KR900007413B1 - 초음파 모우터구동 방법 - Google Patents

초음파 모우터구동 방법 Download PDF

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KR900007413B1
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리쯔오 이나바
테쯔지 후까다
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마쯔시다덴기산교 가부시기가이샤
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Abstract

내용 없음.

Description

초음파 모우터구동 방법
제1도는 원환형 초음파 모우터의 절결사시도.
제2도는 제1도에서 사용한 압전체의 전극구조를 도시한 평면도.
제3도는 진동체의 애드미턴스와 진폭의 주파수 특성도.
제4도는 본 발명의 초음파 모우터의 구동법을 실현하는 구체회로의 블록도.
제5도는 진동체를 일정한 전압으로 구동하였을 때의 구동전압과 전류의 위상차, 전류 및 이동체의 회전수의 주파수 특성도.
제6도는 진동체의 애드미턴스의 비선형 특성을 도시한 주파수 특성도.
제7도는 본 발명의 초음파 모우터의 구동법을 실현하는 다른 구체회로의 블록도.
제8도는 본 발명의 초음파 모우터의 구동법을 실현하는 다른 구체회로의 블록도.
제9도는 제8도의 초음파 모우터의 구체회로의 설명을 위한 주파수 특성도.
제10도는 진동체의 등가회로도.
제11도는 진도체의 등가회로의 기계아암에 흐르는 전류와 회전체의 회전수의 주파수 특성도.
제12도는 진동체의 등가회로의 기계아암에 흐르는 전류를 검출하는 회로예.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
7 : 전압제어 발진기 8,20 : 90。 이상기
9, 10, 21, 22 : 전력증폭기 11, 23, 38 : 저항
12, 24 : 스위프제어기 13, 25 : 제어전압발생기
14, 26 : 전류검출기 15, 27 : 전압검출기
16, 28 : 위상차검출기 17 : 위상비교기
18, 29 : 위상범위비교기 30 : 기억기
31 : 최소치판별기 32 : 구동주파수제어기
33 : 위상차증폭기 34 : 방향 판정기
35, 36 : 차동증폭기
본 발명은 압전체에 의해서 여진된 탄성진행파를 구동력으로 하는 초음파 모우터의 구동방법에 관한 것이다.
초음파 모우터(예를들면 미국특허출원 제706387호)는, 압전체와 탄성체로 이루어진 진동체와, 상기 진동체에 가압접촉해서 설치된 회전체로 구성된다. 상기 압전체에 전계를 인가함으로서, 상기 구동체에 탄성진행파가 여진되고, 상기 회전체는 마찰력에 의해서 회전한다.
진동체는 압전체 단체와 마찬가지의 공진특성을 나타낸다. 따라서, 진동체를 그 여진주파수 근처의 교류전계로 구동하면, 낮은 전계로 효율좋게 구동할 수 있다. 그러나, 진동체의 공진주파수는 온도나 부하의 변동둥에 의해서 변화하므로, 종래와 같이 일정한 주파수로 구동하였을 경우에는, 구동주파수와 공진주파수의 상대적 관계가 변화해서, 초음파 모우터의 특성이 변화하여 구동효율도 저하한다.
본 발명은 온도나 부하가 변화하여도, 항상 안전한 동작을 하는 초음파 모우터 구동법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
초음파 모우터의 구동체를 구성하는 압전체에 인가하는 구동전압과 유입전류와의 위상차, 혹은 유입전류성분, 혹은 회전체의 회전수를, 진동체의 비선형 효과에 의해서 공진주파수의 히스테리시스 루우프의 가장높은 값보다도 높고, 진동체의 반공진 주파수 보다도 낮은 주파수영역의 임의의 주파수에 대응하도록 설정된 설정치와의 차를 작게 하도록, 이 압전체에 인가하는 교류구동전압의 주파수를 제어함으로서, 구동체의 공진주파수가 변화하여도, 그에 따라서 구동전압의 주파수를 변화시킴으로서, 초음파 모우터의 특성이 항상 안정하게 한다.
이하, 도면에 따라서 본 발명의 실시예에 대해서 상세한 설명을 행한다.
제1도는 원활형(링-타입)초음파 모우터의 절결사사도이다. 동도면에 있어서, (1)은 압전세라믹등의 압전체이며, (2)는 철, 알루미늄등의 탄성체이다. 압전체(1)와 탄성체(2)는 동심원 형상으로 부착해서 진동체(3)를 구성한다. (4)는 내마모성의 마찰재이며, (5)는 탄성체이고, 함께 부착해서 회전체(6)를 구성한다. 진동체(3)와 회전체(6)는 마찰재(4)를 개재해서 가압접촉된다.
제2도는 제1도에 도시한 초음파 모우터에 사용하는 압전체(1)의 평면도이다. 전극군(A) (B)은 각각 원주방향의 길이가 탄성진행파의 1/2파장에 상당하는 작은 전극군으로 이루어진다. 전극(C)과 전극(D)은 각각 원주방향의 길이가 탄성진행파의 3/4파장, 1/4파장에 상당하는 전극이다. 전극(C)과 전극(D)은 전극(A)과 전극(B)에 위치적으로 90도의 위상차를 부여하기 위하여 존재하므로 없어도 된다. 또, 동도면에 도시한 면의 반대면의 전극은 베타전극이다. 전극군(A) 및 전극군(B)을 구성하는 서로 인접하는 작은 전극부의 분극방향은, 두터운 방향과 반대이다. 사용시에는, 전극군(A) (B)은 각각 단락된다.
전극군(A)과 전극군(B)에 각각 시간적으로 90도 위상이 다른 전압을 인가해서 구동하면, 전극군(A)과 전극군(B)은 위치적으로 90도 위상차가 있으므로, 위치적으로, 그리고 시간적으로 위상이 90도 다른 2개의 원주방향의 벤딩진동(휨진동)이 진동체(3)에 여진된다. 그 결과, 진동체(3)의 원주방향으로 벤딩진동의 진행파가 여진된다. 회전체(6)는, 마찰재(4)를 개재해서 진동체(3)에 가압접촉되고 있으므로 진행파에 의해서 마찰력으로 회전한다.
회전속도는, 진행파의 진폭에 비례하므로, 저전압으로 효율좋게 구동할려면, 진동체(3)를 그 공진부근의 주파수로 구동할 필요가 있다.
제3도는 진동체(3)의 구동단자에서 본 애드미턴스의 주파수특성과, 일정한 접압으로 구동하였를 때의 탄성진동의 진폭치의 주파수 특성이다.
제4도는 초음파 모우터 구동법의 1구체적인 회로예의 블록도이다. 이 회로가 동작을 개시하면, 스위프제어기(12)가 제어전압발생기(13)에 전압을 스위프시킨다. 이 스위프전압은, 전압제어 발진기(7)의 제어단자(T)에 입력된다. 그러면, 전압제어 발진기(7)의 출력주파수는 스위프 전압에 따라서 스위프된다. 전압제어발진기(7)의 출력은 2분할 되어, 한쪽은 90도 위상기(8)를 통해서 전력증폭기(9)에, 다른쪽은 그대로 전력증폭기(10)에 각각 입력되어서, 진동체(3)를 구동하는데 필요한 값까지 증폭된다. 전력증폭기(9) (10)의 출력은 진동체(3)를 구성하는 압전체(1)의 전극군(A) (B)에 각각 인가되어서, 진동체(3)를 구동한다.
압전체(1)의 입력단자의 한쪽에는 저항(11)이 접속되어 있으며, 압전체(1)에 흐르는 전류파형을 저항(11)의 양단전압에 의해서, 전류 검출기(14)로 검출한다. 또, 전압검출기(15)는 압전체(1)에 인가되는 구동전압파형을 검출한다. 위상차 검출기(16)는 전류검출기(l4)와 전압검출기(15)의 출력으로부터 전류와 전압의 위상차에 비례한 전압을 발생한다. 위상차검출기(16)의 출력은, 위상비교기(17)의 반전입력과 위상 범위비교기(18)의 입력에 각각 입력된다. 위상비교기(17)의 비반전입력단자에는 설정전압(1)이 입력된다. 위상비교기(17)의 출력은 전류와 전압의 위상차가, 진동체가 비선형 효과에 의해서 나타내는 공진주파수의 히스테리시스 루우프의 가장높은 값보다도 높고, 이 진동체의 반공진 주파수보다도 낮은 위상차에 상당하도록 설정된 설정전압(1)이, 같게 되었을 때에 논리적 H가 되어, 스위프제어기(12)의 스위프정지단자(S)에 의해서 전압제어 발진기(7)의 출력주파수의 스위프를 정지한다.
위상범위비교기(18)의 나머지 2개의 입력단자에는, 상기 설정전압(1)과 위상차의 허용범위에 상당하는 설정전압(2)이 입력되어, 위상차검출기(16)의 출력이 설정전압(1)으로부터 벗어나서, 설정전압(2)만큼 증감하면, 다시말하면, 전류와 전압의 위상차가 제1의 설정된 위상차로부터 벗어나서, 제2의 설정된 위상차 만큼 증감하였을 때, 논리적 H를 출력한다. 이 출력은 스위프제어기(12)의 제어단자(C)에 입력되고, 다시 구동주파수의 스위프를 개시해서, 상술한 구동주파수를 설정한다. 따라서, 초음파 모우터의 진동체(3)는, 그 공진주파수가 변화하여도, 항상 설정한 구동전압과 전류의 위상차를 나타내는 주파수로 구동된다.
제5도는 진동체를 일정한 전압으로 구동하였을 때의 전류치, 전압, 전류의 위상차 및 진동체의 회전수의 주파수 특성도이다. 또, 제6도는 구동주파수를 아래로부터 스위프하였을 때, 및 위로부터 스위프하였을 때에 나타나는 진동체의 비선형에 기인하는 애드미턴스의 히스테리시스 특성이다. 동도면으로부터, 진동체는 구동주파수의 스위프방향에서 비선형에 의해서 그 공진주파수가 변화하고, 그 히스테리시스 루우프내에서는 안정점이 일의적으로 결정되지 않아 불안정한 동작을 나타낸다.
제3도로부터, 회전체의 회전수는 진동체의 공진주파수부근에서 커지므로, 초음파 모우터는 이 공진주파수부근에서 구동하는 것이 좋다. 그러나, 제6도에 있어서의 구동주파수를 아래로부터 스위프하였을 때의 공진주파수(f1)와 위로부터 스위프하였을 때의 공진주파수(f2)사이의 주파수영역, 및 이 주파수영역의 극부분에서는 동작이 매우 불안정해지므로, 구동주파수는 이 영역외가 아니면, 안된다. 주파수(f2)보다 낮은 주파수에서는 회전수가 급히 저하하므로 진동체의 구동주파수는 이 영역의 주파수(f1)보다 높은 주파수를 사용한다. 또, 제5도로부터 반공진주파수(f5) 이상에서는 회전체의 회전수가 작아지므로 반공진주파수(f5) 이하에서 사용한다.
제5도의 주파수(f3)로부터 주파수(f4)의 범위에서 구동주파수를 위로부터 스위프하여, 전압과 전류의 위상차의 설정치를 도면의 P1이라하고, 허용위상차 범위의 설정치를 P2라고하면, 회전체의 회전수가 동 도면에서 N1의 회전수가 되었을 때의 주파수로 구동주파수가 설정된다. 여기에서, 전압과 전류의 위상차의 설정치(P1) 및 허용위상차 범위의 설정치(P2)는 설정후의 구동주파수가 진동체의 공진주파수(f1)보다 높게 반공진주파수(f5)보다 낮게 결정되어 있다. 또, 온도 혹은 부하가 변동해서, 진동체의 공진주파수가 변화해서 구동주파수와 공진주파수와의 상대관계가 변화하고, 그 결과, 위상차가 설정치(P1)로부터 벗어나서 허용범위(P2)로부터 벗어나면, 다시 회전체의 회전수가 동도면 중의 N1를 중심으로 N2의 범위가 되도록, 구동주파수의 스위프를 개시해서 새로운 구동주파수를 찾아낸다. 따라서, 공진주파수가 변화하여도, 구동전압과 전류의 위상차를 설정치에 유지하도록 제어함으로서, 구동주파수와 함께 공진주파수의 상대관계를 유지하여, 안정한 동작을 하는 초음파 모우터를 실현할 수 있다.
제7도는 초음파 모우터의 다른 구동회로의 블록도이다. 이 회로가 동작을 개시하면, 스위프 제어기(24)가 제어전압발생기(25)에 전압을 스위프시킨다. 이 스위프전압은, 전압제어발진기(19)의 제어단자(T)에 입력된다. 그러면, 전압제어발진기(19)의 출력주파수는 스위프전압에 따라서 아래로부터 위로스위프된다. 전압제어발진기(19)의 출력은 2분할되어, 한쪽은 90도 이상기(20)를 통해서 전력증폭기(21)에, 다른쪽은 그대로 전력증폭기(22)에 각각 입력되어서 진동체(3)를 구동하는데 필요한 값까지 증폭된다. 전력증폭기(21) (22)의 출력은 진동체(3)를 구성하는 압전체(1)의 전극군(A) (B)에 각각 인가되어서, 진동체(3)를 구동한다. 진동체(3)의 입력단자의 한쪽에는 저항(23)이 접속되어 있고, 전압체(1)에 흐르는 전류파형을 저항(23)의 양단전압에 의해서, 전류검출기(26)로 검출한다. 또, 전압검출기(27)는 압전체(1)에 인가되는 구동전압파형을 검출한다. 위상차 검출기(28)는 전류검출기(26)와 전압검출기(27)의 출력으로부터 전류와 전압의 위상차에 비례한 전압을 발생한다. 위상차 검출기(28)의 출력은, 위상범위 비교기(29)의 1입력과 기억기(30)에 각각 입력된다. 최소치판별기(31)는 전류와 전압의 위상차의 최소치를 판별해서, 그때의 구동주파수를 기억기(30)에 기억시킨다. 공진주파수[제 6도의 주파수(f1)]의 검지가 종료되면, 구동주파수제어기(32)는 이미 기억된 공진주파수로부터, 상기 공진주파수(f1)와 반공진주파수(f2)사이의 값이 되도록 구동주파수를 설정하고, 그 주파수에 대응하는 전압을 제어전압발생기(25)의 제어단자(T)에 입력한다. 전압제어발진기(25)는 주파수의 스위프를 정지하여, 설정구동주파수를 출력한다.
위상범위비교기(29)의 나머지 1입력단자에는, 위상차의 허용범위에 상당하는 설정전압(P)이 입력된다. 온도나 부하의 변동에 의해서 진동체의 공진주파수가 변화해서, 상기에 의해서 설정된 구동주파수에서의 위상차에 대웅하는 전압이 설정전압(P)으로부터 이탈되면, 다시말하면 전류와 전압의 위상차가 설정된 위상차로부터 벗어나서 허용범위외가 되면, 논리적 H를 출력한다. 이 출력은 스위프제어기(24)의 제어단자(C)에 입력되고, 다시 구동주파수의 스위프를 개시해서, 상기에 설명한 구동주파수를 설정한다.
제6도로부터, 구동주파수를 아래로부터 위로 스위프하면, 구동체의 비선형에 의한 공진주파수의 히스테리시스루우프의 가장높은 주파수를 알 수 있다. 이 주파수로부터, 구동주파수를 구동주파수제어기(32)에 의해서 설정한다. 이상에 의해서, 상술한 구동회로와 마찬가지로, 진동체의 공진주파수가 변화하여도, 그와동시에 구동주파수가 변화해서, 항상 안정한 동작을 하는 초음파 모우터 구동법을 실현할 수 있다.
제8도는 초음파 모우터의 구동회로의 다른 구체예의 블록도이다. 동도면에 있어서, (16)까지의 요소는 제4도와 마찬가지이다. 따라서, 구동전압과 전류의 위상차가 위상차 검출기(16)에서 얻어져서, 위상차증폭기(33)에 입력된다. 위상차증폭기(33)의 다른 입력에는, 설정위상에 상당하는 전압이 입력되어서, 설정위상과 구동주파수에서의 위상차에 따른 전압이 출력된다. 방향판정기(34)는 상기 차전압에 의해서 구동주파수를 상승 하강하는 제어신호를 전압제어발진기(7)의 제어단자(T)에 입력한다.
제9도는 제8도의 구체회로의 설명도이다. 전압제어발진기(7)는 f6과 f7사이의 주파수에서 발진개시하도록 설정되어 있다는 것은, 구동주파수가 f7보다도 높아지면, 구동주파수의 변화에 의한 위상차의 변화가 작아지게 되어, 제어의 정밀도가 나빠지거나 오동작을 한다. 또, 위상설정치(P)를 나타내는 다른 주파수(f5)보다도 구동주파수가 낮아지면, 설정위상(P)과의 차이를 크게하도록 제어가 걸리기 때문이다. 방향판정기(34)는 위상차에 대응하는 전압이 부(負)일때는 구동주파수를 높게 하도록, 그리고 위상차에 대응하는 전압이 정(正)일 때는 구동주파수를 낮게 하도록 전압제어 발진기(7)를 제어한다.
여기까지, 초음파 모우터의 구동체의 구동전압과 전류의 위상차로 구동체의 구동주파수를 제어하였으나, 마찬가지로 진동체를 구성하는 압전체로 유입진류에 의해서도, 진동체의 구동주파수를 제어할 수 있다.
제10도는 진동체를 구성하는 압전체의 하나의 전극군의 입력에서 본 등가회로이다. 동도면에 있어서, (C0)는 전기용량이고, (C1)은 탄성을 표시하고 (L1)은 질량을 표시하며, (R1)은 기계적 손실을 표시하고, 후의 3개는 기계적인 성질을 표시한다. 또, (i0)는 전기용량(C0)의 충방전 전류이고, (ⅰ1)은 진동체의 진동속도(변위의 시간미분)를 표시한다. 따라서, 기계아암에 유입하는 전류는 회전체의 회전속도에 비례한다.
제11도는 초음파 모우터의 회전수와 기계아암에 유입하는 전류의 주파수특성이다. 동 도면에 있어서, 기계아암에 유입하는 전류가 i일때, 회전체의 회전수는 N인 것을 표시한다.
제12도는 기계아암에 유입하는 전류를 검출하는 구체적회로이다. 진동체를 구성하는 압전체의 1전극군에 인가하는 구동전압을 12분할해서, 한쪽은 저항(39)을 통해서 진동체의 암전체의 1전극군에 인가하고, 다른쪽은 저항(39)을 통해서 상기 전극군과 같은 용량치를 가진 전기용량소자(C2)에 인가한다. 차동증폭기(35) (36)는, 각각 상기 용량소자와 전극군에 유입하는 전류를 검출하여, 그 결과를 감산기(37)에 입력해서, 기계아암에 유입하는 전류를 구한다. 따라서 의상차 대신에 기계아암에 유입하는 전류를 사용해서 구동주파수를 제어할 수 있다.
회전체의 회전수를 사용하는 것도, 마찬가지로 용이하게 할 수 있다. 상기에 있어서는 전류치를, 그리고 여기에서는 회전수를, 진동체가 빈선형효과에 의해서 나타낸 공진주파수의 히스테리시스 루우프의 가장높은 값보다 높고, 이 진동체의 반공진주파수보다도 낮은 값의 주파수에 설정치가 되도록 대응시켜서 설정하고, 이 설정치가 되도록 각각 전류, 회전수를 제어하여, 초음파 모우터의 진동체의 공진주파수가 변화하여도, 공진주파수와 항상 일정한 상대관계가 되도록 구동주파수를 제어한다.

Claims (7)

  1. 압전체와 탄성체로 이루어진 진공체에 탄성진행파를 여진하고, 이 진동체에 가압접촉해서 설치된 회전체를 마찰력에 의해서 구동하는 초음파 모우터에 있어서, 이 진동체의 구동전압의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 모우터 구동방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 진동체의 구동교류전압의 주파수의 제어를, 이 진동체를 구성하는 압전체에 인가하는 구동전압과 유입전류의 위상차 혹은 이 압전체에의 유입전류, 혹은 회전체의 회전수에 의해서 행하는 것을 특징으로 하는 초음파 모우터 구동방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구동전압과 유입전류의 위상차 흑은 유입전류 혹은 회전체의 회전수를, 이 진동체가 비선형효과에 의해서 나타내는 공진주파수의 히스테리시스 루우프의 가장높은 값보다도 높고, 이 진동체의 반공진주파수보다도 낮은 주파수영역의 임의의 값에 상당하도록 설정하고, 이 설정치와의 차이가 작아지도록 이 진동체의 구동주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 모우터 구동방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 진동체의 구동전압의 주파수를 위에서부터 아래로 스위프하고, 상기 구동전압과 유입전류의 위상차 혹은 유입전류, 흑은 회전체의 회전수가 상기 설정치로 되었을 때에 이 구동주파수의 스위프를 정지하는 것을 특징으로 하는 초음파 모우터 구동방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 진동체의 구동교류전압의 주파수를 아래로부터 위로 스위프하고, 이 진동체가 빈선형 효과에 의해서 나타내는 공진주파수의 히스테리시스 루우프의 가장높은 값을 검지하고, 이 주파수와 이 진동체의 반공진주파수 사이의 주파수영역의 임의의 설정치에, 이 구동주파수를 설정하는 것을 특징으로 하는 초음파 모우터 구동방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 구동전압과 유입전류의 위상차, 혹은 유입전류, 혹은 회전체의 회전수의 제어범위를 설정하고, 구동주파수에서의 위상차 혹은 유입전류 혹은 회전수가 이 설정제어 범위를 초과하였을 때에 다시 구동주파수의 스위프를 하는 것을 특징으로 하는 초음파 모우터 구동방법.
  7. 압전체와 탄성체로 이루어진 진동체에 탄성진행파를 여진하고, 이 진동체에 가압접촉해서 설치된 회전체를, 마찰력에 의해서 구동하는 초음파 모우터에 있어서, 이 진동체가 비선형 효과에 의해서 나타내는 공진주파수의 히스테리시스 루우프의 가장높은 값보다도 높고, 이 진동체의 반공진주파수보다도 낮은 주파수영역의 임의의 값에 이 진동체의 구동전압의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 모우터 구동방법.
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