JP4274373B2 - コンデンサを充電および放電するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、スマート材料をベースとする多目的アクチュエータを制御するための電子的方法および回路に関する。

本願は、参照によって本明細書に組み込まれる、２００２年９月５日出願の米国特許仮出願第６０／４０８２７７号の継続出願である。本願は、コンデンサをあらかじめ定めた設定ポイントまで充電および放電するための装置および方法に関する２００２年９月５日出願の米国特許仮出願第６０／４０８４６８号の継続出願に関連する。

広範囲にわたる用途のためのアクチュエータ技術が開発されている。一例には、電気的刺激に応答して形状を変える、機械的梃子作用を用いるスマート材料アクチュエータが含まれる。この形状変化は、一般に、大部分が単一の軸に沿ったかたちで行うことが可能なので、このようなアクチュエータは、なんらかの主要な支持構造と組み合わせて梃子を含む関連する機械システムで作業を実行するために使用できる。有用な変位量および力の大きさを有するアクチュエータを作成するために、軸方向変位の変化が梃子によって増大される。この変位および力は、多目的工業用バルブ、飲料自動販売機、コンプレッサまたはポンプ、制動装置、ドアロック、継電器、回路遮断器、およびソレノイド型のアクチュエータを使用するほとんどの応用例で有用である。

しかしスマート材料、特に圧電性スマート材料を作動させ変位を生じさせるには、数百ボルトが必要となる可能性がある。このような電圧は容易に利用可能でないことがあり、電池を用いる場合と同様に、より低い電圧から得なければならないことがある。

圧電材料の別の特徴は、この材料が本質的に容量性であるということである。さらに、単一のアクチュエータは、作動の瞬間に数ワットのエネルギーを使用する主要電源および接地という２つの別々の信号を使用してしばしば制御される。

本発明は、スイッチング回路に動作可能に接続された専用電源を含む機械的梃子作用を用いるスマート材料アクチュエータを駆動するための、簡単で低電圧な、費用対効果の高い手段を提供する。

本発明の専用電源は、スマート材料の両端に既知の電位を印加して制御電圧をスマート材料に適したレベルに変換する制御可能な電源、すなわち調整された直流（ＤＣ）／（ＤＣ）コンバータを含む。したがって、本発明によれば、制御信号および主要電源信号は１個の導電体中に組み合わさせる。これにより、既存のアクチュエータに代えて、本発明を現在の制御システムへ組み込むことが可能になる。

本発明はさらにスマート材料アクチュエータを含み、このスマート材料アクチュエータは、スマート材料アクチュエータを充電するための制御可能な電源と、スマート材料アクチュエータを放電させるためのスイッチング回路の一方または両方に結合されている。本発明の第１の実施形態によれば、制御可能な電源は、１次巻線および２次巻線を有するトランスを含む、調整されたＤＣ／ＤＣコンバータである。トランスの１次巻線は、互いに位相が１８０度異なる駆動信号を生成する制御可能な駆動回路に結合されている。この目的のために、制御可能な電源は二者択一式で動作される。すなわち、スマート材料の両端に既知の刺激電位を供給するか、またはスマート材料の両端を短絡するかのどちらかである。本発明の一実施形態によれば、制御可能な電源の駆動回路はさらに、回路が自励発振できるようにフィードバック手段を含むことができる。フィードバック手段はさらに、プッシュプル回路と、トランスに含まれる補助巻線とを含むことができる。プッシュプル回路はさらに、１対のＮＰＮ（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ）型トランジスタを含むことができる。

２次巻線に関連する交流（ＡＣ）信号からＤＣ電圧を生成するために、さらに整流器をトランスの２次巻線に結合することができる。また、制御可能な駆動回路によって生成されることがあるノイズをフィルタリングするために、ノイズリダクション回路をトランスの２次巻線に結合することもできる。

したがって、本発明による、スマート材料アクチュエータを駆動する装置は、スマート材料アクチュエータを充電するための制御可能な電源と、電源が除去されたときにスマート材料アクチュエータを放電させるように、制御可能な電源とスマート材料アクチュエータの間に結合されたスイッチング回路とを含む。スマート材料アクチュエータの放電速度はスイッチング回路のインピーダンスによって決まり、制御可能な電源の充電速度は制御可能な電源のインピーダンスによって決まる。

本発明の他の応用例は、以下の本発明を実施するために企図された最良の形態の説明を添付の図面と併せて読むならば、当業者には明らかとなるであろう。

本明細書での説明は添付の図面を参照しており、いくつかの図面では、同様の参照番号は同様の部分を表している。

図１は、制御可能な電源１０を示す電子回路図である。電源１０では、既知の電位をもつ既知の電源１２が逆極性保護ダイオード１４に接続され、ダイオード１４がビーズインダクタ１６に給電する。ビーズインダクタ１６は、ＮＰＮ型トランジスタ１８のコレクタが生成する電源１２内へのノイズを取り除くフィルタとして働く。ＮＰＮ型トランジスタ１８およびＮＰＮ型トランジスタ２０は、トランス２２用のプッシュプル・ドライバを形成する。抵抗器２４、２６、２８、３０は、抵抗分圧器を形成し、ＮＰＮ型トランジスタ１８、２０の基本バイアスポイントを設定する。トランス２２には、１次巻線および２次巻線２２ａおよび２２ｂだけでなく、補助巻線２２ｃも巻かれている。トランス２２の補助巻線２２ｃ、抵抗器３２、３４、２８、およびコンデンサ３６、３８は、ＮＰＮ型トランジスタ１８、２０のベースで発振を生じさせるためのフィードバック手段を形成する。発振は、自励発振型のプッシュプルトランスドライバを形成している２個のＮＰＮ型トランジスタ１８、２０の間で位相が１８０度異なる。トランス２２の２次巻線２２ｂは整流器４０に接続されており、整流器４０はビーズインダクタ４２および容量性負荷４４、この場合は圧電性スマート材料アクチュエータに接続されている。ビーズインダクタ４２は、回路の発振によって生じるノイズを取り除くフィルタとして働き、容量性負荷４４に給電する。ツェナーダイオード４６は、限流抵抗器４８を通るフィードバック手段として働く。電圧がツェナー電圧を超えると、トランジスタ５０がオンになってトランジスタ２０のベースが接地され、自励発振機構が停止する。

次に図２を参照すると、スマート材料アクチュエータである容量性負荷５８を放電させるためのスイッチング回路１１が示されている。スイッチ５２が閉のとき、電流は、電源５４からスイッチ５２を介してビーズインダクタ５６中を流れ、容量性負荷５８、この場合は圧電性スマート材料アクチュエータを充電する。また電流は、抵抗分圧ネットワーク６０内に流れ、それによってＮＰＮ型トランジスタ６２がオンになってＮＰＮ型ダーリントントランジスタ対６４をオフにする。充電速度は、ビーズインダクタ５６、抵抗器６６、および容量性負荷５８のインピーダンスによって決まる。スイッチ５２が開のときには、容量性負荷５８内への電流の流れが止まり、ＮＰＮ型トランジスタ６２がオフになってＮＰＮ型ダーリントントランジスタ対６４をオンにし、それによって電流が抵抗器６６中を流れるようになって容量性負荷５８を放電させる。放電速度は、抵抗器６６および容量性負荷５８によって決まる。抵抗器６８およびＮＰＮ型トランジスタ６２のベースは、スイッチングされた電源５４と制御信号の間のレベルトランスレータとして働く。したがって、抵抗器６８およびＮＰＮ型トランジスタ６２のベースは、電圧レベルまたは電圧振幅が同じである必要がない。

次に図３を参照すると、スマート材料アクチュエータである容量性負荷１５８を放電させるためのスイッチング回路１１１の第２の実施形態が示されている。スイッチ１５２が閉のとき、電流は分圧ネットワーク１６０内に流れ、それによってＮＰＮ型トランジスタ１６２をオンにし、そのため電流が抵抗器７０中を流れるようになってＮＰＮ型ダーリントントランジスタ対１６４をオフにし、またＰＮＰ（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｖｅ）型トランジスタ７２をオンにし、そのため電流が抵抗器１６６中を流れるようになって容量性負荷１５８を放電させる。放電速度は、抵抗器１６６および容量性負荷１５８によって決まる。スイッチ１５２が開のときには、ＮＰＮ型トランジスタ１６２のベースによってＮＰＮ型トランジスタ１６２がオフになり、それによって電流が抵抗器７０を介してＰＮＰ型トランジスタ７２のベースまで流れるようになり、このＰＮＰ型トランジスタをオフにする。またこのとき、ＮＰＮ型ダーリントントランジスタ対１６４によって抵抗器７４を介して容量性負荷１５８に電流が供給される。充電速度は、抵抗器７４および容量性負荷１５８によって決まる。抵抗器７０およびＮＰＮ型トランジスタ１６２は、電源１５４と、例えばスイッチ１５４が閉じることによって発生する制御信号との間のレベルトランスレータとして働く。したがって、抵抗器７０およびＮＰＮ型トランジスタ１６２のベースは、電圧レベルまたは電圧振幅が同じである必要がない。

次に図４を参照すると、本発明による、スマート材料アクチュエータである容量性負荷７６用ドライバの好ましい実施形態は、制御可能な電源１０ａおよびスイッチング回路１１ａを含む。入力電源１２ａが制御可能な電源ｌ０ａに接続されると同時に、スイッチ回路１１ａは動作不能になり、容量性負荷７６は充電される。入力電源１２ａが取り除かれると、制御可能な電源ｌ０ａは停止し、スイッチ回路ｌｌａが動作可能になり、容量性負荷７６が放電される。制御可能な電源ｌ０ａの実際のインピーダンスは容量性負荷７６を充電する速度を制御し、スイッチ回路１１ａのインピーダンスは容量性負荷７６を放電させる速度を制御する。

次に図５を参照すると、本発明による、スマート材料アクチュエータ用ドライバの第２の実施形態は、制御可能な電源１０ｂおよびスイッチング回路１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、１１１ｆを含む。入力電源１２ｂが制御可能な電源１０ｂに接続される。スイッチングされる電圧は継続的に生成される。スイッチ回路１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、１１１ｆへの制御信号（図示せず）が低のときには、回路１１１ａにのみ示した、各回路１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、１１１ｆのＮＰＮ型ダーリントントランジスタ対１６４ａが動作可能になり、それぞれの容量性負荷を充電する。制御信号が高のときには、スイッチ回路１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、１１１ｆおよび、各回路１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、１１１ｆにのみ示した、各ユニット１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅ、１１１ｆのＰＮＰ型トランジスタ７２ａが動作可能になり、容量性負荷が放電される。

図１、図２、図３、図４および図５の実施形態では、構成要素の通電能力、電圧定格、および型式に従って様々な構成要素を含めた。他の適当な構成要素には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、小信号トランジスタ、パワートランジスタ、巻線抵抗器、薄膜抵抗器、炭素抵抗器、セラミックコンデンサ、タンタルコンデンサ、フィルムコンデンサ、巻線トランス、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）トランス、または大量生産向けに一般に使用される適当な構成要素の任意の組合せが含まれ得る。例として挙げたこれらの材料は、優れた性能を発揮するが、適用例の要件に応じて構成要素の他の組合せを使用することが適切なこともある。また、本実施形態では、市販されている構成要素を示してある。

本発明を、現時点で最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではないことが理解されるであろう。しかし一方では、添付した特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる様々な修正および同等の構成を含むことが企図されている。特許請求の範囲には、法律によって認められる、このような修正および同等の構成をすべて包含するように最も幅広い解釈が与えられるべきである。

本発明による制御可能な電源の電子回路図である。 本発明によるスイッチング回路の第１の実施形態の電子回路図である。 本発明によるスイッチング回路の第２の実施形態の電子回路図である、 図１の制御可能な電源および図２のスイッチング回路を実装したスマート材料アクチュエータ駆動装置の電子回路図である、 図３のスイッチング回路および図１のＤＣ／ＤＣコンバータを実装したスマート材料アクチュエータ駆動装置の電子回路図である。

Claims (30)

1. スマート材料アクチュエータと、
   前記スマート材料アクチュエータを充電するための制御可能な電源と、
   前記スマート材料アクチュエータを放電させるためのスイッチング回路と、
   制御可能な前記電源への入力電圧を作動させるためのスイッチであって、前記入力電圧は、前記スイッチング回路が前記スマート材料アクチュエータを放電させるのを防止するためのスイッチング制御信号を同時に提供するスイッチとを備えることを特徴とする装置。
2. 制御可能な前記電源が、１次巻線および２次巻線を含むトランスを有するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記トランスの前記１次巻線に結合され、位相が互いに１８０度異なる駆動信号を生成する制御可能な駆動回路とを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 制御可能な前記駆動回路が、自励発振型であることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記自励発振駆動回路がさらに、フィードバック信号を供給するフィードバック手段を備え、前記フィードバック手段がプッシュプル回路と前記トランスに含まれる補助巻線とを含むことを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 前記プッシュプル回路が、１対のＮＰＮ型トランジスタを含むことを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記トランスの前記２次巻線に結合され、前記２次巻線に関連するＡＣ信号からＤＣ電圧を生成するための整流器をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の装置。
7. 前記トランスの前記２次巻線に結合され、制御可能な前記駆動回路によって生成されるノイズをフィルタリングするためのノイズリダクション回路をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の装置。
8. 前記ノイズリダクション回路が、ビーズインダクタおよびバイパスコンデンサを含むことを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 前記自励発振ドライバを有効にする手段をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の装置。
10. 前記有効にする手段が、電圧をフィードバックする電圧フィードバック手段を含むことを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 前記電圧フィードバック手段がツェナーダイオードを含むことを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 前記プッシュプル回路をバイアスする手段をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の装置。
13. 前記バイアスする手段が分圧器を含むことを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータがさらに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータへの入力に関連する逆極性保護手段を備えることを特徴とする請求項２記載の装置。
15. 前記逆極性保護手段がダイオードであることを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 前記スイッチング回路が、制御された単一の入力信号に応答することを特徴とする請求項１記載の装置。
17. 前記スイッチング回路が、制御された複数の入力信号のうちの１つに応答することを特徴とする請求項１記載の装置。
18. 放電速度が、前記スイッチング回路のインピーダンスによって決まることを特徴とする請求項１記載の装置。
19. 充電速度が、制御可能な前記電源のインピーダンスによって決まることを特徴とする請求項１記載の装置。
20. 前記トランスが、巻鉄心設計のものであることを特徴とする請求項２記載の装置。
21. 前記トランスが、ＬＴＣＣ設計のものであることを特徴とする請求項２記載の装置。
22. スマート材料アクチュエータを駆動する装置であって、
    前記スマート材料アクチュエータに接続可能な、前記スマート材料アクチュエータを充電する制御可能な電源と、
    制御可能な前記電源と前記スマート材料アクチュエータとの間に結合され、前記制御可能な電源への入力電圧の除去に応答して前記スマート材料アクチュエータを放電させるスイッチング回路とを備えることを特徴とする装置。
23. スマート材料アクチュエータを駆動する方法であって、
    前記スマート材料アクチュエータに接続可能な制御可能な電源によって前記スマート材料アクチュエータを充電するステップと、
    制御可能な前記電源と前記スマート材料アクチュエータとの間に結合されたスイッチング回路によって、前記制御可能な電源への入力電圧の除去に応答して前記スマート材料アクチュエータを放電させるステップとを含むことを特徴とする方法。
24. 互いに位相が１８０度異なる駆動信号を生成するステップをさらに含み、制御可能な前記電源が、１次巻線および２次巻線を含むトランスを有するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記トランスの１次巻線に結合された制御可能な駆動回路とを含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
25. 制御可能な前記駆動回路が自励発振型であることを特徴とする請求項２４記載の方法。
26. プッシュプル回路および前記トランスに含まれる補助巻線から導出されたフィードバック信号を供給するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２５記載の方法。
27. 前記２次巻線に結合された整流器を使用して、前記トランスの前記２次巻線に関連するＡＣ信号からＤＣ信号を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
28. ノイズリダクション回路を前記トランスの前記２次巻線に結合することによって、制御可能な前記駆動回路によって生成されるノイズを低減させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
29. 前記スイッチング回路のインピーダンスによって放電速度を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
30. 制御可能な前記電源のインピーダンスによって充電速度を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。

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