JPH0783621B2 - 圧電アクチュエ−タの制御回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ 本発明は複数の圧電アクチュエータを使用して対象機構
を制御する場合、例えば押出機Ｔダイ或いは印刷機のイ
ンク供給装置のリップ開度制御に使用する圧電アクチュ
エータの制御回路に関する。

［従来技術］ 例えばプラスチック押出機について説明すると、初期の
押出機Ｔダイのリップ開度調整は第６図および第７図に
示すように、Ｔダイ11の固定リップ12と可撓リップ13と
の間にはリップ14が形成されており、リップ14の開度調
整は可撓リップ13に接する複数本のボルト15が与える押
圧力により行っていた。このようにリップ隙間の調整は
人力により行なっていたが近年の自動化により人力から
自動に変化した。第８図示は自動化した従来の一例でヒ
ートボルト方式と称しこの例ではボルト15を電熱ヒータ
16により加熱しボルト15の伸びによりリップ開度を調整
するものである。

このヒートボルト方式は構造が単純でコストの低いこと
ならびに微小変位調整が可能である等の利点を有する
が、電気ヒータ16によりボルト15を加熱しているため応
答速度が数秒ないし数10秒と遅かった。さらにＴダイに
おけるリップ開度調整にはこのヒートボルトを20ないし
100本程度使用すると共にリップ自身が連続体であるた
め、１本のボルトを適切に制御しても両隣のボルトに影
響を与えリップ開度を変える欠点があった。

一方直流電圧の印加により歪の発生する圧電素子は以前
１μｍ程度の微小変位しか発生できないアクチュエータ
であったが、近年薄層の単体の積層することにより駆動
用アクチュエータとして300ないし400kg/cm₂の大荷重で
0.1mm程度の大変位が可能になり、かつ1ms程度の高応答
性が得られるため小量制御用かつ高精度のアクチュエー
タとして開発されてきた。圧電素子のアクチュエータと
しての条件は100℃前後の耐熱性の低いことを除き、Ｔ
ダイリップの開度調整用には適しており既に特開昭60-2
10418号として公開されている。

Ｔダイに圧電アクチュエータを使用した場合リップ開度
の関係から使用するそれぞれの圧電アクチュエータは歪
が異なる、即ち印加電圧が異なるため圧電アクチュエー
タ１個につき１台の電源が必要になる。上述した電源価
格はオープンループ系でもかなり高価であり、電荷漏洩
による歪変化防止用の位置フィードバックを有するクロ
ーズドループ系ではオープンループ系の４ないし５倍の
高価格である。従って１台につき20ないし100個の圧電
アクチュエータを使用するプラスチック押出材のＴダイ
や印刷機のインク供給装置の場合圧電アクチュエータ１
個に１台の電源を設けるとその電源のみでも押出機や印
刷機本体の価格程度の高価格になる。なお１台の電源で
２ないし３個の圧電アクチュエータを制御するものもあ
るがいづれにしても電源の価格は高い。

［発明の目的］ 本発明はこのような電源価格が高価となる欠点を除去し
たものでその目的は、電源１ないし３台程度で全ての圧
電アクチュエータを制御することにより低コストにした
圧電アクチュエータの制御回路を提供することにある。

ここで実施例の説明に先立って圧電アクチュエータにつ
いて述べる。先づオープンループ系の圧電アクチュエー
タの基本回路の一例を第４図に示す。圧電アクチュエー
タ21は図において１個示してあるが実際は多数が積層さ
れており、この圧電アクチュエータ21に直流電源22を印
加すると歪（変位）が発生しこの歪によりアクチュエー
タの作用を行う。

上記した圧電アクチュエータ21の素材は薄いセラミック
スで通常電気絶縁体でありこの薄層の両面に電極として
導電材を塗布して一種のコンデンサ（容量Ｃ）を形成し
電源電圧Ｖの印加により供給された電荷量（Ｑ＝CV）で
歪が発生する。しかしながらこのように一定電圧をオー
プンループにより圧電アクチュエータ21に印加した場
合、圧電アクチュエータ21の素子自体の漏電により10数
分ないし数10分で歪は減少を開始し、所定の歪量を保持
することは不可能となる。

このためクローズドループとして第５図に示すように、
圧電アクチュエータ21に位置センサー23を設けてこれを
コントローラ24に接続し、直流電源25からコントローラ
24を介して圧電アクチュエータ21に電圧を印加すること
により歪量の減少を補正している。なお位置センサーと
しては歪ゲージ式、ポテンショメータ式、差動トランス
式、渦電流式、容量式等がある。

［発明の要点］ 本発明における圧電アクチュエータの制御回路は、複数
の圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータの変位を
含む１個以上の物理量検出器と、物理量検出器によって
検出される変化量と圧電アクチュエータとに関連した直
流電圧を変化量に基づき出力する１台のコントローラ
と、同コントローラの出力電圧を複数の圧電アクチュエ
ータの個々に与えるための切換えを行う切換手段とから
成る圧電アクチュエータの制御回路において、前記複数
の圧電アクチュエータのそれぞれにコンデンサーを並列
に接続したことを特徴としている。

［発明の実施例］ 本発明は前述したクローズドループ系である第５図の方
式において複数の圧電アクチュエータの電源を共通にし
たものである。その基本回路は第９図に示すコントロー
ラを用い第２図に示すように圧電アクチュエータ21にコ
ンデンサー31を並列に接続し、圧電アクチュエータ21に
は直流電源を内蔵したコントローラ32から電流制限用抵
抗33とスイッチ34とを通して印加されている。

この接続により圧電アクチュエータ21は歪が発生して変
形し一方コンデンサー31は蓄電され、圧電アクチュエー
タ21の変形とコンデンサー31の蓄電が充分行われたとき
スイッチ34を開にすると、圧電アクチュエータ21の変形
はコンデンサー31の電荷によりこれがないときに比較し
て長時間保持される。なお圧電アクチュエータ21にもコ
ンデンサー容量Ｃがあるか非常に小さいため、コンデン
サー31がないとスイッチ34を開くと圧電アクチュエータ
21内部の高抵抗を通じて極微電流が流れ極く短時間で歪
量は減少する。

第３図はＴダイ11に圧電アクチュエータ21を取り付けた
状態を示す断面図で、圧電アクチュエータ21は可撓リッ
プ13上に取り付けられリップ14の初期開度を決定するプ
リロード、即ち初期の大変位を与えるボルト35により押
圧されている。なおコンデンサー31（第２図参照）は図
示されていないが、これはコンデンサーとコントローラ
等とは熱に弱いためＴダイの置かれた高温の場所から離
れた場所に設置されるからである。

第１図は本発明の一実施例を示している。第２図におけ
る電圧アクチュエータ21とこれへ並列に接続したコンデ
ンサー31ならびに、圧電アクチュエータ21と対応させ圧
電アクチュエータ21の変位量や押出フィルムの厚さ或い
はインク濃度等の物理量検出位置センサー23（第５図参
照）とを、４角形の点線で囲んで圧電アクチュエータ等
といい番号は51を付した。第１図において圧電アクチュ
エータ等を51-1、51-2、51-3…51-nとしてｎ個設けた。
しかして複数の圧電アクチュエータ等51の圧電アクチュ
エータ21と位置センサー23とを取り出して、それぞれ切
換スイッチ52と53との各素子に接続する。圧電アクチュ
エータ21側の切換スイッチ53のスイッチ体53Aは電流制
限用抵抗33を介してコントローラ54に接続されており、
物理量検出センサー23側の切換スイッチ52のスイッチ体
52Aはコントローラ54に接続され、コントローラ54の内
部で物理量／電圧変換器（図示せず）を介して設定値と
比較されるようになっている。なおコントローラ54は図
示していないが可変電圧の直流電源が設けられている。
上記した切換スイッチ52等はスキャナでもよくまたスイ
ッチング素子としてはメカニカルスイッチでもよく或い
はアナログスイッチでもよく、要はコントローラ54の電
圧が各圧電アクチュエータ21に正しく供給される方法で
あれがよい。

次に前述した実施例の動作について説明する。先づ第３
図に示すように複数のボルト35によりそれぞれのリップ
14に対し適量と考えられる隙間間隔を設定する。この状
態で運転を開始しこのとき第１図に示すように、切換ス
イッチ52と53とは圧電アクチュエータ等51-3に接続され
ていたとすると、コントローラ54には圧電アクチュエー
タ等51-3の物理量検出センサ23からの信号が入りここで
設定値と比較される。入ってきた位置信号と設定値とか
等しい場合両切換スイッチ52と53とは直ちに切り換わっ
て圧電アクチュエータ51-4（図示せず）に接続される。
入ってきた信号が設定値より小さい或いは大きい場合に
はその差に適合した電圧が、コントローラ54から電流制
限用抵抗33を通って圧電アクチュエータ等51-3の圧電ア
クチュエータ21に送られる。

この圧電アクチュエータ21は入力された電圧に従って歪
量は変化し、そして変化は物理量検出センサー23からコ
ントローラ54にフィードバックされる。このようにして
物理量検出センサー23の位置信号と設定値とが一致しか
つコンデンサー31（第２図参照）に蓄電されると両切換
スイッチ52と53とは圧電アクチュエータ等51-4（図示せ
ず）に切り換えられる。以下同様にして各圧電アクチュ
エータ等51を切り換えて制御する。

なおこの実施例では各圧電アクチュエータ等51のそれぞ
れに物理量検出センサー23を設けたが、物理量検出セン
サー23は１個にして切換スイッチ52なくすと共に、切換
スイッチ53を切り換えたときにこれに同期して切り換え
られた圧電アクチュエータ等51の圧電アクチュエータ21
の近傍に、レール等（図示せず）によりガイドし物理量
検出センサー23を各圧電アクチュエータ21の対応する点
に運ぶようにしてもよい。

［発明の効果］ 本発明における圧電アクチュエータの制御回路は以上説
明したように、従来圧電アクチュエータ１個につき１台
の電源が必要と考えられていたが、圧電アクチュエータ
に安価なコンデンサーを並列に接続することにより、少
数の電源で多数の圧電アクチュエータを駆動するため大
巾な価格低下と省スペースが可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図は本発明の
原理図、第３図はＴダイへ圧電アクチュエータを取り付
けたときの断面図、第４図は圧電アクチュエータのオー
プンループの基本図、第５図と圧電アクチュエータのク
ローズドループの基本図、第６図および第７図はリップ
調整をボルトにした従来例を示し第６図は斜視図、第７
図は断面図、第８図はリップ調整をヒートボルトにした
従来例の断面図、第９図はコントローラにおけるフィー
ドバック制御のブロック図である。 21……圧電アクチュエータ,23……物理量検出センサー,
31……コンデンサー,33……電流制限用抵抗,51……電圧
アクチュエータ等,52,53……切換スイッチ,54……コン
トローラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−102778（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−153025（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の圧電アクチュエータと、同複数の圧
   電アクチュエータのそれぞれと並列に接続され同一の電
   圧が印加されるそれぞれのコンデンサーと、前記複数の
   圧電アクチュエータのそれぞれによって駆動される被駆
   動体の変位量を検出するそれぞれの変位センサーと、前
   記変位センサーの一つから入力される信号に基き対応し
   た一つの圧電アクチュエータに印加する直流電圧を出力
   する一台のコントローラと、同コントローラと前記複数
   の圧電アクチュエータの一つ並びに対応した変位センサ
   ーとを切り換えながら順次接続する切り換え手段とを有
   することを特徴とした圧電アクチュエータ制御回路。
2. 【請求項２】切り換え手段をメカニカルスキャナーにし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電ア
   クチュエータ制御回路。
3. 【請求項３】切り換え手段をアナログスイッチからなる
   スキャナーにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の圧電アクチュエータ制御回路。
4. 【請求項４】コントローラから圧電アクチュエータに電
   圧を印加する出力線の正あるいは負の線のうち少なくと
   もいずれかの一方に電流制限用抵抗をいれたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の圧電アクチュエータ
   制御回路。