JPH0468869B2 - - Google Patents

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JPH0468869B2
JPH0468869B2 JP58072372A JP7237283A JPH0468869B2 JP H0468869 B2 JPH0468869 B2 JP H0468869B2 JP 58072372 A JP58072372 A JP 58072372A JP 7237283 A JP7237283 A JP 7237283A JP H0468869 B2 JPH0468869 B2 JP H0468869B2
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JP
Japan
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piezoelectric body
piezoelectric
piezoelectric actuator
coil
excitation
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Takeshi Yano
Shinichi Hori
Izumi Fukui
Eiichi Sato
Osamu Inui
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Nippon Electric Co Ltd
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065—Large signal circuits, e.g. final stages
    • H02N2/067—Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses

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  • Acoustics & Sound (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Dot-Matrix Printers And Others (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧電アクチエータ励振回路に関する。
ドツトマトリクス式あるいはインクジエツト式
プリンタの印字ヘツドにおける駆動源として、圧
電体を用いた圧電アクチエータが用いられること
が多い。このような用途の圧電アクチエータとし
て、例えばアメリカ米国特許第3614486号明細書
に記載された往復駆動機構の圧電アクチエータが
知られている。このような圧電アクチエータでは
圧電体に電圧を印加したときに寸法歪が発生し、
この寸法歪がワイヤあるいはインク粒子発生機構
など往復動を行う機械機構に伝達された印字動作
を行う。圧電体に直流の励振電圧を印加したとき
生ずる寸法歪は、時間とともに正弦波状に変化す
る振幅の往復動となる。通常の印字ヘツドは一回
の駆動ごとに一つの点を印字するように構成され
ており、これに適合するよう一回の励振電圧印加
ごとに正弦波状の往復動を一周期分だけ行わせる
圧電アクチエータ励振回路が必要である。
第１図および第２図はそれぞれ従来の圧電アク
チエータ励振回路を示すブロツク図およびタイム
チヤートである。圧電体３は圧電アクチエータ９
の駆動源であり、直流の励振電圧の印加時に寸法
歪を発生し機械的な機構８に往復動をさせる。圧
電体３の一方の電極は抵抗Ｒを介してスイツチ１
および２に接続しており、他方の電極は接地して
いる。スイツチ１はトランジスタを用いたスイツ
チ回路であり、駆動信号のパルスの立上り時間内
にだけ励振電圧を抵抗Ｒを介して圧電体３に印加
する。すなわち圧電体３の電極間の圧電Vaは、
駆動信号のパルスの立上り時間内だけ立上る。こ
れに応じて圧電体３に流れる電流Iaは、電圧Va
の立上り時にインパルス状の充電電流Icとなつた
あと、圧電体３の寸法歪の往復動周期に等しい周
期の正弦波電流となる。スイツチ２もトランジス
タを用いたスイツチ回路であり、復元信号のパル
スの立上り時間内だけ圧電体３の両電極間を抵抗
Ｒを介して短絡する。駆動信号のパルス幅は圧電
体３の寸法歪の往復動の一周期に等しくなるよう
選定されており、駆動信号のパルス立上り時間内
に圧電体３の寸法歪が丁度一周期の間だけ往復動
した直後に、圧電体３の両電極間が抵抗Ｒを介し
て短絡され電流Iaは充電電流Icと逆向きの放電電
流Idまで達したあとゼロに復帰する。
このように従来の圧電アクチエータ励振回路で
は、一回の駆動ごとすなわち駆動信号のパルスの
立上り時ごとに圧電体３が瞬時に充電され、この
あと圧電体３の寸法歪の往復動の振幅がゼロに復
帰したときに、圧電体３の両電極間を短絡して充
電電荷を放電させる必要があり、駆動時の充電電
流Icおよび復帰時の放電電流Idは相当大きな値、
例えば５ないし10アンペアＡに達するので、過大
な電流によりスイツチ１および２が破損し、ある
いはスイツチ１および２の耐用寿命が短かくな
る。また充分な電流容量を得ようとすると、スイ
ツチ１および２が大型化して、この回路を使用す
るプリンタ等の小型化が達成できない。更に、一
回の振動ごとに圧電体３に充電させた電荷が短絡
放電されるので、この分だけ余分な電力が消費さ
れる。
本発明の目的は、上記の欠点を除去し駆動時に
過大な充放電電流を発生せず消費電力が従来より
も少なくて済む圧電アクチエータ励振回路を提供
することにある。
本発明の回路は、往復動を行う機械機構８とこ
れに接続しており電極間に印加される励振電圧に
応じて寸法歪を発生し前記機械機構の往復動を駆
動する圧電体３とをもつ圧電アクチエータ９と、
該圧電体３の前記電極に直列接続したコイルＬ
と、前記励振電圧の印加タイミングを示す駆動信
号に応答して前記コイルＬを介し前記圧電体３に
前記励振電圧を印加する第１のスイツチ手段４
と、前記コイルＬに直列接続した抵抗R1と、前
記寸歪の制動タイミングを示す制動信号に応答し
て前記圧電体３の充電電荷を前記コイルＬおよび
前記抵抗R1を介し放電する第２のスイツチ手段
５とを備えている。
次に図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第３図および第４図は本発明の第１の実施例を
示す回路図およびタイムチヤートである。圧電体
３は圧電アクチエータ９の駆動源であり、励振電
圧の印加時に寸法歪を発生し、これを機構８に与
えて往復動をさせる。
第６図は実施例における圧電アクチエータ９の
構成例を示す側面図である。同図はインパクト印
字ユニツト用の圧電アクチエータを示す。圧電体
３は取付部１０に一端を固定してあり、励振電圧
印加時に電圧縦効果により破線矢印ＡおよびＢで
示す向きの寸法歪を発生する。この寸法歪は第１
および第２のレバー機構１１および１２により拡
大伝達され、印字ワイヤ１４を取付けてある可動
部材１３へ破線矢印ＤおよびＣで示す向きの偶力
として作用する。これに応じて印字ワイヤ１４が
破線矢印Ｅで示す向きにインパクト動作を行な
い、電圧体３の励振電圧印加が終るともとの位置
に戻る。このようなインパクト印字ユニツトで
は、電圧縦効果形の圧電体３を用いているので、
電圧横効果形のものと比べて電気機械結合係数が
大きく、く、所要の寸法歪を得るために要する電
力が少なくてすみ、且つ寸法を小形にできる。
このような圧電アクチエータ９の圧電体３の一
方の電極はコイルＬを介してスイツチ回路４に接
続され、更に抵抗R1を介してスイツチ回路５に
接続されており、他方の電極は接地接続されてい
る。スイツチ回路４は、駆動信号のパルスの立上
り時間内にだけ、コイルＬを介して励振電圧を圧
電体３に印加する。すなわち、スイツチ回路４の
トランジスタQ2のベースに印加されている駆動
信号が低レベルＬ電圧のときには、トランジスタ
Q2のコレクタ・エミツタ間が遮断状態であり、
このときトランジスタQ1のコレクタ・エミツタ
間が遮断状態になるので、スイツチ回路４の出力
端の電圧Vbはゼロである。駆動信号のパルスが
立上つて高レベルＨ電圧になると、トランジスタ
Q2のコレクタ・エミツタ間が導通状態になり、
トランジスタQ1にベース電流が流れトランジス
タQ1のコレクタ・エミツタ間が導通状態になる。
これに応じて電圧Vbは励振電圧にほぼ等しい高
さまで立上る。従来と異なり、圧電体３には直列
にコイルＬが接続されているので、電圧Vbの立
上り時間内にコイルＬを介して圧電体３に流れる
電流Ibは、従来のような瞬時充電電流を生ぜず、
正弦波状のみの電流である。駆動信号のパルス幅
は圧電体３の寸法歪の往復動な一周期に等しく選
定されており、駆動信号のパルス立上り時間内に
圧電体３の寸法歪は丁度一周期だけ往復動を行
い、この直後に電圧Vbがゼロに立下る。この間
すなわち電圧Vbの立上り時間内に電流Ibはほぼ
２周期の正弦波状電流となるから、電圧Vbの立
下り時には圧電体３の充電電荷がほぼゼロにな
る。
しかし、圧電体３の寸法歪の振動周期が各駆動
時とに同一とはならないような使用状態、例えば
圧電体３がワイヤ１４（第６図参照）から機構８
を介して受ける反作用力の大きさに駆動時ごとの
ばらつきがあるような場合には、圧電体３の充電
電荷が毎回の駆動終了時にゼロになるとは限ら
ず、残留電荷が累積して印字の濃淡むらを生ずる
などの不具合の原因になる。第３図の回路は、こ
のような不具合の発生を防止するために、抵抗
R1およびスイツチ回路５からなる制動手段を設
けたものである。
すなわち、インパクトプリンタのワイヤ１４の
駆動時には、駆動信号の印加にともなつてワイヤ
１４が機械的に運動し始める必要があるが、駆動
信号終了後は可及的速やかにワイヤ１４の運動を
終止させることが必要である。さもなければワイ
ヤ１４の残留運動が終止しない状態で次の駆動信
号の印加にともなうワイヤ１４の運動が重畳され
る結果となり、ワイヤ１４の運動のむらを生じて
印字の濃淡むらを起こす。この運動のムラを防止
するには、駆動信号終了時に機構８が持つている
機械的エレルギーを迅速に放出させることが必要
である。圧電体３のような圧電型電気機械変換素
子では、一般に機械エネルギーを電気エネルギー
に変換する変換効率を制限するものは、素子の電
気端子間に等価的に存在する静電容量である。す
なわち、圧電体３の電極間に抵抗器を接続して圧
電体３に与えられた機械エネルギーを電気的に吸
収させようとしたとき、機械エネルギーから変換
された電気エネルギーは、折角電気エネルギーに
変換されながらも電極間に存在する等価静電容量
に電気エネルギーとして蓄積されてしまうため、
抵抗器に消費される単位時間当りのエネルギーは
小さなものになつてしまう。本実施例では、上述
のキヤパシテイブなリアクタンス成分をコイルＬ
のインダクテイブなリアクタンス成分の付加によ
つて相殺し、抵抗器で単位時間当り消散されるエ
ネルギーを大きくして、駆動信号終了時に速やか
にワイヤ１４の運動を制動できる。
第３図において、駆動信号のパルスの立下り直
後にＨ電圧に立上る制動信号がスイツチ回路５の
トランジスタQ3のベースに印加されると、トラ
ンジスタQ3のコレクタ・エミツタ間が導通状態
になり、抵抗R1の一端が接地される。これによ
つて圧電体３、コイルＬおよび抵抗R1からなる
直列閉路が形成され、この閉路を通して圧電体３
の残留電荷を放電させる。この放電時に直列閉路
に流れる放電電流が臨界制動（クリテイカル・ダ
ンピング）的になるよう抵抗R1の値を定めるこ
とにより、残留電荷を速かに放電でき圧電アクチ
エータの駆動の繰返し時間を短絡できるから、圧
電アクチエータの動作の高速化を図ることができ
る。
なお、スイツチ回路４（あるいは５）には交流
電流が流れるので、トランジスタQ1に対する逆
方向電流を阻止するためのダイオードD1および
逆方向電流のバイパス（側流）するためのダイオ
ードD2（あるいはD3）を接続して、交流電流を流
し得るようスイツチ回路４（あるいは５）を構成
してある。
以上に説明したごとく、コイルＬを介して圧電
体３に励振電圧を印加することにより、従来のよ
うな過大な充電電流および放電電流は生じなくな
るり、スイツチ回路４および５を小型化できると
ともに、駆動時の消費電圧を軽減できる。コイル
Ｌのインダクタンスと、これに対応する駆動信号
のパルス幅とは、それぞれ下記のようにして決定
する。まず、圧電アクチエータ９を機器に組込ん
で実際の使用状態で実験すると（あるいは、その
実験のシミユレーシヨンを行うと）、ステツプ状
に立上る直流電圧が電圧体３に印加されたあとの
寸法歪の往復動の波形を観測できる。
機構８と圧電体３とは全体として一つの機械共
振系を形成しており、スイツチ１をオンとした後
の圧電体の歪は第４図に示すように零から出発し
て最大値に達し再び零にもどるがスイツチ１をそ
のままオンにしておけばそのまま再び歪は次の最
大値に達する。機構８は略完全に圧電体３と連動
しているので、機構８の残留運動を可及的に小さ
くすことには、第４図に示すように圧電体３の歪
が最小化した時点でスイツチ１をオフしてやれば
良い。圧電体３の歪はコイルＬのインダクタンス
値により影響は受けるが、基本的は動作は変らな
い。次にコイルＬを通して圧電体３に流れる電流
Ibは、第４図に示される通り略減衰する正弦波の
形となる。この時の正弦波の基本周期が略コイル
Ｌのインダクタンス値と圧電体３の等価静電容量
と値とで決定される。ここでスイツチ１をオンし
ておく時間幅は、消費電力が最小となる様に設定
するのが適切である。すなわち、電流Ibが負から
正に移行する時点でスイツチ１をオフする。つま
り電流Ibが圧電体３側にもどされ始める時点、換
言すればエネルギーの回収が最大となつた時点で
振動電圧と圧電体３との接続を切断する。このよ
うなインダクタンス値の選び方として、第４図に
は電流Ibが正→負→正→負と２サイクル経過した
あとの負から正に移る次点を丁度圧電体３の歪が
最少となつた時点に一致させる場合を例示してあ
るが、これ以下のサイクル数経過後でも、要する
に電流Ibが負から正に移る時点を圧電体３の歪最
少点に一致させれば良い。
第５図は本発明の第２の実施例を示すブロツク
図である。同図の回路は、第３図における制動信
号として、駆動信号の電圧の高低をインバータ６
で反転した信号を用い、これをスイツチ回路５に
送るようにしたものである、これとは逆に、第３
図における駆動信号として、制動信号をインバー
タに通してスイツチ回路４に送るようにしてもよ
く、いずれの場合も励振電圧の印加および残留振
動の制動の正確なタイミングを容易に得ることが
できるという利点がある。
以上の説明から明らかなように、本発明には駆
動時に過大な充放電電流が流れず消費電力が従来
よりも少なくて済む圧電アクチエータ励振回路を
実現できるという効果がある。更に、駆動直後に
おける圧電アクチエータの残留振動を急速に減衰
させ制動し得るので、機械機構の往復動を高速度
化できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図はそれぞれ従来の圧電アク
チエータ励振回路を示すブロツク図およびタイム
チヤート、第３図および第４図はそれぞれ本発明
の第１の実施例を示す回路図およびタイムチヤー
ト、第５図は本発明の第２の実施例を示すブロツ
ク図、第６図は本発明の実施例における圧電アク
チエータの構成例を示す側面図である。 ３……圧電体、４，５……スイツチ回路、６…
…インバータ、Ｌ……コイル、R1〜R3……抵抗、
Q1〜Q3……トランジスタ、D1〜D3……ダイオー
ド、８……機構、９……圧電アクチエータ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 往復動を行う機械機構８とこれに接続しており
    電極間に印加される励振電圧に応じて寸法歪を発
    生し前記機械機構の往復動を駆動する圧電体３と
    をもつ圧電アクチエータ９と、該圧電体３の前記
    電極に直列接続したコイルＬと、前記励振電圧の
    印加タイミングを示す駆動信号に応答して前記コ
    イルＬを介し前記圧電体３に前記励振電圧を印加
    する第１のスイツチ手段４と、前記コイルＬに直
    列接続した抵抗R1と、前記寸法歪の制動タイミ
    ングを示す制動信号に応答して前記圧電体３の充
    電電荷を前記コイルＬおよび前記抵抗R1を介し
    放電する第２のスイツチ手段５とを備えたことを
    特徴とする圧電アクチエータ励振回路。 ２ 前記コイルＬは、前記圧電アクチエータ９に
    発生する寸法歪の往復動の復帰時刻における前記
    圧電体３の充電電荷が実質的にゼロとなるよう定
    めたインダクタンス値をもつ特許請求の範囲第１
    項記載のアクチエータ励振回路。 ３ 前記駆動信号は、前記圧電アクチエータ９に
    発生する寸法歪の往復動の復帰時間の長さに実質
    的に等しい時間幅のパルスである特許請求の範囲
    第１項記載の圧電アクチエータ励振回路。 ４ 前記第１のスイツチ手段４は、前記駆動信号
    に応答して前記圧電体３へ前記励振電圧の印加を
    行うトランジスタ・スイツチと該トランジスタ・
    スイツチの順方向に対し逆向きに生ずる励振電流
    を側流するためのダイオードＤ２とを有する特許
    請求の範囲第１項記載の圧電アクチエータ励振回
    路。 ５ 前記第２のスイツチ手段５は、前記制動信号
    に応答して前記圧電体３の前記充電電荷の放電を
    行うトランジスタ・スイツチと該トランジスタ・
    スイツチの順方向に対し逆向きに生ずる放電電流
    を側流するためのダイオードＤ３とを有する特許
    請求の範囲第１項記載の圧電アクチエータ励振回
    路。 ６ 前記抵抗Ｒ１は、前記放電時に該抵抗Ｒ１と
    前記コイルＬと前記圧電体３とが形成する直列回
    路における臨界振動条件を実質的に満足するよう
    定めた抵抗値をもつ特許請求の範囲第１項記載の
    圧電アクチエータ励振回路。 ７ 前記駆動信号および前記制御信号のうちいず
    れか一方は他の一方の電圧の高低を反転した信号
    である特許請求の範囲第１項記載の圧電アクチエ
    ータ励振回路。 ８ 前記圧電体３は、前記励振電圧の印加時に圧
    電縦効果により前記寸法歪を発生する特許請求の
    範囲第１項記載の圧電アクチエータ励振回路。 ９ 前記圧電体３は前記寸法歪を拡大し印字ワイ
    ヤ１４に伝達して該印字ワイヤ１４に往復動を生
    じさせるよう構成した前記機械機構８に接続して
    いる特許請求の範囲第１項の記載の圧電アクチエ
    ータ励振回路。
JP58072372A 1983-04-25 1983-04-25 圧電アクチェータ励振回路 Granted JPS59198885A (ja)

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CA000452787A CA1219036A (en) 1983-04-25 1984-04-25 Drive circuit for piezoelectric stack
US06/603,816 US4595854A (en) 1983-04-25 1984-04-25 Drive circuit for piezoelectric stack
DE8484104640T DE3485277D1 (de) 1983-04-25 1984-04-25 Antriebsschaltung fuer eine piezoelektrische stapeleinheit.
EP84104640A EP0126325B1 (en) 1983-04-25 1984-04-25 Drive circuit for piezoelectric stack
KR8402203A KR890005229B1 (en) 1983-04-25 1984-04-25 Drive circuit for piezoelectric stack
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