(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電源と、
前記駆動電源により駆動されて所定の電圧を発生する高電圧電源回路と、
前記高電圧電源回路から所定の電圧を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成する電圧制御回路と、
前記電圧制御回路と圧電アクチュエータ素子との間に配設され且つこれらの間を接続／遮断するスイッチング素子と、
前記駆動電源から前記高電圧電源回路に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路で検出される電流が設定値を越えると前記スイッチング素子を遮断する制御回路と、
前記電流検出回路と前記制御回路との間を電気的に絶縁しつつ前記電流検出回路からの検出信号を前記制御回路へ伝送する第１の絶縁結合素子と、
前記制御回路と前記スイッチング素子との間を電気的に絶縁しつつ前記制御回路からの信号を前記スイッチング素子へ伝送する第２の絶縁結合素子と
を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ駆動電源装置。
【請求項２】
高電圧を発生する高電圧用電源と、
前記高電圧用電源より電圧値の低い制御用電圧を発生する制御用電源と、
前記高電圧用電源及び制御用電源から電圧供給を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成する電圧制御回路と、
前記電圧制御回路と圧電アクチュエータ素子との間に配設され且つこれらの間を接続／遮断するスイッチング素子と、
前記制御用電源の出力電圧を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路で検出される電圧が設定値以下になったときに前記スイッチング素子を遮断する制御回路と、
前記電圧検出回路と前記制御回路との間を電気的に絶縁しつつ前記電圧検出回路からの検出信号を前記制御回路へ伝送する第１の絶縁結合素子と、
前記制御回路と前記スイッチング素子との間を電気的に絶縁しつつ前記制御回路からの信号を前記スイッチング素子へ伝送する第２の絶縁結合素子と
を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ駆動電源装置。
【請求項３】
駆動電源と、
前記駆動電源から電圧供給を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成する電圧制御回路と、
前記電圧制御回路と圧電アクチュエータ素子との間に配設され且つこれらの間を接続／遮断するスイッチング素子と、
前記電圧制御回路から圧電アクチュエータ素子に流れるピーク電流を検出するピーク電流検出回路と、
警告回路と、
前記ピーク電流検出回路で検出される電流が設定値を越える頻度を計数すると共にその頻度が所定値を越えた場合に圧電アクチュエータの劣化を前記警告回路により外部へ通報する制御回路と、
前記ピーク電流検出回路と前記制御回路との間を電気的に絶縁しつつ前記ピーク電流検出回路からの検出信号を前記制御回路へ伝送する第１の絶縁結合素子と、
前記制御回路と前記スイッチング素子との間を電気的に絶縁しつつ前記制御回路からの信号を前記スイッチング素子へ伝送する第２の絶縁結合素子と
を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ駆動電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体製造装置、光学アライメント装置、精密位置決め装置等において対象物を移動させるための圧電アクチュエータ素子を駆動させる電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の圧電アクチュエータ素子を駆動させるための従来の電源装置を図４に示す。電圧制御回路１は外部から入力信号を入力すると、その入力信号に基づいて、高電圧電源回路２から供給される電源電圧を用いてステップ状、パルス状等の電圧波形を形成し、圧電アクチュエータ素子３に印加する。この電圧波形によって圧電アクチュエータ素子３が駆動される。
【０００３】
ただし、ステップ状の急峻な電圧波形を圧電アクチュエータ素子３に印加すると、圧電アクチュエータ素子３に過渡電流が流れて、駆動電圧を制御している電圧制御回路１内のＦＥＴ、トランジスタ等の回路素子が破損する惧れがある。そこで、図４に示されるように、電圧制御回路１と圧電アクチュエータ素子３との間に保護抵抗４を直列に挿入し、これにより電流を規制する方法が一般的に採られてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
（１）  しかしながら、圧電アクチュエータ素子３自体が容量性負荷であるため、電圧制御回路１と圧電アクチュエータ素子３との間に保護抵抗４を直列に挿入すると、圧電アクチュエータ素子３と保護抵抗４とによって結果的にＲＣ回路が形成される。その結果、駆動電圧は、その周波数により振幅が変動したり、波形のなまりを生じ、高精度で圧電アクチュエータ素子３を駆動させることができなくなってしまう。例えば、保護抵抗４の抵抗値をＲ［Ω］、圧電アクチュエータ素子３の容量をＣ［Ｆ］とすると、圧電アクチュエータ素子３に印加される電圧振幅は、周波数Ｆｃ＝１／（２πＲＣ）の時に一３ｄＢ（０．７０７倍）となり、−６［ｄＢ／ｏｃｔ］で減衰する。
【０００５】
（２）  上記（１）の問題点を改善するために、大型のトランスを用い電流容量を大きくして、保護抵抗４の抵抗値Ｒを小さくする方法もあるが、駆動電源が大型になるばかりでなく、負荷となる圧電アクチュエータ素子３の短絡故障時に電圧制御回路１内の半導体素子に過大な電流が流れ、半導体素子を破損する原因にもなる。
【０００６】
（３）  上記（２）に記載した電圧制御回路１内の半導体素子の破損は、電源投入時あるいは入出力の接触不良によっても引き起こされ、ヒュ一ズやリレー等の通常の保護手段では防ぎきれない短時間、例えば数十μｓｅｃで発生する。
【０００７】
（４）  特開昭６３−２４９４１６号公報には、図５に示されるように、短絡等により連続して過電流となった場合にこの過電流を電流検出回路５で検出し、リレー駆動回路６を介してリレー７により高電圧電源回路２から電圧制御回路１への電圧の供給を遮断すると共に、入力信号の電圧立ち上がり部分を微分マスク回路８で取り出して過渡電流でのリレー７の誤動作を防止する保護回路が開示されている。しかしながら、この保護回路においても、一般にリレー７が数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃの作動時間を要するために、圧電アクチュエータ素子３の短絡故障時、電源投入時あるいは入出力の接触不良等によって数十μｓｅｃの短時間で電圧制御回路１内の半導体素子に過大な電流が流れ、半導体素子を破損する惧れがある。
【０００８】
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、電圧波形振幅の周波数依存やなまりを生ずることなく電源装置内の回路素子の破損を防止することができる圧電アクチュエータ駆動電源装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る圧電アクチュエータ駆動電源装置は、駆動電源と、駆動電源により駆動されて所定の電圧を発生する高電圧電源回路と、高電圧電源回路から所定の電圧を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成する電圧制御回路と、電圧制御回路と圧電アクチュエータ素子との間に配設され且つこれらの間を接続／遮断するスイッチング素子と、駆動電源から高電圧電源回路に流れる電流を検出する電流検出回路と、電流検出回路で検出される電流が設定値を越えるとスイッチング素子を遮断する制御回路と、電流検出回路と制御回路との間を電気的に絶縁しつつ電流検出回路からの検出信号を制御回路へ伝送する第１の絶縁結合素子と、制御回路と前記スイッチング素子との間を電気的に絶縁しつつ制御回路からの信号を前記スイッチング素子へ伝送する第２の絶縁結合素子とを備えたものである。
【００１１】
第２の発明に係る圧電アクチュエータ駆動電源装置は、高電圧を発生する高電圧用電源と、高電圧用電源より電圧値の低い制御用電圧を発生する制御用電源と、高電圧用電源及び制御用電源から電圧供給を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成する電圧制御回路と、電圧制御回路と圧電アクチュエータ素子との間に配設され且つこれらの間を接続／遮断するスイッチング素子と、制御用電源の出力電圧を検出する電圧検出回路と、電圧検出回路で検出される電圧が設定値以下になったときにスイッチング素子を遮断する制御回路と、電圧検出回路と制御回路との間を電気的に絶縁しつつ電圧検出回路からの検出信号を制御回路へ伝送する第１の絶縁結合素子と、制御回路とスイッチング素子との間を電気的に絶縁しつつ制御回路からの信号をスイッチング素子へ伝送する第２の絶縁結合素子とを備えたものである。
【００１２】
第３の発明に係る圧電アクチュエータ駆動電源装置は、駆動電源と、駆動電源から電圧供給を受けて入力信号に基づいた電圧波形を形成する電圧制御回路と、電圧制御回路と圧電アクチュエータ素子との間に配設され且つこれらの間を接続／遮断するスイッチング素子と、電圧制御回路から圧電アクチュエータ素子に流れるピーク電流を検出するピーク電流検出回路と、警告回路と、ピーク電流検出回路で検出される電流が設定値を越える頻度を計数すると共にその頻度が所定値を越えた場合に圧電アクチュエータの劣化を警告回路により外部へ通報する制御回路と、ピーク電流検出回路と制御回路との間を電気的に絶縁しつつピーク電流検出回路からの検出信号を制御回路へ伝送する第１の絶縁結合素子と、制御回路とスイッチング素子との間を電気的に絶縁しつつ制御回路からの信号をスイッチング素子へ伝送する第２の絶縁結合素子とを備えたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１にこの発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータ駆動電源装置を示す。高電圧用電源１１に異常電流検出回路１４を介して高電圧電源回路２が接続され、高電圧電源回路２にＤＣ平均電流検出回路１７を介して電圧制御回路１が接続されている。高電圧電源回路２には、制御用電源１２も接続されている。さらに、電圧制御回路１に保護回路２０を介して圧電アクチュエータ素子３が接続されている。また、専用の保護回路用電源１３が異常電流検出回路１６を介して保護回路２０に接続されている。
【００１４】
保護回路２０は、電圧制御回路１と圧電アクチュエータ素子３との間に順次直列に接続されたスイッチング素子２１、ピーク電流検出回路２２及び交流実効値電流検出回路２３を有している。スイッチング素子２１は例えばＭＯＳ型ＦＥＴから構成されており、このスイッチング素子２１に絶縁ゲート電圧発生回路２４を介して制御回路２５が接続されている。また、スイッチング素子２１、ピーク電流検出回路２２及び交流実効値電流検出回路２３がそれぞれフォトカプラ等から構成される絶縁結合素子２６、２７及び２８を介して制御回路２５に接続されている。さらに、制御回路２５には、警告回路２９及び解除スイッチ３０がそれぞれ接続されている。
【００１５】
異常電流検出回路１４及び１６がそれぞれフォトカプラ等から構成される絶縁結合素子３１及び３３を介して制御回路２５に接続され、ＤＣ平均電流検出回路１７がフォトカプラ等から構成される絶縁結合素子３４を介して制御回路２５に接続されている。また、制御用電源１２内には、制御用電源１２の出力電圧を検出する電圧検出回路３５が形成されており、この電圧検出回路３５がフォトカプラ等から構成される絶縁結合素子３６を介して制御回路２５に接続されている。
【００１６】
絶縁結合素子２７、２８、３１、３３、３４及び３６がそれぞれこの発明の第１の絶縁結合素子を形成し、絶縁結合素子２６がこの発明の第２の絶縁結合素子を形成している。
【００１７】
次に、図２のタイミングチャートを参照して実施の形態に係る電源装置の動作を説明する。電圧制御回路１は、高電圧用電源１１及び制御用電源１２により駆動する高電圧電源回路２から電圧供給を受け、外部から電圧の制御を指示するための入力信号Ｓ１に基づいてステップ状あるいはパルス状等の電圧波形を形成する。なお、通常時は、制御回路２５の指示により絶縁ゲート電圧発生回路２４からスイッチング素子２１にゲート電圧が印加されてスイッチング素子２１は接続状態になっており、電圧制御回路１で形成された電圧波形はスイッチング素子２１、ピーク電流検出回路２２及び交流実効値電流検出回路２３を介して圧電アクチュエータ素子３に印加される。これにより圧電アクチュエータ素子３が駆動される。
【００１８】
圧電アクチュエータ素子３に流れる電流Ｉのピーク値は、常時、ピーク電流検出回路２２で検出され、検出値が絶縁結合素子２７を介して制御回路２５に入力されている。制御回路２５はピーク電流検出回路２２で検出された電流Ｉのピーク値（絶対値）が予め設定されている設定値ＩTHを越えたか否かを判定し、図２の期間Ｔ１及びＴ２のように電流Ｉが設定値ＩTH以下のときには、絶縁ゲート電圧発生回路２４から印加されるゲート電圧によってスイッチング素子２１の接続状態が維持され、入力信号Ｓ１に応じた電圧波形が圧電アクチュエータ素子３に印加される。
【００１９】
一方、負荷である圧電アクチュエータ素子３のショート等により、図２に示す時刻ｔ３のように圧電アクチュエータ素子３に流れる電流Ｉのピーク値が設定値ＩTHを越えると、制御回路２５は異常であることを認識し、絶縁結合素子２６を介して制御信号Ｓ２をスイッチング素子２１に送出する。スイッチング素子２１は、制御信号Ｓ２によって制御されて１０μｓｅｃ以下の短時間でオフ状態となり、これにより圧電アクチュエータ素子３へ流れる電流が遮断される。このとき、制御回路２５は、使用者に異常の発生及び圧電アクチュエータ素子３の駆動停止を知らせるためにＬＥＤの点灯とアラーム音の発生を行う。
【００２０】
オフ状態となったスイッチング素子２１は、制御回路２５に接続されている解除スイッチ３０を操作することによって解除することができる。解除スイッチ３０の操作により、絶縁ゲート電圧発生回路２４からスイッチング素子２１へのゲート電圧の印加が回復し、再び入力信号Ｓ１に応じた圧電アクチュエータ素子３の駆動が可能となる。
【００２１】
また、圧電アクチュエータ素子３を正弦波等の交流で駆動する場合には、圧電アクチュエータ素子３へ流れる電流Ｉの実効値が交流実効値電流検出回路２３で検出され、検出値が絶縁結合素子２８を介して制御回路２５に入力される。制御回路２５は交流実効値電流検出回路２３で検出された実効値電流が予め設定されている設定値を越えたか否かを判定し、設定値以下のときには、絶縁ゲート電圧発生回路２４から印加されるゲート電圧によってスイッチング素子２１のオン状態を維持し、設定値を越える場合には、制御回路２５は絶縁結合素子２６を介して制御信号Ｓ２をスイッチング素子２１に送出し、スイッチング素子２１を１０μｓｅｃ以下の短時間でオフ状態とすると共にＬＥＤの点灯とアラーム音の発生を行う。
【００２２】
同様に、圧電アクチュエータ素子３を直流で駆動する場合には、高電圧電源回路２から電圧制御回路１へ流れる電流のＤＣ平均値がＤＣ平均電流検出回路１７で検出され、検出値が絶縁結合素子３４を介して制御回路２５に入力される。制御回路２５はＤＣ平均電流検出回路１７で検出されたＤＣ平均電流が予め設定されている設定値を越えたか否かを判定し、設定値以下のときには、絶縁ゲート電圧発生回路２４から印加されるゲート電圧によってスイッチング素子２１のオン状態を維持し、設定値を越える場合には、制御回路２５は絶縁結合素子２６を介して制御信号Ｓ２をスイッチング素子２１に送出し、スイッチング素子２１を１０μｓｅｃ以下の短時間でオフ状態とすると共にＬＥＤの点灯とアラーム音の発生を行う。
【００２３】
また、高電圧用電源１１及び保護回路用電源１３はそれぞれ別個のトランス、あるいは共通のトランスを用いて構成されるが、これらのトランスが異常状態になると、高電圧電源回路２あるいは保護回路２０に異常電流が流れる惧れが生じる。そこで、高電圧用電源１１から高電圧電源回路２に流れる電流及び保護回路用電源１３から保護回路２０に流れる電流がそれぞれ異常電流検出回路１４及び１６により検出され、これらの検出値が絶縁結合素子３１及び３３を介して制御回路２５に入力される。制御回路２５は入力された検出値が予め設定されている設定値を越えたか否かを判定し、設定値以下のときには、絶縁ゲート電圧発生回路２４から印加されるゲート電圧によってスイッチング素子２１のオン状態を維持し、設定値を越える場合には、制御回路２５は絶縁結合素子２６を介して制御信号Ｓ２をスイッチング素子２１に送出し、スイッチング素子２１を１０μｓｅｃ以下の短時間でオフ状態とすると共にＬＥＤの点灯とアラーム音の発生を行う。これにより、トランスの異常時に、電源各部内に溜まっていたエネルギーにより圧電アクチュエータ素子３に異常電流が流れることが防止される。
【００２４】
さらに、この電源装置の図示しない電源スイッチをオフしたときには、高電圧用電源１１と制御用電源１２のうち電圧の低い方、すなわち制御用電源１２から先に電圧が低下する。従って、制御用電源１２の出力電圧が０となって制御不能となった後にも、まだ高電圧用電源１１に電荷が残留している時間が存在する。このときに、負荷である圧電アクチュエータ素子３が接続されていると、予期しない電流が圧電アクチュエータ素子３に流れ込む惧れがある。そこで、制御用電源１２の出力電圧が電圧検出回路３５で検出され、この検出値が絶縁結合素子３６を介して制御回路２５に入力される。制御回路２５は電圧検出回路３５で検出された出力電圧が予め設定されている設定値を越えたか否かを判定し、設定値以下になると、制御回路２５は絶縁結合素子２６を介して制御信号Ｓ２をスイッチング素子２１に送出し、スイッチング素子２１を１０μｓｅｃ以下の短時間でオフ状態とすると共にＬＥＤの点灯とアラーム音の発生を行う。これにより、電源スイッチのオフ時に圧電アクチュエータ素子３に異常電流が流れることが防止される。
【００２５】
なお、長期間にわたって使用された圧電アクチュエータ素子３が劣化してくると、圧電アクチュエータ素子３に流れる電流波形に図３に示されるようなピーク電流ＣＫが次第に多く発生する。そこで、制御回路２５は、ピーク電流検出回路２２で検出される電流Ｉのピーク値が設定値ＩTHを越えてもすぐにはスイッチング素子２１をオフ状態とせずに、電流Ｉのピーク値が設定値ＩTHを越える頻度を計数し、その頻度が所定値を越えた場合に圧電アクチュエータ素子３の劣化を警告回路２９によって外部へ通報するように構成することもできる。
【００２６】
１０μｓｅｃ以下の短時間でスイッチング素子２１をオフ状態として電流Ｉを遮断することにより、電圧制御回路１に過大な電流が長時間流れることが防止され、電圧制御回路１内の回路素子破損には至らない。また、従来のように、保護抵抗を挿入する必要がないので、低インピーダンスとなり、波形振幅の周波数依存及び波形のなまりを防止することができる。
【００２７】
保護回路２０を電圧制御回路１と圧電アクチュエータ素子３との間に挿入するため、電圧制御回路１及び高電圧電源回路２を含む電源部と圧電アクチュエータ素子３の双方を保護することができる。また、保護回路２０は、専用の保護回路用電源１３から電源供給されるので、圧電アクチュエータ駆動用の電源部で誤動作があっても影響されることなく、常に安定した動作が保証される。
保護回路２０内は、制御回路２５が絶縁結合素子２６〜２８、３１、３３、３４及び３６によって高電圧を取り扱う各回路と電気的に切り離されている。従って、保護回路用電源１３は低電圧のもので済む。
【００２８】
また、例えばＭＯＳ型ＦＥＴ等を用いたスイッチング素子２１により電圧制御回路１と圧電アクチュエータ素子３との間を接続／遮断しているため、高速応答が実現でき、リレーを用いる場合のようにアークによる接点融着が発生したり、ヒューズの場合のように交換作業が発生することはない。
【００２９】
さらに、絶縁ゲート電圧発生回路２４内に遅延回路を内蔵させることにより、電源投入時及び遮断状態の解除時に電圧を緩やかに立ち上げることができ、過渡電流の発生を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータ駆動電源装置を示すブロック図である。
【図２】実施の形態に係る電源装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】劣化した圧電アクチュエータ素子に流れる電流波形を示す図である。
【図４】従来の電源装置を示すブロック図である。
【図５】従来の他の電源装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１    電圧制御回路
２    高電圧電源回路
３    圧電アクチュエータ素子
１１    高電圧用電源
１２    制御用電源
１３    保護回路用電源
１４，１６    異常電流検出回路
１７    ＤＣ平均電流検出回路
２０    保護回路
２１    スイッチング素子
２２    ピーク電流検出回路
２３    交流実効値電流検出回路
２４    絶縁ゲート電圧発生回路
２５    制御回路
２６〜２８，３１，３３，３４，３６    絶縁結合素子
２９    警告回路
３０    解除スイッチ
３５    電圧検出回路
【図１】
0003643206.tif 000002
【図２】
0003643206.tif 000003
【図３】
0003643206.tif 000004
【図４】
0003643206.tif 000005
【図５】
0003643206.tif 000006