JPH01202178A - 圧電アクチュエータの特性線形化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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におけるヒステリシスと
クリープに代表される非線形特性を線形特性に近づける
圧電アクチュエータの特性線形化方法に関する。

［従来の技術］ 圧電アクチュエータは、印加電圧に比例して伸縮し、し
かも可逆性であることから、微細位置決め装置や微細変
位測定装置等への利用が試みられている。

しかし、この圧電アクチュエータは、第５図（ａ）に示
すごとく、印加電圧を増加させた場合と、減少させた場
合とで変位量が異なるヒステリシス現象を有する。また
、同図（ｂ）に示すごとく、印加電圧をステップ状に変
化させたとき、変化後も徐々に変位するクリープ現象を
有する。

このように、圧電アクチュエータは非線形特性を有する
ため、所望の変位をさせようとしたとき、あるいは逆に
変位量を測定しようとしたときに種々の問題が生じる。

例えば、第６図（ａ）に示すように、圧電アクチュエー
タｌに電源２によって電圧を印加する回路において、電
源の出力電圧を同図（ｂ）に示すような単純な３角波に
した場合、圧電アクチュエータの変位量は同図（ｃ）に
模式的に表わしたような３角波とは異なる変位波形とな
る。

そこで、この圧電アクチュエータを非線形特性によらず
線形駆動するため、従来は、その非線形特性を補償する
同図（ｄ）に示すような電圧波形を予め実験によう・て
求めておく。そして、同図（ａ）の電源の出力電圧波形
を同図（ｄ）に示す波形になるように制御していた。こ
れにより、圧電アクチュエータの変位量を同図（ｅ）に
示すような３角波状の動きにすることができる。

あるいはまた、第７図に示すように、圧電アクチュエー
タ１の変位量を変位検出器３によって測定し、測定値と
変位指令値との偏差を求める。求めた偏差を制御器４、
増幅器５を介して印加電圧Ｅとして圧電アクチュエータ
１に加えるフィードバック制御をしていた。これにより
、変位量指令値ｒと圧電アクチュエータの変位Ｘとの間
に線形関係を持たすことができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記の２つの従来の技術には、それぞれ
以下に示すような問題点がある。

先ず、第６図で説明した方法では、非線形特性を補償す
るための同図（ｄ）に示す電圧波形は希望する圧電アク
チュエータの変位量の波形に強く依存する。そのために
、希望する圧電アクチュエータの変位量の波形ごとに非
線形特性を補償するための電圧波形を求めておく必要が
ある。この作業は極めて煩雑である。また、圧電アクチ
ュエータの動きが受動的に定まる場合には本方法は全く
適用できない。例えば、プローブと試料表面との間隔の
距離に応じて変化する光量や電流などの物理量を用いて
、この物理量が一定値になるようにプローブの位置を圧
電アクチュエータで制御することを考える。このときプ
ローブを試料表面と平行な平面上を２次的に走査し、圧
電アクチュエータに対する印加電圧からプローブの移動
距離を求めれば、この試料表面の形状を非接触で測定で
きる。

このような応用においては、圧電アクチュエータの動き
は被測定物である試料表面に依存して定まる。従って、
その動きがで予測し得ない第６図で説明した従来方法は
全く適用できない。

一方、第７図で説明した方法は、変位検出器３の性能が
良好ならば、原理的には何の問題もない。

しかしながら、圧電アクチュエータが組み込まれている
機構糸の構造によっては変位検出器３のセンサ部分が取
り付けられない場合がある。また、仮りに変位検出器３
が使用できる場合であっても、変位検出器３およびフィ
ードバック制御を実施する制御器４等が必要なためシス
テムが複雑になる。

従って、システムコストも高くつく。

そこで、本発明の目的は、上記の問題点を解決し、圧電
アクチュエータのどのような動きに対しても非線形特性
を自動的に抑制することができ、特別な変位検出器や制
御器を用いることなく簡便に非線形特性を低減し得る方
法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、圧電アクチュエータの片側もしくは両側にコ
ンデンサを直列に接続するようにしたものである。

［作用］ これによって、電源の出力電圧と圧電アクチュエータの
変位量との間の非線形特性を抑制して線形特性に近づけ
ることができる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図（ａ）は本発明の一実施例の説明図で、圧電アク
チュエータ１の非線形特性を線形化するため、図示の如
く、圧電アクチュエータ１の両側にコンデンサ６．７を
接続し、これらコンデンサ６．７を介して増幅器８に接
続し、制御入力に応じた電圧Ｅを印加する。同図（ｂ）
は圧電アクチュエータをコンデンサとして近似した場合
の同図（ａ）の等価回路図である。

同図（ｂ）において、圧電アクチュエータの電荷量をＱ
とすれば、静電容量がそれぞれＣ１，Ｃ２である２つの
コンデンサに蓄えられている電荷量もそれぞれＱである
。したがって、圧電アクチュエータの両端電圧Ｅａは、
増幅器の出力電圧Ｅから２つのコンデンサでの電位ドロ
ップを引いたものである。

即ち、 Ｑ Ｅａ＝Ｅ　−（−＋　−） １Ｃ２ 先ず、本実施例において圧電アクチュエータのヒステリ
シスがどのように低減されるかを説明する。

Ｃ，Ｖ、Ｎｅｗｃｏｍｂ　ａｎｄ　１．Ｆｌｉｎｎ　：
　Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅし１ｎｅａｒｉｔｙ　　
ｏｆ　　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　　Ｃｅｒａｍｉ
ｃ　　ＡｃｔｕａｔｏｒｓＣＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ５Ｌ
Ｅ丁ＴＥＲ５，Ｖｏｌ、１８．　　Ｎｏ、１１．　１９
８２）に示されているように、圧電アクチエエータの変
位量とこのアクチエータに蓄えられた電荷の量Ｑとはほ
ぼ比例関係にある。従って、前記第５図（ａ）に示した
ヒステリシス曲線ＡＢＣの部分では該電荷量Ｑまた、ヒ
ステリシス曲線ＣＤＡの部分ではよって、（１）、（２
）、（３）式から、第１図（ｂ）の増幅器８の電圧出力
Ｅを第６図（ｂ）のような３角波とした場合、圧電アク
チュエータの両端電圧Ｅａは同図（ｄ）に示すような波
形となることがわかる。

即ち、本実施例では増幅器８の出力電圧Ｅを３角波状に
制御するだけで、圧電アクチュエータ１の両端電圧Ｅａ
は自動的にヒステリシスを補償する方向に補正されるの
である。

次に、本実施例において圧電アクチエータのクリープが
どのように低減されるがを説明する。

圧電アクチエエータ１の両端印加電圧を時刻Ｔ。

にてステップ状に変化させたとき、該アクチエータ１の
変位量に、前記第５図（ｂ）に示したようなゆっくりと
変化する成分が生じる。換言すれば、該アクチュエータ
１に備えられている電荷の量Ｑがゆっくり増加している
ことを示している。そこで。

第１図（ｂ）において増幅器８の出方電圧Ｅを時刻Ｔｏ
にてステップ状に変化させた場合を考える。すると、前
記（１）式と前述のことより、圧電アクチュエータ１の
両端電圧Ｅａはゆっくり減少することになる。

これは該アクチュエータ１のクリープを抑制する効果を
もつ。

以上のことを立証するため、第１図に示す実施例の場合
と、圧電アクチエータ１にコンデンサを接続しない従来
例とについてヒステリシス特性およびクリープ特性を測
定したところ、第２図および第３図に示す結果が得られ
た。

第２図（ａ）は第１図（ａ）に示す回路から圧電アクチ
エータ１の両側に直列に接続されている２つのコンデン
サ６．７を共に取り去った場合のヒステリシス曲線の測
定例である。従って、同図（ａ）は実験に用いた圧電ア
クチュエータの元々のヒステリシス特性を示す。

これに対して、同図（ｂ）は第１図（ａ）に示す回路の
２つのコンデンサ６．７として共に静電容量が１５．２
４ｎＦであるコンデンサを使用した場合のヒステリシス
曲線を示す。

同図（ａ）および（ｂ）の両方の場合とも、圧電アクチ
ュエータ１は約２μＩＩＩＰ−Ｐのスウィングをしてい
る。

それにもかかわらず同図（ａ）で２１．７％ものヒステ
リシスが同図（ｂ）では７．７％に減少している。これ
は、第１図（ａ）に示した方法がヒステリシス低減に有
効であることを示している。

更に、第１図に示した実施例において、前記のヒステリ
シス測定のときに用いたものと同一の圧電アクチュエー
タに対してクリープの測定を行なった。第３図（ａ）は
第１図（ａ）に示す回路から圧電アクチュエータ１の両
側に直列に接続されている２つのコンデンサ６．７を共
に取り去った場合のクリープの測定例である。従って、
第３図（ａ）は圧電アクチュエータの元々のクリープ特
性を示す。

これに対して、同図（ｂ）は第１図（ａ）に示す回路の
２つのコンデンサとして共に静電容量が１５．２４ｎＦ
であるコンデンサを使用した場合のクリープの測定例を
示す。

同図（ａ）および（ｂ）の両方の場合とも、圧電アクチ
エータを時刻２０秒の時点で約１．５μｍだけステップ
状に変位させた。それにもかかわらず、同図（ｂ）は同
図（ａ）に比較してクリープが著しく低減している。こ
れは、第１図（ａ）に示した方法がクリープ低減にも有
効であることを示している。

第４図は本発明の他の実施例を示す図である。

同図（ａ）は、圧電アクチュエータｌの正の′電荷が蓄
えられている側のみにコンデンサ６を直列に挿入する方
法を示す。また、同図（ｂ）は、圧電アクチュエータ１
の負の電荷が蓄えられている側のみにコンデンサ７を直
列に挿入する方法を示す。これらの方法によっても前記
実施例同様圧電アクチュエータの非線形特性を抑制して
線形特性に近づけることができる。

このように、本発明による圧電アクチュエータの線形化
方法は非常に実現が容易なので、圧電アクチュエータを
用いた精密位置決め装置やトラッキング装置に直ちに適
用することができ、大幅な精度向上を図ることができる
ようになる。

なお、以上の実施例において、圧電アクチュエータ１に
直列に接続されるコンデンサ６および／または７の静電
容量を小さくすればするほど、線形特性に近づけられる
ことも判った。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、圧電アクチュエ
ータに直列にコンデンサを接続するだけの極めて簡単な
方法でヒステリシスとクリープに代表される圧電アクチ
ュエータの非線形特性を効果的に低減することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施例を示す説明図
、第２図（ａ）、（ｂ）は本実施例のヒステリシス低減
効果を表わす測定図、第３図（ａ）、（ｂ）は本実施例
のクリープ低減効果を表わす測定図、第４図（ａＬ（ｂ
）は本発明の他の実施例を示す説明図、第５図（ａ）　
、　（ｂ）は圧電アクチュエータの非線形特性を示す説
明図、第６図（ａ）〜（ｅ）はヒステリシスを低減する
ための従来の技術の説明図、第７図は圧電アクチエータ
の非線形特性を改善するための従来技術の説明図である
。 １・・・圧電アクチュエータ、６，７・・・コンデンサ
。 第１図 （ａ） （ｂ） 第３図 （ａ） （ｂ） 口＊Ｐａ’Ｉ　［ｓｅｃ　］ 圧電アダナユエータの交付量 圧電アウ＋ユニークの交付量 第４図 （ａ） （ｂ） 第５図 （ａ） （ｂ） 第６図 （ａ） 第６図 （ｄ） 帽 （ｅ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 圧電アクチュエータの非線形特性を線形特性に近づける
   方法において圧電アクチュエータと直列にコンデンサを
   接続したことを特徴とする圧電アクチュエータの特性線
   形化方法。