JP2006077898A

JP2006077898A - 磁歪制御装置

Info

Publication number: JP2006077898A
Application number: JP2004263214A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Ezawa; 光晴江澤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】磁歪材料の磁気歪み量を高精度で制御する。
【解決手段】磁歪アクチュエータＥ₁の可動ヨーク１８の変位を変位検出器２０によって検出し、位置制御コントローラ８にフィードバックすることで電流指令１を変化させ、オフセットを防ぐ位置制御系と、電流検出器５の検出値をフィードバックさせる電流制御系と、サーチコイル１７によって磁束変化を検出して磁束補正し、位相遅れを防ぐ磁束制御系を設けることで、変位指令どおりに高速応答する磁歪アクチュエータを実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁歪材料を利用したアクチュエータにおける、位置、電流、磁束、温度等をフィードバックして磁歪材料の磁気歪み量をコントロールし、変位指令どおりに高精度で高速応答する磁歪アクチュエータを実現するための磁歪制御装置に関するものである。

磁歪材料の周りに巻かれたコイルに流れるコイル電流によって、磁歪材料内に磁界が発生し、ジュール効果により磁歪材料は磁気歪みを起こす。しかし、磁歪材料には、コイル電流と磁気歪み量の間には非線形性が非常に大きく、磁歪材料内の磁束密度と磁歪材料の磁気歪み量の間にはほぼ線形であるという特徴がある。そのため、磁歪材料を利用したアクチュエータにおいては、磁歪材料内の磁束を制御することが有効である。

図４は、一従来例による電磁クラッチの締結力を制御する電磁クラッチ制御装置を示す。これは、電磁クラッチＣＬ、ＣＲの締結力を制御するという目的で磁束を制御するために以下の手段を用いている。

目標締結力に基づいて電磁クラッチＣＬ、ＣＲに発生させるべき目標磁束密度を算出する目標磁束密度算出手段Ｍ３と、目標磁束密度に基づいて電磁クラッチＣＬ、ＣＲに供給する目標励磁電流を算出する目標励磁電流算出手段Ｍ４と、電磁クラッチＣＬ、ＣＲに流れる実励磁電流Ｉ_aを検出し、フィードバック制御により実励磁電流を目標励磁電流に一致させる電流フィードバック制御手段Ｍ５と、目標磁束密度に制御系の遅れ要素を加味した遅れ目標磁束密度を算出する遅れ要素手段Ｍ７と、遅れ目標磁束密度を時間微分して遅れ目標磁束密度変化率を算出する微分手段Ｍ８と、電磁クラッチＣＬ、ＣＲの実磁束密度変化率を算出する実磁束密度変化率算出手段Ｍ９と、電磁クラッチの遅れ目標磁束密度変化率および実磁束密度変化率の偏差を算出する偏差算出手段Ｍ１０とを備え、前記目標励磁電流算出手段Ｍ４は目標励磁電流を前記偏差に基づいて補正する（特許文献１参照）。

上記構成によれば、電磁クラッチの目標磁束密度に制御系の遅れ要素を加味した遅れ目標磁束密度を算出し、この遅れ目標磁束密度を時間微分した遅れ目標磁束密度変化率を電磁クラッチの実磁束密度変化率と比較して両者の偏差を算出し、励磁コイルを励磁した瞬間にアマチュアのエアギャップが広がっていること等の外乱要素に起因して発生する目標励磁電流の誤差を前記偏差に基づいて補償するので、電磁クラッチの締結時における応答性の低下を効果的に防止することができる。
特開２００２−３９２３１号公報

しかしながら、上記従来の技術は電磁クラッチの締結力を制御するものであり、高精度かつ高速な応答を要求される磁歪アクチュエータの位置制御を実現するためには、前述の磁束制御だけでは不十分である。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、位相遅れを防ぎ、低周波ノイズやオフセット成分も抑制して、磁歪アクチュエータの高精度かつ高速応答な位置制御を可能にする磁歪制御装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の磁歪制御装置は、磁歪アクチュエータの励磁コイルの電流制御によって磁歪材料の磁気歪み量を制御する磁歪制御装置であって、前記磁歪材料の歪み量を検出するための変位検出器を備え、検出した歪み量をフィードバックし、位置指令に応じた電流指令を出力する位置制御系と、前記励磁コイルに流れるコイル電流を検出する電流検出器を備え、検出した電流値をフィードバックし、前記電流指令に応じた励磁コイル電圧を出力する電流制御系と、前記電流指令を微分する微分器と、前記磁歪材料内の磁束の時間変化をサーチコイルによって検出する磁束変化検出器を備え、前記電流指令の微分値と検出した磁束の時間変化の差を前記コイル電流の補正量として、前記電流制御系の出力に加算することで、前記磁歪材料内の磁束密度を補正する磁束制御系と、を有することを特徴とする。

磁歪材料内の磁束変化を検出するサーチコイルを用いた磁束制御によって、磁歪アクチュエータの応答性を向上させる。加えて、磁歪アクチュエータの変位を直接検出し、位置フィードバック制御を行うことで、オフセット成分を抑制する。さらに、磁歪材料の温度を測定し、温度による磁気歪み量の変化を補正し、低周波ノイズを除去する温度制御系を加えることで、高精度かつ高速応答の位置決めを可能とする磁歪アクチュエータを実現することができる。

図１に示すように、電流検出器５によって検出した電流値をフィードバックし、電流指令１に応じた励磁コイル電圧を出力する電流制御系と、前記電流指令１を微分する微分器９と、磁歪材料１４内の磁束の時間変化に応じて発生するサーチコイル１７の誘起電圧を検出する磁束変化検出器１０を備え、電流指令１の微分値と検出した磁束の時間変化の差を補正量として、前記電流制御系の励磁コイル電圧出力に加算することで、コイル電流と磁歪材料１４内の磁束の時間的変化の差を低減する磁束制御系と、磁歪材料１４の磁気歪み量を直接変位検出器２０によって検出して、位置指令に応じた電流指令１を発生する位置制御コントローラ８へフィードバックする位置制御系を設ける。

さらに、磁歪材料の温度を検出する温度検出器の検出値をフィードバックすることで、温度によって変化する磁気歪み量を補正する温度制御系を付加してもよい。

図１は実施例１を示すもので、電流指令１は、電流制御用増幅器２と、磁束制御用増幅器３と、パワーオペアンプ４と、電流検出器５とを有する回路を経て、磁歪アクチュエータＥ₁を駆動するコイル電流６を出力し、駆動された磁歪アクチュエータＥ₁からはサーチコイル出力信号７が出力される。また、位置指令に応じて電流指令１を出力する位置制御コントローラ８に接続された微分器９と、サーチコイル出力信号７を入力させる磁束変化検出器１０と、減算器１１、１２と、加算器１３とが設けられる。

磁歪アクチュエータＥ₁は、磁歪材料１４と、永久磁石１５と、励磁コイル１６と、サーチコイル出力信号７を出力するサーチコイル１７と、可動ヨーク１８によって構成されている。

可動ヨーク１８の変位は、変位検出器２０によって検出され、変位検出信号２１として位置制御コントローラ８にフィードバックされる。電流制御用増幅器２と、パワーオペアンプ４と、電流検出器５と、電流フィードバック信号と電流指令値との差を演算する減算器１２とは、一般的な電流制御器を構成するもので、励磁コイル１６にコイル電流６を流すと、磁歪材料１４に磁界が発生し、磁束が流れる。励磁コイル１６によって発生した磁束はサーチコイル１７よって検出され、磁束変化検出器１０から磁束の時間変化が出力される。

電流指令１を微分器９で微分し、減算器１１で磁束変化検出器１０の出力との差を計算する。そして、磁束制御用増幅器３で適当なゲインを乗算することで、磁束制御用増幅器３の出力は磁束補正信号となる。そして、磁束補正信号を電流制御用増幅器２に加算器１３で加算し、パワーオペアンプ４へ出力する。磁束補正信号を電流制御用増幅器２に加算し電流値を補正することで、磁歪材料１４内の磁束密度を指令どおりに制御することができる。

磁歪材料１４内の磁束が変化することで、磁歪材料１４はジュール効果による磁気歪みを起こす。磁気歪み量は可動ヨーク１８を介して変位検出器２０によって検出され、その検出値は変位検出信号２１として位置制御コントローラ８にフィードバックされ、位置指令に応じた電流指令１が出力される。

図２の（ａ）は、電流制御器による位置制御特性を示す。一般的に磁歪アクチュエータの駆動には、磁束制御を行わず、電流制御器を使用し、位置制御コントローラで制御する。そのため、コイル電流の電流値と磁歪材料に発生する磁束に位相差が発生する。このグラフでは、５００Ｈｚの目標値Ｉ₀に対して追従特性Ｉ₁の位相は非常に遅れ、磁歪アクチュエータの変位は目標値Ｉ₀に追従制御できていないことがわかる。

図２の（ｂ）は、磁束制御を用いたときの位置制御特性を示す。これは、従来例による電磁クラッチ制御装置において磁束制御を行ったときと同様の位置制御特性であり、追従特性Ｉ₂の低周波ノイズやオフセット成分を制御できない。力制御を目的とした従来例と異なり、位置制御を目的とした磁歪アクチュエータの制御には不十分であることがわかる。

図２の（ｃ）は、本実施例による位置制御特性を示す。ＤＳＰ等の位置制御コントローラ８で位置フィードバック制御を行い、さらに、サーチコイル１７を用いて磁歪材料の磁気歪み量のマイナーフィードバック制御を行うことで、５００Ｈｚの目標値Ｉ₀に対して、追従特性Ｉ₃は位相遅れがなく、ノイズやオフセット成分も制御でき、変位指令どおりに高精度かつ高速応答する磁歪アクチュエータを実現できることがわかる。

図３は実施例２を示すもので、これは、磁歪アクチュエータＥ₂の磁歪材料１４の温度を検出する温度検出部３０を設けて、温度検出器３１による温度検出信号３２を、変位検出信号２１と同様に位置制御コントローラ８にフィードバックする温度制御系を付加したものである。

磁歪アクチュエータＥ₂を長時間駆動することによって、磁歪材料１４、励磁コイル１６および磁歪アクチュエータＥ₂の摩擦部から熱が発生する。磁歪アクチュエータＥ₂の変位における温度特性のテーブルをあらかじめ位置制御コントローラ８にもっておき、温度検出器３１で検出した温度によって、電流指令１の大きさを制御する。これによって、超低周波のドリフト成分が制御でき、さらなる高精度かつ高速応答な位置制御が期待できる。

実施例１の構成を示す図である。電流制御器による位置制御特性と、磁束制御による位置制御特性と、実施例１による位置制御特性を比較して示すグラフである。実施例２の構成を示す図である。一従来例による電磁クラッチ制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

１電流指令
２電流制御用増幅器
３磁束制御用増幅器
４パワーオペアンプ
５電流検出器
６コイル電流
８位置制御コントローラ
９微分器
１０磁束変化検出器
１１、１２減算器
１３加算器
１４磁歪材料
１５永久磁石
１６励磁コイル
１７サーチコイル
１８可動ヨーク
２０変位検出器
３０温度検出部
３１温度検出器

Claims

磁歪アクチュエータの励磁コイルの電流制御によって磁歪材料の磁気歪み量を制御する磁歪制御装置であって、
前記磁歪材料の歪み量を検出するための変位検出器を備え、検出した歪み量をフィードバックし、位置指令に応じた電流指令を出力する位置制御系と、
前記励磁コイルに流れるコイル電流を検出する電流検出器を備え、検出した電流値をフィードバックし、前記電流指令に応じた励磁コイル電圧を出力する電流制御系と、
前記電流指令を微分する微分器と、前記磁歪材料内の磁束の時間変化をサーチコイルによって検出する磁束変化検出器を備え、前記電流指令の微分値と検出した磁束の時間変化の差を前記コイル電流の補正量として、前記電流制御系の出力に加算することで、前記磁歪材料内の磁束密度を補正する磁束制御系と、を有することを特徴とする磁歪制御装置。
磁歪材料の温度を検出する温度検出手段を備え、検出した温度を位置制御系にフィードバックすることで、温度によって変化する磁気歪み量を補正する温度制御系を加えたことを特徴とする請求項１記載の磁歪制御装置。