圧電アクチュエーターの制御装置、圧電アクチュエーター装置及び印刷装置
【課題】圧電アクチュエーターの高出力での駆動を安定して行うことができる圧電アクチュエーターの制御装置を提供する。
【解決手段】圧電素子に所定の周波数の駆動信号を供給する駆動手段３１０と、圧電素子の機械的な変位を検出する変位検出部３３０と、変位信号Ｖ１，Ｖ２を逐次記憶する記憶部３４０と、変位検出部３３０が検出した変位及び記憶部３４０が記憶している変位に基づき駆動手段３１０を介して駆動信号の周波数を制御する駆動周波数制御部３２０とを有し、駆動周波数制御部３２０は、駆動信号の周波数をスイープさせ、圧電アクチュエーターの最大変位を検出するとともに、最大変位に基づき定められる目標変位に対応する駆動周波数に向けて周波数をスイープさせる。目標変位に対応する駆動周波数に達した後、駆動信号の周波数を変動させることで変位信号が目標変位に追従するように周波数を制御する。
【解決手段】圧電素子に所定の周波数の駆動信号を供給する駆動手段３１０と、圧電素子の機械的な変位を検出する変位検出部３３０と、変位信号Ｖ１，Ｖ２を逐次記憶する記憶部３４０と、変位検出部３３０が検出した変位及び記憶部３４０が記憶している変位に基づき駆動手段３１０を介して駆動信号の周波数を制御する駆動周波数制御部３２０とを有し、駆動周波数制御部３２０は、駆動信号の周波数をスイープさせ、圧電アクチュエーターの最大変位を検出するとともに、最大変位に基づき定められる目標変位に対応する駆動周波数に向けて周波数をスイープさせる。目標変位に対応する駆動周波数に達した後、駆動信号の周波数を変動させることで変位信号が目標変位に追従するように周波数を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電アクチュエーターの制御装置、圧電アクチュエーター装置及び印刷装置に関し、特に圧電アクチュエーターの高出力駆動を安定して行わせる場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエーターは、電気・機械エネルギーの変換効率が高く、重量当たりの出力が高い、すなわち小型、軽量であるにも関わらず高出力が得られる。かかる圧電アクチュエーターは、圧電素子を具備するアクチュエーター部によって回転軸を回転駆動させるものである。ここで、アクチュエーター部は２枚の電極間に圧電体層を挟持させて形成された圧電素子と、この圧電素子がその電極の一方側を介して一体的に固着された振動部材とを備えている。また、アクチュエーター部は、その圧電素子に所定の周波数の電圧信号である駆動信号を印加して伸縮させることにより振動部材が縦振動及び該縦振動にほぼ直交する方向の振動である縦振動で励起される結果、前記当接部の先端が円乃至楕円軌道を描いて移動される。かくして当接部の先端が当接している回転軸はその中心を回転中心として回転される。
【０００３】
この種の圧電アクチュエーターの中には振動部材の変位を検出するための検出用電極を有するものがある。この検出用電極は圧電体層が歪む（変位する）ことにより発生する電圧を検出するもので、検出電圧を介して圧電体層乃至振動部材の変位を検出する（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。このように、振動部材の変位を検出することにより圧電アクチュエーターの高出力を得るための制御を行っている。すなわち、特許文献１及び特許文献２に示す場合には、振動部材の変位をリアルタイムで検出し、この検出結果を圧電素子の駆動信号の周波数に反映させることにより、常に振動部材の縦振動乃至屈曲振動の共振周波数とほぼ同じ駆動周波数で圧電素子を駆動させ、このことにより圧電アクチュエーターとして高出力を得ている。
【０００４】
これは圧電アクチュエーターの共振周波数が駆動中の条件等により経時的に変動するものである点に鑑み、共振周波数の変動に追従して駆動周波数を追従させるための制御である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２６８９５３号公報
【特許文献２】特開２００２−２９１２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示す場合のように、単に共振周波数に追従させる周波数制御のみを行った場合には高出力駆動の充分な安定化を図ることができないことが分ってきた。すなわち、圧電アクチュエーターの共振周波数近傍での駆動は不安定なものとなり易く、共振点からのずれ具合によっては停止してしまうことさえある。したがって、可及的な高出力を得るためには共振点近傍での駆動が不可欠ではあるが、かかる駆動制御を行う場合に同時に駆動の安定化を図る工夫をする必要がある。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、圧電アクチュエーターの高出力での駆動を安定して行うことができる圧電アクチュエーターの制御装置、圧電アクチュエーター装置及び印刷装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の態様は、圧電体層と、前記圧電体層に振動を励起する電極と、前記圧電体層の変位を検出する検出用電極と、前記振動が励起されることにより振動する当接部が設けられた振動部材と、を備えた圧電アクチュエーターを制御する制御装置であって、前記圧電アクチュエーターに所定の周波数の駆動信号を供給する駆動手段と、前記検出用電極を介して変位信号に変換して検出する変位検出手段と、前記変位検出手段が検出した変位を記憶する記憶手段と、前記変位検出手段が検出した変位及び前記記憶手段が記憶している変位に基づき前記駆動手段を介して前記周波数を制御する駆動周波数制御手段と、を有し、前記駆動周波数制御手段は、前記駆動信号の周波数を所定の周波数範囲でスイープさせ前記圧電アクチュエーターの最大変位を検出し、前記最大変位に基づき定めた目標変位に対応する駆動周波数に向けて所定の起動周波数から低周波数域方向に前記駆動信号の周波数をスイープさせ、前記目標変位に対応する前記駆動周波数に達した後、前記駆動周波数を含む所定の振り幅で前記駆動信号の周波数を変動させ前記変位信号がより前記目標変位に近い方に前記振り幅の中心周波数をシフトさせ、シフト後の新たな中心周波数を基準として前記振り幅で前記周波数を変動させ前記変位信号がより前記目標変位に近い方にさらに前記振り幅の中心周波数をシフトさせる操作を繰り返すことを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置にある。
【０００９】
本態様によれば、アクチュエーター部の圧電体層の変位に基づく電圧を変位信号として検出するようになっているので、変位検出センサー部分の小形軽量化が可能となる。さらに、前記変位信号に基づき所定の目標変位が維持されるようにアクチュエーター部の駆動信号の周波数を制御しており、しかも前記目標変位は圧電アクチュエーター装置としての安定的な駆動が維持されるとともに可及的に高出力を取り出し得る点に定めることができるので、圧電アクチュエーター装置の共振周波数に基づく所定の高出力を安定して得ることができる。また、所定の起動周波数から目標変位を与える駆動周波数へのスイープは駆動信号の周波数を高周波数域から低周波数域に向けて周波数を変化させることにより行っているので、この間の圧電アクチュエーターの駆動の安定性も確保され、良好に目標変位の設定を行うことができる。
【００１０】
ここで、前記目標変位に向けての前記駆動信号の周波数のスイープは低周波数側に向けて所定のステップで段階的に周波数を変化させることにより行うことができる。この場合には、圧電アクチュエーターの停止等の虞がなく、所定のスイープ処理を良好に行うことができる。また、前記目標変位に向けての前記駆動信号の周波数のスイープは低周波数側の目標変位を与える目標周波数に向けて一気に変化させることにより行っても良い。この場合には、目標変位迄のスイープを迅速に行うことができる。さらに、電源を遮断する迄の初回以降の前記圧電アクチュエーターの駆動に際しては、前記記憶手段が記憶している前回停止時の前記目標変位に基づき決定される高周波数域の所定の駆動周波数から前記駆動信号の周波数をスイープさせることができる。この場合には、最大変位を検出するための周波数のスイープを省略することができるので、その分、合理的且つ迅速に目標変位に到達させることができる。
【００１１】
前記目標変位を与える初期の前記駆動周波数と前記振り幅の制御に伴うシフトの結果移動された新たな駆動周波数との差が予め定めた設定値を超えた場合には、圧電アクチュエーターの駆動が停止されるように制御しても良い。この場合には、アクチュエーター部の温度が上昇し、圧電素子を振動部材に貼着している接着剤が溶融して充分な接着力を確保できなくなっている等、異常な事態であると判断されるので、かかる駆動の強制終了により異常事態の発生に伴う圧電素子の振動部材からの剥離等を未然に防止することができる。
【００１２】
本発明の他の態様は上述の如き圧電アクチュエーターの制御装置と、圧電アクチュエーターとを有することを特徴とする圧電アクチュエーター装置にある。
本態様によれば、高出力の駆動力を安定して得ることができる。
【００１３】
本発明の他の態様は、上述の如き圧電アクチュエーターを具備することを特徴とする印刷装置にある。
本態様によれば印刷装置における紙送り等、高出力が要求される用途に的確に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーターの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーターの平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーターの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーター装置のブロック線図である。
【図５】圧電アクチュエーター装置の駆動信号の波形を示す波形図である。
【図６】圧電アクチュエーターのアクチュエーター部の動作の態様を示す説明図である。
【図７】圧電アクチュエーターのアクチュエーター部の楕円軌道を示す説明図である。
【図８】駆動周波数制御部における処理を示すフローチャートである。
【図９】駆動信号の周波数に対する変位特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態に係る印刷装置を示す概略斜視図である。
【図１１】図１０に示す印刷装置の要部拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
圧電アクチュエーター装置は、アクチュエーター部とこれに駆動される回転軸とを有する圧電アクチュエーター及びこの圧電アクチュエーターの駆動を制御する制御装置を具備する。
【００１６】
図１は、圧電アクチュエーターの分解斜視図であり、図２はその平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ′断面図である。これらの図に示すように、圧電アクチュエーター１を構成するアクチュエーター部１０は、振動部材２０と、振動部材２０の両面にそれぞれ接着された圧電素子３０とを具備する。
【００１７】
振動部材２０の両面にそれぞれ設けられた圧電素子３０は、圧電体層４０と、圧電体層４０の振動部材２０側に設けられた第１電極５０と、圧電体層４０の第１電極５０とは反対側に設けられた第２電極６０とを有する。
【００１８】
圧電体層４０は、電気機械変換作用を示す圧電材料、特に圧電材料の中でも一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる。圧電体層４０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ビスマスナトリウム（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）、チタン酸ビスマスカリウム（Ｂｉ０．５Ｋ０．５ＴｉＯ３）、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ３）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ビスマス（ＢｉＴｉＯ３）およびこれらの混晶系等を用いることができる。もちろん、本実施形態の圧電体層４０は、上記した材料に限定されるものではない。
【００１９】
第１電極５０は、圧電体層４０の振動部材２０側の面に亘って連続して設けられて、圧電素子３０の共通電極となっている。
【００２０】
第２電極６０は、圧電体層４０の第１電極５０とは反対側に設けられており、溝部７０によって互いに電気的に隔離されて面内方向で複数に分割されている。
【００２１】
第２電極６０を分割する溝部７０は、圧電素子３０の幅（短手方向）をほぼ三等分するように形成された第１溝部７１と、第１溝部７１によって分割された３つの電極のうち短手方向両側の電極を長手方向でほぼ二等分するように形成された第２溝部７２とからなる。第２電極６０は、これら第１溝部７１及び第２溝部７２からなる溝部７０によって、短手方向中央部に長手方向に亘って設けられた縦振動用電極部６１と、この縦振動用電極部６１の短手方向両側に、縦振動用電極部６１を挟んで対角となるように配置されて対をなす２組の屈曲振動用電極部６２、６３との合計５つに分割されている。ここで、圧電素子３０は、第２電極６０の縦振動用電極部６１が設けられた領域が、圧電素子３０の長手方向の縦振動を励起する縦振動励起領域４１となっている。これに対して、縦振動励起領域４１の短手方向両側の屈曲振動用電極部６２、６３が設けられた領域が、それぞれ圧電素子３０の短手方向に屈曲振動を励起する屈曲振動励起領域４２、４３となっている。このため、第２電極６０は、分割されて各領域を個別に駆動するための個別電極として機能する。
【００２２】
さらに、本形態におけるアクチュエーター部１０は変位検出用の検出用電極９５，９６を有する。検出用電極９５，９６は圧電素子３０の伸縮に伴い変形する振動部材２０の変位量に比例した電圧を変位信号として出力する。すなわち、圧電体層４０及び第１電極５０と協働して圧電体層４０の機械的な変位を電気信号に変換する機械／電気変換素子として機能させるためのものである。このため検出用電極９５，９６は、第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３の一部を切り欠き、溝部９７により第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３から分離して圧電体層４０に貼着されている。
【００２３】
このような圧電素子３０は、第１電極５０側が振動部材２０に接合されている。ここで、振動部材２０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属や樹脂材料で形成された板状部材からなる。本形態では、振動部材２０を導電性を有するステンレス鋼で形成し、２つの圧電素子３０の第１電極５０同士は、振動部材２０を介して電気的に導通される。ちなみに、第１電極５０と振動部材２０とを絶縁性の接着剤で接着したとしても、第１電極５０と振動部材２０とを互いに押圧した状態で接着することで両者を互いに電気的に導通することができる。すなわち、本実施形態の振動部材２０は、２つの圧電素子３０の第１電極５０同士を導通させる共通電極としても機能する。
【００２４】
また、図１に示すように、振動部材２０は、圧電素子３０の第１電極５０側と同じ表面形状を有すると共に、長手方向の一端部側に圧電素子３０よりも突出するように延設された当接部２１を有する。振動部材２０の圧電素子３０の長手方向中央部には、圧電素子３０の短手方向両側に向かって延設された一対の腕部２２を有する。この腕部２２には、厚さ方向に貫通する貫通孔２３が設けられており、貫通孔２３を挿通させたねじ部材８６を介して詳しくは後述する保持部材８１に固定される。すなわち、アクチュエーター部１０は、振動部材２０の腕部２２が保持部材８１に固定されることで、圧電素子３０は保持部材８１に対して腕部２２を基点として縦振動及び屈曲振動が可能となるように保持される。
【００２５】
アクチュエーター部１０に搭載された圧電素子３０の各電極（第１電極５０及び第２電極６０）には、圧電素子３０を駆動するための配線及び変位検出用の配線が接続されている。
【００２６】
図３に示すように、第１電極５０は振動部材２０に電気的に接続されているため、図２に示すように、共通配線９０は振動部材２０を介して第１電極５０に電気的に接続される。
【００２７】
また、第２電極６０を構成する縦振動用電極部６１と、第１及び第２屈曲振動用電極部６２、６３とには、図２に示すように、それぞれ縦振動用個別配線９１と、２本の屈曲振動用個別配線９２、９３との合計３本の個別配線が接続されている。具体的には、共通配線９０は、アクチュエーター部１０の振動部材２０の腕部２２に接続されている。これにより、共通配線９０は、振動部材２０を介して第１電極５０に電気的に接続されている。
【００２８】
また、縦振動用個別配線９１は、第２電極６０の縦振動用電極部６１の長手方向中央部に接続されている。また、２本の屈曲振動用個別配線９２、９３は、第２電極６０の第１屈曲振動用電極部６２の長手方向中央部に接続されている。そして、縦振動用電極部６１を挟んで設けられた４つの屈曲振動用電極部は、対角に配置された電極同士を２本の導通配線９４で接続することで、対角で組をなす２組の第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３が構成される。この２本の導通配線９４は、たすき掛けするように配置されている。なお、縦振動用個別配線９１及び屈曲振動用個別配線９２、９３は、それぞれ圧電素子３０の縦振動及び屈曲振動における基点となる長手方向の中央部に接続されることで、個別配線９１、９２、９３の断線や個別配線９１、９２、９３による圧電素子３０への変位の阻害を抑制している。
【００２９】
ちなみに、本形態では、振動部材２０の両面に圧電素子３０が設けられているため、振動部材２０の両面の圧電素子３０の各第２電極６０に個別配線９１、９２、９３をそれぞれ接続するようにしてもよく、また、振動部材２０の両面の圧電素子３０の縦振動用電極部６１同士と、屈曲振動用電極部６２（６３）同士とを別の配線等で互いに電気的に接続するようにして、個別配線９１、９２、９３の数を減少させるようにしてもよい。
【００３０】
検出用電極９５，９６には振動部材２０の変位を電圧信号として取り出すための配線９８，９９が接続されている。
【００３１】
一方、圧電アクチュエーター１には、装置本体２に軸３Ａを回転中心として回転する回転軸３が設けられている。そして、この回転軸３にアクチュエーター部１０の当接部２１を当接させ、駆動波形を印加することで回転軸３が回転される。
【００３２】
さらに、圧電アクチュエーター１には、アクチュエーター部１０を回転軸３方向に向かって所定の圧力で押圧する付勢手段８０が設けられている。
【００３３】
付勢手段８０は、アクチュエーター部１０を保持する保持部材８１と、保持部材８１に一端が固定されたコイルばね等のばね部材８２と、ばね部材８２の他端に当接すると共に装置本体２に固定された支持ピン８３とを具備する。
【００３４】
保持部材８１は、アクチュエーター部１０の腕部２２が固定される一対の固定部８４と、固定部８４の間に一体的に設けられて装置本体２に対してスライド移動可能に支持されるスライド部８５とを具備する。固定部８４には、腕部２２の貫通孔２３に対応して、ねじ部材８６が螺合される雌ねじ部８７が形成されている。この雌ねじ部８７に腕部２２の貫通孔２３を挿通したねじ部材８６を螺合させることで、アクチュエーター部１０は保持部材８１に保持される。
【００３５】
スライド部８５には、厚さ方向に貫通し、且つスライド方向に延設された長孔である２つのスライド孔８８が設けられている。そして、各スライド孔８８に挿通されて装置本体２に固定されたスライドピン８９によってスライド部８５は装置本体２に対してスライド移動可能に支持されている。
【００３６】
ばね部材８２は、コイルばねからなり、固定部８４に一端が固定されると共に、装置本体２に固定された支持ピン８３の側面に他端が当接するように配置されている。また、ばね部材８２は、スライド部８５のスライド方向に沿って配置されている。このような、ばね部材８２は、アクチュエーター部１０を装置本体２に対して回転軸３に向かって付勢する。
【００３７】
なお、本実施形態では、ばね部材８２としてコイルばねを用いたが、ばね部材８２は特にこれに限定されず、例えば、板ばね等を用いるようにしてもよい。
【００３８】
このような付勢手段８０によって、アクチュエーター部１０は、圧電素子３０の長手方向（縦振動方向）が回転軸３の軸中心となるように、所定の圧力で回転軸３に押圧される。すなわち、本実施形態のアクチュエーター部１０は、圧電素子３０の長手方向が回転軸３の径方向になるように配置され、回転軸３の径方向に向かってスライド移動可能に設けられている。したがって、アクチュエーター部１０は、圧電素子３０の長手方向が回転軸３の径方向となるように押圧される。
【００３９】
そして、上述のように、付勢手段８０によってアクチュエーター部１０の当接部２１を回転軸３に押圧しながら、圧電素子３０に縦振動及び屈曲振動を行わせて当接部２１を当接させ、回転軸３を回転駆動することができる。
【００４０】
図４は本形態に係る圧電アクチュエーター装置を示すブロック線図である。同図に示すように、圧電アクチュエーター装置Ｉは、上述の圧電アクチュエーター１に、この圧電アクチュエーター１の駆動を制御する制御装置３００を組み合わせたものである。ここで、制御装置３００は、駆動信号を生成して圧電アクチュエーター１を駆動する駆動手段３１０、駆動手段３１０が生成する駆動信号の周波数を制御する駆動周波数制御部３２０、アクチュエーター部１０の変位を検出する変位検出部３３０及びアクチュエーター部１０の変位データが記憶されている記憶部３４０を具備する。なお、図４中、図１乃至図３と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００４１】
駆動手段３１０は、駆動信号生成回路３１１と、位相調整回路３１２と、位相反転回路３１３と、縦振動用電極部６１、第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３にそれぞれ接続された増幅回路３１４とを具備する。
【００４２】
駆動信号生成回路３１１は、所定周波数の交流電圧であるアクチュエーター部１０の駆動信号を生成すると共に、駆動周波数制御部３２０からの指令によって出力する駆動信号の周波数を変更し得るように構成してある。具体的には、入力電圧によって出力周波数を変更させることができる電圧制御発振器（Voltage Controlled Oscillator：ＶＣＯ）で好適に構成することができる。駆動信号生成回路３１１の出力である駆動信号は、増幅回路３１４によって電力増幅されて圧電素子３０に供給される。もちろん、駆動信号生成回路３１１は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）に限定されず、例えば、デジタル信号として出力し、その出力をＤＡコンバーターでアナログ信号化した後、フィルターで必要な周波数帯域以外を除去するデジタル回路等であってもよい。なお、本形態の駆動信号は、共通電極である第１電極５０を基準電位（本実施形態では０Ｖ）として、個別電極である第２電極６０に印加される。さらに詳言すると、駆動信号生成回路３１１の出力である駆動信号は、図５に示すように、圧電素子３０の縦振動用電極部６１に基準となる駆動信号４００として印加される。また、駆動信号生成回路３１１からの出力は、位相調整回路３１２に入力される。位相調整回路３１２は、駆動信号生成回路３１１から出力された駆動信号４００の位相を調整する機能を有する。位相調整回路３１２は、アクチュエーター部１０に縦振動を行わせる基準となる駆動信号４００に対し、例えば、図５に示すように、位相が９０度遅れた屈曲振動を行わせる駆動信号４０１を生成する。位相調整回路３１２によって生成された駆動信号４０１は、例えば、圧電素子３０の第１屈曲振動用電極部６２に印加される。
【００４３】
また、位相調整回路３１２によって位相が調整された駆動信号４０１は、位相反転回路３１３に入力される。位相反転回路３１３は、例えば、インバーター回路で構成され、位相調整回路３１２から出力された駆動信号４０１に対して位相が１８０度反転した駆動信号４０２を生成する。位相反転回路３１３によって生成された駆動信号４０２は、第２屈曲振動用電極部６３に印加される。すなわち、基本的には、圧電素子３０の縦振動用電極部６１には、基準となる駆動信号４００が印加され、第１屈曲振動用電極部６２には、基準となる駆動信号４００に対して９０度位相を遅らせた駆動信号４０１が印加される。また、圧電素子３０の第２屈曲振動用電極部６３には、第１屈曲振動用電極部６２に印加される駆動信号４０１に対して１８０度反転した駆動信号４０２が印加される。
【００４４】
かかる駆動信号４００，４０１，４０２により駆動されるアクチュエーター部１０の基本動作を図６及び図７を追加して説明する。なお、図６及び図７は、アクチュエーター部の動作を示す平面図である。
【００４５】
制御装置３００から出力された駆動信号４００が圧電素子３０の縦振動用電極部６１に供給されると、図６（ａ）に示すように、アクチュエーター部１０は振動部材２０の面方向において、縦振動励起領域４１が縦方向（長手方向）に伸張・収縮されて長手方向に縦振動される。
【００４６】
同時に、互いに位相が反転された２つの屈曲振動用の駆動信号４０１、４０２が、圧電素子３０の第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３にそれぞれ供給される。この結果、屈曲振動励起領域４２、４３が伸張・収縮されてアクチュエーター部１０が屈曲駆動される。
【００４７】
具体的には、圧電素子３０の短手方向で対角となる一方の組の屈曲振動励起領域４２を伸張させると同時に対角となる他方の一対の屈曲振動励起領域４３を収縮させる。これにより、図６（ｂ）に示すように圧電素子３０をＳ字状に変形させる。また、伸張していた屈曲振動励起領域４２を収縮させると同時に収縮していた屈曲振動励起領域４３を伸張させることで、図６（ｃ）に示すように、圧電素子３０を逆Ｓ字状に屈曲させる。この図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示す屈曲変形を交互に繰り返させることで、アクチュエーター部１０ではＳ字状及び逆Ｓ字状の変形が交互に繰り返される。
【００４８】
そして、上述のように、縦振動用電極部６１に印加する駆動信号４００に対して、屈曲振動用の駆動信号４０１、４０２は、位相が９０度遅れているため、アクチュエーター部１０の長手方向一端部に設けられた当接部２１は、図７に示すように、楕円軌道を描くように回転駆動する。具体的には、圧電素子３０に、縦方向（長手方向）の伸張、Ｓ字状の屈曲、縦方向の収縮、逆Ｓ字状の屈曲の変形を順次繰り返し行わせることで、当接部２１を振動部材２０の面内において時計方向に楕円軌道を描くように回転駆動させることができる。
【００４９】
また、圧電素子３０に変形を行わせる際に、屈曲の順番を入れ替えることで、当接部２１を振動部材２０の面内において反時計方向に楕円軌道を描くように回転駆動させることができる。すなわち、縦振動用の駆動信号４００に対して、屈曲振動用の駆動波形の位相を９０度進めるようにすればよい。このように、屈曲振動の駆動信号を、縦振動用の駆動信号４００に対して＋９０度または−９０度位相をずらすことにより、当接部２１が描く楕円軌道の方向を正逆反転させることができる。これにより回転軸３の回転方向を制御することができる。なお、位相調整回路３１２による位相のズレを調整することで、当接部２１の軌道を真円軌道にすることも、楕円軌道にすることもできるため、位相調整回路３１２による位相の調整は、±９０度に限定されるものではない。
【００５０】
また、本形態では、振動部材２０の両面にそれぞれ圧電素子３０が設けられているが、２つの圧電素子３０の各縦振動励起領域４１及び屈曲振動励起領域４２、４３は、アクチュエーター部１０を一方の圧電素子３０の第２電極６０側から平面視した際に重なるように配置されており、平面視した際に重なる領域において同じ方向の伸張・収縮を行わせることで、振動部材２０は面内方向で変形される。
【００５１】
本形態に係る圧電アクチュエーター装置Ｉの高出力駆動を実現するため、制御装置３００は、前述の如く駆動周波数制御部３２０、変位検出部３３０及び記憶部３４０を具備する。ここで、図４に示すように、変位検出部３３０は、検出用電極９５，９６で検出し、減衰回路３５１，３５２で適正なレベルに減衰させた電圧信号である変位信号をＡ／Ｄ変換することによりデジタル信号としての変位信号Ｖ１，Ｖ２を生成する。この変位信号Ｖ１，Ｖ２はアクチュエーター部１０の変位を表すデータとして駆動周波数制御部３２０に供給される。駆動周波数制御部３２０はこの変位信号Ｖ１，Ｖ２とこの変位を与える駆動信号の周波数とを対応させて記憶部３４０に記憶させる。したがって、記憶部３４０にはアクチュエーター部１０の駆動に伴う振動部材２０の変位、具体的には当接部２１の変位を表す電圧がこれを与える周波数と対応付けられた状態で逐次記憶される。また、記憶部３４０には駆動周波数制御部３２０が駆動信号生成回路３１１に対して行う駆動信号の周波数の制御に必要なデータ、例えば駆動信号の周波数の初期値，スイープ幅，ステップ時間、振り幅（後述する）等が記憶されている。
【００５２】
駆動周波数制御部３２０は、圧電アクチュエーター１の高出力駆動を実現すべく、変位検出部３３０が検出した変位及び記憶部３４０が記憶している変位データに基づき駆動信号生成回路３１１の出力である駆動信号の周波数を、アクチュエーター部１０の駆動の安定性を確保しつつ、圧電アクチュエーター１の共振周波数の変動に追従させて制御する。具体的には、図８に例示される処理を行う。
【００５３】
図８は駆動周波数制御部３２０における処理を示すフローチャートである。同図に示すように、先ず当該圧電アクチュエーター装置Ｉの電源が投入（ステップＳＴ１）されると待機状態（ステップＳＴ２）となる。かかる状態で当該圧電アクチュエーター装置Ｉの駆動の開始信号が入力（ステップＳＴ３）されると前回の起動時の条件（駆動周波数）を記憶部３４０から読み出す（ステップＳＴ４）。なお、圧電アクチュエーター装置Ｉの初回起動の場合は記憶部３４０に記憶させてある初期設定周波数を読み出してこれを用いる。
【００５４】
次に、任意の周波数範囲（例えば２００ｋＨｚ〜８０ｋＨｚ）を任意のステップでスイープしつつ駆動信号生成回路３１１の出力である駆動信号の周波数を制御する。この結果、前記周波数範囲をスイープされる駆動信号でアクチュエーター部１０が駆動され、同時に検出用電極９５，９６及び変位検出部３３０を介してアクチュエーター部１０の変位量が電圧である変位信号Ｖ１，Ｖ２として検出される。かくして、駆動信号の周波数に対するアクチュエーター部１０の変位特性（変位電圧特性）を得る（ステップＳＴ５）。ここで、周波数は高周波数域から低周波数域に向けてスイープするのが望ましい。高周波数域から低周波数域に向けてアクチュエーター部１０の変位を徐々に変化させて円滑に共振点に向かわせることができるからである。
【００５５】
かかるステップＳＴ５で得られる変位特性の一例を図９に示す。同図は、この場合のアクチュエーター部１０の変位が高周波数域から低周波数域に向けて徐々に増大し、共振周波数でピークに達した後、急激に減少し、或る周波数以下では停止してしまうことを示している。なお、かかる変位特性を表すデータは記憶部３４０に記憶される。
【００５６】
ステップＳＴ５で得られ、記憶部３４０に記憶されている変位特性を表すデータから最大変位を表す変位信号Ｖ１，Ｖ２の最大値Ｖｍａｘを求める（ステップＳＴ６）とともに、最大値Ｖｍａｘに所定の減衰率（例えば、０．８）を乗じて目標変位Ｖｔ（図９参照）を設定する（ステップＳＴ７）。
【００５７】
その後、共振周波数（最大値Ｖｍａｘを与える周波数）よりも高周波数域の所定の起動周波数Ｆｔからスタートさせ、狙いの目標変位Ｖｔを与える駆動周波数Ｆｄに向けて駆動信号の周波数をスイープさせる（ステップＳＴ８）。これは変位検出部３３０が検出する変位信号Ｖ１，Ｖ２の電圧レベルを参照しながら行う。また、かかるスイープは高周波数域から低周波数域に向けて行うことが肝要である。低周波数域から高周波数域にスイープさせた場合には、図９に示す変位特性からも推測される通り、圧電アクチュエーター１が円滑に起動されない事態が懸念されるからである。
【００５８】
駆動信号の周波数が駆動周波数Ｆｄに達した後、任意の振り幅で周波数を変化させ、変位信号Ｖ１，Ｖ２の電圧レベルがより目標変位Ｖｔに近い方に前記振り幅の中心周波数をシフトさせるとともに、シフト後の周波数を中心として前記振り幅で周波数を同様に変化させる。同様の動作を停止信号が入力されるまで繰り返させる（ステップＳＴ９）。さらに詳言すると、前記振り幅における最大周波数での変位信号Ｖ１，Ｖ２の平均レベルを演算するとともに、最低周波数での変位信号Ｖ１，Ｖ２の平均レベルを演算し、その後両者を比較することにより平均レベルが目標変位Ｖｔにより近い方に前記振り幅の中心周波数をシフトさせる。
【００５９】
かかる制御中に、予め定めておいた駆動周波数Ｆｄ′と目標変位Ｖｔにおける初期の駆動周波数Ｆｄとの差の絶対値が任意の設定値Ｖｒｅｆ１を超えて大きくなった場合（ステップＳＴ１０；Ｙｅｓ）には圧電アクチュエーター１の駆動を強制的に終了させて待機状態とする。かかる場合は、アクチュエーター部１０の温度が上昇し、圧電素子３０を振動部材２０に貼着している接着剤が溶融して充分な接着力を確保できなくなっている等、異常な事態であると判断されるからである。かかる駆動の強制終了により異常事態の発生に伴う圧電素子３０の振動部材２０からの剥離等を未然に防止する。
【００６０】
また、検出信号が表す変位が目標変位Ｖｔに対して大きく低下し、任意の他の設定値Ｖｒｅｆ２を超えて低下した場合（ステップＳＴ１１；Ｙｅｓ）も同様に強制停止させて待機状態とする。この場合は、圧電素子３０の振動部材２０からの剥離等、重篤な故障が発生している可能性が高く、これに対処させるためである。
【００６１】
停止信号が入力された場合（ステップＳＴ１２）、現在の駆動条件、すなわち駆動周波数等を記憶部３４０に書き込ませる（ステップＳＴ１３）。その後、駆動信号生成回路３１１を停止させて待機状態とする（ステップＳＴ１４）。
【００６２】
かかる駆動信号の周波数の一連の制御を行うことで共振周波数の変動に追従させて駆動信号の周波数をシフトさせることができ、目標変位Ｖｔでの高出力駆動を安定して行わせることができる。ちなみに、圧電アクチュエーター１の共振周波数は、駆動時の熱、気圧の変化、圧電アクチュエーター１の各部の経時的な磨耗等により変動する。したがって、共振周波数は種々の複合した原因により変動し易く、高出力駆動を実現するためには、共振周波数の変動に追従させて駆動信号の周波数をシフトさせる必要がある。
【００６３】
しかしながら、この場合のシフトを共振周波数近傍で行わせた場合には、圧電アクチュエーター１が突然停止することがあることが分ってきた。そこで、圧電アクチュエーター１の駆動の充分な安定性を確保するため、本形態では、出力は若干犠牲にしても最大値Ｖｍａｘより若干小さい目標変位Ｖｔを設定して、この目標変位Ｖｔが維持されるように駆動信号の周波数を制御することで高出力駆動も実現している。そして、目標変位Ｖｔの維持に当たっては、所定時間振動させる所定の振り幅内における変位信号Ｖ１，Ｖ２のレベルの平均値を演算し、その最大値と最小値のうち目標変位Ｖｔに近い方に駆動信号の周波数をシフトさせるようにしているので、迅速且つ適切な追従を行わせることができる。
【００６４】
なお、本発明は、勿論上記実施の形態に限定されるものではない。図９に示すような変位特性を有するという知見に基づき、１）所定の振り幅で駆動信号の周波数を変化させた場合に圧電アクチュエーターが停止する可能性がある共振点近傍を避けつつ、なお可及的な高出力が得られる目標変位Ｖｔを、変位信号Ｖ１，Ｖ２の最大値Ｖｍａｘに基づき決定し、２）所定の振り幅における変位信号Ｖ１，Ｖ２のうちの最大レベル及び最小レベルと目標変位Ｖｔのレベルとを比較してより目標変位Ｖｔに近い方に前記振り幅の中心周波数をシフトさせ、３）目標変位Ｖｔに向かう周波数スイープを高周波数域から低周波数域に向けて行う点を構成要件とする場合は全て本発明の技術思想に含まれる。例えば、起動周波数Ｆｔから目標変位Ｖｔに向かう際のスイープのさせ方等には特別な制限はない。したがって、目標変位Ｖｔを与える周波数のデータに基づき起動周波数Ｆｔから一気に目標変位Ｖｔまで周波数をスイープさせても良い。ただ、上記実施の形態の場合のように高周数域から低周波数域に向けて徐々に周波数を変化させた場合の方が、周波数スイープ操作時の圧電アクチュエーター装置Ｉの駆動の安定性はより良好なものとなる。このとき、上記実施の形態の如く周波数を任意のステップで段階的に変化させてスイープする方法に限定するものでもない。周波数が連続的に漸減するように変化させても勿論構わない。
【００６５】
また、電源が一旦投入（ステップＳＴ１）され電源を遮断する迄の間における後の再起動時にはステップＳＴ５乃至ステップＳＴ７の処理は省力してステップＳＴ４で読み出される前回駆動の停止時点の駆動条件でステップＳＴ８の処理から開始することもできる。前回の駆動での目標変位Ｖｔをそのまま使用しても共振周波数に充分良好に対応していると考えられるからである。この際、圧電アクチュエーター１を駆動することができれば、起動周波数Ｆｔは前回の起動周波数Ｆｔよりも低周波数域の周波数から開始しても構わない。このことによりより迅速に目標変位Ｖｔに到達させることができる。
【００６６】
図８に示すステップＳＴ１０，１１の処理は必ずしも必要ではない。ただ、かかる処理を行うことにより、圧電アクチュエーター装置Ｉの安定的な駆動に資することはできる。
【００６７】
さらに、上記実施の形態のアクチュエーター部１０は、その第２電極６０を縦振動用の一枚と屈曲振動用の４枚の電極で構成したが、これに限るものではない。機械的変位を電気信号に変換する検出用電極を有するものであれば、他の形式のアクチュエーター部であっても同様に適用できる。ただ、上記アクチュエーター部１０の場合には、図５に示すような駆動信号４００に対する駆動信号４０１，４０２の位相を変えることができ、このことにより振動部材２０の当接部２１が描く楕円の形状を調整することもできる。この結果、駆動信号４００の位相に対する駆動信号４０１，４０２の位相差をパラメーターとする高出力制御を実現することもできる。この場合には、駆動信号４００に対する駆動信号４０１の位相を基準位相差（例えば９０度）の位相から所定の幅で振ることにより検出用電極９５，９６を介して検出される変位信号Ｖ１，Ｖ２が極小値を採る位相が振り幅の中心位相となるような制御を行えば良い。
【００６８】
上記実施の形態に係る圧電アクチュエーター装置Ｉは、印刷装置の一例であるインクジェット式記録装置の駆動手段として用いることができる。ここで、上記実施の形態に係る圧電アクチュエーター装置Ｉを用いたインクジェット式記録装置の一例を図１０及び図１１に示す。なお、図１０は、本発明の実施の形態に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の概略斜視図であり、図１１は、要部を拡大した平面図である。
【００６９】
図１０に示すインクジェット式記録装置１００において、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッド１０１を有する記録ヘッドユニット１０２は、インク供給手段を構成するカートリッジ１０３が着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１０２を搭載したキャリッジ１０４は、記録装置本体１０５に取り付けられたキャリッジ軸１０６に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１０２は、例えば、ブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００７０】
そして、駆動モーター１０７の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト１０８を介してキャリッジ１０４に伝達されることで、記録ヘッドユニット１０２を搭載したキャリッジ１０４はキャリッジ軸１０６に沿って移動される。一方、記録装置本体１０５にはキャリッジ軸１０６に沿ってプラテン１０９が設けられており、給紙手段１１０によって給紙された紙等の被噴射媒体である記録シートＳがプラテン１０９に巻き掛けられて搬送される。記録シートＳは、プラテン１０９上でインクジェット式記録ヘッド１０１から吐出されたインクによって印刷される。そしてプラテン１０９上で印刷された記録シートＳは、プラテン１０９の給紙手段１１０とは反対側に設けられた排紙手段１２０によって排紙される。
【００７１】
図１１に示すように、給紙手段１１０は、給紙ローラー１１１と従動ローラー１１２とで構成されている。給紙ローラー１１１には、その端部に上述した圧電アクチュエーター１の回転軸３が固定されており、アクチュエーター部１０の駆動によって回転駆動される。また、給紙ローラー１１１には、同軸上に第１歯車１１３が設けられている。
【００７２】
排紙手段１２０は、排紙ローラー１２１と従動ローラー１２２とで構成されている。排紙ローラー１２１には同軸上に第２歯車１２３が設けられている。そして、給紙ローラー１１１の第１歯車１１３が、この第１歯車１１３に噛み合う第３歯車１３０、第３歯車１３０に噛み合う第４歯車１３１、第４歯車に噛み合う第５歯車１３２を介して排紙ローラー１２１の第２歯車１２３に噛み合うことで、給紙ローラー１１１を回転駆動する圧電アクチュエーター１の駆動力が、排紙ローラー１２１に伝達される。
【００７３】
なお、図１０及び図１１に示す例では、圧電アクチュエーター１によって、給紙手段１１０及び排紙手段１２０を回転駆動するものであるが、例えば、上述した実施の形態の圧電アクチュエーター１を、キャリッジ１０４を移動させる駆動モーター１０７の代わりに用いることも可能である。もちろん、その他の駆動系、例えば、インクジェット式記録ヘッド１０１にインクを供給するポンプ等に圧電アクチュエーター１を用いることもできる。
【００７４】
本形態においては圧電アクチュエーター１を制御する制御装置３００が装置本体内に内蔵されているが、インクジェット式記録装置の外部に設けるようにしてもよい。
【００７５】
なお、本発明は、広く液体噴射装置全般を対象としたものであり、圧電アクチュエーターは、上述したインクジェット式記録装置以外の液体噴射装置等の印刷装置に搭載することが可能である。その他の液体噴射装置としては、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射装置、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射装置、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射装置等が挙げられる。もちろん、印刷装置としては、液体を噴射する液体噴射装置に限定されるものではなく、例えば、レーザープリンター、熱転写プリンター等にも本発明を適用することができる。
【００７６】
また、本発明は、広く圧電アクチュエーター装置全般を対象としたものであり、上述した液体噴射装置以外の小型デバイスに利用することが可能である。圧電アクチュエーター装置を利用できる小型デバイスとしては、医療用ポンプ、カメラ、産業用や義手などのロボット等が挙げられる。
【符号の説明】
【００７７】
Ｉ 圧電アクチュエーター装置、 Ｖ１，Ｖ２ 変位信号、 Ｖｍａｘ 最大値、 Ｖｔ 目標変位、 １ 圧電アクチュエーター、 ３ 回転軸、 １０ アクチュエーター部、 ２０ 振動部材、 ２１ 当接部、 ３０ 圧電素子、 ４０ 圧電体層、 ５０ 第１電極、 ６０ 第２電極、 ９５，９６ 検出用電極、 １００ インクジェット式記録装置、 １０１ インクジェット式記録ヘッド、 ３００ 制御装置、 ３１０ 駆動手段、 ３１１ 駆動信号生成回路、 ３２０ 駆動周波数制御部、 ３３０ 変位検出部、 ３４０ 記憶部、 ４００，４０１，４０２ 駆動信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電アクチュエーターの制御装置、圧電アクチュエーター装置及び印刷装置に関し、特に圧電アクチュエーターの高出力駆動を安定して行わせる場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエーターは、電気・機械エネルギーの変換効率が高く、重量当たりの出力が高い、すなわち小型、軽量であるにも関わらず高出力が得られる。かかる圧電アクチュエーターは、圧電素子を具備するアクチュエーター部によって回転軸を回転駆動させるものである。ここで、アクチュエーター部は２枚の電極間に圧電体層を挟持させて形成された圧電素子と、この圧電素子がその電極の一方側を介して一体的に固着された振動部材とを備えている。また、アクチュエーター部は、その圧電素子に所定の周波数の電圧信号である駆動信号を印加して伸縮させることにより振動部材が縦振動及び該縦振動にほぼ直交する方向の振動である縦振動で励起される結果、前記当接部の先端が円乃至楕円軌道を描いて移動される。かくして当接部の先端が当接している回転軸はその中心を回転中心として回転される。
【０００３】
この種の圧電アクチュエーターの中には振動部材の変位を検出するための検出用電極を有するものがある。この検出用電極は圧電体層が歪む（変位する）ことにより発生する電圧を検出するもので、検出電圧を介して圧電体層乃至振動部材の変位を検出する（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。このように、振動部材の変位を検出することにより圧電アクチュエーターの高出力を得るための制御を行っている。すなわち、特許文献１及び特許文献２に示す場合には、振動部材の変位をリアルタイムで検出し、この検出結果を圧電素子の駆動信号の周波数に反映させることにより、常に振動部材の縦振動乃至屈曲振動の共振周波数とほぼ同じ駆動周波数で圧電素子を駆動させ、このことにより圧電アクチュエーターとして高出力を得ている。
【０００４】
これは圧電アクチュエーターの共振周波数が駆動中の条件等により経時的に変動するものである点に鑑み、共振周波数の変動に追従して駆動周波数を追従させるための制御である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２６８９５３号公報
【特許文献２】特開２００２−２９１２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示す場合のように、単に共振周波数に追従させる周波数制御のみを行った場合には高出力駆動の充分な安定化を図ることができないことが分ってきた。すなわち、圧電アクチュエーターの共振周波数近傍での駆動は不安定なものとなり易く、共振点からのずれ具合によっては停止してしまうことさえある。したがって、可及的な高出力を得るためには共振点近傍での駆動が不可欠ではあるが、かかる駆動制御を行う場合に同時に駆動の安定化を図る工夫をする必要がある。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、圧電アクチュエーターの高出力での駆動を安定して行うことができる圧電アクチュエーターの制御装置、圧電アクチュエーター装置及び印刷装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の態様は、圧電体層と、前記圧電体層に振動を励起する電極と、前記圧電体層の変位を検出する検出用電極と、前記振動が励起されることにより振動する当接部が設けられた振動部材と、を備えた圧電アクチュエーターを制御する制御装置であって、前記圧電アクチュエーターに所定の周波数の駆動信号を供給する駆動手段と、前記検出用電極を介して変位信号に変換して検出する変位検出手段と、前記変位検出手段が検出した変位を記憶する記憶手段と、前記変位検出手段が検出した変位及び前記記憶手段が記憶している変位に基づき前記駆動手段を介して前記周波数を制御する駆動周波数制御手段と、を有し、前記駆動周波数制御手段は、前記駆動信号の周波数を所定の周波数範囲でスイープさせ前記圧電アクチュエーターの最大変位を検出し、前記最大変位に基づき定めた目標変位に対応する駆動周波数に向けて所定の起動周波数から低周波数域方向に前記駆動信号の周波数をスイープさせ、前記目標変位に対応する前記駆動周波数に達した後、前記駆動周波数を含む所定の振り幅で前記駆動信号の周波数を変動させ前記変位信号がより前記目標変位に近い方に前記振り幅の中心周波数をシフトさせ、シフト後の新たな中心周波数を基準として前記振り幅で前記周波数を変動させ前記変位信号がより前記目標変位に近い方にさらに前記振り幅の中心周波数をシフトさせる操作を繰り返すことを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置にある。
【０００９】
本態様によれば、アクチュエーター部の圧電体層の変位に基づく電圧を変位信号として検出するようになっているので、変位検出センサー部分の小形軽量化が可能となる。さらに、前記変位信号に基づき所定の目標変位が維持されるようにアクチュエーター部の駆動信号の周波数を制御しており、しかも前記目標変位は圧電アクチュエーター装置としての安定的な駆動が維持されるとともに可及的に高出力を取り出し得る点に定めることができるので、圧電アクチュエーター装置の共振周波数に基づく所定の高出力を安定して得ることができる。また、所定の起動周波数から目標変位を与える駆動周波数へのスイープは駆動信号の周波数を高周波数域から低周波数域に向けて周波数を変化させることにより行っているので、この間の圧電アクチュエーターの駆動の安定性も確保され、良好に目標変位の設定を行うことができる。
【００１０】
ここで、前記目標変位に向けての前記駆動信号の周波数のスイープは低周波数側に向けて所定のステップで段階的に周波数を変化させることにより行うことができる。この場合には、圧電アクチュエーターの停止等の虞がなく、所定のスイープ処理を良好に行うことができる。また、前記目標変位に向けての前記駆動信号の周波数のスイープは低周波数側の目標変位を与える目標周波数に向けて一気に変化させることにより行っても良い。この場合には、目標変位迄のスイープを迅速に行うことができる。さらに、電源を遮断する迄の初回以降の前記圧電アクチュエーターの駆動に際しては、前記記憶手段が記憶している前回停止時の前記目標変位に基づき決定される高周波数域の所定の駆動周波数から前記駆動信号の周波数をスイープさせることができる。この場合には、最大変位を検出するための周波数のスイープを省略することができるので、その分、合理的且つ迅速に目標変位に到達させることができる。
【００１１】
前記目標変位を与える初期の前記駆動周波数と前記振り幅の制御に伴うシフトの結果移動された新たな駆動周波数との差が予め定めた設定値を超えた場合には、圧電アクチュエーターの駆動が停止されるように制御しても良い。この場合には、アクチュエーター部の温度が上昇し、圧電素子を振動部材に貼着している接着剤が溶融して充分な接着力を確保できなくなっている等、異常な事態であると判断されるので、かかる駆動の強制終了により異常事態の発生に伴う圧電素子の振動部材からの剥離等を未然に防止することができる。
【００１２】
本発明の他の態様は上述の如き圧電アクチュエーターの制御装置と、圧電アクチュエーターとを有することを特徴とする圧電アクチュエーター装置にある。
本態様によれば、高出力の駆動力を安定して得ることができる。
【００１３】
本発明の他の態様は、上述の如き圧電アクチュエーターを具備することを特徴とする印刷装置にある。
本態様によれば印刷装置における紙送り等、高出力が要求される用途に的確に供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーターの分解斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーターの平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーターの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエーター装置のブロック線図である。
【図５】圧電アクチュエーター装置の駆動信号の波形を示す波形図である。
【図６】圧電アクチュエーターのアクチュエーター部の動作の態様を示す説明図である。
【図７】圧電アクチュエーターのアクチュエーター部の楕円軌道を示す説明図である。
【図８】駆動周波数制御部における処理を示すフローチャートである。
【図９】駆動信号の周波数に対する変位特性を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態に係る印刷装置を示す概略斜視図である。
【図１１】図１０に示す印刷装置の要部拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
圧電アクチュエーター装置は、アクチュエーター部とこれに駆動される回転軸とを有する圧電アクチュエーター及びこの圧電アクチュエーターの駆動を制御する制御装置を具備する。
【００１６】
図１は、圧電アクチュエーターの分解斜視図であり、図２はその平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ′断面図である。これらの図に示すように、圧電アクチュエーター１を構成するアクチュエーター部１０は、振動部材２０と、振動部材２０の両面にそれぞれ接着された圧電素子３０とを具備する。
【００１７】
振動部材２０の両面にそれぞれ設けられた圧電素子３０は、圧電体層４０と、圧電体層４０の振動部材２０側に設けられた第１電極５０と、圧電体層４０の第１電極５０とは反対側に設けられた第２電極６０とを有する。
【００１８】
圧電体層４０は、電気機械変換作用を示す圧電材料、特に圧電材料の中でも一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物からなる。圧電体層４０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ビスマスナトリウム（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５ＴｉＯ３）、チタン酸ビスマスカリウム（Ｂｉ０．５Ｋ０．５ＴｉＯ３）、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ３）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ビスマス（ＢｉＴｉＯ３）およびこれらの混晶系等を用いることができる。もちろん、本実施形態の圧電体層４０は、上記した材料に限定されるものではない。
【００１９】
第１電極５０は、圧電体層４０の振動部材２０側の面に亘って連続して設けられて、圧電素子３０の共通電極となっている。
【００２０】
第２電極６０は、圧電体層４０の第１電極５０とは反対側に設けられており、溝部７０によって互いに電気的に隔離されて面内方向で複数に分割されている。
【００２１】
第２電極６０を分割する溝部７０は、圧電素子３０の幅（短手方向）をほぼ三等分するように形成された第１溝部７１と、第１溝部７１によって分割された３つの電極のうち短手方向両側の電極を長手方向でほぼ二等分するように形成された第２溝部７２とからなる。第２電極６０は、これら第１溝部７１及び第２溝部７２からなる溝部７０によって、短手方向中央部に長手方向に亘って設けられた縦振動用電極部６１と、この縦振動用電極部６１の短手方向両側に、縦振動用電極部６１を挟んで対角となるように配置されて対をなす２組の屈曲振動用電極部６２、６３との合計５つに分割されている。ここで、圧電素子３０は、第２電極６０の縦振動用電極部６１が設けられた領域が、圧電素子３０の長手方向の縦振動を励起する縦振動励起領域４１となっている。これに対して、縦振動励起領域４１の短手方向両側の屈曲振動用電極部６２、６３が設けられた領域が、それぞれ圧電素子３０の短手方向に屈曲振動を励起する屈曲振動励起領域４２、４３となっている。このため、第２電極６０は、分割されて各領域を個別に駆動するための個別電極として機能する。
【００２２】
さらに、本形態におけるアクチュエーター部１０は変位検出用の検出用電極９５，９６を有する。検出用電極９５，９６は圧電素子３０の伸縮に伴い変形する振動部材２０の変位量に比例した電圧を変位信号として出力する。すなわち、圧電体層４０及び第１電極５０と協働して圧電体層４０の機械的な変位を電気信号に変換する機械／電気変換素子として機能させるためのものである。このため検出用電極９５，９６は、第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３の一部を切り欠き、溝部９７により第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３から分離して圧電体層４０に貼着されている。
【００２３】
このような圧電素子３０は、第１電極５０側が振動部材２０に接合されている。ここで、振動部材２０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属や樹脂材料で形成された板状部材からなる。本形態では、振動部材２０を導電性を有するステンレス鋼で形成し、２つの圧電素子３０の第１電極５０同士は、振動部材２０を介して電気的に導通される。ちなみに、第１電極５０と振動部材２０とを絶縁性の接着剤で接着したとしても、第１電極５０と振動部材２０とを互いに押圧した状態で接着することで両者を互いに電気的に導通することができる。すなわち、本実施形態の振動部材２０は、２つの圧電素子３０の第１電極５０同士を導通させる共通電極としても機能する。
【００２４】
また、図１に示すように、振動部材２０は、圧電素子３０の第１電極５０側と同じ表面形状を有すると共に、長手方向の一端部側に圧電素子３０よりも突出するように延設された当接部２１を有する。振動部材２０の圧電素子３０の長手方向中央部には、圧電素子３０の短手方向両側に向かって延設された一対の腕部２２を有する。この腕部２２には、厚さ方向に貫通する貫通孔２３が設けられており、貫通孔２３を挿通させたねじ部材８６を介して詳しくは後述する保持部材８１に固定される。すなわち、アクチュエーター部１０は、振動部材２０の腕部２２が保持部材８１に固定されることで、圧電素子３０は保持部材８１に対して腕部２２を基点として縦振動及び屈曲振動が可能となるように保持される。
【００２５】
アクチュエーター部１０に搭載された圧電素子３０の各電極（第１電極５０及び第２電極６０）には、圧電素子３０を駆動するための配線及び変位検出用の配線が接続されている。
【００２６】
図３に示すように、第１電極５０は振動部材２０に電気的に接続されているため、図２に示すように、共通配線９０は振動部材２０を介して第１電極５０に電気的に接続される。
【００２７】
また、第２電極６０を構成する縦振動用電極部６１と、第１及び第２屈曲振動用電極部６２、６３とには、図２に示すように、それぞれ縦振動用個別配線９１と、２本の屈曲振動用個別配線９２、９３との合計３本の個別配線が接続されている。具体的には、共通配線９０は、アクチュエーター部１０の振動部材２０の腕部２２に接続されている。これにより、共通配線９０は、振動部材２０を介して第１電極５０に電気的に接続されている。
【００２８】
また、縦振動用個別配線９１は、第２電極６０の縦振動用電極部６１の長手方向中央部に接続されている。また、２本の屈曲振動用個別配線９２、９３は、第２電極６０の第１屈曲振動用電極部６２の長手方向中央部に接続されている。そして、縦振動用電極部６１を挟んで設けられた４つの屈曲振動用電極部は、対角に配置された電極同士を２本の導通配線９４で接続することで、対角で組をなす２組の第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３が構成される。この２本の導通配線９４は、たすき掛けするように配置されている。なお、縦振動用個別配線９１及び屈曲振動用個別配線９２、９３は、それぞれ圧電素子３０の縦振動及び屈曲振動における基点となる長手方向の中央部に接続されることで、個別配線９１、９２、９３の断線や個別配線９１、９２、９３による圧電素子３０への変位の阻害を抑制している。
【００２９】
ちなみに、本形態では、振動部材２０の両面に圧電素子３０が設けられているため、振動部材２０の両面の圧電素子３０の各第２電極６０に個別配線９１、９２、９３をそれぞれ接続するようにしてもよく、また、振動部材２０の両面の圧電素子３０の縦振動用電極部６１同士と、屈曲振動用電極部６２（６３）同士とを別の配線等で互いに電気的に接続するようにして、個別配線９１、９２、９３の数を減少させるようにしてもよい。
【００３０】
検出用電極９５，９６には振動部材２０の変位を電圧信号として取り出すための配線９８，９９が接続されている。
【００３１】
一方、圧電アクチュエーター１には、装置本体２に軸３Ａを回転中心として回転する回転軸３が設けられている。そして、この回転軸３にアクチュエーター部１０の当接部２１を当接させ、駆動波形を印加することで回転軸３が回転される。
【００３２】
さらに、圧電アクチュエーター１には、アクチュエーター部１０を回転軸３方向に向かって所定の圧力で押圧する付勢手段８０が設けられている。
【００３３】
付勢手段８０は、アクチュエーター部１０を保持する保持部材８１と、保持部材８１に一端が固定されたコイルばね等のばね部材８２と、ばね部材８２の他端に当接すると共に装置本体２に固定された支持ピン８３とを具備する。
【００３４】
保持部材８１は、アクチュエーター部１０の腕部２２が固定される一対の固定部８４と、固定部８４の間に一体的に設けられて装置本体２に対してスライド移動可能に支持されるスライド部８５とを具備する。固定部８４には、腕部２２の貫通孔２３に対応して、ねじ部材８６が螺合される雌ねじ部８７が形成されている。この雌ねじ部８７に腕部２２の貫通孔２３を挿通したねじ部材８６を螺合させることで、アクチュエーター部１０は保持部材８１に保持される。
【００３５】
スライド部８５には、厚さ方向に貫通し、且つスライド方向に延設された長孔である２つのスライド孔８８が設けられている。そして、各スライド孔８８に挿通されて装置本体２に固定されたスライドピン８９によってスライド部８５は装置本体２に対してスライド移動可能に支持されている。
【００３６】
ばね部材８２は、コイルばねからなり、固定部８４に一端が固定されると共に、装置本体２に固定された支持ピン８３の側面に他端が当接するように配置されている。また、ばね部材８２は、スライド部８５のスライド方向に沿って配置されている。このような、ばね部材８２は、アクチュエーター部１０を装置本体２に対して回転軸３に向かって付勢する。
【００３７】
なお、本実施形態では、ばね部材８２としてコイルばねを用いたが、ばね部材８２は特にこれに限定されず、例えば、板ばね等を用いるようにしてもよい。
【００３８】
このような付勢手段８０によって、アクチュエーター部１０は、圧電素子３０の長手方向（縦振動方向）が回転軸３の軸中心となるように、所定の圧力で回転軸３に押圧される。すなわち、本実施形態のアクチュエーター部１０は、圧電素子３０の長手方向が回転軸３の径方向になるように配置され、回転軸３の径方向に向かってスライド移動可能に設けられている。したがって、アクチュエーター部１０は、圧電素子３０の長手方向が回転軸３の径方向となるように押圧される。
【００３９】
そして、上述のように、付勢手段８０によってアクチュエーター部１０の当接部２１を回転軸３に押圧しながら、圧電素子３０に縦振動及び屈曲振動を行わせて当接部２１を当接させ、回転軸３を回転駆動することができる。
【００４０】
図４は本形態に係る圧電アクチュエーター装置を示すブロック線図である。同図に示すように、圧電アクチュエーター装置Ｉは、上述の圧電アクチュエーター１に、この圧電アクチュエーター１の駆動を制御する制御装置３００を組み合わせたものである。ここで、制御装置３００は、駆動信号を生成して圧電アクチュエーター１を駆動する駆動手段３１０、駆動手段３１０が生成する駆動信号の周波数を制御する駆動周波数制御部３２０、アクチュエーター部１０の変位を検出する変位検出部３３０及びアクチュエーター部１０の変位データが記憶されている記憶部３４０を具備する。なお、図４中、図１乃至図３と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００４１】
駆動手段３１０は、駆動信号生成回路３１１と、位相調整回路３１２と、位相反転回路３１３と、縦振動用電極部６１、第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３にそれぞれ接続された増幅回路３１４とを具備する。
【００４２】
駆動信号生成回路３１１は、所定周波数の交流電圧であるアクチュエーター部１０の駆動信号を生成すると共に、駆動周波数制御部３２０からの指令によって出力する駆動信号の周波数を変更し得るように構成してある。具体的には、入力電圧によって出力周波数を変更させることができる電圧制御発振器（Voltage Controlled Oscillator：ＶＣＯ）で好適に構成することができる。駆動信号生成回路３１１の出力である駆動信号は、増幅回路３１４によって電力増幅されて圧電素子３０に供給される。もちろん、駆動信号生成回路３１１は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）に限定されず、例えば、デジタル信号として出力し、その出力をＤＡコンバーターでアナログ信号化した後、フィルターで必要な周波数帯域以外を除去するデジタル回路等であってもよい。なお、本形態の駆動信号は、共通電極である第１電極５０を基準電位（本実施形態では０Ｖ）として、個別電極である第２電極６０に印加される。さらに詳言すると、駆動信号生成回路３１１の出力である駆動信号は、図５に示すように、圧電素子３０の縦振動用電極部６１に基準となる駆動信号４００として印加される。また、駆動信号生成回路３１１からの出力は、位相調整回路３１２に入力される。位相調整回路３１２は、駆動信号生成回路３１１から出力された駆動信号４００の位相を調整する機能を有する。位相調整回路３１２は、アクチュエーター部１０に縦振動を行わせる基準となる駆動信号４００に対し、例えば、図５に示すように、位相が９０度遅れた屈曲振動を行わせる駆動信号４０１を生成する。位相調整回路３１２によって生成された駆動信号４０１は、例えば、圧電素子３０の第１屈曲振動用電極部６２に印加される。
【００４３】
また、位相調整回路３１２によって位相が調整された駆動信号４０１は、位相反転回路３１３に入力される。位相反転回路３１３は、例えば、インバーター回路で構成され、位相調整回路３１２から出力された駆動信号４０１に対して位相が１８０度反転した駆動信号４０２を生成する。位相反転回路３１３によって生成された駆動信号４０２は、第２屈曲振動用電極部６３に印加される。すなわち、基本的には、圧電素子３０の縦振動用電極部６１には、基準となる駆動信号４００が印加され、第１屈曲振動用電極部６２には、基準となる駆動信号４００に対して９０度位相を遅らせた駆動信号４０１が印加される。また、圧電素子３０の第２屈曲振動用電極部６３には、第１屈曲振動用電極部６２に印加される駆動信号４０１に対して１８０度反転した駆動信号４０２が印加される。
【００４４】
かかる駆動信号４００，４０１，４０２により駆動されるアクチュエーター部１０の基本動作を図６及び図７を追加して説明する。なお、図６及び図７は、アクチュエーター部の動作を示す平面図である。
【００４５】
制御装置３００から出力された駆動信号４００が圧電素子３０の縦振動用電極部６１に供給されると、図６（ａ）に示すように、アクチュエーター部１０は振動部材２０の面方向において、縦振動励起領域４１が縦方向（長手方向）に伸張・収縮されて長手方向に縦振動される。
【００４６】
同時に、互いに位相が反転された２つの屈曲振動用の駆動信号４０１、４０２が、圧電素子３０の第１屈曲振動用電極部６２及び第２屈曲振動用電極部６３にそれぞれ供給される。この結果、屈曲振動励起領域４２、４３が伸張・収縮されてアクチュエーター部１０が屈曲駆動される。
【００４７】
具体的には、圧電素子３０の短手方向で対角となる一方の組の屈曲振動励起領域４２を伸張させると同時に対角となる他方の一対の屈曲振動励起領域４３を収縮させる。これにより、図６（ｂ）に示すように圧電素子３０をＳ字状に変形させる。また、伸張していた屈曲振動励起領域４２を収縮させると同時に収縮していた屈曲振動励起領域４３を伸張させることで、図６（ｃ）に示すように、圧電素子３０を逆Ｓ字状に屈曲させる。この図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示す屈曲変形を交互に繰り返させることで、アクチュエーター部１０ではＳ字状及び逆Ｓ字状の変形が交互に繰り返される。
【００４８】
そして、上述のように、縦振動用電極部６１に印加する駆動信号４００に対して、屈曲振動用の駆動信号４０１、４０２は、位相が９０度遅れているため、アクチュエーター部１０の長手方向一端部に設けられた当接部２１は、図７に示すように、楕円軌道を描くように回転駆動する。具体的には、圧電素子３０に、縦方向（長手方向）の伸張、Ｓ字状の屈曲、縦方向の収縮、逆Ｓ字状の屈曲の変形を順次繰り返し行わせることで、当接部２１を振動部材２０の面内において時計方向に楕円軌道を描くように回転駆動させることができる。
【００４９】
また、圧電素子３０に変形を行わせる際に、屈曲の順番を入れ替えることで、当接部２１を振動部材２０の面内において反時計方向に楕円軌道を描くように回転駆動させることができる。すなわち、縦振動用の駆動信号４００に対して、屈曲振動用の駆動波形の位相を９０度進めるようにすればよい。このように、屈曲振動の駆動信号を、縦振動用の駆動信号４００に対して＋９０度または−９０度位相をずらすことにより、当接部２１が描く楕円軌道の方向を正逆反転させることができる。これにより回転軸３の回転方向を制御することができる。なお、位相調整回路３１２による位相のズレを調整することで、当接部２１の軌道を真円軌道にすることも、楕円軌道にすることもできるため、位相調整回路３１２による位相の調整は、±９０度に限定されるものではない。
【００５０】
また、本形態では、振動部材２０の両面にそれぞれ圧電素子３０が設けられているが、２つの圧電素子３０の各縦振動励起領域４１及び屈曲振動励起領域４２、４３は、アクチュエーター部１０を一方の圧電素子３０の第２電極６０側から平面視した際に重なるように配置されており、平面視した際に重なる領域において同じ方向の伸張・収縮を行わせることで、振動部材２０は面内方向で変形される。
【００５１】
本形態に係る圧電アクチュエーター装置Ｉの高出力駆動を実現するため、制御装置３００は、前述の如く駆動周波数制御部３２０、変位検出部３３０及び記憶部３４０を具備する。ここで、図４に示すように、変位検出部３３０は、検出用電極９５，９６で検出し、減衰回路３５１，３５２で適正なレベルに減衰させた電圧信号である変位信号をＡ／Ｄ変換することによりデジタル信号としての変位信号Ｖ１，Ｖ２を生成する。この変位信号Ｖ１，Ｖ２はアクチュエーター部１０の変位を表すデータとして駆動周波数制御部３２０に供給される。駆動周波数制御部３２０はこの変位信号Ｖ１，Ｖ２とこの変位を与える駆動信号の周波数とを対応させて記憶部３４０に記憶させる。したがって、記憶部３４０にはアクチュエーター部１０の駆動に伴う振動部材２０の変位、具体的には当接部２１の変位を表す電圧がこれを与える周波数と対応付けられた状態で逐次記憶される。また、記憶部３４０には駆動周波数制御部３２０が駆動信号生成回路３１１に対して行う駆動信号の周波数の制御に必要なデータ、例えば駆動信号の周波数の初期値，スイープ幅，ステップ時間、振り幅（後述する）等が記憶されている。
【００５２】
駆動周波数制御部３２０は、圧電アクチュエーター１の高出力駆動を実現すべく、変位検出部３３０が検出した変位及び記憶部３４０が記憶している変位データに基づき駆動信号生成回路３１１の出力である駆動信号の周波数を、アクチュエーター部１０の駆動の安定性を確保しつつ、圧電アクチュエーター１の共振周波数の変動に追従させて制御する。具体的には、図８に例示される処理を行う。
【００５３】
図８は駆動周波数制御部３２０における処理を示すフローチャートである。同図に示すように、先ず当該圧電アクチュエーター装置Ｉの電源が投入（ステップＳＴ１）されると待機状態（ステップＳＴ２）となる。かかる状態で当該圧電アクチュエーター装置Ｉの駆動の開始信号が入力（ステップＳＴ３）されると前回の起動時の条件（駆動周波数）を記憶部３４０から読み出す（ステップＳＴ４）。なお、圧電アクチュエーター装置Ｉの初回起動の場合は記憶部３４０に記憶させてある初期設定周波数を読み出してこれを用いる。
【００５４】
次に、任意の周波数範囲（例えば２００ｋＨｚ〜８０ｋＨｚ）を任意のステップでスイープしつつ駆動信号生成回路３１１の出力である駆動信号の周波数を制御する。この結果、前記周波数範囲をスイープされる駆動信号でアクチュエーター部１０が駆動され、同時に検出用電極９５，９６及び変位検出部３３０を介してアクチュエーター部１０の変位量が電圧である変位信号Ｖ１，Ｖ２として検出される。かくして、駆動信号の周波数に対するアクチュエーター部１０の変位特性（変位電圧特性）を得る（ステップＳＴ５）。ここで、周波数は高周波数域から低周波数域に向けてスイープするのが望ましい。高周波数域から低周波数域に向けてアクチュエーター部１０の変位を徐々に変化させて円滑に共振点に向かわせることができるからである。
【００５５】
かかるステップＳＴ５で得られる変位特性の一例を図９に示す。同図は、この場合のアクチュエーター部１０の変位が高周波数域から低周波数域に向けて徐々に増大し、共振周波数でピークに達した後、急激に減少し、或る周波数以下では停止してしまうことを示している。なお、かかる変位特性を表すデータは記憶部３４０に記憶される。
【００５６】
ステップＳＴ５で得られ、記憶部３４０に記憶されている変位特性を表すデータから最大変位を表す変位信号Ｖ１，Ｖ２の最大値Ｖｍａｘを求める（ステップＳＴ６）とともに、最大値Ｖｍａｘに所定の減衰率（例えば、０．８）を乗じて目標変位Ｖｔ（図９参照）を設定する（ステップＳＴ７）。
【００５７】
その後、共振周波数（最大値Ｖｍａｘを与える周波数）よりも高周波数域の所定の起動周波数Ｆｔからスタートさせ、狙いの目標変位Ｖｔを与える駆動周波数Ｆｄに向けて駆動信号の周波数をスイープさせる（ステップＳＴ８）。これは変位検出部３３０が検出する変位信号Ｖ１，Ｖ２の電圧レベルを参照しながら行う。また、かかるスイープは高周波数域から低周波数域に向けて行うことが肝要である。低周波数域から高周波数域にスイープさせた場合には、図９に示す変位特性からも推測される通り、圧電アクチュエーター１が円滑に起動されない事態が懸念されるからである。
【００５８】
駆動信号の周波数が駆動周波数Ｆｄに達した後、任意の振り幅で周波数を変化させ、変位信号Ｖ１，Ｖ２の電圧レベルがより目標変位Ｖｔに近い方に前記振り幅の中心周波数をシフトさせるとともに、シフト後の周波数を中心として前記振り幅で周波数を同様に変化させる。同様の動作を停止信号が入力されるまで繰り返させる（ステップＳＴ９）。さらに詳言すると、前記振り幅における最大周波数での変位信号Ｖ１，Ｖ２の平均レベルを演算するとともに、最低周波数での変位信号Ｖ１，Ｖ２の平均レベルを演算し、その後両者を比較することにより平均レベルが目標変位Ｖｔにより近い方に前記振り幅の中心周波数をシフトさせる。
【００５９】
かかる制御中に、予め定めておいた駆動周波数Ｆｄ′と目標変位Ｖｔにおける初期の駆動周波数Ｆｄとの差の絶対値が任意の設定値Ｖｒｅｆ１を超えて大きくなった場合（ステップＳＴ１０；Ｙｅｓ）には圧電アクチュエーター１の駆動を強制的に終了させて待機状態とする。かかる場合は、アクチュエーター部１０の温度が上昇し、圧電素子３０を振動部材２０に貼着している接着剤が溶融して充分な接着力を確保できなくなっている等、異常な事態であると判断されるからである。かかる駆動の強制終了により異常事態の発生に伴う圧電素子３０の振動部材２０からの剥離等を未然に防止する。
【００６０】
また、検出信号が表す変位が目標変位Ｖｔに対して大きく低下し、任意の他の設定値Ｖｒｅｆ２を超えて低下した場合（ステップＳＴ１１；Ｙｅｓ）も同様に強制停止させて待機状態とする。この場合は、圧電素子３０の振動部材２０からの剥離等、重篤な故障が発生している可能性が高く、これに対処させるためである。
【００６１】
停止信号が入力された場合（ステップＳＴ１２）、現在の駆動条件、すなわち駆動周波数等を記憶部３４０に書き込ませる（ステップＳＴ１３）。その後、駆動信号生成回路３１１を停止させて待機状態とする（ステップＳＴ１４）。
【００６２】
かかる駆動信号の周波数の一連の制御を行うことで共振周波数の変動に追従させて駆動信号の周波数をシフトさせることができ、目標変位Ｖｔでの高出力駆動を安定して行わせることができる。ちなみに、圧電アクチュエーター１の共振周波数は、駆動時の熱、気圧の変化、圧電アクチュエーター１の各部の経時的な磨耗等により変動する。したがって、共振周波数は種々の複合した原因により変動し易く、高出力駆動を実現するためには、共振周波数の変動に追従させて駆動信号の周波数をシフトさせる必要がある。
【００６３】
しかしながら、この場合のシフトを共振周波数近傍で行わせた場合には、圧電アクチュエーター１が突然停止することがあることが分ってきた。そこで、圧電アクチュエーター１の駆動の充分な安定性を確保するため、本形態では、出力は若干犠牲にしても最大値Ｖｍａｘより若干小さい目標変位Ｖｔを設定して、この目標変位Ｖｔが維持されるように駆動信号の周波数を制御することで高出力駆動も実現している。そして、目標変位Ｖｔの維持に当たっては、所定時間振動させる所定の振り幅内における変位信号Ｖ１，Ｖ２のレベルの平均値を演算し、その最大値と最小値のうち目標変位Ｖｔに近い方に駆動信号の周波数をシフトさせるようにしているので、迅速且つ適切な追従を行わせることができる。
【００６４】
なお、本発明は、勿論上記実施の形態に限定されるものではない。図９に示すような変位特性を有するという知見に基づき、１）所定の振り幅で駆動信号の周波数を変化させた場合に圧電アクチュエーターが停止する可能性がある共振点近傍を避けつつ、なお可及的な高出力が得られる目標変位Ｖｔを、変位信号Ｖ１，Ｖ２の最大値Ｖｍａｘに基づき決定し、２）所定の振り幅における変位信号Ｖ１，Ｖ２のうちの最大レベル及び最小レベルと目標変位Ｖｔのレベルとを比較してより目標変位Ｖｔに近い方に前記振り幅の中心周波数をシフトさせ、３）目標変位Ｖｔに向かう周波数スイープを高周波数域から低周波数域に向けて行う点を構成要件とする場合は全て本発明の技術思想に含まれる。例えば、起動周波数Ｆｔから目標変位Ｖｔに向かう際のスイープのさせ方等には特別な制限はない。したがって、目標変位Ｖｔを与える周波数のデータに基づき起動周波数Ｆｔから一気に目標変位Ｖｔまで周波数をスイープさせても良い。ただ、上記実施の形態の場合のように高周数域から低周波数域に向けて徐々に周波数を変化させた場合の方が、周波数スイープ操作時の圧電アクチュエーター装置Ｉの駆動の安定性はより良好なものとなる。このとき、上記実施の形態の如く周波数を任意のステップで段階的に変化させてスイープする方法に限定するものでもない。周波数が連続的に漸減するように変化させても勿論構わない。
【００６５】
また、電源が一旦投入（ステップＳＴ１）され電源を遮断する迄の間における後の再起動時にはステップＳＴ５乃至ステップＳＴ７の処理は省力してステップＳＴ４で読み出される前回駆動の停止時点の駆動条件でステップＳＴ８の処理から開始することもできる。前回の駆動での目標変位Ｖｔをそのまま使用しても共振周波数に充分良好に対応していると考えられるからである。この際、圧電アクチュエーター１を駆動することができれば、起動周波数Ｆｔは前回の起動周波数Ｆｔよりも低周波数域の周波数から開始しても構わない。このことによりより迅速に目標変位Ｖｔに到達させることができる。
【００６６】
図８に示すステップＳＴ１０，１１の処理は必ずしも必要ではない。ただ、かかる処理を行うことにより、圧電アクチュエーター装置Ｉの安定的な駆動に資することはできる。
【００６７】
さらに、上記実施の形態のアクチュエーター部１０は、その第２電極６０を縦振動用の一枚と屈曲振動用の４枚の電極で構成したが、これに限るものではない。機械的変位を電気信号に変換する検出用電極を有するものであれば、他の形式のアクチュエーター部であっても同様に適用できる。ただ、上記アクチュエーター部１０の場合には、図５に示すような駆動信号４００に対する駆動信号４０１，４０２の位相を変えることができ、このことにより振動部材２０の当接部２１が描く楕円の形状を調整することもできる。この結果、駆動信号４００の位相に対する駆動信号４０１，４０２の位相差をパラメーターとする高出力制御を実現することもできる。この場合には、駆動信号４００に対する駆動信号４０１の位相を基準位相差（例えば９０度）の位相から所定の幅で振ることにより検出用電極９５，９６を介して検出される変位信号Ｖ１，Ｖ２が極小値を採る位相が振り幅の中心位相となるような制御を行えば良い。
【００６８】
上記実施の形態に係る圧電アクチュエーター装置Ｉは、印刷装置の一例であるインクジェット式記録装置の駆動手段として用いることができる。ここで、上記実施の形態に係る圧電アクチュエーター装置Ｉを用いたインクジェット式記録装置の一例を図１０及び図１１に示す。なお、図１０は、本発明の実施の形態に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の概略斜視図であり、図１１は、要部を拡大した平面図である。
【００６９】
図１０に示すインクジェット式記録装置１００において、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッド１０１を有する記録ヘッドユニット１０２は、インク供給手段を構成するカートリッジ１０３が着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１０２を搭載したキャリッジ１０４は、記録装置本体１０５に取り付けられたキャリッジ軸１０６に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１０２は、例えば、ブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００７０】
そして、駆動モーター１０７の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト１０８を介してキャリッジ１０４に伝達されることで、記録ヘッドユニット１０２を搭載したキャリッジ１０４はキャリッジ軸１０６に沿って移動される。一方、記録装置本体１０５にはキャリッジ軸１０６に沿ってプラテン１０９が設けられており、給紙手段１１０によって給紙された紙等の被噴射媒体である記録シートＳがプラテン１０９に巻き掛けられて搬送される。記録シートＳは、プラテン１０９上でインクジェット式記録ヘッド１０１から吐出されたインクによって印刷される。そしてプラテン１０９上で印刷された記録シートＳは、プラテン１０９の給紙手段１１０とは反対側に設けられた排紙手段１２０によって排紙される。
【００７１】
図１１に示すように、給紙手段１１０は、給紙ローラー１１１と従動ローラー１１２とで構成されている。給紙ローラー１１１には、その端部に上述した圧電アクチュエーター１の回転軸３が固定されており、アクチュエーター部１０の駆動によって回転駆動される。また、給紙ローラー１１１には、同軸上に第１歯車１１３が設けられている。
【００７２】
排紙手段１２０は、排紙ローラー１２１と従動ローラー１２２とで構成されている。排紙ローラー１２１には同軸上に第２歯車１２３が設けられている。そして、給紙ローラー１１１の第１歯車１１３が、この第１歯車１１３に噛み合う第３歯車１３０、第３歯車１３０に噛み合う第４歯車１３１、第４歯車に噛み合う第５歯車１３２を介して排紙ローラー１２１の第２歯車１２３に噛み合うことで、給紙ローラー１１１を回転駆動する圧電アクチュエーター１の駆動力が、排紙ローラー１２１に伝達される。
【００７３】
なお、図１０及び図１１に示す例では、圧電アクチュエーター１によって、給紙手段１１０及び排紙手段１２０を回転駆動するものであるが、例えば、上述した実施の形態の圧電アクチュエーター１を、キャリッジ１０４を移動させる駆動モーター１０７の代わりに用いることも可能である。もちろん、その他の駆動系、例えば、インクジェット式記録ヘッド１０１にインクを供給するポンプ等に圧電アクチュエーター１を用いることもできる。
【００７４】
本形態においては圧電アクチュエーター１を制御する制御装置３００が装置本体内に内蔵されているが、インクジェット式記録装置の外部に設けるようにしてもよい。
【００７５】
なお、本発明は、広く液体噴射装置全般を対象としたものであり、圧電アクチュエーターは、上述したインクジェット式記録装置以外の液体噴射装置等の印刷装置に搭載することが可能である。その他の液体噴射装置としては、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射装置、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射装置、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射装置等が挙げられる。もちろん、印刷装置としては、液体を噴射する液体噴射装置に限定されるものではなく、例えば、レーザープリンター、熱転写プリンター等にも本発明を適用することができる。
【００７６】
また、本発明は、広く圧電アクチュエーター装置全般を対象としたものであり、上述した液体噴射装置以外の小型デバイスに利用することが可能である。圧電アクチュエーター装置を利用できる小型デバイスとしては、医療用ポンプ、カメラ、産業用や義手などのロボット等が挙げられる。
【符号の説明】
【００７７】
Ｉ 圧電アクチュエーター装置、 Ｖ１，Ｖ２ 変位信号、 Ｖｍａｘ 最大値、 Ｖｔ 目標変位、 １ 圧電アクチュエーター、 ３ 回転軸、 １０ アクチュエーター部、 ２０ 振動部材、 ２１ 当接部、 ３０ 圧電素子、 ４０ 圧電体層、 ５０ 第１電極、 ６０ 第２電極、 ９５，９６ 検出用電極、 １００ インクジェット式記録装置、 １０１ インクジェット式記録ヘッド、 ３００ 制御装置、 ３１０ 駆動手段、 ３１１ 駆動信号生成回路、 ３２０ 駆動周波数制御部、 ３３０ 変位検出部、 ３４０ 記憶部、 ４００，４０１，４０２ 駆動信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体層と、前記圧電体層に振動を励起する電極と、前記圧電体層の変位を検出する検出用電極と、前記振動が励起されることにより振動する当接部が設けられた振動部材と、を備えた圧電アクチュエーターを制御する制御装置であって、
前記圧電アクチュエーターに所定の周波数の駆動信号を供給する駆動手段と、
前記検出用電極を介して変位信号に変換して検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段が検出した変位を記憶する記憶手段と、
前記変位検出手段が検出した変位及び前記記憶手段が記憶している変位に基づき前記駆動手段を介して前記周波数を制御する駆動周波数制御手段と、を有し、
前記駆動周波数制御手段は、前記駆動信号の周波数を所定の周波数範囲でスイープさせ前記圧電アクチュエーターの最大変位を検出し、
前記最大変位に基づき定めた目標変位に対応する駆動周波数に向けて所定の起動周波数から低周波数域方向に前記駆動信号の周波数をスイープさせ、
前記目標変位に対応する前記駆動周波数に達した後、前記駆動周波数を含む所定の振り幅で前記駆動信号の周波数を変動させ前記変位信号がより前記目標変位に近い方に前記振り幅の中心周波数をシフトさせ、シフト後の新たな中心周波数を基準として前記振り幅で前記周波数を変動させ前記変位信号がより前記目標変位に近い方にさらに前記振り幅の中心周波数をシフトさせる操作を繰り返すことを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載する圧電アクチュエーターの制御装置において、
前記目標変位に向けての前記駆動信号の周波数のスイープは低周波数側に向けて所定のステップで段階的に周波数を変化させることにより行うことを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載する圧電アクチュエーターの制御装置において、
前記目標変位に向けての前記駆動信号の周波数のスイープは低周波数側の目標変位を与える目標周波数に向けて一気に変化させることを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載する圧電アクチュエーターの制御装置において、
電源を遮断する迄の初回以降の前記圧電アクチュエーターの駆動に際しては、前記記憶手段が記憶している前回停止時の前記目標変位に基づき決定される高周波数域の所定の駆動周波数から前記駆動信号の周波数をスイープさせることを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載する圧電アクチュエーターの制御装置において、
前記目標変位を与える初期の前記駆動周波数と前記振り幅の制御に伴うシフトの結果移動された新たな駆動周波数との差が予め定めた設定値を超えた場合には、圧電アクチュエーターの駆動が停止されるように制御することを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載する圧電アクチュエーターの制御装置と、前記圧電アクチュエーターと、を有することを特徴とする圧電アクチュエーター装置。
【請求項７】
請求項６に記載する圧電アクチュエーター装置を具備することを特徴とする印刷装置。
【請求項１】
圧電体層と、前記圧電体層に振動を励起する電極と、前記圧電体層の変位を検出する検出用電極と、前記振動が励起されることにより振動する当接部が設けられた振動部材と、を備えた圧電アクチュエーターを制御する制御装置であって、
前記圧電アクチュエーターに所定の周波数の駆動信号を供給する駆動手段と、
前記検出用電極を介して変位信号に変換して検出する変位検出手段と、
前記変位検出手段が検出した変位を記憶する記憶手段と、
前記変位検出手段が検出した変位及び前記記憶手段が記憶している変位に基づき前記駆動手段を介して前記周波数を制御する駆動周波数制御手段と、を有し、
前記駆動周波数制御手段は、前記駆動信号の周波数を所定の周波数範囲でスイープさせ前記圧電アクチュエーターの最大変位を検出し、
前記最大変位に基づき定めた目標変位に対応する駆動周波数に向けて所定の起動周波数から低周波数域方向に前記駆動信号の周波数をスイープさせ、
前記目標変位に対応する前記駆動周波数に達した後、前記駆動周波数を含む所定の振り幅で前記駆動信号の周波数を変動させ前記変位信号がより前記目標変位に近い方に前記振り幅の中心周波数をシフトさせ、シフト後の新たな中心周波数を基準として前記振り幅で前記周波数を変動させ前記変位信号がより前記目標変位に近い方にさらに前記振り幅の中心周波数をシフトさせる操作を繰り返すことを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載する圧電アクチュエーターの制御装置において、
前記目標変位に向けての前記駆動信号の周波数のスイープは低周波数側に向けて所定のステップで段階的に周波数を変化させることにより行うことを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載する圧電アクチュエーターの制御装置において、
前記目標変位に向けての前記駆動信号の周波数のスイープは低周波数側の目標変位を与える目標周波数に向けて一気に変化させることを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載する圧電アクチュエーターの制御装置において、
電源を遮断する迄の初回以降の前記圧電アクチュエーターの駆動に際しては、前記記憶手段が記憶している前回停止時の前記目標変位に基づき決定される高周波数域の所定の駆動周波数から前記駆動信号の周波数をスイープさせることを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載する圧電アクチュエーターの制御装置において、
前記目標変位を与える初期の前記駆動周波数と前記振り幅の制御に伴うシフトの結果移動された新たな駆動周波数との差が予め定めた設定値を超えた場合には、圧電アクチュエーターの駆動が停止されるように制御することを特徴とする圧電アクチュエーターの制御装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載する圧電アクチュエーターの制御装置と、前記圧電アクチュエーターと、を有することを特徴とする圧電アクチュエーター装置。
【請求項７】
請求項６に記載する圧電アクチュエーター装置を具備することを特徴とする印刷装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１６６９３０（Ｐ２０１１−１６６９３０Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６３５１（Ｐ２０１０−２６３５１）
【出願日】平成２２年２月９日（２０１０．２．９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月９日（２０１０．２．９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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