JPH10155287A - 振動波駆動装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 過大な電力の入力を制限し、振動波駆動装置
を駆動するための電力増幅回路に適切な電力を入力でき
る振動波駆動装置の制御装置を提供する。 【解決手段】 周波信号を発生する発振器（４、７、１
０）と、その周波信号を元に振動子の圧電素子に高圧の
周波信号を供給する電力増幅手段（５、８、１１）と、
前記電力増幅手段に電力を供給する直流電源からなる電
源手段１と、前記電源手段より前記電力増幅手段に供給
される総電力を検出し、所定値以上の電力が前記電力増
幅手段に入力されないように制限する電力制限手段
（２、３）とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動波モータ等の
振動波駆動装置の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】振動波駆動装置は、振動波が形成される
振動子を基本構成とし、この振動子に紙等を加圧接触さ
せて紙送りする搬送装置に用いられたり、振動子を例え
ば直線状の固定子上を移動させるリニアーモータとして
用いられたり、さらに振動子に対して接触部材を加圧接
触させ、該接触部材を移動体とした場合、該移動体を駆
動させるといった様々な使用方法が提案されている。

【０００３】このような振動子としては、金属等の弾性
体、例えば円環状に形成された弾性体の片平面に電気機
械変換素子として分極処理が施された圧電素子を接着固
定したものが提案されており、圧電素子に一定の位相差
を有する駆動信号である交番信号としての交流電界を印
加することによって、弾性体の他平面に進行波を起動す
る。

【０００４】そして、例えば弾性体の進行波が形成され
る面を駆動面として、この駆動面に加圧手段により接触
部材を接触させ、摩擦力によって弾性体と前記接触部材
の間に相対的な駆動力を発生させる。接触部材として
は、例えば金属等の円板及び、その円板と一体化された
シャフトからなるロータを用いることによって回転力を
取り出すことが出来る。このような振動波アクチュエー
タは通常、交流高電圧が必要であるため、振動波の周波
数を出力する発振器の出力を適当な電力増幅手段で増幅
している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常、振動
波駆動装置は駆動効率をよくするため、図２に示す周波
数−速度特性において、振動子の共振周波数ｆ_r よりも
高い周波数領域を使用して駆動される。また振動波駆動
装置には図２の様な周波数−速度特性があるため周波数
を変化させて速度を制御することが行われている。

【０００６】このとき、周波数が共振に近づきすぎる
と、振動子のインピーダンスが低下するため、不必要な
電力が電力増幅回路に入力され過電流が流れる虞があ
る。

【０００７】また電力増幅回路として図３，４の様に、
トランス１５またはコイル２２の様な誘導性の素子を用
いて昇圧を行う場合、効率を良くするため振動波駆動装
置の圧電素子の持つ容量と誘導性素子の整合が行われ
る。

【０００８】しかしながら、駆動周波数が整合がとれる
周波数より大きく離れていたり、温度等の影響で圧電素
子の持つ容量が大きく変化して整合が外れてしまうと、
電力増幅回路に大きな負担がかることがある。

【０００９】従来、過大な電力から振動波駆動装置を保
護する方法として、例えば特開平５−９１７６７号公報
には、複合振動子型超音波モータのねじり振動子の駆動
回路の構成としてトランスを介して直流電源と高周波発
振器を並列接続し、トランスと直流電源の間に、ねじり
振動子に印加される電流の上限値を決定する電流リミッ
タを組み込むことが提案されている。

【００１０】しかし、例えば直流電源の電圧を制御する
方式の回路構成では、電流値を検出して、ある一定値以
上の電流をリミットするだけでは十分な保護対策とはな
らない。

【００１１】また、直流電源に対して電流制限を行うと
出力電圧の低下を伴うため、急激な出力低下を招く場合
もある。

【００１２】さらに複数の振動子を駆動する回路におい
ては、振動子個々に対して電流リミッタを設けることは
無駄が大きい。

【００１３】本出願に係る第１、第２の発明の目的は、
過大な電力の入力を制限し、振動波駆動装置を駆動する
ための電力増幅回路に適切な電力を入力できる振動波駆
動装置の制御装置を提供することにある。

【００１４】本出願に係る第３、第４の発明の目的は、
共振付近およびマッチングされた周波数より大きく離れ
た周波数で駆動を行うとき、余分な電力の入力を制限
し、振動波駆動装置を駆動する電力増幅回路に適切な電
力を入力できる振動波駆動装置の制御装置を提供するこ
とにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本出願に係る第１の発明
の目的を実現する構成は、周波信号を発生する発振器
と、その周波信号を元に振動子の圧電素子に高圧の周波
信号を供給する電力増幅手段と、前記電力増幅手段に電
力を供給する直流電源からなる電源手段と、前記電源手
段より前記電力増幅手段に供給される総電力を検出し、
所定値以上の電力が前記電力増幅手段に入力されないよ
うに制限する電力制限手段とを有することを特徴とする
振動波駆動装置の制御装置にある。

【００１６】本出願に係る第２の発明の目的を実現する
構成は、周波信号を発生する発振器と、その周波信号を
元に振動子の圧電素子に高圧の周波信号を供給する電力
増幅手段と、前記電力増幅手段に電力を供給する直流電
源からなる電源手段と、前記振動子と前記電力増幅手段
からなる回路のインピーダンスの変化を検知して、所定
値以上の電力が前記電力増幅手段に入力されないように
制限する電力制限手段とを有することを特徴とする振動
波駆動装置の制御装置にある。

【００１７】本出願に係る第３の発明の目的を実現する
構成は、上記の第１の発明の目的を実現する構成におい
て、前記電力増幅手段はトランスとスイッチング素子か
らなり、前記トランスの２次側インダクタンスは前記圧
電素子の容量と主として駆動される周波数よりも高い周
波数でマッチングされ、前記発振器の周波数によって駆
動速度を制御するものであって、周波数が共振周波数に
近づいたとき、およびマッチングされた周波数より大き
く離れた時に過剰な電力を制限することを特徴とする振
動波駆動装置の制御装置にある。

【００１８】本出願に係る第４の発明の目的を実現する
構成は、上記の第１の発明の目的を実現する構成におい
て、前記電力増幅手段はコイルとスイッチング素子から
なり、前記コイルのインダクタンスは前記圧電素子の容
量と主として駆動される周波数よりも高い周波数でマッ
チングされ、前記発振器の周波数によって駆動速度を制
御するものであって、周波数が共振周波数に近づいたと
き、およびマッチングされた周波数より大きく離れた時
に過剰な電力を制限することを特徴とする振動波駆動装
置の制御装置にある。

【００１９】また、上記の各構成において、前記電力制
限手段は、直流電源より流入する総電流を制限すること
を特徴とする。

【００２０】さらに、上記の各構成において、前記電力
制限手段は、直流電源の電圧を低下させることを特徴と
する。

【００２１】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）図１は本発明における振動波駆動
装置の制御装置のブロック図を示す。図において、１は
直流電源、２は電力制限回路、３は電力検出回路で、電
力制限回路２と電力検出回路３は、例えば図５のように
構成されている。

【００２２】図５において、抵抗３６は電流検出抵抗、
３４，３５は差動増幅器で、それぞれ電力増幅回路に供
給される電圧値、電流値に比例した出力を出す。３３は
乗除算器よりなる演算回路で、差動増幅器３４，３５の
出力より、直流電源から電力増幅回路に供給される電力
に反比例した電圧を出力する。

【００２３】一方、図５に示す電力制限回路において、
２８は電力制御用トランジスタであり、トランジスタ３
０によって駆動される。トランジスタ３０は、演算回路
３３の出力によって、電力制御用トランジスタ２８が電
力増幅回路に供給される電力が小さいときは飽和し、電
力の制限値に近づくと電力制御状態になるように調整さ
れる。また入力電力が一定値以上になったときに、電力
制御用トランジスタ２８が遮断するようにしても良い。

【００２４】したがって、振動波駆動装置を駆動する電
力増幅回路に過大な電力が入力されることがなくなり、
適切な電力で振動波駆動装置を駆動することができる。

【００２５】なお、振動波駆動装置は共振周波数ｆｒに
近いほど振動（振幅）が大きくなるため、入力電力が増
えなくても、駆動周波数が共振に近づくと速度が伸びて
駆動周波数と速度の関係は図６の様になる。

【００２６】図６において、従来の回路での最高速度が
途中で伸びないのは、振動波駆動装置の振動子の振幅が
大きくなると、該振動子に圧接されている移動体が追従
できなくなるためである。このとき異音の発生やトルク
の低下が起こり、また回路及び振動波駆動装置に異常な
発熱が生じるため望ましい状態ではない。しかし、本実
施の形態の制御装置によればこのような状態に陥ること
を未然に回避することもできる。

【００２７】ところで、電力増幅手段に入力されるのは
直流電圧であるから、電力検出手段として電流だけを検
出するだけでも良いことは明らかである。

【００２８】また、図７に示すブロック図のように、直
流電源１に対して切換定手段ＳＷを介して定電流回路３
７を設け、電力増幅手段に流入する電流が一定値を越え
たときに、電流検出手段３がこれを検出し、切換手段Ｓ
Ｗをこの定電流回路３７側に切換えて、定電流回路３７
が作動するようにすることも可能である。

【００２９】この他、図８に示すブロック図のように、
直流電源を電圧制御電圧源３８として電力検出手段３か
らのフィードバック信号（制御電圧）で電圧を低下させ
ることもできる。

【００３０】図３、図４は電力増幅手段をそれぞれ示す
回路図で、直流電源よりインダクタンス素子１５または
２２に流入する電流をスイッチング素子１８または２１
と２６で振動波駆動装置の駆動周波数にてスイッチング
する。

【００３１】このとき、インダクタンス素子１５または
２２と振動波駆動装置の容量成分が駆動周波数付近で共
振するように設定されるため昇圧が行われ、振動波駆動
装置の必要とする電力に増幅することができる。

【００３２】（第２の実施の形態）図９は本発明の第２
の実施の形態を示す。

【００３３】図９において、４０は電力制御用トランジ
スタであり、トランジスタ４２によって駆動される。抵
抗３９，４５，４６はトランジスタ４２の動作点を決定
する抵抗である。４７は振動波駆動装置および電力増幅
手段からなる回路のインピーダンスｚ（ドットｚ）を表
す。回路のインピーダンスｚ（ドットｚ）が大きいとき
には抵抗４５を通して抵抗４６に十分電流が流れるた
め、抵抗３９からの電流はほとんどトランジスタ４２の
ベース電流となる。このため、トランジスタ４０が飽和
状態となり電力増幅手段に電力が供給される。

【００３４】ところが回路のインピーダンスｚ（ドット
ｚ）が小さくなると、抵抗４５を通して抵抗４６に十分
電流が流れなくなり、その結果トランジスタ４２のベー
ス電流が減少するので、トランジスタ４０が遮断されて
電力増幅回路への電力の供給がストップするのである。

【００３５】すなわち、この回路は振動波駆動装置およ
び電力増幅手段からなる回路のインピーダンスの低下を
自動的に検知して電力の制限を行う。

【００３６】（第３の実施の形態）図１０は本発明の第
３の実施の形態を示したブロック図である。

【００３７】５３，６０は昇圧用トランスであり、その
２次側インダクタンスは振動波駆動装置に用いられる圧
電素子５４，６１の容量と主として駆動される周波数よ
りも高い周波数でマッチングされる。

【００３８】振動波駆動装置には速度検出手段６８が取
り付けられ、この出力を基に速度制御回路６３によって
駆動周波数が決定される。振動波駆動装置には図２の様
な周波数−速度特性があるため周波数による速度制御が
可能となる。

【００３９】ところで、振動波駆動装置に用いられる圧
電素子の容量は正の温度係数を持っているため、高温に
なったときに効率が悪くなって熱暴走を引き起こさない
ために、主として駆動される周波数よりも高い周波数で
マッチングされることが望ましい。こうすることによっ
て高温になったときに効率がよくなるため自己発熱によ
る熱暴走を防ぐことが出来る。

【００４０】しかしながら、このようにマッチングを取
ると、低速で駆動しようとしたとき、すなわち主として
駆動する周波数よりも大幅に高い周波数で駆動しようと
したときにマッチングがとれていないためトランスやス
イッチング素子にかかる負担が大きくなる。また、駆動
周波数が共振周波数に近づいたときにも振動波駆動装置
のインピーダンスが急激に低下して、トランスやスイッ
チング素子にかかる負担が大きくなる。

【００４１】そこで本実施の形態では、駆動周波数が共
振周波数に近づいたとき、またはマッチングを取った周
波数よりも大幅に高い周波数で駆動しようとしたとき
に、電力検出手段５０によって検出される電力が大きく
なるので、自動的に電力制限手段４９によって電力の制
限がかかり、トランスやスイッチング素子への負担が除
かれる。

【００４２】また、駆動周波数が共振周波数に近づいた
ときには振動子の振動が不必要に大きくなることが防が
れるので、異音の発生を抑えることができ、マッチング
を取った周波数よりも大幅に高い周波数で駆動しようと
したときには電力制限が加わることによって速度制御回
路が周波数を上げるように指令を出すため、自動的によ
り効率の良い周波数で駆動することが可能となる。

【００４３】なお、本実施の形態では、電力増幅手段と
して昇圧用トランスおよびスイッチング素子からなる回
路を用いたが、図４の様にコイルおよびスイッチング素
子からなる回路を用いても良い。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜請求項
６に係る発明によれば、振動波駆動装置を駆動する電力
増幅手段に過剰な電力が入力されるのを防ぎ、回路に適
切な電力を入力することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動波駆動装置の制御装置の第１
の実施の形態を示すブロック図。

【図２】振動波駆動装置の周波数−速度特性を示す図。

【図３】トランスとスイッチング素子を用いた電力増幅
回路の回路図。

【図４】コイルとスイッチング素子を用いた電力増幅回
路の回路図。

【図５】図１に示す電力検出手段および電力制御手段の
回路図

【図６】第１の実施の形態および従来例の周波数−速度
および周波数−入力電力の関係を表す図。

【図７】第１の実施の形態の変形例を示すブロック図
で、電力制限手段として定電流回路を用いた例の図。

【図８】第１の実施の形態の他の変形例を示すブロック
図で、電力制限手段が直流電源回路の電圧を低下させる
例を示す。

【図９】本発明の第２の実施の形態を表す回路図。

【図１０】本発明の第３の実施の形態を表すブロック
図。

【符号の説明】

１…直流電源 ２…電力制御回路 ３…電力検出手段 ４，７，１０，５５，６４…発振器 ５，８，１１…電力増幅回路 ６，９，１２，５４，６１…圧電素子 ２８，３０，４０，４２…トランジスタ ３４，３５…差動増幅器 ３６…電流検出抵抗 １８，２１，２６，５８，６７…ｍｏｓＦＥＴ １４，５１，５９…ダイオード １３，５２，６２…電解コンデンサ １５，５３，６０…トランス ２２チョークコイル

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周波信号を発生する発振器と、その周波
   信号を元に振動子の圧電素子に高圧の周波信号を供給す
   る電力増幅手段と、前記電力増幅手段に電力を供給する
   直流電源からなる電源手段と、前記電源手段より前記電
   力増幅手段に供給される総電力を検出し、所定値以上の
   電力が前記電力増幅手段に入力されないように制限する
   電力制限手段とを有することを特徴とする振動波駆動装
   置の制御装置。
2. 【請求項２】 周波信号を発生する発振器と、その周波
   信号を元に振動子の圧電素子に高圧の周波信号を供給す
   る電力増幅手段と、前記電力増幅手段に電力を供給する
   直流電源からなる電源手段と、前記振動子と前記電力増
   幅手段からなる回路のインピーダンスの変化を検知し
   て、所定値以上の電力が前記電力増幅手段に入力されな
   いように制限する電力制限手段とを有することを特徴と
   する振動波駆動装置の制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記電力増幅手段は
   トランスとスイッチング素子からなり、前記トランスの
   ２次側インダクタンスは前記圧電素子の容量と主として
   駆動される周波数よりも高い周波数でマッチングされ、
   前記発振器の周波数によって駆動速度を制御するもので
   あって、周波数が共振周波数に近づいたとき、およびマ
   ッチングされた周波数より大きく離れた時に過剰な電力
   を制限することを特徴とする振動波駆動装置の制御装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１において、前記電力増幅手段は
   コイルとスイッチング素子からなり、前記コイルのイン
   ダクタンスは前記圧電素子の容量と主として駆動される
   周波数よりも高い周波数でマッチングされ、前記発振器
   の周波数によって駆動速度を制御するものであって、周
   波数が共振周波数に近づいたとき、およびマッチングさ
   れた周波数より大きく離れた時に過剰な電力を制限する
   ことを特徴とする振動波駆動装置の制御装置。
5. 【請求項５】 請求項１、２、３または４において、前
   記電力制限手段は、直流電源より流入する総電流を制限
   することを特徴とする振動波駆動装置の制御装置。
6. 【請求項６】 請求項１、２、３または４において、前
   記電力制限手段は、直流電源の電圧を低下させることを
   特徴とする振動波駆動装置の制御装置。