JP2017169273A - Method of controlling ultrasonic motor and surveying instrument for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測量機の回転軸に設けられた超音波モータの制御方法及びそのための測量機に関する。 The present invention relates to a method for controlling an ultrasonic motor provided on a rotating shaft of a surveying instrument and a surveying instrument therefor.
測量機、例えばトータルステーションは、測定点を視準する望遠鏡と、上記望遠鏡を鉛直方向に回転可能に支持する托架部と、上記托架部を水平方向に回転可能に支持する基盤部とを備えている。上記望遠鏡は鉛直回転モータによって、上記托架部は水平回転モータによって駆動される。特許文献1には、上記鉛直回転モータ及び水平回転モータに超音波モータを採用した測量機が開示されている。
A surveying instrument, for example, a total station, includes a telescope that collimates a measurement point, a rack that supports the telescope so as to be rotatable in a vertical direction, and a base that supports the rack so as to be rotatable in a horizontal direction. ing. The telescope is driven by a vertical rotation motor, and the rack is driven by a horizontal rotation motor.
図5は超音波モータの簡略構成図である。図5に示すように、超音波モータ5は、ベース部39から順に、振動を発生する圧電セラミック(圧電素子)42、振動を増幅させるステータ金属43、ステータ金属43と干渉するロータ46、ロータ46をステータ金属43側へ押圧するウェーブワッシャ(弾性体)48を、リング状に備える。圧電セラミック42は、周方向に沿って分極方向を交互に変えて複数添付されている。+分極方向で貼付された圧電セラミック42(A相)は、+電圧及び−電圧が印加されると圧縮及び伸張する。−分極方向で貼付された圧電セラミック42(B相)は、−電圧及び+電圧が印加されると圧縮及び伸張する。このA相及びB相の圧電セラミック42に、所要の駆動周波数及び振幅で位相が90度異なるA相駆動信号S1及びB相駆動信号S2がそれぞれ供給されることによって、ステータ金属43に波状の進行波が形成され、ウェーブワッシャ48の押圧による摩擦によってステータ金属43とロータ46が相対回転する。A相駆動信号S1,B相駆動信号S2はそれぞれ式(1),式(2)で表せる。
S1(t)=α sin(2πft) ・・・(1)
S2(t)=α cos(2πft) ・・・(2)
但し、α:駆動信号の振幅、f:駆動周波数、t:時間である。
FIG. 5 is a simplified configuration diagram of the ultrasonic motor. As shown in FIG. 5, the
S 1 (t) = α sin (2πft) (1)
S 2 (t) = α cos (2πft) (2)
Where α is the amplitude of the drive signal, f is the drive frequency, and t is the time.
測量機の回転軸に超音波モータを採用すると、電動モータと比べ旋回性能が高く、静粛性に優れ、無通電時の軸保持力が高まるという利点がある。一方で、測量機には自動視準機能を有するものがある。図6は自動視準におけるある測定イメージ図である。符号1が測量機であり、図6に示すように、自動視準では、測量機1をある測点T1とある測点T2に繰り返し振り向ける測定を行うことがある。このような測定が行われた場合、超音波モータ5では、A相駆動信号S1及びB相駆動信号S2に基づいてステータ金属43の波形が決まるので、ステータ金属43の波形(隆起する位置)が毎回同じとなり、ロータ46のうち上記隆起する位置に対向する部分が削れて磨耗してしまうという問題があった。
Employing an ultrasonic motor for the rotating shaft of a surveying instrument has the advantages of higher turning performance, better quietness, and higher shaft holding power when no current is applied compared to an electric motor. On the other hand, some surveying instruments have an automatic collimation function. FIG. 6 is a measurement image diagram in automatic collimation.
本発明は、前記問題を解決するため、ロータの磨耗を低減するための超音波モータの制御方法及びそのための測量機を提供することを目的とする。 In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor control method for reducing the wear of a rotor and a surveying instrument therefor.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の超音波モータの制御方法は、二種類の位相の異なる交流電圧の駆動信号により振動する圧電素子によってステータ金属に進行波を生じさせ前記ステータ金属とロータを相対回転させる超音波モータの制御方法であって、前記駆動信号の初期位相φを、駆動開始毎に変更することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a method for controlling an ultrasonic motor according to an aspect of the present invention is the method of generating a traveling wave in a stator metal by a piezoelectric element that vibrates by driving signals of two types of alternating voltages having different phases. And an ultrasonic motor for rotating the rotor relative to each other, wherein the initial phase φ of the drive signal is changed every time the drive is started.
上記態様において、前記初期位相φを、駆動開始毎にランダムに設定することも好ましい。 In the above aspect, it is also preferable that the initial phase φ is set at random every time driving is started.
上記態様において、前記初期位相φを、φ=2π{(θR/λ)−(i/N)}但し、θR:ロータの回転位置、λ:進行波の波長、N:2以上の整数、i=0,1,2,・・・,N−1である、で設定し、駆動開始毎にiを1ずつ増加することも好ましい。 In the above aspect, the initial phase φ is φ = 2π {(θ R / λ) − (i / N)}, where θ R is the rotational position of the rotor, λ is the wavelength of the traveling wave, and N is an integer greater than or equal to 2. , I = 0, 1, 2,..., N−1, and it is also preferable to increase i by 1 each time driving is started.
上記課題を解決するために、本発明のある態様の測量機は、ベース部から順に、二種類の位相の異なる交流電圧の駆動信号により振動する圧電素子、前記振動を受け進行波が生じるステータ金属、前記ステータ金属と干渉するロータ、前記ロータを前記ステータ金属へ押圧する弾性体を備えた超音波モータと、前記圧電素子に与える駆動信号の初期位相φを、駆動開始毎に変更する制御部と、を有することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a surveying instrument according to an aspect of the present invention includes a piezoelectric element that vibrates in accordance with drive signals of two types of alternating voltages having different phases, and a stator metal that generates a traveling wave in response to the vibration, in order from the base portion. A rotor that interferes with the stator metal, an ultrasonic motor that includes an elastic body that presses the rotor against the stator metal, and a controller that changes the initial phase φ of the drive signal applied to the piezoelectric element each time driving is started. It is characterized by having.
本発明によれば、ロータの磨耗を低減することのできる超音波モータの制御方法及びそのための測量機を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the control method of the ultrasonic motor which can reduce wear of a rotor, and the surveying instrument for it can be provided.
次に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。 Next, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本形態に係る測量機の測量機の概略縦断面図、図2は図1の超音波モータを含む部分の断面斜視図である。測量機1は、整準部3の上に設けられた基盤部4と、基盤部4上を水平回転軸6周りに水平回転する托架部7と、托架部7に鉛直回転軸11周りに鉛直回転する望遠鏡9と、を有する。測量機1は、自動視準機能、自動追尾機能を備えており、望遠鏡9には、図示しない測距光学系、追尾光学系が収容されている。測距光学系、追尾光学系の構成は従来技術の構成と同等で良いため記載を省略する。測量機1では、托架部7の水平回転と望遠鏡9の鉛直回転の協働により測距光及び追尾光がターゲットに照射される。
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of a surveying instrument of the surveying instrument according to the present embodiment, and FIG. 2 is a sectional perspective view of a portion including the ultrasonic motor of FIG. The
水平回転軸6の下端部には水平回転用の超音波モータ5が設けられ、上端部には水平角検出用のロータリエンコーダ21が設けられている。鉛直回転軸11の一方の端部には鉛直回転用の超音波モータ12が設けられ、他方の端部には鉛直角検出用のロータリエンコーダ22が設けられている。ロータリエンコーダ21,22は、回転円盤、スリット、発光ダイオード、イメージセンサを有するアブソリュートエンコーダである。この他、インクリメンタルエンコーダが用いられてもよい。
An
測量機1における超音波モータ5,12の構成について、鉛直方向と水平方向の構成は同等であるので、水平方向の構成を用いて説明する。超音波モータ5は、前述したベース部39、圧電セラミック42、ステータ金属43、ロータ46、ウェーブワッシャ48を備えており、本形態では、モータケース25が基盤部4に固定され、ロータ46はモータケース25に固定されているので、ステータ金属43が回転し、ベース部39を介して水平回転軸6がステータ金属43と一体に回転する。
About the structure of the
図3は本形態に係る測量機のブロック図である。鉛直用と水平用のブロック図は同等であるので、水平回転用の超音波モータ5と水平角検出用のロータリエンコーダ21に関して示し、鉛直回転用の超音波モータ12と鉛直角検出用のロータリエンコーダ22は説明を省略する。測量機1は、制御部23と、ロータリエンコーダ21と、測距部61と、追尾部62と、クロック信号発振部63と、駆動回路73と、超音波モータ5を有する。
FIG. 3 is a block diagram of the surveying instrument according to the present embodiment. Since the vertical block diagram and the horizontal block diagram are the same, only the
制御部23は、CPU,ROM,RAM等を集積回路に実装したマイクロコントローラによって構成されている。制御部23は、図示を略する外部パーソナルコンピュータからソフトウェアを変更可能である。
The
測距部61は、制御部23に制御されて、上記測距光学系を用いて測距光をターゲットに照射してその反射光を受光して測距を行う。追尾部62は、制御部23に制御されて、上記追尾光学系を用いて追尾光をターゲットに照射してその反射光を受光し、ターゲットが移動した場合は追尾を行う。
The
駆動回路73は、FPGA(Field Programmable Gate Array)731とアナログ回路732によって構成されている。FPGA731は、制御部23もしくは図示を略する外部機器によって内部論理回路を定義変更可能である。FPGA731は、可変の駆動周波数(駆動信号の周波数)及び可変の振幅で制御信号を発生させることができ、上記駆動周波数及び上記振幅を動的に変化させることができる。アナログ回路732は、トランス等で構成されており、上記制御信号を増幅させる。駆動回路73は、制御部23に制御されて、FPGA731から上記制御信号を出力し、アナログ回路732で増幅して、A相の圧電セラミック42に対してA相駆動信号S1を、B相の圧電セラミック42に対してB相駆動信号S2を出力する。なお、駆動回路73は、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)などの他のPLD(Programmable Logic Device)が用いられてもよい。
The
クロック信号発振部63は、クロック信号を制御部23及び駆動回路73に出力する。FPGA731は、クロック信号に基づき、駆動信号の振幅,駆動周波数,制御周期TMを制御する。制御部23は、クロック信号に基づき、ロータリエンコーダ21の発光周期TR等を制御する。
The clock
ここで、本形態では、制御部23は、駆動回路73で発生させるA相駆動信号S1及びB相駆動信号S2を以下のように設定する。
In the present embodiment, the
(第1の実施形態)
制御部23は、A相駆動信号S1及びB相駆動信号S2を、それぞれ式(3),式(4)で設定する。
S1(t)=α sin(2πft+φ) ・・・(3)
S2(t)=α cos(2πft+φ) ・・・(4)
但し、α:駆動信号の振幅、f:駆動周波数、t:時間、φ:初期位相である。
(First embodiment)
S 1 (t) = α sin (2πft + φ) (3)
S 2 (t) = α cos (2πft + φ) (4)
Where α is the amplitude of the drive signal, f is the drive frequency, t is the time, and φ is the initial phase.
制御部23は、超音波モータ5の駆動開始毎に、式(3)及び式(4)の初期位相φを0〜2πまでの数値の中からランダムに設定する。これにより、A相駆動信号S1及びB相駆動信号S2は駆動開始時に毎回異なる位相が設定されるので、ステータ金属43の波形(隆起する位置)がその都度異なるようになる。従って、ロータ46の一部分だけが削れて磨耗するのを防ぐことができる。
The
(第2の実施形態)
制御部23は、A相駆動信号S1及びB相駆動信号S2を、それぞれ式(3),式(4)で設定する。このとき、ステータ金属43上の進行波は式(5)、ロータ46上の進行波は式(6)で表せる。
WS(t,θ)=A sin{2π(ft+θ/λ)+φ} ・・・(5)
WR(t,θ)=A sin〔2π{ft+(θ+θR)/λ)+φ} ・・・(6)
但し、A:進行波の振幅、λ:進行波の波長、θ:回転位置、θR:ロータの回転位置である。
進行波の振幅A及び波長λは図5にも示されている。回転位置θは、図4に示すように、A点を基準とした進行波の位置を表す角度である。ロータ46の回転位置θRは、A点を基準としたロータ46の回転角を表す。
(Second Embodiment)
W S (t, θ) = A sin {2π (ft + θ / λ) + φ} (5)
W R (t, θ) = A sin [2π {ft + (θ + θ R ) / λ) + φ} (6)
Where A is the amplitude of the traveling wave, λ is the wavelength of the traveling wave, θ is the rotational position, and θ R is the rotational position of the rotor.
The amplitude A and wavelength λ of the traveling wave are also shown in FIG. As shown in FIG. 4, the rotational position θ is an angle that represents the position of the traveling wave with respect to point A. Rotational position theta R of the
この上で、駆動開始時(t=0)にロータ46上の任意の回転位置で少しずつ初期位相φをずらす信号を与えることを考える。例えば任意の回転位置をθ=0とすると、ロータ46上の進行波は式(7)で表せる。
WR(0,0)=A sin{2π(θR/λ)+φ} ・・・(7)
ここで、初期位相φを少しずつずらすための関数φ´は、式(8)で表せる。
Considering this, it is considered to give a signal for gradually shifting the initial phase φ at an arbitrary rotational position on the
W R (0,0) = A sin {2π (θ R / λ) + φ} (7)
Here, a function φ ′ for shifting the initial phase φ little by little can be expressed by Expression (8).
φ´=2π(θR/λ)+φ=2π(i/N) ・・・(8)
但し、N:2以上の整数、i=0,1,2,・・・,N−1の正の整数値である。式(8)から、初期位相φは式(9)として表せる。
φ=2π{(θR/λ)−(i/N)} ・・・(9)
ロータの回転位置θRは,ロータリエンコーダ21,22の回転角から得られる。進行波の波長λは、超音波モータ5,12における正負一組の圧電セラミック42の円周方向の長さと同じであるので、モータの設計値から得られる。
φ ′ = 2π (θ R / λ) + φ = 2π (i / N) (8)
However, N is an integer equal to or greater than 2, i = 0, 1, 2,..., N−1. From Equation (8), the initial phase φ can be expressed as Equation (9).
φ = 2π {(θ R / λ) − (i / N)} (9)
The rotational position θ R of the rotor is obtained from the rotational angle of the
制御部23は、超音波モータ5のA相駆動信号S1及びB相駆動信号S2の初期位相φを式(9)で与え、駆動開始毎に、iを0からN−1まで1ずつ増加させる。これにより、ステータ金属43の波形(隆起する位置)を毎回均等にずらすことができる。即ち、ロータ46の削れる位置が周方向に均等にずれていくので、ロータ46の磨耗をより遅らせることができる。
The
以上、好ましい実施の形態について述べたが、例えばロータ46の磨耗量の偏りが検出できたら磨耗の少ないところにφを設定する、回転トルクの偏りが検出できたらトルクの大きいところにφを設定することも考えられる。この他にも、当業者の知識に基づく改変は本発明の範囲に含まれる。
The preferred embodiment has been described above. For example, if a deviation in the amount of wear of the
1 測量機
5,12 超音波モータ
23 制御部
39 ベース部
42 圧電セラミック(圧電素子)
43 ステータ金属
46 ロータ
48 ウェーブワッシャ(弾性体)
DESCRIPTION OF
43
Claims (4)
前記駆動信号の初期位相φを、駆動開始毎に変更することを特徴とする超音波モータの制御方法。
A method for controlling an ultrasonic motor in which a traveling wave is generated in a stator metal by a piezoelectric element that vibrates by driving signals of two types of alternating voltages having different phases, and the stator metal and the rotor are rotated relative to each other.
The method of controlling an ultrasonic motor, wherein the initial phase φ of the drive signal is changed every time driving is started.
The method for controlling an ultrasonic motor according to claim 1, wherein the initial phase φ is randomly set every time driving is started.
φ=2π{(θR/λ)−(i/N)}
但し、θR:ロータの回転位置、λ:進行波の波長、N:2以上の整数、i=0,1,2,・・・,N−1である、
で設定し、駆動開始毎にiを1ずつ増加することを特徴とする請求項1に記載の超音波モータの制御方法。
The initial phase φ is
φ = 2π {(θ R / λ) − (i / N)}
Where θ R is the rotational position of the rotor, λ is the wavelength of the traveling wave, N is an integer of 2 or more, and i = 0, 1, 2,..., N−1.
2. The method of controlling an ultrasonic motor according to claim 1, wherein i is incremented by 1 each time driving is started.
前記圧電素子に与える駆動信号の初期位相φを、駆動開始毎に変更する制御部と、を有することを特徴とする測量機。 In order from the base part, a piezoelectric element that vibrates in response to drive signals of two types of alternating voltages having different phases, a stator metal that generates a traveling wave due to the vibration, a rotor that interferes with the stator metal, and presses the rotor against the stator metal An ultrasonic motor with an elastic body;
A surveying instrument comprising: a control unit that changes an initial phase φ of a driving signal applied to the piezoelectric element each time driving is started.
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