(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の分極部を備え、上記複数の分極部に駆動電圧が印加される圧電アクチュエータを駆動する圧電アクチュエータ駆動回路であって、
電圧源と、
上記分極部と上記電圧源との間に接続され、制御信号により導通状態と非導通状態に切り換えられるハイ側スイッチング素子と、
上記分極部とアース電位との間に接続され、制御信号により導通状態と非導通状態に切り換えられるロー側スイッチング素子と、
これらのハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子を制御して、上記ハイ側スイッチング素子のみを導通状態として上記分極部に上記電圧源が接続される電圧印加期間、上記ハイ側スイッチング素子及び上記ロー側スイッチング素子を何れも非導通状態として、上記分極部が上記電圧源及び上記アース電位から切り離されるフロート期間、及び上記ロー側スイッチング素子のみを導通状態として上記分極部をアース電位に接続する接地期間を周期的に切り換えることにより、電圧パルスを上記分極部に印加し、上記圧電アクチュエータを駆動するスイッチング素子制御回路と、を有し、
上記スイッチング素子制御回路は、上記複数の分極部に、夫々位相の異なる電圧パルスを印加すると共に、含まれるフロート期間の長さが異なる電圧パルスを上記各分極部に印加することを特徴とする圧電アクチュエータ駆動回路。
【請求項２】
上記スイッチング素子制御回路は、上記各分極部に印加する電圧パルスが同じ長さのフロート期間を含む第１制御モードと、上記各分極部に印加する電圧パルスが夫々異なる長さのフロート期間を含む第２制御モードを切り換え、又は、上記各分極部に印加する電圧パルスが、圧電アクチュエータの駆動中に長さが変化されるフロート期間を含む第３制御モードと、上記第２制御モードを切り換えて実行する請求項１記載の圧電アクチュエータ駆動回路。
【請求項３】
上記圧電アクチュエータは超音波モータであり、上記スイッチング素子制御回路は、上記超音波モータの起動時には上記第２制御モードを実行し、その後、上記超音波モータが所定の回転数に達すると上記第１制御モードに切り換える請求項２記載の圧電アクチュエータ駆動回路。
【請求項４】
上記フロート期間は、印加する電圧パルス１周期のうちの５％以上を占めている請求項１乃至３の何れか１項に記載の圧電アクチュエータ駆動回路。
【請求項５】
さらに、上記分極部に高電圧を発生させるためのコイルを有し、上記ハイ側スイッチング素子及び上記ロー側スイッチング素子は、上記コイルを介して上記分極部に接続されている請求項１乃至４の何れか１項に記載の圧電アクチュエータ駆動回路。
【請求項６】
ローターと、
このローターを駆動する複数の分極部を備えたステーターと、
上記複数の分極部のうちの少なくとも１つに駆動電圧を印可する請求項１乃至５の何れか１項に記載の圧電アクチュエータ駆動回路と、
を有することを特徴とする圧電アクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ駆動回路に関し、特に、複数の分極部を備え、複数の分極部のうちの少なくとも１つに駆動電圧が印加される圧電アクチュエータを駆動する圧電アクチュエータ駆動回路、及びそれを備えた圧電アクチュエータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
定在波型超音波モータ（ピエゾモータ）等の圧電アクチュエータは、一般に、一体の圧電素子内に複数の分極部が形成されており、それらのうちの１つ又は複数の分極部に高圧電源からの電圧パルスが印加され、駆動される。複数の分極部のうちの１つに電圧パルスを印加するアクチュエータでは、アクチュエータを正転（正方向駆動）させる場合と、アクチュエータを反転（逆方向駆動）させる場合では、異なる分極部に電圧パルスが印加される。また、複数の分極部に電圧パルスが印加されるアクチュエータでは、各分極部に印加される電圧パルスの波形は互いに位相が異なっており、アクチュエータを正転（正方向駆動）させる場合と、アクチュエータを反転（逆方向駆動）させる場合で、各電圧パルス波形の位相関係が変更される。
【０００３】
特許４４０６９５２号公報（特許文献１）には、振動アクチュエータが記載されている。この振動アクチュエータにおいては、振動子に２つの交流信号が入力され、これらの交流信号のうちの少なくとも一方の電圧を変え、又は位相を変えることにより、振動子の楕円運動の軌跡における軸の傾斜を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許４４０６９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許４４０６９５２号公報に記載されている振動アクチュエータの駆動装置では、アクチュエータを効率良く駆動することが難しいという問題がある。また、この振動アクチュエータの駆動装置では、駆動速度に依存してハンチング等が発生しやすく、アクチュエータを円滑に制御することが難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、圧電アクチュエータを効率良く駆動することができ、又は、圧電アクチュエータを円滑に駆動することができる圧電アクチュエータ駆動回路、及びそれを備えた圧電アクチュエータ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明は、複数の分極部を備え、複数の分極部のうちの少なくとも１つに駆動電圧が印加される圧電アクチュエータを駆動する圧電アクチュエータ駆動回路であって、電圧源と、分極部と電圧源との間に接続され、制御信号により導通状態と非導通状態に切り換えられるハイ側スイッチング素子と、分極部とアース電位との間に接続され、制御信号により導通状態と非導通状態に切り換えられるロー側スイッチング素子と、これらのハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子を制御して、ハイ側スイッチング素子のみを導通状態として分極部に電圧源が接続される電圧印加期間、ハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子を何れも非導通状態として、分極部が電圧源及びアース電位から切り離されるフロート期間、及びロー側スイッチング素子のみを導通状態として分極部をアース電位に接続する接地期間を周期的に切り換えることにより、電圧パルスを分極部に印加し、圧電アクチュエータを駆動するスイッチング素子制御回路と、を有し、スイッチング素子制御回路は、複数の分極部に、夫々位相の異なる電圧パルスを印加すると共に、含まれるフロート期間の長さが異なる電圧パルスを各分極部に印加することを特徴としている。
【０００８】
このように構成された本発明においては、電圧源がハイ側スイッチング素子を介して分極部に接続されている。一方、分極部はロー側スイッチング素子を介してアース電位に接続されている。スイッチング素子制御回路はハイ側スイッチング素子のみを導通状態として分極部に電圧源が接続される電圧印加期間、ハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子を何れも非導通状態として、分極部が電圧源及びアース電位から切り離されるフロート期間、及びロー側スイッチング素子のみを導通状態として分極部をアース電位に接続する接地期間を周期的に切り換えることにより、電圧パルスを分極部に印加する。
【０００９】
このように構成された本発明によれば、電圧印加期間と接地期間の間にフロート期間が設けられているので、分極部に印加される電圧の変化が滑らかになり、圧電アクチュエータを効率良く、又は、円滑に駆動することができる。
また、このように構成された本発明によれば、圧電アクチュエータの複数の分極部に夫々位相の異なる電圧パルスが印加されるので、単一の分極部のみに電圧パルスを印加する場合に比べ、圧電アクチュエータを効率良く、又は、円滑に駆動することができる。
さらに、このように構成された本発明によれば、含まれるフロート期間の長さが異なる電圧パルスを各分極部に印加するので、駆動対象の圧電アクチュエータに合わせて適切な駆動を行うことができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、スイッチング素子制御回路は、各分極部に印加する電圧パルスが同じ長さのフロート期間を含む第１制御モードと、各分極部に印加する電圧パルスが夫々異なる長さのフロート期間を含む第２制御モードと、各分極部に印加する電圧パルスが、圧電アクチュエータの駆動中に長さが変化されるフロート期間を含む第３制御モードのうちの少なくとも２つを切り換えて実行する。
【００１５】
このように構成された本発明によれば、第１制御モードと第２制御モードが切り換えて実行されるので、第１制御モードが有利な駆動状況と、第２制御モードが有利な駆動状況に応じて制御を切り換えることにより、より効率良く、円滑に圧電アクチュエータを駆動することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、圧電アクチュエータは超音波モータであり、スイッチング素子制御回路は、超音波モータの起動時には第２制御モードを実行し、その後、超音波モータが所定の回転数に達すると第１制御モードに切り換える。
【００１７】
このように構成された本発明によれば、起動性の良い第２制御モードにより超音波モータを起動した後、駆動効率の良い第１制御モードに切り換えることにより、起動性及び効率を向上させることができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、フロート期間は、印加する電圧パルス１周期のうちの５％以上を占めている。
このように構成された本発明によれば、フロート期間を十分に取ることができるので、十分に駆動効率を向上させることができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、さらに、分極部に高電圧を発生させるためのコイルを有し、ハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子は、コイルを介して分極部に接続されている。
このように構成された本発明によれば、コイルによる共振現象を利用して、電圧源の電圧よりも高い電圧を分極部に印可することができる。このため、バッテリー等により、圧電アクチュエータを駆動することが可能になる。
【００２０】
また、本発明の圧電アクチュエータ装置は、ローターと、このローターを駆動する複数の分極部を備えたステーターと、複数の分極部のうちの少なくとも１つに駆動電圧を印可する本発明の圧電アクチュエータ駆動回路と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の圧電アクチュエータ駆動回路、及びそれを備えた圧電アクチュエータ装置によれば、圧電アクチュエータを効率良く駆動し、又は、圧電アクチュエータを円滑に駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態による圧電アクチュエータ装置全体を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態による圧電アクチュエータ駆動回路に内蔵されているＡ相電圧パルス生成回路の作用を説明する回路図及びタイミングチャートである。
【図３】圧電アクチュエータの正転、反転時における各電圧パルスを示す図である。
【図４】Ａ相電圧パルス生成回路及びＢ相電圧パルス生成回路のフロート期間を同一にした場合の電圧パルス波形である。
【図５】Ｂ相電圧パルス生成回路のフロート期間を、Ａ相電圧パルス生成回路のフロート期間よりも短くした場合の電圧パルス波形である。
【図６】比較例として示す、Ａ相電圧パルス生成回路、Ｂ相電圧パルス生成回路ともフロート期間を設けていない場合の電圧パルス波形である。
【図７】本発明の実施形態による圧電アクチュエータ駆動回路により圧電アクチュエータのローターを回転させた場合における回転数と、圧電アクチュエータ駆動回路の消費電流の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態による圧電アクチュエータ駆動回路により圧電アクチュエータのローターを回転させた場合における電圧パルス波形の周波数と回転数の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
まず、図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態による圧電アクチュエータ装置を説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１実施形態による圧電アクチュエータ装置全体を示すブロック図である。図２は、圧電アクチュエータ駆動回路に内蔵されているＡ相電圧パルス生成回路の作用を説明する回路図及びタイミングチャートである。図３は、圧電アクチュエータの正転、反転時における各電圧パルスを示す図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ装置１は、圧電アクチュエータ２と、この圧電アクチュエータ２を駆動する圧電アクチュエータ駆動回路３と、を有する。本実施形態の圧電アクチュエータ装置１は、圧電アクチュエータ２に備えられている複数の分極部を圧電アクチュエータ駆動回路３により駆動することにより、ローター６が正転、又は反転されるように構成されている。
【００２６】
図１に示すように、圧電アクチュエータ２は、分極部４ａ、４ｂと、摩擦部材５と、ローター６と、を有する。また、圧電アクチュエータ駆動回路３は、Ａ相電圧パルス生成回路８と、Ｂ相電圧パルス生成回路１０と、マイクロコンピュータ３２と、Ｄ／Ａ変換器３４と、電圧制御発振器３６と、移相器３８と、を有する。
【００２７】
分極部４ａ、４ｂは単一の圧電特性部材内に形成されており、分極部４ａは、Ａ相電圧パルス生成回路８により電圧パルスを印可され、分極部４ｂは、Ｂ相電圧パルス生成回路１０により電圧パルスを印可されるように構成されている。本実施形態においては、分極部４ａ、４ｂは、直方体状に形成された単一の圧電特性部材４ｃと、その一方の面に取り付けられた接地電極４ｄと、この接地電極４ｄの反対側に取り付けられた４つの電極４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈから構成されている。
【００２８】
接地電極４ｄは、圧電特性部材４ｃの１つの面全体を覆うように圧電特性部材４ｃに取り付けられており、アース電位に接続されている。圧電特性部材４ｃの接地電極４ｄとは反対側の面には、４つの電極４ｅ、４ｆ、４ｇ、４ｈが並べて取り付けられている。図１において左上に配置された電極４ｅと、右下に配置された電極４ｈは電気的に接続されており、また、右上に配置された電極４ｆと、左下に配置された電極４ｇは電気的に接続されている。これにより、電極４ｆ、４ｇが配置された、図１における圧電特性部材４ｃの右上部分と左下部分は、分極部４ａとして機能し、電極４ｅ、４ｈが配置された左上部分と右下部分は、分極部４ｂとして機能する。なお、本明細書においては、本実施形態のように単一の圧電特性部材内に複数の分極部が形成された構成、及び複数の圧電特性部材に１つずつ分極部が形成された構成を「複数」の分極部と呼ぶことにする。
【００２９】
図１に示すように、分極部４ａはＡ相電圧パルス生成回路８から超音波帯域の交番電圧（電圧パルス）が印加されることにより変形され、超音波振動されるように構成されている。一方、分極部４ｂはＢ相電圧パルス生成回路１０から超音波帯域の交番電圧（電圧パルス）が印加されることにより変形され、超音波振動されるように構成されている。なお、本実施形態においては、圧電アクチュエータ２は、分極部４ａ、４ｂのみを備えているが、本発明の圧電アクチュエータ駆動回路は、多数組の分極部を備えた圧電アクチュエータに適用することもできる。
【００３０】
摩擦部材５はローター６に対して与圧された突起であり、圧電特性部材の振動と共に振動されるように構成されている。摩擦部材５が振動されると、これに押し付けられているローター６が所定の方向に回転するように構成されている。
【００３１】
マイクロコンピュータ３２は、Ａ相電圧パルス生成回路８及びＢ相電圧パルス生成回路１０から出力される電圧パルス波形の周波数を指示する周波数指示信号をＤ／Ａ変換器３４に出力するように構成されている。圧電アクチュエータ２のローター６の回転数は、この電圧パルス波形の周波数によって制御される。また、マイクロコンピュータ３２は、ローター６の正転、反転を指示する正反転指示信号を移相器３８に出力するように構成されている。この正反転指示信号により、移相器３８から出力される２つの駆動信号の位相関係が変更され、ローター６の回転方向が切り換えられる。さらに、マイクロコンピュータ３２は、Ａ相電圧パルス生成回路８及びＢ相電圧パルス生成回路１０から出力される電圧パルスに含まれるフロート期間の長さを指示するフロート期間指示信号を、Ａ相電圧パルス生成回路８及びＢ相電圧パルス生成回路１０に出力するように構成されている。電圧パルスのフロート期間については後述する。
【００３２】
Ｄ／Ａ変換器３４は、マイクロコンピュータ３２から入力されたデジタル信号を、アナログ信号に変換するように構成されている。上述したように、マイクロコンピュータ３２から入力されるデジタル信号は電圧パルス波形の周波数を指示するための周波数指示信号であり、Ｄ／Ａ変換器３４は指示された周波数に対応したアナログ信号を出力するように構成されている。
【００３３】
電圧制御発振器３６は、発振周波数が印加電圧によって変化する発振器であり、Ｄ／Ａ変換器３４から入力された電圧信号に対応した周波数の矩形波（電圧パルス波形）を、移相器３８に出力するように構成されている。
【００３４】
移相器３８は、電圧制御発振器３６から入力された電圧パルス波形に対して９０゜位相がずれた電圧パルス波形を生成するように構成されている。本実施形態においては、移相器３８は、電圧制御発振器３６から入力された電圧パルス波形を、そのまま駆動信号としてＢ相電圧パルス生成回路１０に出力すると共に、この波形に対して９０゜位相がずれた電圧パルス波形を駆動信号としてＡ相電圧パルス生成回路８に出力するように構成されている。また、本実施形態においては、移相器３８は、マイクロコンピュータ３２から入力された正反転指示信号により「正転」が指示された場合にはＡ相電圧パルス生成回路８に出力する電圧パルス波形の位相を９０゜進ませ、「反転」が指示された場合には電圧パルス波形の位相を９０゜遅らせるように構成されている。
なお、Ａ相とＢ相の電圧パルスの位相差は、±９０゜以外の位相差であっても良い。
【００３５】
Ａ相電圧パルス生成回路８は、スイッチング素子制御回路１２と、電圧源である高圧電源１４と、ハイ側スイッチング素子１６と、ロー側スイッチング素子１８と、コイル２０と、を有する。
【００３６】
スイッチング素子制御回路１２は、超音波帯域の駆動信号と、フロート期間指示信号に基づいて、ハイ側スイッチング素子１６、及びロー側スイッチング素子１８を導通状態又は非導通状態に切り換えるように構成されている。具体的には、スイッチング素子制御回路１２は、種々のロジックＩＣ等により構成することができる。
【００３７】
高圧電源１４は、正の高電圧を発生する電圧源であり、ハイ側スイッチング素子１６に接続されている。ハイ側スイッチング素子１６が導通状態に切り換えられると、駆動素子には、コイル２０を介して高電圧が印加されるように構成されている。
【００３８】
ハイ側スイッチング素子１６は、本実施形態においては、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）により構成されており、そのゲート端子がスイッチング素子制御回路１２に接続され、ドレイン端子が高圧電源１４に接続され、ソース端子がコイル２０に接続されている。
【００３９】
ロー側スイッチング素子１８は、本実施形態においては、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴにより構成されており、そのゲート端子がスイッチング素子制御回路１２に接続され、ドレイン端子がコイル２０に接続され、ソース端子が接地されている。
【００４０】
コイル２０は、その第１の端子である駆動端子２０ａを介して分極部４ａに接続され、第２の端子２０ｂが、前述のように、ハイ側スイッチング素子１６のソース端子、ロー側スイッチング素子１８のドレイン端子に接続されている。ここで、コイル２０と接続された分極部４ａは、ＬＣ共振回路として作用し、圧電アクチュエータ２の共振周波数近傍において駆動端子２０ａに適切な高電圧が発生するように、コイル２０のインダクタンス値は選択されている。
【００４１】
Ｂ相電圧パルス生成回路１０は、電圧源である高圧電源２２と、ハイ側スイッチング素子２４と、ロー側スイッチング素子２６と、コイル２８と、スイッチング素子制御回路３０と、を有する。なお、Ｂ相電圧パルス生成回路１０は、上述したＡ相電圧パルス生成回路８と同一であるため、説明を省略する。また、図１においては、高圧電源１４と高圧電源２２は別々に図示されているが、これらは、同一の高圧電源から構成することもできる。
【００４２】
次に、図２を参照して、圧電アクチュエータ駆動回路３に内蔵されているＡ相電圧パルス生成回路８の作用を説明する。図２（ａ）はＡ相電圧パルス生成回路８を示し、（ｂ）はＡ相電圧パルス生成回路８の作用を示すタイミングチャートである。図２（ｂ）のタイミングチャートは、上段から順に、駆動信号、ハイ側スイッチング素子１６の状態、ロー側スイッチング素子１８の状態、コイル２０の第２の端子２０ｂの電圧を示している。
【００４３】
まず、スイッチング素子制御回路１２には、図２（ｂ）上段に示す矩形波状の駆動信号が入力される。駆動信号は、圧電アクチュエータ２の共振周波数近傍の周波数になるよう選択されており、駆動端子２０ａに適切な高電圧が発生するようになっている。
図２（ｂ）に示すように、スイッチング素子制御回路１２は、駆動信号がＬレベルにある場合には、ハイ側スイッチング素子１６を非導通状態（オフ）、ロー側スイッチング素子１８を導通状態（オン）にする。具体的には、スイッチング素子制御回路１２は、ハイ側スイッチング素子１６及びロー側スイッチング素子１８の各ゲート端子に信号を送り、これらのＦＥＴのオン、オフを切り換える。ハイ側スイッチング素子１６がオフ、ロー側スイッチング素子１８がオンにされると、コイル２０の第２の端子２０ｂは、ロー側スイッチング素子１８を介して接地されるので、０Ｖとなる。
【００４４】
次に、駆動信号がＬレベルからＨレベルに立ち上がると、ロー側スイッチング素子１８は直ちにオフに切り換えられ、ハイ側スイッチング素子１６は、マイクロコンピュータ３２からのフロート期間指示信号に対応したフロート期間Ｔ１が経過した後、オンに切り換えられる。ロー側スイッチング素子１８がオフ、ハイ側スイッチング素子１６がオンに切り換えられると、コイル２０の第２の端子２０ｂは、ハイ側スイッチング素子１６を介して高圧電源１４に接続され、第２の端子２０ｂの端子電圧は、高圧電源１４の電圧に立ち上がる。
【００４５】
ここで、ロー側スイッチング素子１８がオフにされた後、ハイ側スイッチング素子１６がオンにされるまでのフロート期間Ｔ１の間は、ロー側スイッチング素子１８、ハイ側スイッチング素子１６共にオフであり、このフロート期間Ｔ１（図２（ｂ）の斜線部分）の間は、コイル２０の第２の端子２０ｂは、電気的に高圧電源１４及びアース電位から切り離され、フロートされた状態となり、第２の端子２０ｂの電圧は、ＦＥＴの寄生ダイオードの効果でアース電位から高圧電源の電圧の範囲内で、駆動端子２０ａの電位とコイル２の電流方向と電流値に依存した値となる。
【００４６】
続いて、駆動信号がＨレベルからＬレベルに立ち下がると、ハイ側スイッチング素子１６は直ちにオフに切り換えられ、ロー側スイッチング素子１８は、所定のフロート期間Ｔ１が経過した後、オンに切り換えられる。ハイ側スイッチング素子１６がオフ、ロー側スイッチング素子１８がオンにされると、コイル２０の第２の端子２０ｂは、ロー側スイッチング素子１８を介して接地されるので、再び０Ｖとなる。
【００４７】
また、ハイ側スイッチング素子１６がオフに切り換えられた後、ロー側スイッチング素子１８がオンに切り換えられるまでのフロート期間Ｔ１も、コイル２０の第２の端子２０ｂが電気的に高圧電源１４及びアース電位から切り離され、フロートされた状態となる。このフロート期間Ｔ１もフロート期間指示信号に応じた長さに設定される。
【００４８】
以上の作用を繰り返すことにより、ハイ側スイッチング素子１６のみを導通状態として第２の端子２０ｂに電圧を印可する電圧印加期間、ハイ側スイッチング素子１６及びロー側スイッチング素子１８を何れも非導通状態として、第２の端子２０ｂの電位をフロート電位にするフロート期間、及びロー側スイッチング素子１８のみを導通状態として第２の端子２０ｂをアース電位にする接地期間が周期的に切り換えられ、電圧パルスが分極部４ａに印加される。即ち、電圧印加期間においては、分極部４ａにはコイル２０を介して高圧電源１４が接続され、接地期間においては、分極部４ａはコイル２０を介してアース電位に接続され、フロート期間においては、分極部４ａは高圧電源１４及びアース電位から切り離され、フロート電位となる。電圧パルスがコイル２０のインダクタンス及び分極部４ａの容量成分と共振することにより、分極部４ａにパルス状の高電圧が印加され、圧電特性部材４ｃが振動的に変形される。
【００４９】
圧電アクチュエータ駆動回路３に内蔵されているＢ相電圧パルス生成回路１０の構成及び作用は、Ａ相電圧パルス生成回路８と同一であるので、説明を省略する。なお、本実施形態においては、Ｂ相電圧パルス生成回路１０には、Ａ相電圧パルス生成回路８の駆動信号とは９０゜位相がずれた矩形波が、駆動信号として入力されるので、Ｂ相電圧パルス生成回路１０が発生する電圧パルスは、Ａ相電圧パルス生成回路８により発生される電圧パルスとは９０゜位相がずれたものとなる。また、電圧パルス波形に含まれるフロート期間は、マイクロコンピュータ３２から入力されるフロート期間指示信号によって、Ａ相電圧パルス生成回路８及びＢ相電圧パルス生成回路１０に対して独立して設定される。従って、２つの電圧パルス生成回路から夫々出力される電圧パルス波形に含まれるフロート期間は、夫々任意の長さに設定される。
【００５０】
次に、図３を参照して、Ａ相電圧パルス生成回路８及びＢ相電圧パルス生成回路１０によって出力される電圧パルス波形の一例を説明する。図３（ａ）は圧電アクチュエータ２のローター６を正転させる場合の電圧パルス波形の一例であり、図３（ｂ）はローター６を反転させる場合の電圧パルス波形の一例を示す。なお、Ａ相電圧パルス生成回路８から出力される電圧パルス波形は、コイル２０の第２の端子２０ｂにおける電圧を示し、Ｂ相電圧パルス生成回路１０から出力される電圧パルス波形は、コイル２８の第２の端子２８ｂにおける電圧を示している。
【００５１】
図３（ａ）に示すように、本実施形態においては、ローター６を正転させる場合には、Ａ相電圧パルス生成回路８から出力される電圧パルス波形が、Ｂ相電圧パルス生成回路１０から出力される電圧パルス波形に対して、９０゜位相が進んでいる。また、図３（ａ）に示す例では、Ａ相のフロート期間が、Ｂ相のフロート期間よりも長く設定されている。
【００５２】
一方、図３（ｂ）に示すように、ローター６を反転させる場合には、Ａ相電圧パルス生成回路８から出力される電圧パルス波形が、Ｂ相電圧パルス生成回路１０から出力される電圧パルス波形に対して、９０゜位相が遅れている。また、図３（ｂ）に示す例では、図３（ａ）に示す正転の場合とは反対に、Ａ相のフロート期間が、Ｂ相のフロート期間よりも短く設定されている。
【００５３】
電圧パルス波形に含まれるフロート期間は、電圧パルスの立ち上がり時、立ち下がり時とも、電圧パルス波形の１周期の５〜２５％、好ましくは１０〜２０％に設定する。或いは、電圧パルス波形に含まれるフロート期間は、電圧パルスの立ち上がり時、立ち下がり時とも、０．７〜４μｓｅｃ、好ましくは、１．５〜３μｓｅｃに設定する。
【００５４】
次に、図４乃至図８を参照して、本発明の実施形態による圧電アクチュエータ装置１の作用を説明する。
図４は、Ａ相電圧パルス生成回路８及びＢ相電圧パルス生成回路１０のフロート期間を同一にした場合の電圧パルス波形であり、上段から順に、コイル２０の第２の端子２０ｂにおける電圧、駆動端子２０ａにおける電圧、コイル２８の第２の端子２８ｂにおける電圧、駆動端子２８ａにおける電圧を示している。本明細書においては、このような電圧パルス波形を対称フロート期間波形と呼ぶ。
【００５５】
図５は、Ｂ相電圧パルス生成回路１０のフロート期間を、Ａ相電圧パルス生成回路８のフロート期間よりも短くした場合の電圧パルス波形であり、図４と同様に、上段から端子２０ｂ、２０ａ、２８ｂ、２８ａにおける電圧を示している。本明細書においては、このような電圧パルス波形を非対称フロート期間波形と呼ぶ。
【００５６】
図６は、比較例として、Ａ相電圧パルス生成回路８、Ｂ相電圧パルス生成回路１０ともフロート期間を設けていない場合の電圧パルス波形であり、図４と同様に、上段から端子２０ｂ、２０ａ、２８ｂ、２８ａにおける電圧を示している。本明細書においては、このような電圧パルス波形を従来の電圧パルス波形と呼ぶ。
【００５７】
なお、一般に、電圧源とアース電位の間に２つのスイッチング素子を直列に接続し、これらのスイッチング素子を切り換えて電圧パルス波形を生成する回路においては、デットタイムが設けられている。このデットタイムは、電圧源とアース電位の間に接続された各スイッチング素子が同時にオンになり、電圧源とアース電位が短絡するのを防止するために、２つのスイッチング素子が同時にオフになる期間を設けるものである。即ち、ハイ側のスイッチング素子のみがオンの状態から、ロー側のスイッチング素子のみがオンの状態に切り換える場合には、先にハイ側のスイッチング素子をオフにして、両方のスイッチング素子がオフにされた後、ロー側のスイッチング素子をオンに切り換える。このような、両方のスイッチング素子がオフになるデットタイムは、回路を正常に動作させるために止むを得ず設けられるものであり、正確な電圧パルス波形を出力するためには０であることが理想とされている。このため、実用化されている回路では、デットタイムは必要最小限の長さに設定されており、通常、３００ｎｓｅｃ程度のきわめて短い期間に設定されている。
【００５８】
図６に示す例においても、デットタイムは約３００ｎｓｅｃに設定されている。一方、本発明の実施形態におけるフロート期間は、ハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子が同時にオフにされるという点でデットタイムと同様である。しかしながら、フロート期間は、圧電アクチュエータ２の制御特性を改善するために積極的に設けられたものであると共に、その期間も、通常のデットタイムの数倍以上に設定されるものであるため、本明細書においては、これをフロート期間と呼んで区別している。
【００５９】
まず、図４に示すように、コイル２０の第２の端子２０ｂにおける電圧パルス波形は、ロー側スイッチング素子１８のみがオンにされている接地期間Ｔ３ａにおいてはアース電位にされ、一方、ハイ側スイッチング素子１６のみがオンにされている電圧印加期間Ｔ２ａにおいては、高圧電源１４の電圧と等しくなっている。これに対して、接地期間Ｔ３ａと電圧印加期間Ｔ２ａの間に位置するフロート期間Ｔ１ａにおいては第２の端子２０ｂがフロートされた状態にあるため、第２の端子２０ｂは、ＦＥＴの寄生ダイオードの効果でアース電位から高圧電源の電圧の範囲内で、コイル２０の駆動端子２０ａの電位と、コイル２０の電流方向と、電流値に依存した電位をとり、振動的に変化している。
【００６０】
一方、コイル２０の駆動端子２０ａの電圧波形は、概ね、電圧印加期間Ｔ２ａの間においては電圧が高く、接地期間Ｔ３ａにおいては電圧が低い傾向を持った波形となるが、コイル２０及び分極部４ａの共振等により、複雑な波形になっている。これは、第２の端子２８ｂの電位がＦＥＴの寄生ダイオードの効果でアース電位から高圧電源の電圧の範囲内で、コイル２８の駆動端子２８ａの電位と、コイル２８の電流方向と、電流値に依存した電位をとるためである。
【００６１】
さらに、コイル２８の第２の端子２８ｂにおける電圧パルス波形も、第２の端子２０ｂの電圧波形と同一の傾向を持つが、設定されているフロート期間Ｔ１ｂの長さがフロート期間Ｔ１ａと同一であるにも関わらず、フロート期間Ｔ１ｂ中における波形が第２の端子２０ｂとは異なっている。これは、第２の端子２８ｂの電位が、コイル２８の駆動端子２８ａの電位に依存した電位をとるためである。また、コイル２８の駆動端子２８ａの電圧波形も駆動端子２０ａの電圧波形と同様の傾向を持つが、駆動端子２０ａの電圧波形とは異なっている。
【００６２】
なお、図４に示す対称フロート期間波形において、フロート期間Ｔ１ａ、Ｔ１ｂは、１．５２μｓｅｃ、電圧印加期間Ｔ２ａ、Ｔ２ｂ及び接地期間Ｔ３ａ、Ｔ３ｂは、５．７６μｓｅｃである。
【００６３】
次に、図５に示す電圧パルス波形では、Ｂ相電圧パルス生成回路１０によるフロート期間Ｔ１ｂが、Ａ相電圧パルス生成回路８によるフロート期間Ｔ１ａよりも短くされている。また、駆動端子２０ａの波形及び駆動端子２８ａの波形は、より滑らかになり、正弦波に近づいている。
なお、図５に示す非対称フロート期間波形において、フロート期間Ｔ１ａは、２．９２μｓｅｃ、電圧印加期間Ｔ２ａは、及び接地期間Ｔ３ａは、４．３６μｓｅｃであり、フロート期間Ｔ１ｂは、１．２４μｓｅｃ、電圧印加期間Ｔ２ｂ及び接地期間３ｂは、６．０４μｓｅｃである。
【００６４】
次に、比較例として図６に示す従来の電圧パルス波形では、第２の端子２０ｂ、２８ｂの電圧パルス波形は、電圧印加期間Ｔ２と接地期間Ｔ３が交互に現れる正確な矩形波になっている。なお、図６に示す電圧パルス波形においても、ハイ側及びロー側のスイッチング素子が同時にオフにされるデットタイムが設けられているが、フロート期間に比べてきわめて短いため、その影響が電圧パルス波形には表れていない。
【００６５】
一方、図６において、駆動端子２０ａの波形及び駆動端子２８ａの波形は、図４、図５に示した電圧波形に比べ、乱れの大きいものとなっている。特に、第２の端子２０ｂ、２８ｂの電位がアース電位から高電圧源の電位に立ち上がる瞬間には、単調増加していた駆動端子の電位が一旦減少した後、再び増加している。これは、フロート期間を設けていない比較例においては、第２の端子２０ｂ、２８ｂの電位が、常にアース電位又は高電圧源の電位に拘束されているため、駆動端子２０ａ、２８ａの電位がその影響を受けて乱れているものと考えられる。
【００６６】
これに対して、図４及び図５に示す例では、アース電位と高電圧源の電位の切り換えの間には、所定の長さを持ったフロート期間が設けられているため、第２の端子２０ｂ、２８ｂは、アース電位から高圧電源の電圧の範囲内で自由な電位をとることができる。このため、各コイルの駆動端子の電位が、第２の端子の電位の影響を受けて乱されることにより複雑な波形になることがないと考えられる。
【００６７】
次に、図７及び図８を参照して、本発明の実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路３による圧電アクチュエータ２の制御結果を説明する。
図７は、本実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路３により超音波モータである圧電アクチュエータ２のローター６を回転させた場合における回転数と、圧電アクチュエータ駆動回路３の消費電流の関係を示すグラフである。図７のグラフにおいて、図４に示した対称フロート期間波形により圧電アクチュエータ２を駆動した結果を太い実線で示し、図５に示した非対称フロート期間波形による結果を破線で示し、比較例として、図６に示した従来の電圧パルス波形による結果を細い実線で示す。
【００６８】
図７から明らかなように、本実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路３において、対称フロート期間波形及び非対称フロート期間波形により圧電アクチュエータ２を駆動した場合には、回転数が増加するに従ってほぼ単調に消費電流も増加していることがわかる。これに対して、図６に示す従来の電圧パルス波形による駆動では、全般的に、本実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路３よりも消費電流が多く、圧電アクチュエータ２の駆動効率が悪いことがわかる。また、従来の電圧パルス波形による駆動では、低回転数において、駆動電流が非常に大きくなる領域があることがわかる。これは、図６に示したように、従来の電圧パルス波形においては、駆動端子に表れる電圧波形のあばれが大きく、特定の周波数帯域において、著しく効率を低下させているものと考えられる。
【００６９】
さらに、太い実線で示す対称フロート期間波形と、破線で示す非対称フロート期間波形による消費電流を比較すると、両者の消費電流は同程度であるが、高回転数領域において、破線で示す非対称フロート期間波形の方が僅かに消費電流が多くなっている。即ち、所定の高回転数領域においては、Ａ相の電圧パルス波形と、Ｂ相の電圧パルス波形に含まれるフロート期間が同一である対称フロート期間波形の方が、駆動効率が良いことがわかる。
【００７０】
図８は、本実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路３により圧電アクチュエータ２のローター６を回転させた場合における電圧パルス波形の周波数と回転数の関係を示すグラフである。図８のグラフにおいて、図４に示した対称フロート期間波形により圧電アクチュエータ２を駆動した結果を太い実線で示し、図５に示した非対称フロート期間波形による結果を破線で示し、比較例として、図６に示した従来の電圧パルス波形による結果を細い実線で示す。
【００７１】
図８に示すように、圧電アクチュエータ２は、電圧パルス波形の周波数が低下するほど回転数が高くなる傾向をもつ。従って、圧電アクチュエータ２が停止した状態から起動する場合には、電圧パルス波形の周波数を高周波から次第に低下させていく。図８から明らかなように、電圧パルス波形の周波数が最も高い値からローター６が回転し始めるのは、破線で示した、Ａ相の電圧パルス波形と、Ｂ相の電圧パルス波形に含まれるフロート期間が異なる非対称フロート期間波形である。破線のグラフは、ローター６が回転し始めた後、低速域での電圧パルス波形の周波数の低下と共にほぼ単調に回転数が上昇しているので、ローター６の回転数の制御も容易に実行することができ、特に停止位置制御を行う際に有利である。
【００７２】
次に高い周波数からローター６が回転し始めるのは、細い実線で示した従来の電圧パルス波形である。しかしながら、細い実線のグラフは、周波数が低下する途中で回転数がほぼ０まで低下する領域がある。即ち、従来の電圧パルス波形では、或る周波数で圧電アクチュエータ２を駆動しようとするとローター６が停止してしまう場合があり、ローター６の回転数を自由に制御することは困難である。
【００７３】
また、図８に太い実線で示した対称フロート期間波形は、最も低い周波数までローター６が回転し始めず、また回転し始めた時の回転数が他の波形に比べて高いため、低速域での制御性は非対称フロート期間波形よりも劣るが、回転し始めた後は周波数の低下と共に単調に回転数が増加し、良好な制御性を示している。
【００７４】
図７に示したように、圧電アクチュエータ２の駆動効率については図４に示した対称フロート期間波形を使用した制御が最も優れている。また、図８に示したように、圧電アクチュエータ２の起動性については図５に示した非対称フロート期間波形を使用した制御が最も優れている。従って、対称フロート期間波形を使用した第１制御モードと、非対称フロート期間波形を使用した第２制御モードを切り換えて実行することにより、さらに優れた圧電アクチュエータ駆動回路３を構成することができる。
【００７５】
特に、図５に示した非対称フロート期間波形を使用した第２制御モードにより圧電アクチュエータ２を起動し、電圧パルス波形を所定の周波数まで低下させて回転数を上昇させた後、図４に示した対称フロート期間波形を使用した第１制御モードに切り換えて制御することにより、良好な制御性と、高い駆動効率を実現することができる。
【００７６】
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置１によれば、電圧印加期間Ｔ２と接地期間Ｔ３の間にフロート期間Ｔ１が設けられている（図４、図５）ので、分極部４ａ、４ｂに印加される電圧の変化が滑らかになり、圧電アクチュエータ２を効率良く、又は、円滑に駆動することができる。
【００７７】
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置１によれば、圧電アクチュエータ２の分極部４ａ、分極部４ｂに夫々位相が異なる電圧パルスが印加されるので、単一の分極部のみに電圧パルスを印加する場合に比べ、圧電アクチュエータ２を効率良く、又は、円滑に駆動することができる。
【００７８】
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置１によれば、分極部４ａ、分極部４ｂに、フロート期間の長さが互いに異なる電圧パルスを印加することができるので、駆動対象の圧電アクチュエータ２に合わせて適切な駆動を行うことができる。
【００７９】
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置１によれば、対称フロート期間波形を使用した第１制御モードと、非対称フロート期間波形を使用した第２制御モードを切り換えて実行することができるので、第１制御モードが有利な駆動状況と、第２制御モードが有利な駆動状況に応じて制御を切り換えることにより、より効率良く、円滑に圧電アクチュエータを駆動することができる。
【００８０】
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置１によれば、起動性の良い第２制御モードにより超音波モータを起動した後、駆動効率の良い第１制御モードに切り換えることにより、起動性及び効率を向上させることができる。
【００８１】
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置１によれば、通常の駆動回路による電圧パルスに含まれているデットタイムよりも非常に長い、電圧パルス１周期のうちの約１０％を占めるフロート期間を設けることにより圧電アクチュエータ駆動回路の駆動効率を十分に向上させることができる。
【００８２】
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置１によれば、ハイ側スイッチング素子１６、２４及びロー側スイッチング素子１８、２６は、コイル２０、２８を介して分極部４ａ、４ｂに接続されているので、コイル２０、２８による共振現象を利用して、電圧源１４、２２の電圧よりも高い電圧を分極部４ａ、４ｂに印可することができる。このように、スイッチング素子と分極部の間にコイルが接続されている形式の圧電アクチュエータ駆動回路においては、コイルの介在により駆動回路の出力インピーダンスが高くなる傾向があるが、本実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路によれば、電圧パルス波形にフロート期間を設けることにより、コイルによる起電力等の悪影響を抑制して、或いはコイルによる起電力を利用して、効率良く圧電アクチュエータを駆動することができる。
【００８３】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、圧電アクチュエータ駆動回路は、ローターを駆動する圧電アクチュエータの駆動に使用されていたが、本発明の圧電アクチュエータ駆動回路は、リニア型のアクチュエータ等、任意の圧電アクチュエータの駆動に適用することができる。
【００８４】
また、上述した実施形態においては、圧電アクチュエータ駆動回路は、正転及び反転駆動が可能に構成されていたが、本発明を、一方向の駆動のみ可能な圧電アクチュエータ駆動回路に適用することもできる。
【００８５】
さらに、上述した実施形態においては、圧電アクチュエータ駆動回路は、２つの分極部に位相の異なる電圧パルス波形を印加していたが、本発明を、単一の分極部のみに電圧パルス波形を印加する圧電アクチュエータ駆動回路に適用しても良い。
【００８６】
また、上述した実施形態においては、スイッチング素子と分極部の間にコイルが接続されていたが、本発明を、コイルを設けない形式の圧電アクチュエータ駆動回路に適用することもできる。
【００８７】
さらに、上述した実施形態においては、正の高圧電源を使用して駆動素子を駆動していたが、高圧電源として、負の高圧電源を使用することもできる。また、上述した実施形態においては、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子として使用していたが、高圧電源の極性等を考慮して、Ｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子として使用することもできる。
【００８８】
また、上述した実施形態においては、単一の圧電特性部材内に複数の分極部を形成した圧電アクチュエータを制御しているが、分極部を多層に分割し、接地電極、駆動電極を交互に積層したタイプの圧電アクチュエータ等、種々のアクチュエータに本発明を適用することができる。
【００８９】
さらに、上述した実施形態においては、対称フロート期間波形、及び非対称フロート期間波形は、常に一定のフロート期間を有していたが、変形例として、圧電アクチュエータの駆動中にフロート期間を変化させることもできる。例えば、対称フロート期間波形において、Ａ相及びＢ相のフロート期間を同一に維持しながら、駆動中にフロート期間を延長、又は短縮するように制御することもできる。
また、駆動中にフロート期間を変化させる第３制御モードと、上述した、対称フロート期間波形を使用した第１制御モード、及び非対称フロート期間波形を使用した第２制御モードを、適宜切り換えて実行することもできる。
【符号の説明】
【００９０】
１  圧電アクチュエータ装置
２  圧電アクチュエータ
３  圧電アクチュエータ駆動回路
４ａ、４ｂ  分極部
５  摩擦部材
６  ローター
８  Ａ相電圧パルス生成回路８
１０  Ｂ相電圧パルス生成回路１０
１２  スイッチング素子制御回路
１４  高圧電源（電圧源）
１６  ハイ側スイッチング素子
１８  ロー側スイッチング素子
２０  コイル
２０ａ  駆動端子
２０ｂ  第２の端子（第１の端子）
２２  高圧電源（電圧源）
２４  ハイ側スイッチング素子
２６  ロー側スイッチング素子
２８  コイル
２８ａ  駆動端子（第１の端子）
２８ｂ  第２の端子
３０  スイッチング素子制御回路
３２  マイクロコンピュータ
３４  Ｄ／Ａ変換器
３６  電圧制御発振器
３８  移相器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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