JP6165661B2 - Piezo element drive circuit - Google Patents
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Description
本発明は、ピエゾアクチュエータ(ピエゾ素子)への充放電を行う駆動回路、特に、複数のピエゾアクチュエータにより構成されるピエゾモータに含まれる逆相で駆動されるピエゾアクチュエータ対への充放電を行う駆動回路に関する。 The present invention relates to a drive circuit for charging / discharging a piezo actuator (piezo element), and in particular, a drive circuit for charging / discharging a piezo actuator pair driven in reverse phase included in a piezo motor constituted by a plurality of piezo actuators. About.
従来から、チタン酸ジルコン酸鉛(Lead Zirconate Titanate(PZT))等の圧電材料で構成されたピエゾ素子(圧電素子)を用いたアクチュエータ(ピエゾアクチュエータ)への充放電を行う駆動回路が知られている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, a drive circuit for charging / discharging an actuator (piezoactuator) using a piezoelectric element (piezoelectric element) made of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) is known. (For example, Patent Document 1).
特許文献1では、ピエゾアクチュエータと直列に接続されたコイルと、ピエゾアクチュエータとコイルとの直列回路に対して、電源から充電スイッチを介して、電源供給を行う充電経路と、上記直列回路に対して、並列に接続され、放電スイッチを介して、ピエゾアクチュエータの充電電荷を放電させる放電回路を備える駆動回路が開示されている。
In
特許文献1に開示された駆動回路では、充電スイッチのオン/オフを繰り返す充電スイッチング制御を行うことによりピエゾアクチュエータを段階的に充電することができる(即ち、連続的にピエゾアクチュエータの電極間電圧を昇圧させることができる)。また、放電スイッチのオン/オフを繰り返す放電スイッチング制御を行うことによりピエゾアクチュエータを段階的に放電することができる(即ち、連続的にピエゾアクチュエータの電極間電圧を降圧させることができる)。
In the drive circuit disclosed in
ところで、複数のピエゾアクチュエータにより構成されるモータ(ピエゾモータ)のような装置では、互いに逆相で駆動される一対のピエゾアクチュエータが存在する場合がある。 By the way, in a device such as a motor (piezomotor) constituted by a plurality of piezoactuators, there may be a pair of piezoactuators driven in opposite phases.
しかしながら、特許文献1に記載の駆動回路では、1つのピエゾアクチュエータを選択して、充電又は放電が実行されるため、一対のピエゾアクチュエータを逆相で駆動する制御を適切に行うことができない場合がある。即ち、一対のピエゾアクチュエータに含まれる一方のピエゾアクチュエータの充電を行った後に、他方のピエゾアクチュエータの放電を行う必要があるため、タイムラグ(位相遅れ)が生じ、逆相で駆動されるべき一対のピエゾアクチュエータが適切に動作しないおそれがある。
However, in the drive circuit described in
そこで、上記課題に鑑み、ピエゾモータに用いられる一対のピエゾアクチュエータを適切に逆相で駆動することが可能なピエゾ素子駆動回路を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a piezo element driving circuit capable of appropriately driving a pair of piezo actuators used in a piezo motor in opposite phases.
上記目的を達成するため、一実施形態において、ピエゾ素子駆動回路は、
ピエゾモータに用いるピエゾ素子の電圧を制御するピエゾ素子駆動回路であって、
前記ピエゾモータに含まれ、互いに逆相で駆動されるピエゾ素子対を直列に結合し、当該ピエゾ素子対の中間点の電圧を制御することを特徴とする。
In order to achieve the above object, in one embodiment, a piezo element driving circuit includes:
A piezo element drive circuit for controlling the voltage of a piezo element used in a piezo motor,
A pair of piezo elements included in the piezo motor and driven in opposite phases to each other are coupled in series, and a voltage at an intermediate point of the piezo element pair is controlled.
上述の手段により、ピエゾモータに用いられる一対のピエゾアクチュエータを適切に逆相で駆動することが可能なピエゾ素子駆動回路を提供することができる。 With the above-described means, it is possible to provide a piezo element driving circuit capable of appropriately driving a pair of piezo actuators used in a piezo motor in opposite phases.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings.
最初に、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1により駆動制御されるピエゾモータについて、簡単に説明をする。
First, a piezo motor that is driven and controlled by the piezo
図1は、ピエゾモータに適用されるピエゾアクチュエータ(座屈式アクチュエータ)PZTの基本構成を示す概略図である。また、図2は、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1により駆動制御(充放電制御)が実行されるピエゾアクチュエータPZTを備えるピエゾモータ(直動モータ)の基本構造の一例を示す概略図である。また、図3は、ピエゾモータ(直動モータ)の構成の一例を示す図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a piezo actuator (buckling actuator) PZT applied to a piezo motor. FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a basic structure of a piezo motor (linear motion motor) including a piezo actuator PZT in which drive control (charge / discharge control) is executed by the piezo
図1に示すように、ピエゾモータに適用されるピエゾアクチュエータPZTは、座屈現象を利用した非線形変位拡大機構を有する座屈式ピエゾアクチュエータである。具体的には、ピエゾアクチュエータPZTは、一対のピエゾ素子10L、10R、一対のピエゾ素子10L、10Rそれぞれに対応するサイドブロック12L、12R、出力部14等から構成される。
As shown in FIG. 1, a piezo actuator PZT applied to a piezo motor is a buckling piezo actuator having a nonlinear displacement expansion mechanism using a buckling phenomenon. Specifically, the piezo actuator PZT includes a pair of
一対のピエゾ素子10L、10Rは、それぞれの一端(それぞれの中央)で出力部14と接続する。また、一対のピエゾ素子10L、10Rは、2つの剛壁としてのサイドブロック12L、12Rの間に配置され、それぞれの他端で、サイドブロック12L、12Rと接続する。なお、ピエゾ素子10L、10Rは、出力部14との接続点を中心とした回転動作が可能な態様で、出力部14と接続される。また、ピエゾ素子10L、10Rは、それぞれ、サイドブロック12L、12Rとの接続点を中心とした回転動作が可能な態様で、サイドブロック12L、12Rと接続される。また、2つのサイドブロック12L、12Rは、ベース構造を介して互いに剛結合される。
The pair of
一対のピエゾ素子10L、10Rの双方に電圧が印加される(充電される)とそれらは伸張する。そのため、ピエゾアクチュエータPZTは、一直線上に並ぶ一対のピエゾ素子10L、10Rの長手方向に垂直な出力軸の方向(図中のy方向)に座屈する。また、一対のピエゾ素子10L、10Rの双方の印加電圧が消失するとそれらは圧縮する。そのため、ピエゾアクチュエータPZTは、電圧が印加される前の状態(一対のピエゾ素子10L、10Rが一直線に並び出力部14のy方向の変位が0の状態)に戻る。
When a voltage is applied (charged) to both of the pair of
また、ピエゾモータに適用されるピエゾアクチュエータPZTは、出力部14がもたらす双極性動作(出力部14がピエゾ素子10L、10Rが一直線に並んだ状態から上下の両方向にストローク(図中のストロークS2に対応)する動作)が可能に構成される。
In addition, the piezo actuator PZT applied to the piezo motor has a bipolar operation provided by the output unit 14 (the
このようなピエゾアクチュエータPZTを用いて、図2、図3に示すようなピエゾモータが実現される。 Using such a piezoelectric actuator PZT, a piezoelectric motor as shown in FIGS. 2 and 3 is realized.
図2に示すように、ピエゾモータ(直動モータ)は、ローラフォロア22の中心の動作軌跡が正弦波になるカム溝を有する出力ロッド20と、連動する複数(本例では、6つ)のピエゾアクチュエータ(座屈式アクチュエータ)PZT1〜PZT6の段階的な双極性動作により駆動される。
As shown in FIG. 2, the piezo motor (linear motion motor) includes a plurality (six in this example) of piezos interlocking with an
各ピエゾアクチュエータPZT1〜PZT6におけるピエゾ素子の力に基づく各出力部14の往復運動は、各ローラフォロア22を介して線形の出力ロッド20の正弦波状の溝に垂直に力Fxi(i=1〜6)を及ぼす。そして、各ピエゾアクチュエータPZT1〜PZT6の力Fxiの合力として、直動モータの推力Fxが出力ロッド20に作用する。
The reciprocating motion of each
具体的には、図3に示すように、上下に6つのピエゾアクチュエータPZTを搭載した直動モータユニット30は、ピエゾアクチュエータPZTの双極性動作により出力ロッド20に作用する推力Fxで、出力方向Dzに移動する。
Specifically, as shown in FIG. 3, the linear
なお、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1により駆動制御されるピエゾモータは、座屈式以外のピエゾアクチュエータにより駆動されるものであってもよい。また、ピエゾ素子駆動回路1により駆動制御されるピエゾモータは、回転モータであってもよい。
Note that the piezo motor driven and controlled by the piezo
次に、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1について、説明をする。
Next, the piezo
上述した複数のピエゾアクチュエータPZTにより構成されるピエゾモータ(4相以上の偶数相のピエゾアクチュエータで駆動されるピエゾモータ)では、互いに逆相で駆動される一対のピエゾアクチュエータが存在する。そのため、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1は、特に、互いに逆相で駆動される一対のピエゾアクチュエータPZTの駆動制御(充放電制御)を行うことを特徴とする。
In the above-described piezo motor (a piezo motor driven by an even-phase piezo actuator of four or more phases) including a plurality of piezo actuators PZT, there are a pair of piezo actuators driven in opposite phases. Therefore, the piezo
なお、上述した座屈式ピエゾアクチュエータでは、2つのピエゾ素子10L、10Rが含まれるが、2つのピエゾ素子10L、10Rには、同じタイミングで電圧の印加、消失が実行される。よって、説明の簡単のため、ピエゾ素子駆動回路1では、ピエゾアクチュエータには、1つのピエゾ素子が対応するものとして説明を行う。
Note that the buckling piezo actuator described above includes two
図4は、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1の一例を示す回路図である。ピエゾ素子駆動回路1は、ピエゾモータに含まれる一対のピエゾアクチュエータ(逆相で駆動される一対のピエゾ素子Pc1、Pc2)の駆動(充放電)制御を行うための回路である。
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of the piezo
図4を参照するに、ピエゾ素子駆動回路1は、直流電源DC、充放電制御部100、充放電選択部200、負荷部300等を有する。
Referring to FIG. 4, the piezo
直流電源DCは、ピエゾ素子Pc1、Pc2の駆動力源であり、ピエゾ素子Pc1、Pc2への電力供給を行う。 The direct current power source DC is a driving force source for the piezo elements Pc1 and Pc2, and supplies power to the piezo elements Pc1 and Pc2.
充放電制御部100は、直流電源DCと充放電選択部200の間に設けられ、後述するとおり、一対のピエゾアクチュエータ(逆相で駆動される一対のピエゾ素子Pc1、Pc2)の充放電動作を制御する回路部分である。充放電制御部100は、スイッチング素子SW1a、SW1b、SW1c、SW1d、インダクタL、ダイオードD1a、D1b等を含む。
The charge /
4つのスイッチング素子SW1a〜SW1dは、Hブリッジ回路を構成する。当該Hブリッジ回路は、後述するように、ピエゾ素子Pc2の充電時と放電時(ピエゾ素子Pc1の放電時と充電時)とで、ブリッジ部分に設けられるインダクタLに流れる電流の方向を変更する(切り替える)ために設けられる。 The four switching elements SW1a to SW1d constitute an H bridge circuit. As will be described later, the H-bridge circuit changes the direction of the current flowing in the inductor L provided in the bridge portion when the piezo element Pc2 is charged and discharged (when the piezo element Pc1 is discharged and charged) ( Switching).
なお、一対のピエゾ素子Pc1、Pc2は、互いに逆相で駆動されるため、その一方が充電されるとき、その他方は、放電される。よって、説明の簡単のため、ピエゾ素子Pc2が充電される(即ち、ピエゾ素子Pc1が放電される)状態をピエゾ素子駆動回路1における充電状態と呼ぶ。また、ピエゾ素子Pc2が放電される(即ち、ピエゾ素子Pc1が充電される)状態をピエゾ素子駆動回路1における放電状態と呼ぶ。
Since the pair of piezo elements Pc1 and Pc2 are driven in opposite phases to each other, when one of them is charged, the other is discharged. Therefore, for simplicity of explanation, the state in which the piezo element Pc2 is charged (that is, the piezo element Pc1 is discharged) is referred to as a charge state in the piezo
スイッチング素子SW1aは、一端側で、接続点P1aを介して、直流電源DCの正極に接続され、他端側で、スイッチング素子SW1bと接続される。 The switching element SW1a is connected to the positive electrode of the DC power source DC via the connection point P1a on one end side, and connected to the switching element SW1b on the other end side.
スイッチング素子SW1bは、一端側で、スイッチング素子SW1aと接続され、他端側で、接続点P1bを介して、直流電源DCの負極(グランド)と接続される。 The switching element SW1b is connected to the switching element SW1a on one end side, and is connected to the negative electrode (ground) of the DC power source DC via the connection point P1b on the other end side.
スイッチング素子SW1cは、一端側で、接続点P1cを介して、直流電源DCの正極に接続され、他端側で、スイッチング素子SW1dと接続される。 The switching element SW1c is connected to the positive electrode of the DC power source DC via the connection point P1c on one end side, and is connected to the switching element SW1d on the other end side.
スイッチング素子SW1dは、一端側で、スイッチング素子SW1cと接続され、他端側で、接続点P1dを介して、直流電源DCの負極(グランド)と接続される。 The switching element SW1d is connected to the switching element SW1c on one end side, and is connected to the negative electrode (ground) of the DC power source DC via the connection point P1d on the other end side.
インダクタLは、スイッチング素子SW1a及びスイッチング素子SW1bの中間点MP1aと、スイッチング素子SW1c及びスイッチング素子SW1dの中間点MP1bとを結ぶHブリッジ回路のブリッジ部分に設けられる。即ち、インダクタLは、一端側で、中間点MP1aを介して、スイッチング素子SW1a、SW1bと接続され、他端側で、スイッチング素子SW1c、SW1dと接続される。 The inductor L is provided at the bridge portion of the H-bridge circuit that connects the intermediate point MP1a between the switching elements SW1a and SW1b and the intermediate point MP1b between the switching elements SW1c and SW1d. That is, the inductor L is connected to the switching elements SW1a and SW1b on one end side via the intermediate point MP1a, and is connected to the switching elements SW1c and SW1d on the other end side.
ダイオードD1a、D1bは、インダクタLに蓄積された磁気エネルギーを一時的に還流させるために設けられ、還流ダイオードD1を構成する。 The diodes D1a and D1b are provided to temporarily return the magnetic energy accumulated in the inductor L, and constitute a return diode D1.
ダイオードD1aのカソードは、接続点P1eを介して、電源の正極に接続され、更に、接続点P1cを介して、スイッチング素子SW1cと接続される。また、ダイオードD1aのアノードは、接続点MP1c(インダクタLと中間点MP1aとの間)でHブリッジ回路のブリッジ部分に接続される。即ち、ダイオードD1aは、中間点MP1a側から接続点P1c側(直流電源DCの正極側)に向かう方向を順方向とする。 The cathode of the diode D1a is connected to the positive electrode of the power supply through the connection point P1e, and is further connected to the switching element SW1c through the connection point P1c. The anode of the diode D1a is connected to the bridge portion of the H bridge circuit at the connection point MP1c (between the inductor L and the intermediate point MP1a). That is, the diode D1a has a forward direction from the intermediate point MP1a side toward the connection point P1c side (positive electrode side of the DC power supply DC).
ダイオードD1bのカソードは、接続点MP1c(インダクタLと中間点MP1aとの間)でHブリッジ回路のブリッジ部分に接続される。また、ダイオードD1bのアノードは、接続点P1fを介して、直流電源DCの負極(グランド)に接続され、更に、接続点P1dを介して、スイッチング素子SW1dと接続される。即ち、ダイオードD1bは、接続点P1f側(直流電源DCの負極側)から接続点MP1c側に向かう方向を順方向とする。 The cathode of the diode D1b is connected to the bridge portion of the H bridge circuit at the connection point MP1c (between the inductor L and the intermediate point MP1a). The anode of the diode D1b is connected to the negative electrode (ground) of the DC power supply DC via the connection point P1f, and further connected to the switching element SW1d via the connection point P1d. That is, the diode D1b has a forward direction from the connection point P1f side (the negative electrode side of the DC power supply DC) toward the connection point MP1c side.
充放電選択部200は、充放電制御部100と負荷部300の間に設けられ、後述するとおり、ピエゾ素子駆動回路1における充電動作と放電動作のいずれかを選択するための回路部分である。充放電選択部200は、スイッチング素子SW2a、SW2b、ダイオードD2a、D2b等を含む。
The charge /
具体的には、直列接続されたスイッチング素子SW2a及びダイオードD2aと、直列接続されたスイッチング素子SW2b及びダイオードD2bとの並列接続により充放電選択部200は構成される。そして、当該並列接続回路の一端は、接続点P2aを介して、充放電制御部100(Hブリッジ回路の中間点MP1b(インダクタLの他端)に接続され、他端は、接続点P2bを介して、負荷部300(ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3a)と接続される。
Specifically, the charge /
スイッチング素子SW2aは、一端側で、接続点P2aを介して、Hブリッジ回路(充放電制御部100)と接続され、具体的には、中間点MP1bを介して、インダクタL、スイッチング素子SW1c、SW1dと接続される。また、スイッチング素子SW2aは、他端側で、ダイオードD2aのアノードに接続される。 The switching element SW2a is connected to the H bridge circuit (charging / discharging control unit 100) via the connection point P2a on one end side, specifically, the inductor L, the switching elements SW1c, SW1d via the intermediate point MP1b. Connected. The switching element SW2a is connected to the anode of the diode D2a on the other end side.
ダイオードD2aのアノードは、スイッチング素子SW2aと接続される。また、ダイオードD2aのカソードは、接続点P2bを介して、負荷部300に接続され、具体的には、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aに接続される。
The anode of the diode D2a is connected to the switching element SW2a. Further, the cathode of the diode D2a is connected to the
スイッチング素子SW2bは、一端側で、接続点P2bを介して、負荷部300に接続され、具体的には、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aに接続される。また、スイッチング素子SW2bは、他端側で、ダイオードD2bのアノードに接続される。
The switching element SW2b is connected to the
ダイオードD2bのアノードは、スイッチング素子SW2bと接続される。また、ダイオードD2bのカソードは、接続点P2aを介して、Hブリッジ回路(充放電制御部100)に接続され、具体的には、中間点MP1bを介して、インダクタL、スイッチング素子SW1c、SW1dと接続される。 The anode of diode D2b is connected to switching element SW2b. The cathode of the diode D2b is connected to the H bridge circuit (charge / discharge control unit 100) via the connection point P2a. Specifically, the inductor L, the switching elements SW1c, SW1d, and the intermediate point MP1b Connected.
充放電選択部200において、スイッチング素子SW2bがOFFの状態で、スイッチング素子SW2aをONにすると、充放電制御部100(直流電源DC)から負荷部300(ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点)に向けて電流を流すことが可能となる。また、スイッチング素子SW2aがOFFの状態で、スイッチング素子SW2bをONにすると、負荷部300(ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点)から充放電制御部100(直流電源DC)に向けて電流を流すことが可能となる。そのため、スイッチング素子SW2a、SW2bのいずれをONにするかにより、(ピエゾ素子Pc2の)充電が可能な状態と、(ピエゾ素子Pc2の)放電が可能な状態を選択することができる。
In the charge /
負荷部300は、ピエゾ素子駆動回路1による制御対象である一対のピエゾ素子Pc1、Pc2と、ダイオードD3a、D3b等を含む。
The
逆相で駆動される一対のピエゾ素子Pc1、Pc2は、直列に接続される。 A pair of piezo elements Pc1 and Pc2 driven in opposite phases are connected in series.
ピエゾ素子Pc1は、一端側(正極側)で、直流電源DCの正極と接続され、他端側(負極側)で、ピエゾ素子Pc2の正極と接続される。 The piezo element Pc1 is connected to the positive electrode of the DC power source DC on one end side (positive electrode side) and is connected to the positive electrode of the piezo element Pc2 on the other end side (negative electrode side).
ピエゾ素子Pc2は、一端側(正極側)で、ピエゾ素子Pc1の負極と接続され、他端側(負極側)で、直流電源DCの負極(グランド)と接続される。 The piezo element Pc2 is connected to the negative electrode of the piezo element Pc1 on one end side (positive electrode side) and connected to the negative electrode (ground) of the DC power source DC on the other end side (negative electrode side).
なお、ピエゾ素子Pc1、Pc2は、電気的には、容量性素子(コンデンサ)として振る舞う。 Note that the piezoelectric elements Pc1 and Pc2 electrically behave as capacitive elements (capacitors).
ダイオードD3a、D3bは、回路異常等により、ピエゾ素子Pc1、Pc2の両端電圧が直流電源DCの電圧値よりも高くならないように設けられるフェールセーフ用の還流ダイオードD3を構成する。 The diodes D3a and D3b constitute a fail-safe free-wheeling diode D3 that is provided so that the voltage across the piezo elements Pc1 and Pc2 does not become higher than the voltage value of the DC power supply DC due to a circuit abnormality or the like.
ダイオードD3aのアノードは、ダイオードD3bのカソードと接続され、接続点MP3bを介して、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aに接続される。また、ダイオードD3aのカソードは、直流電源DCの正極に接続される。 The anode of the diode D3a is connected to the cathode of the diode D3b, and is connected to the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2 through the connection point MP3b. The cathode of the diode D3a is connected to the positive electrode of the DC power source DC.
ダイオードD3bのアノードは、直流電源DCの負極(グランド)と接続される。また、ダイオードD3bのカソードは、ダイオードD3aのアノードと接続され、接続点MP3bを介して、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aに接続される。 The anode of the diode D3b is connected to the negative electrode (ground) of the DC power supply DC. The cathode of the diode D3b is connected to the anode of the diode D3a, and is connected to the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2 through the connection point MP3b.
次に、ピエゾ素子駆動回路1の動作(充電動作、放電動作)について説明をする。
Next, operations (charging operation and discharging operation) of the piezo
図5は、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1の充電動作(一対のピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aの昇圧動作)を示す回路動作図である。また、図6は、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1の放電動作(一対のピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aの降圧動作)を示す回路動作図である。
FIG. 5 is a circuit operation diagram illustrating a charging operation (a step-up operation of the midpoint MP3a between the pair of piezo elements Pc1 and Pc2) of the piezo
図5(a)〜(c)は、ピエゾ素子駆動回路1の充電動作における動作の遷移を示し、図5(a)→(b)→(c)の順で、遷移する。
FIGS. 5A to 5C show the transition of the operation in the charging operation of the piezo
なお、図5(a)〜(c)中、太い波線矢印は、電流経路を示す。また、「ON」の文字が付されたスイッチング素子は、図示された回路動作中に、ON状態にある、又は、ON状態にされることを示す。 5A to 5C, a thick wavy arrow indicates a current path. In addition, the switching element to which the character “ON” is attached indicates that the switching element is in the ON state or is turned ON during the illustrated circuit operation.
まず、ピエゾ素子Pc2の充電を行う場合、即ち、一対のピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aを昇圧する場合、充放電制御部100において、スイッチング素子SW1b、SW1cをOFFにした状態で、スイッチング素子SW1a、SW1dをONにする。なお、充放電選択部200のスイッチング素子SW2a、SW2bについてもOFF状態である。
First, when the piezo element Pc2 is charged, that is, when the intermediate point MP3a between the pair of piezo elements Pc1 and Pc2 is boosted, the switching element SW1b and SW1c are turned off in the charge /
すると、図5(a)に示すように、直流電源DCの正極から、Hブリッジ回路のスイッチング素子SW1a、インダクタL、スイッチング素子SW1dを経由して、グランドに向けて電流が流れる。この際、インダクタLには、直流電源DCの電圧VSが印加され、インダクタLに流れる電流は、時間経過と共に、増加する(回路動作1)。 Then, as shown in FIG. 5A, a current flows from the positive electrode of the DC power source DC toward the ground via the switching element SW1a, the inductor L, and the switching element SW1d of the H bridge circuit. At this time, the voltage VS of the DC power source DC is applied to the inductor L, and the current flowing through the inductor L increases with time (circuit operation 1).
続いて、所定のタイミングで、スイッチング素子SW1aをOFFにする。 Subsequently, the switching element SW1a is turned off at a predetermined timing.
すると、インダクタLの電流を流し続けようとする作用により、図5(b)に示すように、インダクタL、スイッチング素子SW1d、ダイオードD1b(還流ダイオードD1)を経由する還流経路で電流が流れる。この際、インダクタLに流れる電流は時間経過と共に、減少する(回路動作2)。この状態において、所定のタイミングで、充放電選択部200のスイッチング素子SW2aをONにする。
Then, due to the action of continuing to flow the current of the inductor L, as shown in FIG. 5B, the current flows through the return path via the inductor L, the switching element SW1d, and the diode D1b (return diode D1). At this time, the current flowing through the inductor L decreases with time (circuit operation 2). In this state, the switching element SW2a of the charge /
その後、所定のタイミングで、スイッチング素子SW1dをOFFにする。 Thereafter, the switching element SW1d is turned off at a predetermined timing.
すると、図5(c)に示すように、インダクタLに蓄積されたエネルギーが放出されながら、ダイオードD1b(還流ダイオードD1)を通じて、インダクタLからピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aに電流が流れる。この際、充放電選択部200のスイッチング素子SW2a、ダイオードD2aを経由して、インダクタLからピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aに電流が流れる(回路動作3)。これにより、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aが昇圧され、ピエゾ素子Pc2の充電、及び、ピエゾ素子Pc1の放電が同時に実行される。 Then, as shown in FIG. 5C, a current flows from the inductor L to the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2 through the diode D1b (freewheeling diode D1) while the energy accumulated in the inductor L is released. At this time, a current flows from the inductor L to the intermediate point MP3a between the piezoelectric elements Pc1 and Pc2 via the switching element SW2a and the diode D2a of the charge / discharge selection unit 200 (circuit operation 3). As a result, the intermediate point MP3a between the piezoelectric elements Pc1 and Pc2 is boosted, and the charging of the piezoelectric element Pc2 and the discharging of the piezoelectric element Pc1 are performed simultaneously.
上述した図5(a)から図5(c)に渡るスイッチング制御を複数回繰り返すことにより、一対のピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aの電圧が段階的に昇圧され、ピエゾ素子Pc2の充電、及び、ピエゾ素子Pc1の放電が段階的かつ同時に実行される。 By repeating the switching control from FIG. 5A to FIG. 5C a plurality of times, the voltage at the midpoint MP3a between the pair of piezo elements Pc1 and Pc2 is stepped up stepwise to charge the piezo element Pc2. And the discharge of the piezo element Pc1 is executed stepwise and simultaneously.
一方、図6(a)〜(c)は、ピエゾ素子駆動回路1の放電動作における動作の遷移を示し、図6(a)→(b)→(c)の順で、遷移する。
On the other hand, FIGS. 6A to 6C show the transition of the operation in the discharging operation of the piezo
なお、図6(a)〜(c)中、太い波線矢印は、電流経路を示す。また、「ON」の文字が付されたスイッチング素子は、図示された回路動作中に、ON状態にある、又は、ON状態にされることを示す。 In FIGS. 6A to 6C, thick wavy arrows indicate current paths. In addition, the switching element to which the character “ON” is attached indicates that the switching element is in the ON state or is turned ON during the illustrated circuit operation.
まず、ピエゾ素子Pc2の放電を行う場合、即ち、一対のピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aを降圧する場合、充放電制御部100において、スイッチング素子SW1a、SW1dをOFFにした状態で、スイッチング素子SW1b、SW1cをONにする。なお、充放電選択部200のスイッチング素子SW2a、SW2bについてもOFF状態である。
First, when discharging the piezo element Pc2, that is, when lowering the midpoint MP3a between the pair of piezo elements Pc1 and Pc2, the switching element SW1a and SW1d are turned off in the charge /
すると、図6(a)に示すように、直流電源DCの正極から、Hブリッジ回路のスイッチング素子SW1b、インダクタL、スイッチング素子SW1cを経由して、グランドに向けて電流が流れる。この際、インダクタLには、直流電源DCの電圧VSが印加され、インダクタLに流れる電流は、時間経過と共に、増加する(回路動作4)。 Then, as shown in FIG. 6A, a current flows from the positive electrode of the DC power source DC toward the ground via the switching element SW1b, the inductor L, and the switching element SW1c of the H bridge circuit. At this time, the voltage VS of the DC power supply DC is applied to the inductor L, and the current flowing through the inductor L increases with time (circuit operation 4).
続いて、所定のタイミングで、スイッチング素子SW1bをOFFにする。 Subsequently, the switching element SW1b is turned off at a predetermined timing.
すると、インダクタLの電流を流し続けようとする作用により、図6(b)に示すように、スイッチング素子SW1c、インダクタL、ダイオードD1a(還流ダイオードD1)を経由する還流経路で電流が流れる。この際、インダクタLに流れる電流は時間経過と共に、減少する(回路動作5)。この状態において、所定のタイミングで、充放電選択部200のスイッチング素子SW2bをONにする。
Then, due to the action of continuing to flow the current of the inductor L, as shown in FIG. 6B, the current flows through the return path via the switching element SW1c, the inductor L, and the diode D1a (return diode D1). At this time, the current flowing through the inductor L decreases with time (circuit operation 5). In this state, the switching element SW2b of the charge /
その後、所定のタイミングで、スイッチング素子SW1cをOFFにする。 Thereafter, the switching element SW1c is turned off at a predetermined timing.
すると、図6(c)に示すように、インダクタLに蓄積されたエネルギーが放出されながら、ダイオードD1a(還流ダイオードD1)を通じて、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aから直流電源DCの正極に電流が流れる。この際、充放電選択部200のスイッチング素子SW2b、ダイオードD2bを経由して、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aから直流電源DCの正極(インダクタL)に電流が流れる。これにより、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aが降圧され、ピエゾ素子Pc2の放電、及び、ピエゾ素子Pc1の充電が同時に実行される。
Then, as shown in FIG. 6 (c), while the energy accumulated in the inductor L is released, the current flows from the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2 to the positive electrode of the DC power source DC through the diode D1a (freewheeling diode D1). Flows. At this time, a current flows from the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2 to the positive electrode (inductor L) of the DC power supply DC via the switching element SW2b and the diode D2b of the charge /
上述した図6(a)から図6(c)に渡るスイッチング制御を複数回繰り返すことにより、一対のピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aの電圧が段階的に降圧され、ピエゾ素子Pc2の放電、及び、ピエゾ素子Pc1の充電が段階的かつ同時に実行される。 By repeating the switching control from FIG. 6A to FIG. 6C described above a plurality of times, the voltage at the midpoint MP3a of the pair of piezo elements Pc1 and Pc2 is stepped down stepwise to discharge the piezo element Pc2. The charging of the piezo element Pc1 is executed stepwise and simultaneously.
図7は、図5、6を用いて説明した本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1による充電動作及び放電動作時の一対のピエゾ素子Pc1、Pc2の電圧、インダクタLの電流の時間変化の一例を示す図である。図7において、太い実線は、ピエゾ電圧(ピエゾ素子Pc2の電極間電圧)を表し、太い波線は、逆相ピエゾ電圧(ピエゾ素子Pc1の電極間電圧)を表し、細い実線は、インダクタ電流(インダクタLに流れる電流)を表し、一点鎖線は直流電源電圧(直流電源DCの電圧VS)を表す。
FIG. 7 shows an example of the time change of the voltage of the pair of piezoelectric elements Pc1 and Pc2 and the current of the inductor L during the charging operation and the discharging operation by the piezoelectric
本例では、時刻t0から時刻t1までの間、ピエゾ素子Pc1の両端電圧は、直流電源DCの電圧VSであり、ピエゾ素子Pc2の両端電圧は、0V(グランド電圧)である。即ち、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aの電圧は、0V(グランド電圧)である。また、時刻t1から時刻t2過ぎまでの間で、図5(a)〜(c)に示したスイッチング制御(ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aを昇圧するためのスイッチング制御)が複数回実行されている。また、時刻t3から時刻t4過ぎまでの間で、図6(a)〜(c)に示したスイッチング制御(ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aを降圧するためのスイッチング制御)が複数回実行されている。 In this example, the voltage across the piezo element Pc1 is the voltage VS of the DC power source DC and the voltage across the piezo element Pc2 is 0 V (ground voltage) from time t0 to time t1. That is, the voltage at the midpoint MP3a between the piezoelectric elements Pc1 and Pc2 is 0 V (ground voltage). In addition, the switching control (switching control for boosting the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2) shown in FIGS. 5A to 5C is executed a plurality of times from time t1 to time t2. ing. Further, the switching control (switching control for stepping down the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2) shown in FIGS. 6A to 6C is executed a plurality of times from time t3 to time t4. ing.
図7を参照するに、時刻t1から上述した充電動作に対応するスイッチング制御が実行されることにより、時刻t1から時刻t2の間で、ピエゾ素子Pc2の両端電圧(中間点MP3aの電圧)は、段階的に上昇する。そして、時刻t2過ぎで、ピエゾ素子Pc2の両端電圧は、直流電源DCの電圧VSに到達する。一方、ピエゾ素子Pc1の両端電圧は、正極側の電圧が直流電源DCの電圧VSで抑えられているため、時刻t1から時刻t2の間で、中間点MP3aの電圧の上昇に応じて、段階的に下降する。そして、時刻t2過ぎで、ピエゾ素子Pc1の両端電圧は、0V(グランド電圧)に到達する。 Referring to FIG. 7, the switching control corresponding to the charging operation described above is executed from time t1, so that the voltage across the piezo element Pc2 (the voltage at the intermediate point MP3a) between time t1 and time t2 is Rise in steps. Then, after time t2, the voltage across the piezo element Pc2 reaches the voltage VS of the DC power supply DC. On the other hand, the voltage across the piezo element Pc1 is stepped in accordance with the rise in the voltage at the midpoint MP3a between time t1 and time t2, since the voltage on the positive side is suppressed by the voltage VS of the DC power supply DC. To descend. Then, after time t2, the voltage across the piezo element Pc1 reaches 0V (ground voltage).
また、時刻t3から上述した放電動作に対応するスイッチング制御が実行されることにより、時刻t3から時刻t4の間で、ピエゾ素子Pc2の両端電圧(中間点MP3aの電圧)は、段階的に下降する。そして、時刻t4過ぎで、0V(グランド電圧)に到達する。一方、ピエゾ素子Pc1の両端電圧は、正極側の電圧が直流電源DCの電圧VSで抑えられているため、時刻t3から時刻t4の間で、中間点MP3aの電圧の下降に応じて、段階的に上昇する。そして、時刻t4過ぎで、ピエゾ素子Pc1の両端電圧は、直流電源DCの電圧VSに到達する。 In addition, when the switching control corresponding to the above-described discharge operation is performed from time t3, the voltage across the piezo element Pc2 (the voltage at the intermediate point MP3a) falls stepwise between time t3 and time t4. . Then, after time t4, it reaches 0V (ground voltage). On the other hand, the voltage at both ends of the piezo element Pc1 is stepped in accordance with the decrease in the voltage at the midpoint MP3a between time t3 and time t4 because the positive voltage is suppressed by the voltage VS of the DC power supply DC. To rise. Then, after time t4, the voltage across the piezo element Pc1 reaches the voltage VS of the DC power supply DC.
このように、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1は、一対のピエゾ素子Pc1、Pc2を直列接続し、その中間点MP3aの電圧を昇圧、又は、降圧する制御を実行することにより、ピエゾ素子Pc1とピエゾ素子Pc2の逆相駆動を位相ずれを生じることなく実現することができる。
As described above, the piezo
また、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1は、所定時間内に、上述したスイッチング制御を複数回実行し、段階的に中間点MP3aの電圧を上昇、又は、下降させるため、その電圧は略連続的に変化することになる。そのため、ピエゾ素子Pc1、Pc2の電極間電圧は、充電時、又は、放電時において、略連続的に変化し、ピエゾ素子Pc1、Pc2をピエゾモータに適用した場合に、スムーズな推力を生み出すことができる。
In addition, since the piezo
次に、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1の作用について、比較例を用いて更に説明をする。
Next, the operation of the piezo
図8は、比較例に係るピエゾ素子駆動回路1cを示す回路図である。なお、ピエゾ素子駆動回路1cは、上述した特許文献1の図1に開示された駆動回路である。
FIG. 8 is a circuit diagram showing a piezo
図8を参照するに、当該ピエゾ素子駆動回路1cでは、ピエゾ素子P1、P3の正極は、インダクタL1の一端に接続され、負極は、選択スイッチSW1、SW3を介してグランド接続される。なお、選択スイッチSW1、SW3は、ピエゾ素子P1、P3のいずれを充電、又は、放電するかを選択するスイッチである。また、インダクタL1の他端は、並列接続された直流電源の方向に導通するダイオードDaと充電スイッチSWaとを介して、直流電源と接続される。同時に、インダクタL1の他端は、並列接続されたピエゾ素子P1、P3の正極の方向に導通するダイオードDbと放電スイッチSWbを介して、グランド接続される。
Referring to FIG. 8, in the piezo
なお、ピエゾ素子P2、P4とインダクタL2の接続関係についても、ダイオードDaと充電スイッチSWaがダイオードDcと充電スイッチSWcに置き換わり、ダイオードDbと放電スイッチSWbがダイオードDdと放電スイッチSWdに置き換わる以外は同様である。 The connection relationship between the piezoelectric elements P2 and P4 and the inductor L2 is the same except that the diode Da and the charge switch SWa are replaced with the diode Dc and the charge switch SWc, and the diode Db and the discharge switch SWb are replaced with the diode Dd and the discharge switch SWd. It is.
図9は、比較例に係るピエゾ素子駆動回路1cの充電動作を示す概略図である。具体的には、図9(a)は、充電スイッチSWaがONにされた場合の動作を示し、図9(b)は、充電スイッチSWaがOFFにされた場合の動作を示す。図9(a)、(b)において、太い波線矢印は、電流経路を示す。また、「ON」の文字が付されたスイッチは、図示された回路動作中に、ON状態にある、又は、ON状態にされることを示す。なお、本図では、ピエゾ素子P1を充電する動作を示し、選択スイッチSW1がONの状態であることを前提とする。
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a charging operation of the piezoelectric
図9(a)を参照するに、放電スイッチSWbがOFFの状態で、充電スイッチSWaがONにされると、直流電源(コンデンサC0)からインダクタL1を介して、ピエゾ素子P1に電流が流れる。 Referring to FIG. 9A, when the discharge switch SWb is turned off and the charge switch SWa is turned on, a current flows from the DC power source (capacitor C0) to the piezo element P1 via the inductor L1.
また、図9(b)を参照するに、図9(a)の状態から充電スイッチSWaがOFFにされると、インダクタL1に蓄積されたエネルギーによって流れる電流が、グランド側からダイオードDbを介してピエゾ素子P1に流れる。 Further, referring to FIG. 9B, when the charge switch SWa is turned off from the state of FIG. 9A, the current flowing by the energy accumulated in the inductor L1 is passed from the ground side through the diode Db. It flows to the piezo element P1.
このように、充電スイッチSWaをON/OFFさせるスイッチング制御を行うことにより、ピエゾ素子P1が段階的に充電される。 Thus, the piezo element P1 is charged stepwise by performing switching control to turn on / off the charging switch SWa.
また、図10は、比較例に係るピエゾ素子駆動回路1cの放電動作を示す概略図である。具体的には、図10(a)は、放電スイッチSWbがONにされた場合の動作を示し、図10(b)は、放電スイッチSWbがOFFにされた場合の動作を示す。図10(a)、(b)において、太い波線矢印は、電流経路を示す。また、「ON」の文字が付されたスイッチは、図示された回路動作中に、ON状態にある、又は、ON状態にされることを示す。なお、本図では、図9と同様、ピエゾ素子P1を放電する動作を示し、選択スイッチSW1がONの状態であることを前提とする。
FIG. 10 is a schematic diagram showing a discharging operation of the piezo
図10(a)を参照するに、充電スイッチSWaがOFFの状態で、放電スイッチSWbがONにされると、ピエゾ素子P1の正極側からインダクタL1及び放電スイッチSWbを介してグランド側に電流が流れる。 Referring to FIG. 10A, when the charge switch SWa is OFF and the discharge switch SWb is turned ON, a current flows from the positive side of the piezo element P1 to the ground side via the inductor L1 and the discharge switch SWb. Flowing.
また、図10(b)を参照するに、図10(a)の状態から放電スイッチSWbがOFFにされると、ピエゾ素子P1の正極側からインダクタL1及びダイオードDaを介して、直流電源(コンデンサC0)に電流が流れる。 Referring to FIG. 10B, when the discharge switch SWb is turned off from the state of FIG. 10A, the DC power source (capacitor) is connected from the positive side of the piezo element P1 through the inductor L1 and the diode Da. A current flows through C0).
このように、放電スイッチSWbをON/OFFさせるスイッチング制御をおこなうことにより、ピエゾ素子P1が段階的に放電される。 Thus, by performing switching control for turning on / off the discharge switch SWb, the piezo element P1 is discharged stepwise.
上述した比較例に係るピエゾ素子駆動回路1cの回路構成、及び動作を前提として、具体的に、ピエゾ素子駆動回路1cによりピエゾ素子P1への充電を行う場合におけるピエゾ素子P1の印加電圧の時間応答について説明をする。
Based on the circuit configuration and operation of the piezo
放電スイッチSWbがOFFの状態で、充電スイッチSWaをONにすると、直流電源(コンデンサC0)の電圧VSがピエゾ素子P1の電極間電圧(ピエゾ電圧)VPより高い場合、ピエゾ素子P1の静電容量CP、インダクタL1のインダクタンスL、直流電源からピエゾ素子P1を通じてグランド側に通じる回路の等価直列抵抗RESRSによるLCR共振現象が生じる。そのため、等価直列抵抗RESRSがきわめて小さいと仮定し、充電スイッチSWaがONされる直前のピエゾ電圧(初期のピエゾ電圧)VPをVP0とすると、ピエゾ電圧VPが、最大で、2VS−VP0に到達する。 When the charge switch SWa is turned on while the discharge switch SWb is OFF, when the voltage VS of the DC power supply (capacitor C0) is higher than the interelectrode voltage (piezo voltage) VP of the piezoelectric element P1, the capacitance of the piezoelectric element P1 The LCR resonance phenomenon occurs due to the CP, the inductance L of the inductor L1, and the equivalent series resistance RESRS of the circuit that leads from the DC power source to the ground side through the piezoelectric element P1. Therefore, assuming that the equivalent series resistance RESRS is extremely small and assuming that the piezo voltage (initial piezo voltage) VP immediately before the charging switch SWa is turned on is VP0, the piezo voltage VP reaches 2VS-VP0 at the maximum. .
LCR共振現象であるので、等価直列抵抗RESRSが十分小さいと仮定すると、充電スイッチSWaをONにした場合のピエゾ電圧VPS、導通電流(インダクタL1に流れる電流)iSの時間応答は、以下の式(1)となる。なお、充電スイッチSWaをONにしてからの時間をtとし、充電スイッチSWaをONにする前の導通電流iSをi0とする。 Since this is an LCR resonance phenomenon, assuming that the equivalent series resistance RESRS is sufficiently small, the time response of the piezoelectric voltage VPS and the conduction current (current flowing through the inductor L1) iS when the charge switch SWa is turned on is expressed by the following equation ( 1). It is assumed that the time after turning on the charging switch SWa is t, and the conduction current iS before turning on the charging switch SWa is i0.
即ち、ピエゾ電圧の初期値VP0が0Vに近い値である場合は、上記VASの値も大きく、位相φSも0degに近いため、sin波形状の電流の良好な立ち上がり特性が得られる。しかしながら、ピエゾ電圧の初期値VP0が直流電源の電圧VSに近づくと、上記VASの値が小さくなり、位相φSも90degに近くなるため、sin波形状の電流の立ち上がりが極めて遅くなる。つまり、ピエゾ電圧の初期値VP0が直流電源の電圧VSに近づくと、一定時間内にインダクタL1に供給されるエネルギー量が小さくなる。 That is, when the initial value VP0 of the piezo voltage is a value close to 0V, the VAS value is large and the phase φS is also close to 0 deg. However, when the initial value VP0 of the piezo voltage approaches the voltage VS of the DC power supply, the value of the VAS decreases and the phase φS also approaches 90 deg. That is, when the initial value VP0 of the piezo voltage approaches the voltage VS of the DC power supply, the amount of energy supplied to the inductor L1 within a certain time is reduced.
また、充電スイッチSWaをOFFにすると、充電スイッチSWaをONにした場合と同様、ピエゾ素子P1の静電容量CP、インダクタL1のインダクタンスL、等価直列抵抗RESRSによるLCR共振現象が生じる。 When the charge switch SWa is turned off, the LCR resonance phenomenon occurs due to the capacitance CP of the piezo element P1, the inductance L of the inductor L1, and the equivalent series resistance RESRS, as in the case where the charge switch SWa is turned on.
等価直列抵抗RESRSが十分小さいと仮定すると、充電スイッチSWaをOFFにした場合のピエゾ素子P1の電極間電圧VPG、導通電流(インダクタL1に流れる電流)iGの時間応答は、以下の式(2)となる。なお、充電スイッチSWaをOFFにしてからの時間をtとし、充電スイッチSWaをOFFにする直前のピエゾ電圧(初期のピエゾ電圧)VP、導通電流iSをそれぞれ、VP0、i0とする。 Assuming that the equivalent series resistance RESRS is sufficiently small, the time response of the interelectrode voltage VPG and conduction current (current flowing through the inductor L1) iG of the piezo element P1 when the charge switch SWa is turned off is expressed by the following equation (2). It becomes. It is assumed that the time after the charge switch SWa is turned off is t, and the piezo voltage (initial piezo voltage) VP and the conduction current iS immediately before the charge switch SWa is turned off are VP0 and i0, respectively.
即ち、充電スイッチSWaをOFFにする直前のピエゾ電圧VP0が0Vに近い値である場合は、位相φGも90degに近いため、cos波形状のピエゾ電圧の良好な立ち上がり特性が得られる。しかしながら、充電スイッチSWaをOFFにする直前のピエゾ電圧VP0が直流電源の電圧VSに近づくと、VAGは大きくなるものの、位相φGは0degに近くなるため、cos波形状のピエゾ電圧VPGの立ち上がりが遅くなる。 That is, when the piezo voltage VP0 immediately before turning off the charging switch SWa is a value close to 0V, the phase φG is also close to 90 deg. However, when the piezo voltage VP0 immediately before turning off the charging switch SWa approaches the voltage VS of the DC power supply, VAG increases, but the phase φG approaches 0 deg. Therefore, the rise of the cos-wave shaped piezo voltage VPG is slow. Become.
式(1)、(2)から分かるように、比較例に係るピエゾ素子駆動回路1cによりピエゾ素子P1を充電する場合、ピエゾ電圧が低電圧時(直流電源の電圧VSより十分に低い時)には、インダクタL1に高い応答性で電流を通電させることができる。そのため、高い応答性でピエゾ素子P1を昇圧し、充電することが可能である。しかしながら、ピエゾ電圧が直流電源の電圧VSに近づくにつれて、インダクタL1に通電させる電流の応答が遅くなり、且つ、ピエゾ素子P1の昇圧の応答性も低下するため、ピエゾ電圧の上昇速度が極端に遅くなる。
As can be seen from the equations (1) and (2), when the piezo element P1 is charged by the piezo
同様に、上述した比較例に係るピエゾ素子駆動回路1cの回路構成、及び動作を前提として、具体的に、ピエゾ素子駆動回路1cによりピエゾ素子P1からの放電を行う場合におけるピエゾ素子P1の印加電圧(ピエゾ電圧)の応答性について説明をする。
Similarly, on the premise of the circuit configuration and operation of the piezo
ピエゾ素子駆動回路1cによるピエゾ素子P1からの放電時に、充電スイッチSWaをOFFにした状態で、放電スイッチSWbをONにした場合におけるピエゾ電圧、導通電流(インダクタL1に流れる電流)の挙動(時間応答)は、上記式(1)により表される。また、放電スイッチSWbをOFFにした場合におけるピエゾ電圧、導通電流(インダクタL1に流れる電流)の挙動(時間応答)は、上記式(2)により表される。
When discharging from the piezo element P1 by the piezo
そのため、比較例に係るピエゾ素子駆動回路1cによりピエゾ素子P1を放電する場合、ピエゾ電圧が直流電源の電圧VSに近い時(放電初期)には、高速な放電(回生)特性が得られるが、ピエゾ電圧が0Vに近づくと放電(回生)速度が極端に遅くなる。
Therefore, when the piezo element P1 is discharged by the piezo
このように、比較例に係るピエゾ素子駆動回路1cを用いて、複数回のスイッチングを行いながらピエゾ素子P1の充放電を行う場合、充放電初期には、良好な充放電応答性が得られるが、充放電が進むにつれて、充放電速度が低下する。そのため、速やかな充放電を行うために、常に式(1)、(2)におけるVAS、VAGを一定以上に保つ、即ち、スイッチング時の初期電流(インダクタL1に流れる電流)i0を一定以上に保つ必要がある等、スイッチング手法が限定されてしまう。
Thus, when charging / discharging of the piezo element P1 is performed while performing switching a plurality of times using the piezo
また、ピエゾ素子駆動回路の個体差や充放電制御中にピエゾアクチュエータ(ピエゾ素子P1)に作用する機械的な相互作用(外的負荷)等によって、ピエゾ電圧VPに誤差が発生する場合等に、極端に充放電応答が遅くなる可能性がある。 Further, when an error occurs in the piezo voltage VP due to individual differences of the piezo element drive circuit or mechanical interaction (external load) acting on the piezo actuator (piezo element P1) during charge / discharge control, etc. The charge / discharge response may be extremely slow.
図11は、比較例に係るピエゾ素子駆動回路1cの充電動作時及び放電動作時におけるピエゾ素子P1の電圧、インダクタL1の電流の時間変化の一例を示すグラフである。具体的には、図11(a)は、ピエゾ素子P1への外的負荷(ピエゾモータの駆動による機械的エネルギー出力)を考慮しない場合のピエゾ素子P1の電圧、インダクタL1の電流の時間変化を示す。また、図11(b)は、ピエゾ素子P1への外的負荷(ピエゾモータの駆動による機械的エネルギー出力)を考慮した場合のピエゾ素子P1の電圧、インダクタL1の電流の時間変化を示す。図11(a)、(b)において、太い実線は、ピエゾ電圧(ピエゾ素子P1の電極間電圧)を表し、細い実線は、インダクタ電流(インダクタL1に流れる電流)を表し、一点鎖線は直流電源電圧(コンデンサC0の電圧)を表す。なお、図11(b)におけるピエゾモータの駆動による機械的エネルギー出力は、ピエゾ素子P1と直列に抵抗成分を配置することにより模擬している。
FIG. 11 is a graph showing an example of temporal changes in the voltage of the piezoelectric element P1 and the current of the inductor L1 during the charging operation and discharging operation of the piezoelectric
ピエゾ素子P1への外的負荷を考慮しない場合、図11(a)に示すように、時刻t1から充電スイッチSWaのスイッチング時のインダクタL1の電流を高く保ちながら、複数回のスイッチングを行うことにより、ピエゾ電圧が0Vから直流電源の電圧VSまで連続的に昇圧されている。 When the external load on the piezo element P1 is not considered, as shown in FIG. 11A, switching is performed a plurality of times while keeping the current of the inductor L1 high at the time of switching of the charging switch SWa from time t1. The piezo voltage is continuously boosted from 0V to the voltage VS of the DC power supply.
同様に、時刻t3から放電スイッチSWbのスイッチング時のインダクタL1の電流を高く保ちながら、複数回のスイッチングを行うことにより、ピエゾ電圧が直流電源の電圧VSから0Vまで連続的に降圧されている。 Similarly, the piezo voltage is continuously reduced from the voltage VS of the DC power supply to 0 V by performing a plurality of times of switching while keeping the current of the inductor L1 at the time of switching of the discharge switch SWb high from time t3.
一方、ピエゾ素子P1への外的負荷を考慮した場合、図11(b)に示すように、時刻t1から充電スイッチSWaのスイッチング時のインダクタL1の電流を高く保ちながら、複数回のスイッチングを行っているが、外的負荷の影響で、ピエゾ電圧が直流電源の電圧VSまで上昇しきれない。また、ピエゾ電圧が直流電源の電圧VSに近づいた状態で、更にスイッチングを継続しているが、上述したとおり、この状態では、応答性が低下するため、時刻t2を過ぎても直流電源の電圧VSまで昇圧させることができない。 On the other hand, when an external load on the piezo element P1 is considered, as shown in FIG. 11B, switching is performed a plurality of times while keeping the current of the inductor L1 at the time of switching of the charging switch SWa from time t1 high. However, the piezo voltage cannot be increased to the voltage VS of the DC power source due to the influence of the external load. Further, the switching is continued while the piezo voltage is close to the voltage VS of the DC power supply. However, as described above, in this state, the responsiveness is lowered, so that the voltage of the DC power supply is exceeded even after the time t2. Boosting to VS is not possible.
同様に、時刻t3から放電スイッチSWbのスイッチング時のインダクタL1の電流を高く保ちながら、複数回のスイッチングを行っているが、外的負荷の影響で、ピエゾ電圧が0Vまで下降しきれない。また、ピエゾ電圧が0Vに近づいた状態で、更にスイッチングを継続しているが、上述したとおり、この状態では、応答性が低下するため、時刻t4を過ぎても0Vまで降圧させることができない。 Similarly, switching is performed a plurality of times while keeping the current of the inductor L1 at the time of switching of the discharge switch SWb high from time t3, but the piezo voltage cannot be lowered to 0V due to the influence of an external load. Further, although switching is continued while the piezo voltage is close to 0V, as described above, in this state, the responsiveness is lowered, so that the voltage cannot be lowered to 0V even after time t4.
このように、比較例に係るピエゾ素子駆動回路1cを用いてピエゾ素子P1の充放電を行う場合、ピエゾ素子P1への外的負荷が生じると、ピエゾアクチュエータの動作周期等により決定される所定の時間内に充放電を完了することができない。そのため、ピエゾモータ(ピエゾアクチュエータ)が適切な動作を行えないおそれがある。
As described above, when charging / discharging the piezo element P1 using the piezo
これに対して、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1によりピエゾ素子Pc2への充放電を行う場合におけるピエゾ素子Pc2の印加電圧(ピエゾ電圧)の応答性について説明をする。なお、上述したとおり、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1によりピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aが昇圧される場合に、ピエゾ素子Pc2が充電され、中間点MP3aが降圧される場合に、ピエゾ素子Pc2が放電される。そのため、以下においては、ピエゾ素子Pc2のピエゾ電圧の充放電時の応答性について説明をする。
On the other hand, the response of the applied voltage (piezo voltage) of the piezo element Pc2 when the piezo
ピエゾ素子Pc2の充電時におけるピエゾ素子駆動回路1の回路動作は、図5に示したとおりである。
The circuit operation of the piezo
まず、図5(a)に示したように、スイッチング素子SW1b、SW1cをOFFにした状態で、スイッチング素子SW1a、SW1dをONにすると、直流電源DCからスイッチング素子SW1a、インダクタL、スイッチング素子SW1dを経由して、グランド側に電流が流れる(回路動作1)。当該回路動作1では、直流電源DCからグランド側までの等価直列抵抗RESRSとインダクタLによるLR回路の特性による回路応答が発生する。
First, as shown in FIG. 5A, when the switching elements SW1a and SW1d are turned on with the switching elements SW1b and SW1c turned off, the switching element SW1a, the inductor L, and the switching element SW1d are switched from the DC power source DC. A current flows to the ground side through the circuit (circuit operation 1). In the
その後、図5(b)に示したように、スイッチング素子SW1aをOFFにし、直流電源DCを遮断すると、インダクタLに流れる電流が制限され、インダクタL,スイッチング素子SW1d、ダイオードD1bを還流する電流が流れ、LR回路が構成される(回路動作2)。 Thereafter, as shown in FIG. 5B, when the switching element SW1a is turned off and the DC power source DC is cut off, the current flowing through the inductor L is limited, and the current flowing back through the inductor L, the switching element SW1d, and the diode D1b is reduced. The LR circuit is configured (circuit operation 2).
そして、回路動作2の状態で、インダクタLに流れている電流は、図5(c)に示したように、スイッチング素子SW1dをOFFにすると、充放電選択部200のスイッチング素子SW2a、ダイオードD2aを介して、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aに流入する(回路動作3)。当該回路動作3は、ピエゾ素子Pc1、Pc2を含むLCR回路の特性による応答を示し、当該応答により中間点MP3aの電圧が昇圧される。即ち、ピエゾ素子Pc2が昇圧、充電される。
Then, the current flowing through the inductor L in the state of the
ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aの電圧が昇降圧される際の電圧変化量ΔVPは、以下の式(3)で決定される。なお、初期電流i0は、回路動作2の状態から回路動作3の状態切り替わった時点(スイッチング素子SW1dがOFFにされた時点)におけるインダクタLに流れる電流である。
The voltage change amount ΔVP when the voltage at the intermediate point MP3a between the piezo elements Pc1 and Pc2 is stepped up / down is determined by the following equation (3). The initial current i0 is a current that flows through the inductor L when the
また、回路動作1におけるインダクタLに流れる電流iの時間応答は、以下の式(4)で表される。なお、時間tは、回路動作1が開始されてからの時間(スイッチング素子SW1b、SW1cがOFFにされた状態で、スイッチング素子SW1a、SW1dをONにしてからの時間)を示す。
Further, the time response of the current i flowing through the inductor L in the
回路動作2の状態の時間をより短くすることで、回路動作3における初期電流i0は、回路動作2の初期電流(回路動作1から回路動作2に切り替わった時点のインダクタLに流れる電流)と略等しくなる。
By shortening the time of the state of the
よって、回路動作3におけるピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aの電圧(ピエゾ素子Pc2のピエゾ電圧)VPPの応答は、以下の式(5)で表される。なお、時間tは、回路動作3に遷移してからの時間を示し、初期電圧VP0は、初期(回路動作3に遷移した時点)の中間点MP3aの電圧を示す。
Therefore, the response of the voltage VPP of the intermediate point MP3a between the piezo elements Pc1 and Pc2 (piezo voltage of the piezo element Pc2) VPP in the
それぞれの振幅は、回路定数と共に、中間点MP3a(ピエゾ素子Pc2)の初期電圧VP0に強く依存するが、式(4)により初期電圧VP0に依存しない初期電流i0が得られるため、常に一定以上の振幅が確保されることが分かる。 Each amplitude strongly depends on the initial voltage VP0 of the intermediate point MP3a (piezo element Pc2) together with the circuit constant, but since the initial current i0 independent of the initial voltage VP0 is obtained by the equation (4), the amplitude is always above a certain level. It can be seen that the amplitude is secured.
即ち、中間点MP3a(ピエゾ素子Pc2)の初期電圧VP0が0Vに近い場合、位相φPは90degに近く、cos波形状の電圧の良好な立ち上がり特性が得られる。更に、初期電圧VP0が直流電源DCの電圧VSに近づいても、ある一定以上の値を有する初期電流i0により、位相φPは一定以上の角度に維持されるため、上述した一定以上の振幅と併せて、一定以上の充電速度を確保することができる。 That is, when the initial voltage VP0 of the intermediate point MP3a (piezo element Pc2) is close to 0V, the phase φP is close to 90 deg, and a good rise characteristic of the cosine waveform voltage is obtained. Further, even when the initial voltage VP0 approaches the voltage VS of the DC power supply DC, the phase φP is maintained at a certain angle or more by the initial current i0 having a certain value or more. Thus, a certain charging speed or more can be ensured.
そのため、上述した比較例に係るピエゾ素子駆動回路1cと異なり、ピエゾ電圧が0Vから直流電源DCの電圧VSまでの全域において、常に速やかな充電速度を得ることができる。
Therefore, unlike the piezo
また、ピエゾ素子Pc2の放電時におけるピエゾ素子駆動回路1の回路動作は、図6に示したとおりである。
Further, the circuit operation of the piezo
まず、図6(a)に示したように、スイッチング素子SW1a、SW1dをOFFにした状態で、スイッチング素子SW1b、SW1cをONにすると、直流電源DCからスイッチング素子SW1c、インダクタL、スイッチング素子SW1bを経由して、グランド側に電流が流れる(回路動作4)。即ち、充電時とは逆方向の電流を、インダクタLに流す。当該回路動作4では、充電時と同様、直流電源DCからグランド側までの等価直列抵抗RESRSとインダクタLによるLR回路の特性による回路応答が発生する。
First, as shown in FIG. 6A, when the switching elements SW1b and SW1c are turned on while the switching elements SW1a and SW1d are turned off, the switching element SW1c, the inductor L, and the switching element SW1b are switched from the DC power source DC. A current flows to the ground side through the circuit (circuit operation 4). That is, a current in the direction opposite to that during charging is passed through the inductor L. In the
その後、図6(b)に示したように、スイッチング素子SW1bをOFFにし、直流電源DCを遮断すると、インダクタLに流れる電流が制限され、スイッチング素子SW1c、インダクタL、ダイオードD1aを還流する電流が流れ、LR回路が構成される(回路動作5)。 Thereafter, as shown in FIG. 6B, when the switching element SW1b is turned off and the DC power supply DC is shut off, the current flowing through the inductor L is limited, and the current flowing back through the switching element SW1c, the inductor L, and the diode D1a is reduced. The LR circuit is configured (circuit operation 5).
そして、回路動作5の状態で、インダクタLに流れている電流は、図5(c)に示したように、スイッチング素子SW1cをOFFにすると、充放電選択部200のスイッチング素子SW2b、ダイオードD2bを介して、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aから流出して、直流電源DCに回生される(回路動作6)。当該回路動作6は、ピエゾ素子Pc1、Pc2を含むLCR回路の特性による応答を示し、当該応答により中間点MP3aの電圧が降圧される。即ち、ピエゾ素子Pc2が降圧、放電される。
In the state of the
回路動作4では、回路動作1と同様の動特性で、インダクタLに回路動作1とは逆方向の電流を通電させる。その後、短時間の回路動作5を経て、回路動作6に遷移すると、回路動作3と同様の動特性で、中間点MP3aに充電された電荷が電源に回生される。そのため、充電時と同様、中間点MP3aの電圧(ピエゾ素子Pc2のピエゾ電圧)が0Vに近づいても、速やかな放電(回生)速度を得ることが可能となる。
In the
図12は、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1の充電動作及び放電動作時のピエゾ素子Pc2の電圧、インダクタLの電流の時間変化の一例を示すグラフである。具体的には、図12(a)は、ピエゾ素子Pc2への外的負荷(ピエゾモータの駆動による機械的エネルギー出力)を考慮しない場合のピエゾ素子Pc2の電圧、インダクタLの電流の時間変化を示す。また、図12(b)は、ピエゾ素子Pc2への外的負荷(ピエゾモータの駆動による機械的エネルギー出力)を考慮した場合のピエゾ素子Pc2の電圧、インダクタLの電流の時間変化を示す。図12(a)、(b)において、太い実線は、ピエゾ電圧(ピエゾ素子Pc2の電極間電圧)を表し、細い実線は、インダクタ電流(インダクタLに流れる電流)を表し、一点鎖線は直流電源電圧(直流電源DCの電圧VS)を表す。なお、図12(b)におけるピエゾモータの駆動による機械的エネルギー出力は、上述した図11(b)の場合と同様、ピエゾ素子Pc1、Pc2それぞれと直列に抵抗成分を配置することにより模擬している。
FIG. 12 is a graph showing an example of the time change of the voltage of the piezoelectric element Pc2 and the current of the inductor L during the charging operation and discharging operation of the piezoelectric
ピエゾ素子Pc2への外的負荷を考慮しない場合、図12(a)に示すように、時刻t1から上記回路動作1〜3を1サイクルとする対応するスイッチングを複数回行うことにより、ピエゾ電圧が0Vから直流電源DCの電圧VSまで連続的に昇圧されている。
When the external load on the piezo element Pc2 is not considered, as shown in FIG. 12A, the piezo voltage is reduced by performing the corresponding switching with the
同様に、時刻t3から上記回路動作4〜6を1サイクルとする対応するスイッチングを複数回行うことにより、ピエゾ電圧が直流電源の電圧VSから0Vまで連続的に降圧されている。
Similarly, the piezo voltage is continuously reduced from the voltage VS of the DC power supply to 0 V by performing the corresponding switching with the
一方、ピエゾ素子Pc2への外的負荷を考慮した場合、図12(b)に示すように、時刻t1から上記回路動作1〜3を1サイクルとする対応するスイッチングを複数回行っている。この際、外的負荷の影響により、外的負荷がない場合と同じ時間では、ピエゾ電圧が直流電源の電圧VSまで上昇しきれない。しかし、時刻t2過ぎまでスイッチングを継続することで、昇圧速度は若干鈍るものの、ピエゾ電圧が直流電源DCの電圧VSまで昇圧されている。即ち、ピエゾ電圧が直流電源DCの電圧VSに近づいた状態でも一定以上の応答性を確保することができるため、外的負荷の影響がある場合でも、所定の時間内で、ピエゾ電圧を直流電源DCの電圧VSまで連続的に昇圧させることができる。
On the other hand, when an external load on the piezo element Pc2 is taken into consideration, as shown in FIG. 12B, corresponding switching in which the
同様に、時刻t3から上記回路動作4〜6を1サイクルとする対応するスイッチングを複数回行っている。この際、外的負荷の影響で、外的負荷がない場合と同じ時間では、ピエゾ電圧が0Vまで下降しきれない。しかし、時刻t4過ぎまでスイッチングを継続することで、降圧速度は若干鈍るものの、ピエゾ電圧が0Vまで降圧されている。即ち、ピエゾ電圧が0Vに近づいた状態でも一定以上の応答性を確保することができるため、外的負荷の影響がある場合でも、所定の時間内で、ピエゾ電圧を0Vまで連続的に降圧させることができる。
Similarly, from time t3, the corresponding switching in which the
なお、ピエゾ素子Pc1は、ピエゾ素子Pc2の逆相で駆動されるのみであり、外的負荷の影響がある場合でも、所定の時間内で、ピエゾ素子Pc1のピエゾ電圧を直流電源DCの電圧VSまで昇圧し、0Vまで降圧することができる。 Note that the piezo element Pc1 is driven only in the reverse phase of the piezo element Pc2, and the piezo voltage of the piezo element Pc1 is applied to the voltage VS of the DC power source DC within a predetermined time even when there is an external load. It is possible to step up to 0V and step down to 0V.
このように、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1を用いてピエゾ素子Pc1、Pc2の充放電を行う場合、ピエゾ素子Pc1、Pc2への外的負荷が発生する場合でも、ピエゾアクチュエータの動作周期等により決定される所定の時間内に充放電を完了することができる。特に、ピエゾモータのように機械的エネルギーを出力する装置に適用されるピエゾアクチュエータのピエゾ素子Pc1、Pc2に対して、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1を適用することにより、ピエゾモータ等の装置を適切に動作させることができる。
As described above, when charging / discharging the piezo elements Pc1 and Pc2 using the piezo
なお、複数のピエゾアクチュエータにより駆動されるピエゾモータでは、逆相で駆動されるピエゾアクチュエータ対が複数存在する。そのため、直流電源DC以外の回路部分(充放電制御部100、充放電選択部200、負荷部300)をピエゾアクチュエータ対の数に合わせて、複数並列結合することにより、ピエゾモータを駆動することができる。また、充放電制御部100は、すべてのピエゾアクチュエータ対において共通とし、充放電選択部200、負荷部300により構成される回路部分をピエゾアクチュエータ対の数に合わせて、複数並列結合することによっても、ピエゾモータを駆動することができる。
In a piezo motor driven by a plurality of piezo actuators, there are a plurality of piezo actuator pairs driven in opposite phases. Therefore, a piezo motor can be driven by connecting a plurality of circuit parts (charge /
以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was explained in full detail, this invention is not limited to this specific embodiment, In the range of the summary of this invention described in the claim, various Can be modified or changed.
例えば、上述した実施形態において、ピエゾ素子駆動回路1は、ピエゾモータに適用されるピエゾアクチュエータのピエゾ素子の充放電制御を行うものであったが、これに限定されず、任意のピエゾアクチュエータのピエゾ素子の充放電制御に適用されてよい。
For example, in the above-described embodiment, the piezo
また、上述した実施形態では、充放電制御部100、充放電選択部200を有する回路構成を用いて、直列接続された逆相で駆動される一対のピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aの電圧を制御したが、当該構成には限られない。即ち、ピエゾ素子駆動回路1は、中間点MP3aの電圧を0Vから直流電源DCの電圧VSの間で制御可能な回路構成であればよい。以下、図13〜図16を用いて、一対のピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aを制御するための回路構成例について説明をする。
In the above-described embodiment, the voltage of the midpoint MP3a of the pair of piezo elements Pc1 and Pc2 that are driven in the opposite phase connected in series using the circuit configuration including the charge /
図13は、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1の構成の他の例を示す回路図である。
FIG. 13 is a circuit diagram showing another example of the configuration of the piezo
本例におけるピエゾ素子駆動回路1は、直流電源DC、直列接続されたピエゾ素子Pc1、Pc2、及びピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aと直流電源DCの間に設けられるスイッチング素子SW1a、SW1bを有する。
The piezo
スイッチング素子SW1a、SW1bは、直列接続され、その中間点MP1aと直列接続されたピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aが接続される。 The switching elements SW1a and SW1b are connected in series, and an intermediate point MP3a of the piezoelectric elements Pc1 and Pc2 connected in series with the intermediate point MP1a is connected.
スイッチング素子SW1aは、一端側が、直流電源DCの正極と接続点P1aを介して接続され、他端側が、中間点MP1aを介して、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aに接続される。 The switching element SW1a has one end connected to the positive electrode of the DC power source DC via the connection point P1a, and the other end connected to the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2 via the intermediate point MP1a.
スイッチング素子SW1bは、一端側が、中間点MP1aを介して、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aに接続され、他端側が、直流電源DCの負極(グランド)に接続される。 One end side of the switching element SW1b is connected to the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2 via the intermediate point MP1a, and the other end side is connected to the negative electrode (ground) of the DC power source DC.
このような構成のピエゾ素子駆動回路1において、スイッチング素子SW1bがOFFの状態で、スイッチング素子SW1aをONにすると、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aに、直流電源DCから電流が流れる。そして、中間点MP3aの電圧は、直流電源DCの電圧VSまで昇圧される。これにより、ピエゾ素子Pc1の電極間電圧は0Vに降圧され、ピエゾ素子Pc2の電極間電圧はVSに昇圧され、ピエゾ素子Pc1の放電とピエゾ素子Pc2の充電とが同時に行われる逆相の駆動状態を実現することができる。
In the piezo
また、スイッチング素子SW1aがOFFの状態で、スイッチング素子SW1bをONにすると、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aはグランド接続されるため、中間点MP3aからグランドに向けて電流が流れる。そして、中間点MP3aの電圧は、グランド(0V)まで降圧される。これにより、ピエゾ素子Pc1の電極間電圧はVSに昇圧され、ピエゾ素子Pc2の電極間電圧は0Vに降圧され、ピエゾ素子Pc1の充電とピエゾ素子Pc2の放電とが同時に行われる逆相の駆動状態を実現することができる。 If the switching element SW1b is turned on while the switching element SW1a is OFF, the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2 is connected to the ground, so that a current flows from the intermediate point MP3a toward the ground. Then, the voltage at the midpoint MP3a is stepped down to the ground (0V). As a result, the interelectrode voltage of the piezo element Pc1 is boosted to VS, the interelectrode voltage of the piezo element Pc2 is stepped down to 0 V, and the opposite-phase driving state in which the piezo element Pc1 is charged and the piezo element Pc2 is discharged simultaneously. Can be realized.
なお、複数のピエゾアクチュエータにより駆動されるピエゾモータでは、逆相で駆動されるピエゾアクチュエータ対が複数存在する。そのため、図13の回路構成例における直流電源DC以外の回路部分をピエゾアクチュエータ対の数に合わせて、複数並列結合することにより、ピエゾモータを駆動することができる。 In a piezo motor driven by a plurality of piezo actuators, there are a plurality of piezo actuator pairs driven in opposite phases. Therefore, the piezo motor can be driven by connecting a plurality of circuit parts other than the DC power source DC in the circuit configuration example of FIG. 13 in parallel according to the number of piezo actuator pairs.
図14は、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1の構成の更に他の例を示す回路図である。
FIG. 14 is a circuit diagram showing still another example of the configuration of the piezo
本例におけるピエゾ素子駆動回路1は、図13の回路構成例にインダクタL、還流ダイオードD3(ダイオードD3a、D3b)を追加したものである。なお、還流ダイオードD3(ダイオードD3a、D3b)は、上述したとおり、ピエゾ素子Pc1、Pc2の電極間に直流電源DCの電圧VS以上の電圧が印加されないようにするために設けられ、図13に示した回路構成例に付加されてもよい。
The piezoelectric
インダクタLは、スイッチング素子SW1a、SW1bの中間点MP1aとピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aの間に設けられる。 The inductor L is provided between the midpoint MP1a of the switching elements SW1a and SW1b and the midpoint MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2.
当該インダクタLは、スイッチング素子SW1bがOFFの状態で、スイッチング素子SW1aをONにしたときに、直流電源DCからスイッチング素子SW1aを介して、中間点MP3aに流れるスパイク状の突入電流を抑制する。同様に、インダクタLは、スイッチング素子SW1aがOFFの状態で、スイッチング素子SW1bをONにしたときに、中間点MP3aからスイッチング素子SW1bを介して、グランド側に流れるスパイク上の突入電流を抑制する。 The inductor L suppresses spike-like inrush current flowing from the DC power source DC to the intermediate point MP3a via the switching element SW1a when the switching element SW1a is turned on while the switching element SW1b is OFF. Similarly, the inductor L suppresses the inrush current on the spike flowing from the intermediate point MP3a to the ground side via the switching element SW1b when the switching element SW1b is turned on while the switching element SW1a is OFF.
インダクタLがスイッチングの際の突入電流を抑制し、電流の立ち上がりを緩やかにすること以外は、図13に示した回路構成例と同様の作用を示すため、説明を省略する。 Except that the inductor L suppresses the inrush current at the time of switching and makes the rise of the current gentle, the operation is the same as the circuit configuration example shown in FIG.
また、複数のピエゾアクチュエータにより駆動されるピエゾモータでは、逆相で駆動されるピエゾアクチュエータ対が複数存在する。そのため、図13の場合と同様、図14の回路構成例における直流電源DC以外の回路部分をピエゾアクチュエータ対の数に合わせて、複数並列結合することにより、ピエゾモータを駆動することができる。 Further, in a piezo motor driven by a plurality of piezo actuators, there are a plurality of piezo actuator pairs driven in opposite phases. Therefore, as in the case of FIG. 13, the piezo motor can be driven by connecting a plurality of circuit portions other than the DC power source DC in the circuit configuration example of FIG. 14 in parallel according to the number of piezo actuator pairs.
図15は、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1の構成の更に他の例を示す回路図である。
FIG. 15 is a circuit diagram showing still another example of the configuration of the piezo
本例におけるピエゾ素子駆動回路1は、図13の回路構成例に、電圧保持スイッチSW3(スイッチング素子SW3a、SW3b)、還流ダイオードD3(ダイオードD3a、D3b)を追加したものである。なお、還流ダイオードD3(ダイオードD3a、D3b)は、上述したとおり、ピエゾ素子Pc1、Pc2の電極間に直流電源DCの電圧VS以上の電圧が印加されないようにするために設けられる。
The piezoelectric
スイッチング素子SW3aは、ピエゾ素子Pc1の正極側に直列接続される。スイッチング素子SW3aは、直流電源DCの正極とピエゾ素子Pc1の正極の間に設けられ、その一端側は、接続点P3aを介して、直流電源DCの正極に接続され、他端側は、ピエゾ素子Pc1の正極に接続される。 The switching element SW3a is connected in series to the positive electrode side of the piezo element Pc1. The switching element SW3a is provided between the positive electrode of the DC power source DC and the positive electrode of the piezo element Pc1, and one end side thereof is connected to the positive electrode of the DC power source DC via the connection point P3a, and the other end side thereof is connected to the piezo element. Connected to the positive electrode of Pc1.
スイッチング素子SW3bは、ピエゾ素子Pc2の負極側に直列接続される。スイッチング素子SW3bは、ピエゾ素子Pc2の負極と直流電源DCの負極(グランド)の間に設けられ、その一端側は、ピエゾ素子Pc2の負極と接続され、他端側は、直流電源DCの負極(グランド)に接続される。 The switching element SW3b is connected in series to the negative electrode side of the piezo element Pc2. The switching element SW3b is provided between the negative electrode of the piezo element Pc2 and the negative electrode (ground) of the DC power source DC, one end side of which is connected to the negative electrode of the piezo element Pc2, and the other end side of the negative electrode of the DC power source DC ( Ground).
スイッチング素子SW3a、SW3bが共に、ON状態の場合、スイッチング素子SW1a又はスイッチング素子SW1bのスイッチングにより、上述した図13の回路構成例と同様の回路動作を示し、同様の作用・効果を奏する。 When both of the switching elements SW3a and SW3b are in the ON state, the switching circuit SW1a or the switching element SW1b performs the same circuit operation as the above-described circuit configuration example of FIG.
スイッチング素子SW3aをONの状態からOFFにすると、ピエゾ素子Pc1の正極側を回路から切り離すことができる。これにより、ピエゾ素子Pc1の正極からの電荷移動を禁止し、ピエゾ素子Pc1の電極間電圧をスイッチング素子SW3aがOFFにされた時点の電圧に維持することができる。 When the switching element SW3a is turned off from the ON state, the positive electrode side of the piezo element Pc1 can be disconnected from the circuit. Thereby, the charge transfer from the positive electrode of the piezo element Pc1 can be prohibited, and the voltage between the electrodes of the piezo element Pc1 can be maintained at the voltage when the switching element SW3a is turned off.
また、スイッチング素子SW3bをONの状態からOFFにすると、ピエゾ素子Pc2の負極側を回路から切り離すことができる。これにより、ピエゾ素子Pc2の負極からの電荷移動を禁止し、ピエゾ素子Pc2の電極間電圧をスイッチング素子SW3bがOFFにされた時点の電圧に維持することができる。 Further, when the switching element SW3b is turned off from the ON state, the negative electrode side of the piezo element Pc2 can be disconnected from the circuit. Thereby, the charge transfer from the negative electrode of the piezo element Pc2 can be prohibited, and the voltage between the electrodes of the piezo element Pc2 can be maintained at the voltage when the switching element SW3b is turned off.
電圧保持スイッチSW3を用いることにより、ピエゾモータに含まれるピエゾアクチュエータのうち、機械出力に利用するピエゾアクチュエータ(ピエゾ素子)を個別に選択することができる。 By using the voltage holding switch SW3, it is possible to individually select a piezo actuator (piezo element) to be used for mechanical output among piezo actuators included in the piezo motor.
即ち、ピエゾモータの駆動状況によっては、すべてのピエゾアクチュエータを駆動させなくとも、所望の駆動状態が実現される場合がありうる。また、省電力運転を目的に一部のピエゾアクチュエータを駆動させないことも想定される。このような場合に、電圧保持スイッチSW3により各ピエゾアクチュエータ(ピエゾ素子)を回路から切り離し、電圧を維持しておくことで、状況に応じて、駆動させるピエゾアクチュエータを個別に選択することができる。 That is, depending on the driving status of the piezo motor, a desired driving state may be realized without driving all the piezo actuators. It is also assumed that some piezo actuators are not driven for the purpose of power saving operation. In such a case, each piezoelectric actuator (piezo element) is disconnected from the circuit by the voltage holding switch SW3 and the voltage is maintained, so that the piezoelectric actuator to be driven can be individually selected according to the situation.
なお、電圧保持スイッチSW3(スイッチング素子SW3a、SW3b)は、上述した実施形態(図1)における負荷部300に付加されてもよい。また、電圧保持スイッチSW3(スイッチング素子SW3a、SW3b)は、図13、14に示した回路構成例に付加されてもよい。
The voltage holding switch SW3 (switching elements SW3a and SW3b) may be added to the
また、複数のピエゾアクチュエータにより駆動されるピエゾモータでは、逆相で駆動されるピエゾアクチュエータ対が複数存在する。そのため、図13、図14の場合と同様、図15の回路構成例における直流電源DC以外の回路部分をピエゾアクチュエータ対の数に合わせて、複数並列結合することにより、ピエゾモータを駆動することができる。 Further, in a piezo motor driven by a plurality of piezo actuators, there are a plurality of piezo actuator pairs driven in opposite phases. Therefore, as in the case of FIGS. 13 and 14, the piezo motor can be driven by connecting a plurality of circuit portions other than the DC power supply DC in the circuit configuration example of FIG. 15 in parallel according to the number of piezo actuator pairs. .
図16は、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1の構成の更に他の例を示す回路図である。
FIG. 16 is a circuit diagram showing still another example of the configuration of the piezo
本例におけるピエゾ素子駆動回路1は、図13の回路構成例に、電圧保持スイッチSW3(スイッチング素子SW3c)、還流ダイオードD3(ダイオードD3a、D3b)を追加したものである。なお、還流ダイオードD3(ダイオードD3a、D3b)は、上述したとおり、ピエゾ素子Pc1、Pc2の電極間に直流電源DCの電圧VS以上の電圧が印加されないようにするために設けられる。
The piezoelectric
スイッチング素子SW3cは、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aとスイッチング素子SW1a、SW1bの中間点MP1aの間に設けられる。即ち、その一端側は、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aと接続され、他端側は、中間点MP1aを介して、スイッチング素子SW1a及びスイッチング素子SW1bに接続される。 The switching element SW3c is provided between the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2 and the intermediate point MP1a of the switching elements SW1a and SW1b. That is, one end side is connected to the intermediate point MP3a of the piezo elements Pc1 and Pc2, and the other end side is connected to the switching element SW1a and the switching element SW1b via the intermediate point MP1a.
スイッチング素子SW3cがON状態の場合、スイッチング素子SW1a又はスイッチング素子SW1bのスイッチングにより、上述した図13の回路構成例と同様の回路動作を示し、同様の作用・効果を奏する。 When the switching element SW3c is in the ON state, the circuit operation similar to the circuit configuration example of FIG. 13 described above is shown by the switching of the switching element SW1a or the switching element SW1b, and the same operations and effects are achieved.
スイッチング素子SW3cをON状態からOFFにすると、ピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aを回路から切り離すことができる。これにより、ピエゾ素子Pc1の負極、及び、ピエゾ素子Pc2の正極からの電荷移動を禁止し、中間点MP3aの電圧をスイッチング素子SW3cがOFFにされた時点の電圧に維持することができる。即ち、ピエゾ素子Pc1、Pc2の電極間電圧を共にスイッチング素子SW3cがOFFにされた時点の電圧に維持することができる。 When the switching element SW3c is turned off from the ON state, the intermediate point MP3a between the piezoelectric elements Pc1 and Pc2 can be disconnected from the circuit. Thereby, charge transfer from the negative electrode of the piezo element Pc1 and the positive electrode of the piezo element Pc2 is prohibited, and the voltage of the intermediate point MP3a can be maintained at the voltage at the time when the switching element SW3c is turned off. That is, the voltage between the electrodes of the piezoelectric elements Pc1 and Pc2 can be maintained at the voltage at the time when the switching element SW3c is turned off.
電圧保持スイッチSW3(スイッチング素子SW3c)を用いることにより、ピエゾモータに含まれる複数の逆相駆動されるピエゾアクチュエータ対のうち、機械出力に利用するピエゾアクチュエータ対(一対のピエゾ素子)を選択することができる。即ち、逆相で駆動されるピエゾアクチュエータ対の単位で、機械出力に利用するか否かを選択することができる。 By using the voltage holding switch SW3 (switching element SW3c), it is possible to select a piezo actuator pair (a pair of piezo elements) to be used for mechanical output among a plurality of piezo actuator pairs driven in reverse phase included in the piezo motor. it can. In other words, it is possible to select whether or not to use for machine output in units of a pair of piezoelectric actuators driven in opposite phases.
なお、電圧保持スイッチSW3(スイッチング素子SW3c)は、図14に示した回路構成例に付加されてもよい。 The voltage holding switch SW3 (switching element SW3c) may be added to the circuit configuration example shown in FIG.
また、複数のピエゾアクチュエータにより駆動されるピエゾモータでは、逆相で駆動されるピエゾアクチュエータ対が複数存在する。そのため、図13〜図15の場合と同様、図16の回路構成例における直流電源DC以外の回路部分をピエゾアクチュエータ対の数に合わせて、複数並列結合することにより、ピエゾモータを駆動することができる。 Further, in a piezo motor driven by a plurality of piezo actuators, there are a plurality of piezo actuator pairs driven in opposite phases. Therefore, as in the case of FIGS. 13 to 15, the piezo motor can be driven by connecting a plurality of circuit portions other than the DC power source DC in the circuit configuration example of FIG. 16 in parallel according to the number of piezo actuator pairs. .
また、上述した実施形態において、充放電制御部100、充放電選択部200を含むピエゾ素子駆動回路1(図4)は、逆相で駆動される一対のピエゾ素子Pc1、Pc2の充放電制御に適用されたが、個別のピエゾ素子の充放電制御に適用されてもよい。即ち、上述した実施形態では、充放電制御部100、充放電選択部200を含むピエゾ素子駆動回路1によりピエゾ素子Pc1、Pc2の中間点MP3aの電圧を制御したが、個別のピエゾ素子の正極電圧(電極間電圧)を制御することで、当該ピエゾ素子の充放電制御を行ってもよい。
In the above-described embodiment, the piezo element drive circuit 1 (FIG. 4) including the charge /
図17は、本実施形態に係るピエゾ素子駆動回路1の構成の更に他の例を示す回路図である。
FIG. 17 is a circuit diagram showing still another example of the configuration of the piezo
本例におけるピエゾ素子駆動回路1は、ピエゾ素子Pc1が除かれて、充放電制御の対象がピエゾ素子Pc2のみになっている以外は、上述した実施形態に係る回路構成例(図4)と同様である。
The piezo
この場合、図5に示した回路動作(回路動作1〜3)によりピエゾ素子Pc2の正極電圧、即ち、電極間電圧が昇圧され、ピエゾ素子Pc2の充電が行われる。
In this case, the positive voltage of the piezo element Pc2, that is, the voltage between the electrodes is boosted by the circuit operation (
また、図6に示した回路動作(回路動作4〜6)によりピエゾ素子Pc2の正極電圧、即ち、電極間電圧が降圧され、ピエゾ素子Pc2の放電が行われる。
Further, by the circuit operation (
これにより、上述したとおり、単体のピエゾ素子Pc2の電極間電圧が0Vから直流電源DCの電圧VSの間の全域において、常に良好な充放電速度を得ることができる。そのため、ピエゾ素子が機械出力を行う場合、即ち、外的負荷の影響がある場合等であっても、所定の時間内に充放電を完了することが可能となり、当該ピエゾ素子によるピエゾアクチュエータの適切な動作を確実に実現することができる。 As a result, as described above, a good charge / discharge rate can always be obtained in the entire region where the voltage between the electrodes of the single piezoelectric element Pc2 is between 0 V and the voltage VS of the DC power supply DC. Therefore, even when the piezo element performs mechanical output, that is, when there is an external load, charging / discharging can be completed within a predetermined time. Can be reliably realized.
なお、上述した実施形態に係る充放電制御部100、充放電選択部200を含む回路構成(図4、図17)による充放電制御は、ピエゾ素子以外の容量負荷(例えば、バッテリ、キャパシタ等)の充放電制御に提供されてもよい。これにより、上述したとおり、容量負荷の電圧が0Vから最大電圧の間の全域において、良好な充放電速度を得ることができる。
In addition, charge / discharge control by the circuit configuration (FIGS. 4 and 17) including the charge /
また、上述した回路構成(図4、図13〜図17)に含まれるスイッチング素子としては、ボディダイオード特性を持たないスイッチング素子(バイポーラトランジスタ等)、及び、ボディダイオード特性を持つスイッチング素子(MOSFET(Metal−Oxide Semiconductor Feild−Effect Transistor)等)のいずれも適用することが可能である。 The switching elements included in the circuit configurations described above (FIGS. 4 and 13 to 17) include switching elements having no body diode characteristics (bipolar transistors, etc.) and switching elements having body diode characteristics (MOSFET ( Any of (Metal-Oxide Semiconductor, Field-Effect Transistor, etc.) can be applied.
1 ピエゾ素子駆動回路
10L、10R ピエゾ素子
12L、12R サイドブロック
14 出力部
20 出力ロッド
22 ローラフォロア
30 直動モータユニット
100 充放電制御部
200 充放電選択部
300 負荷部
D1 還流ダイオード(第2還流ダイオード)
D1a、D1b ダイオード
D2 充放電選択ダイオード
D2a、D2b ダイオード
D3 還流ダイオード(第1還流ダイオード)
D3a、D3b ダイオード
DC 直流電源
L インダクタ
Pc1、Pc2 ピエゾ素子
PZT、PZT1〜PZT6 ピエゾアクチュエータ
SW1a、SW1b、SW1c、SW1d スイッチング素子
SW2 充放電選択スイッチ
SW2a、SW2b スイッチング素子
SW3 電圧維持スイッチ
SW3a、SW3b、SW3c スイッチング素子
DESCRIPTION OF
D1a, D1b Diode D2 Charge / Discharge Select Diode D2a, D2b Diode D3 Reflux Diode (First Reflux Diode)
D3a, D3b Diode DC DC power supply L Inductor Pc1, Pc2 Piezo element PZT, PZT1-PZT6 Piezo actuator SW1a, SW1b, SW1c, SW1d Switching element SW2 Charge / discharge selection switch SW2a, SW2b Switching element SW3 Voltage maintenance switch SW3a3, SW3c3 element
Claims (7)
前記ピエゾモータに含まれ、互いに逆相で駆動されるピエゾ素子対を直列に結合し、当該ピエゾ素子対の中間点の電圧を制御することを特徴とする、
ピエゾ素子駆動回路。 A piezo element drive circuit for controlling the voltage of a piezo element used in a piezo motor,
A piezoelectric element pair included in the piezoelectric motor and driven in opposite phases to each other is coupled in series, and a voltage at an intermediate point of the piezoelectric element pair is controlled.
Piezo element drive circuit.
請求項1に記載のピエゾ素子駆動回路。 A first diode provided between the positive electrode of the power source and the intermediate point, and conducting from the intermediate point toward the positive electrode, and provided between the intermediate point and the ground, and from the ground to the intermediate point Comprising a first free-wheeling diode having a second diode conducting towards
The piezo element driving circuit according to claim 1.
前記中間点とグランドとの間に設けられた第2のスイッチング素子とを備えることを特徴とする、
請求項1又は2に記載のピエゾ素子駆動回路。 A first switching element provided between a positive electrode of a power source and the intermediate point;
A second switching element provided between the intermediate point and the ground,
The piezo element driving circuit according to claim 1.
前記インダクタの他端と前記中間点との間に設けられ、充放電選択ダイオードと充放電選択スイッチング素子を有する充放電選択部と、を備えることを特徴とする、
請求項1又は2に記載のピエゾ素子駆動回路。 An H bridge circuit in which an inductor is provided in a bridge portion, a third diode provided between a positive electrode of a power source and one end of the inductor, and having a forward direction from one end of the inductor toward the positive terminal; A charge / discharge control unit comprising: a second return diode provided between one end of the inductor and the ground, and a fourth diode having a forward direction from the ground toward the one end of the inductor;
A charge / discharge selection unit that is provided between the other end of the inductor and the intermediate point and includes a charge / discharge selection diode and a charge / discharge selection switching element,
The piezo element driving circuit according to claim 1.
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のピエゾ素子駆動回路。 A voltage holding switch that is connected in series to at least one of both ends of the piezo element pair and makes a voltage between electrodes of any one of the piezo element pairs constant, is provided.
The piezo element drive circuit according to any one of claims 1 to 4.
請求項3に記載のピエゾ素子駆動回路。 A voltage holding switch for making the voltage at the intermediate point constant between the intermediate point and the first switching element and the second switching element,
The piezo element driving circuit according to claim 3.
ブリッジ部分にインダクタが設けられたHブリッジ回路と、電源の正極と前記インダクタの一端との間に設けられ、前記インダクタの一端から前記正極端子に向かう方向を順方向とする第1のダイオード、及び、前記インダクタの一端とグランドの間に設けられ、前記グランドから前記インダクタの一端に向かう方向を順方向とする第2のダイオードを有する第2還流ダイオードと、を備える充放電制御部と、
前記インダクタの他端と前記静電容量負荷との間に設けられ、充放電選択ダイオードと充放電選択スイッチング素子を有する充放電選択部と、を備えることを特徴とする、
充放電制御回路。 A charge / discharge control circuit for controlling a voltage applied to a capacitive load,
An H bridge circuit in which an inductor is provided in a bridge portion, a first diode provided between a positive electrode of a power source and one end of the inductor, and having a forward direction from one end of the inductor toward the positive terminal; A charge / discharge control unit comprising: a second free-wheeling diode provided between one end of the inductor and the ground and having a second diode having a forward direction from the ground toward the one end of the inductor;
A charge / discharge selection unit provided between the other end of the inductor and the capacitive load, and having a charge / discharge selection diode and a charge / discharge selection switching element;
Charge / discharge control circuit.
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