JPH04281373A - 振動波モーター - Google Patents

振動波モーター

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JPH04281373A
JPH04281373A JP3040114A JP4011491A JPH04281373A JP H04281373 A JPH04281373 A JP H04281373A JP 3040114 A JP3040114 A JP 3040114A JP 4011491 A JP4011491 A JP 4011491A JP H04281373 A JPH04281373 A JP H04281373A
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/145—Large signal circuits, e.g. final stages

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、振動体の共振を利用し
た振動波モータの駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近、超音波モータもしくは圧電モータ
と称される振動波モータが開発され、本出願人等によっ
て実用化されている。この振動波モータは、既によく知
られているように、圧電素子もしくは電歪素子等の電気
−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することに
よって該素子に高周波振動を発生させ、その振動エネル
ギーを連続的な機械運動として取り出すように構成され
た非電磁駆動式の新型のモータである。圧電素子もしく
は電歪素子に発生する振動の種類によって定圧波型モー
タと進行波型モータとに分けられる。
【０００３】図５は従来の進行波型振動波モータの駆動
回路を示したものである。１は圧電素子もしくは電歪素
子と弾性体との結合体から成る振動体、１ａ，１ｂ，１
ａ′，１ｂ′は該圧電素子もしくは電歪素子に交番電圧
を印加するための駆動電極、２は交番電圧を発生する発
振器、３は９０°移相器，４ａ及び４ｂは増幅器である
。
【０００４】図のように本モータは２相駆動であり、各
相に加えられる交番電圧の移相が９０°移相器３で±９
０°ずれる以外は第１と第２相間で差がないので、５で
示す１相部分（第１期）のみについて説明する。
【０００５】図６は、第１相部５を等価回路で表わした
ものである。６は増幅部、７は振動波モータの等価回路
である。振動波モータの等価回路７は、機械的振動部分
のＲＬＣ直列回路（抵抗値Ｒｍの等価抵抗７ａ，自己イ
ンダクタンスＬｍの等価コイル７ｂ，静電容量Ｃｍの等
価コンデンサ７Ｃ）と、並列に接続された振動体１の固
有静電容量Ｃｄのコンデンサ７ｄより構成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
印加交番電圧をＶｉ，駆動電極間の電圧をＶｏとすると
、一般に振動波モータは数十〜数百ボルトの電圧を印加
する必要があるので、電圧昇圧率ｎ＝｜Ｖｏ／Ｖｉ｜が
モータ特性を大きく左右していた。
【０００７】振動波モータは、その機械的な共振を利用
して、振動波の振巾を拡大・制御するものである。その
ために、機械的共振周波数
【０００８】
【外４】 に近い周波数の交番電圧を印加する。しかし、振動波モ
ータの機械的な振動の等価回路定数Ｒｍ・Ｌｍ・Ｃｍは
、モータの環境温度や振巾の大きさなどにより変化して
しまう。従って、図６で表わされる等価回路の周波数特
性で、モータの入力電力及び出力パーワーが大きく変わ
る事になり、こういった周波数特性に合った駆動回路を
必要としていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、振動体の自己
静電容量Ｃｄに着目し、この静電容量Ｃｄと直列あるい
は並列にある一定のインダクタンス素子Ｌを接続して、
このＬＣ回路の直列共振あるいは並列共振を利用してモ
ータ特性として好適化を計る振動波モーターを提供する
ものである。
【００１０】
【実施例】図１は本発明の第１の実施例を示す等価回路
で、７は振動波モータの等価回路であり、８は該等価回
路に直列に接続されたインダクタンスＬｅのインダクタ
ンス素子である。
【００１１】該等価回路における振動波モータの機械的
振動部分のＲＬＣ直列回路部分Ｒｍ，Ｌｍ，Ｃｍは前述
の通り、モータの環境温度や振巾の大きさなどにより変
化する。
【００１２】図７は、該ＲＬＣ直列回路部のアドミタン
スの絶対値｜Ｙ｜の周波数特性１２を表わしたものであ
る。
【００１３】
【外５】
【００１４】（１）式の述く、｜Ｙ｜は機械的共振周波
数
【００１５】
【外６】 で極大値をとる。
【００１６】図８は、図１の等価回路７のアドミタンス
の絶対値｜Ｙ｜の周波数特性１３を表わしたものである
。実線１３は機械的振動部分のＲＬＣ直列回路を図１の
等価回路から除いた場合である。この場合は等価回路と
しては上記直列に接続されたインダクタンスＬｅと静電
容量Ｃｄの直列共振回路となり、電気的共振周波数
【０
０１７】
【外７】 で極大値をとる。これに機械的振動部分の等価回路（Ｒ
ＬＣ直列回路）を加えると、一点鎖線のような特性とな
る。ここでｆｍ，ｆｍ′は機械的共振周波数を表わし、
ｆｍ≦ｆｅの場合と、ｆｍ′≧ｆｅの場合を示している
。
【００１８】図１２は、この２つの場合の消費電力の周
波数特性を表わし、図１３はその時の振巾（速度）を表
わしている。振動波モータの駆動回路は、一般に交番電
圧Ｖｉを発生するために、直流電源をトランジスタ，Ｆ
ＥＴ等でスイッチング動作させる。従って、駆動回路で
の消費電力を考える場合、その有効電力のみを考えるの
ではなく、皮相電力で考える必要がある。図１２の消費
電力はこの皮相電力を表わしており、｜Ｙ｜と電圧をか
け合せたものである。ｆｍ≦ｆｅの場合、実線１７、１
９、ｆｍ′≧ｆｅの場合、実線１８、２０となる。
【００１９】図１３で示すように、振動体の振巾（速度
）特性は高い周波数域でなだらかで低い周波数で急しゅ
んなヒステリシス特性となる。従って、一般にモータの
速度制御を駆動周波数を変えて行う場合、ｆｍ（ｆｍ′
）より高い周波数域を用いる。今、ｆｍ近くの振巾（速
度）Ａから高い周波数域を使用すると、ｆｍ≦ｆｅの場
合、ｆｏ〜ｆｍの広い周波数域を利用してなだらかな速
度制御が可能である。しかし、ｆｍ′≧ｆｅの場合、ｆ
ｏ′〜ｆｉ′の狭い周波数域を使用しなければならなく
なる。しかも、ｆｉ′ではｆｉ′＞ｆｍ′となり機械的
共振状態でないので効率が悪く、この時の消費電力Ｂ｀
はｆｍ≦ｆｅの場合の消費電力Ｂに比べて大きくなって
しまう。よって、図１の構成ではｆｍ≦ｆｅの関係にセ
ットされる様構成する。
【００２０】図２は、本発明の第２の実施例を示す等価
回路で、７は振動波モータの等価回路であり、９は該等
価回路に並列に接続されたインダクタンスＬｐのインダ
クタンス素子である。
【００２１】図９は、図２の等価回路のアドミタンスの
絶対値｜Ｙ｜の周波数特性１４を表わしたものである。 実線１４は、上記等価回路の機械的振動部分のＲＬＣ直
列回路を図２の等価回路から除いた場合の特性を示す。
【００２２】この場合、並列に接続されたインダクタン
スＬｐと静電容量Ｃｄの並列共振回路となり、電気的共
振周波数
【００２３】
【外８】 で極小値をとる。これに機械的振動部分の等価回路を加
えると、一点鎖線のような特性となる。ｆｍ，ｆｍ′は
機械的共振周波数を表わし、ｆｍ≧ｆｅの場合と、ｆｍ
′≧ｆｅの場合を示している。
【００２４】図８と同様に、この場合の消費電力・振巾
（速度）の周波数特性は、図１２と図１３の如くとなる
。
【００２５】以上の第１，第２の実施例で示すように、
振動波モータの機械的振動部分のＲＬＣ直列回路部を除
いた時の回路のアドミタンス
【００２６】
【外９】 となる周波数に機械的共振周波数を設定すれば効果的な
モータ駆動が可能となる。
【００２７】一般に振動波モータは数十〜数百ボルトの
電圧を印加する必要があるので、入力側の交番電圧Ｖｉ
を低電圧源とすると、駆動電極間の電圧Ｖｏを昇圧する
必要がある。
【００２８】従って、図１に示すような電気的ＬＣ直列
共振回路の場合、昇圧効果があるので、インダクタンス
素子８は自己インダクタンスＬｅのコイルと考えるのが
現実的である。
【００２９】また、図２に示すような電気的ＬＣ並列共
振回路の場合、昇圧効果がないので、図４に示すような
インダクタンス素子９をトランスの２次側の自己インダ
クタンスＬ２として構成することが現実的である。図４
中、１１はトランス、１１ａは自己インダクタンスＬ１
の１次側、１１ｂは自己インダクタンスＬ２の２次側で
あり、この場合、電圧昇圧率は
【００３０】
【外１０】 となり駆動電極間の電圧Ｖｏを高圧化し、かつ、上述の
如く効率的な駆動が可能となる。
【００３１】図３は、本発明の第３の実施例を示す等価
回路で、７は振動波モータの等価回路であり、８は直列
に接続されたインダクタンスＬｅのインダクタンス素子
、１０は並列に接続された静電容量Ｃｐの静電容量素子
である。このように、静電容量素子１０を並列に付ける
と自己静電容量Ｃｄとの和Ｃｐ＋Ｃｄを、電気的ＬＣ直
列共振の静電容量を考える事ができ、図１と同様の事が
成り立つ。また、図２の如く、並列にインダクタンス素
子を接続した回路に対して上記素子１０を並列に接続し
た場合も同様に考えることが出来る。ＬＣ共振を用いた
時のＹや電圧昇圧率の周波数特性は、Ｌ，Ｃのそれぞれ
の値で変化するので、自己静電容量Ｃｄが、小さ過ぎて
ほしい特性が得られない時など、上述の如く並列に適切
な静電容量Ｃｐを加えることが有効となる。
【００３２】図１４は本発明の第４の実施例を示す等価
回路で、７は振動波モータの等価回路であり、８は直列
に接続されたインダクタンスＬｅのインダクタンス素子
、９は並列に接続されたインダクタンスＬｐのインダク
タンス素子である。
【００３３】この場合は、図１のＬＣ直列共振と図２の
ＬＣ並列共振の混在した形となる。図１０，図１１は、
図１４の等価回路のアドミタンスの絶対値｜Ｙ｜の周波
数特性を表わしたものである。但し、実線１５，１６は
機械的振動部分のＲＬＣ直列回路を、図１４の等価回路
から除いた場合である。この場合、｜Ｙ｜は並列に接続
されたインダクタンスＬｐと静電容量Ｃｏの電気的ＬＣ
並列共振周波数
【００３４】
【外１１】 で極小値をとり、直列に接続されたインダクタンスＬｅ
と静電容量Ｃｄの電気的ＬＣ直列共振周波数
【００３５
】
【外１２】 で極大値をとる。
【００３６】図１０がｆｅ１＜ｆｅ２の場合、図１１が
ｆｅ１＞ｆｅ２の場合の特性を示す。前実施例で説明し
たと同様に、この図１４の実施例の場合、機械的共振周
波数ｆｍを
【００３７】
【外１３】 の周波数に設定すれば、効率化を計ることが出来る。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明においては
振動波モータの駆動電極間に直列又は並列あるいはその
両方にインダクタンス素子を少なくとも１つ接続して、
電気的ＬＣ共振を用い、振動波モータの機械的振動部分
のＲＬＣ直列回路部を除いた時の回路のアドミタンス
【
００３９】
【外１４】 となる周波数に駆動用の機械的共振周波数を設定し、こ
れによって、広い周波数域を利用してなだらかな速度制
御ができ、しかも消費電力を小さくすることを可能とす
るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動波モーターの第１の実施例を
示す等価回路図である。
【図２】本発明に係る振動波モーターの第２の実例を示
す等価回路図である。
【図３】本発明に係る振動波モーターの第３の実施例を
示す等価回路図である。
【図４】第２の実施例の変形列を示す等価回路図である
。
【図５】従来の振動波モーターの駆動回路を示す回路図
である。
【図６】図５における駆動相の等価回路図である。
【図７】図６に示したＲＬＣ直列回路の特性を示す特性
図である。
【図８】第１の実例の特性を示す特性図である。
【図９】第２の実施例の特性を示す特性図である。
【図１０】図１４に示す実施例の特性を示す特性図であ
る。
【図１１】図１０とともに図１４により実施例の特性を
示す特性図である。
【図１２】本発明による消費電力を示す説明図である。
【図１３】本発明による速度特性を示す説明図である。
【図１４】本発明の第４の実施例を示す等価回路図であ
る。
【符号の説明】
１　　振動性 ７　　振動波モーターの等価回路 Ｌｅ　　インダクタンス Ｌｐ　　インダクタンス

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　圧電素子もしくは電歪素子に対して交
    番電圧を駆動用電極を介して印加し上記圧電素子もしく
    は電歪素子が配される振動体を振動させる振動波モータ
    ーにおいて、前記駆動用電極に直列にインダクタンス素
    子Ｌを接続、駆動用電極間の静電容量和Ｃで決まるＬＣ
    直列共振の電気的共振周波数 【外１】 を振動体の共振周波数ｆｍに対してｆｍ≦ｆｅの関係に
    構成したことを特徴とする振動波モーター。
  2. 【請求項２】　　圧電素子もしくは電歪素子に対して交
    番電圧を駆動用電極を介して印加し上記圧電素子もしく
    は電歪素子が配される振動体を振動させる振動波モータ
    ーにおいて、前記駆動用電極間に並列にインダクタンス
    素子Ｌを接続し、前記電極間の静電容量和Ｃで決まるＬ
    Ｃ並列共振の電気的共振周波数 【外２】 を振動体の共振周波数ｆｍに対してｆｍ≧ｆｅの関係に
    構成したことを特徴とする振動波モーター。
  3. 【請求項３】　　圧電素子もしくは電歪素子に対して交
    番電圧を駆動用電極を介して印加し、上記圧電素子もし
    くは電歪素子が配される振動体を振動させる振動波モー
    ターにおいて、前記駆動用電極と直列又は並列あるいは
    その両方にインダクタンス素子Ｌを少なくとも１つ接続
    し、振動波モーターの等価回路における機械的振動部分
    のＲＬＣ直列回路を上記等価回路から除いた際の回路の
    アドミタンス 【外３】 となる周波数に機械的共振周波数を設定したことを特徴
    とする振動波モーター。
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