(57)【要約】【課題】マイグレーションの発生を十分に防止でき、しかも圧電素子のストロークを細かく制御できるようにする。【解決手段】昇圧スイッチング回路５は電源電圧を昇圧して圧電素子４に印加する。降圧スイッチング回路７は電源電圧から負電圧を生成して圧電素子４に印加する。スイッチング素子Ｓ１は閉じることにより圧電素子４をＧＮＤと接続する。スイッチング素子Ｓ２は閉じることにより圧電素子４を電源と接続する。ＰＷＭ制御回路９は昇圧スイッチング回路５及び前記降圧スイッチング回路７にそれぞれデューティ比を可変してＰＷＭ制御信号を入力する。制御装置１０はＰＷＭ制御回路９によるＰＷＭ制御信号のデューティ比を制御し、また、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の開閉も制御する。【選択図】図１
2008092634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源電圧を昇圧して圧電素子に印加する昇圧スイッチング回路と、
前記電源電圧から負電圧を生成して前記圧電素子に印加する降圧スイッチング回路と、
前記昇圧スイッチング回路及び前記降圧スイッチング回路にそれぞれデューティ比を可変としてＰＷＭ制御信号を駆動信号として入力するＰＷＭ制御回路と、
前記ＰＷＭ制御回路による前記デューティ比を制御する制御手段と、
を備えている圧電素子駆動装置。
【請求項２】
閉じることにより前記圧電素子をＧＮＤと接続する第１スイッチング素子と、
閉じることにより前記圧電素子を電源と接続する第２スイッチング素子と、
をさらに備え、
前記制御手段は、前記第１及び第２スイッチング素子の開閉も制御する、
請求項１に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記ＰＷＭ制御回路により当該昇圧スイッチング回路に前記ＰＷＭ制御信号を入力して前記圧電素子の電圧を昇圧する第１制御手段と、
前記第１制御手段による制御に引き続いて前記第１スイッチング素子を閉じて前記圧電素子の電圧を降圧する第２制御手段と、
前記第２制御手段による制御に引き続いて当該降圧スイッチング回路に前記ＰＷＭ制御信号を入力して前記圧電素子を負電圧に降圧する第３制御手段と、
前記第３制御手段による制御に引き続いて前記第１スイッチング素子を閉じて前記圧電素子の電圧を昇圧する第２制御手段と、
を備えている請求項２に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項４】
前記昇圧スイッチング回路は、
前記ＰＷＭ制御信号により開閉する第３スイッチング素子と、
前記第３スイッチング素子が閉じることにより前記電源電圧によりエネルギーを蓄積し、前記第３スイッチング素子が開くことにより蓄積された前記エネルギーを前記圧電素子に印加する第１インダクタンス素子と、
を備え、
前記降圧スイッチング回路は、
前記ＰＷＭ制御信号により開閉する第４スイッチング素子と、
一端がＧＮＤ側に接続され他端が前記電源電圧側及び前記圧電素子側に接続されていて、前記第３スイッチング素子が閉じることにより前記電源電圧によりエネルギーを蓄積し、前記第３スイッチング素子が開くことにより蓄積された前記エネルギーを維持しようとして前記圧電素子をディスチャージする第２インダクタンス素子と、
を備えている、
請求項１〜３の何れかの一項に記載の圧電素子駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を駆動する圧電素子駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話に搭載するカメラレンズのオートフォーカス駆動用のレンズアクチュエータとして、圧電素子を使用することが知られている。
【０００３】
図４は、従来の一般的な圧電素子駆動装置の概略構成を示す回路図である。この圧電素子駆動装置１０１は、所定の矩形波電圧を発生する任意波形発生装置１０２と、高圧電源を内蔵したアンプ１０３とからなり、任意波形発生装置１０２が発生する矩形波電圧をアンプ１０３で増幅して圧電素子１０４に印加することにより、圧電素子１０４を駆動するものである。
【特許文献１】特開２００３‐１５８４５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述の従来の一般的な圧電素子駆動装置１０１においては、圧電素子１０４の電極の針状結晶の自然発生で短絡が生じる現象であるマイグレーションの発生を防止することができないという不具合がある。
【０００５】
この場合に、マイナス電圧も圧電素子１０４に印加できるようにしてマイグレーションの発生を防止しようとすると、マイナス電圧を発生させるアンプが必要となり、回路規模が大きくなりすぎてしまうという不具合もある。
【０００６】
また、圧電素子駆動装置１０１においては、電圧を印加しないことにより圧電素子１０４に延びが発生していない状態と、電圧を印加することにより圧電素子１０４に延びが発生した状態との２段階の状態にのみ圧電素子１０４を制御できるにとどまる。すなわち、圧電素子１０４を完全に延びきった状態ではなく、中間的な位置で圧電素子１０４の延びを停止させることはできない、つまり、圧電素子１０４のストロークを細かく制御することができないという不具合もある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、比較的小型の回路によりマイグレーションの発生を十分に防止でき、しかも圧電素子のストロークを細かく制御できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電源電圧を昇圧して圧電素子に印加する昇圧スイッチング回路と、前記電源電圧から負電圧を生成して前記圧電素子に印加する降圧スイッチング回路と、前記昇圧スイッチング回路及び前記降圧スイッチング回路にそれぞれデューティ比を可変としてＰＷＭ制御信号を入力するＰＷＭ制御回路と、前記ＰＷＭ制御回路による前記デューティ比を制御する制御手段と、を備えている圧電素子駆動装置である。
【０００９】
この場合に、閉じることにより前記圧電素子をＧＮＤと接続する第１スイッチング素子と、閉じることにより前記圧電素子を電源と接続する第２スイッチング素子と、をさらに備え、前記制御手段は、前記第１及び第２スイッチング素子の開閉も制御する、ようにしてもよい。
【００１０】
さらに、この場合に、前記制御手段は、前記ＰＷＭ制御回路により当該昇圧スイッチング回路に前記ＰＷＭ制御信号を入力して前記圧電素子の電圧を昇圧する第１制御手段と、前記第１制御手段による制御に引き続いて前記第１スイッチング素子を閉じて前記圧電素子の電圧を降圧する第２制御手段と、前記第２制御手段による制御に引き続いて当該降圧スイッチング回路に前記ＰＷＭ制御信号を入力して前記圧電素子を負電圧に降圧する第３制御手段と、前記第３制御手段による制御に引き続いて前記第１スイッチング素子を閉じて前記圧電素子の電圧を昇圧する第２制御手段と、を備えているようにしてもよい。
【００１１】
そのうえ、前記昇圧スイッチング回路は、前記ＰＷＭ制御信号により開閉する第３スイッチング素子と、前記第３スイッチング素子が閉じることにより前記電源電圧によりエネルギーを蓄積し、前記第３スイッチング素子が開くことにより蓄積された前記エネルギーを前記圧電素子に印加する第１インダクタンス素子と、を備え、前記降圧スイッチング回路は、前記ＰＷＭ制御信号により開閉する第４スイッチング素子と、一端がＧＮＤ側に接続され他端が前記電源電圧側及び前記圧電素子側に接続されていて、前記第３スイッチング素子が閉じることにより前記電源電圧によりエネルギーを蓄積し、前記第３スイッチング素子が開くことにより蓄積された前記エネルギーを維持しようとして前記圧電素子をディスチャージする第２インダクタンス素子と、を備えているようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、昇圧スイッチング回路及び降圧スイッチング回路のオン、オフ、ＰＷＭ制御回路によるデューティ比を制御することにより、圧電素子の印加電圧を図３の横軸のように制御して、圧電素子のストロークを縦軸のように変化させることができるので、圧電素子にマイナス電圧を断続的に印加することでマイグレーションの発生を防止することができる。
【００１３】
この場合に、マイグレーションの発生を降圧スイッチング回路により実現することができるので、比較的小型の回路でマイグレーションの発生を防止すると共に、入力時間に起因する結晶の成長時間を短くすることによるマイグレーションの防止効果をも得ることができる。
【００１４】
また、ＰＷＭ制御信号のデューティ比を可変することで圧電素子のストロークを無断階に変化させることができる。
【００１５】
さらに、カメラレンズのオートフォーカス駆動用のレンズアクチュエータなどとして圧電素子を使用する場合に本装置を適用すれば、圧電素子にプラス電圧からマイナス電圧まで印加することで、圧電素子のストロークを図３の縦軸のように広範囲に変化させることができる。よって、このストロークの中間位置に駆動対象となるレンズを配置すれば、既存の回路を使用して圧電素子にプラス電圧のみ、又はマイナス電圧のみを印加することにより同様のストロークを実現する場合に比べて、消費電力をほぼ半分に低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態である圧電素子駆動装置の概略構成を示す回路図である。
【００１８】
この圧電素子駆動装置１は、低圧電源２と、低圧電源２の出力する電源電圧を昇圧し、スイッチング素子Ｓ１を介して圧電素子４に印加する昇圧スイッチング回路５と、低圧電源２の出力する電源電圧から負電圧を生成してスイッチング素子Ｓ２を介して圧電素子４に印加する降圧スイッチング回路７と、いずれも半導体スイッチで構成されるスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を開閉駆動するスイッチング素子駆動回路８と、昇圧スイッチング回路５及び降圧スイッチング回路７にＰＷＭ制御信号をデューティ比可変でそれぞれ入力するＰＷＭ制御回路９と、マイクロコンピュータなどで構成され、スイッチング素子駆動回路８及びＰＷＭ制御回路９を制御する制御装置１０と、を備えている。
【００１９】
図２は、昇圧スイッチング回路５及び降圧スイッチング回路７の具体的な回路構成例を示す回路図である。
【００２０】
昇圧スイッチング回路５は、２つのコイルが接続されたインダクタンス素子Ｌ１を備えている。インダクタンス素子Ｌ１の一方のコイルは一端が低電圧電源２側に接続され、他端がＧＮＤ側に接続されている。インダクタンス素子Ｌ１の他方のコイルは一端がＧＮＤ側に接続され、他端がスイッチング素子Ｓ１側（圧電素子４側）に接続されている。この２つのコイルとＧＮＤとを接続するラインにはスイッチング素子Ｓ３が介装されている。また、インダクタンス素子Ｌ１とスイッチング素子Ｓ１を接続するラインには、カソード側を圧電素子４側としてダイオードＤ１が介装されている。ＰＷＭ制御回路９から出力されるＰＷＭ制御信号はスイッチング素子Ｓ３に印加される。
【００２１】
スイッチング素子Ｓ１を閉じた状態でＰＷＭ制御信号のオンによりスイッチング素子Ｓ３を閉じると、インダクタンス素子Ｌ１には電気エネルギーが蓄積され、次にスイッチング素子Ｓ３を開くと当該蓄積された電気エネルギーにより圧電素子４に電圧が印加される。このスイッチング素子Ｓ３の１回の開閉により印加される電圧ΔＶにスイッチング素子の開閉の回数を乗算した電圧Ｖが圧電素子４への印加電圧となり、電圧ΔＶの印加で拡大する圧電素子のストロークΔｌは、電圧ΔＶの大きさに比例する。また、電圧ΔＶの大きさはスイッチング素子Ｓ３に入力されるＰＷＭ制御信号のデューティ比に比例する。
【００２２】
降圧スイッチング回路７は、一端が低電圧電源２側及びスイッチング素子Ｓ２側（圧電素子４側）に他端がＧＮＤ側に接続されたインダクタンス素子Ｌ２と、低電圧電源２側とインダクタンス素子Ｌ２との間のラインに介装されたスイッチング素子Ｓ４と、インダクタンス素子Ｌ２のスイッチング素子Ｓ４側とスイッチング素子Ｓ２側とを接続するラインにアノード側を圧電素子４側として介装されたダイオードＤ２と、を備えている。ＰＷＭ制御回路９から出力されるＰＷＭ制御信号はスイッチング素子Ｓ４に印加される。
【００２３】
スイッチング素子Ｓ２を閉じた状態でＰＷＭ制御信号のオンによりスイッチング素子Ｓ４を閉じると、インダクタンス素子Ｌ２には電気エネルギーが蓄積され、次にスイッチング素子Ｓ４を開くとインダクタンス素子Ｌ２は当該電気エネルギーが蓄積された状態を維持しようとするので、圧電素子４側から電荷を引っ張ろうとして圧電素子４をディスチャージする。
【００２４】
なお、図２に示す昇圧スイッチング回路５及び降圧スイッチング回路７の具体的な回路構成例は一例であって、本発明を限定するものではない。すなわち、本発明の圧電素子駆動装置には様々な回路構成の昇圧スイッチング回路及び降圧スイッチング回路を適用することができる。
【００２５】
次に、図１、図２に示す圧電素子駆動装置１の動作について説明する。
【００２６】
図３は、圧電素子駆動装置１による圧電素子４への印加電圧と圧電素子４の１回分のストロークとの関係を示すグラフである。横軸は圧電素子４への印加電圧を示し、縦軸は圧電素子４のストロークを示している。ストロークがプラスであるときは圧電素子４に延びが発生していることを示し、ストロークがマイナスであるときは圧電素子４に縮みが発生していることを示している。
【００２７】
次に、説明するPhase１〜Phase４は、圧電素子４の１回分のストロークの開始から終了までを順に分割して説明するものである。
【００２８】
（１）Phase１
まず、低圧電源２からは一定の電圧Ｖinが供給される。制御装置１０は、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４を開き、スイッチング素子Ｓ１を閉じる。また、スイッチング素子Ｓ３をＰＷＭ制御信号により所定の周波数で開閉動作する。これにより、昇圧スイッチング回路５から圧電素子４へ所定の電力供給が可能となり、このときの状態が図３のPhase１である。すなわち、圧電素子４への印加電圧が０、圧電素子４のストロークが０の状態から、圧電素子４への印加電圧が上昇して圧電素子４のストロークも上昇する。圧電素子４へ印加する電圧は、ＰＷＭ制御信号のデューティ比で決まる。
【００２９】
（２）Phase２
Phase１では、圧電素子４には既にある程度の電荷が蓄積された状態にあり、あるストロークを出力している状態にある。この後、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４を開き、スイッチング素子Ｓ２を閉じる。これにより、圧電素子４がＧＮＤに接続され、圧電素子４に蓄積された電荷が、スイッチング素子Ｓ２、ダイオードＤ２、インダクタンス素子Ｌ２を介して放出される。これがPhase２の状態である。
【００３０】
（３）Phase３
Phase２の後、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３を開き、スイッチング素子Ｓ２を閉じた状態で、スイッチング素子Ｓ４をＰＷＭ制御信号により所定の周波数で開閉動作する。これにより、圧電素子４には、降圧スイッチング回路７によりマイナス電圧を印加することができる。よって、圧電素子４の電圧はマイナス電圧となり、圧電素子４のストロークは圧電素子４の電圧が０のときよりさらに小さくなる。このときの状態がPhase３である。圧電素子４へ印加する電圧は、ＰＷＭ制御信号のデューティ比で決まる。
【００３１】
（４）Phase４
Phase３により、圧電素子４は縮まっている状態にある。この状態から元のストロークが０の状態に戻すため、Phase４では、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を開き、スイッチング素子Ｓ１を閉じる。これにより、低圧電源２から一定のプラスの電圧Ｖinが供給され、圧電素子４への印加電圧が０、圧電素子４のストロークが０の状態である初期状態に戻る。
【００３２】
以上説明した圧電素子駆動装置１によれば、低圧電源２の低い電源電圧を昇圧して圧電素子４に印加するので、例えば、携帯電話の端末装置に搭載されたカメラのフォーカシング機構などを、圧電素子４をアクチュエータとして駆動する場合でも、十分な電圧を圧電素子４に与えて的確に駆動することができる。
【００３３】
また、１回のストロークが発生してから終了するまでの動作で、圧電素子４にはプラス電圧を印加した後にマイナス電圧も断続的に印加するようにしているので、マイグレーションの発生を抑えることができる。
【００３４】
この場合に、従来の圧電素子駆動装置とは異なり、降圧スイッチング回路７により圧電素子４へのマイナス電圧の印加を実現しているので、マイグレーションの発生を抑制しつつも、回路規模の拡大を防止することができ、しかも、入力時間に起因する結晶の成長時間を短くすることによるマイグレーションの防止効果をも得ることができる。
【００３５】
さらに、マイナス電圧の印加で圧電素子４が縮むので、圧電素子４の１回のストロークの範囲を拡大することができる。
【００３６】
そのうえ、圧電素子４へ印加する電圧をＰＷＭ制御するので、ＰＷＭ制御信号のデューティ比を変えることで圧電素子のストロークを無段階に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる圧電素子駆動装置の概略構成を説明する回路図である。
【図２】圧電素子駆動装置の昇圧スイッチング回路、降圧スイッチング回路の回路構成例を示す回路図である。
【図３】圧電素子駆動装置による圧電素子の印加電圧と発生ストロークとの関係を説明するグラフである。
【図４】従来の圧電素子駆動装置の概略構成を説明する回路図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    圧電素子駆動装置
２    低圧電源
４    圧電素子
５    昇圧スイッチング回路
７    降圧スイッチング回路
８    スイッチング素子駆動回路
９    ＰＷＭ制御回路
１０  制御装置
Ｓ１〜Ｓ４  スイッチング素子
Ｌ１，Ｌ２  インダクタンス素子
Ｄ１，Ｄ２  ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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