JPS6273787A - Displacement generator - Google Patents

Displacement generator

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JPS6273787A
JPS6273787A JP60213744A JP21374485A JPS6273787A JP S6273787 A JPS6273787 A JP S6273787A JP 60213744 A JP60213744 A JP 60213744A JP 21374485 A JP21374485 A JP 21374485A JP S6273787 A JPS6273787 A JP S6273787A
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JP
Japan
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displacement
actuator
units
unit
hysteresis
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Application number
JP60213744A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Kondo
雄 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPS6273787A publication Critical patent/JPS6273787A/en
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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
    • H10N30/802Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Landscapes

  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

PURPOSE:To obtain a displacement generator which can improve the reproducibility of a displacing position without an effect of the hysteresis of a piezoelectric actuator by composing the actuator of a plurality of actuator units having different displacing amounts, and selectively driving the units ON, OFF. CONSTITUTION:The first to sixth units 61-66 are selectively driven ON, OFF in response to a displacement set signal to be controlled for displacement without hysteresis by resolution of 6 bits to the set signal. That is, when the signal is '1', only the first unit 21 is driven, when the signal is '2', only the second unit 22 is driven, when the signal is '3', the units 21, 22 are driven, and the units can be controlled to be displaced in relation of integer number times of the displacement of the first unit 21 of the minimum displacement. Thus, the effect of the hysteresis of a piezoelectric actuator can be eliminated to improve the reproducibility of th displacing position.

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、圧電アクチュエータを用いた変位発生装置の
改良に係わり、特に圧電アクチュエータのヒステリシス
の問題を解決した変位発生装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field of the Invention] The present invention relates to improvements in displacement generating devices using piezoelectric actuators, and particularly to a displacement generating device that solves the problem of hysteresis in piezoelectric actuators.

〔発明の技術的背景とその問題点〕[Technical background of the invention and its problems]

圧電アクチュエータは、微小変位を与えるための装置と
して小型軽量であり、応答速度が速い、発熱しない、消
費電力が小さい、他の部品への磁気的影響がない等の数
々の利点を有している。このため、半導体製造装置にお
けるマスクの位置合わせ、レーザビームの偏向装置、V
TRのオートトラッキング、或いは特開昭58−292
75号及び特開昭58−130677号公報等に見られ
るような高解像性Fi象方式でのアクチュエータ等、様
々な分野への応用が期待できる。
Piezoelectric actuators are small and lightweight devices for applying minute displacements, and have numerous advantages such as fast response speed, no heat generation, low power consumption, and no magnetic influence on other parts. . For this reason, mask positioning in semiconductor manufacturing equipment, laser beam deflection equipment, V
TR auto tracking or JP-A-58-292
The present invention can be expected to be applied to various fields, such as high-resolution Fi-image type actuators as seen in No. 75 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-130677.

しかしながら、圧電アクチュエータはヒステリシスと云
う欠点を有しており、これが微小な位置制御を行う上で
の大きな障害となっている。ヒステリシスとは、第4図
に示す如く、電圧上昇時と電圧下降時とで変位量に差の
でる現象であり、初期変位点Paと最終変位点Piとに
挟まれた部分では、同一の電圧であっても同一の変位量
を示さない。このため、変位位置の再現性が低下するこ
とになる。なお、ヒステリシスは、圧電アクチュエータ
の形状や圧電体の種類、印加される駆動電圧等により左
右されるが、一般には与えた変位量に対して、大略10
〜30[%]程度のヒステリシス醋があることが知られ
ている。ここで述べたヒステリシスIHは、印加電圧V
のときの変位量(最終変位点)をり、電圧上昇時におけ
る印加電圧V/2のときの変位量をDr、i!電圧下降
時おける印加電圧V/2のときの変位量を[)fとする
と H=  ((Dr  −Or  )/D)xl 00と
表わされる。
However, piezoelectric actuators have a drawback called hysteresis, which is a major obstacle in performing minute position control. As shown in Figure 4, hysteresis is a phenomenon in which the amount of displacement differs when the voltage increases and when the voltage decreases. However, they do not show the same amount of displacement. For this reason, the reproducibility of the displacement position is reduced. Note that hysteresis depends on the shape of the piezoelectric actuator, the type of piezoelectric material, the applied drive voltage, etc., but in general, the hysteresis is approximately 10% relative to the applied displacement amount.
It is known that there is a hysteresis of about 30%. The hysteresis IH described here is based on the applied voltage V
The amount of displacement (final displacement point) when , and the amount of displacement when the applied voltage is V/2 when the voltage increases is Dr, i! If the amount of displacement when the applied voltage is V/2 during the voltage drop is [)f, it is expressed as H=((Dr − Or )/D)xl 00.

一方、上記のヒステリシスを無くすために、例えば特公
昭54−29359号等に見られるように、変位を検知
するセンサを備えたクローズトループにより圧電アクチ
ュエータの変位を制御する方法が提案されている。しか
し、センサを用いた制御法は一般に装置が大掛りになる
ばかりでなく、コストも高くなり、また小型化も困難で
ある等の数々の欠点を有している。このため、センサ等
を用いない簡単な制御方法で圧電アクチュエータのヒス
テリシスを無くすことが望まれている。
On the other hand, in order to eliminate the above-mentioned hysteresis, a method has been proposed in which the displacement of a piezoelectric actuator is controlled by a closed loop equipped with a sensor for detecting displacement, as seen in, for example, Japanese Patent Publication No. 54-29359. However, the control method using sensors generally has a number of drawbacks, such as not only requiring a large-scale device, but also increasing cost and making it difficult to downsize the device. Therefore, it is desired to eliminate the hysteresis of the piezoelectric actuator using a simple control method that does not use sensors or the like.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、センサ等を用いることなく簡易な制御
方法で圧電アクチュエータのヒステリシスの影響をなく
すことができ、変位位置の再現性の向上をはかり得る変
位発生装置を提供することにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to be able to eliminate the effects of hysteresis of piezoelectric actuators using a simple control method without using sensors, etc., and to improve the reproducibility of displacement positions. The object of the present invention is to provide a displacement generating device that can be improved.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明の母子は、圧電アクチュエータをヒステリシスの
影響のない初期変位点と最終変位点とで用いると共に、
圧電アクチュエータを複数のユニットで構成し、これら
のユニットの選択的な駆動により変位を発生することに
ある。
The mother and child of the present invention uses a piezoelectric actuator at an initial displacement point and a final displacement point that are not affected by hysteresis, and
The piezoelectric actuator is composed of a plurality of units, and displacement is generated by selectively driving these units.

即ち本発明は、圧電アクチュエータ及びこれを駆動する
駆動回路からなる変位発生装置において、前記圧電アク
チュエータをそれぞれ変位量の異なる複数のアクチュエ
ータユニットで構成すると共に、これらのユニットを選
択的にON−OFF駆動するようにしたものである。
That is, the present invention provides a displacement generating device including a piezoelectric actuator and a drive circuit for driving the piezoelectric actuator, in which the piezoelectric actuator is configured with a plurality of actuator units each having a different amount of displacement, and these units are selectively driven on and off. It was designed to do so.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、圧電アクチュエータを構成する各ユニ
ットの電圧OFF状態における初期変位点位置と、電圧
ON状態における最終変位点位置のみを利用し、その間
のヒステリシスが存在する部分に関係なく、圧電アクチ
ュエータの変位を制it] しているので、ヒステリシ
スのない、入力信号波形と同一の変位波形を得ることが
できる。つまり、変位位置の再現性の向上をはかり得る
。ざらヒ、複数のユニットの変位量を異ならせているの
で、こられのユニットの組合わせにより該ユニットの数
より遥かに多い変位点位置を得ることができる。
According to the present invention, only the initial displacement point position in the voltage OFF state and the final displacement point position in the voltage ON state of each unit constituting the piezoelectric actuator are used, and the piezoelectric actuator Since the displacement is controlled, it is possible to obtain the same displacement waveform as the input signal waveform without hysteresis. In other words, it is possible to improve the reproducibility of displacement positions. Since the displacement amounts of the plurality of units are made different, by combining these units, it is possible to obtain far more displacement point positions than the number of units.

また、圧電アクチュエータを最小変位量を発生するアク
チュエータユニットと、このユニットの21.22、〜
.2n倍の変位量を発生するアクチュエータユニットで
構成することにより、最小変位量の整数倍の関係で変位
量の制御が可能となり、効果的な変位制御を行うことが
できる。
In addition, an actuator unit that generates the minimum displacement amount of the piezoelectric actuator, and 21.22 of this unit, ~
.. By configuring the actuator unit to generate a displacement amount of 2n times, it is possible to control the displacement amount according to an integral multiple of the minimum displacement amount, and effective displacement control can be performed.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。 Hereinafter, details of the present invention will be explained with reference to illustrated embodiments.

第1図は本発明の一実施例に係わる変位発生装置を示す
概略構成図である。この装置は、基本的には圧電アクチ
ュエータIQ−とこれを駆動する駆動回路40とから構
成されている。圧電アクチュエータ10は、分極処理を
施した圧電板(例えば東芝セラミック製T−96,10
φ)をそれぞれ1゜2.4.8.16.32枚積層した
第1乃至第6のアクチュエータユニット21、〜、26
から構成されている。即ち、第1乃至第6のユニット2
1、〜.26はその変位方向に沿って直列的に積層され
、各ユニット21、〜、26間にはそれぞれ絶縁体から
なるスペーサ31、〜、35が挿入されている。なお、
図では判り易くするために、ユニットとスペーサとの間
を離して示している。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a displacement generating device according to an embodiment of the present invention. This device basically consists of a piezoelectric actuator IQ- and a drive circuit 40 that drives it. The piezoelectric actuator 10 is a piezoelectric plate subjected to polarization treatment (for example, T-96, 10 manufactured by Toshiba Ceramic).
The first to sixth actuator units 21, 26, each having 1°2.4.8.16.32 sheets of φ) laminated
It consists of That is, the first to sixth units 2
1, ~. 26 are stacked in series along the displacement direction, and spacers 31, 35 made of an insulator are inserted between each unit 21, 26, respectively. In addition,
In the figure, the unit and the spacer are shown separated for clarity.

また、それぞれのユニット21、〜、26は、公知の縦
効果のw4層型アクチュエータと同様であり、印加電圧
に応じてその積層枚数に比例した変位量を発生するもの
となっている。
Each of the units 21 to 26 is similar to a known longitudinal effect W4-layer actuator, and generates a displacement proportional to the number of layers stacked in accordance with the applied voltage.

一方、駆動回路Uは、変位設定器51゜A/D変換器5
2及び第1乃至第6のドライバ61、〜.66から構成
されている。変位設定器51は所望する変位量に応じて
アナログ信号を発生するもので、その出力はA/D変換
器52に供給される。A/D変換器52では、上記入力
したアナログ信号が6ビツトのデジタル信号に変換され
る。そして、この6ビツトのデジタル信号が駆動信号に
なる。即ち、A/D変換器52の各出力ビットのうち、
1ビツト目(LSB)の出力は1枚積層の第1のドライ
バ61に供給され、このドライバ61により第1のユニ
ット21が駆動される。2ビツト目の出力は2枚積層の
第2のドライバ62に供給され、このドライバ62によ
り第2のユニット22が駆動される。同様に、3ビツト
目の出力は4枚積層の第3のドライバ63に、4ビツト
目の出力は8枚積層の第4のドライバ64に、5ビツト
目の出力は16枚積層の第5のドライバ65に、6ビツ
ト目の出力は32枚積層の第6のドライバ66に供給さ
れ、これらのドライバ63、〜.66によりユニット2
3、〜、26がそれぞれ駆動される。これによって、変
位設定器51の設定値により、第1乃至第6のユニット
が選択的にON−OFF駆動され、圧電アクチュエータ
エ止の変位量が制御されるものとなっている。
On the other hand, the drive circuit U includes a displacement setter 51° A/D converter 5
2 and the first to sixth drivers 61, -. It consists of 66. The displacement setter 51 generates an analog signal according to a desired amount of displacement, and its output is supplied to the A/D converter 52. The A/D converter 52 converts the input analog signal into a 6-bit digital signal. This 6-bit digital signal becomes the drive signal. That is, among each output bit of the A/D converter 52,
The output of the first bit (LSB) is supplied to a first driver 61 made of one layer, and this driver 61 drives the first unit 21. The output of the second bit is supplied to a second driver 62, which is a two-layer stack, and this driver 62 drives the second unit 22. Similarly, the output of the 3rd bit is sent to the third driver 63 of 4 layers, the output of the 4th bit is sent to the 4th driver 64 of 8 layers, and the output of the 5th bit is sent to the 5th driver 64 of 16 layers. The output of the 6th bit of the driver 65 is supplied to a sixth driver 66 of 32 laminated layers, and these drivers 63, . unit 2 by 66
3, . . . , 26 are driven, respectively. As a result, the first to sixth units are selectively turned on and off according to the setting value of the displacement setting device 51, and the amount of displacement of the piezoelectric actuator is controlled.

・なお、ドライバ61、〜、66としてはスイッチング
回路を用い、入力信号が0′°のとき出力がO[V]、
入力信号が1″のとき出力が500 [V]となるよう
に設定した。
・In addition, switching circuits are used as the drivers 61 to 66, and when the input signal is 0'°, the output is O[V],
The output was set to 500 [V] when the input signal was 1''.

このような構成であれば、変位設定信号に応じて第1乃
至第6のユニット61、〜、66が選択的にON−OF
F駆動されることになり、変位設定信号に対して第2図
に示す如く6ビツトの分解能でヒステリシスなく変位制
御を行うことができる。即ち、変位設定信号が「1」の
ときは第1のユニット21のみが駆動され、変位設定信
号が「2」のときは第2のユニット22のみが駆動され
、変位設定信号が「3」のときは第1及び第2のユニッ
ト21.22が駆動されることになり、最小変位量であ
る第1のユニット21の変位量の整数倍の関係で変位制
御を行うことが可能となる。
With such a configuration, the first to sixth units 61 to 66 can be selectively turned on and off according to the displacement setting signal.
F-driven, displacement control can be performed with a 6-bit resolution and without hysteresis with respect to the displacement setting signal as shown in FIG. That is, when the displacement setting signal is "1", only the first unit 21 is driven, when the displacement setting signal is "2", only the second unit 22 is driven, and when the displacement setting signal is "3", only the second unit 22 is driven. In this case, the first and second units 21 and 22 are driven, and it becomes possible to perform displacement control based on an integral multiple of the minimum displacement amount of the first unit 21.

このように本実施例によれば、圧電アクチュエータのヒ
ステリシスの影響をなくすことができ、変位位置の再現
性の向上をはかり得る。しかも、6つのユニット21、
〜、26及びドライバ61゜〜、66しか用いないにも
拘らず、第1のユニット21の変位m(最小変位量)の
整数倍の63通りの変位量−が可能となり、微小変位制
御に極めて有効である。また、圧電アクチュエータの変
位量を測定するセンサ等は不及であり、簡単な制御で上
記変位制御を行うことができる等の利点がある。
As described above, according to this embodiment, the influence of hysteresis of the piezoelectric actuator can be eliminated, and the reproducibility of displacement positions can be improved. Moreover, six units 21,
Even though only ~, 26 and the driver 61°~, 66 are used, 63 displacements, which are integral multiples of the displacement m (minimum displacement) of the first unit 21, are possible, making it extremely suitable for minute displacement control. It is valid. Further, a sensor for measuring the amount of displacement of the piezoelectric actuator is not necessary, and there is an advantage that the displacement control described above can be performed with simple control.

第3図は他の実施例を示す概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing another embodiment.

なお、第1図と同一部分には同一符号を付して、その詳
しい説明は省略する。
Note that the same parts as in FIG. 1 are given the same reference numerals, and detailed explanation thereof will be omitted.

この実施例が先に説明した実施例と異なる点は、圧電ア
クチュエータとしてバイモルフ型アクチュエータを用い
たことにある。即ち、圧電アクチュエータUは、公知の
バイモルフ型アクチュエータで、2枚の圧電板91.9
2に挟まれた共通電極80をグランドとし、外側両端に
分割電極81a、81b、 〜、86a、86bを取付
けたものである。上記分割電極は、最も変位量の小さい
、即ち電極の短い部分を1として、変位量が2゜4.8
.16.32倍になるように、即ち分割型tの長さをJ
T、2.2 汀、4.4f’i倍として6つのユニット
を構成した。ナオ、ドライバの出力は、入力がO゛′の
ときO[V]、入力が“1゛′のとき15[V]とした
This embodiment differs from the previously described embodiments in that a bimorph actuator is used as the piezoelectric actuator. That is, the piezoelectric actuator U is a known bimorph type actuator, and includes two piezoelectric plates 91.9.
A common electrode 80 sandwiched between the two electrodes is used as a ground, and divided electrodes 81a, 81b, . . . , 86a, 86b are attached to both outer ends. The divided electrode has a displacement of 2°4.8, with the smallest displacement, that is, the shortest part of the electrode, being 1.
.. 16.32 times, that is, the length of the division type t is J
Six units were constructed as T, 2.2 and 4.4f'i times. The output of the driver was O[V] when the input was O'', and 15[V] when the input was ``1''.

このような構成であっても、変位設定信号に応じて6つ
のアクチュエータユニットが選択的にON−OFF駆動
されることになり、ヒステリシスのない変位M’mを行
うことができる。従って、先の実施例と同;葺の効果が
得られる。
Even with such a configuration, the six actuator units are selectively driven ON and OFF according to the displacement setting signal, and the displacement M'm without hysteresis can be performed. Therefore, the same roofing effect as in the previous embodiment can be obtained.

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記圧電アクチュエータとしては、スベ
リ積層型アクチュエータを用いることも可能である。ま
た、ユニットの数は6alに何等限定されるものではな
く、仕様に応じて適宜変更可能である。さらに、最小変
位■を発生するユニットを構成する圧電素子の数も11
Ilに限るものではなく、複数個であってもよい。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で1種々変形して実
施することができる。
Note that the present invention is not limited to the embodiments described above. For example, as the piezoelectric actuator, it is also possible to use a sliding laminated actuator. Further, the number of units is not limited to 6al in any way, and can be changed as appropriate according to specifications. Furthermore, the number of piezoelectric elements that make up the unit that generates the minimum displacement is 11.
The number is not limited to Il, and may be a plurality of numbers. In addition, various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例に係わる変位発生装置を示す
概略構成図、第2図は上記装置における変位設定信号に
対する変位量変化を示す特性図、第3図は他の実施例を
示す概略構成口、第4図は従来の問題点を説明するため
の特性図である。 LCL、 LQ−・・・圧電アクチュエータ、21.〜
。 26・・・アクチュエータユニット、40 ・・・駆動
回路、51・・・変位設定器、52・・・A/D変MI
!器、61゜〜、66・・・ドライバ、8o・・・共通
電極、81a。 8 l b、 〜、86a、86b・・・分割電極、9
1゜92・・・圧電板。 出願人代理人 弁理士 鈴江武彦 へ       21 第1図 OV12          V 1t′#I電斤 第2図
Fig. 1 is a schematic configuration diagram showing a displacement generating device according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a characteristic diagram showing displacement amount changes in response to a displacement setting signal in the above device, and Fig. 3 shows another embodiment. FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining the conventional problems. LCL, LQ-...piezoelectric actuator, 21. ~
. 26... Actuator unit, 40... Drive circuit, 51... Displacement setter, 52... A/D conversion MI
! device, 61°~, 66... driver, 8o... common electrode, 81a. 8 l b, ~, 86a, 86b... divided electrode, 9
1°92...Piezoelectric plate. To Applicant's Representative Patent Attorney Takehiko Suzue 21 Figure 1 OV12 V 1t'#I Electric Box Figure 2

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)印加電圧に応じて伸縮する圧電素子からなり、変
位量がそれぞれ異なる複数のアクチュエータユニットを
その変位方向を揃えて直列的に接続してなる圧電アクチ
ュエータと、上記アクチュエータユニットを選択的にO
N−OFF駆動する駆動回路とを具備してなることを特
徴とする変位発生装置。
(1) A piezoelectric actuator consisting of a piezoelectric element that expands and contracts according to an applied voltage, and in which a plurality of actuator units with different displacement amounts are connected in series with their displacement directions aligned, and the actuator units are selectively operated.
1. A displacement generating device comprising: a drive circuit for N-OFF driving.
(2)前記圧電アクチュエータは、最小変位量を発生す
るアクチュエータユニットと、このユニットの変位量の
2^1、2^2、〜、2^n(nは正の整数)倍の変位
量を発生するアクチュエータユニットとから構成されて
いることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の変位
発生装置。
(2) The piezoelectric actuator has an actuator unit that generates the minimum displacement and a displacement that is 2^1, 2^2, ~, 2^n (n is a positive integer) times the displacement of this unit. 2. The displacement generating device according to claim 1, further comprising an actuator unit.
(3)前記駆動回路は、A/D変換器及びこのA/D変
換器の各ビット出力に応じて前記アクチュエータユニッ
トを選択的に駆動するドライバからなり、前記各アクチ
ュエータユニットは、その変位量の小さい順に上記A/
D変換器の下位ビットから上位ビットの方向の各ビット
出力によりそれぞれ駆動されることを特徴とする特許請
求の範囲第2項記載の変位発生装置。
(3) The drive circuit includes an A/D converter and a driver that selectively drives the actuator unit according to each bit output of the A/D converter, and each actuator unit has a displacement amount of Above A/ in descending order
3. The displacement generating device according to claim 2, wherein the displacement generating device is driven by each bit output in the direction from the lower bit to the upper bit of the D converter.
JP60213744A 1985-09-27 1985-09-27 Displacement generator Pending JPS6273787A (en)

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