(57)【要約】【課題】エンコーダ等の回転センサを用いずに所定の駆動回転角にて往復駆動することが可能な圧電アクチュエータ装置を提供する。【解決手段】圧電アクチュエータの本体部は、駆動体が正方向に駆動されているときに駆動体と当接する第１反転部と、第１反転部から所定の角度だけ離れて配置され、駆動体が逆方向に駆動されているときに駆動体と当接する第２反転部とを備える。駆動装置２０の反転指令部４０は、電力制御部３０から圧電素子５に供給される制御信号の変化から駆動体が第１反転部及び第２反転部に当接したことを検出し、駆動体が第１反転部に当接していることを検出した場合には、電力制御部３０に対し、圧電素子５に逆方向に駆動する制御信号を供給するよう指令し、駆動体が第２反転部に当接していることを検出した場合には、電力制御部３０に対し、圧電素子５に正方向に駆動する制御信号を供給するよう指令する指令信号を発生する。【選択図】図４
2009124893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を備える長尺状の駆動体と、前記駆動体の一端に取付けられた回転軸と、前記回転軸に形成された接触面と当接する軸受面を備えた本体部と、前記軸受面に前記接触面を押接させ、これら軸受面と接触面の摩擦抵抗によって前記回転軸に回転抵抗力を付与する弾性部材とを備えた圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの前記駆動体の前記圧電素子に接続され、前記圧電素子に制御信号を供給し、前記圧電素子を振動させ、前記駆動体を前記回転軸の軸を中心に正方向および逆方向に往復駆動させる電力制御部と、前記電力制御部に前記駆動体を正方向および逆方向に往復駆動させる反転指令信号を供給する反転指令部とを備えた駆動装置とからなる圧電アクチュエータ装置において、
前記圧電アクチュエータの本体部は、前記駆動体が正方向に駆動されているときに前記駆動体と当接する第１反転部と、前記第１反転部から所定の角度だけ離れて配置され、前記駆動体が逆方向に駆動されているときに前記駆動体と当接する第２反転部とを備え、
前記駆動装置の反転指令部は、前記電力制御部から前記圧電素子に供給される前記制御信号の変化から前記駆動体が前記第１反転部及び第２反転部に当接したことを検出し、前記駆動体が前記第１反転部に当接していることを検出した場合には、前記電力制御部に対し、前記駆動体に備わる前記圧電素子に逆方向に駆動する制御信号を供給するよう指令し、
前記駆動体が前記第２反転部に当接していることを検出した場合には、前記電力制御部に対し、前記駆動体に備わる前記圧電素子に正方向に駆動する制御信号を供給するよう指令する指令信号を発生することを特徴とする圧電アクチュエータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載される圧電アクチュエータ装置において、
前記駆動装置に備わる前記反転指令部は、
前記圧電素子に接続され、前記圧電素子に生じる電圧を検出し、電圧信号を発生する電圧モニタと、
前記電力制御部に接続され、前記制御信号が入力され、前記制御信号から所定の時間を計測し、所定の時間が計測されると時間経過信号を出力するタイマと、
所定の電圧閾値が保存されているメモリと、
前記電圧モニタと前記タイマと前記メモリに接続され、前記タイマから前記時間経過信号が入力されると前記電圧モニタから出力される電圧信号と前記メモリに保存された前記電圧閾値とを比較し、比較信号を出力する比較手段と、
前記比較手段からの比較信号に基づき第１反転指令信号及び第２反転指令信号を交互に発生する反転制御部とを備えていることを特徴とする圧電アクチュエータ装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載される圧電アクチュエータ装置において、
前記第１反転部及び前記第２反転部は、前記回転軸の軸心から前記駆動体の先端までの距離の半分以下の距離に配置されていることを特徴とする圧電アクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電素子を使用した圧電アクチュエータ装置に関するものである。
【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圧電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カメラ等に使用されるワイパ装置では、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圧電アクチュエータの利用が進められている。
【０００３】
圧電アクチュエータは、圧電素子が、印加された電圧に応じて変位するように構成されている。圧電素子をアクチュエータとして動作させるために、圧電素子の動作に緩急を生じさせる必要がある。そのため、図１０に示されるように圧電素子に鋸歯状波形の電圧が印加される。鋸歯状波電圧の電圧が急激に変化するときは、圧電素子の変位動作も速く、電圧がゆっくりと変化するときは圧電素子の変位動作も緩慢になる。すなわち、印加される電圧の変化率の違いにより圧電素子の動作に緩急が生じる。そして、回転軸に圧電素子を取付けられた圧電アクチュエータは、圧電素子の動作に緩急が生じることにより、回転軸が回動する（特許文献１、特許文献２等）。
【０００４】
鋸歯状波形の電圧は、例えば、図１１のような回路構成の駆動装置によって供給される（特許文献３）。駆動装置６０は、駆動信号出力手段３２、ブリッジ回路３３及び電流制御回路３４から構成される。ブリッジ回路３３は、キャパシタ（コンデンサ）と等価に動作する圧電素子５に接続される。駆動信号出力手段３２は、ブリッジ回路３３及び電流制御回路３４に接続される。駆動信号出力手段３２からの指令により、ブリッジ回路３３のスイッチ素子（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４）のオンオフは制御され、圧電素子５に印加される電圧の極性を制御するとともに、電流制御回路３４を流れる電流値を制御する。これにより、圧電素子５には、図１０に示す正方向駆動及び逆方向駆動の鋸歯状波形の電圧が印加される。
【特許文献１】特開２００３−０１１７８６号公報
【特許文献２】特開２００３−２００８１６号公報
【特許文献３】特開２００５−２１０７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来技術にあっては、図１０に示すように鋸歯状波形の正方向駆動の波形と負方向駆動の波形に切り替えることで、圧電アクチュエータの正方向駆動と負方向駆動を切り替えることができる。しかしながら、圧電アクチュエータを所定の駆動回転角にて往復駆動させたい場合には、回転角をセンシングし、正方向駆動の波形と負方向駆動の波形を切り替える必要がある。すなわち、回転角をセンシングするエンコーダ等の回転センサが別途必要となり、部品数が多くなってしまう問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、エンコーダ等の回転センサを用いずに所定の駆動回転角にて往復駆動することが可能な圧電アクチュエータ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、圧電素子を備える長尺状の駆動体と、前記駆動体の一端に取付けられた回転軸と、前記回転軸に形成された接触面と当接する軸受面を備えた本体部と、前記軸受面に前記接触面を押接させ、これら軸受面と接触面の摩擦抵抗によって前記回転軸に回転抵抗力を付与する弾性部材とを備えた圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの前記駆動体の前記圧電素子に接続され、前記圧電素子に制御信号を供給し、前記圧電素子を振動させ、前記駆動体を前記回転軸の軸を中心に正方向および逆方向に往復駆動させる電力制御部と、前記電力制御部に前記駆動体を正方向および逆方向に往復駆動させる反転指令信号を供給する反転指令部とを備えた駆動装置とからなる圧電アクチュエータ装置において、前記圧電アクチュエータの本体部は、前記駆動体が正方向に駆動されているときに前記駆動体と当接する第１反転部と、前記第１反転部から所定の角度だけ離れて配置され、前記駆動体が逆方向に駆動されているときに前記駆動体と当接する第２反転部とを備え、前記駆動装置の反転指令部は、前記電力制御部から前記圧電素子に供給される前記制御信号の変化から前記駆動体が前記第１反転部及び第２反転部に当接したことを検出し、前記駆動体が前記第１反転部に当接していることを検出した場合には、前記電力制御部に対し、前記駆動体に備わる前記圧電素子に逆方向に駆動する制御信号を供給するよう指令し、前記駆動体が前記第２反転部に当接していることを検出した場合には、前記電力制御部に対し、前記駆動体に備わる前記圧電素子に正方向に駆動する制御信号を供給するよう指令する指令信号を発生する。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、エンコーダ等の回転センサを用いずに所定の駆動回転角にて圧電アクチュエータを往復駆動させることができる。すなわち、圧電素子に供給される制御信号が変化することから、駆動体が反転制御部に当接したことを検出することで、エンコーダ等の回転センサを用いずに反転タイミングを認識することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１及び図２は、この発明の圧電アクチュエータ装置を用いたワイパ装置の斜視図及び断面図である。ワイパ装置５１は、例えば、自動車のリヤガラス、サイドバンパー、フロントグリル内などに配置されるＣＣＤカメラ等のレンズカバー（図示せず）に取付けられる。圧電アクチュエータ１には、圧電アクチュエータ１に制御信号を入力する駆動装置２０が接続されており、圧電アクチュエータ１と駆動装置２０から圧電アクチュータ装置５０は構成されている。
【００１０】
ワイパ装置５１は、円弧状のレンズホルダ５３と、この一側に設けられた圧電アクチュエータ１とを備えている。レンズホルダ５３は、ステンレス材（例えば、ＳＵＳ３０４）で形成されたものであって、内周面５３ａにはレンズホルダ５３に対応するレンズ５４が内嵌固定されている。
【００１１】
圧電アクチュエータ１は、レンズホルダ５３と一体形成されているベースプレート（本体部）５２と、このベースプレート５２に回転自在に支持された円筒形状の回転軸２と、回転軸２に取付けられた長尺状の駆動体３とを備えている。駆動体３は、回転軸２の外周面２ａから径方向外側に向かって延出し、電気‐機械変換素子の一つである圧電素子５を用いた圧電バイモルフ４が使用されている。
【００１２】
圧電バイモルフ４は、薄い金属板の中心電極（図示せず）の両面に圧電素子５を２枚貼り合わせた構造となっている。圧電バイモルフ４は、略全体がゴム製のブレードラバー６で被覆された状態になっている。駆動体３の下側、つまり、レンズ側には、駆動体３の長さに対応するゴム製のワイパブレード７が設けられている。このワイパブレード７は、レンズ５４の上面を払拭するためのものであって、ブレードラバー６と一体成形されている。
【００１３】
回転軸２は、コプナ樹脂等の熱硬化性樹脂（例えば、株式会社大西ライト工業所製「ＳＫレジン（商品名）」等）で形成されたものである。回転軸２の下端部２ｂ（図２における下側）には、段差によって径が小さくなっている縮径部２ｃが一体成型されている。
【００１４】
回転軸２は、内部が中空状になっており、ここに圧電素子５に対して電力（制御信号）を供給するためのリード線５５が配線されている。このリード線５５は、一端が圧電バイモルフ４の２枚の圧電素子５及び中心電極（図示せず）に接続され、他端が圧電アクチュエータ駆動装置２０に接続されている。
【００１５】
ベースプレート５２には、縮径部２ｃが回転自在に挿入される凸部５２ａが形成され、凸部５２ａの端面（図２にて上面）には、軸受面５２ｂが設けられている。回転軸２の縮径部２ｃが突設する端面（図２にて下面）には、接触面２ｄが設けられ、軸受面５２ｂに当接している。
【００１６】
ベースプレート５２のベース面５２ｃには、回転軸２の近傍にて中空円筒形状の第１支持柱（第１反転部）８と第２支持柱（第２反転部）９が立設されている。第１支持柱８と第２支持柱９の上面８ａ、９ａには、プレート１０が配置され、第１固定ネジ１１がプレート１０の貫通孔１０ａおよび第１支持柱８の貫通孔８ｂを挿通し、ベースプレート５２のネジ孔５２ｄに固定され、第２固定ネジ１２がプレート１０の貫通孔１０ｂおよび第２支持柱９の貫通孔９ｂを挿通し、ベースプレート５２のネジ孔５２ｅに固定される。これにより、第１支持柱８、第２支持柱９及びプレート１０は、ベースプレート５２に固定される。
【００１７】
プレート１０の略中央部にはバネホルダ挿通孔１０ｃが設けられており、バネホルダ挿通孔１０ｃに有底中空円筒形状のバネホルダ１３が圧入固定されている。バネホルダ１３の中空部１３ａには、有底部１３ｂにコイルバネ１４の一端が当接配設されており、他端にスチールボール１５が配置されている。コイルバネ１４が押し縮められた状態にて、スチールボール１５は、回転軸２の上面２ｅに、押接している。このコイルバネ１４のバネ力により、回転軸２の接触面２ｄは軸受面５２ｂに摩擦接触し、回転軸２とベースプレート５２の間に回転抵抗力が生じている。
【００１８】
次に、図３に基づいて第１支持柱８及び第２支持柱９の配置位置について説明する。第１支持柱（第１反転部）８は、駆動体３が正方向に駆動されているときに駆動体３と当接する位置に配置されており、第２支持柱（第２反転部）９は、第１支持柱８から所定の角度だけ離れ、駆動体３が逆方向に駆動されているときに駆動体３と当接する位置に配置されている。回転軸２の軸心Ｏから駆動体の先端３ａまでの距離、すなわち駆動体の先端３ａの回転半径を先端半径Ｒとする。そのとき、回転軸２の軸心Ｏから第１支持柱８および第２支持柱９の中心Ｏ１及びＯ２までの距離Ｒ１は、先端半径Ｒの約半分以下の距離Ｒ１（Ｒ１＜Ｒ/２）に設定されている。このように設定することで、第１支持柱８及び第２支持柱９は回転軸２の近傍に配置され、駆動体３は、回転軸の軸心Ｏに近い位置で第１支持柱８および第２支持柱９に当接し、これにより、当接時に後述の圧電素子に生じる電圧（制御信号）の変化が大きくなる。
【００１９】
圧電アクチュエータ１の駆動体３は、駆動装置２０からの制御信号により往復駆動させられる。図４は、駆動装置のシステムブロック図であり、図４に基づいて駆動装置を説明する。駆動装置２０は、駆動指令部２１、電力制御部３０及び反転指令部４０から構成される。駆動指令部２１は、例えば、スイッチ等であり、電力制御部３０に対し駆動指令を行う。
【００２０】
電力制御部３０は、昇圧回路３１、駆動信号出力手段３２、スイッチング回路３３及び電流制御回路３４から構成される。スイッチング回路３３は、４つのスイッチ素子（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４）から構成されるブリッジ回路である。スイッチ素子Ｑ１とスイッチ素子Ｑ２とは直列に接続され、ダイオードＤ１のアノードがスイッチ素子Ｑ１と接続され、カソードが接続点ｂに接続されている。また、スイッチ素子Ｑ３とスイッチ素子Ｑ４とは直列に接続され、ダイオードＤ２のアノードがスイッチ素子Ｑ３と接続され、カソードが接続点ｃに接続されている。さらに、接続点ａにおいて、スイッチ素子Ｑ１とスイッチ素子Ｑ３が、接続点ｄにおいてスイッチ素子Ｑ２とスイッチ素子Ｑ４が、それぞれ接続されている。
【００２１】
昇圧回路３１は、スイッチ回路の接続点ａに接続され、電流制御回路３４は、スイッチ回路の接続点ｄと接地３５の間に接続される。昇圧回路３１には電圧１２Ｖのバッテリ（図示せず）が接続されており、昇圧回路にて電圧Ｖｐ（Ｖｐ＝１００Ｖ）に昇圧され、電圧Ｖｐの電圧が接続点ａに印加されている。駆動信号出力手段３２は、スイッチ回路３３の４つのスイッチ素子（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４）及び電流制御回路３４に接続され、４つのスイッチ素子（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４）のオンオフ動作及び電流制御回路３４を流れる電流値を制御する。電流制御回路３４での電流値の制御の方式は、駆動信号出力手段３２からの指令により、電流制御回路３４の回路内の抵抗値をＨｉとＬｏの２段階に切り替える方式である。これにより、電流制御回路３４を流れる電流の電流値は、上限が高い一定の値に制限されたものと、上限が低い一定の値に制限されたものとなる。
【００２２】
駆動体３である圧電バイモルフ４には、２枚の圧電素子５が用いられており、それぞれキャパシタ（コンデンサ）として動作するこの２枚の圧電素子５が、スイッチ回路３３の接続点ｂ及び接続点ｃに並列に接続されている。圧電素子５には、電力制御部３０からの電力により電圧Ｖ１（制御信号）が生じている。ここで、電圧Ｖ１は、接地３５に対する接続点ｅの電圧Ｖ２から、接地に対する接続点ｆの電圧Ｖ３を差し引いた値（Ｖ１＝Ｖ２−Ｖ３）である。
【００２３】
次に、図５及び図６を用いて電力制御部の動作について説明する。図５及び図６は、電力制御部に接続された圧電素子に生じる電圧を示す図である。
【００２４】
まず、図５のように変化する電圧Ｖ１が圧電素子５に生じる場合について説明する。なお、図５において、一番上に示す図は、電流制御回路３４の抵抗値の変化を示す図である。時刻Ｔ０から時刻Ｔ５までが１周期であり、電力制御部３０は、この周期の制御信号を圧電素子５に出力する。例えば、本実施の形態では、１周期が約０．００２５秒（周波数が約４００Ｈｚ）である。時刻Ｔ０から時刻Ｔ２（工程Ｓ１）において、駆動信号出力手段３２からの指令により、スイッチ素子Ｑ２とスイッチ素子Ｑ３をオン、スイッチ素子Ｑ１とＱ４をオフする。時刻Ｔ２から時刻Ｔ５（工程Ｓ２）において、駆動信号出力手段３２からの指令により、スイッチ素子Ｑ１とスイッチ素子Ｑ４をオン、スイッチ素子Ｑ２とスイッチ素子Ｑ３をオフする。この工程Ｓ１と工程Ｓ２が、本実施の形態では、約０．００２５秒周期で順次繰り返される。
【００２５】
工程Ｓ１から工程Ｓ２への切り替えに先立ち、駆動信号出力手段３２からの指令により、時刻Ｔ１において、電流制御回路３４の抵抗値がＬｏからＨｉに切り替わり、電流制御回路３４を流れる電流値が低い一定の値に制限される（低電流）。同様に、工程Ｓ２から工程Ｓ１への切り替えに先立ち、駆動信号出力手段３２からの指令により、時刻Ｔ４において、電流制御回路３４の抵抗値がＨｉからＬｏに切り替わり、電流制御回路３４を流れる電流値が低い一定の値に制限されたものが解除される。この電流制御回路３４の抵抗値の切り替えにより、工程Ｓ１と工程Ｓ２と同様に工程Ｒ１と工程Ｒ２も、約０．００２５秒周期で順次繰り返される。
【００２６】
時刻Ｔ０（時刻Ｔ５）において、工程２から工程１に切り替わると、順に、昇圧回路３１、スイッチ素子Ｑ３、ダイオードＤ２、圧電素子５、スイッチ素子Ｑ２、電流制御回路３４、接地３５となる回路が形成される。このとき、電流制御回路３４は、抵抗値がＬｏの工程Ｒ２となっているため、回路内を電流がすばやく流れ、電流制御回路３４とスイッチ素子Ｑ２を介して、接地３５に接続される圧電素子の接続点ｂの電圧Ｖ２は、瞬時に電圧０[Ｖ]となる。また、ダイオードＤ２とスイッチ素子Ｑ３を介して、電圧Ｖｐの昇圧回路３１に接続される圧電素子５の接続点ｃの電圧Ｖ３は、瞬時に電圧Ｖｐとなる。
【００２７】
次に、時刻Ｔ２において、工程Ｓ１から工程Ｓ２に切り替わると、順に、昇圧回路３１、スイッチ素子Ｑ１、ダイオードＤ１、圧電素子５、スイッチ素子Ｑ４、電流制御回路３４、接地３５となる回路が形成される。これにより、電圧０[Ｖ]となっていた接続点ｂの電圧は電圧Ｖｐとレベルがシフトする。このとき、工程１において、接続点ｂに対する接続点ｃの電位差は電圧Ｖｐであったため、工程Ｓ１から工程Ｓ２に切り替わると、接地３５に対する接続点ｃの電位差である電圧Ｖ３は、接続点ｂの電圧のレベルがシフトすることにより、電圧２Ｖｐとなる。
【００２８】
工程Ｓ１から工程Ｓ２に切り替わるとき、電流制御回路３４は、抵抗値がＨｉの工程Ｒ１となっているため、回路内を流れる電流値が一定の低い値に制限されている（低電流）。従って、圧電素子５から、スイッチ素子Ｑ４、電流制御回路３４を介して、接地３５へと流れ出す電流は一定値に制限される。これにより、接地３５へと接続される圧電素子５の接続点ｃの電圧Ｖ３は、緩やかに減少し、時刻Ｔ３にて電圧０[Ｖ]となる。なお、このとき接続点ｃと昇圧回路３１の間には、ダイオードＤ２が電流の流れを制限する向き（逆向き）に接続されているため、圧電素子５から昇圧回路３１に向けて電流が流れることはない。
【００２９】
圧電素子５に生じる電圧Ｖ１は、上述のように、電圧Ｖ２から電圧Ｖ３を減じた値となる（Ｖ１＝Ｖ２−Ｖ３）。図５のように、電圧Ｖ２及び電圧Ｖ３が変化したときの、圧電素子に生じる電圧Ｖ１は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけての工程（１）において、負の電圧−Ｖｐから正の電圧Ｖｐに緩やかに増加する。逆に、時刻Ｔ０から時刻Ｔ２にかけての工程（２）において、時刻Ｔ０から僅かな時間において、正の電圧Ｖｐから負の電圧−Ｖｐに急速に変化する。この電圧Ｖ１が急速に変化するときに、ベースプレート５２の軸受面５２ｂに摩擦接触する回転軸２の接触面２ｄは、一定の方向（正方向）に微小角度スリップする。この運動を、周期的に繰り返すことにより、回転軸２に固定された駆動体３は一定の方向（正方向）に回転駆動する。
【００３０】
次に、図６のように変化する電圧Ｖ１が圧電素子５に生じる場合について説明する。なお、図５において、一番上に示す図は、電流制御回路３４の抵抗値の変化を示す図である。図５と同様に、時刻Ｔ０から時刻Ｔ５までが１周期であり、電力制御部３０は、この周期の制御信号を圧電素子５に出力する。例えば、本実施の形態では、１周期が約０．００２５秒（周波数が約４００Ｈｚ）である。時刻Ｔ０から時刻Ｔ２（工程Ｓ３）において、駆動信号出力手段３２からの指令により、スイッチ素子Ｑ１とスイッチ素子Ｑ４をオン、スイッチ素子Ｑ２とＱ３をオフする。時刻Ｔ２から時刻Ｔ５（工程Ｓ４）において、駆動信号出力手段３２からの指令により、スイッチ素子Ｑ２とスイッチ素子Ｑ３をオン、スイッチ素子Ｑ１とスイッチ素子Ｑ４をオフする。この工程Ｓ３と工程Ｓ４が、本実施の形態では、約０．００２５秒周期で順次繰り返される。
【００３１】
工程Ｓ３から工程Ｓ４への切り替えに先立ち、駆動信号出力手段３２からの指令により、時刻Ｔ１において、電流制御回路３４の抵抗値がＬｏからＨｉに切り替わり、電流制御回路３４を流れる電流値が一定の低い値に制限される（低電流）。同様に、工程Ｓ４から工程Ｓ３への切り替えに先立ち、駆動信号出力手段３２からの指令により、時刻Ｔ４において、電流制御回路の抵抗値がＨｉからＬｏに切り替わり、電流制御回路を流れる電流値の制限が解除される。この電流制御回路３４の抵抗値の切り替えにより、工程Ｓ３と工程Ｓ４と同様に工程Ｒ３と工程Ｒ４が、約０．００２５秒周期で順次繰り返される。
【００３２】
時刻Ｔ０（時刻Ｔ５）において、工程Ｒ４から工程Ｒ３に切り替わると、順に、昇圧回路３１、スイッチ素子Ｑ１、ダイオードＤ１、圧電素子５、スイッチ素子Ｑ４、電流制御回路３４、接地３５となる回路が形成される。このとき、電流制御回路３４は、抵抗値がＬｏの工程Ｒ４となっているため、回路内を電流がすばやく流れ、電流制御回路３４とスイッチ素子Ｑ４を介して、接地３５に接続される圧電素子５の接続点ｃの電圧Ｖ３は、瞬時に電圧０[Ｖ]となる。また、ダイオードＤ１とスイッチ素子Ｑ１を介して、電圧Ｖｐの昇圧回路３１に接続される圧電素子の接続点ｂの電圧Ｖ２は、瞬時に電圧Ｖｐとなる。
【００３３】
時刻Ｔ２において、工程Ｓ３から工程Ｓ４に切り替わると、順に、昇圧回路３１、スイッチ素子Ｑ３、ダイオードＤ２、圧電素子５、スイッチ素子Ｑ２、電流制御回路３４、接地３５となる回路が形成される。これにより、電圧０[Ｖ]となっていた接続点ｃの電圧は電圧Ｖｐとレベルがシフトする。このとき、工程３において、接続点ｃに対する接続点ｂの電位差は電圧Ｖｐであったため、工程Ｓ３から工程Ｓ４に切り替わると、接地３５に対する接続点ｂの電位差である電圧Ｖ２は、接続点ｃの電圧のレベルがシフトすることにより、電圧２Ｖｐとなる。
【００３４】
工程Ｓ３から工程Ｓ４に切り替わるとき、電流制御回路３４は、抵抗値がＨｉの工程Ｒ１となっているため、回路内を流れる電流値が一定の低い値に制限されている。従って、圧電素子５から、スイッチ素子Ｑ２、電流制御回路３４を介して、接地３５へと流れ出す電流は一定値に制限される。これにより、接地３５へと接続される圧電素子５の接続点ｂの電圧Ｖ２は、緩やかに減少し、時刻Ｔ３にて電圧０[Ｖ]となる。なお、このとき接続点ｂと昇圧回路３１の間には、ダイオードＤ１が電流の流れを制限する向き（逆向き）に接続されているため、圧電素子５から昇圧回路３１に向けて電流が流れることはない。
【００３５】
圧電素子に生じる電圧Ｖ１は、上述のように、電圧Ｖ２から電圧Ｖ３を減じた値となる（Ｖ１＝Ｖ２−Ｖ３）。図６のように、電圧Ｖ２及び電圧Ｖ３が変化したときの、圧電素子に生じる電圧Ｖ１は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３にかけての工程（３）において、正の電圧Ｖｐから負の電圧−Ｖｐに緩やかに減少する。逆に、時刻Ｔ０（時刻Ｔ５）から僅かの時間の工程（４）において、負の電圧−Ｖｐから正の電圧Ｖｐに急速に変化する。この電圧Ｖ１が急速に変化するときに、ベースプレート５２の軸受面５２ｂに摩擦接触する回転軸２の接触面２ｄは、図５の場合と反対の一定の方向（逆方向）に微小角度スリップする。この運動を周期的に繰り返すことにより、回転軸に固定された駆動体３は図５の場合と反対の一定の方向（逆方向）に回転駆動する。
【００３６】
上述のように、駆動信号出力手段３２からのスイッチング回路３３及び電流制御回路３４への指令信号を制御することで、圧電素子５に一定の制御信号を生じさせ、駆動体３を正方向又は逆方向に回転駆動させることができる。ここで、本実施の形態の圧電アクチュエータ１は、ＣＣＤカメラ等のカバーガラスを払拭するワイピング動作として、所定の回転角度で正方向又は逆方向の回転方向を切り替え、往復駆動することが求められる。以下、本発明における往復駆動について説明する。
【００３７】
図７に示すように、圧電アクチュエータ１の駆動体３は、第１支持柱８と第２支持柱９の間の所定の回転角度θで往復駆動させる必要がある。正方向に回転駆動する場合、駆動体３は、反転位置に配置された第１支持柱８と当接し、逆方向に回転駆動する場合、駆動体３は、反転位置に配置された第２支持柱９と当接する。このように第１支持柱８及び第２支持柱９と駆動体３の当接するときにおいて、圧電素子５からのなんらかの信号を駆動装置２０が検出することができれば、回転センサを用いずに反転動作を自動で行うことができる。
【００３８】
一方、駆動体３が第１支持柱８又は第２支持柱９に当接した場合、駆動体３を構成する圧電素子５に生ずる電圧（制御信号）に変化が生ずることが確認されている。この変化を、駆動体３が第１支持柱８又は第２支持柱９に当接した信号として検出し、この信号をトリガー信号として利用し、正方向及び逆方向の回転方向を切り替えることができれば、回転センサを用いずに圧電アクチュエータ１を回転角度θで往復駆動することができる。以下、それを実現する本発明の駆動装置２０の構成について説明する。
【００３９】
本発明の駆動装置２０は、図４に示すように往復駆動を実現するための反転指令部４０を備えている。反転指令部４０は、電圧モニタ４１、Ａ／Ｄ変換器４２、タイマ４３、メモリ４４、比較手段４５、反転制御部４６を備えている。電圧モニタ４１は、圧電素子５の接続点ｅ及び接続点ｆに接続され、接地３５に対する圧電素子５の接続点ｅ及び接続点ｆの電位（電圧Ｖ２及び電圧Ｖ３）を検出する。Ａ／Ｄ変換器４２は、電圧モニタ４１に接続され、電圧モニタ４１が検出する圧電素子５の接続点ｅ及び接続点ｆの電位（電圧Ｖ２及び電圧Ｖ３）をデジタル信号に変換し出力する。メモリ４４には、所定の電圧（電圧閾値）が記憶されている。また、タイマ４３は、駆動信号出力手段３２に接続されており、駆動信号出力手段３２から所定の信号が入力されると所定の時間を計測し、かかる所定の時間を計測した場合に、所定の時間を計測したことを知らせる信号（時間経過信号）を出力する。
【００４０】
比較手段４５は、Ａ／Ｄ変換器４２、タイマ４３、メモリ４４に接続され、タイマ４３からの時間経過信号が入力されると、メモリ４４に記憶されている電圧閾値と電圧Ｖ２又は電圧Ｖ３のいずれかと比較する。比較手段４５は、反転制御部４６にも接続されており、反転制御部４６からの信号から、正方向に駆動していると判断する場合には、電圧Ｖ３と電圧閾値を比較し、逆方向に駆動していると判断する場合には、電圧Ｖ２と電圧閾値を比較する。この結果、電圧Ｖ２又は電圧Ｖ３が電圧閾値を下回る場合には、そのことを示す信号（比較信号）を出力する。
【００４１】
反転制御部４６は、比較手段４５、駆動信号出力手段３２に接続されており、直前に正方向に駆動する指令信号を駆動信号出力手段３２に出力した後（第２反転指令信号）に、比較手段４５から比較信号を受信した場合には、逆方向に駆動する指令信号（第１反転指令信号）を駆動信号出力手段３２に出力する。逆に、反転制御部４６は、直前に逆方向に駆動する指令信号（第１反転指令信号）を駆動信号出力手段３２に出力した後に、比較手段４５から比較信号を受信した場合には、正方向に駆動する指令信号（第２反転指令信号）を駆動信号出力手段に出力する。このように、反転制御部は、第１反転指令信号と第２反転指令信号を交互に発生する。
【００４２】
図８は、駆動体３が正方向に駆動し、駆動体３と第１支持柱８の当接を検出するとき、圧電素子５に生ずる電圧（制御信号）の変化を示すものである。反転制御部４６からの信号により、正方向に駆動していると判断される場合には、比較手段４６は電圧Ｖ３とメモリ４４に記憶された電圧閾値との比較を行う。この比較するタイミングは、タイマ４３からの時間経過信号によりなされる。本実施の形態では、時刻Ｔ２において、駆動信号出力手段３２から、工程Ｓ１から工程Ｓ２に切り替える信号が入力されると、タイマ４３は、所定の時間（計測時間ΔＴ）を計測し、計測時間ΔＴが計測されると時間経過信号を出力する。これにより、比較手段４５は、時刻Ｔ２から計測時間ΔＴ経過した時刻Ｔｎにおいて、電圧Ｖ３と電圧閾値（電圧Ｖｒ）を比較する。
【００４３】
圧電素子５に生ずる電圧Ｖ３は、駆動体３が、正方向に駆動し、第１支持柱８と当接したときは、工程Ｓ２での電圧変化が大きくなる。すなわち、工程Ｓ２において、正の電圧Ｖｐから負の電圧−Ｖｐへの変化が早くなり、電圧Ｖ３の変化の途中である所定の時間（例えば、時刻Ｔｎ）において、第１支持柱８と当接したときの電圧Ｖ３は小さくなる。この性質を利用し、電圧閾値（電圧Ｖｒ）は、時刻Ｔｎにおいて、駆動体３が第１支持柱８に当接していない場合の電圧Ｖ３の電圧Ｖｆよりも十分に小さく、駆動体３が第１支持柱８に当接する場合の電圧Ｖ３の電圧Ｖｃよりも十分に大きな値に設定されている。本実施の形態では、Ｖｒは４０Ｖに設定されている。
【００４４】
時刻Ｔｎにおいて、比較手段４６は、電圧Ｖ３と閾値電圧信号Ｖｒとを比較し、電圧Ｖ３が電圧閾値Ｖｒよりも大きい（電圧Ｖｆ）ときは、比較信号を出力せず、電圧Ｖ３が閾値電圧Ｖｒよりも小さく（電圧Ｖｃ）なった場合には、駆動体と第１支持柱が当接したと判断し、比較信号を出力する。この比較信号を受けた反転制御部４６は、逆方向に駆動する指令信号（第２１反転指令信号）を駆動信号出力手段３２に出力する。
【００４５】
図９は、駆動体３が逆方向に駆動し、駆動体３と第２支持柱９の当接を検出するとき、圧電素子５に生ずる電圧（制御信号）の変化を示すものである。反転制御部４６からの信号により、逆方向に駆動していると判断される場合には、比較手段４６は電圧Ｖ２とメモリ４４に記憶された電圧閾値との比較を行う。この比較するタイミングは、タイマ４３からの時間経過信号によりなされる。本実施の形態では、時刻Ｔ２において、駆動信号出力手段３２から、工程Ｓ３から工程Ｓ４に切り替える信号が入力されると、タイマ４３は、所定の時間（計測時間ΔＴ）を計測し、計測時間ΔＴが計測されると時間経過信号を出力する。これにより、比較手段４５は、時刻Ｔ２から計測時間ΔＴ経過した時刻Ｔｎにおいて、電圧Ｖ３と電圧閾値（電圧Ｖｒ）を比較する。
【００４６】
圧電素子５に生ずる電圧Ｖ２は、駆動体３が、逆方向に駆動し、第２支持柱９と当接したときは、工程Ｓ４での電圧変化が大きくなる。すなわち、工程Ｓ４において、正の電圧Ｖｐから負の電圧−Ｖｐへの変化が早くなり、電圧Ｖ２の変化の途中である所定の時間（例えば、時刻Ｔｎ）において、第２支持柱９と当接したときの電圧Ｖ２は小さくなる。この性質を利用し、電圧閾値（電圧Ｖｒ）は、時刻Ｔｎにおいて、駆動体３が第２支持柱９に当接していない場合の電圧Ｖ２の電圧Ｖｆよりも十分に小さく、駆動体３が第２支持柱９に当接する場合の電圧Ｖ２の電圧Ｖｃよりも十分に大きな値に設定されている。本実施の形態では、Ｖｒは４０Ｖに設定されている。
【００４７】
時刻Ｔｎにおいて、比較手段４６は、電圧Ｖ２と閾値電圧信号Ｖｒとを比較し、電圧Ｖ２が電圧閾値Ｖｒよりも大きい（電圧Ｖｆ）ときは、比較信号を出力せず、電圧Ｖ２が閾値電圧Ｖｒよりも小さく（電圧Ｖｃ）なった場合には、駆動体と第１支持柱が当接したと判断し、比較信号を出力する。この比較信号を受けた反転制御部４６は、正方向に駆動する指令信号（第２反転指令信号）を駆動信号出力手段３２に出力する。
【００４８】
このように、本発明の圧電アクチュエータ装置５０は、駆動体３が第１支持柱８又は第２支持柱９と当接したときの、圧電素子５に生ずる電圧（制御信号）の変化から反転位置（反転タイミング）を検出できるため、エンコーダ等の回転センサを用いずに所定の駆動回転角にて圧電アクチュエータを往復駆動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態における圧電アクチュエータ装置の斜視図である。
【図２】図１で断面Ａ−Ａにて指示した圧電アクチュエータ装置の断面図である。
【図３】本発明の実施形態における圧電アクチュエータ装置の正面図である。
【図４】本発明の実施形態の駆動装置のブロック図である。
【図５】正方向に駆動するときの圧電素子に生ずる電圧を説明する図である。
【図６】逆方向に駆動するときの圧電素子に生ずる電圧を説明する図である。
【図７】駆動体の往復駆動を説明する図である。
【図８】第１支持柱に駆動体が当接するときの圧電素子に生ずる電圧の変化を説明する図である。
【図９】第２支持柱に駆動体が当接するときの圧電素子に生ずる電圧の変化を説明する図である。
【図１０】圧電素子に印加される鋸歯状波形の電圧を示す図である。
【図１１】従来の圧電アクチュエータの駆動装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  圧電アクチュエータ
２  回転軸
３  駆動体
５  圧電素子
８  第１支持柱（第１反転部）
９  第２支持柱（第２反転部）
２０  駆動装置
２１  駆動指令部  
３０  電力制御部
３１  昇圧回路
３２  駆動信号出力手段
３４  電流制御回路
４０  反転指令部
４１  電圧モニタ
４２  Ａ／Ｄ変換器
４３  タイマ
４４  メモリ
４５  比較手段
４６  反転制御部
５１  ワイパ装置（圧電アクチュエータ装置）
５２  ベースプレート（本体部）
【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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