JP2008306826A - 圧電アクチュエータ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動信号の供給先となる圧電素子を切り替えること無く、被駆動体の駆動方向を変更可能とする技術を提供する。
【解決手段】圧電アクチュエータは、少なくとも１つの圧電素子（１２０）と、被駆動体（ＭＢ）に駆動力を作用させるための作用端（１３０）とを有し、圧電素子（１２０）の変形に応じて作用端（１３０）が振動する圧電素子構造体１００を備える。圧電アクチュエータは、さらに、圧電素子（１２０）に電圧を印加するためのドライバ回路（３００）と、ドライバ回路（３００）に矩形波状の駆動信号（ＤＶ，＃ＤＶ）を供給することによって、作用端（１３０）を振動させる駆動制御回路（２００）と、を備える。駆動制御回路（３００）は、駆動信号（ＤＶ，＃ＤＶ）のデューティ比を変更することによって被駆動体（ＭＢ）の駆動方向を反転可能である。
【選択図】図１

Description

この発明は、圧電アクチュエータ及びその駆動方法に関する。

圧電アクチュエータとしては、例えば本出願人により開示された特許文献１のものが知られている。この圧電アクチュエータは、圧電素子（「ピエゾ素子」とも呼ぶ）の伸縮を利用して、被駆動体を駆動することが可能である。

特開２００４−２６６９４３

しかしながら、従来の圧電アクチュエータでは、被駆動体を反対方向に駆動するためには、駆動信号の供給先となる圧電素子を切り替えなければならないという問題があった。

本発明は、駆動信号の供給先となる圧電素子を切り替えること無く、被駆動体の駆動方向を変更可能とする技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 被駆動体を駆動するための圧電アクチュエータであって、
少なくとも１つの圧電素子と、前記被駆動体に駆動力を作用させるための作用端とを有し、前記圧電素子の変形に応じて前記作用端が振動する圧電素子構造体と、
前記圧電素子に電圧を印加するためのドライバ回路と、
前記ドライバ回路に矩形波状の駆動信号を供給することによって、前記作用端を振動させる駆動制御回路と、
を備え、
前記駆動制御回路は、前記駆動信号のデューティ比を変更することによって前記被駆動体の駆動方向を反転可能である、圧電アクチュエータ。

この構成によれば、駆動信号のデューティ比を変更することによって被駆動体の駆動方向を反転できるので、駆動信号の供給先となる圧電素子を切り替えること無く、被駆動体の駆動方向を変更することが可能である。

［適用例２］ 適用例１記載の圧電アクチュエータであって、
前記駆動制御回路は、
（ｉ）前記駆動信号のデューティ比を５０％未満の値に設定することによって前記被駆動体を第１の方向に駆動し、
（ｉｉ）前記駆動信号のデューティ比を５０％に設定することによって前記被駆動体を停止させ、
（ｉｉｉ）前記駆動信号のデューティ比を５０％を超えた値に設定することによって前記被駆動体を前記第１の方向とは逆の第２の方向に駆動する、圧電アクチュエータ。

この構成によれば、５０％のデューティ比を境にして、被駆動体を停止状態、第１の方向への被駆動状態、及び、第２の方向への被駆動状態の３つの状態におくことが可能である。

［適用例３］ 適用例２記載の圧電アクチュエータであって、
前記駆動信号のデューティ比と前記作用端の駆動力との関係を示す特性は、前記デューティ比が５０％の近傍で前記駆動力の変化の傾きが小さく、前記デューティ比が５０％から離れた位置で前記駆動力の変化の傾きが大きくなる非線形な特性である、圧電アクチュエータ。

この構成によれば、デューティ比が５０％の付近で被駆動体を安定して停止させることができ、かつ、デューティ比を５０％から離れた位置に設定することによって大きな駆動力を作用させることができる。

［適用例４］ 適用例１ないし３のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記圧電素子構造体は、前記圧電素子構造体の振動を検出するためのセンサを有しており、
前記駆動制御回路は、
前記センサからのセンサ出力に応じて、前記圧電素子構造体が共振する共振周波数を有する共振周波数信号を生成する共振周波数信号生成部と、
前記共振周波数信号と同一の周波数を有するとともに、前記被駆動体の駆動方向に応じたデューティ比を有するように前記駆動信号を生成するデューディ制御部と、
を有する、圧電アクチュエータ。

この構成によれば、被駆動体を共振させつつ、駆動信号のデューティ比を変化させて所望の駆動状態を実現することが可能である。

［適用例５］ 適用例１ないし４のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
前記圧電素子構造体は、
略矩形の板状の２つの前記圧電素子と、
前記２つの圧電素子の間に介挿された共通電極と、
前記２つの圧電素子の外面側の対応する位置に設けられて互いに接続された第１及び第２の電極と、
を含み、
前記第１と第２の電極は、前記圧電素子の表面上の２つの対角線のうちの一方の対角線に沿って偏在した状態で配置されている、圧電アクチュエータ。

この構成によれば、第１と第２の電極と、共通電極との間に電圧を印加することによって、圧電素子構造体を屈曲させることができ、この屈曲の繰り返しによって作用端を振動させることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、圧電アクチュエータ、その制御方法及び制御装置、及び、圧電アクチュエータを用いた各種の装置等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．第１実施例：
B．他の実施例：
C．変形例

A．第１実施例：
図１（Ａ）は、本発明の第１実施例としての圧電アクチュエータの構成を示す概念図である。この圧電アクチュエータは、被駆動体ＭＢを駆動するための圧電素子構造体１００と、圧電素子構造体１００の動作を制御する駆動制御回路２００と、駆動制御回路２００から与えられた駆動信号ＤＶ，＃ＤＶに応じて圧電素子構造体１００に駆動電圧を供給するドライバ回路３００とを備えている。なお、符号の先頭に「＃」が付されている駆動信号＃ＤＶは、駆動信号ＤＶを反転した信号である。駆動制御回路２００とドライバ回路３００とを含む回路全体は、圧電素子構造体１００を駆動する駆動部として機能している。この駆動部は、半導体集積回路（ＩＣ）として実装可能である。

圧電素子構造体１００は、１つ以上の圧電素子１２０と、振動検出用の振動センサ１１０と、作用端１３０とを有している。なお、図１（Ａ）の例では、圧電素子構造体１００が被駆動体ＭＢに対して傾いて配置されているが、正立した状態で配置してもよい。

圧電素子１２０が駆動信号ＤＶ，＃ＤＶに応じて伸縮すると、圧電素子構造体１００の全体が振動し、これに応じて作用端１３０も振動する。作用端１３０は、被駆動体ＭＢに押し当てられており、作用端１３０が振動すると被駆動体ＭＢに対する駆動力が発生する。振動センサ１１０は、センサ出力Ｓ１１０を駆動制御回路２００に供給する。駆動制御回路２００は、この振動センサ出力Ｓ１１０に応じて、圧電素子構造体１００が共振周波数で振動することを検出する機能を有している。また、駆動制御回路２００は、共振周波数を有する駆動信号ＤＶ，＃ＤＶを生成することによって、圧電素子構造体１００を共振周波数で振動させることが可能である。

駆動制御回路２００は、さらに、駆動信号ＤＶ、＃ＤＶのデューティ比を変更することによって、被駆動体ＭＢの駆動方向を反転することが可能である。例えば、デューティ比を５０％未満の値に設定することによって被駆動体ＭＢを左方向に移動させることができ、デューティ比を５０％を超えた値に設定することによって被駆動体ＭＢを右方向に移動させることができる。また、デューティ比をちょうど５０％に設定することによって被駆動体ＭＢを停止させることが可能である。

図１（Ｂ）は、駆動信号のデューティ比と駆動力との関係（駆動特性）を示すグラフである。縦軸は駆動力であり、そのプラス側は左方向の駆動力が発生することを示し、マイナス側は右方向の駆動力が発生することを示している。この特性では、デューティ比が５０％の時に駆動力は発生せず、ゼロである。また、デューティ比が５０％未満の値を取るときには、左方向に駆動力が発生する。一方、デューティ比が５０％を超える値を取るときには、右方向に駆動力が発生する。また、この特性では、デューティ比が５０％の近傍で傾きが小さく、デューティ比が５０％から離れた位置で傾きが大きくなる非線形な特性となっている。このような特性を利用すれば、デューティ比を５０％の近傍に維持することによって、被駆動体ＭＢを停止させておくことが容易である。また、この特性は、デューティ比が５０％である位置（中央点）を中心として対称な特性を示している。このような特性を利用すれば、駆動方向と駆動力を容易に制御可能であるという利点がある。

なお、図１（Ｂ）の例では、デューティ比が１０％〜９０％の範囲が有効な駆動範囲として利用可能であり、その外側（デューティ比が１０％未満又は９０％を超える範囲）は利用されていない。この理由は、デューティ比が０％の近傍又は１００％の近傍では、圧電素子１２０に印加される電圧が直流電圧に近い波形になるので、圧電素子１２０が十分に伸縮せず、振動が発生しない可能性があるからである。なお、デューティ比と駆動力の関係を示す駆動特性、及び、その有効な駆動範囲は、圧電素子構造体１００の具体的な構造に応じてそれぞれ実験的に設定される。

図２は、圧電素子構造体１００の具体的な構造例を示す斜視図である。この圧電素子構造体１００は、補強板６３を、一対の圧電素子６２、６４で挟み込むように積層した構成を有している。上側の圧電素子６２の表面上には、略矩形板状の４つの電極６１ａ〜６１ｄが配置されている。同様に、下側の圧電素子６４の表面上にも、電極６１ａ〜６１ｄと対応する位置に、略矩形板の４つの電極６５ａ〜６５ｄ（図示省略）が配置されている。なお、圧電素子構造体１００の上半分と下半分は互いに鏡面対称な構造を有しているので、以下では主に上半分の構造について説明する。

補強板６３は、略長方形の板状構造を有し、その厚みが各圧電素子６２、６４より薄いことが好ましい。こうすれば、圧電素子構造体１００を高い効率で振動させ得る利点がある。また、補強板６３は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、銅、銅系合金その他の金属材料で構成することが可能である。補強板６３は、圧電素子構造体１００全体を補強する機能を有し、過振幅や外力等による圧電素子構造体１００の損傷を防止する。また、補強板６３は、圧電素子６２、６４間を導通させる共通の電極としても機能する。

圧電素子構造体１００は、また、一方の短辺の中央、すなわち、長手方向の先端部の中央に、作用端６６を有する。この作用端６６は、図１（Ａ）の作用端１３０として機能する部材である。圧電素子構造体１００は、さらに、一方の長辺の中央、すなわち、長手方向の側部中央に、長辺に対して略垂直に突出する固定部６８を有する。この固定部６８は、圧電素子構造体１００を設置する際に利用される部材である。なお、作用端６６及び固定部６８は、補強板６３と単一部材により一体的に形成することができる。この場合には、作用端６６及び固定部６８は、その一部又は全部を絶縁層で被覆してもよい。あるいは、作用端６６と固定部６８を、補強板６３（共通電極）と別部材で構成してもよい。

圧電素子６２、６４は、補強板６３と略合同な長方形の板状構造を有する。圧電素子６２、６４は、補強板６３に対して固着されており、一体化されて単一構造物を構成する。これにより、圧電素子構造体１００の強度を向上できる利点がある。また、圧電素子６２、６４は、電圧の印加により伸縮可能な材料から成る。かかる材料としては、例えば、チタン酸ジルコニウム酸鉛、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等がある。

圧電素子６２の外面上に設置された４つの電極６１ａ〜６１ｄは、短冊状の金属部材から成り、圧電素子６２上の所定の位置に設置される。図２の例では、これらの電極は、圧電素子６２の長辺に対して略半分の長さを有し、各圧電素子６２上の長辺側の縁部に沿って、長手方向にそれぞれ２枚ずつ並べて配置される。これにより、電極６１ａ〜６１ｄは、圧電素子６２上にそれぞれ４枚ずつ並べられ、圧電素子６２の長手方向の中心線および幅方向の中心線に対して相互に対称に位置する。

上面側の電極６１ａ〜６１ｄと、下面側の電極６５ａ〜６５ｄとは、圧電素子構造体１００の表裏において相互に対向して配置されている。上面側と下面側の対応する位置にある電極同士（例えば電極６１ａ，６５ａ）は互いに電気的に接続されている。また、圧電素子６２上にて対角線上に配置された電極同士（電極６１ａ，６１ｃ同士、及び電極６１ｂ，６１ｄ同士）も互いに電気的に接続されている。また、電極６１ａと固定部６８（共通電極）は、ドライバ回路３００に接続されており、これらの電極６１ａ，６８にはドライバ回路３００から駆動電圧が供給される。また、電極６１ｄからは、圧電素子構造体１００の振動を表す出力信号Ｓ１１０が駆動制御回路２００に出力される。すなわち、電極６１ｂ，６１ｄ，６５ｂ，６５ｄ及び圧電素子６２，６４の全体は、振動センサ１１０として機能することが理解できる。

駆動用の電極６１ａ，６８に駆動電圧が印加されると、これらの電極６１ａ，６１ｃ，６５ａ，６５ｄが設置された部分において、圧電素子６２，６４が圧電素子構造体１００の長手方向に沿って高速かつ反復的に伸縮する。この結果、圧電素子構造体１００の作用端６６が振動し、図中に示す楕円軌道ＥＣに沿って運動する。但し、この楕円軌道ＥＣに沿った運動方向は、駆動信号ＤＶ，＃ＤＶのデューティ比に応じて反転する（図１（Ｂ））。被駆動体ＭＢ（図１（Ｂ））は、この作用端６６の運動により駆動力を受けて駆動される。なお、圧電素子構造体１００の動作については、本出願人により開示された特開２００４−２６６９４３号公報に詳述されている。

図３は、駆動制御回路２００の内部構成を示すブロック図である。駆動制御回路２００は、デューティ制御部２１０と、ループフィルタ（ＬＰＦ）２２０と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２３０と、分周器２４０と、位相比較器２５０と、位相補正部２６０と、電圧比較器２７０と、ＣＰＵ２８０とを有している。ＬＰＦ２２０と、ＶＣＯ２３０と、分周器２４０と、位相比較器２５０とは、いわゆるＰＬＬ回路を構成している。

電圧比較器２７０は、振動センサ出力Ｓ１１０と、所定の基準電圧Ｖrefとを比較して、その比較結果を示す信号Ｓ２７０を生成する。この信号Ｓ２７０は、位相補正部２６０の出力信号Ｓ２６０と共に位相比較器２５０に入力されている。なお、位相補正部２６０の出力信号Ｓ２６０は、後述するように、分周器２４０の出力信号Ｓ２４０の位相を補正したものである。位相比較器２５０の出力Ｓ２５０はＬＰＦ２２０に入力され、ＬＰＦ２２０の出力Ｓ２２０はＶＣＯ２３０に入力される。ＶＣＯ２３０の出力Ｓ２３０は、分周器２４０とデューティ制御部２１０とに供給されている。分周器２４０の出力Ｓ２４０は、デューティ制御部２１０と位相補正部２６０とに供給されている。デューティ制御部２１０は、ＶＣＯ２３０の出力信号Ｓ２３０と、分周器２４０の出力信号Ｓ２４０と、ＣＰＵ２８０から指示されたデューティ値Ｎとに基づいて、駆動信号ＤＶ，＃ＤＶを生成する。これらの駆動信号ＤＶ，＃ＤＶは、ドライバ回路３００に供給される。

図４は、駆動制御回路２００の動作を示すタイミングチャートである。ＶＣＯ出力Ｓ２３０は、矩形波状のクロック信号である。分周器出力Ｓ２４０は、ＶＣＯ出力Ｓ２３０を１／Ｍに分周したクロック信号である。振動センサ出力Ｓ１１０は、時系列的に変化する信号であり、例えば略正弦波状の信号である。電圧比較器出力Ｓ２７０は、振動センサ出力Ｓ１１０が基準電圧Ｖrefよりも小さいときにＨレベルとなり、基準電圧Ｖrefよりも大きいときにＬレベルとなる。但し、振動センサ出力Ｓ１１０が基準電圧Ｖrefよりも大きいときに、電圧比較器出力Ｓ２７０がＨレベルとなるように、電圧比較器２７０と基準電圧Ｖrefとを設定しても良い。

位相補正部２６０は、分周器出力Ｓ２４０の位相を遅延させることによって、適正な位相位置において立ち上がりエッジを有する出力Ｓ２６０を生成している。ここで、「適正な位相位置」とは、位相比較器２５０において、位相補正部出力Ｓ２６０と、電圧比較器出力Ｓ２７０とを比較した結果として圧電素子構造体１００の共振状態を検出できるような適切な位置を意味している。位相補正部２６０で付与される遅延量は、駆動制御回路２００内の回路要素の遅れ等に応じて、予め適切な値に設定することが可能である。

位相比較器出力Ｓ２５０は、Ｈレベルと、ハイインピーダンス状態（図中で「Hi-z」と記した状態）と、Ｌレベルとを取りうる。位相比較器出力Ｓ２５０がハイインピーダンス状態にあるときに、位相補正部出力Ｓ２６０の立ち上がりエッジが発生すると、位相比較器出力Ｓ２５０がＨレベルに立ち上がる。その後、電圧比較器出力Ｓ２７０の立ち上がりエッジが発生するとハイインピーダンス状態に戻る。一方、位相比較器出力Ｓ２５０がハイインピーダンス状態にあるときに、電圧比較器出力Ｓ２７０の立ち上がりエッジが発生するすると、位相比較器出力Ｓ２５０がＬレベルに立ち下がり、その後、位相補正部出力Ｓ２６０の立ち上がりエッジが発生すると、位相比較器出力Ｓ２５０がハイインピーダンス状態に戻る。このように、位相比較器出力Ｓ２５０は、２つの信号Ｓ２６０，Ｓ２７０の位相を比較した結果を示す信号となる。位相比較器出力Ｓ２５０がＨレベルのときにはＬＰＦ出力Ｓ２２０が増大し、ＬベルのときにはＬＰＦ出力Ｓ２２０が減小する。ＶＣＯ出力Ｓ２３０は、このＬＰＦ出力Ｓ２２０に比例した周波数を有するクロック信号である。なお、図４では、ＶＣＯ出力Ｓ２３０と分周器出力Ｓ２４０は一定の周波数を有するように見えるが、実際には、ＬＰＦ出力Ｓ２２０の増大に従って、これらの信号Ｓ２３０，Ｓ２４０の周波数も増大する。

圧電素子構造体１００が共振すると、振動センサ信号Ｓ１１０の振幅が増大し、これに伴ってＶＣＯ出力Ｓ２３０と分周器出力Ｓ２４０の周波数も増大する。そして、振動センサ信号Ｓ１１０と分周器出力Ｓ２４０の周波数及び位相がそれぞれ一致した状態で、ＶＣＯ出力Ｓ２３０が安定した周波数を有する状態となる。従って、分周器出力Ｓ２４０は、圧電素子構造体１００の共振周波数を有する信号として生成されることが理解できる。このように、駆動制御回路２００は、圧電素子構造体１００の共振を検出するとともに、その共振周波数を有する信号Ｓ２４０を生成する回路としての機能を有している。なお、ＬＰＦ２２０は、始動時にもゼロでない所定の初期電圧をＶＣＯ２３０に供給するように構成されていることが好ましい。こうすれば、始動時に、ＶＣＯ２３０から所定の初期周波数を有するＶＣＯ出力Ｓ２３０を発生させることが可能である。デューティ制御部２１０は、こうして得られたＶＣＯ出力Ｓ２３０と分周器出力Ｓ２４０とに基づいて、以下のようにして駆動信号ＤＶ，＃ＤＶを生成している。

図５は、デューティ制御部２１０の動作を示すタイミングチャートである。デューティ制御部２１０で生成される駆動信号ＤＶは、分周器出力Ｓ２４０の立ち上がりエッジに応じてＨレベルに立ち上がり、その後、ＶＣＯ出力Ｓ２３０がＮパルスだけ発生するとＬレベルに立ち下がる。従って、駆動信号ＤＶは、分周器出力Ｓ２４０と同じ周波数を有し、デューティ比がＮ／Ｍとなる信号である。なお、図６（Ａ）は、デューティ比Ｎ／Ｍが５０％未満の場合を示しており、図６（Ｂ）は、デューティ比Ｎ／Ｍが５０％を超える場合を示している。このような動作を行うデューティ制御部２１０は、カウンタを用いて構成することが可能である。

図６は、ドライバ回路３００の一例を示す回路図である。このドライバ回路３００は、４つのスイッチングトランジスタ３１１〜３１４で構成されるＨブリッジ回路である。上アームのトランジスタ３１１，３１３と、下アームのトランジスタ３１２，３１４は逆のタイプ（ここではｎｐｎ型とｐｎｐ型）のトランジスタである。駆動信号ＤＶは、左側の２つのトランジスタ３１１，３１２の制御端子に共通に入力されている。また、反転した駆動信号＃ＤＶは、右側の２つのトランジスタ３１３，３１４の制御端子に共通に入力されている。駆動信号ＤＶがオン状態になると、圧電素子６２，６４に所定の方向の電流Ｉａが流れ、一方、駆動信号ＤＶがオフ状態になると、圧電素子６２，６４に反対向きの電流Ｉｂが流れる。従って、駆動信号ＤＶとして矩形波状の信号が入力されると、矩形状の電圧が印加されて電流Ｉａ，Ｉｂが交互に流れ、これによって圧電素子６２，６４が伸縮する。

図７は、圧電素子構造体１００の振動周波数ｆｃと、振動センサ出力Ｓ１１０の電圧レベルとの関係を示している。共振周波数領域では、振動センサ出力Ｓ１１０の電圧が高い値を示す。電圧比較器２７０（図３）の基準電圧Ｖrefは、この共振周波数領域の振動センサ出力Ｓ１１０の電圧レベルの範囲内の値に予め設定されている。従って、駆動制御回路２００は、共振周波数を有する信号として、分周器出力Ｓ２４０及び駆動信号ＤＶ，＃ＤＶを生成することが可能である。

以上のように、本実施例の圧電アクチュエータは、駆動信号ＤＶのデューティ比を変えるだけで、圧電素子構造体１００から被駆動体ＭＢに作用する駆動力の方向を逆転することができる。従って、簡単な構成で、被駆動体ＭＢを正方向及び逆方向の両方向に駆動することが可能である。

B．他の実施例：
図８は、第２実施例における圧電素子構造体と被駆動体との関係を示す説明図である。ここでは、円盤状の被駆動体ＭＢの両側に２つの圧電素子構造体１０１，１０２が設けられている。圧電素子構造体１０１，１０２は同一の構造を有しており、例えば図２に示したものと同じ構造を採用することができる。被駆動体ＭＢは、２つの圧電素子構造体１０１，１０２からの駆動力を受けて、右回りと左回りの両方に回転可能である。なお、２つの圧電素子構造体１０１，１０２を被駆動体ＭＢの反対側に設けた理由は、被駆動体ＭＢに加えられる駆動力をバランスさせて、より滑らかに回転できるようにするためである。

図９は、第２実施例における駆動部の構成を示すブロック図である。駆動制御回路２００ａは、図３に示した回路２００のデューティ制御部２１０を、正駆動デューティ制御部２１１及び逆駆動デューティ制御部２１２に置き換えたものである。また、これらのデューティ制御部２１１，２１２に対応して２つのドライバ回路３０１，３０２が設けられている。これらの２つのドライバ回路３０１，３０２は、２つの圧電素子構造体１０１，１０２を駆動するための回路である。

正駆動デューティ制御部２１１は、デューティ比がＮ／Ｍの駆動信号ＤＶ１を生成する。これは、図５で説明した動作と同じである。一方、逆駆動デューティ制御部２１２は、デューティ比が（Ｍ−Ｎ）／Ｍの駆動信号ＤＶ２を生成する。２つのデューティ制御部２１１，２１２で使用されるデューティ比Ｎ／Ｍ，（Ｍ−Ｎ）／Ｍは、５０％から等しい差分を有する値である。すなわち、第１のデューティ比Ｎ／Ｍが（５０−α）％の時に、第２のデューティ比（Ｍ−Ｎ）／Ｍは（５０＋α）％となる。図１（Ｂ）で説明したように、デューティ比と駆動力との間の関係を示す特性は、デューティ比が５０％の位置を中心とした対称な形をしているので、これらのデューティ比Ｎ／Ｍ，（Ｍ−Ｎ）／Ｍを有する駆動信号ＤＶ１，ＤＶ２によって２つの圧電素子構造体１０１，１０２を同時に駆動すれば、被駆動体ＭＢを右回りと左回りのいずれの方向にも選択的に回転させることが可能である。

図１０は、圧電素子構造体の他の構造例を示している。この圧電素子構造体１００ａは、図２に記載した圧電素子構造体１００の電極６１ａ，６１ｃを、これらを結合した単一の電極６１ｇに置き換えたものである。裏面側には、この電極６１ｇと同じ形状を有する電極６５ｇが設けられている。また、電極６１ｄは図２よりもやや面積が小さくなっており、図２の電極６１ｂは省略されている。このような構造を有する圧電素子構造体１００ａを用いた場合にも、図２の示した構造体１００を用いた場合と同様に、圧電素子の振動に応じて被駆動体を正方向と逆方向の両方向に駆動することが可能である。これらの２種類の圧電素子構造体は、略矩形の板状の２つの圧電素子６２，６４と、２つの圧電素子６２，６４の間に介挿された共通電極６８と、２つの圧電素子６２，６４の外面側の対応する位置に設けられて互いに接続された電極６１ａ，６１ｃ，６５ａ，６５ｄとを含んでいる。また、これらの電極６１ａ，６１ｃ，６５ａ，６５ｄは、圧電素子６２，６４の表面上の２つの対角線のうちの一方の対角線に沿って偏在した状態で配置されているものである。なお、圧電素子構造体としては、図２及び図１０に示したもの以外の任意の構造を採用することが可能であり、１つ以上の圧電素子を含み圧電素子の変形に応じて作用端が振動する圧電素子構造体を採用することができる。なお、作用端は、振動時に楕円状の軌道に沿って運動するものであることが好ましい。

C．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

C１．変形例１：
上記実施例では、駆動制御回路が圧電素子構造体の共振状態を検出できる構成を有しているものとしたが、この代わりに、共振状態を検出すること無く、予め求めた共振周波数と等しい一定の周波数を有する駆動信号を生成する回路を利用することも可能である。但し、上記実施例では、個々の圧電素子構造体の製造誤差や環境（温度など）に応じて共振周波数が変化しても、圧電素子構造体を常に共振させることができるという利点がある。

C２．変形例２：
駆動信号のデューティ比と駆動力との関係としては、図１（Ｂ）に示したもの以外の任意の特性を示すものを使用することができる。例えば、駆動力の反転が生じるデューティ比の値が５０％以外の値になる場合も生じ得る。例えば、図１（Ａ）に示したように、圧電素子構造体１００を被駆動体ＭＢに対して傾いた状態で配置した場合に、駆動力の反転が生じるデューティ比は５０％から多少ずれる可能性がある。また、駆動力の大きさも、左方向と右方向で同じ値が得られる必要は無く、左方向と右方向で多少の差が生じていてもよい。

本発明の第１実施例としての圧電アクチュエータの構成と動作の概要を示す図である。 圧電素子構造体の具体的な構造例を示す斜視図である。 駆動制御回路の内部構成を示すブロック図である。 駆動制御回路の動作を示すタイミングチャートである。 デューティ制御部の動作を示すタイミングチャートである。 ドライバ回路の一例を示す回路図である。 圧電素子構造体の振動の周波数ｆｃと振動センサ出力Ｓ１１０の電圧レベルとの関係を示すグラフである。 第２実施例における圧電素子構造体と被駆動体との関係を示す説明図である。 第２実施例における駆動部の構成を示すブロック図である。 圧電素子構造体の他の構造例を示す斜視図である。

符号の説明

６１ａ〜６１ｄ…電極
６２，６４…圧電素子
６３…補強板
６５ａ〜６５ｄ，６５ｇ…電極
６６…作用端
６８…固定部（共通電極）
１００…圧電素子構造体
１１０…振動センサ
１２０…圧電素子
１３０…作用端
２００…駆動制御回路
２１０…デューティ制御部
２２０…ループフィルタ（ＬＰＦ）
２３０…電圧制御発振器（ＶＣＯ）
２４０…分周器
２５０…位相比較器
２６０…位相補正部
２７０…電圧比較器
２８０…ＣＰＵ
３００…ドライバ回路
３１１〜３１４…スイッチングトランジスタ

Claims (10)

1. 被駆動体を駆動するための圧電アクチュエータであって、
   少なくとも１つの圧電素子と、前記被駆動体に駆動力を作用させるための作用端とを有し、前記圧電素子の変形に応じて前記作用端が振動する圧電素子構造体と、
   前記圧電素子に電圧を印加するためのドライバ回路と、
   前記ドライバ回路に矩形波状の駆動信号を供給することによって、前記作用端を振動させる駆動制御回路と、
   を備え、
   前記駆動制御回路は、前記駆動信号のデューティ比を変更することによって前記被駆動体の駆動方向を反転可能である、圧電アクチュエータ。
2. 請求項１記載の圧電アクチュエータであって、
   前記駆動制御回路は、
   （ｉ）前記駆動信号のデューティ比を５０％未満の値に設定することによって前記被駆動体を第１の方向に駆動し、
   （ｉｉ）前記駆動信号のデューティ比を５０％に設定することによって前記被駆動体を停止させ、
   （ｉｉｉ）前記駆動信号のデューティ比を５０％を超えた値に設定することによって前記被駆動体を前記第１の方向とは逆の第２の方向に駆動する、圧電アクチュエータ。
3. 請求項２記載の圧電アクチュエータであって、
   前記駆動信号のデューティ比と前記作用端の駆動力との関係を示す特性は、前記デューティ比が５０％の近傍で前記駆動力の変化の傾きが小さく、前記デューティ比が５０％から離れた位置で前記駆動力の変化の傾きが大きくなる非線形な特性である、圧電アクチュエータ。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
   前記圧電素子構造体は、前記圧電素子構造体の振動を検出するためのセンサを有しており、
   前記駆動制御回路は、
   前記センサからのセンサ出力に応じて、前記圧電素子構造体が共振する共振周波数を有する共振周波数信号を生成する共振周波数信号生成部と、
   前記共振周波数信号と同一の周波数を有するとともに、前記被駆動体の駆動方向に応じたデューティ比を有するように前記駆動信号を生成するデューディ制御部と、
   を有する、圧電アクチュエータ。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電アクチュエータであって、
   前記圧電素子構造体は、
   略矩形の板状の２つの前記圧電素子と、
   前記２つの圧電素子の間に介挿された共通電極と、
   前記２つの圧電素子の外面側の対応する位置に設けられて互いに接続された第１及び第２の電極と、
   を含み、
   前記第１と第２の電極は、前記圧電素子の表面上の２つの対角線のうちの一方の対角線に沿って偏在した状態で配置されている、圧電アクチュエータ。
6. 少なくとも１つの圧電素子と、被駆動体に駆動力を作用させるための作用端とを有し、前記圧電素子の変形に応じて前記作用端が振動する圧電素子構造体を用いて、前記被駆動体を駆動するための圧電アクチュエータの駆動方法であって、
   前記圧電素子を駆動するための駆動信号のデューティ比を変更することによって前記被駆動体の駆動方向を反転する、方法。
7. 請求項６記載の方法であって、
   （ｉ）前記駆動信号のデューティ比を５０％未満の値に設定することによって前記被駆動体を第１の方向に駆動し、
   （ｉｉ）前記駆動信号のデューティ比を５０％に設定することによって前記被駆動体を停止させ、
   （ｉｉｉ）前記駆動信号のデューティ比を５０％を超えた値に設定することによって前記被駆動体を前記第１の方向とは逆の第２の方向に駆動する、方法。
8. 請求項７記載の方法であって、
   前記駆動信号のデューティ比と前記作用端の駆動力との関係を示す特性は、前記デューティ比が５０％の近傍で前記駆動力の変化の傾きが小さく、前記デューティ比が５０％から離れた位置で前記駆動力の変化の傾きが大きくなる非線形な特性である、方法。
9. 請求項６ないし８のいずれかに記載の方法であって、
   前記圧電素子構造体は、前記圧電素子構造体の振動を検出するためのセンサを有しており、
   前記方法は、
   前記センサからのセンサ出力に応じて、前記圧電素子構造体が共振する共振周波数を有する共振周波数信号を生成する工程と、
   前記共振周波数信号と同一の周波数を有するとともに、前記被駆動体の駆動方向に応じたデューティ比を有するように前記駆動信号を生成する工程と、
   を含む、方法。
10. 請求項６ないし９のいずれかに記載の方法であって、
    前記圧電素子構造体は、
    略矩形の板状の２つの前記圧電素子と、
    前記２つの圧電素子の間に介挿された共通電極と、
    前記２つの圧電素子の外面側の対応する位置に設けられて互いに接続された第１及び第２の電極と、
    を含み、
    前記第１と第２の電極は、前記圧電素子の表面上の２つの対角線のうちの一方の対角線に沿って偏在した状態で配置されている、方法。

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