JPH0645738U - 圧電アクチュエータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本考案は、コア入りコイルを介して圧電アクチ
ュエータに台形状の電圧を印加するための装置を得るこ
とを目的とする。 【構成】Ｂ−Ｈ曲線において飽和領域と非飽和領域をも
つコア入りコイルを圧電アクチュエータの駆動回路に配
置し，このコイルの飽和領域まで電流を供給することに
より，圧電アクチュエータに台形状の電圧を供給可能と
した．

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、圧電素子で駆動するための圧電アクチュエータ駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来のこの種の圧電アクチュエータ励振駆動装置は図６に示したように構成 されている。

【０００３】 図６において、駆動信号入力端子１にトランジスタ２のベースが接続され、 またトランジスタ２のエミッタはアースされ、そのコレクタは抵抗３を介してト ランジスタ４のベースに接続されている。

【０００４】 また、トランジスタ４のエミッタは励振電圧入力端子５に接続され、そのコレ クタはトランジスタ６のコレクタに接続されるとともに、抵抗７を介して圧電素 子８の一方の電極に接続され、また他方の電極はアースされ、さらに圧電素子８ は励振機構９に接続されている。

【０００５】 また、駆動信号入力端子１はインバータ１０を介してトランジスタ６のベース に接続され、そのエミッタはアースされている。

【０００６】 この従来の圧電アクチュエータ励振駆動装置では、駆動信号入力端子１から図 ７（ａ）に示すような駆動信号を入力すると、トランジスタ２が導通し、また駆 動信号はインバータ１０で反転されるので、トランジスタ６は不導通となり、ト ランジスタ２の導通、トランジスタ６の不導通によりトランジスタ４を導通して 励振電圧入力端子５から抵抗７を介して圧電素子８に充電電流｛図７（ｂ）｝流 れ、図７（ｃ）に示すように充電され、圧電素子８を駆動し、この電圧素子８に 接続された励振機構９を作動すると、図７（ｄ）に示すように励振機構９の拡大 フレームの先端が変位する。

【０００７】 また駆動信号入力端子１から駆動信号を反転した制動信号が入力されると、ト ランジスタ２、４が不導通となり、トランジスタ６が導通するので、圧電素子８ に充電された電荷は抵抗７を介してトランジスタ６からアースに流れる。

【０００８】 このように構成した圧電アクチュエータ励振駆動装置では、圧電素子８を駆動 するとき（充放電するとき）、図７（ｂ）に示すように圧電素子８に過大な電流 が流れ、時には１０Ａ以上にも達する。

【０００９】 従って、この過大な電流を流すための大きなトランジスタ４、６が必要となる 。

【００１０】 また圧電素子８を駆動するたびに充電された電荷を抵抗７で消費するため、消 費電力が大となるという欠点がある。

【００１１】 この欠点を解消するために、図８に示した圧電アクチュエータ励振駆動装置が 提案されている（特開昭５９−１９８８８５号公報参照）。

【００１２】 図８において、１は駆動信号入力端子、２、４、６はトランジスタ、３は抵抗 、８は圧電素子、９は励振機構、１０はインバータであり、これらの構成は図６ の構成と同じであるので説明は省略するが、この装置では、トランジスタ４のコ レクタとトランジスタ６のコレクタの間にダイオード１１と抵抗１２が接続され 、またダイオード１１と抵抗１２の接続点にコイル１３を介して圧電素子８が接 続され、またダイオード１１と抵抗１２の接続点と励振電圧入力端子５の間に、 ダイオード１１と逆向きにダイオード１４が接続されている。

【００１３】 この装置では、抵抗７の代わりにコイル１３が接続されているため、図９（ａ ）に示すように駆動信号が入力されると、充電電流は図９（ｂ）に示すようにコ イル１３によって徐々に上昇して下降するため、充電電流が制限され、電流が約 ２〜４Ａ位に減少する。

【００１４】 従って、充放電電流が減少するので、トランジスタ４、６は容量が小さくても 済み、また抵抗７がなくなるので、不要な発熱も減少するという利点がある。

【００１５】 さらに、放電電流の一部がダイオード１４を介して励振電圧入力端子５から電 源に回生されるので、消費電力が少なくなるという利点がある。

【００１６】

【考案が解決しようとする問題点】

しかしながら、充電電流が制限されるため、図９（ｃ）に示すように圧電素子 ８の充電電圧もなだらかになり、さらに図９（ｄ）に示すように励振機構９の拡 大フレーム先端の変位もなだらかになる。

【００１７】 即ち、圧電素子８に直列にコイル１３を接続し、過渡現象時に発生する周波数 が励振機構９の拡大フレームの固有振動数に等しくなるようにコイル１３のＬの 値を選定し、コイル１３と圧電素子８によるＬＣの直列回路で圧電素子８を充電 すると、図９（ｃ）のようにゆるやかに充電され、圧電素子８はゆるやかに変位 する。

【００１８】 その結果、図９（ｄ）に示すように拡大フレームの先端変位が減少（約８０％ ）し、先端変位の遅れの増大（約１５０％）による先端変位を動作する時間が増 大する。

【００１９】 これに対して、図１０に示すようにコイル１３と圧電素子８によるＬＣの周波 数が拡大フレームの固有振動の２倍になるようにコイル１３のＬの値を選定する と、図１０（ａ）の駆動信号に対して、図１０（ｂ）の充電電流周期は１／２倍 となり、図１０（ｃ）に示すように圧電素子８は急速に充放電される。

【００２０】 そのため、拡大フレームの先端変位の応答は早くなるが（図７の１１５％）、 図１０（ｄ）に示すように拡大フレームの変位量はさらに小さくなる（図７の約 ７３％）。

【００２１】 従って励振機構９の、拡大フレームの先端の変位が減少するため、プラテンと ワイヤ先端の距離を短くする必要がある。

【００２２】 そのため、たとえばドットプリンタにおいては、キャリッジが左右に動く際、 非印字時でもワイヤの先端がリボンをこすってしまい、紙を汚すという問題があ り、さらにキャリッジを左右に動かすガイドとプラテンの平行度の精度を上げな くてはならなくなり、装置のコストが上がるという問題がある。

【００２３】 また、拡大フレームの先端の変位が減少により、インパクト力も減少し、重ね てコピーする枚数が減少するという問題があった。

【００２４】

【問題点を解決するための手段】

本考案は、上記問題点を解決するために、マイクロコンピュータから駆動信号 及び制動信号を予め決められたタイミングでスイッチング装置に入力し、該スイ ッチング装置をオン、オフすることにより、Ｂ−Ｈ曲線において非飽和領域と飽 和領域を有するコア入りコイルを介して圧電アクチュエータに励振電圧を印加す るものにおいて、上記コイルの飽和領域まで電流を供給することにより上記励振 電圧を台形状とすることを特徴とする。

【００２５】

【作用】

本考案によれば、Ｂ−Ｈ曲線において非飽和領域と飽和領域を有するコア入り コイルを使用し、その飽和領域まで電流を流すことにより、圧電素子の電圧を素 早く立ち上げ、しばらくその電位を保ち、その後に立ち下げるような台形状の波 形になるように充放電を行うことができ、それにより拡大フレームの先端の変位 の速度が早く、変位量を大きくすることができる。

【００２６】

【実施例】

図１は、本考案の１実施例の圧電アクチュエータ励振駆動装置のブロック図で 、マイクロコンピュータ１５の駆動信号及び制動信号の信号線１６、１７はスイ ッチング装置１８に接続され、また励振電源１９はスイッチング装置１８に接続 され、またスイッチング装置１８の出力線２０及び入力線２１はフェライトコア ２２と鉄心（フェライト）２３を使用したコア入りコイル２４を介して圧電素子 ２５に接続され、また圧電素子２５は励振機構２６に接続されている。

【００２７】 図２は、フェライトコア２２及び鉄心２３を使用した図１のコア入りコイル２ ４（以下コイルという）のＢ−Ｈ曲線で、曲線Ａ，Ｂ，Ｃはコイル２４のフェラ イトコア２２と鉄心２３のエアギャップが３０μ、５０μ、１００μにおける曲 線を示したおり、曲線Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ非飽和領域で急峻に立ち上がり、飽 和領域でゆるやかな曲線となっている。

【００２８】 また図３は、図１のフェライトコア入りコイルのＢ−Ｈ作動説明図で、区間 、は非飽和領域、区間、は飽和領域である。

【００２９】 次に、本実施例の動作を図４及び図５の波形図により説明する。

【００３０】 まず、図１の圧電アクチュエータ励振駆動装置において、マイクロコンピュー タ１５から信号線１６を介してスイッチング装置１８にある一定のレベルの駆動 信号を入力した場合、充電電流Ｉ、圧電素子２５の電圧Ｖ_C，コイル２４の電圧 Ｖ_Lは図４（ｂ），（ｃ），（ｄ）で示される。

【００３１】 これらの波形で、圧電素子２５の電圧Ｖ_Cの周期を励振機構２６の拡大フレー ムの固有振動数の周期より短くすると、拡大フレームの先端の変位は応答が早く なるが、先端の変位量が少なくなることは前述のとおりである。

【００３２】 そこで、圧電素子２５の電圧Ｖ_Cをすばやく立ち上げ、しばらくその電位を保 ち、その後立ち下げるようにした台形状の電圧を作りだせば、励振機構の拡大フ レームの応答速度を早くし、先端の変位量を大きく取ることができる。

【００３３】 この電圧Ｖ_Cの波形をコイル２４のＬの飽和を用いて実現する。

【００３４】 図５は、図３のＢ−Ｈ曲線を持つフェライトコアのコイルによって、圧電素子 ２５に台形の電圧を印加する状態の各部の波形図で、図４と同様に図５（ａ）は 駆動信号波形、図５（ｂ）は充電電流波形、図５（ｃ）は圧電素子２５の電圧波 形、図５（ｄ）はコイル２４の電圧である。

【００３５】 まず、図３のＢ−Ｈ曲線において、区間では充電電流が少しずつ増加して、 図５（ｄ）に示すようにコイル２４は徐々に飽和する。 区間でコイル２４のＬが飽和すると、発生する逆起電圧は非飽和時に比べて 小さくなり、充電電流は急速に増加する。

【００３６】 この充電電流の増加により、図５（ｃ）に示すように圧電素子２５は急速に充 電され、その結果、図５（ｂ）に示すように充電電流は減少する。

【００３７】 この充電電流の減少によりコイル２４に励振電源１９の電圧と同方向の逆起電 圧が発生し、電源電圧以上の電圧で圧電素子２５を充電する。 そして、さらに充電電流が減少し、飽和の状態から回復する。

【００３８】 区間で非飽和の状態に戻り、微少な電流で充電が続き、やがて圧電素子２５ は放電へと転じ、圧電素子２５の充電電流は信号線２０を介して励振電源１９へ 回生される。 この時、区間に比べて区間は殆ど圧電素子２５の電圧Ｖ_Cに変化がない。 この後、充電電流Ｉは回生方向で増加し、コイル２４のＬは再び飽和に至る。

【００３９】 区間では、区間と同じように急速に充電電流が増加し、放電が終了すると 、再び飽和状態から回復する。

【００４０】 なお、区間、のＶ_Cの傾き（即ち充電電流Ｉの最大値）及び飽和／非飽和 の状態変化はコイル２４のコア２２、鉄心２３のＢ−Ｈ曲線により決定する。

【００４１】 そして、区間〜の時間が励振機構２６の拡大フレームの固有振動数の同期 と一致するようにコイル２４を設計する。

【００４２】 本実施例は、このようにＢ−Ｈ曲線において非飽和領域と飽和領域をゆうする コア入りコイル２４を使用し、飽和領域まで電流を流すことにより、圧電素子の 電圧を素早く立ち上げ、しばらくその電位を保ち、その後に立ち下げるような台 形状の波形になるように圧電素子２５の充放電を行うことができ、それにより励 振機構２６の拡大フレームの先端の変位の速度を早くすることができ、また、変 位量を大きくすることができる。

【００４３】

【考案の効果】

以上の説明から明らかなように、本考案は、Ｂ−Ｈ曲線において非飽和領域と 飽和領域を有するコア入りコイルを使用し、その飽和領域まで電流を流すことに より、圧電素子の電圧を素早く立ち上げ、しばらくその電位を保ち、その後に立 ち下げるような台形状の波形になるように充放電を行うことができるので、拡大 フレームの先端の変位の応答遅れがなく、また先端の変位量を大きくすることが でき、従ってたとえばドットプリンタにおいて、プラテンとワイヤ先端の距離を 長くすることができ、従来例のように非印字時にワイヤの先端でリボンをこする ようなことがなく、またキャリッジのガイドとプラテンの平行度の精度を上げる 必要がなく、コストが安くなる。

【００４４】 また、拡大フレームの変位量が増加することによりインパクトが増加し、コピ ーの枚数も増加し、さらに応答が早くなるので、プリンタの印字速度が速くなる という利点がある。

【００４５】 また回路を簡単に構成でき、コストを安価にする効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の１実施例の圧電アクチュエータ励振駆
動装置のブロック図である。

【図２】図１の装置のコイルのコアと鉄心のギャップと
Ｂ−Ｈ曲線の関係を示した図である。

【図３】図１のコイルのコアのＢ−Ｈ曲線を示した図で
ある。

【図４】図１の装置の各部の波形図で、ａは駆動信号、
ｂは充電電流、ｃは圧電素子の電圧、ｄはコイル電圧を
それぞれ示した図である。

【図５】図３の特性のコイルを使用した図１の装置の各
部の波形図で、ａは駆動信号、ｂは充電電流、ｃは圧電
素子の電圧、ｄはコイル電圧をそれぞれ示した図であ
る。

【図６】従来の圧電アクチュエータ励振駆動装置の回路
図である。

【図７】図６の回路の各部の波形図で、ａは駆動信号、
ｂは充電電流、ｃは圧電素子の電圧、ｄは拡大フレーム
の先端変位をそれぞれ示した図である。

【図８】従来の圧電アクチュエータ励振駆動装置の回路
図である。

【図９】図８の回路の各部の波形図で、ａは駆動信号、
ｂは充電電流、ｃは圧電素子の電圧、ｄは拡大フレーム
の先端変位をそれぞれ示した図である。

【図１０】図８の回路の条件を変更した場合の各部の波
形図で、ａは駆動信号、ｂは充電電流、ｃは圧電素子の
電圧、ｄは拡大フレームの先端変位をそれぞれ示した図
である。

【符号の説明】

１５ マイクロコンピュータ １６、１７ 信号線 １８ スイッチング装置 １９ 励振電源 ２０ 出力線 ２１ 入力線 ２２ フェライトコア ２３ 鉄心 ２４ コア入りコイル ２５ 圧電素子 ２６ 励振機構

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロコンピュータから駆動信号及び
   制動信号を予め決められたタイミングでスイッチング装
   置に入力し、該スイッチング装置をオン、オフすること
   により、Ｂ−Ｈ曲線において非飽和領域と飽和領域を有
   するコア入りコイルを介して圧電アクチュエータに励振
   電圧を印加するものにおいて、 上記コイルの飽和領域まで電流を供給することにより上
   記励振電圧を台形状とすることを特徴とする圧電アクチ
   ュエータ駆動装置。