JP4229909B2 - 小型電気機器の振動型電気モータ制御方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は小型電気機器の振動型電気モータ、特に電気シェーバ若しくは電気歯磨き器を制御するための方法に関する。

一般に、振動型電気モータは電磁気として作用するコイルによって振動を維持するエネルギーが供給されるシステムとして構成される。エネルギーの適当な量が適当な時間に供給されることを確かなものにするために電気モータの運動状態を検出する必要がある。これに関して多くの方法が技術として知られている。

米国特許第5632087号からリニアモータを持つドライシェーバが知られている。リニアモータはステータ巻線と永久磁石を備える往復機関を含み、ステータ巻線によって線形振動状態になるように設定される。往復機関の変位は検出器によって検出され、この変位に依存して、ステータ巻線への電流の供給は往復機関の振動振幅が一定に維持されるように制御される。検出器は往復機関に配置された永久磁石と固定して配置されたセンサー巻線から構成され、永久磁石の働きを通して往復機関の速さに関係付けて誘導電圧がセンサー巻線に生じる。

EP1063760A2は振動がステータに相対的に一定振幅で線形振動するように設定された線形振動モータの制御システムを公開している。線形モータはステータ若しくはバイブレータのどちらかに配置された巻線を含んでいる。永久磁石はそれぞれ他の要素、即ちバイブレータかステータ、に配置される。電流が巻線を流れるときに生じる磁場は永久磁石に働き、それによって線形振動するように設定されたバイブレータを動かす。このプロセスにおいて、電流の流れは一定振動振幅に結果としてなるように制御される。振動振幅を求めるため、巻線への供給電流は遮断され、そのとき巻線間に生じる電圧が求められ、それによって付加的なセンサーの必要性をなくしている。

小型電気機器の振動型電気モータの最も可能性のある制御を有効にすることが本発明の目的である。
この目的は請求項１による方法によって達成される。

本発明による小型電気機器の振動型電気モータを制御する方法では、磁場形成のために少なくとも一時的にコイルに電流は供給され、磁場は第1のモータ要素から発生しており、第１のモータ要素に対し第２のモータ要素を振動運動するように第2のモータ要素に作用する。電流がコイルに供給される瞬間に、少なくともコイルの電気特性は第１又は第２のモータ要素の動き量に関係して求められる。コイルへの電流の将来の供給は、求められた特性に応じて行われる。

本発明の方法は、電気モータの運動状態を検出するための付加的なセンサーなしで電気モータを正確に制御できる点に利点があり、なぜなら、いずれにせよ存在するコイルが同時にセンサーとして使われるからである。この方法では、電気モータの動作がコイルの二重機能に関わらず制約を受けないことが特に利点であり、なぜなら、コイルに供給される電流は電気モータの運動状態の検出を中断させないからである。このことはまた特に供給電流の中断のようなものに付随する電気モータの最大パワーと効率の減少が避けられる。もう一方の利点は発明の方法は、普遍的な使用、特に、コイルに誘導される電圧の波形が振動振幅によって強く変化する電気モータとの使用に著しく適していることである。

第２のモータ要素は磁場を作るか或いは磁場上で作用し、それによってコイルに電圧を誘起する。このようにして、少なくとも第２のモータ要素に対する第１のモータ要素の動き量とコイルの一つの電気特性との間で相関性が確立される。

電気特性としてコイル両端全体に発生する電圧を求めることができる。更に、コイルを流れる電流は電気特性として求められる。特に、電流を求めるべき瞬間よりも前にコイルに流される電流の少なくとも一つの測定値とこの瞬間に後続する少なくとも一つの測定される値が求められ、検出測定値の平均値が計算できる。最後に、コイルを流れる電流の時間変化が電気特性として求められる。所定可能な瞬間での電流の時間変化を求めるため、この時間の瞬間より前とその後の電流の測定値が検出され、測定値の差異が検出間の時間差によって割られる。上述の電気特性すべてが比較的少ない労力で求められることがこの方法における一つの利点である。

好ましい実施例では、少なくとも一つの電気特性は２つのモータ要素間の相対速度がその最大値に達する瞬間に求められる。これは少なくとも一つの電気特性と特に簡単な手法で表される第２のモータ要素に対する第1のモータ要素の動き量との間の相関を可能にするという利点を持つ。２つのモータ要素間での相対速度が最大値になる瞬間はこの速度がゼロになる瞬間から求められ得る。更に、モータ要素の振動数はこれら間の相対速度がゼロになった瞬間から求められ得る。好ましくは、コイル両端全体に生じる電圧のゼロ交わりは２つのモータ要素間の相対速度がゼロに等しくなった瞬間とされる。これは非常に簡単な方法でゼロ交わりを測定することが出来る利点を持つ。

好ましい実施例では最大速度値になる瞬間は、最後と最後より一つ前のゼロ交わりとの間の時間差を得、次いで、最後のゼロ交わりの時刻にこの時間差の半分を加えることによって求められる。ゼロ交わりはまた第２のモータ要素の振動数を求めるために使うことが出来ることはここでは利点である。

ゼロ交わりを求めるため、コイル両端の全体に生じる電圧の演算符号は繰り返し検出され、そのとき、ゼロ交わりは連続する検出間の演算符号の変化で検出される。最大可能な精度に対しはゼロ交わりの時間は直前に符号変化する最後の検出と次の符号変化の最初の検出間の内挿によって求められる。

好ましい実施例では、各々時間依存性があり互いに影響し合う故に、電気特性は同じ瞬間に求められる。

電気モータの振動運動を特徴付けるパラメータは少なくとも一つの電気特性から求めることができる。特に、２つのモータ要素間の相対速度は求められ得る。更に、モータ要素の振動振幅は求められ得る。好ましい実施例では、コイルに供給される電流は、ある望ましい値からの、振動運動を特徴付けるために求められたパラメータのズレに依存して変化する。これはコイルへの供給電流の非常に簡単で信頼性の高い制御を可能にする。

少なくとも一つの電気特性に関連しパルス幅変調される電流はコイルに供給され得る。更に、少なくとも一つの電気特性に依存する強さの電流はコイルに供給され得る。

これにより、本発明は、添付の図面に図示した実施例を参照して説明される。

図１は線形振動型アクチュエータの実施例を概略的に示したものである。線形モータは静止したステータ１と、二重矢印３で示した方向に線形的に運動することのできる運動要素２を持つ。或いは、ステータ１は、運動の自由度に関して運動要素２に従って構成されることができ、即ち、ステータ１は、運動性の観点から運動要素２に対応するがそれ以外はステータ１の機能特徴を含む要素に置き換えること出来る。しかしながら、発明の描写を単純化するために、静止したステータ１を持つ実施例だけが次に参照されるであろう。ステータ１はＥ形をした鉄コア４と巻線コイル５から構成される。コイル５は鉄コア４の中心梁６周りに巻かれ、電気的に接続リード７でコントローラ８に接続される。運動要素２は２つの永久磁石９を持ち、永久磁石９の各々はその極のひとつでキャリヤ板１０に対して載置され、接近して横並びに反平行向きに配置されている。永久磁石９は鉄コア４の中心梁６の前方端に近接しているが空気ギャップ１１がある。鉄コア４と同様に、キャリヤ板１０は鉄で作られその２つの反対方向の端がそれぞれつるまきばね１２の端に接続されている。つるまきばね１２は、それらの他端が固定して支持され、例えば、線形モータを備える小型電気機器のハウジングの上に支持され、その結果、運動要素２は、二重矢印３によって示した方向に線形的に振動運動を実行することができる。
動作状態の線形モータでは、コントローラ８による適切な制御はコイル５に電流流れが発生し、その結果として鉄コア４に磁場が形成される。特に鉄コア４における中心梁６の前方端の領域において磁場は永久磁石９に作用し、その結果として図1に示す幾何形状ではステータ１に対し運動要素２に横方向変位を作り出す。変位の方向はコイル５に流れる電流の向きによる。電流の向きの変化も一般に含めコイル５に流れる電流を変化させることとつるまきばね１２による支持を通して、運動要素２は線形振動運動状態に設定される。この振動運動の動き量の幾つかが図２に示される。

図２は平衡状態の位置からの運動要素2の変位ｘ(上図)、運動要素２の速度ｖ(中図)と永久磁石９によりコイル5に誘起される電圧(下図)の各時間の関数としてプロットされたグラフィック描写を示す。すべての図において、時間ｔは横軸にプロットされている。縦軸にプロットされたのは上図では運動要素２の変位ｘ、より正確には、運動要素２の重心の変位、中図では運動要素２の速度ｖ、下図ではコイル５に誘起される電圧Uiである。

運動要素２は線形調和振動を行い、その結果、平衡位置からの運動要素２の変位ｘは時間の関数として余弦関数で表現され、x=Acos(?t-f)として表される。ここで、Aは平衡位置からの運動要素２の最大変位量、即ち、振動振幅であり、？は角振動数、ｆは位相を意味している。

時間の関数としての運動要素２の速度ｖは正弦関数に対応して表現でき、v=A?sin(?t-f)として表される。

それ故に、時間上で運動要素２の変位ｘと速度ｖは位相において直交している。

コントローラ８によるコイル５の制御は、コイル５を流れる発生電流を用いて望ましい効果を達成するために運動要素２の運動状態と同期される。更に、コイル５の磁場を介して運動要素２に供給されるエネルギーはそれぞれの要求に応じて作られる。特に運動要素２が変動する荷重に曝される場合においても出来るだけ振動振幅Aが一定に維持されるように、このエネルギーは計算される。変動する荷重はコイル5を流れる電流の対応する変動によって均衡がとられる。振動振幅Aを一定値に調整するために、振動振幅Aまたは関連する量を求める必要がある。振動振幅Aを求めるために、永久磁石9を動かすことによってコイル5に誘導される電圧Uiを使うことが可能である。永久磁石９は運動要素２の一部であることを考えると、誘起電圧Uiは運動要素２の運動状態に依存する。誘起電圧Uiと運動要素2の速度ｖとの関係はUi=M_Kvとして表現される。

誘起電圧Uiはこのようにしてリニアモータの構成に関連する比例定数M_Kを用いて運動要素２の速度ｖに正比例する。図２からも明らかであるように、時間上での誘起された電圧波形Uiは従って時間上で運動要素２の速度波形ｖに対する余弦関数と同じ周期とこれと共に同位相を持つ余弦関数で同様に表現される。

運動要素２の速度ｖに基づいて、運動要素２の振動振幅Aを出来るだけ計算動力を使わないで求めるため、次の手続きが応用できる。

運動要素２の振動数ｆ、若しくは、代替的に運動要素２の角振動数？は、速度ｖのゼロ交わりから求めることができ、それ故運動要素２のお互いが半振動周期の間隔で続いている時間t1とt2での誘起電圧Uiから求めることができる：
f=?/(2p)=1/(2(t2-t1))
連続するゼロ交わり間の半分である時間t3では、速度ｖはその最大値A？に達し、その結果、次の関係式がv3=v(t3)を用いて正しく保たれる：
A=v3/?
時間t3は時間t2でゼロ交わりした後、速度ｖ若しくは誘導電圧Uiの最初の最大値を表し、t3=t2+(t2-t1)/2によって与えられる。

従って、振動振幅は、誘起電圧Uiのゼロ交わりを検出することと、運動要素２の速度ｖがその最大値v3になる時間t3の次の瞬間をそれから計算することによって求められる。時間t3で検出される誘起電圧Uiから運動要素２の最大速度v3は比例定数M_Kを用いて計算され、これから逆に振動振幅が計算される。コイル５に供給される電流はそれ故にある望ましい値から求められる振動振幅Aの変動に依存して制御される。

しかしながら、ここで記載された手法を実際の実行に移すとき、かなりの問題が起こる、なぜならば時間t3で電流Iは一般にコイル５を流れ、この電流はコイル５両端で電圧降下U_Rと自己誘起電圧U_Lを発生し、時間t3で永久磁石９によりコイル5に誘起される電圧Uiはそれ故に直接測定には利用できない。いかにして本発明がこの問題を解決するかは図３を参考にして次に記載される。

図３はコイル５両端に全体的に生じる電圧U_M(上図)とコイル5を全体的に流れる電流I(下図)の時間を関数としてプロットされたグラフィック表示を示す。両グラフにおいて、時間ｔは横軸にプロットされている。上図の縦軸にプロットされているのはコイル５両端の電圧U_Mであり下図ではコイル５を流れる電流Iである。コイル５両端に生じる電圧U_Mは誘起電圧Uiと異なる所では、誘起電圧Uiの波形は点線のように付加的に示されている。

図３の上図から明らかのように、コイル５両端に生じる電圧U_M（実線で引かれている）と誘起電圧Ui(点線)との間に明白な偏差が存在するには誘導電圧Uiが求められるべきまさに時間t3である。この偏差はコイル５のオーム抵抗中でコイル５を流れる電流Iによって起因する電圧降下U_Rに因る。コイル５両端に生じる電圧U_Mと誘導電圧Ui間のなお残る更なる偏差はコイル５の自己誘起に起因する、それに従ってコイル５を流れる電流の各変動は電流の変動を抑制する逆の電圧U_Lを誘起する。逆の電圧U_Lの影響は特に時間ｔausでコイル５への電流の供給を遮断する際、もろに明白である。時間tausでコイル５両端の電圧U_Mにおける突然の降下は認められ、それは電圧U_Mの極性の逆転さえ引き起こす。

それ故、全体として、コイル５両端に生じる電圧U_Mはコイル５のオーム抵抗による電圧降下U_R、自己誘起電圧U_Lと永久磁石９により誘導される電圧Uiから成り、その結果次の式が正しく保持される：U_M=U_R+U_L+Ui
コイル５のオーム抵抗による電圧降下はU_R=RIによって得られる。ここで、Rはコイル５のオーム抵抗でIはコイル５を流れる電流である。

時間に関する電流の変化量dI/dtに関して、インダクタンスLを持つコイル５の自己誘起電圧はU_L=LdI/dtによって与えられる。

磁石９によってコイル５に誘起される電圧Uiに関する関係を考慮すると、コイル５両端に生じる電圧U_Mはそれ故U_M=RI+LdI/dt+vM_Kによって与えられる。

これから、運動要素２の速度ｖが次のように得られる：
v=(U_M-RI-LdI/dt)/M_K
もし運動要素２の速度の最大値ｖ３から運動要素２の振動振幅Aの簡単化した計算を更に使用するならば、コイル５を制御するための次の手法が包括的に結果としてあり得る。

コイル５に永久磁石９によって誘起される電圧Uiのゼロ交わりはコイル５両端に生じる電圧U_Mの繰り返し行われる測定と最後の測定時間の前と符合が変化する最初の測定の時間の間での電圧U_Mの符号の変化に関す内挿とによって求められる。他方では、コイル５両端に生じる電圧U_Mの測定値の大きさをまた評価することができる。この場合、あるゼロ交わりは電圧U_Mが大きさに関して最初に減少し再び増加するときに起こったと結論され得る。それ故、誘起電圧Uiのゼロ交わりは電流Iがゼロに等しく（そしてdI/dtがゼロに等しい）なったときのみモータ電圧U_Mのゼロ交わりと同じとみなされる。もしモータコイルの電流が測定点でゼロに等しくないならば、誘起電圧Uiを求めるため測定されたモータ電圧U_MからLdI/dtと同様にR*Iを引く必要がある。連続したゼロ交わりに対する求められた時間t1とt2から、運動要素２の次の最大速度v3に対する時間t3は求められ、コイル５両端に生じる電圧U_Mが時間t3で測定される。更に、時間t3の僅かの前後でコイル５を流れる電流IaとIbが測定される。時間t3での電流Iは測定された値IaとIbから平均値として求められる：
I=(Ia+Ib)/2
時間に関する電流の変化量dI/dtはdI/dt=(Ib-Ia)/?tによって与えられる。ここで、?tは2つの電流測定IaとIb間の時間経過である。

上で与えられた公式v=(U_M-RI-LdI/dt)M_Kによって、運動要素２の速度ｖはコイル5両端に生じる電圧U_Mの測定値、コイル5を流れる電流の求められた値とその時間変化量dI/dtと、コイル５のオーム抵抗RとインダクタンスLと比例定数M_Kの既知の値とから計算される。測定値は時間t3で求められるので、それから計算される速度ｖは最大値を表し、このようにして運動要素２の振動振幅Aは角振動数？による割り算によって計算できる。角振動数？はコイル５両端に生じる電圧U_Mの連続したゼロ交わり間の時間間隔から前もって求められる。運動要素２の振動振幅Aを望ましい値と比較することによって振動振幅Aの望ましい値を得るために制御されるべきコイル5の電流信号を求めることが可能である。

コイル５を制御する電流信号は一般にクロック信号である。特に、パルス幅変調された信号は利用でき、それによって運動要素２の振動振幅Aが非常に小さいときにパルス幅は増加させ、一方運動要素２の振動振幅が非常に高いときパルス幅は減少させる。同様に、一定のパルス幅の信号を使うこととパルス高さ、即ち、電流強さ若しくは運動要素２の振動振幅Aに依存するパルス端勾配を変えることはまた可能である。

本発明による方法の精度向上のために、更に電流測定と若しくは更に電圧測定は実行され得るし対応する平均値が形作られ得る。正しい平均値を得るために各場合において注意を払う必要がある、即ち、平均値は時間t3でのそれぞれの関係を反映すべきである。

更に、誘導電圧Uiのゼロ交わりの信頼できる検出に関しの追加の測定をすることが必要になろう、なぜならば例えば自己誘起電圧U_Lのような他の種々の状況に起因するゼロ交わりがコイル５両端に生じる電圧U_Mに起こるからである。望ましいゼロ交わりを検出するためコイル５両端に生じる電圧U_Mが激しく変化する領域を抑えるフィルターが使われる。望ましいゼロ交わりが期待できる時間域にゼロ交わりの探索を限定することはまた可能である。

単純化した表現で、誘導電圧はマイクロコントローラで次のように計算される：
Ui=U_M-R*I-L*dI/dt
電流Iは付加的に接続された抵抗器（分流器）Rsの電圧降下Usから求められる。
I=Us/Rs
各2つの測定U_s1とU_s2を用いると、Uiは次式で与えられる。
Ui=U_M-R*(U_s1+U_s2)/2/Rs-L*(U_s2-U_s1)/Rs/dt
これは次のように読み替えることが出来る：
Ui=U_M-U_s1*(R/Rs/2-L/Rs/dt)-U_s2(R/Rs/2+L/Rs/dt)
括弧中の２つの定数表現は既知の値R、 Rs、 Lとdtから計算される。これはUiの計算を次のように変える：
Ui=U_M-c1*U_s1-c2*U_s2
ここで、c1とc2は２つの定数である。この計算はマイクロコントローラによって非常に容易且つ速やかに実行することができる。２つの引き算と２つの掛け算を実行する必要があるのみである。割り算や微分を行う必要がない。

線形振動型アクチュエータの実施例の図示した図である。 平衡の位置(上図)から動き得る要素の変位、動き得る要素の速度(中図)とステータ(下図)のコイルに永久磁石によって誘起される電圧を、各々、時間の関数としてプロットした図である。 コイル５(上図)両端全体に生じる電圧とコイルを流れる全体の電流(下図)を、各々、時間の関数としてプロットした図である。

Claims (23)

1. コイルを含む第１のモータ要素から生じて磁石を含む第２のモータ要素に作用し、第２のモータ要素を第１のモータ要素に対し相対的に振動的な動きに設定する磁場を、発達させるために、コイルに電流が少なくとも一時的に供給される小型電気機器の振動型電気モータ制御方法において、
   電流がコイルに供給される瞬間に対して、第２のモータ要素に対する第１のモータ要素の動き量に関連する少なくとも１つの電気特性であって、コイルに生ずる電気特性を求めて、該求めた特性に基づいて、第２のモータ要素に対する第１のモータ要素の所望の振動振幅が実現されるようにコイルへの電流供給量が制御されることを特徴とする、小型電気機器の振動型電気モータ制御方法。
2. 第２のモータ要素は、磁場を生成するか若しくは磁場に作用して、コイル内に電圧（Ui）を誘起する、請求項１に記載の方法。
3. コイルの両端間全体で発達される電圧（UM）が電気特性として求められる、請求項１又は２に記載の方法。
4. コイルを流れる電流が電気特性として求められる、請求項１〜３の何れか１項に記載の方法。
5. 電流が求められるべき瞬間の前にコイルを流れる電流に対する少なくとも1つの測定値と、該瞬間に後続する少なくとも１つの測定値とが求められ、該検出した測定値の平均値が算出される、請求項４に記載の方法。
6. コイルを流れる電流の時間変化（ｄＩ／ｄｔ）が電気特性として求められる、請求項１〜５の何れか１項に記載の方法。
7. 所定の瞬間での電流の時間変化を求めるため、該瞬間前後の電流（Ｉａ，Ｉｂ）に対する測定値が検出され、該測定値の差が、検出間の時間差で割り算される、請求項６に記載の方法。
8. 少なくとも１つの電気特性が、前記２つのモータ要素間の相対速度が最大値に達する瞬間に求められる、請求項１〜７の何れか１項に記載の方法。
9. 前記相対速度の最大値に対する瞬間（ｔ３）は、前記速度がゼロになる瞬間（ｔ１，ｔ２）から求められる、請求項８に記載の方法。
10. 前記2つのモータ要素（１，２）間の相対速度がゼロとなる瞬間から、該モータ要素（１，２）の振動周波数が求められる、請求項１〜９の何れか１項に記載の方法。
11. コイルの両端間全体で発達される電圧（UM）のゼロ交わりが、前記相対速度がゼロになる瞬間（ｔ１，ｔ２）とされる、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記相対速度の最大値に対する瞬間（ｔ３）は、最後と最後から１つ目のゼロ交わり間の時間差を求め前記最後のゼロ交わりの時間（ｔ２）に時間差の半分を加えることによって、求める、請求項１１に記載の方法。
13. ゼロ交わりを求めるために、コイルの両端間全体で発達される電圧（UM）の演算符号が繰り返し検出され、ゼロ交わりが連続する検出間の演算符号の変化に基づいて検出される、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. ゼロ交わりの時間が、演算符号の変化に先行する最後の検出と演算符号の変化に後続する最初の検出との間の内挿により求められる、請求項１３に記載の方法。
15. コイルの両端間全体で発達される電圧（UM）から、モータ抵抗とモータ電流の乗算値（Ｒ×Ｉ）と、モータインダクタンスとモータ電流の時間変化の乗算値（Ｌ×ｄＩ／ｄｔ）とを引き算したものが、前記相対速度がゼロになる瞬間（ｔ１，ｔ２）とされる、請求項９又は１０に記載の方法。
16. 各電気特性は、同一の瞬間に対して求められる、請求項１〜１５の何れか１項に記載の方法。
17. 前記電気モータの振動的な動きを特徴付けるパラメータが、少なくとも１つの電気特性から求められる、請求項１〜１６の何れか１項に記載の方法。
18. 第２のモータ要素の速度は、少なくとも１つの電気特性から求められる、請求項１７に記載の方法。
19. 第２のモータ要素の振動振幅は、少なくとも１つの電気特性から求められる、請求項１７又は１８に記載の方法。
20. コイルに供給される電流は、前記振動的な動きを特徴付ける求めたパラメータの、所望値からの偏差に応じて変化さされる、請求項１７〜１９の何れか１項に記載の方法。
21. 少なくとも１つの電気特性に依存してパルス幅変調される電流がコイルに供給される、請求項１〜２０の何れか１項に記載の方法。
22. 少なくとも１つの電気特性に依存する強度の電流がコイルに供給される、請求項１〜２１の何れか１項に記載の方法。
23. 第1のモータ要素から生じて磁石を含む第２のモータ要素を振動状態に設定する磁場を発達させる第 1 のモータ要素のコイルと、コイルに供給する電流を制御するコントローラとを含む、振動型電気モータを有する小型電気機器であって、
    コントローラは、電流がコイルに供給される瞬間に対して、第１又は第２のモータ要素の動き量に関連する少なくとも１つの電気特性であって、コイルに生ずる電気特性を検出して、前記求めた電気特性に基づいて、コイルへの電流供給量を、第２のモータ要素に対する第１のモータ要素の所望の振動振幅が実現されるように、制御するように構成されたことを特徴とする、小型電気機器の振動型電気モータ制御方法。

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