(57)【要約】【課題】  高精度の変位量制御、制御系の簡略化および小型化を実現する圧電アクチュエータユニット駆動方法の駆動方法を提供する【解決手段】  ユニット１を構成する第１アクチュエータ２および第２アクチュエータ３それぞれにおける電圧昇圧時の変位量特性、あるいは、電圧降圧時の変位量特性、のいずれか一方のみの変位量特性を用いるように、第１アクチュエータ２および第２アクチュエータ３へ印加する電圧を各圧電アクチュエータで独立に変化させて、ユニット１の伸縮駆動を行う。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電アクチュエータを互いに直列に接続して成る圧電アクチュエータユニットが、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を変化させることによって、伸縮駆動する圧電アクチュエータユニットの駆動方法において、
上記複数の圧電アクチュエータそれぞれにおける電圧昇圧時の変位量特性、あるいは、電圧降圧時の変位量特性のいずれか一方のみの変位量特性を用いるように、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を各圧電アクチュエータで独立に変化させて、上記圧電アクチュエータユニットの伸縮駆動を行うことを特徴とする圧電アクチュエータユニットの駆動方法。
【請求項２】
圧電アクチュエータユニットを伸ばすときには、少なくとも１つの圧電アクチュエータの印加電圧を最小電圧で待機させて他の圧電アクチュエータを最小電圧より昇圧させ、
圧電アクチュエータユニットを縮ませるときには、昇圧させている圧電アクチュエータの印加電圧をすべて最小電圧にすると同時に上記待機させている圧電アクチュエータを昇圧させ、以降、昇圧させる圧電アクチュエータと待機させる圧電アクチュエータとを交互に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータユニットの駆動方法。
【請求項３】
圧電アクチュエータユニットを縮ませるときには、少なくとも１つの圧電アクチュエータの印加電圧を最大電圧で待機させて他の圧電アクチュエータの電圧を最大電圧より降圧させ、圧電アクチュエータユニットを伸ばすときには、降圧させている圧電アクチュエータの印加電圧をすべて最大電圧にすると同時に上記待機させている圧電アクチュエータを降圧させ、以降、降圧させている圧電アクチュエータと待機させている圧電アクチュエータとを交互に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータユニットの駆動方法。
【請求項４】
圧電アクチュエータユニットを予備駆動させることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータユニットの駆動方法。
【請求項５】
複数の圧電アクチュエータを互いに直列に接続して成る圧電アクチュエータユニットを、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を変化させることによって、伸縮駆動させる駆動回路を有する圧電アクチュエータユニット駆動装置において
上記駆動回路は、上記複数の圧電アクチュエータそれぞれにおける電圧昇圧時の変位量特性、あるいは、電圧降圧時の変位量特性のいずれか一方のみの変位量特性を用いるように、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を各圧電アクチュエータで独立に変化させて、上記圧電アクチュエータユニットの伸縮駆動を行うようになっていることを特徴とする圧電アクチュエータユニット駆動装置。
【請求項６】
上記駆動回路は、上記圧電アクチュエータユニットを伸ばすときには、少なくとも１つの圧電アクチュエータの印加電圧を最小電圧で待機させて他の圧電アクチュエータを最小電圧より昇圧させ、圧電アクチュエータユニットを縮ませるときには、昇圧させている圧電アクチュエータの印加電圧をすべて最小電圧にすると同時に上記待機させている圧電アクチュエータを昇圧させ、以降、昇圧させる圧電アクチュエータと待機させる圧電アクチュエータとを交互に切り替えるようになっていることを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータユニット駆動装置。
【請求項７】
上記駆動回路は、
上記複数の圧電アクチュエータの各々に対して印加する電圧を制御する印加電圧制御手段と、
上記複数の圧電アクチュエータにおけるいずれの圧電アクチュエータに電圧を印加するかを選択する選択手段とを有することを特徴とする請求項５または６に記載の圧電アクチュエータユニット駆動装置。
【請求項８】
複数の圧電アクチュエータを互いに直列に接続して成る圧電アクチュエータユニットと、請求項５ないし７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータユニット駆動装置とを備えた圧電アクチュエータユニット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータユニットの駆動方法および圧電アクチュエータユニット駆動装置ならびに圧電アクチュエータユニット装置に関し、特に、圧電アクチュエータを複数積層した圧電アクチュエータユニットの駆動方法および圧電アクチュエータユニット駆動装置ならびに圧電アクチュエータユニット装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータ（圧電素子ともいう）は、圧電効果を有している。圧電効果とは、圧電アクチュエータに、電圧が印加されると、この印加させる電圧に応じて、伸び方向または縮み方向（あわせて、駆動方向という）へ圧電アクチュエータが変位することをいう。具体的には、圧電アクチュエータは、電圧が上がる（昇圧する）と伸び方向に変位する一方、電圧が下がる（降圧する）と縮み方向に変位する。
【０００３】
図９は、圧電アクチュエータへの印加電圧に対する変位量特性について示す説明図である。圧電アクチュエータにおける、一般的な、印加電圧と変位量との関係には、同図に示すように、駆動方向、および、駆動スタート電圧によって、印加電圧（Ｖ）と変位量（ε）との関係が異なる。このような現象をヒステリシスという。
【０００４】
駆動方向によって印加電圧と変位量との関係が異なるとは、圧電アクチュエータへの印加電圧を徐々に増加させた場合（往路；昇圧時；伸び方向に駆動している場合）の変位量特性（曲線Ｌ１０）と、印加電圧を徐々に減少させた場合（復路；降圧時；縮み方向に駆動している場合）の変位量特性（曲線Ｌ１１）とでは、同電圧の場合でも、変位量に差が生じる、ということである。
【０００５】
上記の駆動スタート電圧によって印加電圧と変位量との関係が異なるとは、図９における点Ｏ（印加電圧０，変位量０）を駆動スタート電圧として印加電圧を徐々に増加させる往路（曲線Ｌ１０）と、点Ｐ（最大電圧，最大変位量）を駆動スタート電圧にして印加電圧を徐々に減少させる復路（曲線Ｌ１１）とでは、上記同様に、同電圧の場合でも、変位量に差が生じるということである。
【０００６】
具体的には、図９に示すように、印加電圧が電圧Ｖ１０の場合、印加電圧を徐々に増加させる往路では変位量がε１０になる一方、印加電圧を徐々に減少させる復路では変位量がε１１（＞ε１０）となる。従って、このようなヒステリシスが、圧電アクチュエータを用いた高精度の変位量制御を困難にしていた。
【０００７】
これに対して、変位量を検知するセンサを備えたクローズドループにて圧電アクチュエータの変位を制御する、という方法が提案されている。しかしながら、このようなセンサを用いた制御法は、一般に装置が大掛かりになるばかりでなく、コストも高くなり、また、装置の小型化も困難であるなどの数々の欠点を有している。このため、センサなど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の影響をなくすことが望まれている。
【０００８】
また、特許文献１・２には、積層比が２の倍数である、複数の圧電アクチュエータを直列に積層し、各圧電アクチュエータを印加電圧のＯＮ−ＯＦＦで制御することにより、ヒステリシスの影響のない、電圧ＯＦＦ状態における初期変位点位置（図９に示す点Ｏ）と電圧ＯＮ状態における最終変位点位置（図９に示す点Ｐ）とを利用して、圧電アクチュエータユニットの動作を安定にする方法が提案されている。
【０００９】
また、特許文献３には、同一のヒステリス特性を有する、２つの圧電素子（圧電アクチュエータ）を直列に接続して、第１の圧電素子に対する印加電圧を電圧０から電圧Ｖｘに昇圧すると同時に、第２の圧電素子に対する印加電圧を電圧Ｖｍ（最大駆動電圧）から電圧Ｖｘに降圧させて、各々の圧電素子による電圧Ｖｘにおける変位の和を求めるアクチュエータの駆動方法について開示されている。
【００１０】
この場合、第１の圧電素子の昇圧時の電圧Ｖｘにおける変位をε２０、第２の圧電素子の降圧時の電圧Ｖｘにおける変位をε３０とすると、ε２０とε３０との和であるε４０は、一義的に決定される。従って、ヒステリシスの影響をなくすことができる。
【特許文献１】特開昭６２−９３９８８号（昭和６２年４月３０日  公開）
【特許文献２】特開昭６２−７３７８７号（昭和６２年４月４日  公開）
【特許文献３】特開昭６３−２９２６８５号（昭和６３年１１月２９日  公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１・２に記載の駆動方法の場合、圧電アクチュエータユニットの取り得る変位量、および、印加電圧は、デジタル値となるため、アナログ値で電圧制御を行う場合に比べて変位の分解能が低下してしまい、高精度の変位量制御をすることができない、という問題があった。なお、圧電アクチュエータの数を増やすことによって、変位の分解能を向上することはできるが、制御する圧電アクチュエータの数が増加するため、分解能を上げるほど、制御系が複雑になるという欠点がある。
【００１２】
また、特許文献３に記載のアクチュエータの場合、圧電素子を変位させたい場合に、常に一対の同一圧電素子のうち、一方を昇圧させて、他方を降圧させているため、圧電素子の昇圧状態における変位量特性と降圧状態における変位量特性との両方を検知する必要があり、駆動させる制御系が複雑になる、という問題があった。
【００１３】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、高精度の変位量制御、制御系の簡略化および小型化を実現する圧電アクチュエータユニット駆動方法および圧電アクチュエータユニット駆動装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の圧電アクチュエータユニット駆動方法は、上記課題を解決するために、複数の圧電アクチュエータを互いに直列に接続して成る圧電アクチュエータユニットが、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を変化させることによって、伸縮駆動する圧電アクチュエータユニットの駆動方法において、上記複数の圧電アクチュエータそれぞれにおける電圧昇圧時の変位量特性、あるいは、電圧降圧時の変位量特性のいずれか一方のみの変位量特性を用いるように、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を各圧電アクチュエータで独立に変化させて、上記圧電アクチュエータユニットの伸縮駆動を行うことを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の圧電アクチュエータユニット駆動装置は、上記課題を解決するために、複数の圧電アクチュエータを互いに直列に接続して成る圧電アクチュエータユニットを、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を変化させることによって、伸縮駆動させる駆動回路を有する圧電アクチュエータユニット駆動装置において上記駆動回路は、上記複数の圧電アクチュエータそれぞれにおける電圧昇圧時の変位量特性、あるいは、電圧降圧時の変位量特性のいずれか一方のみの変位量特性を用いるように、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を各圧電アクチュエータで独立に変化させて、上記圧電アクチュエータユニットの伸縮駆動を行うようになっていることを特徴としている。
【００１６】
上記したように、従来、ヒステリシスの影響を抑えるため、（ｉ）複数の圧電アクチュエータを積層して、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するか、または、（ｉｉ）第１の圧電素子に対する印加電圧を電圧０から電圧Ｖｘに昇圧すると同時に、第２の圧電素子に対する印加電圧を電圧Ｖｍ（最大駆動電圧）から電圧Ｖｘに降圧させて、各々の圧電素子による電圧Ｖｘにおける変位の和を利用していた。
【００１７】
（ｉ）の場合、取り得る変位量の値がデジタル値となるため、変位の分解能が低下するという問題があった。また、（ｉｉ）の場合、常に一対の圧電素子を同時に用いて、圧電素子の昇圧状態における変位量と降圧状態における変位量との両方を検知する必要があるため、制御系が複雑になる、という問題があった。
【００１８】
上記圧電アクチュエータユニット駆動方法および圧電アクチュエータユニット駆動装置によれば、上記複数の圧電アクチュエータそれぞれにおける電圧昇圧時の変位量特性、あるいは、電圧降圧時の変位量特性のいずれか一方のみの変位量特性を用いるように、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を各圧電アクチュエータで独立に変化させて、上記圧電アクチュエータユニットの伸縮駆動を行っている。
【００１９】
ここで、圧電アクチュエータにおける電圧昇圧時の変位量特性とは、圧電アクチュエータの変位量と印加電圧との関係において、印加電圧を徐々に増加（昇圧）させていく過程における変位量の変化（推移）をいう。また、圧電アクチュエータにおける電圧降圧時の変位量特性とは、圧電アクチュエータの変位量と印加電圧との関係において、電圧を徐々に減少（降圧）させていく過程における変位量の変化（推移）をいう。
【００２０】
一般に、圧電アクチュエータユニットを伸ばす場合には、該圧電アクチュエータユニットを構成する圧電アクチュエータにおける電圧昇圧時の変位量特性を用いる。つまり、圧電アクチュエータへの電圧を増加させることによって、圧電アクチュエータユニットを伸ばす。一方、伸ばしている圧電アクチュエータユニットを縮ませる場合には、圧電アクチュエータにおける電圧降圧時の変位量特性を用いる。つまり、圧電アクチュエータへの電圧を減少させることによって、圧電アクチュエータユニットを縮ませる。しかしながら、この場合には、上述した通り、電圧昇圧時の変位量特性と電圧降圧時の変位量特性とでは、同じ電圧であっても変位量が異なるという、ヒステリシスが生じる。
【００２１】
これに対して、上記構成では、圧電アクチュエータそれぞれにおける電圧昇圧時の変位量特性あるいは電圧降圧時の変位量特性とのいずれか一方のみを用いるように、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を各圧電アクチュエータで独立に変化させて、圧電アクチュエータユニットの伸縮駆動を行っている。これにより、一方の変位量特性のみを用いて、圧電アクチュエータユニットの伸縮駆動を行うことができる。
【００２２】
従って、圧電アクチュエータユニットの伸び方向への駆動および縮み方向への駆動（伸縮駆動）において変位量を一義的に決定することができる。すなわち、圧電アクチュエータユニットの伸び縮みの駆動方向に関わらず、変位量を等しくすることができる。それゆえ、ヒステリスに関係なく、高精度の変位量制御を行うことができる。
【００２３】
また、独立に印加電圧を変化させる各圧電アクチュエータの印加電圧に対する変位量を予め計測しておくことによって、位置検出系を必要としないため、圧電アクチュエータユニットの小型化を図ることができる。
【００２４】
さらに、上記（ｉ）とは異なり、変位量の値をアナログ値とすることができるため、変位の分解能が低下するという問題が生じず、圧電アクチュエータを不必要に増やす必要がなく、制御系を簡略化および小型化することができる。
【００２５】
また、上記（ｉ）とは異なり、圧電アクチュエータの電圧昇圧時における変位量あるいは電圧降圧時における変位量のいずれか一方のみしか用いないため、圧電アクチュエータユニットを駆動させる駆動系を簡略化することができる。
【００２６】
また、本発明の圧電アクチュエータユニット駆動方法では、圧電アクチュエータユニットを伸ばすときには、少なくとも１つの圧電アクチュエータの印加電圧を最小電圧で待機させて他の圧電アクチュエータを最小電圧より昇圧させ、圧電アクチュエータユニットを縮ませるときには、昇圧させている圧電アクチュエータの印加電圧をすべて最小電圧にすると同時に上記待機させている圧電アクチュエータを昇圧させ、以降、昇圧させる圧電アクチュエータと待機させる圧電アクチュエータとを交互に切り替えることが好ましい。
【００２７】
また、本発明の圧電アクチュエータユニット駆動装置では、上記駆動回路は、上記圧電アクチュエータユニットを伸ばすときには、少なくとも１つの圧電アクチュエータの印加電圧を最小電圧で待機させて他の圧電アクチュエータを最小電圧より昇圧させ、圧電アクチュエータユニットを縮ませるときには、昇圧させている圧電アクチュエータの印加電圧をすべて最小電圧にすると同時に上記待機させている圧電アクチュエータを昇圧させ、以降、昇圧させる圧電アクチュエータと待機させる圧電アクチュエータとを交互に切り替えるようになっていることが好ましい。
【００２８】
ここで、最小電圧とは、圧電アクチュエータにおける変位量を最小とするためのＯＦＦ時の電圧値であり、通常はゼロであり、ＯＦＦ時に何等かの電圧を印加するのであれば、その電圧となる。
【００２９】
上記構成によれば、圧電アクチュエータユニットを縮ませるとき、昇圧している圧電アクチュエータを徐々に降圧するのではなく、この圧電アクチュエータの印加電圧を最小電圧にしてしまい。同時に、予め待機させている印加電圧が最小電圧である別の圧電アクチュエータを最小電圧より昇圧させている。そして、以降、昇圧させる圧電アクチュエータと印加電圧を最小電圧で待機させている圧電アクチュエータとを交互に切り替えている。なお、この圧電アクチュエータユニットを伸ばすときには、上記と同様に、圧電アクチュエータを最小電圧より昇圧させて、少なくとも１つの圧電アクチュエータの印加電圧を最小電圧で待機させておけばいい。
【００３０】
これにより、圧電アクチュエータユニットを伸ばすときも、縮ませるときも、いずれにおいても、圧電アクチュエータにおける電圧昇圧時の変位量のみを用いることができる。
【００３１】
また、本発明の圧電アクチュエータユニットの駆動方法では、圧電アクチュエータユニットを縮ませるときには、少なくとも１つの圧電アクチュエータの印加電圧を最大電圧で待機させて他の圧電アクチュエータの電圧を最大電圧より降圧させ、圧電アクチュエータユニットを伸ばすときには、降圧させている圧電アクチュエータの印加電圧をすべて最大電圧にすると同時に上記待機させている圧電アクチュエータを降圧させ、以降、降圧させている圧電アクチュエータと待機させている圧電アクチュエータとを交互に切り替えることが好ましい。
【００３２】
ここで、最大電圧とは、圧電アクチュエータにおける変位量を最大とするため電圧値のことをいう。
【００３３】
上記構成によれば、圧電アクチュエータユニットを伸ばすとき、降圧させている圧電アクチュエータを徐々に昇圧するのではなく、この圧電アクチュエータの印加電圧を最大電圧にしてしまい。同時に、予め待機させている印加電圧が最大電圧である別の圧電アクチュエータの電圧を降圧させている。そして、以降、降圧させている圧電アクチュエータと印加電圧を最大電圧で待機させている圧電アクチュエータとを交互に切り替えている。
【００３４】
これにより、圧電アクチュエータユニットを伸ばすときも、縮ませるときも、いずれにおいても、圧電アクチュエータにおける電圧降圧時の変位量のみを用いることができる。
【００３５】
また、本発明の圧電アクチュエータユニットの駆動方法では、圧電アクチュエータユニットを予備駆動させることが好ましい。
【００３６】
一般に、圧電アクチュエータに電圧を印加する初期昇圧時には、印加電圧を最小電圧に戻した場合でも、残留電位が残るため、変位量は最小変位量にはならない。そのため、次に電圧を昇圧させる時と、初期昇圧時とでは、異なる変位量をとる。従って、電圧昇圧時における変位量同士にばらつきが生じる。
【００３７】
これに対して、上記構成によれば、圧電アクチュエータユニットを予備駆動させている。変位量同士に生じるばらつきをなくすことができる。すなわち、印加電圧に対する変位量特性を安定にすることができる。
【００３８】
また、本発明の圧電アクチュエータユニット駆動装置では、上記駆動回路は、上記複数の圧電アクチュエータの各々に対して印加する電圧量を制御する電圧量制御手段と、上記複数の圧電アクチュエータにおけるいずれの圧電アクチュエータに電圧を印加するかを選択する選択手段と、を有していることが好ましい。
【００３９】
また、本発明の圧電アクチュエータユニット装置では、複数の圧電アクチュエータを互いに直列に接続して成る圧電アクチュエータユニットと、上記のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータユニット駆動装置とを備えていることが好ましい。
【発明の効果】
【００４０】
以上のように、本発明の圧電アクチュエータユニット駆動方法は、上記複数の圧電アクチュエータそれぞれにおける電圧昇圧時の変位量特性、あるいは、電圧降圧時の変位量特性のいずれか一方のみの変位量特性を用いるように、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を各圧電アクチュエータで独立に変化させて、上記圧電アクチュエータユニットの伸縮駆動を行っている。
【００４１】
また、本発明の圧電アクチュエータユニット駆動装置は、上記駆動回路は、上記複数の圧電アクチュエータそれぞれにおける電圧昇圧時の変位量特性、あるいは、電圧降圧時の変位量特性のいずれか一方のみの変位量特性を用いるように、上記複数の圧電アクチュエータへ印加する電圧を各圧電アクチュエータで独立に変化させて、上記圧電アクチュエータユニットの伸縮駆動を行うようになっている。
【００４２】
従って、高精度の変位量制御、制御系の簡略化、小型化を実現した圧電アクチュエータユニット駆動方法および圧電アクチュエータユニット駆動装置を提供することができる、という効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明の一実施形態について、図１ないし図８を用いて説明する。
【００４４】
図２は、本実施の形態の圧電アクチュエータユニット装置（本装置）の概略構成を示す説明図である。本装置１０は、同図に示すように、圧電アクチュエータユニット（ユニット）１と、駆動回路８とを有している。なお、ユニット１は、同図に示すように、その一端が駆動回路８に接続されている一方、他端がグランドされている。
【００４５】
図３は、ユニット１の概略構成を示す説明図である。ユニット１は、同図に示すように、第１の圧電アクチュエータ（第１アクチュエータ；圧電素子）２と、該第１アクチュエータに直列に積層された第２の圧電アクチュエータ（第２アクチュエータ；圧電素子）３と、これらの間に配設させた絶縁体スペーサ４とを有している。
【００４６】
第１アクチュエータ２および第２アクチュエータ３は、それぞれ、電圧が印加されると、印加される電圧の大きさに応じた変位（歪）を生じる。この変位によって、ユニット１には、第１アクチュエータ２と第２アクチュエータ３との積層方向（伸び方向（図３に示すＡ方向）および縮み方向（図３に示すＢ方向））への変位が生じる。具体的には、第１アクチュエータと第２アクチュエータとに印加する電圧を昇圧させると、伸び方向に変位する（伸びる）一方、第１アクチュエータと第２アクチュエータと印加する電圧を降圧させると、縮み方向に変位する（縮む）。
【００４７】
上記駆動回路８は、図２に示すように、上記第１アクチュエータ２および第２アクチュエータに印加する電圧量を制御する電圧コントローラ５と、電源６と、上記第１アクチュエータ２または第２アクチュエータ３のいずれに電圧を印加するかを選択するスイッチ７とを有している。なお、図示しないが、この駆動回路８には、後述する伸縮判定手段および変位量判定手段を有していてもよい。
【００４８】
図４ないし図６は、ユニット１の動作を示すフローチャートである。駆動回路８を用いた、ユニット１の動作（駆動方法）について、図４ないし図６を用いて説明する。
【００４９】
まず、図４に示すように、第１アクチュエータ２および第２アクチュエータ３に最大電圧を印加する（Ｓ１）。次に、第１アクチュエータ２および第２アクチュエータ３の電圧をリセット（０に；最小電圧に）して（Ｓ２）、Ｓ３へ移行する。このＳ１およびＳ２は、動作の最初に行う、予備駆動という。なお、この予備駆動の詳細については、後に説明する。
【００５０】
また、最大電圧とは、第１アクチュエータ２および第２アクチュエータ、それぞれにおける最大変化量に相当する、すなわち、最大変化量を生じさせる電圧（図７におけるＶ７参照）をいう。また、最小電圧とは、第１アクチュエータ２および第２アクチュエータ、それぞれにおける最小変化量（ここでは０）に相当する、最小変位量を生じさせる電圧（図７における点Ｏ参照）をいう。なお、本実施の形態では、最小電圧を０にしているが、必ずしも０とは限らない。
【００５１】
ユニット１を伸び方向（図３に示すＡ方向）に駆動させる（伸ばす）場合には、Ｓ５へ移行する一方、伸び方向に駆動させない場合には、Ｓ４へ移行する（Ｓ３）。ユニット１を縮み方向（図３に示すＢ方向）に駆動させる（縮ませる）場合には、Ｓ１３へ移行する一方、ユニット１を縮み方向に駆動させない場合には、動作を終了する（Ｓ４）。
【００５２】
ユニット１を伸び方向に駆動させる場合には、スイッチ７（図２）にて第１アクチュエータ２または第２アクチュエータ３のいずれか一方が選択される。ここでは、第１アクチュエータ２が選択されたとして説明するが、第２アクチュエータが選択されてもよいことはいうまでもない。
【００５３】
第１アクチュエータ２に対してユニット１の伸び量（変位量；目的量）に相当する電圧が印加され、Ｓ６へ移行する（Ｓ５）。なお、この変位量に相当する電圧は、電圧コントローラ５（図２）にて決定される。このとき、第２アクチュエータ３は、印加電圧が０（最小電圧）のまま待機している。
【００５４】
さらに、ユニット１を伸び方向に駆動させる場合には、再び、Ｓ５へ移行する一方、ユニット１を伸び方向に駆動させない場合には、Ｓ７へ移行する（Ｓ６）。ユニット１を縮み方向に駆動させる場合には、Ｓ８へ移行する一方、ユニットを縮み方向に駆動させない場合には、動作を終了する（Ｓ７）。
【００５５】
ユニット１を縮み方向に駆動させる場合（すなわち、ユニット１を伸び方向から縮み方向へ変更する場合；伸ばしたユニット１を縮ませる場合）には、スイッチ７にて電圧が印加される圧電アクチュエータが、電圧が昇圧している第１アクチュエータから電圧が０で待機している第２アクチュエータへ切り替えられる。より詳細には、電圧が昇圧している第１アクチュエータ２の電圧を０にすると同時に（同期して）、第２アクチュエータ３に縮み量に応じた電圧を印加する（Ｓ８）。ここで縮み量に応じた電圧とは、第１アクチュエータ２の印加電圧を０にする前のユニット１の伸び量をＸ、所望の縮み量をＹとすると、第２アクチュエータ３におけるＸ−Ｙの変位量に相当する電圧のことをいう。なお、この変位量に相当する電圧は、電圧コントローラ５にて決定される。
【００５６】
その後、ユニット１を伸びる方向に駆動する場合には、第２アクチュエータ３にユニット１の変化量に相当する電圧を印加する（Ｓ１０）一方、伸びる方向に駆動しない場合には、Ｓ１１へ移行する（Ｓ９）。なお、この変化量に相当する電圧は、電圧コントローラ５にて決定される。このとき、第１アクチュエータ２は、電圧が０である。
【００５７】
ユニット１を縮み方向に駆動する場合（すなわち、縮んでいるユニット１をさらに縮ませる場合；Ｓ１１）には、電圧が印加されている（昇圧している）第２の圧電アクチュエータの電圧を０にする一方、電圧が０である第１の圧電アクチュエータに電圧を印加する。すなわち、昇圧する圧電アクチュエータと最小電圧が印加されている圧電アクチュエータとが交互に切り替えられる。より詳細には、第２アクチュエータ３の電圧を０にすると同時に、第１アクチュエータ２に縮み量に応じた電圧を印加して（Ｓ１２）上記Ｓ６へ移行する一方、ユニット１を縮み方向に駆動しないのであれば、動作を終了する（Ｓ１１）。
【００５８】
上記のＳ１３では、第１アクチュエータ２に最大変位量に相当する電圧が印加されて、Ｓ８へ移行する。
【００５９】
また、上記においてユニット１が伸び方向に方向に駆動するか、または縮み方向に駆動するかは、図示しない伸縮判定手段にて選択される。また、ユニット１の伸び量および縮み量の変位量は、図示しない変位量判定手段にて決定される。そして、この変位量判定手段にて決定された変位量信号は、電圧コントローラ５に送信され、該電圧コントローラ５にて変位に必要な電圧量が決定される。また、上記変位量信号は、本装置１０の図示しない外部装置から直接電圧コントローラ５に送信される構成であってもよい。
【００６０】
なお、上記の図４から図６のフローチャートの説明では、圧電アクチュエータが２つであることを前提として説明した。しかしながら、これに限らず、圧電アクチュエータは、３つ以上であってもよい。
【００６１】
そこで、例えば圧電アクチュエータが３つの場合について上記フローチャートを用いて、簡単に説明する。この場合、Ｓ５において、ユニット１の変化量に相当する電圧は、３つの圧電アクチュエータのうち、任意の１つ、または２つの圧電アクチュエータに印加させる（昇圧させる）。すなわち、少なくとも１つの圧電アクチュエータを電圧０（最小電圧）で待機させておく。その後、Ｓ８において、昇圧させていた圧電アクチュエータの電圧を全て０にすると同時に、電圧０で待機させていた圧電アクチュエータを昇圧させる。以降、Ｓ１０、Ｓ１２については、圧電アクチュエータが２つの場合と同様であるため、その説明を省略する。
【００６２】
次に、上記のユニット１の動作について、より具体的に説明する。図１は、第１アクチュエータ２および第２アクチュエータ３の印加電圧（Ｖ）と時間（ｔ）との関係、ならびに、変位量（ε）と時間（ｔ）との関係を示す、説明図である。
【００６３】
より詳細には、図１（ａ）は、ユニット１を駆動する際の第１アクチュエータ２に対する印加電圧の経時変化を示す説明図である。図１（ｂ）は、ユニット１を駆動する際の第１アクチュエータ２の変位量の経時変化を示す説明図である。図１（ｃ）は、ユニット１を駆動するの際の第２アクチュエータ３に対する印加電圧の経時変化を示す説明図である。図１（ｄ）は、ユニット１を駆動する際の第２アクチュエータ３の変位量の経時変化を示す説明図である。図１（ｅ）は、ユニット１を駆動する際のユニット１の変位量の経時変化を示す説明図である。
【００６４】
まず、図１（ｂ）に示すように、第１アクチュエータ２の伸び方向への変位量がε１（時刻ｔ１〜ｔ２）、ε２（＞ε１；時刻ｔ２〜ｔ３）、ε３（＞ε２；時刻ｔ３〜ｔ４）、およびε４（＞ε３；時刻ｔ４〜ｔ５）の順に変位している。なお、時刻ｔ１〜ｔ５では、第２アクチュエータ３の変位量は、図１（ｄ）に示すように、０であるため、第１アクチュエータの変位量は、ユニット１の変位量に等しい。
【００６５】
このように第１のアクチュエータ（ユニット１）を伸び方向へ変位させるには、図１（ａ）に示すように、電圧Ｖ１（時刻ｔ１〜ｔ２）、電圧Ｖ２（＞Ｖ１；時刻ｔ２〜ｔ３）、電圧Ｖ３（＞Ｖ２；時刻ｔ３〜ｔ４）、および電圧Ｖ４（＞Ｖ３；時刻ｔ４〜ｔ５）の順で第１アクチュエータに印加する電圧を上げる（昇圧させる）。図１（ｃ）から分かる通り、時刻ｔ１〜ｔ５では、第２アクチュエータは、電圧が０となっている。
【００６６】
次に、図１（ｂ）（ｄ）（ｅ）に示すように、ユニット１の変位量を時刻ｔ５〜ｔ６において、ε５からε３（＜ε５）に縮める場合、すなわち、ユニット１の駆動方向を伸び方向から縮み方向に変更する場合（伸ばした圧電を縮ませる場合）には、図１（ａ）に示すように、第１アクチュエータ２に対する印加電圧をリセットして（０にして；最小電圧にして）、図１（ｂ）に示すように、第１アクチュエータ２の変位量を０にする。そして、この第１アクチュエータ２に対する印加電圧を０にするのと同時に（同期させて）、電圧を０にして待機させていた第２アクチュエータ３に対して、図１（ｃ）に示すように、ε３の変化量に相当する電圧Ｖ３’を印加する（時刻ｔ５〜ｔ６）。なお、時刻ｔ５〜６では、第１アクチュエータ２の変位量は０であるため、第２アクチュエータ３の変位量は、ユニット１の変位量に等しい。これにより、ユニット１の変位量がε５からε３（＜ε５）へと変化して、ユニット１が縮む方向へ駆動する。
【００６７】
さらに、図１（ｂ）（ｄ）（ｅ）に示すように、ユニット１の変位量を時刻ｔ６〜ｔ７においてε２にさらに縮める場合には、図１（ｃ）に示すように、第２アクチュエータ３に対する印加電圧を０にして、図１（ｄ）に示すように、第２アクチュエータ３の変位量を０にする。そして、この第２アクチュエータ３に対する印加電圧を０にするのと同時に、印加電圧が０である第１アクチュエータ２に対して、ε２の変化量を生じさせる電圧Ｖ２を印加する（時刻ｔ６〜ｔ７）。すなわち、縮ませたユニット１をさらに縮ませる場合には、圧電アクチュエータへの印加電圧を切り替えればよい。
【００６８】
なお、時刻ｔ６〜７では、第２アクチュエータ３の変位量は０であるため、第１アクチュエータ２の変位量は、ユニット１の変位量に等しい。これにより、ユニット１の変位量がε３からε２（＜ε３）へと変化して、ユニット１が縮む方向へ駆動する。
【００６９】
また、図１（ｂ）（ｄ）（ｅ）に示すように、ユニット１の変位量を時刻ｔ７〜ｔ８においてε１に縮める場合には、図１（ａ）に示すように、第１アクチュエータ２に対する印加電圧を０にして、図１（ｂ）に示すように、第１アクチュエータ２の変位量を０にする。そして、この第１アクチュエータ２に対する印加電圧を０にするのと同時に、印加電圧が０である第２アクチュエータ３に対して、図１（ｃ）に示すように、ε１の変化量を生じさせる電圧Ｖ１’を印加する（時刻ｔ７〜ｔ８）。なお、時刻ｔ７〜８では、第１アクチュエータ２の変位量は０であるため、第２アクチュエータ３の変位量は、ユニット１の変位量に等しい。これにより、ユニット１の変位量がε２からε１（＜ε２）へと変化して、ユニット１が縮む方向へ駆動する。
【００７０】
このように、各圧電アクチュエータ（第１アクチュエータ２，第２アクチュエータ３）に電圧を印加してユニット１を動作（駆動）させる場合には、上記の通り、第１アクチュエータ２と、第２アクチュエータ３との変位量の変化は、それぞれ図１（ｂ）（ｄ）のようになる。それゆえ、２つの圧電アクチュエータを図３に示すように直列的に積層したユニット１の変位量の変化は、図１（ｅ）に示すように、第１アクチュエータ２と第２アクチュエータ３との変位量の合計となる。なお、第１アクチュエータ２と第２アクチュエータとは、電圧を昇圧・降圧する際に、同一の変位量を生じるものでもよいし、異なる変位量を生じるものであってもよい。
【００７１】
特に、本実施の形態によるユニット１の駆動方法（方式）によれば、ユニット１の伸び方向への駆動から縮み方向への駆動方向の変更を（伸ばした圧電アクチュエータを縮める場合）、元々、昇圧させていた圧電アクチュエータの電圧を徐々に減少させるのではなくて、この圧電アクチュエータの印加電圧を０にすると同時に、印加電圧を０にして待機させていた別の圧電アクチュエータの電圧を昇圧させることによって行っている。すなわち、圧電アクチュエータへ印加する電圧を各圧電アクチュエータで独立に変化させている。
【００７２】
従って、ユニット１を伸びる方向に駆動させる場合だけでなく、縮む方向に駆動させる場合においても、圧電アクチュエータの電圧昇圧時における変位量（変位量特性）のみを用いることができる。すなわち、後述する図７に示す往路である曲線Ｌ１・曲線Ｌ３のみを用いてユニット１を伸縮駆動させることができる。
【００７３】
すなわち、圧電アクチュエータの電圧降圧時（復路）における変位量特性を利用せず、圧電アクチュエータの電圧昇圧時（往路）における変位量特性のみを利用してユニット１を伸縮駆動させることができる。そのため、ヒステリシスの影響を受けずにユニット１を伸縮駆動させることができる。
【００７４】
また、本実施の形態によれば、上記第１アクチュエータおよび第２アクチュエータに対する印加電圧をアナログで変化させることができるため、従来の積層比が２の倍数である複数の圧電アクチュエータを直列に積層し、各圧電アクチュエータを印加電圧のＯＮ−ＯＦＦで制御する方法に比べ、制御系を複雑にするとこなく、高分解能での変位制御が可能である。
【００７５】
また、上記では圧電アクチュエータの電圧昇圧時における変位量特性のみを利用しているため、圧電アクチュエータの電圧昇圧時および電圧降圧時における変位量を同時に利用する場合に比べて、制御系を簡易にすることができる。
【００７６】
また、上記では、圧電アクチュエータにおける電圧昇圧時の変位量特性のみを利用する場合について説明した。しかしながら、これに限定されず、圧電アクチュエータにおける電圧降圧時の変位量特性のみを利用する場合であってもよい。この場合であっても、圧電アクチュエータの電圧降圧時の変位量特性のみを利用して圧電アクチュエータユニットを駆動させるため、ヒステリシスの影響を受けずに圧電アクチュエータユニットを伸縮駆動させることができる。
【００７７】
この圧電アクチュエータにおける電圧降圧時の変位量特性のみを利用して圧電アクチュエータを伸縮駆動させる場合について、簡単に説明する。なお、圧電アクチュエータの数は、２つとし、第３アクチュエータ、第４アクチュエータとよぶ。
【００７８】
まず、最初に、第３アクチュエータおよび第４アクチュエータに最大電圧を印加する。すなわち、圧電アクチュエータユニットを最大限伸びきった状態にする。次に、例えば第３アクチュエータを降圧させて圧電アクチュエータユニットを縮み方向に駆動させる（縮ませる）。このとき、第４アクチュエータには、最大電圧を印加して待機させておく。
【００７９】
そして、圧電アクチュエータユニットを伸び方向に駆動させる場合には、第３アクチュエータの電圧を最大電圧を印加すると同時に、第４アクチュエータを降圧する。以降、第３アクチュエータと第４アクチュエータとを入れ替えて同様の動作を行う。これによって、圧電アクチュエータにおける電圧降圧時の変位量特性のみを利用して圧電アクチュエータユニットの伸縮駆動を行うことができる。
【００８０】
なお、本実施の形態によれば、ユニット１は、伸び方向変位時と縮み方向変位時とで同様の変位量特性を得ることができるため、各圧電アクチュエータの印加電圧に対する変位量特性をあらかじめ計測しておくことで、縮み方向変位時に、センサ等により変位を検出し、フィードバックする必要が無くなる。よって、駆動回路８内にはユニット１の変位量を測定する位置検出系は不要となるため、回路の小型化を図ることが可能となる。
【００８１】
また、上記したように、圧電アクチュエータの数は、２個に限定されるものではなく、圧電アクチュエータの数は、複数個であれば何個でもよい。この場合でも、上記と同様、圧電アクチュエータに対して選択的に（交互に；交代で）電圧を印加して、各圧電アクチュエータを交代で駆動することにより、上記と同様の効果を得ることができる。また、圧電アクチュエータの数に関わらず、圧電アクチュエータと圧電アクチュエータとの間には、絶縁体スペーサが設けられている。
【００８２】
また、一般的に、圧電アクチュエータの印加電圧に対する変位量の特性は、図７に示すように、印加電圧および変位量が０から印加電圧を昇圧させる初期昇圧時には曲線Ｌ１（往路Ｘ；電圧昇圧時の変位量特性）を満たす一方、降圧時には曲線Ｌ２（復路；電圧降圧時の変位量特性）を満たす。曲線Ｌ２において、印加電圧を０にした場合でも、圧電アクチュエータ内には、電荷が残るため、変位量は０にはならず、残留変位ε７が生じる。
【００８３】
この残留電位が生じている状態から、再び印加電圧させる昇圧時には、圧電アクチュエータの印加電圧に対する変位量の特性は、曲線Ｌ３（往路Ｙ；昇圧時の変位量特性）を満たし、印加電圧に対する変位量特性は、安定する。
【００８４】
従って、上記したユニット１の動作において、最初に第１アクチュエータ２および第２アクチュエータ３に最大電圧（Ｖ７）を印加した後、両者の印加電圧をリセットして（最小電圧にして）、残留変位ε７を生じさせるという、予備駆動（図４に示すＳ１）を行う。これによって、印加電圧に対する変位量特性を曲線Ｌ３（往路Ｙ）で安定させることができる。
【００８５】
なお、本実施の形態の比較例として、単一の圧電アクチュエータを用いて、本実施の形態のような駆動方法を行った場合について、図８を用いて説明する。図８では、横軸は時間を示す一方、縦軸は圧電アクチュエータの変位量および印加電圧を示している。そして、変位量を図中曲線Ｌ５にて表す一方、印加した電圧量をハッチングにて示している。
【００８６】
単一の圧電アクチュエータを用いた場合、縮み方向への駆動の際に、電圧印加、印加電圧のリセットを行うと、印加電圧リセット時に圧電アクチュエータの変位量が０になってしまうため、同図に示すように、変位量特性に揺れが生じる。
【００８７】
これに対して、本実施の形態によれば、２つの圧電アクチュエータで構成され、一方の圧電アクチュエータの印加電圧をリセットする時に、もう一方の圧電アクチュエータに電圧を印加するため、図１（ｅ）に示すように、ユニット１の変位量が０になることがないため、変位量特性の揺れを抑えることができる。
【００８８】
また、ユニット１は、直列的に積層された第１の圧電アクチュエータ２および第２の圧電アクチュエータ３、間に挿入された絶縁体スペーサ４により構成されている。電圧降圧時に第１の圧電アクチュエータ２と第２の圧電アクチュエータ３に対して交互に電圧を印加することで、圧電アクチュエータユニット１の変位量特性は常に第１の圧電アクチュエータ２の昇圧時（往路）における変位量特性をとるため、ヒステリシスの影響を受けることなく、伸び方向変位時と縮み方向変位時で同様の変位量特性を得ることが可能となる。
【００８９】
また、圧電アクチュエータの駆動方法では、直列的に接続された複数の圧電アクチュエータからなる圧電アクチュエータユニットを駆動させる圧電アクチュエータユニット駆動方法において、前記複数の圧電アクチュエータに対して交互に電圧を印加し、駆動させでもよい。
【００９０】
また、圧電アクチュエータの駆動方法では、前記複数の圧電アクチュエータに対して、降圧時にのみ交互に電圧を印加し、駆動させてもよい。
【００９１】
また、圧電アクチュエータの駆動方法では、前記圧電アクチュエータユニット駆動前に予備駆動を行ってもよい。
【００９２】
また、圧電アクチュエータの駆動方法では、伸び方向変位時と縮み方向変位時において、変位量が同じとなるように複数の前記圧電アクチュエータに対して交互に電圧を印加し、駆動させてもよい。
【００９３】
また、圧電アクチュエータユニット駆動装置では、複数の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータに対して選択的に電圧を印加する電圧コントローラを有する駆動回路とを具備していてもよい。
【００９４】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明の圧電アクチュエータユニット駆動方法は、高精度の変位量制御を実現することができる圧電アクチュエータを用いた位置制御装置に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】（ａ）は、圧電アクチュエータユニットを駆動する際の第１の圧電アクチュエータに対する印加電圧の経時変化を示す説明図であり、（ｂ）は、圧電アクチュエータユニットを駆動する際の第１の圧電アクチュエータの変位量の経時変化を示す説明図であり、（ｃ）は、圧電アクチュエータユニットを駆動するの際の第２の圧電アクチュエータに対する印加電圧の経時変化を示す説明図であり、（ｄ）は、圧電アクチュエータユニットを駆動する際の第２の圧電アクチュエータの変位量の経時変化を示す説明図であり、（ｅ）は、圧電アクチュエータユニットを駆動する際の圧電アクチュエータユニットの変位量の経時変化を示す説明図である。
【図２】本実施の形態の圧電アクチュエータユニット駆動装置の概略構成を示す説明図である。
【図３】圧電アクチュエータユニットの概略構成を示す説明図である。
【図４】圧電アクチュエータユニットの駆動方法を示すフローチャートである。
【図５】圧電アクチュエータユニットの駆動方法を示すフローチャートである。
【図６】圧電アクチュエータユニットの駆動方法を示すフローチャートである。
【図７】圧電アクチュエータの残留変位について示すグラフである。
【図８】本実施の形態の比較例として、単一の圧電アクチュエータを駆動した場合の変位量特性について示すグラフである。
【図９】従来の圧電アクチュエータのヒステリシス特性について示すグラフである。
【符号の説明】
【００９７】
１          圧電アクチュエータユニット
２          第１の圧電アクチュエータ（圧電アクチュエータ）
３          第２の圧電アクチュエータ（圧電アクチュエータ）
５          コントローラ（電圧量制御手段）
７          スイッチ（選択手段）
８          駆動回路
１０        圧電アクチュエータユニット装置
Ａ          圧電アクチュエータユニットの伸び方向
Ｂ          圧電アクチュエータユニットの縮み方向
Ｌ１，Ｌ３  圧電アクチュエータの電圧昇圧時における変位量特性
Ｌ２        圧電アクチュエータの電圧降圧時における変位量特性
Ｏ          最小電圧
Ｖ７        最大電圧
【図１】
2006254541.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006254541.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2006254541.tif 000009
【図８】
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【図９】
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