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JP2009100527A - Piezoelectric actuator driving device - Google Patents

Piezoelectric actuator driving device Download PDF

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JP2009100527A
JP2009100527A JP2007268792A JP2007268792A JP2009100527A JP 2009100527 A JP2009100527 A JP 2009100527A JP 2007268792 A JP2007268792 A JP 2007268792A JP 2007268792 A JP2007268792 A JP 2007268792A JP 2009100527 A JP2009100527 A JP 2009100527A
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Japan
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piezoelectric element
voltage
circuit
piezoelectric actuator
transistor
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Application number
JP2007268792A
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Japanese (ja)
Inventor
Masami Omomo
正己 大桃
Toshiaki Isomura
俊章 磯村
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Mitsuba Corp
Original Assignee
Mitsuba Corp
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Publication date
Application filed by Mitsuba Corp filed Critical Mitsuba Corp
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify a current control circuit in a piezoelectric actuator driving device that controls driving of a piezoelectric actuator by constant-current charging/discharging of the current control circuit. <P>SOLUTION: The driving device 11 is for a piezoelectric actuator including a long driving body having a piezoelectric element 9 and a rotating shaft installed at one end of the driving body. The driving device 11 includes: a first drive circuit 13A that applies voltage to the piezoelectric element 9 to deform the piezoelectric element 9 in one direction; and a second drive circuit 13B that applies voltage to the piezoelectric element 9 to deform the piezoelectric element 9 in another direction different from the one direction. The first and second drive circuits 13A, 13B are alternately actuated to rotate or lock the driving body on the rotating shaft. The current control circuit 21 is provided in series with the first and second drive circuits 13A, 13B. The current control circuit 21 includes a variable resistor Rv and the times of charging and discharging the piezoelectric element 9 are controlled by varying the resistance value of the variable resistor Rv. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、圧電素子を使用した圧電アクチュエータの駆動装置に関するものである。   The present invention relates to a drive device for a piezoelectric actuator using a piezoelectric element.

小型の回転/揺動型アクチュエータとして、近年、電気機械変換素子の一種である圧電素子を用いた圧電アクチュエータが開発され、その実用化が進められている。特に、小型のCCDカメラ等に使用されるワイパ装置では、スペースやデザイン上の問題から、電磁モータに代えて、このような圧電素子を利用した圧電アクチュエータの利用が進められている。   In recent years, a piezoelectric actuator using a piezoelectric element which is a kind of electromechanical conversion element has been developed as a small rotation / oscillation type actuator, and its practical use is being promoted. In particular, in a wiper device used for a small CCD camera or the like, a piezoelectric actuator using such a piezoelectric element is being used instead of an electromagnetic motor due to space and design problems.

圧電アクチュエータでは、圧電素子が、印加された電圧に応じて変位するように構成されており、圧電素子をアクチュエータとして動作させるために、圧電素子の動作に緩急を生じさせる必要があり、図11に示されるのように圧電素子に鋸歯状波形の電圧が印加される。鋸歯状波電圧の電圧が急激に変化するときは、圧電素子の変位動作も速く、電圧がゆっくりと変化するときは圧電素子の変位動作も緩慢になる。すなわち、印加される電圧の変化率の違いにより圧電素子の動作に緩急が生じる。そして、回転軸に圧電素子を取り付けた圧電アクチュエータでは、圧電素子の動作に緩急が生じることによって、回転軸が回動する(特許文献1、特許文献2等)。   In the piezoelectric actuator, the piezoelectric element is configured to be displaced according to the applied voltage. In order to operate the piezoelectric element as an actuator, it is necessary to cause the operation of the piezoelectric element to be slow and slow. As shown, a sawtooth waveform voltage is applied to the piezoelectric element. When the voltage of the sawtooth voltage changes rapidly, the displacement operation of the piezoelectric element is fast, and when the voltage changes slowly, the displacement operation of the piezoelectric element becomes slow. That is, the operation of the piezoelectric element becomes slow due to the difference in the change rate of the applied voltage. And in the piezoelectric actuator which attached the piezoelectric element to the rotating shaft, when the operation | movement of a piezoelectric element becomes slow, a rotating shaft rotates (patent document 1, patent document 2, etc.).

鋸歯状波形の電圧は、例えば、図12のような回路構成の圧電アクチュエータ駆動装置よって圧電アクチュエータに供給される(特許文献3)。図12の駆動装置31では、スイッチ素子を用いたブリッジ回路32によって圧電素子9が制御される。ブリッジ回路32には、トランジスタQ1、Q3、NチャンネルMOS‐FETQ2、Q4及び抵抗が設けられている。ブリッジ回路32の接地側にブリッジ回路32と直列に電流制御回路41が設けられている。電流制御回路41は、定電流回路42とスイッチング回路43とが並列に接続された構成となっており、ブリッジ回路32とは接続点dにおいて接続されている。定電流回路42はトランジスタQ5、ツェナーダイオードZdを備え、スイッチング回路43はトランジスタQ6を備えている。トランジスタQ1、Q3のベース、NチャンネルMOS−FETQ2、Q4のゲート、トランジスタ Q5、Q6のベースは、それぞれ制御回路14に接続され、トランジスタQ1、Q3、NチャンネルMOS−FETQ2、Q4、トランジスタQ5、Q6は制御回路14により制御される。なお、圧電素子9は、一方の端子がトランジスタQ1とMOS−FETQ2との接続点に接続され、他方の端子がトランジスタQ3とMOS−FETQ4との接続点に接続されており、キャパシタ(コンデンサ)と等価的に動作する。   The sawtooth voltage is supplied to the piezoelectric actuator by a piezoelectric actuator driving device having a circuit configuration as shown in FIG. 12, for example (Patent Document 3). In the drive device 31 of FIG. 12, the piezoelectric element 9 is controlled by the bridge circuit 32 using a switch element. The bridge circuit 32 is provided with transistors Q1 and Q3, N-channel MOS-FETs Q2 and Q4, and a resistor. A current control circuit 41 is provided in series with the bridge circuit 32 on the ground side of the bridge circuit 32. The current control circuit 41 has a configuration in which a constant current circuit 42 and a switching circuit 43 are connected in parallel, and is connected to the bridge circuit 32 at a connection point d. The constant current circuit 42 includes a transistor Q5 and a Zener diode Zd, and the switching circuit 43 includes a transistor Q6. The bases of the transistors Q1 and Q3, the gates of the N-channel MOS-FETs Q2 and Q4, and the bases of the transistors Q5 and Q6 are respectively connected to the control circuit 14, and the transistors Q1 and Q3, the N-channel MOS-FETs Q2 and Q4, the transistors Q5 and Q6 Is controlled by the control circuit 14. The piezoelectric element 9 has one terminal connected to the connection point between the transistor Q1 and the MOS-FET Q2, and the other terminal connected to the connection point between the transistor Q3 and the MOS-FET Q4. Works equivalently.

図13は、圧電アクチュエータを正方向に駆動させる場合の駆動装置の動作とその際の電圧波形、図14は、圧電アクチュエータを逆方向に駆動させる場合の駆動装置の動作とその際の電圧波形を示している。
圧電アクチュエータを正方向に駆動する時には、キャパシタとしての圧電素子9に、時刻t2から時刻t3までの間に電圧波形(1)が生じるよう、圧電素子9を低速充電する。すなわち、トランジスタQ1とMOS−FETQ4をオン状態にし、トランジスタQ2とMOS−FETQ3をオフ状態とし、トランジスタQ5をオン状態、トランジスタQ6をオフ状態にする。これにより、破線にて示すように、電源VpからトランジスタQ1、圧電素子9、トランジスタQ4、定電流回路42を介し、GNDいたる回路が形成され、圧電素子9は定電流回路42を介して定電流を充電される。定電流の充電電流によって、圧電素子9にはゆっくりと変化する電圧波形(1)が生じ、圧電素子9の形状はゆっくり変位し、圧電アクチュエータの回転軸(図示せず)は摩擦力に保持され、回転しない。
FIG. 13 shows the operation of the driving device when driving the piezoelectric actuator in the forward direction and the voltage waveform at that time, and FIG. 14 shows the operation of the driving device when driving the piezoelectric actuator in the reverse direction and the voltage waveform at that time. Show.
When the piezoelectric actuator is driven in the positive direction, the piezoelectric element 9 is charged at a low speed so that a voltage waveform (1) is generated in the piezoelectric element 9 as a capacitor from time t2 to time t3. That is, the transistor Q1 and the MOS-FET Q4 are turned on, the transistor Q2 and the MOS-FET Q3 are turned off, the transistor Q5 is turned on, and the transistor Q6 is turned off. As a result, as shown by a broken line, a circuit such as GND is formed from the power source Vp through the transistor Q1, the piezoelectric element 9, the transistor Q4, and the constant current circuit 42. The piezoelectric element 9 is connected to the constant current circuit 42 through the constant current circuit 42. Be charged. Due to the constant charging current, a slowly changing voltage waveform (1) is generated in the piezoelectric element 9, the shape of the piezoelectric element 9 is slowly displaced, and the rotating shaft (not shown) of the piezoelectric actuator is held by a frictional force. Does not rotate.

充電された圧電素子9を電圧波形(2)に示されるように時刻t1又は時刻t4において高速で放電を行う場合には、トランジスタQ1とMOS−FETQ4をオフ状態にし、MOS−FETQ2、トランジスタQ3をオン状態にし、トランジスタQ5をオフ状態、トランジスタQ6をオン状態にする。これにより、一点鎖線にて示すように、電源VpからトランジスタQ3、圧電素子9、MOS−FETQ2、スイッチング回路43を介し、接地(GND)にいたる回路が形成される。このとき、圧電素子9には電圧波形(1)の場合とは逆極性で、電源Vpの電圧が直接印加され、圧電素子9は急速放電され、さらに逆極性に充電される。従って、正方向駆動時には、トランジスタQ1、Q4、Q5とトランジスタQ2、Q3、Q6のオンオフを交互に繰り返すことにより、圧電素子9に、図13に示すような鋸歯状波形の電圧が印加される。電圧波形(2)に示されるように圧電素子9に印加された電圧が急変する場合には、圧電素子9の形状は急変位し、その反力で圧電アクチュエータの回転軸がスリップし、回転する。   When the charged piezoelectric element 9 is discharged at high speed at time t1 or t4 as shown in the voltage waveform (2), the transistor Q1 and the MOS-FET Q4 are turned off, and the MOS-FET Q2 and the transistor Q3 are turned off. The transistor Q5 is turned off and the transistor Q6 is turned on. As a result, as shown by a one-dot chain line, a circuit from the power source Vp to the ground (GND) is formed via the transistor Q3, the piezoelectric element 9, the MOS-FET Q2, and the switching circuit 43. At this time, the voltage of the power source Vp is directly applied to the piezoelectric element 9 with the opposite polarity to that of the voltage waveform (1), and the piezoelectric element 9 is rapidly discharged and further charged with the opposite polarity. Accordingly, when driving in the forward direction, the transistors Q1, Q4, Q5 and the transistors Q2, Q3, Q6 are alternately turned on and off to apply a voltage having a sawtooth waveform as shown in FIG. When the voltage applied to the piezoelectric element 9 changes suddenly as shown in the voltage waveform (2), the shape of the piezoelectric element 9 is suddenly displaced, and the reaction force causes the rotational axis of the piezoelectric actuator to slip and rotate. .

一方、圧電アクチュエータを逆方向に駆動する時には、まず、キャパシタとしての圧電素子9に時刻t1又は時刻t4に示す電圧波形(3)が生じるよう、圧電素子9を高速充電する。すなわち、トランジスタQ1、MOS−FETQ4をオン状態にし、MOS−FETQ2、トランジスタQ3をオフ状態とし、トランジスタQ5をオフ状態、トランジスタQ6をオン状態にする。これにより、図14に一点鎖線にて示すように、電源VpからトランジスタQ1、圧電素子9MOS−FETQ4、スイッチング回路43を介し、GNDに至る回路が形成され、圧電素子9は電源Vpによって急速に充電される。電圧波形(3)に示されるように圧電素子9に印加された電圧が急変する場合には、圧電素子9の形状は急変位し、圧電アクチュエータの回転軸が回転する。   On the other hand, when the piezoelectric actuator is driven in the reverse direction, first, the piezoelectric element 9 is charged at high speed so that the voltage waveform (3) shown at time t1 or time t4 is generated in the piezoelectric element 9 as a capacitor. That is, the transistor Q1 and the MOS-FET Q4 are turned on, the MOS-FET Q2 and the transistor Q3 are turned off, the transistor Q5 is turned off, and the transistor Q6 is turned on. As a result, a circuit extending from the power source Vp to the GND via the transistor Q1, the piezoelectric element 9MOS-FET Q4, and the switching circuit 43 is formed as shown by a one-dot chain line in FIG. 14, and the piezoelectric element 9 is rapidly charged by the power source Vp. Is done. When the voltage applied to the piezoelectric element 9 changes suddenly as shown in the voltage waveform (3), the shape of the piezoelectric element 9 is suddenly displaced, and the rotation axis of the piezoelectric actuator rotates.

圧電素子9を充電する時刻t2から時刻t3の電圧波形(4)に示されるように低速放電を行う場合にはトランジスタQ1とMOS−FETをオフ状態、MOS−FETQ2、トランジスタQ3をオン状態にし、トランジスタQ5をオン状態、トランジスタQ6をオフ状態にする。これにより、図14に破線にて示すように、電源VpからトランジスタQ3、圧電素子9、MOS−FETQ2、定電流回路43を介し、GNDに至る回路が形成せれる。このとき、圧電素子9は、電源Vpに対し逆極性で接続され、充電された電荷が定電流回路42を介して定電流で放電され、更に、さらに逆極性に充電される。従って、逆方向駆動時においては、トランジスタQ1、MOS−FETQ4、トランジスタQ6とMOS−FETQ2、トランジスタQ3、トランジスタQ5」のオン/オフを繰り返すことにより、圧電素子9には、図14に示すような鋸歯状波形の電圧が生じる。ゆっくりと変化する電圧波形(4)によって、圧電素子9の形状はゆっくり変位し、圧電アクチュエータの回転軸は回転しない。   When performing low-speed discharge as shown in the voltage waveform (4) from time t2 to time t3 for charging the piezoelectric element 9, the transistor Q1 and the MOS-FET are turned off, the MOS-FET Q2 and the transistor Q3 are turned on, Transistor Q5 is turned on and transistor Q6 is turned off. Thereby, as shown by a broken line in FIG. 14, a circuit extending from the power source Vp to GND via the transistor Q3, the piezoelectric element 9, the MOS-FET Q2, and the constant current circuit 43 is formed. At this time, the piezoelectric element 9 is connected to the power source Vp with a reverse polarity, and the charged electric charge is discharged with a constant current via the constant current circuit 42 and further charged with a reverse polarity. Accordingly, during reverse driving, by repeatedly turning on / off the transistor Q1, the MOS-FET Q4, the transistor Q6 and the MOS-FET Q2, the transistor Q3, and the transistor Q5, the piezoelectric element 9 has a configuration as shown in FIG. A sawtooth voltage is generated. Due to the slowly changing voltage waveform (4), the shape of the piezoelectric element 9 is slowly displaced, and the rotation axis of the piezoelectric actuator does not rotate.

このように駆動回路31では、ブリッジ回路32のトランジスタQ1、Q3、NチャンネルMOS−FETQ2、Q4及び電流制御回路42のトランジスタQ5、スイッチング回路43のトランジスタQ6の動作により、電圧波形(1)によりに示される低速充電、電圧波形(2)に示される高速放電、電圧波形(3)に示される高速充電と、電圧波形(4)によりに示される低速放電が適宜切り替えられ、圧電アクチュエータの正回転、逆回転駆動が制御される。
特開2003−011786号公報 特開2003−200816号公報 特開2005−210769号公報
As described above, in the drive circuit 31, the operation of the transistors Q1 and Q3 of the bridge circuit 32, the N-channel MOS-FETs Q2 and Q4, the transistor Q5 of the current control circuit 42, and the transistor Q6 of the switching circuit 43 are The slow charge shown, the fast discharge shown in the voltage waveform (2), the fast charge shown in the voltage waveform (3), and the slow discharge shown in the voltage waveform (4) are switched appropriately, and the piezoelectric actuator is rotated forward, Reverse rotation drive is controlled.
JP 2003-011786 A JP 2003-200816 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-210769

しかしながら、上述の従来技術にあっては、電流制御回路は、定電流回路とスイッチング回路の2つの回路が必要となり、電流制御回路を簡素化したいとする課題がある。また、圧電素子の温度が変化して、圧電アクチュエータを一定速度で回転駆動させたいとする課題がある。   However, in the above-described prior art, the current control circuit requires two circuits, a constant current circuit and a switching circuit, and there is a problem that it is desired to simplify the current control circuit. In addition, there is a problem that the temperature of the piezoelectric element changes and it is desired to rotationally drive the piezoelectric actuator at a constant speed.

Figure 2009100527
Figure 2009100527

上式(1)は、鋸歯状波形の電圧勾配Sと、定電流制御回路を流れる電流Iと圧電素子の静電容量Cとの関係を示したものであり、電圧勾配Sは静電容量Cに反比例する。ここで、圧電素子の静電容量Cは、圧電素子の温度変化により増減する性質を有し、その結果、圧電素子の温度変化により、電圧勾配Sが変化する。圧電アクチュエータを一定速度で回転駆動させるためには、電圧勾配Sを一定にし、低速充電及び低速放電の時間を一定にする必要があるが、圧電素子の温度変化すると電圧勾配Sを一定にすることができない。圧電素子の温度が変化しても、圧電アクチュエータを一定速度で回転駆動させたいとする課題がある。   The above formula (1) shows the relationship between the voltage gradient S having a sawtooth waveform, the current I flowing through the constant current control circuit, and the capacitance C of the piezoelectric element. Inversely proportional to Here, the electrostatic capacitance C of the piezoelectric element has a property of increasing / decreasing with a temperature change of the piezoelectric element, and as a result, the voltage gradient S changes with the temperature change of the piezoelectric element. In order to rotationally drive the piezoelectric actuator at a constant speed, it is necessary to make the voltage gradient S constant and to make the time of low-speed charge and low-speed discharge constant. However, if the temperature of the piezoelectric element changes, the voltage gradient S should be made constant. I can't. Even if the temperature of the piezoelectric element changes, there is a problem that the piezoelectric actuator is desired to be rotated at a constant speed.

本発明の目的は、電流制御回路により定電流の充放電により圧電アクチュエータの駆動制御を行う圧電アクチュエータ駆動装置において、また、圧電素子が温度変化した場合においても、一定速度で回転駆動できる圧電アクチュエータを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator driving apparatus that controls driving of a piezoelectric actuator by charging and discharging a constant current by a current control circuit, and a piezoelectric actuator that can be rotationally driven at a constant speed even when the temperature of the piezoelectric element changes. It is to provide.

上記の課題を解決するために、圧電素子を備える長尺状の駆動体と、前記駆動体の一端に取り付けられた回転軸とを備える圧電アクチュエータの駆動装置であって、前記圧電素子を一の方向に変形させるべく前記圧電素子に電圧を印加する第1駆動回路と、前記圧電素子を前記一の方向と異なる他の方向に変形させるべく前記圧電素子に電圧を印加する第2駆動回路とを備え、前記第1及び第2駆動回路を交互に作動させて前記回転軸を中心に、前記駆動体を回転または揺動させる圧電アクチュエータ駆動装置であって、前記第1及び第2駆動回路と直列に電流制御回路を設け、前記電流制御回路は、可変抵抗器を有し、前記可変抵抗器の抵抗値を可変することにより前記圧電素子の充電及び放電時間を制御する。   In order to solve the above problems, there is provided a drive device for a piezoelectric actuator comprising a long drive body including a piezoelectric element and a rotating shaft attached to one end of the drive body, wherein the piezoelectric element is A first drive circuit for applying a voltage to the piezoelectric element to deform in a direction, and a second drive circuit for applying a voltage to the piezoelectric element to deform the piezoelectric element in another direction different from the one direction. A piezoelectric actuator driving device that alternately operates the first and second driving circuits to rotate or swing the driving body around the rotation axis, and is in series with the first and second driving circuits. The current control circuit includes a variable resistor, and controls the charging and discharging time of the piezoelectric element by changing the resistance value of the variable resistor.

可変抵抗器を用いた電流制御回路としたことで、回路構成を簡素化することができる。また、圧電素子の温度変化によらず一定速度で圧電アクチュエータを回転駆動させることにある。   By using a current control circuit using a variable resistor, the circuit configuration can be simplified. Further, the piezoelectric actuator is driven to rotate at a constant speed regardless of the temperature change of the piezoelectric element.

次に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、圧電アクチュエータを使用したワイパ装置の構成を示す断面図である。図1のワイパ装置1は、例えば、自動車のサイドバンパーやフロントグリル内などに設置されるCCDカメラに取り付けられ、本発明による駆動装置11(図4参照)によって駆動制御される。ワイパ装置11には、回転軸(軸部材)2を中心に揺動するゴム製のワイパブレード3が取り付けられている。ワイパブレード3は、CCDカメラの筐体4のガラス面5上にて揺動運動し、面ガラス面5上の水滴や埃を除去する。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a wiper device using a piezoelectric actuator. The wiper device 1 of FIG. 1 is attached to, for example, a CCD camera installed in a side bumper or a front grill of an automobile, and is driven and controlled by a driving device 11 (see FIG. 4) according to the present invention. A rubber wiper blade 3 that swings around a rotation shaft (shaft member) 2 is attached to the wiper device 11. The wiper blade 3 swings on the glass surface 5 of the casing 4 of the CCD camera to remove water droplets and dust on the surface glass surface 5.

ワイパブレード3は、電気−機械変換素子の一つである圧電素子9を用いた長尺状の圧電アクチュエータ10の駆動体6に取り付けられている。駆動体6はバイモルフ圧電素子構造となっており、薄い金属板の中心電極の両面に圧電素子9を貼り合わせた構成となっている。駆動体6の一端は回転軸2に固定され、他端は自由になっている。回転軸2の内部は中空になっており、その中に駆動体6の圧電素子9に対し電力を供給するリード線(図示せず)が配線されている。リード線は圧電アクチュエータ駆動装置11と接続されている。   The wiper blade 3 is attached to a driving body 6 of a long piezoelectric actuator 10 using a piezoelectric element 9 which is one of electro-mechanical conversion elements. The driving body 6 has a bimorph piezoelectric element structure, and has a structure in which piezoelectric elements 9 are bonded to both surfaces of a central electrode of a thin metal plate. One end of the driving body 6 is fixed to the rotating shaft 2 and the other end is free. The inside of the rotating shaft 2 is hollow, and lead wires (not shown) for supplying electric power to the piezoelectric elements 9 of the driving body 6 are wired therein. The lead wire is connected to the piezoelectric actuator driving device 11.

回転軸2は、軸受部7にて筐体4に回転自在に取り付けられる。回転軸2と筐体4の間には引張りバネ8が設けられており、この引張りバネ8のバネ力により回転軸2は軸受部7に付勢され、回転軸2には軸受部7によって回転抵抗力(摩擦力)が付与される。   The rotating shaft 2 is rotatably attached to the housing 4 by a bearing portion 7. A tension spring 8 is provided between the rotary shaft 2 and the housing 4, and the rotary shaft 2 is biased by the bearing portion 7 by the spring force of the tension spring 8, and the rotary shaft 2 is rotated by the bearing portion 7. Resistance force (friction force) is applied.

駆動体6は、回転軸2を中心とした揺動運動を行う。図2は、駆動体の圧電素子に印加される電圧の波形を示す説明図、図3は図2の電圧が印加された場合に駆動体の挙動を示す説明図である。ここで、駆動体6は、図4に図示された接続点bの電圧に対し、接続点cの電圧がプラス(+)電圧のときには、図3において図中右方(一の方向)に変位し、接続点bの電圧に対し、接続点cの電圧がマイナス(−)電圧のときには図中左方(他の方向)に変位する。   The drive body 6 performs a swinging motion around the rotation shaft 2. FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a waveform of a voltage applied to the piezoelectric element of the driving body, and FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a behavior of the driving body when the voltage of FIG. 2 is applied. Here, when the voltage at the connection point c is a plus (+) voltage with respect to the voltage at the connection point b shown in FIG. 4, the driving body 6 is displaced to the right (one direction) in FIG. When the voltage at the connection point c is a negative (−) voltage with respect to the voltage at the connection point b, the voltage is displaced to the left (in the other direction) in the figure.

接続点bの電圧に対し、接続点cの電圧が、図2のように変化した場合、まず時刻t1では、電圧(1)は±0[V]であり、駆動体6は初期位置Pで停止状態にある。次に、時刻t1から時刻t2に至るまで、印加電圧が変化すると、プラス(+)電圧が圧電素子9に印加されるので、図3の(1)、(1→2)の例に示されるように、駆動体6は右方に変位する。その後、時刻t2から僅かな時間において、印加電圧が図2の電圧(2)から電圧(3)のようにプラス(+)電圧からマイナス(−)電圧に変化すると、駆動体6もまたそれに応じて図3の(2→3)例に示されるように左方に変位する。 When the voltage at the connection point c changes as shown in FIG. 2 with respect to the voltage at the connection point b, first, at time t1, the voltage (1) is ± 0 [V], and the driver 6 is in the initial position P 0. It is in a stopped state. Next, when the applied voltage changes from the time t1 to the time t2, a plus (+) voltage is applied to the piezoelectric element 9, and therefore, examples of (1) and (1 → 2) in FIG. 3 are shown. Thus, the driving body 6 is displaced to the right. Thereafter, when the applied voltage changes from the plus (+) voltage to the minus (−) voltage as shown in the voltage (2) to the voltage (3) in FIG. 2 in a short time from the time t2, the driving body 6 also responds accordingly. As shown in the example (2 → 3) in FIG.

時刻t1から時刻t2に至るまでに印加電圧が電圧(1)から電圧(2)に変化する場合に比べ、時刻t2から僅かな時間において、印加電圧が図2の電圧(2)から電圧(3)に変化する場合は、電圧の変化が急激であり、時刻t1から時刻t2に至るまでの駆動体6の変形速度と、時刻t2から僅かな時間における駆動体6の変形速度には差が生じる。すなわち、時刻t1から時刻t2に至るまででは駆動体6はゆっくりと曲がり、時刻t2から僅かな時間では急激に逆方向に曲がる。駆動体6が曲がるとその重心Gは、変位の方向に移動される。このとき、重心Gの移動を阻害する力である慣性力Fが移動体6に働く。そして、駆動体6の変形速度の差から、時刻t1から時刻t2に至るまでの慣性力F12よりも時刻t2から僅かな時間における慣性力F23の方が大きくなる。 Compared with the case where the applied voltage changes from the voltage (1) to the voltage (2) from the time t1 to the time t2, the applied voltage is changed from the voltage (2) to the voltage (3 in FIG. ), The voltage change is rapid, and there is a difference between the deformation speed of the driving body 6 from time t1 to time t2 and the deformation speed of the driving body 6 in a short time from time t2. . That is, the driving body 6 bends slowly from the time t1 to the time t2, and suddenly bends in the reverse direction after a short time from the time t2. When the driving body 6 bends, its center of gravity G is moved in the direction of displacement. At this time, an inertial force F that is a force that inhibits the movement of the center of gravity G acts on the moving body 6. Then, from the difference between the deformation speed of the drive member 6, towards the inertial force F 23 is greater in a short time from the time t2 than the inertial force F 12 from the time t1 until the time t2.

この慣性力Fに対しては、回転軸2に付与される回転抵抗力(摩擦力)Frが作用する。すなわち、駆動体6の変形に伴い慣性力Fと回転抵抗力Frが対向する形となる。圧電アクチュエータ10では、時刻t1から時刻t2に至るまでに印加電圧が電圧(1)から電圧(2)に変化する場合、回転抵抗力Frが、慣性力F12よりも大きく、時刻t2から僅かな時間において、印加電圧が電圧(2)から電圧(3)に変化する場合では、回転抵抗力Frが、慣性力F23よりも小さくなるよう設定されている(F12<Fr<F23)。従って、時刻t1から時刻t2では、慣性力F12は、回転抵抗力Frによって打ち消される形となり、駆動体6は電圧値に応じた角度だけゆっくりと変位し、重心Gもそれにともないゆっくりと移動し、回転軸2は回転しない。これに対しで、時刻t2から僅かな時間では、慣性力F23は、回転抵抗力Frによって打ち消されない。このため、右方に移動した駆動体6の重心Gを場に残そうとする慣性力F23が回転抵抗力FRより大きくなり、回転軸2は、反時計方向に回転する。 A rotational resistance force (friction force) Fr applied to the rotary shaft 2 acts on the inertial force F. That is, the inertial force F and the rotational resistance force Fr are opposed to each other as the driving body 6 is deformed. In the piezoelectric actuator 10, when the applied voltage until the time t1 to the time t2 is changed from the voltage (1) to a voltage (2), the rotation resistance force Fr is larger than the inertial force F 12, a slight time t2 in time, when the applied voltage is changed from the voltage (2) to a voltage (3), the rotation resistance force Fr is set to be smaller than the inertial force F 23 (F 12 <Fr < F 23). Therefore, at the time t2 from time t1, the inertia force F 12 becomes a shape which is canceled by the rotation resistance force Fr, the drive member 6 is only slowly displaced angle corresponding to the voltage value, the center of gravity G also moves slowly Correspondingly The rotating shaft 2 does not rotate. In contrast, in the short time from the time t2, the inertia force F 23 is not canceled by the rotation resistance force Fr. Therefore, the inertial force F 23 trying to leave the center of gravity G of the drive member 6 is moved to the right to play becomes larger than the rotation resistance force FR, the rotation shaft 2 is rotated counterclockwise.

鋸歯状の印加電圧が、図2の時刻t2から僅かな時間で急激に電圧が変化した後、時刻t2から時刻t3の間では電圧が徐々にプラス(+)側へと変化し、駆動体6は、電圧変化に合わせて、図3の(3→4)のように右方に変位する。この場合は、電圧変化率が小さいため、駆動体6はゆっくりと曲がり、駆動体6の慣性力Fの影響は小さく、電圧に応じた変位量だけ駆動体6が右方に変位するが、回転軸2は回転しない。図2の時刻t3から僅かな時間では、電圧が電圧値(4)から電圧値(5)に、再び急激に変化する。このときも時刻t2から僅かな時間と同様に、駆動体6の変形速度の大きさにより大きな慣性力Fが発生し、それにより回転軸2が反時計方向に回転する。   After the sawtooth applied voltage suddenly changes in a short time from time t2 in FIG. 2, the voltage gradually changes to the plus (+) side from time t2 to time t3, and the driving body 6 Is displaced to the right as (3 → 4) in FIG. In this case, since the voltage change rate is small, the drive body 6 bends slowly, and the influence of the inertial force F of the drive body 6 is small, and the drive body 6 is displaced rightward by a displacement amount corresponding to the voltage. The shaft 2 does not rotate. In a short time from time t3 in FIG. 2, the voltage suddenly changes again from the voltage value (4) to the voltage value (5). Also at this time, as in a short time from time t2, a large inertia force F is generated due to the magnitude of the deformation speed of the driving body 6, whereby the rotating shaft 2 rotates counterclockwise.

駆動体6に鋸歯状電圧を印加すると、駆動体6が変形する際の速度差に基づく慣性力Fの働きにより、駆動体6は図3のように徐々に右方へと移動し、反時計回りに回転する。図3において線分Qは、1往復振動後における駆動体6の中心を示しており、図3における例(2→3)、(4→5)に示すように、駆動体6の振動と共にこの線分Qも線分Q1から線分Q2へと右方へ移動する。なお、図3における一点鎖線P0は、図2の例(1)の場合の駆動体6の位置(初期位置)を示している。   When a sawtooth voltage is applied to the driving body 6, the driving body 6 gradually moves to the right as shown in FIG. 3 by the action of the inertial force F based on the speed difference when the driving body 6 is deformed. Rotate around. In FIG. 3, the line segment Q indicates the center of the drive body 6 after one reciprocal vibration. As shown in the examples (2 → 3) and (4 → 5) in FIG. The line segment Q also moves to the right from the line segment Q1 to the line segment Q2. 3 indicates the position (initial position) of the driving body 6 in the case of the example (1) in FIG.

ゆっくり曲がり急激に戻る駆動体6の動作の繰り返しにより、駆動体6は、ゆっくり曲げたときの変位側に自走する。そして、電圧の変化が図2とは逆に、ゆっくりと左方へと変化し、急激に右方へと変化する場合には、駆動体6は図3において左方(時計回り)に回転することになる。従って、電圧変化パターンの切り換えにより、駆動体6は、適宜往復運動することができる。   By repeating the operation of the driving body 6 that slowly bends and returns suddenly, the driving body 6 self-runs toward the displacement side when it is slowly bent. Then, when the voltage change slowly changes to the left as opposed to FIG. 2, and suddenly changes to the right, the driving body 6 rotates to the left (clockwise) in FIG. It will be. Therefore, the driver 6 can appropriately reciprocate by switching the voltage change pattern.

図4は、本発明の実施形態の圧電アクチュエータ駆動装置の構成を示す説明図である。図2に示される鋸歯状電圧は、図4に示した駆動装置11によってブリッジ回路12に供給される。駆動装置11は、ブリッジ回路12を構成する第1〜第4スイッチング回路13〜16と、電流制御回路21とから構成されている。第1及び第3スイッチング回路13、15は、pnp型トランジスタQ1、Q3と抵抗から構成される。第2及び第4スイッチング回路14、16は、NチャンネルMOS−FETQ2、Q4と抵抗から構成される。pnp型トランジスタQ1、Q3のベースと、NチャンネルMOS−FETQ2、Q4のゲートは制御回路17に接続されている。ブリッジ回路12の接続点aは電源Vpと接続され、接続点b、c間に駆動体6の圧電素子9が接続されている。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing the configuration of the piezoelectric actuator driving apparatus according to the embodiment of the present invention. The sawtooth voltage shown in FIG. 2 is supplied to the bridge circuit 12 by the driving device 11 shown in FIG. The driving device 11 includes first to fourth switching circuits 13 to 16 constituting a bridge circuit 12 and a current control circuit 21. The first and third switching circuits 13 and 15 are composed of pnp transistors Q1 and Q3 and resistors. The second and fourth switching circuits 14 and 16 are composed of N-channel MOS-FETs Q2 and Q4 and resistors. The bases of the pnp transistors Q1 and Q3 and the gates of the N-channel MOS-FETs Q2 and Q4 are connected to the control circuit 17. The connection point a of the bridge circuit 12 is connected to the power source Vp, and the piezoelectric element 9 of the driver 6 is connected between the connection points b and c.

第1〜第4スイッチング回路13〜16を備えたブリッジ回路12は、圧電素子9に対して正方向、又は逆方向の電圧を印加する基本回路である。ここで、電流制御回路21がない状態を考えると、トランジスタQ1、MOS−FETQ4とトランジスタQ2、MOS−FETQ3のオン/オフにより、圧電素子9に印加される電圧の極性が切り替わり、駆動体6が正方向、又は逆方向に駆動される。すなわち、トランジスタQ1、MOS−FETQ4をオン、トランジスタQ2、MOS−FETQ3をオフ状態にすることにより電源Vpから、トランジスタQ1、トランジスタQ2圧電素子9、MOS−FETQ4を介して、GNDに接続される第1駆動回路13Aが形成され、駆動体6は、第1の方向に変形する。トランジスタQ1、Q4をオフ、トランジスタQ2、Q3をオン状態すると、電源Vpから、トランジスタQ2、圧電素子9、Q3を介し、GNDに至る第2駆動回路13Bが形成され、駆動体6は、第1の方向とは逆方向に変形する。   The bridge circuit 12 including the first to fourth switching circuits 13 to 16 is a basic circuit that applies a forward or reverse voltage to the piezoelectric element 9. Here, when the state without the current control circuit 21 is considered, the polarity of the voltage applied to the piezoelectric element 9 is switched by turning on / off the transistor Q1, the MOS-FET Q4 and the transistor Q2, and the MOS-FET Q3, and the driver 6 Driven in the forward or reverse direction. That is, by turning on the transistor Q1 and the MOS-FET Q4 and turning off the transistor Q2 and the MOS-FET Q3, the first power source Vp is connected to the GND via the transistor Q1, the transistor Q2 piezoelectric element 9, and the MOS-FET Q4. One driving circuit 13A is formed, and the driving body 6 is deformed in the first direction. When the transistors Q1 and Q4 are turned off and the transistors Q2 and Q3 are turned on, the second drive circuit 13B extending from the power source Vp to the GND via the transistor Q2 and the piezoelectric elements 9 and Q3 is formed. Deforms in the direction opposite to the direction of.

電流制御回路21がブリッジ回路12の接続点dと接地点GNDの間に直列に接続されている。電流制御回路21は、npn型トランジスタQ5と、デジタル可変抵抗器Rvと、抵抗Rと、ツェナーダイオードZdと、電源Vcとを備える。抵抗Rが、電圧12Vの電源Vcに接続される。npn型トランジスタQ5のコレクタが、ブリッジ回路12の接続点dと接続され、ベースが接続点eで抵抗Rに接続される。デジタル可変抵抗器Rvの一端が、接続点fでnpn型トランジスタQ5のエミッタに接続され、他端が、接続点gで接地点GNDに接続される。ツェナーダイオードZdのカソードが、接続点eにて抵抗Rおよびnpn型トランジスタQ5のベースに接続され、アノードが、接続点gにて接地点GNDに接続される。また、デジタル可変抵抗器Rvは、制御回路14に接続され、制御回路14からの信号により抵抗値が制御される。 A current control circuit 21 is connected in series between the connection point d of the bridge circuit 12 and the ground point GND. The current control circuit 21 includes an npn transistor Q5, a digital variable resistor Rv, a resistor R0 , a Zener diode Zd, and a power supply Vc. The resistor R0 is connected to the power supply Vc having a voltage of 12V. The collector of the npn transistor Q5 is connected to the connection point d of the bridge circuit 12, and the base is connected to the resistor R0 at the connection point e. One end of the digital variable resistor Rv is connected to the emitter of the npn-type transistor Q5 at the connection point f, and the other end is connected to the ground point GND at the connection point g. The cathode of the Zener diode Zd is connected to the resistor R0 and the base of the npn transistor Q5 at the connection point e, and the anode is connected to the ground point GND at the connection point g. The digital variable resistor Rv is connected to the control circuit 14, and the resistance value is controlled by a signal from the control circuit 14.

次に、電流制御回路21の動作について説明する。デジタル可変抵抗器Rvの抵抗値をRvd、ツェナーダイオードZdのツェナー電圧をVz、npn型トランジスタQ5のベース−エミッタ間電圧をVBEとすると、デジタル可変抵抗器Rvを流れる電流Iは、以下のように示せる。 Next, the operation of the current control circuit 21 will be described. Rvd the resistance value of the digital variable resistor Rv, Vz a Zener voltage of the Zener diode Zd, the base of the npn-type transistors Q5 - to-emitter voltage and V BE, the current I flowing through the digital variable resistor Rv is as follows Can be shown.

Figure 2009100527
Figure 2009100527

上式に示すように、電流Iは、デジタル可変抵抗器Rvの抵抗値Rvdに反比例する。ここで、圧電素子9を流れる電流I´とデジタル抵抗器Rvを流れる電流Iは、略同一となるように設定してある(I´≒I)。従って、デジタル可変抵抗器Rvの抵抗値Rvdを制御回路14で制御することで、圧電素子9を流れる電流I´を制御することができる。なお、本実施の形態では、ツェナー電圧Vzを3.9Vに、ベース−エミッタ間電圧VBEを0.6Vに設定してある。 As shown in the above equation, the current I is inversely proportional to the resistance value Rvd of the digital variable resistor Rv. Here, the current I ′ flowing through the piezoelectric element 9 and the current I flowing through the digital resistor Rv are set to be substantially the same (I′≈I). Therefore, the current I ′ flowing through the piezoelectric element 9 can be controlled by controlling the resistance value Rvd of the digital variable resistor Rv with the control circuit 14. In the present embodiment, the Zener voltage Vz is set to 3.9 V, and the base-emitter voltage V BE is set to 0.6 V.

図5から図10より、本実施の形態の駆動装置11の動作について説明する。図5及び図6は、圧電アクチュエータを正方向に駆動させる場合の駆動装置の動作を示している。なお、図5は、低速充電時の動作を示し、図6は、高速放電時の動作を示している。図7は、低速充電時と高速放電時におけるデジタル抵抗器Rvの抵抗値と圧電素子に印加される電圧Vの時系列信号を示している。 The operation of the driving device 11 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6 show the operation of the driving device when the piezoelectric actuator is driven in the positive direction. FIG. 5 shows the operation during low-speed charging, and FIG. 6 shows the operation during high-speed discharge. Figure 7 shows a time-series signal voltage V 9 is applied to the resistance value and the piezoelectric element of the digital resistor Rv at low speed charge time and high-rate discharge.

まず、正方向駆動時に時刻T1において、波形(1)に示される低速充電を行う場合は、デジタル可変抵抗器Rvの抵抗値RVDを高抵抗値Hiに設定し、トランジスタQ1、Q4をオン、トランジスタQ2、Q3をオフする。これにより、図5にて破線で示すように、電源VpからトランジスタQ1、圧電素子9、トランジスタQ4、電流制御回路21を介し、共通電位である接地点GNDへの回路が形成される。抵抗値RVDは高抵抗値Hiに設定されているため、式(2)より、電流Iは小電流となり、圧電素子9は、電流制御回路21を流れる電流の定電流にて低速充電される。 First, when performing slow charge at time T1 during forward driving, the resistance value R VD of the digital variable resistor Rv is set to the high resistance value Hi, and the transistors Q1 and Q4 are turned on. The transistors Q2 and Q3 are turned off. As a result, as indicated by a broken line in FIG. 5, a circuit is formed from the power source Vp to the ground point GND, which is a common potential, via the transistor Q1, the piezoelectric element 9, the transistor Q4, and the current control circuit 21. Since the resistance value R VD is set to the high resistance value Hi, the current I becomes a small current from the equation (2), and the piezoelectric element 9 is charged at a low speed with a constant current flowing through the current control circuit 21. .

時刻T2において、波形(2)に示される高速放電を行う場合には、デジタル可変抵抗器Rvの抵抗値RVDを低抵抗値Loに設定し、トランジスタQ1、Qをオフ、トランジスタQ2、Q3をオンさせる。これにより、図6にて破線で示すように、電源VpからQ3、圧電素子9、トランジスタQ2、電流制御回路21を介し、接地点GNDへの回路が形成される。このとき、圧電素子9には波形(1)の場合とは逆極性で、電源Vpが印加される。また、デジタル可変抵抗器RVDは低抵抗値Loに設定されているため、式(2)より、電流Iは高電流となり、圧電素子9は急速放電される。従って、正方向駆動時は、時刻T1において、トランジスタQ1、Q4をオン、トランジスタQ2、Q3をオフ、デジタル可変抵抗器を高抵抗値Hi、時刻T2において、トランジスタQ1、Q4をオフ、トランジスタQ2、Q3をオン、デジタル可変抵抗器Rvを低抵抗値Loとすることを繰り返すことにより、圧電素子9に、図7に示すような鋸歯状波形の電圧が印加される。 At time T2, in the case of performing high-speed discharge, shown in the waveform (2), the resistance value R VD of the digital variable resistor Rv is set to a low resistance value Lo, the transistors Q1, Q OFF, the transistors Q2, Q3 Turn it on. As a result, a circuit from the power source Vp to Q3, the piezoelectric element 9, the transistor Q2, and the current control circuit 21 is formed to the ground point GND as indicated by a broken line in FIG. At this time, the power source Vp is applied to the piezoelectric element 9 with a polarity opposite to that of the waveform (1). Further, since the digital variable resistor R VD is set to the low resistance value Lo, the current I becomes a high current from the equation (2), and the piezoelectric element 9 is rapidly discharged. Therefore, when driving in the positive direction, at time T1, the transistors Q1 and Q4 are turned on, the transistors Q2 and Q3 are turned off, the digital variable resistor is at a high resistance value Hi, and at time T2, the transistors Q1 and Q4 are turned off, and the transistors Q2, Q2, By repeatedly turning on Q3 and setting the digital variable resistor Rv to the low resistance value Lo, a voltage having a sawtooth waveform as shown in FIG.

図8及び図9は、圧電アクチュエータを逆方向に駆動させる場合の駆動装置の動作を示している。なお、図8は、高速充電時の動作を示し、図9は、低速放電時の動作を示している。図10は、高速充電時と低速放電時にデジタル抵抗器Rvの抵抗値と圧電素子に印加される電圧Vの時系列信号を示している。 8 and 9 show the operation of the driving device when the piezoelectric actuator is driven in the reverse direction. FIG. 8 shows the operation at high speed charging, and FIG. 9 shows the operation at low speed discharging. Figure 10 shows a time series signal of the voltage V 9 is applied during high-speed charge time and slow discharge resistor value and the piezoelectric element of the digital resistor Rv.

逆方向駆動時に時刻T3において、波形(3)に示される高速充電を行う場合は、デジタル可変抵抗器Rvの抵抗値RVDを低抵抗値Loに設定し、トランジスタQ1、Q4をオン、トランジスタQ2、Q3をオフさせる。これにより、図8にて破線で示すように、電源VpからトランジスタQ1、圧電素子9、トランジスタQ4、電流制御回路21を介して、接地点GNDへの回路が形成される。抵抗値RVDは低抵抗値Loに設定されているため、式(2)より、電流Iは高電流となり、圧電素子9は、駆動回路11により高速充電される。 When performing fast charging at time T3 during reverse driving, the resistance value R VD of the digital variable resistor Rv is set to the low resistance value Lo, the transistors Q1 and Q4 are turned on, and the transistor Q2 is turned on. , Q3 is turned off. As a result, as indicated by a broken line in FIG. 8, a circuit is formed from the power source Vp to the ground point GND through the transistor Q1, the piezoelectric element 9, the transistor Q4, and the current control circuit 21. Since the resistance value R VD is set to the low resistance value Lo, the current I becomes a high current from the equation (2), and the piezoelectric element 9 is charged at high speed by the drive circuit 11.

時刻T4において、波形(4)に示される低速放電を行う場合には、デジタル可変抵抗器Rvの抵抗値RVDを高抵抗値Hiに設定し、トランジスタQ1、Q4をオフ、トランジスタQ2、Q3をオンさせる。これにより、図6にて破線で示すように、電源VpからトランジスタQ3、圧電素子9、トランジスタQ2、電流制御回路21を介して、接地点GNDへの回路が形成される。このとき、圧電素子9には波形(1)の場合とは逆極性で、電源Vpが直接印加される。また、抵抗値RVDは高抵抗値Hiに設定されているため、式(2)より、電流Iは低電流Loとなり、圧電素子9は低速にて放電される。従って、逆方向駆動時は、時刻T3においてトランジスタQ1、Q4をオン、トランジスタQ2、Q3」をオフ、デジタル可変抵抗器Rvdを低抵抗値Lo、時刻T4においてトランジスタQ1、Q4をオフ、トランジスタQ2、Q3をオン、デジタル可変抵抗器RvdをHiとすることを繰り返すことにより、圧電素子9に、図10に示すような鋸歯状波形の電圧が印加される。 In time T4, when performing low-rate discharge as shown in waveform (4), the resistance value R VD of the digital variable resistor Rv is set to a high resistance value Hi, turns off the transistor Q1, Q4, the transistors Q2, Q3 Turn it on. Thereby, as indicated by a broken line in FIG. 6, a circuit from the power source Vp to the ground point GND is formed via the transistor Q3, the piezoelectric element 9, the transistor Q2, and the current control circuit 21. At this time, the power source Vp is directly applied to the piezoelectric element 9 with the opposite polarity to that of the waveform (1). Further, since the resistance value R VD is set to the high resistance value Hi, the current I becomes the low current Lo from the equation (2), and the piezoelectric element 9 is discharged at a low speed. Therefore, at the time of reverse driving, the transistors Q1 and Q4 are turned on at time T3, the transistors Q2 and Q3 are turned off, the digital variable resistor Rvd is at a low resistance value Lo, the transistors Q1 and Q4 are turned off at time T4, the transistors Q2, By repeatedly turning on Q3 and setting the digital variable resistor Rvd to Hi, a voltage having a sawtooth waveform as shown in FIG. 10 is applied to the piezoelectric element 9.

このように駆動回路11では、第1乃至第4スイッチング回路13乃至16と、電流制御回路21により、波形(1)の低速充電、波形(2)の高速放電、波形(3)の高速充電、波形(4)の低速放電を順次切り換えて圧電素子9を定電流で充電、及び放電をすることができる。ここで、電流制御回路21は、npn型トランジスタQ5、ツェナーダイオードZdおよびデジタル可変抵抗器Rvで構成され、部品点数も少なく簡易な構成となっている。
なお、電流制御回路21は、ブリッジ回路と電源との間に接続されてもよく、この場合にはトランジスタQ5として、pnp型トランジスタが使用され、デジタル可変抵抗器Rvは、pnp型トランジスタのエミッタと共通電位としての電源とに接続され、ツェナーダイオードZdは、pnp型トランジスタのベースと共通電位としての電源とに接続される。
In this way, in the drive circuit 11, the first to fourth switching circuits 13 to 16 and the current control circuit 21 are used to perform the slow charge of the waveform (1), the fast discharge of the waveform (2), the fast charge of the waveform (3), The piezoelectric element 9 can be charged and discharged with a constant current by sequentially switching the low-speed discharge of the waveform (4). Here, the current control circuit 21 includes an npn transistor Q5, a Zener diode Zd, and a digital variable resistor Rv, and has a simple configuration with a small number of components.
The current control circuit 21 may be connected between a bridge circuit and a power source. In this case, a pnp transistor is used as the transistor Q5, and the digital variable resistor Rv is an emitter of the pnp transistor. The zener diode Zd is connected to the base of the pnp transistor and the power source as the common potential.

また、デジタル可変抵抗器Rvは、抵抗値Rvdを自由に可変することできるので、式(1)に示すように、圧電素子9の温度変化による静電容量Cの変化に自由に対応することができる。例えば、圧電素子9に温度センサを設けて、温度をモニタし、圧電素子9の温度変化に対応し、低速放電及び低速充電時の電圧勾配が一定となるように抵抗値Rvdを可変することも可能である。   Further, since the digital variable resistor Rv can freely change the resistance value Rvd, as shown in the equation (1), the digital variable resistor Rv can freely cope with the change in the capacitance C due to the temperature change of the piezoelectric element 9. it can. For example, a temperature sensor may be provided in the piezoelectric element 9 to monitor the temperature, and the resistance value Rvd may be varied so that the voltage gradient during low-speed discharge and low-speed charging is constant in response to the temperature change of the piezoelectric element 9. Is possible.

圧電アクチュエータを使用したワイパ装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the wiper apparatus which uses a piezoelectric actuator. 駆動体の圧電素子に印加される電圧の波形を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the waveform of the voltage applied to the piezoelectric element of a drive body. 図2の電圧が印加された場合の駆動体の挙動を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the behavior of the drive body when the voltage of FIG. 2 is applied. 圧電アクチュエータ駆動装置の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of a piezoelectric actuator drive device. 低速充電時の駆動装置の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows operation | movement of the drive device at the time of low speed charge. 高速放電時の駆動装置の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows operation | movement of the drive device at the time of high-speed discharge. 圧電アクチュエータを正方向に駆動させる場合の駆動装置を流れる電流および圧電素子に印加される電圧の時系列信号を示している。The time series signal of the electric current which flows through the drive device in the case of driving a piezoelectric actuator to a positive direction, and the voltage applied to a piezoelectric element is shown. 高速充電時の駆動装置の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows operation | movement of the drive device at the time of high-speed charge. 低速放電時の駆動装置の動作を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows operation | movement of the drive device at the time of low speed discharge. 圧電アクチュエータを逆方向に駆動させる場合の駆動装置を流れる電流および圧電素子に印加される電圧の時系列信号を示している。The time series signal of the electric current which flows through a drive device in the case of driving a piezoelectric actuator to a reverse direction, and the voltage applied to a piezoelectric element is shown. 圧電素子に印加される電圧の波形を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the waveform of the voltage applied to a piezoelectric element. 従来の圧電アクチュエータ駆動装置の回路構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the circuit structure of the conventional piezoelectric actuator drive device. 図12の駆動装置の動作を示す説明図であり、(a)は圧電アクチュエータを正方向に駆動させる場合の駆動装置の動作を示し、(b)はその際の圧電素子に印加される電圧波形を示している。FIG. 13 is an explanatory diagram showing the operation of the drive device of FIG. 12, wherein (a) shows the operation of the drive device when the piezoelectric actuator is driven in the positive direction, and (b) shows the voltage waveform applied to the piezoelectric element at that time. Is shown. 図12の駆動装置の動作を示す説明図であり、(a)は圧電アクチュエータを逆方向に駆動させる場合の駆動装置の動作を示し、(b)はその際の圧電素子に印加される電圧波形を示している。FIG. 13 is an explanatory diagram showing the operation of the driving device of FIG. 12, wherein (a) shows the operation of the driving device when driving the piezoelectric actuator in the reverse direction, and (b) shows the voltage waveform applied to the piezoelectric element at that time. Is shown.

符号の説明Explanation of symbols

1 ワイパ装置
2 回転軸
3 ワイパブレード
4 筐体
5 ガラス面
6 駆動体
9 圧電素子
10 圧電アクチュエータ
11 駆動装置
12 ブリッジ回路
13 第1スイッチング回路
14 第2スイッチング回路
15 第3スイッチング回路
16 第4スイッチング回路
17 制御回路
21 電流制御回路
31 駆動装置
32 ブリッジ回路
41 電流制御回路
42 定電流回路
43 スイッチング回路
Q1、Q3 トランジスタ(スイッチング素子)
Q2、Q4 MOS−FET(スイッチング素子)
Q5 トランジスタ(スイッチング素子)
R0 抵抗
Zd ツェナーダイオード
Rv (デジタル)可変抵抗器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Wiper apparatus 2 Rotating shaft 3 Wiper blade 4 Housing | casing 5 Glass surface 6 Driver 9 Piezoelectric element 10 Piezoelectric actuator 11 Drive apparatus 12 Bridge circuit 13 1st switching circuit 14 2nd switching circuit 15 3rd switching circuit 16 4th switching circuit 17 control circuit 21 current control circuit 31 drive device 32 bridge circuit 41 current control circuit 42 constant current circuit 43 switching circuit Q1, Q3 transistor (switching element)
Q2, Q4 MOS-FET (switching element)
Q5 Transistor (switching element)
R0 resistor Zd Zener diode Rv (digital) variable resistor

Claims (4)

圧電素子を備える長尺状の駆動体と、前記駆動体の一端に取り付けられた回転軸とを備える圧電アクチュエータの駆動装置であって、
前記圧電素子を一の方向に変形させるべく前記圧電素子に電圧を印加する第1駆動回路と、
前記圧電素子を前記一の方向と異なる他の方向に変形させるべく前記圧電素子に電圧を印加する第2駆動回路とを備え、
前記第1及び第2駆動回路を交互に作動させて前記回転軸を中心に、前記駆動体を回転または揺動させる圧電アクチュエータ駆動装置であって、
前記第1及び第2駆動回路と直列に電流制御回路を設け、
前記電流制御回路は、可変抵抗器を有し、前記可変抵抗器の抵抗値を可変することにより前記圧電素子の充電及び放電時間を制御することを特徴とする圧電アクチュエータ駆動装置。
A drive device for a piezoelectric actuator comprising a long drive body including a piezoelectric element and a rotating shaft attached to one end of the drive body,
A first drive circuit for applying a voltage to the piezoelectric element to deform the piezoelectric element in one direction;
A second drive circuit for applying a voltage to the piezoelectric element to deform the piezoelectric element in another direction different from the one direction;
A piezoelectric actuator driving device that alternately operates the first and second driving circuits to rotate or swing the driving body around the rotation axis;
A current control circuit is provided in series with the first and second drive circuits;
The current control circuit includes a variable resistor, and controls a charging and discharging time of the piezoelectric element by changing a resistance value of the variable resistor.
請求項1記載の圧電アクチュエータ駆動装置において、前記圧電アクチュエータ駆動装置は、スイッチング素子を備える第1〜第4スイッチング回路を直列に接続すると共に、
前記第1スイッチング回路と前記第3スイッチング回路の接続点、または前記第2スイッチング回路と前記第4スイッチング回路の接続点に第1電源が接続され、
前記第1スイッチング回路と前記第2スイッチング回路の接続点と前記第3スイッチング回路と前記第4スイッチング回路との間に前記圧電素子が接続されているブリッジ回路を備え、
前記第1駆動回路は、前記電源と前記第1及び第4スイッチング回路により構成され、
前記第2駆動回路は、前記電源と前記第2及び第3スイッチング回路により構成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ駆動装置。
The piezoelectric actuator driving device according to claim 1, wherein the piezoelectric actuator driving device connects first to fourth switching circuits including switching elements in series,
A first power source is connected to a connection point between the first switching circuit and the third switching circuit, or a connection point between the second switching circuit and the fourth switching circuit;
A bridge circuit in which the piezoelectric element is connected between a connection point of the first switching circuit and the second switching circuit and between the third switching circuit and the fourth switching circuit;
The first drive circuit includes the power source and the first and fourth switching circuits,
The piezoelectric actuator driving apparatus, wherein the second driving circuit includes the power source and the second and third switching circuits.
請求項1又は2記載の圧電アクチュエータ駆動装置において、前記電流制御回路は、トランジスタ、抵抗、ツェナーダイオードと、電源とを備え、
前記抵抗の一つの端子が、前記電源に接続され、
前記トランジスタのコレクタが、前記第1及び第2駆動回路の接続点に接続され、ベースが、前記抵抗の他の端子に接続され、
前記可変抵抗器の一端が、前記トランジスタのエミッタに接続され、他端が、GNDに接続され、
ツェナーダイオードのカソードが、抵抗の他端及びトランジスタのベースに接続され、アノードが、第1電源GNDに接続されることを特徴とする圧電アクチュエータ駆動装置。
The piezoelectric actuator driving device according to claim 1 or 2, wherein the current control circuit includes a transistor, a resistor, a Zener diode, and a power source.
One terminal of the resistor is connected to the power source;
A collector of the transistor is connected to a connection point of the first and second drive circuits, and a base is connected to the other terminal of the resistor;
One end of the variable resistor is connected to the emitter of the transistor, and the other end is connected to GND.
A piezoelectric actuator driving device, characterized in that the Zener diode has a cathode connected to the other end of the resistor and the base of the transistor, and an anode connected to the first power supply GND.
請求項1乃至2のいずれかに記載の圧電アクチュエータ駆動装置において、前記駆動装置は、制御回路を備えており、前記制御回路からの信号により、前記可変抵抗器の抵抗値を制御することを特徴とする圧電アクチュエータ駆動装置。

3. The piezoelectric actuator driving device according to claim 1, wherein the driving device includes a control circuit, and controls a resistance value of the variable resistor by a signal from the control circuit. A piezoelectric actuator driving device.

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