JP2754610B2 - 圧電アクチュエータ駆動装置 - Google Patents
圧電アクチュエータ駆動装置Info
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- JP2754610B2 JP2754610B2 JP63283394A JP28339488A JP2754610B2 JP 2754610 B2 JP2754610 B2 JP 2754610B2 JP 63283394 A JP63283394 A JP 63283394A JP 28339488 A JP28339488 A JP 28339488A JP 2754610 B2 JP2754610 B2 JP 2754610B2
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- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 39
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 9
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- 238000010304 firing Methods 0.000 description 8
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- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 4
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 3
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
- F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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- F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
- F02D2041/2003—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils using means for creating a boost voltage, i.e. generation or use of a voltage higher than the battery voltage, e.g. to speed up injector opening
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電素子を電気・機械変換器として用いる場
合に圧電素子に対し、電荷の充放電を適切に行うことに
より所定の機械的変位量を得る圧電アクチュエータ駆動
装置に関する。
合に圧電素子に対し、電荷の充放電を適切に行うことに
より所定の機械的変位量を得る圧電アクチュエータ駆動
装置に関する。
従来、圧電素子を応用した各種のアクチュエータが提
案されている。これは、圧電素子が小形・低消費電力お
よび高速応答性等の優れた長所を有するためである。こ
れに応じ、圧電素子アクチュエータの駆動回路について
もいろいろな提案がなされている。例えば、特開昭62−
210241号公報には、圧電素子が大きな温度係数を持つこ
とに鑑みて、圧電素子に蓄えられる静電エネルギー量を
一定としたとき圧電素子の変位量を温度にかかわらず一
定値に制御可能であることが述べられている。そこで圧
電素子の変位量を目標値に制御するためにトランスに蓄
積されたエネルギーの量を制御し、このエネルギーによ
り圧電素子の変位量を制御することが示されている。ま
た、特開昭58−64077号公報には電歪素子（圧電素子）
にコイルを接続して共振回路を形成し、圧電素子に一旦
蓄積された電力をこの共振回路により電源側へ回生させ
ることで消費電力を低減することが示されている。
案されている。これは、圧電素子が小形・低消費電力お
よび高速応答性等の優れた長所を有するためである。こ
れに応じ、圧電素子アクチュエータの駆動回路について
もいろいろな提案がなされている。例えば、特開昭62−
210241号公報には、圧電素子が大きな温度係数を持つこ
とに鑑みて、圧電素子に蓄えられる静電エネルギー量を
一定としたとき圧電素子の変位量を温度にかかわらず一
定値に制御可能であることが述べられている。そこで圧
電素子の変位量を目標値に制御するためにトランスに蓄
積されたエネルギーの量を制御し、このエネルギーによ
り圧電素子の変位量を制御することが示されている。ま
た、特開昭58−64077号公報には電歪素子（圧電素子）
にコイルを接続して共振回路を形成し、圧電素子に一旦
蓄積された電力をこの共振回路により電源側へ回生させ
ることで消費電力を低減することが示されている。
しかしながら、上記特開昭62−210241号公報の例では
トランスに蓄積されたエネルギーにより直接圧電素子を
充電し変位量を制御する構成のため、圧電素子の変位量
の制御に高速応答，高エネルギーが要求される場合には
大きなエネルギーが蓄積可能な非常に大型のトランスが
必要となってしまう。
トランスに蓄積されたエネルギーにより直接圧電素子を
充電し変位量を制御する構成のため、圧電素子の変位量
の制御に高速応答，高エネルギーが要求される場合には
大きなエネルギーが蓄積可能な非常に大型のトランスが
必要となってしまう。
また、圧電素子アクチュエータが最大限の伸縮量を得
るためには、第５図に示す圧電素子のヒステリシスカー
ブのＡ−Ｂ点を電圧の動作点とすれば良い。
るためには、第５図に示す圧電素子のヒステリシスカー
ブのＡ−Ｂ点を電圧の動作点とすれば良い。
しかしながら、上記特開昭58−64077号公報の例のよ
うに共振回路を備える構成において一旦圧電素子に蓄積
された電荷を共振回路によって反転させるときに圧電素
子に負電圧が生じるが、この負電圧は圧電素子に印加さ
れていた正電圧と共振回路の定数により決定される。こ
のため、圧電素子に印加されている正電圧が変化する
と、圧電素子に生じる負電圧も大きく変化する。従っ
て、圧電素子は毎回異なるヒステリシスカーブを描いた
り、目標とする変位に制御できなかったり安定した変位
を得ることができない。また、圧電素子はＢ点における
印加電圧よりもさらに大きい負の電圧を印加されると素
子の劣化を早めるという問題もある。
うに共振回路を備える構成において一旦圧電素子に蓄積
された電荷を共振回路によって反転させるときに圧電素
子に負電圧が生じるが、この負電圧は圧電素子に印加さ
れていた正電圧と共振回路の定数により決定される。こ
のため、圧電素子に印加されている正電圧が変化する
と、圧電素子に生じる負電圧も大きく変化する。従っ
て、圧電素子は毎回異なるヒステリシスカーブを描いた
り、目標とする変位に制御できなかったり安定した変位
を得ることができない。また、圧電素子はＢ点における
印加電圧よりもさらに大きい負の電圧を印加されると素
子の劣化を早めるという問題もある。
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、圧電素子
に対して電荷の充放電を適切に行うことにより、前述の
不具合を解消することを目的とする。
に対して電荷の充放電を適切に行うことにより、前述の
不具合を解消することを目的とする。
そこで本発明による圧電アクチュエータ駆動装置は、 圧電素子に選択的に電荷を供給し、前記圧電素子を伸
長させる充電系路と、前記圧電素子に供給された電荷を
選択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させる放電系路
とを備える圧電アクチュエータ駆動装置において、 １次巻線が電源に接続され、前記１次巻線により励磁
される２次巻線が前記充電系路に接続されるとともに、
前記１次巻線と前記電源との接続が遮断されたとき、蓄
積された磁気エネルギーによって前記２次巻線に電圧が
生じる充電変圧器と、 前記１次巻線と前記電源との間に介在して、前記１次
巻線と前記電源との接続を断続するスイッチング素子
と、 前記２次巻線に整流素子を介して前記充電系路と並列
に接続され、前記２次巻線に生じた電圧により、電荷が
充電されるコンデンサと、 前記コンデンサに所定量のエネルギーの電荷を充電さ
せるべく、前記スイッチング素子を連続した複数個のパ
ルス信号にて断続駆動する駆動手段と、 前記コンデンサに所定量のエネルギーの電荷が充電さ
れた後、この電荷を前記圧電素子に供給する供給手段と を備えるように構成する。
長させる充電系路と、前記圧電素子に供給された電荷を
選択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させる放電系路
とを備える圧電アクチュエータ駆動装置において、 １次巻線が電源に接続され、前記１次巻線により励磁
される２次巻線が前記充電系路に接続されるとともに、
前記１次巻線と前記電源との接続が遮断されたとき、蓄
積された磁気エネルギーによって前記２次巻線に電圧が
生じる充電変圧器と、 前記１次巻線と前記電源との間に介在して、前記１次
巻線と前記電源との接続を断続するスイッチング素子
と、 前記２次巻線に整流素子を介して前記充電系路と並列
に接続され、前記２次巻線に生じた電圧により、電荷が
充電されるコンデンサと、 前記コンデンサに所定量のエネルギーの電荷を充電さ
せるべく、前記スイッチング素子を連続した複数個のパ
ルス信号にて断続駆動する駆動手段と、 前記コンデンサに所定量のエネルギーの電荷が充電さ
れた後、この電荷を前記圧電素子に供給する供給手段と を備えるように構成する。
また、 圧電素子に選択的に電荷を供給し、前記圧電素子を伸
長させる充電系路と、前記圧電素子に供給された電荷を
選択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させる放電系路
とを備える圧電アクチュエータ駆動装置において、 前記放電系路中に接続された１次巻線と、前記１次巻
線により励磁させる２次巻線とを備え、前記１次巻線と
前記２次巻線との巻数比が予め定められた放電変圧器
と、 前記変圧器の２次巻線と接続されて、前記２次巻線に
生じる電圧を所定値に制限する２次電圧制御手段とを備
えるように構成する。
長させる充電系路と、前記圧電素子に供給された電荷を
選択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させる放電系路
とを備える圧電アクチュエータ駆動装置において、 前記放電系路中に接続された１次巻線と、前記１次巻
線により励磁させる２次巻線とを備え、前記１次巻線と
前記２次巻線との巻数比が予め定められた放電変圧器
と、 前記変圧器の２次巻線と接続されて、前記２次巻線に
生じる電圧を所定値に制限する２次電圧制御手段とを備
えるように構成する。
上記構成によれば、圧電素子を伸長させる電荷のエネ
ルギーを複数個のパルス信号により制御している。この
複数のそれぞれのパルス信号は所定のエネルギーの電荷
をコンデンサに充電し、コンデンサの電荷はパルス信号
の個数に応じて増加していく。そして、コンデンサに充
電された電荷のエネルギーの総和が圧電素子を伸長する
ための所定のエネルギー量となった後、コンデンサに充
電された電荷が圧電素子に供給される。このため、圧電
素子の伸長量の制御に高速応答，高エネルギーが要求さ
れる場合にも容易に対応することができる。さらに、個
々のパルス信号に応じてコンデンサに充電される電荷の
エネルギーを複数回に分けて増加させているため、小型
のトランスを用いても高エネルギーの電荷を圧電素子に
供給することができる。同時にコンデンサに充電される
電荷のエネルギーはパルス信号の個数によって制御され
るため、エネルギー量の制御を容易に行うことができ
る。
ルギーを複数個のパルス信号により制御している。この
複数のそれぞれのパルス信号は所定のエネルギーの電荷
をコンデンサに充電し、コンデンサの電荷はパルス信号
の個数に応じて増加していく。そして、コンデンサに充
電された電荷のエネルギーの総和が圧電素子を伸長する
ための所定のエネルギー量となった後、コンデンサに充
電された電荷が圧電素子に供給される。このため、圧電
素子の伸長量の制御に高速応答，高エネルギーが要求さ
れる場合にも容易に対応することができる。さらに、個
々のパルス信号に応じてコンデンサに充電される電荷の
エネルギーを複数回に分けて増加させているため、小型
のトランスを用いても高エネルギーの電荷を圧電素子に
供給することができる。同時にコンデンサに充電される
電荷のエネルギーはパルス信号の個数によって制御され
るため、エネルギー量の制御を容易に行うことができ
る。
また、圧電素子に充電されている電荷を放電する場
合、圧電素子と変圧器の１次巻線とが共振回路を形成す
る。このとき、１次巻線の両端に印加される電圧が変化
し、これに応じて２次巻線に生じる電圧も変化する。こ
の２次巻線に生じる電圧は２次電圧制限手段により所定
値に制限される。
合、圧電素子と変圧器の１次巻線とが共振回路を形成す
る。このとき、１次巻線の両端に印加される電圧が変化
し、これに応じて２次巻線に生じる電圧も変化する。こ
の２次巻線に生じる電圧は２次電圧制限手段により所定
値に制限される。
このため、１次巻線に印加される電圧も予め設定され
た１次及び２次巻線の巻数比と２次巻線に生じる所定の
電圧値とによって所定値に保持される。ここで、圧電素
子には１次巻線の両端の電圧と同じ値の電圧が印加され
るので、圧電素子の電圧も所定値に保持される。従っ
て、圧電素子が描くヒステリシスカーブが安定するとと
もに、圧電素子の劣化を防止することもできる。
た１次及び２次巻線の巻数比と２次巻線に生じる所定の
電圧値とによって所定値に保持される。ここで、圧電素
子には１次巻線の両端の電圧と同じ値の電圧が印加され
るので、圧電素子の電圧も所定値に保持される。従っ
て、圧電素子が描くヒステリシスカーブが安定するとと
もに、圧電素子の劣化を防止することもできる。
以下、本発明の１実施例を図面に基づいて説明する 第１図において、１は直流電源で、充電変圧器として
のトランス20の１次巻線L1の一端が電源１の＋側に接続
され、トランス20の他の一端はスイッチング素子として
のトランジスタ22のコレクタに接続されている。又トラ
ンジスタ22のエミッタに電源１の−側に接続され、トラ
ンジスタ22のベースに接続された公知のベースドライブ
回路31の出力信号によりトランジスタ22が駆動される
と、電源１とトランス20の１次巻線とが接続される。な
お、トランジスタ22に並列に接続されたダイオード23は
トランジスタ22に印加される逆電圧を制限するものであ
る。トランス20の２次巻線L2の一端はダイオード21のア
ノードに接続されダイオード21のカソードはコンデンサ
３の＋側と供給手段としてのサイリスタ４のアノードと
に接続されている。コンデンサ３の−側はトランス20の
２次巻線L2の他端に接続され、これによりトランス20で
昇圧された電圧がコンデンサ３の印加され、所定のエネ
ルギーの電荷がコンデンサ３に充電される。サイリスタ
４のカソードはリアクトル７の一端に、そしてそのリア
クトル７の他端は圧電素子からなるピエゾアクチュエー
タ６の＋側に接続されている。ピエゾアクチュエータ６
の−側はコンデンサ３の−側と同様にトランス20の２次
巻線L2の他端に接続され、これによりサイリスタ４が点
弧されると、コンデンサ３に充電されている電荷がピエ
ゾアクチュエータ６に供給され、ピエゾアクチュエータ
６が伸長する。ここで、コンデンサ３の両端よりピエゾ
アクチュエータ６の両端までが充電系路に相当する。
のトランス20の１次巻線L1の一端が電源１の＋側に接続
され、トランス20の他の一端はスイッチング素子として
のトランジスタ22のコレクタに接続されている。又トラ
ンジスタ22のエミッタに電源１の−側に接続され、トラ
ンジスタ22のベースに接続された公知のベースドライブ
回路31の出力信号によりトランジスタ22が駆動される
と、電源１とトランス20の１次巻線とが接続される。な
お、トランジスタ22に並列に接続されたダイオード23は
トランジスタ22に印加される逆電圧を制限するものであ
る。トランス20の２次巻線L2の一端はダイオード21のア
ノードに接続されダイオード21のカソードはコンデンサ
３の＋側と供給手段としてのサイリスタ４のアノードと
に接続されている。コンデンサ３の−側はトランス20の
２次巻線L2の他端に接続され、これによりトランス20で
昇圧された電圧がコンデンサ３の印加され、所定のエネ
ルギーの電荷がコンデンサ３に充電される。サイリスタ
４のカソードはリアクトル７の一端に、そしてそのリア
クトル７の他端は圧電素子からなるピエゾアクチュエー
タ６の＋側に接続されている。ピエゾアクチュエータ６
の−側はコンデンサ３の−側と同様にトランス20の２次
巻線L2の他端に接続され、これによりサイリスタ４が点
弧されると、コンデンサ３に充電されている電荷がピエ
ゾアクチュエータ６に供給され、ピエゾアクチュエータ
６が伸長する。ここで、コンデンサ３の両端よりピエゾ
アクチュエータ６の両端までが充電系路に相当する。
また放電変圧器としてのトランス10の１次巻線l1の−
端が、リアクトル７とピエゾアクチュエータ６との間に
接続され、１次巻線l1の他端がサイリスタ５のアノード
に接続されている。サイリスタ５のカソードはピエゾア
クチュエータ６の−側及びコンデンサ３の−側とともに
トランス20の２次巻線L2の他端に接続されており、サイ
リスタ５が点弧されることによりピエゾアクチュエータ
６に充電されていた電荷が、トランス10,サイリスタ５
を介して放電される。トランス10の２次巻線l2の一端は
ダイオード９のアノードに接続され、ダイオード９のカ
ソードが電源１の＋側に接続されている。そして２次巻
線l2の他端が電源１の−側に接続され、電源１とダイオ
ード９が２次電圧制限手段として機能する。ここでピエ
ゾアクチュエータ６の両端よりトランス10,サイリスタ
５によって形成される閉回路が放電系路に相当する。な
お、トランス10及びトランス20の巻き方は図示の通りで
ある。
端が、リアクトル７とピエゾアクチュエータ６との間に
接続され、１次巻線l1の他端がサイリスタ５のアノード
に接続されている。サイリスタ５のカソードはピエゾア
クチュエータ６の−側及びコンデンサ３の−側とともに
トランス20の２次巻線L2の他端に接続されており、サイ
リスタ５が点弧されることによりピエゾアクチュエータ
６に充電されていた電荷が、トランス10,サイリスタ５
を介して放電される。トランス10の２次巻線l2の一端は
ダイオード９のアノードに接続され、ダイオード９のカ
ソードが電源１の＋側に接続されている。そして２次巻
線l2の他端が電源１の−側に接続され、電源１とダイオ
ード９が２次電圧制限手段として機能する。ここでピエ
ゾアクチュエータ６の両端よりトランス10,サイリスタ
５によって形成される閉回路が放電系路に相当する。な
お、トランス10及びトランス20の巻き方は図示の通りで
ある。
一方、第１図，第２図（ａ）に示すピエゾアクチュエ
ータON信号は、ONパルス発生器35,OFFパルス発生器36,
単安定マルチバイブレータ34へ入力される。ONパルス発
生器35はピエゾアクチュエータON信号の立上りでトリガ
され、その出力はサイリスタ４を点弧するゲート信号と
なり、OFFパルス発生器36はピエゾアクチュエータON信
号の立下りでトリガされ、その出力はサイリスタ５を点
弧するゲート信号となる。
ータON信号は、ONパルス発生器35,OFFパルス発生器36,
単安定マルチバイブレータ34へ入力される。ONパルス発
生器35はピエゾアクチュエータON信号の立上りでトリガ
され、その出力はサイリスタ４を点弧するゲート信号と
なり、OFFパルス発生器36はピエゾアクチュエータON信
号の立下りでトリガされ、その出力はサイリスタ５を点
弧するゲート信号となる。
単安定マルチバルブレータ34はピエゾアクチュエータ
ON信号の立下りでトリガされ、所定時間Hiとなるパルス
出力をAND回路32へ入力する。またデューティ設定器33
は、トランジスタ22を駆動するデューティ比を設定する
もので、デューティ設定器33のデューティ出力もAND回
路32へ入力される。AND回路32は単安定マルチバイブレ
ータ34の出力とデューティ設定器33の出力とがともにHi
になったときベースドライブ回路31を駆動する。このベ
ースドライブ回路31の出力がトランジスタ22のベースに
与えられ、トランジスタ22がON−OFF駆動される。
ON信号の立下りでトリガされ、所定時間Hiとなるパルス
出力をAND回路32へ入力する。またデューティ設定器33
は、トランジスタ22を駆動するデューティ比を設定する
もので、デューティ設定器33のデューティ出力もAND回
路32へ入力される。AND回路32は単安定マルチバイブレ
ータ34の出力とデューティ設定器33の出力とがともにHi
になったときベースドライブ回路31を駆動する。このベ
ースドライブ回路31の出力がトランジスタ22のベースに
与えられ、トランジスタ22がON−OFF駆動される。
第１図に示した実施例の各部の波形を第２図に示し、
作動を説明する。なお、第２図の動作波形は説明を簡単
にするためにトランス10を単にリアクトルとした場合を
示している。まず、第２図（ａ）に示すピエゾアクチュ
エータON信号が入力されると、ピエゾアクチュエータON
信号立上り時に第２図（ｂ）に示すようにONパルス発生
器35の出力にサイリスタ４の点弧信号Ａが現われ、この
点弧信号Ａがサイリスタ４のゲートに入力され、サイリ
スタ４をONさせる。この時、コンデンサ3,サイリスタ4,
リアクトル7,ピエゾアクチュエータ6,コンデンサ３の閉
回路においてLC共振が生じ、ピエゾアクチュエータ６に
電圧が印加される。これによりピエゾアクチュエータ６
の端子電圧Vzは第２図（ｅ）に示すようにVz1まで上昇
するとともに、コンデンサ３の端子電圧Vcは、V1からV0
まで下降した後、サイリスタ４はOFFし充電が終了す
る。次に、ピエゾアクチュエータON信号の立下り時に第
２図（ｃ）に示すように、OFFパルス発生器36にサイリ
スタ５の点弧信号Ｂが現われ、この点弧信号Ｂがサイリ
スタ５のゲートに入力され、サイリスタ５をONさせる。
この時ピエゾアクチュエータ6,リアクトル10,サイリス
タ5,ピエゾアクチュエータ６の閉回路が形成され、この
閉回路においてピエゾアクチュエータ６とリアクトル10
とに共振が生じ、ピエゾアクチュエータ６の端子電圧Vz
は正から負へと変化する。この端子電圧VzがVz1からVz2
まで低下した後、サイリスタ５はOFFし放電が終了す
る。
作動を説明する。なお、第２図の動作波形は説明を簡単
にするためにトランス10を単にリアクトルとした場合を
示している。まず、第２図（ａ）に示すピエゾアクチュ
エータON信号が入力されると、ピエゾアクチュエータON
信号立上り時に第２図（ｂ）に示すようにONパルス発生
器35の出力にサイリスタ４の点弧信号Ａが現われ、この
点弧信号Ａがサイリスタ４のゲートに入力され、サイリ
スタ４をONさせる。この時、コンデンサ3,サイリスタ4,
リアクトル7,ピエゾアクチュエータ6,コンデンサ３の閉
回路においてLC共振が生じ、ピエゾアクチュエータ６に
電圧が印加される。これによりピエゾアクチュエータ６
の端子電圧Vzは第２図（ｅ）に示すようにVz1まで上昇
するとともに、コンデンサ３の端子電圧Vcは、V1からV0
まで下降した後、サイリスタ４はOFFし充電が終了す
る。次に、ピエゾアクチュエータON信号の立下り時に第
２図（ｃ）に示すように、OFFパルス発生器36にサイリ
スタ５の点弧信号Ｂが現われ、この点弧信号Ｂがサイリ
スタ５のゲートに入力され、サイリスタ５をONさせる。
この時ピエゾアクチュエータ6,リアクトル10,サイリス
タ5,ピエゾアクチュエータ６の閉回路が形成され、この
閉回路においてピエゾアクチュエータ６とリアクトル10
とに共振が生じ、ピエゾアクチュエータ６の端子電圧Vz
は正から負へと変化する。この端子電圧VzがVz1からVz2
まで低下した後、サイリスタ５はOFFし放電が終了す
る。
一方、単安定マルチバイブレータ34はピエゾアクチュ
エータON信号の立下りでトリガされ第２図（ｇ）に示す
ように所定期間τだけHi信号を出力する。またデューテ
ィ設定器33はあらかじめ定めたデューティ比の信号を出
力し、これら２つの出力信号がAND回路32に入力され
る。AND回路32は、第２図（ｈ）に示すように所定期間
τだけデューティ信号を出力し、ベースドライブ回路31
を通してトランジスタ22をON−OFF駆動させる。その
時、トランス20の１次巻線L1及びトランジスタ22に流れ
る電流ｉは第２図（ｆ）の様になり、コンデンサ３に蓄
積される電荷の総和のエネルギーは、 となる。
エータON信号の立下りでトリガされ第２図（ｇ）に示す
ように所定期間τだけHi信号を出力する。またデューテ
ィ設定器33はあらかじめ定めたデューティ比の信号を出
力し、これら２つの出力信号がAND回路32に入力され
る。AND回路32は、第２図（ｈ）に示すように所定期間
τだけデューティ信号を出力し、ベースドライブ回路31
を通してトランジスタ22をON−OFF駆動させる。その
時、トランス20の１次巻線L1及びトランジスタ22に流れ
る電流ｉは第２図（ｆ）の様になり、コンデンサ３に蓄
積される電荷の総和のエネルギーは、 となる。
ここでインダクタンスL1，効率ηを一定とすれば、エ
ネルギーＥは電流ip,チョッピング周波数f,充電時間τ
の関数となる。一般に電流ipと周波数ｆは一定で用いる
場合が多く、この場合充電時間τを制御することによ
り、すなわちデューティ信号のパルス数によりエネルギ
ーＥを制御することができる。
ネルギーＥは電流ip,チョッピング周波数f,充電時間τ
の関数となる。一般に電流ipと周波数ｆは一定で用いる
場合が多く、この場合充電時間τを制御することによ
り、すなわちデューティ信号のパルス数によりエネルギ
ーＥを制御することができる。
従って、充電時間τを一定に制御することにより、コ
ンデンサ３に毎回一定のエネルギーの電荷を供給するこ
とができる。このコンデンサ３に蓄積された電荷のエネ
ルギーをピエゾアクチュエータ６に投入することによ
り、温度変化にかかわらずピエゾアクチュエータ６の伸
長量を一定に制御することができる。
ンデンサ３に毎回一定のエネルギーの電荷を供給するこ
とができる。このコンデンサ３に蓄積された電荷のエネ
ルギーをピエゾアクチュエータ６に投入することによ
り、温度変化にかかわらずピエゾアクチュエータ６の伸
長量を一定に制御することができる。
ここで上記のようにコンデンサ３に一定のエネルギー
の電荷が供給されることにより、ピエゾアクチュエータ
６への投入エネルギーを一定にすることができることを
以下に説明する。
の電荷が供給されることにより、ピエゾアクチュエータ
６への投入エネルギーを一定にすることができることを
以下に説明する。
第３図（ａ）に示すようにピエゾアクチュエータ６の
静電容量Czが、例えば常温（20℃）でCz1であり、この
状態でピエゾアクチュエータ６にエネルギーが投入され
る場合、コンデンサ３に蓄積された電荷をｑ、そのとき
の電圧をV1，コンデンサ３の静電容量をC1，リアクトル
７のインダクタンスをＬとすると、次の微分方程式が成
立する。
静電容量Czが、例えば常温（20℃）でCz1であり、この
状態でピエゾアクチュエータ６にエネルギーが投入され
る場合、コンデンサ３に蓄積された電荷をｑ、そのとき
の電圧をV1，コンデンサ３の静電容量をC1，リアクトル
７のインダクタンスをＬとすると、次の微分方程式が成
立する。
（１）式を解き、ピエゾアクチュエータ６にかかる電圧
Vz1を求めると、 となる。またこのときコンデンサ３の電圧V0は に変化する。
Vz1を求めると、 となる。またこのときコンデンサ３の電圧V0は に変化する。
同様に、例えば第３図（ｂ）に示すようにピエゾアク
チュエータ６の温度が100℃まで上昇したときの静電容
量をCz2とすると、ピエゾアクチュエータにかかる電圧V
z2は となり、コンデンサ３の電圧V2は に変化する。
チュエータ６の温度が100℃まで上昇したときの静電容
量をCz2とすると、ピエゾアクチュエータにかかる電圧V
z2は となり、コンデンサ３の電圧V2は に変化する。
ここで、コンデンサ３へ供給される電荷のエネルギー
は一定であるから、コンデンサ３の電圧変化によるエネ
ルギー変化は20℃の場合でも、100℃の場合でも同じで
ある。つまり が成り立つ。（６）式に（３）式と（５）式を代入する
と、 となり、（７）式に（２）式と（４）式を代入すると、 となる。つまり（８）式は、ピエゾアクチュエータ６の
20℃でのエネルギー（左辺）と100℃におけるエネルギ
ー（右辺）とが等しい事を表わしている。
は一定であるから、コンデンサ３の電圧変化によるエネ
ルギー変化は20℃の場合でも、100℃の場合でも同じで
ある。つまり が成り立つ。（６）式に（３）式と（５）式を代入する
と、 となり、（７）式に（２）式と（４）式を代入すると、 となる。つまり（８）式は、ピエゾアクチュエータ６の
20℃でのエネルギー（左辺）と100℃におけるエネルギ
ー（右辺）とが等しい事を表わしている。
以上の様に、コンデンサ３へ供給する電荷のエネルギ
ーを一定にすればピエゾアクチュエータ６への投入エネ
ルギーを一定にする事ができる。
ーを一定にすればピエゾアクチュエータ６への投入エネ
ルギーを一定にする事ができる。
上記の例に於いて回路定数としてインダクタンスL,静
電容量Ｃのみを考え、抵抗分を無視したが現実には幾分
かの抵抗分もあり、厳密には投入エネルギーが一定には
ならないが動作上影響を及ぼす程ではない。又、ピエゾ
アクチュエータ６も抵抗分を持っており上式がそのまま
当てはまる訳ではないが、その影響は小さいため基本的
には定エネルギー駆動となる。また、本実施例において
はトランス10にフライバック式DC−DCコンバータを用い
ているために、コンデンサ３へ供給する電荷のエネルギ
ーの制御を容易に行うことができる。これはフライバッ
ク式コンバータの場合トランスに蓄積される電磁エネル
ギーは２次側からの影響を全く受けることなく、１次側
だけで制御することができるためであり、他のコンバー
タを用いた場合にはコンデンサに流れ込むエネルギーを
測定して制御しなければならないためエネルギーの制御
は困難になる。
電容量Ｃのみを考え、抵抗分を無視したが現実には幾分
かの抵抗分もあり、厳密には投入エネルギーが一定には
ならないが動作上影響を及ぼす程ではない。又、ピエゾ
アクチュエータ６も抵抗分を持っており上式がそのまま
当てはまる訳ではないが、その影響は小さいため基本的
には定エネルギー駆動となる。また、本実施例において
はトランス10にフライバック式DC−DCコンバータを用い
ているために、コンデンサ３へ供給する電荷のエネルギ
ーの制御を容易に行うことができる。これはフライバッ
ク式コンバータの場合トランスに蓄積される電磁エネル
ギーは２次側からの影響を全く受けることなく、１次側
だけで制御することができるためであり、他のコンバー
タを用いた場合にはコンデンサに流れ込むエネルギーを
測定して制御しなければならないためエネルギーの制御
は困難になる。
次に、ピエゾアクチュエータ６の放電時について第４
図の動作波形を参照しながら説明する。
図の動作波形を参照しながら説明する。
まず、サイリスタ４のゲートに第４図（ａ）に示す点
弧信号Ａが与えられるとサイリスタ４がONする。この
時、コンデンサ3,サイリスタ4,リアクトル7,ピエゾアク
チュエータ６の閉回路においてLC共振が生じこの閉回路
に第４図（ｃ）に示す電流izが流れる。この電流izが負
になった時点でサイリスタ４がオフするとともに、ピエ
ゾアクチュエータ６の電圧VzがVz2からVz1迄上昇する。
次に、サイリスタ５のゲートに第４図（ｂ）に示す点弧
信号Ｂが与えられるとサイリスタ５がONし、ピエゾアク
チュエータ６の電荷がトランス10の１次巻線サイリスタ
５を通して放電され、電流izが流れはじめる。
弧信号Ａが与えられるとサイリスタ４がONする。この
時、コンデンサ3,サイリスタ4,リアクトル7,ピエゾアク
チュエータ６の閉回路においてLC共振が生じこの閉回路
に第４図（ｃ）に示す電流izが流れる。この電流izが負
になった時点でサイリスタ４がオフするとともに、ピエ
ゾアクチュエータ６の電圧VzがVz2からVz1迄上昇する。
次に、サイリスタ５のゲートに第４図（ｂ）に示す点弧
信号Ｂが与えられるとサイリスタ５がONし、ピエゾアク
チュエータ６の電荷がトランス10の１次巻線サイリスタ
５を通して放電され、電流izが流れはじめる。
ここで、トランス10が単なるリアクトルである場合を
考えると、ピエゾアクチュエータ６の電荷はリアクトル
10,サイリスタ５を通して放電され、第４図（ｃ）の破
線の様に電流izが流れ、また第４図（ｄ）に破線で示す
ようにピエゾアクチュエータ６の電圧はVz3になる。と
ころで、ピエゾアクチュエータ６の電圧変位特性は第５
図に示すとおりであり、変位を多くとるためには印加電
圧ＶをＡ−Ｂ点にすれば良い。Ａ点はピエゾアクチュエ
ータ６に印加される最大正電圧、Ｂ点はピエゾアクチュ
エータ６が劣化することなく印加できる最大負電圧であ
る。
考えると、ピエゾアクチュエータ６の電荷はリアクトル
10,サイリスタ５を通して放電され、第４図（ｃ）の破
線の様に電流izが流れ、また第４図（ｄ）に破線で示す
ようにピエゾアクチュエータ６の電圧はVz3になる。と
ころで、ピエゾアクチュエータ６の電圧変位特性は第５
図に示すとおりであり、変位を多くとるためには印加電
圧ＶをＡ−Ｂ点にすれば良い。Ａ点はピエゾアクチュエ
ータ６に印加される最大正電圧、Ｂ点はピエゾアクチュ
エータ６が劣化することなく印加できる最大負電圧であ
る。
そこで、ピエゾアクチュエータ６に生じる負電圧を上
記最大負電圧に制限するため、抵抗をピエゾアクチュエ
ータ６とサイリスタ５との間に介在させる方法もある。
しかしながら、抵抗を用いた場合でも、ピエゾアクチュ
エータ６に生じる負電圧は、サイリスタ５が点弧する前
にピエゾアクチュエータ６に印加されていた正電圧及び
抵抗等の回路定数によって左右され、一定に決まらない
ためピエゾアクチュエータ６の変位が安定しない。
記最大負電圧に制限するため、抵抗をピエゾアクチュエ
ータ６とサイリスタ５との間に介在させる方法もある。
しかしながら、抵抗を用いた場合でも、ピエゾアクチュ
エータ６に生じる負電圧は、サイリスタ５が点弧する前
にピエゾアクチュエータ６に印加されていた正電圧及び
抵抗等の回路定数によって左右され、一定に決まらない
ためピエゾアクチュエータ６の変位が安定しない。
しかる本実施例に於いては、リアクトルのかわりにト
ランス10を用いることによって以上の問題を解決してい
る。
ランス10を用いることによって以上の問題を解決してい
る。
つまり、第４図（ｃ）に示す電流izが負のピークに達
すると第４図（ｅ）に実線で示すようにトランス10の１
次巻線電圧VLは正から負に移り変わり、さらにその後も
負に上昇していく。そして、この１次巻線電圧VLが次式
により決定される電圧Vz2に達すると、 トランス10の２次巻線に発生する電圧が電源電圧Ｅを越
えようとするため、ダイオード９がONし、第４図（ｆ）
に示すように回生電流iBが流れ始める。従って、トラン
ス10の１次巻線電圧VLは、 される事になり、電流izは急激に減衰し、２次側の電流
iBを増大させる。こうしてピエゾアクチュエータ６に蓄
えられていたエネルギーの一部が電源に回生され、ピエ
ゾアクチュエータ６の電圧VzもVz2に制限される。
すると第４図（ｅ）に実線で示すようにトランス10の１
次巻線電圧VLは正から負に移り変わり、さらにその後も
負に上昇していく。そして、この１次巻線電圧VLが次式
により決定される電圧Vz2に達すると、 トランス10の２次巻線に発生する電圧が電源電圧Ｅを越
えようとするため、ダイオード９がONし、第４図（ｆ）
に示すように回生電流iBが流れ始める。従って、トラン
ス10の１次巻線電圧VLは、 される事になり、電流izは急激に減衰し、２次側の電流
iBを増大させる。こうしてピエゾアクチュエータ６に蓄
えられていたエネルギーの一部が電源に回生され、ピエ
ゾアクチュエータ６の電圧VzもVz2に制限される。
この結果として、ピエゾアクチュエータ６に印加され
ていた正電圧Vz1が変動してもピエゾアクチュエータ６
に生じる負電圧は に制限されるため、Vz2を第４図のＢ点の電圧になる様
に電圧E,1次及び２次巻線の巻数N1，N2を決定すれば、
常に一定の電圧の動作点Ｂを得る事ができる。従って、
素子の劣化を招く事もなく、最大の変位を得る事ができ
る。
ていた正電圧Vz1が変動してもピエゾアクチュエータ６
に生じる負電圧は に制限されるため、Vz2を第４図のＢ点の電圧になる様
に電圧E,1次及び２次巻線の巻数N1，N2を決定すれば、
常に一定の電圧の動作点Ｂを得る事ができる。従って、
素子の劣化を招く事もなく、最大の変位を得る事ができ
る。
本実施例に於いては、充電時間τ、すなわちデューテ
ィ信号のパルス数によりコンデンサ３へ供給する電荷の
エネルギーＥを制御したが、パルス数が一定の場合は前
記電流ipまたはチョッピング周波数ｆによってエネルギ
ーＥを制御しても良い。また、エネルギーＥを一定に制
御する場合には が一定になる様な方法ならば、どのパラメータを制御し
ても同一の効果が得られる。
ィ信号のパルス数によりコンデンサ３へ供給する電荷の
エネルギーＥを制御したが、パルス数が一定の場合は前
記電流ipまたはチョッピング周波数ｆによってエネルギ
ーＥを制御しても良い。また、エネルギーＥを一定に制
御する場合には が一定になる様な方法ならば、どのパラメータを制御し
ても同一の効果が得られる。
又、充電時間τを一定にする場合、OFFパルスが出力
された直後に充電を開始しているがサイリスタ４がOFF
してから後、つぎにONされるまでの間ならどこで充電を
行なってもよい。
された直後に充電を開始しているがサイリスタ４がOFF
してから後、つぎにONされるまでの間ならどこで充電を
行なってもよい。
また本実施例の放電系路だけを単独で実施する場合に
はトランス20は常に定電圧を発生するものでも良く、
又、コンデンサ３が一定の電圧に達すると停止するもの
であっても良い。
はトランス20は常に定電圧を発生するものでも良く、
又、コンデンサ３が一定の電圧に達すると停止するもの
であっても良い。
また、トランス20がコンデンサ３に対し常に充電を行
なっており、コンデンサ３が常に定電圧に保たれていれ
ば第６図に示すようにトランス10の２次巻線とダイオー
ド９による回生電流をコンデンサ３に回生し、２次巻線
電圧を所定値に制限することができる。
なっており、コンデンサ３が常に定電圧に保たれていれ
ば第６図に示すようにトランス10の２次巻線とダイオー
ド９による回生電流をコンデンサ３に回生し、２次巻線
電圧を所定値に制限することができる。
以上述べたように本発明によれば、圧電素子の充放電
を適切に制御しているために、温度変化にかわらず圧電
素子の伸長量を所定値に制御することができ、また小型
の変圧器を用いた場合にも高速応答，高エネルギーによ
って圧電素子を制御することができる。さらに、圧電素
子を劣化させることなく最大の変位量を得ることができ
る。
を適切に制御しているために、温度変化にかわらず圧電
素子の伸長量を所定値に制御することができ、また小型
の変圧器を用いた場合にも高速応答，高エネルギーによ
って圧電素子を制御することができる。さらに、圧電素
子を劣化させることなく最大の変位量を得ることができ
る。
第１図は本発明の実施例の構成図、第２図（ａ）〜
（ｈ）は第１図に示した構成図の各部の動作波形図、第
３図は第１図の実施例の作用を説明する説明図、第４図
（ａ）〜（ｆ）は第１図に示した構成図の各部の動作波
形図、第５図はピエゾアクチュエータの電圧変位特性
図、第６図は本発明の他の実施例の構成図である。 １…電源,3…コンデンサ,4,5…サイリスタ,6…ピエゾア
クチュエータ,7…リアクトル,9…ダイオード,10,20…ト
ランス,21,23…ダイオード,22…トランジスタ,31…ベー
スドライブ回路,32…AND回路,33…デューティ設定器,34
…単安定マルチバイブレータ,35…ONパルス発生器,36…
OFFパルス発生器。
（ｈ）は第１図に示した構成図の各部の動作波形図、第
３図は第１図の実施例の作用を説明する説明図、第４図
（ａ）〜（ｆ）は第１図に示した構成図の各部の動作波
形図、第５図はピエゾアクチュエータの電圧変位特性
図、第６図は本発明の他の実施例の構成図である。 １…電源,3…コンデンサ,4,5…サイリスタ,6…ピエゾア
クチュエータ,7…リアクトル,9…ダイオード,10,20…ト
ランス,21,23…ダイオード,22…トランジスタ,31…ベー
スドライブ回路,32…AND回路,33…デューティ設定器,34
…単安定マルチバイブレータ,35…ONパルス発生器,36…
OFFパルス発生器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 夏目 慶三 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−210241（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−107077（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−113943（ＪＰ，Ｕ)
Claims (2)
- 【請求項１】圧電素子に選択的に電荷を供給し、前記圧
電素子を伸長させる充電系路と、前記圧電素子に供給さ
れた電荷を選択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させ
る放電系路とを備える圧電アクチュエータ駆動装置にお
いて、 １次巻線が電源に接続され、前記１次巻線により励磁さ
れる２次巻線が前記充電系路に接続されるとともに、前
記１次巻線と前記電源との接続が遮断されたとき、蓄積
された磁気エネルギーによって前記２次巻線に電圧が生
じる充電変圧器と、 前記１次巻線と前記電源との間に介在して、前記１次巻
線と前記電源との接続を断続するスイッチング素子と、 前記２次巻線に整流素子を介して前記充電系路と並列に
接続され、前記２次巻線に生じた電圧により、電荷が充
電されるコンデンサと、 前記コンデンサに所定量のエネルギーの電荷を充電させ
るべく、前記スイッチング素子を連続した複数個のパル
ス信号にて断続駆動する駆動手段と、 前記コンデンサに所定量のエネルギーの電荷が充電され
た後、この電荷を前記圧電素子に供給する供給手段と を備えることを特徴とする電圧アクチュエータ駆動装
置。 - 【請求項２】圧電素子に選択的に電荷を供給し、前記圧
電素子を伸長させる充電系路と、前記圧電素子に供給さ
れた電荷を選択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させ
る放電系路とを備える圧電アクチュエータ駆動装置にお
いて、 前記放電系路中に接続された１次巻線と、前記１次巻線
により励磁させる２次巻線とを備え、前記１次巻線と前
記２次巻線との巻数比が予め定められた放電変圧器と、 前記変圧器の２次巻線と接続されて、前記２次巻線に生
じる電圧を所定値に制限する２次電圧制御手段とを備え
ることを特徴とする圧電アクチュエータ駆動装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63283394A JP2754610B2 (ja) | 1988-11-09 | 1988-11-09 | 圧電アクチュエータ駆動装置 |
| US07/432,677 US5036263A (en) | 1988-11-09 | 1989-11-07 | Piezoelectric actuator driving apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63283394A JP2754610B2 (ja) | 1988-11-09 | 1988-11-09 | 圧電アクチュエータ駆動装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02129975A JPH02129975A (ja) | 1990-05-18 |
| JP2754610B2 true JP2754610B2 (ja) | 1998-05-20 |
Family
ID=17664949
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63283394A Expired - Lifetime JP2754610B2 (ja) | 1988-11-09 | 1988-11-09 | 圧電アクチュエータ駆動装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5036263A (ja) |
| JP (1) | JP2754610B2 (ja) |
Families Citing this family (34)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2969805B2 (ja) * | 1990-06-08 | 1999-11-02 | トヨタ自動車株式会社 | 圧電素子の駆動装置 |
| JP2707804B2 (ja) * | 1990-06-18 | 1998-02-04 | トヨタ自動車株式会社 | 圧電素子の駆動装置 |
| DE4122984C2 (de) * | 1990-07-11 | 2003-12-24 | Brother Ind Ltd | Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung |
| JPH0479779A (ja) * | 1990-07-18 | 1992-03-13 | Asmo Co Ltd | 超音波モータの駆動回路 |
| FR2687258A1 (fr) * | 1992-02-06 | 1993-08-13 | Asulab Sa | Dispositif comportant un transducteur piezo-electrique. |
| JP3214961B2 (ja) * | 1993-08-31 | 2001-10-02 | 株式会社デンソー | 圧電素子駆動装置 |
| US5909106A (en) * | 1994-11-06 | 1999-06-01 | U.S. Philips Corporation | Control signal for a voltage generator for an LCD screen control circuit |
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| DE19632871C2 (de) * | 1996-08-14 | 1998-07-02 | Siemens Ag | Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes |
| DE19652801C1 (de) * | 1996-12-18 | 1998-04-23 | Siemens Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes |
| US6084363A (en) * | 1997-01-17 | 2000-07-04 | Minolta Co., Ltd. | Drive pulse generating apparatus for drive device using electromechanical transducer |
| JP3330050B2 (ja) * | 1997-03-11 | 2002-09-30 | 本田技研工業株式会社 | 電気自動車の制御装置 |
| DE19734895C2 (de) * | 1997-08-12 | 2002-11-28 | Siemens Ag | Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes |
| US6118205A (en) * | 1998-08-13 | 2000-09-12 | Electronics For Imaging, Inc. | Transducer signal waveshaping system |
| DE19843621B4 (de) * | 1998-09-23 | 2006-03-30 | Siemens Ag | Entladeschaltung für ein kapazitives Stellglied |
| DE19903555C2 (de) * | 1999-01-29 | 2001-05-31 | Daimler Chrysler Ag | Vorrichtung zur Steuerung eines Piezoelement-Einspritzventils |
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| WO2002001651A1 (en) * | 2000-06-23 | 2002-01-03 | Shanks Wayne E | High-efficiency regenerative piezoelectric drive amplifier |
| JP4348862B2 (ja) * | 2000-12-22 | 2009-10-21 | 株式会社デンソー | ピエゾアクチュエータの駆動装置 |
| FR2841403B1 (fr) * | 2002-06-21 | 2004-10-15 | Renault Sa | Procede de pilotage electronique d'un dispositif de commande d'un actuateur piezo-electrique ultrasonore |
| US6979933B2 (en) * | 2002-09-05 | 2005-12-27 | Viking Technologies, L.C. | Apparatus and method for charging and discharging a capacitor |
| US7190102B2 (en) | 2002-09-05 | 2007-03-13 | Viking Technologies, L.C. | Apparatus and method for charging and discharging a capacitor to a predetermined setpoint |
| DE10250917B3 (de) * | 2002-10-31 | 2004-06-03 | Siemens Ag | Verfahren zum Betrieb eines Einspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktor sowie Steuergerät |
| EP1574696A3 (en) * | 2004-03-10 | 2006-01-04 | Delphi Technologies, Inc. | Power supply arrangement for a fuel injector drive circuit |
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