JPH0642786B2 - 圧電素子駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 ピエゾ素子等の圧電素子に電力を印加して発生する機械
歪を利用する電気−機械変換器に用いる圧電素子駆動装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、ピエゾ素子（ＰＺＴ）等の圧電素子を用いる２位
置方式の電気−機械変換器は高速かつ精度が高い等の理
由で近年各種方面に応用が考えられている。しかしなが
ら、その駆動電圧が高く、又容量性負荷のため駆動回路
及びその電源が大形かつ大損失になると云う問題点があ
りその為の改良の一つとして例えば特開昭５８−６４０
７７がある。しかしながらこれによっても圧電素子が安
定に十分な性能を発揮することが不可能である。即ち圧
電素子は電気的には容量性負荷であると云われるが、外
部に機械エネルギーを供給するデバイスとして用いる以
上必ず電気的エネルギーの消費を伴い完全な容量負荷と
は云えない。又電力の供給に伴う損失もある為一般には
最適な動作は期待出来ない。

〔発明が解決しようとする問題点〕 そこで、本発明では、上記の問題を解消し、圧電素子の
印加電圧に対する歪をできるだけ多く利用するととも
に、そのための電源電圧を低電圧化することを目的とし
ている。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明では、中間タップを有するトランスの
両端と電源との間にそれぞれスイッチ素子を介挿し、前
記トランスの中間タップと電源の一端との間に圧電素子
を接続し、さらにその圧電素子の静電容量分と前記トラ
ンスによる共振作用にて駆動するとともに、その圧電素
子に並列接続したコンデンサを設けている。

〔作用〕

上記構成によれば、１つの電源電圧から共振作用および
前記コンデンサにより圧電素子に正負の両極に及ぶ広い
電圧範囲の電圧印加を行っている。

〔実施例〕

以下本発明を図に示す実施例について説明する。第１図
の電気結線図において、１は電源電圧Ｅを有する直流電
源、２，３はサイリスタで、そのゲートへのパルス印加
によりターンオンするものである。４は中間タップ４ａ
を有するトランスで、その両端にサイリスタ２，３を接
続している。５は２位置切替の電気−機械変換器を形成
する圧電素子で、前記トランス４の中間タップ４ａと電
源の一端との間に接続しており、両端への電圧印加によ
り歪を生ずるものである。６はコンデンサで、圧電素子
５に並列接続してある。

次に、上記構成においてその作動を説明する。

まず、圧電素子５の印加電圧Ｅに対する歪量δは、第２
図の特性図に示すもので、Ｅ_０〜Ｅ_１の電圧範囲で電圧
印加すると最大歪を得ることができる。また、圧電素子
５を電気的等価回路で示すと第３図に示す如く、抵抗Ｒ
とコンデンサＣの直列回路に置き換えることができる。

今、圧電素子５の駆動について、圧電素子５の両端電圧
の変化を示す第４図の波形図とともに説明する。初め
に、サイリスタ２をターンオンし、それにより圧電素子
５へ電流が流れ、その後減少し、その電流が零になって
サイリスタ２がターンオフした後にサイリスタ３をター
ンオンする。これにより圧電素子５において逆方向に電
流が流れ、次にその電流が零になってサイリスタ３がタ
ーンオフした後に再びサイリスタ２をターンオンする。

これらの動作を繰返すことにより、圧電素子５の両端電
圧は第４図に示すような平衡状態に達するまで増加す
る。

このとき、圧電素子５に並列接続したコンデンサ６の静
電容量をＣ_１，電源電圧をＥ，圧電素子５の抵抗分をＲ
_０，キャパシタンス分をＣ_０，サイリスタ２或は３のオ
ン時のトランス４の自己インダクダンス分をＬとし、第
４図におけるＶ_１，Ｖ_２は次式に示すものとなる。

但し、α＝Ｒ／２Ｌ， 従って、コンデンサ６を付加することによって、付加前
に比べてα／ωが小さくなり、電源電圧Ｅを小さくして
も、Ｖ_１の大きさを確保することができる。

要するに、圧電素子５に所定電圧を印加するために、エ
ネルギー消費をあまり増加させることなく、サイリスタ
２のオン時に電源からコンデンサ６に充電するエネルギ
ー分だけ増加させることができ、所望の圧電素子電圧を
得るのに電源電圧を低くすることができる。

さらに、第４図におけるＶ_２が｜Ｖ_２｜＜｜Ｅ_０｜の関
係になっている場合には、電源電圧を低くした分だけ電
圧Ｖ_２の大きさ｜Ｖ_２｜が大きくなり、従って、コンデ
ンサ６の付加によって電源電圧が低下できるばかりでな
く、圧電素子５の歪量も大きくとることが可能になる。

次に、第５図は他の実施例を示している。この実施例で
は、各電圧｜Ｖ_３｜，｜Ｖ_４｜，Ｅの大きさを所望の値
にコントロールすることを可能にするものである。

そのために、第１図の回路にダイオード７およびコンデ
ンサ８を追加接続している。

上記構成によれば、サイリスタ２がオフ，サイリスタ３
がオンの状態から、サイリスタ２をターンオンすると、
サイリスタ３はトランス４のため逆バイアスがかかりオ
フする。この時、電流は電源よりサイリスタ２を通りコ
ンデンサ８，６，圧電素子５に流れ、コンデンサ８の両
端電圧はダイオード７が順バイアスとなるまで上昇し、
これ以後はダイオード７を通して圧電素子５，コンデン
サ６に電流を流す。したがって、上記の状態での圧電素
子５の両端電圧は、第１図の回路の時と比較し、電圧上
昇の初期は異なるが、ダイオード７が順バイアスとなっ
た後はほぼ等しい。

電流がほぼ零となった後、サイリスタ３をターンオンす
ると、サイリスタ２はオフし、圧電素子５，コンデンサ
６より、コンデンサ８，サイリスタ３を通して電流が流
れる。ダイオード７は逆バイアスであるので、関係な
い。圧電素子５，コンデンサ６に蓄えられたエネルギー
は、圧電素子５の抵抗分およびその他の損失分により一
部を失い、一部はコンデンサ８に移り、残りがコンデン
サ６，圧電素子５に戻り、この両端電圧は反転する。よ
って、第１図の場合と比較すると、コンデンサ８に移る
エネルギーに相当する分だけ、圧電素子５の反転した電
圧の絶対値は小さくなる。

したがって、圧電素子５の電圧はサイリスタ２をターン
オンした時は第１図の場合とほぼ等しい値まで上昇し、
サイリスタ３をターンオンした時は反転して絶対値で第
１図の場合よりコンデンサ８の容量に応じて低くするこ
とができる。このようにして圧電素子５に所望の電圧を
加えるようにすることができる。定量的に言うため近似
式を解くと次のようになる。

但し、α_１＝α， 電源電圧をＥ，コンデンサ８の静電容量をＣ_２とする。

よって、Ｃ_２が小さく、 の関係となるときは、Ｖ_４はＶ_３に比較し反転しなくな
るため、その逆の関係式を満たすＣ_２の範囲で成立す
る。

そして、｜Ｖ_４｜はＣ_２の値が無限大のときに｜Ｖ_４｜
＝｜Ｖ_２｜となり、Ｃ_２の値が上記範囲で小さくなるに
従って｜Ｖ_４｜が小さくなる。つまり、Ｃ_２の範囲内で
｜Ｖ_４｜は｜Ｖ_２｜≧｜Ｖ_４｜＞０の範囲で変化する。

よって、Ｃ_１，Ｃ_２の値を変えることにより、｜Ｖ
_３｜，｜Ｖ_４｜，Ｅの値を最適に定めることができる。

なお、上述の実施例では、スイッチング素子にサイリス
タを用いたが、他のスイッチング素子例えばトランジス
タ，ＧＴＯ等でもよい。しかしこれらを使用した場合
は、素子のオン信号（ベース信号，ゲート信号）回路で
オン信号の長さのコントロール，および電源短絡が起き
ないような工夫等が必要である。また、トランジスタ使
用ではトランジスタとトランスの間に、ＬＣの振動によ
る逆方向電流を遮断するダイオードを入れる必要があ
る。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明では、中間タップを有するトラ
ンスと圧電素子の静電容量分とによる共振作用と、中間
タップを有するトランスとコンデンサとの共振作用との
両方から、圧電素子に正負の両極に及ぶ広い範囲の電圧
を印加することができ、しかもそのための電源電圧を低
くすることができるという優れた効果がある。

また、中間タップを有するトランスを用いることによ
り、電源短絡を防止することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す電気結線図，第２図は
その圧電素子の電圧−歪量特性図，第３図は圧電素子の
等価回路図，第４図はその作動説明に供する波形図，第
５図は本発明の他の実施例を示す電気結線図，第６図は
その作動説明に供する波形図である。 １…直流電源，２，３…スイッチング素子のサイリス
タ，４…トランス，４ａ…中間タップ，５…圧電素子，
６…コンデンサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 広孝 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (56)参考文献 特開 昭53−31123（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中間タップを有するトランスと、 該トランスの両端と電源との間にそれぞれ介挿したスイ
   ッチ素子と、 前記トランスの中間タップと前記電源の一端との間に接
   続した圧電素子と、 前記圧電素子の静電容量分と前記トランスによる共振作
   用にて駆動するとともに、前記圧電素子に並列接続した
   コンデンサを設けたことを特徴とする圧電素子駆動装
   置。