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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen Linearmotoren und insbesondere
einen Linear-Vibrationsmotor, der für die Verwendung in einem elektrischen Rasierer
geeignet ist, und ein Verfahren zum Steuern der Hin-und-Her-Bewegung
von dem Linear-Vibrationsmotor.
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Die
ungeprüfte
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 2-52692 offenbart einen Linearmotor, der als Quelle einer hin
und her bewegenden Vibration für
einen Schwingkopf-Elektrorasierer verwendet wird. Dieser Linear-Vibrationsmotor
ist ein Einzel-Phasen-Synchronmotor,
der ein Vibrationsteil (oder eine Nadel), das aus einem kolbenartigen
Permanentmagneten besteht, und einen Stator mit einem U-förmigen Eisenkern
aufweist, um den Spulen gewickelt sind. Eine Gleichspannung mit
einer Frequenz, die zweimal größer als
eine Wechselstromfrequenz ist, wird durch einen Volle-Wellen-gleichrichtenden
Kreislauf an die Spulen angelegt, um dadurch eine Hin-und-Her-Bewegung
(Oszillation) des Vibrationsteils zu induzieren und dadurch eine
Vibration zu erzeugen.
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Die
elektromagnetische Kraft, die erforderlich ist, um die Hin-und-Her-Bewegung
des Vibrationsteils (oder der Nadel) zu induzieren, ist größer als
gewünscht.
Wenn das Vibrationsteil von einer Feder abgestützt wäre, um dadurch ein Feder-Vibrationssystem
(inklusive des Vibrationsteils) zu bilden, und das Feder-Vibrationssystem
mit einer Frequenz angetrieben wäre,
die gleich einer charakteristischen (Resonanz-) Frequenz davon ist,
wäre es
möglich, die
Menge an Energie zu reduzieren, die notwendig ist, um das Feder-Vibrationssystem
anzutreiben. Jedenfalls könnte
die Amplitude der hin und her bewegten Vibration nicht stabil gehalten
werden, wenn das Feder-Vibrationssystem belastet wird.
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Als
eine Lösung
dieses Problems wurde ein Linearmotor vorgeschlagen, der einen Stator
mit einem Elektromagneten oder einem Permanentmagneten, ein Vibrationsteil
mit einem Permanentmagneten oder einem Elektromagneten, das durch
eine Feder abgestützt
ist, ein Detektionssystem, das die Verlagerung, die Geschwindigkeit
oder die Beschleunigung des Vibrationsteils detektiert und ein Rückführungssignal
erzeugt, das dieses anzeigend ist, und ein Steuerungssystem aufweist,
das die Menge der elektrischen Energie steuert, die an einer Spule
von dem Elektromagneten in Antwort auf das Rückführungssignal angelegt wird.
Mit diesem Linearmotor, sogar wenn eine charakteristische (Resonanz-)
Frequenz von dem Vibrationssystem aufgrund von zum Beispiel Änderungen
in der Last variiert, variiert das Steuerungssystem automatisch
die Menge der elektrischen Energie, die an der Spule des Elektromagneten
anliegt, in einer derartigen Art und Weise, dass das Vibrationssystem
mit der aktuellen Resonanzfrequenz angetrieben wird (d.h., dass
das Vibrationssystem in einem Resonanzzustand angetrieben wird).
Dies ist möglich,
weil die Vibration der Resonanzfrequenz in bekannter Art und Weise
auf die Verlagerung, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung
des Vibrationsteils bezogen ist, von denen zumindest eines durch
das Detektionssystem detektiert wird.
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Wenn
jedoch das Vibrationssystem stark belastet wird, mit dem Ergebnis,
dass die Amplitude der hin und her bewegten Vibration beträchtlich
reduziert ist, wird das Detektionssystem nahezu unwirksam, wodurch
es unmöglich
gemacht ist, das Vibrationssystem im Resonanzzustand anzutreiben.
Zusätzlich bedarf
es einer beträchtlichen
Menge an Zeit für
das Vibrationssystem, um in den Resonanzzustand zurückzukehren,
sogar nachdem es entlastet wurde, wodurch sich eine beträchtliche
Reduktion der Effizienz des Linearmotors ergibt.
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Auf
dem obigen basierend kann anerkannt werden, dass es aktuell einen
Bedarf im Stand der Technik für
einen Linearvibrationsmotor gibt, der die Nachteile und Schwächen der
aktuell erhältlichen Technologie überwindet.
Insbesondere gibt es aktuell einen Bedarf für einen Linear-Vibrationsmotor,
welcher die Fähigkeit,
das Vibrationssystem geeignet anzutreiben, wenn das Detektionssystem
nicht mehr seine Detektionsfunktion ausführen kann, und die weitere
Fähigkeit
des schnellen Zurückkehrens
des Vibrationssystems in einen Resonanzzustand aufweist, wenn das
Detektionssystem in die Lage kommt, seine Detektionsfunktion wieder
auszuführen.
Die aktuelle Erfindung erfüllt
diesen Bedarf im Stand der Technik.
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EP-A-0,674979
offenbart ein Verfahren und einen Motor mit den Merkmalen im Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs definiert.
Bevorzugte Ausführungsformen
werden in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Die
Erfindung umfasst einen Linear-Vibrationsmotor, welcher ein Vibrationssystem,
einen elektromagnetischen Antrieb, ein Detektionssystem und ein
Steuerungssystem aufweist. Das Vibrationssystem weist ein Antriebselement
auf, welches an einem magnetischen Element für eine Hin-und-Her-Bewegung
montiert ist. Die Amplitude der Hin-und-Her-Bewegung variiert als
eine Umkehrfunktion der Last am Motor. Der elektromagnetische Antrieb
weist eine Spule auf und treibt das Vibrationssystem durch Anlegen
einer elektromagnetischen Kraft an dem magnetischen Element an,
wobei die elektromagnetische Kraft durch einen antreibenden Strom
erzeugt wird, der durch die Spule fliest. Das Detektionssystem detektiert
zumindest eine Charakteristik von dem Vibrationssystem, die auf
eine charakteristische Frequenz von dem Vibrationssystem bezogen
ist, und erzeugt ein Rückführungssignal,
das diesen einen Wert von der zumindest einen Charakteristik anzeigt.
Das Steuerungssystem reagiert während
eines primären Modus
der Betätigung
auf das Rückführungssignal, um
derart steuernd den antreibenden Strom zu variieren, der durch die
Spule fließt,
dass das Vibrationssystem in Antwort auf die charakteristische Frequenz angetrieben
wird, und ermittelt die Existenz eines Zustands, der das Detektionssystem
als funktionsunfähig
wiedergibt, und treibt das Vibrationssystem mit einer vorgegebenen
Frequenz an, wenn ermittelt wird, dass der Zustand während eines
Back-up-Modus einer Betätigung
existiert.
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In
einer aktuell bevorzugten Ausführungsform
ist die zumindest eine Charakteristik des Vibrationssystems die
Verlagerung, die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des
Antriebeselementes und die Bedingung ist der Anlauf-Modus von dem Motor
und/oder der Amplitude Hin-und-Her-Bewegung des Antriebselementes,
die unter einen vorgegebenen minimalen Grenzwert fällt. Ebenfalls
ist in der aktuell bevorzugten Ausführungsform das Antriebselement
eine Vibrationsteilanordnung und das Vibrationssystem weist ferner
ein Federsystem auf, welches das Antriebselement abstützt. Ferner
moduliert in der aktuell bevorzugten Ausführungsform das Steuerungssystem
die Pulsweite des antreibenden Stroms in Antwort auf das Rückführungssignal.
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Das
Steuerungssystem kann das Vibrationssystem mit einer vorgegebene
Frequenz antreiben, welche eine einzelne vorgegebene feste Frequenz ist,
oder es kann alternativ entweder steuernd die vorgegebene Frequenz
entsprechend den Variationen in dem antreibenden Strom variieren
oder nacheinander eine Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzen
verwenden, von denen jede die vorgegebene Frequenz zu dem Zeitpunkt
darstellt, an dem sie erzeugt wird. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
weist das Steuerungssystem einen Bereich auf, welcher den momentanen
Wert der charakteristischen Frequenz des Vibrationssystems ermittelt
und den letzen momentanen Wert der charakteristischen Frequenz speichert,
bevor das Detektionssystem funktionsunfähig wird, für eine Verwendung als die vorgegebene
Frequenz.
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Die
Erfindung umfasst ebenfalls in einem anderen ihre Aspekte ein korrespondierendes
Verfahren zum Steuern eines Linear-Vibrationsmotors eines Typs, welcher
zur Verwendung in einem Elektrorasierer geeignet ist. Ein derartiger
Linear-Vibrationsmotor weist
einen Stator mit einem Elektromagneten oder einem Permanentmagneten,
ein Vibrationsteil mit einem Permanentmagneten oder einem Elektromagneten,
das von einer Feder abgestützt
wird, ein Detektionssystem, welches zumindest eines von einer Verlagerung,
einer Geschwindigkeit und einer Beschleunigung des Vibrationsteils
detektiert, und ein Steuerungssystem auf, welches einen Antriebsstrom steuert,
der an eine Spule des Elektromagneten entsprechend eines Rückführungs-Ausgangssignals von
dem Detektionssystem angelegt ist, um dadurch ein Vibrationssystem
mit dem Vibrationsteil und der Feder in Antwort auf eine charakteristische
Frequenz des Vibrationssystems anzutreiben. Das Verfahren weist
die Schritte auf: Ermitteln, wenn ein Zustand vorliegt, welcher
verhindert, dass das Detektionssystem zumindest eines von der Verlagerung,
der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Vibrationsteils detektiert,
und Verwenden des Steuerungssystems, um das Vibrationssystem mit
einer vorbestimmten Frequenz anzutreiben, wenn ermittelt wurde,
dass der Zustand existiert.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Diese
und verschiedene andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden klar verstanden im Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
im Zusammenhang mit den anhängenden
Zeichnungen, in welchen:
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1 ein
Blockdiagramm einer exemplarischen Ausführungsform des Linear-Vibrationsmotors der
Erfindung ist,
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2 ein
Diagramm ist, welches den Zusammenhang der Resonanzfrequenz, des
Stroms und der Last bei der Betätigung
des Linear-Vibrationsmotors der Erfindung illustriert,
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3 ein
Blockdiagramm einer anderen exemplarischen Ausführungsform des Linear-Vibrationsmotors
der Erfindung ist,
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4 ein
Blockdiagramm von einer anderen exemplarischen Ausführungsform
des Linear-Vibrationsmotors der Erfindung ist,
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5 ein
Blockdiagramm von einer anderen exemplarischen Ausführungsform
des Linear-Vibrationsmotors der Erfindung ist,
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6 ein
Ablaufdiagramm ist, welches die Wellenformen und zeitlichen Zusammenhänge von verschiedenen
operationalen Charakteristiken und von Signalen illustriert, die
durch den Linear-Vibrationsmotor während der Betätigung davon
erzeugt werden,
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7 ein
teilweise Block-, teilweise schematisches Diagramm von einem Linear-Vibrationsmotor ist,
der entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung konstruiert
ist,
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8 ein
Blockdiagramm von dem Detektions- und Steuerungssystem von dem Linear-Vibrationsmotor
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist,
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9 eine
perspetkivische Explosionsansicht des Linear-Vibrationsmotors der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist,
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10 eine
perspektivische Explosionsansicht von der Vibrationsteilanordnung
des Linear-Vibrationsmotors von der bevorzugten Ausführungsform ist,
die in 9 dargestellt ist, und
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11 ein
teilweise Block-, teilweise schematisches Kreislauf-Diagramm von
dem Linear-Vibrationsmotor der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Mit
Bezug auf die 9 und 10 kann
ein Linear-Vibrationsmotor
gesehen werden, der entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung konstruiert ist. Obwohl der Linear-Vibrationsmotor
der Erfindung eine besondere Verwendung in einem Schwingkopf-Elektrorasierer
aufweist, sollte klar verstanden sein, dass die Erfindung nicht auf
diese oder eine andere spezielle Anwendung limitiert ist. Der Linear-Vibrationsmotor
weist einen Stator 1, eine Vibrationsteilanordnung 2 (siehe 7) mit
zwei Vibrationsteilen 21 und 22 und einen Rahmen 3 auf.
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Der
Stator 1 besteht aus einem E-förmigen Joch 10, das
aus gesintertem magnetischen Material oder Eisenplatten gebildet
wird, und einer Spule 11, die um eine mittlere Auskragung
des Joches 10 herum gewickelt ist. Stifte 12 stehen
an gegenüberliegenden
Endflächen
des Jochs 10.
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Der
Rahmen 3 weist ein paar von Seitenwänden 30, 30 auf,
die an unteren Längsenden
davon miteinander durch Bodenplatten 31, 31 verbunden sind,
und weist daher einen U-förmigen
Querschnitt auf. Die Stifte 12 sind in Kerben 32 der
Seitenwände 30 durch
Schweißen
oder Verstemmen fixiert, um dadurch den Stator 1 an dem
Rahmen 3 zu fixieren.
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Jedes
der Vibrationsteile 21 und 22 weist einen angetriebenen
Körper 23 aus
synthetischem Harz, eine Verstärkungsplatte 25 und
ein rückwärtiges Joch 26,
die beide aus einem nichtmagnetischen Metall bestehen, und einen
Permanentmagneten 20 auf, der an einer unteren Fläche des
angetriebenen Körpers 23 durch
die Verstärkungsplatte 25 und
das rückwärtige Joch 26 fixiert
ist. Der angetriebene Körper 23 des
Vibrationsteils 21 ist ein rechteckiger Rahmen und weist
eine Verstärkungsplatte 25,
ein rückwärtiges Joch 26 und
einen Permanentmagneten 20 an den unteren Enden der Seitenwände davon
auf. Die Verstärkungsplatten
an den gegenüberliegenden Seiten
des angetriebenen Körpers 23 sind
integral ausgebildet, um dadurch die einzige Verstärkungsplatte 25 zu
bilden. Die Verstärkungsplatte 25 ist
integral mit dem angetriebenen Körper 23 durch
Insert- (oder Outsert-) Gießen
ausgebildet. Eine Kupplung 24, die integral mit dem angetriebnen
Körper 23 ausgebildet
ist, ist so gestaltet, dass sie innere Klingen von Schwingkopf-Elektrorasierern
aufnimmt.
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Die
Vibrationsteile 21 und 22 sind mit dem Rahmen 3 durch
Blattfedern 4, 4 verbunden. Die Blattfedern 4 sind
durch Stanzen einer Metallplatte ausgebildet und weisen eine Trageplatte 40,
die an dem Rahmen 3 angebracht ist, und verbindungsplatten
auf, die an den Vibrationsteilen 21 und 22 angebracht
sind. Eine mittlere Blattfeder 41, die mit dem Vibrationsteil 22 verbunden
ist, und ein Paar Blattfedern 42, 42, die mit
dem Vibrationsteil 21 verbunden sind, sind integral miteinander
durch die Trageplatte 40 ausgebildet. Dadurch, dass die
Trageplatte 40 an den gegenüberliegenden Enden des Rahmen 3 befestigt
ist, z.B. durch Schweißen
oder der gleichen, und ferner dadurch, dass die Verbindungsplatten 43 an
den gegenüberliegenden
Enden der Verstärkungsplatten 25 von
den Vibrationsteilen 21 und 22 befestigt sind,
sind die Vibrationsteile 21 und 22 an dem Rahmen 3 aufgehängt und
die Kupplung 24 des Vibrationsteils 22 ist in
dem Vibrationsteil 21 angeordnet. Ein paar von Druck-Spiralfeder 28, 28 ist
in einer Richtung der Hin-und-Her-Bewegung der Vibrationsteile 21 und 22 zwischen
Federaufnahmen 26, 26, die an einer inneren Fläche des
Vibrationsteils 21 ausgebildet sind, und Federaufnahmen, 27, 27 abgestützt, die
an der Kupplung 24 des Vibrationsteils 22 ausgebildet
sind.
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Der
Permanentmagnet 20, der an der Vibrationsteilanordnung 2 angebracht
ist, liegt dem Stator 1 vertikal mit einer vorbestimmten
Lücke dazwischen gegenüber und
ist in einer Richtung der Hin-und-Her-Bewegung (Osszilation) der
Vibrationsteilanordnung 2 magnetisiert. Wie in 7 illustriert, bewegt
der Permanentmagnet 20 sich nach rechts oder links entsprechend
der Richtung, in welcher der Strom durch die Spule 11 des
Startors 1 fließt,
wobei die Plattfedern 4 deformiert werden. Eine Hin-und-Her-Bewegung
und Vibration der Vibrationsteilanordnung 2 wird durch
Umschalten der Richtung bewirkt, in welcher der Strom durch die
Spule 11 mit der charakteristischen (Resonanz-)Frequenz
des Vibrationssystems fließt,
welches die Vibrationsteilanordnung 2, die Blattfedern 4 und
die Druck-Spiralfedern 28 aufweist (eine durch magnetische
Anziehungskraft verursachte konstante Federkomponente wird ferner
zu dem System hinzuaddiert, um präzise zu sein).
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Da
die magnetischen Pole des Permanentmagneten 20 von dem
Vibrationsteil 21 entgegengesetzt zu den magnetischen Polen
des Permanentmagneten 20 von dem Vibrationsteil 22 angeordnet
sind, sind die Hin-und-Her-Bewegungen der Vibrationsteile 21 und 22 um
180° außer Phase.
Wenn die Vibrationsteile 21 und 22 gedrängt werden,
sich unter dem Einfluss von dem Strom, der durch die Spule 11 des Startors 1 fließt, nach
außen
zu bewegen, werden die Federn 28, 28 zusammengedrückt.
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Es
ist bevorzugt, das Vibrationssystem synchron mit einer charakteristischen
(Resonanz-) Frequenz des Vibrationssystems zu vibrieren, d.h., das Vibrationssystem
in einem Resonanzzustand mit den zwei Zielen der stabilen Vibration
und der Reduktion der Vibrationsenergie zu setzten. Um diese zwei Ziele
zu erreichen ist der Linear-Vibrationsmotor der Erfindung mit einem
Detektionssystem, welches eine Charakteristik von dem Vibrationssystem
detektiert, die indikativ zu der Resonanzfrequenz davon unter aktuellen
Lastbedingung ist, und einem Steuerungssystem ausgestattet, welches
auf ein Rückführungssignal
reagiert, das durch das Detektionssystem generiert wird, um die
Größe und Richtung
des Strom derart zu steuern, der durch die Spule 11 fließt, dass die
Resonanzbetätigung
des Vibrationssystems beibehalten wird.
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Mit
Bezug auf 7 weist das Detektionssystem
einen Erfassungsmagneten 29, der an der Vibrationsteilanordnung 2 montiert
ist, wobei der Erfassungsmagnet 29 magnetische Pole aufweist,
die in Richtung der Hin-und-Her-Bewegung der Vibrationsteile angeordnet
ist, und einen Sensor 29 auf, der Erfassungswindungen aufweist
und in einer Öffnung 34 des
Rahmen 3 abgestützt
ist. Das Steuerungssystem weist ein Steuerungs-Ausgangssignal 5 auf,
das die Stärke
und Richtung des Strom steuert, der durch die Spule 11 fließt, entsprechend
einem Strom (einer Spannung), die in dem Sensor 39 induziert
wird, wenn die Vibrationsanordnung 2 bei einer Vibration ist.
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Wie
in 6 illustriert, variiert insbesondere ein Strom,
der in dem Sensor 39 induziert ist, gemäß der Amplitude der Vibrationsteilbewegung,
der Verlagerung der Vibrationsteilanordnung und/oder der Geschwindigkeit
und der Richtung der Bewegung der Vibrationsteilanordnung 2.
(Der Term 'Amplitude
der Vibrationsteilbewegung',
wie hierin verwendet, meint die Größe des Bereichs der Hin-und-Her-Bewegung der
Vibrationsteilanordnung 2.) zum Beispiel, wenn die Vibrationsteilanordnung 2 ein
erstes Limit von ihrem Bereich der Hin-und-Her-Bewegung erreicht, stoppt
der Magnet 29 (aufgrund der Null-Geschwindigkeit der angebrachten
Vibrationsteilanordnung 2) und entsprechend wird der magnetische
Fluss nicht geändert,
der dadurch erzeugt wird.
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Damit
ist zu diesem Zeitpunkt das Spannungsausgangssignal des Sensors 39 Null.
Wenn die Vibrationsteilanordnung 2 einen Mittelpunkt in
ihrem Bereich der Hin-und-Her-Bewegung erreicht, bewegt sich die
Vibrationsteilanordnung 2 mit ihrer maximalen Geschwindigkeit
und damit ist zu diesem Zeitpunkt das Spannungs-Ausgangsignal des
Sensors 39 bei seinem Maximalwert. Entsprechend kann die Maximalgeschwindigkeit
der Vibrationsteilanordnung 2 durch Detektieren des maximalen
Spannungs-Ausgangsignals durch den Sensor 39 detektiert
werden, und der Zeitpunkt, an dem die Vibrationsteilanordnung 2 einen
Totpunkt erreicht (d.h., ein Limit seines Bereiches der Hin-und-Her-Bewegung),
kann durch detektieren des Null-Ausgangssignals
von dem Sensor 39 detektiert werden. Zusätzlich kann
die Richtung, in welcher sich die Vibrationsteilanordnung 2 bewegt,
basierend auf einer Polarität
des Ausgangssignals von dem Sensor 39 detektiert werden.
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Eine
exemplarische Implementation des Detektionssystems und des Steuerungssystems,
die in der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung eingesetzt werden, ist in 11 illustriert.
Wie zu sehen ist, weist das Detektionssystem den Sensor 39,
einen Verstärkerkreislauf
und einen A/D-Wandlerkreislauf 52 auf. Im Betrieb wird
die Ausgangsspannung, die durch den Sensor 39 übertragen
wird (welche eine sinusförmige
Wellenform aufweist, wie in 6 zu sehen
ist) durch den Verstärkerkreislauf 51 verstärkt. Die
verstärkte
Ausgangsspannung, die von dem Verstärkerkreislauf 51 erzeugt
wurde, wird dann in einen digitalen Wert durch den A/D-Wandlerkreislauf 52 umgewandelt.
Die maximale Geschwindigkeit der Vibrationsteilanordnung 2 kann
durch Detektieren der Spannungshöhe
von dem Sensor-Ausgangssignal eine vorgeschriebene Zeitperiode (t)
nach dem Zeitpunkt, an dem der Sensor Ausgangssignal Null ist, oder
durch Detektieren eines maximalen Spannungspegels von dem Sensor-Ausgangssignal zwischen
aufeinanderfolgenden Null-Ausgangssignalen detektiert werden. Der
Zeitpunkt, in welchem sich die Richtung der Bewegung von der Vibrationsteilanordnung 2 umkehrt,
kann ebenfalls durch Detektieren, wann das Sensor-Ausgangssignal
Null ist, detektiert werden. Zusätzlich
ist es möglich,
da ein Strom durch die Spule 11 in entgegengesetzte Richtungen
abhängig
von der Richtung der Bewegung der Vibrationsteilanordnung 2 fließt, die
Richtung der Bewegung (d.h., positiver oder negativer Hub) von der
Vibrationsteilanordnung durch Detektieren der Polarität der Ausgangsspannung
von dem Sensor 39 detektiert werden.
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Das
Steuerungssystem weist den Steuerungs-Ausgangssignalabschnitt 5 und
einen Treiberabschnitt 53 auf, der mit der Spule 11 gekuppelt
ist. Bei einer Betätigung
erhält
der Steuerungs-Ausgangsabschnitt 5 das digitale Ausgangssignal
von dem A/D-Wandlerkreislauf 52, welches ein Rückführungssignal
darstellt, das indikativ für
zumindest eines von der Verlagerung, der Beschleunigung und der
Geschwindigkeit von der Vibrationsteilanordnung 2 ist.
Der Steuerungs-Ausgangsabschnitt und der Treiber 53 stellen
dann die Stärke
und/oder Richtung des antreibenden Stroms, der durch die Spule 11 fließt, entsprechend
des Wertes des Rückführungssignals
ein, um dadurch die Betätigung
des Vibrationssystems von dem Linear-Vibrationsmotor mit der Resonanzfrequenz
beizubehalten, d.h., um den Resonanzzustand des Vibrationssystems
beizubehalten.
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Wenn
das Detektionssystem zum Beispiel eine Reduktion der Amplitude der
Vibrationsteilvibration detektiert (d.h., eine Reduktion in dem
Bereich der Hin-und-Her-Bewegung von der Vibrationsteilanordnung 2),
z.B. aufgrund einer steigenden Last, wird der Steuerungs-Ausgangsabschnitt 5 in
Antwort auf das Rückführungssignal
von dem Detektionssystem den antreibenden Strom um eine Menge erhöhen (z.B.
durch Erhöhen einer
Zeitperiode T, während
der Strom zugeführt
wird, und/oder durch Erhöhen
des maximalen Stroms), die ausreichend ist, um die Geschwindigkeit
der Vibrationsteilanordnung 2 in der Art und weise zu vergrößern, dass
eine im wesentlichen konstante Amplitude der Vibrationsteilbewegung
beibehalten wird. In einer exemplarischen Ausführungsform detektiert das Detektionssystem
die Geschwindigkeit der Vibrationsteilanordnung 2 und erzeugt
ein digitales Rückführungssignal,
das indikativ dafür
ist. Der Steuerungs-Ausgangsabschnitt 5 weist
einen Speicher auf (z.B. ein ROM), welcher einen unterschiedlichen
PWM-Wert für
jeden detektierten Geschwindigkeitswert speichert. Bei einer Betätigung liest
der Steuerungs-Ausgangsabschnitt 5 den PWM-Wert von seinem Speicher
ab, der zu dem detektierten Geschwindigkeitswert korrespondiert,
und steuert dann die Pulsweite des antreibenden Stroms, der der
Spule 11 zugeführt
wird, entsprechend dem ausgelesenen PWM-Wert. Da eine Geschwindigkeit zu
einer Verlagerung und einer Beschleunigung korreliert, kann eine
Verlagerung oder eine Beschleunigung an Stelle einer Geschwindigkeit
detektiert werden, wie diagrammatisch in 8 illustriert.
Der Treiber 53 weist vier FET-Schaltvorrichtungen Q1-Q4 auf.
Durch Einschalten von entweder den Schaltvorrichtungen Q1 und Q3
oder den Schaltvorrichtungen Q2 und Q4 kann die Richtung des Stroms
umgeschaltet werden, der durch die Spule 11 fließt, um dadurch
eine Hin-und-Her-Bewegung der Vibrationsteilanordnung 2 zu
ermöglichen.
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Der
Steuerungs-Ausgangsabschnitt 5 erlaubt nur, dass der antreibende
Strom in eine Richtung fließt,
die entsprechend der detektierten Richtung ermittelt wurde, in welcher
sich die Vibrationsteilanordnung 2 bewegt, um dadurch zu
verhindern, dass der antreibende Strom die Vibrationsteilanordnung 2 bremst.
Zusätzlich
minimiert der Steuerungs-Ausgangsabschnitt 5 jede geforderte
Vergrößerung des
antreibenden Stroms durch Verwenden der vorspannenden Bewegung des
Federsystems, insbesondere durch Ermöglichen, dass der antreibende
Strom fließt,
wenn eine vorgeschriebene Zeitperiode t vergangen ist, nachdem der
Zeitpunkt t1, an welchem sich die Richtung der Bewegung des Vibrationsteilanordnung 2 umkehrt.
Wenn dem antreibenden Strom ermöglicht
würde,
durch die Spule 11 vor dem Zeitpunkt t1 in einer umgekehrten
Richtung zu fließen,
würde die
Vibration der Vibrationsteilanordnung 2 gebremst. Wenn
dem antreibenden Strom ermöglicht
würde,
durch die Spule 11 in Richtung der Bewegung der Vibrationsteilanordnung 2 zu
fließen, nachdem
die Vibrationsteilanordnung 2 den Mittelpunkt ihres Bereiches
der Hin-und-Her-Bewegung passiert hat, würde es unmöglich sein, eine vervielfachte
Kraft der antreibenden (elektromagnetischen) Kraft zu realisieren,
die durch die Spule 11 ausgeübt wird, und der antreibenden
(Abstoßung)
Kraft, die durch das Federsystem ausgeübt wird, da die antreibende
Kraft, die durch die Abstoßungskraft
des Federsystems verursacht wird, das durch die Vibrationsteilanordnung 2 komprimiert
wird, bereits vermindert wurde. Damit ist der Zeitpunkt, an dem
der antreibende Strom beginnt, an die Spule 11 angelegt zu
werden, in einem Bereich zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Richtung
der Bewegung von der Vibrationsteilanordnung 2 umgekehrt
wird, und dem Zeitpunkt vorgeschrieben, an dem die Vibrationsteilanordnung 2 den
Mittelpunkt ihres Bereiches der Hin-und-Her-Bewegung erreicht. Der
Zeitpunkt, an dem die Vibrationsteilanordnung 2 den Mittelpunkt
ihres Bereiches der Hin-und-Her-Bewegung erreicht, kann leicht detektiert
werden, da er mit dem Zeitpunkt korrespondiert, an welchem der Sensor 39 sein
maximales Ausgangssignal überträgt. Der
Zeitpunkt t kann dynamisch entsprechend der detektierten Geschwindigkeit
oder Beschleunigung der Vibrationsteilanordnung 2 eingestellt
werden.
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Mit
dem oben beschriebenen Antriebs-Steuerungssystem ist es nicht notwendig,
die Richtung der Bewegung von der Vibrationsteilanordnung 2 zu detektieren,
da die Richtung der Bewegung von dem Vibrationsteilanordnung 2 in
bekannter Art und Weise auf die Polarität des anliegenden antreibenden Stroms
bezogen ist, wodurch es möglich
gemacht wird, einfach nacheinander die Richtung umzuschalten, in
welcher der antreibende Strom durch die Spule 11 fließt, z.B.
durch geeignetes Steuern der Umschaltaktion von dem Treiber 53.
Ferner ist es mit dem oben beschriebenen Antriebs-Steuerungssystem
nicht notwendig, den Zeitpunkt zu detektieren, in welchem die Richtung
der Bewegung von dem Vibrationsteilanordnung 2 umgekehrt
wird, da die Frequenz, bei der die Richtung des Stromflusses durch die
Spule 11 von dem Treiber 53 umgeschaltet wird, mit
der charakteristischen oder Resonanz-Frequenz von dem Vibrationssystem
synchronisiert ist, wodurch es möglich
gemacht ist, einfach den antreibenden Strom in jede Richtung für ein vorgeschriebenes Zeitintervall
anzulegen, welches dynamisch entsprechend der detektierten Resonanzfrequenz
des Vibrationssystems eingestellt werden kann. Mit dieser Technik
kann der antreibende Strom angelegt werden, um durch die Spule 11 in
der geeigneten Richtung zu fließen,
sogar wenn die Vibrationsteilanordnung 2 so stark belastet
ist, dass sie vorübergehend gestoppt
wird, und der antreibende Strom kann angelegt werden, um durch die
Spule 11 zu fließen,
sogar wenn eine Abweichung in der charakteristischen Frequenz des
Vibrationssystems auftritt, z.B. aufgrund einer Differenz zwischen
den Massen der Vibrationsteile 21, 22 oder zwischen
den Federkonstanten der Druck-Spiralfedern 28, 28.
Damit kann sichergestellt werden, dass das Vibrationssystem zu der
momentanen charakteristischen Frequenz des Vibrationssystems konvergiert
und dass das Vibrationssystem mit einer im wesentlichen konstanten
Amplitude der Vibrationsteilbewegung vibriert.
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Wie
vorhergehend diskutiert, kann die Geschwindigkeit der Vibrationsteilanordnung 2 entweder
auf der Basis von dem maximalen Spannungswert-Ausgangssignal durch
den Sensor 39 oder auf der Basis des Zeitintervalls zwischen
aufeinanderfolgenden Zeitpunkten detektiert werden, an denen das Ausgangssignal
des Sensors 39 Null ist. Die letztere Methode stellt eine
Detektion des Zeitpunkts sicher, an welchem sich die Richtung der
Bewegung von der Vibrationsteilanordnung 2 umkehrt, ohne
durch irgendeine Abweichung oder Variation der magnetischen Kraft
von dem Magnet 29 und irgendeine Abweichung oder Variation
in der Lücke
zwischen dem Magnet 29 und dem Sensor 39 beeinflusst
zu sein. Entsprechend kann die Geschwindigkeit der Vibrationsteilanordnung 2 zuverlässiger und
präziser
auf der Basis des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten
detektiert werden, an denen das Ausgangssignal des Sensors 39 Null
ist.
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Als
eine Alternative zu dem Detektionssystem, welches den Magneten 29 und
den Sensor 39 aufweist, ist es möglich, ein Detektionssystem
zu verwenden, welches eine Schlitzplatte 60 aufweist, die an
der Vibrationsteilanordnung 2 angebracht ist (siehe 9 und 10),
und einen Fotosensor (nicht dargestellt), der zu dem Schlitz in
der Schlitzplatte 60 ausgerichtet ist, wodurch das Ausgangssignal
des Fotosensors in Abhängigkeit
von der Verlagerung, der Beschleunigung und/oder der Geschwindigkeit der
Vibrationsteilanordnung 2 variieren würde. Im Allgemeinen wird ein
Nicht-Kontakttyp Detektionssystem bevorzugt, um eine Vibration der
Vibrationsteilanordnung 2 nicht zu behindern.
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Mit
dem oben beschriebenen Linear-Vibrationsmotor und einem Steuerungssystem
dafür führt, wenn
das Detektionssystem als unfähig
zum Durchführen
seiner Detektionsfunktion aufgrund des Fallens der Amplitude der
Vibrationsteilbewegung von dem Vibrationssystem unter ein Minimum
(Grenzwert) (z.B. wenn der Motor stark belastet ist) wiedergegeben
wird, das Steuerungssystem den notwendigen antreibenden Strom der
Spule 11 zu, weil das Steuerungssystem nicht länger das
Rückführungssignal
von dem Detektionssystem empfängt,
welches notwendig für
seine Betätigung
ist (d.h., die Servo-Rückführungs-Schleife
ist offen oder unterbrochen). Die Erfindung ist so gestaltet, dass
sie diesen Mangel beseitigt.
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Insbesondere
weist der Linear-Vibrationsmotor einen Feste-Frequenz-Setzabschnitt 50 auf, wie
in 1 dargestellt, welcher einen (oder eine Mehrzahl
von) festen Frequenzwerten speichert, welcher durch das Steuerungssystem
verwendet wird (werden), wenn ermittelt worden ist, dass ein Zustand existiert
(z.B., die Amplitude der Vibrationsteilbewegung von dem Vibrationssystem
fällt unter
dem Minimalgrenzwert), welches das Detektionssystem als vorübergehend
unfähig
zum Durchführen
seiner Detektionsfunktion wiedergibt (d.h., funktionsunfähig). Insbesondere,
wenn ermittelt wurde, dass das Detektionssystem vorübergehend
funktionsunfähig
ist, liest der Steuerungs-Ausgangsabschnitt 5 einen festen Frequenzwert
von dem Feste-Frequenz-Setzabschnitt 50 aus und schaltet
dann den Treiber 53 mit der festen Frequenz, bis die Betätigung des
Detektionssystems wiederhergestellt ist. Auf diese Art und Weise
wird die Richtung, in welcher der Strom durch die Spule 11 fließt, durch
das Steuerungssystem mit der festen Frequenz während der Zeit geschaltet,
in der das Detektionssystem funktionsunfähig ist.
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Wie
es in 2 dargestellt ist, wenn eine Last N auf den Linear-Vibrationsmotor
von N1 nach N2 vergrößert wird,
wechselt die Resonanzfrequenz des Vibrationssystems von f1 nach f2. Wenn angenommen
wird, dass das Detektionssystem als funktionsunfähig wiedergegeben wird, wenn
die Last N2 übersteigt, kann jede einzelne
oder mehrere Frequenzen zwischen f1 und
f2 vorteilhaft als die feste Frequenz (EN)
eingesetzt werden, die in dem Feste-Frequenz-Setzabschnitt 50 gespeichert
ist. Es ist am bevorzugtesten, die Frequenz f2 zu
verwenden, da die Frequenz f2 einen Varianzbereich
aufgrund von Differenzen zwischen den Massen der Vibrationsteile 21, 22 oder
von Differenzen zwischen den Federkonstanten der Druck-Spiralfedern 28, 28 aufweist.
Insbesondere, wie in 3 dargestellt, weist der Linear-Vibrationsmotor
der Erfindung vorzugsweise eine Resonanzfrequenz (f2)-Speicherabschnitt 55 auf,
welcher die Resonanzfrequenz (f2) speichert, welche
durch das Detektionssystem unmittelbar vor der Detektion der Bedingung
detektiert wurde, welche verursacht, dass das Detektionssystem als
vorübergehend
funktionsunfähig
wiedergegeben wird (z.B. den Wert von N2 übersteigt).
Die Resonanzfrequenz f2, die von dem Resonanzfrequenz-Speicherabschnitt 55 gespeichert
ist, kann dann dem Feste-Frequenz-Setzabschnitt 50 zum
Speichern darin zugeführt
werden und anschließend
durch das Steuerungssystem verwendet werden.
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Mit
zusätzlichen
Bezug auf 2, wenn die Last N auf N3, größer N2, vergrößert wird,
wird der antreibende Strom I um ΔI
vergrößert. Damit
kann eine Frequenzvariation Δf
in Abhängigkeit
von der Stromvariation ΔI
vorhergesagt werden und die feste Frequenz f2 kann
entsprechend der vorhergesagten Frequenzvariation eingestellt werden,
um dadurch eine Frequenz f3 (=f2+Δf) zum Antreiben
der Spule 11 zu erzeugen. 4 ist ein
Blockdiagramm von einer anderen exemplarischen Ausführungsform
des Linearmotors der Erfindung, der einen Antriebsstrom-Detektionsabschnitt 56 umfasst,
welcher diese Operation durchführt
und den vorhergesagten Strom und/oder die Frequenzvariationen dem
Feste-Frequenz-Setzabschnitt 55 zur Verwendung zuführt, wodurch
die feste Frequenz f2 eingestellt wird.
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Eine
andere exemplarische Ausführungsform
des Linear-Vibrationsmotors
der Erfindung ist in 5 gezeigt, wobei zu sehen ist,
dass der Feste-Frequenz-Setzabschnitt 50 so gestaltet ist,
dass er eine Vielzahl von vorgeschriebenen Frequenzen fa,
fb und fc speichert.
Mit dieser Ausführungsform
kann der Steuerungs-Ausgangssignalabschnitt 5 nacheinander
die unterschiedlichen Frequenzwerte fa,
fb und fc auslesen
und dann nacheinander die Spule 11 mit diesen Frequenzen
während
der Zeiten antreiben, in denen das Detektionssystem funktionsunfähig ist. Zum
Beispiel können,
mit zusätzlichen
Bezug auf 2, die Frequenzen fa,
fb und fc jeweils
auf f1, f2 und f3 gesetzt sein.
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Das
Detektionssystem ist ebenfalls während des
Anlaufens des Linear-Vibrationsmotors funktionsunfähig. Entsprechend
kann das Steuerungssystem die Spule 11 mit der vorgeschriebenen
Frequenz(en), die in dem Feste-Frequenz-Setzabschnitt 50 gespeichert
ist, während
des Anlaufens von dem Linear-Vibrationsmotor
antreiben. Andererseits angegeben, ist der Anlauf-Modus des Motors
ebenfalls eine Bedingung des Motors, welcher detektiert werden kann,
um das Steuerungssystem in den Back-up Modus der Operation zu schalten.
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Weil
das Federsystem angetrieben wird, sogar wenn das Detektionssystem
funktionsunfähig
ist, ist es möglich,
das Federsystem schnell in den Resonanzzustand zurückzuführen, nachdem
das Detektionssystem wieder funktionsfähig geworden ist. Es wird angenommen,
dass ein Verwenden der Resonanzfrequenz f2 als
die vorgeschriebene Back-up Frequenz zum Schalten des antreibenden
Stroms, der an der Spule 11 anliegt, dem Federsystem erlaubt,
am schnellsten in den Resonanzzustand zurückzukehren (d.h., ein Zustand,
in welchem die Frequenz, mit welcher die Richtung des antreibenden Stroms
geschaltet wird, mit der charakteristischen (Resonanz-) Frequenz
des Vibrationssystems synchronisiert ist), insbesondere, wenn dieser
Wert entsprechend der vorgeschriebenen Variationen in dem antreibenden
Strom basierend auf vorgeschriebenen Variationen der Resonanzfrequenz
eingestellt wird, z.B. aufgrund der Variationen der Last.
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Obwohl
verschiedene Ausführungsformen der
Erfindung im Detail hierin beschrieben wurden, sollte es klar verstanden
sein, dass viele Variationen und/oder Modifikationen des erfinderischen
Grundkonzeptes, das hierin gelehrt ist und das sich einem Fachmann
zeigt, weiterhin in den Umfang der Erfindung fallen wird, der in
den anhängenden
Ansprüchen
definiert ist.