(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動パルス発生手段から入力され電流により制御される駆動信号によって伸縮する電気機械変換素子と、上記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固着結合された第１の物体と、上記電気機械変換素子の伸縮方向他端に固着結合された駆動摩擦部材と、上記駆動摩擦部材に摩擦結合する第２の物体とを備え、上記第１および第２の物体のいずれか一方を固定し、上記駆動パルス発生手段により上記電気機械変換素子を伸縮させて、上記第１および第２物体の固定していない他方を所定方向に駆動する駆動装置において、
上記駆動パルス発生手段は、上記電気機械変換素子を定電流で駆動し、
正常状態における上記駆動信号の電圧が定電流駆動開始から所定のしきい値を超えるまでの上昇時間を上記駆動信号による上記電気機械変換素子の充電の状況の基準特徴信号として出力する特徴出力手段と、
上記駆動信号が入力され、該駆動信号の電圧が定電流駆動開始から所定のしきい値を超えるまでの上昇時間の情報を検出し、上記駆動信号による上記電気機械変換素子の充電の状況の検出特徴信号として出力する検出手段と、
上記基準特徴信号および上記検出特徴信号が入力され、上記検出特徴信号を上記基準特徴信号と比較し、上記上昇時間の相違が所定範囲を越えるときに制御信号を出力する比較手段と、を備えたことを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
駆動パルス発生手段から入力され電流により制御される駆動信号によって伸縮する電気機械変換素子と、上記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固着結合された第１の物体と、上記電気機械変換素子の伸縮方向他端に固着結合された駆動摩擦部材と、上記駆動摩擦部材に摩擦結合する第２の物体とを備え、上記第１および第２の物体のいずれか一方を固定し、上記駆動パルス発生手段により上記電気機械変換素子を伸縮させて、上記第１および第２物体の固定していない他方を所定方向に駆動する駆動装置において、
上記駆動パルス発生手段は、上記電気機械変換素子を定電流で駆動し、
正常状態における上記駆動信号の電圧波形の形状を上記駆動信号による上記電気機械変換素子の充電の状況の基準特徴信号として出力する特徴出力手段と、
上記駆動信号が入力され、該駆動信号の上記駆動信号の電圧波形の形状を検出し、上記駆動信号による上記電気機械変換素子の充電の状況の検出特徴信号として出力する検出手段と、
上記基準特徴信号および上記検出特徴信号が入力され、上記検出特徴信号を上記基準特徴信号と比較し、上記駆動信号の電圧波形の形状の相違が所定範囲を越えるときに制御信号を出力する比較手段と、を備えたことを特徴とする駆動装置。
【請求項３】
駆動パルス発生手段から入力され電流により制御される駆動信号によって伸縮する電気機械変換素子と、上記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固着結合された第１の物体と、上記電気機械変換素子の伸縮方向他端に固着結合された駆動摩擦部材と、上記駆動摩擦部材に摩擦結合する第２の物体とを備え、上記第１および第２の物体のいずれか一方を固定し、上記駆動パルス発生手段により上記電気機械変換素子を伸縮させて、上記第１および第２物体の固定していない他方を所定方向に駆動する駆動装置において、
上記駆動パルス発生手段は、上記電気機械変換素子を定電流で駆動し、
正常状態における上記駆動信号の電圧波形の周波数分析による各周波数帯域のゲインを上記駆動信号による上記電気機械変換素子の充電の状況の基準特徴信号として出力する特徴出力手段と、
上記駆動信号が入力され、該駆動信号の電圧波形の周波数分析による各周波数帯域のゲインを検出し、上記駆動信号による上記電気機械変換素子の充電の状況の検出特徴信号として出力する検出手段と、
上記基準特徴信号および上記検出特徴信号が入力され、上記検出特徴信号を上記基準特徴信号と比較し、上記電圧波形の周波数分析による各周波数帯域のゲインの相違が所定範囲を越えるときに制御信号を出力する比較手段と、を備えたことを特徴とする駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置に関し、詳しくは、圧電素子、電歪素子、磁歪素子等の電気機械変換素子を用いた駆動装置に関し、例えば、ＸＹ駆動テーブル、カメラの撮影レンズ、オーバーヘッドプロジェクターの投影レンズ、双眼鏡のレンズ、顕微鏡の移動ステージ、走査型トンネル電子顕微鏡のプローブなどの精密駆動に特に好適な駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電素子等の電気機械変換素子を用いた種々のタイプの駆動装置が提案されている。たとえば、図１に示した駆動装置１は、圧電リニアアクチュエータ２に駆動回路４が接続されてなり、駆動回路４の所定の出力によって圧電リニアアクチュエータ２が動作するようになっている。
【０００３】
ところで、駆動回路４は、圧電リニアアクチュエータ２の状態に拘わらず動作するため、圧電リニアアクチュエータ２に異常があった場合、圧電リニアアクチュエータ２に対して異常な出力を与える。しかし、駆動装置１は、圧電リニアアクチュエータ２の状態を把握できず、圧電リニアアクチュエータ２の異常を外部に出力できなかったため、不正常な駆動が続けられる。不正常な駆動が続けられると、場合によっては駆動装置の破壊につながるおそれもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明が解決すべき技術的課題は、電気機械変換素子の駆動時における異常を検出して外部に出力するようにして不正常な駆動が続けられることを防止することができる駆動装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明は、以下の駆動装置を提供する。
【０００６】
駆動装置は、駆動パルス発生手段から入力され電流により制御される駆動信号によって伸縮する電気機械変換素子と、上記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固着結合された第１の物体と、上記電気機械変換素子の伸縮方向他端に固着結合された駆動摩擦部材と、上記駆動摩擦部材に摩擦結合する第２の物体とを備え、上記第１および第２の物体のいずれか一方を固定し、上記駆動パルス発生手段により上記電気機械変換素子を伸縮させて、上記第１および第２物体の固定していない他方を所定方向に駆動するタイプのものである。駆動装置は、特徴出力手段と、検出手段と、比較手段とを備える。駆動パルス発生手段は、上記電気機械変換素子を定電流で駆動する。上記特徴出力手段は、正常状態における上記駆動信号の電圧が定電流駆動開始から所定のしきい値を超えるまでの上昇時間を上記駆動信号による上記電気機械変換素子の充電の状況の基準特徴信号として出力する。上記検出手段は、上記駆動信号が入力され、該駆動信号の電圧が定電流駆動開始から所定のしきい値を超えるまでの上昇時間の情報を検出し、上記駆動信号による上記電気機械変換素子の充電の状況の検出特徴信号として出力する。上記比較手段は、上記基準特徴信号および上記検出特徴信号が入力され、上記検出特徴信号を上記基準特徴信号と比較し、上記上昇時間の相違が所定範囲を越えるときに制御信号を出力する。
【０００７】
上記構成において、互いに摩擦結合する第２の物体と駆動摩擦部材との間で滑りが生じ、電気機械変換素子が伸びるときと縮むときで、第２の物体と駆動摩擦部材との間の相対移動量が異なるように、駆動パルス発生手段は電気機械変換素子を伸縮させる。電気機械変換素子が伸びるときと縮むときの両方で、第２の物体と駆動摩擦部材との間で大きさの異なる滑りが生じるようにしても、あるいは、いずれか一方のみで滑りが生じるようにしてもよい。第１の物体を固定する場合には、第２の物体が所定方向に駆動される。第２の物体を固定する場合には、第１の物体が所定方向に駆動される。
【０００８】
上記構成によれば、電気機械変換素子に異常がある場合、駆動信号は正常な状態のときとは異なるパターンとなるので、駆動信号の適宜ファクターに関する特徴は正常状態のときとは異なるものとなる。つまり、適宜にファクターを選択したときには、実際に電気機械変換素子に与えられた駆動信号の検出特徴信号は、正常状態における駆動信号の基準特徴信号との差が所定範囲を越えることとなる。これによって、異常を検出できる。
【０００９】
したがって、電気機械変換素子の駆動時における異常を検出して外部に出力することができる。
【００１０】
駆動信号の特徴は、以下のように種々のファクターで把握することが可能である。
【００１１】
好ましくは、上記駆動パルス発生手段は、上記電気機械変換素子を定電流で駆動する。上記ファクターに関する特徴は、上記駆動信号の電圧が定電流駆動開始から所定のしきい値を超えるまでの上昇時間である。
【００１２】
上記構成において、電気機械変換素子が正常状態であれば、駆動信号の電圧は、徐々に上昇し、所定時間経過後にしきい値を越える。しかし、たとえば、電気機械変換素子が開放状態であれば、定電流駆動開始から瞬間的に最高電圧まで上昇し、上昇時間は略０となり、正常状態の上昇時間よりも著しく小さくなる。また、電気機械変換素子が短絡状態であれば、定電流で駆動しても電圧は上昇しないので、上昇時間は無限大となり、正常状態の上昇時間よりも著しく大きくなる。したがって、上昇時間と所定時間との差が所定範囲を越えれば、異常であると判定できる。
【００１３】
好ましくは、上記駆動パルス発生手段は、上記電気機械変換素子を定電流で駆動する。上記ファクターに関する特徴は、上記駆動信号の電圧波形の形状である。
【００１４】
上記構成によれば、駆動信号の波形は、たとえば、電気機械変換素子の電線等が破損して絶縁された状態の場合や、電気機械変換素子が絶縁破壊等を起こして短絡状態である場合などには、電気機械変換素子が正常なときの駆動信号の波形と明らかに異なるので、異常であると判定できる。
【００１５】
好ましくは、上記駆動パルス発生手段は、上記電気機械変換素子を定電流で駆動する。上記ファクターに関する特徴は、上記駆動信号の電圧波形の周波数分析による各周波数帯域のゲインである。
【００１６】
上記構成によれば、電気機械変換素子の取付が不安定となり、駆動信号の電圧波形の形状は正常なときの波形形状と大略一致するが、高周波の成分が含まれるような場合でも、その高周波帯域のゲインが正常なときと異なるので、異常を検出することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る駆動装置の各実施形態について、図２〜図７を参照しながら説明する。
【００１８】
まず、各実施形態の駆動装置１０の基本構成について、図２および図３を参照しながら説明する。
【００１９】
駆動装置１０は、図２のブロック図に示すように、圧電リニアアクチュエータ１２と、圧電リニアアクチュエータ１２に接続された駆動回路１４と、圧電リニアアクチュエータ１２および駆動回路１４に接続された検出回路１５と、検出回路１５に接続された比較回路１６と、比較回路１６に接続された特徴出力回路１８とを備える。
【００２０】
圧電リニアアクチュエータ１２は、圧電素子、電歪素子等の電気機械変換素子の電界印加による誘起ひずみを利用して駆動する公知のリニアアクチュエータであり、駆動回路１４が出力した駆動信号によって動作する。
【００２１】
駆動回路１４は、たとえば、不図示の急速放電回路と定電流で充電する緩速充電回路とを備え、両回路が交互に動作して、図３に示すように、定電流による緩やかな充電と急激な放電とを繰り返し、鋸歯状の駆動信号を出力する。圧電リニアアクチュエータ１２は、この駆動信号によって所定方向に動作する。
【００２２】
特徴出力回路１８は、圧電リニアアクチュエータ１２が正常状態のときの駆動信号の電圧波形から所定のファクターに関する特徴を抽出して基準特徴信号を出力する。
【００２３】
検出回路１５には、駆動回路１４から圧電リニアアクチュエータ１２に入力される駆動信号が入力されるようになっている。検出回路１５は、駆動信号の電圧波形から、特徴出力回路１８と同じファクターに関する特徴を抽出し、検出特徴信号を出力する。
【００２４】
比較回路１６には、検出回路１５からの検出特徴信号と、特徴出力回路１８からの基準特徴信号とが入力される。比較回路１６は、両特徴信号を比較し、両特徴信号の差が許容範囲内であるか否かを判定し、許容範囲を越えるときには、制御信号を出力する。この制御信号により、適当な外部機器、たとえば警報装置を作動させ、駆動装置１０が異常状態であることを外部に出力する。
【００２５】
つまり、この駆動装置１０は、実際に圧電リニアアクチュエータ１２に与えられた駆動信号の特徴を、圧電リニアアクチュエータ１２が正常に動作しているときの駆動信号の特徴と比較し、特徴の差が許容範囲内であるが否かにより、圧電リニアアクチュエータ１２が正常に駆動しているか否かを判定し、異常であるときには、制御信号を出力して外部に知らせるようになっている。
【００２６】
図１に示した従来の駆動装置１では、駆動回路４からの駆動信号が圧電リニアアクチュエータ２の状態に拘わらず出力され、圧電リニアアクチュエータ２の状態を知ることができなかった。これに対して、この駆動装置１０は、圧電リニアアクチュエータ１２の状態が異常になれば、それを検出して制御信号を出力するので、異常に対して適宜に対応することが可能となる。
【００２７】
次に、駆動信号の特徴から圧電リニアアクチュエータ１２の異常を検出する各実施形態について説明する。
【００２８】
まず、第１実施形態について、図４および図５を参照しながら説明する。
【００２９】
図４（ａ）および図５（ａ）に示すように、駆動信号の電圧波形について適当なしきい値を設け、定電流による充電開始からしきい値を越えるまでの上昇時間ｔを、駆動信号の特徴とする。特徴出力回路１８は、正常状態での上昇時間ｔ０を基準特徴信号として出力する。
【００３０】
検出回路１５は、実際に圧電リニアアクチュエータ１２に印加された駆動信号の電圧波形について、充電開始からしきい値を越えるまでの上昇時間ｔを検出して検出特徴信号を出力する。比較回路１６は、検出回路１５からの検出特徴信号と特徴出力回路１８からの基準特徴信号との差が許容範囲を越えるときには、制御信号を出力する。
【００３１】
たとえば、圧電リニアアクチュエータ１２が開放した状態であれば、定電流による充電が瞬時に行われ、駆動信号は、図４（ｂ）に示したように、矩形となり、上昇時間ｔは非常に短く、略ゼロとなる。そのため、両特徴信号の差が大きくなり、比較回路１６は、異常を検出して制御信号を出力する。ここで開放状態とは、電線等が破損を起こし、圧電リニアアクチュエータ１２の電気機械変換素子が電気的に絶縁された状態である。
【００３２】
また、圧電リニアアクチュエータ１２が短絡した場合、定電流による充電は行われず、電圧は上がらない。この場合、駆動信号は、図５（ｂ）に示したように、充電開始からしきい値を越えるまでの上昇時間ｔは無限大となる。そのため、両特徴信号の差が大きくなり、比較回路１６は、異常を検出して制御信号を出力する。ここで、短絡状態とは、電気機械変換素子が絶縁破壊等を起こし、電気的に導通された状態である。
【００３３】
したがって、圧電リニアアクチュエータ１２の異常状態を知ることが可能になる。
【００３４】
次に、第２実施形態について、図６および図７を参照しながら説明する。
【００３５】
第２実施形態においては、駆動信号の電圧波形を周波数分析し、各周波数帯域のゲインを、駆動信号の特徴とする。すなわち、特徴出力回路１８は、正常状態での各周波数帯域のゲインを基準特徴信号として出力する。検出回路１５は、駆動信号の各周波数帯域のゲインを検出特徴信号として出力する。比較回路１６は、両特徴信号の差が所定範囲を越えれば異常と判定して、制御信号を出力する。
【００３６】
たとえば、図６（ａ）に示すように、第１実施形態と同様に、鋸歯状波形の駆動信号により圧電リニアアクチュエータ１２を駆動する場合、周波数分析の結果は、図７（ａ）に示すように、高周波数になるほどゲインが小さくなる。
【００３７】
しかし、圧電リニアアクチュエータ１２の取り付けが不安定になると、圧電リニアアクチュエータ１２の特性が変化し、図６（ｂ）に示したように、駆動信号の共振周波数が上昇し、駆動信号の電圧波形に高周波成分が付加される。そのため、周波数分析すると、正常なときの周波数分析結果と異なり、図７（ｂ）に示すように、高周波数帯域のゲインが高くなる。比較回路１６は、高周波数帯域のゲインの増加を検出することにより、圧電リニアアクチュエータ１２の異常を検出し、外部に制御信号を出力する。
【００３８】
以上に説明した各実施形態の駆動装置１０は、圧電リニアクチュエータ１２の駆動信号を監視することによって、圧電リニアクチュエータ１２の駆動時における異常を検出して外部に出力することができる。
【００３９】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。たとえば、駆動信号の特徴は、種々のファクターに関して比較することができる。また、図２に示される各回路１４，１５，１６，１８は、夫々独立した回路として構成され得るが、少なくともその一部が等価な機能を持つマイクロコンピュータの制御によっても構成され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例の駆動装置のブロック図である。
【図２】本発明の各実施形態の駆動装置のブロック図である。
【図３】図２の駆動装置の駆動信号波形図である。
【図４】本発明の第１実施形態の駆動装置の特徴信号の波形図である。
【図５】本発明の第１実施形態の駆動装置の特徴信号の波形図である。
【図６】本発明の第２実施形態の駆動装置の特徴信号の波形図である。
【図７】本発明の第２実施形態の駆動装置の周波数分析図である。
【符号の説明】
１０  駆動装置
１２  圧電リニアアクチュエータ
１４  駆動回路
１５  検出回路
１６  比較回路
１８  特徴出力回路
【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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