JP2002171770A - 振動型アクチュエータの駆動装置の設定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】振動型アクチュエータの駆動装置において電圧
を規定値の範囲内に抑えかつ最大出力を得る簡単な設定
法を提供する。 【解決手段】振動体の圧電素子に対して、直流電源をス
イッチングしインダクタンス素子を介して昇圧を行う昇
圧回路から出力される共振周波数より高い周波数の交番
信号を印加することにより、該振動体を駆動する振動型
アクチュエータの駆動装置に対し、前記駆動周波数に最
大・最小周波数ｆ１、ｆ２を設け、前記最大周波数ｆ２
での駆動電圧の値によって前記インダクタンス素子のイ
ンダクタンスを決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は振動型アクチュエー
タの駆動装置の設定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、振動型アクチュエータは、弾性
体と電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子と
により構成される振動体を有し、前記弾性体には、空間
的に互いに９０°の位相差を持った位置に前記圧電素子
が接着または圧着されていて、互いに９０°の位相差を
持つ２相の交番信号を前記圧電素子に印加することによ
って、前記弾性体上に進行波を発生させ、これに接触体
（移動体）を圧接し、摩擦力により前記振動体に対して
前記接触体を相対移動させる。なお、前記弾性体と前記
接触体との接触部には、適切な摩擦力を得るための摩擦
材が接着、塗布、または形成される。

【０００３】このような構成の振動型アクチュエータの
特徴として、電磁力を用いたアクチュエータと比較し
て、低速での駆動トルクが大きい、応答性がよい、可聴
域以上の振動を利用しているため人間が駆動音を感じな
いため静かであるといった点が上げられる。

【０００４】このため、例えば駆動部を含むカメラなど
の画像入力装置、複写機やプリンタなどの画像出力装置
などに好適である。

【０００５】また、一般に振動型アクチュエータは大き
な電圧が必要なため、線形増幅器により駆動信号を増幅
するか、トランスにより昇圧するか、インダクタンス素
子とスイッチング素子を組み合わせて振動型アクチュエ
ータの容量成分との共振を利用するなどの方法を一つま
たは複数を組み合わせて昇圧を行っている。

【０００６】上記方法のうち、トランスまたはインダク
タンス素子とスイッチング素子を組み合わせて昇圧する
方法が効率、コスト等の面で優れているため好んで用い
られてきた。

【０００７】また、振動型アクチュエータの駆動速度を
制御する方法として、駆動電圧、駆動周波数、および駆
動相間の位相がある。このうち、周波数による制御は単
独で広いダイナミックレンジと分解能を両立でき、また
最近発達しているディジタル回路との整合性が良いので
好んで用いられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、振動型
アクチュエータに必要以上に大きな電圧を印加すると、
効率の悪化を招くことがあり、絶縁層を厚くしなければ
ならないという問題があった。

【０００９】ところが、インダクタンス素子を介して昇
圧を行う場合、周波数によって電圧が変動してしまうた
め、振動型アクチュエータの諸パラメータを設定する方
法が難しかった。

【００１０】以上を鑑みて本出願に係る発明の目的は、
振動型アクチュエータの駆動装置および振動型アクチュ
エータにおいて電圧を規定値の範囲内に抑えかつ最大出
力を得る簡単な設定法を提供しようとするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、振動体の
電気−機械エネルギー変換素子に対して、直流電源をス
イッチングしインダクタンス素子を介して昇圧を行う昇
圧回路から出力される共振周波数より高い周波数の交番
信号を印加することにより、該振動体を駆動する振動型
アクチュエータの駆動装置において、前記振動型アクチ
ュエータを駆動する周波数に最大・最小周波数を設け、
前記最大周波数での駆動電圧の値によって前記駆動装置
の諸パラメータを決定することを特徴とする振動型アク
チュエータの駆動装置の設定方法とするものである。

【００１２】第２の発明は、振動体の電気−機械エネル
ギー変換素子に対して、直流電源をスイッチングしイン
ダクタンス素子を介して昇圧を行う昇圧回路から出力さ
れる共振周波数より高い周波数の交番信号を印加するこ
とにより、該振動体を駆動する振動型アクチュエータの
駆動装置において、前記振動型アクチュエータを駆動す
る周波数に最大・最小周波数を設け、最大周波数での駆
動電圧があらかじめ定められた所定の電圧を超えないよ
うに前記駆動装置の諸パラメータを決定することを特徴
とする振動型アクチュエータの駆動装置の設定方法とす
るものである。

【００１３】第３の発明は、上記したいずれかの発明
で、前記諸パラメータは、前記インダクタンス素子のイ
ンダクタンスであることを特徴とする。

【００１４】第４の発明は、上記第１または第２の発明
で、前記インダクタンス素子はトランスであり、前記諸
パラメータは、前記トランスの1次または2次のインダク
タンス、直流抵抗、巻き線比、結合係数の一つ以上を含
むことを特徴とする前記昇圧回路のインダクタンス素子
のインダクタンスであることを特徴とする。

【００１５】第５の発明は、上記第１または第２の発明
で、前記諸パラメータとは、直流電源の電圧であること
を特徴とする。第６の発明は、上記第１または第２の発
明で、前記電気−機械エネルギー変換素子は複数の素子
を積層した構成を有していて、前記諸パラメータとは、
該素子の積層枚数であることを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は本発
明の第１の実施の形態の回路図、図２は本発明の振動型
アクチュエータの一例の透視図を示す。

【００１７】図２の振動型アクチュエータは、いわゆる
棒状振動波モータで、棒状の振動体の両端部を駆動部と
し、各駆動部に対向配置された接触体としての回転体1
5、19を回転させる。そして、外装部材としてのケース
に軸支された出力軸20には回転体15、19が固定されてお
り、出力軸20が回転する。

【００１８】振動体は、空間的に互いに９０°の位相差
を持った位置に配置された2つの駆動相を複数もつ積層
圧電素子17を弾性体16,18で挟持し、圧電素子に互いに
９０°の位相差を持つ２相の交番信号を印加することに
よって、弾性体16,18の両端の駆動部に進行波を発生さ
せ、この振動体16,18に回転体15,19を圧接することによ
って摩擦力によって駆動力を得ており、積層圧電素子17
と駆動回路とは積層圧電素子17の一端面に当接している
フレキシブルプリント配線板21を介して接続されてい
る。

【００１９】また、この振動型アクチュエータの駆動に
は、数十Ｖの交流電圧が必要であるため、図１の駆動回
路に示すように、MOSFET７〜10により、直流電源１をス
イッチングし、コイル１１、１２により昇圧を行ってい
る。そして、スイッチングのパルスは、図３のように、
パルス幅がほぼ５０％で位相がｇ１からｇ４に順に0、1
80、90、270度になるように設定されている。反転する
ときは0、180、-90、-270度になるように設定する。コ
イル11、12の値は、振動型アクチュエータのもつ静電容
量とマッチングするように設定される。実際に、電圧の
変化率を緩やかにするため、アクチュエータの共振周波
数よりコイルと静電容量の共振周波数は高い値にする。

【００２０】駆動時には、コイル11、12に接続されたMO
SFET７と８およびMOSFET９と１０のゲートには互いに１
８０°の位相差をもつ任意のパルス幅、周波数をもった
パルスが加えられるようになっている。

【００２１】すなわち、スイッチングのパルスは図３の
ように位相がｇ１から順に0、180、90、270度になるよ
うに設定されている。図ではパルス幅がほぼ５０％であ
るがこのパルス幅に限定するものではない。パルス幅を
絞って電圧を制御することが可能である。また反転する
ときは0、180、-90、-270度になるように設定する。

【００２２】図１の回路は位置制御の回路の一例であ
る。公知のロータリエンコーダなどの速度検出手段14の
速度信号ｖを位置カウンタ５で位置ｐに変換し、位置制
御ブロック２で、例えば図５に示すように、現在位置に
応じた速度指令Vcを発生し、速度制御ブロック３でVcと
Vおよび制御ゲイン等から振動型アクチュエータを駆動
するパルスの周波数ｆおよびパルス幅pwを決定する。

【００２３】パルスジェネレータ６は、速度制御ブロッ
ク３のパルスの周波数f,パルス幅pwから4相の所定のパ
ルスを生成する。このパルスによって、MOSFET７〜10が
駆動されコイル11,12を介して振動型アクチュエータ13
を駆動している。振動型アクチュエータは、図４のよう
な周波数―速度特性を持つため、周波数を調整すること
によって速度を制御することができる。

【００２４】このような振動型アクチュエータの駆動電
圧は、数十Ｖ以上と高く、また駆動電圧が高くなるほど
効率が低下したり、厚い絶縁層が必要なため所定の電圧
以下に抑える設定法が望まれていた。以下にそのための
設定方法を説明する。

【００２５】図６は振動型アクチュエータの共振周波数
付近での等価回路を示す。振動型アクチュエータの駆動
は一般に効率の良い共振周波数fr付近で行われる。この
時図４に示すように共振より高い周波数のほうが変化が
緩やかで制御しやすいため主に速度制御は、共振より高
い周波数ｆ１から速度が必要な最低速度となるｆ２まで
の間で行われる。図６で２２は等価機械質量Lm、23は等
価機械コンプライアンスCm、24は等価機械抵抗Cm、25は
電気容量Cdである。

【００２６】この時、振動型アクチュエータの共振周波
数frは fr＝１／［２π√（Lm・Cm）］ で表される。

【００２７】この振動型アクチュエータは、比較的大き
な電気容量Ｃｄを持っているため、効率を改善するため
に、図1のように直列にインダクタンス素子Ｌｄを挿入
する。この時電気容量Ｃｄとインダクタンス素子Ｌｄの
電気共振周波数ｆｄは fd＝１／［２π√（Ld・Cd）］ と表される。

【００２８】共振周波数ｆｒとｆｄの関係が fr＜ｆｄ のときに効率が良くなるため、ｆｄは使用する周波数範
囲ｆ１〜ｆ２より高い値から選択することになる。

【００２９】図１に示す駆動回路で、周波数と発生する
電圧の関係を計算して示したのが図７である。図７にお
いて、Ld1、Ld2、Ld3は図１のインダクタンスを変えた
場合を表しており、Ld1>Ld2>Ld3である。使用する周波
数範囲では共振周波数に近いｆ１では振動子のインピー
ダンスが低下するので電圧が低くなり、もっとも高い周
波数ｆ２で電圧が最大になる。

【００３０】したがって、電圧を規定値以下に設定する
には、使用する周波数範囲で最大の周波数での電圧が規
定値を超えないようにすれば良い。図７に示すように、
インダクタンス値によって電圧の傾きを変化させること
ができるので、インダクタンスの値を適当に選べば前記
目的を達成することができる。

【００３１】出力を上げるには電圧を所定の範囲ででき
るだけ高くしたいため、例えば図７に示す場合、ｆ２で
の電圧値が規格値を超えない最大の設定Ｌｄ２を選べば
良いことになる。

【００３２】（第２の実施の形態）図８は第２の実施の
形態の回路図を示す。なお、制御に関する部分は第１の
実施の形態と同じなので記載、説明を省略する。また図
２の振動型アクチュエータは９０度位相差の2相を必要
とするが同じ形なので省略する。

【００３３】２６〜２９はMOSFET、３０は2次側のイン
ダクタンス値が一次側より大きい昇圧トランス、３１は
振動型アクチュエータを表すシンボルである。

【００３４】MOSFET２６〜２９のゲートｇ１〜ｇ４には
駆動時に図９のようなパルスが入力されMOSFET２６と２
９、MOSFET２７と２８の組が交互にオンオフしてトラン
ス30を駆動する。トランスの2次側インダクタンスＬ２
は、振動型アクチュエータの電気容量Ｃｄと駆動範囲で
マッチングするように、L2＜1/（2πfr）²/Cdとなるよ
うに設定される。

【００３５】図１０は図８の回路で、トランスの2次側
インダクタンスを変化させたとき（巻き線比は同じ、し
たがって一次側のインダクタンス値も変わる。）の周波
数−出力電圧の関係である。

【００３６】出力を上げるために電圧は所定の範囲でで
きるだけ高くしたいため、周波数ｆ２での電圧を調べ
て、例えば図１０の場合、Ｌ２中の値を選択すれば良
い。トランスを用いる場合、別の設定法として2次側イ
ンダクタンスを固定して巻き線比ｗｒで設定する方法も
ある。

【００３７】図１１が図８の回路でトランスの巻き線比
を変化させたときの周波数と電圧の関係である。この場
合も、インダクタンス値を設定する方法と同様に、周波
数ｆ２での電圧値により巻き線比を決定すれば良い。す
なわち、図１１ではｗｒ中が最良の設定となる。

【００３８】また、トランスの値を変えずにＤＣ電源の
電圧による調整もできる。この場合巻き線比を調整する
方法と同じである。

【００３９】（第３の実施の形態）図１２は第３の実施
の形態の振動型アクチュエータの積層圧電素子の構成図
を示す。

【００４０】図12において、積層圧電素子１は、圧電素
子３−１，３−２，３−３〜３−ｎの合計ｎ枚の圧電素
子を図のように重ね合せ積層化した圧電セラミックスで
ある。

【００４１】これらの各圧電素子板には、厚さ方向に貫
通する５つの導通穴９Ａ１，９Ａ２，９Ｂ１，９Ｂ２，
９Ｇが形成されている。図１２において、最上層である
第１層目の圧電素子板３−１の表の面には全周を概略４
分割し、その分割した一つの領域をさらに内、外周の２
つの領域に分け合計５つの分割電極膜８Ａ２，８Ｂ１，
８Ｂ２，８Ａ１，８Ｓが、また分割電極膜８Ａ１と８Ｂ
１の間には他の５つの分割電極膜と比べ小さい分割電極
膜８Ｇも形成されている。

【００４２】さらに、厚さ方向に貫通する５つの導通穴
９Ａ１，９Ａ２，９Ｂ１，９Ｂ２，９Ｇは各々分割電極
膜８Ａ１，８Ａ２，８Ｂ１，８Ｂ２，８Ｇの領域内に位
置するよう開けられている。

【００４３】第２層目である圧電素子３−２は、表の面
に概略全面に電極膜７が形成され、導通穴９Ａ１，９Ａ
２，９Ｂ１，９Ｂ２の周囲には電極膜の形成されていな
い非電極膜部１１Ｅを有する。導通穴９Ｇは電極膜７を
貫通している。

【００４４】第３層目である圧電素子板３−３は、表の
面に概略４等分するように分割電極膜１２Ａ１，１２Ａ
２，１２Ｂ１，１２Ｂ２が形成され、分割電極膜１２Ａ
１と１２Ｂ１との間には電極膜の形成されていない非電
極膜部１１Ｇを有し、導通穴９Ａ１，９Ａ２，９Ｂ１，
９Ｂ２は分割電極膜１２Ａ１，１２Ａ２，１２Ｂ１，１
２Ｂ２の各領域内を貫通するように設けられ、導通穴９
Ｇは非電極膜部１１Ｇの領域に位置している。

【００４５】同様に第４層である圧電素子板３−４は圧
電素子板３−２と同様の電極膜も導通穴が設けられ、さ
らに第５層である圧電素子板３−５も圧電素子板３−３
と同様の電極膜と導通穴が設けられている。

【００４６】以後、第６層以下偶数層には圧電素子板３
−４と同じものが、第７層以下の奇数層には圧電素子板
３−５と同じものを設ける。そして最下層の第ｎ層には
圧電素子板３−ｎが圧電素子板３−３と同様に４つに分
割された電極膜１２′Ａ１，１２′Ａ２，１２′Ｂ１，
１２′Ｂ２が形成され、非電極膜部１１′Ｇも設けられ
ているが、導通穴は各電極膜部、非電極膜部に設けられ
ていない。

【００４７】なお、各圧電素子板は上記の電極膜が片面
側にのみ形成され、他面側には形成されていない。

【００４８】以上のような各圧電素子板４を上から第１
層から第ｎ層まで図１２のように電極膜を形成した表の
面を上にして各圧電素子板の電極膜の位置と各導通穴９
ｘｘの位置を揃えながら各電極膜部が中心軸に対して同
一位相になるように重ね合せて積層構造を作る。

【００４９】このように積層化すると、積層圧電素子１
には、５つの導電穴９Ａ１，９Ａ２，９Ｂ１，９Ｂ２，
９Ｇにより貫通するスルーホール１０Ａ１，１０Ａ２，
１０Ｂ１，１０Ｂ２，１０Ｇが形成される。

【００５０】そして、あらかじめ前述の分割電極を形成
する際に導通穴９ｘｘの中へ分割電極膜と概略同一の金
属電極ペーストを充填しておくことで、スルーホール１
０ｘｘ中の導通が図られるだけでなく、導通穴と接する
分割電極膜および全面電極膜との導通が図られる。

【００５１】この結果、一例をあげればスルーホール１
０Ａ１を介して各層の分割電極膜、すなわち第１層の圧
電素子板３−１上の分割電極膜９Ａ１、第３層の圧電素
子板３−３上の分割電極膜１２Ａ１、第５層の分割電極
膜１２Ａ−１…そして最終層の圧電素子板３−ｎ上の分
割電極膜１２′Ａ１の導通が計れる。

【００５２】同様に、スルーホール１０Ｇを介して第１
層の圧電素子板３−１上の電極膜９Ｇ、第２層の圧電素
子板３−２上の全面電極膜７、第４層の圧電素子板４−
４上の全面電極膜７、そして、最終層の圧電素子板３−
ｎのひとつ上の層である圧電素子板（図１２には図示さ
れていない）の全面電極膜７ｘｘの導通が図れる。

【００５３】同様にして、他のスルーホール１０Ａ２、
１０Ｂ１，１０Ｂ２と奇数層上の圧電素子板の各分割電
極膜の導通が図れる。

【００５４】積層圧電素子の発生する力は、積層枚数ｎ
にほぼ比例する。インダクタンス素子を介して振動型ア
クチュエータを駆動する場合、電圧と印加電圧の関係は
図７のようになるので、使用する最大周波数ｆ２の電圧
が規定値を超えないようにして、出力の大小は積層の枚
数で決定すれば、電圧値を所定の電圧範囲に抑えながら
所望の出力を得ることができる。

【００５５】なお、図１３は複数の圧電素子板（PZT1〜
PZT4）の間および弾性体ｂ１の間、振動検出用圧電素子
板S1との間に電極板（G1、A1、G2、A2、G3）を挟み込ん
だ一種の積層圧電素子を用いた振動体の一例を示し、弾
性体ｂ２と振動検出用圧電素子S1との間にも電極板ｓを
挟み込み、絶縁部材ｄを介して締結ボルトｃを弾性体ｂ
２側から挿入し、弾性体ｂ１の内周に形成したネジ部に
螺合させて一体的に挟持固定したものであり、電極パタ
ーン等を限定するものではない。そして、図１２に示す
場合と同様に、圧電素子板の枚数を決定すればよい。

【００５６】すなわち、複数枚の圧電素子を積層した積
層圧電素子を用いた振動型アクチュエータすべてに適用
可能である。例えば特開平０７−１９３２９１号公報に
示されている図１３のような一体積層型になっていない
ＰＺＴでも、ＰＺＴ１〜ＰＺＴ４の枚数を増加減少する
ことによって本実施の形態を適用できる。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
振動型アクチュエータ駆動装置、振動型アクチュエータ
において、効率や絶縁層の設定時に問題となる電圧の設
定に関して面倒な設定を単純な方法でできるようにな
る。また電圧の制限と最大出力の両立が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における第１の実施の形態を示すブロッ
ク図

【図２】本発明における振動型アクチュエータの一例の
構成を示す断面図

【図３】図１のＭＯＳＦＥＴ７〜１０を駆動するパルス
を示す図

【図４】本発明における振動型アクチュエータの周波数
-速度特性図

【図５】位置制御における速度指令の一例を示す図

【図６】共振周波数付近での振動型アクチュエータの等
価回路

【図７】図１の回路で駆動時の振動型アクチュエータの
駆動周波数-発生電圧特性を示す図

【図８】本発明における第２の実施の形態を示す回路図

【図９】図８のＭＯＳＦＥＴ７〜１０を駆動するパルス
を示す図

【図１０】第２実施の形態の回路で駆動時の振動型アク
チュエータの駆動周波数-発生電圧特性を示す図

【図１１】第２実施の形態の別の回路で駆動時の振動型
アクチュエータの駆動周波数-発生電圧特性を示す図

【図１２】第３の実施の形態の振動型アクチュエータの
積層圧電素子を示す図

【図１３】第３の実施の形態の振動型アクチュエータの
積層圧電素子を示す別の図

【符号の説明】

７〜１０、２６〜２９ MOSFET １１，１２ インダクタンス素子 15,19 振動型アクチュエータの回転子 １７ 振動型アクチュエータの圧電素子 16,18 振動型アクチュエータの回転子 20 振動型アクチュエータの出力軸 21 振動型アクチュエータの給電部材 トランス 31 振動型アクチュエータ 32-1 32-n 積層圧電素子の各層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動体の電気−機械エネルギー変換素子
   に対して、直流電源をスイッチングしインダクタンス素
   子を介して昇圧を行う昇圧回路から出力される共振周波
   数より高い周波数の交番信号を印加することにより、該
   振動体を駆動する振動型アクチュエータの駆動装置にお
   いて、 前記振動型アクチュエータを駆動する周波数に最大・最
   小周波数を設け、前記最大周波数での駆動電圧の値によ
   って前記駆動装置の諸パラメータを決定することを特徴
   とする振動型アクチュエータの駆動装置の設定方法。
2. 【請求項２】 振動体の電気−機械エネルギー変換素子
   に対して、直流電源をスイッチングしインダクタンス素
   子を介して昇圧を行う昇圧回路から出力される共振周波
   数より高い周波数の交番信号を印加することにより、該
   振動体を駆動する振動型アクチュエータの駆動装置にお
   いて、 前記振動型アクチュエータを駆動する周波数に最大・最
   小周波数を設け、最大周波数での駆動電圧があらかじめ
   定められた所定の電圧を超えないように前記駆動装置の
   諸パラメータを決定することを特徴とする振動型アクチ
   ュエータの駆動装置の設定方法。
3. 【請求項３】 前記諸パラメータは、前記インダクタン
   ス素子のインダクタンスであることを特徴とする請求項
   １または２に記載の振動型アクチュエータの駆動装置の
   設定方法。
4. 【請求項４】 前記インダクタンス素子はトランスであ
   り、前記諸パラメータは、前記トランスの1次または2次
   のインダクタンス、直流抵抗、巻き線比、結合係数の一
   つ以上を含むことを特徴とする前記昇圧回路のインダク
   タンス素子のインダクタンスであることを特徴とする請
   求項１または２に記載の振動型アクチュエータの駆動装
   置の設定方法。
5. 【請求項５】 前記諸パラメータとは、直流電源の電圧
   であることを特徴とする請求項１または２に記載の振動
   型アクチュエータの駆動装置の設定方法。
6. 【請求項６】 前記電気−機械エネルギー変換素子は複
   数の素子を積層した構成を有していて、前記諸パラメー
   タとは、該素子の積層枚数であることを特徴とする請求
   項１または２に記載の振動型アクチュエータの駆動装置
   の設定法。