JP4992037B2 - 駆動装置、駆動装置の状態検出方法および駆動装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は圧電素子を用いた摩擦駆動方式の駆動装置に関する。

圧電素子によって、方向によって変位速度が異なるように、軸状の振動部材を軸方向に往復変位させ、振動部材に摩擦係合する摩擦係合部材を振動部材に対してすべり変位（摩擦係合部材が移動する場合と、振動部材が移動する場合とがある）させる摩擦駆動方式の駆動装置が公知である。

このような摩擦駆動方式の駆動装置では、圧電素子に周期的に変動する電圧を印加する駆動装置が必要とされる。中でも、半導体スイッチング素子によって、圧電素子の電極に電圧を印加または接地する駆動回路が利用される。

例えば、特許文献１には、圧電素子の一極を常時接地しておき、他極を電源に接続するスイッチと、接地するスイッチング素子とを備えるハーフブリッジからなる駆動回路が開示されている。また、特許文献２には、電気機械変換素子のいずれか一極を電源に接続し、他極を接地することで、圧電素子に印加される極性が変化するフルブリッジ回路が開示されている。

このような駆動装置では、圧電素子の特性が変化して、摩擦係合部材をすべり変位させる駆動速度が変化してしまう可能性がある。また、圧電素子のショートなどの故障が発生したときに、過大な電流が流れ、駆動装置だけでなく電源等に損害が発生する危険性がある。
特開２００１−２６８９５１号公報 特開２００１−２１１６６９号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、圧電素子の状態を検出できる駆動装置、駆動装置の状態検出方法、および、駆動装置の制御方法を提供することを課題とする。

また、本発明によれば、電圧が印加されると伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定され、前記圧電素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復変位によって、前記振動部材に対してすべり変位する摩擦係合部材と、前記圧電素子の電極を所定の駆動周期で電源に接続する充電スイッチング素子と、前記電極を接地する放電スイッチング素子とを備える駆動回路とを有する駆動装置の状態検出方法は、前記電源と前記圧電素子との間の電路、または、前記圧電素子と接地点との間の電路に検出抵抗を配設し、前記駆動周期中の所定のタイミングで前記検出抵抗の両端の電位差を検出し、検出した前記電位差を基に前記圧電素子の状態を判定し、前記所定のタイミングは、前記充電スイッチング素子および前記放電スイッチング素子の動作から、前記電源から前記圧電素子を介して接地点に至る回路の時定数以上遅れたタイミングであり、検出した前記電位差が前記所定の範囲より大きいときは、前記圧電素子がショートしていると判定する方法とする。

この方法によれば、圧電素子に充放電する際の電流値を検出抵抗における電圧降下として検出し、電圧降下の波形の変化によって圧電素子の容量変化や充放電の経路の異常を検出することができる。これにより、圧電素子の状態変化に応じて駆動電圧波形を調整して駆動力や駆動速度を標準化したり、故障の発生を検出して動作を停止し、障害を最小限度に留めることができる。

また、本発明による駆動装置の制御方法は、電圧が印加されると伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定され、前記圧電素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復変位によって、前記振動部材に対してすべり変位する摩擦係合部材と、前記圧電素子の電極を所定の駆動周期で電源に接続する充電スイッチング素子と、前記電極を接地する放電スイッチング素子とを備える駆動回路とを有する駆動装置の制御方法であって、前記電源と前記圧電素子との間の電路、または、前記圧電素子と接地点との間の電路に検出抵抗を配設し、前記駆動周期中の所定のタイミングで前記検出抵抗の両端の電位差を測定し、検出した前記電位差を基に前記圧電素子の状態を判定し、前記所定のタイミングは、前記充電スイッチング素子および前記放電スイッチング素子の動作から僅かに遅れたタイミングであり、検出した前記電位差が増大したときは、前記圧電素子の容量が増加していると判定し、前記圧電素子の容量の増加を検出したときは、前記駆動周期を長くする方法とする。

圧電素子がショートした場合、充放電電流が減衰しないので、スイッチング素子の動作から圧電素子と検出抵抗とからなるＲＣ回路の時定数以上遅れたタイミングで検出抵抗の電位差を測定し、電位差が大きい場合は圧電素子のショートであることが分かる。圧電素子の容量の変化応じて、デューティ比や駆動周期などを変更することで、駆動力や駆動速度を標準化できる。

本発明によれば、検出抵抗による電圧降下を測定して圧電素子の容量の変化を検出することにより、駆動装置の動作を最適化することができる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の第１実施形態の駆動装置１の構成を示す。駆動装置１は、電圧Ｖｐ（Ｖ）の直流電源２および制御装置３が接続された駆動回路４と、駆動回路の出力が電極５ａ，５ｂに印加される圧電素子５と、圧電素子５に一端が固定された軸状の振動部材６と、振動部材６に摩擦力によって係合する摩擦係合部材７とを有する。

圧電素子５は、電極５ａ，５ｂ間に印加される電圧に応じて、振動部材６の軸方向に伸縮するようになっている。圧電素子５が伸縮すると、振動部材６は軸方向に往復移動（変位）する。摩擦係合部材７は、振動部材６が緩慢に移動する場合には、振動部材６に摩擦係合したままともに移動するが、振動部材６が急峻に移動すると、その慣性力によってその場に留ろうとして、振動部材６に対してすべり変位する。

駆動回路４は、制御装置３の制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によってオン／オフさせられる４つのトランジスタ８，９，１０，１１と、保護抵抗１２とを備える。トランジスタ８は、オンすることで電源２の電圧を保護抵抗１２を介して圧電素子５の電極５ａに印加するｐチャネル型ＦＥＴからなる充電スイッチング素子であり、トランジスタ９は、オンすることで電極５ａを保護抵抗１２を介して接地するｎチャネル型ＦＥＴからなる放電スイッチング素子である。また、トランジスタ１０は、オンすることで電源２の電圧を電極５ｂに印加するｐチャネル型ＦＥＴからなる充電スイッチング素子であり、トランジスタ１１は、オンすることで電極５ｂを接地するｎチャネル型ＦＥＴからなる放電スイッチング素子である。

また、駆動装置１は、検出抵抗１２の両端の電位Ｖ１，Ｖ２の電位差ｄＶを導出して制御装置３に入力する差分器（電位差検出手段）１３を有している。制御装置３は、入力された電位差ｄＶをＡ／Ｄ変換し、電位差ｄＶに基づいて圧電素子５の状態を判定し（状態判定手段）、圧電素子５の状態に応じて駆動回路４を最適に制御する。

制御装置３は、トランジスタ８，９，１０，１１をそれぞれ駆動する周期的な矩形波状の制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を出力するが、制御信号Ｓ１と制御信号Ｓ２が同じ波形であり、制御信号Ｓ３と制御信号Ｓ４とは、制御信号Ｓ１，Ｓ２の反転出力である。これにより、制御装置３は、トランジスタ８とトランジスタ１１とが同時にオンし、トランジスタ９とトランジスタ１０とがトランジスタ８，１１がオフのときにオンするように駆動回路４を制御する。つまり、駆動回路４は、圧電素子５の電極５ａ，５ｂのいずれか一方に電源２の電圧Ｖｐ（Ｖ）を印加しながら他方を接地し、電圧Ｖｐ（Ｖ）を印加する電極５ａ，５ｂを交互に切り替えるフルブリッジ回路である。

制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の駆動周期をＴ（秒）とすると、例えば、トランジスタ８，１１は、０．７Ｔ（秒）のオンと０．３Ｔ（秒）のオフとを繰り返し、トランジスタ９，１０は、０．７Ｔ（秒）のオフと０．３Ｔ（秒）のオンとを繰り返す。これによって、圧電素子５の電極５ａ−５ｂ間には、＋Ｖｐ（Ｖ）が０．７Ｔ（秒）、−Ｖｐ（Ｖ）が０．３Ｔ（秒）、繰り返し印加される。この場合、圧電素子５および振動部材６の機械的な遅れによって、振動部材６は圧電素子５に押し出される方向と圧電素子５に引き戻される方向との移動速度に違いが生じ、摩擦係合部材７を振動部材６に対して一方向にだけすべり移動させて駆動する。

トランジスタ８，１１がオンする時間の比（デューティ比）は、摩擦係合部材７を移動させる速度に応じて変更されるようになっており、制御信号Ｓ１，Ｓ２と、制御信号Ｓ３，Ｓ４との出力時間比を入れ替えることによって、摩擦係合部材７がすべり移動する方向を逆転させることができる。

図２に、駆動装置１の制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４と、圧電素子５の電極５ａ−５ｂ間に印加される電圧と、検出抵抗１２における電圧降下（ｄＶ）、つまり、検出抵抗１２の両端の電位差（Ｖ１−Ｖ２）との関係を示す。

制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、矩形波であり、トランジスタ８，１１またはトランジスタ９，１０を同時にオンして電源２と接地点とを圧電素子５を介して接続する。しかしながら、トランジスタ８，１１または９，１０のオン抵抗、検出抵抗１３および圧電素子の内部抵抗があるために、充電電流が制限され、これらの抵抗において電圧降下が発生するので、図示するように、圧電素子５の電極５ａ−５ｂ間に現れる電圧は、１次遅れの波形となる。

圧電素子５の充放電に係る回路、つまり、駆動装置１の電源２から圧電素子５を介して接地点に至る回路は、ＲＣ回路と同視できる。例えば、検出抵抗が１（Ω）、ｐチャネル型ＦＥＴからなるトランジスタ８，１０のオン抵抗が０．７（Ω）およびｎチャネル型ＦＥＴからなるトランジスタ９，１１のオン抵抗０．３（Ω）であり、圧電素子５の容量が（７０ｎＦ）であるとすると、このＲＣ回路の時定数τは、約０．１４（μ秒）である。

駆動装置１の制御装置３は、トランジスタ８，９，１０，１１の動作（切り替わり）からτμ秒後と、１０τμ秒後の検出抵抗１２における電位差（それぞれ、ｄＶ_１，ｄＶ_２とする）とを測定している。

駆動装置１が初期状態にある正常時において、電位差ｄＶ_１は、トランジスタ８，９，１０，１１の動作時に現れる最大値の約３７％であり、電位差ｄＶ_２は、略ゼロである。

圧電素子５の容量が増加した場合、圧電素子５を充電するために必要な電荷の量が多くなるので、正常時に較べて電流値の減少が緩やかになる。このため、トランジスタ８，９，１０，１１の動作から十分に時間が経過したときの電位差ｄＶ_２は変わらないが、トランジスタ８，９，１０，１１の動作から僅かに遅れたタイミングでの電位差ｄＶ_１は正常時に較べて大きな値を示している。

このように、トランジスタ８，９，１０，１１の動作から僅かに遅れたタイミングで、検出抵抗１２の両端の電位差ｄＶ_１を測定すれば、電位差ｄＶ_１の大きさによって圧電素子５の容量の増減を判定することができる。

この電位差ｄＶ_１を測定するタイミングは、トランジスタ８，９，１０，１１の動作の直後では、測定値が大きく増減を判定しやすい反面、電位差の変化率が大きいために測定誤差が大きくなる。逆に、トランジスタ８，９，１０，１１の動作から大きく遅れると、電位差の変化率は小さく測定誤差が小さくなるが、測定値が非常に小さくなるので正常時との比較が困難になる。

駆動装置１を完全なＲＣ回路と仮定すると、トランジスタ８，９，１０，１１の動作から時定数τの０．１倍だけ遅れた時点で、検出抵抗１２の電位差ｄＶは、最大値の約９０％まで減少し、変化率もある程度緩やかになる。また、トランジスタ８，９，１０，１１の動作から時定数τの２倍だけ遅れた時点では、検出抵抗１２の電位差ｄＶは、最大値の約１４％まで減少し、これ以上測定値が減少すると正常時との比が正確に求められなくなる。よって、圧電素子５の容量の変化を判定するためには、検出抵抗１２の両端の電位差ｄＶ_１を、トランジスタ８，９，１０，１１の動作から時定数τの０．１倍以上、２倍以下だけ遅れた時点で測定することが好ましい。

また、圧電素子５がショートした場合、電位差ｄＶ_１だけでなく電位差ｄＶ_２も上昇している。つまり、圧電素子５のショートを判定するためには、トランジスタ８，９，１０，１１の動作から十分に遅れた時点で、電位差ｄＶ_２を測定することが効果的である。トランジスタ８，９，１０，１１の動作から時定数τだけ遅れた時点で、検出抵抗１２の電位差ｄＶは、最大値の約３７％まで減少し、ショート時の電位差との違いを容易に検出できる。つまり、圧電素子５のショートの判定には、トランジスタ８，９，１０，１１の動作から時定数τ以上遅れて、検出抵抗１２の電位差ｄＶ_２を測定することが好ましい。

また、圧電素子５または駆動回路４が断線したときは、電位差ｄＶ_１およびｄＶ_２はともにゼロになっている。つまり、トランジスタ８，９，１０，１１の動作から僅かに遅れて測定した電位差ｄＶ_１によって断線を監視することもできる。

圧電素子５のショートや圧電素子５または駆動回路４の断線が検出された場合、電源２等を保護するために、制御装置３が制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を出力しないようにするとよい。さらに、このような異常を知らせるために外部に信号を出力するようにしてもよい。

本実施形態では、検出抵抗１２を、トランジスタ８，９と電極５ａとの間の電路に設けているが、トランジスタ１０，１１と電極５ｂとの間の電路（図中の点Ａ）、電源２とトランジスタ８，１０との間の電路（図中の点Ｂ）、或いは、トランジスタ９，１１と接地点との間の電路（図中の点Ｃ）に検出抵抗１２を配設してもよい。

尚、本実施形態では、差分器１３によって、検出抵抗１２の電位差ｄＶを測定しているが、制御装置３の内部で演算によって算出するようにしてもよい。また、検出抵抗１２の電位差ｄＶの積分値を測定するようにすれば、電流値の総和、つまり、圧電素子５に充電された電荷の総量を算出することができ、圧電素子５の容量をより正確に判定できる。

さらに、図３に、本発明の第２実施形態の駆動装置１の構成を示す。本実施形態の説明において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、説明を省略する。本実施形態の駆動回路４は、充電スイッチング素子である１つのトランジスタ８と、放電スイッチング素子である１つのトランジスタ９とを備え、圧電素子５の電極５ａが電源２または接地点に接続され、電極５ｂが常に接地されているハーフブリッジ回路である。

本実施形態では、小さな入力電流でトランジスタ８をスイッチングできるように、バイポーラトランジスタ１３と複数の抵抗１４，１５，１６，１７，１８を備えているが、制御信号Ｓ１によってトランジスタ８がオンし、制御信号Ｓ２によってトランジスタ９がオンすることに変わりはない。

本実施形態においても、検出抵抗１２において、圧電素子５の充放電電流による電圧降下が発生し、この電圧降下を測定することで、圧電素子５の容量変化などの駆動装置１の状態を判定でき、判定結果に応じて、制御信号Ｓ１，Ｓ２のパターンを変えることによって、駆動装置１の性能変化を補償することができる。

本実施形態においても、検出抵抗１２を、トランジスタ８，９と電極５ａとの間の電路（点Ｄ）や、電極５ｂと接地点との間の電路（点Ｅ）に設けてもよい。

本実施形態において、圧電素子５をレンズユニットの筐体に固定し、摩擦係合部材７にレンズを保持すれば、素子固定式のレンズ移動機構になる。また、圧電素子５を移動ステージに固定し、摩擦係合部材７を筐体に固定すれば、振動部材６および圧電素子５が摩擦係合部材７に対して移動（摩擦係合部材７が相対的に振動部材６に対してすべり変位）して移動ステージを駆動する、自走式のステージ移動機構となる。

本発明の第１実施形態の駆動装置の回路図。 図１の駆動装置に制御信号と充放電電流の関係を示すタイムチャート。 本発明の第２実施形態の駆動装置の回路図。

符号の説明

１ 駆動装置
２ 電源
３ 制御装置（状態判定手段）
４ 駆動回路
５ 圧電素子
５ａ，５ｂ 電極
６ 振動部材
７ 摩擦係合部材
８ トランジスタ（充電スイッチング素子）
９ トランジスタ（放電スイッチング素子）
１０ トランジスタ（充電スイッチング素子）
１１ トランジスタ（放電スイッチング素子）
１２ 検出抵抗
１３ 差分器（電位差検出手段）

Claims (2)

1. 電圧が印加されると伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定され、前記圧電素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復変位によって、前記振動部材に対してすべり変位する摩擦係合部材と、前記圧電素子の電極を所定の駆動周期で電源に接続する充電スイッチング素子と、前記電極を接地する放電スイッチング素子とを備える駆動回路とを有する駆動装置の状態検出方法であって、
   前記電源と前記圧電素子との間の電路、または、前記圧電素子と接地点との間の電路に検出抵抗を配設し、
   前記駆動周期中の所定のタイミングで前記検出抵抗の両端の電位差を測定し、
   検出した前記電位差を基に前記圧電素子の状態を判定し、
   前記所定のタイミングは、前記充電スイッチング素子および前記放電スイッチング素子の動作から、前記電源から前記圧電素子を介して接地点に至る回路の時定数以上遅れたタイミングであり、
   検出した前記電位差が前記所定の範囲より大きいときは、前記圧電素子がショートしていると判定することを特徴とする駆動装置の状態検出方法。
2. 電圧が印加されると伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定され、前記圧電素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復変位によって、前記振動部材に対してすべり変位する摩擦係合部材と、前記圧電素子の電極を所定の駆動周期で電源に接続する充電スイッチング素子と、前記電極を接地する放電スイッチング素子とを備える駆動回路とを有する駆動装置の制御方法であって、
   前記電源と前記圧電素子との間の電路、または、前記圧電素子と接地点との間の電路に検出抵抗を配設し、
   前記駆動周期中の所定のタイミングで前記検出抵抗の両端の電位差を測定し、
   検出した前記電位差を基に前記圧電素子の状態を判定し、
   前記所定のタイミングは、前記充電スイッチング素子および前記放電スイッチング素子の動作から僅かに遅れたタイミングであり、
   検出した前記電位差が増大したときは、前記圧電素子の容量が増加していると判定し、
   前記圧電素子の容量の増加を検出したときは、前記駆動周期を長くすることを特徴とする駆動装置の制御方法。

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