(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の駆動ブロックと、前記駆動ブロックからＵ字型の穴によって切り出された一端固定他端自由の梁部を有し一方の面に駆動用とセンシング用の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備える圧電アクチュエータにおいて、
前記変位機構部に貼設された駆動用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た圧電アクチュエータ。
【請求項２】
平板状の駆動ブロックと、前記駆動ブロックからＵ字型の穴によって切り出された一端固定他端自由の梁部を有し一方の面に駆動用とセンシング用の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備える圧電アクチュエータにおいて、
前記変位機構部に貼設された駆動用圧電素子に供給する交流電圧よりも低い周波数の交流電圧を、前記変位機構部に貼設されたセンシング用圧電素子に供給する低周波交流発生手段を有することを特徴とした圧電アクチュエータ。
【請求項３】
平板状の駆動ブロックと、前記駆動ブロックからＵ字型の穴によって切り出された一端固定他端自由の梁部を有し一方の面に駆動用とセンシング用の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備える圧電アクチュエータにおいて、
前記変位機構部に貼設された駆動用圧電素子に供給する交流電圧よりも低い周波数の交流電圧を、前記変位機構部に貼設されたセンシング用圧電素子により発電された電圧に重畳する重畳回路を含むセンシング回路を有することを特徴とした圧電アクチュエータ。
【請求項４】
センシング用圧電素子により発電された電圧の振幅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した、請求項１または請求項２または請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
センシング用圧電素子により発電された電圧の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した、請求項１または請求項２または請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
駆動用圧電素子とセンシング用圧電素子が同一であり、前記圧電素子に前記駆動回路と前記センシング回路を選択的に接続するための切替手段を有することを特徴とした、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
移動体が回転移動体であることを特徴とした、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【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。
【０００３】
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体を構成し、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【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。
【０００７】
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、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を検出する必要がある。
【０００８】
しかし、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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記に鑑みてなされたものであって、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を目的とする。
【００１０】
上述の目的を達成するために、本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駆動用とセンシング用の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備える圧電アクチュエータにおいて、前記変位機構部に貼設された駆動用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】
または、上述の目的を達成するために、本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駆動用とセンシング用の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備える圧電アクチュエータにおいて、前記変位機構部に貼設された駆動用圧電素子に供給する交流電圧よりも低い周波数の交流電圧を、前記変位機構部に貼設されたセンシング用圧電素子に供給する低周波交流発生手段を有するか、あるいは、低い周波数の交流電圧を、前記変位機構部に貼設されたセンシング用圧電素子により発電された電圧に重畳する重畳回路を含むセンシング回路を有することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明の圧電アクチュエータにおいては、前記センシング用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している。
【００１３】
さらに、本発明の圧電アクチュエータにおいては、駆動用圧電素子とセンシング用圧電素子を同一とし、前記圧電素子に前記駆動回路と前記センシング回路を選択的に接続するための切替手段を有することを特徴としている。
【００１４】
【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は本発明における駆動回路とセンシング回路の構成を示す構成図、図５は本発明の駆動用圧電素子に供給される電圧とセンシング用圧電素子の検出状態の関係を説明するための説明図、図９および図１０は本発明における駆動回路とセンシング回路の他の構成の例を示す構成図である。
【００１５】
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１０６によって自由端を有する変位機構部１０３が形成されている。変位機構部１０３には駆動用圧電素子１０４とセンシング用圧電素子１０８が貼設されており、駆動用圧電素子１０４の貼設面とは反対の面には電極１０５が設けられており、電線等を通して駆動回路１１１に接続され、また、センシング用圧電素子１０８の貼設面とは反対の面には電極１０９が設けられており、電線等を通してセンシング回路１１２に接続されている。駆動ブロック１０１の駆動用圧電素子１０４とセンシング用圧電素子１０８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１０７を通して接地されている。駆動回路１１１とセンシング回路１１２は制御回路１１３に接続されており、制御回路１１３は接点１１４を通して接地されている。
【００１６】
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１０６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）薄膜からなる駆動用圧電素子１０４が貼設されており、駆動用圧電素子１０４に交流電圧が印加されると駆動用圧電素子１０４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、この伸縮力は駆動用圧電素子１０４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。
【００１７】
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。
【００１８】
図１および図２において、変位機構部１０３には、駆動用圧電素子１０４と並べてセンシング用圧電素子１０８が貼設されている。変位機構部１０３が屈曲運動をすると、その屈曲運動はセンシング用圧電素子１０８に応力を発生させるため、センシング用圧電素子１０８は電圧を発生する。センシング用圧電素子１０８には、駆動用圧電素子１０４と同様にＰＺＴ、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ることができる。
【００１９】
図４は図１における駆動回路１１１、センシング回路１１２、制御回路１１３の構成をより詳しく示している。駆動回路１１１は駆動制御手段６０５によりＶＣＯ等の交流発生手段６０３と変調周波数発生手段６０４が制御され、それぞれによって発生した信号は重畳手段６０２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６０１により増幅され出力端子６１０から出力される。センシング回路１１２は入力端子６１１から入力された信号を増幅手段６０６で増幅され検出手段６０７に入力される。検出手段６０７の出力と駆動制御手段６０５の制御信号は制御回路１１３のＩ／Ｏ手段６０８に接続されており、ＣＰＵ等の演算手段６０９により制御可能になっている。
【００２０】
図５は図１における駆動回路１１１の出力信号と、センシング回路１１２の検出波形を示している。図５（ａ）は、駆動用圧電素子１０４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６０３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６０４によって発生された周波数の信号が重畳手段６０２によって重畳された信号波形となっており、増幅手段６０１で増幅された実際の駆動用電圧は図５（ｂ）で示されるような波形となり、駆動用圧電素子１０４に入力される。入力された波形７０２によって駆動用圧電素子１０４は変位機構部１０３を振動させるが、入力された波形７０２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１０３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。この振動の状態はセンシング用圧電素子１０８で検出でき、検出した振幅の例を図５（ｃ）に示す。変位機構部１０３が共振点付近で大きな振動をしているときはセンシング用圧電素子１０８で検出される振幅は７０５のように大きくなるが、共振点をはずれたときはセンシング用圧電素子１０８で検出される振幅は小さくなる。これにより制御回路１１３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５（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５（ｃ）では、センシング用圧電素子１０８で発電された電圧の振幅を検出する例を示したが、図５（ｄ）のようにセンシング用圧電素子１０８で発電された交流電圧の位相が駆動用圧電素子１０４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。センシング用圧電素子１０８で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。共振周波数は駆動用圧電素子１０４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。しかし本実施の形態によれば、駆動中に適時駆動用圧電素子１０４に入力する交流電圧に変調をかけることによって、センシング用圧電素子１０８の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１１３を通して駆動回路１１１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。
【００２１】
以上より明らかなように、駆動用圧電素子１０４を共振点付近で振動させるための交流電圧に、重畳手段６０２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、センシング用圧電素子１０８では、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。
【００２２】
ここまでは、駆動回路１１１、センシング回路１１２、制御回路１１３の構成として図４に示すように変調周波数を駆動用圧電素子１０４に加える例で説明しているが、低い周波数の信号は図９、または図１０の構成図に示されるように、センシング用圧電素子１０８、またはセンシング回路１１２に加えることもできる。
【００２３】
図９において駆動回路１１１は駆動制御手段８０５によりＶＣＯ等の交流発生手段８０３が制御され、発生した信号出力が増幅手段８０１により増幅され出力端子８１０から出力される。センシング回路１１２は、入力端子８１１から入力された信号を増幅手段８０６で増幅され検出手段８０７に入力されるが、入力端子８１１には制御回路１１３によって制御された低周波交流発生手段８０４によって発生した交流も同時に印加される。これによって、図５で説明したものと同様の検出が可能になる。
【００２４】
図１０において駆動回路１１１は駆動制御手段９０５によりＶＣＯ等の交流発生手段９０３が制御され、発生した信号出力が増幅手段９０１により増幅され出力端子９１０から出力される。センシング回路１１２は、入力端子９１１から入力された信号を増幅手段９０６で増幅され検出手段９０７に入力されるが、その間に制御回路１１３によって制御された低周波交流発生手段９０４によって発生した交流が重畳手段９０２によって重畳される。これによって、この構成においても図５で説明したものと同様の検出が可能になる。
【００２５】
以上のように駆動用圧電素子１０４に供給する交流電圧よりも低い周波数の交流電圧を、センシング用圧電素子１０８に供給する低周波交流発生手段８０４を有するか、または低い周波数の交流電圧を、センシング用圧電素子１０８により発電された電圧に重畳する重畳回路９０２を含むセンシング回路１１２を有することにより、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。
【００２６】
尚、本実施の形態の説明では単体の変位機構部１０３によって移動体１０２を移動させる場合を説明したが、変位機構部は複数あっても本発明の効果は全く同様であり、また、それら複数の変位機構部が異なった向きに配置されている場合においても本発明の効果は同様である。
【００２７】
また本実施の形態においては、駆動回路１１１、センシング回路１１２には、双方とも増幅手段６０１および６０６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い。また本実施の形態においては、制御回路１１３はＩ／Ｏ手段６０８と演算手段６０９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）
本実施の形態においては、実施の形態１において説明した圧電アクチュエータの変位機構部１０３の他の例について示している。
【００２８】
図６（ａ）は実施の形態１と同様の変位機構部１０３を表し、駆動用圧電素子１０４とセンシング用圧電素子１０８が平行に貼設されている。
【００２９】
しかし、駆動用圧電素子１０４は変位機構部１０３に振動力を与えられる構成であれば良く、またセンシング用圧電素子１０８は変位機構部１０３の振動が検知できる構成であれば良いため、図６（ｂ）のように駆動用圧電素子１０４とセンシング用圧電素子１０８を並べて貼設した変位機構部１０３を用いても、実施の形態１同様の効果が得られた。
【００３０】
さらに、センシング用圧電素子１０８を変位機構部１０３から離れた位地に貼設した図６（ｃ）のような変位機構部１０３を用いても、実施の形態１と同様の効果が得られた。
【００３１】
また、センシング用圧電素子１０８が機械振動を増幅して検知できるように、駆動用圧電素子１０４とは別の変位機構部１０３に貼設した図６（ｄ）においても、実施の形態１と同様の効果が得られた。
【００３２】
本実施の形態においては、４種類の変位機構部１０３の例に関して説明しているが、駆動用圧電素子１０４は変位機構部１０３に振動力を与えられる構成であり、またセンシング用圧電素子１０８は変位機構部１０３の振動が検知できる構成であれば他の構成でも同様の効果が得られることは言うまでも無い。
（実施の形態３）
図７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る。図７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２０６と２１６によって自由端を有する変位機構部２０３と２１３が形成されている。変位機構部２０３および２１３には、それぞれ圧電素子２０４，２１４が貼設されており、圧電素子２０４，２１４の貼設面とは反対の面には電極２０５，２１５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２２１，２２２に接続されている。駆動ブロック２０１の圧電素子２０４，２１４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２２７を通して接地されている。切替回路２２１，２２２には、それぞれ電極２３１，２３２，２３３および２３４，２３５，２３６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２０４，２１４に設けられたそれぞれの電極２０５，２１５と、駆動回路２２３またはセンシング回路２２４との接続を選択することができる。センシング回路２２４は制御回路２２５と接続され、信号を入力できる。駆動回路２２３は制御回路２２５により制御されるように接続されている。制御回路２２５は接点２２６を通して接地されている。
【００３３】
図７において、駆動ブロック２０１には実施の形態１と同様に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。また圧電素子２０４，２１４にはＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）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。
【００３４】
駆動回路２２３、センシング回路２２４、制御回路２２５は実施の形態１と同様に図４で示される構成とした。
【００３５】
本実施の形態においては、変位機構部２０３と２１３は逆の向きに構成されているため、移動体２０２を双方向に移動する事が可能である。したがって、移動体２０２をそれぞれの方向に移動させる時に用いる変位機構部は、それぞれ別の変位機構部となる。このため、本実施の形態においては、変位機構部２０３を用いて移動体２０２を移動させるとき、圧電素子２０４を駆動用圧電素子として用い、駆動用には使用しない圧電素子２１４をセンシング用圧電素子として用いる事ができる。移動体２０２を反対方向に移動させるときは、圧電素子２１４を駆動用圧電素子として用い、圧電素子２０４をセンシング用圧電素子として用いることができる。それぞれの圧電素子２０４，２１４と、駆動回路２２３、センシング回路２２４との接続は切替回路２２１，２２２によって切り替えることができる。
【００３６】
本実施の形態における駆動用圧電素子に供給される電圧と、センシング用圧電素子によって検出される信号は、実施の形態１と同様に図５によって示される。交流発生手段６０３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６０４によって発生された周波数の信号が重畳手段６０２によって重畳された信号波形となっており、増幅手段６０１で増幅された実際の駆動用電圧は図５（ｂ）で示されるような波形となり、切替回路２２１を経由して圧電素子２０４に入力される。入力された波形７０２によって圧電素子２０４は変位機構部２０３を振動させる。入力された波形７０２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２０３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。この振動の状態は変位機構部２１３に貼設された圧電素子２１４で検出できる。検出した振幅の例を図５（ｃ）に示す。変位機構部２０３が共振点付近で大きな振動をしているときは大きな振動が変位機構部２１３に伝達され、圧電素子２１４で検出される振幅は７０５のように大きくなるが、共振点をはずれたときは圧電素子２１４で検出される振幅は小さくなる。これにより制御回路２２５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。同一の構成で実施の形態１で説明したように位相を検出することも可能である。
【００３７】
以上より明らかなように、一方の圧電素子２０４または２１４を共振点付近で振動させるための交流電圧に、重畳手段６０２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、もう一方の圧電素子２０４または２１４では、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。さらに、本実施の形態においては、移動体２０２の移動方向によって、切替手段２２１および２２２を用いて圧電素子２０４，２１４を駆動用圧電素子とセンシング用圧電素子に切り替えて用いる事が可能なため、専用の構造は不要であるため、複雑な構成にすることなく共振周波数の追従が可能となる。
【００３８】
ここまでは、駆動回路２２３、センシング回路２２４、制御回路２２５の構成として図４に示すように変調周波数を駆動用圧電素子に供給する例で説明しているが、低い周波数の信号は図９、または図１０のの構成図に示されるように、センシング用圧電素子、またはセンシング回路に供給することもでき、その場合においても、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り、また、移動体２０２の移動方向によって、切替手段２２１および２２２を用いて圧電素子２０４，２１４を駆動用圧電素子とセンシング用圧電素子に切り替えて用いる事が可能なため、専用の構造は不要であるため、複雑な構成にすることなく共振周波数の追従が可能となる。
（実施の形態４）
図８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例を示す概略図である。
【００３９】
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３３１を有する回転移動体３０２と、軸突起部を通す穴３３２を有する振動体ブロック３０１と、振動体ブロック３０１を支持し、かつ軸突起部３３１を摺動回転可能なように支持する基盤シャーシ３３３から構成されている。
【００４０】
振動体ブロック３０１には自由端を有する変位機構部３０３と３１３が形成されている。変位機構部３０３および３１３には、それぞれ圧電素子３０４，３１４が貼設されており、圧電素子３０４，３１４の貼設面とは反対の面には電極３０５，３１５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３２１，３２２に接続されている。回転移動体３０２は振動体ブロック３０１の圧電素子３０４，３１４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３０３，３１３と加圧接触されている。また、振動体ブロック３０１は接点３２７を通して接地されている。圧電素子３０４，３１４は切替回路３２１，３２２により駆動回路３２３またはセンシング回路３２４との接続が選択できるようになっている。センシング回路３２４は制御回路３２５と接続され、信号を入力できる。駆動回路３２３は制御回路３２５により制御されるように接続されている。
【００４１】
本実施の形態では振動体ブロック３０１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３０４，３１４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３０４に交流電圧が印加されると圧電素子３０４は伸縮力を発生するが、貼設されている変位機構部３０３が自由端を有するため、この伸縮力は圧電素子３０４と変位機構部３０３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３０３の変位は回転移動体３０２に作用する。圧電素子３１４に交流電圧が印加された場合も、同様に変位機構部３１３に屈曲力が表れる。変位機構部３０３，３１３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３０３と３１３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３０２が回転するため、変位機構部３０３に貼設された圧電素子３０４を駆動した場合と、変位機構部３１３に貼設された圧電素子３１４を駆動した場合とでは、回転移動体３０２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３０３，３１３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。
【００４２】
駆動回路３２３、センシング回路３２４、制御回路３２５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３２３の交流電圧出力が切替回路３２１によって圧電素子３０４に接続されると、圧電素子３０４の伸縮によって変位機構部３０３に振動が発生する。この振動は回転移動体３０２や振動体ブロック３０１を伝わり、他の変位機構部３１３に振動を誘起する。変位機構部３１３には圧電素子３１４が貼設されており、誘起された変位機構部３１３の振動により圧電素子３１４には起電力が発生する。発生した起電力は切替回路３２２によってセンシング回路３２４に接続されることにより、制御回路３２５を通して駆動回路３２３を制御するために利用することが可能となる。
【００４３】
本実施の形態における駆動用圧電素子に供給される電圧と、センシング用圧電素子によって検出される信号は、実施の形態１と同様に図５によって示される。交流発生手段６０３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６０４によって発生された周波数の信号が重畳手段６０２によって重畳された信号波形となっており、増幅手段６０１で増幅された実際の駆動用電圧は図５（ｂ）で示されるような波形となり、切替回路３２１を経由して圧電素子３０４に入力される。入力された波形７０２によって圧電素子３０４は変位機構部３０３を振動させる。入力された波形７０２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３０３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。この振動の状態は変位機構部３１３に貼設された圧電素子３１４で検出できる。検出した振幅の例を図５（ｃ）に示す。変位機構部３０３が共振点付近で大きな振動をしているときは大きな振動が変位機構部３１３に伝達され、圧電素子３１４で検出される振幅は７０５のように大きくなるが、共振点をはずれたときは圧電素子３１４で検出される振幅は小さくなる。これにより制御回路３２５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。同一の構成で実施の形態１で説明したように位相を検出することも可能である。
【００４４】
ここまでは変位機構部３０３の振動によって回転移動体３０２を回転移動させる場合を説明したが、他の変位機構部３１３を用い、回転移動体３０２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。
【００４５】
本実施の形態においては、振動体ブロック３０１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、さらに複数の変位機構部を形成することも可能である。
【００４６】
以上より明らかなように、一方の圧電素子３０４または３１４を共振点付近で振動させるための交流電圧に、重畳手段６０２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、もう一方の圧電素子３０４または３１４では、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。さらに、本実施の形態においては、回転移動体３０２の回転方向によって、切替手段３２１および３２２を用いて圧電素子３０４，３１４を駆動用圧電素子とセンシング用圧電素子に切り替えて用いる事が可能なため、専用の構造は不要であり、複雑な構成にすることなく共振周波数の追従が可能となる。
【００４７】
【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駆動用とセンシング用の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備える圧電アクチュエータにおいて、前記変位機構部に貼設された駆動用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により、共振周波数の変化に対して駆動周波数を変化させ追従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。
【００４８】
または、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駆動用とセンシング用の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備える圧電アクチュエータにおいて、前記変位機構部に貼設された駆動用圧電素子に供給する交流電圧よりも低い周波数の交流電圧を、前記変位機構部に貼設されたセンシング用圧電素子に供給する低周波交流発生手段を有するか、あるいは、低い周波数の交流電圧を、前記変位機構部に貼設されたセンシング用圧電素子により発電された電圧に重畳する重畳回路を含むセンシング回路を有することにより、共振周波数の変化に対して駆動周波数を変化させ追従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。
【００４９】
また、この発明の圧電アクチュエータにおいては、前記センシング用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。
【００５０】
さらに、この発明の圧電アクチュエータにおいては、駆動用圧電素子とセンシング用圧電素子を同一とし、前記圧電素子に前記駆動回路と前記センシング回路を選択的に接続するための切替手段を有することにより、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追従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に示した変位機構部の動作を説明するための説明図である。
【図３】図１および図２に示した圧電素子の振動を説明するための説明図である。
【図４】図１に示した回路部の構成を説明するための説明図である。
【図５】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説明するための説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１に用いる変位機構部の他の構成例を説明するための説明図である。
【図７】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８】本発明の実施の形態４による回転型圧電アクチュエータの例を示す概略図である。
【図９】図１に示した回路部の他の構成を説明するための説明図である。
【図１０】図１に示した回路部の他の構成を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１０１  駆動ブロック
１０２  移動体
１０３  変位機構部
１０４  駆動用圧電素子
１０５  電極
１０８  センシング用圧電素子
１０９  電極
１１１  駆動回路
１１２  センシング回路
１１３  制御回路
１０７，１１４  接点
１０６  穴
２０１  駆動ブロック
２０２  移動体
２２１，２２２  切替回路
２２３  駆動回路
２２４  センシング回路
２２５  制御回路
２２６，２２７  接点
２０３，２１３  変位機構部
２０４，２１４  圧電素子
２０５，２１５  電極
２０６，２１６  穴
３０１  振動体ブロック
３０２  回転移動体
３０３，３１３  変位機構部
３０４，３１４  圧電素子
３０５，３１５  電極
３２１，３２２  切替回路
３２３  駆動回路
３２４  センシング回路
３２５  制御回路
３３１  軸突起部
３３２  穴
３３３  基盤シャーシ
６０１  増幅手段
６０２  重畳手段
６０３  交流発生手段
６０４  変調周波数発生手段
６０５  駆動制御手段
６０６  増幅手段
６０７  検出手段
７０２  波形
７０３  振幅
７０４  位相の変化
８０１，９０１  増幅手段
８０３，９０３  交流発生手段
８０５，９０５  駆動制御手段
８０６，９０６  増幅手段
８０７，９０７  検出手段
８０４，９０４  低周波交流発生手段
９０２  重畳手段
【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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