(57)【要約】【課題】装置の小型化を阻害することなく、また、装置の複雑化と高価格化を招くことなく、優れた駆動性能を得ることが可能な圧電素子の駆動装置、及び超音波アクチュエータ装置を提供する。【解決手段】駆動信号により変位する圧電素子の駆動装置において、駆動信号を生成する駆動信号生成部と、駆動信号生成部で生成される前記駆動信号を制御する駆動信号制御部と、圧電素子に流れる電流を時間積算した電流積算値に基づいて、圧電素子の変位量を算出する変位量算出部と、を有し、駆動信号制御部は、変位量算出部で算出された変位量に基づいて、駆動信号を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号により変位する圧電素子の駆動装置において、
前記駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
前記駆動信号生成部で生成される前記駆動信号を制御する駆動信号制御部と、
前記圧電素子に流れる電流を時間積算した電流積算値に基づいて、前記圧電素子の変位量を算出する変位量算出部と、を有し、
前記駆動信号制御部は、前記変位量算出部で算出された前記変位量に基づいて、前記駆動信号を制御することを特徴とする圧電素子の駆動装置。
【請求項２】
前記圧電素子に流れる電流を検出する駆動電流検出部と、
前記駆動電流検出部で検出された前記電流を時間積算する積分回路と、を有し、
前記変位量算出部は、前記積分回路で時間積算された前記電流積算値に基づいて、前記変位量を算出することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の駆動装置。
【請求項３】
前記変位量算出部は、予め設定された前記電流積算値と前記変位量との関係を示す第１のテーブルを有し、
前記変位量算出部は、前記電流積算値および前記第１のテーブルに基づいて、前記変位量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電素子の駆動装置。
【請求項４】
前記圧電素子の温度を算出する温度算出部を有し、
前記第１のテーブルは、前記圧電素子の温度毎に異なる複数のテーブルからなり、
前記変位量算出部は、前記電流積算値および前記温度算出部で算出された前記温度による前記第１のテーブルに基づいて、前記変位量を算出することを特徴とする請求項３に記載の圧電素子の駆動装置。
【請求項５】
前記圧電素子と直列に配された容量素子を備え、
前記温度算出部は、予め設定された前記圧電素子の温度と前記圧電素子の静電容量との関係を示す第２のテーブルを有し、
前記温度算出部は、前記容量素子と前記圧電素子のそれぞれに印加される電圧信号および前記容量素子の静電容量に基づき、前記圧電素子の静電容量を算出し、算出した前記圧電素子の静電容量および前記第２のテーブルに基づき、前記圧電素子の温度を算出することを特徴とする請求項４に記載の圧電素子の駆動装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電素子の駆動装置と、
前記圧電素子と、
前記圧電素子と加圧接触し、該圧電素子に対して相対移動を生じる被駆動体と、を有することを特徴とする超音波アクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の駆動装置、及び超音波アクチュエータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な移動装置に超音波アクチュエータを用いることが試みられている。超音波アクチュエータは、通常、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子を備えた振動体と、該振動体に加圧された状態で接触する被駆動体等から構成される。超音波アクチュエータは、振動体に駆動信号を入力して振動体を伸縮運動させ、振動体の一部に所定の振動をさせることにより、振動体に加圧接触された被駆動体との間で摩擦力により相対運動を発生させるものである。
【０００３】
超音波アクチュエータは、小型、且つ静音性に優れ、また高速、高精度な位置決め制御が可能なことから、電子カメラ等の電子機器の駆動装置として利用されるようになり、その用途はさらに拡大しつつある。
【０００４】
一方、近年、電子機器の小型、高性能化が進展するに伴い、その駆動装置として用いられる超音波アクチュエータの駆動性能もより優れたものが求められるようになってきた。
【０００５】
例えば、圧電素子の変位量の制御に関し、従来、圧電素子に所定の駆動電圧を印加して制御するオープンループ制御が知られている。しかしながら、圧電素子は、その圧電材料特有のヒステリシス効果と呼ばれる履歴現象を有するものであった。これは、圧電素子に印加する駆動電圧の増加とともに変位量が増加する上昇曲線と、駆動電圧の減少とともに変位量が減少する下降曲線と、が一致しないという現象である。
【０００６】
この為、駆動電圧と変位量の関係が１対１に対応せず、所定の駆動電圧を圧電素子に印加しても、所望の変位量が得られず、精度よく変位量を制御することができないという問題があった。
【０００７】
そこで、このような問題に対応する為に、種々の検討が行われてきた。例えば、圧電素子としてのピエゾの変位量を検知するセンサを設け、該センサで検知された変位量と所望の変位量とを比較し、比較結果に応じて、ピエゾに印加する駆動電圧を制御するというフィードバック制御によるピエゾ制御装置が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１３６６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されているピエゾ制御装置は、ピエゾの変位量を検知する為のセンサを別途設ける構成とすることから、大きな組み込みスペースを要し装置の小型化を阻害するとともに、部品点数の増加による製造工程の複雑化と高価格化を招くといった問題がある。
【０００９】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、装置の小型化を阻害することなく、また、装置の複雑化と高価格化を招くことなく、優れた駆動性能を得ることが可能な圧電素子の駆動装置、及び超音波アクチュエータ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、下記の１乃至６のいずれか１項に記載の発明によって達成される。
【００１１】
１．駆動信号により変位する圧電素子の駆動装置において、
前記駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
前記駆動信号生成部で生成される前記駆動信号を制御する駆動信号制御部と、
前記圧電素子に流れる電流を時間積算した電流積算値に基づいて、前記圧電素子の変位量を算出する変位量算出部と、を有し、
前記駆動信号制御部は、前記変位量算出部で算出された前記変位量に基づいて、前記駆動信号を制御することを特徴とする圧電素子の駆動装置。
【００１２】
２．前記圧電素子に流れる電流を検出する駆動電流検出部と、
前記駆動電流検出部で検出された前記電流を時間積算する積分回路と、を有し、
前記変位量算出部は、前記積分回路で時間積算された前記電流積算値に基づいて、前記変位量を算出することを特徴とする前記１に記載の圧電素子の駆動装置。
【００１３】
３．前記変位量算出部は、予め設定された前記電流積算値と前記変位量との関係を示す第１のテーブルを有し、
前記変位量算出部は、前記電流積算値および前記第１のテーブルに基づいて、前記変位量を算出することを特徴とする前記１または２に記載の圧電素子の駆動装置。
【００１４】
４．前記圧電素子の温度を算出する温度算出部を有し、
前記第１のテーブルは、前記圧電素子の温度毎に異なる複数のテーブルからなり、
前記変位量算出部は、前記電流積算値および前記温度算出部で算出された前記温度による前記第１のテーブルに基づいて、前記変位量を算出することを特徴とする前記３に記載の圧電素子の駆動装置。
【００１５】
５．前記圧電素子と直列に配された容量素子を備え、
前記温度算出部は、予め設定された前記圧電素子の温度と前記圧電素子の静電容量との関係を示す第２のテーブルを有し、
前記温度算出部は、前記容量素子と前記圧電素子のそれぞれに印加される電圧信号および前記容量素子の静電容量に基づき、前記圧電素子の静電容量を算出し、算出した前記圧電素子の静電容量および前記第２のテーブルに基づき、前記圧電素子の温度を算出することを特徴とする前記４に記載の圧電素子の駆動装置。
【００１６】
６．前記１乃至５のいずれか１項に記載の圧電素子の駆動装置と、
前記圧電素子と、
前記圧電素子と加圧接触し、該圧電素子に対して相対移動を生じる被駆動体と、を有することを特徴とする超音波アクチュエータ装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、変位量算出部は、圧電素子に流れる電流を時間積算した電流積算値に基づいて、圧電素子の変位量を算出し、駆動信号制御部は、算出された該変位量に基づいて、駆動信号生成部で生成される駆動信号を制御する構成とした。すなわち、圧電素子に流れる電流により圧電素子に蓄積される電荷量と圧電素子の変位量とは、所定の関係を有することを利用し、該電荷量に相当する電流積算値に基づいて、圧電素子の変位量を算出するものである。これにより、従来のように変位量を検知する為のセンサを別途設けることなく、容易に高い精度で変位量を算出することができ、算出した該変位量に基づいて、圧電素子の駆動信号を制御することができる。その結果、装置の小型化を阻害することなく、また、装置の複雑化と高価格化を招くことなく、優れた駆動性能を得ることが可能となる。
【００１８】
また、圧電素子の温度を算出する温度算出部を備え、前述の電流積算値および該温度算出部で算出された温度情報に基づいて、圧電素子の変位量を算出する構成とすることもできる。これにより、圧電素子に蓄積される電荷量と圧電素子の変位量の関係における温度特性を加味することができ、より高い精度で変位量を算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下図面に基づいて、本発明に係る圧電素子の駆動装置、及び超音波アクチュエータ装置の実施の形態を説明する。尚、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。また、各実施の形態の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複の説明を適宜省略する。
【００２０】
最初に、本発明の実施形態に係る圧電素子の駆動装置の構成を図１を用いて説明する。図１は、駆動装置２の概略構成を示すブロック図である。
【００２１】
駆動装置２は、図１に示すように、制御部２１、駆動信号生成部２２、駆動電流検出部２３、積分回路２４、整流回路２５、及びコンデンサ２６等から構成される、圧電素子３の駆動装置である。尚、図１における圧電素子３の点線枠内は、その等価回路を示す。
【００２２】
このような構成の駆動装置２において、本発明は、圧電素子３に流れる電流により圧電素子３に蓄積される電荷量と圧電素子の変位量とは、所定の関係を有することを利用し、該電荷量に相当する電流積算値に基づいて、圧電素子３の変位量を算出する。そして、算出された該変位量に基づいて、圧電素子３の駆動信号を制御するものである。また、さらに、前述の電流積算値に圧電素子３の温度情報を加味して、圧電素子３の変位量を算出することもできる。これにより、圧電素子３に蓄積される電荷量と圧電素子３の変位量の関係における温度特性を加味することができ、より高い精度で変位量を算出することができるようにするものである。以下、各部位で行われる動作を説明する。
【００２３】
駆動信号生成部２２は、後述の駆動信号制御部２１４の制御の下で、圧電素子３を駆動する駆動信号を生成する。
【００２４】
駆動電流検出部２３は、圧電素子３に流れる電流を検出し、電圧信号として出力する。
【００２５】
積分回路２４は、駆動電流検出部２３で検出され出力された、圧電素子３に流れる電流に相当する電圧信号を時間積算した電流積算値Ｉｘを出力する。積分回路２４の一例を図２に示す。積分回路２４は、図２に示すように、演算増幅器ＩＣ２４１、抵抗Ｒ２４１、Ｒ２４２、及びコンデンサＣ２４１等から構成される周知の積分回路を用いることができる。かかる積分回路２４の周波数特性を図３に示す。積分回路２４の増幅度は、図３に示すように、周波数が概ねｆｃ（＝１／（Ｃ２４１・Ｒ２４２））以上の領域において低下し、積分回路として動作する。
【００２６】
コンデンサ２６は、本発明における容量素子に該当し、圧電素子３と直列に配され、圧電素子３の静電容量（以下、単に容量とも記する。）を算出する為の基準として用いるものである。コンデンサ２６としては、温度特性の優れた、例えば、セラミックコンデンサ等を用いることができる。
【００２７】
整流回路２５は、コンデンサ２６に印加される電圧Ｖ２６を検出し整流する。整流回路２５の一例を図４に示す。整流回路２５は、図４に示すように、演算増幅器ＩＣ２５１、抵抗Ｒ２５１〜抵抗Ｒ２５４、及びコンデンサＣ２５１、Ｃ２５２等から構成される周知の整流回路を用いることができる。
【００２８】
制御部２１は、図示しない各制御プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、演算処理や制御処理等のデータを一時的に格納するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、及び制御プログラム等をＲＯＭから読み出して実行するＣＰＵ（中央演算処理装置）等から構成され、温度算出部２１１、電荷感度算出部２１２、変位量算出部２１３、及び駆動信号制御部２１４等を有する。制御部２１は、積分回路２４、整流回路２５からの情報に基づいて、圧電素子３の変位量を算出し、算出した該変位量に基づき、駆動信号生成部２２で生成される駆動信号を制御する。
【００２９】
温度算出部２１１は、圧電素子３の温度Ｔｘを算出する。具体的には、温度算出部２１１は、整流回路２５を介して検出されたコンデンサＣ２６に印加される電圧Ｖ２６、圧電素子３に印加される電圧Ｖ３、及びコンデンサ２６の容量Ｃｒより、圧電素子３の容量Ｃｘを、下記（式１）を用いて算出する。
【００３０】
Ｃｘ＝Ｃｒ・Ｖ２６／（Ｖ３−Ｖ２６）      （式１）
一方、温度算出部２１１は、図５に示すように、予め設定された圧電素子３の温度Ｔｘと圧電素子の容量Ｃｘとの関係を示す第２のテーブルを備えている。
【００３１】
そして、該第２のテーブルを用いて、（式１）で算出した圧電素子３の容量Ｃｘに対応する圧電素子３の温度Ｔｘを算出する。
【００３２】
電荷感度算出部２１２は、圧電素子３の電荷感度Ｑｘを算出する。前述のように、圧電素子３に蓄積される電荷量と圧電素子の変位量とは、所定の関係を有する。しかしながら、圧電素子３の容量Ｃｘは、圧電材料そのものの電気機械結合係数、弾性コンプライアンス、誘電率に依存することから、温度により変動する。この為、圧電素子３に蓄積される電荷量と圧電素子の変位量との関係は、温度により変動する。すなわち、圧電素子３に蓄積される電荷量に対する圧電素子３の変位量の割合（傾き＝電荷感度Ｑｘ）は、温度により変動する。そこで、電荷感度算出部２１２は、圧電素子３の温度による電荷感度Ｑｘを算出する。
【００３３】
具体的には、電荷感度算出部２１２は、図６に示すように、予め設定された圧電素子３の温度Ｔｘと圧電素子３の電荷感度Ｑｘとの関係を示す第３のテーブルを備えている。そして、該第３のテーブルを用いて、温度算出部２１１で算出された圧電素子３の温度Ｔｘに対応する圧電素子３の電荷感度Ｑｘを算出する。例えば、温度算出部２１１で算出された圧電素子３の温度ＴｘがＴ１の場合、電荷感度Ｑｘは、第３のテーブルよりＱ１と算出することができる。
【００３４】
変位量算出部２１３は、積分回路２４から出力された電流積算値Ｉｘ、及び電荷感度算出部２１２で算出された圧電素子３の電荷感度Ｑｘに基づいて、圧電素子３の変位量ｅｘを算出する。
【００３５】
具体的には、変位量算出部２１３は、図７に示すように、予め設定された電流積算値Ｉｘと圧電素子３の変位量ｅｘとの関係を示す第１のテーブルを備えている。尚、電流積算値Ｉｘと変位量ｅｘとの関係は、図７に示すように、圧電素子３の電荷感度Ｑｘにより異なるものであり、第１のテーブルとしては、電荷感度Ｑｘ毎に、すなわち、温度Ｔｘ毎に異なる複数のテーブルから構成されている。そして、該第１のテーブルを用いて、積分回路２４から出力された電流積算値Ｉｘ、及び電荷感度算出部２１２で算出された圧電素子３の電荷感度Ｑｘに対応する圧電素子３の変位量ｅｘを算出する。例えば、積分回路２４から出力された電流積算値ＩｘがＩ、電荷感度算出部２１２で算出された圧電素子３の電荷感度ＱｘがＱ１の場合、圧電素子３の変位量ｅｘは、第１のテーブルよりｅ１と算出することができる。
【００３６】
駆動信号制御部２１４は、変位量算出部２１３で算出された、圧電素子３の変位量ｅｘに基づいて、駆動信号生成部２２で生成される圧電素子３の駆動信号を制御する。すなわち、変位量算出部２１３で算出された、圧電素子３の変位量ｅｘと所望の変位量とを比較し、比較結果に応じて、圧電素子３の変位量ｅｘが所望の変位量に近づくように、駆動信号生成部２２で生成される圧電素子３の駆動信号の、例えば電圧を調整する。
【００３７】
ここで、駆動装置２で行われる圧電素子３の駆動信号制御動作の流れを図９に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３８】
最初に、駆動電流検出部２３は、圧電素子３に流れる電流を検出し、電圧信号として出力する（ステップＳ１）。
【００３９】
次に、積分回路２４は、駆動電流検出部２３で検出され出力された、圧電素子３に流れる電流に相当する電圧信号を時間積算した電流積算値Ｉｘを出力する（ステップＳ２）。
【００４０】
次に、整流回路２５は、コンデンサ２６に印加される電圧Ｖ２６を検出し（ステップＳ３）、整流する（ステップＳ４）。
【００４１】
次に、温度算出部２１１は、整流回路２５を介して検出されたコンデンサＣ２６に印加される電圧Ｖ２６、圧電素子３に印加される電圧Ｖ３、及びコンデンサ２６の容量Ｃｒより、圧電素子３の容量Ｃｘを、前述の（式１）を用いて算出する（ステップＳ５）。続いて、温度算出部２１１は、前述の第２のテーブルを用いて、（式１）で算出した圧電素子３の容量Ｃｘに対応する圧電素子３の温度Ｔｘを算出する（ステップＳ６）。
【００４２】
次に、電荷感度算出部２１２は、前述の第３のテーブルを用いて、温度算出部２１１で算出された圧電素子３の温度Ｔｘに対応する圧電素子３の電荷感度Ｑｘを算出する（ステップＳ７）。
【００４３】
次に、変位量算出部２１３は、前述の第１のテーブルを用いて、積分回路２４から出力された電流積算値Ｉｘ、及び電荷感度算出部２１２で算出された圧電素子３の電荷感度Ｑｘに対応する圧電素子３の変位量ｅｘを算出する（ステップＳ８）。
【００４４】
次に、駆動信号制御部２１４は、変位量算出部２１３で算出された、圧電素子３の変位量ｅｘに基づいて、駆動信号生成部２２で生成される圧電素子３の駆動信号を制御する（ステップＳ９）。
【００４５】
次に、このような構成の駆動装置２を備えた超音波アクチュエータ装置の構成を図８を用いて説明する。図８は、超音波アクチュエータ装置１の概略構成、及び動作シーケンスを示す模式図である。
【００４６】
超音波アクチュエータ装置１は、図８（ａ）に示すように、３つの前述の圧電素子３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、本発明における被駆動体に該当するレール５、及び図示しない前述の駆動装置２等から構成される、例えば、インチワーム形リニアアクチュエータ装置である。尚、インチワーム形リニアアクチュエータの構成、及びその動作の詳細は、特開昭６２−１３８９０９号に記載の移動機構に準ずることより、その説明は省略する。
【００４７】
超音波アクチュエータ装置１は、圧電素子３に駆動装置２より駆動信号を入力して伸縮運動させることにより、圧電素子３に加圧接触されたレール５との間で摩擦力により相対運動を発生させるものである。
【００４８】
動作シーケンスの概要を、図８（ａ）〜図８（ｈ）に示す。３つの圧電素子３Ａ、３Ｂ、３Ｃの駆動信号の位相を所定量ずらして駆動することにより、それぞれの圧電素子３は、矢印で示す方向にシーケンシャルに伸縮し、図８（ａ）〜図８（ｈ）に示す動作を１サイクルとして尺取虫のように紙面の右方向に移動させることができる。また、３つの振動体３Ａ、３Ｂ、３Ｃの駆動信号の位相関係を変化させることにより、逆方向に移動させることができる。
【００４９】
このように本発明の実施形態に係る圧電素子３の駆動装置２においては、変位量算出部２１３は、積分回路２４から出力された電流積算値Ｉｘ、及び電荷感度算出部２１２で算出された圧電素子３の電荷感度Ｑｘに基づいて、圧電素子３の変位量ｅｘを算出し、駆動信号制御部２１４は、変位量算出部２１３で算出された、圧電素子３の変位量ｅｘに基づいて、駆動信号生成部２２で生成される圧電素子３の駆動信号を制御する構成とした。これにより、従来のように変位量ｅｘを検知する為のセンサを別途設けることなく、容易に高い精度で変位量ｅｘを算出することができ、算出した該変位量ｅｘに基づいて、圧電素子の駆動信号を制御することができる。その結果、装置の小型化を阻害することなく、また、装置の複雑化と高価格化を招くことなく、優れた駆動性能を得ることが可能となる。
【００５０】
また、このような構成の駆動装置２を超音波アクチュエータ装置１に用いることにより、圧電素子３または被駆動体（レール５）の移動精度を高めることができ、高精度な位置決め制御が可能となる。
【００５１】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。例えば、前述の実施の形態においては、変位量算出部２１３は、積分回路２４から出力された電流積算値Ｉｘ、及び電荷感度算出部２１２で算出された圧電素子３の電荷感度Ｑｘに基づいて、圧電素子３の変位量ｅｘを算出する構成としたが、電荷感度Ｑｘの温度特性が小さい場合は、電流積算値Ｉｘのみに基づいて、圧電素子３の変位量ｅｘを算出する構成としてもよい。これにより、より簡易な構成で変位量ｅｘを算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係わる圧電素子の駆動装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】積分回路の一例を示す回路図である。
【図３】積分回路の周波数特性を示す図である。
【図４】整流回路の一例を示す回路図である。
【図５】圧電素子の温度と容量の関係を示す図である。
【図６】圧電素子の温度と電荷感度の関係を示す図である。
【図７】圧電素子の電流積算値と変位量の関係を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係わる超音波アクチュエータ装置の概略構成、及び動作シーケンスを示す模式図である。
【図９】駆動信号制御動作の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５３】
１  超音波アクチュエータ装置
２  駆動装置
３  圧電素子
２１  制御部
２１１  温度検出部
２１２  電荷感度算出部
２１３  変位量算出部
２１４  駆動信号制御部
２２  駆動信号生成部
２３  駆動電流検出部
２４  積分回路
２５  整流回路
２６  コンデンサ
５  レール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010035269.tif 000006
【図５】
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【図６】
2010035269.tif 000008
【図７】
2010035269.tif 000009
【図８】
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【図９】
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