JP2004194363A - 駆動装置及びアクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【課題】発熱や環境変化等に対する周波数の安定性等に問題が生じることなく、簡易な構成で、且つ高い精度で駆動電圧の駆動周波数を調整することのできる駆動装置及びアクチュエータを提供する。
【解決手段】発振器７０２の発振信号を分周比Ｎで分周する分周器７０３と、分周器７０３から出力される信号を逓倍比Ｍで逓倍する逓倍部７０４と、速度センサ部５００からの速度情報に基づいて、圧電素子１００，１００’が所定の動作状態となるように分周比Ｎ及び逓倍比Ｍの少なくとも一方を調整する設定部７０７とを備え、圧電素子１００，１００’を駆動する駆動電圧の所望の駆動周波数を得るようにした。
【選択図】 図３
【解決手段】発振器７０２の発振信号を分周比Ｎで分周する分周器７０３と、分周器７０３から出力される信号を逓倍比Ｍで逓倍する逓倍部７０４と、速度センサ部５００からの速度情報に基づいて、圧電素子１００，１００’が所定の動作状態となるように分周比Ｎ及び逓倍比Ｍの少なくとも一方を調整する設定部７０７とを備え、圧電素子１００，１００’を駆動する駆動電圧の所望の駆動周波数を得るようにした。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧の印加による圧電素子の伸縮動作を利用して、被駆動部材を駆動する駆動装置及びアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、交差する複数の圧電素子と、各圧電素子の交差側の端部に取り付けられた変位合成部としてのチップ部材と、上記各圧電素子の反対側の端部を支持する支持部材とを有し、一又は複数の圧電素子に駆動電圧を印加して該圧電素子を振動（変位）させることにより、各圧電素子の変位がチップ部材により合成され、これにより、チップ部材が円運動や楕円運動等の所定の運動を行い、この運動によって駆動対象物を所定の方向に駆動する圧電アクチュエータが広く知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
一般に、圧電素子は、その構造（弾性率、質量）や電気的特性により決定される固有の共振周波数を有し、交流の駆動電圧の周波数（以下、駆動周波数という）が圧電素子の共振周波数と一致すると、インピーダンスが低下することにより圧電素子の変位が大きく増加する。圧電素子は、その外形寸法に対して変位が小さいため、特に低い駆動電圧で駆動する場合には、この共振現象を利用するのが好ましい。
【０００４】
しかしながら、この種の圧電アクチュエータにおいては、特に上記の共振現象を利用して圧電素子を駆動しようとする場合、圧電素子が共振状態となる駆動周波数の範囲が狭く、駆動周波数の設定精度が要求される。また、機械的な付加の変動や発熱、あるいはアクチュエータの周囲の温度等の環境の変化に応じて最適な駆動周波数も変動する。
【０００５】
そこで、近年では、例えば、圧電素子に流れる電流を検出して、その検出電流の位相や振幅を所定の値になるように調整する方法や、あるいは、アクチュエータの出力を検出して、その出力を所定の値となるように調整する方法により、リアルタイムで圧電素子に印加する駆動電圧の駆動周波数を最適値に設定する技術が実用化されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１３９０８６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電素子に所望の駆動周波数の駆動電圧を印加する場合に、従来では、ＭＰＵ（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｕｎｉｔ）の発振周波数の信号を分周器で分周することで、あるいは電圧制御発振器（ＶＣＯ，Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）等の専用の発振器を用いることで、その駆動周波数の駆動電圧を得るようにしていた。
【０００８】
ところが、ＭＰＵの発振周波数の信号を単に分周することで所望の駆動周波数の駆動電圧を得る前者の方法では、ＭＰＵの発振周波数の信号を生成する発信源を兼用することができるが、圧電素子の制御を行うのに十分なＭＰＵを用いると、比較的低周波で駆動しているため、駆動周波数の調整の幅（以下、調整分解能という）が比較的大きくなる場合がある。この場合、上記発振周波数を高く設定することで、必要な調整分解能を得ることは可能であるが、比較的高い発振周波数で動作するＭＰＵは一般的に高価であるとともに、上記圧電素子の駆動周波数の調整動作以外の動作を行う上ではその性能が過剰である場合も多く、また、サイズも大型化することとなる。
【０００９】
また、電圧制御発振器等の専用の発振器を用いることで所望の駆動周波数の駆動電圧を得る後者の方法では、比較的高価な電圧制御発振器を用いると、圧電アクチュエータのコストアップや構成の複雑化を招来し、安価な電圧制御発振器を用いると、当該発振器の発熱や環境変化等に対する周波数の安定性等に問題が生じる。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、発熱や環境変化等に対する周波数の安定性等に問題が生じることなく、簡易な構成で、且つ高い精度で駆動電圧の駆動周波数を調整することのできる駆動装置及びアクチュエータを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電気機械変換素子と、所定の周波数を有する基準信号を出力する基準信号出力手段と、前記基準信号出力手段から出力される基準信号を所定の分周比で分周する分周手段と、前記分周手段で分周した信号を所定の逓倍比で逓倍し、その周波数で前記電気機械変換素子に交流電圧を印加する逓倍手段と、前記電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比及び逓倍比の少なくとも一方を調整する制御手段とを備えたことを特徴とする駆動装置である。
【００１２】
この発明によれば、基準信号出力手段により所定の周波数を有する基準信号が出力されると、分周手段によりその基準信号が所定の分周比で分周される。また、逓倍手段により分周手段で分周した信号が所定の逓倍比で逓倍され、その周波数で前記電気機械変換素子に交流電圧が印加される。そして、制御手段により、前記電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比及び逓倍比の少なくとも一方が調整される。
【００１３】
従来のように、基準信号出力手段の周波数ｆｇ（以下、発振周波数ｆｇという）の信号を単に分周比Ｎａで分周することで所望の周波数ｆｄａの駆動電圧を得る（以下、電気機械変換素子に印加する交流電圧の周波数を駆動周波数という）ものとすると、駆動周波数ｆｄは、
ｆｄａ＝（１／Ｎａ）×ｆｇ ・・・（１）
となる。なお、分周比Ｎａは、発振周波数ｆｇに対して所望の駆動周波数ｆｄａに近い値が得られるように決定される。
【００１４】
ここで、駆動周波数ｆｄａの調整を式（１）における分周比Ｎａを変化させて行うものとすると、駆動周波数ｆｄａの分解能Δｆｄａは、式（１）において、Ｎａについて微分を行うことで得られる。すなわち、
Δｆｄａ＝（−ΔＮａ／Ｎａ２）×ｆｇ ・・・（２）
となる。
【００１５】
式（１）と式（２）とから、
Δｆｄａ＝（−ΔＮａ／Ｎａ）×ｆｄ ・・・（３）
となる。
【００１６】
分周比Ｎａを１ずつ変化させる（ΔＮａ＝１）ものとすると、式（３）は、
Δｆｄａ＝（−１／Ｎａ）×ｆｄ ・・・（４）
となる。
【００１７】
この式（４）によれば、駆動周波数ｆｄａを高い精度で調整可能とすべく該駆動周波数ｆｄａの分解能Δｆｄａを小さくするには、分周比Ｎａを大きくするか、あるいは発振周波数ｆｇを大きくする必要があるが、分周比Ｎａを大きくした場合には、式（１）から駆動周波数ｆｄａが小さくなり所望の出力が得られなくなる。また、発振周波数ｆｇを大きくする、延いては、比較的高い発振周波数で動作するＭＰＵを採用すると、上述したように、駆動装置のコストアップや大型化を招来するという問題が発生することとなる。
【００１８】
これに対し、本発明によれば、分周手段の分周比をＮｂ、逓倍手段の逓倍比をＭとすると、基準信号出力手段からの発振周波数ｆｇの信号を、分周手段により分周比Ｎｂで分周し、その信号を逓倍手段により逓倍比Ｍで逓倍するから、駆動周波数ｆｄｂは、
ｆｄｂ＝（Ｍ／Ｎｂ）×ｆｇ ・・・（５）
となる。なお、従来の場合と同様に、分周比Ｎｂは、発振周波数ｆｇに対して所望の駆動周波数ｆｄｂに近い値が得られるように決定される。駆動周波数ｆｄｂの調整は、式（５）の分周比Ｎｂ及び逓倍比Ｍの少なくとも一方を変化させて行うことができる。
【００１９】
今、逓倍比Ｍを定数とし、駆動周波数ｆｄｂの調整を、分周比Ｎａを変化させて行うものとすると、駆動周波数の分解能Δｆｄｂは、上式（５）において、Ｎｂについて微分を行うことで得られる。すなわち、
Δｆｄｂ＝（−ΔＮｂ／Ｎｂ２）×Ｍ×ｆｇ ・・・（６）
となる。
【００２０】
式（５）と式（６）とから、
Δｆｄｂ＝（−ΔＮｂ／Ｎｂ）×ｆｄ ・・・（７）
となる。
【００２１】
分周比Ｎｂを１ずつ変化させる（ΔＮｂ＝１）ものとすると、式（７）は、
Δｆｄｂ＝（−１／Ｎｂ）×ｆｄ ・・・（８）
となる。
【００２２】
この式（８）によれば、駆動周波数ｆｄｂの分解能Δｆｄｂは、逓倍比Ｍに関らず、分周比Ｎｂのみで決定する。
【００２３】
式（１）と式（５）とにより、分周比Ｎａと分周比Ｎｂとの関係は、
Ｎｂ＝Ｍ×Ｎａ ・・・（１０）
となるから、この関係を用いると、式（９）と式（１０）とにより、
Δｆｄｂ＝（−１／Ｍ×Ｎａ）×ｆｄ
＝Δｆｄａ×（１／Ｍ）・・・（９）
となり、分解能Δｆｄｂを、従来の分解能Δｆｄａよりも逓倍比Ｍだけ細かく設定することができる。
【００２４】
すなわち、電気機械変換素子に印加する交流電圧の周波数を高い精度でリアルタイムに調整することができる。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、電気機械変換素子と、所定の周波数を有する基準信号を出力する基準信号出力手段と、前記基準信号出力手段から出力される基準信号を、前記電気機械変換素子の共振周波数と略一致する周波数の高調波を含むように所定の分周比で分周し、その周波数で前記電気機械変換素子に交流電圧を印加する分周手段と、前記電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比を調整する制御手段とを備えたことを特徴とする駆動装置である。
【００２６】
この発明によれば、基準信号出力手段により所定の周波数を有する基準信号が出力されると、分周手段によりその基準信号が所定の分周比で分周される。その際、上記基準信号は、分周手段により電気機械変換素子の共振周波数と略一致する周波数の高調波を含むように所定の分周比で分周され、その高調波の周波数で前記電気機械変換素子に交流電圧が印加される。また、制御手段により、前記電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比が調整される。
【００２７】
このように、基準信号を、電気機械変換素子の共振周波数と略一致する周波数の高調波を含むように所定の分周比で分周し、この高調波の周波数で電気機械変換素子に交流電圧を印加するようにしたので、請求項１に記載の発明のように逓倍手段を設ける場合と同様の精度で、電気機械変換素子に印加する交流電圧の周波数をリアルタイムに調整することができる。
【００２８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の駆動装置において、前記基準信号出力手段は、当該駆動装置に備えられるマイクロコンピュータに発振信号を出力する発振手段であることを特徴とすることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、基準信号を、当該駆動装置に備えられるマイクロコンピュータに発振信号を出力する発振手段から得るようにしたので、電圧制御基準信号出力手段等の専用の基準信号出力手段を用いることで所望の駆動周波数の駆動電圧を得る従来の構成のように、圧電アクチュエータのコストアップや構成の複雑化、及び発熱や環境変化等に対する周波数の安定性等に問題が発生するのを抑制することができる。
【００３０】
請求項４に記載の発明は、複数の電気機械変換素子と、前記各電気機械変換素子の基端部を固定する固定部材と、前記複数の電気機械変換素子のうち少なくとも一の電気機械変換素子を駆動する請求項１ないし３のいずれかに記載の駆動装置と、前記各電気機械変換素子の先端部に共通して配設され、前記各電気機械変換素子の変位を合成して所定の運動を行う変位合成部材と、前記変位合成部材を被駆動部材に加圧する加圧部材とを備えてなるアクチュエータである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る圧電アクチュエータの一実施形態について説明する。
【００３２】
図１に示すように、圧電アクチュエータ１０は、２つの圧電素子（積層型の第１圧電素子及び第２圧電素子）１００，１００’と、第１、第２圧電素子１００，１００’の交差側端部に取り付けられたチップ部材２００と、第１、第２圧電素子１００，１００’の他端部に取り付けられたベース部材３００とを備えている。本実施形態に係る圧電アクチュエータ１０にあっては、第１圧電素子１００及び第２圧電素子１００’に駆動電圧を印加して該圧電素子１００，１００’を振動（変位）させる。これにより、チップ部材２００に特定の運動を行わせて一駆動対象のロータＲを、回転軸Ａを中心として、例えば矢印βの方向に回転駆動するように構成されている。
【００３３】
２つの圧電素子（積層型の第１圧電素子及び第２圧電素子）１００，１００’は略直角に交差させて配置されており、チップ部材２００はそれらの交差側端部に接着剤で接合されているとともに、第１圧電素子１００及び第２圧電素子１００’の他端部は、ベース部材３００に接着剤で接合された構成とされている。
【００３４】
次に、第１圧電素子１００及び第２圧電素子１００’の構成について説明する。なお、第１圧電素子１００と第２圧電素子１００’とは略同様の構成を有するので、第１圧電素子１００の構成について説明する。
【００３５】
図２は、第１圧電素子１００の構成を示す図である。
【００３６】
図２に示すように、圧電素子１００は、ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック薄板１０１と電極１０２，１０３とを交互に積層したものであり、各セラミック薄板１０１と電極１０２，１０３とは接着剤により固定されている。なお、圧電素子１００の両端部には、保護層１０４が設けられている。
【００３７】
圧電素子１００において、駆動電源Ｖｐ（図３参照）を用いて、１つおきに配置された各電極群１０２，１０３に、それぞれ信号線１０５，１０６を介して所定の電圧が印加された場合、電極１０２と電極１０３とに挟まれた各セラミック薄板１０１には、その積層方向に電界が発生し、その電界は１つおきに同じ方向となる（隣り合う２つのセラミック薄板１０１の分極方向は逆となる）。
【００３８】
駆動電源Ｖｐを用いて交流の駆動電圧（交流信号）を電極１０２，１０３に印加すると、その電界に応じて各セラミック薄板１０１は同方向に伸縮を繰り返し、圧電素子１００全体として伸縮を繰り返す。
【００３９】
第１圧電素子１００と第２圧電素子１００’とに、所定の位相差を有する駆動電圧を印加すると、圧電素子１００，１００’は、所定の位相差をもって振動する。その結果、互いに直交する独立した２つの運動を合成すると、その交点は楕円運動の式（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓの式）に従った軌跡を描くことから、第１圧電素子１００と第２圧電素子１００’の交点に設けられたチップ部材２００は、第１圧電素子１００と第２圧電素子１００’の振動の振幅を等しくし、上記位相差を所定値にすると、楕円を描く。
【００４０】
図１に戻り、加圧機構４００は、コイルスプリング４１０とエアシリンダ等からなる加圧部４２０とを備え、コイルスプリング４１０の一端が上記ベース部材３００の背面略中央部に取り付けられているとともに、他端が加圧部４２０に連結され、加圧部４２０の加圧力がコイルスプリング４１０を介してロータＲに伝達されるようになっている。これにより、ロータＲが回転したときには、ロータＲとチップ部材２００との接触部分において、駆動方向と反対方向に所定の摩擦力が発生するようになっている。
【００４１】
速度センサ部５００は、ロータＲの回転速度を検出するものである。
【００４２】
図３は、本実施形態における圧電アクチュエータ１０のブロック図である。
【００４３】
圧電アクチュエータは、圧電素子１００，１００’、速度センサ部５００、駆動回路部６００及び制御部７００を有してなる。
【００４４】
圧電素子１００，１００’は、図１に示す第１圧電素子１００，第２圧電素子１００’にそれぞれ相当するものである。速度センサ部５００は、図１に示す速度センサ部５００にそれぞれ相当するものである。
【００４５】
駆動回路部６００は、直流の駆動電圧＋Ｖｐが供給される接続点ａとグランドに接続される接続点ｂとの間に並列接続された駆動回路６０１，６０２を備える。なお、駆動回路６０１，６０２は、略同様の構成を有するので、駆動回路６０１の構成について説明する。
【００４６】
駆動回路６００は、電界効果トランジスタの一例としてのＭＯＳ−ＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ１と、ＭＯＳ−ＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ２との直列回路と、ＭＯＳ−ＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ３と、ＭＯＳ−ＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ４との直列回路とが並列接続された構成を有する。
【００４７】
各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に駆動制御信号Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｃ３，Ｓｃ４を供給する制御部７００が、ＭＯＳＦＥＴドライバ７１０を介して接続されて構成されている。ＭＯＳＦＥＴドライバ７１０は、制御回路７００からの信号を駆動電圧Ｖｐより充分高い電圧にレベルシフトする回路である。
【００４８】
本実施形態では、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３は、エンハンスメント形のＰチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されている一方、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４は、エンハンスメント型のＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されている。したがって、駆動制御信号がハイレベルのときには、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３はオフとなる一方、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４はオンとなる。第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２との接続点ｃと、第３スイッチング素子Ｑ３と第４スイッチング素子Ｑ４との接続点ｄとの間に圧電素子１００が接続されてブリッジ回路が構成されている。
【００４９】
ブリッジの対角に位置する一対のスイッチング素子を交互にオンオフ制御することで、電源電圧Ｖｐが交番する矩形波電圧に変換され、この矩形波電圧が圧電素子１０１に印加される。これにより、圧電素子１００は伸縮する。本実施形態においては、この矩形波電圧の周波数（以下、駆動周波数ｆｄという）を、後述する分周器７０３の分周比Ｎ及び逓倍部７０４の逓倍比Ｍの少なくとも一方に基づいて設定可能に構成したところに特徴を有している。なお、本実施形態では、説明の簡単化のため、逓倍比Ｍの値を固定し、分周比Ｎを変化させることで駆動周波数ｆｄを調整するものとする。
【００５０】
制御部７００は、ＭＰＵ（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｕｎｉｔ）７０１、発振器７０２、分周器７０３、逓倍部７０４，指示部７０５、反転部７０６及び設定部７０７を有する。なお、設定部７０７及び分周器７０３は、圧電アクチュエータ１００のＭＰＵ（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｕｎｉｔ）に備えられている。
【００５１】
発振器７０２は、水晶振動子又はセラミック振動子を用いてなり、周波数ｆｇの発振信号を発生し、ＭＰＵ７０１に出力するものである。このように、ＭＰＵ７０１に発振信号を出力する発振器７０２の該発振信号から圧電素子１００，１００’に印加する駆動電圧の周波数を得るようにしたので、電圧制御発振器等の専用の発振器を用いることで所望の駆動周波数の駆動電圧を得る従来の構成のように、圧電アクチュエータのコストアップや構成の複雑化、あるいは周波数の安定性等に問題が発生するのを抑制することができる。
【００５２】
分周器７０３は、発振器７０２からの信号を、設定部７０７により設定された分周比Ｎで分周するものである。
【００５３】
逓倍部７０４は、分周器により分周比Ｎで分周された信号を逓倍比Ｍで逓倍するものである。
【００５４】
図５は、逓倍部７０４の構成の一例を示す図である。
【００５５】
図５に示すように、逓倍部７０４は、本実施形態では、トランジスタＴｒと、トランジスタＴｒのコレクタ端子と直流電源Ｖｑとの間に接続された共振回路７０４１と、トランジスタＴｒのコレクタ端子に接続された波形整形回路７０４２と、トランジスタＴｒのベース端子に接続されたコンデンサＣｂと、トランジスタＴｒのエミッタ端子とグランドとの間に接続された抵抗ｒとを備えて構成されている。共振回路７０４１は、本実施形態では、コンデンサＣと抵抗ＲとインダクタンスＬとが並列接続して構成されている。
【００５６】
図６は、逓倍部７０４の各部における信号の波形図である。
【００５７】
逓倍部７０４に図６（ａ）に示す矩形波信号（分周器７０３の出力に相当）が入力されると、トランジスタＴｒのベース端子には、図６（ｂ）に示すように、上記矩形波信号の周波数と同じ周波数で、且つ矩形波信号の印加期間に過渡的に変化する信号が入力される。これにより、トランジスタＴｒのコレクタ端子には、共振回路７０４１の各素子Ｃ，Ｒ，Ｌの両端に生じる電圧の位相差により、本実施形態では、図６（ｄ）に示すように、上記矩形波信号の３倍の周波数の正弦波信号が出力される。
【００５８】
波形整形回路７０４２は、図６（ｄ）に示すように、トランジスタＴｒのコレクタ端子から出力される正弦波信号を矩形波信号に波形整形するものである。
【００５９】
以上の逓倍部７０４の構成により、分周器７０３により分周比Ｎで分周された信号（周波数をｆとする）が逓倍比Ｍ（本実施形態ではＭ＝３）で逓倍され、この逓倍後の駆動周波数Ｍ×ｆの駆動電圧が圧電素子１００，１００’に印加される。
【００６０】
図３に戻り、指示部７０５は、反転部７０６に対してロータＲの回転方向の切替指示を行うものである。
【００６１】
反転部７０６は、指示部７０５からの指示に基づいて、ＭＯＳＦＥＴドライバ７１０の動作を制御することにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のオンオフを制御してロータＲの回転方向を切り替えるものである。
【００６２】
設定部７０７は、速度センサ部５００からの速度情報に基づいて、分周器７０３に対して分周比Ｎの設定を行うものである。例えば、図４に示すように、分周器７０３の分周比Ｎが２７６のとき、ロータＲの回転速度ｖが最大の回転速度ｖｍとなり、分周比Ｎが２７６から離れるにしたがって回転速度ｖが漸次減少する場合において、現在の回転速度がｖ１（分周比Ｎ＝２７９）であり、上記最大の回転速度ｖｍを目標の回転速度とすると、設定部７０７は、分周器７０３の分周比Ｎを２７９から２７６に減少させる。このように、設定部７０７は、所望の回転速度になるように、分周比Ｎを変化させて駆動周波数ｆｄを微調整する。
【００６３】
その場合に、図４の分周比ＮとロータＲの回転速度ｖとの関係を示すグラフにおいて、さらに横軸に駆動周波数を設定する（右側ほど駆動周波数が大きくなる）ものとすると、従来では、設定部７０７が分周器７０３の分周比Ｎを１ずつ変化させた場合、課題を解決するための手段で述べた上式（４）（Δｆｄａ＝（−１／Ｎａ）×ｆｄ）により、駆動周波数はΔｆｄａずつ変化する。このため、上記駆動周波数の変化量Δｆｄａに対応するロータＲの回転速度ｖの変化量Δｖａが比較的大きく、ロータＲの調整精度が十分とは言えない場合があった。
【００６４】
これに対し、本実施形態では、課題を解決するための手段で述べた上式（９）（Δｆｄｂ＝Δｆｄａ×（１／Ｍ））により、従来と同等の周波数の発振信号を生成する発振器７０２を用いても、調整分解能は従来に比してＭ倍となる。すなわち、設定部７０７が分周器７０３の分周比Ｎを１ずつ変化させた場合、駆動周波数は、従来の調整分解能の幅の１／ＭであるΔｆｄｂずつ変化するから、この調整分解能に対応するロータＲの回転速度ｖの変化量Δｖｂは、従来の回転速度の変化量Δｖａより小さくなる。
【００６５】
したがって、本実施形態の圧電アクチュエータ１０は、従来と同等の周波数の信号を発振する発振器を用いて、従来の構成より駆動周波数を高い精度で調整することができ、延いてはロータＲの回転速度を高い精度で調整することができる。
【００６６】
なお、必要な分解能Δｆｄｂは、例えば予め判明している図４に示す速度特性に基づいて、所望の回転速度の変化量Δｖｂに対して決定すればよい。
【００６７】
以上のように、本実施形態においては、発振器７０２の発振信号を分周器７０３により分周比Ｎで分周した後、その信号を逓倍部７０４により逓倍比Ｍで逓倍することで、圧電素子１００，１００’を駆動する駆動電圧の駆動周波数を得るようにしたので、分解能Δｆｄｂを、従来の分解能ΔｆｄａよりもＭ（逓倍比）倍細かく設定することができ、その結果、駆動周波数を高い精度で調整することができる。特に、圧電素子１００，１００’を共振周波数付近で駆動する場合には、圧電素子１００，１００’が共振状態となる駆動周波数の範囲が狭く、駆動周波数の設定精度が要求されるため、駆動周波数を高い精度で調整できることは特に有効となる。
【００６８】
また、ＭＰＵ７０１に発振信号を出力する発振器７０２の該発振信号から圧電素子１００，１００’に印加する駆動電圧の周波数を得るようにしたので、従来の構成のように、圧電アクチュエータのコストアップや構成の複雑化、及び発熱や環境変化等に対する周波数の安定性等の問題が発生するのを抑制することができる。
【００６９】
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、以下の変形形態（１）〜（３）が採用可能である。
【００７０】
（１）上記実施形態では、速度センサ部５００からの速度情報に基づいて、分周器７０３に対して分周比Ｎの変更を行うようにしたが、逓倍部７０４の逓倍比Ｍの変更を行うようにしてもよく、あるいは、分周比Ｎ及び逓倍比Ｍの両方を変更するように構成してもよい。逓倍比Ｍの変更は、抵抗ＲやコンデンサＣ等の素子の数などが異なる複数の共振回路７０４１を逓倍部７０４に備え、トランジスタＴｒのコレクタ端子にスイッチ等により択一的に接続可能に構成したり、あるいは、抵抗ＲやコンデンサＣ等の素子の数などが異なる共振回路７０４１をそれぞれ備える逓倍部７０４を分周器７０３の出力端子に択一的にスイッチ等により接続可能に構成したりすることで実現できる。
【００７１】
（２）上記実施形態では、分周器７０３及び逓倍部７０４により所定の駆動周波数の駆動電圧を生成し、この駆動電圧を圧電素子１００，１００’に印加するように構成したが、これに限られず、矩形波は、基本波である正弦波と複数次の高調波とからなることから、設定部７０４により、分周器７０３から出力される矩形波のうち一の高調波の周波数が圧電素子１００，１００’の共振周波数と略一致するように分周比Ｎを設定し、上記一の高調波により圧電素子１００，１００’を共振させると、単に発振器１０２の発振信号を分周した信号で圧電素子１００，１００’に駆動電圧の周波数を得る従来の構成に比して高い精度で駆動周波数を設定することができる。この場合、上記一の高調波の次数をｍとすると、その高調波の周波数を圧電素子１００，１００’の共振周波数と略一致させることは、逓倍比ｍで逓倍していることに相当するので、逓倍部７０４が不要となる。なお、逓倍部７０４を設けない代わりに、図３に示す逓倍部７０４の逓倍比ＭをＭ＝１に設定してもよい。
【００７２】
なお、上記一の高調波の周波数を、圧電素子１００，１００’の共振周波数と略一致させて該圧電素子１００，１００’を駆動する場合、圧電素子１００，１００’の共振周波数と略一致させる高調波の次数ｍが大きくなるほどその高調波の振幅は低下するため、この低下分を考慮して分周器７０３の出力信号の振幅（駆動電圧の大きさ）を大きくするとよい。また、駆動電圧のデューティ比に応じて、高調波の含有率や周波数の分布が変化するため、使用する高調波が効率よく含まれるデューティ比を設定するとよい。
【００７３】
（３）上記実施形態では、第１圧電素子１００及び第２圧電素子１００’の両方に駆動電圧を印加してロータＲを回転駆動するように構成したが、これに限られず、複数の圧電素子のうち一の圧電素子に駆動電圧を印加して該圧電素子を振動させるとともに、この振動が他の圧電素子に伝達されて該他の圧電素子が振動することにより、各圧電素子の変位が合成部に合成され、所定の運動を行わせるように構成したものにも、本発明は適用可能である。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、基準信号出力手段により所定の周波数を有する基準信号が出力されると、分周手段によりその基準信号を所定の分周比で分周し、その信号を逓倍手段により所定の逓倍比で逓倍して、その周波数で電気機械変換素子に交流電圧を印加するとともに、制御手段により、電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比及び逓倍比の少なくとも一方を調整するように構成したので、電気機械変換素子に印加する交流電圧の周波数を高い精度でリアルタイムに調整することができる。
【００７５】
また、本発明によれば、基準信号出力手段により所定の周波数を有する基準信号が出力されると、分周後の信号が電気機械変換素子の共振周波数と略一致する周波数の高調波を含むように、分周手段により上記基準信号を所定の分周比で分周して、この高調波の周波数で電気機械変換素子に交流電圧を印加するとともに、制御手段により、電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比が調整するように構成したので、請求項１に記載の発明のように逓倍手段を設ける場合と同様の精度で、電気機械変換素子に印加する交流電圧の周波数をリアルタイムに調整することができる。
【００７６】
また、本発明によれば、基準信号を当該アクチュエータに備えられるマイクロコンピュータに発振信号を出力する発振手段から得るようにしたので、電圧制御発振器等の専用の発振器を用いることで所望の駆動周波数の駆動電圧を得る従来の構成のように、圧電アクチュエータのコストアップや構成の複雑化、及び発熱や環境変化等に対する周波数の安定性等に問題が発生するのを抑制することができる。
【００７７】
また、本発明によれば、複数の電気機械変換素子と、前記各電気機械変換素子の基端部を固定する固定部材と、前記複数の電気機械変換素子のうち少なくとも一の電気機械変換素子を駆動する駆動装置と、前記各電気機械変換素子の先端部に共通して配設され、前記各電気機械変換素子の変位を合成して所定の運動を行う変位合成部材と、前記変位合成部材を被駆動部材に加圧する加圧部材とを備えてアクチュエータを構成する場合に、上記駆動装置を請求項１ないし３のいずれかに記載の駆動装置を用いたので、請求項１ないし３のいずれかに記載の発明による作用を有するアクチュエータを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電アクチュエータの実施形態を示す図である。
【図２】圧電素子の構成を示す図である。
【図３】本実施形態における圧電アクチュエータのブロック図である。
【図４】ロータの回転速度と分周比及び駆動周波数との関係を示す図である。
【図５】逓倍部の回路構成の一例を示す図である。
【図６】逓倍部の各部における信号の波形図である。
【符号の説明】
１０ 圧電アクチュエータ
１００，１００’ 圧電素子
２００ チップ部材
５００ 速度センサ部
６００ 駆動回路部
７００ 制御部
７０１ ＭＰＵ
７０２ 発振器
７０３ 分周器
７０４ 逓倍部
７０４１ 共振回路
７０４２ 波形整形回路
７０７ 設定部
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧の印加による圧電素子の伸縮動作を利用して、被駆動部材を駆動する駆動装置及びアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、交差する複数の圧電素子と、各圧電素子の交差側の端部に取り付けられた変位合成部としてのチップ部材と、上記各圧電素子の反対側の端部を支持する支持部材とを有し、一又は複数の圧電素子に駆動電圧を印加して該圧電素子を振動（変位）させることにより、各圧電素子の変位がチップ部材により合成され、これにより、チップ部材が円運動や楕円運動等の所定の運動を行い、この運動によって駆動対象物を所定の方向に駆動する圧電アクチュエータが広く知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
一般に、圧電素子は、その構造（弾性率、質量）や電気的特性により決定される固有の共振周波数を有し、交流の駆動電圧の周波数（以下、駆動周波数という）が圧電素子の共振周波数と一致すると、インピーダンスが低下することにより圧電素子の変位が大きく増加する。圧電素子は、その外形寸法に対して変位が小さいため、特に低い駆動電圧で駆動する場合には、この共振現象を利用するのが好ましい。
【０００４】
しかしながら、この種の圧電アクチュエータにおいては、特に上記の共振現象を利用して圧電素子を駆動しようとする場合、圧電素子が共振状態となる駆動周波数の範囲が狭く、駆動周波数の設定精度が要求される。また、機械的な付加の変動や発熱、あるいはアクチュエータの周囲の温度等の環境の変化に応じて最適な駆動周波数も変動する。
【０００５】
そこで、近年では、例えば、圧電素子に流れる電流を検出して、その検出電流の位相や振幅を所定の値になるように調整する方法や、あるいは、アクチュエータの出力を検出して、その出力を所定の値となるように調整する方法により、リアルタイムで圧電素子に印加する駆動電圧の駆動周波数を最適値に設定する技術が実用化されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１３９０８６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧電素子に所望の駆動周波数の駆動電圧を印加する場合に、従来では、ＭＰＵ（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｕｎｉｔ）の発振周波数の信号を分周器で分周することで、あるいは電圧制御発振器（ＶＣＯ，Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）等の専用の発振器を用いることで、その駆動周波数の駆動電圧を得るようにしていた。
【０００８】
ところが、ＭＰＵの発振周波数の信号を単に分周することで所望の駆動周波数の駆動電圧を得る前者の方法では、ＭＰＵの発振周波数の信号を生成する発信源を兼用することができるが、圧電素子の制御を行うのに十分なＭＰＵを用いると、比較的低周波で駆動しているため、駆動周波数の調整の幅（以下、調整分解能という）が比較的大きくなる場合がある。この場合、上記発振周波数を高く設定することで、必要な調整分解能を得ることは可能であるが、比較的高い発振周波数で動作するＭＰＵは一般的に高価であるとともに、上記圧電素子の駆動周波数の調整動作以外の動作を行う上ではその性能が過剰である場合も多く、また、サイズも大型化することとなる。
【０００９】
また、電圧制御発振器等の専用の発振器を用いることで所望の駆動周波数の駆動電圧を得る後者の方法では、比較的高価な電圧制御発振器を用いると、圧電アクチュエータのコストアップや構成の複雑化を招来し、安価な電圧制御発振器を用いると、当該発振器の発熱や環境変化等に対する周波数の安定性等に問題が生じる。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、発熱や環境変化等に対する周波数の安定性等に問題が生じることなく、簡易な構成で、且つ高い精度で駆動電圧の駆動周波数を調整することのできる駆動装置及びアクチュエータを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電気機械変換素子と、所定の周波数を有する基準信号を出力する基準信号出力手段と、前記基準信号出力手段から出力される基準信号を所定の分周比で分周する分周手段と、前記分周手段で分周した信号を所定の逓倍比で逓倍し、その周波数で前記電気機械変換素子に交流電圧を印加する逓倍手段と、前記電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比及び逓倍比の少なくとも一方を調整する制御手段とを備えたことを特徴とする駆動装置である。
【００１２】
この発明によれば、基準信号出力手段により所定の周波数を有する基準信号が出力されると、分周手段によりその基準信号が所定の分周比で分周される。また、逓倍手段により分周手段で分周した信号が所定の逓倍比で逓倍され、その周波数で前記電気機械変換素子に交流電圧が印加される。そして、制御手段により、前記電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比及び逓倍比の少なくとも一方が調整される。
【００１３】
従来のように、基準信号出力手段の周波数ｆｇ（以下、発振周波数ｆｇという）の信号を単に分周比Ｎａで分周することで所望の周波数ｆｄａの駆動電圧を得る（以下、電気機械変換素子に印加する交流電圧の周波数を駆動周波数という）ものとすると、駆動周波数ｆｄは、
ｆｄａ＝（１／Ｎａ）×ｆｇ ・・・（１）
となる。なお、分周比Ｎａは、発振周波数ｆｇに対して所望の駆動周波数ｆｄａに近い値が得られるように決定される。
【００１４】
ここで、駆動周波数ｆｄａの調整を式（１）における分周比Ｎａを変化させて行うものとすると、駆動周波数ｆｄａの分解能Δｆｄａは、式（１）において、Ｎａについて微分を行うことで得られる。すなわち、
Δｆｄａ＝（−ΔＮａ／Ｎａ２）×ｆｇ ・・・（２）
となる。
【００１５】
式（１）と式（２）とから、
Δｆｄａ＝（−ΔＮａ／Ｎａ）×ｆｄ ・・・（３）
となる。
【００１６】
分周比Ｎａを１ずつ変化させる（ΔＮａ＝１）ものとすると、式（３）は、
Δｆｄａ＝（−１／Ｎａ）×ｆｄ ・・・（４）
となる。
【００１７】
この式（４）によれば、駆動周波数ｆｄａを高い精度で調整可能とすべく該駆動周波数ｆｄａの分解能Δｆｄａを小さくするには、分周比Ｎａを大きくするか、あるいは発振周波数ｆｇを大きくする必要があるが、分周比Ｎａを大きくした場合には、式（１）から駆動周波数ｆｄａが小さくなり所望の出力が得られなくなる。また、発振周波数ｆｇを大きくする、延いては、比較的高い発振周波数で動作するＭＰＵを採用すると、上述したように、駆動装置のコストアップや大型化を招来するという問題が発生することとなる。
【００１８】
これに対し、本発明によれば、分周手段の分周比をＮｂ、逓倍手段の逓倍比をＭとすると、基準信号出力手段からの発振周波数ｆｇの信号を、分周手段により分周比Ｎｂで分周し、その信号を逓倍手段により逓倍比Ｍで逓倍するから、駆動周波数ｆｄｂは、
ｆｄｂ＝（Ｍ／Ｎｂ）×ｆｇ ・・・（５）
となる。なお、従来の場合と同様に、分周比Ｎｂは、発振周波数ｆｇに対して所望の駆動周波数ｆｄｂに近い値が得られるように決定される。駆動周波数ｆｄｂの調整は、式（５）の分周比Ｎｂ及び逓倍比Ｍの少なくとも一方を変化させて行うことができる。
【００１９】
今、逓倍比Ｍを定数とし、駆動周波数ｆｄｂの調整を、分周比Ｎａを変化させて行うものとすると、駆動周波数の分解能Δｆｄｂは、上式（５）において、Ｎｂについて微分を行うことで得られる。すなわち、
Δｆｄｂ＝（−ΔＮｂ／Ｎｂ２）×Ｍ×ｆｇ ・・・（６）
となる。
【００２０】
式（５）と式（６）とから、
Δｆｄｂ＝（−ΔＮｂ／Ｎｂ）×ｆｄ ・・・（７）
となる。
【００２１】
分周比Ｎｂを１ずつ変化させる（ΔＮｂ＝１）ものとすると、式（７）は、
Δｆｄｂ＝（−１／Ｎｂ）×ｆｄ ・・・（８）
となる。
【００２２】
この式（８）によれば、駆動周波数ｆｄｂの分解能Δｆｄｂは、逓倍比Ｍに関らず、分周比Ｎｂのみで決定する。
【００２３】
式（１）と式（５）とにより、分周比Ｎａと分周比Ｎｂとの関係は、
Ｎｂ＝Ｍ×Ｎａ ・・・（１０）
となるから、この関係を用いると、式（９）と式（１０）とにより、
Δｆｄｂ＝（−１／Ｍ×Ｎａ）×ｆｄ
＝Δｆｄａ×（１／Ｍ）・・・（９）
となり、分解能Δｆｄｂを、従来の分解能Δｆｄａよりも逓倍比Ｍだけ細かく設定することができる。
【００２４】
すなわち、電気機械変換素子に印加する交流電圧の周波数を高い精度でリアルタイムに調整することができる。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、電気機械変換素子と、所定の周波数を有する基準信号を出力する基準信号出力手段と、前記基準信号出力手段から出力される基準信号を、前記電気機械変換素子の共振周波数と略一致する周波数の高調波を含むように所定の分周比で分周し、その周波数で前記電気機械変換素子に交流電圧を印加する分周手段と、前記電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比を調整する制御手段とを備えたことを特徴とする駆動装置である。
【００２６】
この発明によれば、基準信号出力手段により所定の周波数を有する基準信号が出力されると、分周手段によりその基準信号が所定の分周比で分周される。その際、上記基準信号は、分周手段により電気機械変換素子の共振周波数と略一致する周波数の高調波を含むように所定の分周比で分周され、その高調波の周波数で前記電気機械変換素子に交流電圧が印加される。また、制御手段により、前記電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比が調整される。
【００２７】
このように、基準信号を、電気機械変換素子の共振周波数と略一致する周波数の高調波を含むように所定の分周比で分周し、この高調波の周波数で電気機械変換素子に交流電圧を印加するようにしたので、請求項１に記載の発明のように逓倍手段を設ける場合と同様の精度で、電気機械変換素子に印加する交流電圧の周波数をリアルタイムに調整することができる。
【００２８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の駆動装置において、前記基準信号出力手段は、当該駆動装置に備えられるマイクロコンピュータに発振信号を出力する発振手段であることを特徴とすることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、基準信号を、当該駆動装置に備えられるマイクロコンピュータに発振信号を出力する発振手段から得るようにしたので、電圧制御基準信号出力手段等の専用の基準信号出力手段を用いることで所望の駆動周波数の駆動電圧を得る従来の構成のように、圧電アクチュエータのコストアップや構成の複雑化、及び発熱や環境変化等に対する周波数の安定性等に問題が発生するのを抑制することができる。
【００３０】
請求項４に記載の発明は、複数の電気機械変換素子と、前記各電気機械変換素子の基端部を固定する固定部材と、前記複数の電気機械変換素子のうち少なくとも一の電気機械変換素子を駆動する請求項１ないし３のいずれかに記載の駆動装置と、前記各電気機械変換素子の先端部に共通して配設され、前記各電気機械変換素子の変位を合成して所定の運動を行う変位合成部材と、前記変位合成部材を被駆動部材に加圧する加圧部材とを備えてなるアクチュエータである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る圧電アクチュエータの一実施形態について説明する。
【００３２】
図１に示すように、圧電アクチュエータ１０は、２つの圧電素子（積層型の第１圧電素子及び第２圧電素子）１００，１００’と、第１、第２圧電素子１００，１００’の交差側端部に取り付けられたチップ部材２００と、第１、第２圧電素子１００，１００’の他端部に取り付けられたベース部材３００とを備えている。本実施形態に係る圧電アクチュエータ１０にあっては、第１圧電素子１００及び第２圧電素子１００’に駆動電圧を印加して該圧電素子１００，１００’を振動（変位）させる。これにより、チップ部材２００に特定の運動を行わせて一駆動対象のロータＲを、回転軸Ａを中心として、例えば矢印βの方向に回転駆動するように構成されている。
【００３３】
２つの圧電素子（積層型の第１圧電素子及び第２圧電素子）１００，１００’は略直角に交差させて配置されており、チップ部材２００はそれらの交差側端部に接着剤で接合されているとともに、第１圧電素子１００及び第２圧電素子１００’の他端部は、ベース部材３００に接着剤で接合された構成とされている。
【００３４】
次に、第１圧電素子１００及び第２圧電素子１００’の構成について説明する。なお、第１圧電素子１００と第２圧電素子１００’とは略同様の構成を有するので、第１圧電素子１００の構成について説明する。
【００３５】
図２は、第１圧電素子１００の構成を示す図である。
【００３６】
図２に示すように、圧電素子１００は、ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック薄板１０１と電極１０２，１０３とを交互に積層したものであり、各セラミック薄板１０１と電極１０２，１０３とは接着剤により固定されている。なお、圧電素子１００の両端部には、保護層１０４が設けられている。
【００３７】
圧電素子１００において、駆動電源Ｖｐ（図３参照）を用いて、１つおきに配置された各電極群１０２，１０３に、それぞれ信号線１０５，１０６を介して所定の電圧が印加された場合、電極１０２と電極１０３とに挟まれた各セラミック薄板１０１には、その積層方向に電界が発生し、その電界は１つおきに同じ方向となる（隣り合う２つのセラミック薄板１０１の分極方向は逆となる）。
【００３８】
駆動電源Ｖｐを用いて交流の駆動電圧（交流信号）を電極１０２，１０３に印加すると、その電界に応じて各セラミック薄板１０１は同方向に伸縮を繰り返し、圧電素子１００全体として伸縮を繰り返す。
【００３９】
第１圧電素子１００と第２圧電素子１００’とに、所定の位相差を有する駆動電圧を印加すると、圧電素子１００，１００’は、所定の位相差をもって振動する。その結果、互いに直交する独立した２つの運動を合成すると、その交点は楕円運動の式（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓの式）に従った軌跡を描くことから、第１圧電素子１００と第２圧電素子１００’の交点に設けられたチップ部材２００は、第１圧電素子１００と第２圧電素子１００’の振動の振幅を等しくし、上記位相差を所定値にすると、楕円を描く。
【００４０】
図１に戻り、加圧機構４００は、コイルスプリング４１０とエアシリンダ等からなる加圧部４２０とを備え、コイルスプリング４１０の一端が上記ベース部材３００の背面略中央部に取り付けられているとともに、他端が加圧部４２０に連結され、加圧部４２０の加圧力がコイルスプリング４１０を介してロータＲに伝達されるようになっている。これにより、ロータＲが回転したときには、ロータＲとチップ部材２００との接触部分において、駆動方向と反対方向に所定の摩擦力が発生するようになっている。
【００４１】
速度センサ部５００は、ロータＲの回転速度を検出するものである。
【００４２】
図３は、本実施形態における圧電アクチュエータ１０のブロック図である。
【００４３】
圧電アクチュエータは、圧電素子１００，１００’、速度センサ部５００、駆動回路部６００及び制御部７００を有してなる。
【００４４】
圧電素子１００，１００’は、図１に示す第１圧電素子１００，第２圧電素子１００’にそれぞれ相当するものである。速度センサ部５００は、図１に示す速度センサ部５００にそれぞれ相当するものである。
【００４５】
駆動回路部６００は、直流の駆動電圧＋Ｖｐが供給される接続点ａとグランドに接続される接続点ｂとの間に並列接続された駆動回路６０１，６０２を備える。なお、駆動回路６０１，６０２は、略同様の構成を有するので、駆動回路６０１の構成について説明する。
【００４６】
駆動回路６００は、電界効果トランジスタの一例としてのＭＯＳ−ＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ１と、ＭＯＳ−ＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ２との直列回路と、ＭＯＳ−ＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ３と、ＭＯＳ−ＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ４との直列回路とが並列接続された構成を有する。
【００４７】
各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に駆動制御信号Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｃ３，Ｓｃ４を供給する制御部７００が、ＭＯＳＦＥＴドライバ７１０を介して接続されて構成されている。ＭＯＳＦＥＴドライバ７１０は、制御回路７００からの信号を駆動電圧Ｖｐより充分高い電圧にレベルシフトする回路である。
【００４８】
本実施形態では、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３は、エンハンスメント形のＰチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されている一方、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４は、エンハンスメント型のＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成されている。したがって、駆動制御信号がハイレベルのときには、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３はオフとなる一方、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４はオンとなる。第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２との接続点ｃと、第３スイッチング素子Ｑ３と第４スイッチング素子Ｑ４との接続点ｄとの間に圧電素子１００が接続されてブリッジ回路が構成されている。
【００４９】
ブリッジの対角に位置する一対のスイッチング素子を交互にオンオフ制御することで、電源電圧Ｖｐが交番する矩形波電圧に変換され、この矩形波電圧が圧電素子１０１に印加される。これにより、圧電素子１００は伸縮する。本実施形態においては、この矩形波電圧の周波数（以下、駆動周波数ｆｄという）を、後述する分周器７０３の分周比Ｎ及び逓倍部７０４の逓倍比Ｍの少なくとも一方に基づいて設定可能に構成したところに特徴を有している。なお、本実施形態では、説明の簡単化のため、逓倍比Ｍの値を固定し、分周比Ｎを変化させることで駆動周波数ｆｄを調整するものとする。
【００５０】
制御部７００は、ＭＰＵ（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｕｎｉｔ）７０１、発振器７０２、分周器７０３、逓倍部７０４，指示部７０５、反転部７０６及び設定部７０７を有する。なお、設定部７０７及び分周器７０３は、圧電アクチュエータ１００のＭＰＵ（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｕｎｉｔ）に備えられている。
【００５１】
発振器７０２は、水晶振動子又はセラミック振動子を用いてなり、周波数ｆｇの発振信号を発生し、ＭＰＵ７０１に出力するものである。このように、ＭＰＵ７０１に発振信号を出力する発振器７０２の該発振信号から圧電素子１００，１００’に印加する駆動電圧の周波数を得るようにしたので、電圧制御発振器等の専用の発振器を用いることで所望の駆動周波数の駆動電圧を得る従来の構成のように、圧電アクチュエータのコストアップや構成の複雑化、あるいは周波数の安定性等に問題が発生するのを抑制することができる。
【００５２】
分周器７０３は、発振器７０２からの信号を、設定部７０７により設定された分周比Ｎで分周するものである。
【００５３】
逓倍部７０４は、分周器により分周比Ｎで分周された信号を逓倍比Ｍで逓倍するものである。
【００５４】
図５は、逓倍部７０４の構成の一例を示す図である。
【００５５】
図５に示すように、逓倍部７０４は、本実施形態では、トランジスタＴｒと、トランジスタＴｒのコレクタ端子と直流電源Ｖｑとの間に接続された共振回路７０４１と、トランジスタＴｒのコレクタ端子に接続された波形整形回路７０４２と、トランジスタＴｒのベース端子に接続されたコンデンサＣｂと、トランジスタＴｒのエミッタ端子とグランドとの間に接続された抵抗ｒとを備えて構成されている。共振回路７０４１は、本実施形態では、コンデンサＣと抵抗ＲとインダクタンスＬとが並列接続して構成されている。
【００５６】
図６は、逓倍部７０４の各部における信号の波形図である。
【００５７】
逓倍部７０４に図６（ａ）に示す矩形波信号（分周器７０３の出力に相当）が入力されると、トランジスタＴｒのベース端子には、図６（ｂ）に示すように、上記矩形波信号の周波数と同じ周波数で、且つ矩形波信号の印加期間に過渡的に変化する信号が入力される。これにより、トランジスタＴｒのコレクタ端子には、共振回路７０４１の各素子Ｃ，Ｒ，Ｌの両端に生じる電圧の位相差により、本実施形態では、図６（ｄ）に示すように、上記矩形波信号の３倍の周波数の正弦波信号が出力される。
【００５８】
波形整形回路７０４２は、図６（ｄ）に示すように、トランジスタＴｒのコレクタ端子から出力される正弦波信号を矩形波信号に波形整形するものである。
【００５９】
以上の逓倍部７０４の構成により、分周器７０３により分周比Ｎで分周された信号（周波数をｆとする）が逓倍比Ｍ（本実施形態ではＭ＝３）で逓倍され、この逓倍後の駆動周波数Ｍ×ｆの駆動電圧が圧電素子１００，１００’に印加される。
【００６０】
図３に戻り、指示部７０５は、反転部７０６に対してロータＲの回転方向の切替指示を行うものである。
【００６１】
反転部７０６は、指示部７０５からの指示に基づいて、ＭＯＳＦＥＴドライバ７１０の動作を制御することにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のオンオフを制御してロータＲの回転方向を切り替えるものである。
【００６２】
設定部７０７は、速度センサ部５００からの速度情報に基づいて、分周器７０３に対して分周比Ｎの設定を行うものである。例えば、図４に示すように、分周器７０３の分周比Ｎが２７６のとき、ロータＲの回転速度ｖが最大の回転速度ｖｍとなり、分周比Ｎが２７６から離れるにしたがって回転速度ｖが漸次減少する場合において、現在の回転速度がｖ１（分周比Ｎ＝２７９）であり、上記最大の回転速度ｖｍを目標の回転速度とすると、設定部７０７は、分周器７０３の分周比Ｎを２７９から２７６に減少させる。このように、設定部７０７は、所望の回転速度になるように、分周比Ｎを変化させて駆動周波数ｆｄを微調整する。
【００６３】
その場合に、図４の分周比ＮとロータＲの回転速度ｖとの関係を示すグラフにおいて、さらに横軸に駆動周波数を設定する（右側ほど駆動周波数が大きくなる）ものとすると、従来では、設定部７０７が分周器７０３の分周比Ｎを１ずつ変化させた場合、課題を解決するための手段で述べた上式（４）（Δｆｄａ＝（−１／Ｎａ）×ｆｄ）により、駆動周波数はΔｆｄａずつ変化する。このため、上記駆動周波数の変化量Δｆｄａに対応するロータＲの回転速度ｖの変化量Δｖａが比較的大きく、ロータＲの調整精度が十分とは言えない場合があった。
【００６４】
これに対し、本実施形態では、課題を解決するための手段で述べた上式（９）（Δｆｄｂ＝Δｆｄａ×（１／Ｍ））により、従来と同等の周波数の発振信号を生成する発振器７０２を用いても、調整分解能は従来に比してＭ倍となる。すなわち、設定部７０７が分周器７０３の分周比Ｎを１ずつ変化させた場合、駆動周波数は、従来の調整分解能の幅の１／ＭであるΔｆｄｂずつ変化するから、この調整分解能に対応するロータＲの回転速度ｖの変化量Δｖｂは、従来の回転速度の変化量Δｖａより小さくなる。
【００６５】
したがって、本実施形態の圧電アクチュエータ１０は、従来と同等の周波数の信号を発振する発振器を用いて、従来の構成より駆動周波数を高い精度で調整することができ、延いてはロータＲの回転速度を高い精度で調整することができる。
【００６６】
なお、必要な分解能Δｆｄｂは、例えば予め判明している図４に示す速度特性に基づいて、所望の回転速度の変化量Δｖｂに対して決定すればよい。
【００６７】
以上のように、本実施形態においては、発振器７０２の発振信号を分周器７０３により分周比Ｎで分周した後、その信号を逓倍部７０４により逓倍比Ｍで逓倍することで、圧電素子１００，１００’を駆動する駆動電圧の駆動周波数を得るようにしたので、分解能Δｆｄｂを、従来の分解能ΔｆｄａよりもＭ（逓倍比）倍細かく設定することができ、その結果、駆動周波数を高い精度で調整することができる。特に、圧電素子１００，１００’を共振周波数付近で駆動する場合には、圧電素子１００，１００’が共振状態となる駆動周波数の範囲が狭く、駆動周波数の設定精度が要求されるため、駆動周波数を高い精度で調整できることは特に有効となる。
【００６８】
また、ＭＰＵ７０１に発振信号を出力する発振器７０２の該発振信号から圧電素子１００，１００’に印加する駆動電圧の周波数を得るようにしたので、従来の構成のように、圧電アクチュエータのコストアップや構成の複雑化、及び発熱や環境変化等に対する周波数の安定性等の問題が発生するのを抑制することができる。
【００６９】
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、以下の変形形態（１）〜（３）が採用可能である。
【００７０】
（１）上記実施形態では、速度センサ部５００からの速度情報に基づいて、分周器７０３に対して分周比Ｎの変更を行うようにしたが、逓倍部７０４の逓倍比Ｍの変更を行うようにしてもよく、あるいは、分周比Ｎ及び逓倍比Ｍの両方を変更するように構成してもよい。逓倍比Ｍの変更は、抵抗ＲやコンデンサＣ等の素子の数などが異なる複数の共振回路７０４１を逓倍部７０４に備え、トランジスタＴｒのコレクタ端子にスイッチ等により択一的に接続可能に構成したり、あるいは、抵抗ＲやコンデンサＣ等の素子の数などが異なる共振回路７０４１をそれぞれ備える逓倍部７０４を分周器７０３の出力端子に択一的にスイッチ等により接続可能に構成したりすることで実現できる。
【００７１】
（２）上記実施形態では、分周器７０３及び逓倍部７０４により所定の駆動周波数の駆動電圧を生成し、この駆動電圧を圧電素子１００，１００’に印加するように構成したが、これに限られず、矩形波は、基本波である正弦波と複数次の高調波とからなることから、設定部７０４により、分周器７０３から出力される矩形波のうち一の高調波の周波数が圧電素子１００，１００’の共振周波数と略一致するように分周比Ｎを設定し、上記一の高調波により圧電素子１００，１００’を共振させると、単に発振器１０２の発振信号を分周した信号で圧電素子１００，１００’に駆動電圧の周波数を得る従来の構成に比して高い精度で駆動周波数を設定することができる。この場合、上記一の高調波の次数をｍとすると、その高調波の周波数を圧電素子１００，１００’の共振周波数と略一致させることは、逓倍比ｍで逓倍していることに相当するので、逓倍部７０４が不要となる。なお、逓倍部７０４を設けない代わりに、図３に示す逓倍部７０４の逓倍比ＭをＭ＝１に設定してもよい。
【００７２】
なお、上記一の高調波の周波数を、圧電素子１００，１００’の共振周波数と略一致させて該圧電素子１００，１００’を駆動する場合、圧電素子１００，１００’の共振周波数と略一致させる高調波の次数ｍが大きくなるほどその高調波の振幅は低下するため、この低下分を考慮して分周器７０３の出力信号の振幅（駆動電圧の大きさ）を大きくするとよい。また、駆動電圧のデューティ比に応じて、高調波の含有率や周波数の分布が変化するため、使用する高調波が効率よく含まれるデューティ比を設定するとよい。
【００７３】
（３）上記実施形態では、第１圧電素子１００及び第２圧電素子１００’の両方に駆動電圧を印加してロータＲを回転駆動するように構成したが、これに限られず、複数の圧電素子のうち一の圧電素子に駆動電圧を印加して該圧電素子を振動させるとともに、この振動が他の圧電素子に伝達されて該他の圧電素子が振動することにより、各圧電素子の変位が合成部に合成され、所定の運動を行わせるように構成したものにも、本発明は適用可能である。
【００７４】
【発明の効果】
本発明によれば、基準信号出力手段により所定の周波数を有する基準信号が出力されると、分周手段によりその基準信号を所定の分周比で分周し、その信号を逓倍手段により所定の逓倍比で逓倍して、その周波数で電気機械変換素子に交流電圧を印加するとともに、制御手段により、電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比及び逓倍比の少なくとも一方を調整するように構成したので、電気機械変換素子に印加する交流電圧の周波数を高い精度でリアルタイムに調整することができる。
【００７５】
また、本発明によれば、基準信号出力手段により所定の周波数を有する基準信号が出力されると、分周後の信号が電気機械変換素子の共振周波数と略一致する周波数の高調波を含むように、分周手段により上記基準信号を所定の分周比で分周して、この高調波の周波数で電気機械変換素子に交流電圧を印加するとともに、制御手段により、電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比が調整するように構成したので、請求項１に記載の発明のように逓倍手段を設ける場合と同様の精度で、電気機械変換素子に印加する交流電圧の周波数をリアルタイムに調整することができる。
【００７６】
また、本発明によれば、基準信号を当該アクチュエータに備えられるマイクロコンピュータに発振信号を出力する発振手段から得るようにしたので、電圧制御発振器等の専用の発振器を用いることで所望の駆動周波数の駆動電圧を得る従来の構成のように、圧電アクチュエータのコストアップや構成の複雑化、及び発熱や環境変化等に対する周波数の安定性等に問題が発生するのを抑制することができる。
【００７７】
また、本発明によれば、複数の電気機械変換素子と、前記各電気機械変換素子の基端部を固定する固定部材と、前記複数の電気機械変換素子のうち少なくとも一の電気機械変換素子を駆動する駆動装置と、前記各電気機械変換素子の先端部に共通して配設され、前記各電気機械変換素子の変位を合成して所定の運動を行う変位合成部材と、前記変位合成部材を被駆動部材に加圧する加圧部材とを備えてアクチュエータを構成する場合に、上記駆動装置を請求項１ないし３のいずれかに記載の駆動装置を用いたので、請求項１ないし３のいずれかに記載の発明による作用を有するアクチュエータを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電アクチュエータの実施形態を示す図である。
【図２】圧電素子の構成を示す図である。
【図３】本実施形態における圧電アクチュエータのブロック図である。
【図４】ロータの回転速度と分周比及び駆動周波数との関係を示す図である。
【図５】逓倍部の回路構成の一例を示す図である。
【図６】逓倍部の各部における信号の波形図である。
【符号の説明】
１０ 圧電アクチュエータ
１００，１００’ 圧電素子
２００ チップ部材
５００ 速度センサ部
６００ 駆動回路部
７００ 制御部
７０１ ＭＰＵ
７０２ 発振器
７０３ 分周器
７０４ 逓倍部
７０４１ 共振回路
７０４２ 波形整形回路
７０７ 設定部
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
Claims (4)
- 電気機械変換素子と、
所定の周波数を有する基準信号を出力する基準信号出力手段と、
前記基準信号出力手段から出力される基準信号を所定の分周比で分周する分周手段と、
前記分周手段で分周した信号を所定の逓倍比で逓倍し、その周波数で前記電気機械変換素子に交流電圧を印加する逓倍手段と、
前記電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比及び逓倍比の少なくとも一方を調整する制御手段と、
を備えたことを特徴とする駆動装置。 - 電気機械変換素子と、
所定の周波数を有する基準信号を出力する基準信号出力手段と、
前記基準信号出力手段から出力される基準信号を、前記電気機械変換素子の共振周波数と略一致する周波数の高調波を含むように所定の分周比で分周し、その周波数で前記電気機械変換素子に交流電圧を印加する分周手段と、
前記電気機械変換素子が所定の動作状態となるように前記分周比を調整する制御手段と、
を備えたことを特徴とする駆動装置。 - 前記基準信号出力手段は、当該駆動装置に備えられるマイクロコンピュータに発振信号を出力する発振手段であることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
- 複数の電気機械変換素子と、
前記各電気機械変換素子の基端部を固定する固定部材と、
前記複数の電気機械変換素子のうち少なくとも一の電気機械変換素子を駆動する請求項１ないし３のいずれかに記載の駆動装置と、
前記各電気機械変換素子の先端部に共通して配設され、前記各電気機械変換素子の変位を合成して所定の運動を行う変位合成部材と、
前記変位合成部材を被駆動部材に加圧する加圧部材とを備えてなるアクチュエータ。
Priority Applications (1)
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| JP2002355725A JP2004194363A (ja) | 2002-12-06 | 2002-12-06 | 駆動装置及びアクチュエータ |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011097397A (ja) * | 2009-10-30 | 2011-05-12 | Canon Inc | 塵埃除去装置 |
-
2002
- 2002-12-06 JP JP2002355725A patent/JP2004194363A/ja not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|
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