JP2011005402A - 超音波モータの駆動回路装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電振動子を励振させる基準周波数の信号を生成する発振回路と、前記基準周波数の信号と検出信号とでパルス幅を変調する駆動信号発生回路と、ドライバ回路と、スイッチング回路と、一次側の制御された入力電圧を電力増幅するリーケージトランスと、を有し、二次側にリーケージインダクタLkと圧電振動子の制動容量Coとで共振回路を構成させ、圧電振動子を励振させる駆動電圧出力回路としたものである。
【選択図】図8
Description
基準周波数の信号を発生する発信回路と、
前記基準周波数の信号と第一のリーケージトランスの出力における第一の検出信号とを受けて第一の駆動信号と、前記基準周波数の信号と第二のリーケージトランスの出力における第二の検出信号とを受けて前記第一の駆動信号と90°の位相差を有する第二の駆動信号と、を生成する駆動信号発生回路と、
前記第一の駆動信号で前記第一のスイッチング回路を駆動可能に調整する第一のドライバ回路と、
前記第二の駆動信号で前記第二のスイッチング回路を駆動可能に調整する第二のドライバ回路と、
一次側の入力電源の印加を前記第一の駆動信号に基づいて制御する前記第一のスイッチング回路と、
一次側の入力電源の印加を前記第二の駆動信号に基づいて制御する前記第二のスイッチング回路と、
前記第一のスイッチング回路で制御された前記入力電源に基づく高周波電力が入力側に印加される前記第一のリーケージトランスと、
前記第二のスイッチング回路で制御された前記入力電源に基づく高周波電力が入力側に印加される前記第二のリーケージトランスと、
前記第一のリーケージトランスで電力増幅された高周波電圧を、前記第一のリーケージトランスのリーケージインダクタンスLk1と前記圧電振動子の制動容量Coとの共振回路で共振させ、擬似共振周波数領域で動作する前記基準周波数に基づく第一の駆動電圧出力回路と、
前記第二のリーケージトランスで電力増幅された高周波電圧を、前記第二のリーケージトランスのリーケージインダクタンスLk2と前記圧電振動子の制動容量Coとの共振回路で共振させ、擬似共振周波数領域で動作させる前記基準周波数に基づく第二の駆動電圧出力回路と、
を有するものである。
前記基準周波数の信号と第一のリーケージトランスの出力における第一の検出信号とを受けて第一の駆動信号と、前記基準周波数の信号と第二のリーケージトランスの出力における第二の検出信号とを受けて前記第一の駆動信号と90°の位相差を有する第二の駆動信号と、前記基準周波数の信号と前記第一の検出信号とを受けて前記第一の駆動信号と180°の位相差を有する第三の駆動信号と、前記基準周波数の信号と前記第二の検出信号とを受けて前記第二の駆動信号と180°の位相差を有する第四の駆動信号と、を生成する駆動信号発生回路と、
前記第一の駆動信号で前記第一のスイッチング回路を駆動可能に調整する第一のドライバ回路と、
前記第二の駆動信号で前記第二のスイッチング回路を駆動可能に調整する第二のドライバ回路と、
前記第三の駆動信号で前記第三のスイッチング回路を駆動可能に調整する第三のドライバ回路と、
前記第四の駆動信号で前記第四のスイッチング回路を駆動可能に調整する第四のドライバ回路と、
一次側の入力電源の印加を前記第一の駆動信号に基づいて制御する前記第一のスイッチング回路と、一次側の入力電源の印加を前記第三の駆動信号に基づいて制御する第三のスイッチング回路と、
一次側の入力電源の印加を前記第二の駆動信号に基づいて制御する第二のスイッチング回路と、一次側の入力電源の印加を前記第四の駆動信号に基づいて制御する第四のスイッチング回路と、
前記第一のスイッチング回路で制御された前記直流入力電源に基づく高周波電力が入力側の一端に印加され、前記第三のスイッチング回路で制御された前記直流入力電源に基づく高周波電力が前記入力側の他端に印加される第一のリーケージトランスと、
前記第二のスイッチング回路で制御された前記直流入力電源に基づく高周波電力が入力側の一端に印加され、前記第四のスイッチング回路で制御された前記直流入力電圧に基づく高周波電力が入力側の他端に印加される第二のリーケージトランスと、
前記第一のリーケージトランスで電力増幅された高周波電圧を、前記第一のリーケージトランスのリーケージインダクタンスLk1と前記圧電振動子の制動容量Coとの共振回路で共振させ、擬似共振周波数領域で動作する前記基準周波数に基づく第一の駆動電圧出力回路と、
前記第二のリーケージトランスで電力増幅された高周波電圧を、前記第二のリーケージトランスのリーケージインダクタンスLk2と前記圧電振動子の制動容量Coとの共振回路で共振させ、擬似共振周波数領域で動作させる前記基準周波数に基づく第二の駆動電圧出力回路と、
を有する。
第一のリーケージトランスの出力側の電圧または電流を検出してフィードバック信号を生成する第一の検出回路と、
第二のリーケージトランスの出力側の電圧または電流を検出してフィードバック信号を生成する第二の検出回路と、
からなる回路のうちどちらか一方の検出回路を付加するものである。
このように検出回路を付加することにより、電圧または電流をフィードバックして入力側の駆動信号の補正指令信号となるため、さらに精度の良い出力側の圧電振動子の駆動電圧が得られるように寄与し、安定した超音波モータの回転制御が可能になる。
述した通りであるが、図5で回路例を説明する。ゲートドライブ回路3、4、5および6は、次段のスイッチング回路のパワーMOSFETトランジスタで必要になるゲート電圧値に調整する。このため、図5に示すように電圧増幅回路32を組み込むことになる。すなわち、後段のスイッチング回路がパワーMOSFETトランジスタを使用する場合、ゲートーソース間電圧Vgsは一次側入力電圧Vinより例えば10Vほど高い電圧にする必要がある。このような電圧増幅回路32の働きで、スイッチング回路の機能を果たすことが可能になる。前述の電圧増幅回路32は、マイクロコンピュータで駆動されるトランジスタ、例えばバイポーラトランジスタが組み込まれることが多く、コレクター側の出力のインピーダンスが高くなるため、一般的にバッファー回路34を組み込み、低インピ―ダンスで次段のパワーMOSFETトランジスタ駆動するようにして、スイッチング損失の増大化するのを防止することが多い。バイポーラトランジスタのスイッチング速度が遅いため、スイッチング速度を速める対策として、バイポーラトランジスタのベース入力側にベース駆動抵抗Rbに並列にコンデンサCsuを追加することなどが基本的に行われる。ゲートドライブ回路3、4、5および6の出力は前述したように、後段のスイッチング回路を構成するそれぞれのパワーMOSFETトランジスタのゲートに出力する。
超音波モータの圧電振動子の駆動周波数fdは、電気的共振周波数foの近傍から外さなければならない。その理由は、周囲温度で変動する制動容量Coは安定しにくく、ゲインが下がったり上がったりすることになると、フィードバック制御ができなくなるからである。そこで、ゲインが比較的安定な周波数領域で駆動させる必要がある。また、電気的共振周波数foより低い側では圧電振動子の機械的共振周波数fmより低くなる可能性が多く、低い場合は振動が止まるため駆動周波数fdの範囲として相応しくない。
そこで、圧電振動子は、機械的共振周波数fmより高く、振動の安定化しやすい周波数帯域で駆動させる必要がある。ただし、機械的共振周波数fmよりあまり高くなると振動が小さくなるので、限度がある。
以上のような理由から、電気的共振周波数foと機械的共振周波数fmが比較的近い範囲であれば、駆動周波数fdの範囲はfoの+3%〜20%が好ましい範囲であり、foの+5%〜15%がより好ましい範囲である。このような範囲にすることにより、ゲインの安定化が図れると同時に、圧電振動子の十分な振動も得られ、超音波モータの駆動回路として実用の範囲を維持できるようになる。したがって、発振回路の基準周波数は、電気的共振周波数foの+3%〜20%が好ましい範囲であり、foの+5%〜15%がより好ましい範囲となるように設計することになる。
以上に説明したリーケージトランスT1、T2の二次側にできる回路が圧電振動子の駆動電圧生成回路となるのである。
一方、従来どおりのトランスを使用した場合において、巻数比に応じた増幅電圧となり、駆動信号のパルス幅がトランス出力にそのまま出現され、パルス幅の狭い高周波電圧として圧電振動子に入力される場合、振動に寄与しない電圧となり損失が大きくなってしまう。例えば、トランスの出力電圧が上昇し、検出回路から電圧を下げるフィードバックがかかり、駆動信号発生回路に指令され、パルス幅の狭い駆動信号が生成され、スイッチング回路を駆動すると、結果的に波高値の高い高周波の出力電圧になる。このような場合、圧電振動子の破壊に至る自体も可能性としてあり得るので、注意を払わなければならないので、設計上の自由度が失われる。
2:駆動信号発生回路(PWM制御回路)
3、4、5、6:ドライバ回路(ゲートドライブ回路)
7A、7B:スイッチング回路
7H、7L、8H、8L:スイッチング素子
9H、9L、10H、10L:スイッチング素子
12、13:検出回路
15:超音波モータの回転源の圧電振動子
20、21:発振回路の比較器
25:駆動信号発生回路の誤差増幅回路
26:駆動信号発生回路の比較回路
28:誤差増幅回路の比較器
30:比較回路の比較器
32:ゲートドライブ回路の電圧増幅回路
34:ゲートドライブ回路のバッファー回路
Claims (12)
- 基準周波数の信号を発生する発信回路と、
前記基準周波数の信号と第一のリーケージトランスの出力における第一の検出信号とを受けて第一の駆動信号と、前記基準周波数の信号と第二のリーケージトランスの出力における第二の検出信号とを受けて前記第一の駆動信号と90°の位相差を有する第二の駆動信号と、を生成する駆動信号発生回路と、
前記第一の駆動信号で前記第一のスイッチング回路を駆動可能に調整する第一のドライバ回路と、
前記第二の駆動信号で前記第二のスイッチング回路を駆動可能に調整する第二のドライバ回路と、
一次側の入力電源の印加を前記第一の駆動信号に基づいて制御する前記第一のスイッチング回路と、
一次側の入力電源の印加を前記第二の駆動信号に基づいて制御する前記第二のスイッチング回路と、
前記第一のスイッチング回路で制御された前記入力電源に基づく高周波電力が入力側に印加される前記第一のリーケージトランスと、
前記第二のスイッチング回路で制御された前記入力電源に基づく高周波電力が入力側に印加される前記第二のリーケージトランスと、
前記第一のリーケージトランスで電力増幅された高周波電圧を、前記第一のリーケージトランスのリーケージインダクタンスLk1と前記圧電振動子の制動容量Coとの共振回路で共振させ、擬似共振周波数領域で動作する前記基準周波数に基づく第一の駆動電圧出力回路と、
前記第二のリーケージトランスで電力増幅された高周波電圧を、前記第二のリーケージトランスのリーケージインダクタンスLk2と前記圧電振動子の制動容量Coとの共振回路で共振させ、擬似共振周波数領域で動作させる前記基準周波数に基づく第二の駆動電圧出力回路と、
を有することを特徴とする超音波モータの駆動回路装置。 - 前記第一のリーケージトランスの出力側の電圧または電流を検出して前記検出信号を生成する前記第一の検出回路と、
前記第二のリーケージトランスの出力側の電圧または電流を検出して前記検出信号を生成する前記第二の検出回路と、
からなる検出回路のうちどちらか一方の検出回路を付加することを特徴とする請求項1の超音波モータの駆動回路装置。 - 前記第一のリーケージトランスの出力側の電圧または電流を検出して前記検出信号を生成する前記第一の検出回路と、
前記第二のリーケージトランスの出力側の電圧または電流を検出して前記検出信号を生成する前記第二の検出回路と、
からなる検出回路を付加することを特徴とする請求項1の超音波モータの駆動回路装置。 - 前記第一の検出回路と前記第二の検出回路とをどちらか一方の検出回路で他方の検出回路を兼用することを特徴とする請求項3の超音波モータの駆動回路装置。
- 前記第二の駆動信号は、前記第一の駆動信号を90°の位相シフト回路で生成することを特徴とする請求項1の超音波モータの駆動回路装置。
- 前記擬似共振周波数領域はリーケージインダクタンスLk2と前記圧電振動子の制動容量Coとの共振回路の共振周波数foより高い周波数範囲であることを特徴とする請求項1の超音波モータの駆動回路装置。
- 基準周波数の信号を発生する発信回路と、
前記基準周波数の信号と第一のリーケージトランスの出力における第一の検出信号とを受けて第一の駆動信号と、前記基準周波数の信号と第二のリーケージトランスの出力における第二の検出信号とを受けて前記第一の駆動信号と90°の位相差を有する第二の駆動信号と、前記基準周波数の信号と前記第一の検出信号とを受けて前記第一の駆動信号と180°の位相差を有する第三の駆動信号と、前記基準周波数の信号と前記第二の検出信号とを受けて前記第二の駆動信号と180°の位相差を有する第四の駆動信号と、を生成する駆動信号発生回路と、
前記第一の駆動信号で前記第一のスイッチング回路を駆動可能に調整する第一のドライバ回路と、
前記第二の駆動信号で前記第二のスイッチング回路を駆動可能に調整する第二のドライバ回路と、
前記第三の駆動信号で前記第三のスイッチング回路を駆動可能に調整する第三のドライバ回路と、
前記第四の駆動信号で前記第四のスイッチング回路を駆動可能に調整する第四のドライバ回路と、
一次側の入力電源の印加を前記第一の駆動信号に基づいて制御する前記第一のスイッチング回路と、一次側の入力電源の印加を前記第三の駆動信号に基づいて制御する第三のスイッチング回路と、
一次側の入力電源の印加を前記第二の駆動信号に基づいて制御する第二のスイッチング回路と、一次側の入力電源の印加を前記第四の駆動信号に基づいて制御する第四のスイッチング回路と、
前記第一のスイッチング回路で制御された前記直流入力電源に基づく高周波電力が入力側の一端に印加され、前記第三のスイッチング回路で制御された前記直流入力電源に基づく高周波電力が前記入力側の他端に印加される第一のリーケージトランスと、
前記第二のスイッチング回路で制御された前記直流入力電源に基づく高周波電力が入力側の一端に印加され、前記第四のスイッチング回路で制御された前記直流入力電圧に基づく高周波電力が入力側の他端に印加される第二のリーケージトランスと、
前記第一のリーケージトランスで電力増幅された高周波電圧を、前記第一のリーケージトランスのリーケージインダクタンスLk1と前記圧電振動子の制動容量Coとの共振回路で共振させ、擬似共振周波数領域で動作する前記基準周波数に基づく第一の駆動電圧出力回路と、
前記第二のリーケージトランスで電力増幅された高周波電圧を、前記第二のリーケージトランスのリーケージインダクタンスLk2と前記圧電振動子の制動容量Coとの共振回路で共振させ、擬似共振周波数領域で動作させる前記基準周波数に基づく第二の駆動電圧出力回路と、
を有することを特徴とする超音波モータの駆動回路装置。 - 前記第一のリーケージトランスの出力側の電圧または電流を検出して前記検出信号を生成する前記第一の検出回路と、
前記第二のリーケージトランスの出力側の電圧または電流を検出して前記検出信号を生成する前記第二の検出回路と、
からなる検出回路のうちどちらか一方の検出回路を付加することを特徴とする請求項7の超音波モータの駆動回路装置。 - 前記第一のリーケージトランスの出力側の電圧または電流を検出して前記検出信号を生成する前記第一の検出回路と、
前記第二のリーケージトランスの出力側の電圧または電流を検出して前記検出信号を生成する前記第二の検出回路と、
からなる検出回路を付加することを特徴とする請求項7の超音波モータの駆動回路装置。 - 前記第一の検出回路と前記第二の検出回路とをどちらか一方の回路で兼用することを特徴とする請求項9の超音波モータの駆動回路装置。
- 前記第二の駆動信号は、前記第一の駆動信号を90°の位相シフト回路を通じて生成し、第三の駆動信号は、前記第一の駆動信号を180°の位相となるように位相シフト回路を通じて生成し、第四の駆動信号は前記第二の駆動信号を180°の位相となるように位相シフト回路を通じて生成したことを特徴とする請求項7の超音波モータの駆動回路装置。
- 前記擬似共振周波数領域はリーケージインダクタンスLk2と前記圧電振動子の制動容量Coとの共振回路の共振周波数foより高い周波数範囲であることを特徴とする請求項7の超音波モータの駆動回路装置。
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