用于基于相位敏感檢測的壓電器件的諧振控制裝置的制作方法

專利名稱：用于基于相位敏感檢測的壓電器件的諧振控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種諧振控制裝置及其控制方法。
背景技術：
在諧振控制裝置中，例如使用壓電元件的壓電效應的驅動設備(作為超聲馬達，例如包括在日本特開平3-243183號公報和日本特開平3-289375號公報中公開的)和利用壓電效應的顯示設備，由于壓電特性、溫度特性和外圍機構的結構特性等，使驅動效率達到最大的諧振頻率的諧振點可能會經歷改變。
因此，在常規的諧振控制裝置中，使用壓電傳感器將負載的驅動狀態檢測為電勢(電壓值)，使用CPU(處理器)對來自壓電傳感器的輸出信號的檢測電壓值進行積分運算，提高和/或降低負載的驅動頻率，直到運算結果(電勢的積分值)產生實際上的最大值，并使用當運算結果變成最大值時的頻率作為諧振頻率。
在此，將參照圖11描述常規諧振控制裝置的結構。圖11是示意性地示出常規諧振控制裝置200的主要部分的方框圖。如圖11所示，常規諧振控制裝置200包括中央處理單元(CPU)1、放大器部4、增益控制放大器部5、電壓受控振蕩器(VCO)10、模數轉換器(ADC)6和兩個數模轉換器(DAC)7，8。此外，常規諧振控制裝置200分別通過放大器部4和增益控制放大器部5連接到壓電傳感器2和壓電單元(壓電負載)3。
如上所述，通過放大器部4將自壓電傳感器2輸出的壓電負載3的驅動狀態的電壓值(電勢數據)放大，并通過ADC 6轉換成數字數據以輸入給CPU 1。CPU 1對從ADC 6輸入的電壓值執行積分運算，并提高用于壓電負載3的驅動信號的頻率，直到電壓值達到壓電傳感器2的諧振頻率區域(參見圖3)。在使驅動信號的頻率上升的過程中，CPU 1經由DAC 7將瞬時電壓值數據輸出給VCO 10，隨后，VCO 10響應于所輸入的電壓值數據生成具有預定頻率的用于壓電負載3的驅動信號，從而將驅動信號輸出給增益控制放大器部5。
增益控制放大器部5基于從CPU 1經由DAC 8輸入的延遲控制信號來調整在VCO 10內生成的驅動信號的增益，延遲驅動信號的相位，以使得該驅動信號的相位與從壓電傳感器2輸出的檢測信號的相位同步(該處理對應于延遲處理)，并將相位由增益控制放大器部5延遲的驅動信號輸出給壓電負載3。
隨后，當CPU 1判定通過提高和/或降低驅動信號的頻率，使給定頻率處的電壓值的積分運算值基本上達到最大值時，CPU 1確定該給定頻率是壓電負載3的諧振點，即驅動信號的頻率達到壓電負載3的諧振頻率(該處理對應于頻率確定處理)，并將諧振點處的電壓值經由DAC 7輸出給VCO 10。VCO 10將具有與電壓值相對應的頻率(即諧振頻率)的驅動信號輸出給增益控制放大器部5。在增益控制放大器部5內執行了增益控制處理和相位延遲處理之后，通過所獲得的驅動信號來驅動壓電負載3。這樣，常規諧振控制裝置200在獲取諧振頻率之后使用具有諧振頻率的驅動信號來控制壓電負載3的驅動。
然而，在常規的諧振控制裝置200中，在執行諸如姿態控制等的快度驅動控制的情況下，通過如上所述地逐漸提高驅動信號的頻率，需要花費很長的時間來獲取壓電負載3的諧振頻率，這是因為CPU 1要執行上述運算處理。因此，存在頻繁出現控制不穩定狀態(即CPU 1執行操作處理的狀態)的問題。
此外，由于常規諧振控制裝置200包括諸如ADC 6、DAC 7和8等的模擬外圍電路，因此，存在難以將這些電路集成到IC芯片內以進行數字操作的問題。
此外，因為常規諧振控制裝置200包括用于執行運算處理的CPU 1，所以包括CPU 1的系統變成很大。因此，存在難以使電路尺寸(電路系統)小型化(以縮小電路)的問題。

發明內容
因此，鑒于現有技術的上述問題，本發明的一個目的是提供一種諧振控制裝置和一種控制諧振設備的方法，由于它只需要花費很短的時間來獲取諧振設備的諧振頻率，所以它能夠在姿態控制中快速地控制目標的靜止或運動，并且由于易于將其控制部分集成到IC芯片內所以它能夠降低諧振控制裝置的電路系統的尺寸。
為了實現上述目的，在本發明的一個方面中，本發明致力于一種用于驅動具有諧振特性的諧振設備的諧振控制裝置。該諧振設備用作諧振傳感器。該諧振控制裝置包括基準信號生成部，用于響應于輸入給基準信號生成部的電壓信號，來生成具有預定頻率的基準信號；分頻器，對由基準信號生成部生成的基準信號的預定頻率進行分頻，以輸出具有給定頻率的信號；相位基準形成部，將分頻器輸出的信號的相位延遲預定間隔；電壓比較器，用于將諧振傳感器的輸出信號的電壓與預定電壓進行比較，該諧振傳感器與諧振設備的驅動同步地檢測諧振設備的驅動狀態；相位比較器，用于將電壓比較器的輸出信號的相位與相位基準形成部的輸出信號的相位進行比較；和占空控制部，用于基于從基準信號生成部輸出的基準信號來控制為諧振設備提供的驅動信號的占空比。
在本發明的諧振控制裝置中，通過使用諧振傳感器的輸出信號作為反饋值而自控制用于諧振設備的驅動信號的頻率，來驅動諧振設備。因此，根據本發明的諧振控制裝置，可以縮短(減少)獲取諧振設備的諧振頻率需要的時間，從而能夠在姿態控制中快速地控制目標的靜止或運動(即能夠控制驅動信號的占空比)。此外，可以將諧振控制裝置的控制部分集成到IC芯片內，從而能夠縮小諧振控制裝置的電路系統的尺寸。
在這種情況下，諧振控制裝置優選地還包括低通濾波器，其濾除相位比較器的輸出信號的高頻分量，其中低通濾波器的輸出信號構成輸入給基準信號生成部的電壓信號。
此外，優選地，相位基準形成部被構造為，能夠基于受占空控制部控制的驅動信號的占空比，當相位比較器比較相位時，選擇在相位基準形成部內延遲的信號的上升沿或下降沿。
此外，優選地，占空控制部使用在10％-50％或50％-90％范圍內的占空比來驅動諧振設備。
此外，優選地，諧振設備的輸出信號對應于諧振設備的諧振頻率，并且控制從占空控制部輸出的驅動信號的頻率以與諧振頻率相等。
在這種情況下，優選地，諧振控制裝置基于受占空控制部控制的驅動信號的占空比來為諧振設備執行PWM(脈沖寬度調制)控制。
此外，在這種情況下，優選地，執行PWM控制以維持諧振設備的諧振頻率。
此外，諧振控制裝置優選地還包括設置在電壓比較器與相位比較器之間的第一相位校正部，第一相位校正部對從電壓比較器輸出的信號的相位進行校正，以將經相位校正的信號輸出給相位比較器。
在這種情況下，優選地，諧振控制裝置還包括第二相位校正部，用于響應于諧振設備的諧振頻率的相位對占空控制部的輸出信號的相位進行校正。
在本發明的另一實施例中，優選地，諧振控制裝置還包括具有與占空控制部相同的功能的第二占空控制部，第二占空控制部被設置為與占空控制部相并行；其中，分別設置了兩個占空控制部，用于諧振設備的正驅動和反驅動，并能夠獨立地或聯合地控制用于正驅動和反驅動的驅動信號的占空比。
另選地，優選地，諧振控制裝置還包括具有與占空控制部相同的功能的、與占空控制部并行設置的至少一個占空控制部；其中設置了所述占空控制部和所述至少一個占空控制部中的至少兩個占空控制部，用于諧振設備的正驅動，并能夠獨立地或聯合地控制用于正驅動的驅動信號的占空比。
本發明致力于一種用于驅動具有諧振特性的諧振設備的諧振控制裝置。該諧振設備用作諧振傳感器。該諧振控制裝置將用于諧振設備的驅動信號的相位與用作諧振設備的反饋值的諧振傳感器的輸出信號的相位進行比較，并響應于相位之間的差值將驅動信號輸出給諧振設備。
此外，在本發明的另一方面，本發明致力于一種控制具有諧振特性的諧振設備的方法。該諧振設備用作諧振傳感器。該方法包括如下步驟響應于待輸入的電壓信號，生成具有預定頻率的基準信號，該基準信號是用于諧振設備的驅動信號；對基準信號的預定頻率進行分頻，以輸出具有給定頻率的信號；將輸出信號的相位延遲預定的間隔；對諧振傳感器的輸出信號的電壓與預定電壓進行比較，以輸出電壓比較信號，該諧振傳感器與諧振設備的驅動同步地檢測諧振設備的驅動狀態；并且對電壓比較信號的相位與所延遲信號的相位進行比較，以輸出相位比較信號，該相位比較信號對應于將要輸入的電壓信號。
在本發明中，優選地，該方法還包括如下步驟控制提供給諧振設備的驅動信號的占空比；并且利用驅動信號的占空比來為諧振設備執行PWM控制。
在這種情況下，優選地，所述占空比控制步驟包括根據基準信號分別控制提供給兩個諧振設備的用于兩個諧振設備的正驅動和反驅動的兩種類型的驅動信號的占空比，并且所述PWM控制執行步驟包括利用驅動信號的占空比來為兩個諧振設備執行PWM控制。
另選地，優選地所述占空比控制步驟包括獨立地或聯合地根據基準信號來分別控制提供給至少兩個諧振設備的用于正驅動的至少兩個驅動信號的占空比，并且所述PWM控制執行步驟包括利用至少兩個驅動信號的占空比來為至少兩個諧振設備執行PWM控制。


通過下面參照附圖進行的對本發明優選實施例的詳細描述，本發明的上述和其它的目的、特征和優點將變得更加明顯。
圖1是示出根據本發明的諧振控制裝置的主要部分的示意性方框圖(電路圖)。
圖2示出了用于說明圖1中所示的諧振控制裝置中的組件的輸出波形的時序圖。
圖3是示出壓電負載的諧振頻率特性的曲線圖。
圖4是示意性地示出驅動信號的占空比和驅動矢量比之間的關系的曲線圖。
圖5示出了受占空控制部控制的占空比與由相位基準形成部確定的相位比較位置之間的關系。
圖6示意性地示出了圖1所示的驅動器電路的示例。
圖7示意性地示出了在提供以驅動壓電負載的驅動模擬控制信號是其輸出以給定速率提高到預定輸出電平的信號的情況下的信號的波形。
圖8(A)和圖8(B)示出了兩個振動元件旋轉轉子的結構，所述兩個振動元件分別包括受根據本發明的諧振控制裝置控制的壓電元件。
圖9示出了在使用圖8(A)所示的兩個振動元件的情況下的根據本發明的諧振控制裝置的部分結構。
圖10示出了響應于基準信號的分別受正驅動和反驅動占空控制部控制的正驅動和反驅動的信號的波形。
圖11是示意性地示出常規諧振控制裝置的主要部分的方框圖。
具體實施例方式
現在將參照圖1至圖10詳細地描述根據本發明的諧振控制裝置和控制諧振設備的方法的優選實施例。現在，應當指出將這些實施例(公開內容)就被視為示例，因此，該特征不應當用于將本發明限制于所示出的具體實施例。
首先，將描述本發明的諧振控制裝置100的結構。圖1是示出根據本發明的諧振控制裝置100的主體部分的示意方框圖(電路圖)。如圖1所示，諧振控制裝置100包括電壓受控振蕩器(VCO)10、分頻器20、占空控制部30、電壓比較器40、相位基準形成部50、第一相位校正部(相位校正A)51、第二相位校正部(相位校正B)52、相位比較器60、低通濾波器(LPF)70、驅動器80和用于為電壓比較器40設置作為基準電壓的電壓值的基準電壓設置部90。在這一方面，由諧振控制裝置100控制其驅動的壓電負載(諧振設備)3連接到驅動器80，并且用于與壓電負載3的驅動同步地檢測壓電負載3的驅動狀態的壓電傳感器(諧振傳感器)2連接到電壓比較器40的一個輸入端子。下面詳細描述每個組件。在這種情況下，如圖1所示，中央處理單元(CPU)1控制分頻器20、占空控制部30、相位基準形成部50、第一相位校正部51和第二相位校正部52。
VCO 10根據隨后描述的通過LPF 70濾除了其高頻分量的相位比較器60的輸出信號(電壓信號)，來生成具有預定頻率的基準信號，并輸出該基準信號。將VCO 10的輸出信號輸入給分頻器20、占空控制部30、相位基準形成部50和第一相位校正部51。
分頻器20以預定數值對作為VCO 10的輸出信號的基準信號的頻率進行分頻。將已被分頻的分頻器20的輸出信號輸入給相位基準形成部50和第二相位校正部52。在這一方面，由CPU 1控制分頻器20的分頻比。
占空控制部30通過CPU 1的控制來控制用于壓電負載3的驅動信號的占空比。將占空控制部30的輸出信號輸入給第二相位校正部52。第二相位校正部52根據從占空控制部30輸入的控制信號來控制分頻器20的輸出信號的占空比的設置，從而將信號(這是驅動信號)輸出給驅動器80。隨后，驅動器80將驅動信號輸入壓電負載3以控制壓電負載3的驅動。在這一方面，隨后將描述壓電負載(壓電單元)3的占空比與驅動矢量比之間的關系(參見圖4)。
壓電傳感器2與壓電負載3的驅動同步地檢測壓電負載3的驅動狀態。將作為壓電傳感器2的輸出信號的檢測信號(電壓信號)輸入電壓比較器40的一個輸入端子。此外，由基準電壓設置部90設置在電壓比較器40內作為電壓比較的基準電壓信號，從而將該基準電壓輸入電壓比較器40的另一個輸入端子。在這種情況下，在本實施例中，基準電壓設置部90包括兩個電阻器或可變電阻器和恒定電壓源。在基準電壓設置部90包括一個或兩個可變電阻器的情況下，可以人工設置基準電壓信號的電壓值。然而，本發明并不限制于這種結構。例如，可以由CPU 1控制電壓值。根據將要使用的電壓負載3的諧振頻率特性，預先設置基準電壓信號的電壓值(這是預定的電壓值，即用于電壓比較的閾值)。隨后將對其進行詳細描述。
電壓比較器40將壓電傳感器2的輸出信號(即檢測到的信號)與基準電壓信號進行比較。隨后，在壓電傳感器2的輸出信號的電壓值大于基準電壓信號的電壓值的情況下，電壓比較器40將高電平信號輸出給第一相位校正部51。反之，在輸出信號的電壓值小于基準電壓信號的電壓值的情況下，電壓比較器40將低電平信號輸出給第一相位校正部51。即，電壓比較器40將壓電傳感器2的輸出信號數字化，以將經數字化的信號(即高電平或低電平信號)輸出給第一相位校正部51。
相位基準形成部50將分頻器20的輸出信號的相位延遲預定的間隔(時間)，并根據由CPU 1和占空控制部30控制的驅動信號的占空比來選擇所延遲信號的上升沿或下降沿。將從相位基準形成部50輸出的延遲信號輸入相位比較器60的一個輸入端子。在這一方面，隨后將描述相位基準形成部50的操作。
通過CPU 1的控制，第一相位校正部51將從電壓比較器40輸入的電壓比較信號的相位延遲。將從第一相位校正部51輸出的延遲信號輸入相位比較器60的另一輸入端子。這樣，因為諧振控制裝置100能夠利用相位基準形成部50和第一相位校正部51對經由相位比較器60的兩個輸入端子輸入相位比較器60的各個信號的相位進行延遲，所以還可以調整從相位基準形成部50輸入的信號，以明顯地引導所輸入的信號。
相位比較器60將從第一相位校正部51輸入的信號的相位與從相位基準形成部50輸入的信號的相位進行比較。隨后，如隨后描述的圖2所示，在從第一相位校正部51輸出信號的相位點(即在時間軸上的上升沿的點)早于從相位基準形成部50輸出信號的相位點(即正確相位點)的情況下，相位比較器60將高電平信號輸出給LPF 70。反之，在第一相位校正部51的相位點晚于相位基準形成部50的相位點的情況下，相位比較器60將低電平信號輸出給LPF 70。在這一方面，在輸入給相位比較器60的兩個信號都是高電平(即Hi-Z)的情況下，相位比較器60輸出與零電平對應的信號。即，相位比較器60響應于從相位基準形成部50和第一相位校正部51輸入的兩個信號輸出三進制(三值)信號給LPF 70。
LPF 70將從相位比較器60輸入的相位比較信號(三值信號)的高頻分量濾除，以將高頻分量被濾除的電壓信號輸出給VCO 10。這樣，諧振控制裝置100通過將由壓電傳感器2檢測的壓電負載3的驅動狀態反饋回作為基準信號生成部的VCO 10，來控制驅動信號的頻率(即諧振頻率)。
在此，通過考慮從電壓比較器40輸出的信號是從基礎振蕩器(基頻生成部)輸出的基準信號，VCO(基準信號生成部)10、分頻器20、電壓比較器40、相位比較器60和LPF 70構成一種PLL電路(在普通的PLL電路中，由基礎振蕩器(基頻生成部)生成并輸出的基準信號的頻率是不可變的(即并不經歷變化)，但是在該電路中(這種PLL電路)，基準信號的頻率是可以改變的，因為使用從壓電傳感器2輸出的檢測信號作為基準信號。在這一點上，該電路不同于普通的PLL電路)。這樣，因為將諧振控制裝置100構造為在其中包括這種PLL電路(該電路具有與普通PLL電路類似的功能)，所以諧振控制裝置100能夠生成具有鎖相頻率的基準信號，所述鎖相頻率是用于壓電負載3的驅動信號的頻率(即驅動頻率)的N倍(其中“N”是由CPU 1任意設置的數值)。
接著，將參考圖2所示的時序圖描述本發明的諧振控制裝置100的操作。圖2示出的時序圖用于說明在圖1所示的諧振控制裝置100內的組件的輸出波形。在這些時序圖中，圖2(A)示出了作為基準信號的VCO10的輸出信號的波形，圖2(B)示出了利用分頻器20對基準信號進行分頻而獲得的分頻器20的輸出信號的波形，圖2(C)示出了壓電傳感器2的輸出信號的波形，圖2(D)示出了電壓比較器40的輸出信號的波形，圖2(E)示出了相位基準形成部50的輸出信號的波形，圖2(F)示出了相位比較器60的輸出信號的波形，而圖2(G)示出了LPF 70的輸出信號的波形。如圖2(B)和2(D)所示，利用相位基準形成部50將分頻器20的輸出信號的上升點(上升定時)延遲到合適的相位點。
如圖2(C)所示，根據壓電負載3的驅動信號頻率的增大，逐步地放大壓電傳感器2的輸出信號內的波形(傳感器輸出波形)的振幅。圖2(C)所示的預定閾值(電壓比較電平)是由基準電壓設置部90通過將電壓值輸入給電壓比較器40的一個輸入端子而設置的電壓值。如圖2(D)所示，當壓電傳感器2的輸出信號的波形變得大于預定閾值時，電壓比較器40輸出高電平信號。
相位比較器60將圖2(D)所示的電壓比較器40的輸出信號的相位與圖2(E)所示的相位基準形成部50的輸出信號的相位(相位基準)進行比較。在這種情況下，該時序圖示出了電壓比較器40的輸出信號的相位未被第一相位校正部51延遲的情況。如圖2(F)所示，在相位基準形成部50的輸出信號的上升點早于電壓比較器40的輸出信號的上升點的情況下，相位比較器60輸出高電平信號。反之，在相位基準形成部50的輸出信號的上升點晚于電壓比較器40的輸出信號的上升點的情況下，相位比較器60輸出低電平信號。
將詳細描述圖2(F)所示的相位比較器60使用圖2(D)和圖2(E)的操作。在壓電傳感器2的輸出信號的波形與電壓比較器40的電壓比較電平不匹配的情況下，即，在壓電傳感器2的輸出信號的振幅小于由基準電壓設置部90設置的基準電壓(電壓比較電平)的情況下，相位比較器60輸出高電平信號，而不考慮相位基準形成部50的輸出信號的波形。首先，當電壓比較器40的輸出信號變成高電平時，響應于此改變，相位比較器60的輸出信號變成零(即Hi-Z)。隨后，當相位基準形成部50的輸出信號升高時，相位比較器60的輸出信號變成高電平。當電壓比較器40的輸出信號此后上升時，相位比較器60的輸出信號變成零電平。如從圖2(F)看出的，在該實施例中此狀態(生成脈沖)兩次出現。接著，當電壓比較器40的輸出信號早于相位基準形成部50的輸出信號的上升而上升時，相位比較器60的輸出信號變成低電平。隨后，當相位基準形成部50的輸出信號上升時，相位比較器60的輸出信號再次變成零電平。此后，重復相同的操作。在這一方面，因為在該時序圖中示出了占空比大于50％的情況，所以相位比較器60使用相位基準形成部50的輸出信號的上升點來比較相位(參見圖5)。
如圖2(G)所示，LPF 70的輸出信號的波形響應于相位比較器60的輸出信號的波形。LPF 70的輸出信號在相位比較器60的輸出信號處于高電平時上升，在相位比較器60的輸出信號處于零電平時保持在恒定電平，并且在相位比較器60的輸出信號處于低電平時下降。因而，在電壓比較器40的輸出信號的上升點(上升定時)晚于相位基準形成部50的輸出信號的上升點(上升定時)的情況下，LPF 70的輸出信號的電壓值上升以提高VCO 10的輸出信號的頻率。反之，在電壓比較器40的輸出信號的上升點(上升定時)早于相位基準形成部50的輸出信號的上升點(上升定時)的情況下，LPF 70的輸出信號的電壓值下降以降低VCO 10的輸出信號的頻率。
這樣，在本發明的諧振控制裝置100中，因為壓電負載3的驅動信號頻率根據壓電傳感器2輸入的檢測信號而自校正，所述壓電傳感器2檢測響應于驅動信號而驅動的壓電負載3的驅動狀態，因此，與使用CPU獲取諧振頻率的常規諧振控制裝置相比，能夠縮短(降低)獲取壓電負載3的諧振頻率所需要的時間。因此，根據諧振控制裝置100，能夠適當地處理壓電負載的驅動頻率可能快速改變的姿態控制等。
接著，將描述在使用具有壓電效應的壓電負載的情況下的諧振頻率特性。圖3是示出壓電負載的諧振頻率特性的曲線圖。壓電負載3具有圖3所示的諧振頻率特性是公知的。峰值點(用斜線表示)表示諧振頻率區域(壓電負載3具有與諧振頻率fc對應的諧振點)。諧振點取決于物理條件，例如在具有其諧振頻率不斷地發生變化的壓電單元的驅動設備中的轉子的形狀、轉子的磨損狀態、濕度和負載特性等。這樣，能夠從在諧振頻率(諧振點)上的壓電負載3獲得最大能量，但是常規的諧振控制裝置通過逐步地提高驅動頻率獲得諧振點需要花費很長的時間。因此，將諧振控制裝置100構造為，通過利用電壓比較器40將壓電傳感器2的輸出信號的電壓值與預定的電壓值進行比較，以不考慮(即略過)低于圖3所示的諧振頻率區域的頻率范圍，通過對在壓電傳感器2的輸出信號超過在電壓比較器40內設置的閾值的范圍內的相位進行比較，以將頻率恢復到諧振點，從而獲得諧振頻率(諧振點)。因而，根據本發明的諧振控制裝置100，能夠極大地縮短(降低)獲得諧振頻率(諧振點)所需要的時間。
接著，將描述壓電負載的壓電響應速度特性。圖4是示意性地圖示驅動信號的占空比與驅動矢量比之間的關系的曲線圖。如圖4所示，壓電負載3的驅動矢量比在占空比是50％時變成最大值(即100％)，并在占空比是10％或90％時變成0％。在占空比處于從10％到50％或從50％到90％的范圍內，驅動矢量比基本上以線性的方式移動(變化)。因而，通過在這樣一個范圍內為壓電負載3執行PWM控制，能夠以類似模擬方式(即使用連續量值)來控制壓電負載3的驅動矢量。此外，如圖4所示，壓電響應速度特性的曲線相對于占空比為50％的直線是線對稱的(例如，當占空比是80％時的電壓值基本上等于當占空比是20％時的電壓值)。
因此，能夠預期通過使用此特性來對壓電負載3進行PWM控制。即，通過使用在10％-50％或50％-90％的范圍內的驅動信號的占空比，能夠在0％與100％之間適當地改變用于壓電負載3的驅動輸出。這意味著不需要如同常規電動機等的PWM控制那樣根據驅動信號的占空比來控制激勵器等(在這種情況下，壓電負載3)的開啟/關閉。在使用壓電單元作為負載的情況下，當在關閉激勵器等之后將其開啟時，必需再次執行獲取負載諧振頻率(諧振點)的處理。然而，因為諧振控制裝置100通過使用其壓電響應速度特性來執行用于負載的PWM控制，所以能夠在將驅動信號的頻率維持在壓電負載3的諧振頻率上的同時控制驅動矢量比。在這一方面，“驅動矢量比”是指在確定當驅動信號的占空比是50％時驅動矢量(輸出)是100％的情況下與每個占空比對應的驅動矢量的比率。
接著，將描述在占空控制中的相位比較點的特性。圖5示出了由占空控制部30控制的占空比與由相位基準形成部50確定的相位比較位置之間的關系。圖5(A)示出了在驅動信號的占空比小于50％的情況下分頻器20、相位基準形成部50、第一相位校正部51和相位比較器60的輸出信號，而圖5(B)示出了在驅動信號的占空比大于50％的情況下這些組件的輸出信號。
如圖5所示的相位比較點，在輸出信號的占空比小于50％的情況下，相位基準形成部50將相位基準形成部50的輸出信號的下降點確定為相位比較器60內的相位比較點。反之，在輸出信號的占空比大于50％的情況下，相位基準形成部50將相位基準形成部50的輸出信號的上升點確定為相位比較器60內的相位比較點。這樣，相位基準形成部50根據占空比來改變相位比較點的設置，因為當占空比為0％(占空比＜50％)或50％(占空比＞50％)的點在電壓比較信號的波形內被鎖相，所述波形即圖5(A)和圖5(B)所示的第一相位校正部51的輸出信號的波形(即圖5中自上第三個波形)，它是由電壓比較器40對壓電傳感器2輸出的檢測信號與預定電壓值進行比較而輸出的信號波形。在當在占空比小于50％的點上執行PWM控制時，將相位基準形成部50的輸出信號的波形的上升點確定為相位比較點的情況下，控制是不穩定的，這是因為相位比較器60通過使用輸出信號的波形在其上根據占空控制部30的控制而改變的點作為參考來比較這些相位。在占空比大于50％的情況下同樣如此。因此，諧振控制裝置100被構造為使得相位基準形成部50除了將分頻器20的輸出信號的相位延遲預定時間之外，還能夠設置相位比較點。
接著，將描述驅動器80驅動壓電負載(壓電單元)3。圖6示意性地示出了圖1所示的驅動器80的電路結構的示例。如圖6所示，驅動器80包括4個晶體管Tr1、Tr2、Tr3和Tr4、電壓源和邏輯非電路NOT1。
當將由占空控制部30控制其占空比的矩形波輸入給驅動器80作為驅動信號時，在驅動信號的高電平期間，根據高電平信號和在邏輯非電路NOT1內反轉的低電平信號分別使晶體管Tr2和Tr3導通，由此，圖6所示的電流Ib以箭頭Ib所示的方向流入電壓負載3。反之，在驅動信號的低電平期間，使兩個晶體管Tr1和Tr4導通，由此，圖6所示的電流Ia以箭頭Ia所示的方向流入壓電負載3。諧振控制裝置100能夠利用以這種方式構造的驅動器80將類似于交變電流的驅動電流提供給壓電負載3。
在此，圖7示意性地示出了在要提供以驅動壓電負載3的驅動模擬控制信號是其輸出以給定速率(給定斜率)上升到預定輸出電平(電壓值)的信號的情況下的信號波形。當從分頻器20輸出具有預定頻率的信號作為基準信號時(參見圖7(B))，占空控制部30設置輸入壓電負載3的驅動信號的占空比，以響應于在圖7(A)所示的驅動模擬控制信號的變化。隨后，當將圖7(C)所示的驅動信號輸入驅動器80時，將具有圖7(D)所示波形的輸入信號提供給壓電負載3。
在這一方面，圖7示出了以下的情況占空控制部30以圖4所示的壓電負載3的壓電響應速度特性將占空比設置在從10％至50％的范圍內。在這種情況下，因為將預定輸出電平設置為壓電負載3的驅動矢量比在其上為100％的電平，如圖7所示，所以當將驅動模擬控制信號的輸出電平(電壓值)恢復成預定值時，驅動信號和提供給壓電負載3的輸入信號的占空比變成50％。
接著，將描述本發明的諧振控制裝置100的另一實施例。在本實施例中，示出了諧振控制裝置100對于壓電負載3的正和反驅動控制或對于壓電負載3的雙正驅動控制的應用。圖8(A)和圖8(B)示出這樣一種結構的示例，其中分別包括受根據本發明的諧振控制裝置100控制的壓電負載3的兩個振動元件81、81或81、82使轉子300旋轉。圖8(A)圖示利用正驅動振動元件81和反驅動振動元件82使轉子300旋轉的情況，而圖8(B)示出了利用兩個正驅動振動元件81、81使轉子300旋轉的情況。
這樣，在圖8(A)所示的結構中，由于對于一個轉子300施加了正驅動和反驅動元件81、82，所以可以控制該轉子300以使其沿兩個旋轉反向旋轉。此外，在圖8(B)所示的結構中，由于對于一個轉子300施加了兩個正驅動振動元件81、81，所以在理論上可以使用于使轉子300旋轉的驅動力的設置在從0％至200％的范圍內變化。
在這一方面，施加于一個轉子300的振動元件81和/或82的數量并不限制于圖8所示的兩個，本發明也可以對一個轉子300施加一個或多個振動元件81和/或82。此外，在圖8(A)所示的結構中，優選地，分別由兩個占空控制部30、30(參見圖9)來控制正驅動振動元件81和反驅動振動元件82，并且在圖8(B)所示的結構中，可以通過兩個占空控制部30、30來分別控制兩個正驅動振動元件81、81，或者可以由一個占空控制部30對兩個正驅動振動元件81、81進行控制。
在圖9中示出了使用圖8(A)所示的正驅動81和反驅動振動元件82的驅動器，即用于正驅動的壓電負載3和用于反驅動的壓電負載3的結構，圖10示出了用于驅動驅動器80a和80b的驅動信號的波形。圖9示出了在分別控制圖8(A)所示的兩個振動元件81和82內的壓電負載3a和3b的正驅動和反驅動的情況下根據本發明的諧振控制裝置100的部分結構。
如圖9所示，用于控制正驅動壓電負載3a和反驅動壓電負載3b的驅動的諧振控制裝置100包括正驅動占空控制部31和反驅動占空控制器32，而不是圖1所示的占空控制部30。此外，諧振控制裝置100包括正驅動驅動器80a和反驅動驅動器80b，而不是驅動器80。CPU 1分別控制正驅動占空控制部31和反驅動占空控制部32。因而，根據從分頻器20輸出的基準信號，正驅動占空控制部31設置用于正驅動的信號的占空比以驅動正驅動壓電負載3a，而反驅動占空控制部32設置用于反驅動的信號的占空比以驅動反驅動壓電負載3b。
在這一方面，將與正驅動壓電負載3a同步移動的正驅動壓電傳感器(在附圖中未示出)設置為與正驅動壓電負載3a相靠近，而將與反驅動壓電負載3b同步移動的反驅動壓電傳感器(圖中未圖示)設置為與反驅動壓電負載3b相靠近。通過如上所述地執行這些壓電傳感器的檢測信號(輸出信號)的處理，能夠獨立地控制正驅動壓電負載3a和反驅動壓電負載3b的驅動。
圖10示出了用于響應于基準信號分別由正驅動驅動占空控制部31和反驅動占空控制部32控制的用于正驅動和反驅動的信號的波形。根據在諧振控制裝置100內的從分頻器20輸出的基準信號(參見圖10(A))，將分別由正驅動占空控制部31和反驅動占空控制部32控制的用于正驅動的信號(參見圖10(B))和用于反驅動的信號(參見圖10(D))輸入正驅動驅動器80a和反驅動驅動器80b。因而，將圖10(C)中示出的驅動信號輸入正驅動壓電負載3a，而將圖10(E)中示出的驅動信號輸入反驅動壓電負載3b。
這樣，本實施例的諧振控制裝置100能夠控制圖8(A)和圖9所示的兩個壓電負載3a和3b的正驅動和反驅動。當響應于圖10所示的驅動信號控制兩個振動元件81和82時，首先，利用100％的輸出來驅動正驅動振動元件81，由此使轉子300沿圖8(A)所示的方向X旋轉。隨后，正驅動振動元件81和反驅動振動元件82的輸出在圖10(E)所示的周期L內變成0％，從而使轉子300停止。接著，如圖10(E)所示，利用100％的輸出來驅動反驅動振動元件82，由此使轉子300沿圖8(A)所示的方向Y旋轉。在這種情況下，如在圖7所示的情況下，在圖10所示的壓電負載3a和3b的輸入信號中使用10％至50％范圍內的占空比。然而，如上所述，在使用50％至90％范圍內的占空比來生成驅動信號的情況下，諧振控制裝置100能夠實現同樣的驅動(操作)。
如上所述，在根據本發明優選實施例的諧振控制裝置100內，在分頻器20內對VCO 10(即基準信號生成部)輸出的基準信號進行分頻，由相位基準形成部50對具有預定頻率的已分頻信號的相位進行延遲，通過電壓比較器40將從壓電傳感器2輸出的檢測信號與預定的電壓值進行比較，根據需要由第一相位校正部51對電壓比較器40的輸出信號(即電壓比較信號)的相位進行延遲，通過相位比較器60比較相位延遲信號的相位，在由LPF 70濾除相位比較信號的高頻分量之后，將相位比較器60的輸出信號(即相位比較信號)饋送回VCO 10。
在本發明的諧振控制裝置100和控制該諧振設備的方法中，通過將預定電壓值與通過使用壓電傳感器2檢測將要控制的壓電負載3的驅動狀態獲得的檢測信號的波形進行電壓比較，將驅動信號的頻率快速地提高到壓電負載3的諧振頻率區域。隨后，將所獲得的信號饋送回VCO 10以獲得壓電負載3的諧振點(諧振頻率)，從而控制在諧振點上的壓電負載3的驅動。
因此，根據本發明的諧振控制裝置100和控制該諧振設備的方法，在實現諸如姿態控制等的快速驅動的情況下，能夠縮短(降低)獲取諧振頻率所需要的時間，因而，能夠在姿態控制中快速地控制目標的停止或運動。因此，這使得能夠控制壓電負載3的驅動。
此外，因為本發明的諧振控制裝置100通過將來自諧振傳感器2的檢測信號(模擬信號)與預定的電壓值進行比較來生成矩形波(電壓比較信號)，因而，能夠數字化獲取電壓比較信號之后的控制。因而，因為在整個設備內增大了數字化控制部分(組件)，所以能夠將這些控制部分集成到IC芯片內。而且，由于能夠在不利用CPU 1執行諸如積分運算、頻率確定運算等的處理的情況下控制壓電負載3的驅動，因而，能夠縮小諧振控制裝置100的電路結構。
注意到，在該實施例中，已經描述了當驅動信號的占空比在10％至50％的范圍內時壓電負載3的驅動控制，但是本發明并不限制于這一范圍。如上所述，在本發明中，也可以使用占空比在50％至90％的范圍內的驅動信號。
如上所述，應當指出，即使已經參照在附圖中示出的優選實施例描述了根據本發明的諧振控制裝置和控制諧振設備的方法，但是本發明并不限制于這些實施例，當然可以對諧振控制裝置的每個元件進行各種改變和修改，并可以使用任何其它的能夠執行相同或類似功能的元件替換上述各種單元。
權利要求
1.一種用于驅動具有諧振特性的諧振設備的諧振控制裝置，該諧振設備用作諧振傳感器，該諧振控制裝置包括基準信號生成部，用于響應于輸入給基準信號生成部的電壓信號，生成具有預定頻率的基準信號；分頻器，對由所述基準信號生成部生成的基準信號的預定頻率進行分頻，以輸出具有給定頻率的信號；相位基準形成部，將從所述分頻器輸出的信號的相位延遲一預定時間間隔；電壓比較器，用于將諧振傳感器的輸出信號的電壓與預定電壓進行比較，所述諧振傳感器與所述諧振設備的驅動同步地檢測諧振設備的驅動狀態；相位比較器，用于對所述電壓比較器的輸出信號的相位與從相位基準形成部輸出的信號的相位進行比較；以及占空控制部，用于根據從所述基準信號生成部輸出的基準信號，來控制為所述諧振設備提供的驅動信號的占空比。
2.根據權利要求1所述的裝置，還包括低通濾波器，其濾除所述相位比較器的輸出信號的高頻分量，其中所述低通濾波器的輸出信號構成輸入所述基準信號生成部的電壓信號。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述相位基準形成部被構造為能夠根據受占空控制部控制的驅動信號的占空比，當相位比較器比較相位時，選擇在相位基準形成部內延遲的信號的上升沿或下降沿。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中所述占空控制部利用在10％-50％或50％-90％范圍內的占空比來驅動諧振設備。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述諧振設備的輸出信號對應于所述諧振設備的諧振頻率，并且從所述占空控制部輸出的驅動信號的頻率被控制為與所述諧振頻率相等。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述裝置根據由所述占空控制部控制的驅動信號的占空比來為所述諧振設備執行脈沖寬度調制控制。
7.根據權利要求6所述的裝置，其中執行所述脈沖寬度調制控制以維持所述諧振設備的諧振頻率。
8.根據權利要求1所述的裝置，還包括設置在所述電壓比較器與所述相位比較器之間的第一相位校正部，所述第一相位校正部對所述電壓比較器的輸出信號的相位進行校正，以將經相位校正的信號輸出給所述相位比較器。
9.根據權利要求8所述的裝置，還包括第二相位校正部，用于響應于所述諧振設備的諧振頻率的相位對所述占空控制部的輸出信號的相位進行校正。
10.根據權利要求1所述的裝置，還包括具有與所述占空控制部相同功能的第二占空控制部，所述第二占空控制部被設置為與所述占空控制部相并行；其中提供兩個占空控制部，分別用于諧振設備的正驅動和反驅動，并且所述兩個占空控制部能夠獨立地或聯合地對用于正驅動和反驅動的驅動信號的占空比進行控制。
11.根據權利要求1所述的裝置，還包括與所述占空控制部并行設置的、具有與所述占空控制部相同功能的至少一個占空控制部；其中所述占空控制部和所述至少一個占空控制部中的至少兩個占空控制部被設置用于所述諧振設備的正驅動，并且能夠獨立地或聯合地控制用于正驅動的驅動信號的占空比。
12.一種用于驅動具有諧振特性的諧振設備的諧振控制裝置，該諧振設備用作諧振傳感器，其中該諧振控制裝置對諧振設備的驅動信號的相位與用作所述諧振設備的反饋值的諧振傳感器的輸出信號的相位進行比較，并響應于所述相位之間的差值將驅動信號輸出給所述諧振設備。
13.一種控制具有諧振特性的諧振設備的方法，所述諧振設備用作諧振傳感器，該方法包括如下步驟響應于將要輸入的電壓信號，生成具有預定頻率的基準信號，該基準信號是用于所述諧振設備的驅動信號；對基準信號的預定頻率進行分頻，以輸出具有給定頻率的信號；將輸出信號的相位延遲預定的時間間隔；將諧振傳感器的輸出信號的電壓與預定電壓進行比較，以輸出電壓比較信號，所述諧振傳感器與所述諧振設備的驅動同步地檢測所述諧振設備的驅動狀態；和將電壓比較信號的相位與所延遲的信號的相位進行比較，以輸出相位比較信號，該相位比較信號對應于要輸入的電壓信號。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括步驟控制提供給諧振設備的驅動信號的占空比；和通過使用所述驅動信號的占空比來為所述諧振設備執行脈沖寬度調制控制。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述占空比控制步驟包括根據基準信號分別控制施加給兩個諧振設備的用于所述兩個諧振設備的正驅動和反驅動的兩種類型驅動信號的占空比，并且所述脈沖寬度調制控制執行步驟包括通過使用所述驅動信號的占空比來為所述兩個諧振設備執行脈沖寬度調制控制。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述占空比控制步驟包括獨立地或聯合地，根據基準信號分別控制施加給至少兩個諧振設備的用于正驅動的至少兩個驅動信號的占空比，并且所述脈沖寬度調制控制執行步驟包括通過使用至少兩個驅動信號的占空比來為所述至少兩個諧振設備執行脈沖寬度調制控制。
全文摘要
一種諧振控制裝置(100)，包括VCO(10)，其生成具有預定頻率的基準信號；分頻器(20)，對基準信號的預定頻率進行分頻；相位基準形成部(50)，將已分頻信號的相位延遲預定時間間隔；電壓比較器(40)，其將壓電傳感器(2)的輸出信號的電壓與預定電壓進行比較，該壓電傳感器(2)用于與壓電負載(3)的驅動同步地檢測壓電負載(3)的驅動狀態；相位比較器(60)，其將電壓比較器(40)的輸出信號的相位與相位基準形成部(50)的輸出信號的相位進行比較；以及，占空控制部(30)，用于根據基準信號來控制施加給壓電負載(3)的驅動信號的占空比。
文檔編號H01L41/04GK1735977SQ20038010857
公開日2006年2月15日 申請日期2003年12月25日 優先權日2003年1月10日
發明者竹內啟佐敏 申請人:精工愛普生株式會社