KR20030044802A - 압전 구동 디바이스 및 압전 구동 디바이스를 조정하기위한 방법 - Google Patents

압전 구동 디바이스 및 압전 구동 디바이스를 조정하기위한 방법 Download PDF

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Abstract

압전 구동 디바이스 및 압전 구동 디바이스를 위한 조정 방법이 제안되어 있다. 이제까지 부하가 증가할 때 모터에 인가되는 전기 전력이 떨어지는 특성을 보여주는 압전 구동 디바이스가 알려져 있다. 이러한 모터의 이용 범위를 강하게 축소시키는 이 작용(behavior)은 부하가 증가할 때 실효 전력이 떨어지지 않도록 여기 전압의 진폭을 미리한정하여 중화된다(counteracted). 이 목적을 위해서, 전기 실효 전력이 여기 전압 및 압전 공진기를 통해 흐르는 전류로부터 결정된다. 대안적으로, 여기 전압과 전류사이에 미리한정된 고정 위상 각이 있으면, 조정은 전류가 일정한 값이 유지되는 방식으로 또한 달성될 수 있다. 본 발명의 다른 양상은, 압전 공진기가 손상되는 것을 피하기 위해서, 이 압전 공진기를 통해 흐르는 전류를 제한하기 위한 유닛에 관한 것이다.

Description

압전 구동 디바이스 및 압전 구동 디바이스를 조정하기 위한 방법{PIEZOELECTRIC DRIVING DEVICE AND A REGULATION METHOD FOR A PIEZOELECTRIC DRIVING DEVICE}
본 발명은 압전 구동 디바이스 및 압전 구동 디바이스뿐만 아니라 전기 면도기를 조정하기 위한 방법에 관한 것이다.
압전 구동 디바이스는, 압전 효과(piezo effect)를 이용하는 동안, 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위한 전기 구동으로서 이용된다. 예컨대, 샤프트 또는 회전자와 같은 이동 부재가 압전 구동 디바이스에 의해 구동된다. 압전 여기를 이용한 기계적 공진기(resonator)는 기계적 발진으로 여기되어서 그 자체에 적당한 진폭 및 주파수를 가지는 하나 이상의 AC 전압이 공급되는 동안 이동 부재를 구동한다.
알려진 압전 구동 디바이스는, 예컨대 CD 드라이브에서 판독/기록 헤드의 이동과 같은, 길이 방향으로 이동 부재를 시프트시키기(shift) 위한 구동 및 회전하는 방식으로 샤프트를 구동하기 위한 구동 양쪽 모두를 포함한다.
압전 구동 디바이스의 구조의 몇몇 변형은 전문가에게 알려져 있으며, 이 디바이스는 하나 이상의 압전 공진기의 발진의 전기적 여기에 모두 기초한다.
압전 구동 디바이스의 알려진 구조는 진행파 모터로서 언급된다. 이러한 구동은, 예컨대 유럽 특허 제 EP-A-0 654 889 호 또는 미국 특허 제 US-A-4,888,514호 에 설명되어 있다. 알려진 진행파 모터(travelling wave motor)는 두 개의 위상-시프트된 AC 전압에 의해 여기된다. 제 1 AC 전압은 AC 전압에 의해 압전기적으로(piezoelectrically) 여기된 기계적 공진기상에 제 1 정상파를 생성한다. 제 1 전압에 비해 위상 시프트된 제 2 전압은 제 2 정상파를 생성한다. 두 개의 파동이 적합한 공간 및 시간 종속적인 시프트를 나타낸다면, 회전파(rotary wave)(진행파)가 형성된다.
압전 구동 디바이스의 다른 알려진 변형은 소위 마이크로 충격 펄스 모터이다. AC 전압을 이용한 여기는 압전기적으로 기계적 발진을 수행하기 위해 기계적 공진기를 여기하며, 공진기는 이동 소자와 주기적으로 충돌하여서 이 이동 소자를 구동한다. 마이크로 충격 펄스 모터에 대한 예는 유럽 특허 제 EP-A-0 633 616 호 및 독일 특허 제 DE-A-198 17 038 호 에 설명되어 있으며, 후자의 특허는 이러한 압전 모터의 기계적 구조를 다룬다.
이러한 구동 디바이스의 압전 소자의 여기는 하나 이상의 여기 AC 전압을 공진기에 공급해서 달성된다. 이를 위해서, 다양한 구동 회로가 알려져 있다. 이 회로는 구동 디바이스를 동작시키기 위해 필요한 AC 전압을 생성하며, 여기 전압의 파라미터 - 더 상세하게는, 진폭, 주파수 및 복수의 여기 전압이 필요하다면 위상까지 - 가 공진기가 원하는 구동 기능을 수행하도록 선택된다. 이는 압전 소자의 공진이 여기되도록 적합한 주파수의 선택을 포함한다.
예컨대 유럽 특허 제 EP-A-0 633 616 호 는, 대각선으로 마주보고 있는 전극을 여기해서 기계적 발진을 생성하는, 4 개의 전극을 가진 압전 세라믹 재료의 플레이트를 기본 소자로서 포함하는 마이크로 충격 펄스 모터를 설명한다. 여기는 AC 전압 또는 펄스 전압(pulsed voltage)의 형태로 달성된다.
미국 특허 제 US-A-5 192 889 호 는 마이크로 충격 펄스 모터에 대한 구동 회로를 설명한다. 구동 회로는 상호 위상 차를 가지는 두 개의 고주파수 AC 전압을 생성하기 위한 유닛을 포함한다. 듀얼 정상파 유형의 마이크로 충격 펄스 모터에 대해서 90 °위상차가 실현된다는 것이 나타내어진다. 더 나아가, 모터는 최적의 여기 주파수에서 구동된다는 것이 나타내어진다. 이 주파수가 변하면, 예컨대, 외부 부하의 결과로서 그에 따라 위상차가 조절된다. 전압/전류 위상이 최소화되도록 여기 전압 및 압전 소자를 통해 흐르는 전류 사이의 위상차 측정에 기초하여 제 1 및 제 2 압전 소자상에 두 개의 여기 전압의 위상 관계를 설정하는 조정 디바이스(regulation device)가 제안되어 있다.
회전 구동을 위한 압전 진행파 모터(piezotraveling wave motor)의 구동은 또한 유럽 특허 제 EP-A 654 889 호에 설명되어 있다. 이 문헌에 따르면, 최대-효율 동작은 특정 여기 주파수에서 달성된다. 압전 모터에 인가된 여기 전압을 조정하게 하는 다양한 조정 유닛이 제안되어 있다. 한편으로, 이러한 AC 전압의 진폭은 하부 한계 및 상부 한계 사이에 설정된다. 실시예의 일예에서, 하부 한계 및 상부 한계 사이에 이 AC 전압의 주파수를 설정하는 것이 또한 제안된다. 실시예의 다른 예에서, 회전자(rotor) 회전 속도를 위한 피드백 조정이 설명되어 있다. 측정 디바이스는 제어 값으로부터의 편차(deviation)가 계산되는 회전자의 회전 속도를 결정한다. 따라서, AC 전압의 진폭이 설정된다. 유럽 특허 제 EP 0 654 889 호의 다른양상은 후자가 최대 효율로 작동하는 압전모터의 최적 동작점의 설정에 관련된 것이다. 이를 위해서, 여기 전압과 모니터링 전압 사이의 위상차를 측정하며 여기 주파수를 변경시켜 모터가 최적의 효율을 가진 동작 모드에 도달하도록 위상차를 조정하는 것이 제안되어 있다.
미국 특허 제 US-A-4,888 514 호는 또한 진행파 압전 모터를 위한 구동 회로를 설명한다. 압전 모터는, 서로 10°내지 170°의 위상차를 갖는 두 개의 여기 AC 전압을 인가하여 여기된다. 압전 소자의 전기적 특성은, 이의 연결 커패시턴스가 진동을 초래하는 인덕턴스, 커패시턴스 및 옴 저항의 직렬 조합에 병렬로 연결되는 등가 회로도에 의해 모델링될 수 있다는 것이 설명되어 있다. 기계적 진동에 비례하는, 등가 회로도의 이 진동 브랜치(vibrating branch)를 통해 흐르는 전류는 측정되어 미리한정된 제어 값과 비교된다. 압전소자를 통해 흐르는 전류와 이로 인한 회전 속도는 본질적으로 일정하도록 여기 주파수가 설정된다. 그러나, 모터 특성의 설명으로부터, 회전 속도가 부하가 증가함에 따라 떨어진다는 것을 알 수 있다. 또한 여기 전압의 진폭이 조정될 수 있다는 것이 설명되어 있다.
독일 특허 제 DE-A-199 42 269 호는 마이크로 압전모터(piezomotor) 및 이를 위한 구동 회로를 설명한다. 이 구동 회로는 조정을 위해 필요한 피드백 신호가 수동 제어 전극에 의해 항상 결정되는 압전소자에 특별한 센서 전극이 없이도 제 역할을 할 수 있다. 구동 회로는 공진기가 최대 효율로 구동되도록 하는 주파수로 매번 압전 공진기를 여기한다. 여기 전압의 진폭은 이와 연계하여 조정된다. 이 목적을 위해서, 피드백 신호의 진폭 또는 여기 전압과 피드백 신호 사이의 위상차 중어느 하나가 평가된다.
압전모터를 위한 다른 구동 회로가 일본 특허 JP-A-3-145 976 호에 설명되어 있다. 이 문헌에서는, 모터로의 전선 안으로 삽입된 인덕턴스의 입력과 출력 전압 사이의 위상차가 결정되며 여기 전압의 각 주파수를 설정함으로써 조정된다.
일본 특허 JP-A-2-226285 호는 압전모터를 위한 구동 회로를 설명한다. 구동 회로로부터 압전 공진기를 통해 흐르는 전류는 적합한 여기 주파수가 설정된다는 점에서 일정한 값으로 조정된다. 그러나, 이러한 방식으로 고-효율 동작점에서 모터를 계속해서 구동하는 것은 가능하지 않다는 것이 이후 상기되어야 한다.
독일 특허 DE-A-100 08 937 호는 압전모터를 위한 위상 제어를 설명한다. 대안적으로, 여기 전압의 위상은 압전소자를 통해 흐르는 전류의 위상과 비교되거나 또는 여기 전압의 위상은 압전소자의 센서 전극상에서의 전압의 위상과 비교된다. 여기 전압의 주파수는, 원하는 비-제로 위상차가 전개되도록(evolve) 조정기(regulator)를 통과해서 설정된다.
본 발명의 목적은, 만족스러운 동작이 가변 부하에 따라 또한 가능하도록 모터의 구동이 달성되는, 전기 면도기뿐만 아니라 압전 구동 디바이스 및 이를 위한 조정 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1 및 청구항 6에 청구된 바와 같은 압전 구동 디바이스와 청구항 9에 청구된 바와 같은 동일한 것을 포함하는 전기 면도기와 청구항 10에 청구된 바와 같은 이러한 구동 디바이스를 위한 조정 방법에 의해 또한 달성된다. 종속 항은 본 발명의 유리한 실시예에 관련된다.
본 발명에 따른 구동 디바이스는 압전 공진기외에도 공진기에 적어도 하나의 여기 AC 전압을 공급하기 위한 구동 회로를 포함하며, 이 여기 AC 전압의 진폭은 구동 디바이스에 충분한 실효 전력이 공급되도록 설정된다. 이러한 관점에서 본 발명은, 임의 구성의 압전모터가 일정한 진폭을 가진 여기 전압에 의해 구동될 때 부하가 증가함에 따라 더 많은 전력을 소비하는 것이 아니라 더 적은 전력을 소비한다는 것을 나타낸다. 이는 예컨대, 회전 샤프트를 구동하는 압전모터에 대해서, 회전수는 부하가 증가함에 따라 급속하게 떨어진다는 점에서 표현된다. 이 모터 특성은, 일정한 전압으로 구동된다면 토크(torque)가 증가할 때 더 많은 전류와 이로 인한 더 많은 전력을 소비하는, 종래의 전기모터로부터 압전모터를 구분한다.
여기 전압의 진폭만이, 예컨대 매분당 회전수(rpm, revolutions per minute)의 변화를 상쇄하기 위해 증가되었던 종래-기술의 해결책은 불충분한 것으로 판명되었다. 압전모터에 대해서는, 전자제품을 구동하기 위한 환경 조건에 따라 변하는 복소 부하(complex load)가 문제이다. 그러므로, 전압의 진폭에 대한 모터 전력의 의존은 반드시 항상 선형적이지 않다.
청구항 1 에 따라서, 실효 전력이 부하가 증가함에 따라 떨어지지 않도록 공진기에 인가되는 실효 전력이 결정되고 여기 전압의 진폭이 설정된다. 이는 실효 전력이 부하가 증가해도 여전히 일정하도록 하는 구동을 포함하다. 그러나, 이상적으로, 매분당 회전수가 일정한 레벨에서 주로 유지될 수 있도록, 모터에 인가되는 입력 전력이 부하가 증가함에 따라 상승하는 실시예가 바람직하다.
실효 전력을 결정하기 위한 유닛이 실질적으로 순수하게 기능적인 것으로 이해되어야 하는데, 즉 이는 상기 목적만을 달성하는 역할을 하는 별도의 회로나 어샘블리가 아니어야 한다. 실효 전력을 계산하기 위해 필요한 정보는 공진기에 인가되는 전압과 공진기를 통해 흐르는 전류를 통해서 존재하며 적합하게 결합되어서 그 결과 부하가 걸린 상황에서 실효 전력이 실질적으로 일정하게 남아있게 하는 목표가 여기 전압의 진폭을 적합하게 설정하여 달성될 수 있다는 점이 오히려 더 결정적 요인이다.
실효 전력이 일정하게 남아 있도록 항상 실효 전력이 결정되며 진폭이 설정되는 방식으로 조정이 달성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에 따라, 부하가 증가하는 경우에 소비 전력이 떨어지는 것을 막기 위한 목표는, 전력에 대한 각 제어 값이 일정한 것이 아니라 센서의 측정된 데이터에 기초하여 결정된다는 점에서 또한 달성될 수 있다. 이는 바람직하게는 모터의 이동 소자의 속도(velocity)를 위한 센서, 즉 회전 구동에 대한 속도 센서이다. 사용되는 압전모터 및 삽입될 수 있는 디바이스에 관한 지식에 기초하여, 원하는 전력 값이 각각 측정된 속도(또는 회전수)에 대해 미리한정되는, 할당(assignment) - 예컨대 표의 형태로 또는 수학 함수의 형태로 - 이 이루어질 수 있다. 예컨대, 속도 센서가 모터는 공칭 속도(nominal speed)로 작동하고 있다고 보고하면, 모터의 공칭 전력(nominal power)이 전력을 위한 제어 값으로서 설정된다. 속도의 측정이 모터 속도의 강하(drop)를 보여준다면, 모터 전력에 대한 제어 값이 더 높은 레벨로 설정되는 것이, 예컨대 표를 통해 미리한정된다. 모터 특성 및 각 응용에 관한 지식이 고려되면서, 이러한 모터등급(motor rating)에 대한 더 높은 제어 값이 당업자에 의해 미리한정된다.
이러한 관점에서, 압전 공진기는 완전한 옴 부하(ohmic load)가 아니다라는 것이 상기되어야 한다. 대신에, 종래의 기술로부터 또한 알려진 바와 같이, 여기 전압과 공진기를 통해 흐르는 전류사이에 가변 위상차가 일반적으로 존재한다. 전류 및 전압의 정현 패턴(sinusoidal pattern)이 가정되는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 실효 전력은 여기 전압의 진폭, 전류의 진폭 및 여기 전압과 전류사이의 위상 각으로부터 일반적으로 결정된다. 이는 상기 크기(magnitude)의 개별적인 측정 및 후속하는 계산에 의해 달성될 수 있다.
그러나, 본 발명의 다른 양상에 따라서, 위상 각은 계속해서 측정되는 것이 아니지만 구동 회로는 위상 각이 알려진 값에서 일정하게 유지되도록 여기 전압의 주파수를 제공한다. 위상 각에 대해 이 알려진 값으로부터 시작해서, 실효 전력이 전류 및 전압의 진폭을 검출하여 매우 쉽게 계산될 수 있다. 여기 전압의 진폭 값이 본 발명에 따라 미리한정되므로, 이는 알려진 것으로 여겨질 수 있으므로 더 이상의 측정을 필요로 하지 않는다. 공진기를 통해 흐르는 전류의 진폭을 측정하는 것이 이 크기의 최대 값을 검출하여 유리하게 달성될 수 있다.
바람직하게는, 이러한 조정은, 모터가 최적의 작동 방식, 즉 이의 기계적 공진으로 항상 구동된다는 점에서 수행된다.
청구항 5 에 청구된 바와 같이 상기 목적의 독립적 달성에서, 여기 전압의 주파수 및 진폭 양쪽 모두 조정을 위한 제어 변수로서 이용된다. 주파수가, 위상 각이 일정한 레벨에서 계속 유지되도록 미리한정되는 반면, 여기 전압의 진폭은 전류의 진폭이 여전히 일정하도록 설정된다. 전류의 진폭은 전기 공진기의 변형의 속도와 그에 따라 회전수에 거의 비례하는 회전 구동에 대한 측정치이다. 전류의 진폭을 일정한 값으로 조정하면, 회전수는 본질적으로 일정하게 유지된다. 이는, 부하가 증가함에 따라 결과적으로 낮아지는 전류의 진폭이 여기 전압의 진폭의 증가에 의해 상쇄되므로, 부하가 증가하면, 실효 전력은 증가한다는 것을 보장한다. (일정하며 위상 조정 유닛에 의해 고정적으로 미리한정된) 위상 각뿐만 아니라 증가하는 전압과 일정한 전류로, 실효 전력의 증가는 부하가 증가될 때 달성된다.
본 발명의 다른 양상은 압전 공진기를 통해 흐르는 전류에 관한 것이다. 여기 전압의 진폭의 가변적 설정으로 압전 공진기를 통해 흐르는 전류는 급격하게 증가할 수 있다. 각각의 모터에 대해 계산되어질 상부 한계 값을 전류가 초과하면, 공진기는 아마도 대부분 파괴될 것이다. 본 발명의 다른 양상에 따라, 그러므로 공진기를 통해 흐르는 전류를 제한하기 위한 유닛이 제공된다. 이 유닛은, 미리한정된 임계 전류 값이 초과되기만 하면 활성화되고 이 경우 예컨대 여기 전압의 진폭을 감소시켜, 그 결과 더 적은 전류가 설정되고 공진기에 대한 손상의 위험이 줄어드는, 추가적인 제어 루프일 수 있다.
본 발명의 이러한 양상 및 다른 양상은 이후 설명되는 실시예로부터 명료하며 이 실시예를 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 압전 공진기를 나타내는 개략도.
도 2는 구동 회로를 가진 압전 공진기를 부분적으로 나타내는 개략도.
도 3a는 압전 회전 모터의 평면도.
도 3b는 절단된 도 3a의 회전 모터의 측면도.
도 4는 면도기에 대한 압전 구동을 나타내는 개략도.
도 5a는 프리-러닝 압전 공진기(free-running piezoelectric resonator)에 대한 등가 회로도.
도 5b는 압전모터의 공진기에 대한 등가 회로도.
도 5c는 모터가 기계적 공진으로 구동된다는 가정하에, 도 5와 비교하여 간략화된 압전모터의 공진기의 등가 회로도.
도 6은 압전모터 및 구동 회로를 가진 본 발명의 제 1 실시예의 블록 회로도.
도 7은 압전모터 및 구동 회로를 가진 본 발명의 제 2 실시예의 블록 회로도.
도 8은 압전모터 및 구동 회로를 가진 본 발명의 제 3 실시예의 블록 회로도.
먼저 알려진 압전모터의 구조 및 이를 동작시키는 방법이 일반적으로 설명될 것이다.
도 1은 압전 공진기(10)의 마이크로 충격 펄스의 원리에 따라 작동하는 압전모터의 일부분을 도시한다. 이는 압전 재료로 된 평평한 플레이트이다. 공진기(10)의 좁은 전면은 이동 소자(20)에 대해서 눌려지는 스페이서(12)를 가진다.
도시된 공진기(10)의 상부 위에, 4개의 전극(14a, 14b, 16a, 16b)이 배열되어 있다. 대각선으로 배열된 전극(14a, 14b 및 16a, 16b)은 각각 쌍을 형성한다. (미도시된) 공진기의 배면 위에 전체 표면을 커버하는 뒤판 전극(backplate electrode)이 배열되어 있다.
이러한 압전 공진기를 이용하는 압전 구동을 동작시키는 원리 및 기계적 방법은 당업자에게 알려져 있으며 그러므로 여기에서는 상세하게 설명되지 않는다. 도 1은 괘선으로서 정지 상태의 공진기의 외부 에지를 도시한다. 실선으로 도시된 - 공진기는 전극상에서 여기의 결과로서 변형된다. 도 1의 과장된 표현으로부터 분명하게 보이는 바와 같이, 공진기(10)는 쌍으로 연관된 전극(16a, 16b 및 14a, 14b)에 각각의 전압을 인가하여 변형될 수 있다. 적합한 주파수를 가지는 AC 전압을 이용한 전극 쌍{14a,14b(이동의 제 1 방향에 대해서) 및 16a,16b(이동의 반대 방향에 대해서)}의 여기의 결과로서, 공진기(10)는 스페이서(12)가 진동(movement)으로서 이동 소자(20)로 전송하는 기계적 발진으로 여기될 수 있다.
도 2는 단자(36)의 맞은편에 단자(32,34)상에서 이용가능한 정현파 AC 전압을 제공하는 구동 회로(30)를 일반적으로 도시하는데, 이 전압에 의해서 공진기(10)가 여기된다. 단자(36)는 이 목적을 위해서 공진기 플레이트(10)의 배면 위에 (미도시된) 배면 전극에 연결된다. 원하는 이동 방향에 의존하여, 전극쌍(14a, 14b 또는 16a, 16b)을 여기하기 위한 AC 전압이 단자(32 또는 34)에서 여기된다. 이후 구동 회로(30)는 단자(32,34)에서 구동 전압의 주파수 및 진폭 양쪽 모두를 설정할 수 있다. 각 이동 방향에 대해서, 공진기(10)는 하나의 AC 전압에 의해서만 여기된다.
추가로, 도 2는 배면 전극으로부터 단자(36)로 흐르는 전류(I)를 측정하는 전류 센서(22)를 도시한다. 전류 센서(22)의 측정 신호는 구동 회로의 단자(38)로부터 태핑되며(tapped) 이후 설명되는 바와 같이 조정을 위해 이용된다.
당업자에게 알려진 압전 모터의 다른 실시예가 도 3a, 3b에 도시되어 있다. 이는, 예컨대 유럽 특허 제 EP-A-0 654 889 호에 설명되는 바와 같은 회전 구동에 대한 전기 진행파 모터(electric running wave motor)(40)이다. 모터(40)는 회전자(42) 및 압전소자(46)를 구비한 고정자(stator)(44)를 포함한다. (미도시된) 배면 전극뿐만 아니라 구동 전극(48a,48b) 및 모니터 전극(48d)은 도 3a에 분리되어 도시된 압전소자(46)상에 배열된다. 전극(48a,48b)은 90°위상차를 가지는 두 개의 전기 AC 전압에 의해 여기되어서, 회전자(42)를 회전시키는 진행파가 전개된다.
도 4는, 압전 구동이 전기 면도기안으로 삽입되는, 길이방향으로의 이동을 생성하기 위한 마이크로 충격 펄스 구동의 응용의 예를 도시한다. 압전 공진기(10)는 태핏(tappet)(12)으로 횡방향으로의 이동 소자(50)를 횡방향으로 구동한다. 이는 제 2 커팅 블레이드(cutting blade)(54)에 대한 제 1 커팅 블레이드(52)의 이동을 제공한다.
압전 공진기 및 압전 공진기로부터 만들어지고 위에서 기술한 압전 구동뿐만 아니라 그 이용 가능성이 도시적 목적만을 위해서 여기에 도시된다. 당업자는 매우 많은 압전 구동 및 이의 응용을 잘 알고 있다.
이후 당업자에게 충분히 잘 알려져 있으며 이동 소자를 구동하기에 적합한 공진기 발진을 생성하기 위한 수단은 더 이상 여기에서 설명되지 않지만 이러한 압전 구동의 전기적 특성은 일반적인 방법으로 검사될 것이다.
일정한 공급 전압에 의해 구동되는 영구 자석 DC 모터에 대해서, 상승하는 토크가 전달됨에 따라 모터에 인가되는 전력이 증가한다는 것이 알려져 있다. 이러한 모터 특성은 많은 응용에서 지극히 유리한 것으로 증명되었다. 토크가 부하 변화의 결과로서 증가한다면, 모터는 더 많은 전류와 이로 인해 더 많은 전력을 자동적으로 취하며(take up), 그 결과 전달된 토크는 증가하고 이 추가적인 부하가 극복될 수 있다.
압전 마이크로 충격 펄스 구동의 각 특성을 주목하면, 완전히 다른 방법이 보인다. 공급 전압이 일정하게 유지되면(공급전압은 AC 전압이며, "일정하게 유지되는"은 여기서 진폭을 언급한다), 모터에 의해 소비되는 전력은 토크가 증가함에 따라 감소한다. 이는 부하 변화가 고려되어야 하는 이러한 응용에 대한 모터의 적응성을 감소시킨다. 예컨대, 면도기가 압전모터에 의해 구동되면(도 4와 비교), 모터에 대한 기계적 저항은, 각각 면도기가 공전하고(idling) 있거나 수개의 털 또는 두꺼운 턱수염을 커팅하는지에 관한 사실에 의존하여, 매우 가변적이다. 실제적으로 도시된 작용(behavior)은 모터가 쉽게 더 큰 부하하에 정지한다는 점에서 표현되었다.
원칙적으로, 이 작용은 도 5a,5b 로부터 유도되는 등가 회로도에 의해 설명될 수 있다. 이는 알려진 모든 유형의 압전모터에 대해 적용될 수 있다.
도 5a는 단자 커패시터(C0) 및 인덕턴스(LM){이는 발진하는 접지(oscillating ground)를 나타낸다}, {강도(rigidity)를 나타내는} 커패시턴스(CM)와 {댐핑하는(damping)} 옴 저항을 가지는 기계적 브랜치로 이루어진 자유롭게 발진하는 압전공진기의 등가 회로도를 도시한다. 기계적 브랜치를 통해 흐르는 전류(IM)는 AC 전압(U~) 인가에 의해 유발되는 변형 속도에 대한 측정치이다.
일반적으로 위에서 설명되는 바와 같이, 압전구동의 공진기는 러너(runner) 또는 회전자로서 도시되는 이동 부재를 주기적으로 밀어낸다. 도 5b 는 압전모터의 이 공진기의 등가 회로도를 도시한다. 이후 공진기는 도 5b 의 등가 회로도에서 내부 전압(Ui)에 의해 고려되는 임팩트(impact)를 생성한다.
도 5c 에 도시되는 바와 같이 모터의 간략화된 등가 회로도에서, 모터가 이의 기계적 공진으로 동작한다고 가정되는 동안, 시간에 따라 변하는 전압 및 전류로부터 모터 특성 상에서 각 동작점에서 항상 일정한 평균 값으로의 변화(transition)가 존재한다.
이 등가 회로도에서 전류(IM)의 진폭은 실제적으로 공진기의 변형 속도의 함수이다. 모터 속도는 변형 속도로부터 유도되므로, 전류(IM)는 또한 모터 속도(회전 성분의 경우에) 또는 러너의 공급(feed)의 속도(길이방향으로의 구동인 경우에)에 대한 측정치이다.
전압()은 공진기에 의해 유발된 임팩트의 함수이다. 모터에 의해 생성된 전력 또는 모터에 의해 유발된 토크는 이 임팩트로부터 유도되므로, 전압은 또한 각각 전력 또는 토크에 대한 파라미터이다.
일정한 공급 전압()에 대해서, 모터에 의해 생성된 모멘트가 부하 변화의 결과로서 증가한다면,는 상승할 것이다. RM에 걸친 전압 강하는 더 작아진다. 전류(IM)는 감소하며, 이는 속도의 감소에 해당한다. 토크가 증가함에 따라서 압전 모터에 의해 소비되는 전력은 떨어진다. 결과적으로 공전 속도 근처에서 효율적인 동작에 대해 구성되는 상기 유형의 마이크로 충격 펄스 모터는 부하가 변하는 경우에 또한 큰 속도 변화를 가진다는 것이다.
큰 부하 변화가 예측될 수 있는 응용에 대해서 압전모터를 이용하기 위해서, 다음은 모터에 인가되는 여기 전압이, 모터에서 토크가 상승하더라도 모터 전력은 적어도 일정하거나 증가하기조차 하도록 항상 설정되는, 구동 회로의 세 가지 실시예를 설명할 것이다.
다음 예는 압전 공진기를 포함하는 모터(M)를 가정한다. 이 공진기는 예에서 하나의 여기 AC 전압만으로 동작된다. 그럼에도 불구하고, 예컨대 유럽 특허 제EP-A-0 633 616 호에 설명되는 바와 같이, 예컨대 복수의 공진기를 구비하는 압전모터에 대해 이제 알려진 모든 유형의 압전모터에 대해 쉽게 일반화될 수 있도록 상기 예가 이해될 것이다. 하나의 AC 전압에만 의해서가 아니라 두 개(또는 그 이상의) AC 전압에 의해 여기되는 공진기가 이용되면, 다음 예는, 한편으로는, 여기 전압 중 단지 하나 및 전력에 관해 연관된 전류가 고려되도록 이용될 수 있다. 다른 전압의 진폭은 이후 관련 전압의 진폭에 동일하도록 설정될 것이다. 대안적으로, 각 쌍은 여기 전압 및 연관된 전류에 의해 개별적으로 조정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예를 블록 회로도로 도시한다. 적어도 하나의 압전소자를 포함하는 압전모터(M)는 일반적으로 박스로서 도시되어 있다. 당업자에게 알려진 압전소자의 모든 기하학적 구조(geometry) 및 유닛은 이 압전모터에 대해 적격(eligible)이다.
압전모터(M)에는 구동 회로(60)에 의해 전력이 공급된다. 이 회로는 제어 전압 공급 유닛(62), 전력 측정 유닛(64) 및 피크 전류 센서(66)를 포함한다. 피크 전류 센서(66)는 전압 공급 유닛(62)으로부터 모터(M)으로 흐르는 전류(IM)의 피크 전류를 감지하여 감지 동작의 결과를 전압 공급 유닛(62)에 인가한다. 전력 측정 유닛(64)은, 전압 공급 유닛(62)에 의해 모터(M)에 인가되는 여기 전압(UM) 및 모터를 통해 흐르는 전류(IM)로부터 모터(M)에 의해 소비되는 실효 전력(PM)을 결정하여 이 측정의 결과를 전압 공급 유닛(62)에 인가한다. 두 개의 측정 유닛, 즉 전력 측정 유닛(64) 및 피크 전류 측정 유닛(66)은 여기에서 이상적인 것으로 고려되는데,즉 측정되는 전압 및 전류는 측정에 의해 변경되지 않는다.
여기 전압(UM) 및 공진기를 통해 흐르는 최종 전류(resulting current)(IM)는 졍현파 변수이다. 따라서, 여기 전압(UM)의 파형은 이의 진폭, 주파수 및 위상 위치에 의해 전적으로 결정된다. 본 명세서에서 이하의 조정은 먼저 여기 전압(UM)의 진폭의 조정만을 다룬다. 당업자는 생성되는 AC 전압의 진폭 및 주파수가 상호 독립적인 방법으로 미리한정될 수 있는 해당 회로를 잘 알고 있다. 본 예에서, 여기 전압(UM)의 주파수는 논의되지 않는다. 공진기가 구동 효과를 달성하기 위해 여기되도록, 당업자는 주파수를 개별적으로 선택할 수 있다. 바람직하게 여기 전압(UM)은 가능한 한 높은 효율을 가진 안정된 동작점에서 이의 공진 주파수에 가깝게, 이상적으로는 이의 기계적 공진으로 공진기가 동작하도록 하게 하는 주파수를 가진다.
당업자는 전류(IM)를 측정하기 위한 전류 센서를 잘 알고 있다. 연속적인 전류 측정으로부터의 피크 값은 아날로그 회로의 형태로 또는 이후, 예컨대 수치적인 형태(numerical form)로 직접적으로 본 명세서에서 결정될 수 있다.
전력 측정 유닛(64)은 전류(IM) 및 전압(UM)으로부터 모터(M)에 의해 소비되는 실효 전력(PM)을 결정한다. 이후 IM및 UM에서의 정현파 파형 및 동일한 주파수가 이로부터 시작된다. 따라서, 실효 전력은 전류( M) 및 전압( M)의 진폭을 결정하여 결정되어 진다. 위상 검출에 대해 알려진 측정치는, 예컨대 제로-크로싱(zero-crossing)의 비교에 의해 위상 각()을 제공한다. 실효 전력(PM)은 다음 수식의 결과이다.
PM= M* M* cos
조정 전압 공급부(62)는, 한편으로는 조정 유닛을, 다른 한편으로는, 조정 유닛에 의해 제어되는 (미도시된) 전압 공급 유닛을 포함한다. 다음의 조정 방법(regulation strategy)에 따라서, 조정 유닛은 측정된 값(IPEAK및 PM)을 처리하며 여기 전압(UM)의 진폭을 설정한다.
값(IPEAK)이 최대 값(IMAX) 아래에 위치하는지 여부가 테스트된다. 그럴 경우라면, 값(IPEAK)은 이후 조정에 대해 무시된다. 그러나, IPEAK가 값(IMAx)을 초과하면, 전압(UM)의 진폭은 IPEAK< IMAx될 때까지 감소된다.
모터의 정상 동작 동안, 즉 IPEAK< IMAx인 한, PM이 일정한 제어 값(PM,Soll)에서 유지되도록 UM의 진폭은 조정된다. 이 목적을 위해서, 조정 차이(PM- PM,Soll)가 PM및 PM,Soll으로부터 결정되고, 당업자에게 충분히 잘 알려진 조정 방법 중 하나의 도움으로, 예컨대 P, PI 또는 PID 제어기에 의해서, 전압(UM)의 진폭에 대한 제어 값은 조정 차이가 영(zero)으로 조절되도록 설정된다. 이 목적을 위해서, 조정 차이가 음의 값, 즉 PM< PM,Soll이면, UM의 진폭은 증가한다. 조정 차이가 양의 값이면, UM은 감소된다.
전류에 대한 각각의 최대값(IMAX)은 각각의 압전모터(M)에 대해 미리 계산된다. 이후 압전 공진기를 통해 흐르는 전류는 압전소자가 변형되는 속도에 비례한다. 길이방향 발진기의 경우에 1/1000 의 선형 확장과 상응하는 값으로부터, 증가된 위험은 압전소자에 손상을 일으킨다. 이러한 변형이 시작되는 각각의 값(IMAX)은 이용되는 압전 공진기에 대해 계산될 수 있다.
전류(IM)를 모니터링하며 한계 값(IMAX)의 초과를 피하기 위한 구성은 본 명세서에서 제 1 실시예와 연계하여 표현되어 있다. 이러한 구성은 또한 생략될 수 있다. 여기 전압의 진폭의 가변적 설정에 기초하여, 최대 값(IMAX)의 초과가 제외되지 않는 그러한 구성이 본 발명의 모든 실시예에서 또한 이용될 수 있다.
제 1 실시예에서, 모터에 의해 소비되는 전력(PM)은 제어 값(PM,Soll)으로 조정된다. 이 제어 값은, 예컨대 모터의 공칭 전력에 해당하는 일정한 값일 수 있다. (미도시된) 제 1 실시예의 변형에서, 제어 값(PM,Soll)은 모터의 각각의 동작 상태에 대해 가변적이다. 이 목적을 위해서, 속도 센서는 모터 속도에 대한 측정 값을 생성하는 모터(M) 상에 제공된다. 이 값으로부터, 디폴트 값이 각각의 속도에 대해 필요한 전력에 대한 표의 도움으로 계산된다. 이 전력은 실효 전력에 대한 제어 값(PM,Soll)으로서 조정 유닛에 미리한정된다.
각 압전모터 및 각 응용에 대한 각각의 표가 미리 계산되어져 있다. 한편으로는 모터 특성이 다른 한편으로는 각 응용에 대해 취해진 요구조건이 고려된다. 2000 U/min 의 공칭 속도에서 샤프트를 구동하며 250 mW 의 공칭 전력에 대해 설계된, 전기 면도기에서 이용되는 압전모터에 대한 이러한 표가 예로서 이후 도시되어 있다.
측정된 속도 PM,Soll
1500 rpm 400 mW
1800 rpm 300 mW
2000 rpm 250 mW
도 7은 본 발명의 제 2 실시예의 블록 회로도를 도시한다. 마찬가지로 모터(M)는 일반적으로 박스로서 표현되어 있으며, 이 모터에는 구동 회로(70)에 의해 여기 전압(UM)이 제공되어서 전류(IM)가 흐르게 된다.
구동 회로(70)는 조정 전압 공급 유닛(72) 및 전류 센서(74)를 포함한다. 전류 센서(74)는 전류(IM)를 측정하기 위해 이용된다. 이러한 관점에서, 예컨대 IM의 실효 값의 측정이 이루어질 수 있지만, 바람직하게는, IM의 최대 값이 결정된다는 점에서 정현파 전류(IM)의 진폭의 측정이 이루어질 수 있다. 전류 센서(74)의 측정의 결과는 조정 전압 공급 유닛(72)에 인가된다.
조정 전압 공급 유닛(72)은 조정 유닛과 이 조정 유닛에 의해 제어되는 (미도시된) 전압 공급 유닛을 포함한다. 전압 공급 유닛은 디폴트의 조정 유닛과 함께(in line with) 여기 전압(UM)을 생성한다. 이후 조정 유닛은 서로에게 독립적으로 여기 전압(UM)의 주파수 및 진폭을 미리한정한다.
여기 전압(UM)의 주파수는, 일정한 미리설정된 위상 각이 UM과 IM사이에 형성되도록 (미도시된) 위상 조정부에 의해 설정된다. 특정 위상 각( OPT)에 대해서, 이는 최적의 효율로 모터를 동작시키는 것에 해당한다. 각각의 위상 조정이, 예컨대 독일 특허 제 DE-A-100 08 937 호에 설명되어 있다. 상세한 설명은 여기에 언급되기만 한다. 위상 조정은 모터가 최적의 효율을 가지도록 하는 주파수로 이 모터를 구동한다. 이는 공진기가 이의 기계적 공진으로 여기되면 가능한 경우이다. 각각의 모터에 대해 정확한 위치는 다양한 기하학적 요소 및 기계적 요소에 따라 좌우되며 그러므로 각 응용에 대해 결정되는 것이다. 최적의 모터 효율을 가지는 동작 점은 여기 전압 및 전류 사이의 특정의 고정 위상 각으로 도달된다. 위상 각이 원하는 값으로 설정되도록, 각각의 문제가 되는 위상 각(topical phase angle)이 위상 검출기에 의해 결정되어 여기 전압의 주파수가 미리한정되므로, 모터는 최대의 효율로 작동하게 된다.
위에서 설명된 위상 조정에 기초하여, 도 6에 도시된 제 1 실시예에서 다소 비용이 드는 실효 전력의 결정이 간략화되어 있다. UM의 진폭 값이 조정 유닛에 의해 어쨌든 미리한정되어 알려져 있으므로, 위상 각은 원하는 값에서 추가적으로 일정하게 유지되며, 전류(IM)의 진폭만이 전류 센서(74)에 의해 측정되고 액티브 부하(active load)가 이로부터 결정된다.
조정 유닛은 실효 전력(PM)에 대해 이와 같이 형성된 값을 미리한정된 값과비교하여 UM의 진폭을 설정하므로, 그 결과 일정한 실효 전력(PM)이 달성된다. 전력이 너무 낮으면, 전압은 증가되고 전력이 미리한정된 값보다 더 높으면 전압은 감소한다. 이는, 예컨대 종래적으로 조정 차이를 형성하여 알려진 조정기, 예컨대 P, PI 또는 PID 제어기를 삽입하여 달성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예를 도시한다. 마찬가지로 박스로서 도시된 압전모터(M)는 본 명세서에서는 구동 회로(80)에 의해 여기 전압(UM)이 공급되어 그 결과 전류(IM)가 흐르게 된다.
구성은 도 7 에 도시된 제 2 실시예에 해당한다. 전류(IM)는 전류 센서(84)에 의해 측정되며 이 측정된 값은 조정 전류 공급 유닛(82)에 인가된다. 전류 공급 유닛(82)은 조정 유닛 및 (미도시된) 전압 공급 유닛을 포함한다. 전압 공급 유닛은, 조정 유닛의 미리한정된 값에 따라서 여기 전압(UM)을 생성한다.
또한 제 3 실시예에서 조정 유닛은, 제 2 실시예와 연계하여 위에서 설명된 위상 제어를 포함하며, 상기 위상 제어는 여기 전압(UM) 및 전류(IM) 사이의 일정한 위상 각을 미리한정한다.
그러나 제 3 실시예는 조정 방법에 의해 제 2 실시예와 구분된다. 모터에 인가된 전기 실효 전력(PM)은 더 이상 명료하게 결정되지 않는다. 그러나 조정 유닛은 제어 변수로서 전류(IM)를 이용하며 전압(UM)의 진폭을 설정하므로 그 결과전류(IM)는 일정한 값으로 유지된다.
전력에 대한 값이 결정되어질 필요가 없다할지라도, 부하가 증가함에 따라 모터에 인가되는 전력은 떨어지지 않는다는 것이 본 명세서에서 확인된다. 등가 회로도 5a 내지 5c 와 연계한 설명으로부터 인지될 수 있는 바와 같이, 증가된 토크는 역 전압(reverse voltage)(Ui)의 증가를 유도하여, 그 결과 일정한 전류(IM)를 유지하기 위해서 전압(UM)의 진폭의 증가가 필요하게 된다. 이와 같이 위상 각()이 일정하므로(위상 조정 때문에, 상기 참조), 전류(IM)는 일정하도록 조정되며 동시에 전압(UM)은 상승하며, 증가된 부하는 모터에 인가된 전기 전력의 증가를 유도할 것이다.
상기 제 3 실시예는, 강하다고 예측될 수 있는 부하 변화를 가진 응용에서의 모터의 이용에 대한 바람직한 실시예를 나타낸다. 일정한 전류로 인한, 주로 일정한 구동 속도(예컨대, 회전수)는, 예컨대 전기 면도기의 응용에 대해 필요한 만큼의 구동 속도로부터 시작될 수 있다.
조정 유닛은 전류(IM)에 대한 전류 센서(84)에 의해 생성된 측정 값을 처리하며 이로부터 설정된 제어 값과의 차이를 형성한다. 이 차이는 P, PI 또는 PID 제어기에 인가되어서 전압(UM)의 진폭에 대해 미리한정된 값이 상기 제어기로부터 계산되어, 그 결과 이 차이가 영(zero)이 된다.
본 발명은 압전 구동 디바이스 및 이러한 구동 디바이스를 위한 조정 방법이제안된다는 관점에서 요약될 수 있다. 이와 같이 알려진 압전 구동 디바이스는, 부하가 증가할 때 모터에 인가된 전기 전력이 떨어지는 특성을 보여준다. 이러한 모터가 이용될 수 있는 범위의 상당한 한계를 유도하는 이러한 작용은, 부하가 증가할 때 실효 전력이 떨어지지 않도록 여기 전압의 진폭이 미리한정된다는 점에서 중화된다(counteract). 이러한 목적을 위해서, 전기 실효 전력은 여기 전압 및 압전 공진기를 통해 흐르는 전류로부터 계산되어 진다. 대안적으로, 미리한정된 고정 위상 각이 여기 전압과 전류사이에 있다면, 조정은 전류가 일정한 값으로 유지된다는 점에서 또한 달성될 수 있다. 본 발명의 다른 양상은, 압전 공진기가 손상을 입는 것을 피하기 위해서 압전 공진기를 통해 흐르는 전류를 제한하기 위한 장치에 관한 것이다.
상기 발명은 압전 구동 디바이스 및 전기 면도기뿐만 아니라 압전 구동 디바이스를 조정하는데 효과적이다.

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 압전 공진기(piezoelectric resonator)(10), 및
    기계적 발진을 여기시키기 위한 적어도 하나의 여기 AC 전압(UM)을 상기 공진기(10)에 공급하기 위한 구동 회로(30,60,70,80)를 포함하는, 압전 구동 디바이스로서,
    상기 여기 전압(UM) 및 상기 압전 공진기(10)를 통해 흐르는 전류(IM)로부터 상기 공진기(10)에 인가된 실효 전력(PM)을 결정하기 위한 유닛을 포함하고,
    상기 구동 회로(30,60,70,80)는, 상기 구동 디바이스가 동작중일 때, 상기 여기 전압의 진폭이, 상기 소비되는 전기 실효 전력(PM)이 부하가 증가할 때 떨어지지 않는다는 것을 지시하도록 구성되는, 압전 구동 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 실효 전력(PM)을 결정하기 위한 유닛(64)은 상기 소비되는 실효 전력(PM)을,
    상기 여기 전압(UM)의 진폭,
    상기 압전 공진기(10)를 통해 흐르는 상기 전류(IM)의 진폭 및
    상기 여기 전압(UM)과 상기 압전 공진기를 통해 흐르는 상기 전류(IM) 사이의 위상 각()으로부터 결정하는, 압전 구동 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 구동되는 이동 소자(20)의 속도를 측정하기 위해 센서가 제공되며, 상기 측정 결과에 따라, 미리한정된 값이 상기 전기 실효 전력(PM)에 대해 선택되는, 압전 구동 디바이스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 회로(70,80)는 상기 여기 전압의 이러한 주파수를 미리한정하며, 상기 여기 전압(UM)과 상기 압전 공진기(10)를 통해 흐르는 상기 전류(IM) 사이의 상기 위상 각()이 일정한 값에서 유지되는, 압전 구동 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 압전 공진기(10)를 통해 흐르는 상기 전류(IM)를 측정하기 위해 전류 센서(74, 84)가 제공되고,
    상기 전류 센서(74, 84)는 상기 압전 공진기를 통해 흐르는 상기 전류(IM)의 최대 값을 측정하는, 압전 구동 디바이스.
  6. 압전 구동 디바이스로서,
    적어도 하나의 압전 공진기(10)와,
    기계적 발진을 여기시키기 위한 적어도 하나의 여기 AC 전압을 상기 공진기(10)에 공급하기 위한 구동 회로(80)와,
    상기 여기 전압(UM)과 상기 압전 공진기를 통해 흐르는 전류(IM) 사이의 위상 각()이 일정한 값으로 유지되도록 상기 구동 회로에 의해 생성된 상기 여기 전압의 주파수를 설정하는 위상 제어 유닛 및
    상기 여기 전압(UM)의 진폭을 미리한정하여 상기 공진기를 통해 흐르는 상기 전류(IM)를 조정하는 진폭 조정 유닛을 포함하는, 압전 구동 디바이스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압전 공진기(10)를 통해 흐르는 상기 전류(IM)를 제한하기 위한 구성이 제공되는, 압전 구동 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 구동 회로(60)는 상기 압전 공진기(10)을 통해 흐르는 상기 전류(IM)가 상부 임계치(IMAX)를 초과하지 않도록 상기 여기 전압(UM)의 진폭을 조정하는, 압전 구동 디바이스.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 전기 구동 디바이스를 포함하는, 전기 면도기.
  10. 압전 공진기(10)와 기계적 발진을 생성하기 위한 적어도 하나의 여기 전압(UM)을 상기 공진기(10)에 공급하기 위한 구동 회로(30,60,70,80)를 포함하는 압전 구동 디바이스를 조정하는 방법으로서,
    상기 공진기(10)에 인가된 실효 전력(PM)은 상기 여기 전압(UM)과 상기 압전 공진기(10)를 통해 흐르는 상기 전류(IM)로부터 결정되고,
    상기 실효 전력이 부하가 증가될 때 떨어지지 않도록 상기 여기 전압(UM)의 진폭이 설정되는, 압전 구동 디바이스를 조정하는 방법.
KR1020020073825A 2001-11-29 2002-11-26 압전 구동 디바이스 및 이를 포함하는 전기 면도기 KR100944966B1 (ko)

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