JPWO2004088830A1 - 圧電アクチュエータの駆動方法、圧電アクチュエータの駆動装置、電子時計、電子機器、圧電アクチュエータの駆動装置の制御プログラム及び記憶媒体 - Google Patents
圧電アクチュエータの駆動方法、圧電アクチュエータの駆動装置、電子時計、電子機器、圧電アクチュエータの駆動装置の制御プログラム及び記憶媒体 Download PDFInfo
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Abstract
Description
これらの分野に応用される圧電アクチュエータは小型化、薄型化が求められており、そのため、薄板矩形状の圧電素子と板状の振動体とを備え、圧電素子に電圧を供給することにより圧電素子を長手方向に伸縮させて縦振動を励振し、当該縦振動によって機械的に屈曲振動を誘発させる圧電アクチュエータが提案されている。
このような圧電アクチュエータでは、振動体に縦振動及び屈曲振動の両者を生じさせることにより、圧電アクチュエータにおいて駆動対象と接触する部位を楕円軌道で移動させる。これにより、この圧電アクチュエータは、小型薄型の構成でありながら、高効率の駆動を実現している。
前述の構成の圧電アクチュエータを駆動する従来技術が特開2002−291264(段落番号[0057]〜[0075]、以下特許文献1という)に開示されている。
特許文献1は、圧電素子から検出された信号に基づいて振動の位相差を求め、この位相差が最適な駆動周波数(目標値)になるように圧電素子に供給する駆動信号を1パルスあたり一定量ずつ制御する構成である。ここで、図21で示される通り、特許文献1では、所定範囲の周波数をロック時の駆動信号として採用し、この範囲内の一定値を目標値とし、この目標値の所定範囲FLで位相制御を行う。
特許文献1では、圧電素子へ供給する駆動信号を制御するものが位相差のみであって、その位相差の制御は容易ではない。
つまり、位相差が目標値に達する高効率駆動状態になるまでの周波数の加減を一定の時間内で行うものであり、その制御量は1パルス当たり(所定時間あたり)一定とされている。
そのため、所定時間当たりの制御量が大きいと、目標値付近に達した後も周波数の加減が引き続き行われるため、駆動周波数のふらつきが大きくなり、周波数が目標値に収束するまでに時間がかかることになる。
場合によっては、制御値がオーバーシュートしてしまい、目標値と大きく外れた駆動周波数で圧電アクチュエータを制御することにもなる(図21のPx参照)。
逆に、所定時間当たりの制御量が小さいと、電源をオンにしてから目標値付近に達する高効率駆動状態になるまでに時間がかかりすぎ、これに伴って、消費電力も大きなものになる。
本発明の目的は、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し、安定した制御を行える圧電アクチュエータの駆動方法、圧電アクチュエータの駆動装置、及びこの圧電アクチュエータを備えた電子時計、電子機器、圧電アクチュエータの駆動装置の制御プログラム、この制御プログラムを記憶した記録媒体を提供することにある。
ここで、検出信号または検出信号及び駆動信号に基づいて圧電素子へ供給する駆動信号の周波数を制御するには、例えば、圧電素子を流れる電流値を検出し、電流基準値と比較して駆動信号の周波数を制御したり、複数の検出信号の位相差を位相差基準値と比較して制御したり、検出信号および駆動信号の位相差を位相差基準値と比較して制御するなどの、振動体の振動状態に応じて変化する電流値、位相差、振幅等に基づいて駆動信号の周波数を制御すればよい。
この構成の発明では、振動体の振動状態を表す検出信号に基づいて実施、または、検出信号及び駆動信号に基づいて実施する駆動信号の周波数制御に加え、検出信号の振幅に基づく駆動信号の周波数制御を行うという2系統の制御手法が採用される。
そのため、検出信号や検出信号及び駆動信号に基づく周波数制御の不具合を振幅に基づく周波数制御で補完することになり、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し、安定した制御を行える。
ここで、圧電アクチュエータの駆動方法にかかる本発明では、前記駆動信号の周波数の2つの制御のうち、一方の制御は、駆動信号の周波数を増加又は減少する制御であり、他方の制御は、駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合の制御であることを特徴とする。
この発明では、圧電素子へ出力する駆動信号の周波数の増減と、その増減の割合とをそれぞれ制御するため、目標値から大きく外れている場合には変化割合を大きくすることで迅速に目標値に近づけて制御を行え、目標値に近づいている場合には変化割合を小さくすることで、大きな変動がない安定した制御を行うことができる。従って、高効率の駆動状態になるまでの時間が短縮され、消費電力も軽減できるとともに、精度が高く安定した制御が行われる。
ここで、圧電アクチュエータの駆動方法にかかる本発明では、前記検出信号及び前記駆動信号に基づいてまたは前記検出信号に基づいて前記駆動信号の周波数を増加又は減少し、前記振幅と振幅基準値との比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合を制御する構成が好ましい。
この構成の発明では、圧電アクチュエータを起動した直後においては、例えば、位相差が位相差基準値より離れた場合のように、検出信号の値が基準値から離れた場合があるが、この場合には、前記駆動信号の周波数を増加又は減少して位相差を位相差基準値に近づけるようにする。
この際、圧電素子で検出される信号の振幅と振幅基準値とを比較した上で、前記駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合を制御する。
そのため、圧電素子へ出力する駆動信号の周波数の増減と、その増減の割合とをそれぞれ制御することで、より精度の高い制御が行われる。
さらに、圧電アクチュエータの駆動方法にかかる本発明では、前記振幅と振幅基準値とを比較して前記振幅が振幅基準値以上である場合には前記駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合を小さくし、前記振幅と振幅基準値とを比較して前記振幅が振幅基準値より小さい場合には前記駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合を大きくする、構成が好ましい。
この構成の発明では、前記検出信号や検出信号及び駆動信号に基づいて、例えば検出された位相差と位相差基準値とを比較した結果に基づいて位相差目標値に達するように、圧電素子に供給する駆動信号の周波数を増減する。ここで、圧電アクチュエータを起動した直後においては、圧電素子で検出される検出信号の振幅が振幅基準値より小さい場合があるが、この場合には、所定時間当たりの前記圧電素子への周波数の変化割合を大きくするため、例えば、位相差が位相差目標値付近に達する高効率駆動状態となるまでの時間が短縮される。目標値付近に達すると、圧電素子で検出される検出信号の振幅は振幅基準値以上となり、所定時間当たりの前記圧電素子への周波数の変化割合を小さくする。このため、駆動信号の周波数変動が小さくなり、安定した制御が行える。
また、圧電アクチュエータの駆動方法にかかる本発明では、前記振動体から出力されて振動体の振動状態を表す検出信号及び前記駆動信号の位相差を検出し、この位相差を位相差基準値と比較した結果に基づいて前記圧電素子へ供給する駆動信号の周波数を制御するとともに、前記検出信号の振幅を検出し、この振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御することが好ましい。
さらに、圧電アクチュエータの駆動方法にかかる本発明では、前記振動体から出力されて振動体の振動状態を表す複数の検出信号を検出し、複数の検出信号間の位相差を検出し、この位相差を位相差基準値と比較した結果に基づいて前記圧電素子へ供給する駆動信号の周波数を制御するとともに、前記検出信号のうち、少なくとも1つの検出信号の振幅を検出し、この振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御することとしてもよい。
圧電アクチュエータで駆動対象を回転駆動する場合、振動体から出力される検出信号および駆動信号の位相差や、振動体から出力される複数の検出信号の位相差は、駆動信号の周波数と駆動対象の回転数との相関に最も近い変化を生じる。このため、前記位相差に基づいて周波数制御を行えば、電流値等の他のパラメータによって駆動信号の周波数制御を行う場合に比べて、精度よく、かつ効率的に駆動制御を行うことができる。その上、電流値を測定するには、抵抗を設けて電圧値として検出しなければならず、回路構成が複雑になるが、振動体から出力される検出信号を検出すれば、その信号の位相および振幅を容易に取得できるので、回路構成も簡単にでき、容易に制御できる。
また、検出信号の位相は、振動状態によって変化するが、駆動信号の位相は一定であるため、検出信号および駆動信号の位相差を求めて制御すれば、位相差による駆動信号の周波数制御を容易に行うことができる。
一方、検出信号の振幅の変動は、駆動対象の駆動状態等に応じて変化するため、複数の検出信号を検出していれば、駆動対象等に応じて振幅の変化を検出しやすい検出信号の振幅を検出するように設定できるので、振幅に基づく周波数制御を容易に行うことができる。
また、本発明の圧電アクチュエータの駆動方法は、前記振動体は、所定の周波数の駆動信号が圧電素子に与えられることで第1の振動モード及び第2の振動モードで振動し、前記検出信号は、振動体から出力されて第1の振動モード及び/又は第2の振動モードでの振動状態を表す検出信号である、ことが好ましい。
ここで、第1の振動モードでの振動状態を表す検出信号や、第2の振動モードでの振動状態を表す検出信号とは、各振動モードの振動状態のみに対応した検出信号に限らず、主に各振動モードの振動状態の影響を受けるが、他の振動モードの成分も含まれる検出信号でもよい。
この構成の発明では、第1および第2の振動モードで振動体を振動させるので、例えば、圧電アクチュエータの当接部を楕円軌道で移動させることができ、駆動対象物を容易に回転駆動させることができる。そして、この駆動対象物によって、各検出信号の振幅の変動も相違するため、振幅の変動幅が大きくて検出しやすい検出信号を選択することで、制御が容易に行えるようになる。
本発明の圧電アクチュエータの駆動装置は、所定の周波数の駆動信号が圧電素子に与えられることで振動する振動体と、この振動体に設けられるとともに駆動対象に当接される当接部とを備えた圧電アクチュエータにおける前記圧電素子へ駆動信号を供給する圧電アクチュエータの駆動装置であって、前記駆動信号の周波数を制御する周波数制御手段と、前記検出信号の振幅を検出する振幅検出手段と、を備え、前記周波数制御手段は、前記振動体の振動状態を表す検出信号を検出し、この検出信号及び前記駆動信号に基づいてまたは前記検出信号に基づいて前記駆動信号の周波数を制御するとともに、前記振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する、ことを特徴とする
この構成の発明では、検出信号または検出信号及び前記駆動信号に基づいて圧電素子へ供給する駆動信号の周波数を制御するが、この周波数制御手段では、振幅検出手段で検出された検出信号の振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果も参照して前記駆動信号の周波数を制御する。
そのため、本発明は、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し、安定した制御を行える圧電アクチュエータの駆動装置を提供することができる。
ここで、圧電アクチュエータの駆動装置にかかる本発明では、前記周波数制御手段は、駆動信号の周波数を増加又は減少する制御を行う周波数増減制御手段と、駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合を制御する周波数増減割合制御手段とを備え、前記周波数増減制御手段または周波数増減割合制御手段の一方は、振動体の振動状態を表す検出信号を検出し、この検出信号及び前記駆動信号に基づいてまたは前記検出信号に基づいて前記駆動信号の周波数を制御し、前記周波数増減制御手段または周波数増減割合制御手段の他方は、前記振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する、ことが好ましい。
この発明では、圧電素子へ出力する駆動信号の周波数の増減を制御する周波数増減制御手段と、その増減の割合を制御する周波数増減割合制御手段とを備えるため、目標値から大きく外れている場合には周波数増減割合制御手段によって変化割合を大きくすることで迅速に目標値に近づけて制御を行え、目標値に近づいている場合には周波数増減割合制御手段によって変化割合を小さくすることで、大きな変動がない安定した制御を行うことができる。従って、高効率の駆動状態になるまでの時間が短縮され、消費電力も軽減できるとともに、精度が高く安定した制御が行われる。
ここで、圧電アクチュエータの駆動装置にかかる本発明では、前記周波数制御手段は、前記検出信号及び前記駆動信号に基づいてまたは前記検出信号に基づいて前記駆動信号の周波数を増加又は減少する周波数増減制御手段と、前記振幅と振幅基準値との比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合を制御する周波数増減割合制御手段とを備えることが好ましい。
この発明では、例えば、周波数増減制御手段は、検出信号および駆動信号の位相差等に基づいて駆動信号の周波数の増減を制御し、周波数増減割合制御手段は、検出信号の振幅に基づいてその増減の変化割合を制御できるので、振幅が小さくて位相差等が目標値から大きく離れていると判断できる場合には、変化割合を大きくして、迅速に目標値に近付けることができ、かつ、振幅が大きくて目標値に近いと判断できる場合には、変化割合を小さくして安定した制御を行うことができる。従って、圧電アクチュエータが高効率の駆動状態になるまでの時間が短縮され、消費電力も軽減できる。
また、圧電アクチュエータの駆動装置にかかる本発明では、前記振動体の振動状態を表す検出信号を検出し、この検出信号及び前記駆動信号間の位相差または複数の検出信号間の位相差を検出する位相差検出手段を備え、前記周波数制御手段は、前記位相差検出手段で検出された位相差と位相差基準値とを比較するとともに、この比較結果に基づいて前記圧電素子へ供給する駆動信号の周波数を制御するとともに、前記振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する、ことが好ましい。
位相差に基づいて周波数制御を行えば、前述のとおり、電流値等の他のパラメータによって駆動信号の周波数制御を行う場合に比べて、精度よく、かつ効率的に駆動制御を行うことができる上、回路構成も簡単にでき、容易に制御できる。
ここで、圧電アクチュエータの駆動装置にかかる本発明では、前記位相差検出手段は前記位相差を検出しこの位相差に相当する電圧値を有する位相差電圧信号を出力する位相差−電圧変換回路であることが好ましい。
この構成の発明では、位相差を電圧値に変換し、この電圧値に変換された信号を周波数制御手段に出力するため、周波数制御手段での高い精度の制御が容易となる。
さらに、前記周波数制御手段は、前記位相差を比較するための基準電圧と振幅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と、この定電圧回路で出力される位相比較用基準電圧と前記位相差−電圧変換回路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と、この比較回路で出力される比較結果信号を受けて前記圧電素子に供給する駆動信号の周波数を制御する駆動制御部とを備え、前記振幅検出手段は、前記定電圧回路で出力される振幅検出用基準電圧と前記圧電素子の検出信号とを比較して振幅を検出する振幅検出回路であり、前記駆動制御部は、前記振幅検出回路で検出された振幅検出電圧が基準電圧以上である場合には所定時間当たりの前記周波数の変化割合を小さくし、前記振幅検出回路で検出された振幅検出電圧が基準電圧より小さい場合には所定時間当たりの前記周波数の変化割合を大きくする機能を有する構成が好ましい。
この構成の発明では、定電圧回路において、位相差を比較するための基準電圧を比較回路に出力し、この比較回路では、位相差−電圧変換回路から出力される位相差電圧信号と前記基準電圧とを比較して比較結果信号を出力し、この比較結果信号が駆動制御部に送られる。
この信号を受けて駆動制御部では、圧電素子に供給する駆動信号の周波数を制御するが、この際、振幅検出電圧が基準電圧以上である場合には周波数の変化割合を小さくし、振幅検出電圧が基準電圧より小さい場合には周波数の変化割合を大きくするため、高効率駆動状態に達するまでの時間が短縮されるとともに、オーバーシュートすることがなくなって安定した制御が行える。
そのため、本発明では、振幅検出電圧と基準電圧との比較結果に基づいて駆動信号の周波数の変化割合を調整するという構成を採用することで、圧電アクチュエータの駆動制御を高精度に行うことができる。
その上、前記駆動制御部は、前記圧電素子に駆動信号を供給する駆動回路と、この駆動回路に入力される電圧に対応した周波数を出力する電圧制御発振器と、前記振幅と振幅基準値とを比較した結果に基づいて前記電圧制御発振器に供給する電圧を調整する電圧調整回路とを備えた構成が好ましい。
この構成の発明では、前述の構成の電圧制御発振器及び電圧調整回路を採用することで、圧電アクチュエータの駆動制御を高精度に行うことができる。
さらに、前記電圧調整回路は、前記電圧制御発振器に出力する電圧を調整する電圧調整部と、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と、このクロック回路で出力されるクロック信号に対応して前記電圧調整部へ信号を出力するとともに前記クロック信号の周波数を前記振幅検出回路で検出された振幅信号に基づいて変更する制御回路と、を備えた構成が好ましい。
この構成の発明では、通常、制御回路としてよく用いられるクロック回路を利用して電圧調整回路を構成するため、当該電圧調整回路、ひいては、駆動装置の構造を簡易なものにできる。
その上、前記制御回路は前記振幅信号が基準電圧以上である場合には前記クロック回路から出力されるクロック信号を遅くし、前記振幅信号が基準電圧より小さい場合には前記クロック回路から出力されるクロック信号を速くする構成が好ましい。
この構成の発明では、振幅信号と基準電圧とを比較してクロック信号の速度を決定するため、より精度の高い制御を行うことができる。
また、前記電圧調整回路は、異なる時定数を有するとともに時定数に応じて前記電圧制御発振器に電圧を出力するループフィルタと、このループフィルタの時定数を前記振幅検出回路で検出された振幅信号も基づいて選択する制御回路とを備えた構成が好ましい。
この構成の発明では、位相同期回路としてよく用いられるループフィルタを利用して電圧調整回路を構成するため、当該電圧調整回路、ひいては、駆動装置の構造を簡単なものにできる。
その上、前記制御回路は前記振幅信号が基準電圧以上である場合には前記ループフィルタから出力される電圧の量を小さくし、前記振幅信号が基準電圧より小さい場合には前記ループフィルタから出力される電圧の量を大きくする構成が好ましい。
この構成の発明では、振幅信号と基準電圧とを比較してループフィルタで出力される電圧の量を調整するため、より精度の高い制御を行うことができる。
本発明の電子時計は、所定の周波数の駆動信号が圧電素子に与えられることで振動する振動体及びこの振動体に設けられるとともに駆動対象に当接される当接部を有する圧電アクチュエータと、前述の構成の圧電アクチュエータの駆動装置と、前記圧電アクチュエータによって駆動される日付表示機構と、を備えたことを特徴とする。
この構成の発明では、消費電力が少なく、安定した制御を短時間で達成できる電子時計を提供することができる。
本発明の電子機器は、所定の周波数の駆動信号が圧電素子に与えられることで振動する振動体及びこの振動体に設けられるとともに駆動対象に当接される当接部を有する圧電アクチュエータと、前述の構成の圧電アクチュエータの駆動装置と、を備えたことを特徴とする。
この構成の発明では、消費電力が少なく、安定した制御が短時間で達成できる電子機器を提供でき、特に小型で携帯するのに適した電子機器を提供することができる。
本発明の圧電アクチュエータの駆動装置のプログラムは、所定の周波数の駆動信号が圧電素子に与えられることで振動する振動体と、この振動体に設けられるとともに駆動対象に当接される当接部とを備えた圧電アクチュエータにおける前記圧電素子へ駆動信号を供給する圧電アクチュエータの駆動装置のプログラムであって、前記駆動装置に組み込まれたコンピュータを、前記検出信号の振幅を検出する振幅検出手段、及び、前記振動体の振動状態を表す検出信号を検出し、この検出信号または検出信号及び前記駆動信号に基づいて前記圧電素子へ供給する駆動信号の周波数を制御するとともに、前記振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する周波数制御手段として機能させることを特徴とする。
また、本発明の記憶媒体は、前記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であることを特徴とする。
このような本発明によれば、駆動装置に組み込まれたコンピュータを前記各手段として機能させることで、前述と同様に、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し、安定した制御を行うことができる。そして、各手段をコンピュータで構成すれば、プログラムを変更するだけで、容易に条件を変更できるため、駆動対象等に応じた適切な制御を容易に行うことができる。
図2は、前記電子時計の概略構成を示す断面図である。
図3は、前記電子時計で用いられる圧電アクチュエータの構成要素である振動体を示す断面図である。
図4は、前記振動体を示す平面図である。
図5は、前記振動体の圧電素子に電圧を印加する際の概略構成図である。
図6は、圧電アクチュエータの駆動装置の内部構成を示すブロック図である。
図7は、(A)は位相差−電圧変換回路の内部構成を示すブロック図であり、(B)は電圧調整回路の内部構成を一例のブロック図であり、(C)は電圧調整回路の異なる例の内部構成を示すブロック図である。
図8は、図7(B)の電圧調整回路の詳細な内部構成を示すブロック図である。
図9は、位相差検出出力、クロック信号及び出力電圧の相互の関係を示すグラフである。
図10は、図7(B)の電圧調整回路を用いて圧電アクチュエータを駆動する方法を説明するフローチャートである。
図11は、図7(B)の電圧調整回路を用いて圧電アクチュエータを駆動する方法を説明するフローチャートである。
図12は、図7(C)の電圧調整回路の詳細な内部構成を示すブロック図である。
図13は、図7(C)の電圧調整回路を用いて圧電アクチュエータを駆動する方法を説明するフローチャートである。
図14は、図7(C)の電圧調整回路を用いて圧電アクチュエータを駆動する方法を説明するフローチャートである。
図15は、第1実施形態の効果を説明するための概念図である。
図16は、本発明の第2実施形態に係る携帯機器(非接触型ICカード)の外観斜視図である。
図17は、非接触型ICカードの上位桁表示部を示す詳細構成正面図である。
図18は、上位桁表示部の詳細構成側面図である。
図19は、下位桁表示部の詳細構成側面図である。
図20は、下位桁表示部の詳細構成正面図である。
図21は、従来例の課題を説明するための概略図である。
まず、第1実施形態として、圧電アクチュエータによって駆動される日付表示機構を備えた電子時計を例示する。
[1.全体構成]
第1実施形態に係る電子時計1が図1及び図2に示されている。図1は圧電アクチュエータを組み込んだ日付表示機構の主要構成を示す平面図であり、図2は、その断面図である。
図1及び図2に示されるように、日付表示機構30は、日付を表示する日車31と、駆動力を伝達して日車31を回転させる動力伝達機構32と、駆動力を動力伝達機構32に与える振動体5とを備える。
なお、図示はしないが、この日付表示機構30は、時計のケースに収納され、日車31の一部がケースに形成された窓から視認可能となっている。
日車31は、リング状の平板部材で、表面に日付表示31Aが印刷やその他の方法により形成されている。また、日車31の内周側には日車31を回転させるための日送り歯33が形成されている。日送り歯33は、一つの歯の間隔(ピッチ)が日付表示31Aの一日分になっており、つまり日送り歯33を一つ送ると日付表示31Aが一つ送られて、日付が変わるように設定されている。
動力伝達機構32は、日送り歯33に噛合する日回し車36と、日回し車36に噛合する日回し中間車35と、日回し中間車35に噛合して被駆動体としてのロータ37を一体的に備える伝え車34とを備える。
日回し車36は、周囲に5つのつめ部42を有し、そのピッチが日送り歯33と噛合するように設定されている。日回し車36の回転軸は、基板44に設けられた長孔44Aに回転可能に支持されている。また、基板44には、一端が固定された押さえ板43が取り付けられており、この押さえ板43の他端は日回し車36の回転軸に当接されている。この押さえ板43により、日回し車36は、日回し中間車35側に付勢されている。
日回し中間車35は、日回し車36のつめ部42が当接される円盤状の日送り部40と、日送り部40と一体的に形成された歯車39とを備えている。日送り部40には、周囲に一箇所凹部41が設けられている。
伝え車34は、歯車39と噛合するロータかな38と、このロータかな38に一体的に形成されるロータ37とを備えている。ロータ37の外周には、例えば圧力角20°のインボリュート曲線からなる歯形状部が等間隔に配置された凹凸部(図示せず)が形成されている。ロータ37は、シリコンウェハーで構成され、エッチング加工によって形成されている。また、ロータ37及びロータかな38は接着やろう付けなどによって結合されている。
このような日付表示機構30は、以下のように動作する。
振動体5に電圧が繰り返し印加されると、振動体5は、その両側に設けられた凸部20が楕円軌道を描くように振動する。振動体5が伸長した時に楕円軌道の一部において、凸部20がロータ37の凹凸部に噛合し、ロータ37を間欠回転させる。これを繰り返すことによりロータ37を所定の回転数で回転させる。
日回し中間車35は、24時間で一周するように設定されているので、24時間経過ごとに日送り部40の凹部41が日回し車36との当接部に位置する。日回し車36の回転軸は押さえ板43によって付勢されているので、つめ部42が凹部41に係合する。この時につめ部42が日送り歯33を図5中の矢印C方向に押すことにより日車31を回転させる。これにより、日車31の日付表示31Aが一日分送られて時計の外部からは日付が変更されて表示されることとなる。
[2.圧電アクチュエータ]
本実施形態では、ロータ37及び振動体5を備えて圧電アクチュエータ10が構成されている。
振動体5は、略矩形平板状に形成された補強板16と、この補強板16の表裏両面に設けられた平板状の圧電素子17と、補強板16をケース側に取り付けるための腕部18とを備える。
補強板16は、硬度500HVのSUS301などのステンレス鋼、その他の材料から構成され、略矩形状の長辺と短辺とがほぼ7対2の比で形成されている。また、図3及び図4に示される通り、補強板16の対角線上の長さ方向両端には、当接部としての凸部20が一体的に形成されている。凸部20の先端は、ロータ37の凹凸部(図示せず)と同様に例えば圧力角20°のインボリュート曲線で形成されている。
圧電素子17は、補強板16の両面の略矩形状部分に接着されている。圧電素子17の材料は、特に限定されず、チタン酸ジルコニウム酸鉛(PZT)、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。
また、圧電素子17の両面には、ニッケルメッキ層及び金メッキ層などの電極19が形成されている。
図5に示される通り、これらの電極19を介して圧電素子17に、駆動装置50から駆動信号が供給されるようになっている。
圧電素子17の分極方向が逆の場合には、上面、中央、下面の電位が各々+V、0、+V(もしくは−V、0、−V)となるように駆動装置50から駆動信号を印加すれば、板状の圧電素子17が伸び縮みするように変位することになり(図4の想像線参照)、本実施形態ではこのような伸縮による変位を利用している。なお、圧電素子17の分極方向を同一となるようにした場合、上面、中央、下面の電位が各々+V、0、−V(もしくは−V、0、+V)となるように電圧を印加すればよい。
図4に示される通り、電極19は、圧電素子17の幅方向一側から中央部にかけて形成される電極19Aと、圧電素子17の幅方向他側において長手方向略中央で分割形成される2つの電極19B,19Cとを備えている。
これらの電極19A,19B,19Cには、それぞれ図示しないリード線が接続されている。ここで、電極19Aは振動体5を振動させるために電圧を供給するための駆動用電極を構成するものであり、電極19Bは振動体5に発生する縦振動を検出する検出用電極を構成し、電極19Cは屈曲振動を検出する検出用電極を構成する。
このように構成される振動体5は、駆動装置50から電極19Aを介して圧電素子17に交流の駆動信号が印加されると、圧電素子17には、長手方向に伸縮する振動が発生する。その際、圧電素子17が長手方向に伸縮することにより、振動体5が長手方向に伸縮する縦振動を起こすようになっており、これにより振動体5は第1の振動モードで振動することになる。このように圧電素子17への駆動信号の印加によって振動体5が電気的に縦振動で励振すると、振動体5の重量バランスのアンバランスさによって振動体5の重心を中心とした回転モーメントが発生する。この回転モーメントによって振動体5が幅方向に揺動する屈曲振動が誘発されるようになっている。この屈曲振動は第1の振動モードとは振動方向の異なる第2の振動モードである。
各振動の共振周波数と印加される駆動信号の周波数との関係は、印加される駆動信号の電圧値が一定であるとき、各振動の振幅は各振動の共振周波数を最大として駆動信号の周波数が共振周波数から離れると、次第に小さくなる特性となる。また、振動体5の屈曲振動は、縦振動時の重力アンバランスで誘発されるため、縦振動の振幅の大きさ等により縦振動との位相差がずれる。即ち、駆動信号の周波数によって縦振動の位相と屈曲振動の位相の差が変化する特性を有している。必要な駆動を得るためには、各々の振動をどの程度の振幅で、かつ、どの程度の位相差で励振させるかを設定する必要があるが、これらは上述した如く、振動体5の特性から圧電素子17に印加される駆動信号の周波数に依存される。
[3.圧電アクチュエータの駆動装置及び駆動方法]
次に、駆動装置50の構成を図6に基づいて説明する。
図6において、駆動装置50は、圧電素子17の2カ所で検出される縦検出信号と屈曲検出信号との位相差を検出する位相差−電圧変換回路51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52と、この定電圧回路52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51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53と、比較結果信号を受けて圧電素子17に供給する駆動電圧を制御する電圧調整回路54と、この電圧調整回路54で出力された電圧に対応して駆動回路55に出力する周波数を調整する電圧制御発振器56と、定電圧回路52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57と、を備えている。
振幅検出回路57は、振幅信号を検出するものであれば具体的な構成を問うものではなく、例えば、一定時間内で一定振幅の数を検出するものでもよく、あるいは、単純に振幅レベルを検出するものや、振幅のピークレベルを検出するものでもよい。
ここで、本実施形態では、駆動回路55、電圧制御発振器56及び電圧調整回路54を備えて圧電素子17に供給する駆動信号の周波数を制御する駆動制御部が構成される。そして、この駆動制御部と、定電圧回路52と、比較回路53とを備えて周波数制御手段が構成される。また、本実施形態では、後述するように、電圧調整回路54に、比較回路53から出力される信号と、振幅検出回路57から出力される信号を入力することで、各検出信号の位相差に基づく周波数制御(周波数増減制御)と、検出信号の振幅に基づく周波数制御(周波数増減割合制御)とを同時に行っている。従って、本実施形態では、周波数制御手段のうち、主に電圧調整回路54により、駆動信号の周波数の増減を制御する周波数増減制御手段および駆動信号の周波数の増減割合を制御する周波数増減割合制御手段が構成される。
位相差−電圧変換回路51は、位相差検出手段を構成するものであって、図7(A)に示される通り、圧電素子17からそれぞれ出力される縦検出信号と屈曲検出信号との波形を整形する波形整形部511と、この波形整形部511でそれぞれ整形された2つの波形の位相差を比較する位相差比較部512と、この位相差比較部512で比較された位相差に相当する電圧値をDC変換して位相差電圧信号を出力する位相差−DC変換器513とを備えている。
定電圧回路52は、縦検出信号と屈曲検出信号との最適な位相差に相当する電圧値を有する位相比較用基準電圧を比較回路53に出力するとともに検出信号の最適な振幅値(目標値)に相当する電圧値を有する振幅検出用基準電圧を振幅検出回路57に出力する構成である。
電圧調整回路54は、比較回路53から出力された信号に基づいて圧電素子17に供給する交流電圧を制御する電圧制御機能と、振幅検出回路57で出力された信号に基づいて圧電素子17への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。
ここで、電圧調整回路54としては、図7(B)に示される構成と図7(C)に示される構成との2通りの構成を採用することができる。
図7(B)及び図8には電圧調整回路54の一例が示されている。図7(B)及び図8において、電圧調整回路54は、電圧制御発振器56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とを備え、この制御回路543はクロック信号の周波数を振幅検出回路57で検出された振幅信号に基づいて変更する。
電圧調整部541は、位相差検出信号が目標値より低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高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。
制御回路543は、NANDゲート543A,543Bを備え、振幅信号が基準電圧以上である場合にはクロック回路542から出力されるクロック信号を遅クロック(例えば、1kHz)とし、振幅信号が基準電圧より小さい場合にはクロック回路542から出力されるクロック信号を速クロック(例えば、100kHz)とする構成である。
NANDゲート543A,543Bは、ハイレベルの信号及びローレベルの信号と、クロック回路542から出力されるパルス信号とを入力し、このパルス信号の入力タイミングに応じてアップダウンカウンタ544に信号を出力する。
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56に出力する。
ここで、図9には、位相差検出出力と、制御回路543で制御される速度の異なる2種類のクロック信号と、UDカウンタ544で制御される電圧との関係が示されている。
図9において、早クロック(クロック速度を速くすること)を選択すると、所定時間当たりのカウント数が大きいため、変化する電圧値も大きくなるが、遅クロック(クロック速度を遅くすること)を選択すると、所定時間当たりのカウント数が小さいため、変化する電圧値が小さくなる。また、位相差検出出力がL(低い)の場合には電圧が目標電圧に対して低いため、アップカウントクロックを入力し、位相差検出出力がH(高い)の場合には電圧が目標電圧に対して高いため、ダウンカウントロックを入力する。これらの制御を、目標電圧を中心に行う。
次に、図7(B)及び図8で示される電圧調整回路54を用いて圧電アクチュエータの駆動方法について、図10及び図11のフローチャートに基づいて説明する。
図10において、電源を投入すると、比較回路53から出力される信号はLであり、振幅検出回路57で出力される信号はLであるため、通常のクロック(例えば、100kHz)でカウントアップする(S101)。
その後、D/A変換器545からカウント数に応じた電圧が出力され、その電圧値に対応した周波数が電圧制御発振器56から出力され(S102)、この周波数で圧電素子17が駆動される(S103)。
圧電素子17の検出用電極19C、19Dから縦振動の検出信号を読み込み(S104)、振幅検出信号を出力する(S105)。ここで、振幅検出電圧と基準電圧との値を比較し(S106)、振幅検出電圧が基準電圧以上であれば、制御回路543でクロック速度を遅くし(S107)、振幅検出電圧が基準電圧より小さければ、制御回路543でクロック速度を早くする(S108)。
その後、図11に示される通り、検出用電極19C、19Dから縦振動検出信号及び屈曲振動検出信号の双方を読み込み(S109)、位相差電圧を出力する(S110)。
ここで、位相差検出電圧と基準電圧とを比較し(S111)、位相差検出電圧が基準電圧以上であれば(H)、UDカウンタをダウンカウントし(S112)、電圧制御発振器56に出力する電圧を下げ、位相差検出電圧が基準電圧より小さければ(L)、UDカウンタをアップカウントし(S113)、電圧制御発振器56に出力する電圧を上げる。これらの工程が終了したら、S101で示されるステップに戻る。
次に、電圧調整回路54が図7(C)に示される構成である場合について説明する。
図7(C)及び図12には電圧調整回路54の他の例が示されている。
図7(C)及び図12において、電圧調整回路54は、異なる時定数(例えば、1msec、100msec)となる2個の抵抗R1,R2を有するとともにこれらの時定数に応じて電圧制御発振器56に電圧を出力するループフィルタ546と、このループフィルタ546の時定数を振幅検出回路57で検出された振幅信号に基づいて選択する制御回路547とを備える。
ループフィルタ546はコンデンサC1を備え、このコンデンサC1に充電あるいは放電することで、電圧制御発振器56に出力する電圧を調整する。
制御回路547は振幅信号が基準電圧以上である場合には時定数が小さくなるような抵抗R1を選択してループフィルタ546から出力される電圧の量を小さくし、振幅信号が基準電圧より小さい場合には時定数が大きくなるような抵抗R2を選択してループフィルタ546から出力される電圧の量を大きくする構成である。
次に、図7(C)及び図12で示される電圧調整回路54を用いて圧電アクチュエータの駆動方法について、図13及び図14のフローチャートに基づいて説明する。
図13において、電源を投入すると、比較回路53から出力される信号はLであり、振幅検出回路57で出力される信号はLであるため、ループフィルタ546は通常の時定数(例えば、100msec)で充電する(S201)。その後、ループフィルタ546の出力に応じた電圧が出力され、その電圧値に対応した周波数が電圧制御発振器56から出力され(S202)、この周波数で圧電素子17が駆動される(S203)。
さらに、圧電素子17の検出用電極19C、19Dから縦振動の検出信号を読み込み(S204)、振幅検出信号を出力する(S205)。
ここで、振幅検出電圧と基準電圧との値を比較し(S206)、振幅検出電圧が基準電圧以上であれば、制御回路543でループフィルタ546の時定数を小さなもの(例えば、1msec)を選択してループフィルタ546から出力される電圧の量を小さくし(S207)、振幅検出電圧が基準電圧より小さければ、制御回路543でループフィルタ546の時定数を大きなもの(例えば、100msec)を選択してループフィルタ546から出力される電圧の量を大きくする(S208)。
その後、図13で示される通り、検出用電極19C、19Dから縦振動検出信号及び屈曲振動検出信号の双方を読み込み(S209)、位相差電圧を出力する(S210)。
ここで、位相差検出電圧と基準電圧とを比較し(S211)、位相差検出電圧が基準電圧以上であれば(H)、ループフィルタ546で充電し(S212)、電圧制御発振器56に出力する電圧を下げ、位相差検出電圧が基準電圧より小さければ(L)、ループフィルタ546から放電し(S213)、電圧制御発振器56に出力する電圧を上げる。これらの工程が終了したら、S201で示されるステップに戻る。
[4.第1実施形態の効果]
従って、第1実施形態によれば、次の作用効果を奏することができる。
(1)本実施形態の圧電アクチュエータの駆動装置50は、振動体5から縦振動と屈曲振動との検出信号を検出し、これら2つの信号間の位相差を検出する位相差検出手段と、この位相差検出手段で検出された位相差と位相差基準値とを比較するとともに、この比較結果に基づいて圧電素子17へ供給する駆動信号の周波数を制御する周波数制御手段と、圧電素子17の検出信号の振幅を検出する振幅検出手段と、を備え、周波数制御手段は、前記振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する構成であるため、位相差に基づく駆動信号の周波数制御に加え、検出信号の振幅に基づく駆動信号の周波数制御を併せて行うことになる。そのため、位相差に基づく周波数制御の不具合を振幅に基づく周波数制御で補完することになり、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し、安定した制御を行える。
(2)位相差検出手段は位相差を検出しこの位相差に相当する電圧値を有する位相差電圧信号を出力する位相差−電圧変換回路51であるため、位相差を電圧値に変換し、この電圧値に変換された信号を周波数制御手段に出力するため、周波数制御手段での高い精度の制御が容易となる。
(3)周波数制御手段は、位相差を比較するための基準電圧と振幅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52と、この定電圧回路52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51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53と、この比較回路53で出力される比較結果信号を受けて圧電素子17に供給する駆動信号の周波数を制御する駆動制御部とを備え、振幅検出手段は定電圧回路52で出力される振幅検出用基準電圧と圧電素子17の検出信号とを比較して振幅を検出する振幅検出回路57であり、駆動制御部は、振幅検出回路57で検出された振幅検出電圧が基準電圧以上である場合には所定時間当たりの周波数の変化割合を小さくし、振幅検出回路57で検出された振幅検出電圧が基準電圧より小さい場合には所定時間当たりの周波数の変化割合を大きくする構成としたので、駆動制御部において、圧電素子17に供給する駆動信号の周波数を制御する際、振幅検出電圧が基準電圧以上である場合には周波数の変化割合を小さくし、振幅検出電圧が基準電圧より小さい場合には周波数の変化割合を大きくするため、高効率駆動状態に達するまでの時間が短縮される他、図15に示される通り、制御電圧が目標位相差電圧付近でのふらつきが小さくなって、オーバーシュートすることがなくなり、安定した駆動制御が行える。
そのため、振幅検出電圧と基準電圧との比較結果に基づいて駆動信号の周波数の変化割合を調整するという構成を採用することで、圧電アクチュエータ10の駆動制御を高精度に行うことができる。
(4)駆動制御部は、圧電素子17に駆動信号を供給する駆動回路55と、この駆動回路55に入力される電圧に対応した周波数を出力する電圧制御発振器56と、振幅と振幅基準値とを比較した結果に基づいて電圧制御発振器56に供給する電圧を調整する電圧調整回路54とを備えて構成したから、電圧制御発振器56及び電圧調整回路54を採用することで、圧電アクチュエータ10の駆動制御を高精度に行うことができる。
(5)電圧調整回路54を、電圧制御発振器56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へ信号を出力するとともにクロック信号の周波数を振幅検出回路57で検出された振幅信号に基づいて変更する制御回路543とを備えた構成とすれば、制御回路としてよく用いられるクロック回路542を利用しているため、駆動装置50の構造を簡易なものにできる。特に、電圧調整部541はUDカウンタ544を備えた構成としたので、外付け部品が不要とされ、スイープ速度を容易に可変することができるので、IC化が有利となる。
(6)制御回路543を、振幅信号が基準電圧以上である場合にはクロック回路542から出力されるクロック信号を遅くし、振幅信号が基準電圧より小さい場合にはクロック回路542から出力されるクロック信号を速くする構成としたので、振幅信号と基準電圧とを比較してクロック信号の速度を決定するため、より精度の高い制御並びに安定した駆動制御を行うことができる。
(7)電圧調整回路54を、異なる2つの時定数を有するとともに時定数に応じて電圧制御発振器に電圧を出力するループフィルタ546と、このループフィルタ546の時定数を振幅検出回路57で検出された振幅信号に基づいて選択する制御回路547とを備えた構成とすれば、位相同期回路としてよく用いられるループフィルタ546を利用して駆動装置50を構成でき、ディスクリートパーツで構成が容易となり、駆動装置50の構造を簡単なものにし、装置のコストを安くできる。
(8)制御回路543は振幅信号が基準電圧以上である場合にはループフィルタ546から出力される電圧の量を小さくし、振幅信号が基準電圧より小さい場合にはループフィルタ546から出力される電圧の量を大きくする構成としているので、振幅信号と基準電圧とを比較してループフィルタ546で出力される電圧の量を調整するため、より精度の高い制御を行うことができる。
(9)制御回路543は、早クロックと遅クロックとの2種類を選択可能としたので、制御回路543自体の構造を簡易なものにできる。
(10)制御回路547は、異なる2つの時定数を有するループフィルタ546を切換可能としたので、制御回路547自体の構造を簡易なものにできる。
(11)電子時計を、圧電素子17を有する振動体5及びこの振動体5に設けられるとともに駆動対象に当接される凸部20を有する圧電アクチュエータ10と、前述の構成の駆動装置50と、圧電アクチュエータ10によって駆動される日付表示機構30と、を備えて構成したので、消費電力が少なく、安定した制御を短時間で達成できる電子時計を提供することができる。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態を図16から図20に基づいて説明する。
第2実施形態は圧電アクチュエータの駆動装置50を携帯型の電子機器(携帯機器)に適用した点で第1実施形態と相違するものであるが、圧電アクチュエータの駆動装置50の構成は第1実施形態と同じである。ここで、第2実施形態の説明中、第1実施形態と同一の構成要素は同一符号を付して説明を省略もしくは簡略にする。
[5.第2実施形態の構成]
第2実施形態では、携帯機器は決済機能を有する非接触型ICカードであり、このICカードに圧電アクチュエータ10及び駆動装置50が設けられている。
図16は非接触型ICカードの外観斜視図である。
図16において、非接触型ICカード400の表面側には、残金表示を行う残金表示カウンタ401が設けられている。
残金表示カウンタ401は、4桁の残金を表示するものであり、図17に示される通り、上位2桁を表示する上位桁表示部402と、下位2桁を表示する下位桁表示部403とを備えている。
図18は上位桁表示部402の詳細な構成を示す側面図である。
図18において、上位桁表示部402は、ロータ100Aを介して圧電アクチュエータ10に連結されており、ロータ100Aの駆動力によって駆動される。上位桁表示部402の主要部は、送り爪402A1を有し、ロータ100Aが1/n回転すると1回転する駆動ギア402Aと、駆動ギア402Aの1回転で1目盛分回転する第1上位桁表示車402Bと、第1上位桁表示車402Bの1回転で1目盛分回転する第2上位桁表示車402Cと、第1上位桁表示車402Bの非回転時に第1上位桁表示車402Bを固定する固定部材402Dとを備えている。なお、第2上位桁表示車402Bについても、第2上位桁表示車402Cを固定する図示しない固定部材が設けられている。
駆動ギア402Aは、ロータ100Aが1/n回転すると1回転する。そして送り爪402A1は、第1上位桁表示車402Bの送りギア部402B3に噛合しており、第1上位桁表示車402Bは1目盛分回転することとなる。さらに、第1上位桁表示車402Bが回転し、1回転すると、第1上位桁表示車402Bに設けられている送りピン402B1が送りギア402B2を回転させ、送りギア402B2が噛合している第2上位桁表示車402Cの送りギア402C1を回転させ、第2上位桁表示車402Cを1目盛分回転させることとなる。
図19は下位桁表示部403の詳細な構成を示す側面図であり、図20は下位桁表示部403の詳細な構成を示す正面図である。
図19及び図20において、下位桁表示部403は、ロータ100Bを介して圧電アクチュエータ10に連結されており、ロータ100Bの駆動力によって駆動される。下位桁表示部403の主要部は、送り爪403A1を有しロータ100Bが1/n回転すると1回転する駆動ギア403Aと、駆動ギア403Aの1回転で1目盛分回転する第1下位桁表示車403Bと、第1下位桁表示車403Bの1回転で1目盛分回転する第2下位桁表示車403Cとを備えている。
第1下位桁表示車403Bは、駆動ギア403Aの送り爪403A1に噛合する送りギア部403B1を有しており、駆動ギア403Aの1回転で1目盛分回転する。そして、第1下位桁表示車403Bには、送りピン403B2が設けられており、第1下位桁表示車403Bが1回転する毎に、送りギア403Bを回転させ、第2下位桁表示車403Cを1目盛分回転させる。この場合において、第1下位桁表示車403Bの固定部材403Dは、非回転時に送りギア部403B1に噛合して第1下位桁表示車403Bを固定する。
第2下位桁表示車403Cの固定部材403Eは、第2下位桁表示車403Cの非回転時に送りギア部403Fに噛合して第2下位桁表示車403Cを固定する。この場合において、アクチュエータ10は、駆動装置50により同期して駆動されるように設定されており、駆動装置50は、図示しないICカードチップにより決済金額に相当する駆動制御信号が入力されることにより駆動されている。
第2実施形態の駆動装置50の具体的な構造は第1実施形態の駆動装置50と同じであるため、説明を省略する。
以上のような構成により、非接触ICカードのような薄型の携帯機器においても、機械的に残金額表示を行うことができ、駆動時以外は、電源を必要とせずに、表示を行えるので、低商品電力で表示を行えると共に、電源が無くなった場合においても、それまでの表示を保持することができる。
[6.第2実施形態の効果]
従って、本発明の第2実施形態では、第1実施形態の(1)〜(10)と同様の作用効果を奏する他に、次の作用効果を奏することができる。
(12)携帯機器を、圧電素子17を有する振動体5及びこの振動体5に設けられるとともに駆動対象に当接される当接部20を有する圧電アクチュエータ10と、前述の構成の圧電アクチュエータの駆動装置50とを備えたから、消費電力が少なく、安定した制御が短時間で達成できる携帯機器を提供することができる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、圧電素子17の2カ所の検出用電極19C、19Dで検出される縦振動と屈曲振動の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で検出される検出信号と圧電素子17へ出力する駆動信号との位相差を求め、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、図7(B)で示される制御回路543では、早クロックと遅クロックとの2種類を選択して2段階に速度を切換可能としたが、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、図7(C)で示される制御回路547では、異なる2つの時定数を有するループフィルタ546を切換可能としたが、本発明では、異なる3又は4以上の時定数を有するループフィルタ546を切換可能とする構成でもよい。
また、前記各実施形態では、UDカウンタ544を所定電圧に設定し、この所定電圧に対して電圧を加減する構成であったが、本発明では、UDカウンタ544を0からスタートしてもよい。
さらに、本発明では、制御部内の各手段等は、各種論理素子等のハードウェアで構成されたものや、CPU(中央処理装置)、メモリ(記憶装置)等を備えたコンピュータを時計や携帯機器内に設け、このコンピュータに所定のプログラムやデータ(各記憶部に記憶されたデータ)を組み込んで各手段を実現させるように構成したものでもよい。
ここで、前記プログラムやデータは、時計や携帯機器内に組み込まれたRAMやROM等のメモリに予め記憶しておけばよい。また、例えば、時計や携帯機器内のメモリに所定の制御プログラムやデータをインターネット等の通信手段や、CD−ROM、メモリカード等の記録媒体を介してインストールしてもよい。そして、メモリに記憶されたプログラムでCPU等を動作させて、各手段を実現させればよい。なお、時計や携帯機器に所定のプログラム等をインストールするには、その時計や携帯機器にメモリカードやCD−ROM等を直接差し込んで行ってもよいし、これらの記憶媒体を読み取る機器を外付けで時計や携帯機器に接続してもよい。さらには、LANケーブル、電話線等を時計や携帯機器に接続して通信によってプログラム等を供給しインストールしてもよいし、無線によってプログラムを供給してインストールしてもよい。
このような記録媒体やインターネット等の通信手段で提供される制御プログラム等を時計や携帯機器に組み込めば、プログラムの変更のみで前記各発明の機能を実現できるため、工場出荷時あるいは利用者が希望する制御プログラムを選択して組み込むこともできる。この場合、プログラムの変更のみで制御形式の異なる各種の時計や携帯機器を製造できるため、部品の共通化等が図れ、バリエーション展開時の製造コストを大幅に低減できる。
また、本発明は、第1実施形態の電子時計や、第2実施形態の非接触ICカードに適用されるものに限らない。すなわち、本発明の圧電アクチュエータの駆動方法や、駆動装置を採用した電子機器としては、腕時計、置時計、柱時計等の電子時計に限らず、各種の電子機器に本発明が適用可能であり、特に小型化が要求される携帯用の電子機器に好適である。ここで、各種の電子機器としては、時計機能を備えた電話、携帯電話、パソコン、携帯情報端末(PDA)、カメラ等が例示できる。また、時計機能を備えないカメラ、ディジタルカメラ、ビデオカメラ、カメラ機能付き携帯電話等の電子機器にも適用可能である。これらカメラ機能を備えた電子機器に適用する場合には、レンズの合焦機構や、ズーム機構、絞り調整機構等の駆動に本発明の駆動手段を用いることができる。さらに、計測機器のメータ指針の駆動機構や、可動玩具の駆動機構、自動車等のインパネ(instrumental panel)のメータ指針の駆動機構、圧電ブザー、プリンタのインクジェットヘッド、超音波モータ等に本発明の駆動手段を用いてもよい。
また、前記第1実施形態では、圧電アクチュエータを電子時計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。
Claims (22)
- 所定の周波数の駆動信号が圧電素子に与えられることで振動する振動体と、この振動体に設けられるとともに駆動対象に当接される当接部とを備えた圧電アクチュエータの駆動方法であって、
前記振動体の振動状態を表す検出信号を検出し、この検出信号及び前記駆動信号に基づいてまたは前記検出信号に基づいて前記圧電素子へ供給する駆動信号の周波数を制御するとともに、
前記検出信号の振幅を検出し、この振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する、ことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。 - 請求項1に記載の圧電アクチュエータの駆動方法において、
前記駆動信号の周波数の2つの制御のうち、一方の制御は、駆動信号の周波数を増加又は減少する制御であり、他方の制御は、駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合の制御であることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。 - 請求項2に記載の圧電アクチュエータの駆動方法において、
前記検出信号及び前記駆動信号に基づいてまたは前記検出信号に基づいて前記駆動信号の周波数を増加又は減少し、前記振幅と振幅基準値との比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合を制御することを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。 - 請求項3に記載の圧電アクチュエータの駆動方法において、
前記振幅と振幅基準値とを比較して前記振幅が振幅基準値以上である場合には前記駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合を小さくし、前記振幅と振幅基準値とを比較して前記振幅が振幅基準値より小さい場合には前記駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合を大きくする、ことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動方法において、
前記振動体から出力されて振動体の振動状態を表す検出信号と前記駆動信号の位相差を検出し、この位相差を位相差基準値と比較した結果に基づいて前記圧電素子へ供給する駆動信号の周波数を制御するとともに、
前記検出信号の振幅を検出し、この振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する、ことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動方法において、
前記振動体から出力されて振動体の振動状態を表す複数の検出信号を検出し、複数の検出信号間の位相差を検出し、この位相差を位相差基準値と比較した結果に基づいて前記圧電素子へ供給する駆動信号の周波数を制御するとともに、
前記検出信号のうち、少なくとも1つの検出信号の振幅を検出し、この振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する、ことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。 - 請求項1から請求項6のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動方法において、
前記振動体は、所定の周波数の駆動信号が圧電素子に与えられることで第1の振動モード及び第2の振動モードで振動し、
前記検出信号は、振動体から出力されて第1の振動モード及び/又は第2の振動モードでの振動状態を表す検出信号である、ことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。 - 所定の周波数の駆動信号が圧電素子に与えられることで振動する振動体と、この振動体に設けられるとともに駆動対象に当接される当接部とを備えた圧電アクチュエータにおける前記圧電素子へ駆動信号を供給する圧電アクチュエータの駆動装置であって、
前記駆動信号の周波数を制御する周波数制御手段と、前記検出信号の振幅を検出する振幅検出手段と、を備え、
前記周波数制御手段は、振動体の振動状態を表す検出信号を検出し、この検出信号及び前記駆動信号に基づいてまたは前記検出信号に基づいて前記駆動信号の周波数を制御するとともに、
前記振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する、ことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。 - 請求項8に記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、
前記周波数制御手段は、駆動信号の周波数を増加又は減少する制御を行う周波数増減制御手段と、駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合を制御する周波数増減割合制御手段とを備え、
前記周波数増減制御手段または周波数増減割合制御手段の一方は、振動体の振動状態を表す検出信号を検出し、この検出信号及び前記駆動信号に基づいてまたは前記検出信号に基づいて前記駆動信号の周波数を制御し、
前記周波数増減制御手段または周波数増減割合制御手段の他方は、前記振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する、ことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。 - 請求項9に記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、
前記周波数制御手段は、前記検出信号及び前記駆動信号に基づいてまたは前記検出信号に基づいて前記駆動信号の周波数を増加又は減少する周波数増減制御手段と、前記振幅と振幅基準値との比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数の増加又は減少の変化割合を制御する周波数増減割合制御手段とを備えることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。 - 請求項8から請求項10のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、
前記振動体の振動状態を表す検出信号を検出し、この検出信号及び前記駆動信号間の位相差または複数の検出信号間の位相差を検出する位相差検出手段を備え、
前記周波数制御手段は、前記位相差検出手段で検出された位相差と位相差基準値とを比較するとともに、この比較結果に基づいて前記圧電素子へ供給する駆動信号の周波数を制御するとともに、前記振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する、ことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。 - 請求項11に記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、
前記位相差検出手段は前記位相差を検出しこの位相差に相当する電圧値を有する位相差電圧信号を出力する位相差−電圧変換回路であることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。 - 請求項12に記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、
前記周波数制御手段は、前記位相差を比較するための基準電圧と振幅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と、この定電圧回路で出力される位相比較用基準電圧と前記位相差−電圧変換回路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と、この比較回路で出力される比較結果信号を受けて前記圧電素子に供給する駆動信号の周波数を制御する駆動制御部とを備え、前記振幅検出手段は、前記定電圧回路で出力される振幅検出用基準電圧と前記検出信号とを比較して振幅を検出する振幅検出回路であり、前記駆動制御部は、前記振幅検出回路で検出された振幅検出電圧が基準電圧以上である場合には所定時間当たりの前記周波数の変化割合を小さくし、前記振幅検出回路で検出された振幅検出電圧が基準電圧より小さい場合には所定時間当たりの前記周波数の変化割合を大きくする機能を有することを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。 - 請求項13に記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、
前記駆動制御部は、前記圧電素子に駆動信号を供給する駆動回路と、この駆動回路に入力される電圧に対応した周波数を出力する電圧制御発振器と、前記振幅と振幅基準値とを比較した結果に基づいて前記電圧制御発振器に供給する電圧を調整する電圧調整回路とを備えたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。 - 請求項14に記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、
前記電圧調整回路は、前記電圧制御発振器に出力する電圧を調整する電圧調整部と、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と、このクロック回路で出力されるクロック信号に対応して前記電圧調整部へ信号を出力するとともに前記クロック信号の周波数を前記振幅検出回路で検出された振幅信号に基づいて変更する制御回路と、を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。 - 請求項15に記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、
前記制御回路は前記振幅信号が基準電圧以上である場合には前記クロック回路から出力されるクロック信号を遅くし、前記振幅信号が基準電圧より小さい場合には前記クロック回路から出力されるクロック信号を速くすることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。 - 請求項14に記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、
前記電圧調整回路は、異なる時定数を有するとともに時定数に応じて前記電圧制御発振器に電圧を出力するループフィルタと、このループフィルタの時定数を前記振幅検出回路で検出された振幅信号に基づいて選択する制御回路とを備えたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。 - 請求項17に記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、
前記制御回路は前記振幅信号が基準電圧以上である場合には前記ループフィルタから出力される電圧の量を小さくし、前記振幅信号が基準電圧より小さい場合には前記ループフィルタから出力される電圧の量を大きくすることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。 - 所定の周波数の駆動信号が圧電素子に与えられることで振動する振動体及びこの振動体に設けられるとともに駆動対象に当接される当接部を有する圧電アクチュエータと、請求項8〜18のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動装置と、前記圧電アクチュエータによって駆動される日付表示機構と、を備えたことを特徴とする電子時計。
- 所定の周波数の駆動信号が圧電素子に与えられることで振動する振動体及びこの振動体に設けられるとともに駆動対象に当接される当接部を有する圧電アクチュエータと、請求項8〜18のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動装置と、を備えたことを特徴とする電子機器。
- 所定の周波数の駆動信号が圧電素子に与えられることで振動する振動体と、この振動体に設けられるとともに駆動対象に当接される当接部とを備えた圧電アクチュエータにおける前記圧電素子へ駆動信号を供給する圧電アクチュエータの駆動装置の制御プログラムであって、
前記駆動装置に組み込まれたコンピュータを、
前記検出信号の振幅を検出する振幅検出手段、及び、
前記振動体の振動状態を表す検出信号を検出し、この検出信号または検出信号及び前記駆動信号に基づいて前記圧電素子へ供給する駆動信号の周波数を制御するとともに、前記振幅と振幅基準値とを比較し、この比較結果に基づいて前記駆動信号の周波数を制御する周波数制御手段として機能させることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置の制御プログラム。 - 請求項21に記載の制御プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
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