CN113812085A - 用于着色设备的线性驱动器 - Google Patents

Abstract

一种用于着色设备的线性驱动器，包括定子(1)、提供于该定子中并形成为以设定方式偏置的气隙(7)、定子(1)内的电线圈(2)、被设计成可在定子(1)中进行轴向滑动运动的衔铁(5)，以及与衔铁(5)卡锁连接的永磁体(6)，所述线圈被设计成通过该线圈被激励而可在气隙(7)中产生集中磁通量(9)。用于着色设备的线性驱动器被提供并被设计为响应于线圈(2)被激励以及主要通过作用在磁体(6)上的磁排斥而在气隙(7)中的集中电磁场(9)将衔铁(5)从非激励的稳定休停位置移动至非激励的非稳定伸出位置，并且挡止件(3)的厚度被定尺寸为使得永磁体(6)作用于定子(1)上的磁吸引力仅在激励线圈(2)达到最大电磁反作用力(即最大工作电流)之前的短时间内被克服，并且被随后储存在永磁体(6)中的能量在达到释放点时被突然释放并使衔铁(5)以高加速度从定子(1)伸出。

Description

用于着色设备的线性驱动器

技术领域

本发明涉及一种用于着色设备的线性驱动器。

背景及现有技术

着色设备是专门为永久性化妆应用的需要而设计的纹身设备，永久性化妆也称为PMU(Permanent Make-Up)。所述设备被设计为用于主要通过刺入面部皮肤来置入精细花纹的手持设备。对于PMU应用，使用尖锐的纹刺装置，优选地使用针头，通过刺入方式将液体颜料主要以线状形式置入面部皮肤内，所述液体颜料随后可以在该面部皮肤内保持较长时间。

对于PMU以及纹身，由于生物体以每隔不到大约4周的周期即更新表皮，颜料必须穿过表皮(最外层皮肤)置入活性真皮的上层，才能够长久存留。0.05毫米至0.2毫米的表皮厚度和0.05毫米至0.1毫米的颜料在活性真皮内的置入深度之和为刺入皮肤的总深度，该总深度为约0.1毫米至0.3毫米。

液体颜料由往复式纹刺装置置入，往复式纹刺装置的尖端在相应的回缩位置处从颜料储存库润湿自身并且在施用操作中将颜料置入皮肤内。皮肤内的纹刺深度必须由使用者通过观察针尖和皮肤来识别是否达到活性真皮而决定。

为了置入颜料，需要针头作往复运动，针头的往复运动必须严格地沿轴向行进，无径向分量。为驱动纹刺装置，着色设备主要使用旋转电机，通过多个不同的传动方式将其转动转换为轴向往复运动。市场上也有基于电磁推杆原理的无需齿轮箱的线性电机。

市场上的所有用于着色设备的驱动器的共同点是，它们产生的往复运动具有基于物理振荡定律的、周期性的、几乎为谐波的正弦曲线形状，并且其用于着色所需的最大运动速度直接取决于驱动行程及其重复频率。

尽管需要较小的纹刺深度，但现有技术中的驱动器的行程仍有大约2毫米。需要大行程的原因是，与小纹刺深度相比，每个刺入运动都需要在颜料储存库中重新润湿纹刺装置的尖端，这只能在纹刺装置的回缩位置处实现，并且颜料储存库不能太靠近设备尖端，以便使用者仍然可以在颜料储存库与皮肤保持足够距离的情况下操作。

皮肤是具有弹性的肌体组织。当纹刺装置触及皮肤时，皮肤首先在其侵入阻力和弹性作用下，并且取决于置入速度而发生内凹，随后皮肤以分别对应于各种皮肤特性和具体皮肤区域的能量级别被针头刺入。驱动器必须针对各个分别出现的皮肤特性的范围而呈现合适的特性，以便将颜料置入具有弹性的皮肤的预定深度内。驱动器的重要特性是其直接传递到针头的固有震动、可重复的置入速度和纹刺运动的重复频率。低轴向固有震动允许使用者在着色过程中手动接近并保持0.1毫米至0.3毫米的纹刺深度，低径向固有震动确保线条没有侧向偏移。高置入速度有助于降低皮肤内凹，从而使纹刺深度更容易手动保持恒定，这改善了着色质量。低重复频率通过在一行中仅设置与行进速度相关的视觉闭合线所需数量的针迹来保护皮肤。

已知的驱动器/手持设备具有平均80克的总质量，并且以50赫兹至200赫兹的频带操作，尽管在实践中通常选择大约100赫兹的频率。在100赫兹、2毫米的行程和传动装置或推杆衔铁的不可避免的移动质量下，会产生相当大的加速力，这会导致轻型手持设备发生不期望的轴向及/或径向震动。测量结果表明，已知的PMU设备的震幅平均超过0.5毫米。在纹刺深度仅为0.1毫米至0.3毫米时，该震幅不利于深度的精确控制以及/或者不利于着色质量的侧向一致性的精确控制，并且不利于保护皮肤。此外，轴向震动对置入速度有不利影响并显著降低置入速度。

已知的驱动器/手持设备在置入速度方面没有提供足够的特性。周期性的、几乎为谐波的正弦路径-时间曲线仅适用于0.1毫米至0.3毫米的纹刺深度，因为纹刺装置在正弦振荡的反转点之前的短时间内已经被大幅减速。由于侵入阻力的存在，过低的置入速度导致皮肤在被刺破时出现大的内凹。因此，使用者不得不通过向前推压纹刺装置来引导纹刺装置刺入比预定纹刺深度更深的深度，从而使得以自身固有频率颤动的皮肤被局部地过深或过浅刺破，这取决于位于下一刺破处的与刺破频率不同步地抖动的皮肤所在的竖直平面。由于皮肤频率和纹刺频率之间的不同步，沿深度方向均匀的颜色渗透、沿着色线均匀的颜色强度以及皮肤舒适性和无痛着色仅是部分可能的。

为使皮肤内凹较小，需要尽可能快的置入速度，这在现有技术中只能通过设置高频率来实现。然而，高频率却仍与增强的震动相矛盾。此外，高频率仍与为皮肤舒适性着色所需的降低纹刺频率的需要相矛盾。在50赫兹的纹刺频率和通常的行进速度下，由于各个刺痕的严重重叠，已经产生沟状皮肤创伤。这迫使使用者实际上只能使用大约100赫兹的纹刺频率，然而，这会导致手持设备的震动超过0.5毫米，并造成不可逆的皮肤损伤。

发明内容

本发明的目的是创设一种用于着色设备的线性驱动器，相对于现有技术，其具有较低的震动，并且同时在低纹刺频率下提供更高的置入速度。

本发明提供一种根据独立权利要求1的上位术语的用于着色设备的线性驱动器，该线性驱动器具有

-定子1，提供于该定子中并且被形成为以设定方式偏置的气隙7，

-定子1内的电线圈2，该线圈被设置为通过线圈被激励而可在气隙7中产生集中磁通量9，

-被设置为可在定子1中作轴向滑动的衔铁5，

-以及卡锁连接于衔铁5的永磁体6，

用于着色设备的线性驱动器被提供并被设置为响应于线圈2被激励以及主要通过作用在磁体6上的磁排斥而在气隙7中的集中电磁场/电磁通量9，将衔铁5从非激励的稳定休停位置移动到非激励的非稳定伸出位置，并且挡止件3的厚度被定尺寸为使得永磁体6作用于定子1上的磁吸引力通过激励线圈2仅在达到最大电磁反作用力(即最大工作电流)之前的短时间内被克服，并且被随后储存在永磁体6中的能量在达到释放点时被突然释放并使衔铁5以高加速度从定子1伸出。

本发明的进一步发展使得可以通过线圈2中的电流的接通时间来实现对衔铁5的伸出速度的控制，并且该接通时间总是在线圈电流的电感上升过程中及时终止。

在本发明的一个优选实施例中，通过在衔铁5每次到达伸出位置之前停止激励线圈2来实现衔铁5的非谐波周期性振荡，以使得衔铁5的非激励回缩运动基本恒定，并且与衔铁5的电流控制的伸出运动无关。

本发明的进一步发展提供衔铁5作回缩运动的非激励路径/时间特性曲线，该非激励路径/时间特性曲线由永磁体6和定子2之间的磁吸引力10的永磁力/路径特性曲线所导致，该非激励路径/时间特性曲线由将定子的几何形状1及该定子的有效磁质量设置为使得衔铁5的回缩时间以与系统相关的方式最小化而形成。

通过本发明的目的性实施例，可以设想，通过操作频率与线性驱动器的固有频率的密切组合而实现驱动器震动的最小化，与此同时实现伸出时间的最小化。

本发明的示例性实施例

本发明的进一步优点、特征和细节可详见于以下对用于着色设备的线性驱动器的优选示例性实施例的描述以及附图：

图1：根据本发明的用于着色设备的线性驱动器的示意图，该驱动器处于休停位置，其中线圈2处于非激励状态。

图2：气隙的放大示意图，该气隙被形成为使得根据本发明的用于着色设备的线性驱动器在线圈2被激励的时刻偏置。

图3：根据图1的用于着色设备的线性驱动器在线圈2处于非激励状态的情况下在伸出运动的反转点时的示意图。

图1示意性地示出根据本发明的处于休停位置且没有线圈2的电控制的用于着色设备的线性驱动器示例。由于与铁磁性定子1的磁吸引力，卡锁连接于衔铁5的永磁体6与挡止件3接触。挡止件3的厚度被定尺寸为使得在休停位置，永磁体6处于相对于定子1开口的轴向中心位置，并且永磁体6在定子1上的磁吸引力仅在激励线圈2达到最大工作电流之前的短时间内被克服，并且因此能量存储于永磁体6中，其被使用于用于着色设备的线性驱动器的有益操作。挡止件4防止衔铁5从定子1中脱落并限制线性驱动器的行程。

图2示出根据本发明的当激励线圈2通电时形成偏置的气隙的放大示意图，其中线圈2产生的呈指数增大的电感，导致气隙7中的磁场9也呈指数增强。由于被提供并被形成为以设定方式偏置的气隙7的布置，电磁场9以有利于高效地产生排斥力的方式穿过永磁体6，并且由于磁能的最大部分集中在气隙7中，参考前文第[19]中关于永磁体6的能量存储描述，电磁力9导致永磁体6运动的几乎突发的排斥力，致使永磁体6连同衔铁5以高加速度伸出并以类似于已知的位点捕捉效应触抵挡止件4，这导致了有利的高置入速度。衔铁5、磁体6和纹刺装置8的运动总质量为数克，因此衔铁5即使在很小的力的作用下也能以高加速度运动，尽管行程很小，例如2毫米，仍能达到高速度，并且该较小的总质量对整个系统的震动具有有利的影响。永磁体6在伸出过程中的吸引力作用于铁磁性定子1的制动力分量10被设置为递减的，以使得该制动力随磁体6与定子1的距离不成比例地减小，这导致与现有技术的正弦驱动器的情况相比，衔铁5在撞击挡止件4时的最终速度显著提高。伸出运动速度的变化是通过线圈的接通时间来控制的，然而，与现有技术相反，该接通时间总是在线圈电流的电感上升期间内暂时终止，其优点是能够在该短暂上升期间控制整体参数范围。以这种方式，可以有益地在工厂中为着色预设伸出速度和纹刺频率，并且还可以由使用者在着色设备上作设置。

图2示出根据图1的在反转点的线性驱动器，在此位置，线圈2处于非激励状态，即衔铁刚刚改变其运动方向，以返回休停位置。永磁回复力10的改变过程的已建立的递减特性曲线对于在伸出期间衔铁5的伸出速度的递减降低具有有利影响。在衔铁5回缩过程中，之前递减的制动力10现在对衔铁5具有逐渐加速的作用，并导致衔铁5返回到休停位置的时间保持不受之前的伸出特性曲线的影响，因此即使采用周期性控制，也会产生有利的非谐波振荡。为使衔铁5有益地快速向后运动到其休停位置，永磁体6和定子2之间的磁力/路径特性曲线可以通过其几何形状及其铁磁质量来实现。

前述说明书、权利要求书及附图所披露的本发明的特征可以单独地及以任何组合的方式与本发明的各种实施例中的实施相关。

Claims (6)

1.用于着色设备的线性驱动器，包括

-定子1及提供于所述定子中并且被形成为以设定的方式偏置的气隙7，

-所述定子1内的电线圈2，所述线圈被设置成通过线圈被激励而可在所述气隙7中产生集中磁通量9，

-被设置为在所述定子1中进行轴向滑动的衔铁5，

-和卡锁连接于所述衔铁5的永磁体6，

其中所述用于着色设备的线性驱动器被提供并设置为响应于所述线圈2被激励以及主要通过作用在所述磁体6上的磁排斥而在所述气隙7中的所述集中电磁场9将所述衔铁5从非激励的稳定休停位置移动至非激励的非稳定伸出位置，并且挡止件3的厚度被定尺寸为使得所述永磁体6作用于所述定子1上的磁吸引力通过激励所述线圈2仅在达到最大电磁反作用力(即最大工作电流)之前的短时间内被克服，并且被随后储存在所述永磁体6中的能量在达到释放点时被突然释放并使所述衔铁5以高加速度从所述定子1伸出。

2.根据权利要求1所述的线性驱动器，其特征在于，通过所述线圈(2)中电流的接通时间来实现所述衔铁(5)的伸出速度的控制，并且所述接通时间总是在所述线圈电流的电感上升过程中及时终止。

3.根据权利要求1或2所述的线性驱动器，其特征在于，所述衔铁(5)的非谐波周期性振荡通过在所述衔铁(5)每次到达伸出位置之前停止激励所述线圈(2)来实现，以使得所述衔铁(5)的非激励回缩运动基本恒定，并且与所述衔铁(5)的电流控制的伸出运动无关。

4.根据前述权利要求中至少任一项所述的线性驱动器，其特征在于，所述衔铁(5)作回缩运动的非激励路径/时间特性曲线由所述磁体(6)和所述定子(2)之间的磁吸引力(10)的永磁力/路径特性曲线导致，所述非激励路径/时间特性曲线由将所述定子的几何形状(1)及所述定子的有效磁质量设置为使得所述衔铁(5)的回缩时间以与系统相关的方式最小化而形成。

5.根据前述权利要求中至少任一项所述的线性驱动器，其特征在于，通过操作频率与所述线性驱动器的固有频率的密切组合来实现驱动器震动的最小化，并且同时实现伸出时间的最小化。

6.根据权利要求1至5中至少任一项所述的线性驱动器在用于永久性化妆(PMU)应用的着色设备中的使用。

Images