JP2004241560A - 圧電アクチュエータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】駆動信号発生器1により発生された駆動信号に基づいて圧電アクチュエータ9への印加電圧および電流を推定すると共に、それら推定電圧および推定電流と電圧検出回路8による検出電圧および電流検出回路10による検出電流との比較により圧電アクチュエータ9および駆動信号増幅回路4の故障を判定する故障判定器11と、その判定結果に応じて駆動信号増幅回路4から圧電アクチュエータ9への電圧供給を切り替えるスイッチ切り替え判定回路16とを備え、スイッチ切り替え判定回路16は、故障判定器11で故障が判定された場合に駆動信号増幅回路4から圧電アクチュエータ9への電圧供給を遮断し、圧電アクチュエータ9を故障時の異常な印加電圧から保護することができる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータに電源を供給する側の故障を判定し、異常時の電源から圧電アクチュエータを保護する圧電アクチュエータ駆動装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の圧電アクチュエータ駆動電源の保護回路では、圧電アクチュエータ駆動用の高電圧電源と制御用電源が高電圧電源回路に接続され、高電圧電源回路と入力信号が電圧制御回路に接続され、電圧制御回路の出力信号は保護回路を介して圧電アクチュエータに接続されており、保護回路において圧電アクチュエータに流れる電流を検出し、その電流検出値が規定値よりも大きい場合は、保護回路内に設けられたスイッチング素子により電流制限を行う構成としている(例えば、下記特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平9−271136号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧電アクチュエータ駆動装置は以上のように構成されているので、保護回路にて検出される電流値が0の場合に、圧電アクチュエータ駆動回路開放故障と圧電アクチュエータ開放故障との区別ができないという課題があった。また、保護回路にて検出される電流値が規定値よりも大きい場合に、圧電アクチュエータ駆動回路短絡故障と圧電アクチュエータ短絡故障との区別ができないという課題があった。さらに、圧電アクチュエータに定格以上の電圧が印加されることにより圧電アクチュエータが故障するという課題があった。
【0005】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路の故障を判定し、圧電アクチュエータを故障時の異常な印加電圧から保護する圧電アクチュエータ駆動装置を得ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る圧電アクチュエータ駆動装置は、駆動信号発生器により発生された駆動信号に基づいて圧電アクチュエータへの印加電圧および電流を推定すると共に、それら推定電圧および推定電流と電圧検出回路による検出電圧および電流検出回路による検出電流との比較により圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路の故障を判定する故障判定器と、その判定結果に応じて駆動信号増幅回路から圧電アクチュエータへの電圧供給を切り替える切り替え回路とを備えたものである。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図であり、図において、駆動信号発生器1は、圧電アクチュエータが所望の伸縮動作をするように圧電アクチュエータ駆動信号を発生し、高電圧電源2は、高電圧電源を発生し、圧電アクチュエータ駆動回路3における駆動信号増幅回路4は、圧電アクチュエータ駆動信号を高電圧電源に基づいて増幅するものである。圧電アクチュエータ駆動回路3におけるオン・オフスイッチ(切り替え回路)5は、後述するスイッチ切り替え判定器(切り替え回路)16によりオン・オフが切り替えられるものである。
出力電流制限回路6は、圧電アクチュエータ駆動回路3から圧電アクチュエータ9に流れる電流を制限し、出力電圧制限回路7は、圧電アクチュエータ駆動回路3から圧電アクチュエータ9への印加電圧を制限するものである。
電圧検出回路8は、圧電アクチュエータ駆動回路3から圧電アクチュエータ9への印加電圧を検出し、圧電アクチュエータ9は、印加電圧に応じて伸縮するものであり、電流検出回路10は、圧電アクチュエータ9に流れる電流を検出するものである。
故障判定器11は、駆動信号発生器1により発生された圧電アクチュエータ駆動信号に基づいて圧電アクチュエータ9への印加電圧および電流を推定すると共に、それら推定電圧および推定電流と電圧検出回路8による検出電圧および電流検出回路10による検出電流との比較により圧電アクチュエータ9および駆動信号増幅回路4の故障を判定するものである。状態出力器12は、その故障判定器11による判定結果を外部に出力し、故障状態保存器13は、その故障判定器11による判定結果を保存し、リセット信号発生器14は、操作に応じて故障状態保存器13に保存された判定結果をリセットするリセット信号を発生するものである。
圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器15は、圧電アクチュエータ9を動作させたい場合に、オン信号を発生するものであり、スイッチ切り替え判定器16は、圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器15からオン信号が発生され、且つ、故障状態保存器13に保存される故障判定器11による判定結果が圧電アクチュエータ9への電圧供給を許可するものである場合に、オン・オフスイッチ5をオンするものである。
【0008】
次に動作について説明する。
図1において、駆動信号発生器1により圧電アクチュエータ駆動信号が生成され、駆動信号増幅回路4により圧電アクチュエータ駆動信号が増幅される。圧電アクチュエータ9は高電圧駆動する必要があるため、駆動信号増幅回路4は高電圧電源2により駆動される。
圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器15が駆動回路オン信号を発生し、且つ駆動信号増幅回路4および圧電アクチュエータ9が正常である場合、スイッチ切り替え判定器16は圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフスイッチ5をオンに切り替え、圧電アクチュエータ駆動回路3がオン状態となり、圧電アクチュエータ9に所望の電圧を印加することができる。
圧電アクチュエータ9に流れる電流は出力電流制限回路6により制限され、また、圧電アクチュエータ9へ印加される電圧は出力電圧制限回路7によって制限される。圧電アクチュエータ9に印加される電圧は電圧検出回路8によって検出され、圧電アクチュエータ9に流れる電流は電流検出回路10によって検出される。
図2は電流検出回路の構成を示す回路図であり、圧電アクチュエータ(C)9の一方に電圧検出回路8を接続し、他方に電流検出回路10の電流検出用抵抗Rの一方を接続し、電流検出用抵抗Rの他方を接地する。この電流検出用抵抗Rの両端電圧Vを検出することにより、圧電アクチュエータ9に流れる電流Iを検出することができる。
駆動信号発生器1の圧電アクチュエータ駆動信号と電圧検出回路8で得られる圧電アクチュエータ印加電圧と電流検出回路10によって得られる圧電アクチュエータ9に流れる電流を故障判定器11に入力し、故障判定器11は駆動信号発生器1の圧電アクチュエータ駆動信号に基づいて圧電アクチュエータ印加電圧および圧電アクチュエータに流れる電流を推定し、それら推定電圧および推定電流と、電圧検出回路8で得られる圧電アクチュエータ印加電圧および電流検出回路10によって得られる圧電アクチュエータに流れる電流とが異なっている場合は、圧電アクチュエータ9あるいは駆動信号増幅回路4が異常であると判断し、故障検知信号を故障状態保存器13に出力すると共に状態出力器12に出力する。駆動信号発生器1の圧電アクチュエータ駆動信号をv、駆動信号増幅回路4の増幅率をA、圧電アクチュエータ9に印加される電圧をV0、圧電アクチュエータ9に流れる電流をI、圧電アクチュエータ9の容量をC、電流検出回路10の抵抗値をR、電流検出回路10の抵抗の両端電圧をVとすると、圧電アクチュエータ印加電圧推定値は式(1)で表される。
V0=A・v (1)
また、圧電アクチュエータ9に流れる電流推定値は式(2)で表される。
C・V0=∫I・dt
I=C・(dV0/dt)=V/R (2)
V=R・C・(dV0/dt)
図3は故障判定器で判定される異常検知パターンを示す説明図である。
電圧検出回路8で得られる電圧検出値、電流検出回路10で得られる電流検出値が推定値と等価である正常値を示す場合、故障判定器11は圧電アクチュエータ9および駆動信号増幅回路4が正常であると判断する。電圧検出回路8で得られる電圧検出値が推定値と等価である正常値を示し、電流検出回路10で得られる電流検出値が0を示す場合、故障判定器11は圧電アクチュエータ開放故障であると判断する。電圧検出回路8で得られる電圧検出値がパルスを示し、電流検出回路10で得られる電流検出値が過電流を示す場合、故障判定器11は圧電アクチュエータ短絡故障であると判断する。電圧検出回路8で得られる電圧検出値が0を示し、電流検出回路10で得られる電流検出値が0を示す場合、故障判定器11は駆動信号増幅回路開放故障であると判断する。電圧検出回路8で得られる電圧検出値が高電圧電源電圧を示し、電流検出回路10で得られる電流検出値がパルスを示す場合、故障判定器11は駆動信号増幅回路短絡故障であると判断する。よって故障判定器11は図3で示す異常検知パターンにより、圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路正常、圧電アクチュエータ開放故障、圧電アクチュエータ短絡故障、駆動信号増幅回路開放故障、駆動信号増幅回路短絡故障を識別する。
故障状態保存器13は圧電アクチュエータ9あるいは駆動信号増幅回路4に故障が発生すると故障検知情報を保存し、圧電アクチュエータ9あるいは駆動信号増幅回路4が正常状態に復帰した場合においても故障検知情報をリセットしない。故障状態保存器13からの故障検知情報と圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器15による駆動回路オンあるいはオフ信号をスイッチ切り替え判定器16に入力し、圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器15から駆動回路オフ信号が出力される場合、あるいは故障状態保存器13から故障検知情報が出力される場合は圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフスイッチ5をオフに切り替える。状態出力器12による故障情報に基づいて圧電アクチュエータ9あるいは駆動信号増幅回路4の故障箇所および故障原因を推定し、故障修理等により圧電アクチュエータ9あるいは駆動信号増幅回路4が正常状態に復帰するとリセット信号発生器14により故障状態保存器13の故障検知情報をリセットし通常動作を行う。
【0009】
以上のように、この実施の形態1によれば、出力電圧制限回路7を設けることにより圧電アクチュエータ9に印加される電圧を制限することができ、圧電アクチュエータ9へ想定外の大きな電圧が印加されることを防止でき、圧電アクチュエータ9の破壊を防止することができる。また、出力電流制限回路6を設けることにより圧電アクチュエータ9に流れる電流を制限することができる。圧電アクチュエータ9に流れる電流が大きくなるとその圧電アクチュエータ9の機械的振動周波数が高くなり、その機械的振動周波数が圧電アクチュエータ9の共振周波数に達してしまうことが課題となるが、出力電流制限回路6において電流制限値を適当な値に設定することによって、圧電アクチュエータ駆動装置の駆動周波数帯域を圧電アクチュエータ9の共振周波数よりも低く設定することができ、圧電アクチュエータ9の破壊を防止することができる。
また、電圧検出回路8を設けることにより圧電アクチュエータ9に印加される電圧を検出でき、電流検出回路10を設けることにより圧電アクチュエータ9に流れる電流を検出することができ、故障判定器11を設けることにより、駆動信号発生器1の圧電アクチュエータ駆動信号に基づいて圧電アクチュエータ印加電圧および圧電アクチュエータ9に流れる電流を推定しそれらの推定値と、電圧検出回路8で得られる圧電アクチュエータ印加電圧と電流検出回路10によって得られる圧電アクチュエータに流れる電流とを比較して、異常検知パターンにより、圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路正常、圧電アクチュエータ開放故障、圧電アクチュエータ短絡故障、駆動信号増幅回路開放故障、駆動信号増幅回路短絡故障を識別することができ、故障箇所および故障原因を推定することができる。
さらに、状態出力器12を設けることにより圧電アクチュエータ9あるいは駆動信号増幅回路4に故障が発生した場合に、その故障を即座に理解することができる。また、故障状態保存器13を設けることにより圧電アクチュエータ9あるいは駆動信号増幅回路4に故障が発生した場合に故障検知情報を保存することができ、圧電アクチュエータ9あるいは駆動信号増幅回路4が正常状態に復帰した場合においても故障検知情報を自動的にリセットせず、故障状態が保存されるために故障検知情報に基づいて圧電アクチュエータ9あるいは駆動信号増幅回路4の故障箇所および故障原因を推定することができる。また、リセット信号発生器14を設けることにより故障が発生した場合において故障箇所および原因を特定後に故障状態保存器13を初期化することができる。
さらに、スイッチ切り替え判定器16を設けることにより故障が発生した場合において圧電アクチュエータ駆動回路をオフすることができ、圧電アクチュエータ9を故障時の異常な印加電圧から保護することができる。
【0010】
実施の形態2.
図4はこの発明の実施の形態2による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図であり、図において、第1の誤検出防止回路21は、電圧検出回路8により検出される電圧の電気的ノイズを除去するものであり、第2の誤検出防止回路22は、電流検出回路10により検出される電流の電気的ノイズを除去するものである。その他の構成については図1と同等である。
【0011】
次に動作について説明する。
図4において、圧電アクチュエータ9に印加される電圧は電圧検出回路8によって検出され、圧電アクチュエータ9に流れる電流は電流検出回路10によって検出される。電圧検出回路8によって検出される電圧は、例えば、ローパスフィルタで構成される第1の誤検出防止回路21を経由して故障判定器11に入力され、電流検出回路10によって検出される電流は、例えば、ローパスフィルタで構成される第2の誤検出防止回路22を経由して故障判定器11に入力され、故障判定器11はそれら第1の誤検出防止回路21および第2の誤検出防止回路22を経由した検出電圧および検出電流に応じた圧電アクチュエータ9あるいは駆動信号増幅回路4の故障を判定する。
【0012】
以上のように、この実施の形態2によれば、第1の誤検出防止回路21および第2の誤検出防止回路22を設けることにより圧電アクチュエータ9に印加される電圧の電気的ノイズを除去して電圧を検出でき、圧電アクチュエータ9に流れる電流の電気的ノイズを除去して電流を検出でき、故障判定器11において誤って故障検知することを防止することができる。
【0013】
実施の形態3.
図5はこの発明の実施の形態3による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図であり、図において、ノイズ除去回路31は、圧電アクチュエータ駆動回路3から圧電アクチュエータ9に供給される電圧の電気的ノイズを除去するものである。その他の構成については図1と同等である。
【0014】
次に動作について説明する。
図5において、駆動信号増幅回路4の出力電圧はノイズ除去回路31を経由して圧電アクチュエータ9に印加される。
図6はノイズ除去回路の構成を示す回路図であり、圧電アクチュエータ9に直列に抵抗R1を挿入することにより、抵抗R1と圧電アクチュエータ9の容量Cとでローパスフィルタを構成することができ、圧電アクチュエータ9に印加される電圧はローパスフィルタを通過した電圧信号となる。
【0015】
以上のように、この実施の形態3によれば、ノイズ除去回路31を設けることにより圧電アクチュエータ9に印加される電圧の電気的ノイズを除去することができ、圧電アクチュエータ9の想定外の動作を防止することができ、圧電アクチュエータ9の所望の動作を実現することができる。
【0016】
実施の形態4.
図7はこの発明の実施の形態4による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図であり、図において、電流検出回路10を削除し、ノイズ除去回路41は、その電流検出回路と共用するようにしたものである。その他の構成については図5と同等である。
【0017】
次に動作について説明する。
図5においては、圧電アクチュエータ9の後段に電流検出回路10を設けて圧電アクチュエータ9に流れる電流を検出する構成としたが、図7に示すように、ノイズ除去回路41を電流検出回路と共用する構成としても良い。
図8はノイズ除去回路の構成を示す回路図であり、ローパスフィルタを構成する抵抗R1の両端電圧V1を検出することにより、I=V1/R1の関係式から圧電アクチュエータ9に流れる電流を検出することができる。
【0018】
以上のように、この実施の形態4によれば、ノイズ除去回路41を電流検出回路と共用することで電流検出回路10が不要となり、回路構成を簡素化することができる。
【0019】
実施の形態5.
図9はこの発明の実施の形態5による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図であり、図において、高電圧電源は、第1の高電圧電源用電源51、第2の高電圧電源用電源52、第3の高電圧電源用電源53からなる駆動信号増幅回路4を駆動する複数の高電圧電源から構成されるものである。その他の構成については図1と同等である。
【0020】
次に動作について説明する。
図9においては、圧電アクチュエータ9は高電圧駆動する必要があるため、駆動信号増幅回路4は第1の高電圧電源用電源51、第2の高電圧電源用電源52、第3の高電圧電源用電源53により駆動される。
図10は高電圧電源の構成を示すブロック構成図であり、高電圧電源用電源は、例えば、DC/DCコンバータの3段直列接続で構成する。駆動信号増幅回路4に必要な高電圧をV0とし、各高電圧電源用電源51〜53の電圧をそれぞれV1,V2,V3とすると、V0=V1+V2+V3が成り立つように各高電圧電源用電源を調整する。一般的には、V1=V2=V3=V0/3となるように各高電圧電源用電源を調整する。
【0021】
以上のように、この実施の形態5によれば、駆動信号増幅回路4の高電圧電源として第1の高電圧電源用電源51、第2の高電圧電源用電源52、第3の高電圧電源用電源53を直列接続して実現することにより、高電圧電源用電源が1つあるいは2つ故障した場合において出力電圧は低減するが圧電アクチュエータ駆動回路3は動作することができ、電源系を冗長とすることができ、電源故障に強固な回路構成を実現することができる。
なお、この実施の形態5では、駆動信号増幅回路4の高電圧電源として第1の高電圧電源用電源51、第2の高電圧電源用電源52、第3の高電圧電源用電源53の3個を直列接続して実現しているが、高電圧電源用電源は2個以上の複数個を含めるものとする。
【0022】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、故障判定器では、推定電圧および推定電流と検出電圧および検出電流との比較に応じて圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路の故障箇所および故障原因を判定することができる。例えば、異常検知パターンにより、圧電アクチュエータおよび駆動信号増幅回路正常、圧電アクチュエータ開放故障、圧電アクチュエータ短絡故障、駆動信号増幅回路開放故障、駆動信号増幅回路短絡故障等を識別することができる。
また、切り替え回路は、故障判定器で故障が判定された場合に駆動信号増幅回路から圧電アクチュエータへの電圧供給を遮断し、圧電アクチュエータを故障時の異常な印加電圧から保護することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図である。
【図2】電流検出回路の構成を示す回路図である。
【図3】故障判定器で判定される異常検知パターンを示す説明図である。
【図4】この発明の実施の形態2による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図である。
【図5】この発明の実施の形態3による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図である。
【図6】ノイズ除去回路の構成を示す回路図である。
【図7】この発明の実施の形態4による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図である。
【図8】ノイズ除去回路の構成を示す回路図である。
【図9】この発明の実施の形態5による圧電アクチュエータ駆動装置を示すブロック構成図である。
【図10】高電圧電源の構成を示すブロック構成図である。
【符号の説明】
1 駆動信号発生器、2 高電圧電源、3 圧電アクチュエータ駆動回路、4駆動信号増幅回路、5 オン・オフスイッチ(切り替え回路)、6 出力電流制限回路、7 出力電圧制限回路、8 電圧検出回路、9 圧電アクチュエータ、10 電流検出回路、11 故障判定器、12 状態出力器、13 故障状態保存器、14 リセット信号発生器、15 圧電アクチュエータ駆動回路オン・オフ信号発生器、16 スイッチ切り替え判定器(切り替え回路)、21 第1の誤検出防止回路、22 第2の誤検出防止回路、31 ノイズ除去回路、41ノイズ除去回路、51 第1の高電圧電源用電源、52 第2の高電圧電源用電源、53 第3の高電圧電源用電源。
Claims (7)
- 印加電圧に応じて伸縮する圧電アクチュエータと、
上記圧電アクチュエータが所望の伸縮動作をするように駆動信号を発生する駆動信号発生器と、
上記駆動信号発生器により発生された駆動信号を高電圧電源に基づいて増幅し上記圧電アクチュエータに供給する駆動信号増幅回路と、
上記圧電アクチュエータへの印加電圧を検出する電圧検出回路と、
上記圧電アクチュエータに流れる電流を検出する電流検出回路と、
上記駆動信号発生器により発生された駆動信号に基づいて上記圧電アクチュエータへの印加電圧および電流を推定すると共に、それら推定電圧および推定電流と上記電圧検出回路による検出電圧および上記電流検出回路による検出電流との比較によりその圧電アクチュエータおよび上記駆動信号増幅回路の故障を判定する故障判定器と、
上記故障判定器による判定結果に応じて上記駆動信号増幅回路から上記圧電アクチュエータへの電圧供給を切り替える切り替え回路とを備えた圧電アクチュエータ駆動装置。 - 駆動信号増幅回路から圧電アクチュエータに流れる電流を制限する出力電流制限回路と、
上記圧電アクチュエータへの印加電圧を制限する出力電圧制限回路とを備えたことを特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ駆動装置。 - 故障判定器による判定結果を出力する状態出力器と、
上記故障判定器による判定結果を保存する故障状態保存器と、
上記故障状態保存器に保存された判定結果をリセットするリセット信号発生器とを備えたことを特徴とする請求項1または請求項2記載の圧電アクチュエータ駆動装置。 - 電圧検出回路により検出される電圧の電気的ノイズを除去する第1の誤検出防止回路と、
電流検出回路により検出される電流の電気的ノイズを除去する第2の誤検出防止回路とを備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の圧電アクチュエータ駆動装置。 - 駆動信号増幅回路から圧電アクチュエータに供給される電圧の電気的ノイズを除去するノイズ除去回路を備えたことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の圧電アクチュエータ駆動装置。
- ノイズ除去回路を電流検出回路と共用することを特徴とする請求項5記載の圧電アクチュエータ駆動装置。
- 高電圧電源は、駆動信号増幅回路を駆動する複数の高電圧電源から構成されたことを特徴とする請求項1から請求項6のうちのいずれか1項記載の圧電アクチュエータ駆動装置。
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