JP3587068B2

JP3587068B2 - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP3587068B2
Application number: JP31242198A
Authority: JP
Inventors: 伸也松田; 隆松尾
Original assignee: ミノルタ株式会社
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1998-11-02
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2018-11-02
Also published as: JP2000139088A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数（例えば２つ）の圧電素子を互いに交差するように配置し、各圧電素子に相互に位相のずれた駆動電圧を印加して各圧電素子の交差部分に設けられたチップ部材を楕円運動させ、駆動力を発生するいわゆるトラス型圧電アクチュエータの運動軌跡制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子には、その構造や電気的特性により決定される固有の共振周波数が存在し、交流の駆動電圧の周波数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し、圧電素子の変位が増大する。圧電素子は、その外形寸法に対して変位が小さいため、圧電素子を用いたアクチュエータを効率的に利用するには、圧電素子をその共振周波数近傍の周波数で駆動することが望ましい。
【０００３】
一方、圧電素子の共振周波数は温度や負荷により変動するものであるため、共振周波数の変化を検出して駆動信号の周波数を補償する必要がある。例えば、特公平４−６１５９３号公報に記載された圧電アクチュエータ（第１従来例とする）では、共振状態になると駆動回路のインピーダンスが低下し、電圧と電流の位相差が小さくなる性質を利用して、駆動信号の周波数を変化させて電流や位相差が最小となるように制御している。また、特公平６−３６６７３号公報に記載された圧電アクチュエータ（第２従来例とする）では、駆動用圧電素子の変位方向に変位量検出用圧電素子を設け、検出用圧電素子が電圧の最大値を示すように駆動用圧電素子に印加する駆動信号の周波数を制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、圧電素子はその分極方向に変位するだけでなく、変位方向に直交する方向に変位したり、曲げやねじれ等が発生するため、圧電素子はこれらの各変位に対して複数の固有共振モードを有している。従って、上記第１従来例において、電流や位相差が最小となるように駆動信号を制御しても、圧電素子が所望する共振モードで振動しているかどうかを判別することは事実上不可能であった。
【０００５】
また、第２従来例では、変位量検出用の圧電素子を追加しているので、圧電アクチュエータが大型になったり、コストがアップするという問題を有していた。また、構成部品の増加により振動モードが複雑になり、制御が困難になると共に、重量の増加により共振周波数が低下し、出力が低下するという問題を有していた。
【０００６】
本発明は、上記従来例の問題点を解決するためになされたものであり、簡単な構成により共振状態を正確に検出し、制御が容易でかつ出力の安定した圧電アクチュエータを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、複数の圧電素子を互いに所定角度で交差するように配置し、いずれかの圧電素子を駆動信号により駆動し、各圧電素子の交差部分に設けられた駆動部材に所定の運動を生じさせるものであって、第１圧電素子が変位したときに、第２圧電素子に発生する起電圧の変化を用いて前記第１圧電素子の変位量を検出することを特徴とする。
【０００８】
上記構成において、前記第２圧電素子の出力信号が一定となるように前記第１圧電素子の駆動信号を変化させるように構成しても良い。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電アクチュエータの一実施形態について説明する。まず、本実施形態で用いる積層型圧電素子の構成を図１に示す。図１に示すように、積層型圧電素子１０は、ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック薄板１１と電極１２，１３を交互に積層したものであり、各セラミック薄板１１と電極１２，１３とは接着剤等により固定されている。１つおきに配置された各電極群１２及び１３は、それぞれ信号線１４，１５を介して駆動電源１６に接続されている。信号線１４と１５の間に所定の電圧を印加すると、電極１２と１３に挟まれた各セラミック薄板１１には、その積層方向に電界が発生し、その電界は１つおきに同じ方向である。従って、各セラミック薄板１１は、１つおきに分極の方向が同じになる（隣り合う２つのセラミック薄板１１の分極方向は逆となる）ように積層されている。
【００１０】
駆動電源１６により直流の駆動電圧を各電極１２と１３の間に印加すると、全てのセラミック薄板１１が同方向に伸び又は縮み、圧電素子１０全体として伸縮する。電界が小さく、かつ変位の履歴が無視できる領域では、各電極１２と１３の間に発生する電界と圧電素子１０の変位は、ほぼ直線的な関係と見なすことができる。この様子を図２に示す。図中、横軸は電界強度を、縦軸は歪み率を表す。
【００１１】
次に、駆動電源１６により交流の駆動電圧（交流信号）を各電極１２と１３の間に印加すると、その電界に応じて各セラミック薄板１１は同方向に伸縮を繰り返し、圧電素子１０全体として伸縮を繰り返す。圧電素子１０には、その構造や電気的特性により決定される固有の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波数が圧電素子１０の共振周波数と一致すると、インピーダンスが低下し、圧電素子１０の変位が増大する。圧電素子１０は、その外形寸法に対して変位が小さいため、低い電圧で駆動するためには、この共振現象を利用することが望ましい。
【００１２】
次に、本実施形態の圧電アクチュエータの構成を図３に示す。図３に示すように、２つの積層型圧電素子（第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’）を略直角に交差させて配置し、それらの交差側端部にチップ部材２０を接着剤により接合している。一方、第１及び第２圧電素子１０，１０’の他端部をベース部材３０に接着剤により接合している。なお、第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’は図１に示す圧電素子１０と実質的に同一であり、第２圧電素子１０’の各構成要素の符号にをそれぞれ（’）をつけて区別する。
【００１３】
第１及び第２圧電素子１０，１０’のいずれか１つを選択し、その圧電素子１０又は１０’を交流信号で駆動することにより、チップ部材２０を往復運動させることができる。例えば、第１圧電素子１０を駆動するとチップ部材２０は図中左右方向に往復運動する。このチップ部材２０を、例えば所定の軸の周りに回転可能なロータの円筒面４０に押しつけると、チップ部材２０の楕円運動（円運動を含む）をロータの回転運動に変換することが可能となる。または、チップ部材２０を、例えば棒状部材（図示せず）の平面部に押しつけることにより、チップ部材２０の楕円運動を棒状部材の直線運動に変換することが可能となる。
【００１４】
図３は、特に第１圧電素子１０を駆動し、第２圧電素子１０’により第１圧電素子１０の変位を検出する状態を示している。すなわち、第１圧電素子１０の各電極１２，１３は駆動電源１６に接続されており、所定周波数の交流駆動信号が印加されている。一方、第２圧電素子１０’の各電極１２’，１３’には検出器（電圧計）１７が接続されている。なお、第２圧電素子１０’を駆動する場合も同様であり、第１圧電素子と第２圧電素子の関係が入れ替わる。
【００１５】
図３に示す本実施形態の圧電アクチュエータでは、第１圧電素子１０と第２圧電素子１０’とを互いに９０度をなすように交差させて配置しているので、一方の圧電素子（例えば第１圧電素子１０）が伸縮すると、他方の圧電素子（第２圧電素子１０’）がその分極方向に直交する方向の力を受ける。第２圧電素子１０’に圧力が加わると、正電圧効果により第２圧電素子１０’のセラミック薄板１１’から電極１２’又は１３’に電荷が移動し、電極１２’と１３’との間に電圧が発生する。第２圧電素子１０’に加えられた力と第２圧電素子１０’が発生する電圧の関係は図２に示す関係と逆の関係にある。また、第２圧電素子１０’が第１圧電素子１０から受ける力は、第１圧電素子１０の変位量に比例すると見なすことができるので、第２圧電素子１０’が発生する電圧は、第１圧電素子１０の変位量に比例する。そのため、第２圧電素子１０’の電極１２’と１３’の間の電圧を測定することにより、第１圧電素子１０の変位量を知ることができる。なお、第１圧電素子１０は交流信号により駆動されて伸縮しているので、第２圧電素子１０’も交流電圧を出力し、その位相は第１圧電素子１０の変位の位相と一致する。
【００１６】
このように、一方の圧電素子１０又は１０’を駆動したときの変位は他方の圧電素子１０’又は１０が発生する電圧として検出することができるので、電圧の最大値が一定となるように駆動信号（交流電圧）の周波数を変化させ、圧電素子１０，１０’の共振状態を維持することが可能となる。
【００１７】
次に、本実施形態における駆動回路のブロック構成を図４に示す。発振器５０は、例えばコンデンサ及び抵抗等で構成されたＣＲ回路を用いて原信号を発生し、抵抗値を制御することにより原信号の周波数を変化させることができる。セレクタ５１は、例えばマルチプレクサ等を用いて、ロータ４０の回転方向に応じて原信号を伝達すべき圧電素子１０又は１０’を選択する。第１及び第２増幅器５２，５３は、それぞれトランジスタ等を用いて原信号を所定倍だけ増幅し、第１及び第２圧電素子１０，１０’に印加する。第１及び第２検出器５４，５５は、それぞれ第１及び第２圧電素子１０，１０’で発生した電荷を抵抗等を用いて電圧に変換し、発振器５０にフィードバックする。
【００１８】
セレクタ５１により第１圧電素子１０を選択した場合、原信号は第１増幅器５２に送信され、増幅された後第１圧電素子１０に印加される。第１圧電素子１０が変位すると、第２圧電素子１０’に第１圧電素子の変位に比例した電荷が発生し、第２検出器５５が電荷に比例した信号電圧を発生する。この信号電圧は発振器５０にフィードバックされ、第１圧電素子１０の最大変位量が所定値になるように、すなわち信号電圧の最大値が所定値となるように、原信号の周波数が変化される。その結果、第１圧電素子１０の共振状態が維持され、圧電アクチュエータの出力変動は非常に小さく、出力が安定する。
【００１９】
なお、上記実施形態では、圧電素子１０，１０’に印加する電圧値を制御したが、電流値を制御しても同様の効果が得られる。また、図３に示す圧電アクチュエータを紙面に垂直な方向にも配置して各圧電アクチュエータの変位を合成することにより、２軸の運動を実現することが可能となる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧電アクチュエータによれば、複数の圧電素子を互いに所定角度で交差するように配置し、いずれかの圧電素子を駆動信号により駆動し、各圧電素子の交差部分に設けられた駆動部材に所定の運動を生じさせるものであって、第１圧電素子が変位したときに、第２圧電素子に発生する起電圧の変化を用いて前記第１圧電素子の変位量を検出するので、別個独立した検出素子を設けることなく、簡単な構成で圧電素子の共振状態及び非共振状態を検出することができる。特に、圧電素子が発生する電圧はその変位量に比例する性質を利用して、駆動されていない圧電素子を駆動されている圧電素子の変位検出素子として用いているので、駆動されている圧電素子の変位量を正確に検出することが可能である。
【００２１】
また、第２圧電素子の出力信号が一定となるように第１圧電素子の駆動信号を変化させることにより、温度変化等により駆動されている圧電素子の共振周波数が変動しても、比較的短時間の内に当該圧電素子の共振状態を再現することができる。その結果、圧電アクチュエータの出力の変動が小さくなり、安定した出力を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータの一実施形態において用いる積層型圧電素子の構成を示す図である。
【図２】圧電素子における電界と変位の関係を示す図である。
【図３】上記一実施形態における圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図４】上記一実施形態における駆動回路の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０：第１圧電素子
１０’：第２圧電素子
１１、１１’ ：セラミック薄板
１２，１２’，１３，１３’：電極
１４，１５：信号線
１６：駆動電源
１７：検出器
２０：チップ部材
３０：ベース部材
４０：ロータ
５０：発振器
５１：セレクタ
５２：第１増幅器
５３：第２増幅器
５４：第１検出器
５５：第２検出器

Claims

複数の圧電素子を互いに所定角度で交差するように配置し、いずれかの圧電素子を駆動信号により駆動し、各圧電素子の交差部分に設けられた駆動部材に所定の運動を生じさせるものであって、第１圧電素子が変位したときに、第２圧電素子に発生する起電圧の変化を用いて前記第１圧電素子の変位量を検出することを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記第２圧電素子の出力信号が一定となるように前記第１圧電素子の駆動信号を変化させ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。