JP2665253B2 - Drive circuit of ultrasonic linear actuator - Google Patents

Drive circuit of ultrasonic linear actuator

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JP2665253B2 JP1098457A JP9845789A JP2665253B2 JP 2665253 B2 JP2665253 B2 JP 2665253B2 JP 1098457 A JP1098457 A JP 1098457A JP 9845789 A JP9845789 A JP 9845789A JP 2665253 B2 JP2665253 B2 JP 2665253B2
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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、安定な速度および推力を発生することが
できる超音波リニアアクチュエータの駆動回路に関す
る。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a drive circuit for an ultrasonic linear actuator capable of generating stable speed and thrust.

「従来の技術」 従来のこの種の超音波リニアアクチュエータとして
は、特願昭63−60714号の技術を挙げることができる。
この超音波リニアアクチュエータは、第4図に示すよう
に、一対の脚部1a,1bとこの脚部1a,1bを連結する胴部1c
とを有するコ字状振動体1と、この振動体1の両角部に
取り付けられ、脚部1a,1bおよび胴部1cの双方に振動を
付与する2個の圧電素子2,3と、脚部1a,1bの下端部が当
接されるレール4とから構成されている。
"Conventional technology" As a conventional ultrasonic linear actuator of this type, there is a technology disclosed in Japanese Patent Application No. 63-60714.
As shown in FIG. 4, the ultrasonic linear actuator includes a pair of legs 1a, 1b and a body 1c connecting the legs 1a, 1b.
And two piezoelectric elements 2, 3 attached to both corners of the vibrating body 1 and applying vibration to both the legs 1a, 1b and the trunk 1c; And a rail 4 to which the lower ends of 1a and 1b abut.

そして、上記リニアアクチュエータの駆動は、圧電素
子2,3に高周波電圧を印加することによって行ってい
た。すなわち、2個の圧電素子2,3に、同一周波数で、
かつ、90度位相の異なる高周波電圧を各々印加すると、
振動体1がレール4上を一方向に直線走行する。
The linear actuator is driven by applying a high-frequency voltage to the piezoelectric elements 2 and 3. That is, the two piezoelectric elements 2 and 3 have the same frequency,
And when applying high frequency voltages each having a different phase by 90 degrees,
The vibrating body 1 travels linearly on the rail 4 in one direction.

「発明が解決しようとする課題」 上述した超音波リニアアクチュエータのインピーダン
ス−周波数特性を第5図に示す。この図において、実線
で示す波形Aはレール4上のある位置におけるインピー
ダンス−周波数特性であり、図から明らかなように、周
波数に対応してインピーダンスの低くなる点がいくつか
存在する。そして、これら低インピーダンスの中の最低
インピーダンス(以下、最適駆動インピーダンスと称す
る)Zrに対応する周波数frによってリニアアクチュエー
タを駆動すれば、圧電素子2,3からの振動が振動体1へ
効率よく伝達されるので、従来、その周波数(以下、最
適駆動周波数と称する)frの信号によってリニアアクチ
ュエータを駆動していた。
[Problems to be Solved by the Invention] FIG. 5 shows the impedance-frequency characteristics of the above-described ultrasonic linear actuator. In this figure, a waveform A shown by a solid line is an impedance-frequency characteristic at a certain position on the rail 4, and as is apparent from the figure, there are some points where the impedance becomes lower in accordance with the frequency. Then, if the linear actuator is driven at a frequency fr corresponding to the lowest impedance (hereinafter, referred to as an optimum driving impedance) Zr among these low impedances, the vibrations from the piezoelectric elements 2 and 3 are efficiently transmitted to the vibrating body 1. Therefore, conventionally, the linear actuator is driven by a signal of the frequency (hereinafter, referred to as an optimum driving frequency) fr.

しかしながら、この固定周波数frによってリニアアク
チュエータを駆動すると、レール4上の各走行位置にお
いて、振動体1の速度が変化したり、極端な場合には振
動体1がひっかかったりする問題が発生する。これは、
振動体1の脚部1a,1bの下端面とレール4の上面との接
触状態(例えば、レール4上面の加工精度,脚部1a,1b
下端面の摩耗度等)がレール4上の各位置によって各々
異なっているために、各走行位置における上記インピー
ダンス−周波数特性が変化してしまい、これにより、上
記最適駆動周波数frが変化してしまうためである。
However, when the linear actuator is driven at the fixed frequency fr, there arises a problem that the speed of the vibrating body 1 changes at each traveling position on the rail 4 or, in an extreme case, the vibrating body 1 gets stuck. this is,
The state of contact between the lower end surfaces of the legs 1a, 1b of the vibrating body 1 and the upper surface of the rail 4 (for example, the processing accuracy of the upper surface of the rail 4, the legs 1a, 1b)
Since the lower end face has a different degree of wear at each position on the rail 4, the impedance-frequency characteristics at each running position change, thereby changing the optimum driving frequency fr. That's why.

この解決策としては、最適駆動周波数frが変化する毎
に、その変化に追随させて駆動周波数を変化させればよ
いが、このようにすると、インピーダンス検出手段を必
要とするとともに、リニアアクチュエータの速度および
推力をも変化させてしまうという問題がある。
As a solution to this, every time the optimum driving frequency fr changes, the driving frequency may be changed to follow the change. However, this requires an impedance detecting means and the speed of the linear actuator. In addition, there is a problem that the thrust is also changed.

この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、リ
ニアアクチュエータのインピーダンス特性が変化して
も、常に安定した速度および推力を発生することができ
る超音波リニアアクチュエータの駆動回路を提供するこ
とを目的としている。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a drive circuit for an ultrasonic linear actuator that can always generate a stable speed and thrust even if the impedance characteristics of the linear actuator change. And

「課題を解決するための手段」 この発明は、レールに先端を当接させる少なくとも2
本の脚部とこれら脚部の基端を連結する胴部とを有する
振動体と、該振動体の胴部の軸線方向両端部に当該軸線
方向に対し傾斜させて形成された取付面と、該取付面上
に取り付けられて胴部の軸線方向に交差する方向に振動
する振動素子とを有し、前記脚部と前記レールとの接触
状態に応じて最適駆動周波数が第1の周波数から第2の
周波数の範囲において変化する超音波リニアアクチュエ
ータを駆動する駆動回路において、前記第1の周波数と
第2の周波数のほぼ中間の周波数の信号を発生する第1
の発振器と、前記超音波リニアアクチュエータの機械的
時定数より短い周期の正弦波信号を発生する第2の発振
器と、前記第1の発振器の出力信号を前記第2の発振器
の出力信号によって周波数変換する混合器とを具備し、
前記混合器の出力に基づいて前記超音波リニアアクチュ
エータを駆動することを特徴としている。
[Means for Solving the Problems] The present invention provides at least two parts for bringing the tip into contact with the rail.
A vibrating body having a leg portion of the book and a body portion connecting the base ends of the leg portions, and a mounting surface formed at both axial end portions of the body portion of the vibrating body so as to be inclined with respect to the axial direction, A vibrating element mounted on the mounting surface and vibrating in a direction intersecting the axial direction of the trunk, wherein the optimal driving frequency is changed from the first frequency to the second frequency in accordance with a contact state between the leg and the rail. A driving circuit for driving an ultrasonic linear actuator that changes in a range of two frequencies, wherein a first signal generating a signal having a frequency substantially intermediate between the first frequency and the second frequency is generated.
, A second oscillator that generates a sine wave signal having a period shorter than the mechanical time constant of the ultrasonic linear actuator, and frequency conversion of the output signal of the first oscillator by the output signal of the second oscillator And a mixer that performs
The ultrasonic linear actuator is driven based on an output of the mixer.

「作用」 この発明によれば、振動素子が胴部の軸線方向に交差
する方向に付加する振動を、胴部の軸線方向に平行な成
分と直交する成分の振動に分離して脚部に伝達し、振動
体をレールに対して相対的に胴部の軸線方向に直線運動
させているので振動が効率よく胴部と脚部に分離して伝
達され、この分離して伝達された振動によって脚部の先
端に大きな楕円振動を発生できるため伝達効率が良いこ
とは勿論であるが、さらに周波数が第1〜第2の周波数
の範囲において常時規則的に変化する信号によってリニ
アアクチュエータを駆動しているので、最適駆動周波数
が第1〜第2の周波数の範囲内において変化しても、そ
の影響がリニアアクチュエータの速度あるいは推力に表
れることがない。
According to the present invention, the vibration applied by the vibration element in the direction intersecting the axial direction of the trunk is separated into the vibration of the component parallel to the axial direction of the trunk and the component perpendicular to the axial direction of the trunk, and transmitted to the legs. Since the vibrating body is linearly moved in the axial direction of the trunk relative to the rail, the vibration is efficiently separated and transmitted to the trunk and the leg, and the separated transmitted vibration causes the leg to move. A large elliptical vibration can be generated at the tip of the part, so that the transmission efficiency is of course good, but the linear actuator is driven by a signal whose frequency constantly changes in the first and second frequency ranges. Therefore, even if the optimum driving frequency changes within the range of the first and second frequencies, the influence does not appear on the speed or thrust of the linear actuator.

「実施例」 以下、図面を参照してこの発明の一実施例について説
明する。第1図はこの発明の一実施例によるリニアアク
チュエータの駆動回路の構成を示すブロック図である。
この図において、1はリニアアクチュエータの振動体で
あり、2,3は振動体1に取り付けられた圧電素子であ
る。5は周波数100KHzの正弦波信号(第2図(a)参
照)を発生する発振器であり、出力レベルがTTLレベル
に設定されている。6は周波数2KHzの正弦波信号(第2
図(b)参照)を発生する発振器である。7は発信器5
から出力される正弦波信号を発振器6から出力される正
弦波信号によって周波数変調して出力する混合器であ
り、この出力信号を第2図(c)に示す。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a drive circuit of a linear actuator according to one embodiment of the present invention.
In this figure, 1 is a vibrating body of a linear actuator, and 2 and 3 are piezoelectric elements mounted on the vibrating body 1. Reference numeral 5 denotes an oscillator for generating a sine wave signal having a frequency of 100 KHz (see FIG. 2A), and its output level is set to a TTL level. 6 is a sine wave signal having a frequency of 2 KHz (second
(See FIG. (B)). 7 is the transmitter 5
This is a mixer that frequency-modulates and outputs a sine wave signal output from the oscillator 6 with a sine wave signal output from the oscillator 6, and this output signal is shown in FIG. 2 (c).

ここで、上記発振器5の周波数、発振器6の周波数お
よび振幅レベルについて説明する。
Here, the frequency of the oscillator 5, the frequency of the oscillator 6, and the amplitude level will be described.

発振器5の周波数 前述したように、リニアアクチュエータ1のインピー
ダンス−周波数特性(第5図参照)はリニアアクチュエ
ータ1がレール4上のどの位置にあるかによって変化
し、したがって、最適駆動周波数frもリニアアクチュエ
ータ1のいる場所に応じて異なった値となる。いま、リ
ニアアクチュエータ1の走行範囲において最適駆動周波
数frの最小値をfr1、最大値をfr2とすると(第5図参
照)、発振器5の周波数faは、周波数fr1と周波数fr2
中央の周波数として決められる。そして、この実施例に
おいては、実験の結果 fr1=99KHz,fr2=101KHz であったことから、 fa=100KHz に設定されている。
As described above, the impedance-frequency characteristic (see FIG. 5) of the linear actuator 1 changes depending on the position on the rail 4 where the linear actuator 1 is located. The value is different depending on the place where 1 is located. Now, assuming that the minimum value of the optimum driving frequency fr is fr 1 and the maximum value is fr 2 in the traveling range of the linear actuator 1 (see FIG. 5), the frequency fa of the oscillator 5 is the center of the frequency fr 1 and the frequency fr 2 Is determined as the frequency of In this embodiment, since the result of the experiment was fr 1 = 99 KHz and fr 2 = 101 KHz, fa = 100 KHz.

発振器6の振幅レベル 混合器7の出力信号は、第2図(c)に示すように、
発振器6の出力レベルが最大の時その周波数が最大とな
り、発振器6の出力レベルが最小の時その周波数が最小
となる。そして、発振器6の出力レベルは、混合器7の
出力信号周波数がfr1〜fr2の範囲で周期的に変化するよ
うに定められている(第3図参照)。
The output signal of the amplitude level mixer 7 of the oscillator 6 is, as shown in FIG.
When the output level of the oscillator 6 is maximum, the frequency becomes maximum, and when the output level of the oscillator 6 is minimum, the frequency becomes minimum. Then, the output level of the oscillator 6, the output signal frequency of the mixer 7 is defined to periodically vary between fr 1 ~fr 2 (see FIG. 3).

発振器6の周波数(周期) 発振器6の出力信号の周期はリニアアクチュエータ1
の機械的時定数τmの1/10に定められている。この実施
例においては、リニアアクチュエータ1の機械的時定数
が5msecであったので、発振器6の出力信号の周期を500
μsecに、すなわち、周波数を2KHzに設定している。
Frequency (period) of oscillator 6 The period of the output signal of oscillator 6 is linear actuator 1
Is set to 1/10 of the mechanical time constant τm. In this embodiment, since the mechanical time constant of the linear actuator 1 is 5 msec, the period of the output signal of the oscillator 6 is set to 500
μsec, that is, the frequency is set to 2 KHz.

次に、第1図において、8は混合器7の出力信号の位
相を90度ずらして出力する移相器、9,10は混合器7の出
力信号および移相器8の出力信号を各々電力増幅して出
力するドライブ回路、11,12はドライブ回路9,10の各出
力をさらに増幅して、上記圧電素子2,3に各々出力する
ドライバである。
Next, in FIG. 1, reference numeral 8 denotes a phase shifter which outputs the output signal of the mixer 7 with the phase shifted by 90 degrees, and reference numerals 9 and 10 denote the output signal of the mixer 7 and the output signal of the phase shifter 8, respectively. Drive circuits 11 and 12 for amplifying and outputting the signals are drivers for further amplifying the respective outputs of the drive circuits 9 and 10 and outputting the amplified signals to the piezoelectric elements 2 and 3, respectively.

このような構成によれば、圧電素子2,3に、周波数が9
9KHz〜101KHzの範囲で繰り返し変化する正弦波交流信号
が印加される。ここで、変化の周期がリニアアクチュエ
ータ1の機構的時定数よりはるかに小さいので、周波数
の変化に応答してリニアアクチュエータ1が動作するこ
とはない。他方、リニアアクチュエータ1に印加される
周波数が常に変化しているので、リニアアクチュエータ
1のインピーダンスが変化し、このため、最適駆動周波
数frが変化しても、リニアアクチュエータ1の速度、推
力に影響を与えることがない。
According to such a configuration, a frequency of 9 is applied to the piezoelectric elements 2 and 3.
A sine wave AC signal that repeatedly changes in the range of 9 KHz to 101 KHz is applied. Here, since the cycle of the change is much smaller than the mechanical time constant of the linear actuator 1, the linear actuator 1 does not operate in response to the change in the frequency. On the other hand, since the frequency applied to the linear actuator 1 is constantly changing, the impedance of the linear actuator 1 changes. Therefore, even if the optimum driving frequency fr changes, the speed and thrust of the linear actuator 1 are affected. I will not give.

「発明の効果」 以上説明したように、この発明によれば、振動素子が
胴部の軸線方向に交差する方向に付加する振動を、胴部
の軸線方向に平行な成分と直交する成分の振動に分割し
て脚部に伝達し、振動体をレールに対して相対的に胴部
の軸線方向に直線運動させているので振動が効率よく胴
部と脚部に分割して伝達され、この分割して伝達された
振動によって脚部の先端に大きな楕円振動を発生できる
ため伝達効率が良いことは勿論であるが、さらに周波数
第1〜第2の周波数の範囲において常時規則的に変化す
る信号によってリニアアクチュエータを駆動しているの
で、最適駆動周波数が第1〜第2の周波数の範囲内にお
いて変化しても、その影響がリニアアクチュエータの速
度あるいは推力に表れることがなく、安定した速度およ
び推力を高効率で得ることができる効果がある。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the vibration added by the vibration element in the direction intersecting with the axial direction of the trunk is the vibration of the component orthogonal to the component parallel to the axial direction of the trunk. The vibration is linearly moved in the axial direction of the body relative to the rail, so vibration is efficiently divided and transmitted to the body and legs, and this division is performed. As a result, a large elliptical vibration can be generated at the tip of the leg by the transmitted vibration, so that the transmission efficiency is of course good, but furthermore, a signal that constantly changes in the frequency range of the first and second frequencies is used. Since the linear actuator is driven, even if the optimum driving frequency changes within the range of the first and second frequencies, the effect does not appear in the speed or thrust of the linear actuator, and the speed and thrust are stable. There is an effect that power can be obtained with high efficiency.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図はこの発明の一実施例による超音波リニアアクチ
ュエータの駆動回路の構成を示すブロック図、第2図
(a)は同実施例に用いられる発振器5の出力信号の波
形図、第2図(b)は同実施例に用いられる発振器6の
出力信号の波形図、第2図(c)は同実施例に用いられ
る混合器7の出力信号の波形図、第3図は混合器7の出
力信号の周波数範囲を説明するための図、第4図は超音
波リニアアクチュエータの構成を示す側面図、第5図は
超音波リニアアクチュエータのインピーダンス−周波数
特性を示す図である。 4……レール、5……第1の発振器、6……第2の発振
器、7……混合器。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a drive circuit of an ultrasonic linear actuator according to one embodiment of the present invention, FIG. 2 (a) is a waveform diagram of an output signal of an oscillator 5 used in the embodiment, and FIG. (B) is a waveform diagram of an output signal of the oscillator 6 used in the embodiment, FIG. 2 (c) is a waveform diagram of an output signal of the mixer 7 used in the embodiment, and FIG. FIG. 4 is a side view illustrating a configuration of an ultrasonic linear actuator, and FIG. 5 is a diagram illustrating impedance-frequency characteristics of the ultrasonic linear actuator. 4 ... rail, 5 ... first oscillator, 6 ... second oscillator, 7 ... mixer.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】レールに先端を当接させる少なくとも2本
の脚部とこれら脚部の基端を連結する胴部とを有する振
動体と、該振動体の胴部の軸線方向両端部に当該軸線方
向に対し傾斜させて形成された取付面と、該取付面上に
取り付けられて胴部の軸線方向に交差する方向に振動す
る振動素子とを有し、前記脚部と前記レールとの接触状
態に応じて最適駆動周波数が第1の周波数から第2の周
波数の範囲において変化する超音波リニアアクチュエー
タを駆動する駆動回路において、 前記第1の周波数と第2の周波数のほぼ中間の周波数の
信号を発生する第1の発振器と、 前記超音波リニアアクチュエータの機械的時定数より短
い周期の正弦波信号を発生する第2の発振器と、 前記第1の発振器の出力信号を前記第2の発振器の出力
信号によって周波数変換する混合器とを具備し、 前記混合器の出力に基づいて前記超音波リニアアクチュ
エータを駆動することを特徴とする超音波リニアアクチ
ュエータの駆動回路。
1. A vibrating body having at least two legs for abutting the distal end on a rail and a body connecting the bases of the legs, and a vibrating body having two ends in the axial direction of the body of the vibrating body. A mounting surface formed to be inclined with respect to the axial direction, and a vibrating element mounted on the mounting surface and vibrating in a direction intersecting with the axial direction of the body, and contact between the leg and the rail. In a drive circuit for driving an ultrasonic linear actuator whose optimum drive frequency changes in a range from a first frequency to a second frequency according to a state, a signal having a frequency substantially intermediate between the first frequency and the second frequency A first oscillator that generates a sinusoidal signal having a period shorter than the mechanical time constant of the ultrasonic linear actuator; and a second oscillator that outputs an output signal of the first oscillator to the second oscillator. Depending on the output signal Comprising a mixer for frequency conversion, a driving circuit of the ultrasonic linear actuator and drives the ultrasonic linear actuator based on the output of the mixer.
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