JP4926317B2 - 圧電アクチュエータの駆動方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、特に繊維機械の針駆動部用に使用され、圧電アクチュエータの運動が電圧パルスによって生ぜしめられる圧電アクチュエータの駆動方法に関する。さらに、本発明はこの方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
この種の圧電アクチュエータにおいて電気的に惹き起される圧電基体の形状変化が駆動又は操作に利用される。圧電アクチュエータの特殊な形状がいわゆる圧電曲げ変換器であり、この圧電曲げ変換器を用いると圧電セラミック層と不活性基板（例えば金属支持板）とから成る積層体の簡単の構成で曲げ作用が得られる。電気的に駆動するとセラミックスが僅かに収縮し、積層体の内部歪みによって曲げが生ずる。変位は圧電層の最少収縮よりも著しく大きく、それゆえこの種の曲げ変換器は１０²の標準的な大きさの固有変換効率で動作する。駆動は通常曲げ変換器に印加された正及び／又は負の直流電圧の形態の矩形波電圧パルスによって行われる。
【０００３】
この種の曲げ変換器はしばしば繊維産業において編機、織機及びメリヤス機用の針駆動機構として使用されている。編機用のこの種の駆動機構は例えばドイツ特許第３９３３１４９号明細書から知られている。この明細書において、曲げ変換器として動作する圧電素子はその一端部が直接に、その他端部がこれに結合された針駆動フィンガを介して回転運動可能に保持されている。これらの両支持点間には同様に回転運動可能な支持支承部が設けられており、この支持支承部が支持点と結合点との間の位置を選定することによって針駆動フィンガのストロークの調整を可能にしている。
【０００４】
通常用いられている針駆動機構の概略図を図３に示す。この駆動機構は圧電曲げ変換器２を含み、その一端部２ａはベースブロック４の溝又はスリット３内へ挿入され、そこに保持されて固定されている。曲げ変換器２の他端部２ｂは回転軸線５を中心にして揺動可能な駆動レバー又は駆動フィンガ６に結合されている。駆動レバー６の自由端は詳細に示されていないハウジングに設けられた窓状切欠き７を通って案内されている。駆動レバー６は、窓状切欠き７によって形成され互いに離間している２つのストッパ７ａ，７ｂ間を揺動可能である。駆動レバー６、従って曲げ変換器２の運動はストッパ７ａ，７ｂによって制限される。
【０００５】
この公知の駆動機構における問題はオシロスコープで測定可能な振動作用であり、これが図４に示されている。この振動作用は、各制御パルス時にすなわち圧電曲げ変換器への制御電圧の印加時に、その曲げ経過が制御パルスの急峻な立上がりに比較して緩やかな立上がりでもって平衡状態又は目標振れに到達する場合に発生する。図３に示されているように、曲げ変換器２が目標振れに到達すると駆動レバー６がストッパ７ａへの衝突によって振動を生じる。その際、約２ｍｓ〜３ｍｓ後に、目標振れに相当する一定の電圧レベル（これは例えば約６ｍｓの期間を持つ）に到達すると、平衡状態又は目標振れを中心とした複数回のオーバシュートが発生し、約１ｍｓ〜３ｍｓ内に消滅する。
【０００６】
これらのオーバシュートは圧電素子の反応挙動と、窓状切欠き内で静止状態からストッパ７ａ，７ｂ間を運動する駆動フィンガの衝突とにフィードバックされる。これらのオーバシュートによって圧電素子、従って駆動機構の寿命が短縮されるので、これらのオーバシュートは極めて望ましくはない。さらに、オーバシュート又は振動によって、針の駆動が１ｍｓ〜３ｍｓのオーバシュート時間分だけ遅らされる。
【０００７】
この作用に関係した別の問題は特に、曲げ変換器がその固定端部で不動的に固定されている駆動機構において発生する。すなわち、電圧パルスの印加時に発生する駆動フィンガ又は結合レバー８の衝突パルスによってそれぞれのストッパ７ａ，７ｂから放出される衝撃波８が駆動フィンガ６及びこれに結合された曲げ変換器２を介してその固定端部２ａまで伝達される。これによって生ぜしめられたアクチュエータの機械的な曲げ負荷によって、実際上しばしば短い運転期間後に曲げ変換器の固定端部２ａにおいて圧電セラミック層９の割れ又は裂けが生じ、その結果別のアクチュエータと取換えられねばならない。
【０００８】
しばしば発生する他の問題はこの種の圧電アクチュエータ又は曲げ変換器におけるいわゆる共振作用である。共振周波数のこの作用は各圧電過程に固有な現象である。圧電素子にパルス電圧が印加されると、この圧電素子は電圧レベル及び／又はパルス周波数に関係して振動を生じる。パルス電圧のステップ状上昇によって、決められた点で圧電素子の機械的運動の変化と新たに印加されるパルスとが交差し、その結果圧電素子の振動が何倍にも高められる。これによって、一方では共振周波数の範囲で圧電素子が実質的に完全にコントロール不可能な状態で動作し、これが出力にマイナスに作用するという問題が生ずる。他方では共振周波数の範囲で圧電素子が激しく振動し、その結果圧電素子が損傷するか又は破壊する。共振周波数の範囲は多数の因子、例えば圧電素子の構造的な大きさ、その取付け構造又は取付け方法、パルス電圧及び／又はパルス周波数に関係している。
【０００９】
本発明の課題は、上述の欠点を確実に回避した、特に繊維機械用の針駆動部の圧電アクチュエータの駆動方法を提供することにある。さらに、この方法を実施するのに特に適した装置を提供するものとする。
【００１０】
方法に関する課題は本発明によれば請求項１の特徴事項によって解決される。このために、電圧パルスに、好ましくは比較的短いパルス期間を有しその電圧パルスとは逆向きの逆パルスを重畳することが行われる。その際、電圧パルスが目標レベルに到達した後、制御電圧がゼロにセットされるか又は好ましくは逆極性にされ、急峻な立上がりを持つ比較的短時間の逆パルスが発生される。
【００１１】
ところで、ドイツ特許出願公開第３９２４９５８号明細書によってインク式印字装置の印字ノズルの駆動回路装置が知られている。この回路装置においては、的確に液体を噴出させるために圧電素子が直流電圧によって駆動される。平均値よりも高い電圧値において、圧電素子により生ぜしめられた印字過程のために、印字液体を導く通路が収縮させられる。圧電素子はこのような電圧値から出発して直流電圧のその後の遮断によってゼロボルト（０Ｖ）に放電し、それによりかかる通路が新たに拡大する。この公知の回路装置はしかし上記振動又はオーバシュート作用を確実に回避することに適しておらず、またそのようなことを意図していない。
【００１２】
確かに圧電曲げ変換器の適当な層構造によってその固有振動挙動及び抑制は、ドイツ特許第１９６２４２０４号明細書において従来技術の説明の際に詳細に説明されたやり方で制御することもできる。当然のことながら、このような手段は上記振動又はオーバシュート作用を確実に回避することに適しておらず、またそのようなことを意図していない。
【００１３】
逆パルスの発生時点が電圧パルスに追従するアクチュエータの曲げ経過又は曲げ運動によって決定されると好ましい。このためにこの逆パルスは、アクチュエータの運動がストッパによって直ぐに突然に停止されない時点にセットされる。この時点は電圧パルスが目標レベルに到達した後の０，５ｍｓ〜５ｍｓ、好ましくは２ｍｓ〜３ｍｓの範囲である。電圧パルスが目標レベルに到達した後の約２，５ｍｓに逆パルスが発生されるのが特に有利であることが判明している。それによって、針駆動機構の通常使用されている形状及びその窓状切欠きの幅の場合、電圧パルスに時間的に遅れて追従する曲げ変換器の曲げ経過の目標振れ又は平衡状態が達成されることが証明されている。逆パルス（すなわち、駆動に使われる制御パルスに対して逆方向に向いている逆向き電圧パルス）は電圧パルスに比較して大きい振幅を有すると好ましい。この振幅は正又は負の電圧パルスの場合にゼロ線を越えて負又は正の電圧範囲へ延びる。
【００１４】
逆パルスはその場合時間的に、それによってアクチュエータの曲げ運動が停止されるか又は少なくとも抑制されるように設定される。曲げ変換器の曲げはその際に直ぐに反転する状態にならず、それゆえ曲げ曲線又は曲げ経過は目標振れ範囲において急峻な立上がりの電圧経過にソフトに適応することができる。逆パルスの期間がμｓの範囲にあると好ましく、その場合２５μｓのパルス期間が特に有利であることが判明している。しかし、逆パルスの期間は３μｓ〜３ｍｓ、好ましくは５μｓ〜５０μｓの範囲であってもよい。
【００１５】
曲げ変換器又はアクチュエータを駆動するための電圧パルスは、逆パルスのパルス期間の終了後に逆極性にすることによって、曲げ変換器が曲げ転換点に到達する前に再び投入される。オーバシュートは、規定の振幅及び規定の期間を有する単一の逆パルスの代わりに、異なった振幅を有する多数の逆パルスによっても除去できる。このために、例えば曲げ変換器の曲げ経過がセンサで検出され、その曲げ経過に応じた制御電流が生成されると好ましい。
【００１６】
逆パルス又は反転パルスを短時間適用することによって、曲げ変換器又は圧電素子の振れ又は変位及び曲げ力又は伸長力は損なわれず、一方補助的な逆パルスは共振周波数の作用を除去又は補償する。
【００１７】
装置に関する上述の課題は本発明によれば請求項６の特徴事項によって解決される。装置に関する有利な実施態様はそれの従属請求項に記載されている。
【００１８】
本発明によって得られる利点は特に、圧電アクチュエータ、特に曲げ変換器を駆動するための制御パルス又は電圧パルスに、制御パルスとは逆向きの逆パルスを的確に重畳させることによって、駆動時に発生した機械的な負荷のために圧電アクチュエータが損傷又は破壊されるのが回避される点にある。その場合、圧電素子をそのように駆動すると、共振作用が同様に補助的な逆パルスによって抑制されるか又はその反作用によって補償される。それによって、圧電アクチュエータの寿命は相当高められる。これは特に圧電曲げ変換器が繊維機械用の駆動機構として使用される場合に経済的に相当重要である。何故ならば、それによって編機、織機又はメリヤス機の不所望な停止時間が相当減少するからである。
【００１９】
本発明による駆動方法及び駆動装置の他の利点は、曲げ変換器をこのように駆動するとその動作速度、従って繊維機械の駆動機構の応答速度が従来の駆動機構に比較して相当高められる点にある。この理由は、曲げ変換器に結合された駆動フィンガがストッパにぶつかることにより発生する振動又はオーバシュートが回避されることによって、不安定な状態がもはや存在しなくなるからである。
【００２０】
従来の駆動機構の場合、振動のために駆動に利用できない不安定な状態を構成する期間は約１ｍｓである。それゆえ、電圧パルスのパルス期間が例えば約６ｍｓであり、急峻な立上がりの電圧パルスに追従する曲げ変換器の目標振れの通常の遅れ期間が約２．５ｍｓである場合、駆動機構の動作範囲は２．５ｍｓの期間に制限される。それに対して、本発明による駆動の場合の動作範囲は３．５ｍｓに高められる。これは駆動された繊維機械の作動が約１ｍｓ早まることを意味する。すなわち、これはクロック時間が約１ｍｓ減少することを意味する。
【００２１】
以下において本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は圧電曲げ変換器とこれを駆動するパルス発生器とを備えた駆動機構の概略図、
図２は曲げ変換器を駆動するための電圧パルスの経過、
図３は公知の駆動機構における振動及び衝撃波作用の概略図、
図４は公知の方式で駆動され振動及び衝撃波作用を有するる曲げ変換器の曲げ経過、
図５は本発明により駆動される曲げ変換器の曲げ経過を示す。
なお、全ての図において互いに対応している部分は同一符号を付されている。
【００２２】
図１は曲げ変換器２を備えた駆動機構１を概略的に示す。曲げ変換器２の固定端部２ａは滑らない固定のベースブロック４内に強固に保持されている。しかし、この固定端部２ａはベースブロック４内に長手方向に移動可能及び／又は回転運動可能に保持することもできる。圧電曲げ変換器２の反対側に位置する結合端部２ｂは回転支点又は回転軸線５を中心に回転可能に支承された駆動フィンガ又は駆動レバー６と協働する。駆動レバー６の駆動自由端６ａは詳細に示されていないハウジングに設けられた窓状切欠き７を通って案内されている。切欠き７は下側ストッパ７ａとこれに離間した上側ストッパ７ｂとを形成している。この種の駆動機構１は通常繊維産業において繊維を編んだり又は織ったりする編機、織機又はメリヤス機の針駆動に使用される。
【００２３】
圧電曲げ変換器２はパルス発生器１０から発生された電圧パルスＳＩ（図２参照）によって駆動される。このために接続線１１を介してパルス発生器１０に電気的に接続されている圧電曲げ変換器２に、例えば５ｍｓ〜２００ｍｓのパルス期間又はパルス時間ｔ_Pを有する直流電圧Ｕ±が印加される。電圧パルスＳＩは直流電圧Ｕ±から、曲げ変換器２の曲げ方向に応じてゼロ線に対して正又は負にて経過する矩形パルスとして発生される。電圧パルスＳＩが正の振幅を有する場合、曲げ変換器２の曲げは一方向へ行われ、一方これに結合された駆動レバー６はそれとは逆方向へ変位する。
【００２４】
初めに図３，４に基づいて説明した振動及び／又は衝撃波作用を回避するために、電圧パルスＳＩには逆パルスＧＩが重畳される。これは制御電圧Ｕ±を遮断するか又は制御電圧Ｕ±を逆極性にすることによって達成される。逆パルスＧＩの投入時点は、電圧パルスＳＩが目標レベルＵ₊又はＵ_-に到達し、時間的に遅れて追従する曲げ変換器２の曲げが最大振れＭに近づくように設定される。これは図４，５に示されている。
【００２５】
曲げ変換器２がその目標振れ又は最大振れＭに到達する直前に、パルス期間ｔ_Pに比較して短いパルス期間ｔ_P’を有する逆パルスＧＩの投入が行われる。逆パルスＧＩの投入時点Δｔはとりわけ曲げ変換器２の例えば金属又はプラスチックから構成された支持板１２に設けられた圧電セラミック層９の材料組成と、駆動機構１の形状とに関係し、標準的にΔｔ＝２．５ｍｓである。逆パルスＧＩのパルス期間ｔ_P’は好ましくはμｓ範囲であり、２５μｓのパルス期間ｔ_P’が特に有利であることが判明している。
【００２６】
電圧パルスＳＩに重畳された逆パルスＧＩは、曲げ変換器２の曲げ運動が逆方向へ変わる曲げ転換点に至るまで曲げ変換器２の曲げ運動を抑制する。従って、逆パルスＧＩのパルス期間ｔ_P’は曲げ変換器２の曲げ運動の方向が直ぐに反転しないような大きさに設定されている。この時点で圧電曲げ変換器２は再び電圧パルスＳＩによって駆動される。このために制御電圧Ｕ±が再び投入されるか又は逆極性にされる。電圧又は制御パルスＳＩに重畳した逆パルスＧＩによって、曲げ変換器２の曲げ経過又は曲げ運動はそれぞれのストッパ７ａ，７ｂに到達する前に抑制又は減衰され、それゆえ駆動レバー６は対応するストッパ７ａ，７ｂに実質的に衝撃なく当接する。
【００２７】
それぞれのストッパ７ａ，７ｂに当接するまでの曲げ変換器２の機械的な曲げ経過が図５に示されている。このオシロスコープ図から分かるように、無視し得る程度のオーバシュート１３しか発生していない。これに比較して、図４には約１ｍｓのパルス期間Δｔ’中に発生する比較的大きな振幅を有する多数のオーバシュート１３が示されている。これから、この実施例において選定された値すなわちこの実施例では６ｍｓのパルス期間ｔ_Pの場合ｔ_a＝２．５ｍｓの動作範囲又は有効利用可能な駆動時間が生じる。本発明による駆動の場合、圧電曲げ変換器２の同じ６ｍｓのパルス期間ｔ_P内において動作範囲ｔ_aはｔ_a＝３．５ｍｓに延長されている。それゆえ、このように駆動される駆動機構１によって作動させられる繊維機械は高い駆動速度で運転できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧電曲げ変換器とこれを駆動するパルス発生器とを備えた駆動機構を示す概略図
【図２】 曲げ変換器を駆動するための電圧パルスの経過を示す概略図
【図３】 公知の駆動機構における振動及び衝撃波作用の概略図を示す概略図
【図４】 公知の方式で駆動され振動及び衝撃波作用を有するる曲げ変換器の曲げ経過を示す概略図
【図５】 本発明により駆動される曲げ変換器の曲げ経過を示す概略図
【符号の説明】
１ 駆動機構
２ アクチュエータ又は曲げ変換器
２ａ 固定端部
２ｂ 結合端部
３ スリット
４ ベースブロック
５ 回転軸線
６ 駆動レバー
７ 切欠き
７ａ ストッパ
７ｂ ストッパ
８ 衝撃波
９ 圧電セラミック層
１０ パルス発生器
１１ 接続線
１２ 支持板
１３ オーバシュート
ＧＩ 逆パルス
ＳＩ 電圧パルス又は制御パスル
Ｍ 終端位置又は目標当接位置
Ｕ₊．Ｕ_- 目標レベル
ｔ_a 駆動時間
ｔ_P パルス期間
Δｔ 投入時点

Claims (6)

1. 圧電アクチュエータ（２）の運動が電圧パルス（ＳＩ）によって生ぜしめられる圧電アクチュエータ（２）の駆動方法において、
   電圧パルス（ＳＩ）が目標レベル（Ｕ₊．Ｕ_-）に到達した後、電圧パルス（ＳＩ）に追従する圧電アクチュエータ（２）の運動の終端位置（Ｍ）への到達前に、この電圧パルス（ＳＩ）に比較的短いパルス期間（ｔ_P’）の逆向き電圧パルス（ＧＩ）が重畳され、この逆向き電圧パルス（ＧＩ）は、圧電アクチュエータ（２）の運動が逆方向へ変わる転換点に至るまで圧電アクチュエータ（２）の運動を抑制することを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。
2. 逆向き電圧パルス（ＧＩ）の振幅がそれを重畳される電圧パルス（ＳＩ）の振幅より大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 逆向き電圧パルス（ＧＩ）が、それを重畳される電圧パルス（ＳＩ）の０．５ｍｓ〜５ｍｓ、好ましくは２ｍｓ〜３ｍｓの期間（Δｔ）の経過後に発生されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. ３μｓ〜３ｍｓ、好ましくは５μｓ〜５０μｓのパルス期間（ｔ_P’）を持つ逆向き電圧パルス（ＧＩ）が発生されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 調整可能なパルス期間（ｔ_P）と事前設定可能な目標レベル（Ｕ₊．Ｕ_-）とを持つ電圧パルス（ＳＩ）を発生するパルス発生器（１０）を用いた圧電アクチュエータ（２）の駆動装置において、
   圧電アクチュエータ（２）が１つの固定端部（２ａ）で保持され、それとは反対側に位置する結合端部（２ｂ）で駆動レバー（６）に結合され、駆動レバー（６）が回転支点（５）に支承され、その自由端側が２つのストッパ（７ａ，７ｂ）間を揺動可能であり、
   パルス発生器（１０）が、目標レベル（Ｕ₊．Ｕ_-）への到達後で、電圧パルス（ＳＩ）に追従するアクチュエータ（２）の運動の終端位置（Ｍ）への到達前に、逆パルス（ＧＩ）を発生し、この逆向き電圧パルス（ＧＩ）は、圧電アクチュエータ（２）の運動が逆方向へ変わる転換点に至るまで圧電アクチュエータ（２）の運動を抑制することを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
6. 圧電アクチュエータ（２）が、圧電セラミック層（９）とその支持板（１２）とから構成され接続線（１１）を介してパルス発生器（１０）に接続された曲げ変換器（２）であることを特徴とする請求項５記載の装置。

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