JP2003259666A - Piezoelectric element control device - Google Patents

Piezoelectric element control device

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JP2003259666A
JP2003259666A JP2002056357A JP2002056357A JP2003259666A JP 2003259666 A JP2003259666 A JP 2003259666A JP 2002056357 A JP2002056357 A JP 2002056357A JP 2002056357 A JP2002056357 A JP 2002056357A JP 2003259666 A JP2003259666 A JP 2003259666A
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JP
Japan
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piezoelectric element
circuit
signal
output
charge
Prior art date
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Withdrawn
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JP2002056357A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuaki Sakai
信明 酒井
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element control device with reduced deviation between 'the output signal of a charge detecting circuit for detecting the amount of charge accumulated in the piezoelectric element' and 'the amount of the displacement of the piezoelectric element', particularly in low frequency regions. <P>SOLUTION: The piezoelectric control device is provided with a drive circuit 40 that applies a voltage to the piezoelectric element 10, a charge detecting circuit 20 that detects the amount of charge accumulated in the piezoelectric element 10, and a correction circuit 30 that performs signal processing on an output signal from the charge detecting circuit 20. The charge detecting circuit 20 comprises an operational amplifier 21, a feedback capacitor 22, and an inverting circuit 23. The electrostatic capacity Cs of the capacitor 22 is set to be 10-20 times the electrostatic capacity Cp of the piezoelectric element 10. The inverting circuit 23 regulates phases of the drive circuit 40 output and the charge detecting circuit 20 output. The correction circuit 30 has an input/ output characteristic that is roughly equivalent to the frequency characteristic of the 'amount of displacement of the piezoelectric element 10' to the 'output signal of the charge detecting circuit'. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、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 control device for a piezoelectric element used for minute positioning.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、圧電素子は、図9に示されるよ
うにヒステリシスを持つ駆動特性を有しているため、精
度良く制御駆動することが困難である。圧電素子を精度
良く駆動するためには、静電容量センサなどの変位セン
サを付加的に設け、変位センサの変位情報に基づいて圧
電素子を制御する方法が一般的である。しかしながら最
近の傾向として、小型化や低価格化が市場から求められ
ており、静電容量センサなどの外部変位センサに頼らな
い圧電素子の駆動方法や制御方法が望まれている。
2. Description of the Related Art Generally, since a piezoelectric element has a driving characteristic having hysteresis as shown in FIG. 9, it is difficult to control and drive it with high accuracy. In order to drive the piezoelectric element with high accuracy, a method is generally used in which a displacement sensor such as a capacitance sensor is additionally provided and the piezoelectric element is controlled based on the displacement information of the displacement sensor. However, as a recent trend, there is a demand for size reduction and price reduction in the market, and a driving method and a control method for a piezoelectric element that do not rely on an external displacement sensor such as a capacitance sensor are desired.

【0003】外部変位センサに頼らない圧電素子の従来
の駆動方法や制御方法としては、圧電素子に蓄積する電
荷量に基づく制御が有名である。圧電素子に蓄積される
電荷量は、圧電素子の変位量に対してほぼ線形の関係を
持ち、図10に示されるようにヒステリシスは著しく減
少している。
As a conventional driving method and control method for a piezoelectric element that does not rely on an external displacement sensor, control based on the amount of charge accumulated in the piezoelectric element is well known. The amount of charge accumulated in the piezoelectric element has a substantially linear relationship with the amount of displacement of the piezoelectric element, and the hysteresis is significantly reduced as shown in FIG.

【0004】特開昭63−204673号公報はそのよ
うな制御の一例を開示している。これは、圧電素子に蓄
積される電荷量を検出し、それを変位センサとして用い
ている。以下、その動作原理について図11を参照しな
がら簡単に説明する。
Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-204673 discloses an example of such control. This detects the amount of charge accumulated in the piezoelectric element and uses it as a displacement sensor. Hereinafter, the operation principle will be briefly described with reference to FIG.

【0005】図11において、圧電素子10は電圧の印
加に応じて変位を生じる。電荷検出回路20は、オペア
ンプ21とコンデンサー22と反転回路23とから構成
されている。
In FIG. 11, the piezoelectric element 10 is displaced in response to the application of voltage. The charge detection circuit 20 includes an operational amplifier 21, a capacitor 22, and an inverting circuit 23.

【0006】圧電素子10は電圧V0の印加に応じて変
位を生じ、圧電素子10にはその変位量に応じた電荷q
が蓄積される。コンデンサー22にも同量の電荷が蓄積
される。コンデンサー22の静電容量をCsとすると、
オペアンプ21はq/Csという電圧信号を出力する。
The piezoelectric element 10 is displaced in response to the application of the voltage V0, and the piezoelectric element 10 has a charge q corresponding to the amount of displacement.
Is accumulated. The same amount of charge is stored in the capacitor 22. If the capacitance of the capacitor 22 is Cs,
The operational amplifier 21 outputs a voltage signal of q / Cs.

【0007】電荷qは圧電素子10の変位量とほぼ線形
の関係にあり、Csは定数であるので、オペアンプ21
から出力される電圧信号はほぼ圧電素子10の変位量を
示している。
Since the electric charge q has a substantially linear relationship with the displacement amount of the piezoelectric element 10 and Cs is a constant, the operational amplifier 21
The voltage signal output from the device substantially indicates the amount of displacement of the piezoelectric element 10.

【0008】反転回路23は、印加電圧V0とオペアン
プ21の出力電圧は位相が180度ずれる、言い換えれ
ば位相が反転するので、それを一致させるために設けら
れている。
The inverting circuit 23 is provided to make the applied voltage V0 and the output voltage of the operational amplifier 21 out of phase with each other by 180 degrees, in other words, because the phase is inverted, so that they match.

【0009】以上より、電荷検出回路20の出力はほぼ
圧電素子10の変位を示す変位信号として利用できる。
さらには、電荷検出回路20の出力に基づいて圧電素子
10を制御することにより、圧電素子10の変位を精度
良く制御できる。
As described above, the output of the charge detection circuit 20 can be used as a displacement signal indicating the displacement of the piezoelectric element 10.
Furthermore, by controlling the piezoelectric element 10 based on the output of the charge detection circuit 20, the displacement of the piezoelectric element 10 can be controlled with high accuracy.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
電荷量に基づく従来の制御法は以下に述べる不具合を有
している。
However, the above-mentioned conventional control method based on the charge amount has the following drawbacks.

【0011】図11に示される電荷検出系において、圧
電素子10に「振幅一定、周波数1Hzの矩形波」を印
加したときの「圧電素子10の実際の変位量」と「電荷
信号(圧電素子10に蓄積された電荷量に基づいた信
号)」を図12に示す。この場合には、「電荷信号」が
ほぼ「圧電素子10の実際の変位量」と一致しているこ
とがわかる。
In the charge detection system shown in FIG. 11, the "actual displacement amount of the piezoelectric element 10" and the "charge signal (piezoelectric element 10 when a rectangular wave having a constant amplitude and a frequency of 1 Hz" is applied to the piezoelectric element 10. FIG. 12 shows a signal based on the amount of electric charge accumulated in “)”. In this case, it can be seen that the "charge signal" substantially matches the "actual displacement amount of the piezoelectric element 10."

【0012】図11に示される電荷検出系において、圧
電素子10に「振幅一定、周波数0.01Hzの矩形
波」を印加したときの「圧電素子10の実際の変位量」
と「電荷信号」を図13に示す。この場合には、「電荷
信号」と「圧電素子10の実際の変位量」に大きなズレ
が生じている。
In the charge detection system shown in FIG. 11, the "actual displacement amount of the piezoelectric element 10" when a "rectangular wave having a constant amplitude and a frequency of 0.01 Hz" is applied to the piezoelectric element 10.
And "charge signal" are shown in FIG. In this case, there is a large difference between the "charge signal" and the "actual displacement amount of the piezoelectric element 10."

【0013】これは、圧電素子に蓄積される電荷量と圧
電素子の変位量の関係が1Hz以上の周波数領域とそれ
以下の領域に違いがあるからである。さらに、圧電素子
の電気的特性と電荷検出回路で使用しているコンデンサ
の電気的特性の違いにも原因がある。従って、圧電素子
に蓄積する電荷量を制御する方法は、低周波領域を含む
広帯域において圧電素子を高精度に制御することが困難
である。
This is because the relationship between the amount of electric charge accumulated in the piezoelectric element and the amount of displacement of the piezoelectric element differs between the frequency range of 1 Hz or higher and the frequency range of 1 Hz or lower. Another cause is the difference in the electrical characteristics of the piezoelectric element and the capacitors used in the charge detection circuit. Therefore, it is difficult for the method of controlling the amount of charge accumulated in the piezoelectric element to control the piezoelectric element with high accuracy in a wide band including a low frequency region.

【0014】なお、図12と図13に示した特性はあく
までも一例であり、「特性に違いが生じる境界周波数」
は圧電素子の材質や形状に依存している。さらには、電
荷検出回路で使用しているコンデンサの種類にも依存し
ている。「特性に違いが生じる境界周波数」は、一般的
な圧電素子では、だいたい0.1Hz〜100Hzの範
囲にあると考えられる。
The characteristics shown in FIGS. 12 and 13 are merely examples, and "the boundary frequency at which the characteristics differ"
Depends on the material and shape of the piezoelectric element. Furthermore, it also depends on the type of capacitor used in the charge detection circuit. The "boundary frequency at which the characteristics differ" is considered to be in the range of approximately 0.1 Hz to 100 Hz in a general piezoelectric element.

【0015】本発明は、このような実状を考慮して成さ
れたものであり、その目的は、特に低周波領域における
「電荷検出回路の出力信号」と「圧電素子の変位量」の
ズレが低減された、これにより低周波領域を含む広帯域
において圧電素子を高精度に駆動できる圧電素子制御装
置を提供することである。
The present invention has been made in consideration of such an actual situation, and its object is to make a difference between the "charge detection circuit output signal" and the "piezoelectric element displacement amount" particularly in a low frequency region. (EN) Provided is a piezoelectric element control device which can drive a piezoelectric element with high accuracy in a wide band including a low frequency region.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明による圧電素子制
御装置は、圧電素子に電圧を印加するための駆動手段
と、圧電素子に蓄えられた電荷量を検出するための電荷
検出回路であって、検出した電荷量に応じた信号を出力
する電荷検出回路と、電荷検出回路の出力信号に対して
信号処理を施す信号処理手段であって、少なくとも「電
荷検出回路の出力信号」に対する「圧電素子の変位量」
の周波数特性が大きく変化する境界以下の周波数領域に
おいて、「電荷検出回路の出力信号」に対する「圧電素
子の変位量」の周波数特性とほぼ同等の入出力特性を有
している信号処理手段とを備えている。
A piezoelectric element control device according to the present invention comprises a driving means for applying a voltage to the piezoelectric element and a charge detection circuit for detecting the amount of electric charge stored in the piezoelectric element. A charge detection circuit that outputs a signal according to the detected charge amount, and a signal processing unit that performs signal processing on the output signal of the charge detection circuit, the "piezoelectric element for at least the output signal of the charge detection circuit" Displacement of
In the frequency region below the boundary where the frequency characteristics of the change significantly, the signal processing means having an input / output characteristic almost equal to the frequency characteristic of the “displacement amount of the piezoelectric element” with respect to the “output signal of the charge detection circuit” is provided. I have it.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
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.

【0018】[第一実施形態]本発明の第一実施形態
は、圧電素子制御装置の一実施形態である。圧電素子制
御装置の概略的な構成を図1に示す。
First Embodiment The first embodiment of the present invention is one embodiment of the piezoelectric element control device. FIG. 1 shows a schematic configuration of the piezoelectric element control device.

【0019】本実施形態の圧電素子制御装置は、図1に
示されるように、圧電素子10に電圧を印加する言い換
えれば電界を与えるための駆動回路40と、圧電素子1
0に蓄えられた電荷量を検出するための電荷検出回路2
0と、電荷検出回路20の出力信号に対して信号処理を
施す信号処理回路である補正回路30とを備えている。
As shown in FIG. 1, the piezoelectric element control apparatus of this embodiment includes a drive circuit 40 for applying a voltage to the piezoelectric element 10, in other words, an electric field, and a piezoelectric element 1.
Charge detection circuit 2 for detecting the amount of charge stored in 0
0, and a correction circuit 30 that is a signal processing circuit that performs signal processing on the output signal of the charge detection circuit 20.

【0020】圧電素子10は電圧の印加に応じて伸長し
て変位を生じる。圧電素子10の静電容量Cpはその変
位量により変化するが、問題にならないレベルなのでこ
こでは圧電素子10の静電容量の変化は論じない。
The piezoelectric element 10 expands and generates displacement in response to the application of voltage. The capacitance Cp of the piezoelectric element 10 changes depending on the amount of displacement, but since it is a level that does not matter, the change of the capacitance of the piezoelectric element 10 will not be discussed here.

【0021】電荷検出回路20はオペアンプ21と帰還
コンデンサー22と反転回路23とから構成されてい
る。コンデンサー22の静電容量Csは、オペアンプ2
1の出力が圧電素子への印加電圧の10〜20分の1
(圧電素子への印加電圧は最大200Vで、それを10
V以下となるようにしている)となるように、圧電素子
10の静電容量Cpの10〜20倍に設定されている。
The charge detection circuit 20 comprises an operational amplifier 21, a feedback capacitor 22 and an inverting circuit 23. The capacitance Cs of the capacitor 22 is the operational amplifier 2
The output of 1 is 1 / 20th of the voltage applied to the piezoelectric element
(The maximum voltage applied to the piezoelectric element is 200V.
Is set to V or less), the capacitance Cp of the piezoelectric element 10 is set to 10 to 20 times.

【0022】オペアンプ21の出力電圧信号の位相は、
駆動回路40の出力すなわち印加電圧信号の位相に対し
て180度ずれる、つまり反転する。反転回路23は、
駆動回路40からの印加電圧信号の位相と電荷検出回路
20の出力電圧信号の位相を揃えるために、つまり一致
させるために設けられている。この反転回路23は無く
ても効果に影響はない。つまり、反転回路23は省かれ
てもよい。
The phase of the output voltage signal of the operational amplifier 21 is
The output of the drive circuit 40, that is, the phase of the applied voltage signal is shifted by 180 degrees, that is, inverted. The inverting circuit 23
It is provided in order to make the phase of the applied voltage signal from the drive circuit 40 and the phase of the output voltage signal of the charge detection circuit 20 uniform, that is, to match them. The effect is not affected even if this inverting circuit 23 is not provided. That is, the inverting circuit 23 may be omitted.

【0023】補正回路30は、「電荷検出回路の出力信
号」に対する「圧電素子10の変位量」の周波数特性、
言い換えれば圧電素子10における変位量/電荷信号の
周波数特性とほぼ同等の入出力特性を有している。ここ
において、「ほぼ同等の入出力特性」とは「一致する入
出力特性」と「類似する入出力特性」の総称である。
The correction circuit 30 has a frequency characteristic of "displacement amount of the piezoelectric element 10" with respect to "output signal of the charge detection circuit",
In other words, the piezoelectric element 10 has an input / output characteristic almost equivalent to the displacement / charge signal frequency characteristic. Here, “substantially equivalent input / output characteristics” are a general term for “matching input / output characteristics” and “similar input / output characteristics”.

【0024】補正回路30は「電荷検出回路の出力信
号」に対する「圧電素子10の変位量」の周波数特性と
ほぼ同等の入出力特性を有しているので、補正回路30
の出力は圧電素子10の変位を高精度に示す。
Since the correction circuit 30 has an input / output characteristic almost equal to the frequency characteristic of the "displacement amount of the piezoelectric element 10" with respect to the "output signal of the charge detection circuit", the correction circuit 30.
The output of indicates the displacement of the piezoelectric element 10 with high accuracy.

【0025】言い換えれば、補正回路30は、その出力
が圧電素子10の変位を高精度に示すように、「電荷検
出回路の出力信号」に対する「圧電素子10の変位量」
の周波数特性とほぼ同等の入出力特性を有するように、
より好ましくは一致する入出力特性を有するように設計
される。補正回路30の設計においては、まず「電荷検
出回路の出力信号」に対する「圧電素子10の変位量」
の周波数特性が実測あるいは計算により求められる。求
められた周波数特性に基づいて補正回路30が設計され
る。
In other words, the correction circuit 30 has a "displacement amount of the piezoelectric element 10" with respect to the "output signal of the charge detection circuit" so that its output indicates the displacement of the piezoelectric element 10 with high accuracy.
So that it has an input / output characteristic almost equal to the frequency characteristic of
More preferably, it is designed to have matching input / output characteristics. In designing the correction circuit 30, first, the “displacement amount of the piezoelectric element 10” with respect to the “output signal of the charge detection circuit”
The frequency characteristics of are measured or calculated. The correction circuit 30 is designed based on the obtained frequency characteristic.

【0026】「電荷検出回路の出力信号」に対する「圧
電素子10の変位量」の周波数特性の一例を図5に示
す。図5は、100Hzの周波数における変位量/電荷
信号が1となるように正規化されている。また、位相特
性は周波数に依らずほぼ一定である。
FIG. 5 shows an example of the frequency characteristic of the "displacement amount of the piezoelectric element 10" with respect to the "charge detection circuit output signal". In FIG. 5, the displacement amount / charge signal at the frequency of 100 Hz is normalized to be 1. Further, the phase characteristic is almost constant regardless of the frequency.

【0027】以下、「電荷検出回路の出力信号」に対す
る「圧電素子10の変位量」の周波数特性が図5に示さ
れるものであるとして、補正回路30の一構成例につい
て説明する。
Hereinafter, assuming that the frequency characteristic of the "displacement amount of the piezoelectric element 10" with respect to the "output signal of the charge detection circuit" is as shown in FIG. 5, a configuration example of the correction circuit 30 will be described.

【0028】補正回路30は、図2に示されるように、
第一のフィルター31と、第二のフィルター32と、加
算器33とで構成されている。補正回路30の入出力特
性は、「1+フィルター31の入出力特性+フィルター
32の入出力特性」で表される。フィルター31とフィ
ルター32は、アナログフィルターとデジタルフィルタ
ーのいずれであっても構わない。
The correction circuit 30, as shown in FIG.
It is composed of a first filter 31, a second filter 32, and an adder 33. The input / output characteristic of the correction circuit 30 is represented by “1 + input / output characteristic of the filter 31 + input / output characteristic of the filter 32”. The filters 31 and 32 may be either analog filters or digital filters.

【0029】フィルター31は、図3に示されるよう
に、それ自身への入力信号のうち特定の周波数帯域の成
分を選択的に通過させるためのフィルター31aと、フ
ィルター31aの出力信号を増幅するためのゲイン回路
31bとから構成されている。より詳しくは、フィルタ
ー31は、0.08Hzの1次ローパスフィルター(L
PF)31aと、ゲイン1/2のゲイン回路31bとか
ら構成されている。フィルター31の入出力特性は、図
6において、切れ目の間隔の長い破線で示されている。
As shown in FIG. 3, the filter 31 is for amplifying the output signal of the filter 31a and the filter 31a for selectively passing a component of a specific frequency band in the input signal to itself. And a gain circuit 31b. More specifically, the filter 31 is a 0.08 Hz first-order low-pass filter (L
PF) 31a and a gain circuit 31b with a gain of 1/2. The input / output characteristic of the filter 31 is shown by a broken line with a long gap between the cuts in FIG.

【0030】フィルター32は、図4に示されるよう
に、それ自身への入力信号のうち特定の周波数帯域の成
分を選択的に通過させるための二つのフィルター32a
と32bと、フィルター32bの出力信号を増幅するた
めのゲイン回路32cとから構成されている。より詳し
くは、フィルター32は、0.006Hzの1次ハイパ
スフィルター(HPF)32aと、0.02Hzの1次
ローパスフィルター(LPF)32bと、ゲイン1/5
のゲイン回路32cとから構成されている。フィルター
32の入出力特性は、図6において、切れ目の間隔の短
い破線で示されている。
As shown in FIG. 4, the filter 32 has two filters 32a for selectively passing a component of a specific frequency band in the input signal to itself.
And 32b, and a gain circuit 32c for amplifying the output signal of the filter 32b. More specifically, the filter 32 includes a 0.006 Hz first-order high-pass filter (HPF) 32a, a 0.02 Hz first-order low-pass filter (LPF) 32b, and a gain of 1/5.
And a gain circuit 32c. The input / output characteristics of the filter 32 are shown by broken lines with short gaps in FIG.

【0031】従って、「フィルター31の入出力特性+
フィルター32の入出力特性」は、図6において、実線
で示されものとなる。
Therefore, "the input / output characteristic of the filter 31+
The "input / output characteristic of the filter 32" is shown by the solid line in FIG.

【0032】従って、補正回路30の入出力特性は、少
なくとも0.01Hz以上の周波数領域において、図5
に示された特性とほぼ同等となる。その結果、補正回路
30の出力は、少なくとも0.01Hz以上の周波数領
域において、圧電素子10の変位を高精度に示す。
Therefore, the input / output characteristic of the correction circuit 30 is as shown in FIG.
It is almost the same as the characteristics shown in. As a result, the output of the correction circuit 30 indicates the displacement of the piezoelectric element 10 with high accuracy in a frequency range of at least 0.01 Hz or higher.

【0033】なお、補正回路30の位相特性において
は、圧電素子10の変位量と電荷信号の位相特性つまり
実際の位相特性が周波数に依らず一定であるのに対し
て、若干のズレが生じる。また、補正回路30の出力に
は若干の歪みが生じる。しかしながらその影響はほとん
ど無視できるレベルである。
In the phase characteristic of the correction circuit 30, the displacement amount of the piezoelectric element 10 and the phase characteristic of the charge signal, that is, the actual phase characteristic is constant regardless of the frequency, but a slight deviation occurs. Further, the output of the correction circuit 30 is slightly distorted. However, the effect is almost negligible.

【0034】以上より、本実施形態の圧電素子制御装置
においては、「電荷検出回路の出力信号」に対する「圧
電素子の変位量」の周波数特性とほぼ同等の入出力特性
を有する補正回路により、低周波領域における「電荷検
出回路の出力信号」と「圧電素子の変位量」のズレが低
減される。これにより、低周波領域を含む広帯域におい
て圧電素子の変位を高精度に得ることができる。
As described above, in the piezoelectric element control device according to the present embodiment, the correction circuit having the input / output characteristic substantially equal to the frequency characteristic of the “displacement amount of the piezoelectric element” with respect to the “output signal of the electric charge detection circuit” is provided. The difference between the “charge detection circuit output signal” and the “piezoelectric element displacement amount” in the frequency domain is reduced. Thereby, the displacement of the piezoelectric element can be obtained with high accuracy in a wide band including a low frequency region.

【0035】本実施形態では、0.01Hz以上の周波
数領域において補正するように構成したが、0.01H
z以下を含めた周波数領域を補正する場合も一実施例と
同様に、まず「電荷検出回路の出力信号」に対する「圧
電素子10の変位量」の0.01Hz以下の領域を含め
た周波数特性を実測あるいは計算により求め、それに一
致するように補正回路の設計、フィルターの追加等を行
なえば同様の効果が得られる。
In the present embodiment, the correction is made in the frequency region of 0.01 Hz or higher.
In the case of correcting the frequency range including z or less as well, the frequency characteristic including the range of 0.01 Hz or less of the “displacement amount of the piezoelectric element 10” with respect to the “output signal of the charge detection circuit” is first obtained as in the first embodiment. The same effect can be obtained if the correction circuit is designed and the filter is added so as to be found by actual measurement or calculation, and to match it.

【0036】[第二実施形態]本発明の第二実施形態
は、圧電素子制御装置の一実施形態である。この圧電素
子制御装置の概略的な構成を図7に示す。
Second Embodiment The second embodiment of the present invention is one embodiment of the piezoelectric element control device. FIG. 7 shows a schematic configuration of this piezoelectric element control device.

【0037】本実施形態の圧電素子制御装置は、図7に
示されるように、圧電素子10に電圧を印加するための
駆動回路40と、圧電素子10に蓄えられた電荷量を検
出するための電荷検出回路20と、電荷検出回路20の
出力信号に対して信号処理を施す補正回路30と、補正
回路30の出力信号に基づいて駆動回路40をフィード
バック制御するための制御回路50とを備えている。
As shown in FIG. 7, the piezoelectric element control apparatus according to the present embodiment has a drive circuit 40 for applying a voltage to the piezoelectric element 10 and a charge amount stored in the piezoelectric element 10. A charge detection circuit 20, a correction circuit 30 that performs signal processing on the output signal of the charge detection circuit 20, and a control circuit 50 that feedback-controls the drive circuit 40 based on the output signal of the correction circuit 30 are provided. There is.

【0038】駆動回路40と電荷検出回路20と補正回
路30は、第一実施形態において前述したものと同じも
のである。
The drive circuit 40, the charge detection circuit 20, and the correction circuit 30 are the same as those described above in the first embodiment.

【0039】制御回路50は、例えばPID制御回路で
あり、補正回路30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なう。
The control circuit 50 is, for example, a PID control circuit, and controls so that the output signal of the correction circuit 30 matches the reference signal (operation command signal).

【0040】本実施形態の圧電素子制御装置では、圧電
素子10の変位が補正回路30の出力に基づいてフィー
ドバック制御される。従って、本実施形態の圧電素子制
御装置は、低周波領域を含む広帯域において、圧電素子
10を高い精度で駆動できる。
In the piezoelectric element control device of this embodiment, the displacement of the piezoelectric element 10 is feedback-controlled based on the output of the correction circuit 30. Therefore, the piezoelectric element control device of the present embodiment can drive the piezoelectric element 10 with high accuracy in a wide band including a low frequency region.

【0041】[第三実施形態]本発明の第三実施形態
は、圧電素子制御装置の一実施形態である。この圧電素
子制御装置の概略的な構成を図7に示す。
Third Embodiment The third embodiment of the present invention is one embodiment of the piezoelectric element control device. FIG. 7 shows a schematic configuration of this piezoelectric element control device.

【0042】本実施形態の圧電素子制御装置は、図8に
示されるように、圧電素子10に電荷を注入するための
電流アンプ60と、ボルテージフォロワ70と、コンデ
ンサー22と、補正回路30とを備えている。この圧電
素子制御装置は、実質的に、特開昭63−204672
号公報に開示された電荷制御回路に、第一実施形態で説
明した補正回路30を追加した構成となっている。
As shown in FIG. 8, the piezoelectric element control device of this embodiment includes a current amplifier 60 for injecting charges into the piezoelectric element 10, a voltage follower 70, a capacitor 22, and a correction circuit 30. I have it. This piezoelectric element control device is substantially the same as that disclosed in JP-A-63-204672.
The configuration is such that the correction circuit 30 described in the first embodiment is added to the charge control circuit disclosed in the publication.

【0043】電流アンプ60に駆動電圧V0が入力され
ると、圧電素子10に電荷Qが注入される。ここで、圧
電素子10の変位をX、図5に示された入出力特性を入
出力関数Gとおくと、 X/Q=G の関係が得られる。
When the drive voltage V0 is input to the current amplifier 60, the charge Q is injected into the piezoelectric element 10. Here, when the displacement of the piezoelectric element 10 is X and the input / output characteristic shown in FIG. 5 is an input / output function G, a relationship of X / Q = G is obtained.

【0044】圧電素子10に電荷Qが注入されると、コ
ンデンサー22にも電荷Q(=X/G)がチャージさ
れ、ボルテージフォロワ70の入力端子の電圧、つまり
ボルテージフォロワ70の出力電圧は、 Q/Cs(=X/(CsG)) となる。補正回路30の入出力特性はGとおけるので、
補正回路30の出力電圧Vは、 V=G×X/(CsG)=X/Cs となる。電流アンプ60では2つの入力(V0とV)が
同じになるよう動作するので、 V0=V=X/Cs が得られる。これより、駆動電圧V0と圧電素子10の
変位Xが線形となるよう動作することがわかる。
When the electric charge Q is injected into the piezoelectric element 10, the electric charge Q (= X / G) is also charged in the capacitor 22, and the voltage of the input terminal of the voltage follower 70, that is, the output voltage of the voltage follower 70 becomes Q. / Cs (= X / (CsG)). Since the input / output characteristic of the correction circuit 30 can be G,
The output voltage V of the correction circuit 30 is V = G × X / (CsG) = X / Cs. Since the current amplifier 60 operates so that the two inputs (V0 and V) are the same, V0 = V = X / Cs is obtained. From this, it can be seen that the drive voltage V0 and the displacement X of the piezoelectric element 10 operate in a linear manner.

【0045】本実施形態の圧電素子制御装置では、圧電
素子10の変位が補正回路30の出力に基づいてフィー
ドバック制御される。従って、本実施形態の圧電素子制
御装置は、低周波領域を含む広帯域において、圧電素子
10を高い精度で駆動できる。
In the piezoelectric element control device of this embodiment, the displacement of the piezoelectric element 10 is feedback-controlled based on the output of the correction circuit 30. Therefore, the piezoelectric element control device of the present embodiment can drive the piezoelectric element 10 with high accuracy in a wide band including a low frequency region.

【0046】これまで、図面を参照しながら本発明の実
施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲に
おいて様々な変形や変更が施されてもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and alterations can be made without departing from the scope of the invention. Changes may be made.

【0047】[0047]

【発明の効果】本発明によれば、特に低周波領域におけ
る「電荷検出回路の出力信号」と「圧電素子の変位量」
のズレが低減された圧電素子制御装置が提供される。こ
れにより圧電素子は、低周波領域を含む広帯域におい
て、より高精度に制御される。
According to the present invention, the "output signal of the charge detection circuit" and the "displacement amount of the piezoelectric element" particularly in the low frequency region.
Provided is a piezoelectric element control device with reduced deviation. As a result, the piezoelectric element is controlled with higher accuracy in a wide band including the low frequency region.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第一実施形態における圧電素子制御装
置の概略的な構成を示している。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a piezoelectric element control device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1に示される補正回路の概略的な構成を示し
ている。
2 shows a schematic configuration of the correction circuit shown in FIG.

【図3】図2に示される第一のフィルターの概略的な構
成を示している。
3 shows a schematic configuration of the first filter shown in FIG.

【図4】図2に示される第二のフィルターの概略的な構
成を示している。
4 shows a schematic configuration of the second filter shown in FIG.

【図5】「電荷検出回路の出力信号」に対する「圧電素
子10の変位量」の周波数特性の一例を示している。
FIG. 5 shows an example of frequency characteristics of “displacement amount of piezoelectric element 10” with respect to “output signal of charge detection circuit”.

【図6】第一のフィルターの入出力特性と、第二のフィ
ルターの入出力特性と、第一のフィルターの入出力特性
+第二のフィルターの入出力特性とを示している。
FIG. 6 shows the input / output characteristics of the first filter, the input / output characteristics of the second filter, and the input / output characteristics of the first filter + the input / output characteristics of the second filter.

【図7】本発明の第二実施形態における圧電素子制御装
置の概略的な構成を示している。
FIG. 7 shows a schematic configuration of a piezoelectric element control device according to a second embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第三実施形態における圧電素子制御装
置の概略的な構成を示している。
FIG. 8 shows a schematic configuration of a piezoelectric element control device according to a third embodiment of the present invention.

【図9】一般の圧電素子における印加電圧と変位量の関
係、すなわち圧電素子の駆動特性を示している。
FIG. 9 shows a relationship between an applied voltage and a displacement amount in a general piezoelectric element, that is, a driving characteristic of the piezoelectric element.

【図10】一般の圧電素子における電荷量と変位量の関
係を示している。
FIG. 10 shows a relationship between a charge amount and a displacement amount in a general piezoelectric element.

【図11】外部変位センサを利用することなく圧電素子
を駆動するために用いられる、圧電素子に蓄積された電
荷量を検出するための電荷検出系の一従来例を示してい
る。
FIG. 11 shows a conventional example of a charge detection system used to drive a piezoelectric element without using an external displacement sensor and for detecting the amount of charge accumulated in the piezoelectric element.

【図12】図11に示される電荷検出系において、圧電
素子に「振幅一定、周波数1Hzの矩形波」を印加した
ときの「圧電素子の実際の変位量」と「電荷信号」を示
している。
FIG. 12 shows “actual displacement amount of piezoelectric element” and “charge signal” when “rectangular wave of constant amplitude and frequency of 1 Hz” is applied to the piezoelectric element in the charge detection system shown in FIG. 11. .

【図13】図11に示される電荷検出系において、圧電
素子に「振幅一定、周波数0.01Hzの矩形波」を印
加したときの「圧電素子の実際の変位量」と「電荷信
号」を示している。
13 shows "actual displacement amount of piezoelectric element" and "charge signal" when "rectangular wave of constant amplitude and frequency of 0.01 Hz" is applied to the piezoelectric element in the charge detection system shown in FIG. ing.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 圧電素子 20 電荷検出回路 21 オペアンプ 22 コンデンサー 23 反転回路 30 補正回路 31 フィルター 31a 一次ローパスフィルター 31b ゲイン回路 32 フィルター 32a 一次ハイパスフィルター 32b 二次ローパスフィルター 32c ゲイン回路 33 加算器 40 駆動回路 10 Piezoelectric element 20 Charge detection circuit 21 operational amplifier 22 condenser 23 Inversion circuit 30 Correction circuit 31 Filter 31a Primary low-pass filter 31b Gain circuit 32 filters 32a primary high-pass filter 32b secondary low-pass filter 32c gain circuit 33 adder 40 drive circuit

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電素子に電圧を印加するための駆動手
段と、 圧電素子に蓄えられた電荷量を検出するための電荷検出
回路であって、検出した電荷量に応じた信号を出力する
電荷検出回路と、 電荷検出回路の出力信号に対して信号処理を施す信号処
理手段であって、少なくとも「電荷検出回路の出力信
号」に対する「圧電素子の変位量」の周波数特性が大き
く変化する境界以下の周波数領域において、「電荷検出
回路の出力信号」に対する「圧電素子の変位量」の周波
数特性とほぼ同等の入出力特性を有している信号処理手
段とを備えている、圧電素子制御装置。
1. A drive unit for applying a voltage to a piezoelectric element, and a charge detection circuit for detecting the amount of electric charge stored in the piezoelectric element, the electric charge outputting a signal according to the detected amount of electric charge. A detection circuit and signal processing means for performing signal processing on the output signal of the charge detection circuit, which is at least below the boundary where the frequency characteristic of the "displacement amount of the piezoelectric element" with respect to the "output signal of the charge detection circuit" greatly changes. And a signal processing unit having an input / output characteristic that is substantially equal to the frequency characteristic of the “displacement amount of the piezoelectric element” with respect to the “output signal of the charge detection circuit” in the frequency region of.
【請求項2】 請求項1において、信号処理手段により
処理された信号に基づいて、駆動手段を制御する制御手
段を更に備えている、圧電素子制御装置。
2. The piezoelectric element control device according to claim 1, further comprising control means for controlling the drive means based on the signal processed by the signal processing means.
【請求項3】 請求項1または請求項2において、信号
処理手段は、前述の境界以上の周波数領域において、
「電荷検出回路の出力信号」に対する「圧電素子の変位
量」の周波数特性とほぼ同等の入出力特性を有してい
る、圧電素子制御装置。
3. The signal processing means according to claim 1 or 2, in the frequency region above the boundary,
A piezoelectric element control device having substantially the same input / output characteristics as the frequency characteristics of the "displacement amount of the piezoelectric element" with respect to the "output signal of the charge detection circuit".
【請求項4】 請求項1において、信号処理手段は、そ
れ自身への入力信号に対してそれぞれ独立に信号処理を
施す複数のフィルター手段と、それ自身への入力信号と
複数のフィルター手段の各々の出力信号とを加減算処理
して出力する加減算手段とを備えている、圧電素子制御
装置。
4. The signal processing means according to claim 1, wherein each of the plurality of filter means for independently performing signal processing on an input signal to itself and each of the input signal to itself and the plurality of filter means. A piezoelectric element control device, comprising: an addition / subtraction means for performing an addition / subtraction process on the output signal of and the output signal.
【請求項5】 請求項4において、各フィルター手段
は、それ自身への入力信号のうち特定の周波数帯域の成
分を選択的に通過させる少なくとも一つのフィルター回
路と、フィルター回路の出力信号を増幅するための1以
下の増幅率を有するゲイン回路とを備えている、圧電素
子制御装置。
5. The filter means according to claim 4, wherein each filter means amplifies an output signal of the filter circuit and at least one filter circuit for selectively passing a component of a specific frequency band in an input signal to itself. And a gain circuit having an amplification factor of 1 or less for controlling the piezoelectric element.
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