JPH04334982A - 圧電アクチュエータの振動駆動電源装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属箔をせん断加工し
て精密部品を製造するプレス機の動力源などに適用する
圧電アクチュエータの振動駆動電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プレス加工機の打ち抜き用金型駆動源に
用いる圧電アクチュエータの駆動電源装置として、チョ
ッパ回路を用いて圧電素子素子を駆動制御する方式のも
のが本発明と同一出願人より特開昭２−２９７９８３号
として既に提案されている。

【０００３】上記提案による電源装置では、４個のスイ
ッチング・トランジスタと制限抵抗を各辺に接続してブ
リッジ回路を構成したチョッパ回路を介して直流電源よ
り圧電素子に電圧を印加するようにし、該チョッパ回路
で圧電素子に対する動作モード（プラスモード，０Ｖモ
ード，およびリセット用のマイナスモード）の切換え，
および印加電圧の制御を行うようにしている。また、圧
電素子に対する電圧制御は、直流電源電圧を圧電素子の
動作電圧よりも高電圧にしておき、設定電圧と圧電素子
の端子電圧（充電電圧）とを比較してチョッパ回路のス
イッチング・トランジスタをチョッピングすることによ
り、圧電素子を設定電圧に対応した電圧に維持するよう
なフィードバック制御で対応している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】頭記のプレス加工機で
金属箔を打ち抜き加工する場合に、バリの発生を抑えて
高い加工精度を得るた加工方法として、打ち抜き用金型
を微小な振幅（ミクロンオーダー）で振動操作させなが
ら材料をせん断して打ち抜く振動加工法が知られている
。ところで、かかる振動加工を行うために、圧電アクチ
ュエータの圧電素子に対しプラスモードで高低二種類の
動作電圧を設定し、周期的に動作電圧を交互に切換えて
圧電アクチュエータに振動力を発生させるような使い方
をする場合には、設定電圧の切換えに追随して圧電素子
の電圧の立ち上がり（充電），立ち下がり（放電）を素
早く行って高い応答性を得ることが加工作業の高速化を
図る上で必要条件となる。

【０００５】かかる点、先記提案の駆動電源装置では、
設定電圧を低い電圧から高い電圧に切換えた際の動作電
圧の立ち上がり（充電）に対しては高い応答性が得られ
るものの、設定電圧を高い電圧から低い電圧に切換えた
際の動作電圧の立ち下がりでは素早い応答性が得られな
い。すなわち、前記提案の駆動電源装置には圧電素子に
対する特別な放電回路を備えてなく、圧電素子の動作電
圧を高い設定電圧（第１の電圧）から低い設定電圧（第
２の電圧）に下げるのに電圧印加回路（チョッパ回路）
の漏れ電流を利用して圧電素子にチャージされている余
剰電荷を放電するようにしている。このために放電時定
数が大きく、圧電素子の動作電圧が高い設定電圧から低
い設定電圧に移行するまでの応答に時間遅れが生じ、高
い周波数で圧電アクチュエータを振動駆動させることが
極めて困難であった。

【０００６】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、圧電アクチュエータに対し指定した高低二種類
の設定電圧の間で振動駆動する際に、設定電圧を切換え
る電圧指令に追随して圧電素子を高い応答速度で振動駆
動できるようにした圧電アクチュエータの振動駆動電源
装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の駆動電源装置は、設定電圧が高い電圧から
低い電圧に切換わるごとに、その初期段階で圧電素子に
チャージされている余剰電荷に対する放電回路をチョッ
パ回路内で形成するようにしたものであり、具体的には
、４個のスイッチング・トランジスタと制限抵抗とでブ
リッジを構成したチョッパ回路に対し、設定電圧の切換
え時に放電指令信号をチョッパ駆動回路に与え、これを
基に４個のスイッチング・トランジスタのうち圧電素子
に並列接続した２個のスイッチング・トランジスタをオ
ンに切換え制御して圧電素子の放電回路を形成させるも
のとする。

【０００８】また、前記の放電指令信号を得るために、
圧電素子の駆動周期に対応した周波数のパルス発振信号
を出力する発振回路と、前記発振信号のパルス立ち下が
りエッジを検出して放電指令信号を出力し、かつ圧電素
子の端子電圧が低い設定電圧まで降下した時点で放電指
令信号を停止させる信号エッジ監視回路を備え、該信号
エッジ監視回路から出力する放電指令信号をチョッパ駆
動回路に与えて圧電素子の端子間に放電回路を形成させ
るものとする。

【０００９】

【作用】上記の構成により、圧電素子をプラスモードで
振動駆動させる過程で設定電圧が高い第１の電圧から低
い第２の電圧に切換わと、これに同期して信号エッジ監
視回路から放電指令信号が出力し、この放電指令信号を
基にチョッパ回路が放電モードに切換わる。この放電モ
ードでは、チョッパ回路のブリッジを構成している４個
のスイッチング・トランジスタのうち、圧電素子と並列
に接続されているトランジスタをオンにして圧電素子の
端子間を短絡する放電回路を形成する。これにより、圧
電素子にチャージされている余剰電荷がオン動作したト
ランジスタ，制限抵抗を通じて放電し、圧電素子の端子
電圧が素早く降下して設定電圧の切換えに追随する。そ
して、圧電素子の端子間電圧が第２の電圧まで降下すれ
ば放電指令信号がオフとなるので、チョッパ回路は再び
定常モードに復帰して圧電素子を第２の設定電圧に相応
した動作電圧に維持するようチョッパ制御を行う。また
、発振信号に同期して設定電圧が第２の設定電圧から再
び第１の設定電圧に切換わればチョッパ回路を通じて圧
電素子が充電され、動作電圧が第１の設定電圧まで上昇
するような動作を繰り返す。

【００１０】

【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。まず、図１は振動電源装置のブロック回路図であり
、図において、１は圧電アクチュエータに組み込んだ積
層形の圧電素子、２は直流電源、３は圧電素子１に対す
る制御用のチョッパ回路、４はチョッパ駆動回路、５は
圧電アクチュエータの駆動パターンを格納したＲＯＭ、
６はアドレスカウンタ、７は電圧指令切換回路８から与
えられる高低二種の設定電圧と圧電素子１の端子電圧の
検出値とを比較する比較回路、９は圧電アクチュエータ
１の振動駆動周期に対応した周波数のパルス信号を発生
する発振回路、１０は信号エッジ監視回路である。 また、図２は前記した発振回路９，信号エッジ監視回路
１０の詳細回路図、さらに図３は直流電源２，チョッパ
回路３，チョッパ駆動回路４に対する詳細回路を示す図
である。

【００１１】また、図３において、チョッパ回路３は各
辺に接続した４個のスイッチング・トランジスタＴｒ１
　〜Ｔｒ４　と、制限抵抗Ｒ１〜Ｒ４とでブリッジ回路
を構成しており、各スイッチング・トランジスタＴｒ１
　〜Ｔｒ４　はチョッパ駆動回路４（トランジスタ制御
論理回路，各トランジスタのドライバ，放電指令信号に
対するＯＲ，ＡＮＤゲートなどで構成されている）から
の指令により個々にオン，オフ制御される。なお、圧電
素子１の端子電圧（動作電圧）は、圧電素子１の両端子
とアース側の間に接続した分圧抵抗の中間から引出した
端子１１を介して検出し、比較回路７（図１参照）にフ
ィードバック信号として出力するようにしている。一方
、図２において、発振回路９は圧電素子１を高低二種類
の動作電圧で振動駆動する所定周期に対応した周波数の
パルス発振信号を出力するものである。また、信号エッ
ジ監視回路１０は図示のように二つのフリップフロップ
１２，１３とＮＯＴゲート１４を図示のように組合わせ
たものであり、前記したパルス発振信号の各パルス毎に
その立ち下がりエッジを検出してフリップフロップ１２
を通じて放電指令信号を出力し、かつ後述のように圧電
素子１の端子電圧が低い設定電圧（第２の電圧）を下回
る値にまで降下した時点で比較回路７より出力する電圧
比較信号を基に、フリップフロップ１３からのリセット
信号でフリップフロップ１２の放電指令信号を停止する
ように動作する。

【００１２】次に上記構成の電源装置による圧電素子１
の駆動動作を図５に示したタイムチャートで説明する。 まず、電源装置に対してスタート指令を与えると、発振
回路９が発振スタート信号を受けて発振を開始する。ま
た、この発振回路９から出力するパルス発振信号に同期
して、電圧指令切換回路８からは高低２種類の設定電圧
に対応した電圧指令が交互に比較回路７に与えられ、こ
れを基にチョッパ駆動回路４はチョッパ回路３のスイッ
チング・トランジスタＴｒ１　とＴｒ４　をオン，Ｔｒ
２とＴｒ３　をオフにしたプラスモードで直流電源２の
電圧を圧電素子１に印加する。ここで、圧電素子１をま
ず第１の設定電圧Ｖ１（高い電圧）の下で充電を開始す
ると、この充電過程で比較回路７は圧電素子１の端子電
圧に対応したフィードバック信号と設定電圧Ｖ１とを比
較し、圧電素子１の端子電圧を設定電圧Ｖ１に維持させ
るようにチョッパ回路３のスイッチング・トランジスタ
Ｔｒ１，Ｔｒ４　をチョッピング制御する。

【００１３】一方、発振回路９からのパルス発振信号に
同期して電圧指令切換回路８からの電圧指令により設定
電圧が第１の電圧Ｖ１から第２の電圧Ｖ２（低い電圧）
に切換わり、同時にこの時点でパルス信号のパルスが立
ち下がると、この立ち下がりエッジを検出して信号エッ
ジ監視回路９から放電指令信号が出力され、この放電指
令信号を受けたチョッパ駆動回路４（図３参照）は強制
的にスイッチング・トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２　をオ
ン，　Ｔｒ３，Ｔｒ４　をオフにする放電モードに切換
える。これにより、図４で表すように圧電素子１に対し
てトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２　および制限抵抗Ｒ１，
Ｒ２　を経由する放電回路がチョッパ回路３の内部に形
成され、この放電回路を通じて圧電素子１にチャージさ
れていた余剰電荷が放電する。

【００１４】そして、放電により圧電素子１の端子電圧
が降下して第２の設定電圧Ｖ２より下回る値になると、
この条件で比較回路７から出力する電圧比較信号を基に
信号エッジ監視回路１０のフリップフロップ１３からの
出力でフリップフロップ１２がリセットされて放電指令
信号が停止する。また、放電指令信号が停止すれば、チ
ョッパ駆動回路４は再びプラスモードの状態に復帰する
とともに、圧電素子１を電圧を第２の電圧Ｖ２に維持す
るようにチョッパ回路３のスイッチング・トランジスタ
Ｔｒ１，Ｔｒ４　をチョッピング制御する。さらに、次
の周期で設定電圧が第２の電圧Ｖ２から再び第１の電圧
Ｖ１に切換わると、この設定電圧に対応したチョッパ制
御により、圧電素子１を充電して動作電圧を第１の電圧
Ｖ１まで高める。

【００１５】これにより、圧電素子１は所定の周期で動
作電圧が設定電圧Ｖ１，　Ｖ２の間を交互に切換わるよ
う振動駆動される。また、圧電素子１の動作電圧を高い
設定電圧Ｖ１から低い設定電圧Ｖ２に下降させる過程で
は、設定電圧の切換え時の初期段階で先記のようにチョ
ッパ回路内に形成した放電回路を通じて圧電素子１にチ
ャージされている余剰電荷を素早く放電させるようにし
たので、これにより高い応答性が得られる。しかも、そ
の放電回路はスイッチング・トランジスタの切換え制御
によりチョッパ回路自身の内部で形成させるようにした
ので、専用の放電回路を新たに設けることなく遂行でき
る。

【００１６】

【発明の効果】以上述べたように本発明の振動駆動電源
装置によれば、高低二種類の動作電圧に対して圧電アク
チュエータを高い周波数で応答性よく駆動して振動力を
発生させることができ、これにより金属箔などを打ち抜
き加工する振動加工プレス機に対する金型動力源として
の圧電アクチュエータの適用化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例のブロック回路図

【図２】図１に
おける発振回路，信号エッジ監視回路の詳細回路図

【図３】図１におけるチョッパ回路，チョッパ駆動回路
の詳細回路図

【図４】図３における放電モードの回路状態を表す図

【
図５】図１の実施例による圧電素子の振動駆動動作のタ
イムチャートを表す図

【符号の説明】

１　　　　圧電素子 ２　　　　直流電源 ３　　　　チョッパ回路 ４　　　　チョッパ駆動回路 ８　　　　電圧指令切換回路 ９　　　　発振回路 １０　　　　信号エッジ監視回路 Ｔｒ１　〜Ｔｒ４　　　トランジスタ・スイッチング素
子Ｒ１〜Ｒ４　　　　制限抵抗

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電素子に印加する動作電圧に対して高低
   二種類の電圧を設定し、所定の周期で動作電圧を交互に
   切換えて圧電素子を振動駆動させる圧電アクチュエータ
   の振動駆動電源装置であり、チョッパ回路を介して直流
   電源より圧電素子に電圧を印加し、かつ圧電素子の端子
   電圧と設定電圧とを比較してチョッパ制御するものにお
   いて、電圧指令が高い設定電圧から低い設定電圧に切換
   わるごとに、その初期段階で圧電素子にチャージされて
   いる余剰電荷に対する放電回路をチョッパ回路内で形成
   するようにしたことを特徴とする圧電アクチュエータの
   振動駆動電源装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の電源装置において、４個の
   スイッチング・トランジスタと制限抵抗とでブリッジを
   構成したチョッパ回路に対し、設定電圧を高から低へ切
   換えた際に放電指令信号をチョッパ駆動回路に与え、こ
   れを基に４個のスイッチング・トランジスタのうち圧電
   素子に並列接続した２個のスイッチング・トランジスタ
   をオンに切換え制御して圧電素子の放電回路を形成させ
   ることを特徴とする圧電アクチュエータの振動駆動電源
   装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の電源装置において、圧電素
   子の駆動周期に対応した周波数のパルス発振信号を出力
   する発振回路と、前記発振信号のパルス立ち下がりエッ
   ジを検出して放電指令信号を出力し、かつ圧電素子の端
   子電圧が低い設定電圧まで降下した時点で放電指令信号
   を停止させる信号エッジ監視回路を備え、該信号エッジ
   監視回路から出力する放電指令信号をチョッパ駆動回路
   に与えて圧電素子の放電回路を形成させることを特徴と
   する圧電アクチュエータの振動駆動電源装置。