JP5018357B2 - リニア圧縮装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス圧縮や蒸気圧縮あるいは冷凍機などに用いられるリニアモータで駆動されるリニア圧縮機およびその制御方法に関するもので、詳しくは、ピストンの位置を制御するリニア圧縮装置および制御するため、リニアモータのコイルのインダクタンスと逆起電力係数を測定するリニア圧縮装置の制御方法に関するものである。

従来技術の制御方法に使われるインダクタンスの測定は、ＬＣＲ回路において周波数を掃引しながらインピーダンスＺ及び位相角θを測定、記録する測定工程と、測定工程で測定された位相角θを所定回数前の値と比較して位相角が所定の値に近づきつつあるか、又は遠ざかりつつあるかを判断する第１比較工程と、θの増減回数を計測し所定の値と比較して測定完了を判断する第２比較工程と、測定工程で測定、記録されたインピーダンスＺ及び位相角θの測定値に数値演算を施して近似値を求める演算処理工程とを備えており、第２比較工程と、測定工程の動作回数を所定値と比較し、所定の値と等しければ演算処理工程で、測定工程で測定・記録された測定周波数と、インピーダンスＺ及び位相角θの数値演算を施してインダクタンスＬ'の近似値を求めている。この場合、周波数ｆを０もしくは十分低い値に設定すると、インピーダンスＺ及び位相角θを数１、数２の式を使い数値演算を施してインダクタンスＬ'の近似値が求められる（例えば、特許文献１）。

数１において、ωは角速度で、円周率をπ（≒３．１４）とするとω＝２πｆになる。

また、直流電圧Ｖ_ｄｃを交流に変換し、交流を交流電動機へ供給するためのパワー半導体素子から構成されるインバータと、インバータの出力電圧の大きさと周波数を制御するための制御装置とから成る交流電動機の制御装置における交流電動機の定数測定方法において、インバータの１次周波数指令値ω_１及び１次電圧指令値Ｖ_Ｃ１を基に単相交流励磁信号を出力し、この信号によりインバータを動作させて交流電動機を単相交流励磁し、１次周波数指令を積分した位相と交流電動機の電流検出値から電動機の有効パワー分電流Ｉｑと、無効パワー分電流Ｉｄを演算し、次式Ｖ_Ｃ１・Ｉｑと、次式（Ｉｑ^２＋Ｉｄ^２）との比から交流電動機の１次及び２次の合成抵抗（ｒ_１＋ｒ_２）を演算測定し、次式Ｖ_Ｃ１・Ｉｄと、次式ω（Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２）との比から、交流電動機の１次及び２次の合成もれインダクタンス（Ｌ_１＋Ｌ_２）を演算測定する。即ち、数３により合成もれインダクタンス（Ｌ_１＋Ｌ_２）を求める（例えば、特許文献２）。

また、従来技術のピストン位置制御したリニア圧縮機では、ピストンを往復運動させるリニアモータの電圧と電流を継続的に検出し、検出された電圧Ｖ、電流Ｉと、事前に測定されたコイルの電気抵抗Ｒから、リニアモータのインダクタンスＬと逆起電力係数Ｃを含む式、即ち、速度ｖ＝｛（１/Ｃ）（Ｖ−Ｌ（ｄＩ/ｄｔ）−ＩＲ）｝を使いピストンの速度を計算し、この速度を微分してピストンの加速度、積分して変位を計算し、さらにこれらの諸量を用いてピストンの上死点位置を計算し、変位センサを使わずにピストンの位置制御を行う（例えば、特許文献３）。
特許第２７５１２８５号報 特許第３２８４６０２号報 特許第３４１３６５８号報

しかしながら、特許文献１のインダクタンスの測定方法では、リニアモータのような磁気回路において可動子あるいは回転子の速度により生じる逆起電力の影響が数１、数２に含まれていないため、リニアモータの実機運転状態相当のインダクタンスと逆起電力係数を測定できないと言う問題がある。

また、特許文献２の合成もれインダクタンスの測定方法は、交流電動機の磁気回路においても、交流電動機の回転子（可動子）の速度により生じる逆起電力の影響が数３に含まれていないため、リニアモータの実機運転状態相当のインダクタンスと逆起電力係数を測定できないと言う問題がある。

また、特許文献３では、リニアモータの電圧と電流を継続的に検出するとともに、遂次微分処理と積分処理を行う必要がある。この微分処理は、速度変化を微少時間で割って加速度を求めるため、速度変化に電気的ノイズが含まれると、このノイズ影響を受けて、加速度が不正確になり、正しいピストン変位が計算されず、ピストン位置が正しく制御されない問題がある。また、遂次微分処理と積分処理を行うため、制御装置には微分器と積分器を設ける必要があり、微分器と積分器をアナログ回路で実現すると回路構成が複雑になり、ディジタル回路で実現すると演算処理を行うプロセッサの負担が増大するとともに、コストが高くなる問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、ピストンの位置検出器が不要で、演算処理を行うプロセッサの負担が小さく、電気ノイズの影響を受け難く、精度の高いピストン位置制御のできるコストの安いリニア圧縮装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、可動子にピストンを配設した可動体とコイルとを有するリニアモータと、ピストンが往復動してガスを圧縮するシリンダー部と、を備えたリニア圧縮機と、リニアモータのコイルに電力を供給し、リニア圧縮機の可動体を正弦波又は正弦波状に往復動させる電源部と、を備えるリニア圧縮装置の制御方法であって、
前記電源部に送る正弦波又は正弦波状の基本波形を発生する基本波形発生手段により前記基本波形を発生する基本波形発生ステップと、
前記電力の電圧の測定と演算を行う電圧測定演算手段により、共通タイミングを基準に前記基本波形の周波数の１周期内の３つ以上の異なる前記電圧位相角に整数倍の２π（３６０°）を加えた位相角で、又は前記電圧の直流分が振幅に対して小さい場合は前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内の２つ以上の異なる前記電圧位相角に整数倍の２πを加えた位相角で前記電圧を測定し、測定した該電圧値から電圧波形の電圧振幅と電圧位相角とを演算する電圧測定演算ステップと、
前記電力の電流の測定と演算を行う電流測定演算手段より、前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内の３つ以上の異なる前記電流位相角に整数倍の２πを加えた位相角で、又は前記電流の直流分が振幅に対して小さい場合は前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内の２つ以上の異なる前記電流位相角に整数倍の２πを加えた位相角で前記電流を測定し、測定した該電流値から電流波形の電流振幅と電流位相角とを演算する電流測定演算ステップと、
前記ピストンの変位の測定と演算を行う変位測定演算手段により前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内の３つ以上の異なる前記変位位相角に整数倍の２πを加えた位相角で、又は前記変位の直流分が振幅に対して小さい場合は前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内の２つ以上の異なる前記変位位相角に整数倍の２πを加えた位相角で前記変位を測定し、測定した該変位値から変位波形の変位振幅と変位位相角とを演算する変位測定演算ステップと、
前記電圧と前記電流と前記変位の測定値から得られた演算結果に基き演算するコイル演算手段により、前記電圧振幅と前記電圧位相角と、前記電流振幅と前記電流位相角と、前記変位振幅と前記変位位相角と、から前記コイルのインダクタンスと、前記コイルの逆起電力係数を演算するコイル演算ステップと、によって前記インダクタンスと前記逆起電力係数とを予め求め、
前記電源部の前記電力の電圧又は電流を制御する制御部を備え、
前記リニア圧縮装置の運転時に、前記制御部は、前記電源部に送る正弦波又は正弦波状の基本波形を発生させる基本波形発生手段と、共通タイミングを基準に前記基本波形の周波数の１周期内で３つ以上の異なる電圧位相角に整数倍の２πを加えた位相角で、又は前記電圧の直流分が振幅に対して小さい場合は前記共通タイミングを基準に前記基本波形の周波数の１周期内で２つ以上の異なる電圧位相角に整数倍の２πを加えた位相角で前記コイルを流れる電圧を測定し、測定した該電圧値から電圧波形の電圧振幅と電圧位相角を演算する電圧測定演算手段と、
前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内で３つ以上の異なる電流位相角に整数倍の２πを加えた位相角で、又は前記電流の直流分が振幅に対して小さい場合は前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内で２つ以上の異なる電流位相角に整数倍の２πを加えた位相角で前記コイルを流れる電流を測定し、測定した該電流値から電流波形の電流振幅と電流位相角を演算する電流測定演算手段と、
前記電圧測定演算手段により得られた前記電圧波形と、前記電流測定演算手段により得られた前記電流波形から前記可動体の変位波形を演算する変位波形演算手段と、
前記基本波形と、前記変位波形演算手段により得られた前記変位波形とを比較し前記基本波形を補正した動作信号を前記電源部に伝送する基本波形補正手段と、を備え、
前記コイル演算ステップで求めた前記インダクタンスと前記逆起電力係数により前記変位波形演算手段で前記変位波形を演算して前記可動体の位置を制御する、ことを特徴するリニア圧縮装置の制御方法である。

請求項１に記載の発明では、基本波形発生ステップで所定の周波数で、所定の振幅の正弦波、又は、正弦波状の基本波形を発生させ、この基本波形に基づき電源部でリニア圧縮機のリニアモータに供給する電力の電圧と電流を実機運転状態に近い状態にしてリニアモータに供給し、可動体を正弦波、又は、正弦波状（略正弦波）に往復運動させる。次に、電圧測定演算ステップ、電流測定演算ステップ、変位測定演算ステップで、共通タイミングを基準に、それぞれ電圧、電流、変位を測定し、該測定値から電圧振幅と電圧位相角、電流振幅と電流位相角、変位振幅と変位位相角を演算し、該演算値からコイル演算ステップでインダクタンスと逆起電力係数を演算するので、実機運転状態に近い状態のリニアモータのコイルのインダクタンス値と逆起電力係数の値を求めることが可能で、従来技術の測定された電流を微分する必要がないので、位置検出器を用いず、電気ノイズの影響を受け難く、演算処理を行うプロセッサの負担が小さく、精度の高い位置制御が出来るリニア圧縮装置の制御方法を提供できる。

以下に本発明の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明に係わるリニア圧縮装置の制御方法に関する回路のブロック線図を示す。図１に基づき制御回路の構成を説明する。リニア圧縮装置１のリニアモータの制御回路１ａは、リニア圧縮機２、電源部３、制御部４から構成される。リニア圧縮機２は、後述（図６）するようにコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃを有するリニアモータ５０を備える。リニアモータ５０の可動子５５には、ロッド５９を介してピストン５８が接続されて可動体６０が構成され、可動体６０は両端側をコイルバネ７１、７２で弾性支持され、共振点を有する振動系が形成される。リニアモータ５０を共振点近傍の周波数で運転することで、ピストン５８によりガス又は蒸気が効率よく圧縮され、共振点近傍の周波数で運転することが好ましい。

制御部４の測定演算ステップは、基本波形発生手段５による基本波形発生ステップ５ｓ、電圧測定演算手段６による電圧測定演算ステップ６ｓ、電流測定演算手段７による電流測定演算ステップ７ｓ、変位測定演算手段８による変位測定演算ステップ８ｓ、コイル演算手段９によるコイル演算ステップ９ｓとから成る。まず、基本波形発生ステップ５ｓでは、制御部４で行われる各種処理のタイミングの基準を設定するために時計信号発生手段５ｂにより極めて短い一定時間間隔で基準となる時間信号を発生する。次いで、変位波形情報設定手段５ｃにより基本波形の周波数と振幅が所望の値に設定され、この波形情報と時間信号に基づき基準波形発生源５ａは、正弦波又は略正弦波（以下、正弦波状）の基本波形ｕ（ｔ）と制御部４で行われる各種処理のタイミング信号とを発生し出力する。また、必要に応じて基本波形ｕ（ｔ）には、振幅分Ｕ_Ｏに所定の直流分Ｕ_Ｄを重ね合せることが出来る。

電源部３は、制御部４から送られる正弦波又は正弦波状の基本波形によってリニアモータ５０のコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに供給する電力の電圧と電流を決定し、コイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに電力を供給する。この供給電力でリニアモータ５０の可動子５５がピストン５８と一体となって、正弦波又は正弦波状に往復運動する。

以下に述べる電圧測定演算ステップ６ｓ、電流測定演算ステップ７ｓ、変位測定演算ステップ８ｓで測定された各々の測定値の出力は、各ステップ６ｓ、７ｓ、８ｓに対して前述した基準波形発生源５ａのタイミング信号による共通タイミングを基準に処理される。

電圧測定演算ステップ６ｓは、電圧測定手段６ａによりコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃの両端の各電圧が測定され、次に電圧測定タイミング手段６ｄからの後述する測定タイミングの指令に基づき測定された各電圧値を電圧値出力手段６ｂにより出力し、電圧振幅電圧位相検出手段６ｃにより出力された各電圧値からコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃの両端の各電圧の電圧振幅Ｖ_Ｏと、共通タイミングを基準とした電圧位相角θ_Ｖを後述する演算式に基づき演算し、コイル演算手段９に伝達する。

電流測定演算ステップ７ｓは、電流測定手段７ａによりコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃを流れる各電流が測定され、次に電流測定タイミング手段７ｄからの測定タイミングの指令に基づき測定された各電流値を電流値出力手段７ｂにより出力し、電流振幅電流位相検出手段７ｃにより出力された各電流値からコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃを流れる各電流の電流振幅ＩＯと、共通タイミングを基準とした電流位相角θＩを後述する演算式に基づき演算し、コイル演算手段９に伝達する。

変位測定演算ステップ８ｓは、変位測定手段８ａにより可動体６０（図６）の変位（ピストン５８、可動子５５の変位と同じ）が測定され、次に変位測定タイミング手段８ｄからの所定のタイミングの指令に基づき測定された各変位値を変位値出力手段８ｂにより出力し、変位振幅変位位相検出手段８ｃにより出力された各変位値から可動体６０の変位振幅Ｘ_Ｏと、共通タイミングを基準とした変位位相角θ_Ｘを後述する演算式に基づき演算し、コイル演算手段９に伝達する。

コイル演算ステップ９ｓは、電圧振幅電圧位相検出手段６ｃで演算された電圧振幅Ｖ_Ｏと電圧位相角θ_Ｖと、電流振幅電流位相検出手段７ｃで演算された電流振幅Ｉ_Ｏと電流位相角θ_Ｉと、変位振幅変位位相検出手段８ｃで演算された変位振幅Ｘ_Ｏと変位位相角θ_Ｘとから後述する演算式に基づきコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃの各インダクタンスＬと、各逆起電力係数Ｃを算出してリニアモータのインダクタンスと逆起電力係数を求める制御方法の一連の処理を完了する。

前述の共通タイミングは、基本波形又は、時間信号発生手段５ｂの時計信号を共通タイミングにしてもよく、あるいは各測定演算手段６ａ、７ａ、８ａでの測定タイミングのうちいずれか一つのタイミングを共通タイミングにしてもよい。また、電圧振幅電圧位相検出手段６ｃ、電流振幅電流位相検出手段７ｃ、変位振幅変位位相検出手段８ｃは、後述のする演算機能の他に、多数のサイクルの同じ位相角に整数倍の２πを加えた位相角で測定された各々の測定値を平均化する処理機能を備えている。

次に、リニアモータのインダクタンスと逆起電力係数を求めるリニア圧縮装置１の制御方法の作用についてコイル５３ａで説明する。コイル５３ｂ、５３ｃの作用はコイル５３ａと同じである。

（直流分がある場合の制御方法)
図２は、共通タイミングを基準に１周期内でコイルの電圧波形ｖ（ｔ）の３つ以上の異なる測定タイミングに対応する位相角で測定されるコイルの電圧測定値から導かれる電圧振幅と電圧位相の演算式を説明する電圧ベクトル線図を示する。

上記の直流分がある場合とは、コイル５３ａの電圧直流分と電流直流分、可動体の変位の直流分のうち少なくともいずれかが直流分を有することである。

（基本波形発生ステップ）
基本波形発生ステップ５ｓでは、基本波形発生手段５により所定の周波数の正弦波あるいは正弦波状（略正弦波）に直流分が重ね合せた基本波形ｕ（ｔ）が発生される。例えば、基本波形ｕ（ｔ）は数４で示されることが好ましいが、以下に述べる作用は正弦波状（略正弦波）の場合にも適用できる。

数４で、ｔは時間、Ｕ_Ｏは基本波形の振幅、Ｕ_Ｄは基本波形の直流分、ωは角速度、πは円周率、ｆは所定の周波数、ｕ（ｔ）は時間ｔにおける基本波形である。所定の周波数は、可動体６０と後述のコイルバネ７１、７２とガスバネと磁気バネとを合成した合成バネで形成される振動系の共振周波数の近傍の周波数が効率の関点から好ましい。

（電圧測定演算ステップ）
コイル５３ａ両端の測定される電圧波形ｖ（ｔ）は、数４で示される基本波形が正弦波であるので数５で示される。電圧測定演算ステップ６ｓでは、電圧測定タイミング手段６ｄからの共通タイミングを基準として、基本波形の周波数の１周期内で３つ以上の異なる測定タイミング、即ち３つ以上の異なる位相角で測定した電圧値から数５に示される電圧振幅Ｖ_Ｏと電圧位相θ_Ｖを求める。

数５で、Ｖ_Ｏは電圧振幅、θ_Ｖは共通タイミングを基準とした電圧位相角、Ｖ_Ｄは直流分である（図２）。

共通タイミングを基準とした１周期内の３つの異なる測定タイミングに対応する位相角の第１の位相角（θ_Ｖ１＋θ_Ｖ）、第２の位相角（θ_Ｖ２＋θ_Ｖ）、第３の位相角θ_Ｖで
測定された電圧をそれぞれＶ_１、Ｖ_２、Ｖ_３とすると、第１の電圧位相角（θ_Ｖ１＋θ_Ｖ）、第２の電圧位相角（θ_Ｖ２＋θ_Ｖ）、第３の電圧位相角θＶは、それぞれ２π（３６０°）を整数倍した位相角でも、それぞれの測定値Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３の値は変わらないので、３つ以上の異なる測定タイミングは、１周期内に限定しなくてよく、１周期内で３つ以上の異なる測定タイミングに整数倍の周期を加えたタイミングで測定すればよい。即ち、Ｐ_Ｖ、Ｑ_Ｖ、Ｒ_Ｖを整数とすると、３つ以上の異なる測定タイミングに対応する位相角に整数倍の２πを加えた第１の電圧位相角｛（θ_Ｖ１＋θ_Ｖ）＋Ｐ_Ｖ（２π）｝、第２の位電圧相角｛（θ_Ｖ２＋θ_Ｖ）＋Ｑ_Ｖ（２π）｝、第３の電圧位相角｛θ_Ｖ+Ｒ_Ｖ（２π）｝で測定された各電圧値Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３は、数５により数６で示される。従って、数６の３元連立方程式を解くことで、未知数であった電圧振幅Ｖ_Ｏ、電圧位相角θ_Ｖ、直流分Ｖ_Ｄは数７に示され、電圧測定値から電圧振幅Ｖ_Ｏ、電圧位相角θ_Ｖ、直流分Ｖ_Ｄ を求めることができる。

（電流測定演算ステップ）
電流測定演算ステップ７ｓは、電流測定タイミング手段７ｄからの共通タイミングを基準として、基本波形の周波数の１周期内で３つ以上の異なる測定タイミング、即ち３つ以上の異なる位相角で測定した電流値から数８に示される電流振幅Ｉ_Ｏと電流位相θ_Ｉを求める。

数８で、Ｉ_Ｏは電流振幅、θ_Ｉは共通タイミングを基準とした電流位相角、Ｉ_Ｄは直流分である。

電圧測定演算ステップ６ｓと同様に、共通タイミングを基準とした１周期内の３つの異なる測定タイミングに対応する位相角に整数倍の２πを加えた第１の電流位相角｛θ_Ｉ１＋θ_Ｉ＋Ｐ_Ｉ（２π）｝、第２の電流位相角｛θ_Ｉ２＋θ_Ｉ＋Ｑ_Ｉ（２π）｝、第３の電流位相角｛θ_Ｉ＋Ｒ_Ｉ（２π）｝で測定された各電流値をそれぞれＩ_１、Ｉ_２、Ｉ_３とすると、数８を使ってＩ_１、Ｉ_２、Ｉ_３は数９で示され、数９の３元連立方程式を解くことで数１０が求まり、電流定値から電流振幅Ｉ_Ｏ、電流位相角θ_Ｉ、直流分Ｉ_Ｄは数１０により求めることができる。ここで、Ｐ_Ｉと、Ｑ_Ｉと、Ｒ_Ｉは整数である。

（変位測定演算ステップ）
変位測定演算ステップ８ｓは、変位測定タイミング手段８ｄからの共通タイミングを基準として、基本波形の周波数の１周期内で３つ以上の異なる測定タイミング、即ち３つ以上の異なる位相角で測定した変位値から数１１に示される変位振幅Ｘ_Ｏと変位位相θ_Ｘを求める。

数１１で、Ｘ_Ｏは変位振幅、θ_Ｘは共通タイミングを基準とした電流位相角、Ｘ_Ｄは直流分である。電圧測定演算ステップ６ｓと同様に、共通タイミングを基準とした１周期内の３つの異なる測定タイミングに対応する位相角に整数倍の２πを加えた第１の変位位相角｛θ_Ｘ１＋θ_Ｘ＋Ｐ（２π）｝、第２の位変位相角｛θ_Ｘ２＋θ_Ｘ＋Ｑ(２π)｝、第３の変位位相角｛θ_Ｘ＋Ｒ（２π）｝で測定された各変位値をそれぞれＸ_１、Ｘ_２、Ｘ_３とすると、数１１を使ってＸ_１、Ｘ_２、Ｘ_３は数１２で示され、数１２の３元連立方程式を解くことで数１３が求まり、変位定値から変位振幅Ｘ_Ｏ、変位位相角θ_Ｘ、直流分Ｘ_Ｄは数１３により求めることができる。ここで、Ｐ_Ｘと、Ｑ_Ｘと、Ｒ_Ｘは整数である。

前述の各測定演算ステップ６ｓ、７ｓ、８ｓの測定タイミングは、共通の共通タイミングを基準としなければならないが、各ステップ６ｓ、７ｓ、８ｓで互いに同じでも又は異なってもよい。また、電圧、電流、変位の測定値は、それぞれ位相角度が微少量ずれたところの測定値を数７、数１０、数１３に代入して求めた電圧、電流、変位の振幅Ｖ_Ｏ、Ｉ_Ｏ、Ｘ_Ｏ、位相角θ_Ｖ、θ_Ｉ、θ_Ｘ、直流分Ｖ_Ｄ、Ｉ_Ｄ、Ｘ_Ｄ、は、位相角度がずれていない場合に対する差は微少量であるので、電圧の測定値は、位相角が微少量ずれたところの測定値を使ってもよい。また、θ_Ｖ１＝θ_Ｉ１＝θ_Ｘ１＝π、θ_Ｖ２＝θ_Ｉ２＝θ_Ｘ２＝π/２にすると数７、数１０、数１３は簡単な式になる。

（コイル演算ステップ）
コイル演算ステップ９ｓは、電圧測定演算ステップ６ｓの電圧振幅Ｖ_Ｏと電圧位相角θ_Ｖ、電流測定演算ステップ７ｓの電流振幅Ｉ_Ｏと電流位相角θ_Ｉ、変位測定演算ステップ８ｓの変位振幅Ｘ_Ｏと変位位相角θ_Ｘの各々の演算値からコイル５３ａのインダクタンスＬと逆起電力係数Ｃを求める。

インダクタンスＬと逆起電力係数Ｃの演算式は、次のように導入される。即ち、インダクタンスと逆起電力係数は、磁束の変化によって生じる係数であるので、電圧、電流、変位の各々の直流分は各々から減じてよい。この直流分を減じた電圧、電流、変位のベクトル表示の電圧Ｖ、電流Ｉ、変位Ｘは数１４で示される。ここで、ｊは虚数単位で、ｅは２．７１８である。

図３は、図１のリニア圧縮装置１の基本波形発生手段５と電源部３とリニアモータ５０のコイル５３ａとを接続した等価回路を示す。図中、Ｌ、Ｒはそれぞれコイル５３ａのインダクタンスと電気抵抗を示す。コイル５３ａの端子間の電圧Ｖ（ｔ）は、可動子５５が往復運動することによる逆起電力の影響を受け、コイル５３ａのインダクタンスＬと逆起電力係数Ｃは、数１５に示される。ここで、Ｎはコイル５３ａの巻数、Φはコイル５３ａが発生する磁束である。

速度は変位と時間の関数であることから、磁束Φは、電流Ｉと変位Ｘの関数Φ（Ｉ，Ｘ）であり、電流Ｉと変位Ｘは時間の関数である。従って、磁束Φは電流の時間変化と可動子５５の変位の時間変化、即ち速度の影響を受けるので、コイル５３ａの端子間の電圧Ｖは、数１５を用い数１６で示される。

数１４と数１６により数１７を得る。従って、コイル両端の電圧振幅Ｖ_Ｏと電圧位相θ_Ｖ、電流振幅Ｉ_Ｏと電流位相θ_Ｉ、可動体６０、即ち、可動子５５又はピストン５８の変位振幅Ｘ_Ｏと変位位相θ_ＸとからインダクタンスＬと逆起電力係数Ｃは、数１７から求めることができる。

コイル５３ａの電気抵抗Ｒが、インダクタンスＬに比べて小さい場合は、電気抵抗は０と見なすことで、数１７は数１８で示される。

尚、数３から数１７は、直流分が０でも成立つ。

(直流分が振幅分に対して小さい場合の制御方法)
直流分が振幅分に対して小さい場合（振幅０を含む）は、測定前に、電源部３がリニアモータ５０に供給する電力の電圧と電流を振幅分に対して小さくなるように電源部３で調整あるいは基本波形発生源５ａの直流分を調整することで実現できる。また、後述するように（図６）、リニア圧縮機２の可動子５５の中立位置は、コイル７１、７２の一端に配備したスペーサ７３、７４の厚さを調整することで確保でき、ピストン５８の中立位置は、ピストン５８の長さを調整することで確保できる。

また、電源部３の出力にトランスを介在させてリニアモータ５０のコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに電力を供給することで、コイル端子間のコイル電圧と５３ａ、５３ｂ、５３ｃを流れる電流を０にすることができる。この場合は、可動体６０の変位の直流分を振幅分に対して小さくなるように調整すればよい。

数４の直流分Ｕ_Ｄ、数６の直流分Ｖ_Ｄは、０と見なしてよいので基本波形ｕ（ｔ）と電圧波形ｖ（ｔ）はそれぞれ数１９、数２０で示され、電圧測定演算ステップ６ｓでは、電圧振幅と電圧位相角の２つの未知数を求めればよい。従って、共通タイミングを基準とした基本波形の周波数の１周期内の２つの異なる測定タイミングに対応する位相角に整数倍の２πを加えた第１の位電圧相角｛（θ_Ｖ１＋θ_Ｖ）＋Ｐ_Ｖ（２π）｝、第２の位電圧相角｛θ_Ｖ+Ｑ_Ｖ（２π）｝で測定した電圧値Ｖ_１、Ｖ_２より得られる数２０の連立二元方程式を解くことで、電圧振幅Ｖ_Ｏと電圧位相θ_Ｖが求まる数２１を得る。ここで、Ｐ_Ｖ、Ｑ_Ｖは整数である。

電流測定演算ステップ７ｓでは、数９のＩ_Ｄを０と見なしてよいので電流波形ｉ（ｔ）は数２２で示され、電流振幅と電流位相角の２つの未知数を求めればよい。即ち、共通タイミングを基準とした基本波形の周波数の１周期内の２つの異なる測定タイミングに対応する位相角に整数倍の２πを加えた第１の電流位相角｛（θ_Ｉ１＋θ_Ｉ）＋Ｐ_Ｉ（２π）｝、第２の電流位相角｛θ_Ｉ+Ｑ_Ｉ（２π）｝で測定した電流値Ｉ_１、Ｉ_２より得られる数２２の連立二元方程式を解くことで、電流振幅Ｉ_Ｏと電流位相θ_Ｉが求まる数２３を得る。ここで、Ｐ_Ｉ、Ｑ_Ｉは整数である。

変位測定演算ステップ６ｓでは、数１１のＸ_Ｄを０と見なしてよいので変位波形ｘ（ｔ）は数２４で示され、変位振幅と変位位相角を２つの未知数を求めればよい。即ち、共通タイミングを基準とした１周期内の２つの異なる測定タイミングに対応する位相角に整数倍の２πを加えた第１の変位位相角｛（θ_Ｘ１＋θ_Ｘ）＋Ｐ_Ｘ（２π）｝、第２の変位圧相角｛θ_Ｘ+Ｑ_Ｘ（２π）｝で測定した変位値Ｘ_１、Ｘ_２より得られる数２４の連立二元方程式を解くことで、変位振幅Ｘ_Ｏと変位位相θ_Ｉが求まる数２５を得る。ここで、Ｐ_Ｘ、Ｑ_Ｘは整数である。

上述の各測定演算ステップ６ｓ、７ｓ、８ｓの測定タイミングは、共通の共通タイミングを基準としなければならないが、各ステップで互いに同じでも又は異なってもよい。また、電圧、電流、変位の測定値は、それぞれ位相角が微少量ずれたところの測定値を数２１、数２３、数２５に代入して求めた電圧、電流、変位の振幅Ｖ_Ｏ、Ｉ_Ｏ、Ｘ_Ｏ、位相角θ_Ｖ、θ_Ｉ、θ_Ｘ、直流分Ｖ_Ｄ、Ｉ_Ｄ、Ｘ_Ｄ、は、位相角がずれていない場合に対する差は微少量であるので、電圧の測定値は、位相角度が微少量ずれところの測定値を使ってもよい。また、θ_Ｖ１＝θ_Ｉ１＝θ_Ｘ１をπ/２又はπにすると数２１、数２３、数２５は簡単な式になる。

コイル演算９ｓでは、コイルの５３ａインダクタンスＬと逆起電力係数Ｃを求める。即ち、電圧測定演算ステップ６ｓで数２１により算出した電圧振幅Ｖ_Ｏと電圧位相角θ_Ｖと、電流測定演算ステップ７ｓで数２３により算出した電流振幅Ｉ_Ｏと電流位相角θ_Ｉと、変位測定演算ステップ８ｓで数２５により算出した変位振幅Ｘ_Ｏと変位位相角θ_Ｘを数１７に代入してコイルのインダクタンスＬと逆起電力係数Ｃが求まる。前述の数１７と数１８は直流分を取除いているので、直流分が振幅分に対して小さい場合にも成立つ。従って、コイルの電気抵抗Ｒを考慮する場合は数１７を、電気抵抗Ｒを考慮しない場合は数１８で演算すればよい。

尚、インダクタンスと逆起電力係数を求める方法は、電圧、電流、変位の各測定手段６ａ、７ａ、８ａにより測定された測定値を人が前述した各種の演算式を使いインダクタンスと逆起電力係数を算出してもよい。

次に、リニアモータのインダクタンスと逆起電力係数を求めるリニア圧縮装置１の制御方法の効果について説明する。

制御部４の基本波形発生源５ａにより、実機運転に対応する所定の周波数で、所定の振幅の正弦波、又は、正弦波状の基本波形を発生させ、この基本波形に基づき電源部３でリニアモータ５０に供給する電力の電圧と電流を実機運転状態に近い状態にしてリニアモータ５０に供給し、可動体６０を正弦波、又は、正弦波状に往復運動させる。電圧測定演算ステップ６ｓ、電流測定演算ステップ７ｓ、変位測定演算ステップ８ｓで共通タイミングを基準に、各々のタイミング手段６ｄ、７ｄ、８ｄからの測定タイミングでコイル５３ａの電圧と、電流と、可動体６０の変位との測定値を各々の出力手段６ｂ、７ｂ、８ｂにより出力する。出力された測定値から各々の検出手段６ｃ、７ｃ、８ｃにより得た演算値、即ち、電圧、電流、変位の各振幅と各位相角からコイル演算ステップ９ｓでインダクタンスと逆起電力係数を演算するので、実機運転状態に近い状態のリニアモータ５０のコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃのインダクタンスと逆起電力係数を求めることが可能で、従来技術の測定された電流を微分する必要がないので、位置検出器を用いず、電気ノイズの影響を受け難く、演算処理を行うプロセッサの負担が小さく、精度の高い位置制御が出来るリニア圧縮装置１の制御方法を提供できる。

(直流分がある場合の制御方法の効果)
コイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに供給される電力の電圧、電流、ピストン５８の変位のいずれかに直流分が含まれる場合、電圧測定演算ステップ６ｓの電圧の測定と、電流測定演算ステップ７ｓの電流の測定と、変位測定ステップ８ｓの変位の測定とが、共通タイミングを基準に基本波形の周波数の１周期内でそれぞれ３つ以上の異なる各々の位相角に整数倍の２πを加えた位相角で測定され、各々の測定演算手段６、７、８により求めた演算値からインダクタンスを演算することで、演算処理のプロセッサの負担が軽減される。さらに、３つ以上の異なる各位相角の測定点を増やし測定値を平均処理し演算することで、インダクタンスの値と逆起電力係数の値の精度が向上し、高い精度のピストン位置制御ができる。

また、制御部４の基本波形発生源５ａにより、実機運転に対応する所定の周波数で、所定の振幅の正弦波、又は、正弦波状（略正弦波）の基本波形を発生させ、この基本波形を入力して電源部３からリニア圧縮機２のリニアモータ５０に電力を供給することで、可動体６０、即ち可動子５５、ピストン５８は所定の周波数で、所定の振幅の正弦波、又は、正弦波状に往復運動する。従って、コイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに供給される電力の電圧、電流と、ピストン５８の変位のいずれかに直流分が含まれる場合、電圧測定演算ステップ６ｓの数７、電流測定演算ステップ７ｓの数１０と、変位測定演算ステップ８ｓの数１３と、コイル演算ステップ９ｓの数１７とを使うことができるので、従来技術で使われる微分、積分を用いず演算することで、ノイズの影響を受け難く、精度の高い演算が可能になり、また、演算回路が簡単で、演算処理のプロセッサの負担も少なくなる。

(直流分が振幅分に対して小さい場合の制御方法の効果)
コイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに供給される電力の電圧と電流の直流分が振幅分小さく、ピストン５８の変位の直流分が振幅分に対して小さい場合、電圧、電流、変位の各々の直流分を０と見なすことで、電圧測定演算ステップ６ｓと、電流測定演算ステップ７ｓと、変位測定演算ステップ８ｓにおいて共通タイミングを基準に基本波形の周波数の１周期内で２つ以上の異なる位相角に整数倍の２πを加えた位相角で、それぞれ電圧、電流、変位を測定して、各々の検出手段６ｃ、７ｃ、８ｃにより電圧、電流、変位の各振幅と各位相角を演算で求めることができ、該演算値からインダクタンスと逆起電力係数を演算できる。従って、各々の測定演算ステップ６ｓ、７ｓ、８ｓでの処理数も減り、また各々の検出手段６ｃ、７ｃ、８ｃで使われる演算式が簡単になり、演算処理のプロセッサの負担が小さくなるさらに、２つ以上の異なる各位相角の測定点を増やし測定値を平均処理し演算することで、インダクタンスの値と逆起電力係数の値の精度が向上し、高い精度のピストン位置制御ができる。

また、可動体６０は所定の周波数で、所定の振幅の正弦波、又は、正弦波状に往復運動する従って、コイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに供給される電力の電圧と電流の直流分が振幅分小さい、ピストン５８の変位の直流分が振幅分に対して小さくい場合は、電圧、電流、変位の各々の直流分を０と見なすることで、電圧測定演算ステップ６ｓの数２１、電流測定演算ステップ７ｓの数２３と、変位測定演算ステップ８ｓの数２５と、コイル演算ステップ９ｓの数１７を使うことができるので、従来技術で使われる微分、積分を用いず演算することで、ノイズの影響を受け難く、精度の高い演算が可能になり、また、演算回路が簡単で、演算処理のプロセッサの負担も少なくなる。

（コイルの電気抵抗について）
一般にコイルの電気抵抗は、コイルのインダクタンスに比べて小さく設計されるので、インダクタンスＬと逆起電力係数Ｃは数１８を使うことが出来るので、数１８は数１７より簡単になり、演算処理するプロセッサの負担が軽減される。

尚、図４は、従来行われているインダクタンス測定の回路図である。図４に示すように、供試体であるコイル１５が交流電流源１７に接続され、コイル１５には電圧計１８と電流計１６が設けられている。図中、Ｌはコイル１５のインダクタンス、Ｒはコイル１５の電気抵抗を示す。図４に示す測定回路で使われるインピーダンスを求める従来の式は数２６に示される。ここでＶは電圧、Ｉは電流、Ｒはコイルの電気抵抗、ｆは周波数、πは円周率である。

次に、ピストンの位置制御したリニア圧縮装置について説明する。

図５は、本発明に係わるピストン位置制御したリニア圧縮装置の制御回路のブロック線図を示す。図５の回路は、基本的には図１の回路と同じであり、図１と異なる点について説明すると、図５のリニア圧縮装置１０の制御回路１０ａは、図１の変位波形測定手段８ａとコイル演算手段９が取除かれ、新たに演算式特定手段１１と、変位波形演算手段１２と、基本波形補正手段１３とが加わり構成される。

図１の制御回路１ａと図５の制御回路１０ａは、ディジタル回路やアナログ回路又はディジタル回路とアナログ回路を組合せた回路で実現できる。各種の演算式は、ディジタル回路の場合はマイクロプロセッサとソフトウェアとで所望の演算式が実現でき、アナログ回路の場合は加算器、正弦発生器、掛算器、割算器を組合わせて実現できる。電源部３は、インバータ又はパワーアンプでよい。

ピストン５８を位置制御したリニア圧縮装置１０の作用について図５に基きコイル５３ａで説明する。コイル５３ｂ、５３ｃの作用もコイル５３ａと同じである。

（直流分がある場合）
リニアモータ５０のコイル５３ａの電圧と、電流と、ピストン５８の変位のうち少なくとも１つに直流分がある場合、基本波形発生手段５と、電圧測定演算手段６と、電流測定演算手段７により、図１に示されるインピーダンスと逆起電力係数の測定法の直流分がある場合の変位測定演算ステップ８ｓを除き、基本波形発生ステップ５ｓと、電圧測定演算ステップ６ｓと、電流測定演算ステップ７ｓとで使われる同じ演算式に基づき同じ処理がなされる。電圧、電流のそれぞれの測定タイミングは、電圧測定タイミング手段６ｄ、電流測定タイミング７ｄからの共通タイミングを基準に基本波形の周波数の１周期内の３つ以上の異なるそれぞれの測定タイミングに対応するそれぞれの位相角に整数倍の（２π）を加えた位相角で電圧、電流の各測定値が出力される。

演算式特定手段１１では、変位波形演算手段１２により演算されるピストン５８の変位ｘ（ｔ）の演算式の諸量、即ち電圧振幅Ｖ_Ｏ、電圧位相角θ_Ｖ、電流振幅Ｉ_Ｏ、電流位相角θ_Ｉ、インダクタンスＬ、逆起電力係数Ｃ、電気抵抗Ｒが定数として設定される。

変位波形演算手段１２で使われる変位ｘ（ｔ）の演算式は、以下のように導かれる。図３のコイル５３ａの等価回路においてコイル電圧ｖ（ｔ）とコイル電流ｉ（ｔ）と、変位ｘ（ｔ）の関係は数２７で示される。

数２７で、Ｌはインダクタンス、Ｒはコイル５３ａの電気抵抗、Ｃは逆起電力係数である。数２７と、前述の数５のｖ（ｔ）、Ｖ_Ｄ＝０と、数８のi（ｔ）、I_Ｄ＝０から求めた速度dx(t)/dtを時間ｔで積分して数２８で示される変位ｘ（ｔ）が得られる。数２８のｘ（ｔ）には積分と微分の項は含まれない。

数２８において、Ｖ_Ｏ、θ_Ｖは数７で、Ｉ_Ｏ、θ_Ｉは数１０で、Ｌ、Ｃは数１７又は数１８で、Ｘ_Ｄは数１３で示され、これらの定数は事前に前述した図１に示される各ステップ６ｓ、７ｓ、８ｓ、９ｓにより測定演算される。また電気抵抗Ｒは抵抗計で事前に測定される。

変位波形演算手段１２では、数２８の特定された変位式に基づき変位波形が演算される。

基本波形補正手段１３では、変位波形演算手段１２で演算された変位波形ｘ（ｔ）に相当した電圧波形を基本波形発生源５ａで発生された基本波形ｕ（ｔ）と比較し偏差値を算出し、基本波形ｕ（ｔ）を補正して電源部３へ偏差信号（動作信号）を伝達する。

電源部３では、偏差信号に基づきリニアモータ５０に供給する電力の電圧値と電流値を決定し、リニアモータ５０に電力を供給すると、リニアモータ５０のコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに交番磁界が発生し、可動子５５の永久磁石５６ａの磁束と作用し合い可動子５５を基本波形に対応する所望の振幅の正弦波または正弦波状に往復運動させるようにピストン５８の変位の位置がフィードバック制御され、圧縮空間７０のガスが圧縮される。

（直流分が振幅に対して小さい場合）
この場合、電圧、電流の測定タイミングは、電圧測定タイミング手段６ｄ、電流測定タイミング７ｄからの共通タイミングを基準に基本波形の周波数の１周期内の２つ以上の異なるそれぞれの測定タイミングに対応するそれぞれの位相角に整数倍の（２π）を加えた位相角で測定値が出力される。また、図５の位置制御回路では、図１に示されるインピーダンスと逆起電力係数の測定法の直流分が振幅に対して小さい場合の変位測定演算ステップ８ｓを除き、基本波形発生ステップ５ｓと、電圧測定演算ステップ６ｓと、電流測定演算ステップ７ｓとで使われる同じ演算式に基づき同じ処理がなされる。

変位波形演算手段１２で使われる変位ｘ（ｔ）の演算式は、数２８の変位の直流分Ｘ_Ｄを取除いた数２９になる。

数２９において、前述したように、Ｖ_Ｏ、θ_Ｖは数２１で、Ｉ_Ｏ、θ_Ｉは数２３で、Ｌ、Ｃは数１７又は数１８で示され、これらの定数は事前に前述した各ステップ６ｓ、７ｓ、８ｓ、９ｓにより測定演算される。また電気抵抗Ｒも事前に測定され、演算式特定手段１１でこれらの諸量が定数として特定される。次に、変位波形演算手段１２により数２９に基づき変位波形ｘ（ｔ）が演算されると、前述の直流分がある場合と同じようにピストン５８の位置がフィードバック制御される。

（リニア圧縮機について）
図６は、図１および図５に示されるリニア圧縮機２の断面図である。リニア圧縮機２は、圧力容器６９と、圧力容器６９内周面に固定されたリニアモータ５０と、リニアモータ５０の可動子５５に配設されたピストン５８と、ピストン５８が往復運動してガスを圧縮する圧縮空間７０を形成するシリンダー部６５とから構成される。

圧力容器６９は、胴筒６９ａの一端に鏡板６９ｂが気密に固着され、他端はシリンダー部６５のシリンダーブロック６６のフランジ部６６ａが気密に固着される。

リニアモータ５０は、胴筒６９ａの内周面に固定された固定子５１と、固定子５１で発生する磁束により駆動される可動子５５とから構成される。固定子５１は、ホルダ５４ａを備え胴筒６２ａの周方向に巻かれたコイル５３ａと、コイル５３ａの軸方向の両端に多数枚の磁性鋼板５２ａを積層したコア５２と、２つのコア５２の外側に設けられホルダ５４ｂ、５４ｃを備え胴筒６９ａの周方向に巻かれたコイル５３ｂ、５３ｃとから構成される。

可動子５５は、帽子形状のホルダ５７の円筒中央に固定され円筒の永久磁石５６ａと、永久磁石５６ａの両端に設けた非磁性材のスペーサ５６ｂと、スペーサ５５ｂを介して固定された磁性材のヨーク５６ｃ、５６ｄと、ヨーク５６ｃの端部に設けたバネホルダ５６ｅとから構成される。ロッドホルダ６１は、ホルダ５７の閉じた内側に設けられ、ロッド５９はロッドホルダ６１の中心部の孔を通って一端がナット６２で固定され、他端がピストン５８が固定される。ピストン５８と可動子５５はロッド５９を介し一体となって可動体６０が構成される。

シリンダー部６５は、シリンダーブロック６６とシリンダーライナ６７から構成され、リンダーブロック６６は大筒部６６ｂと、大筒部６６ｂの両端に設けられたフランジ部６６ａと、ロッド５９が貫通する小筒部６６ｃとからなる。シリンダーライナ６７は大筒部６６ｂの内周面に装着され、一端部には、ガスが流出入する配管６８ａを備えたヘッド６８が設けられ、ヘッド６８はフランジ部６６ａに気密に固着される。ヘッド６８とシリンダーライナ６７とピストン５８とでガスが圧縮される圧縮空間７０が形成される。

ピストン５８はシリンダーライナ６７に対して所定の微少間隙を持って摺動可能に外接し、ロッド５９は小筒部６６ｃの孔に対し間隙をもって装着される。ホルダ５７は、小筒部６６ｃの外周面に対し微少間隙を持って摺動可能に内接している。

可動子５５の両端には、コイルバネ７１、７２が設けられ、コイルバネ７１、７２と永久磁石５６ａの磁気バネとピストン５８の往復運動によって生じるガスバネとを合成した合成バネと、可動体６０の質量とで振動系が形成される。また、可動子５５は、コア５２の内周面に対し所定の間隙を保ち、停止状態で永久磁石５５ａの軸方向の中間位置と２つのコア５２の中間位置とが合うようにコイルバネ７１、７２の端部に設けたスペーサ７３，７４で調整され、この状態でピストン５８は中立位置に配置されようピストン５８のヘッド側の長さが調整される。このように調整されることで、前述の共通タイミングを基準に基本波形の周波数の１周期内の２つ又は３つ以上の異なるそれぞれの測定タイミングに対応するそれぞれの位相角に整数倍の（２π）を加えた位相角で電圧、電流、変位の測定と演算が可能になる。

リニアモータ５０のコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃのインダクタンスと逆起電力係数を測定する場合は、鏡板６９ｂの中央に一点鎖線で示される変位センサ７５が配設され、可動体６０の変位（ピストン５８および可動子５５の変位）が測定される。リニア圧縮機２のピストン５８を位置制御する場合には、変位センサ７５を配設しなくてよい。

リニア圧縮機２は、例えばスターリング冷凍機などに使用され、圧力容器６９は、例えばヘリウムが充填され、リニアモータ５０に正弦波又は正弦波状の電圧を印加することで、固定子５１に交番磁束が発生され、この交番磁束で可動子５５がピストン５８と一体になって往復運動することで、圧縮空間７０内でヘリウムの圧縮と膨張が繰返され配管６８ａ内を往復流動する。また、図６には示していないが、ヘッド６８に吸入弁と吐出弁を配備したリニア圧縮機は、スプリット型のパルス管冷凍機やＧＭ冷凍機などに使用される。

次に、ピストン５８を位置制御したリニア圧縮装置１０の効果について説明する。

リニアモータ５０のコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに正弦波、又は、正弦波状の電力を供給することで、可動子５５にピストン５８を備えた可動体６０は、正弦波、又は、正弦波状の往復運動をする。従って、共通タイミングを基準に基本波形の周波数の１周期内で３つ以上の異なるタイミングに相当する位相角に整数倍の２πを加えた位相角で、電圧と、電流とを測定して得られた測定値と、実機運転と近い状態で求めたコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃのインダクタンスと逆起電力係数の測定値とを使って、従来技術の演算式に含まれる微分と積分を用いずにピストン５８の変位波形を演算して求めることが出来る。この演算で求めた変位波形と基本波形とを比較し基本波形補正手段１３により基本波形を補正した偏差信号（動作信号）に基づき電源部３でコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに供給する電力の電圧と位相を決定してリニアモータ５０を駆動して、ピストン５８の位置をフィードバック制御するので、ピストン５８の位置検出器が不要で、演算処理を行うプロセッサの負担が小さく、電気ノイズの影響を受け難く、精度の高いピストン位置制御のできるコストの安いリニア圧縮装置１０を提供できる。

リニアモータ５０のコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに供給される電力の電圧の直流分が電圧振幅分小さく、電流の直流分が振幅分に対して小さく、ピストン５８の変位の直流分が振幅分に対して小さくするように事前に電源部の電圧と電流、そしてリニア圧縮機２の可動子５５及びピストン５８の位置を調整することで、共通タイミングを基準に基本波形の周波数の１周期内で２つ以上の異なるタイミングに相当する位相角に整数倍の２πを加えた位相角で、電圧と、電流とを測定して、各々の測定された測定値に基づき可動体６０の変位波形を、従来技術の演算式に含まれる微分と積分を用いずに演算し、この演算で得られた変位波形を前述と同じようにフィードバックし可動体６０の位置制御を行っている。従って、ピストン５８の位置検出器が不要で、演算処理を行うプロセッサの負担が小さく、且つ電気ノイズの影響を受け難く、精度の高いピストン位置制御のできるコストの安いリニア圧縮装置１０を提供できる。さらに、プロセッサの処理数が減少するのでプロセッサの負担が減少する。

また、リニアモータ５０のコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃに供給される電力の電圧の直流分が振幅分小さいく、電流の直流分が振幅分に対して小さく、ピストン５８の変位の直流分が振幅分に対して小さい場合、実機運転態に近い状態で測定演算して求めたコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃのインダクタンス値と逆起電力係数値を使って、ピストン５８の変位波形を演算して求め、フィードバックし可動体６０の位置制御を行うことで、ピストン５８の変位波形の精度が高くなり、精度の高いピストン位置制御したリニア圧縮装置
１０が可能になる。

以降では、実施例のインダクタンスと逆起電力係数を求めるリニア圧縮装置１の制御方法と、ピストンを位置制御したリニア圧縮装置１０の妥当性を検証した検証試験結果について、図７を参照して説明する。図７は、図６とは異なる寸法諸元で構成されたリニア圧縮機にインダクタンスと逆起電力係数を求めるリニア圧縮装置１の制御方法と、ピストン位置制御を適用した検証試験結果を示す図である。図中、横軸は時間ｔを示し、縦軸は電圧、電流、変位を示す。図中、（１）が供給電圧の実測値、（２）が供給電圧の演算値、（３）が供給電流の実測値、（４）が供給電流の演算値、（５）がピストン変位の実測値、（６）がピストン変位の演算値の各波形をそれぞれ示す。供給電圧の周波数は２９Ｈｚで、ほぼピストン変位の共振周波数に近い。

図７から判るように、供給電圧の実測値の（１）と供給電圧の演算値の（２）、又、供給電流の実測値の（３）と供給電流の演算値の（４）のそれぞれの波形は良く一致していおり、ピストン変位の実測値の（５）、ピストン変位の演算値の（６）は、波形がほぼ重なっており精度よく演算される。

本発明に係わるリニア圧縮装置の制御方法に関する制御回路のブロック線図を示す。 コイルの電圧測定値から導かれる電圧振幅と電圧位相の演算式を説明する電圧ベクトル線図を示す。 図１のリニア圧縮装置の基本波形発生手段と電源部とリニアモータのコイルとを接続した等価回路を示す。 従来技術のインダクタンス測定回路を示す。 ピストン位置制御したリニア圧縮装置の制御回路のブロック線図を示す。 図１および図５に示されるリニア圧縮機を示す。 本発明のインダクタンスと逆起電力係数を求めるリニア圧縮装置の制御方法とピストンの位置制御の検証試験結果を示す。

符号の説明

１、１０ リニア圧縮装置
２ リニア圧縮機
３ 電源部
４ 制御部
５ 基本波形発生手段
５ｓ 基本波形発生ステップ
６ 電圧測定演算手段
６ｓ 電圧測定演算ステップ
７ 電流測定演算手段
７ｓ 電流測定演算ステップ
８ 変位測定演算手段
８ｓ 変位測定演算ステップ
９ コイル演算手段
９ｓ コイル演算ステップ
１２ 変位波形演算手段
１３ 基本波形補正手段
５０ リニアモータ
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ コイル
５５ 可動子
５８ ピストン
６０ 可動体
６５ シリンダー部

Claims (1)

1. 可動子にピストンを配設した可動体とコイルとを有するリニアモータと、前記ピストンが往復動してガスを圧縮するシリンダー部と、を備えたリニア圧縮機と、
   前記リニアモータの前記コイルに電力を供給し、前記リニア圧縮機の前記可動体を正弦波又は正弦波状に往復動させる電源部と、
   を備えるリニア圧縮装置の制御方法であって、
   前記電源部に送る正弦波又は正弦波状の基本波形を発生する基本波形発生手段により前記基本波形を発生する基本波形発生ステップと、
   前記電力の電圧の測定と演算を行う電圧測定演算手段により、共通タイミングを基準に前記基本波形の周波数の１周期内の３つ以上の異なる前記電圧位相角に整数倍の２π（３６０°）を加えた位相角で、又は前記電圧の直流分が振幅に対して小さい場合は前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内の２つ以上の異なる前記電圧位相角に整数倍の２πを加えた位相角で前記電圧を測定し、測定した該電圧値から電圧波形の電圧振幅と電圧位相角とを演算する電圧測定演算ステップと、
   前記電力の電流の測定と演算を行う電流測定演算手段より、前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内の３つ以上の異なる前記電流位相角に整数倍の２πを加えた位相角で、又は前記電流の直流分が振幅に対して小さい場合は前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内の２つ以上の異なる前記電流位相角に整数倍の２πを加えた位相角で前記電流を測定し、測定した該電流値から電流波形の電流振幅と電流位相角とを演算する電流測定演算ステップと、
   前記ピストンの変位の測定と演算を行う変位測定演算手段により前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内の３つ以上の異なる前記変位位相角に整数倍の２πを加えた位相角で、又は前記変位の直流分が振幅に対して小さい場合は前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内の２つ以上の異なる前記変位位相角に整数倍の２πを加えた位相角で前記変位を測定し、測定した該変位値から変位波形の変位振幅と変位位相角とを演算する変位測定演算ステップと、
   前記電圧と前記電流と前記変位の測定値から得られた演算結果に基き演算するコイル演算手段により、前記電圧振幅と前記電圧位相角と、前記電流振幅と前記電流位相角と、前記変位振幅と前記変位位相角と、から前記コイルのインダクタンスと、前記コイルの逆起電力係数を演算するコイル演算ステップと、によって前記インダクタンスと前記逆起電力係数とを予め求め、
   前記電源部の前記電力の電圧又は電流を制御する制御部を備え、
   前記リニア圧縮装置の運転時に、前記制御部は、前記電源部に送る正弦波又は正弦波状の基本波形を発生させる基本波形発生手段と、共通タイミングを基準に前記基本波形の周波数の１周期内で３つ以上の異なる電圧位相角に整数倍の２πを加えた位相角で、又は前記電圧の直流分が振幅に対して小さい場合は前記共通タイミングを基準に前記基本波形の周波数の１周期内で２つ以上の異なる電圧位相角に整数倍の２πを加えた位相角で前記コイルを流れる電圧を測定し、測定した該電圧値から電圧波形の電圧振幅と電圧位相角を演算する電圧測定演算手段と、
   前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内で３つ以上の異なる電流位相角に整数倍の２πを加えた位相角で、又は前記電流の直流分が振幅に対して小さい場合は前記共通タイミングを基準に前記周波数の１周期内で２つ以上の異なる電流位相角に整数倍の２πを加えた位相角で前記コイルを流れる電流を測定し、測定した該電流値から電流波形の電流振幅と電流位相角を演算する電流測定演算手段と、
   前記電圧測定演算手段により得られた前記電圧波形と、前記電流測定演算手段により得られた前記電流波形から前記可動体の変位波形を演算する変位波形演算手段と、
   前記基本波形と、前記変位波形演算手段により得られた前記変位波形とを比較し前記基本波形を補正した動作信号を前記電源部に伝送する基本波形補正手段と、を備え、
   前記コイル演算ステップで求めた前記インダクタンスと前記逆起電力係数により前記変位波形演算手段で前記変位波形を演算して前記可動体の位置を制御する、ことを特徴するリニア圧縮装置の制御方法

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