专利名称：电流检测电路以及电流检测方法
技术领域：
本发明涉及压电振子或超音波马达等振动式传动装置的机械分量电流检测技术。
背景技术：
例如，在日本专利申请公开特开昭62-2869号公报中，将与外加在振子上的电压相同的电压外加在与振子阻尼导纳相同的静电电容的参照电容，对流过电容的电流与流过振子的电流进行检测后求得其差由此对机械分量电流进行检测。
另外，在日本专利申请公开特开平1-136575号公报中，利用带中心抽头的变压器将反相电压外加给振子和上述参照电容，经由电阻使流过各自的电流反馈给中心抽头，由此直接检测机械分量电流。
这里，追加若干机械分量电流的说明。压电元件单体或者粘接了压电元件的弹性体，从压电元件的端子来看时的等价电路如图2那样来表示。因而，将C0称为阻尼导纳(damping admittance)，将L、C、R称为动态导纳(dynamic admittance)，设流过动态导纳的电流为机械分量电流(mechanical branch current)，设流经C0的电流为电气分量电流(electrical branch current)。
在上述现有技术中，需要将流过振子的电流和流过电容的电流变换成电压的电路。另外，在用电阻变换成电压的情况下，因为有消耗功率增加的问题，所以就要求用于变换成电流的电阻为较小的值，这样检测电压变小，从而需要放大电路。
另外，为了对因温度变化或个体差异引起的阻尼导纳的变化进行补偿就需要复杂的电路，例如，需要使电容的容量可变，或者在分别检测流过振子和电容的电流并对一方进行了增益调整后求解其差等方法。

发明内容
本发明就是鉴于上述课题而完成的，其目的是提供一种能够不需要电流检测电阻、对机械分量电流进行检测而不会对压电振子的振动造成影响的技术。
为了解决上述课题而达到目的，本发明的技术方案提供一种电流检测电路，在将电力变换成机械能进行振动的振动体上外加交流电压，检测影响该振动体振动的电流成分的机械分量电流，包括在上述振动体上串联地连接了电容的串联电路；与上述串联电路并联地连接，对被外加在该串联电路的两端的电压进行分压并取出的分压部件；以及检测上述经过了分压的电压之中、上述串联电路的两端以外的端子的电压、与上述串联电路中的振动体和电容的连接部的电压之差的检测部件。
另外，在上述电路中，上述分压部件包括，具有大于等于两个的分压比的分压电路，和选择上述经过了分压的电压中的某一个的选择部件；上述检测部件，对上述所选择的电压与上述振动体和电容的连接部的电压之差进行检测。
另外，在上述电路中，上述检测部件，由检测上述连接部的电压的第1检测部件；检测被外加在上述串联电路的两端的电压或者对其进行了分压的电压的第2检测部件；以及检测两电压间的相位差的第3检测部件组成，并使用这些检测部件的输出值来检测对应于机械分量电流的值。
另外，在上述电路中，上述分压电路由串联地连接多个电阻元件构成。
另外，在上述电路中，还包括对利用上述检测部件的输出电压的检测值进行微分的微分部件。
另外，在上述电路中，上述微分部件，具有分别对上述连接部的电压和上述经过了分压的电压进行微分的第1及第2微分部件；上述检测部件，对上述第1及第2微分部件的各微分值之差进行检测。
另外，在上述电路中，上述微分部件，对上述检测部件的检测值的平均值附近的斜率进行检测。
另外，本发明的技术方案还提供一种在具备在将电力变换成机械能进行振动的振动体上串联地连接了电容的串联电路；和与上述串联电路并联地连接，对被外加在该串联电路的两端的电压进行分压的分压部件的电路中，在该振动体上外加交流电压并检测影响该振动体振动的电流成分的机械分量电流的方法，其特征在于在上述经过了分压的电压之中，取出上述串联电路的两端以外的端子的电压；检测上述所取出的电压与上述串联电路中的振动体和电容的连接部的电压之差；以及使用上述检测结果来检测机械分量电流。
另外，在上述方法中，上述分压部件包括具有大于等于两个分压比的分压电路；选择上述经过了分压的电压中的某一个；检测上述所选择的电压与上述振动体和电容的连接部的电压之差。
另外，在上述方法中，上述选择是在外加了规定频率的交流电压时，选择上述经过了分压的电压之中、成为最小振幅的电压。
如以上所说明那样，根据本发明，就能够不需要电流检测电阻、对机械分量电流检测而不会对压电振子的振动造成影响。另外，由于能够选择最佳的分压比所以能够检测更准确的机械分量电流。
本发明除上述以外的其他目的和优点，通过下面对本发明的优选实施例的说明，将会为本领域的技术人员所知。在说明中将参照构成说明的一部分并且表示本发明的例子的附图。但是这种例子并非本发明的各种实施例的穷举，因此应参照跟随说明之后的权利要求来确定本发明的范围。


图1是第1实施方式的机械分量电流检测电路图。
图2是压电振子的等价电路图。
图3是表示微分电路的例子的电路图。
图4是表示数字微分电路的例子的电路图。
图5是表示数字微分电路的各部的波形的定时图。
图6是第2实施方式的机械分量电流检测电路图。
图7是第3实施方式的机械分量电流检测电路图。
图8是表示分压电路的例子的电路图。
图9是第4实施方式的机械分量电流检测电路图。
图10是表示第4实施方式的动作的流程图。
图11是第5实施方式的机械分量电流检测电路图。
图12A-12C是表示第5实施方式的各部的波形的定时图。
图13是表示第5实施方式的动作的流程图。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。
此外，下面进行说明的实施方式是作为本发明的实现手段的一个例子，本发明可适用于在不脱离其精神的范围内对下述实施方式进行了修正或者变形的情况。
图1是第1实施方式的机械分量电流检测电路图，1是压电振子，2是向压电振子1输出与来自后述的CPU11的频率指令相对应的频率脉冲的脉冲发生部件，3是用于抑制冲击电流的电感元件，4是流过压电振子1的机械分量电流检测用电容，5、6是机械分量电流检测用分压电阻，7是用于检测压电振子1和电容4的连接部的电压、与分压电阻5、6的连接部的电压之差的差动放大器，8是检测被外加在压电振子1的两端的电压的差动放大器，9是检测差动放大器7的输出电压的振幅的振幅检测部件，10是检测压电振子1的外加电压与差动放大器7的输出电压的相位差的相位差检测部件，11输入来自振幅检测部件8和相位差检测部件10的振幅以及相位差信息，并向脉冲发生部件2输出频率指令信号的CPU。
图2中示出用等价电路表示了压电振子1时的压电振子1周围的电路图。下面使用图2对机械分量电流的检测原理进行说明。
这里，如果设电容4的静电电容为CS、设压电振子1的阻尼导纳的静电电容为C0、设分压电阻5的电阻值为R1、设分压电阻6的电阻值为R2、设压电振子1和电容4的连接部的电压为V1、设分压电阻5、6的分压输出电压为V2、设机械分量电流为Im、CS＝aC0，K＝R2/(R1+R2)、设驱动角频率为ω，则算式1Im=jω(aC0)K-1+jω(K+Ka-1)C0(R+j(ωL-1ωC))(V1-V2)---(1)]]>这里，如果设K＝1/(1+a)，则算式2Im＝-jω(1+a)C0(V1-V2)(2)若对此式2进行变形后求解输出电压V1-V2，则算式3(V1-V2)=j1ω(1+a)C0Im---(3)]]>例如，在相等地选择阻尼导纳C0和电容CS的静电电容的情况下，则a＝1，而成为在机械分量电流Im上乘以C0的阻抗一半值的值，并且成为相位比机械分量电流Im超前90°的信号。另外，由于K＝1/2，故R1＝R2。另外，在设CS＝aC0的情况下则R1＝aR2，即便无法使C0和CS相等，也能够通过变更R1与R2之比来检测机械分量电流。
根据此方法，与以往利用电阻的电流检测方法相比较，在流过压电振子1的电流路径上没有电阻，相应的功耗就少些，另外，由于利用阻尼导纳的阻抗来进行检测，故能够检测比较大的电压。例如，在设C0为10[nF]的情况下，如果设a为1并设频率为30KHz，则能够对机械分量电流的振幅取275倍来进行检测。这里，由于R1、R2只是作为分压部件来使用，故也可以用电容或电感等来构成分压电路而不仅仅是电阻元件。
从而，差动放大器7的输出电压的振幅就与机械分量电流的振幅成比例。差动放大器7的输出，在振幅检测部件9中，例如使用二极管等整流部件或求解有效值的电路将交流电压的振幅变换成直流电压后使用未图示的A/D变换部件等输入至CPU11。另外，由相位差检测部件10来检测压电振子1的外加电压与差动放大器7的输出电压的相位差，输入至CPU11。在CPU11中，例如进行以规定的振幅控制机械分量电流的动作或以规定的值控制机械分量电流与外加电压间的相位差的动作。在机械分量电流比预定的值小的情况或者机械分量电流与外加电压间的相位差较大的情况下，则使驱动频率接近共振频率，反之则使其远离来进行动作。另外，在控制机械分量电流的振幅的情况下，作为操作参数除了外加电压的频率以外还有控制电压振幅的方法。在机械分量电流比规定的值小的情况下则使外加电压的振幅加大，反之则使外加电压的振幅减小来进行控制即可。
这里，在根据外加电压与机械分量电流的相位差信息来监视压电振子1的共振状态的情况下，有必要注意相位比实际错开90°。在求解驱动电压与机械分量电流间的相位差的情况下，有必要相对检测到的相位错开90°来求解相位差。
另外，与通过上述式3所求得的机械分量电流相对应的值相对于实际的机械分量电流相位超前，还与角频率成反比例。如果驱动频率固定则没有多大的问题，在操作驱动频率进行控制的情况下，机械分量电流与检测值的比例关系多少有些偏差。对应于此，可以附加对检测信号进行微分的微分电路。若用公式来表示则如下面那样。若设实际的机械分量电流的波形为算式4Im＝Im0(cosωt+jsinωt) (4)根据式3有算式5V1-V2=1ω(1+a)C0Im0(jcosωt-sinωt)---(5)]]>若对此式进行微分，则算式6(V1-V2)′=-1(1+a)C0Im0(jsinωt+cosωt)=-1(1+a)C0Im---(6)]]>
根据式6，通过进行微分相对于机械分量电流符号反转，可知即便角频率ω变化振幅值也不会变化。图3中示出微分电路的例子。12是运算放大器，如果设电容的静电电容为C1、设反馈电阻的电阻值为R3，则此微分电路的增益G就为算式7G＝-jωC1R3 (7)。从而，若在上述式5上乘以式7，则算式8(V1-V2)G=C1R3(1+a)C0Im0(cosωt+jsinωt)=C1R3(1+a)C0Im---(8)]]>，与式6同样，可知即便角频率ω变化振幅值也不会变化。另外，由于增益为负，所以相位与机械分量电流一致。
这样就能够用简单的电路构成来进行微分运算，通过附加微分电路就能够检测准确的机械分量电流。
这里，如果机械分量电流的相位对应用不重要的话，作为仅求解机械分量电流的振幅的方法，就有对式3或者5的波形中心(波形的平均值或者0附近)的波形的斜率进行检测方法。图4中示出一例。13是比较器，14是比较电压发生部件。比较电压发生部件发生自上述波形的中心偏离了若干的电压D0，在由比较器13对差动放大器7的输出信号VS与比较电压D0进行比较，当差动放大器7的输出大的情况下输出高电平。比较器13的输出信号从占空比50％稍微错位，高与低的时间不同。15是对高电平的时间与低电平的时间之差进行检测的脉冲计测部件。图5表示图4的电路的各部的波形。根据图高电平与低电平的时间差就为2T1，若设信号VS的波形中心的比较信号D0的电压为VD，则斜率G1就为算式9G1=2VDT1---(9)]]>G1相当于式6的振幅，成为与不依赖于角频率ω的机械分量电流的振幅相对应的值。另外，由于频率预先知道，所以如果在检测出机械分量电流后对检测值乘上频率就能够求解与不依赖于频率的机械分量电流的振幅相对应的值。另外，在检测振动式传动装置的机械分量电流的情况下，由于通常振动式传动装置具有多相驱动电压，故能够检测多相各自的机械分量电流。但是，如果多相的电流大致相同则检测一相的机械分量电流作为代表，将其他相的值设为与进行了检测相的值大致相同也没有问题。另外，即便替换压电振子1与电容4的顺序也能够同样地对机械分量电流进行检测。
图6是第2实施方式的机械分量电流检测电路图，16是对压电振子1和电容4的连接部的电压振幅进行检测的振幅检测部件，17是对分压电阻5、6的连接部的电压振幅进行检测的振幅检测部件，18是对压电振子1和电容4的连接部的电压、与分压电阻5、6的连接部的电压的相位差进行检测的相位差检测部件，19是对被外加给压电振子1的电压与压电振子1和电容4的连接部的电压的相位差进行检测的相位差检测部件，20是输入振幅检测部件16、17的输出和相位差检部件18、19的输出，求解压电振子1和电容4的连接部的电压、与分压电阻5、6的连接部的电压之差的电压的振幅和相位的运算部件。运算部件20通过运算求得此差的电压与被外加在压电振子1的两端的电压的相位差PS，和差的电压的振幅VS。如果设振幅检测部件16的输出为VC、设振幅检测部件17的输出为VR、设相位差检测部件18的输出为、设相位差检测部件19的输出为0，则算式10VS=VC2+VR2-2·VC·VRcosφ---(10)]]>算式11PS=Tan-1((VC+VR)(VC-VR)tan(φ2))-Tan-1((VC+(1+a)VR)(VC-(1+a)VR)tan(φ2))---(11)]]>(11)式取代而使用0也同样如此。
这样，通过分别求解压电振子1和电容4的连接部的电压、与分压电阻5、6的连接部的电压各自的振幅及相对的相位差也可求解波形差的振幅和相位。另外，由于PS的值成为相对于实际的机械分量电流错开了90°的值，故有必要与第1实施方式同样，错开90°相位来检测共振状态。此外，一般在共振状态下的外加电压与机械分量电流的相位差是90°。另外，作为错开90°相位的方法，除了单纯地进行减法以外，还有与第1实施方式同样使用微分手段的方法。在第1实施方式中是把微分部件插入差动放大器7的输出，但在本实施例中则是分别插入振幅检测部件16、17之后。另外，作为微分电路的构成，有图3以及图4的方法。另外，在本实施例中是由振幅检测部件17对用分压电阻5、6所分压的电压的振幅进行检测，但也可以对作为分压前的值、即电感元件3和压电振子1的连接部的电压进行检测，并在运算部件20中将对应于利用分压电阻5、6的分压比的值乘以振幅检测部件17的输出值后进行分压。
图7是第3实施方式的机械分量电流检测电路图。上述实施方式中是在压电振子1和电容4的串联电路上通过电感对压电振子1进行外加，并且电容4接地的构成，但本实施方式中则是通过变压器在压电振子1和电容4的串联电路的两端外加电压，并且将压电振子1和电容4的连接部接地的构成。
在图7中，21是变压器。虽然在上述实施方式中使用差动放大器7对机械分量电流进行了检测，但在本例中，由于压电振子1和电容4的连接部的电压为OV，故分压电阻5、6的连接部的电压就原封不动成为相当于机械分量电流的信号。从而，分压电阻5、6的连接部的电压V4根据式3为算式12V4=j1ω(1+a)C0Im---(12)]]>相位差检测部件10对外加电压V3和相当于机械分量电流的电压V4的相位差进行检测，据此就能够对压电振子1的共振状态进行检测。此外，由于分压电阻5、6的连接部的电压相对于机械分量电流的相位超前90°，故在共振状态的检测中有必要考虑此90°的偏差。另外也可以与上述实施方式同样通过对分压电阻5、6的连接部的输出电压进行微分来校正90°的相位偏差。
另外，虽然这里使用分压电阻5、6作为分压部件，但也可以在变压器的次级侧设置中间分接抽头，兼作驱动电压的供给和分压输出。图8是其一例。22是在次级侧附加了中心抽头的变压器。在设式12的a为1并设C0＝CS的情况下，设中间分接抽头为作为次级侧的中点的中心抽头即可。
图9是第4实施方式的机械分量电流检测电路图。本实施例表示分压电阻大于等于3个的例子。当然在分压用的元件上除了电阻以外还可以使用电容或电感。23是分压部件，具有对应于多个分压率的输出端子。24是从分压部件的多个输出端子的输出电压中选择一个的选择部件，25是温度传感器。由于压电振动体1的阻尼导纳C0的值根据温度进行变化，所以电容4的CS值之比就发生变化。为此有必要按照此变化来变更分压部件的分压比。因而，就成为预先求解用温度传感器25检测出的温度与最佳分压比的关系并存储数据，并在检测机械分量电流时依照用温度传感器25检测出的温度由所存储的数据来决定分压比，用选择部件24选择对应于该分压比的分压部件23的输出端子来进行输出的构成。
图10中示出分压比的变更方法的流程图。
首先，在最初用温度传感器25对压电振子1的温度进行检测(步骤S1)。
接着，根据数据来参照对应于温度的阻尼导纳的静电电容量(步骤S2)。
接着，求解所参照的静电电容量与电容4的静电电容量的比(a)(步骤S3)。
接着，决定分压部件23的分压比最靠近a的输出端子(步骤S4)。
最后，用选择部件24来选择所决定的输出端子并进行输出。
这样最适合于对机械分量电流进行检测的分压比就被选择。另外，只要对选择部件24的输出进行微分等，就能够对相当于机械分量电流的电压信号进行检测这一点与上述以往例相同。
在第4实施方式中，事前求解出温度与分压比的关系，但在本实施方式中采用以下方法，即外加压电振子1几乎不进行振动的预定频率的交流电压，设定分压比使得从分压部件23输出的电压小于预定振幅。也就是，由于在几乎不振动的情况下机械分量电流也成为较小的值，故使选择部件24选择分压部件23的输出端子内成为最小振幅的端子即可。
图11是第5实施方式的机械分量电流检测电路图。26、27是低通滤波器，低通滤波器26用于从选择部件24的输出信号检测出压电振子1的主要振动频率范围的信号，低通滤波器27用于从被外加给压电振子1的电压检测出压电振子1的主要振动频率范围的信号。28是带通滤波器，用于从选择部件24的输出信号检测出驱动电压中所包含的高次谐波成分的信号。29是对带通滤波器28的输出信号的振幅进行检测的振幅检测部件。
图12A-C是表示各部的波形的定时图。由于压电振子1的驱动电压是呈梯形畸变、上下对称的电压波形VS故包含奇数次的高次谐波成分。从而，如果设带通滤波器28的频带例如为通过在压电振子1上外加的交流电压的频率3倍附近的频率的特性，低通滤波器26的频带为通过压电振子1的共振频率1.5倍左右的特性。就能够检测出高次谐波和基本波。其结果，低通滤波器26的输出VL就成为与驱动频率相同频率的正弦波，带通滤波器28的输出VB就成为驱动频率3倍频率的正弦波。因而只要用选择部件24切换分压部件23的输出端子以使振幅检测部件29的输出成为最小，就能够一边使压电振子1振动一边求解最佳的分压比来进行设定。
在图13中示出设定最佳的分压比的动作的流程图。
首先，将1代入选择番号N(步骤S11)，用选择部件24来选择分压部件的第N个输出端子(步骤S12)。然后，将振幅检测部件29的输出代入到变量S0(步骤S13)。
接着，如果选择番号N为最终选择番号则结束，否则在选择番号N上加上1后将选择番号N设定到选择部件24(步骤S14，15，16)。
接着，输入振幅检测部件29的输出并代入变量S1(步骤S17)。
接着，比较变量S0与变量S1的大小，如果变量S0小则从选择番号N减去1，将选择番号N设定到选择部件24后结束(步骤S18，19，20)。
另外，如果变量S0大于等于变量S1则将变量S1代入变量S0并反复进行直到决定选择编号(步骤S21)。
通过这样进行处理，分压部件23的输出端子就被选择而使得振幅检测部件29的输出电压成为最小。
另外，由于上述预定的频率越是高频、分压比偏移时的输出电压就越变大，故使用比压电振子1的共振频率非常高的频率就易于设定最佳的分压比。另外虽然在本实施方式中利用了高次谐波成分，但也可以在启动前等实际上外加高频驱动电压并求解最佳的分压比后进行真正驱动。
权利要求
1.一种电流检测电路，在将电力变换成机械能进行振动的振动体上外加交流电压，检测作为影响该振动体振动的电流成分的机械分量电流，其特征在于包括在上述振动体上串联地连接了电容的串联电路；与上述串联电路并联地连接，对被外加在该串联电路的两端的电压进行分压并取出的分压部件；以及检测上述经过了分压的电压之中、上述串联电路的两端以外的端子的电压、与上述串联电路中的振动体和电容的连接部的电压之差的检测部件。
2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于上述分压部件包括，具有大于等于两个的分压比的分压电路，和选择上述经过了分压的电压中的某一个的选择部件；上述检测部件，对上述所选择的电压、与上述振动体和电容的连接部的电压之差进行检测。
3.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于上述检测部件，由检测上述连接部的电压的第1检测部件；检测被外加在上述串联电路的两端的电压或者对其进行了分压的电压的第2检测部件；以及检测两电压间的相位差的第3检测部件组成，并使用这些检测部件的输出值来检测对应于机械分量电流的值。
4.根据权利要求2所述的电流检测电路，其特征在于上述分压电路由串联地连接多个电阻元件构成。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的电流检测电路，其特征在于还包括对利用上述检测部件的输出电压的检测值进行微分的微分部件。
6.根据权利要求5所述的电流检测电路，其特征在于上述微分部件，具有分别对上述连接部的电压和上述经过了分压的电压进行微分的第1及第2微分部件；上述检测部件，对上述第1及第2微分部件的各微分值之差进行检测。
7.根据权利要求6所述的电流检测电路，其特征在于上述微分部件，对上述检测部件的检测值的平均值附近的斜率进行检测。
8.一种在具备在将电力变换成机械能进行振动的振动体上串联地连接了电容的串联电路；和与上述串联电路并联地连接，对被外加在该串联电路的两端的电压进行分压的分压部件的电路中，在该振动体上外加交流电压并检测影响该振动体振动的电流成分的机械分量电流的方法，其特征在于在上述经过了分压的电压之中，取出上述串联电路的两端以外的端子的电压；检测上述所取出的电压与上述串联电路中的振动体和电容的连接部的电压之差；以及使用上述检测结果来检测机械分量电流。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于上述分压部件包括具有大于等于两个分压比的分压电路；选择上述经过了分压的电压中的某一个；检测上述所选择的电压与上述振动体和电容的连接部的电压之差。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于上述选择是在外加了规定频率的交流电压时，选择上述经过了分压的电压之中、成为最小振幅的电压。
全文摘要
本发明公开一种电流检测电路以及电流检测方法，在将电力变换成机械能进行振动的振动体(1)上外加交流电压，检测作为影响振动体(1)振动的电流成分的机械分量电流，包括在振动体(1)上串联地连接了电容(4)的串联电路；与此串联电路并联地连接，对被外加在该串联电路的两端的电压进行分压并取出的分压电路(5、6)；以及检测经过了分压的电压之中、串联电路的两端以外的端子的电压、与串联电路中的振动体和电容的连接部的电压之差的检测电路(7)。
文档编号G01R19/00GK1619316SQ200410092990
公开日2005年5月25日 申请日期2004年11月12日 优先权日2003年11月14日
发明者片冈健一 申请人:佳能株式会社