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リニア振動アクチュエータとそれを用いたリニアコンプレッサーおよびリニア振動発電機

国内特許コード P08A014298
整理番号 NI0700069
掲載日 2009年3月13日
出願番号 特願2008-058841
公開番号 特開2008-259409
登録番号 特許第5508684号
出願日 平成20年3月8日(2008.3.8)
公開日 平成20年10月23日(2008.10.23)
登録日 平成26年3月28日(2014.3.28)
優先権データ
  • 特願2007-063382 (2007.3.13) JP
発明者
  • 水野 勉
  • 卜 穎剛
出願人
  • 国立大学法人信州大学
発明の名称 リニア振動アクチュエータとそれを用いたリニアコンプレッサーおよびリニア振動発電機
発明の概要 【課題】ばね定数と可動部の質量から決定される共振周波数をもつリニア振動アクチュエータやリニア振動発電機において、共振周波数以外の周波数で駆動しても高効率となる制御方法を提供する。
【解決手段】可動子3の変位x20は変位センサ14で検出されて、制御装置21内のゲインコントローラ24にフィードバックされている。ゲイン決定手段25は、駆動周波数f26と変位x20に基づいてゲイン可変指令27を出力する。電流指令Ic29から変位x20にゲインK28が乗じられた信号が減算されて合成電流指令Ic*22となる。ゲイン可変信号27によって、ゲインK28を可変させることができる。このようにすることで、駆動周波数に見かけの共振周波数を常に一致させることができて従来法よりも高効率駆動が可能となる。
【選択図】図3
従来技術、競合技術の概要



リニア振動アクチュエータの可動子をばねで外部に固定して、ばね-質量系の共振周波数をもつ系を構成したリニア振動アクチュエータは、パーツフィーダ、リニアコンプレッサ,携帯用電話の着信バイブレータ、制振装置などに利用されている。また、リニア振動発電機にも応用されている。リニア振動アクチュエータは駆動周波数と共振周波数とが一致しなと可動子の振幅が減少するという欠点がある。





リニアコンプレッサは共振周波数で駆動すると高い効率が得られる。リニアコンプレッサでは、冷媒ガスの圧縮性に温度依存性があり、冷媒ガスの温度によって共振周波数が変化する。そこで、従来技術では図25に示したように、コンピュータ134の位相検出部135は、電圧検出装置137で検出された交流電源131の出力電圧Vと、電流検出装置133で検出された交流電源131からリニアコンプレッサ132に流れる電流Iとの位相差Dpを検出する。そして、演算・制御部136は位相差Dpに応じた値だけ交流電源131の出力電圧Vの周波数fを補正して、駆動周波数fをピストンの共振周波数に一致さていた(特許文献1参照)。また同様な手法が考案されている(特許文献2参照)

【特許文献1】

開平9-112438号公報

【特許文献2】

開2005-300098号公報

産業上の利用分野



この発明はリニア振動アクチュエータおよびリニア振動発電機の見かけの共振周波数を可変させて、効率が大きくなるように駆動または発電させる制御方法に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
シャフトと、
前記シャフトに固定され、磁力を有する可動子と、
前記可動子の周囲に配され、励磁電流が流されるコイルと、
前記シャフトの運動方向に押すばねと、
前記シャフトの変位量を検知する変位センサと、
前記変位センサからの信号を増幅する第1のアンプと、
前記変位センサからの信号を微分した信号を増幅する第2のアンプと、
前記第1および第2のアンプの出力と基本駆動電流を加算して合成電流指令を作る加算器と、
前記合成電流指令に基づいて前記励磁電流を出力する電流アンプを有し、
前記第1および第2のアンプのゲインを変更することで
前記コイルに前記励磁電流が流されることによって発生する推力と前記シャフトの前記変位量との比である見かけのばね定数と、前記可動子の質量とから決定される前記可動子の見かけの共振周波数を調節可能としたことを特徴とするリニア振動アクチュエータ。

【請求項2】
運動可能な可動子と、
前記可動子の周囲に配され、励磁電流が流されるコイルと、
前記可動子の運動方向に押すばねと、
駆動電圧を検出する電圧検出部と、
前記励磁電流を検出する電流検出部と、
前記電圧検出部と前記電流検出部の出力信号に基づいて前記可動子の変位を推定する変位推定部と、
前記変位推定部の出力信号を増幅する第1のアンプと、
前記変位推定部の出力信号を微分する微分器と、
前記微分器の出力信号を増幅する第2のアンプと、
前記アンプの出力と基本駆動電流を加算して合成電流指令を作る加算器と、
前記電流指令制御信号に応じて前記励磁電流を出力する電流アンプとを有し、
前記変位推定部は、(6)式によって求められる変位推定値xeを出力し、
前記第1および第2のアンプのゲインを変更することで
前記コイルに前記励磁電流が流されることによって発生する推力と前記変位推定値xeとの比である見かけのばね定数と、前記可動子の質量とから決定される前記可動子の見かけの共振周波数を調節可能としたことを特徴とするリニア振動アクチュエータ。
【数100】


・・・・・(6)
ここでKeは速度起電力定数(Vs/m)、Rはコイルの抵抗(Ω)、LはコイルのインダクタンスL、sはラプラス演算子

【請求項3】
運動可能な可動子と、
前記可動子の周囲に配され、励磁電流が流されるコイルと、
前記可動子の運動方向に押すばねと、
前記可動子の加速度量を検知する加速度センサと、
前記加速度センサの出力信号に基づいて前記励磁電流を出力する制御装置とを
有し、
前記制御装置は、
前記加速度センサからの信号を増幅する第1のアンプと、
前記加速度センサからの信号を積分した信号を増幅する第2のアンプとを有し、
前記アンプの出力と基本駆動電流を加算して合成電流指令を作る加算器と、
前記合成電流指令に基づいて前記励磁電流を出力する電流アンプを有し、
前記第1および第2のアンプのゲインを変更することで
前記コイルに前記励磁電流が流されることによって発生する推力と前記可動子の変位との比である見かけのばね定数と、前記可動子の質量とから決定される前記可動子の見かけの共振周波数を調節可能としたことを特徴とするリニア振動アクチュエータ。

【請求項4】
運動可能な可動子と、
前記可動子の周囲に配され、駆動電圧が印加されるコイルと、
前記可動子の運動方向に押すばねと、
前記可動子の変位量を検知する変位センサと、
前記変位センサの出力に基づいて前記駆動電圧を発生する制御装置とを有し、
前記制御装置は、
前記変位センサの出力に基づいて、ばね特性を示す推力を発生させる信号を出力する第1の変換部と、
前記第1の変換部の出力信号を増幅する第1のアンプと、
前記変位センサからの信号を微分した信号に基づいて、減衰力を示す推力を発生させる信号を出力する第2の変換部と、
前記第2の変換部の出力信号を増幅する第2のアンプとを有し、
前記アンプの出力と基本駆動電圧を加算して合成電圧指令を作る加算器と、
前記合成電圧指令に基づいて前記駆動電圧を出力する電圧アンプを有し、
前記第1および第2のアンプのゲインを変更することで
前記コイルに前記駆動電圧が印加されることによって発生する推力と前記可動子の前記変位量との比である見かけのばね定数と、前記可動子の質量とから決定される前記可動子の見かけの共振周波数を調節可能としたことを特徴とするリニア振動アクチュエータ。

【請求項5】
前記第1の変換部の出力は(7)式で表され、前記第2の変換部の出力は(8)式で表される請求項4に記載されたリニア振動アクチュエータ。
【数101】


・・・・・(7)
【数102】


・・・・・(8)
ここで、Rはコイルの抵抗(Ω)、LはコイルのインダクタンスL、sはラプラス演算子、xは変位、veは速度推定値

【請求項6】
運動可能な可動子と、
前記可動子の周囲に配され、駆動電圧が印加されて励磁電流が流れるコイルと、
前記可動子の運動方向に押すばねと、
前記駆動電圧を検出する電圧検出部と、
前記励磁電流を検出する電流検出部と、
前記電圧検出部と前記電流検出部の出力信号に基づいて前記可動子の変位を推定する変位推定部と、
前記変位推定部の出力に基づいて、ばね特性を示す推力を発生させる信号を出力する第1の変換部と、
前記第1の変換部の出力信号を増幅する第1のアンプと、
前記変位推定部の出力信号を微分する微分器と、
前記微分器の出力信号に基づいて、減衰力を示す推力を発生させる信号を出力する第2の変換部と、
前記第2の変換部の出力を増幅する第2のアンプと、
前記アンプの出力と基本駆動電圧を加算し合成電圧指令を作る加算器と、
前記電圧指令制御信号に応じて前記駆動電圧を出力する電圧アンプとを有し、
前記第1および第2のアンプのゲインを変更することで
前記コイルに前記駆動電圧が印加されて励磁電流が流れることによって発生する推力と前記可動子の変位を推定する前記変位推定部の出力である変位推定値との比である見かけのばね定数と、前記可動子の質量とから決定される前記可動子の見かけの共振周波数を調節可能としたことを特徴とするリニア振動アクチュエータ。

【請求項7】
前記第1の変換部の出力は(9)式で表され、前記第2の変換部の出力は(10)式で表される請求項6に記載されたリニア振動アクチュエータ。
【数103】


・・・・・(9)
【数104】


・・・・・(10)
ここで、Rはコイルの抵抗(Ω)、LはコイルのインダクタンスL、sはラプラス演算子、xeは(6)式で表される変位推定値、veは速度推定値
【数105】


・・・・・(6)
ここでKeは速度起電力定数(Vs/m)、Rはコイルの抵抗(Ω)、LはコイルのインダクタンスL、sはラプラス演算子、Iは前記電流検出部で検出した検出電流、Vは前記電圧検出部が検出した検出電圧

【請求項8】
運動可能な可動子と、
前記可動子の周囲に配され、励磁電流が流されるコイルと、
前記可動子の運動方向に押すばねと、
基本駆動電流に基づいて、変位計算値を出力する変位計算部と、
前記変位計算部の出力信号を増幅する第1のアンプと、
前記変位計算部の出力信号を微分した信号を増幅する第2のアンプとを有し、
前記アンプの出力と前記基本駆動電流を加算して合成電流指令を作る加算器と、
前記合成電流指令に応じて前記励磁電流を出力する電流アンプとを有し、
前記第1および第2のアンプのゲインを変更することで
前記コイルに前記励磁電流が流されることによって発生する推力と前記可動子の前記変位計算値との比である見かけのばね定数と、前記可動子の質量とから決定される前記可動子の見かけの共振周波数を調節可能としたことを特徴とするリニア振動アクチュエータ。

【請求項9】
前記変位計算部は(11)式によって計算した変位計算値を出力する請求項8に記載されたリニア振動アクチュエータ。
【数106】


・・・・・(11)
ここで、Kfは推力定数(N/A)、Kiは電流アンプのゲイン、mは可動子の質量(kg)、sはラプラス演算子、Cは定数、K1は第1のアンプのゲイン、K2は第2のアンプのゲイン、Icは電流指令

【請求項10】
運動可能な可動子と、
前記可動子の周囲に配され、駆動電圧が印加されて励磁電流が流れるコイルと、
前記可動子の運動方向に押すばねと、
基本駆動電圧に基づいて、変位計算値を出力する変位計算部と、
前記変位計算部の出力に基づいて、ばね特性を示す推力を発生させる信号を出力する第1の変換部と、
前記第1の変換部の出力信号を増幅する第1のアンプと、
前記変位計算部の出力信号を微分した信号にする微分器と、
前記微分器の出力信号に基づいて、減衰力を示す推力を発生させる信号を出力する第2の変換部と、
前記第2の変換部の出力を増幅する第2のアンプと、
前記第1と第2のアンプのうち少なくとも1方のアンプを有し、
前記アンプの出力と前記基本駆動電圧を加算し合成電圧指令を作る加算器と、
前記合成電圧指令に応じて前記駆動電圧を出力するインバータ(電圧アンプ)とを有し、
前記第1および第2のアンプのゲインを変更することで
前記コイルに前記駆動電圧が印加されて励磁電流が流れることによって発生する推力と前記可動子の前記変位計算値との比である見かけのばね定数と、前記可動子の質量とから決定される前記可動子の見かけの共振周波数を調節可能としたことを特徴とするリニア振動アクチュエータ。

【請求項11】
前記変位計算部の出力は(12)式によって計算され、前記第1の変換部と前記第2の変換部の出力はそれぞれ(13)式、と(14)式によって計算される請求項10に記載されたリニア振動アクチュエータ。
【数107】


・・・・・(12)


・・・・・(13)


・・・・・(14)
ここで、Kfは推力定数(N/A)、Kiは電流アンプ27のゲイン、mは可動子の質量(kg)、sはラプラス演算子、Cは定数、K1はRfアンプのゲイン、K2はRdアンプのゲイン、Lはインダクタンス(H)、Rは抵抗(Ω)、Vcは電圧指令、Rはコイルの抵抗(Ω)、LはコイルのインダクタンスL、sはラプラス演算子、xcは変位計算値、veは速度推定値である。

【請求項12】
運動可能な可動子と、
前記可動子の周囲に配され、励磁電流が流されるコイルと、
前記可動子の運動方向に押すばねと、
前記可動子の変位および速度データが格納されたデータテーブルと、
前記データテーブルからの出力である前記変位データを増幅する第1のアンプと、
前記データテーブルからの出力である前記速度データを増幅する第2のアンプを有し、
前記アンプの出力と基本駆動電流を加算して合成電流指令を作る加算器と、
前記合成電流指令に応じて前記励磁電流を出力する電流アンプとを有し、
前記第1および第2のアンプのゲインを変更することで
前記コイルに前記励磁電流が流されることによって発生する推力と前記可動子の前記変位データとの比である見かけのばね定数と、前記可動子の質量とから決定される前記可動子の見かけの共振周波数を調節可能としたことを特徴とするリニア振動アクチュエータ。

【請求項13】
運動可能な可動子と、
前記可動子の周囲に配され、駆動電圧が印加されて励磁電流が流れるコイルと、
前記可動子の運動方向に押すばねと、
前記可動子に、ばね特性および減衰力を示す推力を発生させる信号が格納されたデータテーブルと、
前記データテーブルからの出力である、前記ばね特性を示す推力を発生させる信号を増幅する第1のアンプと、
前記データテーブルからの出力である、前記減衰力を示す推力を発生させる信号を増幅する第2のアンプとを有し、
前記アンプの出力と基本駆動電圧を加算して合成電圧指令を作る加算器と、
前記合成電圧指令に応じて前記駆動電圧を出力する電圧アンプとを有し、
前記第1および第2のアンプのゲインを変更することで
前記コイルに前記駆動電圧が印加されて励磁電流が流れることによって発生する推力と前記可動子の変位との比である見かけのばね定数と、前記可動子の質量とから決定される前記可動子の見かけの共振周波数を調節可能としたことを特徴とするリニア振動アクチュエータ。

【請求項14】
シャフトと、
前記シャフトに固定され、磁力を有する可動子と、
前記可動子の周囲に配され、励磁電流が流されるコイルと、
前記シャフトの運動方向に押すばねと、
前記シャフトの変位量を検知する変位センサと、
前記変位センサからの信号に基づいて前記励磁電流を出力する制御装置と
前記シャフトに接続されたピストンと、
前記ストンが可動するシリンダを有し、
前記シリンダには、吐出バルブと吸入バルブとを有し、
前記制御装置は、
前記変位センサからの信号を増幅する第1のアンプと、
前記変位センサからの信号を微分した信号を増幅する第2のアンプとを有し、
前記アンプの出力と基本駆動電流を加算して合成電流指令を作る加算器と、
前記合成電流指令に基づいて前記励磁電流を出力する電流アンプを有し、
前記第1および第2のアンプのゲインを変更することで
前記コイルに前記励磁電流が流されることによって発生する推力と前記シャフトの前記変位量との比である見かけのばね定数と、前記可動子の質量とから決定される前記可動子の見かけの共振周波数を調節可能としたことを特徴とするリニアコンプレッサー。

【請求項15】
シャフトと、
前記シャフトに固定され、磁力を有する可動子と、
前記可動子の周囲に配され、励磁電流が流されるコイルと、
前記可動子の周囲に配された発電コイルと、
前記発電コイルに接続されたバッテリーと、
前記シャフトの運動方向に押すばねと、
前記シャフトの変位量を検知する変位センサと、
外部から与えられた振動の加速度と周波数を検出する加速度センサと、
前記変位センサと前記加速度センサから信号に基づいて前記励磁電流を出力する制御装置とを有し、
前記制御装置は、
前記変位センサからの信号と前記加速度センサからの信号に基づきゲインを決めるゲイン決定手段と
前記変位センサからの信号を前記ゲインに基づき増幅した電流指令を出力するアンプと、を有し、
前記アンプの前記ゲインを変更することで、前記コイルに前記励磁電流が流されることによって発生する推力と前記シャフトの前記変位量との比である見かけのばね定数と、前記可動子の質量とから決定される前記可動子の見かけの共振周波数を調節可能としたことを特徴とするリニア振動発電機。
国際特許分類(IPC)
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