JP2814591B2 - 圧電アクチュエータの駆動装置 - Google Patents
圧電アクチュエータの駆動装置Info
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- JP2814591B2 JP2814591B2 JP1200043A JP20004389A JP2814591B2 JP 2814591 B2 JP2814591 B2 JP 2814591B2 JP 1200043 A JP1200043 A JP 1200043A JP 20004389 A JP20004389 A JP 20004389A JP 2814591 B2 JP2814591 B2 JP 2814591B2
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- piezoelectric actuator
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、圧電アクチュエータの駆動装置に関し、更
に詳細には、上記アクチュエータの出力変位を正確に制
御する駆動装置に関する。
に詳細には、上記アクチュエータの出力変位を正確に制
御する駆動装置に関する。
従来の技術 第３図に、本発明の駆動装置を使用する、液圧変位拡
大機構と圧電アクチュエータとを備えた圧電・液圧アク
チュエータ（Piezo Hydlaulic Actuator、以下略してPH
Aという）の一例を示す。図示のPHAは、全体的に円筒形
のボディ31を備えている。ボディ31内には、その内部を
上下に摺動する第１のピストン32が収容されている。第
１のピストン32とボディ31の底部との間には駆動体とし
ての圧電アクチュエータ33が取り付けられている。第１
のピストン32とボディ31との間は、適当な密封手段によ
って液密状態になっている。
大機構と圧電アクチュエータとを備えた圧電・液圧アク
チュエータ（Piezo Hydlaulic Actuator、以下略してPH
Aという）の一例を示す。図示のPHAは、全体的に円筒形
のボディ31を備えている。ボディ31内には、その内部を
上下に摺動する第１のピストン32が収容されている。第
１のピストン32とボディ31の底部との間には駆動体とし
ての圧電アクチュエータ33が取り付けられている。第１
のピストン32とボディ31との間は、適当な密封手段によ
って液密状態になっている。
ボディ31の上端壁の中央には出力ポート37が形成さ
れ、出力ポート37の内周を上下に摺動する第２のピスト
ン38が突出シリンダ39の内部に収容されている。出力ピ
ンを形成する第２のピストン38は、第１のピストン32よ
り小さい断面積を有し、リターンスプリング40によって
第１のピストン32の方向に付勢されるように構成されて
いる。第１のピストン32の上端面、第２のピストン38の
下端面及びボディの内周面によって構成されたチャンバ
34内には、非圧縮性の高い液体、例えばシリコングリー
スが圧力伝達用液体として封入されている。
れ、出力ポート37の内周を上下に摺動する第２のピスト
ン38が突出シリンダ39の内部に収容されている。出力ピ
ンを形成する第２のピストン38は、第１のピストン32よ
り小さい断面積を有し、リターンスプリング40によって
第１のピストン32の方向に付勢されるように構成されて
いる。第１のピストン32の上端面、第２のピストン38の
下端面及びボディの内周面によって構成されたチャンバ
34内には、非圧縮性の高い液体、例えばシリコングリー
スが圧力伝達用液体として封入されている。
電圧を印加すると圧電アクチュエータは軸線方向に伸
びる。すなわち、印加電圧を昇圧するとその値に比例し
て伸長し、第１のピストンを上方に駆動する。第１のピ
ストンの軸線方向移動により、封入液体に圧力が加わ
り、封入液体に加わった圧力は第２のピストンに伝達さ
れる。圧力を受けて第２のピストンは上方に駆動され
る。第１のピストンの移動量と第２のピストンの移動量
の比は、液体が完全に封入され且つその体積が不変であ
ると仮定して、第２のピストンの断面積と第１のピスト
ンの断面積の比に等しい。印加電圧を降圧すると圧電ア
クチュエータは次第に収縮し通電を解除すると元の長さ
に復元する。圧電アクチュエータが収縮すると、リター
ンスプリング作用により第２のピストンが下方に駆動さ
れる。第２のピストンの軸線方向移動により、封入液体
に圧力が加わり、封入液体に加わった圧力は第１のピス
トンに伝達される。圧力を受けて第１のピストンは下方
に駆動される。
びる。すなわち、印加電圧を昇圧するとその値に比例し
て伸長し、第１のピストンを上方に駆動する。第１のピ
ストンの軸線方向移動により、封入液体に圧力が加わ
り、封入液体に加わった圧力は第２のピストンに伝達さ
れる。圧力を受けて第２のピストンは上方に駆動され
る。第１のピストンの移動量と第２のピストンの移動量
の比は、液体が完全に封入され且つその体積が不変であ
ると仮定して、第２のピストンの断面積と第１のピスト
ンの断面積の比に等しい。印加電圧を降圧すると圧電ア
クチュエータは次第に収縮し通電を解除すると元の長さ
に復元する。圧電アクチュエータが収縮すると、リター
ンスプリング作用により第２のピストンが下方に駆動さ
れる。第２のピストンの軸線方向移動により、封入液体
に圧力が加わり、封入液体に加わった圧力は第１のピス
トンに伝達される。圧力を受けて第１のピストンは下方
に駆動される。
このように、液圧変位拡大機構により、封入した液体
の高い非圧縮性及び連続性を利用して、圧電アクチュエ
ータの極めて小さい変形が、第１のピストンの断面積と
第２のピストンの断面積との比だけ拡大され、第２のピ
ストンを介して出力される。
の高い非圧縮性及び連続性を利用して、圧電アクチュエ
ータの極めて小さい変形が、第１のピストンの断面積と
第２のピストンの断面積との比だけ拡大され、第２のピ
ストンを介して出力される。
一般に、駆動側の圧電アクチュエータは、誘電体であ
る圧電素子とこれを挟む２つの電極から構成されている
ため、圧電アクチュエータを一種のコンデンサと見なす
ことができる。すなわち、PHAの出力変位は駆動側の圧
電アクチュエータの軸線方向変形に比例し、圧電アクチ
ュエータの軸線方向変形は圧電アクチュエータに蓄電さ
れた電荷Ｑに比例する。電荷Ｑは、次式で与えられる。
る圧電素子とこれを挟む２つの電極から構成されている
ため、圧電アクチュエータを一種のコンデンサと見なす
ことができる。すなわち、PHAの出力変位は駆動側の圧
電アクチュエータの軸線方向変形に比例し、圧電アクチ
ュエータの軸線方向変形は圧電アクチュエータに蓄電さ
れた電荷Ｑに比例する。電荷Ｑは、次式で与えられる。
Ｑ＝Ｃ・ｖ＝ｉ・ｔ 従来、上述のように構成された圧電アクチュエータの
出力変位は、主として２つの方法によって制御されてい
た。すなわち、電圧ｖを可変として電荷Ｑを制御する電
圧制御方法と、一定電流ｉの印加時間ｔを可変として電
荷Ｑを制御する電流制御方法である。
出力変位は、主として２つの方法によって制御されてい
た。すなわち、電圧ｖを可変として電荷Ｑを制御する電
圧制御方法と、一定電流ｉの印加時間ｔを可変として電
荷Ｑを制御する電流制御方法である。
発明が解決しようとする課題 しかしながら、電圧制御方法によって圧電アクチュエ
ータを駆動する場合には、静電容量Ｃが温度の上昇や時
間の経過（経時変化）により変化するため、所望の出力
変位を得ることができないという問題があった。
ータを駆動する場合には、静電容量Ｃが温度の上昇や時
間の経過（経時変化）により変化するため、所望の出力
変位を得ることができないという問題があった。
また、電流制御方法によって圧電アクチュエータを駆
動する場合には、駆動回路の電流リークにより、PHAの
出力変位が経時的に変化してしまうという問題があっ
た。
動する場合には、駆動回路の電流リークにより、PHAの
出力変位が経時的に変化してしまうという問題があっ
た。
そこで、本発明は、圧電アクチュエータの静電容量を
随時検出してから所定の電位を与えることによって、そ
の出力変位を正確に制御することのできる圧電アクチュ
エータの駆動装置を提供することを目的とする。
随時検出してから所定の電位を与えることによって、そ
の出力変位を正確に制御することのできる圧電アクチュ
エータの駆動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 本発明によれば、圧電アクチュエータを一定電流で充
電し又は放電させるための駆動回路と、上記駆動回路に
電流制御信号を出力して上記駆動回路の充電時間又は放
電時間を制御するための制御装置と、上記圧電アクチュ
エータの電位を検出するための電位検出回路とを備え、
上記圧電アクチュエータを一定電流で充電又は放電し、
圧電アクチュエータの電位の増加又は減少を検出して、
充電電荷量又は放電電荷量と圧電アクチュエータの電位
の増加又は減少とから圧電アクチュエータの正確な静電
容量を検知し、検知した静電容量に基づき所望の出力変
位に対応する目標電位まで、充電又は放電によって圧電
アクチュエータの電位を増減させることを特徴とする圧
電アクチュエータの駆動装置を提供する。
電し又は放電させるための駆動回路と、上記駆動回路に
電流制御信号を出力して上記駆動回路の充電時間又は放
電時間を制御するための制御装置と、上記圧電アクチュ
エータの電位を検出するための電位検出回路とを備え、
上記圧電アクチュエータを一定電流で充電又は放電し、
圧電アクチュエータの電位の増加又は減少を検出して、
充電電荷量又は放電電荷量と圧電アクチュエータの電位
の増加又は減少とから圧電アクチュエータの正確な静電
容量を検知し、検知した静電容量に基づき所望の出力変
位に対応する目標電位まで、充電又は放電によって圧電
アクチュエータの電位を増減させることを特徴とする圧
電アクチュエータの駆動装置を提供する。
本発明の好ましい実施態様によれば、上記駆動回路
は、直流電源と、定電流回路を介して上記直流電源に直
列に接続された一対のトランジスタと、該一対のトラン
ジスタとグランドとの間に接続されたもう１つの定電流
回路とを備え、上記電位検出回路は、上記圧電アクチュ
エータの一方の電極に直列に接続された一対の抵抗と、
該一対の抵抗とグランドとの間に接続された１つのトラ
ンジスタとを備え、上記一対のトランジスタの接続線と
グランドとの間には、上記圧電アクチュエータが接続さ
れている。
は、直流電源と、定電流回路を介して上記直流電源に直
列に接続された一対のトランジスタと、該一対のトラン
ジスタとグランドとの間に接続されたもう１つの定電流
回路とを備え、上記電位検出回路は、上記圧電アクチュ
エータの一方の電極に直列に接続された一対の抵抗と、
該一対の抵抗とグランドとの間に接続された１つのトラ
ンジスタとを備え、上記一対のトランジスタの接続線と
グランドとの間には、上記圧電アクチュエータが接続さ
れている。
実施例 以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。
る。
第１図は、本発明による駆動装置の一実施例の構成を
概略的に示す図である。図示の駆動装置は、図示の装置
は、PHA1に一定電流で充電し又は放電させるための駆動
回路２を備えている。駆動回路２の入力には、上記充電
時間又は放電時間を制御する電流制御信号を介して駆動
介路２の出力を制御するための中央制御装置（CPU）３
の出力が接続されている。図示の駆動装置は更に、圧電
アクチュエータ（図示せず）の電位を検出するための電
位検出回路４を備えている。電位検出回路４の出力は、
中央制御装置３の入力に接続されている。
概略的に示す図である。図示の駆動装置は、図示の装置
は、PHA1に一定電流で充電し又は放電させるための駆動
回路２を備えている。駆動回路２の入力には、上記充電
時間又は放電時間を制御する電流制御信号を介して駆動
介路２の出力を制御するための中央制御装置（CPU）３
の出力が接続されている。図示の駆動装置は更に、圧電
アクチュエータ（図示せず）の電位を検出するための電
位検出回路４を備えている。電位検出回路４の出力は、
中央制御装置３の入力に接続されている。
第２図に、上記駆動回路２及び電位検出回路４を構成
する回路を概略的に示す。図示の回路は、一端が直流電
源（図示せず）に接続された例えば１つの抵抗からなる
定電流回路21を備えている。定電流回路21の他端は、ト
ランジスタ23のエミッタに接続されている。トランジス
タ23のベースは中央制御装置３の出力に接続され、トラ
ンジスタ23のコレクタは別のトランジスタ24のコレクタ
に接続されている。トランジスタ24のベースは中央制御
装置３の出力に接続され、トランジスタ24のエミッタは
もう１つの定電流回路22を介してグランドに接続されて
いる。上記直流電源、一対のトランジスタ23、24、及び
一対の定電流回路21、22は、駆動回路２を構成する。
する回路を概略的に示す。図示の回路は、一端が直流電
源（図示せず）に接続された例えば１つの抵抗からなる
定電流回路21を備えている。定電流回路21の他端は、ト
ランジスタ23のエミッタに接続されている。トランジス
タ23のベースは中央制御装置３の出力に接続され、トラ
ンジスタ23のコレクタは別のトランジスタ24のコレクタ
に接続されている。トランジスタ24のベースは中央制御
装置３の出力に接続され、トランジスタ24のエミッタは
もう１つの定電流回路22を介してグランドに接続されて
いる。上記直流電源、一対のトランジスタ23、24、及び
一対の定電流回路21、22は、駆動回路２を構成する。
上記トランジスタ23のコレクタとトランジスタ24のコ
レクタとの接続線は、分岐してPHAの圧電アクチュエー
タ25の一方の電極に接続され、圧電アクチュエータ25の
他方の電極はグランドに接続されている。圧電アクチュ
エータ25の一方の電極にはまた、直列に接続された一対
の抵抗26及び27の一端が接続されている。上記一対の抵
抗の他端はトランジスタ28のコレクタに接続され、トラ
ンジスタ28のエミッタはグランドに接続されている。ト
ランジスタ28のベースは、中央制御装置３の出力に接続
されている。上記一対の抵抗26、27及びトランジスタ28
は、電位検出回路４を構成する。
レクタとの接続線は、分岐してPHAの圧電アクチュエー
タ25の一方の電極に接続され、圧電アクチュエータ25の
他方の電極はグランドに接続されている。圧電アクチュ
エータ25の一方の電極にはまた、直列に接続された一対
の抵抗26及び27の一端が接続されている。上記一対の抵
抗の他端はトランジスタ28のコレクタに接続され、トラ
ンジスタ28のエミッタはグランドに接続されている。ト
ランジスタ28のベースは、中央制御装置３の出力に接続
されている。上記一対の抵抗26、27及びトランジスタ28
は、電位検出回路４を構成する。
トランジスタ23のベースに充電トリガ信号Ａを与える
とトランジスタ23が導通状態になり、直流電源が定電流
回路21及びトランジスタ23を介して圧電アクチュエータ
25に接続する。こうして、圧電アクチュエータ25に直流
一定電流が通電され、圧電アクチュエータ25は充電され
る。
とトランジスタ23が導通状態になり、直流電源が定電流
回路21及びトランジスタ23を介して圧電アクチュエータ
25に接続する。こうして、圧電アクチュエータ25に直流
一定電流が通電され、圧電アクチュエータ25は充電され
る。
一方、トランジスタ24のベースに放電トリガ信号Ｂを
与えるとトランジスタ24が導通状態になり、圧電アクチ
ュエータ25が定電流回路22及びトランジスタ24を介して
グランドに接続する。こうして、圧電アクチュエータ25
は放電する。
与えるとトランジスタ24が導通状態になり、圧電アクチ
ュエータ25が定電流回路22及びトランジスタ24を介して
グランドに接続する。こうして、圧電アクチュエータ25
は放電する。
また、トランジスタ28のベースに電位検出用信号Ｃを
瞬時与えるとトランジスタ28が導通状態になり、圧電ア
クチュエータ25が一対の抵抗26及び27を介してグランド
に接続する。こうして、圧電アクチュエータ25は瞬時放
電する。このとき、一対の抵抗26と抵抗27の間の電位v1
を検出すると、圧電アクチュエータ25の電位v0を算出す
ることができる。電位v0と電位v1との関係は、一対の抵
抗26及び27の抵抗値R1とR2の関数として次のように与え
られる。
瞬時与えるとトランジスタ28が導通状態になり、圧電ア
クチュエータ25が一対の抵抗26及び27を介してグランド
に接続する。こうして、圧電アクチュエータ25は瞬時放
電する。このとき、一対の抵抗26と抵抗27の間の電位v1
を検出すると、圧電アクチュエータ25の電位v0を算出す
ることができる。電位v0と電位v1との関係は、一対の抵
抗26及び27の抵抗値R1とR2の関数として次のように与え
られる。
上記装置は、次のように動作する。
まず、電位検出用信号Ｃを瞬時オンにしてトランジス
タ28を導通させ、一対の抵抗26と27との間の電位v1を検
出する。検出した電位v1から、式（１）により圧電アク
チュエータ25の電位v0を算出する。次いで、充電トリガ
信号Ａをオンにしてトランジスタ23を導通させて圧電ア
クチュエータ25を充電し、圧電アクチュエータの静電容
量を検出するための電荷ｉ・ｔを印加する。
タ28を導通させ、一対の抵抗26と27との間の電位v1を検
出する。検出した電位v1から、式（１）により圧電アク
チュエータ25の電位v0を算出する。次いで、充電トリガ
信号Ａをオンにしてトランジスタ23を導通させて圧電ア
クチュエータ25を充電し、圧電アクチュエータの静電容
量を検出するための電荷ｉ・ｔを印加する。
再び、電位検出用信号Ｃを瞬時オンにしてトランジス
タ28を導通させ、一対の抵抗26と27との間の電位v3を検
出する。検出した電位v3から、式（１）により電荷ｉ・
ｔを印加した後の圧電アクチュエータ25の電位v2を算出
する。圧電アクチュエータ25の電位の増加、すなわち電
荷を印加した後の電位v2と印加する前の電位v0との差Δ
ｖから、次式により圧電アクチュエータ25の静電容量Ｃ
が求まる。
タ28を導通させ、一対の抵抗26と27との間の電位v3を検
出する。検出した電位v3から、式（１）により電荷ｉ・
ｔを印加した後の圧電アクチュエータ25の電位v2を算出
する。圧電アクチュエータ25の電位の増加、すなわち電
荷を印加した後の電位v2と印加する前の電位v0との差Δ
ｖから、次式により圧電アクチュエータ25の静電容量Ｃ
が求まる。
検出した静電容量Ｃに基づき、所望の出力変位即ち所
望の電荷量Ｑに対応する目標電位Ｖを、次式により算出
することができる。
望の電荷量Ｑに対応する目標電位Ｖを、次式により算出
することができる。
目標電位Ｖが電荷印加後の圧電アクチュエータ25の電
位v2より小さければ圧電アクチュエータを充電すること
によって、目標電位Ｖが電荷印加後の圧電アクチュエー
タ25の電位v2より大きければ圧電アクチュエータを放電
することによって、圧電アクチュエータの電位を目標電
位まで増減することができる。圧電アクチュエータの電
位を目標電位まで増減するための所要充電時間又は放電
時間Ｔは、次式により算出することができる。
位v2より小さければ圧電アクチュエータを充電すること
によって、目標電位Ｖが電荷印加後の圧電アクチュエー
タ25の電位v2より大きければ圧電アクチュエータを放電
することによって、圧電アクチュエータの電位を目標電
位まで増減することができる。圧電アクチュエータの電
位を目標電位まで増減するための所要充電時間又は放電
時間Ｔは、次式により算出することができる。
本実施例では、圧電アクチュエータに一定電流を一定
時間充電して電位の増加から静電容量を算出したが、圧
電アクチュエータから一定電流を一定時間放電して電位
の減少から静電容量を算出してもよい。
時間充電して電位の増加から静電容量を算出したが、圧
電アクチュエータから一定電流を一定時間放電して電位
の減少から静電容量を算出してもよい。
発明の効果 以上のように、本発明の装置及び方法では、圧電アク
チュエータの静電容量を随時検出し、検出した静電容量
に基づいた所望の電位を印加することができる。従っ
て、静電容量の変化を随意補償して、その出力変位を正
確に制御することができるので、圧電アクチュエータの
精度及び信頼性が著しく向上する。
チュエータの静電容量を随時検出し、検出した静電容量
に基づいた所望の電位を印加することができる。従っ
て、静電容量の変化を随意補償して、その出力変位を正
確に制御することができるので、圧電アクチュエータの
精度及び信頼性が著しく向上する。
第１図は、本発明による駆動装置の一実施例の構成を概
略的に示す図であり、 第２図は、本発明の装置に使用する駆動回路及び電位検
出回路を構成する回路の一例の構成を概略的に示す図で
あり、 第３図は、本発明の駆動装置を使用する、圧電・液圧ア
クチュエータの構成を概略的に示す図である。
略的に示す図であり、 第２図は、本発明の装置に使用する駆動回路及び電位検
出回路を構成する回路の一例の構成を概略的に示す図で
あり、 第３図は、本発明の駆動装置を使用する、圧電・液圧ア
クチュエータの構成を概略的に示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 昭司 福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番 １号 東陶機器株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−146346（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−222673（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−297983（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−178356（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02N 2/00
Claims (2)
- 【請求項１】圧電アクチュエータを一定電流で充電し又
は放電させるための駆動回路と、 上記駆動回路に電流制御信号を出力して上記駆動回路の
充電時間又は放電時間を制御するための制御装置と、 上記圧電アクチュエータの電位を検出するための電位検
出回路とを備え、 上記圧電アクチュエータを一定電流で充電又は放電し、
圧電アクチュエータの電位の増加又は減少を検出して、
充電電荷量又は放電電荷量と圧電アクチュエータの電位
の増加又は減少とから圧電アクチュエータの正確な静電
容量を検知し、検知した静電容量に基づき所望の出力変
位に対応する目標電位まで、充電又は放電によって圧電
アクチュエータの電位を増減させることを特徴とする圧
電アクチュエータの駆動装置。 - 【請求項２】上記駆動回路は、直流電源と、定電流回路
を介して上記直流電源に直列に接続された一対のトラン
ジスタと、該一対のトランジスタとグランドとの間に接
続されたもう１つの定電流回路とを備え、 上記電位検出回路は、上記圧電アクチュエータの一方の
電極に直列に接続された一対の抵抗と、該一対の抵抗と
グランドとの間に接続された１つのトランジスタとを備
え、 上記一対のトランジスタの接続線とグランドとの間に
は、上記圧電アクチュエータが接続されていることを特
徴とする請求項（１）に記載の圧電アクチュエータの駆
動装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1200043A JP2814591B2 (ja) | 1989-08-01 | 1989-08-01 | 圧電アクチュエータの駆動装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1200043A JP2814591B2 (ja) | 1989-08-01 | 1989-08-01 | 圧電アクチュエータの駆動装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0365066A JPH0365066A (ja) | 1991-03-20 |
| JP2814591B2 true JP2814591B2 (ja) | 1998-10-22 |
Family
ID=16417881
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1200043A Expired - Fee Related JP2814591B2 (ja) | 1989-08-01 | 1989-08-01 | 圧電アクチュエータの駆動装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2814591B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19854789A1 (de) * | 1998-02-10 | 1999-08-12 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements |
| EP1138911B1 (en) * | 2000-04-01 | 2003-07-09 | Robert Bosch GmbH | Method and apparatus for charging a piezoelectric element |
| EP1139446B1 (en) * | 2000-04-01 | 2009-03-18 | Robert Bosch GmbH | Method and apparatus for controlling system parameters |
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1989
- 1989-08-01 JP JP1200043A patent/JP2814591B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH0365066A (ja) | 1991-03-20 |
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