(57)【要約】【課題】圧電素子に対して高い駆動電圧を確保しながら、低消費電力で動作する圧電素子用駆動回路を実現する。【解決手段】圧電素子用駆動回路１０は、Ｈブリッジ回路１１、ローパスフィルタ回路１２Ａ，１２Ｂ、制御信号発生部１３を備える。制御信号発生部１３は、圧電素子Ｐのベンディングする基本周期に略一致する繰り返し周期の矩形波からなる第１、第２制御信号を発生する。第１制御信号と第２制御信号は逆相の信号である。第１、第２制御信号は、ローパスフィルタ１２Ａ，１２Ｂを通過することでスルーレートが低下する。Ｈブリッジ回路１１の各ＦＥＴはスルーレートが低下した第１、第２制御信号によってスイッチング動作をする。Ｈブリッジ回路１１から出力される第１、第２駆動信号は段階状の波形となり、高調波成分が抑制された信号となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに逆相の第１駆動信号および第２駆動信号を圧電素子に印加する圧電素子用駆動回路であって、
互いに逆相の矩形波からなる第１制御信号と第２制御信号とを生成する制御信号発生部と、
前記第１制御信号が入力される第１入力端子および前記第２制御信号が入力される第２入力端子と、前記圧電素子に前記第１駆動信号を印加する第１出力端子および前記圧電素子に前記第２駆動信号を印加する第２出力端子とを有するＨブリッジ回路と、
を備え、
前記制御信号発生部の直後且つ前記Ｈブリッジ回路の前記第１入力端子および前記第２入力端子の直前に、スルーレート低下回路を備えた、圧電素子用駆動回路。
【請求項２】
前記スルーレート低下回路は、ローパスフィルタ回路である、請求項１に記載の圧電素子用駆動回路。
【請求項３】
前記制御信号発生部は、
前記第１制御信号を発生する元信号発生部と、
該元信号発生部から出力された前記第１制御信号を反転処理して、前記第２制御信号を出力する反転回路と、を備える、請求項１または請求項２に記載の圧電素子用駆動回路。
【請求項４】
前記第１制御信号および前記第２制御信号の取り得る電圧は、前記Ｈブリッジ回路を構成するＦＥＴの不飽和領域の電圧範囲に設定されている、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の圧電素子用駆動回路。
【請求項５】
前記Ｈブリッジ回路の入力電圧の正負極性反転の周波数が圧電素子の共振周波数付近である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子用駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに逆相の二つの駆動信号を圧電素子に印加する圧電素子用駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子に与える駆動信号を生成する駆動回路が各種考案されている。圧電素子には、逆相の二つの駆動信号を与えることで、個々の駆動信号の電圧を高くすることなく、圧電素子に実質的に印加される電圧を二倍にすることができる。
【０００３】
このような逆相の二つの駆動信号を供給する回路として、特許文献１に示すようなＨブリッジ回路が実用化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１８２５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｈブリッジ回路はスイッチ制御回路であるため、Ｈブリッジ回路から出力される駆動信号は矩形波となる。矩形波は、単位時間当たりの電圧変化量（以下、スルーレート）が急峻な波形であり、圧電素子の共振周波数の周波数成分のみではなく、非常に広範囲の周波数成分を有している。したがって、圧電素子の実質的な動作に寄与する周波数成分のみでなく、例えば圧電素子の共振周波数の高調波のように、実質的な動作に寄与せず、単に共振して電力を消費するだけの周波数成分も存在する。このため、実質的な動作に寄与しない電力も消費されてしまう。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、圧電素子に対して高い駆動電圧を確保しながら、無駄な電力消費を抑制することができる圧電素子用駆動回路を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、互いに逆相の第１駆動信号および第２駆動信号を圧電素子に印加する圧電素子用駆動回路に関する。圧電素子用駆動回路は、制御信号発生部、Ｈブリッジ回路を備える。制御信号発生部は、互いに逆相の矩形波からなる第１制御信号と第２制御信号とを生成する。Ｈブリッジ回路は、第１制御信号が入力される第１入力端子および第２制御信号が入力される第２入力端子と、圧電素子に第１駆動信号を印加する第１出力端子および圧電素子に第２駆動信号を印加する第２出力端子とを有する。圧電素子用駆動回路は、さらに、制御信号発生部の直後且つＨブリッジ回路の第１、第２入力端子の直前に、スルーレート低下回路を備える。
【０００８】
この構成では、制御信号発生部から出力された矩形波からなる第１、第２制御信号の波形がスルーレート低下回路によって緩やかになる。すなわち、Ｈブリッジ回路の制御信号入力部の立ち上がり特性および立ち下がり特性が緩やかになる。このため、圧電素子の動作に寄与しない周波数成分（不要周波数成分）が抑制され、圧電素子に印加されることを抑制できる。
【０００９】
したがって、例えば圧電素子を圧電ポンプに利用する場合には、ポンプの流量に寄与しない高調波成分を抑制することにより、流量を低下させることなく、低消費電力で動作する圧電素子用駆動回路を実現できる。これにより、圧電ポンプを電池によって駆動する場合に、電池の寿命を長くすることができる。
【００１０】
また、この発明の圧電素子用駆動回路のスルーレート低下回路は、ローパスフィルタ回路であることが好ましい。
【００１１】
この構成では、スルーレート低下回路がローパスフィルタであることにより、比較的簡素な回路構成で、矩形波からなる第１、第２制御信号のスルーレートを低下させることができる。
【００１２】
また、この発明の圧電素子用駆動回路は、制御信号発生部を、第１制御信号を発生する元信号発生部と、元信号発生部から出力された第１制御信号を反転処理して、第２制御信号を出力する反転回路と、から構成することもできる。
【００１３】
また、この発明の圧電素子用駆動回路では、第１制御信号および第２制御信号の取り得る電圧は、Ｈブリッジ回路を構成するＦＥＴの不飽和領域の電圧範囲に設定されている、ことが好ましい。
【００１４】
この構成では、Ｈブリッジ回路から出力される第１、第２駆動信号の波形の傾斜が緩やかになる。このため、不要周波数成分がさらに抑制される。これにより、消費電力をさらに低下させることができる。
【００１５】
また、この発明の圧電素子用駆動回路では、Ｈブリッジ回路の入力電圧の正負極性反転の周波数が圧電素子の共振周波数付近であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、圧電素子を用いた各種デバイスの性能を低下させることなく、低消費電力で動作する圧電素子用駆動回路を実現できる。これにより、電池によって圧電素子を駆動する場合に、当該電池の寿命を長くすることができる。
【００１７】
例えば、圧電素子を用いた圧電ポンプであれば、ポンプの流量に寄与しない高調波成分を抑制することができ、流量を低下することなく、低消費電力化することができる。これにより、電池駆動の圧電ポンプの電池の寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る圧電素子用駆動回路１０の回路構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るローパスフィルタ回路１２Ａの回路図である。
【図３】Ｈブリッジ回路１１に入力される制御信号およびＨブリッジ回路１１から出力する駆動信号と、圧電素子の駆動電圧の波形を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る圧電素子用駆動回路１０における駆動信号波形と従来の圧電素子用駆動回路における駆動信号波形とを示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る圧電素子用駆動回路によって駆動される圧電素子を用いた圧電ポンプと、従来の駆動回路によって駆動される圧電素子を用いた圧電ポンプとで、スルーレートに対する流量の変化と消費電力の変化を示した図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る圧電素子用駆動回路によって駆動される圧電素子を用いた圧電ポンプと、従来の駆動回路によって駆動される圧電素子を用いた圧電ポンプとで、流量の時間変化を示した図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る圧電素子用駆動回路１０の回路構成図である。
【図８】圧電素子の駆動電圧の波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の第１の実施形態に係る圧電素子用駆動回路１０について、図を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る圧電素子用駆動回路１０の回路構成図である。
【００２０】
圧電素子用駆動回路１０は、Ｈブリッジ回路１１、ローパスフィルタ回路１２Ａ，１２Ｂ、制御信号発生部１３を備える。ローパスフィルタ１２Ａ，１２Ｂが本発明の「スルーレート低下回路」に相当する。なお、本実施形態の圧電素子用駆動回路１０で駆動する圧電素子Ｐは、例えば圧電ポンプに用いられるものである。ただし、基本波がベンディング信号で高調波がコリオリ力のセンシングに寄与しない振動となる圧電ジャイロ等の各種振動センサに用いる圧電素子にも適用することができる。
【００２１】
Ｈブリッジ回路１１は、第１入力端子ＩＮ１、第２入力端子ＩＮ２、第１出力端子ＯＵＴ１、第２出力端子ＯＵＴ２を備える。Ｈブリッジ回路１１は、第１入力端子ＩＮ１に入力される第１制御信号と、第２入力端子ＩＮ２に入力される第２制御信号とに応じて、第１出力端子ＯＵＴ１から第１駆動信号を出力し、第２出力端子ＯＵＴ２から第２駆動信号を出力する。
【００２２】
第１入力端子ＩＮ１は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２Ａの出力端子に接続する。第２入力端子ＩＮ２は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２Ｂの出力端子に接続する。第１出力端子ＯＵＴ１は圧電素子Ｐの第１端子に接続する。第２出力端子ＯＵＴ２は圧電素子Ｐの第２端子に接続する。
【００２３】
ローパスフィルタ１２Ａの入力端子は、制御信号発生部１３の第１制御信号出力端子に接続する。ローパスフィルタ１２Ｂの入力端子は、制御信号発生装置１３の第２制御信号出力端子に接続する。
【００２４】
図２は本発明の第１の実施形態に係るローパスフィルタ回路１２Ａの回路図である。ローパスフィルタ１２Ａ，１２Ｂ、例えば同一の回路構成からなる。
【００２５】
ローパスフィルタ回路１２Ａは、オペアンプ１２０、抵抗器１２１，１２２Ｒ、コンデンサ１２２Ｃを備える。オペアンプ１２０の反転入力端子は、抵抗器１２１を介して第１制御信号出力端子に接続する。オペアンプ１２０の非反転入力端子は、例えば接地されているが、基準電位となる中間電位ＶＭが印加されていてもよい。オペアンプ１２０の出力端子は、抵抗器１２２Ｒとコンデンサ１２２Ｃとの並列回路を介して、オペアンプ１２０の反転入力端子に接続する。
【００２６】
抵抗器１２２Ｒとコンデンサ１２２Ｃとの並列回路の素子値を適宜設定することで、ローパスフィルタ１２Ａ（１２Ｂ）の通過帯域および減衰特性が設定される。圧電素子Ｐは、例えば入力信号との共振駆動によりベンディング振動を行う。圧電素子Ｐの共振周波数は例えば２５ｋＨｚである。ローパスフィルタの通過帯域及び減衰帯域は、圧電素子Ｐがベンディング振動する共振周波数が通過帯域内となり、当該共振周波数の３次高調波以上の周波数が減衰帯域内となるように、各素子値が設定されている。
【００２７】
制御信号発生部１３は、詳細は後述するが、矩形波からなる第１制御信号と第２制御信号とを発生し、逆相の状態で同期して出力する。制御信号発生部１３は、第１制御信号を、第１制御信号出力端子から出力し、第２制御信号を第２制御信号出力端子から出力する。
【００２８】
このような構成からなる圧電素子用駆動回路１０は、次に示すように動作する。図３は、制御信号発生部１３から出力される第１、第２制御信号、Ｈブリッジ回路１１に入力される第１、第２制御信号および出力する第１、第２駆動信号と、圧電素子の駆動電圧の波形を示す図である。図３において、破線は従来のＨブリッジ回路のみの構成による波形であり、実線は本実施形態の構成による波形である。
【００２９】
制御信号発生部１３は、図３の上段から一段目と二段目に記載されているように、矩形波からなる第１制御信号、第２制御信号を発生する。第１制御信号と第２制御信号の矩形パルスの繰り返し周期は、圧電素子Ｐが共振周波数でベンディングする基本周期と略一致するように設定されている。第１制御信号と第２制御信号は、逆相の信号である。すなわち、第１制御信号がＨｉ状態の時には第２制御信号はＬｏｗ状態となり、第１制御信号がＬｏｗ状態の時には第２制御信号はＨｉ状態となる。
【００３０】
この矩形波からなる第１、第２制御信号は、ローパスフィルタ１２Ａ，１２Ｂを通過することで、図３の上段から三段目と四段目に記載したような波形となる。
【００３１】
ローパスフィルタ１２Ａ，１２Ｂでは、矩形波からなる第１、第２制御信号の高調波周波数成分が抑制される。したがって、第１、第２制御信号のスルーレートは、図３に示すように低下する。すなわち、第１、第２制御信号の立ち上がりおよび立ち下がりは、緩やかになる。言い換えれば、第１、第２制御信号は、Ｌｏｗレベル（電位）からＨｉレベル（電位）への状態遷移およびＨｉレベルからＨｉレベルへの状態遷移が瞬時に切り替わらず、徐々にＬｏｗレベルからＨｉレベル、ＨｉレベルからＬｏｗレベルへ状態遷移する。
【００３２】
このように、スルーレートが低下した第１制御信号は、Ｈブリッジ回路１１の第１入力端子ＩＮ１に入力され、同じくスルーレートが低下した第２制御信号は、Ｈブリッジ回路１１の第２入力端子ＩＮ２に入力される。
【００３３】
ここで、図３の上段から三段目と四段目に記載したように、Ｈブリッジ回路１１の各ＦＥＴのスイッチング閾値ＶＴＨ１，ＶＴＨ２を、第１、第２制御信号に対してＬｏｗレベルに近いレベルに設定する。これにより、第１制御信号と第２制御信号との状態遷移タイミングが異なる。言い換えれば、第１制御信号によるスイッチの切り替えタイミングと、第２制御信号によるスイッチの切り替えタイミングと、が異なる。
【００３４】
このようにスイッチの切り替えタイミングが異なることにより、図３の上段から五段目と六段目に記載したように、第１出力端子ＯＵＴ１から出力される第１駆動信号の状態遷移タイミングと第２出力端子ＯＵＴ２から出力される第２駆動信号の状態遷移タイミングが異なる。具体的には、第１、第２駆動信号のＨｉレベルの期間がＬｏｗレベルの期間よりも短くなる。
【００３５】
このような制御により、第１駆動信号と第２駆動信号との差分である圧電素子Ｐの駆動電圧は、図３の最下段に示すように、段階状に電圧が遷移しながら振動する信号となる。
【００３６】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る圧電素子用駆動回路１０における駆動信号波形と従来の圧電素子用駆動回路における駆動信号波形とを示す図である。図４に示すように、本実施形態の駆動信号は、従来の駆動信号の波形である矩形波と比較して正弦波に近い波形である。これは、不要な高調波成分が抑制されたことを意味する。
【００３７】
また、第１駆動信号ＯＵＴ１および第２駆動信号ＯＵＴ２がともにＬｏｗレベルの期間では、圧電素子用駆動回路は圧電素子に対して仕事をなさないため、この期間での電力を削減できる。
【００３８】
また、本実施形態の駆動信号のように波形を正弦波に近づけることで、圧電素子に印加される駆動信号のスルーレートが低下する。このような駆動方法で駆動された圧電素子を用いて圧電ポンプを構成することで、次のような作用効果が得られる。
【００３９】
図５は本発明の第１の実施形態に係る圧電素子用駆動回路によって駆動される圧電素子を用いた圧電ポンプと、従来の駆動回路によって駆動される圧電素子を用いた圧電ポンプとで、スルーレートに対する流量の変化と消費電力の変化を示した図である。図５に示すように、スルーレートを低下さても、所定のスルーレートまで殆ど流量は低下しない。一方スルーレートを低下させることで、消費電力を低下させることできる。すなわち、スルーレートを適宜設定することで、流量を低下させることなく消費電力を抑えた圧電ポンプを実現することができる。例えば、図５のような特性を得られる場合であれば、スルーレートを５Ｖ／μｓ程度とすることで、流量を低下させることなく、効果的に消費電力を低下させることができる。
【００４０】
図６は、本実施形態の圧電素子用駆動回路によって駆動される圧電素子を用いた圧電ポンプと、従来の駆動回路によって駆動される圧電素子を用いた圧電ポンプとで、流量の時間変化を示した図である。図６の結果は、同じ容量の電池で駆動した場合の比較例である。
【００４１】
図６に示すように、従来の圧電素子用駆動回路での電池の持続時間を基準として、本実施形態の圧電素子用駆動回路の電池の持続時間を比較すると、本実施形態の圧電素子用駆動回路の電磁の持続時間は、１．６倍となっていることが分かる。さらに、従来と比較して流量が大幅に低下することなく、安定した動作を示す。
【００４２】
このように、本実施形態の圧電素子用駆動回路を用いることで、従来の駆動回路よりも大幅に省電力化を行うことができる。特に、当該圧電素子用駆動回路を圧電ポンプの圧電素子の駆動に利用する場合、圧電ポンプの流量を大幅に低下させることなく、大幅に省電力化を行うことができる。
【００４３】
なお、上述の説明では、スルーレート低下回路として、オペアンプを備えるローパスフィルタを例に示したが、これに限るものではない。例えば、ローパスフィルタは多段接続されていてもよい。また、キャパシタや抵抗器等の受動素子を組み合わせたローパスフィルタや、キャパシタのみであってもよい。さらに、スルーレートが低いリニアアンプ等、スルーレートを低下させることが可能な回路であれば、利用することができる。
【００４４】
次に、第２の実施形態に係るに係る圧電素子用駆動回路１０Ａについて、図を参照して説明する。図７は本発明の第２の実施形態に係る圧電素子用駆動回路１０Ａの回路構成図である。本実施形態の圧電素子用駆動回路１０Ａは、第１の実施形態に示した圧電素子用駆動回路１０に対して、ＬＰＦの構成、制御信号発生部の構成が異なるものである。したがって、異なる箇所のみを説明する。
【００４５】
制御信号発生部１３は、元信号発生部１３１と反転回路１３２とを備える。元信号発生部１３１の出力端は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２Ｃの一方端と反転回路１３２の入力端子に接続されている。反転回路１３２の出力端子は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２Ｄの一方端に接続されている。
【００４６】
ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２Ｃは、信号ラインとグランド電位との間に接続されたコンデンサ１２３Ｃのみからなる。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２Ｃの他方端は、Ｈブリッジ回路１１の第１入力端子ＩＮ１に接続されている。
【００４７】
ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２Ｄは、信号ラインとグランド電位との間に接続されたコンデンサ１２３Ｄのみからなる。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２Ｄの他方端は、Ｈブリッジ回路１１の第２入力端子ＩＮ２に接続されている。コンデンサ１２３Ｄのキャパシタンスとコンデンサ１２３Ｄのキャパシタンスとは同じである。
【００４８】
制御信号発生部１３の元信号発生部１３１は、第１の実施形態で示した第１制御信号を元信号として発生する。元信号は、反転回路１３２に入力される。反転回路１３２は、元信号を反転処理して、第１の実施形態で示した第２駆動信号を発生する。
【００４９】
このような構成であっても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００５０】
また、上述の各実施形態の説明では、Ｈブリッジ回路１１に入力する第１、第２制御信号の電圧値について、特に詳細に説明していない。入力する第１、第２制御信号の電圧を、Ｈブリッジ回路１１を構成するＦＥＴの非線形特性領域内となるように設定すると、よりよい。なお、この電圧設定は、電源回路からの回路駆動用電圧、および当該回路駆動用電圧から設定可能な中間電位ＶＭを、適宜設定することにより実現できる。
【００５１】
これにより、図８に示すような圧電素子の駆動電圧波形を実現することができる。図８はＦＥＴの非線形特性領域を利用し場合の圧電素子への駆動電圧の波形を示す図である。図８に示すように、ＦＥＴの非線形特性領域を用いることで、段階状に電圧が変化する際の電圧の時間変化率を低下させることができる。すなわち、各段でのスルーレートを低下させることができる。これにより、さらに正弦波に近い駆動電圧波形となり、基本周波数（圧電素子のベンディングする共振周波数）を抑制することなく、高調波周波数成分を更に抑制することができる。この結果、さらに消費電力を低下させ、電池を長寿命化することができる。
【００５２】
上述の実施形態では、圧電素子Ｐは共振駆動を行う圧電ポンプで利用することを主たる目的としているが、これに限るものではなく、例えば圧電素子単体であってもよい。圧電素子は、例えば、チタン酸ジルコン酸系セラミックスや、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等や、水晶、リチウムタンタレート、リチウムナイオベートから構成される。
【００５３】
また、上述の実施形態では、圧電素子Ｐの振動モードはベンディング振動モードとしたが、これに限るものではなく、例えば、厚み縦振動モードを用いて駆動を行ってもよい。
【００５４】
また、上述の実施形態では、Ｈブリッジ回路は、ＦＥＴで構成されているが、これに限るものではなく、例えば、バイポーラトランジスタで構成されていてもよい。
【００５５】
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５６】
１０，１０Ａ：圧電素子用駆動回路
１１：Ｈブリッジ回路、
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ：ローパスフィルタ回路、
１３，１３Ａ：制御信号発生部、
１２０：オペアンプ、
１２１，１２２Ｒ：抵抗器、
１２２Ｃ，１２３Ｃ，１２３Ｄ：コンデンサ、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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