JP2943411B2 - 圧電アクチュエータの駆動電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばプレス装置の金
型の駆動源に適用する圧電アクチュエータの駆動電源装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電アクチュエータを金型の駆動源に適
用したプレス装置、およびプレス装置に適用した圧電ア
クチュエータを可逆チョッパ回路を用いて駆動制御する
駆動電源装置が本発明と同一出願人より特開平２−２９
７９８３号公報として既に提案されて公知である。

【０００３】上記提案による駆動電源装置は、スイッチ
ング・トランジスタのブリッジ回路で構成した可逆チョ
ッパ回路を介して電源電圧を積層形圧電アクチュエータ
の各圧電素子に印加し、かつ可逆チョッパ回路の動作モ
ードをプラス方向の電圧印加モード，放電モード，マイ
ナス方向の電圧印加モード（リセットモード）に順次切
換えて圧電アクチュエータを振動駆動させるようにした
ものであり、図３にこの駆動電源装置の回路図を示す。
なお、図３の（ａ）は可逆チョッパ回路,(ｂ）は可逆チ
ョッパ回路の駆動回路である。

【０００４】図３において、１は多数枚の圧電素子を積
層した積層形の圧電アクチュエータ、２は交流電源、３
は整流回路、４は４個のスイッチング・トランジスタTr
1 〜Tr4 と抵抗 (制限抵抗) R1〜R6を組合わせて図示の
ようにブリッジ結線した可逆チョッパ回路、５は前記ト
ランジスタTr1 〜Tr4 のドライバ、R7〜R10 は圧電アク
チュエータ１の両端子とアース側との間に接続した電圧
検出用の分圧抵抗、６，７はプラス，マイナスの各電圧
印加モードに対応した電圧設定値を与える電圧設定器、
８はオペアンプ、９は設定電圧と前記の分圧抵抗より取
出した検出電圧とを比較するコンパレータ、１０はプラ
ス，マイナスモードの印加極性指令の入力端子、１１は
電圧印加指令の入力端子、１２〜１５は信号端子であ
る。

【０００５】かかる駆動電源装置の動作は前記した特開
平２−２９７９８３号公報に述べられており、電圧印加
指令の入力が与えられると、その時の印加極性指令（プ
ラスあるいはマイナス）にしたがって、スイッチング・
トランジスタTr1,Tr4 （プラスモード），あるいはTr2,
Tr3（マイナスモード）がオンとなり、直流に整流され
た電源電圧が圧電アクチュエータ１の圧電素子に印加さ
れる。これにより圧電素子が充電され、その際に生じる
電界誘起ひずみによって圧電アクチュエータが変位駆動
する。また、圧電素子の端子電圧は分圧抵抗R7とR8との
間、およびR9とR10 との間に接続した信号端子１４，１
５より検出してコンパレータ８にて設定電圧と比較し、
電圧印加指令の与えられている期間に圧電素子を一定電
圧に保持するよう各スイッチング・トランジスタをオ
ン，オフ制御する。なお、オペアンプ８は１倍の電圧ホ
ロワ回路で、電圧設定用可変抵抗のインピーダンス変化
を補償するものである。さらに、電圧印加指令の入力が
オフになれば、図３（ｂ）におけるロジック回路から判
るように、その時の印加極性指令に関係なく強制的にス
イッチング・トランジスタTr1,Tr2 がオフ、Tr3,Tr4 が
オンに切換り、圧電素子に蓄積されていた電荷はスイッ
チング・トランジスタTr3,Tr4 を経由する可逆チョッパ
回路４の閉ループに放電し、圧電アクチュエータ１は変
位前の状態に戻る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図３に示し
た従来の駆動電源装置では圧電アクチュエータの変位を
制御する上で次のような不具合が生じる。すなわち、 （１）圧電素子の電圧を検出するために可逆チョッパ回
路には圧電アクチュエータの両端端子とアース側との間
に分圧抵抗を接続している。このために、電圧印加指令
に基づいて圧電素子を最初に所定の電圧まで充電してチ
ョッパ回路がオフとなった後でも、前記の分圧抵抗を通
じて圧電素子に蓄積されている電荷がリークして端子電
圧が低下する。そこで、従来の駆動電源装置では、前記
した電荷のリークに起因する端子電圧の低下を補償する
ように、電圧印加指令の与えられている期間に圧電素子
の端子電圧が保持すべき所定電圧以下に低下した際にチ
ョッパ回路を再度オンにして圧電素子に電荷を補給し、
設定電圧に達したチョッパ回路をオフにする制御を繰り
返し行うようにしている。しかして、かかる方式では制
御系の不感帯（動作すきま）幅の分だけ圧電素子の電圧
が基準電圧を中心にして変動することになり、図４
（ａ）に表すように圧電素子の端子電圧が所定の電圧ま
で立ち上がった後も脈動的に変化し、これが基で圧電ア
クチュエータに不要な微振動が発生する。

【０００７】（２）また、圧電素子には電圧クリープと
いう現象があり、前記のように圧電素子を所定の電圧ま
で充電した後も一定電圧に保持するよう外部から電圧を
印加すると、分極回転の遅い結晶が遅れて誘電分極する
ようになるため徐々にひずみが増して圧電アクチュエー
タの変位量が増大する。このために、従来の駆動電源装
置では、圧電アクチュエータを精度よく変位制御するこ
とが困難となり、特に圧電アクチュエータをプレス装置
に適用して精密加工を行う場合には、前記の微振動，電
圧クリープが位置決め制御での障害となる。

【０００８】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、その目的は前記した微振動，電圧クリープ現象
によるひずみ増加を抑制して高精度な変位制御が行える
ようにした圧電アクチュエータの駆動電源装置を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の駆動電源装置においては、電圧印加の開始
当初に圧電素子の充電電圧が所定の電圧に到達した条件
でチョッパ回路をオフにし、かつ電圧印加指令がオフに
なるまではチョッパ回路をオフに保持して圧電素子を電
荷蓄積状態に保つ制御手段を備えて構成するものとす
る。

【００１０】また、前記における制御手段として、電圧
印加時に圧電素子に流入する充電電流と比例した電圧を
検出信号として設定電圧とを比較するコンパレータ、お
よび検出信号が設定電圧値以下に低下した際のコンパレ
ータ出力を基にチョッパ回路をオフに切換え、かつ電圧
印加指令がオフになるまでチョッパ回路をオフの状態に
保持する論理回路を可逆チョッパ回路の駆動回路に組み
込んで実施することができる。

【００１１】ここで、前記の検出信号は圧電素子への電
圧印加時に可逆チョッパ回路のスイッチング・トランジ
スタと直列に接続した抵抗に発生する電圧を検出して得
ることができ、さらに論理回路にはＪ−Ｋフリップフロ
ップを採用するのが好適である。

【００１２】

【作用】上記の駆動電源装置において、電圧印加指令に
基づく電源電圧の印加で圧電素子の充電電圧が所定の電
圧に達すれば可逆チョッパ回路がオフとなり、圧電素子
は電源回路から切り離されたまま電圧印加指令がオフす
るまで電荷蓄積状態を保持する。しかも、この状態では
圧電素子に蓄積されている電荷が電源回路などを通じて
リークすることがないので圧電素子の電圧が一定に保た
れる。しかも、電圧印加指令がオフになるまでは電源側
からの新たな電荷補給がないので、電圧クリープ現象に
よるひずみ量の増加も抑制されることになる。

【００１３】一方、圧電素子はコンデンサと見做せるの
で、電圧を印加した際に圧電素子に流入する充電電流は
充電電圧の上昇ととともに減少する。したがって可逆チ
ョッパ回路でスイッチング・トランジスタと直列に接続
した抵抗を利用してこの抵抗に発生する電圧（充電電流
×抵抗）を検出すれば、図３に示した分圧抵抗を用いず
に前記抵抗に発生した電圧から圧電素子の充電電圧を間
接的に測定でき、しかも分圧抵抗を使用しないので、分
圧抵抗を漏洩路として圧電素子の蓄積電荷がリークして
電圧が降下するようなこともない。

【００１４】

【実施例】図１は本発明実施例の駆動電源装置の回路図
を示すものであり、図３に対応する同一部品には同じ符
号が付してある。すなわち、図１の実施例では、図３の
回路における分圧抵抗R7〜R10 がなく、この代わりに可
逆チョッパ回路４の信号端子１２，１３より取出したア
ース側の抵抗R5, R6の発生電圧が検出信号としてチョッ
パ駆動回路のコンパレータ９に入力し、設定電圧と比較
するようにしている。さらに、コンパレータ９の出力側
にはＪ−Ｋフリップフロップ１６を備えており、そのＪ
入力端子には電圧印加指令，Ｋ入力端子にはコンパレー
タ９の出力，CK入力端子にはクロック入力を与え、Ｑ出
力によりドライバ５を介してスイッチング・トランジス
タをオン，オフ制御するようにしている。

【００１５】次に、前記構成による動作を図２のタイム
チャートと併せて説明する。まず、圧電アクチュエータ
をプラスモードで駆動する場合には、印加極性指令端子
１０にプラスモードの信号を与え、さらに、電圧印加指
令端子１１より電圧印加指令を入力すると、Ｊ−Ｋフリ
ップフロップ１６はＪ入力が「Ｈ」となるので、次のク
ロックの立ち上がりでＱ出力が「Ｈ」となり、可逆チョ
ッパ回路４のスイッチング・トランジスタTr1 とTr4 が
オンとなる。これにより可逆チョッパ回路４の動作モー
ドがプラスの電圧印加モードになり、スイッチング・ト
ランジスタTr1とTr4 を通じて圧電アクチュエータ１の
圧電素子に電源電圧が印加される。

【００１６】一方、電圧印加に伴って圧電素子に流入す
る充電電流，および端子電圧の波形は図２に表すごとく
変化する。すなわち、充電電流は電圧印加開始からステ
ップ状に立ち上がった後に減衰し、端子電圧は逆に上昇
する。また、先記のように信号端子１３より取出した検
出信号は充電電流に比例した電圧となるので、この検出
信号をコンパレータ９にて設定電圧Ｖ₀ （電圧設定器６
で与えた電圧設定値であり、圧電素子に対する所定の充
電電圧に対応する）と比較し、充電電流の減衰過程で検
出信号の値が設定電圧Ｖ₀ 以下になれば、コンパレータ
９の出力変化によりＪ−Ｋフリップフロップ１６にＫ入
力が「Ｈ」となるので、次のクロックの立ち上がりでＱ
出力が「Ｌ」に変わる。これにより、いままオンであっ
たスイッチング・トランジスタTr1 がオフとなり、圧電
アクチュエータ１は電源から切り離される。なお、検出
信号が設定電圧Ｖ₀ まで降下した時点から、次のクロッ
クの立ち上がりまではＱ出力が「Ｈ」を持続するので、
圧電素子の端子電圧は僅かながら高まるが、クロックの
周波数が高ければその影響は殆ど現れない。

【００１７】また、Ｊ−Ｋフリップフロップ１６のＱ出
力は電圧印加指令（Ｊ入力）が一旦オフして次のサイク
ルで立ち上がるまでは「Ｌ」を保つので、チョッパ回路
はオフの状態に保たれる。したがって圧電アクチュエー
タ１の圧電素子は電圧印加で所定の電圧まで充電された
後は、電圧印加指令がオフになるまで電荷を蓄積した状
態に保持される。しかも、図１の可変チョッパ回路４に
は蓄積電荷のリーク路として振る舞う分圧抵抗（図３参
照）がなく、かつ圧電素子は電源回路から切り離された
状態のまま保持されるので蓄積電荷のリークが発生せ
ず、電圧印加指令がオフになるまで端子電圧は一定に保
たれるし、またその途中で電荷の補給もないので電圧ク
リープ現象による圧電素子のひずみ増加も殆ど現れな
い。なお、この様子を従来の方式と対比して表すと図４
（ｂ）のようになる。すなわち、従来の方式では図４
（ａ）のように蓄積電荷のリーク分を補償するチョッパ
回路のオン，オフ制御の繰り返しにより、圧電素子の端
子電圧は電圧印加開始当初に所定の電圧まで上昇した後
も脈動的に変化するが、本発明では一定の電圧に維持さ
れる。

【００１８】なお、電圧印加指令がオフになれば、その
時点で可逆チョッパ回路４のスイッチング・トランジス
タTr3,Tr4 が強制的にオンに切換わるので、いままで圧
電素子に蓄積されていた電荷はスイッチング・トランジ
スタTr3,Tr4 を経由する閉ループを通じて放電する。ま
た、プレス装置などに適用した圧電アクチュエータで変
位ストロークを最大に活用するためには、圧電素子のヒ
ステリヒス特性に起因して放電後に残るひずみを除くよ
うに、印加極性指令をマイナスモードに切換えて圧電ア
クチュエータをリセットし、その後に次のサイクルで再
びプラスモードでの電圧印加指令を与えて圧電アクチュ
エータ１を周期的に駆動する。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の駆動電源回
路によれば、電圧印加指令に基づき電圧を印加して圧電
アクチュエータの圧電素子が所定の電圧まで充電された
後は、電圧印加指令がオフになるまで可逆チョッパ回路
をオフのまま圧電素子を電源回路から切り離して電荷蓄
積状態に保持するようにしたので、この期間には蓄積電
荷のリーク発生がなく、かつ圧電素子の電圧クリープ現
象による影響も殆ど受けることがなくなる。これによ
り、圧電アクチュエータの高精度な変位制御が達成で
き、例えば圧電アクチュエータをプレス装置の駆動源に
適用して精密プレス加工を行う場合に、その位置決め制
御に優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による駆動電源装置の回路図で
あり、（ａ）は可逆チョッパ回路図、（ｂ）はチョッパ
の駆動回路図

【図２】図１の駆動電源装置による動作のタイムチャー
トを表す図

【図３】従来の駆動電源装置の回路図であり、（ａ）は
可逆チョッパ回路図、（ｂ）はチョッパの駆動回路図

【図４】本発明と従来の駆動電源装置を対比して表した
電圧印加時における圧電素子の端子電圧，充電電流の波
形図であり、（ａ）は従来装置の波形図、（ｂ）は本発
明装置の波形図

【符号の説明】

１ 圧電アクチュエータ ４ 可逆チョッパ回路 ６ 電圧設定器 ７ 電圧設定器 ９ コンパレータ １１ 電圧印加指令の入力端子 １２ 検出信号の信号端子 １３ 検出信号の信号端子 １６ Ｊ−Ｋフリップフロップ Tr1 〜Tr4 スイッチング・トランジスタ R1〜R6 抵抗

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スイッチング・トランジスタのブリッジ回
   路からなる可逆チョッパ回路を介して圧電素子を電源に
   接続し、電圧印加指令の入力に基づき可逆チョッパ回路
   の動作モードを電圧印加モードにして電源電圧を圧電素
   子に印加し、圧電アクチュエータを駆動する駆動電源装
   置において、電圧印加の開始当初に圧電素子の充電電圧
   が所定の電圧に到達した条件でチョッパ回路をオフに
   し、かつ電圧印加指令がオフになるまではチョッパ回路
   をオフに保持して圧電素子を電荷蓄積状態に保つ制御手
   段を備えたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動
   電源装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の駆動電源装置において、可
   逆チョッパ回路の駆動回路が、電圧印加時に圧電素子に
   流入する充電電流に比例した電圧を検出信号として設定
   電圧とを比較するコンパレータ、および検出信号が設定
   電圧値以下に低下した際のコンパレータ出力を基にチョ
   ッパ回路をオフに切換え、かつ電圧印加指令がオフにな
   るまでチョッパ回路をオフの状態に保持する論理回路を
   備えたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動電源
   装置。
3. 【請求項３】請求項２記載の駆動電源装置において、圧
   電素子への電圧印加時に可逆チョッパ回路のスイッチン
   グ・トランジスタと直列に接続した抵抗に発生する電圧
   を検出し、該電圧を圧電素子の充電電流に比例した検出
   信号としてコンパレータに入力することを特徴とする圧
   電アクチュエータの駆動電源装置。
4. 【請求項４】請求項２記載の駆動電源装置において、論
   理回路がＪ−Ｋフリップフロップであることを特徴とす
   る圧電アクチュエータの駆動電源装置。