JP2002165469A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 互いに直交する２つの圧電素子の交点をチッ
プ部材で結合してなるトラス型圧電駆動部を被駆動部に
圧接させた構造のトラス型圧電アクチュエータにおい
て、簡単な構造で圧電素子の駆動周波数を被駆動部が最
高速度で移動する周波数に設定できるようにする。 【解決手段】 被駆動部２に回転速度を検出するセンサ
７を設けるとともに、駆動制御部８内に最適駆動周波数
設定部８２を設け、初期設定時等に最適駆動周波数設定
部８２で駆動信号供給部６から出力される駆動部３の駆
動電圧を所定の周波数範囲で走査するとともに、被駆動
部２の回転速度の変化を算出することで速度特性を実測
し、この速度特性を用いて被駆動部２の回転速度が最高
となる最適駆動周波数を算出する。そして、駆動周波数
設定部８３で駆動電圧の駆動周波数をその最適駆動周波
数に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも１つが
圧電体からなる複数の変位部材を各先端が互いに直交す
るように結合してなるトラス型圧電駆動部を被駆動部に
圧接し、その圧接部を楕円運動若しくは円運動させるこ
とで被駆動部を駆動するトラス型圧電アクチュエータに
関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電体を用いたアクチュエータ若しくは
超音波モータの駆動方法の分野では、圧電体の機械的共
振周波数若しくはその近傍の周波数で当該圧電体を駆動
したときに最も効率良く圧電体が振動することから、従
来、圧電体に供給する駆動電圧の周波数が駆動効率が最
も高くなる最適な周波数からずれた場合に自動的に最適
な周波数に修正する技術が提案されている。

【０００３】例えば特公平７−２０２３号には、超音波
モータの回転速度が最大となる圧電体の駆動周波数と当
該圧電体の変位周波数との位相差θoptを予め算出して
おき、超音波モータの駆動中に圧電体の駆動周波数と当
該圧電体の変位周波数との位相差θを検出するととも
に、この位相差θと最適位相差θoptとのずれ量Δθを
検出し、このずれ量Δθに基づいて圧電体の駆動周波数
を超音波モータの回転速度が最大となる周波数（すなわ
ち、Δθ＝０となる周波数）に自動的に修正する技術が
示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、直進運動若
しくは回転運動が可能に保持された被駆動部に、少なく
とも１つが圧電体からなる複数の変位部材を各先端が互
いに直交するように結合してなるトラス型圧電駆動部を
圧接させ、上記圧電体に所定周波数の駆動電圧を供給す
ることで変位部材の結合部（被駆動部に圧接される部
分。以下、圧接部という。）を楕円運動若しくは円運動
させ、この運動を被駆動部に伝達することで当該被駆動
部を所定の方向に移動させる圧電アクチュエータにおい
ては、圧接部の変位（圧電体の変位と他の変位部材の変
位とがベクトル的に合成された変位）を被駆動部に伝達
するようにしているので、被駆動部を効率よく変位させ
る（すなわち、最も高速で移動させる）には、圧電体を
機械的共振周波数の近傍で駆動するとともに、当該圧電
体と他の変位部材との変位の位相差を所定の値に制御
（すなわち、圧接部が所定の楕円軌道若しくは円軌道を
描いて変位するように制御）すればよいことが知られて
いる。

【０００５】特公平７−２０２３号に記載の圧電体の駆
動制御方法は、超音波モータの回転速度が最大となる圧
電体の駆動周波数と当該圧電体の変位周波数との位相差
θoptが変化しないとの前提のもとに圧電体の駆動周波
数と当該圧電体の変位周波数との位相差θを最適位相差
θoptに追尾させるものである。

【０００６】しかし、トラス型圧電アクチュエータは、
トラス型圧電駆動部の圧接部を楕円運動若しくは円運動
させ、その運動軌跡の一部を駆動力として被駆動部に伝
達する構成であるから、被駆動部の移動速度が最大とな
る圧電体の駆動周波数とトラス型圧電駆動部の圧接部の
変位周波数との位相差は常に一定になるとは限らず、当
該圧接部の変位軌跡が適切でなければ、却って被駆動部
の移動速度は低下する場合がある。

【０００７】従って、特公平７−２０２３号に記載の圧
電体の駆動制御方法をトラス型圧電アクチュエータに適
用したとしても被駆動部を最も効率の良い状態に駆動制
御することは困難である。

【０００８】その一方、圧電体の変位周波数と他の変位
部材の変位周波数との位相差を検出し、その位相差に基
づいてトラス型圧電駆動部の圧接部の変位軌跡を被駆動
部の移動速度が最大となるように木目細かい制御するこ
とは望ましいが、この方法は変位部材毎に変位周波数を
検出し、変位部材間の変位の位相差を算出する必要があ
り、圧電体の駆動周波数を制御するための構成が複雑に
なり、回路の簡略化、コストの低減化の要請に反する。

【０００９】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、被駆動部とこれに圧接されたトラス型駆動部と
からなる圧電アクチュエータにおいて、簡単な構造で被
駆動部を可及的に最適な効率で駆動することのできる圧
電アクチュエータを提供するものである。

【００１０】

【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、直進運動若しくは
回転運動を可能に保持された被駆動部と、少なくとも１
つが圧電体からなる複数の変位部材を各先端が互いに直
交するように結合してなるトラス型圧電駆動部と、この
トラス型圧電駆動部の上記変位部材の結合部を上記被駆
動部に圧接する加圧部と、上記トラス型圧電駆動部の圧
電体に電圧が所定の周波数で変化する駆動信号を供給す
る駆動信号供給部とを具備する圧電アクチュエータにお
いて、上記被駆動部の変位速度を検出する速度検出部
と、上記駆動信号供給部から所定の周波数範囲で周波数
を変化させつつ上記駆動電圧を上記圧電素子に供給して
上記速度検出部で上記被駆動部の変位速度を検出し、そ
の速度特性と上記駆動電圧の周波数とから上記被駆動部
の速度特性を算出する速度特性算出部と、上記速度特性
算出部で算出された速度特性に基づいて上記被駆動部の
変位速度が最高速度となる上記駆動電圧の周波数を検出
する周波数検出部と、上記駆動信号供給部から供給され
る上記駆動電圧の周波数を上記周波数検出部で検出され
た周波数に設定する駆動周波数設定部とからなる駆動周
波数設定手段を備えたものである（請求項１）。

【００１１】この構成によれば、駆動周波数設定手段の
駆動信号供給部から所定の周波数範囲で周波数を変化さ
せつつ駆動電圧を駆動部の圧電素子に供給して被駆動部
が駆動され、速度検出部で各駆動周波数における被駆動
部の変位速度（すなわち、駆動周波数に対する被駆動部
の変位速度の特性）が検出される。そして、周波数検出
部でこの被駆動部の速度特性に基づいて当該被駆動部の
変位速度が最高速度となる周波数が検出され、駆動周波
数設定部で駆動信号供給部から供給される駆動電圧の周
波数が周波数検出部で検出された周波数に設定される。
これにより被駆動部は最も効率のよい状態で駆動され
る。

【００１２】なお、上記圧電アクチュエータにおいて、
実測した速度特性に基づいて上記駆動電圧の駆動周波数
を設定するモードを設定するモード設定手段を更に設
け、上記駆動周波数設定手段は上記モード設定手段で上
記モードが設定されると、上記速度特性算出部、上記周
波数検出部及び上記駆動周波数設定部を動作させて上記
駆動電圧の周波数を上記被駆動部が最高速度で変位する
駆動周波数に設定するとよい（請求項２）。

【００１３】この構成によれば、駆動周波数設定手段
は、モードが設定されたとき、被駆動部の速度特性を実
測し、その速度特性に基づいて検出される最適な駆動周
波数を駆動電圧の駆動周波数に設定する。

【００１４】また、上記圧電アクチュエータにおいて、
上記駆動周波数設定手段は、圧電アクチュエータを起動
させたときの駆動周波数の初期設定時に、上記速度特性
算出部、上記周波数検出部及び上記駆動周波数設定部を
動作させて上記駆動電圧の周波数を上記被駆動部が最高
速度で変位する駆動周波数に設定するとよい（請求項
３）。

【００１５】この構成によれば、駆動周波数設定手段
は、圧電アクチュエータを起動させたときの駆動周波数
の初期設定時に、被駆動部の速度特性を実測し、その速
度特性に基づいて検出される最適な駆動周波数を駆動電
圧の駆動周波数に設定する。

【００１６】更に、上記圧電アクチュエータにおいて、
上記速度検出部で検出された上記被駆動部の速度が予め
設定された所定の閾値以下に低下したことを検出する速
度低下検出手段を更に備え、上記駆動周波数設定手段は
上記速度低下検出手段で上記被駆動部の速度が所定の閾
値以下に低下すると、上記速度特性算出部及び上記周波
数検出部を動作させて上記被駆動部が最高速度で変位す
る上記駆動電圧の駆動周波数を検出するようにしてもよ
い（請求項４）。

【００１７】この構成によれば、被駆動部の駆動中にそ
の変位速度が検出され、速度低下検出手段でその変位速
度が所定の閾値以下に低下すると、駆動周波数設定手段
により被駆動部の速度特性が実測され、その速度特性に
基づいて最適な駆動周波数が検出される。

【００１８】この場合は、上駆動記周波数設定部は、上
記周波数検出部で上記被駆動部を最高速度で変位させる
上記駆動電圧の周波数が検出されると、その検出直後に
上記駆動信号供給部から上記圧電素子に供給される駆動
電圧の周波数を上記周波数検出部で検出された周波数に
変更するとよい（請求項５）。

【００１９】この構成によれば、被駆動部の駆動中にそ
の変位速度が検出され、速度低下検出手段でその変位速
度が所定の閾値以下に低下すると、駆動周波数設定手段
により被駆動部の速度特性が実測され、圧電体の駆動電
圧の駆動周波数がその速度特性に基づいて検出された最
適な駆動周波数に変更される。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明に係る圧電アクチュエータ
の第１実施形態の構成を図１に示す。

【００２１】圧電アクチュエータ１は、被駆動部２、駆
動部３、加圧部４、駆動信号切換部５、駆動信号供給部
６、回転検出部７、駆動制御部８及び操作部９から構成
されている。

【００２２】被駆動部２は鉄、アルミニウムなどの金属
からなる円板若しくは円筒体からなり、回転軸２１を中
心に回転可能になっている。例えば被駆動部２の回転軸
２１に駆動させたい部材を固定することで被駆動部２の
回転に応じて当該部材を駆動させることができる。被駆
動部２の周面２２には、駆動部３との摩擦による摩耗を
防止するため、タフライド処理若しくはアルマイト処理
等の表面処理が施されている。なお、本実施形態では被
駆動部２を回転体としているが、直進運動が可能な板状
体であってもよい。

【００２３】駆動部３は被駆動部２の駆動力を発生する
駆動源である。駆動部３は２個の積層型圧電素子３１，
３２をトラス型に組み合わせて構成されている。すなわ
ち、２個の積層型圧電素子３１（以下、第１圧電素子３
１という。）と積層型圧電素子３２（以下、第２圧電素
子３２という。）とを略直角に交差させて配置し、これ
らの交差側の先端部に被駆動部２の周面２２に圧接され
るチップ部材３３（圧接部）を接着剤にて接合する一
方、第１，第２圧電素子３１，３２の基端部を船形のベ
ース部材３４に接着剤にて接合している。

【００２４】チップ部材３３の材料としては、安定して
高い摩擦係数が得られ、かつ耐摩耗性に優れたタングス
テン等が好ましい。ベース部材３４の材料としては、製
造が容易で、かつ強度に優れたステンレス鋼等が好まし
い。また、接着剤としては、接着力及び強度に優れたエ
ポキシ系樹脂等が好ましい。

【００２５】第１圧電素子３１は、図２に示すように、
ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック薄板３１ａ
と電極３１ｂ，３１ｃを交互に積層したものであり、各
セラミック薄板３１ａと電極３１ｂ，３１ｃとは接着剤
等により固定されている。また、第１圧電素子３１の両
端部には保護層３１ｄが設けられている。

【００２６】隣接するセラミック薄板３１ａは互いに分
極方向が逆になるように積層されている。１つおきに配
置された電極３１ｂ及び電極３１ｃには駆動信号切換部
５を介して駆動信号供給部６から駆動電圧Ｖが供給され
るようになっている。電極３１ｂと電極３１ｃとの間に
所定の駆動電圧Ｖが印加されると、電極３１ｂと電極３
１ｃとに挟まれた各セラミック薄板３１ａにはその分極
方向に電界が発生し、これにより各セラミック薄板３１
ａは分極方向に変位する。隣接するセラミック薄板３１
ａでは駆動電圧Ｖの印加される方向が逆になっている
が、分極方向が互いに逆方向になっているので、各セラ
ミック薄板３１ａの変位方向は同一となり、積層型圧電
素子３１は各セラミック薄板１１１ａの変位量を加算し
た変位量で変位する。

【００２７】なお、第２圧電素子３２も第２圧電素子３
１と同一の構造をなし、駆動信号供給部６から出力され
る駆動電圧Ｖが駆動信号切換部５を介して切換供給され
るようになっている。従って、第１圧電素子３１と略同
一の駆動特性で伸縮を行なう。

【００２８】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３１ｂと電極３１ｃの間に発生する
電界と第１圧電素子３１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３に示す。なお、図
中、横軸は電界強度を、縦軸は歪み率を表している。

【００２９】電極３１ｂと電極３１ｃの間に周期的にレ
ベルが変化する駆動電圧（例えば正弦波状や矩形波状に
交番する交流信号やパルス列からなる直流電圧等）が印
加されると、その電圧の交番に応じて各セラミック薄板
３１ａは同方向に伸縮を繰り返し、第１圧電素子３１は
全体として伸縮を繰り返す。

【００３０】ここで、圧電アクチュエータ１の被駆動部
２の回転原理について説明する。本実施形態では、第１
圧電素子３１と第２圧電素子３２のいずれか一方、例え
ば第１圧電素子３１のみを駆動して当該第１圧電素子３
１の振動をベース部材３４を介して第２圧電素子３２に
伝達し、第２圧電素子３２を所定の位相差を持って共振
させるようにしている。このように駆動すると、第１圧
電素子３１と第２圧電素子３２の交点に設けられたチッ
プ部材３３は楕円（円を含む）を描くように駆動され
る。このチップ部材３３を、例えば回転軸２１の周りに
回転可能な被駆動部２の周面２２に押しつけると、チッ
プ部材３３の楕円運動（円運動を含む）を被駆動部２の
回転運動に変換することが可能となる。

【００３１】具体的には、第１圧電素子３１又は第２圧
電素子３２に印加する、例えば正弦波電圧の周波数（圧
電素子の駆動周波数）が小さく、チップ部材３３の回転
速度が遅い場合、加圧部４の付勢力によりアクチュエー
タ自体がチップ部材３３の変位に追従してしまい、チッ
プ部材３３は被駆動部２の周面２２から離反することは
なく、被駆動部２の周面２２と接触した状態で往復駆動
される。従って、この場合は被駆動部２を回転させるこ
とはできない。

【００３２】しかし、第１圧電素子３１又は第２圧電素
子３２に印加する正弦波電圧の周波数が大きく、チップ
部材３３の回転速度が速い場合、加圧部４の付勢力によ
ってはアクチュエータ自体がチップ部材３３の変位に追
従できず、図４（ｂ）〜（ｅ）に示すようにチップ部材
３３が被駆動部２の周面２２から一時的に離反する状態
が生まれる。

【００３３】従って、チップ部材３３が被駆動部２の周
面２２から離反している間にチップ部材３３を所定方向
に移動させ（図４（ｂ）（ｃ）参照）、チップ部材３３
が被駆動部２の周面２２に接触している間に所定方向と
反対の方向に移動させることにより（図４（ｄ）（ｅ）
参照）、被駆動部２を回転させることができる。

【００３４】なお、図４において、（ａ）及び（ｅ）は
第１圧電素子３１及び第２圧電素子３２が共に伸び、チ
ップ部材３３が被駆動部２の周面２２に接触した状態、
（ｂ）は第１圧電素子３１が縮み、第２圧電素子３２が
伸び、チップ部材３３が被駆動部２の周面２２から離反
した状態、（ｃ）は第１圧電素子３１及び第２圧電素子
３２が共に縮み、チップ部材３３が被駆動部２の周面２
２から離反した状態、（ｄ）は第１圧電素子３１が伸び
第２圧電素子３２が縮んでいるが、アクチュエータがチ
ップ部材３３の動きに追いつき、チップ部材３３が被駆
動部２の周面２２に接触した状態を示している。

【００３５】図１に戻り、第１，第２圧電素子３１，３
２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。駆動電圧の周波数が第１，第２圧
電素子３１，３２の共振周波数と一致すると、第１，第
２圧電素子３１，３２のインピーダンスが低下し、第
１，第２圧電素子３１，３２の変位量が増大する。第
１，第２圧電素子３１，３２はその外形寸法に対して変
位量が小さいため、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。

【００３６】しかし、トラス型圧電アクチュエータ１
は、トラス型の駆動部３が複数の変位部材を各先端が互
いに直交するように圧接部材に接着するとともに、各基
端をベース部材に接着して組み立てられ、更にこのトラ
ス型駆動部３をバネ等の加圧部材４で被駆動部２に圧接
させる構造であるため、同一の共振周波数特性を有する
圧電素子を用いた場合にもアクチュエータ毎に駆動周波
数（圧電素子に供給される駆動電圧の周波数）に対する
被駆動部２の変位速度の特性（以下、速度特性とい
う。）が相違し、駆動効率が最良となる駆動周波数（す
なわち、被駆動部２を最高速度で変位できる駆動周波
数）はアクチュエータ毎に大きく異なっている。すなわ
ち、圧電アクチュエータ毎に固有の速度特性があり、駆
動効率が最良となる駆動周波数（この駆動周波数を最適
駆動周波数という。）が存在する。

【００３７】この最適駆動周波数のバラツキは、変位部
材単体の共振周波数のバラツキ、変位部材間の共振周波
数の差、圧接部材及び加圧部材の重量、接着剤の塗布量
等の要因が複合して生じるもので、そのバラツキ範囲は
数十ｋＨｚにもなる。

【００３８】そこで、本実施形態では、後述するように
製造ロット毎に予め最適駆動周波数のバラツキ範囲を確
認しておき、その周波数範囲内で駆動周波数を変化させ
ながら第１圧電素子３１若しくは第２圧電素子３２を駆
動して被駆動部２を実際に変位させ、各駆動周波数に対
する被駆動部２の速度を検出することで圧電アクチュエ
ータ１の実際の速度特性を取得し、その速度特性から最
適駆動周波数を駆動信号供給部６から出力される駆動電
圧Ｖの駆動周波数に設定するようにしている。

【００３９】すなわち、ある製造ロットの圧電アクチュ
エータの速度特性が、例えば図５に示すように圧電アク
チュエータ毎に相違し、その最適駆動周波数ｆ１opt，
ｆ２opt,ｆ３opt，…ｆｎoptが７８〜８７〔kHz〕の範
囲でばらついているとすると、その製造ロットの圧電ア
クチュエータ毎に、その製造ロットの最適駆動周波数ｆ
optのバラツキ範囲に対して両側で３ｋＨｚの余裕を見
た７５〜９０〔kHz〕の範囲で駆動周波数ｆを所定のス
テップ（例えば０．２kHz）で変化させながら被駆動部
２を変位させ、各駆動周波数ｆでの被駆動部２の回転速
度Ｎ〔rpm〕を算出することで速度特性を算出し、その
速度特性に基づいて最適駆動周波数ｆoptを設定する。

【００４０】例えば算出した速度特性が図５のである
とすると、その圧電アクチュエータの駆動周波数ｆとし
て最適駆動周波数ｆ１optが設定される。従って、その
圧電アクチュエータを起動すると、第１圧電素子３１若
しくは第２圧電素子３２には周波数ｆ１optの駆動電圧
Ｖが供給され、被駆動部２は略回転速度Ｎ１max〔rpm〕
で回転することになる。

【００４１】図１に戻り、加圧部４は駆動部３のチップ
部材３３を被駆動部２の周面２２に回転軸２１側に加圧
するもので、例えば板バネ、コイルバネやエアーシリン
ダ等からなる。この加圧力はチップ部材３３と被駆動部
２の周面との摩擦力を考慮した適宜の値に調整されてい
る。

【００４２】駆動信号切換部５は駆動信号供給部６から
出力される駆動電圧を第１圧電素子３１と第２圧電素子
３２とに切換供給するものである。駆動信号切換部５は
２個のスイッチ５１，５２からなる。スイッチ５１，５
２のコモン端子はそれぞれ第１圧電素子３１の一方の電
極群３１ｂと第２圧電素子３２の一方の電極群３２ｂ
（図示していない）に接続され、スイッチ５１，５２の
一方の接点は駆動信号供給部６の出力端に接続され、他
方の接点は接地されている。なお、第１，第２圧電素子
３１，３２の他方の電極群３１ｃ，３２ｃは接地されて
いる。

【００４３】スイッチ５１，５２は、何れか一方のコモ
ン端子が接地されるように（すなわち、スイッチ５１の
コモン端子が一方の接点に接続されるときは、スイッチ
５２のコモン端子は他方の接点に接続され、スイッチ５
１のコモン端子が他方の接点に接続されるときは、スイ
ッチ５２のコモン端子は一方の接点に接続されるよう
に）、連動して切り換えられ、その切換制御は駆動制御
部８により行なわれる。

【００４４】駆動信号供給部６は第１圧電素子３１若し
くは第２圧電素子３２を伸縮させるための駆動電圧（駆
動信号）を発生するものである。駆動信号供給部６は周
波数可変型の正弦波信号を発生する発振器６１とこの発
振器６１の出力を第１，第２圧電素子３１，３２の駆動
可能なレベルに増幅するパワーアンプ６２からなる。な
お、上述の実測されるアクチュエータの速度特性はチッ
プ部材３３の駆動軌跡も含めた全体的な特性であるの
で、駆動電圧Ｖの周波数を変化させると、チップ部材３
３の駆動軌跡も変化することになるが、本実施形態では
全体として被駆動部２を最高速度で駆動できるのであれ
ば、チップ部材３３の駆動軌跡は特に問題とならないの
で、駆動信号供給部６から出力される駆動電圧Ｖの振幅
は所定のレベルとし、駆動周波数だけを制御するように
している。

【００４５】発振器６１は、例えば電圧制御発振器（Vo
ltage Control Oscillator）や数値制御発振器（Numeri
cal Control Oscillator）等で構成され、発振器６１の
発振周波数は駆動制御部８により制御される。

【００４６】回転検出部７は被駆動部２が１回転したこ
とを検出するもので、例えば位置検出センサで構成され
ている。この位置検出センサ７は被駆動部２の周面２２
の所定位置（駆動部３が圧接されない位置）に設けられ
た指標板７１と被駆動部２の周面２２に対向する位置で
あって指標板７１の移動軌跡上にある所定の位置に設け
られた透過型のフォトインターラプタ７２からなる。

【００４７】被駆動部２の回転により指標板７１が回転
し、フォトインターラプタ７２を通過すると、そのフォ
トインターラプタ７２で指標板７１の通過が検出され
る。この検出信号は駆動制御部８に入力され、後述する
速度演算部８２ｂでその検出信号に基づき被駆動部２の
回転速度Ｎ（rpm）が算出される。

【００４８】駆動制御部８は駆動信号供給部６から出力
される駆動電圧の周波数ｆを被駆動部２の回転速度Ｎが
最大となる最適駆動周波数ｆoptに制御するとともに、
被駆動部２の回転方向を制御するものである。

【００４９】駆動制御部８は、例えばＭＰＵ（Micro Pr
ocessing Unit）等の演算装置で構成される。駆動制御
部８内の駆動方向切換部８１、最適駆動周波数設定部８
２、駆動周波数設定部８３及びモード設定部８４は、上
述の駆動制御部８の制御機能を実行するための機能ブロ
ックを示したものである。

【００５０】駆動方向切換部８１は駆動信号切変部５の
スイッチ５１，５２の切換えを制御するものである。駆
動方向切換部８１は、例えば操作部９から被駆動部２の
回転方向の情報が入力されると、この情報に基づいてス
イッチ５１，５２を所定の接点に接続する。例えば図１
において被駆動部２を時計回りに回転させるときは、駆
動信号切変部５のスイッチ５１，５２の接点を同図に示
す関係に接続する。

【００５１】最適駆動周波数設定部８２は、上述したよ
うに所定の周波数範囲で駆動周波数を変化させながら被
駆動部２を実際に回転駆動して圧電アクチュエータ１の
速度特性を算出し、この速度特性から最適駆動周波数ｆ
optを設定するものである。

【００５２】最適駆動周波数ｆoptの設定処理は、主と
して圧電アクチュエータ１の製造工程で組立てが終了し
たときや販売後の圧電アクチュエータ１のメンテナンス
時に行なわれることが多いので、第１実施形態ではモー
ド設定により行なうようにしている。このため、製品製
造時に実測した速度特性に基づいて第１，第２圧電素子
３１，３２の駆動周波数ｆが最適駆動周波数ｆoptに設
定されると、メンテナンスで最適駆動周波数ｆoptの再
設定が行われない限り、第１，第２圧電素子３１，３２
の駆動周波数ｆは前回設定された最適駆動周波数ｆopt
に保持される。

【００５３】最適駆動周波数設定部８２は周波数走査部
８２ａ、速度演算部８２ｂ、速度特性記憶部８２ｃ及び
最適駆動周波数算出部８２ｄからなる。周波数走査部８
２ａは速度特性を取得するために、発振器６１に対して
駆動周波数ｆの走査情報を出力するものである。周波数
走査部８２ａは予め設定された走査範囲（上述の例では
７５〜９０〔kHz〕）内の周波数情報を予め設定された
ピッチ（上述の例えば０．２〔kHz〕）で順次出力す
る。また、この周波数情報は速度特性記憶部８２ｃにも
出力される。

【００５４】速度演算部８２ｂは被駆動部２の回転速度
Ｎを算出するものである。速度演算部８２ｂは単位時間
内の位置検出センサ７から出力される指標板７１の検出
信号をカウントすることで被駆動部２の回転速度Ｎを算
出する。この回転速度Ｎの情報は速度特性記憶部８２ｃ
に出力される。

【００５５】速度特性記憶部８２cは実測される圧電ア
クチュエータ１の速度特性のデータを記憶するものであ
る。速度特性記憶部８２ｃは速度演算部８２ｂから入力
される回転速度Ｎ(i)（ｉ＝１，２，…ｎ）のデータを
周波数走査部８２ａから入力される駆動周波数ｆ(i)
（ｉ＝１，２，…ｎ）のデータに対応つけて記憶するこ
とにより速度特性のデータを記憶する。

【００５６】最適駆動周波数算出部８２ｄは速度特性記
憶部８２ｃに記憶された速度特性のデータを用いて被駆
動部２の回転速度Ｎが最大回転速度Ｎmaxとなる駆動周
波数ｆを算出し、その駆動周波数ｆを最適駆動周波数ｆ
optとする。具体的には、最適駆動周波数算出部８２ｄ
は回転速度Ｎのデータをソーティングして最大回転速度
Ｎmaxを算出し、その最大回転速度Ｎmaxに対応する駆動
周波数ｆを最適駆動周波数ｆoptとする。

【００５７】図６は、最適駆動周波数設定部８２の処理
手順を示すフローチャートである。操作部９により、速
度特性を実測して最適駆動周波数を設定するモード（以
下、このモードを駆動周波数最適化モードという。）が
設定されると、最適駆動周波数設定部８２は図６に示す
フローチャートを実行して最適駆動周波数の設定を行な
う。

【００５８】まず、周波数走査部８２ａで第１サンプリ
ングの駆動周波数ｆ(1)が最適駆動周波数のバラツキ範
囲に基づき予め設定されている周波数走査範囲の下限値
に設定される（＃１）。例えば上述の例ではｆ(1)＝７
５kHzに設定される。この駆動周波数ｆ(1)は駆動信号供
給部６及び速度特性記憶部８２ｃに出力され、駆動信号
供給部６からは周波数ｆ(1)の駆動電圧Ｖが駆動信号切
換部５を介して駆動部３に出力される。

【００５９】駆動電圧Ｖが供給されると、駆動部３の圧
接部３３が楕円運動若しくは円運動をして被駆動部２が
所定の方向に回転される（＃３）。被駆動部２の回転軸
２１回りの周回は回転検出部７により検出され、その検
出信号は駆動制御部８２に入力され、速度算出部８２ｂ
で被駆動部２の回転速度Ｎ(1)が算出される（＃５）。
この算出結果は速度特性記憶部８２ｃに入力され、周波
数走査部８２ａから入力され駆動周波数ｆ(1)に対応付
けて記憶される（＃７）。

【００６０】続いて、駆動周波数ｆ(1)が周波数走査範
囲の上限値（上述の例では９０kHz）と一致しているか
否かが判別される（＃９）。今回の駆動周波数ｆ(1)は
下限値であるから（＃９でＮＯ）、ステップ＃１１に移
行し、第２サンプリングの駆動周波数ｆ(2)が設定され
てステップ＃５に戻る。この駆動周波数ｆ(2)には前の
駆動周波数ｆ(1)に所定の周波数ピッチΔｆ（例えば
０．２kHz）を加算した値７５．２kHzが設定される。

【００６１】ステップ＃５に戻ると、上述の第１サンプ
リングの場合と同様にして第２サンプリングの駆動周波
数ｆ(2)に対する被駆動部２の回転速度Ｎ(2)が算出さ
れ、速度特性記憶部８２ｃに記憶される（＃５，＃
７）。そして、再度、駆動周波数ｆ(2)が周波数走査範
囲の上限値（上述の例では９０kHz）と一致しているか
否かが判別される（＃９）。駆動周波数ｆ(2)も周波数
走査範囲の上限値を超えていないから（＃９でＮＯ）、
ステップ＃１１に移行し、第３サンプリングの駆動周波
数ｆ(3)（＝ｆ(2)＋Δｆ＝７５．４kHz）が設定され、
ステップ＃５，＃７で駆動周波数ｆ(3)に対する被駆動
部２の回転速度Ｎ(3)が算出され、速度特性記憶部８２
ｃに記憶される（＃５，＃７）。

【００６２】以下、同様の方法で駆動周波数ｆをΔｆず
つ増加させながら、各駆動周波数ｆ(i)（ｎ＝４，…
ｎ）に対する被駆動部２の回転速度Ｎ(i)を算出し、そ
の算出結果が速度特性記憶部８２ｃに記憶される（＃５
〜＃１１のループ）。そして、第ｎサンプリングの駆動
周波数ｆ(n)（＝ｆ(n-1)＋Δｆ）が周波数走査範囲の上
限値に一致すると（＃９でＹＥＳ）、速度特性の算出は
終了し、ステップ＃１３に移行してこの速度特性から最
大回転速度Ｎmaxに対応する駆動周波数ｆが算出され、
更にこの駆動周波数ｆが最適駆動周波数ｆoptとして設
定される（＃１５）。

【００６３】なお、この実施形態ではサンプリング周波
数のピッチをΔｆに固定して最初から高分解能で速度特
性を算出するようにしているが、低分解能の速度特性を
実測した後、周波数の走査範囲を絞り込んで高分解能の
速度特性を実測するようにしてもよい。すなわち、最初
はΔｆを、例えば１kHzなどの大きい値に設定してサン
プリング周波数の粗い速度特性を算出し、この速度特性
で、例えば８０kHzの近傍に最大回転速度Ｎmaxが存在す
ることが分ると、走査範囲を、例えば８０±１ｋHzに変
更するとともに、周波数ピッチΔｆを、例えば０．２kH
zに小さくしてサンプリング周波数の細かい速度特性を
算出するようにしてもよい。

【００６４】あるいはまた、中程度の高分解能で速度特
性を算出し、補間演算処理により最大回転速度Ｎmaxと
なる駆動周波数ｆを算出するようにしてもよい。この方
法は速度特性を実測する時間を短くすることができる利
点がある。

【００６５】また、この実施形態では速度特性を実測し
た後にその速度特性を用いて最適駆動周波数ｆoptを算
出するようにしているが、駆動周波数ｆ(i)に対する回
転速度Ｎ(i)を算出する毎にソーティング処理を行なっ
て最大回転速度Ｎmaxを算出するようにしてもよい。こ
の方法では速度特性の実測が完了するまでに最大回転速
度Ｎmaxに対応する駆動周波数ｆmaxを検出することがで
きるので、最適駆動周波数ｆoptの設定処理の高速化が
可能になる。

【００６６】図１に戻り、駆動周波数設定部８３は通常
の駆動モードにおける駆動部３の駆動周波数ｆを設定す
るものである。通常の駆動モードにおいては、駆動周波
数設定部８３は最適周波数算出部８２ｄで算出された最
適駆動周波数ｆoptを駆動周波数ｆの情報（ＶＣＯ６１
に対する制御電圧情報）として駆動信号供給部６に出力
する。駆動信号供給部６では発振器６１でこの制御電圧
情報に基づき周波数ｆoptの正弦波状の駆動電圧が発生
され、この駆動電圧がパワーアンプ６２で所定のレベル
に増幅されて駆動部３に出力される。

【００６７】モード設定部８４は、操作部９から入力さ
れる操作情報に基づいて通常の駆動モードと駆動周波数
適正化モードとを切換設定するものである。モードの設
定情報は最適駆動周波数設定部８２と駆動周波数設定部
８３とに入力される。図７に示すように、最適駆動周波
数設定部８２は駆動周波数最適化モードの設定情報が入
力されると（＃２１でＮＯ）、速度特性の実測処理及び
最適駆動周波数ｆoptの算出処理を行なう（＃２５）。
一方、駆動周波数設定部８３は通常の駆動モードの設定
情報が入力されると（＃２１でＹＥＳ）、最適駆動周波
数設定部８２で設定された最適駆動周波数ｆoptの情報
を駆動信号供給部６に出力し、駆動部３を最適駆動周波
数ｆoptの駆動信号で駆動させる（＃２３）。

【００６８】上記のように、圧電アクチュエータ１は実
際の速度特性を測定し、その速度特性に基づいて駆動効
率が最も高くなる第１圧電素子３１又は第２圧電素子３
２の駆動周波数ｆを設定するようにしているので、簡単
な構造でアクチュエータの駆動効率を最も高い状態に制
御することができる。

【００６９】図８は、本発明に係る圧電アクチュエータ
の第２実施形態の構成を示す図である。

【００７０】第１実施形態はモード設定により速度特性
を実測して最適駆動周波数ｆoptを設定するようにして
いたが、第２実施形態は駆動部２の回転速度Ｎが所定の
閾値以下に低下すると、速度特性を実測して最適駆動周
波数ｆoptを再設定し、駆動電圧の周波数を修正するよ
うにしたものである。

【００７１】従って、図８は、図１において、操作部９
を除去するとともに、モード設定部８４を速度低下判定
部８５に変更したものである。速度低下判定部８５は速
度算出部８２ｂで算出される被駆動部２の回転速度Ｎと
予め設定された所定の閾値Ｎｒとを比較し、回転速度Ｎ
が閾値Ｎｒ以下に低下すると、その判定結果を最適駆動
周波数設定部８２と駆動周波数設定部８３とに出力す
る。最適駆動周波数設定部８２はこの判定結果を受けて
上述した速度特性の算出処理と最適駆動周波数ｆoptの
設定処理とを行なう。また、駆動周波数設定部８３は駆
動信号供給部６に出力している駆動周波数ｆを最適駆動
周波数設定部８２で再設定された最適駆動周波数ｆopt
に変更する。

【００７２】図９は、第２実施形態に係る圧電アクチュ
エータの駆動周波数の制御処理を示すフローチャートで
ある。

【００７３】同図に示すように、被駆動部２の回転速度
Ｎが所定の閾値Ｎｒよりも高いときは（＃３１でＮ
Ｏ）、駆動周波数ｆの修正は行われず、回転速度Ｎが所
定の閾値Ｎｒ以下に低下すると（＃３１でＹＥＳ）、最
適駆動周波数設定部８２で速度特性の実測とその速度特
性に基づく最適駆動周波数ｆoptの算出とが行われ（＃
３３）、駆動周波数設定部８３で駆動信号供給部６から
出力される駆動電圧の周波数が新たに設定された最適駆
動周波数ｆoptに修正される（＃３５）。

【００７４】すなわち、当初、駆動信号供給部６から出
力される駆動電圧の周波数が図５のの速度特性に基づ
く最適駆動周波数ｆ１optに設定されているとして、そ
の後に速度特性が図５のに変化して被駆動部２の回転
速度Ｎが所定の閾値Ｎｒ以下のＮ１に低下すると、最適
駆動周波数設定部８２によりの速度特性が実測され、
このの速度特性に基づき最適駆動周波数ｆ２optが設
定される。そして、駆動周波数設定部８３により駆動信
号供給部６から出力される駆動電圧の周波数がｆ１opt
からｆ２optに修正される。

【００７５】これによりアクチュエータの速度特性が負
荷変動や周囲温度などの環境変化や経時劣化等によって
変化し、被駆動部２の回転速度Ｎが所定の閾値Ｎｒ以下
に低下したときは駆動周波数ｆが現在の速度特性におい
て最も駆動効率が良好となる最適駆動周波数ｆoptに自
動的に修正されるので、可能な限り駆動効率を最良の状
態にしてアクチュエータを駆動させることができる。

【００７６】なお、第２実施形態では被駆動部２の回転
速度Ｎの低下を直接検出して駆動効率が所定の閾値以下
に低下すると、駆動周波数ｆを変更するようにしていた
が、速度特性の変化に影響を与える温度や湿度等の環境
条件の変化を検出し、その環境条件が駆動効率を所定の
閾値以下に低下させる程度に変化したと推定されると
き、駆動周波数ｆを変更するようにしてもよく、あるい
は両方の条件の何れか一方が駆動効率を所定の閾値以下
に低下させる状態に変化すると、駆動周波数ｆを変更す
るようにしてもよい。

【００７７】また、第２実施形態では被駆動部２の回転
速度Ｎが所定の閾値Ｎｒ以下に低下すると、直ちに速度
特性を実測して駆動周波数ｆを新たに取得した最適駆動
周波数ｆoptに修正するようにしているが、現駆動中に
は速度特性の実測及び駆動周波数の修正処理は行なわ
ず、電源がオンにされて駆動周波数ｆの初期設定を行な
うときにだけ速度特性を実測し、その速度特性に基づい
て算出された最適駆動周波数ｆoptを駆動周波数ｆとし
て設定するようにしてもよい。

【００７８】なお、上記実施形態の説明では、チップ部
材３３を駆動するための２つの変位素子３１，３２をそ
れぞれ直交するように配置したが、これに限定されるも
のではなく、その他の角度、例えば４５°、１３５°等
任意の角度であってもよい。さらに、変位素子の数は２
つに限定されず、３個、あるいはそれ以上用いて、３自
由度又は４自由度の駆動を行うように構成してもよい。
さらに、変位素子の駆動源として、圧電素子だけでな
く、磁歪素子等他の電気的又は機械的変位素子を用いて
もよい。また、複数個の変位素子のうち、少なくも１個
を圧電素子等の機械電気変換素子とし、他の変位素子を
弾性部材で構成してもよい。

【００７９】また、上記実施形態では２つの第１，第２
圧電素子３１，３２のうち、何れか一方を切換駆動す
る、所謂片側駆動タイプの圧電アクチュエータについて
説明したが、本発明は、第１，第２圧電素子３１，３２
の両方を同時に駆動する両側駆動タイプの圧電アクチュ
エータにも適用することができる。この場合は、第１圧
電素子３１だけを駆動したときの速度特性と第２圧電素
子３２だけを駆動したときの速度特性とをそれぞれ取得
し、各速度特性から最適駆動周波数ｆoptをそれぞれ算
出し、両最適駆動周波数ｆoptを用いて最適な駆動周波
数ｆを設定すればよい。

【００８０】両側駆動タイプの圧電アクチュエータでは
片側駆動タイプの圧電アクチュエータよりも被駆動部２
の回転速度を高くすることができる利点がある。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
トラス型圧電アクチュエータにおいて、駆動信号供給部
から所定の周波数範囲で周波数を変化させつつ駆動電圧
を圧電素子に供給して被駆動部の変位速度を検出し、こ
の変位速度と駆動電圧の周波数とから被駆動部の速度特
性を算出し、この速度特性に基づいて圧電体に供給され
る駆動電圧の周波数を被駆動部の変位速度が最高速度と
なる周波数に設定するようにしたので、簡単な構造で可
及的に高い効率で圧電アクチュエータの駆動を制御する
ことができる。

【００８２】また、被駆動部の変位速度が所定の閾値以
下に低下したとき、被駆動部の速度特性を算出し、直ち
にこの速度特性に基づいて圧電体に供給される駆動電圧
の周波数を被駆動部の変位速度が最高速度となる周波数
に変更するようにしたので、簡単な構造で圧電アクチュ
エータの駆動効率を最良の状態に保持することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る圧電アクチュエータの第１実施
形態の構成を示す図である。

【図２】 本発明に係る圧電アクチュエータに用いられ
る積層型圧電素子の構造を示す図である。

【図３】 積層型圧電素子における各電極の間に発生す
る電界と各電極間の圧電部材の歪み率との関係を示す図
である。

【図４】 上記圧電アクチュエータの回転原理を示す図
である。

【図５】 圧電アクチュエータの速度特性のバラツキを
示す図である。

【図６】 最適駆動周波数の処理手順を示すフローチャ
ートである。

【図７】 第１実施形態における駆動周波数の最適化処
理を示すフローチャートである。

【図８】 本発明に係る圧電アクチュエータの第２実施
形態の構成を示す図である。

【図９】 第２実施形態における駆動周波数の最適化処
理を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ アクチュエータ ２ 被駆動部 ２１ 回転軸 ２２ 周面 ３ 駆動部（トラス型圧電駆動部） ３１，３２ 積層型圧電素子 ３３ チップ部材（圧接部） ３４ ベース部材 ４ 加圧部 ５ 駆動信号切換部 ６ 駆動信号供給部 ６１ 発振器 ６２ パワーアンプ ７ 回転検出部（速度検出部の構成要素） ８ 駆動制御部（駆動周波数設定手段） ８１ 駆動方向切換部 ８２ 最適駆動周波数設定部 ８２ａ 周波数走査部（速度特性算出部の構成要素） ８２ｂ 速度算出部（速度検出部及び速度特性算出部の
構成要素） ８２ｃ 速度特性記憶部（速度特性算出部の構成要素） ８２ｄ 最適駆動周波数算出部（周波数検出部） ８３ 駆動周波数設定部 ８４ モード設定部（モード設定手段） ８５ 速度低下判定部（速度低下検出手段） ９ 操作部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丸山 吉紀 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 毛呂 文則 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 5H680 AA04 AA06 AA08 BB01 BB15 BB16 CC02 DD01 DD23 DD27 DD37 DD53 DD55 DD67 DD73 DD74 DD88 DD95 EE22 EE23 EE24 FF08 FF17 FF25 FF26 FF30 FF33 FF36 FF38 GG02 GG20 GG25 GG27

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直進運動若しくは回転運動を可能に保持
   された被駆動部と、少なくとも１つが圧電体からなる複
   数の変位部材を各先端が互いに直交するように結合して
   なるトラス型圧電駆動部と、このトラス型圧電駆動部の
   上記変位部材の結合部を上記被駆動部に圧接する加圧部
   と、上記トラス型圧電駆動部の圧電体に電圧が所定の周
   波数で変化する駆動信号を供給する駆動信号供給部とを
   具備する圧電アクチュエータにおいて、 上記被駆動部の変位速度を検出する速度検出部と、上記
   駆動信号供給部から所定の周波数範囲で周波数を変化さ
   せつつ上記駆動電圧を上記圧電素子に供給して上記速度
   検出部で上記被駆動部の変位速度を検出し、その速度特
   性と上記駆動電圧の周波数とから上記被駆動部の速度特
   性を算出する速度特性算出部と、上記速度特性算出部で
   算出された速度特性に基づいて上記被駆動部の変位速度
   が最高速度となる上記駆動電圧の周波数を検出する周波
   数検出部と、上記駆動信号供給部から供給される上記駆
   動電圧の周波数を上記周波数検出部で検出された周波数
   に設定する駆動周波数設定部とからなる駆動周波数設定
   手段を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電アクチュエータにお
   いて、実測した速度特性に基づいて上記駆動電圧の駆動
   周波数を設定するモードを設定するモード設定手段を更
   に設け、上記駆動周波数設定手段は上記モード設定手段
   で上記モードが設定されると、上記速度特性算出部、上
   記周波数検出部及び上記駆動周波数設定部を動作させて
   上記駆動電圧の周波数を上記被駆動部が最高速度で変位
   する駆動周波数に設定することを特徴とする圧電アクチ
   ュエータ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の圧電アクチュエータにお
   いて、上記駆動周波数設定手段は、圧電アクチュエータ
   を起動させたときの駆動周波数の初期設定時に、上記速
   度特性算出部、上記周波数検出部及び上記駆動周波数設
   定部を動作させて上記駆動電圧の周波数を上記被駆動部
   が最高速度で変位する駆動周波数に設定することを特徴
   とする圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】 請求項１記載の圧電アクチュエータにお
   いて、上記速度検出部で検出された上記被駆動部の速度
   が予め設定された所定の閾値以下に低下したことを検出
   する速度低下検出手段を更に備え、上記駆動周波数設定
   手段は上記速度低下検出手段で上記被駆動部の速度が所
   定の閾値以下に低下すると、上記速度特性算出部及び上
   記周波数検出部を動作させて上記被駆動部が最高速度で
   変位する上記駆動電圧の駆動周波数を検出することを特
   徴とする圧電アクチュエータ。
5. 【請求項５】 請求項４記載の圧電アクチュエータにお
   いて、上記駆動周波数設定部は、上記周波数検出部で上
   記被駆動部を最高速度で変位させる上記駆動電圧の周波
   数が検出されると、その検出直後に上記駆動信号供給部
   から上記圧電素子に供給される駆動電圧の周波数を上記
   周波数検出部で検出された周波数に変更するものである
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ。