja) | 駆動装置 | |
JP5077403B2 (ja) | 駆動装置 | |
US6512321B2 (en) | Driving apparatus and method of using same | |
JP4209464B2 (ja) | 超音波アクチュエータ装置 | |
JP4804040B2 (ja) | インパクト駆動アクチュエータ | |
CN110609609A (zh) | 具有磁性预载荷设备的触觉致动器组件 | |
JP5185640B2 (ja) | 慣性駆動アクチュエータ | |
JP2005237145A (ja) | 圧電素子の駆動回路 | |
JP2004056914A (ja) | 駆動装置、その駆動装置を備えるレンズユニット及び撮影装置 | |
JP2005237144A (ja) | 圧電アクチュエータ | |
JP4626281B2 (ja) | 駆動装置および駆動方法 | |
JP4814948B2 (ja) | 振動型アクチュエータの制御装置 | |
JP5104925B2 (ja) | 駆動装置 | |
JP2008197220A (ja) | レンズ鏡胴駆動装置 | |
JP4706792B2 (ja) | 駆動装置 | |
JP4384012B2 (ja) | 静電アクチュエータ及びその駆動方法 | |
JP2008236820A (ja) | 駆動装置 | |
JP4804037B2 (ja) | インパクト駆動アクチュエータ | |
JP3722062B2 (ja) | 駆動装置 | |
JP3722050B2 (ja) | 駆動装置 | |
JP3722082B2 (ja) | 駆動装置 | |
IT1303664B1 (it) | Circuito elettronico di pilotaggio per attuatore bistabileattivato da piezoelettrici,particolarmente per dispositivi | |
JP4687314B2 (ja) | 駆動装置および駆動システム | |
JP3933460B2 (ja) | 駆動装置 | |
JP2010104231A (ja) | 駆動装置 |