JP2002218772A - Piezoelectric actuator - Google Patents

Piezoelectric actuator

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JP2002218772A
JP2002218772A JP2001007827A JP2001007827A JP2002218772A JP 2002218772 A JP2002218772 A JP 2002218772A JP 2001007827 A JP2001007827 A JP 2001007827A JP 2001007827 A JP2001007827 A JP 2001007827A JP 2002218772 A JP2002218772 A JP 2002218772A
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JP
Japan
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frequency
rod
driving
displacement
drive
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2001007827A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Okada
浩幸 岡田
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Minolta Co Ltd
Original Assignee
Minolta Co Ltd
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively drive an impact type piezoelectric actuator using a drive pulse of low-voltage rectangular waveform. SOLUTION: The impact type piezoelectric actuator 1 is formed of a drive member 5 consisting of a base 2, a piezoelectric element 3 and a rod 4, a moving member 6 and a drive controller 7. For the drive member 5, a physical condition such as the length of rod or the like is set to satisfy fatr1/3<frr1<fatr1, when the first-order antiresonance frequency of the drive member is defined as fatr1 and the primary resonance frequency of the rod 4, under the condition that one end is fixed as frr1. The piezoelectric actuator 1 is driven, when a drive voltage of the rectangular waveform having a first-order sinusoidal waveform component at the frequency near the flow frequency side of the first-order resonance frequency ftr1, and also has a prescribed duty is applied to the piezoelectric element 3 from a drive circuit 11.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はインパクト形圧電ア
クチュエータに関する。
The present invention relates to an impact type piezoelectric actuator.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、移動部材をロッドに軸方向に移動
可能に取り付けるとともに、このロッドの一方端に分極
方向を軸方向に一致させて圧電素子を固着してなるイン
パクト形圧電アクチュエータが知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known an impact type piezoelectric actuator in which a moving member is attached to a rod so as to be movable in an axial direction, and a piezoelectric element is fixed to one end of the rod so that a polarization direction coincides with the axial direction. ing.

【0003】図17は、インパクト形圧電アクチュエー
タの基本的な構成を示す図である。インパクト形圧電ア
クチュエータ100は、積層型圧電素子101と、この
積層型圧電素子101の積層方向における一方端を固定
する支持部材102と、積層型圧電素子101の他方端
に同軸に固着されたロッド103と、このロッド103
に摩擦力で係合された移動部材104と、積層型圧電素
子101に駆動電圧を印加する駆動回路105とで構成
されている。そして、移動部材104に撮影レンズ等の
駆動対象物が固着されるようになっている。
FIG. 17 is a diagram showing a basic configuration of an impact type piezoelectric actuator. The impact type piezoelectric actuator 100 includes a laminated piezoelectric element 101, a support member 102 for fixing one end of the laminated piezoelectric element 101 in the laminating direction, and a rod 103 coaxially fixed to the other end of the laminated piezoelectric element 101. And this rod 103
And a drive circuit 105 for applying a drive voltage to the laminated piezoelectric element 101. An object to be driven such as a photographing lens is fixed to the moving member 104.

【0004】インパクト形圧電アクチュエータ100は
ロッド103を異なる速度で振動させた際の当該ロッド
103と移動部材104との間に発生する摩擦力の作用
時間の相違を利用して移動部材104をロッド103に
対して相対的に移動させるようにしている。すなわち、
移動部材104とロッド103との間の摩擦力の作用時
間はロッド103が高速で移動するときは短く、低速で
移動するときは長くなるから、ロッド103が先端側に
移動する時(以下、この方向の移動を「往動」又は「正
方向移動」という。)は低速で行い、基端側に移動する
時(以下、この方向の移動を「復動」又は「逆方向移
動」という。)は高速で行うことにより移動部材104
をロッド103に対して相対的に先端側に移動させ(正
方向駆動)、ロッド103の往動時は高速で行い、復動
時は低速で行うことにより移動部材104をロッド10
3に対して相対的に基端側に移動させるようにしている
(逆方向駆動)。
The impact type piezoelectric actuator 100 utilizes the difference in the operation time of the frictional force generated between the rod 103 and the moving member 104 when the rod 103 is vibrated at different speeds, to move the moving member 104 to the rod 103. Relative to the camera. That is,
The action time of the frictional force between the moving member 104 and the rod 103 is short when the rod 103 moves at a high speed and long when the rod 103 moves at a low speed. The movement in the direction is referred to as “forward movement” or “forward movement”. The movement is performed at a low speed, and the movement toward the proximal end is performed (hereinafter, the movement in this direction is referred to as “backward movement” or “reverse movement”). Is performed at a high speed so that the moving member 104
Is moved toward the distal end side relative to the rod 103 (driving in the forward direction), and the moving member 104 is moved at a high speed during the forward movement of the rod 103 and at a low speed during the backward movement.
3 is moved relatively to the proximal end side (reverse drive).

【0005】特開平11−98865号公報には、イン
パクト形圧電アクチュエータのロッド先端部にスプリン
グと錘とからなる共振誘発部を設けることでロッド及び
錘全体としての変位部材が異なる2つの固有振動数f
1,f2を有するようにするとともに圧電素子に固有振
動数f1,f2と同一の周波数成分を含む駆動パルスを
印加することで、駆動パルスの電圧を高くすることなく
ロッド先端の振幅及び移動速度を大きくするようにした
インパクト形圧電アクチュエータが示されている。
Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 11-98865 discloses that a resonance inducing section comprising a spring and a weight is provided at the tip of a rod of an impact type piezoelectric actuator so that a displacement member as a rod and a weight as a whole has two different natural frequencies. f
By applying a drive pulse including the same frequency components as the natural frequencies f1 and f2 to the piezoelectric element, the amplitude and the moving speed of the rod tip can be increased without increasing the voltage of the drive pulse. Shown is an impact-type piezoelectric actuator that is made larger.

【0006】上記公開公報に記載のインパクト形アクチ
ュエータは、異なる2つの周波数の正弦波を合成してな
る駆動パルスで圧電素子を駆動した場合、その圧電素子
に接続されたロッドの変位波形が鋸刃状となることか
ら、駆動パルスに含まれる2つの周波数成分を変位部材
の固有振動数とすることで、ロッド先端に変位量の大き
い鋸刃状の変位を発生させるようにしたものである。
In the impact type actuator described in the above publication, when a piezoelectric element is driven by a driving pulse obtained by synthesizing sine waves of two different frequencies, a displacement waveform of a rod connected to the piezoelectric element has a saw blade. Therefore, by setting two frequency components included in the drive pulse as the natural frequency of the displacement member, a saw blade-like displacement having a large displacement amount is generated at the tip of the rod.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記特開平
11−98865号公報記載のインパクト形圧電アクチ
ュエータは、ロッドが異なる2つの固有振動数を有する
ようにするためにロッドの先端部にスプリング及び錘か
らなる共振誘導部を設ける必要があり、アクチュエータ
の構造が複雑になる。また、共振誘導部のバラツキによ
りインパクト形圧電アクチュエータ毎にロッドの固有振
動数がばらつき、インパクト形圧電アクチュエータ毎に
駆動パルスの周波数成分を調整する必要があるという問
題も生じる。
By the way, the impact type piezoelectric actuator described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-98865 has a spring and a weight attached to the tip of the rod so that the rod has two different natural frequencies. It is necessary to provide a resonance inducing section consisting of: and the structure of the actuator becomes complicated. In addition, the natural frequency of the rod varies for each impact-type piezoelectric actuator due to the variation of the resonance inducing portion, and there is a problem that it is necessary to adjust the frequency component of the drive pulse for each impact-type piezoelectric actuator.

【0008】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、共振誘導部を設けることなく、圧電素子及びロ
ッドからなる駆動部材が所定の共振特性を有するように
構成し且つ圧電素子に供給される駆動パルスの周波数成
分を駆動部材の共振周波数に基づく所定の周波数に設定
することで低電圧の駆動パルスで効率よく駆動すること
のできるインパクト形圧電アクチュエータを実現するも
のである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has a configuration in which a driving member including a piezoelectric element and a rod has predetermined resonance characteristics without providing a resonance inducing section, and supplies the driving element to the piezoelectric element. By setting the frequency component of the driving pulse to a predetermined frequency based on the resonance frequency of the driving member, an impact type piezoelectric actuator that can be efficiently driven by a low-voltage driving pulse is realized.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、駆動電圧が印
加されることにより伸縮する電気機械変換素子と当該電
気機械変換素子の伸縮方向における一方端に固着された
棒部材とからなる駆動手段と、上記駆動部材の電気機械
変換素子の他方端を支持する支持手段と、上記駆動手段
の棒部材に所定の摩擦力で係合された移動手段と、上記
駆動電圧を発生する駆動電圧発生手段とを備えた圧電ア
クチュエータにおいて、上記駆動手段は、当該駆動手段
の1次反共振周波数をfatr1、一方端が固定された条件
での上記棒部材単体の1次共振周波数をfrr1とする
と、fatr1/3<frr1<fatr1を満足するように構成
され、上記駆動電圧発生手段は、上記駆動手段の1次共
振周波数ftr1の低周波側近傍に1次正弦波成分を有し
且つ所定のデューティを有する矩形波の駆動電圧を発生
するものである(請求項1)。
According to the present invention, there is provided a driving means comprising an electromechanical conversion element which expands and contracts when a driving voltage is applied, and a rod member fixed to one end of the electromechanical conversion element in the expansion and contraction direction. Support means for supporting the other end of the electromechanical transducer of the drive member, moving means engaged with a rod member of the drive means with a predetermined frictional force, and drive voltage generation means for generating the drive voltage In the piezoelectric actuator having the above, the driving means may be represented as fatr1 / fat1 if the primary antiresonance frequency of the driving means is fatr1 and the primary resonance frequency of the rod member alone under the condition that one end is fixed is frr1. The driving voltage generating means has a primary sine wave component near a low-frequency side of a primary resonance frequency ftr1 of the driving means and has a predetermined duty. It is intended to generate a driving voltage of the square wave (claim 1).

【0010】なお、上記駆動手段は、当該駆動手段の1
次共振周波数をftr1,2次共振周波数をftr2とする
と、2・ftr1>ftr2を満足するように構成するとよい
(請求項2)。
It is to be noted that the driving means is one of the driving means.
Assuming that the secondary resonance frequency is ftr1 and the secondary resonance frequency is ftr2, it is preferable to configure so as to satisfy 2.multidot.ftr1> ftr2.

【0011】本発明によれば、電気機械変換素子に矩形
波の駆動電圧を印加すると、当該駆動電圧の変化(ON
/OFFの変化)に応じて電気機械変換素子の先端が振
動し、この振動が棒部材に直接伝達されて当該棒部材が
振動する。
According to the present invention, when a driving voltage of a rectangular wave is applied to the electromechanical transducer, the driving voltage changes (ON).
/ OFF change), the tip of the electromechanical transducer vibrates, and this vibration is directly transmitted to the rod member, and the rod member vibrates.

【0012】支持手段に支持された駆動手段は、電気機
械変換素子の一方端を固定した場合の当該電気変換素子
の反共振周波数と同一の周波数において反共振周波数を
有するとともに、当該電気機械変換素子の1次共振周波
数fatr1よりも低周波側に1次共振周波数ftr1を有す
る。更に駆動手段は、電気機械変換素子及び駆動部材の
長さ、太さ、密度等の物理条件を適当に設定することで
当該駆動手段の1次反共振周波数fatr1と棒部材の一方
端を固定し、他方端を自由端としたときの当該棒部材の
1次共振周波数frr1(<fatr1)との間に2次共振周
波数ftr2(>frr1)を有するようになる。
The driving means supported by the supporting means has an anti-resonance frequency at the same frequency as the anti-resonance frequency of the electro-mechanical transducer when one end of the electro-mechanical transducer is fixed, and the electro-mechanical transducer is Has a primary resonance frequency ftr1 on the lower frequency side than the primary resonance frequency fatr1. Further, the driving means fixes the primary anti-resonance frequency fatr1 of the driving means and one end of the rod member by appropriately setting physical conditions such as the length, thickness, and density of the electromechanical transducer and the driving member. The rod member has a secondary resonance frequency ftr2 (> frr1) between the rod member and the primary resonance frequency frr1 (<fatr1) when the other end is a free end.

【0013】駆動手段は、一方端を固定し、他方端を自
由端としたときの棒部材単体の1次共振周波数frr1が
当該駆動手段の1次反共振周波数fatr1(電気機械変換
素子単体の1次反共振周波数に相当)に対してfatr1/
3<frr1<fatr1を満足するように構成されているの
で、駆動手段の1次共振周波数ftr1がfatr1/2より
も低周波数側に生じ、且つ、2次共振周波数ftr2が2
ftr1に近い領域に生じ、駆動手段先端(棒部材の自由
端)の変位量は1次共振周波数ftr1と2次共振周波数
ftr2との間の周波数領域でも急激に低下することがな
い。
The driving means has a first resonance frequency frr1 of the rod member alone when one end is fixed and the other end is a free end. Fatr1 /
Since 3 <frr1 <fatr1 is satisfied, the primary resonance frequency ftr1 of the driving means is generated on the lower frequency side than fatr1 / 2, and the secondary resonance frequency ftr2 is 2
It occurs in a region close to ftr1 and the displacement of the tip of the driving means (free end of the bar member) does not drop sharply even in the frequency region between the primary resonance frequency ftr1 and the secondary resonance frequency ftr2.

【0014】一方、電気機械変換素子には1次共振周波
数ftr1の低周波側近傍に1次正弦波成分を有し且つ所
定のデューティを有する矩形波の駆動電圧を供給してい
るので、駆動手段先端の変位波形は、主として矩形波の
1次正弦波成分による変位波形と2次正弦波成分による
変位波形とのベクトル合成波となるが、駆動手段は1次
正弦波成分と2次正弦波成分の近傍に共振点を有してい
るので、ベクトル合成波は比較的振幅の大きい鋸刃状の
波形となる。
On the other hand, since a driving voltage of a rectangular wave having a primary sine wave component and a predetermined duty is supplied to the electromechanical transducer near the low frequency side of the primary resonance frequency ftr1, the driving means is provided. The displacement waveform at the tip is a vector composite wave mainly composed of a displacement waveform based on a primary sine wave component of a rectangular wave and a displacement waveform based on a secondary sine wave component. , The vector composite wave has a sawtooth waveform having a relatively large amplitude.

【0015】従って、比較的低電圧の矩形波の駆動電圧
によって効率よく移動部材を移動させることができる。
Therefore, the moving member can be moved efficiently by the driving voltage of the rectangular wave having a relatively low voltage.

【0016】また、本発明は、上記圧電アクチュエータ
において、上記駆動電圧のデューティを制御することで
上記移動部材の移動方向を制御する移動方向制御手段を
更に備えたものである(請求項3)。
Further, according to the present invention, the piezoelectric actuator further comprises a moving direction control means for controlling a moving direction of the moving member by controlling a duty of the driving voltage (claim 3).

【0017】この構成によれば、移動部材は、例えば駆
動電圧のデューティを50%より大きい所定のデューテ
ィとすることで棒部材の一方端側に移動し、駆動電圧の
デューティを50%より小さい所定のデューティとする
ことで棒部材の他方端側に移動する。
According to this configuration, the moving member moves to the one end side of the rod member by setting the duty of the drive voltage to a predetermined duty greater than 50%, for example, and reduces the duty of the drive voltage to a predetermined duty smaller than 50%. With this duty, the rod moves to the other end.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】図1は本発明に係るインパクト形
圧電アクチュエータの一実施形態の構成を示す図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an embodiment of an impact type piezoelectric actuator according to the present invention.

【0019】同図において、インパクト形圧電アクチュ
エータ1(以下、圧電アクチュエータ1と略称する。)
はベース(支持部材)2、電気機械変換素子3及びロッ
ド(棒部材)4からなる駆動部材5、移動部材6及び駆
動制御部7で構成されている。
In FIG. 1, an impact type piezoelectric actuator 1 (hereinafter abbreviated as a piezoelectric actuator 1).
Is composed of a driving member 5 including a base (supporting member) 2, an electromechanical transducer 3, and a rod (rod member) 4, a moving member 6, and a drive control unit 7.

【0020】ベース2は駆動部材5の電気機械変換素子
3の一方端(以下、この一方端を基端という。)を固定
するものである。電気機械変換素子3は、例えば所要の
厚さを有する板状の圧電部材を複数枚、各圧電部材間に
薄膜の電極(図略)を挾み込んで接着してなる積層型圧
電体で構成されている。複数枚の圧電部材は隣接する圧
電部材の分極方向が互いに逆向きとなるように積層され
ている。これは各電極には隣接する電極間で互いに正負
の極性が逆になるように駆動電圧が並列に印加されるの
で、各圧電部材が同一の方向に伸縮して電気機械変換素
子3全体として大きい伸縮量が得られるようにするため
である。
The base 2 fixes one end of the electromechanical transducer 3 of the driving member 5 (hereinafter, this one end is referred to as a base end). The electromechanical transducer 3 is composed of, for example, a laminated piezoelectric body formed by bonding a plurality of plate-shaped piezoelectric members having a required thickness and sandwiching a thin-film electrode (not shown) between the piezoelectric members. Have been. The plurality of piezoelectric members are stacked such that the polarization directions of adjacent piezoelectric members are opposite to each other. This is because the driving voltage is applied to each electrode in parallel so that the positive and negative polarities between the adjacent electrodes are opposite to each other, so that each piezoelectric member expands and contracts in the same direction and the entire electromechanical transducer 3 is large. This is for obtaining the amount of expansion and contraction.

【0021】ロッド4は電気機械変換素子3(以下、圧
電素子3という。)と一体に当該圧電素子3の伸縮運動
によって伸縮運動を行なう、例えば円柱状や角柱状の棒
部材である。なお、ロッド4の断面形状は円柱状や角柱
状に限定されるものではなく、楕円形状や多角形状であ
ってもよい。ロッド4の一方端(基端)は圧電素子3の
他方端(以下、この他方端を先端という。)に固着さ
れ、他方端(先端)は自由端となっている。
The rod 4 is, for example, a columnar or prismatic rod member that performs an expansion and contraction movement by an expansion and contraction movement of the piezoelectric element 3 integrally with the electromechanical transducer 3 (hereinafter, referred to as a piezoelectric element 3). The cross-sectional shape of the rod 4 is not limited to a columnar shape or a prismatic shape, but may be an elliptical shape or a polygonal shape. One end (base end) of the rod 4 is fixed to the other end of the piezoelectric element 3 (hereinafter, the other end is referred to as a tip), and the other end (tip) is a free end.

【0022】駆動部材5は、圧電素子3の振動によりロ
ッド4を振動させて移動部材6を当該ロッド4上に移動
させるものである。移動部材6はロッド4の伸縮運動に
よって当該ロッド4に対して相対移動を行なう部材であ
る。移動部材6はロッド4に所定の摩擦力で取り付けら
れ、この摩擦力より大きい力が作用すると、ロッド4上
を摺動することができるようになっている。
The driving member 5 vibrates the rod 4 by the vibration of the piezoelectric element 3 to move the moving member 6 onto the rod 4. The moving member 6 is a member that relatively moves with respect to the rod 4 by the expansion and contraction movement of the rod 4. The moving member 6 is attached to the rod 4 with a predetermined frictional force, and can slide on the rod 4 when a force greater than this frictional force acts.

【0023】従って、圧電素子3の伸縮運動に基づく移
動部材6の軸方向の往復動において、移動部材6を先端
側に往動させるときは、移動部材6を先端側に加速する
時間(つまり、摩擦力を与える時間)が基端側に加速す
る時間よりも長くするようにすれば良い。すなわち、ロ
ッド4を先端側へは低速で、また、基端側へは充分高速
で振動させると、移動部材6は、先端側に加速される時
間が基端側に加速される時間より長いため、先端側に移
動する。一方、逆にロッド4を先端側に高速で往動さ
せ、基端側に低速で復動させると、移動部材6はロッド
4上を基端側に相対的に摺動する。
Therefore, when the moving member 6 is caused to reciprocate in the axial direction by the reciprocating movement of the moving member 6 based on the expansion and contraction of the piezoelectric element 3, the time required for accelerating the moving member 6 to the distal end (that is, The time for applying the frictional force may be longer than the time for accelerating toward the base end. That is, when the rod 4 is vibrated at a low speed toward the distal end and at a sufficiently high speed toward the proximal end, the moving member 6 is accelerated toward the distal end longer than the time accelerated toward the proximal end. , Move to the tip side. On the other hand, if the rod 4 is moved forward at a high speed toward the distal end and moved backward at a low speed toward the proximal end, the moving member 6 relatively slides on the rod 4 toward the proximal end.

【0024】図2は、インパクト形圧電アクチュエータ
の具体的な構成の一実施形態を示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing one embodiment of a specific structure of the impact type piezoelectric actuator.

【0025】同図に示す圧電アクチュエータは円柱棒状
のベース20、角柱状の圧電素子22、ベース20より
も径の小さい円柱棒状のロッド24及び直方体状の移動
部材26で構成されている。
The piezoelectric actuator shown in FIG. 1 includes a cylindrical rod-shaped base 20, a prismatic piezoelectric element 22, a cylindrical rod 24 having a smaller diameter than the base 20, and a rectangular parallelepiped moving member 26.

【0026】ベース20は軸方向の両端部及び略中央の
仕切壁203を残して内部を刳り貫くことによって形成
された第1収容空間204と第2収容空間205とを有
している。軸方向の長さの短い第1収容空間204には
圧電素子22が積層方向をベース20の軸方向に一致さ
せて収容されている。また、軸方向の長さの長い第2の
収容空間205にはロッド24が収容されている。
The base 20 has a first housing space 204 and a second housing space 205 formed by hollowing out the inside thereof, leaving both ends in the axial direction and a partition wall 203 substantially at the center. The piezoelectric element 22 is accommodated in the first accommodation space 204 having a short length in the axial direction, with the lamination direction coinciding with the axial direction of the base 20. Further, the rod 24 is accommodated in the second accommodation space 205 having a long axial length.

【0027】圧電素子22は長手方向の一方端面(以
下、この端面を基端面という。)が第1収容空間204
の仕切壁203と反対側の端面に固定されている。ベー
ス20の仕切壁203及び第2収容空間205が隣接す
る側の端部(ベース20の先端部)には軸中心位置に丸
孔が穿設され、ロッド24が両丸孔を貫通して第2収容
空間205に軸方向移動可能に収容されている。
One end face of the piezoelectric element 22 in the longitudinal direction (hereinafter, this end face is referred to as a base end face) has a first accommodation space 204.
Is fixed to the end face opposite to the partition wall 203. A round hole is formed at the axial center position at the end (the end of the base 20) of the base 20 on the side where the partition wall 203 and the second storage space 205 are adjacent, and the rod 24 passes through both round holes. It is accommodated in the two accommodation space 205 so as to be movable in the axial direction.

【0028】そして、ロッド24の第1収容空間204
に突出した端部は圧電素子22の他方端面(以下、この
面を先端面という。)に固着され、ロッド24のベース
20の先端部から突出した端部は板バネ28により所要
のバネ圧で圧電素子22側に付勢されている。この板バ
ネ28によるロッド24の付勢は圧電素子22の伸縮動
作に基づくロッド24の軸方向の変位を安定化するため
のものである。
The first accommodation space 204 of the rod 24
Is fixed to the other end surface of the piezoelectric element 22 (hereinafter, this surface is referred to as a front end surface), and the end of the rod 24 protruding from the front end of the base 20 is fixed by a leaf spring 28 at a required spring pressure. It is urged toward the piezoelectric element 22 side. The urging of the rod 24 by the leaf spring 28 stabilizes the axial displacement of the rod 24 due to the expansion and contraction of the piezoelectric element 22.

【0029】移動部材26はロッド24の軸方向両側に
取付部261を有する基部262と、両取付部261の
間に装着される挾み込み部材263とを備えており、基
部262がロッド24に遊嵌されると共に、挟み込み部
材263が板ばね264により押圧されることによりロ
ッド24に接触することで移動部材26が所定の摩擦力
でロッド24に結合され、これにより移動部材26に対
してその摩擦力よりも大きな駆動力が作用したときにロ
ッド24の軸方向に沿って移動可能とされている。な
お、移動部材26には、例えば圧電アクチュエータ1を
カメラのレンズ駆動用に適用した場合は駆動対象物であ
るレンズが取り付けられる。
The moving member 26 includes a base 262 having mounting portions 261 on both sides in the axial direction of the rod 24, and a holding member 263 mounted between the mounting portions 261. The base 262 is attached to the rod 24. The moving member 26 is loosely fitted, and is contacted with the rod 24 by being pressed by the leaf spring 264, whereby the moving member 26 is coupled to the rod 24 with a predetermined frictional force. When a driving force larger than the frictional force acts, the rod 24 can move along the axial direction. When the piezoelectric actuator 1 is used for driving a lens of a camera, for example, a lens to be driven is attached to the moving member 26.

【0030】図1に戻り、駆動制御部7は圧電アクチュ
エータ1の駆動を制御するものである。駆動制御部7は
移動部材6の位置を検出するための位置検出センサ8、
位置検出センサ8から出力される検出信号の波形を成形
する波形整形回路9、波形整形回路9から出力される位
置検出信号を用いて移動部材6の移動位置を検出する位
置検出回路10、圧電素子3及び駆動制御部7内の各回
路に電源を供給する電源電池11、電源電池11から出
力される直流電圧(又は直流電流)を所定の矩形波状の
直流電圧(又は直流電流)若しくは交流電圧(又は交流
電流)に変換し、駆動信号として圧電素子3に出力する
駆動回路12、電源電池11の電池電圧を検出する電圧
検出回路13、制御部15に移動部材6の移動方向の情
報を入力するためのスイッチ14a,14b及び駆動回
路12の駆動を制御する制御部15からなる。
Returning to FIG. 1, the drive control section 7 controls the drive of the piezoelectric actuator 1. The drive control unit 7 includes a position detection sensor 8 for detecting the position of the moving member 6,
A waveform shaping circuit 9 for shaping the waveform of a detection signal output from the position detection sensor 8; a position detection circuit 10 for detecting the movement position of the moving member 6 using the position detection signal output from the waveform shaping circuit 9; 3 and a power supply battery 11 for supplying power to each circuit in the drive control unit 7, and a DC voltage (or DC current) output from the power supply battery 11 is converted into a predetermined rectangular wave DC voltage (or DC current) or an AC voltage (or DC voltage). Or an AC current), and a drive circuit 12 that outputs the drive signal to the piezoelectric element 3, a voltage detection circuit 13 that detects the battery voltage of the power supply battery 11, and information on the moving direction of the moving member 6 is input to the control unit 15. , And a control unit 15 for controlling the driving of the drive circuit 12.

【0031】位置検出センサ8は移動部材6に取り付け
られたマグネットスケール81とこのマグネットスケー
ル81に対向配置された磁気センサ82とで構成されて
いる。マグネットスケール81は長尺状の基板に長手方
向に所定のピッチでN極とS極の磁極が交互に着磁され
たものである。磁気センサ82はマグネットスケール8
1の着磁面近傍の磁界を検出するものである。マグネッ
トスケール81の着磁面にはN極とS極とが所定のピッ
チで交互に着磁されているから、その着磁面近傍には正
弦波状の磁界が分布する。従って、移動部材6の往復動
に基づきマグネットスケール81が磁気センサ82に対
して相対移動を行なうと、磁気センサ81からは正弦波
状の信号が検出される。
The position detecting sensor 8 comprises a magnet scale 81 attached to the moving member 6 and a magnetic sensor 82 arranged opposite to the magnet scale 81. The magnet scale 81 is formed by alternately magnetizing N-poles and S-poles on a long substrate at a predetermined pitch in the longitudinal direction. The magnetic sensor 82 is a magnet scale 8
1 detects the magnetic field near the magnetized surface. Since the N pole and the S pole are alternately magnetized at a predetermined pitch on the magnetized surface of the magnet scale 81, a sine wave magnetic field is distributed near the magnetized surface. Therefore, when the magnet scale 81 moves relative to the magnetic sensor 82 based on the reciprocating motion of the moving member 6, a sine wave signal is detected from the magnetic sensor 81.

【0032】この検出信号は波形成形回路8により矩形
波信号(パルス列信号)に整形された後、位置検出回路
10に入力される。そして、位置検出回路10は初期位
置(例えば移動部材6が基端位置に位置しているとき)
からの矩形波に整形されたパルス列信号のパルス数をカ
ウントすることにより移動部材6の位置を検出し、その
検出信号に基づき移動部材6の位置情報を制御部15に
出力する。例えばロッド4の基端部から先端部までの移
動部材6の移動範囲を5つのゾーンに分割し、検出信号
から移動範囲のどのゾーンに位置しているかを判別し、
その判別結果を移動部材6の位置情報として制御部15
に出力する。
This detection signal is shaped into a rectangular wave signal (pulse train signal) by the waveform shaping circuit 8 and then input to the position detecting circuit 10. Then, the position detection circuit 10 sets the initial position (for example, when the moving member 6 is located at the base end position).
The position of the moving member 6 is detected by counting the number of pulses of the pulse train signal shaped into a rectangular wave from the controller 6, and the position information of the moving member 6 is output to the control unit 15 based on the detection signal. For example, the moving range of the moving member 6 from the base end to the distal end of the rod 4 is divided into five zones, and it is determined which zone of the moving range is located from the detection signal,
The determination result is used as the position information of the moving member 6 by the control unit 15.
Output to

【0033】駆動回路12は、例えば電源電池11から
入力される電圧VBを所定の変調信号で断続することに
より矩形波の駆動電圧を生成する。電圧検出回路13
は、例えば2つの分割抵抗からなり、電池電圧VBを分
割抵抗で分圧して制御部15に入力する。制御部15は
電圧検出回路13から入力される電源電池11の電圧V
Bをモニタし、電源電池11の寿命若しくは電池の交換
時期を管理する。
The drive circuit 12 is provided, for example, from the power battery 11.
Input voltage VBTo be intermittent with a predetermined modulation signal
A drive voltage of a more square wave is generated. Voltage detection circuit 13
Is composed of, for example, two divided resistors, and the battery voltage VBA minute
The voltage is divided by the split resistance and input to the control unit 15. The control unit 15
Voltage V of power supply battery 11 input from voltage detection circuit 13
BMonitor the life of the power supply battery 11 or replace the battery.
Manage time.

【0034】スイッチ14a,14bは移動部材6の移
動方向を指示する操作部材(図略)の操作を検出し、そ
の検出信号を制御部15に入力する。スイッチ14aは
操作部材が移動部材6をロッド4の基端側に移動させる
方向(繰込み方向)に操作されると、オンになり、スイ
ッチ14bは操作部材が移動部材6をロッド4の先端側
に移動させる方向(繰出し方向)に操作されると、オン
になる。
The switches 14a and 14b detect an operation of an operation member (not shown) for instructing a moving direction of the moving member 6, and input a detection signal to the control unit 15. The switch 14a is turned on when the operating member is operated in a direction (retracting direction) for moving the moving member 6 toward the base end of the rod 4, and the switch 14b is turned on when the operating member moves the moving member 6 toward the distal end of the rod 4. It is turned on when operated in the direction (moving-out direction) for moving the camera to

【0035】制御部15はスイッチ14a,14bのオ
ン信号に基づき指示された方向に移動部材6を移動させ
るための駆動電圧を生成させる制御信号を駆動回路12
に出力する。駆動回路12はこの制御信号に基づき所定
のデューティの駆動電圧(駆動パルス)を生成する。な
お、後述するように移動部材6の移動方向は駆動電圧の
デューティを変更することで切り換えられ、例えばデュ
ーティを50%より大きくすると、移動部材6が一方の
方向に移動し、デューティを50%より小さくすると、
移動部材6が反対方向に移動する。
The control unit 15 outputs a control signal for generating a drive voltage for moving the moving member 6 in the direction instructed based on the ON signals of the switches 14a and 14b.
Output to The drive circuit 12 generates a drive voltage (drive pulse) having a predetermined duty based on the control signal. As will be described later, the moving direction of the moving member 6 is switched by changing the duty of the drive voltage. For example, if the duty is larger than 50%, the moving member 6 moves in one direction, and the duty is increased from 50%. If you make it smaller,
The moving member 6 moves in the opposite direction.

【0036】次に、圧電アクチュエータ1の駆動回路1
2で生成される駆動パルスについて説明する。
Next, the driving circuit 1 of the piezoelectric actuator 1
2 will be described.

【0037】従来技術において説明したように、圧電素
子3に矩形波の駆動パルスを供給した場合も一定の条件
の下にロッド4の変位を鋸刃状にすることができ、移動
部材6を往動又は復動させられることが知られている。
そこで、まず、矩形波の駆動パルスで駆動する際の駆動
効率を最良にするための条件について説明する。
As described in the background art, even when a rectangular drive pulse is supplied to the piezoelectric element 3, the displacement of the rod 4 can be made to have a saw-tooth shape under a certain condition, and the moving member 6 moves forward and backward. It is known to be moved or moved back.
Therefore, first, conditions for optimizing the driving efficiency when driving with a driving pulse of a rectangular wave will be described.

【0038】矩形波は周知のように1次、2次、3次、
…n次の正弦波の重ね合わせであるから、矩形波の駆動
電圧を圧電素子3に印加した場合の当該圧電素子3の変
位(伸縮)は、矩形波に含まれる各次の正弦波の駆動電
圧による圧電素子3の変位をベクトル合成したものと考
えることができる。従って、圧電素子3に連結されたロ
ッド4の変位も矩形波に含まれる各次の正弦波の駆動電
圧によるロッド4の変位を重ね合わせたものと考えるこ
とができる。
As is well known, a square wave is a primary, secondary, tertiary,
... Since the n-th sine wave is superimposed, the displacement (expansion and contraction) of the piezoelectric element 3 when a rectangular wave driving voltage is applied to the piezoelectric element 3 causes the driving of each sine wave included in the rectangular wave. It can be considered that the displacement of the piezoelectric element 3 due to the voltage is obtained by vector synthesis. Therefore, it can be considered that the displacement of the rod 4 connected to the piezoelectric element 3 is obtained by superimposing the displacement of the rod 4 due to the driving voltage of each next sine wave included in the rectangular wave.

【0039】そして、可能な限り駆動効率を高めるに
は、矩形波に含まれる各次の周波数成分f1,f2,…
の大きさをA1,A2,…、駆動部材5の変位特性にお
いて周波数f1,f2,…における変位量をL1,L
2,…、駆動部材5の位相特性において周波数f1にお
ける位相に対する2次以降の各周波数f2,f3,…に
おける位相の位相差をθ2,θ3,…とすると、駆動部
材5の変位量Lは、 で表されるから、上記(1)式が最大となるように矩形
波に含まれる各次の周波数成分の大きさAi(i=1,
2,…n)、各次の周波数成分における駆動部材5の変
位量Li(i=1,2,…n)及び位相差θi+1(i=
1,2,…n)を設定すればよいことがわかる。
In order to increase the driving efficiency as much as possible, the following frequency components f1, f2,.
.., And the displacement at the frequencies f1, f2,.
.., Θ3,... In the phase characteristics of the driving member 5 with respect to the phase at the frequency f1 at the second and subsequent frequencies f2, f3,. Therefore, the magnitude Ai (i = 1, i) of each next-order frequency component included in the rectangular wave so that the above equation (1) is maximized.
,... N), the displacement amount Li (i = 1, 2,... N) of the driving member 5 in each frequency component and the phase difference θi + 1 (i =
1, 2,... N).

【0040】一方、矩形波に含まれる各次の周波数成分
の振幅比はデューティ(1周期におけるオン期間の割
合)によって変化し、駆動部材5には長さ、太さ、密度
(重さ)、形状等の物理条件に基づく固有の共振周波数
が存在することが知られている。そこで、これらを考慮
して出願人がシミュレーションにより検討したところ、
駆動部材5の矩形波の1次周波数成分fd1による変位量
B1(=A1・L1)と2次周波数成分fd2(=2・fd
1)による変位量B2(=A2・L2)とがB1:B2
=1:0.26で、且つ、変位量B1と変位量B2との
位相差θ2が90°のときに駆動効率が最高(出力が最
大)になることがわった。
On the other hand, the amplitude ratio of each of the following frequency components included in the rectangular wave changes depending on the duty (the ratio of the ON period in one cycle), and the driving member 5 has a length, thickness, density (weight), It is known that there is a unique resonance frequency based on physical conditions such as a shape. Therefore, when the applicant examined by simulation in consideration of these,
The displacement B1 (= A1 · L1) and the secondary frequency component fd2 (= 2 · fd) of the driving member 5 due to the primary frequency component fd1 of the rectangular wave.
The displacement B2 (= A2 · L2) due to 1) is B1: B2.
= 1: 0.26, and when the phase difference θ2 between the displacement amount B1 and the displacement amount B2 is 90 °, the driving efficiency becomes maximum (output is maximum).

【0041】従って、上記(1)式は実質的にL=A1
・L1+A2・L2・sin(θ2)となり、A1・L1=
1、A2・L2=0.26、θ2=90°(以下、この
条件を最適条件という。)となるように駆動部材5の物
理条件を設定するとともに、駆動パルスのデューティを
設定すればよいということができる。
Therefore, the above equation (1) is substantially equal to L = A1
· L1 + A2 · L2 · sin (θ2), and A1 · L1 =
1, A2 · L2 = 0.26, θ2 = 90 ° (hereinafter, this condition is referred to as an optimum condition). It is only necessary to set the physical condition of the driving member 5 and to set the duty of the driving pulse. be able to.

【0042】尤も、実際に圧電アクチュエータ1を製造
する際、最適条件を満たすものを実現することは容易で
ないから、駆動部材5の物理条件を適当に設定するとと
もに、駆動パルスの電圧、周波数、デューティ等を変化
させながら実際に出力を測定して最適条件に最も近くな
る駆動部材5の物理条件と駆動パルスの周波数及びデュ
ーティの条件とを設定する必要がある。
However, when actually manufacturing the piezoelectric actuator 1, it is not easy to realize a piezoelectric actuator that satisfies the optimum conditions. Therefore, the physical conditions of the driving member 5 are appropriately set, and the voltage, frequency, and duty of the driving pulse are set. It is necessary to actually measure the output while changing the conditions, and to set the physical condition of the driving member 5 and the driving pulse frequency and duty conditions which are closest to the optimum conditions.

【0043】図3は、最適条件に比較的近い条件を満た
すように構成された本実施形態に係る駆動部材5の変位
量と位相差の周波数特性を示したものである。この駆動
部材5は駆動周波数fd(1次共振周波数ftr1の低周波
側で適当に選択された周波数)で、デューティ30%若
しくは70%の矩形波の駆動パルスで駆動されるように
なっている。
FIG. 3 shows the frequency characteristics of the amount of displacement and the phase difference of the driving member 5 according to the present embodiment, which is configured to satisfy a condition relatively close to the optimum condition. The driving member 5 is driven at a driving frequency fd (a frequency appropriately selected on the low frequency side of the primary resonance frequency ftr1) with a driving pulse of a rectangular wave having a duty of 30% or 70%.

【0044】同図に示すように、駆動部材5は、ロッド
先端部の変位が駆動部材5固有の1次共振周波数ftr1
で変位量Lが最大となり、2次共振周波数ftr2、3次
共振周波数ftr3,…で微小ではあるが変位量Lが増大
する特性を有する。そして、駆動部材5は、2次共振周
波数ftr2がほぼ1次共振周波数ftr1の2倍若しくはそ
れよりも少し低い周波数となり、1次共振周波数ftr1
と2次共振周波数ftr2との間には反共振点が存在しな
い共振特性を有するように構成されている。
As shown in the drawing, the driving member 5 has a displacement at the tip of the rod whose primary resonance frequency ftr1 unique to the driving member 5 is changed.
, The displacement L is maximized, and the secondary resonance frequency ftr2, the tertiary resonance frequency ftr3,. Then, the driving member 5 has a frequency at which the secondary resonance frequency ftr2 is substantially twice or slightly lower than the primary resonance frequency ftr1.
It is configured to have a resonance characteristic in which no anti-resonance point exists between the secondary resonance frequency ftr2 and the secondary resonance frequency ftr2.

【0045】従って、ロッド先端部の変位量Lは1次共
振点のピークを過ぎると、その近傍では急激に減少する
が、裾野の周波数領域では変位量Lの減少が緩やかにな
り、その後2次共振点の存在により再び変位量Lが増大
する。なお、図3では3次共振周波数ftr3以上では変
位量Lが無視し得る微小量であるので描いていない。
Therefore, the displacement L at the rod tip portion sharply decreases in the vicinity of the peak of the primary resonance point after passing the peak, but decreases gradually in the frequency region of the foot, and then decreases in the second order. The displacement L increases again due to the presence of the resonance point. Note that, in FIG. 3, the displacement L is not shown since the displacement L is negligible at the third resonance frequency ftr3 or higher.

【0046】また、駆動部材5は、位相差θが1次共振
周波数ftr1のピークの手前までは緩やかに単調減少す
るが、ピークの前後で急激に減少し、その後は再び緩や
かに単調減少して約−210°に落ち着く特性を有す
る。また、2次共振周波数ftr2の前後では増加/減少
の不安定な特性を示すが、その後は緩やかに位相差θが
単調減少する特性を有する。
In the driving member 5, the phase difference θ gradually decreases monotonically before the peak of the primary resonance frequency ftr1, but decreases sharply before and after the peak, and thereafter gradually decreases again monotonically. It has the property to settle at about -210 °. In addition, it exhibits an unstable characteristic of increase / decrease before and after the secondary resonance frequency ftr2, but thereafter has a characteristic in which the phase difference θ monotonously decreases.

【0047】図3に示す変位量L及び位相差θの周波数
特性から、駆動部材5の変位の周波成分は主として1次
共振周波数ftr1と2次共振周波数ftr2で、3次以上の
共振周波数成分は殆ど寄与しない。従って、矩形波の駆
動パルスで圧電素子3を駆動した場合、矩形波の1次周
波数成分が1次共振周波数ftr1の低周波側の変位量L
1が比較的急峻に変化する適当な周波数fdとなるよう
に駆動パルスの周波数を設定すると、ロッド先端部の変
位は等価的にその駆動パルスの1次周波数成分fd及び
2次周波数成分2fdの正弦波成分による変位量L1,
L2をベクトル合成したものとなる。
From the frequency characteristics of the displacement amount L and the phase difference θ shown in FIG. 3, the frequency components of the displacement of the driving member 5 are mainly the primary resonance frequency ftr1 and the secondary resonance frequency ftr2, and the resonance frequency components of the third or higher order are: Hardly contributes. Accordingly, when the piezoelectric element 3 is driven by the driving pulse of the rectangular wave, the primary frequency component of the rectangular wave becomes the displacement L on the low frequency side of the primary resonance frequency ftr1.
If the frequency of the drive pulse is set so that 1 becomes an appropriate frequency fd that changes relatively steeply, the displacement of the rod tip will equivalently be the sine of the primary frequency component fd and the secondary frequency component 2fd of the drive pulse. Displacement L1 due to wave component
L2 is obtained by vector synthesis.

【0048】デューティ30%の矩形波信号の1次周波
数成分の振幅A1と2次周波波成分の振幅A2との比は
A1:A2≒1:0.6である。図3に示す変位量及び
変位位相の周波数特性を有する圧電アクチュエータ1を
図4(a)に示す駆動パルス(デューティ30%で、且
つ、駆動周波数fd(1次共振周波数ftr1の低周波側の
適当な周波数)の矩形波の駆動パルス)で駆動した場
合、図3において、駆動周波数fdでの変位量L1に対
する駆動周波数2fdでの変位量L2はおよそ1/2で
あるから、駆動部材5の1次周波数成分の変位量B1
(=A1・L1)と2次周波波成分の変位量B2(=A
2・L2)との比はB1:B2≒1:0.3(=0.6
×1/2)となり、最適条件のB1:B2=1:0.2
6に近い値が得られている。
The ratio of the amplitude A1 of the primary frequency component to the amplitude A2 of the secondary frequency component of the rectangular wave signal having a duty of 30% is A1: A2 ≒ 1: 0.6. The piezoelectric actuator 1 having the frequency characteristics of the displacement amount and the displacement phase shown in FIG. 3 is driven by a drive pulse (with a duty of 30% and a drive frequency fd (appropriate on the low frequency side of the primary resonance frequency ftr1) shown in FIG. In FIG. 3, the displacement L2 at the driving frequency 2fd is approximately 1/2 of the displacement L1 at the driving frequency fd when the driving pulse is driven by a rectangular wave driving pulse having a different frequency). Displacement B1 of next frequency component
(= A1 · L1) and the displacement amount B2 of the secondary frequency wave component (= A
2 · L2) is B1: B2 ≒ 1: 0.3 (= 0.6
× 1/2), and B1: B2 = 1: 0.2 of the optimum condition
A value close to 6 is obtained.

【0049】また、駆動部材5の変位量B1と変位量B
2との位相差θ2は、駆動周波数fdでの位相がおよそ
−50°で、駆動周波数2fdでの位相がおよそ−21
0°であるから、駆動周波数fdにおける位相を駆動周
波数2fdにおける位相に換算して両位相の位相差θ2
を算出すると、θ2≒−50×2−(−210)=11
0°となり、最適条件のθ2=90°に近い値が得られ
ている。
The displacement B1 and the displacement B of the driving member 5
2, the phase at the driving frequency fd is approximately −50 °, and the phase at the driving frequency 2fd is approximately −21.
Since it is 0 °, the phase at the drive frequency fd is converted to the phase at the drive frequency 2fd, and the phase difference θ2 between the two phases is obtained.
Is calculated, θ2 ≒ −50 × 2-(− 210) = 11
0 °, which is a value close to the optimum condition θ2 = 90 °.

【0050】従って、駆動周波数fd、デューティ30
%の矩形波の駆動パルスで圧電アクチュエータ1を駆動
すると、ロッド先端部の1次周波波成分と2次周波波成
分の変位波形はそれぞれ図4(b)ののようにな
り、更にこれらの変位波形をベクトル合成すると、同図
(b)ののようになる。図4(b)のの変位波形か
ら明らかなように、ロッド先端部の変位波形は緩やかな
伸長変位と急峻な縮小変位とからなる鋸刃状の波形とな
り、移動部材6は繰出し方向(以下、この方向を正方向
ともいう。)に移動することになる。
Therefore, the driving frequency fd and the duty 30
% When the piezoelectric actuator 1 is driven by a square-wave driving pulse, the displacement waveforms of the primary frequency wave component and the secondary frequency wave component at the rod tip end are as shown in FIG. When the waveforms are vector-combined, the result is as shown in FIG. As is clear from the displacement waveform of FIG. 4B, the displacement waveform of the rod tip becomes a sawtooth-like waveform composed of a gradual extension displacement and a steep contraction displacement, and the moving member 6 is moved in the feeding direction (hereinafter, referred to as “movement member”). This direction is also referred to as the forward direction.).

【0051】一方、デューティ70%の矩形波信号はデ
ューティ30%の矩形波信号の2次周波波成分の位相を
反転したものに相当するから、図3に示す変位量及び変
位位相の周波数特性を有する圧電アクチュエータ1を図
5(a)に示す駆動パルス(デューティ70%で、且
つ、駆動周波数fdの矩形波の駆動パルス)で駆動した
場合のロッド先端部の1次周波波成分の変位量L1と2
次周波波成分の変位量L2との比はデューティ30%
で、且つ駆動周波数fdの矩形波の駆動パルスで駆動し
た場合と同じになり、位相差θ2だけが変化する。すな
わち、デューティ70%の矩形波信号の2次周波波成分
の位相は、デューティ30%の矩形波の2次周波波成分
の位相に対して180°進んでいるから、180°−2
10°=−30°となる。なお、デューティ70%の矩
形波信号の1次周波成分の位相はデューティ30%の矩
形波の1次正弦波成分の位相と同相であるから−50°
である。
On the other hand, a rectangular wave signal having a duty of 70% corresponds to a signal obtained by inverting the phase of the secondary frequency wave component of a rectangular wave signal having a duty of 30%. When the piezoelectric actuator 1 is driven by the drive pulse (a rectangular wave drive pulse having a duty of 70% and a drive frequency fd) shown in FIG. 5A, the displacement amount L1 of the primary frequency wave component at the rod tip portion is obtained. And 2
The duty ratio of the next frequency wave component to the displacement L2 is 30%.
And the same as the case of driving with a square-wave drive pulse having the drive frequency fd, and only the phase difference θ2 changes. That is, since the phase of the secondary frequency wave component of the rectangular wave signal with the duty of 70% is advanced by 180 ° with respect to the phase of the secondary frequency wave component of the rectangular wave with the duty of 30%, 180 ° −2
10 ° = −30 °. Since the phase of the primary frequency component of the rectangular wave signal having a duty of 70% is the same as the phase of the primary sine wave component of the rectangular wave having a duty of 30%, the phase is −50 °.
It is.

【0052】従って、位相差θ2はθ2≒−50×2−
(−30)=−70°となり、デューティ70%で、且
つ、駆動周波数fdの矩形波の駆動パルスで駆動したと
きの位相差θ2はデューティ30%で、且つ、駆動周波
数fdの矩形波の駆動パルスで駆動したときの位相差θ
2に対して180°進んだものとなる。このため、駆動
周波数fd、デューティ70%の矩形波信号で圧電アク
チュエータ1を駆動すると、ロッド先端部の1次周波波
成分と2次周波波成分の変位波形はそれぞれ図5(b)
ののようになり、更にこれらの変位波形をベクトル
合成すると、同図(b)ののようになる。図5(b)
のの変位波形から明らかなように、ロッド4の変位波
形は急峻な伸長変位と緩やかな縮小変位とからなる鋸刃
状の波形となるから、移動部材6を繰込み方向(以下、
この方向を逆方向ともいう。)に移動することになる。
Therefore, the phase difference θ2 is θ2 ≒ −50 × 2−
(−30) = − 70 °, and the phase difference θ2 when driven by a rectangular wave drive pulse with a duty of 70% and a drive frequency fd is a duty of 30% and a square wave drive with a drive frequency fd Phase difference θ when driven by pulse
This is 180 ° ahead of 2. For this reason, when the piezoelectric actuator 1 is driven with a rectangular wave signal having a drive frequency fd and a duty of 70%, the displacement waveforms of the primary frequency wave component and the secondary frequency wave component at the rod tip are respectively shown in FIG.
When these displacement waveforms are further vector-synthesized, the result is as shown in FIG. FIG. 5 (b)
As is apparent from the displacement waveform of FIG. 3, since the displacement waveform of the rod 4 is a sawtooth-shaped waveform composed of a steep extension displacement and a gradual contraction displacement, the moving member 6 is moved in the retreating direction (hereinafter, referred to as the moving direction).
This direction is also called a reverse direction. ).

【0053】なお、駆動効率を考慮すると、駆動周波数
fdはロッド4の変位量Lの大きい1次共振周波数ftr1
のピーク近傍を選択することが望ましいが、駆動周波数
fdを1次共振周波数ftr1のピーク近傍にすると、周波
数ftr1,ftr2近傍の変位量L及び変位位相θの変化量
が大きく、温度/湿度等の環境の変化に対する周波数の
ずれによってロッド4の挙動が不安定となるので、安定
制御のための回路が複雑になるとともに、圧電アクチュ
エータの個体差に応じて安定制御のための回路を設計す
る必要があり、圧電アクチュエータの量産条件が厳しく
なるので、技術的にもコスト的にも実現困難となる。こ
のため、本実施形態では駆動周波数fdを図3の1次共
振周波数ftr1のピーク近傍としないで、1次共振周波
数ftr1の低周波側で変位量Lの比較的大きい適当な周
波数を駆動周波数fdとしている。
In consideration of the driving efficiency, the driving frequency fd is the primary resonance frequency ftr1 where the displacement amount L of the rod 4 is large.
However, if the drive frequency fd is set near the peak of the primary resonance frequency ftr1, the change amount of the displacement L and the displacement phase θ near the frequencies ftr1 and ftr2 is large, and the temperature / humidity etc. Since the behavior of the rod 4 becomes unstable due to the frequency shift with respect to the environmental change, the circuit for the stable control becomes complicated, and it is necessary to design the circuit for the stable control according to the individual difference of the piezoelectric actuator. In addition, since the conditions for mass production of the piezoelectric actuator become severe, it is difficult to realize it technically and cost-wise. For this reason, in the present embodiment, the drive frequency fd is not set near the peak of the primary resonance frequency ftr1 in FIG. 3 and an appropriate frequency having a relatively large displacement L on the low frequency side of the primary resonance frequency ftr1 is set to the drive frequency fd. And

【0054】次に、駆動部材5の物理条件と共振特性と
の関係について説明する。なお、以下の説明では、便宜
上、駆動部材5のロッド長Lrだけを変化させた場合を
例に説明する。
Next, the relationship between the physical conditions of the driving member 5 and the resonance characteristics will be described. In the following description, a case where only the rod length Lr of the driving member 5 is changed will be described as an example for convenience.

【0055】図6は駆動電圧の周波数fと駆動部材5の
変位速度vとの関係を実測したもので、(a)は駆動部
材5のロッド長Lrを0mmとした場合(すなわち、圧
電素子3単体を駆動した場合)、(b)は駆動部材5の
ロッド長Lrを4mmとした場合、(c)は駆動部材5
のロッド長Lrを8mmとした場合、(d)は駆動部材
5のロッド長Lrを12mmとした場合、(e)は駆動
部材5のロッド長Lrを16mmとした場合、(f)は
駆動部材5のロッド長Lrを32mmとした場合であ
る。
FIGS. 6A and 6B show the relationship between the frequency f of the driving voltage and the displacement speed v of the driving member 5. FIG. 6A shows the case where the rod length Lr of the driving member 5 is 0 mm (that is, the piezoelectric element 3). (B) when the rod length Lr of the driving member 5 is 4 mm, and (c) when the driving member 5 is driven.
(D) when the rod length Lr of the driving member 5 is 12 mm, (e) when the rod length Lr of the driving member 5 is 16 mm, and (f) when the rod length Lr of the driving member 5 is 16 mm. This is a case where the rod length Lr of No. 5 is 32 mm.

【0056】なお、図6では縦軸に変位速度vを対数目
盛で表しており、変位量Lを取っていないが、変位速度
vが大きくなると、変位量も増大するから、実質的に変
位速度vの変化傾向は変位量Lの変化傾向を示してい
る。
In FIG. 6, the vertical axis represents the displacement speed v on a logarithmic scale, and the displacement amount L is not taken. However, as the displacement speed v increases, the displacement amount also increases. The change tendency of v indicates the change tendency of the displacement L.

【0057】同図(a)において、P1,P2,P3,
P4は圧電素子3単体の共振点(変位量Lの最も大きい
点)である。各共振点の周波数をfp1,fp2,…とする
と、fp2≒3fp1,fp3≒5fp1,…となっている。ま
た、Q1,Q2,…は圧電素子3単体の反共振点(変位
量の最も小さい点)である。各反共振点の周波数をfq
1,fq2,…とすると、fq1≒2fp1,fp2≒4fp1,
…となっている。
In FIG. 9A, P1, P2, P3,
P4 is the resonance point of the piezoelectric element 3 alone (the point where the displacement L is the largest). If the frequencies at the respective resonance points are fp1, fp2,..., Then fp2f3fp1, fp3 ≒ 5fp1,. Are the anti-resonance points of the piezoelectric element 3 alone (points where the amount of displacement is the smallest). The frequency at each anti-resonance point is fq
1, fq2,..., Fq1 ≒ 2fp1, fp2 ≒ 4fp1,
...

【0058】同図(b)〜(e)において、一点鎖線で
示す波形はロッド先端(図1のA点)の変位速度を示
し、点線で示す波形は圧電素子先端(圧電素子3とロ
ッド4との接続点、図1のB点)の変位速度vを示して
いる。
In FIGS. 6B to 6E, the waveform indicated by the dashed line indicates the displacement speed of the rod tip (point A in FIG. 1), and the waveform indicated by the dotted line indicates the piezoelectric element tip (piezoelectric element 3 and rod 4). (Point B in FIG. 1).

【0059】駆動部材5のロッド長Lrが「0」でない
場合はロッド4にもその長さに応じた固有の共振特性を
有するから、圧電素子3単体の共振特性とロッド4の共
振特性(一方端を固定し、他方端を自由端とした場合の
共振特性)とが干渉してロッド先端部の変位特性となっ
て表れることは容易に想像される。ロッド長Lrが短い
場合はロッド4が共振したとしてもその変位量や圧電素
子3との位相のずれは小さいから、ロッド先端部の変位
特性は圧電素子3単体の変位特性に類似したものとなる
と考えられる。一方、ロッド長Lrが長い場合、共振点
ではロッド4の変位量や圧電素子3との位相のずれは大
きくなるから、ロッド先端部の変位特性は圧電素子3単
体の共振特性とは大きく相違すると考えられる。
When the rod length Lr of the driving member 5 is not "0", the rod 4 also has a unique resonance characteristic corresponding to the length, so that the resonance characteristic of the piezoelectric element 3 alone and the resonance characteristic of the rod 4 (one side) It is easily imagined that the end of the rod is fixed and the other end is set as a free end, and the resulting characteristic becomes a displacement characteristic of the rod end portion. When the rod length Lr is short, even if the rod 4 resonates, the displacement amount and the phase shift with respect to the piezoelectric element 3 are small, so that the displacement characteristic of the rod tip portion is similar to the displacement characteristic of the piezoelectric element 3 alone. Conceivable. On the other hand, when the rod length Lr is long, the displacement amount of the rod 4 and the phase shift from the piezoelectric element 3 become large at the resonance point, so that the displacement characteristic of the rod tip portion is greatly different from the resonance characteristic of the piezoelectric element 3 alone. Conceivable.

【0060】図6(b)はロッド長Lrが短いので、ロ
ッド4の共振特性が圧電素子3単体の共振特性に与える
影響は少なく、圧電素子先端Bにおける共振特性の1次
共振点P1は圧電素子3単体の1次共振点P1から僅か
に低周波側にずれたものになっている。図6(c)〜
(f)はロッド長Lrを段階的に長くしたもので、圧電
素子先端Bにおける共振特性はロッド長Lrを長くする
のに応じてロッド4の共振特性の影響を大きく受けるよ
うになる。すなわち、圧電素子先端Bにおける共振特性
の1次共振点P1は圧電素子3単体の共振点P1から低
周波側にどんどんずれていき、例えば図6(c)では1
次共振点P1と2次共振点P2との間に新たな共振点P
1’が生じるように、共振点間に新たな共振点が生じる
ようになる。
In FIG. 6B, since the rod length Lr is short, the resonance characteristic of the rod 4 has little effect on the resonance characteristic of the piezoelectric element 3 alone, and the primary resonance point P1 of the resonance characteristic at the tip B of the piezoelectric element is a piezoelectric element. The element 3 is slightly shifted from the primary resonance point P1 of the element 3 to the low frequency side. FIG. 6 (c)-
(F) is a graph in which the rod length Lr is gradually increased, and the resonance characteristics at the tip B of the piezoelectric element are greatly affected by the resonance characteristics of the rod 4 as the rod length Lr is increased. That is, the primary resonance point P1 of the resonance characteristic at the tip B of the piezoelectric element shifts more and more toward the low frequency side from the resonance point P1 of the piezoelectric element 3 alone. For example, in FIG.
A new resonance point P between the secondary resonance point P1 and the secondary resonance point P2
A new resonance point is generated between the resonance points so that 1 ′ occurs.

【0061】圧電素子3単体の反共振点Q1,Q2,…
では当該圧電素子3は殆ど変位しないから、駆動部材5
も殆ど変位することがない。この傾向はロッド長Lrを
変えても同じで、圧電素子3単体の反共振点Q1,Q
2,…は駆動部材5の反共振点でもあるということがで
きる(同図(b)〜(f)の反共振点参照)。
The anti-resonance points Q1, Q2,.
In this case, the piezoelectric element 3 is hardly displaced.
Is hardly displaced. This tendency is the same even if the rod length Lr is changed.
.. Can be said to be also the anti-resonance points of the driving member 5 (see the anti-resonance points in FIGS. 3B to 3F).

【0062】圧電素子3に駆動部材5を取り付けると、
圧電素子先端Bの変位特性において、反共振点Q1,Q
2,…以外の反共振点Ql1,Ql2,…が表れるようにな
る。この反共振点Ql1,Ql2,…はロッド4の振動の影
響であり、一方端を固定し、他方端を自由端としたロッ
ド4単体の共振周波数に等しいことが分っている。これ
らの反共振点Ql1,Ql2,…はロッド長Lrが短いとき
は、共振点P1,反共振点Q1に比して高周波である
が、ロッド長Lrが長くなるのに応じて低周波側に移動
し(図6(d)(e)参照)、共振点P1に近接するよ
うになる。
When the driving member 5 is attached to the piezoelectric element 3,
In the displacement characteristics of the piezoelectric element tip B, the anti-resonance points Q1, Q
Anti-resonance points Ql1, Ql2,... Other than 2,. The anti-resonance points Ql1, Ql2,... Are influenced by the vibration of the rod 4, and are found to be equal to the resonance frequency of the rod 4 alone with one end fixed and the other end free. When the rod length Lr is short, these anti-resonance points Ql1, Ql2,... Have a higher frequency than the resonance point P1 and the anti-resonance point Q1, but shift to a lower frequency side as the rod length Lr increases. It moves (see FIGS. 6D and 6E) and comes close to the resonance point P1.

【0063】圧電素子3にロッド4を接続した場合、圧
電素子先端Bの変位特性において、反共振点Q1,Q
2,…以外に反共振点Ql1,Ql2,…が表れることに
対応してそれぞれ共振点Pl1,Pl2,…が表れ、これ
らの共振点Pl1,Pl2,…に対応してロッド先端Aの
変位特性にも共振点P1’,P2’…が表れる(図6
(c)〜(e)参照)。
When the rod 4 is connected to the piezoelectric element 3, the displacement characteristics of the tip B of the piezoelectric element indicate that the anti-resonance points Q1, Q
In addition to the resonance points Pl1, Pl2,... Appearing in addition to the appearance of the anti-resonance points Ql1, Ql2, ..., the displacement characteristics of the rod tip A correspond to these resonance points Pl1, Pl2,. Also appear at the resonance points P1 ', P2'.
(See (c) to (e)).

【0064】上記のように駆動部材5のロッド4の長さ
Lrを変化させると、図6(b)〜(f)に示すように
ロッド先端Aの変位特性における共振点が変化し、ロッ
ド長Lrを適当に選択することにより、駆動部材5の1
次共振周波数ftr1と2次共振周波数ftr2との間で変位
速度vが急激に低下しないように、すなわち、1次共振
周波数ftr1と2次共振周波数ftr2との間に反共振周波
数が生じないように共振特性を設定することができる。
When the length Lr of the rod 4 of the driving member 5 is changed as described above, the resonance point in the displacement characteristic of the rod tip A changes as shown in FIGS. By appropriately selecting Lr, one of the driving members 5 can be selected.
The displacement velocity v is not sharply reduced between the secondary resonance frequency ftr1 and the secondary resonance frequency ftr2, that is, an anti-resonance frequency is not generated between the primary resonance frequency ftr1 and the secondary resonance frequency ftr2. The resonance characteristics can be set.

【0065】そして、駆動部材5の共振特性をこのよう
な特性とすることにより駆動部材5の1次共振周波数ft
r1が比較的低周波数側で生じ、しかも1次共振周波数ft
r1の2倍の周波数2ftr1での駆動部材5の変位量Lを
比較的大きく保持することができるから、上述した最適
条件に近い条件を実現することが可能となる。従って、
矩形波の駆動パルスを用いた場合に圧電アクチュエータ
1を低電圧の駆動パルスで駆動効率を可能な限り最適に
近い状態で駆動させることができる。
By setting the resonance characteristics of the driving member 5 to such characteristics, the primary resonance frequency ft of the driving member 5 is obtained.
r1 occurs on the relatively low frequency side, and the primary resonance frequency ft
Since the displacement L of the driving member 5 at the frequency 2ftr1 twice as large as r1 can be kept relatively large, it is possible to realize a condition close to the above-mentioned optimum condition. Therefore,
When a rectangular driving pulse is used, the piezoelectric actuator 1 can be driven by a low-voltage driving pulse in a state where the driving efficiency is as close to the optimum as possible.

【0066】図6の例では、同図(d)(e)で2次共
振点P1’の周波数fp1’は1次共振点P1の周波数f
p1のおよそ2倍で、しかも1次共振点P1と2次共振点
P1’との間で変位速度vが急激に低下することがない
から、1次共振周波数fp1の低周波側近傍で適当な周波
数を選択することにより、デューティ30%及び70%
の矩形波の駆動パルスを用いて最適の駆動効率に近い状
態で駆動することができることがわかる。
In the example of FIG. 6, the frequency fp1 'of the secondary resonance point P1' is equal to the frequency f1 'of the primary resonance point P1 in FIGS.
Since the displacement speed v is about twice as large as p1 and the displacement velocity v does not drop sharply between the primary resonance point P1 and the secondary resonance point P1 ', an appropriate value is obtained near the low frequency side of the primary resonance frequency fp1. By selecting the frequency, 30% and 70% duty
It can be seen that the driving can be performed in a state close to the optimum driving efficiency by using the rectangular driving pulse.

【0067】図7は、ロッド長Lrを4mmと16mm
とした場合のロッド先端の変位特性を調べたもので、図
3の変位量の特性に対応するものである。図7(a)は
ロッド長Lrを4mmとした場合(図6(c)のもの)
の変位特性であり、図7(b)はロッド長Lrを16m
mとした場合(図6(e)のもの)の変位特性である。
同図において、横軸は圧電素子3に供給した正弦波駆動
電圧の周波数fであり、縦軸はロッド先端Aの変位量L
である。
FIG. 7 shows that the rod length Lr is 4 mm and 16 mm.
This is a result of examining the displacement characteristics of the rod tip in the case of, and corresponds to the displacement characteristic shown in FIG. FIG. 7A shows the case where the rod length Lr is 4 mm (FIG. 6C).
FIG. 7B shows the displacement characteristics of the rod length Lr of 16 m.
This is the displacement characteristic when m is used (the one shown in FIG. 6E).
In the figure, the horizontal axis is the frequency f of the sinusoidal drive voltage supplied to the piezoelectric element 3, and the vertical axis is the displacement L of the rod tip A.
It is.

【0068】また、図7の波形図は図4の波形図に相当
し、はそれぞれロッド先端Aの変位波形の1次周波
数成分と2次周波数成分とを示し、はこれらの周波数
成分をベクトル合成した変位波形を示している。
The waveform diagram of FIG. 7 corresponds to the waveform diagram of FIG. 4, and shows the primary frequency component and the secondary frequency component of the displacement waveform of the rod tip A, respectively. FIG.

【0069】ロッド長Lrを4mmとした場合は、図6
(c)に示すようにロッド先端Aの変位特性における2
次共振点P2の周波数fp2が1次共振点P1の周波数f
p1の2倍よりはるかに大きく、1次共振点P1と2次共
振点P2との間に1次反共振点Q1が存在するため、図
7(a)に示すようにロッド先端Aの変位量Lは1共振
周波数fp1でピークを迎え、急激に減少した後も緩やか
に減少を続ける。
When the rod length Lr is 4 mm, FIG.
As shown in FIG.
The frequency fp2 of the secondary resonance point P2 is equal to the frequency f of the primary resonance point P1.
Since the primary anti-resonance point Q1 exists between the primary resonance point P1 and the secondary resonance point P2, which is much larger than twice p1, the displacement amount of the rod tip A as shown in FIG. L reaches a peak at one resonance frequency fp1, and continues to decrease gradually even after sharply decreasing.

【0070】上述のように駆動の安定性を考慮して1共
振周波数fp1の低周波側近傍に駆動周波数fdを設定す
る際、最適条件は周波数fdでの変位量L1に対する周
波数2fdでの変位量2がおよそ1/2となるようにす
ることであるが、この条件を満たす周波数fdは、図7
(a)に示すように変位量Lが緩やかに変化する変化カ
ーブの裾野部分に位置し、変位量Lのピーク近傍に設定
することはできない。
When the driving frequency fd is set near the low frequency side of one resonance frequency fp1 in consideration of the driving stability as described above, the optimal condition is that the displacement at the frequency 2fd is the displacement L1 at the frequency fd. 2 is reduced to about 1/2, and the frequency fd satisfying this condition is shown in FIG.
As shown in (a), the displacement amount L is located at the foot of a change curve that changes gradually, and cannot be set near the peak of the displacement amount L.

【0071】このため、図6(c)の変位特性のもので
は十分な駆動効率が得られない。このことは図7(a)
のロッド先端Aの変位波形の振幅が十分に増大してい
ないことからも理解することができる。
For this reason, with the displacement characteristic shown in FIG. 6C, sufficient driving efficiency cannot be obtained. This is shown in FIG.
It can also be understood from the fact that the amplitude of the displacement waveform of the rod tip A has not sufficiently increased.

【0072】一方、ロッド長Lrを16mmとした場合
は、図6(e)に示すようにロッド先端Aの変位特性に
おける2次共振点P1’の周波数fp1’が1次共振点P
1の周波数fp1のおよそ2倍となり、1次共振点P1と
2次共振点P1’との間に反共振点が生じることもない
ため、図7(b)に示すようにロッド先端の変位量L1
は1共振周波数fp1でピークを迎え、急激に減少した後
でも減少することなく2共振周波数fp1’に向かって再
び上昇する。このため、最適条件を満たす周波数fd
を、図7(b)に示すように変位量Lが急激に上昇する
ピークの近傍位置に設定することができ、可能な限り最
適な駆動効率に近い状態を得ることができる。このこと
は図7(b)のロッド先端Aの変位波形の振幅が図7
(a)の変位特性のものと比較して倍増していることか
らも理解することができる。
On the other hand, when the rod length Lr is 16 mm, as shown in FIG. 6E, the frequency fp1 'of the secondary resonance point P1' in the displacement characteristic of the rod tip A is changed to the primary resonance point Pr.
Since the frequency becomes approximately twice the frequency fp1 of 1 and there is no occurrence of an anti-resonance point between the primary resonance point P1 and the secondary resonance point P1 ', the displacement amount of the rod tip as shown in FIG. L1
Peaks at one resonance frequency fp1, and increases again toward the second resonance frequency fp1 'without decreasing even after sharply decreasing. Therefore, the frequency fd that satisfies the optimal condition
Can be set at a position near the peak where the displacement L sharply increases as shown in FIG. 7B, and a state as close to the optimum driving efficiency as possible can be obtained. This means that the amplitude of the displacement waveform at the rod end A in FIG.
It can be understood from the fact that the displacement is doubled as compared with the displacement characteristic shown in FIG.

【0073】なお、ロッド長Lrを32mmにした場合
(図6(f)のもの)でも、ロッド先端Aの変位特性に
おける2次共振点P1’の周波数fp1’が1次共振点P
1の周波数fp1のおよそ2倍となり、1次共振点P1と
2次共振点P1’との間に反共振点が生じないという条
件を満足するが、この場合は1次共振点P1の周波数f
p1が低くなり過ぎるとともに、2次共振点P1’の周波
数fp1が周波数fp1’に近接するためなのか、高出力の
駆動を行なわせることはできなかった。
Note that even when the rod length Lr is set to 32 mm (FIG. 6F), the frequency fp1 'of the secondary resonance point P1' in the displacement characteristic of the rod tip A is changed to the primary resonance point Pr.
1 which is about twice the frequency fp1 of the first resonance point, and satisfies the condition that no anti-resonance point occurs between the primary resonance point P1 and the secondary resonance point P1 '.
Since p1 became too low and the frequency fp1 of the secondary resonance point P1 'was close to the frequency fp1', high-power driving could not be performed.

【0074】よって、ロッド先端Aの変位特性における
1次反共振点Q1より低周波数側で2次共振点P1’の
周波数fp1’が1次共振点P1の周波数fp1’のおよ
そ2倍となるようにロッド長Lrを調整(図6の例で
は、ロッド長Lrを16mmの前後に調整)すれば、可
能な限り最適な駆動効率に近い状態で圧電アクチュエー
タ1を駆動させることができるといえる。
Therefore, the frequency fp1 'of the secondary resonance point P1' on the lower frequency side than the primary anti-resonance point Q1 in the displacement characteristic of the rod tip A is about twice the frequency fp1 'of the primary resonance point P1. If the rod length Lr is adjusted (in the example of FIG. 6, the rod length Lr is adjusted to around 16 mm), it can be said that the piezoelectric actuator 1 can be driven in a state as close to the optimum drive efficiency as possible.

【0075】従って、上述した最適条件や駆動部材5の
物理条件と共振特性との関係から、インパクト形圧電ア
クチュエータを低電圧の矩形波の駆動パルスで効率よく
駆動し得る駆動部材5の物理的な条件は、圧電素子3単
体の1次反共振周波数、すなわち、駆動部材5の1次反
共振周波数をfatr1、一方端を固定し、他方端を自由端
としたときのロッド4単体の1次共振周波数をfrr1と
すると、 fatr1/3<frr1<fatr1…(2) を満足すればよいということができる。
Accordingly, from the relationship between the above-described optimum conditions, the physical conditions of the driving member 5 and the resonance characteristics, the physical characteristics of the driving member 5 that can efficiently drive the impact type piezoelectric actuator with a low-voltage rectangular-wave driving pulse. The condition is that the primary anti-resonance frequency of the piezoelectric element 3 alone, that is, the primary anti-resonance frequency of the driving member 5 is fatr1, and the primary resonance of the rod 4 alone when one end is fixed and the other end is a free end. Assuming that the frequency is frr1, it can be said that it suffices to satisfy the following expression: fatr1 / 3 <frr1 <fatr1 (2).

【0076】なお、圧電素子3単体の1次共振周波数を
fpzt1とすると、圧電素子3単体の1次反共振周波数f
apzt1は2fpzt1であるから、上記(2)式は、 2fpzt1/3<frr1<2fpzt1…(3) となる。
If the primary resonance frequency of the piezoelectric element 3 alone is fpzt1, the primary anti-resonance frequency f
Since apzt1 is 2fpzt1, the above equation (2) becomes 2fpzt1 / 3 <frr1 <2fpzt1 (3).

【0077】また、駆動部材5の共振特性において、1
次共振周波数ftr1と2次共振周波数ftr2との間の変位
量の低下を確実に抑えて、上記最適条件に近い状態を実
現できるようにするためには、2ftr1>ftr2となるよ
うに駆動部材5の共振特性を設定するとよい。
In the resonance characteristic of the driving member 5, 1
In order to reliably suppress a decrease in the amount of displacement between the secondary resonance frequency ftr1 and the secondary resonance frequency ftr2 and to realize a state close to the above-described optimum condition, the driving member 5 is set so that 2ftr1> ftr2. May be set.

【0078】上記説明では駆動部材5のロットLrを変
化させた場合についてのみ説明したが、駆動部材5の共
振特性は、図8に示すように圧電素子3の長さ、太さ、
密度、ロット4の太さ、密度等によっても容易に変化す
るから、実際に圧電アクチュエータ1を設計する場合
は、これらの条件を総合して駆動部材5の共振特性が上
記(2)又は(3)の条件を満足するように圧電素子3
及びロッド4の物理条件を調整するとよい。
In the above description, only the case where the lot Lr of the driving member 5 is changed has been described. However, as shown in FIG.
Since it easily changes depending on the density, the thickness of the lot 4, the density, and the like, when actually designing the piezoelectric actuator 1, the resonance characteristics of the driving member 5 are determined by combining the above conditions (2) or (3). ) To satisfy the condition of (3).
And the physical conditions of the rod 4 may be adjusted.

【0079】なお、図8は、圧電素子3及びロッド4の
長さ、太さ、密度の物理条件を変化させたときの駆動部
材5の共振特性の変化傾向を示す図で、変位特性は図6
に示すものと同じ表現方法で描いている。
FIG. 8 is a diagram showing a change tendency of the resonance characteristics of the driving member 5 when the physical conditions such as the length, thickness, and density of the piezoelectric element 3 and the rod 4 are changed. 6
Is drawn in the same way as shown in

【0080】同図に示すように、圧電素子3及びロッド
4の長さを長くすると、1次,2次共振点P1,P1’
は低周波側に移動し、圧電素子3及びロッド4の長さを
短くくすると、1次,2次共振点P1,P1’は高周波
側に移動する。
As shown in the figure, when the lengths of the piezoelectric element 3 and the rod 4 are increased, the primary and secondary resonance points P1, P1 'are obtained.
Move to the low frequency side, and when the lengths of the piezoelectric element 3 and the rod 4 are shortened, the primary and secondary resonance points P1 and P1 'move to the high frequency side.

【0081】また、圧電素子3を細くすると、1次共振
点P1が低周波側に移動するとともに2次共振点P1’
が高周波側に移動し(1次共振点P1と2次共振点P
1’間の間隔が広くなり)、圧電素子3を太くすると、
逆に1次共振点P1が高周波側に移動するとともに2次
共振点P1’が低周波側に移動する(1次共振点P1と
2次共振点P1’間の間隔が狭くなる)。
When the piezoelectric element 3 is made thinner, the primary resonance point P1 moves to the lower frequency side and the secondary resonance point P1 '
Moves to the high frequency side (the primary resonance point P1 and the secondary resonance point P1).
1 '), and when the piezoelectric element 3 is made thicker,
Conversely, the primary resonance point P1 moves to the high frequency side and the secondary resonance point P1 'moves to the low frequency side (the interval between the primary resonance point P1 and the secondary resonance point P1' becomes narrower).

【0082】また、ロッド4を細くすると、1次共振点
P1が高周波側に移動するとともに2次共振点P1’が
低周波側に移動し(1次共振点P1と2次共振点P1’
間の間隔が狭くなり)、ロッド4を太くすると、逆に1
次共振点P1が低周波側に移動するとともに2次共振点
P1’が高周波側に移動する(1次共振点P1と2次共
振点P1’間の間隔が広くなる)。
When the rod 4 is made thinner, the primary resonance point P1 moves to the high frequency side and the secondary resonance point P1 'moves to the low frequency side (the primary resonance point P1 and the secondary resonance point P1').
When the distance between the rods 4 becomes narrower, and the rod 4 is made wider,
The secondary resonance point P1 moves to the low frequency side and the secondary resonance point P1 'moves to the high frequency side (the interval between the primary resonance point P1 and the secondary resonance point P1' increases).

【0083】また、ロッド4の1次共振点Ql1はロッド
4の太さや密度には依存せず、ロッド長を長くすると、
低周波側に移動し、ロッド長を短くすると、高周波側に
移動する。
The primary resonance point Ql1 of the rod 4 does not depend on the thickness or the density of the rod 4, and when the rod length is increased,
When the rod moves to the low frequency side and the rod length is shortened, it moves to the high frequency side.

【0084】以上より、本実施形態では、駆動部材5を
上記(2)又は(3)式を満足するに示すように構成
(図3に示す変位量及び位相差の特性を有するように構
成)し、且つ、駆動回路12で駆動部材3の1次共振周
波数ftr1の低周波側の所定の駆動周波数fdを有する矩
形波の駆動パルスを生成して圧電素子3に供給するよう
にしている。
As described above, in the present embodiment, the driving member 5 is configured to satisfy the above expression (2) or (3) (configured to have the displacement amount and phase difference characteristics shown in FIG. 3). In addition, the drive circuit 12 generates a rectangular wave drive pulse having a predetermined drive frequency fd on the low frequency side of the primary resonance frequency ftr1 of the drive member 3 and supplies the drive pulse to the piezoelectric element 3.

【0085】なお、実際に圧電アクチュエータ1を製作
する場合は圧電アクチュエータ1の個体差や製造精度等
によるバラツキが大きく、シミュレーションによって得
られる最適な条件を実現することは容易でない。特に、
移動部材5の移動速度vはロッド4の1次周波数成分に
よる変位と2次周波数成分による変位との合成による変
位量、両変位の位相差、駆動部材5の1次共振周波数f
tr1における変位量L1と2次共振周波数frt2における
変位量L2との比等により左右され、これらの条件によ
って最適な状態が容易に変化するため、図8に示した駆
動部材5の物理条件と共振特性との関係に基づいて実際
に圧電アクチュエータ1を製作し、実測により最適な条
件を決定するとよい。
When the piezoelectric actuator 1 is actually manufactured, there are large variations due to individual differences and manufacturing accuracy of the piezoelectric actuator 1, and it is not easy to realize the optimum conditions obtained by simulation. In particular,
The moving speed v of the moving member 5 is the displacement amount due to the combination of the displacement of the rod 4 due to the primary frequency component and the displacement of the rod 4, the phase difference between the two displacements, and the primary resonance frequency f of the driving member 5.
It depends on the ratio of the displacement amount L1 at tr1 to the displacement amount L2 at the secondary resonance frequency frt2 and the like, and the optimum state is easily changed by these conditions. Therefore, the physical condition of the driving member 5 shown in FIG. It is better to actually manufacture the piezoelectric actuator 1 based on the relationship with the characteristics and determine the optimum conditions by actual measurement.

【0086】また、本実施形態では、駆動パルスのデュ
ーティを30%若しくは70%で駆動するようにしてい
るが、駆動パルスのデューティはこれに限定されるもの
ではなく、駆動部材5の共振特性に応じて適宜の値を設
定することができる。この場合、デューティが50%よ
りも小さい矩形波の駆動信号を用いれば、圧電アクチュ
エータ1を正方向駆動することができ、デューティが5
0%よりも大きい矩形波の駆動信号を用いれば、圧電ア
クチュエータ1を逆方向駆動することができる。
In the present embodiment, the drive pulse is driven at a duty of 30% or 70%. However, the duty of the drive pulse is not limited to this. An appropriate value can be set accordingly. In this case, if a rectangular wave drive signal having a duty smaller than 50% is used, the piezoelectric actuator 1 can be driven in the forward direction, and the duty is 5%.
If a rectangular wave drive signal larger than 0% is used, the piezoelectric actuator 1 can be driven in the reverse direction.

【0087】従って、正方向駆動用の駆動パルスのデュ
ーティをD1(<50%)に設定した場合、逆方向駆動
用の駆動パルスのデューティD2は(100−D1)に
設定するとよい。なお、デューティ50%の矩形波の駆
動信号も使用可能であるが、ロッド4の変位波形が不安
定で移動部材5の移動方向を制御することが困難となる
ので、好ましくはデューティが50%でない矩形波を用
いることが望ましい。
Therefore, when the duty of the drive pulse for forward drive is set to D1 (<50%), the duty D2 of the drive pulse for reverse drive is preferably set to (100-D1). Although a square-wave drive signal having a duty of 50% can be used, the duty waveform is preferably not 50% because the displacement waveform of the rod 4 is unstable and it is difficult to control the moving direction of the moving member 5. It is desirable to use a square wave.

【0088】図9は、本実施形態に係る圧電アクチュエ
ータ1の圧電素子先端及びロッド先端の変位量並びにロ
ッド単体の変位量の周波数特性の一例を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing an example of the frequency characteristics of the displacement of the tip of the piezoelectric element and the tip of the rod of the piezoelectric actuator 1 according to the present embodiment and the displacement of the rod alone.

【0089】同図において、実線で示す特性はロッド
4の先端(図1のA点)の変位特性であり、点線で示す
は圧電素子3の先端(図1のB点)の変位特性であ
り、二点鎖線で示すはロッド4単体の変位特性であ
る。特性は圧電素子3単体の変位特性で、特性はロ
ッド4単体の変位特性であるから、特性と特性とを
合成すると特性になる。
In the figure, the characteristic shown by the solid line is the displacement characteristic of the tip of the rod 4 (point A in FIG. 1), and the characteristic shown by the dotted line is the displacement characteristic of the tip of the piezoelectric element 3 (point B in FIG. 1). , Two-dot chain lines show the displacement characteristics of the rod 4 alone. The characteristic is the displacement characteristic of the piezoelectric element 3 alone, and the characteristic is the displacement characteristic of the rod 4 alone.

【0090】図9に示すように、駆動部材5の1次共振
周波数ftr1と2次共振周波数ftr2とをftr1/ftr2≒
1/2の関係に設定し、ftr1の低周波側近傍の適当な
周波数fdの矩形波駆動パルスで駆動するようにしてい
るので、比較的低い駆動周波数fdでもロッド4の先端
が大きく変位し、高い駆動効率で圧電アクチュエータ1
を駆動させることができるようになっている。
As shown in FIG. 9, the primary resonance frequency ftr1 and the secondary resonance frequency ftr2 of the driving member 5 are set to ftr1 / ftr2 ≒.
Since the relationship is set to 1/2, and the drive is performed by a square wave drive pulse having an appropriate frequency fd near the low frequency side of ftr1, the tip of the rod 4 is largely displaced even at a relatively low drive frequency fd. Piezoelectric actuator 1 with high drive efficiency
Can be driven.

【0091】なお、図9の特性から明らかなように
ロッド4の基端側(図1においてロッド4のB点に近い
部分)の変位量Lはロッド4の先端側に比べて小さくな
るから、ロッド4の基端側でも移動部材6の移動速度を
十分に確保し、ロッド4における移動部材6の位置によ
って移動速度が大きく変化しないようにするため、移動
部材6のロッド4との係合面積をできるだけ大きくする
(すなわち、ロッド4の軸方向に係合部分を長くする)
ことが望ましい。
As apparent from the characteristics shown in FIG. 9, the displacement L on the base end side of the rod 4 (the portion near the point B of the rod 4 in FIG. 1) is smaller than that on the distal end side of the rod 4. In order to ensure a sufficient moving speed of the moving member 6 on the base end side of the rod 4 and prevent the moving speed from largely changing depending on the position of the moving member 6 on the rod 4, an engagement area of the moving member 6 with the rod 4 is set. Is made as large as possible (that is, the engagement portion in the axial direction of the rod 4 is lengthened).
It is desirable.

【0092】あるいは、ロッド4における移動部材6の
位置に応じて駆動パルスの駆動周波数fdやデューティ
Dを変化させることによってロッド4の全範囲において
移動部材6の移動速度の安定化を図るようにしてもよ
い。
Alternatively, the moving speed of the moving member 6 is stabilized over the entire range of the rod 4 by changing the driving frequency fd and the duty D of the driving pulse according to the position of the moving member 6 on the rod 4. Is also good.

【0093】ところで、本発明に係る圧電アクチュエー
タ1では圧電素子3の共振特性と圧電素子3に連結され
るロッド4の共振特性とによって決定される駆動部材5
全体の共振特性を最適な駆動効率の得られる特性とする
ために、圧電素子3又はロッド4の物理条件は一定の条
件を満たす必要があった。
In the piezoelectric actuator 1 according to the present invention, the driving member 5 determined by the resonance characteristics of the piezoelectric element 3 and the resonance characteristics of the rod 4 connected to the piezoelectric element 3 is used.
In order to make the whole resonance characteristic a characteristic that provides optimum driving efficiency, the physical condition of the piezoelectric element 3 or the rod 4 needs to satisfy certain conditions.

【0094】しかし、その物理条件のうち、ロッド4の
長さLrは圧電アクチュエータ1の小型化の面では制約
条件となる。すなわち、図6の例で、ロッドLrを16
mmに設定すると、同図(e)に示すように駆動部材5
の共振特性は適切な共振特性となるが、ロッド長Lrを
8mmに短縮すると、駆動部材5の共振特性は同図
(c)に示すように変化し、適正な共振特性が得られな
くなる。
However, of the physical conditions, the length Lr of the rod 4 is a limiting condition in terms of miniaturization of the piezoelectric actuator 1. That is, in the example of FIG.
mm, the driving member 5 as shown in FIG.
Are appropriate resonance characteristics, but when the rod length Lr is reduced to 8 mm, the resonance characteristics of the driving member 5 change as shown in FIG. 7C, and the proper resonance characteristics cannot be obtained.

【0095】例えば移動部材6の移動範囲が4mmで、
移動部材6とロッド4との摩擦係合している長さが4m
mの場合、ロッド長Lrは8mmで十分であるが、駆動
効率を考慮すると、図6(e)の共振特性が得られるロ
ッド長Lrとしては16mmが必要で、ロッド長Lrが
不必要に長くなる。その一方、小型化のためにロッド長
Lrを8mm程度に短縮すると、駆動効率が著しく低下
して性能低下を招くことになる。
For example, when the moving range of the moving member 6 is 4 mm,
The length of frictional engagement between the moving member 6 and the rod 4 is 4 m.
In the case of m, the rod length Lr is sufficient to be 8 mm, but in consideration of the driving efficiency, the rod length Lr for obtaining the resonance characteristics of FIG. 6E is required to be 16 mm, and the rod length Lr is unnecessarily long. Become. On the other hand, if the rod length Lr is reduced to about 8 mm for miniaturization, the driving efficiency is significantly reduced, and the performance is reduced.

【0096】そこで、適正な駆動効率を確保しつつロッ
ド長Lrの短縮を図るため、図10に示すようにロッド
4の先端に錘16を取り付けるとよい。
Therefore, in order to shorten the rod length Lr while ensuring proper driving efficiency, it is preferable to attach a weight 16 to the tip of the rod 4 as shown in FIG.

【0097】図11は、ロッド4のロッド長を16mm
から8mmに短縮した際、その先端に錘を固着したとき
の変位部材の共振特性の変化を示す図である。
FIG. 11 shows that the rod length of the rod 4 is 16 mm.
FIG. 10 is a diagram showing a change in resonance characteristics of the displacement member when a weight is fixed to the tip when the length is reduced to 8 mm from FIG.

【0098】同図(a)(b)に示す変位特性はそれぞ
れ図6(e)(c)に示した変位特性と同じものであ
る。また、図11(c)はロッド長Lr=4mmの先端
に錘16を固着したときの共振特性を示す図である。
The displacement characteristics shown in FIGS. 6A and 6B are the same as the displacement characteristics shown in FIGS. 6E and 6C, respectively. FIG. 11C is a diagram showing resonance characteristics when the weight 16 is fixed to the tip of the rod length Lr = 4 mm.

【0099】図11(a)(b)に示すようにロッド4
の長さLrを16mmから8mmに短縮すると、2次共
振周波数ftr2は2ftr1から大きく離れ、上述した駆動
効率が最適となる条件が得られなくなるが、同図(c)
に示すようにロッド長Lr=4mmのロッド4の先端に
適当な重さの錘16を固着することによって2次共振周
波数ftr2を2ftr1の近傍に下げることができ、実質的
にロッド長Lr=16mmの場合の共振特性と同等の共
振特性を得ることができる。従って、ロッド4の長さL
rを適正長よりも短くする場合はその長さに応じた適宜
の錘16をロッド4の先端に固着することによって駆動
部材5(圧電素子3+ロッド4+錘16)の共振変位特
性を駆動効率が最適となる条件とすることができ、その
共振特性に基づいて駆動周波数fdを1次共振周波数ft
r1の近傍の適当な周波数に設定するとよい。
As shown in FIGS. 11A and 11B, the rod 4
When the length Lr is reduced from 16 mm to 8 mm, the secondary resonance frequency ftr2 is greatly different from 2ftr1, and the above-described condition for optimizing the driving efficiency cannot be obtained.
By fixing a weight 16 having an appropriate weight to the tip of the rod 4 having a rod length Lr = 4 mm as shown in FIG. 7, the secondary resonance frequency ftr2 can be lowered to the vicinity of 2ftr1, and the rod length Lr = 16 mm is substantially obtained. It is possible to obtain a resonance characteristic equivalent to the resonance characteristic in the case of (1). Therefore, the length L of the rod 4
When r is shorter than the appropriate length, the resonance displacement characteristic of the driving member 5 (piezoelectric element 3 + rod 4 + weight 16) is fixed by attaching an appropriate weight 16 corresponding to the length to the tip of the rod 4 to improve the driving efficiency. Optimum conditions can be set, and the drive frequency fd is changed to the primary resonance frequency ft based on the resonance characteristics.
It is good to set to an appropriate frequency near r1.

【0100】次に、駆動電圧と駆動周波数との関係につ
いて説明する。
Next, the relationship between the driving voltage and the driving frequency will be described.

【0101】図12は、駆動パルスの電圧を変化させた
ときの駆動効率が最高となる駆動周波数の変化を調べた
ものである。同図に示すように、駆動パルスの電圧レベ
ルによって駆動効率が最高となる駆動周波数fopt(以
下、最適駆動周波数foptという。)が相違し、電圧レ
ベルが上昇するのに応じて最適駆動周波数foptが単調
減少するという特徴がある。
FIG. 12 shows the result of examining the change in the drive frequency at which the drive efficiency becomes maximum when the voltage of the drive pulse is changed. As shown in the figure, the driving frequency fopt at which the driving efficiency becomes the highest (hereinafter referred to as the optimum driving frequency fopt) differs depending on the voltage level of the driving pulse, and the optimum driving frequency fopt increases as the voltage level increases. It has the characteristic of monotonically decreasing.

【0102】このことは、例えば圧電素子3に電圧V=
5〔V〕、駆動周波数fd=83.5〔kHz〕の矩形
波駆動パルスを供給しているときに電源電池11の消耗
により駆動パルスの電圧Vが5〔V〕より低下すると、
駆動周波数fd=83.5〔kHz〕はその駆動電圧V
に対する最適駆動周波数foptとならないので、駆動効
率が低下することを意味する。すなわち、駆動電圧V
が、例えば5〔V〕から3〔V〕になると、駆動電圧V
=3〔V〕の最適駆動周波数foptは86〔kHz〕で
あるから、駆動周波数fd=83.5〔kHz〕は最適
駆動周波数fopt=86〔kHz〕から低周波側に大き
くずれることになる。
This means that, for example, the voltage V =
When the driving pulse voltage V drops below 5 [V] due to the consumption of the power supply battery 11 while supplying a rectangular wave driving pulse of 5 [V] and a driving frequency fd = 83.5 [kHz],
The driving frequency fd = 83.5 [kHz] corresponds to the driving voltage V
Does not become the optimal driving frequency fopt, and this means that the driving efficiency is reduced. That is, the driving voltage V
Becomes, for example, 5 [V] to 3 [V], the driving voltage V
= 3 [V], the optimum driving frequency fopt is 86 [kHz], so that the driving frequency fd = 83.5 [kHz] is greatly shifted from the optimum driving frequency fopt = 86 [kHz] to the lower frequency side.

【0103】また、図13は、駆動電圧V=3〔V〕の
ときの駆動パルスの周期とその周期内の圧電素子3の放
電タイミングを変化させたときの移動部材6の移動速度
vの変化を調べたものである。すなわち、駆動電圧V=
3〔V〕のときの駆動パルスの駆動周波数fd〔kH
z〕とデューティD〔%〕とを変化させたときの移動部
材6の移動速度vの変化を調べたものである。なお、駆
動パルスの周期は、図14において、パルスが”H”に
変化してから次に”H”に変化するまでの期間Tであ
り、放電タイミングはパルスが”H”に変化してから”
L”に変化するまでの期間TONである。
FIG. 13 shows the change of the moving speed v of the moving member 6 when the driving pulse period when the driving voltage V = 3 [V] and the discharge timing of the piezoelectric element 3 within the period are changed. It is a thing which investigated. That is, the driving voltage V =
The driving frequency fd [kHz] of the driving pulse at 3 [V]
z] and a change in the moving speed v of the moving member 6 when the duty D [%] is changed. In FIG. 14, the cycle of the drive pulse is a period T from the time when the pulse changes to “H” to the time when the pulse next changes to “H”, and the discharge timing is set after the pulse changes to “H”. "
This is the period T ON until the voltage changes to L ”.

【0104】同図において、横軸は放電タイミングTON
〔μsec〕、縦軸は駆動パルスの周期T〔μsec〕
であり、移動部材6の移動速度vは等高線のグラフで示
している。従って、白色や斜線で塗り潰している閉領域
は同一の移動速度vで移動部材6が移動したことを示し
ている。
In the figure, the horizontal axis represents the discharge timing T ON
[Μsec], the vertical axis indicates the period T of drive pulse [μsec]
And the moving speed v of the moving member 6 is shown by a contour line graph. Therefore, a closed area filled with white or oblique lines indicates that the moving member 6 has moved at the same moving speed v.

【0105】最高出力領域は白色領域で、移動部材6の
移動速度vはグラフ領域の周辺部からやや下方の中央部
に向かって高くなる(すなわち、高出力になる)という
特徴がある。また、例えば放電タイミングTON=3.8
75〔μsec〕における周期Tに対する移動部材6の
移動速度vの変化を抽出すると、図15のようになり、
最高出力の領域を中心に低周波側では出力低下が緩やか
であるが、高周波側では出力低下が急激になるという特
徴がある。
The maximum output area is a white area, and the moving speed v of the moving member 6 is characterized by increasing from the peripheral part of the graph area toward the central part slightly below (ie, high output). Also, for example, the discharge timing T ON = 3.8
When the change in the moving speed v of the moving member 6 with respect to the period T at 75 [μsec] is extracted, the result is as shown in FIG.
There is a characteristic that the output decreases gradually on the low frequency side centering on the region of the maximum output, but sharply decreases on the high frequency side.

【0106】従って、本実施形態に係る圧電アクチュエ
ータ1を駆動電圧が容易に変化するような機器に使用す
る場合は、駆動電圧をモニタしながら駆動電圧の変化に
応じて駆動周波数fdが最適駆動周波数foptとなるよう
にフィードバック制御することが望ましい。
Therefore, when the piezoelectric actuator 1 according to the present embodiment is used in a device in which the drive voltage changes easily, the drive frequency fd is adjusted to the optimum drive frequency according to the change in the drive voltage while monitoring the drive voltage. It is desirable to perform feedback control so that fopt is obtained.

【0107】駆動周波数fdを駆動電圧Vの変化に応じ
て変化させない場合は、駆動電圧Vの変化に応じて駆動
周波数fdは最適駆動周波数foptから相対的にずれてい
くことになるから、そのずれ方向が高周波側にずれない
ように注意する必要がある。図15に示したように駆動
周波数fdが高周波側に変化した場合、変化後の駆動周
波数fdが最高出力領域を超えると、出力が急激に低下
し、駆動停止となる虞があるからである。
If the drive frequency fd is not changed in accordance with the change in the drive voltage V, the drive frequency fd is relatively shifted from the optimum drive frequency fopt in accordance with the change in the drive voltage V. Care must be taken so that the direction does not shift to the high frequency side. This is because, as shown in FIG. 15, when the drive frequency fd changes to the high frequency side, if the drive frequency fd after the change exceeds the maximum output range, the output may drop sharply and drive may be stopped.

【0108】従って、例えば駆動電圧Vの変化範囲が3
〜5〔V〕の場合は、駆動周波数fdは駆動電圧5
〔V〕のときの最適駆動周波数fopt=83.5〔kH
z〕に設定するとよい。このように設定しておれば、例
えば駆動電圧Vが5〔V〕から4〔V〕に低下しても、
図12に示すように駆動電圧4〔V〕に対する最適駆動
周波数foptはおよそ85.25〔kHz〕で、この最
適駆動周波数foptに対して駆動周波数fd=83.5
〔kHz〕は相対的に低周波側に変化していることにな
るので、出力が急激に低下することはなく、駆動停止を
招くことがないからである。
Therefore, for example, the change range of the drive voltage V is 3
In the case of 55 [V], the driving frequency fd is equal to the driving voltage 5
Optimal driving frequency fopt at [V] = 83.5 [kHz
z]. With this setting, for example, even if the drive voltage V drops from 5 [V] to 4 [V],
As shown in FIG. 12, the optimum driving frequency fopt for the driving voltage 4 [V] is about 85.25 [kHz], and the driving frequency fd = 83.5 for this optimum driving frequency fopt.
This is because [kHz] changes relatively to the lower frequency side, so that the output does not drop sharply and the driving is not stopped.

【0109】図15は、本実施形態に係る圧電アクチュ
エータ1の駆動制御を示すフローチャートである。
FIG. 15 is a flowchart showing the drive control of the piezoelectric actuator 1 according to this embodiment.

【0110】同図に示すフローチャートは、駆動電圧V
を所定の範囲内で負荷条件に応じて変化可能にするとと
もに、駆動電圧Vの変化に応じて適切な駆動パルスの周
期Tと放電タイミングTONとを設定する(すなわち、駆
動パルスの駆動周波数fdとデューティDとを設定す
る)ようにしたものである。
The flowchart shown in FIG.
Can be changed according to the load conditions within a predetermined range, and the appropriate drive pulse period T and discharge timing T ON are set according to the change in the drive voltage V (ie, the drive frequency fd of the drive pulse). And duty D).

【0111】この駆動制御によれば、スイッチ14a又
はスイッチ14bの操作情報が制御部15に入力される
と(#1)、その操作情報の内容が「OFF」であるか
否か判別され(#3)、スイッチ操作が「OFF」であ
れば(#3でYES)、ステップ#13に移行し、駆動
回路12から圧電素子3への駆動パルスの出力が停止さ
れる。
According to this drive control, when operation information of the switch 14a or the switch 14b is input to the control unit 15 (# 1), it is determined whether or not the content of the operation information is "OFF"(# 1). 3) If the switch operation is “OFF” (YES in # 3), the process proceeds to step # 13, and the output of the drive pulse from the drive circuit 12 to the piezoelectric element 3 is stopped.

【0112】一方、スイッチ操作が「OFF」でなけれ
ば(#3でNO)、電圧検出回路13から電池電圧VB
の情報を入力し、その情報に基づいて駆動可能か否かの
判別処理が行われる(#5)。続いて、位置検出回路1
0から移動部材6の位置情報が入力され、この位置情報
に基づいて移動部材6のロッド4上における位置が判別
される(#7)。続いて、この位置判別結果に基づき図
略のテーブル(制御部15内のROMに記憶されてい
る)を参照して駆動パルスの駆動周波数fdとデューテ
ィDのパラメータが設定される(#9,#11)。圧電
素子3及びロッド4からなる駆動部材5が、例えば図1
2及び図13に示す変位特性を有しているとすると、例
えば表1に示すテーブルを用意しておき、電池電圧
B、指定された駆動方向及び移動部材6の位置の情報
からこのテーブルを用いて駆動パルスの周期Tと放電タ
イミングTONとが設定される。例えば電池電圧VBが5
〔V〕で、指定された駆動方向が繰出し方向で、移動部
材6の位置が「ゾーン3」であれば、駆動パルスの周期
Tは「12μsec」、放電タイミングTONは「3.4
μsec」に設定される。
On the other hand, if the switch operation is not “OFF” (NO in # 3), the battery voltage V B
Is input, and a determination process is performed as to whether or not driving is possible based on the information (# 5). Subsequently, the position detection circuit 1
The position information of the moving member 6 is input from 0, and the position of the moving member 6 on the rod 4 is determined based on the position information (# 7). Subsequently, the parameters of the drive frequency fd and the duty D of the drive pulse are set with reference to a table (not shown) (stored in the ROM in the control unit 15) based on the position determination result (# 9, #). 11). The driving member 5 including the piezoelectric element 3 and the rod 4 is, for example, as shown in FIG.
2 and FIG. 13, for example, a table shown in Table 1 is prepared, and this table is prepared from information on the battery voltage V B , the designated driving direction, and the position of the moving member 6. The cycle T of the drive pulse and the discharge timing T ON are set by using this. For example, when the battery voltage V B is 5
In [V], if the designated driving direction is the feeding direction and the position of the moving member 6 is “zone 3”, the driving pulse cycle T is “12 μsec” and the discharge timing T ON is “3.4”.
μsec ”.

【0113】[0113]

【表1】 [Table 1]

【0114】この設定された駆動周波数fdとデューテ
ィDの情報は駆動回路12に入力され、駆動回路12で
は駆動周波数fd及びデューティDの矩形波の駆動パル
スが生成され、圧電素子3に供給される。これにより圧
電素子3が振動し、駆動部材5が鋸刃状に変位して移動
部材6がスイッチ14a又はスイッチ14bで指定され
た方向にロッド4上を相対移動する。
The information on the set driving frequency fd and the duty D is input to the driving circuit 12, and the driving circuit 12 generates a driving pulse of a rectangular wave having the driving frequency fd and the duty D and supplies it to the piezoelectric element 3. . As a result, the piezoelectric element 3 vibrates, the driving member 5 is displaced like a saw blade, and the moving member 6 relatively moves on the rod 4 in the direction specified by the switch 14a or the switch 14b.

【0115】[0115]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
インパクト形圧電アクチュエータにおいて、圧電素子及
び棒部材からなる駆動手段を、当該駆動手段の1次反共
振周波数をfatr1、一方端が固定された条件における棒
部材単体の1次共振周波数をfrr1とすると、fatr1/
3<frr1<fatr1を満足するように構成し、駆動手段
の1次共振周波数ftr1の低周波側近傍に1次正弦波成
分を有し且つ所定のデューティを有する矩形波の駆動電
圧を圧電素子に供給して駆動するようにしたので、比較
的低電圧の矩形波の駆動電圧で可能な限り最適の駆動効
率に近い状態でアクチュエータを駆動させることができ
る。
As described above, according to the present invention,
In the impact type piezoelectric actuator, when the driving means including the piezoelectric element and the rod member has a primary anti-resonance frequency of the driving means as fatr1, and the primary resonance frequency of the rod member alone under the condition that one end is fixed is frr1, fatr1 /
3 <frr1 <fatr1, and a driving voltage of a rectangular wave having a primary sine wave component near the low frequency side of the primary resonance frequency ftr1 of the driving means and having a predetermined duty is applied to the piezoelectric element. Since the actuator is supplied and driven, it is possible to drive the actuator in a state in which the driving efficiency is as close as possible to the optimum with a relatively low voltage rectangular wave driving voltage.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係るインパクト形圧電アクチュエータ
の一実施形態の概略構成を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an embodiment of an impact type piezoelectric actuator according to the present invention.

【図2】インパクト形圧電アクチュエータの具体的な構
成の一実施形態を示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing one embodiment of a specific configuration of an impact type piezoelectric actuator.

【図3】最適条件に比較的近い条件を満たすように構成
された本発明に係る圧電アクチュエータの駆動部材の変
位量と位相差の周波数特性を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a frequency characteristic of a displacement amount and a phase difference of a driving member of a piezoelectric actuator according to the present invention configured to satisfy a condition relatively close to an optimum condition.

【図4】(a)はデューティ30%の矩形波の駆動信号
を示し、(b)この駆動信号で駆動したときのロッドの
変位波形とその変位波形の1次周波数成分及び2次周波
波成分を示す図である。
4A shows a drive signal of a rectangular wave with a duty of 30%, and FIG. 4B shows a displacement waveform of the rod when driven by the drive signal, and a primary frequency component and a secondary frequency component of the displacement waveform. FIG.

【図5】(a)はデューティ70%の矩形波の駆動信号
を示し、(b)この駆動信号で駆動したときのロッドの
変位波形とその変位波形の1次周波数成分及び2次周波
数成分を示す図である。
FIG. 5A shows a drive signal of a rectangular wave with a duty of 70%, and FIG. 5B shows a displacement waveform of a rod driven by the drive signal and a primary frequency component and a secondary frequency component of the displacement waveform. FIG.

【図6】駆動電圧の周波数と駆動部材の変位速度との関
係を示す図で、(a)〜(f)はそれぞれ駆動部材のロ
ッド長を0mm,4mm,8mm,12mm,16m
m,32mmとしたものである。
FIGS. 6A to 6F are diagrams showing the relationship between the frequency of the driving voltage and the displacement speed of the driving member, wherein FIGS. 6A to 6F show rod lengths of the driving member of 0 mm, 4 mm, 8 mm, 12 mm, and 16 m, respectively.
m, 32 mm.

【図7】(a)は駆動部材のロッド長を4mmとした場
合のロッド先端の変位特性を示す図、(b)は駆動部材
のロッド長を16mmとした場合のロッド先端の変位特
性を示す図である。
7A is a diagram illustrating displacement characteristics of a rod tip when the rod length of the driving member is 4 mm, and FIG. 7B is a diagram illustrating displacement characteristics of the rod tip when the rod length of the driving member is 16 mm. FIG.

【図8】圧電素子及びロッドの長さ、太さ、密度の物理
条件を変化させたときの駆動部材の共振特性の変化傾向
を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a tendency of a resonance characteristic of a driving member to change when physical conditions such as the length, thickness, and density of a piezoelectric element and a rod are changed.

【図9】本実施形態に係る圧電アクチュエータの圧電素
子先端及びロッド先端の変位量並びにロッド単体の変位
量の周波数特性の一例を示す図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a frequency characteristic of a displacement amount of a tip of a piezoelectric element and a tip of a rod of the piezoelectric actuator according to the present embodiment and a displacement amount of a rod alone.

【図10】ロッドの先端に錘を取り付けることによって
ロッド長の短縮化を図った図である。
FIG. 10 is a view in which a rod length is shortened by attaching a weight to the tip of the rod.

【図11】ロッドのロッド長を16mmから8mmに短
縮した際、その先端に錘を固着したときの変位部材の共
振特性の変化を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a change in resonance characteristics of a displacement member when a weight is fixed to the tip when the rod length of the rod is reduced from 16 mm to 8 mm.

【図12】駆動パルスの駆動電圧を変化させたときの駆
動効率が最高となる駆動周波数の変化を示す図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a change in a drive frequency at which the drive efficiency is maximized when the drive voltage of the drive pulse is changed.

【図13】駆動電圧V=3〔V〕のときの駆動パルスの
周期とその周期内の圧電素子の放電タイミングを変化さ
せたときの移動部材の移動速度の変化を示す図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating a cycle of a drive pulse when a drive voltage V = 3 [V] and a change in a moving speed of a moving member when a discharge timing of a piezoelectric element is changed within the cycle.

【図14】駆動パルスの周期とその周期内の圧電素子の
放電タイミングを説明するための図である。
FIG. 14 is a diagram for explaining a cycle of a drive pulse and a discharge timing of the piezoelectric element within the cycle.

【図15】図12の放電タイミングTON=3.875
〔μsec〕における周期Tに対する移動部材の移動速
度の変化を示す図である。
15 is a discharge timing T ON = 3.875 in FIG. 12;
It is a figure which shows the change of the moving speed of the moving member with respect to period T in [microsecond].

【図16】本実施形態に係る圧電アクチュエータの駆動
制御を示すフローチャートである。
FIG. 16 is a flowchart showing drive control of the piezoelectric actuator according to the embodiment.

【図17】従来のインパクト形圧電アクチュエータの基
本的な構成を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a basic configuration of a conventional impact type piezoelectric actuator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 圧電アクチュエータ 2 ベース(支持部材) 3 圧電素子(電気機械変換素子) 4 ロッド(棒部材) 5 駆動部材(駆動手段) 6 移動部材(移動手段) 7 駆動制御部(移動方向制御手段) 8 位置検出センサ 9 波形整形回路 10 位置検出回路 11 電源電池 12 駆動回路(駆動電圧発生手段) 13 電圧検出回路 14a,14b スイッチ 15 制御部 16 錘 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric actuator 2 Base (support member) 3 Piezoelectric element (electromechanical conversion element) 4 Rod (bar member) 5 Driving member (driving means) 6 Moving member (moving means) 7 Drive control part (moving direction control means) 8 Position Detection sensor 9 Waveform shaping circuit 10 Position detection circuit 11 Power supply battery 12 Drive circuit (drive voltage generation means) 13 Voltage detection circuit 14a, 14b Switch 15 Control unit 16 Weight

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 駆動電圧が印加されることにより伸縮す
る電気機械変換素子と当該電気機械変換素子の伸縮方向
における一方端に固着された棒部材とからなる駆動手段
と、上記駆動部材の電気機械変換素子の他方端を支持す
る支持手段と、上記駆動手段の棒部材に所定の摩擦力で
係合された移動手段と、上記駆動電圧を発生する駆動電
圧発生手段とを備えた圧電アクチュエータにおいて、 上記駆動手段は、当該駆動手段の1次反共振周波数をf
atr1、一方端が固定された条件での上記棒部材単体の1
次共振周波数をfrr1とすると、fatr1/3<frr1<f
atr1を満足するように構成され、 上記駆動電圧発生手段は、上記駆動手段の1次共振周波
数ftr1の低周波側近傍に1次正弦波成分を有し且つ所
定のデューティを有する矩形波の駆動電圧を発生するも
のであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
1. A driving unit comprising: an electromechanical conversion element that expands and contracts when a driving voltage is applied; and a rod member fixed to one end of the electromechanical conversion element in the expansion and contraction direction. In a piezoelectric actuator comprising: a supporting unit that supports the other end of the conversion element; a moving unit that is engaged with a rod member of the driving unit with a predetermined frictional force; and a driving voltage generating unit that generates the driving voltage. The driving means sets the primary anti-resonance frequency of the driving means to f
atr1, one of the rod members alone with one end fixed
If the next resonance frequency is frr1, fatr1 / 3 <frr1 <f
The driving voltage generation means is configured to satisfy atr1, and the driving voltage generation means has a square-wave driving voltage having a primary sine wave component near a low frequency side of a primary resonance frequency ftr1 of the driving means and having a predetermined duty. A piezoelectric actuator characterized by generating the following.
【請求項2】 上記駆動手段は、当該駆動手段の1次共
振周波数をftr1,2次共振周波数をftr2とすると、2
・ftr1>ftr2を満足するように構成されていることを
特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ。
2. The driving means according to claim 1, wherein the primary resonance frequency of the driving means is ftr1 and the secondary resonance frequency is ftr2.
2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric actuator is configured to satisfy ftr1> ftr2.
【請求項3】 請求項1又は2記載の圧電アクチュエー
タにおいて、 上記駆動電圧のデューティを制御することで上記移動手
段の移動方向を制御する移動方向制御手段を更に備えた
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
3. The piezoelectric actuator according to claim 1, further comprising moving direction control means for controlling a moving direction of the moving means by controlling a duty of the driving voltage. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006333571A (en) * 2005-05-24 2006-12-07 Konica Minolta Opto Inc Vibration actuator and lens barrel
WO2008136305A1 (en) * 2007-04-26 2008-11-13 Nec Tokin Corporation Piezoelectric actuator
US8541925B2 (en) 2010-03-09 2013-09-24 Ricoh Company, Limited Piezoelectric element driving circuit
JP2013220320A (en) * 2012-04-19 2013-10-28 Omron Healthcare Co Ltd Piezoelectric pump controller, piezoelectric pump control method, piezoelectric pump control program, and blood pressure measurement device

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