JP2890787B2 - 圧電素子の駆動回路 - Google Patents

圧電素子の駆動回路

Info

Publication number
JP2890787B2
JP2890787B2 JP2271646A JP27164690A JP2890787B2 JP 2890787 B2 JP2890787 B2 JP 2890787B2 JP 2271646 A JP2271646 A JP 2271646A JP 27164690 A JP27164690 A JP 27164690A JP 2890787 B2 JP2890787 B2 JP 2890787B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric element
voltage
power supply
coil
state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2271646A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH04146157A (ja
Inventor
正史 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Brother Industries Ltd filed Critical Brother Industries Ltd
Priority to JP2271646A priority Critical patent/JP2890787B2/ja
Priority to US07/771,225 priority patent/US5214340A/en
Priority to GB9121403A priority patent/GB2250876B/en
Publication of JPH04146157A publication Critical patent/JPH04146157A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP2890787B2 publication Critical patent/JP2890787B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/60—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being bipolar transistors
    • H03K17/66—Switching arrangements for passing the current in either direction at will; Switching arrangements for reversing the current at will
    • H03K17/665—Switching arrangements for passing the current in either direction at will; Switching arrangements for reversing the current at will connected to one load terminal only
    • H03K17/666—Switching arrangements for passing the current in either direction at will; Switching arrangements for reversing the current at will connected to one load terminal only the output circuit comprising more than one controlled bipolar transistor
    • H03K17/667—Switching arrangements for passing the current in either direction at will; Switching arrangements for reversing the current at will connected to one load terminal only the output circuit comprising more than one controlled bipolar transistor using complementary bipolar transistors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/22—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by selective application of impact or pressure on a printing material or impression-transfer material
    • B41J2/23—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by selective application of impact or pressure on a printing material or impression-transfer material using print wires
    • B41J2/30—Control circuits for actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/065—Large signal circuits, e.g. final stages
    • H02N2/067—Large signal circuits, e.g. final stages generating drive pulses
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/04—Modifications for accelerating switching
    • H03K17/041—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0416—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
    • H03K17/04166—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit in bipolar transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/57—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a semiconductor device
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/80—Constructional details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2048—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit said control involving a limitation, e.g. applying current or voltage limits

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回路に関し、さらに詳しくは
低消費電力、低発熱、低コストを実現し得る圧電素子の
駆動回路に関するものである。
〔従来の技術〕
圧電素子はコイルと共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が、この圧電素子
に一回の変位における変位状態保持時間が一定時間以上
であることが望ましい場合がある。
例えば、圧電素子をプリンタのドットインパクト印字
ヘッドのアクチェータとして使用する場合等である。
そこで、本出願人は先に特願昭63−273921号（特開平
２−119276号公報）で、直流電源、コイル及び圧電素子
を備えた圧電素子の駆動回路に、 （ａ）常には圧電素子への充電を阻止する状態にある
が、駆動指令の入力に伴って充電を許容する状態とな
り、圧電素子の電圧が直流電源電圧以下の一定値に達し
た時期を経た一時期に原状態に復帰する第１の状態制御
手段と、 （ｂ）常には圧電素子の放電を阻止する状態にあるが、
駆動指令の入力時から前記一時期と同時あるいはその時
期を経た所定期間経過時に放電を許容する状態となり、
少なくとも第１の状態制御手段が次に充電を許容する状
態になるまでには原状態に復帰する第２の状態制御手段
と、 （ｃ）圧電素子の電圧が一定値を越えることとなるべき
直流電源からの過剰の電気エネルギーが圧電素子に蓄積
されないようにすることにより、圧電素子の電圧が一定
値を越えないようにする電圧制限手段とを設けることを
提案した。
〔発明が解決しようとする課題〕
この構成においては、圧電素子への充電に際して、圧
電素子の電圧が直流電源電圧を越えると、前記電圧制限
手段（例えばダイオード）により、コイルから圧電素子
に向かう電流が、反対にコイルに還流し、電気エネルギ
ーがコイルに蓄積されて圧電素子には蓄積されず、圧電
素子の電圧は直流電源電圧より大きくならず一定とな
る。
そして、前記圧電素子への充電時には、駆動指令の入
力に伴う駆動電圧の印加期間を、圧電素子の電圧が直流
電源電圧と一致する期間を経過した一時期まで長くして
いた。
そうすると、前記駆動電圧の印加期間経過後、前記コ
イルを介して直流電源に電流が還流されている期間中は
放電できないことになり、放電開始時刻が遅れ、従って
次に充電を開始するまでの期間が長くなるというよう
に、終電・放電の繰り返し速度が遅くなり、高速制御が
できないという問題があった。
また、前述のように、圧電素子の電圧が直流電源電圧
と一致する期間が長い分、コイルに電流が通過する期間
も長いことになり、そのための電力消費が多くなるとい
う問題があった。
ところで、本発明者は、その後の研究により、前記駆
動電圧の印加期間を、圧電素子の電圧が直流電源電圧と
一致する期間前で終了させても、圧電素子の電圧は直流
電源電圧まで上昇し得ることを解明した。
本発明は、この現像を利用して前記従来の技術的課題
を解決することを目的としたものである。
〔課題を解決するための手段〕
前記目的を達成するため、本発明は、直流電源と、イ
ンダクタンスＬなるコイルと、充電と放電とを繰り返し
つつ前記コイルと共に所定の周波数で共振し得る静電容
量Ｃの圧電素子とを備え、且つ、それらが直列に接続さ
れている圧電素子の駆動回路であって、 （ａ）前記直流電源の一端側と前記コイルの一端側とに
接続され、常には前記充電を阻止する状態にあるが、駆
動指令の入力に伴って充電を許容する状態となり、少な
くとも 以上の時間だけ充電用の駆動電圧の印加を実行した後、
前記圧電素子に印加される電圧が直流電源の電圧に達す
る間に、原状態に復帰する第１の状態制御手段と、 （ｂ）前記コイルの一端側と前記直流電源の他端側とに
接続され、常には前記放電を阻止する状態にあるが、前
記駆動指令の入力時から前記充電用の駆動電圧の印加終
了と同時またはその印加終了を経た所定期間経過時に放
電を許容する状態となり、少なくとも前記第１の状態制
御手段が次に前記充電を許容する状態になる時期までに
は原状態に復帰する第２の状態制御手段と、 （ｃ）前記直流電源の一端側と前記コイルの他端側とに
接続され、前記直流電源電圧からの過剰の電気エネルギ
ーが前記圧電素子に蓄積されないようにすることによ
り、当該圧電素子の電圧を一定電圧を越えないようにす
る電圧制限手段と、 （ｄ）前記コイルの一端側と前記直流電源の他端側とに
接続され、前記第１の状態制御手段の充電許容状態から
原状態への復帰後、当該コイルから前記電圧制限手段及
び前記直流電源を経て当該コイルへ戻る電流の流れを許
容する許容手段とを備えたものである。
〔実施例〕
次に実施例について説明すると、第２図から第４図は
ドットインパクト印字ヘッド装置４の実施例を示し、符
号６は正面視略円板状のヘッド本体、符号７は後述する
連結体であり、略円板状の連結体７の外周縁からヘッド
本体６の裏面側に向かって一体的に延びる筒状スカート
部８によりカバー兼用となっている。
前記ヘッド本体６及び連結体７はアルミニウム合金製
である。
符号９は印字ユニットで、複数（実施例では24個）の
印字ユニット９をヘッド本体６の裏面側で放射状に配設
され、ヘッド本体６の前面には、各印字ユニット９にお
ける印字ワイヤ10を移動案内するための所定数の案内板
11が内装された中空状のノーズ部12を突設してある。
印字ユニット９は、圧電セラミックの圧電素子Ｐを積
層状に接着してなる前後長手の積層圧電素子13と、該圧
積層電素子13の前端に装着して当該圧電素子の伸縮運動
を拡大して印字ワイヤ10に伝達するための連動伝達機構
14と、この連動伝達機構14及び積層圧電素子13を支持す
るため、ヘッド本体６の裏面から後方に延びる支持フレ
ーム15とからなり、支持フレーム15は前記積層圧電素子
13の長手方向両側および後端部を囲むように、メイン支
柱部15aと副支柱部15bと後端部15cとによりコ字型に一
体的に形成されている。
なお、副支柱部15bを後端部15cにろう付け固着しても
良い。
電圧の印加により、積層圧電素子13はその積層方向
（長手方向）に伸長し、積層圧電素子13から電圧が除去
されると積層方向に積層圧電素子13が縮小するものであ
る。
なお、積層圧電素子13から電圧が完全に除去されて
も、積層圧電素子13の伸長方向の残留歪みが残り、しか
もその残留歪みは積層圧電素子13の温度が高いほど小さ
くなる。そのため、積層圧電素子13に印加された電圧が
一定に制御され、積層圧電素子13の変位量が一定になる
ように制御されても、温度が高い場合には積層圧電素子
13の最大変位位置が正規の位置（印字ワイヤ10の突出位
置がその先端にて印字媒体に衝突して印字可能な位置）
に到達できないというように、温度が高いほど、積層圧
電素子13の正規位置と最大変位位置との間に残る未到着
距離が増大する。この問題を解消するため、温度上昇に
て膨張して前記未到着距離を補正する温度補償体16は、
積層圧電素子13の後端と支持フレーム15の後端部15cと
の間に直列的介在させるのである。
符号17は先端に印字ワイヤ10の基端をろう付けしてな
る側面視略三角形状のワイヤ支持アームで、該ワイヤ支
持アーム17の基部には、メイン支柱部15aの長手方向後
向きに延びる平行状の第１板ばね19と第２板ばね20との
先端連設部21箇所を嵌合固定し、前記第１板ばね19の基
端部を前記メイン支柱部15aの側面にろう付け固着する
一方、第２板ばね20の基端部は、積層圧電素子13の前端
面にろう付け等により固着した可動子22の側面に同じく
ろう付け等により固着する。
そして第２図に示すように電圧印加で積層圧電素子13
及び可動子22が矢印Ｙ方向に伸長するとき、前記両板ば
ね19,20の先端連設部21が矢印Ｘ方向に回動変位して、
その変位量をワイヤ支持アーム17で拡大し、印字ワイヤ
10をノーズ部12から突出するように駆動させるのであ
る。
そして、電圧の印加を解除すると、両板ばね19,20の
弾性力により、ワイヤ支持アーム17が逆方向に回動し、
樹脂製のアーム側ストッパ18aが支持部側ストッパ18bに
接当して止まる。
第２図〜第４図に示す符号23は、前記可動子22の他側
部と副支柱部15bとに跨がって配設する４節リンク機構
部材で、該４節リンク機構部材23はばね板等の弾性材か
ら成り、その広幅側板部23a,23aには側面視略Ｈ状等の
切欠き孔24を穿設して該切欠き孔24より外径側で、左右
両広幅側板部23a,23aを副支柱部15bの表裏側面及び可動
子22の表裏側面に各々ろう付け固定し、積層圧電素子13
が電圧印加にて伸縮するとき、４節リンク機構部材23に
おける左右両広幅側板部23a,23aが側面視平行四辺形状
に弾性変形して位置固定的な副支柱部15bの長手方向に
沿って平行状に可動子22が移動できるように構成したも
のである（第３図の二点鎖線参照）。
このように、可動子22を副支柱部15bの長手方向に沿
って平行状に、換言すれば積層圧電素子13の長手方向に
直線的に、移動するように構成すれば、圧電素子（電圧
セラミック）の積層接着面に曲げ力が作用せず、この積
層部や接着面が不用意に剥がれることがない。
各印字ユニット９における支持フレーム15は、そのメ
イン支柱部15aの前端面箇所で、ヘッド本体６裏面にボ
ルト25固着された環状の取付け片26の裏面に、ねじ27止
めされて固着されている。そして、各印字ユニット９支
持フレーム15における後端部15cを跨ぐように前記略円
板状の連結体７の内面を臨ませ、連結体７の内面と前記
各後端部15cとを、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等に
よる接着剤、またはろう付け等により接着するものであ
る。そのとき、前記連結体７の略円板状の内面には、第
２図に示すような案内溝28を放射状に凹み形成し、各印
字ユニット９支持フレーム15における後端部15cの位置
ずれを無くすると共に、接着面積の増大に寄与するよう
にしている。
なお、連結体７の外周縁から一体的に延びる筒状スカ
ート部８の円環状前端縁と、ヘッド本体６の裏面側の円
環状後端縁6aとの間にゴム製等のリング状のシール体29
を介挿している。
なお、シリコンゴム等の熱伝動性の良好な充填材に
て、前記放射状に配設した印字ユニット９の隙間を埋め
ると、積層圧電素子13の駆動により発生した熱を、充填
材を介して金属製の支持フレーム15、ヘッド本体６、連
結体７やスカート部８等に迅速に伝達して外部に放出す
ることができる。この場合、第２図に示すようにスカー
ト部８外周に放熱フイン30を設ければ、一層放熱効果が
向上する。
第１図は前記印字ユニットの積層圧電素子13等に使用
する圧電素子Ｐの駆動回路を示し、出力電圧Ｅの直流電
源50と、トランジスタTr1と、コイル51及び圧電素子Ｐ
が順次直列に接続され、直流電源50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50の正極側から圧電素
子Ｐの正極となるべき電極に向かう（回路の順方向）と
する。
さらにトランジスタTr1とコイル51の接続点は、トラ
ンジスタTr2を介して接地する。このトランジスタTr2の
順方向は前記トランジスタTr1とコイル51の接続点から
接地点に向かう方向とする。
トランジスタTr1,Tr2には各々ダイオードD1,D2が並列
に接続されており、これらのダイオードD1,D2の順方向
は、併設位置の各トランジスタの順方向に対し逆方向と
する。
また、直流電源50の正極側から圧電素子Ｐの正極とな
るべき電極との間には、前記トランジスタTr1およびコ
イル51に対して並列的にトランジスタTr3を接続する。
このトランジスタTr3の順方向は、直流電源50の正極側
から圧電素子Ｐの正極となるべき電極に向かう方向と
し、このトランジスタTr3にはダイオードD3を並列接続
する。また、このダイオードD3の順方向は、トランジス
タTr3の順方向に対し逆方向（回路の順方向とは逆）の
ものとする。
圧電素子Ｐには、これと並列にダイオードD4を接続す
るのであり、そのダイオードD4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
かう方向とする。
なお、積層圧電素子13を構成する多数の圧電素子Ｐは
互いに電気的に並列接続されている。
トランジスタTr1,Tr2,Tr3の遮断状態と導通状態との
切り換え制御は、トランジスタ制御回路52（以下単に制
御回路という）によって実行される。この制御回路52
は、同時にドットインパクト印字ヘッド装置４を搭載し
たプリンタ全体の制御をも担うものでマイクロコンピュ
ータにより構成され、この制御回路52にはタイマー53を
内蔵している。
第１図の実施例において、トランジスタTr1と、制御
回路52のうちトランジスタTr1を制御する部分とが本発
明の第１の状態制御手段を構成し、トランジスタTr2
と、制御回路52のうちトランジスタTr2を制御する部分
とが本発明の第２の状態制御手段を構成し、ダイオード
D3が本発明の電圧制限手段を構成し、ダイオードD2が本
発明の許容手段を構成するものである。
次に制御回路52の制御について説明する。第５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。まず
印字素子の駆動を制御回路52に指令すると、制御回路52
からの駆動電圧の印加により、トランジスタTr1を導通
状態にするように切り換える（ステップS1）。すると、
直流電源50で発生した電荷はトランジスタTr1とコイル5
1を介して前記圧電素子Ｐに流れ込む。従って、コイル5
1と圧電素子Ｐ（コンデンサと等価である）とは共振し
つつ充電され、この圧電素子Ｐが変位（伸長）し、この
伸長変位は印字ワイヤ10を突出させるように連動伝達機
構14を駆動させ、印字ワイヤ10がノーズ部12から突出
し、印字ワイヤ10の先端で印字リボンを介してプラテン
表面上の用紙に打点する。
制御回路52は圧電素子Ｐに充分な電荷が蓄積されるま
で待機する（ステップS2）。制御回路52がこのステップ
２を行っている間に、圧電素子Ｐの両端の電位差が、ほ
ぼ直流電源Ｅの電圧に達すると、コイル51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51を流れる電流が保持され
る。
そして、圧電素子Ｐに充分に電荷が蓄積された後、制
御回路52はトランジスタTr1を遮断すると共にトランジ
スタTr3を導通させる（ステップS3）。
これにより、コイル51の作用により当該コイル51に電
流が流れ続け、その電流はダイオードD3→直流電源50→
接地→ダイオードD2の閉電流ループを流れ続けてやがて
減衰する。
この間に、圧電素子Ｐにより僅かに電流は消費される
が、この電流は、コイル51に電流が流れている間は当該
コイル51から、またコイル51の電流が零になった後は直
流電源50から、それぞれトランジスタTr3を介して圧電
素子Ｐに供給される。つまり、この間、圧電素子Ｐの変
位は保持されたままとなる。
制御回路52は、前記コイル51に流される電流が減衰
し、且つ印字に必要な変位時間だけ待機し（ステップS
4）、その後制御回路52はトランジスタTr3を遮断すると
もに微小時間遅れてトランジスタTr2を導通させる（ス
テップS5）。
すると、圧電素子Ｐに蓄積された電荷はコイル51→ト
ランジスタTr2→接地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無い
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、後述する所定の時間後に、すべて磁気エネ
ルギーとしてコイル51に蓄積される。
前記制御回路52はこの瞬間まで待機し（ステップS
6）、次いでトランジスタTr2を遮断する（ステップS
7）。すると、前記コイル51の作用により、当該コイル5
1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を介して直流電源50に回生（還元）される。これ
により、コイル51に蓄積された電気エネルギーはすべて
直流電源50に還元される。
次に、圧電素子Ｐへの充電のためトランジスタTr1を
導通する期間（ステップS2の待機期間）について説明す
る。
まず、トランジスタTr1を導通してスイッチ（SW）を
閉じると（時刻ｔ＝０）、直流電源50と、スイッチ素子
であるトランジスタTr1と、コイル51と、コンデンサと
しての圧電素子Ｐとからなる閉回路が形成されるので、
これに対応する等価閉回路を考える（第６図参照）。こ
のとき、抵抗成分がないものと仮定し、直流電源電圧E,
コイル51のインダクタンスＬ、圧電素子Ｐのコンダクタ
ンス（静電容量）Ｃとする。
前記閉回路において、駆動電圧印加の開始であるスイ
ッチ（WS）閉じる時刻をｔ＝０とし、この回路にながれ
る電流をｉ（ｔ）とすると、キルヒホッフの第２法則よ
り、次式が成り立つ。
となる。
この微分方程式を解いて、ｑ（ｔ）を求めることにす
る。
まず、過渡項は、（２）式でＥ＝０とおいたときの、
同次式 の解となる。ここで、 なる演算子を導入すると とおくと、（５）式は、 qt（ｔ）＝Acosω0ｔ＋Bsinω0ｔ …（７） となる。
一方、（２）式の定常解は、qs＝CEであるから、 一般解は次のようになる。
次に初期条件を考える。ｔ＝０において、圧電素子Ｐ
の電荷も閉回路の電流も０であるから、ｑ（０）＝0,i
（０）＝０を、（８）式及び（９）式に代入すると、 ０＝CE＋A,0＝ω0Ｂ故、 Ａ＝−CE,B＝０となり、 前記（８）式及び（９）式は、 ｑ（ｔ）＝CE｛１−cosω0ｔ｝ …（10） ｉ（ｔ）＝ω0CEsinω0ｔ …（11） となる。
ここで電源電圧をＥ、圧電素子Ｐの両端の電位差をVc
（ｔ）とすれば、 となる。
このVc（ｔ）の値が電源電圧Ｅに一致する時刻ｔは、 前記（11）式の右辺、１-cosω0ｔ＝１となるべきω0
ｔであるから、 となる。
従って、駆動電圧印加の幅（期間）を 以上にすれば、第７図に示すような電圧波形で、圧電素
子Ｐが駆動される。
ところで、このときの電流は次のようになる。
この値の電流がコイル51に流れているため、駆動電圧
印加終了後、このコイル51の電気エネルギーが直流電源
50に還元（回生）される。この時の等価回路を第８図に
示す。ここで、I1は電流源を示し、矢印は電流の流れる
方向である。
である。
時刻ｔ＝t1において、駆動電圧印加が終了すると、ト
ランジスタTr1を遮断することにより（スイッチSW）が
電流電源側から電圧電源側に切り替わる。すると、時刻
t1以後、キルヒホッフの第２法則により、次式が成立す
る。
この微分方程式を解くと、 ｉ（ｔ）＝（−E/L）・ｔ＋Ｋ …（16） （Ｋは積分定数） 初期条件として、ｉ（t1）＝ω0CEであるから、 （16）式に代入して、 ω0CE＝（−E/L）・t1＋Ｋ ∴Ｋ＝ω0CE＋（E/L）・t1 このＫの値を（16）式に代入すると、 ｉ（ｔ）＝（−E/L）（ｔ−t1）＋ω0CE …（17） となり、この（17）式に従って直流電源50に電流が流れ
ることになる。
この（17）式でｉ（ｔ）＝０となる時刻ｔ（即ち、駆
動電圧印加終了後から直流電源50に電流が流れなくなる
までの時間）は、 となる。
従って、コイル51の電気エネルギーが直流電源50に回
生されるためには、駆動電圧印加終了後、 なる時間（期間）を要することになる。
前述のように、圧電素子Ｐの放電はトランジスタTr2
を導通させることによってコイル51に電流が流れること
によって行われるが、この なる時間（期間）は、放電時と逆に、コイル51に逆向き
に電流が流れているため、放電を開始することができな
いことになる。
このときの電圧及び電流の波形は第９図のようにな
る。
次に、駆動電圧印加が終了する時刻t1が、時刻 以前の場合について考察する。
における、トランジスタTr1とコイル51と圧電素子Ｐと
からなる回路に流れる電流i1及びコンデンサ（圧電素子
Ｐ）の電圧Vc1は次のようになる。
そして、第10図に示すような等価回路（スイッチ素子
であるトランジスタTr1と、コイル51と、コンデンサと
しての圧電素子Ｐとからなる閉回路が形成されるので、
これに対応する等価閉回路）を考える。このとき、抵抗
成分がないものと仮定し、コイル51のインダクタンス
Ｌ、圧電素子Ｐのコンダクタンス（静電容量）Ｃとす
る。
時刻ｔ＝t1で、前記等価回路において、スイッチSWが
電流源側からコンデサ（圧電素子Ｐ）側に切り替わると
して考える。すると、キルヒホッフの第２法則により、
前記（１）式と同様に、次の式が成立する。
この状態での圧電素子Ｐの電荷ｑ（ｔ−t1）を導入し
て、 であるから、これらを（20）式に代入すると、 （20）式は となる。
この（21）式は前記（３）式と同一形式の式であるの
で、前記の解放と同様にして、次式を得る。
であるので、この値を（22）式に代入する等して次式を
得る。
CE｛１−cosω0t1｝＝Ａ …（24） ω0CEsinω0t1＝ω0Ｂ …（25） この（25）式からＢ＝CEsinω0t1 …（25）′ これらＡとＢの値を（22）式及び（23）式に代入して
次式を得る。
ｑ（ｔ−t1）＝CE｛１−cosω0t1｝cosω0（ｔ−t1）＋
CEsinω0t1・sinω0（ｔ−t1） …（26） ｉ（ｔ−t1）ω0CEsinω0t1・cosω0（ｔ−t1）−ω0CE
｛１−cosω0t1｝sinω0（ｔ−t1） …（27） となる。コンデンサ（圧電素子Ｐ）両端の電位差Vc（ｔ
−t1）とすると、前記同様に であるから、（28）式に（24）式の値を代入して次式を
得る。
Vc（ｔ−t1）＝Ｅ｛１−cosω0t1｝cosω0（ｔ−t1）＋
Esinω0t1・sinω0（ｔ−t1） …（29） ところで、前記コンデンサ（圧電素子Ｐ）両端の電位
差Vc（ｔ−t1）が極大となる時刻をt2とすると、このt2
は（29）式を一回微分した値が０となるときの根である
ので、次式を解くことによって得られる。
sinω0t1・cosω0（t2−t1）−｛１−cosω0t1｝sinω0
（t2−t1）＝０ …（30） この左辺を変形して、 2cosω0（t2−1/2・t1）・sin1/2ω0t1＝０ …（31） ここで、前述したごとく前提条件、時刻 ０＜ω0t1＜π/2であり、従って、sin1/2ω0t1≠０だか
ら、 （31）式はcosω0（t2−1/2・t1）＝０であり、 ω0（t2−1/2・t1）＝π/2…（32）となる。
この（32）式を変形して、t2＝（1/2・t1＋π/2）が得
られる。
次に、この極大となる時刻t2に、前記コンデンサ（圧
電素子Ｐ）両端の電位差Vc（ｔ−t1）が電源電圧Ｅと一
致する時刻t1を求める。
（33）式の左辺は、前記（29）式において、ｔ＝t2を代
入したものであり、この式を変形すると、 Vc（t2−t1）＝Ｅ｛１−cosω0t1｝cosω0（t2−t1） ＋Esinω0t1・sinω0（t2−t1） ＝Ecosω0（t2−t1）−Ecosω0t2 ＝2Esin1/2・ω0t1 となる。
これを（33）式の左辺に代入して、 2Esin1/2・ω0t1＝Ｅとなり、さらに変形して、 sin1/2・ω0t1＝1/2 この解は、1/2・ω0t1＝π/6となり、前記（６）式か
ら、 故、 となる。
これから理解できるように、前記コンデンサ（圧電素
子Ｐ）両端の電位差Vc（ｔ−t1）が、電源電圧Ｅと一致
する時刻t1が より後、 換言すると、 であれば、 であっても、前記コンデンサ（圧電素子Ｐ）の電圧は電
源電圧Ｅに到達することになる。
但し、この場合 には、充電用の駆動電圧印加終了時に未だ前記コンデン
サ（圧電素子Ｐ）の電圧は電源電圧Ｅに到達していない
ので、第１図のようにトランジスタTr3を備えた実施例
では、充電用の駆動電圧印加終了と同時にトランジスタ
Tr3（状態維持用トランジスタ）に状態維持用の電圧印
加を出力してはいけないことになる。
つまり、コンデンサ（圧電素子Ｐ）の電圧が極大とな
る時刻 である。
従って、充電用の駆動電圧印加の期間が最短期間のと
き、換言すると のとき、この充電用の駆動電圧印加終了から、圧電素子
Ｐの電圧が電源電圧Ｅに等しくなるまでの期間t2−t
1は、前記（35）式から t2−t1＝1/2・t1＋π/2ω0−t1となり、 この式を変形して、 となる。
つまり、充電用の駆動電圧印加期間が のときには、当該駆動電圧印加終了後、 の時間（期間）内では、トランジスタTr3（閉回路維持
用トランジスタ）に状態維持用の電圧印加（パルス）を
駆動してはいけないのである。
第11図は縦軸に電圧（電源電圧Ｅを１とする）、横軸
に時間 を１とする）とした圧電素子の電圧変化（充電状態）を
示す図で、 曲線（イ）は、駆動電圧印加の期間が のときの、圧電素子Ｐの両端子間電圧Vc（ｔ）の変化を
示し、 曲線（ロ）は、駆動電圧印加の期間が のときの、圧電素子Ｐの両端子間電圧Vc（ｔ）の変化を
示し、 曲線（ハ）は、駆動電圧印加の期間が のときの、圧電素子Ｐの両端子間電圧Vc（ｔ）の変化を
示す。なお、実際には、ダイオードD3によって圧電素子
Ｐの両端子間電圧は電源電圧より大きくはならない。
第12図の実施例は、第１図の実施例におけるトランジ
スタTr3を省略した場合で、従ってこの実施例において
は、トランジスタTr1と、制御回路52のうちトランジス
タTr1を制御する部分とが本発明の第１の状態制御手段
を構成し、トランジスタTr2と、制御回路52のうちトラ
ンジスタTr2を制御する部分とが本発明の第２の状態制
御手段を構成し、ダイオードD3が本発明の電圧制限手段
を構成し、ダイオードD2が本発明の許容手段を構成する
ものである。
上述のように、駆動電圧印加期間が経過し、圧電素子
の両端子間電圧が電源電圧になった後は、直流電源50か
らコイル51に向かう電流がダイオードD3及びトランジス
タTr1を経てコイル51に還流し、電気エネルギーがコイ
ル51に蓄積され、圧電素子Ｐの電圧は直流電源50の電圧
より大きくならない。この状態で印字ワイヤ10を用紙に
押しつける等して圧電素子素子Ｐの電気エネルギーが消
費されても、その消費分の電荷が直流電源50からトラン
ジスタTr1、コイル51を経て圧電素子Ｐに供給されて補
われるから、圧電素子Ｐの電圧は一定値に保持される。
そして制御回路52により、前記駆動電圧印加のための
駆動指令の入力時から所定時間経過したときトランジス
タTr1を遮断状態に復帰させると、コイル51、ダイオー
ドD3、直流電源50及びダイオードD2を含む閉回路によ
り、コイル51の電気エネルギーは直流電源50に還元（回
生）する。また、トランジスタTr1が遮断状態にある
と、圧電素子Ｐの電圧が直流電源50電圧より小さくなっ
ても、直流電源50からの電気エネルギーの補給はないか
ら、圧電素子Ｐの電気エネルギーが消費されるにつれて
当該圧電素子Ｐの電圧は減少する。
制御回路52により、コイル51の電気エネルギーが完全
に消滅したとき、または、それから一定期間経過後トラ
ンジスタTr2を遮断状態から導通状態に切り換える（こ
のときトランジスタTr1は遮断状態にする）と、圧電素
子Ｐの電エネルギーはコイル51を介して接地に流れて、
圧電素子Ｐの電圧は低下する。そして、制御回路52によ
り、圧電素子Ｐの電圧が零になったとき、またはそれか
ら所定期間経過後にトランジスタTr2を再度遮断するよ
うに復帰させるのである。
以上の説明から理解できるように、いずれの実施例に
おいても、圧電素子Ｐからの放電は、コイル51の電気エ
ネルギーが消滅した状態で、且つトランジスタTr2が導
通した状態の時に行われ、換言すると、トランジスタTr
2を導通しても、コイル51の電気エネルギーが消滅して
いなければ、圧電素子Ｐの放電は行われないのである。
従って、トランジスタTr2を導通することは、圧電素子
Ｐからの放電を可能な状態にすることを意味するのであ
って、圧電素子Ｐからの放電を開始させることではない
のである。
しかして、トランジスタTr1による電圧印加終了と同
時に、コイル51の放電を許容すべくトランジスタTr2を
作動させるように制御回路52を駆動することが可能とな
る。
〔発明の作用および効果〕
上述のように、本発明における第１の状態制御手段に
より、駆動指令の入力に伴って少なくとも 以上の時間だけ充電用の駆動電圧の印加を行えば、電圧
制限手段にて、圧電素子の電圧は、直流電源の電圧まで
上昇し、充分な充電が行えるので、この圧電素子の駆動
を、例えば印字用のアクチェータに使用しても印字の品
質が一定する。
そして、許容手段にて、前記コイルの一端側と前記直
流電源の他端側とに接続され、前記第１の状態制御手段
の充電許容状態から原状態への復帰後、当該コイルから
前記電圧制限手段及び前記直流電源を経て当該コイルへ
戻る電流の流れを許容するので、コイルの電気エネルギ
ーが消滅したか否かを電圧測定器等で測定することな
く、コイルの電気エネルギーが消滅すると自動的に圧電
素子の放電を開始することができる。
従って、本発明では、充電用の駆動電圧の印加の制御
を時間により実行するので、制御手段も安価となると共
に、従来の技術に比べて、充電のための期間を短くで
き、従ってこれに応じて放電開始可能時間を短縮できる
から、例えば圧電素子を印字ヘッドのアクチェータとし
て利用するとき、そのアクチェータの駆動を高速にでき
るし、充電から放電までの時間短縮により、コイルで消
費する電気エネルギーも少なくでき、省エネルギー型の
駆動装置を提供できるという顕著な効果を奏するのであ
る。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の実施例を示し、第１図は圧電素子の駆動
回路図、第２図は印字ヘッドの側断面図、第３図は要部
拡大側面図、第４図は第３図のIV−IV視断面図、第５図
は駆動回路の制御フローチャート、第６図は駆動電圧印
加時の等価回路図、第７図は充電時の圧電素子の電圧値
変化を示す図、第８図は駆動電圧印加後の等価回路図、
第９図は第８図の場合の圧電素子の電圧及び電流の変化
図、第10図は他の作用説明要の等価回路図、第11図は圧
電素子の電圧の変化図、第12図は駆動回路の他の実施例
図である。 ４……ドットインパクト印字ヘッド装置、12……ノーズ
部、６……ヘッド本体、7,30……連結体、９……印字ユ
ニット、10……印字ワイヤ、13……積層圧電素子、14…
…連動伝達機構、15……支持フレーム、15a……メイン
支柱部、15b……副支柱部、15c……後端部、16……温度
補償体、17……ワイヤ支持アーム、19……第１板ばね、
２−……第２板ばね、21……先端連設部、22……可動
子、23……４節リンク機構部材、24……切欠き孔、50…
…直流電源、51……コイル、52……制御回路、53……タ
イマー、Tr1,Tr2,Tr3……トランジスタ、D1,D2,D3……
ダイオード、Ｐ……圧電素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B41J 2/30 H01L 41/09 G10K 9/122 B06B 1/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】直流電源と、インダクタンスＬなるコイル
    と、充電と放電とを繰り返しつつ前記コイルと共に所定
    の周波数で共振し得る静電容量Ｃの圧電素子とを備え、
    且つ、それらが直列に接続されている圧電素子の駆動回
    路であって、 前記直流電源の一端側と前記コイルの一端側とに接続さ
    れ、常には前記充電を阻止する状態にあるが、駆動指令
    の入力に伴って充電を許容する状態となり、少なくとも 以上の時間だけ充電用の駆動電圧の印加を実行した後、
    前記圧電素子に印加される電圧が直流電源の電圧に達す
    る間に、原状態に復帰する第１の状態制御手段と、 前記コイルの一端側と前記直流電源の他端側とに接続さ
    れ、常には前記放電を阻止する状態にあるが、前記駆動
    指令の入力時から前記充電用の駆動電圧の印加終了と同
    時またはその印加終了を経た所定期間経過時に放電を許
    容する状態となり、少なくとも前記第１の状態制御手段
    が次に前記充電を許容する状態になる時期までには原状
    態に復帰する第２の状態制御手段と、 前記直流電源の一端側と前記コイルの他端側とに接続さ
    れ、前記直流電源電圧からの過剰の電気エネルギーが前
    記圧電素子に蓄積されないようにすることにより、当該
    圧電素子の電圧を一定電圧を越えないようにする電圧制
    限手段と、 前記コイルの一端側と前記直流電源の他端側とに接続さ
    れ、前記第１の状態制御手段の充電許容状態から原状態
    への復帰後、当該コイルから前記電圧制限手段及び前記
    直流電源を経て当該コイルへ戻る電流の流れを許容する
    許容手段と、 を含むことを特徴とする圧電素子の駆動回路。
JP2271646A 1990-10-09 1990-10-09 圧電素子の駆動回路 Expired - Fee Related JP2890787B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2271646A JP2890787B2 (ja) 1990-10-09 1990-10-09 圧電素子の駆動回路
US07/771,225 US5214340A (en) 1990-10-09 1991-10-04 Driver circuit for piezoelectric element, having voltage limiter capable of charging the element with energy from coil after charging switch is off
GB9121403A GB2250876B (en) 1990-10-09 1991-10-09 Driver circuit for piezoelectric element having voltage limiter capable of charging the element with energy from coil after charging switch is off

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2271646A JP2890787B2 (ja) 1990-10-09 1990-10-09 圧電素子の駆動回路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH04146157A JPH04146157A (ja) 1992-05-20
JP2890787B2 true JP2890787B2 (ja) 1999-05-17

Family

ID=17502948

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2271646A Expired - Fee Related JP2890787B2 (ja) 1990-10-09 1990-10-09 圧電素子の駆動回路

Country Status (3)

Country Link
US (1) US5214340A (ja)
JP (1) JP2890787B2 (ja)
GB (1) GB2250876B (ja)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5387834A (en) * 1990-07-11 1995-02-07 Brother Kogyo Kabushiki Kaisha Piezoelectric element driving circuit
DE4122984C2 (de) * 1990-07-11 2003-12-24 Brother Ind Ltd Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Ansteuereinrichtung für eine piezoelektrische Vorrichtung
JP3245214B2 (ja) * 1992-06-02 2002-01-07 キヤノン株式会社 振動型アクチュエータ制御装置
JPH0662585A (ja) * 1992-08-04 1994-03-04 Fujitsu Ltd 圧電素子駆動回路
JP3085337B2 (ja) * 1993-01-19 2000-09-04 アイシン精機株式会社 内燃機関の燃料噴射制御装置
US5361014A (en) * 1993-11-10 1994-11-01 Caterpillar Inc. Apparatus for driving a piezoelectric actuator
US5691592A (en) * 1995-09-14 1997-11-25 Motorola, Inc. Actuator drive and energy recovery system
WO1997023005A1 (en) * 1995-12-04 1997-06-26 Robert Bosch Corporation Resonant coupled transducer drive
DE19632871C2 (de) * 1996-08-14 1998-07-02 Siemens Ag Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes
DE19709717C1 (de) * 1997-03-10 1998-09-24 Siemens Ag Vorrichtung und Verfahren zum Ansteuern wenigstens eines kapazitiven Stellgliedes
DE19714616A1 (de) * 1997-04-09 1998-10-15 Bosch Gmbh Robert Verfahren und Vorrichtung zum Laden und Entladen eines piezoelektrischen Elements
DE19843621B4 (de) * 1998-09-23 2006-03-30 Siemens Ag Entladeschaltung für ein kapazitives Stellglied
DE19845037C2 (de) * 1998-09-30 2000-11-30 Siemens Ag Verfahren und Anordnung zum Ansteuern eines kapazitiven Aktors
US20110050036A1 (en) * 2009-09-03 2011-03-03 Gilardi Stephen S Bias Circuit for Electric Field Transducers
CN103447221B (zh) * 2012-06-05 2015-05-27 江南大学 一种微型超声波发生器的高效节能方法
DE102013220596A1 (de) * 2013-10-11 2015-04-16 Continental Automotive Gmbh Treiberschaltung für eine Induktivität, Verfahren zum Betreiben einer Induktivität und aktive Sendeeinrichtung mit einer Treiberschaltung
JP6279119B2 (ja) * 2017-03-13 2018-02-14 キヤノン株式会社 振動型アクチュエータの駆動装置及び駆動制御方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59198885A (ja) * 1983-04-25 1984-11-10 Nec Corp 圧電アクチェータ励振回路
US4688536A (en) * 1985-06-28 1987-08-25 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Drive circuit for an electrostrictive actuator in a fuel injection valve
JPS6372381A (ja) * 1986-09-17 1988-04-02 株式会社日本自動車部品総合研究所 容量性負荷の駆動方法
GB2198604B (en) * 1986-11-15 1991-02-13 Brother Ind Ltd Piezoelectric element drive circuit

Also Published As

Publication number Publication date
GB2250876A (en) 1992-06-17
GB9121403D0 (en) 1991-11-20
US5214340A (en) 1993-05-25
GB2250876B (en) 1995-04-19
JPH04146157A (ja) 1992-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2890787B2 (ja) 圧電素子の駆動回路
US4595854A (en) Drive circuit for piezoelectric stack
US5350962A (en) Driving device for piezoelectric element
JPS63130357A (ja) 圧電素子駆動回路
US5205658A (en) Print gap detecting device in print head
JP2776007B2 (ja) 圧電素子の駆動装置
JPH04167480A (ja) 圧電素子の駆動回路
JPH04173256A (ja) ドットプリンターヘッドにおける印字制御装置
JPH0471859A (ja) 圧電素子の駆動装置
JP3030933B2 (ja) 圧電素子駆動回路
JP2985375B2 (ja) 圧電素子駆動回路
JP3023021B2 (ja) 印字ヘッド駆動装置
JPS5864077A (ja) 電歪素子駆動回路
JPS63130356A (ja) 圧電素子駆動装置
JPH0410434B2 (ja)
JPH0596758A (ja) 圧電素子をアクチユエータとした印字ヘツド
JP2638392B2 (ja) 圧電素子駆動回路
JPH0440935Y2 (ja)
JPH0479277A (ja) 圧電素子駆動回路
JPH0592583A (ja) ワイヤ印字ヘツド装置
JP2945093B2 (ja) 圧電素子駆動回路
JP2906844B2 (ja) ゲートターンオフサイリスタのゲート回路
JPH05169686A (ja) 圧電素子駆動回路
JPH0550617A (ja) 印字装置
JPH0516361A (ja) インクジエツトヘツド駆動回路

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080226

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090226

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090226

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100226

Year of fee payment: 11

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees