(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正側帰還信号から負側帰還信号を減算した信号を積分する積分回路と、該積分回路の出力信号を反転させる第１のインバータと、該第１のインバータの出力信号を反転させる第２のインバータと、該第２のインバータの出力側に接続されたセンス抵抗と、前記第２のインバータの出力信号を前記正側帰還信号として帰還させる正側帰還抵抗と、前記センス抵抗に発生する電圧を前記負側帰還信号として帰還させる負側帰還抵抗と、前記正側帰還信号と前記負側帰還信号の周波数特性を切り替える切替装置とを備え、前記第１のインバータ及び前記第２のインバータの共通接続点と前記センス抵抗及び前記負帰還抵抗の共通接続点との間に圧電アクチュエータが接続される自励発振型の圧電アクチュエータ駆動回路であって、
前記切替装置によって、起動状態と起動状態後の定常状態とで前記正側帰還信号と前記負側帰還信号の周波数特性を切り替え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】
請求項１に記載の圧電アクチュエータ駆動回路において、
前記センス抵抗は、少なくとも第１の抵抗と該第１の抵抗より抵抗値の大きい第２の抵抗とを備え、前記切替装置は、前記起動状態では前記第２の抵抗に切り替え、前記定常状態では前記第１の抵抗に切り替え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３】
請求項１に記載の圧電アクチュエータ駆動回路において、
前記積分回路は帰還抵抗を備え、前記切替装置は前記帰還抵抗の抵抗値を切り替え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４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の圧電アクチュエータ駆動回路において、
前記起動状態から前記定常状態への切り替えは、前記第１のインバータの出力電圧のパルス数が所定数に達したとき行われるようにしたことを特徴とする圧電アクチュエータ駆動回路。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載の圧電アクチュエータ駆動回路において、
前記起動状態から前記定常状態への切り替えは、前記センス抵抗に流れる共振電流の値が所定値に達したとき行われるようにしたことを特徴とする圧電アクチュエータ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自励発振型の圧電アクチュエータ駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータを用いた振動体は、モータ制御の振動体よりも低消費電力、小型化が可能であり、今後の携帯機器への応用が期待される有用な技術である。
【０００３】
図１１に振動体を駆動させる従来の自励発振型の圧電アクチュエータ駆動回路１０Ｆを示す。圧電アクチュエータ２０は、所定の容量及びいくつかの共振周波数をもち、そのうちの１次共振周波数において自励発振する。
【０００４】
圧電アクチュエータ２０を駆動する圧電アクチュエータ駆動回路１０Ｆは、オペアンプＯＰ１と抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１からなる積分回路と、負帰還抵抗Ｒｆｂ１を経由する負帰還ループと正帰還抵抗Ｒｆｂ２を経由する正帰還ループをもっており、センス抵抗Ｒｓ４の値が０Ωのときに回路が動作しないよう、Ｒ１＝Ｒｂ、Ｒｆｂ１＝Ｒｆｂ２に定数設定される。
【０００５】
センス抵抗Ｒｓ４の値を、Ｒｓ４＞０とすると、その値と圧電アクチュエータ２０の容量による時定数及び共振電流により、センス抵抗Ｒｓ４の両端に共振電圧が発生し、帰還信号のループゲインの周波数特性が変化する。そのループゲインは、センス抵抗Ｒｓ４の値と圧電アクチュエータ２０の容量とからなるＬＰＦのカットオフ周波数に反比例する。
【０００６】
図２に示すように起動時の共振周波数では位相が大きく変化するため、ループゲインが０ｄＢ以上、位相が０度となった場合、発振の原理により共振周波数にて発振する。このとき２次以上の高次共振周波数においても発振の原理が満たされるため、その高次共振周波数で発振する可能性がある。特に起動時は１次共振電流が小さいため、高次共振電流の影響を受けやすく、目的と違う周波数で発振しやすい。
【０００７】
そこで、これら高次共振周波数での影響を受けないよう、オペアンプＯＰ１と抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１からなる積分器を用いて高次共振周波数の影響を小さくし、１次共振周波数で発振させている。高次共振周波数での発振を抑制した技術として特許文献１に記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−０８３７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、圧電アクチュエータ２０は、１次共振周波数における電流が大きいほど振動体をより強く振動させることができるため、圧電アクチュエータ２０に直列に接続されるセンス抵抗Ｒｓ４の値は小さいほど共振電流が大きくなって好ましい。しかし、センス抵抗Ｒｓ４の値を小さくすると、１次共振周波数付近のループゲインが小さくなるため、高次共振周波数成分の影響が大きくなり、目的の周波数とは別の高次の周波数成分で発振しやすくなるというトレードオフが生じる。
【００１０】
圧電アクチュエータ２０は、設置環境によって共振周波数付近の特性が変化しやすいため、高次共振周波数の影響を少なくすることが重要課題である。そのため、従来では１次共振周波数で発振させるために振動の強さを犠牲にする必要があった。
【００１１】
本発明の目的は、圧電アクチュエータ駆動回路を１次共振周波数で安定して発振させることと圧電アクチュエータの振動量を大きくするというトレードオフを、若干の回路追加により解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明の圧電アクチュエータ駆動回路は、正側帰還信号から負側帰還信号を減算した信号を積分する積分回路と、該積分回路の出力信号を反転させる第１のインバータと、該第１のインバータの出力信号を反転させる第２のインバータと、該第２のインバータの出力側に接続されたセンス抵抗と、前記第２のインバータの出力信号を前記正側帰還信号として帰還させる正側帰還抵抗と、前記センス抵抗に発生する電圧を前記負側帰還信号として帰還させる負側帰還抵抗と、前記正側帰還信号と前記負側帰還信号の周波数特性を切り替える切替装置とを備え、前記第１のインバータ及び前記第２のインバータの共通接続点と前記センス抵抗及び前記負帰還抵抗の共通接続点との間に圧電アクチュエータが接続される自励発振型の圧電アクチュエータ駆動回路であって、前記切替装置によって、起動状態と起動状態後の定常状態とで前記正側帰還信号と前記負側帰還信号の周波数特性を切り替えることを特徴とする。
【００１３】
請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の圧電アクチュエータ駆動回路において、前記センス抵抗は、少なくとも第１の抵抗と該第１の抵抗より抵抗値の大きい第２の抵抗とを備え、前記切替装置は、前記起動状態では前記第２の抵抗に切り替え、前記定常状態では前記第１の抵抗に切り替えることを特徴とする。
【００１４】
請求項３にかかる発明は、請求項１に記載の圧電アクチュエータ駆動回路において、前記積分回路は帰還抵抗を備え、前記切替装置は前記帰還抵抗の抵抗値を切り替えることを特徴とする。
【００１５】
請求項４にかかる発明は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の圧電アクチュエータ駆動回路において、前記起動状態から前記定常状態への切り替えは、前記第１のインバータの出力電圧のパルス数が所定数に達したとき行われるようにしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項５にかかる発明は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の圧電アクチュエータ駆動回路において、前記起動状態から前記定常状態への切り替えは、前記センス抵抗に流れる共振電流の値が所定値に達したとき行われるようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、圧電アクチュエータ駆動回路を１次共振周波数で安定して発振させることと圧電アクチュエータの振動量を大きくするというトレードオフを、若干の回路追加により解決でき、ＩＣ化する際のコスト増加を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施例の圧電アクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】圧電アクチュエータ駆動回路の起動時のループ特性の特性図である。
【図３】圧電アクチュエータ駆動回路の通常時のループ特性の特性図である。
【図４】図１の圧電アクチュエータ駆動回路の１次共振電流の波形図である。
【図５】本発明の第２の実施例の圧電アクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図６】本発明の第３の実施例の圧電アクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図７】本発明の第４の実施例の圧電アクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図８】本発明の第５の実施例の圧電アクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図９】図８の圧電アクチュエータ駆動回路の共振電流検出回路の具体的回路図である。
【図１０】図８の圧電アクチュエータ駆動回路の電圧ＶＯＵＴ２と電圧ＶＯＵＴ３と制御信号ＶＣの波形図である。
【図１１】従来の圧電アクチュエータ駆動回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜第１の実施例＞
図１に第１の実施例の自励発振型の圧電アクチュエータ駆動回路１０Ａを示す。オペアンプＯＰ１と抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１は積分回路を構成し、インバータＩＮＶ１とインバータＩＮＶ２とセンス抵抗Ｒｓ１と負帰還抵抗Ｒｆｂ１、又はインバータＩＮＶ１とインバータＩＮＶ３とセンス抵抗Ｒｓ２と負帰還抵抗Ｒｆｂ１は、負帰還ループの一部を構成する。また、インバータＩＮＶ１とＩＮＶ２と正帰還抵抗Ｒｆｂ２、又はインバータＩＮＶ１とインバータＩＮＶ３と正帰還抵抗Ｒｆｂ２は、正帰還ループの一部を構成する。センス抵抗Ｒｓ１とＲｓ２の抵抗値は、Ｒｓ１＜Ｒｓ２の関係にある。Ｒｂはバイアス抵抗、ＶＢはバイアス電圧、ＶＳＵＰは供給電圧である。電圧ＶＢとＶＳＵＰは、ＶＢ＝ＶＳＵＰ／２の関係にある。圧電アクチュエータ２０はインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３の共通接続点とセンス抵抗Ｒｓ１，Ｒｓ２の共通接続点の間に接続されている。
【００２０】
インバータＩＮＶ１は請求項の第１のインバータであり、インバータＩＮＶ２，ＩＮＶ３は請求項の第２のインバータであり、センス抵抗Ｒｓ１，Ｒｓ２は請求項のセンス抵抗である。
【００２１】
１１はインバータＩＮＶ１から出力する共振電圧の出力パルスをカウントするカウンタである。このカウンタ１１のカウント値がＣＮ１に達するまでの期間は、カウンタ１１の制御信号ＶＣが“Ｌ”になることによって、スイッチＳＷ１が接点ａ側に切り替えられるとともに、インバータＩＮＶ３が動作し、インバータＩＮＶ２が不動作となっている。カウンタ１１のカウント値がＣＮ１に達すると、制御信号ＶＣが“Ｈ”になることによって、スイッチＳＷ１が接点ｂ側に切り替られるとともに、インバータＩＮＶ３が不動作になりインバータＩＮＶ２が動作する。カウンタ１１のカウント値がＣＮ１になるタイミングは、圧電アクチュエータ駆動回路１０Ａが起動状態から定常状態に移行する時点となるよう予め設定される。なお、カウンタ１１は請求項の切替装置である。
【００２２】
圧電アクチュエータ駆動回路１０Ａが起動すると、カウンタ１１のカウント値がＣＮ１に達するまでの起動状態では、制御信号ＶＣが“Ｌ”であり、ＳＷ１が接点ａ側に切り替えられるとともに、インバータＩＮＶ３が動作しインバータＩＮＶ２が不動作になるので、値の大きなセンス抵抗Ｒｓ２が圧電アクチュエータ２０に直列接続される。この結果、図２に示すように、１次共振周波数付近のループゲインが大きくなり、確実に１次共振周波数付近で発振が開始する。このときの共振電圧のパルスはカウンタ１１でカウントされる。
【００２３】
カウンタ１１のカウント値がＣＮ１に達すると、制御信号ＶＣが“Ｈ”になり、スイッチＳＷ１が接点ｂに切り替わるとともに、インバータＩＮＶ２が動作しインバータＩＮＶ３が不動作になって、定常状態に移行する。この定常状態では、値の小さなセンス抵抗Ｒｓ１が負帰還ループに接続される。この結果、図３に示すようにループゲインが若干低下するが、共振電流が大きくなり、圧電アクチュエータ２０を大きく振動させる。
【００２４】
このとき、高次共振周波数成分も大きくなるが、図４に示すように、起動状態で１次共振電流が十分に大きくなっているため、相対的に高次共振周波数成分の影響が小さくなり、そのまま１次共振周波数付近で発振を維持する。よって、１次共振電流が支配的となって発振し、且つ共振電流の最大値も大きくなる。
【００２５】
このように、本実施例では、圧電アクチュエータ駆動回路を１次共振周波数で安定して発振させることと圧電アクチュエータ２０の振動量を大きくするというトレードオフを、若干の回路追加により解決でき、ＩＣ化する際のコスト増加を抑制することができる。
【００２６】
＜第２の実施例＞
図５に第２の実施例の圧電アクチュエータ駆動回路１０Ｂを示す。本実施例では、インバータＩＮＶ２とセンス抵抗Ｒｓ１の間に別のセンス抵抗Ｒｓ３を挿入接続して、そのセンス抵抗Ｒｓ３の両端間にスイッチＳＷ２を接続し、カウンタ１１によりそのスイッチＳＷ２のオン／オフを制御するようにしている。ここでは、第１の実施例のセンス抵抗Ｒｓ２との関連では、
Ｒｓ１＋Ｒｓ３＝Ｒｓ２
となるように、センス抵抗Ｒｓ３の抵抗値を選定する。
【００２７】
さて、圧電アクチュエータ駆動回路１０Ｂが起動すると、カウンタ１１のカウント値がＣＮ１に達するまでの起動状態では、制御信号ＶＣが“Ｌ”であり、ＳＷ２がオフになるので、合計センス抵抗の抵抗値は「Ｒｓ１＋Ｒｓ３」となり、センス抵抗Ｒｓ１の抵抗値より大きくなり、１次共振周波数付近のループゲインが大きくなって、確実に１次共振周波数付近で発振が開始する。このときの共振電圧のパルスはカウンタ１１でカウントされる。
【００２８】
カウンタ１１のカウント値がＣＮ１に達すると、制御信号ＶＣが“Ｈ”になり、スイッチＳＷ２がオンになってセンス抵抗Ｒｓ３が短絡され、定常状態に移行する。この定常状態では、センス抵抗Ｒｓ１が負帰還ループに接続されるので、共振電流が大きくなり、圧電アクチュエータ２０を大きく振動させる。
【００２９】
このように、第２の実施例でも、第１の実施例と同様に、圧電アクチュエータ駆動回路を１次共振周波数で安定して発振させることと圧電アクチュエータ２０の振動量を大きくするというトレードオフを、若干の回路追加により解決できる。また、第１の実施例のようにインバータの数を増加させる必要が無いので、ＩＣ化する際のコスト増加をさらに抑制することができる。
【００３０】
＜第３の実施例＞
図６に第３の実施例の圧電アクチュエータ駆動回路１０Ｃを示す。本実施例では、インバータＩＮＶ２とセンス抵抗Ｒｓ１の間にＭＯＳトランジスタ１３を挿入接続して、そのＭＯＳトランジスタ１３をカウンタ１１の制御信号ＶＣにより制御される駆動回路１２によって制御するようにしている。
【００３１】
圧電アクチュエータ駆動回路１０Ｃが起動すると、カウンタ１１のカウント値がＣＮ１に達するまでの起動状態では、制御信号ＶＣが“Ｌ”であり、制御回路１２はＭＯＳトランジスタ１３の内部抵抗を所定の抵抗値（第２の実施例のＲｓ３）に設定する。このため、ＭＯＳトランジスタ１３の抵抗値とセンス抵抗Ｒｓ１の抵抗値の合計値がセンス抵抗Ｒｓ１の抵抗値より大きくなり、１次共振周波数付近のループゲインが大きくなって、確実に１次共振周波数付近で発振が開始する。このときの共振電圧のパルスはカウンタ１１でカウントされる。
【００３２】
カウンタ１１のカウント値がＣＮ１に達すると、制御信号ＶＣが“Ｈ”になり、制御回路１２はＭＯＳトランジスタ１３の内部抵抗をほぼゼロに設定し、定常状態に移行する。この定常状態では、ＭＯＳトランジスタ１３の影響は無くなっているので、共振電流が大きくなり、圧電アクチュエータ２０を大きく振動させる。
【００３３】
このように、第３の実施例でも、第１の実施例と同様に、圧電アクチュエータ駆動回路を１次共振周波数で安定して発振させることと圧電アクチュエータ２０の振動量を大きくするというトレードオフを、若干の回路追加により解決できる。また、第１の実施例のようにインバータの数を増加させる必要がないことに加えて、ＭＯＳトランジスタ１３によって抵抗とスイッチを実現することができ、ＩＣ化する際のコスト増加をより抑制することができる。さらに、駆動回路１２によってＭＯＳトランジスタ１３の内部抵抗の切り替えを滑らかに行うことが可能であり、センス抵抗の急激な変化を防止することができる。
【００３４】
＜第４の実施例＞
図７に第４の実施例の圧電アクチュエータ駆動回路１０Ｄを示す。本実施例では、積分回路の抵抗Ｒ１に別の抵抗Ｒ２を直列接続して、その抵抗Ｒ２の両端間にスイッチＳＷ３を接続し、カウンタ１１によりそのスイッチＳＷ３のオン／オフを制御するようにしている。
【００３５】
さて、圧電アクチュエータ駆動回路１０Ｄが起動すると、カウンタ１１のカウント値がＣＮ１に達するまでの起動状態では、制御信号ＶＣが“Ｌ”であり、ＳＷ３がオフになるので、積分回路には抵抗Ｒ１とＲ２が直列接続され、１次共振周波数を含む低い周波数領域のループゲインが大きくなり、確実に１次共振周波数付近で発振が開始する。このときの共振電圧のパルスはカウンタ１１でカウントされる。
【００３６】
カウンタ１１のカウント値がＣＮ１に達すると、制御信号ＶＣが“Ｈ”になり、スイッチＳＷ３がオンになって抵抗Ｒ２が短絡され、定常状態に移行する。この定常状態では、帰還抵抗はＲ１のみとなるので、適切なループゲインに設定され、圧電アクチュエータ２０を大きく振動させる。
【００３７】
このように、第４の実施例でも、ループゲインを変更することができるので、第１の実施例と同様に、圧電アクチュエータ駆動回路を１次共振周波数で安定して発振させることと圧電アクチュエータ２０の振動量を大きくするというトレードオフを、若干の回路追加により解決でき、また、第１の実施例のようにインバータの数を増加させる必要が無いので、ＩＣ化する際のコスト増加をさらに抑制することができる。
【００３８】
＜第５の実施例＞
図８に第５の実施例の自励発振型の圧電アクチュエータ駆動回路１０Ｅを示す。本実施例では、カウンタ１１に代えて、共振電流検出回路１４を使用して、第１の実施例で説明したスイッチングと同じスイッチＳＷ１の切り替えと第１の実施例で説明したインバータＩＮＶ２，ＩＮＶ３の動作／不動作の切り替えを行っている。共振電流検出回路１４はセンス抵抗Ｒｓ２の両端間の電圧、つまり圧電アクチュエータ２０の一端の電圧ＶＯＵＴ２とインバータＩＮＶ３とセンス抵抗Ｒｓ２の共通接続点の帰還電圧ＶＯＵＴ３を比較して、共振電流の値が所定値になったか否かを検出する。
【００３９】
図９にこの共振電流検出回路１２の具体的回路を示す。この共振電流検出回路１４は抵抗Ｒ２１〜Ｒ２４、コンパレータＣＰ１、ゲート回路Ｇ１、ラッチ回路ＬＴ１で構成されている。起動直後の電圧ＶＯＵＴ２は、圧電アクチュエータ２０の容量とセンス抵抗Ｒｓ２の値で決まる時定数による過度応答で変化する。その後、徐々に１次共振電流が大きくなると、電圧ＶＯＵＴ３よりも電圧ＶＯＵＴ２の振幅が大きくなり、
0006609457.tif 000002
の関係が成立すると、コンパレータＣＰ１の出力が“Ｈ”になり、ゲート回路Ｇ１の出力が“Ｈ”になって、ラッチ回路ＬＴ１から出力する制御信号ＶＣが“Ｈ”になる。
【００４０】
これにより、スイッチＳＷ１が接点ｂに切り替わるとともにインバータＩＮＶ３が不動作となりインバータＩＮＶ２が動作して、値の小さなセンス抵抗Ｒｓ１が負帰還ループに接続される。
【００４１】
以上のように第５の実施例でも、圧電アクチュエータ駆動回路を１次共振周波数で安定して発振させることと圧電アクチュエータ２０の振動量を大きくするというトレードオフを、若干の回路追加により解決でき、ＩＣ化する際のコスト増加を抑制することができる。
【００４２】
＜その他の実施例＞
図８で説明した第５の実施例は、センス抵抗Ｒｓ３とスイッチＳＷ２を使用する図５で説明した第２の実施例、ＭＯＳトランジスタ１３と駆動回路１２を使用する図６で説明した第３の実施例、抵抗Ｒ２とスイッチＳＷ３を使用する図７で説明した第４の実施例において、カウンタ１１を、共振電流の値が所定値になったか否かを検出する共振電流検出回路１４に置き換えて適用することで、同様の動作を実現させることができる。
【００４３】
また、図１で説明した第１の実施例と図８で説明した第５の実施例では、制御信号ＶＣが起動状態時は“Ｌ”、定常状態時は“Ｈ”になる場合について説明したが、起動状態時は“Ｈ”、定常状態時は“Ｌ”になる場合は、スイッチＳＷ１は制御信号ＶＣが“Ｈ”のときは接点ａに、“Ｌ”のときは接点ｂに切り替えるようにすれば、第１、第５の実施例と同様の動作を実現させることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ：圧電アクチュエータ駆動回路、１１：カウンタ、１２：駆動回路、１３：ＭＯＳトランジスタ、１４：共振電流検出回路
２０：圧電アクチュエータ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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