JPH03256375A

JPH03256375A - 圧電素子の駆動方法

Info

Publication number: JPH03256375A
Application number: JP2055436A
Authority: JP
Inventors: Hisanori Ishida; 寿則石田; Takashi Ota; 孝太田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-03-06
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 1991-11-15

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、微小位置決めなどに用いられる圧電素子の駆
動方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、この種の圧電素子は電気・機械エネルギの変換効
率が高く低電力で駆動でき、また発熱量が少なく磁気干
渉もないため、近年各種アクチュエータに使用されてい
る。特に非常に微小な変位を得ることができるという特
徴により、精密位置決め機構に用いられている。しかし
、この圧電素子には、印加電圧と変位の関係にヒステリ
シスが存在するために、圧電素子の変位量は印加電圧に
対して一義的には定まらない。

第２図は圧電素子のヒステリススを説明する特性図で、
圧電素子の電圧・変位曲線を表わしている。駆動範囲内
で圧電素子に印加する最小電圧をＶａｉｎ、最大電圧を
Ｖ　ｗａｘとしたとき、電圧をＶａｉｎ　　−＋Ｖ　　
ｌ　−＋Ｖｍａｘ　　→Ｖ　　１　−＋Ｖｍｉｎ　　　
（Ｖａｉｎ　　（Ｖ　ｌ　（Ｖｍａｘ　）と変化させる
と、圧電素子の変位は点Ａ−＋Ｃ−＋Ｂ→Ｄ→Ａのよう
なヒステリシスを描く、従ってＶ＝Ｖ１のときの変位は
、電位をＶａｉｎ−＊Ｖ１と変化させるが、Ｖｍａｘ−
＋Ｖ１とするかによって異なってしまうことになる。こ
のときの圧電素子の電位を第３図（ａ）〜（ｄ）に示し
ている。第３図（ａ）はｖ　＝　ｖ　ｍｔｎの状態、第
３図（ｂ）はＶ＝ＶｍｉｎからＶ＝Ｖ１に電圧を上昇さ
せた状態、第３図（ｃ）はＶ＝Ｖ１からさらにＶ　＝　
Ｖ　ｗａｘにした状態、第３図（ｄ）はＶ＝Ｖ鵬ａ×か
らＶ＝Ｖ１に電圧を下降させた状態をそれぞれ示してい
る。また、電圧を最大まで印加せず、Ｖａｉｎ　−＋Ｖ
　２→Ｖ　１−＋Ｖ　３→Ｖ　１−＋Ｖ　２（Ｖａｉｎ
　　＜Ｖ３　　＜Ｖｌ　　＜Ｖ２　　＜Ｖｍａｘ　　）
のように変化させると、動作点はＡ→Ｅ→Ｇ→Ｆ→Ｃ→
Ｅのように、上述したヒステリシスループの中に含まれ
るようなヒステリシスループを描く、従って印加電圧を
Ｖｌとしたときの変位ｘ１はＸＤ≦Ｘｌ≦Ｘｃという範
囲にあり、印加電圧のみによってはｘｌの値を定めるこ
とができない。

従って、例えば、圧電素子を微小位置決め機構に用いる
場合には、レーザ距離計などの位置センサで、常に圧電
素子の変位をモニタしながら圧電素子の印加電圧を調整
して、あるいは位置センサからの信号を用いてフィード
バック制御をして位置決めを行なっていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したように圧電素子は、電圧・変位特性にヒステリ
シスが存在するため、電圧の値のみによっては圧電素子
の変位を定めることができないという欠点があった。

また、圧電素子を位置決めに用いるためには、圧電素子
の変位を位置センサによってモニタすることが必須であ
る。従って、位置決め機構には必ず位置センサが必要に
なり、またフィードバック制御を行なうなど全体の構成
が大規模なものになるという欠点があった。さらに、フ
ィードバック制御を行なうにしても、圧電素子のヒステ
リシスのために位ｌの収束に時間がかかったり、収束し
ない場合もあるという欠点もあった。

本発明の目的は、これらの問題点を解決し、圧電素子の
ヒステリシスを見かけ上なくし、圧電素子に印加する電
圧によって変位が一義的に定められるような圧電素子の
駆動方法を提供することにある。

〔課麹を解決するための手段〕

本発明の構成は、電圧を印加することにより伸縮する圧
電素子の駆動方法において、前記圧電素子に印加する電
圧を、この圧電素子を駆動させる最小の電圧または最大
の電圧とした後に、これら最小電圧と最大電圧の間の所
望の電圧を印加して前記圧電素子を所定変位分駆動する
ことを特徴とする。

〔作用〕

次に、本発明の作用を図面を用いて説明する。

圧電素子は、第２図のような電圧・変位特性を有してい
るものとし、圧電素子に印加する最小電圧をＶＩＩｉｎ
、最大電圧をＶｍａｘとする。先にも述べたように、電
圧をＶａｉｎ　−＋Ｖ　ｌ　−＋Ｖｍａｘ　４ｖ１→Ｖ
ａｉｎと変化させれば変位はＡ−４Ｃ→Ｂ→Ｄ→Ａのよ
うにヒステリシスを描き、変位は一義的には決まらない
、しかし、Ｖａｉｎ−ｅＶ１→■鵬ａＸ　、またはＶ鳳
ａｘ→Ｖ１→Ｖ鵬ｉｎのように電圧をＶａｉｎから単調
に増加、またはＶ　ｗａｘがち単調に減少させる場合に
は、電圧・変位特性曲線はそれぞれ、Ａ−Ｃ→Ｂ、Ｂ→
Ｄ→Ａとなるから、圧電素子の変位は印加電圧と一対一
に対応する。

従って、圧電素子に駆動電圧Ｖ１を印加する前に、電圧
をＶ　ｗｉｎとすれば変位はＸＣとなり、Ｖ　ｗａｘと
すれば変位はＸＤとなる（ここで予め印加する電圧を予
備電圧と呼ぶ〉。逆に変位をＸｃとするには、予備電圧
をＶ　ｗｉｎとしてあった場合には駆動電圧はＶｌであ
り、予備電圧がＶＩＩＩａｘの場合には駆動電圧はＶ４
となる。すなわち予備電圧を常にＶａｉｎとするか、ま
たは常にＶＩＩｌａｘとすれば駆動電圧の値のみによっ
て、変位を定めることが可能となる。

〔実施例〕

次に本発明について図面を参照して詳細に説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施例を示す圧電素
子の駆動方法の時間と電圧との関係および電圧と変位と
の関係を示す説明図である。圧電素子に印加される駆動
電圧■は、最小駆動電圧Ｖａｉｎと最大駆動電圧Ｖ　ｗ
ａｘの間にある。本実施例で用いた圧電素子は長さ１８
ｍｍ、断面１１６ｍ　ｍ　”であり、Ｖａｉｎ　＝ＯＶ
、Ｖａ＋ａｘ　＝１５０Ｖとしである、そしてＶ＝１５
０Ｖの駆動電圧を印加することにより、２１μｍの変位
をさせることができる。

第１図（ａ）は、予備電圧をＶａｉｎとしたときの駆動
電圧と電圧を印加する時間の関係を示し、時刻ｔｌ、ｔ
３、ｔ５、ｔ７に駆動電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ　ｗａ
ｘを印加し、駆動電圧を印加する時刻直前（ｔｏ、ｔ２
、ｔ４、ｔ６）に電圧を予備電圧Ｖａｉｎにする事を表
わしている。第１図（ｂ）は第１図（ａ）のように電圧
を印加した時の駆動電圧と変位の関係を示す図であり、
駆動電圧がｖｌ、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ　ｗａｘのときの変位
がｘｌ、Ｘ２、Ｘ３、ｘ　ｗａｘとなることを表わして
いる。

第１図（ａ＞のように電圧を印加すると、第１図（ｂ）
では点Ａ−４Ｂ→Ａ→Ｃ→Ａ→Ｄ→Ａ→Ｅのような動作
をする。ただし、ｔ２→ｔ３のように駆動電圧を予備電
圧ＶＩｌｉｎまで戻すときには、電圧・変位曲線は第１
図（ｂ）の点線のようになる。しかしながら、駆動電圧
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ　ｗａｘとなり、駆動電圧の値に
よって、変位は一義的に定められている。　駆動電圧Ｖ
の値はＶ　ｗｉｎ≦Ｖ≦Ｖ　ｗａｘで任意であるが、−
例としてＶ１＝５５Ｖ、Ｖ２＝７０Ｖ、Ｖ３＝１２０Ｖ
のときは、圧電素子の変位はそれぞれ、ｘｌ＝８．３５
ｕｍ、ｘ２＝１０．８２μｍ、ｘ３＝１７．７８μｍと
なる。

以上、予備電圧がＶ　ｗｉｎのときを説明したが。

予備電圧が■鵬ａｘのときでも同様な駆動方法により駆
動電圧によって変位が一義的に決められることは明らか
である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の圧電素子の駆動方法は、
圧電素子が本来持っているヒステリシスを見かけ上なく
すことができ、圧電素子の駆動電圧のみによって変位が
一義的に定められることが可能であるため、圧電素子の
位置決めが容易であり、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施例の圧電素子の
駆動方法の時間−電圧、電圧−変位の関係を示す説明図
、第２図は圧電素子の駆動電圧と変位の関係を示す特性
図、第３図（ａ）〜（ｄ）は駆動電圧を変化させたとき
の圧電素子の変位を表わす模式図である。１・・・圧電素子。

Claims

【特許請求の範囲】

　電圧を印加することにより伸縮する圧電素子の駆動方
法において、前記圧電素子に印加する電圧を、この圧電
素子を駆動させる最小の電圧または最大の電圧とした後
に、これら最小電圧と最大電圧の間の所望の電圧を印加
して前記圧電素子を所定変位分駆動することを特徴とす
る圧電素子の駆動方法。