JPH0258280A - 圧電素子駆動装置 - 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］ 本発明は圧電素子駆動装置、特に所定の機械的駆動系と
結合された圧電素子に対して給電を行ない圧電素子に寸
法歪を発生させ駆動力を得る圧電素子駆動装置に関する
ものである。

［従来の技術］ 従来より、ワイヤドツトプリンタやインクジェットプリ
ンタの記録ヘッドにおいてワイヤを打撃する。あるいは
インク吐出を行なうための駆動力を発生する素子として
圧電アクチュエータが用いられている。このような圧電
アクチュエータの駆動回路として、第５図に示すような
回路が知られている。第５図において符号５１はトラン
ジスタなどから成るスイッチで、駆動信号のハイレベル
によって導通状態に制御される。スイッチ５■の一端は
装置の電源に接続され、他端および接地電位間には抵抗
Ｒ１および圧電素子５３の直列回路が接続されている。

圧電素子５３はワイヤドツトヘッドのワイヤ駆動機構、
あるいはインクジェットヘッドのインク吐出機構などか
ら構成される機械的駆動系５４と機械的に結合されてお
り、駆動時の寸法歪を駆動系５４に伝達するようになっ
ている。スイッチ５１、抵抗Ｒ１の接続点および接地電
位間にはスイッチ５１と同様にトランジスタから構成さ
れたスイッチ５２が挿入されており、このスイッチ５２
は復元信号のハイレベルによって導通する。

第５図の回路において、駆動信号および復元信号は第６
図の１段目、２段目に示すように制御される。すなわち
、圧電素子５３を駆動するタイミングにおいてまず駆動
信号をハイレベルにし、続いて駆動信号の消勢とともに
復元信号をハイレベルにする。これによって、圧電素子
５３の印加電波および印加゛電圧は第６図３段目、４段
目に示すように変化する。まず、駆動信号のハイレベル
によって励振電圧がスイッチ５■を介して圧？Ｉｉ　）
Ｒ子５３を瞬時に充電し、続いて駆動信号の消勢および
゛復元信号のハイレベルによってスイッチ５２、抵抗Ｒ
１による圧電素子５３の放電回路が形成され、圧電素子
５３に薯植されたｆｆｉ荷が瞬時放電される。第６図最
下段に示すように、圧電素子の寸法歪は駆動信号がハイ
レベルである充電期間において発生し、一方放電期間に
おいて原形に復帰するように変化する。

第５図のような回路ではスイッチ５１．５２の導通時に
流れる電流は相当大きな値になるため、過大な電流によ
ってスイッチ５１．５２が破損する危険があり、またこ
れらの寿命が低下するという問題がある。また、１回の
駆動ごとに圧電素子５３に充電された電荷が完全に放電
されるため。

その分だけよけいな電力が消費されるという問題もある
。

［発明が解決しようとする課題Ｊ 以上の問題に鑑み、特開昭５９−１９８８８５号には第
７図に示すような駆動回路が提案されている。第７図の
素子５１〜５４は第５図と同じものを示している。第７
図では圧電素子５３にコイルＬが接続されており、スイ
ッチ５１とコイルＬの接続点および接地電位間にはスイ
ッチ５２．抵抗Ｒ２の直列回路が接続されている。第７
図の回路の動作タイミングは第８図に示すようなもので
ある。

第８図の１．２段目に示すように、駆動信号のハイレベ
ル期間ｔｔにおいて制動信号はローレベルに制御される
。このパルス幅は圧″Ｉｙ、素子５３の寸法歪の往復動
のほぼ１周期に等しくなるように設定されている。駆動
信号がハイレベル、制動信号がローレベルとなる期間第
１においてはスイッチ５２が開放されているため、コイ
ルしおよび圧電素子５３が共振回路を構成する。この共
振波形は第８Ｖ！Ｊの圧電素子５３に流れる電流Ｉａの
波形に示すように、減衰振動となる。これは圧電素子５
３が比較的大きな抵抗成分を有しているためである。

一方、素子の電圧波形は第８図の３段目に示すように電
流波形とほぼ半周期ずれた波形となり、この電圧変化に
応じた圧電素子５３の寸法歪は第８図の最下段に示すよ
うになる。

第７図の回路では、コイルＬのインダクタンス成分を挿
入することによって大きな電流ピーク値が生じるのを防
止すること、またコイルと圧電素子の′心気的単振動に
より駆動終了時点で圧電素子の端子電圧、すなわち残留
電荷をほぼ０にすることが目的とされている。

ところが、実際には上記のようにコイルＬおよＩＪのよ
うに圧電素子５３の端子電圧Ｖａ、すなわち圧電素子５
３の充？ｔ！電荷がＯではなく、抵抗Ｒ２、スイッチ５
２によって残留電荷を放電しなければ次の期間において
同じ駆動動作を行なうことができない、この時の放電電
力は抵抗Ｒ２によってジュール熱となって消費されてお
り、駆動に寄与していない、また、放電期間の存在によ
って、駆動周波数を高速化するのが困難であるという問
題もある。

本発明のａｌＢは以上の問題を解決することである。

［課題を解決するための手段］ 以上の！ｌ！８を解決するために１本発明においては、
所定の機械的駆動系と接続された圧電素子に対して給電
を行ない圧電素子に寸法歪を発生させ駆動力を得る圧電
素子駆動装置において、圧電素子と、この圧゛准素子に
直列接続されたコイルと、前記圧電素子およびコイルの
直列回路に電源電圧を印加する第１のスイッチ手段と、
前記コイルおよび圧電素子の接続点を接地電位に短絡さ
せる第２のスイッチ手段を設け、前記圧電素子の非駆動
期間では第１のスイッチ手段を開放するとともに前記圧
電素子およびコイルの接続点と接地電位を短絡し、前記
圧電素子の駆動期間の第１の段階では前記第２のスイッ
チ手段で前記圧電素子およびコイルの接続点を接地電位
に短絡させたまま第１のスイッチ手段を閉成し続いて駆
動期間の第２の段階において第２のスイッチ手段を開放
状態に制御する構成、 あるいは更に前記駆動期間の第２段階の時間幅が前記圧
電素子およびコイルの直列回路の時定数により決定され
る駆動電流波形のほぼ１周期の長さに設定され、一方前
記第１段階の時間幅を所定に制御することにより、第２
段階の終了時点で前記圧電素子の端子電圧がＯ以下とな
るように前記第１段階から第２段階への遷移時点におけ
るコイルに流れる電流値を設定する構成、 あるいは更に前記圧電素子の非駆動期間では。

；ｔｊ記第２のスイッチ手段により前記駆動系の反作用
により生じる圧電素子の逆起電力を接地電位に流し圧電
素子および駆動系の制御を行なう構成を採用した。

［作　用］ 以北の構成によれば、前記駆動期ｎｆｌの第２段階で前
記圧電素子に電圧が印加される以前の第１段階において
、コイルのみに通電を行ないコイルに電気エネルギーを
蓄えるので、第２段階への遷移時点において大きな電波
値からコイルおよび圧電素子による単振動を開始させる
ことができ、回路中の抵抗成分が大きく電流波形の減衰
が大きい場合でも圧電素子の機械的変位が終了する駆動
電流波形１周期終了時において圧電素子の端子電圧、す
なわち残留電荷をＯにすることができる。また、圧電素
子の非駆動期間においては、第２のスイッチ手段により
駆動系の反作用による逆起電力をＪｌｔ位に流し、すみ
やかに駆動系の制動を行なえる。

［実施例］ 以下１図面に示す実施例に基づき１本発明の詳細な説明
する。

第１図に本発明を採用した圧電素子駆動装置の回路構成
を示す０図において符号４．５はトランジスタによる駆
動回路であり、スイッチ４はトランジスタＱ４、Ｑ５に
よって、またスイッチ５はトランジスタＱ６によって構
成されている。トランジスタＱ４のベースは抵抗Ｒ４を
介してそのエミッタに、また抵抗Ｒ５を介してエミッタ
接地のトランジスタＱ５のコレクタと接続されており。

トランジスタＱ５のベースに駆動信号が入力される。ト
ランジスタＱ４のエミッタには電源電圧が接続される。

トランジスタＱ４のコレクタは逆方向電圧を遮断するた
めのダイオードＤ４を介してコイルしに接続されている
。ダイオードＤ４のカソードおよびトランジスタＱ４の
エミッタには。

逆起方向電流を回生ずるためのダイオードＤ５が接続さ
れている。

コイルＬの他端および接地間にはスイッチ５および圧電
素子３が接続されている。スイッチ５を構成するトラン
ジスタＱ６のコレクタおよびエミッタ間にはトランジス
タＱ６に対する逆電圧をバイパスさせるためのダイオー
ドＤ６が接続されており、トランジスタＱ６のベースに
は本実施例に特有な制御信号として短絡信号が入力され
る。

圧電素子３は従来と同様にプリンタの記録ヘッドなどの
駆動系５４と機械的に結合されている。

次に、第１図の回路の動作を第２図のタイミングチャー
ト図を参照して説明する。

スイッチ４．５にそれぞれ入力される駆動信号および短
絡信号は次のように制御される。すなわち、第２図の１
．２役目に示すように、まず駆動信号が時刻ａにおいて
ハイレベルにされ、続いてそれまでハイレベルであった
短絡信号が時刻すにおいてローレベルに制御され、さら
に時刻Ｃにおいて駆動信号がローレベルに、また短絡信
号がノ＼イレベルに制御される。このような制御によっ
て、第１図中にそれぞれ示した電圧Ｖａ、電流ＩｆＬ、
１ＥＶｌ電流Ｉｐ、お、Ｊ−び電圧Ｖｐｌ＊ｉ２図の３
〜７段目に示すように変化する。

次に上記の時刻ａ−Ｃによって区切られる期＋１ＪＩｔ
ｏ−ｔ３の動作を順次説明する。

まず、期間ｔｏの後、駆動信号および短絡信号が両方と
もハイレベルとなる期間ｔｉでは、コイルＬに電源電圧
が印加されて短絡状態となる。この時コイルに流れる電
流第１は第２図４段目に示すように三角波状でほぼ直線
的に増加し、ＩＯまで増加する。この値ＩＯの設定につ
いては後述する。

次に′ｊ４１ｋｌＪ信号がローレベルとなる期間ｔ２に
おいてはスイッチ５が開放されるため、コイルＬおよび
圧？Ｉ！素子３の共振によって電流１文の波形は期間ｔ
ｌにおける直線と接するような余弦波の波形となる。こ
の電流波形によって圧電素子３の充電が行なわれる。こ
の充電開始時点における充電Ｍ、流値工０は、ｆｆ１８
図の従来例の０（３段目の符号ＩＩ）よりもかなり大き
いイめである。

その後１期間ｔ２において電流Ｉ文はコイルＬのインダ
クタンス、圧電素子３の容量で定まる周期をもち、スイ
ッチ４、コイルＬの抵抗成分および圧電素子３の抵抗成
分との和によって構成される回路全体の抵抗成分によっ
て規定された減衰振動波形を描く０期間ｔ２の時間幅は
この電流波形のほぼ１周期に相当する長さに定める０期
間ｔ２において、コイルＬの両端電圧７文および圧電素
子３の充電電流Ｉｐはヒ記電流工文に応じて第２図の５
．６段目に示すように変化する。

一方、圧電素子３の両端電圧ＶＰは、第２図７段目に実
線で示された波形ｖｐｔのように、上記期間ｔ２の終了
時には必ずＯないしそれ以下の値となり、圧電素子３に
残留電荷が残ることがない、これは、電圧Ｖｐの波形は
減衰波形であるが、電流ＩｎないしＩｐの期間ｔ２にお
ける初期値が期間ｔｌを設けることで正の電流値となっ
ており、いいかえればコイルしに蓄積された電力も圧１
ｒｔ素子充電に用いられるために単振動の１周期終了時
点においても必ず圧電素子３の両端電圧Ｖｐの波形がＯ
ポルトより下の位置を通ることになるからである０期間
ｔｌを設けず時刻すにおいて駆動信号および短絡信号を
同時にそれぞれハイレベルおよびローレベルにした場合
には、圧電素子の電圧波形Ｖｐ２が、従来例の第８図と
同様に時刻Ｃでは０ポルト以上であり、必ず残留電荷が
残ってしまうが、上記構成によればこのような問題がな
い。

なお、圧電素子３の端子電圧波形が期間ｔ２の終了時に
おいて負側に振れた場合でも２この逆電圧はダイオード
Ｄ６により接地電位に還流される。

以上のようにして、過大な電流ピーク値を発生すること
なく、シかも特別な放電回路を設けずに圧電素子３の残
留電荷を駆動終了時においてＯにできる理想的な圧電素
子の駆動が可能である。

さらに上記の制御によれば、非駆動期間である期間ｔＯ
，ｔ３においてはスイッチ５によって圧型素子３の両端
が短絡状態となるため、駆動系５４の反作用によって発
生する逆起電力をスイッチ５のトランジスタＱ６とダイ
オードＤ６によって消費することができ、駆動機構の制
動を行なえる。

また、期間Ｅ２において、圧電素子３に充電される電荷
はスイッチ４のダイオードＤ５を介して′電源回路に完
全に回生ずることが可能であり、放電による無駄な電力
消費がない。

すなわち、上記実施例によれば、圧Ｍｌ素子の駆動時に
過大な充放電電流が流れず、スイッチ４゜５の破損や寿
命の短縮を防ＩＦでき、また、圧電素子に残留する充７
Ｉ！電荷を放電回路により無駄に消費することがなく、
充電電荷を全て電源側に回生できる効率のよい圧電素子
駆動装置を提供できる。また、スイッチ４．５を構成す
るトランジスタの選定が容易になるため、製造コストも
低誠でき、またこれらのトランジスタの小型化によって
装ご全体の小型軽量化を図ることができる。

第１図の回路構成では圧電素子３に流れて充電が開始さ
れるのは短絡信号がローレベルになる期第１！Ｉ　ｔ　
２においてである。つまり、コイルＬが短絡されている
期間ｔｌにおいては圧電素子３には寸法歪が発生せず、
駆動力の発生タイミングに遅延が生じる。

この遅延を除去するには、第３図に示すようにスイッチ
５およびコイルＬの間に抵抗Ｒ６を挿入することが考え
られる。第３図の回路構成では、第４図のような動作が
行なわれる。

第４図における駆動信号および短絡信号の制御は第２図
と全く同じであるが、第２図と異なるのは期間ｔｌにお
ける動作である。この期間ｔ１では抵抗Ｒ６の端子電圧
が生じ、この電圧が圧電素子３に印加される。この結果
、期間ｔ１においても第４図６段目、７段目に示すよう
に圧電素子３の駆動型？ｉＩｐ、駆動電圧Ｖｐが印加さ
れ、この期間から８段目に示すように圧電素子３の寸法
歪を発生させることができる。第３図の構成によれば、
圧電素子３の変形開始タイミングを早めることができ、
より高速な圧電素子の駆動が可能となる。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明によれば、所定の機械
的駆動系と接続された圧電素子に対して給電を行ない圧
電素子に寸法歪を発生させ駆動力を得る圧電素子駆動装
置において、圧電素子と。

この圧電素子に直列接続されたコイルと、前記圧電素子
およびコイルの直列回路に電源電圧を印加する第１のス
イッチ手段と、前記コイルおよび圧’ｉｌｔ素子の接続
点を接地電位に短絡させる第２のスイッチ手段を設け、
前記圧″７ｒ！、素子の非駆動Ｍ間では第１のスイッチ
手段を開放するとともに前記圧電素子およびコイルの接
続点と接地電位を短絡し、前記圧電素子の駆動期間の第
１の段階では前記第２のスイッチ手段で前記圧電素子お
よびコイルの！Ｉｔｂ１点を接＃！電位に短絡させたま
ま第１のスイッチ手段を閉成し続いて駆動期間の第２の
段階において第２のスイッチ手段を開放状態に制御する
構成を採用しているので、前記駆動期間の第２段階で前
記圧電素子に電圧が印加される以前の第１段階において
、コイルのみに通電を行ないコイルに電気エネルギーを
蓄えるので、第２段階への遷移時点において大きな電流
値からコイルおよび圧電素子による単振動を開始させる
ことができ。

回路中の抵抗成分が大きく電流波形の減衰が大きい場合
でも圧電素子の機械的変位が終了する駆動電流波形１周
期終了時において圧電素子の端子電圧、すなわち残留電
荷をＯにすることができ、充電電荷を全て電源側に回生
じ、圧電素子に残留する充電電荷を放電回路により無駄
に消費することがない、またコイルおよび圧電素子の単
振動回路により大きな電流ピークを発生することがない
ため、装はの小型軽量化、簡略化、コストダウンが可能
である。なお、圧電素子の非駆動期間では、機械的駆動
系の反作用により生ずる圧電素子の逆起電力を接地電位
に流し圧電素子および駆動機構の制動を行なうことがで
きるので、駆動機構の安定が早く高速での駆動が可能で
あるなどの優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を採用した圧電素子駆動装置の構成を示
す回路図、第２図は第１図の回路の動作を示したタイミ
ングチャート図、第３図は異なる圧電素子駆動装置の構
成を示した回路図、第４図は第３図の回路における動作
を示したタイミングチャート図、第５図以降は従来構造
を示すもので、第５図は従来の圧電素子駆動装置の一例
を示した回路図、第６図は第５図の回路における動作を
示したタイミングチャート図、第７図は異なる従来回路
を示した回路図、第８図は第７図の回路における動作を
示したタイミングチャート図である。 ３・・・圧電素子　　　　４．５・・・スイッチＲ４、
Ｒ５・・・抵抗　　Ｄ４〜Ｄ６・・・ダイオードＱ４〜
Ｑ６・・・トランジスタ　Ｌ・・・コイル５４・・・駆
動系 ＃つｆｎ１、し丁二タイミこン′７゛トート匹りｔ＄、
２図 ｌ ５ス１ッ手 アクシしヱを、４−点宸し６区賠をω 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）所定の機械的駆動系と接続された圧電素子に対して
   給電を行ない圧電素子に寸法歪を発生させ駆動力を得る
   圧電素子駆動装置において、圧電素子と、 この圧電素子に直列接続されたコイルと、 前記圧電素子およびコイルの直列回路に電源電圧を印加
   する第１のスイッチ手段と、 前記コイルおよび圧電素子の接続点を接地電位に短絡さ
   せる第２のスイッチ手段を設け、 前記圧電素子の非駆動期間では第１のスイッチ手段を開
   放するとともに前記圧電素子およびコイルの接続点と接
   地電位を短絡し、 前記圧電素子の駆動期間の第１の段階では前記第２のス
   イッチ手段で前記圧電素子およびコイルの接続点を接地
   電位に短絡させたまま第１のスイッチ手段を閉成し続い
   て駆動期間の第２の段階において第２のスイッチ手段を
   開放状態に制御することを特徴とする圧電素子駆動装置
   。 ２）前記駆動期間の第２段階の時間幅が前記圧電素子お
   よびコイルの直列回路の時定数により決定される駆動電
   流波形のほぼ１周期の長さに設定され、一方前記第１段
   階の時間幅を所定に制御することにより、第２段階の終
   了時点で前記圧電素子の端子電圧が０以下となるように
   前記第１段階から第２段階への遷移時点におけるコイル
   に流れる電流値を設定することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の圧電素子駆動装置。 ３）前記圧電素子の非駆動期間では、前記第２のスイッ
   チ手段により前記駆動系の反作用により生じる圧電素子
   の逆起電力を接地電位に流し圧電素子および駆動系の制
   動を行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１項また
   は第２項に記載の圧電素子駆動装置。