JPH0338077A - 圧電アクチュエータ用制御装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、圧電素子を７クチ１■−夕として使用し、
そのアクチュエータの伸縮動作を＆ｌ　１１１する圧電
アクチュエータ用ｉ、１ＪＩＩｌ装買に関するものであ
る。

［従来技術及び課題］ 従来、セラミックよりなる圧電素子を７クヂユエータと
して使用した圧電セラミックアクチュエータの制御方法
においては、アクチュエータの充放電電荷吊をフィード
バックすることによりアクチュエータの伸縮の変化を制
御するようにしたものがある。しかしながら、このよう
な構成においては、アクチュエータの伸縮が周囲温度等
の影響により変動するため、この変動をも補正しなけれ
ばアクチュエータとしての制御精度を高く維持し１７な
い。これに対しては、適宜な補正回路を採用することも
考えられるが、アクチュエータの高粘度制御確保のため
には高ｌｉｉ度、高速応答可能な位置センソを必要とす
る等の高コスト化を招くという問題がある。

この発明の目的は、簡単な方法にて圧電アクチュエータ
の温度を検出して熱膨張分にあたる制御量を補正するこ
とにより制御精度を向上させることができる圧電アクチ
ュエータ用＆制御装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は、第１図に示すように、圧電アクチュエータ
Ｍ１に一定速度で電荷量を充電又は放電する充放電手段
Ｍ２と、圧電アクチュエータＭ１に印加された電圧を検
出する電圧検出手段Ｍ３と、前記圧電アクチュエータＭ
１の電荷量を検出する電荷母検出手段Ｍ４と、前記充放
電手段Ｍ２による前記圧電アクチュエータＭ１の充電若
しくは放電に伴う前記電荷量検出手段Ｍ４による圧電ア
クヂュエータＭ１の電荷量の変化量と前記電圧検出手段
Ｍ３による圧電アクチュエータＭ１の印加電圧の変化量
とから圧電アクチュエータＭ１の温度を算出する温度算
出手段Ｍ５と、前記温度算出手段Ｍ５により算出した圧
電アクチュエータＭ１の温度に基づいて熱膨張分にあた
る充放電手段Ｍ２による圧電アクチュエータＭ１のル制
御量を補正する補正手段Ｍ６とを備えた圧電アクチュエ
ータ用制御ｌｌ装置をその要旨とするものである。

［作用］ 温度算出手段Ｍ５は、充放電手段Ｍ２による圧電アクチ
ュエータＭ１の充電若しくは放電に伴う電荷量検出手段
Ｍ４による圧電アクチュエータＭ１の電荷量の変化量と
電圧検出手段Ｍ３による圧゛電アクチュエータＭ１の印
加電圧の変化量とから圧電アクチュエータＭ１の温度を
算出する。そして、補正手段Ｍ６は、温度算出手段Ｍ５
により算出した圧電アクチュエータＭ１の温度に基づい
て熱膨張分にあたる充放電手段Ｍ２による圧電アクチュ
エータＭ１の制ｔｌｌ［ａを補正する。

［実施例］ 以下、この発明を具体化した一実施例を図面に従って説
明する。

第３図及び第４図に圧電アクチュエータを示す。

尚、第４図は第３図のＣ−Ｃ断面図であり、本実施例の
圧電アクチュエータは厳しい環境下（例えば、高温雰囲
気下〉でも使用できるようにケース内に収納されている
。

円筒形を成すケース１内には圧電アクチュエータ（ピエ
ゾスタック）２が配置され、この圧電アクチュエータ２
はセラミックからなる多数枚の圧電素子が積層されてい
る。圧電アクチュエータ２の両端部にはピストン３．４
が固設されている。

ピストン３はケース１内の一端部（第４図中、下端〉に
おいてＯリング５によりシールされた状態で１ｆｆｉ動
可能となっている。又、ピストン４はケース１内の他端
部（第４図中、上端）においてゴムブツシュ６とＯリン
グ７を介してシールされた状態で活動可能となっている
。

又、圧電アクチュエータ２の圧電素子はゴムブツシュ６
を貫通するリード線８にて外部と接続され、このリード
線８を介して圧電アクチュエータ２の圧電素子に電圧を
印加し電荷を注入することにより圧電アクチュエータ２
がその積層方向に伸長するとともに、電荷を注出するこ
とにより収縮するようになっている。

第２図に圧電アクチュエータ用制御装若の電気回路図を
示す。

圧電アクチュエータ２に対し電荷ａ検出手段としてのコ
ンアン９′９が直列に接続され、さらに、コンデンサ９
は接地されている。このコンデンサ９は圧電アクチュエ
ータ２の充・放電動作に伴い電荷を蓄積し圧電アクチュ
エータ２の電荷量を代用して検出するものであり、圧電
アクチュエータ２とコンデンサ９との間の接続点ａに圧
電アクチュエータ２の電荷量に応じてコンデンリ電圧Ｖ
Ｃを発生する。

又、コンデンサ９には抵抗１０が並列に接続されている
。この抵抗１０は、コンデンサ９の漏れ電流と圧電アク
チュエータ２の漏れ電流が異なり、ざらに、後記オペア
ンプ（バッフ７アンプ）６４の流入電流の影響を受ける
ので、圧電アクチュエータ２に注入された電荷量とコン
デンサ９の電荷最に誤差が生じ、これが第５図に示すよ
うに圧電アクチュエータ２の経時ドリフトとなってあら
れれるので、この経時ドリフトを無くすべく抵抗１０に
よりコンデンサ９とオペアンプ（バッファアンプ）６４
の漏れ電流を圧電アクチュエータ２の漏れ電流と一致さ
せるようにしている。

圧電アクチュエータ２には検出抵抗１１とＦＥＴ１２と
充電用電源１３のプラス端子とが直列に接続され、充電
用電源１３のマイナス端子は接地されている。この充電
用電源１３は概略ａｏｏｖの起電力を有する。ＦＥＴＩ
　２のゲート端子１２ａはＦＥＴＩ４を介して検出抵抗
１１と圧電アクチュエータ２との間の接続点すと接続さ
れている。

ＦＥＴ１２のソース端子１２ｂと検出抵抗１１との間の
接続点Ｃは抵抗１５を介してオペアンプ１６の反転入力
端子と接続され、又、定電圧回路１７が抵抗１８を介し
てオペアンプ１６の非反転入力端子と接続されている。

オペアンプ１６の出力端子は抵抗１９を介して反転入力
端子に接続されるとともに、抵抗２０とコンデシリ−２
１からなる遅延回路２２を介してＦＥＴＩ４のドレイン
端子１４ａと接続されている。又、コンデンサ２１には
ダイオード２３が並列に接続されている。

そして、圧電アクチュエータ２の充電の際（ＦＥＴ１４
がオフ状態のとき）には、検出抵抗１１に流れる電流値
に応じて０点での電圧値がオペアンプ１６に入力され、
オペアンプ１６においてこの値と定電圧回路１７からの
定電圧値とが比較され、その差に応じた逆相の電圧値が
出力される。

そのオペアンプ１６の出力は遅延回路２２を介してＦＥ
Ｔ１２のゲート端子１２ａに印加され、ＦＥＴＩ　２に
おけるゲート・ソース間電圧−ドレイン電流特性に基づ
き圧電アクチュエータ２への充電電流が一定となるよう
に調整される。

又、圧電アクチュエータ２にはＦＥＴ２４と検出抵抗２
５と放電用電源２６のマイナス端子とが直列に接続され
、放電用型！！２６のプラス端子は接地されている。こ
の放電用電源２６は概略−１００ｖの起電力を有する。

ＦＥＴ２４のゲート端子２４ａはＦＥＴ２７を介して検
出抵抗２５と放電用電源２６との間の接続点ｄと接続さ
れている。ＦＥＴ２４のソース端子２４ｂと検出抵抗２
５との間の接続点ｅは抵抗２８を介してオペアンプ２９
の反転入力端子と接続され、又、定電圧回路３０が抵抗
３１を介してオペアンプ２９の非反転入力端子と接続さ
れている。オペアンプ２９の出力端子は抵抗３２を介し
て反転入力端子に接続されるとともに、抵抗３３と］ン
デンリー３４からなる遅延回路３５を介してＦＥＴ２７
のドレイン端子２７ａと接続されている。又、コンデン
サ３４にはダイオード３６が４に列に接続されている。

そして、圧電アクチュエータ２の放電の際（ＦＥＴ２７
がオフ状態のとき〉には、検出抵抗２５に流れる電流値
に応じてｅ点での電圧値がオペアンプ２９に入力され、
オペアンプ２つにおいてこの値と定電圧回路３０からの
定電ｆｆ値とが比較され、その差に応じた逆相の電圧値
が出）Ｊされる。

そのオペアンプ２９の出力は遅延回路３５を介してＦＥ
Ｔ２４のゲート端子２４ａに印加され、「ＥＴ２４にお
けるゲート・ソース間電圧−ドレイン電流特性に基づき
圧電アクチュエータ２の放電電流が一定となるように調
整される。

又、直列に接続された圧電アクチュエータ２及びコンデ
ンサ９には抵抗３７．３８の直列回路が並列接続されて
おり、その中間点ずにおける圧電アクチュエータ２の印
加電圧ｖｐをＡ／Ｄ変換器３９を介して温度算出手段及
び補正手段としてのマイクロコンピュータ４０が取り込
めるようにしである。抵抗３７．３８の分圧比は１／１
００〜１／２００としてあり、ｆ点に圧電アクチュエー
タ２の印加電圧の１／１００〜１／２００の電圧が生じ
る。

Ｄ／Ａ変換器４１は圧電アクチュエータ２の目標変位量
（目標値）に応じたレベルの信号（目標値信＠）を反転
増幅器４２と反転増幅器４３の直列回路に出力する。こ
の反転増幅器４２はオペアンプ４４と抵抗４５．４６と
から構成され、反転増幅器４３はオペアンプ４７と抵抗
４８，４９とから構成されている。三角波発振回路５０
は三角波を発生ざ吐るためのものであり、オペアンプ５
１，５２と抵抗５４〜６１とコンデンＩす６２とから構
成されている。この三角波発振回路５０は反転増幅器４
３の抵抗４９とオペアンプ４７と間の接続点９と接続さ
れている。

よって、マイクロコンピュータ４０により演算されＤ／
Ａ変換器４１より出力された目標値信号に対し三角波発
振回路５０の三角波が重畳されて反転増幅器４３に出力
される。

反転増幅器４３の出力端子はコンパレータ６３の入力端
子に接続されている。又、前記接続点ａはオペアンプ（
バッフ７アンプ）６４を介してコンパレータ６３の他方
の入力端子に接続されている。そして、コンパレータ６
３はコンデンサ９の端子電圧ＶＣがＤ／Ａ変換器４１の
目標値信号に基づく信号レベルより低いとローレベルの
信号を出力し、又、コンデンサ９の端子電圧ＶｃがＤ／
Ａ変換器４１の目標値信号に基づく信号レベルより高い
とハイレベルの信号を出力する。コンパレータ６３の出
力端子はインバータ６５を介してホトカプラ６６の発光
ダイオード６７と接続されている。

よって、コンパレータ６３がローレベルの信号を出力す
ると、インバータ６５で反転されてハイレベルとなり発
光ダイオード６７が発光する。ホトカプラ６６のホトト
ランジスタ６８は発光ダイオード６７からの光を受けて
オン動作する。又、コンパレータ６３がハイレベルの信
号を出力すると、インバータ６５で反転されてローレベ
ルとなり発光ダイオード６７が発光せず、ホトトランジ
スタ６８はオフする。

このホトトランジスタ６８のコレクタ端子には抵抗６９
を介して基準電圧ＶＣＣが印加されるとともに、ホトト
ランジスタ６８のコレクタ端子にはＦＥＴ１４のゲート
端子１４ｂが接続されている。

よって、ホトトランジスタ６８のオンにてＦＥＴ１４が
オフし、ホトトランジスタ６８のオフにてＦＥＴ１４が
オンする。

又、コンパレータ６３の出力端子はインバータ７０．７
１を介してホトカブラ６６の発光ダイオード７３と接続
されている。よって、コンパレータ６３がハイレベルの
信号を出力すると、発光ダイオード７３が発光する。ホ
トカプラ７２のホト１〜ランジスタフ４は発光ダイオー
ド７３からの光を受けてオン動作する。又、コンパレー
タ６３がローレベルの信号を出力すると、発光ダイオー
ド７３が発光せず、ホトトランジスタ７４はオフする。

このホトトランジスタ７４のコレクタ端子には抵抗７５
を介して基準電圧ＶＣＣが印加されるとともに、ホトト
ランジスタ７４のコレクタ端子にはＦＥＴ２７のゲート
端子２７ｂが接続されている。

よって、ホトトランジスタ７４のオンにてＦＥＴ２７が
オフし、ホトトランジスタ７４のオフにてＦＥＴ２７が
オンする。

又、マイクロコンピュータ４０に＄１メモリが用意され
、そのメモリには第６図に示す静電各辺に対する圧電ア
クチュエータ２の温度Ｔのマツプが記憶されている。又
、マイクロコンピュータ４０のメモリには第７図に示す
圧電アクチュエータ２の温度Ｔに対する温度補正量のマ
ツプが記憶されている。この第７図に示すマツプは実験
的に求めたものであり、温度補正量は温度変化に伴う熱
膨張率及び分極値変化等の影響を受す、温度により一義
的に決定される値となっている。同様に、前記第６図に
示すマツプも実験的に求めたものである。

本実施例においては、ＦＥＴ１２．２４、抵抗１１．１
５．１Ｂ、１９．２５．２８．３１．３２、オペアンプ
１６．２９、定電圧回路１７，３０により圧電アクチュ
エータ２に一定速度で電荷量を充電又は放電させるため
の充放電手段を構成し、又、抵抗３７．３８により圧電
アクチュエータ２に印加された電圧を検出する電圧検出
手段を構成している。

次に、このように構成した圧電アクチュエータ用制御装
置の作用を第８図及び第９図に示すフローチャートと、
第１０図に示すタイムチャートに基づいて説明する。

まず、第８図において、マイクロコンピュータ４０はス
テップ１００で初期化を行い、ステップ２００で後述の
前回温度推定演算を行なってから一定時間経過したかを
判定する。そして、マイクロコンピュータ４０は一定時
間経過していれば、ステップ３００で温度推定演算を行
なう。

この温度推定演算を第９図に示す。マイクロコンピュー
タ４０はステップ３１０でＤ／Ａ変換器４１の出力をま
ずｒＯＪとする。すると、ａ点の電位ＶＣがｒＯＪとな
るように制御され、圧電アクチュエータ２の印加電圧も
ほぼ「０」となる。

この処理は、温度推定のためのイニシャライズ処理であ
る。

次に、マイクロコンピュータ４０はステップ３２０で一
定時間Ｄ／Ａ変換器４１の出力をＦＥＴ１４を完全にオ
フするために最大電圧（例えば、５Ｖ）とする。この時
の圧電アクチュエータ２の電圧は抵抗１１．ＦＥＴ１２
．オペアンプ１６′８により一定電流で充電されるため
第１０図で線ａ。

ｂにて示すようにほぼ直線的に上昇する。ここで、例え
ば、圧電アクチュエータ２の温度が１１のときは線ａと
なり、Ｔ２のときは線すのように変化する。一方、圧電
アクチュエータ２は定電流で充電されるため、圧電アク
チュエータ２の電荷量は温度に関係なく常に線Ｃとなる
。

マイクロコンピュータ４０はステップ３３０で時間ｔｌ
での圧電アクチュエータ２の電圧ｖｐ（例えば、温度Ｔ
１のときのｖｐｌ、温度Ｔ２のときのｖｐ２）と電荷相
当電圧ＶＣ（Ｑに相当する）から静電容ｆｆ１ｃ　（＝
Ｑ／Ｖ）を計算する。次に、マイクロコンピュータ４０
はステップ３４０で第６図の温度−静電容量特性マツプ
により圧電アクチュエータ２の温度を推定する。

次に、第８図において、マイクロコンピュータ４０はス
テップ４００で外部からの指令値を入力する。そして、
マイクロコンピュータ４０はステップ５００で第７図の
補正量マツプにより前記ステップ３４０において推定し
た温度から補正量を求め、指令値補正演算を行なった後
、ステップ６００で補正後の指令値を出力する。これは
、第１０図における時間ｔ２以後の指令値にあたる。即
ち、圧電アクチュエータ２は時間ｔ２〜ｔ３までの間開
遅れのあと確実に指令値に追従して１ｉｌＩＩ御される
。

このように本実施例においては、ＦＥＴ１２゜２４、抵
抗１１，１５．１Ｂ、１９．２５．２８゜３１．３２、
オペアンプ１６，２９、定電圧回路１７．３０により圧
電アクチュエータ２に一定速度で電荷量を充電又はｔｉ
Ｉｉ電できるようにし、又、抵抗３７．３８により圧電
アクチュエータ２に印加された電圧を検出し、さらに、
コンデンジ９により圧電アクチュエータ２の電荷量を検
出できるようにした。そして、マイクロコンピュータ４
０は圧電アクチュエータ２の充電に伴う圧電アクチュエ
ータ２の電荷□の変化口と圧電アクチュエータ２の印加
電圧の変化ａとから圧電アクチュエータ２の温度を算出
し、その算出した圧電アクチュエータ２の温度に基づい
て熱膨張分にあたる圧電アクチュエータ２の制御品を補
正するようにした。

従って、圧電アクチュエータ２の伸縮が周囲温度等の影
響により変動するが、適宜な補正回路を採用するとアク
チュエータの高精ｉ制御確保のためには高精度、高速応
答可能な位置センサを必要とし高コスト化を招いてしま
っていたが、そのようなことがなく、簡単な方法にて圧
電アクチュエータ２の温度を検出して熱膨張分にあたる
制ｔｌ蕩を補正することによりＩｌ制御精度を向上させ
ることができる。

尚、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、
例えば、温度推定演算時のイニシャライズとして指令値
をｒＯＪ　Ｖから開始したが、ｒＯＪＶに戻る必要はな
く、特定の電圧（例えば、２Ｖ）、即ち、圧電アクチュ
エータ２に特定電荷量を加えた状態から指令値を最大電
圧（ＦＥＴ１４を完全オフする〉としてもよい。又、逆
に、指令値をｒＯＪ　（ＦＥＴ２７を完全オフする）と
して放電側を利用するようにしてもよい。

ざらに、温度推定演算の時間間隔は第１１図のように電
源投入時は短い時間間隔で、時間経過とともに長くする
ようにしてもよい。又、温度推定処理中は制ｔｉｔ＋ｖ
装置から外部表示するようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したようにこの発明によれば、簡単な方法にて
圧電アクチュエータの湿度を検出して熱膨張分にあたる
制御逼を補正することによりル制御精度を向上させるこ
とができる優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図はクレーム対応図、第２図は実施例の圧電アクチ
ュエータ用制御装置の電気回路図、第３図は圧電アクチ
ュエータの平面図、第４図は第３図のＣ−Ｃ断面図、第
５図は変位の経時的変化を示す図、第６図は静電容量と
アクチュエータの雰囲気温度との関係を示す図、第７図
は７クチユエータの雰囲気温度に対する補正量を示す図
、第８図は作用を説明するためのフローチャート、第９
図は作用を説明するためのフローチャート、第１０図は
電圧値の経時的変化を示す図、第１１図は温度推定演粋
の時間間隔の推移を示す図である。 Ｍｌは圧電７クチユエータ、Ｍ２は充放電手段、Ｍ３は
電圧検出手段、Ｍ４は電荷量検出手段、Ｍ５は温度算出
手段、Ｍ６は補正手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．圧電アクチュエータに一定速度で電荷量を充電又は
   放電する充放電手段と、 圧電アクチュエータに印加された電圧を検出する電圧検
   出手段と、 前記圧電アクチュエータの電荷量を検出する電荷量検出
   手段と、 前記充放電手段による前記圧電アクチュエータの充電若
   しくは放電に伴う前記電荷量検出手段による圧電アクチ
   ュエータの電荷量の変化量と前記電圧検出手段による圧
   電アクチュエータの印加電圧の変化量とから圧電アクチ
   ュエータの温度を算出する温度算出手段と、 前記温度算出手段により算出した圧電アクチユエータの
   温度に基づいて熱膨張分にあたる前記充放電手段による
   圧電アクチュエータの制御量を補正する補正手段と を備えたことを特徴とする圧電アクチユエータ用制御装
   置。