(57)【要約】【課題】環境温度変動や量産による形状ばらつき等で電気機械変換素子の共振周波数が変化しても、常に最適な周波数の駆動電圧で移動体を高速駆動できる駆動装置を提供する。【解決手段】並列に接続された複数の電気機械変換素子４２，４４と、電気機械変換素子４２，４４に流れる電流を電圧として検出する電流検出回路５２と、電流検出回路５２からの出力電圧にオフセット電圧を付加するオフセット回路５４と、オフセット回路５４からの出力電圧を増幅して前記電気機械変換素子に印加する増幅回路５６とを備え、少なくとも電気機械変換素子４２，４４を含む振動系の１次共振周波数で発振する自励発振回路で駆動装置を駆動する。【選択図】図２
2006081290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたは並列に接続された複数の電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子に流れる電流を電圧として検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路からの出力電圧にオフセット電圧を付加するオフセット回路と、
前記オフセット回路からの出力電圧を増幅して前記電気機械変換素子に印加する増幅回路とを備え、
少なくとも前記電気機械変換素子を含む振動系の１次共振周波数で発振することを特徴とする自励発振回路。
【請求項２】
前記増幅回路からの出力電圧の波形は矩形波状であり、
前記オフセット回路のオフセット電圧により前記増幅回路の出力電圧波形のデューティ比が変化することを特徴とする請求項１に記載の自励発振回路。
【請求項３】
前記請求項１または２に記載の自励発振回路からなる駆動回路と、
前記駆動回路の電気機械変換素子２つと前記各電気機械変換素子の間に挟まれた第１錘とからなる振動発生部材と、
前記振動発生部材の一端に固定された第２錘と、
前記振動発生部材の他端に固定された駆動摩擦部材と、
前記駆動摩擦部材の周囲に所定の摩擦力で係合する移動体とを備え、
前記駆動摩擦部材を鋸歯状に変位させて前記移動体を前記駆動摩擦部材に沿って移動させるように、前記駆動回路により駆動電圧を前記電気機械変換素子に印加することを特徴とする駆動装置。
【請求項４】
前記オフセット回路のオフセット電圧を変えることで前記増幅回路の出力電圧波形のデューティ比を変化させることによって、前記移動体の移動速度および移動方向の少なくとも一方を変化させることを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記移動体には収差補正レンズが取り付けられ、記録媒体の記録層における光スポットの収差を補正するように前記収差補正レンズを光ヘッド装置内で駆動することを特徴とする請求項３または４に記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自励発振回路およびそれを用いた駆動装置に関する。より詳しくは、前記駆動装置は圧電素子などの電気機械変換素子を利用したものであって、例えばレンズ駆動や精密ステージ駆動に適したものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を用いた駆動装置として、図１０に示すものが知られている。図１０（ａ）は駆動装置１０の分解斜視図であり、図１０（ｂ）はその組立図である。
【０００３】
駆動装置１０は、電気機械変換素子としての圧電素子１２を備えている。圧電素子１２は、矩形状の薄い圧電板を多数枚積層して構成された積層型圧電素子である。圧電素子１２の両側面には、電極（一方のみ図示）１４がそれぞれ形成されており、各電極１４は導線１６，１６を介して不図示の駆動回路に接続されている。
【０００４】
圧電素子１２の伸縮方向（長手方向）の一端には、例えば円柱状の錘１８が固定されている。圧電素子１２の伸縮方向の他端には、例えば丸棒状の駆動摩擦部材２０が固定されている。
【０００５】
駆動摩擦部材２０の周囲には、移動体２２が駆動摩擦部材２０に沿って移動可能に設けられている。移動体２２には、レンズ等の駆動対象物が取り付けられることになる。
【０００６】
移動体２２は、スライダ２４を有している。スライダ２４には、断面略半円状の溝２６が形成されており、この溝２６内に駆動摩擦部材２０が嵌合している。スライダ２４に嵌合した駆動摩擦部材２０の上には、矩形板状の摩擦部材２８が配置されている。摩擦部材２８は、２つのねじ３０でスライダ２４に固定される板ばね３２によって、駆動摩擦部材２０に付勢されている。この板ばね３２の付勢力によって、移動体２２は、所定の摩擦力でもって駆動摩擦部材２０に係合している。
【０００７】
続いて、図１１を参照して前記駆動装置１０の動作について説明する。図１１（ａ）は駆動装置１０の各状態を概略的に示し、図１１（ｂ）は圧電素子１２の変位を時間との関係で示したものである。
【０００８】
駆動回路から圧電素子１２に、立ち上がり部が緩やかで立ち下がり部が急なパルス状駆動電圧が印加されると、駆動電圧の立ち上がり部に対応するときには図１１における期間ａのように圧電素子１２は比較的緩慢に伸長する一方、駆動電圧の立ち下がり部に対応するときには図１１における期間ｂのように圧電素子１２は比較的急速に収縮して初期状態に戻る。この場合、前記期間ａにおいて移動体２２は、圧電素子１２が緩慢に伸長することによる駆動摩擦部材２０の比較的ゆっくりとした変位に伴って、図１０（ｂ）中の矢印Ａ方向（すなわち圧電素子１２から離れる方向、以下この方向を繰り出し方向という。）に移動する。一方、前記期間ｂにおいては、圧電素子１２が急速に収縮することにより圧電素子１２が比較的速く変位する。このとき、移動体２２の慣性力が移動体２２と駆動摩擦部材２０との間の摩擦力に打ち勝つことにより、移動体２２が駆動摩擦部材２０に対して滑ってその位置に留まる（あるいは、駆動摩擦部材２０の変位量よりも小さい距離だけ圧電素子１２側に移動する）。このような期間ａ，ｂが交互に繰り返されることで、駆動摩擦部材２０が図１１（ｂ）に示すような鋸歯状の変位でもって振動し、これにより移動体２２は駆動摩擦部材２０に沿って繰り出し方向に移動する。
【０００９】
一方、移動体２２を図１０（ｂ）中の矢印Ｂ方向（すなわち圧電素子１２に近づく方向、以下この方向を戻り方向という。）に移動させるときには、立ち上がり部が急で立ち下がり部が緩やかなパルス状駆動電圧を駆動回路から圧電素子１２に印加する。このときの移動体２２の移動原理は上述したのとは逆になる。すなわち、圧電素子１２が急速に伸長するときには移動体２２は駆動摩擦部材２０に対して滑ってその位置に留まり、圧電素子１２が緩慢に収縮するときに移動体２２は駆動摩擦部材２０の変位に伴って移動する。これが繰り返されることで、移動体２２は駆動摩擦部材２０に沿って戻り方向に移動する。
【００１０】
また、下記特許文献１には、前記圧電素子１２に代えて複数の圧電素子を直列に連結したものを用いた駆動装置が開示されている。この駆動装置では、各圧電素子にそれぞれ異なる左右対称波形の変動電圧を印加することより、圧電素子の連結体および駆動摩擦部材２０について鋸歯状の変位を得て、移動体２２を駆動するようにしている。
【００１１】
しかしながら、前記駆動装置１０および特許文献１の駆動装置では、駆動電圧の周波数を上げることができず、移動体２０の駆動速度が遅くなってしまうという問題がある。そのため、駆動電圧の周波数を上げても駆動できるように、駆動摩擦部材２０と移動体２２とが相対的に常に滑っている状態にし、圧電素子の伸長時と収縮時の滑り量の差で移動体２２を駆動する方法が提案されている。ところが、この方法を用いた駆動よりもさらに高速での駆動が求められている。
【００１２】
ここで、圧電素子を交流電圧で駆動する場合、共振周波数で駆動するのが最も効率が良い。特許文献１に開示される駆動方法では、１次共振と比較して、高次の共振が小さいか、もしくは無い。そのため、共振周波数で駆動し、駆動摩擦部材２０の変位波形を大きくしても、その波形が正弦波に近くなってしまい、移動体２２を効率よく駆動することができない。また、環境温度変動や形状ばらつき等により、圧電素子の共振周波数が変化するため、常に安定した高速駆動を実現しようとすると温度センサや速度センサ等を用いて最適な駆動条件を補正する必要がある。
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−４１９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明は、環境温度変動や量産による形状ばらつき等で電気機械変換素子の共振周波数が変化しても、常に最適な周波数の駆動電圧で移動体を効率よく高速駆動できる駆動装置を提供するとともに、そのために好適に用いられる自励発振回路を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するために、本発明の自励発振回路は、１つまたは並列に接続された複数の電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子に流れる電流を電圧として検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路からの出力電圧にオフセット電圧を付加するオフセット回路と、
前記オフセット回路からの出力電圧を増幅して前記電気機械変換素子に印加する増幅回路とを備え、
少なくとも前記電気機械変換素子を含む振動系の１次共振周波数で発振することを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の自励発振回路では、前記増幅回路からの出力電圧の波形が矩形波状であり、
前記オフセット回路のオフセット電圧により前記増幅回路の出力電圧波形のデューティ比が変化してもよい。
【００１７】
また、本発明の駆動装置は、前記自励発振回路からなる駆動回路と、
前記駆動回路の電気機械変換素子２つと前記各電気機械変換素子の間に挟まれた第１錘とからなる振動発生部材と、
前記振動発生部材の一端に固定された第２錘と、
前記振動発生部材の他端に固定された駆動摩擦部材と、
前記駆動摩擦部材の周囲に所定の摩擦力で係合する移動体とを備え、
前記駆動摩擦部材を鋸歯状に変位させて前記移動体を前記駆動摩擦部材に沿って移動させるように、前記駆動回路により駆動電圧を前記電気機械変換素子に印加することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の駆動装置では、前記オフセット回路のオフセット電圧を変えることで前記増幅回路の出力電圧波形のデューティ比を変化させることによって、前記移動体の移動速度および移動方向の少なくとも一方を変化させてもよい。
【００１９】
また、本発明の駆動装置では、前記移動体には収差補正レンズが取り付けられ、記録媒体の記録層における光スポットの収差を補正するように前記収差補正レンズを光ヘッド装置内で駆動してもよい。ここでの収差は、対象となる記録層に収束する光スポットが記録媒体のカバー層や他の記録層を通過する際に発生する収差を意味する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の自励発振回路によれば、環境温度変動や形状ばらつき等によって電気機械変換素子の１次共振周波数が変化した場合でも、その変化に追従して常に電気機械変換素子を含む振動系の１次共振周波数で発振するため、安定して電気機械変換素子を効率よく駆動することができる。
【００２１】
また、前記自励発振回路を用いた本発明の駆動装置によれば、環境温度変動や形状ばらつき等にかかわらず電気機械変換素子を含む振動系を常に１次共振周波数で駆動することができ、安定して移動体の高速駆動を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１（ａ）は本発明の一実施形態である駆動装置４０の分解斜視図、図１（ｂ）はその組立図である。駆動装置４０は、前記背景技術として説明した駆動装置１０とほぼ同様の構成を備えている。異なる点として、前記駆動装置１０の圧電素子１２に代えて、錘１８より小さい円盤状のもう１つ別の錘（第１錘）４６を間に挟んで連結された２つの圧電素子４２，４４が設けられている。２つの圧電素子４２，４４は、後述する駆動回路５０に導線１６を介して並列に接続されている。２つの圧電素子４２，４４と錘４６とで、振動発生部材４８が構成されている。
【００２３】
これ以外の構成については、前記駆動装置１０と同一である。すなわち、振動発生部材４８の伸縮方向（長手方向）の一端には、例えば円柱状の錘（第２錘）１８が固定されている。振動発生部材４８の伸縮方向の他端には、例えば丸棒状の駆動摩擦部材２０が固定されている。
【００２４】
駆動摩擦部材２０の周囲には、移動体２２が駆動摩擦部材２０に沿って移動可能に設けられている。移動体２２には、レンズ等の駆動対象物が取り付けられることになる。
【００２５】
移動体２２は、スライダ２４を有している。スライダ２４には、断面略半円状の溝２６が形成されており、この溝２６内に駆動摩擦部材２０が嵌合している。スライダ２４に嵌合した駆動摩擦部材２０の上には、矩形板状の摩擦部材２８が配置されている。摩擦部材２８は、２つのねじ３０でスライダ２４に固定される板ばね３２によって、駆動摩擦部材２０に付勢されている。この板ばね３２の付勢力によって、移動体２２は、所定の摩擦力でもって駆動摩擦部材２０に係合している。
【００２６】
なお、摩擦部材２８を駆動摩擦部材２０に付勢するための付勢手段は、板ばねに限らず、コイルばねやゴム等の弾性部材であってもよい。
【００２７】
図２は、駆動装置４０の駆動回路５０を示す。駆動回路５０は、電流検出回路５２、オフセット回路５４および増幅回路５６の３つの回路ブロックからなる自励発振回路である。電流検出回路５２は、圧電素子４２，４４に流れる電流を電圧として検出する電流検出抵抗５２ａを有している。また、電流検出回路５２は、直列接続された４つのオペアンプ５２ｂを含む。これらのオペアンプ５２ｂは、カットオフ周波数が例えば３０ｋＨｚの４次のハイパスフィルタ、および、カットオフ周波数が例えば３００ｋＨｚの４次のローパスフィルタとして機能し、余分な電圧信号のカットと位相調整を行う。
【００２８】
オフセット回路５４は、オフセット電源５４ａとオペアンプ５４ｂを含み、電流検出回路５２からの出力電圧に直流オフセット電圧を付加するものである。オフセット電源５４ａによるオフセット電圧値は可変になっている。
【００２９】
増幅回路５６は、オペアンプ５６ａとこれに並列接続された２つのツェナーダイオード５６ｂとを含み、オフセット回路５４からの出力電圧を増幅して圧電素子４２，４４に印加するものである。
【００３０】
増幅回路５６は、オフセット回路５４からの出力電圧に２つのツェナーダイオード５６ｂでリミッタをかけることにより略矩形波のパルス状駆動電圧を出力する。また、オフセット回路５４により付加されるオフセット電圧値を変えることにより、増幅回路５６の出力電圧波形のデューティ比が変化するようになっている。
【００３１】
なお、本実施形態では、増幅回路５６で駆動電圧の増幅を行っているが、電流検出回路５２およびオフセット回路５４もそれぞれオペアンプを有しているので、電流検出回路５２やオフセット回路５４で電圧信号の増幅を行ってもよい。
【００３２】
図３は、駆動装置４０の駆動電圧と駆動摩擦部材２０の変位の伝達特性を示す。図３から明らかなように、本実施形態の駆動装置４０では、駆動摩擦部材２０の変位利得（すなわち振動振幅）が例えば約１０３ｋＨｚで極大となる。この約１０３ｋＨｚの周波数は、圧電素子４２，４４と錘４６と駆動摩擦部材２０とを含む振動系の１次共振周波数であり、最も効率よく且つ高速で移動体２２を駆動できる周波数である。
【００３３】
一方、図４は駆動回路５０の一巡伝達特性を示すが、発振周波数は利得が０ｄＢ以上で且つ位相が０ｄｅｇの条件で決まり、駆動回路５０では利得０ｄＢで位相０ｄｅｇとなる例えば約１０３ｋＨｚの周波数で発振する。すなわち、この発振周波数は、圧電素子４２，４４と錘４６と駆動摩擦部材２０とを含む振動系の１次共振周波数と常に一致する。したがって、駆動装置４０では、環境温度変動や量産による形状ばらつき等によって圧電素子４２，４４の共振周波数が変化した場合にも、常に前記振動系の１次共振周波数に一致した周波数の駆動電圧で圧電素子４２，４４を駆動することができ、安定した移動体２２の高速駆動を実現できる。
【００３４】
なお、駆動回路５０は、並列に接続された複数の圧電素子を駆動する場合に限らず、１つの圧電素子を駆動する場合にも好適に用いられる。
【００３５】
図５は、オフセット回路５４によるオフセット電圧値を−０．４Ｖ、０Ｖ、＋０．４Ｖと変化させたときの増幅回路５６の出力電圧波形を示す。いずれの場合も周波数が１０３ｋＨｚの矩形波のパルス電圧となるが、オフセット電圧値−０．４Ｖのときデューティ比０．３３、オフセット電圧値０Ｖのときデューティ比０．５、オフセット電圧値＋０．４Ｖのときデューティ比０．６６にそれぞれなっている。このようにオフセット回路５４によるオフセット電圧値を可変とすることによって、増幅回路５６からの出力電圧波形のデューティ比を変化させることができる。
【００３６】
図６は、図５（ｃ）に示す駆動電圧（オフセット電圧＋０．４Ｖ、周波数１０３ｋＨｚ、デューティ比０．６６）を圧電素子４２，４４に印加したときの駆動摩擦部材２０の変位を表している。この変位波形は、比較的速い繰り出し方向の変位と比較的ゆっくりとした戻り方向の変位を繰り返す略鋸歯状になっており、したがって移動体２２を戻り方向に駆動することができる。この場合、振幅が非常に大きくなるため、移動体２２は駆動摩擦部材２０に対して常に滑っている状態になるが、伸長時と収縮時の滑り量の差によって移動体２２を戻り方向に移動させることが可能になる。
【００３７】
一方、図５（ａ）に示す駆動電圧（オフセット電圧−０．４Ｖ、周波数１０３ｋＨｚ、デューティ比０．３３）を圧電素子４２，４４に印加した場合には、駆動電圧を構成する矩形波に含まれる２次成分の位相がデューティ比０．６６の場合に対して１８０ｄｅｇだけずれていることによって、駆動摩擦部材２０の変位波形は図６に示すものとは逆の傾きの略鋸歯状となる。すなわち、この場合の駆動摩擦部材２０の変位波形は、比較的ゆっくりとした繰り出し方向の変位と比較的速い戻り方向の変位を繰り返す略鋸歯状になる。これにより、移動体２２を繰り出し方向に駆動することができる。このように増幅回路５６からの出力電圧のデューティ比を変化させることによって、移動体２２の移動方向を変えることができる。
【００３８】
図７は、駆動電圧のデューティ比と移動体２２の移動速度との関係を示す。図７に示すように、デューティ比０．３３および０．６６付近で移動体２２は最も高速になり、デューティ比０．５付近では移動体２２は動かなくなる。このように増幅回路５６からの出力電圧のデューティ比を変化させることによって、移動体２２の移動速度も変えることができる。
【００３９】
図８は、環境温度を変えたときの移動体２２の速度を示す。ここで、通常駆動とは、環境温度にかかわらず、周波数１０３ｋＨｚでデューティ比０．６６の矩形波パルス状駆動電圧で駆動した場合のことである。図８に示すように、通常駆動の場合には、環境温度が変わると、圧電素子４２，４４と錘４６と駆動摩擦部材２０とを含む振動系の共振周波数も変化するために、駆動電圧の周波数が前記振動系の共振周波数からずれて、移動体２２の速度が低下してしまう。これに対し、本実施形態の駆動装置４０のように自励発振回路による駆動の場合には、環境温度の変動に伴って前記振動系の共振周波数が変化しても、駆動回路５０は常にその共振周波数で発振するため移動体２２の速度変化がほとんどなく、安定した高速駆動を維持することができることが分かる。
【００４０】
次に、図９を参照して前記駆動装置４０を光ヘッド装置に適用した例について説明する。駆動装置４０の移動体２２には、収差補正レンズ６０を保持したレンズ玉枠６２の一端が取り付けられている。レンズ玉枠６２の他端はガイド軸６４に係合しており、これによりレンズ玉枠６２が駆動摩擦部材２０を中心に回転するのが規制されている。この光ヘッドでは、レーザ装置６６から発せられたレーザ光Ｌは、収差補正レンズ６０および対物レンズ６８を介して、記録媒体１００のフロント記録層１０２またはリア記録層１０４に光スポットとして照射されるようになっている。
【００４１】
ＤＶＤなどの記録層が複数ある記録媒体１００では、各記録層１０２，１０４間の距離が数十μｍ離れているため、収差補正レンズ６０をレーザ光Ｌと略平行に駆動して、各記録層１０２，１０４に適した位置に光スポットの照準が合うように球面収差を補正する必要がある。球面収差補正のための収差補正レンズ６０の移動時間は短い方が好ましいが、例えば従来の駆動装置１０を収差補正レンズ駆動用いた場合には、環境温度の変化によって駆動速度が大幅に落ちるために、駆動摩擦部材２０と移動体２２とが相対的に常に滑っている状態で収差補正しても収差補正に時間がかかってしまう。これに対し、上述したように駆動装置４０では、環境温度の変化にかかわらず収差補正レンズ６０の高速駆動が可能であるため、短時間での球面収差補正が可能になる。３波長のレーザを使用する場合には、収差補正レンズ６０の移動距離が長くなるために、本実施形態の駆動装置４０が特に有効である。
【００４２】
なお、本発明は、電気機械変換素子を固定する素子固定タイプの駆動装置に限らず、移動体を固定するタイプのものや、駆動摩擦部材を固定するタイプのもの、自走式のものなど、電気機械変換素子を用いた種々のタイプの駆動装置に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】駆動装置の分解斜視図と組立図。
【図２】駆動回路の構成図。
【図３】駆動電圧と駆動摩擦部材変位の伝達特性を示すグラフ。
【図４】駆動回路の一巡伝達特性を示すグラフ。
【図５】オフセット電圧を変化させた場合の駆動電圧波形を示す図。
【図６】図５（ｃ）に示す駆動電圧で駆動した場合の駆動摩擦部材の変位波形図。
【図７】駆動電圧のデューティ比と移動体の移動速度との関係を示すグラフ。
【図８】環境温度を変えたときの移動体の速度を示すグラフ。
【図９】駆動装置を光ヘッド装置に適用した例を示す図。
【図１０】従来例の駆動装置の分解斜視図と組立図。
【図１１】従来例の駆動装置の各状態を示す概略図と圧電素子の変位波形図。
【符号の説明】
【００４４】
１８…錘（第２錘）
２０…駆動摩擦部材
２２…移動体
４０…駆動装置
４２…圧電素子（電気機械変換素子）
４４…圧電素子（電気機械変換素子）
４６…錘（第１錘）
４８…振動発生部材
５０…駆動回路（自励発振回路）
５２…電流検出回路
５４…オフセット回路
５６…増幅回路
【図１】
2006081290.tif 000003
【図２】
2006081290.tif 000004
【図３】
2006081290.tif 000005
【図４】
2006081290.tif 000006
【図５】
2006081290.tif 000007
【図６】
2006081290.tif 000008
【図７】
2006081290.tif 000009
【図８】
2006081290.tif 000010
【図９】
2006081290.tif 000011
【図１０】
2006081290.tif 000012
【図１１】
2006081290.tif 000013