JP4136672B2 - 振動型圧縮機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換器により駆動されてピストンを往復運動させることにより流体を圧縮する振動型圧縮機に係り、特にピストンとストッパとの衝突を検出・防止する振動型圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来技術の振動型圧縮機（リニアコンプレッサ）を含む駆動システムを示す図である。この駆動システムは、直流電源１、単相インバータ２、振動型圧縮機３を備えている。この種の振動型圧縮機は、例えば冷蔵庫等の冷却装置において、膨張した冷媒ガスをシリンダ内のピストンの往復運動により圧縮する場合に使用されている。
【０００３】
この従来技術では、電力変換器として半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を有する単相インバータ２を用い、振動型圧縮機３の圧縮機モータとして単相ボイスコイルリニアモータ（以下、単にリニアモータという。）４Ａ，４Ｂを用いている。５Ａ，５Ｂは、気体を圧縮するため、それぞれ各リニアモータ４Ａ，４Ｂにより駆動される可動部に含まれるピストン、６はシリンダ、７はピストン５Ａ，５Ｂの位置情報を得るための磁気センサ等の位置センサである。
【０００４】
この従来技術の動作を簡単に説明する。
直流電源１に接続された単相インバータ２により、所望の周波数及び振幅の単相交流電圧指令値をリニアモータ４Ａ，４Ｂに供給する。各リニアモータ４Ａ，４Ｂの可動部にそれぞれ連結されたピストン５Ａ，５Ｂは、単相インバータ２が出力する単相交流電圧指令値の周波数に応じて図６の左右方向（ｘ方向）に往復運動を行い、シリンダ６内の気体を圧縮する。
【０００５】
このような振動型圧縮機３では、温度などの影響により、気体の圧縮時と膨張時とでピストン５Ａ，５Ｂに対する平均圧力が異なると、ピストン５Ａ，５Ｂのｘ方向に沿った中心位置が変動することになる。その結果として、最悪の場合にはピストン５Ａ，５Ｂ同士が衝突してリニアモータ４Ａ，４Ｂを破損するおそれがある。
【０００６】
上記不都合を回避するため、従来技術では、位置センサ７により検出したピストン５Ａの位置情報を制御に用いている。そして、得られたピストン位置情報に基づいてピストンの平均位置が中央になるようにリニアモータ４Ａ，４Ｂへオフセット電圧を印加している。振動型圧縮機のピストンの衝突防止の従来技術はこのようなものである。
なお、ピストンの位置を制御するために位置センサを備えた振動型圧縮機の他の従来技術として、例えば、特許文献１〜３などに開示された発明も存在している。
【０００７】
また位置センサを使用しないような従来技術も特許文献４に開示されている。図６で示す従来技術では位置センサ７はシリンダ６内に配置しているが、シリンダ６の内部は圧力が高いため、位置センサ７の信号線を引き出すことは構造上困難であると共に、コストが上昇する原因であった。そこで、このような点に鑑み、位置センサ７を使用せずに、リニアモータの電圧、電流を測定してピストン位置を推定することでピストン位置を制御する、というものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−２９１８８９号公報（段落［００２４］等、［図１］）
【特許文献２】
特開２００１−９０６６１号公報（段落［００３２］，［００３３］等、［図１］，［図２］，［図１０］）
【特許文献３】
特開２００２−１５５８６９号公報（段落［００２８］〜［００３４］，［００５０］，［００５８］等、［図１］，［図３］，［図７］）
【特許文献４】
特表平８−５０８５５８号公報（第７頁〜第８頁「発明の簡単な開示」、第９頁第１１行〜第１６行等）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図６で示した従来技術、または、特許文献１〜３で開示された従来技術では、トランスなどの原理を応用したピストン位置センサの検出精度を向上させるためにはシリンダ内に配置しなければならないが、その場合構造上邪魔になることが多く、磁気回路の効率を低下させ、ひいてはモータ効率を低下させることになる。また、シリンダ内は圧力が高いため位置センサは耐圧の高いセンサが必要となり、コスト上昇につながる。さらにまた、シリンダ内部の圧力が高いため、ピストン位置センサの電源および信号線を高価なハーメチック（ハーメチックシールは圧力の掛かる場所等の気密を保つ必要がある用途に適しており、シェルとピンとの間をガラスで焼き固めた構造を有している）などで外部に取り出すことになり、コスト上昇につながる。
これらの如く、ピストンの衝突を防止するために位置センサを使用する場合には構造上の問題やコスト上の問題がある。
【００１０】
また、特許文献４のごとく位置センサを用いずにピストン位置を制御する従来技術によれば、シリンダ内にピストンを配置する場合の不都合は回避できるが、モータ定数のばらつきやシリンダ内に充填されたガスの劣化、バネの劣化などにより、万が一、ピストンが衝突状態に陥った際にすばやく脱出できないことがあり、この衝突状態が長時間継続するとモータを破損するおそれがある。
【００１１】
そこで本発明は、上記した問題点を解決しようとするものであり、その目的は、シリンダ内部での配置が必要となる位置センサを用いることなく、簡易な構成でピストンの状態・衝突の検出、または、ピストンの衝突の防止を実現するようにした振動型圧縮機を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明では、
ピストンおよびこのピストンを往復動させる駆動部を含むリニアモータと、
前記リニアモータが内部に収容されるシリンダと、
前記シリンダの内部に配置され、前記ピストンの上死点および下死点近傍に配置されるストッパと、
を備え、前記シリンダの内部で前記ピストンを往復動させて圧縮空間を区画形成し、この圧縮空間内の流体を周期的に圧縮する振動型圧縮機であって、
上死点および下死点での前記ピストンと前記ストッパとの衝突である内部衝突または前記シリンダ外部での衝突である外部衝突を加速度の変化により検出して検出信号を生成し、この検出信号に基づき内部衝突判定および外部衝突判定を行って内部衝突か外部衝突かを判定する衝突検出手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明では、
請求項１に記載の振動型圧縮機において、
前記衝突検出手段は、
内部衝突または外部衝突により前記シリンダに加わる加速度に応じて出力される加速度信号に対して全波整流又は半波整流を行って整流信号とし、この整流信号の平滑化を行って生成した検出信号を用いて判定を行う判定手段を有し、
前記判定手段は、この検出信号に基づき内部衝突判定および外部衝突判定を行って内部衝突か外部衝突かを判定する、
ことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明では、
請求項１に記載の振動型圧縮機において、
前記衝突検出手段は、
内部衝突または外部衝突により前記シリンダに加わる加速度に応じて加速度信号を出力する加速度検出手段と、
前記加速度検出手段から出力された加速度信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段から出力された加速度信号から低周波数成分を除去するハイパスフィルタ手段と、
前記ハイパスフィルタ手段から出力された加速度信号の全波整流又は半波整流を行って整流信号を出力する整流手段と、
前記整流手段から出力された整流信号の平滑化を行って検出信号を出力するローパスフィルタ手段と、
前記ローパスフィルタ手段から出力される検出信号に基づき内部衝突判定および外部衝突判定を行って内部衝突か外部衝突かを判定する判定手段と、
を有することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明では、
請求項２または請求項３に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
前記リニアモータの停止状態の前記検出信号を平滑化して平均値を算出して、この平均値を検出信号の基準とすることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明では、
請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
前記リニアモータへ印加される電圧指令値の位相の中の特定の位相期間に対応するような衝突検知タイミング期間に前記検出信号における内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象が、内部衝突検出期間内にＭ回（Ｍは自然数）以上発生するという内部衝突条件を満たす場合に、ピストンとストッパとの衝突であると判定する内部衝突判定を行うことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明では、
請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
外部衝突検出期間内に、前記検出信号における外部衝突検出レベルを超える回数がＫ回以上あり、その後外部衝突検出レベルを待機期間超えないという外部衝突条件を満たす場合に、外部での衝突であると判定する外部衝突判定を行うことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明では、
請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
請求項５に記載の内部衝突判定および請求項６に記載の外部衝突判定を、内部衝突検出期間＜外部衝突検出期間として共に行い、前記検出信号における内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象がＭ回（Ｍは自然数）以上発生する事象および前記検出信号における外部衝突検出レベルをＫ回以上超える事象がともに起こる場合には、内部衝突条件を先に満たした時点で優先的に内部衝突であると判定することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明では、
請求項５または請求項７に記載の振動型圧縮機において、
検出信号と、前記リニアモータへ印加される電圧指令値との位相関係から前記ピストンと前記ストッパとの衝突が上死点で発生したか下死点で発生したかを求め、前記リニアモータへの印加される電圧指令値に逆方向へのＤＣバイアス電圧指令値を重畳させて前記ピストンと前記ストッパとの衝突を止めることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
続いて本発明の実施形態について図を参照して説明する。図１は本実施形態の振動型圧縮機（リニアコンプレッサ）を含む駆動システムを示す図、図２は本実施形態の振動型圧縮機の構成図、図３は衝突検出手段の構成図である。
図１で示すように、振動型圧縮機１００は、直流電源１、単層インバータ２により駆動される点は従来技術と同様であるが、従来技術の位置センサ７に代えて図１，図２で示すような加速度検出手段２０により加速度を検出し、図３に示すような衝突検出手段２００により衝突を検出するようにした点が新規な点となっている。
【００２２】
本実施形態の振動型圧縮機１００は、詳しくは、図２で示すように、シリンダ１１、リニアモータ１２，１３、ストッパ１４，１５，１６を少なくとも備えている。さらにシリンダ１１の外側面には加速度検出手段２０が取り付けられている。この加速度検出手段２０は、シリンダ１１の内部に取り付ける必要がないため、従来技術のピストンの位置センサと比較して、取り付け位置の選択範囲を拡大できることとなる。
この加速度検出手段２０は、衝突検出手段２００の一部であり、この衝突検出手段２００は、図３で示すように加速度検出手段２０、増幅手段２１、ハイパスフィルタ手段２２、整流手段２３、ローパスフィルタ手段２４、判定手段２５を少なくとも備えている。
【００２３】
続いて振動型圧縮機１００の各部について説明する。
シリンダ１１の内部にはリニアモータ１２，１３が並べられて配置されている。リニアモータ１２，１３は、それぞれ駆動部１２Ａ，１３Ａと、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとを備えている。リニアモータ１２，１３は同じ構造であるため、リニアモータ１２についてのみ説明するが、駆動部１２Ａには、ピストン１２Ｂを含む可動部が弾性部材により往復動自在に支持されており、駆動部１２Ａに含まれる駆動コイルに電流を流したとき、可動部に含まれる駆動用磁石の磁力と、駆動部１２Ａに含まれる駆動コイルとの電磁力と、の作用によりピストン１２Ｂを往復動させている。
【００２４】
ストッパ１４は、ピストン１２Ｂの下死点近傍に配置され、下死点を超えるピストン１２Ｂの移動を防止する。
ストッパ１５は、ピストン１２Ｂの上死点近傍およびピストン１３Ｂの上死点近傍に配置され、上死点を超えるピストン１２Ｂの移動および上死点を超えるピストン１３Ｂの移動を防止する。
ストッパ１６は、ピストン１３Ｂの下死点近傍に配置され、下死点を超えるピストン１３Ｂの移動を防止する。
【００２５】
このような振動型圧縮機１００において、圧縮時と膨張時で、ピストン１２Ｂ，１３Ｂに対する平均圧力が異なる場合、ピストン１２Ｂ，１３Ｂの中心位置が変位することになる。その結果、ピストン１２Ｂが下死点のストッパ１４または上死点のストッパ１５に衝突し、また、ピストン１３Ｂが下死点のストッパ１６または上死点のストッパ１５に衝突し、この衝突状態が続くとモータを破損するおそれがある。
【００２６】
そこで、後述する衝突検出手段２００により、ピストン１２Ｂの下死点でのストッパ１４および上死点でのストッパ１５との衝突である内部衝突、ピストン１３Ｂの下死点でのストッパ１６および上死点でのストッパ１５との衝突である内部衝突、または外部での衝突である外部衝突を加速度の変化により検出し、以後の衝突を防止するというものである。
【００２７】
続いて図３に示す衝突検出手段２００について説明する。
加速度検出手段２０は、例えば半導体プロセスを用いた加速度センサを用いており、この加速度検出手段２０は、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突である内部衝突による衝撃もしくは外部での衝突である外部衝突による衝撃に対応して変化する加速度を検出し、それに応じて加速度信号を出力する。加速度検出手段２０にも様々なタイプ（例えば、一軸方向のみの加速度の検出を行うタイプ、三次元多軸方向の加速度の検出を行うタイプ、半導体プロセスによらないタイプ）があるが、少なくともピストン１２Ｂ，１３Ｂの移動方向と、加速度検出手段２０の感度方向である加速度検出軸方向と、が略平行となるようになされていれば良い。これはピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突時にはピストン１２Ｂ，１３Ｂの移動方向に加速度が生じるためであり、このような配慮により衝突検出時の感度を高めることが可能となっている。
【００２８】
この加速度信号は微弱な信号であるためオペアンプ等の増幅手段２１にて加速度信号を増幅し、増幅した加速度信号を出力する。
その後段にあるハイパスフィルタ手段２２は、増幅した加速度信号に含まれるオフセット成分（なおオフセット成分は、加速度検出手段２０からの出力に既に含まれている）を除去する。カットオフ周波数は例えば１．６Ｈｚであり、直流成分を除去する。このハイパスフィルタ手段２２は急峻な特性が不要であり、ローコストな１次のＲＣフィルタで実現することができる。このようにハイパスフィルタ手段２２によるオフセット成分の除去により、後段の回路の動作電位を確立することができる。
【００２９】
整流手段２３は、オフセット成分が除去された脈流状の加速度信号に対し、全波整流または半波整流を行って、整流信号を出力する。具体的にはオペアンプ、ダイオードを２個ずつ用いた全波整流回路とする。なお、加速度検出手段２０からの出力が飽和する可能性があるため、オペアンプはRail-to-Railのものを採用し、電源に対して信号を大きく取れるようにするためにダイオードはショットキーバリアダイオードを採用している。
ローパスフィルタ手段２４は、この整流信号からリップル成分（高周波数成分）を除去し、加速度検出信号の主振動を平滑化して検出信号を出力する。一例としてはカットオフ周波数を１．６ｋＨｚ、通過周波数帯域５００Ｈｚ〜２ｋＨｚとしている。
【００３０】
判定手段２５は、詳しくはＡ／Ｄ変換手段２５Ａ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２５Ｂを備えている。判定手段２５は、Ａ／Ｄ変換手段２５ＡとＣＰＵ２５Ｂとが一体になったマイコン・ＭＰＵを採用したり、また、個別のＩＣを組み合わせディスクリートに構成しても良い。
Ａ／Ｄ変換手段２５Ａは、アナログ信号である検出信号を、デジタルデータである検出データに変換する。
ＣＰＵ２５Ｂは、この検出データを入力し、後述するようなアルゴリズムに従い、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６とによる内部衝突であるか、または、外部での衝突である外部衝突であるかを判別し、特に内部衝突の場合にはモータへの印加電圧にオフセットを与えるなどの制御を行い、以後の衝突を回避する制御を行う。
【００３１】
なお、整流手段２３とローパスフィルタ手段２４とを設ける理由であるが、加速度検出手段２０から出力される加速度信号の周波数帯域が数ｋＨｚにまで及ぶことがあるため、オフセット成分を除去してＤＣ電位が確立された信号を整流手段２３により整流し、さらにローパスフィルタ手段２４により平滑化することで、加速度信号を低周波数の検出信号に変換して、コストの安い低周波数用のＡ／Ｄ変換手段２５Ａを利用できるようにするためである。
【００３２】
さらに、このような検出信号に変換したあとでも含まれるオフセット（バラツキ）をキャンセルするために、振動型圧縮機１００が停止した状態、または、電源投入間際の様に振動型圧縮機のピストン１２Ｂ，１３Ｂが小振幅動作状態であり、かつ外部からの振動が発生しない状態における検出振動を平滑化して平均値を求め、この平均値を検出信号の基準である基準信号としている。さらに、この検出信号から基準信号を引いた差である校正済みの検出信号をもって衝突や外部振動の検出を行う。
【００３３】
具体的には、振動型圧縮機１００が停止した状態、または、電源投入間際の様に振動型圧縮機のピストン１２Ｂ，１３Ｂが小振幅動作状態であり、かつ外部からの振動が発生しない状態における検出データをＣＰＵ２５Ｂで平滑化して平均値を求め、この平均値を検出データの基準である基準データとし、ＣＰＵ２５Ｂがこの検出データから基準データを引いた差である校正済みの検出データをもって衝突や外部振動の検出を行うようにすれば良い。このように加速度が０の状態の加速度信号が入力したにも拘わらず加速度検出手段２０および後段の回路に起因して検出信号に現れるオフセット成分を除去することで、加速度が０のときは校正済みの検出データが０になるように校正する。上記整流手段２３とローパスフィルタ手段２４とに加えてこのようにな校正を行うため、校正ずみの検出データの基準電位を完全に確立できる。
【００３４】
続いてピストンの内部衝突判定および外部衝突判定について図を用いて説明する。ピストン１２Ｂ，１３Ｂがストッパ１４，１５，１６に衝突した内部衝突および外部での外部衝突を、加速度の変化として加速度検出手段２０が検出する。この場合ピストン１２Ｂ，１３Ｂがストッパ１４，１５，１６に衝突した場合のタイミングと衝突の大きさ・長さによって内部衝突と外部衝突との区別を行っている。
【００３５】
まず、ピストンの内部衝突判定について図を用いて説明する。
図４は内部衝突判定を説明する説明図である。なお、判定処理はデジタルの校正済みの検出データを用いて行うが、説明の都合上アナログ信号として表示している。
【００３６】
ピストン１２Ｂ，１３Ｂの衝突は、上死点もしくは下死点のどちらかで発生するため、ピストン１２Ｂ，１３Ｂの位置情報を推定するために単相インバータ２への電圧指令値を利用している。ピストン１２Ｂ，１３Ｂの上死点、下死点への到達時点はインバータのゼロクロス時点から若干遅れている時点であり、これを調整するため、ゼロクロス時点から遅れ期間Ｔa1，Ｔa2待つ。さらに、この遅れ期間Ｔa1，Ｔa2から所定期間を衝突検知タイミング期間Ｔｂ（図４の斜線で表した期間）としている。
【００３７】
このような衝突検知タイミング期間Ｔｂの期間内において一定間隔（一例：約２００μｓ）ごとのサンプリングデータを検出データから抽出し、このサンプリングデータが所定の内部衝突検出レベル（一例：基準レベルから１４６ｍｖ）を超えるような事象が、一定回数（Ｎ回、一例：３回）連続して発生するような場合に衝突カウンタをインクリメントする。
【００３８】
これは、衝突検出手段２００の回路出力はインバータなどから発生するインパルス的なノイズに影響を受けることも考慮して、例えば上死点でＮ回連続して衝突したような場合を検出することで内部衝突によるパルスであると判定し、単発のインパルス的なノイズでは衝突と検出しないように配慮したものである。
【００３９】
さらに、ピストン１２Ｂ，１３Ｂの衝突が必ずしも連続しない場合もあるため、一定時間である内部衝突検出期間（Ｔ１、一例：２００ｍｓ）の間に衝突カウンタが一定回数（Ｍ回、一例：３回）となった場合には衝突が繰り返し発生していると認識してピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６とによる内部衝突が起きていると判断するようにしている。また、遅れ期間Ｔａ１，Ｔａ２を考慮することによって上死点での衝突か下死点の衝突であるかを判定できる。
【００４０】
以上のようにしてピストン１２Ｂ，１３Ｂの衝突が検知でき、インバータの電圧指令値の位相から上死点で衝突したか下死点で衝突したかを判定できる。そして、この情報を用いてピストン位置の偏りの逆方向へ印加電圧となるＤＣバイアス電圧指令値を加えることによりピストン１２Ｂ，１３Ｂの衝突を防ぐことが可能となる。
【００４１】
なお、図４で示した基準レベルは、振動型圧縮機１００が停止した状態、または、電源投入間際の様に振動型圧縮機のピストン１２Ｂ，１３Ｂが小振幅動作状態であり、かつ外部からの振動が発生しない状態における検出振動を平滑化して平均値を求め、この平均値を検出信号の基準である基準信号を基準レベルとしている。この場合圧縮ピストン１２Ｂ，１３Ｂを稼働させて媒体を圧縮する大振幅動作状態であっても、検出信号は殆ど変化がなく基準レベルは変動しないことが知見されており、上記のような基準レベルを採用している。
【００４２】
続いて、外部衝突判定について説明する。図５は、外部衝突判定を説明する説明図である。外部衝突判定とは、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突ではなく、外部から衝撃が与えられた場合の衝突を想定している。一般的に外部からの衝撃はピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との内部衝突に比べ平滑化した検出信号が長いという傾向があり、外部衝突による検出信号は、例えば、２０ｍｓ程度の幅を有する検出信号がピストン１２Ｂ，１３Ｂの位置と関係なく単発で発生する信号である。
【００４３】
そこで、外部衝突期間（Ｔ２、一例：８００ｍｓ）にわたり、検出信号の一定間隔ごと（一例：２００ｕｓ）のサンプリングデータが基準レベル（ＭＩＤ：一例２．５Ｖ）からさらに外部衝突検出レベル（一例：３４０ｍｖ）を、連続しているか否かを問わずにＫ回（２０回）超え、その後外部衝突検出レベルを待機期間（Ｔ３）超えない場合にはピストン１２Ｂ，１３Ｂの衝突でなく単発的な外部衝突であったものと判定する。
【００４４】
なお連続してＫ回外部衝突検出レベルを超えることを条件としない理由は、検出信号にインバータなどから発生するインパルス的なノイズが入り、連続とすると検出が困難となるからである。
また、待機期間（Ｔ３）待つのは、Ｋ回の検出だけでは外部振動による出力と、ピストンとストッパとの１回分の衝突の出力と区別ができないおそれがあるためであり、待機期間（Ｔ３）に衝突が検出されないような場合にピストンとストッパとの定周期的な衝突ではなく、外部での突発的な衝突であると判定するためである。
【００４５】
なお、図５で示した基準レベルは、振動型圧縮機１００が停止した状態、または、電源投入間際の様に振動型圧縮機のピストン１２Ｂ，１３Ｂが小振幅動作状態であり、かつ外部からの振動が発生しない状態における検出振動を平滑化して平均値を求め、この平均値を検出信号の基準である基準信号を基準レベルとしている。この場合圧縮ピストン１２Ｂ，１３Ｂを稼働させて媒体を圧縮する大振幅動作状態であっても、検出信号は殆ど変化がなく基準レベルは変動しないことが知見されており、上記のような基準レベルを採用している。
【００４６】
このように内部衝突条件と外部衝突条件とを相違させることにより、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突である内部衝突による周期的な振動、または、ピストン１２Ｂ，１３Ｂの運動とは非同期で単発的に発生する外部衝突による長い振動（２０ｍｓ程度）との違いを区別することが可能となっている。
【００４７】
なお、ＣＰＵ２５は上記した内部衝突判定および外部衝突判定を、内部衝突検出期間＜外部衝突検出期間として共に行い、内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象がＭ回（Ｍは自然数）以上発生する事象および検出信号が外部衝突検出レベルをＫ回以上超える事象がともに起こる場合には、内部衝突条件を先に満たした時点で優先的に内部衝突であると判定する。
【００４８】
詳しく説明すると、検出信号が内部衝突レベルと外部衝突レベルと両方とも超える条件１と、内部衝突のＮ回連続の衝突が検出され、かつ外部衝突のＫ回以上の衝突が検出される条件２が共に成立するような場合には、この時点では内部衝突であるか外部衝突であるか判別できない。そこで、内部衝突検出期間＜外部衝突検出時間として内部衝突検出と外部衝突検出とを共に行い、内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象と検出信号が外部衝突検出レベルをＫ回以上超える事象が起こった場合であっても、内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象が内部衝突検出期間内にＭ回（Ｍは自然数）以上発生したときには振動が周期的であることを理由に内部衝突であると判定する。
これにより、内部衝突か外部衝突かを区別することができる。
【００４９】
このようにして振動型圧縮機１００に内部衝突が発生していると判断された場合、ＣＰＵ２５Ｂは、さらに平滑化した検出信号と前記リニアモータへの印加電圧の位相関係、つまり、遅れ期間がＴa1で振動が発生しているか、またはＴa2で振動が発生しているかを判断して、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突が上死点で発生したか下死点で発生したかを求め、リニアモータ１２，１３に印加される電圧指令値に逆方向へのＤＣバイアス電圧指令値を重畳させるように単相インバータ２を制御してピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突を防止する。
これにより、振動型圧縮機１００は内部振動・外部振動を区別して検出し、さらに内部衝突が起こっていると判断したときには、さらに振動を防止するように制御することとなる。
【００５０】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、振動型圧縮機の効率低下やサイズの増大やコストアップを招くことなく、ピストンの可動部限界情報と外部からの振動を区別して検知することが可能である。
【００５１】
また、リニアモータへの印加電圧の位相情報と、ピストンとストッパとの衝突のタイミングから振動型圧縮機のピストン位置情報が得られ、その情報からピストンがストッパへ衝突することを避けるＤＣバイアス電圧指令値をモータへ印可し、衝突を回避することが可能となる。
【００５２】
総じて、シリンダ内部での配置が必要となる位置センサを用いることなく、簡易な構成でピストンの状態・衝突の検出、または、ピストンの衝突の防止を実現するようにした振動型圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の振動型圧縮機（リニアコンプレッサ）を含む駆動システムを示す図である。
【図２】本発明の実施形態の振動型圧縮機の構成図である。
【図３】衝突検出手段の構成図である。
【図４】内部衝突判定を説明する説明図である。
【図５】外部衝突判定を説明する説明図である。
【図６】従来技術の振動型圧縮機（リニアコンプレッサ）を含む駆動システムを示す図である。
【符号の説明】
１：直流電源
２：単相インバータ
３：振動型圧縮機
４Ａ，４Ｂ：リニアモータ
５Ａ，５Ｂ：ピストン
６：シリンダ
７：位置センサ
１１：シリンダ
１２，１３：リニアモータ
１２Ａ，１３Ａ：駆動部
１２Ｂ，１３Ｂ：ピストン
１４，１５，１６：ストッパ
２０：加速度検出手段
２１：増幅手段
２２：ハイパスフィルタ手段
２３：整流手段
２４：ローパスフィルタ手段
２５：判定手段
２５Ａ：Ａ／Ｄ変換手段
２５Ｂ：ＣＰＵ
Ｑ１〜Ｑ４：半導体スイッチング素子
１００：振動型圧縮機
２００：衝突検出手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力変換器により駆動されてピストンを往復運動させることにより流体を圧縮する振動型圧縮機に係り、特にピストンとストッパとの衝突を検出・防止する振動型圧縮機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来技術の振動型圧縮機（リニアコンプレッサ）を含む駆動システムを示す図である。この駆動システムは、直流電源１、単相インバータ２、振動型圧縮機３を備えている。この種の振動型圧縮機は、例えば冷蔵庫等の冷却装置において、膨張した冷媒ガスをシリンダ内のピストンの往復運動により圧縮する場合に使用されている。
【０００３】
この従来技術では、電力変換器として半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を有する単相インバータ２を用い、振動型圧縮機３の圧縮機モータとして単相ボイスコイルリニアモータ（以下、単にリニアモータという。）４Ａ，４Ｂを用いている。５Ａ，５Ｂは、気体を圧縮するため、それぞれ各リニアモータ４Ａ，４Ｂにより駆動される可動部に含まれるピストン、６はシリンダ、７はピストン５Ａ，５Ｂの位置情報を得るための磁気センサ等の位置センサである。
【０００４】
この従来技術の動作を簡単に説明する。
直流電源１に接続された単相インバータ２により、所望の周波数及び振幅の単相交流電圧指令値をリニアモータ４Ａ，４Ｂに供給する。各リニアモータ４Ａ，４Ｂの可動部にそれぞれ連結されたピストン５Ａ，５Ｂは、単相インバータ２が出力する単相交流電圧指令値の周波数に応じて図６の左右方向（ｘ方向）に往復運動を行い、シリンダ６内の気体を圧縮する。
【０００５】
このような振動型圧縮機３では、温度などの影響により、気体の圧縮時と膨張時とでピストン５Ａ，５Ｂに対する平均圧力が異なると、ピストン５Ａ，５Ｂのｘ方向に沿った中心位置が変動することになる。その結果として、最悪の場合にはピストン５Ａ，５Ｂ同士が衝突してリニアモータ４Ａ，４Ｂを破損するおそれがある。
【０００６】
上記不都合を回避するため、従来技術では、位置センサ７により検出したピストン５Ａの位置情報を制御に用いている。そして、得られたピストン位置情報に基づいてピストンの平均位置が中央になるようにリニアモータ４Ａ，４Ｂへオフセット電圧を印加している。振動型圧縮機のピストンの衝突防止の従来技術はこのようなものである。
なお、ピストンの位置を制御するために位置センサを備えた振動型圧縮機の他の従来技術として、例えば、特許文献１〜３などに開示された発明も存在している。
【０００７】
また位置センサを使用しないような従来技術も特許文献４に開示されている。図６で示す従来技術では位置センサ７はシリンダ６内に配置しているが、シリンダ６の内部は圧力が高いため、位置センサ７の信号線を引き出すことは構造上困難であると共に、コストが上昇する原因であった。そこで、このような点に鑑み、位置センサ７を使用せずに、リニアモータの電圧、電流を測定してピストン位置を推定することでピストン位置を制御する、というものである。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−２９１８８９号公報（段落［００２４］等、［図１］）
【特許文献２】
特開２００１−９０６６１号公報（段落［００３２］，［００３３］等、［図１］，［図２］，［図１０］）
【特許文献３】
特開２００２−１５５８６９号公報（段落［００２８］〜［００３４］，［００５０］，［００５８］等、［図１］，［図３］，［図７］）
【特許文献４】
特表平８−５０８５５８号公報（第７頁〜第８頁「発明の簡単な開示」、第９頁第１１行〜第１６行等）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図６で示した従来技術、または、特許文献１〜３で開示された従来技術では、トランスなどの原理を応用したピストン位置センサの検出精度を向上させるためにはシリンダ内に配置しなければならないが、その場合構造上邪魔になることが多く、磁気回路の効率を低下させ、ひいてはモータ効率を低下させることになる。また、シリンダ内は圧力が高いため位置センサは耐圧の高いセンサが必要となり、コスト上昇につながる。さらにまた、シリンダ内部の圧力が高いため、ピストン位置センサの電源および信号線を高価なハーメチック（ハーメチックシールは圧力の掛かる場所等の気密を保つ必要がある用途に適しており、シェルとピンとの間をガラスで焼き固めた構造を有している）などで外部に取り出すことになり、コスト上昇につながる。
これらの如く、ピストンの衝突を防止するために位置センサを使用する場合には構造上の問題やコスト上の問題がある。
【００１０】
また、特許文献４のごとく位置センサを用いずにピストン位置を制御する従来技術によれば、シリンダ内にピストンを配置する場合の不都合は回避できるが、モータ定数のばらつきやシリンダ内に充填されたガスの劣化、バネの劣化などにより、万が一、ピストンが衝突状態に陥った際にすばやく脱出できないことがあり、この衝突状態が長時間継続するとモータを破損するおそれがある。
【００１１】
そこで本発明は、上記した問題点を解決しようとするものであり、その目的は、シリンダ内部での配置が必要となる位置センサを用いることなく、簡易な構成でピストンの状態・衝突の検出、または、ピストンの衝突の防止を実現するようにした振動型圧縮機を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明では、
ピストンおよびこのピストンを往復動させる駆動部を含むリニアモータと、
前記リニアモータが内部に収容されるシリンダと、
前記シリンダの内部に配置され、前記ピストンの上死点および下死点近傍に配置されるストッパと、
を備え、前記シリンダの内部で前記ピストンを往復動させて圧縮空間を区画形成し、この圧縮空間内の流体を周期的に圧縮する振動型圧縮機であって、
上死点および下死点での前記ピストンと前記ストッパとの衝突である内部衝突または前記シリンダ外部での衝突である外部衝突を加速度の変化により検出して検出信号を生成し、この検出信号に基づき内部衝突判定および外部衝突判定を行って内部衝突か外部衝突かを判定する衝突検出手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明では、
請求項１に記載の振動型圧縮機において、
前記衝突検出手段は、
内部衝突または外部衝突により前記シリンダに加わる加速度に応じて出力される加速度信号に対して全波整流又は半波整流を行って整流信号とし、この整流信号の平滑化を行って生成した検出信号を用いて判定を行う判定手段を有し、
前記判定手段は、この検出信号に基づき内部衝突判定および外部衝突判定を行って内部衝突か外部衝突かを判定する、
ことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明では、
請求項１に記載の振動型圧縮機において、
前記衝突検出手段は、
内部衝突または外部衝突により前記シリンダに加わる加速度に応じて加速度信号を出力する加速度検出手段と、
前記加速度検出手段から出力された加速度信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段から出力された加速度信号から低周波数成分を除去するハイパスフィルタ手段と、
前記ハイパスフィルタ手段から出力された加速度信号の全波整流又は半波整流を行って整流信号を出力する整流手段と、
前記整流手段から出力された整流信号の平滑化を行って検出信号を出力するローパスフィルタ手段と、
前記ローパスフィルタ手段から出力される検出信号に基づき内部衝突判定および外部衝突判定を行って内部衝突か外部衝突かを判定する判定手段と、
を有することを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明では、
請求項２または請求項３に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
前記リニアモータの停止状態の前記検出信号を平滑化して平均値を算出して、この平均値を検出信号の基準とすることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明では、
請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
前記リニアモータへ印加される電圧指令値の位相の中の特定の位相期間に対応するような衝突検知タイミング期間に前記検出信号における内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象が、内部衝突検出期間内にＭ回（Ｍは自然数）以上発生するという内部衝突条件を満たす場合に、ピストンとストッパとの衝突であると判定する内部衝突判定を行うことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明では、
請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
外部衝突検出期間内に、前記検出信号における外部衝突検出レベルを超える回数がＫ回以上あり、その後外部衝突検出レベルを待機期間超えないという外部衝突条件を満たす場合に、外部での衝突であると判定する外部衝突判定を行うことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明では、
請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
請求項５に記載の内部衝突判定および請求項６に記載の外部衝突判定を、内部衝突検出期間＜外部衝突検出期間として共に行い、前記検出信号における内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象がＭ回（Ｍは自然数）以上発生する事象および前記検出信号における外部衝突検出レベルをＫ回以上超える事象がともに起こる場合には、内部衝突条件を先に満たした時点で優先的に内部衝突であると判定することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明では、
請求項５または請求項７に記載の振動型圧縮機において、
検出信号と、前記リニアモータへ印加される電圧指令値との位相関係から前記ピストンと前記ストッパとの衝突が上死点で発生したか下死点で発生したかを求め、前記リニアモータへの印加される電圧指令値に逆方向へのＤＣバイアス電圧指令値を重畳させて前記ピストンと前記ストッパとの衝突を止めることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
続いて本発明の実施形態について図を参照して説明する。図１は本実施形態の振動型圧縮機（リニアコンプレッサ）を含む駆動システムを示す図、図２は本実施形態の振動型圧縮機の構成図、図３は衝突検出手段の構成図である。
図１で示すように、振動型圧縮機１００は、直流電源１、単層インバータ２により駆動される点は従来技術と同様であるが、従来技術の位置センサ７に代えて図１，図２で示すような加速度検出手段２０により加速度を検出し、図３に示すような衝突検出手段２００により衝突を検出するようにした点が新規な点となっている。
【００２２】
本実施形態の振動型圧縮機１００は、詳しくは、図２で示すように、シリンダ１１、リニアモータ１２，１３、ストッパ１４，１５，１６を少なくとも備えている。さらにシリンダ１１の外側面には加速度検出手段２０が取り付けられている。この加速度検出手段２０は、シリンダ１１の内部に取り付ける必要がないため、従来技術のピストンの位置センサと比較して、取り付け位置の選択範囲を拡大できることとなる。
この加速度検出手段２０は、衝突検出手段２００の一部であり、この衝突検出手段２００は、図３で示すように加速度検出手段２０、増幅手段２１、ハイパスフィルタ手段２２、整流手段２３、ローパスフィルタ手段２４、判定手段２５を少なくとも備えている。
【００２３】
続いて振動型圧縮機１００の各部について説明する。
シリンダ１１の内部にはリニアモータ１２，１３が並べられて配置されている。リニアモータ１２，１３は、それぞれ駆動部１２Ａ，１３Ａと、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとを備えている。リニアモータ１２，１３は同じ構造であるため、リニアモータ１２についてのみ説明するが、駆動部１２Ａには、ピストン１２Ｂを含む可動部が弾性部材により往復動自在に支持されており、駆動部１２Ａに含まれる駆動コイルに電流を流したとき、可動部に含まれる駆動用磁石の磁力と、駆動部１２Ａに含まれる駆動コイルとの電磁力と、の作用によりピストン１２Ｂを往復動させている。
【００２４】
ストッパ１４は、ピストン１２Ｂの下死点近傍に配置され、下死点を超えるピストン１２Ｂの移動を防止する。
ストッパ１５は、ピストン１２Ｂの上死点近傍およびピストン１３Ｂの上死点近傍に配置され、上死点を超えるピストン１２Ｂの移動および上死点を超えるピストン１３Ｂの移動を防止する。
ストッパ１６は、ピストン１３Ｂの下死点近傍に配置され、下死点を超えるピストン１３Ｂの移動を防止する。
【００２５】
このような振動型圧縮機１００において、圧縮時と膨張時で、ピストン１２Ｂ，１３Ｂに対する平均圧力が異なる場合、ピストン１２Ｂ，１３Ｂの中心位置が変位することになる。その結果、ピストン１２Ｂが下死点のストッパ１４または上死点のストッパ１５に衝突し、また、ピストン１３Ｂが下死点のストッパ１６または上死点のストッパ１５に衝突し、この衝突状態が続くとモータを破損するおそれがある。
【００２６】
そこで、後述する衝突検出手段２００により、ピストン１２Ｂの下死点でのストッパ１４および上死点でのストッパ１５との衝突である内部衝突、ピストン１３Ｂの下死点でのストッパ１６および上死点でのストッパ１５との衝突である内部衝突、または外部での衝突である外部衝突を加速度の変化により検出し、以後の衝突を防止するというものである。
【００２７】
続いて図３に示す衝突検出手段２００について説明する。
加速度検出手段２０は、例えば半導体プロセスを用いた加速度センサを用いており、この加速度検出手段２０は、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突である内部衝突による衝撃もしくは外部での衝突である外部衝突による衝撃に対応して変化する加速度を検出し、それに応じて加速度信号を出力する。加速度検出手段２０にも様々なタイプ（例えば、一軸方向のみの加速度の検出を行うタイプ、三次元多軸方向の加速度の検出を行うタイプ、半導体プロセスによらないタイプ）があるが、少なくともピストン１２Ｂ，１３Ｂの移動方向と、加速度検出手段２０の感度方向である加速度検出軸方向と、が略平行となるようになされていれば良い。これはピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突時にはピストン１２Ｂ，１３Ｂの移動方向に加速度が生じるためであり、このような配慮により衝突検出時の感度を高めることが可能となっている。
【００２８】
この加速度信号は微弱な信号であるためオペアンプ等の増幅手段２１にて加速度信号を増幅し、増幅した加速度信号を出力する。
その後段にあるハイパスフィルタ手段２２は、増幅した加速度信号に含まれるオフセット成分（なおオフセット成分は、加速度検出手段２０からの出力に既に含まれている）を除去する。カットオフ周波数は例えば１．６Ｈｚであり、直流成分を除去する。このハイパスフィルタ手段２２は急峻な特性が不要であり、ローコストな１次のＲＣフィルタで実現することができる。このようにハイパスフィルタ手段２２によるオフセット成分の除去により、後段の回路の動作電位を確立することができる。
【００２９】
整流手段２３は、オフセット成分が除去された脈流状の加速度信号に対し、全波整流または半波整流を行って、整流信号を出力する。具体的にはオペアンプ、ダイオードを２個ずつ用いた全波整流回路とする。なお、加速度検出手段２０からの出力が飽和する可能性があるため、オペアンプはRail-to-Railのものを採用し、電源に対して信号を大きく取れるようにするためにダイオードはショットキーバリアダイオードを採用している。
ローパスフィルタ手段２４は、この整流信号からリップル成分（高周波数成分）を除去し、加速度検出信号の主振動を平滑化して検出信号を出力する。一例としてはカットオフ周波数を１．６ｋＨｚ、通過周波数帯域５００Ｈｚ〜２ｋＨｚとしている。
【００３０】
判定手段２５は、詳しくはＡ／Ｄ変換手段２５Ａ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２５Ｂを備えている。判定手段２５は、Ａ／Ｄ変換手段２５ＡとＣＰＵ２５Ｂとが一体になったマイコン・ＭＰＵを採用したり、また、個別のＩＣを組み合わせディスクリートに構成しても良い。
Ａ／Ｄ変換手段２５Ａは、アナログ信号である検出信号を、デジタルデータである検出データに変換する。
ＣＰＵ２５Ｂは、この検出データを入力し、後述するようなアルゴリズムに従い、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６とによる内部衝突であるか、または、外部での衝突である外部衝突であるかを判別し、特に内部衝突の場合にはモータへの印加電圧にオフセットを与えるなどの制御を行い、以後の衝突を回避する制御を行う。
【００３１】
なお、整流手段２３とローパスフィルタ手段２４とを設ける理由であるが、加速度検出手段２０から出力される加速度信号の周波数帯域が数ｋＨｚにまで及ぶことがあるため、オフセット成分を除去してＤＣ電位が確立された信号を整流手段２３により整流し、さらにローパスフィルタ手段２４により平滑化することで、加速度信号を低周波数の検出信号に変換して、コストの安い低周波数用のＡ／Ｄ変換手段２５Ａを利用できるようにするためである。
【００３２】
さらに、このような検出信号に変換したあとでも含まれるオフセット（バラツキ）をキャンセルするために、振動型圧縮機１００が停止した状態、または、電源投入間際の様に振動型圧縮機のピストン１２Ｂ，１３Ｂが小振幅動作状態であり、かつ外部からの振動が発生しない状態における検出振動を平滑化して平均値を求め、この平均値を検出信号の基準である基準信号としている。さらに、この検出信号から基準信号を引いた差である校正済みの検出信号をもって衝突や外部振動の検出を行う。
【００３３】
具体的には、振動型圧縮機１００が停止した状態、または、電源投入間際の様に振動型圧縮機のピストン１２Ｂ，１３Ｂが小振幅動作状態であり、かつ外部からの振動が発生しない状態における検出データをＣＰＵ２５Ｂで平滑化して平均値を求め、この平均値を検出データの基準である基準データとし、ＣＰＵ２５Ｂがこの検出データから基準データを引いた差である校正済みの検出データをもって衝突や外部振動の検出を行うようにすれば良い。このように加速度が０の状態の加速度信号が入力したにも拘わらず加速度検出手段２０および後段の回路に起因して検出信号に現れるオフセット成分を除去することで、加速度が０のときは校正済みの検出データが０になるように校正する。上記整流手段２３とローパスフィルタ手段２４とに加えてこのようにな校正を行うため、校正ずみの検出データの基準電位を完全に確立できる。
【００３４】
続いてピストンの内部衝突判定および外部衝突判定について図を用いて説明する。ピストン１２Ｂ，１３Ｂがストッパ１４，１５，１６に衝突した内部衝突および外部での外部衝突を、加速度の変化として加速度検出手段２０が検出する。この場合ピストン１２Ｂ，１３Ｂがストッパ１４，１５，１６に衝突した場合のタイミングと衝突の大きさ・長さによって内部衝突と外部衝突との区別を行っている。
【００３５】
まず、ピストンの内部衝突判定について図を用いて説明する。
図４は内部衝突判定を説明する説明図である。なお、判定処理はデジタルの校正済みの検出データを用いて行うが、説明の都合上アナログ信号として表示している。
【００３６】
ピストン１２Ｂ，１３Ｂの衝突は、上死点もしくは下死点のどちらかで発生するため、ピストン１２Ｂ，１３Ｂの位置情報を推定するために単相インバータ２への電圧指令値を利用している。ピストン１２Ｂ，１３Ｂの上死点、下死点への到達時点はインバータのゼロクロス時点から若干遅れている時点であり、これを調整するため、ゼロクロス時点から遅れ期間Ｔa1，Ｔa2待つ。さらに、この遅れ期間Ｔa1，Ｔa2から所定期間を衝突検知タイミング期間Ｔｂ（図４の斜線で表した期間）としている。
【００３７】
このような衝突検知タイミング期間Ｔｂの期間内において一定間隔（一例：約２００μｓ）ごとのサンプリングデータを検出データから抽出し、このサンプリングデータが所定の内部衝突検出レベル（一例：基準レベルから１４６ｍｖ）を超えるような事象が、一定回数（Ｎ回、一例：３回）連続して発生するような場合に衝突カウンタをインクリメントする。
【００３８】
これは、衝突検出手段２００の回路出力はインバータなどから発生するインパルス的なノイズに影響を受けることも考慮して、例えば上死点でＮ回連続して衝突したような場合を検出することで内部衝突によるパルスであると判定し、単発のインパルス的なノイズでは衝突と検出しないように配慮したものである。
【００３９】
さらに、ピストン１２Ｂ，１３Ｂの衝突が必ずしも連続しない場合もあるため、一定時間である内部衝突検出期間（Ｔ１、一例：２００ｍｓ）の間に衝突カウンタが一定回数（Ｍ回、一例：３回）となった場合には衝突が繰り返し発生していると認識してピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６とによる内部衝突が起きていると判断するようにしている。また、遅れ期間Ｔａ１，Ｔａ２を考慮することによって上死点での衝突か下死点の衝突であるかを判定できる。
【００４０】
以上のようにしてピストン１２Ｂ，１３Ｂの衝突が検知でき、インバータの電圧指令値の位相から上死点で衝突したか下死点で衝突したかを判定できる。そして、この情報を用いてピストン位置の偏りの逆方向へ印加電圧となるＤＣバイアス電圧指令値を加えることによりピストン１２Ｂ，１３Ｂの衝突を防ぐことが可能となる。
【００４１】
なお、図４で示した基準レベルは、振動型圧縮機１００が停止した状態、または、電源投入間際の様に振動型圧縮機のピストン１２Ｂ，１３Ｂが小振幅動作状態であり、かつ外部からの振動が発生しない状態における検出振動を平滑化して平均値を求め、この平均値を検出信号の基準である基準信号を基準レベルとしている。この場合圧縮ピストン１２Ｂ，１３Ｂを稼働させて媒体を圧縮する大振幅動作状態であっても、検出信号は殆ど変化がなく基準レベルは変動しないことが知見されており、上記のような基準レベルを採用している。
【００４２】
続いて、外部衝突判定について説明する。図５は、外部衝突判定を説明する説明図である。外部衝突判定とは、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突ではなく、外部から衝撃が与えられた場合の衝突を想定している。一般的に外部からの衝撃はピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との内部衝突に比べ平滑化した検出信号が長いという傾向があり、外部衝突による検出信号は、例えば、２０ｍｓ程度の幅を有する検出信号がピストン１２Ｂ，１３Ｂの位置と関係なく単発で発生する信号である。
【００４３】
そこで、外部衝突期間（Ｔ２、一例：８００ｍｓ）にわたり、検出信号の一定間隔ごと（一例：２００ｕｓ）のサンプリングデータが基準レベル（ＭＩＤ：一例２．５Ｖ）からさらに外部衝突検出レベル（一例：３４０ｍｖ）を、連続しているか否かを問わずにＫ回（２０回）超え、その後外部衝突検出レベルを待機期間（Ｔ３）超えない場合にはピストン１２Ｂ，１３Ｂの衝突でなく単発的な外部衝突であったものと判定する。
【００４４】
なお連続してＫ回外部衝突検出レベルを超えることを条件としない理由は、検出信号にインバータなどから発生するインパルス的なノイズが入り、連続とすると検出が困難となるからである。
また、待機期間（Ｔ３）待つのは、Ｋ回の検出だけでは外部振動による出力と、ピストンとストッパとの１回分の衝突の出力と区別ができないおそれがあるためであり、待機期間（Ｔ３）に衝突が検出されないような場合にピストンとストッパとの定周期的な衝突ではなく、外部での突発的な衝突であると判定するためである。
【００４５】
なお、図５で示した基準レベルは、振動型圧縮機１００が停止した状態、または、電源投入間際の様に振動型圧縮機のピストン１２Ｂ，１３Ｂが小振幅動作状態であり、かつ外部からの振動が発生しない状態における検出振動を平滑化して平均値を求め、この平均値を検出信号の基準である基準信号を基準レベルとしている。この場合圧縮ピストン１２Ｂ，１３Ｂを稼働させて媒体を圧縮する大振幅動作状態であっても、検出信号は殆ど変化がなく基準レベルは変動しないことが知見されており、上記のような基準レベルを採用している。
【００４６】
このように内部衝突条件と外部衝突条件とを相違させることにより、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突である内部衝突による周期的な振動、または、ピストン１２Ｂ，１３Ｂの運動とは非同期で単発的に発生する外部衝突による長い振動（２０ｍｓ程度）との違いを区別することが可能となっている。
【００４７】
なお、ＣＰＵ２５は上記した内部衝突判定および外部衝突判定を、内部衝突検出期間＜外部衝突検出期間として共に行い、内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象がＭ回（Ｍは自然数）以上発生する事象および検出信号が外部衝突検出レベルをＫ回以上超える事象がともに起こる場合には、内部衝突条件を先に満たした時点で優先的に内部衝突であると判定する。
【００４８】
詳しく説明すると、検出信号が内部衝突レベルと外部衝突レベルと両方とも超える条件１と、内部衝突のＮ回連続の衝突が検出され、かつ外部衝突のＫ回以上の衝突が検出される条件２が共に成立するような場合には、この時点では内部衝突であるか外部衝突であるか判別できない。そこで、内部衝突検出期間＜外部衝突検出時間として内部衝突検出と外部衝突検出とを共に行い、内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象と検出信号が外部衝突検出レベルをＫ回以上超える事象が起こった場合であっても、内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象が内部衝突検出期間内にＭ回（Ｍは自然数）以上発生したときには振動が周期的であることを理由に内部衝突であると判定する。
これにより、内部衝突か外部衝突かを区別することができる。
【００４９】
このようにして振動型圧縮機１００に内部衝突が発生していると判断された場合、ＣＰＵ２５Ｂは、さらに平滑化した検出信号と前記リニアモータへの印加電圧の位相関係、つまり、遅れ期間がＴa1で振動が発生しているか、またはＴa2で振動が発生しているかを判断して、ピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突が上死点で発生したか下死点で発生したかを求め、リニアモータ１２，１３に印加される電圧指令値に逆方向へのＤＣバイアス電圧指令値を重畳させるように単相インバータ２を制御してピストン１２Ｂ，１３Ｂとストッパ１４，１５，１６との衝突を防止する。
これにより、振動型圧縮機１００は内部振動・外部振動を区別して検出し、さらに内部衝突が起こっていると判断したときには、さらに振動を防止するように制御することとなる。
【００５０】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、振動型圧縮機の効率低下やサイズの増大やコストアップを招くことなく、ピストンの可動部限界情報と外部からの振動を区別して検知することが可能である。
【００５１】
また、リニアモータへの印加電圧の位相情報と、ピストンとストッパとの衝突のタイミングから振動型圧縮機のピストン位置情報が得られ、その情報からピストンがストッパへ衝突することを避けるＤＣバイアス電圧指令値をモータへ印可し、衝突を回避することが可能となる。
【００５２】
総じて、シリンダ内部での配置が必要となる位置センサを用いることなく、簡易な構成でピストンの状態・衝突の検出、または、ピストンの衝突の防止を実現するようにした振動型圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の振動型圧縮機（リニアコンプレッサ）を含む駆動システムを示す図である。
【図２】本発明の実施形態の振動型圧縮機の構成図である。
【図３】衝突検出手段の構成図である。
【図４】内部衝突判定を説明する説明図である。
【図５】外部衝突判定を説明する説明図である。
【図６】従来技術の振動型圧縮機（リニアコンプレッサ）を含む駆動システムを示す図である。
【符号の説明】
１：直流電源
２：単相インバータ
３：振動型圧縮機
４Ａ，４Ｂ：リニアモータ
５Ａ，５Ｂ：ピストン
６：シリンダ
７：位置センサ
１１：シリンダ
１２，１３：リニアモータ
１２Ａ，１３Ａ：駆動部
１２Ｂ，１３Ｂ：ピストン
１４，１５，１６：ストッパ
２０：加速度検出手段
２１：増幅手段
２２：ハイパスフィルタ手段
２３：整流手段
２４：ローパスフィルタ手段
２５：判定手段
２５Ａ：Ａ／Ｄ変換手段
２５Ｂ：ＣＰＵ
Ｑ１〜Ｑ４：半導体スイッチング素子
１００：振動型圧縮機
２００：衝突検出手段
Claims (8)
- ピストンおよびこのピストンを往復動させる駆動部を含むリニアモータと、
前記リニアモータが内部に収容されるシリンダと、
前記シリンダの内部に配置され、前記ピストンの上死点および下死点近傍に配置されるストッパと、
を備え、前記シリンダの内部で前記ピストンを往復動させて圧縮空間を区画形成し、この圧縮空間内の流体を周期的に圧縮する振動型圧縮機であって、
上死点および下死点での前記ピストンと前記ストッパとの衝突である内部衝突または前記シリンダ外部での衝突である外部衝突を加速度の変化により検出して検出信号を生成し、この検出信号に基づき内部衝突判定および外部衝突判定を行って内部衝突か外部衝突かを判定する衝突検出手段を備えることを特徴とする振動型圧縮機。 - 請求項１に記載の振動型圧縮機において、
前記衝突検出手段は、
内部衝突または外部衝突により前記シリンダに加わる加速度に応じて出力される加速度信号に対して全波整流又は半波整流を行って整流信号とし、この整流信号の平滑化を行って生成した検出信号を用いて判定を行う判定手段を有し、
前記判定手段は、この検出信号に基づき内部衝突判定および外部衝突判定を行って内部衝突か外部衝突かを判定することを特徴とする振動型圧縮機。 - 請求項１に記載の振動型圧縮機において、
前記衝突検出手段は、
内部衝突または外部衝突により前記シリンダに加わる加速度に応じて加速度信号を出力する加速度検出手段と、
前記加速度検出手段から出力された加速度信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段から出力された加速度信号から低周波数成分を除去するハイパスフィルタ手段と、
前記ハイパスフィルタ手段から出力された加速度信号の全波整流又は半波整流を行って整流信号を出力する整流手段と、
前記整流手段から出力された整流信号の平滑化を行って検出信号を出力するローパスフィルタ手段と、
前記ローパスフィルタ手段から出力される検出信号に基づき内部衝突判定および外部衝突判定を行って内部衝突か外部衝突かを判定する判定手段と、
を有することを特徴とする振動型圧縮機。 - 請求項２または請求項３に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
前記リニアモータの停止状態の前記検出信号を平滑化して平均値を算出して、この平均値を検出信号の基準とすることを特徴とする振動型圧縮機。 - 請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
前記リニアモータへ印加される電圧指令値の位相の中の特定の位相期間に対応するような衝突検知タイミング期間に前記検出信号における内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象が、内部衝突検出期間内にＭ回（Ｍは自然数）以上発生するという内部衝突条件を満たす場合に、ピストンとストッパとの衝突であると判定する内部衝突判定を行うことを特徴とする振動型圧縮機。 - 請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
外部衝突検出期間内に、前記検出信号における外部衝突検出レベルを超える回数がＫ回以上あり、その後外部衝突検出レベルを待機期間超えないという外部衝突条件を満たす場合に、外部での衝突であると判定する外部衝突判定を行うことを特徴とする振動型圧縮機。 - 請求項２〜請求項４の何れか一項に記載の振動型圧縮機において、
前記判定手段は、
請求項５に記載の内部衝突判定および請求項６に記載の外部衝突判定を、内部衝突検出期間＜外部衝突検出期間として共に行い、前記検出信号における内部衝突検出レベルをＮ回（Ｎは自然数）連続して超える事象がＭ回（Ｍは自然数）以上発生する事象および前記検出信号における外部衝突検出レベルをＫ回以上超える事象がともに起こる場合には、内部衝突条件を先に満たした時点で優先的に内部衝突であると判定することを特徴とする振動型圧縮機。 - 請求項５または請求項７に記載の振動型圧縮機において、
検出信号と、前記リニアモータへ印加される電圧指令値との位相関係から前記ピストンと前記ストッパとの衝突が上死点で発生したか下死点で発生したかを求め、前記リニアモータへの印加される電圧指令値に逆方向へのＤＣバイアス電圧指令値を重畳させて前記ピストンと前記ストッパとの衝突を止めることを特徴とする振動型圧縮機。
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