KR102382688B1 - 초음파 모터의 폐 루프 모션 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 모터의 폐 루프 모션 제어 방법에 관한 것으로, 상기 초음파 모터는 마찰 수단, 적어도 하나의 여기 전극 및 적어도 하나의 공통 전극을 갖는 적어도 하나의 액추에이터를 포함하고, 그리고 상기 초음파 모터는 구동될 요소, 컨트롤러 및 액추에이터의 전극에인가될 적어도 제 1 여기 전압 (U1) 및 제 2 여기 전압 (U2)을 발생시키기 위한 적어도 하나의 발전기를 더 포함하여, 액추에이터의 진동을 발생시키고, 상기 액추에이터의 마찰 수단은, 그 진동으로 인해, 구동될 요소와 간헐적으로 접촉하여 구동될 요소 상에 구동력을 발생 시키고, 상기 방법은 상기 액추에이터의 제 1 공진 주파수에 대응하는 U1의 주파수 및 상기 액추에이터의 제 2 공진 주파수에 대응하는 U2의 주파수의 상이한 주파수 및 최대 5kHz만큼 컨트롤러의 서보 샘플링 주파수에서 벗어난 U1과 U2 사이의 주파수 차이를 갖는 상기 적어도 두 개의 여기 전압 U1 및 U2를 제공하는 단계 및 상기 적어도 두 개의 여기 전압 U1 및 U2를 동시에 액추에이터의 전극에 인가하는 단계를 포함한다.

Description

초음파 모터의 폐 루프 모션 제어 방법

본 발명은 청구항 1 내지 10에 따른 초음파 모터의 폐 루프 모션 제어 방법을 포함한다.

압전 또는 전기 변형 또는 자기 변형 재료로 만들어진 하나의 액추에이터 또는 여러 액추에이터를 갖춘 초음파 모터 (UM)는 특정 장점으로 인해 전자기 드라이브와 같은 고전적인 구동 요소를 대체한다. 이러한 맥락에서, 초음파 모터는 백래쉬가 없어서 나노 미터 이하 범위에서 훨씬 더 높은 위치 정확도를 달성 할 수 있다. 또한 초음파 모터는 전자기 시스템보다 적은 부품으로 설계 및 구성 할 수 있으므로 초음파 모터가 더 작아진다. 게다가 초음파 모터는 적은 에너지를 소비하며 효율성은 크기에 따라 크게 변하지 않는다. 초음파 모터를 사용하면 기어 어셈블리와 같은 기계 시스템 없이도 직접 작동 할 수 있다. 초음파 모터는 전자기 드라이브보다 앞서 언급 한 초음파 모터의 장점 외에도, 매우 동적인 드라이브이다.

일반적으로, 초음파 모터와의 모션은 진동기 또는 액추에이터(고정자)와 본체 또는 구동될 요소 (로터 또는 슬라이더) 각각 사이의 마찰 상호 작용을 통해 발생된다. 로터 또는 슬라이더의 제 1 모션을 생성하기 위해 초과되어야 하는 전압 레벨의 임계값인 비선형성 또는 데드존이 항상 존재하며, 즉, 이탈력(breakaway force) 또는 토크가 극복되어야 한다. 고정자의 접촉 표면과 회전자 사이에 존재하는 접촉 마찰은 매우 비선형적인 현상이다. 또한, 상기 데드 존에 대하여 방향 대칭이 없고, 데드 존의 경계의 위치를 예측할 수 없어, 전압 속도 특성에 대한 비선형성 및 히스테리시스를 야기한다. 정합 표면의 정적 및 동적 마찰 특성의 차이는 전술한 비선형성을 더욱 악화시킨다.

이탈력(breakaway force)을 극복하기 위한 전압은 선형 제어 메커니즘에서 오프셋 값으로 보상될 수 있다. 정밀 스테이지에서 고정밀 궤적을 얻기 위한 다양한 제어 개념이 있다. 그러나 여전히 마찰 값이 정적에서 동적으로 또는 그 반대로 변경되는 혼합 마찰 영역의 속도에서 작은 움직임으로 초음파 모터를 정확하게 구동 할 수 없었다. 특히 생체 의료 기기, 로봇 팔, 의료 수술 및 현미경 단계에서 낮은 속도로 정밀한 부드러운 움직임이 요구된다. 작동 중 무소음 작동은 위에서 언급 한 응용 분야의 전제 조건이다. 특히 저속 구동에서 이 비선형 특성은 위치 오차가 높은 불연속 스틱 슬립(stick-slip) 움직임뿐만 아니라 불쾌한 가청 스퀴크(squeak) 및 노이즈와 항상 관련이 있다. 저속의 주파수가 질량, 스프링 및 댐퍼로 압전 시스템의 고유 주파수와 일치할 때 특히 음향이 확대된다.

US 2006250047 A1은 각각 2 개의 구동 전극 또는 단자를 갖는 압전 모터를 위한 개방 루프 저속 구동 방법을 개시하고 있다. 여기서, 2 개의 활성 단자를 동상(in phase)의 2 개의 신호로 여기시킴으로써 제 1 진동 모드가 생성되고, 2 개의 활성 단자를 역상(reverse phase)인 2 개의 신호로 여기시킴으로써 제 2 진동 모드가 생성된다. 느린 움직임을 얻기 위해, 양 단자는 위상이 같고 주파수가 동일한 상태의 전압 신호로 동시에 여기되어 각 단자로 가는 전류의 크기를 변화시킨다.

공진 주파수에서 또는 공진 주파수 근처에서 동작하는 압전 소자의 경우, 압전 소자에서 발생된 진동의 크기는 소자로 가는 전류에 비례한다. 각 단자를 통과하는 전류를 변경함으로써, 각 측면의 진동 진폭 및 이에 따른 마찰 팁에서의 경사 모션의 방향이 조정될 수 있다. 경사 모션의 방향은 모터 속도에 비례하여 변경된다. 요구에 따라, 저속이 필요한 경우, 하나의 단자로 전달되는 전류는 다른 단자와 비교하여 작은 차이로 선택되며, 경사 모션의 발생 방향은 90도에 가깝다. 빠른 속도가 필요한 경우, 경사 모션의 각도는 슬라이더 요소에 대해 약 45 도가 되도록 선택된다. 즉, 한 단자로 전달되는 전류는 다른 단자와 비교하여 큰 차이로 선택된다. 그러나, 움직이는 슬라이더 요소에 거의 직교하는 진동 모션은 푸시 풀 힘(push pull force) 또는 토크와 같은 모터 성능을 저하시키고 기계적 진동을 유발하여 불쾌한 가청 소음을 유발한다.

2 개의 별도의 전원으로부터 주기적인 제어 전압에 의해 공급되는 2 개의 구동 전극을 갖는 압전 모터의 폐 루프 모션 제어 방법은 US 6 747 391 B1에 공지되어 있으며, 여기서 2 개의 진동 모드는 더 향상된 성능 및 제어 능력을 얻기 위해 압전 액추에이터에 적용된다. 여기서, 단일 소스 구형파 입력은 고조파로부터 2 개의 공진 모드를 동시에 포착하기 위해 압전 액추에이터에 로드된다. 그러나, 특히 낮은 속도에서 상기 압전 모터의 정확도는 열악하다.

따라서, 본 발명의 과제는 개선된 위치결정(positioning) 정확도 및 낮은 속도에서 사소한 노이즈 발생을 갖는 초음파 모터의 폐 루프 모션 제어 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제는 본 발명의 적어도 적절한 실시 예를 설명하는 청구항 1과 이어지는 서브 청구항에 따른 방법으로 해결된다.

위치 피드백을 갖는 폐 루프 모션 제어를 위한 본 발명의 방법은 마찰 수단 또는 마찰 부분, 적어도 하나의 여기 전극 및 적어도 하나의 공통 전극을 갖는 압전 또는 전기 변형 또는 자기 변형 물질로 제조된 적어도 하나의 액추에이터를 포함하고, 구동될 요소를 더 포함하는 초음파 모터를 위한 것이다. 초음파 모터는 컨트롤러 및 액추에이터의 전극에 동시에 인가되는 적어도 제 1 여기 전압 (U1) 및 제 2 여기 전압 (U2)을 생성하기 위한 적어도 하나의 발전기를 더 포함하여, 액추에이터의 진동을 발생시키고, 상기 액추에이터의 마찰 수단은, 그 진동으로 인해, 구동될 요소와 간헐적으로 접촉하여 구동될 요소 상에 구동력을 발생시킨다.

이러한 초음파 모터를 위한 본 발명의 방법은 상기 액추에이터의 제 1 공진 주파수에 대응하는 U1의 주파수 및 상기 액추에이터의 제 2 공진 주파수에 대응하는 U2의 주파수의 상이한 주파수 및 최대 5kHz만큼 컨트롤러의 서보 샘플링 주파수에서 벗어난 U1과 U2 사이의 주파수 차이를 갖는 상기 적어도 두 개의 여기 전압 U1 및 U2를 제공하는 단계 및 상기 적어도 두 개의 여기 전압 U1 및 U2를 각각 동시에 또는 동시에 액추에이터의 전극에 인가하는 단계를 포함한다.

초음파 모터의 공지된 폐 루프 모션 제어는 일반적으로 일정한 서보 샘플링 주파수에서 작동하며, 이는 1 초 내에 수행된 서보 사이클의 수이다. 인코더에서 피드백을 읽은 후 (즉, 위치 피드백), 컨트롤러는 각 서보 사이클 또는 서보 샘플링 주기의 시작 시에, PID (Proportional Integration Derivative)와 같은 제어 알고리즘을 사용하여 명령된 위치에 따라 구동 신호 또는 전압을 재계산 및 조정하여 초음파 모터의 새로운 위치에 반응한다. 조정된 드라이브 신호가 있는 초음파 모터가 이 위치 변경에 응답한다. 컨트롤러는 다음 피드백을 받을 준비가 되었으며 위치 제어 사이클이 반복된다.

초음파 모터는 일반적으로 40kHz ~ 500kHz 범위의 공진 주파수에서 작동하며, 초음파 모터에 사용되는 일반적인 모션 컨트롤러의 서보 샘플링 주파수는 10kHz ~ 20kHz이므로, 모션 컨트롤러의 하나의 단일 서보 샘플링 주기의 작동 주파수에서 액추에이터와 그 마찰 수단의 3 내지 10의 진동을 초래한다. 예를 들어, 하나의 단일 서보 샘플링 주기 내의 첫 번째 진동이 정적 마찰력을 초과하고 로터 또는 슬라이더를 이동시키는 것으로 가정한다. 슬라이더가 움직이기 시작하면 동일한 서보 샘플링 주기의 후속 진동은 슬라이더의 움직임을 생성한다. 여기에서, 서보 샘플링 주기의 끝에서 운동량이 명령된 위치보다 (과도하게) 더 높을 가능성이 높다. 마찰 비선형 성으로 인해 운동량은 예측할 수 없다. 특히 낮은 속도에서 이 문제는 슬라이더의 위치 정확도에 심각한 영향을 미친다.

본 발명에 따르면, 초음파 모터는 액추에이터의 2 개의 상이한 공진 주파수에서 적어도 2 개의 고유 주파수 모드를 여기시키기 위해 적어도 하나의 발전기에 의해 생성된 적어도 2 개의 여기 전압 U1 및 U2를 사용하는 방법에 의해 작동된다. 액추에이터의 2 개의 공진 주파수가 빠져 나와 액추에이터의 진동이 변조되고, 액추에이터의 혼합 진동 또는 이에 부착된 마찰 수단이 각각 얻어진다. 마찰 수단의 결과적인 움직임(마찰 수단이 간헐적으로 접촉하는 구동될 요소의 모션 또는 움직임을 담당함)은 진폭 및 주파수가 변화하는 2 개의 삼각 성분(trigonometric components)을 갖는다. 따라서, 마찰 수단의 움직임 방향은 시간에 따라 변한다. 전술한 특정 진동은 액추에이터의 접촉 표면 또는 그 마찰 수단 및 구동될 요소에서의 마찰의 비선형을 각각 억제한다.

여기 전압 U1과 U2의 주파수 차이는 서보 샘플링 주파수 값과 유사하므로, U1과 U2 사이의 주파수 차이는 최대 5kHz만큼 컨트롤러의 서보 샘플링 주파수에서 벗어나고, 브레이크어웨이 마찰 레벨(breakaway friction level) 바로 위의 초음파 모터의 가속은 하나의 폐 루프 제어 샘플링 시간 (서보 루프 또는 서보 사이클) 내에서 완전히 제어될 수 있다.

본 발명의 방법은 서보 루프 또는 서보 사이클의 샘플링 주파수와 유사한 2 개의 상이한 여기 주파수에서 적어도 2 개의 공진 모드를 이용하기 때문에, 특히 저속 영역에서의 초음파 모터의 모션은 하나의 단일 서보 사이클에서 제어될 수 있다. 액추에이터 또는 마찰 수단의 움직임은 하나의 단일 서보 사이클에서 각각 시작되고 완료될 수 있다. 적어도 하나의 공진 모드는 고성능 작동을 담당하지만, 적어도 하나의 다른 모드는 마찰 비선형성을 보상한다. 결과적으로 초음파 모터의 포지셔닝 정확도는 느린 속도에서 상당히 향상된다. 지오메트리, 강성 및 압전 판의 질량에 의존하는 두 고유 주파수 간의 차이는 가청 범위 (즉, 15kHz 이상)에 있지 않다.

하나의 단일 서보 사이클에서 움직임이 시작되고 완료될 수 있다는 전술한 사실로 인해, 초음파 모터의 제어성이 단순화되고 향상된다. 하나의 서보 사이클에서 후속 서보 사이클로의 전압 변동이 감소되기 때문에, 광범위한 속도에 대해 덜 적응적인 파라미터가 필요하다.

본 발명의 방법은 또한 종래 기술에 따른 구동 방법에 의한 마찰 유도 진동 및 소음의 주요 원인인 하나의 단일 서보 사이클에서 평균 가속도의 값을 감소시킨다.

단순한 궤도뿐만 아니라 원, 원호 및 타원과 같은 위치 및 속도 프로파일의 복잡한 패턴에도 본 발명의 구동 방법을 적용함으로써 최소한의 트래킹 및 윤곽 오류(contour errors)가 뒤따를 수 있다. 한편, PID와 같은 선형 제어 알고리즘을 사용하여 동적인 스텝 설정 특성(dynamic step-settling characteristics)을 갖는 고정밀 스캔 패턴도 수행될 수 있다.

적어도 2 개의 교류 여기 전압 U1 및 U2가 사인파 파형, 직사각형 파형 또는 삼각 파형을 갖는 경우, 마찰 수단의 결과적인 움직임이 상이한 진폭 및 주파수를 갖는 2 개의 사인파 삼각 성분을 갖도록 하는 것이 유리할 수 있다. 사인 파형의 경우, 적어도 두 개의 교류 여기 전압 U1 및 U2가 UU1 = A1 sin (ω1t+φ1) 및 U2 = A2 sin (ω2t+φ2)로 표현될 수 있다면 유리할 수 있고, A1과 A2는 진폭이고 ω1과 ω2는 각 주파수이고 φ1과 φ2는 전압 신호의 위상 각이다.

여기 전압들 사이의 주파수 차이가 15kHz 내지 25kHz의 범위에 있는 것이 또한 유리할 수 있다.

또한, 상기 적어도 하나의 액추에이터가 직사각형 압전판이라면 유리할 수 있다. 여기서, 상기 액추에이터는 주 표면 중 하나에 적어도 2 개의 여기 전극을 갖고, 주 표면의 다른 하나에 적어도 1 개의 공통 전극을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 여기서, 제 1 여기 전압 (U1)은 상기 여기 전극 중 적어도 하나에 인가되고, 제 2 여기 전압 (U2)은 다른 여기 전극 중 적어도 하나에 인가되고, 공통 전극은 접지된다.

그러나, 액추에이터가 주 표면 중 하나에 적어도 2 개의 여기 전극을 갖고, 주 표면 중 다른 하나에 적어도 하나의 공통 전극을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 상기 제 1 여기 전압 (U1)은 상기 여기 전극 중 적어도 하나에 인가되고, 제 2 여기 전압 (U2)은 다른 여기 전극 중 적어도 하나에 인가되며, 적어도 하나의 공통 전극에 제 1 여기 전압 (U1) 또는 제 2 여기 전압 (U2)에 대해 180 °의 위상차이를 갖는 제 3 여기 전압 (U3)이 인가된다.

직사각형 압전판의 앞의 표현 '주 표면'은 가장 큰 치수, 즉 가장 큰 면적을 갖는 판의 표면을 설명한다.

초음파 모터가 적어도 2 개의 액추에이터를 포함하고, 적어도 2 개의 액추에이터가 적어도 하나의 커플링 요소(coupling element)에 의해 결합되는 것이 유리할 수 있다. 여기서, 제 1 여기 전압 (U1)이 2 개의 액추에이터 중 하나에 인가되고, 제 2 여기 전압 (U2)이 다른 액추에이터에 인가되는 것이 유용할 수 있다. 또한 적어도 2 개의 액추에이터가 2 개의 커플링 요소에 의해 결합되거나 연결되는 것이 유용할 수 있으며, 여기서 커플링 요소 중 하나는 마찰 수단에 의해 구성된다.

제 2 여기 신호의 전압이 제 1 여기 신호의 전압보다 낮은 것이 유리할 수 있다. 제 2 여기 신호의 전압 값은 모터 속도에 역 의존하는 것으로 관찰된다. 따라서, 제 2 전극의 전압 레벨은 모터 속도로 조절될 수 있다.

본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다 :
도 1 : 종래 기술에 따라 0.2mm/s의 속도에서 PID 폐 루프로 제어되는 구동될 요소의 움직임을 갖는, 초음파 모터의 구동될 요소의 시간 의존적 위치 또는 움직임을 각각 보여주는 다이어그램.
도 2 : 작동 중 초음파 모터의 액추에이터의 마찰 수단에 작용하는 힘의 개략도
도 3 : 도 1에 따라 구동될 요소의 PID 폐 루프 제어된 움직임을 갖는, 초음파 모터의 액추에이터의 시간의존적 힘을 보여주는 다이어그램
도 4 : 종래 기술에 따라 0.6mm/s의 속도에서 PID 폐 루프로 제어되는 구동될 요소의 움직임을 갖는 초음파 모터의 구동될 요소의 시간 의존적 위치 또는 움직임을 각각 보여주는 다이어그램.
도 5 : 도 4에 따라 구동될 요소의 PID 폐 루프 제어된 움직임을 갖는, 초음파 모터의 액추에이터의 시간 의존적 힘을 보여주는 다이어그램.
도 6 : 본 발명의 구동 방법의 적용을 위해 초음파 모터의 액추에이터의 전기 연결을 위한 실시 예를 도시 한 블록도
도 7 : 본 발명에 따라 0.2mm/s의 속도에서 폐 루프 제어되는 구동될 요소의 움직임을 갖는 초음파 모터의 구동될 요소의 시간 의존적 위치를 도시 한 다이어그램.
도 8 : 도 7에 따라 구동될 요소의 폐 루프 제어된 움직임을 갖는 초음파 모터의 액추에이터의 시간 의존적 힘을 보여주는 다이어그램
도 9 : 본 발명에 따라 0.6mm/s의 속도에서 폐 루프로 제어되는 구동될 요소의 움직임을 갖는, 초음파 모터의 구동될 요소의 시간 의존적 위치 또는 움직임을 각각 보여주는 다이어그램.
도 10 : 도 9에 따라 구동될 요소의 폐 루프 제어된 움직임을 갖는, 초음파 모터의 액추에이터의 시간 의존적 힘을 보여주는 다이어그램.
도 11 : 두 개의 후속 서보 사이클에 걸쳐 구동될 요소의 본 발명의 폐 루프 제어된 움직임을 갖는, 초음파 모터의 액추에이터의 시간 의존적 힘을 보여주는 다이어그램.
도 12 : 도 11에 따라 두 개의 후속 서보 사이클에 걸쳐 구동될 요소의 본 발명의 폐 루프 제어된 움직임을 갖는 초음파 모터의 액추에이터의 시간 의존적 가속도를 도시 한 다이어그램.
도 13 : 두 개의 후속 서보 사이클에 걸쳐 구동될 요소의 본 발명의 폐 루프 제어된 움직임과 적용된 전압 사이의 위상차를 갖는 초음파 모터의 액추에이터의 시간 의존적 힘을 보여주는 다이어그램
도 14 : 2 개의 후속 서보 사이클에 걸쳐 구동될 요소의 본 발명의 폐 루프 제어된 움직임과 도 13에 따라 인가된 전압 사이의 위상차를 갖는 초음파 모터의 액추에이터의 시간 의존적 가속도를 보여주는 다이어그램
도 15 : 2 개의 공진 주파수 또는 고유 주파수를 각각 보여주는 초음파 모터의 액추에이터의 임피던스 다이어그램
도 16 : 본 발명의 구동 방법을 적용하고 액추에이터의 두 개의 고유 주파수를 여기시키면서, 도 14에 따른 액추에이터의 마찰 수단의 모션 궤적
도 17 : 2 개의 후속 서보 사이클에 걸쳐 구동될 요소의 본 발명의 폐 루프 제어된 움직임과 다른여기 전압에 비해 감소된 레벨을 갖는 적용되는 여기 전압 중 하나를 갖는, 초음파 모터의 액추에이터의 시간 의존적 힘을 보여주는 다이어그램
도 18 :도 17에 따른 2 개의 후속 서보 사이클에 걸쳐 구동될 요소의 본 발명의 폐 루프 제어된움직임 갖는 초음파 모터의 액추에이터의 시간 의존적인 가속도를 나타내는 다이어그램
도 19 : 본 발명의 구동 방법의 적용을 위해 초음파 모터의 액추에이터의 전기적 연결을 위한 실시 예를 도시한 블록도
도 20 : 2 개의 액추에이터를 갖는 본 발명의 구동 방법의 적용을 목적으로 하는 초음파 모터에 대한 실시 예
도 21 : 본 발명의 구동 방법의 적용을 위한 도 20에 따른 초음파 모터의 액추에이터의 전기적 연결을 위한 실시 예를 도시한 블록도

도 1은 종래 기술에 따라 0.2mm/s의 속도에서 PID 폐 루프로 제어되는 구동될 요소의 움직임을 갖는, 압전 초음파 모터의 구동될 요소의 시간 의존적 위치 또는 움직임을 각각 나타내는 다이어그램을 도시한다. 구동될 요소의 움직임에 대한 비선형 응답은 도 1로부터 명확하게 인식될 수 있으며, 여기서 구동될 요소는 지그재그 패턴으로만, 즉 모션 단계(motion phase) (여기서, 구동될 요소의 움직임이 발생 함) 및 구동될 요소의 움직임이 없는 비 모션 단계(non-motion phase)의 시퀀스를 반복하여 명령된 위치 궤적을 추적 할 수 있다.

도 2는 작동 중에 초음파 모터의 액추에이터의 마찰 수단에 작용하는 힘을 설명하는 개략도이다. 마찰 수단에 작용하는 2 개의 외력이 존재한다(액추에이터의 측면에 부착된 마찰 요소에 의해 실현됨): 하나는 마찰 요소가 부착된 측면에 실질적으로 수직 인 작동 방향을 갖는 수직력(normal force) N이고, 하나는 마찰 쌍 마찰 요소-구동될 요소에 의해 정의된 마찰력 (Ff)이고, 마찰력 (Ff)은 마찰 요소가 부착되는 측면에 실질적으로 평행 한 작동 방향을 갖는다.

액추에이터의 여기로 인해, 액추에이터는 마찰 요소로 전달되는 주기적인 변형을 수행하여, 액추에이터 힘 또는 구동력 (Facx)은 마찰력 (Ff)의 작동 방향과 평행하지 않은 작동 방향을 갖는다.

또한, 여기(excitation)는 액추에이터의 주기적인 변형을 초래하여 작동 방향이 수직력의 작동 방향과 평행 한 추가 액추에이터 힘 (Facy)을 초래한다. 상기 액추에이터 힘 (Facy)은 일정한 값을 가지며 수직력의 크기를 감소시켜 마찰력을 감소시킨다.

도 3은 도 1에 따른 방법 및 속도로 구동되는 압전 초음파 모터의 압전 액추에이터의 시간 의존적 힘을 도시한 다이어그램을 도시한다. t = 0s에서 시작하면, 액추에이터 힘 Facx는 마찰 쌍 마찰 수단-구동될 요소에 의해 결정된 정적 마찰 레벨에 도달 할 때까지 선형으로 상승한 다음 급격하게 떨어진다. 정적 마찰 레벨에 처음 도달하기 전에, 곡선 위치 대 시간(curve position vs time)이 수평으로 진행되는 도 1의 대응하는 시간 간격으로부터 수집될 수 있는 바와 같이, 구동될 요소의 움직임이 없다. 액추에이터 힘이 정적 마찰 레벨에 도달 한 후에는 즉시 동적 마찰 레벨의 더 낮은 값 아래로 떨어지고 떨어진다. 액추에이터 힘 (Fax)의 값이 동적 마찰 레벨을 초과하는 한, 구동될 요소의 움직임이 존재한다.

액추에이터 힘이 동적 마찰 레벨 아래로 떨어지면, 구동될 요소의 움직임이 중지된다. 그 후, 액추에이터 힘이 다시 상승하고, 액추에이터 힘 (Facx)이 정적 마찰 레벨에 도달하면 구동될 요소의 추가 움직임이 다시 시작되어 액추에이터 힘이 즉시 강하된다. 다시, 구동될 요소의 움직임은 액추에이터 힘이 동적 마찰 레벨 아래로 떨어질 때까지만 존재한다.

전술 한 액추에이터 힘의 시간-의존적 거동은 여러 번 반복되고, 즉 액추에이터 힘 Facx가 정적 마찰 레벨에 도달 할 때마다, 액추에이터 힘 Facx는 동적 마찰 레벨 아래의 값으로 즉시 떨어지고 떨어지면서 정적 마찰 레벨에 도달할까지 다시 상승한다. 다시 말해서, 액추에이터 힘 (Facx)은 정적 마찰 레벨과 사인파 함수와 같은 동적 마찰 레벨 사이에서 교번하고, 여기서 상기 사인파-유사 함수의 주파수는 컨트롤러의 속도 및 PID 파라미터에 의존한다. 0.2mm/sec의 속도 제어에 대한 사인파-유사 액추에이터 힘 변화의 전형적인 주기, 즉 ΔT1는 40ms이며, 이 변화의 각 주파수는 ω0= 2π/ΔT1= 157이다.

도 4는 종래 기술에 따라 0.6mm/s의 더 높은 속도에서 PID 폐 루프로 제어되는 구동될 요소의 움직임을 갖는 압전 초음파 모터의 구동될 요소의 시간 의존적 위치 또는 움직임을 각각 보여주는 다이어그램을 도시한다. 또한 이러한 더 높은 속도(도 1과 비교하여)와 함께, 구동될 요소의 움직임에 대한 비선형 응답이 나타나고, 구동될 요소는 지그재그 패턴으로만, 즉 모션 단계(motion phase) 및 구동될 요소의 비 모션 단계(non-motion phase)의 시퀀스를 반복하지만 지그재그 패턴의 진폭은 상당히 감소되어, 명령된 위치 궤적을 다시 추적 할 수 있다.

도 5는 도 4에 따른 방법과 속도로 구동되는 초음파 모터의 압전 액추에이터의 시간 의존적 힘을 나타내는 다이어그램을 도시한다. 도 3과 유사하게, 액추에이터 힘 (Facx)이 정적 마찰 레벨에 도달 할 때마다 액추에이터 힘 (Facx)은 즉시 동적 마찰 레벨 아래의 값으로 떨어지고 떨어지고 그 후 정적 마찰 레벨에 도달 할 때까지 다시 상승한다. 다시 말해, 액추에이터 힘 (Facx)은 정적 마찰 레벨과 사인파 함수와 같은 동적 마찰 레벨 사이에서 교번하고, 여기서 상기 사인파-유사 함수의 주파수는 저속에 대한 주파수보다 높다(도 3 참조). 여기서, 0.6mm/sec의 속도 제어에 대한 사인파-유사 액추에이터 힘 변화의 주기, 즉, ΔT2의주기는 18ms이며, 이 변화의 각 주파수는 ω0= 2π/ΔT2=349 이다.

전술한 사인파-유사 액추에이터 힘 변화는 마찰 유도 진동을 초래한다. 낮은 구동 속도에서, 상기 진동의 진폭은 급격히 증가하고, 이러한 증가된 진동 진폭은 가청 소음을 초래한다. 가장 중요한 것은 힘 변화의 주파수가 초음파 모터가 구현되는 구동 시스템의 공진 주파수와 일치하는 속도이다.

도 6은 본 발명의 구동 방법을 적용하기 위한 초음파 모터의 압전 액추에이터 (1)의 전기적 연결을 위한 실시예를 도시한 블록도이고, 액추에이터는 액추에이터의 주 표면 중 하나 상에 이격된 방식으로 배열된 2 개의 별개의 여기 전극 (3) 및 직사각형 액추에이터의 다른쪽 및 반대쪽 주 표면 상에 배열된 공통 전극 (4)을 갖는다. 공통 전극 (4)이 접지되는 동안, 2 개의 여기 전극 (3) 각각은 별도의 전압으로 동시에 인가된다. 여기서, 도 6의 좌측 여기 전극에는 발전기 (6)에 의해 생성된 A1 sin (ω1t+φ1)과 동일한 전압 U1이 인가되고, 도 6의 우측 여기에는 다른 별도의 발전기 6에 의해 생성된 A2 sin (ω2t+φ2)와 동일한 전압 U2가 동시에 인가된다. U1의 주파수는 액추에이터의 제 1 공진 주파수에 대응하고 U2의 주파수는 액추에이터의 제 2 공진 주파수에 대응하며, U1과 U2 사이의 주파수 차이는 컨트롤러의 서보 샘플링 주파수로부터 최대 5kHz만큼 벗어난다. 도 6의 화살표는 액추에이터 (1)의 압전 재료의 분극 방향을 나타낸다.

도 7은 본 발명에 따라 0.2mm/s의 속도에서 폐 루프 제어되는 움직임을 갖는, 압전 초음파 모터의 구동될 요소의 시간-의존적 위치 또는 움직임을 각각 갖는 다이어그램을 도시한다. 반면, 도 8은 도 7의 다이어그램에 대응하는 시간 의존적 평균 액추에이터 힘을 갖는 다이어그램을 도시한다.

동일한 속도, 즉 0.2mm/s를 명령하는 종래 기술에 따른 방법으로 움직일 요소의 시간-의존적 위치를 도시한 도 1 및 도 3과 비교할 때, 도 7에는 구동될 요소의 특정된 위치에 대한 지그재그 패턴이 존재하지 않음이 명확하게 수집될 수 있다. 대신, 구동될 요소가 움직이지 않는 매우 짧은 초기 지연 기간 후에, 명령된 위치의 곡선에 대한 측정된 위치 곡선의 빠른 조정이 이루어지고, 두 곡선이 거의 완벽하게 중첩되는 것을 보여준다.

시간 의존적 평균 액추에이터 힘에 대한 해당 곡선은 시간 t = 0s에서 시작하여 정적 마찰 레벨에 도달했을 때 증가가 멈추는 선형적으로 증가하는 액추에이터 힘을 보여준다. 해당 시간에 구동될 요소의 움직임이 시작된다. 정적 마찰 레벨에 도달하면 평균 액추에이터 힘이 떨어지지만, 동적 마찰 레벨보다 훨씬 높은 시간 상수 값으로 안정화된다. 다시 말해, 짧은 안정화 과정(settling process) 후에, 평균 액추에이터 힘은 거의 안정적으로 유지된다. 이 동작은 도 3에 따른 시간 의존적 액추에이터 힘 동작과 매우 다르다. 거의 안정된 평균 액추에이터 힘은 움직일 요소의 시간 의존적 위치와 관련하여 원하는 선형 거동을 초래한다.

도 9 및 도 10은 도 7 및 도 8과 매우 유사하지만, 움직일 요소의 움직임에 대해 0.6mm/s의 더 높은 명령 속도 만이 유일한 차이점이다. 따라서, 도 7 및 도 8에 대한 전술한 설명은 도 9 및 도 10에도 유효하다. 또한, 매우 짧은 지연 기간 후에, 움직일 요소의 측정된 위치가 어떤 시간에나 명령된 위치와 동일하거나 거의 동일하다는 것을 알 수 있고(도 9), 즉, 명령된 위치와 움직일 요소의 실제 위치 사이에 편차가 없거나 거의 없다. 이 동작은 도 10에 따라 해당 시간 의존적 평균 액추에이터 힘으로 설명될 수 있고, 빠른 선형 증가 후, 평균 액추에이터 힘은 정적 마찰 레벨에 도달한 다음 동적 마찰 레벨보다 훨씬 높은 거의 완벽하게 안정된 레벨에 도달하기 위해 약간 감소한다.

도 11의 다이어그램은 2 개의 서보 사이클에 걸쳐 본 발명의 폐 루프 제어된 움직임을 갖는 초음파 모터의 압전 액추에이터의 시간 의존적 힘을 도시하고, 도 11의 수직선(vertical line)은 2 개의 후속 서보 사이클 사이의 경계를 도시한다. 도 11로부터, 각 서보 사이클 내에서 액추에이터 힘 (Facx)이 변조된다는 것이 수집될 수 있는데, 이는 하나의 서보 사이클 내에서 액추에이터 힘의 진폭 레벨에 영향을 줄 가능성이 없는 종래 기술과 같이, 서보 사이클 내에서 액추에이터 힘의 진폭이 일정한 값을 갖는 종래 기술과는 상이하다.

도 11에서 시간 t = 0에서 시작하여, 액추에이터 힘의 첫 번째 진동의 진폭은 정적 마찰 레벨에 도달하는 반면, 후속 진동의 진폭은 최소값까지 지속적으로 감소하고, 후속 서보 사이클이 시작된 직후 진폭이 다시 정적 마찰 레벨에 도달할 때까지 액추에이터 힘의 다음 진동의 진폭이 계속 상승한다.

도 12는 도 11의 시간 의존적 액추에이터 힘 거동에 따라 구동될 요소의 가속도를 도시한다. 시간 t = 0s에서 시작하여, 제1 단계적 증가를 위해 가속도가 제로값으로 유지되는 매우 짧은 기간이 있고, 그 후 상기 제1 단계적 증가는 액추에이터 힘의 제 1 진동의 진폭이 정적 마찰 레벨에 도달할 때이다. 액추에이터 힘의 후속하는 2 개의 진동의 진폭이 제 1 진동의 진폭 (정적 마찰 레벨에 도달한 진폭)보다 낮지만, 각각의 대응하는 진동과 함께, 가속의 추가적인 특징적인 단계가 존재한다. 정적 마찰 레벨보다 낮은 진폭을 갖는 다음의 진동은 구동될 요소의 추가 가속을 야기하지 않으며; 대신에, 구동될 요소의 가속은 대응하는 시간주기에서 제로값으로 감소한다. 액추에이터 힘의 진동의 진폭이 다시 정적 마찰 레벨에 도달할 때, 가속의 다음 단계적 증가가 검출될 수 있다.

이는 본 발명의 방법에 의해 하나의 서보 사이클 내에서 액추에이터 힘 진동의 진폭의 변화 또는 변조가 각각 가능하며, 따라서 구동될 요소의 가속이 최대값에 도달하는 내에서 매우 짧은 시간 기간이 실현 가능하다.

결과적으로, 액추에이터 힘의 변조로 인해 하나의 서보 사이클 동안 구동될 요소의 작은 위치 변화가 얻어질 수 있다. 후속 서보 샘플링 시간의 컨트롤 유닛은 제동 절차를 위해 동적 마찰 레벨보다 작은 액추에이터 힘을 줄이기 위해 전압 진폭을 크게 줄일 필요가 없다. 본 발명의 방법으로, 하나의 서보 사이클 내에서 구동될 요소는 추가적인 브레이크 동작없이 정지된다. 따라서, 저속에서의 움직임 제어성이 향상된다. 제동을 위해 전압을 극도로 낮추기 위해 더 높은 제어 파라미터가 요구되지 않는다.

구동될 요소의 모션이 서보 사이클에서 시작하지만, 동일한 서보 사이클 (도 13 및 14에서 수집될 수 있는 것) 내에서 멈추지 않더라도, 최대 가속은 다음 서보 사이클이 시작될 때 모터가 정지할만큼 충분히 작다. 두 진동 모션 간의 위상차는 항상 하나의 서보 사이클에서 다음 서보 사이클로 변경된다. 더 낮은 평균 가속도 값의 결과, 마찰 유도 진동으로 인한 저속 스퀴크(squeak) 및 소음이 크게 줄거나 완전히 제거된다.

도 15는 2 개의 공진 주파수 또는 고유 주파수를 각각 보여주는 초음파 모터의 압전 액추에이터의 임피던스 다이어그램을 도시한다. 상기 2 개의 공진 주파수는 약 22kHz만큼 서로 상이하다.

도 16은 본 발명의 구동 방법을 적용하고 압전 액추에이터의 두 고유 주파수를 여기시키면서, 도 15에 따른 압전 액추에이터의 마찰 수단의 모션 궤적을 도시한다. 마찰 수단의 움직임은 진폭과 주파수가 다른 두 개의 사인파 삼각 성분을 갖는다. 따라서 시간에 따라 움직임 방향이 바뀐다. 이 구동 방법을 사용함으로써, 마찰 수단의 팁에서의 액추에이터 힘은 현저한 효율 손실없이 고성능 작동과 소음 또는 스퀴크가 없는 저속 모션이 쉽게 달성될 수 있는 방식으로 변화된다.

도 17의 다이어그램은 2 개의 서보 사이클에 걸쳐 본 발명의 폐 루프 제어된 움직임 및 다른 여기 전압에 비해 감소된 레벨을 갖는 제 2 공진 모드를 여기시키기 위한 전압을 갖는 초음파 모터의 압전 액추에이터의 시간 의존적 힘을 도시한다. 도 18의 다이어그램은 압전 액추에이터의 대응하는 시간 의존 가속도를 도시한다. 제 2 공진 모드의 여기를 위한 전압 레벨을 감소시킴으로써, 초음파 모터의 더 높은 구동 성능이 달성될 수 있다. 구동될 요소의 속도에 반비례하는 제 2 공진 모드의 여기 전압이 감소 할 때, 제 2 공진 모드의 효과는 더 높은 속도에서 감소한다. 이는 초음파 모터가 단상 구동처럼 작동하는 것을 허락한다. 이와 같이, 고성능 작동에서의 전술한 구동 방법은 단상 구동 작동과 유사할 수 있다. 따라서, 본 발명의 구동 방법으로 더 높은 속도 및 힘이 달성될 수 있다.

도 19는 본 발명의 구동 방법의 적용을 위한 초음파 모터의 압전 액추에이터의 전기적 연결을 위한 실시 예를 도시한 블록도에 대응한다. 여기에서, 각각의 여기 전극은 별도의 전압원에 연결되고, 이들 중 하나는 여기 전압 U1 = A1 sin (ω1t+φ1)을 생성하고 다른 하나는 여기 전압 U2 = A2 sin (ω2t+φ2)를 생성하고, U1과 U2는 주파수가 다르고, 그리고 U1의 주파수는 액추에이터의 제 1 공진 주파수에 대응하고, U2의 주파수는 액추에이터의 제 2 공진 주파수에 대응하며, U1과 U2 사이의 주파수 차이가 컨트롤러의 서보 샘플링 주파수로부터 최대 5kHz만큼 벗어난다. 여기 전압 (U1)으로 반전된 여기 전압 A1 sin (ω1t+φ1+π)이 액추에이터의 공통 전극에 인가된다. 도 19의 화살표는 액추에이터 (1)의 압전 재료의 분극 방향을 나타낸다.

도 20은 2 개의 압전 액추에이터를 갖는 초음파 모터에 대한 실시 예를 도시하지만, 도 21은 본 발명의 구동 방법의 적용을 위해 도 20에 따른 초음파 모터의 압전 액추에이터의 전기적 연결을 위한 블록도를 도시한다.

도 20에 따른 초음파 모터는 2 개의 동일한 원주형(columnar) 압전 액추에이터 (1)를 포함하고, 각각은 하나의 단부가 금속으로 제조된 제 1 결합 요소 (7)를 나타내는 공통베이스에 부착되지만, 제 1 결합 요소 (7)는 플라스틱 또는 구조 세라믹 재료와 같은 다른 재료로 또한 제조 가능하다. 2 개의 액추에이터의 각각의 다른 단부는 산화물 세라믹으로 제조된 지붕형 마찰 수단 (2)을 통해 연결되거나 결합되며, 마찰 수단 (2)은 제 2 결합 요소를 나타낸다. 액추에이터 (1)는 이들이 평행하게 배향되지 않도록 배치되고; 대신, 액추에이터는 30°~60° 범위의 값으로 이들 사이의 각도 α를 정의한다.

도 21에 따르면, 액추에이터(1) 중 하나 또는 그 전극(3 및 4) 각각에는 전압 U1 = A1 sin (ω1t+φ1)이 인가되고, 액추에이터 중 다른 하나 및 별도의 액추에이터(1) 또는 그 전극 (3 및 4) 각각에는 동시에 전압 U2 = A2 sin (ω2t+φ2)가 인가된다. 여기서, 각 액추에이터 (1)는 하나의 여기 전극 (3) 및 하나의 공통 전극 (4)을 갖는다. 도 21의 화살표는 각 액추에이터 (1)의 압전 재료의 분극 방향을 나타낸다.

Claims (12)

1. 마찰 수단 (2), 적어도 하나의 여기 전극 (3) 및 적어도 하나의 공통 전극을 갖는 적어도 하나의 액추에이터 (1)를 포함하는 초음파 모터의 위치 피드백을 갖고, 구동될 요소 (5), 컨트롤러 및 액추에이터의 전극에 인가될 적어도 제 1 여기 전압 (U1) 및 제 2 여기 전압 (U2)을 발생시키기 위한 적어도 하나의 발전기 (6)를 더 포함하고, 이로써 액추에이터의 진동을 발생시키는 초음파 모터를 갖는 폐 루프 모션 제어방법에 있어서,
   상기 액추에이터의 마찰 수단은, 그 진동으로 인해, 구동될 요소와 간헐적으로 접촉하여 구동될 요소 상에 구동력을 발생 시키고,
   상기 방법은 주파수 차이를 갖는 상기 적어도 두 개의 여기 전압 U1 및 U2를 제공하는 단계;로서, 상기 주파수 차이는 15 kHz 내지 25 kHz의 범위에 있고, 상기 U1의 주파수는 상기 액추에이터의 제 1 공진 주파수에 대응하고, 상기 U2의 주파수는 상기 액추에이터의 제 2 공진 주파수에 대응하며, U1과 U2 사이의 상기 주파수 차이는 최대 5 kHz만큼 컨트롤러의 서보 샘플링 주파수에서 벗어나며, 및
   상기 적어도 두 개의 여기 전압 U1 및 U2를 동시에 액추에이터의 전극에 인가하는 단계;를 포함하는 폐 루프 모션 제어방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 적어도 두 개의 교류 여기 전압 U1 및 U2는 사인파 파형, 직사각형 파형 또는 삼각형 파형을 가지며, 따라서 마찰 수단의 결과적인 움직임은 상이한 진폭 및 주파수를 갖는 2 개의 사인파 삼각 성분을 갖는 것을 특징으로 하는 폐 루프 모션 제어방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 적어도 2 개의 교류 여기 전압 U1 및 U2는 U1 = A1 sin (ω1t+φ1) 및 U2 = A2 sin (ω2t+φ2)인 사인파형을 갖는 것을 특징으로 하고, A1과 A2는 진폭이고 ω1과 ω2는 각 주파수이고 φ1과 φ2는 전압 신호의 위상 각인 것을 특징으로 하는 폐 루프 모션 제어방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 액추에이터는 직사각형 압전 판 인 것을 특징으로 하는 폐 루프 모션 제어방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 액추에이터는 주 표면 중 하나에 적어도 2 개의 여기 전극 (3)을 갖고, 주 표면 중 다른 하나에 적어도 하나의 공통 전극 (4)을 가지며, 상기 제 1 여기 전압 (U1)은 상기 여기 전극 (3) 중 적어도 하나에 인가되고, 상기 제 2 여기 전압 (U2)은 다른 여기 전극 (3) 중 적어도 하나에 동시에 인가되며, 상기 공통 전극 (4)은 접지되는 것을 특징으로 하는 폐 루프 모션 제어방법.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 액추에이터는 주 표면 중 하나에 적어도 2 개의 여기 전극 (3)을 갖고, 주 표면 중 다른 하나에 적어도 하나의 공통 전극 (4)을 가지며, 상기 제 1 여기 전압 (U1)은 상기 여기 전극 (3) 중 적어도 하나에 인가되고, 상기 제 2 여기 전압 (U2)은 다른 여기 전극 (3) 중 적어도 하나에 동시에 인가되고, 적어도 하나의 공통 전극 (4)에 제 1 여기 전압 (U1) 또는 제 2 여기 전압 (U2)에 대해 180 °의 위상차를 갖는 제 3 여기 전압 (U3)이 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 폐 루프 모션 제어방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 초음파 모터는 적어도 2 개의 액추에이터 (1)를 포함하고, 상기 적어도 2 개의 액추에이터는 적어도 하나의 커플링 요소 (7)에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 폐 루프 모션 제어방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 마찰 수단 (2)은 적어도 하나의 커플링 요소 (7)를 구성하는 것을 특징으로 하는 폐 루프 모션 제어방법.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 초음파 모터는 2 개의 액추에이터 (1)를 포함하고, 상기 제 1 여기 전압 (U1)이 상기 2 개의 액추에이터 중 하나에 인가되고, 상기 제 2 여기 전압 (U2)이 다른 액추에이터에 인가되는 것을 특징으로 하는 폐 루프 모션 제어방법.
   
10. 생체 의료 기기 또는 로봇 팔 또는 의료 수술 또는 현미경 단계에서 초음파 모터의 폐 루프 모션 제어를 위한 제 1 항에 따른 방법의 용도.
    
11. 마찰 수단 (2), 적어도 하나의 여기 전극 (3) 및 적어도 하나의 공통 전극 (4)을 갖는 적어도 하나의 액추에이터 (1)를 포함하고,
    구동될 요소 (5), 위치 피드백을 갖는 폐 루프 모션을 위한 컨트롤러, 및 상기 액추에이터의 전극에 동시에 인가되어 상기 액추에이터의 진동을 발생시키는 적어도 제 1 여기 전압 (U1) 및 제 2 여기 전압 (U2)을 생성하기 위한 적어도 하나의 발전기 (6)를 더 포함하고,
    상기 액추에이터의 마찰 수단은, 그 진동으로 인해, 구동될 요소와 간헐적으로 접촉하여 구동될 요소 상에 구동력을 발생시키고, 상기 적어도 2개의 여기 전압 U1 및 U2는 주파수 차이를 가지되 상기 주파수 차이는 15 kHz 내지 25 kHz의 범위에 있고, 상기 U1의 주파수는 상기 액추에이터의 제 1 공진 주파수에 대응하고, U2의 주파수는 상기 액추에이터의 제 2 공진 주파수에 대응하며, U1과 U2 사이의 상기 주파수 차이는 최대 5 kHz만큼 컨트롤러의 서보 샘플링 주파수에서 벗어난 초음파 모터.
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