JP4092897B2

JP4092897B2 - 圧電素子駆動装置及びダイヤフラムポンプ

Info

Publication number: JP4092897B2
Application number: JP2001290331A
Authority: JP
Inventors: 治倫北原; 洋二浦野
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2021-09-25
Also published as: JP2003102182A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータとして用いる圧電素子の駆動装置及びそれを用いたダイヤフラムポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に圧電素子１は、図２４に示すように正の分極方向と同方向の電圧が圧電素子駆動回路Ａによって印加されて駆動される。それは耐電圧値以上の逆方向電圧を印加した場合、圧電素子の分極が崩れてしまうからである。
【０００３】
しかし、図２５に示すように耐電圧よりも絶対値の小さい逆方向電圧を微小な時間印加した場合には圧電素子１の劣化は発生しない。
【０００４】
図２６（ａ）は順方向電圧による圧電素子１の変形Ｘを、同図（ｂ）は逆方向電圧による圧電素子１の変形Ｙを夫々示している。
【０００５】
また、圧電素子１の電圧−変位の関係（電歪曲線）は図２７に示すようにバタフライ型ヒステリシスを示しており、逆方向電圧を利用しない場合はａの範囲の変位を利用でき、逆方向電圧を利用した場合はｂの範囲の変位を利用できる。
【０００６】
図２８は一般的な逆方向電圧を印加して圧電素子１を駆動する回路の基本的な構成を示しており、この回路は直流電源Ｅ１によって充電されるコンデンサＣ１０と、直流電源Ｅ２によってコンデンサＣ２０とは逆方向に充電されるコンデンサＣ２０と、これらコンデンサＣ１０，Ｃ２０に圧電素子１を並列接続するためにコンデンサＣ１と圧電素子１との間に接続したスイッチ素子Ｓａ及びコンデンサＣ２０と圧電素子１との間に接続したスイッチ素子Ｓｂと、圧電素子１の電荷を放電させるために圧電素子１に並列接続されるスイッチ素子Ｓｃとで構成される。
【０００７】
この回路では、まずスイッチ素子ＳａをオンしてコンデンサＣ１０を圧電素子１に並列接続して、コンデンサＣ１０によって順方向の電圧を圧電素子１に所定時間印加する。
【０００８】
次にスイッチ素子Ｓａをオフするとともに、スイッチ素子Ｓｃを所定時間オンすることで、圧電素子１の電荷をスイッチ素子Ｓｃを介して放電させる。次にスイッチ素子Ｓｃをオフし、スイッチ素子Ｓｂをオンすることで、コンデンサＣ２を圧電素子１に並列接続し、コンデンサＣ２０によって負方向の電圧を所定時間印加する。このような動作を繰り返すことで、圧電素子１に順方向、負方向の電圧を交互に印加するようになっている。
【０００９】
一方圧電素子１に蓄えられた電荷を再利用するものとしては、特公昭和５７−１３２７７８号に示されるものがある。
【００１０】
この従来例の回路は図２９に示すように直流電源Ｅをスイッチ素子Ｓｄを介して圧電素子１に並列に接続して順方向の電圧を一定時間印加した後、スイッチ素子Ｓｄをオフするとともに、スイッチ素子Ｓｅをオンして、インダクタＬとコンデンサＣ３０との直列共振回路を圧電素子１に並列接続し、コンデンサＣ３０に圧電素子１の電荷を移すのである。この場合コンデンサＣ３０と圧電素子１の電圧が均衡した時に、インダクタＬには電磁エネルギ１／２Ｌｉ²が蓄えられており、そのためこのエネルギーがコンデンサＣ３０に移動することで、コンデンサＣ３０は圧電素子１とコンデンサＣ３０の電圧が均衡する電圧以上に充電され、このコンデンサＣ３０の電圧が最大となった時点でスイッチＳｅをオフすることで、ほぼ圧電素子１に蓄積された電荷を全てコンデンサＣ３０へ移動させることができるのである。
【００１１】
このコンデンサＣ３０の電荷を再利用する場合も、スイッチ素子Ｓｅを最適な条件でオン／オフすることで圧電素子１に電圧印加が行えることになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述の前者の従来例では、圧電素子１に逆方向の電圧を印加するために２つの直流電源Ｅ１、Ｅ２を必要とするという問題があった。また後者では圧電素子１の電荷を再利用することができるものの、圧電素子１に逆方向の電圧を印加するものではなく、そのため圧電素子に逆方向の電圧を印加するためには同様な回路をもう一組用意する必要があった。
【００１３】
本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは圧電素子に逆方向電圧の印加も行う圧電素子駆動装置において、単一の直流電源で効率良い駆動が行える圧電素子駆動装置及びそれを用いて吸入量が多く且つ圧縮比を高めることができるダイヤフラムポンプを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１の圧電素子駆動装置の発明では、直流電源と該直流電源に並列接続される電源側コンデンサとで構成された直流電源部と、圧電素子と、前記電源側コンデンサの一端と圧電素子の一端との間に挿入された第１のスイッチ素子と、前記電源側コンデンサの他端と圧電素子の他端との間に挿入された第９のスイッチ素子と、前記第１のスイッチ素子と前記電源側コンデンサとの接続点と前記圧電素子と前記第９のスイッチ素子との接続点との間に挿入された第１０のスイッチ素子と、前記圧電素子に並列接続された電荷回収用コンデンサと、前記圧電素子と電荷回収用コンデンサとの間に挿入された第５のスイッチ素子と、前記圧電素子の両端に両端が接続され内部に容量性蓄電素子及び該容量性蓄電素子の圧電素子側への接続のオンオフ及び接続方向の切り替えとを行うスイッチ手段を有した電圧反転回路と、前記第１，第５，第９，第１０のスイッチ素子及び前記スイッチ手段を制御する制御回路とからなり、前記制御回路は、前記第１，第９のスイッチ素子をオン、前記第５，第１０のスイッチ素子をオフして前記圧電素子の正の分極方向に対して順方向の電圧を前記直流電源部により前記圧電素子に印加する状態と、この状態で前記圧電素子の電圧が前記直流電源部の電圧に達した後、前記第１，第９のスイッチ素子をオフして前記圧電素子を前記直流電源部より切り離し、かつ前記第５，第１０のスイッチ素子をオンして前記電源側コンデンサと前記圧電素子との直列回路を構成するとともに当該直列回路に前記電荷回収用コンデンサを並列接続する状態と、この状態で前記直列回路の電圧と前記電荷回収用コンデンサの電圧とを均衡させた後に、前記第５のスイッチをオフするとともに前記直列回路に容量性蓄電素子を並列接続して前記圧電素子の電荷により前記容量性蓄電素子が充電される状態と、この状態で前記容量性蓄電素子の電圧と前記直列回路の電圧とが均衡した後、前記圧電素子の正の分極方向に対して逆方向となるように前記圧電素子に前記容量性蓄電素子の電圧を印加させる状態と、この状態の後であって、前記第１，第９のスイッチ素子をオンして前記圧電素子の正の分極方向に対して順方向の電圧を前記直流電源部により前記圧電素子に印加する状態の前に、前記第５のスイッチ素子を介して電荷回収用コンデンサを前記圧電素子に並列接続して前記電荷回収用コンデンサの電荷を前記圧電素子に戻す状態とを順次設定することを特徴とする。
【００１５】
請求項２の圧電素子駆動装置の発明では、直流電源とこの直流電源に並列接続される電源側コンデンサとで構成された直流電源部と、前記電源側コンデンサの両端に対して第１のスイッチ素子、第９のスイッチ素子を夫々介して両端が接続された圧電素子と、両端が第１１のスイッチ素子、前記第９のスイッチ素子を夫々介して前記圧電素子の両端に接続され、且つ前記第９，第１１のスイッチ素子のオフ状態で第１２のスイッチ素子を介して前記圧電素子に直列接続される電荷回収用コンデンサと、前記圧電素子の両端に両端が接続され内部に容量性蓄電素子及び該容量性蓄電素子の圧電素子側への接続のオンオフ及び接続方向の切り替えを行うスイッチ手段を有した電圧反転回路と、前記第１，第９，第１１，第１２のスイッチ素子及び前記スイッチ手段を制御する制御回路とからなり、前記制御回路は、前記第１，第９のスイッチ素子をオン、前記第１１，第１２のスイッチ素子をオフして前記圧電素子に正の分極方向に対して順方向の前記直流電源部の電圧を印加する状態と、この状態の後に、前記第１のスイッチ素子をオフ、第１１のスイッチ素子をオンして、前記圧電素子に前記電荷回収用コンデンサを並列接続し、前記圧電素子の電荷で前記電荷回収用コンデンサを充電する状態と、この状態の後に、前記第９，第１１のスイッチ素子をオフ、第１２のスイッチ素子をオンして前記圧電素子と前記電荷回収用コンデンサとの直列回路を形成するとともに該直列回路を前記電源側コンデンサに並列接続して前記圧電素子を介して前記電荷回収用コンデンサの電荷を前記電源側コンデンサへ戻す状態と、この状態の後に、前記第１のスイッチ素子をオフし、かつ前記スイッチ手段により前記直列回路を前記容量性蓄電素子に接続し、前記電荷回収用コンデンサと前記圧電素子の電荷で前記容量性蓄電素子を充電する状態と、この状態の後に、前記スイッチ手段を制御するとともに前記第９のスイッチ素子をオンして、該第９のスイッチ素子を介して前記圧電素子に正の分極方向に対して逆方向の電圧を印加するように前記容量性蓄電素子を接続する状態とを順次設定することを特徴とする。
【００１６】
請求項３の圧電素子駆動装置の発明では、請求項１又は２の発明において、前記圧電素子に印加する逆方向電圧を前記容量性蓄電素子の容量により設定することを特徴とする。
【００１７】
請求項４の圧電素子駆動装置の発明では、請求項１又は２の発明において、前記電荷回収用コンデンサの静電容量により、前記圧電素子に分極方向に対して逆向きに印加する電圧を設定することを特徴とする。
【００１８】
請求項５の圧電素子駆動装置の発明では、請求項１乃至４の何れかの発明において、前記電源側コンデンサと前記直流電源との間に、前記圧電素子に逆方向電圧を前記容量性蓄電素子によって印加する間、前記直流電源による前記電源側コンデンサの充電を停止させる手段を備えていることを特徴とする。
【００１９】
請求項６の圧電素子駆動装置の発明では、請求項１乃至５の何れかの発明において、前記電圧反転回路の前記スイッチ手段は、前記容量性蓄電素子の一端に一方端を接続した２つの双方向性スイッチ素子と、前記容量性蓄電素子の他端に一方端を接続し、且つ他方端を上記各双方向性スイッチ素子の他方端に各別に接続した別の２つの双方向性スイッチ素子とで構成され、各双方向スイッチの他方端同士の接続点を電圧反転回路の接続端としたことを特徴とする。
【００２０】
請求項７の圧電素子駆動装置の発明では、請求項１乃至６の何れかの発明において、前記スイッチ素子中単方向の電流が流れるスイッチ素子を単方向性のスイッチ素子によって構成して成ることを特徴とする。
【００２１】
請求項８の圧電素子駆動装置の発明では、請求項１乃至７の何れかの発明において、前記直流電源部から前記圧電素子への電圧印加経路に抵抗を挿入していることを特徴とする。
【００２２】
請求項９のダイヤフラムポンプの発明では、前記請求項１乃至８の何れかの圧電素子駆動装置の圧電素子の一対の電極面の一方をダイヤフラム表面に固着して圧電素子に交互に印加される正、負の電圧に応じてダイヤフラムが駆動されることを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下本発明を基本形態および実施形態により説明する。
【００３０】
（基本形態１）
図１は本基本形態の構成を示しており、図示するように圧電素子１と、単一の直流電源Ｅとこの直流電源Ｅに並列接続されて充電される電源側のコンデンサＣ１とで構成される直流電源部２と、この直流電源部２のコンデンサＣ１と圧電素子１との間に挿入されオン時にコンデンサＣ１の電圧を第１のスイッチ素子Ｓ１に印加させるスイッチ素子Ｓ１と、圧電素子１に並列に接続され、オン時に圧電素子１の電荷を放電させるスイッチ素子Ｓ２と、制御回路３と、電圧反転回路４とで構成される。
【００３１】
電圧反転回路４は圧電素子１の両端間に接続される２端子構成の回路からなり、圧電素子１の電荷を移動蓄積し、その蓄積によって発生する電圧を圧電素子１に正の分極方向とは逆方向に印加する容量性蓄電素子たるコンデンサＣ０と、圧電素子１の両端とコンデンサＣ０の両端との間に夫々挿入されて同時にオンすることで圧電素子１の電荷をコンデンサＣ０へ移動させる回路を形成するスイッチ素子Ｓ３、Ｓ６、圧電素子１とスイッチ素子Ｓ６の接続点とコンデンサＣ０とスイッチ素子Ｓ３の接続点との間に挿入されたスイッチ素子Ｓ４、圧電素子１とスイッチ素子Ｓ３の接続点とコンデンサＣ０とスイッチ素子Ｓ６の接続点との間に挿入されたスイッチ素子Ｓ５からなるスイッチ手段とを有し、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ６がオン、スイッチ素子Ｓ４、Ｓ５がオフされることで圧電素子１にコンデンサＣ０が並列接続され、圧電素子１の電荷でコンデンサＣ０が充電され、スイッチ素子Ｓ３、Ｓ６がオフ、スイッチ素子Ｓ４、Ｓ５がオンされることでコンデンサＣ０の充電電圧を、圧電素子１に、正の分極方向とは逆方向となるように圧電素子１に印加するように、コンデンサＣ０が圧電素子１に並列接続されるようなっている。
【００３２】
スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６は半導体スイッチ素子により構成されるもので、少なくとも後述するように正、負方向の電流が流れるスイッチ素子Ｓ２には双方向性のスイッチ素子が用いられる。制御回路３は、これらスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６のスイッチングを制御するための回路である。
【００３３】
而して、動作を開始すると、まず制御回路３は図２（ａ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１をオンしてコンデンサＣ１に圧電素子１を並列接続してコンデンサＣ１→スイッチ素子Ｓ１→圧電素子１→コンデンサＣ１の経路でコンデンサＣ１の電荷を放電させることで、圧電素子１に正の分極方向に対する順方向の電圧を印加する。
【００３４】
次に圧電素子１の両端電圧が直流電源Ｅの電圧に達した後、制御回路３は図２（ｂ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１をオフするとともに電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ６をオンする。これによって圧電素子１→スイッチ素子Ｓ３→コンデンサＣ０→スイッチ素子Ｓ６→圧電素子１の経路で圧電素子１の電荷を放電させ、コンデンサＣ０を充電する。この充電は圧電素子１の電圧と、コンデンサＣ０の電圧が均衡するまで継続する。電圧が均衡した後の所定のタイミングで制御回路３は図２（ｃ）に示すようにスイッチ素子Ｓ３、Ｓ６をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ２をオンする。これにより圧電素子１の残留電荷がスイッチ素子Ｓ２を介して放電されて圧電素子１の電圧は０Ｖとなる。
【００３５】
この放電が終了した後の所定のタイミングで制御回路３は図２（ｄ）に示すようにスイッチ素子Ｓ４，Ｓ５をオンする。これによりコンデンサＣ０→スイッチ素子Ｓ４→圧電素子１→スイッチ素子Ｓ５→コンデンサＣ０の経路でコンデンサＣ０の電荷を放電させることで、圧電素子１に正の分極方向とは逆方向の電圧を印加する。
【００３６】
次いで制御回路３は、図２（ｅ）に示すようにスイッチＳ４、Ｓ５をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ２をオンし、圧電素子１の残留電荷をスイッチ素子Ｓ２を介して放電させる。
【００３７】
この放電が終了すると再度図２（ａ）の動作状態に戻り以後上述の動作を繰り返すことで、圧電素子１に正、負の電圧を交互に印加して圧電素子１を駆動する。
【００３８】
このようにして本基本形態では圧電素子１に正の分極方向とは逆向きに印加する電圧は、コンデンサＣ０の容量の大きさで、設定することができる。
【００３９】
ところで圧電素子１とコンデンサＣ１との間に挿入されるスイッチ素子Ｓ１は片方向（順方向）の電流のみが通電されるものであるから、図３に示すようにトランジスタによって構成しても良い。
【００４０】
また図４に示すようにスイッチ素子Ｓ１と圧電素子１との間に抵抗Ｒを直列挿入することで、圧電素子の変位速度を調節することができ、順方向電圧の印加時における急速な変位を防止することが可能となる。
【００４１】
図３、図４の構成は以降に述べる基本形態および実施形態にも適用できる構成である。
【００４２】
（基本形態２）
上記基本形態１では、コンデンサＣ０の電圧は圧電素子１に正の分極方向とは逆方向の電圧を印加するために用いているが、本基本形態では、分極方向の電圧印加にも用いる。
【００４３】
つまり、本基本形態は図５に示すように、電圧反転回路４の構成は基本形態１の回路と同じであるが、直流電源１によって充電されるコンデンサＣ１の両端と、圧電素子１の両端との間にスイッチ素子Ｓ１、Ｓ７を夫々挿入するとともに、圧電素子１と電圧反転回路５のスイッチ素子Ｓ３との間にはスイッチ素子Ｓ８を挿入し、更にスイッチ素子Ｓ８とスイッチ素子３との接続点と、圧電素子１とスイッチ素子Ｓ７との接続点にスイッチ素子Ｓ９を挿入して構成される。
【００４４】
而して、まず制御回路３は、スイッチ素子Ｓ１，Ｓ９及び電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ４，Ｓ５を図６（ａ）に示すようにオンして、コンデンサＣ１→圧電素子１→スイッチ素子Ｓ９→スイッチ素子Ｓ５→コンデンサＣ０→スイッチ素子Ｓ４→コンデンサＣ１の経路でコンデンサＣ１の電荷を放電させることで、圧電素子１に正の分極方向に対して逆方向の電圧を印加する。このときコンデンサＣ０は正に充電されるため、圧電素子１は直流電源Ｅの電圧以上に充電される。
【００４５】
そして、直流電源Ｅの電圧まで圧電素子１，コンデンサＣ０の直列回路の電圧が上昇する所定時間経過後、制御回路３は図６（ｂ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１，Ｓ９，Ｓ４，Ｓ５をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８をオンし、圧電素子１→スイッチ素子Ｓ８→スイッチ素子Ｓ３→コンデンサＣ０→スイッチ素子Ｓ６→スイッチ素子Ｓ７→圧電素子１の経路で圧電素子１の電荷を放電させることで、コンデンサＣ０を充電する。
【００４６】
そして圧電素子１の電圧がコンデンサＣ０と均衡する所定時間経過後に、制御回路３は図６（ｃ）に示すようにスイッチ素子Ｓ３，Ｓ６をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ４，Ｓ５をオンする。これによりコンデンサＣ０→スイッチ素子Ｓ５→スイッチ素子Ｓ８→圧電素子１→スイッチ素子Ｓ７→スイッチ素子Ｓ４→コンデンサＣ０の経路でコンデンサＣ０の電荷を放電させ、圧電素子１に正の分極方向に対して順方向の電圧を印加する。
【００４７】
そしてコンデンサＣ０の電圧と圧電素子１の電圧が均衡する所定時間経過度に、制御回路３は図６（ａ）に示すようにスイッチ素子Ｓ７，Ｓ８をオフし、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ９をオンする。これによってコンデンサＣ１→スイッチ素子Ｓ１→圧電素子１→スイッチ素子Ｓ９→スイッチ素子Ｓ５→コンデンサＣ０→スイッチ素子Ｓ４→コンデンサＣ１の経路でコンデンサＣ１の電荷を放電させ、圧電素子１に正の分極方向に対して順方向の電圧を印加する。以後上述の動作を繰り返すことになる。
【００４８】
本基本形態はコンデンサＣ０の電荷を利用して逆方向電圧を圧電素子１に印加した後、更に順方向電界発生時にも利用するため使用電源電圧の低減が可能となる。また図６（ｂ）と図６（ｃ）、図６（ｃ）と図６（ａ）の間に、スイッチ素子Ｓ８，Ｓ９のみをオンする放電過程を設けることで、コンデンサＣ０の充電電圧が増加し、使用電源電圧の更なる低減が可能となる。
【００４９】
本基本形態でも少なくとも正負の電流が流れるスイッチ素子には双方向性の半導体スイッチ素子を用いる。
（基本形態３）
上記基本形態１では圧電素子１の残留電荷放出のために圧電素子１に並列にスイッチ素子Ｓ２を接続していたが、本基本形態では、図７に示すように圧電素子１の残留電荷を効率良く利用するために回収用のコンデンサＣ２とスイッチ素子Ｓ１０の直列回路を圧電素子１に並列に接続している点に特徴がある。
【００５０】
而して、動作を開始すると、まず制御回路３は図８（ａ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１をオンしてコンデンサＣ１に圧電素子１を並列接続してコンデンサＣ１→スイッチ素子Ｓ１→圧電素子１→コンデンサＣ１の経路でコンデンサＣ１の電荷を放電させることで、圧電素子１に正の分極方向に対する順方向の電圧を印加する。
【００５１】
次に直流電源Ｅの電圧に圧電素子１の電圧が上昇した後、制御回路３は図８（ｂ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１をオフするとともにスイッチ素子Ｓ１０をオンする。これにより圧電素子１→スイッチ素子Ｓ１０→コンデンサＣ２→圧電素子１の経路で圧電素子１の電荷を放電させて、コンデンサＣ２を充電する。この充電は圧電素子１の電圧とコンデンサＣ２の電圧とが均衡するまで継続する。均衡する所定時間経過後、後制御回路３は図８（ｃ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１０をオフするとともに、電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ６をオンする。これによって圧電素子１→スイッチ素子Ｓ３→コンデンサＣ０→スイッチ素子Ｓ６→圧電素子１の経路で圧電素子１の電荷を放電させ、コンデンサＣ０に移動させる。この移動は圧電素子１の電圧と、コンデンサＣ０の電圧が均衡するまで継続する。電圧が均衡した後の所定のタイミングで制御回路３は図８（ｄ）に示すようにスイッチ素子Ｓ６をオフするとともにスイッチ素子Ｓ４をオンする。これにより圧電素子１→スイッチ素子Ｓ３→スイッチ素子Ｓ４→圧電素子１の経路で圧電素子１の残留電荷を放電させる。
【００５２】
そして圧電素子１の電圧が０Ｖとなった後、制御回路３は、図８（ｅ）に示すようにスイッチ素子Ｓ３をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ５をオンする。これによりコンデンサＣ０→スイッチ素子Ｓ４→圧電素子１→スイッチ素子Ｓ５→コンデンサＣ０の経路でコンデンサＣ０の電荷を放電させることで、圧電素子１に正の分極方向に対して逆方向の電圧を印加する。
【００５３】
そしてコンデンサＣ０の電圧と圧電素子１の電圧が均衡する所定時間経過後、制御回路３は図８（ｆ）に示すようにスイッチ素子５をオフするとともにスイッチ素子Ｓ３をオンする。これにより圧電素子１→スイッチ素子Ｓ４→スイッチ素子Ｓ３→圧電素子１の経路で圧電素子１の残留電荷を放電させて圧電素子１の電圧を０Ｖとする。
【００５４】
この放電が終了した後の所定のタイミングで制御回路３は図８（ｇ）に示すようにスイッチ素子Ｓ４をオフするとともにスイッチ素子Ｓ６をオンする。これによりコンデンサＣ０→スイッチ素子Ｓ３→圧電素子１→スイッチ素子Ｓ６→コンデンサＣ０の経路でコンデンサＣ０の電荷を放電させることで、圧電素子１に正の分極方向に対して順方向の電圧を印加する。
【００５５】
次いで圧電素子１とコンデンサＣ０の電圧が均衡する所定時間後、制御回路３は、図８（ｈ）に示すようにスイッチＳ３、Ｓ６をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ１０をオンする。これによってコンデンサＣ２→スイッチ素子Ｓ１０→圧電素子１→コンデンサＣ２の経路でコンデンサＣ２の電荷を放電させ、圧電素子１に正の分極方向に対して順方向の電圧を印加する。これによって圧電素子１の電圧はコンデンサＣ２の電圧と均衡するまで上昇する。
【００５６】
この電圧が均衡する所定時間後、制御回路２はスイッチ素子Ｓ１０をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ１をオンして、図８（ａ）の動作状態に戻り、以後上述の動作を繰り返す。
【００５７】
このようにして本基本形態では圧電素子１の電荷の一部をコンデンサＣ２で回収して有効利用することで、電力消費を削減することができる。
【００５８】
尚本基本形態でも、少なくとも正、負方向の電流が流れるスイッチ素子に双方向性のスイッチング素子を用いる。
【００５９】
次に具体例によって圧電素子１の電圧の遷移を詳説する。
【００６０】
本具体例は、コンデンサＣ１の容量を０．４［μＦ］とし、コンデンサＣ０の容量を０．２２［μＦ］、コンデンサＣ２の容量を０．２２［μＦ］とし、圧電素子１にはチタン酸ジルコン酸鉛からなる素子で０．０５［μＦ］の容量を持つものを使用し、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６として双方向性のフォトＭＯＳリレーを使用し、直流電源Ｅとして電池電圧３Ｖを昇圧した２４０Ｖの電源を使用した。
【００６１】
図９は動作説明用のタイミングチャートであって、上部に横方向に印している［ａ］〜［ｈ］区間は図８（ａ）〜（ｈ）の動作状態に対応する区間を示す。
【００６２】
而して図９（ａ）＜図８（ａ）に対応＞に示すように制御回路３の制御の下でスイッチ素子Ｓ１がオンされると、圧電素子１の両端電圧は図９（ｇ）に示すように電源電圧２４０Ｖと等しい電圧まで上昇する。
【００６３】
次に制御回路３の制御の下でスイッチ素子Ｓ１がオフされ、スイッチ素子Ｓ１０が図９（ｂ）に示すようにオンされると＜図８（ｂ）に対応＞、圧電素子１の電荷がコンデンサＣ２に移動して圧電素子１とコンデンサＣ２との電圧が図９（ｇ）（ｈ）に示すように１２０Ｖで均衡する。電圧が均衡して所定時間経過すると、制御回路３の制御の下でスイッチ素子Ｓ１０がオフされ、スイッチ素子Ｓ３、Ｓ６が図９（ｃ）、（ｆ）に示すようにオンされると＜図８（ｃ）に対応＞、圧電素子１の電荷がコンデンサＣ０に移動して、圧電素子１とコンデンサＣ０との電圧が図９（ｇ）（ｉ）に示すように４０Ｖで均衡する。電圧が均衡して所定時間経過すると、制御回路３の制御の下でスイッチ素子Ｓ６がオフされ、スイッチ素子Ｓ４が図９（ｄ）に示すようにオンされると＜図８（ｄ）に対応＞、圧電素子１の残留電荷が放電されて圧電素子１の電圧が図９（ｇ）に示すように０Ｖとなる。
【００６４】
圧電素子１の電圧が０Ｖとなって所定時間経過すると、制御回路３の制御の下でスイッチ素子Ｓ３がオフされ、スイッチ素子Ｓ５が図９（ｅ）に示すようにオンされると＜図８（ｅ）に対応＞、圧電素子１の電荷が、圧電素子１とコンデンサＣ０との電圧が均衡するまでコンデンサＣ０に移動する。この場合、圧電素子１の電圧は図９（ｇ）に示すように正極側からみて−３０Ｖとなり、一方コンデンサＣ０の電圧は図９（ｉ）に示すように上記の放電開始前の正側から見て３０Ｖとなる。
【００６５】
そして制御回路３の制御の下で均衡後、スイッチ素子Ｓ５がまずオフし、その後スイッチ素子Ｓ４がオフし、更にスイッチ素子Ｓ３が再び図９（ｃ）に示すようにオンされる＜図８（ｆ）に対応＞。これによって圧電素子１の残留電荷が放電され、その電圧が０Ｖになる。この０Ｖになった後、制御回路３の制御の下で、スイッチ素子Ｓ６が再び図９（ｆ）に示すようにオンされる＜図８（ｇ）に対応＞。これによってコンデンサＣ０の電荷がコンデンサＣ０の電圧と圧電素子１の電圧が均衡するまで、圧電素子１に移動する。このときの均衡電圧は図９（ｇ）（ｉ）に示すように２０Ｖである。そしてこの均衡が終了すると、制御回路３の制御の下でスイッチ素子Ｓ３、Ｓ６がオフされるとともに、スイッチ素子Ｓ１０が図９（ｂ）に示すように再度オンされる。これによってコンデンサＣ２の電荷がコンデンサＣ２と圧電素子１の電圧が均衡するまで移動する。このときの均衡電圧は図９（ｇ）（ｈ）に示すように１００Ｖである。
【００６６】
以後上述の動作が制御回路３の制御の下で繰り返される。
【００６７】
この具体例では１つの直流電源Ｅで、圧電素子１の両端に＋２４０Ｖと−３０Ｖの電圧を発生させることができ、これら電圧を夫々別個の矩形波電源で圧電素子１に供給する場合に比べて４７％の電力の削減効果が得られた。
【００６８】
本基本形態では、圧電素子１に印加する逆方向の電圧は回収用のコンデンサＣ２の容量によって決定することができるので、電圧決定が容易となる。
【００６９】
尚圧電素子１の残留電荷を放出させるために、電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３、Ｓ４を利用しているが、基本形態１と同様に図１０に示すように圧電素子１に並列にスイッチ素子Ｓ２を接続してこのスイッチ素子Ｓ２で放電させるようにしても勿論良い。
【００７０】
（基本形態４）
本基本形態は、圧電素子１からの電荷回収時に、電圧を上昇させて電荷を回収する点に特徴がある。
【００７１】
つまり本基本形態では、図１１に示すように圧電素子１の両端をスイッチ素子Ｓ１、Ｓ１１を夫々介してコンデンサＣ１の両端に接続し、更に圧電素子１の両端をスイッチ素子Ｓ１２、Ｓ１１を夫々介して昇圧用のコンデンサＣ３の両端に接続し且つ、スイッチ素子Ｓ１２とコンデンサＣ３との接続点と、圧電素子１とスイッチ素子１１の接続点との間にスイッチ素子１３を接続している回路を図８の回路（図５の回路でも良い）に追加したものである。
【００７２】
尚電圧反転回路４の構成は基本形態１乃至３と同じであるのでここでは内部回路を図示しないが、説明では上記基本形態１乃至３の回路を参照する。
【００７３】
而してまず制御回路３は図１２（ａ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１，Ｓ１１をオンするとともに電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３〜Ｓ６をオフする。さて上記オンによってコンデンサＣ１→スイッチ素子Ｓ１→圧電素子１→スイッチ素子１１→コンデンサＣ１の経路でコンデンサＣ１の電荷を放電させることで、圧電素子１に正の分極方向に対して順方向の電圧を印加する。
【００７４】
そして直流電源Ｅの電圧に圧電素子１の両端電圧が上昇した後、制御回路３は、スイッチ素子Ｓ１２を図１２（ｂ）に示すようにオンして圧電素子１→スイッチ素子Ｓ１２→コンデンサＣ３→スイッチ素子Ｓ１１→圧電素子１の経路で圧電素子１の電荷を、圧電素子１の電圧とコンデンサＣ３の電圧が均衡するまでコンデンサＣ３に移動させる。
【００７５】
そして均衡する所定時間後制御回路３は図１２（ｃ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１１、Ｓ１２をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ１３及びＳ１０をオンし、コンデンサＣ３→スイッチ素子１３→圧電素子１→スイッチ素子１０→コンデンサＣ２→コンデンサＣ３の経路により、圧電素子１とコンデンサＣ３の直列回路の両端電圧と、つまり圧電素子１の電圧とコンデンサＣ３の電圧とを加算して昇圧した電圧で、コンデンサＣ２を充電する。これによりコンデンサＣ２の電圧は基本形態３の場合に比して高い電圧まで充電され、効率良く圧電素子１の電荷を回収できることになる。
【００７６】
ついで制御回路３はスイッチ素子Ｓ１０を図１２（ｄ）に示すようにオフし、電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３、Ｓ６をオンさせてコンデンサＣ０を圧電素子１とコンデンサＣ３の直列回路に接続し、これら圧電素子１とコンデンサＣ３の電荷でコンデンサＣ０を充電する。
【００７７】
コンデンサＣ０の電圧と直列回路の電圧とが均衡する所定時間後に制御回路３は電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３、Ｓ６をオフさせるとともにスイッチ素子Ｓ２，Ｓ１１をオンさせて圧電素子１の残留電荷を放電させ、この放電後に図１２（ｅ）に示すように電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ４、Ｓ５をオンしてコンデンサＣ０の電圧を、圧電素子１に正の分極方向に対して逆方向となるように印加する。そしてコンデンサＣ０の電圧と圧電素子１との電圧が均衡した後、電圧反転回路４内のスイッチ素子Ｓ４，Ｓ５をオフするととともに、再びスイッチ素子Ｓ２をオンさせて圧電素子１の残留電荷を放電させる。この放電した後、図１２（ｆ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１２をオフするとともに電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ６をオンして圧電素子１とコンデンサＣ３の並列回路に、圧電素子の正の分極方向に対して順方向となるようにコンデンサＣ０の電圧を印加し、コンデンサＣ０の電荷を圧電素子１とコンデンサＣ３に移動させる。そしてコンデンサＣ０の電圧と圧電素子１とコンデンサＣ３の直列回路の電圧とが均衡する所定時間後、図１２（ａ）に示す状態に戻す。
【００７８】
このように本基本形態では、昇圧用コンデンサＣ３を設けることで、圧電素子１の電荷をより多く回収することができ、更なる電力消費の削減が図れることになる。
【００７９】
ところで本基本形態と同じ回路構成において、図１２（ｂ）と図１２（ｃ）の過程の間に、図１３に示すようにスイッチ素子Ｓ１、Ｓ１３をオンさせ、圧電素子１とコンデンサＣ３の直列回路を形成し、この直列回路から同電位の電源側のコンデンサＣ１に一部電荷を還元するようにしても良い。これによって一層の電力消費の削減が図れる。
【００８０】
（実施形態１）
上記基本形態４では昇圧用コンデンサＣ３を設けているが、本実施形態では電源側のコンデンサＣ１を昇圧用コンデンサとして利用するもので、図１４に示すように基本形態３の図５の回路構成を基本とし、コンデンサＣ１の両端にスイッチ素子Ｓ１，Ｓ１１を夫々介して圧電素子１の両端を接続するとともに、コンデンサＣ１とスイッチ素子Ｓ１の接続点と、圧電素子１とスイッチ素子Ｓ１１の接続点との間にスイッチ素子Ｓ１５を挿入してある。
【００８１】
而して動作を開始すると、制御回路３は図１５（ａ）にスイッチ素子Ｓ１、Ｓ１１を共にオンしてコンデンサＣ１→スイッチ素子→圧電素子１→スイッチ素子Ｓ１１→コンデンサＣ１の経路でコンデンサＣ１の電荷を放電させることで、圧電素子１に正の分極方向の電圧を印加する。直流電源Ｅの電圧まで圧電素子１の電圧が上昇すると、制御回路３は図１５（ｂ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１、Ｓ１１を共にオフするとともに、スイッチ素子Ｓ１０をオンしてコンデンサＣ１と圧電素子１の直列回路をコンデンサＣ２に接続する。これによってコンデンサＣ１の電圧と圧電素子１の電圧との加算で昇圧された電圧がコンデンサＣ２に印加され、圧電素子１→スイッチ素子Ｓ１０→コンデンサＣ２→コンデンサＣ１→スイッチ素子Ｓ１５→圧電素子１の経路で圧電素子１の電荷がコンデンサＣ２に回収されることになる。
【００８２】
そしてコンデンサＣ２の電圧と、コンデンサＣ１と圧電素子１の直列回路の電圧とが均衡する所定時間後、制御回路３は図１５（ｃ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１０をオフするとともに、電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ６をオンする。
【００８３】
これにより電圧反転回路４のコンデンサＣ０に圧電素子１とコンデンサＣ１の直列回路が接続され、該直列回路の電圧とコンデンサＣ０の電圧とが均衡するまでコンデンサＣ０が充電される。電圧が均衡する所定時間後、制御回路３は電圧反転回路４内のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ６をオフするとともに、図１５（ｄ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１、Ｓ１５をオンする。これにより圧電素子１の残留電荷がスイッチ素子Ｓ１、Ｓ１５を介して放電される。この放電が終了した後、図１５（ｅ）に示すように制御回路３は、電圧反転回路４内のスイッチ素子Ｓ４，Ｓ５をオンすると共にスイッチ素子Ｓ１１をオンし、コンデンサＣ０を圧電素子１に、正の分極方向に対して逆方向の電圧を印加するように接続する。
【００８４】
そして圧電素子１の電圧とコンデンサＣ０の電圧が均衡した後、制御回路３は電圧反転回路４内のスイッチ素子Ｓ４，Ｓ５をオフするとともに、図１５（ｆ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１、Ｓ１５をオンする。これによって圧電素子１の残留電荷をスイッチ素子Ｓ１，Ｓ１５を介して放電させる。
【００８５】
この放電後制御回路３はスイッチ素子Ｓ１，Ｓ１５をオフ、Ｓ１０、Ｓ１１をオンすることで、コンデンサＣ２を圧電素子１に接続し、コンデンサＣ２→スイッチ素子Ｓ１０→圧電素子１→スイッチ素子Ｓ１１→コンデンサＣ２の経路でコンデンサＣ２の電荷を放電させることで、コンデンサＣ２により圧電素子１に、正の分極方向に対して順方向の電圧を印加する。そして圧電素子１の電圧とコンデンサＣ２の電圧が均衡した後、図１５（ａ）の状態に戻す。
【００８６】
このようにして本実施形態でも圧電素子１からの電荷の回収時に電圧を昇圧するので効率よく電荷を回収でき、電力消費の削減が図れる。
【００８７】
（実施形態２）
実施形態１ではコンデンサＣ１を昇圧用のコンデンサとして用いたが、本実施形態は回収用のコンデンサＣ２を昇圧用コンデンサとして用いるもので、図１６に示すように、基本形態３の図５の回路構成を基本とし、コンデンサＣ１の両端にスイッチ素子Ｓ１，Ｓ１１を夫々介して圧電素子１の両端を接続するとともに、コンデンサＣ２の両端を圧電素子１の両端にスイッチ素子Ｓ１６，Ｓ１１を夫々介して接続し、圧電素子１とスイッチ素子Ｓ１１の接続点と、コンデンサＣ２とスイッチ素子Ｓ１６の接続点との間にスイッチ素子Ｓ１７を挿入してある。
【００８８】
而して動作を開始すると、制御回路３は図１７（ａ）にスイッチ素子Ｓ１、Ｓ１１を共にオンしてコンデンサＣ１→圧電素子１→スイッチ素子Ｓ１１→コンデンサＣ１の経路でコンデンサＣ１の電荷を、コンデンサＣ１の電圧と圧電素子１の電圧とが均衡するまで放電させる。
【００８９】
そして均衡する所定時間後、制御回路３は図１７（ｂ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ１６をオンして、圧電素子１→スイッチ素子Ｓ１６→コンデンサＣ２→スイッチ素子Ｓ１１→圧電素子１の経路で、圧電素子１の電荷を圧電素子１の電圧とコンデンサＣ２の電圧とが均衡するまで放電させる。
【００９０】
この均衡する所定時間後、制御回路３は図１７（ｃ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１６、Ｓ１１を共にオフするとともに、スイッチ素子１７，Ｓ１を共にオンする。これによってコンデンサＣ１には圧電素子１とコンデンサＣ２の直列回路が接続され、該直列回路で昇圧された電圧により、同電位のコンデンサＣ１へ電荷を還元する。
【００９１】
そしてコンデンサＣ１と上記直列回路の電圧が均衡した後、制御回路３は図１７（ｄ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１をオフするとともに、電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ６をオンする。これにより電圧反転回路４のコンデンサＣ０に圧電素子１とコンデンサＣ２の直列回路が接続され、該直列回路の電圧と均衡するまでコンデンサＣ０が充電される。電圧が均衡した後、制御回路３は電圧反転回路４内のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ６をオフするとともに、図１７（ｅ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１６、Ｓ１７をオンする。これにより圧電素子１の残留電荷がスイッチ素子Ｓ１６、Ｓ１７を介して放電される。この放電が終了した後、制御回路３はスイッチ素子Ｓ１６、Ｓ１７をオフし、更に電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ４，Ｓ５をオンすると共に図１７（ｆ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１１をオンし、コンデンサＣ０を圧電素子１に正の分極方向に対して逆方向の電圧を印加するように接続する。
【００９２】
そして圧電素子１の電圧とコンデンサＣ０の電圧が均衡した後、制御回路３は電圧反転回路４内のスイッチ素子Ｓ４，Ｓ５をオフするとともに、図１７（ｇ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１６、Ｓ１７をオンする。これによって圧電素子１の残留電荷がスイッチ素子Ｓ１６，Ｓ１７を介して放電される。この放電後スイッチ素子Ｓ１７をオフ、Ｓ１１をオンすることで、コンデンサＣ２を圧電素子１に接続し、コンデンサＣ２→スイッチ素子Ｓ１６→圧電素子１→スイッチ素子Ｓ１１→コンデンサＣ２の経路でコンデンサＣ２の電荷を放電させることで、コンデンサＣ２により圧電素子１に、正の分極方向に対して順方向の電圧を印加する。そして圧電素子１の電圧とコンデンサＣ２の電圧が均衡した後、図１７（ａ）の状態に戻す。
【００９３】
このようにして本実施形態では圧電素子１からの電荷を電源側のコンデンサＣ１に還元することができ、しかも使用部品点数を図１１の場合に比べて少なくて済む。また回収した電荷を利用することで、電力消費の削減が図れる。
【００９４】
（基本形態５）
上記基本形態３，４および実施形態１，２では電荷回収用にコンデンサを用いているが、本基本形態では二つの同容量の圧電素子を用いて夫々の圧電素子に正の分極方向とは逆方向の電圧を印加して駆動するようにしたものであって、図１８に示すように、夫々の圧電素子１Ａ，１Ｂにスイッチ素子Ｓ２０、２１を直列に接続するとともに、夫々の直列回路をスイッチ素子Ｓ１を介してコンデンサＣ１に接続し、且つこれら直列回路にスイッチ素子Ｓ２を並列に接続して、圧電素子１Ａ，１Ｂを電荷回収用にも利用するようにしている。尚電圧反転回路４の構成は上述した基本形態１の電圧反転回路４の構成を参照することとし、ここでは図示しない。
【００９５】
而して今図１９（ａ）に示すように制御回路３がスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２０をオンすると、コンデンサＣ１→スイッチ素子Ｓ１→圧電素子１Ａ→コンデンサＣ１の経路でコンデンサＣ１の電荷を放電させることで、圧電素子１Ａに正の分極方向に対して順方向の電圧を印加する。圧電素子１Ａは電荷が充電されて両端電圧が直流電源Ｅの電圧まで上昇することになる。
【００９６】
次に制御回路３は図１９（ｂ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２０をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ２１及びスイッチ素子Ｓ２をオンする。これにより圧電素子１Ａは電荷が放電されずに電圧が維持され、一方圧電素子１Ｂはスイッチ素子Ｓ２を介して残留電荷が放電される。
【００９７】
この放電が終了する所定時間後に、制御回路３は図１９（ｃ）に示すようにスイッチ素子２をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ２０及びＳ２１をオンして両圧電素子１Ａ、１Ｂを並列接続する。これにより圧電素子１Ａの電荷が両圧電素子１Ａ，１Ｂの電圧が均衡するまで圧電素子１Ｂ側に移動する。この均衡したときの電圧は並列接続される前の圧電素子１Ａの両端電圧の１／２となる。
【００９８】
次に制御回路３は図１９（ｄ）に示すようにスイッチ素子２１をオフするとともに電圧反転回路４内のスイッチ素子Ｓ３、Ｓ６をオンして圧電素子１Ａの電荷をコンデンサＣ０へ移動させる。
【００９９】
さて電圧が均衡した後制御回路３は図１９（ｅ）に示すように電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３、Ｓ６をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ２をオンする。これにより圧電素子１Ａの残留電荷がスイッチ素子Ｓ２を介して放電され、圧電素子１Ａの電圧が０Ｖとなる。
【０１００】
放電が終了すると、制御回路３は電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ４、Ｓ５をオンすることで、コンデンサＣ０の電圧を、正の分極方向に対して逆方向となるように圧電素子１Ａに印加する（図１９（ｆ））。
【０１０１】
次に制御回路３は電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ４，Ｓ５をオフするとともに、図１９（ｇ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１及びＳ２１をオン、スイッチ素子Ｓ２０をオフして、コンデンサＣ１に圧電素子１Ｂを並列接続し、コンデンサＣ１の両端電圧を圧電素子１Ｂに印加する。
【０１０２】
これによって圧電素子１Ｂの電圧はコンデンサＣ１の電圧、つまり電源電圧まで上昇することになり、この上昇した後、制御回路３は図１９（ｈ）に示すようにスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２１をオフ、スイッチ素子Ｓ２、Ｓ２０をオンする。このオンによって圧電素子１Ａの残留電荷が放電され、圧電素子１Ａの電圧が０Ｖとなる。一方圧電素子１Ｂは電荷が放電されないため上記の電圧を維持する。
【０１０３】
次に制御回路３は図１９（ｉ）に示すようにスイッチ素子Ｓ２をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ２１をオンして、圧電素子１Ｂに圧電素子１Ａを接続する。これにより圧電素子１Ｂの電荷が圧電素子１Ａに移動し、圧電素子１Ａ、１Ｂの電圧が接続される前の圧電素子１Ｂの電圧の１／２にて均衡する。
【０１０４】
この均衡後、制御回路図５は図１９（ｊ）に示すようにスイッチ素子Ｓ２０をオフするとともに電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ６をオンして電圧反転回路４内のコンデンサＣ０に圧電素子１Ｂを接続する。この接続によって圧電素子１Ｂの電荷が、圧電素子１Ｂの電圧とコンデンサＣ０の電圧とが均衡するまで移動する。
【０１０５】
次に制御回路３は図１９（ｋ）に示すようにスイッチ素子Ｓ２をオンするとともに、電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３，Ｓ６をオフし、圧電素子１Ｂの残留電荷を電圧が０Ｖになるまで放電させる。
【０１０６】
そしてこの放電が終了する所定時間後、制御回路３は図１９（ｌ）に示すようにスイッチ素子Ｓ２をオフするとともに、電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ４，Ｓ５をオンし、電圧反転回路４内のコンデンサＣ０の電圧を、正の分極方向に対して逆方向となるように圧電素子１Ｂに印加させる。そしてこの圧電素子１Ｂの電圧とコンデンサＣ０の電圧とが均衡した後、制御回路３はスイッチ素子Ｓ３及び電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ４、Ｓ５をオフするとともにスイッチ素子Ｓ２０をオンして図１９（ａ）の状態に戻る。
【０１０７】
以後圧電素子１Ａに、正、負の電圧を印加する動作と、圧電素子１Ｂに正、負の電圧を印加する動作とを交互に繰り返するのである。
【０１０８】
このように本基本形態では二つの圧電素子１Ａ，１Ｂを逆位相で効率良く駆動することができる。
【０１０９】
（基本形態６）
上記基本形態１乃至５および実施形態１，２では、直流電源Ｅには常時コンデンサＣ１を接続してコンデンサＣ１を充電するようにしているが、本基本形態は、図２０に示すように例えば基本形態１の構成において、直流電源Ｅと、コンデンサＣ１との間にスイッチ素子Ｓ０を挿入し、圧電素子１に正の分極方向に対して逆方向の電圧を印加する期間、制御回路３の制御の下で、スイッチ素子Ｓ０をオフするようにしている。
【０１１０】
更に詳説すると、まず制御回路３がスイッチ素子Ｓ０をオンしてコンデンサＣ１を直流電源Ｅの電圧まで充電する。
【０１１１】
この充電後制御回路３はスイッチ素子Ｓ０をオフするとともにスイッチ素子Ｓ１をオンし、コンデンサＣ１の電荷を圧電素子１に移動させ、両者の電圧が均衡させる。ここでコンデンサＣ１の静電容量と、圧電素子１の静電容量とを同じ値Ｃとした場合、均衡する電圧は電源電圧の１／２となる。
【０１１２】
この均衡後、再度制御回路３はスイッチ素子Ｓ０をオンすることで、コンデンサＣ１及び圧電素子１を直流電源Ｅに接続して夫々の電圧を直流電源Ｅの電圧まで上昇させる。つまり圧電素子１には直流電源Ｅの等しい電圧が印加されることになる。
【０１１３】
例えば圧電素子１に印加する順方向の目標電圧を４００Ｖとすると、本基本形態では２００Ｖから４００Ｖに段階的に印加電圧を上昇させて目標電圧を得ることになる。
【０１１４】
つまり圧電素子１に正の分極方向に対して印加する順方向の電圧を４００Ｖとした場合、本基本形態のようにコンデンサＣ１、圧電素子１を上述のように一旦２００Ｖとした上４００Ｖまで昇圧するのに必要なエネルギは
２×（１／２）×Ｃ×（４００^２−２００^２）＝１２００００×Ｃ［Ｊ］
となる。
【０１１５】
一方、スイッチ素子Ｓ１をオンしたときにコンデンサＣ１と圧電素子１の電圧を４００Ｖとする場合には、コンデンサＣ１の電圧は８００Ｖ必要となるが、その８００Ｖまで直流電源Ｅで昇圧するのに必要なエネルギは
（１／２）×Ｃ×（８００²−４００²）＝２４００００×Ｃ［Ｊ］
となる。
【０１１６】
従って予めコンデンサＣ１の電圧を高くして、スイッチ素子Ｓ１のオン時に圧電素子１の印加目標電圧に均衡させる方法は、本基本形態のように段階的に電圧を高くする場合に比べてエネルギ消費が大きいことが分かる。
【０１１７】
而して圧電素子１の電圧が目標印加電圧に達すると、制御回路３はスイッチ素子Ｓ１をオフするとともに、電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３、Ｓ６をオンして電圧反転回路４内のコンデンサＣ０に圧電素子１の電荷を、圧電素子１とコンデンサＣ０の電圧が均衡するまで移動させる。
【０１１８】
この均衡後制御回路３は電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ３、Ｓ６をオフするとともにスイッチ素子Ｓ２をオンして圧電素子１の電荷を放電させ、その電圧を０Ｖとする。この放電が終了した後制御回路３は電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ４，Ｓ５をオンして、コンデンサＣ０の電圧を圧電素子１の分極方向に対して逆方向となるように、圧電素子１に印加する。この印加によってコンデンサＣ０の電荷がコンデンサＣ０の電圧と圧電素子１の電圧が均衡するまで圧電素子１へ移動する。
【０１１９】
この逆向き電圧の印加時に制御回路３はスイッチ素子Ｓ０をオフして、コンデンサＣ１の電圧を４００Ｖに保持させておく。さて上記の電圧の均衡後制御回路３は電圧反転回路４のスイッチ素子Ｓ４，Ｓ５をオフするとともに、スイッチ素子Ｓ２をオンし、圧電素子１の電荷を放電させ、その電圧を０Ｖとする。この放電が終了した後、制御回路３は、スイッチ素子Ｓ２をオフするとともにスイッチ素子Ｓ１をオンし、既に電源電圧まで充電されているコンデンサＣ１を圧電素子１を接続する。以後上述の動作を繰り返すことで、分極方向に対して正、負の電圧を圧電素子１に印加することができることになる。
【０１２０】
尚スイッチ素子Ｓ０を設ける構成は、基本形態１の構成以外に基本形態２乃至５および実施形態１，２の構成にも適用できる。
【０１２１】
（基本形態７）
本実施形態は、上記基本形態１乃至４，６および実施形態１，２の圧電素子駆動装置により駆動させる圧電素子１を用いたダイヤフラムポンプに対応するものである。
【０１２２】
本基本形態のダイヤフラムポンプは、図２１に示すように円盤状のダイヤフラム１０の中央部表面に円形状の圧電素子１を固着し、図２３（ａ）に示すようにダイヤフラム１０の周縁を基板１１の周縁に固着することで、基板１１との間に空気室１２を形成したものである。基板１１には吸気弁１３，排気弁１４を設けてあり、空気室１２の内容積の増減によって外部から空気室１２内に空気を取り込んだり、逆に空気室１２から排気するようになっている。
【０１２３】
而して圧電素子駆動装置Ａによって負方向の電圧が圧電素子１の上、下面の電極間に印加されると、圧電素子１は図２２（ｂ）の矢印ａで示すように中心から外方向に伸展するように変形し、その結果中央部が基板１１から離れる方向にダイヤフラム１０は引っ張られ、空気室１２の内容積を増加させる。この増加によって空気室１２の内部圧力が低くなって吸気弁１３を介して外部から空気が矢印ｂのように空気室１２内に吸入される。
【０１２４】
次に圧電素子駆動回路Ａによって順方向の電圧が圧電素子１の上、下面の電極間に印加されると、図２２（ｃ）の矢印ａで示すように圧電素子１は中心方向に圧縮且つ上下方向に膨張するように変形し、そのためダイヤフラム１０は中心方向に圧縮され且つ基板１方向に押し下げられ、空気室１２の内容積を減少させる。これにより空気室１２内の空気が圧縮されて圧力が高まり、排気弁１４を介して矢印ｃに示すように外部に排気されることになる。
【０１２５】
このように本基本形態のダイヤフラムポンプは駆動源である圧電素子１に正負の電圧（例えば、図２３に示すように順方向の電圧を４００Ｖ、負方向の電圧を１００Ｖ）を所定周波数（例えば１００Ｈｚ）で交互に印加することで、より多くの空気を吸入することができ、また圧縮比も大きくできる。
【０１２６】
【発明の効果】
請求項１の発明は、圧電素子に、順方向と、逆方向の電圧を交互に印加駆動することが、単一の直流電源部によって実現でき、しかも圧電素子に順方向の電圧を印加した際の圧電素子の電荷を容量性蓄電素子に一旦保管した後再利用して逆方向の印加電圧を得るため、電力消費を削減できるという効果がある。また、電荷回収用コンデンサによって圧電素子の電荷を効率良く回収することができ、その結果電力消費をより削減できるという効果がある。また、昇圧用コンデンサを電源側コンデンサによって兼用させることで、圧電素子から電荷を電荷回収用コンデンサに回収する際に、電荷回収用コンデンサの両端に印加する電圧を昇圧することができ、その結果効率よく電荷を回収することができ、電力消費を一層削減でき、しかも昇圧用コンデンサを別に備える必要がないという効果がある。
【０１２７】
請求項２の発明は、圧電素子に、順方向と、逆方向の電圧を交互に印加駆動することが、単一の直流電源部によって実現でき、しかも圧電素子に順方向の電圧を印加した際の圧電素子の電荷を容量性蓄電素子に一旦保管した後再利用して逆方向の印加電圧を得るため、電力消費を削減できるという効果がある。また、電荷回収用コンデンサによって圧電素子の電荷を効率良く回収することができ、その結果電力消費をより削減できるという効果がある。また、電荷回収用コンデンサによって圧電素子と電荷回収用コンデンサとの直列回路の電位を電源側コンデンサの電位と同電位にすることができ、その結果電源側コンデンサに圧電素子の電荷を戻すことができ、電力消費を更に削減できるという効果がある。
【０１２８】
請求項３の発明は、圧電素子に印加する逆方向の電圧の設定が容易に行えるという効果がある。
【０１３４】
請求項４の発明は、圧電素子に印加する逆方向電圧の設定が容易に行えるという効果がある。
【０１３６】
請求項５の発明は、予め電源側コンデンサの電圧を高くする場合に比べて電力消費を抑えて圧電素子を駆動することができるという効果がある。
【０１３７】
請求項６の発明は、容量性蓄電素子に圧電素子の電荷を保管する状態と、この保管した電荷により圧電素子に逆方向電圧を印加する際の制御をスイッチ手段のスイッチ素子のスイッチングによって行えるという効果がある。
【０１３８】
請求項７の圧電素子駆動装置の発明では、使用スイッチ素子のコストを低減することができる。
【０１３９】
請求項８の発明は、抵抗によって圧電素子の変位速度を調整することができ、圧電素子の急速な変位を防止することができる。
【０１４０】
請求項９の発明は、消費電力を抑えつつ、圧電素子の逆方向電圧印加による変形によってダイヤフラムを駆動することで、多くの空気を吸入でき、また圧縮比の大きなダイヤフラムポンプを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本形態１の回路図である。
【図２】同上の動作説明図である。
【図３】同上のスイッチ素子Ｓ１の具体例を示す回路図である。
【図４】同上の他の例の回路図である。
【図５】本発明の基本形態２の回路図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【図７】本発明の基本形態３の回路図である。
【図８】同上の動作説明図である。
【図９】同上の具体例における動作説明用タイミングチャートである。
【図１０】同上の他の例の回路図である。
【図１１】本発明の基本形態４の回路図である。
【図１２】同上の動作説明図である。
【図１３】同上の他の例の動作説明図である。
【図１４】本発明の実施形態１の回路図である。
【図１５】同上の動作説明図である。
【図１６】本発明の実施形態２の回路図である。
【図１７】同上の動作説明図である。
【図１８】本発明の基本形態５の回路図である。
【図１９】同上の動作説明図である。
【図２０】本発明の基本形態６の回路図である。
【図２１】本発明の基本形態７のダイヤフラムポンプの斜視図である。
【図２２】同上の動作説明図である。
【図２３】同上の圧電素子に印加する電圧波形例図である。
【図２４】圧電素子の電圧印加の説明図である。
【図２５】圧電素子の正負電圧印加の説明図である。
【図２６】圧電素子の正負電圧の印加時の変形方向の説明図である。
【図２７】圧電素子の印加電界と歪みとの関係説明図である。
【図２８】従来の圧電素子駆動回路の回路図である。
【図２９】別の従来の圧電素子駆動回路の回路図である。
【符号の説明】
１圧電素子
２直流電源部
３制御回路
４電圧反転回路
Ｓ１〜Ｓ６スイッチ素子

Claims

直流電源と該直流電源に並列接続される電源側コンデンサとで構成された直流電源部と、圧電素子と、前記電源側コンデンサの一端と圧電素子の一端との間に挿入された第１のスイッチ素子と、前記電源側コンデンサの他端と圧電素子の他端との間に挿入された第９のスイッチ素子と、前記第１のスイッチ素子と前記電源側コンデンサとの接続点と前記圧電素子と前記第９のスイッチ素子との接続点との間に挿入された第１０のスイッチ素子と、前記圧電素子に並列接続された電荷回収用コンデンサと、前記圧電素子と電荷回収用コンデンサとの間に挿入された第５のスイッチ素子と、前記圧電素子の両端に両端が接続され内部に容量性蓄電素子及び該容量性蓄電素子の圧電素子側への接続のオンオフ及び接続方向の切り替えとを行うスイッチ手段を有した電圧反転回路と、前記第１，第５，第９，第１０のスイッチ素子及び前記スイッチ手段を制御する制御回路とからなり、
前記制御回路は、
前記第１，第９のスイッチ素子をオン、前記第５，第１０のスイッチ素子をオフして前記圧電素子の正の分極方向に対して順方向の電圧を前記直流電源部により前記圧電素子に印加する状態と、
この状態で前記圧電素子の電圧が前記直流電源部の電圧に達した後、前記第１，第９のスイッチ素子をオフして前記圧電素子を前記直流電源部より切り離し、かつ前記第５，第１０のスイッチ素子をオンして前記電源側コンデンサと前記圧電素子との直列回路を構成するとともに当該直列回路に前記電荷回収用コンデンサを並列接続する状態と、
この状態で前記直列回路の電圧と前記電荷回収用コンデンサの電圧とを均衡させた後に、前記第５のスイッチをオフするとともに前記直列回路に容量性蓄電素子を並列接続して前記圧電素子の電荷により前記容量性蓄電素子が充電される状態と、
この状態で前記容量性蓄電素子の電圧と前記直列回路の電圧とが均衡した後、前記圧電素子の正の分極方向に対して逆方向となるように前記圧電素子に前記容量性蓄電素子の電圧を印加させる状態と、
この状態の後であって、前記第１，第９のスイッチ素子をオンして前記圧電素子の正の分極方向に対して順方向の電圧を前記直流電源部により前記圧電素子に印加する状態の前に、前記第５のスイッチ素子を介して電荷回収用コンデンサを前記圧電素子に並列接続して前記電荷回収用コンデンサの電荷を前記圧電素子に戻す状態とを順次設定することを特徴とする圧電素子駆動装置。
直流電源とこの直流電源に並列接続される電源側コンデンサとで構成された直流電源部と、前記電源側コンデンサの両端に対して第１のスイッチ素子、第９のスイッチ素子を夫々介して両端が接続された圧電素子と、両端が第１１のスイッチ素子、前記第９のスイッチ素子を夫々介して前記圧電素子の両端に接続され、且つ前記第９，第１１のスイッチ素子のオフ状態で第１２のスイッチ素子を介して前記圧電素子に直列接続される電荷回収用コンデンサと、前記圧電素子の両端に両端が接続され内部に容量性蓄電素子及び該容量性蓄電素子の圧電素子側への接続のオンオフ及び接続方向の切り替えを行うスイッチ手段を有した電圧反転回路と、前記第１，第９，第１１，第１２のスイッチ素子及び前記スイッチ手段を制御する制御回路とからなり、
前記制御回路は、
前記第１，第９のスイッチ素子をオン、前記第１１，第１２のスイッチ素子をオフして前記圧電素子に正の分極方向に対して順方向の前記直流電源部の電圧を印加する状態と、
この状態の後に、前記第１のスイッチ素子をオフ、第１１のスイッチ素子をオンして、前記圧電素子に前記電荷回収用コンデンサを並列接続し、前記圧電素子の電荷で前記電荷回収用コンデンサを充電する状態と、
この状態の後に、前記第９，第１１のスイッチ素子をオフ、第１２のスイッチ素子をオンして前記圧電素子と前記電荷回収用コンデンサとの直列回路を形成するとともに該直列回路を前記電源側コンデンサに並列接続して前記圧電素子を介して前記電荷回収用コンデンサの電荷を前記電源側コンデンサへ戻す状態と、
この状態の後に、前記第１のスイッチ素子をオフし、かつ前記スイッチ手段により前記直列回路を前記容量性蓄電素子に接続し、前記電荷回収用コンデンサと前記圧電素子の電荷で前記容量性蓄電素子を充電する状態と、
この状態の後に、前記スイッチ手段を制御するとともに前記第９のスイッチ素子をオンして、該第９のスイッチ素子を介して前記圧電素子に正の分極方向に対して逆方向の電圧を印加するように前記容量性蓄電素子を接続する状態とを順次設定することを特徴とする圧電素子駆動装置。
前記圧電素子に印加する逆方向電圧を前記容量性蓄電素子の容量により設定することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子駆動装置。
前記電荷回収用コンデンサの静電容量により、前記圧電素子に分極方向に対して逆向きに印加する電圧を設定することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子駆動装置。
前記電源側コンデンサと前記直流電源との間に、前記圧電素子に逆方向電圧を前記容量性蓄電素子によって印加する間、前記直流電源による前記電源側コンデンサの充電を停止させる手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか記載の圧電素子駆動装置。
前記電圧反転回路の前記スイッチ手段は、前記容量性蓄電素子の一端に一方端を接続した２つの双方向性スイッチ素子と、前記容量性蓄電素子の他端に一方端を接続し、且つ他方端を上記各双方向性スイッチ素子の他方端に各別に接続した別の２つの双方向性スイッチ素子とで構成され、各双方向スイッチの他方端同士の接続点を電圧反転回路の接続端としたことを特徴とする請求項１乃至５の何れか記載の圧電素子駆動装置。
前記スイッチ素子中単方向の電流が流れるスイッチ素子を単方向性のスイッチ素子によって構成して成ることを特徴とする請求項１乃至６の何れか記載の圧電素子駆動装置。
前記直流電源部から前記圧電素子への電圧印加経路に抵抗を挿入していることを特徴とする請求項１乃至７の何れか記載の圧電素子駆動装置。
前記請求項１乃至８の何れかの圧電素子駆動装置の圧電素子の一対の電極面の一方をダイヤフラム表面に固着して圧電素子に交互に印加される正、負の電圧に応じてダイヤフラムが駆動されることを特徴とするダイヤフラムポンプ。