JPH04145876A - 超音波アクチュエータ駆動回路 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、円柱や角柱等の柱形をなす圧電振動子を機械
振動源とする超音波アクチュエータに単相の交流電圧を
印加し、その超音波アクチュエータを励振させる超音波
アクチュエータ駆動回路に関し、特に圧電振動子の共振
周波数が周囲温度や自己発熱等によって駆動しても常に
その共振周波数に追随した周波数の交流信号で超音波ア
クチュエータを励振する自励式の駆動回路に関する。

（従来の技術） 第１３図（ａ）、ｌ）は円柱形の圧電振動子を示す図で
あり、この圧電振動子を機械振動源とする超音波アクチ
ュエータについては特願昭６３−１５７５０６号に詳し
く説明されている。この種の圧電振動子は複数の共振周
波数を有し、どの共振周波数に同調して励振するかによ
り圧電振動子の側面における振動変位の向きが異なり、
したがって圧電振動子に印加する交流信号の周波数を選
択することにより超音波アクチュエータの駆動方向を制
御できることが特願’ｌ’　１−２６１０８４号に述べ
られている。第１３図（ａ）は、第１の共振周波数ｆ　
＋　＝　１３８．５ｋＨｚで励振したときに圧電磁器４
１の側面に生ずる振動変位の向きを矢印で示し、同図（
ｂ）は、第２の共振周波数ｆ　、　１４５゜２＝ｋＨ１
で励振したときに圧電磁器４１の側面に生ずる振動変位
の向きを矢印で示している。これら図に示す如く励振周
波数によって振動変位の向を制御できるから、本図の如
き圧電振動子を機械振動の駆動源とする超音波アクチュ
エータでは印加電圧の周波数により駆動方向を制御でき
る。

超音波アクチュエータを励振するための高周波の交流信
号は方形波であることが望ましい。方形波で励振すると
き圧電振動子における損失が最も少ないからである。超
音波アクチュエータを駆動できる程度の電力の方形波の
高周波信号を生成する回路としてはプッシュプル回路か
考えられる。

第１１図はそのプッシュプル回路で直流電流を高速に断
続して方形高周波信号を生成する超音波アクチュエータ
駆動回路を示す回路図である。この回路はドライバ３と
ＦＥＴＱ２．Ｑ３とからなる。

ドライバー３は低電力の方形波交流（５号２０１の電力
を増幅する。ＦＥＴＱ２及びＱ３は信号２０１に応じて
交互に０Ｎ１０ＦＦを繰り返す。いま、Ｑ２がＯＮなら
Ｑ３はＯＦＦであり、Ｑ２がＯＦＦならＱ３はＯＮであ
る。ところが、Ｑ２．Ｑ３がＯＮからＯＦＦへ、又は逆
にＯＦＦからＯＮへ遷移するときに、Ｑ２及びφ３の両
者が共に導通状態に直流電源Ｖ。Ｃと接地ＧＮＤとの間
に大きな電流が流れる。この電流は、Ｑｌ及びＱ２を貫
いて流れるから貫通電流と通称される。第１２図はＱ２
のドレインとソースとの間の電圧ｖｎｓに対するＱ２の
ドレイン電流ＩＤの関係を示す波形図である。本図から
明らかなように、Ｑ２におけるＯＮ及びＯＦＦの瞬間に
Ｑ２には大きな貫通電流が流れる。Ｑ３における貫通電
流もＱ２におけるものと全く同様である。

（発明が解決しようとする課題） 上に述べたようにプッシュプル回路で方形波出力のイン
バータを構成すると大きな貫通電流が流れ、スイッチン
グ素子としての０２．Ｑ３における損失が人きく、シた
がってスイッチング素子における発熱量が大きい。スイ
ッチング素子の発熱量が大きいと、これら素子自体を人
形の大容量のものとせざるを得ないし、放熱構造も人形
化し、ひいては超音波アクチュエータ駆動回路全体の小
形化が制限される。

そこで、本発明の目的は、スイッチング素子に貫通電流
が流れることなく、しかも超音波アクチュエータを駆動
するのに足るだけの方形波の高周波電力を生成する超音
波アクチュエータ駆動回路を提供することにある。

（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、 側面に平行な方向に分極軸を杓°する柱状の圧電磁器と
該分極軸に垂直な該圧電磁器の両端面にそれぞれ固着さ
れた電極とでなる圧電振動子に該圧電振動子の共振周波
数に追随した周波数の交流電圧を印加し、該圧電振動子
を機械振動源とする超音波アクチュータを駆動する超音
波アクチュエタ駆動回路において、位相比較器と発振器
とを含み、該位相比較器は該発振器から出力される内部
発振信号と外部から供給される基準信号の位相差を検出
し、前記発振器は該位相差に応動して該位相差を減少さ
せる方向に前記内部発振信号の周波数を制御する位相同
期ループと、直流電源から供給される直流電流を前記内
部発振信号に応じて断続して方形波の交流電圧を生成し
該交流電圧を前記圧電振動子に印加するインバータと、
前記インバータの出力の波形を整形し前記基準信号とし
て前記位相同期ループに導く波形整形回路とを備えてな
り、前記インバータは、１次巻線のセンタータップが前
記直流電源の一端に接続され、２次巻線の電圧またはこ
の２次巻線電圧の分圧を前記圧電振動子に印加する変圧
器と、前記１次巻線の一方の端子と前記直流電源の他端
との間に接続され前記内部発振信号に応じて導通し遮断
されるスイッチング素子と、前記１次巻線の他方の端子
と前記直流電源の他端との間に接続されている整流素子
とでなることを特徴とする超音波アクチュエタ駆動回路
である。

この超音波アクチュエータ駆動回路においては、前記位
相同期ループとインバータと波形整形回路とでなる帰還
ループの内のいずれかの位置に挿入されていて外部から
供給される起動停止信号に応動するフォトカップを備え
ることが望ましい。

（作用） 本発明の構成の超音波アクチュエータ駆動回路では、イ
ンバータにおいて変圧器を用い、しかもこの変圧器のセ
ンタータップは直流電源の一端に接続され、変圧器の１
次巻線の一端にはスイッチング素子が接続され、その１
次巻線の他端は整流素子を介して直流電源の他端に接続
されている。

直流電源の一端と他端との間に変圧器の１次巻線とスイ
ッチング素子とを直列に接して、そのスイッチング素子
を０Ｎ１０ＦＦするように構成しただけの単純なインバ
ータでは変圧器の２次巻線に方形波電圧を得ることはで
きない。その理由を第３図および第４図を参照して次に
説明する。

このような単純構成のインバータは、第１図のインバー
タ４における整流素子Ｄ１を除いた回路に相当するが、
このような構成のインバータにおける変圧器Ｔ１の作動
を詳しく見る。変圧器Ｔ１においては、スイッチング素
子Ｑ１の導通時間における変圧時間積とフライバック電
圧の発生時間における電圧時間積とは等しい。そのフラ
イバック電圧の継続時間は、変圧器Ｔ１のリーケージイ
ンダクタンスとスイッチング素子Ｑ］の接合容量とでな
る共振回路の時定数により定まり、一般的にスイッチン
グ素子Ｑ１の導通時間と同じにはならない。また、フラ
イバック電圧の大きさは前記時定数に応じて電源電圧Ｖ
０．より大きくなったり、小さくなったりする。

第２図、第３図および第４図において、（ａ）は変圧器
Ｔ１の２次側に接続された超音波アクチュエータに印加
された電圧ｖＡの波形を示し、（ｂ）はスイッチング素
子Ｑ１のドレーンとソースとの間の電圧ＶＤＳの波形を
示す。そして、第３図は、前記時定数が小さい場合を示
し、このとぎフライバック電圧はスイッチング素子Ｑ１
の導通時間より短い時間だけ発生し、その電圧値は電源
電圧より大きくなり、電圧ＶＡは半波たけ方形で他の半
波は正弦波状となることが第３図から分る。

第４図は、前記時定数が大きい場合を示し、このときフ
ライバック電圧は電源電圧より低く、スイッチング素子
Ｑ１の導通時間より長い時間にわたって継続しなければ
ならない。ところが、超音波アクチュエータ駆動回路で
は超音波アクチュエタに印加される方形波の０Ｎ１０Ｆ
Ｆ時比率は５０％が望ましいから、スイッチング素子Ｑ
１の０Ｎ１０　Ｆ　Ｆ時比率も５０％であり、フライバ
ック電圧の継続所要時間かスイッチング索子Ｑ１のＯＮ
時間より長くなる。このとき、変圧器Ｔ］は磁気飽和し
スイッチング素子Ｑ１に過大な電流か流れる。

このように、第３図の状態では、半正弦波半方形波であ
って完全な方形波からは大きく隔たった波形であるから
超音波アクチュエータを効率よく駆動できず、しかもピ
ーク電圧が電源電圧より大きいから高い耐圧のスイッチ
ング素子を必要とする。また、第４図の状態では、スイ
ッチング素子Ｑ１に大きな電流が流れるから、大形で大
容量のスイッチング素子を必要とし、第１１図に示した
プッシュプル回路の欠点が解決されない。

そこで、本発明では、変圧器の１次巻線の他端と直流電
源の他端とを整流素子を介して接続し、フライバック電
圧を直流電源の電圧にクランプしている。このような回
路構成を採用することにより、本発明においては第２図
（ａ）に示すようなほぼ完全な方形波で超音波アクチュ
エータを励振できる。本図の如き方形波で超音波アクチ
ュエータを駆動することにより、該アクチュエータを低
損失で駆動でき、そのアクチュエータの発熱による共振
周波数変動を低く抑える二とができ、直流電源電圧以上
の耐圧のスイッチング素子を要しない。さらに、変圧器
が磁気飽和することもなく、したがってスイッチング素
子に過大な電流か流れることもないから、スイッチング
素子として小形で小容量のものを用いることかできる。

（実施例） 次に実施例を挙げ本発明を更に詳しく説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第５図はその
実施例における周波数制御回路を詳しく示す回路図、第
６図はその実施例における起動停止回路を詳しく示す回
路図、第７図はその実施例における波形整形回路を詳し
く示す回路図、ｆｆ１８図はその実施例における周波数
引き込み回路を詳しく示す回路図、第９図はその実施例
における各部の動作の時間関係を示すタイミング図であ
る。

第１図の実施例は、位相同期ループ（Ｐ　Ｌ　Ｌ）１と
、起動停止回路２と、ドライバ３と、インバータ４と、
波形整形回路５とからなる。

ＰＬＬ　１は周波数制御回路１１と、周波数引き込み回
路１２と、電圧制御発器（ＶＣＯ）１３とからなる。周
波数制御回路１１は、第５図に示すように、位相検波器
２１と、チャージバンプ２２１つ と、アクティブフィルタ２３とからなる。このＰＬＬ１
の入力および出力はいずれも方形波形である。アクティ
ブフィルタ２３はループフィルタとして作用する。周波
数引き込み回路１２は、第８図の回路図から分るように
、周波数制御回路１１から出力される周波数制御信号１
１１が所定値を超えた時にその電圧１１１を一旦最低値
に下げ、ＶＣ０１３の出力の内部発振信号１０１を最低
周波数に戻し、ＰＬＬＩの周波数引ぎ込み動作を起動さ
せる回路である。

起動停止回路２は、第６図に示すように、ホトカプラ６
１を備える。起動停＋Ｌ−（ａ号２００は、超音波アク
チュエータ６を作動状態にするときには低電位り、６を
停止１−状態にするときには高電位Ｈとなるデジタル信
号で、外部から供給される。信号２００がＬのとき、６
１はＯＦＦであり、信号１０１は通過する。信号２００
がＨのとき、６１はＯＮとなり、信号１０２は接地電位
になる。

インバータ４は、ＦＥＴでなるスイッチング素子Ｑ１と
、変圧器Ｔ１と、ダイオードでなる整流素子Ｄ１と、カ
レントトランス 変圧器Ｔ１のセンタータップは直流電源ＶＣｃに接続さ
れ、変圧器Ｔ１の一端はスイッチング素子Ｑ１に接続さ
れ、変圧器Ｔ２の他端は整流素子Ｄ１を介して接地され
、直流電源の接地電位に接続されている。

ＰＬＬＩの内部発信号１０１は、起動停止信号２００が
Ｌのとき、起動停止回路２を通過して信号１０２となり
、ドライバで電力増幅されて駆動信号１０３となる。駆
動信号１０３は高電位Ｈか又は低電位しかのデジタル信
号である。信号１０３がＨのときＱｌは導通しスイッチ
ＯＮとなり、信号１０３がＬのときＱｌは遮断されスイ
ッチＯＦＦとなる。第２図（ａ）は超音波アクチュエー
タ６に印加される電圧ＶＡの波形、同図（ｂ）はＱ］の
ドレーンとソースとの間の電圧ＶＤＳの波形である。こ
の実施例では整流素子Ｄ１が設けであるから、変圧器Ｔ
１のフライバック電圧が接地電位にクランプされ、電圧
ｖＡはほぼ完全な方形波である。カレントトランスＴ２
は超音波アクチュエータ６に流れる電流を検出するため
に設けられており、変圧器Ｔ１の２次巻線と超音波アク
チュエータ６とに直列に挿入されているから変圧器Ｔ１
の励磁電流を含まないので、超音波アクチュエタ６に流
れる電流だけを検出する。

波形整形回路５はカレントトランスＴ２で検出した超音
波アクチュエータ駆動電流を完全な方形波に整形して、
ＰＬＬＩの基準信号１００として出力する回路である。

第７図に具体的に示す波形整形回路において、カレント
トランスＴ２から受けた電流は抵抗Ｒ４によりＯ■を中
心とする交流電圧され、オペアンプはその電圧を２．５
Ｖを中心とする交流電圧に変換し、コンパレータＡ３は
Ａ２の出力を方形波に整形する。

この実施例では、ＰＬＬＩに供給される基準信号］００
が超音波アクチュエータ６の共振周波数となる。超音波
アクチュエータ６に印加される電圧は内部発振信号１０
１に同期した信号であり、この内部発振信号１０１の位
相は超音波アクチュエータ６の励振電流同期した基準信
号１００と同相してなるようにＰＬＬＩで制御されるの
であり、超音波アクチュエータ６の印加電圧と出力電流
とが同相になったときに超音波アクチュエータ６は共振
周波数で発振しているからである。したがって、本実施
例では、超音波アクチュエータ６の共振周波数が周囲温
度や自己発熱で変動しても、常にその共振周波数で６を
励振することかできる。

ｆ２１０図は起動信号２００をＰＬＬＩの位相同期安定
期間程度の短時間にＨとＬとに切り替える（ステッピン
グ）ことにより、超音波アクチュエータ６の駆動方向を
変更することができることを示ず図である。６が立ち上
げられてＰＬＬＩの周波数引ぎ込みが安定して６の電流
が一定に落ち着くまでの間に、ＰＬＬ１は６の共振周波
数のうちで高い方の周波数ｆ２を通過するから、ｆ２の
共振周波数に対応する方向に６は駆動される。このよう
にステッピングしないときは、ＰＬＬＩ、Ｆ低い共振周
波数ｆ１に対応する方向に駆動する。この実施例でステ
ッピング駆動をすることにより６の温度上昇を抑制し６
の作動を安定化することができる。

（発明の効果） 以上に実施例を挙げ詳しく説明したように、本発明によ
れば、スイッチング素子として小容量で耐電圧も小さな
ものを用いることかでき、はぼ完全な方形波の共振周波
数で超音波アクチュエータを駆動して該超音波アクチュ
エータにおける損失を最小にして発熱量を抑制し、しか
も超音波アクチュエータの共振周波に常に追随した周波
数で該超音波アクチュエータを駆動する回路か提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図、第３
図および第４図において、（ａ）は変圧器Ｔ１の２次側
に接続された超音波アクチュエタに印加された電圧ＶＡ
の波形を示し、（ｂ）はスイッチング素子Ｑ１のドレー
ンとソースとの間の電圧ＶＤｓの波形を示す。第５図は
第１図の実施例における周波数制御回路を詳しく示す回
路図、第６図はその実施例における起動停止回路を詳し
く示す回路図、第７図はその実施例における波形整形回
路を詳しくボず回路図、第８図はその実施例における周
波数引き込み回路を詳しくボず回路図、第９図はその実
施例における各部の動作の時間関係を示すタイミング図
である。第１０図は起動信号２００をＰＬＬＩの位相同
期安定期間程度の短時間にＨとＬとに切り替える（ステ
ッピング）ことにより、超音波アクチュエータ６の駆動
方向を変更することができることを示す図である。第１
１図はプッシュプル回路で方形波電圧を発生する方式の
超音波アクチュエータ駆動回路を示す回路図、第１２図
はその駆動回路における電圧と電流の波形を示す図、第
１３図（ａ）、（ｂ）は円柱形の圧電振動子を示す図で
ある。 代理人　弁理士　本　庄　伸　介 （ａ） （ｂ） 第１３図 手続補正書（自発）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）側面に平行な方向に分極軸を有する柱状の圧電磁
   器と該分極軸に垂直な該圧電磁器の両端面にそれぞれ固
   着された電極とでなる圧電振動子に該圧電振動子の共振
   周波数に追随した周波数の交流電圧を印加し、該圧電振
   動子を機械振動源とする超音波アクチュータを駆動する
   超音波アクチュエータ駆動回路において、 位相比較器と発振器とを含み、該位相比較器は該発振器
   から出力される内部発振信号と外部から供給される基準
   信号の位相差を検出し、前記発振器は該位相差に応動し
   て該位相差を減少させる方向に前記内部発振信号の周波
   数を制御する位相同期ループと、 直流電源から供給される直流電流を前記内部発振信号に
   応じて断続して方形波の交流電圧を生成し該交流電圧を
   前記圧電振動子に印加するインバータと、 前記インバータの出力の波形を整形し前記基準信号とし
   て前記位相同期ループに導く波形整形回路とを備えてな
   り、 前記インバータは、１次巻線のセンタータップが前記直
   流電源の一端に接続され、２次巻線の電圧またはこの２
   次巻線電圧の分圧を前記圧電振動子に印加する変圧器と
   、前記１次巻線の一方の端子と前記直流電源の他端との
   間に接続され前記内部発振信号に応じて導通し遮断され
   るスイッチング素子と、前記１次巻線の他方の端子と前
   記直流電源の他端との間に接続されている整流素子とで
   なることを特徴とする超音波アクチュエータ駆動回路。
2. （２）前記位相同期ループとインバータと波形整形回路
   とでなる帰還ループの内のいずれかの位置に挿入されて
   いて外部から供給される起動停止信号に応動するフォト
   カップラを備え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。