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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