JP5635094B2 - 電気モータの駆動電流の周波数を整合する方法及びデバイス - Google Patents

Description

本発明は、振動する電気モータによって駆動することができる小型電気器具、例えば、振動可能な機構を備える電動歯ブラシ又は電気剃毛器具に好ましくは設けられる、振動する電気モータの駆動電流の周波数を整合する方法及びデバイスに関する。

小型電気器具では、振動可能な機械的部品を駆動するために、振動する電気モータ等の振動する直結駆動を設けることができる。そのような種類の駆動は、例えば、基準振幅が伝動装置なしで生成される電気カミソリ又は電動歯ブラシに用いられる。振動可能な機械的部品は主として、振動する電気モータの回転子、駆動軸、及び任意に駆動軸に連結される構成要素、例えば、交換可能なブラシである。高いレベルの効率を達成するために、振動する電気モータは、小型電気器具の振動する機械的部品の共鳴周波数を考慮に入れた周波数の交流で作動されることが望ましい。

電気モータの電力消費量、又は振動する部品の基準振幅によって、振動可能な機械的部品を駆動させる共鳴条件を割り出すことは既知である。この欠点は、例えば、電流の最小値又は基準振幅の最大値を割り出すために、量的測定の手順を実行しなければならないことである。そのため、測定の手順を実行するために測定装置が備えられなければならない。

ドイツ公開特許出願第ＤＥ １０ ２００４ ０２９ ６８４ Ａ１号から、経時的な機械的部品の振動の消滅過程の分析による振動可能な機械的部品を駆動させる共鳴条件の割り出しは、既知である。これを行うには、数回の振動運動を実行し振動可能な部品が共鳴状態を達成することができるように、電気モータのスイッチを短期間の間オンにする。次に、電気モータの振動運動が消滅するように、電気モータのスイッチをオフにする。この手順の間、電気モータは、振動運動に対応する誘導電圧を一瞬の間生成する。誘導電圧の周波数が測定され、次に、繰り返される電気モータの電気作動で検討される。上述の欠点を有する量的測定の手順がここでも使用される。振動の消滅過程の分析結果は、振動可能な機械部品の減衰特性によって異なるという更なる欠点がある。

減衰特性が未知の場合、又は減衰特性が経時的に変わる場合、これは、システムの効率に悪影響を及ぼす。

ドイツ公開特許出願第ＤＥ １０ ２００４ ０２９ ６８４ Ａ１号

本発明の目的は、電気モータの駆動電流の周波数を、簡単にしかも十分正確に整合できる方法及びデバイスを提供することである。

本目的は、特許請求の範囲による方法及びデバイスで実現される。

本発明によれば、電気モータで駆動する、振動可能な機構を備える小型電気器具の電気モータの駆動電流の周波数を整合する方法が提供され、電気モータによって生成された電気的変量が、駆動電流の期間に関して指定された測定時間で検出され、指定された測定時間で、検出された電気的変量がゼロ交差を本質的に有するかどうかが割り出され、検出された電気的変量が測定時間でゼロ交差を本質的に有するまで、駆動電流の周波数が変更される。

測定時間で電気的変量のゼロ交差を単に割り出すことによって、例えば、電流の量を割り出すための、量的測定の手順の使用を省くことができる。駆動電流の周波数を共鳴周波数に近似させることは、任意の所望の小さなインクリメントで行うことができるので、十分に高いレベルの精度で共鳴周波数に整合が可能である。この方法で、例えば、負荷変動が原因である可能性がある機械システムの共鳴周波数が変動する場合でも、共鳴状態にある振動システムを作動することは常時可能である。

有利には、測定時間は電気モータの駆動電流の半期間の中心にある。検出された電気的変量のゼロ交差は、この時に検出された電気的変量と振幅最大値（速度最小値）との間の９０°の移相に相当するからである。測定時間が、電気モータの駆動電流の最大値に関して９０°移相するとき、特に有利である。測定時間は更に、電気モータの駆動電流の最小値に関して９０°移相し得る。

電気的変量は、コイル内で動いているモータによって誘導される電圧、すなわち、発電機電圧とも呼ばれる逆起電力（逆ＥＭＦ）であり得る。

駆動電流の周波数のそれぞれの変化後に、駆動電流の変化期間に関する測定時点を割り出すことができる。この手順で駆動電流の周波数を漸増式に変更することができる。

測定時間で逆誘導電圧にゼロ交差が本質的に発生する駆動電流の周波数が格納され、小型電気器具の制御電子回路に供給されることは有利である。格納された周波数は、次に、駆動電流の開始周波数として、駆動電流の周波数を共鳴周波数に後に整合するために使用することができる。

振動可能な機構と、振動可能な機構を駆動し、所定周波数の駆動電流で作動することができる電気モータと、電気モータの駆動電流の周波数を整合するデバイスとを備える小型電気器具を更に説明し、デバイスは、
− 電気モータによって生成された電気的変量を、駆動電流の期間に関して指定された測定時間で検出し、
− 指定された測定時間で、検出された電気的変量がゼロ交差を本質的に有するかどうかを割り出し、
− 検出された電気的変量が測定時間でゼロ交差を本質的に有するまで、駆動電流の周波数を変更する、ように設計される。

本発明を、図に示される例示的な実施形態を使用してより詳細に説明する。
小型電気器具の振動システムの運動と制御電子回路の電気的変量との関係を示す。 小型電気器具の振動システムの運動と制御電子回路の電気的変量との関係を示す。 小型電気器具の振動システムの運動と制御電子回路の電気的変量との関係を示す。 小型電気器具の振動システムの運動と制御電子回路の電気的変量との関係を示す。 駆動電流の周波数が変わるにつれて連続的に整合された逆ＥＭＦを示す。 共鳴条件が満たされないシステムの電気的値を示す。 共鳴条件が満たされるシステムの電気的値を示す。 小型電気器具の概念回路図。

本発明による方法を、例えば、交換ブラシが配置される駆動軸を備える電気モータ付きの一般に周知の手持ち部分を有する電動歯ブラシを使用して、より詳細に説明する。電気モータは、交換ブラシに振動運動を起こさせることができる。駆動軸に配置される交換ブラシによって、ある一定の質量が生じ、作動中、電気モータの回転子、駆動軸、及び交換ブラシを本質的に含む振動可能な機構のある一定の慣性モーメントが生じ、したがって、ある一定の共鳴周波数が生じる。

更に、電動歯ブラシは、駆動電流の周波数が共鳴周波数の近似であるように駆動電流の周波数を変えるために、電気モータの駆動電流の周波数を整合するデバイスを有する。これは、電動歯ブラシに高いレベルの効率をもたらす。

駆動電流の周波数が変更され、整合デバイスによって実行される手順を、以下に説明する。そのために、及び図１〜４を参照して、振動システムの運動と制御電子回路の電気的変量との関係及び／又は小型電気器具の電気モータを説明する。

図１は、振動システム、例えば、電気モータの回転子、駆動軸、及び電動歯ブラシの交換ブラシ、の経時的な振動運動ｓ（ｔ）を示す。

図２は、経時的な電気モータの速度ｖ（ｔ）、及び電気モータの１つのコイルの逆ＥＭＦ ｕ（ｔ）を示す。逆ＥＭＦ ｕ（ｔ）は、電気モータのモータ定数と共に、電気モータの速度ｖ（ｔ）に比例する。

図３及び４は、１つのコイルで電気モータを駆動させるための制御電子回路の駆動電圧ｕ（ｔ）及び駆動電流ｉ（ｔ）を示す。駆動電流のない相では、すなわち、ｉ（ｔ）＝０のとき、このコイルで図２に示される電気モータの逆ＥＭＦを直接測定することが可能である。しかしながら、図２に示される逆ＥＭＦの振幅に関する量的表現は、測定及び／又は評価がｔ２に関して特定の時間で常に起こる場合にのみ可能である。

説明する方法では、量的測定の手順なしで、駆動電流を振動システムの共鳴周波数に整合することが可能である。そのため、駆動電流の周波数ｆは、駆動電流が振動システムと共鳴状態になるまで変更される。この手順の共鳴条件は、駆動電流と振動システムとの間で移相が９０°になることによって認識される。この場合の効率のレベルは最大である。

共鳴条件は、逆ＥＭＦが、駆動電流の期間に関して、所定の測定時間ｔ_ｍｅａｓでゼロ交差を本質的に有するかどうかを割り出すことによって指定される。好ましくは、測定時間ｔ_ｍｅａｓは、駆動電流の半期間の中心にある、すなわち、駆動電流の最大値から始まる駆動電流の±９０°の移相で測定する。

逆ＥＭＦが測定時間ｔ_ｍｅａｓでゼロ交差を有しない場合、駆動電流の周波数ｆが、好ましくは所定値によって変更される。駆動電流の周波数ｆを変更した後、測定時間ｔ_ｍｅａｓは駆動電流の新しい期間に関して再度割り出され、逆ＥＭＦが今度はゼロ交差を有するかどうかを割り出すためにチェックが行われる。

逆ＥＭＦが測定時間ｔ_ｍｅａｓでゼロ交差を有するまで、この手順が繰り返される。逆ＥＭＦが駆動電流の最大値に関して±９０°の移相でゼロ交差を有するとき、駆動電流は振動システムと共鳴状態にある。したがって、駆動電流と振動システムとの間の移相もまた９０°である。図５は、駆動電流の周波数の追従に起因する逆ＥＭＦの周波数の連続追従を示す。

説明する方法で特に有利な点は、逆ＥＭＦのゼロ交差が、非常に容易に電気的に検出することができることである。

図６は、駆動電流と振動システムとの間の位相関係が満たされない、つまり駆動電流が振動システムと共鳴状態にないシステムの実施例を示す。図６は、逆ＥＭＦ ２０のゼロ交差が、駆動電流１０の測定時間ｔ_ｍｅａｓにないことを示す。この場合、時間ｔ_ｍｅａｓの測定点は、駆動電流の最大値に関して９０°移相する。

図７は、駆動電流１０と振動システムとの間の位相関係が満たされる実施例を示す。この場合、駆動電流は、振動システムと共鳴状態にある。逆ＥＭＦ ２０のゼロ交差は、駆動電流１０の測定時間ｔ_ｍｅａｓにある。逆ＥＭＦ ２０及び駆動電流１０が、振動システムに関して９０°移相しており、この振動システムと共鳴状態にある。

この場合、実際の測定時点は、駆動電流の周波数の継続期間のパーセンテージである、測定角度を表わす。説明する方法は、移相、すなわち、測定角度が厳密に９０°ではないときも機能する。しかしながら、９０°の測定角度からの逸脱は電気モータの作動で検討される。

作動機器は、位相関係を評価するために制御されていない周波数を提供するだけでよく、測定時間で逆ＥＭＦのゼロ交差があるかどうかを判定することだけを必要とするので、上述の方法の利点は、振動システムの共鳴周波数の非常に高いレベルの精度が、作動機器側の最小の技術的努力で達成することができることにある。

駆動電流の周波数ｆは、駆動電流の最大値又は最小値に関して、駆動電流と振動システムとの間に９０°の移相があるまで、漸増式に増分又は減分することができる。本発明の一実施形態では、インクリメントは最初に大きくすることができ、時間の経過とともに小さくすることができる。これによって、駆動電流の周波数ｆが、振動システムの共鳴周波数に非常に速く近づくことができる。説明する方法によって、割り出された駆動電流の周波数は、例えば、作動機器に格納することができ、次回の整合手順の開始周波数として使用される。

例えば、電流の最小値を割り出すための、量的測定の手順用の複雑な装置がもはや必要でないことは、有利である。更なる利点は、作動機器の初期の振動子の許容誤差がほとんど完全に排除されることにある。これは、前回格納された周波数が、この許容誤差に基づいて格納されるからである。

比較回路又は電圧基準等の構成要素を必要としないので、全体のシステムのコストが低く抑えられる。電子プリント基板をより小型に製造することができる。

図８は、電動歯ブラシの概念回路図を示す。電動歯ブラシは、電気モータ１、電源２、電気モータ１の駆動電流の周波数を整合するデバイス３、及び電気モータによって駆動され得る歯ブラシ４を本質的に含む。

歯ブラシ４は、電動歯ブラシの振動可能な機構の構成要素である。電気モータ１は電源２から供給され、電源の電流の周波数ｆは、整合可能、及び／又は制御可能である。

デバイス３は、電気モータ１によって生成された逆ＥＭＦを検出するために駆動電流の期間に関して測定時点が指定できるように、指定された測定時間ｔ_ｍｅａｓで逆ＥＭＦがゼロ交差を本質的に有するかどうかを割り出すことができるように、及び、逆ＥＭＦのゼロ交差が測定時間で本質的に存在するまで、駆動電流の周波数ｆを変更することができるように、設計される。したがって、デバイス３は、所定時間で、電気モータ１の逆ＥＭＦのゼロ交差が存在するかどうかを割り出し、その結果次第で、電源２の電流の周波数ｆを変更する。

歯の清掃で、歯ブラシが歯に圧接する圧力が変わる場合、より大きく共に押し付けられる歯ブラシの慣性モーメントはより小さく共に押し付けら歯ブラシの慣性モーメントと異なるので、振動可能なシステムの機械共鳴周波数も変わる。説明する方法で、歯ブラシは、そのような状況下で、それに対応して駆動電流の周波数を再整合することによって、常に共鳴状態で作動されてもよい。

説明する方法は、使用が電動歯ブラシに限定されない。そうではなく、振動する直結駆動を備える他の電気器具、例えば、電気剃毛器具又は家庭用電気器具等で使用することもできる。同様に、説明する小型電気器具は、電動歯ブラシのみならず、電気剃毛器具又は家庭用電気器具であり得る。

相互参照される又は関連するあらゆる特許又は出願書類を含め、本明細書において引用される全ての文献は、明示的に除外ないしは制限されない限り、その全体を参考として本明細書に組み込まれる。いかなる文献の引用も、それが本明細書において開示され請求されるいずれかの発明に関する先行技術であること、又はそれが単独で若しくは他のいかなる参照とのいかなる組み合わせにおいても、このような発明を教示する、提案する、又は開示することを認めるものではない。更に、本書における用語のいずれかの意味又は定義が、参考として組み込まれた文献における同一の用語のいずれかの意味又は定義と相反する限りにおいて、本書においてその用語に与えられた定義又は意味が適用されるものとする。

本発明の特定の実施形態が例示され、記載されてきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、他の様々な変更及び修正を実施できることが、当業者には明白であろう。したがって、本発明の範囲内にあるそのような全ての変更及び修正を、添付の「特許請求の範囲」で扱うものとする。

Claims (9)

1. 電気モータで駆動する、振動可能な機構を備える小型電気器具の前記電気モータの駆動電流の周波数（ｆ）を整合する方法であって、前記電気モータによって生成された電気的変量が、前記駆動電流の期間に関して指定された測定時間（ｔ_ｍｅａｓ）で検出され、前記指定された測定時間（ｔ_ｍｅａｓ）で、前記検出された電気的変量がゼロ交差を本質的に有するかどうかが割り出され、前記検出された電気的変量が前記測定時間（ｔ_ｍｅａｓ）でゼロ交差を本質的に有するまで、前記駆動電流の前記周波数（ｆ）が変更され、
   前記電気的変量は、前記電気モータの１つのコイルの逆起電力であり、
   前記駆動電流の前記周波数（ｆ）のそれぞれの変化の後に、前記駆動電流の前記変化期間に関する、前記測定時間（ｔ _ｍｅａｓ ）が割り出される、方法。
2. 前記測定時間（ｔ_ｍｅａｓ）は、前記駆動電流の最大値又は最小値に関して、前記電気モータの前記駆動電流の半期間の中心にある、請求項１に記載の方法。
3. 前記駆動電流の前記周波数は漸増式に変更される、請求項１に記載の方法。
4. 前記測定時間（ｔ_ｍｅａｓ）で前記逆起電力にゼロ交差を本質的に有する、前記駆動電流の前記周波数は、格納され、前記小型電気器具の制御電子回路に供給される、請求項１に記載の方法。
5. 前記小型電気器具は、身の回り用器具、例えば、電気剃毛器具、又は電動歯ブラシである、請求項１に記載の方法。
6. 振動可能な機構と、前記振動可能な機構を駆動し、所定周波数（ｆ）の駆動電流で作動することができる電気モータと、前記電気モータの前記駆動電流の前記周波数（ｆ）を整合するデバイスと、を備える小型電気器具であって、前記デバイスは、
   − 前記電気モータによって生成された電気的変量を、前記駆動電流の期間に関して指定された時間（ｔ_ｍｅａｓ）で検出し、
   − 前記指定された測定時間（ｔ_ｍｅａｓ）で、前記検出された電気的変量がゼロ交差を本質的に有するかどうかを割り出し、
   − 前記検出された電気的変量が前記測定時間（ｔ_ｍｅａｓ）でゼロ交差を本質的に有するまで、前記駆動電流の前記周波数（ｆ）を変更する、ように設計され、
   前記電気的変量は、前記電気モータの１つのコイルの逆起電力であり、
   前記逆起電力のゼロ交差が前記測定時間（ｔ _ｍｅａｓ ）で本質的に存在するまで、前記電気モータの前記駆動電流の前記周波数は連続的に変更され、前記駆動電流の周波数（ｆ）のそれぞれの変化後に、前記駆動電流の前記変化期間に関する前記測定時間（ｔ _ｍｅａｓ ）が割り出される、小型電気器具。
7. 前記測定時間（ｔ_ｍｅａｓ）は、前記駆動電流の半期間の中心にある、請求項６に記載の小型電気器具。
8. 身の回り用器具として設計される、請求項６に記載の小型電気器具。
9. 前記小型電気器具は、電動歯ブラシ、又は電気剃毛器具としての使用に設計される、請求項８に記載の小型電気器具。

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