(57)【要約】【課題】比較的安い電子部品で機械的共振周波数の駆動が実現できる圧電素子駆動装置を提供する。【解決手段】圧電振動素子１０と、圧電振動素子１０を周波数ωで駆動する電流駆動部１００と、電流駆動部１００の出力信号Ｓ１を周波数ωで正逆切替える切替制御部２００と、切替制御部２００の出力Ｓ２の低域のみを通過させるローパスフィルタ部３００と、ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３が最大となるように周波数ωを変化させて、電流駆動部１００を駆動する周波数を制御する制御部４００と、を有して圧電素子駆動装置を構成する。【選択図】図１
2017131052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動素子と、
前記圧電振動素子を周波数で駆動する電流駆動部と、
前記電流駆動部の出力信号を前記周波数で正逆切替える切替制御部と、
前記切替制御部の出力の低域のみを通過させるローパスフィルタ部と、
前記ローパスフィルタ部の出力が最大となるように前記周波数を変化させて、前記電流駆動部を駆動する周波数を制御する制御部と、
を有することを特徴とする圧電素子駆動装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記ローパスフィルタ部の出力が最大となるように、ソフト的にフィードバック制御を行なうことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項３】
前記切替制御部は、ハードウエアにより構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子駆動装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記周波数を変化させるＰＷＭ制御を行なうことを特徴とする請求項１から３のいずれか１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、圧電素子駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、圧電素子を流れる電流を効率よく機械振動に変換するインダクタンス素子の接続条件を得る圧電素子駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この圧電素子駆動装置は、振動子の圧電素子に特定周波数の交流電圧を印加することにより励振する圧電素子に対して、直列にインダクタンス素子を接続し、前記インダクタンス素子を設置した後のインダクタンス素子を含む前記振動子全体のアドミッタンス特性の共振周波数が、前記振動子の等価回路における機械腕成分のアドミッタンスＹmと電気腕成分のアドミッタンスＹeとの大きさの比が、所定の値を満たす周波数帯域内に存在するようなインダクタンス値に設定されて構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２０１２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示された圧電素子駆動装置は、圧電振動素子に対して、直列に補償インダクタンス素子を接続する必要がある。また、このように、補償インダクタンス素子を接続して圧電振動素子を駆動しても、温度変化等により、機械的共振周波数は変化するので、精度の高い圧電振動素子の駆動ができないという問題があった。
【０００６】
従って、本発明の目的は、比較的安い電子部品で機械的共振周波数の駆動が実現できる圧電素子駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］本発明は、上記目的を達成するために、圧電振動素子と、前記圧電振動素子を周波数で駆動する電流駆動部と、前記電流駆動部の出力信号を前記周波数で正逆切替える切替制御部と、前記切替制御部の出力の低域のみを通過させるローパスフィルタ部と、前記ローパスフィルタ部の出力が最大となるように前記周波数を変化させて、前記電流駆動部を駆動する周波数を制御する制御部と、を有することを特徴とする圧電素子駆動装置を提供する。
【０００８】
［２］前記制御部は、ローパスフィルタ部の出力が最大となるように、ソフト的にフィードバック制御を行なうことを特徴とする上記［１］に記載の圧電素子駆動装置であってもよい。
【０００９】
［３］また、前記切替制御部は、ハードウエアにより構成されていることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の圧電素子駆動装置であってもよい。
【００１０】
［４］また、前記制御部は、前記周波数を変化させるＰＷＭ制御を行なうことを特徴とする上記［１］から［３］のいずれか１に記載の圧電素子駆動装置であってもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、比較的安い電子部品で機械的共振周波数の駆動が実現できる圧電素子駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る圧電素子駆動装置の全体構成を示す回路図である。
【図２】図２（ａ）は、圧電振動素子の等価回路であり、図２（ｂ）は、圧電振動素子のアドミタンス円である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る圧電素子駆動装置に関係する各信号を示す信号波形図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る圧電素子駆動装置の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（本発明の実施の形態）
本発明の実施の形態に係る圧電素子駆動装置１は、圧電振動素子１０と、圧電振動素子１０を周波数ωで駆動する電流駆動部１００と、電流駆動部１００の出力信号Ｓ１を周波数ωで正逆切替える切替制御部２００と、切替制御部２００の出力Ｓ２の低域のみを通過させるローパスフィルタ部３００と、ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３が最大となるように周波数ωを変化させて、電流駆動部１００を駆動する周波数を制御する制御部４００と、を有して構成されている。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態に係る圧電素子駆動装置の全体構成を示す回路図である。
【００１５】
圧電振動素子１０は、例えば、供給される電圧、電流により伸縮し、この伸縮により振動が発生する構造となっている。圧電素子の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ乳酸等が用いられる。
【００１６】
なお、圧電振動素子の構造としては、例えば、金属板の両面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層バイモルフ型、金属板の一方面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層ユニモルフ型、金属板の一方面に、上記の材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層ユニモルフ型、金属板の両面に、上記の材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層バイモルフ型の圧電振動素子等が使用可能である。
【００１７】
（電流駆動部１００）
電流駆動部１００は、図１に示すように、制御部４００から出力されるＰＷＭ信号をオペアンプＯＰ１でＭＯＳトランジスタＱ１をスイッチングすると共に、オペアンプＯＰ２でＰＷＭ信号を反転させてＭＯＳトランジスタＱ２をスイッチングする。ＭＯＳトランジスタＱ１及びＭＯＳトランジスタＱ２は、変換トランスＴＲの両端に接続されている。変換トランスＴＲの中点タップには電源電圧（＋１２Ｖ）が接続されている。これにより、変換トランスＴＲの２次側に、正負に振れる正弦波が生成される。
【００１８】
変換トランスＴＲの２次側には、圧電振動素子１０が接続されている。圧電振動素子１０には、電流抵抗Ｒｓが直列に接続され、圧電振動素子１０に流れる電流が出力Ｓ１として切替制御部２００に供給される。また、圧電振動素子１０と電流抵抗Ｒｓに、並列に分割抵抗Ｒ１、Ｒ２が接続され、分割された電圧は、切替制御部２００のアナログスイッチ２１０の切替信号として供給される。
【００１９】
（切替制御部２００）
切替制御部２００は、オペアンプＯＰ３により、ゲイン１倍の非反転アンプ（ユニティゲイン・アンプ）が形成されている。また、オペアンプＯＰ４は、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４が同じ値に設定されて、ゲイン−１倍の反転アンプが形成されている。
【００２０】
電流駆動部１００の出力Ｓ１は、オペアンプＯＰ３及びオペアンプＯＰ４に入力される。オペアンプＯＰ３及びオペアンプＯＰ４のそれぞれの出力は、アナログスイッチ２１０の入力側に接続され、前述の変換トランスＴＲの２次側の分割された電圧に基づいてスイッチングされる。なお、このスイッチングは、周波数ωのタイミングで切り替えられる。アナログスイッチ２１０の出力Ｓ２は、ローパスフィルタ部３００に供給される。
【００２１】
上記説明したように、切替制御部２００は、ハードウエアにより構成されている。駆動周波数ωが超音波域、例えば、３０〜４０ｋＨｚの周波数になると、安価なＡＤコンバータではサンプリングできなくなるからである。
【００２２】
（ローパスフィルタ部３００）
ローパスフィルタ部３００は、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ１、及び、抵抗Ｒ６とコンデンサＣ２により、低域のみを通過させる２段構成のローパスフィルタとされている。このローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３は、制御部４００に供給される。
【００２３】
（制御部４００）
制御部４００は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等から構成されるマイコン（マイクロコンピュータ）である。このＲＯＭには、例えば、制御部４００が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算した検出点の情報等を格納する記憶領域として用いられる。制御部４００は、内部に、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行なう機能、アナログ信号をデジタル信号に変換するコンバータ機能を備えている。制御部４００は、後述するフローチャートに従って、本実施の形態に係る圧電素子駆動装置の動作を行なう。
【００２４】
（本発明の実施の形態に係る圧電素子駆動装置の動作原理）
図２（ａ）は、圧電振動素子の等価回路であり、図２（ｂ）は、圧電振動素子のアドミタンス円である。また、図３は、本発明の実施の形態に係る圧電素子駆動装置に関係する各信号を示す信号波形図である。
【００２５】
圧電振動素子１０は、図２（ｂ）に示すように、アドミタンス円上で位相が０となる共振周波数と、必ずしも位相が０にならない機械的共振周波数とがあり、大きな振動が得られるのは機械的共振周波数である。また、圧電振動素子の共振周波数や機械的共振周波数は温度や駆動電圧によって変化するため、動的に駆動周波数を変化させ、共振周波数あるいは機械的共振周波数に追従させる必要がある。共振周波数に追従させるために用いられる手法として、ＰＬＬ（Phase Lock Loop）があり、この手法は電圧と電流の位相が一致する様に周波数を調整する。しかし、ＰＬＬでは機械的共振周波数ではなく共振周波数に追従するため、機械的共振周波数と共振周波数が離れている場合には十分な効果が得られない。これを改善するには、図２（ａ）に示すＣｄを打ち消すためのインダクタンスを追加して、機械的共振周波数と共振周波数を一致させる必要があり、コストが増加する。本発明は安価なＩＣだけで機械的共振周波数に追従させる手段を提供する。
【００２６】
機械的共振周波数においては、図２（ｂ）に示した|Ｉ|ｃｏｓφを最大とするために、|Ｉ|ｃｏｓφが最大となる周波数を探す必要がある。圧電振動素子１０への印加電圧がＶｏ・ｓｉｎ（ωｔ）で表されるとき、ｓｉｇｎ（ｓｉｎωｔ）で表される矩形波と電流Ｉ（ｔ）＝|Ｉ|ｓｉｎ（ωｔ＋φ）との積の１周期積分値Ｘ（φ）を計算すると、Ｘ（φ）＝４|Ｉ|ｃｏｓφとなるため、Ｘ（φ）が最大となる周波数を探せば、機械的共振周波数が得られる。ここで、関数ｓｉｇｎ（  ）は、実数に対しその符号に応じて１、−１、０のいずれかを返す符号関数である。なお、駆動周波数が超音波域になると、安価なＡＤコンバータではサンプリングできなくなるため、Ｘ（φ）はオペアンプやアナログスイッチ等を用いてハードウェア的に行う。
【００２７】
Ｘ（φ）が最大となる周波数を探すには、制御部（マイコン）４００を用いて周波数を制御し、一定（あるいは不定）周期で、駆動周波数を変化させ、周波数を高く変化させてＸ（φ）が増加したのであれば次も高い周波数側へ変化させ、減少したのであれば次回以降は低い周波数側へ変化させる等して、極大値付近の周波数に追従させる様にする。すなわち、ソフト的にフィードバック制御を行なう。
【００２８】
ｓｉｎωｔ、ｓｉｇｎ（ｓｉｎωｔ）、ｓｉｇｎ（ｓｉｎωｔ）・|Ｉ|ｓｉｎ（ωｔ＋φ）の信号波形は、図３に示すようになる。
【００２９】
ここで、
2017131052.tif 000003
の１周期分の平均を求めると、
2017131052.tif 000004
となる。
【００３０】
これを実現する回路例が図１に示した回路図である。本実施の形態に係る圧電素子駆動装置１は、上記示した１周期分の平均値が最大となるようにソフト的にフィードバック制御を行なう。
【００３１】
（本発明の実施の形態に係る圧電素子駆動装置の動作）
図４は、本発明の実施の形態に係る圧電素子駆動装置の動作を示すフローチャートである。以下、図１に示した回路図を参照しながら、このフローチャートに従って圧電素子駆動装置１の動作を説明する。
なお、図１において、
電流駆動部１００の出力信号Ｓ１＝Ｒｓ|Ｉ|ｓｉｎ（ωｔ＋φ）
切替制御部２００の出力信号Ｓ２＝Ｒｓ|Ｉ|ｓｉｇｎ（ｓｉｎωｔ）・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）
ローパスフィルタ部３００の出力信号Ｓ３＝Ｒｓ（２|Ｉ|/π）ｃｏｓφ
である。
【００３２】
プログラムがスタートすると、制御部４００は、まず、ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３を取得する（Ｓｔｅｐ１）。
【００３３】
制御部４００は、周波数ωを所定値Δωだけ増加させる（Ｓｔｅｐ２）。これにより、図１に示した回路は、周波数ω+Δωで動作し、ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３は変化する。
【００３４】
制御部４００は、ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３が減少したかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ３）。ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３が減少したと判断した場合（Ｓｔｅｐ３：Ｙｅｓ）は、Ｓｔｅｐ４へ進み、出力Ｓ３が減少したと判断しない場合（Ｓｔｅｐ３：Ｎｏ）は、Ｓｔｅｐ２へ戻る。
【００３５】
制御部４００は、周波数ωを所定値Δωだけ減少させる（Ｓｔｅｐ４）。これにより、図１に示した回路は、周波数ω−Δωで動作し、ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３は変化する。
【００３６】
制御部４００は、ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３が減少したかどうかを判断する（Ｓｔｅｐ５）。ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３が減少したと判断した場合（Ｓｔｅｐ５：Ｙｅｓ）は、Ｓｔｅｐ２へ戻り、出力Ｓ３が減少したと判断しない場合（Ｓｔｅｐ５：Ｎｏ）は、Ｓｔｅｐ４へ戻る。
【００３７】
上記の各ステップにおいては、制御部４００は、随時、出力Ｓ３を取得更新して、更新前のデータと比較しながら増減の判断を行なう。
【００３８】
上記示した一連の動作は、割込み停止信号が入力されるまで継続される。ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３は、上記の動作により、増減を繰り返しながら、Ｒｓ（２|Ｉ|/π）ｃｏｓφが最大となる状態に制御される。
【００３９】
図２（ｂ）に示したアドミタンス円において、ｃｏｓφが最大となる状態は、機械的共振周波数である。したがって、圧電振動素子１０は、ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３を参照しながら制御部４００によりソフト的にフィードバック制御が行われることにより、機械的共振周波数で駆動されることになる。
【００４０】
（本発明の実施の形態の効果）
本発明の実施の形態に係る圧電素子駆動装置１は、圧電振動素子１０と、圧電振動素子１０を周波数ωで駆動する電流駆動部１００と、電流駆動部１００の出力信号Ｓ１を周波数ωで正逆切替える切替制御部２００と、切替制御部２００の出力Ｓ２の低域のみを通過させるローパスフィルタ部３００と、ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３が最大となるように周波数ωを変化させて、電流駆動部１００を駆動する周波数を制御する制御部４００と、を有して構成されている。制御部４００は、ローパスフィルタ部３００の出力Ｓ３が最大となるように、ソフト的にフィードバック制御を行なう。このような構成、動作により、圧電振動素子１０を、温度変化や駆動電圧変化によらずに、機械的共振周波数で駆動することが可能となる。本実施の形態によれば、圧電振動素子にインダクタンスを追加する等の構成を必要としないので、比較的安い電子部品で機械的共振周波数の駆動が実現できる圧電素子駆動装置を提供することが可能となる。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４２】
１…圧電素子駆動装置
１０…圧電振動素子
１００…電流駆動部
２００…切替制御部
２１０…アナログスイッチ
３００…ローパスフィルタ部
４００…制御部
ＯＰ１〜ＯＰ４…オペアンプ
Ｑ１、Ｑ２…ＭＯＳトランジスタ
Ｒｓ…電流抵抗
Ｒ１〜Ｒ６…抵抗
Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ
Ｓ１…電流駆動部の出力信号
Ｓ２…切替制御部の出力信号
Ｓ３…ローパスフィルタ部の出力信号
ω…周波数
【図１】
2017131052.tif 000005
【図２】
2017131052.tif 000006
【図３】
2017131052.tif 000007
【図４】
2017131052.tif 000008