專(zhuān)利名稱(chēng)：用于控制壓電振動(dòng)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制壓電振動(dòng)的方法和設(shè)備，更具體地涉及用作部件供給器或類(lèi)似設(shè)備以通過(guò)振動(dòng)來(lái)供給各種類(lèi)型的部件的壓電振動(dòng)器的控制振動(dòng)的方法以及用于同一目的的系統(tǒng)。
用于具有一裝有部件并通過(guò)象料斗施加振動(dòng)而送出每一部件的料斗的部件供給器的常規(guī)振動(dòng)控制，例如第KOKAI(早期出版物)57-27808號(hào)已出版的日本專(zhuān)利申請(qǐng)中公開(kāi)的，是通過(guò)利用光電變送器檢測(cè)料斗的振動(dòng)，將得到的料斗振動(dòng)幅值反饋給控制供給用來(lái)驅(qū)動(dòng)料斗的電磁鐵的電流，并在任何時(shí)候均以恒定幅值驅(qū)動(dòng)料斗的幅值控制回路而實(shí)現(xiàn)的。
在另一系統(tǒng)中，如Susumu Yagi的1994年12月13日公開(kāi)的第5,372,237號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中公開(kāi)的，裝在料斗中的部件由于料斗的振動(dòng)而從部件送出部分供給到一滑槽中，且當(dāng)每一個(gè)要供給組裝機(jī)器的部件從滑槽滑下時(shí)，經(jīng)過(guò)滑槽的部件被光電傳感元件所檢測(cè)以控制部件供給的速率。
在基于常規(guī)技術(shù)的方法中，從部件供給器供應(yīng)的部件的數(shù)量隨著諸如電壓或溫度這樣的外部環(huán)境而變化，且由于這一原因而很難穩(wěn)定地供給部件。為了控制部件供給速率，這種部件供給器提供有諸如光電變送器這樣的傳感器以檢測(cè)機(jī)械振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行反饋控制。因而，控制系統(tǒng)變得復(fù)雜，設(shè)備尺寸增大，成本也上升。
因而，本發(fā)明的目的是提供一種用來(lái)控制具有簡(jiǎn)單配置的并能夠精確地振動(dòng)的壓電振動(dòng)元件的振動(dòng)的方法和設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種控制具有壓電振動(dòng)元件、接有壓電振動(dòng)元件的諸如部件供給器這樣的振動(dòng)單元、以及用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)備的壓電振動(dòng)的方法，該方法包括以下步驟以使振動(dòng)單元不發(fā)生明顯振動(dòng)的頻率使壓電振動(dòng)元件振動(dòng)；在壓電振動(dòng)元件被以該頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)檢測(cè)電壓、電流和電壓與電流間的相位差；以實(shí)際使振動(dòng)單元振動(dòng)所要求的頻率下驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)元件；在振動(dòng)單元被振動(dòng)時(shí)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流；從檢測(cè)到的電壓、電流、和相位差中得出與振動(dòng)單元的振動(dòng)無(wú)關(guān)的電流分量；從與振動(dòng)無(wú)關(guān)的電流分量計(jì)算與振動(dòng)單元的振動(dòng)有關(guān)的電流分量；以及控制與振動(dòng)有關(guān)的電流分量為恒定值或期望值。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種控制具有壓電振動(dòng)元件、接有壓電振動(dòng)元件的諸如部件供給器這樣的振動(dòng)單元、以及用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)備的壓電振動(dòng)的系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括用來(lái)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)元件的電壓以及電流的檢測(cè)器；用來(lái)根據(jù)振動(dòng)單元被驅(qū)動(dòng)時(shí)的檢測(cè)值得到與振動(dòng)單元的實(shí)際振動(dòng)無(wú)關(guān)的電流分量(非振動(dòng)電流分量)的非振動(dòng)電流分量計(jì)算裝置；用來(lái)從得到的非振動(dòng)電流分量計(jì)算與振動(dòng)單元的振動(dòng)有關(guān)的電流分量的振動(dòng)電流分量計(jì)算裝置；以及用來(lái)控制振動(dòng)電流分量為恒定值或期望值的振動(dòng)電流分量控制裝置。
在根據(jù)本發(fā)明的控制壓電振動(dòng)的方法和設(shè)備中，振動(dòng)是根據(jù)驅(qū)動(dòng)電流而被直接控制的，沒(méi)有使用任何檢測(cè)機(jī)械振動(dòng)的傳感器，因而其配置可被簡(jiǎn)化并能進(jìn)行精確的控制。
從結(jié)合以下附圖進(jìn)行的介紹中可明確的看出本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中

圖1是其中采用了根據(jù)本發(fā)明的控制器的常規(guī)壓電振動(dòng)部件供給器的圖解透視圖；圖2是表示振動(dòng)部件供給器的振動(dòng)幅值和送出的部件的數(shù)量之間的一般關(guān)系的圖表；圖3是壓電振動(dòng)部件供給器的等值回路圖；圖4是根據(jù)在控制器本體內(nèi)采用的本發(fā)明的第一實(shí)施例的壓電振動(dòng)控制系統(tǒng)的原理方框圖；圖5是表示根據(jù)圖4所示的實(shí)施例的壓電振動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制順序的流程圖；圖6是表示壓電振動(dòng)部件供給器的振動(dòng)幅值的一般特性的圖表；圖7是表示根據(jù)圖4所示的實(shí)施例部件供給器的電流和加速的頻率特性的圖表；圖8是在根據(jù)圖4所示的實(shí)施例的壓電振動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下的電流分量的向量圖9是表示根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的壓電振動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制內(nèi)容的圖表；及圖10是表示壓電振動(dòng)元件的位移相對(duì)于激發(fā)力的延時(shí)的頻率特性的圖表。
參照附圖，圖1表示其中采用了根據(jù)本發(fā)明的控制器10的壓電振動(dòng)部件供給器的一般結(jié)構(gòu)。該部件供給器的結(jié)構(gòu)與常規(guī)部件供給器基本相同?？珊?jiǎn)要描述如下部件供給器1包括提供有在其形式為略向上方傾斜的內(nèi)部外表面上形成的螺線形部件供給道3的側(cè)壁的料斗2以及在其上端與料斗2的下側(cè)按與之形成預(yù)定角度相連的多個(gè)片彈簧4。相應(yīng)的片彈簧4的下端直接與相應(yīng)的壓電振動(dòng)元件5的上端相連。壓電振動(dòng)元件5的下端按與其上端相同的角度固定在基座部分6中。當(dāng)作為動(dòng)力的電被間斷地供給壓電振動(dòng)元件5時(shí)壓電振動(dòng)元件5就振蕩或振動(dòng)。壓電振動(dòng)元件5的振蕩或振動(dòng)通過(guò)片彈簧4被傳送給部件供給器1的料斗2?；糠?通過(guò)臺(tái)墊或緩沖部件7固定安裝在地面上。壓電振動(dòng)元件5還共同形成構(gòu)成振動(dòng)發(fā)生單元的主要部分的壓電驅(qū)動(dòng)單元。部件供給器的運(yùn)行例如在Yagi等的1995年12月5日的第5,472,079號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中進(jìn)行了介紹，這里引入其思想作為參考。
一般地說(shuō)，振動(dòng)部件供給器的振動(dòng)幅值與送出的部件數(shù)量之間具有圖2所示的關(guān)系。在圖2中的區(qū)域I中，由于部件供給器的振動(dòng)很弱且部件沿料斗2的給料道3爬升的速度很慢，只能送出少量的部件。另一方面，雖然在區(qū)域III的振動(dòng)很強(qiáng)且部件的速度很快，但部件在部件供給器1的轉(zhuǎn)動(dòng)部分(對(duì)中部分)落進(jìn)料斗2中，這使得只有少量部件從中送出。因而，必須控制部件供給器的幅值使其位于最優(yōu)區(qū)域II內(nèi)。但是，根據(jù)部件重量的波動(dòng)或環(huán)境溫度的變化，即使在同樣的電壓、電流和頻率下幅值也可能會(huì)改變。因此，在常規(guī)的技術(shù)中，在部件供給器1的主體上連接有用來(lái)檢測(cè)幅值的傳感器以便根據(jù)反饋控制來(lái)以恒定幅值控制部件供給器的振動(dòng)。本發(fā)明的目的就是不采用上述傳感器而對(duì)使用壓電振動(dòng)元件的振動(dòng)單元的振動(dòng)進(jìn)行精確控制。
一個(gè)壓電振動(dòng)單元(例如壓電振動(dòng)部件供給器)的等值回路一般地如圖3所示。在圖3中，參考字母i1表示與機(jī)械振動(dòng)成比例的電流，而參考字母i0表示與振動(dòng)無(wú)關(guān)的電流。如果將與振動(dòng)有關(guān)的電流i1(以后稱(chēng)為“振動(dòng)電流”)從實(shí)際測(cè)量的電流it中分離出來(lái)并將振動(dòng)電流i1控制為保持恒定值，振動(dòng)單元就能以恒定的幅值振動(dòng)，因?yàn)閴弘娬駝?dòng)元件的幅值與振動(dòng)電流之間具有線性和呈比例的關(guān)系。振動(dòng)電流i1可根據(jù)下面的公式(1)進(jìn)行計(jì)算而得到，其中電流i0是在壓電振動(dòng)元件以使振動(dòng)單元幾乎不振動(dòng)的頻率被驅(qū)動(dòng)時(shí)測(cè)出的，而電流i1(總電流)是在振動(dòng)單元然后確實(shí)發(fā)生振動(dòng)時(shí)測(cè)出的。
→→→i1＝it-I0……(1)下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施例進(jìn)行介紹。如圖4所示，本實(shí)施例的壓電振動(dòng)控制系統(tǒng)被用作用來(lái)向機(jī)器供給各種類(lèi)型的部件的部件供給器1的振動(dòng)單元，包括圖1所示的部件供給器1、作為用于驅(qū)動(dòng)部件供給器1的驅(qū)動(dòng)單元的功率放大器12、以及向功率放大器12輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制單元14。如圖1所示部件供給器1提供有壓電振動(dòng)元件5而這些壓電振動(dòng)元件5由功率放大器12供應(yīng)的驅(qū)動(dòng)功率振動(dòng)。此外，部件供給器1的壓電振動(dòng)元件5與電壓檢測(cè)器16和電流檢測(cè)器18相連，從電壓檢測(cè)器16和電流檢測(cè)器18來(lái)的每一輸出均輸入給控制單元14。
用來(lái)設(shè)定部件供給器1的壓電振動(dòng)元件5的幅值的振動(dòng)電流設(shè)定器20的輸出端與控制單元14相連。此外，如下面介紹的第二實(shí)施例所示，在進(jìn)行頻率控制的情況下，用來(lái)設(shè)定頻率或幅值相位的設(shè)定器22的輸出端也與控制單元14相連。
根據(jù)本實(shí)施例的壓電振動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方法按圖5所示的順序進(jìn)行。由于部件供給器的幅值的頻率特性如圖6所示，首先部件供給器1的壓電振動(dòng)元件5被以低于實(shí)際驅(qū)動(dòng)頻率的且在此頻率下部件供給器1幾乎不振動(dòng)的頻率fa驅(qū)動(dòng)，且在壓電振動(dòng)元件被以此頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)檢測(cè)出電壓Va，電流Ia和它們的相位差θ。該電流Ia基本等于圖7所示的與振動(dòng)無(wú)關(guān)的電流(非振動(dòng)電流)，因?yàn)椴考┙o器沒(méi)有發(fā)生振動(dòng)。然后壓電振動(dòng)元件被以實(shí)際振動(dòng)部件供給器1所需的頻率fb驅(qū)動(dòng)，并在部件供給器1實(shí)際振動(dòng)時(shí)檢測(cè)出驅(qū)動(dòng)電壓Vb，驅(qū)動(dòng)電流Ib(總電流)。根據(jù)下面的公式(2)由檢測(cè)出的驅(qū)動(dòng)電壓Vb和在部件供給器基本不振蕩的頻率fa下檢測(cè)出的電壓Va，電流Ia和它們的相位差θ計(jì)算出與實(shí)際振動(dòng)無(wú)關(guān)的電流分量Ib0，并根據(jù)下面的公式(3)由非振動(dòng)電流分量Ib0和驅(qū)動(dòng)電流Ib計(jì)算出實(shí)際振動(dòng)時(shí)的振動(dòng)電流分量Ib1。Ib0=Vb•fbVa•fa×Ia……(2)]]>其中電流Ib0和Ia指的是向量。
振動(dòng)電流Ib1用下式表示Ib1＝Ib-Ib0……(3)且Ib1可如圖8所示得到。
在表示電流和加速的頻率特性(正弦波驅(qū)動(dòng))的圖7中，總電流和加速度是測(cè)量值，而非振動(dòng)電流是根據(jù)上述公式(2)得到的值，振動(dòng)電流是根據(jù)上述公式(3)得到的值。
對(duì)按如上所述得到的振動(dòng)電流分量Ib1進(jìn)行調(diào)節(jié)以使部件供給器被驅(qū)動(dòng)為以最有效的和最穩(wěn)定的幅值送出部件。對(duì)部件供給器1而言，如果幅值太小，效率很低以至部件移動(dòng)不大且只有少量部件被送出，與之相反，如果幅值太大，某些部件在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中跌落，因而也使得送出的部件數(shù)量減少。因此，要求將幅值設(shè)定為根據(jù)部件的類(lèi)型可有效地將部件送出這樣的值。由于幅值與振動(dòng)電流分量Ib1之間基本上線性相關(guān)，通過(guò)控制振動(dòng)電流分量Ib1就可精確地控制幅值。
在如圖5所示對(duì)振動(dòng)電流分量Ib1進(jìn)行控制時(shí)，如果得到的振動(dòng)電流分量Ib1值小于預(yù)設(shè)值，就增加驅(qū)動(dòng)電壓，而如果得到的振動(dòng)電流分量Ib1值大于預(yù)設(shè)值，就降低驅(qū)動(dòng)電壓。于是，連續(xù)的控制就可以控制幅值為最優(yōu)值。
利用根據(jù)本實(shí)施例的用來(lái)控制壓電振動(dòng)元件的振動(dòng)的方法和設(shè)備，作為電信號(hào)的被控制的對(duì)象是根據(jù)壓電振動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)出的，對(duì)電壓進(jìn)行控制不使用任何檢測(cè)需轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的機(jī)械振動(dòng)的傳感器，這就能夠簡(jiǎn)化配置和精確地進(jìn)行幅值控制。
下面參照?qǐng)D9對(duì)根據(jù)本發(fā)明的壓電振動(dòng)控制系統(tǒng)的第二實(shí)施例進(jìn)行介紹。根據(jù)本實(shí)施例的用來(lái)控制壓電振動(dòng)的方法和設(shè)備與第一實(shí)施例相同，控制則按圖9所示實(shí)現(xiàn)。在該控制方法中，象上述實(shí)施例一樣，部件供給器1的壓電振動(dòng)元件5被以低于實(shí)際驅(qū)動(dòng)頻率的且在此頻率下部件供給器1幾乎不振動(dòng)的頻率fa驅(qū)動(dòng)，且在壓電振動(dòng)元件被以此頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)檢測(cè)出電壓Va，電流Ia和它們的相位差θa。然后在部件供給器1實(shí)際振動(dòng)時(shí)檢測(cè)出驅(qū)動(dòng)電壓Vb和驅(qū)動(dòng)電流Ib。根據(jù)上述公式(2)和(3)計(jì)算出振動(dòng)電流分量Ib1，還計(jì)算出振動(dòng)電流Ib1與驅(qū)動(dòng)電壓Vb間的相位差θb。將該相位差θb與預(yù)定值進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)相位差θb小于預(yù)定值，就增加驅(qū)動(dòng)頻率，而如果發(fā)現(xiàn)它大于預(yù)定值，就降低驅(qū)動(dòng)頻率。
上述控制可通過(guò)利用以下事實(shí)來(lái)進(jìn)行壓電振動(dòng)元件在諧振點(diǎn)的振動(dòng)在相位上比驅(qū)動(dòng)電流的振動(dòng)延遲90°且與和振動(dòng)有關(guān)的振動(dòng)電流Ib1的相位一致。就是說(shuō)，如圖10所示壓電振動(dòng)元件的相位對(duì)于與施加的力F(＝F0s inωt)一般具有相位滯后的關(guān)系，因而在諧振點(diǎn)f0處相位相對(duì)于作用力延遲90度。另一方面，振動(dòng)電流Ib1的相位與壓電振動(dòng)元件的實(shí)際位移的相位是互相一致的。因此通過(guò)檢測(cè)相位的偏差并控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，壓電振動(dòng)元件可永遠(yuǎn)被控制在諧振頻率上。
應(yīng)當(dāng)指出，如果壓電振動(dòng)元件是自激振動(dòng)型的，如果將振動(dòng)電流Ib1的相位設(shè)計(jì)為比驅(qū)動(dòng)電流的相位(圖8中所示的φ)延遲90度，就可得到精確的振動(dòng)。在這種情況下，設(shè)定裝置22用來(lái)設(shè)定幅值相位。如果壓電振動(dòng)元件是獨(dú)立激勵(lì)振動(dòng)型的，用戶(hù)將頻率設(shè)為預(yù)定值。在這種情況下，通過(guò)檢測(cè)振動(dòng)電流的相位也可實(shí)現(xiàn)精確的相位控制。于是通過(guò)設(shè)定裝置22設(shè)置頻率。
利用該實(shí)施例，和第一實(shí)施例一樣，不使用任何復(fù)雜的傳感器就可實(shí)現(xiàn)精確的頻率控制。
應(yīng)指出本發(fā)明并不僅限于上述實(shí)施例。本發(fā)明總體上不僅適用于部件供給器也適用于任何采用壓電振動(dòng)元件的設(shè)備。所介紹的實(shí)施例在所有方面都應(yīng)被認(rèn)為是解釋性的而不是限制性的，本發(fā)明的范圍在后面的權(quán)利要求中而不是上面的介紹中指明，因而其意義和范圍屬于等同于這些權(quán)利要求的所有的改變均應(yīng)被認(rèn)為包括在其中。
權(quán)利要求
1.一種控制由壓電振動(dòng)元件、接有壓電振動(dòng)元件的振動(dòng)單元、以及用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)備的壓電振動(dòng)的方法，其特征在于包括以下步驟以使所述振動(dòng)單元不發(fā)生明顯振動(dòng)的頻率使壓電振動(dòng)元件振動(dòng)；在壓電振動(dòng)元件被以所述頻率驅(qū)動(dòng)時(shí)檢測(cè)電壓、電流和電壓與電流間的相位差；以實(shí)際振動(dòng)振動(dòng)單元所要求的頻率驅(qū)動(dòng)所述壓電振動(dòng)元件；在所述振動(dòng)單元被振動(dòng)時(shí)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流；從所述檢測(cè)到的電壓、電流、和相位差中得出與振動(dòng)單元的振動(dòng)無(wú)關(guān)的電流分量；由與振動(dòng)無(wú)關(guān)的電流分量計(jì)算與振動(dòng)單元的所述與振動(dòng)有關(guān)的電流分量；以及控制與所述振動(dòng)有關(guān)的電流分量為預(yù)定值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)以使與振動(dòng)有關(guān)的電流分量為恒定值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對(duì)驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)以使與所述振動(dòng)有關(guān)的電流和驅(qū)動(dòng)電壓之間的相位差為預(yù)定值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對(duì)與所述振動(dòng)有關(guān)的電流的相位進(jìn)行調(diào)節(jié)以使其相對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的相位延遲90度。
5.一種由壓電振動(dòng)元件、接有壓電振動(dòng)元件的振動(dòng)單元、以及用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電振動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)單元組成的設(shè)備中的壓電振動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于包括用來(lái)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)所述壓電振動(dòng)元件的電壓以及電流的檢測(cè)器；用來(lái)根據(jù)所述振動(dòng)單元被驅(qū)動(dòng)時(shí)的檢測(cè)值得到與所述振動(dòng)單元的振動(dòng)無(wú)關(guān)的電流分量的非振動(dòng)電流分量計(jì)算裝置；用來(lái)由所述非振動(dòng)電流分量計(jì)算與所述振動(dòng)單元的振動(dòng)有關(guān)的電流分量的振動(dòng)電流分量計(jì)算裝置；以及用來(lái)控制所述振動(dòng)電流分量為預(yù)定值的振動(dòng)電流控制裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中所述振動(dòng)單元是一個(gè)部件供給器。
全文摘要
一種用來(lái)控制由壓電振動(dòng)元件、振動(dòng)單元、以及驅(qū)動(dòng)單元組成的設(shè)備中的壓電振動(dòng)的方法和設(shè)備。壓電振動(dòng)控制是通過(guò)以使振動(dòng)單元不發(fā)生明顯振動(dòng)的頻率使壓電振動(dòng)元件振動(dòng);檢測(cè)電壓、電流和二者間的相位差;以實(shí)際振動(dòng)振動(dòng)單元所要求的頻率驅(qū)動(dòng)所述壓電振動(dòng)元件;在振動(dòng)單元被振動(dòng)時(shí)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)電流;得出與振動(dòng)單元的振動(dòng)無(wú)關(guān)的電流分量;計(jì)算與振動(dòng)單元的與振動(dòng)有關(guān)的電流分量;并控制其為預(yù)定值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
文檔編號(hào)G05D19/00GK1182229SQ9711616
公開(kāi)日1998年5月20日 申請(qǐng)日期1997年8月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月7日
發(fā)明者屋木晉 申請(qǐng)人:Ykk株式會(huì)社