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
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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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- 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 |
| JP2009050051A (ja) * | 2007-08-15 | 2009-03-05 | Sony Corp | 圧電素子の駆動回路およびポンプ装置 |
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| JP2010283910A (ja) * | 2009-06-02 | 2010-12-16 | Shindengen Electric Mfg Co Ltd | 電力変換装置 |
| 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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| JP2707804B2 (ja) * | 1990-06-18 | 1998-02-04 | トヨタ自動車株式会社 | 圧電素子の駆動装置 |
| DE4122984C2 (de) * | 1990-07-11 | 2003-12-24 | Brother Ind Ltd | Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung |
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