DE69828323T2

DE69828323T2 - Linearer Vibrationsmotor und Verfahren zum Steuern dafür

Info

Publication number: DE69828323T2
Application number: DE69828323T
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi Hikone-shi Amaya; Takio Hikone-shi Maekawa; Toyokatsu Hikone-shi Okamoto; Yasuo Hikone-shi Ibuki
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: CN1192080A; HK1010615A1; US5955799A; JP3674216B2; TW384562B; EP0860933B1; EP0860933A2; CN1059989C; EP0860933A3; ATE286319T1; JPH10243622A; DE69828323D1

Description

Hintergrund der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
EP-A-0,674979 offenbart ein Verfahren und einen Motor mit den Merkmalen im Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs definiert. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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.
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.
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.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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:
1 ein Blockdiagramm einer exemplarischen Ausführungsform des Linear-Vibrationsmotors der Erfindung ist,
2 ein Diagramm ist, welches den Zusammenhang der Resonanzfrequenz, des Stroms und der Last bei der Betätigung des Linear-Vibrationsmotors der Erfindung illustriert,
3 ein Blockdiagramm einer anderen exemplarischen Ausführungsform des Linear-Vibrationsmotors der Erfindung ist,
4 ein Blockdiagramm von einer anderen exemplarischen Ausführungsform des Linear-Vibrationsmotors der Erfindung ist,
5 ein Blockdiagramm von einer anderen exemplarischen Ausführungsform des Linear-Vibrationsmotors der Erfindung ist,
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,
7 ein teilweise Block-, teilweise schematisches Diagramm von einem Linear-Vibrationsmotor ist, der entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist,
8 ein Blockdiagramm von dem Detektions- und Steuerungssystem von dem Linear-Vibrationsmotor der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist,
9 eine perspetkivische Explosionsansicht des Linear-Vibrationsmotors der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist,
10 eine perspektivische Explosionsansicht von der Vibrationsteilanordnung des Linear-Vibrationsmotors von der bevorzugten Ausführungsform ist, die in 9 dargestellt ist, und
11 ein teilweise Block-, teilweise schematisches Kreislauf-Diagramm von dem Linear-Vibrationsmotor der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 f_a, f_b und f_c speichert. Mit dieser Ausführungsform kann der Steuerungs-Ausgangssignalabschnitt 5 nacheinander die unterschiedlichen Frequenzwerte f_a, f_b und f_c 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 f_a, f_b und f_c jeweils auf f₁, f₂ und f₃ gesetzt sein.
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.
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.
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.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Linear-Vibrationsmotors mit einem Stator, der einen Elektromagneten oder Permanentmagneten aufweist, und einem Vibrationsteil, das einen Permanentmagneten oder Elektromagneten aufweist und das durch eine Feder abgestützt ist, eines Detektionssystems, welches zumindest eines von der Verlagerung, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Vibrationsteils erfasst, und eines Steuerungssystems, welches einen Antriebsstrom steuert, der einer Spule des Elektromagneten entsprechend eines Rückführungs-Ausgangssignals des Detektionssystems zugeführt wird, um dadurch ein Vibrationssystem mit dem Vibrationsteil und der Feder in Resonanz mit einer charakteristischen Frequenz des Vibrationssystems anzutreiben, das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte: 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 bestimmt wurde, dass der Zustand vorliegt.
Verfahren zum Steuern eines Linear-Vibrationsmotors nach Anspruch 1, das ferner die Schritte aufweist: Ermitteln und Speichern eines momentanen Wertes der charakteristischen Frequenz, und Setzen der vorgeschriebenen Frequenz auf einen letzten momentanen Wert der charakteristischen Frequenz, wenn bestimmt wurde, dass der Zustand existiert.
Verfahren zum Steuern eines Linear-Vibrationsmotors nach Anspruch 1, der ferner den Schritt des Variierens der vorgeschriebenen Frequenz entsprechend der Variationen in dem Antriebsstrom aufweist.
Verfahren zum Steuern eines Linear-Vibrationsmotors nach Anspruch 1, der ferner den Schritt des Antreibens des Vibrationssystems mit einer vorgeschriebenen Frequenz während des Anlaufens des Vibrationssystems aufweist.
Verfahren zum Steuern eines Linear-Vibrationsmotors nach Anspruch 1, wobei die vorgeschriebene Frequenz durch sukzessives Verwenden einer Vielzahl von unterschiedlichen vorbestimmten festen Frequenzen variiert wird.
Linear-Vibrationsmotor, aufweisend: ein Vibrationssystem, das ein angetriebenes Element aufweist, welches an einem magnetischen Element zum Hin- und Herbewegen angebracht ist, wobei eine Amplitude der Hin- und Herbewegung als eine inverse Funktion der Last auf den Motor variiert, einen elektromagnetischen Antrieb, der eine Spule aufweist und der das Vibrationssystem durch Anlegen einer elektromagnetischen Kraft an das magnetischen Element antreibt, wobei die elektromagnetische Kraft durch einen Antriebsstrom erzeugt wird, der durch die Spule fließt, ein Detektionssystem, welches zumindest eine Charakteristik des Vibrationssystems detektiert, die auf eine charakteristische Frequenz des Vibrationssystem bezogen ist, und welche ein Rückführungssignal erzeugt, das einen Wert der zumindest einen Charakteristik indiziert, und ein Steuerungssystem, welches auf das Rückführungssignal reagiert, während eines ersten Betätigungsmodus, um den Antriebsstrom, der durch die Spule fließt, in einer derartigen Art und Weise gesteuert zu variieren, dass das Vibrationssystem in Resonanz mit der charakteristischen Frequenz angetrieben wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Steuerungssystem die Existenz eines Zustands ermittelt, welcher das Detektionssystem außer Funktion wiedergibt, und das Vibrationssystem mit einer vorgeschriebenen Frequenz antreibt, wenn bestimmt wurde, dass der Zustand während eines Sicherheitsmodus der Betätigung existiert.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei die zumindest eine Charakteristik des Vibrationssystems zumindest eines von der Verlagerung, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Antriebselementes aufweist.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei der Zustand einen Anlaufmodus des Motors aufweist.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei der Zustand die Last auf den Motor aufweist, die einen vorgeschriebenen maximalen Grenzwert übersteigt.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei der Zustand die Amplitude der Hin- und Herbewegung aufweist, die unter einen vorgeschriebenen minimalen Grenzwert fällt.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei das angetriebene Element ein Vibrationsteil aufweist.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei das Steuerungssystem auf das Rückführungssignal reagiert, um steuernd den Antriebsstrom, der durch die Spule fließt, in einer derartigen Art und Weise zu variieren, dass ein im Wesentlichen konstanter Wert der Amplitude der Hin- und Herbewegung aufrecht erhalten wird.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei das Vibrationssystem ferner ein Federsystem aufweist, welches das angetriebene Element abstützt.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei das Steuerungssystem Mittel zum Pulsweiten-Modulieren des Antriebsstroms in Antwort auf das Rückführungssignal aufweist.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei das Steuerungssystem einen Frequenz-Setz-Abschnitt aufweist, welcher die vorgeschriebene Frequenz speichert.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei das Steuerungssystem einen Frequenz-Regel-Abschnitt aufweist, welcher aufweist: einen ersten Bereich, welcher den momentanen Wert der charakteristischen Frequenz ermittelt, und einen zweiten Bereich, welcher den letzten momentanen Wert der charakteristischen Frequenz ermittelt und speichert, bevor die Existenz des Zustands, der das Detektionssystem außer Funktion wiedergibt, bestimmt wird, wobei der letzte momentane Wert die vorgeschriebene Frequenz darstellt.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei das Steuerungssystem aufweist: einen ersten Bereich, welcher eine Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzen speichert, und einen zweiten Bereich, welcher sukzessive die unterschiedlichen Frequenzen in vorgeschriebenen Zeitintervallen erzeugt, wobei jede der unterschiedlichen Frequenzen die vorgeschriebene Frequenz zu dem Zeitpunkt darstellt, in dem sie erzeugt wird.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei das Steuerungssystem die vorgeschriebene Frequenz gemäß der Vibrationen in dem Antriebsstrom variiert.
Linear-Vibrationsmotor nach Anspruch 6, wobei der elektromagnetische Antrieb einen Stator aufweist, der einen Elektromagneten mit einer Spule aufweist, die um diesen herum gewickelt ist.