圧電アクチュエータの駆動装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、制御手段から出力される目標位置に応じた制御信号に応じて、圧電アクチュエータに対する充電経路を形成して充電を行うと共に、放電経路を形成して充電した電荷の放電を行なわせるように構成された圧電アクチュエータの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、圧電アクチュエータなどの容量性負荷の駆動を行う回路としては、図７に示すような基本構成のものがある。これは、圧電アクチュエータ１に対して、ＮＰＮ形トランジスタ２およびＰＮＰ形トランジスタ３のエミッタを共通に接続すると共に、トランジスタ２のコレクタを正の電源４に、トランジスタ３のコレクタを負の電源５に接続してなる駆動回路を構成している。これらのトランジスタ２および３のベースは共通にして駆動用の制御回路６の出力端子に接続されている。
【０００３】制御回路６から出力される電圧に応じてトランジスタ２，３が駆動され、電源４からトランジスタ２を介して圧電アクチュエータ１に充電を行い、トランジスタ２をオフさせてトランジスタ３を駆動することにより圧電アクチュエータ１の電荷をトランジスタ３を介して放電するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このようなプッシュプル回路を用いたパワーブースタ回路では、圧電素子１への印加電圧の大きさを制御回路６の出力電圧以上に設定することができないので、高電圧を印加して充放電動作を行う目的の場合には別途に回路を構成する必要がある。
【０００５】そこで、このような要望に対応して、例えば、図８に示すようなブートストラップ回路を設けた構成のものや、あるいは特開平５−１１１２６６号公報に示されるようなものが考えられている。すなわち、図８に示すものでは、リニアＩＣ７の電源電圧を出力の電位に追随して変動させるようにしたもので、ブートストラップ回路を基本にした構成となっている。リニアＩＣ７の非反転入力端子は抵抗８および絶縁分離回路などを介して制御信号の出力端子に接続されている。
【０００６】リニアＩＣ７の出力端子は圧電アクチュエータ１を介してアースされると共に、帰還抵抗９を介して反転入力端子に接続されている。リニアＩＣ７の正の電源端子はトランジスタ１０を介して正の電源端子１１に接続され、負の電源端子はトランジスタ１２を介して負の電源端子１３に接続されている。一方、正負の電源端子１１，１３間には、トランジスタ１４，定電圧ダイオード１５，１６およびトランジスタ１７の直列回路が接続され、トランジスタ１４，１７のベースは抵抗１８ａ，１８ｂ，１８ｃからなるバイアス回路にて駆動されるようになっている。トランジスタ１４，１７の各コレクタはトランジスタ１０，１２のベースに接続されている。
【０００７】上記構成によれば、トランジスタ１４，１７を駆動することにより２個の定電圧ダイオード１５，１６に一定の電流を流し、常に一定の端子電圧を発生させる。例えば、定電圧ダイオード１５，１６のツェナー電圧をリニアＩＣ７の電源電圧±１５Ｖに対応した１５Ｖのものを用いると、リニアＩＣ７の出力電圧に追随して両電源端子にはその出力電圧±１５Ｖの範囲に設定されることになり、負荷である圧電アクチュエータ１には、トランジスタなどの耐圧の範囲内で大きい振幅の電圧を印加することができるようになる。
【０００８】この場合、例えば、定電圧ダイオード１５，１６の両端にそれぞれ１５Ｖを発生させ、リニアＩＣ７の出力端子に１００Ｖを出力しようとすると、リニアＩＣ７の正の電源端子には１１５Ｖが供給され、負の電源端子には８５Ｖが供給されるようになり、このとき、リニアＩＣ７の出力電圧は常に電源電圧の範囲内にあることになり、１００Ｖの出力電圧を発生させることができるのである。
【０００９】しかしながら、この構成においては、常にトランジスタやリニアＩＣ７に電流を供給する必要があり、したがって、負荷である圧電アクチュエータ１の充放電に必要な消費電力以上に容量の大きい電源を用いなければならないという不具合がある。また、信号系統に用いられる半導体素子は、通常３０〜５０Ｖ程度の出力電圧までしか扱えないので、１００Ｖ以上の電圧を印加しようとする場合には直接信号を伝達できず、電気的に絶縁された信号伝達手段を用いる必要があるという不具合がある。
【００１０】ところが、このような電気的に絶縁した信号伝達手段として、例えばアイソレーションアンプを用いることが考えられるが、そのアイソレーションアンプは、実際には非常に高価なものであるため、実用に供するには全体が高価なものになる不具合がある。
【００１１】また、特開平５−１１１２６６号公報に示すものでは、圧電アクチュエータへの充電電流を調整するための電流調整回路を圧電アクチュエータの電位にフローティングさせることにより大きい振幅の印加電圧が要求される圧電アクチュエータ用駆動装置を実現している。
【００１２】また、信号系統の回路から高い駆動電圧に変動する電流調整回路に信号を伝達する構成としてフォトカプラを用いている。これにより、信号系統回路と電流調整回路を電気的に絶縁しながら信号の伝達を行えるようにしている。さらに、素子の温度特性を補正するために、現実に圧電アクチュエータに流れる電流を検出し、リニアＩＣにおいてフォトカプラにより伝達された目標値とを比較してその偏差に基づいて充放電の制御を行うようにしているので、正確且つ安定な駆動を行うことができる。
【００１３】しかしながら、上述の構成において、圧電アクチュエータに充放電を行うためのＦＥＴの駆動系統にフォトカプラを用いているので、次のような不具合がある。すなわち、フォトカプラには、ＬＥＤに与える電流に対応して伝達される電流の値が素子毎にばらつきがあり、したがって、フォトカプラのばらつきに起因する補正を行う回路を個々に設ける必要があり、全体として構成が複雑且つ高価になる不具合がある。
【００１４】これは、例えば、あるフォトカプラにおいてはＬＥＤに１０ｍＡの信号を与えると、１０ｍＡの信号を伝達するように出力されるが、他のフォトカプラでは、１２ｍＡも出力されてしまう場合があるからである。
【００１５】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、信号伝達系統に電気的な絶縁を行う構成を用いることなく、圧電アクチュエータに高い電圧を印加することができるようにした圧電アクチュエータの駆動装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明は、圧電アクチュエータに対する充電経路を形成して充電を行うと共に、放電経路を形成して充電電荷の放電を行なわせるように構成された圧電アクチュエータの駆動装置を対象とするものであり、前記圧電アクチュエータの充電経路に介在され、第１の電源端子にエミッタが接続され前記圧電アクチュエータ側にコレクタが接続されたｐｎｐ形の充電用トランジスタと、前記圧電アクチュエータの放電経路に介在され、第２の電源端子にエミッタが接続され前記圧電アクチュエータ側にコレクタが接続されたｎｐｎ形の放電用トランジスタと、前記充電用トランジスタのベースにコレクタが接続されエミッタが第３の電源端子に接続されベースに前記制御信号が与えられるｎｐｎ形の充電制御用トランジスタと、前記放電用トランジスタのベースにコレクタが接続されエミッタが前記第３の電源端子に接続されベースに前記制御信号が与えられるｐｎｐ形の放電制御用トランジスタと、前記第１の電源端子に接続され、前記第２の電源端子の電位を基準として前記圧電アクチュエータの駆動に必要な出力電圧を出力する充電用電源と、前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタを駆動するために前記第１の電源端子の電位よりも低く前記第２の電源端子の電位よりも高い出力電圧に設定され前記第３の電源端子と前記第２の電源端子との間に接続された制御用電源と、前記圧電アクチュエータの位置を検出する位置センサと、前記圧電アクチュエータの目標の位置に応じた信号を出力する制御手段と、前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタの各ベースに電気的に接続され、前記制御手段からの信号と前記位置センサからの信号との偏差に基づいた信号を出力する位置偏差演算手段とを設けて構成したところに特徴を有する（請求項１の発明）。上記構成において、前記位置偏差演算手段と前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタの各ベースとの間に、前記圧電アクチュエータの電流を検出すると共にその電流値と目標の電流値との偏差に基づいた信号を出力する電流偏差演算手段を設ける構成とすると良い（請求項２の発明）。
【００１７】また、上記各構成において、前記充電用トランジスタに代えてｐチャネルの充電用ＦＥＴを設けると共に前記放電用トランジスタに代えてｎチャネルの放電用ＦＥＴを設ける構成とすることができ、前記各ＦＥＴのソース，ドレインおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させると良い（請求項３の発明）。
【００１８】また、前記充電用トランジスタに代えてｐチャネルの充電用ＩＧＢＴを設けると共に前記放電用トランジスタに代えてｎチャネルの放電用ＩＧＢＴを設ける構成とすることもでき、前記各ＩＧＢＴのエミッタ，コレクタおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させると良い（請求項４の発明）。
【００１９】さらに、上記各構成において、前記充電制御用トランジスタに代えてｎチャネルの充電制御用ＦＥＴを設けると共に前記放電制御用トランジスタに代えてｐチャネルの放電制御用ＦＥＴを設ける構成としても良い（請求項５の発明）。
【００２０】そして、前記充電制御用トランジスタに代えてｎチャネルの充電制御用ＩＧＢＴを設けると共に前記放電制御用トランジスタに代えてｐチャネルの放電制御用ＩＧＢＴを設けた構成とすることもでき、前記各ＩＧＢＴのエミッタ，コレクタおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させると良い（請求項６の発明）。
【００２１】
【００２２】
【００２３】さらに、前記圧電アクチュエータの充電電荷を放電するように前記第２の電源端子に接続された負の出力電圧の放電用電源を設け、前記第３の電源端子を接地することにより前記放電用電源を前記制御電源として兼用することができる（請求項７の発明）。
【００２４】
【作用および発明の効果】請求項１記載の圧電アクチュエータの駆動装置によれば、位置偏差演算手段により、制御手段からの圧電アクチュエータの目標の位置に応じた信号と位置センサの信号との偏差に基いた信号が出力され、そのレベルが制御用電源の電圧レベルよりも高くなると、充電制御用トランジスタを介して充電用トランジスタを駆動して充電経路を形成するようになり、充電用電源から圧電アクチュエータに充電するようになる。また、制御手段からの信号で位置偏差手段による信号のレベルが制御用電源の電圧レベルよりも低くなると、放電制御用トランジスタを介して放電用トランジスタを駆動して放電経路を形成するようになり、圧電アクチュエータの充電電荷を放電するようになる。
【００２５】この場合、充電用電源の電圧レベルを高く設定することにより、制御信号のレベルを低いままで圧電アクチュエータを高い電圧で充電動作を行なわせることができ、これによって、圧電アクチュエータを駆動するのに必要な駆動電圧をＩＣなどの低い電圧出力の制御手段を用いて駆動制御することができるようになる。また、逆に圧電アクチュエータの駆動電圧を高くすることができるようになるので、使用態様の制約を少なくすることができる。また、請求項２に記載の圧電アクチュエータの駆動装置によれば、電流偏差演算手段は、圧電アクチュエータの駆動に際して、圧電アクチュエータの電流を検出すると共にその電流値と位置偏差演算手段から与えられる目標の電流値との偏差に基づいた信号を出力して充電制御用トランジスタおよび放電制御用トランジスタを駆動制御するので、常に必要な電流を流すように駆動させることができるようになる。
【００２６】また、請求項３ないし請求項６記載の圧電アクチュエータの駆動装置によれば、上述と同様の駆動制御をバイポーラトランジスタに代えてＦＥＴあるいはＩＧＢＴを用いても行うことができるようになり、駆動のための素子を必要に応じて選定して構成することができると共に、これらの組み合わせによる構成のものとすることもできるようになる。
【００２７】
【００２８】
【００２９】請求項７記載の圧電アクチュエータの駆動装置によれば、圧電アクチュエータの放電動作を負の出力電圧の放電用電源を用いる場合に、制御用電源を接地することができるようになるので、回路構成を簡単化することができるようになる。
【００３０】
【実施例】以下、本発明の第１の実施例について図１および図２を参照しながら説明する。電気的構成を示す図１R>１において、圧電アクチュエータ２１は、例えばＸ−Ｙテーブルなどの精密位置決め制御を行うためのもので、電圧を印加するとそのときの圧電変位により微小移動するように構成されたもので、多数の電極板と圧電素子とを交互に積層して構成し、各圧電素子を電気的に並列に電圧を印加して印加電圧の増減に応じて積層方向に伸縮変位するように構成されている。なお、この圧電アクチュエータ２１は、例えば２００Ｖ程度の駆動電圧が適切なもので、効率的な駆動が可能となっている。
【００３１】この圧電アクチュエータ２１に対して、充放電駆動を行うための駆動装置２２は次のように構成される。ｐｎｐ形の充電用トランジスタ２３のエミッタは第１の電源端子２４を介して例えば２００Ｖの出力電圧の充電用電源２５の正極端子に接続されている。充電用トランジスタ２３のコレクタは圧電アクチュエータ２１および電流検出手段としての電流検出抵抗２６を直列に介して接地されている。ｎｐｎ形の放電用トランジスタ２７のコレクタは、充電用トランジスタ２３と同様に、圧電アクチュエータ２１および電流検出抵抗２６を直列に介して接地され、エミッタは第２の電源端子２８を介して接地されている。
【００３２】ｎｐｎ形の充電制御用トランジスタ２９のコレクタはトランジスタ２３のベースに接続され、エミッタは第３の電源端子３０を介して制御用電源としての例えば５Ｖの直流電源３１に接続されている。ｐｎｐ形の放電制御用トランジスタ３２のエミッタは第３の電源端子３０を介して直流電源３１に接続され、コレクタはトランジスタ２７のベースに接続されている。なお、上述したトランジスタ２３，２７，２９，３２は共に、エミッタ・コレクタ間の耐圧が６００Ｖ程度のものが選定されており、圧電アクチュエータ２１を充電用電源の出力電圧である２００Ｖ程度で駆動した場合でも充分耐え得るようなものである。
【００３３】電流偏差演算手段としての差動増幅回路３３は、リニア集積回路を用いたもので、その反転入力端子は圧電アクチュエータ２１と電流検出抵抗２６との共通接続点に接続されており、出力端子はトランジスタ２９および３２のベースに共通に接続されている。位置偏差演算手段としての差動増幅回路３４は、上述同様にリニア集積回路を用いたもので、その出力端子は差動増幅回路３３の非反転入力端子に接続されている。
【００３４】この差動増幅回路３４の非反転入力端子は、抵抗３５を介して接地されると共に、抵抗３６を介して制御手段としての制御回路３７に接続され、制御信号としての位置指令信号Ｖａが与えられるようになっている。また、差動増幅回路３４の反転入力端子は抵抗３８を介して位置検出手段としての位置センサ３９に接続されると共に抵抗４０を介して出力端子に接続されている。
【００３５】この場合、位置センサ３９は、圧電アクチュエータ２１の物理的な変位量を検出するもので、例えばうず電流センサなどのセンサを用いたもので、その変位量に応じた電気信号Ｖｂを出力するようになっている。差動増幅回路３４は、制御回路３７から与えられる位置指令信号Ｖａと圧電アクチュエータ２１の実際の変位量に対応する位置センサ３９からの検出信号Ｖｂとを比較してその偏差に相当する信号を制御信号Ｖｃとして出力する。
【００３６】また、差動増幅回路３３は、電流検出抵抗２６に流れる電流により発生する電圧Ｖｄと上述した制御信号Ｖｃとを比較してその偏差に相当する信号を実際の制御信号Ｖｅとして出力するようになっている。
【００３７】次に本実施例の作用について図２も参照して説明する。まず、制御回路３７から圧電アクチュエータ２１の駆動変位位置を指令するために出力する指令信号として、図２（ａ）に示すように、所定レベルを振幅中心として正弦波状に振動する指令信号Ｖａを用いる場合について説明する。これにより、圧電アクチュエータ２１の物理的な変位を正弦波的に振動させて負荷の駆動を行うものである。
【００３８】制御回路３７から指令信号Ｖａが出力されると、差動増幅回路３４においては、反転入力端子に抵抗３８を介して位置センサ３９から与えられる位置検出信号Ｖｂとの差の演算を行って位置偏差信号Ｖｃを次の差動増幅回路３３の非反転入力端子に与えるようになる。これにより、圧電アクチュエータ２１の変位位置の指令信号Ｖａに対して、実際に変位した位置検出信号Ｖｂとの偏差量つまり、指令信号Ｖａに対するずれを位置偏差信号Ｖｃとして出力することができるようになる。
【００３９】次に、差動増幅回路３３においては、いま演算された位置偏差信号Ｖｃに対して、圧電アクチュエータ２１に実際に流れている電流値を電流検出抵抗２６の端子電圧Ｖｄとして入力してその偏差の値を演算し、圧電アクチュエータ２１に実際に通電すべき電流レベルに相当する制御電圧Ｖｅとして出力するようになる。これによって、圧電アクチュエータ２１は通電電流を制御することで駆動されるようになり、電圧駆動の場合に比べてヒステリシスのない精度の良い駆動制御を行うことができるようになっている。
【００４０】さて、差動増幅回路３３から制御信号Ｖｅが出力されると、その電圧レベルが制御用電源３１の電圧レベルよりも高くなると、充電制御用トランジスタ２９にベース電流が流れるようになり、そのコレクタ電流が充電用トランジスタ２３のベース電流として流れるようになり、充電用トランジスタ２３は、充電経路を形成してそのときのベース電流に応じたコレクタ電流を充電用電源２５から圧電アクチュエータ２１に流すようになる。これが圧電アクチュエータ２１の充電電流となり、このときの充電電流は、前述のように電流検出抵抗２６により検出されて偏差信号Ｖｃに対応する電流値となるように自動的に制御される。
【００４１】一方、差動増幅回路３３からの制御信号Ｖｅの電圧レベルが制御用電源３１の電圧レベルよりも低くなると、放電制御用トランジスタ３２にベース電流が流れるようになり、そのコレクタ電流が放電用トランジスタ２７のベース電流として流れるようになる。これによって、放電用トランジスタ２７は、放電経路を形成して圧電アクチュエータ２１の端子電圧を電源電圧としてそのときのベース電流に応じたコレクタ電流を流すことにより、圧電アクチュエータ２１の充電電荷を放電するようになる。そして、このときの放電電流は、前述のように電流検出抵抗２６により検出されて偏差信号Ｖｃに対応する電流値となるように自動的に制御される。
【００４２】なお、充電制御用トランジスタ２９および放電制御用トランジスタ３２を駆動するための差動増幅回路３３の制御信号Ｖｅのレベルは、それぞれ制御用電源３１の電圧レベルＥｓに各トランジスタのベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅを加減した値よりも大きく変動したレベルが必要である。例えば、制御用電源３１の電圧を５Ｖであるとすると、充電制御用トランジスタ２９を駆動するためには、それよりもベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅとして０．８Ｖ程度高い値つまり５．８Ｖ程度以上が必要となり、逆に、放電制御用トランジスタ３２を駆動するためには、それよりも０．８Ｖ程度低い値つまり４．２Ｖ程度以下に下がることが必要になる（図２（ｅ）参照）。
【００４３】このような制御動作を実行することにより、指令信号Ｖａに対する各部の出力信号が定常状態に達すると、図２（ｂ）〜（ｆ）に示すように、電圧レベルの変動が行われるようになり、圧電アクチュエータ２１の充放電動作が行われるようになる。この場合、定常状態においては、圧電アクチュエータ２１が容量性負荷であることから、信号の位相が９０°ずれた状態となる。
【００４４】また、上述の場合、差動増幅回路３３の出力である制御電圧Ｖｅのレベルの範囲は制御用電源３１の電圧レベル５Ｖを中心として数ボルトの範囲で充電用トランジスタ２３および放電用トランジスタ２７を駆動することにより、圧電アクチュエータ２１に最大で充電用電源２５の端子電圧２００Ｖ程度まで印加することができるようになる。
【００４５】このような本実施例によれば、充電用トランジスタ２３，放電用トランジスタ２７をコレクタ共通にして圧電アクチュエータ２１に接続し、それらのトランジスタ２３，２７の駆動用として、エミッタを共通にして制御用電源３１に接続した充電制御用トランジスタ２９および放電制御用トランジスタ３２により駆動する構成としたので、差動増幅回路３３のようなリニアＩＣ系統の低い制御信号Ｖｅで圧電アクチュエータ２１に充電用電源２５の高い電圧を印加して充放電動作を行なわせることができる。
【００４６】図３および図４は本発明の第２の実施例を示すもので、第１の実施例と異なるところは、第２の電源端子２８を接地する代わりに負電圧を出力する放電用電源４１を接続し、第３の電源端子３０を接地する構成としたところである。この場合、放電用電源４１を圧電アクチュエータ２１に接続することにより、放電時には圧電アクチュエータ２１の充電電荷を負の電圧で強制的に放電させることができるように構成したものである。そして、このように負の出力電圧の放電用電源４１を設けることで、制御用電源の機能を兼ね備えることができるようになっている。
【００４７】上記構成において、充電制御用トランジスタ２９は、エミッタが接地されているからベースに０．８Ｖ程度以上が印加されると駆動されて充電用トランジスタ２３を駆動可能となる。また、放電制御用トランジスタ３２は、同じくエミッタが接地されているから、ベースに−０．８Ｖ程度以下の電圧が印加されると駆動されて放電用トランジスタ２７を駆動可能となる。つまり、差動増幅回路３３から０Ｖを中心として上下に変動する制御信号Ｖｅを出力することにより圧電アクチュエータ２１の充放電動作を行なわせることができるのである。
【００４８】なお、この場合においては、第１の実施例で制御用電源３１を用いて放電制御用トランジスタ３２に対してバイアスを付与可能な構成としたことに代えて、負の電源を放電用電源４１として用いることにより、放電制御用トランジスタ３２をその放電用電源４１の端子電圧を利用して駆動することができるようにしたもので、これによって、第３の電源端子３０に接続していた制御用電源３１を省略した構成とすることもできるのである。
【００４９】上記の関係を図４を参照して原理的に説明する。すなわち、図４に概略的に示すように、第１ないし第３の電源端子２４，２８，３０のそれぞれに、電源電圧がゼロボルトの場合も含めて電源電圧がＥａ，Ｅｂ，Ｅｃの各電源Ａ，Ｂ，Ｃを接続する構成を考えた場合に、各電源Ａ〜Ｃの電源電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃの関係が、次式を満たすように設定されていることが充放電動作を可能とする条件となる。ただし、Ｖｂｅは充電制御用トランジスタ２９，放電制御用トランジスタ３２のベース・エミッタ間の順方向電圧である。
【００５０】
Ｅａ＞Ｅｃ＋Ｖｂｅ， Ｅｃ−Ｖｂｅ＞Ｅｂただし、Ｅａ＞０Ｖ， Ｅｂ≦０Ｖである。
【００５１】そして、この考え方において、第２の電源端子２８を接地して電源Ｂの電源電圧Ｅｂ＝０Ｖとし、第３の電源端子３０に電源Ｃとして電源電圧Ｅｃ＝５Ｖの制御用電源３１を接続した構成が第１の実施例である。また、第３の電源端子３０を接地して電源Ｃの電源電圧Ｅｃ＝０Ｖとし、第２の電源端子２８に電源Ｂとして負の電源電圧Ｅｂ＜０Ｖの放電用電源４１を接続した構成が第２の実施例である。
【００５２】したがって、このような第２の実施例によっても第１の実施例と同様の作用効果を得ることができると共に、圧電アクチュエータ２１を負の放電用電源４１を用いて放電動作を行なわせる構成の場合には制御用電源３１を省略した構成とすることができる。
【００５３】図５は本発明の第３の実施例を示すもので、第１の実施例と異なるところは、バイポーラトランジスタに代えてＦＥＴを設ける構成としたところである。すなわち、ｐｎｐ形の充電用トランジスタ２３に代えてｐチャネルの充電用ＦＥＴ４２，ｎｐｎ形の放電用トランジスタ２７に代えてｎチャネルの放電用ＦＥＴ４３，ｎｐｎ形の充電制御用トランジスタ２９に代えてｎチャネルの充電制御用ＦＥＴ４４，そしてｐｎｐ形の放電制御用トランジスタ３２に代えてｐチャネルの放電制御用ＦＥＴ４５を設けた構成としている。
【００５４】充電用ＦＥＴ４２のソースは第１の電源端子２４に接続され、ドレインは圧電アクチュエータ２１の一端子に接続され、ゲートはバイアス抵抗４６を介してソースに接続されると共に保護抵抗４７を介して充電制御用ＦＥＴ４４のドレインに接続されている。放電用ＦＥＴ４３のソースは第２の電源端子２８に接続され、ドレインは圧電アクチュエータ２１の一端子に接続され、ゲートはバイアス抵抗４８を介してソースに接続されると共に保護抵抗４９を介して放電制御用ＦＥＴ４５のドレインに接続されている。充電制御用ＦＥＴ４４，放電制御用ＦＥＴ４５の各ソースは共通にして第３の電源端子３０に接続され、各ゲートは共通にして差動増幅回路３３の出力端子に接続されている。
【００５５】上記構成によれば、差動増幅回路３３の出力電圧である制御電圧Ｖｅの電圧レベルが制御用電源３１の電圧レベルに対してゲートバイアスに必要な電圧以上の差がある場合に、充電制御用ＦＥＴ４４あるいは放電制御用ＦＥＴ４５を駆動して充電用ＦＥＴ４２あるいは放電用ＦＥＴ４３を駆動することができるようになり、第１の実施例と同様にして圧電アクチュエータ２１に充電動作および放電動作を行なわせることができるようになる。
【００５６】図６は本発明の第４の実施例を示すもので、第３の実施例と異なるところは、ＦＥＴに代えてＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）を設ける構成としたところである。すなわち、ｐチャネルの充電用ＦＥＴ４２に代えてｐチャネルの充電用ＩＧＢＴ５０，ｎチャネルの放電用ＦＥＴ４３に代えてｎチャネルの放電用ＩＧＢＴ５１，ｎチャネルの充電制御用ＦＥＴ４４に代えてｎチャネルの充電制御用ＩＧＢＴ５２，そしてｐチャネルの放電制御用ＦＥＴ４５に代えてｐチャネルの放電制御用ＩＧＢＴ５３を設けた構成としている。
【００５７】そして、このような構成によっても、第３の実施例と同様の作用効果を得ることができるようになる。なお、第３および第４の実施例においては、通常のバイポーラトランジスタに代えて、ＦＥＴやＩＧＢＴを用いる構成としているが、これらは、例えば選択する圧電アクチュエータやその使用電圧，定格等に応じて耐圧や電流容量あるいは制御形式等が適合するものを選択して適宜の使用をすることができる。
【００５８】本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形また拡張できる。位置検出手段は、圧電アクチュエータ２１の物理的な変位を測定可能なものであれば何でも良く、うず電流検出形の変位センサに加えて、例えば、差動トランス、ポテンショメータ式、ストレインゲージ、半導体磁器抵抗素子変位センサ、静電容量型変位計、ホール素子変位センサなどを用いることができる。
【００５９】また、位置検出手段は、変位センサに限らず、圧電素子の端子電圧を検出して概略位置を求める方式としても良い。さらに、油圧システムなどに用いる容量性負荷を制御対象とする場合には、位置検出手段として、油圧センサなどの圧力センサを用いることもできる。
【００６０】上記各実施例では、充電用，放電用，充電制御用および放電制御用にすべてバイポーラトランジスタ，ＦＥＴあるいはＩＧＢＴなどの同一種類の半導体素子を用いる構成を示したが、これらは、例えば、充電用，放電用にバイポーラトランジスタを用い、充電制御用，放電制御用にＦＥＴを用いるなどの異種の半導体素子を組み合わせて使用する構成としても良いものである。
【００６１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す電気的構成図
【図２】各部の出力状態を示すタイムチャート
【図３】本発明の第２の実施例を示す図１相当図
【図４】各電源の電圧レベルを説明するための原理説明図
【図５】本発明の第３の実施例を示す図１相当図
【図６】本発明の第４の実施例を示す図１相当図
【図７】従来例を示す図１相当図
【図８】他の従来例を示す図１相当図
【符号の説明】
２１は圧電アクチュエータ、２３はｐｎｐ形の充電用トランジスタ、２４は第１の電源端子、２５は充電用電源、２６は電流検出抵抗（電流検出手段）、２７はｎｐｎ形の放電用トランジスタ、２８は第２の電源端子、２９はｎｐｎ形の充電制御用トランジスタ、３０は第３の電源端子、３１は制御用電源、３２はｐｎｐ形の放電制御用トランジスタ、３３は差動増幅回路（電流偏差演算手段）、３４は差動増幅回路（位置偏差演算手段）、３７は制御回路（制御手段）、３９は位置センサ（位置検出手段）、４１は放電用電源、４２はｐチャネルの充電用ＦＥＴ、４３はｎチャネルの放電用ＦＥＴ、４４はｎチャネルの充電制御用ＦＥＴ、４５はｐチャネルの放電制御用ＦＥＴ、５０はｐチャネルの充電用ＩＧＢＴ、５１はｎチャネルの放電用ＩＧＢＴ、５２はｎチャネルの充電制御用ＩＧＢＴ、５３はｐチャネルの放電制御用ＩＧＢＴである。
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、制御手段から出力される目標位置に応じた制御信号に応じて、圧電アクチュエータに対する充電経路を形成して充電を行うと共に、放電経路を形成して充電した電荷の放電を行なわせるように構成された圧電アクチュエータの駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、圧電アクチュエータなどの容量性負荷の駆動を行う回路としては、図７に示すような基本構成のものがある。これは、圧電アクチュエータ１に対して、ＮＰＮ形トランジスタ２およびＰＮＰ形トランジスタ３のエミッタを共通に接続すると共に、トランジスタ２のコレクタを正の電源４に、トランジスタ３のコレクタを負の電源５に接続してなる駆動回路を構成している。これらのトランジスタ２および３のベースは共通にして駆動用の制御回路６の出力端子に接続されている。
【０００３】制御回路６から出力される電圧に応じてトランジスタ２，３が駆動され、電源４からトランジスタ２を介して圧電アクチュエータ１に充電を行い、トランジスタ２をオフさせてトランジスタ３を駆動することにより圧電アクチュエータ１の電荷をトランジスタ３を介して放電するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このようなプッシュプル回路を用いたパワーブースタ回路では、圧電素子１への印加電圧の大きさを制御回路６の出力電圧以上に設定することができないので、高電圧を印加して充放電動作を行う目的の場合には別途に回路を構成する必要がある。
【０００５】そこで、このような要望に対応して、例えば、図８に示すようなブートストラップ回路を設けた構成のものや、あるいは特開平５−１１１２６６号公報に示されるようなものが考えられている。すなわち、図８に示すものでは、リニアＩＣ７の電源電圧を出力の電位に追随して変動させるようにしたもので、ブートストラップ回路を基本にした構成となっている。リニアＩＣ７の非反転入力端子は抵抗８および絶縁分離回路などを介して制御信号の出力端子に接続されている。
【０００６】リニアＩＣ７の出力端子は圧電アクチュエータ１を介してアースされると共に、帰還抵抗９を介して反転入力端子に接続されている。リニアＩＣ７の正の電源端子はトランジスタ１０を介して正の電源端子１１に接続され、負の電源端子はトランジスタ１２を介して負の電源端子１３に接続されている。一方、正負の電源端子１１，１３間には、トランジスタ１４，定電圧ダイオード１５，１６およびトランジスタ１７の直列回路が接続され、トランジスタ１４，１７のベースは抵抗１８ａ，１８ｂ，１８ｃからなるバイアス回路にて駆動されるようになっている。トランジスタ１４，１７の各コレクタはトランジスタ１０，１２のベースに接続されている。
【０００７】上記構成によれば、トランジスタ１４，１７を駆動することにより２個の定電圧ダイオード１５，１６に一定の電流を流し、常に一定の端子電圧を発生させる。例えば、定電圧ダイオード１５，１６のツェナー電圧をリニアＩＣ７の電源電圧±１５Ｖに対応した１５Ｖのものを用いると、リニアＩＣ７の出力電圧に追随して両電源端子にはその出力電圧±１５Ｖの範囲に設定されることになり、負荷である圧電アクチュエータ１には、トランジスタなどの耐圧の範囲内で大きい振幅の電圧を印加することができるようになる。
【０００８】この場合、例えば、定電圧ダイオード１５，１６の両端にそれぞれ１５Ｖを発生させ、リニアＩＣ７の出力端子に１００Ｖを出力しようとすると、リニアＩＣ７の正の電源端子には１１５Ｖが供給され、負の電源端子には８５Ｖが供給されるようになり、このとき、リニアＩＣ７の出力電圧は常に電源電圧の範囲内にあることになり、１００Ｖの出力電圧を発生させることができるのである。
【０００９】しかしながら、この構成においては、常にトランジスタやリニアＩＣ７に電流を供給する必要があり、したがって、負荷である圧電アクチュエータ１の充放電に必要な消費電力以上に容量の大きい電源を用いなければならないという不具合がある。また、信号系統に用いられる半導体素子は、通常３０〜５０Ｖ程度の出力電圧までしか扱えないので、１００Ｖ以上の電圧を印加しようとする場合には直接信号を伝達できず、電気的に絶縁された信号伝達手段を用いる必要があるという不具合がある。
【００１０】ところが、このような電気的に絶縁した信号伝達手段として、例えばアイソレーションアンプを用いることが考えられるが、そのアイソレーションアンプは、実際には非常に高価なものであるため、実用に供するには全体が高価なものになる不具合がある。
【００１１】また、特開平５−１１１２６６号公報に示すものでは、圧電アクチュエータへの充電電流を調整するための電流調整回路を圧電アクチュエータの電位にフローティングさせることにより大きい振幅の印加電圧が要求される圧電アクチュエータ用駆動装置を実現している。
【００１２】また、信号系統の回路から高い駆動電圧に変動する電流調整回路に信号を伝達する構成としてフォトカプラを用いている。これにより、信号系統回路と電流調整回路を電気的に絶縁しながら信号の伝達を行えるようにしている。さらに、素子の温度特性を補正するために、現実に圧電アクチュエータに流れる電流を検出し、リニアＩＣにおいてフォトカプラにより伝達された目標値とを比較してその偏差に基づいて充放電の制御を行うようにしているので、正確且つ安定な駆動を行うことができる。
【００１３】しかしながら、上述の構成において、圧電アクチュエータに充放電を行うためのＦＥＴの駆動系統にフォトカプラを用いているので、次のような不具合がある。すなわち、フォトカプラには、ＬＥＤに与える電流に対応して伝達される電流の値が素子毎にばらつきがあり、したがって、フォトカプラのばらつきに起因する補正を行う回路を個々に設ける必要があり、全体として構成が複雑且つ高価になる不具合がある。
【００１４】これは、例えば、あるフォトカプラにおいてはＬＥＤに１０ｍＡの信号を与えると、１０ｍＡの信号を伝達するように出力されるが、他のフォトカプラでは、１２ｍＡも出力されてしまう場合があるからである。
【００１５】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、信号伝達系統に電気的な絶縁を行う構成を用いることなく、圧電アクチュエータに高い電圧を印加することができるようにした圧電アクチュエータの駆動装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明は、圧電アクチュエータに対する充電経路を形成して充電を行うと共に、放電経路を形成して充電電荷の放電を行なわせるように構成された圧電アクチュエータの駆動装置を対象とするものであり、前記圧電アクチュエータの充電経路に介在され、第１の電源端子にエミッタが接続され前記圧電アクチュエータ側にコレクタが接続されたｐｎｐ形の充電用トランジスタと、前記圧電アクチュエータの放電経路に介在され、第２の電源端子にエミッタが接続され前記圧電アクチュエータ側にコレクタが接続されたｎｐｎ形の放電用トランジスタと、前記充電用トランジスタのベースにコレクタが接続されエミッタが第３の電源端子に接続されベースに前記制御信号が与えられるｎｐｎ形の充電制御用トランジスタと、前記放電用トランジスタのベースにコレクタが接続されエミッタが前記第３の電源端子に接続されベースに前記制御信号が与えられるｐｎｐ形の放電制御用トランジスタと、前記第１の電源端子に接続され、前記第２の電源端子の電位を基準として前記圧電アクチュエータの駆動に必要な出力電圧を出力する充電用電源と、前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタを駆動するために前記第１の電源端子の電位よりも低く前記第２の電源端子の電位よりも高い出力電圧に設定され前記第３の電源端子と前記第２の電源端子との間に接続された制御用電源と、前記圧電アクチュエータの位置を検出する位置センサと、前記圧電アクチュエータの目標の位置に応じた信号を出力する制御手段と、前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタの各ベースに電気的に接続され、前記制御手段からの信号と前記位置センサからの信号との偏差に基づいた信号を出力する位置偏差演算手段とを設けて構成したところに特徴を有する（請求項１の発明）。上記構成において、前記位置偏差演算手段と前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタの各ベースとの間に、前記圧電アクチュエータの電流を検出すると共にその電流値と目標の電流値との偏差に基づいた信号を出力する電流偏差演算手段を設ける構成とすると良い（請求項２の発明）。
【００１７】また、上記各構成において、前記充電用トランジスタに代えてｐチャネルの充電用ＦＥＴを設けると共に前記放電用トランジスタに代えてｎチャネルの放電用ＦＥＴを設ける構成とすることができ、前記各ＦＥＴのソース，ドレインおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させると良い（請求項３の発明）。
【００１８】また、前記充電用トランジスタに代えてｐチャネルの充電用ＩＧＢＴを設けると共に前記放電用トランジスタに代えてｎチャネルの放電用ＩＧＢＴを設ける構成とすることもでき、前記各ＩＧＢＴのエミッタ，コレクタおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させると良い（請求項４の発明）。
【００１９】さらに、上記各構成において、前記充電制御用トランジスタに代えてｎチャネルの充電制御用ＦＥＴを設けると共に前記放電制御用トランジスタに代えてｐチャネルの放電制御用ＦＥＴを設ける構成としても良い（請求項５の発明）。
【００２０】そして、前記充電制御用トランジスタに代えてｎチャネルの充電制御用ＩＧＢＴを設けると共に前記放電制御用トランジスタに代えてｐチャネルの放電制御用ＩＧＢＴを設けた構成とすることもでき、前記各ＩＧＢＴのエミッタ，コレクタおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させると良い（請求項６の発明）。
【００２１】
【００２２】
【００２３】さらに、前記圧電アクチュエータの充電電荷を放電するように前記第２の電源端子に接続された負の出力電圧の放電用電源を設け、前記第３の電源端子を接地することにより前記放電用電源を前記制御電源として兼用することができる（請求項７の発明）。
【００２４】
【作用および発明の効果】請求項１記載の圧電アクチュエータの駆動装置によれば、位置偏差演算手段により、制御手段からの圧電アクチュエータの目標の位置に応じた信号と位置センサの信号との偏差に基いた信号が出力され、そのレベルが制御用電源の電圧レベルよりも高くなると、充電制御用トランジスタを介して充電用トランジスタを駆動して充電経路を形成するようになり、充電用電源から圧電アクチュエータに充電するようになる。また、制御手段からの信号で位置偏差手段による信号のレベルが制御用電源の電圧レベルよりも低くなると、放電制御用トランジスタを介して放電用トランジスタを駆動して放電経路を形成するようになり、圧電アクチュエータの充電電荷を放電するようになる。
【００２５】この場合、充電用電源の電圧レベルを高く設定することにより、制御信号のレベルを低いままで圧電アクチュエータを高い電圧で充電動作を行なわせることができ、これによって、圧電アクチュエータを駆動するのに必要な駆動電圧をＩＣなどの低い電圧出力の制御手段を用いて駆動制御することができるようになる。また、逆に圧電アクチュエータの駆動電圧を高くすることができるようになるので、使用態様の制約を少なくすることができる。また、請求項２に記載の圧電アクチュエータの駆動装置によれば、電流偏差演算手段は、圧電アクチュエータの駆動に際して、圧電アクチュエータの電流を検出すると共にその電流値と位置偏差演算手段から与えられる目標の電流値との偏差に基づいた信号を出力して充電制御用トランジスタおよび放電制御用トランジスタを駆動制御するので、常に必要な電流を流すように駆動させることができるようになる。
【００２６】また、請求項３ないし請求項６記載の圧電アクチュエータの駆動装置によれば、上述と同様の駆動制御をバイポーラトランジスタに代えてＦＥＴあるいはＩＧＢＴを用いても行うことができるようになり、駆動のための素子を必要に応じて選定して構成することができると共に、これらの組み合わせによる構成のものとすることもできるようになる。
【００２７】
【００２８】
【００２９】請求項７記載の圧電アクチュエータの駆動装置によれば、圧電アクチュエータの放電動作を負の出力電圧の放電用電源を用いる場合に、制御用電源を接地することができるようになるので、回路構成を簡単化することができるようになる。
【００３０】
【実施例】以下、本発明の第１の実施例について図１および図２を参照しながら説明する。電気的構成を示す図１R>１において、圧電アクチュエータ２１は、例えばＸ−Ｙテーブルなどの精密位置決め制御を行うためのもので、電圧を印加するとそのときの圧電変位により微小移動するように構成されたもので、多数の電極板と圧電素子とを交互に積層して構成し、各圧電素子を電気的に並列に電圧を印加して印加電圧の増減に応じて積層方向に伸縮変位するように構成されている。なお、この圧電アクチュエータ２１は、例えば２００Ｖ程度の駆動電圧が適切なもので、効率的な駆動が可能となっている。
【００３１】この圧電アクチュエータ２１に対して、充放電駆動を行うための駆動装置２２は次のように構成される。ｐｎｐ形の充電用トランジスタ２３のエミッタは第１の電源端子２４を介して例えば２００Ｖの出力電圧の充電用電源２５の正極端子に接続されている。充電用トランジスタ２３のコレクタは圧電アクチュエータ２１および電流検出手段としての電流検出抵抗２６を直列に介して接地されている。ｎｐｎ形の放電用トランジスタ２７のコレクタは、充電用トランジスタ２３と同様に、圧電アクチュエータ２１および電流検出抵抗２６を直列に介して接地され、エミッタは第２の電源端子２８を介して接地されている。
【００３２】ｎｐｎ形の充電制御用トランジスタ２９のコレクタはトランジスタ２３のベースに接続され、エミッタは第３の電源端子３０を介して制御用電源としての例えば５Ｖの直流電源３１に接続されている。ｐｎｐ形の放電制御用トランジスタ３２のエミッタは第３の電源端子３０を介して直流電源３１に接続され、コレクタはトランジスタ２７のベースに接続されている。なお、上述したトランジスタ２３，２７，２９，３２は共に、エミッタ・コレクタ間の耐圧が６００Ｖ程度のものが選定されており、圧電アクチュエータ２１を充電用電源の出力電圧である２００Ｖ程度で駆動した場合でも充分耐え得るようなものである。
【００３３】電流偏差演算手段としての差動増幅回路３３は、リニア集積回路を用いたもので、その反転入力端子は圧電アクチュエータ２１と電流検出抵抗２６との共通接続点に接続されており、出力端子はトランジスタ２９および３２のベースに共通に接続されている。位置偏差演算手段としての差動増幅回路３４は、上述同様にリニア集積回路を用いたもので、その出力端子は差動増幅回路３３の非反転入力端子に接続されている。
【００３４】この差動増幅回路３４の非反転入力端子は、抵抗３５を介して接地されると共に、抵抗３６を介して制御手段としての制御回路３７に接続され、制御信号としての位置指令信号Ｖａが与えられるようになっている。また、差動増幅回路３４の反転入力端子は抵抗３８を介して位置検出手段としての位置センサ３９に接続されると共に抵抗４０を介して出力端子に接続されている。
【００３５】この場合、位置センサ３９は、圧電アクチュエータ２１の物理的な変位量を検出するもので、例えばうず電流センサなどのセンサを用いたもので、その変位量に応じた電気信号Ｖｂを出力するようになっている。差動増幅回路３４は、制御回路３７から与えられる位置指令信号Ｖａと圧電アクチュエータ２１の実際の変位量に対応する位置センサ３９からの検出信号Ｖｂとを比較してその偏差に相当する信号を制御信号Ｖｃとして出力する。
【００３６】また、差動増幅回路３３は、電流検出抵抗２６に流れる電流により発生する電圧Ｖｄと上述した制御信号Ｖｃとを比較してその偏差に相当する信号を実際の制御信号Ｖｅとして出力するようになっている。
【００３７】次に本実施例の作用について図２も参照して説明する。まず、制御回路３７から圧電アクチュエータ２１の駆動変位位置を指令するために出力する指令信号として、図２（ａ）に示すように、所定レベルを振幅中心として正弦波状に振動する指令信号Ｖａを用いる場合について説明する。これにより、圧電アクチュエータ２１の物理的な変位を正弦波的に振動させて負荷の駆動を行うものである。
【００３８】制御回路３７から指令信号Ｖａが出力されると、差動増幅回路３４においては、反転入力端子に抵抗３８を介して位置センサ３９から与えられる位置検出信号Ｖｂとの差の演算を行って位置偏差信号Ｖｃを次の差動増幅回路３３の非反転入力端子に与えるようになる。これにより、圧電アクチュエータ２１の変位位置の指令信号Ｖａに対して、実際に変位した位置検出信号Ｖｂとの偏差量つまり、指令信号Ｖａに対するずれを位置偏差信号Ｖｃとして出力することができるようになる。
【００３９】次に、差動増幅回路３３においては、いま演算された位置偏差信号Ｖｃに対して、圧電アクチュエータ２１に実際に流れている電流値を電流検出抵抗２６の端子電圧Ｖｄとして入力してその偏差の値を演算し、圧電アクチュエータ２１に実際に通電すべき電流レベルに相当する制御電圧Ｖｅとして出力するようになる。これによって、圧電アクチュエータ２１は通電電流を制御することで駆動されるようになり、電圧駆動の場合に比べてヒステリシスのない精度の良い駆動制御を行うことができるようになっている。
【００４０】さて、差動増幅回路３３から制御信号Ｖｅが出力されると、その電圧レベルが制御用電源３１の電圧レベルよりも高くなると、充電制御用トランジスタ２９にベース電流が流れるようになり、そのコレクタ電流が充電用トランジスタ２３のベース電流として流れるようになり、充電用トランジスタ２３は、充電経路を形成してそのときのベース電流に応じたコレクタ電流を充電用電源２５から圧電アクチュエータ２１に流すようになる。これが圧電アクチュエータ２１の充電電流となり、このときの充電電流は、前述のように電流検出抵抗２６により検出されて偏差信号Ｖｃに対応する電流値となるように自動的に制御される。
【００４１】一方、差動増幅回路３３からの制御信号Ｖｅの電圧レベルが制御用電源３１の電圧レベルよりも低くなると、放電制御用トランジスタ３２にベース電流が流れるようになり、そのコレクタ電流が放電用トランジスタ２７のベース電流として流れるようになる。これによって、放電用トランジスタ２７は、放電経路を形成して圧電アクチュエータ２１の端子電圧を電源電圧としてそのときのベース電流に応じたコレクタ電流を流すことにより、圧電アクチュエータ２１の充電電荷を放電するようになる。そして、このときの放電電流は、前述のように電流検出抵抗２６により検出されて偏差信号Ｖｃに対応する電流値となるように自動的に制御される。
【００４２】なお、充電制御用トランジスタ２９および放電制御用トランジスタ３２を駆動するための差動増幅回路３３の制御信号Ｖｅのレベルは、それぞれ制御用電源３１の電圧レベルＥｓに各トランジスタのベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅを加減した値よりも大きく変動したレベルが必要である。例えば、制御用電源３１の電圧を５Ｖであるとすると、充電制御用トランジスタ２９を駆動するためには、それよりもベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅとして０．８Ｖ程度高い値つまり５．８Ｖ程度以上が必要となり、逆に、放電制御用トランジスタ３２を駆動するためには、それよりも０．８Ｖ程度低い値つまり４．２Ｖ程度以下に下がることが必要になる（図２（ｅ）参照）。
【００４３】このような制御動作を実行することにより、指令信号Ｖａに対する各部の出力信号が定常状態に達すると、図２（ｂ）〜（ｆ）に示すように、電圧レベルの変動が行われるようになり、圧電アクチュエータ２１の充放電動作が行われるようになる。この場合、定常状態においては、圧電アクチュエータ２１が容量性負荷であることから、信号の位相が９０°ずれた状態となる。
【００４４】また、上述の場合、差動増幅回路３３の出力である制御電圧Ｖｅのレベルの範囲は制御用電源３１の電圧レベル５Ｖを中心として数ボルトの範囲で充電用トランジスタ２３および放電用トランジスタ２７を駆動することにより、圧電アクチュエータ２１に最大で充電用電源２５の端子電圧２００Ｖ程度まで印加することができるようになる。
【００４５】このような本実施例によれば、充電用トランジスタ２３，放電用トランジスタ２７をコレクタ共通にして圧電アクチュエータ２１に接続し、それらのトランジスタ２３，２７の駆動用として、エミッタを共通にして制御用電源３１に接続した充電制御用トランジスタ２９および放電制御用トランジスタ３２により駆動する構成としたので、差動増幅回路３３のようなリニアＩＣ系統の低い制御信号Ｖｅで圧電アクチュエータ２１に充電用電源２５の高い電圧を印加して充放電動作を行なわせることができる。
【００４６】図３および図４は本発明の第２の実施例を示すもので、第１の実施例と異なるところは、第２の電源端子２８を接地する代わりに負電圧を出力する放電用電源４１を接続し、第３の電源端子３０を接地する構成としたところである。この場合、放電用電源４１を圧電アクチュエータ２１に接続することにより、放電時には圧電アクチュエータ２１の充電電荷を負の電圧で強制的に放電させることができるように構成したものである。そして、このように負の出力電圧の放電用電源４１を設けることで、制御用電源の機能を兼ね備えることができるようになっている。
【００４７】上記構成において、充電制御用トランジスタ２９は、エミッタが接地されているからベースに０．８Ｖ程度以上が印加されると駆動されて充電用トランジスタ２３を駆動可能となる。また、放電制御用トランジスタ３２は、同じくエミッタが接地されているから、ベースに−０．８Ｖ程度以下の電圧が印加されると駆動されて放電用トランジスタ２７を駆動可能となる。つまり、差動増幅回路３３から０Ｖを中心として上下に変動する制御信号Ｖｅを出力することにより圧電アクチュエータ２１の充放電動作を行なわせることができるのである。
【００４８】なお、この場合においては、第１の実施例で制御用電源３１を用いて放電制御用トランジスタ３２に対してバイアスを付与可能な構成としたことに代えて、負の電源を放電用電源４１として用いることにより、放電制御用トランジスタ３２をその放電用電源４１の端子電圧を利用して駆動することができるようにしたもので、これによって、第３の電源端子３０に接続していた制御用電源３１を省略した構成とすることもできるのである。
【００４９】上記の関係を図４を参照して原理的に説明する。すなわち、図４に概略的に示すように、第１ないし第３の電源端子２４，２８，３０のそれぞれに、電源電圧がゼロボルトの場合も含めて電源電圧がＥａ，Ｅｂ，Ｅｃの各電源Ａ，Ｂ，Ｃを接続する構成を考えた場合に、各電源Ａ〜Ｃの電源電圧Ｅａ，Ｅｂ，Ｅｃの関係が、次式を満たすように設定されていることが充放電動作を可能とする条件となる。ただし、Ｖｂｅは充電制御用トランジスタ２９，放電制御用トランジスタ３２のベース・エミッタ間の順方向電圧である。
【００５０】
Ｅａ＞Ｅｃ＋Ｖｂｅ， Ｅｃ−Ｖｂｅ＞Ｅｂただし、Ｅａ＞０Ｖ， Ｅｂ≦０Ｖである。
【００５１】そして、この考え方において、第２の電源端子２８を接地して電源Ｂの電源電圧Ｅｂ＝０Ｖとし、第３の電源端子３０に電源Ｃとして電源電圧Ｅｃ＝５Ｖの制御用電源３１を接続した構成が第１の実施例である。また、第３の電源端子３０を接地して電源Ｃの電源電圧Ｅｃ＝０Ｖとし、第２の電源端子２８に電源Ｂとして負の電源電圧Ｅｂ＜０Ｖの放電用電源４１を接続した構成が第２の実施例である。
【００５２】したがって、このような第２の実施例によっても第１の実施例と同様の作用効果を得ることができると共に、圧電アクチュエータ２１を負の放電用電源４１を用いて放電動作を行なわせる構成の場合には制御用電源３１を省略した構成とすることができる。
【００５３】図５は本発明の第３の実施例を示すもので、第１の実施例と異なるところは、バイポーラトランジスタに代えてＦＥＴを設ける構成としたところである。すなわち、ｐｎｐ形の充電用トランジスタ２３に代えてｐチャネルの充電用ＦＥＴ４２，ｎｐｎ形の放電用トランジスタ２７に代えてｎチャネルの放電用ＦＥＴ４３，ｎｐｎ形の充電制御用トランジスタ２９に代えてｎチャネルの充電制御用ＦＥＴ４４，そしてｐｎｐ形の放電制御用トランジスタ３２に代えてｐチャネルの放電制御用ＦＥＴ４５を設けた構成としている。
【００５４】充電用ＦＥＴ４２のソースは第１の電源端子２４に接続され、ドレインは圧電アクチュエータ２１の一端子に接続され、ゲートはバイアス抵抗４６を介してソースに接続されると共に保護抵抗４７を介して充電制御用ＦＥＴ４４のドレインに接続されている。放電用ＦＥＴ４３のソースは第２の電源端子２８に接続され、ドレインは圧電アクチュエータ２１の一端子に接続され、ゲートはバイアス抵抗４８を介してソースに接続されると共に保護抵抗４９を介して放電制御用ＦＥＴ４５のドレインに接続されている。充電制御用ＦＥＴ４４，放電制御用ＦＥＴ４５の各ソースは共通にして第３の電源端子３０に接続され、各ゲートは共通にして差動増幅回路３３の出力端子に接続されている。
【００５５】上記構成によれば、差動増幅回路３３の出力電圧である制御電圧Ｖｅの電圧レベルが制御用電源３１の電圧レベルに対してゲートバイアスに必要な電圧以上の差がある場合に、充電制御用ＦＥＴ４４あるいは放電制御用ＦＥＴ４５を駆動して充電用ＦＥＴ４２あるいは放電用ＦＥＴ４３を駆動することができるようになり、第１の実施例と同様にして圧電アクチュエータ２１に充電動作および放電動作を行なわせることができるようになる。
【００５６】図６は本発明の第４の実施例を示すもので、第３の実施例と異なるところは、ＦＥＴに代えてＩＧＢＴ（絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ）を設ける構成としたところである。すなわち、ｐチャネルの充電用ＦＥＴ４２に代えてｐチャネルの充電用ＩＧＢＴ５０，ｎチャネルの放電用ＦＥＴ４３に代えてｎチャネルの放電用ＩＧＢＴ５１，ｎチャネルの充電制御用ＦＥＴ４４に代えてｎチャネルの充電制御用ＩＧＢＴ５２，そしてｐチャネルの放電制御用ＦＥＴ４５に代えてｐチャネルの放電制御用ＩＧＢＴ５３を設けた構成としている。
【００５７】そして、このような構成によっても、第３の実施例と同様の作用効果を得ることができるようになる。なお、第３および第４の実施例においては、通常のバイポーラトランジスタに代えて、ＦＥＴやＩＧＢＴを用いる構成としているが、これらは、例えば選択する圧電アクチュエータやその使用電圧，定格等に応じて耐圧や電流容量あるいは制御形式等が適合するものを選択して適宜の使用をすることができる。
【００５８】本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形また拡張できる。位置検出手段は、圧電アクチュエータ２１の物理的な変位を測定可能なものであれば何でも良く、うず電流検出形の変位センサに加えて、例えば、差動トランス、ポテンショメータ式、ストレインゲージ、半導体磁器抵抗素子変位センサ、静電容量型変位計、ホール素子変位センサなどを用いることができる。
【００５９】また、位置検出手段は、変位センサに限らず、圧電素子の端子電圧を検出して概略位置を求める方式としても良い。さらに、油圧システムなどに用いる容量性負荷を制御対象とする場合には、位置検出手段として、油圧センサなどの圧力センサを用いることもできる。
【００６０】上記各実施例では、充電用，放電用，充電制御用および放電制御用にすべてバイポーラトランジスタ，ＦＥＴあるいはＩＧＢＴなどの同一種類の半導体素子を用いる構成を示したが、これらは、例えば、充電用，放電用にバイポーラトランジスタを用い、充電制御用，放電制御用にＦＥＴを用いるなどの異種の半導体素子を組み合わせて使用する構成としても良いものである。
【００６１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す電気的構成図
【図２】各部の出力状態を示すタイムチャート
【図３】本発明の第２の実施例を示す図１相当図
【図４】各電源の電圧レベルを説明するための原理説明図
【図５】本発明の第３の実施例を示す図１相当図
【図６】本発明の第４の実施例を示す図１相当図
【図７】従来例を示す図１相当図
【図８】他の従来例を示す図１相当図
【符号の説明】
２１は圧電アクチュエータ、２３はｐｎｐ形の充電用トランジスタ、２４は第１の電源端子、２５は充電用電源、２６は電流検出抵抗（電流検出手段）、２７はｎｐｎ形の放電用トランジスタ、２８は第２の電源端子、２９はｎｐｎ形の充電制御用トランジスタ、３０は第３の電源端子、３１は制御用電源、３２はｐｎｐ形の放電制御用トランジスタ、３３は差動増幅回路（電流偏差演算手段）、３４は差動増幅回路（位置偏差演算手段）、３７は制御回路（制御手段）、３９は位置センサ（位置検出手段）、４１は放電用電源、４２はｐチャネルの充電用ＦＥＴ、４３はｎチャネルの放電用ＦＥＴ、４４はｎチャネルの充電制御用ＦＥＴ、４５はｐチャネルの放電制御用ＦＥＴ、５０はｐチャネルの充電用ＩＧＢＴ、５１はｎチャネルの放電用ＩＧＢＴ、５２はｎチャネルの充電制御用ＩＧＢＴ、５３はｐチャネルの放電制御用ＩＧＢＴである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 圧電アクチュエータに対する充電経路を形成して充電を行うと共に、放電経路を形成して充電電荷の放電を行わせるように構成された圧電アクチュエータの駆動装置において、前記圧電アクチュエータの充電経路に介在され、第１の電源端子にエミッタが接続され前記圧電アクチュエータ側にコレクタが接続されたｐｎｐ形の充電用トランジスタと、前記圧電アクチュエータの放電経路に介在され、第２の電源端子にエミッタが接続され前記圧電アクチュエータ側にコレクタが接続されたｎｐｎ形の放電用トランジスタと、前記充電用トランジスタのベースにコレクタが接続されエミッタが第３の電源端子に接続されベースに前記制御信号が与えられるｎｐｎ形の充電制御用トランジスタと、前記放電用トランジスタのベースにコレクタが接続されエミッタが前記第３の電源端子に接続されベースに前記制御信号が与えられるｐｎｐ形の放電制御用トランジスタと、前記第１の電源端子に接続され、前記第２の電源端子の電位を基準として前記圧電アクチュエータの駆動に必要な出力電圧を出力する充電用電源と、前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタを駆動するために前記第１の電源端子の電位よりも低く前記第２の電源端子の電位よりも高い出力電圧に設定され前記第３の電源端子と前記第２の電源端子との間に接続された制御用電源と、前記圧電アクチュエータの位置を検出する位置センサと、前記圧電アクチュエータの目標の位置に応じた信号を出力する制御手段と、前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタの各ベースに電気的に接続され、前記制御手段からの信号と前記位置センサからの信号との偏差に基づいた信号を出力する位置偏差演算手段とを具備したことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項２】 請求項１に記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、前記位置偏差演算手段と前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタの各ベースとの間に接続され、前記圧電アクチュエータの電流を検出すると共にその電流値と目標の電流値との偏差に基づいた信号を出力する電流偏差演算手段を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項３】 請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの駆動装置における前記充電用トランジスタに代えてｐチャネルの充電用ＦＥＴを設けると共に前記放電用トランジスタに代えてｎチャネルの放電用ＦＥＴを設ける構成とし、前記各ＦＥＴのソース，ドレインおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項４】 請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの駆動装置における前記充電用トランジスタに代えてｐチャネルの充電用ＩＧＢＴを設けると共に前記放電用トランジスタに代えてｎチャネルの放電用ＩＧＢＴを設けた構成とし、前記各ＩＧＢＴのエミッタ，コレクタおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項５】 請求項１ないし４に記載の圧電アクチュエータの駆動装置における前記充電制御用トランジスタに代えてｎチャネルの充電制御用ＦＥＴを設けると共に前記放電制御用トランジスタに代えてｐチャネルの放電制御用ＦＥＴを設けた構成とし、前記各ＦＥＴのソース，ドレインおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項６】 請求項１ないし４に記載の圧電アクチュエータの駆動装置における前記充電制御用トランジスタに代えてｎチャネルの充電制御用ＩＧＢＴを設けると共に前記放電制御用トランジスタに代えてｐチャネルの放電制御用ＩＧＢＴを設けた構成とし、前記各ＩＧＢＴのエミッタ，コレクタおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項７】 前記圧電アクチュエータの充電電荷を放電するように前記第２の電源端子に接続された負の出力電圧の放電用電源を設け、前記第３の電源端子を接地することにより前記放電用電源を前記制御電源として兼用したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項１】 圧電アクチュエータに対する充電経路を形成して充電を行うと共に、放電経路を形成して充電電荷の放電を行わせるように構成された圧電アクチュエータの駆動装置において、前記圧電アクチュエータの充電経路に介在され、第１の電源端子にエミッタが接続され前記圧電アクチュエータ側にコレクタが接続されたｐｎｐ形の充電用トランジスタと、前記圧電アクチュエータの放電経路に介在され、第２の電源端子にエミッタが接続され前記圧電アクチュエータ側にコレクタが接続されたｎｐｎ形の放電用トランジスタと、前記充電用トランジスタのベースにコレクタが接続されエミッタが第３の電源端子に接続されベースに前記制御信号が与えられるｎｐｎ形の充電制御用トランジスタと、前記放電用トランジスタのベースにコレクタが接続されエミッタが前記第３の電源端子に接続されベースに前記制御信号が与えられるｐｎｐ形の放電制御用トランジスタと、前記第１の電源端子に接続され、前記第２の電源端子の電位を基準として前記圧電アクチュエータの駆動に必要な出力電圧を出力する充電用電源と、前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタを駆動するために前記第１の電源端子の電位よりも低く前記第２の電源端子の電位よりも高い出力電圧に設定され前記第３の電源端子と前記第２の電源端子との間に接続された制御用電源と、前記圧電アクチュエータの位置を検出する位置センサと、前記圧電アクチュエータの目標の位置に応じた信号を出力する制御手段と、前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタの各ベースに電気的に接続され、前記制御手段からの信号と前記位置センサからの信号との偏差に基づいた信号を出力する位置偏差演算手段とを具備したことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項２】 請求項１に記載の圧電アクチュエータの駆動装置において、前記位置偏差演算手段と前記充電制御用トランジスタおよび前記放電制御用トランジスタの各ベースとの間に接続され、前記圧電アクチュエータの電流を検出すると共にその電流値と目標の電流値との偏差に基づいた信号を出力する電流偏差演算手段を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項３】 請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの駆動装置における前記充電用トランジスタに代えてｐチャネルの充電用ＦＥＴを設けると共に前記放電用トランジスタに代えてｎチャネルの放電用ＦＥＴを設ける構成とし、前記各ＦＥＴのソース，ドレインおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項４】 請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの駆動装置における前記充電用トランジスタに代えてｐチャネルの充電用ＩＧＢＴを設けると共に前記放電用トランジスタに代えてｎチャネルの放電用ＩＧＢＴを設けた構成とし、前記各ＩＧＢＴのエミッタ，コレクタおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項５】 請求項１ないし４に記載の圧電アクチュエータの駆動装置における前記充電制御用トランジスタに代えてｎチャネルの充電制御用ＦＥＴを設けると共に前記放電制御用トランジスタに代えてｐチャネルの放電制御用ＦＥＴを設けた構成とし、前記各ＦＥＴのソース，ドレインおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項６】 請求項１ないし４に記載の圧電アクチュエータの駆動装置における前記充電制御用トランジスタに代えてｎチャネルの充電制御用ＩＧＢＴを設けると共に前記放電制御用トランジスタに代えてｐチャネルの放電制御用ＩＧＢＴを設けた構成とし、前記各ＩＧＢＴのエミッタ，コレクタおよびゲートを、それぞれ前記エミッタ，コレクタおよびベースのそれぞれに対応させたことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動装置。
【請求項７】 前記圧電アクチュエータの充電電荷を放電するように前記第２の電源端子に接続された負の出力電圧の放電用電源を設け、前記第３の電源端子を接地することにより前記放電用電源を前記制御電源として兼用したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電アクチュエータの駆動装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図３】
【図８】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図４】
【図３】
【図８】
【図５】
【図６】
【図７】
【特許番号】特許第３１０９５６５号（Ｐ３１０９５６５）
【登録日】平成１２年９月１４日（２０００．９．１４）
【発行日】平成１２年１１月２０日（２０００．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−１４７３１４
【出願日】平成７年６月１４日（１９９５．６．１４）
【公開番号】特開平９−９６５０
【公開日】平成９年１月１０日（１９９７．１．１０）
【審査請求日】平成１１年４月２日（１９９９．４．２）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【参考文献】
【文献】特開 平６−２３９８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６３−２８３２２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平２−２４６７８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６４−８１２８６（ＪＰ，Ａ）
【登録日】平成１２年９月１４日（２０００．９．１４）
【発行日】平成１２年１１月２０日（２０００．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成７年６月１４日（１９９５．６．１４）
【公開番号】特開平９−９６５０
【公開日】平成９年１月１０日（１９９７．１．１０）
【審査請求日】平成１１年４月２日（１９９９．４．２）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【参考文献】
【文献】特開 平６−２３９８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６３−２８３２２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 平２−２４６７８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６４−８１２８６（ＪＰ，Ａ）
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