JP3551205B2

JP3551205B2 - 振動機制御装置

Info

Publication number: JP3551205B2
Application number: JP21313994A
Authority: JP
Inventors: 常夫西; 和則近藤
Original assignee: Tietech Co Ltd
Current assignee: Tietech Co Ltd
Priority date: 1994-08-02
Filing date: 1994-08-02
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: JPH0848413A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電子・電気部品、機械部品等の種々のワークを振動搬送する電磁式及び圧電駆動式振動機（パーツフィーダ）の制御装置に関し、詳しくは、振動系（振動機）の共振周波（固有振動）数を検出して、該共振周波数付近の交流出力で振動機の振動を開始させることのできる振動機制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、電磁振動機（以後、電磁フィーダとも称する）の制御装置には、電源同期型及び電源非同期型がある。
通常、電磁フィーダの駆動電源としては、商用電源が用いられるので、振動系（電磁フィーダ）の共振周波数は、商用電源の周波数に一致するよう設計される。
しかしながら、電磁フィーダ（振動系）の共振周波数は、電磁フィーダの設置状況等の振動条件によって変動するので、電磁フィーダの製造後に、状況に合わせて、例えば共振バネを交換するなどして、振動系の調整をおこない、共振周波数を商用電源の周波数に一致させる作業が必要であった（電源周波数同期型の場合）。
【０００３】
この調整作業を省くために、振動系の共振周波数の方は、調整せずに、電磁フィーダの駆動周波数を振動系の共振周波数の方に一致させる電源周波数非同期型、いわゆる共振型電磁振動機制御装置（システム）が考え出された。
【０００４】
共振型電磁振動機用制御装置は、種々の装置が公知であるが、例えば、電磁フィーダ（電磁振動式パーツフィーダ）の制御装置（制御システム）について述べると、特告昭６２−７０８３号公報及び特告平２−５１８１４号公報に開示されているものが知られている。
【０００５】
特告昭６２−７０８３号公報に示される電磁振動機の制御装置は、電磁フィーダの固有振動数もしくは共振周波数の交流を出力するために、電磁フィーダへ出力する交流（加振力）と被加振体から検出された振動との位相差を検出する位相検出手段、及び前記位相検出手段からの信号と所定の設定された位相差とを比較して、前記交流（加振力）の周波数制御を行う第１比較手段を設けたものである。
【０００６】
ここで、前記所定の設定された位相差とは、電磁フィーダ（被加振体）の共振周波数での振動と制御装置が出力する交流（加振力）との位相差のことで、その値は、π／２で、一定である。
なお、一般に共振型の電磁フィーダにおいては、振動系への駆動（出力）信号は、振動（加速度）センサからの信号に対して位相がπ／２だけずれた信号を振動工学上、出力している。
【０００７】
特告平２−５１８１４号公報に示される電磁振動式パーツフィーダのための振動制御システムは、パーツフィーダ本体の振動状態を検出し振動検出信号として発生する検出手段と、前記振動検出信号を前記パーツフィーダ本体の変位を表す変位信号に変換する変換手段と、前記変位信号に応じて、（パーツフィーダ本体を機械的に振動させる）電磁石に付与すべき交流信号を発生するとともに、この交流信号の位相と前記変位信号の位相との位相差を所定値にするように前記交流信号の周波数を制御する制御手段とを設けたものであり、具体的には、以下のような構成となっている。
【０００８】
前記検出手段というのは、パーツフィーダ本体に固着された加速度センサのことであり、パーツフィーダ本体の振動加速度を検出し、加速度検出信号として後述する加速度−変位変換回路へ出力する。
【０００９】
前記変換手段というのは、前記加速度センサに接続した積分回路、この積分回路に接続した積分回路及び直線増幅器からなる加速度−変位変換回路のことであり、具体的には、加速度センサに接続した積分回路は、加速度検出信号をパーツフィーダ本体の振動速度を表す速度信号に、加速度センサに接続した積分回路の次段の積分回路は、速度信号をパーツフィーダ本体の振動変位を表す変位信号に、直線増幅器は、変位信号を位相反転増幅し、増幅変位信号に、それぞれ変換する。
【００１０】
また、前記制御手段というのは、位相同期ループ回路（ＰＬＬ回路）のことであり、具体的には、位相弁別回路、積分回路、電圧制御発振回路及び移相器からなる。
前記位相弁別回路は、直線増幅器からの増幅変位信号の位相φ１と移相器からの後述のごとく生じる移相信号の位相φ２との位相差φ（＝φ１−φ２）を弁別し、この位相差φに比例するデューティ比にて方形波パルス信号を発生する。
【００１１】
ＰＬＬ回路内の前記積分回路は、いわゆる、チャージポンプ回路としての役割を果たし、位相弁別回路からの方形波パルス信号を積分し、この積分結果に相当するレベルにて積分電圧を発生する。
【００１２】
前記電圧制御発振回路は、ＰＬＬ回路内の積分回路からの積分電圧に応答してこの積分電圧のレベルに比例する周波数にて交流信号を発生する。つまり、電圧制御発振回路は、Ｖ−ｆ変換の機能を果たしている。
【００１３】
前記移相器は、電圧制御発振回路からの交流信号に応答して、この交流信号の位相を所定位相だけ遅れ側に移相させ、これを前述した移相信号として発生し、前記位相弁別回路へフィードバックしている。
【００１４】
以上、従来の共振型電磁振動機制御装置（システム）について述べてきたが、次に、従来の圧電駆動式振動機制御装置について説明する。
【００１５】
一般に、電源周波数非同期型の圧電駆動式振動機は、振動系の共振周波数で駆動される。従来、振動機制御装置の交流出力の周波数を振動系（圧電駆動式振動機）の共振周波数に合わせ込む作業は、作業者が搬送品の搬送速度あるいは被加振体の振動振幅を確認しながら、圧電駆動式振動機制御装置が内蔵する電力増幅手段（交流電源装置）の出力周波数を変化させることによって行っていた。
【００１６】
また、いわゆる共振型の圧電駆動式振動機制御装置としては、例えば、特公平２−５１８１３号公報に示されるものが知られている。
これは、搬送物の重量に応じた電気信号を得る重量検出手段と電圧及び周波数制御手段とを設けたもので、具体的には、前記重量検出手段というのは、ストレインゲージまたは渦電流センサなどの検出素子及び重量検出回路のことであり、前記電圧及び周波数制御手段というのは、前記重量検出回路からの信号と基準電圧とを加算した重量信号を周波数信号及び電圧信号にそれぞれ変換して可変駆動電源へ出力する周波数変換回路及び電圧変換回路のことを意味している。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
特告昭６２−７０８３号公報に示される共振型電磁振動機用制御装置は、振動系の共振周波数の交流を出力するためには、交流出力と振幅検出器出力との位相差を検出するための位相検出手段及びこの位相検出手段の出力と設定された位相とを比較する第１比較手段が必要であり、前記第１比較手段には、ＰＩ制御器及びＶ−ｆ変換器を設けておく必要があり、負荷が変動して振動系の共振周波数が変化すると、前記した位相差をπ／２に維持するべく、位相差を検出するとともにＰＩ演算をし、Ｖ−ｆ変換をしなければならない。
【００１８】
すなわち、位相検出手段は、交流出力と振幅検出器の出力との間の位相差を検出する出力を発生し、これが第１比較手段で設定位相値（π／２）と比較され、これらの差が零になるようにＰＩ制御器は、出力するパルスの電圧を制御し、Ｖ−ｆ変換器は、電圧に応じた周波数を出力しなければならない。
【００１９】
このように、特告昭６２−７０８３号公報に示される共振型電磁振動機用制御装置は、位相差を常時検出して、ＰＩ制御器にフィードバックさせ、Ｖ−ｆ変換をしなければならないので、制御装置の構成が複雑で高価になるという欠点があった。
また、実際には、Ｖ−ｆ変換の精度の問題で、加振力（交流）の周波数を振動系の共振周波数にそれほど精度よく合わせられないという問題点があった。
【００２０】
特告平２−５１８１４号公報に示される電磁振動式パーツフィーダのための振動制御システムは、上述したように加速度−変位変換回路を有し、積分回路によって加速度検出信号を速度信号に、もう一つの積分回路によって速度信号を変位信号に変換することを特徴としている。
このように、加速度信号を変位信号に変換するために、いくつかの単位回路が必要であり、振動制御システムの構成が複雑になるという問題点があった。
【００２１】
また、制御手段（ＰＬＬ回路）は、電圧制御発振回路が出力する信号を移相器で位相をずらし、位相弁別回路にフィードバックさせている。位相弁別回路は、前述したように、位相差φ（＝φ１−φ２）を弁別、つまり演算し、この位相差φに比例するデューティ比にて方形波パルス信号を発生しなければならない。
このように、位相弁別回路は、常時位相差φ（＝φ１−φ２）を算出し続けなければならず、また、前記電圧制御発振回路は、パルス電圧のレベルに応じた周波数を出力しなければならない。
【００２２】
このように、上記した従来のいずれの電磁フィーダの交流出力の周波数の制御手段とも、振動検出器からの信号と交流出力、または振動検出器からの信号と発振回路からの出力（ということは、交流出力ということと同じ意味であるが）との位相差の検出が必要であり、その位相差に応じて、つまり、位相差を算出し、位相差が所定値になるように演算をし、Ｖ−ｆ変換をしなければならなかった。
【００２３】
従って、電磁フィーダの制御装置の構成が複雑になりがちであり、Ｖ−ｆ変換の精度により、交流出力の周波数制御の精度が左右されていた。
従って、電磁振動機の制御装置（システム）は、構成が複雑になるために、高価になりがちであり、Ｖ−ｆ変換の精度を上げようとすると、さらに高価なものになるという欠点があった。
【００２４】
従来の圧電駆動式振動機制御装置は、作業者が搬送品の搬送速度あるいは被加振体の振動振幅を確認しながら、交流出力の周波数を振動系の共振周波数に合わせ込んでいたので、その作業には、時間も掛かるし、面倒でもあった。
【００２５】
また、特公平２−５１８１３号公報に示される圧電駆動形搬送装置においては、周波数変換回路は、入力した重量信号を検出した重量に応じて予め定められている振動系の共振周波数に等しい値の周波数信号に変換して出力するようになっている。
従って、周波数変換回路の変換率εを如何にして決定するかが重要となる。
【００２６】
圧電駆動式振動機の共振周波数は、個々の振動機の構成、該振動機を設置する場所ごとに異なり、また、ある振動機についてみても、運転条件により共振周波数は、変動する。
しかるに、特公平２−５１８１３号公報には、振動系の共振周波数の測定ないし検出については、何も記載されておらず、その具体的な方法は、当業者にゆだねられている。
【００２７】
つまり、特公平２−５１８１３号公報に示される圧電駆動形搬送装置を利用しようとする場合、当業者自身で、変換率εを何らかの方法で決定しておかなければならず、個々の振動機ごとに変換率εを決定することは、大変な手間であり、面倒であるという欠点があった。
【００２８】
本発明は、上記した従来の技術の有する問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、電磁振動機（振動系）の共振周波数を検出して、電磁振動機を振動系の共振周波数で振動を開始させるとともに、振動検出手段からの信号と交流出力との位相差の検出及びＶ−ｆ変換をすることなしに、電磁振動機を振動系の共振周波数付近の周波数の交流で駆動を開始させることのできる簡易な構成の低コストの振動機制御装置を提供することにある。
【００２９】
また、圧電駆動式振動機制御装置の交流出力の周波数を振動系（圧電駆動式振動機）の共振周波数に合わせ込む作業を人手に頼ることなく自動化するとともに、個々の圧電駆動式振動機の共振周波数の違い及び該振動機の運転条件の違いによる共振周波数の変動に拘らず、振動系の共振周波数付近の交流で圧電駆動式振動機の駆動を開始させることのできる振動機制御装置を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係わる請求項１の振動機制御装置は、次のような構成を採っている。
【００３１】
スタートパルス発生回路、移相回路、１／２分周回路及び電力増幅手段からなり、前記移相回路の後段に前記１／２分周回路を接続し、前記スタートパルス発生回路及び前記１／２分周回路の後段に前記電力増幅手段を接続している。
【００３２】
なお、ここで電力増幅手段というのは、振動機制御装置の出力段を構成するいくつかの単位回路、例えば駆動（電力増幅）回路及び電源（整流）回路等などからなる装置のことであり、電磁フィーダの駆動コイルまたは圧電駆動式振動機の圧電素子への電力供給手段のことを指している。
【００３３】
また、本発明に係わる請求項２の振動機制御装置は、請求項１の振動機制御装置と基本的には、同じ構成であるが、前記電力増幅手段の構成要素として、出力電圧可変手段及び出力周波数可変手段を設けたものである。
【００３４】
【作用】
本発明に係わる請求項１及び請求項２の振動機制御装置６は、アクチュエータがコイルである電磁振動機５、またはアクチュエータが圧電素子である圧電駆動式振動機１３を駆動するための制御装置であるが、これら２種類の振動機を本発明に係わる振動機制御装置６で駆動する場合の作用は、基本的には全く同様である。
【００３５】
相違点は、振動機が電磁式と圧電駆動式とでは、振動機制御装置６の出力周波数が異なることである。つまり、一般に、圧電駆動式の振動機の方が電磁式の振動機よりも高い周波数の交流で駆動される。
【００３６】
従って、以下の説明は、電磁振動機用の振動機制御装置を中心にして記述しているが、圧電駆動式振動機用の振動機制御装置にも同様にあてはめて考えることができる。
【００３７】
本発明に係わる振動機制御装置６で振動機を駆動制御しようとするときは、先ず、電磁フィーダ５の駆動コイル７と電力増幅手段２とを接続し、電磁フィーダ５に備えられている振動検出手段３と移相回路４とを接続する。
電磁フィーダ５が停止状態のときに、スタートパルス発生回路１は、例えば半波正弦波状のパルス信号を電力増幅手段２へ出力する。電力増幅手段２は、このパルス信号を受けて、電磁フィーダ５の駆動コイル７へ加振力（増幅された半波正弦波状のパルス）を出力する。
【００３８】
一般に、振動系に加振力が作用するとき、初めは系の固有振動数の振動と加振力の振動とがともに混在しているが、時間がたつと前者は逐次消滅して後者のみが残り、それが持続する。すなわち、振動系は、固有振動数（共振周波数）で、定常振動をする。
【００３９】
電磁フィーダ５の被加振体に設けられた振動検出手段（加速度センサ）３は、スタートパルス発生回路１による電磁フィーダ５の定常振動の振動状態、すなわち振動系の共振周波数を検出し、振動機制御装置６へ、例えば加速度信号として出力する。
【００４０】
振動機制御装置６に設けられた移相回路４は、振動検出手段３からの加速度信号の位相を所定位相（例えばπ／２）ずらし、１／２分周回路１０へ出力する。つまり、移相回路４は、電力増幅手段２の出力信号と振動検出手段３からの加速度信号との位相差がπ／２になるように移相を行う。
【００４１】
１／２分周回路１０は、入力した信号を１／２に分周して電力増幅手段２へ出力する。
なお、この１／２分周回路１０は、電磁フィーダ５を全波制御する場合に必要となる回路であって、電磁フィーダ５を半波制御する場合、例えば振動機制御装置６の電力増幅手段２と電磁フィーダ５の駆動コイル７との間にダイオードを設けて制御する場合は、設置してはならない。
【００４２】
電力増幅手段２は、入力した信号を増幅して、電磁フィーダ５の駆動コイル７へ出力する。
すなわち、振動検出手段３が発する加速度信号よりも位相がπ／２遅れ、かつ周波数が振動系の共振周波数の１／２の信号を出力する。
従って、電磁フィーダ５は、共振周波数で振動し始めることになる。
【００４３】
振動検出手段３は、電磁フィーダ５の振動状態、すなわち加速度信号を出力し続け、振動機制御装置６は、振動検出手段３からの加速度信号よりも位相が所定位相（π／２）だけ遅れた１／２同期の加振力（交流）を電磁フィーダ５に出力し続ける。
従って、電磁フィーダ５は、振動系（電磁フィーダ５）自身の振動を振動機制御装置６を介して、位相をπ／２だけ遅らせ、周波数を１／２にして、自分自身へ交流、すなわち加振力としてフィードバックさせている状態になるので、振動系の共振周波数付近の周波数の交流で安定的に駆動される。
【００４４】
一般に振動工学上、電磁フィーダ（振動系）を全波制御により、共振周波数で振動させるためには、変位よりπ／２進んだ、言い換えると、加速度信号よりもπ／２遅れた位相の１／２同期の交流出力、つまり加振力を電磁フィーダに作用させなければならない。
【００４５】
本発明に係わる振動機制御装置６は、電磁振動機５の被加振体に設けられた振動検出手段３からの加速度信号の位相をπ／２だけ遅らせ、かつ、周波数を１／２に分周して、電磁振動機５にフィードバックさせていることになるので、上記した振動系の共振周波数での振動条件を満たしている。
【００４６】
【実施例】
図１は、本発明に係わる請求項１の振動機制御装置６の構成を示すブロック図である。
スタートパルス発生回路１は、電磁フィーダ５が停止しているとき、当業者が設計する所定のパルス波形（例えば、半波正弦波、三角波等）を所定時間だけ出力する。
【００４７】
電力増幅手段２は、通常の電磁フィーダの制御装置において使用されている構成のものを当業者が任意に選択して使用して差し支えない。
【００４８】
振動検出手段３は、電磁フィーダ５の振動数を検出することができるセンサなら何でも良いわけであるが、ここでは、加速度センサを用いている。
もちろん、変位を微分すれば速度、速度を微分すれば加速度が得られるので、変位（振幅）センサを使用することもできる。この場合、変位を加速度に変換するか、移相回路で変位センサからの信号の位相をπ／２進めるかすれば良い。
【００４９】
移相回路４は、振動検出手段３からの信号が加速度信号の場合は、その位相をπ／２遅らせる。１／２分周回路１０は、入力した信号の周波数を１／２にして出力する。
【００５０】
なお、本発明においては、振動検出手段３（加速度センサ）からの信号を必ず移相させなければならないが、振動検出手段３からの信号をそのままの波形で、移相させる必要は、必ずしもない。例えば、加速度センサからの正弦波状の信号を一旦、方形波に変換してから信号の移相を行ってもよい。
【００５１】
図２は、加速度センサ８からの正弦波状の加速度信号を方形波に変換する正弦波−方形波変換手段９を設けた構成の振動機制御装置６の一実施例を示すブロック図である。
【００５２】
一般に、加速度センサは、電磁振動機に供給される交流の２倍の周波数の信号を出力する（前述したように、全波制御の場合）。
移相回路４と方形波−三角波変換回路１１の間に設けられた１／２分周回路１０は、移相回路４からの信号と振動機制御装置６の交流出力との１／２同期をとるために必要となる回路である。
【００５３】
方形波−三角波変換回路１１は、方形波を三角波に変換して、電磁フィーダ５に出力する波形を正弦波に近似させる働きをさせるために設けている。
【００５４】
方形波−三角波変換回路１１は、入力する信号の周波数によって異なる信号のレベルの信号を出力するので、電力増幅手段２への出力レベルを一定にするために、自動利得調節回路１２を方形波−三角波変換回路１１と電力増幅手段２との間に設けている。
【００５５】
なお、図３は、振動機として圧電駆動式振動機１３を使用した場合の振動機制御装置６の構成を示すブロック図である。
【００５６】
本発明に係わる請求項２の振動機制御装置は、請求項１の振動機制御装置と基本構成は、同じであるので、その構成は、図１、図２及び図３のブロック図で表すことができる。
請求項２の振動機制御装置は、電力増幅手段２に出力電圧可変手段１５及び出力周波数可変手段１６を設けたものであり、図４は、請求項２の振動機制御装置の電力増幅手段２の実施例をブロック図で示したものである。
【００５７】
図４では、出力電圧可変手段を乗算器１５と出力電圧調整ＶＲ（ボリューム）１６とで構成し、出力周波数可変手段を整流（電源）回路１８と電力増幅回路１９とで構成している。
出力電圧調整ＶＲ１６を回すことによって、電力増幅手段２が振動機に出力する電圧を調整することができる。
【００５８】
また、図４に示しているように、電力増幅手段の振動機の駆動方式をＰＷＭ駆動方式とした場合は、ＰＷＭ変換回路１７の後段の電力増幅回路をＤＣ−ＡＣコンバータいわゆるインバータで構成しておけば、電力増幅手段の出力周波数を可変にすることができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明に係わる振動機制御装置は、以上説明したように構成されているので、以下に記載される効果を奏する。
【００６０】
スタートパルス発生回路１が所定の時間だけ電磁フィーダ５（圧電駆動式振動機１３）に加振力を作用させ、振動検出手段３が振動系の共振周波数を検出し、移相回路４が、振動検出手段３からの加速度信号を所定位相（π／２）だけずらし、１／２分周回路１０が周波数を１／２にするので、振動機制御装置６は、振動系の共振周波数の１／２の周波数の交流を電磁フィーダ５（圧電駆動式振動機１３）に出力することができる。
【００６１】
従って、電磁フィーダ５の共振周波数の調整を機械的に行う必要がない。
また、作業者は、振動機制御装置６が圧電駆動式振動機１３へ出力する交流の周波数を振動系の共振周波数に合わせ込む必要がなく、共振周波数への合わせ込みを自動化することができる。
【００６２】
また、従来の共振型電磁振動機の制御装置（システム）のように、振動検出手段と交流出力との位相差を検出し、周波数制御手段内へフィードバックさせる必要がなく、またＶ−ｆ変換の必要もないので、振動機制御装置６の構成を簡単にし、低コストにすることができる。
【００６３】
本発明に係わる振動機制御装置６は、電磁振動機５（圧電駆動式振動機１３）自身の振動がフィードバックして、電磁振動機５（圧電駆動式振動機１３）に出力され続けるので、振動系の共振周波数付近の周波数の交流で安定的に電磁振動機５（圧電駆動式振動機１３）を振動させ続けることができる。
【００６４】
従って、個々の圧電駆動式振動機または電磁式振動機の共振周波数の違い及び圧電駆動式振動機または電磁式振動機の運転条件の違いによる共振周波数の変動に拘らず、振動系の共振周波数付近の交流で圧電駆動式振動機または電磁式振動機の駆動を開始させることのできる振動機制御装置６を提供することができる。
【００６５】
また、本発明に係わる振動機制御装置は、振動機自体の振動を利用して、振動機（振動系）の固有振動（共振周波）数を検出して、振動機自身へフィードバックさせているので、駆動電圧、温度、湿度、ワーク重量、振動機を設置する場所等の設置条件、などの振動機の振動条件が、色々と変わったとしても、確実に固有振動数を検出できるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】振動機制御装置の構成を示すブロック図
【図２】振動機制御装置の一実施例を示すブロック図
【図３】振動機制御装置の構成を示すブロック図
【図４】電力増幅手段の一実施例を示すブロック図
【符号の説明】
１スタートパルス発生回路
２電力増幅手段
３振動検出手段（加速度センサ）
４移相回路
５電磁振動機（電磁フィーダ）
６振動機制御装置
７駆動コイル
８加速度センサ
９正弦波−方形波変換回路
１０１／２分周回路
１１方形波−三角波変換回路
１２自動利得調節回路
１３圧電駆動式振動機
１４圧電素子
１５乗算器
１６出力電圧調節ＶＲ
１７ＰＷＭ変換回路
１８整流回路
１９電力増幅回路

Claims

振動検出手段を備えた停止状態にある振動機を駆動開始制御するための制御装置において、前記振動機が停止しているときに所定のパルス波形を所定時間だけ出力するスタートパルス発生回路、移相回路、１／２分周回路及び電力増幅手段を設け、前記移相回路の後段に前記１／２分周回路を接続し、前記スタートパルス発生回路及び前記１／２分周回路の後段に前記電力増幅手段を接続したことを特徴とする振動機制御装置。
前記スタートパルス発生回路は、半波正弦波状のパルス信号を出力するものであり、前記電力増幅手段には、出力電圧可変手段及び出力周波数可変手段が設けられていることを特徴とする請求項１の振動機制御装置。