JPH0514433B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧電素子駆動装置、特に所定の機械的
駆動系と結合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エ
ツトプリンタの記録ヘツ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ユエータが用い
られている。このような圧電アクチユエータの駆
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
などから成るスイツチで、駆動信号のハイレベル
によつて導通状態に制御される。スイツチ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はワイヤドツトヘツドのワイヤ駆
動機構、あるいはインクジエツトヘツドのインク
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つている。スイツチ５
１、抵抗Ｒ１の接続点および接地電位間にはスイ
ツチ５１と同様にトランジスタから構成されたス
イツチ５２が挿入されており、このスイツチ５２
は復元信号のハイレベルによつて導通する。

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。これによつて、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
よつて励振電圧がスイツチ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つてスイツチ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瞬時放電さ
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ツチ５１，５２の
導通時に流れる電流は相当大きな値になるため、
過大な電流によつてスイツチ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］ 以上の問題に鑑み、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。第
７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、スイツチ５１とコイルＬの接続点
および接地電位間にはスイツチ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ttにおいて制御信号はローレベル
に制御される。このパルス幅は圧電素子５３の寸
法歪の往復動のほぼ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、制御信号
がローレベルとなる期間ttにおいてはスイツチ５
２が開放されているため、コイルＬ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Ia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３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つ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、実際には上記のようにコイルＬおよ
び圧電素子５３による単振動は減衰波形であり、
第８図の期間ttの終了時においては第８図４段目
のように圧電素子５３の端子電圧Va、すなわち
圧電素子５３の充電電荷が０ではなく、抵抗Ｒ
２、スイツチ５２によつ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Ｒ２によつ
てジユール熱となつて消費されており、駆動に寄
与していない。また、放電期間の存在によつて、
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。

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、
前記圧電素子およびコイルの直列回路に電源電圧
を印加する第１のスイツチ手段と、前記コイルお
よび圧電素子の接続点を接地電位に短絡させる第
２のスイツチ手段を設け、前記圧電素子の非駆動
期間では第１のスイツチ手段を開放するとともに
前記圧電素子およびコイルと接続点と接地電位を
短絡し、前記圧電素子の駆動期間の第１の段階で
は前記第２のスイツチ手段で前記圧電素子および
コイルの接続点を接地電位に短絡させたまま第１
のスイツチ手段を閉成し続いて駆動期間の第２の
段階において第２のスイツチ手段を開放状態に制
御する構成、 あるいは更に前記駆動期間の第２段階の時間幅
が前記圧電素子およびコイルの直列回路の時定数
により決定される駆動電流波形のほぼ１周期の長
さに設定され、一方前記第１段階の時間幅を所定
に制御することにより、第２段階の終了時点で前
記圧電素子の端子電圧が０以下となるように前記
第１段階から第２段階への遷移時点におけるコイ
ルに流れる電流値を設定する構成、 あるいは更に前記圧電素子の非駆動装置では、
前記第２のスイツチ手段により前記駆動系の反作
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動系の制御を行なう構成を
採用した。

［作用］ 以上の構成によれば、前記駆動期間の第２段階
で前記圧電素子に電圧が印加される以前の第１段
階において、コイルのみに通電を行ないコイルに
電気エネルギーを蓄えるので、第２段階への遷移
時点において大きな電流値からコイルおよび圧電
素子による単振動を開始させることができ、回路
中の抵抗成分が大きく電流波形の減衰が大きい場
合でも圧電素子の機械的変位が終了する駆動電流
波形１周期終了時において圧電素子の端子電圧、
すなわち残留電荷を０にすることができる。ま
た、圧電素子の非駆動期間においては、第２のス
イツチ手段により駆動系の反作用による逆起電力
を接地電位に流し、すみやかに駆動系の制動を行
なえる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づき、本発明を詳
細に説明する。

第１図に本発明を採用した圧電素子駆動装置の
回路構成を示す。図において符号４，５はトラン
ジスタによる駆動回路であり、スイツチ４はトラ
ンジスタＱ４，Ｑ５によつて、またスイツチ５は
トランジスタＱ６によつて構成されている。トラ
ンジスタＱ４のベースは抵抗Ｒ４を介してそのエ
ミツタに、また抵抗Ｒ５を介してエミツタ接地の
トランジスタＱ５のコレクタと接続されており、
トランジスタＱ５のベースに駆動信号が入力され
る。トランジスタＱ４のエミツタには電源電圧が
接続される。トランジスタＱ４のコレクタは逆方
向電圧を遮断するためのダイオードＤ４を介して
コイルＬに接続されている。ダイオードＤ４のカ
ソードおよびトランジスタＱ４のエミツタには、
逆起方向電流を回生するためのダイオードＤ５が
接続されている。

コイルＬの他端および接地間にはスイツチ５お
よび圧電素子３が接続されている。スイツチ５を
構成するトランジスタＱ６のコレクタおよびエミ
ツタ間にはトランジスタＱ６に対する逆電圧をバ
イパスさせるためのダイオードＤ６が接続されて
おり、トランジスタＱ６のベースには本実施例に
特有な制御信号として短絡信号が入力される。圧
電素子３は従来と同様にプリンタの記録ヘツドな
どの駆動系５４と機械的に結合されている。

次に、第１図の回路の動作を第２図のタイミン
グチヤート図を参照して説明する。

スイツチ４，５にそれぞれ入力される駆動信号
および短絡信号は次のように制御される。すなわ
ち、第２図の１、２段目に示すように、まず駆動
信号が時刻ａにおいてハイレベルにされ、続いて
それまでハイレベルであつた短絡信号が時刻ｂに
おいてローレベルに制御され、さらに時刻ｃにお
いて駆動信号がローレベルに、また短絡信号がハ
イレベルに制御される。このような制御によつ
て、第１図中にそれぞれ示した電圧Va、電流Il、
電圧Vl、電流Ip、および電圧Vpは第２図の３〜
７段目に示すように変化する。

次に上記の時刻ａ〜ｃによつて区切られる期間
t0〜t3の動作を順次説明する。

まず、期間t0の後、駆動信号および短絡信号が
両方ともハイレベルとなる期間t1では、コイルＬ
に電源電圧が印加されて短絡状態となる。この時
コイルに流れる電流Ilは第２図４段目に示すよう
に三角波状でほぼ直線的に増加し、Ioまで増加す
る。この値Ioの設定については後述する。

次に短絡信号がローレベルとなる期間t2におい
てはスイツチ５が開放されるため、コイルＬおよ
び圧電素子３の共振によつて電流Ilの波形は期間
t1における直線と接するような余弦波の波形とな
る。この電流波形によつて圧電素子３の充電が行
なわれる。この充電開始時点における充電電流値
Ioは、第８図の従来例の０（３段目の符号I₁）よ
りもかなり大きい値である。

その後、期間t2において電流IlはコイルＬのイ
ンダクタンス、圧電素子３の容量で定まる周期を
もち、スイツチ４、コイルＬの抵抗成分および圧
電素子３の抵抗成分との和によつて構成される回
路全体の抵抗成分によつて規定された減衰振動波
形を描く。期間t2の時間幅はこの電流波形のほぼ
１周期に相当する長さに定める。期間t2におい
て、コイルＬの両端電圧Vlおよび圧電素子３の
充電電流Ipは上記電流Ilに応じて第２図の５、６
段目に示すように変化する。

一方、圧電素子３の両端電圧Vpは、第２図７
段目に実線で示された波形Vp１のように、上記
期間t2の終了時には必ず０ないしそれ以下の値と
なり、圧電素子３に残留電荷が残ることがない。
これは、電圧Vpの波形は減衰波形であるが、電
流IlないしIpの期間t2における初期値が期間t1を
設けることで正の電流値となつており、いいかえ
ればコイルＬに蓄積された電力も圧電素子充電に
用いられるために単振動の１周期終了時点におい
ても必ず圧電素子３の両端電圧Vpの波形が０ボ
ルトより下の位置を通ることになるからである。
期間t1を設けず時刻ｂにおいて駆動信号および短
絡信号を同時にそれぞれハイレベルおよびローレ
ベルにした場合には、圧電素子の電圧波形Vp２
が、従来例の第８図と同様に時刻ｃでは０ボルト
以上であり、必ず残留電荷が残つてしまうが、上
記構成によればこのような問題がない。

なお、圧電素子３の端子電圧波形が期間t2の終
了時において負側に振れた場合でも、この逆電圧
はダイオードＤ６により接地電位に還流される。

以上のようにして、過大な電流ピーク値を発生
することなく、しかも特別な放電回路を設けずに
圧電素子３の残留電荷を駆動終了時において０に
できる理想的な圧電素子の駆動が可能である。

さらに上記の制御によれば、非駆動期間である
期間t0、t3においてはスイツチ５によつて圧電素
子３の両端が短絡状態となるため、駆動系５４の
反作用によつて発生する逆起電力をスイツチ５の
トランジスタＱ６とダイオードＤ６によつて消費
することができ、駆動機構の制動を行なえる。

また、期間t2において、圧電素子３に充電され
る電荷はスイツチ４のダイオードＤ５を介して電
源回路に完全に回生することが可能であり、放電
による無駄な電力消費がない。

すなわち、上記実施例によれば、圧電素子の駆
動時に過大な充放電電流が流れず、スイツチ４，
５の破損や寿命の短縮を防止でき、また、圧電素
子に残留する充電電荷を放電回路により無駄に消
費することがなく、充電電荷を全て電源側に回生
できる効率のよい圧電素子駆動装置を提供でき
る。また、スイツチ４，５を構成するトランジス
タの選定が容易になるため、製造コストも低減で
き、またこれらのトランジスタの小型化によつて
装置全体の小型軽量化を図ることができる。

第１図の回路構成では圧電素子３に流れて充電
が開始されるのは短絡信号がローレベルになる期
間t2においてである。つまり、コイルＬが短絡さ
れている期間t1においては圧電素子３には寸法歪
が発生せず、駆動力の発生タイミングに遅延が生
じる。

この遅延を除去するには、第３図に示すように
スイツチ５およびコイルＬの間に抵抗Ｒ６を挿入
することが考えられる。第３図の回路構成では、
第４図のような動作が行なわれる。

第４図における駆動信号および短絡信号の制御
は第２図と全く同じであるが、第２図と異なるの
は期間t1における動作である。この期間t1では抵
抗Ｒ６の端子電圧が生じ、この電圧が圧電素子３
に印加される。この結果、期間t1においても第４
図６段目、７段目に示すように圧電素子３の駆動
電流Ip、駆動電圧Vpが印加され、この期間から
８段目に示すように圧電素子３の寸法歪を発生さ
せることができる。第３図の構成によれば、圧電
素子３の変形開始タイミングを早めることがで
き、より高速な圧電素子の駆動が可能となる。

［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
電素子およびコイルの直列回路に電源電圧を印加
する第１のスイツチ手段と、前記コイルおよび圧
電素子の接続点を接地電位に短絡させる第２のス
イツチ手段を設け、前記圧電素子の非駆動期間で
は第１のスイツチ手段を開放するとともに前記圧
電素子およびコイルの接続点と接地電位を短絡
し、前記圧電素子の駆動期間の第１の段階では前
記第２のスイツチ手段で前記圧電素子およびコイ
ルの接続点を接地電位に短絡させたまま第１のス
イツチ手段を閉成し続いて駆動期間の第２の段階
において第２のスイツチ手段を開放状態に制御す
る構成を採用しているので、前記駆動期間の第２
段階で前記圧電素子に電圧が印加される以前の第
１段階において、コイルのみに通電を行ないコイ
ルに電気エネルギーを蓄えるので、第２段階への
遷移時点において大きな電流値からコイルおよび
圧電素子による単振動を開始させることができ、
回路中の抵抗成分が大きく電流波形の減衰が大き
い場合でも圧電素子の機械的変位が終了する駆動
電流波形１周期終了時において圧電素子の端子電
圧、すなわち残留電荷を０にすることができ、充
電電荷を全て電源側に回生し、圧電素子に残留す
る充電電荷を放電回路により無駄に消費すること
がない。またコイルおよび圧電素子の単振動回路
により大きな電流ピークを発生することがないた
め、装置の小型軽量化、簡略化、コストダウンが
可能である。なお、圧電素子の非駆動期間では、
機械的駆動系の反作用により生ずる圧電素子の逆
起電力を接地電位に流し圧電素子および駆動機構
の制動を行なうことができるので、駆動機構の安
定が早く高速での駆動が可能であるなどの優れた
効果がある。

【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図の回路の動作
を示したタイミングチヤート図、第３図は異なる
圧電素子駆動装置の構成を示した回路図、第４図
は第３図の回路における動作を示したタイミング
チヤート図、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一例を示
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ヤート図、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ヤート図であ
る。 ３……圧電素子、４，５……スイツチ、Ｒ４，
Ｒ５……抵抗、Ｄ４〜Ｄ６……ダイオード、Ｑ４
〜Ｑ６……トランジスタ、Ｌ……コイル、５４…
…駆動系。

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、 前記圧電素子およびコイルの直列回路に電源電
   圧を印加する第１のスイツチ手段と、 前記コイルおよび圧電素子の接続点を接地電位
   に短絡させる第２のスイツチ手段を設け、 前記圧電素子の非駆動期間では第１のスイツチ
   手段を開放するとともに前記圧電素子およびコイ
   ルの接続点と接地電位を短絡し、 前記圧電素子の駆動期間の第１の段階では前記
   第２のスイツチ手段で前記圧電素子およびコイル
   の接続点を接地電位に短絡させたまま第１のスイ
   ツチ手段を閉成し続いて駆動期間の第２の段階に
   おいて第２のスイツチ手段を開放状態に制御する
   ことを特徴とする圧電素子駆動装置。 ２ 前記駆動期間の第２段階の時間幅が前記圧電
   素子およびコイルの直列回路の時定数により決定
   される駆動電流波形のほぼ１周期の長さに設定さ
   れ、一方前記第１段階の時間幅を所定に制御する
   ことにより、第２段階の終了時点で前記圧電素子
   の端子電圧が０以下となるように前記第１段階か
   ら第２段階への遷移時点におけるコイルに流れる
   電流値を設定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２の
   スイツチ手段により前記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。