JP4792867B2 - 圧電アクチュエータの駆動制御装置、電子機器および圧電アクチュエータの駆動制御方法 - Google Patents
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Description
このような圧電アクチュエータの駆動装置として、圧電素子に対して4つのスイッチ回路をブリッジ接続し、ブリッジの対角に位置する一対のスイッチ回路と、他の一対のスイッチ回路とを交互にオンオフ制御することで、電源電圧を交番する矩形波電圧に変換し、圧電素子に印加するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
この状態から、スイッチ回路221,224が同時にオフされる。この切り替えタイミングから時間t9後、スイッチ回路223がオンされ、さらに時間t10後、スイッチ回路222がオンされる。
スイッチ回路223がオンされることで、圧電素子228に充電されている電荷が放電され、圧電素子228の端子間電圧が+Vsから+Vdまで降下する。さらに、スイッチ回路222がオンされると、圧電素子228に逆方向から駆動電圧Vpが印加されて充電されるので、圧電素子228の端子間電圧Vsは−Vpとなる。
以下、オンされている2つのスイッチ回路を同時にオフし、所定時間経過後に、オフされていた2つのスイッチ回路を時間差でオンするという同じ制御を繰り返す。
また、直列に接続された第1および第2スイッチ手段や、第3および第4スイッチ手段では、オンされていたスイッチ手段をオフした後、所定時間経過後に他のオフされていたスイッチ手段をオンしているので、直列に接続された各スイッチ手段が同時にオンされることがなく、貫通電流の発生を確実に防止できる。
従って、オンされたスイッチ手段に対して対角に配置された第1または第3スイッチ手段をオンし、逆方向の電荷を圧電素子に加えて交番電圧駆動を行う際の消費電流を低減できる。
このような構成によれば、電界効果トランジスタに内蔵されている保護ダイオードを各スイッチ手段に並列に接続された整流素子として兼用できるので、回路構成をより一層簡易にできる。
この際、前記電子機器は、計時部と、該計時部で計時された計時情報を表示する計時情報表示部とを備えた時計であることが好ましい。
まず、電子機器の実施形態として、圧電アクチュエータによって駆動されるクロノグラフ秒針を備えた電子時計を例示する。
図1は、本実施形態にかかる電子時計1を示す平面図である。電子時計1は、通常時刻を表示するための時針2、分針3、秒針4のほか、クロノグラフ時間を示す秒クロノグラフ針(秒CG針)5、分クロノグラフ針(分CG針)6を備えている。
秒クロノグラフ針5を駆動する駆動機構は、圧電アクチュエータ20と、この圧電アクチュエータ20によって回転駆動される駆動対象(被駆動体)としてのロータ30と、ロータ30の回転を減速しつつ伝達する減速輪列40とを備えて構成されている。
減速輪列40は、ロータ30と同軸に配置されてロータ30と一体的に回転する歯車41と、この歯車41に噛合し、かつ、秒クロノグラフ針5の回転軸に固定された歯車42とで構成されている。
なお、圧電アクチュエータ20と、ロータ30および歯車41は、図2,3に示すように、圧電アクチュエータユニット10としてユニット化されている。
圧電アクチュエータユニット10は、電子時計1の地板などに固定されるベースプレート11と、ベースプレート11に対してスライド自在に取り付けられた移動プレート12と、移動プレート12に固定された圧電アクチュエータ20と、ベースプレート11に立設された回転軸13に回転自在に取り付けられたロータ30および歯車41とを備えて構成されている。
また、ベースプレート11および移動プレート12間には2本のコイルバネ15が設けられている。移動プレート12に固定された圧電アクチュエータ20は、前記コイルバネ15によって、ロータ30に所定の力で当接されている。従って、コイルバネ15は、圧電アクチュエータ20をロータ30に当接させる付勢手段として機能している。
圧電アクチュエータ20は、図2,3に示すように、略矩形板状の補強板21と、補強板21の両面に接着された圧電素子22とからなる振動体20Aを備えている。
補強板21の長手方向略中央には、両側に突出する腕部23が形成されており、これらの各腕部23がビス24によって前記移動プレート12の支持台12Aに固定されている。なお、腕部23を備える補強板21は、導電性金属で構成されており、前記腕部23は圧電素子22に駆動信号を印加するための電極としても利用されている。
補強板21の長手方向一方の端部、具体的にはロータ30に対向する端部には、補強板21の長手方向に沿って突出する突起25が形成されている。突起25は、ロータ30の側面に当接されており、この突起25により駆動対象に当接する当接部が構成されている。
なお、圧電素子22の補強板21側の面には、その全面に1つの電極が形成され、この電極に接触する補強板21および腕部23を介して図示しない駆動制御装置に電気的に接続されている。
また、圧電素子22の表面側の面には、図2にも示すように、5つに分割された電極が形成されている。すなわち、圧電素子22の表面側の電極は、圧電素子22の幅方向にほぼ三等分され、その中央の電極によって駆動電極121が形成されている。また、駆動電極121の両側の電極は、圧電素子22の長手方向にほぼ二等分され、圧電素子の対角上でそれぞれ対となる駆動電極122および駆動電極123が形成されている。
これらの駆動電極121,122,123もそれぞれリード線などによって図示しない駆動制御装置に接続されている。
すなわち、駆動電極121と駆動電極122とを電圧印加の対象として圧電素子22に電圧を印加すると、振動体20Aは縦振動および屈曲振動を励振し、振動体20Aの突起25が圧電素子22の長手方向の中心線に対して傾斜した楕円軌跡を描く。そして、突起25の押圧により、ロータ30は順方向に回転する。一方、駆動電極122の代わりに駆動電極123を電圧印加の対象とした場合には、駆動電極122と駆動電極123とは、圧電素子22の長手方向の中心線を軸として線対称の位置関係にあるから、駆動電極123に電圧を印加することにより、縦振動に対する交差方向が駆動電極122に電圧印加した場合とは線対称となる屈曲振動が誘発される。したがって、振動体20Aの突起25の軌跡は、駆動電極122に電圧印加した場合とは線対称に傾斜する楕円軌跡となり、ロータ30は反対方向に回転駆動される。
但し、圧電アクチュエータ20およびロータ30は共にベースプレート11に取り付けられており、衝撃が加わった際にも圧電アクチュエータ20およびロータ30が相対的にずれてしまうことは殆ど無いため、段差面31を設けずにロータ30の外周面をフラットに形成し、その外周面に突起25を当接させてもよい。
ロータ30が回転駆動すると、ロータ30と一体の歯車41も回転し、歯車41の回転に伴い歯車42が回転し、秒クロノグラフ針5を作動する。
次に、圧電アクチュエータ20の駆動制御装置50の構成を図4に基づいて説明する。
図4において、駆動制御装置50は、第1〜第4スイッチ回路51〜54、制御信号反転手段55、制御手段である制御回路56を備えて構成され、圧電素子(ピエゾ振動子PZT)22を駆動制御するものである。
すなわち、第1スイッチ回路51は、圧電素子22の一方の端子22Aと電源端子VDDとの間に接続され、第2スイッチ回路52は、圧電素子22の一方の端子22Aとグランド端子GNDとの間に接続されている。
また、第3スイッチ回路53は、圧電素子22の他方の端子22Bと電源端子VDDとの間に接続され、第4スイッチ回路54は、圧電素子22の他方の端子22Bとグランド端子GNDとの間に接続されている。
なお、各ダイオードD1〜D4は、アノードが各スイッチング素子Q1〜Q4のソースに、カソードが各スイッチング素子Q1〜Q4のドレインに接続されている。この各ダイオードD1〜D4は、各スイッチング素子Q1〜Q4に内蔵される保護ダイオードで構成してもよいし、スイッチング素子Q1〜Q4とは別のダイオードを用いてもよい。
このような構成の駆動制御装置50における圧電アクチュエータ20の駆動制御手順に関し、図5〜11に基づいて説明する。なお、図5は、スイッチ制御信号S01〜S04と、圧電素子22に印加される駆動電圧の波形を示す図である。図6〜11は、スイッチ制御信号S01〜S04による各スイッチング素子Q1〜Q4のオン・オフ状態の変化を示す図である。
従って、図6に示すように、スイッチング素子Q1,Q4がオンされ、スイッチング素子Q2,Q3がオフされている。
従って、端子22Bの電位(GND=0)に比べて端子22Aの電位(VDD)のほうが高電位になり、圧電素子22には、図6の矢印方向(第1方向)の電荷Vsが印加されることになる。本実施形態では、図5にも示すように、第1スイッチング素子Q1、第4スイッチング素子Q4がオンされた状態の際に、圧電素子22に+Vsの電荷が印加されていると定義している。すなわち、圧電素子22の電圧は、端子22Aが端子22Bに比べて高い場合を「+(プラス)」、逆に低い場合を「−(マイナス)」と定義している。
従って、図8に示すように、スイッチング素子Q2はオフからオンに切り替えられ、同時に、第4スイッチング素子Q4はオンからオフに切り替えられる。このため、圧電素子22の一方の端子22Aは、スイッチング素子Q2を介してグランド端子GNDに接続され、グランド端子GNDと同電位(=0)になる。このため、端子22Aに比べてVs分電位が低い端子22Bの電位は、−Vsとなる。
すると、グランド端子GNDおよび端子22B間に接続された第4ダイオードD4には、順方向の電圧が加わるため、圧電素子22に蓄積された電荷は第4ダイオードD4を介してグランド端子GNDに放電される。この圧電素子22の電荷は、図5に示すように、グランド端子GNDつまり端子22Aと、端子22B間の電位差が第4ダイオードD4の順方向電圧−Vdとなるまで放電される。
従って、図9に示すように、第3スイッチング素子Q3はオフからオンに切り替えられる。圧電素子22の一方の端子22Aは、第2スイッチング素子Q2を介してグランド端子GNDに接続され、他方の端子22Bは、第3スイッチング素子Q3を介して電源端子VDDに接続される。
このため、圧電素子22には、図9の矢印方向(第2方向)の電荷、つまり図6の状態とは逆方向の電荷−Vsが印加される。
従って、図10に示すように、第3スイッチング素子Q3はオンからオフに切り替えられる。このため、図7の状態と同様に、圧電素子22に蓄えられた電荷(−Vs)は移動せず、圧電素子22に蓄積されたままとなる。
従って、図11に示すように、第2スイッチング素子Q2はオンからオフに切り替えられ、同時に、第4スイッチング素子Q4はオフからオンに切り替えられる。このため、圧電素子22の他方の端子22Bは、第4スイッチング素子Q4を介してグランド端子GNDに接続され、グランド端子GNDと同電位(=0)になる。このため、端子22Bに比べてVs分電位が低い端子22Aの電位は、−Vsとなる。
すると、グランド端子GNDおよび端子22A間に接続された第2ダイオードD2には、順方向の電圧が加わるため、圧電素子22に蓄積された電荷は第2ダイオードD2を介してグランド端子GNDに放電される。圧電素子22の電荷は、グランド端子GNDつまり端子22Bと、端子22A間の電位差が第4ダイオードD4の順方向電圧−Vdとなるまで放電される。
以後、制御回路56からのスイッチ制御信号S01〜S03によって同じ動作が繰り返される。このため、圧電素子22には、図12に示すように、駆動信号として+Vsの電荷および−Vsの電荷が交互に印加され、交番電圧駆動が行われる。従って、圧電素子22が伸縮駆動し、それに伴い振動体20Aは縦振動および屈曲振動を励振し、振動体20Aの突起25が圧電素子22の長手方向の中心線に対して傾斜した楕円軌跡を描き、突起25の押圧により、ロータ30は回転する。
これに対し、本実施形態では、図5の(B)のタイミングで第1スイッチング素子Q1をオフした後、時間t1が経過した(C)のタイミングで、第2スイッチング素子Q2をオンしているので、スイッチング素子Q1,Q2が同時にオンとなることを確実に防止している。従って、時間t1は、貫通電流防止期間となる。この時間t1の具体的な時間は、第1スイッチング素子Q1のオンからオフへの切り替えが確実に行われる時間以上に設定すればよい。
(1)第4スイッチ制御信号S04は、第2スイッチ制御信号S02の反転信号であるため、第2スイッチ制御信号S02を制御信号反転手段55で反転するだけで第4スイッチ制御信号S04を構成することができる。このため、制御回路56は3種類のスイッチ制御信号S01〜S03のみを出力すればよく、4種類の制御信号を出力しなければならなかった従来の制御装置に比べて構成を簡略化でき、IC等で制御回路56を構成する場合もコストを低減できる。
次に本発明の第2実施形態について、図13,14に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態において、前述した各実施形態と同一または同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略または簡略する。
そのため、各スイッチ制御信号S01〜S04は、図14に示す波形の信号が用いられている。
その後、時間t1経過後、第1スイッチング素子Q1をオンからオフ、第3スイッチング素子Q3をオフからオンに同時に切り替えると、端子22Bが電源端子VDDに接続され、端子22Aはそれよりも高い電位になるため、圧電素子22に蓄積された電荷は第1ダイオードD1を介して電源端子VDD側に放電される。このため、圧電素子22の電荷は、+Vsから第1ダイオードD1の順方向電位+Vdまで放電される。
次に、第2スイッチング素子Q2をオンからオフに切り替え、時間t3経過後、第1スイッチング素子Q1および第3スイッチング素子Q3のオン・オフを切り替えると、端子22Aが電源端子VDDに接続され、端子22Bはそれよりも高い電位になるため、圧電素子22に蓄積された電荷は第3ダイオードD3を介して電源端子VDD側に放電される。このため、圧電素子22の電荷は、−Vsから第3ダイオードD3の順方向電位−Vdまで放電される。
そして、時間t4経過後、第4スイッチング素子Q4をオンすると、圧電素子22に矢印方向(第1方向)の電荷+Vsが印加される状態に戻る。その後も同様の動作を繰り返すことで、圧電素子22の交番電圧駆動を実行できる。
但し、電源端子VDD側のほうがグランド端子GNDに比べてインピーダンスが高いため、グランド端子GND側に放電する前記第1実施形態のほうが圧電素子22に蓄えられた電荷を放電しやすい利点がある。
次に本発明の第3実施形態について、図15,16に基づいて説明する。
第3実施形態の駆動制御装置50Bは、第1スイッチ回路51および第3スイッチ回路53の各スイッチング素子として、Pチャネル型のMOS−FETからなるスイッチング素子Q11,Q13を用いた点、および、このPチャネルのFETを用いたことによって制御回路56から各スイッチング素子Q11,Q13に出力される第1スイッチ制御信号S11および第3スイッチ制御信号S13が前記第1スイッチ制御信号S01および第3スイッチ制御信号S03と反転している点が第1実施形態の駆動制御装置50と相違する。
そのため、各スイッチ制御信号S11,S02,S13,S04は、図16に示す波形の信号が用いられている。
例えば、スイッチ回路51〜54の構成は、第1スイッチ回路51および第3スイッチ回路53にNチャネル型のMOS−FETからなるスイッチング素子を用い、第2スイッチ回路52および第4スイッチ回路54にPチャネル型のMOS−FETからなるスイッチング素子を用いてもよいし、すべてのスイッチ回路51〜54にPチャネル型のMOS−FETからなるスイッチング素子を用いてもよい。
さらに、スイッチ回路51〜54の構成は、前記実施形態のMOS−FETからなるスイッチング素子Q1〜Q4,Q11,Q12と保護ダイオードD1〜D4とで構成されたものに限らない。
要するに、制御回路56からのスイッチ制御信号で回路をオン・オフでき、かつ、そのスイッチ制御信号を反転させたものを入力することで反転される前のスイッチ制御信号が入力されるスイッチとオン・オフが反対の動作を行えるものであればよい。
また、スイッチに並列に接続されるダイオードとしても、FETの保護ダイオードに限らず、独立したダイオードを用いてもよく、さらには、トランジスタをダイオード接続したものを用いてもよい。要するに、一方向に電圧が加わった場合に電流を流すことができる各種の整流素子で構成すればよい。
ここで、前記プログラムやデータは、電子機器内に組み込まれたRAMやROM等のメモリに予め記憶しておけばよい。また、例えば、電子機器内のメモリに所定の制御プログラムやデータをインターネット等の通信手段や、CD−ROM、メモリカード等の記録媒体を介してインストールしてもよい。そして、メモリに記憶されたプログラムでCPU等を動作させて、各手段を実現させればよい。なお、電子機器に所定のプログラム等をインストールするには、その電子機器にメモリカードやCD−ROM等を直接差し込んで行ってもよいし、これらの記憶媒体を読み取る機器を外付けで電子機器に接続してもよい。さらには、LANケーブル、電話線等を電子機器に接続して通信によってプログラム等を供給しインストールしてもよいし、無線によってプログラムを供給してインストールしてもよい。
このような記録媒体やインターネット等の通信手段で提供される制御プログラム等を電子機器に組み込めば、プログラムの変更のみで前記各発明の機能を実現できるため、工場出荷時あるいは利用者が希望する制御プログラムを選択して組み込むこともできる。この場合、プログラムの変更のみで制御形式の異なる各種の電子機器を製造できるため、部品の共通化等が図れ、バリエーション展開時の製造コストを大幅に低減できる。
さらに、からくり時計のからくり、例えば時刻にあわせて人形などが動くからくり時計において、人形の駆動源として圧電アクチュエータを用いてもよい。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
Claims (5)
- 電圧が印加されることにより伸縮する圧電素子を有する圧電アクチュエータの駆動制御装置であって、
前記圧電素子の一方の端子と電源との間に接続された第1スイッチ手段と、
前記圧電素子の一方の端子とグランドとの間に接続された第2スイッチ手段と、
前記圧電素子の他方の端子と電源との間に接続された第3スイッチ手段と、
前記圧電素子の他方の端子とグランドとの間に接続された第4スイッチ手段と、
前記第2スイッチ手段に対して並列に接続されて前記グランド側から前記圧電素子の一方の端子側に電流を流すことが可能な整流素子と、
前記第4スイッチ手段に対して並列に接続されて前記グランド側から前記圧電素子の他方の端子側に電流を流すことが可能な整流素子と、
前記第1から第4スイッチ手段を制御する制御手段とを備え、
前記第1から第4の各スイッチ手段は、第1から第4の各制御信号でオンオフ制御される電界効果トランジスタで構成され、
前記第1から第3の各制御信号は、前記制御手段から出力され、
前記第4制御信号は、第2制御信号が入力されてこの第2制御信号を反転する制御信号反転手段から出力され、
前記制御手段は、第1および第4スイッチ手段をオン、第2および第3スイッチ手段をオフにして前記圧電素子に第1方向の電荷を印加する状態と、第1および第4スイッチ手段をオフ、第2および第3スイッチ手段をオンにして前記圧電素子に前記第1方向とは逆方向の第2方向の電荷を印加する状態とを切り替えることで、前記圧電素子に交番駆動電圧を印加するとともに、
前記圧電素子に第1方向の電荷を印加する状態から第2方向の電荷を印加する状態に切り替える際には、
第1スイッチ手段をオフし、
第1スイッチ手段をオフした後、所定時間t1経過後に、第4スイッチ手段をオフし、かつ、第2スイッチ手段をオンし、
第2スイッチ手段をオンした後、所定時間t2経過後に、第3スイッチ手段をオンし、
前記圧電素子に第2方向の電荷を印加する状態から第1方向の電荷を印加する状態に切り替える際には、
第3スイッチ手段をオフし、
第3スイッチ手段をオフした後、所定時間t3経過後に、第2スイッチ手段をオフし、かつ、第4スイッチ手段をオンし、
第4スイッチ手段をオンした後、所定時間t4経過後に、第1スイッチ手段をオンすることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動制御装置。 - 請求項1に記載の圧電アクチュエータの駆動制御装置において、
前記各整流素子は、電界効果トランジスタの保護ダイオードによって構成されていることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動制御装置。 - 圧電素子を有する圧電アクチュエータと、請求項1または請求項2に記載の圧電アクチュエータの駆動制御装置とを備えることを特徴とする電子機器。
- 請求項3の電子機器は、計時部と、該計時部で計時された計時情報を表示する計時情報表示部とを備えた時計であることを特徴とする電子機器。
- 電圧が印加されることにより伸縮する圧電素子を有する圧電アクチュエータの駆動制御方法であって、
前記圧電素子の一方の端子と電源との間に接続された第1スイッチ手段と、
前記圧電素子の一方の端子とグランドとの間に接続された第2スイッチ手段と、
前記圧電素子の他方の端子と電源との間に接続された第3スイッチ手段と、
前記圧電素子の他方の端子とグランドとの間に接続された第4スイッチ手段と、
前記第2スイッチ手段に対して並列に接続されて前記グランド側から前記圧電素子の一方の端子側に電流を流すことが可能な整流素子と、
前記第4スイッチ手段に対して並列に接続されて前記グランド側から前記圧電素子の他方の端子側に電流を流すことが可能な整流素子と、
前記第1から第4スイッチ手段を制御する制御手段とを備え、
前記第1から第4の各スイッチ手段は、第1から第4の各制御信号でオンオフ制御される電界効果トランジスタで構成され、
前記第1から第3の各制御信号は、前記制御手段から出力され、
前記第4制御信号は、第2制御信号が入力されてこの第2制御信号を反転する制御信号反転手段から出力され、
前記制御手段は、第1および第4スイッチ手段をオン、第2および第3スイッチ手段をオフにして前記圧電素子に第1方向の電荷を印加する状態と、第1および第4スイッチ手段をオフ、第2および第3スイッチ手段をオンにして前記圧電素子に前記第1方向とは逆方向の第2方向の電荷を印加する状態とを切り替えることで、前記圧電素子に交番駆動電圧を印加するとともに、
前記圧電素子に第1方向の電荷を印加する状態から第2方向の電荷を印加する状態に切り替える際には、
第1スイッチ手段をオフし、
第1スイッチ手段をオフした後、所定時間t1経過後に、第4スイッチ手段をオフし、かつ、第2スイッチ手段をオンし、
第2スイッチ手段をオンした後、所定時間t2経過後に、第3スイッチ手段をオンし、
前記圧電素子に第2方向の電荷を印加する状態から第1方向の電荷を印加する状態に切り替える際には、
第3スイッチ手段をオフし、
第3スイッチ手段をオフした後、所定時間t3経過後に、第2スイッチ手段をオフし、かつ、第4スイッチ手段をオンし、
第4スイッチ手段をオンした後、所定時間t4経過後に、第1スイッチ手段をオンすることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動制御方法。
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