セラミック圧電アクチュエータの線形駆動法に関する研究

圧電素子が汎用的な機能性材料となり得るには位置及び力の再現性すなわちヒステリシス,温度の影響,周波数特性並びに動特性に関する改善が不可欠である。その改善策としては,再現性と温度特性の優れた高感度の単一材料の開発を目指すだけでは限界がある。本研究は,圧電素子の非線形特性を明らかにし,さらに素子の特性による入力電圧の非線形化数学公式を求め,得られた結果に基づき入力電圧の非線形変換器を試作し素子の高速・高精度駆動を実現するものである。初めに,圧電素子の駆動用線形パワーアンプを製作し,種々の圧電素子の印加電圧と変位特性及び周波数特性を計測し,素子の変位曲線の履歴を把握した。次に,計測した素子の変位曲線の履歴に対して素子の入出力に対する数学モデルをたて,変位履歴を除去する非線形入出力の関係を3次元で近似できることが分かった。さらにパソコンを用い,上記の計算公式に基づき入力電圧を非線形化する制御プログラムを製作し実験システムを組み立てた。実験では線形入力電圧をA/Dボードを経てパソコンに入力し制御プログラムによって入力電圧を非線形した後にD/Aボードを経て線形駆動パワーアンプで増幅し圧電素子に印加いることによって,素子の発生変位と入力電圧との関係から入力電圧非線形パラメータを求めた。最後に,以上得られた結果を総合し入力電圧非線形変換器(プリアンプ)を試作し,上記の実験で求められた素子の固有非線形パラメータを非線形変換器にセットし実験を行った。結果より,本非線形駆動法および入力電圧非線形変換器の有効性が確認された。今後、可能な限り実用化して向けて改良を加え,本入力電圧非線形変換器を小型化し,製品化する。

圧電素子が汎用的な機能性材料となり得るには位置及び力の再現性すなわちヒステリシス,温度の影響,周波数特性並びに動特性に関する改善が不可欠である。その改善策としては,再現性と温度特性の優れた高感度の単一材料の開発を目指すだけでは限界がある。本研究は,圧電素子の非線形特性を明らかにし,さらに素子の特性による入力電圧の非線形化数学公式を求め,得られた結果に基づき入力電圧の非線形変換器を試作し素子の高速・高精度駆動を実現するものである。初めに,圧電素子の駆動用線形パワーアンプを製作し,種々の圧電素子の印加電圧と変位特性及び周波数特性を計測し,素子の変位曲線の履歴を把握した。次に,計測した素子の変位曲線の履歴に対して素子の入出力に対する数学モデルをたて,変位履歴を除去する非線形入出力の関係を3次元で近似できることが分かった。さらにパソコンを用い,上記の計算公式に基づき入力電圧を非線形化する制御プログラムを製作し実験システムを組み立てた。実験では線形入力電圧をA/Dボードを経てパソコンに入力し制御プログラムによって入力電圧を非線形した後にD/Aボードを経て線形駆動パワーアンプで増幅し圧電素子に印加いることによって,素子の発生変位と入力電圧との関係から入力電圧非線形パラメータを求めた。最後に,以上得られた結果を総合し入力電圧非線形変換器(プリアンプ)を試作し,上記の実験で求められた素子の固有非線形パラメータを非線形変換器にセットし実験を行った。結果より,本非線形駆動法および入力電圧非線形変換器の有効性が確認された。今後、可能な限り実用化して向けて改良を加え,本入力電圧非線形変換器を小型化し,製品化する。