JPH07183588A - 圧電アクチュエータ用制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 駆動用高電圧の漏電を防ぐことによって安全
性の高い圧電アクチュエータ用制御装置を提供する。 【構成】 指令信号異常検出回路４が、充放電回路３に
入力される充放電指令信号値が所定レベルを越える異常
を検出する。また、ハーネス異常検出回路５がシールド
線８によって、充放電回路３と圧電アクチュエータ１と
を接続するワイヤハーネス７ａ，７ｂの断線等の異常を
検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電アクチュエータを
制御するとともに、駆動用の高電圧の危険性を回避する
ようにした圧電アクチュエータ用制御装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ピエゾ素子等の圧電体は印加する電圧に
より微小な変位量を極めて高精度で制御することができ
る。そのため、近年、精密位置決め装置などの精度を要
求される位置決め用アクチュエータや、ショックアブソ
ーバの減衰力切換制御装置などの車両用アクチュエータ
の駆動源として利用されている。また、前記圧電アクチ
ュエータを駆動するためには数百ボルトの高電圧を印加
する必要がある。そのため、ワイヤハーネスの断線や短
絡などが発生した場合の安全対策が施されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧電アクチュエータ用制御装置によると、車両に組み込
まれる場合を主に想定しているため、工作機械のような
人が直接触れるような状況を十分に配慮していなかっ
た。さらに、図６に示すような板金曲げ加工機の場合な
どには、ワイヤハーネスｃが曲げダイスとパンチの間に
かみこまれたり、治工具などによって傷つけられたりし
て、圧電アクチュエータａと圧電アクチュエータ用制御
装置ｂを接続する前記ワイヤハーネスｃの被覆が破損
し、そこに人が触れた場合に前記駆動用高電圧が人体に
漏電する虞れがあるため危険であった。

【０００４】また、車両用と想定している場合には、マ
イクロコンピュータの破損などがない限り圧電アクチュ
エータ用制御装置に異常な充放電指令信号が入力される
ことはないが、前記工作機械などに汎用タイプの圧電ア
クチュエータユニットとして使用される場合には、安価
な構成としてアナログ回路によって圧電アクチュエータ
用制御装置が設けられる。しかしながら、この場合には
前記圧電アクチュエータ用制御装置はユーザの手によっ
て汎用マイクロコンピュータなどのシステムユニットと
組合わされ、システムユニットからの充放電指令信号を
アナログ回路によって数百倍に増幅して圧電アクチュエ
ータを制御している。従って、ユーザのプログラミング
ミスや、インターフェイスの選択ミスなどによって、マ
イクロコンピュータからの充放電指令信号が高くなった
場合には、圧電アクチュエータ制御装置によって更に増
幅されるため、前記駆動用高電圧が許容値以上に高くな
って漏電する虞れがあるため危険であった。本発明は、
上記課題を解決するためになされたもので、駆動用高電
圧の漏電を防ぐことによって安全性の高い圧電アクチュ
エータ用制御装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するための具体的手段として、請求項１記載の圧電ア
クチュエータ制御装置により、充放電指令信号によって
圧電アクチュエータへの高電圧の充電および放電を制御
して該圧電アクチュエータを制御する圧電アクチュエー
タ制御装置において、前記圧電アクチュエータ制御装置
に入力される前記充放電指令信号の異常を検出する指令
信号異常検出手段を設けたことを特徴とする圧電アクチ
ュエータ用制御装置が提供される。また、請求項２記載
の圧電アクチュエータ制御装置により、充放電指令信号
によって圧電アクチュエータへの高電圧の充電および放
電を制御して該圧電アクチュエータを制御する圧電アク
チュエータ制御装置において、前記圧電アクチュエータ
制御装置と前記圧電アクチュエータとを接続するワイヤ
ハーネスの異常をシールド線によって検出するハーネス
異常検出手段を設けたことを特徴とする圧電アクチュエ
ータ用制御装置が提供される。

【０００６】

【作用】上記構成の請求項１記載の圧電アクチュエータ
用制御装置によれば、指令信号異常検出手段が圧電アク
チュエータ制御装置に入力される充放電指令信号の異常
を検出する。上記構成の請求項２記載の圧電アクチュエ
ータ用制御装置によれば、ハーネス異常検出手段がシー
ルド線によって、圧電アクチュエータ用制御装置と圧電
アクチュエータとを接続するワイヤハーネスの異常を検
出する。

【０００７】

【実施例】本発明の圧電アクチュエータ用制御装置の一
実施例を添付図面を参照して説明する。図１は本実施例
の全体構成を示す構成図である。圧電アクチュエータ１
は図２に示すように、複数個の電極板１０と圧電素子１
１を１枚ずつ交互に積層して構成され、各圧電素子１０
は電気的に並列に接続され、印加電圧の増減量に応じて
積層方向に伸縮する。

【０００８】高電圧発生手段を成す高電圧発生回路２は
図５に示す構成からなり、スイッチングレギュレータＩ
Ｃ（日本電気製ｕｐｃ４９４）２０をシングルモードで
使用している。フライバックトランス２１の１次側コイ
ルに流れる電流をＦＥＴ２２でスイッチングすることに
より、低電圧源からフライバックトランス２１の２次側
コイルに高電圧を発生させるものである。１次側電流の
スイッチングにより、フライバックトランス２１の２次
側に誘起された電流は、整流ダイオード２３にて整流さ
れる。その整流された電荷は、コンデンサ２４に静電エ
ネルギの形で蓄えられる。ここで２次側電圧＋ＨＶは、
抵抗２５，２６にて分圧された２〜３Ｖの電圧を演算増
幅器２７でスイッチングレギュレータＩＣ２０にフィー
ドバックさせることによって＋６００Ｖに保持される。
この＋ＨＶ＝６００Ｖの電圧は、圧電アクチュエータ１
を伸長させる時に印加する高電圧で、図１に示すように
端子２Ｔ１から充放電回路３の端子３Ｔ４に送られる。

【０００９】充放電手段を成す充放電回路３は図１及び
図３に示すように、外部のシステムユニット（ユーザに
より選択される）９からの充電指令信号が端子３Ｔ１を
介してＦＥＴ３ａのゲートに入力される。また、放電指
令信号が端子３Ｔ２を介して同様にＦＥＴ３ｃのゲート
に入力される。ＦＥＴ３ａのソースとＦＥＴ３ｃのドレ
インが抵抗３ｂを介して接続され、ＦＥＴ３ｃのソース
は抵抗３ｄを介してＧＮＤに接続される。該ＦＥＴ３ｃ
のドレインは３Ｔ５及びワイヤハーネス７ａを介して圧
電アクチュエータ１の＋側にも接続される。圧電アクチ
ュエータ１の−側はワイヤハーネス７ｂから端子３Ｔ６
に接続され、抵抗３ｅを介してＧＮＤに接続される。ま
た端子３Ｔ５とＧＮＤ間に接続される抵抗３ｇと抵抗３
ｈにより圧電アクチュエータ１の電圧が分割されて端子
３Ｔ３に出力され、この電圧Ｖｆｅは圧電アクチュエー
タ１の伸びに比例するため、位置決め制御時等の目標値
としてシステムユニット９にフィードバックされる。ま
た、禁止回路２の禁止指令によって圧電アクチュエータ
１の電荷を放電するために、ダイオード３ｆが設けられ
る。

【００１０】システムユニット９から位置決めの指令信
号として充電指令信号が充放電回路３の端子３Ｔ１に入
力されたときはＦＥＴ３ａが導通し、高電圧発生回路２
で生成された＋ＨＶ（６００Ｖ）が、抵抗３ｂおよびワ
イヤハーネス７ａを介して、圧電アクチュエータ１に印
加される。それによって、圧電アクチュエータ１に充電
電流Ｉ_chが流れて該圧電アクチュエータ１が伸長し、充
電指令信号と圧電アクチュエータ１の伸長量をモニタで
きるフィードバック信号Ｖｆｅを比較することにより、
位置決め目標値に到達するまで高電圧を印加する。ま
た、システムユニット９から位置決めの指令信号として
放電指令信号が入力された時には、ＦＥＴ３ｃが導通
し、圧電アクチュエータ１の蓄積電荷がワイヤハーネス
７ｂ、ＦＥＴ３ｃおよび抵抗３ｄを介してＧＮＤに放電
される。それによって、圧電アクチュエータ１に放電電
流Ｉ_dcが流れて該圧電アクチュエータ１が収縮する。そ
して、充電時と同様に放電指令信号とフィードバック信
号Ｖｆｅを比較し、位置決め目標値に到達するまで放電
する。

【００１１】指令信号異常検出手段を成す指令信号異常
検出回路４は図１及び図４に示すように、外部のシステ
ムユニット９からの充放電指令信号が端子４Ｔ１に入力
される。そして、ダイオード４０と抵抗４２による正の
電圧と、ダイオード４３と抵抗４５による負の電圧に分
離される。正の電圧は抵抗４６と抵抗４７によって分圧
された異常判定電圧Ｖｒｅｆとコンパレータ４８で比較
され、異常判定電圧Ｖｒｅｆを正の指令信号が越えた場
合、コンパレータ４８の出力がハイからロウに切り換わ
る。負の電圧も同様に抵抗４９と抵抗５０によって分圧
された異常判定電圧−Ｖｒｅｆとコンパレータ５１で比
較され、異常判定電圧−Ｖｒｅｆより負の指令信号が低
い場合、コンパレータ５１の出力がハイからロウに切り
換わる。

【００１２】また、位置決め制御時等に圧電アクチュエ
ータ１の伸長量をモニタするフィードバック信号Ｖｆｅ
も、前記指令信号と同様に端子４Ｔ３に入力され、正の
電圧をダイオード４１と抵抗４２で、負の電圧をダイオ
ード４４と抵抗４５で分離して、それぞれ、コンパレー
タ４８，コンパレータ５１で異常判定を行う。コンパレ
ータ４８またはコンパレータ５１が指令信号またはフィ
ードバック信号の異常を検出して、出力がハイからロウ
に切り換わると、トランジスタ５２がオンになる。

【００１３】それによって、トランジスタ５３及びトラ
ンジスタ５４がオンになって、抵抗５５と抵抗５６によ
ってＶｃｃ（１５Ｖ）が分圧されて異常判定信号とし
て、端子４Ｔ２から外部のシステムユニット９に入力さ
れる。外部のシステムユニット９は、この異常判定信号
によって充放電の指令信号の出力を停止する。また、圧
電アクチュエータ１とＧＮＤ間に開閉器を設け、システ
ムユニット９が圧電アクチュエータ１の電荷を強制的に
放電させる方式にすると、より信頼性を高めることがで
きる。また同時に、トランジスタ５４のコレクタ端子は
端子４Ｔ４に接続されるため、図５に示す後述の禁止回
路の端子６Ｔ１に禁止信号を入力する。

【００１４】ハーネス異常検出手段を成すハーネス異常
検出回路５は図３下欄に示すように、充放電回路３と圧
電アクチュエータ１を接続するワイヤハーネス７ａ及び
ワイヤハーネス７ｂの異常を、シールドライン８を用い
て前記ワイヤハーネス７ａ及びワイヤハーネス７ｂのリ
ーク電流を検出して積分し、それによって、ワイヤハー
ネス７ａ及びワイヤハーネス７ｂの異常を検出する。ワ
イヤハーネス７ａ及びワイヤハーネス７ｂに巻装される
シールド線８と、ハーネス異常検出回路５の端子５Ｔ２
が接続される。

【００１５】そして、端子５Ｔ２は抵抗５ａを介してコ
ンパレータ５ｈの反転入力端子に接続され、コンデンサ
５ｄが並列に接続されてＲＣ積分回路を構成する。一方
コンパレータ５ｈの非反転入力端子には、定電圧電源５
ｌが接続され基準電圧Ｖ_THを作っている。コンパレータ
５ｈの出力端子には異常判定信号出力用のトランジスタ
５ｉとトランジスタ５ｎが並列に接続される。該トラン
ジスタ５ｎは、コンパレータ５ｈが異常判定してロウ信
号となった時にその状態を保持する。トランジスタ５ｉ
のコレクタは抵抗５ｊを介してシステムユニット９への
出力端子５Ｔ１に接続されている。また、トランジスタ
５ｉのコレクタは禁止回路６への出力端子５Ｔ３に接続
されている。一方、トランジスタ５ｎのベースはＶｃｃ
（１５Ｖ）へプルアップし、エミッタは抵抗５ｌを介し
てコンパレータ５ｈの反転入力端子に接続され自己保持
回路を形成している。抵抗５ｂは、耐ノイズ対策用の入
力インピーダンス抵抗である。ツェナダイオード５ｃ，
５ｋは回路保護用である。また、異常時に点灯する異常
表示用に抵抗５ｆを介してＬＥＤ５ｇがトランジスタ５
ｎのコレクタ側に接続される。

【００１６】ハーネス異常検出回路５の作用を説明す
る。かみこみなどで異常が発生すると、ワイヤハーネス
７ａ或いはワイヤハーネス７ｂの芯線とシールドライン
８が導通するため、＋６００Ｖの高電圧は圧電アクチュ
エータ１に印加されずシールドライン８を通し抵抗５ａ
を介してハーネス異常検出回路５のコンデンサ５ｄに印
加される。そして、抵抗５ａとコンデンサ５ｄのＲＣ積
分回路によりコンパレータ５ｈの反転入力端子の電位は
徐々に上昇して、基準電位Ｖ_THを越えるとコンパレータ
５ｈはロウ信号を出力する。それによって、トランジス
タ５ｎがオンになりＶ_CC電圧が抵抗５ｅを介してコンパ
レータ５ｈの反転入力端子に再び印加されて、Ｖｃｃ電
位は基準電位Ｖ_THよりも大きいためコンパレータ５ｈは
ロウ信号を出力し続け、ＬＥＤ５ｇが点灯する。そし
て、コンパレータ５ｈのロウ出力によって、トランジス
タ５ｉがオフになって、抵抗５ｊと抵抗５ｍによってＶ
ｃｃ（１５Ｖ）が分圧されて異常判定信号として、端子
５Ｔ１から外部のシステムユニット９に入力される。ま
た同時に、トランジスタ５ｉのコレクタ端子は端子５Ｔ
３に接続され、図５に示す禁止回路の端子６Ｔ１に禁止
信号を入力する。

【００１７】禁止手段を成す禁止回路６は図１及び図５
に示すように、端子６Ｔ１と指令信号異常検出回路４の
端子４Ｔ４及びハーネス異常検出回路５の端子５Ｔ３が
接続され、高電圧発生回路２と一体的に設けられる。端
子６Ｔ１は、トランジスタ６０のベースに接続され、該
トランジスタ６０のコレクタは、トランジスタ６１のベ
ース及びトランジスタ６２のベースに接続される。トラ
ンジスタ６０のエミッタは高電圧発生回路２のフライバ
ックトランス２１の１次側コイルに接続される。トラン
ジスタ６１のコレクタは、高電圧発生回路２のＦＥＴ２
２のゲート端子に接続され、エミッタはＧＮＤに接続さ
れる。前記トランジスタ６２のエミッタはＧＮＤに接続
され、コレクタは低電圧源Ｅとトランジスタ６３のベー
スに接続される。トランジスタ６３のエミッタはＧＮＤ
に接続され、コレクタはＦＥＴ６４のベースに接続され
る。

【００１８】指令信号異常検出回路４又はハーネス異常
検出回路５が異常を検出して、禁止回路６の端子６Ｔ１
に禁止信号が入力されると、トランジスタ６０がオンし
てトランジスタ６１及び高電圧発生回路２のトランジス
タ６２がオンになる。トランジスタ６１のオンによっ
て、高電圧発生回路２の一次側スイッチング用のＦＥＴ
２２が停止して、高電圧の発生を禁止する。また、高電
圧発生回路２のトランジスタ６２のオンによって、高電
圧発生回路２のトランジスタ６３がオフになる。それに
よって、高電圧発生回路２の２次側に接続されるＦＥＴ
６４がオンになり、コンデンサ２４に蓄えられた静電エ
ネルギを強制放電する。更に、高電圧発生回路２の端子
２Ｔ１と充放電回路３の３Ｔ４が接続されているため、
充放電回路３のダイオード３ｆを介して、圧電アクチュ
エータ１の電荷も強制放電する。

【００１９】次に上記構成による本実施例の全体の作動
について説明する。システムユニット９から充電指令信
号が出力されると、高電圧発生回路２が発生した駆動電
圧＋ＨＶ＝６００Ｖが充放電回路３の端子３Ｔ４に加わ
り、ワイヤハーネス７ａから、圧電アクチュエータ１に
印加されて圧電アクチュエータ１を充電する。システム
ユニット９から放電指令信号が出力されると、ワイヤハ
ーネス７ｂを介して圧電アクチュエータ１の蓄積電荷を
放電する。この時に、指令信号異常検出回路４で指令信
号の異常が検出され、ハーネス異常検出回路５でハーネ
スの異常が検出される。

【００２０】指令信号異常検出回路４によって指令信号
に異常が検出されると、異常判定信号がシステムユニッ
ト９に出力されるとともに、禁止回路６に禁止信号が出
力される。また、ハーネス異常検出回路５でワイヤハー
ネス７ａまたはワイヤハーネス７ｂの異常が検出される
と、指令信号異常の時と同様に、異常判定信号がシステ
ムユニット９に出力されるとともに、禁止回路６に禁止
信号が出力される。禁止回路６に禁止信号が入力される
と、禁止回路６は高電圧発生回路２による高電圧の発生
を禁止し、高電圧発生回路２は、コンデンサ２４の電荷
を強制放電するとともに、圧電アクチュエータ１の電荷
を強制放電する。

【００２１】前述したように、異常を検出する指令信号
異常検出回路４およびハーネス異常検出回路５は、一度
異常を検出すると異常検出状態を維持して、異常原因が
解除されても圧電アクチュエータ１の制御は行わず、電
源を一旦落として再投入するまで異常状態を解除しな
い。従って、異常発生部の検出が容易となるとともに、
本質的な異常が取り除かれるまで圧電アクチュエータ用
制御装置が作動しないため、更に安全性を高めることが
できる。

【００２２】以上述べたように、本実施例では異常発生
時における圧電アクチュエータ１の蓄積電荷の放電を、
充放電回路３を利用して行っているが、圧電アクチュエ
ータ１とＧＮＤ間にスイッチングトランジスタなどを設
け、異常発生時には直接圧電アクチュエータ１とＧＮＤ
を短絡して放電するようにすることも可能である。この
場合、ワイヤハーネス７を介して放電されないため更に
安全性が向上する。なお、本実施例では位置決め等の目
標値の測定として圧電アクチュエータの電圧を利用し、
抵抗３ｇ，３ｈで分割した信号Ｖｆｅにより位置をモニ
タしているが、位置センサ等を用いて圧電アクチュエー
タの変位を測定し、その出力信号によって位置をモニタ
してもよい。

【発明の効果】本発明の圧電アクチュエータ用制御装置
は上記した構成を有し、駆動用高電圧の漏電および異常
な高電圧の発生を防ぐことによって高い安全性を有する
という優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の全体構成を示す構成図である。

【図２】圧電アクチュエータの構造を示す斜視図であ
る。

【図３】充放電回路及びハーネス異常検出回路を示す回
路図である。

【図４】指令信号異常検出回路を示す回路図である。

【図５】高電圧発生回路及び禁止回路を示す回路図であ
る。

【図６】板金曲げ加工機の構造を示す側面図である。

【符号の説明】

１...圧電アクチュエータ、 ２...高電圧発生回路、
３...充放電回路、 ４...指令信号異常検出回路、
５...ハーネス異常検出回路、 ６...禁止回路、７ａ，
７ｂ...ワイヤハーネス、 ８...シールド線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 織田 真郎 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 充放電指令信号によって圧電アクチュエ
   ータへの高電圧の充電および放電を制御して該圧電アク
   チュエータを制御する圧電アクチュエータ制御装置にお
   いて、 前記圧電アクチュエータ制御装置に入力される前記充放
   電指令信号の異常を検出する指令信号異常検出手段を設
   けたことを特徴とする圧電アクチュエータ用制御装置。
2. 【請求項２】 充放電指令信号によって圧電アクチュエ
   ータへの高電圧の充電および放電を制御して該圧電アク
   チュエータを制御する圧電アクチュエータ制御装置にお
   いて、 前記圧電アクチュエータ制御装置と前記圧電アクチュエ
   ータとを接続するワイヤハーネスの異常をシールド線に
   よって検出するハーネス異常検出手段を設けたことを特
   徴とする圧電アクチュエータ用制御装置。