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Einrichtung und Verfahren zum Steuern eines Vibrations-
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wellenmotors Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und
ein Verfahren zum Steuern eines Vibrationswelleninotors mit verbessertem Antriebswirkungsgrad.
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Gemäß der Darstellung in der US-PS 4 019 073 setzt ein Vibrationswellenmotor
eine durch Anlegen einer periodischen Spannung wie einer Wechselspannung oder einer
Impulsspannung an ein elektrostriktives Element erzeugte Vibrationsbewegung in eine
Drehbewegung oder eine eindimensionale bzw. lineare Bewegung um. Da bei diesem Motor
abweichend von einem herkömmlichen elektroma,gnetischen Motor keine Wicklung erforderlich
ist, ist der rotor einfach aufgebaut und kompakt, wobei der Motor bei niedriger
Drehgeschwindigkeit ein hohes Drehmoment erzeugt und bei der Drehung eine geringe
Trägheit hat.
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Bei dem Vibrationswellenmotor nach dem Stand der Technik wird jedoch
die Vibrationsbewegung einer in einem Vibrationsteil erzeugten stehenden Welle durch
Reibungsantrieb eines mit dem Vibrationsteil in Bewegung stehenden bewegbaren Teils
wie eines Rotors in eine einseitig gerichtete Bewegung umgesetzt.
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Zum Umkehren der Bewegungsrichtung ist es erforderlich, eine mechanische
Gestaltung umzustellen, wie beispielsweise eine Berührungsstelle oder einen Berührungswinkel
zwischen dem Vibrationsteil und dem bewegbaren Teil. Infolgedessen ist für den umsteuerbaren
Antrieb des Vibrationswellenmotors eine groß bemessene Vorrichtung erforderlich,
wodurch die Vorteile des Vibrationswellenmotors aufgegeben werden, nämlich der einfache
Aufbau und die kompakte Gestaltung.
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Als Lösung für dieses Problem wurde kürzlich ein Vibrationswellenmotor
vorgeschlagen, der mittels einer Vibrationswanderwelle angetrieben wird.
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Die Fig. 1 zeigt Bauteile eines derartigen Vibrationswellenmotors.
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Auf einen Mittelzylinder 5a eines als Unterbau dienenden Ständers
5 sind ein Schwingungsdämpfer 4, ein ringförmige-s Metall-Vibrationsteil 2, an dessen
dem Schwingungsdämpfer 4 zugewandter Fläche eine elektrostriktive Vorrichtung 3
angekittet ist, und ein bewegbares Teil 1 in dieser Aufeinanderfolge aufgesetzt.
Der Ständer 5, der Schwingungsdämpfer 4 und das Vibrationsteil 2 sind so angebracht,
daß eine Relativdrehung verhindert ist. Zum Zusammenfassen des Motors zu einer Einheit
wird das bewegbare Teil durch sein Gewicht oder eine nicht gezeigte Vorspannungsvorrichtung
in Andruckberührung mit dem Vi-
brationsteil 2 gehalten. Die elektrostriktive
Vorrichtung 3 weist eine Gruppe elektrostriktiver Elemente 3A1 bis 3A7 auf, die
in einem Teilungsabstand angeordnet sind, der gleich der Hälfte einer Wellenlänge
N einer Vibrationswelle ist. Die elektrostriktiven Elemente 3A1, 3A3, 3A5 und 3A7
sind in einer Richtung polarisiert, während die dazwischengesetzten elektrostriktiven
Elemente 3A2, 3A4 und 3A6 in der Gegenrichtung polarisiert sind. Auf diese Weise
sind die elektrostriktiven Elemente 3A1 bis 3A7 jeweils zu benachbarten Elementen
entgegengesetzt polarisiert. Die elektrostriktive Vorrichtung 3 weist eine weitere
Gruppe e elektrostriktiver Elemente 3B1 bis 3B7 auf, die gleichfalls im Teilungsabstand
A/2 angeordnet und gegenüber dem jeweils benachbarten Element entgegengesetzt polarisiert
sind.
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Die Gruppe der elektrostriktiven Elemente 3A1 bis 3A7 und die Gruppe
der elektrostriktiven Elemente 3B1 bis 3B7 sind unter Phasendifferenz mit einem
gegenseitigen Teilungsabstand von ( m #o + 1/4)# A angeordnet, wobei = O, Ir 2,
3, ..... ist.
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Die elektrostriktive Vorrichtung 3 muß nicht aus den vielen elektrostriktiven
Elementen bestehen, sondern kann auch gemäß der Darstellung in Fig. 2 durch ein
ein-z.ges Ringelement 3 gebildet sein, welches unter dem Teilungsabstand A/2 zu
polarisierten Bereichen 3a1 bis 3a5 und 3bl bis 3b5 polarisiert ist.
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An den dem Schwingungsdämpfer 4 zugewandten Seiten ist an die elektrostriktiven
Elemente 3A1 bis 3A7 ein Zuleitungsdraht lia und an die elektrostriktiven Elemente
3131 bis 3B7 ein Zuleitungsdraht lib angeschlossen, wobei diese Drähte mit einer
Wechselspannungsquelle 6a bzw. einem 900-Phasenschieber 6b verbunden sind (siehe
Fig. 3). Ein
Zuleitungsdraht llc ist mit dem Metall-Vibrationsteil
2 und der Wechselspannungsquelle 6a verbunden.
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Der dermaßen aufgebaute Vibrationswellenmotor arbeitet auf folgende
Weise: Die Fig. 3 veranschaulicht die Entstehung der Vibrationswelle in dem Motor.
Die elektrostriktiven Elemente 3A1 bis 3A4 und 3B1 bis 3B4 sind zwar für die Erläuterung
jeweils nebeneinander dargestellt, jedoch erfüllen sie die Forderung der #/4-Phasenverschiebung,
, wobei sie im wesentlichen so wie die elektrostriktiven Elemente 3A bis 3A4 und
3B1 bis 3B4 des in Fig. 1 gezeigten Motors angeordnet sind. Symbole @ in den elektrostriktiven
Elementen 3A1 bis 3A4 und 3B1 bis 3B4 geben an, daß sich dort bei einem positiven
Zyklus der Wechselspannung die elektrostriktiven Elemente ausdehnen, während Symbole
S angeben, daß sich dort die Elemente bei dem positiven Zyklus zusammenziehen bzw.
verkürzen.
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Das Metall-Vibrationsteil 2 wird als eine Elektrode für die elektrostriktiven
Elemente 3A1 bis 3A4 und 3B1 bis 3B4 verwendet, während an die elektrostriktiven
Elemente 3A1 bis 3A4 aus der Wechselspannungsquelle 6a die Wechselspannung V = Vo
sin Wt angelegt wird und aus der Wechselspannungsquelle 6a über den 9O0-Phasenschieber
6b. die elektrostriktiven Elemente 3B1 bis 3B4 mit einer um X/4 phasenverschobenen
Wechselspannung V = Vo sin (w t + t/2) gespeist werden, wobei die Vorzeichen + und
- in der Gleichung abhängig von der. Bewegungsrichtung des (in Fig. 3 nicht gezeigten)
bewegbaren Teils 1 durch den Phasenschieber 6b gewählt werden. Wenn das Vorzeichen
+ gewählt ist, ist die Phase um + 900 verschoben, wobei das bewegbare Teil 1 vorwärts
bewegt wird, während bei der Wahl des Vorzeichens - die Phase um 900 verschoben
ist,
so daß das bewegbare Teil 1 in der Gegenrichtung bewegt wird. Es sei nun angenommen,
daß das Vorzeichen - gewählt ist und an die elektrostriktiven Elemente 3B bis 3B4
die Spannung V = Vo sin ( #Ot - C/2) angelegt wird. Wenn nur die elektrostriktiven
Elemente 3A1 bis 3A4 durch das Anlegen der Spannung V = Vo sin Wt in Schwingungen
versetzt werden, wird eine Vibration durch eine stehende Welle gemäß der Darstellung
in Fig. 3(a) hervorgerufen. Wenn# nur die elektrostriktiven Elemente 3B1 bis 3B4
durch das Anlegen der Spannung V = V sin 0 (wt - 7t/2) in Schwingungen versetzt
werden, wird eine Vibration durch eine stehende Welle gemäß der Darstellung in Fig.
3(b) erzeugt. Wenn die beiden Wechselspannungen mit der gegenseitigen Phasendifferenz
gleichzeitig an die elektrostriktiven Elemente 3A1 bis 3A4 bzw.. 3B1 bis 3B4 angelegt
werden, ist die Vibrationswelle eine Wanderwelle. Die Fig. 3(c) zeigt die Kurvenform
zu einem Zeitpunkt t = 2nr/w , die Fig. 3(d) zeigt die Kurvenform zu einem Zeitpunkt
t = R/2> + 2nr/w , die Fig. 3(e) zeigt die Kurvenform zu einem Zeitpunkt t =
r/w + 2n und ,unddie Fig. 3(f) zeigt die Kurvenform zu einem Zeitpunkt t = 3 m/2
+ 2n m/GJ . Die Wellenfront der Vibrationswelle wandert in der Richtung einer x-Achse.
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Die Wanderwelle enthält eine Längswelle und eine Querwelle. Betrachtet
man einen Massepunkt des in Fig. 4 geze.igten Vibrationsteils 2, so rufen eine Längsamplitude
u und eine Queramplitude w eine elliptische Umlaufbewegung im Uhrzeigersinn hervor.
Das bewegbare Teil wird an die Oberfläche des Vibrationsteils 2 angedrückt, wobei
es nur Scheitelpunkte der Vibrationsfläche berührt. Daher wird das bewegbare Teil
1 durch ~die Komponente der Längsamplitude u der elliptischen Bewegung von Massepunkten
A, A', .... an den Scheitelpunkten bewegt, so daß das bewegbare Teil in der Richtung
eines Pfeils N bewegt wird.
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Die Geschwindigkeit des Massepunktes A an dem Scheitelpunkt beträgt
v = 2 Z fu (wobei f die Vibrationsfrequenz ist), während aufgrund des Reibungsantriebs
durch die Andruckberührung die Bewegungsgeschwindigkeit des bewegbaren Teils 1 von
der Geschwindigkeit des Massepunktes und auch von der Queramplitude w abhängig ist.
Daher ist die Geschwindigkeit des bewegbaren Teils 1 proportional zu dem Ausmaß
der elliptischen Bewegung des Massepunktes A.
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Da andererseits das bewegbare Teil 1 unter Reibung an dem Scheitelpunkt
der Wellenfront der Vibrationswanderwelle des Vibrationsteils 2 angetrieben wird,
ist es zur Verbesserung eines Antriebswirkungsgrads erforderlich, daß die Wellenfront
in der Richtung des Scheitelpunkts (der z-Achse nach Fig. 4) in Resonanz kommt.
Hierbei besteht der Zusammenhang f=/E/3p ç mh/.R 2 wobei f(= w/2r) die Frequenz
der Eingangsspannung ist, E der Elastizitätsmodul des Vibrationsteils 2 ist, P dessen
Dichte ist, h dessen Dicke ist und Ä die Wellenlänge der erzeugten Welle ist. Die
Resonanz tritt bei derjenigen Dikke auf, die der vorstehend genannten Beziehung
entspricht.
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Da das Vibrationsteil 2 ringförmig ist, wandert die Vibrationswanderwelle
längs des Rings, wobei eine Resonanz dann auftiitt, wenn für die gerade neu erzeugte
Welle die Umfangslänge mD gleich dem n-fachen der Wellenlänge ist, ist, nämlich
nh = TLD gilt, wobei n eine natürliche Zahl ist.
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Durch die Resonanz steigt die Amplitude der Vibrationswanderwelle
an, so daß der Antriebswirkungsgrad des Vibrationswellenmotors verbessert wird.
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Zum Verbessern des Antriebswirkungsgrads eines derartigen Vibrationswellenmotors
ist es erforderlich, die Frequenz der angelegten periodischen Spannung unter Berücksichtigung
verschiedener Umstände wie der Dicke und des Radius des Vibrationsteils zu steuern.
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Nach einer solchen Einstellung kann sich jedoch die Resonanzfrequenz
durch eine Temperaturänderung des Motors oder einer Oszillatorschaltung oder durch
eine Alterungserscheinung am Motor wie einen Abrieb des Vibrationsteils verschieben
bzw. verändern.
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Ferner steigen durch die Einstellung der Frequenz die Herstellungskosten
an.
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Andererseits ist es anzustreben, die Frequenz so zu steuern, daß eine
optimale Resonanzfrequenz bei einer höchsten Drehgeschwindigkeit des Vibrationswellenmotors
erzielt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine -Einrichtung und ein
Verfahren zum Steuern eines Vibrationswellenmotors zu schaffen, bei welchen eine
Frequenz gespeichert wird, die eine gemessene höchste Antriebsgeschwindigkeit des
Vibrationswellenmotors ergibt, und der Motor mit einer periodischen Spannung mit
der gespeicherten Frequenz angetrieben wird, um den Antriebswirkungsgrad zu verbessern.
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Ferner sollen mit der Erfindung eine Einrichtung und ein Verfahren
zum Steuern eines Vibrationswellenmotors geschaffen werden, bei welchen der Motor
intermittierend mittels einer periodischen Spannung mit einer gespeicherten Frequenz
betrieben wird.
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Weiterhin soll erfindungsgemäß eine Frequenz gespeichert werden, die
eine gemessene maximale Amplitude eines Vibrationsteils des Vibrationswellenmotors
ergibt, und der Motor mittels einer periodischen Spannung mit der gespeicherten
Frequenz betrieben werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine auseinandergezogene Darstellung des Aufbaus eines
Vibrationswellenmotors nach dem Stand der Technik.
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Fig. 2 zeigt eine polarisierte elektrostriktive Vorrichtung nach Fig.
1.
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Fig. 3 veranschaulicht den Antrieb bei einem Vibrationswellenmotor.
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Fig. 4 veranschaulicht das Funktionsprinzip eines Vibrationswellenmotors.
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Fig. 5 zeigt eine Steuerschaltung für den Vibrationswellenmotor als
erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.
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Fig. 6 zeigt Ausgangssignal-Kurvenformen von in Fig.
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5 gezeigten Frequenzteilern.
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Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm einer Betriebsablauffolge der in Fig.
5 gezeigten Schaltung.
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Fig. 8 ist ein Ablaufdiagramm von Schritten zum Steuern des Vibrationswellenmotors
gemäß dem in Fig.
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7 gezeigten Ablaufdiagramm.
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Fig. 9 (a) und 9 (b) sind Ablaufdiagramme einer weiteren Betriebsablauffolge
der in Fig. 5 gezeigten Schaltung.
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Fig. 10 ist ein Ablaufdiagramm von Schritten zur Steuerung des Vibrationswellenmotors
entsprechend den in den Fig. 9(a) und 9(b) gezeigten Ablaufdiagrammen.
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Fig. 11 zeigt eine Steuerschaltung für den Vibrationswellenmotor als
ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.
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Fig. 12 zeigt einen Zeitgeber zur intermittierenden Ansteuerung der
Schaltung nach Fig. ll.
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Fig. 13 zeigt eine Steuerschaltung für den Vibrationswellenmotor als
ein drittes Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung.
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Fig. 14 ist ein Ablaufdiagramm einer Betriebsablauffolge der in Fig.
13 gezeigten Schaltung.
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Fig. 15 ist eine perspektivische Ansicht eines bei der Schaltung nach
Fig. 13 verwendeten Vibrationsteils.
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Fig. 16 zeigt eine Steuerschaltung für einen automatischen Scharfeinstellmechanismus,
der den Vibrationswellenmotor enthält.
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Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung
erläutert. Die Fig. 5 zeigt eine Steuerschaltung für einen Vibrationswellenmotor.
Mit CPU ist ein Mikrocomputer bezeichnet, mit DF1 bis DF3 sind D-Flip-Flops bezeichnet,
mit DF4 ist eine steuerbare Ausgabeschaltung mit vier D-Flip-Flops bezeichnet, mit
DF5 ist eine Schaltung mit drei D-Flip-Flops bezeichnet, mit BF ist ein Puffer mit
drei Ausgangszuständen (tri-state buffer) bezeichnet, mit C1 ist ein Zähler bezeichnet,
mit CG1 ist ein Taktgenerator bezeichnet, mit G1 und G2 sind NAND-Glieder bezeichnet,
mit G3 und G4 sind Antivalenzglieder bezeichnet, mit G5 ist ein ODER-Glied bezeichnet,
mit I1 bis I8 sind Inverter bezeichnet, mit D1 und D2 sind Frequenzteiler bezeichnet,
mit AS ist ein Analogmultiplexer bezeichnet, mit RO bis R14 sind Widerstände bezeichnet,
mit, CAP1 und CAP2 sind Kondensatoren bezeichnet, mit Trl bis Tr8 sind Transistoren
bezeichnet, mit 3A und 3B sind elektrostriktive Elemente bezeichnet, die an einem
Vibrationswellenmotor angebracht sind (und die einem der Elemente 3A1 bis 3A7 bzw.
einem der Elemente 381 1bis 3B7 nach Fig. 1 entsprechen), und mit 11 ist ein kammförmiger
Dr~i,schålter mit einer Schleifelektrode bzw. einem Schleifer 13 bezeichnet, der
mit einer an einem Rotor 1 (als bewegbares Teil) angebrachten kammförmigen Elektrode
12 derart in Kontakt kommt, daß bei dem Umlauf des Rotors 1 ein Stromkreis geöffnet
und geschlossen wird.
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Die Inverter I3 und' 14, der Kondensator CAP1 und die Widerstände
RO bis R4 mit stufenweise ansteigenden Widerstandswerten bilden einen Taktgenerator
CG2. Der Analogmultiplexer AS wählt durch ein digitales Eingangssignal an Anschlüssen
AO bis A2 einen von Anschlüssen XO bis X4 und verbindet den gewählten Anschluß mit
einem Anschluß X. Auf diese Weise wird durch das digitale Signal
einer
der Widerstände RO bis R4 gewählt, so daß der Taktgenerator CG2 ein Schwingungs-
bzw. Taktausgangssigna'l CLK mit der jeweils entsprechenden unterschiedlichen Frequenz
erzeugt. Die Frequenzteiler D1 und D2 teilen die Eingangsfrequenz auf den Anstieg
des Taktausgangssignals CLK hin. Da das Taktausgangssignal dem Frequenzteiler D2
über den Inverter I5 zugeführt wird, werden phasenverschobene Ausgangssignale ACLK
und BCLK gemäß der Darstellung in Fig. 6 erzeugt.
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Diese Taktausgangssignale werden jeweils Treiberstufen DR1 bzw. DR2
zugeführt. Die Treiberstufe DR1 weist. eine durch das Ausgangssignal mit der Kurvenform
ACLK angesteuerte Gegentaktschaltung auf und legt eine periodische Spannung an das
elektrostriktive Element 3A an. Die Treiberstufe DR2 wird durch das Ausgangssignal
mit der Kurvenform BCLK angesteuert und legt eine um A/4 phasenverschobenen periodische
Spannung an das elektrostriktive Element 3B an.
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Die Flip-Flops DF1, DF2 und DF3 wirken als ein Schieberegister, wobei
ihre Takteingangsanschlüsse CP an den Taktgenerator CG1 angeschlossen sind, so daß
das Signal von dem Schleifer 13 aufeinanderfolgend bei dem Anstieg des Taktsignals
verschoben wird. Der Zähler oil zählt die Taktsignale aus dem Taktgenerator CG1.
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Das Flip-Flop DF4 hat eine Ausgangsstufe mit drei Ausgangszuständen
und gibt durch ein Eingangssignal "L" an einem Anschluß OE Ausgangssignale an Anschlüssen
QO bis Q3 ab.
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Bei dem Anstieg des Ausgangssignals des zwischen den Eingang und den
Ausgang des Flip-Flops DF2 geschalteten Antivalenzglieds G4 werden Eingangssignale
an Eingängen
DO bis D3 des Flip-Flops DF4 gespeichert; wenn das
Ausgangssignal des zwischen den Eingang und den Ausgang des Flip-Flops DF3 geschalteten
Antivalenzglieds G3 den hohen Pegel H annimmt, wird über das ODER-Glied G5 der Zähler
C1 zurückgesetzt.
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Unmittelbar nach einer Änderung des Signals aus dem Schleifer 13 werden
die Ausgangssignale Q3 bis Q6 des Zählers C1 in dem Flip-Flop DF4 gespeichert, wonach
der Zähler C1 sofort rückgesetzt wird, dann die Rücksetzung des Zählers aufgehoben
wird und der Zähler C1 wieder zu zählen beginnt. Dieser Vorgang wird für einen jeden
Wechsel des Signals aus dem Schleifer 13 ausgeführt.
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Das Q-Ausgangssignal des Flip-Flops DF3 und das Ausgangssignal Q7
für das werthbchste Bit des Zählers C1 werden an Eingangsanschlüsse X1 und XO des
Puffers BF mit den drei Ausgangszuständen angelegt, welcher durch das Eingangssignal
L an dem Anschluß OE Signale Y1 und YO abgibt. Die Ausgangssignale des Flip-Flops
DF4 und des Puffers BF werden Datensammelleitungen DBO bis DB3 des Mikrocomputers
CPU zugeführt. Wenn ein Lesesignal RD, das erzeugt wird, wenn der Mikrocomputer
CPU einen externen Datenwert einliest, und ein Adressensignal AO jeweils den niedrigen
Pegel L haben, hat das Ausgangssignal des NAND-Glieds G2 den Pegel L, so daß an
den Anschluß OE des Puffers BF das Signal L angelegt wird. Wenn das Adressensignal
AQ den Pegel H hat, hat das Ausgangssignal des NAND-Glieds' G1 den Pegel L, welcher
dem Anschluß OE des Flip-Flops DF 4 zugeführt wird, so daß die, Ausgangssignale
QO bis Q3 in den Mikrocomputer CPU eingelesen werden.
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Wenn der Mikrocomputer CPU ein Signal abgibt, nimmt ein Schreibsignal
WR'den Pegel L an, wodurch das Flip-Flop
DF5 die Signale an der
Datensammelleitung des MiI<rocomputers CPU speichert. Das Ausgangssignal des
Flip-Flops DF5 wird dem Analogmultiplexer AS zugeführt, welcher einen der Widerstände
RO bis R4 wählt.
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Durch das Signal WR wird über den Inverter I6 und das ODER-Glied G5
der Zähler C1 rückgesetzt. An einen Anschluß Re ist eine Integrierschaltung mit
einem Kondensator CAP2 und einem Widerstand R6 angeschlossen, um den Mikrocomputer
CPU rückzusetzen, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird.
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Die vorstehend beschriebenen Betriebsvorgänge werden anhand des Programmablaufdiagramms
in Fig. 7 erläutert.
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Wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, wird der Mikrocomputer
CPU rückgesetzt und ein Programmzähler auf "O" zurückgeschaltet. Damit beginnt das
Programm von dem Kopf des Ablaufdiagramms an.
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Zuerst wird eine Variable K auf "O" eingestellt, während der Inhalt
eines Registers RG1 auf einen Maximalwert 15 für vier Bits eingestellt wird (K=O,
RG1=15).
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Die Variable K wird an die Datensammelleitung ausgegeben (Ausgabe
K, Schritt FST). Da K = 0 gilt, ist das Ausgangssignal des-Flip-Flops DF5 gleich
"0", so daß mittels des Analogmultiplexers AS der Widerstand RO gewählt wird.
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Da der WiderstandswerF tages Widerstands RO der kleinste derjenigen
der Widerstände RO bis R4 ist, hat das Taktausgangssignal CLK die höchste Frequenz.
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Das Schreibsignal WR des Mikrocomputers CPU setzt über den Inverter
I6 und das ODER-Glied G5 den Zähler C1 zurück.
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Danach wird eine Adresse 0 eingegeben (Eingabe ADO, Schritt IN1).
Da der Ausgang AO des Mikrocomputers CPU nunmehr den Pegel L hat, wird über die
Datensammelleitung dem Mikrocomputer CPU das ~Ausgangssignal des Puffers BF zugeführt.
Das Bit 1 der Daten wird darauf geprüft, ob es "O" oder "1" ist. Dies stellt die
Ermittlung des Ausgangssignals Q des Flip-Flops DFS dar. Falls das Bit 1 "O" ist,
nämlich der Schleifer 13 die Elektrode 12 berührt, schreitet das Programm zu einem
Schritt WATweiter.
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Dann wird das bei dem Schritt "Eingabe ADO" bzw. IN1 empfangene Bit
0 geprüft. Das Bit 0 ist das Ausgangssignal Q7 des Zählers C1 und daher noch wegen
der anfänglichen Rücksetzung "O". Infolgedessen kehrt das Programm zu dem Schritt
IN1 zurück.
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Während das Programm wiederholt diese Schleife durchläuft, dreht der
Vibrationswellenmotor; wenn dabei der Schleifer 13 in eine Stellung kommt, bei der
er außer Kontakt zu der Elektrode 12 ist, nämlich der Schalter 11 geöffnet ist,
nimmt nach den zeitlichen Verzögerungen durch die Flip-Flops DF1 bis DF3 das Ausgangssignal
Y1 des Puffers BF den Pegel H an, wodurch das Programm aus der Schleife heraustritt
und zu einem Schritt IN2 fortschreitet.
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Bei dem Schritt IN2 wird die Adresse 0 wieder eingegeben (Eingabe
ADO) und dann das Bit 0 geprüft. Dieser Sprungbefehl und der Sprungbefehl bei dem
Schritt WAT erfassen einen Zustand, bei dem der Vibrationswellenmotor stillsteht
oder mit einer sehr'niedrigen Geschwindigkeit bzw.
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Drehzahl umläuft. Wenn der Zähler C1 bis zu der werthöchsten Bitstelle
hochzählt, nimmt der Anschluß Q7 den Pegel H an, so daß das Bit 0 den Wert "1" annimmt.
Auf diese Weise springt das Programm zu einem Schritt NXT. Dieser Sprungbefehl erfaßt
den Zustand niedriger Drehzahl, um damit einen unnötigen Zeitaufwand zur Steuerung
bei der niedrigen Drehzahl des Motors zu ersparen.
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Das Bit 1 der bei dein Schritt IN2 eingegebenen Daten wird geprüft.
Die Schleife zurück zu dem Schritt 1N2 wird wiederholt, bis der Schleifer 13 mit
der Elektrode 12 den nächsten Kontakt bildet.. Wenn das Bit 1 auf "O" wechselt,
schreitet das Programm zu einem Schritt IN3 weiter, bei dem die Adresse 1 eingegeben
wird (Eingabe AD1). Dabei wird das Ausgangssignal des Flip-Flops DF4 eingelesen.
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Gemäß der vorangehenden Beschreibung speichert das Flip-Flop DF4 die
Ausgangssignale Q3 bis .Q6 des Zählers C1 unmittelbar nach dem Wechsel des Signals
aus dem Schleifer 13. Daher kann in den Mikrocomputer CPU ein Wert eingegeben werden,
der der Öffnungszeit des Schalters 11 entspricht.
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Der bei dem Schritt IN3 eingegebene Wert DATA wird mit dem Inhalt
des Registers RG1 verglichen. Da anfänglich RG1 = 15 gilt, muß der Wert DATA kleiner
als ~15" sein, so daß das Programm zu einem Schritt MN fortschreitet, bei dem der
Wert DATA in das Register RG1 eingespeichert wird (DATA > RG1) und die Variable
K in ein Register RG2 eingespeichert wird (K - >RG2).
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Das Programm schreitet dann zu dem Schritt NXT weiter, bei dem die
Variable K aufgestuft wird (K + I-cK), Falls der Wert DATA größer als der Inhalt
des Registers RG1 oder gleich diesem ist, bleiben die Inhalte der Register AG1 und
RG2 unverändert, während das Programm zu. dem Schritt NXT fortschreitet.
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Danach wird der Wert K mit "5" verglichen. Da K nunmehr gleich "1"
ist, kehrt das Programm zu dem Schritt FST zurück. Der Wert K wird auf "1" eingestellt,
um den Widerstand R1 zu wählen, wobei das Programm auf die gleiche Weise fortschreitet.
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Auf diese Weise werden die Widerstände no bis Rd feinanderfolgend
angewählt, um während des Umlaufs des Vibrationswellenmotors die Frequenz der angelegten
Spannung zu verändern.
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Wenn der Wert der Variablen K "5" erreicht, ist in dem Register RG1
ein der höchsten Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Vibrationswellenmotors entsprechender
Zählwert gespeichert und in dem Register RG2 der dabei auftretende Wert K gespeichert.
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Durch den Sprungbefehl für K = 5 zweigt das Programm zu einem Schritt
FNS ab, bei dem der Inhalt des Registers RG2 ausgelesen wird. Auf diese Weise wird
zum Steuern des Tak~ausgangssignals CLK des Taktgenerators CG2 aus den Widerständen
RO bis R4 derjenige Widerstand gewählt, der die höchste Geschwindigkeit bzw. Drehzahl
des Vibrationswellenmotors ergibt. Dann endet das Programm.
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Das Taktausgangssignal CLK wird an die Frequenzteiler D1 und D2 angelegt,
wodurch über die Treiberstufen DR1 bzw. DR2 an die elektrostriktiven Elemente 3A
bzw. 3B periodische Spannungen angelegt werden, die durch das Ausgangssignal ACLK
des Frequenzteilers Dl bzw. das Ausgangssignal BCLK des Frequenzteilers D2 bestimmt
sind.
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Damit wird die Frequenz der periodischen Spannung so gesteuert, daß
eine für die Form und die Größe des Vibrationsteils optimale Resonanz sichergestellt
wird, wodurch der Motor zu der höchsten Drehzahl angetrieben wird und der Antriebswirkungsgrad
sehr hoch ist.
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Da die Steuerung zu Beginn der Ansteuerung des Motors vorgenommen
wird, wird der Motor immer optimal gesteuert, selbst wenn sich für eine jeweilige
Ansteuerung eine Betriebsbedingung verändert.
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Bei der Herstellung ist keine Feineinstellung der Frequenz erforderlich,
so daß die Herstellungszeit verkürzt werden kann.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist zwar als
Einrichtung zur Ausgabe des Geschwindigkeits-bzw. Drehzahlsignals des Motors der
Kammform-Drehschalter gezeigt, jedoch kann statt dessen zum Erzeugen des Drehzahlsignals
ein fotoelektrischer Wandler, bei dem ein optisches Muster und eine fotoempfindliche
Vorrichtung verwendet wird, oder ein magnetoelektrischer Wandler eingesetzt werden,
bei dem ein Magnetmuster und eine Halleffekt-Vorrichtung verwendet wird.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird zwar zum
Messen der Drehzahl der Zähler verwendet, jedoch kann auch das Signal von dem Schleifer
direkt an den Mikrocomputer angelegt und von diesem durch ein Programm hinsichtlich
der Zeit aufbereitet werden. Bei der Drehzahlmessung besteht daher feine Einschränkung
auf den Schaltungszähler.
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Die Kurvenformen der Ausgangssignale der Frequenzteiler sind nicht
auf die. Rechteck-Kurvenformen ACLK und BCLK gemäß Fig. 6 beschränkt, sondern es
können Sinus-Kurvenformen für die Ansteuerung des Vibr'ati'onswellenmotors verwendet
werden.
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Die Fig. 8 ist ein Ablaufdiagramm von Schritten für die Steuerung
des Vibrationswellenmotors gemäß dem in Fig.
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7 gezeigten Ablaufdiagramm. Bei einem Schritt (a) wird die Frequenz
der an die elektrostriktiven Elemente des Vibrationswellenmotors anzulegenden periodischen
Spannung eingestellt. Bei einem Schritt (b) wird geprüft, ob die Drehzahl des bewegbaren
Teils 1 des Vibrationswellenmo.-
tors sehr niedrig oder "O" ist.
Falls die Drehzahl sehr niedrig oder ~0" ist, schreitet das Programm zu einem Schritt
(f) weiter. Falls die Drehzahl höher als eine vorbestimmte Drehzahl ist, schreitet
das Programm zu einem Schritt (c) weiter, bei dem die Geschwindigkeit bzw.
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Drehzahl gemessen wird.
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Bei einem Schritt (d) wird die bei der anfänglich eingestellten Frequenz
gemessene Drehzahl mit einer vorbestimmten Bezugsdrehzahl verglichen oder es werden
jeweils bei aufeinanderfolgend veränderten Frequenzen gemessene Drehzahlen mit den
bei den vorangehenden Frequenzen gemessenen Drehzahlen verglichen; falls die ersteren
Drehzahlen niedriger sind, schreitet das Programm zu dem Schritt (f) weiter; falls
die ersteren Drehzahlen höher sind, schreitet das Programm zu einem Schritt (e)
weiter.
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Bei dem Schritt (e) wird die Frequenz für die gemessene Drehzahl gespeichert.
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Infolgedessen wird die Frequenz nur dann aufeinanderfolgend fortgeschrieben
und gespeichert, wenn die Drehzahl allmählich ansteigt.
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Bei. dem dem Schritt (b), (c) oder (e) folgenden Schritt (f) wird
geprüft, ob die Frequenz auf jede der möglichen Frequenzen verändert wurde; wenn
dies nicht der Fall ist, wird die Frequenz bei einem Schritt (g) verändert, wonach
der Schritt (b) und die nachfolgenden Schritte wiederholt werden. Falls alle Frequenzen
fertiggeprüft worden sind, wird die gespeicherte Frequenz bei einem Schritt (h )
ausgegeben. Die Drehzahl bei dieser Frequenz ist dann die maximale Drehzahl.
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Eine zweite Betriebsart der in Fig. 5 gezeigten Schaltung wird anhand
des in Fig. 9 gezeigten Programmablaufdiagramms erläutert.
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Wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, wird der Mikrocomputer
CPU rückgesetzt und der Programmzähler auf "O" zurückgestellt. Damit beginnt das
Programm von dem Kopf des Ablaufdiagramms in Fig. 9(a) an.
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Die Variable K (0 bis 4) für die Widerstände RO bis R4 wird auf "2"
in der Mitte des Bereichs eingestellt (K = 2). Danach schreitet das Programm zu
einem Unterprogramm SUB gemäß der Darstellung in dem Ablaufdiagramm in Fig. 9(b)
weiter.
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Der Wert K wird an der Datensammelleitung ausgegeben (Ausgabe K).
Da K = 2 gilt, ist das Ausgangssignal des Flip-Flops DF5 gleich "2", so daß durch
den Analogmultiplexer AS der Widerstand R2 gewählt wird. Da der Widerstandswert
des Widerstands R2 in der Mitte der Widerstände R'O bis R4 liegt, hat das Taktausgangssignal
CLK eine Frequenz, die um die Mitte des Frequenzbereichs herum liegt.
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Das Schreibsignal WR des Mikrocomputers CPU setzt über den Inverter
I6 und das ODER-Glied G5 den Zähler C1 zurück.
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Dann wird die Adresse 0 eingegeben (Eingabe ADO). Da der Ausgang AO
des Mikrocomputers CPU den Pegel "L" hat, wird dem Mikrocomputer CPU über die Datensammell.eitung
das Ausgangssignal des Puffers BF zugeführt. Das Bit 1 der Daten wird darauf geprüft,
ob es "O" oder "1" ist. Dies stellt die Ermittlung des Ausgangssignals Q des Flip-Flops
DF3 dar. Falls das Bit 1 "O" ist, nämlich der Schleifer 13 in Kontakt mit der Elektrode
12 ist, schrei-.tet das Programm zu einem Schritt WAT weiter. Dabei wird dann das
Bit 0 der bei dem Schritt "Eingabe ADO" bzw.
-
IN1 eingegebenen Daten geprüft. Das Bit 0 ist das Aus-
gangssignal
Q7 des Zählers C1 und unmittelbar nach dem Rücksetzen noch "O". Daher kehrt das
Programm zu dem Schritt IN1 zurück.
-
Während das Programm wiederholt diese Schleife durchläuft, dreht der
Vibrationswellenmotor; wenn der Schleifer 13 in eine Stellung kommt, bei der er
mit der Elektrode 12 keinen Kontakt bildet, nämlich der Schalter 11 geöffnet ist,
nimmt nach der zeitlichen Verzögerllng durch die Flip-Flops DF1 bis DF3 der Ausgang
Y1 des Puffers BF den hohen Pegel H an. Daher tritt das Programm aus der Schleife
heraus und schreitet zu einem Schritt IN2 weiter.
-
Bei dem Schritt IN2 wird wieder die Adresse 0 eingegeben (Eingabe
ADO) und danach das Bit 0 geprüft. Dieser Sprungbefehl und der Sprungbefehl bei
dem Schritt WAT erfassen den Zustand, bei dem der V i br at i on swil le nmo to
r stillsteht oder mit einer sehr niedrigen Drehzahl umläuft. Wenn der Zähler C1
bis zu dem werthöchsten Bit Q7 hochzählt, nimmt der Anschluß Q7 den Pegel H an,
so daß das Bit 0 den Wert "1" annimmt. Auf diese Weise springt das Programm zu einem
Schritt NXT weiter, bei dem der maximale Wert 15 für vier Bits eingestellt wird
(DATA = 15). Auf diese Weise erfaßt dieser Befehl die niedrige Drehzahl, um eine
Zeitverschwendung bei der Steuerung des Motors auf die maximale Drehzahl zu vermeiden.
-
Dann wird das Bit 1 der bei dem Schritt IN2 eingogebenen Daten geprüft.
Die Schleife bis zurück zu dem Schritt IN2 wird wiederholt, bis der Schleifer 13
den nächsten Kontakt-mit der Elektrode 12 bildet. Wenn das Bit 1 auf "0" wechselt,
schreitet das Programm zu einem Schritt IN3 weiter, bei dem die Adresse 1 eingegeben
wird (Einga-
be AD1). Dabei wird das AusgangssLgnal des Flip-i'#ops
DF4 ausgelesen und als Wert DATA eingestellt.
-
Damit ist das Unterprogramm beendet, so daß das Programm zu dem Hauptprogramm
zurückkehrt (RTN).
-
In dem Hauptprogramm wird der der gemessenen Drehzahl entsprechende
Wert DATA in das Register RG1 eingespeichert (DATA » RG1). Danach wird der, Wert
K auf "3" eingestellt und wieder das Unterprogramm SUB ausgeführt.
-
D.h., es wird der Widerstand R3 gewählt und die Drehzahl gemessen.
Das Unterprogramm SUB wurde vorstehend erläutert, so daß hier die Erläuterung weggelassen
wird.
-
Bei einem nachfolgenden Schritt NX3 wird der im Unterprogramm SUB
gemessene Wert DATA mit dem Inhalt des Registers RG1 (dem Wert DATA für K = 2) verglichen;
wenn der letztere Wert größer ist, nämlich die Drehzahl bei K = 3 höher ist, springt
das Programm zu einem Schritt NX4 weiter, bei dem der Wert DATA für K = 3 in das
Register RG1 eingespeichert wird (DATA --RG1).
-
Danach wird der Wert K auf "4"-eingestellt und das Unterprogramm SUB
ausgeführt. D.h., es wird der Widerstand R4 gewählt und die Drehzahl gemessen. Danach
wird der Wert DATA mit dem Inhalt des Registers RG1 verglichen; falls der letztere
größer ist, ist die Drehzahl für K=4 maximal, so daß das Programm zu einem Schritt
FNII fortschreitet. Falls der Inhalt des Registers RG1 kleiner ist, ist die Drehzahl
für K = 3 maximal, so daß der Wert K auf "3" eingestellt wird und das Programm zu
dem Schritt FHN fortschreitet.
-
Falls bei dem Schritt NX3 der Inhalt des Registers RG1 kleiner ist,
wird der Wert K auf ~1" eingestellt und das
Programm auf gleichartige
Weise ausgeführt. Dieser Schritt ist dem Schritt NX4 gleichartig, so daß eine Erläuterung
weggelassen wird. Der Wert DATA für K = 1 wird mit dem Inhalt des Registers RG1
verglichen; falls der letztere kleiner ist, ist die Drehzahl für K=2 maximal, so
daß das Programm zu dem Schritt FNH fortschreitet.
-
Falls der Inhalt des Registers RG1 größer ist, wird der Wert DATA
für K = 1 in das Register RG1 eingespeichert, und mit dem Wert DATA für K = 0 verglichen.
Falls der Inhalt des Registers RG1 größer ist, ist die Drcllzahl für K = 1 maximal,
so daß der Wert K auf "1" eingestellt wird und das Programm zu dem Schritt FNH fortschreitet.
-
Falls der Inhalt des Registers RG1 kleiner ist, ist die Drehzahl für
K = 0 maximal, so daß der Wert K auf ~0" verbleibt und das Programm zu dem Schritt
FNH fortschreitet.
-
Bei dem Schritt FNH wird der Wert K ausgegeben.
-
Auf diese Weise wird aus den Werten 0 bis 4 für K der je nige Wert
ausgegeben, der die maximale Drehzahl ergibt, und es wird mit diesem Wert K der
entsprechende Widerstand der Wi-derstände RO bis R4 gewählt, um damit das Ausgangssignal
CLK des Taktgenerators CG2 zu steuern.
-
Mittels des Ausgangssignals CLK werden die Frequenzteiler D1 und D2
angesteuert. Über die Treiberstufen Dnl und DR2 werden jeweils an die elektrostriktiven
Elemente 3A bzw. 3B die periodischen Spannungen in Perioden angelegt, die durch
das Ausgangssignal ACLK des F r e que rlz t c i 1 e r s D1 bzw. das Ausgangssignal
BCLK des Frequenz,teilers D2 bestimmt sind.
-
Die Frequenz der periodischen Spannungen wird so gesteuert, daß eine
für die Form und die Größe des Vibrationsteils optimale Resonanz gewährleistet ist,
wodurch die
Motordrehzahl maximal wird und der Antriebswirkungsgrad
sehr hoch ist.
-
Die Fig. 10 zeigt Schritte bei der Steuerung des Vibrationswellenmotors
nach dem in Fig. 9 gezeigten Ab.laufdiagramm.
-
Bei einem Schritt (a') wird die Frequenz auf die Mitte des Frequenzbereichs
eingestellt und bei dieser Frequenz eine Geschwindigkeit v1 des bewegbaren Teils
gemessen.
-
Bei einem Schritt (b') wird eine Geschwindigkeit v2 des bewegbaren
Teils bei einer Frequenz gemessen, die gegenüber der bei dem Schritt (a') eingestellten
mittleren Frequenz versetzt ist. Bei dem Schritt (b') wird die Frequenz beispielsweise
in der ansteigenden Richtung verändert.
-
Bei einem Schritt (c') werden die bei den Schritten (a') und (b')
gemessenen Geschwindigkeiten v1 und v2 miteinander verglichen; falls die Geschwindigkeit
v1 höher ist, schreitet das Programm zu einem Schritt (d') weiter; falls, die Geschwindigkeit
v2 höher ist, schreitet das Programm zu einem Schritt (f') weiter.
-
Bei dem Schritt (d') wird eine Geschwindigkeit v3 bei einer Frequenz
gemessen, die niedriger als die bei dem Schritt (a') eingestellte Frequenz ist.
-
Bei einem Schritt (e') werden die bei den Schritten (a') und (d')
gemessenen Geschwindigkeiten v1 und v3 miteinander verglichen; falls die Geschwindigkeit
v3 höher ist, schreitet das Programm zu einem Schritt (g') weiter; falls die Geschwindigkeit
v1 höher ist, wird die Frequenz für diese Geschwindigkeit ausgegeben.
-
Bei dem Schritt (f') wird die Frequenz aufeinculdcrfolgend erhöht
und es werden die Geschwindigkeiten bei den j,eiligen Frequenzen miteinander verglichen,
wonach die Frequenz für die maximale Geschwindigkeit ausgegeben wird.
-
Bei dem Schritt (g') wird die Frequenz aufeinanderfolgend verringert
und die Geschwindigkeiten bei den jeweiligen Frequenzen werden miteinander verglichen,
wonach die Frequenz für die maximale Geschwindigkeit ausgegeben wird.
-
Falls bei dem Schritt (b') die Frequenz auf eine niedrigere Frequenz
verändert wird, wird bei dem Schritt (f) die Frequenz aufeinanderfolgend herabgesetzt,
während bei dem Schritt (d') die Frequenz über die bei dem Schritt (a') eingestellte
Frequenz angehoben wird und bei dem Schritt (g) die Frequenz aufeinanderfolgend
erhöht wird.
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Zur Ansteuerung des Vibrationswellenmotors wird die Spannung mit der
bei dem Schritt (e), (f') oder (g') ausgegebenen Frequenz angelegt.
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Anhand, der Fig. 11 und 12 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung erläutert.
-
Die Fig. 11 und 12 zeigen eine Steuerschaltung für den Vibrationswellenmotor.
Gleiche Elemente wie die in Fig.
-
5 gezeigten sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei
ihre Erläuterung weggelassen. ist.
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Nach Fig. 11 wird an den Rücksetzanschluß Re des l^tikrocomputers
CPU ein Signal RST angelegt, während an den Takteingang CP des Flip-Flops DF1 ein
Signal CPCK angelegt wird. Die Signale RST und CPC werden aus der iii
Fig.
~12 gezeigten Schaltung zugeführt, in welcher mit PG ein Impulsgenerator bezeichnet
ist, mit C10 ein Zähler bezeichnet ist, mit DF10 ein D-Flip-Flop bezeichnet is-t,
Mit CAP21 ein Kondensator bezeichnet ist, mit R15 ein Widerstand bezeichnet ist,
mit G6 ein ODER-Glied bezeichnet ist, mit SW ein Schalter bezeichnet ist und mit
DD ein Gl eichspannungs /Gl'eichspannungs-Wandl er bezeichnet ist.
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Ein Eingang D des Flip-Flops DF10 ist mit einem Ausgang OUT des Zählers
C10 verbunden, während ein Ausgang Q des Flip-Flops über das ODER-Glied G6 mit dem
Rücksetzanschluß Re des Mikrocomputers CPU verbunden ist (Fig. ii).
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Eine Speisespannung Vcc für die Schaltung wird direkt aus einer Batterie
BAT zugeführt, so daß die Schaltung auf das Einlegen bzw. Einschalten der Batterie
hin zu arbeiten beginnt. Eine Leitung VE ist mit dem Stromversorgungsanschluß des
Mikrocomputers CPU verbunden.
-
Das Signal RST wird mittels einer Inte,grationsschaltung aus dem Kondensator
CAP2' und dem Widerstand R15 für eine vorbestimmte Zeitdauer von dem Einschalten
der Batterie an abgegeben, wobei der Zähler C10 und der Mikrocomputer CPU rückgesetzt
werden und der Zähler C10 die Impulse aus dem Impulsgenerator PG zählt. Wenn der
Zähler C10 die Impulse über eine vorbestimmte Zeitdauer gezielt hat, wird an dem
Ausgang OUT ein Signal H abgegeben, wodurch bei dem Impulsanstieg an einem Takteingang
CP der Ausgang Q des Flip-Flops Du 10 auf den hohen Pegel l IS wechselt, so daß
das Signal RST abgegeben wird. Dadurch werden der Mikrocomputer CPU und auch der
Zähler C10 wieder riickgesetzt. Das Riicksetzen wird mit einer Frequenz wiederholt,
die der Zählung des Zählers C10 entspricht.
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Die Flip-Flops DF1, DF2 und DF3 wirken als ein Schiebere-
gister,
wobei ihre Takteingänge an den Impulsgenerator PG angeschlossen sind, so daß das
Signal aus dem Schleifer 13 aufeinanderfolgend bei einem jeweiligen Anstieg des
Impulsausgangssignals CPCK verschoben wird. Der Zähler C1 zählt die Impulse des
Ausgangssignals CPCK aus dem Impulsgenerator PG.
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Die Funktionsweise dieser Schaltung wird anhand des Programmablaufdiagramms
in Fig. 7 erläutert.
-
Wenn die Batterie BAT eingelegt bzw. eingeschaltzet wird, wird dem
Mikrocomputer CPU Strom zugeführt, wobei der Mikrocomputer CPU durch das Signal
RST aus dem Oi)ER-Glied G6 rückgesetzt wird und der Programmzähler auf O zurückgestellt
wird. Damit beginnt das Programm von dem Kopf des Ablaufdiagramms an.
-
Die Variable K wird anfänglich auf O einrestellt während der Inhalt
des Registers RG1 auf den Maximalwert 15 für vier Bits eingestellt wird (K = 0,
RG; = 15). Je größer der Inhalt des Registers RG1 ist, um so niedriger ist die Geschwindigkeit
bzw. Drehzahl.
-
Der Wert K wird auf die Datensammelleitung ausgegeben (Ausgabe K).
Da K=O gilt, ist das Ausgangssignal des Flip-Flops DF5 gleich O so daß durch den
Analogmultiplexer AS der Widerstand RO gewählt wird. Da der Widerstandswert des
Widerstands RO der kleinste aus denjenigen der Widerstände RO bis R4 ist, hat das
Taktausgangssigrlal CLK die höchste Frequenz.
-
Durch das Schreibsignal WR des Mikrocomputers CPU wird über den Inverter
I6 und das ODER-Glied G5 der Zähler C1 rückgesetzt.
-
Danach wird die Adresse 0 cingeg,eberl (linlyal)(? Al(9). l)a das
Ausgangssignal AO des Mikrocomputers CPU nun den niedrigen Pegel L hat, wird dem
Mikrocomputer CPU über die Datensammelleitung das Ausgangssignal des Puffers BF
zugeführt. Das Bit1 dieser Daten wird. darauf über prüft, ob es "O" oder "1" ist.
Dies stellt die Ermittlung des Ausgangssignals Q des Flip-Flops DFA dar. Falls das
Bit 1 "O" ist, nämlich der Schleifer 13 in Kontakt zur Elektrode 12 ist, schreitet
das Programm zu dem Schritt WAT weiter. Dann wird das Bit 0 der bei dem Schritt
"Eingabe ADO" eingegebenen Daten geprüft. Das Bit 0 ist das Ausgangssignal Q7 des
Zählers C1 und daher unmittelbar nach dem Rücksetzen noch "0". Daher kehrt das Programm
zu dem Schritt IN1 zurück.
-
Während das Programm w,iederholt diese Schleife durchläuft, dreht
der Vibrationswellenmotor; sobald, der Schleifer 13 in eine Stellung gelangt, bei.
der er nicht in Kontakt mit der Elektrode 12 ist, nämlich der Schalter 11 öffnet,
wechselt das Ausgangssignal Y1 des Puffers BF nach der Zeitverzögerung durch die
Flip-Flops DF1 bis DF3 auf den Pegel H. Dadurch tritt das Programm aus der Schleife
heraus und schreitet zu dem Schritt IN2 weiter.
-
Bei dem Schritt IN2 wird wieder die Adresse 0 eingegeben (Eingabe
ADO) und das Bit 0 geprüft. Dieser SprungE)efehl und der Sprungbefehl der Sprungbefehl
bei dem Schritt WAT erfassen einen Zustand, bei dem der Vibrationswellenmotor stillsteht
oder mit einer sehr niedrigen Drehzahl umläuft. Wenn der Zähler C1 bis zu dem werthöchsten
Bit Q7 hochzählt, wird an dem Anschluß Q7 das Signal M abgegeben, so daß das Bit
0 den Wert "1" annimmt. Daher springt das Programm zu dem Schritt NXT. Dieser Befehl
erfaßt den Zustand niedriger Drehzahl, um damit eine Zeitverschwendung bei der Steuerung
des Motors auf die maximale Drehzahl zu vermeiden.
-
Danach wird das Bit 1 der bei dem Schritt IN2 eingcsTebenen Daten
geprüft. Die Schleife bis zurück zu dem Schritt IN2 wird wiederholt, bis der Schleifer
13 den nächsten Kontakt der Elektrode 12 berührt. Wenn das Bit 1 auf "O" wechselt,
schreitet das Programm zu dem Schritt IN3 wsiter, bei dem die Adresse 1 eingegeben
wird (Eingabe AD1).
-
Dabei wird das Ausgangssignal des Flip-Flops DF4 eingelesen.
-
Gemäß der vorstehenden Beschreibung speichert das blip-Flop DF4 unmittelbar
nach dem Wechsel des Signals aus dem Schleifer 13 die Ausgangssignale Q3 bis Q6
des 7ahlers C1. Daher kann in den Mikrocomputer CPIJ ein Wert eingegeben werden,
der der Öffnungsdauer des Schalters 11 entspricht.
-
Der bei dem Schritt IN3 eingegebene Wert t)ATA wird mit dem Inhalt
des Registers RG1 verglichen. Da anfänglich RG1 = 15 gilt, muß der Wert DATA kleiner
als 15 sein, so daß das Programm zu dem Schritt MN fortsc#hreitet, bei dem der Wert
DATA in das Register RG1 eingespeichert wird (DATA -+ RG1), während die Variable
K in das Register RG2 eingespeichert wird (K ---> RG2) .
-
Das Programm schreitet zu dem Schritt NXT weiter, bei dem der Wert
K aufgestuft wird (K + 1 < K). Falls der Wert DATA größer als der Inhalt des
Registers RG1 oder gleich demselben ist, bleiben die Inhalte der Register RG1 und
RG2 unverändert, wonach das Programm zu dem Schritt NXT fortschreitet.
-
Der Wert K ~wird dann mit "5" verglichen. Da K nunmehr gleich "1"
ist, kehrt das Programm zu dem Schritt FST zurück. Dabei wird der Wert K auf "1"
eingestell t, um den Widerstand R1 zu wählen, wonach das Programm auf vorangehend
beschriebene Weise weiter abläuft.
-
Auf diese Weise werden aufeinanderfolgend die Widerstände RO bis R4
gewählt, um die Frequenz der angelegten Spannung zu verändern, während der Vibrationswellenmotor
umläuft.
-
Wenn die Variable K den Wert "5" erreicht, ist in dem Register RG1
ein Zählstand gespeichert, der der höchsten Drehzahl des Vibrationswellenmotors
entspricht, während in dem Register RG2 der hierzu entsprechende Wert K gespeichert
ist.
-
Durch den Sprungbefehl für K = 5 springt das Programm zu dem Schritt
FNS, bei dem der Inhalt des Registers RG2 ausgelesen wird. Auf diese Weise wird
zum Steuern des Ausgangssignals CLK des Taktgenerators CG2 aus den Widerständen
RO bis R4 derjenige Widerstand gewählt, der die höchste Drehzahl des Vibrationswellenmotors
ergibt. Danach endet das Programm.
-
Eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Ausführen dieses Programms nach
dem Einschalten der Batterie BAT wird von dem ODER-Glied G6 wieder das Signal RST
abgegeben, so daß dieses Programm wiederholt ausgeführt und damit das Ausgangssignal
CLK gebildet wird.
-
Das Ausgangssignal CLK wird an die Frequenzteiler D1 und D2 angelegt,
wodurch über die Treiberstufen DR1 und DR2 an die elektrostriktiven Elemente 3A
bzw. 3B jeweils die periodischen Spannungen angelegt werden, die durch das Ausgangssignal
ACLK des Frequenzteilers D1 bzw. das Ausgangssignal BCLK des Frequenzteilers D2
bestimmt sind.
-
Die Frequenz der periodischen Spannung wird damit so gesteuert, daß
eine für die Form und die Abmessungen des Vibrationsteils optimale Resonanz gewährleistet
ist, wo-
durch der Motor mit der höchsten Drehzahl betrieben wird
und der Antriebswirkungsgrad sehr hoch ist.
-
Da die Steuerung zu Beginn der Ansteuerung des rlotors ausgeführt
wird, wird der Motor immer optimal gesteuert, selbst wenn sich bei einer jeweiligen
Ansteuerung ein Betriebszustand verändert.
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Anhand der Fig. 13 und 14 wird ein drittes Ausführungsbeispiel der
Steuereinrichtung erläutert.
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Die Fig. 13 zeigt eine Steuerschaltung für den Vibrationswellenmotor.
Hierbei sind gleiche Elemente wie die in Fig. 5 gezeigten mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet, wobei ihre Erläuterung weggelassen ist.
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Mit I9 ist ein Inverter bezeichnet, mit R15 ist ein Widerstand bezeichnet,
mit CAP3 ist ein Kondensator bezeichnet, mit Tr9 ist ein Transistor bezeichnet,
mit Di ist eine Diode bezeichnet, mit ADC ist ein Analog/ Digital-Wandler bezeichnet,
mit ON1 ist eine monostabile Kippstufe bezeichnet und mit OP1 und OP2 sind Pufferverstärker
bezeichnet. Mit 3A und 3B sind an dem Vibrationsteil 2 des Vibrationswellenmotors
befestigte elektrostriktive Elemente bezeichnet, während mit 11' ein elektrostriktives
Element bezeichnet ist, das angrenzend an die elektrostriktiven Elemente 3A und
3B an dem Vibrationsteil 2 befestigt ist siehe Fig. 15).
-
Die Vibration des Vibrationsteils 2 wird auf das elektrostriktive
Element 11' übertragen, welches daraufhin eine elektromotorische Kraft erzeugt.
Die Ausgangsspannung des elektrostriktiven Elements 11' ist um so höher, je größer
die Amplitude der Vibration des Vibrationsteils 2 ist, nämlich je höher bzw. stärker
die Resonanz ist.
-
Die Ausgangsspannung des elektrostriktiven Elements 11' wird über
den Pufferverstärker OP1 einer Spitzenwert-Halteschaltung aus der Diode Di und dem
Kondensator CAP3 zugeführt, an welchem eine maximale Spannung gespeichert wird.
Die Spannung an dem Kondensator CAP3 wird über den Pufferverstärker OP2 einem Analogspannungseingang
VIN des Wandlers ADC zugeführt. Die Ausgänge des Flip-Flops DF4 haben drei Ausgangszustände,
wobei das Flip-Flop DF4 an den Anschlüssen QO bis Q3 Ausgangssignale auf ein Eingangssignal
an dem Anschluß OE hin abgibt.
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Der Mikrocomputer CPU führt einen Ausgabebefehl dadurch aus, daß er
die Daten an den Ausgabe-Sammelleitungen DBO bis DB3 ausgibt und an dem Anschluß
WR einen Impuls mit dem Pegel L ausgibt (Schreibsignal). Im Ansprechen hierauf speichert
das Flip-Flop DF5 die Daten an DBO bis DB2. Das Ausgangssignal am Anschluß WR wird
auch über den Inverter I6 der monostabilen Kippstufe ON 1 zugeführt, so daß dessen
Ausgangssignal für eine vorbestimmte Zeitdauer auf dem Pegel H gehalten wird. Das
Signal mit dem Pegel H sperrt über den Inverter 19 und den Widerstand R15 den Transistor
Tr9, so daß die Spitzenwert-Halteschaltung Di, CAP3 arbeitet. Auf diese Weise wird
eine während der Dauer des Pegels H aus der monostabilen Kippstufe ON 1 erzeugte
maximale Spannung aus dem elektrostriktiven Element 11' an dem Kondensator CAP3
gespeichert.
-
Diese Spannung wird mittels des Wandlers ADC in ein digitales Signal
umgesetzt, welches in dem Flip-Flop DF4 durch ein Triggersignal gespeichert wird,
das über den Inverter I9 zugeführt wird, wenn das Ausgangssignal der monostabilen
Kippstufe ON1 von dem Pegel H auf den Pegel L wechselt.
-
Der Puffer BF mit den drei Ausgangszustäsndell nimmt bei dem Pegel
L an dem Anschluß OE an dem Anschluß X1 über den Inverter I9 das Signal aus der
monostabilen Kippstufe ON1 auf und gibt an dem Anschluß Y1 ein Ausgangssignal ab.
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An den Rcksetzanschluß Re ist eine Integrationsschaltung aus dem Kondensator
CAP2 und dem Widerstand R6 angeschlossen, so daß der Mikrocomputer CPU rückgesetzt
wird, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird.
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Die Funktionsweise der Schaltung wird nun anhand des Programmablaufdiagramms
in Fig. 14 erläutert.
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Wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, wird der Mikrocomputer
CPU rückgesetzt und der Programmzähler auf "O" zurückgestellt. Damit beginnt das
Programm vom Kopf des Ablaufdiagramms an.
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Zur Einleitung wird die Variable K auf "O" eingestellt, während der
Inhalt des Registers RG1 auf einen Minimalwert "O" eingestellt wird (K = O, RG1
= 0).
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Danach wird der Wert K an die Datensammelleitung ausgegeben (Ausgabe
K). Da K = 0 gilt, ist das Ausgangssignal des Flip-Flops DF5 gleich "0", so daß
durch den Analogmultiplexer AS der Widerstand RO gewählt wird. Da der Widerstandswert
des Widerstands RO der kleinste aus denjenigen der Widerstände RO bis R4 ist,# hat
die i#:sgangswelle bzw. das Ausgangssignal CLK die höchste Frequenz.
-
Das Schreibsignal WR an dem Anschluß WR des Mikrocomputers CPU wird
über den Inverter I6 an die monostabile Kippstufe ON1 angelegt.
-
Danach wird die Adresse, O eingegeben (Eingabe ADO).
-
Da der Ausgang AO des Mikrocomputers CPU den Pegel L führt, wird dem
Mikrocomputer CPU über die Datensammelleitung das Ausgangssignal des Puffers BF
zugeführt.
-
Aus diesen Daten wird das Bit 1 darauf überprüft, ob es "O" oder "1"
ist. Dies stellt die Ermittlung des Ausgangssignals des Inverters I9 dar. Falls
das Bit 1 "O" ist, nämlich das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe ON1 den
Pegel H hat und die Spitzenwert-Halteschaltung Di, CaP3 in Betrieb ist, kehrt das
Programm zu dem Schritt IN1 für die Eingabe der Adresse 0 zurück.
-
Falls das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe ON1 den Pegel
"H" hat, durchläuft das Programm wiederholt diese Schleife, während das Vibrationsteil
2 des Vibrationswellenmotors weiter schwingt und der Rotor bzw.
-
das bewegbare Teil 1 weiter umläuft. Wenn das Ausgangssignal der monostabilen
Kippstufe ON'1 auf den Pegel L wechselt, tritt das Programm aus der Schl#eife heraus
und schreitet zu einem Schritt IN2 weiter.
-
Bei dem Schritt IN2 wird die Adresse 1 eingegeben (Eingabe AD1) und
das Ausgangssignal des Flip-Flops DF4 eingelesen.
-
Da das Flip-Flop DF4 die Daten speichert, wenn das Ausgangssignal
des Inverters IN9 den Pegel H hat, wird in den Mikrocomputer CPU ein Wert eingegeben,
der dem maximalen Ausgangssignal des elektrostriktiven Elements 11' während der
Dauer des Pegels H aus der monostabilen Kippstufe ON1 entspricht.
-
Der bei dem Schritt IN2 eingegebene Wert DATA wird mit dem Inhalt
des Registers RG1 verglich,en. Da RG1. = 0 gilt, muß der Wert DATA größer als "O"
sein, so daß
das Programm zu einem Schritt MN fortschreitet, bei
welchem der Wert DATA in das Register RG1 eingespeichert wird (DATA - ! RG1) und
der Wert K in das Register RG2 eingespeichert wird (K--cRG2).
-
Dann schreitet das Programm zu einem Schritt NXT weiter, bei dem der
Wert K aufgestuft wird (K + 1 K). Falls der Wert DATA kleiner als der Inhalt des
Registers RG1 oder gleich demselben ist, schreitet das Programm ohne Veränderung
der Inhalte der Register RG1 und RG2 zu dem Schritt NXT weiter.
-
Danach wird der Wert K mit "5" verglichen. Da K = 1 gilt, kehrt das
Programm zu dem, Schritt FST zurück.
-
Der Wert K wird auf ~1" eingestellt, um den Widerstand R1 zu wählen,
wonach das Programm auf gleichartige Weise wieder ausgeführt wird.
-
Auf diese Weise werden während des Umlaufs des Vibrationswellenmotors
aufeinanderfolgend die Widerstände RO bis R4 gewählt, so daß die Frequenz der angelegten
Spannung aufeinanderfolgend abgesenkt wird.
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Wenn die Variable K den Wert "5" erreicht, ist in dem Register RG1
der Zählstand für die maximale Vibrationsamplitude des Vibrationsteils gespeichert,
während in dem Register Rd2 der zugehörige Wert K gespeichert ist.
-
Daher schreitet das Programm durch den Sprungbefehl für K = 5 zu einem
Schritt FNS weiter, bei dem der Inhalt des Registers RG2 ausgegeben wird, so daß
zur Steuerung des Ausgangssignals CLK des Taktgenerators CG2 aus den Widerständen
RO bis R4 der optimale Widerstand gewählt wird. Danach wird das Programm beendet.
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Die Frequenzteiler D1 und D2 werden durch das Ausgangssignal CLK angesteuert.
Über die Treiberstufen DR1 und DR2 werden an die elektrostriktiven Elemente 3A und
3B jeweils die periodischen Spannungen mit Kurvenformèn angelegt, die durch das
Ausgangssignal ACLK des Frequenzteilers D1 bzw. das Ausgangssignal BCLK des Frequenzteilers
D2 bestimmt sind.
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Die Frequenzen der periodischen Spannungen werden so gesteuert, daß
die für die Form und Abmessungen des Vibrationsteils optimale Resonanz gewährleistet
ist, wodurch eine maximale Vibrationsamplitude des Vibrationsteils erzielt wird
und der Antriebswirkungsgrad sehr hoch ist.
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Da die Steuerung zu Beginn der Ansteuerung des Motors vorgenommen
wird, wird immer ein Optimalzustand aufrecht erhalten, selbst wenn sich Betriebsbedingungen
für eine jeweilige Ansteuerung verändern. Ferner ist keine Feineinstellung bei der
Herstellung erforderlich, so daß die Herstellungszeit verkürzt werden kann.
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Die Ausgangssignal-Kurvenform des Frequenzteilers ist nicht auf die
in Fig. 6 gezeigte Rechteck-Kurvenform ACLK oder BCLK beschränkt; vielmehr kann
zur AnSteuerung des Vibrationswellenmotors eine Sinuswelle verwendet werden.
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Die beschriebene Steuereinrichtung bzw. das Steuerverfahren ist nicht
nur bei einem umlaufenden Vibrationswellenmotor, sondern auch bei einem linearen
Vibrationswellenmotor anwendbar.
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Wenn das einzelne ringförmige Element 3 gemäß der Darstellung in Fig.
2 eingesetzt wird, wird an der Stelle
des in Fig. 15 gezeigten
elektrostriktiven Elements 11', nämlich zwischen den Elementen 3a5 und 3b5 ein polarisierter
Bereich gebildet und aus diesem eine elektromotorische Kraft aufgenommen, um die
Vibrationsamplitude des einzelnen Elements 3 ohne Beeinflussung durch die Vibration
des Vibrationsteils 2 zu erfassen.
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Die Fig. 16 zeigt eine ,anwendung des Vlbrationswellenmotors als Antrieb
für ein Kameraobjektiv mit automatischer Scharfeinstellung. Eine automatische Scharfeinstellschaltung
101 ist an sich aus der JP-OS Nr. 155 337/1980 bekannt und wird daher hier nicht
erläutert.
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Der Schaltungsaufbau weist die in Fig. 5 gezeigte Schaltung, die automatische
Scharfeinstellschaltung 101 und Wählschaltglieder G10 und G11 auf.
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Bei einem Scharfeinstellungszustand haben die Ausgangssignale zweier
Vergleicher 59 und 60 den Pegel L, während bei einer unscharfen Einstellung das
Ausgangssignal eines dieser Vergleicher den Pegel H hat; die Ausgangssignale der
Vergleicher liegen an dem Wählschaltglied GiO aus UND-Gliedern G12 und G13 und einem
ODER-Glied G14 sowie an dem Wählschaltglied G11 aus UND-Gliedern G15 und G16 und
einem ODER-Glied G17 derart an, daß der Vibrationswellenmotor M vorwärts oder rückwärts
gedreht wird. Ein ODER-Glied G18 gibt ein Ausgangssignal ST ab, das den Pegel H
hat, wenn der Motor angesteuert wird. Dieses Ausgangssignal wird an einen Anschluß
STOP des Mikrocomputers CPU angelegt. Wenn der Anschluß STOP den Pegel L erhält,
führt ~1; der Mikrocomputer CPU das Programm nicht aus. Daher wird das Programm
bei der ersten Motoransteuerung nach dem Einschalten der Stromversorgung ausgeführt.
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Der Vibrationswellenmotor ist nicht auf die Anwendung in der automatischen
Scharfeinste 11 schaltung beschränkt, sondern kann auch zum Stellen bzw. -Steuern
einer Irisblende oder für den Antrieb einer Filmtransportvorrichtung verwendet werden.
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Bei einem Vibrationswellenmotor wird ein mit einem Vibrationsteil
in Berührung stehendes bewegbares Teil durch eine Vibrationswanderwelle angetrieben,
die von dem Vibrationsteil durch das Anlegen einer periodischen Spannung an ein
mit dem Vibrationsteil in Berührung stehendes elektrostriktives Element erzeugt
wird, wobei die Frequenz der periodischen Spannung aufeinanderfolgend verändert
wird, bei der jeweiligen Frequenz die Antriebsgeschwindigkeit des bewegbaren Teils
gemessen wird, die Meßwerte aufeinanderfolgend verglichen werden, eine Frequenz
gespeichert wird, die den größten Meßwert ergibt, und das bewegbare Teil mittels
der periodischen Spannung mit der gespeicherten Frequenz betrieben wird.
-
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