JP2014200143A - Driving circuit and driving method for piezoelectric actuator, and measuring instrument for characteristic frequency - Google Patents
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
本発明は、機械系に力を伝達する圧電アクチュエータを駆動する技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for driving a piezoelectric actuator that transmits a force to a mechanical system.
従来、ピエゾアクチュエータ等の圧電アクチュエータの入力電圧νを周期的に変動させて、共振周波数から機械系の固有振動数を同定する方法がある。また、回路方程式を考慮して同様なことを入力電流で行う方法がある。
また、圧電アクチュエータの入力電圧νを機械系の速度の正帰還で作り出し、自励振動を発生させてその応答周波数から固有振動数を同定する方法がある。また、回路方程式を考慮して同様なことを入力電流で行う方法がある。
例えば、非特許文献1には、試験片(機械系)に機械的に強制振動を与えて共振周波数(固有振動数)を計測し、この共振周波数からヤング率(縦弾性係数)を計算する測定法(共振法)が開示されている。
Conventionally, there is a method of identifying the natural frequency of a mechanical system from a resonance frequency by periodically changing an input voltage ν of a piezoelectric actuator such as a piezoelectric actuator. There is also a method of performing the same thing with an input current in consideration of circuit equations.
Further, there is a method in which the input voltage ν of the piezoelectric actuator is generated by positive feedback of the mechanical system speed, self-excited vibration is generated, and the natural frequency is identified from the response frequency. There is also a method of performing the same thing with an input current in consideration of circuit equations.
For example, Non-Patent
しかしながら、上記従来技術では、いずれも機械系の変位又は速度を何らかの方法でセンシングしなければならず、機械系に対するセンシングシステムが必要となる。このようなセンシングシステムは、装置の大型化を招くと共に、測定時の初期設定等の煩わしい作業が必要となる。 However, in each of the above prior arts, the displacement or speed of the mechanical system must be sensed by some method, and a sensing system for the mechanical system is required. Such a sensing system increases the size of the apparatus and requires troublesome work such as initial setting during measurement.
例えば、光てこ法をセンシング技術として用いた場合、光てこ法のためのレーザーの光軸合わせが必要となる。この光軸合わせは、特にレーザーが屈折する液中観察において難度が高い。また、レーザー光源のノイズ対策にも苦労する。更に、光てこ機構の存在が装置全体の小型化を阻む。そのため装置を高剛性化できないためノイズを拾いやすくなり、センシング機能の高感度化・高分解能化を困難なものとしている。
本発明は、上記の問題点に着目して、機械系に対するセンシングシステムが無くても簡易に機械系の固有振動数の測定を行うのに好適な圧電アクチュエータ用駆動回路、圧電アクチュエータの駆動方法及び固有振動数測定装置を提供することを目的とする。
For example, when the optical lever method is used as a sensing technique, it is necessary to align the optical axis of the laser for the optical lever method. This optical axis alignment has a high degree of difficulty especially in observation in liquid where the laser is refracted. In addition, we have a hard time dealing with noise from laser light sources. Further, the presence of the optical lever mechanism prevents the entire apparatus from being downsized. For this reason, since the device cannot be made highly rigid, it is easy to pick up noise, making it difficult to increase the sensitivity and resolution of the sensing function.
The present invention pays attention to the above-mentioned problems, and a piezoelectric actuator drive circuit suitable for easily measuring the natural frequency of a mechanical system without a sensing system for the mechanical system, a piezoelectric actuator driving method, and An object is to provide a natural frequency measuring device.
〔形態1〕 上記目的を達成するために、形態1の圧電アクチュエータ用駆動回路は、機械系に力を伝達する圧電アクチュエータと共に該機械系とカップリングした状態で前記圧電アクチュエータを駆動する圧電アクチュエータ用駆動回路であって、前記圧電アクチュエータの端子間電圧νに基づき、該圧電アクチュエータに前記端子間電圧に比例した駆動電流iを供給する。
[Mode 1] In order to achieve the above object, a drive circuit for a piezoelectric actuator according to
このような構成であれば、圧電アクチュエータの端子間電圧νに比例した駆動電流iを圧電アクチュエータに供給することが可能である。これにより、圧電アクチュエータは、駆動電流iに応じた端子間電圧νを発生し、この端子間電圧νに比例した力を機械系に伝達する。
ここで、上記圧電アクチュエータは、圧電基礎式にそのダイナミクスが従う全てのアクチュエータ含む。以下、形態5において同様である。
With such a configuration, it is possible to supply a drive current i proportional to the terminal voltage ν of the piezoelectric actuator to the piezoelectric actuator. As a result, the piezoelectric actuator generates an inter-terminal voltage ν corresponding to the drive current i, and transmits a force proportional to the inter-terminal voltage ν to the mechanical system.
Here, the piezoelectric actuator includes all actuators whose dynamics follow the piezoelectric basic formula. The same applies to
〔形態2〕 更に、形態2の圧電アクチュエータ用駆動回路は、形態1の構成に対して、下式(1)で表される駆動電流iを前記圧電アクチュエータに供給する。
i=L(dν/dt)+Rν ・・・(1)
上式(1)において、L、Rは、前記駆動電流iが、前記圧電アクチュエータの剛性の効果を含む固有振動数である機械系の固有振動数で当該圧電アクチュエータ用駆動回路を含む前記圧電アクチュエータの駆動系である電気系が自励発振する電流値となるように設定したフィードバックゲインである。
[Mode 2] Furthermore, the piezoelectric actuator drive circuit according to
i = L (dν / dt) + Rν (1)
In the above equation (1), L and R are the piezoelectric actuators including the driving circuit for the piezoelectric actuator, where the driving current i is the natural frequency of the mechanical system that is the natural frequency including the rigidity effect of the piezoelectric actuator. The feedback gain is set so that the electric system as the drive system has a current value at which self-oscillation occurs.
このような構成であれば、機械系の固有振動数で電気系が自励発振するようにフィードバックゲインL及びRが設定された上式(1)に示す駆動電流iを、圧電アクチュエータに供給することが可能である。これにより、圧電アクチュエータは、上式(1)に示す駆動電流iに応じた端子間電圧νを発生し、この端子間電圧νに比例した力を機械系に伝達する。 With such a configuration, the drive current i shown in the above equation (1) in which the feedback gains L and R are set so that the electric system self-oscillates at the natural frequency of the mechanical system is supplied to the piezoelectric actuator. It is possible. As a result, the piezoelectric actuator generates an inter-terminal voltage ν corresponding to the drive current i shown in the above equation (1), and transmits a force proportional to the inter-terminal voltage ν to the mechanical system.
〔形態3〕 更に、形態3の圧電アクチュエータ用駆動回路は、形態2の構成に対して、前記端子間電圧νをR倍に増幅する第1増幅部と、前記端子間電圧νを微分する微分部と、前記微分部の出力電圧をL倍に増幅する第2増幅部と、前記第1増幅部の出力電圧と前記第2増幅部の出力電圧との和の電圧を電流に変換するV/I変換部と、を備え、前記V/I変換部の出力電流を前記駆動電流iとして前記圧電アクチュエータに供給する。
[Mode 3] Furthermore, the piezoelectric actuator drive circuit according to
このような構成であれば、第1増幅部によって、端子間電圧νをR倍に増幅することが可能であり、微分部によって、端子間電圧νを微分することが可能であり、第2増幅部によって、微分部の微分結果をL倍に増幅することが可能である。更に、電流供給部は、V/I変換部によって、第1増幅部の出力電圧と第2増幅部の出力電圧との和の電圧を電流に変換する。そして、電流供給部は、V/I変換部の出力電流を駆動電流iとして圧電アクチュエータに供給することが可能である。 With such a configuration, the inter-terminal voltage ν can be amplified R times by the first amplifying unit, the inter-terminal voltage ν can be differentiated by the differentiating unit, and the second amplification The differential unit can amplify the differential result of the differential unit by L times. Furthermore, the current supply unit converts the sum of the output voltage of the first amplification unit and the output voltage of the second amplification unit into a current by the V / I conversion unit. The current supply unit can supply the output current of the V / I conversion unit as a drive current i to the piezoelectric actuator.
〔形態4〕 更に、形態4の圧電アクチュエータ用駆動回路は、形態2又は3の構成に対して、前記電気系の回路方程式である下式(2)と、前記機械系の運動方程式である下式(3)とが、固有値として、1つの負の実数と、2つの実部正の共役複素数とを有するように前記フィードバックゲインL及びRを決定する。
dν/dt−{1/(Cp−d33 2Ka−L)}Rν=−{d33Ka/(Cp−d33 2Ka−L)}dx/dt ・・・(2)
m(d2x/dt2)+c(dx/dt)+(k+Ka)x=d33Kaν ・・・(3)
[Embodiment 4] Furthermore, the piezoelectric actuator drive circuit of
dν / dt- {1 / (C p -d 33 2 K a -L)} Rν = - {d 33 K a / (C p -d 33 2 K a -L)} dx / dt ··· (2 )
m (d 2 x / dt 2 ) + c (dx / dt) + (k + K a) x = d 33 K a ν ··· (3)
上式(2)及び(3)において、xは機械系の変位、mは機械系の質量、kは機械系のばね定数、cは機械系の減衰定数、Cpは圧電アクチュエータのキャパシタンス、d33は圧電アクチュエータの圧電定数、KaはKa=A/(sEl)で表され、Aは圧電アクチュエータの断面積、sEは圧電アクチュエータの弾性コンプライアンス、lは圧電アクチュエータの分極方向の厚さである。
このような構成であれば、上式(2)及び(3)が、固有値として、1つの負の実数と、2つの実部正の共役複素数とを有するようにフィードバックゲインL及びRが設定された上式(1)に示す駆動電流iを圧電アクチュエータに供給することが可能となる。
In the above equations (2) and (3), x is the displacement of the mechanical system, m is the mass of the mechanical system, k is the spring constant of the mechanical system, c is the damping constant of the mechanical system, C p is the capacitance of the piezoelectric actuator, d 33 is the piezoelectric constant of the piezoelectric actuator, K a is expressed as K a = A / (s E l), A is the cross-sectional area of the piezoelectric actuator, s E is the elastic compliance of the piezoelectric actuator, and l is the polarization direction of the piezoelectric actuator Is the thickness.
With such a configuration, the feedback gains L and R are set so that the above equations (2) and (3) have one negative real number and two real part positive conjugate complex numbers as eigenvalues. In addition, the drive current i shown in the above equation (1) can be supplied to the piezoelectric actuator.
〔形態5〕 一方、上記目的を達成するために、形態5の圧電アクチュエータの駆動方法は、機械系に力を伝達する圧電アクチュエータと共に該機械系とカップリングした状態で前記圧電アクチュエータを駆動する駆動回路を用いた圧電アクチュエータの駆動方法であって、前記駆動回路が、前記圧電アクチュエータの端子間電圧νに基づき、該圧電アクチュエータに前記端子間電圧νに比例した駆動電流iを供給するステップを含む。
[Mode 5] On the other hand, in order to achieve the above object, the method for driving a piezoelectric actuator according to
〔形態6〕 また、上記目的を達成するために、形態6の固有振動数測定装置は、形態1乃至4のいずれか1に記載の圧電アクチュエータ用駆動回路と、前記端子間電圧νを検出する電圧検出部と、前記電圧検出部で検出した前記端子間電圧νに基づき前記機械系の固有振動数を検出する固有振動数検出部と、を備える。
このような構成であれば、電圧検出部によって、圧電アクチュエータの端子間電圧νを検出することが可能であり、固有振動検出部によって、検出した端子間電圧νに基づき機械系の固有振動数を検出することが可能である。
[Mode 6] In order to achieve the above object, the natural frequency measurement device according to
With such a configuration, the voltage detector can detect the voltage ν between the terminals of the piezoelectric actuator, and the natural vibration detector can detect the natural frequency of the mechanical system based on the detected voltage ν between the terminals. It is possible to detect.
以上説明したように、本発明によれば、圧電アクチュエータの端子間電圧νに基づき、該圧電アクチュエータに端子間電圧νに比例する駆動電流iを供給するようにした。これにより、端子間電圧νに比例した力で機械系を自励振動させることができるので、そのときの端子間電圧νの時間変化から簡易に機械系の固有振動数を検出することが可能である。つまり、機械系の固有振動数の測定に、機械系の変位や速度をセンシングするシステムを不要とすることが可能となる。 As described above, according to the present invention, the drive current i proportional to the inter-terminal voltage ν is supplied to the piezoelectric actuator based on the inter-terminal voltage ν of the piezoelectric actuator. This allows the mechanical system to self-excited with a force proportional to the voltage ν between the terminals, so it is possible to easily detect the natural frequency of the mechanical system from the time change of the voltage ν between the terminals at that time. is there. That is, it is possible to eliminate the need for a system that senses the displacement and speed of the mechanical system for measuring the natural frequency of the mechanical system.
以下、図面に基づき、本発明に係る圧電アクチュエータ用駆動回路、圧電アクチュエータの駆動方法及び固有振動数測定装置の実施形態を説明する。図1〜図6は、本発明に係る圧電アクチュエータ用駆動回路、圧電アクチュエータの駆動方法及び固有振動数測定装置の一実施形態を示す図である。 Embodiments of a piezoelectric actuator drive circuit, a piezoelectric actuator drive method, and a natural frequency measuring device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 6 are diagrams showing an embodiment of a piezoelectric actuator drive circuit, a piezoelectric actuator drive method, and a natural frequency measuring device according to the present invention.
(構成)
まず、本実施形態に係る圧電アクチュエータ用駆動回路(以下、単に駆動回路と称す)の構成を説明する。
この駆動回路は、機械系に力を伝達する圧電アクチュエータを駆動する回路である。ここで、圧電アクチュエータは、圧電基礎式にそのダイナミクスが従う全てのアクチュエータを含む。具体例を挙げると、圧電アクチュエータとして、例えば、電荷同士の間に働くクーロン力で動作するアクチュエータや、圧電素子の逆圧電効果を利用したアクチュエータなど様々な形式のものが存在する。
(Constitution)
First, the configuration of a piezoelectric actuator drive circuit (hereinafter simply referred to as a drive circuit) according to the present embodiment will be described.
This drive circuit is a circuit that drives a piezoelectric actuator that transmits force to the mechanical system. Here, the piezoelectric actuator includes all actuators whose dynamics follow the piezoelectric basic formula. As specific examples, there are various types of piezoelectric actuators such as an actuator that operates with a Coulomb force acting between electric charges and an actuator that uses the inverse piezoelectric effect of a piezoelectric element.
本実施形態において、かかる駆動回路は、圧電アクチュエータと共に、該圧電アクチュエータの力の伝達対象である機械系(例えば、カンチレバー等の振動体)とカップリングした状態で動作するようになっている。
具体的に、カップリングされた機械系、圧電アクチュエータ及び駆動回路は、機械系を「ばね−質量(マス)−ダンパ」系の等価モデルとして、図1に示す機械系モデルとして表すことができる。ここで、図1は、カップリングされた機械系、圧電アクチュエータ及び駆動回路の機械系モデルの一例を示す図である。
In the present embodiment, such a drive circuit operates together with a piezoelectric actuator in a coupled state with a mechanical system (for example, a vibrating body such as a cantilever) that is a transmission target of the force of the piezoelectric actuator.
Specifically, the coupled mechanical system, piezoelectric actuator, and drive circuit can be represented as a mechanical system model shown in FIG. 1 with the mechanical system as an equivalent model of a “spring-mass-damper” system. Here, FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a mechanical system model of a coupled mechanical system, a piezoelectric actuator, and a drive circuit.
かかる機械系モデルは、図1に示すように、質量mの物体と、減衰定数cのダンパと、ばね定数kのばねとを有する機械系に対して、圧電アクチュエータ及び駆動回路が、ダンパ及びばねと並列に接続された構成となっている。
かかる構成により、機械系に圧電アクチュエータで力fを加えると、この力fによる機械系の変位x(振動)は、圧電アクチュエータ及び駆動回路にも作用する。
As shown in FIG. 1, the mechanical system model includes a piezoelectric actuator and a drive circuit for a mechanical system having an object of mass m, a damper having a damping constant c, and a spring having a spring constant k. And connected in parallel.
With this configuration, when a force f is applied to the mechanical system by the piezoelectric actuator, the displacement x (vibration) of the mechanical system due to the force f also acts on the piezoelectric actuator and the drive circuit.
ここで、かかる駆動回路を含む圧電アクチュエータの駆動系(以下、電気系と称す)の回路方程式は、下式(4)のようになる。
dv/dt+{d33Ka/(Cp−d33 2Ka)}(dx/dt)={1/(Cp−d33 2Ka)}i ・・・(4)
上式(4)において、νは圧電アクチュエータの端子間電圧、Cpは圧電アクチュエータのキャパシタンス、d33は圧電アクチュエータの圧電定数である。更に、Kaは、「Ka=A/(sEl)」で表され、Aは圧電アクチュエータの断面積、sEは圧電アクチュエータの弾性コンプライアンス、lは圧電アクチュエータの分極方向の厚さである。
Here, a circuit equation of a drive system (hereinafter referred to as an electric system) of a piezoelectric actuator including such a drive circuit is represented by the following expression (4).
dv / dt + {d 33 K a / (C p -d 33 2 K a)} (dx / dt) = {1 / (C p -d 33 2 K a)} i ··· (4)
In the above equation (4), ν is the voltage between the terminals of the piezoelectric actuator, C p is the capacitance of the piezoelectric actuator, and d 33 is the piezoelectric constant of the piezoelectric actuator. Further, K a is expressed by “K a = A / (s E l)”, A is a sectional area of the piezoelectric actuator, s E is an elastic compliance of the piezoelectric actuator, and l is a thickness of the piezoelectric actuator in the polarization direction. is there.
以下、上式(4)の導出方法について説明する。
まず、圧電方程式(圧電基礎式)は、下式(5)及び(6)のようになる。
D=εE+d33T ・・・(5)
S=d33E+sET ・・・(6)
上式(5)及び(6)において、Dは電気変位、εは誘電率、Eは電界、Tは応力、Sはひずみである。
Hereinafter, the derivation method of the above equation (4) will be described.
First, the piezoelectric equation (piezoelectric basic equation) is expressed by the following equations (5) and (6).
D = εE + d 33 T (5)
S = d 33 E + s E T (6)
In the above formulas (5) and (6), D is electrical displacement, ε is dielectric constant, E is electric field, T is stress, and S is strain.
上式(5)の両辺に圧電アクチュエータの断面積Aをかけ、上式(6)の両辺に圧電アクチュエータの長さ(分極方向の厚さ)lをかけると下式(7)及び(8)のように表すことができる。
Q=Cpν+d33f ・・・(7)
x=d33ν+(1/Ka)f ・・・(8)
When the cross-sectional area A of the piezoelectric actuator is applied to both sides of the above equation (5) and the length (thickness in the polarization direction) l of the piezoelectric actuator is applied to both sides of the above equation (6), the following equations (7) and (8) It can be expressed as
Q = C p ν + d 33 f (7)
x = d 33 ν + (1 / K a ) f (8)
上式(8)を用いて、上式(7)からfを消去すると下式(9)となる。
Q=(Cp−d33 2Ka)ν+d33Kax ・・・(9)
上式(9)を時間で微分し、整理すると下式(10)に示す電気系の式が得られる。
dv/dt={1/(Cp−d33 2Ka)}i−{d33Ka/(Cp−d33 2Ka)}(dx/dt) ・・・(10)
つまり、上式(10)の右辺の第二項を左辺に移動することで、上式(4)が得られる。
If f is deleted from the above equation (7) using the above equation (8), the following equation (9) is obtained.
Q = (C p -d 33 2 K a) ν + d 33 K a x ··· (9)
When the above equation (9) is differentiated by time and arranged, the electric system equation shown in the following equation (10) is obtained.
dv / dt = {1 / ( C p -d 33 2 K a)} i- {d 33 K a / (C p -d 33 2 K a)} (dx / dt) ··· (10)
That is, the above equation (4) is obtained by moving the second term on the right side of the above equation (10) to the left side.
一方、機械系の運動方程式は、下式(11)のようになる。
m(d2x/dt2)+c(dx/dt)+(k+Ka)x=d33Kaν ・・・(11)
以下、上式(11)の導出方法について説明する。
機械系に圧電アクチュエータによって外力を加えたときの式は、下式(12)となる。
m(d2x/dt2)+c(dx/dt)+kx=−f ・・・(12)
そして、上式(12)に、上式(8)を代入することで、上式(11)が導出される。
On the other hand, the equation of motion of the mechanical system is as shown in the following equation (11).
m (d 2 x / dt 2 ) + c (dx / dt) + (k + K a) x = d 33 K a ν ··· (11)
Hereinafter, a method for deriving the above equation (11) will be described.
The formula when an external force is applied to the mechanical system by the piezoelectric actuator is the following formula (12).
m (d 2 x / dt 2 ) + c (dx / dt) + kx = −f (12)
Then, the above expression (11) is derived by substituting the above expression (8) into the above expression (12).
次に、本実施形態では、圧電アクチュエータに流す電流iを圧電アクチュエータの端子間電圧νを用いて下式(13)のように与える。
i=L(dν/dt)+Rν ・・・(13)
上式(13)において、L,Rはフィードバックゲインである。詳細は後述するが、このフィードバックゲインL,Rを適切に設定することで、機械系は自励発振する。その時の発振周波数は、機械系の固有振動数にほぼ一致する。
ここで、上式(13)の右辺は、圧電アクチュエータの端子間電圧νとその微分値とから容易に求めることができ、機械系の変位や速度を測定する必要が無い。
Next, in the present embodiment, the current i flowing through the piezoelectric actuator is given by the following equation (13) using the terminal voltage ν of the piezoelectric actuator.
i = L (dν / dt) + Rν (13)
In the above equation (13), L and R are feedback gains. Although details will be described later, the mechanical system self-oscillates by appropriately setting the feedback gains L and R. The oscillation frequency at that time substantially matches the natural frequency of the mechanical system.
Here, the right side of the above equation (13) can be easily obtained from the inter-terminal voltage ν of the piezoelectric actuator and its differential value, and there is no need to measure the displacement and speed of the mechanical system.
次に、上式(13)を上式(4)に代入すると、下式(14)が得られる。
dν/dt−{1/(Cp−d33 2Ka−L)}Rν=−{d33Ka/(Cp−d33 2Ka−L)}dx/dt ・・・(14)
上式(13)を上式(14)としたときにおける、機械系、圧電アクチュエータ及び駆動回路から構成されるシステム全体のダイナミクスは、上式(11)と上式(14)とに支配されることになる。
Next, when the above equation (13) is substituted into the above equation (4), the following equation (14) is obtained.
dν / dt- {1 / (C p -d 33 2 K a -L)} Rν = - {d 33 K a / (C p -d 33 2 K a -L)} dx / dt ··· (14 )
When the above equation (13) is changed to the above equation (14), the dynamics of the entire system including the mechanical system, the piezoelectric actuator, and the drive circuit is governed by the above equation (11) and the above equation (14). It will be.
具体的に、システム全体のダイナミクスは、例えば、図2に示すブロック線図のように表すことができる。図2は、システム全体のダイナミクスの一例を示すブロック線図である。
図2に示すように、電気系1において、伝達要素1aから出力された圧電アクチュエータの端子間電圧νが伝達要素1iにおいて力fへと変換され、この力fが機械系の伝達要素2へと入力される。
Specifically, the dynamics of the entire system can be expressed as a block diagram shown in FIG. 2, for example. FIG. 2 is a block diagram showing an example of the dynamics of the entire system.
As shown in FIG. 2, in the
力fの入力に応じた伝達要素2の出力(機械系の変位x)は、カップリングによる相互作用によって伝達要素1b及び1cを介して機械系の速度に比例した大きさの電流ixとして電気系1に入力される。
一方、本実施形態では、圧電アクチュエータに、上式(13)で示す電流iを供給することから、微分部1e及び乗算部1fを介して、端子間電圧νの微分値dν/dtをL倍にした電圧L(dν/dt)を加算部1hに入力する。また、乗算部1gを介して、端子間電圧νをR倍にした電圧Rνを加算部1hに入力する。加算部1hは、入力されたL(dν/dt)及びRνを加算する。加えて、この加算結果の電圧を電流iに変換して出力する。
The output of the
On the other hand, in the present embodiment, the current i shown in the above equation (13) is supplied to the piezoelectric actuator, so the differential value dν / dt of the terminal voltage ν is multiplied by L through the differentiating
機械系から伝達要素1b及び1cを介して入力される電流ixと、加算部1hから入力される電流i(上式(13)に示す電流に相当)とは、図2中の加算部1dに示すように、電流iから電流ixが減算される。そして、この減算結果(id=i−ix)が伝達要素1aに入力される。このようにして、圧電アクチュエータの端子間電圧νに比例する成分と端子間電圧νの1階微分に比例する成分との和で構成される電流idによって、圧電アクチュエータを駆動する。このとき、フィードバックゲインL,Rを適切に設定することで機械系が自励発振する。
A current i x which is input from the mechanical system via a
(L,Rの設定範囲について)
次に、フィードバックゲインL,Rの適切な設定範囲について説明する。
まず、上式(11)と上式(14)とを無次元化する。このとき、代表時間を周期「T={m/(k+Ka)}1/2」、代表長さを圧電アクチュエータの最大変位X、代表電圧を最大変位Xを与える際の電圧Vとする。
このときの無次元方程式と無次元パラメータとは下式(15)〜(20)のように計算できる。
(L, R setting range)
Next, an appropriate setting range of the feedback gains L and R will be described.
First, the above formula (11) and the above formula (14) are made dimensionless. At this time, the representative time is a cycle “T = {m / (k + K a )} 1/2 ”, the representative length is the maximum displacement X of the piezoelectric actuator, and the representative voltage is the voltage V when the maximum displacement X is applied.
The dimensionless equations and dimensionless parameters at this time can be calculated as in the following formulas (15) to (20).
R’={T/(Cp−d33 2Ka−L)}R ・・・(17)
Ka’={d33Ka/(Cp−d33 2Ka−L)}(X/V) ・・・(18)
γ=c/(m(k+Ka))1/2 ・・・(19)
ψ=d33KaV/((k+Ka)X) ・・・(20)
上式(15)及び(16)において、パラメータxの上部に付した「・」は、無次元時間T*の1階微分、「・・」は、無次元時間T*の2階微分を示す。例えば、パラメータxについて、無次元時間T*の1階微分は、「dx1/dT*」となり、2階微分は、「d2x1/dT*2」となる。また、以降は、無次元量を表す*は記載を省略する。
R '= {T / (C p -d 33 2 K a -L)} R ··· (17)
K a '= {d 33 K a / (C p -d 33 2 K a -L)} (X / V) ··· (18)
γ = c / (m (k + K a )) 1/2 (19)
ψ = d 33 K a V / ((k + K a) X) ··· (20)
In the above equations (15) and (16), “·” attached to the upper part of the parameter x represents the first derivative of the dimensionless time T * , and “··” represents the second derivative of the dimensionless time T *. . For example, for the parameter x, the first derivative of the dimensionless time T * is “dx 1 / dT * ”, and the second derivative is “d 2 x 1 / dT * 2 ”. In the following description, * representing a dimensionless quantity is omitted.
上式(15)及び(16)を行列を用いて、「(d/dt)x=Bx」の形で書くと、下式(21)のようになる。 When the above equations (15) and (16) are written in the form of “(d / dt) x = Bx” using a matrix, the following equation (21) is obtained.
ここで、上式(21)の行列Bが固有値として一つの負の実数と、二つの実部正の共役複素数とを持てば自励振動が起こる。そこで、行列Bを座標変換して特性方程式を得る。そして、特性方程式は座標変換によらないことを利用して、座標変換して得た特性方程式の係数比較を行う。
行列Bが固有値として一つの実数と二つの共役複素数を持つとすれば、座標変換により行列Bは、下式(22)のような行列に変換される。
Here, if the matrix B of the above equation (21) has one negative real number and two real part positive conjugate complex numbers as eigenvalues, self-excited oscillation occurs. Therefore, the matrix B is coordinate-transformed to obtain a characteristic equation. Then, using the fact that the characteristic equation does not depend on the coordinate transformation, the coefficient comparison of the characteristic equation obtained by the coordinate transformation is performed.
If the matrix B has one real number and two conjugate complex numbers as eigenvalues, the matrix B is converted into a matrix as shown in the following equation (22) by coordinate conversion.
ここで、上式(22)において、「a>0,c<0」であれば、負の実数と、実部正の共役複素数が固有値となる。
行列Bの特性方程式及び変換後の行列の特性方程式はそれぞれ下式(23)及び(24)に示すようになる。
s3+(−R’+γ)s2+(1−R’γ+Ka’ψ)s−R’=0 ・・・(23)
s3+(−2a−c)s2+(a2+b2+2ac)s−c(a2+b2)=0
・・・(24)
Here, in the above equation (22), if “a> 0, c <0”, a negative real number and a real complex positive conjugate complex number are eigenvalues.
The characteristic equation of the matrix B and the characteristic equation of the matrix after conversion are as shown in the following equations (23) and (24), respectively.
s 3 + (− R ′ + γ) s 2 + (1−R′γ + K a ′ ψ) s−R ′ = 0 (23)
s 3 + (− 2a−c) s 2 + (a 2 + b 2 + 2ac) s−c (a 2 + b 2 ) = 0
... (24)
上式(23)及び(24)から、係数比較によって、下式(25)〜(27)に示す条件式が導ける。
−R’+γ=−2a−c ・・・(25)
1−R’γ+Ka’ψ=a2+b2+2ac ・・・(26)
−R’=−c(a2+b2) ・・・(27)
上式(25)〜(27)から、「a>0,c<0」を満たすための条件を考える。
まず、「c<0」を満たす条件であるが、上式(27)を見ると、その右辺は「c<0」ならば常に正となるので、そのためには「R’<0」でなければいけない。
From the above equations (23) and (24), conditional expressions shown in the following equations (25) to (27) can be derived by coefficient comparison.
-R '+ γ = -2a-c (25)
1-R′γ + K a ′ ψ = a 2 + b 2 + 2ac (26)
−R ′ = − c (a 2 + b 2 ) (27)
From the above equations (25) to (27), conditions for satisfying “a> 0, c <0” are considered.
First, the condition that satisfies “c <0” is satisfied. From the above equation (27), the right side is always positive if “c <0”. For this purpose, “R ′ <0” must be satisfied. I must.
次に、上式(25)〜(27)からb、R’を消去して、cについて整理し、解くと下式(28)及び(29)が得られる。
c2+{(2γa+γ2−Ka’ψ)/(γ+2a)}c+1=0 ・・・(28)
Next, when b and R ′ are deleted from the above formulas (25) to (27), c is arranged and solved, the following formulas (28) and (29) are obtained.
c 2 + {(2γa + γ 2 −K a 'ψ) / (γ + 2a)} c + 1 = 0 (28)
cが負の実数であるためには、上式(29)の1項目が負、2項目の根の内部が正でなくてはならない。そのためaを含む不等式が下式(30)として求まる。
(2γa+γ2−Ka’ψ)/(γ+2a)>2 ・・・(30)
上式(30)を更にaで整理すると下式(31)が得られる。
a>(2γ−γ2+Ka’ψ)/(2(γ−2)) ・・・(31)
In order for c to be a negative real number, one item of the above formula (29) must be negative and the inside of the root of two items must be positive. Therefore, an inequality including a is obtained as the following expression (30).
(2γa + γ 2 −K a ′ ψ) / (γ + 2a)> 2 (30)
When the above equation (30) is further arranged by a, the following equation (31) is obtained.
a> (2γ−γ 2 + K a ′ ψ) / (2 (γ−2)) (31)
上式(31)から、a>0のためには、下式(32)が成立しなければならない。
(2γ−γ2+Ka’ψ)/(2(γ−2))>0 ・・・(32)
減衰係数γは、「0<γ<1」の範囲の定数であることも考慮すると「a>0」を満たすためには、下式(33)に示す不等式が条件となる。
−2γ+γ2>Ka’ψ ・・・(33)
Ka’の値は微分フィードバックゲインLによって可変となるので、上式(33)の条件を満たすためのLの設定範囲を考える。
From the above equation (31), for a> 0, the following equation (32) must be established.
(2γ−γ 2 + K a ′ ψ) / (2 (γ−2))> 0 (32)
Considering that the attenuation coefficient γ is a constant in the range of “0 <γ <1”, in order to satisfy “a> 0”, the inequality shown in the following equation (33) is a condition.
-2γ + γ 2 > K a 'ψ (33)
Since the value of K a 'is the variable by a differential feedback gain L, consider the setting range of L for satisfying the above equation (33).
「−2γ+γ2<0」であるので、下式(34)が成立する。
Ka’ψ=d33 2Ka 2/{(Cp−d33 2Ka−L)(k+Ka)}<−2γ+γ2<0 ・・・(34)
上式(34)からLの条件は、下式(35)となる。
Cp−d33 2Ka<L<−d33 2Ka 2/{(−2γ+γ2)(k+Ka)}+Cp−d33 2Ka ・・・(35)
Since “−2γ + γ 2 <0”, the following expression (34) is established.
K a 'ψ = d 33 2 K a 2 / {(C p -d 33 2 K a -L) (k + K a)} <- 2γ +
The condition of L from the above equation (34) is the following equation (35).
C p -d 33 2 K a < L <-d 33 2 K a 2 / {(- 2γ + γ 2) (k + K a)} + C p -d 33 2 K a ··· (35)
上式(35)から、Lの許容範囲の広さは下式(36)の大きさで決まる。
d33 2Ka 2/{(−2γ+γ2)(k+Ka)} ・・・(36)
上式(36)において変えられる値は「Ka=A/(sEl)」であるので、圧電アクチュエータの長さ(分極方向の厚み)lと断面積Aの比が重要である。つまり、圧電アクチュエータの断面積Aを可能な範囲で大きくし、厚みlを小さくすればLの設定範囲を広くできる。
From the above equation (35), the allowable range of L is determined by the size of the following equation (36).
d 33 2 K a 2 / { (- 2γ + γ 2) (k + K a)} ··· (36)
Since the value that can be changed in the above equation (36) is “K a = A / (s E l)”, the ratio of the length (the thickness in the polarization direction) 1 of the piezoelectric actuator to the cross-sectional area A is important. That is, if the cross-sectional area A of the piezoelectric actuator is increased as much as possible and the thickness l is decreased, the setting range of L can be widened.
また、固有値の虚部の大きさであるbについて考察する。上式(35)及び(36)からcを消去し、b2に注目すると下式(37)と書ける。
b2={a(3a−2R’+2γ)−R’γ}+1+Ka’ψ ・・・(37)
「a>0,R’<0,γ>0」であるから上式(37)の中括弧の内部は必ず正であり、任意の「a>0」に対して、「1+Ka’ψ>0」は「b2>0、即ち常に実部正の複素数の根を持つ」ための十分条件になる。更に、言い換えると、「Ka’ψ<−2γ+γ2」のとき、「a>0」であるから、「−1<Ka’ψ<−2γ+γ2」は、実部正の共役複素数を持つための十分条件である。
Also, consider b, which is the size of the imaginary part of the eigenvalue. If c is deleted from the above equations (35) and (36) and b 2 is noted, the following equation (37) can be written.
b 2 = {a (3a−2R ′ + 2γ) −R′γ} + 1 + K a ′ ψ (37)
Since “a> 0, R ′ <0, γ> 0”, the inside of the braces of the above formula (37) is always positive, and for any “a> 0”, “1 + K a 'ψ> “0” is a sufficient condition for “b 2 > 0, that is, always has a real root of a complex number”. Furthermore, in other words, since “a> 0” when “K a 'ψ <−2γ + γ 2 ”, “−1 <K a ' ψ <−2γ + γ 2 ” has a real complex positive conjugate complex number. It is a sufficient condition for.
ここで、図3は、「Ka’ψ=−2」のときの根軌跡を示す図である。また、図4は、「Ka’ψ=−0.1」のときの根軌跡を示す図である。図3及び図4において、横軸は実軸であり、縦軸は虚軸である。
つまり、「Ka’ψ<−1」のときの根軌跡は、図3に示すようになる。一方、「−1<Ka’ψ<−2γ+γ2」のときの根軌跡は、図4に示すようになる。
Here, FIG. 3 is a diagram illustrating a root locus when “K a ′ ψ = −2”. FIG. 4 is a diagram showing the root locus when “K a 'ψ = −0.1”. 3 and 4, the horizontal axis is the real axis, and the vertical axis is the imaginary axis.
That is, the root locus when “K a 'ψ <−1” is as shown in FIG. On the other hand, the root locus when “−1 <K a 'ψ <−2γ + γ 2 ” is as shown in FIG.
「Ka’ψ<−1」の場合、図3に示すように、ゲインが小さい間は座屈状態であり、自励発振させるためには、ある程度以上のフィードバックゲインを必要とする。即ち、虚軸の値に着目すると、図4に示すように、「−1<Ka’ψ<−2γ+γ2」の場合の方が、小さいフィードバックゲインR’で固有振動数に近い周波数で発振できることが解る。従って、測定のためには、「−1<Ka’ψ<−2γ+γ2」の範囲をとるようなLを設定することが望ましい。また、適切なLを設定することで、上式(15)、(17)等から適切なRが求まる。 In the case of “K a 'ψ <−1”, as shown in FIG. 3, it is in a buckled state while the gain is small, and a feedback gain of a certain level or more is required for self-oscillation. In other words, focusing on the value of the imaginary axis, as shown in FIG. 4, in the case of “−1 <K a 'ψ <−2γ + γ 2 ”, oscillation occurs at a frequency close to the natural frequency with a small feedback gain R ′. I understand what I can do. Therefore, for measurement, it is desirable to set L so as to take a range of “−1 <K a 'ψ <−2γ + γ 2 ”. Further, by setting an appropriate L, an appropriate R can be obtained from the above formulas (15), (17) and the like.
(固有振動数測定装置の構成)
次に、図5に基づき、上記構成と同等の駆動回路を適用した固有振動数測定装置の構成を説明する。
ここで、図5は、本実施形態に係る固有振動数測定装置の構成を示すブロック図である。
図5に示すように、固有振動数測定装置100は、駆動回路10と、圧電アクチュエータ20と、振動体30と、電圧計40と、固有振動数検出部50と、を含む構成となっている。なお、駆動回路10は圧電アクチュエータ20と共に振動体30とカップリングした状態で駆動する。
(Configuration of natural frequency measuring device)
Next, based on FIG. 5, the structure of the natural frequency measuring device to which the drive circuit equivalent to the said structure is applied is demonstrated.
Here, FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the natural frequency measurement device according to the present embodiment.
As shown in FIG. 5, the natural
駆動回路10は、微分器11(微分部1eに対応)と、増幅器12及び13(乗算部1f及び1gに対応)と、加算器14(加算部1hに対応)と、V/I変換器15(加算部1hに対応)と、を含む構成となっている。
微分器11は、圧電アクチュエータの端子間電圧νを時間微分して、微分値dν/dtを増幅器12に出力する。
The
The
増幅器12は、微分器11から入力されたdν/dtをL倍に増幅する。そして、L倍に増幅した増幅電圧L(dν/dt)を加算器14に出力する。このフィードバックゲインLは、「−1<Ka’ψ<−2γ+γ2」の範囲をとるような値に予め設定している。
また、増幅器13は、圧電アクチュエータの端子間電圧νをR倍に増幅する。そして、R倍に増幅した増幅電圧Rνを加算器14に出力する。このフィードバックゲインRは、予め設定した適正なLに基づき設定した適正な値となっている。
The
The
加算器14は、入力されたL(dν/dt)とRνとを加算する。そして、この加算結果の電圧「L(dν/dt)+Rν」を、V/I変換器15に出力する。
V/I変換器15は、入力された電圧「L(dν/dt)+Rν」を、該電圧「L(dν/dt)+Rν」に比例した電流iへと変換する。そして、この電流iを、圧電アクチュエータ20に出力する。このとき、圧電アクチュエータ20からは、図2中に破線で示す振動体30の変位xに応じた電流ixが入力される。そのため、実際には、V/I変換器15から出力した電流iから電流ixを減算した電流idが圧電アクチュエータ20に入力される。
The
The V /
圧電アクチュエータ20は、本実形態において、ピエゾアクチュエータから構成される。かかるピエゾアクチュエータは、圧電素子として、例えば、チタン酸・ジルコン酸・鉛(PZT)を用いることができる。
圧電アクチュエータ20は、駆動回路10からの電流idの供給に応じて、端子間電圧νに比例する力、即ち電流idに比例する力fを振動体30に付与する。
In this embodiment, the
The
振動体30は、固有振動数の測定対象であり、例えば、カンチレバー等のプローブとして用いられるものや、建築物などの構造物等が該当する。本実施形態において、振動体30は、例えば、AFM(原子間力顕微鏡)等で用いられるプローブとする。
なお、固有振動数測定装置100は、本実施形態のように、固有振動数の測定対象である振動体30がプローブのように固定の場合(測定対象が変わらない場合)は、該振動体30を含む構成とする。
The vibrating
In addition, the natural
一方、測定対象を、任意の構造物とした場合(測定対象が変わる場合)や、建築物のように実物のある場所での測定を必要とするものなどとした場合、固有振動数測定装置100は、振動体30を含まない構成とする。この場合、例えば、圧電アクチュエータ20の力fの伝達部を測定対象に接触させて該力fを伝達する構成とする。また、任意の構造物を測定対象とした場合に、増幅器12及び13のゲインであるフィードバックゲインL及びRをチューニングできる構成とする。
On the other hand, when the measurement object is an arbitrary structure (when the measurement object changes), or when the object to be measured is required such as a building, the natural
振動体30は、圧電アクチュエータ20から力fが付与されると、力fの大きさに応じた変位量xで変位する。本実施形態では、フィードバックゲインL,Rが適正な値に設定されているため、振動体30はやがて自励振動する。また、振動体30の変位は圧電アクチュエータ20及び駆動回路10にも作用する。
電圧計40は、圧電アクチュエータの端子間電圧νを測定するもので、測定した端子間電圧νを固有振動数検出部50に出力する。
When the force f is applied from the
The
固有振動数検出部50は、電圧計40から入力される端子間電圧νの時間変化に基づき、固有振動数(周波数)を検出する。
なお、上記駆動回路10の各構成要素及び上記固有振動数検出部50は、ハードウェアのみで構成してもよいし、ソフトウェアのみで構成してもよいし、ハードウェア及びソフトウェアとの組み合わせから構成してもよい。
The natural
Each component of the
また、上記固有振動数測定装置100は、上記機能の少なくとも一部をソフトウェア上で実現する場合、ソフトウェアの実行に必要なコンピュータシステムを備える。
具体的に、コンピュータシステムとして、各種制御や演算処理を担うCPU(Central Processing Unit)と、ワークメモリの役割を担うRAM(Random Access Memory)と、上記機能の一部を実現するための専用のプログラムやプログラムの実行に必要なデータ等を記憶するROM(Read Only Memory)と、各構成要素にデータを伝送するためのデータ伝送用バスとを備える。
In addition, the natural
Specifically, as a computer system, a CPU (Central Processing Unit) responsible for various controls and arithmetic processing, a RAM (Random Access Memory) responsible for work memory, and a dedicated program for realizing some of the above functions And a ROM (Read Only Memory) for storing data necessary for program execution and a data transmission bus for transmitting data to each component.
本実施形態では、固有振動数検出部50の各機能をソフトウェアで実現する構成とする。従って、固有振動数測定装置100は、コンピュータシステムを備えている。
また、本実施形態において、電圧計40は、測定したアナログの端子間電圧νをA/D変換して、デジタルの電圧値として固有振動数検出部50に入力する。
また、本実施形態において、上記増幅器12及び13は、可変増幅器を含んだ構成とし、フィードバックゲインL及びRを任意の値に調節できる構成としてもよい。
In the present embodiment, each function of the natural
In the present embodiment, the
In the present embodiment, the
(固有振動数検出処理)
次に、図6に基づき、固有振動数検出部50における固有振動数検出処理の処理手順を説明する。図6は、固有振動数検出処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。なお、図6の処理は、予め設定された周期で繰り返し実行される。
CPUによってROMに格納されたプログラムが実行され、固有振動数検出処理が開始されると、まず、図6に示すように、ステップS100に移行する。
ステップS100では、固有振動数検出部50において、電圧計40から入力される圧電アクチュエータ20の端子間電圧νを取得する。その後、ステップS102に移行する。
(Natural frequency detection processing)
Next, the processing procedure of the natural frequency detection process in the natural
When the program stored in the ROM is executed by the CPU and the natural frequency detection process is started, first, as shown in FIG. 6, the process proceeds to step S100.
In step S <b> 100, the natural
ステップS102では、固有振動数検出部50において、ステップS100で取得した端子間電圧νと予め設定した電圧閾値とを比較する。そして、取得した端子間電圧νが電圧閾値以上であるか否かを判定する。これにより、端子間電圧νが電圧閾値以上であると判定した場合(Yes)は、自励振動が発生したと判定する。その後、取得した端子間電圧νを不図示のRAM等のメモリに時系列に記憶すると共にカウント値(予め設定したカウント用変数の値)を1加算して、ステップS104に移行する。一方、端子間電圧νが電圧閾値未満であると判定した場合(No)は、自励振動が発生していないと判定する。その後、カウント値を初期値にクリアすると共にメモリに記憶された端子間電圧νを消去して、ステップS100に移行する。
In step S102, the natural
ステップS104に移行した場合は、固有振動数検出部50において、カウント値が予め設定した時間閾値以上になったか否かを判定する。そして、カウント値が、予め設定した時間閾値以上になったと判定した場合(Yes)は、ステップS106に移行し、そうでないと判定した場合(No)は、一連の処理を終了する。
ステップS106に移行した場合は、固有振動数検出部50において、メモリに記憶された端子間電圧νの時間変化に基づき固有振動数(周波数)を検出する。その後、一連の処理を終了する。なお、本実施形態において、検出した固有振動数は、メモリに記憶すると共に不図示の表示装置に表示する。
When the process proceeds to step S104, the natural
When the process proceeds to step S106, the natural
(動作)
次に、本実施形態の固有振動数測定装置100の動作を説明する。
固有振動数測定装置100を構成する各機器の電源スイッチがONにされると、圧電アクチュエータ20の端子間電圧νが、微分器11、増幅器13及び電圧計40にそれぞれ入力される。これにより、微分器11は、入力された端子間電圧νを微分して、その微分した電圧dν/dtを増幅器12に出力する。増幅器12は、入力された電圧dν/dtをL倍に増幅し、増幅した電圧L(dν/dt)を加算器14に出力する。
(Operation)
Next, operation | movement of the natural
When the power switch of each device constituting the natural
一方、増幅器13は、入力された端子間電圧νをR倍に増幅し、増幅した電圧Rνを加算器14に出力する。
加算器14は、入力された電圧L(dν/dt)と電圧Rνとを加算して、加算結果の電圧「L(dν/dt)+Rν」を、V/I変換器15に出力する。
V/I変換器15は、入力された電圧「L(dν/dt)+Rν」を、該電圧「L(dν/dt)+Rν」に比例した大きさの電流iに変換する。そして、変換した電流iを圧電アクチュエータ20に出力する。このとき、電流iは、圧電アクチュエータ20からの振動体30の変位xに応じた電流ixによって、「id=i−ix」として圧電アクチュエータ20に供給される。
On the other hand, the
The
The V /
これにより、圧電アクチュエータ20は、入力電流idに応じた端子間電圧νに比例した力fを、振動体30に与える。
このようにして、圧電アクチュエータ20の端子間電圧νを正帰還して、該端子間電圧νに比例した電流i(正確には電流id)を圧電アクチュエータ20に供給するフィードバックループが形成される。
一方、電圧計40は、圧電アクチュエータ20の端子間電圧νを測定し、測定した端子間電圧νを固有振動数検出部50に入力する。
Thus, the
In this way, a feedback loop is formed in which the voltage ν between the terminals of the
On the other hand, the
固有振動数検出部50は、電圧計40から入力される端子間電圧νを取得し、取得した端子間電圧νをメモリに蓄積する(ステップS100)。更に、取得した端子間電圧νと予め設定した電圧閾値とを比較し、取得した端子間電圧νが電圧閾値以上か否かを判定する(ステップS102)。固有振動数検出部50は、この判定により、端子間電圧νが電圧閾値以上であると判定すると、自励振動が発生したと判定する。更に、固有振動数検出部50は、カウント値を1加算すると共に、取得した端子間電圧νをメモリに時系列に記憶する(ステップS102のYes)。一方、端子間電圧νが電圧閾値未満であると判定すると、自励振動が発生していないと判定する。更に、固有振動数検出部50は、カウント値をクリアすると共に、メモリに記憶された端子間電圧νを消去する(ステップS102のNo)。
The natural
固有振動数検出部50は、自励振動が発生したと判定すると、次に、カウント値が時間閾値以上になったか否かを判定する(ステップS104)。固有振動数検出部50は、この判定により、カウント値が時間閾値以上になったと判定すると(ステップS104のYes)、メモリに蓄積された端子間電圧νの時間変化に基づき、振動体30の固有振動数を検出する(ステップS106)。そして、検出した固有振動数をメモリに記憶すると共に、表示装置(不図示)に表示する。
If it is determined that the self-excited vibration has occurred, the natural
以上説明したように、本実施形態における圧電アクチュエータ用駆動回路10及び固有振動数測定装置100であれば、圧電アクチュエータ20の端子間電圧νに比例した成分と端子間電圧νの1階微分に比例した成分の和で表される駆動電流iを該静電アクチュエータ20に供給することができる。このとき、端子間電圧νに比例する駆動電流iを生成するフィードバックゲインL及びRを、機械系(振動体30)を自励発振させる条件を満足する値に設定するようにした。
As described above, in the piezoelectric
これにより、電気系(駆動回路10及び圧電アクチュエータ20)と機械系(振動体30)とがカップリングする上記構成において、両者の固有振動数を同等にして、機械系の固有振動数で電気系を自励発振させることができる。
従って、圧電アクチュエータ20の端子間電圧νを測定するのみで、振動体30の固有振動数を検出することが可能である。つまり、機械系の変位や速度をセンシングするためのセンシングシステムが無くても簡易に機械系の固有振動数を測定することが可能である。
As a result, in the above-described configuration in which the electrical system (the
Therefore, the natural frequency of the vibrating
ここで、上記実施形態において、微分部1e及び微分器11が、微分部に対応し、乗算部1g及び増幅器13が、第1増幅部に対応し、乗算部1f及び増幅器12が、第2増幅部に対応する。
また、上記実施形態において、加算部1h並びに加算器14及びV/I変換器15が、V/I変換部に対応する。
また、上記実施形態において、電圧計40が、電圧検出部に対応し、固有振動数検出部50が、固有振動数検出部に対応する。
Here, in the above-described embodiment, the
In the embodiment, the
Moreover, in the said embodiment, the
次に、図7に基づき、本発明に係る圧電アクチュエータ用駆動回路及び圧電アクチュエータの駆動方法を適用した実施例を説明する。図7は、既知のパラメータを用いて機械系の変位及び振動速度並びに圧電アクチュエータの端子間電圧を数値計算した結果の一例を示す図である。
具体的に、本実施例では、下式(38)〜(46)に示すパラメータ値を用いた数値計算により、圧電アクチュエータの端子間電圧と、機械系の変位及び速度とを求めた。
Next, an embodiment to which the piezoelectric actuator driving circuit and the piezoelectric actuator driving method according to the present invention are applied will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a result of numerical calculation of displacement and vibration speed of a mechanical system and voltage between terminals of a piezoelectric actuator using known parameters.
Specifically, in this example, the voltage between the terminals of the piezoelectric actuator and the displacement and speed of the mechanical system were obtained by numerical calculation using the parameter values shown in the following equations (38) to (46).
d33=4.72×10-10[m/V] ・・・(38)
Cp=6.91×10-9[F] ・・・(39)
Ka=2.2×106[N/m] ・・・(40)
T=2π/260[1/s] ・・・(41)
m=0.00485[kg] ・・・(42)
k=2.83×10-6[N/m] ・・・(43)
γ=0.0063 ・・・(44)
L=6.9101×10-8[H] ・・・(45)
R=0.65×10-10[Ω] ・・・(46)
d 33 = 4.72 × 10 −10 [m / V] (38)
C p = 6.91 × 10 −9 [F] (39)
K a = 2.2 × 10 6 [N / m] (40)
T = 2π / 260 [1 / s] (41)
m = 0.00485 [kg] (42)
k = 2.83 × 10 −6 [N / m] (43)
γ = 0.0063 (44)
L = 6.9101 × 10 −8 [H] (45)
R = 0.65 × 10 −10 [Ω] (46)
上記パラメータ値を用いた計算結果は、図7に示すようになった。図7において、横軸は無次元化された時間軸、縦軸は無次元化された各値に対応する軸であり、図7中の○が端子間電圧、□が変位、×が速度である。なお、数値計算において、変位、速度、端子間電圧の初期値を、それぞれ変位0.5、速度0、端子間電圧0とした。
The calculation results using the parameter values are as shown in FIG. In FIG. 7, the horizontal axis is the dimensionless time axis, the vertical axis is the axis corresponding to each dimensionless value, ○ in FIG. 7 is the terminal voltage, □ is the displacement, and x is the speed. is there. In the numerical calculation, initial values of displacement, speed, and voltage between terminals were set to displacement 0.5,
図7に示すように、変位、速度及び端子間電圧は無次元時間が大きくなるほど徐々にそれぞれの振幅値が大きくなっている。しかし、図7に示すように、端子間電圧の振動数(周波数)は、変位や速度の振動数(機械系の固有振動数に相当する振動数)に対して位相は異なるが、同じ固有振動数になっていることが解る。
以上のことから、機械系のセンシングシステムを用いて変位や速度を検出することなく、電圧計等によって端子間電圧を測定するだけで、従来と同様に機械系の固有振動数を検出することができることが解る。
As shown in FIG. 7, the displacement, speed, and voltage between terminals gradually increase in amplitude as the dimensionless time increases. However, as shown in FIG. 7, the frequency (frequency) of the voltage between the terminals is different in phase with respect to the frequency of displacement or speed (frequency corresponding to the natural frequency of the mechanical system), but the same natural vibration. You can see that it is a number.
Based on the above, it is possible to detect the natural frequency of a mechanical system just as in the past by simply measuring the voltage between terminals using a voltmeter or the like without detecting displacement or speed using a mechanical sensing system. I understand what I can do.
(変形例)
上記実施形態において、端子間電圧νを微分して、この微分結果をL倍に増幅する一方、端子間電圧νをR倍に増幅し、これら増幅結果を加算して、この加算結果の電圧を電流に変換する構成とした。つまり、上記実施形態では、端子間電圧νに対して、微分や増幅を行う構成としたがこの構成に限らない。例えば、端子間電圧νを先にV/I変換器で電流に変換し、変換後の電流に対して微分や増幅を行って電流iを生成する構成とするなど他の構成としてもよい。
(Modification)
In the above embodiment, the terminal voltage ν is differentiated and the differentiation result is amplified by L times, while the terminal voltage ν is amplified by R times, and these amplification results are added together. It was set as the structure converted into an electric current. That is, in the above-described embodiment, the terminal voltage ν is differentiated and amplified. However, the present invention is not limited to this structure. For example, another configuration may be employed such that the inter-terminal voltage ν is first converted into a current by a V / I converter, and the converted current is differentiated or amplified to generate the current i.
また、上記実施形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、上記の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。また、上記の説明で用いる図面は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
また、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
The above embodiments are preferable specific examples of the present invention, and various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention is described in particular in the above description to limit the present invention. As long as there is no, it is not restricted to these forms. In the drawings used in the above description, for convenience of illustration, the vertical and horizontal scales of members or parts are schematic views different from actual ones.
Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
本発明は、機械系の変位や速度を検出するセンシングシステムを不要とすることができるため装置を小型化できる。従って、携帯可能にするなど装置の小型軽量化が可能であり、例えば、橋やトンネルなどの建築物といった、その存在する場所に行かないと測定ができない測定対象の固有振動数を測定する際などに役立つ。また、固有振動数を測定することで測定対象の劣化状態(固有振動数の変化として現れる)などの様々な情報を得ることができるので、例えば、構造物等の劣化状態(天災による劣化や経年劣化等)を検出する装置として応用することも可能である。 Since the present invention can eliminate the need for a sensing system that detects displacement and speed of a mechanical system, the apparatus can be miniaturized. Therefore, it is possible to reduce the size and weight of the device by making it portable, for example, when measuring the natural frequency of a measurement object that can not be measured unless it goes to the place where it exists, such as a building such as a bridge or a tunnel. To help. In addition, by measuring the natural frequency, it is possible to obtain various information such as the degradation state of the measurement target (appears as a change in the natural frequency). For example, the degradation state of structures, etc. It is also possible to apply as a device for detecting deterioration or the like.
100…固有振動数測定装置、1…電気系、1a〜1d,1i…伝達要素、1e…微分部、1f,1g…乗算部、1h…加算部、10…駆動回路、11…微分器、12,13…増幅器、14…加算器、15…V/I変換器、20…圧電アクチュエータ、30…振動体、40…電圧計、50…固有振動数検出部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記圧電アクチュエータの端子間電圧νに基づき、該圧電アクチュエータに前記端子間電圧νに比例した駆動電流iを供給することを特徴とする圧電アクチュエータ用駆動回路。 A piezoelectric actuator drive circuit for driving the piezoelectric actuator in a state coupled with the mechanical system together with the piezoelectric actuator for transmitting force to the mechanical system,
A piezoelectric actuator drive circuit, wherein a drive current i proportional to the inter-terminal voltage ν is supplied to the piezoelectric actuator based on the inter-terminal voltage ν of the piezoelectric actuator.
i=L(dν/dt)+Rν ・・・(1)
上式(1)において、L、Rは、前記駆動電流iが、前記圧電アクチュエータの剛性の効果を含む固有振動数である機械系の固有振動数で当該圧電アクチュエータ用駆動回路を含む前記圧電アクチュエータの駆動系である電気系が自励発振する電流値となるように設定したフィードバックゲインである。 The drive circuit for a piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a drive current i represented by the following formula (1) is supplied to the piezoelectric actuator.
i = L (dν / dt) + Rν (1)
In the above equation (1), L and R are the piezoelectric actuators including the driving circuit for the piezoelectric actuator, where the driving current i is the natural frequency of the mechanical system that is the natural frequency including the rigidity effect of the piezoelectric actuator. The feedback gain is set so that the electric system as the drive system has a current value at which self-oscillation occurs.
前記端子間電圧νを微分する微分部と、
前記微分部の出力電圧をL倍に増幅する第2増幅部と、
前記第1増幅部の出力電圧と前記第2増幅部の出力電圧との和の電圧を電流に変換するV/I変換部と、を備え、
前記V/I変換部の出力電流を前記駆動電流iとして前記圧電アクチュエータに供給することを特徴とする請求項2に記載の圧電アクチュエータ用駆動回路。 A first amplifier for amplifying the inter-terminal voltage ν by R times;
A differentiating unit for differentiating the terminal voltage ν;
A second amplifying unit for amplifying the output voltage of the differentiating unit L times;
A V / I converter that converts the sum of the output voltage of the first amplifier and the output voltage of the second amplifier into a current, and
The piezoelectric actuator drive circuit according to claim 2, wherein an output current of the V / I converter is supplied to the piezoelectric actuator as the drive current i.
dν/dt−{1/(Cp−d33 2Ka−L)}Rν=−{d33Ka/(Cp−d33 2Ka−L)}dx/dt ・・・(2)
m(d2x/dt2)+c(dx/dt)+(k+Ka)x=d33Kaν
・・・(3)
上式(2)及び(3)において、xは機械系の変位、mは機械系の質量、kは機械系のばね定数、cは機械系の減衰定数、Cpは圧電アクチュエータのキャパシタンス、d33は圧電アクチュエータの圧電定数、KaはKa=A/(sEl)で表され、Aは圧電アクチュエータの断面積、sEは圧電アクチュエータの弾性コンプライアンス、lは圧電アクチュエータの分極方向の厚さである。 The following equation (2) that is the circuit equation of the electric system and the following equation (3) that is the equation of motion of the mechanical system are, as eigenvalues, one negative real number, two real-part positive conjugate complex numbers, and The drive circuit for a piezoelectric actuator according to claim 2 or 3, wherein the feedback gains L and R are set so as to have the following.
dν / dt- {1 / (C p -d 33 2 K a -L)} Rν = - {d 33 K a / (C p -d 33 2 K a -L)} dx / dt ··· (2 )
m (d 2 x / dt 2 ) + c (dx / dt) + (k + K a) x = d 33 K a ν
... (3)
In the above equations (2) and (3), x is the displacement of the mechanical system, m is the mass of the mechanical system, k is the spring constant of the mechanical system, c is the damping constant of the mechanical system, C p is the capacitance of the piezoelectric actuator, d 33 is the piezoelectric constant of the piezoelectric actuator, K a is expressed as K a = A / (s E l), A is the cross-sectional area of the piezoelectric actuator, s E is the elastic compliance of the piezoelectric actuator, and l is the polarization direction of the piezoelectric actuator Is the thickness.
前記駆動回路が、前記圧電アクチュエータの端子間電圧νに基づき、該圧電アクチュエータに前記端子間電圧νに比例した駆動電流iを供給するステップを含むことを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。 A method for driving a piezoelectric actuator using a drive circuit for driving the piezoelectric actuator in a state of being coupled to the mechanical system together with the piezoelectric actuator for transmitting force to the mechanical system,
The method for driving a piezoelectric actuator, comprising: a step of supplying a driving current i proportional to the voltage ν between the terminals to the piezoelectric actuator based on the voltage ν between the terminals of the piezoelectric actuator.
前記端子間電圧νを検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部で検出した前記端子間電圧νに基づき前記機械系の固有振動数を検出する固有振動数検出部と、を備えることを特徴とする固有振動数測定装置。 A drive circuit for a piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4,
A voltage detector for detecting the inter-terminal voltage ν;
And a natural frequency detector for detecting a natural frequency of the mechanical system based on the inter-terminal voltage ν detected by the voltage detector.
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