DE69938405T2

DE69938405T2 - Linearer Schwingmotor und dessen Steuerungsverfahren

Info

Publication number: DE69938405T2
Application number: DE69938405T
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi Amaya; Yasuo Ibuki; Toyokatsu Okamoto
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-07-28
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2019-07-29
Also published as: JP2000050608A; DE69938405D1; EP0977344A2; JP3661424B2; EP0977344B1; EP0977344A3; US6181090B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines linear oszillierenden Motors während einer hin- und hergehenden Oszillation sowie auf einen linear oszillierenden Motor.
2. Diskussion der Hintergrundinformation
Ein linear oszillierender Motor weist einen feststehenden Magneten (z. B. einen Elektromagneten) auf. Ein bewegliches Element, das einen Magneten (z. B. einen Elektromagneten oder einen Permanentmagneten) beinhaltet, wird relativ zu dem feststehenden Magneten derart gehaltert, daß es frei oszillieren kann. Ein Detektor erfaßt verschiedene Oszillationsparameter (z. B. Amplitude, Geschwindigkeit, Beschleunigung, usw.) des beweglichen Elements. Als Reaktion auf die Ausgabe des Detektors gibt eine Steuereinheit einen Strom an eine Spule des feststehenden Magneten, um die Oszillation des beweglichen Elements zu steuern.
Wenn das bewegliche Element oszilliert, erzeugt es eine im allgemeinen sinusförmige Induktionsspannung innerhalb einer Erfassungsmagnetspule neben dem beweglichen Element. Die Periode der vollen Oszillation ist in zwei Halbperioden aufgeteilt (definiert durch die Punkte, an denen die Induktionsspannung null ist), über welche die Antriebssteuerung erfolgt.
Wenn die Oszillationsfrequenz relativ hoch ist, muß eine Hochleistungssteuereinheit benutzt werden, um den Antriebsstrom zu steuern, da die Steuerung auf einer Periode basieren muß, die kürzer als die Halbperiode ist. Derartige Hochleistungssteuereinheiten sind kostspielig und erhöhen die Gesamtkosten der Vorrichtung.
Das Patent US 4825332 beschreibt ein Verfahren und einen elektromagnetischen Antriebsschaltkreis zum Antreiben eines Pendels gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 10.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern eines linear oszillierenden Motors und einen entsprechenden Linearmotor anzugeben, der während der beiden Halbperioden einer vollen Amplitudenperiode eines beweglichen Elements gesteuert werden kann, ohne eine Hochleistungssteuereinheit zu benötigen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorstehende Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Steuern eines linear oszillierenden Motors, der die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 aufweist, durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Darüber hinaus wird die vorstehende Aufgabe mit einem Linearmotor, der die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 5 aufweist, durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 gelöst.
Der Detektor kann eine Verlagerung des beweglichen Elements während jeder Halbperiode oder während beiden Halbperioden erfassen.
Gemäß den Merkmalen der Erfindung kann der Magnet ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein.
Gemäß einem anderen Merkmal wiederholt das Verfahren nach dem Beenden einer vorgegebenen Steuerung die variable Steuerung des Erfassens oder des Triggerns.
Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung oszilliert das bewegliche Element, um eine aus zwei Halbperioden bestehende Periode festzulegen, wobei eine variable Steuerung über eine der zwei Halbperioden und eine vorgegebene Steuerung über die andere der zwei Halbperioden erfolgt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Linearmotor bereitgestellt. Es ist ein feststehender Magnet vorgesehen. Ein beweglicher Magnet wird von einem beweglichen Element getragen. Das bewegliche Element wird derart gehalten, daß es bezüglich des feststehenden Magneten über eine Vollperiode oszilliert. Mindestens der feststehende oder der bewegliche Magnet weist eine Spule auf. Die Vollperiode umfaßt die erste und die zweite Halbperiode. Der neben dem beweglichen Element montierter Detektor erzeugt eine Ausgabespannung auf der Basis der Bewegung des beweglichen Elements. Eine Steuereinheit gibt über mindestens einen Abschnitt der ersten und der zweiten Halbperiode einen Antriebssteuerstrom an die erste Spule. Der Antriebssteuerstrom basiert auf der Ausgabespannung während der ersten Halbperiode und ist von der Ausgabespannung während der zweiten Halbperiode unabhängig.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung basiert die Antriebssteuerung auf einer vorgegebenen Antriebsstrom-Wellenform während der zweiten Halbperiode. Mindestens ein Abschnitt der vorgegebenen Antriebsstrom-Wellenform ist ein von null verschiedener Strom.
Andere beispielhaften Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung können bei der Durchsicht der vorliegenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen aufgefunden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird ferner in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung erläutert, und zwar unter Bezugnahme auf die angegebene Mehrzahl von Zeichnungen mit Hilfe von nicht einschränkende Beispielen gewisser Ausführungsformen der vorliegende Erfindung. Darin beziehen sich durch die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen hindurch gleiche Nummern auf gleiche Elemente. Es zeigen:
1 ein Laufzeitdiagramm des Betriebs der vorgenannten Ausführungsform auf der Basis der Ausgabe der Oszillation des Motors der oben angegebenen Ausführungsform;
2 ist ein Blockschaltdiagramm einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Laufzeitdiagramm des Betriebs einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Basis der Ausgabe der Oszillation des Motors;
4 ist ein Laufzeitdiagramm einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Basis der Ausgabe der Oszillation des Motors;
5 ist ein Blockschaltdiagramm einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Unter Bezugnahme auf 2 wird ein Beispiel eines linear oszillierenden Motors gezeigt. Ein feststehendes Element 1, bei der beispielhaften Ausführungsform ein Elektromagnet mit einer Spule 11, ist an einen Rahmen 3 montiert. Ein bewegliches Element 2 trägt einen ersten Magneten 20 und einen zweiten Magneten 29 (z. B. einen Permanent- oder Elektromagneten). Das bewegliche Element 2 ist durch Federn 4 derart an gegenüberliegenden Seiten des Rahmens 3 befestigt, das es relativ zu dem Rahmen 3 oszillieren kann. Eine Erfassungsmagnetspule 39, die an dem Rahmen 3 angebracht ist, gibt eine Spannung ab als Reaktion auf einen Oszillationsparameter (z. B. eine Verlagerung, Amplitude, Geschwindigkeit, Beschleunigung, usw.) des Magneten 29 (und somit des beweglichen Elements 2) relativ zu dem Rahmen 3. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist der Parameter eine Verlagerung. Ein Sensor 6 erfaßt den Oszillationsparameter des beweglichen Elements 2 aus den Veränderungen in der Ausgabe der Erfassungsmagnetspule 39. Die Steuereinheit 5 nimmt die Ausgabe des Sensors 6 auf und antwortet über eine Steuereinheit-Ausgabe 50 mit einer Steuer- Antriebsstromimpulsdauer an die Spule 11 des feststehenden Elements 1.
Unter Bezugnahme auf 1 erzeugt das bewegliche Element 2, wenn es oszilliert, eine im allgemeinen sinusförmige Induktionsspannung A innerhalb der Erfassungsmagnetspule 39. Die Induktionsspannung A ist null am Beginn und am Ende einer jeder Halbperiode (d. h. an einem Oszillationsamplitudenextrem), dargestellt in 1 als Zeit t. Die Amplitude der Induktionsspannung A hängt von verschiedenen Parametern der Oszillation, z. B. der Amplitude, der Geschwindigkeit, der Richtung, usw., ab. Wie unten im Einzelnen erläutert wird, sendet die Steuereinheit 5 in Reaktion auf die Amplitude der Induktionsspannung A einen Antriebsstrom B an die Spule 11.
Wie oben angegeben, ist die Induktionsspannung A null, wenn sich das bewegliche Element 2 an einem Oszillationsamplitudenextrem befindet. Zu einer Zeit t₀ nach der Zeit t erzeugt die Oszillation des beweglichen Elements 2 eine Spannung V₀ (diese kann als Äquivalent zu einem Oszillationsamplitudenwert betrachtet werden). Die Steuereinheit 5 reagiert mit einer variablen Steuerung der Impulsdauer des Antriebsstroms B an die Spule 11 zwischen den Zeiten t₁–t₂, wobei t₁ gegenüber t₀ leicht verzögert ist. Während dieser Zeit setzt die Steuereinheit 5 die Überwachung der Ausgabe der Spule 39 fort und paßt den variablen Stromantrieb B entsprechend an. Wenn V₀ hoch ist, ist auch die Oszillationsamplitude groß und das entsprechende Intervall zwischen t₂ und t₁ ist kürzer. Wenn V₀ niedrig ist, ist auch die Oszillationsamplitude klein und das entsprechende Intervall zwischen t₂ und t₁ ist länger.
Wie oben angegeben, findet die Steuerung in Reaktion auf den erfaßten Oszillationsparameter während der festgestellten Halbperiode innerhalb einer vollen Oszillationsamplitudenperiode statt. Für die andere Halbperiode wird eine vorgegebene Antriebsstrom-Wellenform B' an die Spule 11 gegeben, und zwar von einer Zeit t₃ bis zu einer Zeit t₄, wobei die Zeit t₃ und die Zeit t₄ festgelegt sind auf der Basis der Zeit t, zu der die Oszillation Null durchläuft. Die Steuereinheit 5 kann während dieser Halbperiode andere Steuervorgänge durchführen, zusätzlich zu der Bereitstellung einer vorgegebenen Antriebsstrom-Wellenform B' an die Antriebsspule 11. Die vorgegebene Antriebsstrom-Wellenform ist von der Ausgabe des Detektors 6 während dieser Halbperiode unabhängig.
Bei der obigen Ausführungsform löst der variable Antriebsstrom aus und beendet in Reaktion auf die Ausgabe der Spule 39 beim Überschreiten der Schwellenwerte V₀ und -V₀, wie angegeben. Jedoch ist die Erfindung diesbezüglich nicht beschränkt. Die Antriebssteuerung kann während einer nachfolgenden Halbperiode auf der Basis des Spannungswerts V₀, der während einer Stromhalbperiode erfaßt wird, durchgeführt werden. In Reaktion auf die Ausgabe der Spule 39 wird die Anwendung des Antriebsstroms derart um eine Periode verschoben, daß die Steuerung selbst dann ausgeführt werden kann, wenn der Betrieb langsam ist. Eine derartige Steuerung ist in der 4 dargestellt, worin die Zeiten t₅ und t₆ in der dritten Halbperiode auf dem Basiswert V₀ in der zweiten Halbperiode basieren.
Wenn eine vorgegebene Antriebsstrom-Wellenform innerhalb einer Amplituden-Oszillationshalbperiode benutzt wird, ist der variable Bereich der Antriebsstromsteuerung viel kleiner im Vergleich zu einer ganzen Amplitudenoszil lationsperiode, so daß der Bereich der Amplitudenoszillationssteuerung abnimmt. In einem Vergleichsbeispiel kann in Reaktion auf einen gewissen Spannungswert V₀ die Steuereinheit 5 gegebenenfalls die vorgegebene Strom-Wellenform nicht anwenden, d. h. Abschneiden (im Wesentlichen die Wellenform unterdrücken oder eine Nullstrom-Wellenform anwenden). Dies geschieht typischerweise dann, wenn V₀ so hoch ist, daß t₁ – t₂ = 0 ist, so daß über die gesamte Periode kein Antriebsstrom angewandt wird.
Bei einem anderen Vergleichsbeispiel, wenn die Steuereinheit 5 die vorgegebene Strom-Wellenform nicht benutzt, kann sie den Bereich ausdehnen, über den sie einen variablen Antriebsstrom anwendet, wie in 3. Der variable Bereich des Antriebsstroms soll jedoch nicht so weit ausgedehnt werden, daß er die volle Oszillationsperiode beinhaltet.
Wenn der vorgegebene Antriebsstrom abgeschnitten wird, kann die Antriebsstrom-Summenzeit (t₂ – t₁) + (t₄ – t₃) stark abnehmen. Dies ermöglicht es dem abgeschnittenen Bereich des vorgegebenen Antriebsstroms, die t₂-Zeitperiode an t₂' anzupassen, wobei (t₂' – t₂) < (t₄ – t₃) ist, so daß die Zeitperiode (t₂' – t₁) länger ist auf der Grundlage des Spannungswerts V₀.
Wie oben beschrieben, oszilliert das bewegliche Element 2 in Reaktion auf den Antriebsstrom, der zu der Spule 11 des feststehenden Elements 1 geführt wird, und der Antriebsstrom reagiert auf die Ausgabe des Sensors 6. Ein variabler Antriebsstrom steuert die Spule während einer Halbperiode innerhalb einer vollen Oszillationsamplitudenperiode, und eine vorgegebene Strom-Wellenform betreibt die Spule während der anderen Halbperiode. Gleichzeitige Betriebssteuerungen (oder ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb) sind deshalb unnötig, was die Kosten hierfür vermeiden kann. Alternativ oder zusätzlich werden andere Vorgänge während des Ausgabezeitintervalls möglich.
Wenn die vorgegebene Antriebstrom-Wellenform (während der anderen Halbperiode) abgeschnitten wird, wie in dem Vergleichsbeispiel, kann die Steuereinheit 5 den Steuerbereich des Antriebsstroms während einer vollen Amplitudenoszillation ausdehnen, wie in 3. Wenn die Einstellung der Antriebstromsteuerung auf der Basis der Ausgabe des Detektors erfolgt, kann die Antriebsstromschwankung innerhalb einer vollen Amplitudenoszillationsperiode verlängert werden und das Antreiben kann gleichmäßiger erfolgen.
Das Erfassen einer Verlagerung des beweglichen Elements kann während irgendeiner Halbperiode durchgeführt werden. Eine Steuerungsoperation mit hoher Geschwindigkeit wird unnötig.
Unter Bezugnahme auf 5 wird dort eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der ein Permanentmagnet 20 an einem Rahmen 3 und ein Elektromagnet mit einer Spule 11 an einem beweglichen Element 2 befestigt sind. Die Betriebs- und Funktionsweise dieser Ausführungsform ist die gleiche wie sie oben für die in der 2 dargestellte Ausführungsform beschrieben ist.
Die Anwendung von vorgegebenen und variablen Strömen ist nicht auf die hier beschriebenen speziellen Halbperioden beschränkt. Obwohl die Steuereinheit 5, die variablen und die vorgegebenen Antriebsströme während der positiven und der negativen Ausgabe der Spule 39 bei der beschriebenen Ausführungsform anwendet, fällt auch das Umgekehrte in den Umfang der Ansprüche.

Claims

Verfahren zum Steuern eines linear oszillierenden Motors, wobei der Motor aufweist: Ein feststehendes magnetisches Element (1), welches eine Spule (11) besitzt, ein bewegliches Element (2), welches einen Magneten (29) aufweist und so abgestützt ist, daß es relativ zu dem feststehenden magnetischen Element (1) oszillieren kann, einen Detektor (39), der kontinuierlich eine Verlagerung des beweglichen Elements (2) feststellt, und eine Steuerung, die durch Übermitteln eines Antriebsstroms an die Spule des feststehenden magnetischen Elements (1) ein Oszillieren des beweglichen Elements steuert, wobei das Verfahren ein Steuern des Antriebsstroms während einer ersten Halbperiode, die innerhalb einer vollen Amplitudenperiode des beweglichen Elements (2) auftritt, basierend auf der Ausgabe des Detektors (39), umfasst, und eine Halbperiode ein Halbzeitintervall zwischen zwei Positionen des beweglichen Elements ist, in denen eine Oszillationsamplitude der Bewegung extrem ist, gekennzeichnet durch ein Steuern des Antriebsstroms während einer zweiten Halbperiode, die innerhalb einer vollen Amplitudenperiode des beweglichen Elements (2) auftritt, wobei der Antriebsstrom auf einer vorgegebenen Antriebsstrom-Wellenform basiert, welche von der Ausgabe des Detektors unabhängig ist, und wobei wenigstens ein Abschnitt der vorgegebenen Antriebsstrom-Wellenform ein von null verschiedener Strom ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Erfassen einer Verlagerung des beweglichen Elements (2) während der ersten und/oder der zweiten Halbperiode beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Magnet (29) ein Elektromagnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Magnet (29) ein Permanentmagnet ist.
Linearmotor mit einem feststehenden Magneten (1), einem beweglichen Magneten (29), der von einem beweglichen Element (2) getragen ist, wobei das bewegliche Element (2) so gehaltert ist, das es relativ zu dem feststehenden Magneten (1) über eine volle Periode oszillieren kann, und die volle Periode erste und zweite Halbperioden umfaßt, wobei eine Halbperiode ein Zeitintervall zwischen zwei Positionen des beweglichen Elements ist, in denen eine Oszillationsamplitude der Bewegung extrem ist, wobei der feststehende und/oder der bewegliche Magnet (1, 29) eine Spule (11) aufweist, einem Detektor (39), der benachbart zu dem beweglichen Element (2) montiert ist und basierend auf einer Bewegung des beweglichen Elements (2) eine Ausgabespannung erzeugt, einer Steuereinheit (6, 5, 50), die über wenigstens einen Teil der ersten und der zweiten Halbperiode einen Antriebssteuerstrom an die Spule (11) ausgibt, wobei der Antriebssteuerstrom auf der während der ersten Halbperiode ausgegebenen Spannung basiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (6, 5, 50) weiter dazu ausgebildet ist, den Antriebssteuerstrom während der zweiten Halbperiode unabhängig von der ausgegebenen Spannung und basierend auf einer vorgegebenen Antriebsstrom-Wellenform auszugeben, wobei wenigstens ein Abschnitt der vorgegebenen Antriebsstrom-Wellenform von null verschieden ist.