アクチュエータの駆動回路およびそれを用いる超音波リニアアクチュエータ
【課題】圧電素子の伸縮を駆動部材に伝え、その駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材を圧電素子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させる超音波リニアアクチュエータの駆動回路において、低コストに、起動時などにおける騒音を抑える。
【解決手段】前記の速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を、駆動周波数およびデューティを適宜設定することで、Ｈブリッジ回路によるパルスで作成できるようにし、さらにそのパルスを、起動時、停止時、間欠駆動時には、微細パルスで構成して、パルス密度を徐々に増減させることで、実質的に前記パルスの幅を変化し、圧電素子への充放電電流を抑えて騒音を低減する。これによって、駆動回路を、前記Ｈブリッジ回路などの従来通りの圧電素子の充放電回路と、その制御回路とによって構成することができ、制御回路が作成するパルスの態様を変化するだけで、低コストに実現することができる。
【解決手段】前記の速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を、駆動周波数およびデューティを適宜設定することで、Ｈブリッジ回路によるパルスで作成できるようにし、さらにそのパルスを、起動時、停止時、間欠駆動時には、微細パルスで構成して、パルス密度を徐々に増減させることで、実質的に前記パルスの幅を変化し、圧電素子への充放電電流を抑えて騒音を低減する。これによって、駆動回路を、前記Ｈブリッジ回路などの従来通りの圧電素子の充放電回路と、その制御回路とによって構成することができ、制御回路が作成するパルスの態様を変化するだけで、低コストに実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＩＤＭ(Smooth Impact Drive Mechanism（登録商標）)から成る超音波リニアアクチュエータの駆動回路などとして好適に実施される駆動回路およびそれを用いる前記超音波リニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
前記超音波リニアアクチュエータは、たとえば図８で模式的に示すような構造を有し、圧電素子１の伸縮をロッド（駆動部材）２に伝え、そのロッド２に所定の摩擦力で係合している被駆動部材（移動体）３を、前記圧電素子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させるものである。
【０００３】
たとえば、図８（ａ）から図８（ｂ）で示すように、ロッド２をゆっくりと伸張させることで、そのロッド２に摩擦係合している被駆動部材３も移動し、図８（ｂ）から図８（ｃ）で示すように、前記所定の摩擦力を超える程、ロッド２を瞬時に縮小すると、被駆動部材３が慣性のために伸張位置に取り残されるということを繰返し行うことで、前記被駆動部材３を前記ロッド２の軸方向に移動させるものである。そして、伸張を瞬時に、縮小をゆっくりと行うことで、前記被駆動部材３の移動方向を前記とは逆転することができる。前記圧電素子１のロッド２とは反対側は、変位を阻止する固定部４に固定されている。
【０００４】
このような超音波リニアアクチュエータは、通常のローレンツ力型のモータなどに比べて、構成が簡単で、しかも減速機構を用いずに負荷をダイレクトに駆動することができる。このため、特許文献１では、その搭載例として、前記ロッドをレンズ光軸方向に設置し、フォーカシングレンズの保持部材を前記ロッドに係合させることで、オートフォーカスを実現した駆動装置が提案されている。なお、前記ロッドに対して被駆動部材を摩擦係合させるためには、ばねなどによる押圧力だけではなく、磁力が用いられてもよい。
【０００５】
一方、ロッド２に前記の速度差を生じさせるにあたっては、端的には、前記圧電素子１に擬似鋸歯状の駆動信号を与えることであるが、その場合、駆動回路が非常に複雑になるので、本件出願人は、先に特許文献２において、駆動周波数およびデューティを適切に選定することで、図９に示すような矩形波電圧を与えた場合にも、前記鋸歯状変位が得られることを示した。また、その理論的背景は、非特許文献１で明らかにされている。その理論を要約すると、前記鋸歯状波形の基本は、基本周波数の正弦波信号に、第２調波の正弦波信号を加算して得ることができるというものである。すなわち、前記鋸歯状波形には、成分的に複数の周波数の正弦波が含まれているが、そのうち少なくとも１次および２次の成分があれば前記超音波リニアアクチュエータの駆動に充分なレベルとなり、変位ｙは、
ｙ＝−ｓｉｎ（ωｔ）−０．２５・ｓｉｎ（２ωｔ） ・・・（１）
で表すことができる。
【０００６】
そして、そのような鋸歯状波形を得るための条件は、駆動周波数が低い場合、そのものの波形を成形しなければならないが、或る程度駆動周波数が高くなると、１次共振周波数ｆｒの０．６〜０．８倍前後の駆動周波数ｆｄで、０．３または０．７程度のデューティの矩形波を圧電素子に入力することで、前記鋸歯状変位を生じさせることが可能になる。特許文献２は、このような特性を利用して、製品において実現容易な矩形波電圧で駆動させるようにしたものである。
【０００７】
図１０には、前記矩形波のデューティおよび周波数を変化させた場合における被駆動部材の移動速度の変化を示す。このグラフは、前記非特許文献１の図２０で示されたもので、圧電素子およびロッドの共振周波数は、２００ｋＨｚ、駆動電圧は６ＶＰ−Ｐ、被駆動部材のロッドに対する摩擦力は３００ｍＮとしている。この図１０から明らかなように、共振周波数の０．７倍のときに、矩形波に含まれる１次成分の正弦波および２次成分の正弦波の位相およびゲインが適切な関係となり、鋸歯状変位が得られ、最高の速度が得られている。
【０００８】
そこで、そのような超音波リニアアクチュエータを駆動する回路としては、典型的な従来技術では、図１１で示すような駆動回路１１がある。すなわち、電源電圧＋Ｖの電源ラインとＧＮＤとの間に、ｐ型のＭＯＳＦＥＴＱ１とｎ型のＭＯＳＦＥＴＱ２との直列回路と、同様のｐ型のＭＯＳＦＥＴＱ３とｎ型のＭＯＳＦＥＴＱ４との直列回路とを備え、それらのＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２；Ｑ３，Ｑ４の接続点間に前記圧電素子１を接続して成る、いわゆるＨブリッジ回路１０に、その制御回路１２を備えて成る。そして、対角線上のＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４が同じタイミングで相互に逆相の駆動信号ｓ１，ｓ４で制御されてＯＮ／ＯＦＦし、同様にＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３が同じタイミングで相互に逆相の駆動信号ｓ２，ｓ３で制御されてＯＮ／ＯＦＦする。その論理を前記図９に示す。
【０００９】
このような駆動回路１１において、本件発明者らは、参照符号Ｒ０で示すように、Ｈブリッジ回路１０の電源側またはＧＮＤ側に電流制限抵抗を挿脱できるようにし、挿入時には離脱時に比べて駆動トルクを下げることなく、被駆動部材３の変移量を小さくできるようにした駆動回路を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第２６３３０６６号公報
【特許文献２】特許第３１７１１８７号公報
【特許文献３】特開２００８−２６３７１６号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】（スムーズインパクト駆動機構（ＳＩＤＭ）の開発（第２報）精密工学会誌 Ｖｏｌ．６８， Ｎｏ．４ （２００２） ｐｐ．５３６−５４１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述のような単純な矩形波パルスを用いる駆動回路では、アクチュエータの起動時と停止時に「カッチ」という音を発生するという問題がある。同様に、起動と停止との繰返しによる間欠駆動時には、この「カッチ」という音が連続的に発生し、それが間欠駆動時の騒音となる。この騒音は、起動時と停止時とにおける摩擦接触部５のスリップ音および圧電素子１の伸縮音に起因する。一般に、圧電素子１を用いる超音波リニアアクチュエータの場合、その速度調整には間欠駆動が用いられるが、このときに発生する騒音が製品仕様に大きく影響する。特に、デジタルカメラやムービーの像ぶれ補正は、連続動作であり、また携帯電話のＡＦやズーム制御では、小型の機器で音漏れがし易く、共に静音化が望まれている。
【００１３】
圧電素子１を用いる超音波リニアアクチュエータの消音化には、図１２で示すように、起動時に駆動電圧を徐々に昇圧し、停止時に駆動電圧（＋Ｖ）を徐々に降圧すればよい。すなわち、図１１における電流制限抵抗Ｒ０の抵抗値を調整し、圧電素子１への充放電電流を小さく、つまり圧電素子１が完全に充電される前に電流を止めればよい。従来方法として、前記抵抗値をアナログ的に変化させる方法があるが、これでは、回路規模が大きくなり、コストが嵩むという問題がある。
【００１４】
本発明の目的は、低コストに騒音を低減することができるアクチュエータの駆動回路およびそれを用いる超音波リニアアクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のアクチュエータの駆動回路は、振動子の振動を駆動部材に伝え、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材を、前記振動子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させるアクチュエータの駆動回路において、前記振動子に駆動パルスを与えるパルス発生回路と、前記パルス発生回路の発生パルスを制御する制御回路とを含み、前記制御回路は、前記パルス発生回路に、前記振動子の系における共振周波数に対して所定数倍の駆動周波数で、かつ所定デューティの駆動パルスを発生させることで、前記駆動部材と被駆動部材との係合部分に、前記速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、かつ前記被駆動部材の起動時、停止時または間欠駆動時の少なくとも１つにおいて、前記駆動周波数を維持し、かつ前記駆動パルスを前記所定デューティで規定されるパルス幅よりも短縮したパルスを出力させることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、圧電素子などの振動子の伸縮を駆動部材に伝え、その駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材を、前記振動子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させる超音波リニアアクチュエータなどとして実現されるアクチュエータの駆動回路において、パルス発生回路が前記振動子に駆動パルスを与えて、前記駆動部材と被駆動部材との係合部分に前記の速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を生じさせるにあたって、パルス発生回路による発生パルスを制御する制御回路は、以下のような駆動パルスを発生させる。
【００１７】
すなわち、先ず、前記駆動パルスを、前記振動子の系における１次共振周波数ｆｒに対して、０．６〜０．８の所定数倍の駆動周波数ｆｄで、かつ０．３程度または０．７程度の所定デューティのパルスとすることで、該駆動パルスに含まれる１次成分の正弦波および２次成分の正弦波の位相およびゲインが適切な関係となり、前記駆動部材と被駆動部材との係合部分に擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、前記被駆動部材に高い移動速度を得ることができるようになる。前記の０．３と０．７とのデューティの違いで、前記被駆動部材の移動方向が切替わる。次に、注目すべきは、制御回路は、前記被駆動部材の起動時、停止時または間欠駆動時の少なくとも１つにおいて、前記パルス発生回路に、前記駆動周波数ｆｄを維持し、かつ前記所定デューティで規定されるパルス幅よりも短縮した駆動パルスを発生させる。
【００１８】
したがって、前記起動時、停止時または間欠駆動時では、定常駆動時よりも、振動子の充放電が早期に打ち切られることになり、騒音（被駆動部材のスリップ音や振動子の伸縮音）を低減することができる。また、そのように充放電のレベルを小さくするにあたって、駆動回路は、Ｈブリッジ回路などの従来通りの振動子を充放電するパルス発生回路と、その制御回路とによって構成することができ、その制御回路がパルス発生回路を制御する信号の態様を変化するだけでよく、低コストに実現することができる。
【００１９】
また、本発明のアクチュエータの駆動回路では、前記振動子は超音波振動を行う圧電素子であることを特徴とする。
【００２０】
上記の構成によれば、前記アクチュエータとして、構成が簡単で、しかも減速機構を用いずに負荷をダイレクトに駆動することができる超音波リニアアクチュエータを用いることができる。
【００２１】
さらにまた、本発明のアクチュエータの駆動回路では、前記制御回路は、前記パルス幅の短縮量を、停止時には徐々に大きくさせ、起動時には最大値から徐々に短縮させることを特徴とする。
【００２２】
上記の構成によれば、振動子に加わるエネルギーを、起動時には徐々に大きくし、停止時には徐々に小さくすることができ、前記騒音の発生をより確実に抑えることができる。
【００２３】
また、本発明のアクチュエータの駆動回路では、前記制御回路は、前記パルス幅の短縮を、前記所定デューティで規定されるパルス幅のパルスを複数の微細パルスで構成させ、その微細パルスの密度を変化させることで行うことを特徴とする。
【００２４】
上記の構成によれば、前記所定デューティで規定されるパルス幅のパルスを短縮するにあたって、ＰＤＭ（パルス密度変調）を用いる。したがって、調整容易に、前記パルス幅を実質的に短縮することができる（すなわち、前記微細パルスの総積算時間が前記短縮したパルス幅となる）。
【００２５】
さらにまた、本発明のアクチュエータの駆動回路では、前記微細パルスの周波数が、前記振動子の系における反共振周波数または前記１次共振周波数ｆｒの１０倍以上に設定されることを特徴とする。
【００２６】
上記の構成によれば、反共振周波数では、振動子のインピーダンスが最も高く、したがってそのインピーダンスと該振動子の容量とで大きな時定数を形成することができ、前記微細パルスの周波数を前記反共振周波数に設定することで、実質的な前記パルス幅の調整がし易くなる。同様に、共振周波数の１０倍以上に前記微細パルスの周波数を設定することで、前記パルス幅の調整を細かく行うことができる。
【００２７】
また、本発明のアクチュエータの駆動回路では、前記パルス発生回路はＨブリッジ回路から成り、前記制御回路は、そのＨブリッジ回路における半導体スイッチ素子を駆動することを特徴とする。
【００２８】
上記の構成によれば、振動子を充放電させるにあたって、Ｈブリッジ回路を用いることで、単純に電源とＧＮＤとの間を切換える回路に比べて、同じ電源電圧でも、前記振動子に２倍の電圧を印加することができる。
【００２９】
さらにまた、本発明の超音波リニアアクチュエータは、前記のアクチュエータの駆動回路と、所定の方向に振動する前記振動子と、前記振動子の振動方向の一端に取付けられて該振動子により前記振動方向に変位駆動される駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材とを備えることを特徴とする。
【００３０】
上記の構成によれば、低騒音の超音波リニアアクチュエータを実現することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明のアクチュエータの駆動回路およびそれを用いる超音波リニアアクチュエータは、以上のように、圧電素子などの振動子の伸縮を駆動部材に伝え、その駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材を、前記振動子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させる超音波リニアアクチュエータなどとして実現されるアクチュエータの駆動回路において、前記駆動部材と被駆動部材との係合部分に前記の速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を生じさせるにあたって、前記振動子に与える駆動信号を、前記振動子の系における１次共振周波数ｆｒの所定数倍の駆動周波数ｆｄで、かつ所定デューティの駆動パルスとすることで、Ｈブリッジなどで作成できる矩形波での駆動を可能にし、さらに被駆動部材の起動時、停止時または間欠駆動時の少なくとも１つにおいて、前記駆動周波数ｆｄを維持し、かつ前記駆動パルスを前記所定デューティで規定されるパルス幅よりも短縮したパルスとする。
【００３２】
それゆえ、前記起動時、停止時または間欠駆動時では、定常駆動時よりも、振動子の充放電が早期に打ち切られることになり、騒音を低減することができる。また、そのように充放電のレベルを小さくするにあたって、駆動回路は、前記Ｈブリッジ回路などの従来通りの振動子を充放電するパルス発生回路と、その制御回路とによって構成することができ、その制御回路が作成する前記駆動パルスの態様を変化するだけでよく、低コストに実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の一形態に係る駆動回路のブロック図である。
【図２】図１で示す駆動回路によるＨブリッジ回路の制御論理と、それによって圧電素子に与えられる電圧との関係を示す波形図である。
【図３】本発明の実施の他の形態に係る駆動回路のブロック図である。
【図４】図３で示す駆動回路によるＨブリッジ回路の制御論理と、それによって圧電素子に与えられる電圧との関係を示す波形図である。
【図５】振動子に圧電素子を用いた超音波リニアアクチュエータの伝達特性を示すグラフである。
【図６】前記圧電素子のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図７】前記圧電素子の等価回路図である。
【図８】超音波リニアアクチュエータ（ＳＩＤＭ）の構造を模式的に示す図である。
【図９】従来および本実施の形態の定常時における圧電素子の駆動波形図である。
【図１０】超音波リニアアクチュエータ（ＳＩＤＭ）を矩形波で駆動するにあたって、デューティおよび周波数を変化させた場合における被駆動部材の移動速度の変化を示すグラフである。
【図１１】従来技術の駆動回路のブロック図である。
【図１２】本実施の形態における圧電素子の駆動波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の一形態に係る駆動回路２１のブロック図である。この駆動回路２１は、前述の図８で示すような超音波リニアアクチュエータを駆動する回路であり、パルス発生回路であるＨブリッジ回路１０については、前述の図１１の駆動回路１１と同様である。したがって、振動子は超音波振動を行う圧電素子１であり、アクチュエータとしては、構成が簡単で、しかも減速機構を用いずに負荷をダイレクトに駆動することができる前記超音波リニアアクチュエータである。そして、前述の図１１の駆動回路１１と本実施の形態の駆動回路２１とは、制御回路２２が異なるだけである。
【００３５】
したがって、前記超音波リニアアクチュエータのロッド２と被駆動部材３との係合部分に擬似鋸歯状の変位振動を生じさせるにあたって、Ｈブリッジ回路１０から圧電素子１に与える駆動信号は、該圧電素子１の系における１次共振周波数ｆｒに対して、所定数倍、たとえば０．６〜０．８倍、好ましくは０．７倍の駆動周波数ｆｄで、かつ所定デューティ、たとえば０．３または０．７の駆動パルスとなっている。こうして、前記駆動パルスに含まれる１次成分の正弦波および２次成分の正弦波の位相およびゲインを適切な関係として、前記係合部分に擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、前記被駆動部材３に高い移動速度を得ることができるようになり、また前記の０．３と０．７とのデューティの違いで、前記被駆動部材３の移動方向を切替えるようになっている。
【００３６】
注目すべきは、制御回路２１が、前記被駆動部材３の起動時、停止時または間欠駆動時の少なくとも１つにおいて、前記の駆動パルスを、前記駆動周波数ｆｄを維持し、かつ前記駆動パルスを前記０．３または０．７のデューティで規定されるパルス幅よりも短縮したパルスとすることである。このため、前述の従来技術の駆動回路１１では、制御回路１２はＩ／Ｏポートを使用していたのに対して、本実施の形態の駆動回路２１では、制御回路２２のＰＷＭポートを使用する。
【００３７】
図２に、前記駆動回路２１による各ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４の制御論理と、圧電素子１に与えられる電圧との関係を示す。前述の図９と同様に、対角線上のＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４が同じタイミングで相互に逆相の駆動信号Ｓ１，Ｓ４で制御されてＯＮ／ＯＦＦし、同様にＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３が同じタイミングで相互に逆相の駆動信号Ｓ２，Ｓ３で制御されてＯＮ／ＯＦＦする。また、非駆動時は、ＧＮＤ側のｎ型のＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ４が共にＯＮされて、圧電素子１は放電状態とされている。
【００３８】
したがって、前記起動時、停止時または間欠駆動時では、定常駆動時よりも、圧電素子１の充放電が早期に打ち切られることになり、これによって前述の図１２や図２で示すように、圧電素子１への印加電圧が定常駆動時のレベルにまで上昇せず、被駆動部材３の変移量も定常駆動時よりも小さくなり、低騒音（被駆動部材３のスリップ音や圧電素子１の伸縮音を低減する）な超音波リニアアクチュエータを実現することができる。また、そのように充放電のレベルを小さくするにあたって、駆動回路２１は、Ｈブリッジ回路１０などの従来通りの圧電素子１を充放電するパルス発生回路と、その制御回路２２とによって構成することができ、その制御回路２２が作成する前記駆動パルスの態様を変化するだけでよく、低コストに実現することができる。
【００３９】
また、前記被駆動部材３の停止時には、前記制御回路２１は、前記パルス幅の短縮量を徐々に大きく、したがってパルス幅自体は最大値から徐々に小さくし、起動時には前記パルス幅の短縮量を最大値から徐々に短縮、したがって図２に示すようにパルス幅自体は最小値から徐々に大きくするので、圧電素子１に加わるエネルギーを、起動時には徐々に大きくし、停止時には徐々に小さくすることができ、前記騒音の発生をより確実に抑えることができる。
【００４０】
さらにまた、圧電素子１を充放電させるにあたって、Ｈブリッジ回路１０を用いることで、単純に電源とＧＮＤとの間を切換える回路に比べて、同じ電源電圧でも、前記振動子に２倍の電圧を印加することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の他の形態に係る駆動回路３１のブロック図である。この駆動回路３１も、前述の図８で示すような超音波リニアアクチュエータを駆動する回路であり、Ｈブリッジ回路１０については、前述の図１１の駆動回路１１と同様である。注目すべきは、この駆動回路３１では、前記０．３または０．７の所定デューティで規定されるパルス幅のパルスを、図４で示すように、複数の微細パルスで構成し、その微細パルスの密度を変化させる、すなわちＰＤＭ（パルス密度変調）を用いて、前記パルスのパルス幅を実質的に短縮することである。ここで、前記実質的にとは、前記微細パルスの総積算時間が、図２で示すような短縮したパルス幅と等価になるという意味である。前記図４は、前記駆動回路３１による各ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４の制御論理と、圧電素子１に与えられる電圧との関係を示す波形図である。
【００４２】
ここで、図５に、前述の図８で示すような圧電素子１を用いた超音波リニアアクチュエータの伝達特性を示す。ただし、この図５は、被駆動部材３を搭載する前の特性を示している。前述のようにＳＩＤＭにおいては、１次共振周波数ｆｒの０．６〜０．８倍が駆動周波数ｆｄに設定されている。このとき、前記制御回路３２のＩ／Ｏポートから各ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４に与える駆動信号Ｓ１１〜Ｓ１４の周波数ｆａは、前記パルス幅の調整を細かく行えるように、前記１次共振周波数ｆｒよりも充分大きく設定する必要がある。好ましくは、前記圧電素子１の系における反共振周波数ｆｒ’である。
【００４３】
図６に、圧電素子のインピーダンス特性を示す。圧電素子は、図７で示すように、Ｌ，Ｒ，Ｃの直列共振回路と、それに並列の容量Ｃ０を加えた並列共振回路とを伴わせて持っている。そして、図６で示すように、共振点（ｆｒ）では、前記Ｌ，Ｒ，Ｃの直列共振回路のインピーダンスが小さく、反共振点（ｆｒ’）では大きい。したがって、前記駆動信号Ｓ１１〜Ｓ１４の周波数ｆａに反共振周波数ｆｒを用いると、該圧電素子１の容量Ｃ０との時定数が大きくなって、充電量の調整に時間的余裕が生まれ、実質的な前記パルス幅の調整がし易くなる。この反共振点（ｆｒ’）以外では、前記周波数ｆａを、駆動周波数ｆｄの１０倍以上に設定することで、同様に前記実質的なパルス幅の調整を細かく行うことができる。たとえば、基本の駆動周波数ｆｄは５０ｋＨｚであり、駆動信号Ｓ１１〜Ｓ１４の周波数ｆａは、１０倍の５００ｋＨｚ以上である。
【００４４】
再び図４に戻り、先ず１発目の駆動パルスの立ち上がり時刻ｔ１１で、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４に与える駆動信号Ｓ１１，Ｓ１４は、それぞれローレベルおよびハイレベルのパルスとなって、共にＯＮし、ＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３に与える駆動信号Ｓ１２，Ｓ１３は、それぞれローレベルおよびハイレベルのままで、共にＯＦＦし、圧電素子１は１方の極性で僅かに充電される。その後、前記１発目の駆動パルスの立ち下がり時刻ｔ１２で論理が反転し、ＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３に与える駆動信号Ｓ１２，Ｓ１３にはそれぞれハイレベルおよびローレベルのパルスが連続して２発与えられ、共にそのパルスタイミングでＯＮし、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４に与える駆動信号Ｓ１１，Ｓ１４は、それぞれハイレベルおよびローレベルで維持されて、共にＯＦＦし、圧電素子１からは前記一方の極性の電荷が引抜かれ、さらに他方の極性で僅かに充電される。
【００４５】
次に、２発目の駆動パルスの立ち上がり時刻ｔ２１で、再びＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４に与える駆動信号Ｓ１１，Ｓ１４には、それぞれローレベルおよびハイレベルのパルスが連続して３発与えられ、共にＯＮし、ＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３に与える駆動信号Ｓ１２，Ｓ１３は、それぞれローレベルおよびハイレベルで維持され、共にＯＦＦし、圧電素子１からは前記他方の極性の電荷が引抜かれ、さらに１方の極性で僅かに充電される。その後、前記２発目の駆動パルスの立ち下がり時刻ｔ２２で論理が反転し、ＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３に与える駆動信号Ｓ１２，Ｓ１３にはそれぞれハイレベルおよびローレベルのパルスが連続して４発与えられ、共にそのパルスタイミングでＯＮし、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４に与える駆動信号Ｓ１１，Ｓ１４は、それぞれハイレベルおよびローレベルで維持されて、共にＯＦＦし、圧電素子１からは前記他一方の極性の電荷が引抜かれ、さらに他方の極性で僅かに充電される。以後は、同様の動作を繰返し、昇圧駆動が完了し定常駆動に遷移すれば、圧電素子１は図９に示す駆動信号で駆動される。降圧時も同様である。
【００４６】
このように構成してもまた、圧電素子１への電荷供給量を調整し、騒音を低減することができる。また、その電荷供給量も、パルス密度によって容易に調整することができる。本実施の形態の駆動回路３１は、前述の図１１で示す駆動回路１１と同様に、各ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４を、Ｉ／Ｏポートを使用して駆動しているけれども、ハイレベル／ローレベルの切替え周波数を速くし、またタイミングを細かく制御するだけであるので、回路構成としては大きな変更がなく、ソフトウェアの変更などで対応することができる。
【００４７】
なお、本実施の形態でも、図６の等価回路において参照符号Ｒ０で示すように、圧電素子１に直列に電流制限抵抗を挿入し、該圧電素子への充電時間を遅らせるようにしてもよい。これによって、前述の駆動信号Ｓ１１〜Ｓ１４の駆動周波数ｆａを低下させることができ、該駆動化１の負担を軽減することができる。しかしながら、本実施の形態では、圧電素子１への充電電流を細かく制御できるので、図１１の駆動回路１１のように、前記電流制限抵抗Ｒ０を可変抵抗にする必要はない。
【符号の説明】
【００４８】
１ 圧電素子
２ ロッド
３ 被駆動部材
４ 固定部
１０ Ｈブリッジ回路
２１，３１ 駆動回路
２２，３２ 制御回路
Ｑ１〜Ｑ４ ＭＯＳＦＥＴ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＩＤＭ(Smooth Impact Drive Mechanism（登録商標）)から成る超音波リニアアクチュエータの駆動回路などとして好適に実施される駆動回路およびそれを用いる前記超音波リニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
前記超音波リニアアクチュエータは、たとえば図８で模式的に示すような構造を有し、圧電素子１の伸縮をロッド（駆動部材）２に伝え、そのロッド２に所定の摩擦力で係合している被駆動部材（移動体）３を、前記圧電素子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させるものである。
【０００３】
たとえば、図８（ａ）から図８（ｂ）で示すように、ロッド２をゆっくりと伸張させることで、そのロッド２に摩擦係合している被駆動部材３も移動し、図８（ｂ）から図８（ｃ）で示すように、前記所定の摩擦力を超える程、ロッド２を瞬時に縮小すると、被駆動部材３が慣性のために伸張位置に取り残されるということを繰返し行うことで、前記被駆動部材３を前記ロッド２の軸方向に移動させるものである。そして、伸張を瞬時に、縮小をゆっくりと行うことで、前記被駆動部材３の移動方向を前記とは逆転することができる。前記圧電素子１のロッド２とは反対側は、変位を阻止する固定部４に固定されている。
【０００４】
このような超音波リニアアクチュエータは、通常のローレンツ力型のモータなどに比べて、構成が簡単で、しかも減速機構を用いずに負荷をダイレクトに駆動することができる。このため、特許文献１では、その搭載例として、前記ロッドをレンズ光軸方向に設置し、フォーカシングレンズの保持部材を前記ロッドに係合させることで、オートフォーカスを実現した駆動装置が提案されている。なお、前記ロッドに対して被駆動部材を摩擦係合させるためには、ばねなどによる押圧力だけではなく、磁力が用いられてもよい。
【０００５】
一方、ロッド２に前記の速度差を生じさせるにあたっては、端的には、前記圧電素子１に擬似鋸歯状の駆動信号を与えることであるが、その場合、駆動回路が非常に複雑になるので、本件出願人は、先に特許文献２において、駆動周波数およびデューティを適切に選定することで、図９に示すような矩形波電圧を与えた場合にも、前記鋸歯状変位が得られることを示した。また、その理論的背景は、非特許文献１で明らかにされている。その理論を要約すると、前記鋸歯状波形の基本は、基本周波数の正弦波信号に、第２調波の正弦波信号を加算して得ることができるというものである。すなわち、前記鋸歯状波形には、成分的に複数の周波数の正弦波が含まれているが、そのうち少なくとも１次および２次の成分があれば前記超音波リニアアクチュエータの駆動に充分なレベルとなり、変位ｙは、
ｙ＝−ｓｉｎ（ωｔ）−０．２５・ｓｉｎ（２ωｔ） ・・・（１）
で表すことができる。
【０００６】
そして、そのような鋸歯状波形を得るための条件は、駆動周波数が低い場合、そのものの波形を成形しなければならないが、或る程度駆動周波数が高くなると、１次共振周波数ｆｒの０．６〜０．８倍前後の駆動周波数ｆｄで、０．３または０．７程度のデューティの矩形波を圧電素子に入力することで、前記鋸歯状変位を生じさせることが可能になる。特許文献２は、このような特性を利用して、製品において実現容易な矩形波電圧で駆動させるようにしたものである。
【０００７】
図１０には、前記矩形波のデューティおよび周波数を変化させた場合における被駆動部材の移動速度の変化を示す。このグラフは、前記非特許文献１の図２０で示されたもので、圧電素子およびロッドの共振周波数は、２００ｋＨｚ、駆動電圧は６ＶＰ−Ｐ、被駆動部材のロッドに対する摩擦力は３００ｍＮとしている。この図１０から明らかなように、共振周波数の０．７倍のときに、矩形波に含まれる１次成分の正弦波および２次成分の正弦波の位相およびゲインが適切な関係となり、鋸歯状変位が得られ、最高の速度が得られている。
【０００８】
そこで、そのような超音波リニアアクチュエータを駆動する回路としては、典型的な従来技術では、図１１で示すような駆動回路１１がある。すなわち、電源電圧＋Ｖの電源ラインとＧＮＤとの間に、ｐ型のＭＯＳＦＥＴＱ１とｎ型のＭＯＳＦＥＴＱ２との直列回路と、同様のｐ型のＭＯＳＦＥＴＱ３とｎ型のＭＯＳＦＥＴＱ４との直列回路とを備え、それらのＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２；Ｑ３，Ｑ４の接続点間に前記圧電素子１を接続して成る、いわゆるＨブリッジ回路１０に、その制御回路１２を備えて成る。そして、対角線上のＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４が同じタイミングで相互に逆相の駆動信号ｓ１，ｓ４で制御されてＯＮ／ＯＦＦし、同様にＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３が同じタイミングで相互に逆相の駆動信号ｓ２，ｓ３で制御されてＯＮ／ＯＦＦする。その論理を前記図９に示す。
【０００９】
このような駆動回路１１において、本件発明者らは、参照符号Ｒ０で示すように、Ｈブリッジ回路１０の電源側またはＧＮＤ側に電流制限抵抗を挿脱できるようにし、挿入時には離脱時に比べて駆動トルクを下げることなく、被駆動部材３の変移量を小さくできるようにした駆動回路を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第２６３３０６６号公報
【特許文献２】特許第３１７１１８７号公報
【特許文献３】特開２００８−２６３７１６号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】（スムーズインパクト駆動機構（ＳＩＤＭ）の開発（第２報）精密工学会誌 Ｖｏｌ．６８， Ｎｏ．４ （２００２） ｐｐ．５３６−５４１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述のような単純な矩形波パルスを用いる駆動回路では、アクチュエータの起動時と停止時に「カッチ」という音を発生するという問題がある。同様に、起動と停止との繰返しによる間欠駆動時には、この「カッチ」という音が連続的に発生し、それが間欠駆動時の騒音となる。この騒音は、起動時と停止時とにおける摩擦接触部５のスリップ音および圧電素子１の伸縮音に起因する。一般に、圧電素子１を用いる超音波リニアアクチュエータの場合、その速度調整には間欠駆動が用いられるが、このときに発生する騒音が製品仕様に大きく影響する。特に、デジタルカメラやムービーの像ぶれ補正は、連続動作であり、また携帯電話のＡＦやズーム制御では、小型の機器で音漏れがし易く、共に静音化が望まれている。
【００１３】
圧電素子１を用いる超音波リニアアクチュエータの消音化には、図１２で示すように、起動時に駆動電圧を徐々に昇圧し、停止時に駆動電圧（＋Ｖ）を徐々に降圧すればよい。すなわち、図１１における電流制限抵抗Ｒ０の抵抗値を調整し、圧電素子１への充放電電流を小さく、つまり圧電素子１が完全に充電される前に電流を止めればよい。従来方法として、前記抵抗値をアナログ的に変化させる方法があるが、これでは、回路規模が大きくなり、コストが嵩むという問題がある。
【００１４】
本発明の目的は、低コストに騒音を低減することができるアクチュエータの駆動回路およびそれを用いる超音波リニアアクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のアクチュエータの駆動回路は、振動子の振動を駆動部材に伝え、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材を、前記振動子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させるアクチュエータの駆動回路において、前記振動子に駆動パルスを与えるパルス発生回路と、前記パルス発生回路の発生パルスを制御する制御回路とを含み、前記制御回路は、前記パルス発生回路に、前記振動子の系における共振周波数に対して所定数倍の駆動周波数で、かつ所定デューティの駆動パルスを発生させることで、前記駆動部材と被駆動部材との係合部分に、前記速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、かつ前記被駆動部材の起動時、停止時または間欠駆動時の少なくとも１つにおいて、前記駆動周波数を維持し、かつ前記駆動パルスを前記所定デューティで規定されるパルス幅よりも短縮したパルスを出力させることを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、圧電素子などの振動子の伸縮を駆動部材に伝え、その駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材を、前記振動子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させる超音波リニアアクチュエータなどとして実現されるアクチュエータの駆動回路において、パルス発生回路が前記振動子に駆動パルスを与えて、前記駆動部材と被駆動部材との係合部分に前記の速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を生じさせるにあたって、パルス発生回路による発生パルスを制御する制御回路は、以下のような駆動パルスを発生させる。
【００１７】
すなわち、先ず、前記駆動パルスを、前記振動子の系における１次共振周波数ｆｒに対して、０．６〜０．８の所定数倍の駆動周波数ｆｄで、かつ０．３程度または０．７程度の所定デューティのパルスとすることで、該駆動パルスに含まれる１次成分の正弦波および２次成分の正弦波の位相およびゲインが適切な関係となり、前記駆動部材と被駆動部材との係合部分に擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、前記被駆動部材に高い移動速度を得ることができるようになる。前記の０．３と０．７とのデューティの違いで、前記被駆動部材の移動方向が切替わる。次に、注目すべきは、制御回路は、前記被駆動部材の起動時、停止時または間欠駆動時の少なくとも１つにおいて、前記パルス発生回路に、前記駆動周波数ｆｄを維持し、かつ前記所定デューティで規定されるパルス幅よりも短縮した駆動パルスを発生させる。
【００１８】
したがって、前記起動時、停止時または間欠駆動時では、定常駆動時よりも、振動子の充放電が早期に打ち切られることになり、騒音（被駆動部材のスリップ音や振動子の伸縮音）を低減することができる。また、そのように充放電のレベルを小さくするにあたって、駆動回路は、Ｈブリッジ回路などの従来通りの振動子を充放電するパルス発生回路と、その制御回路とによって構成することができ、その制御回路がパルス発生回路を制御する信号の態様を変化するだけでよく、低コストに実現することができる。
【００１９】
また、本発明のアクチュエータの駆動回路では、前記振動子は超音波振動を行う圧電素子であることを特徴とする。
【００２０】
上記の構成によれば、前記アクチュエータとして、構成が簡単で、しかも減速機構を用いずに負荷をダイレクトに駆動することができる超音波リニアアクチュエータを用いることができる。
【００２１】
さらにまた、本発明のアクチュエータの駆動回路では、前記制御回路は、前記パルス幅の短縮量を、停止時には徐々に大きくさせ、起動時には最大値から徐々に短縮させることを特徴とする。
【００２２】
上記の構成によれば、振動子に加わるエネルギーを、起動時には徐々に大きくし、停止時には徐々に小さくすることができ、前記騒音の発生をより確実に抑えることができる。
【００２３】
また、本発明のアクチュエータの駆動回路では、前記制御回路は、前記パルス幅の短縮を、前記所定デューティで規定されるパルス幅のパルスを複数の微細パルスで構成させ、その微細パルスの密度を変化させることで行うことを特徴とする。
【００２４】
上記の構成によれば、前記所定デューティで規定されるパルス幅のパルスを短縮するにあたって、ＰＤＭ（パルス密度変調）を用いる。したがって、調整容易に、前記パルス幅を実質的に短縮することができる（すなわち、前記微細パルスの総積算時間が前記短縮したパルス幅となる）。
【００２５】
さらにまた、本発明のアクチュエータの駆動回路では、前記微細パルスの周波数が、前記振動子の系における反共振周波数または前記１次共振周波数ｆｒの１０倍以上に設定されることを特徴とする。
【００２６】
上記の構成によれば、反共振周波数では、振動子のインピーダンスが最も高く、したがってそのインピーダンスと該振動子の容量とで大きな時定数を形成することができ、前記微細パルスの周波数を前記反共振周波数に設定することで、実質的な前記パルス幅の調整がし易くなる。同様に、共振周波数の１０倍以上に前記微細パルスの周波数を設定することで、前記パルス幅の調整を細かく行うことができる。
【００２７】
また、本発明のアクチュエータの駆動回路では、前記パルス発生回路はＨブリッジ回路から成り、前記制御回路は、そのＨブリッジ回路における半導体スイッチ素子を駆動することを特徴とする。
【００２８】
上記の構成によれば、振動子を充放電させるにあたって、Ｈブリッジ回路を用いることで、単純に電源とＧＮＤとの間を切換える回路に比べて、同じ電源電圧でも、前記振動子に２倍の電圧を印加することができる。
【００２９】
さらにまた、本発明の超音波リニアアクチュエータは、前記のアクチュエータの駆動回路と、所定の方向に振動する前記振動子と、前記振動子の振動方向の一端に取付けられて該振動子により前記振動方向に変位駆動される駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材とを備えることを特徴とする。
【００３０】
上記の構成によれば、低騒音の超音波リニアアクチュエータを実現することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明のアクチュエータの駆動回路およびそれを用いる超音波リニアアクチュエータは、以上のように、圧電素子などの振動子の伸縮を駆動部材に伝え、その駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材を、前記振動子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させる超音波リニアアクチュエータなどとして実現されるアクチュエータの駆動回路において、前記駆動部材と被駆動部材との係合部分に前記の速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を生じさせるにあたって、前記振動子に与える駆動信号を、前記振動子の系における１次共振周波数ｆｒの所定数倍の駆動周波数ｆｄで、かつ所定デューティの駆動パルスとすることで、Ｈブリッジなどで作成できる矩形波での駆動を可能にし、さらに被駆動部材の起動時、停止時または間欠駆動時の少なくとも１つにおいて、前記駆動周波数ｆｄを維持し、かつ前記駆動パルスを前記所定デューティで規定されるパルス幅よりも短縮したパルスとする。
【００３２】
それゆえ、前記起動時、停止時または間欠駆動時では、定常駆動時よりも、振動子の充放電が早期に打ち切られることになり、騒音を低減することができる。また、そのように充放電のレベルを小さくするにあたって、駆動回路は、前記Ｈブリッジ回路などの従来通りの振動子を充放電するパルス発生回路と、その制御回路とによって構成することができ、その制御回路が作成する前記駆動パルスの態様を変化するだけでよく、低コストに実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の一形態に係る駆動回路のブロック図である。
【図２】図１で示す駆動回路によるＨブリッジ回路の制御論理と、それによって圧電素子に与えられる電圧との関係を示す波形図である。
【図３】本発明の実施の他の形態に係る駆動回路のブロック図である。
【図４】図３で示す駆動回路によるＨブリッジ回路の制御論理と、それによって圧電素子に与えられる電圧との関係を示す波形図である。
【図５】振動子に圧電素子を用いた超音波リニアアクチュエータの伝達特性を示すグラフである。
【図６】前記圧電素子のインピーダンス特性を示すグラフである。
【図７】前記圧電素子の等価回路図である。
【図８】超音波リニアアクチュエータ（ＳＩＤＭ）の構造を模式的に示す図である。
【図９】従来および本実施の形態の定常時における圧電素子の駆動波形図である。
【図１０】超音波リニアアクチュエータ（ＳＩＤＭ）を矩形波で駆動するにあたって、デューティおよび周波数を変化させた場合における被駆動部材の移動速度の変化を示すグラフである。
【図１１】従来技術の駆動回路のブロック図である。
【図１２】本実施の形態における圧電素子の駆動波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の一形態に係る駆動回路２１のブロック図である。この駆動回路２１は、前述の図８で示すような超音波リニアアクチュエータを駆動する回路であり、パルス発生回路であるＨブリッジ回路１０については、前述の図１１の駆動回路１１と同様である。したがって、振動子は超音波振動を行う圧電素子１であり、アクチュエータとしては、構成が簡単で、しかも減速機構を用いずに負荷をダイレクトに駆動することができる前記超音波リニアアクチュエータである。そして、前述の図１１の駆動回路１１と本実施の形態の駆動回路２１とは、制御回路２２が異なるだけである。
【００３５】
したがって、前記超音波リニアアクチュエータのロッド２と被駆動部材３との係合部分に擬似鋸歯状の変位振動を生じさせるにあたって、Ｈブリッジ回路１０から圧電素子１に与える駆動信号は、該圧電素子１の系における１次共振周波数ｆｒに対して、所定数倍、たとえば０．６〜０．８倍、好ましくは０．７倍の駆動周波数ｆｄで、かつ所定デューティ、たとえば０．３または０．７の駆動パルスとなっている。こうして、前記駆動パルスに含まれる１次成分の正弦波および２次成分の正弦波の位相およびゲインを適切な関係として、前記係合部分に擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、前記被駆動部材３に高い移動速度を得ることができるようになり、また前記の０．３と０．７とのデューティの違いで、前記被駆動部材３の移動方向を切替えるようになっている。
【００３６】
注目すべきは、制御回路２１が、前記被駆動部材３の起動時、停止時または間欠駆動時の少なくとも１つにおいて、前記の駆動パルスを、前記駆動周波数ｆｄを維持し、かつ前記駆動パルスを前記０．３または０．７のデューティで規定されるパルス幅よりも短縮したパルスとすることである。このため、前述の従来技術の駆動回路１１では、制御回路１２はＩ／Ｏポートを使用していたのに対して、本実施の形態の駆動回路２１では、制御回路２２のＰＷＭポートを使用する。
【００３７】
図２に、前記駆動回路２１による各ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４の制御論理と、圧電素子１に与えられる電圧との関係を示す。前述の図９と同様に、対角線上のＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４が同じタイミングで相互に逆相の駆動信号Ｓ１，Ｓ４で制御されてＯＮ／ＯＦＦし、同様にＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３が同じタイミングで相互に逆相の駆動信号Ｓ２，Ｓ３で制御されてＯＮ／ＯＦＦする。また、非駆動時は、ＧＮＤ側のｎ型のＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ４が共にＯＮされて、圧電素子１は放電状態とされている。
【００３８】
したがって、前記起動時、停止時または間欠駆動時では、定常駆動時よりも、圧電素子１の充放電が早期に打ち切られることになり、これによって前述の図１２や図２で示すように、圧電素子１への印加電圧が定常駆動時のレベルにまで上昇せず、被駆動部材３の変移量も定常駆動時よりも小さくなり、低騒音（被駆動部材３のスリップ音や圧電素子１の伸縮音を低減する）な超音波リニアアクチュエータを実現することができる。また、そのように充放電のレベルを小さくするにあたって、駆動回路２１は、Ｈブリッジ回路１０などの従来通りの圧電素子１を充放電するパルス発生回路と、その制御回路２２とによって構成することができ、その制御回路２２が作成する前記駆動パルスの態様を変化するだけでよく、低コストに実現することができる。
【００３９】
また、前記被駆動部材３の停止時には、前記制御回路２１は、前記パルス幅の短縮量を徐々に大きく、したがってパルス幅自体は最大値から徐々に小さくし、起動時には前記パルス幅の短縮量を最大値から徐々に短縮、したがって図２に示すようにパルス幅自体は最小値から徐々に大きくするので、圧電素子１に加わるエネルギーを、起動時には徐々に大きくし、停止時には徐々に小さくすることができ、前記騒音の発生をより確実に抑えることができる。
【００４０】
さらにまた、圧電素子１を充放電させるにあたって、Ｈブリッジ回路１０を用いることで、単純に電源とＧＮＤとの間を切換える回路に比べて、同じ電源電圧でも、前記振動子に２倍の電圧を印加することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の他の形態に係る駆動回路３１のブロック図である。この駆動回路３１も、前述の図８で示すような超音波リニアアクチュエータを駆動する回路であり、Ｈブリッジ回路１０については、前述の図１１の駆動回路１１と同様である。注目すべきは、この駆動回路３１では、前記０．３または０．７の所定デューティで規定されるパルス幅のパルスを、図４で示すように、複数の微細パルスで構成し、その微細パルスの密度を変化させる、すなわちＰＤＭ（パルス密度変調）を用いて、前記パルスのパルス幅を実質的に短縮することである。ここで、前記実質的にとは、前記微細パルスの総積算時間が、図２で示すような短縮したパルス幅と等価になるという意味である。前記図４は、前記駆動回路３１による各ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４の制御論理と、圧電素子１に与えられる電圧との関係を示す波形図である。
【００４２】
ここで、図５に、前述の図８で示すような圧電素子１を用いた超音波リニアアクチュエータの伝達特性を示す。ただし、この図５は、被駆動部材３を搭載する前の特性を示している。前述のようにＳＩＤＭにおいては、１次共振周波数ｆｒの０．６〜０．８倍が駆動周波数ｆｄに設定されている。このとき、前記制御回路３２のＩ／Ｏポートから各ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４に与える駆動信号Ｓ１１〜Ｓ１４の周波数ｆａは、前記パルス幅の調整を細かく行えるように、前記１次共振周波数ｆｒよりも充分大きく設定する必要がある。好ましくは、前記圧電素子１の系における反共振周波数ｆｒ’である。
【００４３】
図６に、圧電素子のインピーダンス特性を示す。圧電素子は、図７で示すように、Ｌ，Ｒ，Ｃの直列共振回路と、それに並列の容量Ｃ０を加えた並列共振回路とを伴わせて持っている。そして、図６で示すように、共振点（ｆｒ）では、前記Ｌ，Ｒ，Ｃの直列共振回路のインピーダンスが小さく、反共振点（ｆｒ’）では大きい。したがって、前記駆動信号Ｓ１１〜Ｓ１４の周波数ｆａに反共振周波数ｆｒを用いると、該圧電素子１の容量Ｃ０との時定数が大きくなって、充電量の調整に時間的余裕が生まれ、実質的な前記パルス幅の調整がし易くなる。この反共振点（ｆｒ’）以外では、前記周波数ｆａを、駆動周波数ｆｄの１０倍以上に設定することで、同様に前記実質的なパルス幅の調整を細かく行うことができる。たとえば、基本の駆動周波数ｆｄは５０ｋＨｚであり、駆動信号Ｓ１１〜Ｓ１４の周波数ｆａは、１０倍の５００ｋＨｚ以上である。
【００４４】
再び図４に戻り、先ず１発目の駆動パルスの立ち上がり時刻ｔ１１で、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４に与える駆動信号Ｓ１１，Ｓ１４は、それぞれローレベルおよびハイレベルのパルスとなって、共にＯＮし、ＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３に与える駆動信号Ｓ１２，Ｓ１３は、それぞれローレベルおよびハイレベルのままで、共にＯＦＦし、圧電素子１は１方の極性で僅かに充電される。その後、前記１発目の駆動パルスの立ち下がり時刻ｔ１２で論理が反転し、ＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３に与える駆動信号Ｓ１２，Ｓ１３にはそれぞれハイレベルおよびローレベルのパルスが連続して２発与えられ、共にそのパルスタイミングでＯＮし、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４に与える駆動信号Ｓ１１，Ｓ１４は、それぞれハイレベルおよびローレベルで維持されて、共にＯＦＦし、圧電素子１からは前記一方の極性の電荷が引抜かれ、さらに他方の極性で僅かに充電される。
【００４５】
次に、２発目の駆動パルスの立ち上がり時刻ｔ２１で、再びＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４に与える駆動信号Ｓ１１，Ｓ１４には、それぞれローレベルおよびハイレベルのパルスが連続して３発与えられ、共にＯＮし、ＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３に与える駆動信号Ｓ１２，Ｓ１３は、それぞれローレベルおよびハイレベルで維持され、共にＯＦＦし、圧電素子１からは前記他方の極性の電荷が引抜かれ、さらに１方の極性で僅かに充電される。その後、前記２発目の駆動パルスの立ち下がり時刻ｔ２２で論理が反転し、ＭＯＳＦＥＴＱ２，Ｑ３に与える駆動信号Ｓ１２，Ｓ１３にはそれぞれハイレベルおよびローレベルのパルスが連続して４発与えられ、共にそのパルスタイミングでＯＮし、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ４に与える駆動信号Ｓ１１，Ｓ１４は、それぞれハイレベルおよびローレベルで維持されて、共にＯＦＦし、圧電素子１からは前記他一方の極性の電荷が引抜かれ、さらに他方の極性で僅かに充電される。以後は、同様の動作を繰返し、昇圧駆動が完了し定常駆動に遷移すれば、圧電素子１は図９に示す駆動信号で駆動される。降圧時も同様である。
【００４６】
このように構成してもまた、圧電素子１への電荷供給量を調整し、騒音を低減することができる。また、その電荷供給量も、パルス密度によって容易に調整することができる。本実施の形態の駆動回路３１は、前述の図１１で示す駆動回路１１と同様に、各ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４を、Ｉ／Ｏポートを使用して駆動しているけれども、ハイレベル／ローレベルの切替え周波数を速くし、またタイミングを細かく制御するだけであるので、回路構成としては大きな変更がなく、ソフトウェアの変更などで対応することができる。
【００４７】
なお、本実施の形態でも、図６の等価回路において参照符号Ｒ０で示すように、圧電素子１に直列に電流制限抵抗を挿入し、該圧電素子への充電時間を遅らせるようにしてもよい。これによって、前述の駆動信号Ｓ１１〜Ｓ１４の駆動周波数ｆａを低下させることができ、該駆動化１の負担を軽減することができる。しかしながら、本実施の形態では、圧電素子１への充電電流を細かく制御できるので、図１１の駆動回路１１のように、前記電流制限抵抗Ｒ０を可変抵抗にする必要はない。
【符号の説明】
【００４８】
１ 圧電素子
２ ロッド
３ 被駆動部材
４ 固定部
１０ Ｈブリッジ回路
２１，３１ 駆動回路
２２，３２ 制御回路
Ｑ１〜Ｑ４ ＭＯＳＦＥＴ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子の振動を駆動部材に伝え、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材を、前記振動子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させるアクチュエータの駆動回路において、
前記振動子に駆動パルスを与えるパルス発生回路と、
前記パルス発生回路の発生パルスを制御する制御回路とを含み、
前記制御回路は、前記パルス発生回路に、前記振動子の系における共振周波数に対して所定数倍の駆動周波数で、かつ所定デューティの駆動パルスを発生させることで、前記駆動部材と被駆動部材との係合部分に、前記速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、かつ前記被駆動部材の起動時、停止時または間欠駆動時の少なくとも１つにおいて、前記駆動周波数を維持し、かつ前記駆動パルスを前記所定デューティで規定されるパルス幅よりも短縮したパルスを出力させることを特徴とするアクチュエータの駆動回路。
【請求項２】
前記振動子は超音波振動を行う圧電素子であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの駆動回路。
【請求項３】
前記制御回路は、前記パルス幅の短縮量を、停止時には徐々に大きくさせ、起動時には最大値から徐々に短縮させることを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータの駆動回路。
【請求項４】
前記制御回路は、前記パルス幅の短縮を、前記所定デューティで規定されるパルス幅のパルスを複数の微細パルスで構成させ、その微細パルスの密度を変化させることで行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアクチュエータの駆動回路。
【請求項５】
前記微細パルスの周波数が、前記振動子の系における反共振周波数または前記共振周波数の１０倍以上に設定されることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータの駆動回路。
【請求項６】
前記パルス発生回路はＨブリッジ回路から成り、前記制御回路は、そのＨブリッジ回路における半導体スイッチ素子を駆動することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアクチュエータの駆動回路。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれか１項に記載のアクチュエータの駆動回路と、
所定の方向に振動する前記振動子と、
前記振動子の振動方向の一端に取付けられて該振動子により前記振動方向に変位駆動される駆動部材と、
前記駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材とを備えることを特徴とする超音波リニアアクチュエータ。
【請求項１】
振動子の振動を駆動部材に伝え、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材を、前記振動子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させるアクチュエータの駆動回路において、
前記振動子に駆動パルスを与えるパルス発生回路と、
前記パルス発生回路の発生パルスを制御する制御回路とを含み、
前記制御回路は、前記パルス発生回路に、前記振動子の系における共振周波数に対して所定数倍の駆動周波数で、かつ所定デューティの駆動パルスを発生させることで、前記駆動部材と被駆動部材との係合部分に、前記速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、かつ前記被駆動部材の起動時、停止時または間欠駆動時の少なくとも１つにおいて、前記駆動周波数を維持し、かつ前記駆動パルスを前記所定デューティで規定されるパルス幅よりも短縮したパルスを出力させることを特徴とするアクチュエータの駆動回路。
【請求項２】
前記振動子は超音波振動を行う圧電素子であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの駆動回路。
【請求項３】
前記制御回路は、前記パルス幅の短縮量を、停止時には徐々に大きくさせ、起動時には最大値から徐々に短縮させることを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータの駆動回路。
【請求項４】
前記制御回路は、前記パルス幅の短縮を、前記所定デューティで規定されるパルス幅のパルスを複数の微細パルスで構成させ、その微細パルスの密度を変化させることで行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアクチュエータの駆動回路。
【請求項５】
前記微細パルスの周波数が、前記振動子の系における反共振周波数または前記共振周波数の１０倍以上に設定されることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータの駆動回路。
【請求項６】
前記パルス発生回路はＨブリッジ回路から成り、前記制御回路は、そのＨブリッジ回路における半導体スイッチ素子を駆動することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアクチュエータの駆動回路。
【請求項７】
前記請求項１〜６のいずれか１項に記載のアクチュエータの駆動回路と、
所定の方向に振動する前記振動子と、
前記振動子の振動方向の一端に取付けられて該振動子により前記振動方向に変位駆動される駆動部材と、
前記駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材とを備えることを特徴とする超音波リニアアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１８２５７７（Ｐ２０１１−１８２５７７Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４５５０１（Ｐ２０１０−４５５０１）
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタオプト株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２日（２０１０．３．２）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタオプト株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
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