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JP2008295287A - Piezoelectric actuator - Google Patents

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JP2008295287A
JP2008295287A JP2008101368A JP2008101368A JP2008295287A JP 2008295287 A JP2008295287 A JP 2008295287A JP 2008101368 A JP2008101368 A JP 2008101368A JP 2008101368 A JP2008101368 A JP 2008101368A JP 2008295287 A JP2008295287 A JP 2008295287A
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JP
Japan
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voltage
piezoelectric element
piezoelectric
piezoelectric actuator
voltage level
Prior art date
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Pending
Application number
JP2008101368A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Daisuke Yamazaki
大輔 山崎
Yukio Nishinomiya
幸雄 西宮
Shuji Aizawa
周二 相澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokin Corp
Original Assignee
NEC Tokin Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NEC Tokin Corp filed Critical NEC Tokin Corp
Priority to JP2008101368A priority Critical patent/JP2008295287A/en
Priority to PCT/JP2008/057732 priority patent/WO2008136305A1/en
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator and a driving method therefor which suppress current generated by the free oscillation of a piezoelectric element to reduce power consumption. <P>SOLUTION: A driving circuit generates a voltage waveform that forms a transition period of no voltage application between a first voltage level period and a second voltage level period that are different from each other. A voltage applied to the piezoelectric element 1 is controlled by the voltage waveform. Because the piezoelectric element 1 does not consume power during the transition period, power consumption can be reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は圧電素子をインパクト駆動する圧電アクチュエータ及びその駆動方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric actuator for impact driving a piezoelectric element and a driving method thereof.

カメラにオートフォーカスやズーム機能を持たせるためには、光軸に沿って光学レンズを移動させる機構が必要であり、従来から電磁式のモータを用いた方法が知られている。近年、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話にみられるように、機器の小型化が急速に進み、それに伴って電磁式のモータから、圧電素子に代表される電気−機械変換素子(以下圧電素子)を電圧駆動させる方法が提案されている。   In order to provide the camera with an autofocus or zoom function, a mechanism for moving the optical lens along the optical axis is necessary, and a method using an electromagnetic motor has been conventionally known. In recent years, as seen in digital cameras and camera-equipped mobile phones, the miniaturization of devices has rapidly progressed. Accordingly, electro-mechanical conversion elements (hereinafter referred to as piezoelectric elements) represented by piezoelectric elements have been changed from electromagnetic motors. A voltage driven method has been proposed.

例えば、特許文献1には、圧電素子、当該圧電素子の一端に固定された摩擦部材、及び摩擦部材に圧接された移動子を含むリニアモータが開示されている。更に、特許文献1では、立ち上がりと立下りの時間が大きく異なる電圧(例えば、鋸歯状電圧)を圧電素子に印加することにより、圧電素子に固定された摩擦部材の一方向と逆方向への運動速度を大きく異ならせ、この結果、被駆動部材である移動子を特定の一方向にリニアに移動させている。即ち、特許文献1は、圧電素子と、静摩擦係数と動摩擦係数との差による摩擦力の差を利用して移動子を駆動すること、即ち、インパクト駆動について開示している。   For example, Patent Document 1 discloses a linear motor including a piezoelectric element, a friction member fixed to one end of the piezoelectric element, and a moving element pressed against the friction member. Furthermore, in Patent Document 1, by applying a voltage (for example, a sawtooth voltage) with a significantly different rise time and fall time to the piezoelectric element, the friction member fixed to the piezoelectric element moves in one direction opposite to the one direction. The speed is greatly varied, and as a result, the movable element that is the driven member is linearly moved in one specific direction. That is, Patent Document 1 discloses driving a moving element using a difference between a piezoelectric element and a frictional force due to a difference between a static friction coefficient and a dynamic friction coefficient, that is, impact driving.

一方、特許文献2には、固定部材と駆動摩擦部材を圧電素子に接着し、駆動摩擦部材を振動させる圧電アクチュエータが開示されている。特許文献2では、矩形波を圧電素子に印加することにより、特許文献1の鋸歯状波と同様に、圧電素子に印加される矩形波と摩擦力の差を利用して被駆動部材を移動させている。即ち、特許文献2では、圧電素子の分極方向に充放電する時間と、上記分極方向とは逆方向に充放電する時間を異ならせることによって被駆動部材を移動させている。   On the other hand, Patent Document 2 discloses a piezoelectric actuator that bonds a fixed member and a drive friction member to a piezoelectric element and vibrates the drive friction member. In Patent Document 2, by applying a rectangular wave to the piezoelectric element, the driven member is moved using the difference between the rectangular wave applied to the piezoelectric element and the frictional force, similar to the sawtooth wave of Patent Document 1. ing. That is, in Patent Document 2, the driven member is moved by changing the charge / discharge time in the polarization direction of the piezoelectric element and the charge / discharge time in the direction opposite to the polarization direction.

特開平3−289368号公報JP-A-3-289368 特許第3171187号Japanese Patent No. 3171187

特許文献2に開示された圧電アクチュエータでは、分極方向への充放電と、分極方向とは逆方向への充放電とを、略同一の速度でかつ異なる駆動時間で行わせるため、圧電アクチュエータの伸長速度と伸縮速度とに大きな差を持たせるために必要な回路構成を簡略化することができ、この結果、圧電アクチュエータを小形化することができる。   In the piezoelectric actuator disclosed in Patent Document 2, charging and discharging in the polarization direction and charging and discharging in the direction opposite to the polarization direction are performed at substantially the same speed and with different driving times. The circuit configuration necessary for giving a large difference between the speed and the expansion / contraction speed can be simplified, and as a result, the piezoelectric actuator can be miniaturized.

しかし、この回路構成では、連続的に充放電が繰り返され、圧電素子に常時、電源電圧が印加されているので、圧電素子の自由振動により発生する電荷を打ち消す為に、電源から常時電流が供給されるため消費電力が大きくなる。このため、特許文献2の回路構成は、電池の消耗が大きく、携帯電話のように、小型化が要求される機器には適していない。   However, in this circuit configuration, charging / discharging is repeated continuously, and the power supply voltage is constantly applied to the piezoelectric element. Therefore, a current is constantly supplied from the power supply to cancel the charge generated by the free vibration of the piezoelectric element. Therefore, power consumption increases. For this reason, the circuit configuration of Patent Document 2 consumes a large amount of battery, and is not suitable for a device that requires downsizing, such as a mobile phone.

本発明の課題は、圧電素子の自由振動により発生する電流を抑制し、消費電力を低減できる圧電アクチュエータ及びその駆動方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that can suppress current generated by free vibration of a piezoelectric element and reduce power consumption, and a driving method thereof.

本発明の第1の態様によれば、圧電素子に電圧を与えることより被駆動部材をインパクト駆動する駆動方法において、断続的に変化する不連続な電圧波形を前記電圧として供給することによって前記被駆動部材をインパクト駆動することを特徴とする駆動方法が得られる。   According to the first aspect of the present invention, in a driving method for driving the driven member by impact by applying a voltage to the piezoelectric element, the discontinuous voltage waveform that changes intermittently is supplied as the voltage. A drive method characterized by impact driving the drive member is obtained.

本発明の第2の態様によれば、第1の態様において、前記不連続電圧波形は、予め定められた第1の電圧レベル期間と、第1のレベルとは異なる第2の電圧レベル期間とを備え、第1及び第2の電圧レベル期間の間には、電圧が印加されない遷移期間が存在することを特徴とする駆動方法が得られる。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the discontinuous voltage waveform includes a predetermined first voltage level period and a second voltage level period different from the first level. And there is a transition period in which no voltage is applied between the first and second voltage level periods.

本発明の第3の態様によれば、第1又は第2の態様において、前記第1の電圧レベル期間と、前記第2の電圧レベル期間が、略同一であることを特徴とする駆動方法が得られる。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the driving method according to the first or second aspect, wherein the first voltage level period and the second voltage level period are substantially the same. can get.

本発明の第4の態様によれば、圧電素子と、当該圧電素子に電圧を印加する電圧発生回路とを含み、前記電圧発生回路は、断続的に変化する不連続な電圧波形を発生することを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。   According to a fourth aspect of the present invention, it includes a piezoelectric element and a voltage generation circuit that applies a voltage to the piezoelectric element, and the voltage generation circuit generates a discontinuous voltage waveform that changes intermittently. Is obtained.

本発明の第5の態様によれば、第4の態様において、前記電圧発生回路は、予め定められた第1の電圧レベル期間と、第1のレベルとは異なる第2の電圧レベル期間と、第1及び第2の電圧レベル期間の間に電圧が印加されない遷移期間を有する電圧波形を発生することを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。   According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the voltage generation circuit includes a predetermined first voltage level period and a second voltage level period different from the first level; A piezoelectric actuator is obtained that generates a voltage waveform having a transition period in which no voltage is applied between the first and second voltage level periods.

本発明の第6の態様によれば、圧電素子と、上記圧電素子の一方端に固定された駆動部材と、上記圧電素子の他方端に固定された支持部材と、上記駆動部材に当該駆動部材の移動方向に相対的に移動可能に所定の摩擦力で係合された被駆動部材とを備え、上記駆動部材が上記圧電素子の伸縮により異なる速度で往復変位することによって上記被駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、上記圧電素子に分極方向の一定電圧を印加して当該分極方向に充電するとともに、当該分極方向と逆方向に放電する第1の充放電時間と、当該分極方向に放電するとともに、分極方向と逆方向の一定電圧を印加して当該分極方向の逆方向に充電する第2の充放電時間と、両方向に電圧が印加および放電されない時間からなり、前記第1および第2の充放電時間が略同一である駆動電圧を発生する電圧発生回路を有していることを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。   According to the sixth aspect of the present invention, the piezoelectric element, the driving member fixed to one end of the piezoelectric element, the support member fixed to the other end of the piezoelectric element, and the driving member to the driving member And a driven member engaged with a predetermined frictional force so as to be relatively movable in the moving direction, and the driven member moves reciprocally at different speeds due to expansion and contraction of the piezoelectric element to move the driven member. In the piezoelectric actuator to be applied, a constant voltage in the polarization direction is applied to the piezoelectric element to charge in the polarization direction, a first charge / discharge time for discharging in the opposite direction to the polarization direction, and in the polarization direction A second charge / discharge time for applying a constant voltage in the direction opposite to the polarization direction and charging in the direction opposite to the polarization direction, and a time during which the voltage is not applied and discharged in both directions. The piezoelectric actuator is obtained, characterized in that the charge and discharge time has a voltage generating circuit for generating a driving voltage is substantially the same.

本発明の第7の態様によれば、圧電アクチュエータの共振周波数をfr、反共振周波数をfaとし、前記第1の充放電時間をT1、前記第2の充放電時間をT2、前記両方向に電圧が印加および放電されない時間をT3としたとき、
T1=T2=(2n−1)/(2fr), (n=1,2,3・・・)
T3=(2m−1)/(2fa), (m=1,2,3・・・)
となるような駆動電圧を発生する電圧発生回路を有していることを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。
According to the seventh aspect of the present invention, the resonance frequency of the piezoelectric actuator is fr, the anti-resonance frequency is fa, the first charge / discharge time is T1, the second charge / discharge time is T2, and the voltage is applied in both directions. When T3 is the time during which no voltage is applied or discharged,
T1 = T2 = (2n−1) / (2fr), (n = 1, 2, 3...)
T3 = (2m−1) / (2fa), (m = 1, 2, 3,...)
A piezoelectric actuator characterized by having a voltage generation circuit for generating a drive voltage such that

本発明の第8の態様によれば、圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータの駆動方法において、前記圧電アクチュエータの共振周波数及び反共振周波数によってそれぞれ定まる時間、前記圧電素子を伸縮させることにより前記駆動部材を移動させることを特徴とする駆動方法が得られる。   According to the eighth aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator driving method of moving the driving member fixed to the piezoelectric element by expanding and contracting the piezoelectric element, the resonance frequency and the antiresonance frequency of the piezoelectric actuator respectively. A driving method is characterized in that the driving member is moved by expanding and contracting the piezoelectric element for a fixed time.

本発明の第9の態様によれば、圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数をfr、反共振周波数をfaとし、前記圧電素子に予め定められた第1の電圧レベルを印加する時間をT1、前記圧電素子に前記第1の電圧レベルとは異なる第2の電圧レベルを印加する時間をT2、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する時間をT3としたとき、
T1=T2=(2n−1)/(2fr), (n=1,2,3・・・)
T3=(2m−1)/(2fa), (m=1,2,3・・・)
となるように前記圧電素子に電圧を印加し、前記圧電素子を伸縮させることにより前記駆動部材を移動させることを特徴とする駆動方法が得られる。
According to the ninth aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator that moves the driving member fixed to the piezoelectric element by expanding and contracting the piezoelectric element, the resonance frequency of the piezoelectric actuator is fr and the antiresonance frequency is fa. T1 is a time for applying a predetermined first voltage level to the piezoelectric element, T2 is a time for applying a second voltage level different from the first voltage level to the piezoelectric element, and When the time for stopping the voltage application is T3,
T1 = T2 = (2n−1) / (2fr), (n = 1, 2, 3...)
T3 = (2m−1) / (2fa), (m = 1, 2, 3,...)
Thus, a driving method can be obtained in which a voltage is applied to the piezoelectric element so that the driving member is moved by expanding and contracting the piezoelectric element.

本発明の第10の態様によれば、圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数によって定まる時間、前記圧電素子に電圧を印加し、前記圧電アクチュエータの反共振周波数によって定まる時間、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する電圧発生回路を有することを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。   According to the tenth aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator that moves the driving member fixed to the piezoelectric element by expanding and contracting the piezoelectric element, the voltage is applied to the piezoelectric element for a time determined by the resonance frequency of the piezoelectric actuator. And a voltage generation circuit for stopping the application of voltage to the piezoelectric element for a time determined by the anti-resonance frequency of the piezoelectric actuator.

本発明の第11の態様によれば、圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数をfr、反共振周波数をfaとし、前記圧電素子に予め定められた第1の電圧レベルを印加する時間をT1、前記圧電素子に前記第1の電圧レベルとは異なる第2の電圧レベルを印加する時間をT2、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する時間をT3としたとき、
T1=T2=(2n−1)/(2fr), (n=1,2,3・・・)
T3=(2m−1)/(2fa), (m=1,2,3・・・)
となるような電圧を発生する電圧発生回路を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。
According to the eleventh aspect of the present invention, in the piezoelectric actuator that moves the driving member fixed to the piezoelectric element by expanding and contracting the piezoelectric element, the resonance frequency of the piezoelectric actuator is fr and the antiresonance frequency is fa. T1 is a time for applying a predetermined first voltage level to the piezoelectric element, T2 is a time for applying a second voltage level different from the first voltage level to the piezoelectric element, and When the time for stopping the voltage application is T3,
T1 = T2 = (2n−1) / (2fr), (n = 1, 2, 3...)
T3 = (2m−1) / (2fa), (m = 1, 2, 3,...)
A piezoelectric actuator characterized by including a voltage generation circuit that generates such a voltage is obtained.

本発明によれば、電源から圧電素子に印加される充電時間が従来方法に比較して短くなるため、消費電力を低減させることが可能となる。また、分極方向および逆方向の両方向に電圧が印加および放電されない時間を設けていることで、被駆動部材を良好に移動させることができる。本発明により、消費電力が小さい圧電アクチュエータの駆動方法を提供することが可能となり、機器の小型化、電池の消耗を低減することが可能となる。   According to the present invention, since the charging time applied from the power source to the piezoelectric element is shortened as compared with the conventional method, the power consumption can be reduced. Further, by providing a time during which no voltage is applied and discharged in both the polarization direction and the reverse direction, the driven member can be moved favorably. According to the present invention, it is possible to provide a driving method of a piezoelectric actuator with low power consumption, and it is possible to reduce the size of the device and the battery consumption.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明に用いられる圧電アクチュエータの構成図を示し、アクチュエータ部10と駆動回路部20とを備えている。アクチュエータ部10は、図1の上下方向に分極された圧電素子1、圧電素子の一端(ここでは上端)に固定された磁石2、磁石2に吸着された移動リング3、当該移動リング3を嵌め込まれ、移動リング3と共に移動可能なレンズユニット等の移動体4、圧電素子1の下端を支持する支持部材(ここでは、ハウジング)5、及び、移動体4をガイドするガイドピン6とによって構成されている。図示された例では、圧電素子1に固定された磁石2によって駆動部材が構成されており、移動リング3及び移動体4により被駆動部材が構成されている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. FIG. 1 is a configuration diagram of a piezoelectric actuator used in the present invention, and includes an actuator unit 10 and a drive circuit unit 20. The actuator unit 10 is fitted with the piezoelectric element 1 that is vertically polarized in FIG. 1, the magnet 2 that is fixed to one end (here, the upper end) of the piezoelectric element, the moving ring 3 that is attracted to the magnet 2, and the moving ring 3. The movable body 4 includes a movable body 4 such as a lens unit that can move together with the movable ring 3, a support member (here, a housing) 5 that supports the lower end of the piezoelectric element 1, and a guide pin 6 that guides the movable body 4. ing. In the illustrated example, the driving member is configured by the magnet 2 fixed to the piezoelectric element 1, and the driven member is configured by the moving ring 3 and the moving body 4.

一方、駆動回路部20は圧電素子1を駆動する為に必要な制御信号を発生する制御回路21と、当該制御回路21からの制御信号にしたがって圧電素子1を充放電させるスイッチ回路22とを含んでいる。   On the other hand, the drive circuit unit 20 includes a control circuit 21 that generates a control signal necessary for driving the piezoelectric element 1, and a switch circuit 22 that charges and discharges the piezoelectric element 1 according to the control signal from the control circuit 21. It is out.

図示された圧電素子1は、スイッチ回路22におけるスイッチのオン・オフによって制御される不連続な電圧にしたがって、分極方向(図の上下方向)に変位し、圧電素子1の上端に固定された磁石2を上下方向に移動させる。磁石2の移動に伴って、移動リング3及び移動体4も上下方向に移動する。尚、図示された例では、圧電素子1の上端に、磁石2がエポキシ樹脂などを用いて接着されている。   The illustrated piezoelectric element 1 is displaced in the polarization direction (vertical direction in the figure) according to a discontinuous voltage controlled by turning on and off the switch in the switch circuit 22, and is a magnet fixed to the upper end of the piezoelectric element 1. 2 is moved up and down. As the magnet 2 moves, the moving ring 3 and the moving body 4 also move in the vertical direction. In the illustrated example, the magnet 2 is bonded to the upper end of the piezoelectric element 1 using an epoxy resin or the like.

圧電素子1は、所定の変位が発生できれば、材質や構造は適宜選択できるが、本発明においては、数V〜十数V程度と低電圧で大きな変位出力が得られる積層型圧電セラミックを用いることが好ましい。   The material and structure of the piezoelectric element 1 can be appropriately selected as long as a predetermined displacement can be generated. However, in the present invention, a laminated piezoelectric ceramic that can obtain a large displacement output at a low voltage of about several V to several tens V is used. Is preferred.

積層型圧電セラミックの製造方法は、一般的な方法を用いればよい。たとえば、ドクターブレード法などの方法で所定の厚さのセラミックグリーンシートを製造し、スクリーン印刷法などで所定の形状にAg/PdペーストやCuペーストを内部電極として印刷した後、トリミングおよび所定枚数積層する。熱プレス後に所定の形状に打ち抜き、脱バインダー、焼結の工程により製造すればよい。   A general method may be used as a method of manufacturing the multilayer piezoelectric ceramic. For example, a ceramic green sheet having a predetermined thickness is manufactured by a method such as a doctor blade method, an Ag / Pd paste or a Cu paste is printed as an internal electrode in a predetermined shape by a screen printing method or the like, and then trimming and a predetermined number of layers are laminated To do. What is necessary is just to manufacture by the process of punching to a defined shape after a hot press, a binder removal, and a sintering.

磁石2の材質は特に限定されないが、小型化を進めた場合にも十分な吸着力を確保するために、ネオジウム系磁石、あるいは、サマリウム−コバルト系磁石を用いることが好ましい。   The material of the magnet 2 is not particularly limited, but it is preferable to use a neodymium-based magnet or a samarium-cobalt-based magnet in order to ensure a sufficient attractive force even when the size is reduced.

ここで、移動リング3、移動体4は別の部材としたが、同一の材質として一体化することもできる。   Here, the moving ring 3 and the moving body 4 are separate members, but can be integrated as the same material.

次に、本発明に係る駆動方法の理解を容易にするために、図1に示した圧電アクチュエータを従来の駆動方法で駆動する場合について図2を参照して説明する。図2では、圧電素子1単体の高さを1.5mm程度、磁石の高さを1mm程度とし、共振周波数が300kHz程度であるものとする。この場合、図2に示すように、圧電素子1に印加される電圧波形を矩形波とし、この矩形波状電圧波形の周波数、すなわち駆動周波数を200kHz程度、デューティ比を0.33または0.67程度とすると、高調波成分の変位と位相のズレにより、圧電素子1の出力変位波形が鋸波状となる。   Next, in order to facilitate understanding of the driving method according to the present invention, a case where the piezoelectric actuator shown in FIG. 1 is driven by a conventional driving method will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the height of the piezoelectric element 1 alone is about 1.5 mm, the height of the magnet is about 1 mm, and the resonance frequency is about 300 kHz. In this case, as shown in FIG. 2, the voltage waveform applied to the piezoelectric element 1 is a rectangular wave, the frequency of the rectangular wave voltage waveform, that is, the drive frequency is about 200 kHz, and the duty ratio is about 0.33 or 0.67. Then, the output displacement waveform of the piezoelectric element 1 becomes a sawtooth waveform due to the displacement of the harmonic component and the phase shift.

図2に示すように矩形波の入力電圧波形において、出力変位波形が鋸波状となることで、圧電素子は時間t1をかけてゆっくりと伸び、時間t2で急速に縮む。ここで、時間t2において移動リング3と磁石2との間に発生する最大静止摩擦力以上の加速度が得られるように入力電圧を設定すれば、時間t1では移動リング3と圧電素子1はともに移動し、時間t2では移動リング3と圧電素子1間ですべりが生じる。これを連続的に繰り返すことにより、移動リング3と移動体4は支持部材に対して一方向に移動する。即ち、インパクト駆動が行なわれる。また、時間t1、t2の双方において、移動リング3と磁石2との間に発生する最大静止摩擦力以上の加速度が得られるように入力電圧を設定した場合は、移動リング3は時間t1、時間t2のどちらにおいても圧電素子1との間ですべりを生じさせつつ移動するが、時間t1と時間t2を異ならせているため、これを連続的に繰り返すことにより、移動リング3と移動体4は支持部材に対して実質的に一方向に移動する。よって、この場合にもインパクト駆動が行われる。   As shown in FIG. 2, in the rectangular input voltage waveform, the output displacement waveform becomes a sawtooth waveform, so that the piezoelectric element slowly extends over time t1 and rapidly contracts at time t2. Here, if the input voltage is set so as to obtain an acceleration equal to or greater than the maximum static friction force generated between the moving ring 3 and the magnet 2 at time t2, both the moving ring 3 and the piezoelectric element 1 move at time t1. At time t2, slip occurs between the moving ring 3 and the piezoelectric element 1. By repeating this continuously, the moving ring 3 and the moving body 4 move in one direction with respect to the support member. That is, impact driving is performed. Further, when the input voltage is set so that the acceleration equal to or greater than the maximum static friction force generated between the moving ring 3 and the magnet 2 is obtained at both the times t1 and t2, the moving ring 3 has the time t1 and time. Although it moves while generating a slip between the piezoelectric elements 1 at any of t2, the time t1 and the time t2 are different, and thus by repeating this continuously, the moving ring 3 and the moving body 4 are moved. It moves substantially in one direction relative to the support member. Therefore, impact driving is also performed in this case.

また、いずれの場合においても、時間t1と時間t2の割合を変化させる、つまり圧電素子1への入力電圧波形のデューティ比を変化させることで移動体の速度や移動方向を制御することができる。   In any case, the speed and moving direction of the moving body can be controlled by changing the ratio between the time t1 and the time t2, that is, by changing the duty ratio of the input voltage waveform to the piezoelectric element 1.

次に、本発明の圧電アクチュエータにおける実施例について説明する。圧電素子1として、断面が1.0×1.0mm、高さ1.5mmの積層型圧電セラミック素子を準備した。この積層型圧電セラミック素子は、±3Vの電圧印加に対して、大略0.1μmの変位を発生する。この圧電セラミック素子の一端に、1.0mm×1.4mm、高さ1.0mmのネオジウム系磁石を熱硬化性エポキシ樹脂で接着した。さらに、支持部材5としてポリカーボネートを材質とするハウジングを作製し、圧電セラミック素子の他端にエポキシ樹脂で接着した。   Next, examples of the piezoelectric actuator of the present invention will be described. As the piezoelectric element 1, a laminated piezoelectric ceramic element having a cross section of 1.0 × 1.0 mm and a height of 1.5 mm was prepared. This multilayer piezoelectric ceramic element generates a displacement of approximately 0.1 μm when a voltage of ± 3 V is applied. A neodymium magnet having a size of 1.0 mm × 1.4 mm and a height of 1.0 mm was bonded to one end of the piezoelectric ceramic element with a thermosetting epoxy resin. Further, a housing made of polycarbonate was produced as the support member 5 and bonded to the other end of the piezoelectric ceramic element with an epoxy resin.

SUS430を材質とする、外形7.5mm、内径6.5mm、高さ1.5mmの移動体を作製し、ポリカーボネートを材質とするホルダーにエポキシ樹脂で接着した。また、SUS304を材質とするガイドピンにホルダーを支持すると同時に、磁石と移動体を磁力により吸着することで、図1に示した構造のアクチュエータを作製した。この場合、ホルダーの移動ストロークは約0.5mmとなるが、移動体の高さを大きくすることで、ストロークをさらに大きくすることも可能である。   A moving body having an outer diameter of 7.5 mm, an inner diameter of 6.5 mm, and a height of 1.5 mm made of SUS430 was produced, and adhered to a holder made of polycarbonate with an epoxy resin. In addition, the actuator having the structure shown in FIG. 1 was manufactured by supporting the holder on a guide pin made of SUS304 and simultaneously adsorbing the magnet and the moving body by magnetic force. In this case, the movement stroke of the holder is about 0.5 mm, but the stroke can be further increased by increasing the height of the moving body.

また、アクチュエータを駆動する駆動回路部20のスイッチ回路22として、図3に示すような回路を作製した。このスイッチ回路は、圧電素子1(PA)の両端に接続された4つのスイッチQ1、Q2、Q3、及びQ4を備えており、これらのスイッチQ1〜Q4が図1に示された制御回路21からの制御信号によってオン・オフされる。この実施例では、駆動回路部20は後述するように、制御回路21からの制御信号により制御されるスイッチ回路22から、時間的に不連続な電圧波形を発生する電圧発生回路として動作する。   Further, as the switch circuit 22 of the drive circuit unit 20 that drives the actuator, a circuit as shown in FIG. 3 was produced. This switch circuit includes four switches Q1, Q2, Q3, and Q4 connected to both ends of the piezoelectric element 1 (PA). These switches Q1 to Q4 are connected to the control circuit 21 shown in FIG. It is turned on / off by the control signal. In this embodiment, as will be described later, the drive circuit unit 20 operates as a voltage generation circuit that generates a temporally discontinuous voltage waveform from the switch circuit 22 controlled by a control signal from the control circuit 21.

ここで、本発明に係るスイッチ回路22を従来のスイッチ回路と比較する。まず、特許文献2に記載されたように、スイッチ回路22からの出力電圧が連続的に変化するように制御される場合について説明する。この場合、スイッチQ1、Q4がオン状態で、電源Vpから圧電素子1に対してスイッチQ1及びQ4を経由して電流経路を形成する場合を第1の駆動手段と呼び、他方、スイッチQ2、Q3がオン状態で、電源Vpから圧電素子1に対してスイッチQ2及びQ3を経由して電流経路を形成する場合を第2の駆動手段と呼ぶものとする。   Here, the switch circuit 22 according to the present invention is compared with a conventional switch circuit. First, as described in Patent Document 2, a case where the output voltage from the switch circuit 22 is controlled to change continuously will be described. In this case, the case where the switches Q1 and Q4 are turned on and the current path is formed from the power source Vp to the piezoelectric element 1 via the switches Q1 and Q4 is referred to as first driving means, while the switches Q2, Q3 A case where the current path is formed from the power source Vp to the piezoelectric element 1 via the switches Q2 and Q3 in the ON state is referred to as second driving means.

表1には、従来のスイッチ回路におけるスイッチQ1〜Q4のオン、オフ状態が示されている。表1に示されるように従来のスイッチ回路においては、第1の駆動手段と第2の駆動手段を交互に駆動することにより圧電素子を駆動するため、常に圧電素子のどちらか一方の電気端子が電源に接続された状態となっている。一方、圧電素子は第1および第2の駆動手段により駆動され、スイッチの状態が変化するたびに急激な充電又は放電が行われるため、急速伸長あるいは急速収縮した後に共振周波数frで振動する。ここで、frは圧電素子の一端を固定端とし他端に駆動部材と被駆動部材を固定した場合における共振周波数である。そのため、従来のスイッチ回路においては、圧電素子の自由振動により発生する電荷を打ち消して圧電素子への印加電圧が一定に保たれるように電源から電流が供給されるため、消費電力が増大してしまう。   Table 1 shows the on and off states of the switches Q1 to Q4 in the conventional switch circuit. As shown in Table 1, in the conventional switch circuit, since the piezoelectric element is driven by alternately driving the first driving means and the second driving means, one of the electrical terminals of the piezoelectric element is always provided. The power supply is connected. On the other hand, since the piezoelectric element is driven by the first and second driving means and is suddenly charged or discharged every time the switch state is changed, it vibrates at the resonance frequency fr after rapid expansion or rapid contraction. Here, fr is a resonance frequency when one end of the piezoelectric element is a fixed end and the driving member and the driven member are fixed to the other end. For this reason, in the conventional switch circuit, current is supplied from the power source so as to cancel the electric charge generated by the free vibration of the piezoelectric element and to keep the applied voltage to the piezoelectric element constant. End up.

Figure 2008295287
Figure 2008295287

他方、本発明による駆動方法は、第1の電圧レベルv1の期間P1、第2の電圧レベルv2の期間P2、および期間P1と期間P2との間に遷移期間P3とを有する不連続な電圧波形を駆動回路部20から圧電素子に与えることによりインパクト駆動を行うことを特徴としており、スイッチ回路22は表2に従ってオン、オフ状態を取るように制御回路21により制御される。換言すれば、制御回路21はスイッチ回路22を表2に従って動作させるような制御信号(即ち、電圧波形)を生成する。このような制御信号を生成する制御回路21は、例えば、ユーザの操作に応答してパルスを発生するパルス発生回路、及び、発生したパルスを論理的に処理する論理回路等を組み合わせることによって容易に実現できるので、ここでは説明を省略する。   On the other hand, the driving method according to the present invention has a discontinuous voltage waveform having a period P1 of the first voltage level v1, a period P2 of the second voltage level v2, and a transition period P3 between the periods P1 and P2. Is applied to the piezoelectric element from the drive circuit unit 20, and the switch circuit 22 is controlled by the control circuit 21 so as to take an on / off state according to Table 2. In other words, the control circuit 21 generates a control signal (that is, a voltage waveform) that causes the switch circuit 22 to operate according to Table 2. The control circuit 21 that generates such a control signal can be easily obtained by combining, for example, a pulse generation circuit that generates a pulse in response to a user operation and a logic circuit that logically processes the generated pulse. Since it is realizable, description is abbreviate | omitted here.

表2に示されるように、第1の電圧レベル期間P1では、スイッチQ1、Q4がオン状態となり、電源Vpから圧電素子に対してスイッチQ1およびQ4を経由して電流経路が形成され、また、第2の電圧レベル期間P2では、スイッチQ2、Q3がオン状態となり、電源Vpから圧電素子に対してスイッチQ2およびQ3を経由して電流経路が形成される。また、第1および第2の電圧レベル期間との間の遷移期間P3においては、スイッチQ1〜Q4が全てオフの状態に置かれ、圧電素子はスイッチ回路22から電気的に切り離された状態に置かれるが、圧電素子に充電された電荷は保存され変化しないため、圧電素子の電気端子間の電圧は直前の電圧レベルに保たれたままとなる。すなわち、遷移期間P3において圧電素子に印加されている電圧レベルは、直前の第1の電圧レベル期間P1における電圧レベルv1と実質的に等しくなる。従って、遷移期間P3においては、直前の電圧レベルを維持しながらも、電源からの充放電による電力消費を無くすことができる。よって、本発明の駆動方法によるスイッチ回路22からは、図4の電圧波形Wvに示されるような不連続な電圧波形が出力される。図示されているように、第1の電圧レベルv1は第2の電圧レベルv2と極性において異なっている。また、図4では、第1の電圧レベル期間P1と、第2の電圧レベル期間P2が略同一になるように制御されている。尚、第1の電圧レベル期間P1中、圧電素子1は、例えば、圧電素子1の分極方向に充電され、第2の電圧レベル期間P2中は、分極方向と逆方向に充電される。換言すれば、第1の電圧レベル期間P1及び第2の電圧レベル期間P2は圧電素子1の充放電期間を規定している。   As shown in Table 2, in the first voltage level period P1, the switches Q1 and Q4 are turned on, a current path is formed from the power source Vp to the piezoelectric element via the switches Q1 and Q4, and In the second voltage level period P2, the switches Q2 and Q3 are turned on, and a current path is formed from the power source Vp to the piezoelectric element via the switches Q2 and Q3. In the transition period P3 between the first and second voltage level periods, the switches Q1 to Q4 are all turned off, and the piezoelectric element is placed in a state of being electrically disconnected from the switch circuit 22. However, since the electric charge charged in the piezoelectric element is stored and does not change, the voltage between the electric terminals of the piezoelectric element remains at the previous voltage level. That is, the voltage level applied to the piezoelectric element in the transition period P3 is substantially equal to the voltage level v1 in the immediately preceding first voltage level period P1. Therefore, in the transition period P3, power consumption due to charging / discharging from the power supply can be eliminated while maintaining the previous voltage level. Therefore, a discontinuous voltage waveform as shown by the voltage waveform Wv in FIG. 4 is output from the switch circuit 22 according to the driving method of the present invention. As shown, the first voltage level v1 differs in polarity from the second voltage level v2. Further, in FIG. 4, the first voltage level period P1 and the second voltage level period P2 are controlled to be substantially the same. In addition, during the first voltage level period P1, the piezoelectric element 1 is charged in the polarization direction of the piezoelectric element 1, for example, and during the second voltage level period P2, it is charged in the direction opposite to the polarization direction. In other words, the first voltage level period P1 and the second voltage level period P2 define the charge / discharge period of the piezoelectric element 1.

このように、本発明による駆動方式は、第1および第2の電圧レベル期間の間に、圧電素子がスイッチ回路22から電気回路的に切り離されている遷移期間P3を設けているため、図4の電流波形Wiに示されるように、遷移期間P3の期間においては電源からの電流供給を一切無くすことができる。よって遷移期間P3においては圧電素子1で電力が消費されないため、消費電力の低減が可能となる。
As described above, the driving method according to the present invention provides the transition period P3 in which the piezoelectric element is electrically disconnected from the switch circuit 22 between the first and second voltage level periods. As shown in the current waveform Wi, current supply from the power supply can be completely eliminated during the transition period P3. Accordingly, since no power is consumed by the piezoelectric element 1 during the transition period P3, power consumption can be reduced.

Figure 2008295287
Figure 2008295287

上記した本発明の駆動方法においては、第1および第2の電圧レベル期間P1およびP2においては、圧電素子が電界一定の条件下で振動し、また遷移期間P3においては電束密度一定の条件下で振動する。換言すれば、本発明に係る駆動方法は、圧電素子1に、駆動部材である磁石2を固定した圧電アクチュエータの共振周波数及び反共振周波数によってそれぞれ定まる時間、圧電素子を伸縮させることにより、駆動部材である磁石2を移動させていることになる。   In the driving method of the present invention described above, the piezoelectric element vibrates under the condition of constant electric field in the first and second voltage level periods P1 and P2, and the condition of constant electric flux density in the transition period P3. Vibrate. In other words, the driving method according to the present invention extends the piezoelectric element by extending and contracting the piezoelectric element for a time determined by the resonance frequency and the antiresonance frequency of the piezoelectric actuator in which the magnet 2 as the driving member is fixed. That is, the magnet 2 is moved.

従って、磁石2が固着された状態での圧電素子1(即ち、圧電アクチュエータ)の共振周波数をfr、反共振周波数をfaとすると、その振動周期は期間P1およびP2では1/fr、また、期間P3においては1/faとなる。ここで、圧電アクチュエータに使用される圧電素子1の反共振周波数faは共振周波数frより高く且つ振幅において小さいのが普通である。   Therefore, when the resonance frequency of the piezoelectric element 1 (that is, the piezoelectric actuator) with the magnet 2 fixed is fr and the antiresonance frequency is fa, the vibration period is 1 / fr in the periods P1 and P2, and the period In P3, it is 1 / fa. Here, the antiresonance frequency fa of the piezoelectric element 1 used for the piezoelectric actuator is usually higher than the resonance frequency fr and smaller in amplitude.

上述した点を考慮して、本発明の駆動方法をより具体的に説明する。本発明に係る圧電アクチュエータの駆動周波数fdについては、圧電素子の共振振動を利用し効率よく移動体4を移動させるために、第1の電圧レベル期間P1、第2の電圧レベル期間P2および遷移期間P3とを、各期間における振動周期を考慮して、下記数1の関係を満たすように設定し、下記数2により導出される駆動周波数fd付近にて動作させることで、動作特性の良好な圧電アクチュエータが得られる。   The driving method of the present invention will be described more specifically in view of the above points. With respect to the drive frequency fd of the piezoelectric actuator according to the present invention, the first voltage level period P1, the second voltage level period P2, and the transition period in order to move the moving body 4 efficiently using the resonance vibration of the piezoelectric element. P3 is set so as to satisfy the relationship of the following formula 1 in consideration of the vibration period in each period, and is operated near the drive frequency fd derived by the following formula 2, so that a piezoelectric with good operating characteristics is obtained. An actuator is obtained.

[数1]
P1=P2=(2n−1)/(2fr), (n=1,2,3・・・)
P3=(2m−1)/(2fa), (m=1,2,3・・・)
[Equation 1]
P1 = P2 = (2n−1) / (2fr), (n = 1, 2, 3...)
P3 = (2m−1) / (2fa), (m = 1, 2, 3,...)

[数2]
fd=1/(P1+P2+P3)
[Equation 2]
fd = 1 / (P1 + P2 + P3)

図5に本発明の駆動方法における圧電アクチュエータの駆動電圧波形の一例として、上記数1においてn=1、m=3とした場合の約1周期分の駆動電圧波形と圧電素子の変位を示す。この場合、期間P1=P2=1/(2fr)、期間P3=5/(2fa)となる。   FIG. 5 shows, as an example of the driving voltage waveform of the piezoelectric actuator in the driving method of the present invention, the driving voltage waveform and the displacement of the piezoelectric element for about one cycle when n = 1 and m = 3 in the above equation 1. In this case, the period P1 = P2 = 1 / (2fr) and the period P3 = 5 / (2fa).

同図において、例えばa点で圧電素子に電圧v1が印加されると、圧電素子は共振周波数frで振動しながら高速で大きく伸長したあと、b点で縮小に転じる。次にb点でスイッチ回路22の全てのスイッチがオフになり遷移期間P3となるため、圧電素子は反共振周波数faで引き続き振動を続ける。そして、縮小から伸長に転じるd点で圧電素子に電圧v2が印加されると、圧電素子はその変位位置から更にe点まで共振周波数frで振動しながら縮小動作を行う。そして、この縮小動作が終了して伸長に転じるe点で再び圧電素子に電圧v1が印加されると、圧電素子は再度高速で伸長動作を行い、以下、駆動電圧の波形に応じて上述の圧電素子の伸縮動作が繰り返される。上述の圧電素子の伸縮動作において、a−b間の伸長動作は高速で行われ、c−e間の縮小動作はそれよりも低速で行われるので、圧電素子の伸縮動作によって磁石が往復振動を繰り返すと、a−b間の高速伸長時は移動リングとの間に滑りを生じ、c−e間の低速縮小時は磁石と移動リングが共に移動することとなる。従って、移動リングが全体として一方向に移動する。あるいは、低速縮小時においても移動リングとの間に滑りを生じる場合においては、a−b間とc−e間の時間差によって移動リングの移動が行われる。更に、反共振周波数faで振動しているb−c間では、圧電素子の変位が小さいため、磁石と移動リングとの間に滑りが生じないため、移動リングは移動しない。   In the figure, for example, when the voltage v1 is applied to the piezoelectric element at the point a, the piezoelectric element greatly expands at high speed while vibrating at the resonance frequency fr, and then decreases at the point b. Next, since all the switches of the switch circuit 22 are turned off at the point b and the transition period P3 is entered, the piezoelectric element continues to vibrate at the antiresonance frequency fa. When the voltage v2 is applied to the piezoelectric element at the point d where the reduction is changed to the extension, the piezoelectric element performs the reduction operation while vibrating at the resonance frequency fr from the displacement position to the point e. Then, when the voltage v1 is applied again to the piezoelectric element at the point e where the contraction operation ends and the expansion starts, the piezoelectric element again performs the expansion operation at a high speed. The expansion / contraction operation of the element is repeated. In the above-described expansion / contraction operation of the piezoelectric element, the extension operation between a and b is performed at a high speed, and the contraction operation between c and e is performed at a lower speed. Therefore, the expansion / contraction operation of the piezoelectric element causes the magnet to reciprocate. If it repeats, a slip will arise between the moving rings at the time of high speed extension between a and b, and a magnet and a moving ring will move together at the time of low speed reduction between c and e. Therefore, the moving ring moves in one direction as a whole. Alternatively, when slipping occurs between the moving ring even at a low speed reduction, the moving ring is moved by the time difference between ab and ce. Furthermore, between bc vibrating at the anti-resonance frequency fa, the displacement of the piezoelectric element is small, so that no slip occurs between the magnet and the moving ring, so the moving ring does not move.

また、図5において、期間P1における電圧レベルをv2に、期間P2における電圧レベルをv1にそれぞれ変更した場合(即ち、図5に示された電圧波形を反転させた場合)、遷移期間P3の電圧レベルは直前の期間P1と実質的に等しい電圧レベルv2となる。このような駆動電圧を印加した場合は、上述の伸縮振動の関係が逆になり、圧電素子はa−b間で高速縮小し、c−e間で低速伸長を行うことになる。よって、上述とは逆の方向に移動リングが移動を行うことになる。   In FIG. 5, when the voltage level in the period P1 is changed to v2 and the voltage level in the period P2 is changed to v1 (that is, when the voltage waveform shown in FIG. 5 is inverted), the voltage in the transition period P3 The level becomes a voltage level v2 substantially equal to the immediately preceding period P1. When such a driving voltage is applied, the relationship between the above-described stretching vibrations is reversed, and the piezoelectric element is reduced at high speed between a and b and is extended at low speed between c and e. Therefore, the moving ring moves in the direction opposite to the above.

図5は数1においてn=1、m=3の場合を示しているが、例えば図6に示されるように数1においてn=2、m=2とすると、図5に示される場合と比較して期間P1とP2にそれぞれ共振周波数frの1周期分の期間が加わり、遷移期間P3からは反共振周波数faの1周期分の期間が減らされることとなる。しかし、各期間が終了する時点での圧電素子の振動の位相は図5に示される場合と等しくなる。よって、図6に示される場合においても図5に示された場合と同様のメカニズムにより、a−b’間の高速伸長時とc−e’間の低速縮小時の速度差に起因して移動リングの移動が行われる。   FIG. 5 shows the case where n = 1 and m = 3 in Equation 1, but for example, if n = 2 and m = 2 in Equation 1, as shown in FIG. 6, it is compared with the case shown in FIG. Thus, a period corresponding to one period of the resonance frequency fr is added to each of the periods P1 and P2, and a period corresponding to one period of the anti-resonance frequency fa is reduced from the transition period P3. However, the phase of the vibration of the piezoelectric element at the end of each period is equal to that shown in FIG. Therefore, even in the case shown in FIG. 6, the movement is caused by the speed difference between the high speed extension between ab ′ and the low speed reduction between ce ′ by the same mechanism as that shown in FIG. The ring is moved.

このように、数1におけるn、mの任意の組合せにおいて、駆動波形と圧電素子の振動の位相関係が等しくなるので、移動リングの移動が安定に行われる。ただし、圧電素子の高速伸長と低速縮小動作は駆動電圧波形の1周期(=P1+P2+P3=1/fd)につきそれぞれ1回ずつ行われるので、1周期の駆動時間が長くなると(駆動周波数が低くなると)移動リングの1周期あたりの駆動効率が低下するが、同時に消費電力も減少するので、必要とされる圧電アクチュエータの動作特性などを考慮して駆動波形を設定することとなる。   As described above, in any combination of n and m in Equation 1, the phase relationship between the drive waveform and the vibration of the piezoelectric element becomes equal, so that the moving ring can be moved stably. However, since the high-speed expansion and low-speed reduction operations of the piezoelectric element are performed once for each cycle (= P1 + P2 + P3 = 1 / fd) of the drive voltage waveform, when the drive time of one cycle becomes longer (when the drive frequency becomes lower). Although the driving efficiency per one cycle of the moving ring is lowered, the power consumption is also reduced at the same time, so that the driving waveform is set in consideration of the required operation characteristics of the piezoelectric actuator.

また、数1に示される条件は、圧電素子の高速伸長と低速縮小との速度差が最大となり、従って、移動体を効率よく動作させるための条件を示している。よって、駆動電圧波形の各駆動期間が数1に示される条件から離れるに従って、圧電素子の高速伸長と低速縮小との速度差が減少していくため、それに伴い移動体の移動効率が低下し、移動体の移動速度が減少していく。しかし、数1に示される条件を完全に満足しなくとも、数1に示される条件をある程度満たしていれば、実用上問題の無い動作特性が得られる。図7に、駆動電圧波形の各駆動期間の比率を、数1を満たす条件で一定に固定し(P1:P2:P3=一定)、駆動周波数fdを変化させた場合の移動体の速度変化を示す。移動体の速度は数1の条件を満たす周波数fで最大となり、駆動周波数がfから離れるに従って減少していく特性を示す。図7より、移動体を駆動可能な周波数はおよそ0.75f≦fd≦1.5fの範囲であるが、駆動効率を考慮すると、駆動周波数がfのときの速度(最大速度)に対して50%以上の速度が得られる0.8f≦fd≦1.4fの範囲で駆動させることが望ましい。   Further, the condition shown in Formula 1 shows the condition for maximizing the speed difference between the high-speed expansion and the low-speed reduction of the piezoelectric element, and thus operating the moving body efficiently. Therefore, as each drive period of the drive voltage waveform deviates from the condition shown in Equation 1, the speed difference between the high speed extension and the low speed reduction of the piezoelectric element decreases, and accordingly, the moving efficiency of the moving body decreases. The moving speed of the moving body decreases. However, even if the condition shown in Equation 1 is not completely satisfied, if the condition shown in Equation 1 is satisfied to some extent, operation characteristics having no practical problem can be obtained. FIG. 7 shows the change in the speed of the moving body when the ratio of each drive period of the drive voltage waveform is fixed at a condition satisfying Equation 1 (P1: P2: P3 = constant) and the drive frequency fd is changed. Show. The speed of the moving body is maximized at the frequency f satisfying the condition of Equation 1, and shows a characteristic that the driving frequency decreases as the driving frequency goes away from f. From FIG. 7, the frequency at which the moving body can be driven is in the range of approximately 0.75 f ≦ fd ≦ 1.5 f. It is desirable to drive in the range of 0.8 f ≦ fd ≦ 1.4 f at which a speed of at least% is obtained.

次に、表2に示される本発明による駆動方法における圧電アクチュエータと、表1に示される従来の駆動方法における圧電アクチュエータとで、アクチュエータにおける突入電流、消費電流および消費電力を測定した結果について示す。アクチュエータへの入力電圧は両者とも±3Vとした。また、駆動周波数fdは数1においてn=1およびm=3とした場合に相当する80kHzとした。表3には、本発明によるアクチュエータに対する突入電流、消費電流および消費電力と、従来方法による突入電流、消費電流および消費電力とが比較して示されている。表3からも明らかなように、本発明法によれば従来方法に比較して突入電流において19.0%、消費電流において22.4%、消費電力において16.5%低減されていることがわかる。   Next, measurement results of inrush current, current consumption, and power consumption in the actuator using the piezoelectric actuator in the driving method according to the present invention shown in Table 2 and the piezoelectric actuator in the conventional driving method shown in Table 1 will be described. Both input voltages to the actuator were set to ± 3V. The drive frequency fd was set to 80 kHz corresponding to the case where n = 1 and m = 3 in Equation 1. Table 3 compares the inrush current, current consumption, and power consumption of the actuator according to the present invention with the inrush current, current consumption, and power consumption of the conventional method. As is apparent from Table 3, according to the method of the present invention, the inrush current is reduced by 19.0%, the current consumption is reduced by 22.4%, and the power consumption is reduced by 16.5%. Recognize.

このように、本発明に係る圧電アクチュエータの駆動回路部20は、断続的に変化する不連続な電圧波形を圧電素子1に供給することによりアクチュエータを駆動するので、連続的に変化する電圧パルスを印加する従来技術に比較して、消費電力を低減することができる。   Thus, since the drive circuit unit 20 of the piezoelectric actuator according to the present invention drives the actuator by supplying a discontinuous voltage waveform that changes intermittently to the piezoelectric element 1, a voltage pulse that changes continuously is applied. Power consumption can be reduced as compared with the applied prior art.

Figure 2008295287
Figure 2008295287

本発明は、携帯電話等の携帯端末に使用される光学系を駆動する圧電アクチュエータだけでなく、精密ステージを駆動する圧電アクチュエータや磁気ヘッドを駆動する圧電アクチュエータ等にも適用できる。   The present invention can be applied not only to a piezoelectric actuator that drives an optical system used in a mobile terminal such as a mobile phone, but also to a piezoelectric actuator that drives a precision stage, a piezoelectric actuator that drives a magnetic head, and the like.

本発明に係る圧電アクチュエータの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the piezoelectric actuator which concerns on this invention. 図1に示された圧電アクチュエータの通常の駆動方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the normal drive method of the piezoelectric actuator shown by FIG. 本発明において使用されるスイッチ回路の構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the switch circuit used in this invention. 本発明による駆動方式におけるスイッチ回路の出力電圧波形とアクチュエータの消費電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output voltage waveform of the switch circuit in the drive system by this invention, and the consumption current of an actuator. 本発明による駆動方式におけるスイッチ回路の出力電圧波形と圧電素子の変位との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output voltage waveform of the switch circuit in the drive system by this invention, and the displacement of a piezoelectric element. 本発明による駆動方式におけるスイッチ回路の出力電圧波形と圧電素子の変位との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the output voltage waveform of the switch circuit in the drive system by this invention, and the displacement of a piezoelectric element. 本発明の実施例に係る圧電アクチュエータの駆動周波数と移動体速度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the drive frequency of a piezoelectric actuator and the moving body speed which concern on the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電素子
2 磁石
3 移動リング
4 移動体
5 支持部材(ハウジング)
6 ガイドピン
10 アクチュエータ部
20 駆動回路部
21 制御回路
22 スイッチ回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric element 2 Magnet 3 Moving ring 4 Moving body 5 Support member (housing)
6 Guide Pin 10 Actuator 20 Drive Circuit 21 Control Circuit 22 Switch Circuit

Claims (11)

圧電素子に電圧を与えることにより被駆動部材をインパクト駆動する駆動方法において、断続的に変化する不連続な電圧波形を前記電圧として供給することによって前記被駆動部材をインパクト駆動することを特徴とする駆動方法。   In a driving method in which a driven member is impact driven by applying a voltage to a piezoelectric element, the driven member is impact driven by supplying an intermittently changing discontinuous voltage waveform as the voltage. Driving method. 請求項1において、前記不連続電圧波形は、予め定められた第1の電圧レベル期間と、第1のレベルとは異なる第2の電圧レベル期間とを備え、第1及び第2の電圧レベル期間の間には、電圧が印加されない遷移期間が存在することを特徴とする駆動方法。   2. The discontinuous voltage waveform according to claim 1, wherein the discontinuous voltage waveform includes a predetermined first voltage level period and a second voltage level period different from the first level, and the first and second voltage level periods. There is a transition period in which no voltage is applied between the driving methods. 請求項1又は2において、前記第1の電圧レベル期間と、前記第2の電圧レベル期間が略同一であることを特徴とする駆動方法。   3. The driving method according to claim 1, wherein the first voltage level period and the second voltage level period are substantially the same. 圧電素子と、当該圧電素子に電圧を印加する電圧発生回路とを含み、前記電圧発生回路は、断続的に変化する不連続な電圧波形を発生することを特徴とする圧電アクチュエータ。   A piezoelectric actuator comprising: a piezoelectric element; and a voltage generation circuit for applying a voltage to the piezoelectric element, wherein the voltage generation circuit generates a discontinuous voltage waveform that changes intermittently. 請求項4において、前記電圧発生回路は、予め定められた第1の電圧レベル期間と、第1のレベルとは異なる第2の電圧レベル期間と、第1及び第2の電圧レベル期間の間に電圧が印加されない遷移期間を有する電圧波形を発生することを特徴とする圧電アクチュエータ。   5. The voltage generation circuit according to claim 4, wherein the voltage generation circuit includes a predetermined first voltage level period, a second voltage level period different from the first level, and the first and second voltage level periods. A piezoelectric actuator that generates a voltage waveform having a transition period in which no voltage is applied. 圧電素子と、上記圧電素子の一方端に固定された駆動部材と、上記圧電素子の他方端に固定された支持部材と、上記駆動部材に当該駆動部材の移動方向に相対的に移動可能に所定の摩擦力で係合された被駆動部材とを備え、上記駆動部材が上記圧電素子の伸縮により異なる速度で往復変位することによって上記被駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、上記圧電素子に分極方向の一定電圧を印加して当該分極方向に充電するとともに、当該分極方向と逆方向に放電する第1の充放電時間と、当該分極方向に放電するとともに、分極方向と逆方向の一定電圧を印加して当該分極方向の逆方向に充電する第2の充放電時間と、両方向に電圧が印加および放電されない時間からなり、前記第1および第2の充放電時間が略同一である駆動電圧を発生する電圧発生回路を有していることを特徴とする圧電アクチュエータ。   A piezoelectric element, a driving member fixed to one end of the piezoelectric element, a support member fixed to the other end of the piezoelectric element, and a predetermined movable body relative to the driving member in the moving direction. And a driven member engaged by a frictional force of the piezoelectric element, wherein the driven member moves the driven member by reciprocating displacement at different speeds due to expansion and contraction of the piezoelectric element. The first charge / discharge time for discharging in the direction opposite to the polarization direction and the discharge in the polarization direction and applying the constant voltage in the direction opposite to the polarization direction are applied. And the second charge / discharge time for charging in the opposite direction of the polarization direction and the time during which no voltage is applied or discharged in both directions, and the first and second charge / discharge times are substantially the same. The piezoelectric actuator, characterized in that a voltage generating circuit for generating a voltage. 前記圧電アクチュエータの共振周波数をfr、反共振周波数をfaとし、前記第1の充放電時間をT1、前記第2の充放電時間をT2、前記両方向に電圧が印加および放電されない時間をT3としたとき、
T1=T2=(2n−1)/(2fr), (n=1,2,3・・・)
T3=(2m−1)/(2fa), (m=1,2,3・・・)
となるような駆動電圧を発生する電圧発生回路を有していることを特徴とする、請求項6に記載の圧電アクチュエータ。
The resonance frequency of the piezoelectric actuator is fr, the anti-resonance frequency is fa, the first charge / discharge time is T1, the second charge / discharge time is T2, and the time during which no voltage is applied and discharged in both directions is T3. When
T1 = T2 = (2n−1) / (2fr), (n = 1, 2, 3...)
T3 = (2m−1) / (2fa), (m = 1, 2, 3,...)
The piezoelectric actuator according to claim 6, further comprising a voltage generation circuit that generates a drive voltage such that
圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータの駆動方法において、前記圧電アクチュエータの共振周波数及び反共振周波数によってそれぞれ定まる時間、前記圧電素子を伸縮させることにより前記駆動部材を移動させることを特徴とする駆動方法。   In a piezoelectric actuator driving method for moving a driving member fixed to the piezoelectric element by expanding and contracting the piezoelectric element, the piezoelectric element is expanded and contracted for a time determined by a resonance frequency and an antiresonance frequency of the piezoelectric actuator. A driving method characterized by moving the driving member. 圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数をfr、反共振周波数をfaとし、前記圧電素子に予め定められた第1の電圧レベルを印加する時間をT1、前記圧電素子に前記第1の電圧レベルとは異なる第2の電圧レベルを印加する時間をT2、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する時間をT3としたとき、
T1=T2=(2n−1)/(2fr), (n=1,2,3・・・)
T3=(2m−1)/(2fa), (m=1,2,3・・・)
となるように前記圧電素子に電圧を印加し、前記圧電素子を伸縮させることにより前記駆動部材を移動させることを特徴とする、請求項8に記載の駆動方法。
In the piezoelectric actuator that moves the driving member fixed to the piezoelectric element by expanding and contracting the piezoelectric element, the resonance frequency of the piezoelectric actuator is fr and the antiresonance frequency is fa. The time for applying the voltage level is T1, the time for applying a second voltage level different from the first voltage level to the piezoelectric element is T2, and the time for stopping the voltage application to the piezoelectric element is T3. When
T1 = T2 = (2n−1) / (2fr), (n = 1, 2, 3...)
T3 = (2m−1) / (2fa), (m = 1, 2, 3,...)
The drive method according to claim 8, wherein the drive member is moved by applying a voltage to the piezoelectric element so as to be expanded and contracting the piezoelectric element.
圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数によって定まる時間、前記圧電素子に電圧を印加し、前記圧電アクチュエータの反共振周波数によって定まる時間、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する電圧発生回路を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。   In a piezoelectric actuator that moves a driving member fixed to the piezoelectric element by expanding and contracting the piezoelectric element, a voltage is applied to the piezoelectric element for a time determined by the resonance frequency of the piezoelectric actuator, and the anti-resonance frequency of the piezoelectric actuator is A piezoelectric actuator comprising a voltage generation circuit that stops application of a voltage to the piezoelectric element for a time determined by: 圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数をfr、反共振周波数をfaとし、前記圧電素子に予め定められた第1の電圧レベルを印加する時間をT1、前記圧電素子に前記第1の電圧レベルとは異なる第2の電圧レベルを印加する時間をT2、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する時間をT3としたとき、
T1=T2=(2n−1)/(2fr), (n=1,2,3・・・)
T3=(2m−1)/(2fa), (m=1,2,3・・・)
となるような電圧を発生する電圧発生回路を備えたことを特徴とする、請求項10に記載の圧電アクチュエータ。
In the piezoelectric actuator that moves the driving member fixed to the piezoelectric element by expanding and contracting the piezoelectric element, the resonance frequency of the piezoelectric actuator is fr and the antiresonance frequency is fa. The time for applying the voltage level is T1, the time for applying a second voltage level different from the first voltage level to the piezoelectric element is T2, and the time for stopping the voltage application to the piezoelectric element is T3. When
T1 = T2 = (2n−1) / (2fr), (n = 1, 2, 3...)
T3 = (2m−1) / (2fa), (m = 1, 2, 3,...)
The piezoelectric actuator according to claim 10, further comprising a voltage generation circuit that generates a voltage such that
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