JP2776007B2 - 圧電素子の駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧電素子の駆動装置に関し、更に詳細には低
消費電力、低発熱、低コストを実現し得る圧電素子の駆
動装置に関する。

［従来の技術］ 圧電素子はコイルとともに充電及び放電を繰り返しつ
つ所定の周波数で共振し得るものである。しかしプリン
タにおける印字ワイヤの駆動に用いる場合など、一回の
変位における変位状態を所定の時間維持することを必要
とする場合もある。この様な場合の駆動装置として、例
えば特開昭63−130357号公報に示される装置が公知であ
る。

この装置は、第５図の様に構成される。即ち圧電素子
102には、スイッチングトランジスタ103のエミッターコ
レクタ間を介して電源101の電源端子に接続される。こ
のスイッチングトランジスタ103は駆動信号V2が入力さ
れた場合に圧電素子102に電源電圧を印加する。またこ
の圧電素子102にはダイオード110が前記スイッチングト
ランジスタ103が導通状態において逆方向に電圧がかか
る向きに並列接続されている。さらに前記圧電素子102
の非アース側端子には、コイル105の一端が接続され、
更にこのコイル105の他端は、ダイオード109を介して前
記電源101の電源端子に接続されている。このダイオー
ド109は、前記圧電素子102から電源端子側にのみ電流を
流す向きとなっている。

前記ダイオード109とコイル105の接続線は、スイッチ
ングトランジスタ106のコレクタに接続されている。こ
のスイッチングトランジスタのエミッタはアースに接続
され、ベースはスイッチングトランジスタ108のコレク
タに接続されている。このスイッチングトランジスタ10
8のエミッタは抵抗を介して圧電素子102の非アース側端
子に接続されている。前記スイッチングトランジスタ10
8のエミッタはスイッチングトランジスタ107のコレクタ
に接続され、エミッタはアースに接続されている。また
このスイッチングトランジスタ107のベースは解除信号V
3が入力されている。

以上の様な装置において、駆動信号V2がハイとなる
と、スイッチングトランジスタ103が導通状態となる。
すると前記電源端子からの電荷は、スイッチングトラン
ジスタ103を介して圧電素子102に充電され、圧電素子10
2が伸長すなわち変位する。

圧電素子102の励起を解除し収縮復帰させるときは前
記駆動信号V2をロウとするとともに前記解除信号V3をハ
イとする。すると新たな電荷の供給が遮断されるととも
に、前記スイッチングトランジスタ107が導通となる。
するとスイッチングトランジスタ108のベース電圧が0V
となる。一方スイッチングトランジスタ108のエミッタ
は前記充電状態にある圧電素子に接続されているため所
定の電圧がかかっている。そのためスイッチングトラン
ジスタ108のベース−エミッタ間に所定の電圧がかかり
スイッチングトランジスタ108が導通状態となる。従っ
て、スイッチングトランジスタ106のベースに前記圧電
素子102の端子電圧と同等の電圧がかかり、スイッチン
グトランジスタ106が導通状態となる。従って圧電素子1
02（ここではコンデンサと等価）とコイル105が直列に
並ぶ共振回路を形成することになる。そのためコイル10
5に流れる電流及び電圧はコイル105のインダクタンス及
び圧電素子102のキャパシタンスによって決まる決定の
周期の正弦波となり、その位相差は回路内の純抵抗成分
を無視すれば90度となる。またこのとき回路内に純抵抗
がほとんどないため回路内の損失はない。このようにコ
イル105にかかる電圧は正弦波状となるので、解除信号
がハイとなった後、前記周期の４分の１の時間が経過す
ると前記コイルにかかる電圧が零となる。このとき前記
スイッチングトランジスタ108のエミッタ0Vとなるた
め、該スイッチングトランジスタ108が遮断となり、同
時にスイッチングトランジスタ106も遮断となる。する
とコイル105に蓄積された電流はすべてダイオード109を
介して電源に流れ込む。このため放電した電荷を熱損失
することがなく、低発熱、低消費電力を実現する。

［発明が解決しようとする課題］ このような圧電素子には所定の負荷が接続されるが、
このような負荷は比較的大きな質量を有する。またこの
ような圧電素子は板ばねの様な弾性部材により、負荷を
復帰させかつ圧電素子を収縮させる方向の圧力をうけて
いる。圧電素子の励起を解除して圧電素子を収縮させる
と、微小時間遅れて負荷が復帰し、圧電素子に圧縮力が
作用し、圧電素子の電極に電荷が励起される。

しかしながら上記の如く構成した駆動装置を用いる
と、前記圧電素子の電極に電荷が励起されたとき、スイ
ッチングトランジスタ106が遮断状態にあるため、電荷
は前記圧電素子に蓄積される。従って、この蓄積された
電荷により圧電素子にわずかな変位が生じる。このため
例えば圧電素子をプリンタにおける印字ワイヤの駆動機
構に用いた場合等では、印字ワイヤがわずかに突出した
状態となり、印字リボン送りに支障をきたす等の問題点
が生じた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもの
で、その目的は圧電素子に蓄積された電荷を効果的に電
源に帰還させ、低消費電力、低発熱を実現するととも
に、非励起時に圧電素子に残留する電荷を効果的に逃す
ことにより、圧電素子の不要な変位を防止することであ
る。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明は、圧電素子の一方
の端子Ｂが直流電源の一方の電極に、他方の端子Ｄが直
流電源の他方の電極にそれぞれ電気的に接続された圧電
素子の駆動装置において、前記圧電素子の一方の端子Ｂ
を直流電源の一方の電極に電気的に接続することによ
り、前記直流電源の電荷を前記圧電素子に蓄積させ、該
圧電素子を変位させる第１のスイッチ手段と、一方の端
子Ａが圧電素子の一方の端子Ｂに電気的に接続されると
ともに、他方の端子Ｃが前記直流電源の一方の電極と電
気的に接続されたコイルと、前記コイルの他方の端子Ｃ
と前記圧電素子の他方の端子Ｄとを電気的に接続して前
記圧電素子と前記コイルとで共振回路を構成する第２の
スイッチ手段と、前記第２のスイッチ手段が遮断したと
きに、前記コイルに保持された磁気エネルギーを電気エ
ネルギーとして前記直流電源に還元させるべく、前記コ
イルの両端子C,Aと前記直流電源の各電極とを電気的に
接続してなる回路と、前記第１のスイッチ手段が遮断し
ている状態で前記第２のスイッチ手段を導通することに
より、前記圧電素子に蓄積された電荷を前記コイルに磁
気エネルギーとして保持させ、次いで、前記第２のスイ
ッチ手段を遮断することにより、前記コイルに保持され
た磁気エネルギーを電気エネルギーとして前記直流電源
に還元させ、前記コイルに流れる電流がほぼ零に達する
頃に、前記第２のスイッチ手段を再度導通する制御手段
とを備えることを特徴とする。

［作用］ 第１のスイッチ手段を導通させることにより、直流電
源の電荷をコイルを介して圧電素子に蓄積させること
で、圧電素子を変位させる。また、第１のスイッチ手段
が遮断している状態で第２のスイッチ手段を導通するこ
とにより圧電素子と前記コイルとで共振回路を構成し、
圧電素子に蓄積された電荷をコイルに磁気エネルギーと
して保持させることで、圧電素子の変位を解除する。次
いで、第２のスイッチ手段を遮断することで、コイルに
保持された磁気エネルギーを電気エネルギーとして直流
電源に還元し、前記コイルに流れる電流がほぼ零に達す
る頃に第２のスイッチ手段を再度導通することで、圧電
素子に蓄積された電荷を放電する。

［実施例］ 以下、本発明をインパクト型ドットプリンタ用印字ヘ
ッドの印字ワイヤを駆動する圧電型アクチュエータの駆
動源である圧電素子の駆動回路に適用した場合における
実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

圧電型アクチュエータは多数の第１図に示す圧電素子
Ｐが一直線方向に沿って積層されて成る積層圧電素子10
を備えている。積層圧電素子10は、第２図に示す様に各
々が積層圧電素子10と並行に延び、かつ積層圧電素子10
を中心として積層方向と直角な方向に並ぶ２つのフレー
ム12,14に支持されている。

積層圧電素子10の両端面にそれぞれ供に直方体状を成
す可動子16と温度補償材18とが固着されている。可動子
16の積層方向に平行な一側面が、互いに重ね合わせられ
た一対の板ばね20,22を介してフレーム12の面24に対向
させられ、また、温度補償材18の積層圧電素子10との固
着面とは反対側の背面が、フレーム12の面26に対向させ
られている。可動子16と板ばね20、及び板ばね22とフレ
ーム12の面24はそれぞれ互いに固着されているが、板ば
ね20,22同志はそれらの面に沿って摺動可能に接触させ
られている。また、フレーム12には、温度補償材18に接
触してそれを可動子16に接近させるピン28が固定されて
いる。これにより、積層圧電素子10は、積層方向に僅か
な圧縮力が残る状態でフレーム12,14に取付けられてい
る。従って、積層圧電素子10に電圧が印加されて積層圧
電素子10が積層方向に延びれば、板ばね20が板ばね22に
対して相対的に正方向（図において上方）へ移動し、一
方、積層圧電素子10から電圧が除去されて積層圧電素子
10が縮めば、板ばね20が板ばね22に対して逆方向へ移動
することとなる。

尚、積層圧電素子10から完全に電圧が除去されても、
積層圧電素子10に正方向の残留歪が残り、しかも、この
残留歪は積層圧電素子10の温度が高い程小さくなる。そ
のため、積層圧電素子10に印加される電圧の大きさが一
定に制御され、積層圧電素子10の変位量が一定に制御さ
れても、温度が高い場合には積層圧電素子10の最大変位
位置が正規位置に到達し得ず、温度が高い程正規位置と
最大変位位置との間に残る未到達距離が増大する。この
ような事態の発生を回避するために前記温度補償材18が
設けられている。温度補償材18は、それの温度が高い程
大きく膨脹するものとされ、この温度補償材18が、積層
圧電素子10の変位方向に直列に配置されている。つま
り、積層圧電素子10の未到達距離を、温度補償材18の膨
脹長さで補償することにより、温度変化に起因して積層
圧電素子10の最大変位位置が変動することがないように
されているのである。

前記フレーム14は積層圧電素子10より長い長手形状を
成す弾性変型可能な板材で構成されており、フレーム14
はフレーム12の温度補償材18に近接する部分と可動子16
とを連結している。フレーム14の機能は後に説明する。

一対の板ばね20,22の積層圧電素子10の側の端部とは
反対側の端部（図において上側の端部）に、直線的に延
びる溝32を有する保持部材34が嵌合されている。溝32の
幅は板ばね20,22の板厚の和より大きくされるととも
に、各板ばね20,22とそれに対向する溝32の側面とが互
いに固着されている。保持部材34からはアーム36が延び
出させられており、このアーム36の先端に印字ワイヤ38
が固定されている。この印字ワイヤ38は印字リボンを介
して印字用紙に対向させられている。

従って、積層圧電素子10が延びて板ばね20が板ばね22
に対して相対的に上方へ滑り、保持部材34が図において
溝32の中心溝をほぼ中心として反時計方向に回動させら
れると、印字ワイヤ38が印字リボンを介して印字用紙に
押し付けられ、印字用紙上にドットが印刷される。この
状態から積層圧電素子10が縮めば、保持部材34が時計方
向に回動させられる結果、印字ワイヤ38が非作用位置に
復帰する。印字ワイヤ38の非作用位置は、フレーム14に
固定の低反発性ゴム製ストッパ40にアーム36が当接する
ことによって規定される。

以上の説明から明らかなように、圧電型アクチュエー
タは、積層圧電素子10の変位を一対の板ばね20,22、保
持部材34及びアーム36によって拡大して印字ワイヤ38に
伝達するものなのである。

尚、印字ワイヤ38が印字用紙に押し付けられれば、可
動子16に、可動子16をそれの中心部をほぼ中心として図
において反時計方向に回動させる向きのモーメントが生
じ、積層圧電素子10が積層方向と交差する方向に屈曲さ
せられるおそれがある。しかし、本実施例においては、
積層圧電素子10が延びれば、それに応じてフレーム14が
弾性的に延びる結果、可動子16にそれを時計方向に回動
させる向きのモーメントが生ずるから、互いに逆向きの
モーメントが相殺することとなり、積層圧電素子10が屈
曲することなく直線的に伸縮することが可能となってい
る。

次に、積層圧電素子10の駆動回路を第１図に示す。こ
の実施例においては、出力電圧Ｅの直流電源51、トラン
ジスタTr1、コイル53及び圧電素子Ｐが順次直列に接続
され、直流電源51の負極側と圧電素子Ｐの負極となるべ
き電極側とが接地されている。トランジスタTr1の順方
向は直流電源51の正極側から圧電素子Ｐの正極となるべ
き電極側に向かう順方向（以下、回路の順方向という）
とされている。

さらに、トランジスタTr1とコイル53の接続点はトラ
ンジスタTr2を経て接地されている。トランジスタTr2の
順方向はトランジスタTr1とコイル53の接続点から接地
点に向かう方向とされている。トランジスタTr1,Tr2に
はそれぞれダイオードD1,D2が並列に接続されており、
それぞれのダイオードD1,D2の順方向はそれぞれのダイ
オードが並列に接続されているトランジスタの順方向と
逆方向とされている。そして、直流電源51の正極側と圧
電素子Ｐの正極となるべき電極側とはダイオードD3で接
続されており、そのダイオードD3の順方向は回路の順方
向と逆方向となっている。またダイオードD3と逆方向に
トランジスタTr3が接続されている。また、圧電素子Ｐ
には並列にダイオードD4が接続されており、その順方向
は圧電素子Ｐの負極となるべき電極側から正極となるべ
き電極側に向かう順方向とされている。尚、積層圧電素
子10を構成する多数の圧電素子Ｐは互いに並列に接続さ
れている。

トランジスタTr1,Tr2,Tr3の遮断状態と導通状態の切
り換えはトランジスタ制御回路55（以下、単に制御回路
55という）によって行われる。この制御回路55は、同時
に本装置を搭載するインパクト型プリンタの全体の制御
をも担うもので、マイクロコンピュータより構成され
る。この制御回路55は、タイマー55aを内蔵している。

次に制御回路55の制御について説明する。第３図は、
プリンタの所定のドットを印字するための所定印字素子
の駆動の制御を抜粋して示すフローチャートである。
尚、この制御回路はこのフローチャートに示される制御
の他に、他の印字素子の駆動及び他のプリンタの制御を
も同時に行う。

まず印字素子の駆動が指示されると、制御回路55はト
ランジスタTr2を遮断し（S1）、その直後にトランジス
タTr1を導通状態とする（S2）。すると直流電源51で発
生した電荷は、トランジスタTr1とコイル53を介して前
記圧電素子Ｐに流れ込む。従ってこの圧電素子Ｐが変位
し、この変位は印字ワイヤ38を突出させる。この印字ワ
イヤ38は印字リボンを介してプラテン上に載置された印
字用紙を押打する。

制御回路51は圧電素子Ｐに十分な電荷が蓄積されるま
で待機する（S3）。すると、コイル53の作用により、電
流はダイオードD3及びトランジスタTr1を介した閉電流
ループを流れ続け、コイル53を流れる電流が保持され
る。

そして圧電素子Ｐに十分に電荷が蓄積された後、前記
制御装置51はトランジスタTr1を遮断するとともにトラ
ンジスタTr3を導通させる（S4）。すると、前記コイル5
3の作用により該コイル53に電流が流れ続け、その電流
は、ダイオードD3,直流電源53,ダイオードD2を介した閉
電流ループ内を流れ続け、電源に還元され減衰する。こ
の間に圧電素子Ｐによりわずかに電流が消費されるが、
この電流は前記直流電源51からトランジスタTr3を介し
て圧電素子Ｐに供給される。つまりこの間前記圧電素子
Ｐの変位は保持されたままとなる。

制御回路55はコイル53に流される電流が減衰し、且つ
印字に必要な変位時間の間待機（S5）し、その後前記制
御回路55は、前記トランジスタTr3を遮断するとともに
微少時間おくれて前記トランジスタTr2を導通させる（S
6）。すると圧電素子に蓄積された電荷はコイル53及び
トランジスタTr2を介した閉電流ループを流れる。この
ときこの閉電流ループ内に純抵抗はほとんどないので電
気エネルギーの熱消費はほとんどない。そして前記圧電
素子Ｐに蓄積されていた電荷に起因する電気エネルギー
は、後述する所定時間の後に、すべてコイル53近傍の磁
気エネルギーとしてコイルＬに蓄積される。

そして前記制御回路55は、この瞬間まで待機し（S
7）、前記トランジスタTr2を遮断する（S8）。すると前
記コイル53の作用により前記コイル53の電流が流れ続け
ようとするため、この電流はダイオードD1を介して前記
直流電源Ｅに還元される。つまり前記コイルＬに蓄積さ
れた磁気エネルギーは電気エネルギーとしてすべて直流
電源51に還元される。

前述の様にして圧電素子Ｐに蓄積されている電荷が直
流電源51に還元されるまで待機し（S9）制御回路55は、
前記トランジスタTr2を再び導通状態とする（S10）。こ
れは以下に示す理由による。

前記圧電素子Ｐは前記S6の処理により収縮するが、前
記印字ワイヤは、前記プラテンにおける跳ね返り及び板
ばねの弾性により再び突出位置から退避位置に戻る。こ
のため前記S6より微小時間遅れて圧電素子Ｐに圧縮応力
がかかる。このため圧電素子Ｐは僅かに変位し電極に電
荷が生じる。また多数のアクチュエータのうちの１つの
印字動作時の振動が他の圧電素子Ｐに伝達され、その振
動に起因する応力も圧電素子Ｐにかかる。このため圧電
素子Ｐには電荷が発生することになる。これらの電荷を
逃さないと、この電荷は圧電素子Ｐに蓄積され、圧電素
子Ｐを変位させ、印字ヘッド面より印字ワイヤを僅かに
突出させた状態とする。そのためS10において圧電素子
Ｐに蓄積された電荷を直流電源に還元させるのに十分に
時間を経過した後に、前記制御回路55は前記トランジス
タTr2を再び導通状態とする。圧電素子に蓄積された電
荷は、コイル53、トランジスタTr2、圧電素子Ｐの閉回
路を流れる。上記のように発生した電荷は、通常の印字
動作に比してわずかであり、またこれら回路素子の純抵
抗はほとんどないといっても、全くないものではないか
ら、電荷は閉回路を流れるうちに減衰する。このトラン
ジスタTr2は次の印字ワイヤの駆動時（S1）まで導通状
態とされる。次にS7及びS9の待機時間について説明す
る。

まず、トランジスタTr2を導通すると（時刻ｔ＝
０）、圧電素子Ｐ（キャパシタンスＣ）、コイル53及び
トランジスタTr2より成る閉回路が形成され、圧電素子
Ｐに蓄えられている静電エネルギーによって、圧電素子
Ｐよりコイル53に電流が流れる。このトランジスタを導
通する時刻をｔ＝０とし、コイル53にトランジスタTr2
側より圧電素子Ｐ側に流れる電流をｉ（ｔ）とすれば、
トランジスタTr2などに抵抗成分がないと仮定すること
によって、前述の閉回路より、キルヒホックの第２法則
より次式を得ることができる。

ただし、ここで、Ｌはコイル53のインダクタンス,Cは
圧電素子Ｐの静電容量を表す。

いま、ここで圧電素子Ｐの電荷をｑ（ｔ）とすると、
ｑ（ｔ）は次式となる。

これら（２）式及び（３）式を（１）式に代入するこ
とによって次式を得る。

この微分方程式（４）式を解いて、ｑ（ｔ）を求め
る。この式を解くために微分演算式ｐを導入する。この
微分演算子ｐは次式で表される。

（５）式を（４）式に代入することによる次式を得
る。

（６）式を解くと次式となる。

ただし、ｊは虚数単位である。ここで定数A₁,A₂を導
入すれば、ｑ（ｔ）は次式で表されることになる。

いま、さらに次式を定義する。

Ａ＝A₁＋A₂ （９） Ｂ＝ｊ（A₁−A₂） （10） （９）式，（10）式，（11）式によって、（８）式は
次のように変形される。

ｑ（ｔ）＝Acos ω₀t＋Bsin ω₀t （12） この（12）式を（３）式に代入することによって、次
式を得る。

ｉ（ｔ）＝ω_０［Bcos ω₀t−Asin ω₀t］ （13） 次に、時刻ｔ＝０における初期条件について考える。
時刻ｔ＝０以前においては、印字を行うために、圧電素
子Ｐには電荷が蓄えられている。このとき圧電素子Ｐの
両端の電位差は電源電圧Ｅと等しくなっている。圧電素
子Ｐの静電容量はＣであるので、時刻ｔ＝０における圧
電素子Ｐに蓄えられている電荷は次式で表される。

また、時刻ｔ＝０において、トランジスタTr2を導通
するため、時刻ｔ＝０にはまだコイル53に電流が流れて
いないことになる。従って、時刻ｔ＝０におけるコイル
53に流れる電流は次式で表される。

（14）式，（15）式及びｔ＝０を（12）式，（13）式
に代入することによって、定数Ａ及びＢは次の様にな
る。

Ａ＝CE （16） Ｂ＝０ （17） （16）式及び（17）式を（12）式及び（13）式に与え
ることによって、次式が得られる。

ｑ（ｔ）＝CEcos ω₀t （18） ｉ（ｔ）＝−ω₀CEsin ω₀t （19） 一方、圧電素子Ｐの両端の電圧差をｖ（ｔ）とすれ
ば、ｖ（ｔ）は次式で表される。

（20）式に（18）式を代入すれば次式が得られる。

Ｖ（ｔ）＝Ecos ω₀t （21） 従って、時刻ｔ＝０にトランジスタTr2を導通する
と、圧電素子Ｐの両端の電位差ｖ（ｔ）は、零に達する
まで（21）式で表される値をとることになる。

一方、圧電素子Ｐの両端の電位差ｖ（ｔ）が零に達す
る時刻は（21）式の左辺を零とした式を解くことによっ
て得られることになる。

ここで、時刻ｔ＝０から最初に圧電素子Ｐの両端の電
位差ｖ（ｔ）が零に達するのは（24）式より であることがわかる。ω_０の値は（11）式で定義したの
て、この値を代入すれば、 で得られた。

この にトランジスタTr2が遮断されると、コイル53の電源エ
ネルギーによる電流ｉ（ｔ）が、トランジスタTr2を流
れることができなくなるため、コイル53,ダイオードD1,
直流電源51,ダイオードD4から成る閉回路を電流は流れ
るようになる。時刻t₁をトランジスタTr2を遮断する時
刻、すなわち次式のように定義する。

一方、前述の閉回路より、キルヒホックの第２法則に
よって、次式が成り立つ。

（26）式を解いて次式を得る。

（27）式の初期条件について考えると、（19）式のｔ
に（25）式のt₁を代入すればよいことになる。従って、
時刻t₁のｉ（ｔ）の値ｉ（t₁）は次のようになる。

（28）式によって、（27）式の定数Ｋを消去すればｔ
＝t₁以降のｉ（ｔ）は次式のようになることがわかる。

次に（29）式より、ｉ（ｔ）＝０となるｔを算出する
と次のようになる。

従って、時刻ｔ＝t₁でトランジスタTr2を開くと かかってコイル53の磁気エネルギーを電気エネルギーと
して直流電源51に還元することになる。

これらの動作の圧電素子Ｐの両端の電位差ｖ（ｔ）と
コイル53に流れる電流ｉ（ｔ）は第４図（ａ）のように
なる。

次にトランジスタTr2が導通されている時間が でない場合について説明する。

まず、トランジスタTr2を より長い時間導通した場合について説明する。

トランジスタTr2を時間ｔ＝０に導通したとすると、 までは、前述した例と全く同様になるため、ここでは特
に説明をしない。

となると、圧電素子Ｐの両端の電位差が零となる。する
と、ダイオードD4が導通するため、閉回路はコイル53,
スイッチング素子Tr2,ダイオードD4で構成されるように
なる。

トランジスタTr2やダイオードD4が理想的なスイッチ
ング素子であるとすればコイル53の電流エネルギーを消
費する要因がないため、圧電素子Ｐの両端の電位差ｖ
（ｔ）は零のまま、コイル53の電流ｉ（ｔ）は第４図
（ｂ）の実線のようになる。しかしながら、実際はトラ
ンジスタTr2,ダイオードD4,コイル53などは抵抗成分を
持つため、第４図（ｂ）の破線のように、トランジスタ
Tr3が導通されている間に、コイル53の電流エネルギー
が消費され、熱エネルギーに変換される。ただし、この
変換される熱エネルギーは微少であり、本実施例の駆動
回路よりの発熱の増加も微少であるため、大きな問題と
はならない。

従って、トランジスタTr2を または、それ以上閉じていた場合は、第４図（ａ）及び
（ｂ）の実線のように、理想的な素子を使用した場合は
トランジスタTr2を導通した時刻より 後にコイル53の電流ｉ（ｔ）が零となる。従って、トラ
ンジスタTr2を導通した時刻より 後に再びトランジスタTr2を導通すればよいことにな
る。

次に個々の圧電素子Ｐの静電容量Ｃやコイル53のリア
クタンスの個体差などによりちょうどコイル53に流れる
電流ｉ（ｔ）が零になった時刻以外にトランジスタTr2
を導通した場合について説明する。

まず、コイル53に流れる電流ｉ（ｔ）が零になる前に
トランジスタTr2を閉じた場合について説明する。

トランジスタTr2を導通すると、コイル53に流れる電
流ｉ（ｔ）は、コイル53,トランジスタTr2及びダイオー
ドD4で構成される閉回路を流れる。これらコイル53,ト
ランジスタTr2及びダイオードD4が理想的な素子で抵抗
成分がなければ、トランジスタTr2を導通した時点でコ
イル53に流れていた電流量がトランジスタTr2を導通し
ている間じゅう、流れることになる。しかしながら、こ
れらの素子には通常抵抗成分があるため、コイル53の電
流エネルギはこれらの抵抗成分によって熱エネルギに変
換され、これらの素子より放熱される。しかしながら、
トランジスタTr2がある程度の時間開いており、ある程
度のコイル53の電流エネルギが直流電源Ｅに回生されて
おり、すでにコイル53に流れる電流ｉ（ｔ）は小さいの
で、これらの素子が発熱する量は小さいので、特に問題
とならない。一方、コイル53に流れる電流ｉ（ｔ）が零
になった後、ある程度の時間が経過してからトランジス
タTr2を導通した場合について説明する。

圧電素子Ｐに接続されている拡大機構の慣性力によっ
て圧電素子Ｐが圧迫され、圧電素子Ｐに発生する電圧は
微小でありかつ、そのうち短い時間の間に発生する成分
はさらに微小であるため、これらの機構がたとえばドッ
トマトリクスプリンタに使用されたとしても、問題とな
る程の量、変位しない。この電圧が発生しトランジスタ
Tr2が導通されると、前述したようにコイル53,トランジ
スタTr2及びダイオードD4の抵抗成分によって放電され
るため、コイル53に流れる電流ｉ（ｔ）が零になった
後、ある程度時間か経過してからトランジスタTr2を導
通しても問題を生じない。

以上説明した様に、トランジスタTr2を導通した後ほ
ぼ なる時間経過した後に再びトランジスタTr2を導通すれ
ば、コイル53に流れる電流がまだ零に達していない、或
いはすでに零に達しある程度時間が経過しているにかか
わらずよいことになる。

次に、トランジスタTr2を より短い期間導通する場合について説明する。

にトランジスタTr2を遮断すると、その時刻t₁における
コイル53に流れる電流ｉ（t₁）は（19）式より次のよう
になる。

一方、時刻ｔ＝t₁でトランジスタTr2が遮断される
と、コイル53の電流エネルギーによって、コイル53,ダ
イオードD1,直流電源51及び圧電素子Ｐより成る閉回路
に電流が流れる。この閉回路について、キルヒホックの
第２法則より次式が成り立つ。

ｑ（ｔ−t₁）を導入すれば次式が得られる。

この微分方程式を解いてｑ（ｔ）を求める。まず過渡
項qt（ｔ−t₁）は、Ｅ＝０とおいたときの同次式（４）
式の解となる。従って、（12）式より次のようになる。

ｑ（ｔ−t₁）＝Acos ω_０（ｔ−t₁） ＋Bsin ω_０（ｔ−t₁） （34） 一方定常解qsは次のようになる。

qs＝CE （35） 従って一般解ｑ（ｔ−t₁）は（34），（35）式より次
のようになる。

ｑ（ｔ−t1）＝qs＋qt（ｔ−t1） ＝CE＋Acos ω_０（ｔ−t1）＋Bsin ω_０（ｔ−t
1） （36） （36）式に（３）式を用いて次式を得る。

ｉ（ｔ−t₁）＝ω_０｛Bcos ω_０（ｔ−t₁） −Asin ω_０（ｔ−t₁）｝ （37） （36）式よりｔ＝t1のときは、cos ω_０（ｔ−t1）
＝1,sin ω_０（ｔ−t1）＝０であるから、 ｑ（t1）＝CE＋Ａ また、（37）式より ｉ（t1）＝ω₀B 電流や電荷は、時刻t1の前後で連続するため、時刻t1
のときは、（18）式より、 ｑ（t1）＝CE cosω_０ t1 （19）式より、 ｉ（t1）＝−ω_０ CE sin ω_０ t1 であるから、次のようになる。

CEcos ω₀t₁＝CE＋Ａ （38） −ω₀CEsin ω₀t₁＝ω₀B （39） （38），（39）式より次のようになる。

Ａ＝CE（cos ω₀t−１） （40） Ｂ＝−CEsin ω₀t₁ （41） （40），（41）式を（36），（37）式に代入すれば次
のようになる。

ｑ（ｔ−t₁） ＝CE＋CE（cos ω₀t₁−１）cos ω_０（ｔ−t₁） −CEsin ω₀t₁ sinω_０（ｔ−t₁） （42） ｉ（ｔ−t₁） ＝−ω₀CEsin ω_０（ｔ−t₁） −ω₀CE（cosω₀t₁−１）sinω_０（ｔ−t₁）（43） （42）式と（20）式より次の式を得る。

ｖ（ｔ−t₁） ＝Ｅ＋Ｅ（cos ω₀t₁−１）cosω_０（ｔ−t₁） −Esin ω₀t₁ sinω_０（ｔ−t₁） （44） 従って、圧電素子Ｐの両端の電位差ｖ（ｔ）とコイル
53の電流ｉ（ｔ）は第４図（ｃ）のようになる。ここで
ｖ（ｔ−t₁）が極小となる時刻ｔ＝t₂では次式が成り立
つ。

（45）式の左辺は次の様に変形できる。

いま、次式が成り立っている。

ω_０≠０ （47） Ｃ≠０ （48） Ｅ≠０ （49） 従って、（45），（46）式より次のようになる。

従って、次の二つの式のどちらかが成り立つことにな
る。

いま、ここで論じているのは、トランジスタTr3を より短い時間導通している場合についてであるため、次
式が成り立つ。

従って、（52）式は成り立たず、（51）式が成り立つ
ことになる。従って、次のようになる。

次に、第４図（ｄ）の様に時刻ｔ＝t₂において、圧電
素子Ｐの両端の電位差ｖ（ｔ−t₁）の値が零となるt₁を
求めることにする。

ｔ＝t₂におけるｖ（ｔ−t₁）の値は次のようになる。

（56）式が零となるため、次のようになる。

Ｅ−2Esin ω₀t₁＝０ （57） （49）式より（57）式は次のようになる。

（53）式より次のようになる。

従って、 以後にトランジスタTr2を開けば、第４図（ｅ）のよう
に、圧電素子の両端の電位差ｖ（ｔ）は零に達すること
になる。

ところで、 にトランジスタTr2を開いたときのt₂の値について考え
る。

（59）式を（55）式に代入すれば次のようになる。

ところで、第４図（ａ）のようにトランジスタTr2を の間、閉じていると、コイル53の電流ｉ（ｔ）が零にな
るまで の時間を要すが、第４図（ｄ）のようにトランジスタTr
2を の間のみ閉じていると、コイル53の電流ｉ（ｔ）が零に
なるまで の時間で済む。このコイル53の電流ｉ（ｔ）が零になる
まで、次の駆動が行えないので、このように より短い駆動時間であれば、圧電素子Ｐの駆動の高速化
に有用となる。

以上説明したように本発明では、必ず の時間、トランジスタTr2を閉じている必要はなく、少
なくとも の時間、閉じていればよいことになる。

つまり、スイッチング素子Tr2を開いた後、 なる時間後にコイルＬの電流ｉ（ｔ）が零になることに
なる。

ところで前に述べた なる時間と、この の比は約1:1.047になる。前に述べたようにこの時間は
ちょうど なる時間である必要はないため、スイッチング素子Tr2
を開いた後、ほぼ なる時間経過した後に再びスイッチング素子Tr2を閉じ
れば、コイルＬに流れる電流がまだ零に達していない、
すでに零に達してある程度時間が経過しているにかかわ
らずよいことになる。

尚、本発明は上記構成に限定されるものではなく他に
種々の変形が可能である。例えば、更に消費電力を低減
するためにトランジスタTr1乃至Tr3としてMOS型の電界
効果トランジスタを用いてもよい。また本実施例では、
S7及びS9においてタイマーを用いて待機の経過を計時し
ているが、従来技術において示すように電流値を検出し
てその電流値が零になった時点でS8の処理を行ってもよ
い。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように本発明では圧電
素子の励起を解除した後に前記圧電素子に蓄積される電
荷を効率的に逃がすため、圧電素子に不要な電荷が蓄積
されることはない。そのため圧電素子に不要な変位が生
じることはない。従って上記圧電素子の駆動装置を用い
た圧電アクチュエータでは、低消費電力、低発熱を達成
するとともに安定した駆動を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の一実施例を示すもので、第
１図は本実施例の装置の電気的構成を示す図、第２図は
本実施例の駆動装置によって駆動されるインパクト型ド
ットプリンタの印字素子の正面図、第３図は制御回路の
制御を抜粋して表すフローチャートの図，第４図は電流
及び電圧の変移を示す図である。 また第５図は従来の装置を示す回路図である。 図中、Tr2はスイッチ手段を構成するトランジスタ、53
はコイル、TCは制御手段を構成する制御回路である。

フロントページの続き (72)発明者 鈴木 正史 愛知県名古屋市瑞穂区堀田通９丁目35番 地 ブラザー工業株式会社内 審査官 名取 乾治 (56)参考文献 特開 平２−131953（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−130357（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−58280（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−130357（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−120465（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−120051（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/30 H01L 41/09

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電素子の一方の端子Ｂが直流電源の一方
   の電極に、他方の端子Ｄが直流電源の他方の電極にそれ
   ぞれ電気的に接続された圧電素子の駆動装置において、 前記圧電素子の一方の端子Ｂを直流電源の一方の電極に
   電気的に接続することにより、前記直流電源の電荷を前
   記圧電素子に蓄積させ、該圧電素子を変位させる第１の
   スイッチ手段と、 一方の端子Ａが圧電素子の一方の端子Ｂに電気的に接続
   されるとともに、他方の端子Ｃが前記直流電源の一方の
   電極と電気的に接続されたコイルと、 前記コイルの他方の端子Ｃと前記圧電素子の他方の端子
   Ｄとを電気的に接続して前記圧電素子と前記コイルとで
   共振回路を構成する第２のスイッチ手段と、 前記第２のスイッチ手段が遮断したときに、前記コイル
   に保持された磁気エネルギーを電気エネルギーとして前
   記直流電源に還元させるべく、前記コイルの両端子C,A
   と前記直流電源の各電極とを電気的に接続してなる回路
   と、 前記第１のスイッチ手段が遮断している状態で前記第２
   のスイッチ手段を導通することにより、前記圧電素子に
   蓄積された電荷を前記コイルに磁気エネルギーとして保
   持させ、次いで、前記第２のスイッチ手段を遮断するこ
   とにより、前記コイルに保持された磁気エネルギーを電
   気エネルギーとして前記直流電源に還元させ、前記コイ
   ルに流れる電流がほぼ零に達する頃に、前記第２のスイ
   ッチ手段を再度導通する制御手段と を備えることを特徴とする圧電素子の駆動装置。