JP7205162B2 - 圧電駆動装置、ロボットおよびプリンター - Google Patents

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Description

本発明は、圧電駆動装置、ロボットおよびプリンターに関するものである。
特許文献１に記載の振動アクチュエーターは、複数の電気／機械エネルギー変換素子を備えた振動体を有している。このような振動アクチュエーターでは、振動体に位相の異なる複数相の交番信号を印加し、定在波を励起させることで振動体に伸縮振動と屈曲振動を生じさせる。これにより、振動体の作用部を円または楕円状の軌跡となるように振動させ、振動体とそれが接触する接触体とを相対的に移動させることができる。このようにして振動アクチュエーターが超音波モーターとして機能する。このような定在波を安定的に励起するためには、振動アクチュエーターの各個体に固有な特性に応じて、交番信号を制御することが求められる。
特開平１０－５２０７２号公報
１つの接触体に対して複数の振動アクチュエーターを配置することがある。この際、振動アクチュエーターには共振周波数の個体差があるため、適正に駆動させるには、振動アクチュエーターごとに駆動回路を用意したり、複数の振動アクチュエーターに対し、共通の駆動回路を用いることがある。しかし、振動アクチュエーターごとに駆動回路を用意すると、振動アクチュエーターの大型化を招き、一方、複数の振動アクチュエーターに対し、共通の駆動回路を用いると、一部の振動アクチュエーターの駆動が不安定になるという問題がある。
本発明の適用例に係る圧電駆動装置は、
振動部および前記振動部に配置されている先端部を備え、前記振動部が伸縮振動および屈曲振動することにより前記先端部が楕円運動する第１圧電振動体および第２圧電振動体と、
前記先端部の前記楕円運動により駆動される被駆動体と、
前記第１圧電振動体および前記第２圧電振動体に前記伸縮振動を発生させる伸縮振動駆動信号と、前記第１圧電振動体および前記第２圧電振動体に前記屈曲振動を発生させる屈曲振動駆動信号と、を出力する駆動信号生成回路と、
前記第１圧電振動体と前記駆動信号生成回路との間に設けられている第１昇圧回路と、
前記第２圧電振動体と前記駆動信号生成回路との間に設けられている第２昇圧回路と、
制御回路と、
を有し、
前記振動部は、
圧電体と前記圧電体に設けられている電極とを有する駆動用圧電素子と、
前記圧電体の振動を検出する検出用圧電素子と、
を備え、
前記制御回路は、
前記屈曲振動駆動信号を出力しない状態で、かつ、周波数をスイープしながら前記伸縮振動駆動信号を出力した状態で、前記第１圧電振動体が備える前記検出用圧電素子から第１検出信号を取得するとともに、前記第２圧電振動体が備える前記検出用圧電素子から第２検出信号を取得し、取得結果に基づいて、前記第１圧電振動体の共振周波数および前記第２圧電振動体の共振周波数を求める共振周波数取得部と、
前記第１圧電振動体の前記共振周波数と前記第２圧電振動体の前記共振周波数とが互いに近づくように、前記第１昇圧回路における前記伸縮振動駆動信号の昇圧幅および前記第２昇圧回路における前記伸縮振動駆動信号の昇圧幅を算出し、前記昇圧幅に基づいて前記第１昇圧回路および前記第２昇圧回路の動作を制御する昇圧幅演算部と、
を有する。
第１実施形態に係る圧電駆動装置を示す斜視図である。 図１の圧電駆動装置を示すブロック図である。 図２の制御装置を示すブロック図である。 図１に示す振動体の電極の配置を示す平面図である。 図１に示す振動体の電極の配置を示す平面図である。 図４および図５のＡ－Ａ線断面図である。 図４および図５のＢ－Ｂ線断面図である。 図４および図５のＣ－Ｃ線断面図である。 図２に示す振動部に印加する交番電圧を示す図である。 図１に示す振動部の駆動状態を示す図である。 図１に示す振動部の駆動状態を示す図である。 図１中のＥ－Ｅ線断面図である。 駆動信号の周波数と振動体の伸縮振幅との相関関係を示すグラフである。 駆動信号の交番電圧Ｖ２の振幅と振動体の伸縮振動および屈曲振動の各共振周波数との関係を示すグラフである。 図１３に示すグラフにおいて、第１圧電振動体の振動特性ｃＡ、第２圧電振動体の振動特性ｃＢおよび第３圧電振動体の振動特性ｃＣを互いに近づける制御の概念を説明するための図である。 第２実施形態に係る圧電駆動装置が有する制御装置を示すブロック図である。 図１６に示す制御装置において各振動体の共振周波数ｆ０を求める方法を説明するための図である。 第３実施形態に係るロボットを示す斜視図である。 第４実施形態に係るプリンターの全体構成を示す概略図である。
以下、本発明の圧電駆動装置、ロボットおよびプリンターの好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る圧電駆動装置を示す斜視図である。図２は、図１の圧電駆動装置を示すブロック図である。図３は、図２の制御装置を示すブロック図である。図４および図５は、それぞれ図１に示す振動体の電極の配置を示す平面図である。図６は、図４および図５のＡ－Ａ線断面図である。図７は、図４および図５のＢ－Ｂ線断面図である。図８は、図４および図５のＣ－Ｃ線断面図である。図９は、図２に示す振動部に印加する交番電圧を示す図である。図１０および図１１は、それぞれ図１に示す振動部の駆動状態を示す図である。図１２は、図１中のＥ－Ｅ線断面図である。なお、以下の説明では、説明の便宜上、図６ないし図８中の上側を「上」、下側を「下」ともいう。
また、以下では、説明の便宜上、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸とし、Ｘ軸に沿う方向をＸ軸方向、Ｙ軸に沿う方向をＹ軸方向、Ｚ軸に沿う方向をＺ軸方向とも言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」とも言い、矢印と反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｘ軸方向プラス側を「上」または「上側」とも言い、Ｘ軸方向マイナス側を「下」または「下側」とも言う。
図１に示す圧電駆動装置１は、回転モーター（超音波モーター）として利用され、回転軸Ｏまわりに回転可能なローター２（被駆動体）と、ローター２を回転させるように駆動する振動アクチュエーター３と、振動アクチュエーター３の駆動を制御する制御装置７と、を有している。また、振動アクチュエーター３は、複数の振動体４と、各振動体４をローター２に向けて付勢する付勢部材５と、を有している。
ローター２は、円板状をなしており、回転軸Ｏまわりに回転可能に軸受けされている。ただし、ローター２の構成としては、特に限定されない。このようなローター２には、その上面２１に当接するように複数の振動体４が配置されている。なお、本実施形態では、３つの振動体４が配置されているが、振動体４の数としては、特に限定されず、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。
また、図２に示す制御装置７は、３つの振動体４に対し、それぞれ駆動信号Ｓｄを出力するように構成されている。
なお、圧電駆動装置１は、直動モーター（リニアモーター）として利用されてもよい。この場合、圧電駆動装置１は、ローター２に代えて、振動アクチュエーター３の駆動によって直線移動するスライダーを有していればよい。
次に、振動体４について説明するが、３つの振動体４は、それぞれ同様の構成であるため、以下では、１つの振動体４について代表に説明し、その他の振動体４についてはその説明を省略する。
図４および図５に示すように、振動体４は、振動可能な振動部４１と、振動部４１を支持する支持部４２と、振動部４１および支持部４２を接続する一対の接続部４３と、振動部４１に設けられた先端部４４と、を有している。振動部４１は、Ｘ軸方向からの平面視で、伸縮方向であるＹ軸方向を長軸とする略長方形の板状をなしている。そして、振動部４１の長軸の先端に先端部４４が設けられている。また、支持部４２は、振動部４１の基端側を囲むＵ字形状となっている。なお、振動体４の形状は、その機能が発揮される限り、特に限定されない。
また、図４に示すように、振動部４１は、振動部４１を屈曲振動させるための駆動用の圧電素子６Ａ～６Ｆと、振動部４１の振動を検出するための検出用の圧電素子６Ｇと、を有する。
圧電素子６Ｃ、６Ｄは、それぞれ、振動部４１のＺ軸方向の中央部において、振動部４１の長手方向（Ｙ軸方向）に沿って配置されている。また、圧電素子６Ｃは、圧電素子６ＤよりもＹ軸方向プラス側に位置しており、一方、圧電素子６Ｄは、圧電素子６ＣよりもＹ軸方向マイナス側に位置している。そして、圧電素子６Ｃと圧電素子６Ｄとの間には、圧電素子６Ｇが配置されている。また、圧電素子６Ｃおよび圧電素子６Ｄは、図２および図４に示すように、互いに電気的に接続されている。
なお、２つの圧電素子６Ｃ、６Ｄに代えて、１つの圧電素子を設けるようにしてもよい。
また、圧電素子６Ｃ、６Ｄに対して振動部４１のＺ軸方向プラス側には圧電素子６Ａ、６Ｂが振動部４１の長手方向に並んで配置され、Ｚ軸方向マイナス側には圧電素子６Ｅ、６Ｆが振動部４１の長手方向に並んで配置されている。また、これら圧電素子６Ａ～６Ｆは、それぞれ、通電によって振動部４１の長手方向に伸縮する。また、図２に示すように、圧電素子６Ａ、６Ｆが互いに電気的に接続されており、圧電素子６Ｂ、６Ｅが互いに電気的に接続されている。そして、後述するように、圧電素子６Ｃ、６Ｄと、圧電素子６Ａ、６Ｆと、圧電素子６Ｂ、６Ｅとに、互いに位相が異なりかつ互いに同じ周波数の交番電圧を印加し、これらの伸縮タイミングをずらすことにより、振動部４１をその面内においてＳ字状に屈曲振動させることができる。
圧電素子６Ｇは、好ましくは圧電素子６Ｃと圧電素子６Ｄとの間に位置している。すなわち、圧電素子６Ｇは、圧電素子６Ｃ、６Ｄに対して、それらの伸縮方向に並んで配置されている。この圧電素子６Ｇは、圧電素子６Ａ～６Ｆの駆動に伴う振動部４１の振動に応じた外力を受け、受けた外力に応じた信号を出力する。そのため、圧電素子６Ｇから出力される信号に基づいて、振動部４１の振動状態を検知することができる。なお、「圧電素子６Ｇが圧電素子６Ｃ、６Ｄに対してその伸縮方向に並んで配置されている」とは、圧電素子６Ｃを伸縮方向に延長した領域と、圧電素子６Ｄを伸縮方向に延長した領域と、が重複する領域内に、圧電素子６Ｇの少なくとも一部が位置していることを意味し、好ましくは、圧電素子６Ｇの全体が位置していることを意味する。
また、圧電素子６Ｇは、振動部４１の屈曲振動の節となる部分に配置されている。屈曲振動の節とは、Ｚ軸方向への振幅が実質的に０（ゼロ）となる部分、すなわち実質的に屈曲振動が生じない部分である。このように、圧電素子６Ｇを圧電素子６Ｃ、６Ｄに対してその伸縮方向に並ぶように配置し、かつ、振動部４１の屈曲振動の節を含む部分に配置することにより、圧電素子６Ｇに振動部４１のＹ軸方向への伸縮振動が伝わり易くなるとともに、振動部４１のＺ軸方向への屈曲振動が伝わり難くなる。すなわち、圧電素子６Ｇにおいて、伸縮振動の感度を高めつつ、屈曲振動の感度を低下させることができる。そのため、圧電素子６Ｇによって、振動部４１のＹ軸方向への伸縮振動をより精度よく検出することができる。
ただし、圧電素子６Ｇの配置としては、振動部４１のＹ軸方向への伸縮振動を検出することができれば、特に限定されず、例えば、振動部４１の屈曲振動の腹となる部分に配置されていてもよい。また、圧電素子６Ｇを複数に分割するようにしてもよい。
また、支持部４２は、振動部４１を支持している。支持部４２は、Ｘ軸方向からの平面視で、振動部４１の基端側、すなわちＹ軸方向マイナス側を囲むＵ字形状となっている。ただし、支持部４２の形状や配置としては、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。
また、接続部４３は、振動部４１の屈曲振動の節となる部分、具体的には振動部４１のＹ軸方向の中央部と支持部４２とを接続している。ただし、接続部４３の構成は、その機能を発揮することができる限り、特に限定されない。
以上のような振動部４１および接続部４３は、図６ないし図８に示すように、２つの圧電素子ユニット６０を互いに向かい合わせて貼り合わせた構成となっている。すなわち、図６ないし図８に示す断面図では、圧電素子ユニット６０同士の構成が、これらの中間を通過する線に対して鏡像の関係を満たしている。また、支持部４２も、図示しないものの、２つの圧電素子ユニット６０を互いに向かい合わせて貼り合わせた構成となっている。各圧電素子ユニット６０は、基板６１と、基板６１上に配置された駆動用の圧電素子６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ、６０Ｅ、６０Ｆおよび検出用の圧電素子６０Ｇと、各圧電素子６０Ａ～６０Ｇを覆う保護層６３と、を有する。保護層６３は絶縁性を有するので絶縁部とも言える。基板６１としては、特に限定されないが、例えばシリコン基板を用いることができる。また、以下の説明では、図６ないし図８に示す２つの圧電素子ユニット６０のうち、各図の下方に位置する圧電素子ユニット６０を代表にして説明している。
圧電素子６０Ａ～６０Ｆは、それぞれ、図６および図８に示すように、基板６１上に配置された第１電極６０１と、第１電極６０１上に配置された圧電体６０２と、圧電体６０２上に配置された第２電極６０３と、を有する。すなわち、第１電極６０１は、圧電体６０２の下面６０２１に設けられ、第２電極６０３は、圧電体６０２の上面６０２２に設けられている。第１電極６０１、圧電体６０２および第２電極６０３は、それぞれ、圧電素子６０Ａ～６０Ｆに設けられている。すなわち、第１電極６０１および第２電極６０３は、駆動信号に基づき、駆動用の圧電素子６０Ａ～６０Ｆの各圧電体６０２を振動させる駆動用電極である。
一方、圧電素子６０Ｇは、図７に示すように、基板６１上に配置された第３電極６０４と、第３電極６０４上に配置された圧電体６０２と、圧電体６０２上に配置された第４電極６０６と、を有する。すなわち、第３電極６０４は、圧電体６０２の下面６０２１に設けられ、第４電極６０６は、圧電体６０２の上面６０２２に設けられている。第３電極６０４は、第１電極６０１と個別に設けられ、第４電極６０６は、第２電極６０３と個別に設けられている。すなわち、第３電極６０４および第４電極６０６は、検出用の圧電素子６０Ｇの圧電体６０２の振動に応じた検出信号を、後述する制御装置７へ出力する検出用電極である。
なお、本実施形態では、図５に示すように、第１電極６０１と第３電極６０４とを個別の電極としているが、これらは１つの共通した電極になっていてもよい。
また、第１電極６０１、第２電極６０３、第３電極６０４、および第４電極６０６は、図示しない配線を介して制御装置７と電気的に接続されている。なお、図４および図５は、圧電体６０２を介した異なる階層を図示した平面図であり、このうち、図４は、第２電極６０３および第４電極６０６が設けられている階層を図示しており、一方、図５は、第１電極６０１および第３電極６０４が設けられている階層を図示している。
以上のような２つの圧電素子ユニット６０は、圧電素子６０Ａ～６０Ｇが配置されている側の面を対向させた状態で、接着剤６９を介して接合されている。なお、圧電素子ユニット６０は、それ単独で用いられてもよい。また、貼り合わせる数も、２つに限定されず、３つ以上であってもよい。
また、各圧電素子６０Ａの第１電極６０１同士が図示しない配線等を介して電気的に接続されている。また、各圧電素子６０Ａの第２電極６０３同士が図示しない配線等を介して電気的に接続されている。そして、これら２つの圧電素子６０Ａから圧電素子６Ａが構成されている。他の圧電素子６０Ｂ～６０Ｆについても同様であり、２つの圧電素子６０Ｂから圧電素子６Ｂが構成され、２つの圧電素子６０Ｃから圧電素子６Ｃが構成され、２つの圧電素子６０Ｄから圧電素子６Ｄが構成され、２つの圧電素子６０Ｅから圧電素子６Ｅが構成され、２つの圧電素子６０Ｆから圧電素子６Ｆが構成されている。
一方、各圧電素子６０Ｇの第３電極６０４同士が図示しない配線等を介して電気的に接続されている。また、各圧電素子６０Ｇの第４電極６０６同士が図示しない配線等を介して電気的に接続されている。そして、これら２つの圧電素子６０Ｇから圧電素子６Ｇが構成されている。
圧電体６０２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、タングステン酸ナトリウム、酸化亜鉛、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳＢＴ）、メタニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の圧電セラミックスを用いることができる。また、圧電体６０２としては、上述した圧電セラミックスの他にも、ポリフッ化ビニリデン、水晶等を用いてもよい。
また、圧電体６０２の形成方法としては、特に限定されず、バルク材料から形成してもよいし、ゾル－ゲル法やスパッタリング法を用いて形成してもよい。本実施形態では、圧電体６０２をゾル－ゲル法を用いて形成している。これにより、例えばバルク材料から形成する場合と比べて薄い圧電体６０２が得られ、振動体４の薄型化を図ることができる。
先端部４４は、振動部４１の先端に設けられ、振動部４１からＹ軸方向プラス側へ突出している。そして、先端部４４は、ローター２の上面２１と接触している。そのため、振動部４１の振動は、先端部４４を介してローター２に伝達される。先端部４４の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、ジルコニア、アルミナ、チタニア等の各種セラミックスが挙げられる。これにより、耐久性に優れた先端部４４となる。
このような振動体４において、図９に示す交番電圧Ｖ１を圧電素子６Ａ、６Ｆに印加し、交番電圧Ｖ２を圧電素子６Ｃ、６Ｄに印加し、交番電圧Ｖ３を圧電素子６Ｂ、６Ｅに印加すると、図１０に示すように、振動部４１がＹ軸方向に伸縮振動しつつＺ軸方向にＳ字状に屈曲振動する。このとき、圧電素子６Ｃ、６Ｄに印加される交番電圧Ｖ２は、振動部４１に伸縮振動を発生させる。一方、圧電素子６Ａ、６Ｆに印加される交番電圧Ｖ１および圧電素子６Ｂ、６Ｅに印加される交番電圧Ｖ３は、振動部４１に屈曲振動を発生させる。つまり、交番電圧Ｖ２は、振動部４１に伸縮振動を発生させる伸縮振動駆動信号であり、交番電圧Ｖ１、Ｖ３は、それぞれ振動部４１に屈曲振動を発生させる屈曲振動駆動信号である。そして、これらの振動が合成されると、先端部４４の先端が矢印Ａ１で示すように反時計回りに楕円軌道を描く楕円運動する。したがって、交番電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３が圧電駆動装置１における駆動信号Ｓｄである。このような先端部４４の楕円運動によってローター２が送り出され、ローター２が矢印Ｂ１で示す図１０の右方向に回転する。また、このような振動部４１の振動に対応して、圧電素子６Ｇから検出信号Ｓｓが出力される。なお、検出信号Ｓｓの周波数は、駆動信号Ｓｄの周波数とほぼ等しくなる。
なお、矢印Ａ１で示す先端部４４の楕円運動では、点Ａ１’から点Ａ１”までは、先端部４４がローター２の上面２１と当接してローター２を矢印Ｂ１の方向に送り出し、点Ａ１”から点Ａ１’までは、先端部４４がローター２の上面２１から離間している。そのため、点Ａ１”から点Ａ１’までは、ローター２の矢印Ｂ１とは反対側への回転が抑制される。
また、交番電圧Ｖ１、Ｖ３を切り換えると、すなわち交番電圧Ｖ１を圧電素子６Ｂ、６Ｅに印加し、交番電圧Ｖ２を圧電素子６Ｃ、６Ｄに印加し、交番電圧Ｖ３を圧電素子６Ａ、６Ｆに印加すると、図１１に示すように、振動部４１がＹ軸方向に伸縮振動しつつＺ軸方向にＳ字状に屈曲振動する。このときも、圧電素子６Ｃ、６Ｄに印加される交番電圧Ｖ２は、振動部４１に伸縮振動を発生させる。一方、圧電素子６Ｂ、６Ｅに印加される交番電圧Ｖ１および圧電素子６Ａ、６Ｆに印加される交番電圧Ｖ３は、振動部４１に屈曲振動を発生させる。そして、これらの振動が合成されると、先端部４４が矢印Ａ２で示すように時計回りに楕円運動する。このような先端部４４の楕円運動によってローター２が送り出され、ローター２が矢印Ｂ２で示す図１１の左方向に回転する。また、このような振動部４１の振動に対応して、圧電素子６Ｇから検出信号Ｓｓが出力される。なお、検出信号Ｓｓの周波数は、駆動信号Ｓｄの周波数とほぼ等しくなる。
なお、矢印Ａ２で示す先端部４４の楕円運動では、点Ａ２’から点Ａ２”までは、先端部４４がローター２の上面２１と当接してローター２を矢印Ｂ２の方向に送り出し、点Ａ２”から点Ａ２’までは、先端部４４がローター２の上面２１から離間している。そのため、点Ａ２”から点Ａ２’までは、ローター２の矢印Ｂ２とは反対側への回転が抑制される。
本実施形態に係る交番電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、周波数が互いに等しく、位相が互いに異なっている。ただし、本実施形態では、ローター２を少なくとも一方向に回転させることができれば、圧電素子６Ａ～６Ｆに印加する交番電圧のパターンは、特に限定されない。また、圧電素子６Ａ～６Ｆに印加する電圧は、交番電圧でなく、例えば、間欠的に印加する直流電圧でもよい。
また、振動部４１は、前述したように、圧電体６０２と、この圧電体６０２に設けられている第１電極６０１および第２電極６０３と、を有する圧電素子６Ａ～６Ｆ（駆動用圧電素子）を備えている。この振動部４１における伸縮振動および屈曲振動は、それぞれ、圧電体６０２と第１電極６０１との界面、すなわち第１電極６０１の表面に平行な平面における振動である。
これにより、振動部４１における振動効率が高くなり、消費電力の小さい圧電駆動装置１を実現することができる。
なお、本明細書における「平行」とは、前述した伸縮振動および屈曲振動の振動面と第１電極６０１の表面とのなす角度が０°の状態に加え、この角度が±５°の範囲内にある状態を指す概念である。
なお、先端部４４は、必要に応じて設けられればよく、その他の部材で代替されてもよい。
付勢部材５は、先端部４４をローター２の上面２１に向けて付勢する部材である。付勢部材５は、図１２に示すように、振動体４の上面側、すなわちＸ軸方向プラス側に位置する第１基板５１と、振動体４の下面側、すなわちＸ軸方向マイナス側に位置する第２基板５２と、を有する。そして、第１基板５１と第２基板５２とで振動体４を挟み込んでいる。なお、第１基板５１および第２基板５２としては、特に限定されないが、例えば、シリコン基板を用いることができる。
ここで、本実施形態では、１つの振動体４を第１基板５１および第２基板５２で挟み込んでいるが、これに限定されず、例えば、複数の振動体４が積層してなる積層体を第１基板５１および第２基板５２で挟み込んだ構成であってもよい。これにより、１つの圧電駆動装置１に含まれる振動体４の数が増えるため、その分、大きいトルクでローター２を回転させることができる。
また、図１２に示すように、支持部５１２、５２２の間には、振動体４と等しい厚さの間座５３が設けられている。また、当該部分には、Ｘ軸方向に貫通する貫通孔５９が形成されており、この貫通孔５９を利用して、付勢部材５が筐体等にねじ止めされる。図１に示すばね部５１３をＹ軸方向に撓ませた状態で付勢部材５を前記筐体等に固定することにより、ばね部５１３の復元力を利用して先端部４４をローター２の上面２１に向けて付勢することができる。
なお、付勢部材５の構成は、先端部４４をローター２の上面２１に向けて付勢することができれば、特に限定されない。例えば、第１基板５１および第２基板５２のいずれか一方を省略してもよい。また、例えば、付勢部材５として、コイルスプリング、板ばね等を用いるようにしてもよい。
以上、振動体４の構成について説明したが、振動体４の構成としては、特に限定されない。例えば、支持部４２および接続部４３を省略するようにしてもよい。
次に、制御装置７について説明する。
制御装置７は、図２に示すように、検出信号処理回路７１と、駆動信号生成回路７２と、を有する。また、制御装置７は、振動体４ごとに設けられた昇圧回路７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃを有している。
以下、各回路について説明するが、図２では、説明の便宜上、３つの振動体４を、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂ、第３圧電振動体４Ｃとする。
検出信号処理回路７１は、図３に示すように、振動体４からの検出信号Ｓｓを取得する。そして、振動体４ごとに、駆動信号Ｓｄと検出信号Ｓｓとの位相差θを検出する。検出した位相差θのデータは、駆動信号生成回路７２に出力される。なお、本実施形態において検出信号Ｓｓを取得する対象の振動体４は、図２に示すように第２圧電振動体４Ｂとしているが、第１圧電振動体４Ａや第３圧電振動体４Ｃであってもよく、３つの振動体４のうちのいずれかが適宜選択されるようになっていてもよい。
検出信号処理回路７１は、図３に示すように、振動体４の屈曲振動に伴って圧電素子６Ｇから出力されるアナログ信号である検出信号Ｓｓを２値化して、デジタル信号である検出パルス信号Ｐｓを生成する検出パルス信号生成部７１Ｓと、駆動パルス信号Ｐｄと検出パルス信号Ｐｓとの位相差θを取得する位相差取得部７１Ｐと、を備えている。
駆動信号生成回路７２は、検出信号処理回路７１からの位相差θのデータを取得し、この位相差θのデータに基づいて駆動信号Ｓｄの周波数を随時変化させる。例えば位相差θが所定値を追尾するように、駆動信号Ｓｄの周波数を随時変化させる。位相差θは、振動体４の振幅との間に相関関係を有するため、これを利用することでローター２の回転状態を変化させることができる。
また、本実施形態に係る駆動信号生成回路７２は、図３に示すように、駆動信号Ｓｄを生成するための駆動パルス信号Ｐｄ（デジタル信号）を生成する駆動パルス信号生成部７２Ｐと、駆動パルス信号生成部７２Ｐで生成された駆動パルス信号Ｐｄからアナログ信号である駆動信号Ｓｄを生成する駆動信号生成部７２Ｓと、を備えている。
このうち、駆動パルス信号生成部７２Ｐで生成される駆動パルス信号Ｐｄは、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗに２値化された矩形波である。駆動パルス信号生成部７２Ｐでは、駆動パルス信号Ｐｄのデューティーを変化させることで、駆動信号Ｓｄの振幅を変更することができる。
また、駆動パルス信号生成部７２Ｐは、図３に示すように、交番電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３やその位相を異ならせた信号を生成するために、第１駆動パルス信号生成部７２１Ｐ、第２駆動パルス信号生成部７２２Ｐ、および第３駆動パルス信号生成部７２３Ｐを備えている。
そして、駆動信号生成部７２Ｓも、図３に示すように、第１駆動パルス信号生成部７２１Ｐと接続された第１駆動信号生成部７２１Ｓと、第２駆動パルス信号生成部７２２Ｐと接続された第２駆動信号生成部７２２Ｓと、第３駆動パルス信号生成部７２３Ｐと接続された第３駆動信号生成部７２３Ｓと、を有している。
以上のような制御装置７を用いて圧電駆動装置１を駆動することができる。
ところで、本実施形態に係る圧電駆動装置１のように、並列に配置した複数の振動体４を同時に用いる場合、複数の振動体４の振動特性を互いに近づけることが望ましい。この振動特性は、例えば、駆動信号Ｓｄの周波数ｆと振動体４の伸縮振幅ｂとの相関関係で表すことができる。図１３は、駆動信号Ｓｄの周波数ｆと振動体４の伸縮振幅ｂとの相関関係を示すグラフである。
振動体４には、それぞれ固有の振動特性が存在している。このような固有の振動特性は、例えば製造誤差や環境変化、経時変化等による個体差に基づくものである。
具体例として、図１３には、第１圧電振動体４Ａの振動特性ｃＡ、第２圧電振動体４Ｂの振動特性ｃＢ、第３圧電振動体４Ｃの振動特性ｃＣと、を図示している。図１３に示す振動特性ｃＡ、ｃＢ、ｃＣの曲線は、互いに図１３の左右方向にずれており、そのずれが前述した個体差を反映している。また、この曲線のピークに対応する周波数ｆを共振周波数ｆ０とすると、前述した曲線のずれに応じて共振周波数ｆ０もシフトしている。
このような振動特性の個体差が存在していることから、圧電駆動装置１において複数の振動体４を用いた場合、仮に同じ駆動信号Ｓｄを入力したとしても、複数の振動体４の全てにおいて安定した振動を発生させることが難しいという課題がある。
一方、本発明者は、交番電圧Ｖ２の振幅と振動体４の共振周波数ｆ０との間に相関関係があることを見出した。前述したように、交番電圧Ｖ２は、圧電素子６Ｃ、６Ｄに印加され、振動部４１の伸縮振動、すなわち振動部４１の縦向きに伸び縮みする振動を発生させる。
そこで、本実施形態では、前述した相関関係に基づき、伸縮振動駆動信号である交番電圧Ｖ２の振幅を適宜変更することにより、振動特性ｃＡ、ｃＢ、ｃＣを調整する。このような調整を振動体４ごとに行うことで、前述した振動特性のずれ、すなわち共振周波数ｆ０のずれを揃える調整が可能になる。これにより、複数の振動体４に対して共通の駆動信号生成回路７２を用いた場合でも、複数の振動体４に安定した振動を発生させることが可能になる。その結果、回路構成の簡略化を図りつつ、振動アクチュエーター３を安定して駆動することができる。
図１４は、交番電圧Ｖ２の振幅と振動体４の伸縮振動および屈曲振動の各共振周波数ｆ０との関係を示すグラフである。図１４に示すように、伸縮振動の共振周波数ｆ０は、交番電圧Ｖ２の振幅が大きくなるにつれて減少している。一方、屈曲振動の共振周波数ｆ０は、交番電圧Ｖ２の振幅が大きくなってもほぼ一定である。
このような伸縮振動の特性を踏まえると、振動体４ごとに交番電圧Ｖ２の振幅を異ならせる、つまり交番電圧Ｖ２を昇圧することができれば、交番電圧Ｖ２の振幅に基づいて、伸縮振動の共振周波数ｆ０を変化させることができる。そして、これにより、伸縮振動の共振周波数ｆ０を互いに近づけるという調整が可能になり、ひいては、前述した振動特性ｃＡ、ｃＢ、ｃＣを互いに近づけることが可能になる。その結果、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃに対し、共通の駆動信号生成回路７２を接続したとしても、それぞれ安定した振動を発生させることができる。
このような制御は、本実施形態に係る制御装置７によって実現される。本実施形態に係る制御装置７は、前述した検出信号処理回路７１および駆動信号生成回路７２に加え、図２に示す制御回路７３を有している。図２に示す制御回路７３は、ＩＤ読取部７３１と、昇圧幅演算部７３２と、を備えている。
ＩＤ読取部７３１は、各振動体４が有する固有情報、すなわちＩＤを読み取る機能を有する。具体的には、ＩＤ読取部７３１は、第１圧電振動体４Ａが有するＩＤ記憶部４０Ａ、第２圧電振動体４Ｂが有するＩＤ記憶部４０Ｂ、および第３圧電振動体４Ｃが有するＩＤ記憶部４０Ｃにそれぞれアクセスし、記憶されているＩＤを読み取る機能を有する。
ＩＤ記憶部４０Ａには、第１圧電振動体４Ａの個体差に関する情報がＩＤとして記憶されている。具体的には、第１圧電振動体４Ａに固有な共振周波数ｆ０を示す情報またはそれを導き得る間接的な情報の他、目標の共振周波数に合わせるために印加すべき交番電圧Ｖ２の振幅を示す情報またはそれを導き得る間接的な情報等がＩＤとして記憶されている。
同様に、ＩＤ記憶部４０Ｂには、第２圧電振動体４Ｂに固有な各種情報がＩＤとして記憶され、ＩＤ記憶部４０Ｃには、第３圧電振動体４Ｃに固有な各種情報がＩＤとして記憶されている。
なお、共振周波数ｆ０またはそれを導き得る情報については、特に限定されないが、例えば、既知の条件においてあらかじめ求めた数値等が挙げられる。
ＩＤ読取部７３１がこれらのＩＤ記憶部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃに記憶されている情報にアクセスすると、記憶されている情報が読み取られる。読み取った情報は、昇圧幅演算部７３２に出力される。
ＩＤ記憶部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃとしては、各種情報を記憶し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、ＲＯＭ（Read only memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶素子、１次元バーコード、２次元バーコードのようなバーコード、ホログラム、文字列、記号、模様等が挙げられる。また、記憶の方式も、特に限定されず、ＩＤ読取部７３１において再生可能な方式であれば、いかなる方式であってもよい。
一方、ＩＤ読取部７３１も、このようなＩＤ記憶部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃに記憶している各種情報を読み取り得るものであれば、特に限定されない。
昇圧幅演算部７３２は、ＩＤ読取部７３１で読み取った情報を取得した後、必要に応じてその情報を変換する。そして、昇圧幅演算部７３２では、読み取った情報に基づき、各振動体４の振動特性が互いに近づくように、各振動体４に印加する交番電圧Ｖ２の昇圧幅を算出する。
一例として、ＩＤ記憶部４０Ａに、第１圧電振動体４Ａの共振周波数ｆ０１が記憶され、ＩＤ記憶部４０Ｂに、第２圧電振動体４Ｂの共振周波数ｆ０２が記憶され、ＩＤ記憶部４０Ｃに、第３圧電振動体４Ｃの共振周波数ｆ０３が記憶されていると仮定する。この場合、昇圧幅演算部７３２では、あらかじめ記憶しておいた図１４に示すような相関関係に照らし、これらの共振周波数ｆ０１、ｆ０２、ｆ０３が互いに近づくように、第１圧電振動体４Ａに印加される交番電圧Ｖ２の昇圧幅、第２圧電振動体４Ｂに印加される交番電圧Ｖ２の昇圧幅、および、第３圧電振動体４Ｃに印加される交番電圧Ｖ２の昇圧幅を算出する。なお、昇圧幅は０（ゼロ）であってもよいし、昇圧幅がマイナス、つまり降圧幅であってもよい。すなわち、本明細書における昇圧は、マイナスの昇圧である降圧も含む概念である。また、以下の説明では、共振周波数ｆ０１、ｆ０２、ｆ０３を区別することなく単に「共振周波数ｆ０」ということもある。
制御装置７は、前述したように、駆動信号生成回路７２と第１圧電振動体４Ａの圧電素子６Ｃ、６Ｄとの間に設けられた昇圧回路７５Ａ（第１昇圧回路）と、駆動信号生成回路７２と第２圧電振動体４Ｂの圧電素子６Ｃ、６Ｄとの間に設けられた昇圧回路７５Ｂ（第２昇圧回路）と、駆動信号生成回路７２と第３圧電振動体４Ｃの圧電素子６Ｃ、６Ｄとの間に設けられた昇圧回路７５Ｃ（第３昇圧回路）と、を有する。
昇圧幅演算部７３２で算出された各昇圧幅は、昇圧回路７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃに出力される。これにより、昇圧回路７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃでは、算出された昇圧幅に基づいて、交番電圧Ｖ２を昇圧する。その結果、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃの各振動特性を、互いに近づけることが可能になる。その結果、共通の駆動信号生成回路７２から、３つの振動体４に対して互いに同じ振幅の交番電圧Ｖ２（駆動電圧Ｓｄ）が出力されたとしても、昇圧回路７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃにおいてその交番電圧Ｖ２の昇圧幅が適宜調整されることにより、３つの振動体４のいずれにおいても安定した振動を発生させることができる。そして、圧電駆動装置１の全体において良好な性能を発揮させることができる。また、３つの振動体４で共通の駆動信号生成回路７２を用い、昇圧前の段階では同じ駆動信号Ｓｄを用いて駆動可能であるため、大きな出力で安定した駆動が可能であるとともに、小型化が容易な圧電駆動装置１が得られる。
図１５は、図１３に示すグラフにおいて、第１圧電振動体４Ａの振動特性ｃＡ、第２圧電振動体４Ｂの振動特性ｃＢおよび第３圧電振動体４Ｃの振動特性ｃＣを互いに近づける制御の概念を説明するための図である。図１５では、具体例として、振動特性ｃＡおよび振動特性ｃＣを、それぞれ振動特性ｃＢに近づける制御について説明している。
図１５の例では、まず、ＩＤ読取部７３１において第１圧電振動体４Ａの共振周波数ｆ０１を読み取る。次に、昇圧幅演算部７３２において、読み取った共振周波数ｆ０１と目標の周波数である共振周波数ｆ０２との差を算出する。次に、算出した差を図１４に示す相関関係に照らし、第１圧電振動体４Ａに印加される交番電圧Ｖ２の昇圧幅を算出する。このようにして算出した昇圧幅を昇圧回路７５Ａに入力し、交番電圧Ｖ２を昇圧する。
同様に、ＩＤ読取部７３１において第２圧電振動体４Ｂの共振周波数ｆ０２を読み取る。次に、昇圧幅演算部７３２において、読み取った共振周波数ｆ０２と目標の周波数である共振周波数ｆ０２との差を算出する。この例では、差が０（ゼロ）であるため、第２圧電振動体４Ｂに印加される交番電圧Ｖ２の昇圧幅も０となる。
同様に、ＩＤ読取部７３１において第３圧電振動体４Ｃの共振周波数ｆ０３を読み取る。次に、昇圧幅演算部７３２において、読み取った共振周波数ｆ０３と目標の周波数である共振周波数ｆ０２との差を算出する。次に、算出した差を図１４に示す相関関係に照らし、第３圧電振動体４Ｃに印加される交番電圧Ｖ２の昇圧幅を算出する。このようにして算出した昇圧幅を昇圧回路７５Ｃに入力し、交番電圧Ｖ２を昇圧する。
以上のようにして、図１５に示すように、共振周波数ｆ０１、ｆ０３をそれぞれ共振周波数ｆ０２に近づけることができ、振動特性ｃＡおよび振動特性ｃＣを、それぞれ振動特性ｃＢに近づけることができる。
なお、図１５では、共振周波数ｆ０１、ｆ０３をそれぞれ共振周波数ｆ０２に近づける制御の例を示しているが、制御方法はこれに限定されない。例えば、目標の周波数は、共振周波数ｆ０１または共振周波数ｆ０３であってもよく、共振周波数ｆ０１、ｆ０２、ｆ０３以外の任意の目標値であってもよい。
以上のように、本実施形態に係る圧電駆動装置１は、振動部４１および振動部４１に配置されている先端部４４を備え、振動部４１が伸縮振動および屈曲振動することにより、先端部４４が楕円運動する第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃと、先端部４４の楕円運動により駆動されるローター２（被駆動体）と、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃに交番電圧Ｖ２（伸縮振動駆動信号）および交番電圧Ｖ１、Ｖ３（屈曲振動駆動信号）を出力する駆動信号生成回路７２と、第１圧電振動体４Ａと駆動信号生成回路７２との間に設けられている昇圧回路７５Ａ（第１昇圧回路）と、第２圧電振動体４Ｂと駆動信号生成回路７２との間に設けられている昇圧回路７５Ｂ（第２昇圧回路）と、第３圧電振動体４Ｃと駆動信号生成回路７２との間に設けられている昇圧回路７５Ｃ（第３昇圧回路）と、を有している。
また、圧電駆動装置１は、昇圧回路７５Ａにおける交番電圧Ｖ２の昇圧幅、昇圧回路７５Ｂにおける交番電圧Ｖ２の昇圧幅、および昇圧回路７５Ｃにおける交番電圧Ｖ２の昇圧幅をそれぞれ制御する制御回路７３を有している。そして、制御回路７３は、第１圧電振動体４Ａの共振周波数ｆ０１、第２圧電振動体４Ｂの共振周波数ｆ０２、および、第３圧電振動体４Ｃの共振周波数ｆ０３が互いに近づくように制御する。
このような圧電駆動装置１によれば、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃという３つの振動体４に対し、１つの駆動信号生成回路７２から同じ駆動信号Ｓｄを出力したとしても、その後の昇圧幅の制御により、安定した駆動が可能になる。このため、大きな出力でも安定した駆動が可能で、かつ小型化が容易な圧電駆動装置１が得られる。
また、前述したように、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃは、それぞれの記憶部、すなわちＩＤ記憶部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを備えている。さらに、前述したように、制御回路７３は、ＩＤ記憶部４０Ａ（第１記憶部）に記憶された第１圧電振動体４Ａの固有情報、ＩＤ記憶部４０Ｂ（第２記憶部）に記憶された第２圧電振動体４Ｂの固有情報、および、ＩＤ記憶部４０Ｃ（第３記憶部）に記憶された第３圧電振動体４Ｃの固有情報に基づき、昇圧回路７５Ａ（第１昇圧回路）における交番電圧Ｖ２の昇圧幅、昇圧回路７５Ｂ（第２昇圧回路）における交番電圧Ｖ２の昇圧幅、および、昇圧回路７５Ｃ（第３昇圧回路）における交番電圧Ｖ２の昇圧幅を求める。
このような制御回路７３によれば、各振動体４の個体差に基づく振動特性のバラつき、すなわち共振周波数ｆ０のバラつきを、各振動体４に付随する固有情報に基づいて容易に把握することができる。そして、昇圧幅演算部７３２では、これらの共振周波数ｆ０のバラつきに基づいて、各昇圧回路７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃにおける昇圧幅を容易に求めることができる。したがって、制御回路７３の回路構成が簡単になるとともに、圧電駆動装置１の小型化および低コスト化を図ることができる。
なお、制御装置７は、例えばＣＰＵのようなプロセッサー、メモリー、インターフェース等を有するコンピューターで構成される。そして、メモリーに格納されている所定のプログラムをプロセッサーによって実行することにより、各部の作動が制御される。なお、プログラムは、インターフェースを介して外部からダウンロードされたものであってもよい。また、制御装置７の構成の全部または一部が、圧電駆動装置１の外部に設けられ、ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）等の通信網を介して接続された構成であってもよい。
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る圧電駆動装置について説明する。
図１６は、第２実施形態に係る圧電駆動装置が有する制御装置を示すブロック図である。
以下、第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、図１６において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
第２実施形態は、制御装置の構成が異なる以外、第１実施形態と同様である。
図１６に示す制御装置７Ａは、検出信号処理回路７１と、駆動信号生成回路７２と、制御回路７３Ａと、検出信号選択回路７４と、を有する。
検出信号選択回路７４は、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃの各圧電素子６Ｇと電気的に接続され、それぞれの圧電素子６Ｇから検出信号Ｓｓを個別に取得する。そして、取得した検出信号Ｓｓを検出信号処理回路７１に出力する。一方、検出信号選択回路７４には、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃのうち、いずれからの検出信号Ｓｓを出力するかについて、制御回路７３Ａからの信号選択指示が入力される。検出信号選択回路７４では、この指示に基づいて信号選択を実行する。
制御回路７３Ａは、信号選択指示部７３３と、共振周波数取得部７３４と、昇圧幅演算部７３２と、を備えている。
信号選択指示部７３３は、前述した検出信号選択回路７４に信号選択指示を出力する。これにより、制御回路７３Ａは、複数の振動体４のうち、目的とする振動体４の検出信号Ｓｓを選択的に取得することができる。
共振周波数取得部７３４は、後に詳述するが、検出信号選択回路７４から出力された検出信号Ｓｓと、駆動信号生成回路７２から取得した駆動信号Ｓｄと、により、各振動体４の共振周波数ｆ０を求める。そして、求めた共振周波数ｆ０を昇圧幅演算部７３２に出力する。
なお、振動部４１は、前述したように、圧電体６０２の振動を検出する圧電素子６Ｇ（検出用圧電素子）を備えている。そして、本実施形態に係る圧電駆動装置１は、第１圧電振動体４Ａからの検出信号Ｓｓ（第１検出信号）、第２圧電振動体４Ｂからの検出信号Ｓｓ（第２検出信号）、または、第３圧電振動体４Ｃからの検出信号Ｓｓ（第３検出信号）を選択して取得する検出信号選択回路７４を有している。
このような圧電駆動装置１によれば、複数の振動体４に対し、検出信号Ｓｓを処理する検出信号処理回路７１や後述する共振周波数取得部７３４の数が１つであっても、例えば時分割で各振動体４からの検出信号Ｓｓを取得するなどして処理することができる。これにより、複数の振動体４を用いることによる圧電駆動装置１の出力の増強を図りつつ、装置の大型化を抑制することができる。
また、本実施形態に係る制御回路７３Ａは、交番電圧Ｖ２と、第１圧電振動体４Ａからの検出信号Ｓｓ（第１検出信号）、第２圧電振動体４Ｂからの検出信号Ｓｓ（第２検出信号）および第３圧電振動体４Ｃからの検出信号Ｓｓ（第３検出信号）と、に基づき、第１圧電振動体４Ａの共振周波数ｆ０１、第２圧電振動体４Ｂの共振周波数ｆ０２および第３圧電振動体４Ｃの共振周波数ｆ０３を求める共振周波数取得部７３４を備えている。
さらに、制御回路７３Ａは、共振周波数ｆ０１、共振周波数ｆ０２および共振周波数ｆ０３に基づき、昇圧回路７５Ａ（第１昇圧回路）における交番電圧Ｖ２の昇圧幅、昇圧回路７５Ｂ（第２昇圧回路）における交番電圧Ｖ２の昇圧幅、および、昇圧回路７５Ｃ（第３昇圧回路）における交番電圧Ｖ２の昇圧幅を求める昇圧幅演算部７３２を備えている。
このような制御回路７３Ａによれば、各振動体４に付属するＩＤから共振周波数ｆ０を取得していた第１実施形態とは異なり、各振動体４に固有の共振周波数ｆ０を、任意のタイミングで取得することができる。そして、取得した共振周波数ｆ０に基づき、第１実施形態と同様、各振動体４に印加する交番電圧Ｖ２の昇圧幅を、適宜変更することができる。
次に、図１６に示す制御装置７Ａによる圧電駆動装置１の制御方法について説明する。また、図１７は、図１６に示す制御装置７Ａにおいて各振動体４の共振周波数ｆ０を求める方法を説明するための図である。
まず、信号選択指示部７３３により、検出信号選択回路７４に向けて信号選択指示を出力する。この指示により、検出信号選択回路７４では、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃのうちのいずれかを選択し、その振動体の圧電素子６Ｇに対して電気的接続を図る。このとき、振動体４ごとに接続タイミングが重ならないように、時分割で順次接続するように指示するようにすれば、回路を並列化する必要がない分、有利である。
次に、共振周波数取得部７３４から駆動信号生成回路７２に向けて駆動信号出力指示を出力する。このときの駆動信号は、圧電素子６Ｃ、６Ｄに対する交番電圧Ｖ２のみである。すなわち、交番電圧Ｖ１、Ｖ３については印加しない。そして、図１７に矢印で示すように、印加する交番電圧Ｖ２の周波数をダウンスイープするように指示する。そして、ダウンスイープの過程で圧電素子６Ｇから出力される電圧、すなわちピックアップ電圧を、検出信号選択回路７４を介して共振周波数取得部７３４で取得する。
このようにして取得された交番電圧Ｖ２の周波数、および、交番電圧Ｖ２の周波数とピックアップ電圧の周波数との位相差、の関係を示すグラフを図１７に示す。図１７に示すように、交番電圧Ｖ２の周波数を下げつつ位相差を求めると、位相差が徐々に大きくなる曲線が得られる。
共振周波数取得部７３４では、このような関係に基づき、位相差が９０°になるときの交番電圧Ｖ２の周波数を求める。こうして求めた周波数を、振動体４の共振周波数ｆ０とする。なお、共振周波数ｆ０の求め方は、これに限定されない。例えば位相差に基づいて求めるのではなく、ピックアップ電圧がピークをとるときの周波数を、振動体４の共振周波数ｆ０として求めるようにしてもよい。
また、このようにして共振周波数ｆ０を求める際の交番電圧Ｖ２の振幅は、特に限定されないが、例えば図１４に示す横軸に含まれる電圧に設定される。図１４に示すグラフの場合、例えば２Ｖに設定される。
以上のようにして、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃについて、それぞれの共振周波数ｆ０を求めることができる。かかる共振周波数ｆ０の導出を随時行うことにより、共振周波数ｆ０を最新の値に更新することができる。更新された共振周波数ｆ０は、昇圧幅演算部７３２に出力される。
これ以降は、第１実施形態と同様、各振動体４の共振周波数ｆ０に基づき、昇圧幅演算部７３２において各振動体４に印加される交番電圧Ｖ２の昇圧幅を算出する。そして、昇圧回路７５Ａ、７５Ｂ、７５Ｃでは、算出された昇圧幅に基づいて、交番電圧Ｖ２を昇圧する。その結果、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃの各振動特性を、互いに近づけることが可能になる。その結果、同じ駆動信号Ｓｄを出力したとしても、その後の昇圧幅の制御により、３つの振動体４のいずれにおいても安定した振動を発生させることができる。そして、圧電駆動装置１の全体において良好な性能を発揮させることができる。
特に、本実施形態では、各振動体４の共振周波数ｆ０を最新の値に更新することができる。このため、例えば環境変化や経時変化等により、各振動体４の共振周波数ｆ０が変化した場合でも、その変化を昇圧幅に反映させ、安定した振動を維持することができる。
また、共振周波数ｆ０の更新処理と昇圧幅への反映処理、すなわち共振周波数取得部７３４の処理と昇圧幅演算部７３２の処理は、予め決められたタイミング（定期的）に実行されるのが好ましい。これにより、昇圧幅演算部７３２に出力される各振動体４の共振周波数ｆ０が、常時、最新の値に更新されることになる。このため、環境変化や経時変化等によって各振動体４の共振周波数ｆ０が変化した場合でも、各振動体４において安定した振動を維持することができる。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
＜第３実施形態＞
図１８は、第３実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
図１８に示すロボット１０００は、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。ロボット１０００は、６軸ロボットであり、床や天井に固定されるベース１０１０と、ベース１０１０に回動自在に連結されたアーム１０２０と、アーム１０２０に回動自在に連結されたアーム１０３０と、アーム１０３０に回動自在に連結されたアーム１０４０と、アーム１０４０に回動自在に連結されたアーム１０５０と、アーム１０５０に回動自在に連結されたアーム１０６０と、アーム１０６０に回動自在に連結されたアーム１０７０と、これらアーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０の駆動を制御する制御装置１０８０と、を有する。
また、アーム１０７０にはハンド接続部が設けられており、ハンド接続部にはロボット１０００に実行させる作業に応じたエンドエフェクター１０９０が装着される。また、各関節部のうちの全部または一部には圧電駆動装置１が搭載されており、この圧電駆動装置１の駆動によって各アーム１０２０、１０３０、１０４０、１０５０、１０６０、１０７０が回動する。なお、圧電駆動装置１は、エンドエフェクター１０９０に搭載され、エンドエフェクター１０９０の駆動に用いられてもよい。
制御装置１０８０は、コンピューターで構成され、例えば、ＣＰＵのようなプロセッサー、メモリー、インターフェース等を有する。そして、プロセッサーが、メモリーに格納されている所定のプログラムを実行することで、ロボット１０００の各部の駆動を制御する。なお、前記プログラムは、インターフェースを介して外部のサーバーからダウンロードされたものであってよい。また、制御装置１０８０の構成の全部または一部は、ロボット１０００の外部に設けられ、ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）等の通信網を介して接続された構成となっていてもよい。
このようなロボット１０００は、前述したように、圧電駆動装置１を備えている。
すなわち、本実施形態に係るロボット１０００は、振動部４１および振動部４１に配置されている先端部４４を備え、振動部４１が伸縮振動および屈曲振動することにより、先端部４４が楕円運動する第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃと、先端部４４の楕円運動により駆動されるローター２（被駆動体）と、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃにそれぞれ交番電圧Ｖ２（伸縮振動駆動信号）を出力する駆動信号生成回路７２と、第１圧電振動体４Ａと駆動信号生成回路７２との間に設けられている昇圧回路７５Ａ（第１昇圧回路）と、第２圧電振動体４Ｂと駆動信号生成回路７２との間に設けられている昇圧回路７５Ｂ（第２昇圧回路）と、第３圧電振動体４Ｃと駆動信号生成回路７２との間に設けられている昇圧回路７５Ｃ（第３昇圧回路）と、を有する圧電駆動装置１を備えている。
また、圧電駆動装置１は、昇圧回路７５Ａにおける交番電圧Ｖ２の昇圧幅、昇圧回路７５Ｂにおける交番電圧Ｖ２の昇圧幅、および昇圧回路７５Ｃにおける交番電圧Ｖ２の昇圧幅をそれぞれ制御する制御回路７３を有している。そして、制御回路７３は、第１圧電振動体４Ａの共振周波数ｆ０１、第２圧電振動体４Ｂの共振周波数ｆ０２、および、第３圧電振動体４Ｃの共振周波数ｆ０３が互いに近づくように制御する。
このような圧電駆動装置１によれば、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃという３つの振動体４に対し、１つの駆動信号生成回路７２から同じ交番電圧Ｖ２を入力しても、安定した駆動が可能になる。このため、例えば大きなトルクでも安定した駆動が可能であり、かつ、小型化も可能なロボット１０００が得られる。
＜第４実施形態＞
図１９は、第４実施形態に係るプリンターの全体構成を示す概略図である。
図１９に示すプリンター３０００は、装置本体３０１０と、装置本体３０１０の内部に設けられている印刷機構３０２０、給紙機構３０３０および制御装置３０４０と、を備えている。また、装置本体３０１０には、記録用紙Ｐを設置するトレイ３０１１と、記録用紙Ｐを排出する排紙口３０１２と、液晶ディスプレイ等の操作パネル３０１３とが設けられている。
印刷機構３０２０は、ヘッドユニット３０２１と、キャリッジモーター３０２２と、キャリッジモーター３０２２の駆動力によりヘッドユニット３０２１を往復動させる往復動機構３０２３と、を備えている。また、ヘッドユニット３０２１は、インクジェット式記録ヘッドであるヘッド３０２１ａと、ヘッド３０２１ａにインクを供給するインクカートリッジ３０２１ｂと、ヘッド３０２１ａおよびインクカートリッジ３０２１ｂを搭載したキャリッジ３０２１ｃと、を有する。
往復動機構３０２３は、キャリッジ３０２１ｃを往復移動可能に支持しているキャリッジガイド軸３０２３ａと、キャリッジモーター３０２２の駆動力によりキャリッジ３０２１ｃをキャリッジガイド軸３０２３ａ上で移動させるタイミングベルト３０２３ｂと、を有する。また、給紙機構３０３０は、互いに圧接している従動ローラー３０３１および駆動ローラー３０３２と、駆動ローラー３０３２を駆動する圧電駆動装置１と、を有する。
このようなプリンター３０００では、給紙機構３０３０が記録用紙Ｐを一枚ずつヘッドユニット３０２１の下部近傍へ間欠送りする。このとき、ヘッドユニット３０２１が記録用紙Ｐの送り方向とほぼ直交する方向に往復移動して、記録用紙Ｐへの印刷が行なわれる。
制御装置３０４０は、コンピューターで構成され、例えば、ＣＰＵのようなプロセッサー、メモリー、インターフェース等を有する。そして、プロセッサーが、メモリーに格納されている所定のプログラムを実行することで、プリンター３０００の各部の駆動を制御する。このような制御は、例えば、インターフェースを介して外部から入力された印刷データに基づいて実行される。なお、前記プログラムは、インターフェースを介して外部のサーバーからダウンロードされたものであってもよい。また、制御装置３０４０の構成の全部または一部は、プリンター３０００の外部に設けられ、ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）等の通信網を介して接続された構成となっていてもよい。
このようなプリンター３０００は、前述したように、圧電駆動装置１を備えている。
すなわち、本実施形態に係るプリンター３０００は、振動部４１および振動部４１に接続されている先端部４４を備え、振動部４１が伸縮振動および屈曲振動することにより、先端部４４が楕円運動する第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃと、先端部４４の楕円運動により駆動されるローター２（被駆動体）と、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃにそれぞれ交番電圧Ｖ２（伸縮振動駆動信号）を出力する駆動信号生成回路７２と、第１圧電振動体４Ａと駆動信号生成回路７２との間に設けられている昇圧回路７５Ａ（第１昇圧回路）と、第２圧電振動体４Ｂと駆動信号生成回路７２との間に設けられている昇圧回路７５Ｂ（第２昇圧回路）と、第３圧電振動体４Ｃと駆動信号生成回路７２との間に設けられている昇圧回路７５Ｃ（第３昇圧回路）と、を有する圧電駆動装置１を備えている。
また、圧電駆動装置１は、昇圧回路７５Ａにおける交番電圧Ｖ２の昇圧幅、昇圧回路７５Ｂにおける交番電圧Ｖ２の昇圧幅、および昇圧回路７５Ｃにおける交番電圧Ｖ２の昇圧幅をそれぞれ制御する制御回路７３を有している。そして、制御回路７３は、第１圧電振動体４Ａの共振周波数ｆ０１、第２圧電振動体４Ｂの共振周波数ｆ０２、および、第３圧電振動体４Ｃの共振周波数ｆ０３が互いに近づくように制御する。
このような圧電駆動装置１によれば、第１圧電振動体４Ａ、第２圧電振動体４Ｂおよび第３圧電振動体４Ｃという３つの振動体４に対し、１つの駆動信号生成回路７２から同じ交番電圧Ｖ２を入力しても、安定した駆動が可能になる。このため、例えば高速印字でも安定した駆動が可能であり、かつ、小型化も可能なプリンター３０００が得られる。
なお、本実施形態では、圧電駆動装置１が給紙用の駆動ローラー３０３２を駆動しているが、この他にも、例えば、キャリッジ３０２１ｃを駆動してもよい。
以上、本発明の圧電駆動装置、ロボットおよびプリンターを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
１…圧電駆動装置、２…ローター、３…振動アクチュエーター、４…振動体、４Ａ…第１圧電振動体、４Ｂ…第２圧電振動体、４Ｃ…第３圧電振動体、５…付勢部材、６Ａ…圧電素子、６Ｂ…圧電素子、６Ｃ…圧電素子、６Ｄ…圧電素子、６Ｅ…圧電素子、６Ｆ…圧電素子、６Ｇ…圧電素子、７…制御装置、７Ａ…制御装置、２１…上面、４０Ａ…ＩＤ記憶部、４０Ｂ…ＩＤ記憶部、４０Ｃ…ＩＤ記憶部、４１…振動部、４２…支持部、４３…接続部、４４…先端部、５１…第１基板、５２…第２基板、５３…間座、５９…貫通孔、６０…圧電素子ユニット、６０Ａ…圧電素子、６０Ｂ…圧電素子、６０Ｃ…圧電素子、６０Ｄ…圧電素子、６０Ｅ…圧電素子、６０Ｆ…圧電素子、６０Ｇ…圧電素子、６１…基板、６３…保護層、６９…接着剤、７１…検出信号処理回路、７１Ｐ…位相差取得部、７１Ｓ…検出パルス信号生成部、７２…駆動信号生成回路、７２Ｐ…駆動パルス信号生成部、７２Ｓ…駆動信号生成部、７３…制御回路、７３Ａ…制御回路、７４…検出信号選択回路、７５Ａ…昇圧回路、７５Ｂ…昇圧回路、７５Ｃ…昇圧回路、５１２…支持部、５１３…ばね部、５２２…支持部、６０１…第１電極、６０２…圧電体、６０３…第２電極、６０４…第３電極、６０６…第４電極、７２１Ｐ…第１駆動パルス信号生成部、７２１Ｓ…第１駆動信号生成部、７２２Ｐ…第２駆動パルス信号生成部、７２２Ｓ…第２駆動信号生成部、７２３Ｐ…第３駆動パルス信号生成部、７２３Ｓ…第３駆動信号生成部、７３１…ＩＤ読取部、７３２…昇圧幅演算部、７３３…信号選択指示部、７３４…共振周波数取得部、１０００…ロボット、１０１０…ベース、１０２０…アーム、１０３０…アーム、１０４０…アーム、１０５０…アーム、１０６０…アーム、１０７０…アーム、１０８０…制御装置、１０９０…エンドエフェクター、３０００…プリンター、３０１０…装置本体、３０１１…トレイ、３０１２…排紙口、３０１３…操作パネル、３０２０…印刷機構、３０２１…ヘッドユニット、３０２１ａ ヘッド、３０２１ｂ インクカートリッジ、３０２１ｃ キャリッジ、３０２２…キャリッジモーター、３０２３…往復動機構、３０２３ａ キャリッジガイド軸、３０２３ｂ タイミングベルト、３０３０…給紙機構、３０３１…従動ローラー、３０３２…駆動ローラー、３０４０…制御装置、６０２１…下面、６０２２…上面、Ａ１…矢印、Ａ２…矢印、Ｂ１…矢印、Ｂ２…矢印、Ｏ…回転軸、Ｐ…記録用紙、Ｐｄ…駆動パルス信号、Ｐｓ…検出パルス信号、Ｓｄ…駆動信号、Ｓｓ…検出信号、Ｖ１…交番電圧、Ｖ２…交番電圧、Ｖ３…交番電圧、ｃＡ…振動特性、ｃＢ…振動特性、ｃＣ…振動特性

Claims (10)

  1. 振動部および前記振動部に配置されている先端部を備え、前記振動部が伸縮振動および屈曲振動することにより前記先端部が楕円運動する第１圧電振動体および第２圧電振動体と、
    前記先端部の前記楕円運動により駆動される被駆動体と、
    前記第１圧電振動体および前記第２圧電振動体に前記伸縮振動を発生させる伸縮振動駆動信号と、前記第１圧電振動体および前記第２圧電振動体に前記屈曲振動を発生させる屈曲振動駆動信号と、を出力する駆動信号生成回路と、
    前記第１圧電振動体と前記駆動信号生成回路との間に設けられている第１昇圧回路と、
    前記第２圧電振動体と前記駆動信号生成回路との間に設けられている第２昇圧回路と、
    制御回路と、
    を有し、
    前記振動部は、
    圧電体と前記圧電体に設けられている電極とを有する駆動用圧電素子と、
    前記圧電体の振動を検出する検出用圧電素子と、
    を備え、
    前記制御回路は、
    前記屈曲振動駆動信号を出力しない状態で、かつ、周波数をスイープしながら前記伸縮振動駆動信号を出力した状態で、前記第１圧電振動体が備える前記検出用圧電素子から第１検出信号を取得するとともに、前記第２圧電振動体が備える前記検出用圧電素子から第２検出信号を取得し、取得結果に基づいて、前記第１圧電振動体の共振周波数および前記第２圧電振動体の共振周波数を求める共振周波数取得部と、
    前記第１圧電振動体の前記共振周波数と前記第２圧電振動体の前記共振周波数とが互いに近づくように、前記第１昇圧回路における前記伸縮振動駆動信号の昇圧幅および前記第２昇圧回路における前記伸縮振動駆動信号の昇圧幅を算出し、前記昇圧幅に基づいて前記第１昇圧回路および前記第２昇圧回路の動作を制御する昇圧幅演算部と、
    を有することを特徴とする圧電駆動装置。
  2. 前記伸縮振動および前記屈曲振動は、前記電極の表面と平行な平面における振動である請求項１に記載の圧電駆動装置。
  3. 前記制御回路は、前記第１検出信号または前記第２検出信号を選択して取得する検出信号選択回路を有する請求項２に記載の圧電駆動装置。
  4. 前記共振周波数取得部は、時分割で、前記第１検出信号または前記第２検出信号を取得する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電駆動装置。
  5. 前記共振周波数取得部は、前記共振周波数を定期的に取得し、
    前記昇圧幅演算部は、前記昇圧幅の算出、および、前記昇圧幅に基づく前記第１昇圧回路および前記第２昇圧回路の動作の制御を、定期的に行う請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧電駆動装置。
  6. 振動部および前記振動部に配置されている先端部を備え、前記振動部が伸縮振動および屈曲振動することにより前記先端部が楕円運動する第１圧電振動体および第２圧電振動体と、
    前記先端部の前記楕円運動により駆動される被駆動体と、
    前記第１圧電振動体および前記第２圧電振動体に前記伸縮振動を発生させる伸縮振動駆動信号と、前記第１圧電振動体および前記第２圧電振動体に前記屈曲振動を発生させる屈曲振動駆動信号と、を出力する駆動信号生成回路と、
    前記第１圧電振動体と前記駆動信号生成回路との間に設けられている第１昇圧回路と、
    前記第２圧電振動体と前記駆動信号生成回路との間に設けられている第２昇圧回路と、
    制御回路と、
    を有し、
    前記第１圧電振動体は、前記第１圧電振動体の共振周波数を示す情報もしくはそれを導き得る情報、または、前記第１圧電振動体に印加すべき電圧の振幅を示す情報もしくはそれを導き得る情報を記憶する第１記憶部を備えており、
    前記第２圧電振動体は、前記第２圧電振動体の共振周波数を示す情報もしくはそれを導き得る情報、または、前記第２圧電振動体に印加すべき電圧の振幅を示す情報もしくはそれを導き得る情報を記憶する第２記憶部を備えており、
    前記制御回路は、
    前記情報を読み取る読取部と、
    前記第１圧電振動体の前記共振周波数と前記第２圧電振動体の前記共振周波数とが互いに近づくように、前記第１昇圧回路における前記伸縮振動駆動信号の昇圧幅および前記第２昇圧回路における前記伸縮振動駆動信号の昇圧幅を算出し、算出結果に基づいて前記第１昇圧回路および前記第２昇圧回路の動作を制御する昇圧幅演算部と、
    を有することを特徴とする圧電駆動装置。
  7. 前記第１記憶部および前記第２記憶部は、記憶素子である請求項６に記載の圧電駆動装置。
  8. 前記第１記憶部および前記第２記憶部は、バーコード、ホログラム、文字列、記号または模様である請求項６に記載の圧電駆動装置。
  9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の圧電駆動装置を備えることを特徴とするロボット。
  10. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の圧電駆動装置を備えることを特徴とするプリンター。
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