KR19980018378A - 압전 진동 제어 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

압전 진동 요소(5)와, 상기 압전 진동 요소(5)가 부착되는 부품 공급기(1)와 같은 진동 유닛과, 압전 진동 요소를 구동하는 구동 유닛(10, 12)으로 구성된 장치에서의 압전 진동을 제어하는 방법과 장치가 기재되어 있다. 압전 진동 제어은, 진동 유닛(1)이 실질적으로 진동하지 않는 주파수로 압전 진동 요소(5)를 진동시키고, 압전 진동 요소(5)가 상기 주파수로 구동되는 동안 전압, 전류, 전압과 전류 사이에서의 위상차를 검출하고, 진동 유닛(1)을 실제로 진동시키는데 필요한 주파수로 압전 진동 요소(5)를 구동시키고; 진동 유닛(1)이 진동하는 동안 구동 전압과 구동 전류를 검출하고, 상기 검출된 전압과 전류와 위상차로부터 진동 유닛(1)의 진동에 관련되지 않은 전류 성분을 획득하고, 상기 진동에 관련되지 않은 전류 성분으로부터 진동 유닛(1)의 진동에 관련된 전류 성분을 연산하고, 그리고, 일정한 값 또는 목표값이 되도록 상기 진동에 관련된 전류 성분을 제어함으로써 수행된다.

Description

압전 진동 제어 방법 및 장치

본 발명은 압전 진동을 제어하기 위한 방법과 장치에 관련된 것으로, 특히, 다양한 유형의 부품을 진동에 의해 공급하는 부품 공급기 등에 사용되는 압전 진동기의 진동을 제어하는 방법과 장치에 관한 것이다.

예를 들어, 간행된 일본 특허공개 제 57-27808 호에 기재된 바와 같이, 부품을 설비하기 위한 보울(bowl)을 구비하며, 진동을 보울까지 제공하므로써 각각의 부품을 방출하는 부품 공급기용 진동 제어의 종래 형태는, 광전 변환기에 의해 보울의 진동을 검출하는 단계와, 진폭 제어 회로에 인가되는 보울의 진폭을 피드백하는 단계와, 보울을 구동시키기 위해 전자에 공급된 전류를 제어하는 단계와, 언제나 일정한 진폭으로 보울을 구동시키는 단계를 포함한다.

1994년 12월 13일, 스스무 야기(Susumu Yagi)에게 허여된 미국 특허 제 5,372,237 호에 기재된 다른 장치에 있어서, 보울에 설비된 부품은 보울의 진동때문에 부품 방출 구간으로부터 슈트(shoot)로 공급되며; 조립 기계로 공급되기 위해 각각의 부품이 슈트를 하향 슬라이딩시키면, 부품 공급 비율을 제어하기 위하여, 슈트를 통과한 부품은 전자 감지 요소에 의해 검출된다.

종래 기술에 근거한 방법의 경우, 부품 공급기로부터 공급되는 부품의 양은 전압 또는 온도와 같은 외적 환경의 변화에 따라 다양해지며, 이런 이유로, 안정성을 가지고 부품을 공급하는 것이란 아주 곤란하다. 부품 공급 비율을 제어하기 위해, 부품 공급기에는 기계적 진동 또는 운동을 검출하여 피드백 제어를 위해 전기 신호로 변환시키는 광전 변환기와 같은 감지기가 제공된다. 따라서, 제어 장치는 증가되는 장치의 크기가 증가함에 따라 복잡해지고, 비용 또한 상승하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 간단한 구성으로 압전 진동 요소의 진동을 제어하며 정확한 진동을 가능하게 하는 방법과 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따르면, 압전 진동 요소와, 압전 진동 요소가 부착되는 부품 공급기와 같은 진동 유닛과, 압전 진동 요소를 구동하는 구동 유닛으로 구성된 장치의 압전진동 제어방법에 있어서, 진동 유닛이 실질적으로 진동하지 않는 주파수로 압전 진동 요소를 진동시키는 단계와; 압전 진동 요소가 상기 주파수로 구동되는 동안 전압, 전류, 전압과 전류 사이에서의 위상차를 검출하는 단계와; 진동 유닛을 실제로 진동시키는데 필요한 주파수로 압전 진동 요소를 구동하는 단계와; 진동 유닛이 진동하는 동안 구동 전압과 구동 전류를 검출하는 단계와, 상기 검출된 전압과 전류와 위상차로부터 진동 유닛의 진동에 관련되지 않은 전류 성분을 획득하는 단계와, 상기 진동에 관련되지 않은 전류 성분으로부터 진동 유닛의 진동에 관련된 전류 성분을 연산하는 단계와, 그리고, 상기 진동에 관련된 전류 성분을 일정한 값 또는 목표값이 되도록 제어하는 단계로 구성되는 압전 진동 제어 방법이 제시된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 압전 진동 요소와, 압전 진동 요소가 부착되는 부품 공급기와 같은 진동 유닛과, 그리고 압전 진동 요소를 구동하는 구동 유닛으로 구성된 장치에 있어서, 압전 진동을 제어하는 장치가 제공된다. 상기 제어 장치는, 압전 진동 요소를 구동하기 위한 전류와 전압을 검출하는 검출기와, 진동 유닛이 구동되는 동안 검출된 값에 근거하여, 진동 유닛의 실제적 진동에 관련되지 않은 전류(비진동 전류 성분)를 획득하기 위한 비진동 전류 성분 연산 수단과, 상기 획득된 비진동 전류 성분으로부터 진동 유닛의 진동에 관련된 전류 성분을 연산하는 진동 전류 성분 연산 수단과, 그리고, 진동 전류 성분을 일정한 값 또는 목표값이 되도록 제어하는 진동 전류 제어 수단을 구비한다.

본 발명에 따른 압전 진동 제어 방법 및 장치에 있어서, 진동은 기계적 진동을 검출하기 위한 감지기를 사용하지않고 구동 전류에 근거하여 직접 제어됨으로써, 구성이 단순화되며 정확한 제어가 수행될 수 있다.

그 외에, 발명의 목적, 특징, 장점은 이하 도면에 관한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 제어기를 구비한 종래의 압전 진동 부품 공급기의 사시도.

도 2 는 진동 부품 공급기의 진동 폭과 다수의 방출 부품 사이의 일반적 관계를 도시한 그래프.

도 3 은 압전 진동 부품 공급기의 등가 회로도.

도 4 는 제어기 본체에 사용된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압전 진동 제어 장치의 개요도.

도 5 는 도 4 의 실시예에 따른 압전 진동 제어 장치내의 제어 시스를 도시한 흐름도.

도 6 은 압전 진동 부품 공급기의 진동 폭의 일반적 주파수 특징을 도시한 그래프.

도 7 은 도 4 의 실시예에 따른 부품 공급기의 전류와 가속도의 주파수 특징을 도시한 그래프.

도 8 은 도 4 의 실시예에 따른 압전 진동 제어 장치의 제어하에서 전류 성분의 벡터 다이아그램.

도 9 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 압전 진동 제어 장치에서 제어 내용을 도시한 흐름도.

도 10 은 여진력(an exciting force)에 대한 압전 진동 요소의 변위에 있어서 지연의 주파수 특징을 도시한 그래프.

[도면의주요부분에대한부호의설명]

1 : 부품 공급기 2 : 보울

3 : 공급 트랙 4 : 판 스프링

5 : 압전 진동 요소 12 : 전력 증폭기

도 1 은 본 발명에 따른 제어기(10)를 포함한 압전 진동 부품 공급기의 일반적 구조를 도시한다. 부품 공급기는 구조면에서 종래의 부품 공급기와 실질적으로 동일하다. 간단히 설명하면, 부품 공급기(1)는, 내측 외주 표면에서 완만하게 하향 경사진 면의 형태로 형성된 나선형 부품 공급기 트랙(3)을 포함한 측벽을 구비한 보울(2)과, 상기 보울(2)의 아랫면과 소정의 각도를 형성하며 부착된 상단부를 포함한 다수의 판 스프링(4)으로 구성된다. 각각의 판 스프링(4)의 하단부는 대응하는 압전 진동 요소(5)의 상단부에 직접 연결된다. 압전 진동 요소(5)의 하단부는 상단부와 동일한 각도로 베이스 부분(6)에 고정된다. 전원으로부터의 전력이 간헐적으로 압전 진동 요소(5)에 공급되면, 압전 진동 요소(5)는 발진하거나 진동한다. 압전 진동 요소(5)의 발진이나 진동은 판 스프링(4)에 의해 부품 공급기(1)의 보울(2)에 전달된다. 베이스 부분(6)은 쿠션닝 부재 또는 댐핑 부재(7)에 의해 플로어 표면위에 장착 고정된다. 압전 진동 요소(5)는 진동 생성 유닛의 주요 부분을 구성하는 압전 구동 유닛을 결합 형성한다. 부품 공급기의 작용은, 예를 들어, 야기(Yagi) 외 다수의 이름으로 1995년 12월 5일 발행된 미국 특허 번호 5,472,079에 기재되어 있으며, 그 내용은 본원에 참조인용되었다.

일반적으로, 진동성 부품 공급기의 진동 폭과 다수의 방출 부품 사이에는 도 2 에 도시된 바와 같은 관계가 있다. 도 2 에 도시된 영역 I 에서, 부품 공급기의 진동은 약하고 보울(2)의 공급 트랙(3)을 오르는 부분의 속도는 느리기 때문에, 소수의 부품만이 방출된다. 한편, 영역 III 에서는 진동이 강하고 부품의 속도가 빠르지만, 부품은 부품 공급기(1)의 투어링 구간(touring section)(얼라인먼트 섹션:alignment section)에서 보울(2) 안으로 낙하되므로써, 소수의 부품을 방출시킨다. 따라서, 부품 공급기의 진폭이 최적 영역 II 내에 존재하도록 상기 진폭을 제어하는 것이 필요하다. 그러나, 진폭은 동일한 전압, 전류 및 주파수 하에서라도, 부품의 무게 변동 또는 주변 온도 변화에 따라 변화한다. 따라서, 종래 기술에서는, 진폭을 검출하기 위한 감지기가 피드백 조적에 따라 일정한 진폭으로 부품 공급기(1)의 진동을 제어하도록 부품 공급기(1)의 주요 본체에 부착된다. 본 발명은 압전 진동 요소를 사용한 진동 유닛의 진동을 상술된 감지기를 사용하지 않고 정확하게 제어하는 것을 목표한다.

압전 진동 유닛의 등가 회로, 예를 들어, 압전 진동성 부품 공급기는 일반적으로 도 3 에 도시된 것과 같이 표시된다. 도 3 에서, 참조 문자 I₁은 기계적 진동에 비례한 전류를 표시하며, 참조 문자 I₀은 진동에 관련되지 않은 전류를 표시한다. 진동에 관련된 전류[이하, 진동 전류(vibration current)라 칭한다] i₁이 실제적으로 측정된 전류(i_t)로부터 분리된다면, 그리고 진동 전류(i₁)가 일정한 값으로 유지되도록 제어된다면, 압전 진동 요소의 진폭과 진동 전류 사이에는 선형이며 비례적인 상호 관계가 존재하기 때문에, 진동 유닛은 일정한 진폭으로 진동될 수 있다. 이러한 진동 전류(i₁)는 아래에 기재된 식 (1) 로부터 연산되어 얻어질 수 있으며, 여기서 전류(i₀)는, 진동 유닛이 전혀 진동하지 않는 주파수로 압전 진동 요소가 구동될 때 측정된 것이며, 전류(총 전류)(i_t)는 진동 유닛이 실제적으로 진동될 때 측정된 것이다.

관련 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 제 1 실시예를 설명한다면, 다음과 같다. 제 1 실시예에 따른 압전 진동 제어 장치는, 도 4 에 도시된 바와 같이, 다양한 형태의 부품을 기계에 공급하는 진동 유닛으로서의 부품 공급기에 관한 것으로서, 도 1 에 도시된 부품 공급기(1)와, 부품 공급기(1)를 구동하기 위한 구동 유닛인 전력 증폭기(12)와, 전력 증폭기(12)에 대하여 구동 신호를 출력하는 제어 유닛(14)을 포함한다. 부품 공급기(1)에는 도 1 에 도시된 바의 압전 진동 요소(5)가 제공되며, 압전 진동 요소(5)는 전력 증폭기(12)로 부터 공급된 구동력에 의해 진동된다. 또한, 부품 공급기(5)의 압전 진동 요소(5)는 전압 검출기(16)와 전류 검출기(18)에 연결되며, 전압 검출기(16)와 전류 검출기(18)로부터의 각각의 출력은 제어 유닛(14)에 입력된다.

부품 공급기(1)의 압전 진동 요소(5)의 진폭을 설정하기 위한 진동 전류 설정기(20)의 출력 단자는 제어 유닛(14)에 연결된다. 또한, 이하 기재될 제 2 실시예에서 도시된 바와 같이, 주파수 제어가 제공되어지는 경우, 주파수 또는 진폭 위상을 설정하기 위한 설정기(22)의 출력 단자 또한 제어 유닛(14)에 연결된다.

상기 실시예에 따른 압전 진동 제어 장치의 제어 방법은 도 5 에 도시된 시스에 의해 실행된다. 부품 공급기의 진폭에 관한 주파수 특징은 도 6 에 도시된 바와 같이, 처음에는, 부품 공급기(1)의 압전 진동 요소(5)가 실제적인 구동 주파수보다 낮은 주파수(fa)에서 구동되며, 상기 주파수에서는 부품 공급기(1)가 거의 진동하지 않으며, 압전 진동 요소가 상기 주파수에서 구동되는 동안, 전압(Va)과, 전류 (Ia)와, 이들간의 위상차(θ)가 검출된다. 부품 공급기의 진동이 생성되지 않기 때문에, 전류(Ia)는 도 7 에 도시된 바 진동에 관련되지 않은 전류(비진동 전류)와 실질적으로 동일하다. 다음, 압전 진동 요소는 부품 공급기(1)를 실제적으로 진동시키기 위해 요구되는 주파수(fb)에서 구동되며, 부품 공급기의 실제적 진동과 동시에 구동 전압(Vb)과 구동 전류(Ib)가 검출된다. 실제적 진동에 관련되지 않은 전류 성분(Ib₀)은 하기의 식 (2) 에 따라 검출된 구동 전압(Vb)과, 부품 공급기가 거의 발진하지 않는 주파수(fa)에서 각기 검출된 전압(Va)과, 전류(Ia)와, 이들간의 위상차 (θ)로부터 얻어지며, 실제적 진동시에서의 진동 전류 성분(Ib₁)은 하기의 식 (3)에 따라 비진동 전류 성분(Ib₀)과 구동 전류(Ib)로부터 연산된다.

상기 식에서, 전류(Ib₀, Ia)는 벡터를 표시한다.

진동 전류(Ib₁)는 다음과 같이 표현된다.

벡터(Ib₁)는 도 8 에서 도시된 바에 의해 얻어질 수 있다.

전류와 가속도의 주파수 특징(사인 곡선파 구동)을 도시한 도 7 에서, 총 전류와 가속도는 측정된 값이며, 반면 비진동 전류는 식(2)로부터 얻어진 값이며, 진동 전류는 상술된 식(3)으로부터 얻어진 값이다.

상술된 바에 의해 얻어진 진동 전류 성분(Ib₁)은 조정가능하므로, 부품 공급기는 부품을 방출시키기 위해 가장 효과적이며 안정된 진폭으로 구동된다. 부품 공급기(1)의 경우에, 진폭이 너무 작으면, 효과가 너무 작아 부품이 많이 운동하지 못하며 소수의 부재만 방출되는 반면에, 진폭이 너무 크면, 부품의 일부는 방출된 편의 수를 감축시키는 얼라이닝 프로세스(aligning process)에 떨어진다. 따라서, 부품이 유형에 따라 효율적으로 공급 및 방출될 수 있는 값으로 진폭을 설정할 것이 요구된다. 진폭과 진동 전류(Ib₁) 사이에는 실질적으로 선형이며 상대적인 관계가 있기 때문에, 진폭은 진동 전류 성분(Ib₁)를 제어함으로써 정확하게 제어될 수 있다.

도 5 에 도시된 바대로 진동 전류 성분(Ib₁)를 제어함에 있어, 진동 전류 성분(Ib₁)의 얻어진 값이 미리 설정된 값보다 더 작을 경우, 구동 전압은 증가되며, 반면, 진동 전류 성분(Ib₁)가 미리 설정된 값보다 클 경우, 구동 전압은 감소된다. 그 다음, 상기 제어를 계속하면, 진폭이 최적값이 되도록 제어할 수 있다.

상기 실시예에 따라 압전 진동 요소를 제어하는 방법과 장치에 관하여, 전기 신호로서 제어되는 대상은, 전기 신호로 변환되는 기계적 진동을 감지하는 감지기를 사용하지 않으면서, 구동 전압을 제어하는 압전 진동 요소의 구동 전류에 근거하여 검출되며, 이는 정확한 진폭 제어와 단순한 구성을 가능케한다.

본 발명에 따른 압전 진동 제어 장치의 제 2 실시예는 도 9 와 참조하여 다음과 같이 설명된다. 제 2 실시예에 따라 압전 진동을 제어하는 방법 및 장치는 제 1 실시예에 따른 방법 및 장치와 동일하며, 도 9 에 도시된 바대로 제어가 수행된다. 상술된 실시예에서 처럼 상기 제어 방법에서, 부품 공급기(1)의 압전 진동 요소(5)는 실제적 구동 주파수보다 낮으며 부품 공급기(1)가 거의 진동하지 않는 주파수(fa)에서 진동되며, 전압(Va)과, 전류(Ia)와, 이들 사이의 위상차(θ)는 압전 진동 요소가 상기 주파수로 구동되는 동안 검출된다. 다음, 구동 전압(Vb)과 구동 전류 (Ib)는 부품 공급기(1)가 실제적으로 진동할 때 검출된다. 진동 전류 성분(Ib₁₎)는 상술된 식 (2) 와 (3) 으로부터 연산되어 얻어지며, 진동 전류(Ib₁)와 구동 전압(Vb)사이의 위상차(θ_b)가 연산된다. 상기 위상차(θ_b)는 미리 설정된 값과 비교된다. 위상차(θ_b)가 미리 설정된 값보다 작으면, 구동 주파수는 증가되며, 반면에 위상차(θ_b)가 미리 설정된 값보다 크게 되면, 주파수가 감소된다.

상기 제어는, 공명점에서의 압전 진동 요소의 진동은 구동 전류의 진동에 대하여 위치에서 90°지연되며 진동에 관련된 진동 전류(Ib₁)의 위상과 동일하다는 사실을 이용함으로써 실행된다. 즉, 여진력 F(= F₀sin ω t)에 대한 압전 진동 요소에서의 변위의 위상 지연은 일반적으로 도 10 에 도시된 관계로 존재함으로써, 공명점(f₀)에서의 여진력에 대하여 위상은 90°지연된다. 한편, 진동 전류(Ib₁)의 위상과 압전 진동 요소에서의 실제적 변위의 위상은 서로 동일하다. 따라서, 위상의 제어 편차를 검출하고 구동 신호의 주파수를 제어함으로써, 압전 진동 요소는 항상 공진 주파수로 구동될 수 있다.

압전 진동 요소가 자체진동형(self-excited vibration type)일 경우, 구동 전류의 위상에 대하여 진동 전류(Ib₁)가 위치(도 8 에 도시된 φ)에서 90°지연되도록 설계된다면, 정확한 진동을 얻을 수 있음을 인식해야 한다. 이 경우, 설정 기구(22)가 진폭 위상을 설정하기 위해 사용된다. 압전 진동 요소가 분리진동형(separately excited vibration type)일 경우, 사용자는 주파수를 규정된 값으로 설정한다. 이 경우에도, 정확한 위상 제어는 진동 전류에서의 위상을 검출함으로써 수행될 수 있다. 주파수는 설정 기구(22)에 의해 설정된다.

상기 실시예에 있어서도 제 1 실시예에서처럼, 다른 어떤 복잡한 감지기의 사용없이 정확한 주파수 제어가 수행된다.

본 발명은 상술된 실시예에만 제한되는 것이 아님을 주시해야 한다. 본 발명은 부품 공급기뿐만 아니라 압전 진동 요소를 사용하는 어떠한 장치에도 일반적으로 유용하다. 따라서, 기재된 실시예는 모든 면에서 제한적인 것이 아닌 실례적인 것으로 고려되어야 한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 양호한 실시예에 대해 서술되었지만, 본 기술 분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터 일탈없이 다양한 변경과 수정이 가능함을 인식하여야 한다.

Claims (6)

1. 압전 진동 요소와, 압전 진동 요소가 부착되는 진동 유닛과, 압전 진동 요소를 구동하는 구동 유닛으로 구성된 장치의 압전 진동 제어방법에 있어서,

   진동 유닛이 실질적으로 진동하지 않는 주파수로 압전 진동 요소를 진동시키는 단계와;

   압전 진동 요소가 상기 주파수로 구동되는 동안 전압, 전류, 전압과 전류 사이에서의 위상차를 검출하는 단계와;

   진동 유닛을 실제로 진동시키는데 필요한 주파수로 압전 진동 요소를 구동하는 단계와;

   진동 유닛이 진동하는 동안 구동 전압과 구동 전류를 검출하는 단계와;

   상기 검출된 전압과 전류와 위상차로부터 진동 유닛의 진동에 관련되지 않은 전류 성분을 획득하는 단계와;

   상기 진동에 관련되지 않은 전류 성분으로부터 진동 유닛의 진동에 관련된 전류 성분을 연산하는 단계와;

   규정된 값이 되도록 상기 진동에 관련된 전류 성분을 제어하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 진동 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 진동에 관련된 전류 성분이 일정한 값이 되도록 구동 전압이 조정되는 것을 특징으로 하는 압전 진동 제어 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 진동에 관련된 전류와 구동 전압 사이에서의 위상차가 규정된 값이 되도록 구동 주파수가 조정되는 것을 특징으로 하는 압전 진동 제어 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 진동에 관련된 전류의 위상이 구동 전류의 위상에 대하여 상대 위치에서 90°지연되도록 조정되는 것을 특징으로 하는 압전 진동 제어 방법.
5. 압전 진동 요소와, 압전 진동 요소가 부착되는 진동 유닛과, 압전 진동 요소를 구동하는 구동 유닛으로 구성된 장치에 있어서,

   압전 진동 요소를 구동하기 위한 전압과 전류를 검출하는 검출기와;

   진동 유닛이 구동되는 동안 검출된 값에 근거하여, 진동 유닛의 진동에 관련되지 않은 전류 성분을 획득하기 위한 비진동 전류 성분 연산 수단과;

   상기 비진동 전류 성분으로부터 진동 유닛의 진동에 관련된 전류 성분을 연산하는 진동 전류 성분 연산 수단과;

   상기 진동 전류 성분을 규정된 값이 되도록 제어하는 진동 전류 제어 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 진동 제어 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 진동 유닛은 진동성 부품 공급기인 것을 특징으로 하는 압전 진동 제어 장치.