JPH01268464A - 圧電モータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電モータ駆動回路、特に圧電素子の振動を
利用して負荷を摩擦駆動する圧電モータの圧電素子と、
前記電圧素子の電極に並列に接続したコイルからなるＬ
Ｃ共掘回路により、省電力化を図った圧電モータ駆動回
路に関する。

〔従来の技術〕

圧電モータは、圧電素子に交流電圧を印加した時に発生
する振動を利用して接触する被駆動体を摩擦駆動するも
のであり、圧電素子の高いエネルギ密度を利用すること
などから近年注目されているものである。

このような圧電モータの一例としては、特開昭６０−２
００７７６号公報および特開昭６１−１６８０２５号公
報に記載のように、一対の積層圧電素子で構成した圧電
駆動ユニットをモータの基本要素とする圧電モータがあ
る。上記圧電モータを第５図に示す。

この圧電モータは、それぞれの圧電索子１ａ。

ｌａ’　とｌｂ、ｌｂ’に適正な位相差を持つ交流電圧
を印加すると駆動端部８，８′が楕円軌跡を描いて振動
し、その振動によって被駆動体を摩擦駆動するものであ
る。

前記圧電モータの性能を最大に引き出すために、通常は
圧電素子に共振周波数の交流電圧を印加し、大きな振動
振幅を発生させている。しかし、圧電素子は素子自体が
静電容量を持つため、交流電圧を印加するとかなりの無
効電力が発生する。この対策としては、電気回路論の見
地から自明なように、静電容量に並列にインダクタンス
を設け、■、Ｃ共掘回路を形成することにより、無効電
力を低減し効率を向上させることができる。圧電モータ
の駆動回路としても、特開昭６１−１３９２８４にも記
載されるように、圧電素子の静電容量と共振コイルで並
列共掘回路を形成し、この共掘回路を交流電源で共振さ
せることにより、圧電素子のみを共振させる場合よりも
、小さい電流で駆動出力を低下させることなく駆動する
回路がある。

第６図は、従来の圧電モータの駆動回路の一部分を示し
た図である。圧電索子１は交流電圧印加時に振動を役牛
ずる。圧電素子１の一方の電極はコイルＬ１および発振
器２からの信号を増幅するパワーアンプ３に接続してお
り、他方の電極はコイルＬｌ　とともに接地している。

第７図は第６図の圧電素子１を、振動成分であるインダ
クタンスＬｍ９静電容量Ｃ，，抵抗Ｒ１のＲＬＣ直列回
路と、振動とは無関係な素子自体の持つ静電容量Ｃ４と
の並列回路からなる等価回路に置き換えたときの駆動回
路の一部分を示した図である。このとき圧電素子１の共
振周波数ｆ、は、 で表わされる。またＣａに流わる電流を低減し電力損失
を小さくするために、 となるようにＬｚを決定する。第８図は、第７図のり、
、Ｃ，直列回路のインピーダンスをＺｚ　。

Ｌｌ、Ｃ−並列回路のインピーダンスをＺ、とじて第７
図を書き表わしたものであるが、（１）、　（２）とな
り、駆動出力を低下させることなくｃｄに流れる電流を
低減することができる。

このように従来の圧電モータの駆動回路は、圧電素子１
にコイルＬＬを並列に設けることによって電流を低減し
回路内での電力損失を小さくするものであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記圧電コイルの駆動回路は、圧電素子と並列にコイル
を設けたために、直流電圧印加に対してはコイルを通じ
た短絡により大きな電流が流れ、回路自体や、電圧を供
給しているパワーアンプが破損する危険がある。またコ
イルによって短絡された形となるため圧電素子自体に直
流電圧がかからない。

しかし、最近では圧電モータの圧電素子に交流電圧を印
加するだけでなく、直流電圧を印加する必要性が出てき
た。その１つの例としては、圧電素子に印加する交流電
圧にあらかじめ直流バイアス電圧を付加し、交流電圧に
よる駆動時にも圧電素子に常に正の電圧を印加すること
により、圧電素子の発熱低減、耐久性向上を図るもので
ある。

また、他の例としては、第９図に示すように、圧電素子
１ａ、ｌａ’　とｌｂ、ｌｂ’に互イニ逆向きの直流電
圧を印加することによる素子自体の伸び、ちぢみを利用
して、駆動端部８，８′を微小変位させる駆動法を、従
来の交流電圧による駆動法とを組み合わせることにより
長ストローク駆動時には従来の交流電圧による駆動を微
小位置決め時には、前記直流電圧による駆動を行うもの
がある。上記の２つの例は、ともに、直流電圧の印加が
不可欠である。

本発明の目的は、ＬＣ共掘回路により省電力化を図った
圧電モータの駆動回路において、直流電圧を印加するこ
とを可能とすることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、圧電素子に交流
電圧を印加することによって生じる振動によって接触す
る被駆動体、この被駆動体を摩擦駆動する圧電モータの
圧電素子と、前記圧電素子の電極に並列に接続したコイ
ルからなるＬＣ共掘回路により、省電力化を図った圧電
モータの駆動回路において、前記コイルに直列に直流成
分遮断回路を設けることによって達成される。

〔作用〕

上記直流成分遮断回路としては、たとえばコンデンサま
たはスイッチング要素を用いることができる。

直流成分遮断回路としてコンデンサを用いた場合、交流
電圧印加に対しては、ＬＣ共掘回路により省電力化を図
ることができ、直流バイアス電圧の付加された交流電圧
に対しては、コンデンサが直流成分の短絡を防いでＬＣ
共掘回路により省電力化が図れ、直流電圧のみの印加に
対しては、コンデンサにより短絡が防止される。

また、直流成分遮断回路としてスイッチング要素を用い
た場合、交流電圧印加に対しては、ＬＣ共掘回路により
省電力化を図ることができ、直流電圧印加に対しては、
スイッチング要素により直流電圧の短絡が防止される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図により説明す
る。

第１図は本発明による圧電モータの駆動回路の第１の実
施例を示す図である。圧電素子１は、交流電圧印加時に
振動を発生する。圧電素子１の一方の電極はコイルＬＬ
および、交流電圧および直流電圧を印加することのでき
る発振器２からの信号を増幅するパワーアンプ３に接続
しており、他方の電極はコンデンサＣｔとともに接続し
ている。

コンデンサＣｘの接地していないもう一方の電極はコイ
ルＬ１の圧電素子１と接続していない側の端子に接続し
ている。第３図は第１図の圧電索子１を、振動成分であ
るインダクタンスＬ、、静電容量Ｃ１，抵抗Ｒ１のＲＬ
Ｃ直列回路と、振動とは無関係な素子自体の持つ静電容
量Ｃ１との並列回路からなる等価回路に置き換えたとき
の駆動回路の一部分を示した図である。図中の端子４に
は第１図のパワーアンプ３からの駆動電圧が印加される
。このとき、圧電素子１の共振周波数Ｊ１は。

で表わされる。次に、静電容量Ｃ−に流れる交流電流を
低減し電力損失を小さくするためのコイルＬｘと、直流
成分を遮断するためのコンデンサＣ１と、Ｃ−とからな
るＬＣ共掘回路の共振周波数ｆｘは。

となる。Ｃ−に流れる電流を低減し電力損失を小さくす
るための条件は、 ！−＝ｆｘ　　　　　　　　　　　　　　・・・（３）
であるから、コイルＬｘとコンデンサＣ１との間には、 ４π”１ｍ２Ｌｔｃａ　　１ 但し Ｃ１＞　０ という関係が成り立てば良い。上記（４）式の関係が成
立するコイルＬｌとコンデンサＣｘの直列回路を、圧電
素子１に並列に設けることにより電流を低減して、回路
内の電力損失を小さくシ、かつコイルＬ１に直流成分が
流れるのを遮断することができる。但し、実施にあたっ
てＣｚの値は、（４）式を満たす値の近傍の値であれば
、十分な省電力化を図ることができることはもちろんで
ある。

上記回路を、従来例に適用した場合に実現することがで
きる圧電モータ駆動回路の２つの例を次に述べる。

まず、第１の例としては、圧電索子１に直流バイアス電
圧を付加した交流電圧印加が可能となり、従って、交流
電圧による駆動時にも圧電素子１に常に正の電圧を印加
することができ、電圧素子ｌの発熱を低減し、また、分
極破壊などによる圧電索子１の劣化を防ぐことができる
。

また、第２の例としては、第９図に示すように圧電素子
１ａ、１ａ’　とｌｂ、１ｂ’に互イニ逆向きの直流電
圧を印加することにより素子自体の伸びちぢみを利用し
て圧電モータを微小変位駆動する駆動方法と、従来の交
流電圧による駆動方法を組み合わせることにより、長ス
トローク駆動時には従来の交流電圧による駆動を、微小
位置決め時には前記直流電圧による駆動を行うことがで
きる。これにより、長ストローク駆動を行ない、ナノメ
ートルオーダの微小位置決めを行う圧電モータの実現が
可能となる。上記駆動回路の一例を第１０図に示す。第
１０図において、１８は増幅器。

１０．１１．１６はアナログスイッチ、３，３′はパワ
ーアンプ、Ｅは偏差信号である０発振器２からは、圧電
素子を駆動するための共振周波数高周波電圧９位相変換
器１３からは、発振器２からの高周波電圧の位相を９０
°遅らせた電圧、直流電圧発生器１２からは、正、負２
種類の直流電圧が印加されるようになって、正負判定回
路１４゜微小偏差判定回路１５．積分器１７は、オペア
ンプ、抵抗、コンデンサ等で、簡単に構成される。

このような回路において、偏差Ｅを入力として。

まず正負判定回路１４により偏差の符号によってアナロ
グスイッチ１１で１発振器２からの共振周波数高周波電
圧と１位相変換器１３を通って位相が９０’遅れた共振
周波数高周波電圧を切り換える。次に、微小偏差判定回
路１５により、偏差と所定の基準偏差量Ｅとを比べてア
ナログスイッチ１０とアナログスイッチ１６を切り換え
る。すなわち偏差Ｅが基準偏差量Ｅよりも大きいときは
、アナログスイッチ１０の出力はアナログスイッチ１１
からの交流電圧となり、この出力と増幅器１８からの偏
差Ｅを乗算器９，９′でかけ合わせた電圧が、駆動電圧
としてパワーアンプ３，３′を介して圧Ｗｌ素子１，１
′に印加される。そして、偏差Ｅが基準偏差量Ｅよりも
小さくなると、アナログスイッチ１０の出力は直流電圧
発生キ１２からの直流電圧となる。この場合印加された
直流電圧に対して、圧電モータの変位が比例するので、
定常位置偏差をゼロにする位置フィードバック系を構成
するために、フィードバックループの中に積分器１７を
配置し、前記直流電圧と、増幅器１８からの偏差Ｅを積
分した値とを乗算器９゜９′でかけ合わせた電圧を印加
する。

以上述べたように、第１の実施例により、交流電圧によ
る駆動時にＬＣ共掘回路による省電力化を図り、かつ、
微小位置決め時には直流電圧駆動による高精度な位置決
めを行う電圧モータを実現することができる。

次に、第２図に本発明による圧電モータの駆動回路の第
２の実施例を示す、圧電素子１は、交流電圧印加時に振
動を発生する。圧電素子１の一方の電極はコイルＬＸお
よび交流電圧、直流電圧を印加することのできる発振器
２からの信号を増幅するパワーアンプ３に接続しており
、他方の電極はスイッチング要素５とともに接地してい
る。スイッチング要素５の接地していない側の端子はコ
イルＬｌの圧電索子１と接続していない側の端、子に接
続している。スイッチング要素５は直流電圧判定回路６
からの信号で動作する。直流電圧判定回路６はパワーア
ンプ３の出力電圧を入力として、パワーアンプ３の出力
電圧に直流成分が含まれているときには、スイッチング
要素５がｏｆｆ状態、パワーアンプ３の出力電圧が交流
成分のみの場合は、スイッチング要素５がｏｒ１状態に
なるように、スイッチング要素５に指令信号を出力する
。第４図は第２図の圧電索子１を、振動成分であるイン
ダクタンスＬＩＩ、静電容量ＣＪ抵抗Ｒ１のＲＬＣ直列
回路と、振動とは無関係な素子自体のもつ静電容量Ｃ−
との並列回路からなる等価回路に置き換えたときの駆動
回路の一部分を示した図である。

図中の端子４には、パワーアンプ３からの駆動電圧が、
端子５には直流電圧判定回路６からの指令電圧が印加さ
れる。このとき圧電素子１の共振周波数ｆ１は、 で表わされ、Ｃ４に流れる電流を低減し電力損失を小さ
くするためには、 が成立する。そこでＬｌは。

と決定される。ここで端子４より直流成分を含んだ電圧
が印加された時には、端子５より直流電圧判定回路６か
らの指令電圧がスイッチング要素５に印加され、スイッ
チング要素５が。ｆｆ状態となり回路内が短絡されるの
を防ぐ、上”記スイッチング要素５をコイルＬＬに直列
に設けることにより、交流電圧印加時にはＬＣ共掘回路
により、電流を低減して回路内の電力損失を小さくシ、
直流電圧印加時にはコイルＬｘに流れる電流を遮断し圧
電素子１に直流電圧を印加することができる。

上記回路によっても、圧電素子に直流電圧を印加するこ
とにより素子自体の伸びを利用して微小変位駆動する駆
動方法と、従来の交流電圧による駆動方法を組み合わせ
て行う駆動回路の実現が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、圧電素子と圧電素子の電極に並列に接
続したコイルからなるＬＣ共掘回路により、省電力化を
図った圧電モータの駆動回路において、直流成分を持っ
た電圧を印加することができるので、次の様な効果があ
る。

第１の例としては、圧電素子に直流バイアス電圧を付加
した交流電圧を印加することにより、交流電圧による駆
動時にも圧電素子に常に正の電圧を印加することができ
、省電力化を図り、かつ圧電素子の発熱を低減し、分極
破壊などによる圧電素子の劣化を防ぐことができる。

また、第２の例としては、圧電素子に直流電圧を印加す
ることによる素子自体の伸びを利用して。

圧電モータを微小変位駆動する駆動方法と、従来の交流
電圧による駆動方法を組み合わせて行うことができる。

この２つの駆動方法を切り換えることにより、省電力化
を図り、がっ長ストローク駆動しナノメートルオーダー
の微小位置決めを行う圧電モータの実現が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の駆動回路図、第２図は
本発明の第２の実施例の駆動回路図、第３図は第１図の
実施例の等価回路図、第４図は第２図の実施例の等価回
路図、第５図は交流型゛圧駆動による圧電モータの一例
を示す図、第６図は従来の圧電モータ駆動回路図、第７
図は従来の圧電モータ駆動回路図の等価回路図、第８図
は従来の圧電モータ駆動回路図の他の等価回路図、第９
図は直流電圧駆動による圧電モータの一例を示す図、第
１０図は交流・直流切り換え駆動回路図である。 １・・・圧電素子、２・・・発振器、３・・・パワーア
ンプ、４．７・・・端子、５・・・スイッチング要素、
６・・・直流電圧判定回路、８・・・駆動端部、９・・
・乗算器、１０゜１１・・・アナログスイッチ、１２・
・・直流電圧発生器、１３・・・位相変換器、１４・・
・正負判定回路、１５・・・微小偏差判定回路、１６・
・・アナログスイッチ、第　ｌ　口 第　２　口 ｌ　圧零紮Ｎ ２−発渠器 ６　＆胤電圧Ｐ闇回跡 ４７　搗さ ８　駒動拠舒 第　６　口 第　３７ 第　９　口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．圧電素子に交流電圧を印加することによつて生じる
   振動によつて接触する被駆動体、この被駆動体を摩擦駆
   動する圧電モータの前記電圧素子と、前記圧電素子の電
   極に並列に接続したコイルからなるＬＣ共掘回路により
   、省電力化を図つた圧電モータ駆動回路において、前記
   コイルに直列に直流成分遮断回路を設けたことを特徴と
   する圧電モータ駆動回路。