JP2003102183A - Piezoelectric element control device - Google Patents
Piezoelectric element control deviceInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は圧電素子制御装置に
係り、特に、微小位置決めに使用される圧電素子の制御
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric element control device, and more particularly to a piezoelectric element control device used for minute positioning.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、圧電素子は、例えば、各種の
構造部材の微小位置決めに使用されている。2. Description of the Related Art Conventionally, piezoelectric elements have been used for minute positioning of various structural members, for example.
【０００３】そして、この種の圧電素子は、一般に、電
圧駆動される。A piezoelectric element of this type is generally driven by voltage.
【０００４】図１の（ａ）は、圧電素子を電圧駆動した
場合、その印加電圧と変位量との間にヒステリシス特性
が生じてしまうことを示す図である。FIG. 1A is a diagram showing that when a piezoelectric element is driven by a voltage, a hysteresis characteristic is generated between the applied voltage and the displacement amount.
【０００５】また、図１の（ｂ）は、圧電素子に蓄積さ
れる電荷量が圧電素子の変位量（歪量）とほぼ線形の関
係をもっていることにより、電荷量と変位量との間に生
じるヒステリシスは著しく減少することを示す図であ
る。Further, FIG. 1B shows that the charge amount accumulated in the piezoelectric element has a substantially linear relationship with the displacement amount (distortion amount) of the piezoelectric element, so that the charge amount and the displacement amount are between each other. It is a figure which shows that the hysteresis which arises reduces significantly.
【０００６】すなわち、一般に、圧電素子を電圧駆動す
ると、図１の（ａ）に示すように、その印加電圧と変位
量との間にヒステリシス特性が生じてしまうために、圧
電素子を精度良く制御駆動することが困難である。That is, in general, when a piezoelectric element is driven by a voltage, a hysteresis characteristic is generated between the applied voltage and the displacement amount as shown in FIG. It is difficult to drive.
【０００７】しかし、圧電素子に蓄積される電荷量は、
圧電素子の変位量（歪量）とほぼ線形の関係をもち、図
１の（ｂ）に示すように、電荷量と変位量との間に生じ
るヒステリシスは著しく減少する。However, the amount of charge accumulated in the piezoelectric element is
It has a substantially linear relationship with the displacement amount (strain amount) of the piezoelectric element, and as shown in FIG. 1B, the hysteresis generated between the charge amount and the displacement amount is significantly reduced.
【０００８】このため、圧電素子を精度良く駆動する場
合には、圧電素子に蓄積する電荷量を制御する方法が一
般的である。Therefore, in order to drive the piezoelectric element with high precision, a method of controlling the amount of electric charge accumulated in the piezoelectric element is generally used.
【０００９】従来の圧電素子の制御装置として、例え
ば、特開昭６３−２０４６７３号公報に開示されたもの
がある。An example of a conventional piezoelectric element control device is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-204673.
【００１０】図２は、特開昭６３−２０４６７３号公報
に開示された従来の圧電素子の制御装置の動作原理を説
明するために示す図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the operating principle of the conventional piezoelectric element control device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-204673.
【００１１】以下にその動作原理について、図２により
簡単に説明する。The operating principle will be briefly described below with reference to FIG.
【００１２】図２において、参照符号１０は電界を加え
ることにより歪を生じる圧電素子であり、参照符号１１
はオペアンプであり、参照符号１２は静電容量Ｃｓのコ
ンデンサである。In FIG. 2, reference numeral 10 is a piezoelectric element which produces a strain by applying an electric field, and reference numeral 11
Is an operational amplifier, and reference numeral 12 is a capacitor having a capacitance Cs.
【００１３】ここで、圧電素子１０に電圧Ｖ０を印加す
ると、圧電素子１０には歪が生じ、その歪量に応じた電
荷ｑが蓄積される。When the voltage V0 is applied to the piezoelectric element 10, the piezoelectric element 10 is distorted, and the electric charge q corresponding to the amount of the distortion is accumulated.
【００１４】このとき、コンデンサ１２にも同量の電荷
が蓄積され、オペアンプ１１からはｑ／Ｃｓという電圧
信号が出力される。At this time, the same amount of electric charge is accumulated in the capacitor 12, and the operational amplifier 11 outputs a voltage signal of q / Cs.
【００１５】そして、電荷ｑが圧電素子１０の歪量（変
位量）とほぼ線形の関係にあるので、オペアンプ１１か
ら出力される電圧信号は、圧電素子１０の変位量を示す
ことになる。Since the charge q has a substantially linear relationship with the strain amount (displacement amount) of the piezoelectric element 10, the voltage signal output from the operational amplifier 11 indicates the displacement amount of the piezoelectric element 10.
【００１６】なお、反転回路１３は、印加電庄Ｖ０とオ
ペアンプ１１の出力電圧との間の位相が１８０度ずれて
いる、すなわち、反転しているので、それを一致させる
ために設けられたものである。In the inverting circuit 13, the phase between the applied voltage V0 and the output voltage of the operational amplifier 11 is 180 degrees out of phase, that is, it is inverted. Is.
【００１７】従って、反転回路１３の出力（あるいはオ
ペアンプ１１の出力）を用いて圧電素子１０の制御を行
えば、圧電素子１０を精度良くコントロールすることが
可能となる。Therefore, if the piezoelectric element 10 is controlled by using the output of the inverting circuit 13 (or the output of the operational amplifier 11), the piezoelectric element 10 can be controlled with high accuracy.
【００１８】[0018]
【発明が解決しようとする課題】図３の（ａ）および図
３の（ｂ）は、圧電素子を電圧駆動する場合の周波数−
ゲイン特性図および周波数−位相特性を示す図である。FIG. 3A and FIG. 3B show the frequency when the piezoelectric element is driven by voltage.
It is a figure which shows a gain characteristic figure and a frequency-phase characteristic.
【００１９】ところで、圧電素子を電圧駆動する場合、
その周波数−ゲイン特性図および周波数−位相特性は、
それぞれ、図３の（ａ）および図３の（ｂ）に示したよ
うな関係となる。By the way, when the piezoelectric element is driven by voltage,
The frequency-gain characteristic diagram and frequency-phase characteristic are
The relationships are as shown in FIGS. 3A and 3B, respectively.
【００２０】これらの特性は、圧電素子の機械的共振周
波数によるものであり、その１次モード（共振周波数ｆ
ｃ）では、一般的に、ゲインが２０ｄＢ〜４０ｄＢ、位
相遅れがπ／２となる。These characteristics are due to the mechanical resonance frequency of the piezoelectric element, and its primary mode (resonance frequency f
In c), generally, the gain is 20 dB to 40 dB and the phase delay is π / 2.
【００２１】これは、圧電素子を機械的共振周波数で駆
動する場合の駆動効率が格段に良いことを意味してお
り、従って、圧電素子に蓄積される電荷量と変位量の関
係も図１の（ｂ）に示したような関係となる。This means that the driving efficiency when driving the piezoelectric element at the mechanical resonance frequency is remarkably good. Therefore, the relationship between the amount of charge accumulated in the piezoelectric element and the amount of displacement is also shown in FIG. The relationship is as shown in (b).
【００２２】一般的に、圧電素子の電気的共振周波数は
機械的共振周波数よりも高いので、ここでは、その影響
については論じないものとする。In general, the electrical resonance frequency of the piezoelectric element is higher than the mechanical resonance frequency, so its influence will not be discussed here.
【００２３】このため、従来の圧電素子制御装置では、
駆動周波数が機械的共振周波数に近い場合、電荷量を制
御しても高精度が期待できないことになる。Therefore, in the conventional piezoelectric element control device,
When the drive frequency is close to the mechanical resonance frequency, high precision cannot be expected even if the charge amount is controlled.
【００２４】具体的には、駆動周波数が機械的共振周波
数に近い場合、実際の変位量は検出された電荷量から求
められる変位量よりも大きくなり、また、実際の変位状
態は検出された電荷から求められる変位状態よりも位相
が遅れる。Specifically, when the driving frequency is close to the mechanical resonance frequency, the actual displacement amount is larger than the displacement amount obtained from the detected charge amount, and the actual displacement state is the detected charge amount. The phase lags behind the displacement state obtained from.
【００２５】従って、従来の圧電素子制御装置では、駆
動周波数を機械的共振周波数よりも十分低い周波数（１
／１０以下）に設定する必要があり、そのために広帯域
での利用ができないといった問題があった。Therefore, in the conventional piezoelectric element control device, the drive frequency is sufficiently lower than the mechanical resonance frequency (1
Therefore, there is a problem that it cannot be used in a wide band.
【００２６】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、圧電素子の機械的共振周波数の影響を大幅に低減
し、それにより、広帯域において、圧電素子の高精度な
駆動を可能にした圧電素子制御装置を提供することを目
的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and significantly reduces the influence of the mechanical resonance frequency of the piezoelectric element, thereby enabling highly accurate driving of the piezoelectric element in a wide band. An object is to provide a piezoelectric element control device.
【００２７】[0027]
【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１） 電界を加えることにより
歪を生ずる圧電素子と、前記圧電素子に電界を加える圧
電素子駆動手段と、前記圧電素子に蓄えられた電荷量を
検出し、電圧信号に変換して出力する電荷量検出手段
と、前記電荷量検出手段が出力する電圧信号に対して、
前記圧電素子の機械的振動特性とほぼ同等の伝達関数に
含まれる周波数に対するゲイン特性および位相特性によ
るフィルタ処理を施し、その結果を出力するフィルタ手
段とを有することを特徴とする圧電素子制御装置が提供
される。According to the present invention, in order to solve the above-mentioned problems, (1) a piezoelectric element which produces strain by applying an electric field, and a piezoelectric element driving means for applying an electric field to the piezoelectric element, Detecting the charge amount stored in the piezoelectric element, the charge amount detecting means for converting and outputting the voltage signal, and the voltage signal output by the charge amount detecting means,
A piezoelectric element control device comprising: a filter means for performing a filtering process by a gain characteristic and a phase characteristic with respect to a frequency included in a transfer function substantially equivalent to the mechanical vibration characteristic of the piezoelectric element, and outputting the result. Provided.
【００２８】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） 前記フィルタ手段からの出力を用い
て前記圧電素子をフィードバック制御する制御手段をさ
らに有していることを特徴とする（１）記載の圧電素子
制御装置が提供される。Further, according to the present invention, in order to solve the above problems, (2) a control means for feedback controlling the piezoelectric element by using an output from the filter means is further provided. A piezoelectric element control device according to (1) is provided.
【００２９】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） 前記フィルタ手段は、２次のローパ
スフィルタであることを特徴とする（１）または（２）
記載の圧電素子制御装置が提供される。According to the present invention, in order to solve the above problems (3), the filter means is a second-order low-pass filter (1) or (2).
A described piezoelectric element control device is provided.
【００３０】すなわち、以上のような本発明の圧電素子
制御装置において、圧電素子は、圧電素子駆動手段によ
って電圧駆動される。That is, in the piezoelectric element control device of the present invention as described above, the piezoelectric element is voltage-driven by the piezoelectric element driving means.
【００３１】この圧電素子に蓄積された電荷は、電荷量
検出手段によって検出される。The charge accumulated in this piezoelectric element is detected by the charge amount detecting means.
【００３２】電荷量検出手段は、検出した電荷を電圧に
変換して出力する。The charge amount detecting means converts the detected charge into a voltage and outputs it.
【００３３】電荷量検出手段から出力された電圧信号
は、フィルタ手段に供給され、そこで圧電素子の機械的
振動特性とほぼ同等の伝達関数に含まれる周波数に対す
るゲイン特性および位相特性によるフィルタ処理が施さ
れる。The voltage signal output from the charge amount detecting means is supplied to the filter means, where it is subjected to a filtering process by a gain characteristic and a phase characteristic with respect to a frequency included in a transfer function substantially equivalent to the mechanical vibration characteristic of the piezoelectric element. To be done.
【００３４】その結果、本発明の圧電素子制御装置によ
れば、圧電素子の機械的共振周波数の影響を大幅に低減
することができる。As a result, according to the piezoelectric element control device of the present invention, the influence of the mechanical resonance frequency of the piezoelectric element can be greatly reduced.
【００３５】また、本発明の圧電素子制御装置において
は、前記フィルタ手段の出力を用いて前記圧電素子をフ
ィードバック制御する制御手段を有している。Further, the piezoelectric element control device of the present invention has a control means for feedback-controlling the piezoelectric element using the output of the filter means.
【００３６】これにより本発明の圧電素子制御装置によ
れば、フィルタ手段の出力を用いて圧電素子をフィード
バック制御することができるので、圧電素子を高精度に
制御することができる。Thus, according to the piezoelectric element control device of the present invention, since the piezoelectric element can be feedback-controlled by using the output of the filter means, the piezoelectric element can be controlled with high accuracy.
【００３７】さらに、本発明の圧電素子制御装置におい
て、前記フィルタ手段が２次のアナログローパスフィル
タで構成されている。Further, in the piezoelectric element control device of the present invention, the filter means is composed of a secondary analog low-pass filter.
【００３８】これにより、本発明の圧電素子制御装置に
よれば、２次のアナログローパスフィルタにより圧電素
子の機械的振動特性とほぼ同等の伝達関数によるフィル
タ処理が容易に実現できる。Thus, according to the piezoelectric element control device of the present invention, it is possible to easily realize the filter processing with the transfer function substantially equivalent to the mechanical vibration characteristic of the piezoelectric element by the second-order analog low-pass filter.
【００３９】その結果、本発明の圧電素子制御装置によ
れば、圧電素子の機械的共振周波数の影響を大幅に低減
することができる。As a result, according to the piezoelectric element control device of the present invention, the influence of the mechanical resonance frequency of the piezoelectric element can be greatly reduced.
【００４０】[0040]
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００４１】図４乃至図７は、本発明の実施の形態によ
る圧電素子制御装置を説明するための図である。4 to 7 are views for explaining a piezoelectric element control device according to an embodiment of the present invention.
【００４２】（第１の実施の形態）図４は、本発明の第
１の実施の形態による圧電素子制御装置の回路構成を示
すブロック図である。(First Embodiment) FIG. 4 is a block diagram showing a circuit configuration of a piezoelectric element control device according to a first embodiment of the present invention.
【００４３】図４において、参照符号１０は電界を加え
ることにより歪を生じる圧電素子であり、その静電容量
を約Ｃｐとする。In FIG. 4, reference numeral 10 is a piezoelectric element that produces a strain by applying an electric field, and its capacitance is about Cp.
【００４４】なお、圧電素子の静電容量は、一般に、そ
の歪量により最大で数１０％変化するが、ここでは静電
容量の変化については触れないので、圧電素子１０の静
電容量を約Ｃｐと表すことにする。Incidentally, the capacitance of the piezoelectric element generally changes up to several tens of percent depending on the amount of distortion, but since the change in capacitance is not mentioned here, the capacitance of the piezoelectric element 10 is about Let us call it Cp.
【００４５】また、参照符号１１はオペアンプであり、
参照符号１２は静電容量Ｃｓのコンデンサで、これらの
オペアンプ１１とコンデンサ１２とにより積分器を形成
している。Reference numeral 11 is an operational amplifier,
Reference numeral 12 is a capacitor having an electrostatic capacity Cs, and the operational amplifier 11 and the capacitor 12 form an integrator.
【００４６】ここで、コンデンサ１２の静電容量Ｃｓ
は、オペアンプ１１の出力が圧電素子１０への印加電圧
の数１０分の１となるように、圧電素子１０の静電容量
Ｃｐの数１０倍に設定する。Here, the capacitance Cs of the capacitor 12
Is set to several tens of times the electrostatic capacitance Cp of the piezoelectric element 10 so that the output of the operational amplifier 11 is several tenths of the voltage applied to the piezoelectric element 10.
【００４７】また、参照符号１３は反転回路であり、印
加電圧とオペアンプ１１の出力電圧の位相が１８０度ず
れている、すなわち、反転しているので、それを一致さ
せるために設けられたものである。Further, reference numeral 13 is an inverting circuit, which is provided in order to make the applied voltage and the output voltage of the operational amplifier 11 out of phase with each other by 180 degrees, that is, inverted. is there.
【００４８】この反転回路１３は、なくても効果には影
響はない。The effect is not affected even if the inverting circuit 13 is omitted.
【００４９】そして、補正回路２０は、図３に示したよ
うな圧電素子１０の機械的振動特性とほぼ同等の伝達関
数をもつフィルタ回路である。The correction circuit 20 is a filter circuit having a transfer function almost equivalent to the mechanical vibration characteristic of the piezoelectric element 10 as shown in FIG.
【００５０】図５および図６は、その具体例としての補
正回路２０及び補正回路３０を示している。5 and 6 show a correction circuit 20 and a correction circuit 30 as specific examples thereof.
【００５１】図５は、図４の補正回路２０の具体例を示
す図である。FIG. 5 is a diagram showing a specific example of the correction circuit 20 of FIG.
【００５２】この図５に示されている補正回路２０は、
一般的な２次のアナログローパスフイルタ回路であり、
オペアンプ２１、抵抗素子２２、２３、コンデンサ２
４、２５により構成されるフィルタ回路である。The correction circuit 20 shown in FIG.
It is a general second-order analog low-pass filter circuit,
Operational amplifier 21, resistance elements 22 and 23, capacitor 2
4 and 25 are filter circuits.
【００５３】ここで、抵抗素子２２、２３の各抵抗値Ｒ
１、Ｒ２、およびコンデンサ２４、２５の各静電容量Ｃ
１、Ｃ２は、圧電素子１０の１次の機械的共振周波数を
ｆｃ、そのゲインをＱとおくと、次式が成り立つように
設定される。Here, each resistance value R of the resistance elements 22 and 23
1, R2, and the capacitances C of the capacitors 24 and 25
1 and C2 are set so that the following equation is satisfied, where fc is the primary mechanical resonance frequency of the piezoelectric element 10 and Q is its gain.
【００５４】[0054]
【数１】 [Equation 1]
【００５５】このフィルタ回路では、部品数を少なく構
成することができる。In this filter circuit, the number of parts can be reduced.
【００５６】図６は、図４の補正回路２０の具体例とし
て別構成の補正回路３０を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a correction circuit 30 of another structure as a specific example of the correction circuit 20 of FIG.
【００５７】すなわち、図６は、別構成の補正回路３０
としての２次のアナログローパスフイルタ回路であり、
オペアンプ３１、抵抗素子３２、３３、３６、可変抵抗
器３７、コンデンサ３４、３５により構成されるフィル
タ回路である。That is, FIG. 6 shows a correction circuit 30 having another configuration.
Is a secondary analog low-pass filter circuit as
The filter circuit is composed of an operational amplifier 31, resistance elements 32, 33 and 36, a variable resistor 37, and capacitors 34 and 35.
【００５８】ここで、抵抗素子３２、３３、３６及び可
変抵抗器３７の各抵抗値Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、およ
びコンデンサ３４、３５の各静電容量Ｃ１、Ｃ２は、フ
ィルタ回路のゲインをＫ、圧電素子１０の１次の機械的
共振周波数をｆｃ、そのゲインをＱとおくと、次式が成
り立つように設定される。Here, the resistance values R1, R2, R3, R4 of the resistance elements 32, 33, 36 and the variable resistor 37, and the electrostatic capacitances C1, C2 of the capacitors 34, 35 are the gains of the filter circuit. Letting K be the first-order mechanical resonance frequency of the piezoelectric element 10 and fc be its gain, the following equation is established.
【００５９】[0059]
【数２】 [Equation 2]
【００６０】このフィルタ回路では、ゲインＫによって
Ｑの値を設定することができる。In this filter circuit, the value of Q can be set by the gain K.
【００６１】例えば、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ、ｃ１＝ｃ２＝Ｃ
とすると、Ｑ＝１／（３−Ｋ）となり、Ｋを１＜Ｋ＜３
の範囲で調整することにより、広い範囲のＱを得ること
ができる。For example, R1 = R2 = R, c1 = c2 = C
Then, Q = 1 / (3-K), and K becomes 1 <K <3
A wide range of Q can be obtained by adjusting in the range of.
【００６２】次に、図４に示した圧電素子制御装置の動
作について説明する。Next, the operation of the piezoelectric element control device shown in FIG. 4 will be described.
【００６３】駆動周波数が圧電素子１０の機械的共振周
波数よりも十分に低い（ｆｃ／１０以下）場合、圧電素
子１０に電圧信号Ｖ０を印加すると、圧電素子１０には
歪が生じ、その歪量に応じた電荷ｑが蓄積される。When the driving frequency is sufficiently lower than the mechanical resonance frequency of the piezoelectric element 10 (fc / 10 or less), when the voltage signal V0 is applied to the piezoelectric element 10, the piezoelectric element 10 is distorted, and the amount of distortion is generated. A charge q corresponding to is stored.
【００６４】このとき、コンデンサ１２にも同量の電荷
が蓄積され、オペアンプ１１からは、ｑ／Ｃｓの電圧信
号が出力される。At this time, the same amount of charge is accumulated in the capacitor 12, and the operational amplifier 11 outputs a voltage signal of q / Cs.
【００６５】このオペアンプ１１からの出力は、反転回
路１３を介して補正回路２０へ供給される。The output from the operational amplifier 11 is supplied to the correction circuit 20 via the inverting circuit 13.
【００６６】そして、補正回路２０では、入力信号の周
波数が低いので、ゲイン０ｄＢ（×１）、位相遅れなし
（図３参照）の処理が施される。Then, in the correction circuit 20, since the frequency of the input signal is low, processing of gain 0 dB (× 1) and no phase delay (see FIG. 3) is performed.
【００６７】つまり、この場合、補正回路２０からは、
入力信号がそのまま出力されることになる。That is, in this case, from the correction circuit 20,
The input signal is output as it is.
【００６８】一方、この場合、駆動周波数が低いので、
圧電素子１０と電荷ｑの変位量の関係（変位量／ｑ）は
一定の状態にある。On the other hand, in this case, since the driving frequency is low,
The relationship between the piezoelectric element 10 and the displacement amount of the electric charge q (displacement amount / q) is in a constant state.
【００６９】従って、補正回路２０から出力される信号
は、圧電素子１０の変位量を正しく示すことになる。Therefore, the signal output from the correction circuit 20 correctly indicates the displacement amount of the piezoelectric element 10.
【００７０】また、駆動周波数が圧電素子１０の機械的
共振周波数に近い（ほぼｆｃ）場合、圧電素子１０に電
圧信号Ｖ０を印加すると、圧電素子１０には歪が生じ、
その歪量に応じた電荷ｑが蓄積される。When the driving frequency is close to the mechanical resonance frequency of the piezoelectric element 10 (approximately fc), when the voltage signal V0 is applied to the piezoelectric element 10, the piezoelectric element 10 is distorted,
A charge q corresponding to the amount of strain is accumulated.
【００７１】このとき、コンデンサ１２にも同量の電荷
が蓄積され、オペアンプ１１からはｑ／Ｃｓの電圧信号
が出力される。At this time, the same amount of charge is accumulated in the capacitor 12, and the operational amplifier 11 outputs a voltage signal of q / Cs.
【００７２】このオペアンプ１１からの出力は、反転回
路１３を介して補正回路２０へ供給される。The output from the operational amplifier 11 is supplied to the correction circuit 20 via the inverting circuit 13.
【００７３】そして、補正回路２０では、入力信号の周
波数がｆｃに近いので、ゲイン数１０ｄＢ（×１０〜×
１００）、位相遅れ（ほぼπ／２）の処理が施される。In the correction circuit 20, since the frequency of the input signal is close to fc, the gain number is 10 dB (× 10 to ×).
100), and processing of phase delay (approximately π / 2) is performed.
【００７４】一方、この場合、駆動周波数がｆｃに近い
ので、圧電素子１０と電荷ｑの変位量の関係（変位量／
ｑ）は低周波駆動の場合の１０〜１００倍になる。On the other hand, in this case, since the driving frequency is close to fc, the relationship between the displacement amount of the piezoelectric element 10 and the electric charge q (displacement amount /
q) is 10 to 100 times that in the case of low frequency driving.
【００７５】また、圧電素子１０の変位状態は、オペア
ンプ１１からの出力信号ｑ／Ｃｓよりも位相がほぼπ／
２だけ遅れる。In the displacement state of the piezoelectric element 10, the phase is approximately π / than the output signal q / Cs from the operational amplifier 11.
Delayed by 2.
【００７６】従って、補正回路２０から出力される信号
は、圧電素子１０の変位状態を正しく示すことになる。Therefore, the signal output from the correction circuit 20 correctly indicates the displacement state of the piezoelectric element 10.
【００７７】以上により、補正回路２０から出力される
信号は、広帯域の駆動周波数において圧電素子１０の変
位状態を正しく示すことになる。As described above, the signal output from the correction circuit 20 correctly indicates the displacement state of the piezoelectric element 10 in a wide band drive frequency.
【００７８】（第２の実施の形態）図７は、本発明の第
２の実施の形態による圧電素子制御装置の回路構成を示
すブロック図である。(Second Embodiment) FIG. 7 is a block diagram showing a circuit configuration of a piezoelectric element control device according to a second embodiment of the present invention.
【００７９】本発明の第２の実施の形態では、前述した
第１の実施の形態における補正回路２０の出力信号を用
いてフィードバック制御を行うようにしている。In the second embodiment of the present invention, feedback control is performed using the output signal of the correction circuit 20 in the first embodiment described above.
【００８０】図７において、参照符号４０は、図４では
省略していた圧電素子１０の駆動回路であって、これに
より電圧駆動を行うことができる。In FIG. 7, reference numeral 40 is a drive circuit for the piezoelectric element 10, which is omitted in FIG. 4, and can be driven by voltage.
【００８１】また、参照符号５０はＰＩＤ制御回路で、
補正回路２０からの出力信号が基準信号（動作指令信
号）と一致するよう制御を行うものである。Reference numeral 50 is a PID control circuit,
The control is performed so that the output signal from the correction circuit 20 matches the reference signal (operation command signal).
【００８２】従って、この構成により圧電素子１０の制
御を行うことにより、圧電素子１０を精度良くコントロ
ールすることが可能となる。Therefore, by controlling the piezoelectric element 10 with this configuration, it becomes possible to control the piezoelectric element 10 with high accuracy.
【００８３】以上により、本発明の各実施形態による圧
電素子制御装置によれば、圧電素子の機械的共振周波数
の影響なく、広帯域において圧電素子を高精度に制御す
ることが可能となる。As described above, according to the piezoelectric element control device according to each of the embodiments of the present invention, the piezoelectric element can be controlled with high accuracy in a wide band without being affected by the mechanical resonance frequency of the piezoelectric element.
【００８４】なお、本発明の各実施形態による圧電素子
制御装置では、補正回路２０をアナログフィルタで構成
したが、デジタルフィルタを用いても同様の効果を得る
ことができる。In the piezoelectric element control device according to each embodiment of the present invention, the correction circuit 20 is composed of the analog filter, but the same effect can be obtained by using the digital filter.
【００８５】そして、本発明の各実施形態による圧電素
子制御装置では、圧電素子の機械的共振周波数の影響を
大幅に低減することが可能となる結果、圧電素子を広帯
域において高精度に駆動することが可能となる。In the piezoelectric element control device according to each of the embodiments of the present invention, the influence of the mechanical resonance frequency of the piezoelectric element can be significantly reduced, and as a result, the piezoelectric element can be driven with high accuracy in a wide band. Is possible.
【００８６】[0086]
【発明の効果】従って、以上説明したように、本発明に
よれば、圧電素子の機械的共振周波数の影響を大幅に低
減し、それにより、広帯域において、圧電素子の高精度
な駆動を可能にした圧電素子制御装置を提供することが
できる。As described above, according to the present invention, therefore, the influence of the mechanical resonance frequency of the piezoelectric element is greatly reduced, which enables the piezoelectric element to be driven with high precision in a wide band. It is possible to provide the piezoelectric element control device.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】図１の（ａ）は、一般に、圧電素子を電圧駆動
すると、その印加電圧と変位量との間にヒステリシス特
性が生じてしまうことを示す図であり、図１の（ｂ）
は、圧電素子に蓄積される電荷量が圧電素子の変位量
（歪量）とほぼ線形の関係をもっていることにより、電
荷量と変位量との間に生じるヒステリシスは著しく減少
することを示す図である。FIG. 1A is a diagram showing that, generally, when a piezoelectric element is driven by a voltage, a hysteresis characteristic is generated between an applied voltage and a displacement amount, and FIG.
Is a diagram showing that the amount of charge accumulated in the piezoelectric element has a substantially linear relationship with the displacement amount (distortion amount) of the piezoelectric element, so that the hysteresis generated between the charge amount and the displacement amount is significantly reduced. is there.
【図２】図２は、特開昭６３−２０４６７３号公報に開
示された従来の圧電素子の制御装置の動作原理を説明す
るために示す図である。FIG. 2 is a diagram shown for explaining the operating principle of a conventional piezoelectric element control device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-204673.
【図３】図３の（ａ）および図３の（ｂ）は、圧電素子
を電圧駆動する場合の周波数−ゲイン特性図および周波
数−位相特性を示す図である。3A and 3B are a frequency-gain characteristic diagram and a frequency-phase characteristic diagram when a piezoelectric element is driven by a voltage.
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態による圧電
素子制御装置の回路構成を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a circuit configuration of the piezoelectric element control device according to the first embodiment of the present invention.
【図５】図５は、図４の補正回路２０の具体例を示す図
である。FIG. 5 is a diagram showing a specific example of the correction circuit 20 of FIG.
【図６】図６は、図４の補正回路２０の具体例として別
構成の補正回路３０を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a correction circuit 30 having another configuration as a specific example of the correction circuit 20 of FIG.
【図７】図７は、本発明の第２の実施の形態による圧電
素子制御装置の回路構成を示すブロック図である。FIG. 7 is a block diagram showing a circuit configuration of a piezoelectric element control device according to a second embodiment of the present invention.
１０…圧電素子、
Ｃｐ…圧電素子の静電容量、
１１…オペアンプ、
１２…静電容量Ｃｓのコンデンサ
１３…反転回路、
２０…補正回路、
２１…オペアンプ、
２２、２３…抵抗素子、
２４、２５…コンデンサ、
Ｒ１、Ｒ２…抵抗素子２２、２３の各抵抗値、
Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ２４、２５の各静電容量、
３１…オペアンプ、
３２、３３、３６…抵抗素子、
３７…可変抵抗器、
３４、３５…コンデンサ、
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４…抵抗素子３２、３３、３６及
び可変抵抗器３７の各抵抗値、
Ｃ１、Ｃ２…コンデンサ３４、３５の各静電容量、
４０…圧電素子１０の駆動回路、
５０…ＰＩＤ制御回路。DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Piezoelectric element, Cp ... Electrostatic capacity of piezoelectric element, 11 ... Operational amplifier, 12 ... Capacitor 13 of electrostatic capacity Cs ... Inversion circuit, 20 ... Correction circuit, 21 ... Operational amplifier, 22, 23 ... Resistance element, 24, 25 ... capacitors, R1, R2 ... resistance values of resistance elements 22 and 23, C1, C2 ... electrostatic capacities of capacitors 24 and 25, 31 ... operational amplifiers, 32, 33, 36 ... resistance elements, 37 ... variable resistors, 34, 35 ... Capacitors, R1, R2, R3, R4 ... Resistance values of resistance elements 32, 33, 36 and variable resistor 37, C1, C2 ... Capacitances of capacitors 34, 35, 40 ... Piezoelectric element 10 Drive circuit, 50 ... PID control circuit.
Claims (3)
素子と、 前記圧電素子に電界を加える圧電素子駆動手段と、 前記圧電素子に蓄えられた電荷量を検出し、電圧信号に
変換して出力する電荷量検出手段と、 前記電荷量検出手段が出力する電圧信号に対して、前記
圧電素子の機械的振動特性とほぼ同等の伝達関数に含ま
れる周波数に対するゲイン特性および位相特性によるフ
ィルタ処理を施し、その結果を出力するフィルタ手段と
を有することを特徴とする圧電素子制御装置。1. A piezoelectric element that generates a strain by applying an electric field, a piezoelectric element driving unit that applies an electric field to the piezoelectric element, and a charge amount stored in the piezoelectric element is detected, converted into a voltage signal, and output. And a voltage signal output by the charge amount detection unit is filtered by gain characteristics and phase characteristics with respect to frequencies included in a transfer function substantially equivalent to the mechanical vibration characteristics of the piezoelectric element. And a filter means for outputting the result, and a piezoelectric element control device.
記圧電素子をフィードバック制御する制御手段をさらに
有していることを特徴とする請求項１記載の圧電素子制
御装置。2. The piezoelectric element control device according to claim 1, further comprising control means for feedback-controlling the piezoelectric element by using an output from the filter means.
ィルタであることを特徴とする請求項１または２記載の
圧電素子制御装置。3. The piezoelectric element control device according to claim 1, wherein the filter means is a second-order low-pass filter.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001292361A JP2003102183A (en) | 2001-09-25 | 2001-09-25 | Piezoelectric element control device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2001292361A JP2003102183A (en) | 2001-09-25 | 2001-09-25 | Piezoelectric element control device |
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ID=19114341
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| JP2001292361A Withdrawn JP2003102183A (en) | 2001-09-25 | 2001-09-25 | Piezoelectric element control device |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003102183A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007047502A (en) * | 2005-08-10 | 2007-02-22 | Sharp Corp | Optical system driving unit and driving method for piezoelectric element |
| JP2008539691A (en) * | 2005-04-29 | 2008-11-13 | シンボル テクノロジーズ， インコーポレイテッド | Piezoelectric motor drive circuit and method |
| JP2015094598A (en) * | 2013-11-08 | 2015-05-18 | 東洋インキＳｃホールディングス株式会社 | Distance sensor |
-
2001
- 2001-09-25 JP JP2001292361A patent/JP2003102183A/en not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|---|
| JP2008539691A (en) * | 2005-04-29 | 2008-11-13 | シンボル テクノロジーズ， インコーポレイテッド | Piezoelectric motor drive circuit and method |
| JP2007047502A (en) * | 2005-08-10 | 2007-02-22 | Sharp Corp | Optical system driving unit and driving method for piezoelectric element |
| JP2015094598A (en) * | 2013-11-08 | 2015-05-18 | 東洋インキＳｃホールディングス株式会社 | Distance sensor |
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