JPS62217880A - 圧電アクチユエ−タの駆動方法 - Google Patents

圧電アクチユエ−タの駆動方法

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JPS62217880A
JPS62217880A JP61061558A JP6155886A JPS62217880A JP S62217880 A JPS62217880 A JP S62217880A JP 61061558 A JP61061558 A JP 61061558A JP 6155886 A JP6155886 A JP 6155886A JP S62217880 A JPS62217880 A JP S62217880A
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JP
Japan
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voltage
piezoelectric actuator
output
displacement
target
Prior art date
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Application number
JP61061558A
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English (en)
Inventor
Hiroshi Goto
博史 後藤
Okifumi Hinoto
日戸 興史
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Omron Corp
Original Assignee
Omron Tateisi Electronics Co
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/802Drive or control circuitry or methods for piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for

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〉 この発明は、例えばxYステージの精密位置決め機構等
に用いられる圧電素子を積層して形成されるアクチュエ
ータC以下単に「圧電アクチュエータ」という)に関連
し、殊にこの発明は、この種圧電アクチュエータへ所定
の電圧を印加してこれを駆動するための圧電アクチュエ
ータの駆動方法に関する。
〈従来の技術〉 第4図は、この種圧電アクチュエークの通用例を示すも
ので、水平なベースl上に圧電アクチユエータ2が組み
込まれた精密位置決め機構3が配備されている。この精
密位置決めIa椹3は、基台部4と可動部5とを両側の
連結部6゜6で一体連結した構造であり、前記各連結部
6は複数のヒンジ部7を備えて、前記可動部5が昇降可
能な構造に形成されている。基台部4と可動部5との間
には前記圧電アクチュエータ2が介在させてあり、この
圧電アクチュエータ2へ電′a8より所定の電圧を供給
することにより、圧電アクチュエータ2を上下に伸縮変
位させて可動部5を昇降動作させる。
上記精密位置決め機構3を駆動するのに、従来は圧電ア
クチュ、エータ2の変位に対応する値の電圧を圧電アク
チュエータに一度に印加してこれを駆動する方法がとら
れている。第5図はこの電圧印加方法の具体例を示して
おり、第5図(11は矩形波電圧を、第5図(2)は三
角波電圧を、それぞれ圧電アクチュエータ2に印加する
ものである。
〈発明が解決しようとする問題点〉 いま圧電アクチュエータ2を所望量変位させるとき、第
6図11) (2)に示す如く、圧電アクチュエータ2
にはその変位に対応する電圧v2 (ただし図中、■、
は初期状態の電圧)を印加することになる。この場合に
電圧■2の印加で圧電アクチュエータ2は変位dだけ変
位するが、その後この電圧印加状態を保持するとき、圧
電素子内部の誘電分極が時間経過とともに生じてこれが
圧電アクチュエータ2の変位となって現れ、例えば0.
1 μm程度の変位ドリフトΔdが発生する。このため
例えば0.01μmの精度で位置決めを行いたい場合に
、圧電アクチュエータ2の変位を検出してフィードバン
ク制御する等の必要性が生じ、変位検出系やフィードバ
ック制御系等の導入による装置の複雑化を招き、もしこ
れらを導入しないときは変位ドリフトの影響により高精
度の位置決めが困難である等の問題があった。
この発明は、圧電アクチュエータへ電圧を印加する際、
変位ドリフトが生じないような圧電アクチュエータの駆
動方法を提供するもので、もって精密位置決め機構等に
おいて安定した高精度な位置決めを可能とすることを目
的とする。
く問題点を解決するための手段〉 上記目的を達成するため、この発明では、目標変位に対
応する目標電圧を印加して圧電アクチュエータを駆動す
る場合に、圧電アクチュエータに対し前記目標電圧を越
える操作電圧を一定時間与えた後、操作電圧を目標電圧
に戻してこれを保持するようにした。
第1図(11(21はこの発明にかかる圧電アクチュエ
ータの駆動方法の具体例を示す。
まず操作前の初期状態の電圧がV、であって目標電圧V
2がこの電圧V1より高い場合を想定すると、この場合
は圧電アクチュエータに対し目標電圧V2よりΔV1だ
け高い操作電圧を一定時間ΔLだけ与えた後、操作電圧
を目標電圧■zに下げてこれを保持するものである(第
1図(11のa部分を参照)。
この電圧印加方法によれば、圧電アクチュエータは第1
図(2)に示す如く、印加電圧波形に追随して変位する
もので、一旦目標変位dを越えて大きく変位した後、目
標変位dに戻り、その後は印加電圧を一定保持するも、
変位ドリフトは生じず、一定の変位を維持する。
つぎに初期状態の電圧が■、であって目標電圧V、がこ
の電圧■2より低い場合を想定すると、この場合は圧電
アクチュエータに対し目標電圧■、よりΔV、だけ低い
操作電圧を一定時間Δ【だけ与えた後、操作電圧を目標
電圧VIに上げてこれを保持するものである(第1図(
1)のb部分を参照)。
この電圧印加方法によれば、圧電アクチュエータは前記
同様、印加電圧波形に追随して変位するもので、一旦目
標変位dを下回って変位した後、目標変位dに戻り、そ
の後は印加電圧を一定保持するも、変位ドリフトは生じ
ず、一定の変位を維持する。
く作用〉 このように圧電アクチュエータに対し、目標電圧を越え
る操作電圧を一定時間与えると、その間に圧電素子内の
誘電分極の方向が揃うことになるため、その後操作電圧
を目標電圧に戻すときには、不安定な分子は存在しない
。従って操作電圧を保持して時間経過しても誘電分極は
生じず、圧電アクチュエータは変位せずに安定となる。
市販の圧電アクチュエータ(5m+5x51■X 9 
swr :日本電気株式会社製)を用いた場合、前記Δ
■1.ΔV、を印加電圧(V2−V、)の20%とし、
またΔtを10m5ec程度とすると、従来の駆動方法
では0.1μm/10秒の変位ドリフトがあったのに対
し、この発明の駆動方法では0.01μm/10秒以下
の変位ドリフトに抑えることができた。
〈実施例〉 第2図は、この発明の駆動方法を実施するのに用いられ
る圧電アクチュエータ駆動装置の回路構成例を示し、ま
た第3図は第2図に示す装置例のタイムチャートである
図示例において、ラッチ回路10.11は圧電アクチュ
エータへの印加電圧に相当する駆動データをラッチする
だめのものであり、一方のランチ回路lOは今回与えら
れた駆動データをラッチし、また他方のラッチ回路11
は前回与えられた駆動データをラッチする構成となって
いる。D/A変換器12.13はそれぞれラッチ回路1
0.11のラッチデータをアナログ信号(電圧)に変換
するだめのもので、各D/A変換器12.13のアナロ
グ出力はオペアンプ14に与えられて、その出力差が演
算され、さらにつぎのオペアンプ15は前記出力差の定
数倍を演算して出力する。
タイマ16は前記の時間Δtを設定するためのものであ
って、その出力をアナログスイッチ17の開閉制御信号
として機能させると共に、ノット回路18による反転出
力を他のアナログスイッチ19の開閉制御信号として機
能させる。
なお前記の時間Δtは10mec〜L secに設定し
、さらに望ましくは49m5ec程度に設定する。
前記D/A変換器12のアナログ出力はオペアンプ20
へ入力されるもので、またこのオペアンプ20には他の
入力としてアナログスイッチ17を介してアース電位が
、また他のアナログスイッチ19を介して前記オペアン
プ15の出力が、それぞれ選択的に与えられる。このオ
ペアンプ20の出力はアンプ21に与えられて整数倍(
k倍)され、これが圧電アクチュエータの印加電圧とし
て出力されて、圧電アクチュエータを駆動するものであ
る。なお図中、R1−R3やVR,はオペアンプ14.
15.20の回路を構成する抵抗や可変抵抗に関する回
路定数であり、第1図に示すオーバシュート1ΔV1.
Δ■ゎは可変抵抗の値VR,を調整することにより任意
に設定できる。
つぎに第2図の装置例の動作を説明する。
いま初期状態において、ラッチ回路10は圧電アクチュ
エータへ印加する電圧V、に見合う駆動データをラッチ
しており、D/A変換器12はこのラッチデータをアナ
ログ電圧v1に変換して出力している。一方タイマ16
の出力は“LOW”となっており、そのためアナログス
イッチ17がオン状態、またアナログスイッチ19がオ
フ状態となっている。よってオペアンプ20にはD/A
変換器12の出力電圧v1とアース電位とが与えられ、
つぎのアンプ21は電圧v1をに倍した電圧V、(=k
vL)を圧電アクチュエータへ出力することになる。
つぎにランチ回路10に対し、圧電アクチュエータへ印
加する電圧■2に見合う駆動データがラッチ信号ととも
に入力され、これによりラッチ回路lOはこの駆動デー
タをラッチする。
一方他のラッチ回路11の方は前記ランチ信号が送出さ
れてくる瞬間、前記ランチ回路10が先程ラッチしてい
た前回の駆動データをラッチする。これにより一方のD
/A変換器12からはアナログ電圧v2が、また他方の
D/A変換器13からはアナログ電圧■1が、それぞれ
出力され、これら電圧vl+  v2はオペアンプ14
に与えられる。このオペアンプ14では両電圧の差(v
2−vI)が演算され、さらにつぎのオペアンプ15で
これに定数倍してつぎの出力電圧V。U□が得られる。
ところで前記タイマ16はラッチ信号の入力と同時にパ
ルス幅(前記Δtに相当する)が数十m s e cの
パルスを出力する。このパルス出力が出力される間は一
方のアナログスイッチ19がオン状態、他方のアナログ
スイッチ17がオフ状態となり、オペアンプ20にはD
/A変換器12のアナログ電圧v2とオペアンプ15の
前記出力電圧v outとが与えられる。これによりオ
ペアンプ20はつぎの0式で示す電圧v ’ ourを
出力し、さらにアンプ21はこの電圧V′。0゜をに倍
した電圧V(0式で示す)を圧電アクチュエータへ出力
する。
・・・・・・・・ ■ ・・・・・・・・ ■ ただしv、=kvL、V、=kv、である。
タイマ16のパルス出力が終了すると、アナログスイッ
チ17.19の各スイッチ状態が逆転し、オペアンプ2
0にはD/A変換器12の出力電圧v2とアース電位と
が与えられ、アンプ21は電圧v2をに倍した電圧Vz
 (=k V Z )を圧電アクチュエータへ出力する
ことになる。
このような方法で圧電アクチュエータへ電圧を印加すれ
ば、圧電アクチュエータは第3図に示す印加電圧波形に
追随して変位するもので、一旦目標変位を越えて大きく
変位した後、目標変位に戻り、その後は印加電圧を一定
保持するも、変位ドリフトは生じず、一定の変位を維持
する。
なお初期状態の電圧がv2であって、これより低い目標
電圧V、を印加する場合も上記と同様であり、ここでは
オーバシュートiを第3図に示してその説明を省略する
が、この場合も圧電アクチュエータは印加電圧波形に追
随し、一旦目標変位を下回って変位した後、目標変位に
戻るものである。
〈発明の効果〉 この発明は上記の如く、圧電アクチュエータに対し目標
電圧を越える操作電圧を一定時間与えて圧電素子内の誘
電分極の方向を揃えた後、操作電圧を目標電圧に戻して
これを保持するようにしたから、保持電圧印加状態下で
時間が経過しても誘電分極は生じず、圧電アクチュエー
タは変位しない。従って圧電アクチュエータには変位ド
リフトが生じず、精密位置決め機構等において安定した
高精度な位置決めを実現できる。また高精度の位置決め
を行うのに、圧電アクチュエータの変位を検出する系や
、その検出量をフィードバック制御する系等が全く不要
であるため、装置の簡易化が可能である等、発明目的を
達成した顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の駆動方法を示す波形説明図、第2図
はこの発明の実施に用いられる装置例の回路ブロック図
、第3図は第2図の装置例のタイムチャート、第4図は
圧電アクチュエータの適用例を示す説明図、第5図およ
び第6図は従来の駆動方法を示す波形説明図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 目標変位に対応する目標電圧を印加して圧電ア
    クチュエータを駆動する方法であって、圧電アクチュエ
    ータに対し前記目標電圧を越える操作電圧を一定時間与
    えた後、操作電圧を目標電圧に戻してこれを保持するこ
    とを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。
  2. (2) 前記目標電圧が初期状態の電圧より高い場合に
    おいて、前記圧電アクチュエータに対し目標電圧より高
    い操作電圧を一定時間与えた後、操作電圧を目標電圧に
    下げてこれを保持する特許請求の範囲第1項記載の圧電
    アクチュエータの駆動方法。
  3. (3) 前記目標電圧が初期状態の電圧より低い場合に
    おいて、前記圧電アクチュエータに対し目標電圧より低
    い操作電圧を一定時間与えた後、操作電圧を目標電圧に
    上げてこれを保持する特許請求の範囲第1項記載の圧電
    アクチュエータの駆動方法。
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