JP2009542181A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明は圧電アクチュエータに関する。公知の圧電アクチュエータが公知の数値制御装置により制御可能であるように公知の圧電アクチュエータを発展的に構成するために、圧電アクチュエータ（２）を、誘導性負荷のための制御装置、特に誘導性負荷の制御のためのコンバータに整合させるように構成されている整合素子（４）を提案する。整合素子（４）によって、一般にサーボモータを制御するために使用される数値制御装置の制御装置もしくはコンバータを使用することが可能である。したがって、圧電アクチュエータ（２）の制御のために特殊に構成されたハードウェアを用意する必要性がなくなり、前記の公知の制御装置が使用可能である。更に、整合素子（４）により圧電アクチュエータ（２）を数値制御装置のバスへの組み込むことができる。これは数値制御バスを介する通信をリアルタイムで可能にする。

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関する。更に本発明は少なくとも１つの圧電アクチュエータを有する工作機械に関する。

圧電アクチュエータは多方面にわたって使用可能であり、したがって、例えば積み重ねアクチュエータ、ディスクトランスレータ、曲げアクチュエータ、またはチューブアクチュエータのように種々の形で存在する。それ以外の圧電アクチュエータの適用分野の１つに工作機械における可制御もしくは可調節の振動減衰がある。

圧電アクチュエータは、必要な制御電圧を供給する電力増幅器により制御される。この制御電圧の大きさは圧電アクチュエータの型式に従う。例えば、１００ボルトまたは２００ボルトまでの制御電圧を供給する低電圧アクチュエータおよび６００ボルト、１０００ボルトまたは２０００ボルトを供給す高電圧アクチュエータが存在する。

電力増幅器はそれぞれの圧電アクチュエータに整合させられている。統一的な規格が存在しないので、数値制御工作機械の場合には、サーボモータ用の電力増幅器を有する数値制御装置のほかに圧電アクチュエータ用の他の電力増幅器が必要である。しかしながら、付加的な電子モジュールの使用は多くの欠点を有する。サーボモータを制御する数値制御装置と圧電アクチュエータとの間で直接的な調整が可能でない。高いロットサイズによる合理化利点は実現されない。点検および交換部品管理が統一的でない。サーボモータと圧電アクチュエータとの間で、使用開始および最適化戦略が異なる。これは人的要求を倍増させる。

したがって、サーボ駆動装置および圧電アクチュエータのための統一的なソフトウェアおよびハードウェアが存在しない。圧電アクチュエータは、数値制御装置のバスを介して通信するのではなくて、圧電アクチュエータの制御および調節のためにこれとは異なるかつ互換性のないハードウェアが使用され、これが工作機械における圧電アクチュエータの使用の妨げになる。

本発明の課題は、公知の圧電アクチュエータを、公知の圧電アクチュエータが公知の数値制御装置により制御可能であるように構成することにある。

この課題は、本発明にしたがって圧電アクチュエータを、誘導性負荷のための制御装置、特に誘導性負荷の制御のためのコンバータに整合させるように構成されている整合素子が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータによって解決される。整合素子によって、一般的にサーボモータを制御するために使用される数値制御システムの制御装置もしくはコンバータを使用することが可能である。したがって、圧電アクチュエータを制御するために特別に構成されたハードウェアを用意する必要性がなくなり、上述の公知の制御装置もしくはコンバータを使用することができる。更に、整合素子によって、圧電アクチュエータを数値制御装置のバスに組み込むことができる。これは数値制御バスを介する通信をリアルタイムで可能にする。

本発明の有利な実施態様は従属請求項に示されている。

整合素子が実質的に低域通過特性を有するとよい。これは、１次、２次または高次の低域通過フィルタの低域通過特性であるとよく、低域通過フィルタは、実質的にコンバータのパルス周波数を下回る成分のみを圧電アクチュエータに導くように設計されている。したがって、整合素子により、例えばサーボモータ制御用のコンバータのような制御装置が圧電アクチュエータを制御するために使用可能であるように、インピーダンス整合が達成される。この場合に、パルス幅変調された出力信号を供給し数値制御工作機械にしばしば使用される制御装置もしくはコンバータを使用することができる。

整合素子が、例えば演算増幅器のような能動的なおよび／または受動的な構成要素を有することができる。しかしながら、整合素子が受動的な構成要素から構成されているのが有利であり、それによって整合素子が簡単な構造を有し、同時に信頼性のある機能が保証されている。この場合に圧電アクチュエータが整合素子と一体的に構成されているとよく、あるいは代替として２つの互いに分離された構成要素であってもよい。

有利な実施態様では、整合素子が少なくとも１つのインダクタンスを有する。このインダクタンスは、誘導性負荷を制御するように構成されている例えばサーボモータ制御用コンバータが圧電アクチュエータを制御するために使用可能であるように圧電アクチュエータの容量性特性がインダクタンスによって補償されるように設計されている。更に、インダクタンスはパルス幅変調信号の使用時に電流平滑を生じさせる。

更に、整合素子が少なくとも１つの抵抗を有するとよい。この抵抗は、電圧パルスの高調波を減衰させ、実質的に制御装置もしくはコンバータのパルス周波数を下回る成分のみを圧電アクチュエータに導くように設計されている。したがって、整合素子は２次の低域通過フィルタの低域通過特性を有する。

整合素子はインダクタンスおよび抵抗のほかに他の構成要素を有してもよい。更に、その設計時にインダクタンスおよび抵抗は互いに並列に配置可能である。しかし、少なくとも１つのインダクタンスおよび少なくとも１つの抵抗が直列に配置されていると好ましい。

更に、圧電アクチュエータおよび整合素子が直列に配置されていると好ましい。この場合に圧電アクチュエータも整合素子も制御装置に接続されている。

整合素子は、誘導性負荷を制御するように構成されている単相制御装置により圧電アクチュエータを制御するために用いることができる。有利な実施態様では、例えば数値制御工作機械においてサーボモータを制御する３相制御装置もしくはコンバータも使用することができるように、整合素子が３相コンバータの第１の相に、そして圧電アクチュエータが３相コンバータの第２の相に接続されている。この場合に使用されない相の転流角は固定される。

更に、圧電アクチュエータが測定素子を有するとよい。測定素子は圧電アクチュエータの変位の検出を可能にするストレインゲージであってよい。これは第１の制御される動作（開ループ）も、第２の調節される動作（閉ループ）も可能にする。この場合に測定信号が正弦−余弦増分信号に変換される。この形で信号が制御装置もしくはコンバータに属する調節器に供給され、調節器により一般にはサーボモータが制御される。

更に、本発明は、本発明による少なくとも１つの圧電アクチュエータを有する工作機械に関する。この工作機械は、例えば３相のサーボモータの制御を可能にする制御装置もしくはコンバータを有し、コンバータは、付加的に位置制御のための調節器を有するとよい。ソフトウェア的にコンバータは、コンバータに３相のサーボモータの代わりに圧電アクチュエータが整合素子と共に接続されている場合に、３つの相のうち２つの相のみが使用されるように調整される。

以下において、図面に示す実施例に基づいて本発明を更に詳細説明する。

図面において、図１はサーボモータを制御するための従来技術から公知のコンバータの概略図を示し、図２は整合素子を有する本発明による圧電アクチュエータの概略図を示す。

コンバータ１０が示されている。コンバータ１０は、一般に、例えばサーボモータ１２のような３相モータの制御に使用され、したがって３つの出力端子から３相電流を供給する。コンバータ１０は調節器１４を有する。調節器１４は、予め与えられた目標データと測定された実際データとの比較によって、実際データが目標データに一致するまで実際データが目標データへ近づくように操作量を決定する。実際データが図示されていない測定手段によって検出され、図示されていない線路を介して調節器１４に供給される。

コンバータ１０は、（図示されていない）電力増幅器を有し、電力増幅器の最大出力電圧は１５０ボルトから７５０ボルトまでの間にある。所望の出力電圧の設定時に高い損失電力を避けるために、サーボ駆動装置用の電力増幅器はスイッチングモードもしくはパルス制御の最終段を備えている。所望の出力電圧は、相応のスイッチング比、つまりパルス幅変調によって与えられる。

３相交流モータ１２は電気的な等価回路図により抵抗とインダクタンスとからなる直列回路として理解することができるので、３相交流モータ１２はコンバータ１０にとって誘導性負荷である。

これに対して、型式に応じて１００ボルトから１０００ボルトまでの間にある動作電圧を有する圧電アクチュエータ２は、電気的な等価回路図によりキャパシタンスとして理解することができるので、圧電アクチュエータ２は容量性負荷である。したがって、コンバータ１０の３つの相の１つと圧電アクチュエータ２との間に直列に、インダクタンス６と抵抗８とからなる整合素子４が設けられている。インダクタンス６が、抵抗８と共に低域通過作用を有するフィルタを構成する。このフィルタは、コンバータ１０のパルス幅変調された出力電圧を平滑し、そして特に、さもないと圧電アクチュエータ２の容量性特性によってしか制限されない流れる電流高さを制限するので、さもなければ構成要素の破壊を生じさせ得る電流レベルが回避される。

例えば６００ボルトの動作電圧を有する圧電アクチュエータが使用され、フィルタの遮断周波数が１．８ｋＨｚ（非周期減衰、過上昇なし）であるべきであり、しかもコンバータ１０の矩形周波数が１６ｋＨｚである場合には、インダクタンスについては１．５ｍＨが、そして抵抗については１５オームが選ばれる。この場合に熱損失電力は約１００ワットであるのに対して、１６ｋＨｚ（８ｋＨｚのパルス周波数における出力電圧の周波数）における減衰は−４０ｄＢであり、これは１００のファクタ（１００倍）に相当する。この場合に圧電アクチュエータの基本周波数は１ｋＨｚの周波数まで振幅減少なしに伝達可能である。

コンバータ１０は、使用されていない相の転流角が固定されしたがってこの相は使用されないように調整されている。更に、コンバータ１０は、ソフトウェア技術的に、電流調節が動作を停止させられている間、出力電圧の調節が行われるように調整されている。

位置調節のために圧電アクチュエータ２は、（図示されていない）ストレインゲージを有する。ストレインゲージは出力信号としてアナログ信号を供給する。例えば電子信号変換器によりアナログ出力信号が正弦−余弦増分信号に変換され、その後正弦−余弦増分信号が調節器１４に供給されるので、サーボモータのような誘導性負荷を制御するための数値制御コンバータ１０の従来の調節器１４が使用可能である。しかしながら、位置調節が行なわない場合には、この種の電子信号変換器は必要でない。

サーボモータを制御するための従来技術から公知のコンバータの概略図 整合素子を有する本発明による圧電アクチュエータの概略図

符号の説明

２ 圧電アクチュエータ
４ 整合素子
６ インダクタンス
８ 抵抗
１０ コンバータ
１２ ３相交流モータ
１４ 調節器

Claims (10)

1. 圧電アクチュエータ（２）を、誘導性負荷のための制御装置、特に誘導性負荷の制御のためのコンバータに整合させるように構成されている整合素子（４）が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 整合素子（４）が実質的に低域通過特性を有することを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 整合素子（４）が受動的な構成要素から構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
4. 整合素子（４）が少なくとも１つのインダクタンス（６）を有することを特徴とする請求項２又は３記載の圧電アクチュエータ。
5. 整合素子（４）が少なくとも１つの抵抗（８）を有することを特徴とする請求項４記載の圧電アクチュエータ。
6. 少なくとも１つのインダクタンス（６）および少なくとも１つの抵抗（８）が直列に配置されていることを特徴とする請求項５記載の圧電アクチュエータ。
7. 圧電アクチュエータ（２）および整合素子（４）が直列に配置されていることを特徴とする請求項６記載の圧電アクチュエータ。
8. 整合素子（４）が３相制御装置の第１の相に接続され、圧電アクチュエータ（２）が３相制御装置の第２の相に接続されていることを特徴とする請求項７記載の圧電アクチュエータ。
9. 測定素子が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の圧電アクチュエータ。
10. 請求項１乃至９の１つに記載の少なくとも１つの圧電アクチュエータ（２）が設けられていることを特徴とする工作機械。

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