JPH078909A - 超音波振動子の駆動装置 - Google Patents
超音波振動子の駆動装置Info
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- JPH078909A JPH078909A JP5156927A JP15692793A JPH078909A JP H078909 A JPH078909 A JP H078909A JP 5156927 A JP5156927 A JP 5156927A JP 15692793 A JP15692793 A JP 15692793A JP H078909 A JPH078909 A JP H078909A
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- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
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Landscapes
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、常に駆動周波数が機械的共振周波
数の近傍にある超音波振動子の駆動装置を提供するにあ
る。 【構成】 パルサ10からの信号が振動子5に圧電素子
8を介して供給されると、音波に変換され、振動子に上
記圧電素子8に対向して設けられている圧電素子9で再
び信号に変換される。この間の時間が音波伝播時間とし
て計測され、この音波伝播時間に基づいて、振動子を駆
動する駆動信号の周波数が決定され、これによって振動
子の共振周波数変動を自動的に追尾する。
数の近傍にある超音波振動子の駆動装置を提供するにあ
る。 【構成】 パルサ10からの信号が振動子5に圧電素子
8を介して供給されると、音波に変換され、振動子に上
記圧電素子8に対向して設けられている圧電素子9で再
び信号に変換される。この間の時間が音波伝播時間とし
て計測され、この音波伝播時間に基づいて、振動子を駆
動する駆動信号の周波数が決定され、これによって振動
子の共振周波数変動を自動的に追尾する。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、超音波振動子の駆動
装置、詳しくは弾性体と、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り、上記電気ー機械エ
ネルギー変換素子に駆動信号が印加されることにより超
音波振動を発生させる超音波振動子の駆動装置に関する
ものである。
装置、詳しくは弾性体と、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り、上記電気ー機械エ
ネルギー変換素子に駆動信号が印加されることにより超
音波振動を発生させる超音波振動子の駆動装置に関する
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ー変換
素子を駆動源とする超音波アクチュエータや超音波モー
タは既に周知であり、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
させて、これらの振動を合成し超音波楕円振動を起こす
超音波振動子(超音波振動子をこの明細書中では、単に
振動子と称する)と、この振動子の一部に押圧され、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。
素子を駆動源とする超音波アクチュエータや超音波モー
タは既に周知であり、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
させて、これらの振動を合成し超音波楕円振動を起こす
超音波振動子(超音波振動子をこの明細書中では、単に
振動子と称する)と、この振動子の一部に押圧され、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14に示すように、弾性体100
に二つの積層圧電素子101,102を保持部材10
3,104,105により固定し、また、弾性体100
の下面の両端部に摺動部材106,107を接着により
固定して振動子を構成している。
に二つの積層圧電素子101,102を保持部材10
3,104,105により固定し、また、弾性体100
の下面の両端部に摺動部材106,107を接着により
固定して振動子を構成している。
【0004】この振動子を図15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1
06、107が摩擦接触するように押圧されてリニアモ
ータが構成されている。
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1
06、107が摩擦接触するように押圧されてリニアモ
ータが構成されている。
【0005】この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1
6に示す縦共振振動と、図17に示す屈曲共振振動が同
時に発生する。2つの積層圧電素子101,102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。この楕円振動部に固定した摺動部材106,10
7、摺動板115の間に駆動力が発生する。
圧電素子101,102に交番電圧を印加すると、図1
6に示す縦共振振動と、図17に示す屈曲共振振動が同
時に発生する。2つの積層圧電素子101,102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。この楕円振動部に固定した摺動部材106,10
7、摺動板115の間に駆動力が発生する。
【0006】このリニアモータの駆動方法は次ぎの通り
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
度と−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。
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
度と−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。
【0007】
【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、その振動子の、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18のグラフに示すように振
動子の共振周波数が変化し、これにより、図19のグラ
フに示すように、アクチュエータの速度最大となる駆動
周波数が変化し、アクチュエータの速度ムラが発生する
という問題点がある。
モータは、その振動子の、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18のグラフに示すように振
動子の共振周波数が変化し、これにより、図19のグラ
フに示すように、アクチュエータの速度最大となる駆動
周波数が変化し、アクチュエータの速度ムラが発生する
という問題点がある。
【0008】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。
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。
【0009】本発明の目的は、このような振動子の駆動
装置の欠点を除去し、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
周波数が機械的共振周波数の近傍にある超音波振動子の
駆動装置を提供するにある。
装置の欠点を除去し、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
周波数が機械的共振周波数の近傍にある超音波振動子の
駆動装置を提供するにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、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
らなり、上記電気ー機械エネルギー変換素子に駆動信号
が印加されることにより超音波振動を発生させる超音波
振動子の駆動装置において、上記超音波振動子の音波伝
播時間を計測する計測手段と、この計測手段の出力によ
り上記駆動信号の周波数を決定する周波数決定手段とを
具備することを特徴としている。
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
らなり、上記電気ー機械エネルギー変換素子に駆動信号
が印加されることにより超音波振動を発生させる超音波
振動子の駆動装置において、上記超音波振動子の音波伝
播時間を計測する計測手段と、この計測手段の出力によ
り上記駆動信号の周波数を決定する周波数決定手段とを
具備することを特徴としている。
【0011】
【作用】振動子における音波伝播時間が計測される。こ
の音波伝播時間に基づいて、電気ー機械エネルギ変換素
子の駆動信号の周波数が決定され、この決定された周波
数の交番電圧を発振する発振器により振動子に印加す
る。電気ー機械エネルギ変換素子の共振周波数が変化し
ても駆動周波数は常に追従される。
の音波伝播時間に基づいて、電気ー機械エネルギ変換素
子の駆動信号の周波数が決定され、この決定された周波
数の交番電圧を発振する発振器により振動子に印加す
る。電気ー機械エネルギ変換素子の共振周波数が変化し
ても駆動周波数は常に追従される。
【0012】
【実施例】以下、図1乃至図5を参照して本発明の第1
実施例を説明する。図1に示すように、発振器1の一方
の出力は、他方の出力に対し±90度の位相差をもたせ
る移相器2と電力増幅器4を介して圧電素子7に供給さ
れる。発振器1の他方の出力は電力増幅器3を介して圧
電素子6に供給される。圧電素子6,7およびこれを有
する振動子5からなる超音波アクチュエータに関して
は、従来技術で説明したものと同様な構成であり公知で
あるので重複した説明を省略する。
実施例を説明する。図1に示すように、発振器1の一方
の出力は、他方の出力に対し±90度の位相差をもたせ
る移相器2と電力増幅器4を介して圧電素子7に供給さ
れる。発振器1の他方の出力は電力増幅器3を介して圧
電素子6に供給される。圧電素子6,7およびこれを有
する振動子5からなる超音波アクチュエータに関して
は、従来技術で説明したものと同様な構成であり公知で
あるので重複した説明を省略する。
【0013】上記振動子5の一側面には圧電素子8が接
着されており、パルサ10から出力された高周波パルス
が上記圧電素子8に供給される。このパルサ10には図
示しないトリガ信号形成手段からトリガ信号TRGが供
給されている。また、このトリガ信号TRGは後述する
フリップフロップ15のS端子にも供給される。
着されており、パルサ10から出力された高周波パルス
が上記圧電素子8に供給される。このパルサ10には図
示しないトリガ信号形成手段からトリガ信号TRGが供
給されている。また、このトリガ信号TRGは後述する
フリップフロップ15のS端子にも供給される。
【0014】上記パルサ10は、図4に示す回路図のよ
うに構成されている。即ち、入力端子IN間にはダイオ
ードD1が接続されていて、入力端子INの一方はサイ
リスタS1のゲート端子に接続され、入力端子INの他
方はアースされている。
うに構成されている。即ち、入力端子IN間にはダイオ
ードD1が接続されていて、入力端子INの一方はサイ
リスタS1のゲート端子に接続され、入力端子INの他
方はアースされている。
【0015】サイリスタS1のアノード側は抵抗R1を
介して電源Vccに接続されており、いる。また、サイ
リスタS1のアノード側にはキャパシタC1の一端が接
続されている。キャパシタC1の他端とアース間にはイ
ンダクタンスL1、抵抗R2が並列に接続され、出力端
子Outに接続されている。
介して電源Vccに接続されており、いる。また、サイ
リスタS1のアノード側にはキャパシタC1の一端が接
続されている。キャパシタC1の他端とアース間にはイ
ンダクタンスL1、抵抗R2が並列に接続され、出力端
子Outに接続されている。
【0016】図1に戻って、振動子5の他側面にも圧電
素子9が接着されており、この圧電素子9の出力電圧は
アースと圧電素子9の間に接続されてなるインダクタン
ス11を介してコンパレータ12の+側端子に供給され
る。コンパレータ12の−側端子には、直流定電圧源1
3が接続されている。この直流定電圧源13はコンパレ
ータ12におけるLow/Highの論理信号を形成す
るためのしきい値VTHを設定するためのものである。コ
ンパレータ12の出力はORゲート14の一方の入力端
子に供給され、ORゲート14の他方の入力端子にはリ
セット信号RSTが供給される。
素子9が接着されており、この圧電素子9の出力電圧は
アースと圧電素子9の間に接続されてなるインダクタン
ス11を介してコンパレータ12の+側端子に供給され
る。コンパレータ12の−側端子には、直流定電圧源1
3が接続されている。この直流定電圧源13はコンパレ
ータ12におけるLow/Highの論理信号を形成す
るためのしきい値VTHを設定するためのものである。コ
ンパレータ12の出力はORゲート14の一方の入力端
子に供給され、ORゲート14の他方の入力端子にはリ
セット信号RSTが供給される。
【0017】また、上記インダクタンス11と圧電素子
9とは、図5に示すように、バンドパスフィルタを構成
している。即ち、機械振動は定電圧源35、圧電素子9
は、この機械振動を電気信号に変換するトランス36と
内部損失である抵抗37および圧電素子の構造に由来す
るキャパシタ38に等価的に表現される。そこで、圧電
素子9のキャパシタ38に並列にインダクタンス11を
接続すれば、この並列共振周波数のみが通過するバンド
パスフィルタとなる。
9とは、図5に示すように、バンドパスフィルタを構成
している。即ち、機械振動は定電圧源35、圧電素子9
は、この機械振動を電気信号に変換するトランス36と
内部損失である抵抗37および圧電素子の構造に由来す
るキャパシタ38に等価的に表現される。そこで、圧電
素子9のキャパシタ38に並列にインダクタンス11を
接続すれば、この並列共振周波数のみが通過するバンド
パスフィルタとなる。
【0018】再び、図1にもどってORゲート14の出
力端はフリップフロップ15のR端子に接続されてい
る。このORゲート14では、コンパレータ12の出力
とリセット信号RSTとの間で論理和がとられ、その結
果がフリップフロップ15のR端子に接続されている。
力端はフリップフロップ15のR端子に接続されてい
る。このORゲート14では、コンパレータ12の出力
とリセット信号RSTとの間で論理和がとられ、その結
果がフリップフロップ15のR端子に接続されている。
【0019】ANDゲート16の他方の入力端子には、
図示しないクロック信号形成手段からクロック信号CL
Kが供給される。このANDゲート16ではフリップフ
ロップ15の出力とクロック信号CLKとの間で論理積
が、とられその結果がカウンタ17に供給される。
図示しないクロック信号形成手段からクロック信号CL
Kが供給される。このANDゲート16ではフリップフ
ロップ15の出力とクロック信号CLKとの間で論理積
が、とられその結果がカウンタ17に供給される。
【0020】カウンタ17では、ANDゲート16の出
力パルスの計数がなされる。この計数値はROM18に
アドレスとして供給される。また、この計数値はリセッ
ト信号RSTによってリセットされる。
力パルスの計数がなされる。この計数値はROM18に
アドレスとして供給される。また、この計数値はリセッ
ト信号RSTによってリセットされる。
【0021】ROM18から読み出されたデータは図示
しない手段により発生するラッチ信号LTでラッチ19
にラッチされた後、発振器1に供給される。なお、リセ
ット信号RST、トリガ信号TRG、ラッチ信号LT、
クロック信号CLK等のタイミングは、図2のタイミン
グチャートに示されているような順序で生じている。
しない手段により発生するラッチ信号LTでラッチ19
にラッチされた後、発振器1に供給される。なお、リセ
ット信号RST、トリガ信号TRG、ラッチ信号LT、
クロック信号CLK等のタイミングは、図2のタイミン
グチャートに示されているような順序で生じている。
【0022】次いで、作用について説明する。まず、フ
リップフロップ15、カウンタ17は、図示しない制御
手段からリセット信号RSTが供給されることによりリ
セットされる。
リップフロップ15、カウンタ17は、図示しない制御
手段からリセット信号RSTが供給されることによりリ
セットされる。
【0023】次いで、図2(図3(A))に示されるト
リガ信号TRGがパルサ10、フリップフロップ15に
供給される。トリガ信号TRGがパルサ10に供給され
るとこのパルサ10がトリガされる。トリガ信号TRG
がフリップフロップ15に供給されるとフリップフロッ
プ15の出力Qがハイレベルとなるためにクロック信号
CLKがANDゲート16を通過する。そして、カウン
タ17ではクロック信号CLKの計数が開始される。
リガ信号TRGがパルサ10、フリップフロップ15に
供給される。トリガ信号TRGがパルサ10に供給され
るとこのパルサ10がトリガされる。トリガ信号TRG
がフリップフロップ15に供給されるとフリップフロッ
プ15の出力Qがハイレベルとなるためにクロック信号
CLKがANDゲート16を通過する。そして、カウン
タ17ではクロック信号CLKの計数が開始される。
【0024】トリガ信号TRGが図4に示されるパルサ
10の入力端子INに供給されると、出力端子OUTか
らは、図3(B)に示されるような高周波パルスが出力
され、図1に示す圧電素子8に供給される。
10の入力端子INに供給されると、出力端子OUTか
らは、図3(B)に示されるような高周波パルスが出力
され、図1に示す圧電素子8に供給される。
【0025】高周波パルスは圧電素子8で音波に変換さ
れ、この状態で振動子5を伝播し他側の圧電素子9にて
再び電気信号に変換される。
れ、この状態で振動子5を伝播し他側の圧電素子9にて
再び電気信号に変換される。
【0026】圧電素子9に接続されたインダクタ11
は、前述した通り圧電素子9と共に、バンドパスフィル
タを構成しており、発振器1による振動子5の駆動周波
電圧と、パルサ10および圧電素子8により発生する音
波伝播時間計測用周波信号(以下、音波計測信号と称す
る)を分別し、上記音波計測信号を抽出する。
は、前述した通り圧電素子9と共に、バンドパスフィル
タを構成しており、発振器1による振動子5の駆動周波
電圧と、パルサ10および圧電素子8により発生する音
波伝播時間計測用周波信号(以下、音波計測信号と称す
る)を分別し、上記音波計測信号を抽出する。
【0027】バンドパスフィルタを通過した信号の波形
は、図3(C)のようになり、コンパレータ12および
定電圧源13によるしきい値VTHにより、図3(D)に
示す論理信号に変換される。そして図1に示すコンパレ
ータ12の出力がハイレベルになるとフリップフロップ
15がリセットされ、カウンタ17はクロック信号CL
Kの計数を停止する。以上により、回路系の遅延を含む
振動子5の音波伝播時間が計測される。
は、図3(C)のようになり、コンパレータ12および
定電圧源13によるしきい値VTHにより、図3(D)に
示す論理信号に変換される。そして図1に示すコンパレ
ータ12の出力がハイレベルになるとフリップフロップ
15がリセットされ、カウンタ17はクロック信号CL
Kの計数を停止する。以上により、回路系の遅延を含む
振動子5の音波伝播時間が計測される。
【0028】ROM18にはカウンタ17の計測値と等
しいアドレスに、計測時間から計算された振動子5の共
振周波数と等しい発振周波数の信号を発振器1に発振さ
せるための指示値が記録されている。そして、カウンタ
17の計測値をアドレスとしたこのデータがラッチ19
に入力され、十分な時間を経過したのち、ラッチ信号L
Tによりラッチされ発振器1の発振周波数が決定され
る。
しいアドレスに、計測時間から計算された振動子5の共
振周波数と等しい発振周波数の信号を発振器1に発振さ
せるための指示値が記録されている。そして、カウンタ
17の計測値をアドレスとしたこのデータがラッチ19
に入力され、十分な時間を経過したのち、ラッチ信号L
Tによりラッチされ発振器1の発振周波数が決定され
る。
【0029】以上の動作を周期的に実行することによ
り、絶えず発振器1の発振周波数が更新され、常に振動
子5の共振周波数で超音波アクチュエータが駆動され
る。
り、絶えず発振器1の発振周波数が更新され、常に振動
子5の共振周波数で超音波アクチュエータが駆動され
る。
【0030】次に、音波伝播時間により振動子5の共振
周波数が決定できることを実験結果から示す。図6は2
0℃を基準として振動子5の温度により振動伝播時間が
どれだけ変化するかを測定したグラフであり、図7は駆
動用圧電素子6、7の電気端子を並列接続したときの電
気的アドミッタンスより、求めた共振周波数の温度変化
を測定したグラフである。そして、図8は、上記2つの
測定結果より、横軸を共振周波数、縦軸を音波伝播時間
として、その際の変動をプロットしたものである。この
グラフから明らかなように共振周波数と音波伝播時間は
相関があり、音波伝播時間により共振周波数を求めるこ
とができる。なお、図6乃至図8と前述した従来例の図
18、図19のグラフとは別個体の測定値であり、デー
タは一致しない。
周波数が決定できることを実験結果から示す。図6は2
0℃を基準として振動子5の温度により振動伝播時間が
どれだけ変化するかを測定したグラフであり、図7は駆
動用圧電素子6、7の電気端子を並列接続したときの電
気的アドミッタンスより、求めた共振周波数の温度変化
を測定したグラフである。そして、図8は、上記2つの
測定結果より、横軸を共振周波数、縦軸を音波伝播時間
として、その際の変動をプロットしたものである。この
グラフから明らかなように共振周波数と音波伝播時間は
相関があり、音波伝播時間により共振周波数を求めるこ
とができる。なお、図6乃至図8と前述した従来例の図
18、図19のグラフとは別個体の測定値であり、デー
タは一致しない。
【0031】また、上記第1実施例では、図9に示され
るように振動子5の両端間の音波伝播時間を、振動子5
の両側面に接着された圧電素子8、9により計測してい
るが、変形例として図10に示されるように振動子5中
を往復する音波の伝播時間を、振動子5の一側面に接着
した圧電素子33を送受信兼用素子としても計測可能で
ある。
るように振動子5の両端間の音波伝播時間を、振動子5
の両側面に接着された圧電素子8、9により計測してい
るが、変形例として図10に示されるように振動子5中
を往復する音波の伝播時間を、振動子5の一側面に接着
した圧電素子33を送受信兼用素子としても計測可能で
ある。
【0032】この第1実施例によれば、リセット信号R
STが加えられたときから、リセット信号RSTが再度
加えられフリップフロップ15がリセットされカウンタ
17がクロック信号CLKの計数を停止するまでの時間
を用いているので、振動子5の共振周波数の変動を自動
的に追尾でき、これによって超音波アクチュエータを最
適かつ安定的に駆動できる。
STが加えられたときから、リセット信号RSTが再度
加えられフリップフロップ15がリセットされカウンタ
17がクロック信号CLKの計数を停止するまでの時間
を用いているので、振動子5の共振周波数の変動を自動
的に追尾でき、これによって超音波アクチュエータを最
適かつ安定的に駆動できる。
【0033】図11(A),(B)は本発明の第2実施
例である。図11(A)は駆動用の積層された圧電素子
42、43を有する振動子41を示したもので、この振
動子41の駆動回路を図11(B)に示す。
例である。図11(A)は駆動用の積層された圧電素子
42、43を有する振動子41を示したもので、この振
動子41の駆動回路を図11(B)に示す。
【0034】図11(B)に示すように、交番電圧を発
生させる発振器44の出力が移相器45、電力増幅器4
6にそれぞれ供給される。移相器2は発振器1の出力に
対して位相を±90度ずらされた出力を電力増幅器47
にしている。
生させる発振器44の出力が移相器45、電力増幅器4
6にそれぞれ供給される。移相器2は発振器1の出力に
対して位相を±90度ずらされた出力を電力増幅器47
にしている。
【0035】電力増幅器46、47の各出力は、それぞ
れがインダクタンス48、49、DC遮断用のコンデン
サ50、52を通り、上記圧電素子42、43の各一端
側に供給される。圧電素子42、43の各他端側は、D
C遮断用のコンデンサ51、53を通りアースされてい
る。
れがインダクタンス48、49、DC遮断用のコンデン
サ50、52を通り、上記圧電素子42、43の各一端
側に供給される。圧電素子42、43の各他端側は、D
C遮断用のコンデンサ51、53を通りアースされてい
る。
【0036】一方、圧電素子に+30V程度のオフセッ
ト電圧を印加するためにDC電圧源56がインダクタン
ス54、55で交流的に絶縁されて圧電素子42、43
に供給される用になっており、この場合、圧電素子43
側には、DC電圧源56を通常のように圧電素子43に
供給するか、或いは圧電素子43を短絡するかを切り換
える高速切換スイッチ57が設けられている。
ト電圧を印加するためにDC電圧源56がインダクタン
ス54、55で交流的に絶縁されて圧電素子42、43
に供給される用になっており、この場合、圧電素子43
側には、DC電圧源56を通常のように圧電素子43に
供給するか、或いは圧電素子43を短絡するかを切り換
える高速切換スイッチ57が設けられている。
【0037】そしてインダクタ48とコンデンサ50の
間から取り出された信号は、フィルタ58にて所望帯域
の信号成分とされ、これが波形整形器59に供給され
る。波形整形器59では、所望帯域の信号成分が論理信
号に変換され、該信号は時間計測のためのタイムカウン
タ60のストップ端子に供給される。このタイムカウン
タ60のスタート端子からの信号は、上記高速切換スイ
ッチ57を切り換えるための信号としてCPU61から
出力される信号と共に、上記スイッチ57の制御端子に
供給される。またタイムカウンタ60により計時された
測定時間はCPU61に入力され、CPU61の出力は
発振器44の周波数設定端子に供給される。 このよう
に構成された第2実施例の駆動回路は、次のように動作
する。通常、DC電圧源56に接続されている上記高速
切換スイッチ57をCPU61の制御により、極めて短
時間だけ、圧電素子43を短絡する側に切り換える。即
ち、DC電圧源56の+電極→インダクタ55→スイッ
チ57→DC電圧源56の−電極のループを形成するよ
うに、スイッチ57の接続状態を制御する。すると、圧
電素子43は急速に変形し音波を発生する。これと同時
にタイムカウンタ60の時間計測が開始される。
間から取り出された信号は、フィルタ58にて所望帯域
の信号成分とされ、これが波形整形器59に供給され
る。波形整形器59では、所望帯域の信号成分が論理信
号に変換され、該信号は時間計測のためのタイムカウン
タ60のストップ端子に供給される。このタイムカウン
タ60のスタート端子からの信号は、上記高速切換スイ
ッチ57を切り換えるための信号としてCPU61から
出力される信号と共に、上記スイッチ57の制御端子に
供給される。またタイムカウンタ60により計時された
測定時間はCPU61に入力され、CPU61の出力は
発振器44の周波数設定端子に供給される。 このよう
に構成された第2実施例の駆動回路は、次のように動作
する。通常、DC電圧源56に接続されている上記高速
切換スイッチ57をCPU61の制御により、極めて短
時間だけ、圧電素子43を短絡する側に切り換える。即
ち、DC電圧源56の+電極→インダクタ55→スイッ
チ57→DC電圧源56の−電極のループを形成するよ
うに、スイッチ57の接続状態を制御する。すると、圧
電素子43は急速に変形し音波を発生する。これと同時
にタイムカウンタ60の時間計測が開始される。
【0038】この一方の圧電素子43で発生した音波
は、振動子41中を伝播し、他方の圧電素子42に到達
し電気信号に変換される。この電気信号は、インダクタ
ンス48により電力増幅器46への伝達は阻止されてフ
イルタ58に供給される。このフィルタ58で、電力増
幅器46からの駆動用信号と分別される。フィルタ58
を通過した後、波形整形器59で波形整形されて論理信
号に変換される。この論理信号によりタイムカウンタ6
0の計時動作が停止されて、計測された時間値はCPU
61に供給される。CPU61では、時間値から所定の
演算を行い超音波アクチュエータの駆動周波数を決定
し、発振器44の周波数を変更する。音波伝播時間によ
り振動子41の共振周波数が決定できることは第1実施
例と同様である。
は、振動子41中を伝播し、他方の圧電素子42に到達
し電気信号に変換される。この電気信号は、インダクタ
ンス48により電力増幅器46への伝達は阻止されてフ
イルタ58に供給される。このフィルタ58で、電力増
幅器46からの駆動用信号と分別される。フィルタ58
を通過した後、波形整形器59で波形整形されて論理信
号に変換される。この論理信号によりタイムカウンタ6
0の計時動作が停止されて、計測された時間値はCPU
61に供給される。CPU61では、時間値から所定の
演算を行い超音波アクチュエータの駆動周波数を決定
し、発振器44の周波数を変更する。音波伝播時間によ
り振動子41の共振周波数が決定できることは第1実施
例と同様である。
【0039】この第2実施例によれば、第1実施例と同
様振動子の共振周波数変動を自動的に追尾でき、超音波
アクチュエータの駆動周波数を振動子の共振周波数と一
致させることができることはいうまでもないが、この第
2実施例の特徴は、振動子励振用の圧電素子42、43
を音波伝播時間計測用の送受波素子として兼用してい
る。従って、振動子5に特別な変更を施すこと無く駆動
装置と振動子を接続する電線数を少なくする事ができ
る。
様振動子の共振周波数変動を自動的に追尾でき、超音波
アクチュエータの駆動周波数を振動子の共振周波数と一
致させることができることはいうまでもないが、この第
2実施例の特徴は、振動子励振用の圧電素子42、43
を音波伝播時間計測用の送受波素子として兼用してい
る。従って、振動子5に特別な変更を施すこと無く駆動
装置と振動子を接続する電線数を少なくする事ができ
る。
【0040】図12および図13は、本発明を円環上の
超音波モータに適用した場合の本発明の第3実施例であ
る。円環状の超音波モータは、現在最も良く知られてい
る超音波モータで公知である。その構造を図12を用い
て説明すると、この超音波モータは、円環状のステータ
81に接着された圧電素子82に位相差が90度の2相
の交番電圧を印加することにより、図示しない保持押圧
機構により矢印方向に押圧されると共に回転自在に保持
されたロータ83を回転させるものである。
超音波モータに適用した場合の本発明の第3実施例であ
る。円環状の超音波モータは、現在最も良く知られてい
る超音波モータで公知である。その構造を図12を用い
て説明すると、この超音波モータは、円環状のステータ
81に接着された圧電素子82に位相差が90度の2相
の交番電圧を印加することにより、図示しない保持押圧
機構により矢印方向に押圧されると共に回転自在に保持
されたロータ83を回転させるものである。
【0041】この種の超音波モータには、図13に示す
ように、ステータ81に進行波を発生させるために、そ
の裏面に取り付けられた2相の圧電素子84、85の間
に、使用されない部分86、87がある。本発明では、
これを利用しこの内の一方に音波伝播時間計測用の送波
素子88、他方に受波素子89をそれぞれ取り付け使用
する。なお、この送波素子88、受波素子89と駆動用
の圧電素子84,85を動作させるための駆動装置と、
具体的な時間計測手段は前記第1実施例と同様であるた
め詳細な説明を省略する。
ように、ステータ81に進行波を発生させるために、そ
の裏面に取り付けられた2相の圧電素子84、85の間
に、使用されない部分86、87がある。本発明では、
これを利用しこの内の一方に音波伝播時間計測用の送波
素子88、他方に受波素子89をそれぞれ取り付け使用
する。なお、この送波素子88、受波素子89と駆動用
の圧電素子84,85を動作させるための駆動装置と、
具体的な時間計測手段は前記第1実施例と同様であるた
め詳細な説明を省略する。
【0042】この第3実施例によれば、ステータに接着
された圧電素子の未使用部分を音波伝播時間を、音波伝
播時間計測用手段として使用できるので、上記第1実施
例の効果に加えて、ステータ81に変更部分が少なく容
易に実現できる。
された圧電素子の未使用部分を音波伝播時間を、音波伝
播時間計測用手段として使用できるので、上記第1実施
例の効果に加えて、ステータ81に変更部分が少なく容
易に実現できる。
【0043】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、常に
駆動周波数が機械的共振周波数に自動的に追尾できる、
これによって、超音波アクチュエータを最適かつ安定的
に駆動できる駆動装置を提供することができる。
駆動周波数が機械的共振周波数に自動的に追尾できる、
これによって、超音波アクチュエータを最適かつ安定的
に駆動できる駆動装置を提供することができる。
【図1】本発明の第1実施例を示す超音波振動子の駆動
装置のブロック構成図。
装置のブロック構成図。
【図2】上記図1の駆動装置の動作を制御する各信号の
タイミングチャート。
タイミングチャート。
【図3】上記第1実施例の駆動装置における超音波振動
子の入出力信号と信号の計測時間の関連をそれぞれ示す
波形図。
子の入出力信号と信号の計測時間の関連をそれぞれ示す
波形図。
【図4】上記図1の駆動装置におけるパルサの回路図。
【図5】上記第1実施例の駆動装置における圧電素子9
とインダクタンス11とで構成されるバンドパスフィル
タの等価回路図。
とインダクタンス11とで構成されるバンドパスフィル
タの等価回路図。
【図6】音波伝播時間と振動子温度の関係を示すグラ
フ。
フ。
【図7】共振周波数と振動子温度の関係を示すグラフ。
【図8】音波伝播時間と共振周波数の関係を示すグラ
フ。
フ。
【図9】音波伝播時間の測定手段の一例を示す超音波振
動子の概略図。
動子の概略図。
【図10】音波伝播時間の測定手段の他の例を示す超音
波振動子の概略図。
波振動子の概略図。
【図11】本発明の第2実施例を示す超音波振動子とそ
の駆動装置のブロック構成図。
の駆動装置のブロック構成図。
【図12】本発明の第3実施例を示す円環状の超音波モ
ータ斜視図。
ータ斜視図。
【図13】図12の超音波モータにおけるステータの背
面図。
面図。
【図14】リニア型の超音波アクチュエータに用いられ
る超音波振動子の一例を示す従来の斜視図。
る超音波振動子の一例を示す従来の斜視図。
【図15】上記図14の振動子を用いるリニア型の超音
波アクチュエータの側面図。
波アクチュエータの側面図。
【図16】上記超音波振動子の作用を示す斜視図。
【図17】上記超音波振動子の作用を示す斜視図。
【図18】共振周波数と振動子温度の関係を示すグラ
フ。
フ。
【図19】駆動周波数とアクチュエータ速度の関係を示
すグラフ。
すグラフ。
5、41 振動子 6、7、8、9、42、43 圧電素子 10 パルサ 14 ORゲート 15 フリップフロップ 16 ANDゲート 17 カウンタ 18 ROM 19 ラッチ 60 タイマカウンタ 61 CPU
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成5年7月26日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0004
【補正方法】変更
【補正内容】
【0004】この振動子を図15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10
6、107が摩擦接触するように押圧されてリニアモー
タが構成されている。
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10
6、107が摩擦接触するように押圧されてリニアモー
タが構成されている。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0006
【補正方法】変更
【補正内容】
【0006】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
と−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。
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
と−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。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0017
【補正方法】変更
【補正内容】
【0017】また、上記インダクタンス11と圧電素子
9とは、図5に示すように、バンドパスフィルタを構成
している。即ち、機械振動は定電圧源35、圧電素子9
は、この機械振動を電気信号に変換するトランス36と
内部損失である抵抗37および圧電素子の構造に由来す
るキャパシタ38に等価的に表現される。そこで、圧電
素子9のキャパシタ38に並列にインダクタンス11を
接続すれば、常に振動子5の共振周波数とその近傍の周
波数のみが通過するバンドパスフィルタとなる。
9とは、図5に示すように、バンドパスフィルタを構成
している。即ち、機械振動は定電圧源35、圧電素子9
は、この機械振動を電気信号に変換するトランス36と
内部損失である抵抗37および圧電素子の構造に由来す
るキャパシタ38に等価的に表現される。そこで、圧電
素子9のキャパシタ38に並列にインダクタンス11を
接続すれば、常に振動子5の共振周波数とその近傍の周
波数のみが通過するバンドパスフィルタとなる。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0037
【補正方法】変更
【補正内容】
【0037】そしてインダクタ48とコンデンサ50の
間から取り出された信号は、フィルタ58にて所望帯域
の信号成分とされ、これが波形整形器59に供給され
る。波形整形器59では、所望帯域の信号成分が論理信
号に変換され、該信号は時間計測のためのタイムカウン
タ60のストップ端子に供給される。このタイムカウン
タ60のスタート端子からの信号は、上記高速切換スイ
ッチ57を切り換えるための信号としてCPU61から
出力される信号と共に、上記スイッチ57の制御端子に
供給される。またタイムカウンタ60により計時された
測定時間はCPU61に入力され、CPU61の出力は
発振器44の周波数設定端子に供給される。 このよう
に構成された第2実施例の駆動回路は、次のように動作
する。通常、DC電圧源56に接続されている上記高速
切換スイッチ57をCPU61の制御により、極めて短
時間だけ、圧電素子43を短絡する側に切り換える。即
ち、常時圧電素子43に定電圧源56によりオフセット
が加わっているものを、極短時間、圧電素子43を定電
圧源56から切り離し、圧電素子43を短絡させる。す
ると、圧電素子43は急速に変形し音波を発生する。こ
れと同時にタイムカウンタ60の時間計測が開始され
る。
間から取り出された信号は、フィルタ58にて所望帯域
の信号成分とされ、これが波形整形器59に供給され
る。波形整形器59では、所望帯域の信号成分が論理信
号に変換され、該信号は時間計測のためのタイムカウン
タ60のストップ端子に供給される。このタイムカウン
タ60のスタート端子からの信号は、上記高速切換スイ
ッチ57を切り換えるための信号としてCPU61から
出力される信号と共に、上記スイッチ57の制御端子に
供給される。またタイムカウンタ60により計時された
測定時間はCPU61に入力され、CPU61の出力は
発振器44の周波数設定端子に供給される。 このよう
に構成された第2実施例の駆動回路は、次のように動作
する。通常、DC電圧源56に接続されている上記高速
切換スイッチ57をCPU61の制御により、極めて短
時間だけ、圧電素子43を短絡する側に切り換える。即
ち、常時圧電素子43に定電圧源56によりオフセット
が加わっているものを、極短時間、圧電素子43を定電
圧源56から切り離し、圧電素子43を短絡させる。す
ると、圧電素子43は急速に変形し音波を発生する。こ
れと同時にタイムカウンタ60の時間計測が開始され
る。
【手続補正6】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図18
【補正方法】変更
【補正内容】
【図18】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大内 孝司 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内
Claims (1)
- 【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り、上記電気ー機械エ
ネルギー変換素子に駆動信号が印加されることにより超
音波振動を発生させる超音波振動子の駆動装置におい
て、 上記超音波振動子の音波伝播時間を計測する計測手段
と、 この計測手段の出力により上記駆動信号の周波数を決定
する周波数決定手段と、、を具備することを特徴とする
超音波振動子の駆動装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5156927A JPH078909A (ja) | 1993-06-28 | 1993-06-28 | 超音波振動子の駆動装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5156927A JPH078909A (ja) | 1993-06-28 | 1993-06-28 | 超音波振動子の駆動装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH078909A true JPH078909A (ja) | 1995-01-13 |
Family
ID=15638408
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5156927A Withdrawn JPH078909A (ja) | 1993-06-28 | 1993-06-28 | 超音波振動子の駆動装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH078909A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007530766A (ja) * | 2004-04-01 | 2007-11-01 | ダウ・コーニング・コーポレイション | 置換化アミノシロキサンから由来するポリマー状反応生成物 |
| KR20150043664A (ko) * | 2013-10-15 | 2015-04-23 | 현대모비스 주식회사 | 초음파 센서의 구동 주파수 최적화 장치 및 그 방법 |
| JP2019203930A (ja) * | 2018-05-21 | 2019-11-28 | 株式会社ミツトヨ | 焦点距離可変レンズ装置および焦点距離可変レンズ制御方法 |
| CN117302522A (zh) * | 2023-11-28 | 2023-12-29 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种用于飞行设备的低功耗超声波防除冰方法及装置 |
-
1993
- 1993-06-28 JP JP5156927A patent/JPH078909A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007530766A (ja) * | 2004-04-01 | 2007-11-01 | ダウ・コーニング・コーポレイション | 置換化アミノシロキサンから由来するポリマー状反応生成物 |
| KR20150043664A (ko) * | 2013-10-15 | 2015-04-23 | 현대모비스 주식회사 | 초음파 센서의 구동 주파수 최적화 장치 및 그 방법 |
| JP2019203930A (ja) * | 2018-05-21 | 2019-11-28 | 株式会社ミツトヨ | 焦点距離可変レンズ装置および焦点距離可変レンズ制御方法 |
| CN117302522A (zh) * | 2023-11-28 | 2023-12-29 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种用于飞行设备的低功耗超声波防除冰方法及装置 |
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