JPH0715984A

JPH0715984A - 超音波アクチュエータ

Info

Publication number: JPH0715984A
Application number: JP5158936A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Tsubata; 敏晴津幡; Koji Ouchi; 孝司大内
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-06-29
Filing date: 1993-06-29
Publication date: 1995-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、振動子の機械的共振周波数が温度
および機械的負荷条件等により変動しても常に駆動周波
数に一致するように補正される超音波アクチュエータを
提供するにある。【構成】超音波振動子の温度をサーミスタ５で検出
し、インピーダンス制御量決定回路１０でインピーダン
スの制御量に関する信号を形成してインピーダンス可変
回路１１に入力する。このインピーダンス可変回路１１
では、上記インピーダンスの制御量に関する信号によっ
て補正用の圧電素子４のスチフネスを変化させ、これに
よって振動子１８全体のスチフネスを変化させ、超音波
振動子の共振周波数の温度による変化を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波アクチュエー
タ、詳しくは圧電素子等の電気ー機械エネルギー変換素
子を駆動源とする超音波アクチュエータに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子等の電気ー機械エネルギ変換素
子を駆動源とする超音波アクチュエータあるいは超音波
モータは、既に周知である。また、弾性体に固定した２
つの圧電素子を駆動源とし該弾性体に縦振動および屈曲
振動を発生させ、これらの振動を合成して超音波楕円振
動を起こさせる超音波振動子と、この超音波振動子の一
部に押圧され、超音波振動子に対して相対的に移動する
被駆動部材とを有する超音波リニアモータを本出願人は
先に提案（特願平４ー３２１０９６号）した。

【０００３】これは図１１に示すように、横長の長方形
状の弾性体１００の上面に二つの積層圧電素子１０１、
１０２を保持部材１０３，１０４，１０５により固定
し、また、弾性体１００の下面の両端部に摺動部材１０
６，１０７を接着により固定して振動子を構成し、この
振動子を図１２に示すように、リニアガイド１０８、ガ
イドレール１０９、、保持枠１１０、ビス１１１、押圧
力調整ねじ１１２、バネ１１３、振動子保持部材１１４
により、左右方向に直線移動可能なように保持しなが
ら、摺動板１１５に振動子の摺動部材１０６、１０７が
摩擦接触するように押圧してリニアモータを構成したも
のである。

【０００４】そして、上記振動子の寸法を適当に調節し
て、積層圧電素子１０１，１０２に交番電圧を印加する
と、図１３に示す縦共振振動と、図１４に示す屈曲共振
振動が同時に発生する。この２つの積層圧電素子１０
１，１０２に印加する電圧の位相差を適当に調整する
と、縦振動と屈曲振動が合成されて屈曲振動の腹位置に
楕円振動が発生する。従って、この楕円振動部に固定し
た摺動部材１０６，１０７が摺動板１１５に対して駆動
力を発生する。

【０００５】このリニアモータの駆動方法は次の通りで
ある。即ち、積層圧電素子に振動子の縦振動と屈曲振動
の共振周波数と一致する１０Ｖｐ−ｐ程度の交番電圧を
印加し、この際、２つの積層圧電素子に印加する交番電
圧の位相差を、一方の圧電素子に対し、他方を＋９０度
或いは−９０度とすることにより、リニアモータの移動
方向が反転するというものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記リニアモ
ータは、積層圧電素子に１０Ｖｐ−ｐ程度の交番電圧を
印加すると弾性体の内部摩擦による発熱が大きく、５０
〜６０℃程度に達してしまう。弾性体の温度が変化する
と、図１５に示されているように、振動子の共振周波数
が変化する。これにより、アクチュエータの速度最大と
なる駆動周波数が図１６に示されているように変化し、
アクチュエータの速度ムラが発生する等の問題点があ
る。

【０００７】また、温度以外にも振動子に与える機械的
負荷により、共振周波数が変化し最適な駆動周波数が決
定できないという不具合もある。

【０００８】本発明の目的は、このような従来の超音波
振動子のアクチユエータにおける欠点を除去し、振動子
の機械的共振周波数（以下、単に共振周波数と称する）
が温度および機械的負荷条件等により変動しても常に補
正され、駆動周波数に一致するようになされている超音
波アクチユエータを提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の超音波アクチュ
エータは、弾性体と、該弾性体に設けられた電気ー機械
エネルギー変換素子とからなる超音波振動子と、この超
音波振動子により駆動される被駆動体と、上記超音波振
動子に固定され、両端に電極を有する他の電気ー機械エ
ネルギー変換素子と、上記他の電気ー機械エネルギー変
換素子の電極間のインピーダンスを変化させるインピー
ダンス変更手段とを具備している。

【００１０】

【作用】超音波振動子の温度を測定し、この温度情報に
基づいて、他の電気ー機械エネルギ変換素子の両端間の
インピーダンスを制御するための制御信号を形成し、こ
れをインピーダンス変更手段に供給する。インピーダン
ス変更手段では、上記制御信号に基づいて、上記電気ー
機械エネルギ変換素子の両端間のインピーダンスを制御
する。これによって、同素子のスチフネスが変化し、さ
らには超音波振動子全体のスチフネスも変化して共振周
波数も変化する。この結果、超音波振動子の共振周波数
の変化が補正され、共振周波数と電圧源の周波数が常に
一致する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図１乃至図４を
参照して説明する。図１はリニア型の超音波アクチユエ
ータである。

【００１２】に超音波振動子（以下、単に振動子と称す
る）１８の構成を示したものである。長方形状の弾性体
１の上面には振動子励振用の電気ー機械エネルギ変換素
子である積層圧電素子（以下、単に圧電素子と称する）
２、３を嵌合し得る凹部が形成されている。この凹部に
は、圧電素子２、３が嵌合され固定される。また、弾性
体１下面に形成された凹部には、共振周波数補正用の電
気ー機械エネルギ変換素子である圧電素子４が嵌合され
固定される。更に弾性体１の下面の両端部には摺動部材
６、７が接着される。そして、また、弾性体１の正面の
中央には、温度測定用のサーミスタ５が接着されてい
る。

【００１３】図２は、この超音波振動子１８を駆動する
ための電気回路図である。圧電素子２、３には９０度の
位相差を有する交番電圧源８、９が接続される。また、
サーミスタ５の測定出力をインピーダンス制御量決定回
路１０に供給し、該インピーダンス制御量決定回路１０
の出力をインピーダンス可変回路１１に供給するように
なっている。

【００１４】インピーダンス可変回路１１は圧電素子４
の両端に接続されており、この電気端子間のインピーダ
ンスを変化させる。

【００１５】上記インピーダンス可変回路１１は、その
回路の一例が図３に示されるように、インピーダンス制
御電圧１２が抵抗Ｒ１を通してＦＥＴ１３のゲート電極
に印加されるようになっている。また、ＦＥＴ１３のゲ
ート電極とドレイン間には抵抗Ｒ２が接続されており、
そして、ＦＥＴ１３のドレインーソース間には上記圧電
素子４が並列的に接続されている。

【００１６】また、上記インピーダンス制御量決定回路
１０は、その回路の一例が図４に示されているように、
直流定電圧源１４がサーミスタ５に直列に接続されてい
て、サーミスタ５の電気抵抗の変化を電圧変化として取
り出すようになっていて、サーミスタ５の出力端は、一
端がアースされている抵抗Ｒ５の他端に接続されている
と共に、オペアンプ１６、抵抗Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９
等で構成される差動増幅回路１７の一方の入力端子に接
続されている。この差動増幅回路１７の他方の端子に
は、直流定電圧源１５が接続されている。

【００１７】次ぎに、このように構成されている上記第
１実施例の超音波アクチユエータの作用を説明する。ま
ず、上記補正用の圧電素子４の作用を先に説明すると、
一般に、圧電素子の電気端子を開放したときのスチフネ
スＣ^Dは短絡したときのスチフネスＣ^Eに対してＣ^E＝
（１ーｋ²）Ｄ^Dの関係がある。ここで、ｋは圧電素子
の電気・機械結合係数を示す。従って上記圧電素子４の
スチフネスが変化すれば、超音波振動子全体のスチフネ
スも変化し、その結果、共振周波数も変化する。また、
開放したときに比較し、短絡すると共振周波数が低下す
ることになる。

【００１８】さらに、端子間のインピーダンスを連続的
に変化させると圧電素子のスチフネスも連続的に変化
し、超音波振動子の共振周波数が連続的に変化する。

【００１９】このように動作する上記圧電素子４を有す
る超音波アクチユエータにおいて、今、振動子１８を機
械的振動の共振周波数（単に、共振周波数と称する）で
励振すると、弾性体の内部摩擦等の原因により発熱し共
振周波数が低下する。温度が上昇し共振周波数が低下す
ると、超音波アクチユエータの最大のアクチユエータの
速度を示す周波数も低下する。

【００２０】上記したように振動子の温度が上昇する
と、サーミスタ５の電気抵抗が低下し、インピーダンス
可変回路１１の入力値が変化する。この電圧変化は、オ
ペアンプを用いてなる上記差動増幅回路１７に供給され
る。差動増幅回路１７では、直流定電圧源１５と、上記
電圧との差が増幅されてインピーダンス制御電圧１２と
して出力される。なお、直流定電圧源１５の電圧は、弾
性体１の温度が上昇する前の定常状態で上記インピーダ
ンス制御電圧１２が零になるように決定されている。

【００２１】インピーダンス可変回路１１では、上記イ
ンピーダンス制御電圧１２に基づいて、ＦＥＴ１３のソ
ース・ドレイン間の電気抵抗を変化させる。そして、ソ
ース・ドレイン間の電気抵抗の変化は、圧電素子４のス
チフネスを変化させ振動子１８の共振周波数を変化させ
る。

【００２２】つまり、この第１実施例では、超音波振動
子の温度をサーミスタ５で検出し、これに基づいて、イ
ンピーダンス制御量決定回路１０でインピーダンスの制
御量に関する情報を形成する。インピーダンス可変回路
１１では、上記インピーダンスの制御量に関する信号に
よってソース・ドレイン間の電気抵抗値を制御する。こ
のソース・ドレイン間の電気抵抗値の変化が圧電素子４
のスチフネス、即ち、前述したように振動子１８全体の
スチフネスの変化となる。これによって、振動子１８の
共振周波数が変化する。

【００２３】従って、振動子１８の共振周波数と、電圧
源８、９の周波数を常に一致させることが可能となり、
共振周波数の温度変化、機械的負荷による変化を打ち消
すように補正することができる。そして、これによっ
て、リニアアクチュエータの機械的出力を安定化するこ
とができる。

【００２４】この第１実施例の変形例としては、インピ
ーダンス変更手段としてのインピーダンス可変回路１１
を連続可変とせずに、オン／オフを行うスイッチ手段と
し、共振周波数を離散的に変化させることも可能であ
る。

【００２５】図５および図６は本発明の第２実施例を示
した図である。この第２実施例が前述の第１実施例と異
なる点は、インピーダンス可変回路１１およびインピー
ダンス制御量決定回路１０を用いないで、サーミスタ５
に換えて白金抵抗体２５を用い、圧電素子４の両端を該
白金抵抗体２５の両端に接続している点で異なってい
る。そして、その他の構成は同一であるので、その重複
する説明は省略する。

【００２６】電気回路の接続は、図６に示されるよう
に、独立して設けられている圧電素子２、３には、それ
ぞれ電圧源８、９が接続されている。また、白金抵抗体
２５は圧電素子４に直列に接続されており、この電気端
子間の抵抗値を変化させる。

【００２７】次いで作用について説明する。

【００２８】振動子１８の温度が変化すると、前記第１
実施例にて説明したように振動子１８の共振周波数が変
化する。これと同時に白金抵抗体２５の抵抗値も変化す
る。即ち、温度が上昇すると、抵抗値が大きくなり、温
度が低下すると抵抗値が小さくなる。従って、白金抵抗
体２５の、温度による抵抗値の変化率が適当なものを選
択し、圧電素子４の電気端子に接続すれば、前記第１実
施例で説明したように、温度変化による振動子１８の共
振周波数の変化が自動的に補正される。

【００２９】この第２実施例によれば、上記第１実施例
の効果に加えて、インピーダンス可変回路１１およびイ
ンピーダンス制御量決定回路１０を用いていないので、
第１実施例に比較して、温度による振動子の共振周波数
の変化を、より簡易な構成で補正できる。

【００３０】図７乃至図１０は、本発明を円環状の超音
波モータのアクチユエータに適用した場合の第３実施例
である。この超音波モータは、図７および図８に示され
るように、ステータに進行波を発生させる方式の超音波
モータで、既に公知となっているものである。即ち、電
気ー機械エネルギ変換素子である圧電素子３０を裏面に
接着した弾性体３１からなるステータ４０と、このステ
ータ４０の上面に、図示しない保持押圧手段で矢印方向
に押圧しながら回転自在に保持されるロータ３２から構
成される。

【００３１】このように構成されている超音波モータに
おける上記圧電素子３０は、図１０に示されているよう
に、Ａ相３３、Ｂ相３４の電極を持ち、これらは＋−交
互に分極処理がなされている。また、ステータ４０に
は、これとは別に、両電極間に振動状態のモニタ用の圧
電素子３５が配設されて構成される。

【００３２】本発明の第３実施例では、図９に示されて
いるように、上記ステータ４０の内周面に複数個、例え
ば（本実施例では６個）の圧電素子４１〜４６が接着さ
れ、これらは図１０のように電気回路に接続されてい
る。即ち、ステータ励振用の圧電素子３３，３４には、
相互に９０度の位相差を有する電圧源７０，７１がそれ
ぞれ接続されている。そして、インピーダンス制御量決
定回路７２に振動状態をモニタするための上記圧電素子
３５が接続されており、該回路７２の出力端は上記圧電
素子４１〜４６とインダクタ５１〜５６を接離するスイ
ッチ回路６１〜６６にそれぞれ接続されている。

【００３３】上記圧電素子４１の一端は、スイッチ６１
を介してインダクタ５１の一端側に接続されており、圧
電素子４１の他端はインダクタ５１の他端に接続されて
いる。そして、圧電素子４２〜４６、インダクタ５２〜
５６、スイッチ６２〜６６の接続状態も同様である。

【００３４】そして、共振周波数補正用の圧電素子４１
〜４６とインダクタ５１〜５６は電気的共振周波数がス
テータの共振周波数と一致するようにそのキャパシタン
ス、インダクタンスが決定されている。また、圧電素子
４１〜４６に発生する電荷をインダクタ５１〜５６に一
時的に蓄え、また放出している。

【００３５】次ぎに作用を説明すると、圧電素子３３，
３４に位相の異なる交番電圧を印加して超音波モータを
駆動させると、弾性体３１の内部摩擦等による発熱と、
ロータ３２の機械的負荷状態により共振周波数が刻々と
変化する。このとき振動状態モニタ用の圧電素子３５で
ステータ４０の振動状態を観測する。共振周波数が駆動
周波数と一致しない場合はこの差を解消するようにスイ
ッチ６１〜６６をオン或いはオフする。

【００３６】前記第１実施例で説明したに示した圧電素
子の動作により、スイッチ６１〜６６がオン即ち、導通
状態になると共振周波数が低下し、スイッチ６１〜６６
がオフ即ち、非導通状態になると共振周波数が上昇す
る。ステータには、その内周に圧電素子４１〜４６が取
り付けられており、これを駆動するための回路が６個あ
るので、６段階に補正をすることができる。

【００３７】この第３実施例によれば、共振周波数補正
用の圧電素子４１〜４６を、６個用いた例を示したが、
これに限定されるものではなく、上記圧電素子を減らせ
ば、調整機構が小型・簡略化され、増せば微妙な調整を
行えるようになる。

【００３８】この第３実施例によれば、ステータの共振
周波数の変動を効率良く打ち消す事ができると共に、振
動により、圧電素子４１〜４６に発生する電荷をインダ
クタ５１〜５６に一時的に蓄え、また放出しているの
で、上記第１実施例、第２実施例のように、インピーダ
ンスで消費させる場合と比較してエネルギの損失を少な
くすることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、機械
的共振周波数と駆動電圧の周波数とを常に一致させるこ
とができ、従って、機械的出力の安定した超音波アクチ
ュエータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波アクチュエータの第１実施例を
示す超音波振動子の斜視図。

【図２】上記第１実施例の超音波振動子の駆動電気回路
図。

【図３】上記図２の駆動電気回路中のインピーダンス可
変回路の具体的な一例を示す回路図。

【図４】上記図２の駆動電気回路中のインピーダンス制
御量決定回路の具体的な一例を示す回路図。

【図５】本発明の超音波アクチュエータの第２実施例を
示す超音波振動子の斜視図。

【図６】しき第２実施例の超音波振動子の駆動電気回路
図。

【図７】円環状の超音波モータの斜視図。

【図８】上記図７の超音波モータのステータに固定され
た励振用の圧電素子を示すステータの背面図。

【図９】円環状の超音波モータに適用された本発明の第
３実施例を示すステータの斜視図。

【図１０】上記第３実施例の超音波振動子の駆動電気回
路図。

【図１１】リニア型の超音波アクチュエータに用いられ
る従来の超音波振動子を示す斜視図。

【図１２】上記図１１の振動子を用いるリニア型の超音
波モータの正面図。

【図１３】上記図１１に示した超音波振動子の作用を示
す斜視図。

【図１４】上記超音波振動子の作用を示す斜視図。

【図１５】共振周波数と振動子温度の関係を示す図。

【図１６】駆動周波数と振動子温度の関係を示す図。

【符号の説明】

１弾性体２、３、４圧電素子（電気ー機械エネルギ変換素子）１０インピーダンス制御量決定回路１１インピーダンス可変回路１８超音波振動子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と、該弾性体に設けられた電気ー
機械エネルギー変換素子とからなる超音波振動子と、この超音波振動子により駆動される被駆動体と、上記超音波振動子に固定され、両端に電極を有する他の
電気ー機械エネルギー変換素子と、上記他の電気ー機械エネルギー変換素子の電極間のイン
ピーダンスを変化させるインピーダンス変更手段と、を具備することを特徴とする超音波アクチュエータ。