JP4492756B2 - Piezoelectric actuator - Google Patents

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関し、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、双眼鏡のレンズ等の駆動に適した圧電アクチュエータに関する。   The present invention relates to a piezoelectric actuator, and more particularly to a piezoelectric actuator suitable for driving an XY moving stage, a camera photographing lens, a projection lens of an overhead projector, a binocular lens, and the like.

従来、被駆動部材を棒状の駆動部材に摩擦結合させて取り付けると共に、この駆動部材の一方端に圧電素子を固着してなるインパクト形の圧電アクチュエータが知られている。例えば、特開平７−２９８６５６号公報（特許文献１）には、カメラの撮影レンズのアクチュエータとしてインパクト形の圧電アクチュエータを適用したものが示されている。図２０は、同公報に示されるインパクト形の圧電アクチュエータの概略構成を示す図である。   2. Description of the Related Art Conventionally, an impact type piezoelectric actuator is known in which a driven member is attached to a rod-like driving member by frictional coupling and a piezoelectric element is fixed to one end of the driving member. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-298656 (Patent Document 1) shows an application of an impact-type piezoelectric actuator as an actuator for a photographing lens of a camera. FIG. 20 is a diagram showing a schematic configuration of an impact-type piezoelectric actuator disclosed in the publication.

図２０において、インパクト形の圧電アクチュエータ１００は、棒状の駆動部材１０１と、被駆動部材１０２と、積層型圧電素子１０３と、駆動回路１０４とを備えている。被駆動部材１０２は、撮影レンズ等の駆動対象物が固着されるもので、駆動部材１０１に所定の摩擦力で係合され、この摩擦力以上の力が作用すると、駆動部材１０１上を軸方向に沿って移動可能となっている。また、積層型圧電素子１０３は、駆動部材１０１の一方端に分極方向を駆動部材１０１の軸方向と一致させて固着され、一方端に形成された電極１０３ａが駆動回路１０４に接続され、他方端に形成された電極１０３ｂが接地されている。   In FIG. 20, the impact-type piezoelectric actuator 100 includes a rod-shaped drive member 101, a driven member 102, a laminated piezoelectric element 103, and a drive circuit 104. The driven member 102 is a member to which a driving object such as a photographic lens is fixed, and is engaged with the driving member 101 with a predetermined frictional force. When a force greater than the frictional force is applied, the driven member 102 is axially moved on the driving member 101. It is possible to move along. The laminated piezoelectric element 103 is fixed to one end of the drive member 101 so that the polarization direction coincides with the axial direction of the drive member 101, and the electrode 103a formed at one end is connected to the drive circuit 104, and the other end The electrode 103b formed on the ground is grounded.

駆動回路１０４は、被駆動部材１０２を駆動部材１０１の先端側（開放端側）に移動（以下、この移動方向を正方向という。）させる正方向駆動回路１０５と、被駆動部材１０２を駆動部材１０１の基端側（圧電素子側）に移動（以下、この移動方向を逆方向という。）させる逆方向駆動回路１０６と、両駆動回路１０５，１０６の駆動を制御する制御回路１０７とで構成されている。   The drive circuit 104 moves the driven member 102 to the front end side (open end side) of the drive member 101 (hereinafter, this moving direction is referred to as a positive direction), and the driven member 102 is the drive member. 101 includes a reverse direction drive circuit 106 that moves to the base end side (piezoelectric element side) of 101 (hereinafter, this movement direction is referred to as a reverse direction) and a control circuit 107 that controls the drive of both drive circuits 105 and 106. ing.

このように構成された圧電アクチュエータ１００は、駆動部材１０１を軸方向に沿って異なる速度で移動させた際の駆動部材１０１と被駆動部材１０２との間に発生する摩擦力の相違を利用して被駆動部材１０２を駆動部材１０１に対して相対的に移動させるようにしたものである。すなわち、被駆動部材１０２と駆動部材１０１との間の摩擦力は、駆動部材１０１が高速で移動するときは小さくなり、低速で移動するときは大きくなる。このため、駆動部材１０１の正方向移動時は低速で行い、逆方向移動時は高速で行うことにより被駆動部材１０２を駆動部材１０１に対して正方向に移動させ(正方向駆動）、駆動部材１０１の正方向移動時は高速で行い、逆方向移動時は低速で行うことにより被駆動部材１０２を駆動部材１０１に対して逆方向に移動させるようにしたものである(逆方向駆動）。   The piezoelectric actuator 100 configured as described above utilizes a difference in frictional force generated between the driving member 101 and the driven member 102 when the driving member 101 is moved at different speeds along the axial direction. The driven member 102 is moved relative to the driving member 101. That is, the frictional force between the driven member 102 and the driving member 101 decreases when the driving member 101 moves at a high speed and increases when the driving member 101 moves at a low speed. For this reason, when the drive member 101 is moved in the forward direction, the driven member 102 is moved in the forward direction with respect to the drive member 101 (forward drive) by moving at a low speed when moving in the reverse direction, and driven at a high speed. The driven member 102 is moved in the reverse direction with respect to the driving member 101 by moving at a high speed during the forward movement of 101 and at a low speed when moving in the reverse direction (reverse driving).

従って、正方向駆動回路１０５は低速充電回路１０５ａと高速放電回路１０５ｂとから構成され、逆方向駆動回路１０６は高速充電回路１０６ａと低速放電回路１０６ｂとから構成されている。低速充電回路１０５ａ及び高速充電回路１０６ａは、圧電素子１０３に分極方向と同方向の電源電圧Ｖｐを印加し（圧電素子１０３を分極方向に充電して）、圧電素子１０３を分極方向（駆動部材１０１の軸方向）に伸長させる回路である。   Accordingly, the forward direction driving circuit 105 is composed of a low speed charging circuit 105a and a high speed discharging circuit 105b, and the reverse direction driving circuit 106 is composed of a high speed charging circuit 106a and a low speed discharging circuit 106b. The low-speed charging circuit 105a and the high-speed charging circuit 106a apply a power supply voltage Vp in the same direction as the polarization direction to the piezoelectric element 103 (charge the piezoelectric element 103 in the polarization direction), and the piezoelectric element 103 in the polarization direction (driving member 101). This is a circuit that extends in the direction of the axis.

この低速充電回路１０５ａは、図２１に示すように、ｐｎｐ形トランジスタＴｒ１の固定バイアス回路にツェナーダイオードＺＤを並列接続してなる定電流充電回路により構成されている。同図において、抵抗ｒ１，ｒ２はトランジスタＴｒ１のバイアス抵抗であり、ツェナーダイオードＺＤはベースのバイアス抵抗ｒ２に並列に接続されている。すなわち、ツェナーダイオードＺＤによってトランジスタＴｒ１のベース電圧を一定値に保持することで抵抗ｒ１の電圧降下を所定の値に安定化し、これによりコレクタ電流が所定値に抑制されるようになっている。この結果、充電電流が制限されて充電速度が抑制され、駆動部材１０１の正方向移動時の速度が抑制される。   As shown in FIG. 21, the low-speed charging circuit 105a includes a constant current charging circuit formed by connecting a zener diode ZD in parallel to a fixed bias circuit of a pnp transistor Tr1. In the figure, resistors r1 and r2 are bias resistors of the transistor Tr1, and a Zener diode ZD is connected in parallel to the base bias resistor r2. In other words, the voltage drop of the resistor r1 is stabilized at a predetermined value by holding the base voltage of the transistor Tr1 at a constant value by the Zener diode ZD, and thereby the collector current is suppressed to the predetermined value. As a result, the charging current is limited, the charging speed is suppressed, and the speed when the drive member 101 moves in the forward direction is suppressed.

また、低速充電回路１０５ａは、図２２に示すように、図２１における抵抗ｒ２とツェナーダイオードＺＤとの並列回路をｎｐｎ形トランジスタＴｒ２に置き換えて構成したものでもよい。同図において、トランジスタＴｒ２のベースとコレクタとはそれぞれトランジスタＴｒ１のエミッタとベースとに接続され、トランジスタＴｒ２のエミッタは電源Ｖｐに接続されている。すなわち、トランジスタＴｒ２によってトランジスタＴｒ１のベース電圧を一定値に保持することで抵抗ｒ１の電圧降下を所定の値に安定化し、これによりコレクタ電流が所定値に抑制される。   Further, as shown in FIG. 22, the low-speed charging circuit 105a may be configured by replacing the parallel circuit of the resistor r2 and the Zener diode ZD in FIG. 21 with an npn transistor Tr2. In the figure, the base and collector of the transistor Tr2 are connected to the emitter and base of the transistor Tr1, respectively, and the emitter of the transistor Tr2 is connected to the power supply Vp. That is, the transistor Tr2 maintains the base voltage of the transistor Tr1 at a constant value, thereby stabilizing the voltage drop of the resistor r1 to a predetermined value, thereby suppressing the collector current to a predetermined value.

また、高速放電回路１０５ｂ及び低速放電回路１０６ｂは、圧電素子１０３に分極方向と逆方向の電位を与えて（図では電極１０３ａを接地して）、充電電荷を放電させることで伸長した圧電素子１０３を縮小させる回路である。   Further, the high-speed discharge circuit 105b and the low-speed discharge circuit 106b give the piezoelectric element 103 a potential in the opposite direction to the polarization direction (grounding the electrode 103a in the figure) and discharge the charged charge to expand the piezoelectric element 103. Is a circuit for reducing

この低速放電回路１０６ｂは、図２３に示すように、ｎｐｎ形トランジスタＴｒ３のベースとアース間にツェナーダイオードＺＤを接続してなる定電流放電回路により構成されている。同図において、抵抗ｒ４は放電電流を制限する抵抗であり、ツェナーダイオードＺＤによってトランジスタＴｒ３のベース電位を所定の値に保持することで抵抗ｒ４の電圧降下を所定の値に安定化し、これにより抵抗ｒ４を流れるエミッタ電流（放電電流）が所定の値に抑制されるようになっている。この結果、放電電流が制限されて放電速度が抑制され、駆動部材１０１の逆方向移動時の速度が抑制される。   As shown in FIG. 23, the low-speed discharge circuit 106b includes a constant current discharge circuit in which a Zener diode ZD is connected between the base of the npn transistor Tr3 and the ground. In the figure, a resistor r4 is a resistor that limits the discharge current, and the voltage drop of the resistor r4 is stabilized at a predetermined value by holding the base potential of the transistor Tr3 at a predetermined value by the Zener diode ZD. The emitter current (discharge current) flowing through r4 is suppressed to a predetermined value. As a result, the discharge current is limited, the discharge speed is suppressed, and the speed when the drive member 101 moves in the reverse direction is suppressed.

制御回路１０７は、正方向駆動回路１０５及び逆方向駆動回路１０６の駆動を制御するもので、正方向駆動において、低速充電回路１０５ａと高速放電回路１０５ｂとを交互に駆動する一方、逆方向駆動において、高速充電回路１０６ａと低速放電回路１０６ｂとを交互に駆動するものである。   The control circuit 107 controls the driving of the forward direction driving circuit 105 and the backward direction driving circuit 106. In the forward direction driving, the control circuit 107 alternately drives the low speed charging circuit 105a and the high speed discharging circuit 105b, while in the reverse direction driving. The high-speed charging circuit 106a and the low-speed discharging circuit 106b are alternately driven.

正方向駆動において、低速充電回路１０５ａと高速放電回路１０５ｂとを交互に駆動すると、圧電素子１０３が低速伸長と高速縮小とを交互に繰り返し、これにより駆動部材１０１が正方向の低速移動と逆方向の高速移動とを繰り返す。一方、逆方向駆動において、高速充電回路１０６ａと低速放電回路１０６ｂとを交互に駆動すると、圧電素子１０３が高速伸長と低速縮小とを交互に繰り返し、これにより駆動部材１０１が正方向の高速移動と逆方向の低速移動とを繰り返す。従って、正方向駆動においては被駆動部材１０２が駆動部材１０１に対して相対的に正方向に移動し、逆方向駆動においては被駆動部材１０２が駆動部材１０１に対して相対的に逆方向に移動する。   When the low-speed charging circuit 105a and the high-speed discharge circuit 105b are alternately driven in the forward direction driving, the piezoelectric element 103 alternately repeats the low-speed extension and the high-speed reduction, thereby causing the driving member 101 to move in the opposite direction to the low-speed movement in the normal direction. Repeat with high-speed movement. On the other hand, when the high speed charging circuit 106a and the low speed discharging circuit 106b are alternately driven in the reverse direction driving, the piezoelectric element 103 alternately repeats the high speed extension and the low speed reduction, thereby causing the driving member 101 to perform the high speed movement in the forward direction. Repeat the slow movement in the opposite direction. Therefore, the driven member 102 moves in the forward direction relative to the driving member 101 in the forward direction driving, and the driven member 102 moves in the opposite direction relative to the driving member 101 in the reverse direction driving. To do.

特開平７−２９８６５６号公報JP 7-298656 A

ところで、カメラの撮影レンズや双眼鏡のレンズ等の携帯機器における光学系の駆動源としてインパクト形の圧電アクチュエータを適用する場合、その携帯機器の軽量化、小型化等を考慮すると、駆動回路はできる限り簡単かつ小型であることが望ましい。しかし、上記従来の圧電アクチュエータ１００では、定電流回路によって充電電流若しくは放電電流を制限するようにしているので、不可避的に回路素子数が多くなり、駆動回路１０４の小型化が困難になる。   By the way, when an impact-type piezoelectric actuator is applied as a drive source of an optical system in a portable device such as a camera photographing lens or a binocular lens, the drive circuit is as much as possible in consideration of the weight reduction and miniaturization of the portable device. It is desirable to be simple and small. However, in the conventional piezoelectric actuator 100, the charging current or the discharging current is limited by a constant current circuit, so that the number of circuit elements is inevitably increased, and it is difficult to reduce the size of the drive circuit 104.

また、上記従来の圧電アクチュエータ１００では、被駆動部材１０２の移動速度を調節するには定電流回路を構成する回路素子の定数を変更することが考えられるが、こうした場合には定数の異なる複数の回路素子と切替回路とが必要となることから駆動回路１０４の小型化がさらに困難になる。   In the conventional piezoelectric actuator 100, it is conceivable to change the constants of the circuit elements constituting the constant current circuit in order to adjust the moving speed of the driven member 102. In such a case, a plurality of different constants may be used. Since a circuit element and a switching circuit are required, it is more difficult to reduce the size of the drive circuit 104.

一方、圧電アクチュエータにおける被駆動部材の移動速度を変更する手段として、複数の圧電素子を切り替えて用いるようにしたり、駆動パルスを間引くようにしたりすることが提案されている（特開平９−２８５１５６号公報、特開平８−４３８７２号公報）が、圧電素子を切り替えて用いるものでは回路構成が複雑になって駆動回路の小型化に制約を受け、駆動パルスを間引くものでは移動速度にむらが生じるという問題がある。   On the other hand, as means for changing the moving speed of the driven member in the piezoelectric actuator, it has been proposed to use a plurality of piezoelectric elements by switching them or to thin out driving pulses (Japanese Patent Laid-Open No. 9-285156). According to Japanese Patent Laid-Open No. 8-43872), the circuit configuration is complicated when the piezoelectric element is switched and the driving circuit is reduced in size, and the driving speed is uneven when the driving pulse is thinned out. There's a problem.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型化が可能な圧電アクチュエータを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a piezoelectric actuator that can be miniaturized.

上記目的を達成するため、本発明の一態様にかかる圧電アクチュエータは、圧電体と、該圧電体の伸縮動作に基づいて軸方向変位する駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合されて移動可能にされた被駆動部材と、前記圧電体に分極方向と同方向の電圧を印加して充電する第１の駆動手段と、前記圧電体に分極方向と逆方向の電圧を印加して充電する第２の駆動手段と、前記圧電体の共振周波数に対して、約１周期分の駆動時間と、約半周期分の駆動時間との内、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と同方向である場合には、前記約１周期分の駆動時間を前記第２の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第１の駆動手段にそれぞれ設定し、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と逆方向である場合には、前記約１周期分の駆動時間を前記第１の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第２の駆動手段にそれぞれ設定する設定変更手段と、前記第１の駆動手段と第２の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えたことを特徴としている。   In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator according to one aspect of the present invention includes a piezoelectric body, a driving member that is displaced in the axial direction based on an expansion / contraction operation of the piezoelectric body, and a predetermined frictional force that engages the driving member. A driven member that is movable, first driving means that charges the piezoelectric body by applying a voltage in the same direction as the polarization direction, and a voltage that is opposite to the polarization direction is applied to the piezoelectric body. The driving direction of the driven member is the polarization among the driving time for about one cycle and the driving time for about half cycle with respect to the resonance frequency of the piezoelectric body. If the direction is the same as the direction, the driving time for about one cycle is set in the second driving means, and the driving time for about half a period is set in the first driving means, and the driven When the moving direction of the member is opposite to the polarization direction, Setting change means for setting a driving time for a period to the first driving means and a driving time for about a half cycle to the second driving means, the first driving means and the second driving means, respectively. And a drive control means for alternately driving each other.

また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の駆動手段は、前記圧電体の分極方向と逆方向に蓄積された電荷を放電すると共に、前記圧電体を分極方向と同方向に充電する第１の充放電回路からなり、前記第２の駆動手段は、前記圧電体の分極方向と同方向に蓄積された電荷を放電すると共に、前記圧電体を分極方向と逆方向に充電する第２の充放電回路からなることを特徴としている。   Further, in the above-described piezoelectric actuator, the first driving means discharges the electric charge accumulated in the direction opposite to the polarization direction of the piezoelectric body, and charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction. A second charge / discharge circuit configured to discharge the electric charge accumulated in the same direction as the polarization direction of the piezoelectric body and charge the piezoelectric body in a direction opposite to the polarization direction; It consists of a circuit.

この構成によれば、圧電体は、第１の駆動手段により分極方向と逆方向に蓄積された電荷が放電された後に分極方向と同方向に充電され、第２の駆動手段により分極方向と同方向に蓄積された電荷が放電された後に分極方向と逆方向に充電される。このため、圧電体には見かけ上、印加電圧の２倍の電圧が駆動電圧として供給されることになる結果、単位電圧当たりの圧電体の伸縮量が増大し、圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。   According to this configuration, the piezoelectric body is charged in the same direction as the polarization direction after the charge accumulated in the direction opposite to the polarization direction is discharged by the first drive means, and the same as the polarization direction by the second drive means. After the charge accumulated in the direction is discharged, it is charged in the direction opposite to the polarization direction. For this reason, a voltage twice as large as the applied voltage is apparently supplied to the piezoelectric body as a drive voltage. As a result, the expansion / contraction amount of the piezoelectric body per unit voltage is increased, and the drive efficiency of the piezoelectric actuator is improved. .

また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の充放電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段と、一方端が前記圧電体の他方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段とを備え、前記第２の充放電回路は、一方端が前記電源に接続され、他方端が前記圧電体の他方端に接続されてなる第３のスイッチ手段と、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第４のスイッチ手段とを備えたことを特徴としている。   In the piezoelectric actuator described above, the first charging / discharging circuit includes a first switch means having one end connected to a power source and the other end connected to one end of the piezoelectric body, and one end connected to the first end. Second switch means connected to the other end of the piezoelectric body and grounded at the other end. The second charge / discharge circuit has one end connected to the power source and the other end connected to the piezoelectric body. It is characterized by comprising third switch means connected to the other end and fourth switch means having one end connected to one end of the piezoelectric body and the other end grounded.

この構成によれば、第１の充放電回路及び第２の充放電回路はそれぞれ２つのスイッチ手段で構成され、第１の充放電回路及び第２の充放電回路が交互に駆動されることで被駆動部材は駆動部材に対して相対的に移動される。これにより、駆動回路が少ない回路素子で構成される結果、圧電アクチュエータの小型化が促進される。   According to this configuration, the first charging / discharging circuit and the second charging / discharging circuit are each configured by two switch means, and the first charging / discharging circuit and the second charging / discharging circuit are alternately driven. The driven member is moved relative to the driving member. As a result, the piezoelectric actuator is reduced in size as a result of being constituted by circuit elements with few drive circuits.

また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の駆動手段は、前記圧電体を分極方向と同方向に充電する充電回路からなり、前記第２の駆動手段は、前記圧電体に蓄積された電荷を放電する放電回路からなることを特徴としている。   In the piezoelectric actuator described above, the first driving unit includes a charging circuit that charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction, and the second driving unit stores the charge accumulated in the piezoelectric body. It is characterized by comprising a discharge circuit for discharging.

この構成によれば、圧電体は、第１の駆動手段により分極方向と同方向に充電され、第２の駆動手段により分極方向と同方向に蓄積された電荷が放電される。このため、充電時にだけ電力が消費されることになる結果、電力消費が効果的に抑制される。   According to this configuration, the piezoelectric body is charged in the same direction as the polarization direction by the first driving means, and the charge accumulated in the same direction as the polarization direction is discharged by the second driving means. For this reason, as a result of consuming electric power only during charging, electric power consumption is effectively suppressed.

また、上述の圧電アクチュエータにおいて、前記充電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段を備え、前記放電回路は、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段を備えたことを特徴としている。   In the above-described piezoelectric actuator, the charging circuit includes first switch means having one end connected to a power source and the other end connected to one end of the piezoelectric body, and the discharging circuit includes one end Is provided with second switch means connected to one end of the piezoelectric body and grounded at the other end.

この構成によれば、充電回路及び放電回路はそれぞれ１つのスイッチ手段で構成され、充電回路及び放電回路が交互に駆動されることで被駆動部材は駆動部材に対して相対的に移動される。これにより、駆動回路が少ない回路素子で構成される結果、圧電アクチュエータの小型化が促進される。   According to this configuration, the charging circuit and the discharging circuit are each configured by one switch means, and the driven member is moved relative to the driving member by alternately driving the charging circuit and the discharging circuit. As a result, the piezoelectric actuator is reduced in size as a result of being constituted by circuit elements with few drive circuits.

また、これら上述の圧電アクチュエータにおいて、前記設定変更手段は、駆動周期が一定となるように前記第１の駆動時間及び第２の駆動時間を変更するものであることを特徴としている。   In the above-described piezoelectric actuators, the setting changing unit changes the first driving time and the second driving time so that the driving cycle becomes constant.

この構成によれば、第１の駆動時間が変更されたときは駆動周期が一定となるように第２の駆動時間も変更される。これにより、被駆動部材の移動速度が円滑に調節される。   According to this configuration, when the first drive time is changed, the second drive time is also changed so that the drive cycle becomes constant. Thereby, the moving speed of the driven member is adjusted smoothly.

また、これら上述の圧電アクチュエータにおいて、前記設定変更手段は、前記第１の駆動時間又は第２の駆動時間を変更することにより駆動周期を変更するものであることを特徴としている。   In the above-described piezoelectric actuators, the setting change unit changes the drive cycle by changing the first drive time or the second drive time.

この構成によれば、第１の駆動時間又は第２の駆動時間が変更されることにより駆動周期が変更される。これにより、被駆動部材の移動速度が円滑に調節される。   According to this configuration, the driving cycle is changed by changing the first driving time or the second driving time. Thereby, the moving speed of the driven member is adjusted smoothly.

本発明にかかる圧電アクチュエータでは、小型化することができる。   The piezoelectric actuator according to the present invention can be miniaturized.

本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータの構成を概略的に示すブロック図である。It is a block diagram showing roughly the composition of the piezoelectric actuator concerning one embodiment of the present invention. 図１に示す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。It is a perspective view which shows the structural example of the drive part of the piezoelectric actuator shown in FIG. 図１に示す圧電アクチュエータの被駆動部材の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the driven member of the piezoelectric actuator shown in FIG. 図１に示す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。It is a figure which shows the structural example of the drive circuit of the piezoelectric actuator shown in FIG. 図４に示す駆動回路における駆動パルス発生回路の構成例を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of a drive pulse generation circuit in the drive circuit shown in FIG. 4. 図５に示す駆動パルス発生回路の動作を説明するための波形図である。FIG. 6 is a waveform diagram for explaining the operation of the drive pulse generation circuit shown in FIG. 5. 図５に示す駆動回路における駆動パルスと、各スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材に印加される充放電電圧の波形とを示す図である。It is a figure which shows the drive pulse in the drive circuit shown in FIG. 5, the ON / OFF state of each switch element, and the waveform of the charging / discharging voltage applied to a piezoelectric member. 充放電速度が略同一で、充放電時間のデューティ比のみが異なる駆動電圧を圧電部材に印加したときの圧電部材及び被駆動部材の変異の過渡応答を示す図である。It is a figure which shows the transient response of the variation | mutation of a piezoelectric member and a to-be-driven member when the drive voltage from which only charging / discharging speed | velocity is substantially the same and only the duty ratio of charging / discharging time differs is applied to a piezoelectric member. 充放電速度が略同一で、充電時間が放電時間よりも長いデューティ比を有する駆動電圧を圧電部材に印加したときの被駆動部材の移動状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the movement state of a to-be-driven member when the drive voltage which has substantially the same charging / discharging speed | rate and charging time longer than discharge time to a piezoelectric member is applied. 圧電部材に対する充電時間と駆動周期との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the charge time with respect to a piezoelectric member, and a drive period. 圧電部材に対する充電時間と被駆動部材の移動速度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the charging time with respect to a piezoelectric member, and the moving speed of a to-be-driven member. 図１に示す圧電アクチュエータの動作を説明するためのフローチャートである。3 is a flowchart for explaining the operation of the piezoelectric actuator shown in FIG. 1. 図１に示す圧電アクチュエータの動作を説明するためのフローチャートである。3 is a flowchart for explaining the operation of the piezoelectric actuator shown in FIG. 1. 図４に示す駆動回路の変形例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a modification of the drive circuit shown in FIG. 4. 図１４に示す駆動回路における駆動パルスと、各スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材に印加される充放電電圧の波形とを示す図である。It is a figure which shows the drive pulse in the drive circuit shown in FIG. 14, the ON / OFF state of each switch element, and the waveform of the charging / discharging voltage applied to a piezoelectric member. 図４に示す駆動回路の他の構成例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing another configuration example of the drive circuit shown in FIG. 4. 図１６に示す駆動回路における各スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材に印加される充放電電圧の波形とを示す図である。It is a figure which shows the ON / OFF state of each switch element in the drive circuit shown in FIG. 16, and the waveform of the charging / discharging voltage applied to a piezoelectric member. 図１６に示す駆動回路の変形例を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing a modification of the drive circuit shown in FIG. 16. 図１８に示す駆動回路における各スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材に印加される充放電電圧の波形とを示す図である。It is a figure which shows the ON / OFF state of each switch element in the drive circuit shown in FIG. 18, and the waveform of the charging / discharging voltage applied to a piezoelectric member. 従来のインパクト型の圧電アクチュエータの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the conventional impact type piezoelectric actuator. 図２０に示す圧電アクチュエータの駆動回路の低速充電回路に適用される第１の回路例である。FIG. 21 is a first circuit example applied to a low-speed charging circuit of the piezoelectric actuator drive circuit shown in FIG. 20. FIG. 図２０に示す圧電アクチュエータの駆動回路の低速充電回路に適用される第２の回路例である。FIG. 21 is a second circuit example applied to the low-speed charging circuit of the piezoelectric actuator drive circuit shown in FIG. 20. FIG. 図２０に示す圧電アクチュエータの駆動回路の低速放電回路に適用される回路例である。FIG. 21 is a circuit example applied to a low-speed discharge circuit of the drive circuit of the piezoelectric actuator shown in FIG. 20.

図１は、本発明の一実施形態に係るインパクト型の圧電アクチュエータの構成を概略的に示すブロック図である。この図において、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被駆動部材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。   FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of an impact-type piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention. In this figure, the piezoelectric actuator 10 includes a drive unit 12, a drive circuit 14 that drives the drive unit 12, a member sensor 16 that detects the position of a driven member attached to the drive unit 12, and the drive unit 12. A proximal sensor 18 disposed at the proximal end, a distal sensor 20 disposed at the distal end of the drive unit 12, and a control unit 22 for controlling the overall operation are provided.

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、支持部材２４、圧電部材２６、駆動部材２８及び被駆動部材３０から構成されている。支持部材２４は、圧電部材２６及び駆動部材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収容空間２４４及び第２収容空間２４５を有している。この第１収容空間２４４には、圧電部材２６がその積層方向を支持部材２４の軸方向と一致させて収容されている。また、第２収容空間２４５には、駆動部材２８と被駆動部材３０の一部とが収容されている。   FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration example of the drive unit 12. In this figure, the drive unit 12 includes a support member 24, a piezoelectric member 26, a drive member 28, and a driven member 30. The support member 24 holds the piezoelectric member 26 and the drive member 28, and is formed by scoring through the interior leaving the axially opposite ends 241 and 242 and the substantially central partition wall 243. The housing space 244 and the second housing space 245 are provided. In the first accommodation space 244, the piezoelectric member 26 is accommodated such that the stacking direction thereof coincides with the axial direction of the support member 24. The second accommodation space 245 accommodates the driving member 28 and a part of the driven member 30.

圧電部材２６は、所要の厚さを有する複数枚の板状の圧電素子を各圧電素子間に図略の薄膜の電極を挾み込んで接着してなる積層型の圧電体で構成されている。この複数枚の圧電素子は隣接する圧電素子の分極方向が互いに逆向きとなるように積層されている。このように圧電素子を積層するのは、各電極には隣接する電極間で互いに正負の極性が逆になるように駆動電圧が並列に印加されることから、各圧電素子が同一の方向に伸縮して圧電部材全体として大きい伸縮量が得られるようにするためである。   The piezoelectric member 26 is composed of a laminated piezoelectric body in which a plurality of plate-like piezoelectric elements having a required thickness are bonded by sandwiching thin film electrodes (not shown) between the piezoelectric elements. . The plurality of piezoelectric elements are stacked so that the polarization directions of adjacent piezoelectric elements are opposite to each other. The piezoelectric elements are laminated in this way because each electrode is expanded and contracted in the same direction because a drive voltage is applied in parallel so that the positive and negative polarities are reversed between adjacent electrodes. This is because a large amount of expansion and contraction can be obtained as a whole of the piezoelectric member.

この圧電部材２６は、積層方向である長手方向の一方端面が第１収容空間２４４の仕切壁２４３とは反対側の端面に固定されている。支持部材２４の一方端部２４２（支持部材２４の先端部）及び仕切壁２４３には中心位置に丸孔が穿設されると共に、この両丸孔を貫通して断面丸形状の棒状の駆動部材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。なお、駆動部材２８の断面は丸形状に限定されるものではなく、楕円形状、矩形形状等の任意の形状にすることができる。   In the piezoelectric member 26, one end face in the longitudinal direction that is the stacking direction is fixed to the end face on the opposite side of the partition wall 243 of the first accommodation space 244. A round hole is formed in one end 242 of the support member 24 (the tip of the support member 24) and the partition wall 243 at the center position, and the rod-like drive member has a round cross section through both the round holes. 28 is accommodated in the second accommodating space 245 so as to be movable along the axial direction. The cross section of the drive member 28 is not limited to a round shape, and may be an arbitrary shape such as an elliptical shape or a rectangular shape.

駆動部材２８の第１収容空間２４４内に突出した端部は圧電部材２６の他方端面に固着され、駆動部材２８の第２収容空間２４５の外部に突出した端部は板ばね３２により所要のばね圧で圧電部材２６側に付勢されている。この板ばね３２による駆動部材２８への付勢は、圧電部材２６の伸縮動作に基づく駆動部材２８の軸方向変位を安定化させるためである。   An end portion of the driving member 28 protruding into the first housing space 244 is fixed to the other end surface of the piezoelectric member 26, and an end portion of the driving member 28 protruding outside the second housing space 245 is fixed by a leaf spring 32. The piezoelectric member 26 is biased by pressure. The urging of the drive member 28 by the leaf spring 32 is to stabilize the axial displacement of the drive member 28 based on the expansion / contraction operation of the piezoelectric member 26.

図３は、被駆動部材３０の構成例を示す断面図である。この図において、被駆動部材３０は、両側に耳部３０２を有する基部３０１と、両耳部３０２の間に嵌合される挾み込み部材３０３とを備えている。基部３０１の両耳部３０２の付け根部分には駆動部材２８よりも僅かに径の大きい丸孔３０４が穿設されている。被駆動部材３０は、丸孔３０４に駆動部材２８を遊嵌状態で貫通させ、その駆動部材２８を基部３０１と挾み込み部材３０３とで挾み込むことにより駆動部材２８の軸方向に沿って移動可能に取り付けられている。挾み込み部材３０３の上部には両耳部３０２の上面より突出する突起３０３ａが形成される一方、両耳部３０２の上面に突起部３０３ａに圧接されるように板ばね３０５が固設されており、これにより挾み込み部材３０３が所要のばね圧で駆動部材２８側に付勢されるようになっている。   FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the driven member 30. In this figure, the driven member 30 includes a base portion 301 having ear portions 302 on both sides, and a squeezing member 303 fitted between both ear portions 302. A round hole 304 having a diameter slightly larger than that of the drive member 28 is formed at the base portion of both ear portions 302 of the base portion 301. The driven member 30 penetrates the driving member 28 through the round hole 304 in a loosely fitted state, and squeezes the driving member 28 with the base 301 and the squeezing member 303 along the axial direction of the driving member 28. It is mounted movably. A protrusion 303a protruding from the upper surface of both ears 302 is formed on the upper portion of the squeezing member 303, and a leaf spring 305 is fixed to the upper surface of both ears 302 so as to be pressed against the protrusion 303a. Thus, the swallowing member 303 is biased toward the drive member 28 with a required spring pressure.

この板ばね３０５によるばね圧は、圧電部材２６の伸縮動作に基づく駆動部材２８の軸方向における往復動において、駆動部材２８と基部３０１及び挾み込み部材３０３との間に生じる往動時の摩擦力と復動時の摩擦力とに差を生じさせ、被駆動部材３０を駆動部材２８の軸方向に沿って移動可能にするためのものである。すなわち、板ばね３０５のばね圧により、駆動部材２８が高速で移動（伸長又は縮小）するときは、駆動部材２８に対して被駆動部材３０が相対的に移動し得る程度に駆動部材２８と被駆動部材３０との間に低い摩擦力が発生し、駆動部材２８が低速で移動（伸張又は縮小）するときは、駆動部材２８と共に被駆動部材３０が移動し得るように駆動部材２８と被駆動部材３０との間に高い摩擦力が発生するようになっている。   The spring pressure by the leaf spring 305 is the friction during the forward movement that occurs between the drive member 28 and the base 301 and the squeezing member 303 in the axial reciprocation of the drive member 28 based on the expansion and contraction of the piezoelectric member 26. This is to make a difference between the force and the frictional force at the time of backward movement so that the driven member 30 can move along the axial direction of the driving member 28. That is, when the driving member 28 moves (extends or shrinks) at a high speed due to the spring pressure of the leaf spring 305, the driving member 28 and the driven member 30 are moved to such an extent that the driven member 30 can move relative to the driving member 28. When a low frictional force is generated between the driving member 30 and the driving member 28 moves (extends or contracts) at a low speed, the driving member 28 and the driven member are driven so that the driven member 30 can move together with the driving member 28. A high frictional force is generated between the member 30 and the member 30.

なお、本実施形態では、挾み込み部材３０３を駆動部材２８に圧接させるための付勢手段として板ばね３０５を用いているが、付勢力が生じるものであればこれに限定されるものではなく、例えばコイルばねやゴム等の他の弾性部材を用いることもできる。また、被駆動部材３０には駆動対象物であるレンズＬが取り付けられている。   In the present embodiment, the leaf spring 305 is used as the urging means for pressing the squeezing member 303 against the driving member 28. However, the urging force is not limited to this as long as urging force is generated. Other elastic members such as a coil spring and rubber can also be used. The driven member 30 is attached with a lens L which is a driving object.

図４は、駆動回路１４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ＰＳから駆動電圧＋Ｖｐが供給される接続点ａ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Ｑ２からなる第２スイッチ回路１４２の直列回路が接続されると共に、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Ｑ４からなる第４スイッチ回路１４４の直列回路が接続され、各スイッチ回路１４１乃至１４４に駆動制御信号を供給する制御信号供給手段としての駆動パルス発生回路１４５が接続されて構成されている。   FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the drive circuit 14. In this figure, the drive circuit 14 includes a first switch circuit 141 composed of a switch element Q1 which is a MOS FET between a connection point a to which a drive voltage + Vp is supplied from the drive power supply PS and a connection point b to be grounded. And a series circuit of a second switch circuit 142 consisting of a switch element Q2 which is a MOS type FET, and a third switch circuit 143 consisting of a switch element Q3 which is a MOS type FET and a switch element Q4 which is a MOS type FET. The fourth switch circuit 144 is connected in series, and a drive pulse generation circuit 145 is connected as a control signal supply means for supplying a drive control signal to each of the switch circuits 141 to 144.

第１スイッチ回路１４１を構成するスイッチ素子Ｑ１及び第２スイッチ回路１４２を構成するスイッチ素子Ｑ２はＰチャンネルＦＥＴであり、第３スイッチ回路１４３を構成するスイッチ素子Ｑ３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チャンネルＦＥＴである。   The switch element Q1 constituting the first switch circuit 141 and the switch element Q2 constituting the second switch circuit 142 are P-channel FETs, and constitute the switch element Q3 and the fourth switch circuit 144 constituting the third switch circuit 143. The switch element Q4 is an N-channel FET.

なお、第１スイッチ回路１４１及び第３スイッチ回路１４３の接続点ｃと、第２スイッチ回路１４２及び第４スイッチ回路１４４の接続点ｄとの間に圧電部材２６が接続（接続点ｃが圧電部材２６の矢印Ｐで示す分極方向を基準にして＋側の電極２６１に接続され、接続点ｄが圧電部材２６の−側の電極２６２に接続される。）されてブリッジ回路１４６が構成され、第２スイッチ回路１４２及び第４スイッチ回路１４４の各ＦＥＴのゲートには駆動パルス発生回路１４５がそのまま接続され、第１スイッチ回路１４１及び第３スイッチ回路１４３の各ＦＥＴのゲートには駆動パルス発生回路１４５が反転回路１４７を介して接続されている。   The piezoelectric member 26 is connected between the connection point c of the first switch circuit 141 and the third switch circuit 143 and the connection point d of the second switch circuit 142 and the fourth switch circuit 144 (the connection point c is a piezoelectric member). 26 is connected to the + side electrode 261 with reference to the polarization direction indicated by the arrow P of FIG. 26, and the connection point d is connected to the − side electrode 262 of the piezoelectric member 26). The drive pulse generation circuit 145 is directly connected to the gates of the FETs of the 2-switch circuit 142 and the fourth switch circuit 144, and the drive pulse generation circuit 145 is connected to the gates of the FETs of the first switch circuit 141 and the third switch circuit 143. Are connected via an inverting circuit 147.

この駆動回路１４において、接続点ａ，ｂ間に接続される駆動電圧の極性及び接続点ｃ，ｄ間に接続される圧電部材２６の分極方向は任意に設定することができるが、例えば図４に示すように、接続点ａを駆動電圧の正極とし、圧電部材２６が矢印Ｐの方向に分極され、その＋分極側が接続点ｃに接続（−分極側が接続点ｄに接続）されているとすると、第１スイッチ回路１４１及び第４スイッチ回路１４４は圧電部材２６に対し分極方向と同方向（分極を強める方向）に駆動電圧＋Ｖｐを印加して端子間電圧Ｖｓが＋Ｖｐとなるまで充電する第１の駆動回路（第１の駆動手段）を構成し、第２スイッチ回路１４２及び第３スイッチ回路１４３は圧電部材２６に対し分極方向と逆方向に駆動電圧＋Ｖｐを印加して第１の駆動回路による充電電荷を放電し、かつ、端子間電圧Ｖｓが−Ｖｐとなるまで充電する第２の駆動回路（第２の駆動手段）を構成することになる。圧電部材２６が第２の駆動回路により−Ｖｐに充電されると、第１の駆動回路はその充電電荷を放電し、その後に＋Ｖｐに充電する。   In this drive circuit 14, the polarity of the drive voltage connected between the connection points a and b and the polarization direction of the piezoelectric member 26 connected between the connection points c and d can be arbitrarily set. For example, FIG. As shown in FIG. 4, when the connection point a is the positive electrode of the drive voltage, the piezoelectric member 26 is polarized in the direction of the arrow P, and the + polarization side is connected to the connection point c (the -polarization side is connected to the connection point d). Then, the first switch circuit 141 and the fourth switch circuit 144 apply the drive voltage + Vp to the piezoelectric member 26 in the same direction as the polarization direction (direction in which the polarization is increased) and charge the piezoelectric member 26 until the inter-terminal voltage Vs becomes + Vp. 1 drive circuit (first drive means), and the second switch circuit 142 and the third switch circuit 143 apply a drive voltage + Vp to the piezoelectric member 26 in the direction opposite to the polarization direction to thereby apply the first drive circuit. Charged by Discharges, and, so that the inter-terminal voltage Vs corresponds to a second driving circuit (second driving means) for charging until -Vp. When the piezoelectric member 26 is charged to −Vp by the second drive circuit, the first drive circuit discharges the charged charge and then charges to + Vp.

なお、圧電部材２６を図４とは逆方向に接続すると、第２スイッチ回路１４２及び第３スイッチ回路１４３が圧電部材２６を分極方向と同方向に充電する第１の駆動回路となり、第１スイッチ回路１４１及び第４スイッチ回路１４４が圧電部材２６を分極方向と逆方向に充電する第２の駆動回路となる。   When the piezoelectric member 26 is connected in the direction opposite to that shown in FIG. 4, the second switch circuit 142 and the third switch circuit 143 serve as a first drive circuit that charges the piezoelectric member 26 in the same direction as the polarization direction. The circuit 141 and the fourth switch circuit 144 serve as a second drive circuit that charges the piezoelectric member 26 in the direction opposite to the polarization direction.

このように駆動回路１４と圧電部材２６とでブリッジ回路１４６を構成した場合、圧電部材２６には−Ｖｐ〜＋Ｖｐの電圧が印加されるので、等価的に圧電部材２６の駆動電圧が２Ｖｐとなる結果、駆動電源は低電圧であっても変位量の大きい圧電アクチュエータを得ることができるという利点がある。   When the bridge circuit 146 is configured by the drive circuit 14 and the piezoelectric member 26 as described above, a voltage of −Vp to + Vp is applied to the piezoelectric member 26, so that the drive voltage of the piezoelectric member 26 is equivalently 2 Vp. As a result, there is an advantage that a piezoelectric actuator having a large displacement can be obtained even when the drive power supply is at a low voltage.

図５は、駆動パルス発生回路１４５の構成例を示すブロック図である。この図において、駆動パルス発生回路１４５は、１２５ｎｓのクロックパルスを出力する水晶発振子等の発振素子１５０と、発振素子１５０から出力されるパルス信号をカウントアップすると共に、そのカウント値を出力するカウンタ１５１と、駆動パルスの周期を設定するための第１メモリ１５２と、圧電部材２６に対する充電時間を設定するための第２メモリ１５３と、これら第１メモリ１５２及び第２メモリ１５３に所定の数値（時間）をセットすることにより駆動パルスのＯＮ／ＯＦＦタイミングを制御するパルス幅制御部１５４とを備えている。なお、カウンタ１５１は、後述する第１比較器１５５からリセット信号が入力されたとき、そのカウント値をゼロにリセットする。   FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of the drive pulse generation circuit 145. In this figure, a drive pulse generation circuit 145 counts up an oscillation element 150 such as a crystal oscillator that outputs a clock pulse of 125 ns and a pulse signal output from the oscillation element 150 and outputs a count value thereof. 151, a first memory 152 for setting the drive pulse period, a second memory 153 for setting the charging time for the piezoelectric member 26, and predetermined values (in the first memory 152 and the second memory 153). And a pulse width control unit 154 for controlling the ON / OFF timing of the drive pulse by setting (time). The counter 151 resets its count value to zero when a reset signal is input from a first comparator 155 described later.

また、駆動パルス発生回路１４５は、更に、第１メモリ１５２のセット値（ＴM）とカウンタ１５１から出力されるカウント値（ＴC）とを比較すると共に、カウント値（ＴC）がセット値（ＴM）に達したとき（ＴC≧ＴM）にリセット信号をカウンタ１５１に出力する第１比較器１５５と、第２メモリ１５３のセット値（ＴN）とカウンタ１５１から出力されたカウント値（ＴC）とを比較すると共に、カウント値（ＴC）がセット値（ＴN）よりも小さいとき（ＴC＜ＴN）にハイ信号“Ｈ”を出力する一方、カウント値（ＴC）がセット値（ＴN）に達したとき（ＴC≧ＴN）にロー信号“Ｌ”を出力する第２比較器１５６と、制御部２２からの出力制御信号に基づいて動作するものであって、駆動パルス出力時に第２比較器１５６からの出力を駆動パルスとして出力し、駆動パルス出力停止時は駆動パルスをハイ状態に固定する出力制御回路１５７とを備えている。 The drive pulse generation circuit 145 further compares the set value (T M ) of the first memory 152 with the count value (T C ) output from the counter 151, and the count value (T C ) is set to the set value. When (T M ) is reached (T C ≧ T M ), the first comparator 155 outputs a reset signal to the counter 151, the set value (T N ) of the second memory 153, and the count output from the counter 151 When the count value (T C ) is smaller than the set value (T N ) (T C <T N ), the high signal “H” is output while the count value (T C ) is compared. C ) reaches the set value (T N ) (T C ≧ T N ) and outputs a low signal “L”, and operates based on the output control signal from the control unit 22 And the second comparator 156 when the drive pulse is output. And the output produced al as the driving pulse, when the drive pulse output is stopped and an output control circuit 157 for fixing the driving pulses to a high state.

このように構成された駆動パルス発生回路１４５は、図６に示すように、カウンタ１５１のカウント値（ＴC）が第２メモリ１５３のセット値（ＴN）に達すると、出力制御回路１５６から出力されていたハイ信号がロー信号に切り替わり、さらに時間が経過してカウンタ１５１のカウント値（ＴC）が第１メモリ１５２のセット値（ＴM）に達すると、出力制御回路１５６から出力されていたロー信号がハイ信号に切り替わる。このとき、同時に第１比較器１５５からリセット信号がカウンタ１５１に出力され、これによりカウンタ１５１のカウント値（ＴC）がゼロにリセットされる。このようにして上記の動作が繰り返し実行されることにより駆動パルス発生回路１４５から所定の周期で駆動パルスが連続的に出力されることになる。ここで、駆動パルスの周期を設定するための第１メモリ１５２と圧電部材２６に対する充電時間を設定するための第２メモリ１５３及びパルス幅制御部１５４は、第１の駆動回路及び第２の駆動回路の駆動時間の周期を設定するか、又は駆動周期が一定になるように充電時間を設定するための設定変更手段１５９を構成する。 As shown in FIG. 6, when the count value (T C ) of the counter 151 reaches the set value (T N ) of the second memory 153, the drive pulse generation circuit 145 configured in this way When the output high signal is switched to the low signal and the count value (T C ) of the counter 151 reaches the set value (T M ) of the first memory 152 after a lapse of time, the output signal is output from the output control circuit 156. The low signal is switched to a high signal. At this time, a reset signal is simultaneously output from the first comparator 155 to the counter 151, whereby the count value (T C ) of the counter 151 is reset to zero. By repeatedly executing the above operation in this way, drive pulses are continuously output from the drive pulse generation circuit 145 at a predetermined cycle. Here, the first memory 152 for setting the drive pulse period, the second memory 153 for setting the charging time for the piezoelectric member 26, and the pulse width control unit 154 include the first drive circuit and the second drive. The setting change means 159 for setting the cycle of the driving time of the circuit or setting the charging time so that the driving cycle becomes constant is configured.

なお、図６に示すハイ信号の出力期間ｔ１に第１スイッチ回路１４１と第４スイッチ回路１４４とからなる第１の駆動回路が駆動され、図６に示すロー信号の出力期間ｔ２に第２スイッチ回路１４２と第３スイッチ回路１４３とからなる第２の駆動回路が駆動されることになる。ここで、第１メモリ１５２のセット値は一定にしておき、第２メモリ１５３のセット値を変更することによって駆動周期を一定にした状態で第１の駆動回路のオン期間（駆動時間）ｔ１と第２の駆動回路のオン期間（駆動時間）ｔ２とを調節（デューティ比を調節）することができる。また、第１メモリ１５２のセット値を変更することによって第１の駆動回路のオン期間ｔ１と第２の駆動回路のオン期間ｔ２からなる駆動周期を調節することができる。   Note that the first drive circuit including the first switch circuit 141 and the fourth switch circuit 144 is driven during the high signal output period t1 shown in FIG. 6, and the second switch during the low signal output period t2 shown in FIG. The second drive circuit composed of the circuit 142 and the third switch circuit 143 is driven. Here, the set value of the first memory 152 is kept constant, and the on period (drive time) t1 of the first drive circuit is set in a state where the drive period is made constant by changing the set value of the second memory 153. The ON period (driving time) t2 of the second driving circuit can be adjusted (the duty ratio is adjusted). Further, by changing the set value of the first memory 152, the driving cycle including the on period t1 of the first driving circuit and the on period t2 of the second driving circuit can be adjusted.

図１に戻り、部材センサ１６は、被駆動部材３０の移動可能範囲内に配設されており、ＭＲＥ（Magneto Resistive Effect）素子やＰＳＤ（Position Sensitive Device）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。   Returning to FIG. 1, the member sensor 16 is disposed within a movable range of the driven member 30, and includes a sensor such as an MRE (Magneto Resistive Effect) element or PSD (Position Sensitive Device). The proximal sensor 18 and the distal sensor 20 are configured by sensors such as a photo interrupter.

制御部２２は、演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理プログラム及びデータが記憶されたＲＯＭ（Read-Only Memory）及びデータを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）から構成されており、部材センサ１６等から入力される信号に基づいて駆動パルス発生回路１４５から所定のデューティ比のパルス信号を出力させ、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。すなわち、制御部２２は、第１スイッチ回路１４１及び第４スイッチ回路１４４からなる第１の駆動回路と、第２スイッチ回路１４２及び第３スイッチ回路１４３からなる第２の駆動回路とを交互に駆動する駆動制御手段を構成する。なお、制御部２２には、被駆動部材３０の移動を指示する移動指示スイッチ３４と、被駆動部材３０の移動速度を検出するためのタイマー３６とが接続されている。   The control unit 22 includes a CPU (Central Processing Unit) that performs arithmetic processing, a ROM (Read-Only Memory) that stores processing programs and data, and a RAM (Random Access Memory) that temporarily stores data. Based on a signal input from the member sensor 16 or the like, a pulse signal having a predetermined duty ratio is output from the drive pulse generation circuit 145, and the first drive circuit and the second drive circuit are alternately driven by the drive pulse. . That is, the control unit 22 alternately drives the first drive circuit composed of the first switch circuit 141 and the fourth switch circuit 144 and the second drive circuit composed of the second switch circuit 142 and the third switch circuit 143. The drive control means is configured. The controller 22 is connected to a movement instruction switch 34 for instructing movement of the driven member 30 and a timer 36 for detecting the moving speed of the driven member 30.

上記のように構成された圧電アクチュエータ１０は、従来のように充放電回路に電流を制限するためのトランジスタ、ツェナーダイオード、抵抗等の複数の回路素子からなる定電流回路を設けていないので、駆動回路１４は可能な限り簡単な回路構成とすることができる。これにより駆動回路１４の簡素化及び小型化が図られ、圧電アクチュエータ１０の小型化も可能となる。また、従来のように充放電回路に定電流回路を設けていないので、圧電部材２６に対して分極方向と同方向の駆動電圧が印加されたときの充電速度と圧電部材２６に対して分極方向と逆方向の駆動電圧が印加されたときの放電速度とが略同一（すなわち、圧電部材２６に対する充放電速度が略同一）となるようになっている。   The piezoelectric actuator 10 configured as described above is not provided with a constant current circuit composed of a plurality of circuit elements such as a transistor, a Zener diode, and a resistor for limiting current in the charge / discharge circuit as in the prior art. The circuit 14 can be as simple as possible. Thereby, the drive circuit 14 can be simplified and miniaturized, and the piezoelectric actuator 10 can be miniaturized. In addition, since the constant current circuit is not provided in the charge / discharge circuit as in the prior art, the charging speed when the drive voltage in the same direction as the polarization direction is applied to the piezoelectric member 26 and the polarization direction with respect to the piezoelectric member 26. The discharge rate when a drive voltage in the opposite direction is applied is substantially the same (that is, the charge / discharge rate for the piezoelectric member 26 is substantially the same).

図７は、図４に示す駆動回路１４の駆動パルス発生回路１４５から出力される駆動パルスと、各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材２６に印加される駆動電圧の波形とを示す図である。この図に示すように、圧電アクチュエータ１０の駆動時には、駆動パルス発生回路１４５から出力された駆動パルスがそのままの状態で駆動制御信号としてスイッチ素子Ｑ２，Ｑ４に入力される一方、駆動パルス発生回路１４５から出力された駆動パルスが反転回路１４７を介することにより反転された状態で駆動制御信号としてスイッチ素子Ｑ１，Ｑ３に入力される。これによってスイッチ素子Ｑ１，Ｑ４及びスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３が交互にオンになり、そのオン期間に圧電部材２６に対して駆動電圧Ｖｐが印加されることになる。   7 shows the drive pulse output from the drive pulse generation circuit 145 of the drive circuit 14 shown in FIG. 4, the ON / OFF states of the switch elements Q1 to Q4, and the waveform of the drive voltage applied to the piezoelectric member 26. FIG. As shown in this figure, when the piezoelectric actuator 10 is driven, the drive pulse output from the drive pulse generation circuit 145 is input as it is to the switch elements Q2 and Q4 as drive control signals, while the drive pulse generation circuit 145 is provided. The drive pulse output from is input to the switch elements Q1 and Q3 as a drive control signal in a state where the drive pulse is inverted through the inversion circuit 147. As a result, the switch elements Q1, Q4 and the switch elements Q2, Q3 are alternately turned on, and the drive voltage Vp is applied to the piezoelectric member 26 during the on period.

そして、被駆動部材３０を支持部材２４の先端側に移動させる場合（以下、この方向の駆動を「正方向駆動」という。）では、第１の駆動回路のオン期間ｔ１と第２の駆動回路のオン期間ｔ２との比Ｄ（Ｄ＝ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）、以下、デューティ比Ｄという。）が、０．５以下の比較的小さい値に設定されるようになっている。また、被駆動部材３０を支持部材２４の基端側に移動させる場合（以下、この方向の駆動を「逆方向駆動」という。）では、第１の駆動回路のオン期間ｔ１と第２の駆動回路のオン期間ｔ２とのデューティ比Ｄが、０．５以上の比較的大きい値に設定されるようになっている。すなわち、本発明では、圧電部材２６に対する充放電速度を略同一にし、充放電時間のデューティ比Ｄを異ならせることにより圧電アクチュエータ１０の駆動方向（正方向駆動又は逆方向駆動）を制御するようにしている。なお、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２はＰチャンネルＦＥＴであるので、駆動制御信号がローレベルのときにオンになり、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４はＮチャンネルＦＥＴであるので、駆動制御信号がハイレベルのときにオンになる。   When the driven member 30 is moved to the distal end side of the support member 24 (hereinafter, driving in this direction is referred to as “forward driving”), the ON period t1 of the first driving circuit and the second driving circuit. A ratio D to the ON period t2 (D = t1 / (t1 + t2), hereinafter referred to as duty ratio D) is set to a relatively small value of 0.5 or less. When the driven member 30 is moved to the base end side of the support member 24 (hereinafter, driving in this direction is referred to as “reverse driving”), the ON period t1 of the first driving circuit and the second driving are performed. The duty ratio D with respect to the on-period t2 of the circuit is set to a relatively large value of 0.5 or more. That is, in the present invention, the drive direction (forward drive or reverse drive) of the piezoelectric actuator 10 is controlled by making the charge / discharge speeds with respect to the piezoelectric member 26 substantially the same and by varying the charge / discharge time duty ratio D. ing. Since the switch elements Q1 and Q2 are P-channel FETs, they are turned on when the drive control signal is at a low level, and since the switch elements Q3 and Q4 are N-channel FETs, they are turned on when the drive control signal is at a high level. Turn on.

このように、圧電部材２６に対する充放電速度を略同一にし、充放電時間のデューティ比Ｄのみで圧電アクチュエータ１０の駆動方向を制御しているのは、分極方向と同方向への充電時間と分極方向と逆方向への充電時間とに比較的大きい差を設けることによって一定の条件下で被駆動部材３０が駆動部材２８に対して相対移動することになるという実験結果に基づくものである。   As described above, the charge / discharge speed for the piezoelectric member 26 is made substantially the same, and the drive direction of the piezoelectric actuator 10 is controlled only by the duty ratio D of the charge / discharge time. This is based on the experimental result that the driven member 30 moves relative to the driving member 28 under a certain condition by providing a relatively large difference between the charging direction in the direction and the reverse direction.

図８は、圧電部材２６に対する充放電速度が略同一で、圧電部材２６に対する充放電時間のデューティ比Ｄのみが異なる駆動電圧を印加したときの圧電部材の変位の過渡応答を示す図である。この図に基づき、充放電時間のデューティ比Ｄを変更することにより被駆動部材３０が駆動部材２８に対し正方向と逆方向とに移動することになる理由を説明する。   FIG. 8 is a diagram showing a transient response of the displacement of the piezoelectric member when a drive voltage is applied in which the charge / discharge speed with respect to the piezoelectric member 26 is substantially the same and only the duty ratio D of the charge / discharge time with respect to the piezoelectric member 26 is different. Based on this figure, the reason why the driven member 30 moves in the forward direction and the reverse direction with respect to the drive member 28 by changing the duty ratio D of the charge / discharge time will be described.

この図８の下段に示す波形は、圧電部材２６に分極方向と同方向の駆動電圧が印加されるときの充電時間が、分極方向と逆方向の駆動電圧が印加されるときの放電時間よりも長い所定のデューティ比を有する駆動電圧の1周期分を示し、上段に示す波形は、その駆動電圧が印加されたときの圧電部材２６及び駆動部材２８の過渡的な伸縮動作を示す図である。なお、この図８に示す圧電部材２６及び駆動部材２８の伸縮動作の過渡波形は、説明の便宜上、共振周波数の基本波の波形で表している。   The waveform shown in the lower part of FIG. 8 indicates that the charging time when the driving voltage in the same direction as the polarization direction is applied to the piezoelectric member 26 is longer than the discharging time when the driving voltage in the direction opposite to the polarization direction is applied. One cycle of the drive voltage having a long predetermined duty ratio is shown, and the waveform shown in the upper stage is a diagram showing a transient expansion and contraction operation of the piezoelectric member 26 and the drive member 28 when the drive voltage is applied. For convenience of explanation, the transient waveform of the expansion / contraction operation of the piezoelectric member 26 and the drive member 28 shown in FIG. 8 is represented by the waveform of the fundamental wave of the resonance frequency.

いま、圧電部材２６に分極方向と同方向の駆動電圧＋Ｖｐを印加して充電すると圧電部材２６は伸長し、その圧電部材２６に分極方向と逆方向の駆動電圧−Ｖｐを印加して蓄積された電荷を放電すると共に逆方向に充電すると、圧電部材２６は縮小する。しかし、圧電部材２６及び駆動部材２８には弾性があるため、例えば伸長動作を過渡的にみると、圧電部材２６は、圧電部材２６自体、駆動部材２８、被駆動部材３０等により決定される所定の共振周波数で振動しながら所定の長さに伸長する。すなわち、図８に示すように、例えばａ点で圧電部材２６に駆動電圧＋Ｖｐが印加されると、圧電部材２６は高速で大きく伸長した後、ｂ点で縮小に転じ、その後は振動的に伸長と縮小とを繰り返してｃ点近傍の伸長量に落ち着いていく（図８のc点から仮想線で示す波形を参照）。このような過渡的な変位動作の事情は縮小動作についても同様で、＋Ｖｐが印加された後に−Ｖｐが印加されると、高速で大きく縮小した後、ある変位量で伸長に転じ、その後は振動的に縮小と伸長とを繰り返して所定の縮小量に落ち着いていく（図８のｄ点から仮想線で示す波形を参照）。   Now, when the piezoelectric member 26 is charged by applying the driving voltage + Vp in the same direction as the polarization direction, the piezoelectric member 26 expands, and the piezoelectric member 26 is accumulated by applying the driving voltage -Vp in the direction opposite to the polarization direction. When the electric charge is discharged and charged in the opposite direction, the piezoelectric member 26 shrinks. However, since the piezoelectric member 26 and the driving member 28 have elasticity, for example, when the extension operation is transiently viewed, the piezoelectric member 26 is determined by the piezoelectric member 26 itself, the driving member 28, the driven member 30, and the like. It extends to a predetermined length while vibrating at a resonance frequency of. That is, as shown in FIG. 8, for example, when the drive voltage + Vp is applied to the piezoelectric member 26 at the point a, the piezoelectric member 26 expands greatly at a high speed, then starts to shrink at the point b, and then expands in a vibrational manner. Then, the amount of expansion near the point c is settled by repeating the above and the reduction (see the waveform indicated by the phantom line from the point c in FIG. 8). The situation of such a transient displacement operation is the same for the reduction operation. When −Vp is applied after + Vp is applied, it is greatly reduced at a high speed and then starts to expand with a certain amount of displacement, and then vibrates. Then, reduction and expansion are repeated to settle down to a predetermined reduction amount (see the waveform indicated by the phantom line from point d in FIG. 8).

すなわち、圧電部材２６に対して、図８に示すような波形の駆動電圧が繰り返し印加された場合、−Ｖｐで充電された状態からａ点で圧電部材２６に電圧＋Ｖｐが印加されて充電が行われると、圧電部材２６は高速でｂ点まで伸長するが、その後は伸長速度よりも遅い速度でｃ点まで縮小する（図８でａ−ｂ間の傾斜よりもｂ−ｃ間の傾斜が緩やかになる）。これは略同一の時間で伸長と縮小とが行われるとすると、圧電部材２６や駆動部材２８等の粘性により縮小量が伸長量より小さくなるためである。   That is, when a drive voltage having a waveform as shown in FIG. 8 is repeatedly applied to the piezoelectric member 26, the voltage + Vp is applied to the piezoelectric member 26 at the point a from the state of being charged at −Vp, and charging is performed. When this occurs, the piezoelectric member 26 expands to the point b at a high speed, but thereafter contracts to the point c at a speed slower than the expansion speed (in FIG. 8, the inclination between bc is gentler than the inclination between a and b). become). This is because if the expansion and contraction are performed in substantially the same time, the reduction amount is smaller than the expansion amount due to the viscosity of the piezoelectric member 26, the drive member 28, and the like.

次に、縮小動作がほぼ終了するｃ点のタイミング（このタイミングは分極方向と同方向へ充電した際の圧電部材２６の共振周波数の約１周期分のタイミングに相当する。）で圧電部材２６に−Ｖｐが印加されて放電が行われると共に−Ｖｐで充電されると、圧電部材２６はその変位位置から更にｄ点まで縮小動作を行なう。このとき、圧電部材２６の伸長量は定常的に放電を行なったときの縮小量に近いので、その縮小速度はａ−ｂ間の伸長速度よりも低速となる。すなわち、ｃ−ｄ間の傾斜はａ−ｂ間の傾斜よりも緩やかになる。   Next, at the timing of point c at which the reduction operation is almost completed (this timing corresponds to the timing of about one cycle of the resonance frequency of the piezoelectric member 26 when charged in the same direction as the polarization direction). When −Vp is applied and discharged, and when charged with −Vp, the piezoelectric member 26 further reduces from the displacement position to point d. At this time, since the expansion amount of the piezoelectric member 26 is close to the reduction amount when the discharge is regularly performed, the reduction speed is lower than the expansion speed between a and b. That is, the inclination between cd becomes gentler than the inclination between a and b.

そして、その縮小動作がほぼ終了するタイミング（このタイミングは分極方向と逆方向に充電した際の圧電部材２６の共振周波数の約１／２周期分のタイミングに相当する。）ｄ点で再び、圧電部材２６に電圧＋Ｖｐが印加されて充電が行われると、圧電部材２６は再度、高速で伸長動作を行ない、以下、図９に示すように駆動電圧の波形に応じて上述の圧電部材２６の伸縮動作が繰り返される。   Then, the timing at which the reduction operation is almost completed (this timing corresponds to a timing corresponding to about 1/2 cycle of the resonance frequency of the piezoelectric member 26 when charged in the direction opposite to the polarization direction). When the voltage + Vp is applied to the member 26 and charging is performed, the piezoelectric member 26 again performs an extension operation at a high speed. Hereinafter, the expansion and contraction of the above-described piezoelectric member 26 according to the waveform of the drive voltage as shown in FIG. The operation is repeated.

上述の圧電部材２６の伸縮動作において、伸長動作は高速で行われ、縮小動作はそれよりも低速で行われるので、圧電部材の伸縮動作によって駆動部材２８が往復動を繰り返すと、高速の往動時では駆動部材２８と被駆動部材３０との間の摩擦力は低く、低速の復動時では駆動部材２８と被駆動部材３０との間の摩擦力は高くなることから被駆動部材３０は復動時にのみ駆動部材２８と共に移動することとなる。従って、図９に示すように、被駆動部材３０は駆動部材２８の往復動に応じて停止と移動とを繰り返し、全体として逆方向駆動を行なうことになる。   In the expansion / contraction operation of the piezoelectric member 26 described above, the expansion operation is performed at a high speed and the contraction operation is performed at a lower speed. Therefore, when the driving member 28 repeats reciprocation by the expansion / contraction operation of the piezoelectric member, the high-speed forward movement is performed. At times, the frictional force between the driving member 28 and the driven member 30 is low, and the frictional force between the driving member 28 and the driven member 30 is high at the time of reverse movement at a low speed. It moves together with the drive member 28 only during the movement. Therefore, as shown in FIG. 9, the driven member 30 repeatedly stops and moves in accordance with the reciprocating movement of the driving member 28, and performs reverse driving as a whole.

図９は、充電時間が放電時間より長い所定のデューティ比Ｄを有する駆動電圧を圧電部材２６に印加した場合の例であるが、圧電部材２６に充電時間が放電時間より短い所定のデューティ比Ｄを有する駆動電圧を印加した場合は、上述の充放電速度の関係が逆になり、圧電部材２６は−Ｖｐの充電時に高速で縮小し、＋Ｖｐの充電時に低速で伸長を行なうことになるから、被駆動部材３０は駆動部材２８の往復動に応じて移動と停止とを繰り返し、全体として正方向駆動を行なうことになる。   FIG. 9 shows an example in which a drive voltage having a predetermined duty ratio D having a charging time longer than the discharging time is applied to the piezoelectric member 26. The predetermined duty ratio D having a charging time shorter than the discharging time is applied to the piezoelectric member 26. When the drive voltage having the above is applied, the above charge / discharge speed relationship is reversed, and the piezoelectric member 26 contracts at a high speed when charged with -Vp and expands at a low speed when charged with + Vp. The driven member 30 repeats moving and stopping according to the reciprocating motion of the driving member 28, and performs the forward driving as a whole.

従って、図４において、駆動パルス発生回路１４５からデューティ比Ｄが０．５よりも大きい所定の値を有する駆動パルスが出力されるときは、圧電部材２６が高速伸長と低速縮小とを交互に繰り返すので、被駆動部材３０は支持部材２４の基端側に移動する（逆方向駆動）。また、駆動パルス発生回路１４５からデューティ比Ｄが０．５よりも小さい所定の値を有する駆動制御信号が出力されるときは、圧電部材２６が低速伸長と高速縮小とを交互に繰り返すので、被駆動部材３０は支持部材２４の先端側に移動する（正方向駆動）。   Therefore, in FIG. 4, when a drive pulse having a predetermined value with a duty ratio D greater than 0.5 is output from the drive pulse generation circuit 145, the piezoelectric member 26 alternately repeats high speed expansion and low speed reduction. Therefore, the driven member 30 moves to the base end side of the support member 24 (reverse direction driving). Further, when a drive control signal having a predetermined value with a duty ratio D smaller than 0.5 is output from the drive pulse generation circuit 145, the piezoelectric member 26 alternately repeats the low speed extension and the high speed reduction, so The drive member 30 moves to the front end side of the support member 24 (forward direction drive).

被駆動部材３０を安定して所望の方向に移動させるには、上述のように充電時間（図８のａ−ｃの時間を参照）は分極方向と同方向へ充電した際の圧電部材２６の共振周波数の約１周期分の期間に、また、放電時間（図８のｃ−ｄの時間を参照）は分極方向と逆方向に充電した際の圧電部材２６の共振周波数の約１／２周期分の期間に設定するのが好ましいが、実際には圧電部材２６の支持部材２４への取付構造や駆動部材２８等の要因により、圧電部材２６及び駆動部材２８の変位波形が図８に示すような波形とならず、他の周波数成分が重畳された歪んだ波形となる。従って、適切な圧電部材２６に対する駆動電圧は、圧電アクチュエータ毎に調整して設定されることになる。   In order to stably move the driven member 30 in the desired direction, as described above, the charging time (see the time a to c in FIG. 8) of the piezoelectric member 26 when charging in the same direction as the polarization direction is performed. In the period of about one cycle of the resonance frequency, the discharge time (see time cd in FIG. 8) is about ½ cycle of the resonance frequency of the piezoelectric member 26 when charged in the direction opposite to the polarization direction. However, due to factors such as the mounting structure of the piezoelectric member 26 to the support member 24 and the driving member 28, the displacement waveforms of the piezoelectric member 26 and the driving member 28 are actually as shown in FIG. It becomes a distorted waveform in which other frequency components are superimposed. Therefore, the drive voltage for the appropriate piezoelectric member 26 is adjusted and set for each piezoelectric actuator.

なお、駆動パルスの充放電時間のデューティ比Ｄが圧電部材２６の共振周波数に正確に関係していない場合であっても被駆動部材３０をデューティ比Ｄに応じて正方向若しくは逆方向に移動させることは可能である。   Even if the duty ratio D of the charge / discharge time of the drive pulse is not accurately related to the resonance frequency of the piezoelectric member 26, the driven member 30 is moved in the forward direction or the reverse direction according to the duty ratio D. It is possible.

また、圧電部材２６、駆動部材２８及び被駆動部材３０間の取付構造や条件によっては、図７に示したものと逆の方向に駆動させることも可能である。すなわち、駆動パルスのデューティ比Ｄを０．５よりも小さい値にすることで被駆動部材３０を逆方向に移動させ、デューティ比Ｄを０．５よりも大きい値にすることで被駆動部材３０を正方向に移動させることも可能である。   Further, depending on the mounting structure and conditions between the piezoelectric member 26, the driving member 28, and the driven member 30, it is possible to drive in the direction opposite to that shown in FIG. That is, the driven member 30 is moved in the reverse direction by setting the duty ratio D of the drive pulse to a value smaller than 0.5, and the driven member 30 is set by setting the duty ratio D to a value larger than 0.5. Can be moved in the positive direction.

図１０は、圧電部材２６に対する充電時間ｔ１（図６に示す第１の駆動回路の駆動時間ｔ１）と放電時間ｔ２（図６に示す第２の駆動回路の駆動時間ｔ２）からなる駆動周期ｔｐを１３μｓ〜１６μｓの範囲内で１２５ｎｓずつ変化させると共に、充電時間ｔ１を９．５μｓ〜（ｔP−１．５μｓ）の範囲内で１２５ｎｓずつ変化させたときの被駆動部材３０の駆動部材２８に対する移動速度（基端部側への移動速度）を測定し、等高線図として表わしたものである。   FIG. 10 shows a driving cycle tp composed of a charging time t1 (driving time t1 of the first driving circuit shown in FIG. 6) and a discharging time t2 (driving time t2 of the second driving circuit shown in FIG. 6) for the piezoelectric member 26. Of the driven member 30 with respect to the driving member 28 when the charging time t1 is changed by 125 ns in the range of 9.5 μs to (tP−1.5 μs). The speed (moving speed toward the base end side) is measured and expressed as a contour map.

この等高線図から明らかなように、被駆動部材３０の基端部側への移動速度は、駆動周期１４．５μｓ、充電時間１０．２５μｓ近辺において最速となり、所定の範囲内ではその点を中心に駆動周期ｔP又は充電時間ｔ１が変化するに従って低下する。そして、その移動速度は、駆動周期ｔPを１４．５μｓに設定し、充電時間を１０．２５μｓから増加させる場合が最もなだらかに変化する。この図１０の等高線図は、被駆動部材３０を駆動部材２８の基端部側へ移動させた場合のものであるが、逆方向（駆動部材２８の先端部側）へ移動させた場合もほとんど同様の測定結果を得ることができた。但し、被駆動部材３０の先端部側への移動速度は、駆動周期１４．５μｓ、充電時間３．２５μｓ近辺において最速となり、所定の範囲内ではその点を中心に駆動周期ｔｐ（＝ｔ１＋ｔ２）又は充電時間ｔ１が変化するに従って低下する。そして、その移動速度は、駆動周期ｔｐを１４．５μｓに設定し、充電時間を３．２５μｓから減少させる場合が最もなだらかに変化する。   As is apparent from this contour map, the moving speed of the driven member 30 toward the base end side is the fastest in the vicinity of the driving cycle of 14.5 μs and the charging time of 10.25 μs, and centered on that point within the predetermined range. It decreases as the driving cycle tP or the charging time t1 changes. The moving speed changes most smoothly when the driving cycle tP is set to 14.5 μs and the charging time is increased from 10.25 μs. The contour map of FIG. 10 is for the case where the driven member 30 is moved to the base end side of the driving member 28, but the case where the driven member 30 is moved in the reverse direction (the tip end side of the driving member 28) is almost the same. Similar measurement results could be obtained. However, the moving speed of the driven member 30 toward the tip end side is the fastest in the vicinity of a driving cycle of 14.5 μs and a charging time of 3.25 μs, and within a predetermined range, the driving cycle tp (= t1 + t2) It decreases as the charging time t1 changes. The moving speed changes most smoothly when the driving cycle tp is set to 14.5 μs and the charging time is decreased from 3.25 μs.

また、この被駆動部材３０の基端部側への移動速度は、図１１に示すように、駆動周期ｔｐを１４．５μｓに設定した場合、充電時間ｔ１が１０．２５μｓ付近で頂点となり、充電時間ｔ１が長くなるに従ってなだらかに減少する。従って、本実施形態では、駆動周期ｔｐを１４．５μｓに設定し、充電時間ｔ１を１１μｓ〜１２μｓの範囲内で変化させることにより被駆動部材３０の速度制御を行うようにしている。また、被駆動部材３０を駆動部材２８の先端部側へ移動させる場合は、駆動周期ｔｐを１４．５μｓに設定し、充電時間ｔ１を２．５μｓ〜３．５μｓの範囲内で変化させることにより被駆動部材３０の速度制御を行うようにしている。なお、これらの数値は、本実施形態における実験結果に基づくものであり、圧電アクチュエータ１０の構成に応じて適宜変更されるものであることはいうまでもない。   Further, as shown in FIG. 11, when the driving cycle tp is set to 14.5 μs, the moving speed of the driven member 30 reaches the peak when the charging time t1 is around 10.25 μs. As time t1 becomes longer, it decreases gently. Therefore, in the present embodiment, the speed of the driven member 30 is controlled by setting the driving cycle tp to 14.5 μs and changing the charging time t1 within the range of 11 μs to 12 μs. Further, when the driven member 30 is moved to the tip end side of the driving member 28, the driving cycle tp is set to 14.5 μs, and the charging time t1 is changed within the range of 2.5 μs to 3.5 μs. The speed of the driven member 30 is controlled. Note that these numerical values are based on the experimental results in the present embodiment, and needless to say, are appropriately changed according to the configuration of the piezoelectric actuator 10.

図１２及び図１３は、被駆動部材３０の速度制御を行う制御部２２の動作を説明するためのフローチャートである。まず、圧電アクチュエータ１０の図略の電源スイッチがオンされると、初期状態に設定された後に移動指示スイッチ３４がオンされたか否かが判別される（ステップ＃１）。この判定が肯定されると、先端センサ２０がオンされたか否かが判別され（ステップ＃３）、この判定が肯定されると駆動パルスの周期（駆動周期）を設定する第１メモリ１５２に「１１６」（１１６×０．１２５μｓ＝１４．５μｓ）がセットされる（ステップ＃５）。なお、ステップ＃１で判定が否定されたときは、移動指示スイッチ３４がオンされるまで待機する。   12 and 13 are flowcharts for explaining the operation of the control unit 22 that controls the speed of the driven member 30. First, when a power switch (not shown) of the piezoelectric actuator 10 is turned on, it is determined whether or not the movement instruction switch 34 is turned on after the initial state is set (step # 1). If this determination is affirmed, it is determined whether or not the tip sensor 20 is turned on (step # 3), and if this determination is affirmed, the first memory 152 that sets the period of the drive pulse (drive period) is set to “ 116 ”(116 × 0.125 μs = 14.5 μs) is set (step # 5). If the determination in step # 1 is negative, the process waits until the movement instruction switch 34 is turned on.

次いで、充電時間を設定する第２メモリ１５３に「９２」（９２×０．１２５μｓ＝１１．５μｓ）がセットされ（ステップ＃７）、その後に駆動パルス発生回路１４５から駆動パルスの出力が開始される（ステップ＃９）。そして、タイマー３６が始動されると共に、被駆動部材３０の移動に対応して時間がカウントされ（ステップ＃１１）、引き続いて基端センサ１８がオンされたか否かが判別される（ステップ＃１３）。ステップ＃１３で判定が否定されると時間が例えば１０ｍｓを経過したか否かが判別され（ステップ＃１５）、判定が肯定されると基端側への移動距離が例えば２４μｍを超えたか否かが判別される（ステップ＃１７）。   Next, “92” (92 × 0.125 μs = 11.5 μs) is set in the second memory 153 for setting the charging time (step # 7), and then driving pulse output is started from the driving pulse generation circuit 145. (Step # 9). Then, the timer 36 is started and time is counted in accordance with the movement of the driven member 30 (step # 11), and it is subsequently determined whether or not the proximal sensor 18 is turned on (step # 13). ). If the determination in step # 13 is negative, it is determined whether or not, for example, 10 ms has elapsed (step # 15), and if the determination is affirmative, whether or not the movement distance to the proximal end has exceeded 24 μm, for example. Is discriminated (step # 17).

なお、ステップ＃１３で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され（ステップ＃１９）、ステップ＃１に戻り以降の動作が繰り返し実行される。また、ステップ＃１５で判定が否定されると、ステップ＃１３に戻って以降の動作が繰り返し実行される。ステップ＃１５における時間の判別はタイマー３６からの出力値に基づいて行われ、ステップ＃１７における移動距離の判別は部材センサ１６からの出力値に基づいて行われる。すなわち、一定時間（例えば、１０ｍｓ）が経過するまでは、駆動周期１４．５μｓ、充電時間１１．５μｓの条件で被駆動部材３０が移動され、一定時間（例えば、１０ｍｓ）が経過するまでに基端位置に達するとそれ以上の移動は不能となるため、駆動パルスの出力が停止されることになる。   If the determination in step # 13 is affirmative, output of the drive pulse is stopped (step # 19), and the process returns to step # 1 and the subsequent operations are repeated. If the determination is negative in step # 15, the process returns to step # 13 and the subsequent operations are repeated. The determination of time in step # 15 is performed based on the output value from the timer 36, and the determination of the movement distance in step # 17 is performed based on the output value from the member sensor 16. That is, until a certain time (for example, 10 ms) elapses, the driven member 30 is moved under the conditions of a driving cycle of 14.5 μs and a charging time of 11.5 μs, and the time until the certain time (for example, 10 ms) elapses. When the end position is reached, further movement becomes impossible, and output of the drive pulse is stopped.

ステップ＃１７で判定が否定されると基端側への移動距離が例えば２２μｍに満たないか否かが判別され（ステップ＃２１）、この判定が否定されるとステップ＃１１に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が一定時間（例えば、１０ｍｓ）を経過しても所定範囲内（例えば、２２μｍ〜２４μｍ）にあるうちは駆動周期１４．５μｓ、充電時間１１．５μｓの条件で被駆動部材３０が移動されることになる。   If the determination in step # 17 is negative, it is determined whether or not the moving distance to the base end side is less than 22 μm, for example (step # 21). If this determination is negative, the process returns to step # 11 and the subsequent steps The operation is executed repeatedly. That is, as long as the movement distance of the driven member 30 is within a predetermined range (for example, 22 μm to 24 μm) even after a certain time (for example, 10 ms) has elapsed, the driving cycle is 14.5 μs and the charging time is 11.5 μs. The driven member 30 is moved.

ステップ＃１７で判定が肯定されると第２メモリ１５３に「１」が加算され（０．１２５μｓだけ増加）（ステップ＃２３）、その後に第２メモリ１５３のセット値が「９６」を超えるか否かが判別される（ステップ＃２５）。ステップ＃２５で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され（ステップ＃２７）、その後に図略の表示装置に異常警告が表示され（ステップ＃２９）、動作が終了する。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が所定値（例えば、２４μｍ）を超えると、充電時間が１１．５μｓから順次増加されて移動速度が順次減速され、充電時間が１２μｓに達しても基端センサ１８位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。   If the determination in step # 17 is affirmative, “1” is added to the second memory 153 (increase by 0.125 μs) (step # 23), and then the set value of the second memory 153 exceeds “96”. It is determined whether or not (step # 25). If the determination in step # 25 is affirmative, output of the drive pulse is stopped (step # 27), and then an abnormality warning is displayed on a display device (not shown) (step # 29), and the operation ends. That is, when the moving distance of the driven member 30 exceeds a predetermined value (for example, 24 μm), the charging time is sequentially increased from 11.5 μs, the moving speed is gradually reduced, and even if the charging time reaches 12 μs, the proximal sensor If the position does not reach the 18th position, it is determined that an abnormality has occurred, and the drive pulse output is stopped, and a warning is issued at the same time.

また、ステップ＃２１で判定が肯定されると、第２メモリ１５３から「１」が減算され（０．１２５μｓだけ減少）（ステップ＃３１）、その後に第２メモリ１５３のセット値が「８８」に満たないか否かが判別される（ステップ＃３３）。ステップ＃３３で判定が肯定されるとステップ＃２７に移行され、ステップ＃３３で判定が否定されるとステップ＃１１に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が一定時間（例えば、１０ｍｓ）を経過しても所定値（例えば、２２μｍ）に達していないときは、充電時間が１１．５μｓから順次減少されて移動速度が順次加速され、充電時間が１１μｓに達しても基端センサ１８位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。   If the determination in step # 21 is affirmative, “1” is subtracted from the second memory 153 (decrease by 0.125 μs) (step # 31), and then the set value of the second memory 153 is “88”. Is determined (step # 33). If the determination is affirmative in step # 33, the process proceeds to step # 27. If the determination is negative in step # 33, the process returns to step # 11 and the subsequent operations are repeated. That is, when the moving distance of the driven member 30 does not reach a predetermined value (for example, 22 μm) even after a certain time (for example, 10 ms) has elapsed, the charging time is sequentially decreased from 11.5 μs to increase the moving speed. If the acceleration is sequentially performed and the position of the base sensor 18 is not reached even when the charging time reaches 11 μs, it is determined that there is an abnormality, the drive pulse output is stopped, and a warning is issued at the same time.

一方、ステップ＃３で判定が否定されると、基端センサ１８がオンされたか否かが判別され（ステップ＃３５）、この判定が肯定されると第１メモリ１５２に「１１６」（１１６×０．１２５μｓ＝１４．５μｓ）がセットされる（ステップ＃３７）。なお、ステップ＃３５で判定が否定されると、再度ステップ＃３に戻って以降の動作が繰り返し実行される。   On the other hand, if the determination in step # 3 is negative, it is determined whether or not the proximal sensor 18 is turned on (step # 35). If this determination is affirmative, “116” (116 ×) is stored in the first memory 152. 0.125 μs = 14.5 μs) is set (step # 37). If the determination is negative in step # 35, the process returns to step # 3 again and the subsequent operations are repeated.

次いで、第２メモリ１５３に「２４」（２４×０．１２５μｓ＝３．０μｓ）がセットされ（ステップ＃３９）、その後に駆動パルス発生回路１４５から駆動パルスの出力が開始される（ステップ＃４１）。すなわち、上述のステップ＃３３までは被駆動部材３０が駆動部材２８の先端側から基端側に向けて移動する動作であるのに対し、ステップ＃３７以降は被駆動部材３０が駆動部材２８の基端側から先端側に向けて移動する動作である。   Next, “24” (24 × 0.125 μs = 3.0 μs) is set in the second memory 153 (step # 39), and then drive pulse output is started from the drive pulse generation circuit 145 (step # 41). ). That is, until the above-described step # 33, the driven member 30 moves from the distal end side to the proximal end side of the driving member 28, whereas after step # 37, the driven member 30 moves the driving member 28. This is an operation of moving from the proximal end side toward the distal end side.

次いで、タイマー３６が始動されると共に、被駆動部材３０の移動に対応して時間がカウントされ（ステップ＃４３）、引き続いて先端センサ２０がオンされたか否かが判別される（ステップ＃４５）。ステップ＃４５で判定が否定されると時間が例えば１０ｍｓを経過したか否かが判別され（ステップ＃４７）、判定が肯定されると先端側への移動距離が例えば２４μｍを超えたか否かが判別される（ステップ＃４９）。   Next, the timer 36 is started and time is counted in accordance with the movement of the driven member 30 (step # 43), and it is subsequently determined whether or not the tip sensor 20 is turned on (step # 45). . If the determination is negative in step # 45, it is determined whether or not, for example, 10 ms has elapsed (step # 47), and if the determination is affirmative, whether or not the moving distance to the tip side has exceeded 24 μm, for example. A determination is made (step # 49).

なお、ステップ＃４５で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され（ステップ＃５１）、ステップ＃１に戻り以降の動作が繰り返し実行される。また、ステップ＃４７で判定が否定されると、ステップ＃４５に戻って以降の動作が繰り返し実行される。ステップ＃４７における時間の判別はタイマー３６からの出力値に基づいて行われ、ステップ＃４９における移動距離の判別は部材センサ１６からの出力値に基づいて行われる。すなわち、一定時間（例えば、１０ｍｓ）が経過するまでは、駆動周期１４．５μｓ、充電時間３．０μｓの条件で被駆動部材３０が移動され、一定時間（例えば、１０ｍｓ）が経過するまでに先端位置に達するとそれ以上の移動は不能となるため、駆動パルスの出力が停止されることになる。   If the determination in step # 45 is affirmative, output of the drive pulse is stopped (step # 51), and the process returns to step # 1 and the subsequent operations are repeated. If the determination is negative in step # 47, the process returns to step # 45 and the subsequent operations are repeated. The time determination in step # 47 is performed based on the output value from the timer 36, and the movement distance determination in step # 49 is performed based on the output value from the member sensor 16. In other words, the driven member 30 is moved under the conditions of a driving period of 14.5 μs and a charging time of 3.0 μs until a certain time (for example, 10 ms) elapses, and the tip is reached until a certain time (for example, 10 ms) elapses. When the position is reached, no further movement is possible, and output of the drive pulse is stopped.

ステップ＃４９で判定が否定されると先端側への移動距離が例えば２２μｍに満たないか否かが判別され（ステップ＃５３）、この判定が否定されるとステップ＃４３に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が一定時間（例えば、１０ｍｓ）を経過しても所定範囲内（例えば、２２μｍ〜２４μｍ）にあるうちは駆動周期１４．５μｓ、充電時間３．０μｓの条件で被駆動部材３０が移動されることになる。   If the determination is negative in step # 49, it is determined whether or not the moving distance to the tip side is less than 22 μm, for example (step # 53). If this determination is negative, the process returns to step # 43 and the subsequent operations Is repeatedly executed. That is, as long as the movement distance of the driven member 30 is within a predetermined range (for example, 22 μm to 24 μm) even after a predetermined time (for example, 10 ms) has passed, the driving cycle is 14.5 μs and the charging time is 3.0 μs. The driven member 30 is moved.

ステップ＃４９で判定が肯定されると第２メモリ１５３から「１」が減算され（０．１２５μｓだけ減少）（ステップ＃５５）、その後に第２メモリ１５３のセット値が「２０」未満か否かが判別される（ステップ＃５７）。ステップ＃５７で判定が肯定されると駆動パルスの出力が停止され（ステップ＃５９）、その後に図略の表示装置に異常警告が表示され（ステップ＃６１）、動作が終了する。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が所定値（例えば、２４μｍ）を超えると、充電時間が３．０μｓから順次減少されて移動速度が順次減速され、充電時間が２．５μｓに達しても先端センサ２０位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。   If the determination in step # 49 is affirmative, “1” is subtracted from the second memory 153 (decrease by 0.125 μs) (step # 55), and then the set value of the second memory 153 is less than “20”. Is discriminated (step # 57). If the determination in step # 57 is affirmative, the output of the drive pulse is stopped (step # 59), and then an abnormality warning is displayed on a display device (not shown) (step # 61), and the operation ends. That is, when the moving distance of the driven member 30 exceeds a predetermined value (for example, 24 μm), the charging time is sequentially reduced from 3.0 μs, the moving speed is sequentially reduced, and even if the charging time reaches 2.5 μs, the tip is reached. When the sensor 20 position is not reached, it is determined that there is an abnormality, the drive pulse output is stopped, and a warning is issued at the same time.

また、ステップ＃５３で判定が肯定されると、第２メモリ１５３に「１」が加算され（０．１２５μｓだけ増加）（ステップ＃６３）、その後に第２メモリ１５３のセット値が「２８」を超えたか否かが判別される（ステップ＃６５）。ステップ＃６５で判定が肯定されるとステップ＃５９に移行され、ステップ＃６５で判定が否定されるとステップ＃４３に戻って以降の動作が繰り返し実行される。すなわち、被駆動部材３０の移動距離が一定時間（例えば、１０ｍｓ）を経過しても所定値（例えば、２２μｍ）に達していないときは、充電時間が３．０μｓから順次増加されて移動速度が順次加速され、充電時間が３．５μｓに達しても先端センサ２０位置に達しないときは異常があったものと判断して駆動パルスの出力が停止され、同時に警告が発せられることになる。   If the determination in step # 53 is affirmative, “1” is added to the second memory 153 (increase by 0.125 μs) (step # 63), and then the set value of the second memory 153 is “28”. Is determined (step # 65). If the determination is affirmative in step # 65, the process proceeds to step # 59. If the determination is negative in step # 65, the process returns to step # 43 and the subsequent operations are repeatedly executed. That is, when the moving distance of the driven member 30 does not reach a predetermined value (for example, 22 μm) even after a certain time (for example, 10 ms) has elapsed, the charging time is sequentially increased from 3.0 μs and the moving speed is increased. If the position is not accelerated even if the charging time reaches 3.5 μs and the position of the tip sensor 20 is not reached, it is determined that an abnormality has occurred and the drive pulse output is stopped and a warning is issued at the same time.

図１４は、駆動回路１４の変形例を示す図である。この図１４に示すものは、図４に示すものとはブリッジ回路１４６における接続点ｂとアースとの間に抵抗Ｒを接続するようにした点で相違している。なお、接続点ｂとアースとの間に抵抗Ｒが接続されることから、図１５に示すように、圧電部材２６が＋Ｖｐ及び−Ｖｐに充電されるまでの波形が緩やかなものになるが、基本的な動作は図４に示すものと同一である。   FIG. 14 is a diagram illustrating a modification of the drive circuit 14. 14 differs from that shown in FIG. 4 in that a resistor R is connected between the connection point b in the bridge circuit 146 and the ground. Since the resistor R is connected between the connection point b and the ground, the waveform until the piezoelectric member 26 is charged to + Vp and −Vp becomes gentle as shown in FIG. The basic operation is the same as that shown in FIG.

また、図示は省略するが、図１４に示す変形例に代え、第１の駆動回路を構成するスイッチ素子Ｑ１及びスイッチ素子Ｑ４のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続すると共に、第２の駆動回路を構成するスイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ３のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続するようにした回路構成とすることも可能である。この場合でも、図１５に示すものと同様に、圧電部材２６が＋Ｖｐ及び−Ｖｐに充電されるまでの波形が緩やかなものになるが、基本的な動作は図４に示すものと同一である。   Although not shown, instead of the modification shown in FIG. 14, a resistor R is connected in series to one or both of the switch element Q1 and the switch element Q4 constituting the first drive circuit, and the second It is also possible to adopt a circuit configuration in which a resistor R is connected in series to one or both of the switch element Q2 and the switch element Q3 constituting the drive circuit. Even in this case, the waveform until the piezoelectric member 26 is charged to + Vp and −Vp becomes gentle as in the case shown in FIG. 15, but the basic operation is the same as that shown in FIG. .

さらに、第１の駆動回路を構成するスイッチ素子Ｑ１及びスイッチ素子Ｑ４のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続するか、あるいは、第２の駆動回路を構成するスイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ３のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続するようにした回路構成とすることも可能である。この場合、スイッチ素子Ｑ１及びスイッチ素子Ｑ４のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続したものでは、圧電部材２６が＋Ｖｐに充電されるまでの波形が緩やかなものになり、スイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ３のいずれか一方又は両方に直列に抵抗Ｒを接続したものでは、圧電部材２６が−Ｖｐに充電されるまでの波形が緩やかなものになるが、いずれの場合でも基本的な動作は図４に示すものと同一である。   Further, a resistor R is connected in series to one or both of the switch element Q1 and the switch element Q4 constituting the first drive circuit, or the switch element Q2 and the switch element Q3 constituting the second drive circuit. It is also possible to adopt a circuit configuration in which a resistor R is connected in series to either or both of the above. In this case, in the case where the resistor R is connected in series to one or both of the switch element Q1 and the switch element Q4, the waveform until the piezoelectric member 26 is charged to + Vp becomes gentle, and the switch element Q2 and In the case where the resistor R is connected in series to either one or both of the switch elements Q3, the waveform until the piezoelectric member 26 is charged to -Vp becomes gradual. It is the same as that shown in FIG.

図１６は、駆動回路１４の他の構成例を示す図である。この図１６に示す駆動回路１４′は、図４に示すものが第１の駆動回路を充放電回路を構成する２つのスイッチ回路（第１スイッチ回路１４１及び第４スイッチ回路１４４）で構成し、第２の駆動回路を充放電回路を構成する他の２つのスイッチ回路（第２スイッチ回路１４２及び第３スイッチ回路１４３）で構成したものであるのに対し、第１の駆動回路を充電回路を構成する１つのスイッチ回路（第１スイッチ回路１４１′）で構成し、第２の駆動回路を放電回路を構成する１つのスイッチ回路（第２スイッチ回路１４２′）で構成したものである点で相違している。なお、第１，第２スイッチ回路１４１′，１４２′は、図４に示すものと同一の構成になる駆動パルス発生回路１４５から駆動パルスが供給されて駆動が制御され、圧電部材２６には駆動電源ＰＳから駆動電圧Ｖｐが印加されるようになっている。   FIG. 16 is a diagram illustrating another configuration example of the drive circuit 14. In the drive circuit 14 ′ shown in FIG. 16, the first drive circuit shown in FIG. 4 is composed of two switch circuits (first switch circuit 141 and fourth switch circuit 144) constituting a charge / discharge circuit, The second drive circuit is composed of the other two switch circuits (second switch circuit 142 and third switch circuit 143) constituting the charge / discharge circuit, whereas the first drive circuit is replaced with the charge circuit. It is different in that it is composed of one switch circuit (first switch circuit 141 ') that constitutes, and the second drive circuit is composed of one switch circuit (second switch circuit 142') that constitutes a discharge circuit. is doing. The first and second switch circuits 141 ′ and 142 ′ are driven by a drive pulse supplied from a drive pulse generation circuit 145 having the same configuration as that shown in FIG. A drive voltage Vp is applied from the power supply PS.

すなわち、充電回路を構成する第１スイッチ回路１４１′は、圧電部材２６の矢印Ｐで示す分極方向を基準にして＋側の電極２６１に駆動電圧Ｖｐを印加し、圧電部材２６を分極方向と同方向に充電するもので、駆動電源ＰＳと電極２６１との間に接続されたＰチャンネルＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチ素子Ｑ５で構成されている。また、放電回路を構成する第２スイッチ回路１４２′は、圧電部材２６の電極２６１を接地して（すなわち、圧電部材２６の端子間電圧に対して逆方向の電位を与えて）圧電部材２６に蓄積されている電荷を放電するもので、電極２６１とアースとの間に接続されたＮチャンネルＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチ素子Ｑ６で構成されている。   That is, the first switch circuit 141 ′ constituting the charging circuit applies the drive voltage Vp to the + -side electrode 261 with reference to the polarization direction indicated by the arrow P of the piezoelectric member 26, and causes the piezoelectric member 26 to have the same polarization direction. It is charged in the direction, and is composed of a switch element Q5 made of a P-channel MOS type FET connected between the drive power source PS and the electrode 261. In addition, the second switch circuit 142 ′ constituting the discharge circuit grounds the electrode 261 of the piezoelectric member 26 (that is, gives a potential in the opposite direction to the voltage between the terminals of the piezoelectric member 26) to the piezoelectric member 26. It discharges the accumulated electric charge and is composed of a switch element Q6 made of an N-channel MOS type FET connected between the electrode 261 and the ground.

図１７は、図１６に示す駆動回路１４′の各スイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ状態と、圧電部材に印加される充電電圧の波形とを示す図である。この図に示すように、駆動パルス発生回路１４５から駆動パルスが供給されてスイッチ素子Ｑ５がオンになったときにはスイッチ素子Ｑ６はオフとなり、圧電部材２６は分極方向と同方向の電圧Ｖｐで充電され、スイッチ素子Ｑ６がオンになったときにはスイッチ素子Ｑ５はオフとなり、圧電部材２６の充電電荷が放電されることになる。   FIG. 17 is a diagram showing the ON / OFF state of each switch element of the drive circuit 14 ′ shown in FIG. 16 and the waveform of the charging voltage applied to the piezoelectric member. As shown in this figure, when the drive pulse is supplied from the drive pulse generation circuit 145 and the switch element Q5 is turned on, the switch element Q6 is turned off, and the piezoelectric member 26 is charged with the voltage Vp in the same direction as the polarization direction. When the switch element Q6 is turned on, the switch element Q5 is turned off, and the charge of the piezoelectric member 26 is discharged.

図４に示す駆動回路１４を駆動回路１４′のように構成した場合でも、充電時間ｔ１と放電時間ｔ２とのデューティ比Ｄが０．５よりも小さいときには正方向駆動となり、そのデューティ比Ｄが０．５よりも大きいときには逆方向駆動となり、図４に示すものと同様に動作することが確認された。   Even when the drive circuit 14 shown in FIG. 4 is configured as the drive circuit 14 ′, when the duty ratio D between the charging time t1 and the discharging time t2 is smaller than 0.5, the driving is performed in the positive direction, and the duty ratio D is When it is larger than 0.5, the driving is in the reverse direction, and it is confirmed that the operation is the same as that shown in FIG.

図１８は、図１６に示す駆動回路１４′の変形例を示す図である。この図１８に示すものは、図１６に示すものとはスイッチ素子Ｑ５と駆動電源ＰＳとの間及びスイッチ素子Ｑ６とアースとの間にそれぞれ抵抗Ｒを接続するようにした点で相違している。なお、上記のように抵抗Ｒが接続されることから、図１９に示すように、圧電部材２６がＶｐに充電されるまでの波形及び充電電荷がゼロレベルに放電されるまでの波形が緩やかなものになるが、基本的な動作は図１６に示すものと同一である。   FIG. 18 is a diagram showing a modification of the drive circuit 14 ′ shown in FIG. 18 differs from that shown in FIG. 16 in that resistors R are connected between the switch element Q5 and the drive power source PS and between the switch element Q6 and the ground. . Since the resistor R is connected as described above, the waveform until the piezoelectric member 26 is charged to Vp and the waveform until the charged charge is discharged to zero level are gentle as shown in FIG. The basic operation is the same as that shown in FIG.

また、スイッチ素子Ｑ５と駆動電源ＰＳとの間、あるいは、スイッチ素子Ｑ６とアースとの間のいずれか一方に抵抗Ｒを接続するようにすることも可能である。この場合、スイッチ素子Ｑ５と駆動電源ＰＳとの間に抵抗Ｒを接続したものでは、圧電部材２６がＶｐに充電されるまでの波形が緩やかなものになり、スイッチ素子Ｑ６とアースとの間に抵抗Ｒを接続したものでは、圧電部材２６が放電されるまでの波形が緩やかなものになるが、いずれの場合でも基本的な動作は図１６に示すものと同一である。   It is also possible to connect the resistor R between the switch element Q5 and the drive power source PS or between the switch element Q6 and the ground. In this case, in the case where the resistor R is connected between the switch element Q5 and the drive power source PS, the waveform until the piezoelectric member 26 is charged to Vp becomes gradual, and the switch element Q6 is grounded between the switch element Q6 and the ground. In the case where the resistor R is connected, the waveform until the piezoelectric member 26 is discharged becomes gentle, but in any case, the basic operation is the same as that shown in FIG.

本実施形態に係る圧電アクチュエータ１０は、上記のように、圧電部材に分極方向と同方向の電圧を印加して充放電する第１の駆動回路と、圧電部材に分極方向と逆方向の電圧を印加して第１の駆動回路による充放電速度と略同一の速度で充放電する第２の駆動回路と、駆動部材の駆動時間であって第１の駆動手段による第１の駆動時間及び第２の駆動手段による第２の駆動時間の少なくとも一方を設定変更する設定変更手段と、第１の駆動手段と第２の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えているので、従来のような定電流回路が不要になることから小型化が可能となり、駆動回路は連続した駆動パルスで駆動されることから駆動部材の移動速度を円滑に調節することができるようになる。また、小型化できることから圧電アクチュエータ１０の低廉化を促進することもできる。   The piezoelectric actuator 10 according to the present embodiment, as described above, applies a voltage in the same direction as the polarization direction to the piezoelectric member to charge and discharge, and applies a voltage in the direction opposite to the polarization direction to the piezoelectric member. A second driving circuit that is charged and discharged at a rate substantially the same as the charging / discharging speed of the first driving circuit, and the driving time of the driving member, the first driving time by the first driving means and the second driving time. The setting change means for changing the setting of at least one of the second drive times by the drive means and the drive control means for alternately driving the first drive means and the second drive means are provided. Since such a constant current circuit becomes unnecessary, the size can be reduced, and the drive circuit is driven by continuous drive pulses, so that the moving speed of the drive member can be adjusted smoothly. In addition, since the piezoelectric actuator 10 can be reduced in size, the cost reduction of the piezoelectric actuator 10 can be promoted.

なお、圧電アクチュエータは、上記実施形態のものに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、駆動部１２の構成は図２及び図３に示すもの以外の構成とすることも可能であり、駆動回路１４、１４′を構成しているスイッチ素子として、接合型ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＧＴＯ（Gate Turn-off Thyristor）等のＭＯＳ型ＦＥＴ以外の電子スイッチ素子を用いることもできる。また、被駆動部材３０の移動速度の調節は、上記実施形態では駆動周期が一定になるようにして充電時間を変更することで行うようにしているが、充電時間又は放電時間を変更して駆動周期を変更することで行うようにしてもよい。   The piezoelectric actuator is not limited to the one in the above embodiment, and various modifications can be made. For example, the drive unit 12 may have a configuration other than that shown in FIGS. 2 and 3, and a junction FET, a bipolar transistor, a GTO can be used as a switch element constituting the drive circuits 14 and 14 ′. An electronic switch element other than a MOS type FET such as (Gate Turn-off Thyristor) can also be used. In addition, in the above embodiment, the moving speed of the driven member 30 is adjusted by changing the charging time so that the driving cycle is constant. However, the driving speed is changed by changing the charging time or the discharging time. You may make it carry out by changing a period.

以上説明したように、一態様によれば、圧電体に分極方向と同方向の電圧を印加して充放電する第１の駆動手段と、圧電体に分極方向と逆方向の電圧を印加して圧電体に対し第１の駆動手段による充放電速度と略同一の速度で充放電する第２の駆動手段と、駆動部材の駆動時間であって第１の駆動手段による第１の駆動時間及び第２の駆動手段による第２の駆動時間の少なくとも一方を設定変更する設定変更手段と、第１の駆動手段と第２の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えているので、小型化が可能で被駆動部材の移動速度を円滑に調節することができる圧電アクチュエータを実現することができる。   As described above, according to one aspect, the first driving unit that charges and discharges the piezoelectric body by applying a voltage in the same direction as the polarization direction, and the voltage that is opposite to the polarization direction is applied to the piezoelectric body. A second driving unit that charges and discharges the piezoelectric body at a rate substantially the same as a charging / discharging rate by the first driving unit; a driving time of the driving member, the first driving time by the first driving unit; Since there is provided a setting change means for changing the setting of at least one of the second drive times by the two drive means and a drive control means for alternately driving the first drive means and the second drive means, it is compact. It is possible to realize a piezoelectric actuator that can be adjusted and the moving speed of the driven member can be adjusted smoothly.

また、他の一態様によれば、第１の駆動手段は、圧電体の分極方向と逆方向に蓄積された電荷を放電すると共に、圧電体を分極方向と同方向に充電する第１の充放電回路からなり、第２の駆動手段は、圧電体の分極方向と同方向に蓄積された電荷を放電すると共に、圧電体を分極方向と逆方向に充電する第２の充放電回路からなっているので、圧電体には見かけ上、印加電圧の２倍の電圧が駆動電圧として供給され、単位電圧当たりの圧電体の伸縮量が増大して圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。   According to another aspect, the first driving means discharges the charge accumulated in the direction opposite to the polarization direction of the piezoelectric body, and charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction. The second drive means comprises a second charge / discharge circuit that discharges charges accumulated in the same direction as the polarization direction of the piezoelectric body and charges the piezoelectric body in a direction opposite to the polarization direction. Therefore, a voltage twice as large as the applied voltage is apparently supplied to the piezoelectric body as a driving voltage, and the expansion / contraction amount of the piezoelectric body per unit voltage is increased, thereby improving the driving efficiency of the piezoelectric actuator.

また、他の一態様によれば、第１の充放電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段と、一方端が圧電体の他方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段とを備え、第２の充放電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が圧電体の他方端に接続されてなる第３のスイッチ手段と、一方端が圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第４のスイッチ手段とを備えているので、駆動回路が少ない回路素子で構成され、圧電アクチュエータの小型化が促進される。   According to another aspect, the first charging / discharging circuit includes a first switch unit in which one end is connected to a power source and the other end is connected to one end of the piezoelectric body, and one end is piezoelectric. A second switch means connected to the other end of the body and having the other end grounded. The second charge / discharge circuit has one end connected to the power source and the other end connected to the other end of the piezoelectric body. Since the third switch means and the fourth switch means having one end connected to one end of the piezoelectric body and the other end grounded, the drive circuit is configured with few circuit elements. Therefore, miniaturization of the piezoelectric actuator is promoted.

また、他の一態様によれば、第１の駆動手段は圧電体を分極方向と同方向に充電する充電回路からなり、第２の駆動手段は圧電体に蓄積された電荷を放電する放電回路からなっているので、充電時にだけ電力が消費されることになり、電力消費を効果的に抑制することができる。   According to another aspect, the first driving means includes a charging circuit that charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction, and the second driving means discharges the charge accumulated in the piezoelectric body. Therefore, power is consumed only during charging, and power consumption can be effectively suppressed.

また、他の一態様によれば、充電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段を備え、放電回路は、一方端が圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段を備えているので、駆動回路が少ない回路素子で構成され、圧電アクチュエータの小型化が促進される。   According to another aspect, the charging circuit includes first switch means having one end connected to the power source and the other end connected to one end of the piezoelectric body, and the discharging circuit includes one end. Since the second switch means is connected to one end of the piezoelectric body and the other end is grounded, it is composed of circuit elements with a small number of drive circuits, and miniaturization of the piezoelectric actuator is promoted.

また、他の一態様によれば、設定変更手段は、駆動周期が一定となるように第１の駆動時間及び第２の駆動時間を変更するものであるので、被駆動部材の移動速度を円滑に調整することができる。   According to another aspect, the setting changing unit changes the first driving time and the second driving time so that the driving cycle becomes constant, and thus the moving speed of the driven member is smooth. Can be adjusted.

また、他の一態様によれば、設定変更手段は、第１の駆動時間又は第２の駆動時間を変更することにより駆動周期を変更するものであるので、被駆動部材の移動速度を円滑に調整することができる。   According to another aspect, the setting change means changes the drive cycle by changing the first drive time or the second drive time, so that the moving speed of the driven member can be made smooth. Can be adjusted.

１０ 圧電アクチュエータ
１２ 駆動部
１４ 駆動回路
１６ 部材センサ
１８ 基端センサ
２０ 先端センサ
２２ 制御部（駆動制御手段）
２４ 支持部材
２６ 圧電部材（圧電体）
２８ 駆動部材
３０ 被駆動部材
１５９ 設定変更手段
１４１ 第１スイッチ回路（第１の駆動手段）
１４２ 第２スイッチ回路（第２の駆動手段）
１４３ 第３スイッチ回路（第２の駆動手段）
１４４ 第４スイッチ回路（第１の駆動手段）
Ｑ１，Ｑ５ スイッチ素子（第１のスイッチ手段）
Ｑ２ スイッチ素子（第３のスイッチ手段）
Ｑ３ スイッチ素子（第４のスイッチ手段）
Ｑ４，Ｑ６ スイッチ素子（第２のスイッチ手段）
ＰＳ 駆動電源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoelectric actuator 12 Drive part 14 Drive circuit 16 Member sensor 18 Base end sensor 20 Tip sensor 22 Control part (drive control means)
24 support member 26 piezoelectric member (piezoelectric body)
28 Drive member 30 Driven member 159 Setting change means 141 First switch circuit (first drive means)
142 Second switch circuit (second driving means)
143 Third switch circuit (second driving means)
144 Fourth switch circuit (first driving means)
Q1, Q5 switch element (first switch means)
Q2 switch element (third switch means)
Q3 switch element (fourth switch means)
Q4, Q6 switch element (second switch means)
PS drive power supply

Claims (6)

圧電体と、
該圧電体の伸縮動作に基づいて軸方向変位する駆動部材と、
前記駆動部材に所定の摩擦力で係合されて移動可能にされた被駆動部材と、
前記圧電体に分極方向と同方向の電圧を印加して充電する第１の駆動手段と、
前記圧電体に分極方向と逆方向の電圧を印加して充電する第２の駆動手段と、
前記圧電体の共振周波数に対して、約１周期分の駆動時間と、約半周期分の駆動時間との内、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と同方向である場合には、前記約１周期分の駆動時間を前記第２の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第１の駆動手段にそれぞれ設定し、前記被駆動部材の移動方向が前記分極方向と逆方向である場合には、前記約１周期分の駆動時間を前記第１の駆動手段に、前記約半周期分の駆動時間を前記第２の駆動手段にそれぞれ設定する設定変更手段と、
前記第１の駆動手段と第２の駆動手段とを交互に駆動する駆動制御手段とを備えたこと
を特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric body;
A drive member that is displaced in the axial direction based on the expansion and contraction of the piezoelectric body;
A driven member engaged with the driving member with a predetermined frictional force and movable;
First driving means for charging the piezoelectric body by applying a voltage in the same direction as the polarization direction;
Second driving means for charging the piezoelectric body by applying a voltage in a direction opposite to the polarization direction;
When the moving direction of the driven member is the same direction as the polarization direction among the driving time for about one cycle and the driving time for about a half cycle with respect to the resonance frequency of the piezoelectric body, The driving time for about one cycle is set for the second driving means, the driving time for about half a period is set for the first driving means, and the moving direction of the driven member is opposite to the polarization direction. If the direction is a direction, setting change means for setting the driving time for about one cycle in the first driving means, and setting the driving time for about half a cycle in the second driving means,
A piezoelectric actuator comprising: drive control means for alternately driving the first drive means and the second drive means. 前記第１の駆動手段は、前記圧電体の分極方向と逆方向に蓄積された電荷を放電すると共に、前記圧電体を分極方向と同方向に充電する第１の充放電回路からなり、
前記第２の駆動手段は、前記圧電体の分極方向と同方向に蓄積された電荷を放電すると共に、前記圧電体を分極方向と逆方向に充電する第２の充放電回路からなること
を特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。 The first driving means comprises a first charging / discharging circuit that discharges charges accumulated in a direction opposite to the polarization direction of the piezoelectric body and charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction,
The second driving means includes a second charging / discharging circuit that discharges charges accumulated in the same direction as the polarization direction of the piezoelectric body and charges the piezoelectric body in a direction opposite to the polarization direction. The piezoelectric actuator according to claim 1. 前記第１の充放電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段と、一方端が前記圧電体の他方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段とを備え、
前記第２の充放電回路は、一方端が前記電源に接続され、他方端が前記圧電体の他方端に接続されてなる第３のスイッチ手段と、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第４のスイッチ手段とを備えたこと
を特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。 The first charging / discharging circuit includes a first switch means having one end connected to a power source and the other end connected to one end of the piezoelectric body, and one end connected to the other end of the piezoelectric body. Second switch means having the other end grounded,
The second charging / discharging circuit includes a third switch means having one end connected to the power source and the other end connected to the other end of the piezoelectric body, and one end connected to one end of the piezoelectric body. The piezoelectric actuator according to claim 2, further comprising a fourth switch means having the other end grounded. 前記第１の駆動手段は、前記圧電体を分極方向と同方向に充電する充電回路からなり、
前記第２の駆動手段は、前記圧電体に蓄積された電荷を放電する放電回路からなること
を特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。 The first driving means comprises a charging circuit that charges the piezoelectric body in the same direction as the polarization direction,
The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the second driving unit includes a discharge circuit that discharges electric charges accumulated in the piezoelectric body. 前記充電回路は、一方端が電源に接続され、他方端が前記圧電体の一方端に接続されてなる第１のスイッチ手段を備え、
前記放電回路は、一方端が前記圧電体の一方端に接続され、他方端が接地されてなる第２のスイッチ手段を備えたこと
を特徴とする請求項４記載の圧電アクチュエータ。 The charging circuit includes first switch means having one end connected to a power source and the other end connected to one end of the piezoelectric body,
The piezoelectric actuator according to claim 4, wherein the discharge circuit includes second switch means having one end connected to one end of the piezoelectric body and the other end grounded. 前記設定変更手段は、駆動周期が一定となるように前記第１の駆動時間及び第２の駆動時間を変更するものであること
を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。 The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 5, wherein the setting change unit changes the first drive time and the second drive time so that a drive cycle becomes constant. .
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