(57)【要約】【課題】アクチュエータを安定した出力にて駆動すると共に、出力低下を招くことなく軸ロック時の素子の過大振動を防止する。【解決手段】電極11の両側面に圧電セラミックス12a,12bを取り付ける。圧電セラミックス12aの外側面には駆動用電極13が、圧電セラミックス12bの外側面には駆動用電極13と振幅検知用電極14が取り付けられる。振幅検知用電極14は駆動体６の変形に伴い所定電圧を出力する。回転軸がロックされていない状態で出力が最大となる駆動体６の振幅Ｚを求め、これに対応する電極14からの出力電圧値を目標値として設定する。アクチュエータ駆動時は、出力電圧値と目標値とを比較し、出力電圧値が目標値となるように電極13に対する入力周波数を制御する。電極14の出力電圧が目標値を超えた場合は、電極13に対する入力電圧の周波数を変化させて駆動体６の変形量を減少させ、共振による過大な振幅を回避する。【選択図】図３
2005204394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部材に取り付けられ、平板状の中心電極と、前記中心電極の両側面に取り付けられた圧電素子と、前記圧電素子に取り付けられた駆動用電極とを備える駆動体と、
前記圧電素子の少なくとも一方に取り付けられ、前記駆動体の変形に伴って所定の電圧を出力するセンサ用電極とを有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
軸部材に取り付けられ、平板状の中心電極と前記中心電極の両側面に取り付けられた圧電素子と前記圧電素子に取り付けられた駆動用電極とを備える駆動体と、前記圧電素子の少なくとも一方に取り付けられ前記駆動体の変形に伴って所定の電圧を出力するセンサ用電極とを有してなる圧電アクチュエータの制御方法であって、
前記駆動体の所定変形量に対応する前記センサ用電極の出力電圧を目標値として設定し、前記駆動用電極に対する入力電圧の周波数を前記目標値に基づいて制御することを特徴とする圧電アクチュエータ制御方法。
【請求項３】
請求項２記載の圧電アクチュエータの制御方法において、前記目標値は、前記軸部材がロックされていない状態において、前記圧電アクチュエータが最大の出力を発生させるときの前記駆動体の変形量に対応する前記センサ用電極の出力電圧値であることを特徴とする圧電アクチュエータ制御方法。
【請求項４】
請求項２または３記載の圧電アクチュエータの制御方法において、前記センサ用電極の出力電圧値が前記目標値を超えた場合は、前記駆動用電極に対する入力電圧の周波数を変化させて前記駆動体の変形量を減少させることを特徴とする圧電アクチュエータ制御方法。
【請求項５】
圧電素子を備えてなる軸部材に取り付けられた駆動体と、前記圧電素子に対し電圧を印加した場合に前記圧電素子を流れる電流量を検知する電流センサとを有してなる圧電アクチュエータ制御方法であって、
前記圧電素子に所定周波数の入力電圧を印加した場合の前記電流量を目標値として設定し、前記圧電素子に対する入力電圧の周波数を前記目標値に基づいて制御することを特徴とする圧電アクチュエータ制御方法。
【請求項６】
請求項５記載の圧電アクチュエータの制御方法において、前記目標値は、前記軸部材をロックした状態における前記駆動体の共振周波数付近にて当該圧電アクチュエータの出力が最大となる周波数の電圧を前記圧電素子に印加した場合に前記圧電素子を流れる電流量であることを特徴とする圧電アクチュエータ制御方法。
【請求項７】
請求項５または６記載の圧電アクチュエータの制御方法において、前記圧電素子を流れる電流量が前記目標値を超えた場合は、前記圧電素子に対する入力電圧の周波数を変化させて前記電流量を減少させることを特徴とする圧電アクチュエータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイモルフ圧電素子等の電気機械変換素子を使用した圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型の回転／揺動型アクチュエータとして、近年、電気機械変換素子の一種である圧電素子を用いたアクチュエータが開発され、その実用化が進められている。特に、小型のＣＣＤカメラ等のワイパ装置では、スペースやデザイン上の問題から、電磁モータに代えて、このような圧電素子を利用したアクチュエータの利用が進められている。
【０００３】
図１１は、圧電素子アクチュエータを用いたワイパ装置の構成を示す斜視図である。ワイパ装置５１では、ワイパブレード５２の内部に電気−機械変換素子の一つであるバイモルフ圧電素子を用いた駆動体５３が内蔵されている。駆動体５３は、薄い金属板の中心電極両面に圧電セラミックスを貼り合わせた構造となっており、防水性や絶縁性を確保するため、液状シリコンやエチレンプロピレンゴム（以下、ＥＰゴムと略記する）内にインサート成形されている。
【０００４】
駆動体５３は、液状シリコンやＥＰゴムにて形成された被覆部５４に覆われており、被覆部５４の下方には、払拭部５５が一体に形成されている。払拭部５５は、ＣＣＤカメラのレンズカバーガラス上に接触して水滴等の除去を行う。駆動体５３の一端側は回転軸５６に固定され、他端側は自由になっている。回転軸５６の内部は中空になっており、その中に駆動体５３の圧電素子に対して電力を供給するリード線（図示せず）が配線されている。また、回転軸５６には図示しない摩擦板等によって所定の回転抵抗力が付与されている。
【０００５】
駆動体５３の圧電素子には鋸歯状の波形を有する電圧が印加される。このときの圧電素子は印加電圧に応じて変位するが、鋸歯状電圧における電圧変化率の違いにより素子動作に緩急が生じ、回転軸５６に作用する慣性力に差異が生じる。この慣性力と回転軸５６の回転抵抗力との大小関係から、慣性力が大きいとき、すなわち、電圧変化率が大きいとき回転軸５６が回転抵抗力に打ち勝ってスリップし、回転軸５６が回動する。そして、この圧電素子に印加する鋸歯状電圧の形態を適宜調整することにより駆動体５３の移動速度や移動方向が制御され、ワイパブレード５２がレンズカバーガラス上にて揺動運動を行う。
【０００６】
一方、圧電素子の駆動電圧の周波数は、高出力が得られることから、回転軸５６を固定した場合における駆動体５３の共振周波数が使用される。図１２は回転軸５６をロックした場合の駆動体５３の振幅を示す説明図、図１３は駆動体５３への入力電圧周波数とロックトルクとの関係を示す説明図である。図１２に示すように、駆動体５３は、軸ロック時には約５００Hzにて共振し振幅が最大となる。そして、この共振周波数と同じ周波数の電圧を入力すると、図１３に示すように、アクチュエータのロックトルクは最大となり出力も最大となる。
【特許文献１】特願2001-293017号
【特許文献２】特願2001-335336号
【特許文献３】特願2002-110952号
【特許文献４】特願2002-8279号
【特許文献５】特願2002-350442号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような圧電アクチュエータでは、圧電素子への印加電圧や周波数の制御は行われるものの、圧電素子自体の振幅を把握していない。このため、回転軸５６が何らかの原因で固着したり氷着したりして軸がロックしてしまうと、駆動体５３の振幅が過大となるおそれがある。特に、駆動体５３の駆動電圧の周波数（以下、駆動周波数と略記する）として、軸ロック時の共振周波数又はその近傍の周波数を使用している場合、駆動体５３の振幅が非常に大きくなり、素子が損傷を受けるおそれがあるという問題があった。
【０００８】
これに対し、駆動周波数を軸ロック時の共振周波数とは異なる値に設定したり、軸がロックしても素子が破損しない程度の振幅となるように入力電圧を予め設定したりすれば、かかる共振による素子破損を防止することも可能である。ところが、前者の対策の場合、軸ロック時の共振周波数は雰囲気温度や経時等によって変化するため、駆動周波数と共振周波数との差が少ないと両者が一致する可能性が残存する。一方、両者の差を大きくすると、一致可能性は減少するが、ロックトルク（出力）が低下する。また、後者の対策では、入力電圧を低く抑えざるを得ないため、アクチュエータの出力が大幅に低下する。
【０００９】
本発明の目的は、アクチュエータを安定した出力にて駆動すると共に、出力低下を招くことなく軸ロック時の素子の過大振動を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の圧電アクチュエータは、軸部材に取り付けられ、平板状の中心電極と、前記中心電極の両側面に取り付けられた圧電素子と、前記圧電素子に取り付けられた駆動用電極とを備える駆動体と、前記圧電素子の少なくとも一方に取り付けられ、前記駆動体の変形に伴って所定の電圧を出力するセンサ用電極とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明にあっては、駆動体の変形に伴って所定の電圧を出力するセンサ用電極を設けたことにより、駆動体の振幅を随時検知することができる。このため、駆動体の振幅量が常に最適な値となるように駆動用電極に対する入力を制御できる。従って、駆動体の振幅量が安定し、圧電アクチュエータの出力が安定する。また、軸部材がロックし振幅が急増した場合もそれを速やかに検出でき、過大振幅を回避すべく駆動用電極に対する入力を制御できる。このため、軸部材がロックしても駆動体の振幅が過大となることがなく、異常発生時おける素子破損が防止され、装置の信頼性向上が図られる。
【００１２】
また、本発明の圧電アクチュエータ制御方法は、軸部材に取り付けられ、平板状の中心電極と前記中心電極の両側面に取り付けられた圧電素子と前記圧電素子に取り付けられた駆動用電極とを備える駆動体と、前記圧電素子の少なくとも一方に取り付けられ前記駆動体の変形に伴って所定の電圧を出力するセンサ用電極とを有してなる圧電アクチュエータの制御方法であって、前記駆動体の所定変形量に対応する前記センサ用電極の出力電圧を目標値として設定し、前記駆動用電極に対する入力電圧の周波数を前記目標値に基づいて制御することを特徴とする。
【００１３】
本発明にあっては、駆動体の変形に伴って所定の電圧を出力するセンサ用電極を設け、その出力電圧に目標値を設定し、駆動用電極に対する入力電圧の周波数をこの目標値に基づいて制御するようにしたので、駆動体の振幅が常に最適な値となるように駆動用電極に対する入力を制御できる。従って、駆動体の振幅量が安定し、圧電アクチュエータの出力が安定する。また、軸部材がロックし振幅が急増した場合も、出力電圧が目標値となるように速やかに駆動用電極への入力が制御され、過大振幅が回避される。このため、軸部材がロックしても駆動体の振幅が過大となることがなく、異常発生時おける素子破損が防止され、装置の信頼性向上が図られる。
【００１４】
前記圧電アクチュエータ制御方法において、前記目標値として、前記軸部材がロックされていない状態において、前記圧電アクチュエータが最大の出力を発生させるときの前記駆動体の変形量に対応する前記センサ用電極の出力電圧値を設定しても良い。また、前記制御方法において、前記センサ用電極の出力電圧が前記目標値を超えた場合は、前記駆動用電極に対する入力電圧の周波数を変化させて前記駆動体の変形量を減少させるようにしても良い。
【００１５】
一方、本発明の他の圧電アクチュエータ制御方法は、圧電素子を備えてなる軸部材に取り付けられた駆動体と、前記圧電素子に対し電圧を印加した場合に前記圧電素子を流れる電流量を検知する電流センサとを有してなる圧電アクチュエータの制御方法であって、前記圧電素子に所定周波数の入力電圧を印加した場合の前記電流量を目標値として設定し、前記圧電素子に対する入力電圧の周波数を前記目標値に基づいて制御することを特徴とする。
【００１６】
本発明にあっては、圧電素子における入力周波数とインピーダンスとの関係に着目し、圧電素子に所定周波数の入力電圧を印加した場合の電流量を目標値として設定し、圧電素子に対する入力電圧の周波数をこの目標値に基づいて制御するようにしたので、駆動体の振幅が常に最適な値となるように圧電素子に対する入力を制御できる。従って、駆動体の振幅量が安定し、圧電アクチュエータの出力が安定する。また、電流値検出により、圧電素子への入力電圧周波数が共振周波数に近付かないように制御できるため、軸部材がロックしても駆動体の振幅が過大となることがなく、異常発生時おける素子破損が防止され、装置の信頼性向上が図られる。
【００１７】
前記圧電アクチュエータ制御方法において、前記目標値として、前記軸部材をロックした状態における前記駆動体の共振周波数付近にて当該圧電アクチュエータの出力が最大となる周波数の電圧を前記圧電素子に印加した場合に前記圧電素子を流れる電流量を設定しても良い。また、前記制御方法において、前記圧電素子を流れる電流量が前記目標値を超えた場合は、前記圧電素子に対する入力電圧の周波数を変化させて前記電流量を減少させるようにしても良い。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の圧電アクチュエータによれば、平板状の電極の両側面に駆動用電極を取り付けた駆動体を備える圧電アクチュエータに、駆動体の変形に伴って所定の電圧を出力するセンサ用電極を設けたので、駆動体の振幅を随時検知することが可能となる。このため、駆動体の振幅量が常に最適な値となるように駆動用電極に対する入力を制御でき、駆動体の振幅量を安定させ、圧電アクチュエータの出力の安定化を図ることが可能となる。また、駆動体を取り付けた軸部材がロックし振幅が急増した場合もそれを速やかに検出することが可能となる。このため、過大振幅を回避すべく駆動用電極に対する入力を制御でき、軸部材がロックしても駆動体の振幅が過大となることがなく、異常発生時おける素子破損が防止され、装置の信頼性向上を図ることが可能となる。
【００１９】
本発明の圧電アクチュエータ制御方法によれば、駆動体の変形に伴って所定の電圧を出力するセンサ用電極を設け、その出力電圧に目標値を設定し、駆動用電極に対する入力電圧の周波数をこの目標値に基づいて制御するようにしたので、駆動体の振幅が常に最適な値となるように駆動用電極に対する入力を制御でき、駆動体の振幅量を安定させ、圧電アクチュエータの出力の安定化を図ることが可能となる。また、駆動体を取り付けた軸部材がロックし振幅が急増した場合も、出力電圧が目標値となるように速やかに駆動用電極への入力を制御することができ、過大振幅を回避することが可能となる。このため、軸部材がロックしても駆動体の振幅が過大となることがなく、異常発生時おける素子破損が防止され、装置の信頼性向上が図られる。
【００２０】
本発明の他の圧電アクチュエータ制御方法によれば、圧電素子に所定周波数の入力電圧を印加した場合の電流量を目標値として設定し、圧電素子に対する入力電圧の周波数をこの目標値に基づいて制御するようにしたので、駆動体の振幅が常に最適な値となるように圧電素子に対する入力を制御でき、駆動体の振幅量を安定させ、圧電アクチュエータの出力の安定化を図ることが可能となる。また、電流値検出により、圧電素子への入力電圧周波数が共振周波数に近付かないように制御できるため、軸部材がロックしても駆動体の振幅が過大となることがなく、異常発生時おける素子破損が防止され、装置の信頼性向上が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の実施例１である圧電アクチュエータを使用したワイパ装置の構成を示す断面図である。図１のワイパ装置１は、自動車のサイドバンパーやフロントグリル内などに設置されるＣＣＤカメラに取り付けられる。ワイパ装置１には、回転軸（軸部材）２を中心に揺動するゴム製のワイパブレード３が取り付けられている。ワイパブレード３は、ＣＣＤカメラの筐体４のガラス面５上にて揺動運動し、面上の水滴や埃を除去する。
【００２３】
このようなワイパ装置１は、例えば、自動車のフロントガラスやリアガラス等に取り付けられたＣＣＤカメラ用として設置される。クリアなＣＣＤ画像を確保するため、ＣＣＤカメラはフロントワイパやリアワイパの払拭範囲に設置されることが多いが、その分、設置場所の制約等を受ける。図２は、ワイパ装置１を自動車のリアガラス３１に取り付けた状態を示す説明図である。この場合、ＣＣＤカメラの視界のみを払拭することでカメラ画像により後方視界確保が可能となり、従来の雨天時等の後方視界確保のために用いられていた長さ数百mm程度のリアワイパの必要性はなくなる。
【００２４】
ワイパブレード３は、電気−機械変換素子の一つであるバイモルフ圧電素子を用いた圧電アクチュエータ１０の駆動体６に取り付けられている。駆動体６の一端側は回転軸２に固定され、他端側は自由になっている。回転軸２の内部は中空になっており、その中に駆動体６の圧電素子に対し電力を供給するリード線（図示せず）が配線されている。リード線は図示しない圧電ワイパドライバと接続されている。
【００２５】
回転軸２は、筐体４に回転自在に取り付けられる。回転軸２と筐体４との間にはゴム製のリップシール７が設けられ、これにより筐体４内の防水性が確保される。回転軸２は、筐体４に固定された軸受部８にて支持される。軸受部８はリング状に形成され、ねじ９の締め付け力により回転軸２を挟持する。回転軸２には軸受部８によって回転抵抗力（摩擦力）が付与される。
【００２６】
駆動体６はバイモルフ圧電素子構造となっており、薄い金属板の中心電極１１（以下、電極１１と略記する）両面に圧電セラミックス（圧電素子）１２を貼り合わせた構成となっている。図３は駆動体６の構成を示す説明図であり、(a)はその側面図、(b)は平面図、(c)は(a)におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。図３(a)(c)に示すように、当該駆動体６では、中心電極１１の両側面に圧電セラミックス１２ａ,１２ｂが取り付けられている。圧電セラミックス１２ａの側面（Ａ面側）には駆動用電極１３が、圧電セラミックス１２ｂの側面（Ｂ面側）には駆動用電極１３と振幅検知用電極（センサ用電極）１４が取り付けられている。駆動用電極１３には、リード線を介して鋸歯状の電圧が印加される。一方、振幅検知用電極１４はコントローラに接続され、Ｂ面側の圧電セラミックス１２ｂの変形に応じて出力される信号の電圧値が検出される。
【００２７】
駆動体６は、圧電セラミックス１２ａ,１２ｂに電圧を印加すると、図３(b)に示すように振幅Ｚにて湾曲する。一方、圧電セラミックス１２ｂからはその変形に伴い電圧が発生する。圧電セラミックス１２ｂからの出力電圧値は駆動体６の変位量に従って変化する。このため、その電圧値を検出することにより、圧電セラミックス１２ｂの変位量、すなわち、駆動体６の振幅を検出できる。そこで、当該圧電アクチュエータ１０では、駆動用電極１３に加えて、変位検知用の振幅検知用電極１４によりセンサ部を形成しその出力に基づいて駆動体６の振幅をモニタできるようになっている。
【００２８】
このような駆動体６は、次のようにして回転軸２を中心とした揺動運動を行う。図４は駆動体６の圧電素子に印加される電圧の波形を示す説明図、図５は図４の電圧が印加された場合の駆動体６の挙動を示す説明図である。ここでは、ワイパブレード３は、＋電圧のときには図５において右方に変位し、−電圧のときには図中左方に変位する。
【００２９】
図４のように印加電圧を変化させると、まず図４の（１）のときは電圧は±０であり、駆動体６は初期位置Ｐ0にて停止状態にある。次に、図４（２）の状態に電圧を変化させると、＋電圧であることから、図５（１→２）のように駆動体６は右方に変位する。その後、図４の（２→３）のように電圧が＋から−に変化させると、駆動体６もまたそれに応じて図５（２→３）のように左方に変位する。
【００３０】
この場合、図４の（２→３）の電圧変化が急激であるため、図４（１→２）のようにゆっくりと電圧が変化する場合とでは駆動体６の変形速度に差が生じる。すなわち、（１→２）では駆動体６はゆっくりと曲がり、（２→３）では急激に曲がる。その際、駆動体６には、その重量によってその場に残ろうとする慣性力が発生する。そして、駆動体６の変形速度差から、（１→２）のときの慣性力よりも（２→３）のときの慣性力の方が大きくなる。
【００３１】
この慣性力に対しては、回転軸２に付与される回転抵抗力が作用する。すなわち、駆動体６の変形に伴い慣性力と摩擦力とが対抗する形となる。当該アクチュエータでは、回転抵抗力Ｆrが、（１→２）のときの慣性力Ｆ12よりも大きく、（２→３）のときの慣性力Ｆ23よりも小さくなるよう設定されている（Ｆ12＜Ｆr＜Ｆ23）。従って、（１→２）の場合の慣性力Ｆ12は、回転抵抗力Ｆrによって打ち消される形となり、駆動体６は電圧値に応じた角度だけゆっくりと変位するが、回転軸２は回転しない。これに対して、（２→３）の場合には、慣性力Ｆ23は、回転抵抗力Ｆrによって打ち消されない。このため、駆動体６が電圧変化に伴い急激に反対方向へに変位するに伴い、慣性力Ｆ23によって回転軸２が駆動体６の変形方向と逆の方向に回転する。
【００３２】
鋸歯状の印加電圧では、図４（２）→（３）にて急激に電圧が変化した後、（３）→（４）では電圧が徐々に＋側へと変化し、駆動体６は、電圧変化に合わせて、図５（３→４）のように右方に変位する。この場合は、電圧変化率が小さいため、駆動体６の慣性の影響は小さく、電圧に応じた変位量だけ駆動体６が右方に変位するものの回転軸２は回転しない。電圧が図４（４）に至ると、電圧は再び急変して（５）に至る。このときも前述のように、駆動体６の変形の速度差に基づき大きな慣性力が発生し、それにより回転軸２が反時計方向に回転する。
【００３３】
このように鋸歯状電圧を印加すると、駆動体変形の速度差に基づく慣性力の働きにより、駆動体６は図５のように徐々に右方へと移動し、反時計回りに回転する。図５において線分Ｑは、１往復振動後における駆動体６の中心位置を示しており、図５の（２→３），（４→５）に示すように、駆動体６の振動と共にこの線分Ｑも右方へ移動していることが分かる（Ｑ1→Ｑ2）。なお、図５における一点鎖線Ｐ0は、図４（１）の場合の駆動体６の位置（初期位置）を示している。
【００３４】
すなわち、駆動体６は、ゆっくり曲げて急激に戻す動作の繰り返しにより、ゆっくり曲げたときの変位側に自走する。そして、電圧変化を図４とは逆に、ゆっくりと−側へと変化させ、急激に＋側へと変化させることにより、駆動体６は図５において左方（時計回り）に回転することになる。従って、電圧変化パターンの切り換えにより、駆動体６を適宜往復動させることができ、その際に電磁モータやリンク機構は不要である。
【００３５】
一方、ワイパ装置１では、駆動体６の振幅が一定範囲内となるように鋸歯状電圧の周波数が制御される。図６は、圧電アクチュエータ１０の制御手順を示すフローチャートである。ここでは、圧電アクチュエータ１０が駆動されると（ステップＳ１）、鋸歯状電圧が駆動用電極１３を介して駆動体６の圧電セラミックス１２ａ,１２ｂに印加される（ステップＳ２）。次に、圧電アクチュエータ１０の駆動継続の有無が判断され（ステップＳ３）、駆動継続が不要の場合にはステップＳ９に進み、鋸歯状電圧の入力を停止しルーチンを抜ける。
【００３６】
駆動継続の必要がある場合には、ステップＳ３からステップＳ４に進み、振幅検知用電極１４（センサ部）からの出力を検出する。前述のように、圧電セラミックス１２ｂからは変位に応じた電圧が出力されている。そこで、回転軸２がロックしていない状態で圧電アクチュエータ１０の出力が最大となる駆動体６の振幅値を予め求めておき、それに対応する振幅検知用電極１４からの出力電圧値を目標値として設定する。そして、ステップＳ５では、この目標値と振幅検知用電極１４からの現在の出力電圧値とを比較する（ステップＳ５）。
【００３７】
検出電圧値が目標値となっている場合は、駆動体６の振幅値が目標に達していると判断され、ステップＳ２に戻りその周波数での駆動が持続される。これに対し、検出電圧値が目標値以外の場合は、ステップＳ６に進み、検出電圧値と目標値との大小関係が判断される。検出電圧値が目標値以下の場合は、駆動体６の振幅値が目標に達していない、すなわち、圧電アクチュエータ１０の出力が最大となっていないと判断できる。そこで、ステップＳ７に進み、周波数を変更して出力電圧値が目標値に近付くように制御を行う。なお、ここでは、鋸歯状電圧は高周波数側から入力を開始し、振幅検知用電極１４からの出力電圧値が目標値となるように（駆動体６が目標となる振幅値となるように）、周波数を変更する。従って、ステップＳ７では、周波数を減少させる処理を行い、ステップＳ２に戻り改めてその周波数の鋸歯状電圧が印加される。
【００３８】
一方、検出電圧値が目標値よりも大きい場合は、駆動体６の振幅が想定よりも大きい場合を示している。この場合、圧電アクチュエータ１０の出力が最大とならないのみならず、回転軸２がロックし、駆動体６の振幅が過大となっている可能性もある。前記目標値を目指して制御を行っている場合に何らかの原因によって回転軸２がロックすると、入力電圧の周波数が軸ロック時の共振周波数近傍である場合、駆動体６の振幅が急激に増大し、過大振動により素子が損傷するおそれがある。図１２,１３に示したように、圧電アクチュエータ１０の出力が最大となるのは、軸ロック時の共振周波数を駆動体６に入力した場合であり、目標値による制御の場合は、入力電圧が共振周波数近傍となる可能性が高い。
【００３９】
そこで、圧電アクチュエータ１０では、ステップＳ６にて目標値よりも大きい検出電圧値が検出されたときは共振発生と推定してステップＳ８に進み、速やかに周波数の変更を行う。つまり、入力電圧の周波数が共振周波数から外れるように制御する。この場合、ステップＳ８では、入力電圧の周波数を共振周波数から迅速に遠ざけることが肝要であり、周波数は高低何れの側に変更しても良い。なお、高周波数側から周波数を減少制御しているときには、周波数を増加させる方が容易に共振周波数から遠ざけることができる場合が多い。そして、ステップＳ８にて周波数変更処理を行い、ステップＳ２に戻り、改めて共振周波数を外した周波数の鋸歯状電圧が印加される。これにより、回転軸２がロックして駆動体６の振幅が過大となっている場合でも、振幅が減少し素子の損傷が防止される。
【００４０】
このように、当該圧電アクチュエータ１０では、回転軸２がロックしていない場合における最大出力時の素子振幅値を予め把握しておき、駆動時は常に振幅検知用電極１４からの出力電圧値に基づいて駆動体６の振幅値を検知し、その振幅量が常に最適な値となるように入力電圧の周波数をフィードバック制御する。これにより、駆動体６の振幅量が出力最大時の値に保持され、安定した出力確保が可能となる。また、回転軸２がロックすると振幅が急増するが、かかる事態も振幅検知用電極１４の出力電圧値から検出可能であり、過大な振幅を検知したら、それを回避すべく入力電圧の周波数を制御する。このため、回転軸２がロックしても駆動体６の振幅が過大となることがなく、異常発生時おける素子破損が防止され、装置の信頼性向上が図られる。
【実施例２】
【００４１】
次に、実施例２として、駆動体６に流れる電流値を用いた制御形態について説明する。図７は実施例２の制御形態が適用される圧電アクチュエータ２０における駆動体２１の構成を示す説明図であり、(a)はその側面図、(b)は(a)におけるＹ−Ｙ線に沿った断面図である。実施例２の圧電アクチュエータ２０は、駆動体２１の部分が実施例１とは異なっており、そのほかの部分は実施例１の圧電アクチュエータ１０と同様である。従って、実施例２においては、実施例１と同様の部材、部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００４２】
図７(a)(b)に示すように、駆動体２１では、電極１１のＡ面側，Ｂ面側共に同一仕様となっており、圧電セラミックス（圧電素子）１２が１枚ずつ取り付けられている。また、圧電セラミックス１２の外側には、駆動用電極１３がそれぞれ取り付けられている。各駆動用電極１３に対しては前述同様、鋸歯状電圧が印加される一方、そこに流れる電流値が電流センサ２２によって検出される。なお、電流センサ２２は、両方の駆動用電極１３に設ける必要はなく、何れか一方にのみ設けても良い。
【００４３】
図８は、バイモルフ圧電素子に一定の電位差となる交流電圧を入力し、周波数を変えたときの素子のインピーダンス特性を示す説明図である。図８に示すように、バイモルフ圧電素子では、入力周波数が共振周波数のとき極小値を示す。圧電アクチュエータ２０の駆動時は、圧電セラミックス１２のインピーダンス成分が支配的であり、素子に流れる電流値は概ね図８に波線にて示したように変化する。従って、この電流値を検出することにより、駆動体２１における共振発生が推定でき、これを利用して圧電アクチュエータ２０の制御を行うことができる。
【００４４】
図９は、圧電アクチュエータ２０の制御手順を示すフローチャートである。ここでも、実施例１の場合と同様、圧電アクチュエータ２０が駆動されると（ステップＳ１１）、鋸歯状電圧が印加され（ステップＳ１２）、駆動継続の有無が判断される（ステップＳ１３）。駆動継続が不要の場合には、ステップＳ１９に進み鋸歯状電圧の入力を停止しルーチンを抜ける。
【００４５】
駆動継続の必要がある場合には、ステップＳ１３からステップＳ１４に進み、圧電セラミックス１２に流れる電流値を検出する。圧電セラミックス１２には、軸ロック時の共振周波数付近のアクチュエータ出力が最大となる周波数（Ｆ0）を目標として鋸歯状電圧が入力されている。電流値は、図９に示すように、入力電圧の周波数に従って変化する。そこで、目標とした周波数のときの電流値ｉ0を目標値とし、この目標値と圧電セラミックス１２の現在の電流値とを比較する（ステップＳ１５）。
【００４６】
検出電流値が目標値となっている場合は、ステップＳ１２に戻りその周波数での駆動が持続される。これに対し、検出電流値が目標値以外の場合は、ステップＳ１６に進み、検出電流値と目標値との大小関係が判断される。検出電流値が目標値以下の場合は、ステップＳ１７に進み、周波数を変更して出力電圧値が目標値に近付くように制御を行う。ここでも、鋸歯状電圧は高周波数側から入力を開始し、検出電流値が目標値となるように周波数を変更する。従って、ステップＳ１７では、周波数を減少させる処理を行い、ステップＳ１２に戻り改めてその周波数の鋸歯状電圧が印加される。
【００４７】
一方、検出電流値が目標値ｉ0よりも大きい場合は、周波数が想定よりも共振周波数に近付いている場合を示している。この場合、回転軸２がロックすると、駆動体６の振幅が過大となるおそれがある。そこで、圧電アクチュエータ２０では、ステップＳ１６にて目標値よりも大きい検出電流値が検出されたときは、入力電圧が共振周波数近傍となっていると推定してステップＳ１８に進み、速やかに周波数の変更を行う。つまり、入力電圧の周波数が共振周波数から外れるように制御する。この場合、ステップＳ１８では、周波数は高低何れの側に変更しても良いが、高周波数側から周波数を減少制御している場合には、周波数を増加させる方が容易に共振周波数から遠ざけることができる。
【００４８】
ステップＳ１８にて周波数を変更させる処理を行った後、ステップＳ１２に戻り、改めて共振周波数を外した周波数の鋸歯状電圧が印加される。これにより、回転軸２がロックしても駆動体６の振幅が過大となるのを避けることができ、素子の損傷が防止される。
【００４９】
このように、当該圧電アクチュエータ２０では、圧電セラミックス１２に対する入力電圧の周波数とインピーダンスとの関係に着目し、駆動時に素子を流れる電流値を予め測定し、その値を目標値に設定する。そして、駆動時は常に圧電セラミックス１２の電流値を検知し、その値が目標値となるように入力電圧の周波数をフィードバック制御する。これにより、駆動体６に対する入力電圧の周波数が目標値近傍に保持され、安定した出力確保が可能となる。また、回転軸２がロックし急激に電流が増加した場合でも、フィードバック制御により周波数が共振周波数から遠ざけられ、振幅が過大となることがなく、異常発生時おける素子破損が防止され、装置の信頼性向上が図られる。
【００５０】
本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、実施の形態１の圧電アクチュエータ１０では、Ａ面側に駆動用電極１３、Ｂ面側に駆動用電極１３と振幅検知用電極１４を配する構成としたが、図１０のように、両側に振幅検知用電極１４を配しても良い。なお、実施例１の場合も含め、駆動用とセンサ用の圧電素子の上下関係は特に限定されない。このように振幅検知用電極１４を配すると、左右対称構造となるため、湾曲時のバランスが良く、振動状態も安定する。
【００５１】
また、実施例１においては、駆動体６の湾曲量を振幅検知用電極１４からの出力を用いて検出する構成を示したが、要は、圧電素子の振幅が検出できれば良く、例えば、実施例２のような構成の駆動体２１において、圧電セラミックス１２の少なくとも何れか一方にひずみゲージを貼付してその変位を検出しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施例１である圧電アクチュエータを使用したワイパ装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明によるワイパ装置を自動車のリアガラスに取り付けた状態を示す説明図である。
【図３】図１の圧電アクチュエータにおける駆動体の構成を示す説明図であり、(a)はその側面図、(b)は平面図、(c)は(a)におけるＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図４】駆動体の圧電セラミックスに印加される電圧の波形を示す説明図である。
【図５】図４の電圧が印加された場合の駆動体の挙動を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例１である圧電アクチュエータの制御手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施例２である制御形態が適用される圧電アクチュエータにおける駆動体の構成を示す説明図であり、(a)はその側面図、(b)は(a)におけるＹ−Ｙ線に沿った断面図である。
【図８】バイモルフ圧電素子に一定の電位差となる交流電圧を入力し、周波数を変えたときの素子のインピーダンス特性を示す説明図である。
【図９】本発明の実施例２である圧電アクチュエータの制御手順を示すフローチャートである。
【図１０】実施例１の圧電アクチュエータにおける駆動体の一変形例の構成を示す断面図である。
【図１１】圧電素子アクチュエータを用いたワイパ装置の構成を示す斜視図である。
【図１２】図１１の圧電素子アクチュエータにおいて回転軸をロックした場合の駆動体の振幅を示す説明図である。
【図１３】図１１の圧電素子アクチュエータにおける駆動体への入力電圧周波数とロックトルクとの関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    ワイパ装置
２    回転軸（軸部材）
３    ワイパブレード
４    筐体
５    ガラス面
６    駆動体
７    リップシール
８    軸受部
９    ねじ
１０    圧電アクチュエータ
１１    中心電極
１２    圧電セラミックス
１２ａ,１２ｂ    圧電セラミックス
１３    駆動用電極
１４    振幅検知用電極（センサ用電極）
２０    圧電アクチュエータ
２１    駆動体
２２    電流センサ
３１    リアガラス
３２    リアワイパ
５１    ワイパ装置
５２    ワイパブレード
５３    駆動体
５４    被覆部
５５    払拭部
５６    回転軸
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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