筑波大学技術報告

24: 48-52, 2004

ピエゾ素子による位置設定用ユニットの駆動回路製作○淀縄文男1、中原繁男2
筑波大学 生命・情報等教育研究支援室（物理工学系）〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
現在、大学などの研究室において実験装置の精密な位置決めなどでピエゾ素子を使用することが多くなっている。このピエゾ素子に電圧を加えることによって伸び縮みすることを利用し位置設定を行なうことができる。この方法を利用した回路の製作が数回にわたり各研究室から製作依頼があった。
今回はピエゾ素子を応用した位置設定用ユニットの駆動回路を製作することになった。このユニットの動作原理は電圧の変化を利用して静的摩擦と動的摩擦を作り、微小の位置変化を作り出すことができる非常にシンプルなものである。
この動作を満足させるためにはランプ波を発生させる回路が必要となってくる。そこで、我々はピエゾ素子を応用したユニットを駆動するドライブ回路（位置決めをするための駆動回路）を、実際に回路設計を行い製作することになった。

１．はじめに最初に我々が所属している生命・情報等教育研究支援室（物理工学系）についてどのような職場であるか簡単に説明させて頂く。
学系の中には機械、電気、化学の専門分野ごとに３つのグループがあり、それぞれの仕事をしている。
そして電気を２名で担当している。
電気担当としての仕事の内容を簡単に述べさせていただく。主な仕事は学系内研究用装置の設計及び製作、LAN の管理（教官用のホームページ、ＩＰアドレス、ＬＡＮの工事など）、電気部品の管理、電気実習（時期：１０月初旬から１１月下旬）、学生に対してアドバイスなどを行っている。また、それぞれに学生実験を担当している。
今回、研究に使用する実験装置の製作の依頼があり、製作したので報告する。

２．回路について
2.1 ブロック図による回路の概略
回路に付いて図１のブロック図を元に説明する。
今回の回路の発振部にはセイコーエプソン社のプログラマブル水晶発振器(SPG8640BN)を使用した。これは 57 種類の周波数(1/120Hz-1MHz)を簡単にディップスイッチにより CTL1～CTL6 を選択することによって周波数を出力できるものである[1] 。ここで選択された周波数を次の D-A 変換部に入力する。
12

D-A 変換部はバイナリカウンタ 74HC4040 と 8 ビットのバイポーラの D-A コンバータ DAC0800 そして電流電圧変換用の OP アンプによる３個の IC によって構成している。この回路構成によって電圧波形（ランプ波）を作り出力している。また、ここで作られた出力波形を電圧増幅回路に入力し約１倍から２倍の可変出力波形としている。
IC(LF356)は FET 入力の扱いやすい OP アンプで一般的に広く使われている。
次に電圧増幅で作られた可変の電圧を整流回路に入力し正の波形と負の波形を取り出している。これは OP アンプとダイオードの組み合わせによる理想ダイオード回路としダイオードの順方向電圧のロスをなくしている。ここで使用しているダイオードは
1S1588 で、一般的に出回っているシリコン・ダイオードである。
この正側用ダイオード、負側用ダイオードによって出力された正電圧波形は位相反転回路を通した後に位相切り替えスイッチに、負電圧波形は直接位相切り替えスイッチに、それぞれの負の波形を選択し出力モニター用 OP アンプとアナログスイッチに送られる。
使用したアナログスイッチ(LF13333)はロジック入力でアナログ信号を ON、OFF できる。
出力モニターの回路には、やはり LF356 を負入力とし波形がパルス状なのでメータのふらつきを無くすために積分し直流メータにより直読できるようにした。
D-A 変換部のバイナリカウンタから送られた信号はロジック回路を通しカウンター部の 74HC190 をシリーズ接続して２桁までセットできるようにした。
カウンター回路部は、74HC123 のワンショット･マルチバイブレータを使いスタートパルスを作りR-S フリップ・フロップを通し 74HC107 の J-K フリ
ッ プ ･ フ ロ ッ プ か ら ロ ー ド 信 号 を 74HC190 のUP/DOUN デコーダ・カウンタに送っている。これは、立下りのスタート信号を L トリガ形 R-S フリップ・フロップで H にセットし、74HC4040 の 12 ビットカ
ウンタからの信号をカウンター回路部の基準パルスとし D タイプフリップ･フロップに送り 1/2 分周回路を 通 し て J-K フ リ ッ プ ･ フ ロ ッ プ の ク ロ ッ ク と74HC190 のデコーダ・カウンタのクロックに送っている[2] [3] [4]。
ここでの J-K フリップ・フロップはスタート信号を基準パルスに同期させるためである。また、カウンター内のセットした値が“0”になると、基準パル
スの立下りに同期し、RCO(Ripple Carry Output)出力が“L”となり、R-S フリップ・フロップがリセット

E-mail: yodonawa@bk.tsukuba.ac.jp
E-mail: nakahara@bk.tsukuba.ac.jp-48-される。デコーダ・カウンタにプリセットすべきデータを与えるために使用したデジスイッチは、オムロンのサムロータリースイッチである[5]。
このカウンター回路において設定された数だけ高圧増幅回路（高圧のため OP アンプと耐圧の大きいトランジスタのデスクリートで組んだ。）に送り増幅し出力される。この増幅回路は入力電圧を 10 倍に増幅する。
回路に使用した高圧電源はあまり電流が必要としないため電流制御方式は使わず電源は倍電圧整流回路のみとした。以上が回路の大まかな説明である。

図１．ブロック図

2.2 プリント基板の製作
プリント基板の製作についてはいろいろな方法がある。パーソナルコンピュータが発達している現代
ではプリント基板の製作に当たって自動化が我々にも身近になりつつある。
その一つの方法として、すべてコンピュ－タによってパターン図を描きその描いたものを専用のプリント基板製作機械で削り取ってしまうという非情に簡単で、しかも早く製作することが出来る。このような機械を購入すれば楽であるが使用頻度を考えるとコストが高くなり、無駄のように感じられる。また、簡単に製作しやすい方法としてフォトエッチング法がある。沢山の基板を焼くのであればフォトエッチング法も良いが、我々が関係している研究室の仕事である装置製作は単品ものが多いことから今回の製作にあたってはすべて手書きで製作した。
アナログ回路とデジタル回路があるため配線の引き回しとノイズを考慮して両面基板を使用した。製作の方法としてはトレーシングペーパーにパターン図を描きそれをプリント基板に写し取る方法で少し原始的でもある。今回使用したものはガラスエポキシ系の厚さ 1.6t の両面基板を使用した。
この様な方法で出来上がったものが写真 1 のプリント基板である。写真２はプリント基板に部品を実装したものである。

写真１．プリント基板

写真２．部品実装-49-

３．完成した装置

４．波形観測電源部、メインボード、その他の部品をケースに収め配線し完成したユニットである。
写真３は製作した本体の写真であり、出力を見やすくするためにモニター用のアナログメータを正面パネル中央に配置し出力可変用ボリュームをその下に取り付けた。右側のツマミは方向設定用、デジタ
ルの表示はパルス数を設定し、下のスタートボタンにより 設定数のパルスを出力する。
写真４はユニット内部の写真で左側がメインボードで右上が電源部、右下が電圧変換用トランスである。

4.1 正方向波形
写真５は出力電圧：100V、パルス幅：500µs のランプ波を単発セットし出力した波形である。
写真６は出力電圧：50V、パルス幅：500µs のランプ波を３発セットし出力した波形である。
写真７の上側は正方向電圧波形（出力電圧：100Vを３発出力にセットし出力させた波形）であり、下側はその波形の立下りの波形を測定した。出力電圧：100V 立下り：2µs である。

X 軸：100µs/div Y 軸：20V/div
写真３．正面パネル

写真５．正出力波形（繰り返し周波数:500Hz）【繰り返し周波数：500Hz】（X 軸：1ms/div Y 軸：20V/div
写真６．正出力波形（３発）
写真４．ユニット内部-50-

（繰り返し周波数:500Hz）【繰り返し周波数：500Hz】

X 軸：1ms/div Y 軸：20V/div
写真９．逆出力波形（３発）
X 軸：4µs/div Y 軸：20V/div
写真７．正出力波形（立下り）

4.2 逆方向波形
写真８は出力電圧：100V、パルス幅：500µs のランプ波を単発セットし出力した波形である。
写真９は出力電圧：50V、パルス幅：500µs のランプ波を３発セットし出力した波形である。
写真１０上側は逆方向電圧波形（出力電圧：３発出力にセットし出力させた波形）であり、下側はその波形の立ち上がりの波形を測定した。出力電圧：100V 立ち上がり：2µs である。
X 軸：4µs/div Y 軸：20V/div
写真１０．逆出力波形（立上り）５．測定結果X 軸：100µs/div Y 軸：20V/div
写真８．逆出力波形

今回製作した駆動回路については仕様書にそって製作したユニットの出力波形をそれぞれ測定してみた。ランプ波の立ち上がり、及び立ち下がりを測定したが仕様書の指定では正方向波形では立ち上がり：150µs 以上が 500µs であり、立下り：15µs 以下の指定が 2µs であった。また逆方向波形では立ち上がり：15µs 以下を 2µs となり立下り：150µs 以上が 500µsとした。
仕様書においては、繰り返し周波数：2KHz 以下とするとの事で繰り返し周波数は 500Hz と設定した。
パルスのセットは９９パルスセットできるようになっている。そして出力電圧は指定どおり 50V から最-51-

大 120V まで連続で出力可変可能にし、測定した結果 謝辞
スムーズに波形も歪まず出力されたことが分かった。
今回の製作にあたって協力して下さった物理工学
ストック部品を使うことを目標に製作したが、仕様系牧村哲也講師に深く感謝いたします。
書は十分満足することができた。

６．今後の課題
ストック部品での製作では限界がある。今後は、段数の多いバイナリカウンタやそれに対応した D-Aコンバータを購入し分解能を良くした場合どの位精度が良くなるか製作し、比較してみる。また、実際に研究に試用した結果を報告していただきそれを基に改良を重ねていき完成度の高い装置にすることが課題であると同時に今後の装置作りの基礎にすることを我々は考えている。

参考文献[1] セイコーエプソン（QUARTZ DEVICE）pp47-48[2] トランジスタ技術 SPECIAL№４ p100
[3] 高速 CMOS ロジック・データブック（日本テキサス・インスツルメンツ 1991）[4] 中原繁男、淀縄文男：分光計測用 24 ビット・カウン
ターの製作, 筑波大学技術報告№13（1993） pp13-20[5] OMRON ベスト制御機器オムロン第 12 版 pp883-892-52-