JPS61237110A - 圧電素子駆動装置 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、圧電素子を所定量変位せしめるため１；、Ｒ
還回路を備える駆動装置Ｃ：関する。

（ロ）従来の技術 電子スチルカメラ（Ｅｌ経マグロウヒル社発行の雑誌日
経エレクトロニクス１９８４年１２Ｅｉ号８０〜８５Ｐ
参照］の記録再生装置（二焚いて。

１フレ一ム信号を記録・再生する場合は、まず１つのト
ラック（１フイールド目］を記録再生した後４：、速や
か（：次のトラック（２フィールド目］Ｃ：磁気ヘッド
を移動させて１次のトラックを記録再生する必要がある
。

このことを第５図及び第６因を参照しつつ説明する。図
１：於−て、（１）は映像信号がトラック（２）ｌニー
ＦＭ変調記録された磁気ディスク（ビデオフロッピー〕
であり、このトラック（２）は４０１ＡＷＪのガートバ
ンドを隔てて１００戸ｍピッチで同心円状に配されて−
る。（３）はヘッド幅４０ｐｍの磁気ヘッドである。（
４）は磁気ヘッド（３）が取り付けられたヘッドマウン
トである。このへラドマウント（４）は。

ヘッドアクセス用モータ（５ハニよりて回転するウオー
ムギア（６）と噛合しており、このモータ（５ンを回転
させることＣ二よりヘッド（３）を移動できる。（７１
は。

５６０ａｒｐｒｎで磁気ディスク（１）を回転させるデ
ィスク駆動用モータである。

しかし、このような装置で２トラツクの信号を連続して
再生しようとしてもヘッド（３）と共Ｃ二部く部分が多
りので、ヘッド（３）の移動が速やかＣ；行なわれない
。

このため、この磁気ヘッドを速やかＣ；移動させるため
６：、例えば特開昭５９−１６１６５号覗；示されるよ
うＣ；磁気ヘッドを圧電素子（バイモルフ）Ｉ：取り付
け、この圧電素子（二電圧を印加することにより磁気ヘ
ッドを移動させることが考えられる。

つまり、第７図Ｃ二足すよう（：、バイモルフ　（８）
（：ｌ−ヘッド（３）を取り付けて端子（９）（９）間
（：駆動電圧を印加してバイモルフ（８）全磁気ディス
ク（１）の半径方向６二１００μｍ変移させ、トラック
をトレースする。

この時、バイモルフに加わる応力及び共振がなければ、
加える駆動竜圧響：よって、バイモルフの変位量が一義
的６：決められる。このため、目的の変位量（１００μ
ｍ〕を得るため４：は、所定の駆動電圧を印加すればよ
い。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 しかし、実際（：は、外部からの応力Ｃ二よる外乱及び
、バイモルフ自身の機械的な共振（二より、駆動電圧と
変位量が対応し、ない。

本発明は、上記の点（：鑑みてなされたものであり、バ
イモルフの実際の変位量を検出し、この値をフィードバ
ックすることＣ；より、バイモルフを所定の位置まで変
位せしめるものである。

尚、特開昭５７−１８０２１号（：も、バイモルフの変
位量を検出し、この値をフィードバックするものが示さ
れている。しかし、これは、バイモルフの共振点付近の
変位量のみを検出してフィードバックするものであり、
共畿点以外の周波数の外乱（二は効果がない。

に）問題点を解決するための手段 本発明は、圧電素子を駆動する駆動回路と、駆動電流を
積分する積分回路と、この積分回路からの出力値から駆
動電圧検出回路からの出力値を減算する減算回路と、こ
の減算回路からの出方信号を駆動回路（：帰還させる帰
還回路とを、備える圧電素子駆動装置である。

（ホ）作　用 上記の構成Ｃ：より１本厘の圧電素子駆動装置が、どの
よう（−動作するかを説明するために、まず、圧電素子
の特性を説明する。

尚、この特性は、圧電素子の特性を示す数式より導ひき
だせる（後述）。

しかし、説明を簡単にするためＣ二、数式を使わす１：
概念的≦二以下１：圧電素子の特性を説明する。

周知の如く、バイモルフを構成する圧電素子は等価回路
的（ユは、コンデンサとして表わされる。

又、圧電素子は応力を加えること蓬：より、歪に応じた
電荷を発生し、逆（：印加した電荷ｉｌ（：応じた歪を
生ずる。

そこで、圧電素子は、第３図Ｃ二足す様１：２つの容量
素子（ＣＩ）（Ｃ２）Ｃより表わされるものと考える。

この容量素子（Ｃ２〕は、圧電素子がどのような状態Ｃ
二なりても一定の容量を持ったコンデンサとして働く。

このため、このコンデンサ（Ｃ２］砿：蓄積される電荷
（Ｃ２）は、駆動電圧ωと一定関係（：なる。そして容
量素子（Ｃ１〕は圧電素子の実際の変位量（：応じた電
荷（Ｑｌ）を蓄積する。

このよう（−１圧電素子は、上記の様な容量素子（ｃｔ
）（ｃｚ）を備える。そして、容量素子（Ｃ１）は、変
位量（：対応した電荷を蓄積する。

本願は、基本的Ｃ：は、この容量素子（Ｃ１）の電荷（
Ｑｌ　）を検出して、これをフィードバックして変位量
を制御するものである。

そして、本願では、この容量素子（Ｃｔ）の電荷（Ｑｌ
）を検出するためζ：、まず第６図口示すｉ［Ｅ　ｆｉ
　（Ｉ）　ｔ−積分シテ容量素子（Ｃ１）（Ｃｚ）＋ニ
ー蓄積された合計電荷（Ｑ１＋Ｑ２）を検出する。その
後１：、駆動電圧ωを使りて、コンデンサ（Ｃ２〕（；
蓄積された電荷を算出する。そして１合計電荷（Ｑ１＋
Ｑ２）よりコンデンサ（Ｃ２）の電荷（Ｃ２］を減算し
て、コンデンサ（Ｃ１）の電荷（ＱＬ）を算出する。

そして、この電荷（Ｑｌ）の値を、フィ“−ドパツクす
ることＩ：より、圧電素子を所定位１ｔまで変位せしめ
る。

（へ）実　施　例 第１図を参照しつつ１本発明の一実施例を説明する。

第１図（：於いて、α〔はパイ“モルフ（圧電素子］。

αυは信号源、ａりは増幅器、（Ｉ３はバイモルフ顛を
駆動する駆動回路である。ＩはバイモルフｃＬＧ（：流
れる電流を検出するための抵抗であり、この抵抗Ｉは駆
動電流検出回路を形成している。翰は抵抗α滲からの信
号を積分する積分回路である。この積分は増幅器である
。この増幅器αυはバイモルフａ〔の駆動電圧を検出す
る駆動電圧検出回路を形成すると共に、この駆動電圧値
から、第３因のコンデンサ（Ｃ２］の電荷量（Ｑ　２　
）　ｇ：ｌ一対応する値を算出して出力する。■は積分
回路−からの信号値から、駆動電圧検出回路（ｌＩから
の信号値を引く減算回路である。この減算回路（至）か
らの出力信号値は、第５図の電荷（Ｃ１月：対応する値
を出力する。つまりバイモルフｕ（Ｉの実際の変位量Ｃ
：対厄する値を出力する。＠＃２帰還回路であり、フィ
ードバック制御をする場合に当然用いられる周知の位相
補償回路である。

上記装置の動作を説明する。まず、信号源（１１）より
バイモルフ（Ｉｔ−所定量変位させる信号が出力される
。そして、駆動電圧検出回路Ｃｌ１１は駆動電圧を検出
する。又、抵抗α４は駆動１１Ｒｆ：検出しこれを積分
回路ａｌｅ　ｃ出力する。減算回路■は、積分回路−の
出力信号値から、駆動電圧検出回路（１１の出力１１号
値を引いて、バイモルフαＱの実際の変位量を導出する
。そして、この値を位相補償回路のを介して駆動回路α
唱：フィードバックする。このため。

バイモルフａ〔の変位ｔに、所定の値（：なるよう制御
される。

次（：、本願をカラーインクジニックプリンタのインク
ジェットヘッド６：応用した例を第２図を参照しつつ説
明する。このインクジェットヘッドは。

例えば特公昭５７−２０９０６号公報Ｉ：示される様（
；、圧電素子の変位（二よりインクを噴出するものであ
る。尚、第２図Ｃ；於いて、第１図と同様な働きをする
部分（二は、同一符号を付して、その説明を省略する。

第２図Ｃ；於いて、田はインク、＠は噴出されたインク
、（ロ）はインク流入路、（至）は円盤型の圧電素子、
（至）は円型の振動板、（４Ｇはノズルである。

上記装置の動作を簡単Ｃ；説明する。まず、信号源αυ
より圧電素子（至）を所定量変位させる信号が出力され
る。この圧電素子国の変位（第２図点線４２参照］（二
より、インク田がノズル（４Ｇより噴出される。この噴
出されたインクｔ３７Ｊは記録紙（図示せず月：ｉ’Ｊ
達する。又、減算回路（イ）からを２この圧電素子□□
□の実際の変位量（：応じた値が出力され、駆動回路（
Ｌ３ｔ−フィードバック制−する。このため。

圧電素子（至）の変位量が制御されるため、噴出するイ
ンク国ヲ正しく制御出来る。

ところで、今までは、説明を簡単Ｃｚするため（：。

＠３図≦：示す容量素子（Ｃ１）（Ｃｚ）を圧電素子が
持つものとして記述した。

以下数式全便りて、圧＊素子の特性を導き出す。

尚、圧電素子は、第２図のインクジェットヘッド６二用
いられる円盤型を例Ｉニジて説明する。

尚、圧電素子の基本的な諸特性仁りいては、例えば学献
社が１９６９年９月１５日（二初版金発行した「岡崎清
著、セラミック誘電体工学」等６；記述されているので
、その詳細を省略する。

圧電素子Ｃ二加わる６力Ｔ、［＃Ｅ、電束密度り及び歪
みＳ（圧電素子の変位量（二対応］の関係は。

周知の如く下記の圧電方程式で表わせる。

５５ｍ５”Ｔ＋ｄＥ　　　　　　　（１）Ｄ−ｄ’Ｔ　
＋ｇ　ＴＥ　　　　　　（２）ここで８８はＥ−０の時
のコンプライアンス、Ｃ７はＴ−０の時の誘電率である
。又、歪みＳ応カＴは、第４図の！、７．Ｚ軸の伸長と
、各軸（＝垂直な面での、ずれの歪みと応力であり、計
６つの成分子ｔＭするベクトルである。又　ｄｌはｄの
転置行列である。尚、今回は、圧電素子が第４図の様な
円盤型のものとし、この円盤の径方向の振動Ｉ：関して
解く。

まず（１）式を解く。

この場合、円盤の径方向の振動なので以下の様Ｃ二なる
。

Ｔ　ＩＩＩｅＴ　２−Ｔｐ（３） Ｔ３−Ｔ４ｍＴｓ、Ｔａｘ□　　　　　　　　　　（４
）Ｅｌ＝Ｅ２＝０　　　　　　　　　　　　　　　（５
）よって Ｓｌ、ｄは各々６Ｘ６６×３のテンソルであるが、全て
の成分が存在するわけでを１なく、存在する成分（二つ
いてのみ考慮し、（６）式を各成分Ｃ二分解すると、 Ｓ１電ｓｘ１”Ｔｐ＋ｓｘｚ”Ｔ、ｐ＋ｄ３ｘＥｓ　　
　（７）Ｓｚ＝ｓｌｚ”Ｔｐ＋ｓｔｔ”Ｔｐ＋ｄａｘＥ
ａ　　　（ｓ）Ｓａ−ａｘ３”Ｔｐ＋ｓｔｓ”Ｔｐ＋ｄ
３ｓＥａ　　　（９）となり、　（７１（８）弐ｔ−次
の様ζ；表せる５ｐ−８１−８ｓ、−（ａ　１１”＋８
１２　”　）Ｔｐ＋ｄｓ　ＩＥ３翰 同曲ミ２）式は下記の様Ｃ二なる。

Ｄ１翼しａ　１　”Ｅａ　　　　　　　　　　　　　α
υＤ　２　ｗ　ｇａｔ”Ｅａ　　　　　　　　　　　　
　ａ３ｐ３■２ｄ３ｔＴｐ＋感３３“Ｅａ（Ｌ３以上よ
り、注目する方向（極方向］のＥＥ！万程式は下記の様
（：表わせる。

Ｓｐ植）ｔｌ”＋ａ１ｚ”ＪＴｐ＋ｄｓｘＥｓ　　　（
ＬイＤ３−２ｄａｔＴｐ＋ｇａａ“Ｅａ　　　　　　　
（Ｌ３’（１Ｇ（１３式よりＴｐを消去すると。

５ｐ−（ｓｘｔ”＋ｓｔｚ”）二’　　ＣＤ３−ｇ３３
”Ｅａ）ｄ３１ ＋ｄｓｔＥｓ　　　　　　　　　　　　（１４）ここで
、結晶（圧電素子）會束縛して動かない状態（Ｓｐ−０
３とし、圧電素子を束縛した時の誘電率ｔ−ε３３′と
するとＩ式は次のよう（：書き表わせる。

−ａｓｓ’Ｅｓ　　　　　　　　　　　　　　（１！９
つまり、欠の様Ｃ；なる。

ところで１周知の如く圧電素子を束縛して動かない状態
の時の静電容量をＣｃｚ、自由な時の容量ｔ−Ｃ′とし
、ｉｌ！気機械結合系数をに１とするとその関係は周知
の如く下記の様Ｃ；表わせる。

（Ｌｌ１９式及びｌ１式より 舖式をＩ式１：代入すれば −）　Ｋ　ｓ　） ＋Ｓ１２″】 そして、”ｇ極面積ｔ−８ｐｚｔ、厚みをｔｐｚｔとし
、圧電素子Ｉ：流入込む電流ｔ−Ｉ、印加される電圧ｔ
−ｖとすると、 となりｃＩＣ弐〇υ式をＣ１１式（二代入する。

（１−ｋ”）Ｖ）　　　　　　　　　　　のここで、圧
電素子を束縛しない時の、静電容量Ｃｐｚｔは当然のこ
とながら次の様（：表わせる。

０式（ハ）式より −ｋｐ”）Ｖ）　　　　　　　　　　　　（２４１つま
り Ｓｐａ：ＪＩｄｔ−Ｃｐｚｔ（１−ｋ”）Ｖ　　　１５
となる。上式より、歪みＳｐは電流工の積分値と電圧Ｖ
より算出した値６；対厄することが判る。

６式及び第２図を参照しつつ、第２図の回路の動作をも
う一度説明する。尚、抵抗α４の抵抗値を（Ｒｏ）、抵
抗ａ四の抵抗値を（Ｅｏ、コンデンサαｎの容量を（Ｃ
３〕とする。

圧電素子（至）の駆動時（−１駆動電流工は抵抗値の小
さい抵抗α４を通りて流れ込む。この時、積分回路（１
６１から出力される信号は欠の様６２表わされる。

尚（Ｒｏ　／／　Ｒ）Ｈ合成抵抗である。又、駆動電圧
検出回路組ｅからはβＶの信号が出力される。そして、
ｃ！ｅ式より明らかな様（：１積分回路（１６１からの
出力＃２マイナス値なので減算回路（至）で両値を加算
する。つまり、減算回路（７）からの出力は欠の様１：
なる。

ここで助成と（至）式を対比する。つまり。

と決めれば、減算回路（至）からは圧電素子国の歪み（
：対応した電圧が出力され、これをフィードバックする
ことＣ二より、制御が為５される。

とｃ６で、に％、Ｃｐｚｔ　、ｔｐｚｔ、ｄ３１の値は
、圧電素子Ｃ二より定まる定数である。例えばの円盤型
の圧電素子を使りた場合、歪みＳｐは上記の定数ｔ−（
２４１式（二代入すれば求められる。この場合は下記の
様Ｃ二なる。

５ｐ＝４１ｓ、ａ＜ｆ　Ｉｄｔ−ｐ、５４ｚｘ１ｏ−’
°Ｖ）　（２９尚１本顯では、径方向ζ：振動する円盤
型の圧電素子一ついてのみ数式を使って説明したが、６
式は他の圧電素子についても適応可能である。

（ト）発明の効果 上記の如く、本発明口よれば、圧電素子の駆

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図である。 第２図は本発明の他の実施例を示す図である。 第３図は本発明を判り易くするため（二設けた図である
。 第４図は円盤型の圧電素子を示す図である。 第５図、第６因、８７図は従来例を示す図である。 Ｉｌｌ・・・バイモルフ（圧電素子）、（１３・・・駆
動回路、αか・・抵抗（駆動電流検出口路）％叫・・・
積分回路。 αｌ・・・増幅器（駆動電圧検出回路〕、（イ）・・・
減算回路、■・−位相補償回路（４還回路）、＠・・・
圧電素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電素子を駆動する駆動回路と、 前記圧電素子の駆動電圧を検出する駆動電圧検出回路と
   、 前記圧電素子の駆動電流を検出する駆動電流検出回路と
   、 前記駆動電流検出回路からの信号を積分する積分回路と
   、 前記積分回路の出力信号から前記駆動電圧検出回路の出
   力信号を減算する減算回路と、 前記減算回路からの信号を前記駆動回路にフィードバッ
   クする帰還回路とを、 備えることを特徴とする圧電素子駆動装置。