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JP2013220012A - 圧電負荷を駆動するためのシステム及びそれを製作する方法 - Google Patents

圧電負荷を駆動するためのシステム及びそれを製作する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】圧電負荷を駆動するシステムを提供する。
【解決手段】駆動システムは、直流（ＤＣ）電圧源と、ＤＣ電圧源に結合された一次側を持つと共に二次側を持ち、一次側の第１の電圧を二次側の第２の電圧へ変換する第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器とを有する。駆動システムはまた、前記ＤＣ電圧源に結合された一次側を持つと共に前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の二次側に結合された二次側を持ち、前記一次側の第１の電圧を当該第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の二次側の第３の電圧へ変換する第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器を有する。前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器は前記第１の電圧を昇圧することができ、また該第１及び第２の変換器のそれぞれの第１及び第２の制御信号が相補的である。前記第２及び第３の電圧の間の電圧差は、前記第１の制御信号の増幅により構成される出力電圧を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明の様々な実施形態は、一般的に云えば、圧電アクチュエータに関し、より詳しく云えば、圧電アクチュエータ用の駆動回路に関するものである。
圧電材料は、知られているように、電界の印加時に寸法を変える。この現象により、圧電材料は超小形電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置内のアクチュエータとして用いることができる。例えば、このようなアクチュエータは、表面上の流体の流れに影響を及ぼすために流体のシンセティック・ジェット(synthetic jet) を発生するシンセティック・ジェット・アクチュエータに用いられている。典型的なシンセティック・ジェット・アクチュエータは、内室を画成するハウジングを有する。ハウジングの壁にはオリフィスが存在する。アクチュエータは更に、一連の流体渦が発生されてハウジングのオリフィスから外部環境内へ放出されるように、内室内の容積を周期的に変化させるための機構を、ハウジングの中に又は周りに含む。体積変化機構の例としては、往復運動中に流体をオリフィスの中へ及びそれから外へ動かすためにジェット・ハウジング内に配置されたピストン、或いは該ハウジングの１つの壁としての可撓性の隔壁が挙げられる。可撓性の隔壁は、典型的には、圧電アクチュエータ又は他の適切な手段によって作動される。
典型的には、圧電アクチュエータは屡々適切な動作のために数十ボルト以上の電圧を必要とし、アクチュエータの種類によっては、周波数及び振幅を変えることのできるＡＣ電圧を必要とする。圧電アクチュエータが携帯用、消費者用、航行用又は輸送用電子装置のような低電圧回路と結合される用途では、これらのアクチュエータを駆動するのが困難なことがある。例えば、圧電アクチュエータをＡＣ電圧波形で駆動し又は電源から利用できる電圧よりも高いピーク電圧を持つ可変の値の電圧で駆動しようとするとき、既知の方法はこの目的を達成するために、屡々、複雑で、効率の悪い、大きな及び／又は高価な駆動装置を使用している。これに加えて、圧電アクチュエータを使用する多くの用途では、使用する電力消費を最小にすることを要求しており、低い効率を持つ効率の悪い圧電アクチュエータ駆動装置は屡々このような最小電力消費要件を満たしていない。
従って、低電圧源で動作させることができ且つ可変の周波数及び振幅を持つ制御可能な高電圧ＡＣ波形を効率よく生成することのできる高効率の駆動回路を提供するように、圧電負荷を駆動するためのシステムが必要である。
米国特許第８０２３２９７号
本発明の一面によれば、駆動システムが提供される。本駆動システムは、直流（ＤＣ）電圧源と、前記ＤＣ電圧源に結合された一次側を持つと共に二次側を持つ第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器であって、当該第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記一次側の第１の電圧から当該第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記二次側の第２の電圧への変換を制御するように構成された第１の制御信号を受け取るように構成されている制御入力を持つ第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器とを有する。本駆動システムはまた、前記ＤＣ電圧源に結合された一次側を持つと共に前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記二次側に結合された二次側を持つ第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器であって、当該第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記一次側の第１の電圧から当該第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記二次側の第３の電圧への変換を制御するように構成された第２の制御信号を受け取るように構成されている制御入力を持つ第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器を有する。前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器は前記第１の電圧を昇圧することができ、また前記第２の制御信号は前記第１の制御信号と相補的である。前記第２及び第３の電圧の間の電圧差は出力電圧を構成し、該出力電圧は前記第１の制御信号の増幅により構成される。
本発明の別の面によれば、圧電駆動装置を製作する方法が提供される。本方法は、直流（ＤＣ）電圧源を第１の電圧変換器の低電圧側と第２の電圧変換器の低電圧側とに結合して、前記第１及び第２の電圧変換器により、前記ＤＣ電圧源からの電圧を昇圧することのできる両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器を構成する段階を有する。本方法はまた、前記第１の電圧変換器の高電圧側の第１の高電圧側端子を圧電アクチュエータの第１の側に結合する段階と、前記第２の電圧変換器の高電圧側の第１の高電圧側端子を前記圧電アクチュエータの第２の側に結合する段階と、前記第１の電圧変換器の第２の高電圧側端子を前記第２の電圧変換器の第２の高電圧側端子に結合する段階とを有する。本方法はまた、制御システムを前記第１及び第２の電圧変換器に結合する段階と、前記第１の電圧変換器に第１の制御信号を供給し且つ前記第２の電圧変換器に第２の制御信号を供給するように前記制御システムを構成する段階とを有する。前記第１の制御信号は、前記第１の電圧変換器を制御して、前記第１の電圧変換器の前記低電圧側における前記ＤＣ電圧源からの電圧を前記第１の電圧変換器の前記高電圧側における第１の出力電圧へ変換するように構成されており、また前記第２の制御信号は、前記第１の制御信号とは相補的であり、且つ前記第２の電圧変換器を制御して、前記第２の電圧変換器の前記低電圧側における前記ＤＣ電圧源からの電圧を、前記第２の電圧変換器の前記高電圧側における第２の出力電圧へ変換するように構成されている。前記第１及び第２の出力電圧の電圧差は、前記第１の制御信号の増幅により構成される差電圧を構成する。
本発明の更に別の面によれば、圧電駆動装置が提供される。この圧電駆動装置は、低電圧側及び高電圧側を持つ第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器と、低電圧側及び高電圧側を持つ第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器とを有する。前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器は第１の高電圧側端子及び第２の高電圧側端子を有し、また前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器は、その前記第１の高電圧側端子の電圧を昇圧することができる。前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器は、第１の高電圧側端子と、前記第１の電圧変換器の前記第２の高電圧側端子に結合された第２の高電圧側端子とを有し、また前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器は、その前記第１の高電圧側端子の電圧を昇圧することができる。前記圧電駆動装置はまた、前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記低電圧側に結合された直流（ＤＣ）電圧源と、前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記第１の高電圧側端子に結合され且つ前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記第１の高電圧側端子に結合された圧電アクチュエータと、前記第１及び第２の電圧変換器に結合された制御システムとを有する。前記制御システムは、第１の制御信号を前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器に供給するように構成されており、前記第１の制御信号は、前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器を制御して、前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記低電圧側の電圧を前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記高電圧側の第１の出力電圧へ変換するように構成されている。前記制御システムはまた、第２の制御信号を前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器に供給するように構成されており、前記第２の制御信号は、前記第１の制御信号とは相補的であり、且つ前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器を制御して、前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記低電圧側の電圧を前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記高電圧側の第２の出力電圧へ変換するように構成されている。前記第１及び第２の出力電圧の電圧差は、前記第１の制御信号の増幅により構成される差電圧を構成する。
これらの及び他の利点及び特徴は、添付の図面と共に提供する本発明の好ましい実施形態についての以下の詳しい説明から容易に理解されよう。
図面は、本発明を実施するために現在考えられる実施形態を例示する。
図１は、本発明の一実施形態に従った圧電負荷のための圧電駆動装置を例示するブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に従った圧電負荷のための圧電駆動装置の回路を例示するブロック図である。 図３は、本発明の別の実施形態に従った圧電駆動装置を例示するブロック図である。 図４は、本発明の別の実施形態に従った圧電駆動装置を例示するブロック図である。 図５は、本発明の一実施形態に従った基準信号発生器を例示するブロック図である。
図１について説明すると、ブロック図は圧電負荷又はアクチュエータ１０２に結合された圧電駆動装置１００を例示する。圧電負荷１０２は容量性又はリアクタンス負荷である。
圧電駆動装置１００は、電圧源１０４と、第１及び第２の変換器１０６及び１０８とを含む。第１及び第２の変換器１０６及び１０８は、それぞれの対の低電圧側変換器端子１１０，１１２及び１１４，１１６へ供給される電圧源１０４からの電圧を受け取って、該供給された電圧を昇圧してそれぞれの対の高電圧側変換器端子１１８，１２０及び１２２，１２４へ供給するように構成されたＤＣ−ＤＣ両方向変換器／増幅器を含む。第１及び第２の変換器１０６，１０８はまた、それぞれの端子１１８，１２０及び１２２，１２４からそれぞれの端子１１０，１１２及び１１４，１１６へ電圧を降圧する。第１の変換器１０６は電圧源１０４からの電圧Ｖdcを出力電圧ＶOAへ変換するように構成され、また第２の変換器１０８は電圧源１０４からの電圧Ｖdcを出力電圧ＶOBへ変換するように構成される。一実施形態では、出力電圧ＶOA及びＶOBは電圧Ｖdcの非線形増幅電圧である。しかしながら、出力電圧ＶOA及びＶOBの間の電圧差は、電圧Ｖdcをほぼ線形に拡大縮小(scaling) 又は昇圧した電圧である。
一実施形態では、第１及び第２の変換器１０６，１０８は、実質的に同じ単一段両方向切換え型電力変換器である。本書で用いられる「単一段変換器」とは、入力電圧を出力電圧より前に中間電圧へ変換することなく、単一段で入力電圧を出力電圧へ変換する変換器である。
第１及び第２の変換器１０６，１０８は、ＡＣ電圧源１３０によって供給される一対の制御入力１２６，１２８に基づいて電圧を昇圧・降圧する。ＡＣ電圧源１３０は、その増幅した信号で圧電負荷１０２を駆動することを目的として基準信号「ｒ(t) 」を発生して、制御入力１２６へ供給する。基準信号「ｒ(t) 」と相補的である基準信号「反転ｒ(t) 」が制御入力１２８に供給される。
第１の変換器１０６の変換器端子１１８が圧電負荷１０２の第１の端子１３２に結合され、また第２の変換器１０８の変換器端子１２２が圧電負荷１０２の第２の端子１３４に結合される。更に、変換器端子１２０が変換器端子１２４に結合される。この構成では、変換器端子１１８〜１２４は圧電負荷１０２を差動的に駆動する。図１に示されているように、変換器１０６，１０８の出力電圧ＶOA及びＶOBは、それぞれ、圧電負荷１０２に供給され、端子１３２，１３４間の電圧はＶO ＝ＶOA−ＶOBとして現れる。多くの場合、ＶO ＝ｋ＊ｒ(t) であることが望ましい。ここで，ｋは一定の利得である。この態様では、出力電圧ＶO は、実質的に基準信号に一定の利得を掛けたものに等しい。
多くの周波数で、アクチュエータ１０２のような圧電負荷のインピーダンスはかなりのリアクタンス成分を持つ。このような場合、ＡＣ駆動条件下では、電力が各サイクル毎に負荷に流入して流出する。従って、第１及び第２の変換器１０６，１０８は、この両方向の電力の流れに対処するために、上述したように、両方向変換器である。
第１及び第２の変換器１０６，１０８は電圧の昇圧及び降圧を行うことのできる任意の種類の両方向変換器であってよいが、図２は本発明の一実施形態に従った両方向フライバック型昇圧／降圧変換器の実施形態を例示する。このようなフライバック型変換器は、大きな電圧昇圧が必要とされるとき及び／又は絶縁分離が必要とされるときに適している。しかしながら、本発明の様々な実施形態では、スイッチング損失を低減するためにソフト・スイッチング又は能動クランプのような、変換器についての変形も、本書で述べる回路に用いることができると考えられる。
図示のように、第１及び第２の変換器１０６，１０８は、変圧器１３６，１３８と、スイッチ１４０，１４２及び１４４，１４６とをそれぞれ含む。スイッチ１４０〜１４６は電力スイッチであり、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＴ、ＳＣＲ、及び当該技術分野で知られている他の電力スイッチであってよい。
一実施形態では、パルス幅変調器（ＰＷＭ）１４８が、変換器１０６，１０８における変換処理を制御するためにＡＣ又は正弦波基準信号ｒ(t) を供給するように制御される。ＰＷＭ１４８の制御入力１２６がスイッチ１４０，１４６に接続されていて、これらのスイッチに制御信号ｄSPA (t) 及びｄSSB (t) に供給するように構成される。（制御入力１２６の反転したものである）制御入力１２８が、スイッチ１４２，１４４に接続されていて、これらのスイッチに制御信号ｄSPB (t) 及びｄSSA (t) に供給するように構成される。模範的な事例では、ｄSPA (t) ＝ｄSSB (t) ＝ｋ１＊ｒ(t) 、及びｄSPB (t) ＝ｄSBA (t) ＝１−ｋ１＊ｒ(t) であり、ここで、ｄｘ(t) はスイッチのデューティ・サイクルであり、ｋ１は定数であり、またｒ(t) は基準信号である。
一対のノードＶREF.P 及びＶREF.S が圧電駆動装置１００の一次（Ｐ）側及び二次（Ｓ）側にそれぞれ形成される。ノードＶREF.P 及びＶREF.S は、例えば、それぞれの接地面に結合することができ、或いは単一の接地平面により一緒に結合することができる。単一の接地平面によりノードＶREF.P 及びＶREF.S を一緒に結合することは、圧電駆動装置１００の構成コストを低減すると共に、圧電負荷１０２の駆動を簡単化するのに役立つことができる。共通の単一の接地面に結合されたとき、変換器端子１２０及び１２４は変換器端子１１２及び１１６に結合される。
第１及び第２の変換器１０６，１０８の制御入力対出力関数が線形でない又は許容可能な線形近似でない場合、誤差訂正又は低減方法を用いて、より線形の出力に近づくように第１及び第２の変換器１０６，１０８の出力を修正することができる。図３は、本発明の一実施形態に従って誤差訂正の方法としてフィードバックを用いる例を示すブロック図である。図３は、図１の圧電駆動装置１００の構成部品を図２のＰＷＭ１４８と一緒に示す。また、ＡＣ電圧源１３０とＰＷＭ１４８との間に結合された補償器１５０も示されている。補償器１５０は、電圧センサ１５２により圧電負荷１０２の両端間で測定された出力電圧ＶO (t) を受け取る。電圧センサ１５２から受け取った実際の出力波形電圧ＶO (t) を用いて、入力波形電圧ｒ(t) を修正し、この修正された入力波形電圧に基づいた第１及び第２の変換器１０６，１０８のＰＷＭ制御により所望の出力電圧が生成されるようにする。この態様では、入力波形電圧ｒ(t) はフィードバックを用いて修正されて、広い変換範囲全体にわたって線形変換を近似するように第１及び第２の変換器１０６，１０８を制御する。
図４は、本発明の別の実施形態に従って誤差訂正の方法として逆歪み(pre-distortion)法を用いる例を示すブロック図である。図４は、図１の圧電駆動装置１００の構成部品を図２のＰＷＭ１４８と一緒に示す。また、ＡＣ電圧源１３０とＰＷＭ１４８との間に結合された逆歪みブロック１５４も示されている。逆歪みブロック１５４は、入力波形電圧ｒ(t) を修正して、該修正された入力波形電圧に基づいた第１及び第２の変換器１０６，１０８のＰＷＭ制御により所望の出力電圧波形ＶO (t) を生成するように構成されている制御器又は他のハードウエア構成部品を用いて遂行することができる。例えば、逆歪み制御器はルックアップ・テーブルにより又は逆歪みアルゴリズムによりプログラムすることができ、該逆歪みアルゴリズムは、入力波形電圧ｒ(t) によってその波形範囲の全体にわたって制御されるときの第１及び第２の変換器１０６，１０８の既知の昇圧変換関数の作用に基づいて入力波形電圧ｒ(t) を歪ませるように構成される。この態様では、入力波形電圧ｒ(t) は、所定の歪み修正法を用いて修正されて、広い変換範囲にわたって線形変換を近似するように第１及び第２の変換器１０６，１０８を制御する。
図５は、本発明の一実施形態に従って図１〜図４に示された基準信号ｒ(t) を発生する発生源１３０の例を示すブロック図である。この態様でのｒ(t) の発生は、圧電駆動装置出力に高い忠実度を生じさせることができる。
基準信号ｒ(t) の発生は、アナログ回路により、或いは基準信号ｒ(t) を合成するディジタル手段を用いて、達成することができる。簡単な事例では、基準信号ｒ(t) の発生は、アナログ回路で行うことができる。例えば、正弦波の発生をウイーン・ブリッジなどの発振器により行うことができる。しかしながら、より複雑なパターンを発生するためには、又は変換器によって導入された非線形効果及び歪みを補償するためには、ディジタル手段の方がより便利である。この目的のために、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ又はマイクロコントローラのようなシングルボード・コンピュータを使用することができる。ディジタル手段では、図４で述べたような逆歪みを含めることもできる。
図５は、ＰＷＭ１４８を駆動することのできる特定の指令信号を発生するために使用される制御器１５６を例示する。制御器１５６は、関数発生ブロック１５８及びΣ−Δ（シグマ・デルタ）変調器ブロック１６０を含む。関数発生ブロック１５８では、所望の波形を関数として又はルックアップ・テーブルとしてプログラムすることができる。例えば、関数発生器では、使用するディジタル値を決定するアルゴリズムを実行することができる。この代わりに、ルックアップ・テーブルでは、ディジタル値を予め計算して、その中に保存することができる。ディジタル制御器又はＤＳＰ（図示せず）で、これらのディジタル値を利用して、様々なやり方に従って基準信号ｒ(t) を更に発生することができる。一実施形態では、ディジタル値はディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）１６２に供給して、ＤＡＣ１６２によりアナログ波形を発生することができる。別の実施形態では、ディジタル値はディジタル制御器１５６の内部のパルス幅変調器（図示せず）を駆動することができ、その出力は次いでフィルタ（図示せず）により濾波して不所望の周波数成分を除去することができる。更に別の実施形態では、ディジタル値は、電力スイッチ制御波形を直接発生するディジタルＰＷＭ１４８を駆動することができる。
ディジタル波形発生方法を用いるときの「量子化(quantization)」に起因して、典型的には低コストのマイクロコントローラで利用できるビットの数が制限されており、これは通常、基準波形の構成中に目に見える多数の「ステップ（段差）」又は量子があることを意味する。これらのアーティファクトは、制御器１５６の出力１６４に歪み又は低忠実度の波形として現れることがある。場合によっては、これらのアーティファクトは、望ましくない動作を生じさせる、例えば、可聴ノイズを発生させることがある。基本的なアナログ波形は低い周波数の波形であることがあるので、これらのアーティファクトを除去するには、通常、出力１６４に嵩張るフィルタを使用して高次の高調波を濾波することを必要とする。フィルタ・ブロック１６６が、制御器１５６とＰＷＭ１４８との間のインターフェースとして設けられる。上記の量子化効果に対処するために何も行われていない場合、量子化効果が駆動装置又は変換器の出力に悪影響を与えないようにするために、重量のある低域通過フィルタが使用されることがある。制御器１５６がより低い分解能を持っている場合、フィルタの遮断周波数が余りにも低くなって、基準信号ｒ(t) が減衰することがある。この効果（影響）を補償するには、電力消費の増大が必要とされよう。
逆歪み(pre-distortion)法を用いるとき、低域通過フィルタが基本周波数に近い遮断周波数を持つと、これにより第１及び第２の変換器１０６，１０８においてｒ(t) の不正確な拡大縮小された表現が生じる虞がある。例えば、変換器１０６，１０８からの望ましい出力信号はｒ(t) の拡大縮小された表現であるので、変換器１０６，１０８が非線形である場合、ｒ(t) は、ＰＷＭ１４８に入力する前に、変換器１０６，１０８の非線形動作を補償するように信号ｒ’(t) として予め歪ませることができる。この予め歪ませた信号ｒ’(t) はｒ(t) の高調波を変更すると考えられる。もし低域通過フィルタの作用により、これらの高調波が減衰し又はそれらの高調波の位相が互いに対して且つ基本波に対して変化した場合、望ましくない歪みか付加され、また変換器１０６，１０８の出力はもはや基準信号ｒ(t) の正確な拡大縮小された表現ではなくなる。
フィルタ動作の制約を避け且つ量子化に関連した効果（影響）を軽減するために、有効なサンプリング分解能の増大が用いられる。分解能を増大し且つ量子化の影響を低減するために、シグマ・デルタ技術を制御器１５６で具現化することができる。制御器１５６が充分高いサンプリング速度を持っている場合、制御器１５６のより高いサンプリング及び計算速度を基準信号ｒ(t) の様々な周波数成分に対して折り合いを付けて、該信号をオーバーサンプリングすることができる。これはまたルックアップ・テーブルとして具現化することができ、この場合、基準信号ｒ(t) がオーバーサンプリングされ、また様々な項目が制御器１５６においてルックアップ・テーブルとしてプログラムされる。
このようなオーバーサンプリングの利点は、サンプリングされる波形において生じる何らかの不正確さ又は歪みが、信号をオーバーサンプリング又は過大表現する周波数に依存することである。量子化により以前に生じたアーティファクトが、より高い周波数へシフトされる。これにより、シグマ・デルタ技術１６０がアーティファクトの周波数を基本波の基準成分よりも遙かに高い値へシフトするので、制御器１５６から出力されるアナログ波形についてのフィルタ動作を、従来のＤＡＣで可能であったものより高い遮断周波数で具現化することが可能になる。この事は少なくとも２つの利益を持つ。第１に、フィルタのサイズ及びコストを低減できる。第２に、より高いフィルタ遮断周波数を可能にしたことが、逆歪み法によって発生され又は変更された高調波成分についてのフィルタの効果（影響）を最小にして、逆歪み法の利用を実用的にすることを意味する。
ＰＷＭ１４８に対してきれいな指令を発生するこの方法は、出力波形ＶO (t) の忠実度を維持するために重要である。実際、実施例によっては、一連の回路全体を、フィルタ１６６及びＰＷＭ１４８も含めて、マイクロコントローラ・ブロック又はディジタル・プロセッサで具現化することができる。
本発明の様々な実施形態は、高い効率、低いコスト、小さいサイズ及び良好な波形忠実度を持つ圧電駆動装置を可能にする。更に、実施形態によっては、図２について説明したようなフライバック型変換器を用いることにより、直流絶縁分離、広い電圧範囲、及び全ての電力スイッチについての共通の基準接地を可能にする。更に、フィードバック、逆歪み、又はフィードフォワード誤差訂正技術のような誤差訂正技術を用いて非線形ＤＣ−ＤＣ変換を補償することにより、圧電アクチュエータの両端間の電圧が、昇圧変換プロセスを制御するために用いられる制御信号の線形近似になるようにすることができる。
従って、本発明の一実施形態によれば、駆動システムは、直流（ＤＣ）電圧源と、前記ＤＣ電圧源に結合された一次側を持つと共に二次側を持つ第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器であって、更に当該第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記一次側の第１の電圧から当該第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記二次側の第２の電圧への変換を制御するように構成された第１の制御信号を受け取るように構成されている制御入力を持つ第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器とを有する。駆動システムはまた、前記ＤＣ電圧源に結合された一次側を持つと共に前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記二次側に結合された二次側を持つ第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器であって、更に当該第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記一次側の第１の電圧から当該第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記二次側の第３の電圧への変換を制御するように構成された第２の制御信号を受け取るように構成されている制御入力を持つ第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器を有する。前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器は前記第１の電圧を昇圧することができ、また前記第２の制御信号は前記第１の制御信号と相補的である。前記第２及び第３の電圧の間の電圧差は出力電圧を構成し、該出力電圧は前記第１の制御信号の増幅により構成される。
本発明の別の実施形態によれば、圧電駆動装置を製作する方法は、直流（ＤＣ）電圧源を第１の電圧変換器の低電圧側と第２の電圧変換器の低電圧側とに結合し、前記第１及び第２の電圧変換器により、前記ＤＣ電圧源からの電圧を昇圧することのできる両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器を構成する段階を有する。本方法はまた、前記第１の電圧変換器の高電圧側の第１の高電圧側端子を圧電アクチュエータの第１の側に結合する段階と、前記第２の電圧変換器の高電圧側の第１の高電圧側端子を前記圧電アクチュエータの第２の側に結合する段階と、前記第１の電圧変換器の第２の高電圧側端子を前記第２の電圧変換器の第２の高電圧側端子に結合する段階とを有する。本方法はまた、制御システムを前記第１及び第２の電圧変換器に結合する段階と、前記第１の電圧変換器に第１の制御信号を供給し且つ前記第２の電圧変換器に第２の制御信号を供給するように前記制御システムを構成する段階とを有する。前記第１の制御信号は、前記第１の電圧変換器を制御して、前記第１の電圧変換器の前記低電圧側における前記ＤＣ電圧源からの電圧を前記第１の電圧変換器の前記高電圧側における第１の出力電圧へ変換するように構成されており、また前記第２の制御信号は、前記第１の制御信号とは相補的であり、且つ前記第２の電圧変換器を制御して、前記第２の電圧変換器の前記低電圧側における前記ＤＣ電圧源からの電圧を、前記第２の電圧変換器の前記高電圧側における第２の出力電圧へ変換するように構成されている。前記第１及び第２の出力電圧の電圧差は、前記第１の制御信号の増幅により構成される差電圧を構成する。
本発明の更に別の実施形態によれば、圧電駆動装置は、低電圧側及び高電圧側を持つ第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器と、低電圧側及び高電圧側を持つ第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器とを有する。前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器は第１の高電圧側端子及び第２の高電圧側端子を有し、また前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器は、その前記第１の高電圧側端子の電圧を昇圧することができる。前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器は、第１の高電圧側端子と、前記第１の電圧変換器の前記第２の高電圧側端子に結合された第２の高電圧側端子とを有し、また前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器は、その前記第１の高電圧側端子の電圧を昇圧することができる。前記圧電駆動装置はまた、前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記低電圧側に結合された直流（ＤＣ）電圧源と、前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記第１の高電圧側端子に結合され且つ前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記第１の高電圧側端子に結合された圧電アクチュエータと、前記第１及び第２の電圧変換器に結合された制御システムとを有する。前記制御システムは、第１の制御信号を前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器に供給するように構成されており、前記第１の制御信号は、前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器を制御して、前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記低電圧側の電圧を前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記高電圧側の第１の出力電圧へ変換するように構成されている。前記制御システムはまた、第２の制御信号を前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器に供給するように構成されており、前記第２の制御信号は、前記第１の制御信号とは相補的であり、且つ前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器を制御して、前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記低電圧側の電圧を前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記高電圧側の第２の出力電圧へ変換するように構成されている。前記第１及び第２の出力電圧の電圧差は、前記第１の制御信号の増幅により構成される差電圧を構成する。
本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が任意の装置又はシステムを作成し使用し、任意の採用した方法を遂行すること含めて、本発明を実施できるようにするために、様々な例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から差異のない構造的要素を持つ場合、或いはそれらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
１００ 圧電駆動装置
１０２ 圧電負荷（又は、圧電アクチュエータ）
１０４ 電圧源
１０６ 第１の変換器
１０８ 第２の変換器
１１０、１１２ 第１の変換器の低電圧側変換器端子
１１４、１１６ 第２の変換器の低電圧側変換器端子
１１８、１２０ 第１の変換器の高電圧側変換器端子
１２２、１２４ 第２の変換器の高電圧側変換器端子
１２６ 制御入力
１２８ 制御入力
１３０ ＡＣ電圧源
１３２ 圧電負荷の第１の端子
１３４ 圧電負荷の第２の端子
１３６、１３８ 変圧器
１４０、１４２、１４４、１４６ スイッチ
１４８ パルス幅変調器（ＰＷＭ）
１５０ 補償器
１５２ 電圧センサ
１５４ 逆歪みブロック
１５６ 制御器
１５８ 関数発生ブロック
１６０ Σ−Δ（シグマ・デルタ）変調器ブロック
１６２ ディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ
１６４ 制御器の出力
１６６ フィルタ

Claims (27)

  1. 直流（ＤＣ）電圧源と、
    前記ＤＣ電圧源に結合された一次側を持つと共に二次側を持つ第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器であって、更に当該第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記一次側の第１の電圧から当該第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記二次側の第２の電圧への変換を制御するように構成された第１の制御信号を受け取るように構成されている制御入力を持つ第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器と、
    前記ＤＣ電圧源に結合された一次側を持つと共に前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記二次側に結合された二次側を持つ第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器であって、更に当該第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記一次側の第１の電圧から当該第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記二次側の第３の電圧への変換を制御するように構成された第２の制御信号を受け取るように構成されている制御入力を持つ第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器と、を有し、
    前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器が前記第１の電圧を昇圧することができ、 前記第２の制御信号が前記第１の制御信号と相補的であり、
    前記第２及び第３の電圧の間の電圧差が出力電圧を構成し、且つ
    前記出力電圧が前記第１の制御信号の増幅により構成されること、
    を特徴とする駆動システム。
  2. 前記駆動システムは更に、第１の端子及び第２の端子を持つリアクタンス負荷を有しており、この場合、
    前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器が、前記リアクタンス負荷の前記第１の端子に結合された第１の二次側端子、及び第２の二次側端子を有し、
    前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器が、前記リアクタンス負荷の前記第２の端子に結合された第１の二次側端子、及び前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記第２の二次側端子に結合された第２の二次側端子を有している、請求項１記載の駆動システム。
  3. 前記リアクタンス負荷は圧電負荷を有している、請求項２記載の駆動システム。
  4. 前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器は更に、前記ＤＣ電圧源に結合された一対の一次側端子を有し、また
    前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器は更に、前記ＤＣ電圧源に結合された一対の一次側端子を有している、請求項２記載の駆動システム。
  5. 前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記第２の二次側端子は、前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記一対の一次側端子の内の一方に且つ前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記一対の一次側端子の内の一方に結合されている、請求項４記載の駆動システム。
  6. 前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の各々は、
    一次側巻線及び二次側巻線を持つ変圧器と、
    前記一次側巻線に結合された第１のスイッチと、
    前記二次側巻線に結合された第２のスイッチと、
    を有している、請求項２記載の駆動システム。
  7. 前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記二次側巻線が、前記リアクタンス負荷の前記第１の端子に結合され、
    前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記二次側巻線が、前記リアクタンス負荷の前記第２の端子に結合され、更に
    前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記第２のスイッチが、前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の前記第２のスイッチに結合されている、請求項６記載の駆動システム。
  8. 前記出力電圧は、前記第１の制御信号の実質的に線形増幅により構成される、請求項１記載の駆動システム。
  9. 前記第２の電圧は前記第１の制御信号の非線形増幅であり、また
    前記第３の電圧は前記第１の制御信号の非線形増幅である、請求項８記載の駆動システム。
  10. 更に、前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器に結合されていて、基準信号に基づいて前記第１及び第２の制御信号を発生し且つ前記第１及び第２の制御信号を前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器にそれぞれ供給するように構成された制御システムを有している請求項１記載の駆動システム。
  11. 前記制御システムはパルス幅変調器を有している、請求項１０記載の駆動システム。
  12. 前記制御システムは更に、前記第２及び第３の電圧に基づいてフィードバック電圧を測定するように構成されたフィードバック回路を有しており、また
    前記制御システムは更に、前記第２及び第３の電圧が一組の目標の電圧値に実質的に一致するように前記フィードバック電圧に基づいて前記第１及び第２の制御信号を修正するように構成されている、請求項１０記載の駆動システム。
  13. 前記制御システムは更に、前記出力電圧が前記第１及び第２の制御信号の線形昇圧変換を近似するように前記第１及び第２の制御信号を修正する様に構成された逆歪み制御器を有している、請求項１０記載の駆動システム。
  14. 前記制御システムは更に、関数発生器及びルックアップ・テーブルの内の一方により決定された複数のディジタル値から前記基準信号を発生するように構成されたディジタル制御器を有している、請求項１０記載の駆動システム。
  15. 前記ディジタル制御器は更に、ディジタル−アナログ変換器及びパルス幅変調器の内の一方により前記複数のディジタル値をアナログ信号に変換するように構成されている、請求項１４記載の駆動システム。
  16. 前記制御システムは更に、前記アナログ信号中のノイズを減衰するように構成されたフィルタを有しており、前記ノイズは量子化及びサンプリングの一方に起因する、請求項１５記載の駆動システム。
  17. 前記ディジタル制御器は、前記複数のディジタル値をアナログ信号に変換するように構成される際に、シグマ・デルタ変調器を介して前記複数のディジタル値をアナログ信号に変換するように構成されている、請求項１５記載の駆動システム。
  18. 前記制御システムは更に、前記アナログ信号中のノイズを減衰するように構成されたフィルタを有し、前記ノイズは量子化及びサンプリングの一方に起因しており、また、
    前記ディジタル制御器は、前記複数のディジタル値をアナログ信号に変換するように構成される際に、シグマ・デルタ変調器を介して前記複数のディジタル値をアナログ信号に変換するように構成されている、請求項１５記載の駆動システム。
  19. 前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器は単一段変換器を有している、請求項１記載の駆動システム。
  20. 圧電駆動装置を製作する方法であって、
    直流（ＤＣ）電圧源を第１の電圧変換器の低電圧側と第２の電圧変換器の低電圧側とに結合して、前記第１及び第２の電圧変換器により、前記ＤＣ電圧源からの電圧を昇圧することのできる両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器を構成する段階と、
    前記第１の電圧変換器の高電圧側の第１の高電圧側端子を圧電アクチュエータの第１の側に結合する段階と、
    前記第２の電圧変換器の高電圧側の第１の高電圧側端子を前記圧電アクチュエータの第２の側に結合する段階と、
    前記第１の電圧変換器の第２の高電圧側端子を前記第２の電圧変換器の第２の高電圧側端子に結合する段階と、
    制御システムを前記第１及び第２の電圧変換器に結合する段階と、
    前記第１の電圧変換器に第１の制御信号を供給し且つ前記第２の電圧変換器に第２の制御信号を供給するように前記制御システムを構成する段階と、を有し、
    前記第１の制御信号は、前記第１の電圧変換器を制御して、前記第１の電圧変換器の前記低電圧側における前記ＤＣ電圧源からの電圧を前記第１の電圧変換器の前記高電圧側における第１の出力電圧へ変換するように構成されており、また
    前記第２の制御信号は、前記第１の制御信号とは相補的であり、且つ前記第２の電圧変換器を制御して、前記第２の電圧変換器の前記低電圧側における前記ＤＣ電圧源からの電圧を、前記第２の電圧変換器の前記高電圧側における第２の出力電圧へ変換するように構成されており、また
    前記第１及び第２の出力電圧の電圧差は、前記第１の制御信号の増幅により構成される差電圧を構成すること、
    を特徴とする方法。
  21. 前記ＤＣ電圧源を前記第１及び第２の電圧変換器の前記低電圧側に結合する前記段階は、前記ＤＣ電圧源を第１及び第２のフライバック型電圧変換器に結合する段階を有している、請求項２０記載の方法。
  22. 更に、第１の電力スイッチを変圧器の第１の巻線に結合し、且つ第２の電力スイッチを前記変圧器の第２の巻線に結合することによって、前記第１及び第２のフライバック型変換器の各々を形成する段階を有している請求項２１記載の方法。
  23. 前記制御システムを結合する前記段階は更に、前記第１及び第２の電圧変換器の前記高電圧側にフィードバック制御を結合する段階を有しており、
    前記方法は更に、前記フィードバック制御からのフィードバック信号に基づいて前記第１及び第２の制御信号を発生するように前記制御システムを構成する段階を有している、請求項２０記載の方法。
  24. 低電圧側及び高電圧側を持つ第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器であって、第１の高電圧側端子及び第２の高電圧側端子を有し、また該第１の高電圧側端子の電圧を昇圧することができる第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器と、
    低電圧側及び高電圧側を持つ第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器であって、第１の高電圧側端子、及び前記第１の電圧変換器の前記第２の高電圧側端子に結合された第２の高電圧側端子を有し、またその前記第１の高電圧側端子の電圧を昇圧することができる第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器と、
    前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記低電圧側に結合された直流（ＤＣ）電圧源と、
    前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記第１の高電圧側端子に結合され且つ前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記第１の高電圧側端子に結合された圧電アクチュエータと、
    前記第１及び第２の電圧変換器に結合された制御システムと、を有し、
    前記制御システムは、第１の制御信号を前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器に供給するように構成されており、前記第１の制御信号は、前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器を制御して、前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記低電圧側の電圧を前記第１の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記高電圧側の第１の出力電圧へ変換するように構成されており、
    前記制御システムはまた、第２の制御信号を前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器に供給するように構成されており、前記第２の制御信号は、前記第１の制御信号とは相補的であり、且つ前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器を制御して、前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記低電圧側の電圧を前記第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記高電圧側の第２の出力電圧へ変換するように構成されており、
    前記第１及び第２の出力電圧の電圧差は、前記第１の制御信号の増幅により構成される差電圧を構成すること、
    を特徴とする圧電駆動装置。
  25. 前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ変換器の各々は、
    低電圧側に一次側巻線及び高電圧側に二次側巻線を持つ変圧器と、
    前記一次側巻線に結合された第１のスイッチと、
    前記二次側巻線に結合された第２のスイッチと、
    を有している、請求項２４記載の圧電駆動装置。
  26. 前記圧電駆動装置は更に、前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記第１の高電圧側端子に基づいて出力電圧を測定するように構成されたフィードバック回路を有しており、
    前記制御システムは更に、前記出力電圧の波形が所望の波形に実質的に一致するようにフィードバック電圧に基づいて前記第１及び第２の制御信号を修正するように構成されている、請求項２４記載の圧電駆動装置。
  27. 更に、前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記低電圧側から前記第１及び第２の両方向ＤＣ−ＤＣ電圧変換器の前記高電圧側への電圧の変換が、前記第１及び第２の制御信号の線形昇圧変換を近似するように、前記第１及び第２の制御信号を修正するように構成された逆歪み制御器を有している請求項２４記載の圧電駆動装置。
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