JP3341636B2 - 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目標の変位量とな
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変
位量をセンサにより正確に検出できなくなり、微小な変
位量に対して高精度に制御することができなくなってし
まう。

【０００４】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、センサの検出変位量を圧
電アクチュエータの現実の変位量に合った正確な変位量
に補正することができ、これにて圧電アクチュエータの
変位量を目標とする変位量となるように精度良く制御す
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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、適宜の時期に、前記圧電アクチュエータ
に異なる電圧を印加し、それぞれの電圧を印加したとき
の前記センサの検出変位量と予め設定された基準値とに
基づき、以後の前記センサの検出変位量を補正するする
ようにしたので、センサの検出特性が変化しても、その
検出変位量を変化前の特性によるものとして補正し、こ
れを目標とする変位量と比較する。従って、センサの特
性が変化しても、圧電アクチュエータの微小な変位量に
対して高精度に制御することができる。

【０００６】このように圧電アクチュエータを較正のマ
スターとして使用する場合、その圧電アクチュエータは
エージングされていることが好ましい。エージングされ
た圧電アクチュエータでは、同一の電圧履歴のとき印加
電圧と変位量とを正確に再現するので、正確に較正でき
る。

【０００７】

【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、図面を参照しなが
ら説明する。図４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。

【０００８】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。

【０００９】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、多数枚の薄板状圧電素子を電極板を
介して積層した周知構成のもので、電極板を直流電源の
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。

【００１０】図５は３種類の圧電アクチュエータＡ，
Ｂ，Ｃの印加電圧−変位量特性を示すもので、同図から
理解されるように圧電アクチュエータはヒステリシスを
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目標とする変位量となる
ように制御する方式が採用されている。

【００１１】ちなみに、この実施例の圧電アクチュエー
タ６としては図５のＡに示す特性のものが使用されてい
るものとし、６００Ｖの電圧を印加すると、２００μｍ
の変位量が得られるように構成されているとする。

【００１２】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７によって検出される。なお、この変
位センサ７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検出信号と
して出力する。従って、変位センサ７の検出信号を刃物
台３の原点位置での検出信号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、ひいては圧電アクチ
ュエータ６の変位量を求めることができるものである。

【００１３】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８は図１に示されている。図
１に示すように、変位センサ７から出力された検出信号
は、センサ回路９によって増幅された後、制御装置８の
インターフェース１０に入力される。また、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７の変位量を指示する指令信号ＳV
（電圧信号）が出力され、その指令信号ＳV は、制御装
置８のインターフェース１０に入力される。なお、以下
の説明では、センサ回路９によって増幅された後の信号
を変位センサ７の検出信号と称することとする。

【００１４】インターフェース１０に入力された指令信
号ＳV は、そのまま比較演算回路１１の一方の入力端子
に与えられ、また変位センサ７の検出信号はセンサ較正
回路１２により補正されて比較演算回路１１の他方の入
力端子に入力される。そして、比較演算回路１１は、指
令信号ＳV と検出信号とを比較し、その偏差に応じた駆
動信号を電圧印加手段としての印加電圧発生回路１３に
与えるように構成されている。

【００１５】上記印加電圧発生回路１３は、圧電アクチ
ュエータ６に印加するための電圧を発生する高電圧部
と、制御部とを備え、比較演算回路１３からの駆動信号
に応じた電圧を発生すると共に、その電圧を圧電アクチ
ュエータ６に印加するように制御する。そして、圧電ア
クチュエータ６は、印加電圧発生回路１３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７によって検出され、その変位センサ７
の検出信号は、センサ回路９により増幅されてセンサ較
正回路１２により補正された後、比較演算回路１１に入
力される。この補正後の検出信号は、比較演算回路１１
で再び指令信号ＳV と比較され、その偏差に応じた電圧
が印加電圧発生回路１３から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の移動量が目標通りに制御され、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】ところで、変位センサ７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７の検出信号の電圧
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。

【００１８】図３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７の検出特性を、縦軸に検出信号
（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Ｄが初期設定時の特
性線、破線Ｅが特性変化した時の特性線である。

【００１９】この図３から理解されるように、変位セン
サ７は、初期設定時には、圧電アクチュエータ６の変位
量がゼロのときＳ0 、２００μｍ変位したときＳ1 の信
号を出力するのに対し、ドリフトを生じた後では、変位
量ゼロのときＳh 、２００μｍ変位したときＳr の信号
を出力する。

【００２０】このため、ドリフト後では、変位センサ７
の検出信号をそのまま指令信号ＳV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小さな変位量しか得られ
ず、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の加工を終了した都
度、センサ較正回路１２において変位センサ７の検出信
号を補正する補正式を較正するようにしている。ここ
で、補正式を較正するための基本的考えかたは、圧電ア
クチュエータ６は図５に示すようにヒステリシスを有し
ているが、しかし、同一の電圧履歴では、再現性に優れ
ているから、一定の電圧履歴でありさえすれば、電圧と
変位量との関係は一定に定まるので、圧電アクチュエー
タ６をマスターとして利用し、補正式の較正を行おうと
するものである。

【００２２】この場合、マスターとして使用される圧電
アクチュエータ６には、経年変化があってはならない。
圧電アクチュエータ６は、前述のように薄板状の圧電素
子と電極板を多数積層して構成されるが、積層しただけ
では素子と電極との間の隙間が埋まらず、検出年変化の
原因となる。また、積層しただけでは、圧電素子が多結
晶体の場合、圧電性が打ち消し合って巨視的に見ると圧
電性がないように見える。そこで、全ての結晶の圧電性
の向きを揃えるために高い電界を一方向に印加する。こ
のことを分極という。分極によって圧電性は揃うが、こ
れは時間と共に失われて行く。

【００２３】このように圧電アクチュエータの経年変化
の原因には、２種類あるが、これを防ぐために効果的な
処理がエージングと称される処理である。エージング
は、積層された圧電素子に負荷荷重を加え、且つパルス
状の電圧を高速で所要回数印加するという内容の処理
で、圧電アクチュエータを実使用条件よりも厳しい条件
下に置くことにより、圧電素子と電極板とをなじませる
と共に、圧電成分のうち経年変化し易いものを、早期に
劣化させておくものである。このエージングによって、
それ以降の圧電アクチュエータ７の経年変化はほとんど
なくなる。

【００２４】さて、補正式の較正は、上記の考え方を基
にして行なわれるもので、印加電圧発生回路１３により
圧電アクチュエータ６に異なる２電圧ＶS およびＶE を
印加する。このとき、圧電アクチュエータ６に印加され
る電圧は、印加電圧検知回路１４により検出されてセン
サ較正回路１２に入力される。センサ較正回路１２は、
印加電圧検知回路１４から入力される検出電圧がＶS ，
ＶE になった時、変位センサ７の検出信号を読み取る。

【００２５】そして、センサ較正回路１２は、基準値と
して、この実施例では、初期設定時において、電圧ＶS
印加時の変位センサ７の検出信号レベルＳN 、電圧ＶS
とＶE を印加したときの変位センサ７の検出信号レベル
の差ＳM ＝（ＶE −ＶS ）を記憶しており、その基準値
に較正動作時に読み込んだ検出信号を照らし合わせるこ
とににより補正式を較正するようにしている。

【００２６】この較正方式では、電圧ＶS とＶE との差
は大きい方がより正確に較正できるので、この実施例で
は、ＶS は０Ｖ、ＶE は６００Ｖに定められており、従
って、センサ較正回路１２に基準変位量として記憶され
ている０Ｖのときの検出信号レベルＳN はＳ0 、０Ｖと
６００Ｖを印加したときの変位センサ７の検出信号レベ
ルの差ＳM は（Ｓ1 −Ｓ0 ）とされている。

【００２７】この較正動作の詳細を、変位センサ７が図
３に破線で示すように特性変化したものとして図２のフ
ローチャートにより説明する。１個のワーク４の加工が
終了すると、精密旋盤の図示しない主制御装置からイン
ターフェース１０を介して比較演算回路１１およびセン
サ較正回路１２に較正指令信号Ｓｃが入力される。する
と、まず、比較演算回路１１は、印加電圧発生回路１３
に対し圧電アクチュエータ６に印加する電圧（ＶS ）を
０Ｖとするような駆動信号を出力する（ステップＳ
１）。これにより圧電アクチュエータ６の印加電圧は０
Ｖとなって、その伸縮量は０となる。このときの変位セ
ンサ７の検出変位量Ｓh は、印加電圧発生回路１４が０
Ｖを検出した時、センサ較正回路１２によって読み込ま
れる（ステップＳ２）。

【００２８】次に、比較演算回路１１は、印加電圧発生
回路１３に対し圧電アクチュエータ６に印加する電圧
（ＶE ）を６００Ｖとするような駆動信号を出力する
（ステップＳ３）。これにより、圧電アクチュエータ６
の変位量は２００μｍとなり、そのときの変位センサ７
の検出信号Ｓr は、印加電圧検知回路１４が６００Ｖを
検知したとき、センサ較正回路１２に読み込まれる（ス
テップＳ４）。

【００２９】この後、センサ較正回路１２は、記憶され
ている印加電圧０Ｖのときの基準値Ｓ0 と上記ステップ
Ｓ２で読み取った０Ｖ時の変位センサ７の検出信号Ｓh
とを比較し（ステップＳ５）、次いで記憶されているも
う一つの基準値（Ｓ1 −Ｓ0）と較正動作で検出した０
Ｖおよび６００Ｖ時の検出信号差（Ｓr −Ｓh ）とを比
較する（ステップＳ７）。

【００３０】そして、Ｓ0 とＳh との比較および（Ｓ1
−Ｓ0 ）と（Ｓr −Ｓh ）との比較に基づいて補正式を
較正する。ちなみに、補正式は、破線で示す特性の下で
の検出信号がＳであるとすると、 Ｓ−［（Ｓh −Ｓ0 ）＋（Ｓ−Ｓｈ）×｛（Ｓr −Ｓh
）−（Ｓ1 −Ｓ0 ）｝÷（Ｓr −Ｓh ）］ で表される。

【００３１】このような補正式の較正により、図３の破
線で示すドリフトした特性の下で検出された変位センサ
７の検出信号は、実線で示す初期設定時の検出特性レベ
ルに補正されて比較演算回路１１に入力されることとな
る。従って、ワーク４の実加工時において、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。

【００３２】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。センサ較正回路１２に較正動作を行わ
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。

【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】較正動作の内容を示すフローチャート

【図３】初期設定時とドラフト後の検出特性を比較して
示す特性図

【図４】微小送り機構を示す概略図

【図５】圧電アクチュエータのヒステリシスを示す特性
図

【符号の説明】

６は圧電アクチュエータ、７は変位センサ、８は制御装
置、１１は比較演算回路、１２はセンサ較正回路、１３
は印加電圧発生回路（電圧印加手段）、１４は印加電圧
検知回路である。

Claims (2)

(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するセンサとを
   備え、 前記センサにより検出された変位量が目標とする変位量
   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、 適宜の時期に、前記圧電アクチュエータに異なる電圧を
   印加し、それぞれの電圧を印加したときの前記センサの
   検出変位量と予め設定された基準値とに基づき、以後の
   前記センサの検出変位量を補正することを特徴とする圧
   電アクチュエータの制御装置。
2. 【請求項２】 前記圧電アクチュエータは、エージング
   されていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチ
   ュエータの制御装置。