JP5127293B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置に関するものである。

従来から、各種電気機器等に用いられる、圧電素子（電気機械変換素子）を備えた振動型アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。この圧電素子は、圧電体と電極とを交互に積層してなる。そして、前記振動型アクチュエータでは、電極に電圧を印加することにより圧電素子を振動させ、これにより、可動体を移動させる。
特開２００６−１１５５８３号公報

ところで、可動体を精度よく位置決めする場合、可動体を高速移動させる粗動モードから可動体を微動させる微動モードに切り換えるが、この微動モードに用いる駆動方式として、いわゆるバースト駆動方式がある。

しかしながら、このバースト駆動方式では、所定周期（バースト周期。例えば１００Ｈｚ）毎に圧電素子が振動したりその振動が止まったりするので、騒音が発生する。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、駆動装置において、微動モード時の騒音を抑制することにある。

その課題を解決するために、本発明は、圧電素子に供給される２相の電圧の位相差を、９０度と、０度以上で９０度よりも小さい範囲内、又は９０度よりも大きく１８０度以下の範囲内の所定角度との間で切り換える。具体的には、本発明は、圧電素子と、該圧電素子に設けられた駆動子と、該駆動子に支持された可動体とを有する振動型アクチュエータと、前記圧電素子に周波数が同じ第１及び第２電圧を供給する制御装置とを備え、前記制御装置により前記圧電素子に前記第１電圧と該第１電圧と位相差が９０度の第２電圧を供給することにより、前記圧電素子を伸縮振動と屈曲振動とが合成された振動をさせ、該振動により前記駆動子を略楕円運動させて前記可動体を移動させる駆動装置であって、前記制御装置は、微動モード時には、前記第１電圧と前記第２電圧との位相差を、９０度と、０度以上で９０度よりも小さい範囲内、又は９０度よりも大きく１８０度以下の範囲内の所定角度との間で切り換えるように構成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、微動モード時に、圧電素子に供給される２相の電圧の位相差を、９０度と、０度以上で９０度よりも小さい範囲内、又は９０度よりも大きく１８０度以下の範囲内の所定角度との間で切り換えるので、圧電素子が常に振動し、微動モード時の騒音の発生を抑制できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

−振動型アクチュエータの構成−
図１及び図２に示すように、振動型アクチュエータは、略直方体状の圧電素子１２（例えば、長さ６．０ｍｍ×幅１．７ｍｍ×厚み２．４ｍｍのもの）を備えている。この圧電素子１２は、互いに対向する一対の主面と、この主面と直交して圧電素子１２の主面の長手方向に延びる、互いに対向する一対の端面と、これらの主面及び端面の両方と直交して圧電素子１２の主面の短手方向に延びる、互いに対向する一対の側面とを有している。主面、端面及び側面が圧電素子１２の外面を構成し、端面及び側面が圧電素子１２の周囲面を構成している。本実施形態では、主面、端面及び側面のうち主面が最大の面積を有している。

圧電素子１２は、３つの支持部１３ａ〜１３ｃを介してケース１１に収容支持されている。圧電素子１２の一方の端面には、屈曲振動の腹の部分に駆動子８，８が設けられており、これらの駆動子８，８は平板状の可動体９を支持している。圧電素子１２の他方の端面（駆動子８，８が設けられた端面とは反対側の端面）の支持体１３ｂは、駆動子８，８を可動体９に押圧している。これにより、駆動子８，８の先端部と可動体９との摩擦力が高められ、圧電素子１２の振動が駆動子８，８を介して確実に可動体９に伝搬される。

圧電素子１２は、略矩形状の圧電体層１（例えば、厚み１００ｕｍのもの）と内部電極層２とを交互に積層してなるものである。この圧電体層１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などのセラミック材料からなる絶縁体層であり、例えば２４層積層されている。内部電極層２は、積層方向（圧電素子１２の厚み方向）に圧電体層１を介して交互に配された給電電極層（プラス電極層）３及び共通電極層（マイナス電極層）４からなる。

給電電極層３は、圧電体層１の上側主面に設けられた第１給電電極層３ａと、上側主面にこの第１給電電極層３ａが設けられた圧電体層１とは異なる圧電体層１の上側主面に設けられた第２給電電極層３ｂとからなる。そして、給電電極層３は、第１給電電極層３ａ及び第２給電電極層６ｂが積層方向に交互に配されてなる。

第１給電電極層３ａは、圧電体層１の上側主面をその長手方向Ｌ及び短手方向Ｓにそれぞれ２等分してなる４つの領域Ａ１〜Ａ４（図３参照）にそれぞれ設けられた４つの分割電極３ｃ，３ｃ，…と、これらの４つの分割電極３ｃ，３ｃ，…のうち圧電体層１の上側主面の第１対角線方向Ｄ１に対向する２つの領域Ａ１，Ａ３にそれぞれ形成された一対の分割電極３ｃ，３ｃを互いに接続する接続電極３ｄとを有している。

第２給電電極層３ｂは、前記４つの領域Ａ１〜Ａ４にそれぞれ設けられた４つの分割電極３ｃ，３ｃ，…と、これらの４つの分割電極３ｃ，３ｃ，…のうち圧電体層１の上側主面の第２対角線方向Ｄ２に対向する２つの領域Ａ２，Ａ４にそれぞれ形成された一対の分割電極３ｃ，３ｃを互いに接続する接続電極３ｄとを有している。

各分割電極３ｃは略矩形状の電極であり、積層方向から見て共通電極層４と重なっている。つまり、各分割電極３ｃは、共通電極層４と圧電体層１を挟んで対向している。各分割電極３ｃには、その長手方向中央部から圧電素子１２の端面に向かって延びる引出電極３ｅが設けられている。この各引出電極３ｅは、積層方向から見て共通電極層４と重なっていない。つまり、各引出電極３ｅは、共通電極層４と対向していない。このため、圧電体層１の各引出電極３ｅに対向する部分には電界が生じない。つまり、この部分は圧電的に不活性な部分となる。各分割電極３ｃは、引出電極３ｅを介して外部電極７ａ，７ｂに接続されている。これらの外部電極７ａ，７ｂは、圧電素子１２の両端面にそれぞれ１つずつ設けられている。

共通電極層４は、圧電体層１の上側主面のほぼ全面に亘って設けられた略矩形状の共通電極４ａを有している。この共通電極４ａには、その長手方向中央部から圧電素子１２の両端面に向かってそれぞれ延びる引出電極４ｂ，４ｂが設けられている。共通電極４ａは、引出電極４ｂ，４ｂを介して外部電極７ｇに接続されている。この外部電極７ｇは、圧電素子１２の両端面にそれぞれ１つずつ設けられている。

そして、圧電体層１は、図２の矢印で示すように、第１給電電極層３ａ又は第２給電電極層３ｂ側から共通電極層４側へと分極されている。

ところで、圧電素子１２の伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数は、それぞれ圧電素子１２の材料や形状等により決定される。そして、圧電素子１２の材料や形状等は、伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数が略一致するように決められている。本実施形態では、圧電素子１２の材料や形状等は、１次モードの伸縮振動の共振周波数及び２次モードの屈曲振動の共振周波数が略一致するように決定されている。

−振動型アクチュエータの動作−
以下、振動型アクチュエータの動作について説明する。図４は、１次モードの伸縮振動の変位図であり、図５は、２次モードの屈曲振動の変位図であり、図６は、圧電素子１２の動作を示す概念図である。なお、図４〜図６においては、圧電素子１２の主面はその紙面と平行な位置関係にある。

ワイヤー（図示せず）及び外部電極７を介して、給電電極層３の領域Ａ１，Ａ３の分割電極３ｃ，３ｃと共通電極層４の共通電極４ａとの間に、前記共振周波数近傍の周波数の正弦波の基準交流電圧（以下、第１電圧という）を印加し、給電電極層３の領域Ａ２，Ａ４の分割電極３ｃ，３ｃと共通電極層４の共通電極４ａとの間に、第１電圧とほぼ同じ大きさ・周波数の正弦波の交流電圧（以下、第２電圧という）を印加する。これにより、領域Ａ１，Ａ３の分割電極３ｃ，３ｃに同位相の電圧が加わり、領域Ａ２，Ａ４の分割電極３ｃ，３ｃに同位相の電圧が加わる。第１電圧と第２電圧との位相差が０度の場合、圧電素子１２には図４に示す１次モードの伸縮振動が誘起される。一方、その位相差が１８０度の場合、圧電素子１２には図５に示す２次モードの屈曲振動が誘起される。

また、給電電極層３の領域Ａ１，Ａ３の分割電極３ｃ，３ｃと共通電極層４の共通電極４ａとの間に、共振周波数近傍の周波数の正弦波の第１電圧を印加し、給電電極層３の領域Ａ２，Ａ４の分割電極３ｃ，３ｃと共通電極層４の共通電極４ａとの間に、位相が第１電圧と９０度又は−９０度だけ異なる、第１電圧とほぼ同じ大きさ・周波数の正弦波の第２電圧を印加すると、圧電素子１２には、図４に示す１次モードの伸縮振動と図５に示す２次モードの屈曲振動とが調和的に誘起される。

そして、圧電素子１２の形状が、図６（ａ）〜（ｄ）に示すような順で変化する。その結果、圧電素子１２に設けられた駆動子８，８が、図６の紙面を貫く方向から見て略楕円運動する。つまり、圧電素子１２の伸縮振動及び屈曲振動の合成振動により駆動子８，８が楕円運動する。この楕円運動により駆動子８，８に支持された可動体９が圧電素子１２との間で相対運動して、図１に示す矢印Ａ又は矢印Ｂの方向に移動する。

ここで、伸縮振動の伸縮方向は、圧電素子１２の主面の長手方向、つまり、可動体９の移動方向であり、屈曲振動の振動方向は、駆動子８，８が可動体９を支持する方向である。圧電素子１２の積層方向は、伸縮振動の伸縮方向及び屈曲振動の振動方向の両方と垂直な方向である。

−振動型アクチュエータの制御−
以下、振動型アクチュエータの制御について説明する。図７は、振動型アクチュエータの制御装置のブロック図である。可動体９の位置を検出する位置検出部２１からの位置情報に基づいて、速度指令部２２は可動体９の移動速度を決定し、その速度情報を制御部２３に伝達する。制御部２３は、速度指令部２２からの速度情報に基づいて、第１及び第２電圧の周波数、並びに第１電圧と第２電圧との位相差を決定し、その周波数情報を周波数発生部２４に伝達し、その位相差情報を位相差演算部２５に伝達する。位相差演算部２５は、制御部２３からの位相差情報とバースト周期発生部２６からのバースト情報とに基づいて、モードに応じて位相差を決定し、その位相差情報を位相差発生部２７に伝達する。周波数発生部２４から発生した所定周波数の正弦波電圧が、ドライバー２８を通じて圧電素子１２に第１電圧として印加される。周波数発生部２４から発生した電圧は、位相差発生部２７により位相がずらされ、ドライバー２９を通じて圧電素子１２に第１電圧と周波数が同じで位相が異なる第２電圧として印加される。

図８は、ドライバー２８，２９の構成図である。２つのハーフブリッジの構成により、同図に示すＣＨ１、ＣＨ２には、Ｖｄｄの電源電圧（例えば５Ｖ）と０Ｖの独立している矩形波が印加される。そして、振動型アクチュエータ（コンデンサー）Ｃとこれに直列接続された抵抗Ｌがローパスフィルターを構成し、このローパスフィルターにより矩形波の高周波成分を除去することで、電源電圧近傍と０Ｖの正弦波を得ている。

図９は、通常モード及び微動モードの説明図である。可動体９の所望の移動速度が所定速度（例えば５０ｍｍ／ｓ）以上である通常モード時は、周波数発生部２４では、前記共振周波数（例えば２７０ｋＨｚ）よりも高い駆動周波数を発生させる。そして、可動体９の移動速度を増加したいときには、駆動周波数を低くする一方、可動体９の移動速度を減少したいときには、駆動周波数を高くする。つまり、可動体９の移動速度が大きいほど、駆動周波数を低くする。

以上のように、通常モード時は、可動体９の移動速度に応じて駆動周波数を制御しながら、第１及び第２電圧を常時供給するようになっている。

一方、可動体９の所望の移動速度が前記所定速度よりも小さい微動モード時（可動体９をゆっくり動かす間欠駆動時）は、周波数発生部２４では、共振周波数よりも若干高い固定駆動周波数（通常モードの最高周波数と同じ周波数。例えば２７６ｋＨｚ）を発生させる。バースト周期発生部２６では、図１０に示す所定周期（バースト周期）として、駆動周波数の５分の１以下の周波数、例えば、１０Ｈｚ〜１００ｋＨｚの周波数を発生させるのが望ましく、１０Ｈｚ〜２００Ｈｚ又は２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数（可聴周波数帯域外の周波数）を発生させるのがより望ましい。本実施形態では、所定周期を１００Ｈｚ（１０ｍｓ）としている。そして、この所定周期毎に第１電圧と第２電圧との位相差を９０度と０度（所定角度）との間で切り換える。具体的には、位相差を０度から９０度まで時間に比例するように滑らかに変化させた後、９０度に保ち、それから、位相差を９０度から０度まで時間に比例するように滑らかに変化させた後、０度に保つ。つまり、１所定周期中に、位相差を０度と９０度との間で台形状に変化させた後、０度に維持する。位相差を０度から９０度まで変化させるのに要する時間は約１ｍｓである。

ここで、所定周期において、位相差を０度と９０度との間で台形状に変化させる期間を第１所定期間（バーストＯＮ期間）、位相差を０度に保つ期間を第２所定期間（バーストＯＦＦ期間）とすると、可動体９の移動速度を増加したいときには、第１所定期間を長くして第２所定期間を短くする一方、可動体９の移動速度を減少したいときには、第１所定期間を短くして第２所定期間を長くする。つまり、可動体９の移動速度が大きいほど、第２所定期間を短くする。

以上のように、微動モード時は、第１電圧と第２電圧との位相差を制御しながら、第１及び第２電圧を絶えず供給するようになっている。

駆動子８，８の移動軌跡を図１１に示す。第２電圧の位相が第１電圧に対し９０度ずれているときは、駆動子８，８は、長径又は短径が可動体９の移動方向とほぼ一致する、時計回りの楕円運動をし、本実施形態では、可動体９が図１に示す矢印Ａの方向（右方向）に移動する。位相ずれが２７０度（第１電圧と第２電圧との位相差が９０度）のときは、駆動子８，８が逆に反時計回りに楕円回転することで、可動体９が図１に示す矢印Ｂの方向（左方向）に移動する。位相ずれが０度又は１８０度のときは、駆動子８，８は斜めに直線運動し、可動体９は移動しない。これらを利用して、駆動子８，８を間欠的に楕円運動させることで、可動体９を微動させる。なお、位相ずれが４５度のときは、駆動子８，８は、長径及び短径が可動体９の移動方向からずれた楕円運動をする。このとき、可動体９は、位相ずれが９０度のときと比較して、ゆっくり矢印Ａの方向に進む。これと同様のことは、位相ずれが１３５度、２２５度、又は３１５度（第１電圧と第２電圧との位相差が４５度又は１３５度）のときも言える。

以上のように、本実施形態によれば、通常のバースト駆動と比較して、圧電素子１２が常に動いていることにより、圧電素子１２が動き出すときに発生するバースト騒音が軽減される。さらに、第１電圧と第２電圧との位相差を徐々に変化させることで、バースト騒音がさらに軽減されるのに加えて、位相の急激な変化による圧電素子１２の異常振動も抑えられ、高い信頼性が実現できる。その上、駆動周波数を通常モードの最高周波数と同じ、比較的高い周波数にすることにより、圧電素子１２の振幅が抑えられ、バースト騒音がより一層軽減される。

前記位相ずれと可動体９の移動速度との関係を図１２に示す。可動体９の負荷（重さ）が軽い場合は、同図（ａ）に示すように、位相ずれが変わるに従って可動体９の移動速度は連続的に変化するが、可動体９の負荷（重さ）が重い場合は、同図（ｂ）に示すように、０度近傍、１８０度近傍で不感帯を生じる。このことより、位相差バースト駆動時の位相差を９０度と０度との間ではなく、９０度と０度よりも大きい所定角度との間で変更することで、圧電素子１２の変化が小さくなり、圧電素子１２への衝撃が小さくなるので、高信頼性が得られる。また、バースト騒音に関しても、その衝撃が小さくなる分、低減できる。さらに、前記第２所定期間中の駆動子８，８の運動軌跡が直線状ではなく、若干楕円状になるので、駆動子８，８の可動体９との接触範囲が広がり、可動体９の耐久性が向上する。

なお、本実施形態では、微動モード時は、所定周期毎に第１電圧と第２電圧との位相差を９０度と０度との間で切り換えているが、図１３に示すように、位相差を、９０度と、０度よりも大きく９０度よりも小さい範囲内、又は９０度よりも大きく１８０度以下の範囲内の所定角度との間で変更してもよい。位相差を９０度と１８０度との間で切り換えると、本実施形態と同様の作用・効果が得られる。位相差を９０度と４５度又は１３５度との間で切り換えると、上述のように、長径及び短径が可動体９の移動方向からずれた楕円運動をするので、可動体９の寿命が延びる。

また、本実施形態では、位相差を０度から９０度まで及び９０度から０度まで時間に比例するように変化させているが、これに限らない。例えば、図１４に示すように、位相差を０度から９０度まで及び９０度から０度まで急激に変化させてもよいし、図１５に示すように、位相差を０度から９０度まで及び９０度から０度まで段階的に変化させてもよい。

また、本実施形態では、微動モード時は、第１及び第２電圧の固定駆動周波数を通常モード時の最高周波数と同じにしているが、図１６に示すように、第１及び第２電圧の固定駆動周波数を通常モード時の最高周波数よりも低くしてもよい。この場合、効率が良くなる。

（その他の実施形態）
圧電素子１２の構成は、前記実施形態のものに限らない。例えば、共通電極層４の代わりに、給電電極層３と同じく、４つの分割電極を有する電極層を設けてもよい。

また、前記実施形態では、分割電極３ｃを略矩形状の電極としたが、これに限らず、例えば、これらを振動による応力の分布に応じた形状のものとしてもよい。

また、前記実施形態では、ワイヤーによる給電について説明したが、導電性ゴムによる給電、フレキシブル基板による給電や、コンタクトピンによる給電など、他の給電方法を用いてもよい。これらにより、前記実施形態と同様の効果が得られる。

また、前記実施形態では、振動型アクチュエータの駆動力が付与されて駆動される可動体９は平板状であるが、これに限られるものではなく、可動体９の構成としては任意の構成を採用できる。例えば、図１７に示すように、可動体は所定の軸Ｘ回りに回動可能な円板体９であり、振動型アクチュエータの駆動子８，８が円板体９の側周面９ａに当接するように構成されていてもよい。かかる構成の場合、振動型アクチュエータを駆動すると、駆動子８，８の略楕円運動によって、円板体９が所定の軸Ｘ回りに回動させられる。

また、前記実施形態では、駆動子８，８を圧電素子１２の一方の端面に設けた構成について説明したが、圧電素子１２の一方の側面に形成してもよい。この場合、１次モードの伸縮振動の伸縮方向は、駆動子８，８が可動体９を支持する方向となり、２次モードの屈曲振動の振動方向は、可動体９の移動方向となる。

本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施できる。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

以上説明したように、本発明にかかる駆動装置は、微動モード時の騒音を抑制するための用途等について適用できる。

振動型アクチュエータの斜視図である。 （ａ）は、圧電素子の斜視図であり、（ｂ）は、圧電素子の分解斜視図である。 圧電体層の上側主面を示す図である。 １次モードの伸縮振動の変位図である。 ２次モードの屈曲振動の変位図である。 圧電素子の動作を示す概念図である。 振動型アクチュエータの制御装置のブロック図である。 ドライバーの構成図である。 通常モード及び微動モードの説明図である。 位相差の変化を示す図である。 駆動子の移動軌跡を示す図である。 位相ずれと可動体の移動速度との関係を示す図であり、（ａ）は、可動体の負荷が軽い場合の図であり、（ｂ）は、可動体の負荷が重い場合の図である。 位相差の変化を示す図である。 位相差の変化を示す図である。 位相差の変化を示す図である。 通常モード及び微動モードの説明図である。 振動型アクチュエータの変形例の斜視図である。

符号の説明

８ 駆動子
９ 可動体
１２ 圧電素子
２１ 位置検出部（制御装置）
２２ 速度指令部（制御装置）
２３ 制御部（制御装置）
２４ 周波数発生部（制御装置）
２５ 位相演算部(制御装置)
２６ バースト周期発生部（制御装置）
２７ 位相差発生部（制御装置）
２８，２９ ドライバー（制御装置）

Claims (7)

1. 圧電素子と、該圧電素子に設けられた駆動子と、該駆動子に支持された可動体とを有する振動型アクチュエータと、
   前記圧電素子に周波数が同じ第１及び第２電圧を供給する制御装置とを備え、
   前記制御装置により前記圧電素子に前記第１電圧と該第１電圧と位相差が９０度の第２電圧を供給することにより、前記圧電素子を伸縮振動と屈曲振動とが合成された振動をさせ、前記振動により前記駆動子を略楕円運動させて前記可動体を移動させる駆動装置であって、
   前記制御装置は、微動モード時には、前記第１電圧と前記第２電圧との位相差を、９０度と、０度以上で９０度よりも小さい範囲内、又は９０度よりも大きく１８０度以下の範囲内の所定角度との間で切り換えるように構成されているとともに、前記微動モード時には、前記位相差が９０度と前記所定角度との間で徐々に変化するように前記位相差の切換えを行うように構成されていることを特徴とする駆動装置。
2. 請求項１記載の駆動装置において、
   前記制御装置は、前記微動モード時には、所定周期毎に前記位相差の切換えを行うように構成されていることを特徴とする駆動装置。
3. 請求項１又は２記載の駆動装置において、
   前記所定角度は、０度又は１８０度であることを特徴とする駆動装置。
4. 請求項１又は２記載の駆動装置において、
   前記所定角度は、４５度又は１３５度であることを特徴とする駆動装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の駆動装置において、
   前記制御装置は、前記微動モード時には、前記可動体の所望の移動速度が大きいほど、前記位相差を前記所定角度に保つ期間を短くするように構成されていることを特徴とする駆動装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の駆動装置において、
   前記制御装置は、通常モード時には、前記可動体の所望の移動速度が大きいほど、前記第１及び第２電圧の周波数を低くする一方、前記微動モード時には、該第１及び第２電圧の周波数を前記通常モード時の最高周波数と同じにするように構成されていることを特徴とする駆動装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の駆動装置において、
   前記制御装置は、通常モード時には、前記可動体の所望の移動速度が大きいほど、前記第１及び第２電圧の周波数を低くする一方、前記微動モード時には、該第１及び第２電圧の周波数を前記通常モード時の最高周波数よりも低くするように構成されていることを特徴とする駆動装置。

Images