JPH02240977A

JPH02240977A - 変位発生装置

Info

Publication number: JPH02240977A
Application number: JP1061635A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kondo; 雄近藤; Tomio Ono; 富男小野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-03-14
Filing date: 1989-03-14
Publication date: 1990-09-25
Also published as: EP0388027A3; KR900015367A; EP0388027A2; US5083056A

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、バイモルフ型電歪アクチュエータを用いた変
位発生装置に係わり、特に電歪アクチュエータの駆動方
法の改良をはかった変位発生装置に関する。

（従来の技術）近年、メカトロニクスの発展に伴って微小な変位の制御
が重要になっている。特に、非常に微小な変位量を要求
する分野では、圧電素子を用いた積層型アクチュエータ
が用いられている。

一方、積層型はど分解能を要求しないが数１００１ｍ程
度の変位量が要求される分野では、バイモルフ型圧電ア
クチュエータが用いられている。このバイモルフ型圧電
アクチュエータは、第８図に示すように２枚の圧電板８
１．８２を張り合わせて、一方が伸びるときもう一方が
縮むように工夫されたもので、屈曲変位Ｘを発生する。

なお、図中８３ａ、８３ｂ、８３ｃは電極、８４は駆動
電源を示している。

しかし、二のバイモルフ型圧電アクチュエータは圧電体
が本来持っているヒステリシスという性質をそのまま持
っており、第９図に示すような電圧−変位特性となる。

従って、０Ｎ−ＯＦ’Ｐ的な位置制御は比較的正確に行
えるものの、アナログ的な位置制御は極めて難しい。な
お、特公昭５４−２９３５９号公報等に見られるように
、センサーを用いてヒステリシスを抑える方法もあるが
、この場合は装置の複雑化を免れない。

一方、電歪材料はもともとヒステリシスを持っておらず
、′Ｍ４４図に示すような電圧−変位特性を持っている
。しかし、この材料の問題点は変位が電圧の２乗に比例
しており、マイナス方向に電界をかけても縮まない点に
ある。従って、通常の方法ではバイモルフを構成するこ
とはできないが、第１０図に示すような特殊な駆動方法
を用いることによって、バイモルフ型電歪アクチュエー
タが実現できることが知られている。

この方法では、２枚の電歪板９１．９２を導電性のシム
９３を介して張り合わせてバイモルフ構造を構成し、こ
れを２つのアンプ９４゜９５を用いて駆動する。アンプ
９４．９５の一方は反転増幅器９４であり、他方は非反
転増幅器９５とし、それぞれの電歪板９１．９２にバイ
・アスをかけて駆動する。即ち、シム９３を接地し、バ
イモルフ型電歪アクチュエータの上面の電極９１ｇに反
転増幅器９４の出力電圧を印加し、下面の電極９２ａに
非反転増幅器９５の出力電圧を印加する。

このときのタイムチャートを第１１図に示す。

第１１図において、（ａ）は駆動信号、（ｂ）は電歪板
９１に印加される電圧、（Ｃ）は電歪板９２に印加され
る電圧、（ｄ）は電歪板９１の伸縮量δ１　、　（ｅ）
は電歪板９２の伸縮量δ２を示している。

電工板９１．９２には初期状態でそれぞれＥ０／２なる
バイアス電圧が印加されており、駆動信号が入力される
と一方は反転増幅、もう一方は非反転増幅であるため第
１１図（ｂ）（ｃ）に示すように、それぞれの電歪板９
１．９２には一方が上昇するときもう一方は下降するよ
うな電圧が印加される。従って、変位量も第１１図（ｄ
）　（ｃ）に示すように、一方が伸びるとき他方が縮む
ようになりバイモルフを実現でき、第３図に示すように
電圧と変位の間にはヒステリシスが無く、しかも線形で
ある。

しかしながら、この種の方法にあっては次のような問題
があった。即ち、駆動手段として最低２つのアンプを必
要とし、それぞれに所定のバイアスをかけねばならない
ため、回路構成が複雑にならざるをえない。また、それ
ぞれの電歪板に最大駆動電圧の半分のバイアスをかけて
駆動するため、一般のオペアンプを使用した場合、電歪
板に印加できる最大電界はオペアンプに供給される電圧
のうちプラスかマイナスの一方の電圧の絶対値に等しい
。従って、マイナス方向も利用できる圧電バイモルフに
比べて半分の電界しか使えない。

このことは、もともと変位量の少ない電歪バイモルフに
とっては致命的であり、全く同じような構成にも係わら
ず、圧電バイモルフに比べて著しく変位量が小さくなっ
てしまう。また、電気的にみてもアンプの能力の半分し
か利用しておらず、アンプの能力を無駄にしている。以
上のように、圧電バイモルフ、電歪バイモルフともそれ
ぞれ欠点を持っており、その欠点が許容される範囲で使
用されているのが現状である。

（発明が解決しようとする課題）このように従来、数１１００ｊ程度の変位量を微小に制
御しようとした場合、圧電バイモルフを使用すると制御
電圧信号に対してヒステリシスを生じ、電歪バイモルフ
を使用すると、変位量が小さくなり駆動回路が複雑化す
るばかりか効率も悪いという不具合を生じていた。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、電歪バイモルフを用いたアクチュエ
ータの変位量を大き（することができ、変位量が大きく
電圧に対してヒステリシスがなく線形に変位し、且つ構
成が簡単な変位発生装置を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、電歪バイモルフを用いたアクチュエー
タの駆動方法５を改良することにより、変位量を大きく
することにある。

即ち本発明は、印加電圧に応じて変位を発生する疫位発
生装置において、２枚の電歪材料からなる板を積層した
バイモルフ構造を有する電歪アクチュエータと、この電
歪アクチュエータに駆動電圧を供給する駆動手段とを具
備してなり、前記２枚の電歪板に挾まれた面に形成され
た電極に駆動電圧を供給し、前記電歪アクチュエータの
一方の主面に形成された電極には駆動電圧の最大値以上
の定電圧を、他方の主面に形成された電極には駆動電圧
の最小値以下の定電圧を印加するようにしたものである
。

また、バイモルフ構造が３枚以上の多層構造の場合は、
中心付近の電極を基準として１つおきに駆動電圧を印加
し、残された電極のうち、その基準電極より上にあるも
のには駆動最大電圧値を、下にあるものには駆動最低電
圧値を印加するようにしたものである。

（作用）本発明によれば、電歪材料を用いてバイモルフ型の電歪
アクチュエータを実現できるため、電圧−変位特性にヒ
ステリシスがなく線形の変位量を得ることができる。こ
れに加えて、バイモルフ内の各電極はフローティラグで
あるため、個々の電歪板についてみた場合、駆動アンプ
の能力の最大値と最小値を絶対値で足し合わせたのと同
等の電界を印加することができる。従って、アンプと電
歪材料の能力を最大限に活用した変位量を得ることがで
き、しかも構成は駆動のためのアンプが１つと極めて簡
単である。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる変位発生装置を示す
概略構成図である。両表面に焼き付けによって電極１１
ａ、ｌｌｂの形成された第１の電歪板１１と、電極１２
ａ、１２ｂの形成された第２の電歪板１２とが、導電性
のシム１３の両面に電極１１ｂ、１２ｂが接続する形で
接着され、バイモルフ型電歪アクチュエータ１０を構成
している。このアクチュエータ１０の一端は固定され、
他端は自由端となっている。

アクチュエータｌＯに駆動電圧を供給するアンプ１４は
反転増幅器であり、このアンプ１４の出力端子はシム１
３に接続されている。また、アンプ１４に供給されてい
る定電圧子Ｅ、はアクチュエータ１０の上面、即ち電歪
板１１の外側の電極１１ａに接続され、低電圧−Ｅｏは
アクチュエータ１０の下面、即ち電歪板゛１２の外側の
電極１２ａに接続されている。

このように構成されたバイモルフ型電歪アクチュエータ
の動きを、第２図に示すタイムチャートを用いて説明す
る。第２図において、（ａ）はアンプ１４への入力信号
Ｖｌｎ、（ｂ）は電歪板１１に掛かる電界Ｅｌ　　（ｅ
）は同じく電歪板１２にかかる電界Ｅ２、（ｄ）は電工
板１１の伸縮量δ、　、（ｅ）は電歪板１２の伸縮量δ
２を示している。

第２図（ｂ）より電歪板１１に着目すると、初期状態ｔ
、ではシム１３の電圧は０であるため、電歪板１１にＥ
Ｏなる電界が印加されている。

同様に、第２図（ｅ）より電歪板１２にも電界ＥＯが印
加されてお°す、２枚の電歪板１１゜１２は第２図（ｄ
）　（ｅ）に示されるように同じだけ伸びるため屈曲変
位は起こらない。時刻が１゜からｔ２へ変化していくと
、（アンプ１４が反転増幅器であるため）人力信号ＶＩ
ｎの下降に伴なってシム１３に印加される電圧は上昇す
る。

この結果、電歪板１１に掛かる電界Ｅ１は電極１１ａに
掛かる電圧とシム１３に接続された電極１１ｂにかかる
電圧の差になるため、Ｅｏから減少していく。一方、電
歪板１２にかかる電界Ｅ２はＥｏからさらに大きくなっ
ていく。

従って、電歪板１１の変位量δ、は縮む方向に動き、電
歪板１２の変位量δ２は伸びる方向に動く。以下、時刻
が＊２’ｍｉ３と進んでも極性が逆転するだけで動きは
同様である。また、電歪板１１．１２のいずれの場合も
電界としては０から２Ｅ、までの間で変化することが判
る。

この結果、第３図に示すような直線状の屈曲変位Ｘが得
られる。

これをもう少し詳しく説明すると、電歪材料の変位量は
第４図に示す如く電圧の２乗に比例し、さらにこの場合
電圧は時間に比例するため、それぞれの電歪板１１．１
２の変位量δ１δ２は第２図（ｄ）　（ｃ）に示すよう
に以下のように表現できる。

δｌ　−Ａ　（Ｔ’−ｔ、　）’ δ２調Ａ（Ｔ＋ｔｚ）２但し、Ａは比例定数、Ｔは時間とする。ここで、バイモ
ルフの屈曲変位Ｘは２枚の電歪板の長さの差に比例する
ことが知られているため、その比例定数をＢとすると以
下のようになる。

ｘ−Ｂｌδ、−δ２１−ＣＴ但し、（Ｃ”＝　４　Ａ　Ｂ　ｔ　２　）最初に述べた
ようにこの場合、時間と電圧は比例しているので結局屈
曲変位Ｘは以下のように表現できる。

ｘ＝ＤＶ　　（Ｄは比例定数）この式から、屈曲変位Ｘと電圧■とが線形になることが
判る。

かくして本実施例によれば、２枚の電歪板１１．１２か
らなるバイモルフ型電歪アクチュエータの各電極のうち
、電歪板１１．１２で挟まれた電極１１ｂ、１２ｂにア
ンプ１４の出力電圧を印加し、両表面の電極１１ｇ、１
２ａにアンプ１４に供給する定電圧（＋Ｅｏ　、　　　
Ｅｏ　）を印加することにより、前記第１０図に示す従
来構造に比して、アクチュエータの変位量を２倍に拡大
することができる。また、駆動アンプ１４が１個で済む
ので、回路構成の簡略化をはかり得る。

第５図は本発明の他の実施例を示す概略構成図である。

本実施例では、電歪板２１，２２，２３゜２４．２５．
２６を６層構造とし、電歪板２３゜２４に挟まれた真中
の電極３４とそれを基準として１つおきの電極３２．３
６に駆動電圧が印加され、上面の電極３１と３段目の７
ｕ極３３には駆動最大電圧＋Ｅ０が、最下面の電極３７
と５段目の電極３５には駆動最低電圧−Ｅ。が印加され
ている。

この場合も、アクチュエータ２０の屈曲変位は印加電圧
に対してヒステリシスがなく、線形であり、先の実施例
と効果は同様である。また、さらに付は加えるとすれば
多層構造にしたことによって、１枚の電歪板の厚さが同
じであれば先の実施例に比べて大きな力が得られるし、
全体の厚さが同じであればより定電圧で同じ変位が得ら
れるという効果がある。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば電歪板の積層数は何枚でもよく、偶数でな
くともよいし、駆動電圧を印加する基準となる電極はち
ょうど真中でなくともよい。また、アンプについても実
施例ではオペアンプを用いた反転増幅器を用いているが
、オペアンプを用いること、反転増幅器であることに限
定されるものではない。さらに、一定電圧を印加する方
法も実施例ではオペアンプに供給される電源と同一のも
のを用いたが、この限りではなく全く別の定電圧源を用
意することもできる。　その他、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で、種々変形して実施することができる。

次に、本発明の変位発生装置の具体的な応用例について
説明する。第１の応用例は、ヘリカルスキャン型ＶＴＲ
におけるダイナミックトラッキングである。ヘリカルス
キャン型ＶＴＲにおいては、通常の基準再生動作（通常
の動作再生）モード以外に、スチル、スロー、コマ送り
及び高速ピクチャーサーチ等の特殊再生モードによる再
生機能を一般に有する。これら特殊再生モードでの再生
時に画質の良い画像を得る方法の１つとして、ダイナミ
ックトラッキングが知られている。これは、回転磁気ヘ
ッドを特殊再生モードに応じた定められた周期信号によ
って磁気テープ上の既記録トラックの幅方向に追跡する
技術である。このようなダイナミックトラッキングを実
現するための回転磁気ヘッドの移動制御手段として、本
発明に基づく変位発生装置が非常に好適である。

第６図は本発明をヘリカルスキャン型ＶＴＲにおけるダ
イナミックトラッキングシステムに適応した実施例を示
すものである。磁気テープ（ビデオテープ）６１をその
周面上に接触させて案内するための下部固定ドラム６２
及び上部回転ドラム６３が設けられ、回転ドラム６３は
モータ６４により回転駆動される。回転磁気ヘッド６５
は一端が固定部材６６により回転ドラム６３に固定され
た電歪バイモルフアクチュエータ１０の他端（自由端）
に取り付けられている。

第７図に示すように、磁気テープ６１上の既記録トラッ
クを記号７１、テープ６１の走行方向を矢印７２、また
回転磁気ヘッド６５の回転方向を矢印７３で表すと、ヘ
ッド６５は通常モードでの再生時にはトラッキングが合
っていればトラック７１に正確に添った軌跡を描く。こ
れに対し、スチル再生やスロー再生の場合にはテープ６
１が静止するか又は通常より低速で走行するので、ヘッ
ド６５に変位が特別に与えられなければ、第９図（ａ）
に示すようにヘッド６５の軌跡７４がテープ６１の長手
方向に対してなす角度はトラック７１のそれより小さく
なる。一方、コマ送り再生の場合にはテープ６１は高速
で走行するので、第９図（ｂ）に示すようにヘッド６５
の軌跡７５がテープ６１の長手方向に対してなす角度は
トラック７１のそれより大きくなる。以上いずれの場合
も、トラック７１とへラド６５との軌跡が一致しないた
め、画質が劣化する。

従ってこれを防ぐためには本発明の変位発生装置によっ
てヘッド６５を駆動し、トラック７１に正確に一致させ
てやればよい。本発明の変位発生装置を用いればヒステ
リシスがなく線形であるため正確なトラッキングが可能
となる。

また、ドラム内に簡単に組み込めるような大きさであっ
ても十分な変位量が得られるので、いかなる特殊再生モ
ードにも対応できる。

本発明のその他の応用例としてはＳＴＭ（走査型トンネ
ル顕微鏡）用アクチュエータや、ビデオムービーのフォ
ーカシング用アクチュエータ等が考えられる。いずれの
場合も、本発明の信号電圧と変位との間にヒステリシス
がなく線形で、大きな変位量の変位発生装置を用いるに
好適である。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、電歪板を積層した
バイモルフ型電歪アクチュエータを１個の駆動アンプで
駆動することかで・き、また駆動電圧に対して変位にヒ
ステリシスがなく線形の変位を持ち、且つ駆動電圧に対
する変位量の大きい変位発生装置を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる変位発生装置を示す
概略構成図、第２図は上記実施例における電歪バイモル
フの動きを説明するためのタイムチャート、第３図は電
歪バイモルフにおける電圧と屈曲変位との関係を示す特
性図、第４図は電歪板における電圧と伸縮量との関係を
示す特性図、第５図は本発明の他の実施例を示す概略構
成図、第６図及び第７図は本発明をＶＴＲにおけるダイ
ナミックトラッキングに適用した例を説明するための模
式図、第８図乃至第１１図は従来の問題点を説明するた
めのもので、第８図は圧電バイモルフの概略構成を示す
断面図、第９図は圧電バイモルフにおける電圧と屈曲変
位との関係を示す特性図、第１０図は電歪バイモルフを
用いたアクチュエータを示す概略構成図、第１１図は第
１０図の電歪バイモルフの動きを示すタイムチャ、−ト
である。１０．２０・・・バイモルフ型電歪アクチュエータ、１
１．１２．２１〜２６・・・電歪板、１１ａ　〜１２ｂ
、３１〜３７＝電極、１３・・・シム、１４・・・アンプ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）２枚の電歪材料からなる電歪板を積層したバイモ
ルフ構造を有する電歪アクチュエータと、この電歪アク
チュエータに駆動電圧を供給する駆動手段とを具備し、
前記２枚の電歪板に挟まれた面に形成された電極に駆動
電圧を供給し、前記電歪アクチュエータの一方の主面に
形成された電極には駆動電圧の最大値以上の定電圧を他
方の主面に形成された電極には駆動電圧の最小値以下の
定電圧を印加してなることを特徴とする変位発生装置。
（２）Ｍ（Ｍ≧２）枚の電歪材料からなる電歪板を積層
したバイモルフ構造を有する電歪アクチュエータと、こ
の電歪アクチュエータに駆動電圧を供給する駆動手段と
を具備し、前記電歪アクチュエータの上下面、及び積層
された電歪板に挟まれた面に形成された電極のうちＮ＋
２ｎ（１＜Ｎ＜Ｍ＋１、ｎ＝０、±１、±２、・・・）
層目の電極に駆動電圧を供給し、Ｎ＋１＋２ｎ（ｎ＝０
、１、２、・・・）層目の電極には駆動電圧の最大値以
上の定電圧を、Ｎ−１−２ｎ（ｎ＝０、１、２、・・・）層目には駆動電圧の最小値
以下の定電圧を印加してなることを特徴とする変位発生
装置。
（３）前記Ｎ層目の電極は、Ｍが偶数の場合はＮ＝Ｍ／
２で表現され、Ｍが奇数の場合はＮ＝（Ｍ±１）／２で表現されることを特徴とする請求
項２記載の変位発生装置。
（４）前記最大値以上の定電圧と最小値以下の定電圧は
、前記駆動手段に供給される定電圧と同一であることを
特徴とする請求項１又は２記載の変位発生装置。