JPH0645665A - 圧電アクチュエータとその駆動方法 - Google Patents

圧電アクチュエータとその駆動方法

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JPH0645665A
JPH0645665A JP4024611A JP2461192A JPH0645665A JP H0645665 A JPH0645665 A JP H0645665A JP 4024611 A JP4024611 A JP 4024611A JP 2461192 A JP2461192 A JP 2461192A JP H0645665 A JPH0645665 A JP H0645665A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高ビット化が可能なデジタル型圧電アクチュ
エータを得る。 【構成】 複数の圧電セラミック積層体のユニットで構
成し、各ユニットは変位量が20 〜2n 倍となるように
電源に接続され、スイッチング回路によって駆動枚数が
制御される。複数のユニットは上位ビット用と下位ビッ
ト用に分けられ、下位ビット用の基本変位量は上位ビッ
ト用の1/2n となるように駆動電圧が設定される。 【効果】

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電アクチュエータの
構造および駆動方法に関するもので、従来の圧電アクチ
ュエータの非線形性を改善したデジタル駆動型の圧電ア
クチュエータとその駆動方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】圧電セラミックアクチュエータは電磁型
アクチュエータに比べて小型で、発熱が小さく、応答速
度が速いという利点を持つ。特に、取り扱い易い電圧レ
ベルで利用するため、圧電セラミック板と電極を積層し
た積層セラミック圧電アクチュエータが提案され、メカ
トロニクスにおける一つの基本素子となりつつある。
【0003】しかし、圧電セラミック材料の電圧−変位
特性は非線形であり、電圧を可変して駆動させた場合に
は、上昇、下降で同一変位量には定まらない。したがっ
て、このアクチュエータを微小変位素子として利用する
ときは、サーボ機構を併用することが不可欠となり、こ
のことが操作性を悪くして圧電アクチュエータの普及の
妨げとなっている。
【0004】一般に、個々の素子の効果が単純に積分さ
れて装置全体としての出力となるような装置では、素子
をコード化してD/A変換器として動作させることがで
きる。したがって、積層セラミック圧電アクチュエータ
においても、駆動する圧電セラミック板の枚数で重み付
けを行い、コード化することによってデジタル駆動が可
能となる。このような方式では、圧電セラミック特有の
ヒステリシスや非線形性が改良され、サーボ機構なしで
変位制御装置として応用できるとともに、最近各方面で
使われているデジタル回路を利用できる利点もある。
【0005】既に、特開昭62-73787号公報等を初めとし
て、3ビットまたは4ビット構成の積層セラミック圧電
アクチュエータが提案されており、動作の基本的特徴に
ついても確認されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】デジタル駆動型の積層
セラミック圧電アクチュエータのビット数に関しては、
積層枚数を増やすことによって、少なくとも原理的には
幾らでも高ビット化は可能なはずである。しかし、積層
セラミック圧電アクチュエータの積層枚数には製造技術
上の制約があり、現在の技術では6ビット程度が限界と
されており、実用に供することのできる高ビットの圧電
アクチュエータを得ることは困難である。
【0007】本発明は、このような問題を解決して、高
ビット化が可能な圧電アクチュエータとその駆動方法を
提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、積層する圧電
セラミック板の駆動枚数で数ビットにコード化し、複数
のユニットをもちいてこれらのユニットを電源電圧によ
って重み付けして駆動することによって、上記の課題を
解決するものである。
【0009】すなわち、印加電圧に応じて変位する複数
の圧電素子を、変位量がそれぞれ異なる複数のアクチュ
エータユニットとして変位方向を揃えて直列的に接続し
て成る圧電アクチュエータにおいて、複数のアクチュエ
ータユニットを2組以上具え、変位量の順にとった2組
のアクチュエータ間において、それらのアクチュエータ
ユニットの第一の組は、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21,22・・・・・2n (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
ットで構成され、それらのアクチュエータユニットの第
二の組は、第一の組の最小変位量の1/2n の変位量を
最小変位量とするアクチュエータユニットと、このユニ
ットの21,22・・・・・2n (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で構成されたことに特徴
を有するものである。
【0010】また、印加電圧に応じて変位する複数の圧
電素子を、変位量がそれぞれ異なる複数のアクチュエー
タユニットとして変位方向を揃えて直列的に接続して成
る圧電アクチュエータを2組以上具えた圧電アクチュエ
ータの駆動方法において、それぞれの組には最小変位量
を発生するアクチュエータユニットと、このユニットの
21,22・・・・・2n (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を選択的にオン−オフ駆動する
駆動回路を介して所定の電圧が印加され、変位量の順に
とった2組の間において、第二の組に印加される電圧
は、第一の組の最小変位量に対して第二の組の最小変位
量が1/2n となる電圧に設定されたことに特徴を有す
るものである。
【0011】
【作用】例えば、最小単位となる個別の駆動素子を4ビ
ットにコード化した積層セラミックアクチュエータを2
組を同一方向に変位させるとともに、電源電圧によって
変位量を変えることにより、16進級2桁によって8ビッ
ト相当のデジタル型の圧電アクチュエータが得られる。
【0012】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例につ
いて説明する。
【0013】図1は、本発明による圧電アクチュエータ
の積層構造と配線を示す説明図である。この圧電アクチ
ュエータは2つのユニット10、11によって構成されてお
り、それぞれのユニット10、11は積層枚数によってコー
ド化された4ビットのデジタルアクチュエータの構造を
有する。すなわち、各ユニット11、12は2枚、4枚、8
枚、16枚ごとに電気的に並列に接続されており、計30枚
の圧電セラミック板が使用されている。
【0014】それぞれのユニットには、スイッチング回
路12、13によって駆動枚数が制御され、所定枚数の圧電
セラミック板に所定の電圧が印加される。下位ビット用
のユニット11には1枚当たりの変位量が、上位ビット用
のユニット10に対して1/16となる電圧が印加される。
【0015】図2は、本発明による圧電アクチュエータ
の一例の組立構造を示す斜視図である。厚さ方向に分極
され、一辺が22mmで厚みが0.2mm のPZT系圧電セラミ
ック板16を60枚、0.1mm のりん青銅板17で挟んで積層し
た。2つのユニット間は圧電セラミック板16と同じ寸法
のアルミナ磁器板で絶縁した。これらを、変位方向が常
に積層方向(厚さ方向)になるようにするためのガイド
棒を具えた一対のスチール製ベースプレート18により2
本のボルトによって締結された。
【0016】上位ユニット10に印加する電圧を 180Vと
したとき、下位ユニット11に印加する電圧は、圧電セラ
ミックの特性の非線形性のため、1/16よりかなり大き
めになり、16Vが必要であった。これらの2つの直流電
源のスイッチングは通常用いられるスイッチング回路で
よい。この例では、直流電源はインターフェイスにより
パソコンに接続し、ソフトウェアによってスイッチング
の制御を行った。
【0017】上記の圧電アクチュエータの変位量を微小
変位計で測定した結果を図3に示す。比較のために図3
(a)には、従来のアナログ型の印加電圧によって変位
量を制御した例を示し、本発明による例を図3(b)に
示した。往復運動を 255秒をかけて測定したものであ
る。
【0018】図3(a)には顕著な履歴現象が現れてい
るのに対し、図3(b)に示したように本発明による圧
電アクチュエータにおいては、ヒステリシスがほとんど
なく、直線性もきわめて良好であった。図には往路のみ
を示してあるが、復路も往路に重なった。また、8ビッ
ト 256レベルに量子化されているので、従来のような量
子化に伴う階段状の変化もほとんど見分けられない程度
であった。
【0019】デジタル圧電アクチュエータ装置の入力信
号はデジタル信号であるので、コンピュータによる制御
がきわめてやり易い。図4に示したように、簡単なプロ
グラムによって本発明による圧電アクチュエータによっ
て正弦波を書かせることもできる。
【0020】上記の例では4ビット2ユニットの構成を
示したが、4ビット3ユニットまたは6ビット2ユニッ
ト等の構成により12ビット等、2組以上のユニットの組
み合わせにより高ビットの圧電アクチュエータも実現で
きる。また、圧電セラミックだけでなく、電歪材料、反
強誘電材料によってアクチュエータを構成する場合にも
応用できる。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、高ビット化されたデジ
タル圧電アクチュエータが得られ、ヒステリシスの影響
を受けず、変位量を線形に制御できる圧電アクチュエー
タが実現できる。
【0022】また、高ビット化により、デジタル駆動に
よる変位量を任意に制御することができる低コストの圧
電アクチュエータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例を示す説明図
【図2】 本発明の実施例を示す斜視図
【図3】 変位量の特性の説明図
【図4】 変位量の他の特性を示す説明図
【符号の説明】
10、11:ユニット 12、13:スイッチング回路
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成4年10月23日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 印加電圧に応じて変位する複数の圧電素
    子を、変位量がそれぞれ異なる複数のアクチュエータユ
    ニットとして変位方向を揃えて直列的に接続して成る圧
    電アクチュエータにおいて、最小変位量の異なる複数の
    アクチュエータユニットを2組以上具え、それらのアク
    チュエータユニットの変位量の大きい組は、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
    21,22・・・・・2n (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で構成され、それらのアクチュ
    エータユニットの次に変位量の大きい組は、前記の組の
    最小変位量の1/2n の変位量を最小変位量とするアク
    チュエータユニットと、このユニットの21,22・・・・・2n
    (nは正の整数)倍の変位量を発生するアクチュエータ
    ユニットで構成されたことを特徴とする圧電アクチュエ
    ータ。
  2. 【請求項2】 印加電圧に応じて変位する複数の圧電素
    子を、変位量がそれぞれ異なる複数のアクチュエータユ
    ニットとして変位方向を揃えて直列的に接続して成る圧
    電アクチュエータにおいて、複数のアクチュエータユニ
    ットを2組具え、それらのアクチュエータユニットの第
    一の組は、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21,22・・・・・2n (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で構成さ
    れ、それらのアクチュエータユニットの第二の組は、第
    一の組の最小変位量の1/2n の変位量を最小変位量と
    するアクチュエータユニットと、このユニットの21,22
    ・・・・・2n (nは正の整数)倍の変位量を発生するアクチ
    ュエータユニットで構成されたことを特徴とする圧電ア
    クチュエータ。
  3. 【請求項3】 印加電圧に応じて変位する複数の圧電素
    子を、変位量がそれぞれ異なる複数のアクチュエータユ
    ニットとして変位方向を揃えて直列的に接続して成る最
    小変位量が異なる圧電アクチュエータを2組以上具えた
    圧電アクチュエータの駆動方法において、それぞれの組
    に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21,22・・・・・2n (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を選択的にオン
    −オフ駆動する駆動回路を介して所定の電圧が印加さ
    れ、変位量の小さい組に印加される電圧は、その次に変
    位量の小さい組の最小変位量に対して第二の組の最小変
    位量が1/2n となる電圧に設定されたことを特徴とす
    る圧電アクチュエータの駆動方法。
  4. 【請求項4】 印加電圧に応じて変位する複数の圧電素
    子を、変位量がそれぞれ異なる複数のアクチュエータユ
    ニットとして変位方向を揃えて直列的に接続して成る圧
    電アクチュエータを2組具えた圧電アクチュエータの駆
    動方法において、それぞれの組に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21,22・・
    ・・・2n (nは正の整数)倍の変位量を発生するアクチュ
    エータユニットを選択的にオン−オフ駆動する駆動回路
    を介して所定の電圧が印加され、第二の組に印加される
    電圧は、第一の組の最小変位量に対して第二の組の最小
    変位量が1/2n となる電圧に設定されたことを特徴と
    する圧電アクチュエータの駆動方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018134421A1 (en) * 2017-01-23 2018-07-26 Koninklijke Philips N.V. Actuator device based on an electroactive material

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US11322675B2 (en) 2017-01-23 2022-05-03 Koninklijke Philips N.V. Actuator device based on an electroactive material

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