JPH0258281A - 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ｉ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、第５図に示すような
回路が知られている。第５図において符号５１はトラン
ジスタなどから成るスイッチで、駆動信号のハイレベル
によって導通状態に制御される。スイッチ５１の一端は
装置の電源に接続され、他端および接地電位間には抵抗
Ｒ１および圧電素子５３の直列回路が接続されている。

圧電素子５３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５４と機械的に結合されてお
り、駆動時の寸法歪を駆動系５４に伝達するようになっ
ている。スイッチ５１、抵抗Ｒ１の接続点および接地電
位間にはスイッチ５１と同様にトランジスタから構成さ
れたスイッチ５２が挿入されており、このスイッチ５２
は復元信号のハイレベルによって導通ずる。

第５図の回路において、駆動信号および復元信号は第６
図の１段目、２段目に示すように制御される。すなわち
、圧電素子５３を駆動するタイミングにおいてまず駆動
信号をハイレベルにし、続いて駆動信号の消勢とともに
復元信号をハイレベルにする。これによって、圧電素子
５３の印加電流および印加電圧は第６図３段目、４段目
に示すように変化する。まず、駆動信号のハイレベルに
よって励振電圧がスイッチ５１を介して圧電素子５３を
瞬時に充電し、続いて駆動信号の消勢および復元信号の
ハイレベルによってスイッチ５２、抵抗Ｒ１による圧電
素子５３の放電回路が形成され、圧電素子５３に蓄積さ
れた電荷が放電される。第６図最下段に示すように、圧
電素子の寸法歪は駆動信号がハイレベルである充電期間
において発生し、一方放電期間において原形に復帰する
ように変化する。

第５図のような回路ではスイッチ５１．５２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５１．５２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５３に充電された電荷は全て抵抗Ｒ
１によりジュール熱に変換され、空中に放散されてしま
うので非効率的であるという問題もある。

［発明が解決しようとする課Ｂ］ 以上の問題のうち、過大な充電および放電電流の問題に
鑑み、特開昭５９−１９８８８５号には第７図に示すよ
うな駆動回路が提案されている。

Ｍ７図の素子５１〜５４は第５図と同じものを示してい
る。第７図では圧電素子５３にコイルＬが接続されてお
り、スイッチ５１とコイルＬの接続点および接地電位間
にはスイッチ５２、抵抗Ｒ２の直列回路が接続されてい
る。第７図の回路の動作タイミングは第８図に示すよう
なものである。

第８図の１．２段目に示すように、駆動信号のハイレベ
ル期間１１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の寸法歪の往復動の１周
期に等しくな条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
８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８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の寸法歪は第８図の最下段に示すよ
うになる。

第７図の回路では、コイルＬのインダクタンス成分を挿
入することによって大きな電流ピーク値が生じるのを防
止される。

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
により圧電素子の非接地側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きれるが、
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ずることができない。

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
５図の場合全て抵抗Ｒ２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９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９図は
第８図と同様のタイミグチャートであるが、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する期間
が短くなり、第９図４段目に斜線で示した部分に対応す
るほとんどの充電電荷が抵抗Ｒ２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。

本発明の課題は以上の問題を解決することである。

［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
の機成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を発生させ駆動力を得る圧電素子
駆動装置において、圧電素子と、この圧電素子に直列接
続されたコイルと、前記圧電素子とコイルの直列回路に
第１の電源を接続する第１のスイッチ手段と、前記圧電
素子とコイルの直列回路に、前記第１の電源と出力が等
しいかまたはそれよりも低圧の第２の電源を接続する第
２のスイッチ手段を設け、前記圧電素子の駆動期間にお
いては第１のスイッチ手段を導通させ第１の電源により
圧電素子を充電して圧電素子を変形させ、続いて第１の
スイッチ手段を遮断した後第２のスイッチ手段を導通さ
せ圧電素子の充電電荷を第２の電源に回生じ圧電素子を
原形に復帰させる構成、 あるいはさらに、前記圧電素子とコイルの接続点と接地
電位を短絡させる第３のスイッチ手段を設け、前記第１
のスイッチ手段の導通期間初期において同時に所定時間
第３のスイッチ手段を所定期間導通させ前記圧電素子の
充電終了タイミングにおける充電電位を制御する構成、 あるいはさらに、前記圧電素子の非駆動期間では、前記
第３のスイッチ手段を導通させ前記駆動系の反作用によ
り生じる圧電素子の逆起電力あるいは残留電荷を接地電
位に流す構成を採用した。

［作　用］ 以上の構成によれば、圧電素子の原形復帰時の放電電流
を無駄に消費することなく第２の電源に第２のスイッチ
手段を介して回生ずることができる。その場合、圧電素
子とコイルの接続点を第３のスイッチ手段により接地電
位に短絡させることにより、圧電素子の充電終了時の充
電電位を回生系により完全に回生でざるだけの値に調節
できる。また、圧電素子の非駆動期間において上記第３
のスイッチ手段を導通させ、残留電荷の完全な放出およ
び駆動系の反作用の制動が可能である。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明の詳細な説明
する。

第１図は本発明を採用した圧電素子駆動装置の構成を示
している。第１図において符号３は圧電素子を示してお
り、この圧電素子３は、従来同様、記録ヘッドの記録機
構などの駆動系４と損紙的に結合されている。

また、符号５は圧電素子３の駆動に必要な高電圧を発生
する電源からコイル７および圧電素子３の直列回路に対
する電源供給を制御するスイッチである。スイッチ５は
、入力される充Ｎ信号のハイレベルにより導通し、スイ
ッチ５を導通させた場合には圧電素子３の充電および変
形が開始される。

本実施例では、圧電素子３を原形復帰させる際の放電を
スイッチ６を介して行なうが、この際、圧電素子３の充
電電荷を接地電位に流し抵抗で熱に変換するのではなく
、先の高電圧電源よりも出力電圧の低い低電圧電源に回
生ずる。スイッチ６は回生信号のハイレベルにより導通
ずる。

第１図のスイッチ５．６は、実際には第２図に示すよう
に構成される。

まず、スイッチ５はトランジスタＱ１、Ｑ２により構成
されている。トランジスタＱ１のベースは抵抗Ｒ３を介
してそのエミッタに、また抵抗Ｒ４を介してエミッタ接
地のトランジスタＱ２のコレクタと接続されており、ト
ランジスタＱ２のベースに充電信号が入力される。トラ
ンジスタＱ１のエミッタには高圧電源が接続される。ト
ランジスタＱ１のコレクタは逆起電力を遮断するための
ダイオードＤ２を介して第１図のコイル７を構成するコ
イルしに接続されている。

一方、スイッチ６はトランジスタＱ３〜Ｑ５により構成
されている。トランジスタＱ３のエミッタは電流方向を
保障するダイオードＤ４を介して低圧電源に接続される
。トランジスタＱ３のベースは抵抗Ｒ８を介してトラン
ジスタＱ４のコレクタに、またトランジスタＱ３のコレ
クタはトランジスタＱ４のエミッタとともにコイルしに
接続されている。トランジスタＱ４のベースは抵抗Ｒ６
を介してそのエミッタと接続されるとともにエミッタ接
地のトランジスタＱ５のコレクタと接続されている。回
生４８号はトランジスタＱ５のベースに入力される。

以上のように構成されたスイッチ５．６のトランジスタ
Ｑ１、Ｑ３はそれぞれ充電信号および回生信号のハイレ
ベルにより導通する。

第３図に第２図の回路の動作時のタイミングチャート図
を示す、第３図は第２図中に示された充電信号、回生信
号、各電圧■１、Ｖｐ、電流１１、および圧電素子３の
寸法歪（変形状態）を示している。

以下第３図を参照して以上の構成における動作につき説
明する。

圧電素子３を駆動する場合、まず、期間ｔ１において充
電信号をハイレベルにし、スイッチ５のトランジスタＱ
１を導通させる。これにより高圧電源からコイル７（Ｌ
）および圧電素子３の直列回路に電源が供給され、圧電
素子３が充電される。その際、コイル７の両端電圧ＶＪ
２は第３図４段目に示すように圧電素子３との共振によ
り正から負に変化し、これに応じてコイル７の電流は第
３図３段目に示すように変化する。このとき、圧電素子
３の充電に従って圧電素子３の端子電圧Ｖｐが第３図５
段目に示すように上昇する。圧電素子３はこの充電の進
行に応じて第３図最下段に示すように変形する。

続いて、充電信号をローレベルにして期間ｔ１を終了さ
せるが、スイッチ５を遮断しても圧電素子３の電荷はす
ぐには逃げず、その端子電圧Ｖｐはほぼ同電位に保たれ
る。

続いて期間ｔ２において回生信号をハイレベルにすると
、スイッチ６のトランジスタＱ３が導通し、圧電素子３
の充電電荷の低圧電源への回生が開始される。このとき
コイル７は低圧電源に接続されるため、第３図４段目に
示すように、その両端の電位ＶＪｔは高圧電源と低圧電
源の電圧差分だけさらに負方向に変化する。従りて、電
流■１の大きさは第３図３段目に示されるごとく、従来
のように高圧電源に回生ずる場合よりも太きくなり、第
３図５段目、６段目のように速やかに圧電素子３の充電
電位（Ｖｐ）をＯに戻し、圧電素子３の形状を原形に復
帰させることができる。さらに、この放電時には、従来
のように抵抗による放電を行なわず、また放電電流を全
て電源に回生ずるため、発熱が小さく、電力効率が大き
く改善される。この効果は、圧電素子の駆動を高速で繰
り返す場合でも全く同じである。

また、第３図のように、充電期間ｔ１および回生（放電
）期間ｔ２の間に休止期間ｔ３を置くことで、この期間
ｔ３の間圧電素子３の電位をほぼ同一に保持できる。こ
れにより、圧電素子３の寸法歪とその端子電位Ｖｐの変
化との間に駆動系４の機構の遅れによフて位相差が生じ
ても、この期間ｔ３の長さを調節することにより駆動系
４の遅れに圧電素子３の端子電圧Ｖｐ、すなわち圧電素
子３の変形量を適合させることができ、電気エネルギー
から機械エネルギーへの変換効率を向上させることがで
きる。

第１図の回路は第４図（Ａ）に示すように構成すること
もできる。第４図（Ａ）において第２図と異なっている
のは、圧電素子３、コイル７の接続点および接地電位間
にトランジスタＱ６からなるスイッチ８を接続している
点である。トランジスタＱ６のコレクタ、エミッタはそ
の逆方向の電圧をバイパスするダイオードＤ３により接
続されている。このスイッチ８は圧電素子３の両端を短
絡するもので、短絡信号のハイレベルにより導通する。

第４図（Ａ）の回路は第４図（Ｂ）に示すようなタイミ
ングで制御される。第４図（Ｂ）では、短絡信号が非駆
動期間ではハイレベルであり、充電信号がハイレベルに
なってから期間ｔ４の間継続してハイレベルに保持され
る。これにより、期間ｔ４においてはスイッチ８を介し
てコイル７のみが通電され、コイル７に電気エネルギー
が蓄積される。この期間ｔ４では電流■１は直線的に増
加する。

期間ｔ４の長さは期間ｔ４終了後の実際の充電期間の初
期電流値を決定するため、この期間の長さを適当に設定
することにより、充電終了時の圧電素子３の充電電圧を
回生期間に完全に回生できるだけの電圧に制御すること
ができる。圧電素子３に抵抗分があるため減衰振動を行
ない完全に回生を行なうことができない。依って、減衰
弁を見込んで充電時に例えば電源電圧の２倍位に充電す
ると、回主によって圧電素子の電圧をほぼ０にすること
ができる。このような短絡制御を用いれば必ずしも低圧
電源は必要ではなく、スイッチ６の回生光を第４図（Ａ
）の高圧電源としても完全な回生を行なうことができる
。この実施例においても、抵抗による無駄な電力消費が
ないため、効率的な圧電素子駆動装置を提供できる。

また、第４図（Ｂ）に示すように、回生終了後、非駆動
期間において短絡信号をハイレベルとし、スイッチ８を
短絡させることにより、駆動系の反作用により生じる圧
電素子の逆起電力を接地電位に流し圧電素子および駆ｗ
Ｊ系の制動を行なうことが可能である。あるいは圧電素
子３に残留電荷があってもこれを完全に放電できる。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、所定の機減
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
電素子に寸法歪を発生させＷｉ動力を得る圧！素子駆動
装置において、圧電素子と、この圧電素子に直列接続さ
れたコイルと、前記圧電素子とコイルの直列回路に第１
の電源を接続する第１のスイッチ手段と、前記圧電素子
とコイルの直列回路に、前記第１の電源と出力が等しい
かまたはそれよりも低圧の第２の電源を接続する第２の
スイッチ手段を設け、前記圧電素子の駆動期間において
は第１のスイッチ手段を導通させ第１の電源により圧電
素子を充電して圧電素子を変形させ、続いて第１のスイ
ッチ手段を遮断した後第２のスイッチ手段を導通させ圧
電素子の充電電荷を第２の電源に回生じ圧電素子を原形
に復帰させる構成を採用しているので、圧電素子の原形
復帰時の放電電流を第２の電源に第２のスイッチ手段を
介して回生ずることができる。この際、従来のように放
電電流を抵抗などを介して接地電位に流すことがないた
め、無駄な電力消費を防止できる。

また、圧電素子およびコイルの接続点を接地電位と接続
する第３のスイッチ手段を設け、この第３のスイッチ手
段を駆動期間初期において所定時間短絡することにより
上記回生条件に通した圧電素子の充電終了時の充電電位
設定が可能であるとともに、非駆動期間においては、第
３のスイッチ手段を短絡させることにより駆動系の制動
および残留電荷の完全な放出が可能であり、駆動効率を
向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した圧電素子駆動装置の構成を示
す回路図、第２図は第１図の回路を詳細に示した回路図
、第３図は第２図の回路の動作を示したタイミングチャ
ート図、第４図（Ａ）は異なる圧電素子駆動装置の構成
を示した回路図、第４図（Ｂ）は第４図（Ａ）の回路の
動作を示したタイミングチャート図、第５図以降は従来
構造を示すもので、第５図は従来の圧電素子駆動装置の
−例を示した回路図、第６図は第５図の回路における動
作を示したタイミングチャート図、第７図は異なる従来
回路を示した回路図、第８図は第７図の回路における動
作を示したタイミングチャート図、第９図は従来方式の
欠点を示したタイミングチャート図である。 ３・・・圧電素子　　　　４・・・駆動系５．６．８・
・・スイッチ Ｒ３、Ｒ４、Ｒ６〜Ｒ８・・・抵抗 Ｄ２〜Ｄ４・・・ダイオード Ｑ１〜Ｑ５・・・トランジスタ Ｌ・・・コイル 一名元し［二フイＳ〉グ今七−ト詔 第３図 壬電禾子１■ｎ状紅ｎの路め 第１図 ａａ／ｌ詳搏φ口貸絽 第２図 票「ｊう０詠積八ｎω訪絽 ′！Ｊ４図（Ａ） 凋丁Ｊり艶ｎ５ｐ斤、し丁でフイミ）ブイセードめ第４
図（８） ｉヤ 糸も籟め欠、ぐ、２斤、しヒフイミゾ゛令セーＦ咽第９
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を発生させ駆動力を得る
   圧電素子駆動装置において、 圧電素子と、 この圧電素子に直列接続されたコイルと、 前記圧電素子とコイルの直列回路に第１の電源を接続す
   る第１のスイッチ手段と、 前記圧電素子とコイルの直列回路に、前記第１の電源と
   出力が等しいかまたはそれよりも低圧の第２の電源を接
   続する第２のスイッチ手段を設け、前記圧電素子の駆動
   期間においては第１のスイッチ手段を導通させ第１の電
   源により圧電素子を充電して圧電素子を変形させ、続い
   て第１のスイッチ手段を遮断した後第２のスイッチ手段
   を導通させ圧電素子の充電電荷を第２の電源に回生し圧
   電素子を原形に復帰させることを特徴とする圧電素子駆
   動装置。 ２）前記圧電素子とコイルの接続点と接地電位を短絡さ
   せる第３のスイッチ手段を設け、前記第１のスイッチ手
   段の導通期間初期において同時に所定時間第３のスイッ
   チ手段を所定期間導通させ前記圧電素子の充電終了タイ
   ミングにおける充電電位を制御することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の圧電素子駆動装置。 ３）前記圧電素子の非駆動期間では、前記第３のスイッ
   チ手段を導通させ前記駆動系の反作用により生じる圧電
   素子の逆起電力あるいは残留電荷を接地電位に流し圧電
   素子および駆動系の制動を行なうことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項または第２項に記載の圧電素子駆動装
   置。