超音波振動子の直接アクティブ制御による非接触振動・位置決め制御の試み

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12750191
• Research Institution: Nihon University
• Principal Investigator: 渡辺 亨 日本大学, 理工学部, 講師 (80265933)
• Keywords: アクティブ制御 / 強力超音波 / 非接触浮上 / 振動制御 / 音響放射圧 / 周波数特性 / 電気機械制御

Research Abstract

超音波振動子の振動面に平行にごく短いギャップ間隔で平面を配置すると、振動面と平面の間に音圧による反発力が生じる。本研究では、超音波振動子に印加される高周波電圧を直接制御し、振動子の振幅を制御することで超音波反発力を直接制御する方法を提案し、その応用としての非接触運動制御・振動制御システムの開発を目指した。
平成12年度は最初に「浮上物体の動特性からの超音波振動系の特性同定」および「力率制御による音圧の直接制御の可能性」について検討を行い、「同定のためには超音波圧力を直接計測することが必要」「力率制御による超音波圧力の直接制御は原理的に可能」の2つの結論を得た。
これを踏まえ、本年度(平成13年度)は、力率の電機機械的制御と超音波圧力の直接計測計測とを検討した。消耗品費によりステッピングモータを購入し、超音波ウェルダーの力率を電気機械的に正確に制御できるよう装置を改良し、これを用いて振動子に印加される高周波電圧の力率を変化させ、平衡点高さ近傍での超音波力応答を測定し、その周波数応答を同定した。
その結果、超音波圧力の周波数特性それ自体は計測した範囲内ではほぼフラットであり、力率の変化に対して超音波圧力はほぼ正確に追従できることが確認できた。これにより力率制御による非接触振動・位置決め制御の原理的妥当性がより定量的に示された。しかし一方、電機機械的制御による力率制御はモータの動特性がそのまま制御可能周波数帯域の上限となってしまうため、実用的な制御のためにはより応答の早い制御方法(例えば純電子制御)が必要であることも同時に明らかとなった。
現在、これらの結論を踏まえ、超音波駆動回路を電子的に制御する方法とともに、(その実現を前提としての)非接触振動制御・位置決め制御実験システムの構成について検討中である。