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JP2006165011A - Piezoelectric element driving apparatus and piezoelectric element driving method - Google Patents

Piezoelectric element driving apparatus and piezoelectric element driving method Download PDF

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JP2006165011A
JP2006165011A JP2004349474A JP2004349474A JP2006165011A JP 2006165011 A JP2006165011 A JP 2006165011A JP 2004349474 A JP2004349474 A JP 2004349474A JP 2004349474 A JP2004349474 A JP 2004349474A JP 2006165011 A JP2006165011 A JP 2006165011A
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JP
Japan
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piezoelectric element
current
changeover switch
power supply
displacement
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Application number
JP2004349474A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Katsushi Furuya
克司 古谷
Mutsuo Munekata
睦夫 宗片
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NANO CONTROL KK
Toyota Gauken
Original Assignee
NANO CONTROL KK
Toyota Gauken
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Publication date
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Abstract

【課題】 圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかもその分解能を高めた変位量制御を行うための圧電素子駆動装置および駆動方法を提供する。
【解決手段】 圧電素子50を変位させるための駆動装置10は、コンピュータ20と、駆動電源30を有する。駆動電源30は、圧電素子50に電流を供給するためのカレントソースIpと、圧電素子50に充電された電荷を放電させるためのカレントシンクImと、カレントソースIpに設けられた給電用の切り換えスイッチSpと、カレントシンクImに設けられた放電用の切り換えスイッチSmとを備えている。一定のスイッチング時間tでスイッチSpのオン/オフを繰り返して行うことで圧電素子50を伸ばす。圧電素子50に対して充放電が行われていないときには、圧電素子50は駆動電源30と切り離された状態となるので、変位量が一定に維持される。
【選択図】 図2
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric element driving apparatus and a driving method for performing displacement control that causes a large displacement in a piezoelectric element in a short time and further increases its resolution.
A drive device 10 for displacing a piezoelectric element 50 includes a computer 20 and a drive power supply 30. The drive power supply 30 includes a current source Ip 1 for supplying a current to the piezoelectric element 50, a current sink Im 1 for discharging a charge charged in the piezoelectric element 50, and a power supply provided in the current source Ip 1 . a changeover switch Sp 1 of, and a changeover switch Sm 1 for discharge provided in the current sink Im 1. The piezoelectric element 50 is extended by repeatedly turning on / off the switch Sp 1 at a constant switching time t 1 . When the piezoelectric element 50 is not charged / discharged, the piezoelectric element 50 is disconnected from the drive power supply 30, so that the displacement is kept constant.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、圧電素子を用いた位置決め装置に用いられる圧電素子駆動装置および駆動方法に関し、より詳しくは、半導体製造装置等の超精密位置決め装置に設けられる位置決め用圧電素子駆動装置および駆動方法に関する。
に関する。
The present invention relates to a piezoelectric element driving apparatus and a driving method used in a positioning apparatus using a piezoelectric element, and more particularly to a positioning piezoelectric element driving apparatus and a driving method provided in an ultraprecision positioning apparatus such as a semiconductor manufacturing apparatus.
About.

例えば、近時の半導体装置における回路の微細化、高集積化に伴い、例えば、露光装置(ステッパ)等の半導体製造装置では、シリコンウエハを高い精度で位置決めする必要がある。そこで、このようなシリコンウエハを保持したステージの位置決めに圧電素子(主に積層型圧電素子)が用いられるようになってきている。   For example, with the recent miniaturization and high integration of circuits in semiconductor devices, for example, in a semiconductor manufacturing apparatus such as an exposure apparatus (stepper), it is necessary to position a silicon wafer with high accuracy. Therefore, a piezoelectric element (mainly a laminated piezoelectric element) has been used for positioning the stage holding such a silicon wafer.

圧電素子の駆動方法は、電圧駆動と電流駆動に大別される。電圧駆動では、通常は、所望の変位量を得るために、コンピュータで発生させた指令値(デジタル信号)をD/Aコンバータでアナログ信号に変換し、それをアンプで電力増幅させて圧電素子に印加し、圧電素子を変位させる。そして、圧電素子の変位量を変位計によって測定し、そのデータをコンピュータにフィードバックし、コンピュータに新たな指令値を発生させる(例えば、非特許文献1、特許文献1参照)。   The driving method of the piezoelectric element is roughly divided into voltage driving and current driving. In voltage drive, in order to obtain a desired amount of displacement, normally, a command value (digital signal) generated by a computer is converted into an analog signal by a D / A converter, and the power is amplified by an amplifier to form a piezoelectric element. Apply and displace the piezoelectric element. Then, the displacement amount of the piezoelectric element is measured by a displacement meter, the data is fed back to the computer, and a new command value is generated by the computer (see, for example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 1).

一方、電流駆動では、定電流電源から出力される電流値の大きさをコンピュータで制御することによって、圧電素子に充電される電荷量を制御して、圧電素子を変位させる。この場合も、圧電素子の変位量を変位計によって測定し、そのデータをコンピュータにフィードバックし、定電流電源から出力される電流値を制御する(例えば、非特許文献2、特許文献2参照)。このような電流駆動では、圧電素子の変位にヒステリシスが生じないという特徴がある。なお、この場合にも、コンピュータと低電流電源との間にはD/Aコンバータが設けられる。   On the other hand, in current driving, the magnitude of the current value output from the constant current power source is controlled by a computer, thereby controlling the amount of charge charged in the piezoelectric element and displacing the piezoelectric element. Also in this case, the displacement amount of the piezoelectric element is measured by a displacement meter, the data is fed back to the computer, and the current value output from the constant current power source is controlled (for example, see Non-Patent Document 2 and Patent Document 2). Such current drive is characterized in that hysteresis does not occur in the displacement of the piezoelectric element. In this case as well, a D / A converter is provided between the computer and the low current power source.

しかしながら、このような従来の圧電素子の駆動方法では、圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかも例えばサブナノメートルオーダーの高い分解能を得るような分解能を高めた変位量制御を行うことは、駆動電源(アンプ)の特性面から困難である。   However, in such a conventional method for driving a piezoelectric element, it is possible to cause displacement in the piezoelectric element in a short time, and to perform displacement amount control with an increased resolution so as to obtain a high resolution on the order of sub-nanometers, for example. This is difficult due to the characteristics of the drive power supply (amplifier).

その理由として、圧電素子を電圧駆動する場合には、D/Aコンバータに高い分解能が要求されるが、高速で16ビット以上の分解能を持つD/Aコンバータの実現は困難であり、ノイズによっても圧電素子は変位するために、高い分解能を得ることが困難であることや、圧電素子の端子電圧によって流れる電流値が変化するために、パルス状の一定電圧を加えても1パルスあたりの変位量が一定せず、具体的には、端子電圧が低い場合には多くの電流が流れて大きく伸び、逆に端子電圧が高いと電流が小さくなって殆ど伸びないという事態が起こる。   The reason is that when the piezoelectric element is driven by voltage, a high resolution is required for the D / A converter, but it is difficult to realize a D / A converter having a resolution of 16 bits or more at high speed. Since the piezoelectric element is displaced, it is difficult to obtain a high resolution, and since the value of the flowing current changes depending on the terminal voltage of the piezoelectric element, the displacement amount per pulse even if a pulse-like constant voltage is applied. Specifically, when the terminal voltage is low, a large amount of current flows and greatly increases. Conversely, when the terminal voltage is high, the current decreases and hardly extends.

また、圧電素子を電流駆動する場合においては、一般に定電流電源の出力インピーダンスが高く、圧電素子に供給できる電流値に制限があるために、圧電素子を高速で変位させることは困難である。また、電圧駆動と同様に、D/Aコンバータの高分解能化が困難であるという問題がある。   In addition, when the piezoelectric element is driven by current, the output impedance of the constant current power source is generally high and the current value that can be supplied to the piezoelectric element is limited, so that it is difficult to displace the piezoelectric element at high speed. In addition, similarly to voltage driving, there is a problem that it is difficult to increase the resolution of the D / A converter.

さらに、従来の圧電素子を電流駆動する方法では、圧電素子の変位を一定に保持したい場合にも、圧電素子と駆動電源とが常に導通した状態にある。そのために圧電素子と駆動電源との間に電流が流れて、圧電素子が微小な伸縮(振動)を繰り返し、精密位置決めの精度を低下させている問題もある。
特開平1−181580号公報 岡崎祐一,「圧電素子を用いた微小変位工具台」,精密工学会誌,54,7,pp1375−1380(1988) 特開平2−129975号公報 C. V. Newcomb and I. flinn : Improving The Linearity of Piezoelectric Ceramic Actuators, Electronics Letter, 18, pp442-444(1982)
Furthermore, in the conventional method of driving the piezoelectric element with current, the piezoelectric element and the driving power source are always in a conductive state even when it is desired to keep the displacement of the piezoelectric element constant. For this reason, there is a problem that current flows between the piezoelectric element and the drive power source, and the piezoelectric element repeats minute expansion and contraction (vibration), thereby reducing the precision of precision positioning.
JP-A-1-181580 Yuichi Okazaki, “Microdisplacement tool table using piezoelectric elements”, Journal of Japan Society for Precision Engineering, 54, 7, pp1375-1380 (1988) Japanese Patent Laid-Open No. 2-129975 CV Newcomb and I. flinn: Improving The Linearity of Piezoelectric Ceramic Actuators, Electronics Letter, 18, pp442-444 (1982)

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかもその分解能を高めた変位量制御を行うことができる、圧電素子駆動装置および駆動方法を提供することを目的とする。また、本発明は、圧電素子を変位させた状態で静止させることができる圧電素子駆動装置および駆動方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a piezoelectric element driving device and a driving method capable of performing displacement control with a large amount of displacement generated in a piezoelectric element in a short time and with improved resolution. The purpose is to do. Another object of the present invention is to provide a piezoelectric element driving apparatus and a driving method that can make the piezoelectric element stand still in a displaced state.

本発明によれば、圧電素子を電流駆動するための駆動装置であって、
圧電素子に電流を供給するためのカレントソースと、
前記カレントソースから圧電素子に所定のスイッチング時間で給電を行うための給電用切り換えスイッチと、
前記圧電素子に充電された電荷を放電させるためのカレントシンクと、
圧電素子から前記カレントシンクへ所定のスイッチング時間で放電を行うための放電用切り換えスイッチと、
を具備し、
前記カレントソースと前記カレントシンクとは、前記給電用切り換えスイッチと放電用切り換えスイッチを介してトーテムポール接続されており、
前記給電用切り換えスイッチのオン/オフを繰り返すことによって作り出される電流パルスによって圧電素子を充電して変位させ、前記放電用切り換えスイッチのオン/オフを繰り返すことによって作り出される電流パルスによって圧電素子に充電された電荷を放電させて変位させ、前記圧電素子に対して充放電が行われないときには前記給電用切り換えスイッチと前記放電用切り換えスイッチがオフ状態に保持されて圧電素子の変位量が一定に制御されることを特徴とする圧電素子駆動装置、が提供される。
According to the present invention, there is provided a driving device for current driving a piezoelectric element,
A current source for supplying current to the piezoelectric element;
A power supply changeover switch for supplying power to the piezoelectric element from the current source in a predetermined switching time;
A current sink for discharging the electric charge charged in the piezoelectric element;
A discharge changeover switch for discharging from the piezoelectric element to the current sink in a predetermined switching time;
Comprising
The current source and the current sink are totem-pole connected via the power supply changeover switch and the discharge changeover switch,
The piezoelectric element is charged and displaced by a current pulse generated by repeatedly turning on and off the power supply changeover switch, and the piezoelectric element is charged by a current pulse produced by repeatedly turning on and off the discharge changeover switch. When the electric charge is discharged and displaced, and the piezoelectric element is not charged / discharged, the power supply changeover switch and the discharge changeover switch are held in the OFF state, and the displacement amount of the piezoelectric element is controlled to be constant. There is provided a piezoelectric element driving device.

この圧電素子駆動装置において、給電用切り換えスイッチは、カレントソース1個に対して複数接続され、これら複数の給電用切り換えスイッチは互いに並列に接続され、個々に異なるスイッチング時間を有する構成とすることも好ましい。これと同様に、放電用切り換えスイッチも、カレントシンク1個に対して複数接続され、これら複数の放電用切り換えスイッチは互いに並列に接続され、個々に異なるスイッチング時間を有する構成とすることが好ましい。これにより圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかもその分解能を高めた変位量制御を行うことができる。   In this piezoelectric element driving device, a plurality of power supply changeover switches may be connected to one current source, and the plurality of power supply changeover switches may be connected in parallel to each other and have different switching times. preferable. Similarly, it is preferable that a plurality of discharge changeover switches are connected to one current sink, and the plurality of discharge changeover switches are connected in parallel to each other and have different switching times. Thereby, a large displacement can be generated in the piezoelectric element in a short time, and displacement amount control with improved resolution can be performed.

本発明に係る圧電素子駆動装置は、カレントソースを複数備え、かつ、給電用切り換えスイッチはそれぞれのカレントソースに対して1個ずつ接続され、これら複数のカレントソースから取り出される電流のピーク値がそれぞれに異なる構成とすることも好ましい。さらに、複数のカレントソースにそれぞれ接続された給電用切り換えスイッチのスイッチング時間は、カレントソースから取り出される電流のピーク値が小さくなるにつれて短くなっていることが好ましい。これにより圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかもその分解能を高めた変位量制御を行うことができる。   The piezoelectric element driving apparatus according to the present invention includes a plurality of current sources, and one power supply changeover switch is connected to each current source, and the peak values of currents extracted from the plurality of current sources are respectively It is also preferable to adopt a different configuration. Further, it is preferable that the switching time of the power supply changeover switch connected to each of the plurality of current sources becomes shorter as the peak value of the current extracted from the current source becomes smaller. Thereby, a large displacement can be generated in the piezoelectric element in a short time, and displacement amount control with improved resolution can be performed.

これと同様に、カレントシンクを複数備え、かつ、放電用切り換えスイッチはそれぞれのカレントシンクに対して1個ずつ接続され、これら複数のカレントシンクへ吸い込まれる電流値のピーク値がそれぞれに異なる構成とし、さらに、複数のカレントシンクにそれぞれ接続された放電用切り換えスイッチのスイッチング時間は、カレントシンクへ吸い込まれる電流のピーク値が小さくなるにつれて短くなっていることが好ましい。   Similarly, a plurality of current sinks are provided, and one discharge changeover switch is connected to each current sink, and the peak values of the current values sucked into the plurality of current sinks are different from each other. Furthermore, it is preferable that the switching time of the discharge changeover switch connected to each of the plurality of current sinks becomes shorter as the peak value of the current drawn into the current sink becomes smaller.

本発明に係る圧電素子駆動装置は、複数の圧電素子を変位させることができるように、圧電素子ごとに、給電用切り換えスイッチおよび放電用切り換えスイッチと同期してオン/オフ自在な充放電用切り換えスイッチを複数備え、1つの充放電用切り換えスイッチがオン状態のときに残りの充放電用切り換えスイッチはオフ状態となる構成とすることも好ましい。   The piezoelectric element driving apparatus according to the present invention can be switched on and off freely in synchronization with the power supply switching switch and the discharge switching switch for each piezoelectric element so that a plurality of piezoelectric elements can be displaced. It is also preferable that a plurality of switches be provided, and the remaining charge / discharge changeover switch be turned off when one charge / discharge changeover switch is turned on.

本発明に係る圧電素子駆動装置は、給電用切り換えスイッチとスイッチング時間を決定し、所定のオン信号によってそのスイッチング時間の間だけ給電用切り換えスイッチをオン状態に保持する第1の時間調整回路と、放電用切り換えスイッチとスイッチング時間を決定し、所定のオン信号によってそのスイッチング時間の間だけ放電用切り換えスイッチをオン状態に保持する第2の時間調整回路と、このようなオン信号を作り出して第1の時間調整回路と第2の時間調整回路とに出力する信号発生器と、を具備する構成とすることができる。   The piezoelectric element driving device according to the present invention determines a power supply changeover switch and a switching time, and holds a power supply changeover switch in an ON state only during the switching time by a predetermined ON signal; A second time adjusting circuit that determines a discharge changeover switch and a switching time, and holds the discharge changeover switch in an ON state only during the switching time by a predetermined ON signal, and creates such an ON signal to generate a first time. The signal generator for outputting to the time adjustment circuit and the second time adjustment circuit can be provided.

または、所定の時間幅のパルス信号を発生させる信号発生器をさらに具備し、この信号発生器から出力されるパルス信号の時間幅にしたがって給電用切り換えスイッチと放電用切り換えスイッチのスイッチング時間が設定されるようにしてもよい。   Alternatively, a signal generator for generating a pulse signal having a predetermined time width is further provided, and the switching time of the power supply changeover switch and the discharge changeover switch is set according to the time width of the pulse signal output from the signal generator. You may make it do.

圧電素子の変位をフィードバック制御(クローズドループ制御)する場合には、圧電素子の変位量を測定するための変位センサと、変位センサの測定データに基づいて、給電用切り換えスイッチと放電用切り換えスイッチのオンオフ動作を制御するための制御装置をさらに具備する構成とすればよい。前述したように、給電用切り換えスイッチと放電用切り換えスイッチを動作させるための信号発生器を具備する場合には、例えば、この信号発生器がコンピュータであれば、制御装置としては、このコンピュータを用いることができる。   When feedback control of the displacement of the piezoelectric element (closed loop control) is performed, a displacement sensor for measuring the displacement amount of the piezoelectric element, and a power supply changeover switch and a discharge changeover switch based on the measurement data of the displacement sensor are used. What is necessary is just to set it as the structure further provided with the control apparatus for controlling an on-off operation | movement. As described above, when a signal generator for operating the power supply changeover switch and the discharge changeover switch is provided, for example, if the signal generator is a computer, the computer is used as a control device. be able to.

本発明によれば、上述した圧電素子駆動装置を用いて実施可能な圧電素子の駆動方法を提供する。すなわち、本発明によれば、圧電素子を電流駆動するための駆動方法であって、
所定の電荷を有する電流パルスにより圧電素子に充電を行い、
所定の電荷を有する電流パルスにより充電された圧電素子からの放電を行い、
前記圧電素子に充放電を行わないときには、前記圧電素子に充放電を行うために前記圧電素子に設けられた電極を開放して電荷の移動を抑制することで、前記圧電素子の変位量を一定とすることを特徴とする圧電素子の駆動方法、が提供される。
According to the present invention, there is provided a method for driving a piezoelectric element that can be implemented using the above-described piezoelectric element driving apparatus. That is, according to the present invention, there is provided a driving method for current driving a piezoelectric element,
The piezoelectric element is charged by a current pulse having a predetermined charge,
Discharging from the piezoelectric element charged by a current pulse having a predetermined charge,
When the piezoelectric element is not charged / discharged, the amount of displacement of the piezoelectric element is kept constant by opening the electrodes provided on the piezoelectric element to charge / discharge the piezoelectric element, thereby suppressing the movement of charges. There is provided a method for driving a piezoelectric element.

圧電素子を充電するための電流パルスとしては、電荷量の異なる複数の電流パルスを用いることが好ましく、圧電素子からの放電を行うための電流パルスとしても、電荷量の異なる複数の電流パルスを用いることが好ましい。   As the current pulse for charging the piezoelectric element, it is preferable to use a plurality of current pulses having different charge amounts. As the current pulse for discharging from the piezoelectric element, a plurality of current pulses having different charge amounts are used. It is preferable.

本発明によれば、固定値の電流電源を用いるために、圧電素子に大きな変位を短時間で生じさせ、しかもその分解能を高めた変位量制御を行うことができる。また、電流値にノイズが含まれている場合にも、電流が積分された電荷により圧電素子の変位量が制御されるために、ノイズによる圧電素子の変位量の誤差を極めて小さくすることができる。さらに、圧電素子を駆動するための1つの電流パルスに対する圧電素子の変位量がわかるために、変位計を用いなくとも、電流パルス数から圧電素子の変位量を推定することができる。   According to the present invention, since a fixed-value current power source is used, a displacement can be controlled with a large displacement generated in the piezoelectric element in a short time and with improved resolution. Even when the current value includes noise, the displacement amount of the piezoelectric element is controlled by the electric charge integrated with the current, so that the error of the displacement amount of the piezoelectric element due to the noise can be extremely reduced. . Further, since the displacement amount of the piezoelectric element with respect to one current pulse for driving the piezoelectric element is known, the displacement amount of the piezoelectric element can be estimated from the number of current pulses without using a displacement meter.

なお、電流パルスの高さ、パルス幅、発生間隔を調整することにより、圧電素子を変位させる際の加速度を変えることができるので、圧電素子の伸縮を利用した位置決め機構では適切な加減速特性を設定することができ、精密な位置決めを実現することができるとともに残留振動を抑えることもできる。   In addition, since the acceleration when displacing the piezoelectric element can be changed by adjusting the height, pulse width, and generation interval of the current pulse, the positioning mechanism using expansion and contraction of the piezoelectric element has an appropriate acceleration / deceleration characteristic. Therefore, it is possible to realize precise positioning and to suppress residual vibration.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1に圧電素子駆動装置10(以下「駆動装置10」と記す)の概略構成を示す。駆動装置10は、コンピュータ20と、駆動電源(駆動アンプ)30と、変位計40と、を備えている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a piezoelectric element driving device 10 (hereinafter referred to as “driving device 10”). The drive device 10 includes a computer 20, a drive power supply (drive amplifier) 30, and a displacement meter 40.

コンピュータ20は、作業者が圧電素子50を駆動するための指令を入力し、また、作業者が圧電素子50の変位量等を視認できるように表示する入出力部21と、圧電素子50を駆動するための信号を発生させるためのプログラム等が記録された記録部23と、変位計40が測定する圧電素子50の変位量に関するデータを取り込む入力インタフェース(入力IF)24bと、この変位量を用いてプログラムにしたがって圧電素子50を駆動するための指令信号を発生させるプロセスコントローラ(CPU)22と、プロセスコントローラ(CPU)22で発生させたデジタル信号を駆動電源30に出力するためのデジタル出力ポート(出力IF)24aと、を備えている。なお、入力インタフェース(入力IF)24bは変位センサの種類により、アナログ・デジタル変換機能を用いてデータを取り込むもの、または、デジタル信号を取り込むものが用いられる。   The computer 20 inputs a command for driving the piezoelectric element 50 by an operator, and drives the piezoelectric element 50 and an input / output unit 21 for displaying the displacement amount of the piezoelectric element 50 so that the operator can visually recognize the displacement amount. A recording unit 23 in which a program or the like for generating a signal for generating a signal is recorded, an input interface (input IF) 24b for taking in data relating to the displacement amount of the piezoelectric element 50 measured by the displacement meter 40, and the displacement amount. A process controller (CPU) 22 that generates a command signal for driving the piezoelectric element 50 according to a program, and a digital output port (for outputting a digital signal generated by the process controller (CPU) 22 to the drive power source 30 ( Output IF) 24a. The input interface (input IF) 24b may be one that captures data using an analog / digital conversion function or one that captures digital signals, depending on the type of displacement sensor.

図2に駆動電源30の概略構成および駆動電源30と圧電素子50の概略の接続形態を示す。この駆動電源30は、圧電素子50に電流を供給するため1個のカレントソース(電流供給源)Ipと、圧電素子50に充電された電荷を放電させるための1個のカレントシンク(電流吸い込み源)Imと、カレントソースIpに設けられた給電用の切り換えスイッチSpと、カレントシンクImに設けられた放電用の切り換えスイッチSmとを備えている。 FIG. 2 shows a schematic configuration of the drive power supply 30 and a schematic connection form of the drive power supply 30 and the piezoelectric element 50. The drive power supply 30 includes one current source (current supply source) Ip 1 for supplying current to the piezoelectric element 50 and one current sink (current sink) for discharging the charge charged in the piezoelectric element 50. Source) Im 1 , a power supply changeover switch Sp 1 provided in the current source Ip 1 , and a discharge changeover switch Sm 1 provided in the current sink Im 1 .

このカレントソースIpから出力される電流のピーク値(「I」とする)は常に一定とする。このカレントソースIpとしては、一般に市販等されている定電流電源を用いることができるが、このとき、定電流電源の受電部に並列に大容量のコンデンサを設けると、定電流電源へ電気エネルギーを供給する大元の電源の容量を小さくすることができ、カレントソースIpを小型で安価に構成することができる。 The peak value (referred to as “I 1 ”) of the current output from the current source Ip 1 is always constant. As the current source Ip 1 , a commercially available constant current power supply can be used. At this time, if a large-capacity capacitor is provided in parallel with the power receiving unit of the constant current power supply, electric energy is supplied to the constant current power supply. The capacity of the main power source that supplies the current can be reduced, and the current source Ip 1 can be made small and inexpensive.

カレントシンク(電流吸い込み源)Imとしては、定電流ダイオード、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ(FET)、演算増幅器(オペアンプOperational Amplifier)IC等で構成された定電流回路等が好適に用いられる。ここでは、カレントシンクImは、ピーク値がI′の電流で圧電素子50に充電された電荷を吸い込むことができるようになっている、つまり圧電素子50の放電電流のピーク値はI′となっているものとする。 The current sink (current suction source) Im 1, a constant current diode, bipolar transistor, field effect transistor (FET), an operational amplifier (op amp Operational Amplifier) constant current circuit, which is constituted by an IC or the like is preferably used. Here, the current sink Im 1 can suck the electric charge charged in the piezoelectric element 50 with the current having the peak value I 1 ′. That is, the peak value of the discharge current of the piezoelectric element 50 is I 1. It shall be '.

各切り換えスイッチSp・Smとしては、高速スイッチング素子であるパワーMOS−FET(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、静電誘導トランジスタ(Static Induction Transistor)等を用いることができる。これらの切り換えスイッチSp・Smは通常はオフの状態となっている。各切り換えスイッチSp・Smがオン状態(閉じた状態)となるスイッチング時間はそれぞれtとなるように回路構成がなされており、各切り換えスイッチSp・Smのオン/オフ動作はコンピュータ20から出力される一定時間幅の矩形パルス等の信号により行われる構成となっている。 As each of changeover switches Sp 1 · Sm 1, a power MOS-FET is fast switching element (Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ) or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), use an electrostatic induction transistor (Static Induction Transistor), etc. be able to. These change-over switches Sp 1 and Sm 1 are normally in an off state. The circuit configuration is such that the switching time when each change-over switch Sp 1 · Sm 1 is in the on state (closed state) is t 1, and the on / off operation of each change-over switch Sp 1 · Sm 1 is performed by a computer. 20 is configured to be performed by a signal such as a rectangular pulse having a certain time width output from the signal 20.

変位計40としては、圧電素子50の最大変位量と分解能に応じて適切なものを選択することができ、例えば、リニアエンコーダやレーザー干渉変位計、うず電流変位計等が用いられる。   As the displacement meter 40, an appropriate one can be selected according to the maximum displacement amount and resolution of the piezoelectric element 50. For example, a linear encoder, a laser interference displacement meter, an eddy current displacement meter, or the like is used.

次に、駆動装置10による圧電素子50の駆動方法について説明する。図3に圧電素子50に供給される電流(電荷)と圧電素子50の変位量との関係を模式的に示すグラフを示す。最初にカレントソースIpをスタンバイさせる。次いで、コンピュータ20で切り換えスイッチSpを閉じるための制御信号(以下「オン信号」という)を発生させ、そのオン信号を駆動電源30に出力させる。これにより切り換えスイッチSpが閉じて(オン状態)、カレントソースIpから電流値Iの電流が時間tだけ圧電素子50に流れ込む。こうして“I×t”の電荷が圧電素子50に充電され、圧電素子50はその電荷量に応じて伸びる(この伸びを図3において「δ」と示す)。切り換えスイッチSpを閉じてから時間tが経過すると切り換えスイッチSpが開く(オフ状態)。 Next, a method for driving the piezoelectric element 50 by the driving device 10 will be described. FIG. 3 is a graph schematically showing the relationship between the current (charge) supplied to the piezoelectric element 50 and the amount of displacement of the piezoelectric element 50. First, the current source Ip 1 is put on standby. Next, the computer 20 generates a control signal (hereinafter referred to as “on signal”) for closing the changeover switch Sp 1 and outputs the on signal to the drive power supply 30. Thus closes changeover switch Sp 1 (ON state), flows into the piezoelectric element 50 current of a current value I 1 from the current source Ip 1 only time t 1. In this way, the charge of “I 1 × t 1 ” is charged in the piezoelectric element 50, and the piezoelectric element 50 expands according to the amount of the charge (this extension is indicated as “δ” in FIG. 3). When the time t 1 to close the changeover switch Sp 1 has passed over switch Sp 1 is opened (OFF state).

このように駆動装置10では圧電素子50を電流パルスで駆動する。従来も電流パルスで圧電素子を駆動する方法は知られているが、従来は駆動電源は常に圧電素子と接続された状態にあるために、圧電素子と駆動電源との間で電荷の移動が起こり、これにより圧電素子が微小な伸縮を繰り返していた。しかし、駆動装置10によれば、圧電素子50に対する充電/放電が行われていないときには、駆動電源30と圧電素子50とが切り離されるために、駆動電源30と圧電素子50との間での電荷の移動が生じず、そのために圧電素子50を実質的に完全に静止させた状態とすることができる。   As described above, the driving device 10 drives the piezoelectric element 50 with the current pulse. Conventionally, a method of driving a piezoelectric element with a current pulse is known. However, since the driving power source is always connected to the piezoelectric element in the past, charge movement occurs between the piezoelectric element and the driving power source. As a result, the piezoelectric element repeatedly expanded and contracted minutely. However, according to the drive device 10, when the piezoelectric element 50 is not charged / discharged, the drive power supply 30 and the piezoelectric element 50 are separated from each other. Therefore, the piezoelectric element 50 can be brought into a substantially completely stationary state.

このような切り換えスイッチSpのオン/オフを繰り返すことにより、圧電素子50を段階的に伸ばすことができる。変位計40は圧電素子50の変位量を測定して、そのデータをコンピュータ20にフィードバックする。コンピュータ20は、そのデータに基づいて、圧電素子50の変位量が所望値に達するまで、切り換えスイッチSpのオン/オフを行う。 By repeating such ON / OFF changeover switch Sp 1, it is possible to extend the piezoelectric element 50 stepwise. The displacement meter 40 measures the amount of displacement of the piezoelectric element 50 and feeds back the data to the computer 20. Computer 20 based on the data, to the amount of displacement of the piezoelectric element 50 reaches the desired value, performs the on / off changeover switch Sp 1.

こうして伸びた圧電素子50を縮めるには、コンピュータ20で切り換えスイッチSmのオン信号を発生させて、駆動電源30に出力する。これにより切り換えスイッチSmが閉じると、圧電素子50から放電が始まり、“I′×t”の電荷がカレントシンクImに流れ込み、その電荷量の大きさに応じて圧電素子50が縮む。切り換えスイッチSmを閉じてから時間tが経過すると切り換えスイッチSmが開く。これにより、圧電素子50からの放電は停止されるので、圧電素子50の変位が維持される。このようなオン/オフを繰り返すことにより、圧電素子50を段階的に縮めることができる。なお、図3ではI=I′としているが、I≠I′であってもよい。 In order to shrink the piezoelectric element 50 thus stretched, the computer 20 generates an ON signal of the changeover switch Sm 1 and outputs it to the drive power supply 30. As a result, when the changeover switch Sm 1 is closed, discharge starts from the piezoelectric element 50, the charge of “I 1 ′ × t 1 ” flows into the current sink Im 1 , and the piezoelectric element 50 contracts according to the amount of the charge. . When the time t 1 to close the change-over switch Sm 1 has elapsed open the change-over switch Sm 1. Thereby, since the discharge from the piezoelectric element 50 is stopped, the displacement of the piezoelectric element 50 is maintained. By repeating such on / off, the piezoelectric element 50 can be contracted stepwise. In FIG. 3, I 1 = I 1 ′, but I 1 ≠ I 1 ′ may be used.

なお、駆動装置10から変位センサ40を除いた構成(所謂、オープンループ制御)とした場合にも、圧電素子50の変位量を制御することが可能である。例えば、変位センサ40を用いずに圧電素子50を駆動する場合、圧電素子50に“I×t”の電荷量を充電した際の圧電素子50の変位量と、圧電素子50に充電することができる電荷量の上限値を前もって計測しておいて、その情報をコンピュータ20にインプットしておく。そして、コンピュータ20は、所望の変位量を得るために必要な電荷量を計算し、さらに切り換えスイッチSpのオン/オフ回数を計算して、圧電素子50を充電すればよい。このように変位センサ40を用いない構成においても、圧電素子50を電流パルスで駆動する電荷制御では、ヒステリシスの発生を抑えることができる。 Note that the displacement amount of the piezoelectric element 50 can be controlled even in a configuration in which the displacement sensor 40 is removed from the driving device 10 (so-called open loop control). For example, when the piezoelectric element 50 is driven without using the displacement sensor 40, the displacement amount of the piezoelectric element 50 when the piezoelectric element 50 is charged with the charge amount “I 1 × t 1 ” and the piezoelectric element 50 are charged. The upper limit of the charge amount that can be measured is measured in advance, and the information is input to the computer 20. Then, the computer 20 calculates the amount of charge necessary to obtain the desired displacement, and further calculates the ON / OFF count changeover switch Sp 1, it may be charged to the piezoelectric element 50. Even in a configuration in which the displacement sensor 40 is not used as described above, the generation of hysteresis can be suppressed in the charge control in which the piezoelectric element 50 is driven with a current pulse.

このような図3に示す駆動方法では、カレントソースIpから出力される電流値Iを大きくし、かつ、切り換えスイッチSpのスイッチング時間tを長くすると、1回の圧電素子50の変位量を大きくすることができるが、高い分解能を得ることは困難となる。一方、カレントソースIpから出力される電流値Iを小さくし、かつ、切り換えスイッチSpのスイッチング時間tを短くすると、1回の圧電素子50の変位量は小さいが、高い分解能を得ることができる。これと同様のことが、カレントシンクImに流すことができる電流I′と切り換えスイッチSmのスイッチング時間との関係についても言える。 In the driving method shown in this FIG. 3, by increasing the current value I 1 which is output from the current source Ip 1, and, the longer the switching time t 1 of the switch Sp 1, displacement of one of the piezoelectric elements 50 Although the amount can be increased, it is difficult to obtain high resolution. On the other hand, to reduce the current value I 1 which is output from the current source Ip 1, and, when shortening the switching time t 1 of the switch Sp 1, although a single displacement of the piezoelectric element 50 is small, to obtain a high resolution be able to. The same applies to the relationship between the current I 1 ′ that can be passed through the current sink Im 1 and the switching time of the changeover switch Sm 1 .

駆動電源30を用いた圧電素子50の駆動において、電流パルスの高さ、パルス幅、発生間隔を変えることにより、圧電素子50を変形させる際の加速度を変えることができる。そのため、圧電素子50の伸縮を利用した位置決め機構では、適切な加減速特性を設定することができるので、精密な位置決めを実現できるとともに残留振動を抑えることもできるようになる。   In driving the piezoelectric element 50 using the drive power source 30, the acceleration when the piezoelectric element 50 is deformed can be changed by changing the height, pulse width, and generation interval of the current pulse. Therefore, in the positioning mechanism using the expansion and contraction of the piezoelectric element 50, an appropriate acceleration / deceleration characteristic can be set, so that accurate positioning can be realized and residual vibration can be suppressed.

この駆動装置10では、各切り換えスイッチSp・Smのスイッチング時間をtに固定し、コンピュータ20が各切り換えスイッチSp・Smのオン/オフ動作のためのオン信号を出力する構成を、各切り換えスイッチSp・Smのそれぞれのスイッチング時間をコンピュータ20から出力される矩形波の時間幅で調整する構成に変更することができる。この構成変更は、コンピュータ20の記録部23に記録された信号発生のためのプログラムを変更すること等によって行うことができる。 In the driving device 10, the switching times of the changeover switch Sp 1 · Sm 1 is fixed to t 1, the configuration of the computer 20 outputs an ON signal for the on / off operation the selector switch Sp 1 · Sm 1 The switching times of the changeover switches Sp 1 and Sm 1 can be changed to a configuration in which the switching time is adjusted by the time width of the rectangular wave output from the computer 20. This configuration change can be performed by changing a program for signal generation recorded in the recording unit 23 of the computer 20.

そのような駆動装置を用いた場合の圧電素子50に供給される電流(電荷)と圧電素子50の変位量との関係を模式的に示すグラフを図4に示す。図4に示す圧電素子50の駆動方法は次の通りである。すなわち、最初にカレントソースIpをスタンバイさせる。次いで、コンピュータ20で切り換えスイッチSpのスイッチング時間がTとなるオン信号を発生させ、駆動電源30に出力する。これによりカレントソースIpから電流値Iの電流が時間Tだけ圧電素子50に流れ込み、“I×T”の電荷が圧電素子50に充電されて、圧電素子50はその電荷量に応じて伸びる。そして、切り換えスイッチSpを閉じてから時間Tが経過すると切り換えスイッチSpが開く。 FIG. 4 shows a graph schematically showing the relationship between the current (charge) supplied to the piezoelectric element 50 and the displacement amount of the piezoelectric element 50 when using such a driving device. The driving method of the piezoelectric element 50 shown in FIG. 4 is as follows. That is, first, the current source Ip 1 is put on standby. Next, the computer 20 generates an ON signal in which the switching time of the changeover switch Sp 1 is T 1 and outputs it to the drive power supply 30. As a result, a current having a current value I 1 flows from the current source Ip 1 into the piezoelectric element 50 for a time T 1 , and the charge of “I 1 × T 1 ” is charged in the piezoelectric element 50. It grows accordingly. The changeover switch Sp 1 is opened when the time T 1 to close the changeover switch Sp 1 has elapsed.

続いて、コンピュータ20でスイッチング時間がT(T<T)となる切り換えスイッチSpのオン信号を発生させ、駆動電源30に出力する。これにより“I×T”の電荷が圧電素子50に充電されて、圧電素子50はその電荷量に応じて伸びる。このような切り換えスイッチSpのオン/オフを、時間幅T,T(T<T<T<T)のオン信号により逐次行う。これにより、少ないオン/オフ回数で大きな変位と高い分解能を得ることができる。 Subsequently, the computer 20 generates an ON signal of the changeover switch Sp 1 whose switching time is T 2 (T 2 <T 1 ), and outputs it to the drive power supply 30. As a result, the charge of “I 1 × T 2 ” is charged in the piezoelectric element 50, and the piezoelectric element 50 expands according to the amount of charge. Such an on / off changeover switch Sp 1, carried out sequentially by the on signal of a time width T 3, T 4 (T 4 <T 3 <T 2 <T 1). Thereby, a large displacement and a high resolution can be obtained with a small number of on / off times.

このようにして伸びた圧電素子50を縮める場合には、高い分解能を必要としない場合には、例えば、スイッチング時間Tのオン信号で切り換えスイッチSmをオン/オフすればよい。一方、縮み量を制御するために高い分解能を必要とする場合には、時間幅T〜Tのオン信号を適宜組み合わせて切り換えスイッチSmをオン/オフし、または時間幅Tのオン信号で切り換えスイッチSmをオン/オフすればよい。 When the piezoelectric element 50 thus extended is contracted, if the high resolution is not required, for example, the changeover switch Sm 1 may be turned on / off by an on signal of the switching time T 1 . On the other hand, in the case that requires a high resolution in order to control the amount of shrinkage, the changeover switch Sm 1 is turned on / off appropriately combined on signal time width T 1 through T 4 or on the time width T 4, the changeover switch Sm 1 may be turned on / off by the signal.

なお、圧電素子50の変位量が予め決められており、圧電素子50の変位量を変位計40で測定してフィードバック制御を行う場合には、コンピュータ20は、変位計40によるデータに基づいて、圧電素子50の変位量が所望値に達するまで、時間幅T〜Tのオン信号から適切な時間幅のものを選択して、切り換えスイッチSpを繰り返してオン/オフさせる。 In addition, when the displacement amount of the piezoelectric element 50 is determined in advance and when the displacement amount of the piezoelectric element 50 is measured by the displacement meter 40 and feedback control is performed, the computer 20 is based on the data from the displacement meter 40. Until the amount of displacement of the piezoelectric element 50 reaches a desired value, one having an appropriate time width is selected from the ON signals of the time widths T 1 to T 4 , and the changeover switch Sp 1 is repeatedly turned on / off.

上述した図4に示す圧電素子50の駆動方法は、図5に示す駆動電源30aを用いても行うことができる。図5は、駆動電源30aの概略構成および駆動電源30aと圧電素子50の概略の接続形態を示す図である。駆動電源30aは、カレントソースIpと、カレントシンクImと、並列接続された給電用の切り換えスイッチSp・Sp・Sp・Spと、並列接続された放電用の切り換えスイッチSm・Sm・Sm・Smとを備えている。切り換えスイッチSp・Sp・Sp・Spのスイッチング時間は、それぞれT,T,T,T(T<T<T<T)に固定されており、切り換えスイッチSm・Sm・Sm・Smのスイッチング時間もそれぞれT,T,T,Tに固定されている。 The above-described driving method of the piezoelectric element 50 shown in FIG. 4 can also be performed using the driving power source 30a shown in FIG. FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the drive power supply 30a and a schematic connection form of the drive power supply 30a and the piezoelectric element 50. As shown in FIG. Driving power source 30a includes a current source Ip 1, current sink Im 1 and a changeover switch Sp 1 · Sp 2 · Sp 3 · Sp 4 for feeding in parallel connected, changeover switch Sm 1 for parallel connected discharge · Sm and a 2 · Sm 3 · Sm 4. Switching time of the switch Sp 1 · Sp 2 · Sp 3 · Sp 4 is fixed to each of T 1, T 2, T 3 , T 4 (T 4 <T 3 <T 2 <T 1), switching switching time of the switch Sm 1 · Sm 2 · Sm 3 · Sm 4 is also fixed to the T 1, T 2, T 3 , T 4 , respectively.

コンピュータ20は各切り換えスイッチSp〜Sp・Sm〜Smのオン/オフ動作のための一定時間幅の矩形パルス等の信号を各切り換えスイッチSp〜Sp・Sm〜Smに出力する。 Computer 20 for each change-over switch a signal such as a rectangular pulse of a constant duration Sp 1 ~Sp 4 · Sm 1 ~Sm 4 for the on / off operation the selector switch Sp 1 ~Sp 4 · Sm 1 ~Sm 4 Output.

このようなコンピュータ20と駆動電源30aを用いて先に図4に示した圧電素子50の駆動を行うには、まず切り換えスイッチSpをオンさせて(このとき、他の切り換えスイッチSp・Sp・Sp・Smをオフ状態とする)、“I×T”の電荷を圧電素子50に充電する。続いて切り換えスイッチSpがオフ状態となった後に、切り換えスイッチSpをオンさせて“I×T”の電荷を圧電素子50に充電し、切り換えスイッチSpがオフ状態となった後に切り換えスイッチSpをオンさせて“I×T”の電荷を圧電素子50に充電し、さらに切り換えスイッチSpがオフ状態となった後に切り換えスイッチSpをオンさせて“I×T”の電荷を圧電素子50に充電する。 To make the drive of the piezoelectric element 50 shown above with reference to such a computer 20 and a driving power source 30a in FIG. 4, first, turns on the changeover switch Sp 1 (this time, the other changeover switch Sp 2 · Sp 3 · Sp 4 · Sm 1 is turned off), and the piezoelectric element 50 is charged with the charge of “I 1 × T 1 ”. After changeover switch Sp 1 is turned off subsequently, by turning on the changeover switch Sp 2 to charge the charge of "I 1 × T 2" to the piezoelectric element 50, after the changeover switch Sp 2 is turned off switches the switch Sp 3 are turned on to charge the charge of "I 1 × T 3" to the piezoelectric element 50, further the changeover switch Sp 3 by turning on the switch Sp 4 switched after turned off "I 1 × T The piezoelectric element 50 is charged with the charge of 4 ″.

放電はこの充電方法と同様にして、切り換えスイッチSm〜Smを逐次オン/オフさせればよい。圧電素子50の変位量を変位計40で測定してフィードバック制御を行う場合等には、圧電素子50の目標変位量に応じて、切り換えスイッチSp〜Spの中から好適な切り換えスイッチを適宜選択して、1回または複数回、オン/オフさせればよい。 The discharging may be performed in the same manner as this charging method by sequentially turning on / off the changeover switches Sm 1 to Sm 4 . When feedback control is performed by measuring the displacement amount of the piezoelectric element 50 with the displacement meter 40, a suitable changeover switch among the changeover switches Sp 1 to Sp 4 is appropriately selected according to the target displacement amount of the piezoelectric element 50. It may be selected and turned on / off once or a plurality of times.

上述した駆動電源30・30aでは、1個のカレントソースIpのみを具備した構成であるために、1回の切り換えスイッチIpのオン/オフで圧電素子50に充電することができる電荷量の最小値で圧電素子50の分解能が決定される。つまり圧電素子50の分解能は、切り換えスイッチIpの最小スイッチング時間tminで決定され、“I×tmin”未満の電荷を圧電素子50に充電して、圧電素子50の変位量を制御することはできない。カレントシンクImについても同様に、“I×tmin”未満の電荷を圧電素子50から放電させることができない。 Since the drive power sources 30 and 30a described above have only one current source Ip 1, the amount of charge that can charge the piezoelectric element 50 by turning on / off the changeover switch Ip 1 once is sufficient. The resolution of the piezoelectric element 50 is determined by the minimum value. That is, the resolution of the piezoelectric element 50 is determined by the minimum switching time t min of the changeover switch Ip 1 , and charges less than “I 1 × t min ” are charged in the piezoelectric element 50 to control the displacement amount of the piezoelectric element 50. It is not possible. Similarly, with respect to the current sink Im 1 , it is not possible to discharge a charge less than “I 1 × t min ” from the piezoelectric element 50.

そこで、ピーク電流値の異なる複数のカレントソース,カレントシンクを設けることで、圧電素子50を短時間で大きく変位させ、しかも、圧電素子50の分解能をさらに高めることを可能とする駆動電源について、図6を参照しながら説明する。図6に駆動電源60の概略構成を示す。   Accordingly, a drive power supply that can displace the piezoelectric element 50 greatly in a short time by providing a plurality of current sources and current sinks having different peak current values, and can further increase the resolution of the piezoelectric element 50 is shown in FIG. This will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a schematic configuration of the drive power supply 60.

この駆動電源60は、圧電素子50に電流を供給するためのn個(nは2以上の整数)のカレントソースIp(Ip,Ip,・・・,Ip)と、k個(kは2以上の整数)のカレントシンクIm(Im,Im,・・・,Im)と、カレントソースIpごとに設けられた切り換えスイッチSp(Sp,Sp,・・・,Sp)と、カレントシンクImごとに設けられた切り換えスイッチSm(Sm,Sm,・・・,Sm)と、を備えている。 The driving power source 60 is a current source Ip n of n (n is an integer of 2 or more) for supplying current to the piezoelectric element 50 (Ip 1, Ip 2, ···, Ip n) and, k pieces ( current sink Im k (Im 1, Im 2 of k is an integer of 2 or more), ..., and Im k), the changeover switch Sp n provided for each current source Ip n (Sp 1, Sp 2 , ·· ., Sp n ) and changeover switches Sm k (Sm 1 , Sm 2 ,..., Sm k ) provided for each current sink Im k .

各カレントソースIpと各カレントシンクImは、各切り換えスイッチSpと各切り換えスイッチSmとを介してトーテムポール接続されている。図6ではk=nの場合を示しているが、k≠nであってもよい。 Each current source Ip n and the current sink Im k is a totem-pole connected through the respective changeover switch Sp n and each switching switch Sm k. Although FIG. 6 shows a case where k = n, k ≠ n may be used.

駆動電源60では、n個のカレントソースIpがそれぞれ供給することができるピーク電流の大きさは異なっている。例えば、カレントソース(Ip,Ip,・・・,Ip)はそれぞれにピーク電流値(I,I,・・・,I)の電流を供給することができる構成となっている。例えば、一般的なD/A変換器と同様に、ピーク電流値(I,I,・・・,I)は、公比を2とする等比数列(つまり、I,I=I/2,I=I/2)とすることができるし、不均一な比率とすることもできる。 In the drive power supply 60, the magnitudes of the peak currents that can be supplied from the n current sources Ipn are different. For example, the current source (Ip 1, Ip 2, ··· , Ip n) is the peak current value in each (I 1, I 2, ··· , I n) is configured capable of supplying a current Yes. For example, as in a general D / A converter, the peak current values (I 1 , I 2 ,..., I n ) have a geometric sequence with a common ratio of 2 (that is, I 1 , I 2 = I 1/2, to be a I n = I 1/2 n ), it can also be a non-uniform rate.

同様に、k個のカレントシンクImがそれぞれ吸い込むことができるピーク電流の大きさは異なっている。例えば、カレントシンク(Im,Im,・・・,Im)はそれぞれに公比を2とする等比数列の関係にあるピーク電流値(I,I,・・・,I)の電流を吸い込むことができる構成とすることができる。ここでは、k=nであるので、カレントソースIpのピーク電流値IとカレントシンクImのピーク電流値Iはそれぞれ同じ大きさとなる。 Similarly, the magnitudes of the peak currents that can be absorbed by the k current sinks Im k are different. For example, the current sinks (Im 1 , Im 2 ,..., Im k ) have peak current values (I 1 , I 2 ,..., I k ) having a geometric sequence relationship with a common ratio of 2, respectively. ) Current can be sucked. Here, since k = n, the peak current value I k of the peak current value I n and the current sink Im k of the current source Ip n are the same size, respectively.

n個のカレントソースIpごとに設けられたn個の切り換えスイッチSpのスイッチング時間は、それぞれに異なる値としてもよいが、ここでは説明および理解を容易とするために、全て“t”で同じであるとする。また、k個のカレントシンクImごとに設けられたk個の切り換えスイッチSmのスイッチング時間もそれぞれに異なる値としてもよいが、ここでは全て“t”で同じであるとする。コンピュータ20はk+n個の各切り換えスイッチSp・Smのオン/オフ動作のための一定時間幅の矩形パルス等の信号をk+n個の各切り換えスイッチSp・Smに出力する。 The switching times of the n changeover switches Spn provided for each of the n current sources Ipn may be different from each other. However, for the sake of easy explanation and understanding, all of them are “t 1 ”. And the same. Further, the switching times of the k change-over switches Sm k provided for each of the k current sinks Im k may be different from each other, but here, it is assumed that all are the same at “t 1 ”. Computer 20 outputs the respective changeover switch Sp n · Sm k signals of k + n pieces of rectangular pulses or the like of a predetermined time width for on / off operation of k + n pieces each switching switch Sp n · Sm k of.

このスイッチング時間tを最小スイッチング時間tminとすれば、例えば、切り換えスイッチSp・Smをオン/オフさせれば、そのときの電荷の移動量は“I×tmin=(I/2)×tmin”となる。よって、切り換えスイッチSp・Smの1回のオン/オフで、先に説明した駆動電源30・30aにおける最小電荷移動量である“I×tmin”よりも少ない電荷を圧電素子50に供給し、また、圧電素子50から放電させることができるので、圧電素子50の分解能を高めることができる。 If the switching time t 1 is the minimum switching time t min , for example, if the changeover switch Sp 2 · Sm 2 is turned on / off, the charge transfer amount at that time is “I 2 × t min = (I 1 / 2) × t min ″. Therefore, by turning the changeover switches Sp 2 and Sm 2 on and off once, the piezoelectric element 50 is charged with less charge than “I 1 × t min ” which is the minimum charge transfer amount in the drive power supply 30 and 30a described above. Since the piezoelectric element 50 can be supplied and discharged from the piezoelectric element 50, the resolution of the piezoelectric element 50 can be increased.

なお、勿論、k+n個の切り換えスイッチSp・Smごとに異なるスイッチング時間を設定してもよいが、その場合には、各カレントソースIpから圧電素子50に供給される電荷量が同じとならないように、また、圧電素子50から各カレントシンクImに吸い込まれる電荷量が同じとならないように、スイッチング時間を設定することが、圧電素子50を高い分解能で短時間で大きく変位させる観点から、好ましい。 Needless to say, k + n pieces of may be set to different switching times for each changeover switch Sp n · Sm k, but if so, the amount of charge equal to the respective current source Ip n is supplied to the piezoelectric element 50 From the viewpoint of displacing the piezoelectric element 50 in a short time with high resolution, the switching time is set so that the amount of charge sucked into each current sink Im k from the piezoelectric element 50 is not the same. ,preferable.

この駆動電源60による圧電素子50の駆動方法は、図5に示した駆動電源30aにより圧電素子50を駆動する方法と同様である。例えば、切り換えスイッチSpをオンさせて、“I×t”の電荷を圧電素子50に充電し、圧電素子50を伸ばす。続いて切り換えスイッチSpがオフ状態となった後に、切り換えスイッチSpをオンさせて“I×t”の電荷を圧電素子50に充電し、さらに圧電素子50を伸ばす。このような充電操作を、適宜選択された切り換えスイッチSpについて実行する。放電はこの充電方法と同様にして、切り換えスイッチSm〜Smから適宜選択したものを逐次オン/オフさせればよい。 The driving method of the piezoelectric element 50 by the driving power source 60 is the same as the method of driving the piezoelectric element 50 by the driving power source 30a shown in FIG. For example, the changeover switch Sp 1 is turned on, the charge of “I 1 × t 1 ” is charged in the piezoelectric element 50, and the piezoelectric element 50 is extended. Following after the changeover switch Sp 1 is turned OFF state and turns on the changeover switch Sp 2 to charge the charge of "I 2 × t 1" to the piezoelectric element 50, further expanding the piezoelectric element 50. Such charging operation performed for switching the switch Sp n which are appropriately selected. In the same manner as this charging method, discharging may be performed by sequentially turning on / off one appropriately selected from the change-over switches Sm 1 to Sm k .

なお、圧電素子50の変位量を変位計40で測定してフィードバック制御を行う場合には、コンピュータ20は、変位計40によるデータに基づいて、圧電素子50の変位量が所望値に達するまで、カレントソースIpから好適なものを選択して、それに対応する切り換えスイッチSpをオン/オフさせる。 When the displacement amount of the piezoelectric element 50 is measured by the displacement meter 40 and feedback control is performed, the computer 20 determines that the displacement amount of the piezoelectric element 50 reaches a desired value based on the data from the displacement meter 40. select suitable from the current source Ip n, turning on / off changeover switch Sp n corresponding thereto.

この駆動電源60を用いた圧電素子50の駆動方法をより具体的に数値を挙げて説明する。圧電素子50は積層型圧電素子であるとする。そして、圧電素子50に対して充電/放電するための電流Iを10A、スイッチング時間tを50μs(マイクロ秒)とすると、切り換えスイッチSpを1回オン/オフさせた際に圧電素子50に供給される電荷は500μCとなる。また、電流Iを1mAとすると、スイッチング時間tは50μsであるから、切り換えスイッチSpを1回オン/オフさせた際に圧電素子50に供給される電荷は50nCとなる。ここで、圧電素子50の変位量は電荷量にほぼ比例するため、切り換えスイッチSp・Spをそれぞれ1回オンオフさせた場合の圧電素子50の変位量の差として、容易に10000倍程度を得ることができる。 A method of driving the piezoelectric element 50 using the driving power source 60 will be described more specifically with numerical values. It is assumed that the piezoelectric element 50 is a multilayer piezoelectric element. When the current I 1 for charging / discharging the piezoelectric element 50 is 10 A and the switching time t 1 is 50 μs (microseconds), the piezoelectric element 50 is turned on when the changeover switch Sp 1 is turned on / off once. The charge supplied to is 500 μC. If the current I 2 is 1 mA, the switching time t 1 is 50 μs, so that the charge supplied to the piezoelectric element 50 when the changeover switch Sp 2 is turned on / off once is 50 nC. Here, since the displacement amount of the piezoelectric element 50 is substantially proportional to the charge amount, the difference in displacement amount of the piezoelectric element 50 when the changeover switches Sp 1 and Sp 2 are turned on and off once is easily about 10,000 times. Obtainable.

圧電素子50の静電容量が6μFで、100V印加時に10μm伸びるとすると、最大伸長時の充電電荷は600μCであるから、切り換えスイッチSpを用いれば、フルストロークに近い8.3μm(=10μm×500μC/600μC)の変位量を得ることができる。また、切り換えスイッチSpを用いた場合の分解能は0.83nm(=10μm×50nC/600μC)となるから、サブナノオーダーでの変位制御が可能となる。ここで、さらに切り換えスイッチSp・Smのスイッチング時間tを10μsに変更した構成とすると、その分解能は約0.17nmとなる。 If the electrostatic capacity of the piezoelectric element 50 is 6 μF and it is extended by 10 μm when 100 V is applied, the charged charge at the maximum extension is 600 μC. Therefore, if the changeover switch Sp 1 is used, 8.3 μm (= 10 μm × A displacement amount of 500 μC / 600 μC) can be obtained. Further, since the resolution in the case of using the changeover switch Sp 2 becomes 0.83nm (= 10μm × 50nC / 600μC ), it is possible to displacement control in the sub-nanometer order. Here, if the switching time t 1 of the changeover switches Sp 1 and Sm 2 is further changed to 10 μs, the resolution is about 0.17 nm.

そこで、切り換えスイッチSp・Spを組み合わせると、高速かつ高分解能で圧電素子50を駆動することができる。このような圧電素子50の駆動方法は、圧電素子50に供給される電流パルスの変化とパルス密度変調とを組み合わせた駆動方法であると言える。そのため、通常のD/A変換器を用いるよりも段階数が少ないにもかかわらず、高い分解能を容易に得ることができる。 Therefore, when the changeover switches Sp 1 and Sp 2 are combined, the piezoelectric element 50 can be driven at high speed and with high resolution. It can be said that such a driving method of the piezoelectric element 50 is a driving method in which a change in current pulse supplied to the piezoelectric element 50 and pulse density modulation are combined. For this reason, a high resolution can be easily obtained even though the number of stages is smaller than that in the case of using a normal D / A converter.

次に、駆動電源60を用いて複数の圧電素子50j(jは2以上の自然数)を駆動するための方法および回路構成について説明する。図7に駆動電源60と複数の圧電素子50jとの接続形態を示す。駆動電源60の構成は先に図5を参照しながら説明しているので、ここでの説明は割愛する。複数の圧電素子50jは並列接続されており、圧電素子50jごとに圧電素子50jに対する給電/放電を行い、また圧電素子50jを開放状態に保持するための切り換えスイッチSc〜Scが設けられている。 Next, a method and circuit configuration for driving a plurality of piezoelectric elements 50j (j is a natural number of 2 or more) using the drive power supply 60 will be described. FIG. 7 shows a connection form between the drive power supply 60 and the plurality of piezoelectric elements 50j. Since the configuration of the drive power source 60 has been described with reference to FIG. 5, the description thereof is omitted here. The plurality of piezoelectric elements 50j are connected in parallel, performs feeding / discharging of the piezoelectric element 50j each piezoelectric element 50j, also by switching the switch Sc 1 to SC j is provided for holding the piezoelectric element 50j to open Yes.

圧電素子50から順に1個ずつ駆動していく場合には、切り換えスイッチScをオン状態に維持し、その他のスイッチSc〜Scをオフ状態に維持して、先に説明したように、切り換えスイッチSp〜Spの中の1個のスイッチがオンの状態であるときに他のスイッチがオフ状態となるように、切り換えスイッチSp〜Spの中から選ばれたスイッチをオン/オフさせて、圧電素子50を充電すればよい。そして、圧電素子50について所望の変位量が得られたら、圧電素子50を駆動するために、切り換えスイッチScをオン状態に保持し、その他の切り換えスイッチSc・Sc〜Scをオフ状態に維持して、圧電素子50を充電する方法と同様にして、圧電素子50を充電すればよい。さらに、このような処理を残る圧電素子50〜50について行う。 When the piezoelectric element 50 1 will be driven one by one in sequence maintains the changeover switch Sc 1 to the ON state, the other switches Sc 2 to SC j and maintained in the OFF state, as described previously as other switch is turned off when one switch in the selector switch Sp 1 to SP n is oN, turns on the switch selected from among changeover switch Sp 1 to SP n / turns off, it may be charged to the piezoelectric element 50 1. Then, when the desired displacement of the piezoelectric element 50 1 is obtained, in order to drive the piezoelectric element 50 2, holds the changeover switch Sc 2 to the ON state, the other changeover switch Sc 1 · Sc 3 ~Sc j and maintained in the oFF state, in the same manner as in the method for charging a piezoelectric element 50 1 may be charged to the piezoelectric element 50 2. Further, such a process is performed for the remaining piezoelectric elements 50 3 to 50 j .

また、圧電素子50〜50を逐次駆動する場合には、選ばれた切り換えスイッチSpと切り換えスイッチScとを同期させてオン/オフすればよい。圧電素子50〜50を縮める場合の操作は、充電時の切り換えスイッチSpの操作を切り換えスイッチSmの操作に変更して、その他は同様に行えばよいことは、先の説明からも明らかであるので、ここでの詳細な説明は割愛する。 Further, in the case of sequentially driving the piezoelectric element 50 3 to 50 j may be to synchronize the selected selector switch Sp n and changeover switch Sc j turned on / off. Operation when reducing the piezoelectric element 50 3 to 50 j, change the operation of the switch Sm n switching operation of the switch Sp n during charging, it others that may be carried out in the same manner, from the above description Since it is clear, the detailed explanation here is omitted.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、切り換えスイッチSp等の各種切り換えスイッチのスイッチング時間の調整方法としては、電流値I(またはI)ごとに一定のパルス幅しかでないように回路を構成しておき、コンピュータ20から送ったオン信号の立ち上がりを検出し、電流パルスの発生のタイミングを取るようにしてもよい。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this. For example, as a method for adjusting the switching time of various change-over switches such as the change-over switch Sp n , a circuit is configured so that there is only a fixed pulse width for each current value I n (or I k ), and sent from the computer 20. It is also possible to detect the rising edge of the ON signal and take the timing of generating the current pulse.

また本発明は、スチュワート・プラットホーム型パラレル機構の駆動に用いることができる。図8にそのパラレル機構60の概略構成を示す。パラレル機構60は、圧電素子62a〜62fにより伸縮するリンク61a〜61fを6本用いて、ベースプレート63とステージ64とが接続された構造を有している。これらのリンク61a〜61fの伸縮を、コントローラ(CPU)や信号入出力用のインターフェース等を備えたコンピュータ65で制御することにより、ステージ64のxyz方向の並進およびそれらの軸周りの傾きの6自由度を制御することができる。   The present invention can also be used to drive a Stewart platform type parallel mechanism. FIG. 8 shows a schematic configuration of the parallel mechanism 60. The parallel mechanism 60 has a structure in which the base plate 63 and the stage 64 are connected using six links 61a to 61f that are expanded and contracted by the piezoelectric elements 62a to 62f. The expansion and contraction of these links 61a to 61f is controlled by a computer 65 equipped with a controller (CPU), a signal input / output interface, and the like, so that the translation of the stage 64 in the xyz direction and the inclination around those axes are six degrees of freedom. The degree can be controlled.

リンク61a〜61fにはそれぞれ、各圧電素子62a〜62fの伸縮量を測定するための変位センサ(図示せず)が設けられている。各変位センサの出力はコンピュータ65に取り込まれ、コンピュータ65内に格納されたプログラムに基づいて各圧電素子62a〜62fの伸縮が判別される。それにしたがってコンピュータ65は駆動信号を駆動電源66に与える。駆動電源66としては、図7に示した構成のものが用いられ、駆動電源66は、駆動信号に基づいて所定の電流パルスを圧電素子62a〜62fに与える。   Each of the links 61a to 61f is provided with a displacement sensor (not shown) for measuring the amount of expansion / contraction of each piezoelectric element 62a to 62f. The output of each displacement sensor is taken into the computer 65, and the expansion and contraction of each piezoelectric element 62a to 62f is determined based on the program stored in the computer 65. Accordingly, the computer 65 gives a drive signal to the drive power supply 66. The drive power supply 66 has the configuration shown in FIG. 7, and the drive power supply 66 applies a predetermined current pulse to the piezoelectric elements 62a to 62f based on the drive signal.

上述の通り、圧電素子62a〜62fにはパルス状の電流が供給され、また、同様に圧電素子62a〜62fからの放電が行われるため、パラレル機構60では、例えば、制御の1周期中に6個の圧電素子62a〜62fを切り替えながら駆動する、所謂、時分割方式での駆動が可能である。具体的には、切り換えスイッチSp1,Sp,・・・,SpまたはSm,Sm,・・・,SmおよびSc,Sc,・・・,Scを切り替える。この動作により駆動電源66の稼動率を上げることができる。なお、図8では、リンク61a〜61fの選択(つまり、圧電素子62a〜62fの選択)を「チャンネル選択」と記し、圧電素子62a〜62fの充放電の選択を「ソース/シンク選択」と記している。 As described above, a pulsed current is supplied to the piezoelectric elements 62a to 62f, and similarly, discharge from the piezoelectric elements 62a to 62f is performed. Therefore, in the parallel mechanism 60, for example, 6 in one cycle of control. It is possible to drive the piezoelectric elements 62a to 62f while switching the so-called time-division method. Specifically, switching the changeover switch Sp 1, Sp 2, ···, Sp 6 or Sm 1, Sm 2, ···, Sm 6 and Sc 1, Sc 2, · · ·, the Sc 6. With this operation, the operating rate of the drive power supply 66 can be increased. In FIG. 8, the selection of the links 61a to 61f (that is, the selection of the piezoelectric elements 62a to 62f) is referred to as “channel selection”, and the charge / discharge selection of the piezoelectric elements 62a to 62f is referred to as “source / sink selection”. ing.

さらに本発明は、圧電素子を駆動してインクの粒を吐出するインクジェットプリンタにも適用することができる。その場合には、圧電素子の変位加速度を変えることによって、1滴のインク容量を変えることも可能となる。   Furthermore, the present invention can also be applied to an ink jet printer that discharges ink particles by driving a piezoelectric element. In that case, the ink capacity of one drop can be changed by changing the displacement acceleration of the piezoelectric element.

(実施例1)
図2に示す構成を有する駆動電源30において、圧電素子の代わりに負荷として9.4μFのコンデンサを接続し、カレントソースIpおよびカレントシンクImとしてトランジスタおよび抵抗で構成した回路を用い、このコンデンサに対する充電・放電電流を60mA、切り換えスイッチSpのスイッチング時間(電流パルス幅)を500μs、切り換えスイッチSmのスイッチング時間を100μsとして、切り換えスイッチSpを繰り返しオン/オフさせることでコンデンサの電圧を上昇させ、切り換えスイッチSmを繰り返しオン/オフさせることでコンデンサの電圧を低下させた。コンデンサの電圧の増減は電荷の増減に対応している。一方、圧電素子の変位は充電される電荷に比例する。したがって、本実験は圧電素子の変位制御と等価と考えることができる。駆動電源30のより詳細な回路構成を図9に、コンデンサの電極電圧の変化を示すグラフを図10に、それぞれ示す。
(Example 1)
In the drive power supply 30 having the configuration shown in FIG. 2, a circuit having a transistor and a resistor is used as a current source Ip 1 and a current sink Im 1 by connecting a 9.4 μF capacitor as a load instead of a piezoelectric element. The charging / discharging current is 60 mA, the switching time (current pulse width) of the changeover switch Sp 1 is 500 μs, the switching time of the changeover switch Sm 1 is 100 μs, and the voltage of the capacitor is changed by repeatedly turning on / off the changeover switch Sp 1. raised, lowered the voltage of the capacitor by causing repeated on / off switching switch Sm 1. The increase or decrease of the capacitor voltage corresponds to the increase or decrease of the charge. On the other hand, the displacement of the piezoelectric element is proportional to the charge to be charged. Therefore, this experiment can be considered equivalent to displacement control of the piezoelectric element. A more detailed circuit configuration of the drive power supply 30 is shown in FIG. 9, and a graph showing changes in capacitor electrode voltage is shown in FIG.

この図10に示されるように、切り換えスイッチSp,Smの1回のオン/オフに起因して、コンデンサの電極端子電圧は階段状に変化している。コンデンサへの給電(充電)を停止した状態においてコンデンサの端子電圧がわずかに減少しているのは、オシロスコープで波形観察を行っているために、コンデンサからオシロスコープに電流が流れたことに起因するものであり、コンデンサと駆動電源30との間で電流が流れたことに起因するものではない。この図10から、コンデンサの電圧変化の1つの段差を小さくすること、つまり1回の切り換えスイッチSpのスイッチングで流すことができる電荷量を少なくすることにより、コンデンサの端子電圧を高い分解能で制御することができることがわかる。このことは、コンデンサを圧電素子に置き換えた場合には、圧電素子を高い分解能で駆動できることを示している。 As shown in FIG. 10, due to a single on / off of the switch Sp 1, Sm 1, the electrode terminal voltage of the capacitor is changed stepwise. When the power supply to the capacitor (charging) is stopped, the capacitor terminal voltage decreases slightly because the current is flowing from the capacitor to the oscilloscope because the waveform is observed with the oscilloscope. This is not caused by the current flowing between the capacitor and the drive power supply 30. From FIG. 10, it is possible to control the terminal voltage of the capacitor with high resolution by reducing one step of the voltage change of the capacitor, that is, by reducing the amount of charge that can be flowed by one switching of the changeover switch Sp1. You can see that you can. This indicates that when the capacitor is replaced with a piezoelectric element, the piezoelectric element can be driven with high resolution.

なお、実際には圧電素子の内部抵抗および空中への放電によって電荷が減少する。しかし、これに起因する変位の減少をあらかじめ測定しておいて、それを補償する電流パルスを一定時間おきに与えることで、圧電素子の変位の誤差を最小限に抑えることができる。   Actually, the electric charge is reduced by the internal resistance of the piezoelectric element and the discharge into the air. However, it is possible to minimize the displacement error of the piezoelectric element by measuring in advance the decrease in displacement caused by this and giving a current pulse to compensate for it in a certain time interval.

(実施例2)
図6に示す駆動電源60において、n=k=2とした回路を構成し、圧電素子を変位させた。
(実験装置)
DSP(MTT社製sBox)でパルス信号を発生し,それにより定電流回路を駆動した。圧電アクチュエータとしてDynamic Structures & Materials製FPA−100−DEMOを用いた。これはNEC/TOKIN製の積層型圧電素子AE0505D16の変位を拡大する機構を備えている。その変位量は100V印加時に70μmであり、電圧駆動の場合には昇圧/降圧に伴うヒステリシスが観察された。固有振動数は単体で1.3kHz、後述するセンサターゲットを取り付けた状態で1kHzである。
(Example 2)
In the driving power source 60 shown in FIG. 6, a circuit with n = k = 2 was formed, and the piezoelectric element was displaced.
(Experimental device)
A pulse signal was generated by a DSP (sbox manufactured by MTT), and the constant current circuit was driven thereby. As a piezoelectric actuator, FPA-100-DEMO manufactured by Dynamic Structures & Materials was used. This has a mechanism for enlarging the displacement of the stacked piezoelectric element AE0505D16 made by NEC / TOKIN. The amount of displacement was 70 μm when 100 V was applied, and hysteresis associated with step-up / step-down was observed in the case of voltage driving. The natural frequency is 1.3 kHz alone, and 1 kHz when a sensor target described later is attached.

圧電アクチュエータの変位量は、ターゲットとして20mm×20mm×2mmの鋼板を用い、うず電流センサ(キーエンス製EX−201)で測定した。センサ出力をNF回路設計ブロック製差動アンプ5307で20倍に増幅した。そのため、1mm/5.65Vの感度は1mm/113Vとなった。ただし、ノイズも増幅されるため、分解能は0.4μmで変わらない。センサの遮断周波数は1kHzに設定した。   The displacement of the piezoelectric actuator was measured with an eddy current sensor (EX-201 manufactured by Keyence) using a steel plate of 20 mm × 20 mm × 2 mm as a target. The sensor output was amplified 20 times with a differential amplifier 5307 manufactured by NF circuit design block. Therefore, the sensitivity of 1 mm / 5.65V was 1 mm / 113V. However, since the noise is also amplified, the resolution remains unchanged at 0.4 μm. The cut-off frequency of the sensor was set to 1 kHz.

電流パルス幅の時間調整にはsbox_DaGet()関数を用いた。1000回ループさせたところ324μsであったため、1回あたりを324ns(ナノ秒)として計算した。D/A変換器のスルーレートにより、立ち上がり/立ち下り波形が図11に示すように鈍り、5V変化するために約10μsを要することが確認された。   The sbox_DaGet () function was used for time adjustment of the current pulse width. Since it was 324 μs when it was looped 1000 times, it was calculated as 324 ns (nanosecond) per one time. Due to the slew rate of the D / A converter, the rising / falling waveform becomes dull as shown in FIG. 11, and it was confirmed that it takes about 10 μs to change by 5V.

(電流パルス幅の設定)
オープンループ制御により圧電素子を駆動することで,カレントソースとカレントシンクで1電流パルスあたりの変位量が等しくなるように、パルス幅を設定した。カレントソースとカレントシンクで電流値の大きい方のパルス幅を最短時間(5μs)とし,小さい方のパルス幅を長くすることで1電流パルスあたりの電荷量を合わせた。また、休止時間を調整することで,カレントソース・カレントシンクの1周期の時間を粗動(カレントソースIp、カレントシンクIm)では640μs(2000回待ち)、微動(カレントソースIp、カレントシンクIm)では160μs(500回待ち)に合わせた。先に実施例1で示したように、圧電アクチュエータを構成する圧電素子の端子電圧を測定するためにオシロスコープを接続すると、漏れ電流が大きくなって線形性が悪くなるため、オシロスコープは接続しなかった。
(Current pulse width setting)
By driving the piezoelectric element by open loop control, the pulse width was set so that the displacement amount per current pulse was equal between the current source and the current sink. The amount of charge per current pulse was adjusted by setting the pulse width of the larger current value between the current source and current sink to the shortest time (5 μs) and increasing the smaller pulse width. Also, by adjusting the pause time, the period of one cycle of the current source / current sink is coarsely adjusted (current source Ip 1 , current sink Im 1 ) is 640 μs (waiting 2000 times), and finely adjusted (current source Ip 2 , current The sink Im 2 ) was set to 160 μs (waiting for 500 times). As previously described in Example 1, when an oscilloscope was connected to measure the terminal voltage of the piezoelectric element constituting the piezoelectric actuator, the leakage current increased and the linearity deteriorated, so the oscilloscope was not connected. .

このような調整後の電流値およびパルス幅を表1に示す。なお、回路の性能上、もう少し短いパルス幅でも設定可能である。   Table 1 shows the current value and pulse width after such adjustment. It should be noted that a slightly shorter pulse width can be set due to circuit performance.

Figure 2006165011
Figure 2006165011

図12は、駆動電源の粗動用の回路部分、つまり、カレントソースIp、カレントシンクIm、切り換えスイッチSp・Smを用いて圧電アクチュエータを変位させた場合の変位量を示すグラフであり、伸縮両方ともそれぞれ70パルスで駆動している。収縮時に線形性が悪いのは,カレントシンク側の回路の線形性が悪いことが原因である。圧電アクチュエータの1電流パルスあたりの変位量は0.51μm(4.07V/70パルス)であった。 FIG. 12 is a graph showing the amount of displacement when the piezoelectric actuator is displaced using the coarse power source circuit portion of the drive power source, that is, the current source Ip 1 , the current sink Im 1 , and the changeover switches Sp 1 and Sm 1 . Both expansion and contraction are driven by 70 pulses. The reason for the poor linearity during contraction is that the linearity of the current sink circuit is poor. The displacement per one current pulse of the piezoelectric actuator was 0.51 μm (4.07 V / 70 pulses).

図13は、駆動電源の微動用の回路部分、つまり、カレントソースIp、カレントシンクIm、切り換えスイッチSp・Smを用いて圧電アクチュエータを変位させた場合の変位量を示すグラフであり、伸縮両方ともそれぞれ5000パルスで駆動している。図13に示されるように、微動のみでオープンループで駆動しても、もれ電流の影響は見られなかった。計算上、圧電アクチュエータの変位量は、7.1nm/1電流パルス(4.00V/5000パルス)となった。圧電素子に充電される電荷量は端子電圧と静電容量の積となる。したがって、圧電素子に並列にコンデンサを接続することで、同一電荷量のパルスを与えても電圧変化が小さくなり、さらに圧電素子の変位分解能を向上させることができる。 FIG. 13 is a graph showing the amount of displacement when the piezoelectric actuator is displaced using the circuit portion for fine movement of the drive power source, that is, the current source Ip 2 , the current sink Im 2 , and the changeover switches Sp 2 and Sm 2 . Both expansion and contraction are driven with 5000 pulses each. As shown in FIG. 13, the influence of the leakage current was not observed even when the driving was performed in an open loop with only fine movement. In the calculation, the displacement amount of the piezoelectric actuator was 7.1 nm / 1 current pulse (4.00 V / 5000 pulse). The amount of charge charged in the piezoelectric element is the product of the terminal voltage and the capacitance. Therefore, by connecting a capacitor in parallel to the piezoelectric element, the voltage change is reduced even when a pulse having the same charge amount is applied, and the displacement resolution of the piezoelectric element can be further improved.

(実施例3)
実施例2の装置を用いて圧電素子の変位を目標値に追従させるフィードバック制御を行った。目標値は、図14(a)に示す、0.5V→5.2Vに変化するステップ状の電圧として与えた。圧電素子の変位は(株)キーエンス製の渦電流式変位計により測定した。このフィードバック制御における圧電アクチュエータ変位を図14(b)に示す。1電流パルスあたりの電流値とパルス幅の積で決まる電荷量と圧電素子の静電容量の関係により、変位の立ち上がり時間は50ms(ミリ秒)であった。
(Example 3)
Using the apparatus of Example 2, feedback control for causing the displacement of the piezoelectric element to follow the target value was performed. The target value was given as a step-like voltage changing from 0.5 V to 5.2 V as shown in FIG. The displacement of the piezoelectric element was measured with an eddy current displacement meter manufactured by Keyence Corporation. The displacement of the piezoelectric actuator in this feedback control is shown in FIG. The rise time of the displacement was 50 ms (milliseconds) due to the relationship between the amount of charge determined by the product of the current value per pulse and the pulse width and the capacitance of the piezoelectric element.

本発明は、半導体製造装置等における精密位置決めに好適である。   The present invention is suitable for precise positioning in a semiconductor manufacturing apparatus or the like.

圧電素子駆動装置の概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of a piezoelectric element drive device. 駆動電源の概略構成および駆動電源と圧電素子の概略の接続形態を示す図。The figure which shows schematic structure of a drive power supply, and the general connection form of a drive power supply and a piezoelectric element. 圧電素子に供給される電流(電荷)と圧電素子の変位量との関係を模式的に示すグラフ。The graph which shows typically the relationship between the electric current (electric charge) supplied to a piezoelectric element, and the displacement amount of a piezoelectric element. 圧電素子に供給される電流(電荷)と圧電素子の変位量との関係を模式的に示す別のグラフ。4 is another graph schematically showing the relationship between the current (charge) supplied to the piezoelectric element and the amount of displacement of the piezoelectric element. 別の駆動電源の概略構成およびその駆動電源と圧電素子の概略の接続形態を示す図。The figure which shows the schematic structure of another drive power supply, and the general connection form of the drive power supply and a piezoelectric element. さらに別の駆動電源の概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of another drive power supply. 図6に示す駆動電源に複数の圧電素子を接続させた形態を示す図。The figure which shows the form which connected the several piezoelectric element to the drive power supply shown in FIG. 駆動電源をスチュワート・プラットホーム型パラレル機構に適用した概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure which applied the drive power supply to the Stewart platform type parallel mechanism. 図2に示す駆動電源のより詳細な回路構成を示す図。The figure which shows the more detailed circuit structure of the drive power supply shown in FIG. 圧電素子の電極電圧の変化を示すグラフ。The graph which shows the change of the electrode voltage of a piezoelectric element. 電流パルスの立ち上がり/立ち下り波形を示すグラフ。The graph which shows the rising / falling waveform of a current pulse. 粗動回路による圧電アクチュエータの変位を示すグラフ。The graph which shows the displacement of the piezoelectric actuator by a coarse motion circuit. 微動回路による圧電アクチュエータの変位を示すグラフ。The graph which shows the displacement of the piezoelectric actuator by a fine movement circuit. (a)は変位フィードバック制御における位置指令電圧を示すグラフ、(b)は圧電アクチュエータの変位を示すグラフ。(A) is a graph which shows the position command voltage in displacement feedback control, (b) is a graph which shows the displacement of a piezoelectric actuator.

符号の説明Explanation of symbols

10;圧電素子駆動装置
20;コンピュータ
21;入出力部
22;プロセスコントローラ(CPU)
23;記録部
24a;デジタル出力ポート(出力IF)
24b;入力インタフェース(入力IF)
30・30a・60;駆動電源
40;変位センサ
50・50;圧電素子
60;パラレル機構
61a〜61f;リンク
62a〜62f;圧電素子
63;ベースプレート
64;ステージ
65;コンピュータ
66;駆動電源
Ip;カレントソース
Im;カレントシンク
Sp;(給電用)切り換えスイッチ
Sm;(放電用)切り換えスイッチ
Sc;(充放電用)切り換えスイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10; Piezoelectric element drive device 20; Computer 21; Input / output part 22; Process controller (CPU)
23; Recording unit 24a; Digital output port (output IF)
24b; input interface (input IF)
30 · 30a · 60; driving power source 40; displacement sensor 50 · 50 j; piezoelectric element 60; the parallel mechanism 61a to 61f; link 62a to 62f; piezoelectric element 63; the base plate 64; stage 65; computer 66; driving power Ip n; Current source Im k ; Current sink Sp n ; (For power supply) selector switch Sm k ; (Discharge) selector switch Sc j ; (Charge / discharge) selector switch

Claims (15)

圧電素子を電流駆動するための駆動装置であって、
圧電素子に電流を供給するためのカレントソースと、
前記カレントソースから圧電素子に所定のスイッチング時間で給電を行うための給電用切り換えスイッチと、
前記圧電素子に充電された電荷を放電させるためのカレントシンクと、
圧電素子から前記カレントシンクへ所定のスイッチング時間で放電を行うための放電用切り換えスイッチと、
を具備し、
前記カレントソースと前記カレントシンクとは、前記給電用切り換えスイッチと放電用切り換えスイッチを介してトーテムポール接続されており、
前記給電用切り換えスイッチのオン/オフを繰り返すことによって作り出される電流パルスによって圧電素子を充電して変位させ、前記放電用切り換えスイッチのオン/オフを繰り返すことによって作り出される電流パルスによって圧電素子に充電された電荷を放電させて変位させ、前記圧電素子に対して充放電が行われないときには前記給電用切り換えスイッチと前記放電用切り換えスイッチがオフ状態に保持されて圧電素子の変位量が一定に制御されることを特徴とする圧電素子駆動装置。
A driving device for current driving a piezoelectric element,
A current source for supplying current to the piezoelectric element;
A power supply changeover switch for supplying power to the piezoelectric element from the current source in a predetermined switching time;
A current sink for discharging the electric charge charged in the piezoelectric element;
A discharge changeover switch for discharging from the piezoelectric element to the current sink in a predetermined switching time;
Comprising
The current source and the current sink are totem pole connected via the power supply changeover switch and the discharge changeover switch,
The piezoelectric element is charged and displaced by a current pulse generated by repeatedly turning on and off the power supply changeover switch, and the piezoelectric element is charged by a current pulse produced by repeatedly turning on and off the discharge changeover switch. When the electric charge is discharged and displaced, and the piezoelectric element is not charged / discharged, the power supply changeover switch and the discharge changeover switch are held in the OFF state, and the displacement amount of the piezoelectric element is controlled to be constant. A piezoelectric element driving apparatus characterized by comprising:
前記給電用切り換えスイッチは、前記カレントソース1個に対して複数接続され、これら複数の給電用切り換えスイッチは互いに並列に接続され、個々に異なるスイッチング時間を有することを特徴とする請求項1に記載の圧電素子駆動装置。   The plurality of power supply changeover switches are connected to one current source, and the plurality of power supply changeover switches are connected in parallel to each other and have different switching times. Piezoelectric element driving device. 前記放電用切り換えスイッチは、前記カレントシンク1個に対して複数接続され、これら複数の放電用切り換えスイッチは互いに並列に接続され、個々に異なるスイッチング時間を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧電素子駆動装置。   2. The discharge changeover switch is connected in plural to one current sink, and the plurality of discharge changeover switches are connected in parallel to each other and have different switching times. Item 3. The piezoelectric element driving device according to Item 2. 前記カレントソースを複数備え、かつ、前記給電用切り換えスイッチはそれぞれのカレントソースに対して1個ずつ接続され、
これら複数のカレントソースから取り出される電流のピーク値がそれぞれに異なることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子駆動装置。
A plurality of the current sources are provided, and the feeding switch is connected to each current source one by one,
2. The piezoelectric element driving apparatus according to claim 1, wherein peak values of currents taken from the plurality of current sources are different from each other.
前記複数のカレントソースにそれぞれ接続された給電用切り換えスイッチのスイッチング時間は、前記カレントソースから取り出される電流のピーク値が小さくなるにつれて短くなっていることを特徴とする請求項4に記載の圧電素子駆動装置。   5. The piezoelectric element according to claim 4, wherein a switching time of the power supply changeover switch connected to each of the plurality of current sources becomes shorter as a peak value of a current taken out from the current source becomes smaller. Drive device. 前記カレントシンクを複数備え、かつ、前記放電用切り換えスイッチはそれぞれのカレントシンクに対して1個ずつ接続され、
これら複数のカレントシンクへ吸い込まれる電流値のピーク値がそれぞれに異なることを特徴とする請求項1,4,5のいずれか1項に記載の圧電素子駆動装置。
A plurality of the current sinks, and one discharging changeover switch is connected to each current sink;
6. The piezoelectric element driving device according to claim 1, wherein peak values of current values sucked into the plurality of current sinks are different from each other.
前記複数のカレントシンクにそれぞれ接続された放電用切り換えスイッチのスイッチング時間は、前記カレントシンクへ吸い込まれる電流のピーク値が小さくなるにつれて短くなっていることを特徴とする請求項6に記載の圧電素子駆動装置。   7. The piezoelectric element according to claim 6, wherein a switching time of the discharge changeover switch connected to each of the plurality of current sinks is shortened as a peak value of a current sucked into the current sink decreases. Drive device. 複数の圧電素子を変位させることができるように、圧電素子ごとに、前記給電用切り換えスイッチおよび前記放電用切り換えスイッチと同期してオン/オフ自在な充放電用切り換えスイッチを複数備え、
1つの充放電用切り換えスイッチがオン状態のときに残りの充放電用切り換えスイッチはオフ状態となることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の圧電素子駆動装置。
In order to be able to displace a plurality of piezoelectric elements, each piezoelectric element includes a plurality of charging / discharging changeover switches that can be turned on / off in synchronization with the power supply changeover switch and the discharge changeover switch,
The piezoelectric element driving device according to any one of claims 1 to 7, wherein when one charge / discharge changeover switch is in an on state, the remaining charge / discharge changeover switches are in an off state.
前記給電用切り換えスイッチとスイッチング時間を決定し、所定のオン信号によってそのスイッチング時間の間だけ前記給電用切り換えスイッチをオン状態に保持する第1の時間調整回路と、
前記放電用切り換えスイッチとスイッチング時間を決定し、所定のオン信号によってそのスイッチング時間の間だけ前記放電用切り換えスイッチをオン状態に保持する第2の時間調整回路と、
前記オン信号を作り出して前記第1の時間調整回路と前記第2の時間調整回路とに出力する信号発生器と、
を具備することを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の圧電素子駆動装置。
A first time adjustment circuit that determines a switching time with the power supply changeover switch and holds the power supply changeover switch in an ON state only during the switching time by a predetermined ON signal;
A second time adjustment circuit for determining the discharge changeover switch and the switching time, and holding the discharge changeover switch in an ON state only during the switching time by a predetermined ON signal;
A signal generator for producing the ON signal and outputting it to the first time adjustment circuit and the second time adjustment circuit;
The piezoelectric element driving device according to claim 1, comprising:
所定の時間幅のパルス信号を発生させる信号発生器をさらに具備し、
前記信号発生器から出力されるパルス信号の時間幅にしたがって前記給電用切り換えスイッチと前記放電用切り換えスイッチのスイッチング時間が設定されることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の圧電素子駆動装置。
A signal generator for generating a pulse signal having a predetermined time width;
9. The switching time of the power supply changeover switch and the discharge changeover switch is set according to a time width of a pulse signal output from the signal generator. A piezoelectric element driving device according to claim 1.
前記圧電素子の変位量を測定するための変位センサと、
前記変位センサの測定データに基づいて、前記給電用切り換えスイッチと前記放電用切り換えスイッチのオンオフ動作を制御するための制御装置と、
をさらに具備することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の圧電素子駆動装置。
A displacement sensor for measuring a displacement amount of the piezoelectric element;
Based on measurement data of the displacement sensor, a control device for controlling the on / off operation of the power supply changeover switch and the discharge changeover switch;
The piezoelectric element driving apparatus according to claim 1, further comprising:
前記圧電素子の変位量を測定するための変位センサをさらに具備し、
前記信号発生器は、前記変位センサの測定データに基づいて、前記給電用切り換えスイッチと前記放電用切り換えスイッチのオンオフ動作を制御するための制御信号を発生させることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の圧電素子駆動装置。
A displacement sensor for measuring a displacement amount of the piezoelectric element;
10. The signal generator according to claim 9, wherein the signal generator generates a control signal for controlling on / off operation of the power supply changeover switch and the discharge changeover switch based on measurement data of the displacement sensor. Item 15. The piezoelectric element driving apparatus according to Item 10.
圧電素子を電流駆動するための駆動方法であって、
所定の電荷を有する電流パルスにより圧電素子に充電を行い、
所定の電荷を有する電流パルスにより充電された圧電素子からの放電を行い、
前記圧電素子に充放電を行わないときには、前記圧電素子に充放電を行うために前記圧電素子に設けられた電極を開放して電荷の移動を抑制することで、前記圧電素子の変位量を一定とすることを特徴とする圧電素子の駆動方法。
A driving method for current driving a piezoelectric element,
The piezoelectric element is charged by a current pulse having a predetermined charge,
Discharging from the piezoelectric element charged by a current pulse having a predetermined charge,
When the piezoelectric element is not charged / discharged, the amount of displacement of the piezoelectric element is kept constant by opening the electrodes provided on the piezoelectric element to charge / discharge the piezoelectric element, thereby suppressing the movement of charges. A method for driving a piezoelectric element, characterized in that:
前記圧電素子を充電するための電流パルスとして、電荷量の異なる複数の電流パルスを用いることを特徴とする請求項13に記載の圧電素子の駆動方法。   14. The method of driving a piezoelectric element according to claim 13, wherein a plurality of current pulses having different charge amounts are used as current pulses for charging the piezoelectric element. 前記圧電素子からの放電を行うための電流パルスとして、電荷量の異なる複数の電流パルスを用いることを特徴とする請求項13または請求項14に記載の圧電素子の駆動方法。   15. The method of driving a piezoelectric element according to claim 13, wherein a plurality of current pulses having different charge amounts are used as current pulses for discharging from the piezoelectric element.
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