JPH0365069A - 圧電アクチュエータの駆動装置 - 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の駆動装置に関し、更に
詳細には、圧電アクチュエータの出力変位を正確に制御
する駆動装置に関する。

（従来技術） 一般に、圧電アクチュエータは、誘電体である圧電素子
とこれを挟む２つの電極から構成されているため、圧電
アクチュエータを一種のコンデンサと見なすことができ
る。圧電アクチュエータの軸線方向変形は圧電アクチュ
エータに蓄電された電荷Ｑに比例し、電荷Ｑは、次式で
与えられる。

Ｑ＝Ｃ−■＝■・ｔ Ｃ：静電容量 Ｖ：電圧 に一定電流 ｔ：印加時間 従来、圧電アクチュエータの電圧を検出する手段が無か
ったため、圧電アクチュエータの出力変位は、一定電流
Ｉの印加時間ｔを可変として電荷Ｑを制御する電流制御
法によって制御していた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、電流制御法による圧電アクチュエータの
駆動では、駆動回路の電流リーク、すなわち電荷漏れに
より圧電アクチュエータの出力変位が変化し、出力変位
の正確な制御ができないという問題があった。

そこで、本発明は、電流制御法によって圧電アクチュエ
ータを駆動し、かつ圧電アクチュエータの出力変位を正
確に制御することのできる圧電アクチュエータの駆動装
置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決するために、圧電アクチュエー
タを一定電流で充電し又は放電させるための駆動回路と
、上記駆動回路に電流制御信号を出力して上記駆動回路
の充電時間又は放電時間を制御するための制御装置と、
上記圧電アクチュエータの電位を検出するための電位検
出回路とを備え、上記圧電アクチュエータを一定電流で
充電又は放電し、圧電アクチュエータの電位を検出して
、所望の出力変位に対応する目標電位まで、充電又は放
電によって圧電アクチュエータの電位を増減させる装置
を提供する。

本発明の好ましい実施態様によれば、上記駆動回路は、
直流電源と、定電流回路を介して上記直流電源に直列に
接続された一対のトランジスタと、該一対のトランジス
タとグランドとの間に接続されたもう１つの定電流回路
とを備え、上記電位検出回路は、上記圧電アクチュエー
タの一方の電極に直列に接続された一対の抵抗と、該一
対の抵抗とグランドとの間に接続された１つのトランジ
スタとを備え、上記一対のトランジスタの接続線とグラ
ンドとの間には、上記圧電アクチュエータが接続されて
いる。

（作用） 上述の如く、本発明においては、電位検出回路によって
圧電アクチュエータの電位を検出し、所望の出力変位に
対応する目標電位まで、一定電流で充電又は放電するこ
とによって圧電アクチュエータの電位を増減させるので
、電荷漏れによる出力変位の変化を補償でき、圧電アク
チュエータの正確な制御が可能となる。

（実施例） 以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明による駆動装置の一実施例の構成を概
略的に示す図である。図示の駆動装置は、圧電アクチュ
エータ１を一定電流で充電し又は放電させるための駆動
回路２を備えている。駆動回路２の入力には、上記充電
時間又は放電時間を制御する電流制御信号を介して駆動
回路２の出力を制御するための中央制御装置（ＣＰＵ）
３の出力が接続されている。図示の駆動装置は更に、圧
電アクチュエータ１の電位を検出するための電位検出回
路４を備えている。電位検出回路４の出力は、中央制御
装置３の入力に接続されている。

第２図に、上記駆動回路２及び電位検出回路４の構成を
概略的に示す。図示の回路は、一端が直流電源（図示せ
ず）に接続された例えば１つの抵抗からなる定電流回路
２１を備えている。定電流回路２１の他端は、トランジ
スタ２３のエミッタに接続されている。トランジスタ２
３のベースは中央制御装置３の出力端子に接続され、ト
ランジスタ２３のコレクタは別のトランジスタ２４のコ
レクタに接続されている。トランジスタ２４のベースは
中央制御装置３の出力端子に接続され、トランジスタ２
４のエミッタはもう１つの定電流回路２２を介してグラ
ンドに接続されている。上記直流電源、一対のトランジ
スタ２３．２４、及び一対の定電流回路２１．２２は、
駆動回路２を構成する。

上記トランジスタ２３のコレクタとトランジスタ２４の
コレクタとの接続線は、分岐して圧電アクチュエータｌ
の一方の電極に接続され、圧電アクチュエータｌの他方
の電極はグランドに接続されている。圧電アクチュエー
タ１の前記一方の電極にはまた、直列に接続された一対
の抵抗２５及び２６の一端が接続されている。上記一対
の抵抗の他端はトランジスタ２７のコレクタに接続され
、トランジスタ２７のエミッタはグランドに接続されて
いる。トランジスタ２７のベースは、中央制御装置３の
出力端子に接続されている。上記一対の抵抗２５．２６
及びトランジスタ２７は、電位検出回路４を構成する。

トランジスタ２３のベースに充電トリガ信号を与えると
トランジスタ２３が導通状態になり、直流電源が定電流
回路２１及びトランジスタ２３を介して圧電アクチュエ
ータｌに接続する。こうして、圧電アクチュエータ１に
直流一定電流が通電され、圧電アクチュエータ１は充電
される。

一方、トランジスタ２４のベースに放電トリガ信号を与
えるとトランジスタ２４が導通状態になり、圧電アクチ
ュエータ１が定電流回路２２及びトランジスタ２４を介
してグランドに接続する。

こうして、圧電アクチュエータ１は直流一定電流で放電
する。

また、トランジスタ２７のベースに電位検出用信号を瞬
時与えるとトランジスタ２７が導通状態になり、圧電ア
クチュエータ１が一対の抵抗２５及び２６を介してグラ
ンドに接続する。こうして、圧電アクチュエータ１は瞬
時放電する。このとき、一対の抵抗２５と抵抗２６の間
の電位ｖｌを検出すると、圧電アクチュエータｌの電位
Ｖ。を算出することができる。電位ｖｏと電位ｖｌとの
関係は、一対の抵抗２５及び２６の抵抗値Ｒ１とＲ２の
関数として次のように与えられる。

Ｒ１＋Ｒ２ Ｖｏ”　　　　　　　　　　　　Ｖ＋　　　　　・　・
（１）２ 以上のように構成された本発明の装置は、次のように動
作する。

■　中央制御装置３はトランジスタ２３のベースに充電
トリガ信号を与えてトランジスタ２３を導通させ、圧電
アクチュエータ１を一定電流■で所定時間を充電し、所
望の出力変位δに相当する所望の電荷Ｑ。を印加する。

■　中央制御装置３はトランジスタ２７のベースに電位
検出用信号を瞬時与えてトランジスタ２７を導通させ、
一対の抵抗２５と２６との間の電位ｖｌを検出し、検出
した電位ｖｌから、式（１）により圧電アクチュエータ
ｌの電位■。を算出する。

■　中央制御装置３は定期的にトランジスタ２７のベー
スに電位検出用信号を瞬時与えてトランジスタ２７を導
通させ、一対の抵抗２５と２６との間の電位Ｖｌｌを検
出し、検出した電位Ｖｌｌから、式（１）により圧電ア
クチュエータ１の電位Ｖ。１を算出し、両者を比較する
。電位■。１が電位ｖｏよりも低い場合には、中央制御
装置３は電荷漏れがあったと判断し、トランジスタ２３
のベースに充電トリガ信号を与えてトランジスタ２３を
導通させ、圧電アクチュエータ１を一定電流Ｉで下式で
与えられる所定時間ｔ１充電する。

Ｃ（ｖｏ’　　Ｖｏｗ） ｆ、＋＝ ■ これにより、圧電アクチュエータに印加された荷電は所
望値Ｑｏに復帰し、これに伴い圧電アクチュエータの出
力変位も所望値δに復帰する。

電位■。１が電位■。よりも高い場合には、中央制御装
置３は何らかの原因で予定せぬ充電がなされたものと判
断し、トランジスタ２４のベースに放電トリガ信号を与
えてトランジスタ２４を導通させ、圧電アクチュエータ
ｌを一定電流Ｉで下式で与えられる所定時間ｔｌ′放電
する。

Ｃ（Ｖｅ＋　　Ｖａ　） １＋　　　　＝ ■ これにより、圧電アクチュエータに印加された荷電は所
望値Ｑｏに復帰し、これに伴い圧電アクチュエータの出
力変位も所望値δに復帰する。

上記のように、本実施例に係る制御装置にあっては、電
位検出手段を設け、電圧の変化をフィードバックして漏
洩電荷、あるいは過剰電荷を電流制御法により補償して
いるので、圧電アクチュエータの正確な制御ができる。

第３図に、本発明の駆動装置を使用した、液圧変位拡大
機構と圧電アクチュエータとを備えた圧電・液圧アクチ
ュエータ（Ｐｉｅｚｏ　Ｈｙｄｌａｕｌｉｃ　Ａｃｔｕ
ａｔｏｒ、以下略してＰＨＡという）を示す。図示のＰ
ＨＡは、全体的に円筒形のボディ３１を備えている。ボ
ディ３１内には、その内部を上下に摺動する第１のピス
トン３２が収容されている。第１のピストン３２とボデ
ィ３１の底部との間には駆動体としての圧電アクチュエ
ータ３３が取り付けられている。第１のピストン３２と
ボディ３１との間は、適当な密封手段によって液密状態
になっている。

ボディ３１の上端壁の中央には出力ポート３４が形成さ
れ、出力ポート３４の内周を上下に摺動する第２のピス
トン３５が突出シリンダ３６の内部に収容されている。

出力ピンを形成する第２のピストン３５は、第１のピス
トン３２より小さい断面積を有し、リターンスプリング
３７によって第１のピストン３２の方向に付勢されるよ
うに構成されている。第１のピストン３２の上端面、第
２のピストン３５の下端面及びボディの内周面によって
構成されたチャンバ３８内には、非圧縮性の高い液体、
例えばシリコングリースが圧力伝達用液体として封入さ
れている。

電圧を印加すると圧電アクチュエータ３３は軸線方向に
伸びる。すなわち、印加電圧を昇竜するとその値に比例
して伸長し、第１のピストン３２を上方に駆動する。第
１のピストン３２の軸線方向移動により、封入液体に圧
力が加わり、封入液体に加わった圧力は第２のピストン
３５に伝達される。圧力を受けて第２のピストン３５は
上方に駆動される。第１のピストン３２の移動量と第２
のピストン３５の移動量の比は、液体が完全に封入され
且つその体積が不変であると仮定して、第２のピストン
３５の断面積と第１のピストン３２の断面積の比に等し
い。印加電圧を降電すると圧電アクチュエータ３３は次
第に収縮し通電を解除すると元の長さに復元する。圧電
アクチュエータ３３が収縮すると、リターンスプリング
３７の作用により第２のピストン３５が下方に駆動され
る。

第２のピストン３５の軸線方向移動により、封入液体に
圧力が加わり、封入液体に加わった圧力は第１のピスト
ン３２に伝達される。圧力を受けて第１のピストン３２
は下方に駆動される。

このように、液圧変位拡大機構により、封入した液体の
高い非圧縮性及び連続性を利用して、圧電アクチュエー
タの極めて小さい変形が、第１のピストン３２の断面積
と第２のピストン３５の断面積との比だけ拡大され、第
２のピストン３５を介して出力される。

上述のごとく、ＰＨＡは圧電アクチュエータの極めて小
さい変形を液圧変位拡大機構により拡大して出力するも
のなので、圧電アクチュエータの出力変位を正確に制御
できることが高品位のＰＨＡを提供するための必須要件
である。本発明の圧電アクチュエータ駆動装置は係る要
件を充分に満足するものである。

（発明の効果） 本発明により、電流制御法によって圧電アクチュエータ
を駆動し、かつ圧電アクチュエータの出力変位を正確に
制御することのできる圧電アクチュエータの駆動装置が
提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による駆動装置の一実施例の構成を概
略的に示す図である。 第２図は、本発明の装置に使用する駆動回路及び電位検
出回路の一例を概略的に示す図である。 第３図は、本発明の駆動装置を使用した、圧電・液圧ア
クチュエータの構成を概略的に示す図である。 １・・・圧電アクチュエータ、 ２・・・駆動回路、 ３・・・中央制御装置、 ４・・・電位検出回路、 ２１．２２・・・定電流回路、 ２３．２４，２７・・・トランジスタ、２５．２６・・
・抵抗。 第２図 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　圧電アクチュエータを一定電流で充電し又は放
   電させるための駆動回路と、 上記駆動回路に電流制御信号を出力して上記駆動回路の
   充電時間又は放電時間を制御するための制御装置と、 上記圧電アクチュエータの電位を検出するための電位検
   出回路とを備え、 上記圧電アクチュエータを一定電流で充電又は放電し、
   圧電アクチュエータの電位を検出して、所望の出力変位
   に対応する目標電位まで、充電又は放電によって圧電ア
   クチュエータの電位を増減させることを特徴とする圧電
   アクチュエータの駆動装置。
2. （２）　上記駆動回路は、直流電源と、定電流回路を介
   して上記直流電源に直列に接続された一対のトランジス
   タと、該一対のトランジスタとグランドとの間に接続さ
   れたもう１つの定電流回路とを備え、 上記電位検出回路は、上記圧電アクチュエータの一方の
   電極に直列に接続された一対の抵抗と、該一対の抵抗と
   グランドとの間に接続された１つのトランジスタとを備
   え、 上記一対のトランジスタの接続線とグランドとの間には
   、上記圧電アクチュエータが接続されていることを特徴
   とする請求項（１）に記載の装置。