JPH02297983A - ピエゾアクチュエータの駆動電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば積層型等のピエゾ素子を駆動素子に使
用したピエゾアクチュエータの駆動電源装置に関する。

（従来の技術） 従来ピエゾアクチュエータの電源はピエゾアクチュエー
タに印加する電圧に等しい直流電圧源を使用し、有接点
スイッチまたは無接点スイッチ回路で０Ｎ−ＯＦＦＬ、
、放電回路で放電していた。また、２水準以上の電圧を
必要とする場合はそれぞれの電圧ごとに電源を持つたり
抵抗分圧回路で分圧しスイッチ回路で切り換えて印加し
ていた。

第２図は従来例を示し、２０１は交流電源、２０２はス
ライダック、２０３は昇圧トランス、２０４はダイオー
ド、２０８は平滑コンデンサ、２０９は放電スイッチ、
２１０，２１１は充電スイッチ、２１２は制限抵抗、２
１３はＰ２Ｔ（積層型ピエゾアクチュエータ）、２１４
は他の電源からの電源供給線である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したような従来の電源ではピエゾアクチュエータ２
１３がコンデンサでもあるため所定の電圧を印加する場
合、印加回路に突入電流制限のための制限抵抗２１２を
挿入する必要がある。そのためピエゾアクチュエータ２
１３が電源電圧に近づくと制限抵抗２１２によりピエゾ
アクチュエータ２１３へ漬れ込む電流が少なくなり、ピ
エゾアクチュエータ２１３の昇圧スピードが低下する。

すなわち、電圧立ち上がりが遅くなるという欠点があっ
た。また、制限抵抗２１２の抵抗値を小さくして立ち上
がりを改善するためには突入大電流に耐えるスイッチ素
子が必要であるが、ピエゾ素子はコンデンサでもあるた
め電源電圧に到達したあとはほとんど電源が流れず無駄
であった。さらには電圧印加回路と別に放電回路が必要
であった。ピエゾブレス（ピエゾ素子を使用したプレス
）に使用するようなハイパワーのピエゾ素子は高電圧を
印加する必要があり、高価な有接点リレーを使用する必
要がある。この場合、制限抵抗を小さくするととニジ素
子が積層電極間で短絡した場合、回路遮断できなくなる
おそれがある。

本発明の目的は以上のような問題を解消したピエゾアク
チュエータの胆力電源装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため本発明はピエゾ素子に印加する
電圧よりも高電圧の直流電圧源と、直流電圧源からの電
圧をスイッチング可能にピエゾ素子に印加するための半
導体素子と、直流電圧源からの電圧印加によって得られ
たピエゾ素子の電極間電圧を検出して、当該検出値が所
定の値になったときに半導体素子をオフする制御手段と
を具える。

〔作　用〕

本発明によれば、ピエゾアクチュエータに印加する電圧
よりも高電圧の直流電源からの電圧を、例えばトランジ
スタによりピエゾ素子に印加し、ピエゾ素子の電８ｉ間
電圧を検出して所定の電圧になったらトランジスタをＯ
ＦＦすることによって当該ピエゾアクチュエータを駆動
する。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例を示す。第１図において、高
電圧直流電源ｌより可逆チョッパ回路２へ直流電圧を供
給する。可逆チョッパ回路２は三素子分の回路であり、
ビニシブレス３の上ポンチ、下ポンチおよび可動ストリ
ッパの駆動を各々行う３つのピエゾアクチュエータへ接
続されている。また、ピエゾブレス３のアクチュエータ
は回路切り換えでポーリング回路ｌＯおよび加熱回路１
１に接続できるようになっており、ピエゾアクチュエー
タに内蔵された積層型ピエゾ素子の分極状態が劣化した
場合、再分極処理を装置の分解をせずに行えるようにな
っている。

第４図はピエゾ素子にＡＣ電圧を印加した時の電圧−変
位曲線で、第５図はピエゾアクチュエータで使用する電
圧−変位曲線である。

４０１は初期状態、４０２はプラス側絶縁破壊直前の状
態、４０３はマイナス側分極反転位置、／１０４はマイ
ナス側絶縁破壊直前の状態、４０５はプラス側分極反転
位置、４０Ｂは変位原点、４０７は最大伸長点、４０８
は最大収縮点、４０９は変位軸、４１０は電圧軸、４１
１は降圧時の電圧−変位曲線、４１２は昇圧時の電圧−
変位曲線、ＶＲＩはマイナス側分極反転電圧、ＶＨ２は
プラス側分極反転電圧、ｖＰｌ＋ｖＰ２は絶縁破壊電圧
、ＳＭＡＸは最大変位、Ｖｎはマイナス電圧、ｖｏはプ
ラス電圧、Ｓｌは収縮変位、Ｓ２は伸長変位、Ｓ３は最
大使用変位である。

ピエゾアクチュエータの充電電圧は分圧回路３３で降圧
されて電圧モニタ表示回路１８により計測端子への電圧
出力と表示が行われる。可逆チョッパ回路２は可逆チョ
ッパ駆動回路１２により駆動される。可逆チョッパ駆動
回路１２には駆動パターンＲ（１Ｍ２０が接続され、こ
こからのデータを可逆チョッパ回路２を駆動する信号へ
変換している。駆動信号は動作表示回路２６で動作表示
に変換される。

第３図（１）は第１図の高電圧直流電源１、可逆チョッ
パ回路２と可逆チョッパ駆動回路１２の一実施例を示し
、３０１は交流電源、３０２は昇圧トランス、３０３〜
３０６は整流ダイオード、３０７は平滑コンデンサ、３
０８．３０９は制限抵抗、３１０〜３１３はスイッチン
グトランジスタ（ダイオード付）、３１４〜３２１は分
圧抵抗、３２２はＩ’１２Ｔ　、　３２３〜３２８はト
ランジスタベースドライブ回路、３２７〜３３４は回路
接続端子、３３５〜３３７は動作モード指令信号入力端
子、３３８，３３９は基準電圧入力端子、３４０，３４
１はコンパレータ、３４２〜３４５はオペアンプ、３４
６はマイナスモード電圧設定ボリューム、３４７．３４
８はプラスモード電圧設定ボリューム、３４９．３５０
は接続点である。

第３図（２）はピエゾ素子についてのプラスモードの電
圧印加経路、第３図（３）は同じくマイナスモードの電
圧印加経路、第３図（４）は同じ＜ＯＶモードでの電圧
放電経路を示し、第３図（１０）に示す表は第３図（１
）の回路動作真理値表である。

ここで第３図を参照して可逆チョッパ回路２について詳
述すると、１素子分は、ＮＰＮ　トランジスタを直列に
２個接続し、中点より端子を取り出したトランジスタモ
ジュール（トランジスタ３１０゜３１１．３１２，３１
３）を２組持つ回路からなり、この端子３４９．３５０
にピエゾ素子３２２を接続する。トランジスタのコレク
タ側を高電圧直流電源のプラス側に接続し、エミッタ側
を直流源１のマイナス側に接続する。第３図（２）およ
び（３）のように２組のトランジスタモジュールのうち
１組の直流源プラス側トランジスタをＯＮＬ、たときは
地組のモジュールの直流源マイナス側トランジスタをＯ
Ｎするようにする。これによりピエゾ素子へ正逆の電圧
を印加することができる。ここでピエゾ素子の分極状態
を反転させるような電圧の印加をマイナス印加モード（
第３図（３））、その逆をプラス印加モード（第３図（
２））とすると、プラスおよびマイナスモードの印加が
可能となる。

直流源の電圧をピエゾ素子へ印加する電圧より高電圧に
し、ピエゾ素子に電圧を印加する過程において、ピエゾ
素子のプラス電位端子と直流源のマイナスとの電位差を
分圧して取り出しく分圧回路３３）、これと予め設定し
た電圧と比較しく比較回路１９）、等しくなれば直流源
プラス側に接続されているトランジスタをＯＦＦ　Ｌ、
、ピエゾ素子の充電を停止し目標電圧とし、その後電圧
検出回路を通ってピエゾ素子の電荷が放電し、電圧があ
る幅低下した時にトランジスタをＯＮＬ、この過程を繰
り返すことで充電電圧を維持することができる（可逆チ
ョッパ駆動回路１２）。

さらに、第３図（４）のようにピエゾ素子の両端の電位
差がＯｖとなるように２組のトランジスタモジュールの
直流源のマイナス側に接続されたトランジスタが両組と
もＯＮＬ、、ピエゾ素子の電荷を放電し、この時直流源
めプラス側に接続されたトランジスタがＯＮＬないよう
に駆動ロジック回路上インターロックされるようなＯｖ
モードを持つ。

以上のような回路の駆動データはＲＯＭ２０に保持し、
アドレス指令によりピエゾブレスを駆動する。なお、Ｒ
ＯＭ２０には材料送りタイミング信号も書き込み、材料
送り装置４へ送出することかでき、これによりプレス動
作と材料送り動作の同期運転を可能にする。また後述の
ようにピエゾ素子が積層電極間で電気短絡した場合、直
流源プラス側トランジスタがＯＮ状態を継続するように
なる。

そこでこのＯＮ時間を検出し、予め設定した時間以上Ｏ
Ｎ応対をｍ続した場合は電源をＯＦＦする。

ピエゾアクチュエータの充電電圧は電圧指令３１または
変位指令３２と分圧回路３３を経由してフィードバック
される実測電圧または変位計５の出力を比較回路１９で
比較し、可逆チョッパ駆動回路１２へ印加状態をフィー
ドバックすることで目標充電電圧になるようコントロー
ルされる。ピエゾブレス３の動作は変位計５により計測
し、変位表示器６で表示され、変位原点指令７により表
示の原点リセットを行う。

ピエゾアクチュエータには寿命があり、そのひとつとし
て積層電極間の絶縁破壊による極間短絡がある。この故
障が発生すると直流源プラス側に接続されたチョッパ回
路のトランジスタが電圧印加指令の間ＯＮ状態を継続す
る。そこで素子短絡検出回路１５は予め設定したＯＮ時
間よりも長くチョッパ回路のトランジスタがＯＮ状態を
継続した場合、短絡異常信号を異常表示回路１６へ送出
し表示を行わせると共に異常処理回路１７へ異常信号を
送出する。異常処理回路１７は可逆チョッパ駆動回路１
２へ割り込み信号を送出し、可逆チョッパ回路２がＯＶ
モードとなるようにする。この結果、回路部品の焼損を
防止する。

さらにピエゾアクチュエータ動作寿命を動作回数記憶回
路１３に記録し、実使用回数と比較し、動作寿命に達し
た時、素子寿命表示回路１４により表示を行わせる。ピ
エゾアクチュエータに内蔵した圧電型荷重センサの信号
を電荷−電圧変換回路３４へ入力し、出力を荷重表示回
路３５でピエゾアクチュエータの動作荷重として表示す
る。また圧電型荷重センサの出力ドリフトを防ぐため駆
動パターンＲＯＭ２０の出力データよりピエゾアクチュ
エータの無負荷状態を検ａし、電荷−電圧変換回路３４
の入力端子を無負荷状態で短絡リセットするようにする
。

駆動パターンＲＯＭ２０はアト１ノスカウンタ２１によ
り読み出しアドレスを指定される。アドレスカウンタ２
１は基準クロック２４を分周回路２５で分周したクロッ
クまたは手動クロック３０でカウントＵＰする。アドレ
スカウンタ２１は駆動アドレス領域コントロール回路２
２により駆動パターンＲＯＭ２０の特定の領域を繰り返
し指定するようにされている。アト１ノスカウンタ２１
は動作繰り返ｊノ数コントロール回路２３により予め設
定した動作回数で停止するようにコントロールされる。

これにより必要生ａｆを正確にブレスすることが可能で
ある。

ディレィ回路２７は駆動パターンＲＯＭ２０より送出さ
れる材料送り装置４の駆動信号を受けて予め設定した時
間アドレスカウンタ２１のカウントを停止させる信号を
アドレスカウンタ２１に出力する。インタフェース２８
は他のピエゾブレス８を駆動するピエゾブレス駆動電源
９との制御信号の人ａ力を行う。

第３図（５）は電圧モニタ回路の実施例を示し、３５１
は差動回路であり、３５２．３５３は外部出力端子を示
し、ここに表示手段を接続する。

第３図（６）および第３図（８）は素子の電圧を基２１
！電圧と比較１ノ、トランジスタの０Ｎ−ＯＦＦを制御
する比較回路１９の実施例で、その時の素子電圧と変位
を第３図（７）および第３図（９）の（ａ）と（ｂ）に
示す。第３図（９）の（Ｃ）と（ｄ）は制御電圧幅を広
くし、機械的摩擦抵抗の低減時の一実施例を示す。

第６図（１）と第６図（２）はとニジブレス駆動電源と
ピエゾブレス装置との接続概念図であり、６０１は直流
電源、６０２は可逆チョッパ回路、６０３は制御回路、
６０４　は駆動パターンＩ（ＯＭ　、　６０５〜６０７
は積層型ピエゾアクチュエータ、６０８はモータドライ
バ、６０９はモータ、６ｉｏ、ａｔｔは送りローラ、６
１２は被加工材、６１３はプーリ、６１４は下ポンチ、
６１５は上ポンチ、６１Ｂは可動ストリッパ、６１７は
ブレスフレームである。

第６図（３）はピエゾアクチュエータと駆動電源の接続
概念図であり、６０１は直流電源、６０２は可逆チョッ
パ回路、６０３は制御回路、６２４はケース、６２５は
積層型ピエゾアクチュエータ、６２６は可動片、６２７
は復帰ばねである。

第７図はピエゾブレスを用いた加工工程と制御電圧波形
を示し、７０１は下ダイ、７０２は下ポンチ、７０３は
ブランク、７０４は可動ストリッパ、７０５は上ポンチ
、７０［ｉはブランク、７０７は可動ストリッパ駆動電
圧、７０８は外部制御出力、７０９は上ポンチ駆動電圧
、７１０は下ポンチ駆動電圧、７１１は前抜き工程終了
状態、７１２はポンチ逃げ工程、７１３は材料送り工程
、７．１４は材料固定工程、７１５は上ポンチ半抜き工
程、７１６は上ポンチ逃げ、７１７は逆抜き工程、７１
８は下ポンチ逃げ、７１ｇはプツシユバツク工程である
。

第８図はピエゾアクチュエータ短絡検出と回路保護動作
の説明図であり、８０１はプラスモード、８０２はマイ
ナスモード、８０３はプラスモード、８０４は積層電極
間短絡時点、８０５は短絡電流、８０６は回路停止時点
、８０７は突入電流、８０８は素子電圧維持電流、８０
９はピエゾアクチュエータ電圧、８１０は回路電流、８
１１，８１２は制御信号、８１３は合成信号、８１４は
ＯＶモード、ｔｌは正常動作時最長通電時間、ｔ２は短
絡検出時間、８１５は回路停止信号である。

第９図はトランジスタベースドライブ回路３２３〜３２
６の実施例を示しく富士時報ＵＤＣ６２１，３８２゜０
４９．７７）　、第１０図（１）　、　（４）および（
５）は単抜き時の駆動パターンの実施例を示し、第１０
図（２）および（３）はポンチ可動片の変位とその時の
駆動電圧を示す。ｖｌは可動ストリッパ駆動電圧、ｖ２
はポンチ駆動電圧、Ｓは外部制御出力、ｖ２１＋ｖ２２
はアクチュエータ駆動電圧、Ｓｌは基準電圧の９０°位
相信号、Ｓ２は正弦波基準電圧、１００はアクチュエー
タ可動片衝突娠勅変位部を示す。

本発明実施例は以上の通りであるが、以上をまとめると
、下記の通りである。

１、プレスに付属した材料送り装置をｌ！ｌするための
信号を出力する。

２、ピエゾ素子が積層電極間で電気短絡を起こしたこと
を検出してピエゾアクチュエータへの電圧印加を停止す
る回路を持つ。

３、ピエゾアクチュエータへ印加している電圧を表示す
ると共に、印加電圧に比例した低電圧のモニタ出力を備
える。

４、ピエゾアクチュエータの動作量を外部より電圧信号
として受信し、予め設定した動作量となるようにアクチ
ュエータへ印加する電圧を可変する回路を持つ。

５、ピエゾアクチュエータの累積動作回数を表示し、ま
たそれを記憶し予め設定した回数以上動作した時それを
表示する。

６、材料送り装置へ起動信号を出力した後、予め設定し
た時間衣の動作に穆らず待つ回路を持ち、その時間を外
部から可変できるようにする。

７、プレス駆動プログラムをＲＯＭデータとして保持し
、数種類の動作パターンをアドレス切替えで使用できる
ようにする。

８、他のピエゾプレスへＲＯＭ　ａ出アドレスデータと
内部動作クロックおよび動作異常信号をインクフェース
回路を介して外部へ入出力できるようにする。

９、ピエゾアクチュエータへの電圧印加モードを表示す
る。

１０、可逆チョッパ回路としてＰＴＺ充電スピードを高
速化する。

１１　　設定電圧に達した後充電電圧が低下した時、一
定のヒステリシス幅の電圧でトランジスタをＯＮし電圧
を維持する。

１２、制御電圧幅を小さくし、かつ電圧脈動があっても
シリンダの機械系により吸収する程度の大きさの制御電
圧幅とする。

１３、制御電圧幅を大きくし１μ前後の振動を生じさせ
ることで機械系の摩擦抵抗を低減し、シリンダ動作スト
ロークの精度を向上する。

１４、　ＯＶモードを作ることでアクチュエータの変位
原点を得やすくする。

１５、　ｗＪ作四回数予め設定し、その回数で動作を停
止する。

１８、マイナス電圧を印加できるようにし、ピエゾ素子
の使用最大ストロークを大きくする。

１７、プラス電圧を２水準以上印加できるようにし、ブ
ツシュバックできるようにする。

１８、ピエゾ素子劣化を回復するために素子の分極処理
を行う回路を設け、この時分極時間を短くするために分
極反転しないＡＣ電圧を印加できる回路を付属させ、Ａ
Ｃ電圧印加による自己発熱を利用する自己発熱回路を設
ける。

１９、ピエゾアクチュエータの圧電型荷重センナの信号
を荷重信号に変換し表示する回路とプレス動作の同期し
てセンサのリセットを行う回路を持つ。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、１つの直流電源に
よって、速い立上がりでピエゾアクチュエータを駆動す
ることができる。したがって、例えば、上ポンチおよび
可動ストリッパーを備えた、さらには下ポンチをも備え
たプレス機゛械に本発明は好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の回路ブロック図、第２図は従
来例の回路図、 第３図（１）は第１図の要部回路図、 第３図（２）〜（４）はピエゾ素子の各モードの電圧印
加経路図、 第３図（５）は電圧モニタ回路の実施例を示す図、 第３図（６）および（８）は比較回路の実施例を示す図
、 第３図（７）および（９）は素子電圧と変位との関係を
示す図、 第３図（ｌＯ）は第３図（１）の回路の動作真理値表を
示す図、 第４図はＡＣ電圧印加時のピエゾ素子の電圧−変位曲線
を示す図、 第５図はピエゾアクチュエータで使用する電圧−変位曲
線を示す図、 第６図（１）および（２）はとニジブレス駆動電源とピ
エゾプレス装置との接続概念図、 第６図（３）はピエゾアクチュエータと駆動電源の接続
概念図、 第７図はピエゾブレスを用いた加工工程と制御電圧波形
を示す図、 第８図はピエゾアクチュエータ短絡検出と回路保護動作
の説明図、 第９図はトランジスタベースドライブ回路の実施例を示
す図、 第１０図（１）　、　（４）および（５）は単抜き時の
駆動パターンの実施例を示す図、 第１θ図（２）および（３）はポンチ可動片の変位とそ
の時の駆動電圧を示す図である。 １・・・高圧直流電源、 ２・・・可逆チョッパー回路、 ３・・・ピエゾブレス、 ４・・・材料送り装置、 ５・・・変位計、 ６・・・変位表示、 ７・・・変位原点指令、 ８・・・ピエゾブレス、 ９・・・ピエゾブレス駆動電源、 １０・・・ポーリング回路、 １１・・・加熱回路、 １２・・・可逆チョッパ駆動回路、 １３・・・動作回数記憶回路、 １４・・・素子寿命表示回路、 １５・・・素子異常検出回路、 １６・・・異常表示回路、 １７・・・異常処理回路、 １８・・・電圧そニタ表示回路、 １９・・・比較回路、 ２０・・・駆動パターンＲＯＭ　。 ２１・・・アドレスカウンタ、 ２２・・・駆動アドレス領域コントロール回路、２３・
・・動作繰り返し数コントロール回路、２４・・・基準
クロック、 ２５・・・分周回路、 ２６・・・動作表示、 ２７・・・プレイ回路、 ２８・・・インタフェース、 ２９・・・分周指令、 ３０・・・手動クロック、 ３１・・・電圧指令、 ３２・・・変位指令、 ３３・・・分圧回路、 ３４・・・電荷−電圧変換回路、 ３５・・・荷重表示回路。 第３図（６） （（７）　　　　　　　　　　　（ｂ）第３図（７） 第３図（８） （（７）　　　　　　　　　　　（ｂ）（ｃ）　　　　
　　　　　　　（ｄ） 第３図（９） ｌＩｋ声が Ｈ−Ｌ系号ｌ” 第３図（１０） 第４図 第５図 第６図（３） 第９図 Ｖｌ 第１０図（７） 第１Ｏ図（５） 第１０図（２）　　　　　　第１０図（３）第１０図（
４）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ピエゾ素子に印加する電圧よりも高電圧の直流電圧
   源と、 該直流電圧源からの電圧をスイッチング可能に前記ピエ
   ゾ素子に印加するための半導体素子と、 前記直流電圧源からの電圧印加によって得られた前記ピ
   エゾ素子の電極間電圧を検出して、当該検出値が所定の
   値になったときに前記半導体素子をオフする制御手段と
   を具えたことを特徴とするピエゾアクチュエータの駆動
   電源装置。