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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Linearaktuator und ein Verfahren
zum Betrieb desselben zum Erzeugen einer Vibration mit einer Hin-
und Herbewegung, und sie betrifft insbesondere einen vibrierenden
Linearaktuator zum Gebrauch in einem kleinen Gerät, beispielsweise einem elektrischen
Rasierapparat oder dergleichen mit einer Hin- und Herbewegung.
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2. Beschreibung des verwandten Stands
der Technik
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Ein
bekannter vibrierender Linearaktuator, der für einen elektrischen Rasierapparat
mit einer Hin- und Herbewegung gebraucht wird, ist in der ungeprüften japanischen
Patentveröffentlichung
Nr. 8-331826 und in ihrem parallelen US Patent Nr. 5,736,797 offenbart,
das Motohashi et al. am 7. April 1998 erteilt wurde. Dieser bekannte
Linearaktuator beinhaltet einen Stator, der aus einem Elektromagneten
oder einem Permanentmagneten und aus einem sich bewegenden Abschnitt
aufgebaut ist, der einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten aufweist
oder beinhaltet und der von einer Feder gestützt wird. Dieser bekannte vibrierende
Linearaktuator wird von der Feder gestützt, der sich bewegende Abschnitt,
der als ein Federvibrationssystem ausgeführt ist, kann mit der natürlichen
Frequenz (das heißt mit
der Resonanzfrequenz) des Federvibrationssystems vibriert werden.
So kann die Energie, die zum Antrieb des Systems erforderlich ist,
verringert werden. Zusätzlich
kann die Leistung, mit der eine Spule des Elektromagneten versorgt
wird, gemäß einer Ausgabe
eines Erfassungssystems zum Erfassen von wenigstens einer Verschiebung,
einer Geschwindigkeit oder einer Beschleunigung des sich bewegenden
Abschnitts gesteuert werden, so dass trotz einer Laständerung
eine Vibration aufrecht erhalten werden kann, die eine konstante
Amplitude aufweist.
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Während die
obengenannte Rückkopplungssteuerung
jedoch wirksam ist, falls die Lastvariation groß ist, ist sie insofern etwas
weniger angemessen, wenn sie bei Geräten verwendet wird, die eine
geringe Lastvariation aufweisen, als der Gebrauch eines Rückkopplungssystems
bei einer geringfügig
fluktuierenden Last teurer ist. Weil derartige Rückkopplungssysteme die Amplitude
auf einem konstanten Niveau halten, indem sie jede Amplitude des
sich bewegenden Abschnitts erfassen und indem sie die Länge des
Stosses steuern, mit der die Spule des Elektromagneten versorgt
wird, sind die Kosten hoch, die mit solch einem Rückkopplungssystem
verbunden sind.
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Kosten
können
verringert werden, indem eine feste Ausgabegröße gemäß einer Zeitvorgabe addiert
wird, die an eine vorgegebene Frequenz angepasst ist, ohne dass
ein Rückkopplungssteuerungssystem
dazu verwendet würde,
die Amplitude konstant zu halten. Ein Vibrationssystem, das eine Feder
beinhaltet, weist jedoch aufgrund verschiedener Massen der einzelnen
hergestellten Federn eine jeweils andere natürliche Frequenz auf (das heißt jede
verwendete Feder jedes Aktuators kann eine andere Masse auf der
Grundlage der Herstellungstoleranz bezüglich der Masse der Feder aufweisen). Wenn
die Leistung gesteuert wird, mit der eine Spule unter Verwendung
einer festen Frequenz versorgt wird, passt deshalb die natürliche Frequenz
nicht zu der Steuerungsfrequenz, und die Antriebseffizienz sinkt,
was zu einer großen
Leistungsaufnahme und einem Zustand führt in dem die Vibration des
sich bewegenden Abschnitt nicht die vorgeschriebene Amplitude erreicht.
Zusätzlich
wird die Lebensdauer der Feder verkürzt, da die Feder an einem
Arbeitspunkt betrieben wird, der von dem Resonanzpunkt beabstandet
ist.
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EP 0 652 632 A2 offenbart
eine Spannungsversorgung für
einen vibrierenden Kompressor, der in einer Kühleinheit eines Kraftfahrzeuges
verwendet wird. Der vibrierende Kompressor weist eine Antriebsspule
auf, die dazu veranlaßt
wird, in einem Magnetfeld zu vibrieren. Die vibrierende Spule treibt
einen Kolben der Kühleinheit
an. Die Resonanzfrequenz des vibrierenden Kompressors variiert mit Änderungen
der Last. Die Spannungsversorgung erfasst einen Stromfluß in dem
vibrierenden Kompressor, und eine Frequenzfolgerschaltung erzeugt
auf der Grundlage des erfassten Stromes eine Frequenz, die der Resonanzfrequenz
des vibrierenden Kompressors folgt.
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Kurzfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen vibrierenden Linearaktuator
und ein Verfahren zum Betrieb desselben, das die Antriebseffizienz
erhöht, ohne
ein Amplitudenrückkopplungssteuerungssystem
zu verwenden. Der Aktuator der vorliegenden Erfindung beinhaltet
einen Stator, ein Federvibrationssystem, das sowohl einen sich bewegenden
Abschnitt aufweist, der einen Magneten aufweist, als auch eine Feder,
die dazu eingerichtet ist, den sich bewegenden Abschnitt zu stützen. Der
Aktuator weist ferner eine elektromagnetische Spule auf, die dazu
eingerichtet ist, einen elektrischen Strom aufzunehmen, worauf die
Spule den sich bewegenden Abschnitt gegen eine Last bewegt, die
auf die Feder aufgebracht wird, um den sich bewegenden Abschnitt hin
und her zu bewegen. Der Aktuator beinhaltet ferner einen Frequenzdetektor,
der dazu eingerichtet ist, eine natürliche Frequenz des Federvibrationssystems
zu erfassen, und eine Frequenzsteuerung, die dazu eingerichtet ist,
eine Frequenz eines elektrischen Stromstosses gemäß einem
Erfassungsergebnis des Detektors zu bestimmen, wobei der Stoss von
der Spule aufgenommen wird. Somit kann der vibrierende Linearaktuator
der vorliegenden Erfindung das Federvibrationssystem bei seiner
natürlichen Frequenz
vibrieren, ohne von Variationen der Masse des Federvibrationssystems
beeinflusst zu sein.
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Zusätzlich kann
der Stator entweder einen Elektromagneten oder einen Permanentmagneten beinhalten,
und auf ähnliche
weise kann der Magnet des sich bewegenden Abschnitts entweder einen Elektromagneten
oder einen Permanentmagneten beinhalten. Die Erfindung kann ferner
einen Amplitudendetektor beinhalten, der dazu eingerichtet ist,
ein Signal zu erfassen, das einer Amplitude des sich bewegenden
Abschnitts entspricht, und eines von beidem oder beides, der Frequenzdetektor
oder die Frequenzsteuerung, ist ferner dazu eingerichtet, eine Antriebsfrequenz
zu bestimmen (das heißt
festzusetzen), indem die natürliche
Frequenz aus einer Variation eines Amplitudenwerts abgeleitet wird,
während die
Frequenz des Stromstosses, mit dem die Spule versorgt wird, nach
und nach verändert
wird.
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Die
Antriebsfrequenz kann bestimmt (das heißt festgesetzt) werden, wenn
der Amplitudenwert sein Maximum erreicht, oder sie kann alternativ
bestimmt werden, wenn der Amplitudenwert einen vorbestimmten Wert
erreicht oder wenn er größer als
ein vorbestimmter Wert wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
kann der Aktuator der vorliegenden Erfindung ferner eine Einrichtung
zum Messen von Strom beinhalten, die dazu eingerichtet ist, einen
Antriebsstrom zu messen, mit dem die Spule versorgt wird, und eines
von beidem oder beides, der Frequenzdetektor oder die Frequenzsteuerung,
kann dazu eingerichtet sein, eine Antriebsfrequenz zu bestimmen,
indem die natürliche Frequenz
aus einer Variation eines Antriebsstromwertes abgeleitet wird, während die
Frequenz des Stromstosses nach und nach verändert wird, mit dem die Spule
versorgt werden soll.
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Die
Antriebsfrequenz kann eine Frequenz sein, bei der der Antriebsstromwert
einen minimalen Wert erreicht, oder sie kann eine Frequenz sein,
bei der der Antriebsstromwert einen vorbestimmten Wert erreicht
oder darunter sinkt.
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Die
natürliche
Frequenz kann unter der Bedingung bestimmt werden, dass die Spule
nicht mit dem Strom versorgt wird. Vorzugsweise kann die natürliche Frequenz
am Ende der Dauer bestimmt werden, während derer die Spule nicht
mit Strom versorgt wird.
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Eine
Pulsweite des Antriebsstromstosses kann verringert werden, wenn
die erfasste natürliche Frequenz
sich nicht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet. Zusätzlich kann
die Stromversorgung der Spule unterbrochen werden, wenn die erfasste
natürliche
Frequenz sich ausßerhalb
eines vorbestimmten Bereich während
einer vorbestimmten Zeit oder darüberhinaus befindet, so dass
unnötige
Leistungsaufnahme vermieden werden kann.
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Ferner
kann die Stromversorgung der Spule unterbrochen werden, wenn die
erfasste natürliche Frequenz
sich während
einer vorbestimmten Zeit nicht verändert hat, wodurch übermäßige Leistungsaufnahme
vermieden wird.
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Das
Verfahren zum Vibrieren eines Linearaktuators beinhaltet, Versorgen
der elektromagnetischen Spule mit elektrischem Strom, Hin- und Herbewegen
der Spule gegen eine Last, die von der Feder aufgebracht wird, in
Reaktion auf den zugeführten Strom,
Erfassen einer natürlichen
Fregeunz des Federvibrationssystems, Bestimmen einer Frequenz eines
elektrischen Stromstosses gemäß der erfassten natürlichen
Frequenz, und Versorgen der Spule mit dem Stromstoss.
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Das
Verfahren kann ferner beinhalten: Erfassen eines Signales entsprechend
einer Amplitude des sich bewegenden Abschnitts, und Bestimmen einer
Antriebsfrequenz, indem die natürliche
Frequenz aus einer Variation eines Amplitudenwerts abgeleitet wird,
während
die Frequenz des Stromstosses, mit dem die Spule versorgt werden
soll, nach und nach verändert
wird.
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Zusätzlich kann
die Antriebsfrequenz bestimmt werden, wenn der Amplitudenwert einen
maximalen Wert erreicht, oder sie kann alternativ bestimmt werden,
wenn der Amplitudenwert einen vorbestimmten Wert erreicht oder übersteigt.
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Das
Verfahren kann auch beinhalten, einen Antriebsstrom zu messen, mit
dem die Spule versorgt wird, und eine Antriebsfrequenz zu bestimmen,
indem die natürliche
Frequenz aus einer Variation eines Antriebsstromwertes abgeleitet
wird, während die
Frequenz des Stromstosses, mit dem die Spule versorgt werden soll,
nach und nach verändert
wird.
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Ferner
kann die Antriebsfrequenz bestimmt werden, wenn der Antriebsstrom
einen minimalen Wert erreicht, oder alternativ wenn der Antriebsstromwert
einen vorbestimmten Wert erreicht oder darunter fällt.
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Die
natürliche
Frequenz kann auch bestimmt werden, während die Spule nicht mit Strom
versorgt wird, oder alternativ am Ende einer vorbestimmten Dauer
und während
die Spule nicht mit Strom versorgt wird.
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Das
Verfahren kann ferner beinhalten, eine Pulsweite des Stromstosses
zu verringern, wenn die erfasste natürliche Frequenz sich nicht
innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet. Die Stromversorgung
der Spule kann unterbrochen werden, wenn die erfasste natürliche Frequenz
sich während
einer vorbestimmten Zeitdauer ausserhalb des vorbestimmten Bereichs
befindet, oder alternativ wenn die erfasste natürliche Frequenz während einer
vorbestimmten Zeitdauer unverändert
bleibt.
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Man
kann sich anderer beispielhafter Ausführungsformen und Vorteile der
vorliegenden Erfindung im Wege einer Durchsicht der vorliegenden
Offenbarung und der anliegenden Zeichnungen vergewissern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung unter Bezugnahme auf die erwähnten mehreren Zeichnungen
anhand nicht beschränkender
Beispiele gewisser Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung weiter beschrieben, in denen gleiche
Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen durchgängig gleiche Elemente
bezeichnen; und wobei:
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1 ein
Flußdiagramm
ist, das einen Betriebsablauf einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ein
Flußdiagramm
ist, das einen abgeänderten
Betriebsablauf der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3 ein
Blockdiagramm der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist;
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4 ein
Zeitablaufdiagramm ist, das die vorliegende Erfindung in einem Antriebszustand zeigt;
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5 ein
Diagramm ist, das das Verhältnis von
Frequenz, Amplitude und Strom in Hinblick auf die Funktionsweise
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ein
Zeitablaufdiagramm ist, das eine Variation des Stroms in der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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7 ein
Blockdiagramm der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist;
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8 ein
Flußdiagramm
ist, das einen Betriebsablauf der zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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9 ein
Flußdiagramm
ist, das einen veränderten
Betriebsablauf der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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10 ein
Zeitablaufdiagramm ist, das einen Betriebsablauf der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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11 ein
Zeitablaufdiagramm ist; das einen veränderten Betriebsablauf der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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12 ein
Flußdiagramm
ist, das einen weiteren alternativen Betriebsablauf der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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13 ein
Flußdiagramm
ist, daß einen
weiteren alternativen Betriebsablauf der vorliegenden Erfindung
zeigt; und
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14 ein
Flußdiagramm
ist, das noch einen weiteren alternativen Betriebsablauf der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Eingehende Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
hier gezeigten Einzelheiten sind lediglich beispielhaft und bezwecken
nur eine illustrative Diskussion der Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung, und sie werden mit dem Ziel dargelegt anzugeben, was
für die
nützlichste
und am ehesten verständliche
Beschreibung der Grundsätze
und konzeptionellen Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung gehalten
wird. In dieser Hinsicht wird nicht der Versuch unternommen, strukturelle
Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ausführlicher zu zeigen, als es
zum grundsätzlichen
Verständnis
der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, wobei die Beschreibung
in Ansehung der Zeichnungen denjenigen, die vom Fach sind, offenbart,
wie die verschiedenen Formen der vorliegenden Erfindung in der Praxis
ausgeführt
werden können.
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Beziehen
wir uns auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche
Elemente bezeichnen: 3 zeigt einen vibrierenden Aktuator 10 gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Der Aktuator 10 beinhaltet einen
Stator 1, der eine Spule 11 aufweist, und er ist
an einem Rahmen 3 befestigt. An dem Rahmen 3 ist
ein sich bewegender Abschnitt 2 befestigt, der von Federn 4 gestützt wird,
die jeweils an dem Rahmen befestigt sind. Der sich bewegende Abschnitt 2 bewegt
sich in der Richtung der Pfeile A, A' unter Verformung der Federn 4 hin
und her, und er weist einen Permanentmagneten 20 auf, der
Magnetpole N, S aufweist, die an der Seite des sich bewegenden Abschnitts
angeordnet sind, die dem Stator 1 gegenüber liegt. der sich bewegende
Abschnitt 2 ist mit einem Fühlmagneten 29 versehen,
und der Rahmen 3 ist mit einer Sensorspule 39 versehen,
in die mittels Bewegung des Fühlmagneten 29 Spannung
induziert wird.
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Die
Spule 11 des Stators 1 wird mit einem Strom versorgt,
dessen Richtung bei einer bestimmten Periode umgeschaltet wird,
so dass der sich bewegende Abschnitt 2 dazu angetrieben
wird, sich hin und her zu bewegen. Im alternativen Fall kann die Spule 11 jedoch
mit dem Strom lediglich in einer Richtung versorgt werden, so dass
der sich bewegende Abschnitt 2 von dem Strom dazu angetrieben wird,
sich in eine Richtung zu bewegen, und sich wegen der Federkraft
der Feder 4 in die entgegengesetzte Richtung bewegt.
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Die
Feder 4 und der sich bewegende Abschnitt 2 der
von der Feder 4 gestützt
wird, bilden ein Federvibrationssystem, das eine natürliche Frequenz f0
aufweist, die durch die folgende Gleichung definiert ist: f0 = (½ π)·(k·M)½;wobei
k eine Konstante ist, die durch die Federkraft der Feder 4 und
die horizontale Komponente einer magnetischen Kraft definiert ist,
M eine Masse ist, die die Summe des sich bewegenden Abschnitts 2 und der
Elemente ist, die an dem sich bewegenden Abschnitt 2 angebracht
sind. In dem oben erwähnten Antrieb
durch die Stromversorgung wird der sich bewegende Abschnitt bei
einer Frequenz angetrieben, die mit der natürlichen Frequenz f0 des Systems identisch
ist, so dass das Federvibrationssystem sich hin und her bewegen
(oder bei seiner Resonanzfrequenz vibrieren) kann, was zu einer
hohen Effizienz der Hin- und Hervibration des sich bewegenden Abschnitts 2 führt.
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Wie
oben erläutert
wurde, weist die natürliche
Frequenz f0 jeder Feder 4 aufgrund der verschienden Massen
einzelner hergestellter Federn eine Toleranz auf. Um die Effizienz
des Aktuators aufrecht zu erhalten, wird die natürliche Frequenz f0 des Federvibrationssystems
erfasst, und die Spule 11 wird mittels eines Antriebsausgabeabschnitts 18 mit einem
gepulsten Antriebsstrom versorgt, der eine Frequenz aufweist, die
mit der erfassten natürlichen Frequenz
identisch ist, und der eine feste Weite T aufweist. Insbesondere
wird die natürliche
Frequenz f0 – wie
in 3 gezeigt ist – erfasst, indem die Amplitude
unter Ver wendung eines Amplitudendetektors 12 erfasst wird
und indem die Frequenz von der Ausgabe des Sensors 39 unter
Verwendung eines Frequenzdetektors 14 erfasst wird. Wenn
die Spule 11 mit dem Antriebsstromstoss versorgt wird,
so dass der sich bewegende Abschnitt 2 in der Richtung
der Pfeile A und A' (in 3 gezeigt)
hin und her vibriert, erzeugt der Sensor 39 ein Ausgangssignal,
wie in 4 gezeigt ist. Je größer die Amplitude des sich bewegenden
Abschnitts 2 und die maximale Geschwnidigkeit und die Beschleunigung
sind, desto größer wird
die Ausgabevariation des Sensors 39. Somit kann die Amplitude
des sich bewegenden Abschnitts 2 geschätzt werden, und die Frequenz
kann als das Inverse der Periode t0 erfasst werden.
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Falls
die Antriebsfrequenz mit der natürlichen
Frequenz f0 identisch ist, erreicht die Amplitude ein Maximum und
der Strom erreicht einen minimalen Wert, wie in 5 gezeigt
ist. Wenn jedoch die Antriebsfrequenz f größer oder niedriger als die
natürliche
Frequenz f0 ist, dann nimmt die Amplitude ab und der Antriebsstrom
wächst.
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In 6 zeigt
die linke Seite der Figur eine Situation, bei der der unterschied
zwischen der Antriebsfrequenz (f = f1) und der natürlichen
Frequenz klein ist, während
die rechte Seite der Figur eine Situation zeigt, bei der der Unterschied
zwischen der Antriebsfrequenz (f = f2) und der natürlichen
Frequenz groß ist.
Zusätzlich
ist der Strom werd, der auf der linken Seite der Figur gezeigt ist,
geringer als der Stromwert, der auf der rechten Seite der Figur
gezeigt ist.
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Die
natürliche
Frequenz kann entsprechend der 6 bestimmt
werden. Falls beispielsweise die Antriebsfrequenz nach und nach
geändert
wird, nimmt der Antriebsstrom ab und zu derselben Zeit nimmt die
Amplitude nach und nach zu. Somit kann die natürliche Frequenz f0 bestimmt
werden, weil die natürliche
Frequenz die Frequenz ist, bei der der Strom an seinem Minimum ist
oder wenn die Amplitude an ihrem Maximum ist.
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Als
nächstes
wird der Betrieb des Aktuators 10 unter Bezugnahme auf
ein Steuerungsflußdiagramm
erläutert,
das in 1 gezeigt ist. Die anfängliche Antriebsfrequenz f
is die geplante natürliche Frequenz
f0, um bei Schritt S1 zu beginnen, und der Stromstoss, der eine
feste Weite T aufweist, wird bei Schritt 2 für eine vorbestimmte
Anzahl von Malen ausgegeben. Wenn die Oszillationsamplitude des sich
bewegenden Abschnitts 2 bei Schritt S3 einen vorbestimmten
Wert erreicht oder größer wird,
wird die Antriebsfrequenz fn bei Schritt S4 einmal um einen vorbestimmten
Betrag gesenkt (In dem Flußdiagramm,
das in 1 gezeigt ist, wird die Antriebsfrequenz fn von
dem anfänglichen
Wert um fünf
gesenkt). Falls die Amplitude bei Schritt S3 keinen vorbestimmten
Wert erreicht oder größer wird,
kehrt die Verarbeitung zu Schritt S2 zurück. Bei Schritt S5 wir ein
Antriebsstromstoss ausgegeben (das heißt die Antriebsfrequenz fn
wird nach und nach erhöht)
und bei Schritt S6 wird die Amplitude erfasst. Bei Schritt S7 wird
festgestellt, ob die Amplitude Sn kleiner ist als die vorhergehende
Amplitude Sn-1. Falls bei Schritt S7 die Amplitude Sn kleiner ist
als Sn-1, wird bestimmt, dass die vorhergehende Amplitude Sn-1 die
maximale Amplitude war, und dass die Frequenz fn die natürliche Frequenz
ist, und der nächste
darauf folgende Antrieb des Aktuators wird mit der Stromantriebsfrequenz
fn-1 durchgeführt,
die bei Schritt S8 festgelegt wurde. Die Spule 11 wird
bei der Antriebsfrequenz fn-1 mit dem Stromstoss versorgt, der die feste
Weite T aufweist. Falls bei Schritt S7 festgestellt wird, dass die
Amplitude Sn größer ist
als Sn-1, wird die Frequenz bei Schritt S9 um Eins (1) erhöht, woraufhin
die Verarbeitung zu Schritt S5 umgeleitet wird.
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2 zeigt
ein Flußdiagramm,
das einen veränderten
Betriebsablauf der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Verarbeitung
in der 2 ist mit der in der 1 bis auf
die Ausnahme identisch, dass Schritt S7 durch den Schritt S70 ersetzt
ist und dass Schritt S8 durch den Schritt S80 ersetzt ist. Bei Schritt
S70 wird bestimmt, ob die Amplitude Sn größer oder gleich einem vorbestimmten
gespeicherten Wert Sf ist. Falls „ja", wird bei Schritt S80 der folgende
Antrieb (das heißt
bei der nächsten
darauf folgenden Antriebsperiode) bei der Stromfrequenz fn durchgeführt, wodurch
berücksichtigt
wird, dass die Vibration bei der natürlichen Frequenz stattfindet. Falls „nein", läuft der
Betriebsablauf von Schritt S70 nach S9, wo die Frequenz erhöht wird,
genau wie bei der Verarbeitung in der 1.
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Alternativ
kann man anstelle des Feststellens der Antriebsfrequenz anhand der
Amplitude Sn diese anhand des Antriebsstromwertes In festlegen. 7 zeigt
einen Linearaktuator 100 gemäß einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu dem Aktuator 10 der 3 ist
ein Stromdetektorwiderstand R (das heißt ein Stromerfassungssystem)
in den Antriebsschaltkreis eingefügt, um so den Antriebsstrom
zu messen. Ferner ist der Widerstand R mit dem Frequenzdetektor 14 über einen
Verstärker 22 operativ verbunden.
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Ein
Ablauf zum Betreiben des Aktuators 100 der zweiten Ausführungsform
ist in 8 gezeigt. Die Antriebsfrequenz wird in der zweiten
Ausführungsform
nach und nach erhöht.
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Die
Verarbeitung ist dieselbe wie die der 1 mit der
Ausnahme, dass die Schritte S16 und S17 die Schritte S6 und S7 der 1 ersetzen.
Insbesondere wird bei Schritt S16 der Strom In erfasst, und bei
Schritt S17 wird festgestellt, ob der Stromwert In größer oder
gleich dem vorhergehenden Stromwert In-1 ist. Falls „ja", wird bei S8 die
vorhergehende Antriebsfrequenz fn-1 für den nächsten Antrieb des sich sich
bewegenden Abschnitts 2 festgesetzt, wie in 1.
Falls „nein", wird die Frequenz
fn bei Schritt S9 um Eins (1) erhöht, ebenfalls wie in 1.
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9 zeigt
einen zusätzlichen
Betriebsablauf für
die zweite Ausführungsform.
Schritte S1 bis S5 sind dieselben wie die der 1,
Schritt S16 ist derselbe wie der der 8, und Schritt
S80 ist derselbe wie der in der 2. In 9 wird
im Anschluss and Schritt S16 festgestellt, ob der Stromwert In kleiner
oder gleich einem vorbestimmten Wert If ist. Falls „ja", schreitet die Verarbeitung
zu Schritt S80 voran, wo die Stromantriebsfrequenz fn für den folgenden
Antrieb verwendet wird, wodurch dem Umstand Rechnung getragen wird,
dass die Vibration bei der natürlichen
Frequenz ist, und falls „nein", wird die Verarbeitung
zu Schritt S9 gelenkt.
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Wenn
die Amplitude und die Frequenz im Antriebszustand gemessen werden
(das heißt
während
des Antriebs des sich bewegenden Abschnitts 2), kann der
Antrieb aufgrund eines Einflusses einer Spannungsversorgung (nicht
gezeigt) auf die Spule 11 bei einer Frequenz erfolgen,
die größer oder
niedriger als die tatsächliche
natürliche
Frequenz ist. Um diesen Einfluß zu
vermeiden, wird, wie in 10 gezeigt
ist, die Versorgung der Spule 11 mit Spannung für eine kurze
Dauer wie etwa ein oder zwei Perioden unterbrochen. während der
Dauer dieser Unterbrechung werden Amplitude und Frequenz auf der Grundlage
der Ausgabe des Sensors 39 gemessen.
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Selbst
falls die Stromversorgung unterbrochen wird, ändert sich die Vibrationsfrequenz
des sich bewegenden Abschnitts 2 nicht unmittelbar. Wie in 11 gezeigt
ist, können
zwei Perioden als. das Intervall festgelegt werden, während dessen
die Stromversorgung der Spule 11 unterbrochen ist, wodurch
eine vorbestimmte Dauer (das heißt eine Periode) nach der Unterbrechung
(vor der Messung) vergehen muss, so dass die Vibration des sich
bewegenden Abschnitts 2 sich bei der natürlichen
Frequenz stabilisiert; zu dieser Zeit kann die oben erwähnte Messung
durchgeführt
werden und nach dieser Messung kann die Stromversorgung der Spule 11 erneut
aufgenommen werden.
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Wenn
der vibrierende Linearaktuator 10, 100 als Antriebsquelle
eines elektrischen Rasierapparats mit Hin- und Herbewegung verwendet
wird, kann der sich bewegende Abschnitt 2 an einem Antriebselement
(nicht gezeigt) zum Antrieb einer inneren Klinge (nicht gezeigt)
befestigt sein. Falls die innere Klinge von dem Antriebselement
entfernt ist und das Antriebselement angetrieben wird, nimmt die
Masse M ab und die natürliche
Frequenz des Federvibrationssystems ändert sich. Infolgedessen kann
die Masse nicht an ihrer natürlichen
Frequenz angetrieben werden und der Antriebsstrom wächst.
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Um
diese Situation zu vermeiden, gelangt ein zusätzliches Merkmal der vorliegenden
Erfindung zum Einsatz, wie in dem Ablauf der 12 gezeigt ist.
Bei Schritt S10 ist die Antriebsfrequenz f die planmäßige natürliche Frequenz
f0 und die feste Pulsweite wird festgelegt. Schritte S2, S3 und
S5 sind dieselben wie in 1; Schritt S4 wurde jedoch fortgelassen,
und der Ablauf schreitet von Schritt S3 zu Schritt S5 voran. Von
Schritt S5 schreitet der Ablauf zu Schritt S26 voran, wo die Frequenz
fn erfasst wird (die natürliche
Frequenz). An Schritt S27 wird festgestellt, ob die erfasste Frequenz
fn innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zwischen der Frequenz Fmax
und der vorbestimmten Frequenz Fmin liegt. Falls "ja", schaltet der Ablauf
bei Schritt S28 zu einem Schritt, bei dem die Spule 11 mit
dem Antriebsstromstoss versorgt wird, der eine feste Pulsweiteneinstellung
aufweist und sich von dem in S10 unterscheidet, woraufhin der Ablauf
zurück
zu Schritt S5 voranschreitet. Falls "nein" (das
heißt
die erfasste Frequenz fn ist größer als
eine vorbestimmte Frequenz Fmax oder sie ist kleiner als eine vorbestimmte
Frequenz Fmin) schaltet der Ablauf an eine Position, bei der die
Spule 11 mit einem Antriebsstromstoss versorgt wird, der
eine Weite aufweist, die kleiner ist als eine vorbestimmte Antriebsstrompulsweite,
woraufhin der Ablauf zurück
zu Schritt S5 voranschreitet. Somit wird die Amplitude verringert,
so dass der Energieverbrauch und Rauschen verringert werden können.
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Da
es nicht normal ist, ein elektrisches Rasiergerät oder dergleichen unter Fortlassen
der inneren Klinge für
eine ausgedehnte Zeitdauer zu betreiben, ist es ferner vorzuziehen,
die Ausgabe des Antriebsstromstosses an die Spule 11 zu
unterbrechen, wenn die erfasste Frequenz (die natürliche Frequenz)
fn sich während
einer vorbestimmten Zeit außerhalb
eines vorbestimmten Bereichs befindet, wie in 13 gezeigt
ist, die einen solchen zusätzlichen Betriebsablauf
der vorliegenden Erfindung zeigt. Insbesondere ist der Betrieb bei
diesem Ablauf mit der Ausnahme ähnlich
dem der 12, dass nach Schritt S29 bei
Schritt S30 festgestellt wird, ob eine kontinuierliche vorbestimmte
Zeit vergangen ist. Falls "ja" wird bei Schritt 31 die
Ausgabe des Antriebsstroms angehalten. Falls "nein" wird
der Ablauf zu Schritt S5 zurückgelenkt.
Wenn der Aktuator unter Fortlassen der inneren Klinge angeschaltet
wird, wird somit nach einer vorbestimmten Zeit die Versorgung des
Aktuators mit Leistung unterbrochen (das heißt der Aktuator wird abgestellt),
wodurch Energie gespart wird und einer möglichen Beschädigung des Rasierapparats
vorgebeugt wird.
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Ferner
wird, wenn der Aktuator 10, 100 als eine Antriebsquelle
eines elektrischen Rasierapparats oder dergleichen verwendet wird
und während der
Rasierapparat betrieben wird, eine Antriebslast aufgebracht. Falls
die Amplitude abnimmt, wenn die Antriebslast hinzugefügt wird, ändert sich
auch die Frequenz. Deshalb kann, wenn die erfasste Frequenz fn sich
nicht geändert
hat und sich für
eine vorbestimmte Zeitdauer in diesem unveränderten Zustand fortsetzt,
der Antrieb des Aktuators 10, 100 unterbrochen
werden – in 14 gezeigt,
die einen solchen Betriebsablauf zeigt. In 14 werden
die Schritte S10, S2, S3, S5, S26, S30 und S31 auf dieselbe Weise
wie in dem Ablauf der 13 durchgeführt. Nach Schritt S26 wird
jedoch bei Schritt 5270 festgestellt, ob die Frequenz fn
gleich der Frequenz fn-1 ist. Falls "ja" wird
der Ablauf zu Schritt S30 gelenkt, der wie oben erläutert derselbe
ist wie der in 13. Bei diesem Ablauf betrachtet
der Aktuator 10, 100 ein Unterlassen der Frequenzänderung
als einen unnormalen Zustand (beispielsweise den Zustand, wenn der
Schalter während
des Transports im Beutel eines Benutzers unbeabsichtigt aktiviert
wurde), und hält
den Antrieb des Rasiergeräts
an, wodurch unnötiger
Energieverbrauch vermieden wird.
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Wie
oben erläutert
wurde, wird gemäß der vorliegenden
Erfindung ein vibrierender Linearaktuator 10, 100 geschaffen,
der einen Stator 1 beinhaltet, der aus einem Elektromagneten
oder einem Permanentmagneten sowie einem sich bewegenden Abschnitt 2 hergestellt
ist, der einen Magneten 20 beinhaltet, bei dem es sich
um einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten handeln kann.
Der sich bewegende Abschnitt 2 wird von einer Feder 4 gestützt, und
eine Spule 11 wird mit einem Strom versorgt, um den sich
bewegenden Abschnitt 2 gegen eine Last zu bewegen, die
von der Feder 4 beaufschlagt wird, um dafür zu sorgen,
dass sich der sich bewegende Abschnitt in der Richtung der Pfeile
A, A' hin und her
bewegt. Der Aktuator 10 beinhaltet auch einen Frequenzdetektor 14 zum
Erfassen einer natürlichen
Frequenz eines Federvibrationssystems, das von der Feder und dem
sich bewegenden Abschnitt 2 gebildet wird, und eine Frequenzsteuerung 16,
um eine Frequenz eines Stromstosses zu bestimmen, mit dem die Spule
entsprechend dem Ergebnis der Erfassung des Frequenzdetektors versorgt
wird. Der vibrierende Linearaktuator 10, 100 kann
gemäß der vorliegenden
Erfindung das Federvibrationssystem mit seiner natürlichen
Frequenz vibrieren, ohne von einer Änderung des Federvibrationssystems
beeinflusst zu werden. Ferner weist der vibrierende Linearaktuator 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung eine hohe Antriebseffizienz auf und geringe Kosten.
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Der
Aktuator 10 beinhaltet ferner einen Amplitudendetektor 12,
der ein Signal entsprechend einer Amplitude des sich bewegenden
Abschnitts 2 erfasst, mit der die Spule 11 versorgt
werden soll. Der Amplitudendetektor 12 ist zum Betrieb
mit dem Frequenzdetektor 14 und der Frequenzsteuerung 16 verbunden.
Der Amplitudendetektor 12, der Frequenzdetektor 14,
die Frequenzsteuerung 16 und der Antriebsausgabeabschnitt 18 können Teil
einer CPU (nicht gezeigt) sein, die den Betrieb des Aktuators 10 steuert.
Die Frequenzsteuerung ist nicht Teil der CPU des Aktuators 100 der
zweiten Ausführungsform.
Die CPU kann dazu eingerichtet sein, eine Antriebsfrequenz zu bestimmen,
indem sie die natürliche
Frequenz aus einer Variation eines Wertes der Amplitude ableitet,
während
sie die Frequenz des Stromstosses nach und nach ändert, mit dem die Spule 11 versorgt
werden soll. Alternativ kann die Antriebsfrequenz von dem Frequenzdetektor 14 und/oder
der Frequenzsteuerung 16 bestimmt werden, wobei eines von
beidem oder beides eine Antriebsfrequenz bestimmen können, indem
sie die natürliche
Frequenz aus einer Änderung
eines Wertes der Amplitude ableiten, während die Frequenz des Stromstosses,
mit dem die Spule 11 versorgt werden soll, nach und nach
geändert
wird. Somit kann der Aktuator 10, 100 die natürliche Antriebsfrequenz
richtig bestimmen.
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Wenngleich
die Antriebsfrequenz im allgemeinen eine Frequenz ist, bei der die
Amplitude einen maximalen wert erreicht, kann die Antriebsfrequenz
auch eine Frequenz sein, bei der der Amplitudenwert einen vorbestimmten
Wert erreicht oder diesen übersteigt,
um so eine hohe Antriebseffizienz zu erreichen.
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Wie
in 7 gezeigt ist, kann der Aktuator 100 ferner
eine Stromwertmesseinrichtung R zum Messen des Antriebsstroms aufweisen,
mit dem die Spule 11 versorgt wird, während die Antriebsfrequenz
bestimmt werden kann, indem die natürliche Frequenz fn aus einer
Variation des Antriebsstromwerts abgeleitet wird, während die
Frequenz des Stromstosses, mit dem die Spule 11 versorgt
werden soll, nach und nach geändert
wird, weil die Antriebsfrequenz genau bestimmt werden kann. In dieser Konfiguration
ist die Antriebsfrequenz im allgemeinen ebenfalls eine Frequenz,
bei der der Antriebsstromwert einen minimalen Wert erreicht, und
alternativ kann die Antriebsfrequenz auch eine Frequenz sein, bei
der der Antriebsstromwert einen vorbestimmten Wert erreicht oder
unterschreitet, um eine hohe Antriebseffizienz zu erreichen.
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Die
natürliche
Frequenz kann bestimmt werden, wenn die Spule 11 nicht
mit Strom versorgt wird, so dass die natürliche Frequenz erfasst werden
kann, während
die Interferenz der Stromversorgung mit der Spule vermieden wird.
Ferner kann, falls die natürliche
Frequenz am Ende der Dauer bestimmt wird, während derer die Spule 11 nicht
mit Strom versorgt wird, die natürliche
Frequenz zuverlässiger
und richtiger bestimmt werden.
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Wenn
sich die erfasste natürliche
Frequenz ausserhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet, wird
eine Pulsweite des Antriebsstromstosses verringert. Somit kann eine
unnötige
Leistungsaufnahme während
des Betriebs des Aktuators 10, 100 unter einer
anomalen Bedingung unterdrückt
werden. Falls die erfasste natürliche
Frequenz sich während
eines vorbestimmten Zeitintervalls nicht geändert hat, kann die Versorgung
der Spule 11 mit Strom unterbrochen werden. Somit kann
eine unnötige
Leistungsaufnahme ausgeschlossen werden.
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Darüberhinaus
kann, wenn die erfasste natürliche
Frequenz sich während
eines vorbestimmten Zeitintervalls nicht geändert hat, die Versorgung der Spule 11 mit
Strom unterbrochen werden, um so zu verhindern, dass der Aktuator
in einem lastfreien Zustand angetrieben wird, wodurch eine unnötige Leistungsaufnahme
vermieden wird.
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Man
beachte, dass die vorstehenden Beispiele lediglich zum Zwecke der
Erklärung
gegeben wurden und in keiner Weise derart konstruiert werden dürfen, dass
sie die vorliegende Erfindung einschränkten. Während die vorliegende Erfindung
unter Bezugnahme auf gewisse Ausführungsformen beschrieben wurde,
sind selbstverständlich
die Wörter,
die hier verwendet wurden, eher Wörter der Beschreibung und Darstellung
denn Wörter
der Beschränkung.
Innerhalb des Umfangs der anliegenden Ansprüche, wie sie vorliegend abgefasst
und verbessert sind, können Änderungen
vorgenommen werden, ohne von dem Umfang und dem Wesen der vorliegenden
Erfindung in ihren Gesichtspunkten abzuweichen. Wenngleich die vorliegende
Erfindung hier unter Bezugnahme auf besondere Mittel, Materialien und
Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist dennoch nicht beabsichtigt, dass man die
vorliegende Erfindung auf die hier offenbarten Besonderheiten begrenze;
vielmehr erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf sämtliche
funktional äquivalenten
Strukturen, Verfahren und Verwendungen, wie sie sich etwa innerhalb
des Umfangs der anliegenden Ansprüche befinden.