JP2009219212A - 圧電アクチュエータの駆動制御装置、圧電アクチュエータの駆動制御方法および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】共振周波数が変動した場合でも、スイープ制御期間を短縮でき、かつ、電力消費を低減できて高効率の駆動を実現できる圧電アクチュエータの駆動制御装置の提供。
【解決手段】圧電アクチュエータの駆動制御装置１００は、駆動信号を圧電素子１７に供給する駆動回路１０５と、振動体の振動状態を検出する振動状態検出手段と、駆動信号の駆動周波数を制御する周波数制御手段とを備える。周波数制御手段は、電圧調整回路１０４および電圧制御発振器１０６で構成され、前回の圧電アクチュエータの駆動制御時の最適駆動周波数に対して、周波数制御方向とは逆方向にシフトした周波数を初期周波数とし、この初期周波数から前記周波数制御方向に周波数を変化させるとともに、前記振動状態検出手段で検出された振動状態に基づいて前記駆動周波数を増加または減少する制御を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電アクチュエータの駆動制御装置、圧電アクチュエータの駆動制御方法、及び、電子機器に関する。

圧電素子は、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率や、応答性に優れている。このため、近年、圧電素子の圧電効果を利用した各種の圧電アクチュエータが開発されている。
圧電アクチュエータ（超音波モータ）は、周囲の温度や負荷等の変化によって共振周波数が変動するため、最適な駆動周波数に都度調整する必要がある。
そのため、圧電素子に供給する駆動信号の周波数を、所定範囲で増加または減少させてスイープし、共振周波数が変動しても確実に圧電アクチュエータを駆動させる制御方法が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特許文献１では、振動状態に応じて圧電素子から出力される検出信号と前記駆動信号との位相差に基づいて前記圧電素子に供給する駆動周波数の増減方向を制御している。また、目標位相差から大きく外れていて検出信号の振幅が小さい場合にはスイープ速度（駆動周波数の増加または減少の変化割合）を速くし、目標位相差に近づいていて検出信号の振幅が大きくなった場合にはスイープ速度を遅くすることにより、高効率に達するまでの時間を短縮し、確実でかつ高効率な駆動を実現している。

特許文献２では、消費電力が比較的小さい周波数領域から最適周波数に向かってスイープを開始することにより、スイープ時の電力消費を低減して、確実でかつ効率的な駆動を実現している。

特許文献３では、前回駆動した時の動き出し周波数を記憶しておき、次回、動かすときには記憶した周波数からスイープを開始することにより、温度変化などの影響を低減し、スイープ期間を短縮して余分な電力消費を削減し、効率的な駆動を実現する方法が開示されている。

国際公開番号ＷＯ２００４／０８８８３０号パンフレット 国際公開番号ＷＯ２００５／０８８８２３号パンフレット 特開平６−６９９０号公報（段落番号［０００８］〜［００１４］）

しかしながら、上記特許文献１，２では、常に一定の初期周波数からスイープ駆動を開始しているため、最適駆動周波数に収束するまでに時間が掛かり、スイープ駆動中の電力消費を更に低減することができない。
一方、特許文献３は、スイープ開始周波数を前回駆動時の周波数に基づいて設定しているので、スイープ期間を短縮できる利点はあるが、急激な温度変化などがあって共振周波数が大きく変動すると、記憶していた周波数が最適周波数から外れてしまう可能性が高い。その場合には、もう１周スイープ制御を行う必要があるため、余分な電力消費となってしまうという問題点があった。

本発明の目的は、急激な温度変化などで共振周波数が変動した場合でも、スイープ制御期間を短縮でき、かつ、電力消費を低減できて高効率の駆動を実現できる圧電アクチュエータの駆動制御装置、圧電アクチュエータの駆動制御方法および電子機器を提供することにある。

本発明の圧電アクチュエータの駆動制御装置は、圧電素子を有する振動体を備えた圧電アクチュエータを駆動する圧電アクチュエータの駆動制御装置であって、前記圧電素子に駆動信号を供給する駆動手段と、前記振動体の振動状態を検出する振動状態検出手段と、前記駆動信号の駆動周波数を制御する周波数制御手段とを備え、前記周波数制御手段は、前回の圧電アクチュエータの駆動制御時の最適駆動周波数に対して、予め定められた周波数制御方向とは逆方向にシフトした周波数を初期周波数とし、この初期周波数から前記周波数制御方向に周波数を変化させるとともに、前記振動状態検出手段で振動状態が検出された後は検出された振動状態に基づいて前記駆動周波数を増加または減少する制御を行うことを特徴とする。

本発明では、駆動周波数のスイープ制御を行う際に、前回駆動時の最適周波数に対して、スイープ方向（周波数制御方向）とは逆方向に所定周波数分だけシフトした駆動周波数からスイープ制御を開始することができる。
このため、前回の最適周波数からスイープ制御を開始する場合に比べて、スイープ制御範囲を前記シフト分だけ広くすることができ、前回駆動時から温度が変化して前回の最適周波数近くに共振周波数が変化した場合も、周波数をシフトしていることで、共振周波数を通過せずに最適周波数に制御することができる。そのため、スイープ制御時に共振周波数を通過すると、インピーダンスが低いために消費電力が極端に大きくなって駆動効率が低下するが、本発明では、スイープ制御時に共振周波数を通過する可能性が低いため、駆動効率の低下も防止できる。
また、前回の最適駆動周波数を基準にして駆動周波数をシフトしているので、スイープ制御開始時に常に一定の周波数からスイープ制御を開始する場合に比べて、最適周波数に収束するまでの時間が短くでき、スイープ制御期間を短くできて、駆動効率も向上できる。

本発明において、前記振動体は、前記駆動信号を圧電素子に供給することで、前記振動体の長手方向に沿って伸縮する縦振動および前記長手方向に対して屈曲する屈曲振動の合成によって振動し、前記周波数制御手段は、前記振動体の縦振動の共振周波数および屈曲振動の共振周波数のうち、圧電アクチュエータのインピーダンスが高い共振周波数から低い共振周波数に向かう方向を前記周波数制御方向に設定することが好ましい。

このような構成によれば、縦共振周波数と屈曲共振周波数との間の最適周波数で駆動している場合、シフトした初期駆動周波数は縦共振周波数または屈曲共振周波数のうち、インピーダンスが低い共振周波数から離れる方向に設定することになる。例えば、縦共振周波数のほうが屈曲共振周波数に対して、インピーダンスが低く、かつ、周波数も低い場合には、最適駆動周波数に対して縦共振周波数から離れる方向、つまり周波数が高くなる方向にシフトする。
このため、温度変化などで共振周波数が変化しても、特にインピーダンスが低い共振周波数をスイープ制御時に通過することを防止でき、消費電流が極端に大きくなって駆動効率が大きく低下することを防止できる。

本発明において、前記周波数制御手段は、前記圧電アクチュエータの共振周波数の温度特性と、圧電アクチュエータを利用している際に想定される最大温度変化量とに基づいて前記周波数のシフト量を設定することが好ましい。

圧電アクチュエータにおいて、共振周波数が変化する主な原因は温度変化であるため、その温度変化を考慮して周波数のシフト量を設定すれば、圧電アクチュエータの利用時に、例えば、冬季に室内および屋外間で移動した場合のように温度変化が大きい場合でも、初期駆動周波数を適切に設定でき、スイープ制御を短時間でかつ効率よく行うことができる。

本発明において、温度を測定する温度センサを備え、前記周波数制御手段は、圧電アクチュエータの前回の駆動制御時の温度と、今回の駆動制御時の温度との差が予め設定した温度差以上の場合に、前回駆動制御時の最適駆動周波数に対して周波数をシフトして初期周波数とし、前記温度差が予め設定した温度差未満の場合は前回駆動制御時の最適駆動周波数を初期周波数とすることが好ましい。

本発明では、温度変化が小さい場合には共振周波数の変化量も僅かであるため、前回の最適駆動周波数からスイープ制御を開始してもスイープ制御を短時間でかつ効率よく行うことができる。
また、温度変化が大きい場合には、前回駆動制御時の最適駆動周波数に対して周波数をシフトしているので、温度変化で共振周波数が変化しても初期駆動周波数を適切に設定でき、スイープ制御を短時間でかつ効率よく行うことができる。

本発明において、温度を測定する温度センサを備え、前記周波数制御手段は、圧電アクチュエータの前回の駆動制御時の温度と、今回の駆動制御時の温度との差を求め、この温度差および前記圧電アクチュエータの共振周波数の温度特性に基づいて周波数のシフト量を算出し、前回駆動制御時の最適駆動周波数に対して前記算出したシフト量だけ周波数をシフトして初期周波数とすることが好ましい。

本発明では、温度センサによって前回の駆動時から今回の駆動時の温度差を求め、その温度差に基づいて駆動周波数のシフト量を設定しているので、最適周波数に近い周波数でスイープ制御を開始することができる。このため、スイープ制御期間を短くできるとともに、スイープ制御時に共振点を通過することがないため、高効率の駆動制御を実現できる。

本発明の圧電アクチュエータの駆動制御方法は、圧電素子を有する振動体を備えた圧電アクチュエータを駆動する圧電アクチュエータの駆動制御方法であって、前回の圧電アクチュエータの駆動制御時の最適駆動周波数に対して、予め定められた周波数制御方向とは逆方向にシフトした周波数を初期周波数とし、この初期周波数から前記周波数制御方向に周波数を変化させるとともに、前記振動状態検出手段で振動状態が検出された後は検出された振動状態に基づいて前記駆動周波数を増加または減少する制御を行うことを特徴とする。

このような圧電アクチュエータの駆動制御方法によれば、前記圧電アクチュエータの駆動制御装置と同じ作用効果を奏することができる。

本発明の電子機器は、圧電素子を有する振動体を備えた圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの駆動制御装置と、を備えたことを特徴とする。
この構成の発明では、急激な温度変化が生じても、スイープ制御を短時間でかつ効率よく行うことができるため、室内および屋外のいずれでも利用される腕時計などに適した電子機器を提供することができる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
[１．全体構成]
図１は、圧電アクチュエータを有する電子機器としての電子時計１の概略構成を示す図である。図２は、電子時計１における日付表示機構１０の詳細な構成を示す平面図である。
図１に示すように、電子時計１は、時刻を表示する指針２と、この指針２を駆動するステッピングモータ３とを備えた腕時計である。ステッピングモータ３の駆動は、発振回路４、分周回路５、および駆動回路６により制御される。発振回路４は、水晶振動子からなる基準発振源を有し、基準パルスを出力するものである。分周回路５は、発振回路４から出力された基準パルスを入力し、この基準パルスに基づいて基準信号（例えば１Ｈｚの信号）を生成する。駆動回路６は、分周回路５から出力された基準信号に基づいて、ステッピングモータ３を駆動するモータ駆動パルスを発生する。

電子時計１の日付表示機構１０は、圧電アクチュエータＡと、この圧電アクチュエータＡを駆動制御する駆動制御装置１００とを備えている。電子時計１は、電子時計１の時刻が２４時になったことを検出する２４時検出手段８を備え、前記駆動制御装置１００は２４時検出手段８から２４時になったことを検出する信号が入力されると駆動を開始するようになっている。
ここで、２４時検出手段８としては、分周回路５から出力される基準信号等によって時刻をカウントする内部カウンタなどが利用できる。

図２に示すように、日付表示機構１０の主要部は、圧電アクチュエータＡと、この圧電アクチュエータＡによって回転駆動される駆動対象としてのロータ２０と、ロータ２０の回転を減速しつつ伝達する減速輪列と、減速輪列を介して伝達される駆動力により回転する日車５０とから大略構成されている。減速輪列は、日回し中間車３０と日回し車４０とを備えている。これらの圧電アクチュエータＡ、ロータ２０、日回し中間車３０、および日回し車４０は、底板１１に支持されている。圧電アクチュエータＡは、扁平な短冊状の振動体１２を有しており、この振動体１２は、その先端の当接部１３がロータ２０の外周面と当接するように配置されている。

日付表示機構１０の上方には、円盤状の文字板７（図１）が設けられており、この文字板７の外周部の一部には日付を表示するための窓部７Ａが設けられ、窓部７Ａから日車５０の日付を覗けるようになっている。また、底板１１の下方（裏側）には、ステッピングモータ３に接続されて指針２を駆動する運針輪列や、電源９としての一次電池や二次電池等が設けられている。二次電池で電源９を構成した場合、電子時計１には、ソーラー（太陽光）発電や回転錘の回転を利用した発電機を設け、この発電機で発電した電力を二次電池に充電すればよい。
電源９は、ステッピングモータ３や圧電アクチュエータＡ、駆動制御装置１００の各回路に電力を供給する。

日回し中間車３０は、大径部３１と小径部３２とから構成されている。小径部３２は、大径部３１よりも若干小径の円筒形であり、その外周面には、略正方形状の切欠部３３が形成されている。この小径部３２は、大径部３１に対し、同心をなすように固着されている。大径部３１には、ロータ２０の上部の歯車２１が噛合している。したがって、大径部３１と小径部３２とからなる日回し中間車３０は、ロータ２０の回転に連動して回転する。
日回し中間車３０の側方の底板１１には、板バネ３４が設けられており、この板バネ３４の基端部が底板１１に固定され、先端部３４Ａが略Ｖ字状に折り曲げられて形成されている。板バネ３４の先端部３４Ａは、日回し中間車３０の切欠部３３に出入可能に設けられている。板バネ３４に近接した位置には、接触子３５が配置されており、この接触子３５は、日回し中間車３０が回転し、板バネ３４の先端部３４Ａが切欠部３３に入り込んだときに、板バネ３４と接触するようになっている。そして、板バネ３４には、所定の電圧が印加されており、接触子３５に接触すると、その電圧が接触子３５にも印加される。従って、接触子３５の電圧を検出することによって、日送り状態を検出でき、日車５０の１日分の回転量が検出できる。
なお、日車５０の回転量は、板バネ３４や接触子３５を用いたものに限らず、ロータ２０や日回し中間車３０の回転状態を検出して所定のパルス信号を出力するものなどが利用でき、具体的には、公知のフォトリフレクタ、フォトインタラプタ、ＭＲセンサ等の各種の回転エンコーダ等が利用できる。

日車５０は、リング状の形状をしており、その内周面に内歯車５１が形成されている。日回し車４０は、五歯の歯車を有しており、日車５０の内歯車５１に噛合している。また、日回し車４０の中心には、シャフト４１が設けられており、このシャフト４１は、底板１１に形成された貫通孔４２に遊挿されている。貫通孔４２は、日車５０の周回方向に沿って長く形成されている。そして、日回し車４０およびシャフト４１は、底板１１に固定された板バネ４３によって図２の右上方向に付勢されている。この板バネ４３の付勢作用によって日車５０の揺動も防止される。

日回し車４０の歯は、板バネ４３で付勢されていることで、日回し中間車３０の切欠部３３にも係合可能とされ、日回し中間車３０が１回転すると、日回し車４０の歯が切欠部３３に係合し、日回し車４０も１歯分回転し、日車５０を１日分、日送りするように構成されている。

［圧電アクチュエータの構成］
圧電アクチュエータＡの振動体１２は、二長辺と二短辺とにより囲まれた長方形状の板である。また、振動体１２は、２枚の長方形かつ板状の圧電素子の間に、これらの圧電素子と略同形状であり、かつ圧電素子よりも肉厚の薄いステンレス鋼等の補強板を挟んだ積層構造を有している。圧電素子としては、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ（商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。
振動体１２は、一短辺の幅方向端部に当接部１３を有している。この当接部１３は、補強板を切断成形する等の方法により得られたものであり、緩やかな曲面を持った先端部分を圧電素子から突出させている。振動体１２は、この当接部１３の先端をロータ２０の外周面に当接させる姿勢を保っている。振動体１２にこのような姿勢を維持させるために、支持部材１４と付勢部材１５とが圧電アクチュエータＡに設けられている。

圧電アクチュエータＡの支持部材１４は、補強板の切断成形等の方法により補強板と一体形成されたものである。この支持部材１４は、Ｌ字状の部材であり、振動体１２の一長辺の略中央から垂直に突出した垂直部と、この垂直部の先端から長辺に対して平行にロータ２０側に向けて延びた水平部とからなる。垂直部とは反対側の水平部の端部には、底板１１から突出したピンが貫通しており、このピンを回転軸として支持部材１４およびこれに固定された振動体１２が回転可能である。支持部材１４の水平部の略中央には、付勢部材１５の一端が係合されている。付勢部材１５は、その略中央部分を底板１１から突出したピンが貫通しており、このピンを回転軸として回動可能である。また、支持部材１４と反対側の付勢部材１５の端部は、底板１１に係合されており、この端部の位置を変えることにより振動体１２の当接部１３をロータ２０の外周面に押し当てる圧力が調整可能になっている。

以上の構成において、圧電アクチュエータＡの振動体１２は、駆動制御装置１００から所定の周波数の駆動信号が圧電素子に印加されることで第１の振動モードである縦振動と、この縦振動に誘発されて第２の振動モードである屈曲振動とが発生し、その板面を含む平面内において当接部１３が楕円軌道を描いて運動する。ロータ２０は、この振動体１２の当接部１３によってその外周面が叩かれ、図２中矢印で示すように、時計回りに回転駆動される。このロータ２０の回転は、日回し中間車３０を介して日回し車４０に伝達され、この日回し車４０が日車５０を時計回り方向に回転させる。このような振動体１２からロータ２０、ロータ２０から減速輪列（日回し中間車３０および日回し車４０）、減速輪列から日車５０への力の伝達は、いずれも振動体１２の底板１１面に平行な方向の力の伝達である。このため、ステッピングモータのようにコイルやロータを厚さ方向に積み重ねるのではなく、同一平面内に振動体１２およびロータ２０を配置し、日付表示機構１０を薄型化できる。そして、日付表示機構１０を薄型にできるため、電子時計１全体を薄型にできる。

[圧電アクチュエータの駆動制御装置の構成]
次に、本実施形態の駆動制御装置１００について、図３のブロック図に基づいて説明する。
図３に示すように、圧電アクチュエータＡを駆動制御する駆動制御装置１００は、圧電素子１７へ出力する駆動信号と圧電素子１７で検出される検出信号との位相差を検出し、位相差に相当する電圧値の位相差電圧信号を出力する位相差−電圧変換回路１０１と、位相差を比較するための基準電圧と振幅信号を検出するための基準電圧とをそれぞれ出力する定電圧回路１０２と、この定電圧回路１０２で出力される位相比較用基準電圧と位相差−電圧変換回路１０１から出力される位相差電圧とを比較して比較結果信号を出力する比較回路１０３と、比較結果信号を受けて出力電圧を制御する電圧調整回路１０４と、圧電素子１７に対して駆動信号を出力する駆動回路（ドライバ）１０５と、この電圧調整回路１０４で出力された電圧に対応して駆動回路１０５に出力する周波数を調整する電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０６と、定電圧回路１０２で出力される振幅検出用基準電圧と圧電素子１７の振幅信号とを比較して振幅信号を検出する振幅検出回路１０７と、を備えている。

電圧調整回路１０４は、比較回路１０３から出力された信号に基づいて、電圧制御発振器１０６に供給する電圧レベルを制御する電圧制御機能と、振幅検出回路１０７で出力された信号に基づいて所定時間当たりの電圧制御量を調整する制御速度調整機能とを有する。
具体的には、図４に示すように、電圧調整回路１０４は、電圧制御発振器１０６に出力する電圧を調整する電圧調整部５４１と、出力するクロック信号の周波数を可変としたクロック回路５４２と、このクロック回路５４２で出力されるクロック信号に対応して電圧調整部５４１へ信号を出力する制御回路５４３と、駆動信号の周波数をシフトするためのシフト回路５４６とを備える。

電圧調整部５４１は、位相差検出信号が目標値より高い場合には電圧値を上げるアップカウントとなり、位相差検出信号が目標値より低い場合には電圧値を下げるダウンカウントとなるアップダウンカウンタ（ＵＤカウンタ）５４４と、このＵＤカウンタ５４４から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器５４５とを備えている。

クロック回路５４２は、振幅信号が基準電圧以上である場合には遅クロック（例えば、２ｋHz）のクロック信号を出力し、振幅信号が基準電圧より小さい場合には速クロック（例えば、１００ｋHz）のクロック信号を出力する。

制御回路５４３は、ＮＡＮＤゲート５４３Ａ，５４３Ｂと、ＮＯＴゲート５４３Ｃとを備える。
このため、制御回路５４３は、位相差検出信号が目標値より高い場合（ハイレベル信号の場合）には、クロック回路５４２から出力されるクロック信号のタイミングに応じて、ＵＤカウンタ５４４のアップカウント入力にパルス信号（アップカウント信号）を出力する。
一方、制御回路５４３は、位相差検出信号が目標値より低い場合（ローレベル信号の場合）には、クロック回路５４２から出力されるクロック信号のタイミングに応じて、ＵＤカウンタ５４４のダウンカウント入力にパルス信号（ダウンカウント信号）を出力する。
また、駆動制御装置１００が停止している際には、制御回路５４３はパルス信号の出力を停止し、ＵＤカウンタ５４４の状態は保持される。

ＵＤカウンタ５４４は、ＮＡＮＤゲート５４３Ａ，５４３Ｂを介して入力される情報を積算する。このＵＤカウンタ５４４は、例えば、１２ビットのカウンタ等から構成されており、ＮＡＮＤゲート５４３Ａ，５４３Ｂからの信号により、カウンタ値をアップあるいはダウンする。

Ｄ／Ａ変換器５４５は、内部にＵＤカウンタ５４４のカウンタ値に応じた周波数制御電圧値が設定されている。そして、このＤ／Ａ変換器５４５は、ＵＤカウンタ５４４から出力されるカウンタ値を入力すると、このカウンタ値に応じた周波数制御電圧値に相当する周波数制御電圧を電圧制御発振器１０６に出力する。
なお、本実施形態では、ＵＤカウンタ５４４のカウンタ値が大きくなると、Ｄ／Ａ変換器５４５から出力される電圧も高くなり、電圧制御発振器１０６から出力される信号の周波数も高くなるように、つまり駆動回路１０５から出力される駆動信号の駆動周波数が高くなる。逆に、ＵＤカウンタ５４４のカウンタ値が小さくなると、Ｄ／Ａ変換器５４５から出力される電圧も低くなり、電圧制御発振器１０６から出力される信号の周波数も低くなるように、つまり駆動回路１０５から出力される駆動信号の駆動周波数が低くなるように設定されている。

シフト回路５４６は、補正クロック発生回路５４７と、ＡＮＤゲート５４８とを備える。
補正クロック発生回路５４７は、制御回路５４３のＮＡＮＤゲート５４３Ａ，５４３Ｂからハイレベル信号が出力し続けている際、つまり制御回路５４３からの出力が停止している際に、予め設定された所定パルス数のクロック信号を出力し、ＡＮＤゲート５４８を介してＵＤカウンタ５４４のアップカウント入力に入力する。

これにより、ＵＤカウンタ５４４が所定パルス分だけカウントアップされ、次回の駆動制御（スイープ制御）の開始時の駆動信号は、前回の駆動制御停止時の駆動周波数よりも所定周波数だけ高くシフトされた駆動周波数に設定される。
ここで、本実施形態では、圧電素子１７に供給する駆動信号の周波数を増加または減少させるスイープ制御の開始時の周波数制御方向は、駆動周波数を下げる方向（周波数を減少させる方向）に設定されており、シフト回路５４６は、前記駆動周波数を前回の駆動制御停止時の駆動周波数に対して前記スイープ制御方向（周波数を下げる方向）とは逆方向（周波数を上げる方向）にシフトしている。
なお、駆動周波数のスイープ制御を行うと、その駆動時の最適駆動周波数に収束されるため、前回の駆動制御停止時の駆動周波数は、その駆動時の最適駆動周波数となる。従って、シフト回路５４６は、前記駆動周波数を前回の最適駆動周波数に対して前記スイープ制御方向とは逆方向にシフトすることになる。

このシフト回路５４６による周波数シフト設定動作は、駆動制御装置１００による圧電アクチュエータＡの駆動制御開始時に行ってもよいし、前回の駆動制御終了後に行ってもよい。

駆動回路１０５は、電圧調整回路１０４および電圧制御発振器１０６で制御された周波数の駆動信号を圧電素子１７に出力する。
ここで、圧電アクチュエータＡの駆動周波数に対するインピーダンス特性を図５に示す。図５に示すように、駆動周波数に対してインピーダンスが極小であって振幅が最大となる共振点が二点現れ、これらのうち周波数の低い方が縦振動の共振点、高い方が屈曲振動の共振点である。
すなわち、縦振動の縦共振周波数ｆｒ１と屈曲振動の屈曲共振周波数ｆｒ２との間で圧電素子１７を駆動すると、縦振動および屈曲振動双方の振幅が確保され、圧電アクチュエータＡは高効率で駆動する。
この圧電アクチュエータＡのインピーダンス特性は、温度によって変化する。具体的には、温度が低くなると、各共振点は周波数が高い側に移動する。例えば、図５の実線７０は温度２５度の場合の特性を示し、点線７１は温度０度の場合の特性を示している。

このような構成の本実施形態では、前記駆動回路１０５によって圧電素子１７に駆動信号を供給する駆動手段が構成され、位相差−電圧変換回路１０１、定電圧回路１０２、比較回路１０３、振幅検出回路１０７によって振動体１２の振動状態を検出する振動状態検出手段が構成されている。また、電圧調整回路１０４、電圧制御発振器１０６によって駆動信号の駆動周波数を制御する周波数制御手段が構成されている。

[圧電アクチュエータの駆動制御方法]
このような本実施形態では、２４時検出手段８によって電子時計１の時刻が２４時になったことを検出すると、駆動制御装置１００によって圧電アクチュエータＡが作動されて、日車５０の日送り動作が行われる。
具体的には、２４時検出手段８の信号によって作動した駆動制御装置１００は、前回の駆動制御終了後にシフト回路５４６によってシフトされた駆動周波数をスイープ制御の初期値とし、駆動周波数が低下する方向に駆動周波数を変化させながら駆動信号を圧電素子１７に出力する。

そして、駆動制御装置１００は、前記特許文献１と同様に、駆動信号のスイープ方向（周波数増加方向または減少方向）の制御と、そのスイープ速度の制御とを行う。
すなわち、圧電素子１７に供給する駆動信号および圧電素子１７から出力される検出信号の位相差に基づいて位相差−電圧変換回路１０１から出力される位相差電圧と位相比較用基準電圧とを比較回路１０３で比較し、その比較結果に基づいてＵＤカウンタ５４４をアップカウントまたはダウンカウントして駆動周波数を増減する。
また、圧電素子１７から出力される縦振動の検出信号の振幅値（電圧）と、振幅検出用基準電圧に基づいて振幅検出回路１０７から出力される振幅検出信号によってクロック回路５４２の出力クロックを切り替えてスイープ速度の制御を行う。

以上のスイープ制御を行うことで、駆動周波数は徐々に最適周波数に収束する。そして、駆動制御装置１００に、前記日付表示機構１０の回転検出手段である板バネ３４および接触子３５からの回転検出信号が入力すると、駆動制御装置１００は停止して圧電アクチュエータＡの駆動を完了する。
そして、駆動制御装置１００は、圧電アクチュエータＡの駆動停止後、シフト回路５４６を作動し、駆動停止時の駆動周波数つまり最適周波数に対応したＵＤカウンタ５４４のカウンタ値を所定のシフト周波数に対応する分だけアップカウントする。これにより、次回に駆動制御装置１００が作動した場合も、前回の最適周波数から所定周波数だけ高くシフトされた周波数でスイープ制御を開始することができる。

［第1実施形態の効果]
上述した実施形態では、以下のような効果がある。
（１）駆動制御装置１００は、シフト回路５４６を備えることで、駆動周波数のスイープ制御を行う際に、前回駆動時の最適周波数に対して、スイープ方向とは逆方向に所定周波数分だけシフトした駆動周波数からスイープ制御を開始することができる。
このため、前回の最適周波数からスイープ制御を開始する場合に比べて、スイープ制御範囲を前記シフト分だけ広くすることができる。このため、前回駆動時に対して今回の駆動時の温度が大きく異なり、そのため共振周波数も変化しており、前回の最適駆動周波数でスイープ制御を開始した場合には共振周波数を通過してしまう場合でも、本実施形態では共振周波数を通過せずに最適周波数に制御することができる。
そのため、スイープ制御時に共振周波数を通過すると、インピーダンスが低いために消費電力が極端に大きくなって駆動効率が低下するが、本実施形態では、スイープ制御時に共振周波数を通過する可能性が低いため、駆動効率の低下も防止できる。

（２）また、本実施形態のシフト回路５４６は、前回の最適駆動周波数を基準にして駆動周波数をシフトしているので、例えば、スイープ制御開始時にＵＤカウンタ５４４を必ず最大値にして電圧制御発振器１０６で調整可能な最大周波数からスイープ制御を開始する場合に比べて、最適周波数に収束するまでの時間が短くでき、スイープ制御期間を短くできて、駆動効率も向上できる。

（３）本実施形態の駆動制御装置１００は、駆動周波数の制御方向（スイープ方向）を駆動周波数が減少する方向に設定し、この制御方向とは逆の駆動周波数が増加する方向にシフトしている。このため、前回の駆動時に、縦共振周波数と屈曲共振周波数との間の最適周波数で駆動している場合、シフトした初期駆動周波数を縦共振周波数から離れる方向に設定することになる。このため、温度変化などで共振周波数が変化しても、特にインピーダンスが低い縦共振周波数をスイープ制御時に通過することを防止できる。そのため、本実施形態では、縦共振周波数を通過することで、消費電流が極端に大きくなって駆動効率が大きく低下することを防止できる。
（４）本実施形態の駆動制御装置１００は、比較回路１０３から出力される位相差検出信号に基づく駆動周波数のスイープ方向の制御と、振幅検出回路１０７から出力される振幅検出信号に基づく駆動周波数のスイープ速度の制御とを併せて行っている。そのため、高効率駆動状態に達するまでの時間を短縮して消費電力を少なくでき、安定した制御を行うことができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図６に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態において、前述する各実施形態と同一または同様の構成には適宜同一符号を付し、説明を省略または簡略する。
第２実施形態では、シフト回路５４６に温度センサ５４９を追加し、この温度センサ５４９で検出した温度変化量に応じて前記周波数シフト量を設定するものである。

すなわち、シフト回路５４６の補正クロック発生回路５４７は、温度センサ５４９で測定された前回駆動時の温度を記憶する。そして、２４時検出手段８からの信号に基づいて駆動制御装置１００が駆動を開始した際には、補正クロック発生回路５４７は、現在の温度を温度センサ５４９で測定し、記憶していた前回の温度との温度差を求め、その温度差に応じたシフト量だけ補正クロックを発生する。

そして、駆動制御装置１００は、前記第１実施形態と同様に、シフト回路５４６によって温度変化量に応じた周波数分だけシフトされた駆動周波数でスイープ制御を開始する。
また、日車５０の回転検出信号が入力して駆動制御装置１００が停止した際には、補正クロック発生回路５４７は、温度センサ５４９で測定した温度を記憶しておく。

［第２実施形態の効果]
上述した第２実施形態では、第１実施形態の効果に加えて以下のような効果がある。
（５）温度センサ５４９を備えることで、前回の駆動時から今回の駆動時の温度差を求め、その温度差に基づいて駆動周波数のシフト量を設定しているので、最適周波数に近い周波数でスイープ制御を開始することができる。このため、スイープ制御期間を短くできるとともに、スイープ制御時に共振点を通過することがないため、高効率の駆動制御を実現できる。

［変形例］
なお、本発明は、前記各実施形態に限らない。
例えば、前記各実施形態では、圧電素子１７へ出力する駆動信号と圧電素子１７で検出される検出信号から位相差を求め、この位相差に基づいて圧電アクチュエータの駆動を制御したが、本発明では、圧電素子１７において縦振動および屈曲振動の各検出信号を検出し、それらの検出信号の位相差を求め、この位相差に基づいて圧電アクチュエータの駆動を制御する構成としてもよい。

また、前記実施形態では、振幅検出回路１０７で検出した振幅の大きさによってクロック回路５４２から出力されるクロック周波数を高速（例えば１００ｋHz）と、低速（２ｋHz)との２段階に切り替えていたが、本発明では、２段階に切り換えるものに限定されるものではなく、３段階あるいは４段階以上に切り換える構成としてもよい。
さらに、本発明では、クロック周波数を固定し、スイープ速度も一定に維持するようにしてもよい。すなわち、本発明では、前回の最適周波数を基準にしてシフトした駆動周波数からスイープ制御を開始しているので、最適周波数に収束するまでのスイープ量（スキャン幅）も小さくなる。このため、電圧制御発振器１０６で設定可能なＭＡＸ周波数からスイープ制御を開始し、最適周波数までのスキャン幅が大きい場合のように、高速でスイープする必要性も小さいためである。

さらに、前記第２実施形態では、温度センサ５４９によって測定した温度差に応じて駆動周波数のシフト量を設定していたが、このシフト量は固定値とし、温度センサ５４９で測定した温度差が設定値以上の場合は駆動周波数をシフトし、設定値未満の場合は駆動周波数をシフトせずに前回の最適駆動周波数を初期駆動周波数としてスイープ制御を行うようにしてもよい。すなわち、通常の使用時における共振周波数の変化は、温度変化の影響が最も大きい。このため、温度変化が小さい場合には共振周波数の変化量も僅かになり、前回の最適駆動周波数からスイープ制御を開始しても問題ないためである。

また、前記各実施形態では、２つの共振点のうち、インピーダンスが低い縦振動の共振周波数のほうが屈曲振動の共振周波数よりも低いため、スイープ制御開始時のスイープ方向を、駆動周波数が減少する方向に設定していたが、インピーダンスが低い共振周波数のほうが他の共振周波数よりも高い場合には、スイープ制御方向を駆動周波数が増加する方向に設定し、周波数が減少する方向に周波数をシフトするように設定してもよい。

また、前記実施形態では、圧電アクチュエータＡを電子時計１の日付表示機構の駆動に用いていたが、これに限らず、電子時計１の時刻表示針（指針）の駆動に用いてもよい。このようにすれば、通常、指針を駆動するステッピングモータを圧電アクチュエータに置き換えることで、電子時計１の一層の薄型化が実現できるとともに、圧電アクチュエータがステッピングモータよりも磁性の影響を受けにくいことから、電子時計の高耐磁化をも図ることができる。

また、前記各実施形態では、検出信号および駆動信号間の位相差や、各検出信号間の位相差に基づいて駆動信号の周波数を制御していたが、例えば、圧電アクチュエータを駆動するドライバに抵抗を設け、圧電アクチュエータを流れる電流値の変化を、電圧値として検出することなどで、圧電アクチュエータを流れる電流値に基づいて駆動信号の周波数を制御してもよい。
さらに、複数の検出信号を検出している場合に、ある検出信号の振幅によって駆動信号の周波数の増減を制御し、他の検出信号の振幅と振幅基準値とを比較して駆動信号の周波数の増減の変化割合を制御してもよい。
また、検出信号の振幅によって駆動信号の周波数の増減を制御し、各信号の位相差や圧電アクチュエータを流れる電流値によって駆動信号の周波数の増減の変化割合を制御してもよい。
さらに、複数の検出信号を検出している場合、予め決められた１つの検出信号の振幅を検出して駆動信号の周波数の制御を行ってもよいが、駆動直後の一定期間、各検出信号の振幅を検出して記憶し、振幅の変化が大きいほうの検出信号の振幅に基づいて周波数制御を行うようにしてもよい。この場合には、振幅の変化が大きい検出信号に基づいて制御できるので、その変化を確実に検出できて効率的な制御を行うことができる。

なお、前記各実施形態では、圧電アクチュエータの適用例として腕時計を例示したが、これに限定されず、本発明は、懐中時計、置時計、掛け時計などにも適用できる。これらの各種時計において、例えばからくり人形などを駆動する機構としても利用できる。
さらに、時計以外に、カメラのズームやオートフォーカス機構、フィルムの巻き上げ機構、プリンタの紙送り機構や、乗り物並びに人形などの玩具類を駆動する機構などにも、本発明の圧電アクチュエータの駆動制御装置を適宜利用できる。本発明の駆動制御装置は、時計、カメラやプリンタ、玩具などをはじめとして、携帯情報端末、電話機などの圧電アクチュエータを用いた各種電子機器に広く利用できる。

さらに、本発明の圧電アクチュエータの駆動制御装置は、ＩＣで構成することができる。また、そのＩＣと圧電アクチュエータとを基板に取り付けることで、駆動制御装置付きの圧電アクチュエータモジュールとして用いることもできる。そして、この圧電アクチュエータモジュールを外装ケースに組む込むことで電子機器を構成することもできる。

以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。
上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

以下に、実施例および比較例により、本発明をより詳細に説明する。
図７には、実施例１および比較例１，２の周波数制御のイメージを示す。
実施例１は、前記第１実施形態による制御結果であり、前回の最適周波数から所定周波数だけ周波数をシフトしてスイープ制御を開始するものである。
また、比較例１は、特許文献３に記載されたスイープ制御による制御結果であり、前回の最適周波数からスイープ制御を開始するものである。
さらに、比較例２は、公知のスイープ制御による制御結果であり、常に電圧制御発振器１０６で調整可能な最大周波数からスイープ制御を開始するものである。

［実施例１の構成］
前記第１実施形態に基づく実施例１の具体的な設定は以下の通りである。
〔電圧制御発振器１０６および電圧調整回路１０４の構成〕
電圧制御発振器１０６は、可変周波数範囲が400kHz〜600kHz（Δf=200kHz）の電圧制御発振器１０６を使用した。そして、１２ビットの分解能、つまり４０９６ステップで電圧制御発振器１０６の周波数を変化するように設定した。
このため、スイープ制御で１ステップ変化すると、電圧制御発振器１０６の周波数は、２００kHz／4096step＝約４９Hz変化する。
また、クロック回路５４２からのクロック信号、つまりスイープ周波数は２kHzに固定した。このため、スイープ制御で１ステップ変化するのに0.5msecかかる。

〔圧電アクチュエータＡの特性〕
圧電アクチュエータＡは、図５に示す特性を有するものを用いた。すなわち、圧電アクチュエータＡの常温（２５度）での最適駆動周波数は５４７kHzである。また、圧電アクチュエータＡの共振周波数の温度特性は−0.15kHz/℃であり、温度が低下すると共振周波数は高くなる。

〔シフト回路５４６における周波数シフト量の設定〕
シフト回路５４６の補正クロック発生回路５４７で設定する周波数シフト量は、日常での最大温度変化を想定して設定している。具体的には、圧電アクチュエータＡに設定した使用温度範囲の１／２の温度変化を最大温度変化と想定した。そして、この温度変化量に
共振周波数の温度特性を掛けることで周波数シフト量を求めている。
すなわち、周波数シフト量＝（共振周波数の温度特性）×（日常での最大温度変化想定＝使用温度範囲１／２）で求めている。ここで、圧電アクチュエータＡの使用温度範囲は、一般に60℃〜-10℃程度であって70℃の範囲であるため、日常での最大温度変化は約３５℃となる。例えば、室内(25℃)から冬の屋外(-10℃)に電子時計１を移動した場合、その温度変化は３５℃となる。
従って、周波数シフト量は、前述の共振周波数の温度特性（-0.15kHz/℃）×（(60℃-(-10℃))*1/2）＝5.25kHz≒5kHzに設定した。

［比較例１，２の構成］
比較例１は、前回の最適駆動周波数からスイープを開始する制御とし、スイープ速度は一定（２kHz）に設定した。
比較例２は、常に電圧制御発振器１０６の可変周波数max（比較例２では600kHz）からスイープを開始し、周波数を下げる方向に制御するように設定した。また、スイープ速度は一定（２kHz）に設定した。

このような実施例１および比較例１，２において、前回駆動時からの温度変化が無い場合と、温度変化が合った場合（温度が高くなった場合および低くなった場合）とで、スイープ制御を実施した場合の収束時間と、縦共振周波数の通過の有無に関して評価した。
表１には収束時間の評価結果を示し、表２には縦共振周波数の通過の有無の評価結果を示す。なお、縦共振周波数の通過の有無を評価したのは、屈曲共振周波数に比べてインピーダンスが低く、消費電流が極端に大きくなって駆動効率が大きく低下するためである。

表１において、実施例１のスキャン幅（スイープ制御の周波数範囲）は、（前回の最適周波数＋周波数シフト５ｋＨｚ）−（今回の最適周波数）で求められる。また、比較例１のスキャン幅は（前回の最適周波数）−（今回の最適周波数）で求められる。さらに、比較例２のスキャン幅は（最大周波数６００ｋＨｚ）−（今回の最適周波数）で求められる。
また、各収束時間は、（スキャン幅／４９Ｈｚ（１ステップの変化幅））×（１ステップ変化に必要な時間）で求められる。

表１に示すように、実施例１および比較例１は、前回の最適周波数に基づいてスイープ制御を開始しているため、常に最大周波数からスイープ制御を開始する比較例２に比べて、最適周波数に収束するまでの時間を大幅に短縮することができた。
表２に示すように、実施例１および比較例２は、前回駆動時から温度変化が生じても、スイープ制御動作時に縦共振周波数を通過することはなかったが、比較例１では、特に前回駆動時から温度が低くなった際に、縦共振周波数を通過してしまう場合があった。この時、消費電流の極端な増大に伴い電源電圧が低下するためシステムが正常動作できない可能性がある。一方、本発明では、実施例１のように、最大温度変化を想定して周波数シフト量を設定しているため、どのような温度変化があってもスイープ制御時に縦共振周波数を通過することはなく、安定した動作を継続することができる。
従って、本発明では、実施例１の評価結果で示すように、スイープ制御時に最適周波数に収束するまでの時間を短縮でき、かつ、縦共振周波数を通過することを防止して消費電流の増大による駆動効率の低下も防止できる。

次に、第２実施形態と第１実施形態とを比較した評価結果を説明する。
［実施例２の構成］
実施例２は、前記第２実施形態による制御結果であり、周波数のシフト量を温度変化量に応じて設定するものである。表３に、実施例２を前記実施例１の制御結果と比較した評価結果を示す。

実施例２では、周波数シフト量の設定を共振周波数の温度特性に基づいて設定している。すなわち、周波数シフト量＝（共振周波数の温度特性：-0.15kHz/℃）×（前回駆動時との温度差）である。

表３に示すように、実施例１では実際の温度変化量に関わらず一定量の周波数シフトをするため、温度変化状態によっては、特にプラス側の温度変化があった場合には、スキャン時間が余分に長くなってしまう場合がある。
一方、実施例２では、温度センサの検出結果に応じて周波数シフト量を設定しており、余分なスキャンをすることがないため、縦共振周波数を通過しない制御を実現でき、かつ実施例１に比べても更に効率の良い制御を実現できる。

以上の各実施例１，２は、本発明が比較例１，２に比べて、最適周波数に収束するまでの時間を短縮できてスイープ制御時間も短くでき、かつ、スイープ制御時に縦共振周波数を通過することがないため、駆動効率の低下を防止できるという優れた作用効果が得られ、本発明の有用性を確認できた。

本発明の第１実施形態に係る電子時計の概略構成を示す図である。 前記電子時計における日付表示機構の詳細な構成を示す平面図である。 第1実施形態の圧電駆動装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態の電圧調整回路の構成を示すブロック図である。 第１実施形態の圧電アクチュエータの駆動周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。 第２実施形態の電圧調整回路の構成を示すブロック図である。 実施例１および比較例１，２の周波数制御イメージを示す図である。

符号の説明

１…電子時計、８…２４時検出手段、９…電源、１０…日付表示機構、１２…振動体、１７…圧電素子、２０…ロータ、３０…日回し中間車、４０…日回し車、５０…日車、１００…駆動制御装置、１０１…位相差−電圧変換回路、１０２…定電圧回路、１０３…比較回路、１０４…電圧調整回路、１０５…駆動回路、１０６…電圧制御発振器、１０７…振幅検出回路、５４１…電圧調整部、５４２…クロック回路、５４３…制御回路、５４５…Ｄ／Ａ変換器、５４６…シフト回路、５４７…補正クロック発生回路、５４９…温度センサ、Ａ…圧電アクチュエータ。

Claims (7)

1. 圧電素子を有する振動体を備えた圧電アクチュエータを駆動する圧電アクチュエータの駆動制御装置であって、
   前記圧電素子に駆動信号を供給する駆動手段と、
   前記振動体の振動状態を検出する振動状態検出手段と、
   前記駆動信号の駆動周波数を制御する周波数制御手段とを備え、
   前記周波数制御手段は、
   前回の圧電アクチュエータの駆動制御時の最適駆動周波数に対して、予め定められた周波数制御方向とは逆方向にシフトした周波数を初期周波数とし、この初期周波数から前記周波数制御方向に周波数を変化させるとともに、前記振動状態検出手段で振動状態が検出された後は検出された振動状態に基づいて前記駆動周波数を増加または減少する制御を行うことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の圧電アクチュエータの駆動制御装置において、
   前記振動体は、前記駆動信号を圧電素子に供給することで、前記振動体の長手方向に沿って伸縮する縦振動および前記長手方向に対して屈曲する屈曲振動の合成によって振動し、
   前記周波数制御手段は、前記振動体の縦振動の共振周波数および屈曲振動の共振周波数のうち、圧電アクチュエータのインピーダンスが高い共振周波数から低い共振周波数に向かう方向を前記周波数制御方向に設定することを特徴とする圧電アクチュエータの駆動制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータの駆動制御装置において、
   前記周波数制御手段は、前記圧電アクチュエータの共振周波数の温度特性と、圧電アクチュエータを利用している際に想定される最大温度変化量とに基づいて前記周波数のシフト量を設定することを特徴とする圧電アクチュエータの駆動制御装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動制御装置において、
   温度を測定する温度センサを備え、
   前記周波数制御手段は、圧電アクチュエータの前回の駆動制御時の温度と、今回の駆動制御時の温度との差が予め設定した温度差以上の場合に、前回駆動制御時の最適駆動周波数に対して周波数をシフトして初期周波数とし、前記温度差が予め設定した温度差未満の場合は前回駆動制御時の最適駆動周波数を初期周波数とすることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動制御装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動制御装置において、
   温度を測定する温度センサを備え、
   前記周波数制御手段は、圧電アクチュエータの前回の駆動制御時の温度と、今回の駆動制御時の温度との差を求め、この温度差および前記圧電アクチュエータの共振周波数の温度特性に基づいて周波数のシフト量を算出し、前回駆動制御時の最適駆動周波数に対して前記算出したシフト量だけ周波数をシフトして初期周波数とすることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動制御装置。
6. 圧電素子を有する振動体を備えた圧電アクチュエータを駆動する圧電アクチュエータの駆動制御方法であって、
   前回の圧電アクチュエータの駆動制御時の最適駆動周波数に対して、予め定められた周波数制御方向とは逆方向にシフトした周波数を初期周波数とし、この初期周波数から前記周波数制御方向に周波数を変化させるとともに、前記振動状態検出手段で振動状態が検出された後は検出された振動状態に基づいて前記駆動周波数を増加または減少する制御を行うことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動制御方法。
7. 圧電素子を有する振動体を備えた圧電アクチュエータと、請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動制御装置と、を備えたことを特徴とする電子機器。

Images