(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電素子の自由振動により発生する電流を抑制し、消費電力を低減できる圧電アクチュエータ及びその駆動方法を提供する。【解決手段】互いに異なる第１及び第２の電圧レベル期間との間に、電圧が印加されない遷移期間を形成できるような電圧波形を駆動回路部で生成し、当該電圧波形によって圧電素子１に印加される電圧を制御する。遷移期間中、圧電素子では電力が消費されないため、消費電力を低減できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子に電圧を与えることにより被駆動部材をインパクト駆動する駆動方法において、断続的に変化する不連続な電圧波形を前記電圧として供給することによって前記被駆動部材をインパクト駆動することを特徴とする駆動方法。
【請求項２】
請求項１において、前記不連続電圧波形は、予め定められた第１の電圧レベル期間と、第１のレベルとは異なる第２の電圧レベル期間とを備え、第１及び第２の電圧レベル期間の間には、電圧が印加されない遷移期間が存在することを特徴とする駆動方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記第１の電圧レベル期間と、前記第２の電圧レベル期間が略同一であることを特徴とする駆動方法。
【請求項４】
圧電素子と、当該圧電素子に電圧を印加する電圧発生回路とを含み、前記電圧発生回路は、断続的に変化する不連続な電圧波形を発生することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４において、前記電圧発生回路は、予め定められた第１の電圧レベル期間と、第１のレベルとは異なる第２の電圧レベル期間と、第１及び第２の電圧レベル期間の間に電圧が印加されない遷移期間を有する電圧波形を発生することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項６】
圧電素子と、上記圧電素子の一方端に固定された駆動部材と、上記圧電素子の他方端に固定された支持部材と、上記駆動部材に当該駆動部材の移動方向に相対的に移動可能に所定の摩擦力で係合された被駆動部材とを備え、上記駆動部材が上記圧電素子の伸縮により異なる速度で往復変位することによって上記被駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、上記圧電素子に分極方向の一定電圧を印加して当該分極方向に充電するとともに、当該分極方向と逆方向に放電する第１の充放電時間と、当該分極方向に放電するとともに、分極方向と逆方向の一定電圧を印加して当該分極方向の逆方向に充電する第２の充放電時間と、両方向に電圧が印加および放電されない時間からなり、前記第１および第２の充放電時間が略同一である駆動電圧を発生する電圧発生回路を有していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記圧電アクチュエータの共振周波数をｆｒ、反共振周波数をｆａとし、前記第１の充放電時間をＴ１、前記第２の充放電時間をＴ２、前記両方向に電圧が印加および放電されない時間をＴ３としたとき、
Ｔ１＝Ｔ２＝（２ｎ−１）／（２ｆｒ），      （ｎ＝１，２，３・・・）
Ｔ３＝（２ｍ−１）／（２ｆａ），      （ｍ＝１，２，３・・・）
となるような駆動電圧を発生する電圧発生回路を有していることを特徴とする、請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータの駆動方法において、前記圧電アクチュエータの共振周波数及び反共振周波数によってそれぞれ定まる時間、前記圧電素子を伸縮させることにより前記駆動部材を移動させることを特徴とする駆動方法。
【請求項９】
圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数をｆｒ、反共振周波数をｆａとし、前記圧電素子に予め定められた第１の電圧レベルを印加する時間をＴ１、前記圧電素子に前記第１の電圧レベルとは異なる第２の電圧レベルを印加する時間をＴ２、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する時間をＴ３としたとき、
Ｔ１＝Ｔ２＝（２ｎ−１）／（２ｆｒ），      （ｎ＝１，２，３・・・）
Ｔ３＝（２ｍ−１）／（２ｆａ），      （ｍ＝１，２，３・・・）
となるように前記圧電素子に電圧を印加し、前記圧電素子を伸縮させることにより前記駆動部材を移動させることを特徴とする、請求項８に記載の駆動方法。
【請求項１０】
圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数によって定まる時間、前記圧電素子に電圧を印加し、前記圧電アクチュエータの反共振周波数によって定まる時間、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する電圧発生回路を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数をｆｒ、反共振周波数をｆａとし、前記圧電素子に予め定められた第１の電圧レベルを印加する時間をＴ１、前記圧電素子に前記第１の電圧レベルとは異なる第２の電圧レベルを印加する時間をＴ２、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する時間をＴ３としたとき、
Ｔ１＝Ｔ２＝（２ｎ−１）／（２ｆｒ），      （ｎ＝１，２，３・・・）
Ｔ３＝（２ｍ−１）／（２ｆａ），      （ｍ＝１，２，３・・・）
となるような電圧を発生する電圧発生回路を備えたことを特徴とする、請求項１０に記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子をインパクト駆動する圧電アクチュエータ及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラにオートフォーカスやズーム機能を持たせるためには、光軸に沿って光学レンズを移動させる機構が必要であり、従来から電磁式のモータを用いた方法が知られている。近年、デジタルカメラやカメラ付き携帯電話にみられるように、機器の小型化が急速に進み、それに伴って電磁式のモータから、圧電素子に代表される電気−機械変換素子（以下圧電素子）を電圧駆動させる方法が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、圧電素子、当該圧電素子の一端に固定された摩擦部材、及び摩擦部材に圧接された移動子を含むリニアモータが開示されている。更に、特許文献１では、立ち上がりと立下りの時間が大きく異なる電圧（例えば、鋸歯状電圧）を圧電素子に印加することにより、圧電素子に固定された摩擦部材の一方向と逆方向への運動速度を大きく異ならせ、この結果、被駆動部材である移動子を特定の一方向にリニアに移動させている。即ち、特許文献１は、圧電素子と、静摩擦係数と動摩擦係数との差による摩擦力の差を利用して移動子を駆動すること、即ち、インパクト駆動について開示している。
【０００４】
一方、特許文献２には、固定部材と駆動摩擦部材を圧電素子に接着し、駆動摩擦部材を振動させる圧電アクチュエータが開示されている。特許文献２では、矩形波を圧電素子に印加することにより、特許文献１の鋸歯状波と同様に、圧電素子に印加される矩形波と摩擦力の差を利用して被駆動部材を移動させている。即ち、特許文献２では、圧電素子の分極方向に充放電する時間と、上記分極方向とは逆方向に充放電する時間を異ならせることによって被駆動部材を移動させている。
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２８９３６８号公報
【特許文献２】特許第３１７１１８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に開示された圧電アクチュエータでは、分極方向への充放電と、分極方向とは逆方向への充放電とを、略同一の速度でかつ異なる駆動時間で行わせるため、圧電アクチュエータの伸長速度と伸縮速度とに大きな差を持たせるために必要な回路構成を簡略化することができ、この結果、圧電アクチュエータを小形化することができる。
【０００７】
しかし、この回路構成では、連続的に充放電が繰り返され、圧電素子に常時、電源電圧が印加されているので、圧電素子の自由振動により発生する電荷を打ち消す為に、電源から常時電流が供給されるため消費電力が大きくなる。このため、特許文献２の回路構成は、電池の消耗が大きく、携帯電話のように、小型化が要求される機器には適していない。
【０００８】
本発明の課題は、圧電素子の自由振動により発生する電流を抑制し、消費電力を低減できる圧電アクチュエータ及びその駆動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、圧電素子に電圧を与えることより被駆動部材をインパクト駆動する駆動方法において、断続的に変化する不連続な電圧波形を前記電圧として供給することによって前記被駆動部材をインパクト駆動することを特徴とする駆動方法が得られる。
【００１０】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、前記不連続電圧波形は、予め定められた第１の電圧レベル期間と、第１のレベルとは異なる第２の電圧レベル期間とを備え、第１及び第２の電圧レベル期間の間には、電圧が印加されない遷移期間が存在することを特徴とする駆動方法が得られる。
【００１１】
本発明の第３の態様によれば、第１又は第２の態様において、前記第１の電圧レベル期間と、前記第２の電圧レベル期間が、略同一であることを特徴とする駆動方法が得られる。
【００１２】
本発明の第４の態様によれば、圧電素子と、当該圧電素子に電圧を印加する電圧発生回路とを含み、前記電圧発生回路は、断続的に変化する不連続な電圧波形を発生することを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。
【００１３】
本発明の第５の態様によれば、第４の態様において、前記電圧発生回路は、予め定められた第１の電圧レベル期間と、第１のレベルとは異なる第２の電圧レベル期間と、第１及び第２の電圧レベル期間の間に電圧が印加されない遷移期間を有する電圧波形を発生することを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。
【００１４】
本発明の第６の態様によれば、圧電素子と、上記圧電素子の一方端に固定された駆動部材と、上記圧電素子の他方端に固定された支持部材と、上記駆動部材に当該駆動部材の移動方向に相対的に移動可能に所定の摩擦力で係合された被駆動部材とを備え、上記駆動部材が上記圧電素子の伸縮により異なる速度で往復変位することによって上記被駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、上記圧電素子に分極方向の一定電圧を印加して当該分極方向に充電するとともに、当該分極方向と逆方向に放電する第１の充放電時間と、当該分極方向に放電するとともに、分極方向と逆方向の一定電圧を印加して当該分極方向の逆方向に充電する第２の充放電時間と、両方向に電圧が印加および放電されない時間からなり、前記第１および第２の充放電時間が略同一である駆動電圧を発生する電圧発生回路を有していることを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。
【００１５】
本発明の第７の態様によれば、圧電アクチュエータの共振周波数をｆｒ、反共振周波数をｆａとし、前記第１の充放電時間をＴ１、前記第２の充放電時間をＴ２、前記両方向に電圧が印加および放電されない時間をＴ３としたとき、
Ｔ１＝Ｔ２＝（２ｎ−１）／（２ｆｒ），      （ｎ＝１，２，３・・・）
Ｔ３＝（２ｍ−１）／（２ｆａ），      （ｍ＝１，２，３・・・）
となるような駆動電圧を発生する電圧発生回路を有していることを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。
【００１６】
本発明の第８の態様によれば、圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータの駆動方法において、前記圧電アクチュエータの共振周波数及び反共振周波数によってそれぞれ定まる時間、前記圧電素子を伸縮させることにより前記駆動部材を移動させることを特徴とする駆動方法が得られる。
【００１７】
本発明の第９の態様によれば、圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数をｆｒ、反共振周波数をｆａとし、前記圧電素子に予め定められた第１の電圧レベルを印加する時間をＴ１、前記圧電素子に前記第１の電圧レベルとは異なる第２の電圧レベルを印加する時間をＴ２、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する時間をＴ３としたとき、
Ｔ１＝Ｔ２＝（２ｎ−１）／（２ｆｒ），      （ｎ＝１，２，３・・・）
Ｔ３＝（２ｍ−１）／（２ｆａ），      （ｍ＝１，２，３・・・）
となるように前記圧電素子に電圧を印加し、前記圧電素子を伸縮させることにより前記駆動部材を移動させることを特徴とする駆動方法が得られる。
【００１８】
本発明の第１０の態様によれば、圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数によって定まる時間、前記圧電素子に電圧を印加し、前記圧電アクチュエータの反共振周波数によって定まる時間、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する電圧発生回路を有することを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。
【００１９】
本発明の第１１の態様によれば、圧電素子を伸縮させることにより、当該圧電素子に固定された駆動部材を移動させる圧電アクチュエータにおいて、前記圧電アクチュエータの共振周波数をｆｒ、反共振周波数をｆａとし、前記圧電素子に予め定められた第１の電圧レベルを印加する時間をＴ１、前記圧電素子に前記第１の電圧レベルとは異なる第２の電圧レベルを印加する時間をＴ２、前記圧電素子に対する電圧の印加を停止する時間をＴ３としたとき、
Ｔ１＝Ｔ２＝（２ｎ−１）／（２ｆｒ），      （ｎ＝１，２，３・・・）
Ｔ３＝（２ｍ−１）／（２ｆａ），      （ｍ＝１，２，３・・・）
となるような電圧を発生する電圧発生回路を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電源から圧電素子に印加される充電時間が従来方法に比較して短くなるため、消費電力を低減させることが可能となる。また、分極方向および逆方向の両方向に電圧が印加および放電されない時間を設けていることで、被駆動部材を良好に移動させることができる。本発明により、消費電力が小さい圧電アクチュエータの駆動方法を提供することが可能となり、機器の小型化、電池の消耗を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に用いられる圧電アクチュエータの構成図を示し、アクチュエータ部１０と駆動回路部２０とを備えている。アクチュエータ部１０は、図１の上下方向に分極された圧電素子１、圧電素子の一端（ここでは上端）に固定された磁石２、磁石２に吸着された移動リング３、当該移動リング３を嵌め込まれ、移動リング３と共に移動可能なレンズユニット等の移動体４、圧電素子１の下端を支持する支持部材（ここでは、ハウジング）５、及び、移動体４をガイドするガイドピン６とによって構成されている。図示された例では、圧電素子１に固定された磁石２によって駆動部材が構成されており、移動リング３及び移動体４により被駆動部材が構成されている。
【００２２】
一方、駆動回路部２０は圧電素子１を駆動する為に必要な制御信号を発生する制御回路２１と、当該制御回路２１からの制御信号にしたがって圧電素子１を充放電させるスイッチ回路２２とを含んでいる。
【００２３】
図示された圧電素子１は、スイッチ回路２２におけるスイッチのオン・オフによって制御される不連続な電圧にしたがって、分極方向（図の上下方向）に変位し、圧電素子１の上端に固定された磁石２を上下方向に移動させる。磁石２の移動に伴って、移動リング３及び移動体４も上下方向に移動する。尚、図示された例では、圧電素子１の上端に、磁石２がエポキシ樹脂などを用いて接着されている。
【００２４】
圧電素子１は、所定の変位が発生できれば、材質や構造は適宜選択できるが、本発明においては、数Ｖ〜十数Ｖ程度と低電圧で大きな変位出力が得られる積層型圧電セラミックを用いることが好ましい。
【００２５】
積層型圧電セラミックの製造方法は、一般的な方法を用いればよい。たとえば、ドクターブレード法などの方法で所定の厚さのセラミックグリーンシートを製造し、スクリーン印刷法などで所定の形状にＡｇ／ＰｄペーストやＣｕペーストを内部電極として印刷した後、トリミングおよび所定枚数積層する。熱プレス後に所定の形状に打ち抜き、脱バインダー、焼結の工程により製造すればよい。
【００２６】
磁石２の材質は特に限定されないが、小型化を進めた場合にも十分な吸着力を確保するために、ネオジウム系磁石、あるいは、サマリウム−コバルト系磁石を用いることが好ましい。
【００２７】
ここで、移動リング３、移動体４は別の部材としたが、同一の材質として一体化することもできる。
【００２８】
次に、本発明に係る駆動方法の理解を容易にするために、図１に示した圧電アクチュエータを従来の駆動方法で駆動する場合について図２を参照して説明する。図２では、圧電素子１単体の高さを１．５ｍｍ程度、磁石の高さを１ｍｍ程度とし、共振周波数が３００ｋＨｚ程度であるものとする。この場合、図２に示すように、圧電素子１に印加される電圧波形を矩形波とし、この矩形波状電圧波形の周波数、すなわち駆動周波数を２００ｋＨｚ程度、デューティ比を０．３３または０．６７程度とすると、高調波成分の変位と位相のズレにより、圧電素子１の出力変位波形が鋸波状となる。
【００２９】
図２に示すように矩形波の入力電圧波形において、出力変位波形が鋸波状となることで、圧電素子は時間ｔ１をかけてゆっくりと伸び、時間ｔ２で急速に縮む。ここで、時間ｔ２において移動リング３と磁石２との間に発生する最大静止摩擦力以上の加速度が得られるように入力電圧を設定すれば、時間ｔ１では移動リング３と圧電素子１はともに移動し、時間ｔ２では移動リング３と圧電素子１間ですべりが生じる。これを連続的に繰り返すことにより、移動リング３と移動体４は支持部材に対して一方向に移動する。即ち、インパクト駆動が行なわれる。また、時間ｔ１、ｔ２の双方において、移動リング３と磁石２との間に発生する最大静止摩擦力以上の加速度が得られるように入力電圧を設定した場合は、移動リング３は時間ｔ１、時間ｔ２のどちらにおいても圧電素子１との間ですべりを生じさせつつ移動するが、時間ｔ１と時間ｔ２を異ならせているため、これを連続的に繰り返すことにより、移動リング３と移動体４は支持部材に対して実質的に一方向に移動する。よって、この場合にもインパクト駆動が行われる。
【００３０】
また、いずれの場合においても、時間ｔ１と時間ｔ２の割合を変化させる、つまり圧電素子１への入力電圧波形のデューティ比を変化させることで移動体の速度や移動方向を制御することができる。
【００３１】
次に、本発明の圧電アクチュエータにおける実施例について説明する。圧電素子１として、断面が１．０×１．０ｍｍ、高さ１．５ｍｍの積層型圧電セラミック素子を準備した。この積層型圧電セラミック素子は、±３Ｖの電圧印加に対して、大略０．１μｍの変位を発生する。この圧電セラミック素子の一端に、１．０ｍｍ×１．４ｍｍ、高さ１．０ｍｍのネオジウム系磁石を熱硬化性エポキシ樹脂で接着した。さらに、支持部材５としてポリカーボネートを材質とするハウジングを作製し、圧電セラミック素子の他端にエポキシ樹脂で接着した。
【００３２】
ＳＵＳ４３０を材質とする、外形７．５ｍｍ、内径６．５ｍｍ、高さ１．５ｍｍの移動体を作製し、ポリカーボネートを材質とするホルダーにエポキシ樹脂で接着した。また、ＳＵＳ３０４を材質とするガイドピンにホルダーを支持すると同時に、磁石と移動体を磁力により吸着することで、図１に示した構造のアクチュエータを作製した。この場合、ホルダーの移動ストロークは約０．５ｍｍとなるが、移動体の高さを大きくすることで、ストロークをさらに大きくすることも可能である。
【００３３】
また、アクチュエータを駆動する駆動回路部２０のスイッチ回路２２として、図３に示すような回路を作製した。このスイッチ回路は、圧電素子１（ＰＡ）の両端に接続された４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、及びＱ４を備えており、これらのスイッチＱ１〜Ｑ４が図１に示された制御回路２１からの制御信号によってオン・オフされる。この実施例では、駆動回路部２０は後述するように、制御回路２１からの制御信号により制御されるスイッチ回路２２から、時間的に不連続な電圧波形を発生する電圧発生回路として動作する。
【００３４】
ここで、本発明に係るスイッチ回路２２を従来のスイッチ回路と比較する。まず、特許文献２に記載されたように、スイッチ回路２２からの出力電圧が連続的に変化するように制御される場合について説明する。この場合、スイッチＱ１、Ｑ４がオン状態で、電源Ｖｐから圧電素子１に対してスイッチＱ１及びＱ４を経由して電流経路を形成する場合を第１の駆動手段と呼び、他方、スイッチＱ２、Ｑ３がオン状態で、電源Ｖｐから圧電素子１に対してスイッチＱ２及びＱ３を経由して電流経路を形成する場合を第２の駆動手段と呼ぶものとする。
【００３５】
表１には、従来のスイッチ回路におけるスイッチＱ１〜Ｑ４のオン、オフ状態が示されている。表１に示されるように従来のスイッチ回路においては、第１の駆動手段と第２の駆動手段を交互に駆動することにより圧電素子を駆動するため、常に圧電素子のどちらか一方の電気端子が電源に接続された状態となっている。一方、圧電素子は第１および第２の駆動手段により駆動され、スイッチの状態が変化するたびに急激な充電又は放電が行われるため、急速伸長あるいは急速収縮した後に共振周波数ｆｒで振動する。ここで、ｆｒは圧電素子の一端を固定端とし他端に駆動部材と被駆動部材を固定した場合における共振周波数である。そのため、従来のスイッチ回路においては、圧電素子の自由振動により発生する電荷を打ち消して圧電素子への印加電圧が一定に保たれるように電源から電流が供給されるため、消費電力が増大してしまう。
【００３６】
【表１】
2008295287.tif 000003
【００３７】
他方、本発明による駆動方法は、第１の電圧レベルｖ１の期間Ｐ１、第２の電圧レベルｖ２の期間Ｐ２、および期間Ｐ１と期間Ｐ２との間に遷移期間Ｐ３とを有する不連続な電圧波形を駆動回路部２０から圧電素子に与えることによりインパクト駆動を行うことを特徴としており、スイッチ回路２２は表２に従ってオン、オフ状態を取るように制御回路２１により制御される。換言すれば、制御回路２１はスイッチ回路２２を表２に従って動作させるような制御信号（即ち、電圧波形）を生成する。このような制御信号を生成する制御回路２１は、例えば、ユーザの操作に応答してパルスを発生するパルス発生回路、及び、発生したパルスを論理的に処理する論理回路等を組み合わせることによって容易に実現できるので、ここでは説明を省略する。
【００３８】
表２に示されるように、第１の電圧レベル期間Ｐ１では、スイッチＱ１、Ｑ４がオン状態となり、電源Ｖｐから圧電素子に対してスイッチＱ１およびＱ４を経由して電流経路が形成され、また、第２の電圧レベル期間Ｐ２では、スイッチＱ２、Ｑ３がオン状態となり、電源Ｖｐから圧電素子に対してスイッチＱ２およびＱ３を経由して電流経路が形成される。また、第１および第２の電圧レベル期間との間の遷移期間Ｐ３においては、スイッチＱ１〜Ｑ４が全てオフの状態に置かれ、圧電素子はスイッチ回路２２から電気的に切り離された状態に置かれるが、圧電素子に充電された電荷は保存され変化しないため、圧電素子の電気端子間の電圧は直前の電圧レベルに保たれたままとなる。すなわち、遷移期間Ｐ３において圧電素子に印加されている電圧レベルは、直前の第１の電圧レベル期間Ｐ１における電圧レベルｖ１と実質的に等しくなる。従って、遷移期間Ｐ３においては、直前の電圧レベルを維持しながらも、電源からの充放電による電力消費を無くすことができる。よって、本発明の駆動方法によるスイッチ回路２２からは、図４の電圧波形Ｗｖに示されるような不連続な電圧波形が出力される。図示されているように、第１の電圧レベルｖ１は第２の電圧レベルｖ２と極性において異なっている。また、図４では、第１の電圧レベル期間Ｐ１と、第２の電圧レベル期間Ｐ２が略同一になるように制御されている。尚、第１の電圧レベル期間Ｐ１中、圧電素子１は、例えば、圧電素子１の分極方向に充電され、第２の電圧レベル期間Ｐ２中は、分極方向と逆方向に充電される。換言すれば、第１の電圧レベル期間Ｐ１及び第２の電圧レベル期間Ｐ２は圧電素子１の充放電期間を規定している。
【００３９】
このように、本発明による駆動方式は、第１および第２の電圧レベル期間の間に、圧電素子がスイッチ回路２２から電気回路的に切り離されている遷移期間Ｐ３を設けているため、図４の電流波形Ｗｉに示されるように、遷移期間Ｐ３の期間においては電源からの電流供給を一切無くすことができる。よって遷移期間Ｐ３においては圧電素子１で電力が消費されないため、消費電力の低減が可能となる。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
上記した本発明の駆動方法においては、第１および第２の電圧レベル期間Ｐ１およびＰ２においては、圧電素子が電界一定の条件下で振動し、また遷移期間Ｐ３においては電束密度一定の条件下で振動する。換言すれば、本発明に係る駆動方法は、圧電素子１に、駆動部材である磁石２を固定した圧電アクチュエータの共振周波数及び反共振周波数によってそれぞれ定まる時間、圧電素子を伸縮させることにより、駆動部材である磁石２を移動させていることになる。
【００４２】
従って、磁石２が固着された状態での圧電素子１（即ち、圧電アクチュエータ）の共振周波数をｆｒ、反共振周波数をｆａとすると、その振動周期は期間Ｐ１およびＰ２では１／ｆｒ、また、期間Ｐ３においては１／ｆａとなる。ここで、圧電アクチュエータに使用される圧電素子１の反共振周波数ｆａは共振周波数ｆｒより高く且つ振幅において小さいのが普通である。
【００４３】
上述した点を考慮して、本発明の駆動方法をより具体的に説明する。本発明に係る圧電アクチュエータの駆動周波数ｆｄについては、圧電素子の共振振動を利用し効率よく移動体４を移動させるために、第１の電圧レベル期間Ｐ１、第２の電圧レベル期間Ｐ２および遷移期間Ｐ３とを、各期間における振動周期を考慮して、下記数１の関係を満たすように設定し、下記数２により導出される駆動周波数ｆｄ付近にて動作させることで、動作特性の良好な圧電アクチュエータが得られる。
【００４４】
［数１］
Ｐ１＝Ｐ２＝（２ｎ−１）／（２ｆｒ），      （ｎ＝１，２，３・・・）
Ｐ３＝（２ｍ−１）／（２ｆａ），      （ｍ＝１，２，３・・・）
【００４５】
［数２］
ｆｄ＝１／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）
【００４６】
図５に本発明の駆動方法における圧電アクチュエータの駆動電圧波形の一例として、上記数１においてｎ＝１、ｍ＝３とした場合の約１周期分の駆動電圧波形と圧電素子の変位を示す。この場合、期間Ｐ１＝Ｐ２＝１／（２ｆｒ）、期間Ｐ３＝５／（２ｆａ）となる。
【００４７】
同図において、例えばａ点で圧電素子に電圧ｖ１が印加されると、圧電素子は共振周波数ｆｒで振動しながら高速で大きく伸長したあと、ｂ点で縮小に転じる。次にｂ点でスイッチ回路２２の全てのスイッチがオフになり遷移期間Ｐ３となるため、圧電素子は反共振周波数ｆａで引き続き振動を続ける。そして、縮小から伸長に転じるｄ点で圧電素子に電圧ｖ２が印加されると、圧電素子はその変位位置から更にｅ点まで共振周波数ｆｒで振動しながら縮小動作を行う。そして、この縮小動作が終了して伸長に転じるｅ点で再び圧電素子に電圧ｖ１が印加されると、圧電素子は再度高速で伸長動作を行い、以下、駆動電圧の波形に応じて上述の圧電素子の伸縮動作が繰り返される。上述の圧電素子の伸縮動作において、ａ−ｂ間の伸長動作は高速で行われ、ｃ−ｅ間の縮小動作はそれよりも低速で行われるので、圧電素子の伸縮動作によって磁石が往復振動を繰り返すと、ａ−ｂ間の高速伸長時は移動リングとの間に滑りを生じ、ｃ−ｅ間の低速縮小時は磁石と移動リングが共に移動することとなる。従って、移動リングが全体として一方向に移動する。あるいは、低速縮小時においても移動リングとの間に滑りを生じる場合においては、ａ−ｂ間とｃ−ｅ間の時間差によって移動リングの移動が行われる。更に、反共振周波数ｆａで振動しているｂ−ｃ間では、圧電素子の変位が小さいため、磁石と移動リングとの間に滑りが生じないため、移動リングは移動しない。
【００４８】
また、図５において、期間Ｐ１における電圧レベルをｖ２に、期間Ｐ２における電圧レベルをｖ１にそれぞれ変更した場合（即ち、図５に示された電圧波形を反転させた場合）、遷移期間Ｐ３の電圧レベルは直前の期間Ｐ１と実質的に等しい電圧レベルｖ２となる。このような駆動電圧を印加した場合は、上述の伸縮振動の関係が逆になり、圧電素子はａ−ｂ間で高速縮小し、ｃ−ｅ間で低速伸長を行うことになる。よって、上述とは逆の方向に移動リングが移動を行うことになる。
【００４９】
図５は数１においてｎ＝１、ｍ＝３の場合を示しているが、例えば図６に示されるように数１においてｎ＝２、ｍ＝２とすると、図５に示される場合と比較して期間Ｐ１とＰ２にそれぞれ共振周波数ｆｒの１周期分の期間が加わり、遷移期間Ｐ３からは反共振周波数ｆａの１周期分の期間が減らされることとなる。しかし、各期間が終了する時点での圧電素子の振動の位相は図５に示される場合と等しくなる。よって、図６に示される場合においても図５に示された場合と同様のメカニズムにより、ａ−ｂ’間の高速伸長時とｃ−ｅ’間の低速縮小時の速度差に起因して移動リングの移動が行われる。
【００５０】
このように、数１におけるｎ、ｍの任意の組合せにおいて、駆動波形と圧電素子の振動の位相関係が等しくなるので、移動リングの移動が安定に行われる。ただし、圧電素子の高速伸長と低速縮小動作は駆動電圧波形の１周期（＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＝１／ｆｄ）につきそれぞれ１回ずつ行われるので、１周期の駆動時間が長くなると（駆動周波数が低くなると）移動リングの１周期あたりの駆動効率が低下するが、同時に消費電力も減少するので、必要とされる圧電アクチュエータの動作特性などを考慮して駆動波形を設定することとなる。
【００５１】
また、数１に示される条件は、圧電素子の高速伸長と低速縮小との速度差が最大となり、従って、移動体を効率よく動作させるための条件を示している。よって、駆動電圧波形の各駆動期間が数１に示される条件から離れるに従って、圧電素子の高速伸長と低速縮小との速度差が減少していくため、それに伴い移動体の移動効率が低下し、移動体の移動速度が減少していく。しかし、数１に示される条件を完全に満足しなくとも、数１に示される条件をある程度満たしていれば、実用上問題の無い動作特性が得られる。図７に、駆動電圧波形の各駆動期間の比率を、数１を満たす条件で一定に固定し（Ｐ１：Ｐ２：Ｐ３＝一定）、駆動周波数ｆｄを変化させた場合の移動体の速度変化を示す。移動体の速度は数１の条件を満たす周波数ｆで最大となり、駆動周波数がｆから離れるに従って減少していく特性を示す。図７より、移動体を駆動可能な周波数はおよそ０．７５ｆ≦ｆｄ≦１．５ｆの範囲であるが、駆動効率を考慮すると、駆動周波数がｆのときの速度（最大速度）に対して５０％以上の速度が得られる０．８ｆ≦ｆｄ≦１．４ｆの範囲で駆動させることが望ましい。
【００５２】
次に、表２に示される本発明による駆動方法における圧電アクチュエータと、表１に示される従来の駆動方法における圧電アクチュエータとで、アクチュエータにおける突入電流、消費電流および消費電力を測定した結果について示す。アクチュエータへの入力電圧は両者とも±３Ｖとした。また、駆動周波数ｆｄは数１においてｎ＝１およびｍ＝３とした場合に相当する８０ｋＨｚとした。表３には、本発明によるアクチュエータに対する突入電流、消費電流および消費電力と、従来方法による突入電流、消費電流および消費電力とが比較して示されている。表３からも明らかなように、本発明法によれば従来方法に比較して突入電流において１９．０％、消費電流において２２．４％、消費電力において１６．５％低減されていることがわかる。
【００５３】
このように、本発明に係る圧電アクチュエータの駆動回路部２０は、断続的に変化する不連続な電圧波形を圧電素子１に供給することによりアクチュエータを駆動するので、連続的に変化する電圧パルスを印加する従来技術に比較して、消費電力を低減することができる。
【００５４】
【表３】
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【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、携帯電話等の携帯端末に使用される光学系を駆動する圧電アクチュエータだけでなく、精密ステージを駆動する圧電アクチュエータや磁気ヘッドを駆動する圧電アクチュエータ等にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に係る圧電アクチュエータの構造を示す図である。
【図２】図１に示された圧電アクチュエータの通常の駆動方法を説明するための図である。
【図３】本発明において使用されるスイッチ回路の構成を説明する図である。
【図４】本発明による駆動方式におけるスイッチ回路の出力電圧波形とアクチュエータの消費電流との関係を示す図である。
【図５】本発明による駆動方式におけるスイッチ回路の出力電圧波形と圧電素子の変位との関係を示す図である。
【図６】本発明による駆動方式におけるスイッチ回路の出力電圧波形と圧電素子の変位との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例に係る圧電アクチュエータの駆動周波数と移動体速度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  圧電素子
２  磁石
３  移動リング
４  移動体
５  支持部材（ハウジング）
６  ガイドピン
１０  アクチュエータ部
２０  駆動回路部
２１  制御回路
２２  スイッチ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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