JPH09271136A - 圧電アクチュエータ駆動電源の保護回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、電圧波形振幅の周波数依存やな
まりを低減すると共に電源装置内の回路素子の破損を防
止することができる圧電アクチュエータ駆動電源の保護
回路を提供することを課題とする。 【解決手段】 圧電アクチュエータ素子３に流れる電流
Ｉは電流検出回路２２で検出され、第１の絶縁結合素子
２５を介して制御回路２４に入力され、電流Ｉが設定値
Ｉ_THを越える場合には、制御回路２４から第２の絶縁結
合素子２６を介して制御信号Ｓ２がスイッチング素子２
１に送出されてスイッチング素子２１が１０μｓｅｃ以
下の短時間で定電流制御状態となり、電流Ｉは設定値Ｉ
_TH以下となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体製造装
置、光学アライメント装置、精密位置決め装置等におい
て対象物を移動させるための圧電アクチュエータ素子を
駆動させる電源の保護回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の圧電アクチュエータ素子を駆動
させるための従来の電源装置を図３に示す。電圧制御回
路１は外部から入力信号を入力すると、その入力信号に
基づいて、高電圧電源回路２から供給される電源電圧を
用いてステップ状、パルス状等の電圧波形を形成し、圧
電アクチュエータ素子３に印加する。この電圧波形によ
って圧電アクチュエータ素子３が駆動される。

【０００３】ただし、ステップ状の急峻な電圧波形を圧
電アクチュエータ素子３に印加すると、圧電アクチュエ
ータ素子３に過渡電流が流れて、駆動電圧を制御してい
る電圧制御回路１内のＦＥＴ、トランジスタ等の回路素
子が破損する惧れがある。そこで、図３に示されるよう
に、電圧制御回路１と圧電アクチュエータ素子３との間
に保護抵抗４を直列に挿入し、これにより電流を規制す
る方法が一般的に採られてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】

（１） しかしながら、圧電アクチュエータ素子３自体
が容量性負荷であるため、電圧制御回路１と圧電アクチ
ュエータ素子３との間に保護抵抗４を直列に挿入する
と、圧電アクチュエータ素子３と保護抵抗４とによって
結果的にＲＣ回路が形成される。その結果、駆動電圧
は、その周波数により振幅が変動したり、波形のなまり
を生じ、高精度で圧電アクチュエータ素子３を駆動させ
ることができなくなってしまう。例えば、保護抵抗４の
抵抗値をＲ［Ω］、圧電アクチュエータ素子３の容量を
Ｃ［Ｆ］とすると、圧電アクチュエータ素子３に印加さ
れる電圧振幅は、周波数Ｆｃ＝１／（２πＲＣ）の時に
一３ｄＢ（０．７０７倍）となり、−６［ｄＢ／ｏｃ
ｔ］で減衰する。

【０００５】（２） 上記（１）の問題点を改善するた
めに、大型のトランスを用い電流容量を大きくして、保
護抵抗４の抵抗値Ｒを小さくする方法もあるが、駆動電
源が大型になるばかりでなく、負荷となる圧電アクチュ
エータ素子３の短絡故障時に電圧制御回路１内の半導体
素子に過大な電流が流れ、半導体素子を破損する原因に
もなる。

【０００６】（３） 上記（２）に記載した電圧制御回
路１内の半導体素子の破損は、電源投入時あるいは入出
力の接触不良によっても引き起こされ、ヒュ一ズやリレ
ー等の通常の保護手段では防ぎきれない短時間、例えば
数十μｓｅｃで発生する。

【０００７】（４） 特開昭６３−２４９４１６号公報
には、図４に示されるように、短絡等により連続して過
電流となった場合にこの過電流を電流検出回路５で検出
し、リレー駆動回路６を介してリレー７により高電圧電
源回路２から電圧制御回路１への電圧の供給を遮断する
と共に、入力信号の電圧立ち上がり部分を微分マスク回
路８で取り出して過渡電流でのリレー７の誤動作を防止
する保護回路が開示されている。しかしながら、この保
護回路においても、一般にリレー７が数ｍｓｅｃ〜数十
ｍｓｅｃの作動時間を要するために、圧電アクチュエー
タ素子３の短絡故障時、電源投入時あるいは入出力の接
触不良等によって数十μｓｅｃの短時間で電圧制御回路
１内の半導体素子に過大な電流が流れ、半導体素子を破
損する惧れがある。

【０００８】この発明はこのような問題点を解消するた
めになされたもので、電圧波形振幅の周波数依存やなま
りを生ずることなく電源装置内の回路素子の破損を防止
することができる圧電アクチュエータ駆動電源の保護回
路を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る圧電アク
チュエータ駆動電源の保護回路は、駆動電源と圧電アク
チュエータ素子との間に配設され且つこれらの間を接続
／遮断するスイッチング素子と、駆動電源から圧電アク
チュエータ素子に流れる電流を検出する電流検出回路
と、電流検出回路で検出される電流が設定値以下となる
ようにスイッチング素子を制御する制御回路と、電流検
出回路と制御回路との間を電気的に絶縁しつつ電流検出
回路からの検出信号を制御回路へ伝送する第１の絶縁結
合素子と、制御回路とスイッチング素子との間を電気的
に絶縁しつつ制御回路からの信号をスイッチング素子へ
伝送する第２の絶縁結合素子とを備えたものである。

【００１０】さらに、スイッチング素子を通常時に接続
状態に保つための絶縁ゲート電圧発生回路を備え、電流
検出回路で検出される電流が設定値以下のときには制御
回路により絶縁ゲート電圧発生回路からスイッチング素
子にゲート電圧を印加させてスイッチング素子を接続状
態とし、電流検出回路で検出される電流が設定値を越え
るときには制御回路により第２の絶縁結合素子を介して
スイッチング素子を１０μｓｅｃ以下の時間内に遮断す
るようにすることもできる。また、電流検出回路で検出
される電流が所定時間以上にわたって設定値を越えると
きには、制御回路により絶縁ゲート電圧発生回路からス
イッチング素子へのゲート電圧の印加を停止させてスイ
ッチング素子を遮断状態とするようにしてもよい。さら
に、制御回路に解除スイッチを接続し、この解除スイッ
チを用いて制御回路によるスイッチング素子の遮断状態
を解除するようにすることができる。電流検出回路で検
出される電流が設定値を越えたときに警告を発する警告
回路を制御回路に接続してもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を添
付図面に基づいて説明する。図１にこの発明の一実施形
態に係る圧電アクチュエータ駆動電源の保護回路を備え
た駆動回路を示す。高電圧用電源１１及び制御用電源１
２に高電圧電源回路２が接続され、高電圧電源回路２に
電圧制御回路１が接続されている。さらに、電圧制御回
路１に実施形態に係る保護回路２０を介して圧電アクチ
ュエータ素子３が接続されている。また、保護回路２０
には、専用の保護回路用電源１３が接続されている。

【００１２】保護回路２０は、電圧制御回路１と圧電ア
クチュエータ素子３との間に順次直列に接続されたスイ
ッチング素子２１及び電流検出回路２２を有している。
スイッチング素子２１は例えばＭＯＳ型ＦＥＴから構成
されており、このスイッチング素子２１に絶縁ゲート電
圧発生回路２３を介して制御回路２４が接続されてい
る。また、電流検出回路２２及びスイッチング素子２１
がそれぞれフォトカプラから構成される第１の絶縁結合
素子２５及び第２の絶縁結合素子２６を介して制御回路
２４に接続されている。さらに、制御回路２４には、警
告回路２７及び解除スイッチ２８がそれぞれ接続されて
いる。

【００１３】次に、図２のタイミングチャートを参照し
て実施形態の動作を説明する。電圧制御回路１は、高電
圧用電源１１及び制御用電源１２により駆動する高電圧
電源回路２から電圧供給を受け、外部から電圧の制御を
指示するための入力信号Ｓ１に基づいてステップ状ある
いはパルス状等の電圧波形を形成する。なお、通常時
は、制御回路２４の指示により絶縁ゲート電圧発生回路
２３からスイッチング素子２１にゲート電圧が印加され
てスイッチング素子２１は接続状態になっており、電圧
制御回路１で形成された電圧波形はスイッチング素子２
１及び電流検出回路２２を介して圧電アクチュエータ素
子３に印加される。これにより圧電アクチュエータ素子
３が駆動される。

【００１４】圧電アクチュエータ素子３に流れる電流Ｉ
は、常時、電流検出回路２２で検出され、検出値が第１
の絶縁結合素子２５を介して制御回路２４に入力されて
いる。制御回路２４は電流検出回路２２で検出された電
流Ｉの大きさ（絶対値）が予め設定されている設定値Ｉ
_TH以下であるか否かを判定し、図２の期間Ｔ１及びＴ２
のように電流Ｉが設定値Ｉ_TH以下のときには、絶縁ゲー
ト電圧発生回路２３から印加されるゲート電圧によって
スイッチング素子２１の接続状態が維持され、入力信号
Ｓ１に応じた電圧波形が圧電アクチュエータ素子３に印
加される。

【００１５】一方、過渡電流により、図２に破線で示す
ように期間Ｔ３及びＴ４において圧電アクチュエータ素
子３に流れる電流Ｉが設定値Ｉ_THを越えると、制御回路
２４は過渡電流であることを認識し、第２の絶縁結合素
子２６を介して制御信号Ｓ２をスイッチング素子２１に
送出する。スイッチング素子２１は、制御信号Ｓ２によ
って制御されて１０μｓｅｃ以下の短時間で定電流制御
状態となり、これにより図２の実線で示されるように電
流Ｉは設定値Ｉ_TH以下となる。このとき、制御回路２４
は、使用者に過渡電流の発生を知らせるために警告回路
２７でＬＥＤの点灯とアラーム音の発生を行う。

【００１６】制御回路２４は、カウンタ回路やＣＲの時
定数を応用した計時回路を内蔵しており、過渡電流が予
め設定された所定時間△ｔ以上続いた場合には、絶縁ゲ
ート電圧発生回路２３からスイッチング素子２１へのゲ
ート電圧の印加を停止させてスイッチング素子２１を遮
断状態とする。なお、正弦波駆動等により瞬時的に過渡
電流が流れるような駆動の場合には、累積されて設定時
間が効く構成であり、例えば０．５ｓｅｃ過渡電流が流
れ、０．５ｓｅｃ過渡電流が解除される周期が繰り返さ
れる場合には、上記の所定時間△ｔのほぼ２倍の時間２
△ｔで遮断状態となる。

【００１７】遮断状態となったスイッチング素子２１
は、制御回路２４に接続されている解除スイッチ２８を
操作することによって解除することができる。解除スイ
ッチ２８の操作により、絶縁ゲート電圧発生回路２３か
らスイッチング素子２１へのゲート電圧の印加が回復
し、再び入力信号Ｓ１に応じた圧電アクチュエータ素子
３の駆動が可能となる。

【００１８】１０μｓｅｃ以下の短時間でスイッチング
素子２１を制御状態として電流Ｉを設定値Ｉ_TH以下に抑
制することにより、電圧制御回路１に過大な電流が長時
間流れることが防止され、電圧制御回路１内の回路素子
破損には至らない。また、従来のように、保護抵抗を挿
入する必要がないので、低インピーダンスとなり、波形
振幅の周波数依存及び波形のなまりを防止することがで
きる。さらに、圧電アクチュエータ素子３側の短絡時の
過電流や過渡電流による高電圧電源回路２への電圧降下
がないため、共通の高電圧電源回路２に複数の電圧制御
回路１及び圧電アクチュエータ素子３を接続する複数チ
ャンネル化が可能となる。

【００１９】保護回路２０を電圧制御回路１と圧電アク
チュエータ素子３との間に挿入するため、電圧制御回路
１及び高電圧電源回路２を含む電源部と圧電アクチュエ
ータ素子３の双方を保護することができる。また、保護
回路２０は、専用の保護回路用電源１３から電源供給さ
れるので、圧電アクチュエータ駆動用の電源部で誤動作
があっても影響されることなく、常に安定した動作が保
証される。保護回路２０内は、制御回路２４が第１及び
第２の絶縁結合素子２５及び２６によって高電圧を取り
扱うスイッチング素子２１及び電流検出回路２２と電気
的に切り離されている。従って、保護回路用電源１３は
低電圧のもので済む。

【００２０】また、ＭＯＳ型ＦＥＴ等を用いたスイッチ
ング素子２１により電圧制御回路１と圧電アクチュエー
タ素子３との間を接続／遮断しているため、高速応答が
実現でき、リレーを用いる場合のようにアークによる接
点融着が発生したり、ヒューズの場合のように交換作業
が発生することはない。

【００２１】さらに、絶縁ゲート電圧発生回路２３内に
遅延回路を内蔵させることにより、電源投入時及び遮断
状態の解除時に電圧を緩やかに立ち上げることができ、
過渡電流の発生を防止することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態に係る圧電アクチュエー
タ駆動電源の保護回路を備えた駆動回路を示すブロック
図である。

【図２】実施形態に係る保護回路の動作を示すタイミン
グチャートである。

【図３】従来の駆動回路を示すブロック図である。

【図４】従来の他の駆動回路を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 電圧制御回路 ２ 高電圧電源回路 ３ 圧電アクチュエータ素子 １３ 保護回路用電源 ２０ 保護回路 ２１ スイッチング素子 ２２ 電流検出回路 ２３ 絶縁ゲート電圧発生回路 ２４ 制御回路 ２５ 第１の絶縁結合素子 ２６ 第２の絶縁結合素子 ２７ 警告回路 ２８ 解除スイッチ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力信号に基づいた電圧波形を圧電アク
   チュエータ素子に印加して駆動させる圧電アクチュエー
   タ駆動電源の保護回路であって、 駆動電源と圧電アクチュエータ素子との間に配設され且
   つこれらの間を接続／遮断するスイッチング素子と、 駆動電源から圧電アクチュエータ素子に流れる電流を検
   出する電流検出回路と、 前記電流検出回路で検出される電流が設定値以下となる
   ように前記スイッチング素子を制御する制御回路と、 前記電流検出回路と前記制御回路との間を電気的に絶縁
   しつつ前記電流検出回路からの検出信号を前記制御回路
   へ伝送する第１の絶縁結合素子と、 前記制御回路と前記スイッチング素子との間を電気的に
   絶縁しつつ前記制御回路からの信号を前記スイッチング
   素子へ伝送する第２の絶縁結合素子とを備えたことを特
   徴とする圧電アクチュエータ駆動電源の保護回路。
2. 【請求項２】 前記スイッチング素子を通常時に接続状
   態に保つための絶縁ゲート電圧発生回路を備え、 前記制御回路は、前記電流検出回路で検出される電流が
   設定値以下のときには前記絶縁ゲート電圧発生回路から
   前記スイッチング素子にゲート電圧を印加させて前記ス
   イッチング素子を接続状態とし、前記電流検出回路で検
   出される電流が設定値を越えるときには前記第２の絶縁
   結合素子を介して前記スイッチング素子を１０μｓｅｃ
   以下の時間で設定電流値に至らしめて定電流制御状態と
   することを特徴とする請求項１に記載の保護回路。
3. 【請求項３】 前記制御回路は、前記電流検出回路で検
   出される電流が所定時間以上にわたって設定値を越える
   ときには前記絶縁ゲート電圧発生回路から前記スイッチ
   ング素子へのゲート電圧の印加を停止させて前記スイッ
   チング素子を遮断状態とすることを特徴とする請求項２
   に記載の保護回路。
4. 【請求項４】 前記制御回路に接続されると共に前記制
   御回路による前記スイッチング素子の遮断状態を解除す
   るための解除スイッチを備えたことを特徴とする請求項
   ３に記載の保護回路。
5. 【請求項５】 前記制御回路に接続されると共に前記電
   流検出回路で検出される電流が設定値を越えたときに警
   告を発する警告回路を備えたことを特徴とする請求項１
   〜４に記載の保護回路。