JPH053683A - Capacitive load drive circuit - Google Patents
Capacitive load drive circuitInfo
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 容量性負荷駆動回路の改良により、容量性負
荷の駆動効率を向上することをその目的としている。
【構成】 直流電流と、スイッチ手段１０，３０，６
０，６５とを具備し、容量性負荷７０に対して交番電界
を印加するための電源に於て、負荷７０と電源２０との
間に設けられ、それら相互のエネルギ転送を行なうため
のインダクタンス４０およびスイッチ手段１０，３０，
６０，６５と、インダクタンス４０の磁気エネルギを保
持するためのエネルギ保持手段とを具備している。
(57) [Summary] (Correction) [Purpose] The objective is to improve the drive efficiency of capacitive loads by improving the capacitive load drive circuit. [Structure] DC current and switch means 10, 30, 6
0 and 65, which is provided between the load 70 and the power source 20 in a power source for applying an alternating electric field to the capacitive load 70, and an inductance 40 for performing energy transfer between them. And switch means 10, 30,
60 and 65, and energy holding means for holding the magnetic energy of the inductance 40.
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、容量性負荷駆動回路に
係り、特に積層型圧電アクチュエータに対して交番電界
を印加する容量性負荷駆動回路の改良に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitive load driving circuit, and more particularly to improvement of a capacitive load driving circuit for applying an alternating electric field to a laminated piezoelectric actuator.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、積層型圧電素子を用いたアクチュ
エータが各種提案され、プリンタの印字ヘッドの駆動部
材等に使用されている。この積層型圧電素子を駆動する
交番電界の周波数は、１ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの高周波
数が必要とされるタイプのものが多い。ここに、積層型
圧電素子は、電気的には大容量の容量性負荷であるの
で、その駆動時には、積層型圧電素子（圧電素子）の伸
縮振動に伴い、前記容量性負荷の充放電が繰り返され
る。2. Description of the Related Art Conventionally, various actuators using a laminated piezoelectric element have been proposed and used as a driving member for a print head of a printer. The frequency of the alternating electric field for driving this laminated piezoelectric element is often of a type that requires a high frequency of 1 kHz to several tens of kHz. Here, since the multilayer piezoelectric element is a capacitive load having a large electrical capacity, when the multilayer piezoelectric element (piezoelectric element) expands and contracts, the capacitive load is repeatedly charged and discharged during driving. Be done.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記容
量性負荷に帯電した電荷の放電の際の放電エネルギにつ
いては、従来、エネルギ回収手段の検討が十分ではなか
った。例えば、積層型圧電素子に並列接続されたエネル
ギ消費用抵抗により発熱消費するようにされており、前
記放電エネルギは、全て駆動損失になっていた。そのた
め、容量性負荷（積層型圧電素子）の駆動効率は非常に
低く、駆動周波数が高い場合は、前記エネルギ消費用抵
抗において発熱消費される電力が、数１０Ｗに達するこ
とがあり、周囲に配置された電子部品等の機器の温度上
昇の原因になるという問題点があった。However, with respect to the discharge energy at the time of discharging the electric charge charged in the capacitive load, the energy recovery means has not been sufficiently studied in the past. For example, heat is consumed and consumed by an energy consuming resistor connected in parallel to the laminated piezoelectric element, and the discharge energy is all driving loss. Therefore, the driving efficiency of the capacitive load (multilayer piezoelectric element) is very low, and when the driving frequency is high, the electric power consumed by heat generation in the energy consuming resistor may reach several tens of W, and it is arranged in the surroundings. There has been a problem that it may cause a rise in temperature of equipment such as electronic components.
【０００４】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、容量性負荷、特に、積層型圧電アク
チュエータの駆動効率を向上せしめる容量性負荷駆動回
路を提供することを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a capacitive load drive circuit capable of improving the drive efficiency of a capacitive load, particularly a laminated piezoelectric actuator. .
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、電源と、スイッチ手段とを具備し、容量性
負荷に対して電界を印加するための電源において、負荷
の静電エネルギを回収保持するためのインダクタンスお
よびスイッチ手段と、前記インダクタンスと電源との間
に設けられたスイッチ手段およびエネルギ保持手段と、
各スイッチのＯＮ・ＯＦＦタイミングを制御するための
制御手段と、を備えて構成した。In order to solve the above problems, the present invention provides a power supply for applying an electric field to a capacitive load, the power supply comprising a power supply and a switch means. An inductance and a switch means for collecting and holding, a switch means and an energy holding means provided between the inductance and a power source,
And a control means for controlling the ON / OFF timing of each switch.
【０００６】また、電源に第１スイッチ手段を介して接
続されたインダクタンスと、このインダクタンスに並列
接続された第２スイッチ手段と、前記インダクタンスに
容量性負荷を接続せしめる第３スイッチ手段とを備え、
前記電源から供給されるエネルギを前記第１スイッチ手
段を介して前記インダクタンスに磁気エネルギとして保
持し、しかる後、この磁気エネルギを前記第３スイッチ
手段を介して前記容量性負荷に充電した後、前記磁気エ
ネルギを前記インダクタンスに戻して保持し、更に、第
２スイッチ手段を介して前記インダクタンスに保持され
た磁気エネルギを前記電源に戻すように制御する制御部
と、を備えて構成した。Further, there are provided an inductance connected to the power source through the first switch means, a second switch means connected in parallel to the inductance, and a third switch means for connecting a capacitive load to the inductance.
The energy supplied from the power source is held as magnetic energy in the inductance via the first switch means, and then the magnetic energy is charged into the capacitive load via the third switch means, And a control unit that controls the magnetic energy returned to the inductance to be retained and further returned to the power source via the second switch means.
【０００７】[0007]
【作用】本発明によれば、例えば、電源からのエネルギ
を、第１スイッチ手段を介してインダクタンスに磁気エ
ネルギとして一旦保持する。この磁気エネルギを第３ス
イッチ手段を介して容量性負荷（例えば、積層型圧電素
子）の容量成分に供給・充電し、容量性負荷を駆動す
る。前記容量成分に充電されたエネルギの内、残りのエ
ネルギは、前記３スイッチ手段を介して前記インダクタ
ンスに戻され磁気エネルギとして保持される。更に、前
記インダクタンスに保持された磁気エネルギは、第２ス
イッチ手段を介して前記電源に戻される。従って、前記
電源から供給されるエネルギは、前記容量性負荷の内部
損失による電力消費分だけで済み、前記電源から供給さ
れるエネルギを低く抑えることができる。According to the present invention, for example, the energy from the power supply is temporarily held in the inductance as magnetic energy through the first switch means. This magnetic energy is supplied / charged to the capacitive component of the capacitive load (for example, the laminated piezoelectric element) via the third switch means to drive the capacitive load. Of the energy charged in the capacitive component, the remaining energy is returned to the inductance via the 3 switch means and held as magnetic energy. Further, the magnetic energy held in the inductance is returned to the power supply via the second switch means. Therefore, the energy supplied from the power source is only the power consumption due to the internal loss of the capacitive load, and the energy supplied from the power source can be suppressed low.
【０００８】[0008]
【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。図１に本発明の容量性負荷駆動回路１の実施例の
等価回路を示し、図２（Ａ）〜（Ｅ）に前記容量性負荷
駆動回路の動作波形等を示す。図１に示すように、直流
電源２０の正極は、第１スイッチ１０の第１端子１０ａ
と第２端子１０ｂを介して第２スイッチ３０の第１端子
３０ａに接続されている。第２スイッチ３０の第２端子
３０ｂは、短絡線１１と、放電時間調節用抵抗５０とイ
ンダクタ５１とを介して直流電源２０の負極に接続され
ている。第２スイッチ３０の第１端子３０ａは、電流計
１１０とインダクタ４０とからなる直列回路を介して抵
抗５０の一端に接続されている。インダクタ４０は、イ
ンダクタンス４１と内部抵抗４２とならなり、インダク
タンス４１の値は、次に説明する容量性負荷７０との直
列共振周波数が、容量性負荷７０の駆動周波数と等しく
なるように選択されている。内部抵抗４２の抵抗値は、
インダクタ４０の線径を太くすることにより小さくでき
るので、抵抗分による電流損失は非常に小さい。The present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments. FIG. 1 shows an equivalent circuit of an embodiment of the capacitive load drive circuit 1 of the present invention, and FIGS. 2A to 2E show operation waveforms of the capacitive load drive circuit. As shown in FIG. 1, the positive electrode of the DC power supply 20 has a first terminal 10 a of the first switch 10.
And the first terminal 30a of the second switch 30 via the second terminal 10b. The second terminal 30b of the second switch 30 is connected to the negative electrode of the DC power supply 20 via the short-circuit wire 11, the discharge time adjusting resistor 50, and the inductor 51. The first terminal 30a of the second switch 30 is connected to one end of the resistor 50 via a series circuit including the ammeter 110 and the inductor 40. The inductor 40 comprises an inductance 41 and an internal resistance 42, and the value of the inductance 41 is selected so that the series resonance frequency with the capacitive load 70, which will be described below, becomes equal to the driving frequency of the capacitive load 70. There is. The resistance value of the internal resistor 42 is
Since it can be reduced by increasing the wire diameter of the inductor 40, the current loss due to the resistance component is very small.
【０００９】第２スイッチ３０の第１端子３０ａは、第
３スイッチ６０の第２端子６０ｂに接続されると共に、
第４スイッチ６５の第３端子６５ｃに接続されている。
抵抗５０の一端は、第３スイッチ６０の第３端子６０ｃ
に接続されると共に、第４スイッチ６５の第２端子６５
ｂに接続されている。第３スイッチ６０と第４スイッチ
６５とは、連動スイッチである。第３スイッチ６０の第
１端子６０ａと第４スイッチ６５の第１端子６５ａとの
間には、積層型圧電素子等の容量性負荷７０と、電圧計
１００とが接続されている。容量性負荷７０は、静電容
量７１と絶縁抵抗７２とからなる並列回路に、内部抵抗
（内部損失）７３が直列接続されてなる。絶縁抵抗７２
の抵抗値は、一般に非常に大きくＭΩオーダーであり、
絶縁抵抗７２による電力損失は非常に小さい。The first terminal 30a of the second switch 30 is connected to the second terminal 60b of the third switch 60, and
It is connected to the third terminal 65c of the fourth switch 65.
One end of the resistor 50 has a third terminal 60c of the third switch 60.
Is connected to the second terminal 65 of the fourth switch 65.
connected to b. The third switch 60 and the fourth switch 65 are interlocking switches. A capacitive load 70 such as a laminated piezoelectric element and a voltmeter 100 are connected between the first terminal 60a of the third switch 60 and the first terminal 65a of the fourth switch 65. The capacitive load 70 is formed by connecting an internal resistance (internal loss) 73 in series to a parallel circuit including an electrostatic capacity 71 and an insulation resistance 72. Insulation resistance 72
The resistance value of is generally very large, on the order of MΩ,
The power loss due to the insulation resistance 72 is very small.
【００１０】第１〜第４スイッチ１０、３０、６０、６
５としては、それぞれ高速・大容量の半導体素子（例え
ば、電界効果トランジスタ、サイリスタ等）が好適であ
る。第１〜第４スイッチ１０、３０、６０、６５は、オ
ン・オフのタイミング調整を行う制御回路８０の各端子
に、それぞれ接続されている。制御回路８０には、電圧
計１００および電流計１１０からの電圧・電流の測定情
報がそれぞれ入力され、この測定情報に基づいて制御回
路８０が、前記オン・オフのタイミング調整を行うよう
になっている。First to fourth switches 10, 30, 60, 6
5 is preferably a high-speed, large-capacity semiconductor element (for example, a field effect transistor, a thyristor, etc.). The first to fourth switches 10, 30, 60, 65 are connected to the respective terminals of the control circuit 80 for adjusting the on / off timing. The voltage / current measurement information from the voltmeter 100 and the ammeter 110 is input to the control circuit 80, and the control circuit 80 performs the on / off timing adjustment based on the measurement information. There is.
【００１１】次に、容量性負荷駆動回路１の動作を、第
２図（Ａ）〜（Ｅ）に基づいて説明する。第２図（Ａ）
〜（Ｅ）は、第１〜第４スイッチ１０、３０、６０、６
５のタイミングチャート、および第１図に図示した電圧
Ｖ2 ・電流Ｉ1 の波形を示している。なお、初期状態に
おいては、第１〜第４スイッチ１０、３０、６０、６５
は、全てオフになっている。Next, the operation of the capacitive load drive circuit 1 will be described with reference to FIGS. 2 (A) to (E). Figure 2 (A)
~ (E) is the first to fourth switches 10, 30, 60, 6
5 shows the timing chart of FIG. 5 and the waveforms of the voltage V 2 and the current I 1 shown in FIG. In the initial state, the first to fourth switches 10, 30, 60, 65
Are all off.
【００１２】容量性負荷駆動回路１の動作を、動作区分
〜に分けて説明する。図２（Ａ）に示すように、
第１スイッチ１０がオンにされると、抵抗５０およびイ
ンダクタ５１によって調節される時定数により、直流電
源２０から直流電流Ｉ1 がインダクタ４０に供給され、
インダクタ４０に磁気エネルギが蓄積される。The operation of the capacitive load drive circuit 1 will be described by dividing it into operation sections. As shown in FIG. 2 (A),
When the first switch 10 is turned on, the DC current I 1 is supplied to the inductor 40 from the DC power supply 20 due to the time constant adjusted by the resistor 50 and the inductor 51,
Magnetic energy is stored in the inductor 40.
【００１３】電流計１１０に流れる直流電流Ｉ1 が所
定値（図２（Ｄ）のＩA 参照）になると、第１スイッチ
１０がオフにされ、第３スイッチ６０の第２端子６０ｂ
がオンにされる（図２（Ｃ）参照）。すると、前記イン
ダクタ４０に蓄積された磁気エネルギは、経路［インダ
クタ４０→第３スイッチの第２端子６０ｂ→容量性負荷
７０→第４スイッチの第２端子６５ｂ→インダクタ４
０］により容量性負荷７０に移送され、静電容量７１に
静電エネルギとして蓄積された後、前記経路の逆経路
［容量性負荷７０→第３スイッチの第２端子６０ｂ→イ
ンダクタ４０→第４スイッチの第２端子６５ｂ→容量性
負荷７０］により、インダクタ４０にエネルギが戻され
る。この場合の周波数は、前記インダクタンス４１と容
量性負荷７０との直列共振周波数により決定される。When the direct current I 1 flowing through the ammeter 110 reaches a predetermined value (see I A in FIG. 2D), the first switch 10 is turned off and the second terminal 60b of the third switch 60 is turned on.
Is turned on (see FIG. 2 (C)). Then, the magnetic energy stored in the inductor 40 passes through the path [inductor 40 → second terminal 60b of third switch → capacitive load 70 → second terminal 65b of fourth switch → inductor 4].
0] is transferred to the capacitive load 70 and accumulated as electrostatic energy in the electrostatic capacitance 71, and then the reverse path [capacitive load 70 → second terminal 60b of the third switch 60b → inductor 40 → fourth]. Energy is returned to the inductor 40 by the second terminal 65b of the switch → capacitive load 70]. The frequency in this case is determined by the series resonance frequency of the inductance 41 and the capacitive load 70.
【００１４】容量性負荷７０の両端に接続された電圧
計１００の電圧値Ｖ2 がほぼゼロになると（図２（Ｅ）
参照）、第３スイッチ６０の第２端子６０ｂがオフにさ
れ（図２（Ｃ）参照）、第２スイッチ３０がオンにされ
る（図２（Ｂ）参照）。すると、前記静電エネルギが、
経路［インダクタ４０→第２スイッチ３０→インダクタ
４０］により、インダクタ４０の磁気エネルギとして蓄
積される。When the voltage value V 2 of the voltmeter 100 connected across the capacitive load 70 becomes almost zero (FIG. 2 (E)).
2), the second terminal 60b of the third switch 60 is turned off (see FIG. 2C), and the second switch 30 is turned on (see FIG. 2B). Then, the electrostatic energy is
By the path [inductor 40 → second switch 30 → inductor 40], the magnetic energy of the inductor 40 is stored.
【００１５】電流計１１０により測定される電流Ｉ1
が所定値（図２（Ｄ）のＩB 参照）になったなら、第１
スイッチ１０がオンにされ、第２スイッチ３０がオフに
される。すると、インダクタ４０には、前記内部損失７
３で消費された電力が電源２０より充電される。このと
き、第１スイッチ１０と第２スイッチ３０とが同時にオ
フになる瞬間がないように、制御回路８０はプログラム
されている。Current I 1 measured by ammeter 110
If but reaches a predetermined value (see I B in FIG. 2 (D)), the first
The switch 10 is turned on and the second switch 30 is turned off. Then, the inductor 40 has the internal loss 7
The power consumed in 3 is charged by the power supply 20. At this time, the control circuit 80 is programmed so that the first switch 10 and the second switch 30 do not turn off at the same time.
【００１６】この後、上記〜までの動作を１周期と
して繰り返すことにより、容量性負荷７０に充放電が繰
り返される。その結果、容量性負荷７０において不要と
なった静電エネルギ回生が可能となり、駆動損失がほぼ
負荷の内部損失７３のみとなるので、容量性負荷７０の
駆動効率を向上することができる。ここに、第３スイッ
チ６０と第４スイッチ６５とは、それぞれ第２端子と第
３端子とにより、スイッチング毎に接続方向が逆転さ
れ、容量性負荷７０に印加される電圧の方向を一定方向
にしている。After that, by repeating the operations up to the above as one cycle, the charging / discharging of the capacitive load 70 is repeated. As a result, it is possible to regenerate unnecessary electrostatic energy in the capacitive load 70, and the driving loss is almost the internal loss 73 of the load, so that the driving efficiency of the capacitive load 70 can be improved. Here, the connection direction of the third switch 60 and the fourth switch 65 is reversed at each switching by the second terminal and the third terminal, and the direction of the voltage applied to the capacitive load 70 is made constant. ing.
【００１７】かかる構成の容量性負荷駆動回路１を使用
すると、例えば、積層型圧電素子を用いたアクチュエー
タを高周波数で駆動する場合にも、その駆動損失を非常
に小さくすることができる。また、容量性負荷の駆動電
圧波形を、スイッチングのタイミングを調整することに
より、変化させることができる。When the capacitive load drive circuit 1 having such a structure is used, even when an actuator using a laminated piezoelectric element is driven at a high frequency, the drive loss can be made extremely small. Further, the drive voltage waveform of the capacitive load can be changed by adjusting the switching timing.
【００１８】[0018]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、電
源からのエネルギをインダクタンスを介して容量性負荷
に供給し、容量性負荷の容量成分に帯電した電荷（エネ
ルギ）を前記インダクタンスに戻し、更に、前記エネル
ギを電源に戻しているので、電源から供給されるエネル
ギを低く抑えることができる。As described above, according to the present invention, the energy from the power source is supplied to the capacitive load through the inductance, and the charge (energy) charged in the capacitive component of the capacitive load is returned to the inductance. Furthermore, since the energy is returned to the power source, the energy supplied from the power source can be suppressed low.
【図１】容量性負荷駆動回路の等価回路図である。FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a capacitive load drive circuit.
【図２】（Ａ）〜（Ｅ）は、容量性負荷駆動回路に使用
されたスイッチのタイミングチャートおよび電圧と電流
の波形を示す図である。2A to 2E are timing charts of switches used in a capacitive load drive circuit and waveforms of voltage and current. FIG.
１…容量性負荷駆動回路 ２０…電源 １０…第１スイッチ（第１スイッチ手段） ３０…第２スイッチ（第２スイッチ手段） ４０…インダクタ（インダクタンス） ６０…第３スイッチ（第３スイッチ手段） ６５…第４スイッチ（第３スイッチ手段） ７０…容量性負荷 ８０…制御回路 1 ... Capacitive load drive circuit 20 ... Power supply 10 ... First switch (first switch means) 30 ... Second switch (second switch means) 40 ... Inductor 60 ... Third switch (third switch means) 65 ... Fourth switch (third switch means) 70 ... Capacitive load 80 ... Control circuit
─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成３年３月２７日[Submission date] March 27, 1991
【手続補正１】[Procedure Amendment 1]
【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing
【補正対象項目名】全図[Correction target item name] All drawings
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【図１】 [Figure 1]
【図２】 [Fig. 2]
Claims (2)
性負荷に対して電界を印加するための電源において、負
荷の静電エネルギを回収保持するためのインダクタンス
およびスイッチ手段と、前記インダクタンスと電源との
間に設けられたスイッチ手段およびエネルギ保持手段
と、各スイッチのＯＮ・ＯＦＦタイミングを制御するた
めの制御手段と、を具備したことを特徴とする容量性負
荷駆動回路。1. A power supply for applying an electric field to a capacitive load, comprising an electric power supply and a switching means, an inductance and a switching means for collecting and holding electrostatic energy of the load, and the inductance. A capacitive load drive circuit comprising: a switch means and an energy holding means provided between a power source and a control means for controlling ON / OFF timing of each switch.
れたインダクタンスと、このインダクタンスに並列接続
された第２スイッチ手段と、前記インダクタンスに容量
性負荷を接続せしめる第３スイッチ手段とを備え、前記
電源から供給されるエネルギを前記第１スイッチ手段を
介して前記インダクタンスに磁気エネルギとして保持
し、しかる後、この磁気エネルギを前記第３スイッチ手
段を介して前記容量性負荷に充電した後、前記磁気エネ
ルギを前記インダクタンスに戻して保持し、更に、第２
スイッチ手段を介して前記インダクタンスに保持された
磁気エネルギを前記電源に戻すように制御する制御部
と、を備えたことを特徴とする容量性負荷駆動回路。2. An inductor connected to a power supply via a first switch means, a second switch means connected in parallel to the inductance, and a third switch means for connecting a capacitive load to the inductance, The energy supplied from the power source is held as magnetic energy in the inductance via the first switch means, and then the magnetic energy is charged into the capacitive load via the third switch means, The magnetic energy is returned to and held by the inductance, and the second
And a control unit for controlling the magnetic energy held in the inductance to return to the power source via a switch means.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3046785A JPH053683A (en) | 1991-03-12 | 1991-03-12 | Capacitive load drive circuit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3046785A JPH053683A (en) | 1991-03-12 | 1991-03-12 | Capacitive load drive circuit |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH053683A true JPH053683A (en) | 1993-01-08 |
Family
ID=12756987
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP3046785A Pending JPH053683A (en) | 1991-03-12 | 1991-03-12 | Capacitive load drive circuit |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JPH053683A (en) |
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1991
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