JPH02129975A - 圧電アクチュエータ駆動装置 - Google Patents
圧電アクチュエータ駆動装置Info
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- JPH02129975A JPH02129975A JP63283394A JP28339488A JPH02129975A JP H02129975 A JPH02129975 A JP H02129975A JP 63283394 A JP63283394 A JP 63283394A JP 28339488 A JP28339488 A JP 28339488A JP H02129975 A JPH02129975 A JP H02129975A
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- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 44
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 62
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract description 13
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
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- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
- F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
- F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
- F02D2041/2003—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils using means for creating a boost voltage, i.e. generation or use of a voltage higher than the battery voltage, e.g. to speed up injector opening
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- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は圧電素子を電気・機械変換器として用いる場合
に圧電素子に対し、電荷の充放電を適切に行うことによ
り所定の機械的変位量を得る圧電アクチュエータ駆動装
置に関する。
に圧電素子に対し、電荷の充放電を適切に行うことによ
り所定の機械的変位量を得る圧電アクチュエータ駆動装
置に関する。
従来、圧電素子を応用した各種のアクチュエータが提案
されている。これは、圧電素子が小形・低消費電力およ
び高速応答性等の優れた長所を有するためである。これ
に応じ、圧電素子アクチュエータの駆動回路についても
いろいろな提案がなされている。例えば、特開昭62−
210241号公報には、圧電素子が大きな温度係数を
持つことに鑑みて、圧電素子に蓄えられる静電エネルギ
ー量を一定としたとき圧電素子の変位量を温度にかかわ
らず一定値に制御可能であることが述べられているー、
そこで圧電素子の変位量を目標値に制御するためにトラ
ンスに蓄積されたエネルギーの量を制御し、このエネル
ギーにより圧電素子の変位量を制御することが示されて
いる。また、特開昭58−64077号公報には電歪素
子(圧電素子)にコイルを接続して共振回路を形成し、
圧電素子に一旦蓄積された電力をこの共振回路により電
源側へ同性させることで消費電力を低減することが示さ
れている。
されている。これは、圧電素子が小形・低消費電力およ
び高速応答性等の優れた長所を有するためである。これ
に応じ、圧電素子アクチュエータの駆動回路についても
いろいろな提案がなされている。例えば、特開昭62−
210241号公報には、圧電素子が大きな温度係数を
持つことに鑑みて、圧電素子に蓄えられる静電エネルギ
ー量を一定としたとき圧電素子の変位量を温度にかかわ
らず一定値に制御可能であることが述べられているー、
そこで圧電素子の変位量を目標値に制御するためにトラ
ンスに蓄積されたエネルギーの量を制御し、このエネル
ギーにより圧電素子の変位量を制御することが示されて
いる。また、特開昭58−64077号公報には電歪素
子(圧電素子)にコイルを接続して共振回路を形成し、
圧電素子に一旦蓄積された電力をこの共振回路により電
源側へ同性させることで消費電力を低減することが示さ
れている。
しかしながら、上記特開昭62−210241号公報の
例ではトランスに蓄積されたエネルギーにより直接圧電
素子を充電し変位量を制御する構成のため、圧電素子の
変位量の制御に高速応答。
例ではトランスに蓄積されたエネルギーにより直接圧電
素子を充電し変位量を制御する構成のため、圧電素子の
変位量の制御に高速応答。
高エネルギーが要求される場合には大きなエネルギーが
蓄積可能な非常に大型のトランスが必要となってしまう
。
蓄積可能な非常に大型のトランスが必要となってしまう
。
また、圧電素子アクチエエータが最大限の伸縮量を得る
ためには、第5図に示す圧電素子のヒステリシスカーブ
のA−B点を電圧の動作点とすれば良い。
ためには、第5図に示す圧電素子のヒステリシスカーブ
のA−B点を電圧の動作点とすれば良い。
しかしながら、上記特開昭58−64077号公報の例
のように共振回路を備える構成において一旦圧電素子に
蓄積された電荷を共振回路によって反転させるときに圧
電素子に負電圧が生じるが、この負電圧は圧電素子に印
加されていた正電圧と共振回路の定数により決定される
。このため、圧電素子に印加されている正電圧が変化す
ると、圧電素子に生じる負電圧も大きく変化する。従っ
て、圧電素子は毎回異なるヒステリシスカーブを描いた
り、目標とする変位に制御できなかったり安定した変位
を得ることができない。また、圧電素子はB点における
印加電圧よりもさらに大きい負の電圧を印加されると素
子の劣化を早めるという問題もある。
のように共振回路を備える構成において一旦圧電素子に
蓄積された電荷を共振回路によって反転させるときに圧
電素子に負電圧が生じるが、この負電圧は圧電素子に印
加されていた正電圧と共振回路の定数により決定される
。このため、圧電素子に印加されている正電圧が変化す
ると、圧電素子に生じる負電圧も大きく変化する。従っ
て、圧電素子は毎回異なるヒステリシスカーブを描いた
り、目標とする変位に制御できなかったり安定した変位
を得ることができない。また、圧電素子はB点における
印加電圧よりもさらに大きい負の電圧を印加されると素
子の劣化を早めるという問題もある。
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、圧電素子に
対して電荷の充放電を適切に行うことにより、前述の不
具合を解消することを目的とする。
対して電荷の充放電を適切に行うことにより、前述の不
具合を解消することを目的とする。
そこで本発明による圧電アクチュエータ駆動装置は、
圧電素子に選択的に電荷を供給し、前記圧電素子を伸長
させる充電系路と、前記圧電素子に供給された電荷を選
択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させる放電系路と
を備える圧電アクチュエータ駆動装置において、 1次巻線が電源に接続され、前記1次巻線により励磁さ
れる2次巻線が前記充電系路に接続されるとともに、前
記1次巻線と前記電源との接続が遮断されたとき、蓄積
された磁気エネルギーによって前記2次巻線に電圧が生
じる充電変圧器と、前記1次巻線と前記電源との間に介
在して、前記1次巻線と前記電源との接続を断続するス
イッチング素子と、 前記2次巻線に整流素子を介して前記充電系路と並列に
接続され、前記2次巻線に生じた電圧により、電荷が充
電されるコンデンサと、前記コンデンサに所定量のエネ
ルギーの電荷を充電させるべく、前記スイッチング素子
を連続した複数個のパルス信号にて断続駆動する駆動手
段と、 前記コンデンサに所定量のエネルギーの電荷が充電され
た後、この電荷を前記圧電素子に供給する供給手段と を備えるように構成する。
させる充電系路と、前記圧電素子に供給された電荷を選
択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させる放電系路と
を備える圧電アクチュエータ駆動装置において、 1次巻線が電源に接続され、前記1次巻線により励磁さ
れる2次巻線が前記充電系路に接続されるとともに、前
記1次巻線と前記電源との接続が遮断されたとき、蓄積
された磁気エネルギーによって前記2次巻線に電圧が生
じる充電変圧器と、前記1次巻線と前記電源との間に介
在して、前記1次巻線と前記電源との接続を断続するス
イッチング素子と、 前記2次巻線に整流素子を介して前記充電系路と並列に
接続され、前記2次巻線に生じた電圧により、電荷が充
電されるコンデンサと、前記コンデンサに所定量のエネ
ルギーの電荷を充電させるべく、前記スイッチング素子
を連続した複数個のパルス信号にて断続駆動する駆動手
段と、 前記コンデンサに所定量のエネルギーの電荷が充電され
た後、この電荷を前記圧電素子に供給する供給手段と を備えるように構成する。
また、
圧電素子に選択的に電荷を供給し、前記圧電素子を伸長
させる充電系路と、前記圧電素子に供給された電荷を選
択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させる放電系路と
を備える圧電アクチュエータ駆動装置において、 前記放電系路中に接続された1次巻線と、前記1次巻線
により励磁させる2次巻線とを備え、前記1次巻線と前
記2次巻線との巻線が予め定められた放電変圧器と、 前記変圧器の2次巻線と接続されて、前記2次巻線に生
じる電圧を所定値に制限する2次電圧制限手段とを備え
るように構成する。
させる充電系路と、前記圧電素子に供給された電荷を選
択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させる放電系路と
を備える圧電アクチュエータ駆動装置において、 前記放電系路中に接続された1次巻線と、前記1次巻線
により励磁させる2次巻線とを備え、前記1次巻線と前
記2次巻線との巻線が予め定められた放電変圧器と、 前記変圧器の2次巻線と接続されて、前記2次巻線に生
じる電圧を所定値に制限する2次電圧制限手段とを備え
るように構成する。
上記構成によれば、圧電素子を伸長させる電荷のエネル
ギーを複数個のパルス信号により制御している。この複
数のそれぞれのパルス信号は所定のエネルギーの電荷を
コンデンサに充電し、コンデンサの電荷はパルス信号の
個数に応じて増加していく、そして、コンデンサに充電
された電荷のエネルギーの総和が圧電素子を伸長するた
めの所定のエネルギー量となった後、コンデンサに充電
された電荷が圧電素子に供給される。このため、圧電素
子の伸長量の制御に高速応答、高エネルギーが要求され
る場合にも容易に対応することができる。さらに、個々
のパルス信号に応じてコンデンサに充電される電荷のエ
ネルギーを複数回に分けて増加させているため、小型の
トランスを用いても高エネルギーの電荷を圧電素子に供
給することができる。同時にコンデンサに充電される電
荷のエネルギーはパ。ルス信号の個数によって制御され
るため、エネルギー量の制御を容易に行うことができる
。
ギーを複数個のパルス信号により制御している。この複
数のそれぞれのパルス信号は所定のエネルギーの電荷を
コンデンサに充電し、コンデンサの電荷はパルス信号の
個数に応じて増加していく、そして、コンデンサに充電
された電荷のエネルギーの総和が圧電素子を伸長するた
めの所定のエネルギー量となった後、コンデンサに充電
された電荷が圧電素子に供給される。このため、圧電素
子の伸長量の制御に高速応答、高エネルギーが要求され
る場合にも容易に対応することができる。さらに、個々
のパルス信号に応じてコンデンサに充電される電荷のエ
ネルギーを複数回に分けて増加させているため、小型の
トランスを用いても高エネルギーの電荷を圧電素子に供
給することができる。同時にコンデンサに充電される電
荷のエネルギーはパ。ルス信号の個数によって制御され
るため、エネルギー量の制御を容易に行うことができる
。
また、圧電素子に充電されている電荷を放電する場合、
圧電素子と変圧器の1次巻線とが共振回路を形成する。
圧電素子と変圧器の1次巻線とが共振回路を形成する。
このとき、1次巻線の両端に印加される電圧が変化し、
これに応じて2次巻線に生じる電圧も変化する。この2
次巻線に生じる電圧は2次電圧制限手段により所定値に
制限される。
これに応じて2次巻線に生じる電圧も変化する。この2
次巻線に生じる電圧は2次電圧制限手段により所定値に
制限される。
このため、1次巻線に印加される電圧も予め設定された
1次及び2次巻線の巻数比と2次巻線に生じる所定の電
圧値とによって所定値に保持される。ここで、圧電素子
には1次巻線の両端の電圧と同じ値の電圧が印加される
ので、圧電素子の電圧も所定値に保持される。従って、
圧電素子が描くヒステリシスカーブが安定するとともに
、圧電素子の劣化を防止することもできる。
1次及び2次巻線の巻数比と2次巻線に生じる所定の電
圧値とによって所定値に保持される。ここで、圧電素子
には1次巻線の両端の電圧と同じ値の電圧が印加される
ので、圧電素子の電圧も所定値に保持される。従って、
圧電素子が描くヒステリシスカーブが安定するとともに
、圧電素子の劣化を防止することもできる。
以下、本発明の1実施例を図面に基づいて説明する
第1図において、1は直流電源で、充電変圧器としての
トランス20の1次巻線Llの一端が電源1の+側に接
続され、トランス20の他の一端はスイッチング素子と
してのトランジスタ22のコレクタに接続されている。
トランス20の1次巻線Llの一端が電源1の+側に接
続され、トランス20の他の一端はスイッチング素子と
してのトランジスタ22のコレクタに接続されている。
又トランジスタ22のエミッタに電源1の一側に接続さ
れ、トランジスタ22のベースに接続された公知のベー
スドライブ回路31の出力信号によりトランジスタ22
が駆動されると、電源1とトランス20の1次巻線とが
接続される。なお、トランジスタ22に並列に接続され
たダイオード23はトランジスタ22に印加される逆電
圧を制限するものである。トランス20の2次巻線り、
の一端はダイオード21のアノードに接続されダイオー
ド21のカソードはコンデンサ3の+側と供給手段とし
てのサイリスタ4のアノードとに接続されている。コン
デンサ3の一例はトランス20の2次巻線L2の他端に
接続され、これによりトランス20で昇圧された電圧が
コンデンサ3に印加され、所定のエネルギーの電荷がコ
ンデンサ3に充電される。サイリスタ4のカソードはリ
アクトル7の一端に、そしてそのリアクトル7の他端は
圧電素子からなるピエゾアクチュエータ6の+側に接続
されている。
れ、トランジスタ22のベースに接続された公知のベー
スドライブ回路31の出力信号によりトランジスタ22
が駆動されると、電源1とトランス20の1次巻線とが
接続される。なお、トランジスタ22に並列に接続され
たダイオード23はトランジスタ22に印加される逆電
圧を制限するものである。トランス20の2次巻線り、
の一端はダイオード21のアノードに接続されダイオー
ド21のカソードはコンデンサ3の+側と供給手段とし
てのサイリスタ4のアノードとに接続されている。コン
デンサ3の一例はトランス20の2次巻線L2の他端に
接続され、これによりトランス20で昇圧された電圧が
コンデンサ3に印加され、所定のエネルギーの電荷がコ
ンデンサ3に充電される。サイリスタ4のカソードはリ
アクトル7の一端に、そしてそのリアクトル7の他端は
圧電素子からなるピエゾアクチュエータ6の+側に接続
されている。
ピエゾアクチュエータ6の一側はコンデンサ3の一側と
同様にトランス20の2次巻線L2の他端に接続され、
これによりサイリスタ4が点弧されると、コンデンサ3
に充電されている電荷がピエゾアクチュエータ6に供給
され、ピエゾアクチュエータ6が伸長する。ここで、コ
ンデンサ3の両端よりピエゾアクチュエータ6の両端ま
でが充電系路に相当する。
同様にトランス20の2次巻線L2の他端に接続され、
これによりサイリスタ4が点弧されると、コンデンサ3
に充電されている電荷がピエゾアクチュエータ6に供給
され、ピエゾアクチュエータ6が伸長する。ここで、コ
ンデンサ3の両端よりピエゾアクチュエータ6の両端ま
でが充電系路に相当する。
また放電変圧器としてのトランス10の1次巻線!!、
Iの一端が、リアクトル7とピエゾアクチュエータ6と
の間に接続され、1次巻線I!、Iの他端がサイリスタ
5のアノードに接続されている。サイリスタ5のカソー
ドはピエゾアクチエエータ6の一側及びコンデンサ3の
一側とともにトランス20の2次巻線L2の他端に接続
されており、サイリスタ5が点弧されることによりピエ
ゾアクチュエータ6に充電されていた電荷が、トランス
10、サイリスタ5を介して放電される。トランス10
の2次巻線!2の一端はダイオード9のアノードに接続
され、ダイオード9のカソードが電源1の+側に接続さ
れている。そして2次巻線12の他端が電源1の一側に
接続され、電源1とダイオード9が2次電圧制限手段と
して機能する。ここでピエゾアクチュエータ6の両端よ
りトランス10、サイリスタ5によって形成される閉回
路が放電系路に相当する。なお、トランス10及びトラ
ンス20の巻き方は図示の通りである。
Iの一端が、リアクトル7とピエゾアクチュエータ6と
の間に接続され、1次巻線I!、Iの他端がサイリスタ
5のアノードに接続されている。サイリスタ5のカソー
ドはピエゾアクチエエータ6の一側及びコンデンサ3の
一側とともにトランス20の2次巻線L2の他端に接続
されており、サイリスタ5が点弧されることによりピエ
ゾアクチュエータ6に充電されていた電荷が、トランス
10、サイリスタ5を介して放電される。トランス10
の2次巻線!2の一端はダイオード9のアノードに接続
され、ダイオード9のカソードが電源1の+側に接続さ
れている。そして2次巻線12の他端が電源1の一側に
接続され、電源1とダイオード9が2次電圧制限手段と
して機能する。ここでピエゾアクチュエータ6の両端よ
りトランス10、サイリスタ5によって形成される閉回
路が放電系路に相当する。なお、トランス10及びトラ
ンス20の巻き方は図示の通りである。
一方、第1図、第2図(a)に示すピエゾアクチュエー
タON信号は、ONパルス発生器35.OFFパルス発
生器36.単安定マルチパイプレーク34へ入力される
。ONパルス発生器35はピエゾアクチュエータON信
号の立上りでトリガされ、その出力はサイリスタ4を点
弧するゲート信号となり、OFFパルス発生器36はピ
エゾアクチュエータON信号の立下りでトリガされ、そ
の出力はサイリスタ5を点弧するゲート信号となる。
タON信号は、ONパルス発生器35.OFFパルス発
生器36.単安定マルチパイプレーク34へ入力される
。ONパルス発生器35はピエゾアクチュエータON信
号の立上りでトリガされ、その出力はサイリスタ4を点
弧するゲート信号となり、OFFパルス発生器36はピ
エゾアクチュエータON信号の立下りでトリガされ、そ
の出力はサイリスタ5を点弧するゲート信号となる。
単安定マルチバルブレータ34はピエゾアクチュエータ
ON信号の立下りでトリガされ、所定時間Hiとなるパ
ルス出力をAND回路32へ入力する。またデユーティ
設定器33は、トランジスタ22を駆動するデエーティ
比を設定するもので、デユーティ設定器33のデユーテ
ィ出力もAND回路32へ入力される。AND回路32
は単安定マ□ルチバイブレータ34の出力とデユーティ
設定器33の出力とがともにHiになったときベースド
ライブ回路31を駆動する。このベースドライブ回路3
1の出力がトランジスタ22のベースに与えられ、トラ
ンジスタ22が0N−OFF駆動される。
ON信号の立下りでトリガされ、所定時間Hiとなるパ
ルス出力をAND回路32へ入力する。またデユーティ
設定器33は、トランジスタ22を駆動するデエーティ
比を設定するもので、デユーティ設定器33のデユーテ
ィ出力もAND回路32へ入力される。AND回路32
は単安定マ□ルチバイブレータ34の出力とデユーティ
設定器33の出力とがともにHiになったときベースド
ライブ回路31を駆動する。このベースドライブ回路3
1の出力がトランジスタ22のベースに与えられ、トラ
ンジスタ22が0N−OFF駆動される。
第1図に示した実施例の各部の波形を第2図に示し、作
動を説明する。なお、第2図の動作波形は説明を簡単に
するためにトランス10を単にリアクトルとした場合を
示している。まず、第2図(a)に示すピエゾアクチエ
エータON信号が人力されると、ピエゾアクチュエータ
ON信号立上り時に第2図(b)に示すようにONパル
ス発生器35の出力にサイリスタ4の点弧信号Aが現わ
れ、この点弧信号Aがサイリスタ4のゲートに入力され
、サイリスタ4をONさせる。この時、コンデンサ3、
サイリスタ4.リアクトル7、ピエゾアクチュエータ6
、コンデンサ3の閉回路においてLC共振が生じ、ピエ
ゾアクチュエータ6に電圧が印加される。これによりピ
エゾアクチュエータ6の端子電圧Vzは第2図(e)に
示すようにVz、まで上昇するとともに、コンデンサ3
の端子電圧Vcは、vIからvoまで下降した後、サイ
リスタ4は0FFL充電が終了する。次に、ピエゾアク
チュエータON信号の立下り時に第2図(C)に示すよ
うに、OFFパルス発生器36にサイリスタ5の点弧信
号Bが現われ、この点弧信号Bがサイリスタ5のゲート
に入力され、サイリスタ5をONさせる。この時ピエゾ
アクチュエータ6、リアクトル10.サイリスタ5.ピ
エゾアクチュエータ6の閉回路が形成され、この閉回路
においてビエゾアクチュエータ6とリアクトルlOとに
共振が生じ、ピエゾアクチュエータ6の端子電圧Vzは
正から負へと変化する。この端子電圧VzがVz。
動を説明する。なお、第2図の動作波形は説明を簡単に
するためにトランス10を単にリアクトルとした場合を
示している。まず、第2図(a)に示すピエゾアクチエ
エータON信号が人力されると、ピエゾアクチュエータ
ON信号立上り時に第2図(b)に示すようにONパル
ス発生器35の出力にサイリスタ4の点弧信号Aが現わ
れ、この点弧信号Aがサイリスタ4のゲートに入力され
、サイリスタ4をONさせる。この時、コンデンサ3、
サイリスタ4.リアクトル7、ピエゾアクチュエータ6
、コンデンサ3の閉回路においてLC共振が生じ、ピエ
ゾアクチュエータ6に電圧が印加される。これによりピ
エゾアクチュエータ6の端子電圧Vzは第2図(e)に
示すようにVz、まで上昇するとともに、コンデンサ3
の端子電圧Vcは、vIからvoまで下降した後、サイ
リスタ4は0FFL充電が終了する。次に、ピエゾアク
チュエータON信号の立下り時に第2図(C)に示すよ
うに、OFFパルス発生器36にサイリスタ5の点弧信
号Bが現われ、この点弧信号Bがサイリスタ5のゲート
に入力され、サイリスタ5をONさせる。この時ピエゾ
アクチュエータ6、リアクトル10.サイリスタ5.ピ
エゾアクチュエータ6の閉回路が形成され、この閉回路
においてビエゾアクチュエータ6とリアクトルlOとに
共振が生じ、ピエゾアクチュエータ6の端子電圧Vzは
正から負へと変化する。この端子電圧VzがVz。
からVztまで低下した後、サイリスタ5はOFFし放
電が終了する。
電が終了する。
一方、単安定マルチバイブレータ34はピエゾアクチュ
エータON信号の立下りでトリガされ第2図(2)に示
すように所定期間τだけHf信号を出力する。またデユ
ーティ設定器33はあらかじめ定めたデユーティ比の信
号を出力し、これら2つの出力信号がAND回路32に
入力される。AND回路32は、第2図(ハ)に示すよ
うに所定期間τだけデユーティ信号を出力し、ベースド
ライブ回路31を通してトランジスタ22を0N−OF
F駆動させる。その時、トランス20の1次巻線り。
エータON信号の立下りでトリガされ第2図(2)に示
すように所定期間τだけHf信号を出力する。またデユ
ーティ設定器33はあらかじめ定めたデユーティ比の信
号を出力し、これら2つの出力信号がAND回路32に
入力される。AND回路32は、第2図(ハ)に示すよ
うに所定期間τだけデユーティ信号を出力し、ベースド
ライブ回路31を通してトランジスタ22を0N−OF
F駆動させる。その時、トランス20の1次巻線り。
及びトランジスタ22に流れる電流iは第2図(f)の
様になり、コンデンサ3に蓄積される電荷の総和のエネ
ルギーは、 (以下余白) E”” Lr ・ i p Z ・ η ・
r ・ τとなる。
様になり、コンデンサ3に蓄積される電荷の総和のエネ
ルギーは、 (以下余白) E”” Lr ・ i p Z ・ η ・
r ・ τとなる。
ここでインダクタンスLI+効率ηを一定とすれば、エ
ネルギーEは電流ip、チョッピング周波数f、充電時
間τの関数となる。一般に電流ipと周波数fは一定で
用いる場合が多く、この場合充電時間τを制御すること
により、すなわちデユーティ信号のパルス数によりエネ
ルギーEを制御することができる。
ネルギーEは電流ip、チョッピング周波数f、充電時
間τの関数となる。一般に電流ipと周波数fは一定で
用いる場合が多く、この場合充電時間τを制御すること
により、すなわちデユーティ信号のパルス数によりエネ
ルギーEを制御することができる。
従って、充電時間τを一定に制御することにより、コン
デンサ3に毎回一定のエネルギーの電荷を供給すること
ができる。このコンデンサ3に蓄積された電荷のエネル
ギーをピエゾアクチュエータ6に投入することにより、
温度変化にかかわらずピエゾアクチュエータ6の伸長量
を一定に制御することができる。
デンサ3に毎回一定のエネルギーの電荷を供給すること
ができる。このコンデンサ3に蓄積された電荷のエネル
ギーをピエゾアクチュエータ6に投入することにより、
温度変化にかかわらずピエゾアクチュエータ6の伸長量
を一定に制御することができる。
ここで上記のようにコンデンサ3に一定のエネルギーの
電荷が供給されることにより、ピエゾアクチュエータ6
への投入エネルギーを一定にすることができることを以
下に説明する。
電荷が供給されることにより、ピエゾアクチュエータ6
への投入エネルギーを一定にすることができることを以
下に説明する。
第3図(a)に示すようにピエゾアクチュエータ6の静
電容量Czが、例えば常温(20℃)でCz。
電容量Czが、例えば常温(20℃)でCz。
であり、この状態でピエゾアクチュエータ6にエネルギ
ーが投入される場合、コンデンサ3に蓄積された電荷を
9、そのときの電圧をvl、コンデンサ3の静電容量を
C1,リアクトル7のインダクタンスをLとすると、次
の微分方程式が成立する。
ーが投入される場合、コンデンサ3に蓄積された電荷を
9、そのときの電圧をvl、コンデンサ3の静電容量を
C1,リアクトル7のインダクタンスをLとすると、次
の微分方程式が成立する。
・・・・・・ (1)
(1)式を解き、ピエゾアクチュエータ6にかかる電圧
Vz、を求めると、 に変化する。
Vz、を求めると、 に変化する。
同様に、例えば第3図(b)に示すようにピエゾアクチ
ュエータ6の温度が100 ’Cまで上昇したときの静
電容量をCz、とすると、ピエゾアクチュエータにかか
る電圧Vz、は となり、コンデンサ3の電圧v2は に変化する。
ュエータ6の温度が100 ’Cまで上昇したときの静
電容量をCz、とすると、ピエゾアクチュエータにかか
る電圧Vz、は となり、コンデンサ3の電圧v2は に変化する。
ここで、コンデンサ3へ供給される電荷のエネルギーは
一定であるから、コンデンサ3の電圧変化によるエネル
ギー変化は20°Cの場合でも、100℃の場合でも同
じである。つまり となる。またこのときコンデンサ3の電圧v0は・・・
・・・ (6) が成り立つ。(6)式に(3)式と(5)式を代入する
と、となり、(7)式に(2)式と(4)式を代入する
と、となる。つまり(8)式は、ピエゾアクチュエータ
6の20°Cでのエネルギー(左辺)と100°Cにお
けるエネルギー(右辺)とが等しい事を表わしている。
一定であるから、コンデンサ3の電圧変化によるエネル
ギー変化は20°Cの場合でも、100℃の場合でも同
じである。つまり となる。またこのときコンデンサ3の電圧v0は・・・
・・・ (6) が成り立つ。(6)式に(3)式と(5)式を代入する
と、となり、(7)式に(2)式と(4)式を代入する
と、となる。つまり(8)式は、ピエゾアクチュエータ
6の20°Cでのエネルギー(左辺)と100°Cにお
けるエネルギー(右辺)とが等しい事を表わしている。
以上の様に、コンデンサ3へ供給する電荷のエネルギー
を一定にすればピエゾアクチュエータ6への投入エネル
ギーを一定にする事ができる。
を一定にすればピエゾアクチュエータ6への投入エネル
ギーを一定にする事ができる。
上記の例に於いて回路定数としてインダクタンスL、静
電容ICのみを考え、抵抗分を無視したが現実には幾分
かの抵抗分もあり、厳密には投入エネルギーが一定には
ならないが動作上影響を及ぼす程ではない。又、ピエゾ
アクチュエータ6も抵抗分を持っており上式がそのまま
当てはまる訳ではないが、その影響は小さいため基本的
には定エネルギー駆動となる。また、本実施例において
はトランスIOにフライバック式DC−DCコンバータ
を用いているために、コンデンサ3へ供給する電荷のエ
ネルギーの制御を容易に行うことができる。これはフラ
イバック式コンバータの場合トランスに蓄積される電磁
エネルギーは2次側からの影響を全く受けることなく、
1次側だけで制御することができるためであり、他のコ
ンバータを用いた場合にはコンデンサに流れ込むエネル
ギーを測定して制御しなければならないためエネルギー
の制御は困難になる。
電容ICのみを考え、抵抗分を無視したが現実には幾分
かの抵抗分もあり、厳密には投入エネルギーが一定には
ならないが動作上影響を及ぼす程ではない。又、ピエゾ
アクチュエータ6も抵抗分を持っており上式がそのまま
当てはまる訳ではないが、その影響は小さいため基本的
には定エネルギー駆動となる。また、本実施例において
はトランスIOにフライバック式DC−DCコンバータ
を用いているために、コンデンサ3へ供給する電荷のエ
ネルギーの制御を容易に行うことができる。これはフラ
イバック式コンバータの場合トランスに蓄積される電磁
エネルギーは2次側からの影響を全く受けることなく、
1次側だけで制御することができるためであり、他のコ
ンバータを用いた場合にはコンデンサに流れ込むエネル
ギーを測定して制御しなければならないためエネルギー
の制御は困難になる。
次に、ピエゾアクチュエータ6の放電時について第4図
の動作波形を参照しながら説明する。
の動作波形を参照しながら説明する。
まず、サイリスタ4のゲートに第4図(a)に示す点弧
信号Aが与えられるとサイリスタ4がONする。この時
、コンデンサ3.サイリスタ4.リアクトル7、ピエゾ
アクチュエータ6の閉回路においてLC共振が生じこの
閉回路に第4図(C)に示す電流izが流れる。この電
流izが負になった時点でサイリスタ4がオフするとと
もに、ピエゾアクチュエータ6の電圧VzがVzzから
Vz、迄上昇する。次に、サイリスタ5のゲートに第4
図(b)に示す点弧信号Bが与えられるとサイリスタ5
がONL、ピエゾアクチュエータ6の電荷がトランス1
0の1次巻線サイリスタ5を通して放電され、電流i、
zが流れはじめる。
信号Aが与えられるとサイリスタ4がONする。この時
、コンデンサ3.サイリスタ4.リアクトル7、ピエゾ
アクチュエータ6の閉回路においてLC共振が生じこの
閉回路に第4図(C)に示す電流izが流れる。この電
流izが負になった時点でサイリスタ4がオフするとと
もに、ピエゾアクチュエータ6の電圧VzがVzzから
Vz、迄上昇する。次に、サイリスタ5のゲートに第4
図(b)に示す点弧信号Bが与えられるとサイリスタ5
がONL、ピエゾアクチュエータ6の電荷がトランス1
0の1次巻線サイリスタ5を通して放電され、電流i、
zが流れはじめる。
ここで、トランス10が単なるリアクトルである場合を
考えると、ピエゾアクチュエータ6の電荷はりアクドル
10.サイリスタ5を通して放電され、第4図(C)の
破線の様に電流tzが流れ、また第4図(d)に破線で
示すようにピエゾアクチュエータ6の電圧はVz、にな
る。ところで、ピエゾアクチュエータ6の電圧変位特性
は第5図に示すとおりであり、変位を多くとるためには
印加電圧VをA−B点にすれば良い。A点はピエゾアク
チュエータ6に印加される最大正電圧、B点はピエゾア
クチュエータ6が劣化することなく印加できる最大負電
圧である。
考えると、ピエゾアクチュエータ6の電荷はりアクドル
10.サイリスタ5を通して放電され、第4図(C)の
破線の様に電流tzが流れ、また第4図(d)に破線で
示すようにピエゾアクチュエータ6の電圧はVz、にな
る。ところで、ピエゾアクチュエータ6の電圧変位特性
は第5図に示すとおりであり、変位を多くとるためには
印加電圧VをA−B点にすれば良い。A点はピエゾアク
チュエータ6に印加される最大正電圧、B点はピエゾア
クチュエータ6が劣化することなく印加できる最大負電
圧である。
そこで、ピエゾアクチエエータ6に生じる負電圧を上記
最大負電圧に制限す゛るため、抵抗をピエゾアクチュエ
ータ6とサイリスタ5との間に介在させる方法もある。
最大負電圧に制限す゛るため、抵抗をピエゾアクチュエ
ータ6とサイリスタ5との間に介在させる方法もある。
しかしながら、抵抗を用いた場合でも、ピエゾアクチエ
エータ6に生じる負電圧は、サイリスタ5が点弧する前
にピエゾアクチュエータ6に印加されていた正電圧及び
抵抗等の回路定数によって左右され、一定に決まらない
ためピエゾアクチュエータ6の変位が安定しない赫しか
るに本実施例に於いては、リアクトルのかわりにトラン
ス10を用いることによって以上の問題を解決している
。
エータ6に生じる負電圧は、サイリスタ5が点弧する前
にピエゾアクチュエータ6に印加されていた正電圧及び
抵抗等の回路定数によって左右され、一定に決まらない
ためピエゾアクチュエータ6の変位が安定しない赫しか
るに本実施例に於いては、リアクトルのかわりにトラン
ス10を用いることによって以上の問題を解決している
。
つまり、第4図(C)に示す電流izが負のピークに達
すると第4図(e)に実線で示すようにトランス10の
1次巻線電圧■1は正から負に移り変わり、さらにその
後も負に上昇していく。そして、この1次巻線電圧vL
が次式により決定される電圧Vz、に達すると、 トランス10の2次巻線に発生する電圧が電源電圧Eを
越えようとするため、ダイオード9がONし、第4図(
f)に示すように回生電流i3が流れ始める。従って、
トランス10の1次巻線電圧vLされる事になり、電流
izは急激に減衰し、2次側の電流i、を増大させる。
すると第4図(e)に実線で示すようにトランス10の
1次巻線電圧■1は正から負に移り変わり、さらにその
後も負に上昇していく。そして、この1次巻線電圧vL
が次式により決定される電圧Vz、に達すると、 トランス10の2次巻線に発生する電圧が電源電圧Eを
越えようとするため、ダイオード9がONし、第4図(
f)に示すように回生電流i3が流れ始める。従って、
トランス10の1次巻線電圧vLされる事になり、電流
izは急激に減衰し、2次側の電流i、を増大させる。
こうしてピエゾアクチュエータ6に蓄えられていたエネ
ルギーの一部が電源に回生され、ピエゾアクチュエータ
6の電圧VzもVzzに制限される。
ルギーの一部が電源に回生され、ピエゾアクチュエータ
6の電圧VzもVzzに制限される。
この結果として、ピエゾアクチュエータ6に印加されて
いた正電圧Vz、が変動しても、とニジt アクチュエータ6に生じる負電圧はVz、−Eに制限さ
れるため、Vztを第4図のB点の電圧になる様に電圧
E、 1次及び2次巻線の巻数Nr。
いた正電圧Vz、が変動しても、とニジt アクチュエータ6に生じる負電圧はVz、−Eに制限さ
れるため、Vztを第4図のB点の電圧になる様に電圧
E、 1次及び2次巻線の巻数Nr。
Ntを決定すれば、常に一定の電圧の動作点Bを得る事
ができる。従って、素子の劣化を招く事もなく、最大の
変位を得る事ができる。
ができる。従って、素子の劣化を招く事もなく、最大の
変位を得る事ができる。
本実施例に於いては、充電時間τ、すなわちデユーティ
信号のパルス数によりコンデンサ3へ供給する電荷のエ
ネルギーEを制御したが、パルス数が一定の場合は前記
電流ipまたはチゴッピング周波数fによってエネルギ
ーEを制御しても良い。また、エネルギーEを一定に制
御する場合になる様な方法ならば、どのパラメータを制
御しても同一の効果が得られる。
信号のパルス数によりコンデンサ3へ供給する電荷のエ
ネルギーEを制御したが、パルス数が一定の場合は前記
電流ipまたはチゴッピング周波数fによってエネルギ
ーEを制御しても良い。また、エネルギーEを一定に制
御する場合になる様な方法ならば、どのパラメータを制
御しても同一の効果が得られる。
又、充電時間τを一定にする場合、OFFパルスが出力
された直後に充電を開始しているがサイリスタ4がOF
Fしてから後、つぎにONされるまでの間ならどこで充
電を行なってもよい。
された直後に充電を開始しているがサイリスタ4がOF
Fしてから後、つぎにONされるまでの間ならどこで充
電を行なってもよい。
また本実施例の放電系路だけを単独で実施する場合には
トランス20は常に定電圧を発生するものでも良(、又
、コンデンサ3が一定の電圧に達すると停止するもので
あっても良い。
トランス20は常に定電圧を発生するものでも良(、又
、コンデンサ3が一定の電圧に達すると停止するもので
あっても良い。
また、トランス20がコンデンサ3に対し常に充電を行
なっており、コンデンサ3が常に定電圧に保たれていれ
ば第6図に示すようにトランス10の2次巻線とダイオ
ード9による回生電流をコンデンサ3に回生じ、2次巻
線電圧を所定値に制限することができる。
なっており、コンデンサ3が常に定電圧に保たれていれ
ば第6図に示すようにトランス10の2次巻線とダイオ
ード9による回生電流をコンデンサ3に回生じ、2次巻
線電圧を所定値に制限することができる。
以上述べたように本発明によれば、圧電素子の充放電を
適切に制御しているために、温度変化にかわらず圧電素
子の伸長量を所定値に制御することができ、また小型の
変圧器を用いた場合にも高速応答、高エネルギーによっ
て圧電素子を制御することができる。さらに、圧電素子
を劣化させることなく最大の変位量を得ることができる
。
適切に制御しているために、温度変化にかわらず圧電素
子の伸長量を所定値に制御することができ、また小型の
変圧器を用いた場合にも高速応答、高エネルギーによっ
て圧電素子を制御することができる。さらに、圧電素子
を劣化させることなく最大の変位量を得ることができる
。
第6図は本発明の他の実施例の構成図である。
1・・・tB、3・・・コンデンサ、4,5・・・サイ
リスク、6・・・ピエゾアクチュエータ、7・・・リア
クトル。
リスク、6・・・ピエゾアクチュエータ、7・・・リア
クトル。
9・・・ダイオード、10.20・・・トランス、21
゜23・・・ダイオード、22・・・トランジスタ、3
1・・・ベースドライブ回路、32・・・AND回路、
33・・・デユーティ設定器、34・・・単安定マルチ
バイブレーク、35・・・ONパルス発生器、36・・
・OFFパルス発生器。
゜23・・・ダイオード、22・・・トランジスタ、3
1・・・ベースドライブ回路、32・・・AND回路、
33・・・デユーティ設定器、34・・・単安定マルチ
バイブレーク、35・・・ONパルス発生器、36・・
・OFFパルス発生器。
Claims (2)
- (1)圧電素子に選択的に電荷を供給し、前記圧電素子
を伸長させる充電系路と、前記圧電素子に供給された電
荷を選択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させる放電
系路とを備える圧電アクチュエータ駆動装置において、 1次巻線が電源に接続され、前記1次巻線により励磁さ
れる2次巻線が前記充電系路に接続されるとともに、前
記1次巻線と前記電源との接続が遮断されたとき、蓄積
された磁気エネルギーによって前記2次巻線に電圧が生
じる充電変圧器と、前記1次巻線と前記電源との間に介
在して、前記1次巻線と前記電源との接続を断続するス
イッチング素子と、 前記2次巻線に整流素子を介して前記充電系路と並列に
接続され、前記2次巻線に生じた電圧により、電荷が充
電されるコンデンサと、 前記コンデンサに所定量のエネルギーの電荷を充電させ
るべく、前記スイッチング素子を連続した複数個のパル
ス信号にて断続駆動する駆動手段と、 前記コンデンサに所定量のエネルギーの電荷が充電され
た後、この電荷を前記圧電素子に供給する供給手段と を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ駆動装置
。 - (2)圧電素子に選択的に電荷を供給し、前記圧電素子
を伸長させる充電系路と、前記圧電素子に供給された電
荷を選択的に放電させ、前記圧電素子を収縮させる放電
系路とを備える圧電アクチュエータ駆動装置において、 前記放電系路中に接続された1次巻線と、前記1次巻線
により励磁させる2次巻線とを備え、前記1次巻線と前
記2次巻線との巻線が予め定められた放電変圧器と、 前記変圧器の2次巻線と接続されて、前記2次巻線に生
じる電圧を所定値に制限する2次電圧制限手段とを備え
ることを特徴とする圧電アクチュエータ駆動装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63283394A JP2754610B2 (ja) | 1988-11-09 | 1988-11-09 | 圧電アクチュエータ駆動装置 |
US07/432,677 US5036263A (en) | 1988-11-09 | 1989-11-07 | Piezoelectric actuator driving apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63283394A JP2754610B2 (ja) | 1988-11-09 | 1988-11-09 | 圧電アクチュエータ駆動装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02129975A true JPH02129975A (ja) | 1990-05-18 |
JP2754610B2 JP2754610B2 (ja) | 1998-05-20 |
Family
ID=17664949
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63283394A Expired - Lifetime JP2754610B2 (ja) | 1988-11-09 | 1988-11-09 | 圧電アクチュエータ駆動装置 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5036263A (ja) |
JP (1) | JP2754610B2 (ja) |
Cited By (5)
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KR19980042126A (ko) * | 1996-11-06 | 1998-08-17 | 요트.게.아.롤페즈 | 활성/비활성 부분을 가진 제어 신호에 의해 제어되는 전압발생기 |
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CN102299662A (zh) * | 2011-09-01 | 2011-12-28 | 中国科学技术大学 | 惯性压电马达的低电压控制方法 |
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