JP4062293B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば圧電素子を利用した駆動装置に関し、特に、ＸＹ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、双眼鏡のレンズ等の駆動に適した駆動装置に関する。

従来、例えば下記特許文献１には、図７に示すような圧電アクチュエータ１が開示されている。この圧電アクチュエータ１では、圧電素子２と、直列に接続された４つのＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）４，６，８，１０とでブリッジ回路が構成されており、各ＦＥＴ４，６，８，１０のベースには制御回路１２から信号が入力されるようになっている。また、ＦＥＴ４，６間に電源１４が接続され、ＦＥＴ８，１０間で接地されている。

前記４つのＦＥＴ４，６，８，１０のうちＦＥＴ４，６は、Ｐチャンネル型ＦＥＴであり、制御回路１２からベースに入力される信号がハイレベルのとき遮断状態になる一方、
前記信号がローレベルのとき導通状態になる。これに対し、前記４つのＦＥＴ４，６，８，１０のうちＦＥＴ８，１０は、Ｎチャンネル型ＦＥＴであり、制御回路１２からベースに入力される信号がハイレベルのとき導通状態になる一方、前記信号がローレベルのとき遮断状態になる。

図８は、圧電アクチュエータ１の動作シーケンスを表すタイミングチャートであり、各ＦＥＴ４，６，８，１０のゲート電圧と圧電素子２に印加される駆動電圧を示す。図８における期間１では、Ｐチャンネル型ＦＥＴ６がゲートにＨ（Ｖ）のハイ信号が入力されて遮断状態に、Ｎチャンネル型ＦＥＴ１０がゲートにＨ（Ｖ）のハイ信号が入力されて導通状態に、Ｐチャンネル型ＦＥＴ４がゲートにＬ（Ｖ）のロー信号が入力されて導通状態に、Ｎチャンネル型ＦＥＴ８がゲートにＬ（Ｖ）のロー信号が入力されて遮断状態にそれぞれなっている。この場合、圧電素子２には、導通状態にあるＦＥＴ４，１０を介して電源１４から駆動電圧Ｅが印加されることになる。

一方、図８における期間２では、Ｐチャンネル型ＦＥＴ６がゲートにＬ（Ｖ）のロー信号が入力されて導通状態に、Ｎチャンネル型ＦＥＴ１０がゲートにＬ（Ｖ）のロー信号が入力されて遮断状態に、Ｐチャンネル型ＦＥＴ４がゲートにＨ（Ｖ）のハイ信号が入力されて遮断状態に、Ｎチャンネル型ＦＥＴ８がゲートにＨ（Ｖ）のハイ信号が入力されて導通状態にそれぞれなっている。この場合、圧電素子２には、導通状態にあるＦＥＴ６，８を介して電源１４から駆動電圧−Ｅが印加されることになる。

このように図８における期間１と期間２が交互に繰り返されることで、圧電素子２には電源電圧Ｅ（Ｖ）の２倍の振幅２Ｅ（Ｖ）を有する交流電圧が印加されることになる。

図９は、前記圧電アクチュエータ１の動作原理図である。圧電素子２の一端は支持部材１６に固定されている。圧電素子２の他端には、例えば丸棒状の駆動軸（駆動部材）１８が固定されている。駆動軸１８上には、可動部材２０が移動可能に保持されている。可動部材２０は、図示しない板ばねやコイルばね等の弾性部材の付勢力によって、所定の摩擦力でもって駆動軸１８に係合している。可動部材２０には、駆動対象物である図示しないレンズ等が取り付けられる。

図１０は、図８に示すような矩形波状の駆動電圧を圧電素子２に印加したときの駆動軸１８の軸変位を示す。この軸変位は、立ち上がり部が緩やかで立ち下がり部が急な鋸歯状になっており、Ａ，Ｂ，Ｃの各状態が図９中のＡ，Ｂ，Ｃの各状態に対応している。状態Ａを初期状態とすると、圧電素子２が緩慢に伸長するときに駆動軸１８とこれに摩擦係合する可動部材２０は一緒に比較的緩やかな速度で状態Ｂに変位する。続いて、圧電素子２が急峻に収縮するときに、駆動軸１８の変位が比較的速い速度で元に戻るため、可動部材２０と駆動軸１８との間で滑りが生じ、可動部材２０は少しだけ戻った状態Ｃになる。この状態Ｃでは、初期状態である状態Ａに比べると、可動部材２０の位置が繰り出し方向（圧電素子２から離れる方向）に少しだけ変位している。このような圧電素子２の伸縮が繰り返されることにより、可動部材２０は繰り出し方向に移動する。

一方、上述したのとは逆の原理で可動部材２０は戻り方向（圧電素子２に近づく方向）に移動する。すなわち、圧電素子２が急峻な伸長と緩慢な収縮を繰り返すとき、駆動軸１８の変位は図１０に示すものとは逆に立ち上がり部が急で立ち下がり部が緩やかな鋸歯状になる。これにより、可動部材２０は、圧電素子２が急峻に伸長するときに駆動軸１８との間で滑りが生じ、圧電素子２が緩慢に収縮するときに可動部材２０が戻り方向に少しだけ変位し、これが繰り返されることで可動部材２０は戻り方向に移動する。

図１１は、駆動軸１８の速度／圧電素子２入力電圧の周波数伝達特性を示す。圧電素子２の入力電圧の周波数が比較的低い場合、駆動軸１８の速度は周波数に比例して大きくなり、１次共振周波数ｆ１と２次共振周波数ｆ２とにおいて高い速度を持ち、２次共振周波数よりも周波数が高くなると速度が低下傾向になる特性がある。図８に示す矩形波状の駆動電圧を圧電素子２に入力し、図１０に示すような駆動軸１８の鋸歯状変位を得るためには、駆動電圧の周波数ｆを１次共振周波数ｆ１の０．７倍とし、可動部材２０を繰り出し方向に駆動する場合には駆動電圧のデューティ比を０．３（可動部材２０を戻り方向に駆動する場合には０．７）に設定すればよいことは、本願出願人の別の特許出願にかかる下記特許文献２において説明されているところである。

特開２０００−３５０４８２号公報 特開２００１−２１１６６９号公報

上述した従来技術は簡素な駆動回路で圧電アクチュエータ１の駆動を可能にするものであるが、可動部材２０の速度が低いという課題を有している。駆動電圧の周波数ｆを高くして、駆動電圧に含まれる１次駆動周波数成分ｆｄと２次駆動周波数成分２＊ｆｄの位相の関係を調節すれば（この場合、駆動電圧は矩形波状ではなくなる）、可動部材２０の高速化を図ることができる。

図１１について言えば、ｆｄと２＊ｆｄをそれぞれｆ１、ｆ２に近づけると、速度振幅を大きくすることができる。例えば、ｆｄ＝ｆ１とし、２＊ｆｄをｆ２に極めて近づけた場合において駆動電圧を鋸歯状にすると、駆動軸１８の変位も鋸歯状になり、図１１に示すように駆動軸１８の速度自体が従来よりも速くなるので、可動部材２０の速度を高速化することができる。

しかしながら、この場合、圧電アクチュエータの初期ばらつきや環境温度によって、共振周波数が変動するために、常にｆｄ＝ｆ１とすることができない。そのために、量産に伴うばらつきや環境変動に対して、安定した高速化の実現が困難であった。

そこで、前記課題を解決するために、本発明の第１態様の駆動装置は、電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子の一端に固定された支持部材と、
前記電気機械変換素子の他端に固定された駆動部材と、
前記駆動部材上に移動可能に保持された可動部材と、
前記電気機械変換素子に駆動電圧を印加する駆動回路とを備え、
前記駆動回路は、前記電気機械変換素子の直列共振周波数で発振する自励発振回路と、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧に、立ち上がり部と立ち下がり部とが対称な振動波形を前記立ち上がり部および前記立ち下がり部で略鋸歯状をなす波形に変えるような歪みを付加する非線形回路とを含むことを特徴とするものである。

この構成からなる駆動装置では、電気機械変換素子の直列共振周波数で発振する自励発振回路を駆動回路に設けたことで、電気機械変換素子に印加される駆動電圧は、常に、電気機械変換素子の共振周波数に一致した周波数になる。また、電気機械変換素子に印加される駆動電圧に、立ち上がり部と立ち下がり部とが対称な振動波形を前記立ち上がり部および前記立ち下がり部で略鋸歯状をなす波形に変えるような歪みを付加する非線形回路を駆動回路に設けたことで、電気機械変換素子に印加される駆動電圧は鋸歯状の波形になる。これにより、駆動装置の初期ばらつきや環境温度変動にかかわらず、共振周波数を有する鋸歯状の駆動電圧で電気機械変換素子を常に駆動することができ、可動部材の安定した高速駆動を実現できる。

本発明の第２態様の駆動装置は、電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子の一端に固定された支持部材と、
前記電気機械変換素子の他端に固定された駆動部材と、
前記駆動部材上に移動可能に保持された可動部材と、
前記電気機械変換素子に駆動電圧を印加する駆動回路とを備え、
前記駆動回路は、前記電気機械変換素子に流れる電流を電圧として検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路によって検出された電圧を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の流出電流を制限する流出電流制限回路と、
前記増幅回路の流入電流を制限する流入電流制限回路と、
前記流出電流制限回路と前記流入電流制限回路とを切り替えるスイッチ回路とを含むことを特徴とするものである。

この構成からなる駆動装置では、電気機械変換素子に流れる電流を電圧として検出する電流検出回路と、前記電流検出回路によって検出された電圧を増幅する増幅回路とを駆動回路に設けたことで、電気機械変換素子に印加される駆動電圧は、常に、電気機械変換素子の共振周波数に一致した周波数になる。また、前記増幅回路の流出電流を制限する流出電流制限回路と、前記増幅回路の流入電流を制限する流入電流制限回路とを駆動回路に設けたことで、電気機械変換素子に印加される駆動電圧は歪みが付加されて鋸歯状の波形になる。これにより、駆動装置の初期ばらつきや環境温度変動にかかわらず、共振周波数を有する鋸歯状の駆動電圧で電気機械変換素子を常に駆動することができ、可動部材の安定した高速駆動を実現できる。

本発明の駆動装置では、前記自励発振回路または前記増幅回路が自動利得調整機能を有していてもよい。この場合、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の振幅が一定になるように自動利得調整されてもよい。このように駆動電圧の振幅が一定になるように自動利得調整されることにより、安定した自励発振が可能になる。

上述したように本発明の駆動装置によれば、駆動装置の初期ばらつきや環境温度変動にかかわらず、共振周波数を有する鋸歯状の駆動電圧で電気機械変換素子を常に駆動することができ、可動部材の安定した高速駆動を実現できる。

以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の駆動装置の一実施形態である圧電アクチュエータ３０の原理回路図である。この圧電アクチュエータ３０は、電気機械変換素子としての圧電素子３２を備えている。圧電素子３２を含む駆動部分は、図９を参照して説明した従来技術と同様の構成からなっている。すなわち、圧電素子３２の一端は支持部材１６に固定されている。圧電素子３２の他端には、例えば丸棒状の駆動軸（駆動部材）１８が固定されている。駆動軸１８上には、可動部材２０が移動可能に保持されている。可動部材２０は、図示しない板ばねやコイルばね等の弾性部材の付勢力によって、所定の摩擦力でもって駆動軸１８に係合している。可動部材２０には、駆動対象物である図示しないレンズ等が取り付けられる。

図１に示すように、圧電素子３２の両端には、駆動回路３３が接続されている。この駆動回路３３では、増幅器（増幅回路）３４と、この増幅器３４の出力端子に接続された電流制限抵抗３６とが直列に接続されている。圧電素子３２と増幅器３４の入力端子との間には、一端が接地された電流検出抵抗（電流検出回路）３８の他端が接続されている。また、増幅器３４と圧電素子３２との間には、前記電流制限抵抗３６に並列して、第１のダイオード４０およびそのカソード端子に接続された第１のスイッチ（スイッチ回路）４２と、第２のダイオード４４およびそのアノード端子に接続された第２のスイッチ（スイッチ回路）４６とを並列接続したものが接続されている。

ここにおいて、増幅器３４と電流検出抵抗３８とで、圧電素子３２の直列共振周波数で発振する自励発振回路が構成され、電流制限抵抗３６とダイオード４０，４４とスイッチ４２，４６とで、圧電素子３２に印加される駆動電圧に歪みを付加する非線形回路が構成されている。また、電流制限抵抗３６と第１のダイオード４０と第１のスイッチ４２とで、増幅器３４の流入電流を制限する流入電流制限回路が構成され、電流制限抵抗３６と第２のダイオード４４と第２のスイッチ４６とで、増幅器３４の流出電流を制限する流出電流制限回路が構成されている。

図２は、圧電素子３２、支持部材１６および駆動軸１８からなる構成部分を圧電素子３２の電気入力端から見た等価回路図である。この等価回路のインピーダンスＺは、下記の式で表すことができる。

図３は、上記の式の周波数ｆをパラメータとしたときのインピーダンスＺの絶対値と位相の特性を示す。図２に示すＬＲＣ回路における直列共振周波数ｆｓにおいて、インピーダンスＺの絶対値は極小となり、かつ、位相が０ｄｅｇとなる。前記直列共振周波数ｆｓは、既述した圧電素子３２の機械的な共振周波数ｆ１に常に一致しているので、直列共振周波数ｆｓを有する駆動電圧で圧電素子３２を駆動できると安定した高速駆動が実現できることになる。

図１を再び参照すると、駆動回路３３は、圧電素子３２に流れる電流を電流検出抵抗３８で検出し、この検出電圧が増幅器３４で増幅され、この増幅電圧が電流制限抵抗３６を経て圧電素子３２に印加されるフィードバック回路の構成になっている。圧電素子３２のインピーダンスの位相が０ｄｅｇとなり、かつ、増幅器３４が適正な利得（一巡伝達特性利得が１倍）となったときに、このフィードバック回路は正帰還となり発振する。このとき、発振する周波数は、圧電素子３２のインピーダンスの位相が０ｄｅｇとなる周波数、すなわち前記直列共振周波数ｆｓであり、この状態での圧電素子３２の駆動電圧は正弦波状である。このようにデバイスのインピーダンス特性に応じて自励発振させる技術は、水晶発振子やセラミック発振子を用いた発振回路でも用いられている。

上述したように直列共振周波数ｆｓの駆動電圧であっても正弦波状では、圧電素子３２の伸長速度と収縮速度とが同じになるため、可動部材２０を移動させることができない。そこで、本実施形態の圧電アクチュエータ３０では、電流制限抵抗３６とダイオード４０，４４とスイッチ４２，４６とで直列共振周波数ｆｓの駆動電圧に歪みを付加している。

第１のスイッチ４２が導通状態で第２のスイッチ４６が開放している場合、増幅器３４の流入電流は電流制限抵抗３６によって制限がかかるが、増幅器３４の流出電流は第１のダイオード４０および第１のスイッチ４２を経由するため制限がかからない。これにより、圧電素子３２に印加される駆動電圧は、図４（ａ）に示すように、正弦波に対して歪みが付加された略鋸歯状の波形になる。すなわち、立ち上がり部が緩やかで、立ち下がり部が急な波形状になる。このような波形状の駆動電圧が圧電素子３２に印加されると、圧電素子３２は緩慢な伸長と急峻な収縮を繰り返す振動を行い、その結果、駆動軸１８が図１０に示すような鋸歯状変位を示して可動部材２０が繰り出し方向に移動することになる。

一方、第１のスイッチ４２を開放して第２のスイッチ４６を導通状態にした場合、増幅器３４の流出電流は第２のダイオード４４に流れることができないために電流制限抵抗３６に流れることで制限がかかる。これにより、圧電素子３２に印加される駆動電圧は、図４（ｂ）に示すように、正弦波に対して歪みが付加された略鋸歯状の波形になる。すなわち、立ち上がり部が急で、立ち下がり部が緩やか波形状になる。このような波形状の駆動電圧が圧電素子３２に印加されると、圧電素子３２は急峻な伸長と緩慢な収縮を繰り返す振動を行い、その結果、駆動軸１８が図１０に示すのとは対称的な鋸歯状変位を示して可動部材２０が戻り方向に移動することになる。

図５は、本実施形態における駆動軸１８の速度／圧電素子３２入力電圧の周波数伝達特性を示す。図１１と対照すると、駆動周波数ｆｄ＝ｆ１となっており、かつ２＊ｆｄがｆ２に接近しているため、両方の周波数において駆動軸１８の速度振幅が大きくなって、可動部材２０の移動速度も速くなる。この場合において、圧電アクチュエータ３０の初期ばらつきや環境温度によって共振周波数ｆ１が変動しても、駆動周波数ｆｄは圧電素子３２のインピーダンスＺの直列共振周波数ｆｓ（＝ｆｄ）と一致するようにフィードバックがかかるので、常に安定した高速駆動を実現できる。

図６は、圧電アクチュエータ３０の駆動回路３３の具体例を示す。図６において図１と同一部材には同一符号を付してある。図１と異なるところは、増幅器３４ａが演算増幅器であり、演算増幅器３４ａのマイナス入力端子がＦＥＴ４８のソースに接続されている。ＦＥＴ４８のドレインは接地されている。また、演算増幅器３４ａとＦＥＴ４８間の接続点ａと演算増幅器３４ａと電流制限抵抗３５間の接続点ｂとの間に、帰還抵抗５０が接続されている。さらに、電流制限抵抗３６と圧電素子３２間の接続点ｃは、抵５２およびダイオード５４を介してＦＥＴ４８のベースに接続されている。なお、ダイオード５４とＦＥＴ４８との間には、各一端部が接地されたコンデンサ５６および抵抗５８の各他端部がそれぞれ接続されている。これらの演算増幅器３４ａ、ＦＥＴ４８、帰還抵抗５０等によって自動利得調整回路が構成されている。

図６の駆動回路３３では、圧電素子３２に印加される駆動電圧を半波整流した信号をＦＥＴ４８のゲートに印加することによって、ＦＥＴ４８のドレイン−ソース間の抵抗値Ｒｆｅｔが変化する。演算増幅器３４ａと帰還抵抗５０（抵抗値をＲｆとする）とＦＥＴ４８で構成された非反転増幅回路の増幅度Ａは、次式で表される。

この式から明らかなように、圧電素子３２の駆動電圧が小さいとＦＥＴ４８のドレイン−ソース間の抵抗Ｒｆｅｔも小さくなるので増幅度Ａが高くなって発振を強めようとし、逆に、圧電素子３２の駆動電圧が大きいとＦＥＴ４８のドレイン−ソース間の抵抗Ｒｆｅｔも大きくなるので増幅度Ａが低くなって発振を弱めようとする。このように圧電素子３２の駆動電圧に基づいて演算増幅器３４ａの利得を自動調整することによって、圧電素子３２の駆動電圧は常に一定の振幅に保たれ、安定した自励発振が可能となる。

圧電アクチュエータの原理回路図。 圧電素子、支持部材および駆動軸からなる構成部分を圧電素子３２の電気入力端から見た等価回路図。 周波数をパラメータとしたときの図２の等価回路のインピーダンスの絶対値と位相の特性を示す図。 圧電素子の駆動電圧の波形を示す図。 本実施形態における駆動軸速度／圧電素子入力電圧の周波数伝達特性を示す図。 圧電アクチュエータの駆動回路の具体例を示す図。 従来例の圧電アクチュエータの駆動回路図。 図７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。 図７の圧電アクチュエータの動作原理図。 図８に示す矩形波状の駆動電圧を圧電素子に印加したときの駆動軸の軸変位を示す図。 図７の圧電アクチュエータにおける駆動軸速度／圧電素子入力電圧の周波数伝達特性を示す図。

符号の説明

１６…支持部材
１８…駆動軸
２０…可動部材
３２…圧電素子
３３…駆動回路
３４…増幅器
３４ａ…演算増幅器
３６…電流制限抵抗
３８…電流検出抵抗
４０…第１のダイオード
４２…第１のスイッチ
４４…第２のダイオード
４６…第２のスイッチ
４８…ＦＥＴ
５０…帰還抵抗

Claims (4)

1. 電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子の一端に固定された支持部材と、
   前記電気機械変換素子の他端に固定された駆動部材と、
   前記駆動部材上に移動可能に保持された可動部材と、
   前記電気機械変換素子に駆動電圧を印加する駆動回路とを備え、
   前記駆動回路は、前記電気機械変換素子の直列共振周波数で発振する自励発振回路と、前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧に、立ち上がり部と立ち下がり部とが対称な振動波形を前記立ち上がり部および前記立ち下がり部で略鋸歯状をなす波形に変えるような歪みを付加する非線形回路とを含むことを特徴とする駆動装置。
2. 電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子の一端に固定された支持部材と、
   前記電気機械変換素子の他端に固定された駆動部材と、
   前記駆動部材上に移動可能に保持された可動部材と、
   前記電気機械変換素子に駆動電圧を印加する駆動回路とを備え、
   前記駆動回路は、前記電気機械変換素子に流れる電流を電圧として検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路によって検出された電圧を増幅する増幅回路と、
   前記増幅回路の流出電流を制限する流出電流制限回路と、
   前記増幅回路の流入電流を制限する流入電流制限回路と、
   前記流出電流制限回路と前記流入電流制限回路とを切り替えるスイッチ回路とを含むことを特徴とする駆動装置。
3. 前記自励発振回路または前記増幅回路が自動利得調整機能を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
4. 前記電気機械変換素子に印加される駆動電圧の振幅が一定になるように自動利得調整されることを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。

Images