(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由端部を有する振動子の一方の面に圧電素子が貼設された複数の変位機構部と、
前記振動子の他方の面に接触する移動体と、
前記複数の変位機構部は、少なくとも１つが他と異なる共振周波数を有し、
前記複数の変位機構部それぞれの前記圧電素子に駆動信号を出力する駆動回路と、
前記複数の変位機構部の振動による前記圧電素子の起電力の振幅を検出するセンシング回路と、
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切替手段と、
前記センシング回路で検出した前記起電力の振幅に基づき、前記駆動回路から出力する駆動周波数を変化させる制御回路とを備える圧電アクチュエータの駆動周波数を制御する方法であって、
前記駆動周波数を変化させる際に、
前記センシング回路で振幅検出する周波数はそのままとし、
前記センシング回路と接続する前記圧電素子を前記切替手段により切り替え、
切り替え後の前記センシング回路で検出する前記起電力の振幅の増減により前記駆動周波数の制御方向を求め、前記制御回路にて前記駆動周波数を変化させることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動周波数制御方法。
【請求項２】
自由端部を有する振動子の一方の面に圧電素子が貼設された複数の変位機構部と、
前記振動子の他方の面に接触する移動体と、
前記複数の変位機構部は、少なくとも１つが他と異なる共振周波数を有し、
前記複数の変位機構部それぞれの前記圧電素子に駆動信号を出力する駆動回路と、
前記複数の変位機構部の振動による前記圧電素子の起電力の振幅を検出するセンシング回路と、
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切替手段と、
前記センシング回路で検出した前記起電力の振幅に基づき、前記駆動回路から出力する駆動周波数を変化させる制御回路とを備える圧電アクチュエータの駆動周波数を制御する方法であって、
前記駆動周波数を変化させる際に、
前記複数の変位機構部それぞれの駆動周波数における振動振幅と基準振幅とをそれぞれ比較し、それぞれの比較結果から前記駆動周波数の制御方向を求め、前記制御回路にて前記駆動周波数を変化させることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動周波数制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、移動体の駆動が容易に行える圧電アクチュエータの構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な圧電アクチュエータとして、駆動源に圧電素子を用い、弾性体よりなる振動体の表面に移動体を加圧接触させて駆動するものが知られている。その一例として、超音波モータや物体を移動させるマイクロモータ（特許出願公開番号・特開平７−１８４３８２）があげられる。
【０００３】
このような圧電アクチュエータの動作原理は次の通りである。駆動用に分極された圧電素子を振動体の一方の面に設け、圧電素子に周期的に電界を印加する。これにより縦振動および撓み振動が励起し、振動体全体へと伝搬され、印加電界の位相差から移動体に進行波として伝わる。この進行波は、振動体の厚みにより横方向の運動に変換され、振動体表面に楕円運動を起こす。移動体を振動体に加圧接触して設置することにより、移動体と振動体間の摩擦力が振動体表面の横方向運動を移動体へ伝え、移動体が運動する。
【０００４】
このような従来の圧電アクチュエータは、▲１▼構造が簡単▲２▼アクチュエータサイズに対して発生力が大きい▲３▼応答性に優れる▲４▼非磁性材料で構成できる等の特徴を持つ。
その一方で、従来の圧電アクチュエータでは、振動体の上下振動振幅値が数ミクロンと極めて小さな値であるために、振幅が最大値になる状態すなわち振動子の共振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重要であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の圧電アクチュエータや超音波モータでは、効率よく機械出力を取り出すため、振動体の振幅が大きくなる振動子の共振現象を用いる。このため、駆動周波数が特定の狭い範囲内に限定されてしまい、駆動周波数の揺らぎが動作に大きく影響を与えるという問題があった。また、変位機構部を構成する圧電素子は周囲環境、特に温度により、その共振周波数が変化する特性がある。このため、一定の駆動周波数で駆動した場合でも、変位機構部の共振周波数が変化し、圧電アクチュエータの動作が変化してしまうという問題があった。
【０００６】
【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、可動周波数の範囲を拡大し、変位機構部の共振周波数や駆動周波数の揺らぎに対しても、安定した動作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。
上述の目的を達成するために、本発明においては、複数ある変位機構部を構成する振動子および圧電素子の形状、材質（密度、剛性等）、調質処理（表面処理を含む）、固定場所や方法等を変位機構部によって変えることで、全ての変位機構部の共振周波数を同一にしない構成とする。そのため、複数の変位機構部で構成される圧電アクチュエータの可動周波数の範囲が拡大でき、安定した動作が可能となる。
【０００７】
【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はこの発明の実施の形態１に係る圧電アクチュエータの組立図であり、図２は本実施の形態での支持部の詳細な説明図である。
【０００８】
この圧電アクチュエータ１００は、回転軸１１０と、Ｌ字形状の振動子１２１をもつ支持体１２０と、回転体１３０と、回転体１３０と支持体１２０との接触を一定加圧で保持するバネ１４０とから構成されている。変位機構部１２３は振動子１２１とそれに貼設された圧電素子１２２とから構成され、圧電素子１２２は貼設面と反対の面に電極１２４が設けられている。支持体１２０に３つある変位機構部１２３は１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃの順に長手方向の寸法が小さくなるよう構成してある。また、各変位機構部１２３に貼設された圧電素子１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃは同じ形状、大きさである。なお、支持体１２０に構成される変位機構部の数は３に限定されるものではない。
【０００９】
電極１２４は電線等を介して駆動回路１５０に接続されている。駆動回路１５０は制御回路１６０に接続され、制御回路１６０より入力された信号を増幅して圧電素子１２２に入力する。制御回路１６０は接点を通して接地されている。支持体１２０は接点１２５を通して接地されている。
また、バネ１４０は、中心部１４１および梁部１４２が外周部１４３より薄い構造である。そのため中心部１４１を回転軸１１０と接合することで、梁部１４２が弾性変形し、外周部１４３が回転体１３０を支持体１２０の方向へ加圧する力を発生させる。このため、支持体１２０と回転体１３０とは安定した密着性が得られる。
【００１０】
交流電圧を印加したとき、変位機構部１２３が振動する挙動について図３に示す。圧電素子１２２に交流電圧が印加されると圧電素子１２２は伸縮を発生するが、貼設されている変位機構部１２３が自由端を有するため、この伸縮は圧電素子１２２と変位機構部１２３とを含めた屈曲力となってあらわれる。変位機構部１２３は入力する交流電圧の印加条件によって微小な変位及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１２３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１２３から回転体１３０に摩擦力を介して運動が伝わる。そのため、回転体１３０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。
【００１１】
また、より大きな回転力を得るため、変位機構部１２３の振動振幅を大きくする必要がある。そのため、圧電素子に印加する電圧の周波数は、変位機構部１２３の共振周波数に近いことが望ましい。この変位機構部の共振周波数は、変位機構部を構成する振動子および圧電素子の形状、密度および剛性や、振動子と圧電素子の相対位置関係、変位機構部の支持位置や方法等によって定まる。本実施の形態における圧電素子１２２ａ、１２２ｂおよび１２２ｃの共振周波数を決定する要因は同じであるが、振動子１２１ａ、１２１ｂおよび１２１ｃの要因（形状）はそれぞれ異なる。そのため、変位機構部１２３ａ、１２３ｂおよび１２３ｃの共振周波数は、それぞれ異なる。
【００１２】
本実施の形態では回転体１３０にはステンレス鋼材を用いたが、他にベリリウム銅、リン青銅、黄銅、ジュラルミン、チタン、シリコン材などを用いても良い。
変位機構部１２３の一つの面にはＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）からなる圧電素子１２２が貼設されている。なお、本実施の形態では圧電素子１２２にＰＺＴを用いたが、他にチタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム等の圧電性を有する材料を用いても良い。
【００１３】
図４に駆動周波数に対する各変位機構部１２３の自由端での振動振幅を示す。各変位機構部１２３はそれぞれ共振周波数が異なるため、ある駆動周波数での振動振幅はそれぞれ異なる。各変位機構部の振動振幅の総和が一定値以上となる場合、回転体１３０の運動が可能となるため、可動周波数は一定の範囲を有する。図４（ａ）に示すように、複数の変位機構部１２３の共振周波数が同一である場合、可動周波数範囲は狭い。このため、変位機構部１２３の共振周波数がそれぞれわずかな差を持つよう設定した場合、可動周波数範囲を拡大することが可能である（図４（ｂ））。しかも、圧電素子１２２は周囲の温度等により共振周波数が変化し、それに追従して変位機構部の共振周波数も変化する。このため、可動周波数範囲を大きくすることで、同一の共振周波数を有する変位機構部によって構成される圧電アクチュエータより、安定した動作が可能となる。
（実施の形態２）
図５は、この発明の実施の形態２に係る圧電アクチュエータの構成のうち変位機構部２２３ａ、２２３ｂ、２２３ｃを含む支持体２２０を示す図である。その他の構成は前述した実施の形態１と同様である。
【００１４】
本実施の形態における振動子２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃは同一の形状、材質で作られているため、個々の振動子の共振周波数は同一である。しかし、振動子２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃにそれぞれ貼設された圧電素子２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃは、その順で長さが短くなる。そのため、振動子２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃと圧電素子２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃから構成される変位機構部２２３ａ、２２３ｂ、２２３ｃはそれぞれ共振周波数が異なる。以上より、前述実施の形態１と同様に駆動周波数の拡大が実現でき、圧電アクチュエータの安定した動作が可能となる。
（実施の形態３）
図６は、この発明の実施の形態３に係る圧電アクチュエータの構成のうち変位機構部３２３ａ、３２３ｂ、３２３ｃを含む支持体３２０を示す図である。その他の構成は前述した実施の形態１と同様である。
【００１５】
本実施の形態における振動子３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｃと圧電素子３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃはそれぞれ同一の形状、材質で作られているため、個々の振動子および圧電素子の共振周波数は同一である。しかし、変位機構部３２３ａ、３２３ｂ、３２３ｃは、その順で圧電素子３２２が振動子３２１の固定端からの距離を短く貼設されている。このため、構成される変位機構部３２３ａ、３２３ｂ、３２３ｃは、それぞれの共振周波数が異なる。以上より、前述実施の形態１および２と同様に駆動周波数の拡大が実現でき、圧電アクチュエータの安定した動作が可能となる。
（実施の形態４）
図７は、この発明の実施の形態４に係る圧電アクチュエータの構成のうち変位機構部４２３ａ、４２３ｂ、４２３ｃを含む支持体４２０ａ、４２０ｂを示す図である。その他の構成は前述した実施の形態１と同様である。
【００１６】
本実施の形態における変位機構部４２３ａと４２３ｂは同一支持体上に、変位機構部４２３ｃは別の支持体上に形成されている。また、支持体４２０ａ、４２０ｂを支持する固定位置４２６ａ、４２６ｂも同一半径上に存在する。変位機構部４２３ａ、４２３ｂ、４２３ｃを構成する振動子４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃと圧電素子４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃはそれぞれ同一の形状、材質で作られている。この変位機構部を構成する支持体４２０ａ、４２０ｂは別の材料で作製されている。このため、構成される変位機構部４２３ａ、４２３ｂは同一の共振周波数が得られるものの、変位機構部４２３ｃについては他の変位機構部と異なる共振周波数を有する。このため、前述実施の形態１〜３と同様に駆動周波数の拡大が実現でき、圧電アクチュエータの安定した動作が可能となる。
【００１７】
なお、支持体４２０ａ、４２０ｂを同一材質で作製し、その後どちらかの支持体にアニール等の調質工程を行うことで、材料の特性を変化させることが可能である。そのため、変位機構部４２３の共振周波数をそれぞれ変えることができ、前述同様の効果が期待できる。
また、固定位置４２６ａ、４２６ｂの支持方法を変える、例えば異なる接着剤を使用する等により、変位機構部４２３ａ、４２３ｂ、４２３ｃの共振周波数を変えることが可能である。
（実施の形態５）
図８は、この発明の実施の形態５に係る圧電アクチュエータの構成のうち変位機構部５２３ａ、５２３ｂ、５２３ｃを含む支持体５２０ａ、５２０ｂを示す図である。その他の構成は前述した実施の形態１と同様である。
【００１８】
本実施の形態における変位機構部５２３ａと５２３ｂは同一支持体上に、変位機構部５２３ｃは別の支持体上に形成されている。変位機構部５２３ａ、５２３ｂ、５２３ｃを構成する振動子５２１ａ、５２１ｂ、５２１ｃと圧電素子５２２ａ、５２２ｂ、５２２ｃはそれぞれ同一の形状、材質で作られている。また、支持体５２０ａ、５２０ｂを支持する固定位置５２６ａ、５２６ｂがそれぞれに異なる。このため、構成される変位機構部５２３ａ、５２３ｂは同一の共振周波数が得られるものの、変位機構部５２３ｃについては他の変位機構部と異なる共振周波数を有する。このため、前述実施の形態１〜４と同様に駆動周波数の拡大が実現でき、圧電アクチュエータの安定した動作が可能となる。
【００１９】
また、同一形状、材質の振動子５２１および圧電素子５２２でも、圧電素子の貼設方法を変える、例えば接合方法や接着剤をそれぞれの変位機構部で変更することで、変位機構部５２３の共振周波数を変えることが可能である。
（実施の形態６）
図９は、この発明の実施の形態６に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。この圧電アクチュエータ６００は、移動体６３０が直線に移動するよう変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃを配置したものである。この圧電アクチュエータ６００は、変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃを有した支持体６２０と移動体６３０とから構成されている。変位機構部６２３ａと６２３ｃは振動子６２１が同形状であるが、圧電素子６２２の大きさが異なる。また、変位機構部６２３ａおよび６２３ｃと６２３ｂとは振動子の形状および圧電素子６２２の大きさがともに異なる。
【００２０】
本実施の形態の圧電アクチュエータ６００は環境の変化等による共振周波数の変化を能動的に追従するため、圧電素子６２２は切替回路６７０を介してセンシング回路６８０および駆動回路６５０と接続されている。さらにセンシング回路６８０の出力が制御回路６６０へ、制御回路６６０の出力が駆動回路６５０へ入力されるように、接続している。
【００２１】
駆動回路６５０が出力する交流電圧が切替回路６７０によって圧電素子６２２ａ、６２２ｂに接続されると、圧電素子６２２ａ、６２２ｂの伸縮によって変位機構部６２３ａ、６２３ｂに振動が発生する。この振動は移動体６３０および支持体６２０に伝わり、変位機構部６２３ｃに振動を励起する。変位機構部６２３ｃには圧電素子６２２ｃが貼設されており、誘起された変位機構部６２３ｃの振動により圧電素子６２２ｃには起電力が発生する。発生した起電力は切替回路６７０ｃによってセンシング回路６８０に接続されることにより、制御回路６６０を通して駆動回路６５０が出力する周波数を制御することが可能となる。駆動周波数のセンシング（振幅検出）が必要な時のみに、上記の動作が行われる。
【００２２】
変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃの振動振幅それぞれ、駆動回路６５０から入力される交流電圧の周波数と変位機構部の共振周波数との関係が一定になったときに最大になる。共振周波数は圧電素子６２２ａ、６２２ｂ、６２２ｃそれぞれの特性によって決まるが、加えて変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃとの貼設状態、移動体６３０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なくなると変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃの振動振幅は小さくなる。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６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃの振動振幅により圧電素子６２２ａ、６２２ｂ、６２２ｃに誘起される起電力の最大値が変化するため、センシング用回路において圧電素子６２２ａ、６２２ｂ、６２２ｃ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６６０を通して駆動回路６５０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ことが可能となる。
【００２３】
しかし、共振周波数を追尾するためには、変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃ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、電圧は同様に低下するため、周波数を高低どちらに制御すべきか判断できない（図１０（ａ））。そこで、例えばセンシング回路６８０と接続する圧電素子を６２２ｂから６２２ｃへ、切替回路６７０ｂ、６７０ｃを用いて切り替える。これにより、図１０（ｂ）に示すように、センシング（振幅検出）する周波数を変位機構部の共振周波数から離すことで、振動振幅の増減により、共振周波数の移動方向が明らかになる。そのため、駆動周波数の制御方向が明らかになり、制御速度の高速化が可能となる。なお、このような制御速度の高速化には、各変位機構部６２３ａ，６２３ｂ，６２３ｃの共振周波数の高低関係もしくは駆動周波数での振動振幅をあらかじめ求めておく必要がある。また一例として、変位機構部６２３ａ，６２３ｂ，６２３ｃの共振周波数が６２３ａ＜６２３ｂ＜６２３ｃの場合の詳細な制御方法を図１１に示す。この制御方法は振幅について一定の基準値Ｘを設け、各変位機構部の振動振幅と比較する事により駆動周波数ｆの制御を行うものである。そのため、圧電アクチュエータの応答性および制御性に応じて、駆動周波数の増分△ｆおよび制御回路６５０の処理速度を適宜決定する必要がある。
【００２４】
【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よれば、複数ある変位機構部および圧電素子の形状もしくは大きさに差をつけることで、各変位機構部の共振周波数が異なる。このことから、圧電アクチュエータの可動周波数の範囲を拡大でき、共振周波数の揺らぎの影響を受けない安定した動作が可能となる。
【００２５】
また、センシング回路および切替回路を付設することで、共振周波数の揺らぎを能動的に追従できる。その結果、可動周波数の範囲をさらに拡大でき、動作の安定性がより向上できる。
さらに、複数ある圧電素子にそれぞれ駆動回路もしくは制御回路を設けずに安定した動作が得られるため、圧電アクチュエータ構成の小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。
【図２】図１に示した支持体を示す拡大説明図である。
【図３】この発明の圧電アクチュエータの駆動原理を示す説明図である。
【図４】この発明の可動周波数の範囲を示す説明図である。
【図５】この発明の支持体を示す拡大説明図である。
【図６】この発明の支持体を示す拡大説明図である。
【図７】この発明の支持体を示す拡大説明図である。
【図８】この発明の支持体を示す拡大説明図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。
【図１０】この発明の駆動周波数の制御方向を示す説明図である。
【図１１】この発明の駆動周波数の制御方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１００、６００    圧電アクチュエータ
１１０    回転軸
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０    支持体
１２１、２２１、３２１、４２１、５２１、６２１    振動子
１２２、２２２、３２２、４２２、５２２、６２２    圧電素子
１２３、２２３、３２３、４２３、５２３、６２３    変位機構部
１２４    電極
１２５    電極
４２６、５２６    固定位置
１３０    回転体
１４０    バネ
１４１    中央部
１４２    梁部
１４３    外周部
１５０、６５０    駆動回路
１６０、６６０    制御回路
６３０    移動体
６７０    切替回路
６８０    センシング用回路
【図１】
0003926523.tif 000002
【図２】
0003926523.tif 000003
【図３】
0003926523.tif 000004
【図４】
0003926523.tif 000005
【図５】
0003926523.tif 000006
【図６】
0003926523.tif 000007
【図７】
0003926523.tif 000008
【図８】
0003926523.tif 000009
【図９】
0003926523.tif 000010
【図１０】
0003926523.tif 000011
【図１１】
0003926523.tif 000012