JPH09102635A - 圧電アクチュエータの駆動装置および駆動方法 - Google Patents
圧電アクチュエータの駆動装置および駆動方法Info
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- JPH09102635A JPH09102635A JP7258636A JP25863695A JPH09102635A JP H09102635 A JPH09102635 A JP H09102635A JP 7258636 A JP7258636 A JP 7258636A JP 25863695 A JP25863695 A JP 25863695A JP H09102635 A JPH09102635 A JP H09102635A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H2/00—Networks using elements or techniques not provided for in groups H03H3/00 - H03H21/00
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、圧電アクチュエータのストローク
を十分に作動させても、圧電アクチュエータにクラック
および割れが発生しない圧電アクチュエータの駆動装置
および駆動方法を提供することを課題とする。 【解決手段】 圧電アクチュエータへの印加電圧の正負
一方で、圧電材料の１８０度分域反転量（太枠部分）が
該材料の全１８０度分域反転量Ｓ1 （斜線部分）の三分
の一以下に収まる安全範囲Ｖlim1を設定する安全範囲設
定過程と、印加電圧を安全範囲Ｖrange1内に制限して圧
電アクチュエータに印加する駆動過程とを有する圧電ア
クチュエータの駆動方法。ならびに、安全範囲Ｖrange1
で印加電圧を生じる駆動装置。必要に応じて温度補償も
行う。１８０度分域反転量が制限されるので、圧電アク
チュエータに局部的な応力集中が少なく、クラックおよ
び割れを生じない範囲でアクチュエータの能力は最大限
に発揮される。
を十分に作動させても、圧電アクチュエータにクラック
および割れが発生しない圧電アクチュエータの駆動装置
および駆動方法を提供することを課題とする。 【解決手段】 圧電アクチュエータへの印加電圧の正負
一方で、圧電材料の１８０度分域反転量（太枠部分）が
該材料の全１８０度分域反転量Ｓ1 （斜線部分）の三分
の一以下に収まる安全範囲Ｖlim1を設定する安全範囲設
定過程と、印加電圧を安全範囲Ｖrange1内に制限して圧
電アクチュエータに印加する駆動過程とを有する圧電ア
クチュエータの駆動方法。ならびに、安全範囲Ｖrange1
で印加電圧を生じる駆動装置。必要に応じて温度補償も
行う。１８０度分域反転量が制限されるので、圧電アク
チュエータに局部的な応力集中が少なく、クラックおよ
び割れを生じない範囲でアクチュエータの能力は最大限
に発揮される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明の圧電アクチュエータ
の駆動装置および駆動方法は、各種精密機械等に装備さ
れうる圧電アクチュエータの駆動技術分野に属する。
の駆動装置および駆動方法は、各種精密機械等に装備さ
れうる圧電アクチュエータの駆動技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】従来の圧電アクチュエータを駆動する印
加電圧を制限する技術に関しては、特開平２−２０１９
７７号、特開昭６２−５７２６５号、特開昭６１−２８
９６８２号、および特開平１−２２６１８７号の各公報
に開示されている技術がある。これらは、圧電アクチュ
エータの変位量を大きくしたり、圧電アクチュエータに
印加される電圧の低電圧化を図ったり、圧電アクチュエ
ータを形成している圧電材料の分極劣化を防止すること
などを解決すべき課題としている。
加電圧を制限する技術に関しては、特開平２−２０１９
７７号、特開昭６２−５７２６５号、特開昭６１−２８
９６８２号、および特開平１−２２６１８７号の各公報
に開示されている技術がある。これらは、圧電アクチュ
エータの変位量を大きくしたり、圧電アクチュエータに
印加される電圧の低電圧化を図ったり、圧電アクチュエ
ータを形成している圧電材料の分極劣化を防止すること
などを解決すべき課題としている。
【０００３】特に、特開平２−２０１９７７号および特
開平１−２２６１８７号の各公報では、変位量を大きく
することを目的にして、圧電材料の分極方向と逆極性に
あたる印加電圧の上限値または下限値を、同圧電材料の
抗電界以下の範囲に制限する技術が開示されている。ま
た、特開昭６２−５７２６５号公報では、圧電材料の分
極劣化を防止することを目的にして、同圧電材料の逆分
極方向に抗電界の１／４〜９／１０の電界を与える電圧
に、印加電圧の上限値または下限値を制限する技術が開
示されている。
開平１−２２６１８７号の各公報では、変位量を大きく
することを目的にして、圧電材料の分極方向と逆極性に
あたる印加電圧の上限値または下限値を、同圧電材料の
抗電界以下の範囲に制限する技術が開示されている。ま
た、特開昭６２−５７２６５号公報では、圧電材料の分
極劣化を防止することを目的にして、同圧電材料の逆分
極方向に抗電界の１／４〜９／１０の電界を与える電圧
に、印加電圧の上限値または下限値を制限する技術が開
示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前述の各公報に開示さ
れている技術は、印加電圧の上限値および下限値のうち
少なくとも一方を制限しているものの、圧電アクチュエ
ータの駆動中に生じる割れおよびクラックを防止するこ
とには配慮がなされていない。したがって、上記のいず
れの技術によっても、圧電アクチュエータの割れおよび
クラックの発生を防止するのに十分な効果は得られな
い。
れている技術は、印加電圧の上限値および下限値のうち
少なくとも一方を制限しているものの、圧電アクチュエ
ータの駆動中に生じる割れおよびクラックを防止するこ
とには配慮がなされていない。したがって、上記のいず
れの技術によっても、圧電アクチュエータの割れおよび
クラックの発生を防止するのに十分な効果は得られな
い。
【０００５】発明者らの知見によれば、抗電界に対して
印加電圧の範囲を制限しようとする前述の手段では、十
分な性能を発揮しつつクラックおよび割れを防止するこ
とは難しい。すなわち、圧電アクチュエータの作動スト
ロークを十分に取りながら、割れおよびクラックが発生
することがない安全範囲を定めるためには、抗電界のみ
に基づく印加電圧範囲の設定では十分な効果が望めな
い。
印加電圧の範囲を制限しようとする前述の手段では、十
分な性能を発揮しつつクラックおよび割れを防止するこ
とは難しい。すなわち、圧電アクチュエータの作動スト
ロークを十分に取りながら、割れおよびクラックが発生
することがない安全範囲を定めるためには、抗電界のみ
に基づく印加電圧範囲の設定では十分な効果が望めな
い。
【０００６】そこで本発明は、抗電界のみに基づく印加
電圧の安全範囲の設定に代わって、より有効な圧電アク
チュエータの印加電圧の安全範囲を設定し、もって圧電
アクチュエータを駆動することを目的としている。すな
わち、本発明は、圧電アクチュエータのストロークを本
来の設計値付近まで十分に作動させても、圧電アクチュ
エータにクラックおよび割れが発生しない圧電アクチュ
エータの駆動装置および駆動方法を提供することを課題
とする。
電圧の安全範囲の設定に代わって、より有効な圧電アク
チュエータの印加電圧の安全範囲を設定し、もって圧電
アクチュエータを駆動することを目的としている。すな
わち、本発明は、圧電アクチュエータのストロークを本
来の設計値付近まで十分に作動させても、圧電アクチュ
エータにクラックおよび割れが発生しない圧電アクチュ
エータの駆動装置および駆動方法を提供することを課題
とする。
【０００７】
（装置発明）本発明の第１構成は、圧電材料よりなり該
材料の圧電効果によって変位または力を生じる圧電アク
チュエータに、所定の範囲で電圧を印加して該アクチュ
エータを駆動する駆動装置において、前記アクチュエー
タに印加される印加電圧の上限値および下限値のうち一
方は、該一方の値の当該印加電圧での前記圧電材料の１
８０度分域反転量が、該材料の全１８０度分域反転量の
三分の一以下に収まる安全範囲に設定されている印加電
圧制限手段を有することを特徴とする圧電アクチュエー
タの駆動装置である。
材料の圧電効果によって変位または力を生じる圧電アク
チュエータに、所定の範囲で電圧を印加して該アクチュ
エータを駆動する駆動装置において、前記アクチュエー
タに印加される印加電圧の上限値および下限値のうち一
方は、該一方の値の当該印加電圧での前記圧電材料の１
８０度分域反転量が、該材料の全１８０度分域反転量の
三分の一以下に収まる安全範囲に設定されている印加電
圧制限手段を有することを特徴とする圧電アクチュエー
タの駆動装置である。
【０００８】ここでは、１８０度分域反転量および全１
８０度分域反転量は、次のように定義されている。すな
わち、圧電アクチュエータを駆動する印加電圧を正負に
大きい範囲で振って、圧電アクチュエータに流れる微弱
な電流を測定すると、図１に示すように、電圧対電流の
ヒステリシス曲線が得られる。電圧をゼロに戻す過程で
は電流にピークは生じないが、正の電圧を増していく過
程で電流にピークＰ2 が生じ、負の電圧を増していく過
程で電流には負のピークＰ1 が生じる。この各ピークＰ
1 ，Ｐ2 を生じる際の電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を抗電圧という。
抗電圧下では、圧電アクチュエータを形成している圧電
材料には抗電界が印加されている。
８０度分域反転量は、次のように定義されている。すな
わち、圧電アクチュエータを駆動する印加電圧を正負に
大きい範囲で振って、圧電アクチュエータに流れる微弱
な電流を測定すると、図１に示すように、電圧対電流の
ヒステリシス曲線が得られる。電圧をゼロに戻す過程で
は電流にピークは生じないが、正の電圧を増していく過
程で電流にピークＰ2 が生じ、負の電圧を増していく過
程で電流には負のピークＰ1 が生じる。この各ピークＰ
1 ，Ｐ2 を生じる際の電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を抗電圧という。
抗電圧下では、圧電アクチュエータを形成している圧電
材料には抗電界が印加されている。
【０００９】さて、図１に示すように、印加電圧を正か
ら負に振る過程で印加電圧が０Ｖになる時点における電
流値で底辺が形成され、ピークＰ1 を頂点とする下に凸
の電圧・電流領域（斜線部分）の面積Ｓ1 を、「全１８
０度分域反転量」と定義する。そして、前述の印加電圧
０Ｖの時点から、負の所定電圧までの電圧・電流領域
（斜線部分）の面積（図中太枠の領域）をもって、「１
８０度分域反転量」と定義する。１８０度分域反転量
（１／３・Ｓ1 ）が、全１８０度分域反転量Ｓ1 の三分
の一に達する電圧をもって、印加電圧の安全範囲の下限
値Ｖlim1と定義する。
ら負に振る過程で印加電圧が０Ｖになる時点における電
流値で底辺が形成され、ピークＰ1 を頂点とする下に凸
の電圧・電流領域（斜線部分）の面積Ｓ1 を、「全１８
０度分域反転量」と定義する。そして、前述の印加電圧
０Ｖの時点から、負の所定電圧までの電圧・電流領域
（斜線部分）の面積（図中太枠の領域）をもって、「１
８０度分域反転量」と定義する。１８０度分域反転量
（１／３・Ｓ1 ）が、全１８０度分域反転量Ｓ1 の三分
の一に達する電圧をもって、印加電圧の安全範囲の下限
値Ｖlim1と定義する。
【００１０】したがって、印加電圧の負の最大値（絶対
値）が下限値Ｖlim1（の絶対値）以下であれば良しとす
るのが、本発明の安全範囲の設定の仕方である。逆に正
の印加電圧については、絶縁破壊等の不具合が無いかぎ
り、特に制限を設ける必要は必ずしも無い。同様に、正
の電圧限界（上限値Ｖlim2）をもって、安全範囲が制限
されていてもよい。すなわち、図２に示すように、印加
電圧を負から正に振る過程で印加電圧が０Ｖになる時点
における電流値を底辺とし、正の電流ピークＰ2 を頂点
とする斜線の領域を、正の全１８０度分域反転量Ｓ2 と
定義する。そして、正の１８０度分域反転量（１／３・
Ｓ2 ）が、全１８０度分域反転量Ｓ2 の三分の一に達す
る電圧をもって、印加電圧の安全範囲の上限値Ｖlim2と
定義する。
値）が下限値Ｖlim1（の絶対値）以下であれば良しとす
るのが、本発明の安全範囲の設定の仕方である。逆に正
の印加電圧については、絶縁破壊等の不具合が無いかぎ
り、特に制限を設ける必要は必ずしも無い。同様に、正
の電圧限界（上限値Ｖlim2）をもって、安全範囲が制限
されていてもよい。すなわち、図２に示すように、印加
電圧を負から正に振る過程で印加電圧が０Ｖになる時点
における電流値を底辺とし、正の電流ピークＰ2 を頂点
とする斜線の領域を、正の全１８０度分域反転量Ｓ2 と
定義する。そして、正の１８０度分域反転量（１／３・
Ｓ2 ）が、全１８０度分域反転量Ｓ2 の三分の一に達す
る電圧をもって、印加電圧の安全範囲の上限値Ｖlim2と
定義する。
【００１１】したがって、印加電圧の正の最大値が下限
値Ｖlim2以下であれば良しとする。この場合、逆に負の
印加電圧については、特に制限を設ける必要は無い。な
お、「分域反転」は、「分極反転」と同義である。本発
明の第２構成は、上記第１構成において、前記圧電アク
チュエータは、積層圧電アクチュエータ、バイモルフお
よびユニモルフのうちいずれかであることを特徴とす
る。
値Ｖlim2以下であれば良しとする。この場合、逆に負の
印加電圧については、特に制限を設ける必要は無い。な
お、「分域反転」は、「分極反転」と同義である。本発
明の第２構成は、上記第１構成において、前記圧電アク
チュエータは、積層圧電アクチュエータ、バイモルフお
よびユニモルフのうちいずれかであることを特徴とす
る。
【００１２】本発明の第３構成は、上記第１構成におい
て、前記圧電アクチュエータの温度を測定する温度計測
手段を備えており、前記印加電圧制限手段は、該温度計
測手段により測定された温度に基づいて前記の上限値お
よび下限値のうち一方の値を設定する温度補償手段を有
することを特徴とする。 （方法発明）本発明の第４構成は、圧電材料よりなり圧
電効果によって変位または力を生じる圧電アクチュエー
タに印加される印加電圧の正値領域および負値領域のう
ち一方において、該圧電材料の１８０度分域反転量が該
材料の全１８０度分域反転量の三分の一以下に収まる安
全範囲を設定する安全範囲設定過程と、前記印加電圧を
前記安全範囲内に制限して前記圧電アクチュエータに印
加する駆動過程とを有する圧電アクチュエータの駆動方
法である。
て、前記圧電アクチュエータの温度を測定する温度計測
手段を備えており、前記印加電圧制限手段は、該温度計
測手段により測定された温度に基づいて前記の上限値お
よび下限値のうち一方の値を設定する温度補償手段を有
することを特徴とする。 （方法発明）本発明の第４構成は、圧電材料よりなり圧
電効果によって変位または力を生じる圧電アクチュエー
タに印加される印加電圧の正値領域および負値領域のう
ち一方において、該圧電材料の１８０度分域反転量が該
材料の全１８０度分域反転量の三分の一以下に収まる安
全範囲を設定する安全範囲設定過程と、前記印加電圧を
前記安全範囲内に制限して前記圧電アクチュエータに印
加する駆動過程とを有する圧電アクチュエータの駆動方
法である。
【００１３】本発明の第５構成は、上記第４構成におい
て、前記安全範囲設定過程において、前記安全範囲は、
前記圧電アクチュエータの印加電圧に対する電流の特性
を測定を行うことにより設定されることを特徴とする。
本発明の第６構成は、上記第４構成において、前記安全
範囲設定過程において、前記安全範囲は、前記圧電アク
チュエータの材料特性の統計資料および数値計算のうち
いずれかに基づいて設定されることを特徴とする。
て、前記安全範囲設定過程において、前記安全範囲は、
前記圧電アクチュエータの印加電圧に対する電流の特性
を測定を行うことにより設定されることを特徴とする。
本発明の第６構成は、上記第４構成において、前記安全
範囲設定過程において、前記安全範囲は、前記圧電アク
チュエータの材料特性の統計資料および数値計算のうち
いずれかに基づいて設定されることを特徴とする。
【００１４】本発明の第７構成は、上記第４構成におい
て、予め計測、数値計算および統計資料のうちいずれか
の手段により、前記圧電アクチュエータの使用温度範囲
での該アクチュエータの温度と前記１８０度分域反転量
との関係が求められており、前記安全範囲設定過程にお
いては、該温度の計測値または推定値に基づいて、前記
関係により該温度での前記安全範囲が設定されることを
特徴とする。
て、予め計測、数値計算および統計資料のうちいずれか
の手段により、前記圧電アクチュエータの使用温度範囲
での該アクチュエータの温度と前記１８０度分域反転量
との関係が求められており、前記安全範囲設定過程にお
いては、該温度の計測値または推定値に基づいて、前記
関係により該温度での前記安全範囲が設定されることを
特徴とする。
【００１５】本発明の第８構成は、上記第７構成におい
て、前記温度と前記安全範囲との関係が一次関数として
記憶されており、前記安全範囲設定過程においては、前
記圧電アクチュエータの温度の計測値または推定値に基
づいて、該一次関数から当該温度での前記安全範囲が算
出されることを特徴とする。
て、前記温度と前記安全範囲との関係が一次関数として
記憶されており、前記安全範囲設定過程においては、前
記圧電アクチュエータの温度の計測値または推定値に基
づいて、該一次関数から当該温度での前記安全範囲が算
出されることを特徴とする。
【００１６】
（装置発明）本発明の第１構成では、正負いずれか一方
の圧電材料の１８０度分域反転量が全１８０度分域反転
量の三分の一以下に収まっているので、印加電圧が抗電
圧に達しない範囲で制限される。すなわち、分域反転が
決定的に大きくならない範囲で圧電材料にかかる電圧が
制限されるので、極性が逆の印加電圧が印加された場合
にも、再び逆に分域反転して大きな電流ピークが生じる
こともない。それゆえ、分域反転による局部的な温度上
昇および内部応力は低く抑制され、圧電アクチュエータ
にクラックおよび割れが生じることがなく、圧電アクチ
ュエータの破壊限界は巧妙に回避される。
の圧電材料の１８０度分域反転量が全１８０度分域反転
量の三分の一以下に収まっているので、印加電圧が抗電
圧に達しない範囲で制限される。すなわち、分域反転が
決定的に大きくならない範囲で圧電材料にかかる電圧が
制限されるので、極性が逆の印加電圧が印加された場合
にも、再び逆に分域反転して大きな電流ピークが生じる
こともない。それゆえ、分域反転による局部的な温度上
昇および内部応力は低く抑制され、圧電アクチュエータ
にクラックおよび割れが生じることがなく、圧電アクチ
ュエータの破壊限界は巧妙に回避される。
【００１７】したがって、本構成によれば、不要な分域
反転が生じることがなく、圧電アクチュエータの破壊限
界は巧妙に避られるので、クラックおよび割れの発生が
防止されるという効果がある。逆に言えば、クラックお
よび割れが発生しない範囲で、圧電アクチュエータとし
て機能（作動ストロークまたは発生力）を最大限に発揮
させることが可能になるという効果がある。
反転が生じることがなく、圧電アクチュエータの破壊限
界は巧妙に避られるので、クラックおよび割れの発生が
防止されるという効果がある。逆に言えば、クラックお
よび割れが発生しない範囲で、圧電アクチュエータとし
て機能（作動ストロークまたは発生力）を最大限に発揮
させることが可能になるという効果がある。
【００１８】なお、ここでいう「割れ」とは、圧電素子
が２分割以上に物理的に分離することであり、「クラッ
ク」とは、割れに達しない亀裂のことである。本発明の
第２構成では、積層圧電アクチュエータ、バイモルフお
よびユニモルフと明記されているので、より明確に駆動
対象の圧電アクチュエータを特定することができる。な
お、バイモルフまたはユニモルフが複数枚積層されてい
る積層型や、各種圧電アクチュエータが組み合わされて
いる複合型の圧電アクチュエータも、本構成に含まれる
ものとする。
が２分割以上に物理的に分離することであり、「クラッ
ク」とは、割れに達しない亀裂のことである。本発明の
第２構成では、積層圧電アクチュエータ、バイモルフお
よびユニモルフと明記されているので、より明確に駆動
対象の圧電アクチュエータを特定することができる。な
お、バイモルフまたはユニモルフが複数枚積層されてい
る積層型や、各種圧電アクチュエータが組み合わされて
いる複合型の圧電アクチュエータも、本構成に含まれる
ものとする。
【００１９】本発明の第３構成では、温度計測手段およ
び温度補償手段が装備されている。温度計測手段によ
り、作動中の圧電アクチュエータの温度が計測され、そ
の温度での圧電材料の抗電圧特性に基づいて最も適正な
印加電圧の安全範囲の補償が、温度補償手段により行わ
れる。したがって、本構成によれば、圧電アクチュエー
タの作動温度が大きく変動する場合でも、その温度で最
適な安全範囲の設定が行われ、クラックおよび割れが発
生する危険なしに、最大限に圧電アクチュエータを駆動
することができるという効果がある。
び温度補償手段が装備されている。温度計測手段によ
り、作動中の圧電アクチュエータの温度が計測され、そ
の温度での圧電材料の抗電圧特性に基づいて最も適正な
印加電圧の安全範囲の補償が、温度補償手段により行わ
れる。したがって、本構成によれば、圧電アクチュエー
タの作動温度が大きく変動する場合でも、その温度で最
適な安全範囲の設定が行われ、クラックおよび割れが発
生する危険なしに、最大限に圧電アクチュエータを駆動
することができるという効果がある。
【００２０】すなわち、設計時に予想された温度を外れ
た温度で圧電アクチュエータが駆動される場合にも、ク
ラックおよび割れが生じる心配がなく、圧電アクチュエ
ータの信頼性と寿命を向上させることができる。逆に言
うと、温度の変動を見込んで最も不利な条件下でもクラ
ックおよび割れが発生することがないように、必要以上
に安全側に印加電圧の制限を設ける必要がなくなる。そ
の結果、あらゆる作動範囲の温度で、クラックおよび割
れの生じない限界である最大限の駆動性能を圧電アクチ
ュエータに発揮させることが可能になるという効果があ
る。
た温度で圧電アクチュエータが駆動される場合にも、ク
ラックおよび割れが生じる心配がなく、圧電アクチュエ
ータの信頼性と寿命を向上させることができる。逆に言
うと、温度の変動を見込んで最も不利な条件下でもクラ
ックおよび割れが発生することがないように、必要以上
に安全側に印加電圧の制限を設ける必要がなくなる。そ
の結果、あらゆる作動範囲の温度で、クラックおよび割
れの生じない限界である最大限の駆動性能を圧電アクチ
ュエータに発揮させることが可能になるという効果があ
る。
【００２１】（方法発明）本発明の第４構成では、前述
の第１構成とほぼ同様の作用効果が得られる。すなわ
ち、安全範囲設定過程では、正負いずれか一方の圧電材
料の１８０度分域反転量が全１８０度分域反転量の三分
の一以下に収まる範囲で、印加電圧の安全範囲が設定さ
れる。そして、駆動過程では、この安全範囲にもとづい
て印加電圧が制御されるので、圧電アクチュエータの破
壊限界は巧妙に回避される。
の第１構成とほぼ同様の作用効果が得られる。すなわ
ち、安全範囲設定過程では、正負いずれか一方の圧電材
料の１８０度分域反転量が全１８０度分域反転量の三分
の一以下に収まる範囲で、印加電圧の安全範囲が設定さ
れる。そして、駆動過程では、この安全範囲にもとづい
て印加電圧が制御されるので、圧電アクチュエータの破
壊限界は巧妙に回避される。
【００２２】したがって、本構成によれば、安全範囲設
定過程で設定された最適の印加電圧範囲で圧電アクチュ
エータが駆動されるので、クラックおよび割れの発生が
防止されるという効果がある。逆に言えば、クラックお
よび割れが発生しない範囲で、圧電アクチュエータとし
て機能（作動ストロークまたは発生力）を最大限に発揮
させることが可能になるという効果がある。
定過程で設定された最適の印加電圧範囲で圧電アクチュ
エータが駆動されるので、クラックおよび割れの発生が
防止されるという効果がある。逆に言えば、クラックお
よび割れが発生しない範囲で、圧電アクチュエータとし
て機能（作動ストロークまたは発生力）を最大限に発揮
させることが可能になるという効果がある。
【００２３】本発明の第５構成では、圧電アクチュエー
タの電圧・電流特性の実測値に基づいて安全範囲が設定
される。したがって、本構成によれば、より正確かつ安
全確実に安全範囲が設定され、圧電アクチュエータの性
能がクラックおよび割れの無い範囲で最大限に発揮され
るという効果がある。なお、この測定は、圧電アクチュ
エータの出荷試験の一部として行われるようにすると、
余分な手間をかけることなく安全範囲設定過程が実施さ
れるので、好都合である。
タの電圧・電流特性の実測値に基づいて安全範囲が設定
される。したがって、本構成によれば、より正確かつ安
全確実に安全範囲が設定され、圧電アクチュエータの性
能がクラックおよび割れの無い範囲で最大限に発揮され
るという効果がある。なお、この測定は、圧電アクチュ
エータの出荷試験の一部として行われるようにすると、
余分な手間をかけることなく安全範囲設定過程が実施さ
れるので、好都合である。
【００２４】本発明の第６構成では、圧電アクチュエー
タの圧電材料の特性に関する統計資料や数値計算に基づ
いて、安全範囲が設定される。ここで、統計資料とは、
各圧電アクチュエータのもつ特性の個体差に関する統計
データを指す。あるいは、各種材料の成分の配合に関す
る抗電界および１８０度分域反転量のデータベース（こ
の成分では抗電界がこのくらいとか）をも含む。データ
ベースがあれば、それを補間して新しい配合の圧電材料
についても、分域特性を推定することが可能である。
タの圧電材料の特性に関する統計資料や数値計算に基づ
いて、安全範囲が設定される。ここで、統計資料とは、
各圧電アクチュエータのもつ特性の個体差に関する統計
データを指す。あるいは、各種材料の成分の配合に関す
る抗電界および１８０度分域反転量のデータベース（こ
の成分では抗電界がこのくらいとか）をも含む。データ
ベースがあれば、それを補間して新しい配合の圧電材料
についても、分域特性を推定することが可能である。
【００２５】一方、数値計算の世界では、スーパーコン
ピュータ等を用いて材料の組成から特性を推算する技術
が成長中であり、データベースの範疇外の全く新しい圧
電材料について、その特性を予測することも可能になり
つつある。したがって、本構成によれば、一つ一つの圧
電アクチュエータについて、その電圧・電流特性を測定
する必要がなくなり、コストダウンになるという効果が
ある。
ピュータ等を用いて材料の組成から特性を推算する技術
が成長中であり、データベースの範疇外の全く新しい圧
電材料について、その特性を予測することも可能になり
つつある。したがって、本構成によれば、一つ一つの圧
電アクチュエータについて、その電圧・電流特性を測定
する必要がなくなり、コストダウンになるという効果が
ある。
【００２６】本発明の第７構成では、使用温度範囲での
圧電アクチュエータの温度と１８０度分域反転量との関
係（すなわち三分の一分域反転量にあたる印加電圧）
が、何らかの手段で予め求められている。そして、安全
範囲設定過程において、圧電アクチュエータの温度の計
測値または推定値に基づいて、上記関係により最適の安
全範囲が定められる。換言すれば、印加電圧に関する温
度補償がなされるようになる。
圧電アクチュエータの温度と１８０度分域反転量との関
係（すなわち三分の一分域反転量にあたる印加電圧）
が、何らかの手段で予め求められている。そして、安全
範囲設定過程において、圧電アクチュエータの温度の計
測値または推定値に基づいて、上記関係により最適の安
全範囲が定められる。換言すれば、印加電圧に関する温
度補償がなされるようになる。
【００２７】したがって、本構成によれば、圧電アクチ
ュエータの温度が大きく変動している場合にも、常に最
適の安全範囲が定められる。それゆえ、設計時には予想
外の温度に対しても、圧電アクチュエータはクラックお
よび割れを生ずることなく駆動されるという効果があ
る。すなわち、各温度で、クラックおよび割れを生じな
い範囲で最大限の圧電アクチュエータの機能を発揮せし
めることが可能になるという効果がある。
ュエータの温度が大きく変動している場合にも、常に最
適の安全範囲が定められる。それゆえ、設計時には予想
外の温度に対しても、圧電アクチュエータはクラックお
よび割れを生ずることなく駆動されるという効果があ
る。すなわち、各温度で、クラックおよび割れを生じな
い範囲で最大限の圧電アクチュエータの機能を発揮せし
めることが可能になるという効果がある。
【００２８】本発明の第８構成では、圧電アクチュエー
タの温度と安全範囲との関係が一次関数として記憶され
ている。（同関係は、通常の圧電材料では、正常な作動
温度においては一次関数と置いて大きな誤差を生じるこ
とはない。）一次関数は、二つの定数（例えばＹ切片と
傾き）によって一意に定義されるので、メモリーに沢山
のデータが格納されている必要がなく、メモリー容量
（または温度補償回路）の大幅な節約になる。
タの温度と安全範囲との関係が一次関数として記憶され
ている。（同関係は、通常の圧電材料では、正常な作動
温度においては一次関数と置いて大きな誤差を生じるこ
とはない。）一次関数は、二つの定数（例えばＹ切片と
傾き）によって一意に定義されるので、メモリーに沢山
のデータが格納されている必要がなく、メモリー容量
（または温度補償回路）の大幅な節約になる。
【００２９】したがって、本構成によれば、印加電圧の
安全範囲に関する温度補償を施すことが、極めて単純か
つ容易になるという効果がある。
安全範囲に関する温度補償を施すことが、極めて単純か
つ容易になるという効果がある。
【００３０】
（実施例１の圧電アクチュエータの製造）圧電材料とな
るセラミックスの微粉末とバインダとの混合物にプレス
加工が施され、その後、ＣＩＰ（冷間静圧プレス）が施
された。プレス処理された混合物の成形体は、脱脂され
たのち、電気炉で１２００°Ｃに４時間保たれ、焼成さ
れた。こうして得られた焼結体は、外径１２ｍｍ、厚さ
０．５ｍｍに寸法を整えられ、その後、この焼結体の両
面には、銀ペーストがスクリーン印刷により塗布され
て、銀よりなる表面電極が形成された。
るセラミックスの微粉末とバインダとの混合物にプレス
加工が施され、その後、ＣＩＰ（冷間静圧プレス）が施
された。プレス処理された混合物の成形体は、脱脂され
たのち、電気炉で１２００°Ｃに４時間保たれ、焼成さ
れた。こうして得られた焼結体は、外径１２ｍｍ、厚さ
０．５ｍｍに寸法を整えられ、その後、この焼結体の両
面には、銀ペーストがスクリーン印刷により塗布され
て、銀よりなる表面電極が形成された。
【００３１】この表面電極の形成された焼結体が５０
枚、電極の向きを互い違いにして積層され、本実施例の
駆動装置および駆動方法に供される積層圧電アクチュエ
ータが製造された。 （実施例１の電流・電圧特性の測定＝１８０度分域反転
量の測定）上記圧電アクチュエータの１８０度分域反転
量を測定することを目的として、２０ＭＰａの圧縮応力
の下で、圧電アクチュエータの電流・電圧特性が測定さ
れた。その際の印加電圧は、±１０００Ｖの振幅の三角
波の波形で、０．１Ｈｚの周波数（したがって周期は１
０秒）であった。
枚、電極の向きを互い違いにして積層され、本実施例の
駆動装置および駆動方法に供される積層圧電アクチュエ
ータが製造された。 （実施例１の電流・電圧特性の測定＝１８０度分域反転
量の測定）上記圧電アクチュエータの１８０度分域反転
量を測定することを目的として、２０ＭＰａの圧縮応力
の下で、圧電アクチュエータの電流・電圧特性が測定さ
れた。その際の印加電圧は、±１０００Ｖの振幅の三角
波の波形で、０．１Ｈｚの周波数（したがって周期は１
０秒）であった。
【００３２】その結果、図３に示すように、ヒステリシ
スをもった電流・電圧特性が記録された。その電流波形
を詳しく説明すると、１８０度分域反転は、電流が急激
に増減するところで起こっており、図３中の領域Ｓ１，
Ｓ２の部分がこれに相当する。ここで、電流の大きさは
１８０度分域の反転の大きさを示し、電流×電圧の面積
（ハッチング部分の全面積）は、１８０度分域反転量の
全反転量（全１８０度分域反転量）に対応している。
スをもった電流・電圧特性が記録された。その電流波形
を詳しく説明すると、１８０度分域反転は、電流が急激
に増減するところで起こっており、図３中の領域Ｓ１，
Ｓ２の部分がこれに相当する。ここで、電流の大きさは
１８０度分域の反転の大きさを示し、電流×電圧の面積
（ハッチング部分の全面積）は、１８０度分域反転量の
全反転量（全１８０度分域反転量）に対応している。
【００３３】電流のピークＰ1 ，Ｐ2 は、電圧の正負両
側に現れている。この電流ピークＰ 1 ，Ｐ2 に対応する
電圧Ｖ1 ，Ｖ2 は、一般に抗電圧（圧電材料レベルでは
抗電界）と呼ばれている。したがって、１８０度分域反
転は、印加電圧が抗電圧Ｖ1，Ｖ2 を越える際に最も多
く発生する。なお、電流のピークＰ1 ，Ｐ2 が電圧の正
負両側に現れているのは、抗電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を越えると
１８０度分域（または分極の方向）が極性によって反転
する性質をもつからである。
側に現れている。この電流ピークＰ 1 ，Ｐ2 に対応する
電圧Ｖ1 ，Ｖ2 は、一般に抗電圧（圧電材料レベルでは
抗電界）と呼ばれている。したがって、１８０度分域反
転は、印加電圧が抗電圧Ｖ1，Ｖ2 を越える際に最も多
く発生する。なお、電流のピークＰ1 ，Ｐ2 が電圧の正
負両側に現れているのは、抗電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を越えると
１８０度分域（または分極の方向）が極性によって反転
する性質をもつからである。
【００３４】また、電流×電圧の面積（電圧による電流
の積分値）が１８０度分域反転量（または１８０度分域
反転領域）であり、全面積は全１８０度分域反転量に相
当する。すなわち、印加電圧を正から負に振る過程で印
加電圧が０Ｖになる時点における電流値で底辺が形成さ
れ、ピークＰ1 を頂点とする下に凸の電圧・電流領域
（斜線部分）の面積Ｓ1 を、「全１８０度分域反転量」
と定義する。そして、前述の印加電圧０Ｖの時点から、
負の所定電圧までの電圧・電流領域の面積（図中太枠の
領域）を、「１８０度分域反転量」と定義する。
の積分値）が１８０度分域反転量（または１８０度分域
反転領域）であり、全面積は全１８０度分域反転量に相
当する。すなわち、印加電圧を正から負に振る過程で印
加電圧が０Ｖになる時点における電流値で底辺が形成さ
れ、ピークＰ1 を頂点とする下に凸の電圧・電流領域
（斜線部分）の面積Ｓ1 を、「全１８０度分域反転量」
と定義する。そして、前述の印加電圧０Ｖの時点から、
負の所定電圧までの電圧・電流領域の面積（図中太枠の
領域）を、「１８０度分域反転量」と定義する。
【００３５】（本発明の安全範囲の設定基準の根拠とな
る試験）発明者らは、１８０度分域反転量に着目し、抗
電圧Ｖ1 ，Ｖ2 に基準をとって印加電圧制限を設けてい
る従来技術の考えに代えて、１８０度分域反転量を全１
８０度分域反転量Ｓ1 ，Ｓ2 の所定の割合に抑えること
による電圧制限を行うことを発想した。なぜならば、１
８０度分域反転量を制限することは、圧電材料内の分域
反転を制限することに直結し、材料の内部での微細な組
織の劣化を防ぐことになると考えたからである。
る試験）発明者らは、１８０度分域反転量に着目し、抗
電圧Ｖ1 ，Ｖ2 に基準をとって印加電圧制限を設けてい
る従来技術の考えに代えて、１８０度分域反転量を全１
８０度分域反転量Ｓ1 ，Ｓ2 の所定の割合に抑えること
による電圧制限を行うことを発想した。なぜならば、１
８０度分域反転量を制限することは、圧電材料内の分域
反転を制限することに直結し、材料の内部での微細な組
織の劣化を防ぐことになると考えたからである。
【００３６】そこで、発明者らは、１８０度分域反転量
が、全１８０度分域反転量Ｓ1 のどの程度の割合に制限
されていれば、圧電アクチュエータにクラックおよび割
れが生じないかを試験により明らかにした。試験には、
前述の圧電アクチュエータが供され、印加電圧の範囲の
高電圧側は５００Ｖに固定されて、低電圧側の印加電圧
の範囲が幾通りかに設定されていた。すなわち、負の印
加電圧の制限は、１８０度分域反転量が全１８０度分域
反転量の１０％，２０％，３０％，４０％，６０％，８
０％，１００％になる電圧にそれぞれ設定されて、試験
が行われた。その際の試験条件としては、温度５０°
Ｃ、負荷荷重５０ｋｇ（圧縮応力２０ＭＰａに相当）、
（印加電圧の安全範囲の上限下限の往復）繰り返し回数
１０5 回が適用された。
が、全１８０度分域反転量Ｓ1 のどの程度の割合に制限
されていれば、圧電アクチュエータにクラックおよび割
れが生じないかを試験により明らかにした。試験には、
前述の圧電アクチュエータが供され、印加電圧の範囲の
高電圧側は５００Ｖに固定されて、低電圧側の印加電圧
の範囲が幾通りかに設定されていた。すなわち、負の印
加電圧の制限は、１８０度分域反転量が全１８０度分域
反転量の１０％，２０％，３０％，４０％，６０％，８
０％，１００％になる電圧にそれぞれ設定されて、試験
が行われた。その際の試験条件としては、温度５０°
Ｃ、負荷荷重５０ｋｇ（圧縮応力２０ＭＰａに相当）、
（印加電圧の安全範囲の上限下限の往復）繰り返し回数
１０5 回が適用された。
【００３７】その結果、図４に示すように、３０％と４
０％との間で、クラックおよび割れの発生率が０％から
８０％に立ち上がっており、同発生率が急変する領域が
この間にあることが推測された。そこで、追試として１
８０度分域反転量の全１８０度分域反転量に占める率が
３３％および３７％の二つのケースについて、同様の試
験が行われた。すると、前者では発生率はゼロ、後者で
は発生率が３０％という試験結果が得られた。なお、図
４は、１８０度分域反転量と割れ・クラックの発生率と
の関係を示すグラフである。
０％との間で、クラックおよび割れの発生率が０％から
８０％に立ち上がっており、同発生率が急変する領域が
この間にあることが推測された。そこで、追試として１
８０度分域反転量の全１８０度分域反転量に占める率が
３３％および３７％の二つのケースについて、同様の試
験が行われた。すると、前者では発生率はゼロ、後者で
は発生率が３０％という試験結果が得られた。なお、図
４は、１８０度分域反転量と割れ・クラックの発生率と
の関係を示すグラフである。
【００３８】したがって、発明者らは、再び図３に示す
ように、１８０度分域反転量が全１８０度分域反転量Ｓ
1 の三分の一に達する電圧をもって印加電圧の安全範囲
の下限値Ｖlim1に設定した。以上の試験結果から、この
範囲に印加電圧の安全範囲Ｖ range1の一方が納まってい
れば、クラックおよび割れの発生率をほぼゼロに抑制で
きることが明らかになったからである。一方、印加電圧
の安全範囲の上限値は、特に５００Ｖに制限されている
必要はなく、装置設計上の都合等で適当に設定されて構
わない。
ように、１８０度分域反転量が全１８０度分域反転量Ｓ
1 の三分の一に達する電圧をもって印加電圧の安全範囲
の下限値Ｖlim1に設定した。以上の試験結果から、この
範囲に印加電圧の安全範囲Ｖ range1の一方が納まってい
れば、クラックおよび割れの発生率をほぼゼロに抑制で
きることが明らかになったからである。一方、印加電圧
の安全範囲の上限値は、特に５００Ｖに制限されている
必要はなく、装置設計上の都合等で適当に設定されて構
わない。
【００３９】（実施例１の圧電アクチュエータの駆動装
置および駆動方法）以上の試験結果と考察を踏まえて、
本発明の圧電アクチュエータの駆動装置が試験用に試作
され、本発明の駆動方法にしたがって運用されている。
すなわち、本実施例の駆動装置は、前述の圧電アクチュ
エータに、所定の範囲で電圧を印加して該アクチュエー
タを駆動する駆動装置であり、印加電圧制限手段を有す
る。同手段では、アクチュエータに印加される印加電圧
の下限値Ｖlim1は、当該印加電圧での圧電アクチュエー
タを形成している圧電材料の１８０度分域反転量が、圧
電材料の全１８０度分域反転量Ｓ1 の三分の一以下に収
まる安全範囲に設定されている。
置および駆動方法）以上の試験結果と考察を踏まえて、
本発明の圧電アクチュエータの駆動装置が試験用に試作
され、本発明の駆動方法にしたがって運用されている。
すなわち、本実施例の駆動装置は、前述の圧電アクチュ
エータに、所定の範囲で電圧を印加して該アクチュエー
タを駆動する駆動装置であり、印加電圧制限手段を有す
る。同手段では、アクチュエータに印加される印加電圧
の下限値Ｖlim1は、当該印加電圧での圧電アクチュエー
タを形成している圧電材料の１８０度分域反転量が、圧
電材料の全１８０度分域反転量Ｓ1 の三分の一以下に収
まる安全範囲に設定されている。
【００４０】つまり、本実施例の駆動装置では、予め安
全範囲設定過程において、安全範囲Ｖrange1は、圧電ア
クチュエータの印加電圧に対する電流の特性を測定する
ことにより設定されている。すなわち、電流・電圧特性
の測定により、圧電アクチュエータに印加される印加電
圧の負値領域において、各電圧に対応して、圧電アクチ
ュエータを形成している圧電材料の１８０度分域反転量
がそれぞれ求まる。この１８０度分域反転量が、圧電材
料の全１８０度分域反転量の三分の一以下に収まる電圧
に、安全範囲の下限値Ｖlim1が設定されている。
全範囲設定過程において、安全範囲Ｖrange1は、圧電ア
クチュエータの印加電圧に対する電流の特性を測定する
ことにより設定されている。すなわち、電流・電圧特性
の測定により、圧電アクチュエータに印加される印加電
圧の負値領域において、各電圧に対応して、圧電アクチ
ュエータを形成している圧電材料の１８０度分域反転量
がそれぞれ求まる。この１８０度分域反転量が、圧電材
料の全１８０度分域反転量の三分の一以下に収まる電圧
に、安全範囲の下限値Ｖlim1が設定されている。
【００４１】しかるのちに、駆動過程において、本実施
例の駆動装置は、印加電圧は安全範囲Ｖrange1内に制限
されて圧電アクチュエータに印加される。それゆえ、圧
電アクチュエータにクラックおよび割れを生じることな
く、圧電アクチュエータは十分に大きなストロークで駆
動される。 （実施例１の効果）以上詳述したように、本実施例の圧
電アクチュエータの駆動装置および駆動方法によれば、
圧電アクチュエータにクラックおよび割れを生じること
なく圧電アクチュエータを駆動することができるという
効果がある。したがって、圧電アクチュエータのストロ
ークを本来の設計値付近まで十分に作動させても、圧電
アクチュエータにクラックおよび割れが発生しない圧電
アクチュエータの駆動装置および駆動方法を提供するこ
とができた。
例の駆動装置は、印加電圧は安全範囲Ｖrange1内に制限
されて圧電アクチュエータに印加される。それゆえ、圧
電アクチュエータにクラックおよび割れを生じることな
く、圧電アクチュエータは十分に大きなストロークで駆
動される。 （実施例１の効果）以上詳述したように、本実施例の圧
電アクチュエータの駆動装置および駆動方法によれば、
圧電アクチュエータにクラックおよび割れを生じること
なく圧電アクチュエータを駆動することができるという
効果がある。したがって、圧電アクチュエータのストロ
ークを本来の設計値付近まで十分に作動させても、圧電
アクチュエータにクラックおよび割れが発生しない圧電
アクチュエータの駆動装置および駆動方法を提供するこ
とができた。
【００４２】換言すれば、本実施例により、従来の抗電
界のみに基づく印加電圧の安全範囲の設定に代わって、
より有効な圧電アクチュエータの印加電圧の安全範囲を
設定する手段を提供することができた。 （実施例１の変形態様１）実施例１と同様に、正の電圧
限界（上限値Ｖlim2）をもって、圧電アクチュエータの
印加電圧の安全範囲が制限されていてもよい。
界のみに基づく印加電圧の安全範囲の設定に代わって、
より有効な圧電アクチュエータの印加電圧の安全範囲を
設定する手段を提供することができた。 （実施例１の変形態様１）実施例１と同様に、正の電圧
限界（上限値Ｖlim2）をもって、圧電アクチュエータの
印加電圧の安全範囲が制限されていてもよい。
【００４３】すなわち、図５に示すように、印加電圧を
負から正に振る過程で印加電圧が０Ｖになる時点におけ
る電流値を底辺とし、正の電流ピークＰ2 を頂点とする
斜線の領域を、正の全１８０度分域反転量Ｓ2 と定義す
る。そして、正の１８０度分域反転量（太枠に囲まれた
領域）が、全１８０度分域反転量Ｓ2 の三分の一である
電圧をもって、印加電圧の安全範囲の上限値Ｖlim2と定
義する。
負から正に振る過程で印加電圧が０Ｖになる時点におけ
る電流値を底辺とし、正の電流ピークＰ2 を頂点とする
斜線の領域を、正の全１８０度分域反転量Ｓ2 と定義す
る。そして、正の１８０度分域反転量（太枠に囲まれた
領域）が、全１８０度分域反転量Ｓ2 の三分の一である
電圧をもって、印加電圧の安全範囲の上限値Ｖlim2と定
義する。
【００４４】したがって、印加電圧の正の最大値が下限
値Ｖlim2以下であれば良しとする。この場合、逆に負の
印加電圧については、特に制限を設ける必要は無い。 （実施例１の変形態様２）前述の印加電圧の安全範囲の
一方は、下限値Ｖlim1または上限値Ｖlim2に対して適正
な余裕（安全マージン）をとって設定されていてもよ
い。安全マージンの存在は、圧電アクチュエータの発揮
し得る性能を若干損ねるものの、圧電アクチュエータの
温度変化や製品間のばらつき、駆動装置のばらつきや電
源電圧の変動などに対する許容性を生じ、信頼性の向上
に寄与する。
値Ｖlim2以下であれば良しとする。この場合、逆に負の
印加電圧については、特に制限を設ける必要は無い。 （実施例１の変形態様２）前述の印加電圧の安全範囲の
一方は、下限値Ｖlim1または上限値Ｖlim2に対して適正
な余裕（安全マージン）をとって設定されていてもよ
い。安全マージンの存在は、圧電アクチュエータの発揮
し得る性能を若干損ねるものの、圧電アクチュエータの
温度変化や製品間のばらつき、駆動装置のばらつきや電
源電圧の変動などに対する許容性を生じ、信頼性の向上
に寄与する。
【００４５】（実施例１の変形態様３）前述の安全範囲
設定過程において、安全範囲を定める手段として、実際
に電流・電圧特性を測定する実測の他に、圧電アクチュ
エータの材料特性の統計資料や材料科学に基づく数値計
算により、推定または算定する手段もある。これらの手
段によれば、何らかの理由で電流・電圧特性の実測が困
難な場合にも、実測することなく安全範囲を設定するこ
とが可能になる。
設定過程において、安全範囲を定める手段として、実際
に電流・電圧特性を測定する実測の他に、圧電アクチュ
エータの材料特性の統計資料や材料科学に基づく数値計
算により、推定または算定する手段もある。これらの手
段によれば、何らかの理由で電流・電圧特性の実測が困
難な場合にも、実測することなく安全範囲を設定するこ
とが可能になる。
【００４６】（実施例１の変形態様４）本実施例が駆動
対象とする圧電アクチュエータとして、圧電素子単体や
積層圧電アクチュエータの他にも、バイモルフやユニモ
ルフを使用することも可能である。また、バイモルフや
ユニモルフを複数枚積層した圧電アクチュエータなど、
あらゆる種類の圧電アクチュエータに対して、本実施例
は適用可能である。
対象とする圧電アクチュエータとして、圧電素子単体や
積層圧電アクチュエータの他にも、バイモルフやユニモ
ルフを使用することも可能である。また、バイモルフや
ユニモルフを複数枚積層した圧電アクチュエータなど、
あらゆる種類の圧電アクチュエータに対して、本実施例
は適用可能である。
【００４７】〔実施例２〕前述の実施例１では、圧電ア
クチュエータの作動温度がほぼ一定であり、予測可能で
あることを暗黙裏に前提としていた。しかし、本実施例
では、圧電アクチュエータの温度がある程度大きな所定
の範囲で変化する場合を想定し、作動温度により電流・
電圧特性が変化する圧電アクチュエータに温度補償をし
て適正に駆動する手段を例示する。ここでいう適正な駆
動とは、クラックおよび割れを生じない範囲で圧電アク
チュエータのストロークを最大限にとることを意味す
る。
クチュエータの作動温度がほぼ一定であり、予測可能で
あることを暗黙裏に前提としていた。しかし、本実施例
では、圧電アクチュエータの温度がある程度大きな所定
の範囲で変化する場合を想定し、作動温度により電流・
電圧特性が変化する圧電アクチュエータに温度補償をし
て適正に駆動する手段を例示する。ここでいう適正な駆
動とは、クラックおよび割れを生じない範囲で圧電アク
チュエータのストロークを最大限にとることを意味す
る。
【００４８】（電流・電圧特性の温度変化）上記目的を
達成するには、作動範囲の各温度において、１８０度分
域反転量が全１８０度分域反転量の三分の一になる印加
電圧を測定、算定、または推定する必要がある。本実施
例では、実施例１と同一の圧電アクチュエータを試料と
して複数の温度において電流・電圧特性を測定した。
達成するには、作動範囲の各温度において、１８０度分
域反転量が全１８０度分域反転量の三分の一になる印加
電圧を測定、算定、または推定する必要がある。本実施
例では、実施例１と同一の圧電アクチュエータを試料と
して複数の温度において電流・電圧特性を測定した。
【００４９】その結果、圧電アクチュエータの抗電圧
は、温度が高くなるほど絶対値が低い（すなわちゼロに
近い）電圧になることが明らかになっている（圧電材料
一般になりたつ傾向である）。したがって、１８０度分
域反転量が全１８０度分域反転量の三分の一になる電圧
（ここでは便宜的に１／３電圧と呼ぶ）も、図６に示す
ように、温度が高くなるほどゼロに近づく。なお、図６
は、三分の一１８０度分域反転量時の電圧の温度特性を
示すグラフである。
は、温度が高くなるほど絶対値が低い（すなわちゼロに
近い）電圧になることが明らかになっている（圧電材料
一般になりたつ傾向である）。したがって、１８０度分
域反転量が全１８０度分域反転量の三分の一になる電圧
（ここでは便宜的に１／３電圧と呼ぶ）も、図６に示す
ように、温度が高くなるほどゼロに近づく。なお、図６
は、三分の一１８０度分域反転量時の電圧の温度特性を
示すグラフである。
【００５０】この試験では、室温から１５０°Ｃまでの
４点で電流・電圧特性が測定されており、このデータを
見るかぎり、温度と１／３電圧との間に極めて高い線形
性が認められる。それゆえ、温度と１／３電圧との関係
は、一次の直線（一次関数）で大きな誤差なしに表現さ
れうる。 （実施例２の駆動装置および駆動方法）以上の試験結果
を踏まえて、温度補償の可能な圧電アクチュエータの駆
動装置を試作し、圧電アクチュエータの温度を変化させ
て試験した。
４点で電流・電圧特性が測定されており、このデータを
見るかぎり、温度と１／３電圧との間に極めて高い線形
性が認められる。それゆえ、温度と１／３電圧との関係
は、一次の直線（一次関数）で大きな誤差なしに表現さ
れうる。 （実施例２の駆動装置および駆動方法）以上の試験結果
を踏まえて、温度補償の可能な圧電アクチュエータの駆
動装置を試作し、圧電アクチュエータの温度を変化させ
て試験した。
【００５１】本実施例の駆動装置１は、図７に示すよう
に、差動増幅器２０を中心とする温度補償回路２と、駆
動回路１０とを備えている。温度補償回路２は、温度セ
ンサ２３、温度測定回路２２、基準温度回路２１および
差動増幅器２０から構成されている。温度センサ２３
は、圧電アクチュエータ３に取り付けられているサーミ
スタであり、圧電アクチュエータ３の差動中の温度を逐
次検知する。温度測定回路２２は、温度センサ２３で検
知された信号に基づき、圧電アクチュエータ３の測定温
度に相当する電圧Ｔを出力する。測定温度電圧Ｔは、差
動増幅器２０の一方の端子に入力されるが、これと平行
して、基準温度に相当する電圧Ｔ’が、差動増幅器２０
の他方の端子に入力される。差動増幅器２０は、両者の
差（Ｔ−Ｔ’）を前述の一次関数の傾きに相当する倍率
で増幅して温度補償電圧Ｃを生成し、駆動回路１０に入
力する。
に、差動増幅器２０を中心とする温度補償回路２と、駆
動回路１０とを備えている。温度補償回路２は、温度セ
ンサ２３、温度測定回路２２、基準温度回路２１および
差動増幅器２０から構成されている。温度センサ２３
は、圧電アクチュエータ３に取り付けられているサーミ
スタであり、圧電アクチュエータ３の差動中の温度を逐
次検知する。温度測定回路２２は、温度センサ２３で検
知された信号に基づき、圧電アクチュエータ３の測定温
度に相当する電圧Ｔを出力する。測定温度電圧Ｔは、差
動増幅器２０の一方の端子に入力されるが、これと平行
して、基準温度に相当する電圧Ｔ’が、差動増幅器２０
の他方の端子に入力される。差動増幅器２０は、両者の
差（Ｔ−Ｔ’）を前述の一次関数の傾きに相当する倍率
で増幅して温度補償電圧Ｃを生成し、駆動回路１０に入
力する。
【００５２】駆動回路１０では、温度補償電圧Ｃに基づ
く温度補償が施され、印加電圧の下限値Ｖlim1または上
限値Ｖlim2が設定されている。そして、駆動回路１０
は、図示しない制御装置から入力される駆動信号Ｄによ
り、安全範囲（Ｖrange1またはＶrange2）内で適正な温
度補償の施されている印加電圧Ｆを生じ、圧電アクチュ
エータ３を駆動する。
く温度補償が施され、印加電圧の下限値Ｖlim1または上
限値Ｖlim2が設定されている。そして、駆動回路１０
は、図示しない制御装置から入力される駆動信号Ｄによ
り、安全範囲（Ｖrange1またはＶrange2）内で適正な温
度補償の施されている印加電圧Ｆを生じ、圧電アクチュ
エータ３を駆動する。
【００５３】ここで、各温度での電流・電圧特性による
１／３電圧（下限値ならＶlim1、上限値ならＶlim2）の
測定に基づく一次関数の設定と、これに等価の基準温度
電圧Ｔ’および差動増幅器２０の増幅率の設定は、安全
範囲設定過程に相当する。この安全範囲（上限下限の一
方が温度Ｔの一次関数）の下で、圧電アクチュエータ３
に駆動信号Ｄに基づいて印加電圧Ｆを与える駆動装置の
動作は、駆動過程に相当する。したがって、本実施例で
の駆動方法は、駆動装置１の設定と駆動装置１による圧
電アクチュエータ３の駆動により実施されている。
１／３電圧（下限値ならＶlim1、上限値ならＶlim2）の
測定に基づく一次関数の設定と、これに等価の基準温度
電圧Ｔ’および差動増幅器２０の増幅率の設定は、安全
範囲設定過程に相当する。この安全範囲（上限下限の一
方が温度Ｔの一次関数）の下で、圧電アクチュエータ３
に駆動信号Ｄに基づいて印加電圧Ｆを与える駆動装置の
動作は、駆動過程に相当する。したがって、本実施例で
の駆動方法は、駆動装置１の設定と駆動装置１による圧
電アクチュエータ３の駆動により実施されている。
【００５４】以上の構成と作用をもつ駆動装置１で圧電
アクチュエータ３を駆動したところ、アクチュエータ３
の作動温度が５０°Ｃ、１００°Ｃ、１５０°Ｃの場合
において、アクチュエータ３に全くクラックおよび割れ
が発生しないことが確認された。これに対する比較例と
して、圧電アクチュエータ３の作動温度が５０°Ｃで１
８０度分域反転量が全１８０度分域反転量の三分の一で
ある安全範囲に印加電圧が設定され、温度補償のないケ
ース（実施例１に相当）を試みた。その結果、比較例で
は、所定の温度である５０°Ｃでは所期の効果が発揮さ
れクラックおよび割れの発生率はゼロ％であったが、１
００°Ｃでは５０％、１５０°Ｃでは１００％のクラッ
クおよび割れの発生率であった。したがって、温度補償
なしには、たった５０°Ｃだけ作動温度が駆動装置の設
計温度より上昇しただけで、圧電アクチュエータ３の傷
みが激しくて不都合を生じる。
アクチュエータ３を駆動したところ、アクチュエータ３
の作動温度が５０°Ｃ、１００°Ｃ、１５０°Ｃの場合
において、アクチュエータ３に全くクラックおよび割れ
が発生しないことが確認された。これに対する比較例と
して、圧電アクチュエータ３の作動温度が５０°Ｃで１
８０度分域反転量が全１８０度分域反転量の三分の一で
ある安全範囲に印加電圧が設定され、温度補償のないケ
ース（実施例１に相当）を試みた。その結果、比較例で
は、所定の温度である５０°Ｃでは所期の効果が発揮さ
れクラックおよび割れの発生率はゼロ％であったが、１
００°Ｃでは５０％、１５０°Ｃでは１００％のクラッ
クおよび割れの発生率であった。したがって、温度補償
なしには、たった５０°Ｃだけ作動温度が駆動装置の設
計温度より上昇しただけで、圧電アクチュエータ３の傷
みが激しくて不都合を生じる。
【００５５】一方、本実施例のように温度補償があれ
ば、かなりの温度範囲でクラックおよび割れを発生させ
ることなく、圧電アクチュエータ３の能力を最大限に引
き出すことができるという効果がある。 （実施例２の作用効果）以上詳述したように、実施例２
の圧電アクチュエータの駆動装置と同装置により実施さ
れる駆動方法においては、実施例１と同様の作用効果
が、作動温度が大きな幅で変動する圧電アクチュエータ
３に対しても発揮されるという効果がある。すなわち、
実施例２の駆動装置および同装置で実施される駆動方法
では、実施例１の作用効果に加えて、以下に挙げる効果
がある。
ば、かなりの温度範囲でクラックおよび割れを発生させ
ることなく、圧電アクチュエータ３の能力を最大限に引
き出すことができるという効果がある。 （実施例２の作用効果）以上詳述したように、実施例２
の圧電アクチュエータの駆動装置と同装置により実施さ
れる駆動方法においては、実施例１と同様の作用効果
が、作動温度が大きな幅で変動する圧電アクチュエータ
３に対しても発揮されるという効果がある。すなわち、
実施例２の駆動装置および同装置で実施される駆動方法
では、実施例１の作用効果に加えて、以下に挙げる効果
がある。
【００５６】第１に、広い作動温度範囲で圧電アクチュ
エータ３にクラックおよび割れを生じることなく、最大
限のストロークを引き出すことが可能である。なぜなら
ば、本実施例の駆動装置１では、温度センサ２３および
温度測定回路２２からなる温度計測手段と、差動増幅器
２０を中心とする温度補償手段とが装備されている。上
記温度計測手段により、作動中の圧電アクチュエータ３
の温度が計測され、その温度Ｔでの圧電材料の抗電圧特
性（電流・電圧特性）に基づいて、最も適正な印加電圧
の安全範囲の補償Ｃが、上記温度補償手段により行われ
る。
エータ３にクラックおよび割れを生じることなく、最大
限のストロークを引き出すことが可能である。なぜなら
ば、本実施例の駆動装置１では、温度センサ２３および
温度測定回路２２からなる温度計測手段と、差動増幅器
２０を中心とする温度補償手段とが装備されている。上
記温度計測手段により、作動中の圧電アクチュエータ３
の温度が計測され、その温度Ｔでの圧電材料の抗電圧特
性（電流・電圧特性）に基づいて、最も適正な印加電圧
の安全範囲の補償Ｃが、上記温度補償手段により行われ
る。
【００５７】したがって、本実施例によれば、圧電アク
チュエータ３の作動温度が大きく変動する場合でも、そ
の温度で最適な安全範囲の設定が行われ、クラックおよ
び割れが発生する危険なしに、最大限に圧電アクチュエ
ータを駆動することができるという効果がある。すなわ
ち、設計時に予想された温度を外れた温度で圧電アクチ
ュエータ３が駆動される場合にも、クラックおよび割れ
が生じる心配がなく、圧電アクチュエータ３の信頼性と
寿命を向上させることができる。逆に言うと、温度の変
動を見込んで最も不利な条件下でもクラックおよび割れ
が発生することがないように、必要以上に安全側に印加
電圧の制限を設ける必要がなくなる。その結果、あらゆ
る作動範囲の温度で、クラックおよび割れの生じない限
界である最大限の駆動性能を圧電アクチュエータ３に発
揮させることが可能になるという効果がある。
チュエータ３の作動温度が大きく変動する場合でも、そ
の温度で最適な安全範囲の設定が行われ、クラックおよ
び割れが発生する危険なしに、最大限に圧電アクチュエ
ータを駆動することができるという効果がある。すなわ
ち、設計時に予想された温度を外れた温度で圧電アクチ
ュエータ３が駆動される場合にも、クラックおよび割れ
が生じる心配がなく、圧電アクチュエータ３の信頼性と
寿命を向上させることができる。逆に言うと、温度の変
動を見込んで最も不利な条件下でもクラックおよび割れ
が発生することがないように、必要以上に安全側に印加
電圧の制限を設ける必要がなくなる。その結果、あらゆ
る作動範囲の温度で、クラックおよび割れの生じない限
界である最大限の駆動性能を圧電アクチュエータ３に発
揮させることが可能になるという効果がある。
【００５８】第２に、温度補償回路の構成が極めて簡素
であり、前述のように有効な温度補償が安価に実施でき
るという効果がある。すなわち、本実施例の駆動装置で
は、圧電アクチュエータ３の温度Ｔと安全範囲との関係
が一次関数として温度補償回路２内に記憶されている。
ここで、基準温度Ｔ’および差動増幅器の増幅率が、上
記一次関数を一意に定めるパラメータに相当している。
であり、前述のように有効な温度補償が安価に実施でき
るという効果がある。すなわち、本実施例の駆動装置で
は、圧電アクチュエータ３の温度Ｔと安全範囲との関係
が一次関数として温度補償回路２内に記憶されている。
ここで、基準温度Ｔ’および差動増幅器の増幅率が、上
記一次関数を一意に定めるパラメータに相当している。
【００５９】したがって、本実施例の圧電アクチュエー
タの駆動装置および駆動方法によれば、印加電圧の安全
範囲に関する温度補償を施すことが、極めて単純かつ容
易になるという効果がある。
タの駆動装置および駆動方法によれば、印加電圧の安全
範囲に関する温度補償を施すことが、極めて単純かつ容
易になるという効果がある。
【図１】 本発明の印加電圧の安全範囲（下限値）を模
式的に示すグラフ
式的に示すグラフ
【図２】 本発明の印加電圧の安全範囲（上限値）を模
式的に示すグラフ
式的に示すグラフ
【図３】 実施例１の印加電圧の安全範囲（下限値）を
示すグラフ
示すグラフ
【図４】 １８０度分域反転量と割れ・クラック発生率
との関係のグラフ
との関係のグラフ
【図５】 実施例１の印加電圧の安全範囲（上限値）を
示すグラフ
示すグラフ
【図６】 三分の一１８０度分域反転量時の電圧の温度
特性を示すグラフ
特性を示すグラフ
【図７】 実施例２の駆動装置の構成および作用を示す
ブロック線図
ブロック線図
１：駆動装置 １０：駆動回路 ２：温度補償回路（温度補償手段） ２０：差動増幅器 ２１：基準温度回路 ２２：温度測定回路 ２３：温度センサ （２２＆
２３：温度計測手段） ３：圧電アクチュエータ（圧電素子） Ｃ：温度補償電圧 Ｄ：駆動信号 Ｆ：印加電圧 Ｔ：測定温度電圧 Ｔ’：基準温度電圧 Ｐ1 ，Ｐ2 ：電流ピーク（１：負電圧域 ２：正電圧
域） Ｓ1 ，Ｓ2 ：全１８０度分域反転量 Ｖ1 ，Ｖ2 ：抗電圧 Ｖlim1：電圧下限値
Ｖlim2：電圧上限値 Ｖrange1，Ｖrange2：印加電圧の安全範囲
２３：温度計測手段） ３：圧電アクチュエータ（圧電素子） Ｃ：温度補償電圧 Ｄ：駆動信号 Ｆ：印加電圧 Ｔ：測定温度電圧 Ｔ’：基準温度電圧 Ｐ1 ，Ｐ2 ：電流ピーク（１：負電圧域 ２：正電圧
域） Ｓ1 ，Ｓ2 ：全１８０度分域反転量 Ｖ1 ，Ｖ2 ：抗電圧 Ｖlim1：電圧下限値
Ｖlim2：電圧上限値 Ｖrange1，Ｖrange2：印加電圧の安全範囲
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 神谷 信雄 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 石川 友二 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 西川 千尋 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内
Claims (8)
- 【請求項１】圧電材料よりなり該材料の圧電効果によっ
て変位または力を生じる圧電アクチュエータに、所定の
範囲で電圧を印加して該アクチュエータを駆動する駆動
装置において、 前記アクチュエータに印加される印加電圧の上限値およ
び下限値のうち一方は、該一方の値の当該印加電圧での
前記圧電材料の１８０度分域反転量が、該材料の全１８
０度分域反転量の三分の一以下に収まる安全範囲に設定
されている印加電圧制限手段を有することを特徴とする
圧電アクチュエータの駆動装置。 - 【請求項２】前記圧電アクチュエータは、積層圧電アク
チュエータ、バイモルフおよびユニモルフのうちいずれ
かである請求項１記載の圧電アクチュエータの駆動装
置。 - 【請求項３】前記圧電アクチュエータの温度を測定する
温度計測手段を備えており、 前記印加電圧制限手段は、該温度計測手段により測定さ
れた温度に基づいて前記の上限値および下限値のうち一
方の値を設定する温度補償手段を有する請求項１記載の
圧電アクチュエータの駆動装置。 - 【請求項４】圧電材料よりなり圧電効果によって変位ま
たは力を生じる圧電アクチュエータに印加される印加電
圧の正値領域および負値領域のうち一方において、該圧
電材料の１８０度分域反転量が該材料の全１８０度分域
反転量の三分の一以下に収まる安全範囲を設定する安全
範囲設定過程と、 前記印加電圧を前記安全範囲内に制限して前記圧電アク
チュエータに印加する駆動過程とを有する圧電アクチュ
エータの駆動方法。 - 【請求項５】前記安全範囲設定過程において、前記安全
範囲は、前記圧電アクチュエータの印加電圧に対する電
流の特性を測定を行うことにより設定される請求項４記
載の圧電アクチュエータの駆動方法。 - 【請求項６】前記安全範囲設定過程において、前記安全
範囲は、前記圧電アクチュエータの材料特性の統計資料
および数値計算のうちいずれかに基づいて設定される請
求項４記載の圧電アクチュエータの駆動方法。 - 【請求項７】予め計測、数値計算および統計資料のうち
いずれかの手段により、前記圧電アクチュエータの使用
温度範囲での該アクチュエータの温度と前記１８０度分
域反転量との関係が求められており、 前記安全範囲設定過程においては、該温度の計測値また
は推定値に基づいて、前記関係により該温度での前記安
全範囲が設定される請求項４記載の圧電アクチュエータ
の駆動方法。 - 【請求項８】前記温度と前記安全範囲との関係が一次関
数として記憶されており、 前記安全範囲設定過程においては、前記圧電アクチュエ
ータの温度の計測値または推定値に基づいて、該一次関
数から当該温度での前記安全範囲が算出される請求項７
記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25863695A JP3274047B2 (ja) | 1995-10-05 | 1995-10-05 | 圧電アクチュエータの駆動装置および駆動方法 |
| US08/725,679 US5796206A (en) | 1995-10-05 | 1996-10-02 | Controller and controlling method for piezoelectric actuator |
| EP96115969A EP0767503B1 (en) | 1995-10-05 | 1996-10-04 | Controller and controlling method for piezoelectric actuator |
| KR1019960044671A KR100207758B1 (ko) | 1995-10-05 | 1996-10-04 | 압전 액추에어터의 조절기 및 조절 방법 |
| DE69616474T DE69616474T2 (de) | 1995-10-05 | 1996-10-04 | Verfahren und Einrichtung zur Steuerung eines piezoelektrischen Antriebs |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25863695A JP3274047B2 (ja) | 1995-10-05 | 1995-10-05 | 圧電アクチュエータの駆動装置および駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09102635A true JPH09102635A (ja) | 1997-04-15 |
| JP3274047B2 JP3274047B2 (ja) | 2002-04-15 |
Family
ID=17323027
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25863695A Expired - Fee Related JP3274047B2 (ja) | 1995-10-05 | 1995-10-05 | 圧電アクチュエータの駆動装置および駆動方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5796206A (ja) |
| EP (1) | EP0767503B1 (ja) |
| JP (1) | JP3274047B2 (ja) |
| KR (1) | KR100207758B1 (ja) |
| DE (1) | DE69616474T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012134428A (ja) * | 2010-12-24 | 2012-07-12 | Canon Inc | 圧電デバイスの駆動方法 |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19652807C2 (de) * | 1996-12-18 | 2002-08-29 | Siemens Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern eines kapazitiven Stellgliedes |
| DE19928183A1 (de) * | 1999-06-19 | 2001-01-04 | Bosch Gmbh Robert | Piezoaktor |
| US6376969B1 (en) | 2001-02-05 | 2002-04-23 | Caterpillar Inc. | Apparatus and method for providing temperature compensation of a piezoelectric device |
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