JP3341635B2 - 圧電アクチュエータの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電アクチュエー
タの変位量をセンサにより検出し、検出された変位量を
フィードバックして圧電アクチュエータに印加する電圧
を制御するようにした圧電アクチュエータの制御装置に
係り、特に、センサのドリフトに対処したものに関す
る。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】微小な変位を与えるア
クチュエータとして、電圧を印加すると、歪みを発生す
る圧電材料を用いて構成された圧電アクチュエータがあ
る。この圧電アクチュエータはヒステリシスを持ってお
り、印加電圧と変位量との関係は、以前どのような電圧
が印加されていたかの履歴によって左右される。そこ
で、圧電アクチュエータにおいては、印加電圧と変位量
の関係を高精度にリニアに制御するために、従来より、
圧電アクチュエータの変位量を検出するセンサを設け、
このセンサにより検出された変位量が指令値となるよう
に印加電圧を制御するフィードバック制御が行われてい
る。

【０００３】圧電アクチュエータの位置（原点からの変
位量）を検出するためのセンサは、例えば短期的には雰
囲気温度の変化により、また長期的には経年変化により
特性が変わる、というドリフトを生ずる。すると、圧電
アクチュエータの位置が同じであっても、センサの出力
値が大きくなったり、或いは小さくなったりする。この
ようになると、図７に示すように、指令値（指令信号の
大きさ）が同じであっても、次第に圧電アクチュエータ
に印加される電圧が増大すると共に、その位置も指令値
から次第に大きく外れるようになる。その上、圧電アク
チュエータに印加すべきとされた電圧が電源の発生可能
電圧ＶU 以上になると、圧電アクチュエータは指令値の
大きさに相当する変位すら発生できなくなる。なお、図
７はセンサの特性が出力を減少する方向に変化した場合
を前提にして示した。

【０００４】このような場合、センサ出力の零点補正を
行って上記の問題を解消するようにした技術が特開昭６
１−２８８４２１号公報に開示されている。これは、圧
電アクチュエータを放電（印加電圧０Ｖ）させ、この放
電状態での圧電アクチュエータの位置を原点位置とし、
そのときのセンサの検出出力を初期零値として記憶す
る。そして、以後、センサの出力値から初期零値を差し
引くことによって圧電アクチュエータの実際の変位量を
得るという構成のものである。

【０００５】しかしながら、圧電アクチュエータは、放
電状態ではヤング率が低いため、機械的負荷の変動があ
るような場合、その負荷変動によって圧電アクチュエー
タが伸縮してしまい、位置が一定に定まらない。従っ
て、上記の特開昭６１−２８８４２１号公報に開示され
た補正構成では、初期零値が正しく圧電アクチュエータ
の原点位置のときのセンサ出力にならず、圧電アクチュ
エータの微小な変位量を高精度に制御することができな
くなるという問題が残る。

【０００６】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、圧電アクチュエータの変位量を検出す
るセンサの特性が変化しても、これを補正することがで
き、しかも、その補正のために用いる補正値を圧電アク
チュエータのヤング率の大きい状態で求めることがで
き、圧電アクチュエータの微小な変位量を高精度に制御
することができる圧電アクチュエータの制御装置を提供
するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】一定の指令値に対する圧
電アクチュエータの印加電圧は、センサの特性変化に応
じて変化し、その印加電圧の変化はセンサの特性変化度
合いと相関関係を有する。そこで、上記の目的を達成す
るために、本発明は、指令値が所定の値に設定された適
宜の時期に、圧電アクチュエータの印加電圧を検出して
その印加電圧に応じた補正値を設定し、以後、この補正
値を加算したセンサの検出変位量が指令値と一致するよ
うに圧電アクチュエータへの印加電圧を制御するように
したものである。

【０００８】この構成によれば、補正値を設定する際
は、その設定が何回行われようと、圧電アクチュエータ
には、常に、一定の電圧が印加されるように制御され
る。また、このとき、圧電アクチュエータには０Ｖ以外
の一定の電圧が印加されているので、圧電アクチュエー
タのヤング率が大きく、機械的負荷の変動に伴う圧電ア
クチュエータの変形を極力防止できる。このため、圧電
アクチュエータが正しく一定位置にある状態で上記補正
値を設定できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を精密旋盤の微小切
込み機構に適用した一実施例につき、図１〜図６を参照
しながら説明する。図５は精密旋盤の微小切込み機構１
を示すもので、図示しない旋盤のベッド上に送り台２が
設けられ、この送り台２上に刃物台３が設けられてい
る。そして、刃物台３上に、図示しない主軸のチャック
に把持されたワーク４を切削するためのバイト５が取り
付けられている。

【００１０】上記刃物台３は、ワーク４の径方向に往復
移動可能で、その移動によってワーク４に対するバイト
５の切込み量が設定される。また、送り台２は、ワーク
４の軸方向に往復移動移動可能であり、その移動によっ
てバイト５に送り運動を与えてワーク４を設定された切
込み量で切削して行く。

【００１１】本実施例の微小切込み機構１では、バイト
５の微小な切込み量を高精度に制御するために、刃物台
３の駆動源として圧電アクチュエータ６が使用されてお
り、この圧電アクチュエータ６は、送り台２に設けられ
た受部２ａと刃物台３との間に配設されている。圧電ア
クチュエータ６は、図６に示すように、両面に銀電極７
ａが印刷或いは焼付けされたＰＺＴ等の圧電性をもった
セラミック単板からなる多数枚の薄板状圧電素子７を電
極板８を介して積層した周知構成のもので、電極板８を
直流電源の正極および負極に交互に接続して両者間に電
圧を印加すると、各圧電素子７が印加電圧に応じた歪み
を発生する。従って、圧電アクチュエータ６に印加する
電圧を高低変化させると、圧電アクチュエータ６は伸縮
方向に変位し、刃物台３を往復移動させる。

【００１２】圧電アクチュエータ６はヒステリシスを有
し、同じ電圧を印加したとしても、その変位量は一義的
には定まらず、直前の電圧履歴によって左右される。こ
のため、圧電アクチュエータ６の制御は、その変位量を
センサによって検出してフィードバックし、そしフィー
ドバックされた検出変位量が指令値と一致するように制
御する方式が採用されている。

【００１３】しかして、上記圧電アクチュエータ６の変
位量は、送り台２の受部２ａに取り付けられたセンサ、
例えば変位センサ９によって検出される。なお、この変
位センサ９は、静電容量式、磁気式、光学式等の種々の
ものがあるが、いずれのものも、刃物台３との距離に応
じて変化する物理量（例えば静電容量、磁気、受光量、
電気抵抗等）を電気量例えば電圧に変換して出力する。
従って、変位センサ９の検出出力を刃物台３の原点位置
での出力と比較することによって、刃物台３の原点位置
からの移動量、従って圧電アクチュエータ６の原点位置
からの変位量を求めることができるものである。

【００１４】前記圧電アクチュエータ６をフィードバッ
ク制御するための制御装置１０は図１に示されている。
図１に示すように、精密旋盤全体を制御する図示しない
主制御装置からは、目標とする圧電アクチュエータ６の
位置を指示する指令信号（電圧信号）が出力され、その
指令信号は、比較手段としての差動増幅器１１の一方の
入力端子に入力される。また、変位センサ９の検出変位
量は、加算器１２で補正値演算手段としての補正値演算
回路１３から出力される補正値と加算されて差動増幅器
１１の他方の入力端子に入力される。

【００１５】差動増幅器１１は、補正値を加算した変位
センサ９の検出変位量と指令信号（以下、指令値）とを
比較し、その偏差に応じた駆動信号を印加電圧発生手段
としての印加電圧発生回路１４に与えるように構成され
ている。この印加電圧発生回路１４は、充電回路、放電
回路、高電圧発生回路を備え、差動増幅器１１からの駆
動信号に応じた電圧を発生して圧電アクチュエータ６に
印加する。そして、圧電アクチュエータ６は、印加電圧
発生回路１４から電圧が印加されると、その印加電圧に
応じた量だけ変位して刃物台４を移動させる。

【００１６】このときの圧電アクチュエータ６の変位量
は、変位センサ９によって検出され、その変位センサ９
の検出変位量は、補正値演算回路１３から出力される補
正値により補正（加算）された後、差動増幅器１１に入
力される。この補正後の検出変位量は、差動増幅器１１
で再び指令値と比較され、その偏差に応じた電圧が印加
電圧発生回路１４によって圧電アクチュエータ６に印加
される。このようなフィードバック制御によって刃物台
３の移動量が指令通りに制御され、バイト５の微小な切
込み量が高精度に制御されるのである。

【００１７】ここで、印加電圧発生回路１４は、０〜５
００Ｖの電圧を発生可能で、圧電アクチュエータ６は、
０〜５００Ｖの印加電圧で０〜５０μｍ変位するものと
し、刃物台３の切り込み量調節のために４０μｍの変位
量を必要とするものとする。また、刃物台３の原点位置
（圧電アクチュエータ６の原点位置）は、圧電アクチュ
エータ６に０Ｖ以外の例えば５０Ｖの電圧が印加された
ときの位置とされ、その原点位置に移動させる指令値は
１Ｖであるとする。

【００１８】ところで、変位センサ９は、時々刻々変化
する気温により、或いは経年変化によって検出特性が変
化し、刃物台３の位置（圧電アクチュエータ６の変位
量）が同じであっても、変位センサ９の検出出力の電圧
レベルが異なってくるというドリフト現象が現れてく
る。

【００１９】図４は初期設定した時点と特性変化を生じ
た時点での変位センサ９の検出特性を、縦軸に出力（電
圧）を取り、横軸に圧電アクチュエータ６の変位量を取
って示したもので、図中、実線Ａが当初の特性線、破線
Ｂが特性変化した時の特性線である。この図４の例で
は、変位センサ９の検出変位量は、初期設定時に比べ、
Ｓ0 だけ減少している。

【００２０】このため、ドリフト後では、変位センサ９
の検出変位量をそのまま指令値と比較し、その偏差に応
じた電圧を圧電アクチュエータ６に印加したのでは、指
令された変位量よりも図４のＬで示す長さ分だけ圧電ア
クチュエータ６の変位量が大きくなってしまし、ワーク
４を精度良く加工できなくなる。

【００２１】このような事態の発生を避けるために、適
宜の時期、本実施例では、ワーク４を１個加工し終えた
都度、補正値演算回路１３の補正値を補正するようにし
ている。この補正動作は、主制御装置が差動増幅器１１
に原点を示す指令値を入力している間に、該主制御装置
が補正値演算回路１３に補正指令を入力することによっ
て行われる。

【００２２】ここで、補正値を補正するための基本的考
えかたは、原点を示す指令値が差動増幅器１１に入力さ
れたとき、変位センサ９の検出変位量（実際には電圧）
と補正値（同じく電圧）との和が原点指令値に等しけれ
ば、圧電アクチュエータ６には、５０Ｖの電圧が印加さ
れ、圧電アクチュエータ６の位置は、正しく原点位置を
示す。

【００２３】しかしながら、変位センサ９が例えば図４
のＢで示すように特性変化したとすると、圧電アクチュ
エータ６が原点位置にあるとき、変位センサ９の検出変
位量は特性変化前よりもＳ0 だけ小さくなるため、差動
増幅器１１は、変位センサ９の検出変位量がＳ0 だけ増
加して特性変化前の検出変位量Ｓ１となるまで圧電アク
チュエータ６への印加電圧を増加させる。

【００２４】その印加電圧の増加程度は、変位センサ９
の特性変化の度合いと相関関係を有しているので、圧電
アクチュエータ６に印加されている電圧を検出し、その
検出電圧を原点位置の印加電圧５０Ｖと比較し、その比
較結果から補正値を設定すれば、変位センサ９の検出変
位量がＳ1 よりもＳ0 だけ小さいままで原点位置の指令
に対して圧電アクチュエータ６の印加電圧が正しく５０
Ｖに収束するようになる。補正値をこのような値に設定
すれば、原点指令だけでなく、どのような位置が指令さ
れても、圧電アクチュエータ６の実際の変位量を指令値
通りに制御することができる。

【００２５】さて、この考え方で補正値を設定するため
に、圧電アクチュエータ６の印加電圧は、印加電圧検知
回路１５により検出されて補正値演算回路１３に入力さ
れる。そして、補正値演算回路１３は、マイクロコンピ
ュータを含んで構成され、印加電圧検知回路１５の検出
電圧から補正値を求めるためのデータテーブルを記憶手
段たるメモリに記憶している。この補正値演算回路１３
による補正動作の詳細を、図２のフローチャートにより
説明する。図３（ａ）に示すように、指令信号ＳV がＶ
1 からＶ2 まで上昇し、そしてＶ2 からＶ1 に戻ると、
１個のワーク４が加工されるとする。この間も変位セン
サ９の特性は、経時変化によってほんの僅かずつではあ
るが変化しているものとする。

【００２６】さて、１個のワーク４の加工が終了し、指
令値が原点位置を指令する状態になると、主制御装置
は、補正値演算回路１３に補正指令信号を入力する。す
ると、補正値演算回路１３は、ステップＳ１で印加電圧
発生回路１４の検出電圧を入力し、圧電アクチュエータ
６に印加されている電圧を読み取る。

【００２７】そして、補正値演算回路１３は、補正指令
信号の入力が継続しているか否かを判断するステップＳ
２で「ＹＥＳ」となり、次のステップＳ３で読み取った
印加電圧とデータテーブルとに基づいて新たな補正値を
求め、この補正値を出力する（ステップＳ４）。

【００２８】これにより、変位センサ９の検出変位量に
新たに求められたの補正値が加算され、差動増幅器１１
は変位センサ９の検出変位量と補正値との和を指令値と
比較し、その差に応じた駆動信号を出力する。そして、
印加電圧発生回路１４は、その駆動信号に対応した電圧
を圧電アクチュエータ６に印加する。

【００２９】補正値演算回路１３は、補正指令信号が入
力されている間、上記のステップＳ１〜Ｓ４を繰り返し
実行するので、最終的に印加電圧発生回路１４により圧
電アクチュエータ６に印加される電圧は５０Ｖに制御さ
れ、その結果、圧電アクチュエータ６の位置が正しく原
点位置に定まる。そして、補正指令信号の入力がなくな
ると、補正値演算回路１３は、ステップＳ２で「ＮＯ」
となり、補正動作を終了する。

【００３０】この後、次のワーク４を加工すべく、指令
値がＶ1 からＶ2 まで上昇し、そしてＶ2 からＶ1 に戻
る。この間、変位センサ９の検出変位量は、補正後の補
正値が加算されるので、微小な圧電アクチュエータ９の
変位量を精度良く制御することができる。そして、上記
の補正値を補正する動作は、ワーク４を１個加工する度
に行われるので、圧電アクチュエータ７の変位量（刃物
台３の移動量）を常に精度良く制御できる。

【００３１】なお、特性変化後の特性線Ｂが変化前の特
性線Ａを上回っていたときには、補正値はマイナスとな
り、変位センサ９の検出変位量に補正値が減算されて指
令値と比較されるものである。

【００３２】このように本実施例では、補正値を変位セ
ンサ９のドリフトに応じて新たな補正値に補正するため
に用いる圧電アクチュエータ６の基準位置、この実施例
では原点位置は、圧電アクチュエータ６が放電状態（電
圧０Ｖ）にあるときの位置ではなく、５０Ｖの電圧が印
加されているときの位置であるので、圧電アクチュエー
タ６のヤング率は比較的大きく、刃物台３側から圧電ア
クチュエータ６に外力が作用しても、変位せず、圧電ア
クチュエータ６が不動の状態で印加電圧を検出すること
ができ、精度の良い補正を行うことができる。

【００３３】また、圧電アクチュエータ６は、一旦放電
すると、次に電圧を印加しても、その印加電圧に応じた
変位量を呈するまでに若干の時間を必要とし、補正値の
補正に時間がかかることとなる。これに対し、本実施例
では、印加電圧を０Ｖにするのではなく、５０Ｖの状態
で補正動作を実行するので、印加電圧５０Ｖに相当する
変位量を呈するまでの時間が短くなり、補正動作の所要
時間を短くすることができる。

【００３４】なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施
例に限定されるものではく、以下のような変更或いは拡
張が可能である。補正値演算回路１３に補正動作を行わ
せる時期は、ワーク４を１個加工する毎ばかりでなく、
数時間毎、１日１回、或いは毎月１回など要求される精
度に応じて適宜定めれば良い。

【００３５】補正動作の実行時、印加電圧を５０Ｖより
も低い電圧にし、５０Ｖの変位量に近付いてきた時に５
０Ｖに上昇させるようにして、５０Ｖの変位量に収束す
るまでに要する時間を一層短くするようにしても良い。

【００３６】補正値を変位センサ９のドリフトに応じて
新たな補正値に補正するために用いる圧電アクチュエー
タ６の基準位置は、印加電圧５０Ｖの原点位置に限ら
ず、印加電圧が０Ｖ以外の位置であれば良い。

【００３７】圧電アクチュエータ６の変位量を検出する
センサは、変位センサ９に限らず、圧力センサ、荷重セ
ンサ、膜厚センサ、流量センサ、光センサなど、変位量
を検出して物理量で出力するものであれば良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す制御構成のブロック図

【図２】補正動作の内容を示すフローチャート

【図３】補正動作を伴う各部の信号波形図

【図４】初期特性とドリフト後の特性を比較して示す特
性図

【図５】微小送り機構を示す概略図

【図６】圧電アクチュエータの斜視図

【図７】従来例を示す各部の信号波形図

【符号の説明】

６は圧電アクチュエータ、９は変位センサ、１０は制御
装置、１１は差動増幅回路、１３は補正値演算回路、１
４は印加電圧発生回路（印加電圧発生回路）、１５は印
加電圧検知回路である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−101715（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−154743（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 41/083

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電アクチュエータと、 この圧電アクチュエータに電圧を印加する電圧印加手段
   と、 前記圧電アクチュエータの変位量を検出して出力するセ
   ンサとを備え、 前記センサの検出変位量が指令値に一致するように前記
   圧電アクチュエータへの印加電圧を制御するように構成
   したものにおいて、 前記指令値が所定の値に設定された適宜の時期に、前記
   圧電アクチュエータの印加電圧を検出してその印加電圧
   に応じた補正値を設定し、以後、この補正値を加算した
   前記センサの検出変位量が前記指令値と一致するように
   前記圧電アクチュエータへの印加電圧を制御するように
   構成したことを特徴とする圧電アクチュエータの制御装
   置。