JP3070200B2

JP3070200B2 - 圧電素子駆動装置

Info

Publication number: JP3070200B2
Application number: JP3315415A
Authority: JP
Inventors: 和人中村
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1991-11-01
Filing date: 1991-11-01
Publication date: 2000-07-24
Anticipated expiration: 2015-07-24
Also published as: JPH05129672A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電素子駆動装置に関す
る。具体的にいうと、複数個の圧電素子を駆動するため
の駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、複数個の圧電素子を１列あるい
は面状に配列させ、これらの圧電素子を駆動して極薄の
金属薄板材をプレス加工したり、薄板材の歪を矯正した
りすることが考えられている。その場合、用途に応じて
複数個の圧電素子を同時に駆動したり、順次駆動したり
することがある。

【０００３】しかしながら、複数個の圧電素子を駆動す
る場合、従来にあっては、各圧電素子に１つ１つ駆動用
電源を接続し、複数の駆動用電源を１台の制御回路で制
御する構成となっていた。

【０００４】このため、各圧電素子に電圧をかけて圧電
素子を駆動した後、圧電素子を元の状態に戻す際には、
圧電素子に蓄積されていた電荷を全て放電させてしま
い、再度圧電素子を駆動する際には、駆動用電源によっ
て圧電素子の全駆動エネルギーを供給していた。したが
って、圧電素子を駆動する電力は１回圧電素子を駆動
し、駆動を終了する度に放出されており、圧電素子の数
が増大するにつれて電力の消費量が増加していた。

【０００５】また、１台の駆動用電源で複数個の圧電素
子を同時駆動しようとすると、圧電素子の数が増加する
につれて駆動用電源の瞬時電流容量が大きくなり、駆動
用電源の負担が大きくなるという問題があった。また、
複数個の圧電素子を順次駆動する場合には、駆動周期が
短くなるにつれて電力消費が急増するという問題があっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の従来例
の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、複数個の圧電素子を駆動するための駆動装置に
おいて、圧電素子を駆動するための電力消費量の低減を
図ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の圧電
素子駆動装置は、駆動用電源から複数個の圧電素子に電
圧を印加して当該圧電素子を同時に駆動する装置であっ
て、複数個の圧電素子を並列に接続し、この素子並列接
続体を昇圧回路を介して回生コンデンサに接続し、回生
コンデンサをスイッチング素子を介して再び前記素子並
列接続体に接続したことを特徴としている。

【０００８】また、本発明による第２の圧電素子駆動装
置は、駆動用電源から複数個の圧電素子に電圧を印加し
て当該圧電素子を順次駆動する装置であって、圧電素子
とスイッチング素子を直列接続した複数のアームを並列
に接続し、このアームの並列接続体に駆動用電源を接続
し、各アームの圧電素子及びスイッチング素子の中点を
他のアームの圧電素子及びスイッチング素子の中点にス
イッチング手段を介して順次接続させたことを特徴とし
ている。

【０００９】また、本発明による第３の圧電素子駆動装
置は、駆動用電源から複数個の圧電素子に電圧を印加し
て当該圧電素子を順次駆動する装置であって、圧電素子
とスイッチング素子を直列接続した複数のアームを並列
に接続し、このアームの並列接続体に駆動用電源を接続
し、各アームの圧電素子及びスイッチング素子の中点を
他のアームの圧電素子及びスイッチング素子の中点に圧
電素子の電荷をほぼ完全に転流させる転流回路を介して
順次接続したことを特徴としている。

【００１０】

【作用】第１の圧電素子駆動装置にあっては、圧電素子
の駆動を終了すると、圧電素子に蓄積されていた静電エ
ネルギーを昇圧回路を通して昇圧させ、高電圧で回生コ
ンデンサにチャージする。次に、圧電素子の駆動時に
は、スイッチング素子をオンにすることによって回生コ
ンデンサに蓄積されていた静電エネルギーを圧電素子に
回生させ、駆動用電源から供給する電力と回生コンデン
サから転流された静電エネルギーとによって圧電素子を
駆動する。この結果、圧電素子に蓄積されていた静電エ
ネルギーを放出してしまうことなく再度利用することが
でき、駆動用電源の消費電力を低減させることができ
る。さらに、駆動用電源にあっても、瞬時電流容量が小
さくなるという利点が得られる。

【００１１】また、圧電素子の駆動時には、圧電素子の
駆動電圧よりも高い電圧に充電されている回生コンデン
サから電流を供給してオーバドライブをかけることがで
きるので、圧電素子の駆動時に急峻な立ち上がり特性を
得ることができる。

【００１２】また、第２の圧電素子駆動装置にあって
は、ある圧電素子の動作が終了したら、その圧電素子の
正極に接続されているスイッチング手段をオンにし、動
作の終了した圧電素子に充電されていた電荷を次段の圧
電素子へ転流させることができる。したがって、次段の
圧電素子に直列接続されているスイッチング素子をオン
にして駆動用電源から次段の圧電素子に供給する電力を
節減することができる。

【００１３】また、第３の圧電素子駆動装置にあって
は、圧電素子間をほぼ１００％の電荷を転流させること
ができる転流回路で接続しているので、圧電素子から圧
電素子へ電荷を転流させる際の電力ロスが極めて少な
く、非常に電力効率の高い圧電素子駆動装置を製作する
ことができる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例による圧電素子駆動
装置３１の回路構成を示すブロック図である。同時駆動
される複数個の圧電素子９ａ，９ｂ，…，９ｃは並列に
接続されて素子並列接続体９を構成している。この素子
並列接続体９には、各圧電素子９ａ〜９ｃを同時駆動す
るための駆動用電源３２が接続されている。さらに、こ
の素子並列接続体９は、ダイオード１３等の整流素子
（あるいは、スイッチング素子）を介して昇圧スイッチ
ング回路３３の入力側へ接続されており、昇圧スイッチ
ング回路３３の出力側には回生コンデンサ７が接続され
ている。この昇圧スイッチング回路３３は、圧電素子９
ａ〜９ｃの動作終了後に圧電素子９ａ〜９ｃの電圧を昇
圧して回生コンデンサ７にチャージさせるものである。
また、回生コンデンサ７の正極側は、スイッチング素子
３４を介して素子並列接続体９の正極側に接続されてい
る。

【００１５】しかして、駆動用電源３２をオンにして駆
動用電源３２から素子並列接続体９へ圧電素子９ａ〜９
ｃを駆動させるための電圧を印加すると、各圧電素子９
ａ〜９ｃが駆動される。圧電素子９ａ〜９ｃは電気的に
はコンデンサと等価であって、駆動時には各圧電素子９
ａ〜９ｃに静電エネルギー（あるいは、電荷）が蓄積さ
れている。この後、昇圧スイッチング回路３３を動作さ
せると、圧電素子９ａ〜９ｃに蓄積されていた静電エネ
ルギーはダイオード１３を通過して昇圧スイッチング回
路３３に流れ込み、圧電素子９ａ〜９ｃの駆動電圧より
も高い電圧で回生コンデンサ７に蓄積される。この後、
圧電素子９ａ〜９ｃを再駆動する場合には、スイッチン
グ素子３４をオンにして回生コンデンサ７にチャージさ
れていた静電エネルギーを各圧電素子９ａ〜９ｃに急激
に転流させ、さらに駆動用電源３２から不足分の電力を
供給して各圧電素子９ａ〜９ｃを駆動する。

【００１６】従って、回生コンデンサ７から各圧電素子
９ａ〜９ｃに回生された電気エネルギーの量だけ駆動用
電源３２の消費電力を低減させることができる。

【００１７】図２は図１の圧電素子駆動装置３１の具体
回路例を示す回路図である。９は同時に駆動される複数
の圧電素子９ａ〜９ｃを並列に接続した素子並列接続体
であって、この素子並列接続体９にはサイリスタ２を介
して増幅器１の出力が接続されている。この増幅器１及
びサイリスタ２は圧電素子９ａ〜９ｃを同時駆動する駆
動用電源３２の出力部分を構成するものであって、増幅
器１の出力電圧Ｖ_Aは入力制御信号によって設定するこ
とができ、サイリスタ２をターンオンさせると各圧電素
子９ａ〜９ｃに駆動電圧Ｖ_Aを印加して駆動することが
できる。また、素子並列接続体９の正極側には、ダイオ
ード１３のアノードが接続され、さらに、ダイオード１
３のカソードには昇圧スイッチング回路が接続されてい
る。

【００１８】昇圧スイッチング回路３３は、インダクタ
６、ダイオード５、トランジスタ４及びフライホイルダ
イオード１４からなっている。インダクタ６及びダイオ
ード５はダイオード１３のカソードに直列接続されてお
り、フライホイルダイオード１４のカソードはダイオー
ド１３とインダクタ６の中点に接続され、トランジスタ
４のコレクタはインダクタ６とダイオード５の中点に接
続されている。また、フライホイルダイオード１４のア
ノードとトランジスタ４のエミッタは、いずれも電流検
出抵抗１０を介して素子並列接続体９の負極側に接続さ
れている。

【００１９】また、昇圧スイッチング回路３３のダイオ
ード５のカソードとトランジスタ４のエミッタとの間に
は回生コンデンサ７の正極側と負極側がそれぞれ接続さ
れている。回生コンデンサ７の正極は、サイリスタ３を
介して素子並列接続体９の正極に接続されており、さら
に、素子並列接続体９の正極側と負極側との間には、ト
ランジスタ１１のエミッタと放電抵抗１２を直列接続し
たものを並列に接続してある。

【００２０】上記サイリスタ２，３は制御回路８によっ
てターンオン制御されており、また、トランジスタ４，
１１のベースは制御回路８に接続されていて制御回路８
によってトランジスタ４，１１がオン、オフ制御されて
いる。また、制御回路８は電流検出抵抗１０の両端電圧
Ｖ_Rを監視することにより電流検出抵抗１０に流れる電
流ｉ_R（電流検出抵抗１０の抵抗値をＲとすれば、ｉ_R＝
Ｖ_R／Ｒ）を検出している。

【００２１】まず、上記昇圧スイッチング回路３３の働
きを説明する。図４（ａ）は昇圧スイッチング回路３３
の等価回路図であって、素子並列接続体９を等価なコン
デンサで表わし、トランジスタ４及びダイオード５をそ
れぞれスイッチＳ₁及びＳ₂に置き換えている（ダイオー
ド１３及び電流検出抵抗１０は省略）。また、素子並列
接続体９の（等価）容量をＣ₁とし、インダクタ６のイ
ンダクタンスをＬとし、インダクタ６を流れる電流をｉ
_Fとする。いま、ある時刻にスイッチＳ₁を閉じ、スイッ
チＳ２を開いたとすると、図４（ａ）の回路は図４
（ｂ）のようになる。このときの回路方程式は、次の数
式１で表わされる。

【００２２】

【数１】

【００２３】この数式１を、ｉ_F＝０、Ｌ（ｄｉ_F／ｄ
ｔ）＝Ｖ_Aの初期条件の下で解くと、次の数式２が得ら
れる。ただし、Ｃ₁・Ｖ_A＝Ｑ₁とした。

【００２４】

【数２】

【００２５】ここで、Ｃ₁＝２［μＦ］、Ｖ_A＝１００
［Ｖ］、Ｌ＝１［ｍＨ］とすると、Ｑ₁＝２００［μ
Ｃ］であるから、数式２は、ｉ_F＝４.４７sin（２πｆｔ） … ただし、ｆ＝〔２π（Ｌ・Ｃ₁）^1/2〕^-1＝３５５９［Ｈ
ｚ］となる。

【００２６】したがって、インダクタ６に最大電流が流
れている瞬間、すなわち、スイッチＳ₁をオンにしてか
ら１／（４ｆ）＝７０.２［μｓ］後に、スイッチＳ₁を
オフにすると共にスイッチＳ₂をオンにすれば、式よ
り、その瞬間インダクタ６には、ｉ_F＝ｉ_p＝Ｑ₁・（Ｌ・Ｃ₁）^-1/2＝４_.４７［Ａ］ … の電流が流れており、インダクタ６には（１／２）Ｌ・
ｉ_p ²の磁気エネルギーが磁束の形で保持されている。回
路ロスがなく、インダクタ６の磁気エネルギーがすべて
回生コンデンサ７に静電エネルギーとしてチャージされ
るとすれば、回生コンデンサ７の容量及び充電電圧をＣ
₂、Ｖ_CFとして、Ｌ・ｉ_p ²／２＝Ｃ₂・Ｖ_CF ²／２の関係が成立つので、このときの回生コンデンサ７の充
電電圧Ｖ_CFMは、つぎの数式３で示される。

【００２７】

【数３】

【００２８】さらに、式は、式を用いると、次の数
式４のように表わされる。

【００２９】

【数４】

【００３０】したがって、回生コンデンサ７の容量Ｃ₂
を素子並列接続体９の等価容量Ｃ₁（各圧電素子９ａ〜
９ｃの容量の和）よりも小さくしておき、インダクタ６
に流れる電流ｉ_Fがほぼ最大のときにトランジスタ４を
オフさせれば、回生コンデンサ７の充電電圧Ｖ_CFを圧電
素子９ａ〜９ｃにおける元の電圧Ｖ_Aよりも高くするこ
とができる。

【００３１】図３は図２の具体回路の動作を説明するた
めのタイムチャートであって、図３において（ａ）
（ｂ）はそれぞれサイリスタ２，３のターンオンのタイ
ミングを示し、（ｃ）（ｄ）はそれぞれトランジスタ
４，１１のオン、オフ動作のタイミングを示し、（ｅ）
はインダクタ６に流れる電流ｉ_Fの変化を示し、（ｆ）
は回生コンデンサ７の充電電圧Ｖ_CFの変化を示し、
（ｇ）は各圧電素子９ａ〜９ｃの電圧Ｖ_Pを示してい
る。また、図３は周期Ｔ₁で圧電素子９ａ〜９ｃを繰り
返し同時駆動する場合について１周期の区間のみを示し
ており、時刻ｔ₀（一般的にいうと、ｎＴ₁＋ｔ₀；ｎは
整数）は圧電素子９ａ〜９ｃの駆動開始時刻、ｔ₁（一
般的にいうと、ｎＴ₁＋ｔ₁）は圧電素子９ａ〜９ｃの駆
動中、ｔ₂（一般的にいうと、ｎＴ₁＋ｔ₂）は昇圧スイ
ッチング回路３３の動作開始時刻、ｔ₃（一般的にいう
と、ｎＴ₁＋ｔ₃）は圧電素子９ａ〜９ｃの放電開始時を
示している。

【００３２】いま、各圧電素子９ａ〜９ｃが駆動されて
なんらかの機能を果たしている時刻ｔ₁を考える。この
時、サイリスタ２，３はオフ状態にあり、トランジスタ
４，１１もオフ状態にあり、各圧電素子９ａ〜９ｃの電
圧Ｖ_pは増幅器１の出力電圧Ｖ_Aと等しく、回生コンデン
サ７もダイオード１３、５を介して同じ電圧Ｖ_Aに充電
されている。なお、ダイオード１３をサイリスタやトラ
ンジスタ、電子スイッチ等のスイッチング素子に置き換
え、ダイオード５を省略することにより、このとき回生
コンデンサ７に電圧Ｖ_Aが充電されず、ｔ＝０のオーバ
ードライブ後、回生コンデンサ７に残る電圧Ｖ_Aをｔ＝
ｔ₂におけるトランジスタ４のオン時にトランジスタ４
を介して放電するようにしても差し支えない。また、ダ
イオード５を省略する場合、圧電素子９ａ〜９ｃと回生
コンデンサ７が接続してしまうのを防ぐためダイオード
１３は必要であるが、ダイオード５が用いられる場合に
はダイオード１３を省略してもよい。

【００３３】この後、各圧電素子９ａ〜９ｃの駆動が終
了し、制御回路８によって時刻ｔ₂にトランジスタ４が
オンされると、圧電素子９ａ〜９ｃからダイオード１
３、インダクタ６、トランジスタ４、電流検出抵抗１
０、圧電素子９ａ〜９ｃの経路で電流ｉ_Fが流れて急激
に電流値が上昇し、圧電素子９ａ〜９ｃの電圧Ｖ_pが徐
々に低下し、電流ｉ_Fが増加するにつれてインダクタ６
には磁束として大きな磁気エネルギーが蓄えられる。つ
いで、電流検出抵抗１０に流れる電流ｉ_R＝ｉ_Fが所定値
ｉ_pに達する（時刻ｔ₃）と、制御回路８によってトラン
ジスタ４がオフにされる。

【００３４】トランジスタ４がオフになると、インダク
タ６に蓄えられていた磁気エネルギーが放出され、イン
ダクタ６、ダイオード５、回生コンデンサ７、フライホ
イルダイオード１４の経路で電流ｉ_Fが循環し、回生コ
ンデンサ７の電圧Ｖ_CFはＶ_CFM＝ｉ_p（Ｌ／Ｃ₂）^1/2（＞
Ｖ_A）に上昇する。これは、圧電素子９ａ〜９ｃの電荷
を、いったんインダクタ６の磁気エネルギーに変換した
後、回生コンデンサ７に吸収させたものである。

【００３５】圧電素子９ａ〜９ｃの電圧Ｖ_pは、トラン
ジスタ４がオンになった時から減少し始め、トランジス
タ４がオフになると一定値となる。そこで、トランジス
タ４のオフの後、時刻ｔ₄に制御回路８によりトランジ
スタ１１をオンさせ、圧電素子９ａ〜９ｃに残留してい
る電圧を放電抵抗１２を通して放電させる。ここで、圧
電素子９ａ〜９ｃの残留電圧が駆動電圧Ｖ_Aに比較して
小さい場合、あるいは、圧電素子９ａ〜９ｃの収縮スト
ロークに影響がなければ、圧電素子９ａ〜９ｃを放電さ
せる必要はない。

【００３６】つぎに、圧電素子９ａ〜９ｃを駆動する時
（時刻Ｔ₁＋ｔ₀）には、サイリスタ３をターンオンさせ
て回生コンデンサ７にチャージされていた電荷を各圧電
素子９ａ〜９ｃに急激に印加し、ついで、サイリスタ２
をターンオンさせて増幅器１から電圧Ｖ_Aを印加する。
これにより、圧電素子９ａ〜９ｃに駆動電圧Ｖ_p＝Ｖ_Aを
印加すると共に圧電素子９ａ〜９ｃのオーバードライブ
（立上り特性の向上）を図っている。サイリスタ３は、
圧電素子９ａ〜９ｃの電圧が回生コンデンサ７の電圧と
等しくなって電流が流れなくなるとターンオフし、サイ
リスタ２は圧電素子９ａ〜９ｃの電圧Ｖ_pがＶ_Aに等しく
なるとターンオフする。なお、圧電素子９ａ〜９ｃの駆
動後、回生コンデンサ７の電荷を放電させるようにして
もよい。但し、その場合にはダイオード１３をスイッチ
ング素子で置き換え、これをオフにして圧電素子９ａ〜
９ｃから回生コンデンサ７への電流の流入を阻止する必
要がある。

【００３７】上述のごとく圧電素子９ａ〜９ｃの駆動時
に蓄積されていた静電エネルギーは、いったんインダク
タ６の磁気エネルギーに変換され、さらに回生コンデン
サ７に静電エネルギーとして蓄積される。回生コンデン
サ７の静電エネルギーは、圧電素子９ａ〜９ｃの駆動時
に再び圧電素子９ａ〜９ｃへ転流されるので、駆動用電
源３２から圧電素子９ａ〜９ｃへ供給する電力を節減す
ることができ、省電力化を図ることができる。

【００３８】なお、サイリスタ２，３は、いずれもトラ
ンジスタや電子スイッチ等のスイッチング素子に置き換
えても差し支えない。また、増幅器１の内部回路がコン
デンサ７の電圧に耐える構造であればサイリスタ２を省
略し、増幅器１の電圧出力と同時にサイリスタ３をター
ンオンさせ、圧電素子９ａ〜９ｃにオーバードライブを
かけることもできる。

【００３９】図５は本発明の別な実施例による圧電素子
駆動装置３６を示す電気回路図である。圧電素子９ａ〜
９ｄの正極側と各々サイリスタ１５，１７，１９，２１
のカソードとが直列接続されており、圧電素子９ａ〜９
ｄとサイリスタ１５，１７，１９，２１を直列接続した
複数の各アームは互いに並列接続されている。この圧電
素子９ａ〜９ｄは、圧電素子９ａ→圧電素子９ｂ→圧電
素子９ｃ→圧電素子９ｄ→圧電素子９ａの順序で順次駆
動されるものである。このアームの並列接続体３７に
は、各圧電素子９ａ〜９ｄを駆動するための増幅器（駆
動用電源の出力段）１が接続されている。圧電素子９ａ
の正極側とサイリスタ１５のカソードの接続点には、サ
イリスタ１６のアノードおよびサイリスタ２２のカソー
ドが接続され、圧電素子９ｂの正極側とサイリスタ１７
のカソードの接続点には、サイリスタ１６のカソードお
よびサイリスタ１８のアノードが接続されている。さら
に、圧電素子９ｃの正極側とサイリスタ１９のカソード
の接続点には、サイリスタ１８のカソードおよびサイリ
スタ２０のアノードが接続され、圧電素子９ｄの正極側
とサイリスタ２１のカソードの接続点には、サイリスタ
２０のカソードおよびサイリスタ２２のアノードが接続
されている。また、サイリスタ１８及び１９の各カソー
ドと圧電素子９ｃの正極側との接続点には、トランジス
タ２３のコレクタが接続され、トランジスタ２３のエミ
ッタからツェナーダイオード２４（カソードをトランジ
スタ２３のエミッタ側に接続する。）、放電抵抗２５を
経て、圧電素子９ａ〜９ｄ及び増幅器１の負極側に接続
されている。また、これらのサイリスタ１５〜２２及び
トランジスタ２３は制御回路（図示せず）によって制御
されている。

【００４０】図６は図５に示す実施例の動作を示すタイ
ムチャートであって、同図（ａ）〜（ｇ）及び（ｉ）は
サイリスタ１５〜２２のトリガパルスＴＰのタイミング
を示し、同図（ｈ）はトランジスタ２３のオン、オフの
タイミングを示している。また、図７（ａ）（ｂ）
（ｃ）、図８（ｄ）（ｅ）（ｆ）、図９（ｇ）（ｈ）
（ｉ）、図１０（ｊ）（ｋ）（ｌ）及び図１１（ｍ）
（ｎ）はその動作を説明するための回路図である。図６
に示すように、サイリスタ１５〜２２のトリガパルスＴ
Ｐは、圧電素子９ａ〜９ｄの駆動周期Ｔ₂の１／２の周
期でトリガされる。さらに、２つのサイリスタ１６及び
１８は、サイリスタ２１のトリガ時にも同期してトリガ
パルスＴＰを加えられ、トランジスタ２３は、同じタイ
ミングでオンされる。

【００４１】図６のタイムチャートに従って各サイリス
タ１５〜２２及びトランジスタ２３を駆動した時の動作
を図７〜図１１に沿って説明する。まず、サイリスタ１
５のみにトリガパルスＴＰを出力して〔図６（ａ）〕タ
ーンオンさせると、図７（ａ）に示すように、増幅器１
から圧電素子９ａに所定の電圧が印加されて圧電素子９
ａが充電され、充電電流が０になると図７（ｂ）のよう
にサイリスタ１５がターンオフする。これで、圧電素子
９ａは所定の動作を行なう。この後、サイリスタ１６を
トリガして〔図６（ｂ）〕ターンオンさせると、図７
（ｃ）に示すように、圧電素子９ａにチャージされてい
た電荷の一部が圧電素子９ａから圧電素子９ｂへ転送さ
れ、圧電素子９ｂに充電される。両圧電素子９ａ及び９
ｂの電圧が等しくなって転流電流が流れなくなった時点
で、図８（ｄ）に示すように、サイリスタ１６はターン
オフする。つぎに、サイリスタ１７をトリガして〔図６
（ｃ）〕ターンオンし、図８（ｅ）に示すように、増幅
器１から圧電素子９ｂに不足分の電圧を追加充電する。
このときも充電電流が０になるとサイリスタ１７がター
ンオフし、圧電素子９ｂが動作する。続いて同様な動作
を実行される。すなわち、サイリスタ１８をトリガして
〔図６（ｄ）〕ターンオンし、圧電素子９ｂの電荷の一
部を圧電素子９ｃへ転送し、圧電素子９ｃを充電する
〔図８（ｆ）〕。両圧電素子９ｂ，９ｃ間に転流電流が
流れなくなるとサイリスタ１８はターンオフする〔図９
（ｇ）〕。つぎに、サイリスタ１９をトリガして〔図６
（ｅ）〕ターンオンし、増幅器１から圧電素子９ｃに不
足分の電圧を追加充電する〔図９（ｈ）〕。この後、充
電電流が流れなくなるとサイリスタ１９がターンオフし
〔図９（ｉ）〕、圧電素子９ｃが動作する。さらに、サ
イリスタ２０をトリガして〔図６（ｆ）〕ターンオン
し、圧電素子９ｃの電荷の一部を圧電素子９ｄへ転送
し、圧電素子９ｄを充電する〔図１０（ｊ）〕。両圧電
素子９ｃ，９ｄ間に転流電流が流れなくなるとサイリス
タ２０はターンオフする〔図１０（ｋ）〕。つぎに、サ
イリスタ２１をトリガして〔図６（ｇ）〕ターンオンさ
せると、図１０（ｌ）に示すように、増幅器１から圧電
素子９ｄに不足分の電圧が追加充電される。この時、同
時に、サイリスタ１６及び１８がターンオン〔図６
（ｂ）（ｄ）〕されると共にトランジスタ２３がオンさ
れ〔図６（ｈ）〕、図１０（ｌ）に示すように圧電素子
９ａ，９ｂ及び９ｃに残留していた電荷がトランジスタ
２３、ツェナーダイオード２４及び放電抵抗２５を介し
て放電される。トランジスタ２３は放電抵抗２５で圧電
素子９ａ〜９ｃの電荷が放電されるまでオン状態を維持
される。これは、圧電素子９ａ〜９ｃに電荷が残留して
いると、上述のサイクルによって各圧電素子９ａ〜９ｃ
に次第に電荷が蓄積し、負荷電圧が上昇したままになっ
て各圧電素子９ａ〜９ｃが常に伸長状態になってしまう
ためである。この後、充電電流が流れなくなるとサイリ
スタ２１がターンオフし〔図１１（ｍ）〕、圧電素子９
ｄが動作する。続けて、サイリスタ２２をトリガして
〔図６（ｉ）〕ターンオンし、図１１（ｎ）に示すよう
に、圧電素子９ｄの電荷の一部を圧電素子９ａへ転送
し、圧電素子９ａを充電し、両圧電素子９ｄ，９ａ間に
転流電流が流れなくなるとサイリスタ２２がターンオフ
する。

【００４２】以上のような動作を繰り返すことにより、
複数個の圧電素子９ａ〜９ｄは繰り返し循環的に動作さ
れ、しかも前段の圧電素子にチャージされていた電荷が
次段の圧電素子の駆動用に使用されるので、駆動用電源
３２の消費電力を節減することができる。

【００４３】なお、放電回路のトランジスタ２３は機械
接点に置き換えてもよい。また、圧電素子９ａ〜９ｄの
駆動を循環させない場合には、圧電素子９ｄの正極と圧
電素子９ａの正極との間は接続しなくてもよい。

【００４４】図１２（ａ）（ｂ）は上記実施例における
圧電素子９ａ〜９ｄの印加電圧Ｖ_pと、対応する圧電素
子９ａ〜９ｄのストロークξとの関係を示す図である。
図１２（ａ）において、Ｖ_Aは圧電素子９ａ〜９ｄの駆
動時の電圧、Ｖ_Rは他の圧電素子へ電荷を転流させた後
の圧電素子９ａ〜９ｄの残留電圧、Ｖ_ZDはトランジスタ
２３をオンにして圧電素子９ａ〜９ｄを放電させた後の
圧電素子９ａ〜９ｄの残留電圧を示している。また、図
１２（ｂ）は圧電素子９ａ〜９ｄにＶ_A、Ｖ_R、Ｖ_ZDの電
圧がかかっている時の圧電素子９ａ〜９ｄのストローク
ξを示している。ここで、放電抵抗２５と直列にツェナ
ーダイオード２４を接続しているのは、放電抵抗２５を
通して完全に放電させると放電時間が長くなるので、ツ
ェナーダイオード２４を挿入することによって圧電素子
９ａ〜９ｄの電圧がＶ_ZD（ツェナー電圧）まで下がった
ら放電を停止させ、放電所要時間を短くするためであ
る。したがって、放電後においても圧電素子９ａ〜９ｄ
は少しのストロークξ_ZDが残留するが、残留ストローク
ξ_ZDが十分小さくなるようツェナーダイオード２４のツ
ェナー電圧を選択してある。なお、ツェナーダイオード
２４を省略して放電後には各圧電素子９ａ〜９ｄの残留
電荷及びストロークξが０になるようにしてもよい。ま
た、圧電素子９ａ〜９ｄが仕事するのに必要な距離をＷ
とすると、図１２（ｂ）に示すように、この距離Ｗが駆
動電圧Ｖ_Aに対応するストロークξ_Aと残留電圧Ｖ_Rに対
応するストロークξ_Rとの間に納まるように設定すれ
ば、放電前の圧電素子９ａ〜９ｄに残留ストロークが残
っていたり、駆動前に隣の圧電素子から充電されて、圧
電素子９ａ〜９ｄがある程度伸長していても差し支えな
い。

【００４５】これに対し、圧電素子のストロークを０近
くからフルストロークまで仕事に使う場合は、圧電素子
の残留電荷によるストロークの残留が問題となるが、こ
の場合には、次の実施例のようにすれば良い。

【００４６】図１３は本発明のさらに別な実施例による
圧電素子駆動回路３８を示す電気回路図である。この圧
電素子駆動回路３８も複数個の圧電素子９ａ〜９ｄを順
次駆動するものであって、圧電素子９ａ〜９ｄの正極と
サイリスタ１５，１７，１９，２１のカソードとが直列
接続され、圧電素子９ａ〜９ｄとサイリスタ１５，１
７，１９，２１を直列接続した各アームが互いに並列に
接続されている。このアームの並列接続体には、各圧電
素子９ａ〜９ｄを駆動するための増幅器（駆動用電源の
出力段）１が接続されている。さらに、圧電素子９ａの
正極及びサイリスタ１５のカソードの接続点と圧電素子
９ｂの正極及びサイリスタ１７のカソードの接続点との
間、圧電素子９ｂの正極及びサイリスタ１７のカソード
の接続点と圧電素子９ｃの正極及びサイリスタ１９のカ
ソードの接続点との間、圧電素子９ｃの正極及びサイリ
スタ１９のカソードの接続点と圧電素子９ｄの正極及び
サイリスタ２１のカソードの接続点との間、圧電素子９
ｄの正極及びサイリスタ２１のカソードの接続点と圧電
素子９ａの正極及びサイリスタ１５のカソードの接続点
との間にはそれぞれ転流回路３９を挿入してある。

【００４７】図１４は上記圧電素子駆動装置３８に用い
られている転流回路３９のうち１つを示している。この
転流回路３９は、図２中の昇圧スイッチング回路３３と
ほぼ同様な構成を有しているので、対応する構成要素に
は同一の符号を付している。すなわち、ダイオード１３
のカソードをインダクタ６に直列接続し、さらにインダ
クタ６にサイリスタ２６のアノードを直列接続し、圧電
素子９ａの正極及びサイリスタ１５のカソードの接続点
にこの直列接続体におけるダイオード１３のアノードを
接続し、圧電素子９ｂの正極とサイリスタ１７のカソー
ドの接続点に前記直列接続体におけるサイリスタ２６の
カソードを接続してあり、ダイオード１３のアノードに
フライホイルダイオード１４のカソードを接続し、フラ
イホイルダイオード１４のアノードを圧電素子９ａの負
極側に接続し、サイリスタ２６のアノードとインダクタ
６の接続点にトランジスタ４のコレクタを接続し、トラ
ンジスタ４のエミッタを圧電素子９ｂの負極側に接続し
ている。

【００４８】この圧電素子駆動装置３８の動作を説明す
ると、まず始めに、トランジスタ４及びサイリスタ２６
がオフの状態でサイリスタ１５がトリガされると、増幅
器１から圧電素子９ａに電荷が流入し、最大電圧Ｖ_Aま
で充電されるとサイリスタ１５がターンオフする。この
とき、圧電素子９ａは伸長して仕事を行なう。

【００４９】この後、トランジスタ４をオンさせると、
圧電素子９ａ→ダイオード１３→インダクタ６→トラン
ジスタ４の経路で電流ｉ_Fが流れる。電流ｉ_Fがある値ｉ
_pに達したら、トランジスタ４をオフさせると共にサイ
リスタ２６をターンオンさせる（他の転流回路３９にお
けるサイリスタ２６はいずれもオフとなっているので、
圧電素子９ｂ以外へ電荷が転流されることはない。）、
電流ｉ_Fはインダクタ６→圧電素子９ｂ→フライホイル
ダイオード１４→ダイオード１３の経路で循環し、圧電
素子９ｂに電荷が充電されて電位が上昇する。

【００５０】ここで、圧電素子９ａ及び９ｂの等価容量
をＣ₃，Ｃ₄とし、インダクタ６に流れる電流ｉ_Fが最大
値ｉ_pとなる時にトランジスタ４をオフにすれば、前記
式より明らかなように、転流回路３９を通して充電さ
れた圧電素子９ｂの電圧Ｖ_Bは、Ｖ_B＝Ｖ_A・（Ｃ₃／Ｃ₄）^1/2 … となる。したがって、各圧電素子９ａ，９ｂの容量
Ｃ₃，Ｃ₄を等しいとすれば、前記式より明らかないよ
うに、前段の圧電素子９ａの駆動電圧Ｖ_Aが全て次段の
圧電素子９ｂへ転送され、次段の圧電素子９ｂがフルス
トロークまで駆動される。しかして、駆動用電源から
は、サイリスタ１７をターンオンして転流回路３９によ
って電荷を転流させる際のロス分のみを圧電素子９ｂに
充電するだけでたりる。一方、前段の圧電素子９ａは、
ストロークが０の状態に戻る。

【００５１】ちなみに、トランジスタ４をインダクタ６
に流れる電流ｉ_Fが最大の瞬間にオフすると、圧電素子
９ａにチャージされていた電荷Ｑ₃＝Ｃ₃・Ｖ_Aのうち、
次の数式５で求められる電荷量Ｑ₄が圧電素子９ｂへ転
送される。

【００５２】

【数５】

【００５３】すなわち、圧電素子９ａに充電されていた
全電荷を圧電素子９ｂへ転送することができる。

【００５４】このような転流回路３９の動作は各圧電素
子９ａ〜９ｄ間での同様である。また、各圧電素子９ａ
〜９ｄの容量やフルストローク量が異なる場合には、圧
電素子９ａ〜９ｄの充電量が不足する場合もあるが、そ
の場合には駆動用電源から圧電素子９ａ〜９ｄへ電荷を
補充する。したがって、この圧電素子駆動装置３８によ
れば、図５の実施例のように圧電素子９ａ〜９ｄの残留
電荷を放電するための放電回路が必要なくなる。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば、複数個の圧電素子を同
時駆動する圧電素子駆動装置や複数個の圧電素子を順次
駆動する圧電素子駆動装置において、圧電素子を駆動し
ていた電荷を各圧電素子の動作終了のつど放電させてし
まうのでなく、次回の駆動時に再利用することができ、
したがって、駆動用電源の消費電力を大幅に節減するこ
とができる。

【００５６】特に、圧電素子の駆動用電力を繰り返し使
用することができるので、圧電素子の素子数が増大して
も、電力の消費量を抑制することができるという利点が
ある。

【００５７】また、複数の圧電素子を同時駆動する場合
でも、駆動用電源の瞬時電流容量を小さなもので済ませ
ることが可能になる。さらに、複数の圧電素子を順次駆
動する場合でも、駆動周期が短くなっても電力消費を小
さく抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による圧電素子駆動装置の構
成を示す回路ブロック図である。

【図２】同上の実施例の具体回路図である。

【図３】同上の圧電素子駆動回路の動作を説明するため
のタイムチャートである。

【図４】（ａ）（ｂ）は同上の昇圧スイッチング回路の
動作説明図である。

【図５】本発明の別な実施例による圧電素子駆動装置を
示す電気回路図である。

【図６】同上の圧電素子駆動回路の動作を説明するため
のタイムチャートである。

【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）は同上の圧電素子駆動回路
の動作説明図である。

【図８】（ｄ）（ｅ）（ｆ）は図７の分図である。

【図９】（ｇ）（ｈ）（ｉ）は図７の分図である。

【図１０】（ｊ）（ｋ）（ｌ）は図７の分図である。

【図１１】（ｍ）（ｎ）は図７の分図である。

【図１２】（ａ）（ｂ）は同上の実施例における圧電素
子の印加電圧と圧電素子のストロークとの関係を示す図
である。

【図１３】本発明のさらに別な実施例による圧電素子駆
動装置を示す回路図である。

【図１４】同上の転流回路を示す具体回路図である。

【符号の説明】

３サイリスタ（スイッチング素子）７回生コンデンサ９素子並列接続体９ａ〜９ｄ圧電素子１５，１７，１９，２１サイリスタ（スイッチング素
子）１６，１８，２０，２２サイリスタ（スイッチング手
段）３２駆動用電源３３昇圧スイッチング回路３７アームの並列接続体３９転流回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動用電源から複数個の圧電素子に電圧
を印加して当該圧電素子を同時に駆動する装置であっ
て、複数個の圧電素子を並列に接続し、この素子並列接続体
を昇圧回路を介して回生コンデンサに接続し、回生コン
デンサをスイッチング素子を介して再び前記素子並列接
続体に接続したことを特徴とする圧電素子駆動装置。
【請求項２】駆動用電源から複数個の圧電素子に電圧
を印加して当該圧電素子を順次駆動する装置であって、圧電素子とスイッチング素子を直列接続した複数のアー
ムを並列に接続し、このアームの並列接続体に駆動用電
源を接続し、各アームの圧電素子及びスイッチング素子
の中点を他のアームの圧電素子及びスイッチング素子の
中点にスイッチング手段を介して順次接続させたことを
特徴とする圧電素子駆動装置。
【請求項３】駆動用電源から複数個の圧電素子に電圧
を印加して当該圧電素子を順次駆動する装置であって、圧電素子とスイッチング素子を直列接続した複数のアー
ムを並列に接続し、このアームの並列接続体に駆動用電
源を接続し、各アームの圧電素子及びスイッチング素子
の中点を他のアームの圧電素子及びスイッチング素子の
中点に圧電素子の電荷をほぼ完全に転流させる転流回路
を介して順次接続したことを特徴とする圧電素子駆動装
置。