JPH02136245A - 圧電素子駆動装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は圧電素子駆動装置、特に所定の機械的駆動系と
接続された圧電素子に対して給電を行ない圧電素子に寸
法歪みを発生させ駆動力を得る圧電素子駆動装置に関す
るものである。

［従来の技術］ 従来より、ワイヤドツトプリンタやインクジェットプリ
ンタの記録ヘッドにおいてワイヤを打撃する、あるいは
インク吐出を行なうための駆動力を発生する素子として
圧電アクチュエータが用いられている。このような圧電
アクチュエータの駆動回路として、圧電素子と抵抗から
なる直列回路を用いるようにしており、この直列回路に
駆動信号により作動されるスイッチを介して励振電圧を
印加し、圧電素子を瞬時に充電し圧！素子に寸法歪みを
発生させるようにしている。続いて上記直列回路を他の
スイッチを介して短絡させることにより圧電素子に蓄積
された電荷を放電させ圧電素子の歪みを復元させている
。

このような回路では各スイッチに導通時に流れる電流は
相当大きな値になるため、過大な電流によってスイッチ
が破損する危険があり、またこれらの寿命が低下すると
いう問題がある。また、１回の駆動ごとに圧電素子に充
電された電荷が完全に放電されるため、その分だけよけ
いな電力が消費されるという問題もある。

［発明が解決しようとする課題］ このような問題点を解決するために、特開昭５９−１９
８８８５号には第４図に示すような駆動回路が提案され
ている。第４図において、圧電素子５３にコイルＬが接
続されており、この直列回路に駆動信号により作動され
るスイッチ５１を介して励振電圧Ｅｏが印加される。こ
の直列回路と並列に抵抗Ｒ１と制動信号により作動され
るスイッチ５２からなる直列回路が接続される。なお、
符号５４はワイヤドツトヘッドのワイヤ駆動機構あるい
はインクジェットヘッドのインク吐出機構などから構成
される機械的駆動系で、圧電素子５３の機械的な寸法歪
みに対応して駆動されるものである。

第４図の回路の動作タイミングは第５図に示すようなも
のである。

第５図の１．２段目に示すように、駆動信号のハイレベ
ル期間において制動信号はローレベルに制御される。こ
のパルス幅は圧電素子５３の寸法歪みの往復動の１周期
に等しくなるように設定されている。駆動信号がハイレ
ベル、制動信号がローレベルとなる期間１１においては
スイッチ５２が開放されているため、コイルしおよび圧
電素子５３が共振回路を構成する。この共振波形は第５
図の圧電素子５３に流れる電流１ａの波形に示すように
、減衰振動となる。これは圧電素子５３が比較的大きな
抵抗成分を有しているためである。

一方、素子の電圧波形は第５図の４段目に示すように電
流波形とほぼ半周期ずれた波形となり、この電圧変化に
応じた圧電素子５３の寸法歪みは第５図の最下段に示す
ようになる。

第４図の回路では、コイルＬのインダクタンス成分を挿
人することによって大きな電流ピーク値が生じるのを防
止すること、またコイルと圧電素子の電気的単振動によ
り駆動終了時点で圧電素子の端子電圧、すなわち残留電
荷をほぼ０にすることが目的とされている。

ところが、実際には第５図の期間１１の終了後において
は、上記のようにコイルおよび圧電素子による単振動は
減衰波形であり、圧電素子５３の充電電荷がＯではなく
、抵抗Ｒ１、スイッチ５２によって残留電荷を放電しな
ければ次の期間において同じ駆動動作を行なうことがで
きない。

この時の放電電力は抵抗Ｒ１によってジュール熱となっ
て消費されており、駆動に寄与していない。また、放電
期間の存在によって、駆動周波数を高速化するのが困難
であるという問題もある。すなわち、速度を上げるため
放電の開始を１／−２周期後の時間に近ずければ近付け
る程、放電電流は大きくなり発熱が大きくなるとともに
、圧電素子の電圧が零とならないために、印字ムラが起
こるという問題点が有る。

一方、先に述べた圧電素子５３の充放電の問題に関して
みると、期間１１の間にコイルＬと圧電素子５３の共振
によりコイルＬの電源側端子に生じる電源電圧よりも大
きな電圧はダイオードＤ１を介して電源に回生されるが
、圧電素子５３が大きな抵抗成分を有しているためその
全ての電荷を電源に回生することができない。

このため、圧電素子５３に残留する電荷を０とし、変形
状態から原形に復帰させるため、スイッチ５２による放
電が必ず必要である。この放電期間では、充電電荷は第
４図の場合全て抵抗Ｒ１により消費され無駄になってい
る。

とりわけ、圧電素子５３の駆動を高速で繰り返す場合に
は、第６図に示すように期間１１を短縮し、コイルしお
よび圧電素子５３の共振の１サイクル経過より以前にス
イッチ５２を閉じ、放電を行なうことになる。第６図は
第５図と同様のタイン ンフチャートであるが、この場合にはダイオードＤ１に
より充電電荷を電源に回生ずる期間が短くなり、第６図
４段目に破線で示した部分に対応するほとんどの充電電
荷が抵抗Ｒ１で消費されてしまい、効率がさらに低下す
るという問題がある。

更に上記回路では、抵抗、トランジスタ、及びコイルで
放電回路を形成し、この抵抗を介して電荷を放電させて
いるので、抵抗に大きな熱が発生する。しかも、この抵
抗には数十ボルト、数アンペアの電流、電圧が流れるた
め、それに耐える抵抗として耐電力が高く、しかも大形
の抵抗および放熱部材が必要となり、駆動回路の外形が
大きくなるとともに重量が重くなるという欠点が有った
。

本発明の課題は以上の問題を解決し、小型で、耐久性が
有り駆動パルス終了時圧電素子の残留電荷を完全に零に
することができる圧電素子駆動装置を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 以上の課題を解決するために、本発明においては、所定
の機械的駆動系と接続された圧電素子に対して給電を行
ない圧電素子に寸法歪みを発生させ駆動力を得る圧電素
子駆動装置において、前記圧電素子に直列に接続された
コイルと、前記コイルに励振電圧を供給する第１のスイ
ッチ手段と、前記第１のスイッチ手段と並列に接続され
圧電素子の電荷を電源に回生ずる手段と、圧電素子の電
荷を放電させる第２のスイッチ手段とを設け、前記第２
のスイッチ手段をコイルの中間タップに接続された所定
コイル電圧でオンされるトランジスタで構成し、コイル
と圧電素子で形成される共振回路の共振周期の所定時点
で前記第１のスイッチ手段をオフして圧電素子の電荷を
電源に回生ずるとともに、所定コイル電圧でオンになる
トランジスタを介して前記コイルの中間タップから圧電
素子の電荷を放電させる構成を採用した。

［作用］ このような構成では、コイルを介して圧電素子に充電さ
れた電荷は、駆動終了時共振周期の所定時点で一部が電
源側に回生されるとともに、一部はコイルとトランジス
タにより構成される放電回路を介して放電され、圧電素
子の残留電荷を７にするとともに圧電素子の両端の電圧
を；に減少させることが可能になる。

この場合、電荷の放電は、コイルとトランジスタを介し
て行われるためエネルギーの消費は、トランジスタで行
われ、したがって、耐電力が大きい大形の抵抗および放
熱部材を用いることなく、例えばトランジスタに放熱部
材を取り付ける程度ですみ、駆動装置全体を小型にする
ことができる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に従い本発明の詳細な説明する
。

第１図には本発明の一実施例が図示されており、同図に
おいて符号１で示すものはコイルＬに励振電圧Ｅｏを供
給する第１のスイッチ手段であり、駆動パルスにより作
動されるトランジスタＴｒｉ、トランジスタＴｒ２並び
に抵抗Ｒ４、Ｒ５それにダイオードＤ４から構成されて
いる。

励振電圧ＥＯは電源（図示せず）よりトランジスタＴｒ
２のエミッタに印加され、駆動パルスが入力されたとき
トランジスタＴｒｉ、Ｔｒ２が導通し、励振電圧がダイ
オードＤ４を介してコイルしに供給される。

このコイルＬと直列に所定の機械的駆動系（図示せず）
と結合された圧電素子２が接続されている。圧電素子２
の一端は接地され、また圧電素子２の他端とコイルＬの
接続点はコンデンサＣ１を介してトランジスタＴｒ３の
ベースに接続されている。トランジスタＴｒ３のエミッ
タはコイルＬの中間タップＭと、またコレクタは圧電素
子２に接続され、トランジスタＴｒ３が導通するときコ
イルＬとトランジスタＴｒ３により圧電素子２に対して
放電回路が形成される。

また、コイルＬと圧電素子２に対して並列に抵抗Ｒ６、
Ｒ７が接続されており、これらの抵抗、コイルし、コン
デンサＣ１によりトランジスタＴｒ３が導通したときト
ランジスタＴｒ３に正の帰還回路が形成される。

また、トランジスタＴｒ２に並列にダイオードＤ５が接
続され、スイッチ手段１がオフになったとき圧電素子２
に充電された電荷をダイオードＤ５を介して電源側に回
生させる。

次にこのように構成された装置の動作を説明する。

まず第２図の一段目に図示されたようにｔｏの時点で駆
動パルスをＨにし、トランジスタＴｒｉをオンにすると
、トランジスタＴｒｉのコレクタ・エミッタ間に流れる
電流によりトランジスタＴｒ２がオンとなり、直列に接
続されたコイルＬと圧電素子２の両端に励振電圧Ｅｏが
印加される。それにより圧電素子２にコイルＬを介して
共振電流が流れ始める。この時のコイルＬの両端間の電
圧Ｖ１、コイルしに流れる電流工１がそれぞれ第２図の
第２段目、および第３段目に図示されている。

ｔｏの時点でトランジスタＴｒ３のベース電流が一時流
れることにより、コンデンサＣ１が充電されるまでの短
い時間（数マイクロ秒）、コイルＬならびにトランジス
タＴｒ３のエミッタコレクタを通じて一時電流Ｉｅが流
れるが、その後、後で説明するｔ２の時点までトランジ
スタＴｒ３はオフされた状態となる。この状態が第２図
の第４段目にエミッタ電流Ｉｅとして図示されている。

この共振電流により圧電素子２は充電され、第２図の第
５段目に図示したように圧電素子の電圧Ｖｐは上昇し、
また第６段目に図示したように圧電素子２に電流Ｉｐが
流れる。

一方コイルＬの両端の電圧ｖ１は正から負に変化してい
く。駆動パルスはｔｌの時点、すなわち回路の全インダ
クタンス値と全コンデンサ値で決まる共振周期をＴｏと
して、約半周期Ｔ　ｏ　／　２の時点でコイル電圧ＶＪ
Ｚは負の最大値となり、コイルしに流れる電流値は０と
なる。またこの時圧電素子２の電圧Ｖｐは最大となって
いる。

またｔｌの時点を越えると、コイルしに流れる共振電流
は反転する。ｔｌの時点でトランジスタＴｒ２がオフと
なっているので、圧電素子２に充電されている電荷はダ
イオードＤ５を介して電源側に回生される。この回生電
流によりトランジスタＴｒ３のベース電圧はコンデンサ
ンｃ１を介して減少していく。トランジスタＴｒ３のエ
ミッタはコイルＬの中間タップＭと接続されているので
、コイルＬとコンデンサＣ１の電圧、電流の位相差によ
りｔ２の時点で、トランジスタＴｒ３がオンすることに
なる。

トランジスタＴｒ３がオンすると圧電素子２に対してコ
イルＬとトランジスタＴｒ３による放電回路が形成され
るので、圧電素子２の電荷はコイルＬ１　トランジスタ
Ｔｒ３を介してアースに放電される。この時コイルＬ１
コンデンサｃ１、トランジスタＴｒ３、抵抗Ｒ６、Ｒ７
はトランジスタに対し正の帰還回路を構成するので、コ
イルの一端をＡ１他端を８１中間タップをＭとして、コ
イルＬの両端Ａ、Ｂの電圧はＡＭとＢとの巻数比と、Ｍ
Ｂ間に加わる電圧の積となり、巻数比やコンデンサＣ１
、抵抗Ｒ６、Ｒ７を調整することにより、共振の終了時
点ｔ３においてコイルＬの両端の電圧を励振電圧と等し
くすることができ、従って圧電素子間の電圧Ｖｐを第２
図の第５段目に示したようにＯとすることが可能となる
。

また上記の正の帰還回路により放電時間を短縮すること
が可能になる。

このようにして圧電素子２にコイルＬを介して充電され
る電荷は、駆動パルス終了時ダイオードＤ５を介して電
源側に回生されるとともに、一部はコイルＬとトランジ
スタＴｒ３を介してアースされ、コイルしに流れる電流
によって発生する電圧を増幅させることにより圧電素子
２の両端の電圧を０にするとともに圧電素子２の残留電
荷を０にすることが可能となる。

第３図には、本発明の他の実施例が図示されているが、
この実施例では、第１図のＰＮＰ型のトランジスタＴｒ
３をＮＰＮ型界に代えたもので、第１図回路と同様の動
作及び効果を得ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、コイルと圧電素子
で形成される共振回路の共振周期の所定時点でスイッチ
手段をオフして圧電素子の電荷を電源に回生ずるととも
に、所定コイル電圧でオンになるトランジスタを介して
コイルの中間タップから圧電素子の電荷を放電させるよ
うにしているので、コイルを介して圧電素子に充電され
た電荷は、駆動終了時一部が電源側に回生されるととも
に、一部はコイルとトランジスタにより構成される放電
回路を介して放電され、圧電素子の両端の電圧を零にす
るとともに圧電素子の残留電荷を急

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電素子駆動装置の第１の実施例を示す回路図
、第２図は第１図回路の動作波形図、第３図は圧電素子
駆動装置の他の実施例を示す回路図、第４図は従来の駆
動装置の回路図、第５図及び第６図は、第４図回路の動
作を説明する波形図である。 １・・・第１のスイッチ手段 ２・・・圧電素子　　　　　Ｌ・・・コイル′ニニシ 放電は、コイルとトランジスタを介して行われるためエ
ネルギーの消費は、トランジスタで行われ、したがって
、耐電力が大きい大形の抵抗および放熱部材を用いる必
要がないので、駆動装置全体を小型にすることができる
。 ｔ＋　　ｔ２ 系１０ハヒ・）列を庁傅回ア１ 第１図 ４咋りイ乍三反形μと］ 第２図 イブｊ（ヨ免・ｆ列プ已藩巨乏ΔざをＥン）８　Ｉ＋ｖ
イコａつ回ｙ各σフｎイ乍ＪすＩ［う【７コ第５図 技４１ｎ回路防 第４図 鴻目刺の回路の勤１′￥坂バ）図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）所定の機械的駆動系と接続された圧電素子に対して
   給電を行ない圧電素子に寸法歪みを発生させ駆動力を得
   る圧電素子駆動装置において、前記圧電素子に直列に接
   続されたコイルと、前記コイルに励振電圧を供給する第
   １のスイッチ手段と、 前記第１のスイッチ手段と並列に接続され圧電素子の電
   荷を電源に回生する手段と、 圧電素子の電荷を放電させる第２のスイッチ手段とを設
   け、 前記第２のスイッチ手段をコイルの中間タップに接続さ
   れた所定コイル電圧でオンされるトランジスタで構成し
   、 コイルと圧電素子で形成される共振回路の共振周期の所
   定時点で前記第１のスイッチ手段をオフして圧電素子の
   電荷を電源に回生するとともに、所定コイル電圧でオン
   になるトランジスタを介して前記コイルの中間タップか
   ら圧電素子の電荷を放電させることを特徴とする圧電素
   子駆動装置。 ２）前記トランジスタがオンになったときトランジスタ
   に正帰還をかけるようにしたことを特徴とする請求項第
   １項に記載の圧電素子駆動装置。