JP2011172339A

JP2011172339A - 圧電アクチュエーターの制御装置、圧電アクチュエーター装置及び印刷装置

Info

Publication number: JP2011172339A
Application number: JP2010032147A
Authority: JP
Inventors: Akio Konishi; 晃雄小西
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】圧電アクチュエーターの高出力での駆動を安定して行うことができる圧電アク
チュエーターの制御装置を提供する。
【解決手段】検出用電極９５，９６を介して変位検出部３３０が検出したアクチュエー
ター部１０の駆動に伴う変位及び記憶部３４０が記憶している変位に基づき位相調整回路
３１２を介して縦振動用の第１の駆動信号に対する屈曲振動用の駆動信号の一つである第
２の駆動信号の位相を位相調整回路３１２を介して制御する駆動位相制御部３２０を有し
、この駆動位相制御部３２０は、前記第１の駆動信号に対する第２の駆動信号の位相差を
表す所定の初期位相を中心として第１の駆動信号に対する第２の駆動信号の位相を所定の
振り幅で変化させ、これに伴い検出信号が最小となる位相に前記振り幅の中心位相をシフ
トさせるとともにかかる操作を繰り返し前記中心位相が前記変位の最小値に追従してシフ
トされるように記第２の駆動信号の位相を制御するように構成した。
【選択図】図４

Description

本発明は圧電アクチュエーターの制御装置、圧電アクチュエーター装置及び印刷装置に
関し、特に圧電アクチュエーターの高出力駆動を安定して行わせる場合に適用して有用な
ものである。

圧電アクチュエーターは、電気・機械エネルギーの変換効率が高く、重量当たりの出力
が高い、すなわち小型、軽量であるにも関わらず高出力が得られる点に着目して例えば印
刷装置の紙送り機構等の駆動源として適用されている。かかる圧電アクチュエーターは、
圧電素子を具備するアクチュエーター部によって回転軸を回転駆動させるものである。こ
こで、アクチュエーター部は２枚の電極間に圧電体層を挟持させて形成された圧電素子と
、この圧電素子がその電極の一方側を介して一体的に固着された振動部材とを備えている
。また、アクチュエーター部は、その圧電素子に所定の周波数の電圧信号である駆動信号
を印加して伸縮させることにより振動部材が縦振動及び該縦振動にほぼ直交する方向の振
動である縦振動で励起される結果、前記当接部の先端が円乃至楕円軌道を描いて移動され
る。かくして当接部の先端が当接している回転軸はその中心を回転中心として回転される
。

この種の圧電アクチュエーターの中には振動部材の変位を検出するための検出用電極を
有するものがある。この検出用電極は圧電体層が歪む（変位する）ことにより発生する電
圧を検出するもので、検出電圧を介して圧電体層乃至振動部材の変位を検出する（例えば
特許文献１及び特許文献２参照）。このように、振動部材の変位を検出することにより圧
電アクチュエーターの高出力を得るための制御を行っている。すなわち、特許文献１及び
特許文献２に示す場合には、振動部材の変位をリアルタイムで検出し、この検出結果を圧
電素子の駆動信号の周波数に反映させることにより、常に振動部材の縦振動乃至屈曲振動
の共振周波数とほぼ同じ駆動周波数で圧電素子を駆動させ、このことにより圧電アクチュ
エーターとして高出力を得ている。

これは圧電アクチュエーターの共振周波数が駆動中の条件等により経時的に変動するも
のである点に鑑み、共振周波数の変動に追従して駆動周波数を追従させるための制御であ
る。

特開２００１−２６８９５３号公報特開２００２−２９１２６４号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示す場合のように、共振周波数に追従させ
る周波数制御を行った場合には高出力駆動の充分な安定化を図ることができないことが分
ってきた。すなわち、圧電アクチュエーターの共振周波数近傍で、アクチュエーター部の
最大変位に追従させて駆動信号の周波数を変化させた場合、共振点からのずれ具合によっ
ては圧電アクチュエーターが停止してしまうことさえある。したがって、可及的な高出力
を得るためには共振周波数近傍での駆動が不可欠ではあるが、かかる駆動制御を行う場合
に同時に駆動の安定化を図る工夫をする必要がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、圧電アクチュエーターの高出力での駆動を安
定して行うことができる圧電アクチュエーターの制御装置、圧電アクチュエーター装置及
び印刷装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の態様は、圧電体層と、前記圧電体層に縦振動を励起する第
１電極と、前記圧電体層に屈曲振動を励起する第２電極と、前記圧電体層の変位を検出す
る検出用電極と、前記縦振動および前記屈曲振動が励起されることにより振動する当接部
が設けられた振動部材と、を備えた圧電アクチュエーターを制御する制御装置であって、
前記圧電体層の縦振動励起領域を励振するため所定周波数の第１の駆動信号を生成する駆
動信号生成手段、前記第１の駆動信号の位相を調整して前記圧電体層の一方の屈曲振動励
起領域を励振するための第２の駆動信号を生成する位相調整手段及び前記第２の駆動信号
の位相を反転させて前記圧電体層の他方の屈曲振動励起領域を励振するための第３の駆動
信号を生成する位相反転手段を有するとともに前記第１乃至第３の駆動信号を前記圧電素
子にそれぞれ供給する駆動手段と、前記圧電素子の機械的な変位を前記圧電素子に設けた
検出用電極を介し変位信号に変換して検出する変位検出手段と、前記変位検出手段が検出
した前記変位を逐次記憶する記憶手段と、前記変位検出手段が検出した変位及び前記記憶
手段が記憶している変位に基づき前記位相調整手段を介して前記第２の駆動信号の位相を
制御する駆動位相制御手段とを有し、前記駆動位相制御手段は、前記第１の駆動信号に対
する前記第２の駆動信号の位相差を表す所定の初期位相を中心として前記第１の駆動信号
に対する第２の駆動信号の位相を所定の振り幅で変化させ、これに伴い変位が最小となる
位相に前記振り幅の中心位相をシフトさせるとともにかかる操作を繰り返し前記中心位相
が前記検出電極からの出力信号の最小値に追従してシフトされるように前記第２の駆動信
号の位相を制御することを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置にある。
本態様によれば、アクチュエーター部の圧電体層の変位に基づく電圧を変位信号として
検出するようになっているので、変位検出センサー部分の小形軽量化が可能となる。さら
に、所定の周波数（固定周波数）の駆動信号により圧電アクチュエーターを駆動している
状態ではアクチュエーター部の変位が小さいほど圧電アクチュエーターとしての出力は大
きいので、変位の最小値に追従させて第１の駆動信号に対する第２の駆動信号の位相をシ
フトさせている結果、圧電アクチュエーターの最大出力駆動を行わせることができる。す
なわち、駆動の不安定要素を含む周波数をパラメーターとする最適出力制御ではなく前記
位相をパラメーターとすることにより駆動の安定性を確保した上で圧電アクチュエーター
の最適出力制御を実現できる。

ここで、前記初期位相は、電源投入後の初回の駆動時には９０°とし、次回以降の再駆
動に際しては前記記憶手段が記憶している前回の駆動終了時の位相とするのが好適である
。この場合には、最小値を与える位相に、最速乃至より迅速に到達することが可能となる
。また、前記初期位相と前記中心位相との差が予め定めた設定値を超えた場合には、圧電
アクチュエーターの駆動が停止されるように制御することもできる。この場合には、アク
チュエーター部の温度が上昇し、圧電素子を振動部材に貼着している接着剤が溶融して充
分な接着力を確保できなくなっている等、異常な事態であると判断されるので、かかる駆
動の強制終了により異常事態の発生に伴う圧電素子の振動部材からの剥離等を未然に防止
することができる。

本発明の他の態様は上述の如き圧電アクチュエーターの制御装置と、圧電アクチュエー
ターとを有することを特徴とする圧電アクチュエーター装置にある。
本態様によれば、高出力の回転力を安定して得ることができる。

本発明の他の態様は、上述の如き圧電アクチュエーターを具備することを特徴とする印
刷装置にある。
本態様によれば印刷装置における紙送り等、高出力が要求される用途に的確に供するこ
とができる。

本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーターの分解斜視図。本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーターの平面図。本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーターの断面図。本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーター装置のブロック線図。圧電アクチュエーター装置の駆動信号の波形を示す波形図。圧電アクチュエーターのアクチュエーター部の動作態様を示す説明図。圧電アクチュエーターのアクチュエーター部の楕円軌道を示す説明図。駆動周波数制御部における処理を示すフローチャート。駆動信号の位相に対する変位特性を示すグラフ。本発明の実施の形態に係る印刷装置を示す概略斜視図。図１０に示す印刷装置の要部拡大平面図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
圧電アクチュエーター装置は、アクチュエーター部とこれに駆動される回転軸とを有す
る圧電アクチュエーター及びこの圧電アクチュエーターの駆動を制御する制御装置を具備
する。本形態におけるアクチュエーター部は縦振動を生起させる駆動信号と、これに対し
て基本的に±９０°の位相差（相互の位相差が１８０°）を有して屈曲振動を生起させる
２種類の駆動信号とで駆動される。屈曲振動を生起させる駆動信号の位相を、縦振動を生
起させる駆動信号に対してシフトさせることにより最適な高出力制御を行うものであるか
らである。

図１は、圧電アクチュエーターの分解斜視図であり、図２はその平面図であり、図３は
図２のＡ−Ａ′断面図である。これらの図に示すように、圧電アクチュエーター１を構成
するアクチュエーター部１０は、振動部材２０と、振動部材２０の両面にそれぞれ接着さ
れた圧電素子３０とを具備するとともに、前述の如き縦振動を生起させる駆動信号と、こ
れに対して基本的に±９０°の位相差を有して屈曲振動を生起させる２種類の駆動信号と
で駆動される。

振動部材２０の両面にそれぞれ設けられた圧電素子３０は、圧電体層４０と、圧電体層
４０の振動部材２０側に設けられた第１電極５０と、圧電体層４０の第１電極５０とは反
側に設けられた第２電極６０とを有する。

圧電体層４０は、電気機械変換作用を示す圧電材料、特に圧電材料の中でも一般式ＡＢ
Ｏ_３で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる。圧電体層４０としては
、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸
化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的
には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）
、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ_３
）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、マグネシウ
ムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）、ニオブ
酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマスナト
リウム（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５ＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマスカリウム（Ｂｉ_０．５Ｋ_０
_．５ＴｉＯ_３）、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ_３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂ
Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ_３）、
タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタン酸ビ
スマス（ＢｉＴｉＯ_３）およびこれらの混晶系等を用いることができる。もちろん、本実
施形態の圧電体層４０は、上記した材料に限定されるものではない。

第１電極５０は、圧電体層４０の振動部材２０側の面に亘って連続して設けられて、圧
電素子３０の共通電極となっている。

第２電極６０は、圧電体層４０の第１電極５０とは反対側に設けられており、溝部７０
によって互いに電気的に隔離されて面内方向で複数に分割されている。

第２電極６０を分割する溝部７０は、圧電素子３０の幅（短手方向）をほぼ三等分する
ように形成された第１溝部７１と、第１溝部７１によって分割された３つの電極のうち短
手方向両側の電極を長手方向でほぼ二等分するように形成された第２溝部７２とからなる
。第２電極６０は、これら第１溝部７１及び第２溝部７２からなる溝部７０によって、短
手方向中央部に長手方向に亘って設けられた縦振動用電極部６１と、この縦振動用電極部
６１の短手方向両側に、縦振動用電極部６１を挟んで対角となるように配置されて対をな
す２組の屈曲振動用電極部６２、６３との合計５つに分割されている。ここで、圧電素子
３０は、第２電極６０の縦振動用電極部６１が設けられた領域が、圧電素子３０の長手方
向の縦振動を励起する縦振動励起領域４１となっている。これに対して、縦振動励起領域
４１の短手方向両側の屈曲振動用電極部６２、６３が設けられた領域が、それぞれ圧電素
子３０の短手方向に屈曲振動を励起する屈曲振動励起領域４２、４３となっている。この
ため、第２電極６０は、分割されて各領域を個別に駆動するための個別電極として機能す
る。

さらに、本形態におけるアクチュエーター部１０は変位検出用の検出用電極９５，９６
を有する。検出用電極９５，９６は圧電素子３０の伸縮に伴い変形する振動部材２０の変
位量に比例した電圧を変位信号として出力する。すなわち、圧電体層４０及び第１電極５
０と協働して圧電体層４０の機械的な変位を電気信号に変換する機械／電気変換素子とし
て機能させるためのものである。このため検出用電極９５，９６は、第１屈曲振動用電極
部６２及び第２屈曲振動用電極部６３の一部を切り欠き、溝部９７により第１屈曲振動用
電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３から分離して圧電体層４０に貼着されている。

このような圧電素子３０は、第１電極５０側が振動部材２０に接合されている。ここで
、振動部材２０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属や樹脂材料（またはセラミックス）
で形成された板状部材からなる。本形態では、振動部材２０を導電性を有するステンレス
鋼で形成し、２つの圧電素子３０の第１電極５０同士は、振動部材２０を介して電気的に
導通される。ちなみに、第１電極５０と振動部材２０とを絶縁性の接着剤で接着したとし
ても、第１電極５０と振動部材２０とを互いに押圧した状態で接着することで両者を互い
に電気的に導通することができる。すなわち、本実施形態の振動部材２０は、２つの圧電
素子３０の第１電極５０同士を導通させる共通電極としても機能する。

また、図１に示すように、振動部材２０は、圧電素子３０の第１電極５０側と同じ表面
形状を有すると共に、長手方向の一端部側に圧電素子３０よりも突出するように延設され
た当接部２１を有する。振動部材２０の圧電素子３０の長手方向中央部には、圧電素子３
０の短手方向両側に向かって延設された一対の腕部２２を有する。この腕部２２には、厚
さ方向に貫通する貫通孔２３が設けられており、貫通孔２３を挿通させたねじ部材８６を
介して詳しくは後述する保持部材８１に固定される。すなわち、アクチュエーター部１０
は、振動部材２０の腕部２２が保持部材８１に固定されることで、圧電素子３０は保持部
材８１に対して腕部２２を基点として縦振動及び屈曲振動が可能となるように保持される
。

アクチュエーター部１０に搭載された圧電素子３０の各電極（第１電極５０及び第２電
極６０）には、圧電素子３０を駆動するための配線及び変位検出用の配線が接続されてい
る。

図３に示すように、第１電極５０は振動部材２０に電気的に接続されているため、図２
に示すように、共通配線９０は振動部材２０を介して第１電極５０に電気的に接続される
。

また、第２電極６０を構成する縦振動用電極部６１と、第１及び第２屈曲振動用電極部
６２、６３とには、図２に示すように、それぞれ縦振動用個別配線９１と、２本の屈曲振
動用個別配線９２、９３との合計３本の個別配線が接続されている。具体的には、共通配
線９０は、アクチュエーター部１０の振動部材２０の腕部２２に接続されている。これに
より、共通配線９０は、振動部材２０を介して第１電極５０に電気的に接続されている。

また、縦振動用個別配線９１は、第２電極６０の縦振動用電極部６１の長手方向中央部
に接続されている。また、２本の屈曲振動用個別配線９２、９３は、第２電極６０の第１
屈曲振動用電極部６２の長手方向中央部に接続されている。そして、縦振動用電極部６１
を挟んで設けられた４つの屈曲振動用電極部は、対角に配置された電極同士を２本の導通
配線９４で接続することで、対角で組をなす２組の第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈
曲振動用電極部６３が構成される。この２本の導通配線９４は、たすき掛けするように配
置されている。なお、縦振動用個別配線９１及び屈曲振動用個別配線９２、９３は、それ
ぞれ圧電素子３０の縦振動及び屈曲振動における基点となる長手方向の中央部に接続され
ることで、個別配線９１、９２、９３の断線や個別配線９１、９２、９３による圧電素子
３０への変位の阻害を抑制している。

ちなみに、本形態では、振動部材２０の両面に圧電素子３０が設けられているため、振
動部材２０の両面の圧電素子３０の各第２電極６０に個別配線９１、９２、９３をそれぞ
れ接続するようにしてもよく、また、振動部材２０の両面の圧電素子３０の縦振動用電極
部６１同士と、屈曲振動用電極部６２（６３）同士とを別の配線等で互いに電気的に接続
するようにして、個別配線９１、９２、９３の数を減少させるようにしてもよい。検出用
電極９５，９６には振動部材２０の変位を電圧信号として取り出すための配線９８，９９
が接続されている。

一方、圧電アクチュエーター１には、装置本体２に軸３Ａを回転中心として回転する回
転軸３が設けられている。そして、この回転軸３にアクチュエーター部１０の楕円軌道を
描くように回転駆動される当接部２１を当接させることで、回転軸３が回転される。

さらに、圧電アクチュエーター１には、アクチュエーター部１０を回転軸３方向に向か
って所定の圧力で押圧する付勢手段８０が設けられている。

付勢手段８０は、アクチュエーター部１０を保持する保持部材８１と、保持部材８１に
一端が固定されたコイルばね等のばね部材８２と、ばね部材８２の他端に当接すると共に
装置本体２に固定された支持ピン８３とを具備する。

保持部材８１は、アクチュエーター部１０の腕部２２が固定される一対の固定部８４と
、固定部８４の間に一体的に設けられて装置本体２に対してスライド移動可能に支持され
るスライド部８５とを具備する。固定部８４には、腕部２２の貫通孔２３に対応して、ね
じ部材８６が螺合される雌ねじ部８７が形成されている。この雌ねじ部８７に腕部２２の
貫通孔２３を挿通したねじ部材８６を螺合させることで、アクチュエーター部１０は保持
部材８１に保持される。

スライド部８５には、厚さ方向に貫通し、且つスライド方向に延設された長孔である２
つのスライド孔８８が設けられている。そして、各スライド孔８８に挿通されて装置本体
２に固定されたスライドピン８９によってスライド部８５は装置本体２に対してスライド
移動可能に支持されている。

ばね部材８２は、コイルばねからなり、固定部８４に一端が固定されると共に、装置本
体２に固定された支持ピン８３の側面に他端が当接するように配置されている。また、ば
ね部材８２は、スライド部８５のスライド方向に沿って配置されている。このようなばね
部材８２は、アクチュエーター部１０を装置本体２に対して回転軸３に向かって付勢する
。

なお、本実施形態では、ばね部材８２としてコイルばねを用いたが、ばね部材８２は特
にこれに限定されず、例えば、板ばね等を用いるようにしてもよい。

このような付勢手段８０によって、アクチュエーター部１０は、圧電素子３０の長手方
向（縦振動方向）が回転軸３の軸中心となるように、所定の圧力で回転軸３に押圧される
。すなわち、本実施形態のアクチュエーター部１０は、圧電素子３０の長手方向が回転軸
３の径方向になるように配置され、回転軸３の径方向に向かってスライド移動可能に設け
られている。したがって、アクチュエーター部１０は、圧電素子３０の長手方向が回転軸
３の径方向となるように押圧される。

そして、上述のように、付勢手段８０によってアクチュエーター部１０の当接部２１を
回転軸３に押圧しながら、圧電素子３０に縦振動及び屈曲振動を交互に行わせて当接部２
１を楕円軌道を描くように回転駆動することで、回転軸３を回転駆動することができる。

図４は本形態に係る圧電アクチュエーター装置を示すブロック線図である。同図に示す
ように、圧電アクチュエーター装置Ｉは、上述の圧電アクチュエーター１に、この圧電ア
クチュエーター１の駆動を制御する制御装置３００を組み合わせたものである。ここで、
制御装置３００は、駆動信号を生成して圧電アクチュエーター１を駆動する駆動手段３１
０、駆動手段３１０が生成する駆動信号の周波数を制御する駆動位相制御部３２０、アク
チュエーター部１０の変位を検出する変位検出部３３０及びアクチュエーター部１０の変
位データーが記憶されている記憶部３４０を具備する。なお、図４中、図１乃至図３と同
一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。駆動手段３１０は、駆動信号生成
回路３１１と、位相調整回路３１２と、位相反転回路３１３と、縦振動用電極部６１、第
１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３にそれぞれ接続された増幅回路３
１４とを具備する。

駆動信号生成回路３１１は、所定周波数（固定周波数）の交流電圧であるアクチュエー
ター部１０の駆動信号を生成する。ここで、駆動信号の周波数は共振周波数であることが
望ましいが、１）共振周波数は圧電アクチュエーター１の駆動時の熱、各部の経時的な摩
耗、気圧等によって変動するパラメーターである点、２）共振周波数での駆動を行った場
合には共振周波数の変動により駆動が不安定になる点に鑑み、適切な周波数を選定する。
すなわち、高出力を得るための共振周波数と駆動の安定性を考慮した可及的に共振周波数
近傍の周波数、例えば共振周波数の９割程度の周波数に選定する。

駆動信号生成回路３１１の出力である駆動信号は、増幅回路３１４によって電力増幅さ
れて圧電素子３０に供給される。ここで、本形態の駆動信号は、共通電極である第１電極
５０を基準電位（本実施形態では０Ｖ）として、個別電極である第２電極６０に印加され
る。

さらに詳言すると、駆動信号生成回路３１１の出力である駆動信号は、図５に示すよう
に、圧電素子３０の縦振動用電極部６１に基準となる第１の駆動信号４００として印加さ
れる。また、駆動信号生成回路３１１からの出力は、位相調整回路３１２に入力される。
位相調整回路３１２は、駆動信号生成回路３１１からから出力された第１の駆動信号４０
０の位相を調整する機能を有する。位相調整回路３１２は、アクチュエーター部１０に縦
振動を行わせる基準となる駆動信号４００に対し、例えば、図５に示すように、位相が９
０度遅れた屈曲振動を行わせる第２の駆動信号４０１を生成する。位相調整回路３１２に
よって生成された駆動信号４０１は、例えば、圧電素子３０の第１屈曲振動用電極部６２
に印加される。

また、位相調整回路３１２によって位相が調整された駆動信号４０１は、位相反転回路
３１３に入力される。位相反転回路３１３は、例えば、インバーター回路で構成され、位
相調整回路３１２から出力された駆動信号４０１に対して位相が１８０度反転した第３の
駆動信号４０２を生成する。駆動信号４０２は、第２屈曲振動用電極部６３に印加される
。すなわち、基本的には、圧電素子３０の縦振動用電極部６１には、基準となる駆動信号
４００が印加され、第１屈曲振動用電極部６２には、駆動信号４００に対して９０度位相
を遅らせた状態が駆動信号４０１が印加される。また、圧電素子３０の第２屈曲振動用電
極部６３には、第１屈曲振動用電極部６２に印加される駆動信号４０１に対して１８０度
反転した駆動信号４０２が印加される。

かかる駆動信号４００，４０１，４０２により駆動されるアクチュエーター部１０の基
本動作を図６及び図７を追加して説明する。なお、図６及び図７は、アクチュエーター部
の動作を示す平面図である。

制御装置３００から出力された駆動信号４００が圧電素子３０の縦振動用電極部６１に
供給されると、図６（ａ）に示すように、アクチュエーター部１０は振動部材２０の面方
向において、縦振動励起領域４１が縦方向（長手方向）に伸張・収縮されて長手方向に縦
振動される。

同時に、互いに位相が反転された２つの屈曲振動用の駆動信号４０１、４０２が、圧電
素子３０の第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３にそれぞれ供給され
る。この結果、屈曲振動励起領域４２、４３が伸張・収縮されてアクチュエーター部１０
が屈曲駆動される。

具体的には、圧電素子３０の短手方向で対角となる一方の組の屈曲振動励起領域４２を
伸張させると同時に対角となる他方の一対の屈曲振動励起領域４３を収縮させる。これに
より、図６（ｂ）に示すように圧電素子３０をＳ字状に変形させる。また、伸張していた
屈曲振動励起領域４２を収縮させると同時に収縮していた屈曲振動励起領域４３を伸張さ
せることで、図６（ｃ）に示すように、圧電素子３０を逆Ｓ字状に屈曲させる。この図６
（ｂ）及び図６（ｃ）に示す屈曲変形を交互に繰り返させることで、アクチュエーター部
１０ではＳ字状及び逆Ｓ字状の変形が交互に繰り返される。

そして、上述のように、縦振動用電極部６１に印加する駆動信号４００に対して、屈曲
振動用の駆動信号４０１、４０２は、位相が９０度遅れているため、アクチュエーター部
１０の長手方向一端部に設けられた当接部２１は、図７に示すように、楕円軌道を描くよ
うに回転駆動する。具体的には、圧電素子３０に、縦方向（長手方向）の伸張、Ｓ字状の
屈曲、縦方向の収縮、逆Ｓ字状の屈曲の変形を順次繰り返し行わせることで、当接部２１
を振動部材２０の面内において時計方向に楕円軌道を描くように回転駆動させることがで
きる。

また、圧電素子３０に変形を行わせる際に、屈曲の順番を入れ替えることで、当接部２
１を振動部材２０の面内において反時計方向に楕円軌道を描くように回転駆動させること
ができる。すなわち、縦振動用の駆動信号４００に対して、屈曲振動用の駆動波形の位相
を９０度進めるようにすればよい。このように、屈曲振動の駆動信号を、縦振動用の駆動
信号４００に対して＋９０度または−９０度位相をずらすことにより、当接部２１が描く
楕円軌道の方向を正逆反転させることができる。これにより回転軸３の回転方向を制御す
ることができる。なお、位相調整回路３１２による位相のズレを調整することで、当接部
２１の軌道を真円軌道にすることも、楕円軌道にすることもできるため、位相調整回路３
１２による位相の調整は、±９０度に限定されるものではない。

また、本形態では、振動部材２０の両面にそれぞれ圧電素子３０が設けられているが、
２つの圧電素子３０の各縦振動励起領域４１及び屈曲振動励起領域４２、４３は、アクチ
ュエーター部１０を一方の圧電素子３０の第２電極６０側から平面視した際に重なるよう
に配置されており、平面視した際に重なる領域において同じ方向の伸張・収縮を行わせる
ことで、振動部材２０は面内方向で変形される。

本形態に係る圧電アクチュエーター装置Ｉの高出力駆動を実現するため、制御装置３０
０は、前述の如く駆動位相制御部３２０、変位検出部３３０及び記憶部３４０を具備する
。ここで、図４に示すように、変位検出部３３０は、検出用電極９５，９６で検出し、減
衰回路３５１，３５２で適正なレベルに減衰させた電圧信号である変位信号をＡ／Ｄ変換
することによりデジタル信号としての変位信号Ｖ１，Ｖ２を生成する。この変位信号Ｖ１
，Ｖ２はアクチュエーター部１０の変位を表すデーターとして駆動位相制御部３２０に供
給される。駆動位相制御部３２０はこの変位信号Ｖ１，Ｖ２とこの変位を与える駆動信号
４０１（図５参照）の位相とを対応させて記憶部３４０に記憶させる。したがって、記憶
部３４０にはアクチュエーター部１０の駆動に伴う振動部材２０の変位、具体的には当接
部２１の変位を表す電圧がこれを与える駆動信号４０１の位相と対応付けられた状態で逐
次記憶される。また、記憶部３４０には駆動位相制御部３２０が位相調整回路３１２に対
して行う駆動信号４０１の位相の制御に必要なデーター、例えば駆動信号４０１の振り幅
（後述する）等が記憶されている。

駆動位相制御部３２０は、特定の周波数での駆動における圧電アクチュエーター１の高
出力駆動を実現すべく、変位検出部３３０が検出した変位及び記憶部３４０が記憶してい
る変位データーに基づき位相調整回路３１２の出力である駆動信号４０１の位相を検出電
極９８の出力電圧の最小値に追従させて制御する。具体的には、図８に例示される処理を
行う。なお、以下の説明において、駆動信号４０１の位相とは、駆動信号４００に対する
位相をいう。すなわち、駆動位相制御部３２０が位相調整回路３１２を制御する結果、位
相調整回路３１２が出力する駆動信号４０１の位相は、例えば９０°遅れた位相を初期位
相θとして±Δθだけ適宜シフトされる。

図８は駆動位相制御部３２０における処理を示すフローチャートである。同図に示すよ
うに、先ず当該圧電アクチュエーター装置Ｉの電源が投入（ステップＳＴ１）されると待
機状態（ステップＳＴ２）となる。かかる状態で当該圧電アクチュエーター装置Ｉの駆動
の開始信号が入力（ステップＳＴ３）されると前回の停止時の条件（駆動信号４０１の位
相）を記憶部３４０から読み出す（ステップＳＴ４）。なお、圧電アクチュエーター装置
Ｉの初回起動の場合は記憶部３４０に記憶させてある初期位相（通常は９０°）を読み出
してこれを用いる。

次に、位相調整回路３１２を制御することにより初期位相θを中心として駆動信号４０
１の位相を所定の振り幅Ｗで振る（ステップＳＴ５）。続いて，検出電圧Ｖの最小値を検
出し、最小値となっている位相に中心位相をシフトさせ、前述と同様の制御により駆動信
号４０１の位相を振り幅Ｗで振るとともに、停止信号が入力される迄、検出電圧Ｖが最小
値となる位相に中心周波数を追従させつつ同様の動作を繰り返す（ステップＳＴ６）。こ
こで、最小値を求めるに当たっては、位相を一回振ってその中での最小値を検出するよう
にしても原理的には可能であり、また最も短時間で求めることができるが、実際の変位信
号Ｖ１，Ｖ２の波形が種々のノイズを含む点を考慮すれば所定の振り幅Ｗで所定の期間、
位相を振って、その間の変位信号Ｖ１，Ｖ２の平均レベルを演算して平均値を求め、その
結果に応じて最小値を決定するのが好ましい。

上記ステップＳＴ５及びステップＳＴ６の操作の態様を図９に基づきさらに詳細に説明
する。図９は駆動信号４００を基準とした駆動信号４０１の位相に対する検出電圧（変位
信号Ｖ１，Ｖ２の電圧レベルであり図中に太い実線で示している）である変位特性を示す
特性図である。同図に示すように、先ず初期位相θ（例えば９０°）を中心位相として振
り幅Ｗで位相を振動させる。この結果、図に示す場合には最小電圧Ｖ_ｍｉｎ１を与える位
相として（θ＋Δθ１）が特定される。そこで、今度は位相（θ＋Δθ１）を中心位相と
して振り幅Ｗだけ位相を振動させる。この結果、最小電圧Ｖ_ｍｉｎ２（＜Ｖ_ｍｉｎ１）を
与える位相として（θ＋Δθ２）が特定される。再度、同様の操作を繰り返すことにより
最小電圧Ｖ_ｍｉｎ３が検出される。この最小電圧Ｖ_ｍｉｎ３は極小値である。したがって
、極小値が変化しない限り、この極小値を与える位相を追いかけて、その位相（θ＋Δθ
３）を中心位相とする駆動が行われる。ちなみに、何らかの原因で変位特性が図９に示す
太い実線から一点鎖線で示す変位特性に変化した場合でも，上述と同様の操作により所定
の振り幅Ｗ内での最小電圧Ｖ_ｍｉｎに追従させて中心位相をシフトさせることにより一点
鎖線で示す変位特性での極小値を維持する駆動制御が行われる。

かかる制御中に、中心位相と初期位相との差（Δθｄ）が、予め定めておいた任意の設
定値Ｖｒｅｆ１を超えて大きくなった場合（ステップＳＴ７）には圧電アクチュエーター
１の駆動を強制的に終了させて待機状態とする。かかる場合は、アクチュエーター部１０
の温度が上昇し、圧電素子３０を振動部材２０に貼着している接着剤が溶融して充分な接
着力を確保できなくなっている等、異常な事態であると判断されるからである。かかる駆
動の強制終了により異常事態の発生に伴う圧電素子３０の振動部材２０からの剥離等を未
然に防止する。

また、リアルタイムの検出電圧が初期位相における検出電圧に対して大きく低下し、任
意の他の設定値Ｖｒｅｆ２を超えて低下した場合（ステップＳＴ８）も同様に強制停止さ
せて待機状態とする。この場合は、圧電素子３０の振動部材２０からの剥離等、重篤な故
障が発生している可能性が高く、これに対処させるためである。

停止信号が入力された場合（ステップＳＴ９）、現在の駆動条件、すなわち駆動信号４
０１の駆動位相等を記憶部３４０に書き込ませる（ステップＳＴ１０）。その後、駆動手
段３１０を停止させて待機状態とする（ステップＳＴ１１）。

かかる駆動信号４０１の位相の一連の制御を行うことで特定の固定周波数で駆動してい
る場合において最も高出力で駆動される変位信号Ｖ１，Ｖ２の最小レベルに追従させた高
出力駆動を実現することができる。なお、初期位相は、電源投入後の初回の駆動時には９
０°とし、次回以降の再駆動に際しては記憶部３４０が記憶している前回の駆動終了時の
位相とするのが合理的である。この場合には、最小値を与える位相に、最速乃至より迅速
に到達することが可能となるからである。

なお、上記実施の形態におけるステップＳＴ７，８の処理は必ずしも必要ではない。た
だ、かかる処理を行うことにより、圧電アクチュエーター装置Ｉの安定的な駆動に資する
ことはできる。

上記実施の形態に係る圧電アクチュエーター装置Ｉは、印刷装置の一例であるインクジ
ェット式記録装置の駆動手段として用いることができる。ここで、上記実施の形態に係る
圧電アクチュエーター装置Ｉを用いたインクジェット式記録装置の一例を図１０及び図１
１に示す。なお、図１０は、本発明の実施の形態に係る液体噴射装置の一例であるインク
ジェット式記録装置の概略斜視図であり、図１１は、要部を拡大した平面図である。

図１０に示すインクジェット式記録装置１００において、インクを吐出するインクジェ
ット式記録ヘッド１０１を有する記録ヘッドユニット１０２は、インク供給手段を構成す
るカートリッジ１０３が着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１０２を搭載した
キャリッジ１０４は、記録装置本体１０５に取り付けられたキャリッジ軸１０６に軸方向
移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１０２は、例えば、ブラックインク
組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モーター１０７の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト
１０８を介してキャリッジ１０４に伝達されることで、記録ヘッドユニット１０２を搭載
したキャリッジ１０４はキャリッジ軸１０６に沿って移動される。一方、記録装置本体１
０５にはキャリッジ軸１０６に沿ってプラテン１０９が設けられており、給紙手段１１０
によって給紙された紙等の被噴射媒体である記録シートＳがプラテン１０９に巻き掛けら
れて搬送される。記録シートＳは、プラテン１０９上でインクジェット式記録ヘッド１０
１から吐出されたインクによって印刷される。そしてプラテン１０９上で印刷された記録
シートＳは、プラテン１０９の給紙手段１１０とは反対側に設けられた排紙手段１２０に
よって排紙される。

図１１に示すように、給紙手段１１０は、給紙ローラー１１１と従動ローラー１１２と
で構成されている。給紙ローラー１１１には、その端部に上述した圧電アクチュエーター
１の回転軸３が固定されており、アクチュエーター部１０の駆動によって回転駆動される
。また、給紙ローラー１１１には、同軸上に第１歯車１１３が設けられている。

排紙手段１２０は、排紙ローラー１２１と従動ローラー１２２とで構成されている。排
紙ローラー１２１には同軸上に第２歯車１２３が設けられている。そして、給紙ローラー
１１１の第１歯車１１３が、この第１歯車１１３に噛み合う第３歯車１３０、第３歯車１
３０に噛み合う第４歯車１３１、第４歯車に噛み合う第５歯車１３２を介して排紙ローラ
ー１２１の第２歯車１２３に噛み合うことで、給紙ローラー１１１を回転駆動する圧電ア
クチュエーター１の駆動力が、排紙ローラー１２１に伝達される。

なお、図１０及び図１１に示す例では、圧電アクチュエーター１によって、給紙手段１
１０及び排紙手段１２０を回転駆動するものであるが、例えば、上述した実施の形態の圧
電アクチュエーター１を、キャリッジ１０４を移動させる駆動モーター１０７の代わりに
用いることも可能である。もちろん、その他の駆動系、例えば、インクジェット式記録ヘ
ッド１０１にインクを供給するポンプ等に圧電アクチュエーター１を用いることもできる
。

本形態においては圧電アクチュエーター１を制御する制御装置３００が装置本体内に内
蔵されているが、インクジェット式記録装置の外部に設けるようにしてもよい。

なお、本発明は、広く液体噴射装置全般を対象としたものであり、圧電アクチュエータ
ーは、上述したインクジェット式記録装置以外の液体噴射装置等の印刷装置に搭載するこ
とが可能である。その他の液体噴射装置としては、例えば、液晶ディスプレイ等のカラー
フィルターの製造に用いられる色材噴射装置、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出
ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射装置、バイオｃｈｉｐ製造に用い
られる生体有機物噴射装置等が挙げられる。もちろん、印刷装置としては、液体を噴射す
る液体噴射装置に限定されるものではなく、例えば、レーザープリンター、熱転写プリン
ター等にも本発明を適用することができる。

また、本発明は、広く圧電アクチュエーター装置全般を対象としたものであり、上述し
た液体噴射装置以外の小型デバイスに利用することが可能である。圧電アクチュエーター
装置を利用できる小型デバイスとしては、医療用ポンプ、カメラ、産業用や義手などのロ
ボット等が挙げられる。

Ｉ圧電アクチュエーター装置、Ｖ１，Ｖ２変位信号、Ｖｍａｘ最大値、Ｖ
ｔ目標変位、１圧電アクチュエーター、３回転軸、１０アクチュエーター
部、２０振動部材、２１当接部、３０圧電素子、４０圧電体層、５０
第１電極、６０第２電極、９５，９６検出用電極、１００インクジェット
式記録装置、１０１インクジェット式記録ヘッド、３００制御装置、３１０駆
動手段、３１１駆動信号生成回路、３１２位相調整回路、３１３位相反転回
路、３２０駆動位相制御部、３３０変位検出部、３４０記憶部、４００，
４０１，４０２駆動信号

Claims

圧電体層と、前記圧電体層に縦振動を励起する第１電極と、前記圧電体層に屈曲振動を
励起する第２電極と、前記圧電体層の変位を検出する検出用電極と、前記縦振動および前
記屈曲振動が励起されることにより振動する当接部が設けられた振動部材と、を備えた圧
電アクチュエーターを制御する制御装置であって、
前記圧電体層の縦振動励起領域を励振するため所定周波数の第１の駆動信号を生成する
駆動信号生成手段、前記第１の駆動信号の位相を調整して前記圧電体層の一方の屈曲振動
励起領域を励振するための第２の駆動信号を生成する位相調整手段及び前記第２の駆動信
号の位相を反転させて前記圧電体層の他方の屈曲振動励起領域を励振するための第３の駆
動信号を生成する位相反転手段を有するとともに前記第１乃至第３の駆動信号を圧電素子
にそれぞれ供給する駆動手段と、
前記圧電素子の機械的な変位を前記圧電素子に設けた検出用電極を介し変位信号に変換
して検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段が検出した前記変位を逐次記憶する記憶手段と、
前記変位検出手段が検出した変位及び前記記憶手段が記憶している変位に基づき前記位
相調整手段を介して前記第２の駆動信号の位相を制御する駆動位相制御手段とを有し、
前記駆動位相制御手段は、前記第１の駆動信号に対する前記第２の駆動信号の位相差を
表す所定の初期位相を中心として前記第１の駆動信号に対する第２の駆動信号の位相を所
定の振り幅で変化させ、これに伴い変位が最小となる位相に前記振り幅の中心位相をシフ
トさせるとともにかかる操作を繰り返し前記中心位相が前記変位の最小値に追従してシフ
トされるように前記第２の駆動信号の位相を制御することを特徴とする圧電アクチュエー
ターの制御装置。
請求項１に記載する圧電アクチュエーターの制御装置において、
前記初期位相は、電源投入後の初回の駆動時には９０°とし、次回以降の再駆動に際し
ては前記記憶手段が記憶している前回の駆動終了時の位相としたことを特徴とする圧電ア
クチュエーターの制御装置。
請求項１又は請求項２の何れか一つに記載する圧電アクチュエーターの制御装置におい
て、
前記初期位相と前記中心位相との差が予め定めた設定値を超えた場合には、圧電アクチ
ュエーターの駆動が停止されるように制御することを特徴とする圧電アクチュエーターの
制御装置。
請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載する圧電アクチュエーターの制御装置と、圧
電アクチュエーターとを有することを特徴とする圧電アクチュエーター装置。
請求項４に記載する圧電アクチュエーターを具備することを特徴とする印刷装置。