JPH0755064B2 - Ultrasonic actuator drive - Google Patents

Ultrasonic actuator drive

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JPH0755064B2
JPH0755064B2 JP63189052A JP18905288A JPH0755064B2 JP H0755064 B2 JPH0755064 B2 JP H0755064B2 JP 63189052 A JP63189052 A JP 63189052A JP 18905288 A JP18905288 A JP 18905288A JP H0755064 B2 JPH0755064 B2 JP H0755064B2
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frequency
phase
voltage
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ultrasonic actuator
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勝 中濱
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は圧電体を用いて駆動力を発生する超音波アクチ
ュエータの駆動装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a driving device for an ultrasonic actuator that uses piezoelectric material to generate a driving force.

従来の技術 近年圧電セラミック等の圧電体を用いた振動体に例えば
数10KHzの駆動周波電圧加えて弾性振動を励振し、この
振動体を伸縮振動又は厚み振動させ、この振動を駆動力
としてロータ等の被駆動体(移動体)を押圧駆動するこ
とにより、移動体を回転又は直線運動させるようにした
超音波アクチュエータが注目されている。
2. Description of the Related Art In recent years, a vibrating body using a piezoelectric body such as a piezoelectric ceramic is excited by elastic vibration by applying a driving frequency voltage of, for example, several tens of KHz, and this vibrating body is subjected to stretching vibration or thickness vibration, and this vibration is used as a driving force for a rotor, etc. Attention is focused on an ultrasonic actuator in which a driven body (moving body) is pressed and driven to rotate or linearly move the moving body.

以下、図面を参照しながら超音波アクチュエータの従来
技術について説明を行う。
Hereinafter, a conventional technique of an ultrasonic actuator will be described with reference to the drawings.

第3図は円環型超音波アクチュエータの斜視図であり、
円環型の弾性体18に円環型圧電体17を貼り合わせて振動
体19を構成している。20は耐摩耗性材料の摩擦材、21は
弾性体であり、互いに貼り合わせられて移動体22を構成
している。移動体22は摩擦材20を介して振動体19と接触
している。圧電体17に電圧を印加すると振動体19の周方
向に曲げ振動が励起され、これが進行波となることによ
り、移動体22を駆動する。なお、同図中の振動体22に
は、機械出力取り出し用の突起体23が設置されている。
FIG. 3 is a perspective view of an annular ultrasonic actuator,
A ring-shaped piezoelectric body 17 is attached to a ring-shaped elastic body 18 to form a vibrating body 19. Reference numeral 20 is a friction material made of a wear-resistant material, and 21 is an elastic body, which are bonded to each other to form a moving body 22. The moving body 22 is in contact with the vibrating body 19 via the friction material 20. When a voltage is applied to the piezoelectric body 17, bending vibration is excited in the circumferential direction of the vibrating body 19 and becomes a traveling wave, which drives the moving body 22. In addition, a protrusion 23 for extracting a mechanical output is installed on the vibrating body 22 in FIG.

第4図は第3図の超音波アクチュエータ5に使用した圧
電体17の電極構造の一例を示している。同図では円周方
向に9個の弾性波がのるように構成されている。同図に
おいて、AおよびBはそれぞれ2分の1波長相当の小領
域から成る電極群で、Cは3/4波長、Dは1/4波長相当の
電極である。電極CおよびDは電極群AとBに位置的に
1/4波長(=90゜)の位相差を作っている。電極AとB
内の隣合う小電極部は圧電体17を分極する際に用いる電
極で、圧電体17の弾性体18との接着面は、第4図に示さ
れた面と反対の面であり、その面の電極は全面平面電極
である。使用時には、電極群AおよびBは第4図の斜線
で示されたように、それぞれ短絡して用いられる。
FIG. 4 shows an example of the electrode structure of the piezoelectric body 17 used in the ultrasonic actuator 5 of FIG. In the figure, nine elastic waves are arranged in the circumferential direction. In the figure, A and B are electrode groups each consisting of a small region corresponding to a half wavelength, C is an electrode corresponding to 3/4 wavelength, and D is an electrode corresponding to 1/4 wavelength. Electrodes C and D are positioned in electrode groups A and B
It creates a phase difference of 1/4 wavelength (= 90 °). Electrodes A and B
Adjacent small electrode portions in the inside are electrodes used when the piezoelectric body 17 is polarized, and the bonding surface of the piezoelectric body 17 with the elastic body 18 is the surface opposite to the surface shown in FIG. The electrode is a plane surface electrode. In use, the electrode groups A and B are short-circuited and used as indicated by the hatched lines in FIG.

以上のように構成された超音波アクチュエータ5の圧電
体17の電極AおよびBに90゜位相の異なる V1=V0・sin(ωt) ……(1) V2=V0・cos(ωt) ……(2) ただし、V0:電圧の瞬時値 ω:角周波数 t:時間 で表される電圧V1およびV2をそれぞれ印加すれば、振動
体19には ξ=ξ0・(cos(ωt)・cos(kX) +sin(ωt)・sin(kX)) =ξ0・cos(ωt−kX) ……(3) ただし、ξ:曲げ振動の振幅値 ξ0:曲げ振動の瞬時値 k:波数(2π/λ) λ:波長 X:位置 で表せる、円周方向の進行する曲げ振動が励起される。
即ち振動体19の表面には進行波が発生することになる。
従ってこの振動体19に移動体22を加圧接触させれば、こ
の移動体22を上記進行波にて移動させることが出来る。
The electrodes A and B of the piezoelectric body 17 of the ultrasonic actuator 5 configured as described above have different 90 ° phases V1 = V0 · sin (ωt) (1) V2 = V0 · cos (ωt). 2) However, if the voltages V1 and V2 expressed by V0: instantaneous value of voltage ω: angular frequency t: time are respectively applied, ξ = ξ0 ・ (cos (ωt) ・ cos (kX) + Sin (ωt) ・ sin (kX)) = ξ0 ・ cos (ωt−kX) (3) where ξ: amplitude value of bending vibration ξ0: instantaneous value of bending vibration k: wave number (2π / λ) λ: Wavelength X: Bending vibration in the circumferential direction, which can be expressed by position, is excited.
That is, a traveling wave is generated on the surface of the vibrating body 19.
Therefore, when the moving body 22 is brought into pressure contact with the vibrating body 19, the moving body 22 can be moved by the traveling wave.

第5図は振動体19の表面のE点が進行波の励起によっ
て、長軸2W、短軸2Uの楕円運動をし、振動体19上に加圧
して設置された移動体22が、楕円の頂点近傍で接触する
ことにより、摩擦力により波の進行方向とは逆方向にv
=ωxUの回転速度で運動する様子を示している。また、
この速度は振動体19と移動体22の間にスベリがあるとき
は、上記のvより小さくなる。同図の矢印Fは、移動体
22の進行方向を示し、矢印Gは、この進行波の進行方向
を示す。上記した移動体22の速度はvは、 v=ω・u=k・ω・ξ0 (k:比例係数) で表せ、曲げ振動の瞬時時ξ0に比例する。
FIG. 5 shows that the point E on the surface of the vibrating body 19 makes an elliptic motion of the long axis 2W and the short axis 2U by the excitation of the traveling wave, and the moving body 22 installed by pressing on the vibrating body 19 has an elliptical shape. By contacting in the vicinity of the apex, frictional force causes v in the direction opposite to the wave traveling direction.
It shows the motion at the rotation speed of = ωxU. Also,
This speed becomes smaller than v when there is slip between the vibrating body 19 and the moving body 22. The arrow F in the figure indicates a moving body.
22 indicates the traveling direction, and arrow G indicates the traveling direction of this traveling wave. The velocity of the moving body 22 described above can be represented by v = ω · u = k · ω · ξ0 (k: proportional coefficient) and is proportional to ξ0 at the moment of bending vibration.

また、第4図の1/4波長相当の電極Dは振動体19の振動
振幅や位相などの振動状態をモニタするためのモニタ電
極として用いることが出来る。
The electrode D corresponding to 1/4 wavelength in FIG. 4 can be used as a monitor electrode for monitoring the vibration state of the vibration body 19 such as the vibration amplitude and phase.

さて上記のように構成された超音波アクチュエータに超
音波周波数の交流電圧の如き周波電圧を印加して振動体
19を励振し、進行波を得て、移動体22を駆動するとき、
その周波数が超音波アクチュエータ5固有の共振周波数
でないと効率的でないが、この共振点近傍で駆動すると
圧電体17特有の跳躍現象やヒステリシス現象などのため
振動体19の振動が急に停止したりまたのその振動振幅が
小さくなって移動体22が急に停止するなど動作が不安定
となり、このため実際この周波数近傍で超音波アクチュ
エータ5を安定に動作させることは難しい。従来この問
題を解決するために、圧電体17がこの周波数領域より高
い周波数で駆動してやれば先の現象は起こらず安定に動
作すること、更にこの共振点は温湿度や負荷等の環境条
件によって絶えず変動することから、駆動周波数を共振
点近傍の不安定領域より常に高めになるように周波数自
動追尾をかけて超音波アクチュエータ5を駆動してい
る。この周波数自動追尾は、圧電体17に印加される周波
電圧と上記したモニタ電極Dから得られる信号との位相
関係を検出することで駆動周波数の状態がわかるので、
その位相関係を所定の値に保つように駆動周波数を制御
することで実現している。
Now, by applying a frequency voltage such as an alternating current voltage of ultrasonic frequency to the ultrasonic actuator configured as described above,
When excite 19 and get a traveling wave to drive the moving body 22,
It is not efficient if the frequency is not the resonance frequency peculiar to the ultrasonic actuator 5, but if it is driven in the vicinity of this resonance point, the vibration of the vibrating body 19 suddenly stops due to the jumping phenomenon or the hysteresis phenomenon peculiar to the piezoelectric body 17, or the like. The vibration amplitude becomes small and the moving body 22 suddenly stops and the operation becomes unstable. Therefore, it is actually difficult to stably operate the ultrasonic actuator 5 near this frequency. Conventionally, in order to solve this problem, if the piezoelectric body 17 is driven at a frequency higher than this frequency range, the above phenomenon does not occur and it operates stably, and this resonance point is constantly changed depending on environmental conditions such as temperature and humidity and load. Since it fluctuates, the ultrasonic actuator 5 is driven by frequency automatic tracking so that the driving frequency is always higher than the unstable region near the resonance point. In this frequency automatic tracking, the state of the drive frequency can be known by detecting the phase relationship between the frequency voltage applied to the piezoelectric body 17 and the signal obtained from the monitor electrode D described above.
This is realized by controlling the drive frequency so that the phase relationship is maintained at a predetermined value.

第6図はこの周波数自動追尾(位相制御)により超音波
アクチュエータ5を駆動する装置のブロック図を示す。
第7図はその動作を説明するための動作波形図である。
第6図において、1は入力される電圧値によって出力周
波数が制御された信号を発生する可変発振器、2は可変
発振器1の出力から90゜位相の異なった2つの信号を発
生させる周知のDフリップフロップと周辺ゲート回路で
構成される90゜移相器、3、4はこの90゜位相の異なっ
た各々信号を超音波アクチュエータ5を駆動するのに十
分な電圧レベルまで増幅し圧電体17の各々の電極に印加
するための電力増幅器、7は圧電体17に印加されるどち
らか一方の電圧を検出しロジックレベルで出力するシュ
ミットコンパレータからなる電圧検出器、8はモニタ電
極Dに発生する信号を検出しロジックレベルで出力する
シュミットコンパレータからなるモニタ信号検出器、9
は電圧検出器7の出力をもとに定電流回路等から周知の
技術で台形波を作成する台形波発生器、13、14はモニタ
信号検出器8の出力から所定の時間遅延した位置にサン
プルパルスを発生させる単安定マルチバイブレータ等で
構成される位相遅延器、15は位相遅延器13、14の出力を
端子16に入力される方向信号によって切り換えるスイッ
チ(SW)、11はサンプルパルスによって台形波の傾斜の
一部をサンプルしホールドするアナログスイッチとホー
ルドコンデンサおよびバッファアンプからなるサンプル
ホールダー、12はこの周波数自動追尾のループの安定を
補償しその出力が可変発振器1の周波数制御端子に加え
られる補償フィルタであり、以上の構成要素で上記した
周波数自動追尾(位相制御)ループが構成されている。
FIG. 6 shows a block diagram of an apparatus for driving the ultrasonic actuator 5 by this frequency automatic tracking (phase control).
FIG. 7 is an operation waveform diagram for explaining the operation.
In FIG. 6, 1 is a variable oscillator for generating a signal whose output frequency is controlled by an input voltage value, and 2 is a well-known D flip-flop for generating two signals having 90 ° different phases from the output of the variable oscillator 1. The 90 ° phase shifters 3, 4 composed of a gate circuit and a peripheral gate circuit amplify the signals having different 90 ° phases to a voltage level sufficient to drive the ultrasonic actuator 5, and each of the piezoelectric bodies 17 respectively. , A voltage detector composed of a Schmitt comparator that detects one of the voltages applied to the piezoelectric body 17 and outputs it at a logic level, and 8 represents a signal generated at the monitor electrode D. Monitor signal detector consisting of Schmitt comparator that detects and outputs at logic level, 9
Is a trapezoidal wave generator that creates a trapezoidal wave from a constant current circuit based on the output of the voltage detector 7 by a well-known technique. 13 and 14 are samples at a position delayed by a predetermined time from the output of the monitor signal detector 8. A phase delay device composed of a monostable multivibrator that generates pulses, 15 is a switch (SW) that switches the output of the phase delay devices 13 and 14 according to the direction signal input to the terminal 16, 11 is a trapezoidal wave based on a sample pulse A sample holder consisting of an analog switch that samples and holds a part of the slope of the signal, a hold capacitor and a buffer amplifier. 12 compensates the stability of this frequency auto-tracking loop and its output is applied to the frequency control terminal of the variable oscillator 1. It is a filter, and the above-described frequency automatic tracking (phase control) loop is configured by the above components.

第7図の動作波形図において、V1は電圧検出器7の出力
信号、V2はモニタ信号検出器8の出力信号、V4は台形波
発生器9の出力信号、V6、V7はそれぞれ位相遅延器13、
14の出力信号である。
In the operation waveform diagram of FIG. 7, V1 is the output signal of the voltage detector 7, V2 is the output signal of the monitor signal detector 8, V4 is the output signal of the trapezoidal wave generator 9, and V6 and V7 are the phase delay devices 13 respectively. ,
14 output signals.

以上のように構成された従来の超音波アクチュエータの
駆動装置において、可変発振器1が動作して周波信号を
90゜移相器2に出力すると、90゜移相器2はその信号を
基に90゜位相の異なった2つの周波信号を作成し、それ
ぞれを電力増幅器3、4に出力する。電力増幅回路3、
4ではこの信号を超音波アクチュエータ5を駆動するの
に必要な電圧レベルまでに高めて圧電体17に印加し、超
音波アクチュエータ5を駆動する。
In the conventional ultrasonic actuator driving apparatus configured as described above, the variable oscillator 1 operates to generate a frequency signal.
When output to the 90 ° phase shifter 2, the 90 ° phase shifter 2 creates two frequency signals having different 90 ° phases based on the signal, and outputs the two frequency signals to the power amplifiers 3 and 4, respectively. Power amplifier circuit 3,
In 4, the signal is increased to a voltage level required to drive the ultrasonic actuator 5 and applied to the piezoelectric body 17 to drive the ultrasonic actuator 5.

超音波アクチュエータ5が駆動されると、電圧検出器7
は電力増幅回路3、4の出力によって圧電体17に印加さ
れる電圧のどちらか一方(第2図では電力増幅器3によ
る電圧である)を検出しロジックレベルに波形整形した
信号V1を台形波発生器9に出力すると、台形波発生器9
は第7図に示すようにV1の立ち上がりエッジを基準にし
て台形波V4を作成しサンプルホールダー11に出力する。
When the ultrasonic actuator 5 is driven, the voltage detector 7
Is a trapezoidal wave generated from the output of the power amplification circuits 3 and 4, which detects one of the voltages applied to the piezoelectric body 17 (which is the voltage from the power amplifier 3 in FIG. 2) and which has the waveform shaped into the logic level. To the trapezoidal wave generator 9
Generates a trapezoidal wave V4 with reference to the rising edge of V1 and outputs it to the sample holder 11 as shown in FIG.

一方モニタ信号検出器8は振動体19の振動状態に応じた
電圧(以下モニタ電圧という)を発生する圧電体17上の
モニタ電極Dの信号を検出しロジックレベルに波形整形
した信号V2を位相遅延器13,14に出力し、位相遅延器1
3、14でV2の立ち上がりエッジからそれぞれ時間TS1、
TS2遅れたサンプルパルスV6、V7をSW15を介してサンプ
ルホールダー11に出力する。
On the other hand, the monitor signal detector 8 detects a signal of the monitor electrode D on the piezoelectric body 17 which generates a voltage (hereinafter referred to as a monitor voltage) according to the vibration state of the vibrating body 19 and phase-delays the signal V2 whose waveform is shaped into a logic level. Phase delay unit 1
3 and 14, time TS1 from the rising edge of V2,
The sample pulses V6 and V7 delayed by TS2 are output to the sample holder 11 via SW15.

SW15の切り換えは、端子16に加えられる移動体22の移動
方向を指令する方向信号によって行われ、移動体22の移
動方向が正方向(ここでは時計方向(CW)とする)のと
きはV6が、逆方向(反時計方向(CCW)のときはV7が選
択される。サンプルホールダー11ではサンプルパルスV6
(V7)によって台形波V4の傾斜の、印加電圧とモニタ電
圧のその時の位相差に応じた位置をサンプルし、その電
圧値を次のサンプルパルスをくるまでホールドして補償
フィルタ12に出力する。
SW15 is switched by a direction signal that is applied to the terminal 16 and commands the moving direction of the moving body 22. When the moving direction of the moving body 22 is the positive direction (here, clockwise (CW)), V6 is , In the opposite direction (counterclockwise (CCW), V7 is selected. With sample holder 11, sample pulse V6
(V7) samples the position of the slope of the trapezoidal wave V4 according to the phase difference between the applied voltage and the monitor voltage at that time, holds the voltage value until the next sample pulse comes, and outputs it to the compensation filter 12.

補償フィルタ12では定常偏差を少なくするための積分補
償、系を安定させるための位相進み遅れ等の補償を行っ
たのち出力信号を可変発振器1の周波数制御端子に加
え、可変発振器1はその入力される信号(電圧)に応じ
た発振周波数の周波信号を出力し、超音波アクチュエー
タ5の駆動周波数を変化させる。
The compensating filter 12 performs integral compensation to reduce steady-state deviation and compensation such as phase lead / lag to stabilize the system, and then adds the output signal to the frequency control terminal of the variable oscillator 1 and the variable oscillator 1 receives the input signal. A frequency signal having an oscillation frequency corresponding to the signal (voltage) is output to change the drive frequency of the ultrasonic actuator 5.

以上のように構成される周波数自動追尾ループではサン
プルパルスV6(V7)と台形波V4の時間関係が、第7図に
示すように台形波V4の傾斜の中心にサンプルパルスV6
(V7)がくるように動作する。即ち、サンプルホールド
された電圧が系(ループ)の中心電圧Vcになるタイミン
グである。このことから位相遅延器13(14)での遅延量
がV1とV2の関係即ち印加電圧とモニタ電圧の位相関係を
決めることになる。従って、超音波アクチュエータ5を
安定な状態(共振近傍よりも高い周波数)で駆動するた
めの印加電圧とモニタ電圧との位相関係になるように位
相遅延器13(14)での遅延量を決めている。第7図では
V1とV2の位相関係をθ1にする遅延量はTs1(同図
(a))で、θ2にする遅延量はTs2である。
In the frequency automatic tracking loop configured as described above, the time relationship between the sample pulse V6 (V7) and the trapezoidal wave V4 is as shown in FIG.
It works like (V7). That is, it is the timing when the sampled and held voltage becomes the center voltage Vc of the system (loop). From this, the amount of delay in the phase delay device 13 (14) determines the relationship between V1 and V2, that is, the phase relationship between the applied voltage and the monitor voltage. Therefore, the delay amount in the phase delay device 13 (14) is determined so that the phase relationship between the applied voltage and the monitor voltage for driving the ultrasonic actuator 5 in a stable state (frequency higher than near resonance) is established. There is. In Figure 7
The delay amount for setting the phase relationship between V1 and V2 to θ1 is Ts1 ((a) in the figure), and the delay amount for setting θ2 is Ts2.

発明が解決しようとする課題 ところで上記のような構成では、以下に示す課題を有し
ている。いま移動体22を正方向(CW)に移動させるべく
進行波を発生させ超音波アクチュエータ5を駆動するこ
とをまず考える。この時超音波アクチュエータ5を共振
点近傍を避け、それより常に高い周波数で安定に効率よ
く駆動するためには、印加電圧とモニタ電圧の位相関係
即ちV1とV2を第7図(a)に示すようにθ1(約45゜近
傍)の位相関係に保つように周波数自動追尾(位相制
御)を行う必要があり、従ってサンプルホールダー11に
入力するサンプルパルスV6はモニタ電圧検出器8の出力
信号V2の立ち上がりエッジから時間Ts1遅延するように
位相遅延器13で調整される必要がある。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention The above-mentioned configuration has the following problems. First, let us first consider generating a traveling wave and driving the ultrasonic actuator 5 in order to move the moving body 22 in the forward direction (CW). At this time, in order to avoid the vicinity of the resonance point and drive the ultrasonic actuator 5 stably and efficiently at a frequency always higher than that, the phase relationship between the applied voltage and the monitor voltage, that is, V1 and V2 is shown in FIG. 7 (a). As described above, it is necessary to perform automatic frequency tracking (phase control) so as to maintain the phase relationship of θ1 (about 45 °). Therefore, the sample pulse V6 input to the sample holder 11 is the output signal V2 of the monitor voltage detector 8. It needs to be adjusted by the phase delay device 13 so as to delay time Ts1 from the rising edge.

次に方向信号V5によって移動体22の移動方向が逆方向に
なるように指令されると、90゜移相器2から正方向時に
出力される2つの信号の90゜の位相の進み遅れの関係を
逆にした信号が出力され、移動体22は逆方向に移動する
わけであるが、この時正方向時と同様、超音波アクチュ
エータ5を安定でかつ効率よく駆動する即ち振動体19を
同じ振動状態に保つには、90゜移相器2の出力信号の位
相関係が逆になったため、V1とV2の位相関係はθ1にす
るのではなく、第7図(b)に示すように更に90゜(π
/2)位相をずらしθ2にする必要がある。従って、この
時SW15で選択されるサンプルパルスV7の遅延量は第7図
(b)に示すように位相遅延器14によってTs2に調整さ
れる必要がある。
Next, when the moving signal of the moving body 22 is instructed by the direction signal V5 to be in the opposite direction, the 90 ° phase lead / lag relationship of the two signals output from the 90 ° phase shifter 2 in the forward direction. Then, the moving body 22 moves in the opposite direction. At this time, as in the forward direction, the ultrasonic actuator 5 is driven stably and efficiently, that is, the vibrating body 19 vibrates in the same direction. In order to maintain the state, the phase relationship of the output signal of the 90 ° phase shifter 2 is reversed, so the phase relationship between V1 and V2 is not set to θ1 but to 90 ° as shown in Fig. 7 (b).゜ (π
/ 2) It is necessary to shift the phase to θ2. Therefore, at this time, the delay amount of the sample pulse V7 selected by SW15 needs to be adjusted to Ts2 by the phase delay device 14 as shown in FIG. 7 (b).

上記したように従来の超音波アクチュエータ5の駆動装
置では移動体22の移動方向によって二つの異なったサン
プルパルスが必要であり、これらの遅延量Ts1,Ts2を別
々に調整しなければならない。しかしながら、TS1、T
S2を同じ値に正確に調整することは実際上難しく、また
仮に正確に調整することが出来ても2つの位相遅延器の
環境に対する変化特性も異なるため遅延量にズレが生じ
てくる。このことから従来の装置では移動体22の移動方
向によって周波数自動追尾(位相制御)ループの動作中
心即ち振動体19の振動状態(動作状態)が異なるため、
このように駆動される超音波アクチュエータ5に更に速
度制御や位置制御を行おうとした場合、正逆両方向で制
御条件が異なるという問題点が設計面の課題として残っ
ており、更には、位相遅延器が二つ要ることや調整箇所
が二つあることは装置のコストや生産性の面からも課題
として残っている。
As described above, the conventional drive device for the ultrasonic actuator 5 needs two different sample pulses depending on the moving direction of the moving body 22, and these delay amounts Ts1 and Ts2 must be adjusted separately. However, TS1, T
It is actually difficult to adjust S2 to the same value in practice, and even if it is possible to adjust it accurately, the two phase delay devices have different change characteristics with respect to the environment, so that a delay amount is deviated. From this, in the conventional device, the operation center of the frequency automatic tracking (phase control) loop, that is, the vibration state (operating state) of the vibrating body 19 differs depending on the moving direction of the moving body 22,
When it is attempted to further control the speed or position of the ultrasonic actuator 5 driven in this way, the problem that the control conditions are different in both the forward and reverse directions remains as a design issue. The fact that there are two requirements and that there are two adjustment points remain issues from the viewpoint of the cost and productivity of the device.

本発明はかかる点に鑑み、位相遅延器や位相遅延量の調
整箇所を減らすと共に、移動体の移動方向が正逆どちら
の方向にかかわらず周波数自動追尾(位相制御)ループ
における動作中心即ち振動体の振動状態が同じになる超
音波アクチュエータの駆動装置を提供することを目的と
する。
In view of such a point, the present invention reduces the number of adjustment points of the phase delay device and the amount of phase delay, and the operation center in the frequency automatic tracking (phase control) loop, that is, the vibration body, regardless of whether the moving direction of the moving body is forward or reverse. It is an object of the present invention to provide a drive device for an ultrasonic actuator in which the same vibration state is obtained.

課題を解決するための手段 本発明は、超音波アクチュエータと、振動体の振動状態
を検出する振動状態検出手段と、前記弾性進行波の進行
方向と周波電圧の位相に関する情報を出力する位相情報
出力手段と、前記振動状態検出手段の出力と前記位相情
報出力手段の出力の位相を比較する手段と、前記位相比
較手段の出力によって前記周波電圧の周波数を可変する
周波数可変手段を有することを特徴とする超音波アクチ
ュエータの駆動装置である。
Means for Solving the Problems The present invention provides an ultrasonic actuator, a vibration state detecting means for detecting a vibration state of a vibrating body, and a phase information output for outputting information on a traveling direction of the elastic traveling wave and a phase of a frequency voltage. Means for comparing the phases of the outputs of the vibration state detecting means and the output of the phase information output means, and frequency changing means for changing the frequency of the frequency voltage by the output of the phase comparing means. The driving device for the ultrasonic actuator.

作 用 本発明は、前記した位相比較手段と周波数可変手段とで
周波数自動追尾(位相制御)ループを構成することによ
り、弾性進行波の進行方向が正方向の時は圧電体に印加
する2つの周波電圧のうち一方の周波電圧(もしくはこ
の周波電圧の位相情報を持つ信号)の位相と上記検出出
力の位相を比較し所定値になるように周波電圧の周波数
を変化させ、前記進行方向が逆方向の時は他方の周波電
圧(もしくはこの周波電圧の位相情報を持つ信号)の位
相と上記検出出力の位相を比較し上記所定値になるよう
周波電圧の周波数を変化するよう動作する。
Operation According to the present invention, by configuring the frequency automatic tracking (phase control) loop by the phase comparison means and the frequency varying means, two types of voltage applied to the piezoelectric body when the traveling direction of the elastic traveling wave is the forward direction are provided. The phase of one of the frequency voltages (or the signal having the phase information of this frequency voltage) is compared with the phase of the detection output, and the frequency of the frequency voltage is changed to reach a predetermined value, and the traveling direction is reversed. In the case of the direction, the phase of the other frequency voltage (or the signal having the phase information of this frequency voltage) is compared with the phase of the above detection output, and the frequency of the frequency voltage is changed so as to become the above predetermined value.

実施例 第1図は本発明の実施例における超音波モータの駆動装
置のブロック図を、第2図はその動作波形図を示すもの
である。同図において、従来例と同一図番を施したもの
は、その動作・機能が同じであるので説明は省略する。
6は電圧検出器7に入力する電力増幅器3、4の出力電
圧Va、Vb(この電圧が超音波アクチュエータ5に印加さ
れる)を方向信号V5によって切り換えるスイッチ(S
W)、10はモニタ信号検出器8の出力から所定の時間遅
延した位置にサンプルパルスを発生させる単安定マルチ
バイブレータ等で構成される位相遅延器である。第2図
においてVaは電力増幅器3の出力電圧、Vbは電圧増幅器
4の出力電圧、V3は位相遅延器10から出力されるサンプ
ルパルスである。
Embodiment FIG. 1 is a block diagram of an ultrasonic motor driving device in an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an operation waveform diagram thereof. In the figure, those given the same drawing numbers as those of the conventional example have the same operation and function, and therefore their explanations are omitted.
Reference numeral 6 denotes a switch (S which switches output voltages Va and Vb of the power amplifiers 3 and 4 (which are applied to the ultrasonic actuator 5) input to the voltage detector 7 by a direction signal V5.
Reference symbols W) and 10 are phase delay devices composed of a monostable multivibrator or the like that generates a sample pulse at a position delayed by a predetermined time from the output of the monitor signal detector 8. In FIG. 2, Va is the output voltage of the power amplifier 3, Vb is the output voltage of the voltage amplifier 4, and V3 is the sample pulse output from the phase delay device 10.

以上のように構成された本実施例の超音波アクチュエー
タの駆動装置について、以下その動作を説明する。可変
発振器1が動作して90゜移相器2および電力増幅器3、
4を通じて周波電圧が超音波アクチュエータ5に印加さ
れると移動体22が駆動される。と同時に移動方向が正方
向の場合はSW6で選択(方向信号V5による)されたVaが
電圧検出器7によって検出され、第2図(a)に示すよ
うに信号V1が出力されると、台形波発生器9がV1の立ち
上がりエッジを基準に台形波V4をサンプルホールダー11
に出力する。
The operation of the ultrasonic actuator driving apparatus of the present embodiment configured as described above will be described below. The variable oscillator 1 operates to operate the 90 ° phase shifter 2 and the power amplifier 3,
When a frequency voltage is applied to the ultrasonic actuator 5 through 4, the moving body 22 is driven. At the same time, if the moving direction is the positive direction, Va selected by SW6 (by the direction signal V5) is detected by the voltage detector 7, and the signal V1 is output as shown in FIG. Wave generator 9 samples trapezoidal wave V4 with reference to rising edge of V1 11
Output to.

また、モニタ電圧がモニタ信号検出器8によって検出さ
れ信号V2が出力されると、位相遅延器10は超音波アクチ
ュエータ5が安定で効率よく駆動される振動状態即ちV1
とV2との位相関係(印加電圧Vaとモニタ電圧の位相関
係)が、第2図(a)示すようにθ1を保つように遅延
量がTs1に調整されたサンプルパルスV3をサンプルホー
ルダー11に出力する。サンプルホールダー11では、従来
と同様に、台形波V4の傾斜をサンプルパルスV3によって
サンプルし、そのホールド電圧を補償フィルタ12を介し
て可変発振器1にフィードパックしている。
Further, when the monitor voltage is detected by the monitor signal detector 8 and the signal V2 is output, the phase delay device 10 causes the ultrasonic actuator 5 to be vibrated in a stable and efficient manner, that is, V1.
The sample pulse V3 whose delay amount is adjusted to Ts1 so that the phase relationship between V2 and V2 (phase relationship between the applied voltage Va and the monitor voltage) maintains θ1 as shown in FIG. 2 (a) is output to the sample holder 11. To do. In the sample holder 11, the slope of the trapezoidal wave V4 is sampled by the sample pulse V3, and the hold voltage is feed-packed to the variable oscillator 1 via the compensation filter 12, as in the conventional case.

次に方向信号V5によって逆方向の指令が出されると90゜
移相器2から正方向時に出力される2つの信号の90゜の
位相の進み遅れの関係を逆にした信号が出力され、その
結果、第2図(b)に示すように超音波アクチュエータ
5には電力増幅器3、4の出力電圧VaとVbの90゜の位相
関係は逆(VbがVaに対して90゜進む)になって印加され
る。と同時に、SW6は切り換わり電圧検出器7には電力
増幅器4の出力Vbが入力されることになり、台形波発生
回路9では台形波V4はこのVbを基準に作成することにな
る。従ってモニタ電圧と位相比較する印加電圧はVbであ
る。
Next, when the reverse direction command is issued by the direction signal V5, the 90 ° phase shifter 2 outputs a signal which is the reverse of the 90 ° phase lead / lag relationship of the two signals output in the forward direction. As a result, as shown in FIG. 2B, the 90 ° phase relationship between the output voltages Va and Vb of the power amplifiers 3 and 4 in the ultrasonic actuator 5 is reversed (Vb advances 90 ° with respect to Va). Applied. At the same time, SW6 is switched, and the output Vb of the power amplifier 4 is input to the voltage detector 7, and the trapezoidal wave V4 is created in the trapezoidal wave generation circuit 9 based on this Vb. Therefore, the applied voltage for phase comparison with the monitor voltage is Vb.

ところで先記したように、正方向と同じ振動状態であれ
ばモニタ電圧と印加電圧Vaの位相関係は正方向時と比べ
更に90゜ずれた状態(VaがV2に対し更に90゜遅れる)と
なるが、Vbが逆にVaに対して90゜進むのでモニタ電圧と
Vbの位相関係は、正方向時のVaの位相関係と同じにな
る。従って本実施例のように逆方向に移動時はモニタ信
号検出器8の出力V2とVb(実際はVbが選択された時のV
2)の位相関係を第2図(b)に示すように正方向と同
じくθ1になるように周波数自動追尾(位相制御)を行
えば、正逆の方向にかかわらず振動体19の振動状態を同
じにすることが出来る。このことから台形波V4をサンプ
ルするサンプルパルスの遅延量は正逆同じTs1でよく、
従って位相遅延器は一つでよいことになる。
By the way, as mentioned earlier, if the vibration is the same as in the positive direction, the phase relationship between the monitor voltage and the applied voltage Va will be 90 ° more than in the positive direction (Va will be delayed by 90 ° with respect to V2). However, since Vb advances 90 ° with respect to Va,
The phase relationship of Vb becomes the same as the phase relationship of Va in the positive direction. Therefore, when moving in the opposite direction as in the present embodiment, the outputs V2 and Vb of the monitor signal detector 8 (actually, Vb when Vb is selected)
If frequency automatic tracking (phase control) is performed so that the phase relationship of 2) is θ1 as in the positive direction as shown in FIG. 2 (b), the vibration state of the vibrating body 19 will be irrespective of the forward and reverse directions. Can be the same. From this, the delay amount of the sample pulse that samples the trapezoidal wave V4 can be the same Ts1
Therefore, only one phase delay device is required.

以上のように本実施例によれば、移動体の移動方向によ
ってモニタ電圧と位相比較する印加電圧の相を切り換え
ることで、従来のようにサンプルパルスの遅延量を各々
の方向に応じて調整する必要がなくなるとともに、各々
の方向とも振動状態が同一となるため、速度制御や位相
制御を行おうとした場合でも、両方向について考慮する
必要が無くなり、設計面での課題も解消することが出来
る。
As described above, according to the present embodiment, the delay amount of the sample pulse is adjusted according to each direction by switching the phase of the applied voltage for phase comparison with the monitor voltage depending on the moving direction of the moving body. Since it is not necessary and the vibration state is the same in each direction, it is not necessary to consider both directions even when trying to perform speed control or phase control, and it is possible to solve the problem in design.

なお、本実施例では印加電圧を直接電圧検出器で検出
し、その出力とモニタ電圧(モニタ信号検出器の出力)
と位相比較する構成としたが、印加電圧の位相情報を有
する90゜移相器の出力とモニタ電圧の位相を比較する構
成にしても問題はない。
In this embodiment, the applied voltage is directly detected by the voltage detector, and its output and monitor voltage (output of the monitor signal detector)
However, there is no problem even if it is configured to compare the output of the 90 ° phase shifter having the phase information of the applied voltage and the phase of the monitor voltage.

発明の効果 以上のように、本発明によれば、位相遅延器や位相遅延
量の調整箇所を減らすと共に、移動体の移動方向が正逆
どちらの方向にかかわらず周波数自動追尾(位相制御)
ループにおける動作中心即ち振動体の振動状態が同じに
なる超音波アクチュエータの駆動装置を提供することが
でき、その実用的効果は大きい。
EFFECTS OF THE INVENTION As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the number of parts for adjusting the phase delay device and the amount of phase delay, and to perform the frequency automatic tracking (phase control) regardless of whether the moving direction of the moving body is forward or reverse.
It is possible to provide a driving device for an ultrasonic actuator in which the center of motion in the loop, that is, the vibration state of the vibrating body is the same, and its practical effect is great.

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

第1図は本発明の一実施例の超音波アクチュエータの駆
動装置のブロック図、第2図は同実施例の動作波形図、
第3図は超音波アクチュエータの切り欠き斜視図、第4
図は第3図に示す超音波アクチュエータに用いた圧電体
の形状と電極構造を示す平面図、第5図は超音波アクチ
ュエータの動作原理の説明図、第6図は従来例における
超音波アクチュエータの駆動装置のブロック図、第7図
は同従来例の動作波形図である。 1……可変発振器、2……90゜移相器、3、4……電力
増幅器、5……超音波アクチュエータ、6……スイッ
チ、7……電圧検出器、8……モニタ信号検出器、9…
…台形波発生器、10……位相遅延器、11……サンプルホ
ールダー、12……補償フィルタ、22……移動体。
FIG. 1 is a block diagram of an ultrasonic actuator driving device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an operation waveform diagram of the same embodiment.
FIG. 3 is a cutaway perspective view of an ultrasonic actuator, FIG.
FIG. 5 is a plan view showing the shape and electrode structure of the piezoelectric body used in the ultrasonic actuator shown in FIG. 3, FIG. 5 is an explanatory view of the operating principle of the ultrasonic actuator, and FIG. 6 is a conventional ultrasonic actuator. FIG. 7 is a block diagram of the driving device, and FIG. 7 is an operation waveform diagram of the conventional example. 1 ... Variable oscillator, 2 ... 90 ° phase shifter, 3,4 ... Power amplifier, 5 ... Ultrasonic actuator, 6 ... Switch, 7 ... Voltage detector, 8 ... Monitor signal detector, 9 ...
... trapezoidal wave generator, 10 ... phase delay device, 11 ... sample holder, 12 ... compensation filter, 22 ... moving body.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】圧電体に周波数は同一で位相の異なる2つ
の周波電圧を印加し、前記圧電体と弾性体とから構成さ
れる振動体に弾性進行波を励振することにより前記振動
体上に接触して設置された移動体を移動させる超音波ア
クチュエータと、前記振動体の振動状態を検出する振動
状態検出手段と、前記弾性進行波の進行方向が正方向の
時は前記2つの周波電圧のうち一方の周波電圧と前記振
動状態検出手段の出力の時間的位相を、また前記進行方
向が逆方向の時は他方の周波電圧と前記振動状態検出手
段の出力の時間的位相を比較しその比較信号を出力する
位相比較手段と、前記位相比較手段の出力によって前記
周波電圧の周波数を可変する周波数可変手段とを有した
ことを特徴とする超音波アクチュエータの駆動装置。
1. A piezoelectric body is applied with two frequency voltages having the same frequency but different phases to excite an elastic traveling wave on a vibrating body composed of the piezoelectric body and an elastic body. An ultrasonic actuator that moves a moving body that is in contact with the moving body, a vibration state detecting unit that detects a vibration state of the vibrating body, and a two-frequency voltage of the two frequency voltages when the traveling direction of the elastic traveling wave is a forward direction. One of the frequency voltages and the temporal phase of the output of the vibration state detecting means are compared, and when the traveling direction is the opposite direction, the other frequency voltage is compared with the temporal phase of the output of the vibration state detecting means and the comparison is made. An ultrasonic actuator drive device comprising: a phase comparison unit that outputs a signal; and a frequency changing unit that changes the frequency of the frequency voltage according to the output of the phase comparison unit.
【請求項2】分極処理された圧電体上の1つの電極から
得られる出力によって、振動体の振動状態を検出するこ
とを特徴とした請求項1に記載の超音波アクチュエータ
の駆動装置。
2. The ultrasonic actuator drive apparatus according to claim 1, wherein the vibration state of the vibrating body is detected by an output obtained from one electrode on the polarized piezoelectric body.
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