JPS61295884A - 振動波モ−タの駆動回路 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は振動体に生せしめた進行性振動波によシ振動体
と接している移動体を摩擦駆動する、いわゆる振動波モ
ータ特にその駆動回路に関するものである。

〔発明の背景°〕

振動波モータの公知例全概略第２図および第３図にて説
明すると、１ａｔｌｂは電歪素子または磁歪素子など電
気機械エネルギー変換素子、例えばＰＺＴ　（チタン酸
ジルコン鉛）である。２はリング状の板の形をした振動
体で弾性物質からなシ、その片面に前記電歪素子１ａｔ
ｘｂが接着されている。振動体２は電歪素子１ａｐｌｂ
と共にステータ（不図示）側に保持されている。３は移
動体であシ、この例では振動体２の他面に対し抑圧接触
されたリング板状のロータを形成している。電歪素子１
は振動体２の周方向に複数個配列されており、そのうち
一群の電歪素子１ａに対して他の一群の電歪素子１ｂは
振動波の波長λの１／４波長分だけずれたピッチで配置
される。群内での各電歪素子１ａｐｌａｐｌ’・・・は
差波長のピッチで、相隣り合うものの極性が逆になるよ
うに配置されている。電歪素子１ｂ、Ｉｂ、Ｉｂ・・・
についても同様である。

このような構成の振動波モータにおいて一つの群の電歪
素子１ａにＶｏ−血ω丁の交流電圧を印加し、もう一方
の群の電歪素子１ｂにＶｏ−■ωＴの交流電圧を印加す
ると、各電歪素子は相隣シ合うものどうし極性が逆向き
で二つの群どうし９０°位相のずれた交流電圧が印加さ
れて伸縮振動をする。この振動が伝えられて振動体２は
電歪素子１ｍ、ｌｂの配置ピッチに従って曲げ振動をす
る。この曲げ振動は、振動体２が一つおきの電歪素子の
位置で出っ張ると、他の一つおきの電歪素子の位置が引
っ込むという風になる。一方、前記の如く電歪素子の一
群１ａは他の一群ｌｂに対し、１／４波長ずれた位置に
ある九め曲げ振動は電圧素子の配列方向に進行する。交
流電圧が印加されている間、次次と振動が励起されて、
進行性曲げ振動波となりて振動体２ｆｅ周方向に伝わっ
てゆく。

このときの波の進行状態が第３図（ａ）　（ｂ）　（ｃ
）　（ｄ）に示しである。いま、進行性曲げ振動波が矢
示Ｘ、方向に進むとする。０を静止状態に於ける振動体
の中心面とするとこの中心面は振動状態では鎖線で示す
中立面６となシ、この中立面６では曲げによる応力が拮
抗して込る。いま中立面６と直交する断面を一般的に７
で表わし、断面７と中立面６との交線を一般的に５で表
わし、断面７と振動体２の移動体３側の表面との交線上
の点を一般的にＰで表わし、これらを特定的に表わすと
きには、添数字を付して表わすことにする。中立面６と
直交する断面７についてみると、これら二面の交線５で
は応力がかからず、交線５は上下振動をするだけである
。同時に断面７は交線５を中心として左右の振カ子振動
をする。従って、点Ｐは上下運動と左右運動を合成した
運動をするが、これを次に詳説する。

第３図（１）は任意の一時点での状態を示しており、面
Ｏと中立面６との交線５１を通る断面７にと振動体２の
移動体３側の表面との交線上の点Ｐ工は、左右振動の右
死点となっていて上方向運動だけしておシ、他方、波の
正側（面０の上側）にある交線５．に対応する点Ｐ、に
は左方向（波の進行方向Ｘ工と逆のＸ、方向）の運動成
分が加わ）、また波の負側（面Ｏの下側）にある交線５
．に対応する点Ｐ、には右方向の運動成分が加わる。

その後、波が進行して、第３図（ｂ）に示すように波の
正側に前記の交線５．が来ると、点Ｐ１は左方向の運動
をすると同時に上方向の運動をする。

更に同図（、）の時点では読点Ｐ１は上下振動の上死点
に来て左方向の運動だけをする。更に（ｄ）の時点では
読点Ｐ２は左方向の運動と下方向運動をする。

さらに波が進行し、右方向と下方向の運動、右方向と上
方向の運動を経て同図（ａ）の状態に戻る。

このような一連の運動過程により点Ｐは回転楕円運動を
し、その回転半径は、振動体２の中立面６から移動体側
表面まで（即ち点ｐｔで）の長さの関数となる。

一方、移動体３は振動体２に加圧接触しているので、例
えば第３図（ｃ）に代表的に示すように、移動体２に対
して凸になった振動体２の部分の点Ｐ１の回転楕円運動
が移動体３ｉＸ、方向に摩擦駆動する。点Ｐ！たけてな
く、振動体２の前記移動体３側の表面上の全ての点が点
Ｐ１と同じように移動体３を摩擦駆動する。以上が振動
波モータの原理である。

ところで、振動波モータには、負荷の変動などで回転数
に変動を生じたシ、起動時のトルクが足シない等の問題
があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、振動波モータの駆動効率を落さずに起
動時のトルクの向上や回転数の変動の減少をなし得る振
動波モータの駆動回路を提供するにある。

〔発明の概要〕

本発明による振動波モータの駆動回路の特徴は、振動波
モータの振動体に配列固定された電気−機械エネルギー
変換素子（例えば電歪素子）を交流付勢する電力増幅器
、該電力増幅器のための電源部、および該電源部から該
電力増幅器へ賦与される電源電圧を制御する制御手段を
具えた点にある。

前記の制御手段を、振動波モータの移動体の回転数を検
知する手段の検知出力に応動せしめれば、振動波モータ
の回転ムラを防ぐ回転数フィードバック制御として実施
ができる。あるいはまた、振動モータ起動時のトルクを
増大させるために前記制御手段を利用することもできる
。

第１図は本発明の駆動回路の実施例を示すブロック図で
、図中、８は可変電圧電源、９はパルス幅変調器、１０
は加算器、１１は乗算器、１２は微分回路、１３は振動
波モータの回転検出用エンコーダ、１４は発振器、１５
は９０移相器、１６゜１７／ｆｉ電力増幅器、１ｍ、１
ｂＦｉ前記の駆動用電歪素子であシ該電力増幅器１６．
１７により夫々付勢される。Ｚｃは共振周波数追従用電
歪素子であ）、発振器１４０周波数を制御するものであ
る。

第２図は、本実施例による駆動回路を適用する振動波モ
ータの斜視図であシ、共振周波数追従用電歪素子ＩＣは
振動体２の振動によシ生ずる力を電圧に変換する。その
電圧は共振周波数追従用電歪素子１ｃの位置によシ変わ
るが振動体２の共振周波数を持つ交流信号であシ、駆動
用電歪素子ｌａ、ｌｂに印加すべき電圧とはある位相を
有する。この電圧を移相・増幅することにより、駆動用
電歪素子ｌａ、ｌｂへの印加電圧を作ることができる。

（駆動用電歪素子１ａと同相に共振周波数追従用電歪素
子ＩＣが位置するとすれば、該電歪素子ＩＣから検出さ
れる電圧の位相は電歪素子１ａに印加する電圧のそれと
９０’ずれる。）モータの回転検出用エンコーダ１３の
主要部は第５図に示すような構成である。１９はメイン
スケール、２０はこれに対向して静止設置されているイ
ンデックススケールで、これらは図示の如く、多数のス
リットで区画されている。図示の如く発光ダイオードＰ
ＤＩの光はメインスケール１９とインデックス・スケー
ル２０とによシさえぎられながら７オト豪トランジスタ
ＰＴｒに達する。インデックス・スケール２０は７ｒト
・トランジスタとの相対位置が固定されて込る。メイン
スケール１９はモータの回転部分といっしょに回転する
。

この回転により、フォト・トラン・ゾスタＰＴｒに達す
る光量が、メイン・スケール１９の回転位置によシはぼ
サイン関数として変化する。

通常、位置的な位相を互に９０°ずらせて配置したスリ
ットを持つインデックススケールを用いることにより、
互に９デ位相のす九九サイン出力信号を得て回転方向を
検出するようになっている。

この回転検出用エンコーダからのこれらサイン出力信号
ヲ―（ω工θ）と（２）（ω工θ）とする。ωＸは分割
数金時間で除したもの、θは回転の位置である。

これらをθで微分すると各々 ωχ■（ω工θ）　、　−ωｘ＊（ω工θ）となる。こ
れらを乗算し七絶対値をとシ加算すると １ｔｈ（ω工θ）×（−ωｚｇｆｎ（０８０月１＋１■
（ω工θ）Ｘ（ω）ａ＋ｓ（ω工θ））１＝ω工（血２
（ω工θ）＋ｉ（ω工θ））＝　ωＸ これよシ振動モータの回転数を求められる。

上述したモータ回転数導出のためのこれらの処理は回転
検出用エンコーダ１３、微分器１２、乗算器１１．加算
器１０によって行なわれる。

この加算器１０からの信号によシパルス幅変調器９のパ
ルス幅が決まシ、可変電圧電源８はこのパルス幅変調器
９の発するパルス幅にょシ出カ電圧が変わるようになっ
ている。

一方、共振周波数追従用電歪素子１ｃによシ発振器１４
から共振周波数の交流信号を得る。更にこの信号ｔ９０
’移相器１５に通すことにより該信号に対し９０’位相
のずれた交流信号を得る。こうして得な互に９　Ｑ’位
相のずれた共振周波数の交流信号によシ夫々電力増幅器
１６．１７を駆動する。

電力増幅器１６，１７０出力電圧は可変電圧電源８によ
シ変わるので、駆動用電歪素子１ａ、Ｉｂに印加される
電圧も可変電圧電源８によシ変わる。

次に第１図に示したブロック図の詳細を説明する。第６
図は第１図中の発振器１４と、９０°移相器１５の詳細
を示す。第７図は第１図中の可変電圧電源８、パルス幅
変調器９、加算器１０．乗算器１１、微分回路１２、モ
ータの回転検出用エンコーダ１３、電力増幅器１６．１
７の詳細を示す。

第６図において、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、共振周波数追従用電
歪素子１ｃ、演算増幅器ＯＰＩはブリッジ型発振回路を
形成する。抵抗８４〜Ｒ７，コンデンサＣＩ、Ｃ２、演
算増幅器ＯＰ２は低域／４’スフィルタを形成する。演
算増幅器ＯＰ３はバッファである。これらによシ発振器
１４が形成される。

また抵抗Ｒ８、コンデンサＣ３、演算増幅器ＯＰ４によ
フタ０°移相器１５が形成される。

第７図に於て、電池Ｅ１、コンデンサＣ４〜Ｃ６、抵抗
Ｒ９、トランジスタＴｒ　１．　、　）ランスＴｌ、ダ
イオードＤｉ　１　、　Ｄｉ　２によシ可変電圧電源８
を形成する。

パルス発振器１８．７！Ｊツグ・フロップＦＦ。

コンパレータＣａｍｐ　ｓ電源Ｅ２、抵抗ＲＩＯ，Ｒ１
１゜コンデンサＣ７、トランジスタＴｒ６によシパルス
幅変調器９を形成する。

メインスケール１９、インデックス争スケール２０、電
源Ｅ３〜Ｅ５、抵抗Ｒ１２〜Ｒ１４、発光ダイオードＰ
ＤＩ、７ｔト・トランジスタｐＴｒｌｅＰＴｒ　２によ
シ回転検出用エンコーダ１３を形成する。但しフすトラ
ンジスタＰＴｒ　２に対しては発光ダイオードやスケー
ルの図示は省略する。フォト拳トランジスタＰＴｒ　１
　、　ＰＴｒ　２から前記のｍ（ω工θ）、■（ω工θ
）なる信号が出力する。

コンデンサＣ８，Ｃ９、抵抗Ｒ１５，Ｒ１６、演算増幅
器ＯＰ５．ＯＰ６によ９２回路の微分回路１２を形成す
る。

乗算回路ＭＰＩ、ＭＰ２とによ９２回路の乗算器１１を
形成する。

抵抗Ｒ１７〜Ｒ２６、ダイオードＤｉ３〜Ｄ１６、演算
増幅器ＯＰ７〜０ＰＩＯによ９２回路の絶対値回路を形
成し、この出力を抵抗Ｒ２７〜Ｒ２９と演算増幅器０Ｐ
ＩＩよ構成る加算回路に入力する。又この加算回路は反
転増幅するので抵抗Ｒ３０ｐＲ３１、演算増幅器０Ｐ１
２よ構成る反転増幅回路を通す。以上の絶対値回路、加
算回路、反転増幅回路によシ第１図の加算器１０を形成
する。

トランジスタＴｒ　２　、　Ｔｒ　３によシミ力増幅器
１６を形成し、またトランジスタＴｒ　４　、　Ｔｒ　
５によシミ力増幅器１７全形成し、これで駆動用電歪素
子１　ａ　、　ｌ　ｂｅ付勢する。これら電力増幅器は
プツシ−プル８級又はＣ級増幅器を構成している。

第８図（、）はプツシニブルＢ級増幅器の正弦波出力波
形を示す図であシ、図中の±Ｖ、は電源電圧、２１は出
力電圧波形（そのピーク値Ｖ□はＶ、に近ｔｎ）である
。ここでトランジスタでの損失は無視する。振動波モー
タが負荷等の変イヒにより回転ムラを生じたとき、例え
ば回転数が上ったとき、これを一定に保つ六めに回転検
出エンコーダ１３からの信号に従って電歪素子１ａ、ｌ
ｂに印加する交流電圧の電圧値を下げることを、電力増
幅段での損失を増加させることによ）行なうとすれば、
回路での電力損失を生じることになシ、好ましくない。

これはＣ級増幅器の場合についても同様である。

これに鑑み、前記の本発明実施例においては、負荷変化
などによって振動波モータの回転数が変化したとき、こ
れを補償して回転数を一定に保つ作用は次の如く行われ
る。すなわち、エンコーダ１３を含む前記の回転数検出
手段で検出された信号に応答して回転数を一定値に復帰
させるため、に、第８図（ｂ）の如くそれまでＶ、であ
る電力増幅器１６．１７の出力電圧２１を時点ｔ０から
はｖ４に変化させるべきものとすれば、本実施例では上
記信号に応答するパルス幅変調器９の出力で可変電圧電
源８を制御することにより、該電力増幅器１６．１７に
与えられる電源電圧を第８図（ｃ）のように変化させ、
これによ）第８図（ｂ）に示す如き上記所要の電力増幅
器出力変化を得るのである。これによシミ力増幅段での
損失は少くすることができる。

第９図は本発明の他の実施例を示す図であって、　　′
Ｅ１は電池、１８はノ９ルス発振器、Ｔｒ　７〜Ｔｒ　
１１はトランジスタ、Ｄ１７〜Ｄｉ　１０はダイオード
、ＣＩＯ〜Ｃ１３はコンデンサ、ｌａは駆動用電歪素子
、ＺＤＩ、ＺＤ２はツェナーダイオード、０Ｐ１３は演
算増幅器、Ｒ３２は抵抗である。駆動用電歪素子１ｂに
関しても同様の回路が設けられる。

第９図において、電池Ｅ１の直流電圧はパルス発振器１
８によシトライブされるトランジスタＴｒ　７によシ交
流にされる。この交流電圧はトランスＴ２によシ昇圧さ
れ、各々巻数比の違う交流電圧となる。これらの２つの
交流電圧は各々ダイオ−ドＤｉ　７とＤ１８、コンデン
サＣＩＯとＣ１１とにより、又、ダイオードＤｌ　９と
ＤＩＩＯ、コンデンサＣ１２とＣ１３とによシ整流され
る。以上によシ得られた二つの直流電圧を第８図（、）
で謂う二つの電源電圧（±Ｖ、と十Ｖ４）として用いる
のである。

この場合、第９図において共振周波数の電圧を入力端子
２２に入力するのである。この共振周波数の電圧値が低
いときは演算増幅器０Ｐ１３、ツェナーダイオードＺ　
Ｄ　１　ｖ　Ｚ　Ｄ　２　、抵抗Ｒ３２によるリミッタ
回路の出力はゼロであるため、トランジスタＴｒ　８　
、　Ｔｒ　９のみ駆動する。このとき、低い方の電圧（
±ｖ４）が電圧素子１ａに印加される。端子２２に入力
される上記の共振周波数の電圧値が高くなるとリミッタ
回路が、動作してトランジスタＴｒ　１０　、　Ｔｒ　
１１も駆動し、よシ高い電圧±Ｖ、が電歪素子１ａに印
加される。このように２つの電圧値を高い効率で得るこ
とができる。

第１０図は振動波モータ回転ムラ制御のために第９図の
入力端子２２へ電圧を入力する回路の例示であって、端
子２３には第７図の演算増幅器０Ｐ１２からの出力を、
端子２４には第６図の端子Ａからの出力を印加し、演算
増幅器０Ｐ１４の出力を第９図の入力端子２．２に入力
する。電界効果トランジスタＦＥＴの抵抗はそのｒ−ト
電圧妙：上昇すると低下するので自動利得調整の機能を
持つから、第７図の０Ｐ１２の出力をＦＥＴのダート電
圧として用いることにより、該電圧が大きくなるにつれ
利得が大きくなることになシ、結局、この構成によシ振
動波モータの回転ムラの制御ができる。

第１１図は振動波モータの起動時トルク増大用に第９図
の入力端子２２へ電圧を入力する回路の例を示してお’
ｊ）、ＦＥＴのｒ−トに加える電圧を振動波モータ起動
時のみ大きくするものである。この図において端子２３
には第７図の０Ｐ１２の出力を加へ、端子２４には第６
図の端子Ａからの出力を加へ、演算増幅器０Ｐ１５の出
力全第９図の入力端子２２へ入力する。振動波モータ回
転速度信号がないときは利得が大きく、速度による信号
で利得を下げるように働く。

〔発明の効果〕

本発明によれば、負荷変動に対応して回転ムラの制御が
できるようになシ、また振動波モータに高い起動トルク
を望む場合には、容易に大きいトルクを発生することが
できる。しかも電力損失の少い高い効率を維持したまま
、これらのことが可能である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の振動波モータ駆動回路の一実施例を示
すブロック図、 第２図は通常の振動波モータの斜視図、第３図（、）　
（ｂ）　（ｃ）　（ｄ）は振動波モータの駆動原理を示
す図、 第４図は本発明を適用し得る共振周波数追従用電歪素子
を着けた振動波モータの振動体を示す斜視図、 第５図は第１図で用いる回転検出エンコーダの主要部の
斜視図、 第６図、第７図は第１図のブロックの詳細２示す回路図
、 第８図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）は本発明の該実施例の動
作を示す図、 第９図は本発明の他の実施例を示す図、第１０図、第１
１図は第９図の端子２２への信号供給回路の例を夫々示
す図である。 ｌａ、ｌｂ・・・駆動用電歪素子、 １ｃ・・・共振周波数追従用電歪素子、２・・・振動体
、　　　　　　３・・・移動体。 −−二 本　　多　　小　平　′　　１ ？ １０“・・加算器 １１−系算器 １４・−発気器 １５−・−田°袴相器 ＋６ｊ７・−電力層＠器 第２図 第４図 第５図 第１０図 第１１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　振動体に配列固定された交流付勢される複数の電気−
   機械エネルギー変換素子の伸縮振動に励起されて該振動
   体に生ずる進行性振動波により、該振動体に接している
   移動体を摩擦駆動する振動波モータの駆動回路であって
   、上記の電気−機械エネルギー変換素子を交流付勢する
   電力増幅器、該電力増幅器のための電源部、および該電
   源部から該電力増幅器に賦与される電源電圧の制御手段
   を具備することを特徴とする振動波モータの駆動回路。