JPS6359786A - 振動式リニアモ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は振動式圧縮機等のフリーピストン形機械に適用
される振動式リニアモータに係り、特にストロークや振
動中心位置を制御するに好適なセンシング方法及び制御
方法に関する。

〔従来の技術〕

振動式リニアモータを適用したフリーピストン形機械の
例としてスターリング冷凍機に関する公知技術を用い説
明する。

本公知例はムービングマグネット形のりニアモータを用
い、可動部の永久磁石に依って形成された磁界に対し、
固定されたコイルに交番電流を流しコイルに作用する軸
方向の力を永久磁石側の反力として取り出し加振する構
造となっている。本例より明らかなように、振動体の挙
動を監視あるいは制御情報として用いる場合、差動トラ
ンスのように振動変位を電圧信号に直接変換する方法が
とられている。また振動変位を軸方向変位として直接測
定できない構造の場合、振動変位を軸方向に形成された
テーパ体とギャップサンサ等の非接触変位測定手段との
間のすきまの変化としてとり出す方法もとられている。

他の方法としては、コイル部への交番電流を直接検知し
、電流→推力→変位の関係で振動挙動を求める方法もと
られる。

上述の従来の装置を示す一例としては、フィリップス、
テクニカル、レビュー、　１９８５年４月ＶｏＱ。

４２、Ｎα１がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前記従来技術は次の点について配慮がさ
れていなかった。すなわち、リニアモータ近傍に差動ト
ランスやギャップセンサを設けた場合、モータ部で形成
される磁界によって測定器出力が影響を受は高精度の測
定が期待できない。

また測定器出力を直接、制御情報として用いる場合、前
記した磁界の影響が出力に外乱として乗る等、誤制御の
原因となる。さらにギャップセンサによる径方向変位を
軸方向変位に置き換える方法では、軸受部等での径方向
の動きをひろってしまうため測定値の信頼性が甚だ低い
。

一方、磁界の影響を避けるためモータとセンサ部の距離
を離すことば機構を大きくすることになり、特に小形化
が要求される所での適用には困難が伴う。

コイルへの供給交番電流を測定し振動挙動を求める方法
は間接的ではあるが高精度が期待できる。

しかしながら電流→力の変換過程で磁束密度に関する情
報が必要であり、直流コイルによる励磁の場合は電流情
報で磁束密度を求めることもできるが、永久磁石励磁の
場合は直接磁束密度を測定する必要がある。

本発明の目的はりニアモータの振動変位を測定する際に
問題となる磁界の影響を積極的に利用し。

機構を大きくすることなく高精度の測定ができるように
すること、さらには改善された測定信号を用いモータの
振動に関するパラメータである振幅や振動中心位置を制
御できる振動式リニアモータを提案することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記した通り、本発明はりニアモータ部の磁束密度を測
定することによりモータの振動特性を把握しようという
ものである。磁界が存在する場の中に置かれたコイルに
電流が流れる場合、コイルに力が作用する。この力に対
し、振動系を前もって解析しておけば振動の挙動、すな
わち振幅や（す動中心位置等を知ることができる。また
力に関する情報を磁束密度からのみ得られるようにすれ
ば測定精度に影響を及ぼす大きな因子を考慮することな
く振動特性を把握できる一方、得られた測定値を直接制
御情報として用いることができる。

〔作用〕

以下、本発明の作用について永久磁石を用いた振動式リ
ニアモータを例にとり説明する。振動式リニアモータの
空隙部には永久磁石により磁界が形成される。この時の
磁束密度をＢｇとするが、永久磁石の消磁を考慮すれば
Ｂｇは経時的には顕著ではないが小さくなる傾向にある
。この空隙磁界の中に１円周長さＱ、巻数Ｎのコイルが
おかれ、電流Ｉが流されたとすればコイルに作用する力
Ｆは式（１）となる。

Ｆ＝ＮｕＩ　　（Ｂｇ＋Ｂｇ傘）　　　　　　　　　　
　　　・・・（１）ここでＢｇｌｌはコイルに流れる電
流工により励磁される磁束密度であり、直流の場合は流
れる方向により正負符号のいず九かを取る。このときの
８ｇ率は式（２）により表わされる。

μ　ｇ Ｂｇ傘＝−ＮＩ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　・・・（２）ここでμｇ：空隙部の透磁率 一方、交番電流が流れる場合は８ｇ率は式（３）で表わ
される。

ここで　　ｆ：周波数 Ｓ：磁束部面積 Ｅｒ：リアクタンス電圧 リアクタンス電圧は供給電圧および電流の実効値Ｅｏ　
、Ｉｏとコイル直流抵抗Ｒを用いると式（４）となり式
（４）を用い式（３）を書き換えると式（５）となる。

Ｅ　ｒ　＝　　Ｅｏ”　−Ｉ　ｏ”Ｒ−（４）いま交番
電流を流しリニアモータを加振する場合を考えてみる。

加振時の変位をＸとすれば運動方程式は式（６）で表わ
される。

ｍｘ＋ｃｘ＋ｋｘ＝Ｆ　（ｔ）　　　　　　　−（６）
ここで　ｍ：振動系の質量 Ｃ：粘性係数 に：支持系のばね定数 すなわち加振力Ｆ　（ｔ）は式（１）で与えられるから
式（６）を解きｘ　＋＋＋ａｘを求めれば振幅を求める
ことができる。一方、磁束密度Ｂｇ十Ｂｇ拳を直接測定
すれば磁束密度の情報のみならず、その交流成分から測
定値の片振幅が８ｇ率になることがわかり、供給電流が
正弦波、三角波等の特性が前もってわかっていれば、式
（５）より実効値Ｉｏのみならず実際の電流変化工もわ
かりＦ（ｔ）を求めることができる。

また、Ｆ　（ｔ）は式（１）から明らかなように、Ｆ　
（ｔ）＝Ｏに対し一方にｌ　Ｉｍａｘ　　ｌ　Ｘ　（Ｂ
　ｇ＋ＢｇりとＩ　Ｉ！ｌ１ａｘ　　Ｉ　Ｘ　（Ｂ　ｇ
−Ｂ　ｇｏ　）の差による影響分だけ中心位置がずれた
交番特性となる。

したがって初期に設定した中心位置に対し、ΔＸだけず
れて振動することになる。いまΔＸを算出する方法につ
いて解析してみる。磁束密度に変化がないものとすれば
力Ｆｏ（ｔ）は式（７）となる。

Ｆｏ　（ｔ）　＝ＮＱ　Ｉ　Ｂ　ｇ　　　　　　　　　
・”（７）一方、磁束密度に変化がある場合でも、平均
値は供給電流の直流成分がＯの場合、 （（Ｂ　　ｇ＋Ｂ　　ｇｏｍａｘ）＋（Ｂ　　ｇ−Ｂ　
　ｇｏｍａｘ））／　２＝Ｂ　　ｇとなることにより、
力Ｆ　（ｔ）の振幅は式（７）と等しくなる。

磁束密度に変化がない場合の振動変位ｘｏは。

式（７）を用い式（６）を書き換えれば１式（８）より
得られる。

ｍｘｏ＋ｃ　ｘｏ＋ｋｘｏ＝Ｆｏ　（ｔ）　　　　　−
（８）式（６）で得られた変位より振動の中心は（ｘ　
ｆｆ１ａｘ＋　ｘｍｉｎ　）　／　２となり、磁束密度
の変化がない場合の変位を式（８）にて算出し振動の中
心を求めると（ｘ　ｏｒｔｒａｘ　＋　ｘ　ｏｍｉｎ）
　／　２となるからΔＸは式（９）リニアモータ すなわち磁束密度を直接測定すれば、振動振幅のみなら
ず、初期設定に対する振動中心位置の変化も把握するこ
とができる。

以上より、磁束密度に関する情報により電流値を制御し
、振動式リニアモータの振幅を制御することができる。

一方、式（５）において供給電流■が直流成分を有する
交番電流であればＩが正の場合と負の場合では励磁され
る磁束密度Ｂｇ−のピーク値は正負側で異なった値とな
る。すなわち式（１）で示した力を求める式の中でｌＩ
ｍａｘ・（Ｂｇ＋Ｂｇすｗａｘ　ｌとｌ　ｌｍ１ｎ　ｅ
（Ｂ　ｇ　＋　Ｂ　ｇｓ）　ｗｉｎ　ｌが等しくなるよ
うに直流成分を決めれば、初期設定時の振動中心を保っ
た状態でのモータ駆動が可能となる。言い換えるなら磁
束密度の情報により供給電流の直流成分を制御し、振動
式リニアモータの振動中心位置を制御することができる
。また、供給電流すなわち振動周波数により磁束密度は
変動するから、磁束密度の変動周波数によりモータの振
動周波数を把握できる。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。第１図は本発明の基本
的内容を示す流れ図であり、前記した計算式を纏めたも
のである。先ず振動式リニアモータにおけるコイル周辺
空隙の磁束密度を測定する。磁束密度測定手段としては
通常、ホール効果を適用した素子が用いられる。測定手
段からの信号より直流成分である静磁束密度Ｂｇと交流
成分である動磁束密度Ｂｇ−を求める。Ｂｇｌｌの変化
あるいは振幅がわかれば交流コイルに供給される電流並
びに電圧を演算することができる。次に磁束密度に関す
る情報と演算した電流値よりモータ推力Ｆ　（ｔ）を算
出することができ、本算出値を用いて振動系の運動方程
式よりモータの振幅Ｘと振動中心位置Ｘｃ　を求める。

また、これと並行して推力の変化から直流成分を除いた
ものに運動方程式を適用し、設定時の中心位置ｘｏｃを
求めておく、すなわち本値は磁束密度変動がない場合の
摂動中心位置であり初期設定値となる。

次にΔＸ　”：　Ｘ　ｃ　　Ｘ　ｏｃを求めるがこれは
初期設定からの振動中心位置のずれになる。演算したＸ
およびΔＸに対し、設定目標値ＸＩ、εΔ拳との比較を
行うが、振幅の場合には許容値Ｅｘ＊に関しても前もっ
て設定しておく、先ず、中心位置のずれであるが、許容
値内であれば制御は必要ないが、許容値からはずれた場
合は、モータへの供給電圧もしくは電流の直流成分を変
化させる。変化の方法は前記式（１）　、　（５）より
明らかなように、設定値より数式で定義される正側にず
れている場合は負側に直流成分補正を、負側にずれてい
る場合は正側に直流成分補正をしてやれば良い。１ステ
ップ当りの補正量は偏差εΔ傘より逆算した相当電流も
しくは電圧量の１／１０程度に設定しておけば充分と考
えられるが、本値は制御対象となるリニアモータにより
経験的に決定されるべきものである。

振幅に関しては同様に式（１）　、　（５）から明らか
かなように、供給電流もしくは電圧の交流成分を増減さ
せてやれば良い。すなわち振幅が設定仕様値より大きい
場合は電流もしくは電圧の交流成分を小さくすれば良く
、逆に目標値より小さい場合は電圧、電流の交流成分を
増加させれば良い。

第２図はコイル可動形の振動式！Ｉニアモータに磁束密
度測定手段を設けた例である。磁界は永久磁石２により
与えられており、磁束はヨーク３およびコイルが置かれ
る空隙部を通りループを作る。

本例では漏れ磁束がなく永久磁石２に沿った空隙で磁束
密度が一定であるとしたため磁束密度測定手段を一ケ所
しか設けていない。しかし、コイル１が可動する空隙内
で磁束密度が変化する場合には、数ケ所に分けて測定し
、各々得られた磁束密度情報に対し加重平均をとる等の
処理が必要である。

第３図は磁束密度を検出する手段の一例としてホール素
子５を示したものである。素子に制御電流Ｉｃ　をかけ
た場合、素子５に対し矢印方向に作用する磁束密度Ｂは
素子５の端子電圧ＶＨとして求められる。この時のＢと
ＶＨの関係は式（１０）リニアモータ ここで　ＲＨ：ホール係数 第４図はホール素子を用いた場合の出力および演算、制
御を行う場合に求められる出力波形を示したものである
。素子からの出力Ｖ　１４は式（１０）でＢｇに変換さ
れる。この時の交流成分よりｆ３ｇｍが得られる。Ｂｇ
およびＢｇ申に関する情報よりＦ　（ｔ）が演算でき、
さらにＦ　（ｔ）をもとにして運動方程式を解くことに
より変位波形を得ることができる。　Ｆ　（ｔ）および
ＸはＶＨと同周期であるが、振動系の粘性抵抗等により
同位相であるとは限らない、しかしながら振幅と周期情
報だけにより本発明に示した測定系あるいは制御系は達
成できる。

第５図は直流コイル７により磁界が形成されている可動
コイル形の振動式リニアモータに関する制御例である。

磁束密度測定手段４からの信号は演算部８に導かれ推力
、変位が求められる。演算部からの情報は比較部９に導
かれ、ここで設定値との比較が行われる。すなわち振動
中心位置と振幅に関し、設定値に対して許容偏差内か偏
差外かの情報を次の制御部１ｏに送る。

制御部１０では比較部９からの情報により、交流電源１
１の電圧もしくは電流に関する直、交流成分の制御、並
びに直流電＠１２の電圧もしくは電流値の制御を行う。

これにより振動式リニアモータの振幅、振動中心位置を
設定値に合わせることができる。さらに演算部８では磁
束密度の測定信号より波形の周期Δｔを求め、１／Δｔ
より周波数を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、磁界の中に置か九たコ
イルに電流を流すことにより振動する振動式リニアモー
タにおいて、コイルが置かれる空隙部の磁束密度を測定
し、この測定結果から振幅や振動周波数等の振動特性を
把握しているので、磁束の影響を受けない振動特性を把
握することができる。さらに、測定した磁束密度を制御
情報とすることにより、機器の小形化や検出値の精度。

信頼性を向上させる際に問題となる変位測定手段を有す
ることなく、振幅や振動中心位置の制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の制御流れ図、第２図は発明の
対象とした振動式リニアモータの一例を示したものであ
る。第３図は磁束密度測定手段の一例としてホール素子
の配線構成である。第４図は測定、制御をする際の波形
情報、出力波形の例であり、第５図は直流コイルにより
磁界が形成される場合の可動コイル形振動式モータに関
する制御ブロック図である。 １・・・可動コイル、２・・・永久磁石、３・・・ヨー
ク、４・・・磁束密度測定手段、５・・・ホール素子、
８・・・演算部、９・・・比較部、１０・・・制御部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、永久磁石もしくは直流コイルにより与えられた静磁
   界の中にコイルが置かれ、該コイルに交番電流が流れる
   ように構成された振動式リニアモータにおいて、該静磁
   界の影響下にある空隙部もしくは固体内磁路部に該空隙
   部もしくは該固体内磁路部の磁束密度を測定する手段を
   設け、該磁速密度測定手段からの出力信号と設定目標値
   との差に基づいて、該偏差を解消するように前記交番電
   流を制御することを特徴とする振動式リニアモータ。 ２、特許請求範囲第１項に記載の振動式リニアモータに
   おいて、該磁束密度測定手段からの出力が電圧出力であ
   ることを特徴とする振動式リニアモータ。 ３、特許請求範囲第２項に記載の振動式リニアモータに
   おいて、該磁束密度測定手段をホール効果を適用した手
   段にて構成したことを特徴とする振動式リニアモータ。 ４、特許請求範囲第１項に記載の振動式リニアモータに
   おいて、該磁束密度測定手段からの出力信号が設定目標
   値より高い場合には該交番電流を低下させ、低い場合は
   高めるように制御することを特徴とする振動式リニアモ
   ータ。 ５、特許請求範囲第１項に記載の振動式リニアモータに
   おいて、該磁束密度測定手段からの出力信号が設定目標
   値より高い場合には該直流コイルに供給する直流電流を
   低下させ、低い場合は高めるように制御することを特徴
   とする振動式リニアモータ。 ６、特許請求範囲第１項に記載の振動式リニアモータに
   おいて、該磁束密度測定手段からの出力信号の交流信号
   分を用い、該交番電流もしくは該交番電流を生じせしめ
   る交番電圧の正側振幅と負側振幅を制御することを特徴
   とする振動形リニアモータ。