專利名稱：用于控制壓電振動的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于控制壓電振動的方法和設備，更具體地涉及用作部件供給器或類似設備以通過振動來供給各種類型的部件的壓電振動器的控制振動的方法以及用于同一目的的系統。
用于具有一裝有部件并通過象料斗施加振動而送出每一部件的料斗的部件供給器的常規振動控制，例如第KOKAI(早期出版物)57-27808號已出版的日本專利申請中公開的，是通過利用光電變送器檢測料斗的振動，將得到的料斗振動幅值反饋給控制供給用來驅動料斗的電磁鐵的電流，并在任何時候均以恒定幅值驅動料斗的幅值控制回路而實現的。
在另一系統中，如Susumu Yagi的1994年12月13日公開的第5,372,237號美國專利中公開的，裝在料斗中的部件由于料斗的振動而從部件送出部分供給到一滑槽中，且當每一個要供給組裝機器的部件從滑槽滑下時，經過滑槽的部件被光電傳感元件所檢測以控制部件供給的速率。
在基于常規技術的方法中，從部件供給器供應的部件的數量隨著諸如電壓或溫度這樣的外部環境而變化，且由于這一原因而很難穩定地供給部件。為了控制部件供給速率，這種部件供給器提供有諸如光電變送器這樣的傳感器以檢測機械振動或運動并將其轉換為電信號進行反饋控制。因而，控制系統變得復雜，設備尺寸增大，成本也上升。
因而，本發明的目的是提供一種用來控制具有簡單配置的并能夠精確地振動的壓電振動元件的振動的方法和設備。
根據本發明的一個方面，提供一種控制具有壓電振動元件、接有壓電振動元件的諸如部件供給器這樣的振動單元、以及用來驅動壓電振動元件的驅動單元的設備的壓電振動的方法，該方法包括以下步驟以使振動單元不發生明顯振動的頻率使壓電振動元件振動；在壓電振動元件被以該頻率驅動時檢測電壓、電流和電壓與電流間的相位差；以實際使振動單元振動所要求的頻率下驅動壓電振動元件；在振動單元被振動時檢測驅動電壓和驅動電流；從檢測到的電壓、電流、和相位差中得出與振動單元的振動無關的電流分量；從與振動無關的電流分量計算與振動單元的振動有關的電流分量；以及控制與振動有關的電流分量為恒定值或期望值。
根據本發明的另一方面，提供一種控制具有壓電振動元件、接有壓電振動元件的諸如部件供給器這樣的振動單元、以及用來驅動壓電振動元件的驅動單元的設備的壓電振動的系統。該控制系統包括用來檢測驅動壓電振動元件的電壓以及電流的檢測器；用來根據振動單元被驅動時的檢測值得到與振動單元的實際振動無關的電流分量(非振動電流分量)的非振動電流分量計算裝置；用來從得到的非振動電流分量計算與振動單元的振動有關的電流分量的振動電流分量計算裝置；以及用來控制振動電流分量為恒定值或期望值的振動電流分量控制裝置。
在根據本發明的控制壓電振動的方法和設備中，振動是根據驅動電流而被直接控制的，沒有使用任何檢測機械振動的傳感器，因而其配置可被簡化并能進行精確的控制。
從結合以下附圖進行的介紹中可明確的看出本發明的其他目的、特征和優點，其中
圖1是其中采用了根據本發明的控制器的常規壓電振動部件供給器的圖解透視圖；圖2是表示振動部件供給器的振動幅值和送出的部件的數量之間的一般關系的圖表；圖3是壓電振動部件供給器的等值回路圖；圖4是根據在控制器本體內采用的本發明的第一實施例的壓電振動控制系統的原理方框圖；圖5是表示根據圖4所示的實施例的壓電振動控制系統中的控制順序的流程圖；圖6是表示壓電振動部件供給器的振動幅值的一般特性的圖表；圖7是表示根據圖4所示的實施例部件供給器的電流和加速的頻率特性的圖表；圖8是在根據圖4所示的實施例的壓電振動控制系統的控制下的電流分量的向量圖9是表示根據本發明的第二實施例的壓電振動控制系統中的控制內容的圖表；及圖10是表示壓電振動元件的位移相對于激發力的延時的頻率特性的圖表。
參照附圖，圖1表示其中采用了根據本發明的控制器10的壓電振動部件供給器的一般結構。該部件供給器的結構與常規部件供給器基本相同。可簡要描述如下部件供給器1包括提供有在其形式為略向上方傾斜的內部外表面上形成的螺線形部件供給道3的側壁的料斗2以及在其上端與料斗2的下側按與之形成預定角度相連的多個片彈簧4。相應的片彈簧4的下端直接與相應的壓電振動元件5的上端相連。壓電振動元件5的下端按與其上端相同的角度固定在基座部分6中。當作為動力的電被間斷地供給壓電振動元件5時壓電振動元件5就振蕩或振動。壓電振動元件5的振蕩或振動通過片彈簧4被傳送給部件供給器1的料斗2。基座部分6通過臺墊或緩沖部件7固定安裝在地面上。壓電振動元件5還共同形成構成振動發生單元的主要部分的壓電驅動單元。部件供給器的運行例如在Yagi等的1995年12月5日的第5,472,079號美國專利中進行了介紹，這里引入其思想作為參考。
一般地說，振動部件供給器的振動幅值與送出的部件數量之間具有圖2所示的關系。在圖2中的區域I中，由于部件供給器的振動很弱且部件沿料斗2的給料道3爬升的速度很慢，只能送出少量的部件。另一方面，雖然在區域III的振動很強且部件的速度很快，但部件在部件供給器1的轉動部分(對中部分)落進料斗2中，這使得只有少量部件從中送出。因而，必須控制部件供給器的幅值使其位于最優區域II內。但是，根據部件重量的波動或環境溫度的變化，即使在同樣的電壓、電流和頻率下幅值也可能會改變。因此，在常規的技術中，在部件供給器1的主體上連接有用來檢測幅值的傳感器以便根據反饋控制來以恒定幅值控制部件供給器的振動。本發明的目的就是不采用上述傳感器而對使用壓電振動元件的振動單元的振動進行精確控制。
一個壓電振動單元(例如壓電振動部件供給器)的等值回路一般地如圖3所示。在圖3中，參考字母i1表示與機械振動成比例的電流，而參考字母i0表示與振動無關的電流。如果將與振動有關的電流i1(以后稱為“振動電流”)從實際測量的電流it中分離出來并將振動電流i1控制為保持恒定值，振動單元就能以恒定的幅值振動，因為壓電振動元件的幅值與振動電流之間具有線性和呈比例的關系。振動電流i1可根據下面的公式(1)進行計算而得到，其中電流i0是在壓電振動元件以使振動單元幾乎不振動的頻率被驅動時測出的，而電流i1(總電流)是在振動單元然后確實發生振動時測出的。
→→→i1＝it-I0……(1)下面參照附圖對本發明的第一實施例進行介紹。如圖4所示，本實施例的壓電振動控制系統被用作用來向機器供給各種類型的部件的部件供給器1的振動單元，包括圖1所示的部件供給器1、作為用于驅動部件供給器1的驅動單元的功率放大器12、以及向功率放大器12輸出驅動信號的控制單元14。如圖1所示部件供給器1提供有壓電振動元件5而這些壓電振動元件5由功率放大器12供應的驅動功率振動。此外，部件供給器1的壓電振動元件5與電壓檢測器16和電流檢測器18相連，從電壓檢測器16和電流檢測器18來的每一輸出均輸入給控制單元14。
用來設定部件供給器1的壓電振動元件5的幅值的振動電流設定器20的輸出端與控制單元14相連。此外，如下面介紹的第二實施例所示，在進行頻率控制的情況下，用來設定頻率或幅值相位的設定器22的輸出端也與控制單元14相連。
根據本實施例的壓電振動控制系統的控制方法按圖5所示的順序進行。由于部件供給器的幅值的頻率特性如圖6所示，首先部件供給器1的壓電振動元件5被以低于實際驅動頻率的且在此頻率下部件供給器1幾乎不振動的頻率fa驅動，且在壓電振動元件被以此頻率驅動時檢測出電壓Va，電流Ia和它們的相位差θ。該電流Ia基本等于圖7所示的與振動無關的電流(非振動電流)，因為部件供給器沒有發生振動。然后壓電振動元件被以實際振動部件供給器1所需的頻率fb驅動，并在部件供給器1實際振動時檢測出驅動電壓Vb，驅動電流Ib(總電流)。根據下面的公式(2)由檢測出的驅動電壓Vb和在部件供給器基本不振蕩的頻率fa下檢測出的電壓Va，電流Ia和它們的相位差θ計算出與實際振動無關的電流分量Ib0，并根據下面的公式(3)由非振動電流分量Ib0和驅動電流Ib計算出實際振動時的振動電流分量Ib1。Ib0=Vb•fbVa•fa×Ia……(2)]]>其中電流Ib0和Ia指的是向量。
振動電流Ib1用下式表示Ib1＝Ib-Ib0……(3)且Ib1可如圖8所示得到。
在表示電流和加速的頻率特性(正弦波驅動)的圖7中，總電流和加速度是測量值，而非振動電流是根據上述公式(2)得到的值，振動電流是根據上述公式(3)得到的值。
對按如上所述得到的振動電流分量Ib1進行調節以使部件供給器被驅動為以最有效的和最穩定的幅值送出部件。對部件供給器1而言，如果幅值太小，效率很低以至部件移動不大且只有少量部件被送出，與之相反，如果幅值太大，某些部件在對準過程中跌落，因而也使得送出的部件數量減少。因此，要求將幅值設定為根據部件的類型可有效地將部件送出這樣的值。由于幅值與振動電流分量Ib1之間基本上線性相關，通過控制振動電流分量Ib1就可精確地控制幅值。
在如圖5所示對振動電流分量Ib1進行控制時，如果得到的振動電流分量Ib1值小于預設值，就增加驅動電壓，而如果得到的振動電流分量Ib1值大于預設值，就降低驅動電壓。于是，連續的控制就可以控制幅值為最優值。
利用根據本實施例的用來控制壓電振動元件的振動的方法和設備，作為電信號的被控制的對象是根據壓電振動元件的驅動電流檢測出的，對電壓進行控制不使用任何檢測需轉換為電信號的機械振動的傳感器，這就能夠簡化配置和精確地進行幅值控制。
下面參照圖9對根據本發明的壓電振動控制系統的第二實施例進行介紹。根據本實施例的用來控制壓電振動的方法和設備與第一實施例相同，控制則按圖9所示實現。在該控制方法中，象上述實施例一樣，部件供給器1的壓電振動元件5被以低于實際驅動頻率的且在此頻率下部件供給器1幾乎不振動的頻率fa驅動，且在壓電振動元件被以此頻率驅動時檢測出電壓Va，電流Ia和它們的相位差θa。然后在部件供給器1實際振動時檢測出驅動電壓Vb和驅動電流Ib。根據上述公式(2)和(3)計算出振動電流分量Ib1，還計算出振動電流Ib1與驅動電壓Vb間的相位差θb。將該相位差θb與預定值進行比較。如果發現相位差θb小于預定值，就增加驅動頻率，而如果發現它大于預定值，就降低驅動頻率。
上述控制可通過利用以下事實來進行壓電振動元件在諧振點的振動在相位上比驅動電流的振動延遲90°且與和振動有關的振動電流Ib1的相位一致。就是說，如圖10所示壓電振動元件的相位對于與施加的力F(＝F0s inωt)一般具有相位滯后的關系，因而在諧振點f0處相位相對于作用力延遲90度。另一方面，振動電流Ib1的相位與壓電振動元件的實際位移的相位是互相一致的。因此通過檢測相位的偏差并控制驅動信號的頻率，壓電振動元件可永遠被控制在諧振頻率上。
應當指出，如果壓電振動元件是自激振動型的，如果將振動電流Ib1的相位設計為比驅動電流的相位(圖8中所示的φ)延遲90度，就可得到精確的振動。在這種情況下，設定裝置22用來設定幅值相位。如果壓電振動元件是獨立激勵振動型的，用戶將頻率設為預定值。在這種情況下，通過檢測振動電流的相位也可實現精確的相位控制。于是通過設定裝置22設置頻率。
利用該實施例，和第一實施例一樣，不使用任何復雜的傳感器就可實現精確的頻率控制。
應指出本發明并不僅限于上述實施例。本發明總體上不僅適用于部件供給器也適用于任何采用壓電振動元件的設備。所介紹的實施例在所有方面都應被認為是解釋性的而不是限制性的，本發明的范圍在后面的權利要求中而不是上面的介紹中指明，因而其意義和范圍屬于等同于這些權利要求的所有的改變均應被認為包括在其中。
權利要求
1.一種控制由壓電振動元件、接有壓電振動元件的振動單元、以及用來驅動壓電振動元件的驅動單元的設備的壓電振動的方法，其特征在于包括以下步驟以使所述振動單元不發生明顯振動的頻率使壓電振動元件振動；在壓電振動元件被以所述頻率驅動時檢測電壓、電流和電壓與電流間的相位差；以實際振動振動單元所要求的頻率驅動所述壓電振動元件；在所述振動單元被振動時檢測驅動電壓和驅動電流；從所述檢測到的電壓、電流、和相位差中得出與振動單元的振動無關的電流分量；由與振動無關的電流分量計算與振動單元的所述與振動有關的電流分量；以及控制與所述振動有關的電流分量為預定值。
2.根據權利要求1的方法，其中對驅動電壓進行調節以使與振動有關的電流分量為恒定值。
3.根據權利要求1的方法，其中對驅動頻率進行調節以使與所述振動有關的電流和驅動電壓之間的相位差為預定值。
4.根據權利要求1的方法，其中對與所述振動有關的電流的相位進行調節以使其相對驅動電流的相位延遲90度。
5.一種由壓電振動元件、接有壓電振動元件的振動單元、以及用來驅動壓電振動元件的驅動單元組成的設備中的壓電振動控制系統，其特征在于包括用來檢測驅動所述壓電振動元件的電壓以及電流的檢測器；用來根據所述振動單元被驅動時的檢測值得到與所述振動單元的振動無關的電流分量的非振動電流分量計算裝置；用來由所述非振動電流分量計算與所述振動單元的振動有關的電流分量的振動電流分量計算裝置；以及用來控制所述振動電流分量為預定值的振動電流控制裝置。
6.根據權利要求5的系統，其中所述振動單元是一個部件供給器。
全文摘要
一種用來控制由壓電振動元件、振動單元、以及驅動單元組成的設備中的壓電振動的方法和設備。壓電振動控制是通過以使振動單元不發生明顯振動的頻率使壓電振動元件振動;檢測電壓、電流和二者間的相位差;以實際振動振動單元所要求的頻率驅動所述壓電振動元件;在振動單元被振動時檢測驅動電壓和驅動電流;得出與振動單元的振動無關的電流分量;計算與振動單元的與振動有關的電流分量;并控制其為預定值來實現的。
文檔編號G05D19/00GK1182229SQ9711616
公開日1998年5月20日 申請日期1997年8月6日 優先權日1996年8月7日
發明者屋木晉 申請人:Ykk株式會社