JPH01235389A - 電圧素子の駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧電素子の駆動方法、特にカメラのシャッター
の羽根駆動やＣＤ用光学ヘッドのレンズ位置決め等に使
用されるバイモルフ型圧電素子の駆動方法に関するもの
である。

［従来の技術］ 圧電素子に所定の電圧を印加して、その変位に基づいて
動作をする電気機械変換機構は、高速に応答し且つ駆動
装置が簡単なため小型にできることから、カメラのシャ
ッター、絞り等の羽根駆動、あるいはＣＤ用光学ヘッド
のレンズ位置決め等に使用される。

ところが、圧電素子は印加電圧によっては、オーバーシ
ュートや残留振動が発生するため、その駆動方法が研究
されてきた。例えば、第６図（ａ）に示すようなステッ
プ電圧を印加すると、変位Ｘは第６図（ｂ）のように圧
電素子固有の振動周期Ｔを周期とする振動を起こしてし
まう。米国特許箱３６１４４８６号には、この振動の発
生を防ぎ、且つ高速の応答を実現する駆動方法が開示さ
れている。前記特許には第７図（ａ）に示す固有振動周
期Ｔで立上る波形電圧（以下環ステップと呼ぶ）を印加
すると、第７図（ｂ）のように残留振動やオーバーシュ
ートのない変位が実現されることが示されており、現在
この駆動方法が最も効率的なものとして知られている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記米国特許による駆動方法では、固有
振動周期Ｔより速く圧電素子を動作させることは出来な
い。又、フィード・バック制御で固有振動周期Ｔより速
く圧電素子を動作させようとすると、複雑な機構や回路
が必要となり、圧電素子の使用の本来の利点の１つであ
る軽量・小型化を妨げる結果となる。

本発明は、前記従来例の問題を除去し、残留振動やオー
バーシュートのない高速の圧電素子の駆動方法を提供す
る。又、安価で簡単な駆動装置で実現できる圧電素子の
駆動方法を提供する。

本発明は、圧電素子の動作時間を固有振動周期よりも短
くする圧電素子の駆動方法を提供する。

［課題を解決するための手段及び作用］この課題を解決
するために、本発明の圧電素子の駆動方法は、電圧印加
により圧電素子を変位させて電気機械変換を行う圧電素
子の駆動方法において、 圧電素子に、前記圧電素子を含む変位部の固有振動周期
内に、少なくとも２回のステップあるいは擬ステップの
電圧上昇を有する電圧を引加する。

又、電圧印加により圧電素子を変位させて電気機械変換
を行う圧電素子の駆動方法において、 複数の圧電体から圧電素子を構成し、前記複数の圧電体
に、前記圧電素子を含む変位部の固有振動周期内の少な
くとも異なる２つのタイミングで、ステップあるいは擬
ステップ電圧を印加する。

［実施例］ まず、本発明の圧電素子の駆動方法の原理を説明する。

以下の説明では、バイモルフ型圧電素子が使用され、片
持バリ構造の場合を想定している。

第４図（ａ）は圧電素子の等価回路であり、て表わされ
る。

ここで、振動は１　／　ＣＳ　１（ｔ）ｄｔ　＝　ｑ（
ｔ）によるので、これが非振動となる電圧波形を考える
。

その１つとして、第４図（ｂ）に示す擬ステップとステ
ップとからなる電圧波形が見出された。これは、 ＋　Ａ−Ｅ−１（ｔ−β・Ｔ）　　　　　　　　・・・
（２）と表わせる。但し、１（ｔ）は単位ステップ関数
である。

ここで、（１）、（２）式より　ｑ　（ｔ）　を求める
と、 Ｅ。

ｑ　（ｔ　）　＝　、　、　Ｔ　Ｌ　ｗ３　　（（２ｋ
　ｃ　ｏ　ｓ　（ケ下７・ｔ　）（２ｋ”−１） ”ｒ「「−ｓ　１ｎ　（ｗ、ＪＴＰ−ｔ）　）　・ｅ−
”−２ｋ　＋ｗｔ］（０＜ｔ＜ａ−Ｔ） ”−、、ＴＬｗ３　　　　　［（２ｋｃｏｓ（ｗＪ−丁
丁に１べｔ−ａ　　・丁））（２に２−１）　　　。

＋　：　ｓ　ｒ　ｎ　（ｗｎ　°（ｔ　−ａｏｌ）））
Ｘ　ｅ　−Ｗ　ｋ　Ｉ　ｔ−べ”　　−２に＋ｗ・（ｔ
−ａ　４）］（α・Ｔｉｔ＜β・丁） Ａ’Ｅｏ　　　　　　ｋ ・、（＋−（謳ｓｉｎ（ｗ５〒ｉｔ−β−Ｔ　））１ｗ ＋　ｃｏｓ　（ｗＪ丁］ｄ・（を−β・Ｔ）　）ｅ−ｗ
ｋ　（ｔ−β　Ｔｌ１（β・Ｔ＜ｔ） ・・・（３） 但し、ｗ　＝　］／ＦＨ，Ｔ　＝　２ｘＪ’ＵＣｋ　　
＝　　Ｉ／２Ｑ、　　Ｑ　　＝ｗＬ／Ｒ１ｋ＜１となる
。

（３）式でα、β、Ａ、Ｑをパラメータとしてｑ　（ｔ
）をプロットすると第５図のようになり、これから、第
４図（ｂ）の波形においては、例えばａ＝０．ｌ、β＝
０．５５Ｔ　、　Ａ＝０．９　、　Ｑ　＝１００　（７
）場合に、はぼＴ／２で動作し、オーバーシュートや残
留振動がないことが解る。

本例では第４図（ｂ）の波形を解析したが、ｑ　（ｔ）
が非振動となる電圧波形として、以下の式（４）で示す
複数ステップ波形からも、Ｍ動作時間でＴ／２より短く
できる最適波形が見出される。

ｅ　（ｔ）　＝　（ΣＥ、ｉ　（ｔ−ｎ−ａ）　）＋Ａ
−Ｅ、司（ｔ−β・Ｔ）・・・（４） 但し、ｎａ＝ａＴ、ａ、（３＜１ しかし、この波形を実現するには、その駆動装置が複雑
となるため、本実施例では駆動装置の簡素化のため式（
２）の電圧波形による駆動例を以下に説明する。

〈実施例１〉 第１図（ａ）は本実施例の圧電素子の駆動回路、第１図
（ｂ）はその駆動電圧の波形を示したものである。第１
図（ｂ）の波形は上述の原理より導かれたものである。

第１図（ａ）の駆動電源ｌからは第１図（ｂ）に示す引
加電圧が加えられる。圧電素子３には接点端子２ａと３
８とを介して、一方圧型素子４にも、接点端子２ａと４
８とを介して同じ電圧が引加される。この電圧引加は第
１図（ｂ）の波形になるよう駆動電源１で制御され、圧
電素子３゜４は同方向に変位をするように導電体２上に
設置されていて、これらが変位部を形成する。本例では
共にＸ方向に変位する。

本例では、固有振動周期Ｔ＝８．７ｍ５ｅｃのバイモル
フ型圧電素子（例えば長さ６０　ｍｍ。

両圧電素子の厚さ０．３ｍｍ、導電体の厚さ０．１８ｍ
ｍ、幅５ｍｍの圧電素子）を使用し、この変位を非接触
変位計で測定したところ、第３図に示すように、ｑ　（
ｔ）プロットから予想された如く、はぼＴ／２で動作し
、かつオーバーシュートも残留振動もなく、安定した高
速駆動ができた。

しかし、本例では特殊な駆動電源１を必要とするため、
回路の軽量・小型化はなかなか難しい。

そこで、次に、本発明の駆動方法を実現する更に簡素化
された駆動回路を工夫した。

〈実施例２〉 第２図（ａ）は簡単な回路構成で実施例１と同様の効果
を達成するための駆動回路、第２図（ｂ）、（Ｃ）は圧
電素子３．４に印加される電圧波形である。圧電素子３
．４及び導電体２の構成は第１図（ａ）と同様である。

本例では、定電圧電源１３．１４とスイッチ回路１１．
１２を組み合わせて、圧電素子３に第２図（ｂ）の波形
電圧を、圧電素子４に図２図（Ｃ）の波形電圧を引加し
て、第１図（ｂ）の理想波形に近似させた。スイッチン
グの制御は制御部１０で行われるが、このスイッチング
はトランジスタ等により電気的に行われるのが良い。

第２図（ａ）の可変抵抗で示すのは、温度等の外的環境
による圧電素子３．４の特性変化を補償する素子補償回
路１５．１６で、これも制御部１０により制御される。

実施例１と同様のバイモルフ型圧電素子を使用した本回
路構成による電圧引加によっても、第３図に示したよう
にほぼＴ／２の高速応答でオーバーショートや残留振動
がなかった。このことから、２つのステップ電圧の組合
わせでも、本発明の駆動方法が実現できることが解った
。本例では簡単なスイッチング回路で本発明の駆動方法
が実現出来るため、軽量・小型化に著しい貢献ができる
。

尚、制御部１０は、タイミング制御部１０ａと素子補償
制御部１０ｂとからなり、単にスイッチ回路１１．１２
のスイッチングのタイミング制御と可変抵抗で示した素
子補償回路１５．１６を制御する簡単なものである。タ
イミング制御部１０ａはタイマで、素子補償制御部１０
ｂは感熱部と素子の特性を格納するＲＯＭとから可能で
ある。又、素子特性の変化は固有振動周期Ｔの変化とな
るのでタイミング制御に全ての制御を統一してもよい。

先に述へたように、本実施例では、１つの擬ステップ電
圧と１つのステップ電圧とを組み合わせた波形を例とし
て考えたが、実施例２でも示した如く、ステップとステ
ップとの組み合わせでも良く、又、本駆動方法の原理か
ら考慮すると、パラメータを変化させることにより種々
の波形が想定でき、式（４）に示す波形をも含め圧電素
子の固有振動周期Ｔの内で、複数の擬ステツフ゛やステ
ップを適当なタイムラグをおいて引加することにより、
圧電素子の動作特性が著しく向上することが解る。

［発明の効果］ 本発明により、圧電素子の駆動方法を提供できる。又、
安価で簡単な駆動装置で実現できる残留振動やオーバー
シュートのない高速の圧圧電素子の駆動方法を提供でき
る。

本発明によれば、圧電素子の動作時間は固有振動周期の
約半分以下とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は実施例１の駆動回路の構成図、第１図（
ｂ）は実施例１の駆動波形を示す図、第２図（ａ）は実
施例２の駆動回路の構成図、第２図（＄実施例２の駆動
波形を示す図、第３図は本実施例の圧電素子の変位を示
す図、第４図（ａ）は圧電素子の等価回路を示す図、第
４図（ｂ）は引加電圧の一例を示す図、第５図は第４図
（ｂ）の波形における各パラメータ時のｑ　（ｔ）の値
を示す図。 第６図（ａ）は１段のみのステップ電圧波形を示す図、 第６図（ｂ）は第６図（ａ）の電圧引加時の変位を示す
図、 第７図（ａ）は従来の最適な電圧引加の波形を示す図、 第７図（ｂ）は図７図（ａ）の電圧引加時の変位を示す
図である。 図中、ｌ・・・駆動電源、２・・・導電体、２ａ。 ３ａ、４ａ・・・接点端子、３．４・・・圧電素子、５
・・・支持体、１０・・・制御部、１０ａ・・・タイミ
ング制御部、１０ｂ・・・素子補償制御部、１１．１２
・・・スイツヂ回路、１３．１４・・・定電圧電源、１
５゜１６・・・素子補償回路である。 第１　図（ａ） ；１ 第１図（ｂ） 第２図（ａ） 第２図（ｂ） 第２図（ｃ） 第４図（Ｇ） ｉ 第４図　（ｂ） 第６図（ａ） 竺６図（ｂ） ０　　　　　　　Ｔ　　　　ｌ１４間　２Ｔ第Ｙ図（ａ
） ＯＴ　　　　　　　　　　　　２Ｔ 特間 第７図（ｂ） 手続ネ１１　正置　（自制 昭和６３年　３月２２日

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電圧印加により圧電素子を変位させて電気機械変
   換を行う圧電素子の駆動方法に おいて、 圧電素子に、該圧電素子を含む変位部の固有振動周期内
   に、少なくとも２回のステップあるいは擬ステップの電
   圧上昇を有する電圧を引加することを特徴とする圧電素
   子の駆動方法。
2. （２）電圧印加により圧電素子を変位させて電気機械変
   換を行う圧電素子の駆動方法に おいて、 複数の圧電体から圧電素子を構成し、 前記複数の圧電体に、前記圧電素子を含む 変位部の固有振動周期内の少なくとも２つの異なるタイ
   ミングで、ステップあるいは擬ステップ電圧を印加する
   ことを特徴とする圧電素子の駆動方法。