JPH0471858A - 圧電素子の駆動装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は圧電素子の駆動装置に関し、更に詳細には低消
費電力、低発熱、低コストを実現し得る圧電素子の駆動
装置に関する。

［従来の技術］ 圧電素子はコイルとともに充電及び放電を繰り返しつつ
所定の周波数で共振し得るものである。

しかしプリンタにおける印字ワイヤの駆動に用いる場合
など、−回の変位における変位状態を所定の時間維持す
ることを必要とする場合もある。この様な場合の駆動装
置として、例えば特開昭６３１３０３５７号公報に示さ
れる装置が公知である。

この装置は、第５図の様に構成される。即ち圧電素子１
０２には、スイッチングトランジスタ１０３のエミッタ
ーコレクタ間を介して電源１０１の電源端子に接続され
る。このスイッチングトランジスタ１０３は駆動信号Ｖ
２が入力された場合に圧電素子１０２に電源電圧を印加
する。またこの圧電素子１０２にはダイオード１１０が
前記スイッチングトランジスタ１０３がオン状態におい
て逆方向に電圧がかかる向きに並列接続されている。さ
らに前記圧電素子１０２の非アース側端子には、コイル
１０５の一端が接続され、更にこのコイル１０５の他端
は、ダイオード１０９を介して前記電源１０１の電源端
子に接続されている。

このダイオード１０９は、前記圧電素子１０２から電源
端子側にのみ電流を流す向きとなっている。

前記ダイオード１０９とコイル１０５の接続線は、スイ
ッチングトランジスタ１０６のコレクタに接続されてい
る。このスイッチングトランジスタのエミッタはアース
に接続され、ベースはスイッチングトランジスタ１０８
のコレクタに接続されている。このスイッチングトラン
ジスタ１０８のエミッタは抵抗を介して圧電素子１０２
の非アース側端子に接続されている。前記スイッチング
トランジスタ１０８のエミッタはスイッチングトランジ
スタ１０７のコレクタに接続され、エミッタはアースに
接続されている。またこのスイッチングトランジスタ１
０７のベースは解除信号■３が入力されている。

以上の様な装置において、駆動信号ｖ２がノ＼イとなる
と、スイッチングトランジスタ１０３が導通状態となる
。すると前記電源端子からの電荷は、スイッチングトラ
ンジスタ１０３を介して圧電素子１０２に充電され、圧
電素子１０２が変位する。

圧電素子１０２の変位を解除するときは前記駆動信号Ｖ
２をロウとするとともに前記解除信号Ｖ３をハイとする
。すると新たな電荷の供給か遮断されるとともに、前記
スイッチングトランジスタ１０７が導通となる。すると
スイッチングトランジスタ１０８のベース電圧がＯｖと
なる。一方スイツチングトランジスタ１０８のエミッタ
は前記充電状態にある圧電素子に接続されているため所
定の電圧がかかっている。そのためスイッチングトラン
ジスタ１０８のベース−エミッタ間に所定の電圧がかか
りスイッチングトランジスタ１０８が導通状態となる。

従って、スイッチングトランジスタ１０６のベースに前
記圧電素子１０２の端子電圧と同等の電圧がかかり、ス
イッチングトランジスタ１０６か導通状態となる。従っ
て圧電素子１０２（ここではコンデンサと等価）とコイ
ル１０５が直列に並ぶ共振回路を構成することになる。

そのためコイル１０５に流れる電流及び電圧はコイル１
０５のインダクタンス及び圧電素子１０２のキャパシタ
ンスによって決まる所定の周期の正弦波となり、その位
相差は回路内の純抵抗成分を無視すれば９０度となる。

またこのとき回路内に純抵抗がほとんどないため回路内
の損失はない。このようにコイル１０５にかかる電圧は
正弦波状となるので、解除信号がハイとなった後、前記
周期の４分の１の時間が経過すると前記コイルにかかる
電圧が零となる。このとき前記スイッチングトランジス
タ１０８のエミッタがＯＶとなるため、該スイッチング
トランジスタ１０８かオフとなり、同時にスイッチング
トランジスタ１０６もオフとなる。するとコイル１０５
に蓄積された電流はすべてダイオード１０９を介して電
源に流れ込む。このため放電した電荷を熱消失すること
がなく、低発熱、低消費電力を実現する。

［発明が解決しようとする課題］ このような圧電素子には所定の負荷が接続されるが、こ
のような負荷は比較的大きな質量を有する。またこのよ
うな圧電素子は板ばねの様な弾性部材により、変位を解
除する方向に付勢されている。また圧電素子は引っ張り
方向の応力に弱いため、励起を解除して伸縮させるとき
には可動子か圧電素子と機械的に切り放される構成した
ものもある。このため励起を解除すると、圧電素子の伸
縮の後微小時間遅れて可動子か板ばねにより戻る。

このため励起解除後の微小時間後に前記圧電素子に可動
子が衝突し、圧電素子の電極に電荷が励起される。

しかしながら上記の如く構成した駆動装置を用いると、
前記圧電素子の両端子はスイッチングトランジスタ６が
オフとなるために電気的に遮断状態となっている。この
ため前記両端子に生じた電荷は前記圧電素子に蓄積され
る。従って、この蓄積された電荷により圧電素子にわず
かな変位が生じる。このため例えば圧電素子をプリンタ
における印字ワイヤの駆動機構に用いた場合等では、印
字ワイヤがわずかに突出した状態となり、印字リボン送
りに支障をきたす等の問題点が生じた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、
その目的は圧電素子に蓄積された電荷を効果的に電源に
帰還させ、低消費電力、低発熱を実現するとともに、非
励起時に圧電素子に残留する電荷を効果的に逃すことに
より、圧電素子の不要な変位を防止することである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明は、一方の端子Ａが圧
電素子の端子Ｂに電気的に接続されるとともに、他方の
端子Ｃが電源と電気的に接続されたコイルと、該コイル
の端子Ｃと前記圧電素子の他方の端子りと電気的に接続
して前記圧電素子と前記コイルとで共振回路を構成する
スイッチ手段と、前記圧電素子の変位の解除が指示され
た場合に、スイッチ手段を導通させ、所定時間が経過し
た後、前記スイッチ手段を遮断する制御手段とを備える
ことを特徴とする。

［作用］ 上記構成を有する本発明において、圧電素子を変位させ
る場合は、前記制御手段により第１のスイッチ手段を導
通させる。すると該第１のスイ・ソチ手段を介して電源
より電荷が圧電素子に流入し、圧電素子が変位する。こ
の導通時間は最低前記圧電素子に十分な電荷が蓄積され
るまで行われる。

一方この圧電素子の変位を解除する場合は、前記第１の
スイッチ手段を遮断された状態で前記制御手段により前
記第２のスイ・ソチ手段を導通状態とする。この状態に
おいて前記圧電素子と前記コイルは共振回路を構成し、
前記圧電素子に蓄積されていた電荷は、コイルを介して
流出及び圧電素子に対する再蓄積を繰り返す。前記電荷
かコイル中を流れている状態時まで待機し、その後、第
２のスイッチ手段が導通した後所定の時間が経過したこ
とが示されると前記制御手段は第２のスイ・ソチ手段を
遮断する。すると前記コイルを流れる電流は、前記電源
に流入する。

［実施例］ 以下、本発明を、インパクト型ド・ソトブリンク用印字
ヘッドの印字ワイヤを駆動する圧電型アクチュエータの
駆動源である圧電素子の駆動回路に適用した場合におけ
る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

圧電型アクチュエータは多数の第１図に示す圧電素子Ｐ
が一直線方向に沿って積層されて成る積層圧電素子１０
を備えている。積層圧電素子１０は、第２図に示す様に
各々が積層圧電素子１０と平行に延び、かつ積層圧電素
子１０を中心として積層方向と直角な方向に並ぶ２つの
フレーム１２゜１４に支持されている。

積層圧電素子１０の両端面にはそれぞれ共に直方体状を
成す可動子１６と温度補償材１８とが固着されている。

可動子１６の積層方向に平行な一側面が、互いに重ね合
わせられた一対の板ばね２０．２２を介してフレーム１
２の面２４に対向させられ、また、温度補償材１８の積
層圧電素子１０との固着面とは反対側の背面が、フレー
ム１２の面２６に対向させられている。可動子１６と板
ばね２０、及び板ばね２２とフレーム１２の面２４はそ
れぞれ互いに固着されているが、板ばね２０．２２同志
はそれらの面に沿って摺動可能に接触させられている。

また、フレーム１２には、温度補償材１８に接触してそ
れを可動子１６に接近させるピン２８が固定されている
。これにより、積層圧電素子１０は、積層方向に僅かな
圧縮力が残る状態でフレーム１２．１４に取付けられて
いる。従って、積層圧電素子１０に電圧が印加されて積
層圧電素子１０が積層方向に延びれば、板ばね２０か板
ばね２２に対して相対的に正方向（図において上方）へ
移動し、一方、積層圧電素子１０から電圧が除去されて
積層圧電素子１０か縮めば、板ばね２０が板ばね２２に
対して逆方向へ移動することとなる。

尚、積層圧電素子１０から完全に電圧が除去されても、
積層圧電素子１０に正方向の残留歪が残り、しかも、こ
の残留歪は積層圧電素子１０の温度が高い程小さくなる
。そのため、積層圧電素子１０に印加される電圧の大き
さが一定に制御され、積層圧電素子１０の変位量が一定
に制御されても、温度が高い場合には積層圧電素子１０
の最大変位位置が正規位置に到達し得ず、温度が高い程
正規位置と最大変位位置との間に残る未到達距離が増大
する。このような事態の発生を回避するために前記温度
補償材１８が設けられている。温度補償材１８は、それ
の温度が高い程大きく膨張するものとされ、この温度補
償材１８が、積層圧電素子１０の変位方向に直列に配置
されている。つまり、積層圧電素子１０の未到達距離を
、温度補償材１８の膨張長さで補償することにより、温
度変化に起因して積層圧電素子１０の最大変位位置が変
動することがないようにされているのである。

前記フレーム１４は積層圧電素子１０より長い長手形状
を成す弾性変型可能な板材で構成されており、フレーム
１４はフレーム１２の温度補償材１８に近接する部分と
可動子１６とを連結している。フレーム１４の機能は後
に説明する。

一対の板ばね２０，２２の積層圧電素子１０の側の端部
とは反対側の端部（図において上側の端部）に、直線的
に延びる溝３２を有する保持部材３４が嵌合されている
。溝３２の幅は板ばね２０゜２２の板厚の和より大きく
されるとともに、各板ばね２０．２２とそれに対向する
溝３２の側面とが互いに固着されている。保持部材３４
からはアーム３６か延び出させられており、このアーム
３６の先端に印字ワイヤ３８が固定されている。この印
字ワイヤ３８は印字リボンを介して印字用紙に対向させ
られている。

従って、積層圧電素子１０が延びて板ばね２０が板ばね
２２に対して相対的に上方へ滑り、保持部材３４が図に
おいて溝３２の中心線をほぼ中心として反時計方向に回
動させられると、印字ワイヤ３８が印字リボンを介して
印字用紙に押し付けられ、印字用紙上にドツトが印刷さ
れる。この状態から積層圧電素子１０が縮めば、保持部
材３４が時計方向に回動させられる結果、印字ワイヤ３
８が非作用位置に復帰する。印字ワイヤ３８の非作用位
置は、フレーム１４に固定の低反発性ゴム製ストッパ４
０にアーム３６が当接することによって規定される。

以上の説明から明らかなように、圧電型アクチュ゛エー
タは、積層圧電素子１０の変位を一対の板ばね２０，２
２、保持部材３４及びアーム３６によって拡大して印字
ワイヤ３８に伝達するものなのである。

尚、印字ワイヤ３８が印字用紙に押し付けられれば、可
動子１６に、可動子１６をそれの中心部をほぼ中心とし
て図において反時計方向に回動させる向きのモーメント
が生し、積層圧電素子１０が積層方向と交差する方向に
屈曲させられるおそれがある。しかし、本実施例におい
ては、積層圧電素子１０が延びれば、それに応じてフレ
ーム１４が弾性的に延びる結果、可動子１６にそれを時
計方向に回動させる向きのモーメントが生ずるから、互
いに逆向きのモーメントが相殺することとなり、積層圧
電素子１０が屈曲することなく直線的に伸縮することが
可能となっている。

次に、積層圧電素子１０の駆動回路を第１図に示す。こ
の実施例においては、出力電圧Ｅの直流電源５１、トラ
ンジスタＴ　ｒ　１　、コイル５３及び圧電素子Ｐが順
次直列に接続され、直流電源５１の負極側と圧電素子Ｐ
の負極となるべき電極側とが接地されている。トランジ
スタＴｒｌの順方向は直流電源５１の正極側から圧電素
子Ｐの正極となるべき電極側に向かう順方向（以下、回
路の順方向という）とされている。

さらに、トランジスタＴｒｌとコイル５３の接続点はト
ランジスタＴｒ２を経て接地されている。

トランジスタＴｒ２の順方向はトランジスタＴｒ１とコ
イル５３の接続点から接地点に向かう方向とされている
。トランジスタＴｒｉ、Ｔｒ２にはそれぞれダイオード
ＤＩ、Ｄ２か並列に接続されており、それぞれのダイオ
ードＤＩ、Ｄ２の順方向はそれぞれのダイオードが並列
に接続されているトランジスタの順方向と逆方向とされ
ている。

そして、直流電源５１の正極側と圧電素子Ｐの正極とな
るべき電極側とはダイオードＤ３で接続されており、そ
のダイオードＤ３の順方向は回路の順方向と逆方向とな
っている。またダイオードＤ３と逆方向にトランジスタ
Ｔｒ３が接続されている。また、圧電素子Ｐには並列に
ダイオードＤ４が接続されており、その順方向は圧電素
子Ｐの負極となるべき電極側から正極となるべき電極側
に向かう順方向とされている。尚、積層圧電素子１０を
構成する多数の圧電素子Ｐは互いに並列に接続されてい
る。

トランジスタＴｒｌ、Ｔｒ２．Ｔｒ３の遮断状態と導通
状態の切り換えはトランジスタ制御回路５５（以下、単
に制御回路５５という）によって行われる。この制御回
路５５は、同時に本装置を搭載するインパクト型プリン
タの全体の制御をも担うもので、マイクロコンピュータ
より構成される。この制御回路５５は、タイマー５５ａ
を内蔵している。

次に制御回路５５の制御について説明する。第３図は、
プリンタの所定のドツトを印字するための所定印字素子
の駆動の制御を抜粋して示すフローチャートである。尚
、この制御回路はこのフローチャートに示される制御の
他に、他の印字素子の駆動及び他のプリンタの制御をも
同時に行う。

まず印字素子の駆動が指示されると、制御回路５５はト
ランジスタＴｒ２を遮断しくＳｌ）、その直後にトラン
ジスタＴｒｉを導通状態とする（Ｓ２）。すると直流電
源５１で発生した電荷は、トランジスタＴｒｌとコイル
５３を介して前記圧電素子Ｐに流れ込む。従ってこの圧
電素子Ｐか変位し、この変位は印字ワイヤ３８を突出さ
せる。

この印字ワイヤ３８は印字リボンを介してプラテン上に
載置された印字用紙を押打する。

制御回路５１は圧電素子Ｐに十分な電荷か蓄積されるま
で待機する（Ｓ３）。すると、コイル５３の作用により
、電流はダイオードＤ３及びトランジスタＴｒｌを介し
た閉電流ループを流れ続け、コイル５３を流れる電流が
保持される。

そして圧電素子Ｐに十分に電荷が蓄積された後、前記制
御装置５１はトランジスタＴｒｌを遮断するとともにト
ランジスタＴｒ３を導通させる（Ｓ４）。すると、前記
コイル５３の作用により該コイル５３に電流が流れ続け
、その電流は、ダイオードＤ３．直流電源５１．ダイオ
ードＤ２を介した閉電流ループ内を流れ続け、やがて減
衰する。

この間に圧電素子Ｐによりわずかに電流が消費されるが
、この電流は前記直流電源５１からトランジスタＴｒ３
を介して圧電素子Ｐに供給される。

つまりこの間前記圧電素子Ｐの変位は保持されたままと
なる。

制御回路５５はコイル５３に流される電流が減衰し、且
つ印字に必要な変位時間の間待機（Ｓ５）し、その後前
記制御回路５５は、前記トランジスタＴｒ３を遮断する
とともに微少時間おくれで前記トランジスタＴｒ２を導
通させる（Ｓ６）。すると圧電素子に蓄積された電荷は
コイル５３及びトランジスタＴｒ２を介した閉電流ルー
プを流れる。このときこの閉電流ループ内に純抵抗はほ
とんどないので電気エネルギーの熱消費はほとんどない
。そして前記圧電素子Ｐに蓄積されていた電荷に起因す
る電気エネルギーは、後述する所定時間の後に、すべて
コイル５３近傍の磁気エネルギーとしてコイルしに蓄積
される。

そして前記制御回路５５は、この瞬間まで待機しくＳ７
）、前記トランジスタＴｒ２を遮断する（Ｓ８）。する
と前記コイル５３の作用により前記コイル５３の電流が
流れ続けようとするため、この電流はダイオードＤ１を
介して前記直流電源Ｅに還元される。つまり前記コイル
しに蓄積された電気エネルギーはすべて直流電源５１に
還元される。

前述の様にして圧電素子Ｐに蓄積されている電荷が直流
電源５１に還元されるまで待機しくＳ９）制御回路５５
は、前記トランジスタＴｒ２を再び導通状態とする（Ｓ
　１０）。これは以下に示す理由による。

前記圧電素子Ｐは前記Ｓ６の処理により伸縮するが、前
記印字ワイヤは、前記プラテンにおける跳ね返り及び板
ばねの弾性により再び突出位置から退避位置に戻る。こ
のため前記Ｓ６より微小時間遅れて圧電素子Ｐに圧縮応
力がかかる。このため圧電素子Ｐは僅かに変位し電極に
電荷が生じる。

また前記印字他の印字素子Ｐの駆動時の振動等が圧電素
子Ｐに伝達され、その振動に起因する応力も圧電素子Ｐ
にかかる。このため圧電素子Ｐには電荷が発生すること
になる。これらの電荷を逃さないと、この電荷は圧電素
子Ｐに蓄積され、圧電素子Ｐを変位させ、印字ヘッド面
より印字ワイヤを僅かに突出させた状態とする。そのた
めＳＩＯにおいて圧電素子Ｐに蓄積された電荷を直流電
源に帰還させるのに十分に時間を経過した後に、前記制
御回路５５は前記トランジスタＴｒ２を再び導通状態と
する。このトランジスタＴｒ２は次の印字ワイヤの駆動
時（Ｓｌ）まで導通状態とされる。次に８７及びＳ９の
待機時間について説明する。

まず、トランジスタＴｒ２を閉じると（時刻ｔ−０）、
圧電素子Ｐ（キャパシタンスＣ）、コイル５３及びトラ
ンジスタＴｒ２より成る閉回路が形成され、圧電素子Ｐ
に蓄えられている静電エネルギーによって、圧電素子Ｐ
よりコイル５３に電流が流れる。このトランジスタを閉
じる時刻をｔ−〇とし、コイル５３にトランジスタＴｒ
２側より圧電素子Ｐ側に流れる電流をｉ　（ｔ）とすれ
ば、トランジスタＴｒ２などに抵抗成分がないと仮定す
ることによって、前述の閉回路より、キルヒホッフの第
２法則より次式を得ることができる。

ただし、ここで、Ｌはコイル５３のインダクタンス、Ｃ
は圧電素子Ｐの静電容量を表す。

いま、ここで圧電素子Ｐの電荷をｑ　（ｔ）とすると、
ｑ　（ｔ）は次式となる。

ｑ（ｔ）−Ｊ　１（ｔ）ｄｔ　　　　　　　　（２）ｉ
（ｔ）　−ｄｑ（ｔ）　　　　　　　　　　　　（３）
ｄｔ これら（２）式及び（３）式を（１）式に代入すること
によって次式を得る。

Ｌ　　　Ｑ（ｔ）十’　　Ｑ（ｔ）　−０（４）ｄｔ”
　　　　ｃ この微分方程式（４）式を解いて、ｑ　（ｔ）を求める
。この式を解くために微分演算子ｐを導入する。この微
分演算子ｐは次式で表される。

ｐ　−ｄ　　　　　　　　　　　　　　　（５）ｄｔ （５）式を（４）式に代入することにより次式を得る。

Ｌｌ）２＋　１−０ （６）式を解くと次式となる。

ただし、ｊは虚数単位である。ここで定数Ａ１゜Ａ２を
導入すれば、ｑ　（ｔ）は次式で表されることになる。

（Ｊｏｆｉ　　　１ （９）式、　　（１０）式、　　（１１）式によって、
（８）式は次のように変形される。

９（ｔ）−Ａｃｏｓ　　ωＯｔ　＋Ｂｓ１ｎ　　ωｏ　
ｔ　　　　（１２）この（１２）式を（３）式に代入す
ることによって、次式を得る。

１（ｔ）＝　ωｏ　　［Ｂｃｏｓ　　（ＡＪＯｔ　−Ａ
ｓｉｎ　　ωｏｔコ次に、時刻ｔ−Ｑにおける初期条件
について考える。時刻ｔ−Ｑ以前においては、印字を行
うために、圧電素子Ｐには電荷が蓄えられている。この
とき圧電素子Ｐの両端の電位差は電源電圧Ｅと等しくな
っている。圧電素子Ｐの静電容量はＣであるので、時刻
ｔ　−Ｑにおける圧電素子Ｐに蓄えられている電荷は次
式で表される。

いま、さらに次式を定義する。

Ａ　−Ａ　、　＋Ａ　２ Ｂ　＝ｊ（Ａ　＋　　Ａ　２　） また、時刻ｔ−Ｑにおいて、トランジスタＴｒ２を閉じ
るため、時刻１−０にはまだコイル５３に電流が流れて
いないことになる。従って、時刻１−０におけるコイル
５３に流れる電流は次式で表される。

（１４）式、　　（１５）式及びｔ−０を（１２）式（
１３）式に代入することによって、定数Ａ及びＢは次の
様になる。

Ａ−ＣＥ　　　　　　　　　　　　　　　　（１Ｂ）Ｂ
　−０（１７） （１６）式及び（１７）式を（１２）式及び（１３）式
に与えることによって、次式が得られる。

ｑ（ｔ）＝ＣＥｃｏｓ　ωｏ　ｔ　　　　　　　　　　
　（１８）ｉ（ｔ）　−−（１，１０ＣＥｓ１ｎ　ωＱ
　ｔ　　　　　　　　（１９）一方、圧電素子Ｐの両端
の電位差をｖ　（ｔ）とすれば、ｖ　（ｔ）は次式で表
される。

（２０）式に（１８）式を代入すれば次式が得られる。

ｖ（ｔ）−Ｅｃｏｓ　　ω、）　ｔ　　　　　　　　　
　　　　　（２１）従って、時刻、ｔ−０にトランジス
タＴｒ２を閉しると、圧電素子Ｐの両端の電位差ｖ　（
ｔ）は、零に達するまで（２１）式で表される値をとる
ことになる。

一方、圧電素子Ｐの両端の電位差ｖ　（ｔ）が零に達す
る時刻は（２１）式の左辺を零とした式を解くことによ
って得られることになる。

Ｅｃｏｓ　　ω□　ｔ　−０（２２） ２．２．２ ２　ωｏ、　　　２　　ω０゜ ここで、時刻１−０から最初に圧電素子Ｐの両端の電位
差ｖ　（ｔ）が零に達するのは（２４）式よ１　π り時刻を−・　　であることがわかる。ω０の２　ω０ 値は（１１）式で定義したので、この値を代入すれば、
時刻ｔ−”　　ｍで得られる。

この時刻ｔ”ｉ　　にトランジスタＴｒ２か開かれると
、コイル５３の電流エネルギーによる電流１　（ｔ）か
、トランジスタＴｒ２を流れることかできなくなるため
、コイル５３．ダイオードＤＩ、直流電源５１．ダイオ
ードＤ４から成る閉回路を電流は流れるようになる。時
刻ｔ、をトランジスタＴｒ２を開く時刻、すなわち次式
のように定義する。

ｔ　、　−Ｗ　　ヱ　　　　　　　　（２５）一方、前
述の閉回路より、キルヒホツフの第２法則によって、次
式が成り立つ。

Ｅ　−−Ｌ　　ｄｉ　（ｔ）　　　　　　　（２６）ｔ （２６）式を解いて次式を得る。

１（ｔ）−一どｔ＋Ｋ　　　　　　　　　（２７）（２
７）式の初期条件について考えると、（１９）式のｔに
（２５）式のｔｌを代入すればよいことになる。従って
、時刻ｔ、のｉ　（ｔ）の値１（ｔｌ）は次のようにな
る。

一ω、　ＣＥ　　　（２ｇ） （２８）式によって、（２７）式の定数Ｋを消去すれば
１−１．以降のｉ　　（ｔ）は次式のようになることが
わかる。

１（ｔ）＝−Ｅ（ｔ　　ｔ　＋　）　＋ωｏ　ＣＥ　　
　　（２９）次に（２９）式より、ｉ　　（ｔ）−０と
なるｔを算出すると次のようになる。

纏ω。ＬＣ＋ｔ。

−ｆτＣ＋ｌ＋　　　　　　　（３０）従って、時刻１
−１．でトランジスタＴｒ２を開くと時間　ＬＣかかっ
てコイル５３の電流エネルギーを直流電源５１に回生ず
ることになる。

これらの動作の圧電素子Ｐの両端の電位差Ｖ（１）とコ
イル５３に流れる電流ｉ　　（ｔ）は第４図（ａ）のよ
うになる。

次にトランジスタＴｒ２が閉じられている時間が“ｆｌ
Ｆでない場合について説明する。

まず、トランジスタＴｒ２を１ｆＥ−でより長い時間開
じた場合について説明する。

トランジスタＴｒ２を時間１−０に閉じたとすると、時
刻”ｆｌＦまでは、前述した例と全く同様になるため、
ここでは特に説明をしない。

時刻ｔ−ｉｊ「正となると、圧電素子Ｐの両端の電位差
が零となる。すると、ダイオードＤ４か閉じるため、閉
回路はコイル５３．スイッチング素子Ｔｒ２．ダイオー
ドＤ４で構成されるようになる。

トランジスタＴｒ２やダイオードＤ４が理想的なスイッ
チング素子であるとすればコイル５３の電流エネルギー
を消費する要因がないため、圧電素子Ｐの両端の電位差
ｖ　（ｔ）及びコイル５３の電流ｉ　　（ｔ）は第４図
（ｂ）の実線のようになる。

しかしながら、実際はトランジスタＴｒ２．ダイオード
Ｄ４．　　コイル５３などは抵抗成分を持つため、第４
図（ｂ）の破線のように、トランジスタＴｒ３が閉じら
れている間に、コイル５３の電流エネルギーか消費され
、熱エネルギーに変換される。ただし、この変換される
熱エネルギーは微少であり、本実施例の駆動回路よりの
発熱の増加も微少であるため、大きな問題とはならない
。

それ以上閉じていた場合は、第４図（ａ）及び（ｂ）の
実線のように、理想的に素子を使用した場合はトランジ
スタＴｒ２を開いた時刻よりＬＣ後にココイルＬの電流
ｉ　　（ｔ）が零となる。

従って、トランジスタＴｒ２を開いた時刻よりＬＣ後に
再びトランジスタＴｒ２を閉じればよいことになる。

次の個々の圧電素子Ｐの静電容量Ｃやコイル５３のリア
クタンスの個体差などによりちょうどコイル５３に流れ
る電流ｉ　　（ｔ）が零になった時刻以外にトランジス
タＴｒｌを閉じた場合について説明する。

まず、コイルしにな流れる電流ｉ　（ｔ）が零になる前
にトランジスタＴｒ２を閉じた場合について説明する。

トランジスタＴｒ２を閉じると、コイル５３に流れる電
流ｉ　（ｔ）は、コイル５３．トランジスタＴｒ２及び
ダイオードＤ４で構成される閉回路を流れる。これらコ
イル５３．トランジスタＴｒ１及びダイオードＤ４が理
想的に素子で抵抗成分がなければ、トランジスタＴｒ２
を閉じた時点でコイル５３に流れていた電流量がトラン
ジスタＴｒ１を閉じている間じゅう、流れることになる
。

しかしながら、これらの素子には通常抵抗成分があるた
め、コイル５３の電流エネルギはこれらの抵抗成分によ
って熱エネルギに変換され、これらの素子より放熱され
る。しかしながら、トランジスタＴｒｌかある程度の時
間開いており、ある程度のコイル′５３の電流エネルギ
が直流電源Ｅに回生されており、すでにコイルしに流れ
る電流１（１）は小さいので、これらの素子が発熱する
量は小さいので、特に問題とならない。一方、コイル５
３に流れる電流ｉ　（ｔ）か零になった後、ある程度の
時間か経過してからトランジスタＴｒ２を閉した場合に
ついて説明する。

圧電素子Ｐに接続されている拡大機構の慣性力によって
圧電素子Ｐが圧迫され、圧電素子Ｐに発生する電圧は微
小でありかつ、そのうち短い時間の間に発生する成分は
さらに微小であるため、これらの機構がたとえばドツト
マトリクスプリンタに使用されたとしても、問題となる
程の量、変位しない。この電圧しトランジスタＴｒｌが
閉じられると、前述したようにコイル５３．トランジス
タＴｒ２及びダイオードＤ４の抵抗成分によって放電さ
れるため、コイルしに流れる電流ｉ　　（ｔ）が零にな
った後、ある程度時間か経過してからトランジスタＴｒ
２を閉じても問題を生じない。

以上説明した様に、トランジスタＴ「２を開いた後はぼ
　ＬＣなる時間経過した後に再びトランジスタＴｒ２を
閉じれば、コイル５３に流れる電流がまだ零に達してい
ない、或いはすでに零に達しある程度時間が経過してい
るにかかわらずよいことになる。

期間閉じる場合について説明する。

時刻ｔ−ｔ１くｉｊ「石にトランジスタＴｒ２を開くと
、その時刻ｔ１におけるコイル５３に流れる電流１（ｔ
ｌ）は（１９）式より次のようになる。

−−（ＪＱ　ＣＥｓ１ｎ　ｗ（、ｔ　＋　　（３１）一
方、時刻ｔ−ｔ１でトランジスタＴｒ２が開かれると、
コイル５３の電流エネルギーによって、コイル５３．ダ
イオードＤ１．直流電源５１及び圧電素子Ｐより成る閉
回路に電流が流れる。この閉回路について、キルヒホッ
フの第２法則より次式か成り立つ。

ｑ（ｔ　　ｔｌ）を導入すれば次式が得られる。

Ｅ　＝Ｌ　　　　Ｑ（ｔ　ｔｔ　）十吉ｑ（ｔ−ｔ　＋
　）　　　（３３）ｄｉ２に の微分方程式を解いてｑ　（ｔ）を求める。まず過渡項
ｑｔ（ｔ　　ｔｔ）は、Ｅ−０とおいたときの同次式（
４）式の解となる。従って、（１２）式より次のように
なる。

ｑ（ｔ−ｔ　１　）　−Ａｃｏｓ　　ｔｔ）６　（ｔ−
ｔｔ　）＋Ｂｓ１ｎ　　（ＪＪＯ（ｔ−ｔｌ）　　　　
　　　　　（３４）一方定常解ｑｓは次のようになる。

ｑｓ−ＣＥ　　　　　　　　　　　　　　（３５）従っ
て一般解ｑ（ｔ　　ｔｔ）は（３４）、　　（３５）式
より次のようになる。

ｑ（ｔ−ｔ　＋　）　−ｑｓ＋ｑｔ（ｔ−ｔ、　）−Ｃ
Ｅ＋Ａｃｏｓ　　ω□　ｔ　＋Ｂｓｊｎ　　ωＯｔ　　
　　（３８）（３６）式に（３）式を用いて次式を得る
。

ｊ（ｔ−ｔ　＋　）−ωｏ　ＩＢｃｏｓ　（ＪＱ　（ｔ
−ｔ、　）Ａｓｉｎ　ω０　（ｔ−ｔ、　）ｌ　　　　
　　　　　（３７）時刻１−１．の初期条件より次のよ
うになる。

ＣＥｃｏｓ　ωｏｔ　＋　＝ＣＥ＋Ａ　　　　　　　　
　（３８）−ω（Ｉ　ＣＥｓ１ｎ　ωｏ　ｔ　＋　−ω
□　Ｂ　　　　　　（３９）（３ｇ）、　　（３９）式
より次のようになる。

＾　−ＣＥ（ｃｏｓ　　　ωＱ　　ｔ−１）　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　（４０）Ｂ　−−ＣＥｓ
ｉｎ　　ω□　ｔ　＋　　　　　　　　　　（４１）（
４０）、　　（４１）式を（３Ｂ）、　　（３７）式に
代入すれば次のようになる。

ｑ（ｔ−ｔ　＋　） −ＣＥ＋ＣＥ（ｃｏｓ　　ωＯｔ　＋　−１）ｃｏｓ　
　ωｏ（ｔ−ｔｔ　）−ＣＥｓｉｎ　　（ＩＪＯｔ　＋
　　ｓｉｎω０　（ｔ−ｔｔ　）　　　　（４２）１（
ｔ−ｔ　、） −−ωｒ）　ＣＥｓ１ｎ　ω０　（ｔ−ｔｔ　）−ω（
、ＣＥ（ｃｏｓωｏ　ｔ　＋　−１）ｓｉｎωｏ　（ｔ
−ｔｔ　）　（４３）（４２）式と（２０）式より次の
式を得る。

ｖ（ｔ−ｔ　＋　） ＝Ｅ　＋Ｅ（ｃｏｓ　ω□　ｔ　＋　−１）ｃｏｓωｏ
　（ｔ−ｔｔ　）−Ｅｓｊｎ　ωＯｔ　　１　ｓｊｎω
ｏ　（ｔ−ｔｌ）　　　　　　（４４）従って、圧電素
子Ｐの両端の電位差ｖ　（ｔ）とコイル５３の電流１　
（ｔ）は第４図（Ｃ）のようになる。ここでｖ（ｔ−ｔ
ｌ）か極小となる時刻ｔ−ｔ２ては次式が成り立つ。

（４５）式の左辺は次の様に変形できる。

ｊ（ｔ−ｔ　、　） −ω□　ＣＥｓ１ｎωＱｔｌｅＯＳωｏ（ｔ２ｔ＋）＋
ω□　ＣＥ（１−ｃｏｓω□　ｔ　＋　）　ｓｉｎ　’
Ｌ’Ｏ（ｔ２−ｔｔ　）−−ωＯＣＥ［’　ｓｉｎ　（
ＡＪＯｌｔｌ　”（ｔ　２−ｔｌ）１＋１ｓｌｎωｏ　
１ｔ２−ｔｔ　）１１＋（ＪＪＯＣＥｓ１ｎ　（ＪＪＯ
（ｔ２−ｔｌ）＝−ωＱ　ＣＥ［’　ｓｉｎ　ＣＩＪＯ
Ｉ（ｔ　２−ｔｌ）＋ｔ１　］ ＋１ｓｌｎωｏ　ｉ（ｔ　２−ｔｔ　）”ｔ　＋　１ｍ
ωＯＣＥｓ１ｎ　（ＡＪＯ（ｔｌ　−ｔｌ　）−（ＪＪ
ＯＣＥｓ１ｎ　ω０ｔ２ −２ω。ＣＥｃｏｓ［’ωｏ　　ｉ（ｔ　　２　−ｔｌ
　　）十ｔ　　２　１１ｓｉｎ［’ω０１（ｔ　２−ｔ
ｌ　）−ｔ　２　）］一−２ω□　ＣＥｃｏｓωＯ［ｔ
ｌ　−’　ｔ　＋　１、Ｓｉｎ　１（ＩＪＯｔ　＋ ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４Ｂ）いま
、次式が成り立っている。

ω０≠０　　　　　　　　　　　　　　　（４７）Ｃ≠
０　　　　　　　　　　　　　　　　　（４８）Ｅ≠Ｏ
（４９） 従って、（４５）　、　　（４Ｂ）式より次のようにな
る。

ｃｏｓω０１ｔ２−吉ｔｔ１ ｓｉｎ　ｌ　ω□　ｔ　１−０ 従って、次の二つの式のどちらかが成り立つことになる
。

ｃｏｓωｏ（ｔｌ−’ｔ　＋）−０（５１）ｓｉｎ　Ｉ
（ＪＪ□ｔ　＋　−０ いま、ここで諭しているのは、トランジスタＴｒ３をｉ
、／ＴＥより短い時間開じている場合についてであるた
め、次式か成り立つ。

０＜（ＩＪＯｔｌ　＜π　　　　　　　　　　（５３）
従って、（５２）式は成り立たず、（５１）式が成り立
つことになる。従って、次のようになる。

ωｏ　（１２−とｔｅｌ−π　　　　　　（５４）ｔｌ
−１１１＋”　　　） ２　　　　　　ω０ 次に、第４図（ｄ）の様に時刻ｔ−ｔ２において、圧電
素子Ｐの両端の電位差ｖ（ｔ−ｔｌ）の値が零となるｔ
、を求めることにする。

ｔ”−ｔｌにおけるｖ（ｔ　　ｔｌ）の値は次のように
なる。

ｖ（ｔ−ｔ　、）　　ｔ−ｔｌ 謬Ｅ＋Ｅ（ｃｏｓ　ｔＬ）□　ｔ　ｌ−１）ｃｏｓωｇ
　（ｔｌ　−ｔｌ　）−Ｅｓｉｎ　ω□　ｔ　２　１１
ｓｔｎ（ｔ　２−ｔｌ　）Ｅ ＋Ｅｃｏｓωｏｔ＋　　・ｅＯｓωｏ　（ｔｌ　＝ｔ＋
　）−Ｅｃｏｓωｏ　（ｔｌ−ｔｌ　） −Ｅｓｉｎω０１２　・ｓｉｎωｏ　（ｔｌ−ｔｌ　）
Ｅ ＋　’　Ｅｃｏｓ［ωｔ）　ｌｔ＋　−（ｔ　２−ｔ＋
月］＋　’　Ｅｃｏｓ［ωｏ　ｌｔ＋　”（ｔ　２−１
．　）ｌ］−Ｅｃｏｓ　ωｏ　（ｔｌ−ｔｌ　） −１Ｅｃｏｓ［ωｏ　ｌｔ＋　−（ｔ　２−ｈ　）ｌ］
＋　　Ｉ　Ｅｃｏｓ［（１，１０ｔｈ　　＋（ｔ　　２
　−ｔｓ　　））コ＋Ｅｃｏｓ　　ωＯｔ　　２−Ｅｃ
ｏｓ　　ωｏ　　（ｔｌ　−ｔｌ　　）Ｅ −２Ｅｓｉｎ　’（ＪＪＯ ・　　１ Ｓｌｎ　　　ω０ （ｔ　　２　”（ｔ　　２−１＋　　）１ｆｔ　　２−
　ｔ　　２−ｔｌ　　）］・　　１ ”　Ｓｉｎ　　　ωｏｔ＋ ２　　　　２　　ωｏ２ ＃Ｓ１ｎ　ωｏｔ＋ −Ｅ−２Ｅ９ｓｔｎ　　　１１ｓｉｎ　ωＯｔ　＋−Ｅ
−２Ｅｓｉｎ　ωｏ　ｔ　　、　　　　　　　　　　　
　　　（５Ｂ）（５６）式が零となるため、次のように
なる。

Ｅ−２Ｅｓｉｎ　（ＩＪＯｔ　＋　−０（５７）（４９
）式より（５７）式は次のようになる。

Ｅ ｓｉｎ　　ω０１ｌ＝ ■ （５３）式より次のようになる。

ｔ・−二、圧τ ３の電流ｉ　（ｔ）か零になるまで（２＋ｔ）Ｊ己の時
間を要すが、第４図（ｄ）のようにトランジスタＴｒ２
をｉ７’ＥＴの間のみ閉していると、コ従って、時刻ｔ
−ｉＪで以後にトランシタＴｒ２を開けば、第４図（ｅ
）のように、圧電素子の両端の電位差ｖ　（ｔ）は零に
達することになる。

ところで、時刻ｔ−”Ｊ正にトランジスタＴｒ２を開い
たときのｔ２の値について考える。

（５９）式を（５５）式に代入すれば次のようになる。

ところで、第４図（ａ）のようにトランジスタＴｒ２を
一η７下の間、閉じていると、コイル５イル５３の電流
ｉ　　（ｔ）か零になるまてｌｆ「での時間で済む。こ
のコイル５３の電流ｉ　　（ｔ）が零になるまで、次の
駆動が行えないので、このように”ｆＥ””６より短い
駆動時間であれば、圧電素子Ｐの駆動の高速化に有用と
なる。

以上説明したように本発明では、必ずｉＩ「［の時間、
トランジスタＴｒ２を閉じている必要はなく、少なくと
も−ｆ「ての時間、閉じていればよいことになる。

つまり、スイッチング素子Ｔｒ２を開いた後、ｉ月＝る
時間後にコイルＬの電流１　（ｔ）が零になることにな
る。

ところで前に述べたｆ「正なる時間と、この“ｆｒ〒の
比は約１：１．０４７になる。前に述べたようにこの時
間はちょうどｆＥＴなる時間である必要はないため、ス
イッチング素子Ｔｒ２を開０た後、はぼ　ＬＣなる時間
経過した後に再びスイッチング素子Ｔｒ２を閉じれば、
コイルしに流れる電流がまだ零に達していない、すでに
零に達しである程度時間が経過しているにかかわらずよ
いことになる。

尚、本発明は上記構成に限定されるものではなく他に種
々の変形が可能である。例えば、更に消費電力を低減す
るためにトランジスタＴｒｉ乃至Ｔｒ３としてＭＯＳ型
の電界効果トランジスタを用いてもよい。また本実施例
では、Ｓ７及びＳ９においでタイマーを用いて待機の経
過を計時しているが、従来技術において示すように電流
値を検出してその電流値か零になった時点で８８の処理
を行ってもよい。

Ｃ発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように本発明では圧電素
子の励起を解除した後に前記圧電素子に蓄積される電荷
を効率的に逃がすため、圧電素子に不要な電荷が蓄積さ
れることはない。そのため圧電素子に不要な変位が生じ
ることはない。従って上記圧電素子の駆動装置を用いた
圧電アクチュエータでは、低消費電力、低発熱を達成す
るとともに安定した駆動を行うことか可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の一実施例を示すもので、第
１図は本実施例の装置の電気的構成を示す図、第２図は
本実施例の駆動装置によって駆動されるインパクト型ド
ツトプリンタの印字素子の正面図、第３図は制御回路の
制御を抜粋して表すフローチャートの図、第４図は電流
及び電圧の変移を示す図である。 また第５図は従来の装置を示す回路図である。 図中、Ｔｒ２はスイッチ手段を構成するトランジスタ、
５３はコイル、ＴＣは制御手段を構成する制御回路であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一方の端子Ａが圧電素子の端子Ｂに電気的に接続さ
   れるとともに、他方の端子Ｃが電源と電気的に接続され
   たコイルと、 該コイルの端子Ｃと前記圧電素子の他方の端子Ｄと電気
   的に接続して前記圧電素子と前記コイルとで共振回路を
   構成可能なスイッチ手段と、前記圧電素子の変位の解除
   が指示された場合に、スイッチ手段を導通させ、所定時
   間の経過した後前記スイッチ手段を遮断し、コイルに保
   持された電気エネルギーが電源に還元された後に再び前
   記スイッチ手段を導通する制御手段とを備えることを特
   徴とする圧電素子の駆動装置。