JPH0653565A - ピエゾ電気用の効率を改良した駆動系 - Google Patents
ピエゾ電気用の効率を改良した駆動系Info
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- JPH0653565A JPH0653565A JP5085859A JP8585993A JPH0653565A JP H0653565 A JPH0653565 A JP H0653565A JP 5085859 A JP5085859 A JP 5085859A JP 8585993 A JP8585993 A JP 8585993A JP H0653565 A JPH0653565 A JP H0653565A
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- switch
- piezoelectric
- piezoelectric element
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10N30/80—Constructional details
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
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- H03G3/20—Automatic control
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- H03G3/3084—Automatic control in amplifiers having semiconductor devices in receivers or transmitters for electromagnetic waves other than radiowaves, e.g. lightwaves
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/34—Negative-feedback-circuit arrangements with or without positive feedback
- H03F1/342—Negative-feedback-circuit arrangements with or without positive feedback in field-effect transistor amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/04—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
- H03F3/08—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light
- H03F3/082—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light with FET's
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- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 本発明は中間のインダクタ４を介して一方の
ピエゾ電気要素５から別のピエゾ電気要素６へエネルギ
を転送することによりピエゾ電気要素を駆動する装置の
提供。 【構成】 内部損失を補い且つピエゾ電気要素により行
われる仕事を補うためにエネルギ供給源１から付加的な
エネルギが得られる。このエネルギはスイッチにより必
要に応じて転送され、該スイッチはピエゾ電気要素間で
のエネルギ転送の適切なタイミングを決定し且つエネル
ギ供給源からのエネルギの供給を行うためにコントロー
ラにより動作される。
ピエゾ電気要素５から別のピエゾ電気要素６へエネルギ
を転送することによりピエゾ電気要素を駆動する装置の
提供。 【構成】 内部損失を補い且つピエゾ電気要素により行
われる仕事を補うためにエネルギ供給源１から付加的な
エネルギが得られる。このエネルギはスイッチにより必
要に応じて転送され、該スイッチはピエゾ電気要素間で
のエネルギ転送の適切なタイミングを決定し且つエネル
ギ供給源からのエネルギの供給を行うためにコントロー
ラにより動作される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ピエゾ電気アクチュエ
ータ用の電気駆動装置に関するものであって、更に詳細
には、システムの動作効率を増加させるための二つのピ
エゾ電気要素間でエネルギを転送する技術に関するもの
である。
ータ用の電気駆動装置に関するものであって、更に詳細
には、システムの動作効率を増加させるための二つのピ
エゾ電気要素間でエネルギを転送する技術に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】ピエゾ電気アクチュエータ及びその他の
高容量装置は高い電圧駆動を必要とする。従来の増幅器
でそれらを線形的に駆動する場合には、大きなリアクテ
ィブ電流を必要とし且つそれに対応して高い損失が発生
する。
高容量装置は高い電圧駆動を必要とする。従来の増幅器
でそれらを線形的に駆動する場合には、大きなリアクテ
ィブ電流を必要とし且つそれに対応して高い損失が発生
する。
【０００３】例えばＳｋｉｐｐｅｒの米国特許第４，６
２８，２７５号に記載される如く、このような装置に対
し効率的なパワーアンプを提供するための改良がなされ
ている。然しながら、アクチュエータシステムのエネル
ギ源を減少させるために使用されるアクチュエータ内に
格納される容量性エネルギは、回復期間中に、サイクル
の充電期間中におけるのと同一の損失を被るものであ
る。
２８，２７５号に記載される如く、このような装置に対
し効率的なパワーアンプを提供するための改良がなされ
ている。然しながら、アクチュエータシステムのエネル
ギ源を減少させるために使用されるアクチュエータ内に
格納される容量性エネルギは、回復期間中に、サイクル
の充電期間中におけるのと同一の損失を被るものであ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的とすると
ころは、アクチュエータを放電させ且つ電源エネルギ格
納部へエネルギを送り返すのではなく、一つのアクチュ
エータから別のアクチュエータへ直接的に容量性エネル
ギを転送することによりピエゾ電気アクチュエータシス
テムの効率を増加させることである。
ころは、アクチュエータを放電させ且つ電源エネルギ格
納部へエネルギを送り返すのではなく、一つのアクチュ
エータから別のアクチュエータへ直接的に容量性エネル
ギを転送することによりピエゾ電気アクチュエータシス
テムの効率を増加させることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、容量性エネル
ギが殆ど格納されていないか又は全く格納されていない
ピエゾ電気アクチュエータを活性化させるために非活性
化されるべき活性状態にあるピエゾ電気アクチュエータ
内に格納されている容量性エネルギを利用するものであ
る。一つの容量性アクチュエータのエネルギがインダク
タを介して第二のアクチュエータへスイッチされる。ス
イッチングのタイミング及びエネルギ転送率は、該アク
チュエータの機能的必要性により調整される。システム
における損失及びアクチュエータにより行なわれた仕事
を補償するためにエネルギが電源からシステムへ付加さ
れる。
ギが殆ど格納されていないか又は全く格納されていない
ピエゾ電気アクチュエータを活性化させるために非活性
化されるべき活性状態にあるピエゾ電気アクチュエータ
内に格納されている容量性エネルギを利用するものであ
る。一つの容量性アクチュエータのエネルギがインダク
タを介して第二のアクチュエータへスイッチされる。ス
イッチングのタイミング及びエネルギ転送率は、該アク
チュエータの機能的必要性により調整される。システム
における損失及びアクチュエータにより行なわれた仕事
を補償するためにエネルギが電源からシステムへ付加さ
れる。
【０００６】
【実施例】ピエゾ電気物質等の電気的に変形可能な物質
は、電気的エネルギから機械的仕事への変換を与える。
この仕事は電気的負荷として表われ、該負荷は主に容量
的性質であり、その仕事エネルギはドライバ回路即ち駆
動回路に対して小さな抵抗性成分である。運動によって
機械的負荷を駆動する場合には、仕事を発生する運動を
発生するために、電荷がコンデンサへ転送されねばなら
ない。機械的負荷が存在しない場合には、この電荷転送
からのエネルギはコンデンサ内に格納され、それは、電
荷が取除かれ且つ運動が逆転される場合に後に回復され
る。機械的負荷が存在しない場合には、損失は回路損失
と、ピエゾ電気要素の内部損失とに制限される。その場
合の等価回路を添付の図面に示してあり、ピエゾ電気ア
クチュエータ５及び６は、ピエゾ電気装置がコンデンサ
として作用することを表わすコンデンサと、機械的負荷
を表わす直列可変抵抗と、内部損失を表わす最小の抵抗
値を表わす抵抗とを有している。
は、電気的エネルギから機械的仕事への変換を与える。
この仕事は電気的負荷として表われ、該負荷は主に容量
的性質であり、その仕事エネルギはドライバ回路即ち駆
動回路に対して小さな抵抗性成分である。運動によって
機械的負荷を駆動する場合には、仕事を発生する運動を
発生するために、電荷がコンデンサへ転送されねばなら
ない。機械的負荷が存在しない場合には、この電荷転送
からのエネルギはコンデンサ内に格納され、それは、電
荷が取除かれ且つ運動が逆転される場合に後に回復され
る。機械的負荷が存在しない場合には、損失は回路損失
と、ピエゾ電気要素の内部損失とに制限される。その場
合の等価回路を添付の図面に示してあり、ピエゾ電気ア
クチュエータ５及び６は、ピエゾ電気装置がコンデンサ
として作用することを表わすコンデンサと、機械的負荷
を表わす直列可変抵抗と、内部損失を表わす最小の抵抗
値を表わす抵抗とを有している。
【０００７】典型的に、ピエゾ電気物質は、それが受取
る電気エネルギの２乃至１３％を有効な仕事へ変換する
ことが可能である。このことは、仕事エネルギと比較し
て駆動エネルギの大きな比となり、従って容量性エネル
ギとしてピエゾ電気物質内に格納されるエネルギを再生
するためにドライバ即ち駆動装置におけるエネルギ転送
及び回復回路において十分な注意が払われない場合に
は、非常に効率の低いシステムとなる場合がある。
る電気エネルギの２乃至１３％を有効な仕事へ変換する
ことが可能である。このことは、仕事エネルギと比較し
て駆動エネルギの大きな比となり、従って容量性エネル
ギとしてピエゾ電気物質内に格納されるエネルギを再生
するためにドライバ即ち駆動装置におけるエネルギ転送
及び回復回路において十分な注意が払われない場合に
は、非常に効率の低いシステムとなる場合がある。
【０００８】全ての高効率のコンデンサ充電システムに
おける如く、回路は、制御用のスイッチング要素及びイ
ンダクタにおいて抵抗性の損失が最小なものでなければ
ならない。
おける如く、回路は、制御用のスイッチング要素及びイ
ンダクタにおいて抵抗性の損失が最小なものでなければ
ならない。
【０００９】典型的なＬＣ充電システムを図１に示して
ある。エネルギは、スイッチＳｗ１を位置１へ移動させ
ることにより、エネルギ源１からインダクタ４を介して
アクチュエータ５へ転送される。電流の大きさ及びその
結果発生する充電率は、スイッチＳｗ１を位置１から３
へ交番させることにより制御され、従って平均印加電圧
及び平均電流が充電率を決定する。
ある。エネルギは、スイッチＳｗ１を位置１へ移動させ
ることにより、エネルギ源１からインダクタ４を介して
アクチュエータ５へ転送される。電流の大きさ及びその
結果発生する充電率は、スイッチＳｗ１を位置１から３
へ交番させることにより制御され、従って平均印加電圧
及び平均電流が充電率を決定する。
【００１０】所望の充電電圧（又は電流時間積）が達成
された場合には、スイッチを位置２へ移動させて電荷を
保持することが可能である。その電荷を取除くために
は、Ｓｗ１を位置４へ移動させ、従って格納されている
エネルギを供給源へ復帰させることによりエネルギの回
復を行なうことが可能である。回復回路は多数の変形例
が存在しており、その全てはインダクタ及びスイッチン
グ要素における転送期間中にサイクルの充電部分と回復
部分の両方においてエネルギの損失が発生する問題を解
消するものでなければならない。
された場合には、スイッチを位置２へ移動させて電荷を
保持することが可能である。その電荷を取除くために
は、Ｓｗ１を位置４へ移動させ、従って格納されている
エネルギを供給源へ復帰させることによりエネルギの回
復を行なうことが可能である。回復回路は多数の変形例
が存在しており、その全てはインダクタ及びスイッチン
グ要素における転送期間中にサイクルの充電部分と回復
部分の両方においてエネルギの損失が発生する問題を解
消するものでなければならない。
【００１１】エネルギ源と、スイッチ要素と、転送イン
ダクタとから構成される典型的なシステムは、注意深く
設計された場合には、０．９乃至０．９５の効率を達成
することが可能である。ピエゾ電気伝達効率が０．０５
であると仮定すると、全体的なシステム効率ｎs は次式
の如くに計算することが可能である。
ダクタとから構成される典型的なシステムは、注意深く
設計された場合には、０．９乃至０．９５の効率を達成
することが可能である。ピエゾ電気伝達効率が０．０５
であると仮定すると、全体的なシステム効率ｎs は次式
の如くに計算することが可能である。
【００１２】 ｎs ＝エネルギ負荷／（エネルギ損失＋エネルギ負荷） 尚、エネルギ負荷＝ＥL ＝０．０５Ｅc 。
【００１３】 Ｅc ＝充電エネルギ エネルギ損失＝Ｅl ＝（１−０．９２）Ｅc エネルギ損失は充電及び回復の両方において発生し、従
って次式が成立する。 ｎs ＝０．０５Ｅc ／｛２（１−０．０９２）Ｅc ＋０．０５Ｅc ｝ ＝０．０５／（０．１６＋０．０５） ＝０．２４ 従って、効率が９２％の回路で損失のないピエゾ電気要
素の場合には、２４％のシステム効率が実現されるに過
ぎない。何故ならば、大きな循環するエネルギが回路損
失に露呈されるからである。
って次式が成立する。 ｎs ＝０．０５Ｅc ／｛２（１−０．０９２）Ｅc ＋０．０５Ｅc ｝ ＝０．０５／（０．１６＋０．０５） ＝０．２４ 従って、効率が９２％の回路で損失のないピエゾ電気要
素の場合には、２４％のシステム効率が実現されるに過
ぎない。何故ならば、大きな循環するエネルギが回路損
失に露呈されるからである。
【００１４】あるアクチュエータにおいては、ピエゾ電
気物質からなる複数の層をスタック即ち積層させ、且つ
夫々の層の機械的加算が所望のアクチュエータ運動を発
生するように各層が異なった波形により駆動される。こ
の点に関するより詳細な説明は、「セグメント化変換器
用の電気駆動（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｄｒｉｖｅｆｏ
ｒ ａ Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅ
ｒ）」という名称の１９９０年３月５日付で出願した米
国特許出願第０７／４８８，５４８号の継続出願である
１９９１年８月９日付で出願した本願出願人の米国特許
出願第０７／７４３，０６９号に記載されている。
気物質からなる複数の層をスタック即ち積層させ、且つ
夫々の層の機械的加算が所望のアクチュエータ運動を発
生するように各層が異なった波形により駆動される。こ
の点に関するより詳細な説明は、「セグメント化変換器
用の電気駆動（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｄｒｉｖｅｆｏ
ｒ ａ Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅ
ｒ）」という名称の１９９０年３月５日付で出願した米
国特許出願第０７／４８８，５４８号の継続出願である
１９９１年８月９日付で出願した本願出願人の米国特許
出願第０７／７４３，０６９号に記載されている。
【００１５】１９９０年５月２２日付で発行された「ピ
エゾ電気アクチュエータ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
Ａｃｔｕａｔｏｒ）」という名称の米国特許第４，９
２８，０３０号、１９９１年５月２１日付で発行された
「ピエゾ電気回転ユニオンシステム（Ｐｉｅｚｏｅｌｅ
ｃｔｒｉｃ Ｒｏｔａｒｙ Ｕｎｉｏｎ Ｓｙｓｔｅ
ｍ）」という名称の米国特許第５，０１７，８２０号、
１９９１年１１月２６日付で発行された「電気的牽引モ
ータ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏ
ｒ）」という名称の米国特許第５，０６８，５６６号等
に記載されているアクチュエータの構成においては、複
数個の対のアクチュエータが平滑歩行運動態様で動作し
交互に物体と接触し且つそれを移動させる。これらのア
クチュエータは、特に本発明に向いているものである。
何故ならば、一方のアクチュエータが放電中に、隣りの
アクチュエータが充電されるからである。
エゾ電気アクチュエータ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
Ａｃｔｕａｔｏｒ）」という名称の米国特許第４，９
２８，０３０号、１９９１年５月２１日付で発行された
「ピエゾ電気回転ユニオンシステム（Ｐｉｅｚｏｅｌｅ
ｃｔｒｉｃ Ｒｏｔａｒｙ Ｕｎｉｏｎ Ｓｙｓｔｅ
ｍ）」という名称の米国特許第５，０１７，８２０号、
１９９１年１１月２６日付で発行された「電気的牽引モ
ータ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏ
ｒ）」という名称の米国特許第５，０６８，５６６号等
に記載されているアクチュエータの構成においては、複
数個の対のアクチュエータが平滑歩行運動態様で動作し
交互に物体と接触し且つそれを移動させる。これらのア
クチュエータは、特に本発明に向いているものである。
何故ならば、一方のアクチュエータが放電中に、隣りの
アクチュエータが充電されるからである。
【００１６】図２は一方のアクチュエータからのエネル
ギが直接的に第二のアクチュエータへ転送されるように
交互に動作する二つ以上のアクチュエータを設けること
により著しいシステム効率の改善を達成することが可能
な構成を示している。一例として、初期条件において、
ピエゾ電気アクチュエータ５が完全に充電されており且
つピエゾ電気アクチュエータ６がゼロの充電状態である
ものと仮定する。
ギが直接的に第二のアクチュエータへ転送されるように
交互に動作する二つ以上のアクチュエータを設けること
により著しいシステム効率の改善を達成することが可能
な構成を示している。一例として、初期条件において、
ピエゾ電気アクチュエータ５が完全に充電されており且
つピエゾ電気アクチュエータ６がゼロの充電状態である
ものと仮定する。
【００１７】スイッチ２は位置１にあり、ピエゾ電気ア
クチュエータ６を転送乃至は伝達用のインダクタ４へ接
続しており、且つスイッチ１はコントローラにより位置
１と３との間で交番し、ピエゾ電気アクチュエータ５か
ら伝達乃至は転送用のインダクタ４を介して所望の割合
でピエゾ電気アクチュエータ６へエネルギを転送する。
この形態においては、このエネルギ転送により電荷がピ
エゾ電気アクチュエータ上の電圧を等しくさせることを
可能としている。
クチュエータ６を転送乃至は伝達用のインダクタ４へ接
続しており、且つスイッチ１はコントローラにより位置
１と３との間で交番し、ピエゾ電気アクチュエータ５か
ら伝達乃至は転送用のインダクタ４を介して所望の割合
でピエゾ電気アクチュエータ６へエネルギを転送する。
この形態においては、このエネルギ転送により電荷がピ
エゾ電気アクチュエータ上の電圧を等しくさせることを
可能としている。
【００１８】電流が正弦波的な態様でＶ／ＳＱＲＴ（Ｌ
／Ｃ）により決定されるピーク値へ上昇し且つゼロへ減
衰するまで位置１に留まる場合には、全ての電荷はピエ
ゾ電気アクチュエータ５からピエゾ電気アクチュエータ
６へ転送される。尚、ＳＱＲＴは平方根を表わしてい
る。次いで、スイッチ２を位置３へ移動させ、ピエゾ電
気アクチュエータ６上の電荷を分離状態とさせる。この
プロセス期間中に、ピエゾ電気アクチュエータ５はその
休止状態へ移行し且つピエゾ電気アクチュエータ６はそ
のストレス状態へ移行する。
／Ｃ）により決定されるピーク値へ上昇し且つゼロへ減
衰するまで位置１に留まる場合には、全ての電荷はピエ
ゾ電気アクチュエータ５からピエゾ電気アクチュエータ
６へ転送される。尚、ＳＱＲＴは平方根を表わしてい
る。次いで、スイッチ２を位置３へ移動させ、ピエゾ電
気アクチュエータ６上の電荷を分離状態とさせる。この
プロセス期間中に、ピエゾ電気アクチュエータ５はその
休止状態へ移行し且つピエゾ電気アクチュエータ６はそ
のストレス状態へ移行する。
【００１９】このエネルギ転送は損失を発生させ、且つ
ピエゾ電気アクチュエータ６が何らかの仕事をしている
場合には更に付加的なエネルギ損失が発生するので、何
回かの転送を行なった後にシステム内のエネルギはゼロ
となる。然しながら、これらの損失を補うために供給源
から付加的なエネルギを導入するために制御スイッチ１
及び２の位置２を使用することにより付加的なエネルギ
をシステムへ付加させることが可能である。
ピエゾ電気アクチュエータ６が何らかの仕事をしている
場合には更に付加的なエネルギ損失が発生するので、何
回かの転送を行なった後にシステム内のエネルギはゼロ
となる。然しながら、これらの損失を補うために供給源
から付加的なエネルギを導入するために制御スイッチ１
及び２の位置２を使用することにより付加的なエネルギ
をシステムへ付加させることが可能である。
【００２０】ピエゾ電気アクチュエータの所要の運動の
ために充電電流の正弦波的転送が望ましくない場合に
は、スイッチ１及びスイッチ２の両方が交互に位置１と
３との間で交互に転送が行なわれる別の動作モードが使
用され、その場合には、ピエゾ電気アクチュエータの静
電界からインダクタの磁界へ移動し次いで第二ピエゾ電
気アクチュエータの静電界へ移動することにより、エネ
ルギはピエゾ電気アクチュエータ５からピエゾ電気アク
チュエータ６へ少しずつ流れる。
ために充電電流の正弦波的転送が望ましくない場合に
は、スイッチ１及びスイッチ２の両方が交互に位置１と
３との間で交互に転送が行なわれる別の動作モードが使
用され、その場合には、ピエゾ電気アクチュエータの静
電界からインダクタの磁界へ移動し次いで第二ピエゾ電
気アクチュエータの静電界へ移動することにより、エネ
ルギはピエゾ電気アクチュエータ５からピエゾ電気アク
チュエータ６へ少しずつ流れる。
【００２１】ピエゾ電気アクチュエータ対を充電し且つ
放電させるために同一の反転型波形を使用することの制
限は、回復したエネルギの全てを供給源へ転送し、次い
で他のピエゾ電気アクチュエータへ転送することを取除
いており、且つ伝達損失は約半分になっている。システ
ムに対する正味の効率は近似的に次式で表わされる。 ｎs ＝０．０５Ｅc ／｛（１−０．０９２）Ｅc ＋０．０５Ｅc ｝ ＝０．０５／（０．０８＋０．０５） ＝０．３８ これは、前述した値よりも１．６倍大きな値である。
放電させるために同一の反転型波形を使用することの制
限は、回復したエネルギの全てを供給源へ転送し、次い
で他のピエゾ電気アクチュエータへ転送することを取除
いており、且つ伝達損失は約半分になっている。システ
ムに対する正味の効率は近似的に次式で表わされる。 ｎs ＝０．０５Ｅc ／｛（１−０．０９２）Ｅc ＋０．０５Ｅc ｝ ＝０．０５／（０．０８＋０．０５） ＝０．３８ これは、前述した値よりも１．６倍大きな値である。
【００２２】線形及び非線形の両方の誘導性要素を使用
する多くのＬＣエネルギ転送形態を実現することが可能
であるが、中間のエネルギ格納要素及びスイッチが最も
少ない状態でピエゾ電気アクチュエータ間でエネルギが
循環される場合には、常にシステムの効率が改良され
る。
する多くのＬＣエネルギ転送形態を実現することが可能
であるが、中間のエネルギ格納要素及びスイッチが最も
少ない状態でピエゾ電気アクチュエータ間でエネルギが
循環される場合には、常にシステムの効率が改良され
る。
【００２３】図３に示した実施例においては、エネルギ
供給源１からの電流がインダクタ４を充電し、そのエネ
ルギは、次いで、所望の充電（及び充電率）が達成され
るまで、一方又は他方のピエゾ電気アクチュエータ５又
は６へ伝達され、次いでそのエネルギはピエゾ電気アク
チュエータ５からピエゾ電気アクチュエータ６へ伝達さ
れ且つその逆に戻され、その場合に損失を補い且つ行な
われる仕事により必要とされるエネルギを供給するため
に適宜エネルギ供給源からエネルギが補給される。
供給源１からの電流がインダクタ４を充電し、そのエネ
ルギは、次いで、所望の充電（及び充電率）が達成され
るまで、一方又は他方のピエゾ電気アクチュエータ５又
は６へ伝達され、次いでそのエネルギはピエゾ電気アク
チュエータ５からピエゾ電気アクチュエータ６へ伝達さ
れ且つその逆に戻され、その場合に損失を補い且つ行な
われる仕事により必要とされるエネルギを供給するため
に適宜エネルギ供給源からエネルギが補給される。
【００２４】多くのインダクタ回路は上述した構成で使
用することが可能である。一例として、図４及び６は使
用することの可能な二つのインダクタ回路を示してい
る。疑似矩形波である振動波形を発生する非線形インダ
クタ（飽和可能リアクタ）伝達回路の一例を図４に示し
ており、その場合、ピエゾ電気アクチュエータ５及び６
は容量が等しく、且つ転送用のインダクタ４は非飽和の
Ｌと飽和のＬの値を有する飽和可能なインダクタであ
る。
用することが可能である。一例として、図４及び６は使
用することの可能な二つのインダクタ回路を示してい
る。疑似矩形波である振動波形を発生する非線形インダ
クタ（飽和可能リアクタ）伝達回路の一例を図４に示し
ており、その場合、ピエゾ電気アクチュエータ５及び６
は容量が等しく、且つ転送用のインダクタ４は非飽和の
Ｌと飽和のＬの値を有する飽和可能なインダクタであ
る。
【００２５】図５のチャートに示される如く、時間０に
おいてサイクルを開始させるためにスイッチ１が閉成さ
れると、ピエゾ電気アクチュエータ５が充電され且つピ
エゾ電気アクチュエータ６はゼロの充電状態にある。電
流は電流飽和状態になるまでインダクタ４内において上
昇し、その場合にインダクタの第二電圧定格に達する。
インダクタが飽和すると、回路インピーダンスは、Ｌ
SAT によって決定される新たな値へ迅速に降下する。次
いで、正弦波電流が、ピエゾ電気アクチュエータ５から
該インダクタを介してＴ1 乃至Ｔ2 の期間中にピエゾ電
気アクチュエータ６へ流れる。その電流がゼロへ降下す
ると、該インダクタは非飽和状態となる。Ｔ2 からＴ3
への期間中に、ピエゾ電気アクチュエータ６が充電さ
れ、ピエゾ電気アクチュエータ５はゼロの充電状態とな
り、且つピエゾ電気アクチュエータ６からピエゾ電気ア
クチュエータ５への電荷の低周波数転送が開始する。そ
の電流の大きさは、振動周波数における如く、ＬUNSAT
（非飽和状態）により決定される。電流がゆっくりと増
加すると、Ｖ×ｔ時間でＩSAT （飽和）値に到達し、Ｂ
Ｈループの他方の端部においてインダクタが飽和し且つ
電荷の迅速な転送が行なわれる。その転送時間は、Ｌ
SAT により制御され、且つ保持時間はＬUNSAT により制
御される。保持時間の残部は、電流がゼロである場合に
スイッチ１を開成することにより拡大させることが可能
である。飽和可能なインダクタと保持時間を制御するた
めのスイッチとの組合せの結果、固定したインダクタ及
びスイッチを使用する場合と比較してスイッチに与える
ストレスはより小さい。何故ならば、ＬUNSAT の大きな
値は、スイッチが閉成した後のｄｉ／ｄｔを減少させ、
且つ大きな値の電流が流れる前にスイッチの閉成機能を
完了する時間を与えるからである。図６における固定型
インダクタ回路は、図７に示した如く、電荷転送パルス
間においてゆっくりと変化する電流（ｔ＝ＳＱＲＴ（Ｌ
UNSAT ）×Ｃｐｚのより大きな時定数を表わしている）
を有するものではない。
おいてサイクルを開始させるためにスイッチ１が閉成さ
れると、ピエゾ電気アクチュエータ５が充電され且つピ
エゾ電気アクチュエータ６はゼロの充電状態にある。電
流は電流飽和状態になるまでインダクタ４内において上
昇し、その場合にインダクタの第二電圧定格に達する。
インダクタが飽和すると、回路インピーダンスは、Ｌ
SAT によって決定される新たな値へ迅速に降下する。次
いで、正弦波電流が、ピエゾ電気アクチュエータ５から
該インダクタを介してＴ1 乃至Ｔ2 の期間中にピエゾ電
気アクチュエータ６へ流れる。その電流がゼロへ降下す
ると、該インダクタは非飽和状態となる。Ｔ2 からＴ3
への期間中に、ピエゾ電気アクチュエータ６が充電さ
れ、ピエゾ電気アクチュエータ５はゼロの充電状態とな
り、且つピエゾ電気アクチュエータ６からピエゾ電気ア
クチュエータ５への電荷の低周波数転送が開始する。そ
の電流の大きさは、振動周波数における如く、ＬUNSAT
（非飽和状態）により決定される。電流がゆっくりと増
加すると、Ｖ×ｔ時間でＩSAT （飽和）値に到達し、Ｂ
Ｈループの他方の端部においてインダクタが飽和し且つ
電荷の迅速な転送が行なわれる。その転送時間は、Ｌ
SAT により制御され、且つ保持時間はＬUNSAT により制
御される。保持時間の残部は、電流がゼロである場合に
スイッチ１を開成することにより拡大させることが可能
である。飽和可能なインダクタと保持時間を制御するた
めのスイッチとの組合せの結果、固定したインダクタ及
びスイッチを使用する場合と比較してスイッチに与える
ストレスはより小さい。何故ならば、ＬUNSAT の大きな
値は、スイッチが閉成した後のｄｉ／ｄｔを減少させ、
且つ大きな値の電流が流れる前にスイッチの閉成機能を
完了する時間を与えるからである。図６における固定型
インダクタ回路は、図７に示した如く、電荷転送パルス
間においてゆっくりと変化する電流（ｔ＝ＳＱＲＴ（Ｌ
UNSAT ）×Ｃｐｚのより大きな時定数を表わしている）
を有するものではない。
【００２６】ピエゾ電気アクチュエータの所望の運動を
発生するために充電電流波形の変形例を発生させるため
に多数のスイッチ、インダクタ又は非線形インダクタの
その他の多数の組合せを使用することが可能であるが、
システムの各半分に格納されるエネルギを供給源へ帰還
させることなしに他の半分へ転送することが可能である
ように相補的な態様で装置が動作される場合には、転送
損失を最小とすることが可能であり、且つより高いシス
テム効率が達成される。
発生するために充電電流波形の変形例を発生させるため
に多数のスイッチ、インダクタ又は非線形インダクタの
その他の多数の組合せを使用することが可能であるが、
システムの各半分に格納されるエネルギを供給源へ帰還
させることなしに他の半分へ転送することが可能である
ように相補的な態様で装置が動作される場合には、転送
損失を最小とすることが可能であり、且つより高いシス
テム効率が達成される。
【００２７】これらのスイッチを動作するコントローラ
は、ピエゾ電気要素又はインダクタの状態がどのような
状態にあるかの情報をコントローラへ供給すると共にア
クチュエータの位置に関する情報をコントローラへ供給
するためにピエゾ電気要素上及びインダクタ上に設けた
センサを有することが可能である。
は、ピエゾ電気要素又はインダクタの状態がどのような
状態にあるかの情報をコントローラへ供給すると共にア
クチュエータの位置に関する情報をコントローラへ供給
するためにピエゾ電気要素上及びインダクタ上に設けた
センサを有することが可能である。
【００２８】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。
【図１】 容量性エネルギをエネルギ供給源へ帰還させ
るピエゾ電気アクチュエータを有する従来技術を示した
概略図。
るピエゾ電気アクチュエータを有する従来技術を示した
概略図。
【図２】 一方のピエゾ電気アクチュエータに格納され
ている容量性エネルギを使用して第二のピエゾ電気アク
チュエータを活性化させる本発明の一実施例を示した概
略図。
ている容量性エネルギを使用して第二のピエゾ電気アク
チュエータを活性化させる本発明の一実施例を示した概
略図。
【図３】 本発明の第二実施例を示した概略図。
【図４】 非線形インダクタを使用した本発明の別の実
施例の一部を示した概略図。
施例の一部を示した概略図。
【図５】 図４の回路の電圧及び電流の波形を示したグ
ラフ図。
ラフ図。
【図６】 線形インダクタを使用した本発明の一実施例
の一部を示した概略図。
の一部を示した概略図。
【図７】 図６の回路の電圧及び電流波形を示したグラ
フ図。
フ図。
１ エネルギ供給源 ４ インダクタ ５，６ ピエゾ電気アクチュエータ
Claims (8)
- 【請求項１】 ピエゾ電気要素間で電荷を転送する駆動
装置において、 第一ピエゾ電気要素、 第二ピエゾ電気要素、 前記第一及び第二ピエゾ電気要素間に接続されているイ
ンダクタ、 回路を完成するために前記第一及び第二ピエゾ電気要素
間に設けた接続部、 前記回路を開閉するスイッチ、 前記スイッチの位置を制御する手段、 を有することを特徴とする駆動装置。 - 【請求項２】 請求項１において、前記インダクタが非
線形波形を転送するための飽和可能インダクタであるこ
とを特徴とする駆動装置。 - 【請求項３】 請求項１において、エネルギ源から本装
置へエネルギを付加する手段が設けられていることを特
徴とする駆動装置。 - 【請求項４】 請求項２において、エネルギ源から本装
置へエネルギを付加する手段が設けられていることを特
徴とする駆動装置。 - 【請求項５】 ピエゾ電気要素間で電荷を転送する駆動
装置において、 第一ピエゾ電気要素、 第二ピエゾ電気要素、 第一スイッチと第二スイッチ、 前記第一及び第二ピエゾ電気要素間に接続したインダク
タ、 エネルギ源、 前記ピエゾ電気要素間でエネルギを転送し且つ前記エネ
ルギ源からエネルギを付加するために前記スイッチのス
イッチ位置を制御する手段、 を有しており、前記第一スイッチが前記第一ピエゾ電気
要素と前記インダクタトの間に設けられており且つ前記
第二スイッチが前記インダクタと前記第二ピエゾ電気要
素との間に設けられており、前記エネルギ源と、前記第
一ピエゾ電気要素と、前記第二ピエゾ電気要素とは共通
の接地接続部を有しており、前記インダクタが前記エネ
ルギ源へ接続されている場合に前記スイッチが前記ピエ
ゾ電気アクチュエータか又は前記共通接地接続部を選択
することが可能であることを特徴とする駆動装置。 - 【請求項６】 請求項５において、前記インダクタが非
線形波形を転送するための飽和可能インダクタであるこ
とを特徴とする駆動装置。 - 【請求項７】 ピエゾ電気要素間で電荷を転送する駆動
装置において、 第一ピエゾ電気要素、 第二ピエゾ電気要素、 エネルギ源、 スイッチ、 前記ピエゾ電気要素間でエネルギを転送し且つ前記エネ
ルギ源からのエネルギを付加するために前記スイッチの
スイッチ位置を制御する手段、 を有しており、前記第一及び第二ピエゾ電気要素、前記
インダクタ及び前記エネルギ源の全てが共通接地接続部
を有しており、且つ前記スイッチが交互に前記インダク
タを第一ピエゾ電気要素、前記第二ピエゾ電気要素又は
前記エネルギ源へ接続させることを特徴とする駆動装
置。 - 【請求項８】 請求項５において、前記インダクタが非
線形波形を転送するための飽和可能なインダクタである
ことを特徴とする駆動装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US867559 | 1992-04-13 | ||
| US07/867,559 US5245242A (en) | 1992-04-13 | 1992-04-13 | Efficiency driver system for piezoelectrics |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0653565A true JPH0653565A (ja) | 1994-02-25 |
Family
ID=25350024
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5085859A Pending JPH0653565A (ja) | 1992-04-13 | 1993-04-13 | ピエゾ電気用の効率を改良した駆動系 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5245242A (ja) |
| EP (1) | EP0566023A1 (ja) |
| JP (1) | JPH0653565A (ja) |
| KR (1) | KR930022711A (ja) |
| CN (1) | CN1083972A (ja) |
| BR (1) | BR9301508A (ja) |
| CA (1) | CA2091117A1 (ja) |
| TW (1) | TW221534B (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02107509A (ja) * | 1988-08-31 | 1990-04-19 | Bayer Ag | 表面特性が改善された窒化硅素粉末及びその製造法 |
| JP2014204664A (ja) * | 2013-04-03 | 2014-10-27 | マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー | 駆動回路及び駆動方法 |
| JP2016046869A (ja) * | 2014-08-20 | 2016-04-04 | 住友重機械工業株式会社 | 充放電制御回路及び充放電制御方法 |
| JP2017017891A (ja) * | 2015-07-02 | 2017-01-19 | セイコーエプソン株式会社 | 圧電駆動装置、モーター、ロボットおよび圧電駆動装置の駆動方法 |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5889354A (en) * | 1994-08-29 | 1999-03-30 | Oceaneering International Inc. | Piezoelectric unit cell |
| US5798600A (en) * | 1994-08-29 | 1998-08-25 | Oceaneering International, Inc. | Piezoelectric pumps |
| US5761782A (en) * | 1994-08-29 | 1998-06-09 | Oceaneering International, Inc. | Method of fabrication of piezoelectric bender elements |
| DE69525629T2 (de) * | 1994-08-31 | 2002-08-29 | Honeywell, Inc. | Selbstversorgte fernstrukturüberwachung |
| US5691592A (en) * | 1995-09-14 | 1997-11-25 | Motorola, Inc. | Actuator drive and energy recovery system |
| US5703474A (en) * | 1995-10-23 | 1997-12-30 | Ocean Power Technologies | Power transfer of piezoelectric generated energy |
| WO1997023005A1 (en) * | 1995-12-04 | 1997-06-26 | Robert Bosch Corporation | Resonant coupled transducer drive |
| DE19632837A1 (de) * | 1996-08-14 | 1998-02-19 | Siemens Ag | Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes |
| US6291930B1 (en) | 1998-08-13 | 2001-09-18 | Oceaneering International, Inc. | Low voltage piezoelectric bender elements and unit cells |
| US6580177B1 (en) | 1999-06-01 | 2003-06-17 | Continuum Control Corporation | Electrical power extraction from mechanical disturbances |
| WO2000074224A1 (en) | 1999-06-01 | 2000-12-07 | Continuum Control Corporation | Electrical power extraction from mechanical disturbances |
| US6263737B1 (en) | 1999-07-23 | 2001-07-24 | Honeywell International Inc. | Acoustic fault injection tool |
| JP3506057B2 (ja) * | 1999-08-20 | 2004-03-15 | 日本碍子株式会社 | 圧電／電歪素子の駆動回路 |
| SE0002884D0 (sv) * | 2000-08-11 | 2000-08-11 | Piezomotor Uppsala Ab | Switched actuator control |
| US6661285B1 (en) | 2000-10-02 | 2003-12-09 | Holosonic Research Labs | Power efficient capacitive load driving device |
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| ITUD20080028A1 (it) * | 2008-02-12 | 2009-08-13 | Eurotech S P A | Dispositivo di conversione ed accumulo energia e relativo procedimento |
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| US8368290B2 (en) | 2010-05-18 | 2013-02-05 | Georgia Tech Research Corporation | Rectifier-free piezoelectric energy harverster and battery charger |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US3100886A (en) * | 1959-04-27 | 1963-08-13 | Admiral Corp | Compressional wave transmitter |
| US3585405A (en) * | 1969-03-11 | 1971-06-15 | Hewlett Packard Co | Ultrasonic transmitter switching circuit |
| US3803424A (en) * | 1972-05-08 | 1974-04-09 | Physics Int Co | Piezoelectric pump system |
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-
1992
- 1992-04-13 US US07/867,559 patent/US5245242A/en not_active Expired - Fee Related
-
1993
- 1993-03-05 CA CA002091117A patent/CA2091117A1/en not_active Abandoned
- 1993-03-27 TW TW082102334A patent/TW221534B/zh active
- 1993-04-07 EP EP93105792A patent/EP0566023A1/en not_active Withdrawn
- 1993-04-12 KR KR1019930006058A patent/KR930022711A/ko not_active Withdrawn
- 1993-04-12 BR BR9301508A patent/BR9301508A/pt not_active Application Discontinuation
- 1993-04-12 CN CN93104224A patent/CN1083972A/zh active Pending
- 1993-04-13 JP JP5085859A patent/JPH0653565A/ja active Pending
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR930022711A (ko) | 1993-11-24 |
| TW221534B (ja) | 1994-03-01 |
| EP0566023A1 (en) | 1993-10-20 |
| BR9301508A (pt) | 1994-06-28 |
| CN1083972A (zh) | 1994-03-16 |
| US5245242A (en) | 1993-09-14 |
| CA2091117A1 (en) | 1993-10-14 |
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