JP4076689B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電素子を用いた圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子を用いた代表的なアクチュエータとして超音波モータがある。
従来の超音波モータにおいては、圧電セラミクスからなる圧電素子と金属等の弾性体より振動子を構成し、この振動体の表面に移動体を加圧接触する構造が知られている。振動体としては、例えばリング型の金属体の一方の面に駆動用の圧電素子を接着して振動体を構成するリング型超音波モータ、あるいは例えばディスク型の金属体の一方の面に駆動用の圧電素子を接着して振動体を構成するディスク型超音波モータ等が知られており、従来の電磁モータに置き換わるアクチュエータデバイスとして多くの応用および実用化が行われている。
【０００３】
これら従来の超音波モータは、従来の電磁モータと比較すると、１）低速高トルク、２）構造が簡単、３）保持トルクが大きい、４）非磁性材料で構成、５）応答性に優れる、等の特徴を持つ。
従来の超音波モータの動作原理は、金属振動体の一方の面に接着され、かつ駆動用に分極された圧電素子材料を振幅制御することにより振動体に振動が伝搬され、印可電界の位相差から移動体に進行波として伝わる。この進行波により移動体が摩擦駆動されて移動する。この進行波は、振動体の上下振動が厚みにより横方向の振動に変換され、振動体に楕円運動をつくることにより発生する。そして、移動体を振動体に加圧接触して設置することにより、摩擦力により振動体表面の横方向運動が移動体に伝わることになる。この上下振動の振幅値は数ミクロン程度の極めて小さな値であるために、振幅が最大になるような周波数で駆動することと、その状態で振動体と移動体を接触させて機械出力を取り出すことが、従来の超音波モータ等の圧電アクチュエータでは重要であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の超音波モータ等の圧電アクチュエータにおいては、駆動端子からみたインピーダンスが容量性であり、かつ駆動周波数が特定の狭い範囲内に限定されると言う特徴を持つ圧電素子を用いているため、周囲の温度や移動体の運動状況によって微妙に変化する共振周波数に追尾するための自動周波数追尾回路等が必要であった。
【０００５】
この自動周波数追尾回路は、負荷や温度などの影響をうけて変わる振動体の共振周波数と駆動周波数の関係を一定に保つように、共振周波数の変化に対して駆動周波数を変化させるための回路であるが、この機能を果たすためには、１）圧電素子に駆動電極とともに構成したセンサ電極の出力電圧値、２）駆動端子に流入する電流の大きさ、などを検出する必要がある。
【０００６】
しかし、圧電素子に駆動電極とともにセンサ電極を構成する方法では、構成が複雑になり小型化に向かないという欠点があり、また駆動端子に流入する電流の大きさを検出する方法では、微妙な電流変化を効率良く検出するための高精度な回路が必要なばかりでなく、検出系が有するインピーダンスにより駆動特性を阻害してしまうといった欠点があった。
【０００７】
また、共振周波数を追尾するためには、センサ電力の出力電圧値の極大値を追尾する必要があるが、駆動周波数が共振周波数から高周波側にずれても低周波側にずれても、センサ電力は同様に低下するため、周波数を高周波側に制御すべきか低周波側に制御すべきかは１回のセンシングでは判断できず、追尾のために時間がかかってしまうと言う欠点があった。
【０００８】
そこで、本発明は上記に鑑みてなされたものであって、小型化に適し、また駆動特性を阻害することなく、共振周波数の変化に対して駆動周波数を変化させることが可能な圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
また、さらに本発明は、共振周波数の変化に対して駆動周波数をさらに迅速に変化させることが可能な圧電アクチュエータ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】
上述の目的を達成するために、本発明においては、自由端部を有し一方の面に圧電素子が貼設され他方の面に移動体が接触することを特徴とした変位機構部、を複数備える圧電アクチュエータにおいて、前記複数の変位機構部に貼設された圧電素子に駆動回路とセンシング回路を選択的に接続するための複数の切替回路を有することを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の圧電アクチュエータにおいては、駆動用回路から圧電素子に供給する交流電圧に、さらに低い周波数の交流電圧を重畳する重畳手段を含む駆動回路を有することを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明による圧電アクチュエータの実施の形態のひとつを示す概略図であり、図２は図１の変位機構部の動作を説明するための図、図３は図１および図２の変位機構部を変位させる圧電素子の振動を説明するための説明図、また図４は図１の圧電アクチュエータの駆動回路とセンシング回路を説明するための説明図である。
【００１２】
図１において１０１は駆動ブロックであり、駆動ブロック１０１にはＵ字型の穴１３１と１３１によって自由端を有する変位機構部１０３と１０４が形成されている。変位機構部１０３および１０４には、それぞれ圧電素子１０５，１０６が貼設されており、圧電素子１０５，１０６の貼設面とは反対の面には電極１０７，１０８がそれぞれ設けられており、電線等を通してそれぞれ切替回路１１０，１１１に接続されている。駆動ブロック１０１の圧電素子１０５，１０６が貼設された面と反対の面には移動体１０２が設置され、駆動ブロック１０１と移動体１０２とは、移動体１０２の自重またはバネ力等により加圧接触されている。また、駆動ブロック１０１は接点１２１を通して接地されている。切替回路１１０，１１２には、それぞれ電極１１２，１１３，１１４および１１５，１１６，１１７を含み、これらの電極間の接続を切り替えることにより、圧電素子１０５，１０６に設けられたそれぞれの電極１０７，１０８と、駆動回路１１８またはセンシング回路１１９との接続を自由に選択することができる。センシング回路１１９は制御回路１２０と接続され、信号を入力できる。駆動回路１１８は制御回路１２０により制御されるように接続されている。制御回路１２０は接点１２２を通して接地されている。
【００１３】
図１および図２において、駆動ブロック１０１の中で、変位機構部１０３はＵ字型の穴１３１によって自由端を持つように形成されている。本実施の形態では駆動ブロックにはステンレス鋼材を用いたが、他にベリリウム綱、リン青銅、黄銅、ジュラルミン、チタン、シリコン材等を用いても良い。変位機構部のひとつの面にはＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）薄膜からなる圧電素子１０５が貼設されており、圧電素子１０５に交流電圧が印加されると圧電素子１０５は伸縮力を発生するが、貼設されている変位機構部１０３が自由端を有するため、この伸縮力は圧電素子１０５と変位機構部１０３とを含めた屈曲力となって表れる。この屈曲力による変位機構部１０３の変位は移動体１０２に作用する。尚、本実施の形態では圧電素子にＰＺＴを用いたが、他にチタン酸バリウム、ニオブ酸リチウムやジルコンチタン酸鉛等を用いても良い。
【００１４】
図３に交流電圧を印加したときの変位機構部１０３の駆動ブロック１０１に接続した側から自由端部への振動挙動を示す。横軸の左端から右端が変位機構部１０３の駆動ブロック１０１に接続した側から自由端部までの有効長となる。縦軸は変位機構部１０３の振動振幅を表す。縦軸で示した正負は入力する交流電圧と変位機構部の振動の位相を示し、自由端部の位相を正としたときに２π異なる位相を便宜上負として示している。また、振動振幅が０のときは、振動が励起されていないことを示す。 変位機構部１０３は、入力する交流電圧の印加条件によって微小な変位および力の混在する振動を発し、縦振動と楕円運動を励起する。変位機構部１０３の自由端では、振動振幅の絶対値が最大となるので、変位機構部１０３から移動体１０２に運動が伝わる。また移動体１０２の移動方向は、図３における楕円運動の横方向成分によって決まる。尚、図２および図３においては変位機構部１０３を例に説明したが、変位機構部１０４においても同様であることは言うまでもない。尚、本実施の形態では、変位機構部１０３と変位機構部１０４とは、同一形状、同一寸法にして形成されており、上記説明から明らかなように変位機構部１０３または１０４に貼設されている圧電素子１０５または１０６に、同一の交流電圧を印加した場合に移動体１０２の移動方向は反対方向となる。したがって、移動体１０２を図１における右方向、または左方向に移動させる場合、変位機構部１０３または１０４に貼設されている圧電素子１０５または１０６のいずれかに交流電圧を印加する必要があり、圧電素子１０５と１０６に同時に交流電圧を印加してしまうと、移動体１０２は所望の移動をしないことになる。尚、変位機構部１０３と１０４は、必ずしも同一形状、同一寸法である必要は無いことは言うまでも無い。
【００１５】
図４は図１における駆動回路１１８、センシング回路１１９、制御回路１２０の構成をより詳しく示している。駆動回路１１８はＶＣＯ等の発信回路６０２の出力が増幅回路６０１により増幅され出力端子６０７から出力される。センシング回路１１９は入力端子６０８から入力された信号を増幅回路６０３で増幅され検出回路６０４に入力される。検出回路６０４の出力と発信回路６０２の制御電圧は制御回路１２０のＩ／Ｏ回路６０５に接続されており、ＣＰＵ等の演算回路６０６により制御可能になっている。
【００１６】
駆動回路１１８の交流電圧出力が切替回路１１０によって圧電素子１０５に接続されると、圧電素子１０５の伸縮によって変位機構部１０３に振動が発生する。この振動は移動体１０２や駆動ブロック１０１を伝わり、変位機構部１０４に振動を誘起する。変位機構部１０４には圧電素子１０６が貼設されており、誘起された変位機構部１０４の振動により圧電素子１０６には起電力が発生する。発生した起電力は切替回路１１１によってセンシング回路１１９に接続されることにより、制御回路１２０を通して発信回路６０２の制御電圧を制御するために利用することが可能となる。
【００１７】
図３にて説明した変位機構部１０３の振動の振幅は、駆動回路１１８から入力される交流電圧の周波数と共振周波数との関係が一定になった時に最大になる。共振周波数は圧電素子１０５の特性によって決まるが、加えて変位機構部１０３との貼設状態、移動体１０２との接触状態、環境温度等によって微妙に変化する。共振周波数の変化により入力される交流電圧の周波数との関係が一定で無くなると変位機構部１０３の振動の振幅は小さくなる。したがって本実施の形態の回路構成によると、変位機構部１０３の振動の振幅により圧電素子１０６に誘起される起電力の最大値が変化するため、センシング回路１１９において圧電素子１０６に誘起された起電力の振幅を検出し、常に振幅がピークの値となるように制御回路１２０を通して駆動回路１１８が出力する交流電圧の周波数を変化させ、駆動する交流電圧の周波数と共振周波数との関係を一定に保つ事が可能となる。
【００１８】
以上より明らかなように、変位機構部１０３の振動によって移動体１０２を移動させる時、移動のために用いない変位機構部１０４をセンシングのために用いているため、本発明においては、特別なセンサ電極等を設けなくても周波数の追尾が可能となり、構成を複雑にすることなく周波数の追尾が可能となる。またセンシング回路１１９に入力される電圧は圧電素子１０６に誘起された電圧であり、駆動回路系の電流を検出する方法とは異なって駆動電圧には全く影響を与えないため、駆動特性を阻害すること無く周波数の追尾が可能となる。
【００１９】
ここまでは変位機構部１０３の振動によって移動体１０２を移動させる場合を説明したため、圧電素子１０５は切替回路１１０によって駆動回路１１８に接続し、変位機構部１０４に貼設された圧電素子１０６は切替回路１１１によってセンシング回路１１９に接続されていたが、移動体１０２を反対方向に移動させるために変位機構部１０４を振動させる場合は、圧電素子１０６を切替回路１１１によって駆動回路１１８に接続し、圧電素子１０５を切替回路１１０によってセンシング回路１１９に接続するたけで、上述の説明とまったく同様の効果があることは言うまでもない。
【００２０】
本実施の形態においては、駆動ブロック１０１に変位機構部を２つのみ形成しているが、さらに多数の変位機構部を形成した場合においても同様の効果が得られる。また駆動回路１１８、センシング回路１１９には、双方とも増幅回路６０１および６０３を含む場合に関して説明したが、増幅回路は常に必要では無い。また本実施の形態においては、制御回路１２０はＩ／Ｏ回路６０５と演算回路６０６からなる例について説明しているが、この構成に限定されるものでは無い。
（実施の形態２）
図５は、本発明による圧電アクチュエータの実施の形態の他のひとつを示す概略図である。
【００２１】
図５において２０１は駆動ブロックであり、駆動ブロック２０１にはＵ字型の穴２８１，２８２，２８３，２８４によって自由端を有する変位機構部２５１，２５２，２５３，２５４が形成されている。変位機構部２５１，２５２，２５３，２５４には、それぞれ圧電素子２６１，２６２，２６３，２６４が貼設されており、圧電素子２６１，２６２，２６３，２６４の貼設面とは反対の面には電極２７１，２７２，２７３，２７４がそれぞれ設けられており、電線等を通してそれぞれ切替回路３０１，３０２，３０３，３０４に接続されている。駆動ブロック２０１の圧電素子２６１，２６２，２６３，２６４が貼設された面と反対の面には移動体２０２が設置され、駆動ブロック２０１と移動体２０２とは、移動体２０２の自重またはバネ力等により加圧接触されている。また、駆動ブロック２０１は接点２２１を通して接地されている。切替回路３０１，３０２，３０３，３０４には、それぞれ電極３１１，３２１，３３１，３４１および３１２，３２２，３３２，３４２および３１３，３２３，３３３，３４３および３１４，３２４，３３４，３４４を含み、これらの電極間の接続を切り替えることにより、圧電素子２６１，２６２，２６３，２６４に設けられたそれぞれの電極３１１，３２１，３３１，３４１と、駆動回路２１８またはセンシング回路２１９との接続、またはいずれにも接続しない開放状態を自由に選択することができる。センシング回路２１９は制御回路２２０と接続され、信号を入力できる。駆動回路２１８は制御回路２２０により制御されるように接続されている。制御回路２２０は接点２２２を通して接地されている。
【００２２】
駆動ブロック２０１の材質は、本実施の形態においても実施の形態１と同様にステンレス鋼材を用いた。また、変位機構部のひとつの面にはＰＺＴ貼設されているのも実施の形態１と同様であり、圧電素子２６１に交流電圧が印加されると圧電素子２６１は伸縮力を発生するが、貼設されている変位機構部２５１が自由端を有するため、この伸縮力は圧電素子２６１と変位機構部２５１とを含めた屈曲力となって表れる。この屈曲力による変位機構部２５１の変位は移動体２０２に作用する。他の圧電素子２６２，２６３，２６４に交流電圧が印加された場合も、同様に変位機構部２５２，２５３，２５４に屈曲力が表れる。変位機構部２５１，２５２，２５３，２５４の振動挙動は実施の形態１にて説明した図３同様である。尚、本実施の形態では変位機構部２５１，２５２，２５３，２５４は略同一形状になっているが、必ずしも同一形状、同一寸法である必要は無いことは言うまでも無い。
【００２３】
駆動回路２１８、センシング回路２１９、制御回路２２０の構成は、実施の形態１にて説明した図４の構成と同等である。駆動回路２１８の交流電圧出力が切替回路３０１によって圧電素子２６１に接続されると、圧電素子２６１の伸縮によって変位機構部２５１に振動が発生する。この振動は移動体２０２や駆動ブロック２０１を伝わり、他の変位機構部２５２，２５３，２５４に振動を誘起する。変位機構部２５２，２５３，２５４にはそれぞれ圧電素子２６２，２６３，２６４が貼設されており、誘起された変位機構部２５２，２５３，２５４の振動により各圧電素子２６２，２６３，２６４には起電力が発生する。発生した起電力は各切替回路３０２，３０３，３０４によっていずれかひとつ、または複数を合わせてセンシング回路２１９に接続されることにより、制御回路２２０を通して駆動回路２１８を制御するために利用することが可能となる。したがって本実施の形態の回路構成によると、変位機構部２５１の振動の振幅により他の変位機構部２５２，２５３，２５４に貼設された圧電素子２６１，２６２，２６３に誘起される起電力の最大値が変化するため、これらの起電力のうちのひとつ、または複数の振幅をセンシング回路２１９において検出し、常に振幅がピークの値となるように制御回路２２０を通して駆動回路２１８が出力する交流電圧の周波数を変化させ、駆動する交流電圧の周波数と共振周波数との関係を一定に保つ事が可能となる。
【００２４】
以上より明らかなように、変位機構部２５１の振動によって移動体２０２を移動させる時、移動のために用いない他の変位機構部２５２，２５３，２５４のうちのひとつ、または複数をセンシングのために用いているため、本発明においては、特別なセンサ電極等を設けなくても周波数の追尾が可能となり、構成を複雑にすることなく周波数の追尾が可能となる。またセンシング回路２１９に入力される電圧は圧電素子２６１，２６２，２６３のうちのひとつ、または複数に誘起された電圧であり、駆動回路系の電流を検出する方法とは異なって駆動電圧には全く影響を与えないため、駆動特性を阻害すること無く周波数の追尾が可能となる。
【００２５】
ここまでは変位機構部２５１の振動によって移動体２０２を移動させる場合を説明したが、他の変位機構部２５２，２５３，２５４のうちのひとつを用い、移動体２０２を他の方向に移動させる場合も、上述の説明とまったく同様の効果があることは言うまでもない。
本実施の形態においては、駆動ブロック２０１に変位機構部を各９０度異なった方向に４つ形成しているが、本発明においては、この形態に限定されることは無い。
（実施の形態３）
図６は、本発明による回転型の圧電アクチュエータの実施の形態の他のひとつを示す概略図である。
【００２６】
本実施の形態における回転型の圧電アクチュエータは、軸突起部５５１を有する回転移動体５０２と、軸突起部を通す穴５５２を有する振動体ブロック５０１と、振動体ブロック５０１を支持し、かつ軸突起部５５１を摺動回転可能なように支持する基盤シャーシ５５３から構成されている。
振動体ブロック５０１には自由端を有する変位機構部５０３と５０４が形成されている。変位機構部５０３および５０４には、それぞれ圧電素子５０５，５０６が貼設されており、圧電素子５０５，５０６の貼設面とは反対の面には電極５０７，５０８がそれぞれ設けられており、電線等を通してそれぞれ切替回路５１０，５１１に接続されている。回転移動体５０２は振動体ブロック５０１の圧電素子５０５，５０６が貼設された面とは反対の面に配置され、自重またはバネ力または磁力等によって変位機構部５０３，５０４と加圧接触されている。また、振動体ブロック５０１は接点５２１を通して接地されている。圧電素子５０５，５０６は切替回路５１０，５１１により駆動回路５１８またはセンシング回路５１９との接続をが選択できるようになっている。センシング回路５１９は制御回路５２０と接続され、信号を入力できる。駆動回路５１８は制御回路５２０により制御されるように接続されている。
【００２７】
本実施の形態では振動体ブロック５０１には実施の形態１と同様にステンレス鋼材を用いた。また圧電素子５０５，５０６に関しても実施の形態１と同様にＰＺＴを用いた。ただし他の材質を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。圧電素子５０５に交流電圧が印加されると圧電素子５０５は伸縮力を発生するが、貼設されている変位機構部５０３が自由端を有するため、この伸縮力は圧電素子５０５と変位機構部５０３とを含めた屈曲力となって表れる。この屈曲力による変位機構部５０３の変位は回転移動体５０２に作用する。圧電素子５０６に交流電圧が印加された場合も、同様に変位機構部５０４に屈曲力が表れる。変位機構部５０３，５０４の振動挙動は実施の形態１にて説明した図３同様である。変位機構部５０３と５０４は同一方向に配置されているが、これらの間を中心に回転移動体５０２が回転するため、変位機構部５０３に貼設された圧電素子５０５を駆動した場合と、変位機構部５０４に貼設された圧電素子５０６を駆動した場合とでは、回転移動体５０２の回転は反対方向になる。尚、本実施の形態では変位機構部５０３，５０４は略同一形状になっているが、必ずしも同一形状、同一寸法である必要は無いことは言うまでも無い。
【００２８】
駆動回路５１８、センシング回路５１９、制御回路５２０の構成は、実施の形態１にて説明した図４の構成と同等である。駆動回路５１８の交流電圧出力が切替回路５１０によって圧電素子５０５に接続されると、圧電素子５０５の伸縮によって変位機構部５０３に振動が発生する。この振動は回転移動体５０２や振動体ブロック５０１を伝わり、他の変位機構部５０４に振動を誘起する。変位機構部５０４には圧電素子５０６が貼設されており、誘起された変位機構部５０４の振動により圧電素子５０６には起電力が発生する。発生した起電力は切替回路５１１によってセンシング回路５１９に接続されることにより、制御回路５２０を通して駆動回路５１８を制御するために利用することが可能となる。したがって本実施の形態の回路構成によると、変位機構部５０３の振動の振幅により他の変位機構部５０４に貼設された圧電素子５０６に誘起される起電力の最大値が変化するため、これらの起電力をセンシング回路５１９において検出し、常に振幅がピークの値となるように制御回路５２０を通して駆動回路５１８が出力する交流電圧の周波数を変化させ、駆動する交流電圧の周波数と共振周波数との関係を一定に保つ事が可能となる。以上より明らかなように、変位機構部５０３の振動によって回転移動体５０２を移動させる時、移動のために用いない他の変位機構部５０４をセンシングのために用いているため、本発明においては、特別なセンサ電極等を設けなくても周波数の追尾が可能となり、構成を複雑にすることなく周波数の追尾が可能となる。またセンシング回路５１９に入力される電圧は圧電素子５０６に誘起された電圧であり、駆動回路系の電流を検出する方法とは異なって駆動電圧には全く影響を与えないため、駆動特性を阻害すること無く周波数の追尾が可能となる。
【００２９】
ここまでは変位機構部５０３の振動によって回転移動体５０２を移動させる場合を説明したが、他の変位機構部５０４を用い、回転移動体５０２を反対の方向に回転移動させる場合も、上述の説明とまったく同様の効果があることは言うまでもない。
本実施の形態においては、振動体ブロック５０１に変位機構部を２つ形成した場合について説明しているが、本発明においては、さらに複数の変位機構部を形成することも可能である。
（実施の形態４）
図７は、実施の形態１で説明した駆動回路１１８とセンシング回路１１９、および制御回路１２０の他の構成をより詳しく説明する構成図である。
【００３０】
駆動回路１１８は駆動制御手段１６０５によりＶＣＯ等の交流発生手段１６０３と変調周波数発生手段１６０４が制御され、それぞれによって発生した信号は重畳手段１６０２によって重畳された信号となる。重畳された信号出力は増幅手段１６０１により増幅され出力端子１６１０から出力される。センシング回路１１９は入力端子１６１１から入力された信号を増幅手段１６０６で増幅され検出手段１６０７に入力される。検出手段１６０７の出力と駆動制御手段１６０５の制御信号は制御回路１２０のＩ／Ｏ手段１６０８に接続されており、ＣＰＵ等の演算手段１６０９により制御可能になっている。
【００３１】
図８は図１における駆動回路１１８の出力信号と、センシング回路１１９の検出波形を示している。図８（ａ）は、圧電素子を共振点付近で振動させるための交流電圧の周波数の変調を基準周波数に対する周波数の変化で示した図である。このように、交流発生手段１６０３で発生された共振点付近の周波数と、それより低い変調周波数発生手段１６０４によって発生された周波数の信号が重畳手段１６０２によって重畳された信号波形となっており、増幅手段１６０１で増幅された実際の駆動用電圧は図８（ｂ）で示されるような波形となり、圧電素子に入力され振動がおこる。入力された波形１７０２によって圧電素子は変位機構部を振動させるが、入力された波形１７０２は共振周波数付近で低周波の変調をかけられているため、変位機構部の振動は共振点付近の周波数の時は大きくなり、周波数がはずれた時は振動は小さくなる。この振動の状態は他の圧電素子で検出でき、検出した振幅の例を図８（ｃ）に示す。変位機構部が共振点付近で大きな振動をしているときは検出される振幅は１７０５のように大きくなるが、共振点をはずれたときは検出される振幅は小さくなる。これにより制御回路１２０はただちに共振点付近の周波数と、現在の駆動用周波数に対して高い周波数にずれているのか低い周波数にずれているのかを知ることができるため、常に共振点を追従することができる。また、より精度の高い検出をするために、図８（ａ）で示される周波数の変化を、次第に小さくしていくことも可能である。図８（ｃ）では、圧電素子で発電された電圧の振幅を検出する例を示したが、図８（ｄ）のように圧電素子で発電された交流電圧の位相が他の圧電素子に供給された交流電圧の位相に対してどの程度進むかを検出し、共振点を追従することも可能である。検出される交流電圧の位相は、共振点付近で急激に進み方向に変化するため、位相を検出することによって共振点のピークをよりはっきりと検出することができる。共振周波数は圧電素子特性によって決まるが、加えて変位機構部との貼設状態、移動体との接触状態、環境温度等によって微妙に変化する。しかし本実施の形態によれば、駆動中に適時圧電素子に入力する交流電圧に変調をかけることによって、センシング出力を検出できるため、常に振幅がピークの値となるように制御回路１２０を通して駆動回路１１８が出力する交流電圧の周波数を変化させ、駆動する交流電圧と共振周波数の関係を一定に保つ事が可能となる。さらに本発明によれば、現在の駆動用交流電圧の周波数と、実際の共振周波数とのずれの方向が同時に検出できるため、即座に共振周波数に追従することが可能となる。
【００３２】
以上より明らかなように、圧電素子を共振点付近で振動させるための交流電圧に、重畳手段１６０２を用いて、それより低い周波数の信号を重畳することにより、現在の駆動用交流電圧の周波数と、実際の共振周波数とのずれの量と方向が同時にセンシング回路１１９に検出できるため、即座に共振周波数に追従することが可能となる。
【００３３】
本実施の形態においては、駆動回路１１８、センシング回路１１９には、双方とも増幅手段１６０１および１６０６を含む場合に関して説明したが、増幅手段は常に必要では無く、また制御回路１２０はＩ／Ｏ手段１６０８と演算手段１６０９からなる例について説明しているが、この構成に限定されるものでは無い。
また、本実施の形態においては実施の形態１を例に、駆動回路１１８、センシング回路１１９、制御回路１２０を詳しく説明したが、実施の形態３における駆動回路５１８、センシング回路５１９，制御回路５２０に関し本実施の形態を適用しても、全く同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３４】
以上、各実施の形態において説明したように、本発明においては、変位機構部に貼設された圧電素子に駆動回路とセンシング回路を選択的に接続するための複数の切替回路を有することにより、簡易な構成のため小型化に適し、また駆動特性を阻害することなく、共振周波数の変化に対して駆動周波数を変化させることが可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の圧電アクチュエータにおいては、自由端部を有し一方の面に圧電素子が貼設され他方の面に移動体が接触することを特徴とした変位機構部を複数備え、前記複数の変位機構部に貼設された圧電素子に駆動回路とセンシング回路を選択的に接続するための複数の切替回路を有することを特徴とするか、または自由端部が異なった方向に並べられた複数の変位機構部を備え、いずれかひとつの変位機構部に貼設された圧電素子に駆動回路が接続されたとき、他のいずれかひとつの圧電素子にはセンシング回路が接続されるような切替回路を有することを特徴とすることにより、特別な電極等を必要としない簡易な構成のため小型化に適し、また検出回路が駆動特性を阻害することなく、共振周波数の変化に対して駆動周波数を変化させることが可能な圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【００３６】
また、この発明の圧電アクチュエータにおいては、圧電素子により発電された電圧の振幅、または位相をセンシングするセンシング回路を有することを特徴とすることにより、共振周波数の変化に対して駆動周波数を迅速に変化させることが可能な圧電アクチュエータを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による圧電アクチュエータの例を示す概略図である。
【図２】図１による変位機構部の動作を示す説明図である。
【図３】図１および図２による圧電素子の振動を示す説明図である。
【図４】図１による回路部の構成を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２による圧電アクチュエータの例を示す概略図である。
【図６】本発明の実施の形態３による圧電アクチュエータの例を示す概略図である。
【図７】図１による回路部の他の構成を示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態１における駆動信号およびセンシング信号の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１ 駆動ブロック
１０２ 移動体
１０３，１０４ 変位機構部
１０５，１０６ 圧電素子
１０７，１０８ 電極
１１０，１１１ 切替回路
１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７ 電極
１１８ 駆動回路
１１９ センシング回路
１２０ 制御回路
１２１，１２２ 接点
１３１，１３２ 穴
２０１ 駆動ブロック
２０２ 移動体
２１８ 駆動回路
２１９ センシング回路
２２０ 制御回路
２２１，２２２ 接点
２５１，２５２，２５３，２５４ 変位機構部
２６２，２６２，２６３，２６４ 圧電素子
２７１，２７２，２７３，２７４ 電極
２８１，２８２，２８３，２８４ 穴
３０１，３０２，３０３，３０４ 切替回路
５０１ 振動体ブロック
５０２ 回転移動体
５０３，５０４ 変位機構部
５０５，５０６ 圧電素子
５０７，５０８ 電極
５１０，５１１ 切替回路
５１８ 駆動回路
５１９ センシング回路
５２０ 制御回路
５５１ 軸突起部
５５２ 穴
５５３ 基盤シャーシ
１６０１ 増幅手段
１６０２ 重畳手段
１６０３ 交流発生手段
１６０４ 変調周波数発生手段
１６０５ 駆動制御手段
１６０６ 増幅手段
１６０７ 検出手段
１７０２ 波形
１７０３ 振幅
１７０４ 位相の変化

Claims (6)

1. 駆動ブロックと、
   前記駆動ブロックに形成され、自由端を有する複数の変位機構部と、
   前記複数の変位機構部それぞれの一方の面に１つずつ貼設された複数の圧電素子と、
   前記駆動ブロックの前記複数の圧電素子が貼設された側とは反対側の面に接触する移動体と、
   前記圧電素子に交流電圧を供給する駆動回路と、
   前記圧電素子により発電された電圧を検出するセンシング回路と、
   を備え、
   前記圧電素子と前記駆動回路との間及び前記圧電素子と前記センシング回路との間に配置され、前記圧電素子に前記駆動回路と前記センシング回路とを選択的に接続する複数の切替回路を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記複数の変位機構部は前記自由端の方向が異なり、
   前記切替回路は、いずれかひとつの前記変位機構部に貼設された前記圧電素子に前記駆動回路が接続されたとき、他の前記変位機構部に貼設された前記圧電素子には前記センシング回路を接続することを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記移動体が回転移動体であることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記センシング回路は、前記圧電素子により発電された電圧の振幅を検出するセンシング回路であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記センシング回路は、前記圧電素子により発電された電圧の位相を検出するセンシング回路であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記駆動回路は、前記圧電素子に供給する交流電圧に、さらに低い周波数の交流電圧を重畳する重畳手段を含む駆動回路であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。

Images