JPH04176662A

JPH04176662A - 圧電素子の駆動回路

Info

Publication number: JPH04176662A
Application number: JP2305672A
Authority: JP
Inventors: Masashi Suzuki; 正史鈴木
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1990-11-09
Filing date: 1990-11-09
Publication date: 1992-06-24

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】［産業上の利用分野コこの発明は圧電素子の駆動回路に関するものであり、特
に圧電素子の駆動後に圧電素子の静電容量によって圧電
素子に残留する静電エネルギを再利用する技術に関する
ものである。

［従来の技術］従来、圧電素子の駆動回路として、たとえば特開平２−
４１２５８号に記載されているものがある。この駆動回
路を第８図に示す。この駆動回路においては、直流電源
Ｅ２、トランスＴＦ３の一次巻線、トランジスタＴＲ３
が順次直列に接続され、閉回路が形成されている。直流
電源Ｅ２の正極側はトランスＴＦ３の一次巻線に接続さ
れている側であり、直流電源Ｅ２の負極側はトランジス
タＴＲ３に接続されている側である。トランジスタＴＲ
３の順方向はトランスＴＦ３から直流電源Ｅ２の負極側
へ向かう向きとされている。また、トランスＴＦ３の一
次巻線にはダイオードＤ５とコンデンサＣ２とを直列接
続したものが並列に接続されている。ダイオードＤ５の
順方向はコンデンサＣ２から直流電源Ｅ２の正極に向か
う向きとされている。さらに、コンデンサＣ２には抵抗
Ｒ２が並列に接続されている。

一方、トランスＴＦ３の二次側回路として１．トランス
ＴＦ３の二次巻線、ダイオードＤ６、圧電素子Ｐ２が順
次直列に接続され、閉回路が形成されている。ダイオー
ドＤ６の順方向はトランスＴＦ３から圧電素子Ｐ２の正
極側に向かう向きとされている。また、抵抗Ｒ３とトラ
ンジスタＴＲ４とを直列に接続したものが圧電素子Ｐ２
に並列に接続されており、トランジスタＴＲ４の順方向
は抵抗Ｒ３から圧電素子Ｐ２に向かう向きとされている
。

なお、トランスＴＦ３の一次巻線と二次巻線とは極性が
逆向きとなっている。

第８図の回路では、圧電素子Ｐ２の寸法歪を生じさせる
ために、まず、トランジスタＴＲ３に駆動信号（以後、
充電信号という）を与える。すると、直流電源Ｅ２より
トランスＴＦ３の一次巻線に一次電流が流れる。このと
き、ダイオードＤ６があるためトランスＴＦ３の二次巻
線には二次電流が流れない。トランジスタＴＲ３の充電
信号を停止すると、トランスＴＦ３の一次巻線に一次電
流が流れ続けることができなくなり、トランスＴＦ３の
電流エネルギによって二次電流が発生する。

この二次電流によって、トランスＴＦ３の二次巻線より
ダイオードＤ６を介して圧電素子Ｐ２が充電される。

圧電素子Ｐ２は電気回路的にはほぼコンデンサと同等の
動作をする。そして、圧電素子Ｐ２に電荷が蓄えられる
と圧電素子Ｐ２は寸法歪を生じる。

圧電素子Ｐ２は寸法歪を元に戻すために圧電素子Ｐ２へ
の駆動電力の印加を中止しても、電気的にコンデンサと
等価なため圧電素子Ｐ２内に電荷が残留し、圧電素子Ｐ
２の寸法歪が持続される。したがって、圧電素子Ｐ２の
寸法歪を元に戻すためには圧電素子Ｐ２の電荷を放電す
る必要がある。

そのため、トランジスタＴＲ４に駆動信号（以後、放電
信号という）が与えられ、圧電素子Ｐ２に蓄えられた電
荷は抵抗Ｒ３の熱エネルギとして消費されて放電され、
圧電素子Ｐ２の寸法歪が元に戻される。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、前述した圧電素子の駆動回路にはつぎの
ような問題点がある。すなわち、前述したように、圧電
素子Ｐ２の駆動を終了する場合は、圧電素子Ｐ２の静電
容量に蓄えられていた静電エネルギは抵抗Ｒ３によって
熱エネルギに変換されて消費されるため、圧電素子Ｐ２
の静電容量に蓄えられていた静電エネルギを次回の圧電
素子Ｐ２の駆動電力として再利用することができなかっ
た。

この発明は前述した課題を解決するためになされたもの
であり、圧電素子の駆動後に圧電素子の静電容量によっ
て圧電素子に残留する静電エネルギを次回の圧電素子の
駆動電力として再利用する駆動回路を提供するものであ
る。

［課題を解決するための手段］この発明の圧電素子の駆動回路は、直流電源とトランス
の一次巻線とによって閉回路を成す、常には充電を阻止
する状態にあるが、駆動指令の入力に伴って充電を許容
する状態となり、前記充電を許容する状態となってから
一時期を経過した後に原状態に復帰する第１の状態制御
手段と、前記トランスの二次巻線と前記圧電素子とによ
って閉回路を成す、常には放電を阻止する状態にあるが
、前記駆動指令の入力時から前記一時期と同時あるいは
その時期を経た所定期間経過時に放電を許容する状態と
なり、少なくとも前記第１の状態制御手段が次に前記充
電を許容する状態になる時期までには原状態に復帰する
第２の状態制御手段とを備えている。

［作用］前述したように構成されたこの発明の圧電素子の駆動回
路において、圧電素子を駆動する場合、第２の状態制御
手段を放電を阻止する状態、すなわち、非導通状態にし
ておき、第１の状態制御手段を充電を許容する状態にす
ることにより、トランスの一次巻線に電流が流れる。つ
ぎに、第１の状態制御手段を充電を阻止する状態に転じ
る。この状態の変更の一連の動作を行うことにより、ト
ランスの二次巻線に電流が流れ、圧電素子が充電され、
圧電素子に寸法歪みが生じる。

一方、圧電素子の駆動を終了する場合は、第２の状態制
御手段を放電を阻止する状態より放電を許容する状態に
転じる。すると、圧電素子の静電容量に蓄えられていた
静電エネルギによってトランスの二次巻線に電流が流れ
、前述した静電エネルギがトランスに伝達される。その
ため、圧電素子の静電容量に蓄えられていた静電エネル
ギが零となり、圧電素子の寸法歪みがなくなる。そして
、そのエネルギはトランスの一次巻線より電源に回生さ
れる。

［実施例］以下、この発明を、インパクト型ドツトプリンタ用印字
ヘッドの印字ワイヤを駆動する圧電型アクチュエータの
駆動源である圧電素子の駆動回路に適用した場合におけ
る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

まず、第１実施例について第１図から第３図を参照して
説明する。

圧電型アクチュエータは第２図に示すように、多数の圧
電素子Ｐが一直線方向（図において上下方向）に沿って
積層されて成る積層圧電素子１゜を備えている。積層圧
電素子１０は、各々が積層圧電素子１０と平行に延び、
かつ積層圧電素子１０を中心として積層方向と直角な方
向に並ぶ２つのフレーム１２．１４に支持されている。

積層圧電素子１０の両端面にはそれぞれ、共に直方体状
を成す可動子１６と温度補償材１８とが固着されている
。可動子１６の積層方向に平行な一側面が、互いに重ね
合わせられた一対の板ばね２０．２２を介してフレーム
１２の面２４に対向させられ、また、温度補償材１８の
積層圧電素子１０との固着面とは反対側の背面が、フレ
ーム１２の面２６に対向させられている。可動子１６と
板ばね２０．および板ばね２２とフレーム１２の面２４
はそれぞれ互いに固着されているが、板ばね２０．２２
同士はそれらの面に沿って摺動可能に接触させられてい
る。また、フレーム１２には、温度補償材１８に接触し
てそれを可動子１６に接近させるピン２８が固定されて
いる。これにより、積層圧電素子１０は、積層方向に僅
かな圧縮力が残る状態でフレーム１２．１４に取り付け
られている。したがって、積層圧電素子１０に電圧が印
加されて積層圧電素子１０が積層方向に伸びれば、板ば
ね２０が板ばね２２に対して相対的に正方向（図におい
て上方）へ移動し、一方、積層圧電素子１０から電圧が
除去されて積層圧電素子１０が縮めば、板ばね２０が板
ばね２２に対して逆方向へ移動することとなる。

前記フレーム１４は積層圧電素子１０より長い長手形状
を成す弾性変形可能な板材で構成されており、フレーム
１４はフレーム１２の温度補償材１８に近接する部分と
可動子１６とを連結している。

一対の板ばね２０．２２の、積層圧電素子１０の側の端
部とは反対の端部（図において上側の端部）に、直線的
に延びる溝３２を有する保持部材３４が嵌合されている
。満３２の幅は板ばね２０．２２の板厚の和より大きく
されるとともに、各板ばね２０．２２とそれに対向する
溝３２の側面とが互いに固着されている。保持部材３４
からはアーム３６が延び出させられており、このアーム
３６の先端に印字ワイヤ３８が固定されている。この印
字ワイヤ３８は印字リボンを介して印字用紙に対向させ
られている。

したがって、積層圧電素子１０が延びて板ばね２０が板
ばね２２に対して相対的に上方へ滑べり、保持部材３４
が図において溝３２の中心線をほぼ中心として反時計方
向に回動させられると、印字ワイヤ３８が印字リボンを
介して印字用紙に押し付けられ、印字用紙上にドツトが
印刷される。この状態から積層圧電素子１０が縮めば、
保持部材３４が時計方向に回動させられる結果、印字ワ
イヤ３８の非作用位置は、フレーム１４に固定の低反発
性ゴム製ストッパ４０にアーム３６が当接することによ
って規定される。

第１図に積層圧電素子１０の駆動回路を示す。

この駆動回路においては、直流電源Ｅ１、トランスＴＦ
Ｉの一次巻線、トランジスタＴＲＩが順次直列に接続さ
れ、閉回路が形成されている。直流電源７の正極側はト
ランスＴＦＩの一次巻線に接続されている側であり、直
流電源Ｅ１の負極側はトランジスタＴＲＩに接続されて
いる側とされている。トランジスタＴＲＩの順方向はト
ランスＴＦＩから直流電源Ｅ１の負極側へ向かう向きと
されている。さらに、トランジスタＴＲＩにはダイオー
ドＤ１が並列接続されており、ダイオードＤ１の順方向
はトランジスタＴＲＩの順方向と逆向きとされている。

また、トランスＴＦＩの一次巻線にはダイオードＤ３と
コンデンサＣ１とを直列接続したものが並列に接続され
ている。ダイオードＤ３の順方向はコンデンサＣ１から
直流電源Ｅ１の正極に向かう向きとされている。さらに
、コンデンサＣ１には抵抗Ｒ１が並列に接続されている
。ダイオードＤ３とコンデンサＣ１と抵抗Ｒ１で構成さ
れる回路はスナバ回路と呼ばれ、トランジスタＴＲＩの
動作時のトランジスタＴＲＩの破損を防ぐ働きをする。

一方、トランスＴＦＩの二次側回路として、トランスＴ
ＦＩの二次巻線、圧電素子Ｐ１、トランジスタＴＲ２が
順次直列に接続され、閉回路が形成されている。トラン
ジスタＴＲ２の順方向はトランスＴＦ１から圧電素子Ｐ
１に向かう向きとされている。また、トランジスタＴＲ
２にはダイオードＤ２が並列接続されており、ダイオー
ドＤ２の順方向は並列に接続されているトランジスタ２
の順方向と逆向きとされている。

なお、トランスＴＦＩの一次巻線と二次巻線とは極性が
逆向きとなっている。また、トランジスタＴＲＩが本発
明を構成する第１の状態制御手段を構成し、トランジス
タＴＲ２が本発明を構成する第２の状態制御手段を構成
する。

上記のように構成された第１実施例の駆動回路では、印
字を行うため圧電素子Ｐ１に寸法歪を生じさせるには、
まず、時刻ｔｏにおいて、トランジスタＴＲＩに、第３
図（Ａ）に示すように充電信号を与える。すると、直流
電源Ｅ１よりトランスＴＦ１の一次巻線に第３図（Ｃ）
に示すように、三角波状の一次電流が流れる。このとき
、ダイオードＤ２があるためトランスＴＦＩの二次巻線
には第３図（Ｄ）に示すように二次電流が流れない。

時刻１０から所定時間経過した時刻ｔ１において、トラ
ンジスタＴＲＩの充電信号を停止すると、トランスＴＦ
Ｉの一次巻線に一次電流が流れ続けることができなくな
り、トランスＴＦＩに貯えられたエネルギによって、ト
ランスＴＦＩの二次巻線に第３図（Ｄ）に示すように、
三角波状の二次電流が発生する。この二次電流によって
、ダイオードＤ２を介して圧電素子Ｐ１に第３図（Ｅ）
に示す電圧が印加され、圧電素子ＰＩは充電される。

印字が終了する時刻ｔ２において、圧電素子Ｐ１の寸法
歪を元に戻すためにトランジスタＴＲ２に第３図（Ｂ）
に示すように放電信号を与える。

すると、圧電素子Ｐ１よりトランスＴＦＩの二次巻線に
第３図（Ｄ）に示すように二次電流が流れる。このとき
、ダイオードＤ１があるためトランスＴＦＩの一次巻線
には一次電流が流れない。

時刻ｔ２から所定時間経過した時刻ｔ３において、トラ
ンジスタＴＲ２の放電信号を停止すると、トランスＴＦ
Ｉの二次巻線に二次電流が流れ続けることができなくな
り、トランスＴＦＩのエネルギによって、トランスＴＦ
Ｉの一次巻線に第３図（Ｃ）に示すように、時刻ｔｏと
時刻ｔ１の間に流れる一次電流とは逆方向に一次電流が
流れる。

この−次電流によって、圧電素子Ｐ１に充電されたエネ
ルギがダイオードＤ１を介して直流電源Ｅ１に回生され
る。この直流電源Ｅ１に回生されたエネルギは圧電素子
Ｐ１の次回の駆動に使用することができる。

つぎに、第２実施例について第４図および第５図を参照
して説明する。第２実施例の圧電型アクチュエータは第
１実施例のものと同一であるため、アクチュエータの説
明は省略する。第２実施例の駆動回路を第４図に示す。

この第２実施例の駆動回路において第１実施例と同一部
材は同じ番号を付し、その説明は省略する。第２実施例
の駆動回路と第１実施例の駆動回路とはトランスが異り
、第２実施例のトランスＴＦ２は一次巻線と二次巻線の
極性が同一になる。

この第２実施例の駆動回路で、印字を行うため圧電素子
Ｐ１の寸法歪を生じさせるには、まず、時刻１０におい
て、トランジスタＴＲＩに第５図（Ａ）に示すように充
電信号を与える。すると、直流電源Ｅ１よりトランスＴ
Ｆ２の一次巻線に第５図（Ｃ）に示すように一次電流が
流れる。このとき、トランスＴＦ２の二次巻線の極性は
一次巻線と同一であるため、トランスＴＦ２の二次巻線
には第５図（Ｄ）のように二次電流が流れる。この二次
電流によって、ダイオードＤ２を介して圧電素子Ｐ１が
第５図（Ｅ）に示すように充電される。尚、充電信号は
時刻ｔｏから所定時間経過した時刻ｔ１に停止され、こ
の停止に伴って一時電流も流れなくなる。

印字が終了し、圧電素子Ｐ１の寸法歪を元に戻すために
はトランジスタＴＲ２に第５図（Ｂ）に示すように時刻
ｔ２に放電信号を与える。すると、圧電素子Ｐ１よりト
ランスＴＦ２の二次巻線には第５図（Ｄ）に示すように
二次電流が流れる。このとき、トランスＴＦ２の一次巻
線の極性は二次巻線と同一であるため、トランスＴＦ２
の一次巻線に第５図（Ｃ）に示すように、時刻ｔｏと時
刻ｔ１の間に流れる一次電流とは逆方向に一次電流が流
れる。この−次電流によって、トランスＴＦ２の一次巻
線よりダイオードＤ１を介して圧電素子Ｐ１に充電され
たエネルギが直流電源Ｅ１に回生される。この直流電源
Ｅ１に回生されたエネルギは圧電素子Ｐ１の次回の駆動
に使用することができる。

つぎに、第３実施例について第６図および第７図を参照
して説明する。第３実施例の圧電型アクチュエータも第
１実施例のものと同一であるため、アクチュエータの説
明は省略する。第３実施例の駆動回路を第６図に示す。

この第３実施例の駆動回路において第２実施例と同一部
材は同じ番号を付し、その説明は省略する。第６図に示
す第３実施例の駆動回路と第４図に示す第２実施例の駆
動回路とは、トランスＴＦ２の二次側の回路が異り、ダ
イオードＤ４とコイルＬ１が付加されている。

第２実施例においてトランジスタＴＲ２に並列に接続さ
れていたダイオードＤ２は、第３実施例ではダイオード
Ｄ２とコイルＬ１が直列に接続されたものになる。ダイ
オードＤ２の順方向は第２実施例のダイオードＤ２と同
一である。また、ダイオードＤ２とコイルＬ１の接続点
よりトランスＴＦ２と圧電素子Ｐ１との接続点に向かい
ダイオードＤ４が接続されている。ダイオードＤ４の順
方向はダイオードＤ２とコイルＬ１の接続点よりトラン
スＴＦ２と圧電素子Ｐ１との接続点に向かう方向とされ
ている。

上記のように構成された第３実施例の駆動回路で、印字
を行うため圧電素子Ｐ１の寸法歪を生じさせるには、ま
ず、時刻１０において、トランジスタＴＲ１に第７図（
Ａ）に示すように充電信号を与える。すると、直流電源
Ｅ１よりトランスＴＦ２の一次巻線に第７図（Ｃ）に示
すように、三角波状に一次電流が流れる。このとき、ト
ランスＴＦ２の二次巻線の極性は一次巻線と同一である
ため、トランスＴＦ２の二次巻線には第７図（Ｄ）に示
すように、三角波状の二次電流が流れる。このとき、二
次電流の流れる経路はトランスＴＦ２の二次巻線、圧電
素子Ｐ１、コイルＬ１、ダイオードＤ２の順であり、第
２実施例と異るのはコイルＬ１を介している点である。

したがって、このコイルＬ１の値により一次電流の値の
設計が簡便になるという利点がある。

時刻１０から所定時間経過した時刻ｔ１において、トラ
ンジスタＴＲＩの充電信号を停止しても、コイルＬ１に
は電流エネルギが残留するために、第７図（Ｅ）に示す
ようにコイルＬ１からダイオードＤ４を介して圧電素子
Ｐ１に電流が流れる。

このコイルＬ１の電流によって、圧電素子Ｐ１が第７図
（Ｅ）に示すように充電される。

印字が終了し、圧電素子Ｐ１の寸法歪を元に戻すための
動作は第２実施例の駆動回路と同一であるため、その説
明は省略する。

なお、これらの実施例の駆動回路では、本発明を構成す
る第１の状態制御手段および第２の状態制御手段として
トランジスタを使用したが、状態制御手段であればトラ
ンジスタである必要はなく、ＦＥＴなどを使用してもよ
い。

［発明の効果コ以上説明したように、この発明によれば、圧電素子の駆
動後に圧電素子の静電容量によって圧電素子に残留する
静電エネルギを次回の圧電素子の駆動電力として再利用
する駆動回路を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は本発明を具体化した第１実施例を示
し、第１図は第１実施例における圧電素子の駆動回路の
回路図、第２図はこの圧電素子をインパクト型ドツトプ
リンタの印字ヘッドに使用した場合の圧電型アクチュエ
ータを示す正面図、第３図は前記駆動回路の各部の波形
図である。第４図および第５図は本発明を具体化した第
２実施例を示し、第４図は第２実施例における圧電素子
の駆動回路の回路図、第５図は第４図の回路の各部の波
形図である。第６図および第７図は本発明を具体化した
第３実施例を示し、第６図は第３実施例における圧電素
子の駆動回路の回路図、第７図は第６図の回路の各部の
波形図である。そして、第８図は従来の圧電素子の駆動
回路の回路図である。図中、Ｅｌは直流電源、ＴＦＩはトランス、ＴＲ２はト
ランス、ＴＲ１はトランジスタ（第１の状態制御手段）
、ＴＲ２はトランジスタ（第２の状態制御手段）である
。

Claims

【特許請求の範囲】直流電源よりトランスを介して充電されることにより寸
法歪みを生じる圧電素子の駆動回路において、前記直流電源と前記トランスの一次巻線とによって閉回
路を形成し、常には前記充電を阻止する状態にあるが、
駆動指令の入力に伴って充電を許容する状態となり、前
記充電を許容する状態となってから一時期を経過した後
に原状態に復帰する第１の状態制御手段と、前記トラン
スの二次巻線と前記圧電素子とによって閉回路を形成し
、常には放電を阻止する状態にあるが、前記駆動指令の
入力時から前記一時期と同時あるいはその時期を経た所
定期間経過時に放電を許容する状態となり、少なくとも
前記第１の状態制御手段が次に前記充電を許容する状態
になる時期までには原状態に復帰する第２の状態制御手
段と、を備えたことを特徴とする圧電素子の駆動回路。