JPH0549272A - 超音波アクチユエータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 円柱や角柱などの柱状圧電磁器の両端面に電
極Ａ，Ｂをそれぞれ有し、電極Ａをさらに電極ａ１及び
ａ２に分割してなる圧電振動子を電気機械変換手段とす
る超音波アクチュエータに、その圧電振動子の共振周波
数の電力をその共振周波数の変動に追随して供給すると
ともに、回路構成が簡単で消費電力の少ない回路を提供
する。 【構成】 トランジスタＱ１の出力電圧を圧電振動子１
の電極ａ１に供給するとともに、電極ａ２に現われる圧
電気をトランジスタＱ１のベースに帰還させることによ
り、トラジスタＱ１を増幅素子とし、圧電振動子１を共
振回路とする自励発振器を構成する。コイルＬ１により
逆起電圧を発生させ、電源電圧Ｖｃｃより大きい電圧で
圧電振動子１を駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気読み取り装置にお
けるカード送り機構やカーテン遠隔開閉装置におけるカ
ーテン送り機構の如く、小形でしかもある程度のトルク
を要するアクチュエータとして注目されている超音波ア
クチュエータに交流電力を供給する駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波アクチュエータには各種の方式が
提案されている。それらの中で、本願の発明者が特願昭
６３−１２９１２２号で出願した超音波アクチュエータ
は、構造が極めて単純で小形化が容易であり、しかも圧
電振動子に供給する電源が単相で足り、その上に回転方
向の制御も極めて容易である等の利点を有している。図
２０はその超音波アクチュエータを示す概念図であり、
１は圧電振動子、２は圧電磁器、ａ１，ａ２，Ｂは電
極、２５はロータ、２６は超音波アクチュエータ駆動回
路、２７は切換スイッチである。図において、超音波ア
クチュエータをなす要素は振動子１とロータ２５であ
る。なお、本図の構成ではロータ２５を振動子１の側面
へ押し付けるための手段が必要であるが、図では省いて
ある。振動子１は円柱状の圧電磁器２と、この圧電磁器
２の右側端面に蒸着されている電極Ｂと、圧電磁器２の
左側端面に蒸着されていて互いに絶縁されている電極ａ
１及びａ２とからなっている。この振動子１の直径は１
０ｍｍ、長さは１０ｍｍであり、分極軸は長さ方向、即
ち端面に垂直な方向にある。この振動子１の共振周波数
の１つは１３２．４ｋＨｚである。ロータ２５は振動子
１の側面に圧接されている。いま、駆動回路２６により
１３２．４ｋＨｚの交流電力を発生し、切換スイッチ２
７の端子Ｐからその交流電力を電極ａ１とＢとの間に加
えると、振動子１の側面に１方向に進行する振動変位、
即ち進行波が発生し、ロータ２５は時計方向（ｃｗ）に
回転する。このとき、切換スイッチ２７を切換えて端子
Ｑから交流電力を加えると、ロータ２５は反時計方向
（ｃｃｗ）に回転する。このように、図２０の超音波ア
クチュエータにおいては切換スイッチ２７の切換により
ロータ２５の回転方向を任意に制御することができる。

【０００３】駆動回路２６は常に振動子１の共振周波数
の交流電力を発生する必要があるが、その共振周波数は
振動子１の温度に応じて変動する。そこで駆動回路２６
には振動子１の温度に追随して周波数を制御する手段が
必須である。このような周波数制御手段を備えた駆動回
路は本願の発明者等により発明され、特願平２−２６４
６２８号および特願平２−２６４６３０号として出願さ
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが上述の従来の
駆動回路では回路構成がやや複雑であるからより一層簡
単な構成の駆動回路が求められていた。また、消費電力
をさらに低減することも実用上から強く求められてい
た。そこで、本発明の目的は、回路構成が従来のものよ
り簡単でより低い電力で作動する超音波アクチュエータ
駆動回路の提供にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに本発明が提供する手段は、柱状の圧電磁器の両端面
にそれぞれ電極Ａ及びＢを設けてなり、前記圧電磁器の
分極軸が前記両端面に垂直である圧電振動子と、前記圧
電磁器の側面に直接に接触されるか又は前記側面に被せ
られている被覆に接触されている被移動体とでなり、前
記電極Ａ及びＢのうちで少なくとも電極Ａは互いに絶縁
された電極ａ１及びａ２に分割されている超音波アクチ
ュエータにおける前記電極Ｂと前記電極ａ１又はａ２と
の間に前記圧電磁器の共振周波数を印加し、前記超音波
アクチュエータを駆動する回路であって、前記電極ａ１
又はａ２のうちの一方に出力電圧を供給し、前記電極ａ
１又はａ２のうちで前記出力電圧を供給されていない方
の電極に現われる圧電気を正の帰還電圧として受けるト
ランジスタを備え、該トランジスタを増幅素子とし、前
記圧電振動子を共振回路とする発振回路をなしているこ
とを特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明の超音波アクチュエータ駆動回路は、前
掲の特願昭６３−１２９１２２号等に示されている柱状
の圧電振動子を電気機械変換手段とする超音波アクチュ
エータに駆動用の交流電力を供給する回路である。この
圧電振動子は片方の端面に少なくとも２つの電極を備え
ている。それらの電極のうちの２つに注目し、一方をａ
１、他方をａ２とし、電極ａ１にトランジスタの出力電
圧を供給すると、圧電振動子の圧電現象により他方の電
極ａ２には圧電気が現われる。この圧電気を該トランジ
スタに正の帰還電圧として供給すると、圧電振動子を共
振回路とするトランジスタ発振回路が形成される。この
発振回路は、トランジスタを増幅素子とし、圧電振動子
を共振回路とする自励発振回路であるから、常に圧電振
動子の共振周波数で発振する。

【０００７】

【実施例】次に実施例を挙げ本発明を一層詳しく説明す
る。図１は本発明の第１の実施例を示す回路図である。
超音波用の圧電振動子１は図２１に示したものと同じ構
造である。トランジスタＱ１のコレクタに直列に昇圧用
のコイルＬ１が挿入され、コイルＬ１と並列にコンデン
サＣ１が接続されている。トランジスタＱ１のコレクタ
とベースの間に起動用の抵抗Ｒ１が接続され、トランジ
スタＱ１のエミッタとコレクタの間にはダイオードＤ１
が挿入されている。

【０００８】図１の回路は自励発振回路を構成してお
り、トランジスタＱ１が増幅素子として作用し、振動子
１が共振回路として作用する。コイルＬ１はトランジス
タＱ１がオン（導通状態）のときにエネルギを蓄え、ト
ランジスタＱ１がオフ（遮断状態）のときそのエネルギ
を放出し振動子１に供給する。振動子１に印加される電
圧はコイルＬ１の逆起電圧であり、この逆起電圧は電源
電圧Ｖｃｃより大きい値である。このようにコイルＬ１
は電源電圧Ｖｃｃを昇圧して振動子１に加える。電源投
入から自励発振に至るまでには、電源投入時のノイズ成
分のうち、振動子１の共振周波数成分が徐々に増幅され
なければならないが、この間は圧電振動子１の帰還電極
ａ２に誘起される圧電気の電荷が少ないから、抵抗Ｒ１
がないならば、トランジスタＱ１をオンにすることはで
きない場合がある。そこで抵抗Ｒ１を挿入してベース電
流を流しておき、電極ａ２からの僅かの電荷でコレクタ
電流が変化する状態にし、図１の自励発振回路が起動で
きるようにしてある。コンデンサＣ１はコイルＬ１で生
起される逆起電圧を所定時間以上にわたって保持する。
コンデンサＣ１がないとすると、逆起電圧は大きくなる
が、逆起電圧が存在する時間が短かく、コイルＬ１の値
によっては超音波アクチュエータのロータを回転させ得
ない場合がある。

【０００９】ダイオードＤ１は振動子１の電極ａ１に印
加される電圧が負になるのを防止している。図２はダイ
オードＤ１がない場合に振動子１の電極ａ１に印加され
る電圧の波形を示し、図３はそのときの振動子１の側面
に現われる進行波を示す。図３（図５においても同じ）
において、矢印は進行波の大きさ（振幅）と方向を示し
ている。図４はダイオードＤ１を備えたときに振動子１
の電極ａ１に加えられる電圧の波形を示し、図５はその
ときに振動子１の側面に現われる進行波を示す。図４と
図５との比較から明らかなように、ダイオードＤ１を備
えることにより、振動子１における進行波の方向を整え
るとともに、進行波の振幅を大きくでき、ひいてはロー
タに大きなトルクを与えることができる。

【００１０】図６は本発明の第２の実施例を示す回路図
であり、図７，図８及び図９はこの実施例における各部
の信号を示し、図１０及び図１１は図６の振動子１にお
ける進行波の方向を示す図である。この第２の実施例で
は図１の第１の実施例の回路に加えて切換スイッチＳ
１、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２１、単安定マルチバイ
ブレータ２２及びスイッチング用のＭＯＳＦＥＴＱ２を
備えている。切換スイッチＳ１は、超音波アクチュエー
タにおけるロータの回転方向を任意に制御し得るように
するために設けてあり、図１０及び図１１に示すよう
に、電極ａ１，ａ２をトランジスタＱ１のコレクタ、ベ
ースのいずれに接続するかによりロータの回転方向を時
計方向か又は反時計方向のいずれかに指定できる。

【００１１】ＶＣＯ２１は周波数制御電圧１０１に応じ
て低周波数のパルス信号１０２を出力する。単安定マル
チバイブレータ２２は、パルス信号１０２で立ち上る一
定時間幅の矩形波信号１０３を発生する。ＭＯＳＦＥＴ
Ｑ２は、矩形波信号１０３が正電圧の時間だけ導通す
る。トランジスタＱ１、振動子１、抵抗Ｒ１、ダイオー
ドＤ１からなる自励発振回路は、ＭＯＳＦＥＴＱ２が導
通状態のときだけ１３７ｋＨｚで発振し、その間にロー
タを回転させ、ＭＯＳＦＥＴＱ２が遮断状態のときには
その自励発振回路は発振を停止し、その間はロータを停
止させる。したがって、図６の実施例ではロータにステ
ッピング動作をさせることができる。そして、図９に示
すように、ロータの回転期間Ｔ１は、単安定マルチバイ
ブレータ２２の調整により、矩形波信号１０３の正電圧
期間を伸縮して任意に選択でき、ロータの回転停止の周
期Ｔ２はＶＣＯ２１に入力する周波数制御電圧１０１に
より任意に設定できる。

【００１２】なお、図８では、時間軸の長さを図７のと
きよりも短くして、トランジスタＱ１のコレクタ電圧１
０４及びベース電圧１０５を短時間について示してい
る。本図に示すように、図６の実施例では振動子１をそ
の共振周波数１３７ｋＨｚで駆動している。

【００１３】図１２は、図６の実施例で駆動した超音波
アクチュエータを示す図であり、同図（ａ）は正面図、
同図（ｂ）は平面図である。但し、図１２（ｂ）は、ロ
ータ５を除いて描いてある。この超音波アクチュエータ
は、振動子１と、円板状のロータ５と、ベアリング６
と、台７と、軸８と、振動子保持枠９と、ベアリング保
持枠１０と、振動子保持ゴム１５と、振動子保持枠固定
ネジ１６と、ベアリング保持枠固定ネジ１７とを備えて
なる。図１２（ａ）ではロータ５は、構成を分り易くす
るために振動子１及びベアリング６から離して描いてあ
るが、使用状態ではロータ５は重力で下り振動子１及び
ベアリング６に接触している。振動子１の側面に現われ
る進行波によりロータ５は軸８の回りに回転する。軸８
は台７に固定されており、ロータ５は軸８の回りに回転
するとともに、軸８の長手方向（上下方向）に摺動でき
る。振動子保持ゴム１５は、振動子１において進行波が
最も小さい両側面から振動子１を挟み、振動子１を所定
位置に保持している。ベアリング６は、その軸の回りに
回転し、ロータ５を支えている。図１２における寸法は
ミリメートル単位で表わしてある。

【００１４】図１３は、図６の実施例の回路で図１２の
超音波アクチュエータを駆動したときにおける直流電源
の電圧Ｖｃｃとロータ５の回転速度の関係を示す図であ
る。また、図１４は、図１３と同じ条件における電源電
圧Ｖｃｃと入力電力との関係を示す図である。図１３，
図１４は、図６のＭＯＳＦＥＴＱ２を連続的に導通状態
にしたときにおける試験結果を示している。図１３から
分るように、図６の実施例においては、電源電圧Ｖｃｃ
が１０Ｖ（ｃｗ方向）又は１４Ｖ（ｃｃｗ）で図１２の
アクチュエータは起動でき、そのときにおける入力電力
は僅かに０．５Ｗ程度であることが分かる。

【００１５】図１５は本発明の第３の実施例を示す回路
図である。この実施例では図１の実施例におけるダイオ
ードＤ１に代えてダイオードＤ２が設けてある。またト
ランジスタＱ３のベースとエミッタの間にダイオードＤ
３が挿入してある。図１６は、図１２と同様な超音波ア
クチュエータにおいて、振動子の数を４個にした構成に
おけるロータ５と振動子との位置関係を示す図である。
本図において振動子１１，１２，１３，１４はロータ５
の下に等間隔に配列してある。このように複数の振動子
を備える超音波アクチュエータでは図１２におけるベア
リング６は不要になる。図１７は、図１６の如くに配置
された振動子１１，１２，１３，１４を備える超音波ア
クチュエータを図１５の方式の回路で駆動するようにし
た本発明の第４の実施例を示す回路図である。この実施
例では、切換スイッチＳ２でロータ５（図１６のロー
タ）の回転方向を切り換えることができる。１／１２分
周器２３は、ＶＣＯ２１から出力されるパルス信号１０
２を１２分の１に分周し、矩形波信号１０３を生成し、
ＭＯＳＦＥＴＱ２へ供給する。スイッチＳ３は、ＭＯＳ
ＦＥＴＱ２を短絡し、トランジスタＱ３を増幅素子と
し、振動子１１，１２，１３，１４を共振回路とする自
励発振器を連続的に作動できるようにするためのスイッ
チである。スイッチＳ３が開放のときには、図１７の実
施例は、図６の実施例と同様にステッピング動作をす
る。

【００１６】図１８は本発明の第５の実施例を示す回路
図であり、図１９は本発明の第６の実施例を示す回路図
である。これら実施例ではいずれも振動子１１，１２，
１３，１４を同時に駆動している。図１９の実施例では
トランスＴを備えているので、電源電圧Ｖｃｃが一定で
あるという条件のもとでは、トランスを備えない回路に
比べ、より大きな駆動電圧ＶＡで振動子１１，１２，１
３，１４を駆動することができ、したがってロータの回
転力を増大することができる。

【００１７】なお、以上に挙げた実施例では圧電振動子
１，１１，１２，１３，１４として円柱状のものを示し
たが、圧電振動子として特願昭６３−２３１７２６号に
記載されている方形のものを用いても本発明は実施でき
る。また、圧電振動子として特願平１−２２６９５０号
に記載されている如く、磨耗防止および放熱用の被覆を
有するものを用いても本発明は実施できる。さらに、圧
電振動子の片方の端面に設けられている電極はａ１及び
ａ２の２つに限らず、３つ又はそれ以上であっても本発
明は実施できる。このとき、複数の電極のうちの１つを
帰還電圧取り出し用とすればよい。

【００１８】以上に挙げた実施例ではトランジスタ及び
数点の受動個別部品で構成した例（図１，図１５，図１
８，図１９）と、更に回転方向の制御およびステッピン
グ動作を可能にする回路を加えた例（図６，図１７）を
示した。これらの実施例ではいずれも回路構成が極めて
簡単で、しかも消費電力が０．５Ｗ程度と低い。図１
７，図１８及び図１９に示した実施例では、圧電振動子
を４つ備えるが、圧電振動子を１つだけ備える例（図
１，図６，図１５）に比べて４倍の電力を消費しそうで
あるが、実測によるとたかだか２倍程度の電力しか消費
しない。このことは圧電振動子を多数備えて大きなトル
クを得る超音波アクチュエータの実現が容易なことを示
している。

【００１９】以上に実施例を挙げて詳しく説明したよう
に、本発明によれば、構成が簡単で、しかも消費電力が
少なく、そのうえ圧電振動子の温度変動に起因する圧電
振動子の共振周波数変動に自動的に追随した周波数の駆
動電力を出力する超音波アクチュエータ駆動回路を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図。

【図２】図１の実施例におけるダイオードＤ１を除いた
構成における圧電振動子１の駆動電圧波形を示す図。

【図３】図２の波形で駆動したときに圧電振動子に現わ
れる進行波を示す図。

【図４】図１の実施例における圧電振動子１の駆動電圧
波形を示す図。

【図５】図４の波形で駆動したときに圧電振動子１に現
われる進行波を示す図。

【図６】本発明の第２の実施例を示す回路図。

【図７】図６の実施例における各部の信号波形を示す
図。

【図８】図６の実施例における各部の信号波形を示す
図。

【図９】第６の実施例でステッピング動作をさせる場合
において圧電振動子に加えられる電圧の継続時間Ｔ１及
び繰り返し周期Ｔ２に示す図。

【図１０】図６の実施例における切換スイッチＳ１によ
るロータの回転方向制御を示す図。

【図１１】図６の実施例における切換スイッチＳ１によ
るロータの回転方向制御を示す図。

【図１２】図６の実施例により駆動した超音波アクチュ
エータを示す図。

【図１３】図６の実施例により図１２の超音波アクチュ
エータを駆動したときにおける入力電源電圧とロータ回
転速度との関係を示す図。

【図１４】図６の実施例で図１２の超音波アクチュエー
タを駆動したときにおける入力電源電圧と入力電力との
関係を示す図。

【図１５】本発明の第３の実施例を示す回路図。

【図１６】圧電振動子を４個備える超音波アクチュエー
タにおけるロータと圧電振動子との位置関係を示す図。

【図１７】本発明の第４の実施例を示す回路図。

【図１８】本発明の第５の実施例を示す回路図。

【図１９】本発明の第６の実施例を示す回路図。

【図２０】円柱状圧電振動子を電気機械変換手段とする
超音波アクチュエータの例を示す概念図。

【符号の説明】

１，１１，１２，１３，１４ 圧電振動子 ２ 圧電磁器 ５，２５ ロータ ６ ベアリング ７ 台 ８ 軸 ９ 圧電振動子保持枠 １０ ベアリング保持枠 １５ 圧電振動子保持ゴム １６，１７ ネジ ａ１，ａ２，Ｂ 電極

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱状の圧電磁器の両端面にそれぞれ電極
   Ａ及びＢを設けてなり、前記圧電磁器の分極軸が前記両
   端面に垂直である圧電振動子と，前記圧電磁器の側面に
   直接に接触されるか又は前記側面に被せられている被覆
   に接触されている被移動体とでなり、前記電極Ａ及びＢ
   のうちで少なくとも電極Ａは互いに絶縁された電極ａ１
   及びａ２に分割されている超音波アクチュエータにおけ
   る前記電極Ｂと前記電極ａ１又はａ２との間に前記圧電
   磁器の共振周波数を印加し、前記超音波アクチュエータ
   を駆動する回路において、 前記電極ａ１又はａ２のうちの一方に出力電圧を供給
   し、前記電極ａ１又はａ２のうちで前記出力電圧を供給
   されていない方の電極に現われる圧電気を正の帰還電圧
   として受けるトランジスタを備え、該トランジスタを増
   幅素子とし、前記圧電振動子を共振回路とする発振回路
   をなしていることを特徴とする超音波アクチュエータ駆
   動回路。
2. 【請求項２】 前記トランジスタの出力電圧端子を前記
   電極ａ１又はａ２のいづれか一方に切換えて接続する第
   １の切換えスイッチと、前記帰還電圧の入力端子を前記
   電極ａ２又はａ１のうちのいづれか一方に切換えて接続
   する第２の切換スイッチとを備え、前記第１及び第２の
   切換えスイッチは互いに連動して作動し、前記出力電圧
   端子が前記電極ａ１又はａ２に接続されるとき前記帰還
   電圧入力端子は前記電極ａ２又はａ１にそれぞれ接続さ
   れることを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュ
   エータ駆動回路。
3. 【請求項３】 前記電極ａ１を前記トランジスタの出力
   電圧端子または前記帰還電圧の入力端子に切換えて接続
   する第３の切換スイッチと、前記電極ａ２を前記トラン
   ジスタの帰還電圧入力端子または出力電圧端子に切換え
   て接続する第４の切換えスイッチとを備え、前記第３及
   び第４の切換えスイッチは互いに連動して作動し、前記
   電極ａ１が前記出力電圧端子また前記帰還電圧入力端子
   に接続されるとき前記電極ａ２は前記帰還電圧入力端子
   または前記出力電圧端子にそれぞれ接続されることを特
   徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ駆動回
   路。
4. 【請求項４】 前記トランジスタの直流電圧供給路に昇
   圧用のコイルが挿入してあることを特徴とする請求項
   １，２又は３に記載の超音波アクチュエータ駆動回路。
5. 【請求項５】 前記昇圧用コイルと並列にコンデンサが
   接続してあることを特徴とする請求項４に記載の超音波
   アクチュエータ駆動回路。
6. 【請求項６】 前記出力電圧端子が前記トランジスタの
   コレクタであり、前記帰還電圧入力端子が前記トランジ
   スタのベースであり、前記コレクタとベースとの間に抵
   抗が接続してあり、前記トランジスタのエミッタとコレ
   クタとの間にダイオードが接続してあることを特徴とす
   る請求項１，２，３，４又は５に記載の超音波アクチュ
   エータ駆動回路。
7. 【請求項７】 周波数制御電圧に応じた周波数で発振す
   る電圧制御発振器と、この電圧制御発振器の出力の周波
   数で矩形波パルスを発生する単安定マルチバイブレータ
   と、前記トランジスタに直列に挿入されていて前記単安
   定マルチバイブレータの出力電圧に応じて導通状態また
   は遮断状態になるスイッチング素子とを備える請求項
   １，２，３，４，５又は６に記載の超音波アクチュエー
   タ駆動回路。