JP2017536079A - 電磁アクチュエータを有している低温クーラーまたは他のシステムにおける逆起電力（ｅｍｆ）ポジション検出のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本方法は、電磁アクチュエータにおけるコンポーネントをアクチュエータの１回以上のサイクルの最中に前後に駆動するステップを含み、アクチュエータはボイスコイルを有する。本方法は、また、１回以上のサイクルのうち少なくとも１回のサイクルの最中にボイスコイルの逆起電力電圧を特定するステップを含む。本方法は、さらに、ボイスコイルの逆起電力電圧を使用して、コンポーネントのストロークが実質的に中心に置かれているか否かを判断するステップを含む。加えて、本方法は、判断に基づいて、アクチュエータの１回以上の追加のサイクルの最中に、ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整するステップを含む。コンポーネントのストロークが中心に置かれているか否かを判断するステップは、ボイスコイルの逆起電力電圧が実質的に最大であるか否かを判断するステップ、または、逆起電力電圧における極値間の時間が実質的に等しいか否かを判断するステップを含む。

Description

本開示は、一般的に、電磁アクチュエータに向けられたものである。より特定的に、本開示は、電磁アクチュエータを有している低温クーラーにおける逆起電力（ＥＭＦ）ポジション検出のための方法および装置に向けたものである。

低温クーラーは、しばしば、様々なコンポーネントを極低温まで冷却するために使用される。例えば、低温クーラーは、異なるスペース（ｓｐａｃｅ）における焦点面アレイ（ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ）および空中（ａｉｒｂｏｒｎｅ）画像化システムにおいて使用され得る。パルス管（ｐｕｌｓｅ ｔｕｂｅ）低温クーラーおよびスターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）低温クーラーといった、異なるデザインを有する様々なタイプの低温クーラーが存在する。

いくつかの低温クーラーは、低温クーラーの中で移動しているコンポーネントの位置を検出するポジションセンサを含んでいる。ポジション検出により、低温クーラーにおいて様々な機能が実行され得る。精密なモータコントロール、低温クーラー状態モニタ、および、アクティブ振動キャンセル、といったものである。低温クーラーにおけるポジション検出のための一つの従来のアプローチは、線形可変作動変圧器（ＬＶＤＴ）の使用を含んでいる。しかしながら、ＬＶＤＴを使用するポジションセンサは、しばしば、コスト高であり、かつ、多くの空間を占有するものである。また、ＬＶＤＴを使用するポジションセンサのために必要とされるパッケージングは、利用可能な機械的デザイン空間を望ましくないやり方で制限してしまうことがある。加えて、ＬＶＤＴを使用するポジションセンサは、従来の低温クーラー用電子機器に加えられるべき追加の回路を必要とし得る。

本開示は、電磁アクチュエータを有している低温クーラーまたは他のシステムにおける逆起電力（ＥＭＦ）ポジション検出のための方法および装置を提供する。

第１の実施例において、本方法は、電磁アクチュエータにおけるコンポーネントを、アクチュエータの１回以上のサイクルの最中に、前後に駆動するステップを含み、ここで、アクチュエータはボイスコイルを有している。本方法は、また、１回以上のサイクルのうち少なくとも１回のサイクルの最中に、ボイスコイルの逆起電力電圧（ｂａｃｋ ＥＭＦ ｖｏｌｔａｇｅ）を特定するステップを含む。本方法は、さらに、ボイスコイルの逆起電力電圧を使用して、コンポーネントのストロークが実質的に中心に置かれている（ｃｅｎｔｅｒｅｄ）か否かを判断するステップを含む。加えて、本方法は、判断に基づいて、アクチュエータの１回以上の追加のサイクルの最中に、ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整するステップを含む。

第２の実施例において、本装置は、電磁アクチュエータのコンポーネントを、アクチュエータの１回以上のサイクルの最中に、前後に駆動するための一つまたはそれ以上の駆動信号を生成するように構成されているコントローラを含む。本コントローラは、また、１回以上のサイクルのうち少なくとも１回のサイクルの最中に、アクチュエータにおけるボイスコイルの逆起電力電圧を特定するように構成されている。本コントローラは、さらに、ボイスコイルの逆起電力電圧を使用して、コンポーネントのストロークが実質的に中心に置かれているか否かを判断するように、そして、判断に基づいて、アクチュエータの１回以上の追加のサイクルの最中に、前記一つまたはそれ以上の駆動信号を調整するように構成されている。

第３の実施例において、本システムは、ボイスコイルを有する電磁アクチュエータを含む。本システムは、また、アクチュエータの１回以上のサイクルの最中に、アクチュエータのコンポーネントを前後に駆動するための一つまたはそれ以上の駆動信号を生成するように構成されているコントローラを含む。本コントローラは、また、１回以上のサイクルのうち少なくとも１回のサイクルの最中に、ボイスコイルの逆起電力電圧を特定するように構成されている。本コントローラは、さらに、ボイスコイルの逆起電力電圧を使用して、コンポーネントのストロークが実質的に中心に置かれているか否かを判断し、かつ、判断に基づいて、アクチュエータの１回以上の追加のサイクルの最中に、一つまたはそれ以上の駆動信号を調整するように構成されている。

他の技術的特徴が、当業者に対しては、以降の図面、説明、および請求項から直ちに明らかであろう。

この開示のより完全な理解のために、添付の図面と併せて、これから以降の記述について説明がなされる。
図１Ａは、本開示に従って、電磁アクチュエータを使用する低温クーラーコンポーネントの例を示している。 図１Ｂは、本開示に従って、電磁アクチュエータを使用する低温クーラーコンポーネントの例を示している。 図２は、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおける電磁アクチュエータの一つの例を示している。 図３は、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおける逆起電力（ＥＭＦ）ポジション検出のための一つの方法例を示している。 図４は、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおける電磁アクチュエータのオペレーションに関するダイヤグラムの例を示している。 図５は、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおける電磁アクチュエータのオペレーションに関するダイヤグラムの例を示している 図６Ａは、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおいて逆起電力（ＥＭＦ）ポジション検出を使用している電磁アクチュエータの一つのコンポーネントをセンタリングするための技術の第１例を示している。 図６Ｂは、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおいて逆起電力ポジション検出を使用している電磁アクチュエータの一つのコンポーネントをセンタリングするための技術の第１例を示している。 図６Ｃは、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおいて逆起電力ポジション検出を使用している電磁アクチュエータの一つのコンポーネントをセンタリングするための技術の第１例を示している。 図７は、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおいて逆起電力ポジション検出を使用している電磁アクチュエータの一つのコンポーネントをセンタリングするための技術の第１例を示している。 図８Ａは、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおいて逆起電力（ＥＭＦ）ポジション検出を使用している電磁アクチュエータの一つのコンポーネントをセンタリングするための技術の第２例を示している。 図８Ｂは、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおいて逆起電力ポジション検出を使用している電磁アクチュエータの一つのコンポーネントをセンタリングするための技術の第２例を示している。 図９は、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおいて逆起電力ポジション検出を使用している電磁アクチュエータの一つのコンポーネントをセンタリングするための技術の第２例を示している。

以下に説明される図１から図９、および、この特許文献において本発明の原理を説明するために使用される様々な実施例は、説明目的としてだけのものであり、そして、本発明の範囲を限定するように決して理解されるべきではない。当業者であれば、本発明の原理が、あらゆるタイプの適切に構成されたデバイスまたはシステムにおいて実施され得ることを理解するだろう。

図１Ａと図１Ｂは、本開示に従って、電磁アクチュエータを使用する低温クーラーコンポーネントの例を示している。特に、図１Ａは、低温クーラーのための圧縮器（ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）アセンブリ１００の一つの例を示しており、そして、図１Ｂは、低温クーラーのための膨張器（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）アセンブリ１５０の一つの例を示している。

低温クーラーは、一般的に、約４ケルビン（Ｋｅｌｖｉｎ）、約１０ケルビン、または約２０ケルビン、といった、低温もしくは極低温まで他のコンポーネントを冷却することができる装置を表している。低温クーラーは、典型的に、低温クーラーの中で前後する（ｂａｃｋ ａｎｄ ｆｏｒｔｈ）流体の流れ（液体またはガスといったもの）を生成することによって動作する。流体のコントロールされた膨張と収縮は、一つまたはそれ以上のコンポーネントの所望の冷却を創出する。

図１Ａにおいて、図１Ａの左側におけるコンポーネントは、図１Ａの右側において鏡面対称である。便利のために、圧縮器アセンブリ１００の一方の側におけるコンポーネントだけが参照番号を使用して特定されている。図１Ａに示されるように、圧縮器アセンブリ１００は、磁石１０４とボイスコイル（ｖｏｉｃ ｃｏｉｌ）１０６（しばしば、「モーターコイル（”ｍｏｔｏｒ ｃｏｉｌ”）」としても参照されるもの）との間の相互作用に基づいて、前後に移動するピストンを有する電磁アクチュエータを含んでいる。この特定の実施例において、ボイスコイル１０６は、ピストン１０２に対して物理的に接続されており、一方で、磁石１０４は、一般的に静止している（反対の配置もまた使用され得るものであるが）。

ピストン１０２は、磁石１０４と相互作用する、ボイスコイル１０６を使用して変動する磁場（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）を生成することによって、圧縮器アセンブリ１００の中で移動させられる。ボイスコイル１０６を適切に励磁することにより、ボイスコイル１０６によって生成される変動している磁場が、複数の圧縮サイクルの最中にピストン１２を前後に移動または「ストローク（”ｓｔｒｏｋｅ”）」させ、搬送ライン１０８を通じて提供される流体において連続した圧力変化を生じさせる。

圧縮器アセンブリ１００は、ハウジング１１０の中に配置されている。ハウジング１１０は、圧縮器アセンブリ１００が、それに対して又はその中にマウントされる支持構造を表している。ハウジング１１０は、低温クーラー（または、その一部分）を包み込み、または、そうでなければ保護するためのあらゆる適切な構造体を含んでいる。

図１Ｂに示されるように、膨張器アセンブリ１５０は、磁石１５４とボイスコイル１５６との間の相互作用に基づいて、前後に移動するピストンを有する電磁アクチュエータを含んでいる。この特定の実施例において、ボイスコイル１５６は、ピストン１５２に対して物理的に接続されており、一方で、磁石１５４は、一般的に静止している（反対の配置もまた使用され得るものであるが）。ピストン１５２は、磁石１５４と相互作用する、ボイスコイル１５６を使用して変動する磁場を生成することによって、膨張器アセンブリ１５０の中で移動させられる。膨張器アセンブリ１５０は、ハウジング１６０の中に配置されており、ハウジングは、膨張器アセンブリ１５０が、それに対して又はその中にマウントされる支持構造を表している。ハウジング１６０は、低温クーラー（または、その一部分）を包み込み、または、そうでなければ保護するためのあらゆる適切な構造体を含んでいる。

ピストン１５２は、ここにおいて、再生器（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１０４の中で移動する、スターリングディスプレーサ（ｄｉｓｐｌａｃｅｒ）１６２に対して接続されている。膨張器アセンブリ１５０は、搬送ライン１５８を介して圧縮器から受け取った圧縮ガスを膨張させるように動作する。このように動作することによって、構造体の冷却端（ｃｏｏｌ ｅｎｄ）１６６が、低温または極低温まで冷却される。

圧縮器アセンブリ、膨張器アセンブリ、もしくは、（バランサ（ｂａｌａｎｃｅｒ）アセンブリといった）低温クーラーまたは他のシステムにおける少なくとも一つの電磁アクチュエータを使用する他のコンポーネント、においては、しばしば、アクチュエータのストロークが中心に置かれた（ｃｅｎｔｅｒｅｄ）かを知ることが必要であり、または、望ましい。例えば、ピストンの反対側には、しばしば、ハードストップ（ｈａｒｄ ｓｔｏｐ）が存在しており、ここでハードストップは、ハードストップを越えるピストンの動きを防いでいる。ピストンに対する損傷を防ぐために、ピストンは、理想的には、ピストンが実際にハードストップに接触することなく前後に動くことができるように、ピストンが中心に置かれる間に駆動される。センタリング（ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ）は、ピストンのストロークが特定の位置において中心に置かれたときといった、あらゆる適切な形態であってよい。特定の位置は、正確にハードストップの間、または、正確に磁石の磁極の間に置かれてよい。

より詳細に以下に説明されるように、電磁アクチュエータのボイスコイルの逆起電力（ＥＭＦ）は、アクチュエータのコンポーネントを中心に置く手助けをするために使用される。効果的に、ボイスコイルは、所望の中心位置に関してピストンまたは他のコンポーネントの相対的な位置を検知する手助けをするセンサとして使用される。このアプローチは、補助のポジションセンサの使用を削減または削除し得るので、低温クーラーまたは他のシステムのコスト、サイズ、重量、および、複雑性を低減するのを手助けすることができる。さらに、このアプローチは、アクチュエータをより効果的に駆動するために使用され得る。例えば、ピストンは、正確に中心に置かれ、そして、次に、ハードストップに物理的に接触することが全くなく駆動され、ピストンに対する物理的ダメージを低減する手助けをすることができる。電磁アクチュエータにおけるポジション検出のためのボイスコイルにおける逆起電力の使用に関する追加的な詳細が、以下に提供される。

図１Ａと１Ｂは、電磁アクチュエータを使用する低温クーラーコンポーネントの例を示しているが、様々な変更が図１Ａと１Ｂに対してなされ得る。例えば、ここにおいて示される圧縮器および膨張器アセンブリに係る特定の実施は、説明のためだけのものである。また、以下に説明される技術は、ボイスコイルを含んでいる電磁アクチュエータを使用する低温クーラーに係る他のコンポーネント、または、ボイスコイルを含んでいる電磁アクチュエータを使用する低温クーラーに基づかないシステムに係るコンポーネントと一緒に使用され得るものである。

図２は、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおける電磁アクチュエータ２００の一つの例を示している。電磁アクチュエータ２００は、例えば、図１Ａの低温クーラー圧縮器アセンブリ１００、図１Ｂの低温クーラー膨張器アセンブリ１５０、または、他の適切なコンポーネントにおいて、使用され得る。

図２に示されるように、電磁アクチュエータ２００は、リニアモータ２０２とモータコントローラ２０４を含んでいる。リニアモータ２０２は、ハウジング２０６とピストン２０８を含んでいる。ハウジング２０６は、少なくとも一つの磁石または磁化された部分を含み、そして、ピストン２０８は、ハウジング２０６の中でピストン２０８を前後に移動させるように励磁される少なくとも一つのボイスコイルを含み得る。上述のように、しかしながら、反対の配置もまた可能である。

モータコントローラ２０４は、リニアモータ２０２のコイルを励磁する電気信号を提供する。モータコントローラ２０４は、また、ピストン２０８の相対的な位置を検出し、かつ、ピストン２０８が中心に置かれているか否かを判断するためにボイスコイルの逆起電力を使用するために、以下に説明される一つまたはそれ以上の技術を実施することができる。ピストンの位置は、あらゆる適切な形態において表され得ることに留意する。例えば、いくつかの実施例において、ピストンのストロークの実際のセンタリングは、所望の中心に置かれた位置からの相対オフセット（プラスまたはマイナス）として表現され得る。

モータコントローラ２０４は、ピストンの位置を検出するためにコイルの逆起電力を測定するためのあらゆる適切な技術を使用し得る。例えば、モータコントローラ２０４は、ボイスコイルに対して提供される電流と時間にわたりボイスコイルにかかる電圧を測定し得る。一般的に、コイルにおける全電圧ε_ｔは、以下のように表すことができる。
ε_ｔ＝ε_Ｒ＋ε_Ｌ＋ε_ｂ （１）
＝ＩＲ＋ｊωＬＩ＋αｖ （２）
ここで、ε_Ｒは抵抗性電圧を示し、ε_Ｌは誘起電圧を示し、そして、ε_ｂはコイルにおける逆起電力電圧を示している。抵抗性電圧と誘起電圧は、コイルを通る電流に基づいている。逆起電力電圧は、ピストンの速度に比例しており、以下のように表すことができる。
ε_ｂ＝ｖ×Ｂｌ （３）
ここで、ｖは速度を示し、Ｂはコイルの内側の磁束を示し、そして、ｌはコイルの長さを示している。

ピストンのボイスコイルの逆起電力が特定されると、ピストンの位置を決定することができる。モータコントローラ２０４（もしくは、モータコントローラ２０４または他のデバイスによって収集されたデータを使用して動作する別のコンポーネント）は、以下に説明するように、ピストンのボイスコイルの逆起電力を使用してピストンの相対的な位置を決定することができる。

図２は、低温クーラーまたは他のシステムにおける電磁アクチュエータ２００の一つの例を示しているが、図２に対して様々な変更を行うことができる。例えば、電磁アクチュエータ２００は、他の任意の適切な形態を有するリニアモータ２０２を含むことができる。

図３は、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおける逆起電力ポジション検出のための一つの方法例を示している。説明を容易にするために、方法３００は、圧縮器アセンブリ１００または膨張器アセンブリ１５０といった、低温クーラーにおいて動作するリニアモータ２０２と共にモータコントローラ２０４によって使用されるものとして説明される。しかしながら、方法３００は、あらゆるの他の適切なデバイスによって、および、あらゆる他の適切なシステムにおいて使用することができ、方法３００は、ボイスコイルを含むあらゆる他の適切な電磁アクチュエータとともに使用され得るものである。

図３に示されるように、電磁アクチュエータのコンポーネントは、ステップ３０２において、複数のサイクルの最中に前後に駆動される。これは、例えば、ピストンのハウジング２０６において、少なくとも一つの磁石１０４、１５４と相互作用する磁場を生成するために、ピストン１０２、１５２、２０８における少なくとも一つのコイル１０６、１５６を励磁することを含んでよい。特定の例として、これは、ピストン２０８のコイル１０６、１５６に対するパルス幅変調（ＰＷＭ）または他の電気信号を生成するモータコントローラ２０４を含むことができる。ピストン２０８は、低温クーラー内の圧縮または膨張といった、あらゆる適切な目的のために前後に駆動され得る。

アクチュエータの逆起電力は、ステップ３０４における一つ以上のサイクルの最中に決定される。これは、例えば、電圧および電流測定に基づいてモータ２０２におけるコイル１０６、１５６の逆起電力を計算するモータコントローラ２０４を含むことができる。コイル１０６、１５６の逆起電力は、ピストンの単一の前後（ｂａｃｋ ａｎｄ ｆｏｒｔｈ）サイクル、もしくは、ピストンの複数の連続的または非連続的な前後サイクルにわたり、計算することができる。

ステップ３０６においては、一つまたはそれ以上のサイクルの経過にわたり、アクチュエータコンポーネントの位置が推定され、そして、ステップ３０８において、コンポーネントのストロークが中心に置かれているか否かが判断される。これは、例えば、コイル１０６、１５６が所望の位置にセンタリングされているか否かを識別するために、コイル１０６、１５６の逆起電力における変動を使用するモータコントローラ２０４を含み得る。アクチュエータコンポーネントの位置を検知して、アクチュエータコンポーネントをセンタリングするための２つの例示的な技術が以下に提供される。

必要であれば、ステップ３１０において、アクチュエータコンポーネントを駆動するための一つまたはそれ以上の駆動信号が調整される。これは、例えば、どの駆動信号または複数の信号が逆起電力を最大にするかを特定し、次に、その特定された駆動信号を使用するモータコントローラ２０４を含み得る。これは、また、ピストン２０８が、どのくらい及びどの方向に中心ずれ（ｏｆｆ−ｃｅｎｔｅｒ）しているかを特定し、それに応じて駆動信号を修正するモータコントローラ２０４を含み得る。一旦ピストン２０８がセンタリングされると、逆起電力は、さらに使用されても使用されなくてもよい。例えば、いくつかの実施例においては、ピストン２０８のストローク振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）を決定するためにコイル１０６、１５６の逆起電力が使用されよく、ピストン２０８が各サイクルの最中にどのくらい移動するかを意味している。

図３は、低温クーラーまたは他のシステムにおける逆起電力ポジション検出のための方法３００の一つの例を示しているが、図３に対して様々な変更がなされ得る。例えば、一連のステップとして示されているが、それぞれの図面における様々なステップは、重複したり、並行して発生したり、何回も発生し得るものである。

図４および図５は、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおける電磁アクチュエータのオペレーションに関するダイヤグラムの例を示している。モータのピストンに関連するものとして以下に説明されているが、電磁アクチュエータの他のコンポーネントについても同様なダイヤグラムを得ることができる。図４は、モータに関連する力定数（ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を示す例示的なプロット４００を示している。力定数は、ボイスコイルに垂直な磁束と、ボイスコイルにおけるワイヤの長さとの積を表している。これは、電流のアンペアあたりに生成される力の量を示しており、そして、また、ピストン速度と測定された逆起電力との間の比例定数をも表している。図５は、基準点（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｐｏｉｎｔ）からのピストンのボイスコイルの変位の関数として、ピストンの速度を示している一つのプロット５００の例を示す。基準点は、低温クーラーまたは他のシステムの中におけるピストンの既知または所望の中心位置を表し得るものである。

図４のプロット４００に示されるように、ピストンにおける電流のアンペアあたりの最大の力は、ピストンのボイスコイルが基準点からゼロまたはほぼゼロの変位を有するときに生じる。基準点が磁石に係る磁極との間の正確な位置を示す場合には、逆起電力はここで最大である。なぜなら、ボイスコイルと磁石との間の最大相互作用のポイントを表すからである。ピストンがこのポイントから遠ざかるにつれて、ボイスコイルと磁石との間の相互作用が減少し、それによりピーク逆起電力は少なくなる。

図５のプロット５００に示されるように、ピストンの速度は、変位とともに楕円状に変化する。ピストンの運動は正弦波であり（またはそれに近い）、そして、その結果、その速度はストロークの中心（または、非常に近く）において最大値を有する。ピストンの経路（ｐａｔｈ）の一つの遠端部では、瞬間的にゼロに達する前に速度が減少し、ピストンが方向を反転すると符号（ｓｉｇｎ）が反転する。そのポイントにおいて、速度は最大まで増加してから、経路の他方の遠端部に近づくにつれて再び減少する。

上記の式（３）に示すように、速度（ｖ）と、従って位置とを決定するために、力定数（Ｂｌ）と測定された逆起電力とが使用され得る。図４および図５に示されるように、モータ内の磁場の本来の形（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｓｈａｐｅ）およびピストンの挙動を知ることにより、モータにおいてピストンのストロークを中心に置くことができる。電磁アクチュエータのコンポーネントをセンタリングするための２つの例示的な技術が以下に説明される。

図４および図５は、低温クーラーまたは他のシステムにおける電磁アクチュエータのオペレーションに関するダイヤグラムの例を示しているが、図４および図５に対して様々な変更がなされ得る。例えば、図４および図５に示す曲線は、説明だけのためのものであり、そして、コントロールされている低温クーラーまたは他のシステムの特定のデザインに依存している。

図６Ａから図７は、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおいて逆起電力ポジション検出するための第１の例示的な技術を示している。モータにおいてピストンをコントロールするために使用されるものとして、以下に説明されているが、電磁アクチュエータの他のコンポーネントをコントロールするために同一または同様な技術が使用され得る。図６Ａから図６Ｃは、異なるオフセット量を伴うピーク速度とピーク比例定数との間のオーバーラップを示している異なるプロット４００ａ−４００ｃを含んでいる。図６Ａにおいては、ピストンのストロークが基準点から−１ｍｍオフセットされている。図６Ｂにおいては、ピストンのストロークは基準点で中心に置かれている。図６Ｃにおいては、ピストンのストロークが基準点から＋１ｍｍオフセットされている。図６Ａから図６Ｃは、また、ピストンが異なる位置において中心に置かれている、基準点からの変位の関数としてピストンの速度を示している異なるプロット５００ａ−５００ｃも含んでいる。

コイルの逆起電力電圧は、力定数と速度の積として計算することができるので、各プロット４００、４００ａ、４００ｂ、４００ｃに係るピークは、理想的には対応するプロット５００、５００ａ、５００ｂ、５００ｃに係る最大の正の値にある。逆起電力電圧が最大になるには、このポイントである。図６Ａから図６Ｃにおいて示される例において、これは、ピストンのストロークが基準点に関して約＋０．５ｍｍにおいて中心に置かれているときに起こり得るものである。

これに基づいて、図７において示されるように、逆起電力が最大化される位置を特定するために、方法７００が使用され得る。図７に示されるように、電磁アクチュエータにおけるアクチュエータコンポーネントのストロークのセンタリングは、ステップ７０２において、アクチュエータの複数のサイクルの最中に調整される。これは、例えば、モータ２０２の中でピストンのストロークのセンタリングを変更するために、リニアモータ２０２のコイル１０６、１５６に対して提供される駆動信号を調整しているモータコントローラ２０４を含み得る。モータコントローラ２０４は、センタリングにおける変化に関連する正確な距離を知る必要はなく、または、計算することができる。むしろ、モータコントローラ２０４は、ピストンのストロークのセンタリングを変更することが知られている方法で駆動信号を単純に変動させ得る。

ボイスコイルの逆起電力電圧は、ステップ７０４において、アクチュエータの複数のサイクルの最中に測定される。上述したように、これは、モータ２０２のボイスコイル１０６、１５６にかかる電圧および電流を測定することによってなされ得るものである。ステップ７０６において、逆起電力を最大化する一つまたはそれ以上の駆動信号が特定され、そして、ステップ７０８において、特定された駆動信号が、アクチュエータの追加のサイクルの最中にアクチュエータコンポーネントを駆動するために使用される。逆起電力を最大化するものとして特定された駆動信号は、一つまたはそれ以上のサイクルまたは補間の最中のモータ２０２に対して実際に提供された駆動信号、もしくは、異なるサイクルの最中にモータ２０２に対して実際に供給された複数の駆動信号の他の組み合せであり得る。逆起電力を最大化することによって、ピストンのストロ−クを、モータ２０２の中における最適な位置において中心に置くことができる。いくつかの実施例において、モータコントローラ２０４は、約０．２−０．３Ｖ／ｍｍの感度を有することができ、ピストンのストロークを所望のポイントに非常に近く中心に置くことができる。

図８Ａから図９は、本開示に従って、低温クーラーまたは他のシステムにおける逆起電力ポジション検出のための技術の第２例を示している。モータのピストンをコントロールするために使用されるものとして以下に説明されるが、電磁アクチュエータの他のコンポーネントをコントロールするために同一または同等な技術を使用することができる。図８Ａは、時間の関数として表現されたボイスコイルの逆起電力を示す例示的なプロット８００を示している。ここにおいて理解できるように、時間にわたるボイスコイルの逆起電力は、実質的に正弦波である。プロット８００の中には、２つの時間８０２−８０４が存在しており、これは、逆起電力電圧における２つの連続する極値（最大と最小、または、最小と最大）の間の時間を表している。

逆起電力に係るこの正弦波の挙動のために、プロット８００において定義される時間８０２−８０４は、ピストンのストロークが最適位置において中心に置かれている場合に、理想的には長さが等しい。一つの方向におけるピストンストロークのオフセットは、時間８０２を長くし、時間８０４を短くする。一方で、他の方向におけるピストンストロークのオフセットは、時間８０４を長くし、時間８０２を短くする。時間８０２−８０４を測定することによって、ピストンストロークのオフセットの方向、および、任意的に大きさを決定することが可能である。

この一つの例が図８Ｂに示されており、そこでは、プロット４００ｄが、ストロークがオフセットされているピストンの力定数または逆起電力比例定数（ｂａｃｋ ＥＭＦ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｃｏｎｓｔａｎｔ）を示しており、そして、プロット５００ｄは、オフセットされたピストンの速度を示している。ここでは、２つのベクトル９０２−９０４が、逆起電力電圧が最大化され、最小化される位置を示しており、そして、ここでは時間Ｔ１とＴ２は明らかに等しくない。また、時間Ｔ２がよりが大きいので、オフセットの方向を判断することができ、そして、時間Ｔ１とＴ２との間の差異に基づいて、オフセットの大きさを判断することもできる。対照的に、図６Ｂにおいて使用される場合の同様なベクトルは、時間Ｔ１とＴ２が、はるかに近い大きさであることを示す。

これに基づいて、図９において示されるように、アクチュエータコンポーネントのストロークにおけるあらゆるオフセットの方向および任意的に大きさを特定するために、方法９００が使用され得る。図９において示されるように、ボイスコイルの逆起電力電圧は、ステップ９０２において、アクチュエータの一つまたはそれ以上のサイクルの最中に測定される。上述のように、モータ２０２に係るボイスコイル１０６、１５６にかかる電圧および電流を測定することによって行うことができる。

ステップ９０４においては、逆起電力電圧において連続する極値間の第１の時間が特定され、そして、ステップ９０６において、逆起電力電圧の連続する極値の間の第２の時間が特定される。これは、例えば、逆起電力電圧における第１の正のピークと、連続する負のくぼみ（ｔｒｏｕｇｈ）との間の第１の時間を測定するモータコントローラ２０４を含んでよい。これは、また、逆起電力電圧における同一の負のくぼみと、連続する第２の正のピークとの間の第２の時間を測定するモータコントローラ２０４も含んでよい。

第１の時間と第２の時間は、ステップ９０８において、比較され、そして、アクチュエータコンポーネントのストロークのセンタリング位置におけるあらゆるオフセットの方向および任意的に大きさが、ステップ９１０において、特定される。上述のように、オフセットの方向は、第１の時間と第２の時間のうち、より大きいものに基づいてよく、そして、オフセットの大きさは、第１の時間と第２の時間との間の差異に基づいてよい。

第１の時間と第２の時間を等しくする（ｅｑｕａｌｉｚｅ）のを手助けする一つまたはそれ以上の駆動信号が、ステップ９１２において、特定され、そして、特定された駆動信号は、ステップ９１４において、アクチュエータの追加のサイクルの最中にアクチュエータコンポーネントを駆動するために使用される。ここにおいて特定された駆動信号は、第１の時間と第２の時間を直ちに等しくしても、しなくてもよいこと、第１の時間と第２の時間との間の差異を減少させるのを手助けするために、駆動信号が特定されただけであること、に留意する。第１の時間と第２の時間を実質的に等しくすることによって、ピストンのストロークを、モータ２０２の中で最適位置において実質的に中心に置くことができる。±３ｍｍのストロークと３６ＫＨｚのサンプリングレートを用いる１００Ｈｚの動作を有する低温クーラーに係るいくつかの実施例においては、この技術を使用するセンタリングの解像度は、約０．１ｍｍであり得る。

図６Ａから図９は、低温クーラーまたは他のシステムにおける逆起電力ポジション検出を使用して電磁アクチュエータのコンポーネントをセンタリングするための技術の例を示しているが、図６Ａから図９に対して様々な変更がなされ得る。例えば、図６Ａから図６Ｃ、図８Ａ、および図８Ｂにおいて示されるプロットは、説明のためだけのものであり、コントロールされている低温クーラーまたは他のシステムの特定のデザインに依存するものである。また、アクチュエータコンポーネントのボイスコイルの逆起電力を使用して、アクチュエータコンポーネントのストロークを所望の位置において中心に置くために、様々な他の技術を使用することもできる。

いくつかの実施例において、この特許文献に記載された様々な機能は、コンピュータプログラムによって実施され、または、サポートされるものであり、コンピュータプログラムは、コンピュータで読取り可能なプログラムコードから形成され、かつ、コンピュータで読取り可能な媒体において具現化されている。フレーズ「コンピュータで読取り可能なプログラムコード（”ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｄｅ”）」は、ソースコード、オブジェクトコード、および実行可能コードを含む、あらゆるタイプのコンピュータコードを含むものである。フレーズ「コンピュータで読取り可能な媒体（”ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ”）」は、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、または、あらゆる他のタイプのメモリ、といった、コンピュータによってアクセスされ得るあらゆるタイプの媒体を含むものである。「非一時的（”ｎｏｎ−ｔｒａｓｉｔｏｒｙ”）」コンピュータで読取り可能な媒体は、一時的な電気信号または他の信号を伝送する有線、無線、光、または他の通信リンクを除外するものである。非一時的なコンピュータで読取り可能な媒体は、データを永久に保存することができる媒体、および、書き換え可能な光ディスクまたは消去可能なメモリデバイスといった、データを保存して後で上書きすることができる媒体、を含むものである。

この特許文献の全体を通じて使用されている所定の単語およびフレーズの定義を明らかにすることは有益であり得る。用語「含む（”ｉｎｃｌｕｄｅ”と”ｃｏｍｐｒｉｓｅ”）」は、それらの派生語も同様に、限定することのない包含（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）を意味するものである。用語「または（”ｏｒ”）」は、包括的なものであり、「及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）」を意味している。フレーズ「関連した（”ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ”）」は、その派生語も同様に、含む、中に含まれる、相互に接続する、包含する、中に包含される、接続する、結合する、伝達できる、協力する、インターリーブする、並べる、近くにある、結合されている、有する、性質を有する、関係を持つ、等を意味している。フレーズ「少なくとも一つ（”ａｔ ｌｅａｔ ｏｎｅ ｏｆ”）」は、アイテムのリストと伴に使用されるときに、リストされたアイテムのうち一つまたはそれ以上の異なる組み合わせが使用され得ること、および、リストにおける一つのアイテムだけが必要とされ得ること、を意味している。例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣのうち少なくとも一つ」は、以下のあらゆる組み合わせを含んでいる。Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、および、ＡとＢとＣ、である。

本開示は所定の実施例および一般的に関連する方法を説明したが、これらの実施例および方法に係る代替および置換が当業者にとっては明らかであろう。従って、例示的な実施形態の上記説明は、本開示を定義し、もしくは、限定するものではない。以降の請求項によって定められるように、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、他の変形、置換、および変更も、また可能である。

Claims (21)

1. 電磁アクチュエータにおけるコンポーネントを、前記アクチュエータの１回以上のサイクルの最中に、前後に駆動するステップであり、前記アクチュエータはボイスコイルを有する、ステップと、
   前記１回以上のサイクルのうち少なくとも１回のサイクルの最中に、前記ボイスコイルの逆起電力電圧を特定するステップと、
   前記ボイスコイルの前記逆起電力電圧を使用して、前記コンポーネントのストロークが、実質的に中心に置かれているか否かを判断するステップと、
   前記判断に基づいて、前記アクチュエータの１回以上の追加のサイクルの最中に、前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整するステップ、
   を含む、方法。
2. 前記コンポーネントのストロークが中心に置かれているか否かを判断するステップは、前記ボイスコイルの前記逆起電力電圧が実質的に最大であるか否かを判断するステップ、を含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記ボイスコイルの前記逆起電力電圧が実質的に最大であるか否かを判断するステップは、
   前記コンポーネントのストロークが中心に置かれている位置が異なる、前記アクチュエータの異なるサイクルの最中に、前記ボイスコイルの前記逆起電力電圧を特定するステップと、
   前記異なるサイクルの最中に、最大の逆起電力電圧を特定するステップ、
   を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整するステップは、
   前記最大の逆起電力電圧を獲得するために、前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整するステップ、
   を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記コンポーネントのストロークが中心に置かれているか否かを判断するステップは、
   前記逆起電力電圧の異なる極値間の時間を使用するステップ、
   を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記コンポーネントのストロークが中心に置かれているか否かを判断するステップは、
   前記逆起電力電圧における第１の極値と前記逆起電力電圧における第２の極値との間の第１の時間を特定するステップと、
   前記逆起電力電圧における前記第２の極値と前記逆起電力電圧における第３の極値との間の第２の時間を特定するステップと、
   前記第１の時間と前記第２の時間が実質的に等しいか否かを判断するステップ、
   を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整するステップは、
   前記第１の時間が前記第２の時間より長い場合、前記コンポーネントのストロークのセンタリングを第１の方向において移動するように、前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整するステップと、
   前記第２の時間が前記第１の時間より長い場合、前記コンポーネントのストロークのセンタリングを第２の方向において移動するように、前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整するステップ、
   を含む、請求項６記載の方法。
8. 前記方法は、さらに、
   前記コンポーネントのストロークのセンタリングと所望の位置との間のオフセットの大きさを特定するために、前記第１の時間と前記第２の時間との間の差異を使用するステップ、
   を含む、請求項７記載の方法。
9. 前記電磁アクチュエータは、モータを含み、
   前記コンポーネントは、ピストンを含む、
   請求項１に記載の方法。
10. 電磁アクチュエータのコンポーネントを、前記アクチュエータの１回以上のサイクルの最中に、前後に駆動するための一つまたはそれ以上の駆動信号を生成する、ように構成されているコントローラ、を含み、
    前記コントローラは、
    前記１回以上のサイクルのうち少なくとも１回のサイクルの最中に、前記アクチュエータにおけるボイスコイルの逆起電力電圧を特定し、
    前記ボイスコイルの前記逆起電力電圧を使用して、前記コンポーネントのストロークが、実質的に中心に置かれているか否かを判断し、かつ、
    前記判断に基づいて、前記アクチュエータの１回以上の追加のサイクルの最中に、前記一つまたはそれ以上の駆動信号を調整する、
    ように構成されている、装置。
11. 前記コントローラは、前記ボイスコイルの前記逆起電力電圧が実質的に最大であるか否かを判断する、ように構成されている、
    請求項１０に記載の装置。
12. 前記コントローラは、
    前記アクチュエータの異なるサイクルの最中に、前記ボイスコイルの前記逆起電力電圧を特定し、そこでは前記コンポーネントのストロークが中心に置かれている位置が異なり、かつ、
    前記異なるサイクルの最中に、最大の逆起電力電圧を特定する、
    ように構成されている、請求項１１に記載の装置。
13. 前記コントローラは、前記最大の逆起電力電圧を獲得するために、前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整する、ように構成されている、
    請求項１２に記載の装置。
14. 前記コントローラは、前記逆起電力電圧の異なる極値間の時間を使用して、前記コンポーネントのストロークが中心に置かれているか否かを判断する、ように構成されている、
    請求項１０に記載の装置。
15. 前記コントローラは、
    前記逆起電力電圧における第１の極値と前記逆起電力電圧における第２の極値との間の第１の時間を特定し、
    前記逆起電力電圧における前記第２の極値と前記逆起電力電圧における第３の極値との間の第２の時間を特定し、かつ、
    前記第１の時間と前記第２の時間が実質的に等しいか否かを判断する、
    ように構成されている、請求項１０に記載の装置。
16. 前記コントローラは、
    前記第１の時間が前記第２の時間より長い場合、前記コンポーネントのストロークのセンタリングを第１の方向において移動するように、前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整し、かつ、
    前記第２の時間が前記第１の時間より長い場合、前記コンポーネントのストロークのセンタリングを第２の方向において移動するように、前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整する、
    ように構成されている、請求項１５に記載の装置。
17. 前記コントローラは、さらに、
    前記コンポーネントのストロークのセンタリングと所望の位置との間のオフセットの大きさを特定するために、前記第１の時間と前記第２の時間との間の差異を使用する、
    ように構成されている、請求項１６に記載の装置。
18. ボイスコイルを有する電磁アクチュエータと、
    コントローラ、を含み、
    前記コントローラは、
    前記アクチュエータの１回以上のサイクルの最中に、前記アクチュエータのコンポーネントを前後に駆動するための一つまたはそれ以上の駆動信号を生成し、
    前記１回以上のサイクルのうち少なくとも１回のサイクルの最中に、前記ボイスコイルの逆起電力電圧を特定し、
    前記ボイスコイルの前記逆起電力電圧を使用して、前記コンポーネントのストロークが、実質的に中心に置かれているか否かを判断し、かつ、
    前記判断に基づいて、前記アクチュエータの１回以上の追加のサイクルの最中に、前記一つまたはそれ以上の駆動信号を調整する、
    ように構成されている、システム。
19. 前記コントローラは、
    前記アクチュエータの異なるサイクルの最中に、前記ボイスコイルの前記逆起電力電圧を特定し、そこでは前記コンポーネントのストロークが中心に置かれている位置が異なり、かつ、
    前記異なるサイクルの最中に、最大の逆起電力電圧を特定し、かつ、
    前記逆起電力電圧を実質的に最大化するように、前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整する、
    ように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記コントローラは、
    前記逆起電力電圧における第１の極値と前記逆起電力電圧における第２の極値との間の第１の時間を特定し、
    前記逆起電力電圧における前記第２の極値と前記逆起電力電圧における第３の極値との間の第２の時間を特定し、かつ、
    前記第１の時間と前記第２の時間が実質的に等しいか否かを判断する、
    ように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
21. 前記コントローラは、
    前記第１の時間が前記第２の時間より長い場合、前記コンポーネントのストロークのセンタリングを第１の方向において移動するように、前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整し、かつ、
    前記第２の時間が前記第１の時間より長い場合、前記コンポーネントのストロークのセンタリングを第２の方向において移動するように、前記ボイスコイルに対する一つまたはそれ以上の駆動信号を調整する、
    ように構成されている、請求項２０に記載のシステム。
    

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