JPH10501117A - 圧電モーター用給電回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、同じ振幅で約９０°位相をずらされた二つの高周波交流電圧（Ｖ₁′）及び（Ｖ₂′）をそれぞれ給電される二つの電極（１１及び１２）に接続された圧電要素（３）によって励起されるステーターとの摩擦によって駆動されるローター（１）を有する圧電モーター（Ｍ）用給電回路に関する。本発明によれば、給電回路が、単一の高周波交流給電源（Ｖ）、並びに一方では交流供給源（Ｖ）に、他方では圧電要素（３）を励起し、二つの電圧（Ｖ₁′）及び（Ｖ₂′）を発生するのに当てられる二つの電極（１１及び１２）に接続された整合手段（Ｑ）を有している。本発明は、圧電モーターに適用される。

Description

【発明の詳細な説明】 圧電モーター用給電回路 本発明は、例えば第１図に略図的に示され、圧電要素３により励起されたステ ーター２による摩擦によって駆動されるローター１を有する進行波型の圧電モー ター用の給電回路に関する。 第２図に示された、公知の特殊な実施態様によれば、圧電要素３は、直列に配 置され、交互に分極される二つの圧電扇形区域５及び６を有する。これらの扇形 区域５及び６は、いかなる圧電活性扇形区域も受け入れない二つの空間、すなわ ち通常は振動の制御ループでのセンサーとして役立つ第１空間８、及び中性第２ 空間１０によって隔てられている。図示されていない圧電要素の後面はアース９ に接続される。扇形区域５は、高周波電圧Ｖ₁′を給電された第１電極１１によ って励起され、扇形区域６は、高周波電圧Ｖ₂′を給電された第２電極１２によ って励起され、前記電圧Ｖ₁′、Ｖ₂′は、位相をほぼ９０°ずらされ、直流電圧 源と無関係につくられる二つの交流供給源によって供給される。それぞれの電極 にかけられる電圧Ｖ₁′及びＶ₂′は、二つの定常波を生み出す扇形区域５及び６ のそれぞれの振動を引き起こし、その結果として、ローターと接触したステータ ーの弾性要素の質点の楕円運動を得られる進行波に導かれ、このことはステータ ーに対してローターの回転運動を引き起こす。 したがって交流給電源は、別個の給電装置によってつくりだされる。そのよう な給電装置は、米国特許第５，１３０，６１９号及び米国特許第５，０２１，７ ００号に記載されたように二つの別個の磁気回路か、それとも米国特許第５，１ ７９，３１１号に記載されたように複数の別個のスイッチを使用する。したがっ てこれらの給電装置は、多数の構成部品を所有し、このことは、前記装置の原価 並びに嵩を著しく増大する。 本発明の目的は、信頼度が高く経済的な新規の回路を用いることによって、前 記の欠点を改良することである。 本発明によれば、圧電モーター用の給電回路は、単一の高周波交流給電源、並 びに一方では交流供給源に、他方では圧電要素を励起し二つの電圧Ｖ₁′及びＶ₂ ′を発生する二つの電極に接続された整合手段を有している。 本発明のお陰で、圧電モーター用の給電回路は適性寸法を超えることなく、給 電回路の新しい構造は、コストを最小限にし、したがって使用する構成部品の数 を制限することによって、モーターの圧電要素を励起する電極の給電を著しく簡 単にする。 本発明の特徴及び利点は、限定しない例として添付の図面を参照しながら、以 下になされる記載から明らかになるであろう。 −第１図は、先行技術による圧電モーターの略図的断面図を示し、 一第２図は、公知の種類の実施態様による、第１図のモーターの圧電要素を励 起する電極の配置を示し、 −第３図は、本発明による圧電モーター用の給電回路の第１実施態様の配線図 を示し、 −第４図は、本発明による給電回路と組み合わされる周波数ダイアグラムを示 し、 −第５図は、本発明による給電回路の特殊な態様の配線図を示し、 −第６図は、本発明による第３図の給電回路によく適合した変圧器を示し、 −第７図は、第３図に示された給電回路によって得られる波形を示し、 −第８図は、第５図の配線図と類似し、圧電モーターの回転速度の調整装置を 備えた給電回路の他の実施態様を示し、 −第９図は、第８図と類似し、圧電モーターの回転速度の他の調整装置を備え た給電回路の特殊な実施態様を示す。 第３図に示されたように、給電回路は、単一の高周波交流給電源Ｖ、並びに一 方では交流供給源Ｖに、他方では圧電要素３を励起し二つの電圧Ｖ₁′及びＶ₂′ を発生する二つの電極１１及び１２に接続された整合手段Ｑを有している。 進行波型の圧電モーターの二つの位相は、電気的モデル化の観点から同一とし て考えることができる。位相は第１近似では、電圧、周波数及び解放固定トルク について、平行インピーダンスＲ−Ｃによって示すことができる。 このような場合、いろいろな電気的関係は、 Ｖ＝Ｖ₁＝Ｖ₂ Ｉ＝Ｉ₁＋Ｉ₂ Ｖ₁′＝Ｚ₁Ｉ₁′ Ｖ₂′＝Ｚ₂Ｉ₂′ によって定義される。 本発明による給電回路は、 Ｖ₂′＝Ａ_ejΘＶ₁′（Ａ＝１，Θ＝±９０°） により与えられた電気的関係によって、与えられた問題を解決できる。 圧電モーターＭの位相１及び２のインピーダンスＺ₁及びＺ₂の識別は、与えら れた周波数について整合手段Ｑを構成する要素を決定するのに不可欠である。整 合手段Ｑは、例えば一方については自己誘導コイルＬ₁及びコンデンサーＣ₁、他 方については自己誘導コイルＬ₂のみのような、受動性要素を含む二つの四重極 を有することができる。理解されるように、前記整合手段Ｑを構成する受動性要 素の配置、数及び選択は、給電の立案者によって定義される。 前記の電気的関係によって問題を定めた拘束を満足させる比較的簡単な解決は 、整合手段Ｑを用いることにあり、ここでは、電気的関係は、 Ｖ₂′＝−ｊＶ₁′ である。 整合手段の受動性要素の値は、モーターの位相１及び２のインピーダンス及び 運転の公称パルスＷ₀の識別によって完全に定められる。 実際は、第４図に示されたように、給電回路の運転の原理は、整 合手段を用いて、すなわち二つの四重極を用いて、モーターの位相１及び２のレ ベルで、電気共鳴の周波数をずらせるのと同じことになる。このずれが、公称パ ルスＷ₀の近くに位置する使用周波数帯のどちらの側でも行われると、受動性要 素のぴったり合った寸法決めは、共通の交流電圧源から、位相の四分の１の位相 差及び同一の振幅をもった二つの電圧Ｖ₁′及びＶ₂′を発生できる。 第５図に示された好ましい実施態様によれば、交流電圧源Ｖは、ＦＯＲＷＡＲ Ｄ型の構造に従ってつくられ、その第１段は、一方では直流電圧源Ｖ_Eに接続さ れ、他方では電子スイッチ１４と組み合わされ、その第２段は、整合手段Ｑに接 続される変圧器１３を有する。スイッチ１４は、例えば公知の種類の出力トラン ジスターである。進行波式圧電モーターの二つの位相は、電気的モデル化の観点 から同一として考えられ、電圧、周波数及び解放固定トルクについて平行インピ ーダンスＲ−Ｃによって示された。 変圧器１３の第１段は、点付き端子が直流電圧源＋Ｖ_Eに接続され、点付きで ない端子が、他方の固定接点１４″はアース１６に接続されているスイッチ１４ の一方の固定接点１４′に接続された第１の巻線１５、並びに点付きでない端子 が直流電圧源＋Ｖ_Eに接続され、点付き端子が、陽極はアース１６に接続されて いる消磁ダイオード１８の陰極に接続された第２の巻線１７を有する。 変圧器１３の第２段は、点付き端子が、他方の端部は一方では他方の端部がア ース２０に接続されているコンデンサーＣ₁の一方の端部に、他方では圧電要素 ３を励起する電極１１に接続される第１のインダクタンスＬ₁の端部に接続され た第１の巻線１９、並びに点付きでない端子が、第２段の中央の点Ｉと対応する 第１の巻線１９の点付きでない端子に接続され、点付き端子が、他方の端部は圧 電要素３を励起する他の電極１２に接続されている第２のインダクタンスＬ₂の 端部に接続された第２の巻線２１を有する。 整合手段Ｑは、一方では圧電要素３とともに第１の共振回路を構成する第１の インダクタンスＬ₁及びコンデンサーＣ₁を、他方で は圧電要素３とともに第２の共振回路を構成する第２のインダクタンスＬ₂を有 する。 給電回路は、次のように作動する。 −スイッチ１４がオンのときは、ダイオード１８はオフであり、異なる巻線の 端子電圧は Ｖ₁＝Ｖ₂＝Ｅ Ｖ₃＝Ｖ₄＝ｋＥ（ｋ：変換比） である。 −スイッチ１４がオフのときは、ダイオード１８はオンであり、電圧は Ｖ₁＝Ｖ₂＝−Ｅ Ｖ₃＝Ｖ₄＝−ｋＥ となる。 したがって、変圧器１３の異なる巻線の端子電圧の平均値をゼロにするには、 スイッチ１４は、１／２と等しいかそれ以下の周期率で作動せねばならず、値１ ／２は、モーターの位相のレベルで最適の波形を得ることができる。 本発明の興味ある特徴によれば、整合手段Ｑの二つのインダクタンスＬ₁及び Ｌ₂は、変圧器１３の固有の漏れインダクタンスによって構成される。この配置 は、変圧器１３の第２段から出た漏れを制御するための変圧器の場の計算による 寸法決めを必要とする。したがってこの新しい構造は、第５図に示された給電回 路を簡素化する。このような変圧器は第６図に示され、Ｅ字形でフェライト製の 二つの半回路２２及び２３からなり、かつそれぞれ中央脚部２４又は２５、並び に二つの外側脚部２６−２７又は２８−２９を含む磁気回路を有しており、第１ 段の巻線は中央脚部２４及び２５の周りに巻かれ、第２段の巻線は外側脚部２６ −２７及び２８−２９の周りに巻かれる。変圧器を構成するいろいろな構成要素 の組み立ては、例えば接着によって行われる。第５図に示されたこの種の給電及 び第６図の変圧器のお陰で、第７図に示された波形が得られた。 第５図に示された給電回路は、本発明による圧電モーターＭについて、実際に 安定した速度を得ることができる。しかしながら、いろいろな回転速度による調 整を可能にすることによって、この安定速度を保証できるやり方で、本発明は、 第５図で特に示された給電回路に、この速度の調整装置を取り付けることを予定 している。 ローターの前記回転速度に働きかけるには、次ののように働きかける三つの調 整方法が考えられる。 −給電電圧の振幅、 −給電周波数と共振周波数との間の差、 −給電路の相対位相差。 われわれの給電回路では、周波数及び相対位相差は固定されており、要素Ｌ及 びＣは、与えられた周波数ｆ₀に対して、相対位相差が９０°に等しくなるよう に計算される。したがって、利用できる唯一の方法は、給電電圧の変化である。 このため、第８図に示された給電回路は、位相をずらされた電圧Ｖ₁′とＶ₂′ の振幅を平衡させるやり方で、スイッチ１４の制御信号を発する、第１の調整ル ープと呼ばれる第１の制御手段３０、及び圧電モーターＭの回転速度の調整を保 証する、第２の調整ループと呼ばれる第２の制御手段３４を有する。 前記第１の制御手段３０は、一方が、電圧Ｖ₁′によって圧電要素を励起する 圧電モーターＭの電極１１に接続され、他方が、電圧Ｖ₂′によって圧電要素を 励起する圧電モーターＭの他方の電極１２に接続される、二つの入口をもった第 １の比較手段、二つの電圧間の差を示す信号の第１の濾過手段３２、及びスイッ チ１４の入口で制御信号を発生する電圧／周波数変換器３３を直列に有している 。 第８図に示され、同じ第８図に鎖線で書かれた給電回路の補足実施態様によれ ば、さらに第１の制御手段３０は、入口３９′が濾過手段と電圧／周波数変換器 ３３との間に接続される駆動トルクの計算手段３９を有している。 したがって、このような第１の制御手段３０は、システムの作動周波数を合わ せることによって、位相をずらされた電圧の振幅を平衡させることができる。モ ーターの二つの位相の振幅の比較後、調整と増幅後に得られたエラー信号は、ス イッチＴの制御信号を発生する、電圧／周波数変換器（ＶＣＯ）の入口に適用さ れる。したがって、システムは、給電電圧の振幅が同一であるような周波数で安 定する。この周波数は、要素Ｌ及びＣの寸法決めのときに選ばれた空の周波数ｆ₀ と対応する。モーターの位相と等しい電気回路のパラメーターＲ及びＣをわず かに修正する負荷トルクの適用時に、第４図の共振曲線の左方へのわずかなずれ が確認される。もし給電周波数が、空運転の値ｆ₀に維持されるならば、このわ ずかなずれが、問題にする共振力を考慮して、適用された電圧の感度のよい平衡 の欠如を引き起こし、｜Ｖ₁′｜は減少し、一方｜Ｖ₂′｜は増加する。したがっ て、第１の制御手段３０を用いたこの現象の補償は、解放されたトルクの特に簡 単な評価手段を構成し、その像（image）は、空運転の周波数ｆ₀に対応する直流 成分の除去によって、電圧／周波数変換器３３の入口で入手できる。したがって 、解放されたトルクは、計算手段３９によってこうして与えられる。 第２の制御手段３４は、直流電圧源Ｖ_Eを制御するやり方で、前記直流電圧源 Ｖ_Eに調整信号を発する。 前記第２の制御手段３４は、一方はモーターの運転の所望速度と対応する指令 速度の選択装置３６の入口に接続され、他方はモーターの回転速度の像を発する ステーター・センサー３７′の電極３７に接続される二つの入口をもった第２の 比較手段３５、並びにモーターＭの回転速度の像と指令速度の間の差、及び直流 源の電圧Ｖ_Eの発生を示す信号の第２の濾過手段３８を直列に有している。 このような第２の制御手段は、モーターＭの速度の調整を保証する。ステータ ー・センサーの電極、回転速度の像によって発せられた電圧の振幅の、所望の速 度と対応する指令のレベルとの比較は、調整及び増幅後に、いろいろなレベルで 電圧の第２の調製手段３８ の入口で適用されるエラー信号を供給する。前記手段３８は、結線Ｖ_eの直流入 口電圧を制御し、したがってモーターの速度に影響を与える。もしステーター・ センサーが存在しなければ、速度を調整するための解答は、電圧Ｖ_eに作用する ことによって、単純に給電電圧の振幅を当てにすることである。 第８図に示されたものより一層有利で、同一符号が第８図に記載されたものと 同じ要素を指示している第９図に示された、給電回路の新しい実施態様によれば 、第２の制御手段３４は、第２の比較手段３５、回転速度Ｍの像と指令速度との 間の差を示す信号の第３の濾過手段４１、並びに一方４３は第３の濾過手段４１ の出口に接続され、他方４２は第１の制御手段３０の電圧／周波数変換器３３の 出口に接続される二つの入口をもち、かつ出口４４では、スイッチ１４の入口に 可変インパルスの幅の制御信号を発生する、インパルスの幅の変調器４０を直列 に有している。 この最後の実施態様では、機械の位相に適用される電圧の調整を行うために、 スイッチ１４の制御信号の周期率が用いられる。この解答は、周期率が１／２に 等しいその最高値から遠ざかるときに、給電波形の変質に確実に導く。それにも かかわらず、この変形は、第２の制御手段３４の実現可能性及び原価をこうして 改良する前記手段３４の電子回路の簡略化に導く。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．同じ振幅で約９０°位相をずらされた二つの高周波交流電圧（Ｖ₁′）及 び（Ｖ₂′）をそれぞれ給電される二つの電極（１１及び１２）に接続された圧 電要素（３）によって励起されるステーターとの摩擦によって駆動されるロータ ー（１）を有する圧電モーター用給電回路において、給電回路が、単一の高周波 交流給電源（Ｖ）、並びに一方では交流供給源（Ｖ）に、他方では圧電要素（３ ）を励起し、二つの電圧（Ｖ₁′）及び（Ｖ₂′）を発生するのに当てられる二つ の電極（１１及び１２）に接続された整合手段（Ｑ）を有することを特徴とする 圧電モーター用給電回路。 ２．整合手段（Ｑ）が、電極（１１及び１２）にそれぞれ接続され、インダク タンス及び容量のような受動性要素を含む二つの四重極を有することを特徴とす る請求の範囲第１項記載の給電回路。 ３．高周波交流電圧源（Ｖ）が、第１段が、一方では直流電圧源（Ｖ_E）に接 続され、他方では電子スイッチ（１４）と組み合わされ、第２段が、前記整合手 段（Ｑ）に接続される変圧器（１３）を有することを特徴とする請求の範囲第１ 項又は第２項記載の給電回路。 ４．単一の交流給電源が、フォワード（ＦＯＲＷＡＲＤ）型のものであること を特徴とする請求の範囲第３項記載の給電回路。 ５．変圧器（１３）の第１段が、点付き端子が直流電圧源（＋Ｖ_E）に接続さ れ、点付きでない端子が、他方の固定接点はアース（１６）に接続されているス イッチ（１４）の一方の固定接点（１４′）に接続された第１の巻線（１５）、 並びに点付きでない端子が直流電圧源（＋Ｖ_E）に接続され、点付き端子が、陽 極はアース（１６）に接続されているダイオード（１８）の陰極に接続された第 ２の巻線（１７）を有すること、変圧器（１３）の第２段が、点付き端子が第１ のインダクタンス（Ｌ₁）の端部に接続され、前記第１のインダクタンス（Ｌ₁） の他方の端部は、一方では他方の端部がアース（２０）接続されているコンデン サー（Ｃ₁）の一方 の端部に、他方では圧電要素（３）を励起する電極（１１）に接続された第１の 巻線（１９）、並びに点付きでない端子が、第２段の第１の巻線（１９）の点付 きでない端子に接続され、点付き端子が第２のインダクタンス（Ｌ₂）の端部に 接続され、前記第２のインダクタンス（Ｌ₂）の他方の端部は圧電要素（３）の 他方の電極（１２）に接続される第２の巻線（２１）を有することを特徴とする 請求の範囲第４項記載の給電回路。 ６．整合手段（Ｑ）が、一方では圧電要素（３）とともに第１の共振回路を構 成する第１のインダクタンス（Ｌ₁）及びコンデンサー（Ｃ₁）を、他方では圧電 要素（３）とともに第２の共振回路を構成する第２のインダクタンス（Ｌ₂）を 有することを特徴とする請求の範囲第５項記載の給電回路。 ７．第１のインダクタンス（Ｌ₁）及び第２のインダクタンス（Ｌ₂）が、変圧 器（１３）の漏れインダクタンスによって構成されることを特徴とする請求の範 囲第４項から第６項のいずれか１項に記載の給電回路。 ８．変圧器（１３）が、Ｅ字形でフェライト製の二つの半回路からなり、かつ それぞれ中央脚部（２４又は２５）並びに二つの外側脚部（２６−２７又は２８ −２９）を含む磁気回路を有しており、第１段の巻線が中央脚部（２４及び２５ ）の周りに巻かれ、第２段の巻線が外側脚部（２６−２７及び２８−２９）の周 りに巻かれることを特徴とする請求の範囲第７項記載の給電回路。 ９．回路が、電圧（Ｖ₁′及びＶ₂′）の振幅を平衡させるやり方で、スイッチ １４の制御信号を発する第１の制御手段（３０）を有することを特徴とする請求 の範囲第３項から第８項のいずれか１項に記載の給電回路。 １０．第１の制御手段（３０）が、一方が、電圧（Ｖ₁′）によって圧電要素 （３）を励起する圧電モーター（Ｍ）の一方の電極（１１）に接続され、他方が 、電圧（Ｖ₂′）によって圧電要素（３）を励起する圧電モーター（Ｍ）の他方 の電極（１２）に接続 される、二つの入口をもった第１の比較手段（３１）、二つの電圧（Ｖ₁′及び Ｖ₂′）間の差を示す信号の第１の濾過手段（３２）、及びスイッチ１４の入口 で制御信号を発生する電圧／周波数変換器（３３）を直列に有することを特徴と する請求の範囲第９項記載の給電回路。 １１．第１の制御手段（３０）が、入口（３９′）が、濾過手段（３２）と電 圧／周波数変換器（３３）の間に接続される駆動トルクの計算手段（３９）を有 することを特徴とする請求の範囲第１０項記載の給電回路。 １２．回路が、モーター（Ｍ）の回転速度を制御するのに当てられる第２の制 御手段（３４）を有することを特徴とする請求の範囲第９項から第１２項のいず れか１項に記載の給電回路。 １３．第２の制御手段（３４）が、一方はモーターの運転の所望速度と対応す る指令速度の選択装置（３６）の入口に接続され、他方はモーター（Ｍ）の回転 速度の像を発するステーター・センサー（３７′）の電極（３７）に接続される 二つの入口をもった第２の比較手段（３５）、並びにモーター（Ｍ）の回転速度 の像と指令速度の間の差及び直流源の電圧（Ｖ_E）の発生を示す信号の第２の濾 過手段（３８）を直列に有することを特徴とする請求の範囲第１２項記載の給電 回路。 １４．第２の制御手段（３４）が、第２の比較手段（３５）、モーター（Ｍ） の回転速度の像と指令速度との間の差を示す信号の第３の濾過手段（４１）、並 びに一方（４３）は第３の濾過手段（４１）の出口に接続され、他方（４２）は 第１の制御手段（３０）の電圧／周波数変換器（３３）の出口に接続される二つ の入口をもち、かつ出口（４４）では、スイッチ（１４）の入口に可変インパル スの幅の制御信号を発生する、インパルスの幅の変調器（４０）を直列に有する ことを特徴とする請求の範囲第１３項記載の給電回路。