(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの圧電共振器と、
機械的な振動を励起するために上記圧電共振器に少なくとも１つのＡＣ励起電圧を供給する駆動回路であって、上記ＡＣ励起電圧及び上記圧電共振器を通って流れる電流から上記共振器に印加される有効電力を決定するユニットを有する駆動回路とを含む圧電駆動装置であって、
上記駆動回路は、当該駆動装置の動作中、消費される有効電力が一定の制御値を下回る場合は上記ＡＣ励起電圧の振幅は増やされ、上記有効電力が前記一定の制御値を上回る場合は上記ＡＣ励起電圧の振幅は減少されるよう配置される、圧電駆動装置。
【請求項２】
上記有効電力を決定するユニットは、消費される上記有効電力を、
上記ＡＣ励起電圧の振幅と、
上記圧電共振器を通って流れる電流の振幅と、
上記ＡＣ励起電圧と上記圧電共振器を通って流れる電流との間の位相角度とから決定する、請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】
駆動される可動素子の速さを測定するためにセンサが設けられ、
測定の結果に従って、上記有効電力に対する所定の値が選択される、請求項１又は２記載の駆動装置。
【請求項４】
上記駆動回路は、上記ＡＣ励起電圧と上記圧電共振器を通って流れる上記電流との間の位相角度が一定の値に維持されるような上記ＡＣ励起電圧の周波数を与える、請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の駆動装置。
【請求項５】
上記圧電共振器を通って流れる電流を測定するために電流センサが設けられ、
上記電流センサは、上記圧電共振器を通って流れる電流の最大値を測定するよう配置される、請求項４記載の駆動装置。
【請求項６】
上記ＡＣ励起電圧と上記圧電共振器を通って流れる電流との間の位相角度が一定の値に維持されるよう、上記駆動回路によって発生したＡＣ励起電圧の周波数を設定する位相制御ユニットと、
上記ＡＣ励起電圧の振幅を予め定義することによって上記圧電共振器を通って流れる電流を調整する振幅調整ユニットとを更に含む、請求項１記載の駆動装置。
【請求項７】
上記圧電共振器を通って流れる電流を制限する装置が設けられる、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の駆動装置。
【請求項８】
上記駆動回路は、上記圧電共振器を通って流れる電流が上限の閾値を超過しないよう上記ＡＣ励起電圧の振幅を調整する、請求項７記載の駆動装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の電気駆動装置を含む電気シェーバ。
【請求項１０】
圧電共振器と、機械的な振動を発生するために上記圧電共振器に少なくとも１つのＡＣ励起電圧を供給する駆動回路とを含む圧電駆動装置を調整する方法であって、
上記共振器に印加される有効電力は上記ＡＣ励起電圧と上記圧電共振器を通って流れる電流とから決定され、
上記ＡＣ励起電圧の振幅は、上記有効電力が一定の制御値を下回る場合は増やされ、上記有効電力が前記一定の制御値を上回る場合は減少される方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電駆動装置及び圧電駆動装置用の調整方法、並びに、電気シェーバに関連する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電駆動装置は、圧電効果を用いて電気エネルギーを機械的エネルギーへ変換する電気駆動装置として使用される。例えばシャフト又は回転子といった可動部材がこれによって駆動される。圧電性の励起を伴う機械的な共振器は機械的な振動へ励起され、それによりそれ自体に適当な振幅及び周波数を有する１以上のＡＣ電圧が供給されている間、可動部材を駆動する。
【０００３】
公知の圧電駆動装置は、例えばＣＤドライブの読み書きヘッドの移動のように可動部材を長手方向に動かす駆動装置と、シャフトを回転させて駆動する駆動装置とを含む。
【０００４】
当業者によれば圧電駆動装置の構造の幾つかの変形例が公知であり、これらの装置は全て１以上の圧電共振器の振動の電気的な励起に基づくものである。
【０００５】
圧電駆動装置の公知の構造は、進行波モータと称される（例えば特許文献１又は２参照）。公知の進行波モータは、２つの移相されたＡＣ電圧によって励起される。第１のＡＣ電圧は、ＡＣ電圧によって圧電により励起される第１の定常波を機械的な共振器上に発生する。第１の電圧に対して移相された第２の電圧は、第２の定常波を発生する。２つの波が空間的及び時間的に適当にずらされていれば、回転波（進行波）が形成される。
【０００６】
圧電駆動装置の他の公知の変形例は、いわゆるマイクロ衝撃パルスモータである。ＡＣ電圧による励起は、機械的な共振器を圧電により励起させ、共振器は可動要素に対して周期的にぶつかり、これを駆動する。マイクロ衝撃パルスモータは、例えば特許文献３及び４に記載されており、このうち特許文献４はかかる圧電モータの機械的な構造について記載している。
【０００７】
かかる駆動装置の圧電素子の励起は、共振器に１以上のＡＣ電圧を供給することによって行われる。このために、種々の駆動回路が公知である。これらは、駆動装置の動作に必要なＡＣ電圧を発生し、励起電圧のパラメータ、特に振幅、周波数、また複数の励起電圧が必要であれば位相は、共振器が所望の駆動機能を行うよう選択される。これは、圧電素子の共振が励起されるよう、適当な周波数を選択することを含む。
【０００８】
例えば、特許文献３では、４つの電極を有する圧電性セラミック材料板を基本要素として含むマイクロ衝撃パルスモータについて、機械的な振動を発生するための対角線上に反対側に配置された電極を励起することが記載されている。励起は、ＡＣ電圧又はパルス化された電圧の形式で行われる。
【０００９】
特許文献５は、マイクロ衝撃パルスモータ用の駆動回路について記載している。駆動回路は、相互に位相差を有する２つの高周波数ＡＣ電圧を発生するユニットを含む。二定常波型のマイクロ衝撃パルスモータについて、９０°の位相差が生ずることが示されている。更に、モータは最適の励起周波数で駆動されることが記載されている。この周波数が、例えば外部負荷によって変化すると、それに従って位相差が調整される。電圧／電流位相が最小化されるよう、励起電圧と圧電素子を通る電流の間の位相差の測定に基づいて第１及び第２の圧電素子上の２つの励起電圧の位相関係を設定する調整装置が提案されている。
【００１０】
回転駆動用の圧電進行波モータの駆動については、特許文献１にも記載されている。この特許文献１によれば、一定の励起周波数において最大の効率の動作が達成される。圧電モータに印加される励起電圧の調整を可能とする種々の調整ユニットが提案されている。一方で、これらのＡＣ電圧の振幅は、上限と下限との間で設定される。１つの実施例では、これらのＡＣ電圧を下限と上限との間で設定することが提案される。更なる実施例では、モータの回転速度についてのフィードバック調整について記載されている。測定装置は、回転子の回転速度を決定し、そこから制御値からの逸脱が計算される。従って、ＡＣ電圧の振幅が設定される。特許文献１に記載の発明の更なる面は、圧電モータが最大効率で動作する最適動作点の設定に関連する。このために、励起電圧と監視電圧の間の位相差を測定し、励起周波数を変化させることによってモータの最適効率の動作モードに達する値へ調整することが提案される。
【００１１】
特許文献２は、また、進行波圧電モータ用の駆動回路について記載している。圧電モータは、その間に１０°乃至１７０°の位相差が生ずる２つの励起ＡＣ電圧を印加することによって励起される。また、電圧素子の電気的な特性は、接続しているキャパシタンスが振動を与える役割を果たすインダクタンス、キャパシタンス、及びオーム抵抗の直列接続に対して並列に接続されている等価回路図によってモデル化されうる。この等価回路の振動分岐部を通って流れる機械的な振動と比例する電流は、測定され、所定の制御値と比較される。励起周波数は、電圧素子を通って流れる電流、従って回転速度が本質的に一定のままであるよう設定される。しかしながら、モータの特性の表現から、負荷が増加するにつれ回転速度が低下することが分かる。これは、励起電圧の振幅もまた調整されうることを示す。
【００１２】
特許文献６は、このためのマイクロ圧電モータ及び駆動回路を記載する。この駆動回路は、圧電素子に特別なセンサ電極を設けることなく、調整に必要なフィードバック信号が受動制御電極によって常に決定される場所を管理しうる。駆動回路は、共振器が最大効率で駆動される周波数で各圧電共振器を励起する。励起電圧の振幅は、これと組み合わせて調整される。このために、フィードバック信号の振幅又は励起電圧とフィードバック信号の間の位相差が評価される。
【００１３】
圧電モータ用の更なる駆動回路は、特許文献７に記載されている。この特許文献７では、モータの電気回線に挿入されるインダクタンスの入力電圧と出力電圧の間の位相差が決定され、励起電圧の夫々の周波数を設定することによって調整される。
【００１４】
特許文献８は、圧電モータ用の駆動回路を記載している。駆動回路から圧電共振器を通って流れる電流は、適当な励起周波数が設定されるよう一定の値に調整される。しかしながら、モータを高い効率の動作点でこのようにして連続的に駆動することは可能でないことに留意せねばならない。
【００１５】
特許文献９は、圧電モータのための位相制御について記載している。或いは、励起電圧の位相は、圧電素子を流れる電流の位相と比較されるか、励起電圧の位相は圧電素子のセンサ電極上の電圧の位相と比較される。励起電圧の周波数は、所望の非ゼロの位相差が現れるよう調整器を介して設定される。
【００１６】
【特許文献１】
欧州特許公開第０６５４８８９号明細書
【特許文献２】
米国特許第４，８８８，５１４号明細書
【特許文献３】
欧州特許公開第０６３３６１６号明細書
【特許文献４】
独国特許公開第１９８１７０３８号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，１９２，８８９号明細書
【特許文献６】
独国特許公開第１９９４２２６９号明細書
【特許文献７】
特開平３−１４５９７６号公報
【特許文献８】
特開平２−２６２８５号公報
【特許文献９】
独国特許公開第１０００８９３７号明細書
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、様々な負荷で満足のいく動作が可能なモータの駆動が行われる圧電駆動装置、その調整方法、並びに、電気シェーバを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、少なくとも１つの圧電共振器と、機械的な振動を励起するために圧電共振器に少なくとも１つのＡＣ励起電圧を供給する駆動回路と、励起電圧及び圧電共振器を通って流れる電流から共振器に印加される有効電力を決定するユニットとを含む圧電駆動装置であって、駆動回路は、駆動装置の動作中、消費される有効電力は負荷が増加したときに低下しないことを励起電圧の振幅が示すよう配置される、圧電駆動装置、及び、少なくとも１つの圧電共振器と、機械的な振動を励起するために圧電共振器に少なくとも１つのＡＣ励起電圧を供給する駆動回路と、励起電圧と圧電共振器を通って流れる電流との間の位相角度が一定の値に維持されるよう、駆動回路によって発生した励起電圧の周波数を設定する位相制御ユニットと、励起電圧の振幅を予め定義することによって圧電共振器を通って流れる電流を調整する振幅調整ユニットとを含む、圧電駆動装置によって達成される。また、これらの圧電駆動装置を含む電気シェーバと、これらの圧電駆動装置のための調整方法によって達成される。従属項は本発明の有利な実施例に関連する。
【００１８】
本発明によれば、駆動装置は、圧電共振器に加え、少なくとも一つの励起ＡＣ電圧を共振器に供給する駆動回路を含み、この励起ＡＣ電圧の振幅は駆動装置に十分な有効電力が供給されるよう設定される。本発明は、この点で、すべての構成の圧電モータが、一定の振幅の励起電圧によって駆動されるときに負荷を増加させても消費される電力が多くなく少ないことを想定する。これは、例えば、回転シャフトを駆動する圧電モータを用いると、負荷が増加するにつれて回転数が急速に低下することによって示される。このモータ特性があることにより、圧電モータは、一定の電圧で駆動されているときにトルクが増加するとより高い電流、従って、より多くの電力を消費する従来の電気モータとは区別される。
【００１９】
例えば１分間当たりの回転の変化を打ち消すために励起電圧の振幅のみが増加される従来技術の方法は不十分であることがわかっている。圧電モータの場合、これは駆動電子部の環境に関する条件と共に変化する複合的な負荷に関連する。従って、電圧の振幅に対するモータ電力の依存性は、明らかに常に線形ではない。
【００２０】
少なくとも１つの圧電共振器と、機械的な振動を励起するために圧電共振器に少なくとも１つのＡＣ励起電圧を供給する駆動回路と、励起電圧及び圧電共振器を通って流れる電流から共振器に印加される有効電力を決定するユニットとを含む圧電駆動装置であって、駆動回路は、駆動装置の動作中、消費される有効電力は負荷が増加したときに低下しないことを励起電圧の振幅が示すよう配置される、圧電駆動装置によれば、共振器に印加される有効電力が決定され、励起電圧はこの有効電力が負荷の増加に伴って減少しないよう設定される。これは、負荷が増加しても有効電力が一定に維持されるよう駆動を含む。しかしながら、モータに印加される入力電力が負荷が増加すると共に上昇し、理想的には１分間当たりの回転数が一定のレベルに維持されうる実施例が望ましい。
【００２１】
有効電力を決定するためのユニットは、略純粋に機能的であると理解されるべきであり、即ち、これは別個の回路又はこのためだけに機能する組立体であってはならない。有効電力を計算するのに必要な情報が共振器に印加される電圧と共振器を通って流れる電流とを介して与えられ、適当に組み合わされ、それにより負荷があるときに有効電力が略一定とされるという目的が励起電圧の振幅を適当に設定することによって達成されうることがより重要である。
【００２２】
調整は、常に有効電力が決定され、有効電力が一定に維持されるよう振幅が設定されるよう行われうる。しかしながら、負荷が増加する場合に電力消費の低下を防止するという目的は、更なる実施例によれば、電力のための夫々の制御値が一定ではなく、センサの測定されたデータに基づいて決定されることによって達成される。これは、望ましくは、モータの可動素子の速度のためのセンサ、すなわち回転駆動用の速度センサである。使用される圧電モータとそれが挿入されうる装置についての知識に基づいて、所望の電力値が夫々の測定された速度（又は回転数）に対して予め定義される割り当て（例えば表の形式、又は数学的な関数の形式）でなされうる。例えば、モータが公称の速さで動作していることを速度センサが通知すると、モータの公称電力は電力に対する制御値として設定される。速さの測定値が、モータの速さが遅くなったことを示すと、モータ電力に対する制御値がより高いレベルに設定されることが、例えば、表を用いて、予め定義される。モータ速度に対する更に高い制御値は、当業者によればモータの特性と夫々の適用を考慮に入れつつ予め定義される。
【００２３】
これに関して、圧電共振器は純粋なオーム負荷でないことに留意すべきである。そのかわりに、従来技術から知られているように、励起電圧と共振器を通って流れる電流との間には概して様々な位相角度がある。電流と電圧の正弦波状のパターンが想定される本発明の更なる実施例によれば、有効電力は、概して、励起電圧の振幅、電流の振幅、及び、励起電圧と電流の間の位相角度から決定される。これは、これらの大きさを別々に測定し、続いて計算することによって行われうる。
【００２４】
しかしながら、本発明の更なる面によれば、位相角度は連続的には測定されず、駆動回路は位相角度が既知の値で一定に保たれるような励起電圧の周波数を与える。この位相角度について既知の値から始めて、有効電力は電流及び電圧の振幅を検出することによって非常に容易に計算されうる。本発明によれば、励起電圧の振幅は予め定義されるため、これは既知であると想定され、従ってもはや測定は必要でない。共振器を通って流れる電流の振幅の測定は、有利にはこの大きさの最大値を検出することによって行われうる。
【００２５】
望ましくは、かかる調整は、モータが常に最適に作動条件で、即ちその機械的な共振で駆動されるよう行われる。
【００２６】
目的と達成するために、請求項５に記載のように、励起電圧の周波数及び振幅の両方が調整のための制御変数として使用される。周波数は、位相角度が一定のレベルに維持されるよう予め定義されるのに対して、励起電圧の振幅は電流の振幅が一定に維持されるよう設定される。電流の振幅は、電気共振器の変形の速さの、従って、回転駆動の尺度であり、回転数に対して略比例する。電流の振幅を一定の値に調整することにより、回転数は本質的に一定に維持される。これは、負荷が増加すると、続いて生ずる電流の振幅の低下は励起電圧の振幅の増加によって打ち消されるため、負荷が増加するにつれて有効電力が増加されることを裏付ける。増加する電圧と、一定の電流、及び、位相角度（これは位相調整ユニットによって一定かつ固定に予め定義されている）のとき、負荷が増加すると有効電力の増加が達成される。
【００２７】
本発明の更なる面は、圧電共振器を通って流れる電流に関連する。励起電圧の振幅の可変の設定により、圧電共振器を通って流れる電流は強く増加しうる。電流が夫々のモータに対して計算されるべき上限値を超過すると、共振器は壊れる可能性がある。本発明の更なる面によれば、共振器を通って流れる電流を制限するユニットが提供される。これは、所定の限界電流値を超過したときにのみ作動し、例えばこの場合は励起電圧の振幅を減少させ、それにより小さい電流が設定され、共振器に対する損傷の危険性が減少される追加的な制御ループであってもよい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の上述の及び他の面は、以下説明する実施例を参照して明らかとなろう。まず、公知の圧電モータの構造及び動作方法について概略的に説明する。
【００２９】
図１は、圧電共振器１０のマイクロ衝撃パルスの原理に従って動作する圧電モータを部分的に示す図である。これは、圧電材料の平板である。共振器１０の狭い前面は、可動素子２０に対して押しつけられるスペーサ１２を有する。
【００３０】
共振器１０の上面には、４つの電極１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂが配置される。対角線上に配置される電極同士、すなわち１４ａと１４ｂ、並びに、１６ａと１６ｂが対をなす。共振器の裏面（図示せず）には、表面全体を覆う裏板電極が配置される。
【００３１】
このような圧電共振器を用いた圧電駆動部の原理及び機械的な動作方法は、当業者によれば周知であり、従ってここでは詳細には説明しない。図１では、静止した状態の共振器の外側縁を破線として示す。実線で示される共振器は、電極の励起の結果として変形される。図１の誇張して示した図から明らかであるように、共振器１０は対とされて関連付けられた電極１６ａ，１６ｂ並びに１４ａ，１４ｂに対して夫々の電圧を印加することによって変形されうる。適当なＡＣ電圧を有する電極対１４ａ，１４ｂ（第一の動き方向）並びに１６ａ，１６ｂ（第一の動き方向とは反対の動き方向）を励起させる結果、共振器１０は機械的な振動を励起し、この振動はスペーサ１２により可動素子２０に対する動きとして伝達されうる。
【００３２】
図２は、端子３６と対向する端子３２、３４との間に正弦波ＡＣ電圧を印加する駆動回路３０を概略的に示す図であり、これらの電圧により共振器１０は励起される。端子３６は、このために、共振器板１０の背面の背面電極（図示せず）に接続される。所望の動き方向により、電極対１４ａ，１４ｂ並びに１６ａ，１６ｂを励起するためのＡＣ電圧は端子３２又は３４で励起される。次に、駆動回路３０は、端子３２、３４における駆動電圧の周波数及び振幅の両方を設定しうる。各動き方向について、共振器１０は、ただ１つのＡＣによって励起される。
【００３３】
更に、図２は、背面電極から端子３６へ流れる電流Ｉを測定する電流センサ２２を示す。電流センサ２２の測定信号は、駆動回路の端子３８からタップされ、以下説明するように調整のために使用される。
【００３４】
当業者によって周知の圧電モータの更なる実施例を、図３ａ及び図３ｂに示す。これは、例えば、欧州特許公開第０６５４８８９に記載の回転駆動用の電気進行波モータ４０である。モータ４０は、回転子４２と、圧電素子４６を有する固定子４４とを含む。駆動電極４８ａ，４８ｂ及び背面電極（図示せず）、並びに、モニタ電極４８ｄは、図３ａに別に示す圧電素子４６上に配置される。電極４８ａ，４８ｂは、９０°の位相差を有する２つのＡＣ電圧によって励起され、それにより回転子４２を回転させる進行波が生ずる。
【００３５】
図４は、圧電駆動部が電気シェーバに挿入された長手方向の動きを発生するためのマイクロ衝撃パルス駆動部の適用例を示す図である。圧電共振器１０は、そのタペット１２を用いて可動素子５０をその長手方向に横方向に駆動する。これにより、第１の切断刃５２は第２の切断刃５４に対して移動する。
【００３６】
上述の圧電共振器及びこれを用いて構成される圧電駆動部、並びに、それらの使用の可能性は、図示のためにのみ示すものである。当業者は、多数の圧電駆動部及びそれらの適用について認識しているはずである。
【００３７】
以下では、可動素子を駆動するのに適しており当業者に十分に知られている共振器の振動を発生する方法については説明しないが、かかる圧電駆動部の電気的な性質については一般的に説明する。
【００３８】
一定の供給電圧によって駆動される永久磁石ＤＣモータについて、与えられるトルクが大きくなるほどモータに印加される電力は増加することが知られている。このモータ特徴は、多くの適用において非常に有利であることが分かっている。負荷の変化によりトルクが増加すると、モータは自動的により多くの電流、従って電力を得、それにより与えられるトルクは大きくなり追加的な負荷を克服することができる。
【００３９】
圧電マイクロ衝撃パルス駆動の夫々の特性についてみると、完全に異なる方法が考えられる。供給電圧が一定に保たれるとき（供給電圧はＡＣ電圧であるため、ここでは「一定に保つ」とは振幅についていう）、モータによって消費される電力はトルクが増すにつれて減少する。これは、負荷の変化が考慮に入れられるかかる適用についてのモータの適用可能性を低下させる。例えば、シェーバが圧電モータによって駆動されるとき（図４を比較として参照のこと）、モータに対する機械的な抵抗は、シェーバが休止しているか、幾らかの毛又は濃い髭を切断しているかに依存して、非常に変化しうる。実際上は、モータは負荷が大きいときには容易に止まってしまうという挙動が示されている。
【００４０】
原理的には、この挙動は、図５ａ，５ｂの等価回路図によって説明されうる。これらは、全ての種類の圧電モータについていえる。
【００４１】
図５ａは、端子コンデンサＣ0からの自由に振動する圧電共振器と、インダクタンスＬm（振動する接地を表わす）、キャパシタンスＣm（剛性を表わす）、及びオーム抵抗Ｒm（減衰）を有する機械的な分岐の等価回路図を示す。機械的な分岐Ｉmを通って流れる電流は、ＡＣ電圧Ｕ〜を印加することによって生ずる変形の速度の尺度である。
【００４２】
上述において一般的に説明したように、圧電駆動部の中の共振器は、ランナー又は回転子として示される可動部材を周期的に押す。図５ｂは、圧電モータ中のかかる共振器の等価回路図を示す図である。次に、共振器は、図５ｂの等価回路図中で内部電圧Ｕiによって考慮に入れられる衝撃を発生する。
【００４３】
図５ｃのモータの簡単化された等価回路図では、モータが機械的に共振して動作すると想定したときの、時間と共に変化する電圧及び電流から、モータ特性上の各作動点において一定のままである平均値への遷移がある。
【００４４】
この等価回路図中の電流Ｉmの振幅は、実際は、共振器中の変化の速度の関数である。モータの速さは変形の速さから導出されるため、電流Ｉmはまたモータの速さ（回転構成要素の場合）又はランナーの供給速度（長手方向駆動の場合）のための尺度である。
【００４５】
【外１】
0004267306.tif 000002
は、共振器によって生ずる衝撃の関数である。モータによって生ずる電力又はモータによって生ずるトルクはこの衝撃から導出されるため、電圧は力又はトルクの夫々についてのパラメータでもある。
【００４６】
【外２】
0004267306.tif 000003
のとき、モータによって生ずるモーメントが負荷の変化によって増加すれば、
【００４７】
【外３】
0004267306.tif 000004
は上昇する。Ｒmに亘る電圧降下は小さくなる。電流Ｉmは減少し、これは速度の減少に対応する。トルクが増加するにつれ、圧電モータによって消費される電力は低下する。結果として、休止速度の近くでの効率的な動作のために配置される上述の種類のマイクロ衝撃パルスモータでは、負荷が変化する場合は大きな速度変化が生ずる。
【００４８】
圧電モータを大きな負荷の変化が予想される用途にも用いるために、以下では、モータに印加される励起電圧が常に、モータにおいてトルクが上昇すると、モータの電力が少なくとも一定に維持されるか又は増加するよう設定される駆動回路の３つの実施例について説明する。
【００４９】
以下の例は、圧電共振器を含むモータＭについて想定する。この共振器は、例では、１つの励起ＡＣ電圧のみで動作する。それでもなお、これらの例は、全ての公知の種類の圧電モータ、例えば、欧州特許公開第０６３３６１６号に記載の複数の共振器を有する圧電モータについて容易に一般化されうることが理解されるべきである。１つではなく２つ（又はそれ以上の）ＡＣ電圧によって励起される共振器が使用される場合、励起電圧のうちの１つと電力に関して関連付けられる電力が考慮に入れられるよう以下の例が用いられうる。他の電圧の振幅は、考慮される電圧の振幅に等しく設定される。或いは、各対は、励起電圧及び関連付けられる電流によって別々に調整されうる。
【００５０】
図６は、本発明の第１の実施例のブロック回路図である。少なくとも１つの圧電素子を含む圧電モータＭは、一般的にボックスとして示される。当業者によって周知の圧電素子の全ての幾何学形状及びユニットは、この圧電モータに適している。
【００５１】
圧電モータＭには、駆動回路６０によって電力が供給される。この回路は、制御された電圧供給ユニット６２、電力測定ユニット６４、及びピーク電流センサ６６を含む。ピーク電流センサ６６は、電圧供給ユニット６２からモータＭへ流れる電流ＩMのピーク電流を感知し、感知動作の結果を電圧供給ユニット６２へ与える。電力測定ユニット６４は、電力供給ユニット６２によってモータＭに印加される励起電圧ＵMと、モータを通って流れる電流ＩMとから、モータＭによって消費される有効電力ＰMを決定し、測定の結果を電圧供給ユニット６２へ印加する。２つの測定ユニット、即ち、電力測定ユニット６４及びピーク電流測定ユニット６６は、ここでは理想的なものである、即ち測定される電圧及び電流が測定によって変化されないと考えられる。
【００５２】
励起電圧ＵMと結果として得られる共振器を流れる電流ＩMは、正弦波状の変数である。従って、励起電圧ＵMの波形はその振幅、周波数、及び位相位置によって完全に決定される。これに続く調整は、励起電圧ＵMの振幅の調整のみを扱う。当業者には、発生されたＡＣ電圧の振幅及び周波数が相互に独立に予め決められうる対応する回路が周知である。本例では、励起電圧ＵMの周波数については説明しない。当業者は、共振器が駆動効果を達成するために励起されるよう別に周波数を選択するべきである。望ましくは、励起電圧ＵMは安定した動作点においてできるだけ高い効率で理想的には機械的な共振で共振器がその共振種波数の近くで動作するような周波数を有する。
【００５３】
当業者には、電流ＩMを、測定するための電流センサが周知である。連側的な測定からのピーク値は、ここではアナログ回路の形式で又はその後に例えば数値形式で直接決定されうる。
【００５４】
電力測定ユニット６４は、電流ＩM及び電圧ＵMから、モータによって消費される有効電力ＰMを決定する。ＩM及びＵMにおける正弦波状の波形と等しい周波数が開始される。従って、有効電力は、
【００５５】
【外４】
0004267306.tif 000005
と
【００５６】
【外５】
0004267306.tif 000006
の振幅によって決定される。例えばゼロ交差の比較による位相検出の公知の手段は、位相角度φを与える。有効電力ＰMは、
【００５７】
【数１】
0004267306.tif 000007
により与えられる。
【００５８】
調整された電圧供給６２は、調整ユニットと、調整ユニットによって制御される電圧供給ユニット（図示せず）とを含む。調整ユニットは、測定された値ＩPEAK及びＰMを処理し、以下の調整方法に従って励起電圧ＵMの振幅を設定する。
【００５９】
値ＩPEAKが最大値ＩMAXを下回るか否か判定する。最大値ＩMAXを下回る場合、値ＩPEAKは更なる調整のために棄却される。しかしながら、値ＩPEAKが最大値ＩMAXを超える場合、電圧ＵMの振幅は、ＩPEAK＜ＩMAXとなるまで小さくされる。
【００６０】
モータが通常動作を行っている間、即ち、ＩPEAK＜ＩMAXである間、電圧ＵMの振幅は、ＰMが一定の制御値ＰM,Sollに保たれるよう調整される。このために、調整差ＰM−ＰM,Sollは、ＰM及びＰM,Sollから決定され、当業者によって十分に周知の調整技術のうちの一つ、例えば、Ｐ，ＰＩ又はＰＩＤコントローラを用いて、電圧ＵMの振幅のための制御値は調整差がゼロに調節されるよう設定される。このために、調整差が負であり、従ってＰM＜ＰM,Sollであれば、電圧ＵMの振幅は増やされる。調整差が正であれば、ＵMは減少される。
【００６１】
電流ＩMAXの夫々の最大値は、夫々の圧電モータＭについて予め計算される。圧電共振器を通って流れる電流は、圧電素子が変形される速度に比例する。１０００分の１の線膨張の長手発振器の場合に対応する値から、圧電素子の損傷についてのより高い危険性が生ずる。変形が始まる夫々の値ＩMAXは、使用される圧電共振器について計算されうる。
【００６２】
電流ＩMAXを監視し限界値ＩMAXを超えることを防止する装置は、ここでは第１の実施例についてのみ示される。かかる装置はなくされてもよい。かかる装置は、励起電圧の振幅の可変な設定に基づいて、最大値ＩMAXの超過が排除されない本発明の全ての実施例において使用されうる。
【００６３】
第１の実施例では、モータによって消費される電圧ＰMは、制御値ＰM,Sollに調整される。この制御値は、例えばモータの公称電力に対応する一定の値でありうる。第１の実施例の変形（図示せず）では、制御値ＰM,Sollはモータの各動作状態のための変数となる。このために、モータの速度についての測定値を発生する速度センサがモータＭに設けられる。この値から、夫々の速度に対して必要な電力についての表を用いてデフォルト値が計算される。この電力は、有効電力に対する制御値ＰM,Sollとして調整ユニットにおいて予め決められる。
【００６４】
各圧電モータ及び各適用についての各表は、予め計算される。モータの特徴と、各適用について課される要件とが考慮に入れられる。以下、電気シェーバに用いられる圧電モータについての例として、公称速度２０００Ｕ／分でシャフトを駆動し、公称電力２５０ｍＷのために設計されたものの表を示す。
【００６５】
【表１】
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図７は、本発明の第２の実施例を示すブロック回路図である。モータＭは、やはりボックスとして一般的に示され、電流ＩMが流れるよう駆動回路７０によって励起電圧ＵMが供給される。
【００６６】
駆動回路７０は、調整された電圧供給ユニット７２と電流センサ７４とを含む。電流センサ７４は、電流ＩMを測定するために使用される。これに関して、望ましくは、例えばＩMの有効値の測定がなされうるが、その最大値が決定されるよう正弦波の電流ＩMの振幅の測定がなされてもよい。電流センサ７４の測定の結果は、調整された電圧供給ユニット７２に印加される。
【００６７】
調整された電圧供給ユニット７２は、調整ユニットと、調整ユニットによって制御される電圧供給ユニット（図示せず）を含む。電圧調整ユニットは、調整ユニットのデフォルトと一致した励起電圧ＵMを発生する。次に、調整ユニットは、互いとは独立に、励起電圧ＵMの周波数及び振幅を予め決める。
【００６８】
励起電圧ＵMの周波数は、ＵMとＩMとの間に一定の所定の位相角度が形成されるよう位相調整（図示せず）によって設定される。或る位相角度φOPTについては、これは最適の効率のモータの動作に対応する。夫々の位相調整は、例えば、独国特許公開第１０００８９３７号に記載されている。ここでは詳細な説明についてのみ参照する。位相調整は、最適な効率を有するような周波数でモータを駆動する。これは、共振器がその機械的な共振で励起された場合である。夫々のモータについての正確な位置は、様々な幾何学的及び機械的因子に依存し、従って各適用について決定されねばならない。最適なモータ効率の作動点は、励起電圧と電流の間のある一定の位相角度で達成される。夫々の当該の位相角度は位相検出器によって決定され、励起電圧の周波数は、位相角度が所望の値に設定され、それによりモータが最大の効率で作動するよう予め決められる。
【００６９】
上述の位相調整に基づいて、図６に示される第１の実施例ではかなり費用のかかる有効電力の決定が簡単化される。ＵMの値は調整ユニットによって予め決められ、従って既知であるため、位相角度は更に所望の値に一定に維持され、電流ＩMの振幅のみが電流センサ７４によって測定され、有効な負荷がそこから決定される。
【００７０】
調整ユニットは、このようにして形成された有効電力ＰMについての値を所定の値と比較し、一定の有効電力ＰMが達成されるようＵMの振幅を設定する。電力が低すぎる場合は電圧が高められ、電力が所定の値よりも高い場合は電圧は低くされる。これは、例えば、従来の方法で、調整差を形成し、例えばＰ，ＰＩ、又はＰＩＤコントローラといった公知の調整器を挿入することによって行われうる。
【００７１】
図８は、本発明と同一でない発明の実施例を示す図である。圧電モータＭは、電流ＩMが流れるようここでは駆動回路８０によって励起電圧ＵMが供給されるボックスとして示される。
【００７２】
構成は、図７に示す第２の実施例に対応する。電流ＩMは電流センサ８４によって測定され、この測定された値は、調整された電流供給ユニット８２に印加される。電流供給ユニット８２は、調整ユニットと電圧供給ユニット（図示せず）とを含む。電圧供給ユニットは、調整ユニットの所定の値に従って励起電圧ＵMを発生する。
【００７３】
この実施例で、調整ユニットは、第２の実施例と共に上述した励起電圧ＵMと電流ＩMとの間の一定の位相角度を予め決める位相制御を含む。
【００７４】
しかしながら、本実施例は、調整方法が第２の実施例とは異なる。モータに印加される有効電力ＰMは、もはや明示的には決定されない。しかし、調整ユニットは電流ＩMを制御された変数として使用し、電流ＩMが一定の値に維持されるよう電圧ＵMの振幅を設定する。
【００７５】
電力についての値が決定されなくとも、ここではモータに印加される電力は、負荷が増加することによっては低下しないことが確実とされる。上述の図５ａ乃至図５ｃの等価回路図に関連する説明からわかるように、トルクが増加することにより逆の電圧Ｕiが増加し、それにより一定の電流ＩMを維持するために電圧ＵMの振幅が増加することが必要である。このように、（上述の位相調整により）位相角度φは一定であるため、電流ＩMは一定に調整され、同時に電圧ＵMは上昇し、負荷の増加によりモータに印加される電力が増加する。
【００７６】
この実施例は、強すぎることが予想される負荷の変化を伴う適用におけるモータの使用に望ましい実施例を表わす。一定の電流では、例えば電気シェーバにおける適用のために必要であるために、大きい一定の駆動速度（例えば回転数）から開始しうる。
【００７７】
調整ユニットは、電流ＩMについて電流センサによって生ずる測定値を処理し、そこから設定された制御値との差を形成する。この差は、電圧ＵMの振幅に対する所定の値が計算されるようＰ，ＰＩ又はＰＩＤコントローラに与えられ、それにより差はゼロに減少される。
【００７８】
本発明は、圧電駆動装置及びかかる駆動装置のための調整方法が提案されると要約することができる。ここまで知られている圧電駆動装置は、負荷が増加したときにモータに印加される電力が低下するという特性を示す。かかるモータが使用されうる範囲をかなり制限するかかる挙動は、負荷が増加したときに有効電力が低下しないよう励起電圧の振幅を予め決めることによって克服される。このために、有効電力は、励起電圧と圧電共振器を通って流れる電流とから計算される。或いは、励起電圧と電流との間の所定の固定の位相角度により、電流が一定の値に維持されるよう調整が行われうる。本発明の更なる面は、圧電共振器を通って流れる電流をこの素子が損傷されるのを防止するよう制限するための装置に関連する。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電共振器を示す図である。
【図２】駆動回路と共に圧電共振器を部分的に示す図である。
【図３ａ】圧電回転モータを示す平面図である。
【図３ｂ】図３ａに示す回転モータの側断面図である。
【図４】シェーバ用の圧電駆動装置を示す図である。
【図５ａ】自励式圧電共振器の等価回路を示す図である。
【図５ｂ】圧電モータ中の共振器の等価回路を示す図である。
【図５ｃ】モータが機械的な共振によって駆動されていると想定したときの圧電モータ中の共振器を図５ｂと比較した場合の等価回路を示す図である。
【図６】圧電モータ及び駆動回路を有する本発明の第１の実施例を示すブロック回路図である。
【図７】圧電モータ及び駆動回路を有する本発明の第２の実施例を示すブロック回路図である。
【図８】圧電モータ及び駆動回路を有する、本発明とは同一でない発明の実施例を示すブロック回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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