JPH088789B2

JPH088789B2 - 振動式リニアモ−タ

Info

Publication number: JPH088789B2
Application number: JP61201464A
Authority: JP
Inventors: 雅治石井; 庸藏中村; 民雄福田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-08-29
Filing date: 1986-08-29
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPS6359786A

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リニアモータを
用い、可動部の永久磁石に依つ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
る構造となつている。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
れたテーパ体とギヤツ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、フイリツプ
ス．テクニカル．レビユー.1985年４月Vol.42,No.1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
されていなかつた。すなわち、リニアモータ近傍に差動
トランスやギヤツプセンサを設けた場合、モータ部で形
成される磁界によつて測定器出力が影響を受け高精度の
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。さらにギヤツプセン
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つてしまうため測
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
離を離すことは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。

本発明の目的はリ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〕上記目的を達成するため、本発明は、永久磁石により
与えられた静磁界の中に可動コイルが置かれ、この可動
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、前記静磁界の影響下にある磁束密度
を測定する磁束密度測定手段と、この磁束密度測定手段
の出力に基づいてこのリニアモータの振幅及び振動中心
位置を演算する演算手段と、この演算された振幅とこの
目標値との偏差に応じて前記可動コイルに供給する交番
電流の交流成分を調整する振幅制御手段と、前記演算さ
れた振動中心位置とこの目標値との偏差に応じて前記可
動コイルに供給する交番電流の直流成分を調整する振動
中心位置制御手段とを備えたものである。

また別の一面では、直流コイルにより与えられた静磁
界の中に可動コイルが置かれ、この可動コイルに交番電
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、前記静磁界の影響下にある磁束密度を測定する磁束
密度測定手段と、この磁束密度測定手段の出力に基づい
てこのリニアモータの振幅及び振動中心位置を演算する
演算手段と、この演算された振幅とこの目標値との偏差
に応じて前記可動コイルに供給する交流電流を調整する
振幅制御手段と、前記演算された振動中心位置とこの目
標値との偏差に応じて前記直流コイルに供給する直流電
流を調整する振動中心位置制御手段とを備えたものであ
る。

〔作用〕

前述の如く、本発明はリニアモータ部の磁束密度を積
極的に用いてモータの振動特性を把握し、振幅、振動中
心位置制御を行うものである。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。この力にたいし、振動計を前もって解析しておけ
ば振動の挙動、すなわち振幅や振動中心位置をしること
ができる。力に関する情報を磁束密度から得られるよう
にすれば測定精度に影響をおよぼす大きな因子をを考慮
することなく振動特性を把握することができる一方、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。

つぎに、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、円周長さｌ、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＝NlI（Bg＋Bg^＊） ……（１）ここでBg^＊はコイルに流れる電流Ｉ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
号のいずれかを取る。このときのBg^＊は式（２）により
表わされる。

ここでμg:空隙部の透磁率一方、交番電流が流れる場合はBg^＊は式（３）で表わ
される。

ここで：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実効値E₀,I₀
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。

いま交番電流を流しリニアモータを加振する場合を考
えている。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。

ｍ＋ｃ＋kx＝Ｆ（ｔ） ……（６）ここでm:振動系の質量 c:粘性係数 k: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 maxを求めれば振幅を求めることがで
きる。一方、磁束密度Bg＋Bg^＊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Bg^＊になることがわかり、供給電流が正弦波、三角波
等の特性が前もつてわかつていれば、式（５）より実効
値I₀のみならず実際の電流変化Ｉ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）＝０に対し一方に|Imax|×（Bg＋Bg^＊）と|Imax|
×（Bg−Bg^＊）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。したがつ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F₀（ｔ）は式（７）となる。

F₀（ｔ）＝NlIBg ……（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０の場合、｛（Bg＋Bg^＊max）＋（Bg−Bg^＊max）｝/2＝Bg 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x₀は、式（７）
を用い式（６）を書き換えれば、式（８）より得られ
る。

ｍ_０＋ｃ_０＋kx₀＝F₀（ｔ） ……（８）式（６）で得られた変位より振動の中心は（x max＋x
min）/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（x₀max＋x₀mi
n）/2となるからΔｘは式（９）で表わされる。

Δｘ＝（x_max＋x_min）/2 −（x_0max＋x_0min）/2 ……（９）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Ｉ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つた値と
なる。すなわち式（１）で示した力を求める式の中で|I
max・Bg＋Bg^＊）max|と|Imin・Bg＋Bg^＊）min|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
を保つた状態でのモータ駆動が可能となる。言い換える
なら時速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、本発明の実施例を説明する。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。Bg^＊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x_c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x_0cを求めておく。
すなわち本値は時束密度変動がない場合の振動中心位置
であり初期設定値となる。

次にΔｘ＝x_c−x_0c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ｘ^＊，εΔ^＊との比較を行うが、振幅の
場合には許容値εｘ^＊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ステツプ当りの補正量
は偏差εΔ^＊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。

振幅に関して同様に式（１），（５）から明らかなよ
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リ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に沿つ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I_c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V_Hとして求められる。この時のＢとV_Hの
関係は式（10）で表わされる。

ここでR_H: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_Hは式（10）でBgに変換される。こ
の時の交流成分よりBg^＊が得られる。BgおよびBg^＊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V_H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、ここで測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10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11
の電圧もしくは電流に関する値，交流成分の制御、並び
に直流電源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、磁界の中に置かれた
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
関する制御ブロツク図である。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

【特許請求の範囲】

【請求項１】永久磁石により与えられた静磁界の中に可
動コイルが置かれ、この可動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、前記静
磁界の影響下にある磁束密度を測定する磁束密度測定手
段と、この磁束密度測定手段の出力に基づいてこのリニ
アモータの振幅及び振動中心位置を演算する演算手段
と、この演算された振幅とこの目標値との偏差に応じて
前記可動コイルに供給する交番電流の交流成分を調整す
る振幅制御手段と、前記演算された振動中心位置とこの
目標値との偏差に応じて前記可動コイルに供給する交番
電流の直流成分を調整する振動中心位置制御手段とを備
えた振動式リニアモータ。
【請求項２】直流コイルにより与えられた静磁界の中に
可動コイルが置かれ、この可動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、前記
静磁界の影響下にある磁束密度を測定する磁束密度測定
手段と、この磁束密度測定手段の出力に基づいてこのリ
ニアモータの振幅及び振動中心位置を演算する演算手段
と、この演算された振幅とこの目標値との偏差に応じて
前記可動コイルに供給する交流電流を調整する振幅制御
手段と、前記演算された振動中心位置とこの目標値との
偏差に応じて前記直流コイルに供給する直流電流を調整
する振動中心位置制御手段とを備えた振動式リニアモー
タ。