(57)【要約】【課題】  使用環境の変動等により圧電素子のインピーダンスが減少したとしても、過剰な電流供給による圧電振動子の過剰振動による損傷や、電力増幅器及びその電気各部品の損傷が生じないようにすること。【解決手段】  圧電素子に検査用電圧を印加する検査用電圧印加手段と、前記検査用電圧の印加により前記圧電素子を流れる検査用電流を求める電流測定手段と、前記検査用電流の変化から前記駆動電圧の調整をする駆動電圧調整手段と、を備える。さらに、前記調整をした、その圧電素子を駆動するための駆動電圧の印加を前記圧電素子に行う圧電素子駆動手段を備える。【選択図】      図１
2016137456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子に検査用電圧を印加する検査用電圧印加手段と、
前記検査用電圧の印加により前記圧電素子を流れる検査用電流を求める電流測定手段と、
前記検査用電流の変化から前記駆動電圧が所定の電圧値を超えないように調整をする駆動電圧調整手段と、
前記調整をした、その圧電素子を駆動するための駆動電圧の印加を前記圧電素子に行う圧電素子駆動手段と、
を備える圧電素子駆動装置。
【請求項２】
前記圧電素子に検査用電圧を印加する検査用電圧印加手段と、
前記検査用電圧の印加による前記圧電素子を流れる検査用電流を求める電流測定手段と、
前記検査用電流を用いて圧電素子のアドミタンス伝達関数を算出する伝達関数算出部と、
前記アドミタンス伝達関数の変化から前記駆動電圧の調整をする駆動電圧調整手段と、
前記調整をした、その圧電素子を駆動するための駆動電圧の印加を前記圧電素子に行う圧電素子駆動手段と、
を備える圧電素子駆動装置。
【請求項３】
前記検査用電圧がピンクノイズなどのエルゴート性ノイズ、チャープ信号、Ｔｉｍｅ  ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ  ｐｕｌｓｅ信号又はインパルス信号である、請求項１乃至３のいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
【請求項４】
前記電流測定手段が、複数の周波数における前記検査用電流を測定し、
前記駆動電圧調整手段が、その複数の周波数における検査用電流の変化から、前記駆動電圧を調整する、請求項３に記載された圧電素子駆動装置。
【請求項５】
前記検査用電圧が複数の周波数をもつ電圧であり、前記駆動電圧の調整が、前記複数の周波数における前記駆動電圧の調整である、請求項４に記載された圧電素子駆動装置。
【請求項６】
前記圧電素子駆動手段が、入力された信号の電圧を増幅して前記圧電素子に印加する電圧増幅部を備え、当該電圧増幅部における電圧増幅のゲインを調整することにより前記駆動電圧の調整を行う、請求項１乃至５のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
【請求項７】
前記検査用電圧印加手段が、入力された検査用信号の電圧を増幅して前記圧電素子に印加する検査用信号増幅部を備える請求項１乃至６のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
【請求項８】
前記検査用信号の電圧が、前記入力された信号の電圧の関数である請求項７に記載された圧電素子駆動装置。
【請求項９】
前記圧電素子への前記駆動電圧の印加の時には、前記圧電素子への前記検査用電圧の印加は行わない請求項１乃至８のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
【請求項１０】
前記駆動電圧の前記圧電素子への印加と、前記検査用電圧の前記圧電素子への印加との切り替えを行う印加電圧切替部をさらに備え前記検査用電圧の前記圧電素子への印加から前記駆動電圧の前記圧電素子への印加への前記切り替えを行う際に、前記駆動電圧を下げその後増加させる処理を行う、請求項１乃至９のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を駆動する装置及び圧電素子を駆動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、高い電気音響変換効率の実現が可能であり、電気音響変換器として使用されている。例えば、水中で用いるソナーは正弦波の短パルスを圧電素子から放射し、その反射音を観測することにより、水中における物体の配置等に関する情報を得るものである。
【０００３】
この放射は、通常、圧電素子がもつ機械的共振周波数近傍の周波数による正弦波を、ある時間窓により切り出した短パルスの励振電圧信号を圧電素子に入力することにより実現される。
【０００４】
図１８は、屈曲振動する圧電素子の基本共振周波数における電気機械音響等価回路の例である。本等価回路は、インダクタ１と、制動容量２と、電気機械変換を表す理想変圧器３と、等価回路素子４、５、６と、により表わされる。ここで、インダクタ１は、制動容量２と反共振回路を形成するためのインダクタ、制動容量２は圧電素子の制動容量である。
【０００５】
インダクタ１は制動容量２に電流が流れないようにするためのインダクタである。インダクタ１は、圧電素子内において圧電振動部に外付けされている。インダクタ１は必須のものではないが、インダクタ１を設けない場合には制動容量２に電流が流れるため、以下において述べる等価回路素子定数において、制動容量２に電流が流れる影響を考慮する必要がある。
【０００６】
電気機械変換を表す理想変圧器３の巻き線比は電気音響変換率、もしくは変換感度を表す。等価回路素子４、５、６は、それぞれ、機械的な、粘性Ｒｍ、質量Ｌｍ、コンプライアンスＣｍの等価回路素子定数を有する。
【０００７】
図１８の等価回路により表現される圧電素子の等価回路素子定数Ｒｍ、Ｌｍ、Ｃｍは、その周囲の環境により機械的特性が変化しうる。例えば、圧電素子を水中で用いた場合の、機械的特性の変化の要因としては、下記の３つがあげられる。（１）深度の変化に伴い圧電素子に加わる、水圧及び水温の変化による振動部及び振動部周辺の弾性部材（モールド樹脂、インピーダンス整合層等）の力学的特性の変化。（２）振動部及び振動部周辺部材の経年変化による弾性係数や機械的粘性の変化。（３）水深の変化等による音響放射インピーダンスの変化。
【０００８】
さて、海洋では主水温躍層での水温の水深方向の変化が激しく、夏には、２００ｍ程度の水深の変化による水温の変化が２０℃近くに達することがあることが知られている。この水温の変化は、圧電素子が高い機械的Ｑ値（Ｑｕａｌｉｔｙ  ｆａｃｔｏｒ）の圧電セラミックス（Ｈｉｇｈ  Ｑ材）を使用している場合には、大きなＲｍの変化を招く場合がある。また、圧電セラミックスと圧電素子を構成する金属部品、接着剤の熱膨張率が大きい場合には圧電素子内部での静圧の変化を招き、静圧の変化が振動を妨げるように働く場合には、Ｒｍの増大を招く。
【０００９】
また、音響放射インピーダンスは、圧電素子及びその周辺部材からなる音響放射面における放射インピーダンス（非特許文献１参照）であり、等価回路素子４、５、６に含まれる内数である。音響放射インピーダンスＺｒは、水の質量密度ρ０、音速ｃ０、波数ｋ、放射面の半径ａにより、一階の第一種Ｂｅｓｓｅｌ関数Ｊ１（ｘ）とＳｔｒｕｖｅ関数Ｓ１（ｘ）とを用いて下記式により表される（非特許文献２参照）。
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【００１０】
式（１）は、圧電素子の存在する水深が変化することにより、海水の密度、音速が変化すると放射インピーダンスが変化することを表わしている。深度及び水温による音速の変化は、表面層、温度躍層、密度躍層のいずれにおいても、深度５００ｍの変化に対して２０ｍ／ｓｅｃ以下程度であることが知られている。
【００１１】
図１９は、図１８に示した等価回路図の圧電素子が１ｋＨｚに共振を持つ場合のコンダクタンス周波数応答特性である。以下において、図１９にそのコンダクタンスの周波数応答特性を示すように、１ｋＨｚに機械共振を持つ、固有角周波数
2016137456.tif 000004
の圧電素子を考える。
【００１２】
共振周波数において、制動容量ＣｄとインダクタＬｃとの共振により、制動容量ＣｄとインダクタＬｃとの並列回路は、外部から見れば無限大のインピーダンスとなり、また機械的コンプライアンスＣｍと質量Ｌｍは機械的直列共振により相殺されるので、結局、機械的粘性損失Ｒｍのみが残る。  このとき、等価回路の圧電素子により起因するところの固有振動（等価回路上の固有振動電流に対応）、及び制動容量に流れる電流を無視できるため、圧電素子に流れる電流は、印加電圧をｖ（ｔ）（ｔは時刻）とすると、
2016137456.tif 000005
となる。
【００１３】
式（２）において、Ｒｍが時々刻々と変化する場合、ｖ（ｔ）の振幅ｖ０が一定であったとしてもｉｍ（ｔ）の振幅は時々刻々と変化することになる。
【００１４】
個々のファクターの変化は小さいとしても、それらが積み上げられることにより、大きなＱ値の変化、すなわち式（２）におけるＲｍが変化し、そのため、電流ｉｍ（ｔ）が変化することが起こる。
【００１５】
図２０は、一般的な圧電素子の駆動装置を表わす概念図である。同図（ａ）は、駆動装置の構成を表わす概念図であり、同図（ｂ）は出力ゲート信号の波形である。
【００１６】
本駆動装置は、圧電素子を駆動する信号を送出するための送信機１０と、圧電素子を含む送波器１４とからなる。
【００１７】
送信機１０は、入力信号供給部１１と、出力ゲート信号供給部１２と、電圧増幅部１３を備える。送波器１４は、圧電素子１５を備える。
【００１８】
電圧増幅部１３は、入力信号供給部１１から供給される入力信号を増幅し、出力ゲート信号供給部１２から供給される出力ゲート信号のレベルが、同図（ｂ）におけるＨｉｇｈ（駆動ｅｎａｂｌｅ）の時に圧電素子１５に対して駆動電圧を出力し、同レベルがＬｏｗ（駆動ｄｉｓａｂｌｅ）の時は出力しない。圧電素子１５は、電圧増幅部１３からの駆動電圧により、駆動され、振動する。
【００１９】
電圧増幅部１３には、通常は、設計上許容される負荷インピーダンスの範囲がある。圧電素子を接続した状態での負荷インピーダンスがその許容範囲を逸脱して小さい場合には、過電流により、電圧増幅部１３内部の許容損失を超え、焼損等の破壊が発生することがある。この課題への対応として一般的に用いられる方法は、圧電素子のインピーダンス範囲を、その使用環境を含めて想定して電圧増幅部１３及び送信器１４の設計を行うことにより、圧電素子駆動装置の焼損による破壊の防止を試みるという方法（以下、「一般的方法」という。）である。
【００２０】
また、特許文献１には、圧電素子へ供給される高周波電圧を検出し、検出電圧に応じて圧電素子を駆動する電流のレベル調整を行い、目標電圧レベルになるよう電力供給量を増減する圧電素子駆動方法が開示されている。
【００２１】
また、本発明に関連して、非特許文献３に、関数の畳み込みについて説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２０００−３３４０１９号公報
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】”スピーカーの物理学２  音響インピーダンスと放射インピーダンス”  、［平成２７年１月８日検索］、インターネット（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅ．ｊｐ／ａｓａｈｉ／ｓｈｉｇａ／ｈｏｍｅ／ＭｙＲｏｏｍ／９５２２ｓｏｕｎｄｉｍｐｅｄａｎｃｅ．ｐｄｆ）
【非特許文献２】”応用音響学  後半第５回”、［平成２７年１月８日検索］、インターネット（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈａｐｉｓ．ｋ．ｕ−ｔｏｋｙｏ．ａｃ．ｊｐ／ｐｕｂｌｉｃ／ｍａｋｉｎｏ／ｌｅｃｔｕｒｅ／ＡＡ１４＿１２．ｐｄｆ）
【非特許文献３】ウィキペディア  フリー百科事典、”畳み込み”、［平成２６年１２月２４日検索］、インターネット（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｊａ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／％Ｅ７％９５％Ｂ３％Ｅ３％８１％ＢＦ％Ｅ８％ＢＥ％ＢＣ％Ｅ３％８１％ＢＦ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、上述の一般的方法を用いたとしても、圧電素子及び送波器の使用環境による負荷の変動要因を完全に把握することは困難である。そのため、焼損等による破壊を防止するべく、圧電素子のインピーダンス範囲を、使用環境の変動を含めて想定し、電圧増幅部及び送信器の設計を行っても、その効果に限界がある。すなわち、過剰な電流供給による圧電振動子の過剰振動による損傷や、電力増幅器及びその電気各部品の損傷がある程度発生する。
【００２５】
また特許文献１に記載された方法は、電圧レベルを一定に保つ方法なので、電流は圧電素子のインピーダンスの減少により増加し、過電流による圧電素子駆動部又は圧電素子の焼損等を防止には効果がない。
【００２６】
本発明は、上記課題を解決し、過剰な電流供給による圧電振動子の過剰振動による損傷や、電力増幅器及びその電気各部品の損傷の発生確率を低減することができる圧電素子駆動装置及び圧電素子駆動方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明の圧電素子駆動装置は、圧電素子に検査用電圧を印加する検査用電圧印加手段と、
前記検査用電圧の印加により前記圧電素子を流れる検査用電流を求める電流測定手段と、
前記検査用電流の変化から前記駆動電圧の調整をする駆動電圧調整手段と、を備える。本発明の圧電素子駆動装置は、さらに、前記調整をした、前記圧電素子を駆動するための駆動電圧の印加を前記圧電素子に行う圧電素子駆動手段を備える。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の圧電素子駆動装置及び圧電素子駆動方法により、使用環境の変動等により圧電素子のインピーダンスが減少したとしても、過剰な電流供給による圧電振動子の過剰振動による損傷や、電力増幅器及びその電気各部品の損傷の発生確率を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第一実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【図２】第二実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【図３】第二実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図である。
【図４】圧電素子のアドミタンス伝達関数を含む電気機械音響等価回路を表わす概念図である。
【図５】第三実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【図６Ａ】第三実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図（その１）である。
【図６Ｂ】第三実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図（その２）である。
【図７】第四実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【図８】出力ゲート信号の波形の例を表わす概念図である。
【図９】第四実施形態の圧電素子駆動装置の動作の状態遷移を表わす概念図である。
【図１０Ａ】第四実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図（その１）である。
【図１０Ｂ】第四実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図（その２）である。
【図１０Ｃ】第四実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図（その３）である。
【図１１】第四実施形態の圧電素子駆動装置の効果を確認するために仮想的に設定された、圧電素子のアドミタンス絶対値の時間変化である。
【図１２】第四実施形態の圧電素子駆動装置における電圧増幅部の出力電圧及び出力電流の時間変化を表わす図である。
【図１３】第五実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【図１４】第五実施形態の圧電素子駆動装置の動作の状態遷移を表わす概念図である。
【図１５Ａ】第五実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図（その１）である。
【図１５Ｂ】第五実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図（その２）である。
【図１５Ｃ】第五実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図（その３）である。
【図１６】テーパ関数の例を表わすイメージ図である。
【図１７】本実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【図１８】圧電素子の基本共振周波数における電気機械音響等価回路の例を表わす概念図である。
【図１９】図１８に示した等価回路図の圧電素子が１ｋＨｚに共振を持つ場合のコンダクタンスの周波数応答特性である。
【図２０】一般的な圧電素子の駆動装置を表わす概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
［第一実施形態］
本実施形態は、本発明の最小限の圧電駆動装置に関する実施形態である。
［構成と動作］
図１は、本実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【００３１】
本実施形態の圧電素子駆動装置１０は、圧電素子駆動部５１と、検査用電圧印加部７１と、電流測定部２０と、駆動電圧調整部６１と、を備える。
【００３２】
検査用電圧印加部７１は、図示しない圧電素子に検査用電圧を印加する。
【００３３】
電流測定部２０は、検査用電圧印加部７１が前記圧電素子に印加する検査用電圧により圧電素子を流れる検査用電流を測定する。電流測定部２０は、典型的には電流プローブである。
【００３４】
駆動電圧調整部６１は、電流測定部２０から送られる検査用電流の時間変化を測定する。各時刻における検査用電流から、圧電素子駆動部５１が圧電素子に印加すべき適正な電圧値に関する情報を求め、その情報を含む信号を圧電素子駆動部５１に送る。
【００３５】
圧電素子駆動部５１は、駆動電圧調整部６１から送られる情報をもとに定めた駆動電圧を圧電素子に印加する。
［効果］
本実施形態の圧電素子駆動装置により、使用環境の変動等により圧電素子のインピーダンスが減少したとしても、過剰な電流供給による圧電振動子の過剰振動による損傷や、電力増幅器及びその電気各部品の損傷の発生確率を低減することができる。
［第二実施形態］
本実施形態は、圧電素子を駆動する電圧を、検査用電流値から求める圧電素子駆動装置に関する実施形態である。
［構成と動作］
図２は、本実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【００３６】
本実施形態の圧電素子駆動装置１０は、圧電素子駆動部５１と、検査用電圧印加部７１と、電流測定部２０と、駆動電圧調整部６１と、を備える。
【００３７】
検査用電圧印加部７１は、検査用信号供給部１７と、検査用信号増幅部１９と、を備える。
【００３８】
駆動電圧調整部６１は、ゲイン計算部１８を備える。
【００３９】
圧電素子駆動部５１は、入力信号供給部１１と、電圧増幅部１３と、を備える。
【００４０】
検査用電圧印加部７１の検査用信号供給部１７は検査用信号増幅部１９に検査用信号を供給する。検査用信号供給部１７が検査用信号増幅部１９に供給する検査用信号の種類は任意である。単一周波数信号のほか、複数の異なる周波数をもつ信号を重ね合わせた信号、ホワイトノイズ、ピンクノイズなどのエルゴート性ノイズ、もしくは周波数全帯域の成分を時系列で含むチャープ信号、ＴＳＰ信号（Ｔｉｍｅ  ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ  ｐｕｌｓｅ）、インパルス信号などを用いることもできる。
【００４１】
検査用信号増幅部１９は、検査用信号供給部１７から供給された検査用信号の電圧を増幅し、検査用電圧を圧電素子１５に印加する。検査用電圧は、圧電素子１５やその動作に影響を及ぼさない程度に、十分に小さな電圧を用いる。検査用信号増幅部１９は、そのような小さな検査用電圧に増幅するための増幅部なので、その出力する電圧や電流は、電圧増幅部１３に比べて小さく構成することができる。
【００４２】
電流測定部２０は、検査用電流を測定し、測定した検査用電流値をゲイン計算部１８に送る。
【００４３】
駆動電圧調整部６１のゲイン計算部１８は、電圧増幅部１９において増幅すべきゲインに関する情報を、電流測定部２０から送られた検査用電流値より算出し、その情報を含む信号を電圧増幅部１９に送る。電圧増幅部１３は、電圧増幅部１３から出力される信号の電圧レベルを昇圧や降圧する必要がある場合には、電圧増幅器１３と圧電素子１５との間に、図示しない変圧器をさらに備えることもある。
【００４４】
圧電素子駆動部５１の入力信号供給部１７は、圧電素子１５を駆動するための元となる信号を電圧増幅部１３に供給する。入力信号供給部１７は、ＣＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ等を備える図示しない信号生成部とそれらにより送出されたデジタル信号をアナログ信号に変換する図示しないＤ／Ａ（デジタル／アナログ）変換器を備える。ここで、ＣＰＵはＣｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔを、ＤＳＰは、ｄｉｇｉｔａｌ  ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒを、ＦＰＧＡは、ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙである。
【００４５】
電圧増幅部１３は、入力信号供給部１１から供給された入力信号の電圧を増幅し、増幅した信号を、圧電素子１５に送る。この際に用いられるゲインは、電圧ゲイン計算処理部１８から送られる信号に基づいて決められる。
ゲイン計算部１８は、電圧増幅部１３において用いられるゲインＧを例えば下記式により設定する。
2016137456.tif 000006
2016137456.tif 000007
【００４６】
ここで、Ｉｔｈは所定の電流閾値、ｒは圧縮率、Ｉｍｅａｓは検査用電流の平均実効値である。ｒは１より大きい値である。
【００４７】
ＩｍｅａｓがＩｔｈ以上である場合にゲインを下げる設定法としては式（３）以外にも種々の設定法を用いることができる。
（３）式及び（４）式からわかるように、検査用信号の電流閾値Ｉｔｈと圧縮率ｒからゲインＧが決定される。すなわち、ゲインＧは入力信号電圧とは無関係に決定される。
【００４８】
ただし、実際には入力信号の電圧とゲインＧを関連付けて設定したい場合もある。このような場合には、検査用信号の電圧ｖｍｅａｓ（ｔ）＝Ｖｍｅａｓｓｉｎ  ωｔの振幅Ｖｍｅａｓを入力信号の電圧振幅Ｖ０の関数として規定する。
すなわち、
2016137456.tif 000008
の関係式をルックアップテーブルもしくは計算式として検査用信号の出力を実現するＣＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ等のプログラムに記録すればよい。この場合は、入力信号と検査用信号を一つのＣＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ等により一元的に管理することにより、実装の効率化を図ることができる。
【００４９】
圧電素子１５は、電圧増幅部１３からの出力により、外部に送るための振動を発生する。圧電素子１５は、典型的にはソナーに用いられる圧電振動子である。
［処理フロー］
図３は、本実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図である。
【００５０】
検査用信号増幅部１９において、検査用信号を増幅する電圧ゲインが指定される。（Ｓ２０１）
電圧増幅部１３において、入力信号供給部１１から送られる信号の電圧を増幅するゲインの初期値Ｇが指定される。（Ｓ２０２）
ゲイン計算部１８において、電流閾値が指定される。（Ｓ２０３）
入力信号供給部１１は、電圧増幅部１３に信号を供給する。（Ｓ２０４）
検査用信号供給部１７は、検査用信号増幅部１９に検査用信号を供給する。（Ｓ２０５）
圧電素子駆動装置の任意の構成は、時刻、ｔ＝Ｔを指定する。（Ｓ２０６）
検査用信号増幅部１９は、検査用信号供給部１７から供給された検査用信号の電圧を増幅し、検査用電圧を圧電素子１５に印加する。（Ｓ２０７）
電流測定部２０は、検査用電流を測定し、測定した検査用電流値をゲイン計算部１８に送る。（Ｓ２０８）
ゲイン計算部１８は、電流測定部２０から送られた検査用電流値を記録する。（Ｓ２０９）
ゲイン計算部１８は、その検査用電流値と電流閾値との大小を比較する。（Ｓ２１０）
ゲイン計算部１８は、その検査用電流値が、電流閾値より大きい場合には、式（３）によりゲインＧを求める。（Ｓ２１１）
ゲイン計算部１８は、求めたゲインＧを含む情報を電圧増幅部１３に送る。（Ｓ２１２）
電圧増幅部１３は、ゲイン計算部１８から送られたゲインＧを含む情報をもとに、入力信号供給部１１から供給される信号の電圧を増幅し、圧電素子１５を駆動する。（Ｓ２１３）
圧電素子駆動装置の任意の構成は、終了の指定の有無を判定する。この指定は、圧電素子駆動装置１０の外部からの入力でも、圧電素子駆動装置１０内部の図示しない記録部に記録された情報によっても構わない。（Ｓ２１４）
終了の指定がない場合には、圧電素子駆動装置の任意の構成は、時刻ｔ＝Ｔ＋ΔＴを指定する。ここで、ΔＴは、駆動電圧の調整等を行う周期を定める設計値である。そして、Ｓ２０７へ移行する。（Ｓ２１５）
終了の指定がある場合には、処理を終了する。
［効果］
本実施形態の圧電素子駆動装置は、使用環境の変動等による圧電素子のインピーダンス減少により検査用電流が増大した場合に、駆動するために入力される信号を増幅する際のゲインを下げ、圧電素子の駆動電圧を下げる。
【００５１】
このため、本実施形態の圧電素子駆動装置は、使用環境の変動等により圧電素子のインピーダンスが変動した場合に、圧電素子を駆動する電圧により圧電素子に供給される電流値を適正化することができる。その結果、過剰な電流供給による圧電素子の過剰振動による損傷や、電力増幅器及びその電気各部品の損傷の発生確率を低減することができる。
【００５２】
［第三実施形態］
本実施形態は、圧電素子を駆動する電圧を、圧電素子の検査用電流値から算出した圧電素子のアドミタンス伝達関数（以下、単に、「伝達関数」という。）から求める圧電素子駆動装置に関する実施形態である。
［適用ケース］
本実施形態の圧電素子駆動装置は、圧電素子の、複数の周波数におけるアドミタンスを考慮しなければならない下記のような場合にも適用することができる。
（１）単一周波数ではなく複数の周波数の電圧、例えば、ＦＭ信号や周波数ホッピング信号電圧、が電圧増幅部１３から圧電素子１５に出力される場合。
（２）単一周波数の電圧が電圧増幅部１３から圧電素子１５に出力されるが、その周波数が共振周波数ω０からずれている場合。
【００５３】
このような場合には、電圧増幅部１３により圧電素子に印加する駆動電圧を補正するには、周波数特性を考慮しなければならない。そのためには、図４に表わすような、伝達関数の一般的表現を含んだ電気機械音響等価回路を想定するのが適当である。
【００５４】
図４は、屈曲振動する圧電素子の伝達関数を含んだ電気機械音響等価回路を表わす概念図である。
【００５５】
同図では、圧電素子を構成する粘性、質量及びスティフネスは、伝達関数２９により置き換えられている。圧電素子の構成要素のアドミタンスを、一般的な伝達関数により表わしたのである。
【００５６】
［構成と動作］
図５は、本実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【００５７】
本実施形態の圧電素子駆動装置１０は、検査用電圧印加部７１と、電流測定部２０と、駆動電圧調整部６１と、圧電素子駆動部５１と、を備える。
【００５８】
検査用電圧印加部７１は、検査用信号供給部１７と、検査用信号増幅部１９と、を備える。
【００５９】
駆動電圧調整部６１は、伝達関数算出部３０と、入力信号適正化部３１と、を備える。
【００６０】
圧電素子駆動部５１は、入力信号供給部１１と、電圧増幅部１３と、入力信号補正部３２と、を備える。
【００６１】
ここでは、伝達関数算出部３０と、入力信号適正化部３１と、入力信号補正部３２に関係する部分を中心に説明する。伝達関数算出部３０と、入力信号適正化部３１と、入力信号補正部３２以外の構成についての説明は、本実施形態における説明を除き、図２における同じ番号で示した構成についての説明と同様である。
【００６２】
入力信号供給部１１は、入力信号補正部３２に入力信号を供給する。
【００６３】
検査用信号供給部１７が、検査用信号増幅部１９に供給する検査用信号は、複数の周波数の電圧波形をもつ信号である。複数の異なる周波数をもつ単一周波数信号を重ね合わせた信号のほかに、ホワイトノイズ、ピンクノイズなどのエルゴート性ノイズ、もしくは周波数全帯域の成分を時系列で含むチャープ信号、ＴＳＰ信号（Ｔｉｍｅ  ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ  ｐｕｌｓｅ）、インパルス信号などを用いることができる。
【００６４】
検査用信号増幅部１９は、検査用信号供給部１７から供給された検査用信号の電圧を増幅し、検査用電圧を圧電素子１５に印加する。また、検査用信号増幅部１９は、検査用電圧の値を、伝達関数算出部３０に送る。ただし、後述の、伝達関数算出部３０が、検査用電流値のみから伝達関数を求めることができる場合には、検査用信号増幅部１９は、検査用電圧の値を、伝達関数算出部３０に送らなくてもよい。
【００６５】
電流測定部２０は、測定した検査用電流値を含む信号を伝達関数算出部３０に送る。
【００６６】
伝達関数算出部３０は、電流測定部２０から送られた検査用電流値と、検査用信号増幅部１９から送られた検査用電圧値とから、圧電素子１５の伝達関数を算出し、その伝達関数を記録する。ただし、伝達関数算出部３０は、後述の検査用電流値のみから伝達関数を求める場合には、検査用電流値のみから伝達関数を求める。そして、伝達関数算出部３０は、記録した伝達関数を読み出し、その伝達関数を含む信号を、入力信号適正化部３１に送る。
【００６７】
入力信号適正化部３１は、伝達関数算出部３０から送られた伝達関数から、入力信号供給部１１から供給された入力信号を補正するためのゲイン関数（周波数ごとのゲインをいう。）を入力信号補正部３２に送る。ここで、ゲイン関数は、伝達関数に乗じることにより、所定の周波数領域において、その絶対値がほぼ一定値をとるように設定された関数である。
【００６８】
入力信号補正部３２は、入力信号適正化部３１から送られたゲイン関数を、入力信号供給部１１から供給された入力信号に畳み込むことにより、入力信号を補正し、その補正した信号を電圧増幅部１３に送る。
【００６９】
電圧増幅部１３は、入力信号補正部３２から送られた信号の電圧を増幅し、ゲート信号供給部１２から送られたゲート電圧により、圧電振動子１５にその増幅した信号を供給する。
【００７０】
以下、伝達関数算出部３０と、入力信号適正化部３１と、入力信号補正部３２における処理について説明する。
【００７１】
ここでは、本実施形態中の上記［適用ケース］において述べた（１）の場合を例に、以下、定式化により説明する。
【００７２】
圧電素子のインパルス応答をｙ（ｔ）とすると、電流ｉ（ｔ）は下記の通り表わされる（非特許文献１参照）。ここで、ｉ及びＩの添え字の「ｍ」は、圧電素子１５の機械的特性のみを考慮した値であることを意味する。
2016137456.tif 000009
【００７３】
もしくは、（６）式の両辺をラプラス変換して、
2016137456.tif 000010
【００７４】
ただし、圧電素子の機械インピーダンスは前述のように長い時間スパンで見れば、時間の経過にともない変化するので、時間の経過にともない変化しない伝達関数Ｙ（ｓ）として捉えられるのは、所定の短い時間に限られることに注意しなければならない。
【００７５】
伝達関数Ｙ（ｓ）は、パラメトリックモデルかノンパラメトリックモデルのいずれかにより表現される。伝達関数算出部３０は、求めた伝達関数Ｙ（ｓ）をの図示しない記録部に記録する。
【００７６】
記録された伝達関数を、フーリエ変換伝達関数に変換することにより、各周波数帯に対して（３）、（４）式に従って周波数ごとのゲインが算出される。これが入力信号適正ゲインである。求めた入力信号適正ゲインをもとに、各周波数における入力信号を補正する。
【００７７】
なお、検査用信号ｖ（ｔ）がインパルス信号の場合は、式（７）においては近似的にＶ（ｓ）＝１になるので、近似的にＩｍ（ｓ）＝Ｙ（ｓ）となる。厳密にＶ（ｓ）＝１になるのはディラックのデルタ関数だが、ディラックのデルタ関数は実際には再現不可能であり、
インパルス信号で代用し、Ｖ（ｓ）＝１を近似するのはよくつかわれる手法である。以上により、検査用電圧値を用いることなく、検査用電流値Ｉｍ（ｓ）のみで伝達関数Ｙ（ｓ）の近似値を容易に求めることができる。
【００７８】
この場合には、伝達関数算出部３０は、検査用電流値のみから伝達関数を求めることができるので、検査用信号増幅部１９は、検査用電圧の値を、伝達関数算出部３０に送る必要はない。
【００７９】
本実施形態で用いる圧電素子１５についての説明は、第二実施形態における説明と同じである。
［処理フロー］
図６Ａ及び図６Ｂは、本実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図である。
【００８０】
Ｓ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０５、Ｓ２０６、Ｓ２０７、Ｓ２１４、Ｓ２１５及びＳ２１６についての説明は、図３における同じ番号で示した処理についての説明と同じであるので、その説明を省略する。以下Ｓ３０１以降の処理について説明する。
【００８１】
入力信号供給部１１は、入力信号補正部３２に入力信号を供給する。（Ｓ３０１）
検査用信号増幅部１９は、圧電素子１５に供給した検査用電圧の値を伝達関数算出部３０に送る。（Ｓ３０２）
電流測定部２０は、検査用電流を測定し、測定した検査用電流値を伝達関数算出部３０に送る。（Ｓ３０３）
伝達関数算出部３０は、検査用信号増幅部１９から送られた検査用電圧の値及び電流測定部２０から送られた検査用電流値から、圧電素子の伝達関数を算出する。この算出は、周波数をスキャンして、その各周波数について、（検査用電圧の値）／（検査用電流値）を求めることによる。（Ｓ３０４）
伝達関数算出部３０は、求めた伝達関数を含む情報を、入力信号適正化部３１に送る。（Ｓ３０５）
入力信号適正化部３１は、伝達関数算出部３０から送られた伝達関数から、ゲイン関数を求め、ゲイン関数を含む信号を入力信号補正部３２に送る。（Ｓ３０６）
入力信号補正部３２は、入力信号適正化部３１から送られたゲイン関数を、入力信号供給部１１から供給された入力信号に畳み込むことにより、入力信号の周波数特性を補正し、補正後の信号を電圧増幅部１３に送る。（Ｓ３０７）
電圧増幅部１３は、入力信号補正部３２から送られた信号の電圧を増幅し、圧電振動子１５にその増幅した信号を駆動電圧として供給する。（Ｓ３０８）
［効果］
本実施形態の圧電素子駆動装置は、まず、第二実施形態の圧電素子駆動装置と同じ効果を奏する。
【００８２】
それに加えて、本実施形態の圧電素子駆動装置は、［適用ケース］の項で説明したような、圧電素子が図１８のような電気機械音響等価回路で表せない場合においても、上記効果を奏する。
【００８３】
本実施形態の圧電素子駆動装置は、圧電素子のアドミタンスの変化を、複数の周波数についてモニターする。そして、ある周波数において圧電素子のアドミタンス増大が想定される場合には、圧電素子を駆動する電圧増幅部に入力する元の信号の電圧レベルをその周波数について下げることにより、圧電素子を駆動する電圧を下げる。これにより、使用環境の変動等による圧電素子のアドミタンス変動に周波数依存性が想定される上記場合においても、第二実施形態の圧電素子駆動装置と同じ効果を得ることができる。
［第四実施形態］
本実施形態は、圧電素子駆動部及び検査用電圧印加部からの出力を切り替える構成を有する圧電素子駆動装置に関する実施形態である。
［構成と動作］
図７は、本実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【００８４】
本実施形態の圧電素子駆動装置１０は、圧電素子駆動部５１と、検査用電圧印加部７１と、電流測定部２０と、駆動電圧調整部６１と、出力電圧切替部８１と、を備える。
【００８５】
圧電素子駆動部５１は、入力信号供給部１１と、電圧増幅部１３と、を備える。
【００８６】
検査用電圧印加部７１は、検査用信号供給部１７と、検査用信号増幅部１９と、を備える。
【００８７】
駆動電圧調整部６１は、電圧ゲイン計算部１８を備える。
【００８８】
出力電圧切替部８１は、出力ゲート信号供給部１２を備える。
【００８９】
入力信号供給部１１、検査用信号供給部１７、電流測定部２０及び電圧ゲイン計算処理部１８についての説明は、本実施形態における説明を除き、図２において同じ番号で表した構成についての説明と同じである。
【００９０】
出力ゲート信号供給部１２は、電圧増幅部１３及び検査用信号増幅部１９において、出力をする／しないを指定するゲート信号を、電圧増幅部１３及び検査用信号増幅部１９に供給する。出力ゲート信号供給部１２は、ＤＳＰ、ＣＰＵ、ＦＰＧＡ等により実現される図示しない信号生成部とそれらにより送出されたデジタル信号をアナログ信号に変換する図示しないＤ／Ａ変換器を備える。
【００９１】
電圧増幅部１３は、典型的には図示しない、ゲートを備える電界効果トランジスタを備える。入力信号供給部１１から供給された入力信号の電圧を増幅し、出力ゲート信号供給部１２からのゲート信号に応じて、増幅した信号を、圧電素子１５に送る。この際に用いられるゲインは、電圧ゲイン計算処理部１８から送られる信号に基づいて決められる。
【００９２】
検査用信号増幅部１９は、検査用信号供給部１７から供給された検査用信号の電圧を増幅し、出力ゲート信号供給部１２からのゲート信号に応じて、増幅した信号を送波器１４の圧電素子１５に送る。検査用信号増幅部１９は、供給されるゲート信号がＨｉｇｈの時に、増幅された検査用電圧を圧電素子１５に印加し、供給されるゲート信号がＬｏｗの時は、印加しない。
【００９３】
図８は、出力ゲート信号供給部１２から電圧増幅部１３に供給される出力ゲート信号の波形の例を表わす概念図である。電圧増幅部１３は、入力される出力ゲート信号１６の電圧レベルがＨｉｇｈの時に圧電素子１５に駆動電圧を印加し（この状態を、以下、「送信Ｅｎａｂｌｅ」という。）、その電圧レベルがＬｏｗの時に電力を供給しない（この状態を、以下、「送信Ｄｉｓａｂｌｅ」という。）。
【００９４】
検査用信号増幅部１９が圧電素子１５に印加する検査用電圧のレベルは、検査によって不用な電力消費を避け、また圧電素子から不要な音波を放射することを避けるため、電圧増幅部１３から圧電素子１５に供給される信号より小さくすることが望ましい。
【００９５】
電流測定部２０は、検査用信号を圧電素子１５に印加したことにより流れる電流を測定し、測定結果を電圧で電圧ゲイン計算処理部１８に出力する。
【００９６】
電圧ゲイン計算処理部１８は、電流測定部２０から送られた測定結果を用いて、電圧増幅部１３が増幅すべき適正な電圧ゲインを計算する。電圧ゲイン計算処理部１８は、ＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ等の半導体チップを備える。
【００９７】
図９は、本実施形態の圧電素子駆動装置の動作の状態遷移を表わす概念図である。
【００９８】
圧電素子駆動装置１０は、送信ＤｉｓａｂｌｅのＳ１の状態と、送信ＥｎａｂｌｅのＳ２の状態とを持つ。その状態遷移は、その状態は電圧増幅部１３に入力される出力ゲート信号がＬｏｗからＨｉｇｈに立ち上がる時にＳ１からＳ２に遷移し、出力ゲート信号がＨｉｇｈからＬｏｗに立ち下がる時にＳ２からＳ１に遷移する。
【００９９】
Ｓ２においては、電圧増幅部１３は、入力信号供給部１１から供給された入力信号を、設定された電圧ゲインにより増幅した駆動電圧を圧電素子１５に印加する。その差異の電圧ゲインは、Ｓ２における下記の処理により決定される。
Ｓ１においては、下記の処理を行うことにより、圧電素子１５を流れる電流値を把握し、次の駆動電圧印加時に備えて電圧増幅部の電圧ゲインをＳ２に移行する前に設定する。
【０１００】
Ｓ１の状態は、さらにＳ１−１とＳ１−２の二つの状態に分かれる。
【０１０１】
Ｓ２からＳ１に遷移するとすぐにＳ１−１になり、ある一定の計測時間が終了するとＳ１−２に移行する。
【０１０２】
Ｓ１−１は、検査電流値を計算するための状態であり、この状態においては、以下が行われる。
【０１０３】
（１）検査用電圧の印加
検査用信号供給部１７から検査用信号増幅部１９へ検査用信号が供給される。検査用信号増幅部１９は検査用信号を増幅し、圧電素子１５に検査用電圧を印加する。
【０１０４】
（２）検査用出力電流値の測定
電流測定部２０は、検査用信号増幅部１９から圧電素子１５に供給される検査用出力電流の値を測定する。
Ｓ１−２は、電圧増幅部の電力ゲインを設定するための状態でありこの状態においては、以下が行われる。
【０１０５】
（３）検査用電流値の記録
検査用信号増幅部１９から圧電素子１５に供給される検査用電流値を記録する。
【０１０６】
（４）検査用電圧印加の停止
検査用信号増幅部１９から圧電素子１５への検査用電圧の印加を停止する。
【０１０７】
（５）電圧ゲインの決定
電圧増幅部１３が、入力信号供給部１１からの入力信号の増幅に用いる電圧ゲインを決定する。
【０１０８】
検査用信号の電圧レベルを微小にしても検査用電流の測定が可能である場合には、上記（４）を省略し、常に検査用電圧を圧電素子１５に印加し続けてもよい場合もある。
【０１０９】
電圧増幅部１３における電圧ゲインの算出方法は、第二実施形態において説明した方法を用いる。
【０１１０】
本実施形態で用いる圧電素子１５についての説明は、第二実施形態における説明と同じである。
［処理フロー］
図１０Ａ乃至図１０Ｃは、本実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図である。
【０１１１】
Ｓ２０１乃至Ｓ２０５、及び、Ｓ２０８乃至Ｓ２１４の処理についての説明は、図３における同じ番号で示した処理についての説明と同じである。以下、それら以外の処理について説明する。
【０１１２】
なお、本処理フローにおいては、出力ゲート信号供給部１２が検査用信号増幅部１９に供給する信号は、ＬｏｗからＨｉｇｈに立ち上がった時刻（最初にＨｉｇｈに立ち上がった時刻を含む。）からΔＴＧ１を経過したのちにＨｉｇｈからＬｏｗに立ち上がり、さらにΔＴＧ２を経過したときにＬｏｗからＨｉｇｈに立ち上がるように設定されているものとする。
【０１１３】
出力ゲート信号供給部１２は、電圧増幅部１３にＬｏｗの信号を、検査用信号増幅部１９にＨｉｇｈの信号を、それぞれ供給する。（Ｓ４０１）
検査用信号増幅部１９は、出力ゲート信号供給部１２から供給される出力ゲート信号がＨｉｇｈになったのを受けて、検査用信号供給部１７から供給された検査用信号の電圧を増幅し、検査用電圧を圧電素子１５に印加する。（Ｓ４０２）この時、電圧増幅部１３は、出力ゲート信号供給部１２から供給される出力ゲート信号がＬｏｗなので、圧電素子１５に駆動電圧を印加しない。
【０１１４】
その後、ΔＴＧ１の時間が経過したかを判定する。（Ｓ４０３）
ΔＴＧ１の時間が経過していない判定の場合にはＳ４０３に戻る。
【０１１５】
ΔＴＧ１の時間が経過した判定の場合にはＳ４０４に進む。
【０１１６】
出力ゲート信号供給部１２は、電圧増幅部１３にＨｉｇｈの信号を、検査用信号増幅部１９にＬｏｗの信号を、それぞれ供給する。（Ｓ４０４）
検査用信号増幅部１９は、出力ゲート信号供給部１２から供給される出力ゲート信号がＬｏｗになったのを受けて、圧電素子１５への検査用電圧の印加を停止する。（Ｓ４０５）
電圧増幅部１３は、出力ゲート信号供給部１２から供給される出力ゲート信号がＨｉｇｈになったのを受けてＳ２１３の処理を行う。（Ｓ２１３）
終了の指定がない場合には終了せず、その後、さらにΔＴＧ２の時間が経過したかを判定する。（Ｓ４０６）
ΔＴＧ２の時間が経過していない場合はＳ４０６に戻る。
【０１１７】
ΔＴＧ２の時間が経過した場合にはＳ４０１に戻る。
［動作の検証］
次に、本実施形態の圧電素子駆動装置の動作のシミュレーション結果を紹介する。
【０１１８】
また、図１１は、本実施形態の圧電素子駆動装置の効果を確認するために仮想的に設定された、圧電素子の共振周波数におけるアドミタンス（１／Ｒｍ）の時間変化である。
【０１１９】
同図のような場合、何も対策を施さなければ、駆動電圧は一定であり、アドミタンスは時間とともに増加するので、圧電素子に流れる電流は時間とともに増加する。
【０１２０】
図１２は、本実施形態の圧電素子駆動装置における電圧増幅部の出力電圧及び出力電流の時間変化を表わす図である。同図（ａ）は、電圧増幅部１３が圧電素子１５に印加する駆動電圧であり、同図（ｂ）は駆動電圧により圧電素子１５を流れる駆動電流である。同図は、図１１に表わすような、負荷のアドミタンス絶対値が、時間を追うごとに増加する場合を想定している。ここで、圧縮率ｒは１、初期の電圧ゲインによる電圧増幅部及び送信器の出力の実効値はともに１０００Ｖとしている。また、送信ＥｎａｂｌｅであるＳ２の時間及び送信ＤｉｓａｂｌｅであるＳ１の時間は、各々１００ｍｓｅｃとしている。
【０１２１】
同図（ａ）に示すように、時間の経過に伴い、出力電圧が減少している。その結果、図１３に表わすように、時間の経過とともにアドミタンスが増加するにもかかわらず、図１１（ｂ）に示すように出力電流は、時間が経過してもほぼ一定に保たれていることがわかる。
【０１２２】
本実施形態の圧電素子駆動装置により、このアドミタンスの増加を、検査用電流値の増加として送信Ｄｉｓａｂｌｅ時間中に検査用電流値の増加として逐次検知し、（３）式に従って、極力電流を一定に保つように処理したところ、図１２に示した結果が得られたのである。
【０１２３】
図１１において想定したインピーダンスの時間変化は、実際に起こる変化と比べて、非常に急激であるが、それでも本発明のシステムが十分に有効であることが示された。本来実際に使用される圧電素子の環境変化によるインピーダンス変動は、これよりもはるかに緩慢なものである。従い、本実施形態の圧電素子駆動装置においては、環境変動により圧電素子のインピーダンスが変動したとしても、圧電素子駆動部の過電流による破損の防止が十分に可能であることが示された結果である。
［効果］
本実施形態の圧電素子駆動装置は、まず、第二実施形態の圧電素子駆動装置と同じ効果を奏する。
【０１２４】
本実施形態の圧電素子駆動装置は、それに加えて、圧電素子を駆動する間は、検査用電圧が圧電素子に印加されないので、検査用電圧が圧電素子の駆動電圧に比べて無視できるほどは微弱ではない場合においても、圧電素子駆動時の検査用電圧による悪影響を防ぐことができる。
［第五実施形態］
本実施形態は、圧電素子駆動部及び検査用電圧印加部からの出力オン／オフする構成を有する第四実施形態の圧電素子駆動装置のバリエーションである。第四実施形態の圧電素子駆動装置が第二実施形態の圧電素子駆動装置をベースにしているのに対し、本実施形態の圧電素子駆動装置は第三実施形態の圧電素子駆動装置をベースにしている。
［構成と動作］
図１３は、本実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【０１２５】
本実施形態の圧電素子駆動装置１０は、圧電素子駆動部５１と、検査用電圧印加部７１と、電流測定部２０と、駆動電圧調整部６１と、出力電圧切替部８１と、を備える。
【０１２６】
検査用電圧印加部７１は、検査用信号供給部１７と、検査用信号増幅部１９と、を備える。
【０１２７】
出力電圧切替部８１は、出力ゲート信号供給部１２を備える。
【０１２８】
駆動電圧調整部６１は、伝達関数算出部３０と、入力信号適正化部３１と、を備える。
【０１２９】
圧電素子駆動部５１は、入力信号供給部１１と、電圧増幅部１３と、入力信号補正部３２と、を備える。
【０１３０】
出力ゲート信号供給部１２以外の構成についての説明は、第三実施形態における図５において同じ番号で示した各構成について説明と同じでる。また、出力ゲート信号供給部１２についての説明は、第四実施形態における図７において同じ番号を付した各構成についての説明と同じである。従い、ここではそれらの構成についての説明を省略する。
【０１３１】
図１３は、本実施形態の圧電素子駆動装置の動作の状態遷移を表わす概念図である。同図の内容は、図９に示した第２実施形態の圧電素子駆動装置についての内容とは、Ｓ１−１及びＳ１−２の中身が異なり、以下の通りになる。
【０１３２】
Ｓ１−１においては伝達関数の測定として、以下が行われる。
【０１３３】
（１）検査用電圧の印加
検査用信号供給部１７は、検査用信号増幅部１９に検査用信号を供給する。検査用信号増幅部１９は、検査用信号を増幅した検査用電圧を、圧電素子に印加する。
【０１３４】
（２）検査用電流の周波数特性の測定
電流測定部２０は、検査用信号増幅部１９から圧電素子１５に供給される検査用電流の周波数特性を測定する。
【０１３５】
（３）伝達関数の算出
伝達関数算出部３０は、伝達関数を算出する。
Ｓ１−２は、入力信号供給部１１から供給される入力信号の周波数特性を補正するための状態であり、以下が行われる。
【０１３６】
（４）伝達関数の記録
伝達関数算出部３０は伝達関数を記録する。
【０１３７】
（５）検査用電圧印加の停止
検査用信号増幅部１９は、圧電素子１５への検査用電圧の印加を停止する。
【０１３８】
（６）電圧ゲイン関数を算出
入力信号適正化部３１は、伝達関数から電圧ゲイン関数を算出する。
【０１３９】
（７）入力信号の補正
入力信号補正部３２は、入力信号供給部１１から供給された入力信号に電圧関数を畳み込み、入力信号の周波数特性を補正する。
【０１４０】
本実施形態で用いる圧電素子１５についての説明は、第二実施形態における説明と同じである。
［処理フロー］
図１５Ａ乃至図１５Ｃは、本実施形態の圧電素子駆動装置における、処理フローの例を表わす概念図である。
【０１４１】
Ｓ２０１乃至Ｓ２０５、Ｓ２０７及びＳ２１４の処理についての説明は、図３における同じ番号で示した処理についての説明と同じである。
【０１４２】
Ｓ３０２乃至Ｓ３０８の処理についての説明は、図６Ｂ又は図６Ｃにおける同じ番号で示した処理についての説明と同じである。
【０１４３】
Ｓ４０１乃至Ｓ４０６の処理についての説明は、図１０Ｂ又は図１０Ｃにおける同じ番号で示した処理についての説明と同じである。
［効果］
本実施形態の圧電素子駆動装置は、まず、第三実施形態の圧電素子駆動装置と同じ効果を奏する。
【０１４４】
本実施形態の圧電素子駆動装置は、それに加えて、圧電素子を駆動する間は、検査用電圧が圧電素子に印加されないので、検査用電圧が圧電素子の駆動電圧に比べて無視できるほどは微弱ではない場合においても、圧電素子駆動時の検査用電圧による悪影響を防ぐことができる。
［第六実施形態］
本実施形態は、テーパ処理部をさらに備える圧電素子駆動装置に関する実施形態である。
［構成と動作］
図１７は、本実施形態の圧電素子駆動装置の構成を表わす概念図である。
【０１４５】
本実施形態の圧電素子駆動装置は、入力信号供給部１１と、ゲート信号供給部１２と、電圧増幅部１３と、検査用信号供給部１７と、ゲイン算出部１８と、検査用信号増幅部１９と、電流測定部２０と、テーパ処理部２８とを備える。
【０１４６】
テーパ処理部２８以外の上記構成についての説明は、本実施形態における説明を除き、図２における同じ番号で示した構成についての説明と同様である。
【０１４７】
ここでは、テーパ処理部２８に関係する部分を中心に説明する。
【０１４８】
入力信号供給部１１は、入力信号を含む信号をテーパ処理部２８に供給する。
【０１４９】
ゲート信号供給部１２は、ゲート信号を、電圧増幅部１３、検査用信号増幅部１９及びテーパ処理部２８とに供給する。
【０１５０】
テーパ処理部２８は、入力信号供給部１１から供給された信号に、後述のテーパ処理をする。テーパ処理した信号は、電圧増幅部１３に送られる。
【０１５１】
以下、テーパ処理部２８におけるテーパ処理について説明する。
【０１５２】
前述の式（２）は、機械粘性が大きく、過渡応答が小さいことを前提に導いた、定常的な応答に関する式である。機械粘性が小さい、すなわち機械的Ｑ値が大きいときには、その過渡を含めた応答を考慮する必要がある。この場合の圧電素子に流れる電流は次式の通りとなる。
2016137456.tif 000011
【０１５３】
ここで、固有振動数ω０は、
2016137456.tif 000012
【０１５４】
臨界減衰係数Ｒｍｃは、
2016137456.tif 000013
【０１５５】
Ｄ１及びＤ２は初期条件から決まる積分定数
入力電圧信号に対する位相差φは、
2016137456.tif 000014
とする。
【０１５６】
式（８）の第一項は過渡応答を表わすが、この過渡応答が顕著に発現する場合には、この過渡応答により発生する過電流を防止する必要がある。このような場合にはテーパ処理部２８を、ゲート信号の立ち上がりと同期して、式（８）の第１項から計算される過渡応答波形の出現に合わせて、入力信号の電圧をいったん引き下げ、その後に、緩やかに所定の入力信号値まで増加させる。または、ゲート信号の立ち下がりと同期して、式（８）の第１項から計算される過渡応答波形の出現に合わせて、入力信号の電圧を緩やかに、所定の入力信号値から減少させる。
【０１５７】
テーパ処理部２８におけるテーパ処理は、予めテーパ処理のためのテーパ関数ａ（ｔ）を求め、ａ（ｔ）を入力電圧ｖｉｎ（ｔ）に重畳することにより行う。すなわち、テーパ処理部２８が電圧増幅部１３に出力する信号をｖｔｐｒとして、
2016137456.tif 000015
とする。
【０１５８】
図１６は、テーパ関数ａ（ｔ）の例を表わすイメージ図である。
【０１５９】
テーパ関数ａ（ｔ）は、ゲート信号を立ち上げる時刻Ｔ１にはゼロであるが、その後増加し、Ｔ１＋ΔＴ１の時刻以降は１になる。テーパ関数ａ（ｔ）は、その後、ゲート信号を立ち下げる時刻Ｔ２よりΔＴ２早い時刻までは１であるが、その後減少し、Ｔ２にはゼロになる。ここで、ΔＴ１及びΔＴ２は任意の設計値である。
【０１６０】
ここでは、時刻Ｔ１及びＴ２におけるテーパ関数ａ（ｔ）はゼロとしたが、その値は、前記過渡応答による電流の電圧増幅部１３及び圧電素子１５への影響を十分に抑えられる値であれば必ずしもゼロでなくてもよい。
【０１６１】
また、ここでは、テーパ関数ａ（ｔ）の、Ｔ１からΔＴ１の間及びＴ２−ΔＴ２からＴ２の間の変化が直線的な場合を示したが、過渡電流の影響を十分に抑えられる限りにおいて、その変化は曲線的でも構わない。
［効果］
本実施形態の圧電素子駆動装置は、まず、第二実施形態の圧電素子駆動装置と同じ効果を奏する。
【０１６２】
それに加えて、本実施形態の圧電素子駆動装置は、圧電素子に印加する電圧を、検査用電圧と駆動電圧とで切り替える際に発生する過渡応答により圧電素子に供給される過電流による圧電素子駆動部の破損の発生確率を低減することができる。
【０１６３】
上記効果は、圧電素子に印加する電圧を、検査用電圧と駆動電圧とを切り替えるタイミングに合わせていったん引き下げ、その後に、所定の入力信号値まで増加させる等の前記処理より得られる。
【０１６４】
以上好ましい実施形態をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも上記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内において様々に変形し実施することが出来る。
【０１６５】
また、上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記述され得るが、以下には限られない。
（付記１）
圧電素子に検査用電圧を印加する検査用電圧印加手段と、
前記検査用電圧の印加により前記圧電素子を流れる検査用電流を求める電流測定手段と、
前記検査用電流の変化から前記駆動電圧が所定の電圧値を超えないように調整をする駆動電圧調整手段と、
前記調整をした、その圧電素子を駆動するための駆動電圧の印加を前記圧電素子に行う圧電素子駆動手段と、
を備える圧電素子駆動装置。
（付記２）
前記圧電素子に検査用電圧を印加する検査用電圧印加手段と、
前記検査用電圧の印加による前記圧電素子を流れる検査用電流を求める電流測定手段と、
前記検査用電流を用いて圧電素子のアドミタンス伝達関数を算出する伝達関数算出部と、
前記アドミタンス伝達関数の変化から前記駆動電圧が所定の電圧値を超えないように調整をする駆動電圧調整手段と、
前記調整をした、その圧電素子を駆動するための駆動電圧の印加を前記圧電素子に行う圧電素子駆動手段と、
を備える圧電素子駆動装置。
（付記３）
前記検査用電圧が複数の周波数をもつ電圧である付記２に記載された圧電素子駆動装置。
（付記４）
前記検査用電圧が連続的な周波数をもつ電圧である付記３に記載された圧電素子駆動装置。
（付記５）
前記検査用電圧がピンクノイズなどのエルゴート性ノイズ、チャープ信号、Ｔｉｍｅ  ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ  ｐｕｌｓｅ信号又はインパルス信号である、請求項１乃至４のいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
（付記６）
前記検査用電圧がインパルス信号である付記４に記載された圧電素子駆動装置。
（付記７）
前記電流測定手段が、複数の周波数における前記検査用電流を測定し、
前記駆動電圧調整手段が、その複数の周波数における検査用電流の変化から、前記駆動電圧を調整する、付記３、４及び６のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
（付記８）
前記電流測定手段が、前記検査用電流の周波数依存性を測定し、
前記駆動電圧調整手段が、その検査用電流の周波数依存性の変化から、前記駆動電圧を調整する、付記４又は６に記載された圧電素子駆動装置。
（付記９）
前記駆動電圧の調整が、前記駆動電圧の周波数特性の調整である、付記８に記載された圧電素子駆動装置。
（付記１０）
前記圧電素子駆動手段が、入力された信号の電圧を増幅して前記圧電素子に印加する電圧増幅部を備え、当該電圧増幅部における電圧増幅のゲインを調整することにより前記駆動電圧の調整を行う、付記１乃至９のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
（付記１１）
前記検査用電圧印加手段が、入力された検査用信号の電圧を増幅して前記圧電素子に印加する検査用信号増幅部を備える付記１乃至１０のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
（付記１２）
前記検査用信号の電圧が、前記入力された信号の電圧の関数である付記１１に記載された圧電素子駆動装置。
（付記１３）
前記検査用信号が、エルゴート性ノイズ、チャープ信号、Ｔｉｍｅ  ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ  ｐｕｌｓｅ信号又はインパルス信号である、請求項１１に記載された圧電素子駆動装置。
（付記１４）
前記圧電素子への前記駆動電圧の印加の時には、前記圧電素子への前記検査用電圧の印加を行わない付記１乃至１３のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
（付記１５）
前記駆動電圧の前記圧電素子への印加と、前記検査用電圧の前記圧電素子への印加との切り替えを行う印加電圧切替部をさらに備える付記１乃至１４のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
（付記１６）
前記検査用信号増幅部が検査用信号増幅用電界効果トランジスタを備え、前記電圧増幅部が駆動電圧増幅用電界効果トランジスタを備え、前記印加電圧切替部が、前記検査用信号増幅用電界効果トランジスタのゲート及び駆動電圧増幅用電界効果トランジスタのゲートに印加する電圧を切り替える、付記１乃至１５のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
（付記１７）
前記検査用電圧の前記圧電素子への印加から前記駆動電圧の前記圧電素子への印加への前記切り替えを行う際に、前記駆動電圧を下げその後増加させる処理を行う、付記１５又は１６に記載された圧電素子駆動装置。
（付記１８）
前記駆動電圧の前記圧電素子への印加から前記検査用電圧の前記圧電素子への印加への前記切り替えを行う際に、前記駆動電圧を下げる処理を行う、付記１５乃至１７のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
（付記１９）前記圧電素子が、水中で用いられるソナーに用いられ振動を発生する圧電素子である付記１乃至１８のうちのいずれか一に記載された圧電素子駆動装置。
（付記２０）
圧電素子に検査用電圧を印加するステップと、
前記検査用電圧の印加により前記圧電素子を流れる検査用電流を求めるステップと、
前記検査用電流の変化から前記駆動電圧が所定の電圧値を超えないように調整をするステップと、
前記調整をした、その圧電素子を駆動するための駆動電圧の印加を前記圧電素子に行うステップと、
を含む圧電素子駆動方法。
（付記２１）
前記圧電素子に検査用電圧を印加するステップと、
前記検査用電圧の印加による前記圧電素子を流れる検査用電流を求めるステップと、
前記検査用電流を用いて圧電素子のアドミタンス伝達関数を算出するステップと、
前記アドミタンス伝達関数の変化から前記駆動電圧が所定の電圧値を超えないように調整をするステップと、
前記調整をした、その圧電素子を駆動するための駆動電圧の印加を前記圧電素子に行うステップと、
を含む圧電素子駆動方法。
【符号の説明】
【０１６６】
１０    圧電素子駆動装置
１１    入力信号供給部
１２    出力ゲート信号供給部
１３    電圧増幅部
１４    送波器
１５    圧電振動子
１６    出力ゲート信号
１７    検査用信号供給部
１８    電圧ゲイン計算処理部
１９    検査用信号増幅部
２０    電流測定部
２８    テーパ処理部
３０    伝達関数算出部
３１    入力信号適正化部
３２    入力信号補正部
５１    圧電素子駆動部
６１    駆動電圧調整部
７１    検査用電圧印加部
８１    出力電圧切替部
【図１】
2016137456.tif 000016
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
2016137456.tif 000022
【図７】
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【図８】
2016137456.tif 000024
【図９】
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【図１０Ａ】
2016137456.tif 000026
【図１０Ｂ】
2016137456.tif 000027
【図１０Ｃ】
2016137456.tif 000028
【図１１】
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【図１２】
2016137456.tif 000030
【図１３】
2016137456.tif 000031
【図１４】
2016137456.tif 000032
【図１５Ａ】
2016137456.tif 000033
【図１５Ｂ】
2016137456.tif 000034
【図１５Ｃ】
2016137456.tif 000035
【図１６】
2016137456.tif 000036
【図１７】
2016137456.tif 000037
【図１８】
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【図１９】
2016137456.tif 000039
【図２０】
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