JP2663380B2 - 圧電型超音波リニアモータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は圧電型超音波リニアモータに係わる。 ［発明の技術的背景とその問題点］ 第５図に付き従来の圧電型超音波リニアモータの構成
を説明する。第５図において、弾性体からなるレール１
には摺動体２が係合され、弾性体レール１の両端にはそ
れぞれ圧電振動子３の出力端3aが当接されている。ま
た、摺動体２の速度を検知する速度センサ４が設けら
れ、その出力は圧電振動子３を駆動する駆動回路５にフ
ィードバックされている。 このような構成からなる圧電型超音波リニアモータで
は、弾性体レール１の両端にそれぞれ圧電振動子３を取
り付けている。この圧電振動子３の作用を説明すると、
一方の圧電振動子３を駆動して発生させた弾性波は、弾
性体レール１上を伝播し、他の端部に取り付けられてい
る圧電振動子３に吸収される。詳細に述べると、この他
の端部に取り付けられている圧電振動子３には、図示し
ていないが抵抗器を接続してあるので、前記の伝播した
弾性波は、この他の端部に取り付けられている圧電振動
子３に吸収される。したがって、前記のように一方の圧
電振動子で発生し、レール上を伝播する弾性波は、レー
ル上では進行波となり、摺動体を移動させるのである。 弾性体レール１には、圧電振動子３によって印加され
る振動により超音波の表面波が発生し、これと接触して
いる摺動体２はレール１に沿って摺動される。そして、
前記の摺動体２の運動は弾性体レール１と摺動体２との
間の摩擦力に依存しているので、それらの摩擦による摩
耗は避けることができない。また、弾性体レール１と摺
動体２との間の摩擦力は弾性体レール１や摺動体２の機
械的な曲りや歪みがあるため、弾性体レール１全般にわ
たって一定とすることは困難であり、摺動体２の摺動速
度に速度ムラを生じる。 さらに、圧電振動子の駆動はその固有共振周波数の電
圧で行わなければならない。ところが、圧電型超音波リ
ニアモータを駆動できる共振周波数幅は非常に狭く、28
KHz付近の共振周波数で駆動する場合でも、駆動周波数
の許容変動幅は±１％以下である。上記の駆動共振周波
数は温度や機械的外力によっても変化する等の問題もあ
り、圧電型超音波リニアモータを安定に駆動することを
さらに困難にしている。そのため、従来は速度センサ４
の出力を駆動回路５にフィードバックして、これにより
摺動体の移動速度に応じて圧電振動子の駆動電圧を制御
し、移動速度を一定に保持するようにしている。また、
共振周波数の変動に対しては第６図に示すように駆動回
路の出力電圧を検知する電圧検知回路６、電流を検知す
る電流検知回路７を設け、それらの検知出力を位相弁別
回路８に入力させ、前記電圧、電流の位相差によって共
振周波数の変動を検知し、その検知結果により制御発振
回路９を介して駆動回路５を制御して、駆動周波数を所
定に保持する。さらに、共振周波数の変動に対しては、
第７図に示すように駆動電流の変動から共振周波数の変
動を検知し、これにより制御発振回路９を介して駆動回
路を制御するもの、第８図に示すように移動速度を検出
し、その変動から共振周波数の変動を検知し、制御発振
回路９を介して駆動回路を制御するものがある。 しかしながら、これらの駆動手段は定速運転をさせる
ための対処法が、摩擦力の変動に対するものと、共振周
波数の変動に対するものとは別個独立のものであり、そ
の双方に対処するためには第５図に示した回路と、第６
図から第８図に示したいずれかの回路を組み合わせた構
成とする必要があり、駆動系の回路等の複雑化を招き、
コストの上昇、信頼性の低下を招く欠点があった。 さらに、特開昭59−185178号公報記載のように、加振
振動周波数ｆ′を所定の周波数ｆに対して、ｆを中心に
周波数偏差Δｆ内に変化させ、ｆ′＝ｆ±Δｆ内として
振動させる振動型モータの駆動方法もある。しかしなが
ら、この駆動方法は、共振周波数f₀、すなわち共振点で
ある該公報の所定の周波数ｆで圧電振動子を駆動するも
のであるが、振幅は大となり、速度、推力は最大値をと
るが、共振インピーダンスが最も低くなる。したがっ
て、大電流を必要とし圧電素子の発熱が大となって共振
周波数のずれが生ずる。この温度上昇に伴い、共振イン
ピーダンスは温度に対し正の係数を持つので、発熱によ
って共振インピーダンスが大となり速度、推力の低下を
生じる問題点もあった。 ［発明の目的］ 本発明は上記の事情に基きなされたもので、弾性体レ
ールと摺動体との間の摩擦力の変動、圧電振動子やその
駆動系の共振周波数の変動があっても、摺動体を常に一
定速度で駆動することができ、しかもコスト高になら
ず、信頼性の高い圧電型超音波リニアモータを得ること
を目的としている。 ［発明の概要］ 本発明の圧電型超音波リニアモータは、弾性体からな
るレールに摺動体を係合させ、これを前記レールに出力
端を当接した圧電振動子により印加された超音波振動に
より前記レールに沿って摺動させるものにおいて、前記
摺動体の速度を検知する速度センサと、この速度センサ
の出力により発振周波数を制御できる自走周波数制御回
路を備えた制御発振回路と、この制御発振回路の出力を
受け前記圧電振動子を駆動する駆動回路とを設け、前記
自走周波数制御回路により前記制御発振回路の自走周波
数の制御範囲ｆを、前記圧電振動子の共振周波数をf₀と
して、ｆ≠f₀で、しかも0.99×f₀＜ｆ＜f₀、又はf₀＜ｆ
＜1.01×f₀が成り立つような範囲に設定したことを特徴
とする。 したがって、本発明になる圧電型超音波リニアモータ
では、制御発振回路の自走周波数をｆ、圧電振動子の共
振周波数をf₀として、ｆ≠f₀で、しかも0.99×f₀＜ｆ＜
f₀、又はf₀＜ｆ＜1.01×f₀と設定したものであるから、
摺動体の速度を制御するのに圧電振動子の共振周波数f₀
を使用せず、このf₀を外した0.99×f₀＜ｆ＜f₀、又はf₀
＜ｆ＜1.01×f₀の周波数帯を使用することを特徴とする
ものである。 この周波数帯を使用したことによって、本発明では、
発熱が小さく、速度、推力の大きい圧電型超音波リニア
モータを得ることができるのである。この点について共
振周波数f₀を使用する従来の場合は、振幅、速度、推力
は最大となるが、共振インピーダンスが最低となるため
に大電流を必要とし、圧電振動子が発熱して共振周波数
のずれを生じ、また、発熱により速度、推力の低下を生
じるようになる問題があった。 ［発明の実施例］ 前記各図と同一部分には同一符号を付した第１図は本
発明の一実施例を示す。この実施例においては、制御発
振回路９に自走周波数制御回路10の出力が印加されてい
る。 この第１図において、圧電振動子３を駆動する交流信
号は制御発振回路９で発生させる。摺動体２に取り付け
られた速度センサ４からの信号が入らない状態で制御発
振回路９から得られる信号は、単に制御発振回路９の時
定数のみで決まる周波数であり、このときの発振周波数
を自走周波数というが、速度センサ４からの信号が入り
自走周波数制御回路10が作動すると、自走周波数はこの
制御下に入り、制御発振回路９から得られる信号の周波
数は、制御発振回路９の時定数に加えて速度センサ４か
らの信号の作用を受け、0.99×f₀≦ｆ≦1.01×f₀のｆで
表される駆動周波数そのものになる。すなわち、制御発
振回路９が速度センサ４からの信号による制御下にない
場合を自走周波数、速度センサ４からの制御を受けてい
る場合に制御発振回路９から得られる信号の周波数は駆
動周波数となる。このような回路において、自走周波数
制御回路10は、制御発振回路９における自走周波数を
ｆ、圧電振動子３の共振周波数をf₀とした時、ｆ≠f
₀で、かつ、0.99×f₀＜ｆ＜f₀、又はf₀＜ｆ＜1.01×f₀
の関係が成り立つように、制御発振回路９の自走周波数
を設定する。このｆ≠f₀で、かつ、0.99×f₀＜ｆ＜f₀、
又はf₀＜ｆ＜1.01×f₀の範囲の設定は、発明者の実験結
果により限定したものであるが、この範囲を外れた場合
は、摺動体速度が急激に低下し、超音波リニアモータと
して使用することは困難であるとの判断に立脚して限定
したものである。このことは、第２図及び第３図に示し
た曲線から読み取ることができる。 上記において、圧電振動子３の共振周波数f₀は、圧電
体の材料とその機械的寸法によって一義的に定まる個々
の圧電振動子固有の特性であり、圧電振動子のアドミタ
ンス特性から具体的に求めることができる。述べるまで
もなく、圧電振動子３を共振周波数f₀で駆動すれば、効
率的に最大振幅を取り出すことができる。そして、この
圧電振動子３の共振周波数f₀は、後述する第２図〜第４
図における共振周波数f₀そのものである。 このような構成の本発明の圧電型超音波リニアモータ
においては、次のようにして一定速度の運転が確保され
る。第２図は圧電振動子３の駆動周波数と摺動体２の速
度との関係を示す。この図からわかるように、摺動体２
の速度は前述のように圧電振動子３の共振周波数f₀で最
大となる。自走周波数制御回路10で、例えば制御発振回
路９の自走周波数を第２図におけるｆに設定しておく
と、摺動体２は速度Ｖで移動する。ここで、レール１と
摺動体２との間の摩擦力の変動や、摺動体２に対する負
荷の変動等で摺動体２の速度が低下すると、速度センサ
４の出力信号が変動して、制御発振回路９の発振出力周
波数をｆ′として摺動体２の速度を上昇させる方向に作
用し、摺動体２の速度を一定に保持する。 一方、摺動体２の速度が上昇し過ぎると、速度センサ
４の出力信号が前記とは逆方向に変化するので、制御発
振回路９の発振周波数はｆ″となり、摺動体２の移動速
度を下降させる方向に作用するので、摺動体２の移動速
度は一定に保持される。 この時、制御発振回路９は駆動周波数を発振させる基
本的な動作を司る部分である。また、自走周波数制御回
路10は前記の駆動周波数を外部の制御信号によって変化
させる回路であり、前記の自走周波数制御回路10は常時
駆動信号を作り出す働きをしている。したがって、前記
自走周波数制御回路10は制御発振回路９で得られる駆動
信号を最適条件にする機能を有するもので、速度センサ
４からの信号で駆動周波数を変化させたり、設定したり
する作用を行うものである。つまり、制御発振回路９と
自走周波数制御回路10とは、常に対を成して動作するも
のである。 なお、第３図に示すように、自走周波数を摺動体速度
−駆動周波数曲線の他のスロープに設定しても、前記と
全く同様の効果が得られる。そして、本発明は、圧電振
動子３の駆動周波数ｆの範囲を0.99×f₀＜ｆ＜f₀、又は
f₀＜ｆ＜1.01×f₀と設定したものであり、第２図および
第３図におけるｆ′又はｆ″が0.99×f₀＜ｆ＜f₀、又は
f₀＜ｆ＜1.01×f₀の範囲に入っていなければならないと
言う事ではない。 さらに、第４図に示すように、圧電振動子３の共振周
波数で駆動すれば速度、推力は最大になるが、発熱が大
きく実用的でないので、前記のように駆動周波数ｆを共
振周波数f₀からわずかにはずした共振特性のスロープ部
分とすることにより、速度、推力が大きいという特徴を
得ることができるのである。また、このスロープ部分を
使用することは、超音波リニアモータに要求される一定
速度での動作を制御する上でも不可欠である。駆動周波
数ｆを共振周波数f₀にした場合は、速度を下げることは
できても上げることはできないので、制御が不能にな
り、一定速度に制御できなくなるのである。 これを詳細に述べると、外部要因によって系の共振周
波数がf₀からf₀′、すなわち図の点線で表される特性に
変化した時、定常状態で設定された駆動周波数ｆでの摺
動体速度はＶからＶ′に低下するので、速度センサ４か
らの信号を受け駆動周波数をｆ′に変化させることによ
って摺動体速度は定常状態で設定された速度Ｖを保つこ
とができる。すなわち、定常状態で設定された駆動周波
数ｆは系の共振周波数f₀に対して0.99×f₀＜ｆ＜f₀、又
はf₀＜ｆ＜1.01×f₀の領域にあるが、系の共振周波数が
f₀′に変化した後は、摺動体速度がＶに制御された時の
駆動周波数ｆ′はこの範囲から外れることも当然起こり
得ることである。摺動体速度を一定に保つように追従し
た速度制御を効果的に行うためには、定常状態、すなわ
ち通常の動作を妨げる外部からの影響を排除した状態で
の駆動周波数の動作点の設定範囲として、0.99×f₀＜ｆ
＜f₀、又はf₀＜ｆ＜1.01×f₀が最適であると言う事であ
る。 以上述べたように、本発明は、外部からの力が摺動体
２に加わったり、温度等の影響で圧電振動子３或いは系
の共振周波数が変化したときに、第２図に示したように
定常状態、すなわち通常の動作を妨げる外部からの影響
を排除した状態での駆動周波数の動作点を、特性カーブ
の前縁或いは後縁のスロープ部に位置するｆに設定して
おけば、摺動体速度を検知する速度センサ４からの信号
によって、駆動周波数を摺動体速度が遅くなればｆ′
に、速くなればｆ″に変化させて摺動体速度を一定に保
持しようというものであって、その定常状態における駆
動周波数の設定動作点を0.99×f₀＜ｆ＜f₀、又はf₀＜ｆ
＜1.01×f₀に設定するのが最適であるとするものであ
る。 このように、本発明になる圧電型超音波リニアモータ
では、従来例として述べた特開昭59−185178号公報記載
のように共振周波数f₀を用いるのではなく、共振周波数
f₀をわずかにはずした共振特性のスロープ部分、すなわ
ちｆ≠f₀で、かつ0.99×f₀＜ｆ＜f₀、又はf₀＜ｆ＜1.01
×f₀の範囲を使用することに特徴があり、共振周波数f₀
を使用しないので発熱が小さいという効果がある。 なお、本発明は、上記説明に限定されない。例えば実
施例では速度センサを使用して摺動体２の速度を検出し
信号を出力していたが、圧電型や静電容量型の超音波セ
ンサを用いてレール上に発生した超音波の振幅を検知
し、その出力を制御発振回路に印加しても同様の作用効
果を得ることができる。すなわち、駆動周波数ｆが圧電
振動子の共振周波数f₀に近づくにしたがって、圧電振動
子の振幅が大きくなり、これにともなって摺動体の速度
は速くなる。したがって、摺動体の速度を検知すること
は、圧電振動子の振動振幅を検知することと等価であ
り、換言すれば圧電振動子の振動振幅を検知することは
摺動体の速度を検知することと同意である。このように
振動振幅を検知するには各種の方法やセンサがあり、圧
電型や静電容量型の超音波センサを用い、圧電振動子に
よってレール上に生じた超音波の振幅を検知すること
も、本発明の速度センサの範囲である。 ［発明の効果］ 上記から明らかなように、本発明においては、摺動体
の速度の変動が摩擦等の機械的な要因に基づくものにせ
よ、共振周波数の変動等の電気的要因に基づくものにせ
よ、同一回路でこれに対処して摺動体の移動速度を一定
に保持できるので、駆動回路を簡単化することができ、
コスト高を避けることができると共に、信頼性の高い実
用的な圧電型超音波リニアモータを構成することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明になる圧電型超音波リニアモータの一実
施例のブロックダイヤグラム、第２図は前記実施例の駆
動周波数と摺動体速度との関係を示す曲線図、第３図は
前記実施例の駆動周波数と摺動体速度との関係を示す曲
線図、第４図は前記実施例の駆動周波数と摺動体速度と
の関係を示す曲線図、第５図は従来の圧電型超音波リニ
アモータのブロックダイヤグラム、第６図は他の従来の
圧電型超音波リニアモータのブロックダイヤグラム、第
７図は他の従来の圧電型超音波リニアモータのブロック
ダイヤグラム、第８図は他の従来の圧電型超音波リニア
モータのブロックダイヤグラムである。 １…レール、２…摺動体 ３…圧電振動子、４…速度センサ ５…駆動回路、９…制御発振回路 10…自走周波数制御回路

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．弾性体からなるレールに摺動体を係合させ、これを
   前記レールに出力端を当接した圧電振動子により印加さ
   れた超音波振動により前記レールに沿って摺動させるも
   のにおいて、前記摺動体の速度を検知する速度センサ
   と、この速度センサの出力により発振周波数を制御でき
   る自走周波数制御回路を備えた制御発振回路と、この制
   御発振回路の出力を受け前記圧電振動子を駆動する駆動
   回路とを設け、前記自走周波数制御回路により前記制御
   発振回路の自走周波数ｆを、前記圧電振動子の共振周波
   数をf₀として、ｆ≠f₀で、0.99×f₀＜ｆ＜f₀、又はf₀＜
   ｆ＜1.01×f₀が成り立つような範囲に設定したことを特
   徴とする圧電型超音波リニアモータ。