(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子の電気−機械エネルギー変換素子に特定周波数の交流電圧を印加することにより励振する該電気−機械エネルギー変換素子に対して、直列にインダクタンス素子を接続した振動波駆動装置の駆動回路において、
前記インダクタンス素子を設置した後のインダクタンス素子を含む前記振動子全体のアドミッタンス特性の共振周波数が、前記振動子の等価回路における機械腕成分のアドミッタンスＹm と電気腕成分のアドミッタンスＹe との大きさの比が、
｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜≦１
を満たす周波数帯域内に存在するようなインダクタンス値Ｌに設定したことを特徴とする振動型駆動装置の駆動回路。
【請求項２】
電気−機械エネルギー変換素子に対して所定の周波数の交流電圧を印加することで弾性体に縦振動と屈曲振動を励起させて駆動力を得る振動型アクチュエーター装置において、
前記電気−機械エネルギー変換素子に対して直列にインダクタンス素子を接続接続するとともに、縦振動の共振周波数が屈曲振動の共振周波数より高い場合、インダクタンス素子を配置した後のインダクタンス素子を含む振動型アクチュエーター全体のアドミッタンス特性の共振周波数が前記アクチュエーターの縦振動の等価回路における機械腕成分のアドミッタンスＹm と電気腕成分のアドミッタンスＹe との大きさの比が
｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜≦１
を満たす周波数帯域内に存在するようなインダクタンス値Ｌに設定したことを特徴とする振動型アクチュエーター装置。
【請求項３】
電気−機械エネルギー変換素子に対して所定の周波数の交流電圧を印加することで弾性体に縦振動と屈曲振動を励起させて駆動力を得る振動型アクチュエーター装置において、
前記電気−機械エネルギー変換素子に対して直列にインダクタンス素子を接続接続するとともに、縦振動の共振周波数が屈曲振動の共振周波数より低い場合、インダクタンス素子を配置した後のインダクタンス素子を含む振動型アクチュエーター全体のアドミッタンス特性の共振周波数が前記アクチュエーターの屈曲振動の等価回路における機械腕成分のアドミッタンスＹm と電気腕成分のアドミッタンスＹe との大きさの比が
｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜≦１
を満たす周波数帯域内に存在するようなインダクタンス値Ｌに設定したことを特徴とする振動型アクチュエーター装置。
【請求項４】
前記等価回路は静電容量Ｃ0 と該静電容量に並列接続されるＲＬＣ直列回路（Ｒ1 、Ｌ1 、Ｃ1 ）にて表され、前記アドミッタンスＹe は、
Ｙe ＝ｊωＣ0
であり、
アドミッタンスＹm は、
Ｙm ＝１／｛ｊωＬ1 ＋（１／ｊωＣ1 ）＋Ｒ1 ｝
であることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置の駆動回路。
【請求項５】
前記等価回路は静電容量Ｃ0 と該静電容量に並列接続されるＲＬＣ直列回路（Ｒ1 、Ｌ1 、Ｃ1 ）にて表され、前記アドミッタンスＹe は、
Ｙe ＝ｊωＣ0
であり、
アドミッタンスＹm は、
Ｙm ＝１／｛ｊωＬ1 ＋（１／ｊωＣ1 ）＋Ｒ1 ｝
であることを特徴とする請求項２または３に記載の振動型駆動装置の駆動回路。
【請求項６】
前記駆動回路は、第一と第二の電気−機械エネルギー変換素子に対してそれぞれ位相の異なる周波数の交流電圧をそれぞれ直列に接続されたインダクタンス素子を介して印加することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置の駆動回路。
【請求項７】
前記振動型アクチュエーターは弾性体を挟んで配設される第一と第二の電気−機械エネルギー変換素子を有し、第一の電気−機械エネルギー変換素子の所定の領域に対してインダクタンス素子を介して第一の周波信号を印加され、該第一の電気−機械エネルギー変換素子の前記領域に対応する第二の電気−機械エネルギー変換素子の領域にはインダクタンス素子を介して前記第一の周波信号とは位相の異なる第二の周波信号が印加され、又前記第一の電気−機械エネルギー変換素子の他の領域に対応する第二の電気−機械エネルギー変換素子素子の領域には前記インダクタンス素子を介して前記第一の周波信号が印加されることを特徴とする請求項２または３に記載の振動型アクチュエーター装置。
【請求項８】
前記第一と第二の周波信号が印加される前記第一と第二の電気−機械エネルギー変換素子の他方の面はグランドに接続される請求項７に記載の振動型アクチュエーター装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子などの電気−機械エネルギー変換素子を励振することにより駆動力を得る振動波モータ等の振動型駆動装置の駆動回路及び振動型アクチュエータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動型（振動波）駆動装置は、基本的構成として圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧等の交番信号を印加することにより、円環形状、長楕円形状、棒状等の弾性体に駆動振動が励起される振動子を有し、該振動子に加圧接触する接触体と該振動子とを相対移動させたり、あるいは該振動体に紙等のシート材を加圧接触させてシート送りを行う、例えばプリンタの紙送り装置として利用することが提案されている。
【０００３】
そして、圧電素子に発生する振動の種類によって定在波型と進行波型とに分けられる。
【０００４】
図１２は、従来の振動波駆動装置としての振動波モータの一例を示す図であって、図１２（Ａ）は断面図、図（Ｂ）は圧電素子の電極配置を示す平面図、図１２（Ｃ）は振動波モータの等価回路を示す回路図である。１２０は例えば円環型の振動波モータで、図１２（Ａ）に示すように、固定子１２１と移動子１２４等から構成されている。固定子１２１は、弾性体１２２と、この弾性体１２２に接合され、駆動信号により励振されて弾性体１２２の駆動面に進行性振動波を発生する圧電素子１２３とから構成されている。移動子１２４は、図示していない加圧手段により、固定子１２１の弾性体１２２に加圧接触されることにより、前述した進行性振動波により回転駆動される。
【０００５】
圧電素子１２３には、図１２（Ｂ）に示すように、電極１２３ａ〜１２３ｃが配置されている。電極１２３ａ，１２３ｂは、入力電極であり、相互に９０°だけ位相差をもった所定の周波数の交流電圧が印加される。電極１２３ｃは、設地される共通電極である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の振動波モータは、一般的に数十〜数百ボルトの交流電圧を圧電素子に印加する必要があるので、印加電圧をコイル等のインダクタンス素子を用いて昇圧し、これを駆動電圧とするのが一般的である。
【０００７】
特開平４−２８１３７３号公報ではインダクタンス素子の接続条件として、駆動用電極に直列にインダクタンス素子を接続し、駆動用電極間の静電容量Ｃ0 で決まるＬＣ直列共振の電気的共振周波数ｆe を振動体の共振周波数ｆm に対して、
ｆm ≦ｆe
の関係になるように構成している。この場合、電気的ＬＣ直列共振回路となるので、昇圧効果があり、インダクタンス素子を入れない場合に比べ、大幅に低い交流電圧で駆動することができる。
【０００８】
しかしながら、上述した設定条件を満たすインダクタンス素子の中には、振動体の機械振動には寄与しない駆動用電極間の静電容量Ｃ0 （電気腕部）に流れる電流を著しく増大させ、本来振動体の機械振動に寄与する機械系振動部（機械腕部）に流れる電流は僅かにしか増すことができないインダクタンス素子がある。これは、図１２（Ｃ）の振動波モータの等価回路における機械腕成分であるＲＬＣ直列回路のアドミッタンス値Ｙm と電気腕成分である駆動用電極間の静電容量Ｃ0 のアドミッタンス値Ｙe との比｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜が、図１３に示したように印加電圧の周波数によってＲＬＣ直列回路の共振周波数ｆm （振動体の共振周波数）を極小値とする凹状の関係となり、インダクタンス素子を設置した後のインダクタンス素子を含む振動波モータ全体のアドミッタンス特性の共振周波数が前述した比｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜≦１となる周波数帯域から外れ、電気腕成分である駆動用電極間の静電容量Ｃ0 のアドミッタンス値Ｙe が機械的腕成分であるＲＬＣ直列回路のアドミッタンス値Ｙm に比べ大きくなるためである。
【０００９】
従って、このようなインダクタンス素子を選択すると圧電素子には、インダクタンス素子を接続する前に比べ、多くの電流が流れるが、この電流はそのほとんどが駆動用電極間の静電容量Ｃ0 （電気腕部）に流れてしまい、電流を無駄に消費してしまう、という問題があった。
【００１０】
本出願に係る発明の目的は、前述の課題を解決して、電気−機械エネルギー変換素子を流れる電流を効率よく機械振動に変換するインダクタンス素子の接続条件を得ることができる振動型駆動装置の駆動回路および振動型アクチュエーター装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本出願に係る発明の目的を実現する構成は、振動子の電気−機械エネルギー変換素子に特定周波数の交流電圧を印加することにより励振する該電気−機械エネルギー変換素子に対して、直列にインダクタンス素子を接続した振動型（振動波）駆動装置の駆動回路において、
前記インダクタンス素子を設置した後のインダクタンス素子を含む前記振動子全体のアドミッタンス特性の共振周波数が、前記振動子の等価回路における機械腕成分のアドミッタンスＹm と電気腕成分のアドミッタンスＹe との大きさの比が、
｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜≦１
を満たす周波数帯域内に存在するようなインダクタンス値Ｌに設定したことを特徴としている。
【００１２】
上記した構成では、電気−機械エネルギー変換素子に対して、直列に接続したインダクタンス素子によって昇圧された電流を効率良く機械振動に変換することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態を示す進行波型振動波モータの駆動回路を示すブロック図、図２は、本実施の形態に係る圧電素子の等価回路を示す回路図、図３は、図２に示したインダクタンス素子を含む等価回路全体の周波数−アドミッタンス特性を示す図である。さらに、図４は図２における静電容量Ｃ0 （電気腕部）に流れる電流とＲＬＣ直列回路（機械腕部）に流れる電流を比較した図である。
【００１４】
図１において、１１は振動波モータ１２０を駆動するために所定周波数の交流電圧を出力するための高周波発振器、１２は９０°移相器、１３，１４は増幅器である。高周波発振器１１の出力は、増幅器１４によって増幅された後、インダクタンス素子１６ａを介して、振動波モータ１２０を構成する圧電素子１２３の電極１２３ａに接続されている。
【００１５】
一方、高周波発振器１１の出力は分岐して、９０°移相器１２によって９０°だけ位相の異なった交流電圧とした後、増幅器１３によって増幅された後、インダクタンス素子１６ｂを介して、圧電素子１２３の電極１２３ｂに接続されている。
【００１６】
本実施の形態では、圧電素子１２３の等価回路は、図２のように表すことができ、振動波モータ１２０においては、この圧電素子１２３の両端に、交流の駆動電圧を印加させて、弾性体１２２に進行性振動波を発生させている。前述したように、この圧電素子１２３の両電極間に印加する電圧Ｖを
Ｖ＝Ｖ0sin（ωｔ）
とした場合に、電気腕成分である駆動用電極間の静電容量Ｃ0 のアドミッタンス値Ｙe は
Ｙe ＝ｊωＣ0
一方、機械腕成分であるＲＬＣ直列回路のアドミッタンス値Ｙm は
Ｙm １／（ｊωＬ1 ＋１／ｊωＣ1 ＋Ｒ1 ）
となる。
【００１７】
上記二式から、それぞれの大きさを求め、その比をとると、
【００１８】
【数１】
0003658120.tif 000002
【００１９】
となり、図１３に示したようになる。図１３から明らかなように、｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜は
【００２０】
【数２】
0003658120.tif 000003
【００２１】
で極小値をとり、｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜≦１となる周波数帯域では、電気腕部分である駆動用電極間の静電容量Ｃ0 のアドミッタンス値｜Ｙe ｜が機械腕成分であるＲＬＣ直列回路のアドミッタンス値｜Ｙm ｜に比べ小さくなる。そのため、この周波数帯域では電気腕成分である駆動用電極間の静電容量Ｃ0 に流れる電流に比べ機械腕成分であるＲＬＣ直列回路に流れる電流の方が大きくなる。
【００２２】
そこで、本実施の形態では、図２に示すように、圧電素子に対して、直列にインダクタンス素子を接続し、その時のインダクタンス値Ｌをインダクタンス素子を設置した後のインダクタンス素子を含む振動波モータ（振動子）全体のアドミッタンス特性の共振周波数が前述した周波数帯域内にくるようなインダクタンス値とした。
【００２３】
インダクタンス素子を含む振動波モータ（振動子）全体のアドミッタンスＹは
Ｙ＝（Ｙm ＋Ｙe ）／｛（ｊωＬ＋Ｒ）（Ｙm ＋Ｙe ）＋１｝
で求めることができるので、インダクタンス値Ｌ及びそれに伴う抵抗成分ＲL をインピーダンスアナライザ等で求め、上式に代入することにより、アドミッタンスＹの共振周波数を求めることができる。
【００２４】
図３は、図２に示したインダクタンス素子１６を含む等価回路全体の印加電圧の周波数に対するアドミッタンス特性を示した図である。図において、破線３１はインダクタンス素子がない場合におけるアドミッタンス特性であり、実線３２はインダクタンス素子がある場合のアドミッタンス特性である。図から明らかなように、インダクタンス素子を入れることにより、共振周波数ｆr はｆr ’に変化し、アドミッタンスも増加している。これは、圧電素子１２３により多くの電流が流れることを意味している。
【００２５】
図４は、図２における静電容量Ｃ0 （電気腕部）に流れる電流Ｉe ４１とＲＬＣ直列回路（機械腕部）に流れる電流Ｉm ４２を比較した図である。図からわかるように、共振周波数ｆr ’より高い周波数において機械腕電流Ｉm ４２が電気腕電流Ｉe ４１を上まわっていることがわかる。
【００２６】
図５は、従来例で述べた条件
ｆr ≦ｆe
を満たす範囲内でインダクタンス素子をさらに大きくした場合の静電容量Ｃ0 （電気腕部）に流れる電流Ｉe ５１とＲＬＣ直列回路（機械腕部）に流れる電流Ｉm ５２を比較した図である。このときの共振周波数ｆr ’は｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜≦１となる周波数帯域にないため、共振周波数ｆr ’付近の周波数において機械腕電流Ｉm ５２が電気腕電流Ｉe ５１を下まわっている。
【００２７】
（第２の実施の形態）
前述した第１の実施の形態は、弾性体に発生させる振動モードが一つである円環型の振動波モータについて説明した場合であるが、第２の実施の形態では、弾性体に発生させる振動モードが二つである定在波型のリニア振動波モータに係る実施の形態について説明する。尚、前述した構成要素で同一のものは同じ符号を記し、その説明は省略する。
【００２８】
図６は、本出願に係る第２の実施の形態を示す定在波型リニア振動波モータの駆動回路を示すブロック図である。図６において、６２は弾性部材からなる弾性体、６３，６４は弾性体６２に縦振動と屈曲振動を励起させるための圧電素子、６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂは圧電素子６３，６４に特定周波数の電圧を印加するための電極である。尚、弾性体６２と圧電素子６３，６４とは、接着剤等により結合状態にある。図６に示したように本モータは２相駆動であり、各相に加えられる交流電圧の位相が９０°移相器で±９０°ずれる以外は第１相６３ａ，６４ａと第２相間６３ｂ，６４ｂとで差はない。
【００２９】
図７は、図６の振動波モータを等価回路で表したものである。振動波モータの等価回路は、機械的共振部分のＲＬＣ直列回路（抵抗値Ｒ1 の等価抵抗、自己インダクタンスＬ1 の等価コイル、静電容量Ｃ1 の等価コンデンサ）と、並列に接続された圧電素子の静電容量Ｃ0 のコンデンサより構成されている。さらに、１６は振動波モータの等価回路に直列に接続されたインダクタンス素子Ｌ及びその抵抗成分ＲL である。但し、等価回路における振動波モータ６０の機械腕部のＲＬＣ直列回路部分Ｒ1 ，Ｌ1 ，Ｃ1 は縦振動と屈曲振動とでは異なる値をとる。図８は、第１の実施の形態と同様にして電気腕成分である駆動用電極間の静電容量Ｃ0 のアドミッタンス値｜Ｙe ｜が機械腕成分であるＲＬＣ直列回路のアドミッタンス値｜Ｙm ｜の比を符号８２で示す縦振動の比、符号８１で示す屈曲振動の比をそれぞれ示したものである。図からわかるように、縦振動の共振周波数ｆ（縦）と屈曲振動の共振周波数ｆ（屈）とが若干ずれているため、｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜≦１となる周波数帯域が縦振動と屈曲振動とではずれている。
【００３０】
ところで、本実施の形態のように使用している振動モードが二つあり、縦振動の共振周波数ｆ（縦）が屈曲振動の共振周波数ｆ（屈）より高い場合、十分な駆動力が得られるのは、縦振動の共振周波数ｆ（縦）より高い周波数側である。
【００３１】
従って、圧電素子６３，６４に接続するインダクタンス素子１６ａ、１６ｂの値は、縦振動の等価回路における機械腕成分のアドミッタンスＹm と電気腕成分のアドミッタンスＹe との大きさの比が、
｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜≦１
を満たす周波数帯域内に存在するようなインダクタンス値Ｌに設定すれば良い。図９は、図７に示した振動波モータの等価回路からそのアドミッタンス特性｜Ｙ｜を表したものである。図９において、９１は屈曲振動のアドミッタンス値｜Ｙ屈｜、９２は縦振動のアドミッタンス値｜Ｙ縦｜を表す。屈曲振動のアドミッタンス値｜Ｙ屈｜は周波数ｆ（屈）’で極大値をとり、縦振動のアドミッタンス値｜Ｙ縦｜は周波数ｆ（縦）’で極大値をとる。これらは何れも、振動波モータに直列に接続されたインダクタンスＬ影響で図に示したはじめの機械的共振周波数からずれた周波数となる。
【００３２】
図１０は、縦振動の電流値９２を静電容量Ｃ0 （電気腕部）に流れる符号１０１で示す電流Ｉe とＲＬＣ直列回路（機械腕部）に流れる符号１０２で示す電流Ｉm に分けて示した図である。
【００３３】
図からわかるように、機械腕電流Ｉm １０２が電気腕電流Ｉe １０１を上まわっていることがわかる。図１１は、屈曲振動の電流値９１を静電容量Ｃ0 （電気腕部）に流れる電流Ｉe １１１とＲＬＣ直列回路（機械腕部）に流れる電流Ｉm １１２に分けて示した図である。図からわかるように、機械腕電流Ｉm １１２が電気腕電流Ｉe １１１を上まわっていることがわかる。
【００３４】
尚、本実施の形態では、弾性体に発生させる振動モードを屈曲振動と縦振動としたが、駆動力が得られればこれに限るものではない。
【００３５】
（第３の実施の形態）
前述した第２の実施の形態は、縦振動の共振周波数が屈曲振動のそれより高い場合について説明したが、逆に縦振動の共振周波数が屈曲振動のそれより低い場合は、十分な駆動力が得られるのは屈曲振動より高い側になるので、屈曲振動について注目し、前述した内容と同様の条件でインダクタンス値を設定すれば良い。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子に直列に接続するインダクタンス素子の条件を、インダクタンス素子を設置した後のインダクタンス素子を含む振動型（振動波）アクチュエーター全体のアドミッタンス特性の共振周波数が、振動型アクチュエーターの等価回路における機械腕成分のアドミッタンスＹm と電気腕成分のアドミッタンスＹe との大きさの比が、
｜Ｙe ｜／｜Ｙm ｜≦１
を満たす周波数帯域内に存在するようなインダクタンス値Ｌに設定したので、この周波数帯域では電気腕成分である駆動用電極間の静電容量Ｃ0 に流れる電流に比べ機械腕成分であるＲＬＣ直列回路に流れる電流の方が大きくなり、圧電素子に流れる電流を有効に機械振動に消費することができ、高効率な振動型アクチュエーターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る振動波モータの駆動回路を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る振動波モータの等価回路図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る振動波モータのアドミッタンス特性を示す図。
【図４】本発明に係る適正なインダクタンス素子を接続した場合における機械腕電流と電気腕電流の比較図。
【図５】従来例によるインダクタンス素子を接続した場合における機械腕電流と電気腕電流の比較図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る振動波モータの駆動回路を示すブロック図。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る振動波モータの等価回路図。
【図８】縦振動と屈曲振動それぞれの機械腕成分のアドミッタンスと電気腕成分のアドミッタンスとの比を表した図。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る振動波モータのアドミッタンス特性を示す図。
【図１０】本発明に係る適正なインダクタンス素子を接続した場合における縦振動の機械腕電流と電気腕電流の比較図。
【図１１】本発明に係る適正なインダクタンス素子を接続した場合における屈曲振動の機械腕電流と電気腕電流の比較図。
【図１２】従来例の振動波モータの構成を表す図。
【図１３】機械腕成分のアドミッタンスと電気腕成分のアドミッタンスとの比を表した図。
【符号の説明】
１２２…弾性体
１２３…圧電素子
１２４…移動子
１１…発振器
１２…移相器
１３，１４…増幅器
１６…インダクタンス素子
【図１】
0003658120.tif 000004
【図２】
0003658120.tif 000005
【図３】
0003658120.tif 000006
【図４】
0003658120.tif 000007
【図５】
0003658120.tif 000008
【図６】
0003658120.tif 000009
【図７】
0003658120.tif 000010
【図８】
0003658120.tif 000011
【図９】
0003658120.tif 000012
【図１０】
0003658120.tif 000013
【図１１】
0003658120.tif 000014
【図１２】
0003658120.tif 000015
【図１３】
0003658120.tif 000016