JPH07274558A - 圧電体駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複雑な回路を構成することなく、圧電体の励
振効率が低下や圧電体からの異音が発生する等の不都合
がなく、容易に正弦波の振幅電圧を可変することを可能
とする。 【構成】 誘導性素子１４の第１端子に、第２端子が接
続された容量性素子１３と、一端が第１の電位にあり、
他端が容量性素子１３の第１端子に接続された第１のス
イッチング素子１１と、一端が第２の電位にあり、他端
が容量性素子１３の第１端子に接続された第２のスイッ
チング素子１２と、一端が誘導性素子の第１端子に接続
され、他端が第３の電位にある整流素子１５とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波モータ等に用い
られる圧電体を駆動する圧電体駆動回路に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図６は、超音波モータの一般的な構成を
示す図である。図６（Ａ）は、超音波モータの断面図で
あり、互いに接着されているロータ１００−１と摺動材
１００−２とから移動子を構成し、同様に互いに接着さ
れている弾性体１００−３と圧電体１００−４とから固
定子を構成している。これらの移動子と固定子とは、図
示しない加圧手段により加圧接触されて、駆動される。

【０００３】図６（Ｂ）は、圧電体１００−４の電極の
配置を示す平面図である。電極１００−４ａ、１００−
４ｂは、入力電極であり、相互にπ／２の位相差を持
ち、超音波モータごとに決まった周波数の正弦波電圧が
印加される。電極１００−４ｃは、接地される共通電極
である。電極１００−４ｄは、圧電体１００−４の励振
には寄与しない電極であり、モニタ電圧を取り出すのに
用いられる。

【０００４】つぎに、以上のようにロータ１００−１、
摺動材１００−２、弾性体１００−３、圧電体１００−
４により構成された超音波モータ１００の駆動回路につ
いて説明する。図７は、図６の超音波モータの駆動回路
を示したブロック図である。従来の超音波モータの駆動
回路は、駆動周波数設定回路１と、移相回路２と、圧電
体駆動回路３（３Ａ，３Ｂ）等とから構成されている。

【０００５】駆動周波数設定回路１は、周波信号を出力
する回路であり、その周波数は超音波モータごとに決め
られた駆動周波数に対応して設定され、その出力は、移
相回路２に接続されている。移相回路２は、駆動周波数
設定回路１の出力を、相互にπ／２だけ位相の異なった
周波信号にする回路であり、その出力は、圧電体駆動回
路３（３Ａ，３Ｂ）に接続されている。圧電体駆動回路
３Ａ，３Ｂは、移相回路２からの周波信号を増幅した正
弦波電圧を、それぞれ圧電体１００−４の電極１００−
４ａ、１００−４ｂに入力する回路である。

【０００６】圧電体１００−４は、正弦波電圧が入力さ
れることによって励振され、弾性体１００−３に進行性
振動波を発生させ、この弾性体１００−３に加圧接触さ
れた摺動材１００−２及びロータ１００−１からなる移
動子を駆動する。このとき、移動子の駆動量（超音波モ
ータの回転速度）は、圧電体１００−４の励振強度に応
じて変化する。つまり、圧電体駆動回路３から出力され
る正弦波の振幅電圧を変えることによって、移動子の駆
動量を変えることができる。このような超音波モータの
構成および動作については、日経メカニカル １９８
３．２．２８号、本出願人による特願昭５８−７７３８
０号などにより周知である。

【０００７】このような超音波モータは、入力電極に正
弦波の高電圧を印加する必要があるために、従来から、
圧電体駆動回路３として、圧電体１００−４の入力電極
に、矩形電圧を誘導性素子を介して、供給するものが知
られている。

【０００８】図８は、従来の圧電体駆動回路の一例を示
す回路図である。図８において、１０１，１０２はスイ
ッチング素子、１０３は誘導性素子、１０４，１０５は
必要に応じて挿入されるダイオード、１０６，１０７は
抵抗、１０８はトランジスタ、１０９は位相反転器、１
１１は高圧電源である。

【０００９】入力信号Ｐは、超音波モータの駆動周波数
を有する矩形波であり、この矩形波に応答して、高圧電
源１１１と接地間に直列に挿入されたスイッチング素子
１０１，１０２を駆動し、振幅電圧差Ｖｄの矩形電圧を
誘導性素子１０３を介して圧電体１００−４の入力電極
１００−４ａ（又は１００−４ｂ）に供給する。圧電体
１００−４は、点線内のような等価回路で表わされ、Ｃ
０が自己容量、Ｌ，Ｃ，Ｒは直列共振回路を形成してい
る。誘導性素子１０３に矩形波高電圧が印加された場合
に、圧電体１００−４の入力電極１００−４ａが有して
いる自己容量Ｃ０と誘導性素子１０３のインダクタンス
とによる共振によって、入力電極１００−４ａに正弦波
電圧が生成され、圧電体１００−４が励振される。

【００１０】ここで、圧電体１００−４の励振強度を変
える場合には、高圧電源１１１の電圧Ｖｄを変化させ、
入力電極１００−４ａに生成される正弦波の振幅電圧を
変化さればよい。

【００１１】また、圧電体１００−４の励振強度を変え
る場合には、次のような回路によって行うことができ
る。図９は、従来の圧電体駆動回路の他の例を示す回路
図である。図９において、図８と異なるのは、論理積回
路１１０を付加した点である。この例では、スイッチン
グ素子１０１の開閉時間は、パルス幅変調された制御信
号Ｓにより変化させられ、入力電極１００−４１ａに生
成される正弦波の振幅電圧を変化させる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図８の圧電体
駆動回路により、圧電体の励振強度を変える場合には、
電源電圧を変化させるために、構成が複雑な可変電圧源
が必要である。この可変電圧源は、電力損失が大きくな
り（つまり、電力利用効率が低下し）、電池駆動が要求
される小型機器等には不向きである。

【００１３】一方、図９の圧電体駆動回路により、圧電
体の励振強度を変える場合には、制御信号によって変調
された高周波成分が入力電極に重畳され、圧電体の励振
効率が低下したり、圧電体から異音が発生する等の欠点
がある。

【００１４】本発明の目的は、複雑な回路を構成するこ
となく、圧電体の励振効率が低下や圧電体からの異音が
発生する等の不都合がなく、容易に正弦波の振幅電圧が
可変可能な圧電体駆動回路を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明による圧電体駆動
回路の第１の解決手段は、電源と、前記電源からの電圧
を接断して、振幅電圧差をもつ矩形電圧を生成するスイ
ッチング制御手段と、前記スイッチング制御手段に第１
端子が接続され、圧電体の入力電極に第２端子が接続さ
れ、前記矩形電圧を正弦波電圧にする誘導性素子とを備
えた圧電体駆動回路において、前記誘導性素子の第１端
子と前記スイッチング制御手段との間に容量性素子を接
続し、前記スイッチング制御手段は、前記容量性素子へ
の充電時間を可変することにより、前記正弦波電圧の振
幅値を変えることを特徴としている。

【００１６】第２の解決手段は、第１の解決手段の圧電
体駆動回路において、前記誘導性素子の第１端子に、第
２端子が接続された容量性素子（１３）と、一端が第１
の電位にあり、他端が前記容量性素子の第１端子に接続
された第１のスイッチング素子（１１）と、一端が第２
の電位にあり、他端が前記容量性素子の第１端子に接続
された第２のスイッチング素子（１２）と、一端が前記
誘導性素子の第１端子に接続され、他端が第３の電位に
ある整流素子（１５）とを備えたことを特徴としてい
る。

【００１７】第３の解決手段は、第２の解決手段の圧電
体駆動回路において、前記第１及び第２のスイッチング
素子は、前記圧電体の駆動周波数に応じて、相互にスイ
ッチの開閉時期が許可され、それぞれの許可された期間
でスイッチングの閉鎖時間を可変とすることを特徴とし
ている。

【００１８】第４の解決手段は、第２または第３の解決
手段の圧電体駆動回路において、前記第１及び第２のス
イッチング素子は、前記第１及び第２の電位の双方又は
一方を可変とすることを特徴としている。

【００１９】第５の解決手段は、第１〜第４のいずれか
１つの解決手段の圧電体駆動回路において、前記圧電体
は、その圧電体と加圧接触される弾性体とにより超音波
モータを構成し、前記圧電体の励振により、前記弾性体
に進行性振動波を発生させることを特徴とする。

【００２０】

【作用】本発明によれば、誘導性素子の第１端子に、容
量性素子の第２端子を接続し、その容量性素子の充電時
間を可変とするスイッチングを行う。具体的には、第１
のスイッチング素子の閉鎖によって、容量性素子を充電
する。このとき、充電電圧は、第１のスイッチング素子
の閉鎖時間によって決定される。ついで、第２のスイッ
チング素子の閉鎖によって、容量性素子の第１端子（接
点Ａ）を、接地すると、容量性素子の第２端子（接点
Ｂ）は、先の充電電圧に相当する負電圧が現れる。この
動作を、入力信号の周波数で繰り返すことにより、圧電
体の入力電極が有している自己容量と誘導性素子のイン
ダクタンスによる共振によって、正弦波電圧が入力電極
に生成される。

【００２１】

【実施例】以下、図面などを参照しながら、実施例をあ
げて、さらに詳しく説明する。図１は、本発明による圧
電体駆動回路の第１の実施例を示す回路図、図２は、動
作を説明するための線図である。図１において、１１，
１２はスイッチング素子，１３は容量性素子，１４は誘
導性素子，１５は整流素子、１６，１７は抵抗、１８は
トランジスタ、１９は位相反転器、２０は論理積回路、
２１，２２は必要に応じて挿入されるダイオード等の整
流素子である。

【００２２】スイッチング素子１１は、その一端が内部
抵抗ｒを含む高圧の電源Ｂａｔｔに接続されている。ス
イッチング素子１２は、その一端が接地されている。ス
イッチング素子１１，１２は、各々の他端が互いに接点
Ａで接続されている。なお、本実施例では、スイッチン
グ素子１１，１２として、ＭＯＳＦＥＴを用いたが、こ
れに限るものではない。

【００２３】容量性素子１３は、接点Ａでスイッチング
素子１１，１２に接続され、接点Ｂで誘導性素子１４に
接続されている。誘導性素子１４は、接点Ｂと接点Ｃ
（圧電体１００−４の入力電極１００−４ａ又は１００
−４ｂ）間に挿入されている。整流素子１５は、接点Ｂ
と接地間に挿入されている。

【００２４】また、入力信号Ａは、図２（Ａ）に示すよ
うな期間Ｔａを駆動サイクルとする論理信号であって、
分岐した一方が位相反転器１９を介して、スイッチング
素子１２に接続され、他方が論理積回路２０の一方の入
力端子に接続されている。圧電体１００−４の駆動周波
数をｆａとすれば、Ｔａ＝１／ｆａで与えられる。

【００２５】制御信号Ｂは、図２（Ｂ）に示すように、
周期Ｔｃで、論理レベルが“Ｈ”である期間Ｔｂが可変
可能な信号（パルス幅変調信号）ある。この制御信号Ｂ
は、論理積回路２０の他方の入力端子に接続され、論理
積回路２０の出力は、トランジスタ素子１８に接続され
ている。

【００２６】従って、スイッチング素子１１は、抵抗１
６，１７、トランジスタ素子１８からなる回路及び論理
積回路２０により、入力信号Ａと制御信号Ｂが共に、論
理レベル“Ｈ”であるときだけに閉鎖（スイッチＯＮ）
される。一方、スイッチング素子１２は、位相反転器１
９からの信号により、入力信号Ａが論理レベル“Ｌ”の
ときだけに閉鎖（スイッチＯＮ）される。入力信号Ａと
制御信号Ｂとの関係は、Ｔａ＞Ｔｃであることが望まし
いが、必ずしも、時間的に同期をとる必要はない。つま
り、Ｔａ＝ｎ×Ｔｃ（ｎ＝１，２，３，・・・）である
必要はない。

【００２７】まず、入力信号Ａと制御信号Ｂが共に論理
レベル“Ｈ”になる度に、容量性素子１３の一端（接点
Ａ）は、スイッチング素子１１を介して、高圧電源Ｂａ
ｔｔに接続される。このときに、容量性素子１３は、ス
イッチング素子１１、整流素子１５または誘導性素子１
３と圧電体１００−４を通して、電流が流れて充電され
る。充電電圧の変化速度は、電源Ｂａｔｔの内部抵抗ｒ
やスイッチング素子のオン抵抗等の寄生抵抗と、容量性
素子１３の容量によって決定される。そこで、制御信号
Ｂの期間Ｔｂを可変することによって、駆動サイクル
（期間Ｔａ）内における、充電時間が変化し、結果的に
は、１サイクルの充電電圧Ｖｓが変化する。

【００２８】続く、入力信号Ａの論理レベル“Ｌ”の期
間において、容量性素子１３の一端（接点Ａ）は、スイ
ッチング素子１２を介して接地される。このときに、容
量性素子１３の他端（接点Ｂ）は、瞬間的に−Ｖｓとな
り、整流素子１５は逆方向にバイアスされる。よって、
電圧Ｖｓに充電された容量性素子１３の電荷は、スイッ
チング素子１２、接地、圧電体１００−４、誘導性素子
１４を通して、放電される。

【００２９】一方、入力信号Ａの論理レベル“Ｈ”の期
間、接点Ｂは、ほぼ接地電位（正確には、整流素子１５
の順方向バイアス電位）に保たれるために、図２（Ｄ）
のようになる。このため、接点Ｃには、圧電体１００−
４の入力電極１００−４ａ（又は１００−４ｂ）が有し
ている自己容量と誘導性素子１４のインダクタンスによ
る共振によって、図２（Ｅ）のような電圧波形で示す正
弦波電圧が生成される。

【００３０】この正弦波電圧の振幅値は、容量性素子１
３の充電電圧Ｖｓに依存するものであるので、制御信号
ＢのＴｂ／Ｔｃ比を制御することによって、正弦波信号
の振幅値を変え、圧電体１００−４の励振強度を変化さ
せることができる。

【００３１】上述した実施例の圧電体駆動回路は、前述
した図７の圧電体駆動回路３として用いることによっ
て、超音波モータの駆動に必要な電源は、定電圧出力の
ものでよく、さらには、スイッチイング素子１１の開閉
による高周波成分は、容量性素子１３によって吸収され
るために、圧電体から異音が発生することなく、モータ
の回転速度を容易に可変することができる。

【００３２】以上説明した実施例に限定されず、種々の
変形や変更が可能であって、それらも本発明に含まれ
る。例えば、図２（Ｅ）に示すように、正弦波電圧波形
の振幅中心が負側にシフトしていることが不都合な場合
には、第２の実施例（図３）のように、整流素子１５の
陰極（カソード）を正の電位でバイアスしてもよい。

【００３３】また、第３の実施例（図４）のように、容
量性素子１３の充放電の方向を逆にしてもよい。さら
に、正弦波の振幅電圧を変える必要のない場合や、高圧
電源の電圧が容易に変えられる場合には、第４の実施例
（図５）のような回路構成であってもよい。以上の各実
施例の回路構成において、スイッチング素子１１に印加
される電源電位やスイッチング素子１２の接地電位、整
流素子１５の陽極電位は、これに限定されるものではな
く、任意に固定され又は可変される電位であってもよ
い。また、本発明は、リニヤ型超音波モータの圧電体駆
動回路にも適用できるものである。

【００３４】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明の圧
電体駆動回路によれば、簡単な回路構成によって、圧電
体の励振強度を容易かつ適正に可変することができる、
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による圧電体駆動回路の第１の実施例を
示す回路図である。

【図２】第１の実施例に係る圧電体駆動回路の動作を説
明するための線図である。

【図３】本発明による圧電体駆動回路の第２の実施例を
示す回路図である。

【図４】本発明による圧電体駆動回路の第３の実施例を
示す回路図である。

【図５】本発明による圧電体駆動回路の第４の実施例を
示す回路図である。

【図６】超音波モータの一般的な構成を示す図である。

【図７】図６の超音波モータの駆動回路を示したブロッ
ク図である。

【図８】従来の圧電体駆動回路の一例を示す回路図であ
る。

【図９】従来の圧電体駆動回路の他の例を示す回路図で
ある。

【符号の説明】

１１，１２ スイッチング素子 １３ 容量性素子 １４ 誘導性素子 １５ 整流素子 １６，１７ 抵抗 １８ トランジスタ素子 １９ 位相反転器 ２０ 論理積回路 ２１，２２ 整流素子 １００−４ 圧電体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源と、 前記電源からの電圧を接断して、振幅電圧差をもつ矩形
   電圧を生成するスイッチング制御手段と、 前記スイッチング制御手段に第１端子が接続され、圧電
   体の入力電極に第２端子が接続され、前記矩形電圧を正
   弦波電圧にする誘導性素子とを備えた圧電体駆動回路に
   おいて、 前記誘導性素子の第１端子と前記スイッチング制御手段
   の間に容量性素子を接続し、 前記スイッチング制御手段は、前記容量性素子への充電
   時間を可変することにより、前記正弦波電圧の振幅値を
   変えることを特徴とする圧電体駆動回路。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の圧電体駆動回路におい
   て、 前記誘導性素子の第１端子に、第２端子が接続された容
   量性素子と、 一端が第１の電位にあり、他端が前記容量性素子の第１
   端子に接続された第１のスイッチング素子と、 一端が第２の電位にあり、他端が前記容量性素子の第１
   端子に接続された第２のスイッチング素子と、 一端が前記誘導性素子の第１端子に接続され、他端が第
   ３の電位にある整流素子とを備えたことを特徴とする圧
   電体駆動回路。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の圧電体駆動回路におい
   て、 前記第１及び第２のスイッチング素子は、前記圧電体の
   駆動周波数に応じて、相互にスイッチの開閉時期が許可
   され、それぞれの許可された期間でスイッチングの閉鎖
   時間を可変とすることを特徴とする圧電体駆動回路。
4. 【請求項４】 請求項２又は請求項３に記載の圧電体駆
   動回路において、 前記第１及び第２のスイッチング素子は、前記第１及び
   第２の電位の双方又は一方を可変とすることを特徴とす
   る圧電体駆動回路。
5. 【請求項５】 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記
   載の圧電体駆動回路において、 前記圧電体は、その圧電体と加圧接触される弾性体とに
   より超音波モータを構成し、前記圧電体の励振により、
   前記弾性体に進行性振動波を発生させることを特徴とす
   る圧電体駆動回路。